(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックのエンドプレートに設けられた配管口と、配管とを連結する連結構造であって、
前記エンドプレートの配管口の周囲と前記配管の端部とにそれぞれ設けられたシール面であって、前記シール面の法線の方向が前記燃料電池スタックの外側に向かう方向を指すように形成されている、前記燃料電池スタックの積層方向に対して斜めに傾いたシール面と、
前記配管の端部を前記積層方向とは垂直な方向に貫通する固定部材であって、前記配管の端部を前記エンドプレートに固定して前記シール面同士に押圧を加える固定部材と、
を備える連結構造。
【請求項２】
請求項１に記載の連結構造において、
前記配管の端部は末広がり構造を有し、
前記エンドプレートは前記末広がり構造と勘合する蟻溝構造を有する、連結構造。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の連結構造において、
前記配管の端部は、前記配管内の流路を複数の流路に分離するための仕切構造を有し、
前記固定部材は、前記仕切構造部において前記配管と前記エンドプレートに固定する部材を含む、連結構造。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の連結構造において、さらに、
前記固定部材の延びる方向に垂直な方向に延びるキーであって、前記エンドプレートと前記配管の端部とにわたって配置されるキーを備える、連結構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の連結構造において、さらに、
前記配管の端部の少なくとも一部と前記エンドプレートの少なくとも一部とを覆い、前記配管の端部の前記エンドプレートからの抜けを抑制するための蓋を備える、連結構造。
【請求項６】
請求項５に記載の連結構造において、
前記燃料電池スタックは前記燃料電池スタックを積層方向に締結するためのテンションプレートを備え、
前記テンションプレートが前記蓋の機能を有する、連結構造。
【請求項７】
請求項５に記載の連結構造において、
前記燃料電池スタックは防水プレートを備え、
前記防水プレートが前記蓋の機能を有する、連結構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池における燃料電池と配管との連結構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池と、反応ガス等を供給・排出するための配管とを連結する構造については、従来から種々の構造が知られている（例えば特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４３４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の構造では、連結に用いるフランジ等によって燃料電池全体の外形寸法が増大することについて、十分に考慮されていなかった。
【０００５】
本発明は上記課題の少なくとも１つを解決し、燃料電池全体の外形寸法を過度に増大させない連結構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の態様をとる。
【０００７】
本発明の第１の態様は、燃料電池スタックのエンドプレートに設けられた配管口と、配管とを連結する連結構造であって、前記エンドプレートの配管口の周囲と前記配管の端部とにそれぞれ設けられたシール面であって、前記シール面の法線の方向が前記燃料電池スタックの外側に向かう方向を指すように形成されている、前記燃料電池スタックの積層方向に対して斜めに傾いたシール面と、前記配管の端部を前記積層方向とは垂直な方向に貫通する固定部材であって、前記配管の端部を前記エンドプレートに固定して前記シール面同士に押圧を加える固定部材とを備える。この態様によれば、シール面が燃料電池スタックの積層方向に対して傾いているので、シール面を構成する部分が燃料電池スタックの外縁から過度の突出することを防止することが可能である。
【０００８】
本発明の第１の態様において、前記配管の端部は末広がり構造を有し、前記エンドプレートは前記末広がり構造と勘合する蟻溝構造を有していてもよい。この態様によれば、配管とエンドプレートとは、蟻型で連結されるので、配管がエンドプレートから抜けにくい。
【０００９】
本発明の第１の態様において、前記配管の端部は、前記配管内の流路を複数の流路に分離するための仕切構造を有し、前記固定部材は、前記仕切構造部において前記配管と前記エンドプレートに固定する部材を含んでいてもよい。この態様によれば、仕切構造により流路の剛性を高めることが可能となる。また、固定部材による媒体の流れへの影響を抑制することが可能となる。
【００１０】
本発明の第１の態様において、さらに、前記固定部材の延びる方向に垂直な方向に延びるキーであって、前記エンドプレートと前記配管の端部とにわたって配置されるキーを備えていてもよい。この態様によれば、固定部材による連結が緩んでも、配管がエンドプレートから抜けにくくすることが可能である。
【００１１】
本発明の第１の態様において、さらに、前記配管の端部の少なくとも一部と前記エンドプレートの少なくとも一部とを覆い、前記配管の端部の前記エンドプレートからの抜けを抑制するための蓋を備えていてもよい。配管は、エンドプレートの所定方向にしか抜けないので、蓋で覆って押さえることにより、エンドプレートからの配管の抜けを抑制することが可能となる。
【００１２】
本発明の第１の態様において、前記燃料電池スタックは前記燃料電池スタックを積層方向に締結するためのテンションプレートを備え、前記テンションプレートが前記蓋の機能を有していてもよい。
【００１３】
本発明の第１の態様において、前記燃料電池スタックは防水プレートを備え、前記防水プレートが前記蓋の機能を有していてもよい。
【００１４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池と配管との連結構造の他、燃料電池システム、燃料電池と配管との連結方法等、様々な形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、燃料ガスタンク２００と、空気取入部３００を備える。燃料電池スタック１００は、複数の発電ユニット１１０とエンドプレート１２０を備える。エンドプレート１２０は、発電ユニット１１０の積層方向両端に配置されている。燃料電池スタック１００には、発電ユニット１１０とエンドプレート１２０を貫通している燃料ガスマニホールド２３０と酸化ガスマニホールド３３０が形成されている。
【００１６】
燃料ガスタンク２００は、配管２２０により燃料ガスマニホールド２３０の一方の端部に接続されている。燃料ガスマニホールド２３０の他方の端部には、排気管２４０が接続されている。空気取入部３００は、配管３２０により、酸化ガスマニホールド３３０の一方の端部に接続されている。配管３２０上には、空気を圧縮するためのコンプレッサ３１０が設けられている。酸化ガスマニホールド３３０の他方の端部には、排気管３４０が接続されている。
【００１７】
図２は、配管２２０と燃料ガスマニホールド２３０の連結部Ｘをｙ方向から見た説明図である。図３は、図２に示す配管２２０とエンドプレート１２０とが分離した状態を示す説明図である。ここでは、エンドプレート１２０の上部、発電ユニット１１０の一部、配管２２０の端部が見えている。図３に示すように、エンドプレート１２０の上部には、シール面１２２を有する台形型の切り欠き部１２１が形成されている。シール面１２２は、燃料電池スタックの積層方向（ｘ方向）に対して傾いた斜面である。このシール面１２２は、エンドプレート１２０の端部に設けられている。また、シール面１２２は、その法線１２２ａの方向が燃料電池スタックの外側に向かう方向を指すように形成されている。シール面１２２の中央部には、燃料ガスマニホールド２３０に繋がる開口部１２４（「配管口」ともいう。）が形成されている。図２に示すように、配管２２０は、台形型の切り欠き部１２１においてエンドプレート１２０と接続される。ここで、配管２２０の端部は、台形のシール面１２２と連結するシール面２２２を有している。配管２２０内部に形成されている反応ガス流路２２１は、開口部１２４を介して燃料ガスマニホールド２３０に接続されている。
【００１８】
配管２２０とエンドプレート１２０とは、ボルト２２４によりｚ方向に結合されている。なお、エンドプレート１２０には、ボルト２２４を受けるためのネジ穴１２６が形成されている。このようにｚ方向に締結力が加わると、シール面１２２に垂直な方向に垂直抗力が発生し、配管２２０とエンドプレート１２０との間には、シール面１２２、２２２の法線方向に力が加わる。ここで、ボルト２２４による締結力をＦ、シール面１２２とｘ方向との成す角度をΘとすると、配管２２０とエンドプレート１２０は、Ｎ＝Ｆ・ＣＯＳΘの力で連結される。配管２２０のシール面２２２には、シール部材（ガスケット）を収納するためのシール溝２２８が設けられている。これにより、シール面２２２からの反応ガスの漏れを抑制している。発電ユニット１１０、エンドプレート１２０、配管２２０の上部には、テンションプレート１３０が配置されている。テンションプレート１３０は、燃料電池スタック１００を所定の締結荷重で締結するために用いられる。テンションプレート１３０は、ボルト２２４により止められている。
【００１９】
図４は、配管２２０と燃料ガスマニホールド２３０の連結部Ｘをｚ方向から見た説明図である。図５は、図４に示す配管２２０とエンドプレート１２０とが分離した状態を示す説明図である。配管２２０をｚ方向から見ると、配管２２０は、端部側が末広がりとなる、所謂括れのない蟻型（鳩尾型）の構造となっている。一方、エンドプレート１２０の切り欠き部１２１は、ｚ切り欠き部方向から見ると、発電ユニット１１０側が広がっている蟻溝構造となっている。このような構成では、配管２２０は、ｚ方向からエンドプレート１２０に嵌め込まれ、エンドプレート１２０と連結する。一旦配管２２０がエンドプレート１２０に嵌め込まれると、蟻型構造のため、配管２２０がｘ方向に抜けることはない。すなわち、配管２２０が抜ける方向は、嵌め込み方向であるｚ方向に限られる。
【００２０】
配管２２０の端部両側にはｘｙ平面と平行なフランジ２２３が形成されている。ボルト２２４は、フランジ２２３において、配管２２０とエンドプレート１２０とを固定する。エンドプレート１２０のｙ方向からは、キー２２６が差し込まれている。キー２２６は、ボルト２２４の延びる方向と垂直な方向に延び、エンドプレート１２０と前記配管２２０の端部とにわたって配置されている。キー２２６を設けることにより、ボルト２２４が緩んでも、キー２２６が配管２２０のｚ方向への移動を抑制するので、配管２２０がエンドプレート１２０から抜け難くすることが可能となる。また、テンションプレート１３０は、上述したように燃料電池スタック１００を所定の締結荷重で締結するために用いられる他、配管２２０及エンドプレート１２０の少なくとも一部を覆っており、ｚ方向から配管２２０を押さえるためにも用いられる。すなわち、テンションプレート１３０を備えることにより、配管２２０をｚ方向に押さえ、配管２２０のｚ方向への抜けを抑制することが可能となる。
【００２１】
配管２２０の反応ガス流路２２１には、島状部２２９が設けられている。島状部２２９は、反応ガス流路２２１を分割する非流路部分であり、反応ガス流路２２１の剛性を高めている。島状部２２９にはボルト２２４が貫通している。これにより、反応ガス流路２２１の反応ガスの流れに過度に影響を与えることなく、配管２２０とエンドプレート１２０とを連結することが可能となる。なお、図５に示すように、エンドプレート１２０の開口部１２４にも島状部１２９が形成されている。
【００２２】
図６は、配管２２０と燃料ガスマニホールド２３０の連結部Ｘをｘ方向から見た説明図である。エンドプレート１２０と、配管２２０と、テンションプレート１３０と、ボルト２２４と、キー２２６が見えている。この例では、配管２２０の外形は円形であるが、外形は、他の形状、例えば矩形であってもよい。
【００２３】
以上、本実施例によれば、配管２２０とエンドプレート１２０の境界面を斜め方向にとり、ｚ方向からボルト２２４により連結している。そのため、ｚ方向の高さを過度に高くすることなく配管２２０とエンドプレート１２０とを連結することが可能となる。
【００２４】
また、本実施例では、配管２２０とエンドプレート１２０の連結部は、所謂、蟻構造（鳩尾構造）となっているため、配管２２０をｘ方向に抜け難くすることが可能となる。
【００２５】
また、本実施例では、配管２２０が抜けることが可能なｚ方向への配管２２０の抜けを抑制するためのキー２２６あるいは、蓋としてのテンションプレート１３０を備えている。したがって、配管２２０のｚ方向への抜けを抑制することが可能となる。なお、キー２２６は、ボルト２２４が緩んだときに機能する予備機能であるので、備えていなくてもよい。テンションプレート１３０の蓋としての機能についても同様である。本実施例では、テンションプレート１３０を配管２２０の抜け抑制のための蓋として用いているが、テンションプレート１３０以外に、例えば防水プレートを蓋として用いてもよい。配管２２０をｚ方向に押さえることが可能なものであれば、蓋として採用することが可能である。
【００２６】
以上、本実施例では、燃料ガスの供給系を例に取り説明したが、同様の構成は、燃料ガスの排気系、酸化ガスの供給系・排気系、冷媒の供給系・排出系に採用することが可能である。
【００２７】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。
【図２】配管２２０と燃料ガスマニホールド２３０の連結部Ｘをｙ方向から見た説明図である。
【図３】図２に示す配管２２０とエンドプレート１２０とが分離した状態を示す説明図である。
【図４】配管２２０と燃料ガスマニホールド２３０の連結部Ｘをｚ方向から見た説明図である。
【図５】図４に示す配管２２０とエンドプレート１２０とが分離した状態を示す説明図である。
【図６】配管２２０と燃料ガスマニホールド２３０の連結部Ｘをｘ方向から見た説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…発電ユニット
１２０…エンドプレート
１２１…切り欠き部
１２２…シール面
１２４…開口部
１２６…ネジ穴
１２９…島状部
１３０…テンションプレート
２００…燃料ガスタンク
２２０…配管
２２１…反応ガス流路
２２２…シール面
２２３…フランジ
２２4…ボルト
２２６…キー
２２８…シール溝
２２９…島状部
２３０…燃料ガスマニホールド
２４０…排気管
３００…空気取入部
３１０…コンプレッサ
３２０…配管
３３０…酸化ガスマニホールド
３４０…排気管
【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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