(57)【要約】【課題】外部マニホルドを持つ燃料電池の製造性および機械的強度を高める。【解決手段】燃料電池は、燃料電池積層体と、一対の端板３７，３８と、マニホルド外壁１２，１３とを備える。燃料電池積層体は、膜電極複合体とセパレータとをセパレータに形成された流路の出入口が側面に露出するように積層したものである。端板３７，３８には、流路の出入口を積層方向へ投影した範囲を含む領域を外側に突出させた突出部を備えている。端板３７，３８の側面は、積層方向に平行なマニホルド固定面となっている。マニホルド外壁１２，１３は、マニホルド固定面に沿った積層方向への投影形状を持ち積層方向に平行な面からなり、燃料電池積層体の側面に露出した出入口に面したマニホルド空間を外部と仕切っている。【選択図】図１
2011171026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極およびカソード電極で電解質膜を挟み込んだ膜電極複合体と外縁に位置する出入口から延びる流路が形成されたセパレータとを前記出入口が側面に露出するように積層した燃料電池積層体と、
前記出入口を前記積層方向へ投影した範囲を含む領域を前記出入口が露出した側面に対して外側に突出させた突出部を備えた前記燃料電池積層体の積層方向の一方の端面と対向する板であってその板の側面の前記突出部に前記積層方向に平行なマニホルド固定面が形成された第１の端板と、
前記燃料電池積層体の前記第１の端板が対向する端面に対して反対側の端面と対向する第２の端板と、
前記第１の端板および前記第２の端板に前記燃料電池積層体を挟みこんで保持させる固定手段と、
前記マニホルド固定面に沿った前記積層方向への投影形状を持ち前記積層方向に平行で前記マニホルド固定面に固定された部分を備えて前記出入口に面したマニホルド空間を外部と仕切るマニホルド外壁と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第２の端板は前記積層方向への投影形状が前記第１の端板のマニホルド固定面と同一の面を持ち、
前記マニホルド外壁は前記積層方向に平行な面のみからなる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記マニホルド外壁は、曲げ加工およびプレス成型加工のいずれかによって製造されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記突出部には板厚方向に貫通して流体を流通させる穴が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記固定手段は前記マニホルド空間の外部で前記第１の端板および前記第２の端板を貫通して延びるタイロッドを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第１の端板および前記第２の端板の少なくとも一方は、前記燃料電池積層体と接する絶縁性の内側端板と前記燃料電池積層体と接する面の反対側の面で前記内側端板に接する外側端板とを含み、前記タイロッドは前記外側端板を貫通し、前記内側端板に接する面の反対側の面で前記外側端板に接して前記タイロッドにはめ込まれたナットを有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記マニホルド外壁は前記積層方向に平行な部分から前記積層方向を横切る向きに折れ曲がった部分とその折れ曲がった部分の前記積層方向に平行な部分の反対側から前記マニホルド空間に対して外側に向かって延びて前記第２の端板に固定された固定部とを備え、前記固定部と前記折れ曲がった部分との境界の前記マニホルド空間に対して外側に凹の部分の丸みの曲率半径は前記積層方向に平行な部分から前記折れ曲がった部分の境界の前記マニホルド空間に対して外側に凸の部分の丸みの曲率半径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記マニホルド外壁と前記燃料電池積層体との間に介在するシール材を有することを特徴とする請求項１ないし請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記マニホルド外壁の内側には前記シール材が嵌め込まれる溝が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記突出部は、外側に向かって広がっていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
アノード電極およびカソード電極で電解質膜を挟み込んだ膜電極複合体と外縁に位置する出入口から延びる流路が形成されたセパレータとを前記出入口が側面に露出するように積層した燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体の積層方向の端面とそれぞれ対向する一対の端板と、
前記一対の端板に前記燃料電池積層体を挟みこんで保持させる固定手段と、
前記端板に固定されて前記出入口に面したマニホルド空間を外部と仕切り、前記マニホルド空間の反対側の表面に形成された凹の部分の丸みの曲率半径が凸の部分の丸みの曲率半径よりも大きいマニホルド外壁と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
前記端板は、前記出入口を前記積層方向へ投影した範囲を含む領域を前記出入口が露出した側面に対して外側に突出させた突出部を備えた前記燃料電池積層体の積層方向の一方の端面と対向する板であってその板の側面の前記突出部に前記積層方向に平行なマニホルド固定面が形成された第１の端板と、前記燃料電池積層体の前記第１の端板が対向する端面に対して反対側の端面と対向する第２の端板と、を備え、
前記突出部には板厚方向に貫通して流体を流通させる穴が形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
アノード電極およびカソード電極で電解質膜を挟み込んだ膜電極複合体と外縁に位置する出入口から延びる流路が形成されたセパレータとを前記出入口が側面に露出するように積層した燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体の積層方向の端面とそれぞれ対向する一対の端板と、
前記一対の端板に前記燃料電池積層体を挟みこんで保持させる固定手段と、
前記積層方向を横切る向きに折れ曲がった部分とその折れ曲がった部分の前記積層方向に平行な部分の反対側から前記マニホルド空間に対して外側に向かって延びて前記端板に固定された固定部とを備えて前記出入口に面したマニホルド空間を外部と仕切り、前記固定部と前記折れ曲がった部分との境界の前記マニホルド空間に対して外側に凹の部分の丸みの曲率半径が前記積層方向に平行な部分から前記折れ曲がった部分の境界の前記マニホルド空間に対して外側に凸の部分の丸みの曲率半径よりも大きいマニホルド外壁と、
を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
前記マニホルド外壁は前記固定部から前記端板に向かって突出した足部を備え、前記足部と前記固定部の境界部分の前記マニホルド空間に対して外側に凹の部分の丸みの曲率半径が前記固定部と前記折れ曲がった部分との境界の前記マニホルド空間に対して外側に凹の部分の丸みの曲率半径よりも小さいことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層の両面に触媒層を配置し、そこに燃料ガスと酸化剤ガスを供給して電気化学反応により発電する装置である。たとえば一般的な固体高分子型燃料電池は、
固体高分子膜と、固体高分子膜の両面に設けられた電極と、ガス不透過性のセパレータとを複数積層した構造の燃料電池積層体を備えている。固体高分子膜は、イオン交換膜で形成され、プロトン伝導性を有する。電極は、白金あるいは白金化合物などからなる触媒層と、多孔質カーボンペーパーなどで構成されたガス拡散層を有している。セパレータは、固体高分子膜を挟み込んだ電極の両面に配置され、ガス供給用の流路が形成されている。
【０００３】
燃料電池積層体の両端には、燃料電池積層体における燃料と酸化剤の化学反応によって発生した電流を燃料電池積層体の外部に導通させるための集電板が設けられる。さらに、これらの積層部材は、積層方向の両端部に配置された端板を介して、互いに近接する方向に締め付けて保持されている。
【０００４】
燃料電池積層体の各単セル電池には、反応に必要な燃料（水素）と酸化剤（空気）および冷却に必要な冷却水を均等に供給する必要がある。反応ガス・冷却水を分配・回収するマニホルドには、内部マニホルド方式のものと外部マニホルド方式のものとがある。内部マニホルド方式では、単セル電池を構成する膜電極複合体（ＭＥＡ）とセパレータの周辺部にガスおよび冷却水供給・排出用の内部マニホルドが設けられており、セパレータのガス流通路・冷却水流通路と連通している。内部マニホルドは、積層されて分配・回収マニホルドを形成する。分配・回収マニホルドは集電板とエンドプレートを貫通し、エンドプレートに設けられたパイプと連通している。
【０００５】
外部マニホルド方式の燃料電池では、セパレータのガス流路にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスとを流通させるための外部マニホルドが、燃料電池積層体の側面に設置される。それぞれの外部マニホルドに設置されたガス出入り口部を流通して、燃料ガスと酸化剤ガスとが燃料電池積層体に流入あるいは排出される。外部マニホルドは、燃料電池積層体に対向した面に開口部を有する箱型の構造物であり、燃料電池積層体の積層方向の寸法変化に対応する方法や外部マニホルドを樹脂材料で一括成型する方法が提案されている（たとえば、特許文献１、２参照）。
【０００６】
外部マニホルド方式ではセパレータにマニホルドを含まないため、セパレータが膜電極複合体の有効面積と同等の大きさとなり、セパレータをコンパクトにでき、コストダウンに有利である。また、外部マニホルドには絶縁性の安価なプラスチックを用いることが可能で、コストアップは最小限に抑えられる。マニホルドの容積もセパレータの大きさの制約を受けずに設定可能であり、積層体を構成する各単セル電池のガス・冷却水流通路により均一にガスや冷却水を分配することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２１８０８７号公報
【特許文献２】特開２００８−４１４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
外部マニホルド方式の燃料電池では、燃料電池外部とマニホルド内との間にガスを流通させるためのガス出入り口部を外部マニホルドに形成する必要がある。このため、ガス出入り口部を含む外部マニホルド全体を樹脂材料で一括成型した場合、樹脂材料の使用量を低減しつつ、ガス出入り口部の機械的強度を確保することが困難である。
【０００９】
外部マニホルド方式では、容積を大きく取るため、箱型の形状とするのが一般的であるが、箱形の外部マニホルドは安価な平板状の材料から曲げ加工により成型することが困難である。
【００１０】
また、箱型の形状とすると、箱の角部がマニホルド内面および外面にできる。角部にはモールド成形のために丸みを設けるのが一般的である。マニホルドの取付荷重がかかると、角部に応力が集中し、破損するおそれがある。角部の丸みの曲率半径を大きくすると応力集中が緩和され破損しにくくなるが、マニホルド内の容積が小さくなり、各単セル電池への配流の均一性が低下するなどの問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、外部マニホルドを持つ燃料電池の製造性および機械的強度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料電池において、アノード電極およびカソード電極で電解質膜を挟み込んだ膜電極複合体と外縁に位置する出入口から延びる流路が形成されたセパレータとを前記出入口が側面に露出するように積層した燃料電池積層体と、前記出入口を前記積層方向へ投影した範囲を含む領域を前記出入口が露出した側面に対して外側に突出させた突出部を備えた前記燃料電池積層体の積層方向の一方の端面と対向する板であってその板の側面の前記突出部に前記積層方向に平行なマニホルド固定面が形成された第１の端板と、前記燃料電池積層体の前記第１の端板が対向する端面に対して反対側の端面と対向する第２の端板と、前記第１の端板および前記第２の端板に前記燃料電池積層体を挟みこんで保持させる固定手段と、前記マニホルド固定面に沿った前記積層方向への投影形状を持ち前記積層方向に平行で前記マニホルド固定面に固定された部分を備えて前記出入口に面したマニホルド空間を外部と仕切るマニホルド外壁と、を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、燃料電池において、アノード電極およびカソード電極で電解質膜を挟み込んだ膜電極複合体と外縁に位置する出入口から延びる流路が形成されたセパレータとを前記出入口が側面に露出するように積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向の端面とそれぞれ対向する一対の端板と、前記一対の端板に前記燃料電池積層体を挟みこんで保持させる固定手段と、前記端板に固定されて前記出入口に面したマニホルド空間を外部と仕切り、前記マニホルド空間の反対側の表面に形成された凹の部分の丸みの曲率半径が凸の部分の丸みの曲率半径よりも大きいマニホルド外壁と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、燃料電池において、アノード電極およびカソード電極で電解質膜を挟み込んだ膜電極複合体と外縁に位置する出入口から延びる流路が形成されたセパレータとを前記出入口が側面に露出するように積層した燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向の端面とそれぞれ対向する一対の端板と、前記一対の端板に前記燃料電池積層体を挟みこんで保持させる固定手段と、前記積層方向を横切る向きに折れ曲がった部分とその折れ曲がった部分の前記積層方向に平行な部分の反対側から前記マニホルド空間に対して外側に向かって延びて前記端板に固定された固定部とを備えて前記出入口に面したマニホルド空間を外部と仕切り、前記固定部と前記折れ曲がった部分との境界の前記マニホルド空間に対して外側に凹の部分の丸みの曲率半径が前記積層方向に平行な部分から前記折れ曲がった部分の境界の前記マニホルド空間に対して外側に凸の部分の丸みの曲率半径よりも大きいマニホルド外壁と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、外部マニホルドを持つ燃料電池の製造性および機械的強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態における燃料電池の一部を分解した斜視図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態の斜視図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態の上面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態における燃料電池積層体を分解した一部の斜視図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態における燃料電池の一部を抜き出した斜視図である。
【図６】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態における第１の端板の斜視図である。
【図７】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態における第２の端板の斜視図である。
【図８】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態の変形例におけるマニホルド外壁の斜視図である。
【図９】本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態の変形例における燃料電池の上面図である。
【図１０】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態における斜視図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態における燃料電池の一部を分解した状態を示す斜視図である。
【図１２】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態における斜視図である。
【図１３】本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態における燃料電池の一部を分解した状態を示す斜視図である。
【図１４】本発明に係る燃料電池の第４の実施の形態における斜視図である。
【図１５】本発明に係る燃料電池の第４の実施の形態における燃料電池の一部を分解した斜視図である。
【図１６】本発明に係る燃料電池の第４の実施の形態におけるマニホルド外壁と端板との結合部分を拡大した断面図である。
【図１７】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態における斜視図である。
【図１８】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態における燃料電池の一部を抜き出して分解した斜視図である。
【図１９】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態における燃料入口外部マニホルドの斜視図である。
【図２０】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態における燃料入口部マニホルドの正面図である。
【図２１】図２０におけるXXI−XXI矢視断面図である。
【図２２】本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態の変形例における燃料入口外部マニホルドの一部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る燃料電池の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
図４は、本発明に係る燃料電池の第１の実施の形態における燃料電池積層体を分解した一部の斜視図である。図５は、本実施の形態における燃料電池の一部を抜き出した斜視図である。図６は、本実施の形態における第１の端板の斜視図である。図７は、本実施の形態における第２の端板の斜視図である。
【００１９】
本実施の形態の燃料電池は、燃料電池積層体３４を有している。燃料電池積層体３４は、膜電極複合体（ＭＥＡ）３１と、片面溝付きセパレータ３２と、両面溝付きセパレータ３３とを積層したものである。膜電極複合体３１は、長方形の固体高分子膜の両面に触媒層を形成し、さらにその両面にガス拡散層を形成したものである。触媒層は、白金あるいは白金化合物などで形成される。ガス拡散層は、多孔質カーボンペーパーなどで形成される。
【００２０】
膜電極複合体３１は、膜電極複合体３１とほぼ同じ大きさの片面溝付きセパレータ３２と両面溝付きセパレータ３３とで挟まれている。片面溝付きセパレータ３２には、膜電極複合体３１に接する面に酸化剤ガス流通路２７が形成されている。両面溝付きセパレータ３３には、膜電極複合体３１に接する面に燃料ガス流通路２５が形成されている。両面溝付きセパレータ３３の燃料ガス流通路２５が形成された面に対して反対側の面には、冷却水流通路２６が形成されている。
【００２１】
燃料ガス流通路２５、酸化剤ガス流通路２７および冷却水流通路２６は、いずれも外縁に位置する出入口から延びている。たとえば、燃料ガス流通路２５は、向かい合う長辺の間に２回折り返して延びている。冷却水流通路２６は、向かい合う長辺の間に２回折り返して延びている。燃料ガス流通路２５の端部と冷却水流通路２６の出入口とは、長辺の異なる位置に設けられている。また、酸化剤ガス流通路２７は、向かい合う短辺の間に直線状に延びている。
【００２２】
燃料電池積層体３４の積層方向の両端部には、集電板３５が設けられている。集電板２５の外側は絶縁板３６で挟まれている。燃料電池積層体３４は、集電板３５および絶縁板３６を介して、燃料電池積層体３４の積層方向の両端面と対向する第１の端板３７および第２の端板３８で挟まれている。絶縁板３６および端板３７，３８の中央部には、開口９０が形成されている。燃料電池積層体３４で発電された電力は、この開口９０から取り出される。
【００２３】
端板３７，３８は、いずれも、燃料電池積層体３４の積層方向への投影形状とほぼ同一の外形寸法の中央部分と、この中央部分の外周から燃料電池積層体３４の積層方向に垂直な方向に燃料電池積層体３４の側面に対して外側に突出した突出部４１とを備えている。端板３７，３８の側面は、燃料電池積層体３４の積層方向に平行に形成されている。
【００２４】
突出部４１は、端板３７，３８の長辺にそれぞれ２つ、短辺にそれぞれ１つ形成されている。第１の端板３７に形成された突出部４１は、第２の端板３８の対応する突出部４１と燃料電池積層体３４の積層方向への投影位置が同じ位置に形成されている。突出部４１は、それぞれ燃料ガス流通路２５、酸化剤ガス流通路２７および冷却水流通路２６の出入口が位置する領域の燃料電池積層体３４の積層方向への投影位置よりも広い範囲に設けられている。
【００２５】
第１の端板３７に設けられた６つの突出部４１には、燃料入口部７１、燃料出口部７２、空気入口部７３、空気出口部７４、冷却水入口部７５および冷却水出口部７６が形成されている。燃料入口部７１、燃料出口部７２、空気入口部７３、空気出口部７４、冷却水入口部７５および冷却水出口部７６は、いずれも板厚方向に貫通した穴である。
【００２６】
燃料入口部７１は、燃料ガス流通路２５の一方の端部が位置する領域の燃料電池積層体３４の積層方向への投影位置に設けられた突出部４１に形成されている。燃料出口部７２は、燃料ガス流通路２５の他方の端部が位置する領域の燃料電池積層体３４の積層方向への投影位置に設けられた突出部４１に形成されている。
【００２７】
空気入口部７３は、酸化剤ガス流通路２７の一方の端部が位置する領域の燃料電池積層体３４の積層方向への投影位置に設けられた突出部４１に形成されている。空気出口部７４は、酸化剤ガス流通路２７の他方の端部が位置する領域の燃料電池積層体３４の積層方向への投影位置に設けられた突出部４１に形成されている。
【００２８】
冷却水入口部７５は、冷却水流通路２６の一方の端部が位置する領域の燃料電池積層体３４の積層方向への投影位置に設けられた突出部４１に形成されている。冷却水出口部７６は、冷却水流通路２６の他方の端部が位置する領域の燃料電池積層体３４の積層方向への投影位置に設けられた突出部４１に形成されている。
【００２９】
また、端板３７，３８の長辺に設けられたそれぞれ４つの突出部４１には、板厚方向に貫通した貫通穴７８が形成されている。端板３７，３８の側面には、それぞれ１６個の取付用ねじ穴７７が設けられている。取付用ねじ穴７７は、端板３７，３８の側面から板の内側に延びる貫通しないねじ穴である。
【００３０】
第１の端板３７の突出部４１に形成された４か所の貫通穴７８と、これらに対応する位置に形成された第２の端板３８に形成された貫通穴７８とには、それぞれタイロッド３９が貫通している。タイロッド３９のそれぞれには、端板３７，３８の燃料電池積層体３４に対して反対側の面に接するようにナット１０がはめ込まれている。これらのナット１０によって、第１の端板３７および第２の端板３８は、燃料電池積層体３４の積層方向の外側から、互いに近接する方向に締め付けられている。つまり、タイロッド３９およびナット１０は、端板３７，３８に燃料電池積層体３４を挟み込んで保持させる固定手段となっている。
【００３１】
端板３７，３８は、タイロッド３９による締め付け力によって発生する応力に耐えうる機械的強度を持った金属材料を用いて形成することが望ましい。しかし、十分な機械的強度を持っていれば、エポキシ樹脂などの絶縁性で機械的強度も持つ樹脂材料で形成することもできる。端板３７，３８の材料が絶縁性を持つ場合は、絶縁板３６を設ける必要はない。
【００３２】
図１は、本実施の形態における燃料電池の一部を分解した斜視図である。図２は、本実施の形態における燃料電池の斜視図である。図３は、本実施の形態における燃料電池の上面図である。
【００３３】
燃料電池３０は、燃料電池積層体３４の側面を覆うマニホルド外壁１２，１３を有している。マニホルド外壁１２，１３は、いずれも端板３７，３８の側面に固定されている。突出部４１も含む端板３７，３８の側面は、燃料電池積層体３４の積層方向に平行でマニホルド外壁１２，１３を固定するマニホルド固定面となっている。
【００３４】
マニホルド外壁１２，１３は、いずれも、マニホルド固定面である端板３７，３８の側面に沿った燃料電池積層体３４の積層方向への投影形状を持ち、燃料電池３４の積層方向に平行な部分を備えている。また、マニホルド外壁１２，１３の端板３７，３８の側面に沿っていない端部には、燃料電池積層体３４の積層方向に平行で、隣り合うマニホルド外壁１３，１２の端部と向かい合う部分を有している。
【００３５】
これらのマニホルド外壁１２，１３は、端板３７，３８に形成された取付用ねじ穴７７にねじ込まれたマニホルド固定ネジ１６によって、シール材１４，１５とともに固定されている。また、マニホルド外壁１２，１３およびシール材１４，１５に形成された第２の端板３８と結合するためのマニホルド固定ネジ１６が貫通する穴部は、燃料電池積層体３４の積層方向に長い長穴にしている。
【００３６】
燃料電池積層体３４の長辺側に取り付けられたマニホルド外壁１２と接するシール材１４は、そのマニホルド外壁１２の外周に沿った部分と、燃料ガス流通路２５および冷却水流通路２６のそれぞれの出入口が露出した領域を区切る部分とからなっている。燃料電池積層体３４の短辺側に取り付けられたマニホルド外壁１３と接するシール材１５は、そのマニホルド外壁１２の外周に沿った部分からなっている。
【００３７】
マニホルド外壁１２，１３は、端板３７，３８の燃料電池積層体３４に近い方の面などとともに、燃料電池積層体３４の側面に面したマニホルド空間を形成している。マニホルド空間は、燃料ガス流通路２５、酸化剤ガス流通路２７および冷却水流通路２６の出入口が燃料電池積層体３４の側面に露出した領域のそれぞれに対応して６か所に形成されている。
【００３８】
シール材１４，１５は、弾性を有するゴムで形成することができる。あるいは、硬化性の樹脂材料を塗布してシール材１４，１５としてもよい。また、弾性体と硬化性の樹脂を組み合わせてシール材１４，１５とすることもできる。
【００３９】
マニホルド外壁１２，１３は、樹脂材料のモールド成型によって製造することができる。あるいは、樹脂板または金属板を曲げ加工、または、プレス成型加工することで形成してもよい。金属板を用いてマニホルド外壁１２，１３を製造する場合には、金属板の成形の前あるいは後に、マニホルド空間に面する表面に樹脂材料を接合してもよい。
【００４０】
燃料電池積層体３４、集電板３５、絶縁板３６、端板３７，３８の各部材の積層面間には、必要に応じてシール材または接着剤を配置して、積層面間でのシール性を保持する。タイロッド３９が端板３７，３８を貫通する貫通穴７８，８８においても、マニホルド内のガスまたは冷却水が燃料電池外部に漏れ出さないように、適切にシールを施しておく。
【００４１】
次に、本実施の形態の燃料電池の動作を説明する。
【００４２】
外部から供給される燃料ガスは、端板３７に形成された燃料入口部７１から燃料電池３０に導入される。燃料入口部７１から導入された燃料ガスは、燃料電池積層体３４と端板３７の燃料入口部７１が形成された突出部４１ともう一方の端板３８の突出部４１とマニホルド外壁１３との間に形成されたマニホルド空間に入る。このマニホルド空間に入った燃料ガスは、マニホルド空間に面した端部から燃料ガス流通路２５に導入される。
【００４３】
酸化剤ガスは、端板３７に形成された空気入口部７３から燃料電池３０に導入される。空気入口部７３から導入された酸化剤ガスは、燃料電池積層体３４と端板３７の空気入口部７３が形成された突出部４１ともう一方の端板３８の突出部４１とマニホルド外壁１２との間に形成されたマニホルド空間に入る。このマニホルド空間に入った酸化剤ガスは、マニホルド空間に面した端部から酸化剤ガス流通路２７に導入される。
【００４４】
燃料電池積層体３４の燃料ガス流通路２５に導入された燃料ガス、および、酸化剤ガス流通路２７に導入された空気中の酸素は、燃料電池積層体３４での発電に用いられる。燃料ガス流通路２５に導入された燃料ガスのうち発電反応に用いられなかったものは、燃料ガス流通路２５の出口側の端部から排出される。酸化剤ガス流通路２７に導入された空気のうち発電反応に用いられなかったものは、酸化剤ガス流通路２７の出口側の端部から排出される。
【００４５】
燃料ガス流通路２５の出口側の端部から排出された排ガスは、燃料電池積層体３４と端板３７の燃料出口部７２が形成された突出部４１ともう一方の端板３８の突出部４１とマニホルド外壁１３との間に形成されたマニホルド空間に入る。このマニホルド空間に入った排ガスは、燃料出口部７２から燃料電池３０の外部に排出される。
【００４６】
酸化剤ガス流通路２７の出口側の端部から排出された排ガスは、燃料電池積層体３４と端板３７の空気出口部７４が形成された突出部４１ともう一方の端板３８の突出部４１とマニホルド外壁１２との間に形成されたマニホルド空間に入る。このマニホルド空間に入った排ガスは、空気出口部７４から燃料電池３０の外部に排出される。
【００４７】
冷却水は、端板３７に形成された冷却水入口部７５から燃料電池３０に導入される。冷却水入口部７５から導入された冷却水は、燃料電池積層体３４と端板３７の冷却水入口部７５が形成された突出部４１ともう一方の端板３８の突出部４１とマニホルド外壁１２との間に形成されたマニホルド空間に入る。このマニホルド空間に入った冷却水は、マニホルド空間に面した端部から冷却水流通路２６に導入される。
【００４８】
冷却水流通路２６を流れる冷却水は、燃料電池積層体３４での発電反応により生じた熱を除去して温められ、冷却水流通路２６の出口側の端部から排出される。冷却水流通路２６の出口側の端部から排出された冷却水は、燃料電池積層体３４と端板３７の冷却水流通路２６が形成された突出部４１ともう一方の端板３８の突出部４１とマニホルド外壁１３との間に形成されたマニホルド空間に入る。このマニホルド空間に入った冷却水は、冷却水出口部７６から燃料電池３０の外部に排出される。
【００４９】
このような本実施の形態の燃料電池３０では、燃料電池積層体３４の積層方向に平行な端板３７，３８のマニホルド固定面に固定されたマニホルド外壁１２，１３は、燃料電池積層体３４の積層方向に平行な板を有している。マニホルド外壁１２，１３の燃料電池積層体３４の積層方向に平行な板の部分では、異なる３平面が交わる部分は存在しない。
【００５０】
さらに、本実施の形態では、端板３７，３８の側面の投影形状を同じにすることによって、マニホルド外壁１２，１３は、いずれも燃料電池積層体３４の積層方向に平行な平面だけで構成されている。つまり、マニホルド外壁１２，１３には、異なる２平面が交わる部分はあるものの、異なる３平面が交わる部分は存在しない。このため、マニホルド外壁１２，１３は、容易に製造することができる。また、応力集中しにくいため、壊れにくく、その結果、薄くすることができる。
【００５１】
端板３７，３８は、燃料電池積層体３４を両端から挟み込んでいるため、機械的強度を確保するために比較的厚く形成する必要がある。本実施の形態では、マニホルド空間は、燃料電池積層体３４およびマニホルド外壁１２，１３だけでなく、端板３７，３８にも面している。そこで、燃料入口部７１、燃料出口部７２、空気入口部７３、空気出口部７４、冷却水入口部７５、冷却水出口部７６を端板３７，３８に形成している。このため、燃料入口部７１、冷却水出口部７６などの流体の出入口部を板厚が比較的厚い部分に形成することができる。その結果、マニホルド外壁１２，１３に形成する場合に比べて、マニホルド外壁１２，１３の一部または全部の板厚を厚くすることなく、流体の出入口部の機械的強度を高めることができる。
【００５２】
たとえば、本実施例では、流体の出入口部は端板３７，３８に形成された貫通穴であり、外周にＯリングを備えた配管接続部品を挿入することで配管の接続が可能となる。また、端板３７，３８に形成された貫通部にネジ加工を行い、ねじ込み式の配管を接続したり、配管継ぎ手部を設置可能な短管部を別途設けてもよい。いずれの場合も、薄板状の外部マニホルド筐体上に各出入り口部を設置する場合よりも配管接続部周辺の機械的強度が確保され易い構造となる。
【００５３】
また、電極３１および片面溝付きセパレータ３２と両面溝付きセパレータ３３の厚さは、製造時の厚さ方向の寸法誤差によって、設計寸法から多少変化する。その結果、製造された燃料電池積層体３４の積層方向の長さが、設計寸法とはある程度異なる場合がある。また、製造後も発電による発熱などの影響で、燃料電池積層体３４の積層方向の長さが変化する可能性がある。
【００５４】
しかし、本実施の形態の燃料電池３０において、シール材１４，１５と燃料電池積層体３４および端板３７、３８との全ての接触部は、燃料電池積層体３４の外周の積層面と平行な面内にある。また、マニホルド外壁１２，１３およびシール材１４，１５に形成されたマニホルド固定ネジ１６が貫通する穴部を、燃料電池積層体３４の積層方向に長い長穴にしている。このため、燃料電池積層体３４の積層方向の寸法変化を一定の範囲内での許容することができる。その結果、マニホルド外壁１２，１３と端板３７，３８との燃料電池積層体３４の積層方向の位置関係が相対的に変化しても、マニホルド外壁１２，１３は端板３７，３８に固定することができる。
【００５５】
このように、本実施の形態の燃料電池では、マニホルド外壁１２，１３を箱型に成型する必要がない。また、マニホルド外壁１２，１３に流体の出入口部を形成する必要が無い。このため、マニホルド外壁１２，１３を平板から曲げ加工により成型したり、肉厚の薄い一括成型品にすることが可能である。また、流体の出入口部を端板３７に設けることができるため、マニホルド外壁１２，１３に複雑な構造のガス出入口部を設ける必要がなく、容易に機械的強度を確保でき、製造費用が安価な燃料電池を提供することができる。
【００５６】
図８は、本実施の形態の変形例におけるマニホルド外壁の斜視図である。
【００５７】
マニホルド外壁１２，１３の厚さは一様であってもよいが、図８に示す変形例のように、燃料電池積層体３４に向かうに、シール材１４，１５が嵌め込まれる溝２４を形成しておいてもよい。このように、シール材１４，１５をマニホルド外壁１２，１３の溝２４に嵌め込むことにより、シール性能が向上し、マニホルド空間からの燃料ガスなどの漏れ出しが抑制される。
【００５８】
図９は、本実施の形態の変形例における燃料電池の上面図である。
【００５９】
端板３７，３８に形成される突出部４１は、図３などに示すように外側に向かって幅が小さくなっていくものでもよいが、図９に示すように、外側に向かって幅が広がるようなものであってもよい。この変形例のような突出部４１が形成された端板３７，３８を備えた燃料電池３０であっても、マニホルド外壁１２，１３に複雑な構造のガス出入口部を設ける必要がなく、容易に機械的強度を確保でき、製造費用が安価な燃料電池を提供することができる。
【００６０】
さらに、この変形例のように、外側に向かって幅が広がる突出部４１を形成し、そのような突出部４１に沿った形状のマニホルド外壁１２，１３を用いると、マニホルド外壁１２，１３の燃料電池積層体３４の側面の法線方向への移動が制限される。このため、マニホルド外壁１２，１３が燃料電池３０から外れる可能性が小さくなる。
【００６１】
また、ガスおよび冷却水の出入口部の端板上での位置や形状、タイロッド３９の配置、形状についても、種々の変形が可能である。たとえば、一部のマニホルド空間には端板にガスまたは冷却水の出入口部を形成せず、そのマニホルドを経由して流体を他の溝に流す形式のマニホルドとすることもできる。この場合、そのマニホルド空間にはガスまたは冷却水の出入口部が形成されないため、出入口部の近傍での破損が生じず、マニホルド空間を囲む部材の強度がそれほど高くなくてもよいことになる。このようなマニホルド空間だけを箱型のマニホルドで形成してもよい。
【００６２】
［第２の実施の形態］
図１０は、本発明に係る燃料電池の第２の実施の形態における斜視図である。図１１は、本実施の形態における燃料電池の一部を分解した状態を示す斜視図である。
【００６３】
本実施の形態の燃料電池は、第１の実施の形態における端板３７，３８（図１参照）の代わりに、内側端板１７，１９および外側端板１８，２０を用いている。燃料電池積層体３４の積層方向の両端は、一対の内側端板１７，１９で挟まれ、そのさらに外側が一対の外側端板１８，２０で挟まれている。また、第１の実施の形態における絶縁板３６（図５参照）を省略している。
【００６４】
内側端板１７，１９は、第１の実施の形態における端板３７，３８（図６および図７参照）とほぼ同じ形状をしている。ただし、内側端板１７，１９には、タイロッド９が貫通する貫通穴７８は形成されていない。
【００６５】
外側端板１８，２０は、外形がほぼ長方形の板であって、四隅に貫通孔が形成されている。これらの貫通孔には、それぞれタイロッド３９が貫通している。タイロッド３９のそれぞれには、外側端板１８，２０の燃料電池積層体３４に対して反対側の面に接するようにナット１０がはめ込まれている。これらのナット１０によって、外側端板１８，２０は、燃料電池積層体３４の積層方向の外側から、互いに近接する方向に締め付けられている。
【００６６】
燃料入口部７１、燃料出口部７２、空気入口部７３、空気出口部７４、冷却水入口部７５および冷却水出口部７６が形成された内側端板１７に接する外側端板１８には、燃料導入部６１、燃料排出部６２、空気導入部６３、空気排出部６４、冷却水導入部６５および冷却水排出部６６が形成されている。燃料導入部６１、燃料排出部６２、空気導入部６３、空気排出部６４、冷却水導入部６５および冷却水排出部６６は、それぞれ燃料入口部７１、燃料出口部７２、空気入口部７３、空気出口部７４、冷却水入口部７５および冷却水出口部７６に対応する位置に形成され、これらと連通する流路を形成している。
【００６７】
また、外側端板１８，２０には、内側端板１７，１９の中央部に設けられた集電のための開口９０と対応する位置に開口９１が形成されている。燃料電池積層体３４で発電された電力は、これらの開口９０，９１から取り出される。
【００６８】
内側端板１７，１９は、耐蝕性と絶縁性を持つ樹脂材料で形成される。外側端板１８，２０およびタイロッド３９は、金属材料で形成される。燃料電池積層体３４、集電板３５、内側端板１７，１９、外側端板１８，１９の各部材の積層面間には必要に応じてシール材または接着剤を配置し積層面間でのシール性が保持されている。
【００６９】
燃料電池積層体３４と接する内側端板１７，１９を、絶縁性を持つ材料で形成することにより、絶縁板を別途設ける必要がなくなる。一方、燃料電池積層体４と内部端板１７，１９とマニホルド外壁１２，１３との間に形成されたマニホルド空間内のガスおよび冷却水は、外側端板１８，２０に接触しない。このため、強度を確保しやすい金属材料で外側端板１８，２０およびタイロッド３９を形成しても、燃料電池の発電に使用するガスおよび燃料電池の冷却に使用する冷却水との接触によって、これらの金属材料が腐蝕することを防止できる。また、外側端板１８，２０に形成されたタイロッド３９が貫通する貫通穴は、マニホルド空間に面していないため、これらの貫通穴にシール性を持たさせる必要がない。
【００７０】
このような本実施の形態により、製造が容易でガス出入口部の機械的強度が高い燃料電池用の外部マニホルドを提供することができる。また、燃料電池の発電に使用するガスおよび燃料電池の冷却に使用する冷却水による金属材料の腐蝕を防止することができるため、長期の運転による金属部品の腐食を抑制できる。その結果、金属部品の腐食に起因する燃料電池の性能低下を抑制し、信頼性の高い燃料電池が得られる。
【００７１】
また、内部端板１７と外部端板１８あるいは内部端板１９と外部端板２０を、絶縁性および強度を確保できれば、一体成型したものを用いてもよい。内側端板１７と外部端板１８あるいは内部端板１９と外部端板２０を金属材料で一体成型し、絶縁が必要な場所に絶縁性のライニングを設けて用いることもできる。
【００７２】
［第３の実施の形態］
図１２は、本発明に係る燃料電池の第３の実施の形態における斜視図である。図１３は、本実施の形態における燃料電池の一部を分解した状態を示す斜視図である。
【００７３】
本実施の形態の燃料電池は、第１の実施の形態に、マニホルド補強部品２１，２２を追加したものである。このマニホルド補強部品２１，２２は、マニホルド外壁１２，１３とマニホルド固定ネジ１６との間に設けられる。マニホルド補強部品２１，２２は、マニホルド外壁１２，１３の変形を抑制し、シール材１４，１５の全面に十分な締付力を付加することが可能な機械的強度を持つ構造部品である。
【００７４】
このような本実施の形態により、製造が容易でガス出入口部の機械的強度が高い燃料電池用の外部マニホルドを提供することができる。また、マニホルド補強部品２１，２２によりシール材１４，１５の全面に十分な締付力が付加される。このため、マニホルド外壁１２，１３の変形により発生するガスおよび冷却水のシール材１４，１５のシール部からのリークが抑制される。よって、マニホルド外壁１２，１３として機械的強度が弱く比較的安価な材料を使用しても燃料電池の発電に使用するガスおよび燃料電池の冷却に使用する冷却水の燃料電池外部へのリークを抑制することができる。その結果、長期の運転によるガスおよび冷却水のリークに起因する燃料電池の性能低下を抑制した信頼性の高い燃料電池を、安価な製造費用で提供できる。
【００７５】
［第４の実施の形態］
図１４は、本発明に係る燃料電池の第４の実施の形態における斜視図である。図１５は、本実施の形態における燃料電池の一部を分解した斜視図である。
【００７６】
本実施の形態の燃料電池３０は、第１の実施の形態とマニホルド外壁が異なっている。本実施の形態のマニホルド外壁５１，５２は、箱型に形成されている。これらのマニホルド外壁５１，５２は、燃料電池積層体３４に側の面がない直方体から、さらに端板３７，３８に接する部分が端板３７，３８に沿った形状に切り欠かれた形状をしている。また、燃料電池積層体３４の長辺側に面するマニホルド外壁５１には、積層方向に延びる仕切り板５４が設けられている。この仕切り板５４により、冷却水のマニホルド空間と燃料ガスのマニホルド空間が仕切られている。
【００７７】
マニホルド外壁５１，５２の箱部分の燃料電池積層体３４の積層方向の両端部から、その積層方向に耳５３が延びている。これらの耳５３は、端板３７，３８に形成された取付用ねじ穴７７に対応して設けられていて、それぞれの耳５３には穴が形成されている。これらのマニホルド外壁５１，５２は、樹脂のモールド成型により製造することができる。
【００７８】
マニホルド外壁５１，５２は、これらの耳５３に形成された穴を通過して端板３７，３８にねじ込まれたマニホルド固定ネジ１６で固定されている。第２の端板３８と接する耳５３の穴を積層方向に長い長穴にしておくことにより、燃料電池積層体３４の積層方向の寸法変化を吸収することができる。
【００７９】
マニホルド外壁５１，５２と燃料電池積層体３４および端板３７，３８などとの間には、シール材５６，５７が介在している。本実施の形態において、シール材５６，５７は、マニホルド外壁５１，５２の耳５３を除いた部分および仕切り板５９と接触するように設けられている。なお、シール材５６，５７には、第１の実施の形態におけるシール材１４，１５（図１参照）のようなマニホルド固定ネジ１６が通過する穴は形成されていない。
【００８０】
図１６は、本実施の形態におけるマニホルド外壁と端板との結合部分を拡大した断面図である。
【００８１】
マニホルド外壁５１の箱の稜線の外側の凸になっている部分５４は、完全な直角ではなく、丸みを持っている。また、マニホルド外壁５１の耳５３の根元の外側に凹となっている部分５５は、完全な直角ではなく、丸み持っている。マニホルド外壁５１の耳５３の根元でマニホルド空間５８の外側で凹となっている部分５５の丸みの曲率半径Ｒは、箱の稜線の外側の凸になっている部分５４の丸みの曲率半径Ｒに比べて大きい。燃料電池積層体３４の短辺側の側面に面するマニホルド外壁５２についても同様である。
【００８２】
マニホルド外壁５１，５２は、ポリプロピレンやポリカーボネート、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂やフェノール、エポキシなどの熱硬化性樹脂の材料で、射出成形や圧縮成形などにより成形される。
【００８３】
マニホルド外壁５１，５２の端板３７，３８への取付け部近傍の凹型の角部は、取付荷重がかかると角が開く方向に引張応力がかかり、角部で破損を生じやすい。しかし、本実施の形態では、この部分に十分大きな半径Ｒ２の丸みを持たせているため、強度が高い。
【００８４】
一方、凸型の角部の丸みの曲率半径Ｒ１を大きくすると内面の半径も大きくする必要があり、マニホルド空間５８内の容積が減少してしまう。そこで、本実施の形態では、凸型の角部の丸みの曲率半径Ｒ１を、成形性の確保のために必要最低限の丸みとしている。これにより、マニホルド空間５８の体積をなるべく大きくしたまま、マニホルド外壁５１，５２の強度を確保している。
【００８５】
このように、端板３７に突出部４１を設け、その突出部４１に流体の出入口部を形成することにより、マニホルド外壁５１，５２に複雑な構造のガス出入口部を設ける必要がなくマニホルド外壁５１，５２を薄肉化することができる。樹脂のモールド成型では、板状でなくても、厚肉部が少なくなることで製造性、コストの面でメリットがある。このため、本実施の形態では、箱型のマニホルドを用いているが、十分な強度を確保しつつ、製造性が高く、製造費用も低減できる。
【００８６】
さらに、第２の実施の形態のように、内側端板と外側端板を用いて、マニホルド空間の外側にタイロッド３９を配置すれば（図９参照）、流体の出入口部が形成されていない端板には突出部を設ける必要がなくなる。この場合、マニホルド外壁５１，５２の流体の出入口部が形成されていない端板に接する部分には、突出部に沿った切り欠きを形成する必要がない。
【００８７】
［第５の実施の形態］
図１７は、本発明に係る燃料電池の第５の実施の形態における斜視図である。図１８は、本実施の形態における燃料電池の一部を抜き出して分解した斜視図である。
【００８８】
本実施の形態の燃料電池３０は、膜電極複合体３１と、片面溝付きセパレータ３２と、両面溝付きセパレータ３３とを積層した燃料電池積層体を有している。燃料電池積層体の積層方向の両端部には、端板４２が配置される。これらの端板４２は、導電性内部プレートと絶縁性外部プレートで構成される。絶縁性外部プレートは、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの耐熱性樹脂材料で形成される。導電性内部プレートの電池反応部分に対応する内側には、凹状の窪みが設けられている。絶縁性外部プレートのコーナーには突起が設けられ、突起中心に形成された孔を通る締付スタッド９２によって、締付スプリング９３を介して締め付けられる。導電性内部プレートは、ステンレスなどの導電性材料からなる１枚の平板で、絶縁性外部プレートの窪みに配置される。窪みの中央には開口９０が設けられ、燃料電池積層体の発電電流を外部に取り出す。
【００８９】
端板４２の側面には、マニホルド固定ネジ１６をねじ込む取付用ねじ穴７７が複数個設けられている。酸化剤ガス流通路２７の一方の端部および冷却水流通路２６の一方の端部が位置する燃料電池積層体の側面と対向して酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４６が配置される。酸化剤ガス流通路２７の他方の端部および冷却水流通路２６の他方の端部が位置する燃料電池積層体の側面と対向して酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５が配置される。燃料ガス流通路２５の一方の端部が位置する燃料電池積層体の側面と対向して燃料入口外部マニホルド４６が配置される。燃料ガス流通路２５の他方の端部が位置する燃料電池積層体の側面と対向して燃料出口外部マニホルド４７が配置される。酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５、燃料入口外部マニホルド４６および燃料出口外部マニホルド４７は、取付用ねじ穴７７にねじ込まれたマニホルド固定ネジ１６によって端板４２に固定されている。
【００９０】
酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５、燃料入口外部マニホルド４６および燃料出口外部マニホルド４７は、燃料電池積層体側が開口した箱型に形成されている。酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４および酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５の内部には、酸化剤ガス流通路２７の端部および冷却水流通路２６の端部が位置する領域を仕切る仕切り板が設けられている。
【００９１】
酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５、燃料入口外部マニホルド４６および燃料出口外部マニホルド４７によって、酸化剤ガス流通路２７の端部、冷却水流通路２６の端部および燃料ガス流通路２５の端部がそれぞれ位置する燃料電池積層体の側面に、それぞれ独立したマニホルド空間が形成されている。
【００９２】
酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４には、酸化剤ガス流通路２７の端部が面したマニホルド空間と連通する酸化剤入口８６が設けられている。また、酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４には、冷却水流通路２６の端部が面したマニホルド空間と連通する冷却水出口８３が設けられている。酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５には、酸化剤ガス流通路２７の端部が面したマニホルド空間と連通する酸化剤出口８５が設けられている。また、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５には、冷却水流通路２６の端部が面したマニホルド空間と連通する冷却水入口８４が設けられている。
【００９３】
燃料入口外部マニホルド４６には、燃料ガス流通路２５の端部が面したマニホルド空間と連通する燃料入口８２が設けられている。燃料出口外部マニホルド４７には、燃料ガス流通路２５の端部が面したマニホルド空間と連通する燃料出口８１が設けられている。
【００９４】
外部から供給される燃料ガスは、燃料入口８２から燃料電池３０に導入される。燃料入口８２から導入された燃料ガスは、マニホルド空間を経由して、マニホルド空間に面した端部から燃料ガス流通路２５に導入される。
【００９５】
酸化剤ガスは、酸化剤入口８６から燃料電池３０に導入される。酸化剤入口８６から導入された酸化剤ガスは、マニホルド空間を経由して、マニホルド空間に面した端部から酸化剤ガス流通路２７に導入される。
【００９６】
燃料電池積層体の燃料ガス流通路２５に導入された燃料ガス、および、酸化剤ガス流通路２７に導入された空気中の酸素は、燃料電池積層体での発電に用いられる。燃料ガス流通路２５に導入された燃料ガスのうち発電反応に用いられなかったものは、燃料ガス流通路２５の出口側の端部から排出される。酸化剤ガス流通路２７に導入された空気のうち発電反応に用いられなかったものは、酸化剤ガス流通路２７の出口側の端部から排出される。
【００９７】
燃料ガス流通路２５の出口側の端部から排出された排ガスは、マニホルド空間を経由して、燃料出口８１から燃料電池３０の外部に排出される。酸化剤ガス流通路２７の出口側の端部から排出された排ガスは、マニホルド空間を経由して、酸化剤出口８５から燃料電池３０の外部に排出される。
【００９８】
冷却水は、冷却水入口８４から燃料電池３０に導入される。冷却水入口８４から導入された冷却水は、マニホルド空間を経由して、マニホルド空間に面した端部から冷却水流通路２６に導入される。冷却水流通路２６を流れる冷却水は、燃料電池積層体での発電反応により生じた熱を除去して温められ、冷却水流通路２６の出口側の端部から排出される。冷却水流通路２６の出口側の端部から排出された冷却水は、マニホルド空間を経由して、冷却水出口８３から燃料電池３０の外部に排出される。
【００９９】
図１９は、本実施の形態における燃料入口外部マニホルドの斜視図である。図２０は、本実施の形態における燃料入口部マニホルドの正面図である。図２１は、図２０におけるXXI−XXI矢視断面図である。図１９において、太線は燃料入口外部マニホルドの大まかな外形を示しており、細線は曲面が形成されている部分を示している。
【０１００】
燃料入口外部マニホルド４６には、燃料電池積層体の積層方向の両端部のそれぞれ２か所にマニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成されている。マニホルド固定ネジ１６がマニホルド固定ネジ貫通穴４８を貫通して取付用ねじ穴７７にねじ込まれることによって、燃料入口外部マニホルド４６は端板４２に固定される。燃料入口外部マニホルド４６と端板４２などとの間にシール材を介在させて、マニホルド空間５８の密閉性を高めてもよい。
【０１０１】
マニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成された部分９５は、マニホルド空間５８を囲む壁９４からマニホルド空間５８の反対側に向かって設けられる。マニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成された部分９５は、マニホルド空間５８を囲む壁９４に比べて板厚が厚い。
【０１０２】
マニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成された部分９５とマニホルド空間５８を囲む壁９４との境界部分５５は、マニホルド空間５８の外側で凹となっている。燃料入口外部マニホルド４６の箱の稜線部分５４は、マニホルド空間５８の外側で凸になっている。燃料入口外部マニホルド４６の外面の角部は、成形性を高めるため、丸みを持っている。
【０１０３】
マニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成された部分９５とマニホルド空間５８を囲む壁９４との境界部分５５の丸みの曲率半径Ｒ２は、燃料入口外部マニホルド４６の箱の稜線部分５４の丸みの曲率半径Ｒ１に比べて大きい。燃料出口外部マニホルド４７は、燃料入口外部マニホルド４６と同じ形状をしている。また、酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４および酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５も、マニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成された部分９５とマニホルド空間５８を囲む壁９４との境界部分５５および箱の稜線部分５４の丸みの曲率半径の関係は、燃料入口外部マニホルド４６と同様である。酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５、燃料入口外部マニホルド４６および燃料出口外部マニホルド４７は、ポリプロピレンやポリカーボネート、ＰＰＳなどの熱可塑性樹脂やフェノール、エポキシなどの熱硬化性樹脂の材料で、射出成形や圧縮成形などにより成形される。
【０１０４】
酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５、燃料入口外部マニホルド４６および燃料出口外部マニホルド４７の端板４２への取付け部近傍の凹型の角部は、取付荷重がかかると角が開く方向に引張応力がかかる。このため、この角部で破損を生じやすい。しかし、本実施の形態では、この部分に十分大きな半径Ｒ２の丸みを持たせているため、強度が高い。
【０１０５】
一方、マニホルド空間５８の外側で凸の角部の丸みの曲率半径Ｒ１を大きくすると内面の半径も大きくする必要があり、マニホルド空間５８内の容積が減少してしまう。そこで、本実施の形態では、凸型の角部の丸みの曲率半径Ｒ１を、成形性の確保のために必要最低限の丸みとしている。これにより、マニホルド空間５８の体積をなるべく大きくしたまま、酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５、燃料入口外部マニホルド４６および燃料出口外部マニホルド４７の強度を確保している。
【０１０６】
このように、本実施の形態では、本実施の形態では、箱型のマニホルドを用いているが、十分な強度を確保しつつ、製造性が高く、製造費用も低減できる。
【０１０７】
図２２は、本実施の形態の変形例における燃料入口外部マニホルドの一部の断面図である。
【０１０８】
この変形例において、燃料入口外部マニホルド４６には、マニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成された部分９５から端板４２側に突出した足部９６が設けられている。マニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成された部分９５とこの足部９６との境界部分９７は、マニホルド空間５８の外側で凹となっている。この凹となった境界部分９７は、成形性を高めるため、丸みを持っている。取付荷重によってこの境界部分９７に発生する応力は圧縮方向であるため、この境界部分では、引張応力が発生するマニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成された部分９５とマニホルド空間５８を囲む壁９４との境界部分５５に比べて破損しにくい。
【０１０９】
そこで、この変形例では、この境界部分９７の丸みの曲率半径Ｒ３をマニホルド固定ネジ貫通穴４８が形成された部分９５とマニホルド空間５８を囲む壁９４との境界部分５５の丸みの曲率半径Ｒ２よりも小さく、成形性に必要最小限の半径とする。これにより、燃料入口外部マニホルド４６の材料の重量を少なくすることができる。また、酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド４４、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド４５および燃料出口外部マニホルド４７に足部を設けた場合も、その境界部分の丸みの曲率半径を小さくすることによって、これらのマニホルドの材料重量を少なくすることができる。
【０１１０】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【０１１１】
１０…ナット、１２…マニホルド外壁、１３…マニホルド外壁、１４…シール材、１５…シール材、１６…マニホルド固定ネジ、１７，１９…内側端板、１８，２０…外側端板、２１，２２…マニホルド補強部品、２４…溝、２５…燃料ガス流通路、２６…冷却水流通路、２７…酸化剤ガス流通路、３０…燃料電池、３１…膜電極複合体、３２…片面溝付きセパレータ、３３…両面溝付きセパレータ、３４…燃料電池積層体、３５…集電板、３６…絶縁板、３７…端板、３８…端板、３９…タイロッド、４１…突出部、４２…端板、４４…酸化剤入口・冷却水出口外部マニホルド、４５…酸化剤出口・冷却水入口外部マニホルド、４６…燃料入口外部マニホルド、４７…燃料出口外部マニホルド、４８…マニホルド固定ネジ貫通穴、５１…マニホルド外壁、５２…マニホルド外壁、５３…耳、５６，５７…シール材、５８…マニホルド空間、５９…仕切り板、６１…燃料導入部、６２…燃料排出部、６３…空気導入部、６４…空気排出部、６５…冷却水導入部、６６…冷却水排出部、７１…燃料入口部、７２…燃料出口部、７３…空気入口部、７４…空気出口部、７５…冷却水入口部、７６…冷却水出口部、７７…取付用ねじ穴、７８…貫通穴、８１…燃料出口、８２…燃料入口、８３…冷却水出口、８４…冷却水入口、８５…酸化剤出口、８６…酸化剤入口、９０…開口、９１…開口、９２…締付スタッド、９３…締付スプリング、９４…壁、９６…足部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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