JP6926580B2 - マニホールド及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マニホールド及びその製造方法に関する。

自動車等の車両に搭載される燃料電池には、同燃料電池のセルスタックに対し燃料ガス、酸化ガス、及び冷却水といった流体を流すためのマニホールドが取り付けられている。燃料電池は、マニホールドを介してセルスタックに対し給排される燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電を行う一方、マニホールドを介してセルスタックに対し給排される冷却液によって冷却される。

こうしたマニホールドは、セルスタックを囲むよう燃料電池に設けられたケースに取り付けられる金属製のエンドプレートを備えている、このエンドプレートは、上記ケースに接した状態で固定される取付面と、上記流体を流す流路を形成するための孔と、その孔が開口する平面と、を有している。更に、エンドプレートにおける上記平面及び上記孔の内面は樹脂層によって覆われている。

上記ケースに対し上記取付面を接触させてエンドプレートを固定すると、樹脂層における平面を覆う部分がセルスタックのセル積層方向の端部に接触するとともに、セルスタックが上記平面によってセル積層方向に押圧されて同セルスタックの良好なセル積層構造が維持される。また、このときには樹脂層によって内面が覆われた孔によって形成される上記流路がセルスタックに対し接続される。そして、上記流路内の流体とエンドプレートとは樹脂層における孔の内面を覆う部分によって絶縁されるとともに、エンドプレートとセルスタックとは樹脂層における上記平面を覆う部分によって絶縁される。

上記マニホールドを製造する際には、鋳造されたエンドプレートを切削して上記平面を形成し、その後に樹脂層がインサート成形を通じて形成される。エンドプレートにおける上述した平面の形成は、同平面における取付面からの距離が予め定められた最適値となるように高い精度で行われる。これは、エンドプレートの取付面が燃料電池のケースに固定されたとき、上記平面における取付面からの距離が同平面によるセルスタックのセル積層方向への押圧態様に影響を及ぼすためである。

ところで、セルスタックにおいては、高温からの温度低下の際に金属製のエンドプレートの収縮率よりも樹脂層の収縮率の方が大きくなる。このため、上記温度低下に伴い樹脂層における孔の内面を覆う部分では同孔における中心線方向の中央部に向けた収縮が生じる一方、樹脂層におけるエンドプレートの平面を覆う部分では孔における中心線方向の中央部に向う変位が上記平面によってとどめられる。その結果、樹脂層における孔の内面を覆う部分とエンドプレートの平面を覆う部分との境界部分のうち、平面と孔の内面との交差部分に沿った部分では、温度低下の際のエンドプレートと樹脂層との収縮率の違いに伴う応力集中が生じる。

そして、マニホールドにおける温度の昇降が繰り返されることに伴い、樹脂層における孔の内面を覆う部分とエンドプレートの平面を覆う部分との境界部分のうち、平面と孔の内面との交差部分に沿った部分での応力集中が繰り返されると、その部分で樹脂層が割れるおそれがある。こうした問題に対処するため、特許文献１では図５に示すようにエンドプレート５１における孔５２の開口端の内周面５２ａを円弧状に形成することにより、上述したように応力集中が生じることを抑制するようにしている。この場合、例えば二点鎖線Ｌ１で示すように平面が形成されるようエンドプレート５１を切削したとすると、樹脂層における孔５２の内面を覆う部分とエンドプレート５１の平面を覆う部分との境界部分のうち、平面と孔５２の内面（内周面５２ａ）との交差部分に沿った部分でのマニホールドの温度低下に伴って生じる応力集中が抑制される。

特開２０１６−９５９００号公報

しかし、鋳造後のエンドプレート５１を切削して上記平面を形成するに当たり、孔５２の中心線方向における取付面からの距離が最適値となるよう平面を形成すると、そのときの平面の位置がエンドプレート５１の鋳造時の形状のばらつき等に起因して変わる可能性がある。例えば、孔５２の中心線方向における平面の位置が、二点鎖線Ｌ１で示す位置になるとは限らず、それとは異なる位置（例えば二点鎖線Ｌ２で示す位置）になる可能性がある。

そして、孔５２の中心線方向における平面の位置（Ｌ１，Ｌ２等）が変わると、その平面と孔５２における開口端の内周面５２ａとの交差態様も変わる。このため、エンドプレート５１の平面及び孔５２の内面を覆う樹脂層を形成すると、その樹脂層における上記平面を覆う部分と孔５２の内面を覆う部分との境界部分のうち、上記平面と孔５２の内面（内周面５２ａ）との交差部分に沿った部分の形状が、上記平面と上記内周面５２ａとの交差態様に応じて変わる。

従って、マニホールドの温度が低下する際、樹脂層における上記境界部分のうち平面と内周面５２ａとの交差部分に沿った部分における応力集中にばらつきが生じる。そして、上記部分における応力集中が悪化方向にばらつくと、マニホールドにおける温度の昇降の繰り返しに伴い、上記部分で樹脂層が割れるおそれがある。

本発明の目的は、樹脂層における孔の内面を覆う部分とエンドプレートの平面を覆う部分との境界部分のうち、平面と孔の内面との交差部分に沿った部分が割れることを抑制できるマニホールド及びその製造方法を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するマニホールドは、流路を形成するための孔が開口している平面を有するエンドプレートを備えており、そのエンドプレートの前記平面及び前記孔の内面が樹脂層で覆われている。そして、上記平面に対する上記孔の開口端の内周面には、その孔の中心線に対し傾斜する断面直線状の斜面が形成されている。

この構成によれば、鋳造されたエンドプレートを切削して平面を形成した後、その平面及び同平面で開口する孔の内面を覆う樹脂層がインサート成形を通じて形成される。仮に上記平面の位置が孔の中心線方向に変わるとしても、上記内周面（斜面）が孔の中心線に対し傾斜する断面直線状となっているため、上記平面と孔における開口端の内周面（斜面）との交差態様は変わらない。このため、上記樹脂層における上記平面を覆う部分と上記孔の内面を覆う部分との境界部分のうち、平面と孔の内面（斜面）との交差部分に沿った部分の形状は、平面における孔の中心線方向についての位置に関係なく一定となる。従って、マニホールドの温度が低下する際、上記平面における孔の中心線方向についての位置に応じて、樹脂層の上記境界部分のうちの上記平面と上記斜面との交差部分に沿った部分における応力集中にばらつきが生じることを抑制できる。その結果、上記部分における応力集中が悪化方向にばらつくことも抑制できる。このため、マニホールドにおける温度の昇降の繰り返しに伴い、樹脂層における上記部分での応力集中が繰り返されたとき、その部分で樹脂層が割れることを抑制できる。

上記課題を解決するマニホールドの製造方法では、ケースに固定される取付面を有するエンドプレートにおいて流路を形成するための孔の開口端の内周面に、その孔の中心線に対し傾斜する断面直線状の斜面が形成される。そして、エンドプレートにおける上記孔の開口端側の部分を同孔の中心線と直交する方向に切削して平面が形成され、その平面及び上記孔の内面を覆うように樹脂層が形成される。

上記方法によれば、エンドプレートを切削して上記平面を形成するに当たり、孔の中心線方向における取付面からの距離が最適値となるよう平面を形成すると、そのときの平面の位置がエンドプレートの形状のばらつき等に起因して変わるおそれがある。仮に上記平面の位置が孔の中心線方向に変わるとしても、上記内周面（斜面）が孔の中心線に対し傾斜する断面直線状となっているため、上記平面と孔における開口端の内周面（斜面）との交差態様は変わらない。このため、上記樹脂層における上記平面を覆う部分と上記孔の内面を覆う部分との境界部分のうち、平面と孔の内面（斜面）との交差部分に沿った部分の形状は、平面における孔の中心線方向についての位置に関係なく一定となる。従って、マニホールドの温度が低下する際、上記平面における孔の中心線方向についての位置に応じて、樹脂層の上記境界部分のうちの上記平面と上記斜面との交差部分に沿った部分における応力集中にばらつきが生じることを抑制できる。その結果、上記部分における応力集中が悪化方向にばらつくことも抑制できる。このため、マニホールドにおける温度の昇降の繰り返しに伴い、樹脂層における上記部分での応力集中が繰り返されたとき、その部分で樹脂層が割れることを抑制できる。

本発明によれば、樹脂層における孔の内面を覆う部分とエンドプレートの平面を覆う部分との境界部分のうち、平面と孔の内面との交差部分に沿った部分が割れることを抑制できる。

燃料電池のセルスタックに対するマニホールド（エンドプレート）の取付態様を示す略図。 図１のマニホールドをセルスタック側から見た状態を概略的に示す平面図。 図２のエンドプレートを矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図。 図２のエンドプレート及び樹脂層を矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図。 エンドプレートにおける平面の形成態様を示す断面図。

以下、マニホールド及びその製造方法の一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、燃料電池１のセルスタック２におけるセル積層方向（図１の左右方向）の端部には、セルスタック２に対し水素（燃料ガス）、空気（酸化ガス）、及び冷却水（冷却液）といった流体を流すためのマニホールド３が設けられている。このマニホールド３は、セルスタック２を囲むよう燃料電池１に設けられたケース１ａに取り付けられる金属製のエンドプレート４を備えている、そして、セルスタック２は、マニホールド３を介して給排される水素と空気とを利用して発電を行うとともに、マニホールド３を介して給排される冷却水によって冷却される。

図２は、図１のマニホールド３（エンドプレート４）をセルスタック２側から見た状態を概略的に示している。このエンドプレート４は、一対の長辺及び一対の短辺を有する四角板状に形成されている。そして、エンドプレート４の外縁部には、エンドプレート４の一対の長辺及び一対の短辺に沿って延びる締結部５が設けられている。この締結部５は上記ケース１ａ（図１）に対しボルト等で締結されるものであって、同締結部５におけるセルスタック２側の面（図２の紙面手前側の面）は、同ケース１ａに接した状態で固定される取付面６となっている。

また、エンドプレート４における締結部５に囲まれた部分には、エンドプレート４を厚さ方向（図２の紙面と直交する方向）に貫通する孔７〜１１が形成されている。これらの孔７〜１１は上記流路を形成するためのものであって、孔７，８，１０，１１はエンドプレート４におけるセルスタック２側の面である平面１２で開口している。これら孔７〜１１の内面、及び、エンドプレート４におけるセルスタック２側の面（平面１２を含む）は、樹脂層１３によって覆われている。

そして、上記ケース１ａ（図１）に対し上記取付面６を接触させてエンドプレート４を固定すると、樹脂層１３における平面１２を覆う部分が図１に示すセルスタック２のセル積層方向の端部に接触するとともに、同セルスタック２がエンドプレート４（平面１２）によってセル積層方向に押圧されて同セルスタック２の良好なセル積層構造が維持される。また、このときには孔７〜１１によって形成される上記流路がセルスタック２に対し接続される。なお、上記流路内の流体とエンドプレート４とは樹脂層１３における孔７〜１１の内面を覆う部分によって絶縁されるとともに、上記エンドプレート４とセルスタック２とは樹脂層１３における上記平面１２を覆う部分によって絶縁される。

図３及び図４は、図２のマニホールド３における孔７周りを矢印Ａ−Ａ方向から見た状態を示す断面図である。なお、図３はエンドプレート４のみを示しており、図４はエンドプレート４と樹脂層１３とを示している。

エンドプレート４における平面１２は、締結部５の取付面６に対し、エンドプレート４の厚さ方向（この例では図３、図４の上方）に離れて位置している。ちなみに、孔７の中心線方向における取付面６から平面１２までの距離は、エンドプレート４の取付面６が燃料電池１のケース１ａ（図１）に固定されたときの同平面１２によるセルスタック２のセル積層方向への押圧態様に影響を及ぼす。このため、エンドプレート４においては、ダイカスト法といった鋳造法を通じて同エンドプレート４が形成された後に平面１２を切削して形成することにより、上記距離が予め定められた最適値となるよう平面１２が高い精度で形成される。

平面１２に対する孔７の開口端の内周面には、その孔７の中心線Ｌｃに対し傾斜する断面直線状の斜面１４が形成されている。一方、平面１２と上記取付面６との間には段差１５が存在しており、その段差１５と平面１２とが交差する部分には孔７の中心線Ｌｃに対し傾斜する断面直線状の斜面１６が形成されている。なお、上述した樹脂層１３は、平面１２及び孔７の内面を覆うだけでなく段差１５も覆うように形成されている。

セルスタック２の高温からの温度低下の際には、エンドプレート４と樹脂層１３の収縮率の違いに起因して、樹脂層１３における孔７の内面を覆う部分とエンドプレート４の平面１２を覆う部分との境界部分のうち、平面１２と孔７の内面との交差部分に沿った部分で応力集中が生じる。また、樹脂層１３における段差１５を覆う部分とエンドプレート４の平面１２を覆う部分との境界部分のうち、段差１５と平面１２との交差部分に沿った部分でも応力集中が生じる。

詳しくは、セルスタック２の高温からの温度低下の際、金属製のエンドプレート４の収縮率よりも樹脂層１３の収縮率の方が大きくなる。このため、上記温度低下に伴い、樹脂層１３における孔７の内面を覆う部分では同孔７における中心線方向の中央部に向けた収縮が生じるとともに、樹脂層１３における段差１５を覆う部分では平面１２から離れる方向に向けた収縮が生じる。一方、樹脂層１３におけるエンドプレート４の平面１２を覆う部分では、孔７における中心線方向の中央部に向う変位、すなわち平面１２から離れる方向への変位が、同平面１２によってとどめられる。その結果、マニホールド３の温度低下時に、樹脂層１３における孔７の内面を覆う部分とエンドプレート４の平面１２を覆う部分との境界部分のうち、平面１２と孔７の内面との交差部分に沿った部分で上記応力集中が生じる。更に、樹脂層１３における段差１５を覆う部分とエンドプレート４の平面１２を覆う部分との境界部分のうち、段差１５と平面１２との交差部分に沿った部分でも上記応力集中が生じる。

上記斜面１４の中心線Ｌｃに対する傾斜角度は、樹脂層１３における孔７の内面を覆う部分とエンドプレート４の平面１２を覆う部分との境界部分のうち平面１２と孔７の内面との交差部分に沿った部分で生じる応力に影響を及ぼすとともに、平面１２の面積にも影響を及ぼす。従って、それら影響を考慮して斜面１４の上記傾斜角度に関しては、例えば４５°を基準値として適宜調整された値とされている。一方、上記斜面１６の中心線Ｌｃに対する傾斜角度は、樹脂層１３における段差１５を覆う部分とエンドプレート４の平面１２を覆う部分との境界部分のうち段差１５と平面１２との交差部分に沿った部分で生じる応力に影響を及ぼすとともに、平面１２の面積にも影響を及ぼす。従って、それら影響を考慮して斜面１６の上記傾斜角度に関しては、例えば４５°を基準値として適宜調整された値とされている。

なお、図２に示すエンドプレート４の孔８，１０，孔１１、及び、それらの周辺の構造については、孔７及びその周辺の構造と同様の構造となっている。
次に、マニホールド３の製造方法について説明する。

上記マニホールドを製造する際には、まずエンドプレート４がダイカスト法といった鋳造法を用いて形成される。こうした鋳造による形成直後のエンドプレート４には平面１２は形成されておらず、図３に二点鎖線で示す形状を有している。また、エンドプレート４には、上記鋳造による形成を通じて斜面１４，１６が形成される。そして、鋳造による形成後のエンドプレート４に対し図３の二点鎖線で示す部分を切削することによって平面１２が形成される。このときの切削による平面１２の形成は、孔７の中心線方向における取付面６から平面１２までの距離が上記最適値となるように行われる。そして、エンドプレート４に対し切削により平面１２が形成された後、インサート成型により図４に示すように平面１２、孔７の内面、及び段差１５を覆うよう樹脂層１３が形成される。

次に、本実施形態におけるマニホールド３及びその製造方法の作用効果について説明する。
（１）鋳造による形成後のエンドプレート４を切削して平面１２を形成するに当たり、孔７の中心線方向における取付面６からの距離が上記最適値となるよう平面１２を形成すると、そのときの平面１２の位置がエンドプレート４の形状のばらつき等に起因して変わるおそれがある。仮に上記平面１２の位置が孔７の中心線方向に変わるとしても、上記斜面１４，１６が孔７の中心線Ｌｃに対し傾斜する断面直線状となっているため、上記平面１２と斜面１４，１６との交差態様は変わらない。

このため、上記樹脂層１３における上記平面１２を覆う部分と上記孔７の内面を覆う部分との境界部分のうち、平面１２と孔７の内面（斜面１４）との交差部分に沿った部分の形状は、平面１２における孔７の中心線方向についての位置に関係なく一定となる。従って、マニホールド３の温度が低下する際、上記平面１２における孔７の中心線方向についての位置に応じて、樹脂層１３における上記平面１２を覆う部分と上記孔７の内面を覆う部分との境界部分のうち平面１２と斜面１４との交差部分に沿った部分での応力集中にばらつきが生じることを抑制できる。その結果、上記部分における応力集中が悪化方向にばらつくことも抑制できる。このため、マニホールド３における温度の昇降の繰り返しに伴い、樹脂層１３における上記平面１２を覆う部分と上記孔７の内面を覆う部分との境界部分のうち、平面１２と斜面１４との交差部分に沿った部分で樹脂層１３が割れることを抑制できる。

更に、上記樹脂層１３における段差１５を覆う部分と平面１２を覆う部分との境界部分のうち、段差１５（斜面１６）と平面１２との交差部分に沿った部分の形状も、平面１２における孔７の中心線方向についての位置に関係なく一定となる。従って、マニホールド３の温度が低下する際、上記平面１２における孔７の中心線方向についての位置に応じて、樹脂層１３における上記段差１５を覆う部分と上記平面１２を覆う部分との境界部分のうち斜面１６と平面１２との交差部分に沿った部分での応力集中にばらつきが生じることも抑制できる。その結果、上記部分における応力集中が悪化方向にばらつくことも抑制できる。このため、マニホールド３における温度の昇降の繰り返しに伴い、樹脂層１３における上記平面１２を覆う部分と上記孔７の内面を覆う部分との境界部分のうち、斜面１６と平面１２との交差部分に沿った部分で樹脂層１３が割れることを抑制できる。

なお、上記実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・孔７の中心線Ｌｃに対する斜面１４，１６の傾斜角度を適宜変更してもよい。
・斜面１４，１６は、鋳造によるエンドプレート４の形成時に形成されるようにしたが、鋳造によるエンドプレート４の形成後に切削によって形成するようにしてもよい。

・必ずしも斜面１４と斜面１６とを設ける必要はなく、斜面１４のみを設けるようにしてもよい。

１…燃料電池、１ａ…ケース、２…セルスタック、３…マニホールド、４…エンドプレート、５…締結部、６…取付面、７〜１１…孔、１２…平面、１３…樹脂層、１４…斜面、１５…段差、１６…斜面。

Claims (4)

1. 燃料電池のセルスタックを囲むケースに取り付けることが可能なエンドプレートを備えており、前記セルスタックに対し給排される流体を流す流路を形成するための孔が、前記エンドプレートをその厚さ方向に貫通することにより、前記エンドプレートにおける前記セルスタック側に位置して同セルスタックをセル積層方向に押圧する平面で開口しており、前記エンドプレートの前記平面及び前記孔の内面が樹脂層で覆われているマニホールドにおいて、
   前記エンドプレートは、前記ケースに固定される取付面を、前記エンドプレートの厚さ方向における前記セルスタック側に位置するように有しており、
   前記平面は、前記取付面に対し前記セルスタック側に突出する位置にあり、
   前記平面に対する前記孔の前記セルスタック側の開口端の内周面には、その孔の中心線に対し傾斜する断面直線状の斜面が形成されていることを特徴とするマニホールド。
2. 前記平面と前記取付面との間には段差が存在しており、前記段差によって形成される側壁部と前記平面とが交差する部分には前記孔の中心線に対し傾斜する断面直線状の斜面が形成されており、前記樹脂層は、前記平面、前記孔の内面、及び前記側壁部を覆うように形成されている請求項１に記載のマニホールド。
3. 燃料電池のセルスタックに対し流体を給排するために、同セルスタックを囲むケースに取り付けることが可能なエンドプレートを備えるスタックマニホールドに適用され、
   前記ケースに対し固定される取付面を前記セルスタック側に位置するように有している前記エンドプレートには、前記流体を流す流路を形成するための孔が、前記エンドプレートに対し厚さ方向に貫通するよう形成されており、
   前記孔における前記セルスタック側の開口端の内周面に、その孔の中心線に対し傾斜する断面直線状の斜面を形成し、
   前記エンドプレートにおける前記孔の前記セルスタック側の開口端を同孔の中心線と直交する方向に切削することにより、前記取付面よりも前記エンドプレートの厚さ方向におけるセルスタック側に突出して位置し、且つ同セルスタックをセル積層方向に押圧する平面を形成し、
   前記平面及び前記孔の内面を覆うように樹脂層を形成する
   ことを特徴とするマニホールドの製造方法。
4. 前記エンドプレートは、前記取付面と前記孔の前記セルスタック側の開口端との間に段差を有しており、
   前記孔の前記セルスタック側の開口端の内周面に同孔の中心線に対し傾斜する断面直線状の斜面を形成するとともに、前記段差によって形成される側壁部における前記開口端側の端部にも同孔の中心線に対し傾斜する断面直線状の斜面を形成し、
   前記エンドプレートにおける前記孔の前記開口端側の部分を同孔の中心線と直交する方向に切削して前記平面を形成し、
   前記平面、前記孔の内面、及び前記側壁部を覆うように前記樹脂層を形成する請求項３に記載のマニホールドの製造方法。

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