(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル積層体の両端にエンドプレートを配して構成したスタック内に形成された流体のマニホールドと、
フランジを有し該フランジ部で前記スタックの一端のエンドプレートにボルト締結された配管内に形成され前記スタック内のマニホールドに連通する流体流路と、
からなる燃料電池のマニホールドであって、
前記スタック内のマニホールドのうち、前記スタック一端のエンドプレート内のマニホールド部分は、セル積層方向に対して斜めに延びている燃料電池のマニホールド。
【請求項２】
前記配管のフランジ部分の流体流路の中心は前記スタックのセル積層体部分のマニホールドの中心に対してセル積層方向と直交する方向にスタック中心側にオフセットしている請求項１記載の燃料電池のマニホールド。
【請求項３】
前記配管の前記スタックへの接続部で、アノードガスと他の流体とで、Ｏリングで構成されるシールラインは互いに独立とするが、前記Ｏリングを押さえる配管フランジは互いに共通にした請求項１記載の燃料電池のマニホールド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のマニホールドに関し、とくに燃料電池スタック内のマニホールドとスタック外の配管内流路との接続部およびその近傍の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池は、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および拡散層からなる電極（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および拡散層からなる電極（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、アノード、カソードに燃料ガス（アノードガス、水素）および酸化ガス（カソードガス、酸素、通常は空気）を供給するための流体通路を形成するセパレータとからセルを構成し、複数のセルを積層してモジュールとし、モジュールを積層してモジュール群を構成し、モジュール群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てスタックを構成し、スタックをスタックの外側でセル積層体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）にて締め付け、固定したものからなる。
固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側で、水素が水素イオンと電子にされ、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）から水が生成される。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
ジュール熱およびカソードでの水生成反応で出る熱を冷却するために、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。
上記の反応が正常に行われるように、燃料ガス、酸化ガス、冷媒等の流体が、スタック外の配管を通してスタック内の流体が流れるマニホールドに供給、排出される。特許第３０５０４０８号は、スタック外配管の、燃料電池スタックへの取付けおよびスタック内マニホールドへの接続構造を開示している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許第３０５０４０８号のスタック外配管の燃料電池スタック内マニホールドへの接続構造では、エンドプレート内マニホールドを含むスタック内マニホールドとスタック外配管とが接続部とその近傍においてストレートに延びているので、スタック外配管にフランジを設けてスタック外配管をスタックのエンドプレートにボルト締結しようとすると、図５のＢ部に示した比較例に示すように、ボルト穴部３を設ける必要があるエンドプレート１のサイズが、ボルト穴部が設けられないセル積層体６の部分に比べて、ボルト穴部３を設けるスペース７分、セル積層方向と直交方向に不要に大きくなり、スペース的に無駄（損）が生じる。また、省スペース化をはかろうとしてフランジ２のＯリング５やボルト４を小さくしてＯリングやボルトを設けるスペースを小さくすると、配管フランジ部でのシール性が低下したり配管取付け強度が不足する。したがって、従来構造では、省スペース化とシール性の両方を共に達成することは困難であった。
本発明の目的は、省スペース化とシール性の両方を共に達成できる燃料電池のマニホールドを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  セル積層体の両端にエンドプレートを配して構成したスタック内に形成された流体のマニホールドと、
フランジを有し該フランジ部で前記スタックの一端のエンドプレートにボルト締結された配管内に形成され前記スタック内のマニホールドに連通する流体流路と、
からなる燃料電池のマニホールドであって、
前記スタック内のマニホールドのうち、前記スタック一端のエンドプレート内のマニホールド部分は、セル積層方向に対して斜めに延びている燃料電池のマニホールド。
（２）  前記配管のフランジ部分の流体流路の中心は前記スタックのセル積層体部分のマニホールドの中心に対してセル積層方向と直交する方向にスタック中心側にオフセットしている（１）記載の燃料電池のマニホールド。
（３）  前記配管の前記スタックへの接続部で、アノードガスと他の流体とで、Ｏリングで構成されるシールラインは互いに独立とするが、前記Ｏリングを押さえる配管フランジは互いに共通にした（１）記載の燃料電池のマニホールド。
【０００５】
上記（１）の燃料電池のマニホールドでは、スタック内のマニホールドのうち、前記スタック一端のエンドプレート内のマニホールド部分は、セル積層方向に対して斜めに延びているので、セル積層体部位のマニホールドの配置は従来のまま、エンドプレート内マニホールド部分と配管内流路との接続部をセル積層体部位のマニホールドに対してセル積層方向と直交する方向にオフセットさせることができ、エンドプレート内マニホールド部分と配管内流路との接続部とエンドプレートのセル積層方向と直交する方向の端部との間に、従来よりも大きなスペースを確保することができ、その部分にフランジ部分やＯリング部分を小型化することなく容易に配設することができる。したがって、省スペース化とシール性の確保を共に達成することができる。
上記（２）の燃料電池のマニホールドでは、配管のフランジ部分の流体流路の中心が、スタックのセル積層体部分のマニホールドの中心に対してセル積層方向と直交する方向にスタック中心側にオフセットしているので、エンドプレート内マニホールド部分と配管内流路との接続部とエンドプレートのセル積層方向と直交する方向の端部との間に、従来よりも大きなスペースを確保することができ、その部分にフランジ部分やＯリング部分を小型化することなく容易に配設することができる。したがって、省スペース化とシール性の確保を共に達成することができる。
上記（３）の燃料電池のマニホールドでは、配管のスタックへの接続部で、アノードガスと他の流体とで、Ｏリングで構成されるシールラインは互いに独立とするが、Ｏリングを押さえる配管フランジは互いに共通にしたので、Ｏリングを通しての他流体の流路ラインへのアノードガスの透過防止を確保したまま、フランジを共有化することでフランジ部、シール部を省スペース化できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図７を参照して、説明する。
本発明の燃料電池１０は固体高分子電解質型燃料電池である。本発明の燃料電池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。
【０００７】
固体高分子電解質型燃料電池１０は、図１、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜１１の一面に配置された触媒層１２および拡散層１３からなる電極１４（アノード、燃料極）および電解質膜１１の他面に配置された触媒層１５および拡散層１６からなる電極１７（カソード、空気極）とからなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）と、電極１４、１７に燃料ガス（アノードガス、水素）および酸化ガス（カソードガス、酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７（燃料ガス流路２７Ａ、酸化ガス流路２７Ｂ）および燃料電池冷却用の冷媒（冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路）２６を形成するセパレータ１８とを重ねてセルを形成し、該セルを複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付けセル積層体の外側で燃料電池積層体積層方向に延びる締結部材２４（たとえば、テンションプレート、テンションプレートはスタック２３の一部）とボルト２５で固定したものからなる。
冷媒流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。たとえば、２つのセル毎に１つの冷媒流路２６が設けられる。
【０００８】
セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水、の何れかを互いに分離するとともに、隣り合うセルのアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。
セパレータ１８は、カーボン板に冷媒流路２６やガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）を形成したもの、または、流路２６、２７を形成する凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、または、導電製樹脂板（たとえば、導電材粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板）に冷媒流路２６やガス流路２７を形成したもの、の何れかからなる。図示例はセパレータ１８がカーボン板からなる場合を示している。
セル内ガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）は、１本の溝状流路、または並行する複数本の溝状流路の群、または複数突起により隔てられた一対の板間の面状流路、の何れであってもよい。
【０００９】
図３、図５、図６に示すように、燃料電池スタック２３内には、冷媒マニホールド２８が設けられており、冷媒マニホールド２８はセルの冷媒流路２６に連通している。冷媒は入側の冷媒マニホールド２８から冷媒流路２６に流れ、冷媒流路２６から出側の冷媒マニホールド２８に流れる。同様に、燃料電池スタック２３内には、ガスマニホールド２９が設けられており、ガスマニホールド２９は燃料ガスマニホールド２９ａと酸化ガスマニホールド２９ｂとからなる。燃料ガスマニホールド２９ａと酸化ガスマニホールド２９ｂは、それぞれ、セルの燃料ガス流路２７ａと酸化ガス流路２７ｂに連通している。燃料ガスは入側の燃料ガスマニホールド２９ａからセルの燃料ガス流路２７ａに流れ、燃料ガス流路２７ａから出側の燃料ガスマニホールド２９ａに流れる。酸化ガスは入側の酸化ガスマニホールド２９ｂからセルの酸化ガス流路２７ｂに流れ、酸化ガス流路２７ｂから出側の酸化ガスマニホールド２９ｂに流れる。
【００１０】
スタック２３は２列並列に水平に配置されてもよく、その場合は、スタック２３の両端のエンドプレート２２は、２列のスタック２３に対して共有される。
スタック２３の一端にあるエンドプレート２２には、冷媒（冷却水）を燃料電池スタック２３内の冷媒マニホールド２８に供給・排出する冷媒配管３０が接続されており、反応ガスを燃料電池スタック内のガスマニホールド２９に供給・排出するガス配管３１が接続されている。ガス配管３１は、燃料ガスを燃料電池スタック内の燃料ガスマニホールド２９ａに供給・排出する燃料ガス配管３１ａと、酸化ガスを燃料電池スタック内の酸化ガスマニホールド２９ｂに供給・排出する酸化ガス配管３１ｂとからなる。冷媒、燃料ガス、酸化ガスは、スタック２３の一端にあるエンドプレート２２から燃料電池スタックに入り、Ｕターンして、同じエンドプレート２２から出る。
【００１１】
１スタック燃料電池の場合、冷媒（冷却水）は入側冷媒配管３０からエンドプレート２２の左右方向端部の下部でスタック２３に入り、スタック２３からエンドプレート２２の左右方向端部の上部で出側冷媒配管３０に流出する。
燃料ガスは、入側燃料ガス配管３１ａからエンドプレート２２の左右方向端部の上部でスタック２３に入り、スタック２３からエンドプレート２２の左右方向端部の下部で出側燃料ガス配管３１ａに流出する。
酸化ガスは、入側酸化ガス配管３１ｂからエンドプレート２２の左右方向端部の下部でスタック２３に入り、スタック２３からエンドプレート２２の左右方向端部の上部で出側酸化ガス配管３１ｂに流出する。
２スタック燃料電池の場合、上記の配管配置をとる１スタック燃料電池を２つ、入側、出側燃料ガス配管３１ａを中央側に配置して左右対称に配置し、エンドプレートは左右のスタックに対して共通に１つ設けた構造をとる。
【００１２】
スタック２３の他端にあるエンドプレート２２の内側には、プレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート３２とエンドプレート２２との間にはスタック締め付け荷重の変動を吸収するばね機構（たとえば、皿ばね機構）３３が設けられる。スタック２３の他端にあるエンドプレート２２側には、冷媒、反応ガスの配管は接続されない。
【００１３】
図３〜図５に示すように、スタック２３内に形成された流体のマニホールド２８、２９と、フランジ３４を有しフランジ部でスタック２３の一端のエンドプレート２２にボルト３６で締結された配管３０、３１内に形成されスタック２３内のマニホールド２８、２９に連通する流体流路３５と、からなる燃料電池のマニホールドにおいて、スタック２３内のマニホールド２８、２９のうち、スタック一端のエンドプレート２２にあるマニホールド部分は、セル積層方向に対して斜めに延びている。
エンドプレート２２内マニホールド部分は、マニホールド軸芯が斜めに延びていればよく、図５の（Ａ）に示すようにマニホールド軸芯を挟んでマニホールド両側壁面が平行に斜めに延びている場合を含む他、図５の（Ａ’）に示すように、マニホールド軸芯を挟んだマニホールド両側壁面のうち一方の側壁面がセル積層方向に延び他方の側壁面が斜めに（セル積層方向外側にいくほどエンドプレート中央に近づく方向）延びている場合も含む。
【００１４】
配管３０、３１のフランジ３４部分の流体流路３５の中心は、スタック２３のセル積層体部分のマニホールド２８、２９の中心に対してセル積層方向と直交する方向にスタック中心側に（エンドプレート端部から離れる方向に）オフセットしている。
スタック一端のエンドプレート２２内でセル積層方向に対して斜めに延びるマニホールド部分は、スタック一端のエンドプレート２２の左右方向端部にあるマニホールド部分である。したがって、２スタックを並列配置したスタックの一端部に左右スタックに対して共通に設けられる単一のエンドプレート２２においては、エンドプレートの左右方向中央部側に設けられるマニホールド部分は、斜めに延びる必要はない。
【００１５】
配管３０、３１のフランジ３４には、ボルト穴３８が形成されるとともに、Ｏリング溝３９が形成され、Ｏリング溝３９にはＯリング３７が配されて、配管３０、３１とフランジ３４との合わせ部をシールしている。
フランジ３４、ボルト穴３８、Ｏリンク溝３９、Ｏリング３７のそれぞれの大きさとそれぞれの間の間隔は、図５の（Ｂ）の比較例（斜めに延びるマニホールドがない）に示した、シール性および強度上必要な大きさおよび間隔と等しいかまたはそれより大である。その場合、図５の（Ｂ）の比較例では、フランジ端部がセル積層体の端部より外側にくるが、図５の（Ａ）、（Ａ’）の本発明実施例では、フランジ端部がほぼセル積層体の端部の位置にくる。
【００１６】
また、図６、図７に示すように、配管３０、３１のスタック２３への接続部で、アノードガスと他の流体とで、Ｏリング３７で構成されるシールライン（Ｏリング溝３９ライン）は互いに独立であるが、Ｏリング３７を押さえる配管フランジ３４は互いに共通にしてある。
フランジ３４の共通としたことにより、アノードガスのマニホールドとそれと隣接するマニホールドとの間にあるボルト４０は、図４に示した４本から図７に示すように２本としてもよい。ボルト２本とした場合は、ボルト４本に比べて更なる省スペース化がはかられ、配管取付け構造が簡素化される。
【００１７】
つぎに、本発明実施例の燃料電池のマニホールドの作用を説明する。
まず、スタック２３内のマニホールド２８、２９のうち、スタック一端のエンドプレート２２内のマニホールド部分は、セル積層方向に対して斜めに延びているので、セル積層体部位のマニホールドの配置は従来のままにして、エンドプレート２２内マニホールド２８、２９部分と配管内流路３５との接続部Ｐをセル積層体部位のマニホールドに対してセル積層方向と直交する方向にオフセット（位置をずらす）させることができ、エンドプレート２２内マニホールド部分と配管内流路３５との接続部Ｐとエンドプレート２２のセル積層方向と直交する方向の端部Ｑとの間に、図５の比較例Ｂの場合（エンドプレート内マニホールドが斜めに延びていない場合）よりも大きなスペースを確保することができ、その部分にフランジ３４部分やＯリング３７部分を小型化することなく容易に配設することができる。したがって、省スペース化を達成できるとともに、十分なシール性を確保することができる。
【００１８】
オフセットされる場合、配管３０、３１のフランジ３４部分の流体流路３５の中心Ｐが、スタック２３のセル積層体部分のマニホールドの中心に対してセル積層方向と直交する方向にスタック中心側にオフセットしているので、エンドプレート２２内マニホールド部分と配管内流路３５との接続部Ｐとエンドプレート２２のセル積層方向と直交する方向の端部Ｑとの間に、図５の比較例Ｂの場合（エンドプレート内マニホールドが斜めに延びていない場合）よりも大きなスペースを確保することができ、その部分にフランジ３４部分やＯリング３７部分を配設することが無理なく可能となる。したがって、省スペース化とシール性の確保が共に達成される。
【００１９】
また、図６、図７の燃料電池のマニホールドでは、配管３０、３１のスタック２３への接続部で、アノードガスと他の流体とで、Ｏリング３７で構成されるシールラインが互いに独立とされているため、Ｏリング３７を通しての、水素ガスの他の流体のマニホールドへの透過を防ぐことができる。また、Ｏリング３７を押さえる配管フランジ３４を互いに共通にしたので、フランジ部、シール部が省スペース化される。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池のマニホールドによれば、スタック内のマニホールドのうち、スタック一端のエンドプレート内のマニホールド部分が、セル積層方向に対して斜めに延びているので、セル積層体部位のマニホールドの配置は従来のまま、エンドプレート内マニホールド部分と配管内流路との接続部をセル積層体部位のマニホールドに対してセル積層方向と直交する方向にオフセットさせることができる。その結果、エンドプレート内マニホールド部分と配管内流路との接続部とエンドプレートのセル積層方向と直交する方向の端部との間に、従来よりも大きなスペースを確保することができ、その部分にフランジ部分やＯリング部分を小型化することなく容易に配設することができる。したがって、省スペース化とシール性の確保を共に達成することができる。
請求項２の燃料電池のマニホールドによれば、配管のフランジ部分の流体流路の中心が、スタックのセル積層体部分のマニホールドの中心に対してセル積層方向と直交する方向にスタック中心側にオフセットしているので、エンドプレート内マニホールド部分と配管内流路との接続部とエンドプレートのセル積層方向と直交する方向の端部との間に、従来よりも大きなスペースを確保することができ、その部分にフランジ部分やＯリング部分を小型化することなく容易に配設することができる。したがって、省スペース化とシール性の確保を共に達成することができる。
請求項３の燃料電池のマニホールドによれば、配管のスタックへの接続部で、アノードガスと他の流体とで、Ｏリングで構成されるシールラインは互いに独立とするが、Ｏリングを押さえる配管フランジは互いに共通にしたので、Ｏリングを通しての他流体の流路ラインへのアノードガスの透過防止を確保したまま、フランジを共有化することでフランジ部、シール部を省スペース化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のマニホールドが適用された燃料電池の側面図である。
【図２】図１の燃料電池の一部分の拡大断面図である。
【図３】本発明の燃料電池のマニホールドが適用された燃料電池の斜視図である。
【図４】図３の燃料電池の、配管が取付けられる側のエンドプレート側から見た正面図である。
【図５】図４の燃料電池の、（Ａ）Ａ−Ａ線に沿う断面図（本発明）、（Ａ’）本発明に含むもう一つの例、および（Ｂ）比較例（比較例は本発明に含まず）の断面図である。
【図６】本発明の燃料電池のマニホールドが適用された燃料電池の斜視図である。
【図７】図６の燃料電池の一端のエンドプレート部とそれに取り付けられる配管のフランジの一部の斜視図である。
【符号の説明】
１０  （固体高分子電解質型）燃料電池
１１  電解質膜
１２  触媒層
１３  拡散層
１４  電極（アノード、燃料極）
１５  触媒層
１６  拡散層
１７  電極（カソード、空気極）
１８  セパレータ
１９  モジュール
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  テンションプレート
２５  ボルト
２６  冷媒流路
２７  ガス流路
２７ａ  燃料ガス流路
２７ｂ  酸化ガス流路
２８  冷媒マニホールド
２９  ガスマニホールド
２９ａ  燃料ガスマニホールド
２９ｂ  酸化ガスマニホールド
３０  冷媒配管
３１  ガス配管
３１ａ  燃料ガス配管
３１ｂ  酸化ガス配管
３２  プレッシャプレート
３３  ばね機構
３４  フランジ
３５  配管内の流体流路
３６  ボルト
３７  Ｏリング
３８  ボルト穴
３９  Ｏリング溝
【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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