(57)【要約】【課題】発電後の排気をセルスタックに流すための構造を実現するに当たり、そのために必要とされるスペースを小さく抑えることができるスタックマニホールドを提供する。【解決手段】スタックマニホールド３は、セルスタック２のセル積層方向の端部に取り付けられるエンドプレート４を備える。エンドプレート４にはセルスタック２に燃料ガスを流す流路が形成される。流路は、エンドプレート４の厚さ方向の両端面４ａ，４ｂ間を貫通してセルスタック２に繋がるメイン流路１０と、セルスタック２とは反対側の端面４ａで開口するとともにエンドプレート４の厚みの範囲内でメイン流路１０に対し接続されるリターン流路１１と、を有する。端面４ａにおけるメイン流路１０の開口部には燃料タンク５に繋がる燃料配管６が接続される一方、端面４ａにおけるリターン流路１１の開口部にはセルスタック２から排出された発電後の排気を流すリターン配管９が接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のセルスタックのセル積層方向の端部に取り付けられるエンドプレートを備えており、前記エンドプレートには前記セルスタックに燃料ガスを流すための流路が形成されているスタックマニホールドにおいて、
前記流路は、前記エンドプレートにおける厚さ方向の両端面間を貫通して前記セルスタックに繋がるメイン流路と、前記両端面のうち前記セルスタックとは反対側の端面で開口するとともに前記エンドプレートの厚みの範囲内で前記メイン流路に対し接続されているリターン流路と、を有していることを特徴とするスタックマニホールド。
【請求項２】
前記エンドプレートにおける厚さ方向の両端面のうち、前記セルスタック側の端面には出口穴が形成されているとともに、前記セルスタックと反対側の端面には第１入口穴と第２入口穴とが平行に形成されており、
前記第１入口穴と前記出口穴とは前記両端面の延びる方向において互いの一部が重なることにより連通して前記メイン流路を形成するものであり、
前記第２入口穴は、その一部が前記両端面の延びる方向において前記出口穴と重なることにより同出口穴と連通する前記リターン流路を形成するものであり、
前記第１入口穴の底面及び前記第２入口穴の底面には、前記エンドプレートにおける厚さ方向の両端面に対し傾斜した状態となる傾斜面が形成されている請求項１に記載のスタックマニホールド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタックマニホールドに関する。
【背景技術】
【０００２】
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スタックマニホールドが取り付けられている。こうしたスタックマニホールドは、特許文献１に示されるように、セルスタックのセル積層方向の端部に取り付けられるエンドプレートを備えている。このエンドプレートには上記セルスタックに燃料ガスを流すための流路が形成されており、その流路には燃料タンクからの燃料ガスを上記流路に流すための燃料配管が接続されている。
【０００３】
燃料電池は、スタック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。燃料電池での発電後の排気については、燃料ガスが含まれているため、水分と分離された後に上記燃料配管に戻される。詳しくは、水分と分離された後の上記排気を流すためのリターン配管を設け、そのリターン配管を上記燃料配管に接続することにより、燃料ガスが含まれた上記排気を燃料配管及びエンドプレートの流路を介して再び燃料電池（セルスタック）に流すようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５２２８７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記燃料電池においては、発電後の排気をセルスタックに流すためにリターン配管を燃料配管に対し接続しなければならず、そうした接続構造を実現するためのスペースを車両上に確保しなければならない分、車両における各種機器の搭載位置の制約が大きくなることは否めない。
【０００６】
本発明の目的は、発電後の排気をセルスタックに流すための構造を実現するに当たり、そのために必要とされるスペースを小さく抑えることができるスタックマニホールドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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スタックマニホールドは、燃料電池のセルスタックのセル積層方向の端部に取り付けられるエンドプレートを備えており、同エンドプレートには上記セルスタックに燃料ガスを流すための流路が形成されている。この流路は、エンドプレートにおける厚さ方向の両端面間を貫通して上記セルスタックに繋がるメイン流路と、上記両端面のうち上記セルスタックとは反対側の端面で開口するとともにエンドプレートの厚みの範囲内で上記メイン流路に対し接続されているリターン流路と、を有している。
【０００８】
この構成によれば、セルスタックに燃料ガスを流すための燃料配管がエンドプレートのメイン流路に接続される一方、発電後の排気を再びセルスタックに流すためのリターン配管がエンドプレートのリターン流路に接続される。これにより、リターン配管から流れる排気は、エンドプレートのメイン流路におけるリターン流路との接続部分で燃料配管からの燃料ガスと混合されてセルスタックに流される。上記メイン流路及び上記リターン流路はエンドプレートにおける厚さ方向の両端面間に形成されているため、発電後の排気をセルスタックに流すための構造をエンドプレートにおける厚さ方向の両端面間で実現することができ、上記構造を実現するために必要とされるスペースを小さく抑えることができるようになる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発電後の排気をセルスタックに流すための構造を実現するに当たり、そのために必要とされるスペースを小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】スタックマニホールド及び燃料電池を示す略図。
【図２】スタックマニホールドのエンドプレートにおけるメイン流路及びリターン流路周りを拡大して示す断面図。
【図３】上記エンドプレートをスタックマニホールド側の端面から見た状態を示す平面図。
【図４】スタックマニホールドのエンドプレートにおけるメイン流路及びリターン流路周りを拡大して示す断面図。
【図５】上記エンドプレートをスタックマニホールド側の端面から見た状態を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、スタックマニホールドの一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、自動車等の車両に搭載される燃料電池１には、その燃料電池１のセルスタック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スタックマニホールド３が取り付けられている。この燃料電池１は、スタックマニホールド３を介してセルスタック２に対し給排される水素と空気とを用いて発電を行う。また、燃料電池１での発電後の排気については、発電に用いられなかった水素が含まれているため、燃料電池１外に一旦排出された後に上記水素とともに再びセルスタック２に流される。
【００１２】
スタックマニホールド３は、セルスタック２のセル積層方向（図１の左右方向）の端部に取り付けられるエンドプレート４を備えている。このエンドプレート４には、燃料タンク５内の水素をセルスタック２に流すための燃料配管６が接続されるとともに、セルスタック２での発電後の排気を排出するための排気管７が接続されている。排気管７は上記排気から水分を分離するための気液分離器８に繋がっており、その気液分離器８で水分と分離された後の上記排気はエンドプレート４に接続されたリターン配管９を介してセルスタック２に流される。
【００１３】
エンドプレート４には、同エンドプレート４における厚さ方向の両端面４ａ，４ｂ間を貫通してセルスタック２に繋がるメイン流路１０と、上記両端面４ａ，４ｂのうちセルスタック２とは反対側の端面４ａで開口するとともにエンドプレート４の厚みの範囲内で前記メイン流路１０に対し接続されているリターン流路１１と、が形成されている。エンドプレート４の端面４ａにおけるメイン流路１０の開口部には上記燃料配管６が接続されており、上記端面４ａにおけるリターン流路１１の開口部には上記リターン配管９が接続されている。なお、上記メイン流路１０及び上記リターン流路１１は、セルスタック２に燃料ガス（水素）を流すための流路として機能する。
【００１４】
次に、エンドプレート４におけるメイン流路１０及びリターン流路１１の詳細について説明する。
図２に示すように、エンドプレート４における厚さ方向の両端面４ａ，４ｂのうち、セルスタック２側（図２の下側）の端面４ｂには出口穴１２が形成されているとともに、セルスタック２と反対側（図２の上側）の端面４ａには第１入口穴１３と第２入口穴１４とが平行に形成されている。第１入口穴１３と出口穴１２とは、上記両端面４ａ，４ｂの延びる方向（図２の左右方向）において互いの一部が重なることにより連通して上記メイン流路１０を形成するものである。また、第２入口穴１４は、その一部が上記両端面４ａ，４ｂの延びる方向において出口穴１２と重なることにより、同出口穴１２（メイン流路１０）と連通する上記リターン流路１１を形成するものである。
【００１５】
図３は、図２のエンドプレート４を端面４ａ側から見た状態を示している。図３から分かるように、出口穴１２、第１入口穴１３、及び第２入口穴１４の平断面はそれぞれ略四角形状となっており、第１入口穴１３は出口穴１２の平断面における対角線上の一方の角部に位置する一方、第２入口穴１４は上記対角線上のもう一方の角部に位置している。
【００１６】
図２に示すように、第１入口穴１３と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の両端面４ａ，４ｂの延びる方向についての重なり量と、第２入口穴１４と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の両端面４ａ，４ｂの延びる方向についての重なり量とは、等しくなるようにされている。一方、第１入口穴１３と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の厚さ方向（図２の上下方向）についての重なり量と、第２入口穴１４と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の厚さ方向についての重なり量とは、異なるようにされている。
【００１７】
第１入口穴１３の底面における出口穴１２と重なっていない部分には、エンドプレート４の両端面４ａ，４ｂに対し傾斜した状態となる傾斜面１３ａが形成されている。また、第２入口穴１４の底面における出口穴１２と重なっていない部分には、エンドプレート４の両端面４ａ，４ｂに対し傾斜した状態となる傾斜面１４ａが形成されている。
【００１８】
次に、スタックマニホールド３の作用について説明する。
燃料配管６内の水素がエンドプレート４のメイン流路１０（第１入口穴１３及び出口穴１２）を介してセルスタック２に流されるとき、リターン配管９内の排気がエンドプレート４のリターン流路１１（第２入口穴１４）に流される。そして、第１入口穴１３内の排気は、メイン流路１０における第２入口穴１４との接続部分（出口穴１２）で水素と混合されてセルスタック２に流される。上記メイン流路１０及び上記リターン流路１１はエンドプレート４における厚さ方向の両端面４ａ，４ｂ間に形成されているため、発電後の排気をセルスタック２に流すための構造をエンドプレート４における厚さ方向の両端面４ａ，４ｂ間で実現することができ、上記構造を実現するために必要とされるスペースが小さく抑えられる。
【００１９】
セルスタック２での発電後の排気には水素以外に窒素や水蒸気なども含まれているため、リターン配管９からの排気をセルスタック２に流す際には燃料配管６からの水素に上記排気を効果的に混合し、セルスタック２に流れるガス中の水素の濃度に偏りが生じないようにすることが好ましい。燃料配管６からの水素が第１入口穴１３から出口穴１２に流れる際、第１入口穴１３の底面に形成された傾斜面１３ａによって第１入口穴１３から出口穴１２に流れる水素の流れに変化が生じる。一方、リターン配管９からの排気が第２入口穴１４から出口穴１２に流れる際、第２入口穴１４の底面に形成された傾斜面１４ａによって第２入口穴１４から出口穴１２に流れる排気の流れに変化が生じる。このように、第１入口穴１３から出口穴１２に流れる水素と第２入口穴１４から出口穴１２に流れる排気とにはそれぞれ流れの変化が出口穴１２内で生じ、それらの流れの変化によって水素と排気とを効果的に混合することができる。
【００２０】
第１入口穴１３から出口穴１２に流れる水素の流れの方向は傾斜面１３ａの傾斜の向き及び角度によって変わり、第２入口穴１４から出口穴１２に流れる排気の流れの方向は傾斜面１４ａの傾斜の向き及び角度によって変わる。そして、この実施形態では、第１入口穴１３から出口穴１２に流れる水素の流れの方向と第２入口穴１４から出口穴１２に流れる排気の流れの方向とがそれぞれ、出口穴１２内での上記水素と上記排気との混合を促進し得る方向となるよう傾斜面１３ａ，１４ａの傾斜の方向及び角度が調整されている。詳しくは、出口穴１２に流入した上記水素及び上記排気を同出口穴１２の内壁面に沿って図３に矢印で示すように旋回させるべく、傾斜面１３ａ及び傾斜面１４ａが上記矢印方向に向うほど端面４ｂに近づくように傾斜するとともに、その傾斜の角度が上記矢印方向への旋回を強める値とされている。
【００２１】
なお、出口穴１２に流入した上記水素と上記排気とが同出口穴１２内で互いに逆向きに旋回してぶつかり合うことが、出口穴１２内での上記水素と上記排気との混合を促進し得る場合には、傾斜面１３ａと傾斜面１４ａとの傾斜の方向を逆向きとすることが好ましい。この場合、傾斜面１３ａの傾斜の角度と傾斜面１４ａの傾斜の角度とをそれぞれ、出口穴１２に流入した上記水素と上記排気とが効率よくぶつかり合う値に調整することが好ましい。
【００２２】
第１入口穴１３から出口穴１２に流れる水素の流速は、第１入口穴１３と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の厚さ方向（図２の上下方向）についての重なり量の調整を通じて、第１入口穴１３と出口穴１２との接続部分の水素の流通面積を変えることによって調整される。一方、第２入口穴１４から出口穴１２に流れる排気の流速は、第２入口穴１４と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の厚さ方向についての重なり量の調整を通じて、第２入口穴１４から出口穴１２との接続部分の排気の流通面積を変えることによって調整される。ここで、第１入口穴１３と出口穴１２との上記重なり量と第２入口穴１４と出口穴１２との上記重なり量とは、上述したように互いに異なるようにされている。従って、それら重なり量を個別に調整することにより、第１入口穴１３から出口穴１２に流れる水素の流速と第２入口穴１４から出口穴１２に流れる排気の流速とを個別に調整することができる。
【００２３】
ちなみに、この実施形態では、第１入口穴１３から出口穴１２に流れる水素の流速と第２入口穴１４から出口穴１２に流れる排気の流速とがそれぞれ、出口穴１２内での上記水素と上記排気との混合を促進し得る値となるよう調整されている。詳しくは、上記水素の流量が上記排気の流量よりも多くなる関係から、第１入口穴１３と出口穴１２との上記重なり量を第２入口穴１４と出口穴１２との上記重なり量よりも大きくする。これにより、第１入口穴１３と出口穴１２との接続部分の水素の流通面積を第２入口穴１４と出口穴１２との接続部分の排気の流通面積よりも大きくし、上記水素の流速と上記排気の流速とが等しくなるようにしている。
【００２４】
なお、上記水素の流速と上記排気の流速とを互いに異なる任意の値とすることが出口穴１２内での上記水素と上記排気との混合を促進し得る場合には、そうした流速を実現できるよう第１入口穴１３と出口穴１２との上記重なり量及び第２入口穴１４と出口穴１２との上記重なり量の調整を行うことが好ましい。
【００２５】
以上詳述した本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）燃料タンク５からの水素をセルスタック２に流すためのメイン流路１０、及び、セルスタック２での発電後の排気をメイン流路１０に流すためのリターン流路１１が、エンドプレート４における厚さ方向の両端面４ａ，４ｂ間に形成されている。このため、発電後の排気をセルスタック２に流すための構造をエンドプレート４における厚さ方向の両端面４ａ，４ｂ間で実現することができ、上記構造を実現するために必要とされるスペースを小さく抑えることができる。
【００２６】
（２）燃料配管６からの水素がメイン流路１０を形成する第１入口穴１３から出口穴１２に流れる際、第１入口穴１３の底面に形成された傾斜面１３ａによって第１入口穴１３から出口穴１２に流れる水素の流れに変化が生じる。一方、リターン配管９からの排気がリターン流路１１を形成する第２入口穴１４から上記出口穴１２に流れる際、第２入口穴１４の底面に形成された傾斜面１４ａによって第２入口穴１４から出口穴１２に流れる排気の流れに変化が生じる。このように、第１入口穴１３から出口穴１２に流れる水素と第２入口穴１４から出口穴１２に流れる排気とにはそれぞれ流れの変化が出口穴１２内で生じるため、それらの流れの変化によって水素と排気とを効果的に混合することができるようになる。
【００２７】
（３）第１入口穴１３は出口穴１２の平断面における対角線上の一方の角部に位置しており、第２入口穴１４は上記対角線上のもう一方の角部に位置している。このため、第１入口穴１３と第２入口穴１４とは、それぞれを出口穴１２に連通させた状態のもと、互いに最も離れた状態となる。このため、第１入口穴１３及び第２入口穴１４と出口穴１２との大きさが近い場合であっても、第１入口穴１３と第２入口穴１４とをそれぞれ出口穴１２に連通させつつ、第１入口穴１３と第２入口穴１４とが互いに重ならないようにすることができる。また、第１入口穴１３と第２入口穴１４と離れているため、それらに接続される燃料配管６とリターン配管９との干渉を抑制することができる。
【００２８】
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。
・図４及び図５に示すように、第１入口穴１３と出口穴１２との重なり方、及び、第２入口穴１４と出口穴１２との重なり方を変更してもよい。この場合、第１入口穴１３と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の厚さ方向（図４の上下方向）についての重なり量と、第２入口穴１４と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の厚さ方向についての重なり量とが、等しくなるようにされる。一方、第１入口穴１３と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の両端面４ａ，４ｂの延びる方向についての重なり量と、第２入口穴１４と出口穴１２とにおけるエンドプレート４の両端面４ａ，４ｂの延びる方向についての重なり量とは、異なるようにされる。ちなみに、この例においては、第１入口穴１３と出口穴１２との上記重なり量を第２入口穴１４と出口穴１２との上記重なり量よりも大きくしている。
【００２９】
・第１入口穴１３及び第２入口穴１４については、必ずしも出口穴１２の平断面における対角線上の角部に位置している必要はない。
・出口穴１２、第１入口穴１３、及び第２入口穴１４の平断面を、略四角形状以外の形状としてもよい。
【００３０】
・メイン流路１０については、必ずしも出口穴１２と第１入口穴１３とで形成されている必要はなく、例えば一本の通路で形成されていてもよい。
・リターン流路１１については、必ずしも第２入口穴１４によって形成されている必要はなく、例えば一本の通路で形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１…燃料電池、２…セルスタック、３…スタックマニホールド、４…エンドプレート、４ａ…端面、４ｂ…端面、５…燃料タンク、６…燃料配管、７…排気管、８…気液分離器、９…リターン配管、１０…メイン流路、１１…リターン流路、１２…出口穴、１３…第１入口穴、１３ａ…傾斜面、１４…第２入口穴、１４ａ…傾斜面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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