JP6112828B2 - 燃料電池スタック用マニホールドブロック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタック用マニホールドブロックに係り、より詳しくは、一体に形成され、内部の冷却水流路において優れた電気絶縁性を有する燃料電池スタック用マニホールドブロックに関する。

燃料電池は、燃料が持っている化学エネルギーを、燃焼により熱エネルギーに変換させるのではなく、スタック内における電気化学的な反応により電気エネルギーに変換させる発電装置である。
車両を駆動させる電力供給源となる燃料電池として、高電力密度を有する高分子電解質膜燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）に対する研究が最も盛んである。

高分子電解質膜燃料電池は、水素イオンが移動する固体高分子電解質膜を中心に、膜の両側に電気化学反応が起こる触媒電極層が設けられた膜電極接合体と、反応気体を均一に分布させ、発生した電気エネルギーを伝達する気体拡散層と、反応気体及び冷却水を反応流路に沿って移動させる分離板と、反応気体と冷却水との気密性及び適正な締結圧を維持するためのガスケットと、それらを結合する締結機構と、を含んで構成される。

また、燃料電池スタックには、反応前後の気体と冷却水とを燃料電池に流出及び流入させる一種の流路部材として、スタックの入口端の流路と出口端の流路とを形成するマニホールドブロックが組み立てられる。

マニホールドブロックは、気体と冷却水を通過させる長い複雑な内部流路を有する。
燃料電池車両に複数のスタックモジュールが搭載される場合、スタックモジュールの外側に設けられたマニホールドブロックは、各スタックモジュールに対して反応気体（空気及び水素）と冷却水とを供給する役割をする。
このようなマニホールドブロックを製造する従来の方法として、アルミニウム鋳造工法によりブロックを成形した後、冷却水流路に絶縁コーティングして製造する方法がある。

図１は、従来のマニホールドブロックがスタックモジュールに結合した状態を示す図であって、冷却水流路に沿って切断した断面図である。
図１に示すように、スタックモジュール３０の最外郭にエンドプレート３１が組み立てられ、エンドプレート３１の外側にはガスケット３２を介在した状態のマニホールドブロック１０が設けられる。

マニホールドブロック１０の一側には冷却水が流入されるインターフェース部１４が結合され、インターフェース部１４を介して流入された冷却水がマニホールドブロック内の冷却水流路１１を通過した後、スタックモジュール３０に供給され、スタックモジュール３０から出た冷却水がインターフェース部を介して外部に排出される。
このようなインターフェース部１４は、絶縁材質のプラスチックを素材として製作されてもよい。

図１では、スタックモジュール３０から出た冷却水を外部に排出するための冷却水流路及びこれに対応する冷却水排出用インターフェース部は省略した。
図１に示すマニホールドブロック１０で、冷却水流路１１は所定角度で折曲した直線状であり、その内部には常に冷却水が満たされている。

このようにマニホールドブロック１０の冷却水流路１１に冷却水が満たされた状態では、スタックモジュール３０で発生した高電圧電気が冷却水を経てアルミニウム材質のマニホールドブロックを介して外部（例えば、車両のサッシ）に漏電されることがあり、この時、漏電される電気は、使用者や作業者に電気的なショックを与える。

したがって、漏洩電流を防ぐために、マニホールドブロック１０の冷却水流路１１全体に、例えば、セラミックコーティング、エポキシコーティング、テフロン（登録商標）コーティングなどの絶縁コーティングを施す。

図１に示したマニホールドブロック１０は、構成が簡単で、十分な大きさの冷却水流路の確保が可能であり、差圧を低減できるという特徴があるが、絶縁コーティングをする時、工程の作業環境に応じてコーティングの品質にばらつきが生じ、コーティング材の固まりによって表面の平滑度が悪くなることがあるという問題点を有する。
また、製造初期には絶縁性が維持されるが、時間が経つにつれてコーティングが劣化して絶縁性が徐々に低下し、絶縁コーティングが破壊された後には電気的な腐食が発生するという問題点がある。

図２は、図１のマニホールドブロックを改良した従来技術のマニホールドブロックがスタックモジュールに結合した状態を示す図であって、冷却水流路に沿って切断した断面図である。
図２に示すように、このような問題点を改善するための、冷却水流路に別途の絶縁部材を装着したマニホールドブロック１０が開示されている。
図２に示した従来のマニホールドブロック１０は、絶縁シーリングのために冷却水流路１１に流路形状と同じ形態の絶縁部材２１を組み入れ、絶縁部材２１を固定、保護するための２分割されているプラスチック絶縁カバー２３を流路の両側に挿入して冷却水流路の絶縁することによって、既存のマニホールドブロックに実施してきた絶縁コーティング工程を省略した（例えば特許文献１を参照）。

しかし、図２に示す従来のマニホールドブロック１０は、絶縁部材２１及び絶縁カバー２３などの付加的な部品が増加して開発費及び材料費が上昇し、更に流路内側の絶縁カバーが破損された場合、冷却水流路が閉塞される可能性があり、また、２分割されている絶縁カバーの継ぎ手部分が冷却水の流動に悪影響を及ぼすという問題がある。

特開２００６−１２６６９号公報

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであって、冷却水流路を絶縁すると共に、複雑なレイアウトを有する反応気体流路を容易に形成でき、スタックモジュールを支持するための剛性を確保し、また構造が簡単でかつコンパクトに構成され、製造が容易なマニホールドブロックを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の燃料電池スタック用マニホールドブロックは、絶縁性能に優れた高分子絶縁素材を用いて成形され、冷却水流路を有する冷却水インターフェースと、成形性に優れた金属素材を用いて成形され、反応気体流路を有する反応気体インターフェースとを含んで構成され、冷却水インターフェースと、反応気体インターフェースと、がスタックモジュールに装着されると共に相互に接合されて一体化されたことを特徴とする。

前記冷却水インターフェースは、スタックモジュールに冷却水を供給する冷却水流入部と、スタックモジュールから冷却水を排出する冷却水排出部と、を含んで構成され、冷却水流入部及び冷却水排出部は、各流路の末端にスタックモジュールの相対面に接合される板状のフランジを有することを特徴とする。

前記冷却水インターフェースのフランジには、スタックモジュールとの間にモジュールガスケットを装着するためのガスケット装着溝が形成されたことを特徴とする。
前記冷却水インターフェースのフランジには、反応気体インターフェースの反応気体流路に連結されて流路の役割をする流路孔が形成されたことを特徴とする。

前記反応気体インターフェースは、反応気体流路の末端に冷却水インターフェースのフランジに接合する板状のフランジを有することを特徴とする。
前記反応気体インターフェースのフランジには、冷却水インターフェースのフランジとの間にインターフェースガスケットを装着するためのガスケット装着溝が形成されたことを特徴とする。
前記反応気体インターフェースのフランジには、冷却水インターフェース１１０の流路形状部を挿入可能な開口部が形成されることを特徴とする。

前記冷却水インターフェースのフランジ及び反応気体インターフェースのフランジは、相互いに接合した状態でスタックモジュールに装着されるための複数のボルト孔を有することを特徴とする。
前記冷却水インターフェースは、予め成形された反応気体インターフェースをインサートとして用いたインサート射出成形により、反応気体インターフェースと一体に形成されることを特徴とする。

本発明のマニホールドブロックは、冷却水流路の絶縁性を満足し、維持すると共にスタックモジュールを支持するための剛性を確保し、また、複雑なレイアウトを有する反応気体流路を容易に形成できるため、流路内の差圧の低減を実現して燃料電池スタックの性能を向上させることができる。

また、本発明によるマニホールドブロックは、従来技術の冷却水流路に別途の絶縁部材を構成する方法に比べて、冷却水流路の絶縁を確保するための構造を簡単に、かつコンパクトに構成できるため、燃料電池スタックの出力密度を上昇させることができる。
更に、冷却水インターフェースと反応気体インターフェースとはインサート射出工法を適用することにより、スタックモジュール２００に装着される前に、一体型に構成することができる。

従来のマニホールドブロックがスタックモジュールに結合した状態を示す図であって、冷却水流路に沿って切断した断面図である。 図１のマニホールドブロックを改良した従来技術のマニホールドブロックがスタックモジュールに結合した状態を示す図であって、冷却水流路に沿って切断した断面図である。 本発明の実施例によるマニホールドブロックを示す分解斜視図である。 本発明の実施例によるマニホールドブロックの冷却水インターフェースを示す図面である。 本発明の実施例によるマニホールドブロックの反応気体インターフェースを示す図面である。 本発明の実施例によるマニホールドブロックを示す結合斜視図である。 本発明の実施例によるマニホールドブロックがスタックモジュールに結合された状態を示す断面図である。

本発明のマニホールドブロックは、燃料電池スタックの外側に設けられ、反応気体である空気及び水素と、冷却水と、を燃料電池スタックに供給及び排出する部材であって、内部に冷却水流路及び反応気体流路を備え、流入された冷却水と反応気体とを各流路を介してスタックモジュールに供給し、外部に排出する。

このようなマニホールドブロックにおいては、冷却水流路を形成する部分の素材が例えばアルミニウムのような金属であり、冷却水流路が絶縁されていない場合には、スタックモジュールで生成された高電圧電気が冷却水を通して外部に漏電し、これによって運転者や作業者に感電被害を与える危険がある。従って、マニホールドブロックの冷却水流路は電気的な絶縁が必要である。
本発明では絶縁素材を用いて冷却水流路を形成する。

一方、マニホールドブロックの反応気体流路は、流路内の差圧を低減して反応気体をそれぞれのスタックモジュールに均等に供給する部材であり、非常に複雑に構成されているため、全マニホールドブロックを単一構造物として射出成型することが不可能である。

従って本発明では、冷却水流路の絶縁を確保するために射出工法を用いて高分子絶縁材質の冷却水インターフェースを製作し、複雑な構造を有する反応気体流路の成形性を確保して容易に製作するために鋳造工法を用いて金属材質の反応気体インターフェースを製作した後、冷却水インターフェースと反応気体インターフェースとを接合し一体に構成してマニホールドブロックを形成する方法を開示する。

上述したように、本発明によりそれぞれ異なる成形工法で製作された冷却水インターフェース及び反応気体インターフェースは、スタックモジュールに装着されると共に互いに接合されて一体化されるが、このように各インターフェースをスタックモジュールに一体型に装着することにより、各インターフェースが占める空間を最小化して燃料電池スタックをコンパクトに製作することができる。

このような本発明のマニホールドブロックは、従来技術の冷却水流路を絶縁コーティングする方法や冷却水流路に別途の絶縁部材を使用する方法と同様に、スタックモジュールを支持する剛性を確保し、複雑な反応気体流路を形成することができると同時に、従来技術に比べてより簡単な方法で冷却水流路の絶縁性能を満足、維持することができる。

冷却水流路インターフェースと反応気体流路インターフェースとを別途に構成する場合は、スタックモジュールへの装着は可能であるが、それぞれのインターフェースを装着するために大きな空間が必要になって燃料電池スタックの大きさが増加して車両への搭載が難しくなる。

以下に、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
図３は本発明の実施例によるマニホールドブロックを示す分解斜視図である。
図３に示すように、本発明の燃料電池スタック用マニホールドブロック１００は、絶縁性能に優れた高分子絶縁素材を用いて冷却水流路１２２、１２３を有するように射出成形された冷却水インターフェース１１０と、成形性に優れた金属素材を用いて反応気体流路１３７、１３８を有するように鋳造成形された反応気体インターフェース１３０と、を含んで構成され、冷却水インターフェース１１０と反応気体インターフェース１３０とがスタックモジュール２００（図示しない）に装着されると共に、相互に接合された形態に固定されて一体化される。

図４は、本発明の実施例によるマニホールドブロックの冷却水インターフェースを示す図面である。
図３及び図４に示すように、冷却水インターフェース１１０は、スタックモジュール２００に冷却水を供給するための冷却水流入部１１１と、スタックモジュール２００をから冷却水を排出するための冷却水排出部１１２と、を含んで構成される。
冷却水流入部１１１及び冷却水排出部１１２は、スタックモジュール２００との装着及び反応気体インターフェース１３０との接合のために、各冷却水流路１２２、１２３の末端にスタックモジュール２００の相対面と対応するフランジ１１３、１１４を有する。

フランジ１１３、１１４は、冷却水流入部１１１及び冷却水排出部１１２の一端から、冷却水流路の外側方向に延伸されて板状に形成され、冷却水インターフェース１１０がスタックモジュール２００に装着される時、スタックモジュール２００の相対面に接合されると共に反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２に接合されてマニホールドブロック１００と一体に構成される。

そして、フランジ１１３、１１４には、冷却水インターフェース１１０をスタックモジュール２００に装着する時、スタックモジュール２００との間にモジュールガスケット１１９（図７を参照）を装着するためのガスケット装着溝１１５、１１６が形成される。

冷却水インターフェース１１０をスタックモジュール２００に装着する時、ガスケット装着溝１１５、１１６を利用して、冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４とスタックモジュール２００の相対面との間にシーリングのためのモジュールガスケット１１９を挿着して気密を維持する。

また、フランジ１１３、１１４には、反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２と接合された時に、冷却水流路１２２、１２３の両側に反応気体流路１３７、１３８に連通される流路孔１１７、１１８が形成される。

流路孔１１７、１１８は反応気体流路１３７、１３８（図６を参照）に連通され、スタックモジュール２００に供給される反応気体またはスタックモジュールから排出される反応気体の流路の役割をする。
また、冷却水流入部１１１と排出部１１２とは、それぞれ冷却水流路１２２、１２３を形成するための流路形状部１２０、１２１を有する。

図４に示すように、流路形状部１２０、１２１は、フランジ１１３、１１４の中央部に一体に形成され、流路形状部１２０、１２１それぞれの両側に流路孔１１７、１１８が配置される。冷却水流入部１１１の流路形状部１２０は、フランジ１１３と直角をなす『ｌ』字状のパイプタイプに形成され、冷却水排出部１１２の流路形状部１２１は、略『Ｌ』字状に折曲され一端部がフランジ１１４と直角をなすパイプタイプに形成される。

即ち、冷却水インターフェース１１０を構成する冷却水流入部１１１と冷却水排出部１１２とは、冷却水流路１２２、１２３を形成するパイプタイプの流路形状部１２０、１２１と、この流路形状部１２０、１２１の一端から冷却水流路１２２、１２３の外側方向に延伸されて板状に形成されたフランジ１１３、１１４と、からなる。

図５は、本発明の実施例によるマニホールドブロックの反応気体インターフェースを示す図面である。
図５に示すように、反応気体インターフェース１３０は、複雑に形成された反応気体流路１３７、１３８を有し、反応気体流路１３７、１３８の末端に冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４に対応するフランジ１３１、１３２を有する。フランジ１３１、１３２は、反応気体流路１３７、１３８の一端から外側方向に延伸されて板状に形成される。

図６は、本発明の実施例によるマニホールドブロックを示す結合斜視図である。
図６に示すように、反応気体インターフェース１３０がスタックモジュール２００に装着される時、反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２は、スタックモジュール２００との間に介在する冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４に接合されてマニホールドブロック１００と一体型に構成される。

図７は、本発明の実施例によるマニホールドブロックがスタックモジュールに結合された状態を示す断面図である。
図７に示すように、反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２には、冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４との間に、インターフェースガスケット１３９を装着するためのガスケット装着溝１３３、１３４が形成される。

反応気体インターフェース１３０をスタックモジュール２００に装着する時、冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４との間に、シーリングのためのインターフェースガスケット１３９を挿入して気密を維持する。
また、反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２には、冷却水インターフェース１１０の流路形状部１２０、１２１が貫通可能な開口部１３５、１３６が形成される。

開口部１３５、１３６は、反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２の両側に離隔されて設けられている反応気体流路１３７、１３８の間に形成され、フランジ１３１、１３２と、冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４と、が接合される時、フランジ１３１、１３２と流路形状部１２０、１２１との干渉を除去する。

冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４及び反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２には、互いに接合された状態でスタックモジュール２００に装着されるためのボルト孔１２４、１４０が設けられる。
具体的には、冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４及び反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２には、スタックモジュール２００と結合するための複数のボルト孔１２４、１４０が形成され、冷却水インターフェース１１０及び反応気体インターフェース１３０は、スタックモジュール２００に結合される時、ボルト孔１２４、１４０を貫通してスタックモジュール２００に螺止される締結ボルトによりスタックモジュール２００の相対面に固定される。

この時、締結ボルトの締結力により、冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４はスタックモジュール２００の相対面に接合され、反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２は冷却水インターフェースのフランジ１１３、１１４に接合される。更に、スタックモジュール２００と冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４との間のモジュールガスケット１１９と、冷却水インターフェース１１０のフランジ１１３、１１４と反応気体インターフェース１３０のフランジ１３１、１３２との間のインターフェースガスケット１３９と、が押圧されることにより気密が維持される。

即ち、冷却水インターフェース１１０及び反応気体インターフェース１３０は、別途の締結工程を行わず、スタックモジュール２００に装着される時に一体に接合され、これによって、マニホールドブロック１００が一体化される。

一方、冷却水インターフェース１１０と反応気体インターフェース１３０とはインサート射出工法を適用することにより、スタックモジュール２００に装着される前に、一体型に構成することができる。

即ち、先ず、反応気体インターフェース１３０を金属材料（例えば、アルミニウム）を用いて鋳造工法により製作する。次いで、冷却水インターフェース１１０を、予め製作されている反応気体インターフェース１３０をインサート金型にインサートして用いたインサート射出成形により反応気体インターフェース１３０と一体に形成される。

以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

１００ マニホールドブロック
１１０ 冷却水インターフェース
１１１ 冷却水流入部
１１２ 冷却水排出部
１１３、１１４ フランジ
１１５、１１６ ガスケット装着溝
１１７、１１８ 流路孔
１１９ モジュールガスケット
１２０、１２１ 流路形状部
１２２、１２３ 冷却水流路
１２４ ボルト孔
１３０ 反応気体インターフェース
１３１、１３２ フランジ
１３３、１３４ ガスケット装着溝
１３５、１３６ 開口部
１３７、１３８ 反応気体流路
１３９ インターフェースガスケット
１４０ ボルト孔
２００ スタックモジュール

Claims (8)

1. 絶縁性能に優れた高分子絶縁素材で成形され、冷却水流路（１２２、１２３）を有する冷却水インターフェース（１１０）と、成形性に優れた金属素材を用いて成形され、反応気体流路（１３７、１３８）を有する反応気体インターフェース（１３０）とを含んで構成され、
   前記冷却水インターフェース（１１０）と、前記反応気体インターフェース（１３０）と、がスタックモジュールに装着されると共に相互に接合状態で一体型となっており、
   前記冷却水インターフェース（１１０）は、前記スタックモジュールに冷却水を供給する冷却水流入部（１１１）と、前記スタックモジュールから冷却水を排出する冷却水排出部（１１２）と、を含んで構成され、前記冷却水流入部（１１１）及び前記冷却水排出部（１１２）は、各流路の末端に前記スタックモジュールの相対面に接合される板状のフランジ（１１３、１１４）を有することを特徴とする燃料電池スタック用マニホールドブロック。
2. 前記冷却水インターフェース（１１０）の前記フランジ（１１３、１１４）には、前記スタックモジュールとの間にモジュールガスケット（１１９）を装着するためのガスケット装着溝（１１５、１１６）が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
3. 前記冷却水インターフェースのフランジ（１１３、１１４）には、前記反応気体インターフェース（１３０）の前記反応気体流路（１３７、１３８）に連結されて流路の役割をする流路孔（１１７、１１８）が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
4. 前記反応気体インターフェース（１３０）は、前記反応気体流路（１３７、１３８）の末端に前記冷却水インターフェースのフランジ（１１３、１１４）に接合する板状のフランジ（１３１、１３２）を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
5. 前記反応気体インターフェース（１３０）の前記フランジ（１３１、１３２）には、前記冷却水インターフェースのフランジ（１１３、１１４）との間にインターフェースガスケット（１３９）を装着するためのガスケット装着溝（１３３、１３４）が形成されたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
6. 前記反応気体インターフェースのフランジ（１３１、１３２）には、前記冷却水インターフェース（１１０）の流路形状部（１２０、１２１）を挿入可能な開口部（１３５、１３６）が形成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
7. 前記冷却水インターフェースのフランジ（１１３、１１４）及び前記反応気体インターフェースのフランジ（１３１、１３２）は、相互に接合した状態で前記スタックモジュールに装着されるための複数のボルト孔（１２４、１４０）を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
8. 前記冷却水インターフェース（１１０）は、前記反応気体インターフェース（１３０）と一体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。

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