(57)【要約】      （修正有）【課題】外部配管から燃料電池スタックへと燃料ガス、酸化剤ガス等の流体を供給するマニフォールドにおいて、流体の種類に応じて複数系統の流路を階層的に設けた場合の流路抵抗によるエネルギ損失を低減する。【解決手段】  マニフォールド１内に、燃料電池スタックに供給する複数種類の流体毎に、スタックの流体給排口に接続する内部側通路１１ｂ〜１３ｂと、この内部側通路を外部配管に接続する外部側通路１１ａ〜１３ａとを設ける。内部側通路は流体の種類毎に階層的に形成すると共に、前記何れかのまたはすべての外部側通路と内部側通路とを、前記階層方向にマニフォールド内を縦貫する容積部１１ｃ〜１３ｃを介して連通する。大きな通路断面積を有する容積部を設けたことにより、スタックへと流れる流体に作用する抵抗を軽減してエネルギ損失を抑えることができる。【選択図】図１−１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のスタックに供給する複数種類の流体毎に、スタックに設けられた流体給排口に接続する内部側通路と、この内部側通路を外部配管に接続する外部側通路とを設けたマニフォールドにおいて、
前記内部側通路を流体の種類毎に階層的に形成すると共に、
前記外部側通路と内部側通路とを、前記階層方向にマニフォールド内を縦貫する容積部を介して連通したこと
を特徴とする燃料電池のマニフォールド。
【請求項２】
前記マニフォールドは内部側通路の階層に対応して積層された複数のマニフォールド部からなり、前記容積部は該複数のマニフォールド部を貫通して形成してある請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項３】
前記内部側通路の開口部をマニフォールドの長手方向の一端部に、前記外部側通路の開口部をマニフォールドの長手方向の他端部に、それぞれ設けると共に、前記容積部を前記各開口部の中間に位置するように形成した請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項４】
前記内部側通路はスタックに開口した複数の流体給排口に対応して複数個を備え、該複数個の内部側通路を互いに共通の容積部を介して外部側通路に連通した請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項５】
前記複数の内部側通路は、同一種類の流体が流れるもの同士を同一の階層に形成してある請求項４に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項６】
前記同一階層内の複数の内部側通路は、容積部からスタックの流体給排口に至る通路長を互いに均等に形成してある請求項５に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項７】
前記流体の種類毎に形成した複数系統の内部側通路ないし容積部に、マニフォールドを介してスタックから外部へ排出する流体と、マニフォールドを介して外部からスタックへと流入する流体にそれぞれ割り当て、かつこれらを隣接して形成した請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項８】
前記マニフォールドを、それぞれ複数の流体を給排する第１マニフォールドと第２マニフォールドとに分割し、何れか一方を介してスタックに流入した流体は何れか他方を介してスタックから排出しうるようにした請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項９】
前記第１マニフォールドと第２マニフォールドのそれぞれに、複数の容積部および該容積部に接続する複数の内部側通路からなる複数系統の流体通路を形成し、前記第１マニフォールドの複数系統の流体通路の何れかを、燃料ガスをスタックに供給する燃料ガス供給通路とし、前記第２マニフォールドの複数系統の流体通路の何れかを、酸化剤ガスをスタックに供給する酸化剤ガス供給通路とした請求項８に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項１０】
前記階層状の内部側通路のうち、最もスタックから離隔した階層の内部側通路を燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためのガス供給通路とした請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項１１】
前記外部側通路の容積部に臨む開口部を、該容積部中心から偏心した方向ないし位置に設けた請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項１２】
前記内部側通路を、該通路内部を流れる流体の流線が屈曲するように形成した請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項１３】
前記外部側通路を、該通路内部を流れる流体の流線が屈曲するように形成した請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項１４】
前記内部側通路の途中に生じる屈曲部の内面に面取りないし曲面を形成した請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。
【請求項１５】
前記外側通路部の開口方向に沿った容積部一側面と、前記外側通路部に対向する容積部底面とが交わる部分を比較的小さな曲率を有する曲面で形成すると共に、前記一側面と対向する容積部側面と前記容積部底面とが交わる角部は比較的大きな曲率を有する曲面もしくは交差形状に形成した請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。→分岐部に対する圧力分布がより均一になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックへ燃料ガス等の流体を分配供給し、または燃料電池スタックからの排出流体を回収するためのマニフォールドの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等に適用する燃料電池では、セルと呼ばれる単位燃料電池を多数積層してスタック体を構成し、さらに複数のスタック体を積層してスタック配列を構成することにより、高出力、高電圧を得るようにしている。
【０００３】
個々のセルの作動に必要な燃料ガスや酸化ガス、またはセル冷却のための冷却液等の流体は、スタック配列に取り付けられた供給マニフォールドを介して各スタック体に分配され、さらに各スタック体の内部に形成された共通の供給流路から各セルに分配供給される。また、各セルにて消費されなかった燃料ガスや酸化剤ガスまたは冷却液は、各スタック体内部に形成された共通の排出流路から排出マニフォールドに集合し、スタック配列の外部へと排出される。
【０００４】
マニフォールドによる各スタック体への燃料ガス等の流体の分配は、各スタック体の起動や出力が一律となるように均等に行う必要がある。このような機能が求められるマニフォールドの構造として、たとえば特許文献１に示したように、流体の種類毎に通路を階層的に設けたものが知られている。
【特許文献１】特表2002-532855号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記従来技術のように複数の流体通路を階層化した構造ではマニフォールドの階層方向の寸法的制約が問題となる。特に車載用の燃料電池においては、限られたスペース内でスタック容積を可能な限り大きく取ろうとするので、それだけマニフォールドについては寸法的制約が大きくなり、このため前述のような階層構造を適用すると各流体の通路断面積が過小となり、必要流量を確保しようとしたときのエネルギ損失が大きくなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、燃料電池のスタックに供給する複数種類の流体毎に、スタックに設けられた流体給排口に接続する内部側通路と、この内部側通路を外部配管に接続する外部側通路とを設ける。
【０００７】
前記内部側通路は流体の種類毎に階層的に形成すると共に、前記何れかのまたはすべての外部側通路と内部側通路とを、前記階層方向にマニフォールド内を縦貫する容積部を介して連通する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、マニフォールドの外部側通路と内部側通路との間に階層方向にマニフォールド内を貫通する大きな容積の容積部を設けたので、マニフォールド外部から外部側通路および内部側通路を介してスタックへと流れる流体に作用する抵抗を軽減してエネルギ損失を抑えることができる。一方、内部側通路は階層的に設けてあるので、スタックに至るまでの他の内部側通路との干渉を避けて通路レイアウトをすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１−１および図１−２は本発明の第１の実施形態である。図中の１がマニフォールド、２が燃料電池のスタックを表している。図１−１は前記マニフォールド１の平面図上の通路配置を、図１−２は同じく側面図上の通路配置をそれぞれ示したものであり、図中で網点等のパターン模様を施した部分はマニフォールド１の材質部分、内側の白地部分は通路部分を表している。なおこれらの図は通路配置を示すための説明図であり、機械製図法による断面図とは異なる（以下の各図についても同様）。
【００１０】
このマニフォールド１は、樹脂の射出成形または鋳造等により一体構造となるように型形成してある。スタック２に循環する流体として、流体１〜流体３の３種類の流体を流すように３系統の通路１１〜１３を形成している。たとえば、流体１は冷却液、流体２は燃料ガス、流体３は酸化剤ガスである。図中で実線矢印は流体１の流れを、破線矢印は流体２の流れを、二点差線矢印は流体３の流れを、それぞれ示している。
【００１１】
前記３系統の通路１１〜１３はそれぞれ外部側通路１１ａ〜１３ａ、内部側通路１１ｂ〜１３ｂ、前記外部側通路と内部側通路の中間に形成した容積部１１ｃ〜１３ｃからなる。各内部側通路１１ｂ〜１３ｂは、それぞれの容積部１１ｃ〜１３ｃから２方向に分岐しており、マニフォールド１のスタック２に対向して被着する底面にて、スタック２の流体通路（図１−２に燃料ガス流路２ｆのみを示す）に接続するように開口している。一方、外部側通路１１ａ〜１３ａは、マニフォールド１の上面側に設けた外部配管（図示せず）との接続フランジ部１４に開口している。
【００１２】
前記接続フランジ部１４は、全体が直方体状をなすマニフォールド１の長手方向の一端部に設けてあり、この接続フランジ部１４に開口した前記３系統の通路１１〜１３のうち、通路１１と１２（内部側通路１１ｂ、１２ｂの開口部）は、長手方向の他端部側にて、また通路１３（内部側通路１３ｂの開口部）は長手方向の略中間部にて、それぞれスタック２側の通路と接続するように形成してある。これら通路開口部の配置はスタック２の通路構造に対応して設定されるものである。
【００１３】
前記３系統の通路１１〜１３は、その外部側通路１１ａ〜１３ａないし容積部１１ｃ〜１３ｃが、図１−２に示したように、側面から観察したときに底面側から上面側へと３段階の階層状に形成してある。すなわち、この場合第１の通路１１が底部側の最下層、第２の通路１２が中間層、第３の通路１３が上面側の最上層に位置している。
【００１４】
このように３系統の通路１１〜１３を階層化して形成したことにより、それぞれの側方には他の通路が存しないことから、その一部すなわち通路中間部分に位置する容積部１１ｃ〜１３ｃの通路寸法を側面方向に拡張することが可能となり、通路に部分的に大きな容積ないし等価水力直径を与えて流路抵抗を軽減することが可能となる。
【００１５】
ことに、この実施形態では、燃料ガスを供給する第２の通路１２について、その中間層に位置する容積部１２ｃを、上層階にまで貫通する態様で形成してある。このようにして、容積部１２ｃを、マニフォールド内にて階層方向に複数の階層を縦貫する態様で形成することにより、その等価水力直径をより拡大することができ、これにより流体（この場合は燃料ガス）をより円滑にスタック２へと供給することが可能となる。
【００１６】
また、このうように等価水力直径が拡大された容積部１１ｃ〜１３ｃに、等価水力直径が比較的小さい通路１１ａ〜１３ａまたは１１ｂ〜１３ｂを接続することで、容積部１１ｃ〜１３ｃにコレクタの役割を持たせることができるので、流体をより均等に複数のスタックへと分配することが可能となる。
【００１７】
なお、この実施形態では３系統の通路１１〜１３をすべてスタック２への流体供給用の通路として用いる例を示しているが、マニフォールド１は可逆的に用いることも可能であり、すなわち前記通路の一部または全部を流体排出用として適用することもできる。
【００１８】
図２−１と図２−２は本発明の第２の実施形態である。この実施形態は階層的に形成する３系統の通路１１〜１３に対応して、マニフォールド１を階層方向に分割した３階層のマニフォールド部１Ｕ、１Ｍ、１Ｌにて別個に形成し、これらを接着等により結合することで一体化したものである。３系統の通路１１〜１３の構成そのものは前記第１の実施形態と同一である。
【００１９】
より詳細には、最上層のマニフォールド部１Ｕには、その上面に設けた接続フランジ部１４に開口するように３つの外部側通路１１ａ〜１３ａを積層方向に貫通させ、第２の容積部１２ｃの上半部と第３の容積１３ｃとが底面側に開放するようにそれぞれ形成する。中間層のマニフォールド部１Ｍには、第１、第２の外部側通路１１ａ、１２ａ、第３の内部側通路１３ｂ、第２の容積部１２ｃの下半部をそれぞれ積層方向に貫通させる。第２の外部側通路１２ａに関して、接続フランジ部１４の開口部分と容積部１２ｃとを接続する中間部分については、底面側にのみ開放する態様で形成してある。最下層のマニフォールド部１Ｌには第１の外部側通路１１ａ、第２と第３の内部側通路１２ｂ、１３ｂ、第１の容積部１１ｃを底面側に開放するようにそれぞれ形成する。第１の外部側通路１１ａに関して、接続フランジ部１４への開口部分と容積部１１ｃとを接続する中間部分については、底面側にのみ開放する態様で形成してある。最下層のマニフォールド部１Ｌの底面には底板１Ｂを取り付け、該底板により前記第１の外部側通路１１ａと第１容積部１１ｃの底面側への開放部分を塞いでいる。前記底板１Ｂには各容積部１１ｃ〜１３ｃから分岐した内部側通路１１ｂ〜１３ｂの開口部を設けてある。なお、以下の図面ではスタック（２）は図示を省略してある。
【００２０】
前記階層毎に別個に形成したマニフォールド部を積層する構成によれば、個々の階層に位置する通路部分や容積部を中子を使わずに形成することが可能になるので、マニフォールド１の製作が容易になる。
【００２１】
図３または図４は、それぞれ本発明の第３、第４の実施形態である。この実施形態は、前記第２の実施形態と同様の多層構造からなるマニフォールド１において、容積部（図では第２の通路１２の容積部１２ｃのみを示している）を３つの階層を縦貫する態様で形成したものである。図４は、外部側通路１２ａを中間層に位置するマニフォールド部１Ｍに形成する一方、内部側通路１２ｂの一部を異なる層、この場合上層側のマニフォールド部１Ｕに設けた点で図３のものと異なる。これらの実施形態によれば、容積部の積層方向の寸法を最大限に確保して、より大きな等価水力直径を得ることができる。また、他の通路の通路配置の関係で容積部の寸法を側方に拡張できない場合においても、積層方向に大きな寸法を確保して流路抵抗の軽減および流体分配性の改善を図ることが可能である。
【００２２】
図５−１と図５−２は本発明の第５の実施形態である。この実施形態は、３系統の通路１１〜１３の外部側通路１１ａ〜１３ａと外部側通路１１ｂ〜１３ｂをそれぞれ３階層に割り当てると共に、それぞれの中間部分に位置する容積部１１ｃ〜１３ｃを３つの階層を縦貫する態様で形成してある。また、図５−１に示したように、各系統の内部側通路１１ｂ〜１３ｂは、それぞれの容積部１１ｃ〜１３ｃから３方向に分岐しているが、同じ系統の内部側通路は同一の階層に位置するように、すなわちそれぞれ３個の第１の内部側通路１１ｂは最上層に、第２の内部側通路１２ｂは中間層に、第３の内部側通路１３ｂは最下層に位置するように形成してある。このように複数の内部側通路の階層を揃えることにより、特にこれらの内部側通路を介して容積部からスタックへと流体の分配を図る際に、そそれぞれのスタックへの流入タイミングを揃えることができ、これにより各内部側通路に接続したスタック単位での発電タイミングが揃うので、局部的な電位の立ち上がりによるセルの劣化を抑制することができる。なお、前述したスタックへの流体の流入タイミングをより均等にするためには、複数個ある内部側通路の容積部からスタックに至るまでの通路長を互いに均等にすることがより好ましい。
【００２３】
前記構成において、隣接する２系統の通路、たとえば図５−１の第２の通路１２（内部側通路１２ｂないし容積部１２ｃ）と第３の通路（内部側通路１３ｂないし容積部１３ｃ）のうち、第２の通路１２にはマニフォールド１を介してスタックから外部へ排出する流体を、第３の通路１３にはマニフォールド１を介して外部からスタックへと流入する流体を、それぞれ割り当てるものとすれば、これら隣接する通路１２，１３のそれぞれの外部側通路１２ａと１３ａ、すなわち外部配管を介しての流体の入口部と出口部と隣接することになるので、配管構成の自由度を高めることができる。
【００２４】
図６−１と図６−２は本発明の第６の実施形態である。これは、前記マニフォールド１を、それぞれ３系統の通路１１〜１３を介して流体を給排する第１マニフォールド１ａと、第２マニフォールド１ｂとに分割したものである。このマニフォールド１は第１マニフォールド１ａと第２マニフォールド１ｂとが内部で分割された一体構造のものとなっているが、図６−３に示したようにこれらを別体の構造としてもよい。前記構成において、２個のマニフォールド１ａ、１ｂのうち、何れか一方を介してスタックに流入した流体は、何れか他方を介してスタックから排出するように構成する。このように、マニフォールドを流体供給用と流体排出用とに分割した構成とすることにより、スタックに対するマニフォールドの配置またはマニフォールドに対する配管の自由度を高めることができる。
【００２５】
また、前記構成において、第１マニフォールド１ａと第２マニフォールド１ｂのそれぞれに、３個の容積部１１ｃ〜１３ｃおよび該容積部に接続する内部側通路１１ｂ〜１３ｂを有する複数系統の流体通路を形成し、前記第１マニフォールド１ａの複数系統の流体通路の何れかを、燃料ガスをスタックに供給する燃料ガス供給通路とし、前記第２マニフォールド１ｂの複数系統の流体通路の何れかを、酸化剤ガスをスタックに供給する酸化剤ガス供給通路とすることにより、スタックの発電性能をより改善することが可能である。これは、複数系統の通路のうち、発電性能に影響するガス分配性の点で最も有利な通路、この実施形態では平面上中央に位置する通路１２を燃料ガスと酸化剤ガスとについて各マニフォールド１ａまたは１ｂに割り当てることができるからである。
【００２６】
また、前記ガス分配性に関して、階層状に形成した３系統の内部側通路１１ｂ〜１３ｂのうち、最もスタックから離隔した階層の内部側通路（図では通路１１ｂ）を燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するためのガス供給通路とするとよい。これは、ガス分配のための通路をスタックから最も離れた階層に設けることにより、該通路の形状に比較的高い自由度を持たせることができ、すなわち分配性のよい通路形状を与えることが可能になるからである。
【００２７】
図７−１と図７−２は本発明の第７の実施形態である。これは外部側通路１１ａ（１２ａ，１３ａ）の容積部１１ｃ（１２ｃ、１３ｃ）に臨む開口部１１ｄを、該容積部１１ｃの中心部から偏心した方句ないし位置に設けたものである。このように外部側通路１１ａを形成することにより、容積部１１ｃの中心から外れた部分に流体を導入して容積部１１ｃの内部に旋回流を生起することができ、これにより流体の混合を促進することができる。
【００２８】
図８−１と図８−２は本発明の第８の実施形態である。これは、内部側通路１１ｂ（１２ｂ、１３ｂ）を、該通路内部を流れる流体の流線が屈曲するように形成したものである。この場合、通路１１ｂの内部に流れ方向に沿って交互的に多数の邪魔板１１ｅを設けて、通路１１ｂの内部の流れを蛇行させるようにしている。この実施形態によれば、前記通路内の流れを強制的に曲げることで渦を発生させ、流体の混合を促進させることができる。
【００２９】
図９は本発明の第９の実施形態である。これは、外部側通路１１ａ（１２ａ、１３ａ）を、該通路内部を流れる流体の流線が屈曲するように形成したものである。この場合、通路１１ａの内部に流れ方向に沿って交互的邪魔板１１ｆを設けて、通路１１ａの内部の流れを蛇行させるようにしている。この実施形態による場合も、前記通路内の流れが邪魔板１１ｆにより強制的に曲げげられることで渦が発生することから、流体の混合を促進させることができる。
【００３０】
図１０は本発明の第１０の実施形態である。これは、内部側通路１１ｂがスタックの沿面方向からスタックに向かって流れの向きを変える部分で生じる屈曲部の内面に面取り１６ないし曲面１７を形成したものである。このうような通路形状とすることにより、流れエネルギの損失を抑えることができ、発生する流体騒音を低減できると共に、流速の低下を抑えてスタックのマニフォールドから遠い箇所へもすばやく流体を到達させることができる。
【００３１】
また、この実施形態では、前記外側通路部１１ａの開口方向に沿った容積部一側面１１ｃｓと、前記外側通路部１１ａに対向する容積部底面１１ｃｂとが交わる部分を比較的小さな曲率を有する曲面１８によって形成すると共に、前記一側面１１ｃｓと対向する容積部側面１１ｃｏと前記容積部底面１１ｃｂとが交わる角部は比較的大きな曲率を有する曲面もしくは交差形状に形成したものである。本出願人の知見によれば、前記のような容積部１１ｃの形状とすることにより、容積部１１ｃ内の圧力分布を均一化して、その下流側に接続する内部側通路１１ｂへの流体の分配性を改善することができる。
【００３２】
なお図７以下の各図では第１の通路１１（外部側通路１１ａ、内部側通路１１ｂ、容積部１１ｃ）に係る１系統のみを図示してあるが、他の系統の通路（１２，１３）についても同様の構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１−１】本発明の第１実施形態の通路配置を示す平面図。
【図１−２】同側面図。
【図２−１】本発明の第２実施形態の通路配置を示す平面図。
【図２−２】同側面図。
【図３】本発明の第３実施形態の通路配置を示す側面図。
【図４】本発明の第４実施形態の通路配置を示す側面図。
【図５−１】本発明の第５実施形態の通路配置を示す平面図。
【図５−２】同側面図。
【図６−１】本発明の第６実施形態の通路配置を示す平面図。
【図６−２】同側面図。
【図６−３】第６実施形態の変形例の通路配置を示す平面図。
【図７−１】本発明の第７実施形態の通路配置を示す平面図。
【図７−２】同側面図。
【図８−１】本発明の第８実施形態の通路配置を示す平面図。
【図８−２】第８実施形態の内部側通路の拡大図。
【図９】本発明の第９実施形態の通路配置を示す側面図。
【図１０】本発明の第１０実施形態の通路配置を示す側面図。
【符号の説明】
【００３４】
１    マニフォールド
１ａ  第１マニフォールド
１ｂ  第２マニフォールド
２    燃料電池のスタック
２ｆ  スタックの燃料ガス流路
１１ａ、１２ａ、１３ａ  外部側通路
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ  内部側通路
１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ  容積部
１４    外部配管の接続フランジ部
【図１−１】
2006172849.tif 000003
【図１−２】
2006172849.tif 000004
【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４】
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【図５−１】
2006172849.tif 000009
【図５−２】
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【図６−１】
2006172849.tif 000011
【図６−２】
2006172849.tif 000012
【図６−３】
2006172849.tif 000013
【図７−１】
2006172849.tif 000014
【図７−２】
2006172849.tif 000015
【図８−１】
2006172849.tif 000016
【図８−２】
2006172849.tif 000017
【図９】
2006172849.tif 000018
【図１０】
2006172849.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成17年9月8日(2005.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１５】
前記外側通路部の開口方向に沿った容積部一側面と、前記外側通路部に対向する容積部底面とが交わる部分を比較的小さな曲率を有する曲面で形成すると共に、前記一側面と対向する容積部側面と前記容積部底面とが交わる角部は比較的大きな曲率を有する曲面もしくは交差形状に形成した請求項１に記載の燃料電池のマニフォールド。