(57)【要約】【課題】高い剛性を有し、さらに各セルへ供給される反応ガス圧が一様である燃料電池スタックを提供する。【解決手段】反応ガスマニホールドを外部に持ち、セルスタック外周に巻きつけたワイヤーによって該反応ガスマニホールドとセルスタックを締結させる燃料電池スタックにおいて、前記反応ガスマニホールド内で前記セルスタックの積層方向に関して略垂直にパイプを貫通させ、該パイプ内に前記ワイヤーを配索した構造を持つことを特徴とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスマニホールドを外部に持ち、セルスタック外周に巻きつけたワイヤーによって該反応ガスマニホールドとセルスタックを締結させる燃料電池スタックにおいて、
前記反応ガスマニホールド内で前記セルスタックの積層方向に関して略垂直にパイプを貫通させ、該パイプ内に前記ワイヤーを配索した構造を持つことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記燃料電池スタックにおいて、前記パイプは前記マニホールドに複数設けられ、該パイプ内に配索された前記ワイヤーの太さを互いに異ならせたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記ワイヤーは、前記燃料電池スタックの前記セルスタックの積層方向端部に位置するパイプに通すワイヤーの径が、中間部のパイプに通すワイヤーの径よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記反応ガスマニホールドに貫通させる前記パイプの径を、反応ガスマニホールドへの反応ガス供給口に一番近いパイプにおいて最も大きくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記反応ガスマニホールドに貫通させるパイプを、反応ガスの流路に垂直な方向に関して、互いにずらして配置することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の一例として燃料電池セルスタックを２列に平行に配置したものがある。（例えば、特開２００１−０７６７５１公報）。また、反応ガスとしての水素を供給するマニホールドとして外部マニホールドを採用した燃料電池スタックが開示されている（例えば、特開平１１−３１２５２６号公報）。このような外部マニホールドを燃料電池セルスタックへ取り付ける際には、各セルにおける燃料供給部と外部マニホールドとの間のシール面圧を得るために、外部マニホールド−セルスタック間の締結をワイヤーで行うことが多い。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−０７６７５１号公報
【特許文献２】
特開平１１−３１２５２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、セルスタックが積層方向に細長い構造をとっているため、高い剛性を得ることが難しく、外部入力振動などにより外部マニホールドとセルスタック間のシール面圧が部分的に不足するといった問題が生じる。一方、各セルへ供給される反応ガス圧が一様でないと、一部でドライアウト（セルの乾燥）などが生じる等、セルの性能低下を引き起こすという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、高い剛性を有し、さらに各セルへ供給される反応ガス圧が一様である燃料電池スタックを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
反応ガスマニホールドを外部に持ち、セルスタック外周に巻きつけたワイヤーによって該反応ガスマニホールドとセルスタックを締結させる燃料電池スタックにおいて、前記反応ガスマニホールド内でセルスタックの積層方向に関して略垂直にパイプを貫通させ、該パイプ内に前記ワイヤーを配索させる。
【０００７】
【発明の作用・効果】
反応ガスマニホールドに全体にわたってパイプを貫通させることによって、反応ガスマニホールド自体の剛性が高まる。したがって、樹脂材料で細長い構造をもつマニホールドを形成しても充分な剛性が確保できる。特にパイプの貫通により剛性の上がった反応ガスマニホールドと柔らかい構造のセルをワイヤーで締結し一体構造にすることで、燃料電池スタック全体としての剛性を高めることができ、反応ガスマニホールドと燃料電池スタックとの間のシール性が向上する。さらに、ワイヤーが反応ガスマニホールドの外側に大きくはみ出さないので、燃料電池スタックと反応ガスマニホールドとの組み立て体がコンパクトな構造を有することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、反応ガスマニホールドとしての外部水素マニホールド１の形状を示す斜視図である。外部水素マニホールド１は、成型の時点で略円筒形状のパイプ２を外部水素マニホールド１の上面から下面へ貫通させ、剛性を高めてある。パイプ２は、セルの積層方向の位置によって径の大きさ、またはセルの積層方向に垂直な方向での位置、またはその双方が異なり、水素供給口３より供給される水素ガスの流れを乱すことで各セルへの供給圧が一様になるように配置される。つまり、パイプ２の径は同一である必要はなく、さらに、外部水素マニホールド２内でのパイプ２の位置は、セルの積層方向に対して垂直にずらせて様々に取りうる。なお、本実施形態では、セルの積層方向は、外部水素マニホールド内の水素ガス流路の方向に略一致する。
【０００９】
外部水素マニホールド１は、中央で仕切り板１ｃにより、上側マニホールド１ａと下側マニホールド１ｂに分離されている。下側マニホールド１ｂは、アノードガスとしての水素を通す水素供給口３に結合し、ここから水素が供給される。上側マニホールド１ａはアノード排ガスの排出口４に結合する。アノード排ガスは排出口４を通りセルスタック８の外へ排出される。シール面５は、樹脂等が塗布されており、マニホールド１とセルスタック８間の水素シールがシール面５で行われる。
【００１０】
図２は、一体化された外部水素マニホールド１とセルスタック８、つまり燃料電池スタック３０を示す。外部水素マニホールド１の両側にセルスタック８が設けられており、外部水素マニホールド１とセルスタック８は締結用ワイヤー６、７によって締結される。なお、セルスタック８は、外部の空気マニホールドやセルカバーを含む形で図示されている。
【００１１】
締結の際、外部入力振動によって最も遥動しやすい積層方向の両端を支えるワイヤー６は、径が太く、かつ強めに締められており、燃料電池スタック３０に入力される振動によって水素供給部のシール面圧が失われないような張力で締結されている。逆にスタック中央部を締結するワイヤー７は、ワイヤー６に対して緩めに小さな張力で締結されており、燃料電池システム稼動中にセルスタック８が膨潤した際の逃げ代を確保する。
【００１２】
図３は、セル積層方向に垂直な面における燃料電池スタック３０の断面図である。供給された水素は、太矢印１１の経路で下側マニホールド１ｂから上側マニホールド１ａへとセル内を流れる。
【００１３】
図４は、本発明に対する比較例を示すセル積層方向に平行な面における燃料電池スタック３０の断面図である（燃料電池スタック３０を真上から見た断面図である）。図４（ａ）はマニホールド内にパイプが無い従来技術の構造であり、図４（ｂ）はマニホールド内に複数のパイプが有る構造である。複数のパイプには径分布、配置分布が有る。マニホールド１への水素供給口に最も近いパイプ２の径を太くすることで、水素ガス流１２の速度を抑え（バッフル板効果と呼ぶ）、各セルに一様な水素ガス供給を行うことができる。また、中央のパイプが水素ガスの流れ方向に垂直な方向に関して位置を異ならせて配置されているため、ガス流が乱され、各セルへの圧力がより一様となる。なお、水素ガスの流れ方向に垂直な方向に関してパイプの位置を異ならせて配置するので、図４（ｂ）の破線のようにパイプ断面の中心を結ぶ線が直線でなくジグザク状になる。
【００１４】
本実施形態は以下の効果を奏する。
【００１５】
（ａ）反応ガスマニホールドを外部に持ち、スタック外周に巻きつけたワイヤーによって該反応ガスマニホールドとセルスタックを締結させる燃料電池スタックにおいて、前記反応ガスマニホールド内でセルスタックの積層方向に関して略垂直にパイプを貫通させ、該パイプ内に前記ワイヤーを配索した。反応ガスマニホールドに全体にわたってパイプを貫通させることによって、反応ガスマニホールド自体の剛性が高まる。したがって、樹脂材料で細長い構造をもつマニホールドを形成しても充分な剛性が確保できる。特にパイプの貫通により剛性の上がった反応ガスマニホールドと柔らかい構造のセルをワイヤーで締結し一体構造にすることで、燃料電池スタック全体としての剛性を高めることができ、反応ガスマニホールドと燃料電池スタックとの間のシール性が向上する。さらに、ワイヤーが反応ガスマニホールドの外側に大きくはみ出さないので、燃料電池スタックと反応ガスマニホールドとの組み立てがコンパクトになる。
【００１６】
（ｂ）燃料電池スタックにおいて、パイプは前記マニホールドに複数設けられ、該パイプ内に配索された前記ワイヤーの太さを異ならせた。ワイヤー径に分布を持たせることで、シール面圧の調整が可能となる。
【００１７】
（ｃ）ワイヤーは、燃料電池スタックのセルスタックの積層方向端部に位置するパイプに通すワイヤー径が、中間部のパイプに通すワイヤーの径よりも大きい。外部入力振動により最も遥動しやすいスタック積層方向の端部をワイヤー（ワイヤー径が太い）で強く締めることで、反応ガスマニホールド−スタック間の動きを抑制し反応ガス漏れを防ぎ、セルスタック中央部分のワイヤー（ワイヤー径が細い）は、緩めに締めることで稼動中のセルスタックの膨潤に対応させる。最終的に、スタック稼動中にシール面圧が一様で、なおかつ外部入力振動によって部分的にでもシール面圧を失うことのないような適切なワイヤー締結力分布を持たせることができる。
【００１８】
（ｄ）反応ガスマニホールドに貫通させる前記パイプの径を、反応ガスマニホールドへの反応ガス供給口に一番近いパイプにおいて最も大きくする。反応ガスマニホールドへの反応ガス供給部付近に径の大きなパイプを配置することで、パイプがバッフル板の役割を果たし、反応ガスマニホールドに供給された反応ガス流速は低下する。一度反応ガス流速を落とした後の反応ガスマニホールド中央部ではパイプ径は小さくすることで圧損をできるだけ抑え、各セルに一様な水素圧を供給する。
【００１９】
（ｅ）反応ガスマニホールドに貫通させるパイプを、反応ガスの流路に垂直な方向に関して、互いにずらして配置する。反応ガスマニホールドを貫通するパイプの、反応ガスの流路に垂直な方向での位置が異なり、反応ガス供給口より供給される反応ガスの流れを乱すことで各セルへの供給圧が一様になるため、より効果的な水素供給が可能となる。
【００２０】
上記実施形態において、外部水素マニホールドに貫通させるパイプ断面は、完全な円形でなくてもよく、またパイプ本数及びワイヤー本数も上記の実施形態に限定されない。パイプを有する反応ガスマニホールドとして、水素ガスマニホールドについて説明したが、勿論、上述の反応ガスマニホールドは、酸化剤あるいは空気のマニホールドであってもよい。
【００２１】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】反応ガスマニホールドの斜視図である。
【図２】反応ガスマニホールドと燃料電池スタックを組み合わせた燃料電池スタックの全体構造をしめす斜視図である。
【図３】燃料電池スタック内での反応ガスの流れを示す断面図である。
【図４】（ａ）従来技術の反応ガスマニホールド内での反応ガスの流れを示す図である。（ｂ）本発明による実施形態の反応ガスマニホールド内での反応ガスの流れを示す図である。
【符号の説明】
１    外部水素マニホールド
２    ワイヤー支持用及び供給ガス攪拌用パイプ
３    水素供給口
４    水素排出口
５    シール面
６    締結用ワイヤー（太）
７    締結用ワイヤー（細）
８    セルスタック（積層セル、外部空気マニホールド、セルカバーなどを含む）
９    水素リターンマニホールド
１０  セル
１１  セル内における水素ガスの流れ方
１２  マニホールド内における水素ガスの流れ方
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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