(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池装置であって、
積層された複数の単セルを備えるセル積層体における前記単セルの積層方向の両端に、一対のエンドプレートを配置して成る燃料電池スタックと、
ボルト締結によって前記一対のエンドプレートのうちの一方のエンドプレートに接続され、前記燃料電池スタックに対して流体を供給・排出する配管と、
を備え、
前記セル積層体内部には、該セル積層体を貫通して前記積層方向に平行な第１の方向に延出するように設けられた前記流体の流路である積層体内マニホールドが形成され、
前記一方のエンドプレート内部には、前記積層体内マニホールドに連通し、前記第１の方向に対して傾斜した第２の方向に延出するエンドプレート内マニホールドが形成され、
前記配管内には、前記エンドプレート内マニホールドに対して接続される配管内流路が形成され、
前記一方のエンドプレートは、前記セル積層体に接する第１の面と、積層方向外側の第２の面とを有し、
前記第２の面は、前記第１の面に平行な第１の領域と、前記エンドプレート内マニホールドが開口する部位を含み、前記第１の領域に対して傾斜して設けられた第２の領域と、を有し、
前記配管内流路における前記一方のエンドプレートとの接続部を含む部分は、
当該部分における延出方向が、前記一方のエンドプレートの前記第２の面の前記第２の領域に垂直であり、
前記第２の方向の前記第１の方向に対する角度を正負のうちの正の角度としたときに、前記第２の方向が前記第１の方向に対して成す角度以下の正の角度になるように、前記第１の方向に対して傾斜している
燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池装置であって、
前記配管内流路における前記接続部を含む部分は、当該部分における延出方向が、前記エンドプレート内マニホールドの延出方向と一致するように形成されている
燃料電池装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池装置であって、
前記配管は、前記一方のエンドプレートに対して前記配管をボルト締結するためのフランジを端部に備え、
前記フランジは、前記一方のエンドプレートの前記第２の面の前記第２の領域に固着される
燃料電池装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池装置であって、
前記エンドプレート内マニホールドの延出方向は、前記エンドプレート内マニホールドにおける前記セル積層体側の開口部よりも、前記エンドプレート内マニホールドにおける前記接続部側の開口部の方が、前記一方のエンドプレートの外周から離間するように傾斜している
燃料電池装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池装置であって、
前記流体は、水素を含有してアノードに供給される燃料ガス、酸素を含有してカソードに供給される酸化ガス、燃料電池を冷却する冷媒、から選択される流体である
燃料電池装置。
【請求項６】
積層された複数の単セルを備えるセル積層体の端部であって、前記単セルの積層方向両端のうちの一方の端部に配置される燃料電池用エンドプレートであって、
前記エンドプレートの内部に、前記エンドプレートを貫通すると共に、前記エンドプレートにおける前記セル積層体と接する第１の面に垂直な第１の方向に対して傾斜した第２の方向に延出するエンドプレート内マニホールドが形成され、
前記エンドプレートにおける前記積層方向外側に位置する第２の面は、前記第１の面に平行な第１の領域と、前記エンドプレート内マニホールドが開口する部位を含み、前記第１の領域に対して傾斜して設けられた第２の領域と、を有し、
前記第２の領域に垂直な第３の方向は、前記第１の方向に対する角度が、前記第２の方向の前記第１の方向に対する角度を正負のうちの正の角度としたときに、前記第２の方向が前記第１の方向に対して成す角度以下の正の角度になるように、前記第１の方向に対して傾斜している
エンドプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、単セルを複数積層した単セル積層体の両端に、集電板（ターミナル）、絶縁板（インシュレータ）、およびエンドプレートが配置された燃料電池スタックを備える。このような燃料電池スタックでは、単セル積層体を貫通して、単セル内のガス流路や燃料電池内に形成される冷媒流路に対してガスや冷媒を供給・排出するマニホールドが形成される。
【０００３】
また、単セル積層体の両端の内の少なくとも一方に配置されたエンドプレートには、上記したマニホールドの開口部が形成される。エンドプレートに設けられたマニホールドの開口部には、燃料電池スタックの外部から流体を供給・排出するための配管が接続される。このような、マニホールドと配管との接続部に係る構造として、エンドプレート内に形成されるマニホールド部分を、単セル積層体内に形成されるマニホールド部分に対して、傾斜して設ける構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４３４０６号公報
【特許文献２】特開２００２−３４３４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、エンドプレート内のマニホールド部分を、単セル積層体内のマニホールド部分に対して傾斜させる場合には、エンドプレート内のマニホールド部分や、エンドプレートに形成されるボルト穴等の位置関係によって、ボルト締結強度の確保を充分に行ない難い場合が生じ得た。そのため、エンドプレートに対する配管のボルト締結に係る構成について、更なる適正化が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタック端部におけるエンドプレートと配管との間の接続の信頼性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
［形態１］
燃料電池装置であって、
積層された複数の単セルを備えるセル積層体における前記単セルの積層方向の両端に、一対のエンドプレートを配置して成る燃料電池スタックと、
ボルト締結によって前記一対のエンドプレートのうちの一方のエンドプレートに接続され、前記燃料電池スタックに対して流体を供給・排出する配管と、
を備え、
前記セル積層体内部には、該セル積層体を貫通して前記積層方向に平行な第１の方向に延出するように設けられた前記流体の流路である積層体内マニホールドが形成され、
前記一方のエンドプレート内部には、前記積層体内マニホールドに連通し、前記第１の方向に対して傾斜した第２の方向に延出するエンドプレート内マニホールドが形成され、
前記配管内には、前記エンドプレート内マニホールドに対して接続される配管内流路が形成され、
前記一方のエンドプレートは、前記セル積層体に接する第１の面と、積層方向外側の第２の面とを有し、
前記第２の面は、前記第１の面に平行な第１の領域と、前記エンドプレート内マニホールドが開口する部位を含み、前記第１の領域に対して傾斜して設けられた第２の領域と、を有し、
前記配管内流路における前記一方のエンドプレートとの接続部を含む部分は、
当該部分における延出方向が、前記一方のエンドプレートの前記第２の面の前記第２の領域に垂直であり、
前記第２の方向の前記第１の方向に対する角度を正負のうちの正の角度としたときに、前記第２の方向が前記第１の方向に対して成す角度以下の正の角度になるように、前記第１の方向に対して傾斜している
燃料電池装置。
形態１の燃料電池装置によれば、エンドプレート内において、配管をエンドプレートに接続するためのボルトとエンドプレート内マニホールドとの干渉を抑制することができる。そのため、ボルトの長さを確保して、エンドプレートに対する配管の締結強度を高めることができる。また、エンドプレート内マニホールドを積層方向に対して傾斜させることに起因する圧力損失の上昇を抑制することができる。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池装置であって、
積層された複数の単セルを備えるセル積層体の両端に、エンドプレートを配置して成る燃料電池スタックと、
ボルト締結によって前記燃料電池スタックの前記エンドプレートに接続され、前記燃料電池スタックに対して流体を供給・排出する配管と、
を備え、
前記セル積層体内部には、該セル積層体を貫通して延出するように設けられた前記流体の流路である積層体内マニホールドが形成され、
前記エンドプレート内部には、前記積層体内マニホールドに連通し、前記積層体内マニホールドが延出する方向に対して傾斜した角度に延出するエンドプレート内マニホールドが形成され、
前記配管内には、前記エンドプレート内マニホールドに対して接続される配管内流路が形成され、
前記配管内流路における前記エンドプレートとの接続部を含む部分は、当該部分における延出方向が、前記エンドプレートの面に垂直な方向に対して、前記エンドプレート内マニホールドが傾斜する方向と同じ方向に傾斜している
燃料電池装置。
【０００９】
適用例１に記載の燃料電池装置によれば、エンドプレート内において、配管をエンドプレートに接続するためのボルトとエンドプレート内マニホールドとの干渉を抑制することができる。そのため、ボルトの長さを確保して、エンドプレートに対する配管の締結強度を高めることができる。また、エンドプレート内マニホールドを積層方向に対して傾斜させることに起因する圧力損失の上昇を抑制することができる。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池装置であって、前記配管内流路における前記接続部を含む部分は、当該部分における延出方向が、前記エンドプレートの面に垂直な方向に対して、前記エンドプレート内マニホールドが傾斜する角度以下の角度で傾斜している燃料電池装置。適用例２に記載の燃料電池装置によれば、配管流路における接続部を含む部分の延出方向が傾斜する構成を、容易に実現可能となる。
【００１１】
［適用例３］
適用例１または２記載の燃料電池装置であって、前記配管内流路における前記接続部を含む部分は、当該部分における延出方向が、前記エンドプレート内マニホールドの延出方向と平行になるように形成されている燃料電池装置。適用例３に記載の燃料電池装置によれば、エンドプレート内におけるボルトとエンドプレート内マニホールドとの干渉を抑制する効果を高めることができる。また、配管内流路とエンドプレート内マニホールドとを流体が流れる際の圧力損失を、より低くすることができる。
【００１２】
［適用例４］
適用例１ないし３いずれか記載の燃料電池装置であって、前記配管は、前記エンドプレートに対して前記配管をボルト締結するためのフランジを端部に備え、前記エンドプレートは、前記エンドプレートの表面の内、前記フランジが固着される領域が、前記エンドプレートの面に対して傾斜した面として形成されている燃料電池装置。適用例４に記載の燃料電池装置によれば、エンドプレート表面に傾斜面が形成される領域を設けることにより、配管内流路の延出方向を、所望の方向にすることができる。
【００１３】
［適用例５］
適用例１ないし４いずれか記載の燃料電池装置であって、前記エンドプレート内マニホールドの延出方向は、前記エンドプレート内マニホールドにおける前記セル積層体内側の開口部よりも、前記エンドプレート内マニホールドにおける前記接続部側の開口部の方が、前記エンドプレートの外周から離間するように傾斜している燃料電池装置。適用例５に記載の燃料電池装置によれば、エンドプレートにおける配管との接続部側の表面において、エンドプレート内マニホールドとエンドプレート外周との間の距離を、より長く確保することができる。そのため、配管との接続部側のエンドプレート表面において、ボルトを締結するためのスペースを、より大きく確保することができる。その結果、燃料電池スタックを大型化することなく、ボルト締結の強度に対する信頼性を高めることができる。
【００１４】
［適用例６］
適用例１ないし５いずれか記載の燃料電池装置であって、前記流体は、水素を含有してアノードに供給される燃料ガス、酸素を含有してカソードに供給される酸化ガス、燃料電池を冷却する冷媒、から選択される流体である燃料電池装置。適用例６に記載の燃料電池装置によれば、燃料ガス、酸化ガス、冷媒から選択される流体の流路をエンドプレートに接続する際に、燃料電池スタックの大型化を抑えつつ、接続強度を充分に確保することが可能になる。
【００１５】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用エンドプレートや、燃料電池に対する配管の接続方法などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】単セル１０の構成の概略を表わす分解斜視図である。
【図２】燃料電池スタック１５の外観を表わす斜視図である。
【図３】孔部４１の近傍領域および冷媒供給配管５１の先端部分を拡大して示す説明図である。
【図４】エンドプレート３６に冷媒供給配管５１を接続した様子を示す断面模式図である。
【図５】各々の流路の延出方向が成す角度を示す説明図である。
【図６】傾斜領域を設けないエンドプレート１３６を用いた構成を表わす断面模式図である。
【図７】燃料電池スタック２１５の外観を表わす斜視図である。
【図８】エンドプレート３３６の構成を表わす説明図である。
【図９】ボルト穴４７の配置を例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
Ａ．燃料電池スタック１５の構成：
図１は、本発明の好適な一実施例としての燃料電池を構成する単セル１０の構成の概略を表わす分解斜視図である。また、図２は、単セル１０を積層して成る燃料電池スタック１５の外観を表わす斜視図である。本実施例の燃料電池装置は、燃料電池スタック１５と、燃料電池スタック１５に対して流体を供給・排出する装置とを備えている。最初に、燃料電池スタック１５の構成について説明する。
【００１８】
単セル１０は、ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）２０と、ガス拡散層２３，２４と、ガスセパレータ２５，２６と、を備えている。ここで、ＭＥＡ２０は、電解質膜と、電解質膜の各々の面に形成された電極であるアノードおよびカソードと、によって構成される。このＭＥＡ２０は、ガス拡散層２３，２４によって挟持されており、ＭＥＡ２０およびガス拡散層２３，２４から成るサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータ２５，２６によって挟持されている（ただし、ガス拡散層２３は、ガス拡散層２４が形成される面の裏面に配置されるため、図１では図示せず）。
【００１９】
ＭＥＡ２０を構成する電解質膜は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電子伝導性を示す。カソードおよびアノードは、電解質膜上に形成された層であり、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備えている。ガス拡散層２３，２４は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。このようなガス拡散層２３，２４は、電気化学反応に供されるガスの流路になると共に、集電を行なう。
【００２０】
ガスセパレータ２５，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成されている。ガスセパレータ２５，２６は、ＭＥＡ２０との間に形成される反応ガス（水素を含有する燃料ガスあるいは酸素を含有する酸化ガス）の流路の壁面を成す部材であって、その表面には、ガス流路を形成するための凹凸形状が形成されている。表面に溝８８が形成されたガスセパレータ２５とＭＥＡ２０との間には、酸化ガスの流路であるセル内酸化ガス流路が形成される。また、表面に溝８９が形成されたガスセパレータ２６とＭＥＡ２０との間には、燃料ガスの流路であるセル内燃料ガス流路が形成される。単セル１０を組み立てる際には、ＭＥＡ２０の外周にシール部（図示せず）を配置して、単セル１０内のガス流路のシール性を確保しつつ、ガスセパレータ２５、２６間を接合する。
【００２１】
ここで、ガスセパレータ２５において、セル内酸化ガス流路を形成するための溝８８が設けられた面の裏面には、凹部８７が形成されている（ただし、ガスセパレータ２５の裏面に形成されるため図１では図示せず）。同様に、ガスセパレータ２６において、セル内燃料ガス流路を形成するための溝８９が設けられた面の裏面には、凹部８７が形成されている。これらの凹部８７は、ガスセパレータ２５，２６上にガス拡散層２３，２４が配置される領域全体と重なる範囲にわたって形成されており、隣り合う単セル１０間で、冷媒の流路を形成する。すなわち、複数の単セル１０を積層して燃料電池を組み立てたときには、隣り合う一方の単セル１０のガスセパレータ２５に形成された凹部８７と、隣り合う他方の単セル１０のガスセパレータ２６に形成された凹部８７とが、丁度重なり合って、冷媒流路を形成する。なお、セル間冷媒流路は、隣り合う単セル１０間の全てに設けるのではなく、例えば、単セル１０を所定数積層する毎に設けることとしても良い。
【００２２】
ガスセパレータ２５，２６は、その外周近くの互いに対応する位置に、複数の孔部を備えている。単セル１０を複数積層して燃料電池を組み立てると、各ガスセパレータの対応する位置に設けられた孔部は、互いに重なり合って、ガスセパレータの積層方向に燃料電池内部を貫通する流路を形成する。具体的には、孔部８３は、各セル内酸化ガス流路に酸化ガスを分配する酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部８４は、各セル内酸化ガス流路から酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドを形成する。また、孔部８５は、各セル内燃料ガス流路に燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部８６は、各セル内燃料ガス流路から燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドを形成する。また、孔部８１は、各セル間冷媒流路に冷媒を分配する冷媒供給マニホールドを形成し、孔部８２は、各セル間冷媒流路から冷媒が集合する冷媒排出マニホールドを形成する。
【００２３】
図２に示すように、本実施例の燃料電池スタック１５は、複数の単セル１０を積層した積層体の両端に、出力端子３２，３３を備える集電板（ターミナル）３０，３１、絶縁板（インシュレータ）３４，３５、エンドプレート３６，３７を順次配置することによって形成される。上記集電板３０、絶縁板３４およびエンドプレート３６には、ガスセパレータに設けた孔部８３〜８６に対応する位置に、孔部４１〜４６が設けられている。これらの孔部を介して、既述したマニホールドに対して、ガスあるいは冷媒の供給・排出が行なわれる。なお、燃料電池スタック１５は、単セル１０の積層方向に締結圧がかかった状態で保持される。本実施例では、エンドプレート３６，３７にボルト３９で結合されたテンションプレート３８を、保持部材として用いている。
【００２４】
なお、図２に示すように、マニホールドが開口するエンドプレート３６は、全体として平坦な板状部材として形成されているが、部分的に傾斜面を成す傾斜領域が形成されている。すなわち、孔部４１，４２，４３，４４を含む領域は、傾斜領域となっている。エンドプレート３６表面に形成される傾斜領域については、後に詳しく説明する。
【００２５】
また、図２に示すように、本実施例では、燃料電池スタック１５の一方の端部側（エンドプレート３６側）において、全てのマニホールドが開口しているが、異なる構成としても良い。燃料ガスと酸化ガスと冷媒の内の少なくともいずれかの流体では、供給マニホールドと排出マニホールドが、異なるエンドプレートで開口することとしても良い。また、燃料電池スタック１５内において、一方の端部側（例えば、図２では、マニホールド開口部を有しないエンドプレート３７側）に、板バネなどの、締結圧の変動を吸収する部材を、さらに設けても良い。
【００２６】
Ｂ．配管との接続部の構成：
既述したように、燃料電池スタック１５では、エンドプレート３６に形成された孔部４１〜４６を介して、ガスあるいは冷媒の供給・排出が行なわれる。燃料ガス、酸化ガス、冷媒を供給・排出する装置は、各々、各流体を供給・排出するための配管を備え、各配管の先端部には、エンドプレート３６に接続するための構造であるフランジが設けられている。図３は、図２に示す燃料電池スタック１５における孔部４１の近傍領域を拡大して示すと共に、孔部４１に接続される冷媒供給装置が備える冷媒供給配管５１の先端部分の構造を拡大して示す説明図である。
【００２７】
図３に示すように、孔部４１の周囲には、複数の（本実施例では４つの）ボルト穴４７が形成されている。また、冷媒供給装置が備える冷媒供給配管５１内に形成される冷媒流路は、冷媒供給配管５１の先端部に設けられたフランジ５０に設けられた開口部５２において開口している。開口部５２は、エンドプレート３６に形成された孔部４１と丁度重なり合う形状である。フランジ５０において、開口部５２の周囲には、エンドプレート３６に設けた各ボルト穴４７と対応する位置に、複数のボルト穴５３が形成されている。また、フランジ５０には、ボルト穴５３よりも開口部５２に近い位置に、開口部５２を囲むように、Ｏリング溝５４が形成されている。燃料電池スタック１５と冷媒供給装置とを接続する際には、孔部４１と開口部５２，および、各ボルト穴が重なり合うように、エンドプレート３６に対してフランジ５０を接触させ、各ボルト穴にボルトを嵌め込んで固着する。
【００２８】
なお、図３では、孔部４１の近傍の構造を示したが、他の孔部４２〜４６も、同様に、周囲にボルト穴が形成されている。また、他の各孔部４２〜４６に接続される流体の供給・排出装置が備える配管の先端部にも、フランジ５０と同様の構造のフランジが設けられており、ボルトを用いた締結が行なわれる。
【００２９】
図４は、エンドプレート３６に対して、フランジ５０を介して冷媒供給配管５１が接続する様子を、図２に４−４断面として示す断面について示す断面模式図である。燃料電池スタック１５の内部には、各ガスセパレータ２５，２６に設けられた孔部８１、および、集電板３０、絶縁板３４、エンドプレート３６に設けられた孔部４１によって形成される冷媒供給マニホールドが設けられている。以下の説明では、冷媒供給マニホールドの内、ガスセパレータ２５，２６に設けられた孔部８１と、集電板３０および絶縁板３４に設けられた孔部４１と、によって形成される部分を、積層体内マニホールド６０と呼ぶ。また、冷媒供給マニホールドの内、エンドプレート３６に設けられた孔部４１によって形成される部分を、エンドプレート内マニホールド６１と呼ぶ。なお、冷媒供給配管５１内に形成される冷媒流路は、配管内流路６２と呼ぶ。
【００３０】
図４に示すように、フランジ５０は、エンドプレート３６に対して、エンドプレート３６のボルト穴４７およびフランジ５０のボルト穴５３に嵌め込んだボルト５５によって固定される。このとき、ボルト５５は、フランジ５０が配置されるエンドプレート３６の表面に対して、垂直に嵌め込まれる。また、フランジ５０に設けられたＯリング溝５４には、エンドプレートとフランジとの接続部、すなわち、燃料電池スタック１５内の冷媒供給マニホールドと冷媒供給配管５１内の流路との接続部における、シール性を確保するためのＯリングが配置される。
【００３１】
ここで、積層体内マニホールド６０を形成する孔部８１は、各ガスセパレータ２５，２６の同じ位置で同じ形状に形成されている。また、積層体内マニホールド６０を形成する孔部４１も、集電板３０および絶縁板３４において、孔部８１と同じ位置で同じ形状に形成されている。そのため、積層体内マニホールド６０の延出方向（積層体内マニホールド６０の流路壁の延出方向であり、冷媒の流れ方向）は、単セル１０の積層方向に平行になる。
【００３２】
これに対して、エンドプレート内マニホールド６１は、その延出方向（エンドプレート内マニホールド６１の流路壁の延出方向であり、冷媒の流れ方向）が、積層体内マニホールド６０の延出方向に対して、傾斜した角度となっている。具体的には、エンドプレート内マニホールド６１は、絶縁板３４と接する面側の開口部に比べて、フランジ５０と接する面側の開口部がエンドプレート３６の外周から離れる方向へと、単セル１０の積層方向に対して傾斜している。なお、エンドプレート３６の孔部４１は、エンドプレート内マニホールド６１の流路断面が、全体で均一な形状になるように形成されている。
【００３３】
また、配管内流路６２は、エンドプレート３６との接続部を含む部分において、その延出方向（配管内流路６２の流路壁の延出方向であり、冷媒の流れ方向）が、エンドプレート内マニホールド６１の延出方向に対して平行になっている。すなわち、エンドプレート内マニホールド６１から配管内流路６２へと冷媒が流れる際には、冷媒は、一直線状に流れる。
【００３４】
図５は、積層体内マニホールド６０と、エンドプレート内マニホールド６１と、配管内流路６２と、の各々の延出方向が成す角度を示す説明図である。図５では、エンドプレート内マニホールド６１および配管内流路６２の延出方向が、積層体内マニホールド６０に対して成す角度を、角度θとして示している。なお、本実施例では、流路断面の中心を結んだ線を各流路の流路軸とするならば、各流路の延出方向は、各流路の流路軸の方向ということができる。
【００３５】
既述したように、エンドプレート３６の表面では、孔部４１を含む領域が、傾斜領域３６ａとなっている。図４に示すように、この傾斜領域３６ａが、エンドプレート３６の面（エンドプレート３６において平坦面を成している他の平坦領域）との間に成す角度は、エンドプレート内マニホールド６１および配管内流路６２の延出方向が積層方向との間に成す角度と同じ角度θとなっている。ここで、フランジ５０におけるエンドプレート３６との接触面は、エンドプレート３６との接続部近傍における配管内流路６２に対して、垂直になるように形成されている。そのため、上記角度で傾斜した傾斜領域３６ａに対して、フランジ５０を固着させることによって、エンドプレート内マニホールド６１と配管内流路６２の延出方向を、一直線上に重ねることができる。
【００３６】
なお、図３〜５では、孔部４１に係る流路の接続構造について説明したが、他の孔部４２〜４４においても、同様である。本実施例のエンドプレート３６の表面には、３つの孔部４１〜４３を含むように、傾斜領域３６ａが形成されている。また、孔部４４を含むように、傾斜領域３６ｂが形成されている。このようなエンドプレート３６では、孔部４２，４３，４４に対応するエンドプレート内マニホールドについても、流体の供給・排出装置との接続部側の面に近づくほどエンドプレート３６の外周から離間するように、延出方向が積層方向に対して傾斜して設けられている。そして、上記傾斜領域３６ａ、３６ｂにおいて、孔部４２〜４４に対してフランジ５０と同様のフランジを介して配管と接続することにより、エンドプレート内マニホールドと配管内流路の延出方向を、一直線上に重ねることができる。
【００３７】
エンドプレート３６において、孔部４５，４６は、既述した平坦領域に設けられている。このような平坦領域に設けられた孔部４５，４６に対応するエンドプレート内マニホールドは、積層方向に対して傾斜することなく、積層体内マニホールドと一直線上に重なるように設けられている。
【００３８】
なお、図３では、フランジ５０は、冷媒供給マニホールドに対して冷媒供給配管を接続するのみであったが、異なる構成としても良い。例えば、流体供給・排出装置と燃料電池スタック１５内のマニホールドとの接続を行なうフランジとして、複数の接続箇所に対応するフランジを一体で形成しても良い。具体的には、冷媒供給装置の配管に加えて、酸化ガス供給装置の配管と、冷媒排出装置の配管とが開口すると共に、孔部４１に加えて孔部４２，４３に対応するボルト穴およびＯリング溝が形成されて、孔部４１〜４３に対する配管接続を１度に行なうことができるフランジを用いても良い。
【００３９】
あるいは、孔部４１〜４３全体を含む領域として傾斜領域３６ａを設けるのではなく、孔部４４に対応して設けた傾斜領域３６ｂと同様に、孔部４１，４２，４３の各々に対応して、傾斜領域を互いに離間して設けても良い。この場合には、各々の孔部に対して、対応する単一の配管が開口するフランジを接続することとしても良い。
【００４０】
以上のように形成された本実施例の燃料電池装置によれば、エンドプレート内マニホールド６１を、積層体内マニホールド６０に対して、エンドプレート３６の外周から離れる方向に内側に傾斜させることで、エンドプレート内マニホールド６１のフランジ側開口部において、エンドプレート外周から、より長い距離を確保することができる。そのため、積層体内マニホールド６０の配置を変更することなく、燃料電池スタック１５の大型化を抑制することができる。さらに、本実施例によれば、エンドプレート内マニホールドと配管内流路の延出方向が一直線上に重なるように、エンドプレート３６に傾斜領域を設けているため、ボルト５５による締結の強度を高めることができる。以下、本実施例の効果について、さらに詳しく説明する。
【００４１】
燃料電池においては、一般に、燃料電池の発電性能を高めるために、発電が行なわれる領域、すなわち、ＭＥＡ２０上にセル内ガス流路が形成される領域を、より広く確保することが望ましい。そのためには、流体を供給・排出するために燃料電池スタック内部に設けるマニホールドは、できるだけスタック側面に近い位置に配置することが望ましい。すなわち、マニホールドを形成するための孔部８１〜８６を設けた箇所の近傍におけるガスセパレータ２５，２６の強度等を考慮して、孔部８１〜８６は、できるだけガスセパレータ２５，２６の外周近くに形成することが望ましい。
【００４２】
一方、フランジを介して流体供給・排出配管を、上記マニホールドに接続する際には、エンドプレート３６に設けるボルト穴４７の深さが深いほど、また、ボルト穴４７の径が大きく、太いボルトを用いるほど、接続強度を高めることができる。さらに、フランジの取り付け部におけるシール性を確保するためには、充分な大きさのＯリングを用いる必要がある。そのため、エンドプレート３６とフランジ５０との間の接続の信頼性を高めるには、充分な大きさのボルトおよびＯリングを配置するスペースを確保するために、孔部４１〜４６と、エンドプレートおよびフランジの外周との距離を、より大きく確保することが望ましい。
【００４３】
そのために、例えば、エンドプレート３６を、ガスセパレータ２５，２６よりも一回り大きく形成する方策が考えられる。このような構成とすれば、エンドプレート３６において、孔部４１〜４６とエンドプレート３６の外周との距離を大きくすることができ、ボルトによる接続強度の確保が容易になる。しかしながら、このような構成は、燃料電池スタック全体の大型化を引き起こすため、採用し難い場合がある。
【００４４】
図６は、エンドプレート内マニホールド６１を、実施例と同様に傾斜して設けるものの、表面に傾斜領域を設けないエンドプレート１３６を用いた構成を表わす断面模式図である。図６では、単セル１０の積層体内に形成された積層体内マニホールド６０と、積層体の側面との間の距離を、距離Ｃとして表わしている。図６に示すように、フランジ側の開口部がエンドプレートの外周から離間するように、エンドプレート内マニホールド６１を傾斜させて設けることにより、エンドプレート内マニホールド６１のフランジ側開口部では、エンドプレート１３６の外周との距離は、距離Ｃよりも長い距離Ｄとなる。このように、エンドプレート内マニホールド６１のフランジ側開口部と、エンドプレート１３６の外周との距離を長くすることで、エンドプレート１３６およびフランジ５０を大型化することなく、ボルト５５およびＯリングの配置スペースをより広く確保することが可能になる。
【００４５】
しかしながら、上記のようにエンドプレート内マニホールド６１を積層方向に対して傾斜させることにより、エンドプレート１３６の外周近傍に設けたボルト５５においては、その先端近くほど、エンドプレート内マニホールド６１との距離が近くなる。ボルト５５の先端ほどエンドプレート内マニホールド６１との距離が近くなるのは、一般的に、ボルトが、取り付け面に対して垂直に打ち込まれることによる。そのため、ボルト５５とエンドプレート内マニホールド６１との干渉を避けるためには、ボルト穴を短くする必要が生じる場合がある。しかしながら、ボルト穴を短くすると、かかり代が不足することにより、接続強度が不足する可能性があるため、採用し難い場合がある。
【００４６】
本実施例では、図４に示したように、エンドプレート内マニホールド６１を積層方向に対して傾斜させると共に、エンドプレート３６の表面に傾斜領域３６ａ，３６ｂを設けている。そのため、エンドプレート内マニホールド６１のフランジ側開口部において、エンドプレート３６の外周との距離を長くする効果に加えて、エンドプレート内マニホールド６１とボルト穴４７との間の角度を、平行に近づけることができる。そのため、ボルト５５の先端部がエンドプレート内マニホールド６１に近づくことを抑え、ボルトの長さ（かかり代）を充分に確保して、接続強度を高めることができる。
【００４７】
さらに、本実施例の燃料電池装置によれば、エンドプレート内マニホールド６１の延出方向が、配管内流路６２の延出方向と一直線上に重なるため、エンドプレート内マニホールド６１と配管内流路６２の接続部において、流路が折れ曲がらない。そのため、エンドプレート内マニホールド６１を積層方向に対して傾斜させても、流路の折れ曲がりポイントの増加を抑制することができる。その結果、流路の折れ曲がりに起因する圧力損失の上昇を抑制することができる。
【００４８】
なお、第１実施例では、エンドプレート３６において、傾斜領域３６ａと傾斜領域３６ｂの両方を設けたが、一方だけを設けることとしても良い。いずれか一方だけであっても、燃料電池スタックの大型化を抑制する効果を得ることができる。
【００４９】
Ｃ．エンドプレートに係る他の実施例：
図２では、垂直方向をＡ方向、水平方向をＢ方向として表わしている。エンドプレート３６において、孔部４１，４５あるいは孔部４２，４６の近傍の辺は、垂直方向の辺であり、孔部４１〜４３あるいは孔部４４の近傍の辺は、水平方向の辺である。既述した第１実施例では、エンドプレート３６において、孔部４１〜４３に対応するエンドプレート内マニホールド６１を、積層体内マニホールド６０に対して垂直方向下向きに傾斜させている。また、エンドプレート３６において、孔部４４に対応するエンドプレート内マニホールド６１を、積層体内マニホールド６０に対して垂直方向上向きに傾斜させている。これにより、燃料電池スタック１５において、垂直方向の大型化を抑制している。
【００５０】
これに対して、燃料電池スタックにおける水平方向の大型化を抑制することも可能である。図７は、第２実施例の燃料電池スタック２１５の外観を表わす斜視図である。燃料電池スタック２１５は、エンドプレート３６に代えてエンドプレート２３６を備えること以外は、燃料電池スタック１５と同様の構成を有しており、共通する構成要素には同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００５１】
エンドプレート２３６は、傾斜領域３６ａ，３６ｂに代えて、傾斜領域３６ｃ，３６ｄを備えている。すなわち、孔部４１，４５を含む領域は、傾斜領域３６ｃとなっており、孔部４２，４６を含む領域は、傾斜領域３６ｄとなっている。また、孔部４１，４５に対応してエンドプレート２３６内に形成されるエンドプレート内マニホールドは、フランジ側開口部がエンドプレート２３６の外周から離間する方向に（積層体内マニホールドに対して図７における水平方向右向きに）傾斜して設けられている。孔部４２，４６に対応してエンドプレート２３６内に形成されるエンドプレート内マニホールドは、フランジ側開口部がエンドプレート２３６の外周から離間する方向に（積層体内マニホールドに対して図７における水平方向左向きに）傾斜して設けられている。上記した傾斜領域３６ｃ，３６ｄにおいて、各孔部４１，４２，４５，４６に対して、フランジ５０を介して対応する流体の供給・排出配管を接続することにより、エンドプレート内マニホールドと配管内流路の延出方向を、一直線状にすることができる。このような構成とすることで、第２実施例では、燃料電池スタック２１５における水平方向の大型化を抑制することができる。
【００５２】
あるいは、燃料電池スタックにおいて、垂直方向と水平方向の両方について大型化を抑制することも可能である。このような構成を、第３実施例として以下に説明する。図８は、第３実施例の燃料電池スタックにおいて、エンドプレート３６に代えて用いられるエンドプレート３３６の構成を表わす説明図である。第３実施例において、第１実施例と共通する構成要素には、同じ参照番号を付して詳しい説明を省略する。
【００５３】
図８では、孔部４２の近傍の構成のみを、拡大して示している。第３実施例では、孔部４２が設けられる領域は、傾斜領域３６ｅとなっている。そして、エンドプレート３３６内では、エンドプレート内マニホールドのフランジ側開口部が、積層体側開口部に比べて、孔部４２の近傍のエンドプレート角部を成す２つの辺のいずれからも離間するように、エンドプレート内マニホールドが形成されている。すなわち、エンドプレート内マニホールドの延出方向は、積層体内マニホールドに対して、エンドプレート３３６の中心部よりに傾斜している。上記傾斜領域３６ｅの傾斜角度は、フランジ５０を介して冷媒排出装置の配管を接続したときに、エンドプレート内マニホールドと配管内流路の延出方向を、一直線上に重ねることができる角度となっている。
【００５４】
なお、このような第３実施例のエンドプレート３３６では、エンドプレートの他の角部に設けられる孔部４１を含む領域についても、傾斜領域３６ｅと同様の傾斜面を設けると共に、エンドプレート内マニホールドの延出方向が、エンドプレートの中心部よりに傾斜するように、エンドプレート内マニホールドを形成すればよい。また、孔部４４のように、エンドプレートの外周を成す辺の中ほどに設けられる孔部については、図２に示した傾斜領域３６ｂと同様の傾斜領域を設ければよい、そして、エンドプレート内マニホールドは、フランジ側開口部がエンドプレートの外周から離間する方向に、積層体内マニホールドに対して傾斜させればよい。このような構成とすることで、燃料電池スタックにおいて、垂直方向と水平方向の両方について大型化を抑制することが可能となる。
【００５５】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５６】
Ｄ１．変形例１：
エンドプレートに設けるボルト穴４７の配置を、既述した第１ないし第３実施例とは異ならせても、同様の効果が得られる。図９（Ａ）は、ボルト穴４７を、第１ないし第３実施例と同様に配置した様子を表わす説明図である。また図９（Ｂ）は、ボルト穴４７を、第１ないし第３実施例とは異なる配置とした様子を表わす説明図である。既述したように、傾斜領域を設けると共に、エンドプレート内マニホールドを傾斜させることによって、孔部（図９では孔部４１）とエンドプレート外周（図９では辺Ｅと示す）との間の距離（図９では距離Ｇと示す）を確保して、ボルト穴４７を設けるスペースを確保することができる。第１ないし第３実施例では、辺Ｅに近いボルト穴の中心を通る垂直方向の線（図９では線Ｆと示す）が、孔部４１の中心を通っており、上記した距離Ｇを確保することによる効果が顕著に得られる。しかしながら、図９（Ｂ）のように、辺Ｅに近いボルト穴の中心を通る垂直方向の線（図９では線Ｆと示す）が、孔部４１の中心を通っていなくても良い。ボルト穴４７が、辺Ｅから距離Ｇの範囲内にあれば、同様の効果が得られる。
【００５７】
Ｄ２．変形例２：
第１ないし第３実施例では、燃料電池スタックの一方の端部に配置されたエンドプレートにおいて、流体の供給・排出装置との間の接続を全て行なったが、異なる構成としても良い。燃料電池スタック内のマニホールドの内の少なくとも一部は、他方のエンドプレート側で開口することとしても良い。その場合には、双方のエンドプレートにおいて、エンドプレート外周からの距離を確保するように、エンドプレート内マニホールおよび傾斜領域を形成すればよい。
【００５８】
Ｄ３．変形例３：
第１ないし第３実施例では、エンドプレート内マニホールド６１と配管内流路６２とは、一直線上に重なることとしたが、異なる構成としても良い。接続部近傍における配管内流路６２の延出方向と積層体内マニホールド６０の延出方向が成す角が、エンドプレート内マニホールド６１の延出方向と積層体内マニホールド６０の延出方向がなす角に近づくように、エンドプレートに傾斜面が設けられていればよい。例えば、接続部近傍における配管内流路６２の延出方向を、積層方向に対して、エンドプレート内マニホールドの延出方向が傾斜する方向と同じ方向に傾斜させると共に、接続部近傍における配管内流路６２の延出方向が積層方向との間に成す角度を、エンドプレート内マニホールドの延出方向が積層方向との間に成す角度以下とすれば良い。このような構成とすれば、ボルト５５とエンドプレート内マニホールド６１との干渉を避けることによりボルトの締結強度を高める同様の効果を得ることができる。
【００５９】
Ｄ４．変形例４：
第１ないし第３実施例では、集電板３０、絶縁板３４、エンドプレート３６に設けた孔部４１〜４６と、流体供給・排出装置の配管内の流路とは、断面の大きさが同じであって、互いに重なり合う形状としたが、異なる構成としても良い。流路の延出方向が、実施例と同様に傾斜するように各流路を形成するならば、同様の効果が得られる。ただし、流路内での圧力損失の上昇を抑えるためには、流路断面積を一様に形成することが望ましい。
【００６０】
Ｄ５．変形例５：
第１ないし第３実施例では、ボルト締結の強度を確保するために、エンドプレート内マニホールドを、セル面の中心部よりに傾斜させることとしたが、異なる構成としても良い。いずれかの方向にエンドプレート内マニホールドを傾斜させる必要があるときに、配管との接続部において本願発明を適用し、エンドプレートに傾斜領域を設けるならば、エンドプレート内マニホールドとボルト穴との干渉を抑えることによる同様の効果が得られる。また、流路が折れ曲がることに起因する流体の圧損を抑える同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６１】
１０…単セル
１５，２１５…燃料電池スタック
２０…ＭＥＡ
２３，２４…ガス拡散層
２５，２６…ガスセパレータ
３０，３１…集電板
３２，３３…出力端子
３４，３５…絶縁板
３６，３７，１３６，２３６，３３６…エンドプレート
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅ…傾斜領域
３８…テンションプレート
３９…ボルト
４１〜４６…孔部
４７…ボルト穴
５０…フランジ
５１…冷媒供給配管
５２…開口部
５３…ボルト穴
５４…Ｏリング溝
５５…ボルト
６０…積層体内マニホールド
６１…エンドプレート内マニホールド
６２…配管内流路
８１〜８６…孔部
８７…凹部
８８，８９…溝
【図１】
0005593937.tif 000002
【図２】
0005593937.tif 000003
【図３】
0005593937.tif 000004
【図４】
0005593937.tif 000005
【図５】
0005593937.tif 000006
【図６】
0005593937.tif 000007
【図７】
0005593937.tif 000008
【図８】
0005593937.tif 000009
【図９】
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