(57)【要約】【課題】  燃料電池オフガス中の生成水がフレキシブルチューブの凹部に溜まりにくくフレキシブルチューブの腐食を生じにくい燃料電池のガス配管の提供。【解決手段】（１）フレキシブルチューブ１を設けた燃料電池のガス配管であって、フレキシブルチューブ１をらせん溝３をもつフレキシブルチューブとした燃料電池のガス配管。（２）フレキシブルチューブ１を設けた燃料電池のガス配管であって、フレキシブルチューブ１を周方向溝２と断面の低部に軸方向溝４をもつフレキシブルチューブとした燃料電池のガス配管。（３）  フレキシブルチューブ１を設けた燃料電池のガス配管であって、フレキシブルチューブ１を内側にゴムまたは樹脂製のホース４を挿入した二重壁のフレキシブルチューブとした燃料電池のガス配管。（４）ガス配管が燃料電池の燃料ガスのオフガス配管を含む。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレキシブルチューブを設けた燃料電池のガス配管であって、前記フレキシブルチューブをらせん溝をもつフレキシブルチューブとした燃料電池のガス配管。
【請求項２】
フレキシブルチューブを設けた燃料電池のガス配管であって、前記フレキシブルチューブを周方向溝と断面の低部に軸方向溝をもつフレキシブルチューブとした燃料電池のガス配管。
【請求項３】
フレキシブルチューブを設けた燃料電池のガス配管であって、前記フレキシブルチューブを内側にゴムまたは樹脂製のホースを挿入した二重壁のフレキシブルチューブとした燃料電池のガス配管。
【請求項４】
前記ガス配管が燃料電池の燃料ガスのオフガス配管を含む請求項１〜請求項３の何れか一項記載の燃料電池のガス配管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池のガス配管に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、たとえば固体高分子電解質型燃料電池は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータとの積層体（ただし、積層方向は任意でよい）からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜とこの電解質膜の一面に配置された触媒層からなる電極（アノード、燃料極）および電解質膜の他面に配置された触媒層からなる電極（カソード、空気極）とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータとの間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層が設けられる。セパレータには、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路が形成され、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセルを構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、スタックを構成する。スタックにはセル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールドが設けられる。燃料ガスマニホールドを通してセルの燃料ガス流路に燃料ガスが供給、排出され、酸化ガスマニホールドを通してセルの酸化ガス流路に酸化ガスが供給、排出される。
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子にする電離反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成するつぎの反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【０００３】
特開２００１−１３０４６８号公報は、固体高分子電解質型燃料電池のスタックに接続される配管の途中にフレキシブルチューブを配置し、熱膨張差や振動振幅を吸収するようにしたものを開示している。フレキシブルチューブは、ゴムや樹脂製であると燃料オフガスの水素分子がチューブ壁を透過するので、金属製、とくにステンレス製としてある。
しかし、燃料ガス、酸化ガスのオフガスに含まれる生成水で配管が腐食するおそれがある。燃料電池の配管系がフレキシブルチューブを含む場合、フレキシブルチューブの凹部に生成水が溜まるので、腐食上問題となる。
【特許文献１】特開２００１−１３０４６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする問題点は、燃料電池オフガス配管にフレキシブルチューブを用いた場合における、フレキシブルチューブの凹部にたまる生成水によりフレキシブルチューブが腐食してしまうという問題である。
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池オフガス配管にフレキシブルチューブを用いた場合における、燃料電池オフガス中の生成水がフレキシブルチューブの凹部に溜まりにくくフレキシブルチューブの腐食を生じにくい燃料電池のガス配管を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する、そして上記目的を達成する、本発明はつぎの通りである。
（１）  フレキシブルチューブを設けた燃料電池のガス配管であって、前記フレキシブルチューブをらせん溝をもつフレキシブルチューブとした燃料電池のガス配管。
（２）  フレキシブルチューブを設けた燃料電池のガス配管であって、前記フレキシブルチューブを周方向溝と断面の低部に軸方向溝をもつフレキシブルチューブとした燃料電池のガス配管。
（３）  フレキシブルチューブを設けた燃料電池のガス配管であって、前記フレキシブルチューブを内側にゴムまたは樹脂製のホースを挿入した二重壁のフレキシブルチューブとした燃料電池のガス配管。
（４）  前記ガス配管が燃料電池の燃料ガスのオフガス配管を含む（１）〜（３）の何れかに記載の燃料電池のガス配管。
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）の燃料電池のガス配管によれば、フレキシブルチューブをらせん溝をもつフレキシブルチューブとしたので、フレキシブルチューブのらせん溝はつながっており、らせん溝に生成水が入っても、ガス流で下流への流され、あるいはフレキシブルチューブが上下方向に延びていると、ガス流と重力で下方へと流され、フレキシブルチューブの溝からなる凹部に生成水が溜まることが抑制され、溜まった生成水によるフレキシブルチューブの腐食が防止される。
上記（２）の燃料電池のガス配管によれば、フレキシブルチューブを断面の低部に軸方向溝をもつフレキシブルチューブとしたので、フレキシブルチューブの周方向溝は軸方向溝でつながっており、周方向溝に生成水が入っても、軸方向溝を通してガス流と重力で下流へと流され、フレキシブルチューブの周方向溝からなる凹部に生成水が溜まることが抑制され、溜まった生成水によるフレキシブルチューブの腐食が防止される。
上記（３）の燃料電池のガス配管によれば、フレキシブルチューブを内側にゴムまたは樹脂製のホースを挿入した二重壁のフレキシブルチューブとしたので、内側にゴムまたは樹脂製のホースの内面を凹凸の無いストレートにしておくことにより、フレキシブルチューブ内の溝を無くし、フレキシブルチューブ内に生成水が入っても、ガス流で、またはガス流と重力で下流へと流され、溜まった生成水によるフレキシブルチューブの腐食が防止される。
上記（４）の燃料電池のガス配管によれば、ガス配管が燃料電池の燃料ガスのオフガス配管を含むので、従来生成水による腐食のおそれがあった燃料ガスのオフガス配管の腐食のおそれがなくなるか、または腐食のおそれが少なくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池のガス配管を図１〜図８を参照して説明する。図中、図１は本発明の実施例１を示し、図２は本発明の実施例２を示し、図３は本発明の実施例３を示し、図４〜図７は本発明の何れの実施例にも適用可能な一般的構成を示し、図８は比較例（比較例は本発明に含まず）を示す。
本発明の燃料電池スタック構成部品用ガスケットが装着される燃料電池は、たとえば固体高分子電解質型燃料電池１０である。該燃料電池１０は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
【０００９】
図４〜図７に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜の一面に配置された触媒層を有する電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜１１の他面に配置された触媒層を有する電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側に、それぞれ、ガスを拡散する拡散層１３、１６が設けられる。
膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねてセル（単セル）１９を構成し、少なくとも１つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ（電気絶縁体）２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート２４）、ボルト・ナット２５にて固定して、スタック２３を構成する。
【００１０】
セパレータ１８には、アノード１４に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路２７が形成され、カソード１７に酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための酸化ガス流路２８が形成されている。また、セパレータ１８のガス流路２７、２８と反対側の面には冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成される。燃料電池のうちガス流路２７、２８とＭＥＡの両方が存在する領域が、セル１９の発電領域を構成する。
セル１９には、セル積層方向に延びる燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９が形成される。燃料ガスマニホールド３０は燃料ガス流路２７に接続しており、燃料ガス流路２７に燃料ガスを供給・排出する。酸化ガスマニホールド３１は酸化ガス流路２８に接続しており、酸化ガス流路２８に酸化ガスを供給・排出する。冷媒マニホールド２９は冷媒流路２６に接続しており、冷媒流路２６に冷媒を供給・排出する。
【００１１】
セル１９のＭＥＡを挟んで対向する一対のセパレータ１８同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、電気絶縁材である接着剤３３によりシール接着されている。接着剤３３は膜１１とその両側のセパレータ１８との間もシール接着している。セル１９同士は、セル外周部およびマニホールド２９、３０、３１まわりで、ガスケット（ゴムガスケット）３２によりシールされている。
【００１２】
燃料電池スタック２３のセル積層方向の端部には、燃料ガス、酸化ガスと、冷媒（冷却水）の供給配管３４、３５、３６、排出配管３７、３８、３９が接続され、それぞれ、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１および冷媒マニホールド２９に接続している。
燃料ガス、酸化ガス、冷却水は、供給配管３４、３５、３６から入側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９に入り、各セルを通過して出側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９に流れ、出側の燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１、冷媒マニホールド２９から排出配管３７、３８、３９に流出する。４０は燃料ガスの循環配管であり、途中に燃料電池スタックから流出する燃料オフガスを燃料ガスの供給配管に循環させる循環ポンプ４１が設けられる。また、４２は燃料ガス源、４３は加湿器、４４はエアコンプレッサである。
燃料ガス、酸化ガスの供給配管３４、３５、排出配管３７、３８、および燃料ガスの循環配管４０は、燃料電池のガス配管を構成する。そのうち燃料ガス、酸化ガスの排出配管３７、３８、および燃料ガスの循環配管４０は、燃料電池のオフガス配管である。また、燃料ガスの排出配管３７および燃料ガスの循環配管４０は、燃料オフガス配管である。
【００１３】
燃料電池のガス配管３４、３５、３７、３８、４０には、フレキシブルチューブ１が設けられており、配管の熱膨張や、スタック２３と外部機器との間の位置ずれや変動を吸収している。図示例では、燃料ガス、酸化ガスの供給配管３４、３５、排出配管３７、３８にフレキシブルチューブ１が設けられた例を示している。
【００１４】
燃料電池では、水がカソードで生成される。
生成水の一部は、膜１１を透過してカソードからアノードに流れ燃料ガス流路２７から燃料ガスマニホールド３０を通って、燃料ガスの排出配管３７に流れる。燃料ガスの排出配管３７に流出した生成水は燃料ガスの循環配管を通って燃料ガスの供給配管３４に流れ、一部は外部に排出される。
残りの大部分の生成水は、酸化ガス流路２８から酸化ガスマニホールド３１を通って、酸化ガスの排出配管３８に流れる。
生成水で配管が腐食する場合がある。燃料電池のガス配管３４、３５、３７、３８、４０に単にフレキシブルチューブ１が設けられると、図８（比較例）に示すように、フレキシブルチューブ１の互いに独立な凹凸の周方向溝２に生成水が溜まり、排出されにくく、ガス配管を腐食するおそれがある。とくに燃料オフガス配管３７が、腐食されやすい。
【００１５】
これを防止するために、本発明では、以下に示す実施例１〜３の何れかの燃料電池のガス配管（のフレキシブルチューブの構造）とする。本発明のガス配管（のフレキシブルチューブの構造）は、燃料電池のガス配管３４、３５、３７、３８、４０のうち、少なくとも燃料ガスの排出配管３７に適用される。ただし、燃料電池のガス配管３４、３５、３７、３８、４０の任意の配管またはすべての配管に適用されてもよい。また、フレキシブルチューブ１の金属部分の材料は、耐腐食性に優れた材料であることが望ましく、たとえば、ステンレス、アルミ、チタン、マグレシウム等である。
【００１６】
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図１に示すように、フレキシブルチューブ１がらせん溝３をもつフレキシブルチューブとされている。らせん溝３は、らせん状につながった単一の溝からなる。
フレキシブルチューブ１は、内部を通過するガスが、らせん溝３に入った生成水を下流に押しやるだけの流速をもつような通路断面積をもつ。断面積が小さいほどガス流速が大きくなって溝３内の生成水を下流に押しやる力は強くなるが、断面積があまり小さいとガス流れ抵抗が大となるので、らせん溝３内の生成水を下流に押しやる力をもつ範囲で通路断面積は大きい方がよい。
フレキシブルチューブ１は、上下方向に向けられて、らせん溝３内の生成水が自重でらせん溝３に沿って下方（下流に対応させる）に流下するようにすることが望ましい。フレキシブルチューブ１が上下方向に向けられている場合は、フレキシブルチューブ１は、内部を通過するガスの流速と生成水の自重との両方で、らせん溝３に入った生成水を下流に押しやればよいので、ガス流速だけでらせん溝３に入った生成水を下流に押しやる場合に比べてガス流速は低くてよく、フレキシブルチューブ１の通路断面積はガス流速だけでらせん溝３に入った生成水を下流に押しやる場合のフレキシブルチューブの通路断面積に比べて増大してもよい。
【００１７】
本発明の実施例１の作用・効果については、フレキシブルチューブ１をらせん溝３をもつフレキシブルチューブとしたので、フレキシブルチューブ１のらせん溝３はつながっており、らせん溝３に生成水が入っても、ガス流で下流への流され、あるいはフレキシブルチューブが上下方向に延びていると、ガス流と重力で下方へと流され、フレキシブルチューブ１のらせん溝３からなる凹部に生成水が溜まることが抑制され、溜まった生成水によるフレキシブルチューブ１の腐食が防止される。
【００１８】
〔実施例２〕
本発明の実施例２では、図２に示すように、フレキシブルチューブ１が周方向溝２と断面の低部に軸方向溝４をもつフレキシブルチューブとされている。軸方向溝４の位相が互いにずらすことが望ましい。すなわち、軸方向溝４と、それに隣接する軸方向溝４とは、フレキシブルチューブ周方向に、互いに位置をずらすことが望ましい。その理由は、軸方向溝４の位相を互いに一致させると、軸方向溝４がある部位のフレキシブルチューブ１の軸方向剛性が高くなって、フレキシブルチューブ１が弾性曲げ変形しにくくなるからである。
フレキシブルチューブ１は、内部を通過するガスが、周方向溝２と軸方向溝４に入った生成水を下流に押しやるだけの流速をもつような通路断面積をもつ。断面積が小さいほどガス流速が大きくなって溝３内の生成水を下流に押しやる力は強くなるが、断面積があまり小さいとガス流れ抵抗が大となるので、周方向溝２と軸方向溝４内の生成水を下流に押しやる力をもつ範囲で通路断面積は大きい方がよい。
フレキシブルチューブ４５は、水平から傾けられており、周方向溝２と軸方向溝４内の生成水が軸方向溝４を通って自重で下方（下流に対応させる）に流下するようにすることが望ましい。フレキシブルチューブ１が水平から傾けられている場合は、フレキシブルチューブ１は、内部を通過するガスの流速と生成水の自重との両方で、周方向溝２と軸方向溝４に入った生成水を下流に押しやればよいので、ガス流速だけで周方向溝２と軸方向溝４に入った生成水を下流に押しやる場合に比べてガス流速は低くてよく、フレキシブルチューブ１の通路断面積はガス流速だけで周方向溝２と軸方向溝４に入った生成水を下流に押しやる場合のフレキシブルチューブの通路断面積に比べて増大してもよい。
【００１９】
本発明の実施例２の作用・効果については、フレキシブルチューブ１を周方向溝２と断面の低部に軸方向溝４をもつフレキシブルチューブとしたので、フレキシブルチューブ１の周方向溝２は軸方向溝４でつながっており、周方向溝２と軸方向溝４に生成水が入っても、ガス流で下流への流され、あるいはフレキシブルチューブが水平から傾けられている場合は、ガス流と重力で下方へと流され、フレキシブルチューブ１の周方向溝２と軸方向溝４からなる凹部に生成水が溜まることが抑制され、溜まった生成水によるフレキシブルチューブ１の腐食が防止される。
【００２０】
〔実施例３〕
本発明の実施例３では、図３に示すように、フレキシブルチューブ１が内側にゴムまたは樹脂製のホース５を挿入した二重壁（金属製フレキシブルチューブの壁と内部のホースとの二重壁）のフレキシブルチューブとされている。ホース５は中空円筒状で一定厚みをもつホースで、ホース外面はフレキシブルチューブ１内面の凸の部分の内径面に接触している。ホース５は伸縮性のある、弾性をもつホースである。ホース５の内面は直線状で凹凸せずに軸方向にフラットである。
フレキシブルチューブ１は、ホース５の内部を通過するガスが、ホース５内に入った生成水を下流に押しやるだけの流速をもつような通路断面積をもつ。断面積が小さいほどガス流速が大きくなってホース５３内の生成水を下流に押しやる力は強くなるが、断面積があまり小さいとガス流れ抵抗が大となるので、ホース５内の生成水を下流に押しやる力をもつ範囲で通路断面積は大きい方がよい。
フレキシブルチューブ４５は、水平から傾けられており（上下方向に向けられており）、ホース５内の生成水が自重で下方（下流に対応させる）に流下するようにすることが望ましい。フレキシブルチューブ１が水平から傾けられている場合は、フレキシブルチューブ１は、内部を通過するガスの流速と生成水の自重との両方で、ホース５内の生成水を下流に押しやればよいので、ガス流速だけでホース５内の生成水を下流に押しやる場合に比べてガス流速は低くてよく、流路断面積も増大してもよい。
【００２１】
本発明の実施例３の作用・効果については、フレキシブルチューブ１を内部にホース５をもつ内面フラットなフレキシブルチューブとしたので、フレキシブルチューブ１のホーズ５内に生成水が入っても、ガス流で下流への流され、あるいはフレキシブルチューブが水平から傾けられている場合は、ガス流と重力で下方へと流され、フレキシブルチューブ１内のホース５内に生成水が溜まることが抑制され、溜まった生成水によるフレキシブルチューブ１の腐食が防止される。また、ホース５が樹脂、ゴムからなっていても、水素がホース５を透過しても水は透過しないので、ホース５内の生成水がホース５を透過してフレキシブルチューブ１の内面に接触することはなく、フレキシブルチューブ１の生成水による腐食が防止される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池のガス配管の側面図である。
【図２】本発明の実施例２の燃料電池のガス配管の側面図である。
【図３】本発明の実施例３の燃料電池のガス配管の、ホース挿入前の、側面図である。
【図４】本発明のガス配管が適用可能な燃料電池ガス配管システムの系統図である。
【図５】本発明のガス配管が適用される燃料電池の側面図である。
【図６】図５の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図７】図５の燃料電池のセルの正面図である。
【図８】比較例の燃料電池のガス配管の側面図（黒塗り部は凹部に溜まる生成水を示す）である。
【符号の説明】
【００２３】
１  フレキシブルチューブ
２  周方向溝
３  らせん溝
４  軸方向溝
５  ホース
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１３、１６  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  セル
２０  ターミナル
２１  インシュレータ
２２  エンドプレート
２３  スタック
２４  締結部材（テンションプレート）
２５  ボルト
２６  冷媒流路（冷却水流路）
２７  燃料ガス流路
２８  酸化ガス流路
２９  冷媒マニホールド（冷却水マニホールド）
３０  燃料ガスマニホールド
３１  酸化ガスマニホールド
３２  ガスケット
３３  接着剤（接着剤層）
３４  燃料ガス供給配管
３５  酸化ガス供給配管
３６  冷媒供給配管
３７  燃料ガス排出配管
３８  酸化ガス排出配管
３９  冷媒排出配管
４０  燃料ガス循環配管
４１  循環ポンプ
４２  燃料ガス源
４３  加湿器
４４  エアコンプレッサ
【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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