(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックモジュールに結合され、気体流路と冷却水流路を有するマニホールドブロックであって、
前記冷却水流路の内側に挿入され、冷却水流路の内側面に密着されることにより、冷却水流路の内側面を電気絶縁するチューブ型の絶縁部材と、
前記冷却水流路の内側に挿入され、絶縁部材の内側面に密着されることにより、絶縁部材を固定及び保護する絶縁カバーと、
を含み、
前記絶縁カバーは、冷却水流路の内側に挿入された流路挿入部全体が２分割された構造を有し、分割された絶縁カバーが冷却水流路の両側からそれぞれ絶縁部材の内側に挿入されており、
前記分割された絶縁カバーが冷却水流路の内側に完全に挿入された状態で、分割された両側絶縁カバーの流路挿入部が互いにつながってい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。
【請求項２】
前記絶縁部材の両端部の末端に冷却水流路の外郭周辺の全体を囲むフランジが形成されており、
前記絶縁カバーの端部に絶縁部材のフランジに接合されたフランジが形成されており、前記絶縁カバーのフランジと絶縁部材のフランジが互いに接合された状態でマニホールドブロックとスタックモジュールとの間に圧着介在された
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。
【請求項３】
前記絶縁カバーのフランジには、スタックモジュールとの間にシーリング用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請求項２に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
【請求項４】
前記絶縁カバーのフランジには、絶縁部材のフランジに圧着されたフランジ間の気密を維持するためのシーリング突起が突出形成されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
【請求項５】
前記絶縁部材のフランジには、絶縁カバーのフランジに圧着されたフランジ間の気密を維持するためのシーリング突起が突出形成されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
【請求項６】
前記シーリング突起は、絶縁カバーのフランジとスタックモジュールとの間に設けられるシーリング用ガスケットのラインに沿って長く突出形成されたことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池スタック用マニホールドブロック。
【請求項７】
前記絶縁カバーには、マニホールドブロックの気体流路に挿入されており、気体流路の内側面を覆う流路挿入部がさらに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。
【請求項８】
前記絶縁カバーには、マニホールドブロックがボルト締結された締結部を覆うボルトカバーが一体に形成されており、前記ボルトカバーがマニホールドブロックの締結部に重ね合わせた状態でボルトが締結されており、ボルトカバーによりボルトとマニホールドブロックとの間が絶縁されてい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。
【請求項９】
前記冷却水流路は四角状の断面を有するチューブ形状であり、所定角度で傾斜するように折曲された直線状の流路形状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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、内部流路において、所定角度で折曲した直線状の冷却水流路に対して優れた電気絶縁性を確保できる燃料電池スタック用マニホールドブロックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料がもっている化学エネルギーを燃焼により熱に変えず、スタック内で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。  最近、車両を駆動させるための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（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）に関する研究が盛んに行われている。
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、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、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、及び反応気体と冷却水の気密性と適正の締結圧を維持するためのガスケット及び締結機構を含んで構成される。
【０００３】
また、燃料電池スタックには、反応前後の気体と冷却水が燃料電池に流出・流入できるよう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を形成するマニホールドブロックが組み立てられる。
前記マニホールドブロックは、気体と冷却水を通過させる複雑な内部流路として長く形成されている。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は、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が、各スタックモジュールに対して反応気体（空気、水素）と冷却水を均等に供給する。
このようなマニホールドブロックを製造する方法としては、アルミニウム鋳造工法によりブロックの形状を成形した後、外部及び内部流路に耐腐食性を向上させるための酸化層を形成して製造する方法が研究されている。
【０００４】
図１は、冷却水流路を有す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された状態を示す断面図であって、冷却水流路１１に沿った断面図である。
図１に示すように、膜電極接合体、気体拡散層、分離板、ガスケットなどの単位セル構成が積層された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を介してマニホールドブロック１０が取り付けられる。
マニホールドブロック１０の一側には冷却水が流入す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を介して流入する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る。
【０００５】
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通して外部に漏洩することがあり、漏洩した電気は、使用者や作業者に電気的なショックを与えることになる。
【０００６】
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に絶縁コーティング（例えば、セラミックコーティング、エポキシ（Ｅｐｏｘｙ）コーティング、テフロン（登録商標）（Ｔｅｆｌｏｎ）コーティング）を施す。
しかしながら、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、差圧を低減できる利点があるが、絶縁コーティングをする時、工程の作業リング境に応じてコーティングの品質にばらつきが生じ、コーティングの固まりにより表面の粗度が悪くなる問題がある。
また、初期には絶縁性能を満足するが、時間が経つにつれてコーティングが劣化して絶縁性がますます低下し、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問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２９４１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、絶縁コーティングが不要で、冷却水流路に対して優れた電気絶縁性が確保できる燃料電池スタック用マニホールドブロックを提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池スタックモジュールに結合され、気体流路と冷却水流路を有するマニホールドブロックであって、
前記冷却水流路の内側に挿入され、冷却水流路の内側面に密着されることにより、冷却水流路の内側面を電気絶縁するチューブ型の絶縁部材と、
前記冷却水流路の内側に挿入され、絶縁部材の内側面に密着されることにより、絶縁部材を固定及び保護する絶縁カバーと、
を含み、
前記絶縁カバーは、冷却水流路の内側に挿入された流路挿入部全体が２分割された構造を有し、分割された絶縁カバーが冷却水流路の両側からそれぞれ絶縁部材の内側に挿入されており、
前記分割された絶縁カバーが冷却水流路の内側に完全に挿入された状態で、分割された両側絶縁カバーの流路挿入部が互いにつながっていることを特徴とする。
【００１２】
前記絶縁部材の両端部の末端に冷却水流路の外郭周辺の全体を囲むフランジが形成されており、
前記絶縁カバーの端部に絶縁部材のフランジに接合されたフランジが形成されており、前記絶縁カバーのフランジと絶縁部材のフランジが互いに接合された状態でマニホールドブロックとスタックモジュールとの間に圧着介在された
ことを特徴とする。
【００１３】
前記絶縁カバーのフランジには、スタックモジュールとの間にシーリング用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。
【００１４】
前記絶縁カバーのフランジには、絶縁部材のフランジに圧着されたフランジ間の気密を維持するためのシーリング突起が突出形成されたことを特徴とする。
【００１５】
前記絶縁部材のフランジには、絶縁カバーのフランジに圧着されたフランジ間の気密を維持するためのシーリング突起が突出形成されたことを特徴とする。
【００１６】
前記シーリング突起は、絶縁カバーのフランジとスタックモジュールとの間に設けられるシーリング用ガスケットのラインに沿って長く突出形成されたことを特徴とする。
【００１７】
前記絶縁カバーには、マニホールドブロックの気体流路に挿入されており、気体流路の内側面を覆う流路挿入部がさらに形成されたことを特徴とする。
【００１８】
前記絶縁カバーには、マニホールドブロックがボルト締結された締結部を覆うボルトカ
バーが一体に形成されており、前記ボルトカバーがマニホールドブロックの締結部に重ね
合わせた状態でボルトが締結されており、ボルトカバーによりボルトとマニホールドブロ
ックとの間が絶縁されていることを特徴とする。
また、前記冷却水流路は四角状の断面を有するチューブ形状であり、所定角度で傾
斜するように折曲された直線状の流路形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池スタック用マニホールドブロックによれば、冷却水流路の形状に合わせて成形したゴム材質の絶縁部材を冷却水流路に挿入した後、前記絶縁部材を固定及び保護するための２分割されたプラスチック絶縁カバーを冷却水流路の両側から絶縁部材の内側に挿入することにより、絶縁コーティングが不要で、優れた絶縁性と絶縁耐久性を確保して電気的な腐食を防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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された状態を示す冷却水流路に沿った断面図である。
【図２】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冷却水流路に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施例によるマニホールドブロックにおける絶縁部材と絶縁カバーを示す分離斜視図である。
【図４】本発明で両側の２つの絶縁カバーを組立配置した状態の斜視図である。
【図５】本発明で絶縁部材と両側の２つの絶縁カバーを組立配置した状態の斜視図である。
【図６】本発明の絶縁カバーの背面斜視図であって、絶縁カバーのフランジにシーリング突起が形成されていることを示す図面である。
【図７】本発明の実施例によるマニホールドブロックの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図であって、絶縁カバーがマニホールドブロックの空気流路及び水素流路に設置された状態を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付した図面を参照して本発明について詳細に説明する。
本発明は、電気絶縁性を向上させる燃料電池スタック用マニホールドブロックに関し、内部流路において、所定角度で折曲した直線状の冷却水流路に対して優れた電気絶縁性を確保できるように構成される。
特に、本発明のマニホールドブロックは、冷却水流路の形状に合わせて成形したゴム材質の絶縁部材を冷却水流路に挿入した後、前記絶縁部材を固定及び保護するための２分割されたプラスチック絶縁カバーを冷却水流路の両側から絶縁部材の内側に挿入することで、優れた絶縁性と絶縁耐久性を確保すると共に電気的な腐食を効果的に防止することに主な特徴がある。
【００２２】
図２は、本発明の実施例によるマニホールドブロック１０がスタックモジュール３０に結合された状態を示す断面図であって、冷却水流路１１に沿った断面図である。
また、図３は、本発明の実施例によるマニホールドブロック１０における絶縁部材２１と絶縁カバー２３を示す分離斜視図であり、図４は、両側の２つの絶縁カバー２３を組立配置した状態の斜視図であり、図５は、絶縁部材２１と両側の２つの絶縁カバー２３を組立配置した状態の斜視図である。
また、図６は、絶縁カバー２３の背面斜視図であって、絶縁カバー２３のフランジ２４にシーリング突起２６が形成されていることを示す図面である。
【００２３】
本発明のマニホールドブロックは、金属を素材として鋳造工法により製作するが、例えば、アルミニウム鋳造工法により製作してもよく、燃料電池スタックに取り付けられて反応気体及び冷却水を燃料電池スタックに供給する。
燃料電池車両に複数のスタックモジュール（例えば、上下に配置される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３０の外側に取り付けられたマニホールドブロック１０は、各スタックモジュールに反応気体（空気、水素）と冷却水を均等に供給する。
【００２４】
前記マニホールドブロック１０の一側には、冷却水流路１１の外部連結のために冷却水が流入する高分子絶縁材質の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を介して流入する冷却水がマニホールドブロック１０内の冷却水流路１１を通過してスタックモジュール３０に供給され、スタックモジュール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。
また、本発明の実施例では、マニホールドブロック１０の内部流路において、冷却水流路１１は概略四角状の断面を有するチューブ形状であり、所定角度で傾斜するように折曲した直線状の流路形状を有する。
このような構造で冷却水流路１１が絶縁されていない場合、スタックモジュール３０で生成された高電圧電気が冷却水を通してアルミニウム材質のマニホールドブロック１０を介して車両のシャシーに放電され、これは運転者や作業者に電気的な損傷を与える恐れがある。
【００２５】
したがって、冷却水が接する冷却水流路１１の内側面は電気的な絶縁が必要であり、このため、本発明ではマニホールドブロック１０の冷却水流路１１に絶縁シーリングのためのチューブ型の絶縁部材２１が挿入され、この絶縁部材２１を固定及び保護するためのプラスチック絶縁カバー２３が冷却水流路１１の両側から絶縁部材２１の内側に挿入される。
先ず、冷却水流路１１の形状と同じ形状を有する絶縁部材２１を予め成形し、冷却水流路内に挿入して絶縁する。
この時、絶縁部材２１は、マニホールドブロック１０の冷却水流路１１の内部に挿入され、冷却水流路の内側面に密着されるように冷却水流路の内部の表面形状と同じ形状で成形製作される部材であって、フッ素系、シリコン系、ＥＰＤＭなどの絶縁性ゴム材質で製作される。
【００２６】
このように冷却水流路１１の内部に絶縁部材２１を挿入して組み立てることにより、冷却水流路の絶縁性を確保すると共に、マニホールドブロック１０に施した従来の絶縁コーティングが不要になる。
また、絶縁部材２１は、前述したように、マニホールドブロック１０の冷却水流路１１の内側面に密着される流路形状を有し、両端部の末端にはスタックモジュール３０の対応面（エンドプレートの対応面となる）とインターフェース部１４の対応面にマッチングするフランジ２２が形成された構造を有する。
このように絶縁部材２１の両端部の末端に形成されるフランジ２２は、マニホールドブロック１０において、冷却水流路１１の外郭周辺の全体を囲むように冷却水流路の形状に合わせて形成され、絶縁カバー２３のフランジ２４と接合された状態で、マニホールドブロック１０の端面とエンドプレート３１の端面、及びインターフェース部１４の端面の間に圧着される。
【００２７】
このような絶縁部材２１は、ゴム材質の柔軟性を用いてマニホールドブロック１０の冷却水流路１１の一側の末端、好ましくは、マニホールドブロック１０において、スタックモジュール３０に接合されるモジュールマッチング部の冷却水流路の末端からインターフェース部が接合される反対側方向に向かって強制挿入して設置する。
この時、絶縁部材２１をマニホールドブロック１０の折曲した流路部の内側に通過させるために、絶縁部材の一端部にはリング２１ａを形成することが好ましいが、スタックモジュール３０側から絶縁部材２１を冷却水流路１１の内部に挿入した後、リング２１ａを用いてインターフェース部１４側に引き抜くようにする。
【００２８】
このように挿入された絶縁部材２１は冷却水流路１１の絶縁性を確保するが、この時、流路の断面積を確保するためには、絶縁部材２１は一定の厚さ以上になることが困難であり、冷却水の流動により流路の内側面から分離する可能性があるため、プラスチック材質の絶縁カバー２３を冷却水流路１１内にさらに挿入する。
絶縁カバー２３は、絶縁部材２１を固定及び保護するために挿入されるもので、冷却水流路１１内に挿入され、絶縁部材の内側面に密着する流路挿入部２３ａ，２３ｂを有するが、図２から図５に示すように、冷却水流路１１の両端からそれぞれ挿入して組み立てるように、流路挿入部２３ａ，２３ｂが２分割された構造を有する。
【００２９】
絶縁カバー２３は、プラスチック射出成形して製作され、射出構造及び冷却水の流動方向を考慮して、絶縁カバーにおける流路挿入部２３ａ，２３ｂの分割部分（境界部位）を決定する。この時、絶縁カバー２３の２つの流路挿入部２３ａ，２３ｂがマニホールドブロック１０の冷却水流路１１の両側に完全に挿入された状態になると、流路挿入部２３ａ，２３ｂの分割部分が互いにつながる形状に製作される。
絶縁カバー２３の端部には、スタックモジュール３０のエンドプレート３１に直接接合されるフランジ２４が形成され、絶縁カバー２３のフランジ２４は、絶縁部材２１のフランジ２２に接合される部分であって、絶縁部材２１のフランジ２２と絶縁カバー２３のフランジ２４は、エンドプレート３１とマニホールドブロック１０との間に圧着介在される部分である。
【００３０】
また、絶縁カバー２３は、絶縁部材２１を固定及び保護する役割の他、図２に示すように、マニホールドブロック１０に組み立てられた状態で絶縁部材と共に部品間の気密を確保する役割も有する。
具体的には、スタックモジュール３０のエンドプレート３１との間にシーリング用ガスケット３２を装着するための溝２５が絶縁カバー２３のフランジ２４に形成され、マニホールドブロック１０の絶縁カバー２３がガスケット３２を介した状態でスタックモジュール３０のエンドプレート３１に直接結合される。
【００３１】
従来、鋳造工法により製作されるマニホールドブロックの接合面にガスケットを装着するための溝が形成され、この溝にガスケットを挿入した後、マニホールドブロックとエンドプレートが直接結合された。
しかし、この場合、鋳造工法の特性上、製作公差によりガスケットが装着される溝を一定の幅で形成しにくく、前記溝の不規則な幅（製作公差により１〜３ｍｍ程度の幅の偏差が存在）により、絶縁コーティングをする時、品質の確保が困難であった。
また、絶縁コーティングの後にも溝の角部分に電荷が集中するため、電気的にぜい弱な部分が存在した。
本発明ではプラスチック材質の絶縁カバー２３にガスケット装着用溝２５を成形して使用することにより、上述した従来の問題点を解決することができた。
【００３２】
また、好ましくは絶縁カバー２３のフランジ２４には、絶縁部材２１のフランジ２２に圧着されるシーリング突起２６が突出形成され、このシーリング突起２６はフランジ間の気密を維持するためのものであって、スタックモジュール３０のエンドプレート３１との間に介在されるガスケット３２のライン（裏面に形成されたガスケット装着用溝のライン）に沿って長く突出形成される。
このようにシーリング突起２６がガスケット３２の経路と一致するように突出形成されるため、スタックモジュール３０との間に設けられたガスケット３２が絶縁カバー２３のフランジ２４を押す場合、フランジ２４のシーリング突起２６が絶縁部材２１のフランジ２２を押して完全な気密性能が確保される。
【００３３】
前記シーリング突起は、絶縁カバー２３に形成される代わりに、絶縁部材２１のフランジ２２に突出形成され、絶縁カバー２３のフランジ２４に圧着される形態にしてもよいが、この場合にもガスケット３２のラインに沿って長く突出形成される。
また、絶縁カバー２３の一側にはマニホールドブロック１０のボルトを締結するための締結部を覆うボルトカバー２７が一体に形成され、ボルトカバー２７をマニホールドブロック１０の締結部に重ね合せた後、ボルトを締結することにより、ボルトカバー２７はボルトとマニホールドブロック１０との間を絶縁する。
【００３４】
図７は、本発明の実施例によるマニホールドブロックの図２の「Ａ−Ａ」線に沿った断面図であり、絶縁カバー２３がマニホールドブロック１０の空気流路１２及び水素流路１３に挿入された状態を示している。
図７に示すように、マニホールドブロック１０には冷却水流路１１の他、反応気体の空気と水素を供給するための流路１２，１３が形成されているため、絶縁部材２１を固定／保護するための絶縁カバー２３の流路挿入部２３ｃ，２３ｄを空気流路１２及び水素流路１３にも挿入して各流路の内側面に密着させる。
【００３５】
スタックモジュール３０では、電気化学反応により電気と共に水が生成され、この時の生成水はマニホールドブロック１０の空気流路１２と水素流路１３を介して外部に排出される。
このように生成水が空気流路１２と水素流路１３に沿って排出されることにより、スタックモジュール３０とマニホールドブロック１０との間の電気的な通路が形成され、これは冷却水による漏洩電流に比べて一時的で、その量は微々たるものであるが、これも使用者や作業者に電気的な損傷を及ぼす恐れがある。
【００３６】
したがって、絶縁部材２１を固定／保護するための絶縁カバー２３には、図７に示すように、反応気体の流路（空気流路及び水素流路）１２，１３の内部に挿入されて流路の内側面を覆う流路挿入部２３ｃ，２３ｄが形成され、流路挿入部２３ｃ，２３ｄにより覆われた流路の一部の区間で電気的な絶縁が行われる。
このようにして本発明によるマニホールドブロックでは、冷却水流路内に絶縁部材が挿入された後、前記絶縁部材を固定及び保護するための分割された絶縁カバーが冷却水流路の両側から絶縁部材の内側に挿入されることにより、優れた電気絶縁性を確保でき、電気的な腐食が効果的に防止されることになる。
【００３７】
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るものではなく、本発明の属する技術分野を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
１０  マニホールドブロック
１１  冷却水流路
１２  空気流路
１３  水素流路
１４  インターフェース部
２１  絶縁部材
２１ａ  リング
２２  フランジ
２３  絶縁カバー
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ  流路挿入部
２４  フランジ
２５  溝
２６  シーリング突起
２７  ボルトカバー
３０  スタックモジュール
３１  エンドプレート
３２  ガスケット
【図１】
0005971935.tif 000002
【図２】
0005971935.tif 000003
【図３】
0005971935.tif 000004
【図４】
0005971935.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0005971935.tif 000008