(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタックに燃料電池用配管を設置する場合、アノードガス、カソードガスラインについては、配管のスタックへの取付部で、配管内壁の下端の高さ位置がセルの貫通マニホールドの下端の高さ位置より低い位置に設定され、該ガスラインについての設定は、少なくともガスラインの出口に適用され、
冷却水出口ラインについては、配管内壁の上端の高さ位置がセルの貫通マニホールド上端の高さ位置より高い位置に設定され、該冷却水出口ラインについての設定は、冷却水が入側冷媒配管からエンドプレートの下部でスタックに入りスタックからエンドプレートの上部で出側冷媒配管に流出する燃料電池に適用され、該冷媒配管の内壁の上端の高さ位置に対する規制は、出側冷媒配管のスタックからの出口から該出側冷媒配管から上方に延びる枝管位置まで保たれる燃料電池の配管構造。
【請求項２】
前記ガスラインについての設定は、入口貫通マニホールドが出口貫通マニホールドより低い場合のみ入口貫通マニホールドに適用される請求項１記載の燃料電池の配管構造。
【請求項３】
前記ガスラインについての設定は、各セルがセル面を重力方向にして積層され、ガス流れがセル積層方向にＵターン状に形成されている燃料電池に適用される請求項１記載の燃料電池の配管構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の配管構造に関し、とくにガスラインの水抜け性、冷却水ラインのガス抜け性のよい燃料電池の配管構造に関する。
【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、ただし、締結部材はスタックの一部を構成する）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、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、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）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 
カソード側：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
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には、水素イオンが電解質膜中をカソード側に移動できるように電解質膜が適正に湿潤していてドライアップ（乾燥）していないことが必要であり、上記反応による生成水の水滴で邪魔されずに酸化ガスが電極に供給されるようにとくにカソード側（反応生成水が生じる側）で湿潤過多（フラッディング）が起こらないよう、燃料電池スタック内の反応ガス流路から生成水が排出されることが必要である。
また、燃料電池が適正に冷却されるには、燃料電池スタック内の冷却水流路にガス溜まりができて冷却性が阻害されないように、燃料電池スタック内の冷却水流路にガス溜まりができることを防止することが必要である。
従来、特開平９−２２７１７号公報は、反応ガスおよび冷却水の、燃料電池スタックへの供給構造および燃料電池スタックからの排出通路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、特開平９−２２７１７号では、スタック内マニホールドと配管との関係の配慮がないため、スタック内マニホールドの水抜け不良とスタック内冷却水流路のガス溜まりの可能性がある。
本発明の目的は、ガスラインの水抜け性と冷却水ラインのガス抜け性のよい燃料電池の配管構造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）  スタックに燃料電池用配管を設置する場合、アノードガス、カソードガスラインについては、配管のスタックへの取付部で、配管内壁の下端の高さ位置がセルの貫通マニホールドの下端の高さ位置より低い位置に設定され、該ガスラインについての設定は、少なくともガスラインの出口に適用され、
冷却水出口ラインについては、配管内壁の上端の高さ位置がセルの貫通マニホールド上端の高さ位置より高い位置に設定され、該冷却水出口ラインについての設定は、冷却水が入側冷媒配管からエンドプレートの下部でスタックに入りスタックからエンドプレートの上部で出側冷媒配管に流出する燃料電池に適用され、該冷媒配管の内壁の上端の高さ位置に対する規制は、出側冷媒配管のスタックからの出口から該出側冷媒配管から上方に延びる枝管位置まで保たれる燃料電池の配管構造。
（２）  前記ガスラインについての設定は、入口貫通マニホールドが出口貫通マニホールドより低い場合のみ入口貫通マニホールドに適用される請求項１記載の燃料電池の配管構造。
（３）  前記ガスラインについての設定は、各セルがセル面を重力方向にして積層され、ガス流れがセル積層方向にＵターン状に形成されている燃料電池に適用される（１）記載の燃料電池の配管構造。
【０００５】
上記（１）〜（３）の燃料電池の配管構造では、アノードガス、カソードガスラインについて、配管のスタックへの取付部で、配管内壁の下端の高さ位置がセルの貫通マニホールド下端の高さ位置より低い位置に設定され、該ガスラインについての設定は、少なくともガスラインの出口に適用されたので、セルの貫通ガスマニホールドの水は自重で配管に流出し、燃料電池スタック内マニホールドから配管への移行部や、燃料電池セル内ガス流路に、水が溜まることが防止され、水抜け性は良好である。したがって、ガス流路からの水抜け不良によるフラッディングは生じない。
上記（１）の燃料電池の配管構造では、冷却水出口ラインについて、配管内壁の上端の高さ位置をセルの貫通マニホールド上端の高さ位置より高い位置に設定され、該冷却水出口ラインについての設定は、冷却水が入側冷媒配管からエンドプレートの下部でスタックに入りスタックからエンドプレートの上部で出側冷媒配管に流出する燃料電池に適用され、該冷媒配管の内壁の上端の高さ位置に対する規制は、出側冷媒配管のスタックからの出口から該出側冷媒配管から上方に延びる枝管位置まで保たれるので、セルの貫通冷却水マニホールド内の泡は浮力で配管に流出し、燃料電池スタック内マニホールドから配管への移行部や、燃料電池セル内冷却水流路に、ガスが溜まることが防止され、ガス抜け性は良好である。したがって、冷却水流路からのガス抜け不良による冷却不良は生じない。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池を図１〜図８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〜図４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２〜図４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２９ａと酸化ガス流路２９ｂ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】
図２〜図７に示すように、スタック２３は、たとえば２列並列に水平に配置されており、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に対して共有されている。
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内の冷媒マニホールドに供給・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】
図７の例では、冷媒（冷却水）は入側冷媒配管３０からエンドプレート２２の左右方向中央部の下部で左右のスタック２３に入り、左右のスタック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に流出し、左右の出側冷媒配管３０は左右方向中央で合流し、そこから上方に流れる。
燃料ガスは、入側燃料ガス配管３１ａからエンドプレート２２の左右方向中央部の上部で左右のスタック２３に入り、左右のスタック２３からエンドプレート２２の左右方向中央部の下部で出側燃料ガス配管３１ａに流出し、そこから横に流れてさらに下方に流れる。
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左右のスタック２３に入り、左右のスタック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に流出し、左右の出側酸化ガス配管３１ｂは左右方向中央で合流し、そこから下方に流れる。
【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。これは、エンドプレート２２とプレッシャプレート３２とが離れているので、冷媒、反応ガスの流路のシールができないからである。
【００１３】
図２、図３に示すように、燃料電池用ガス配管３１を設置する場合、アノードガス、カソードガスラインについては、配管３１の内壁の下端の高さ位置がセルの貫通マニホールド２９の下端の高さ位置より低い位置に設定されている。配管３１は図７に示すように流路方向に形状を変えてもよいが（断面積はほとんど変わらず、高さ方向サイズが変化する）、その場合も配管内の水が自重で流下できるところまでは、配管３１の内壁の下端の高さ位置は、セルの貫通マニホールド２９の下端の高さ位置より低い位置とされる。
【００１４】
さらに詳細には、図２に示すように、ガス配管３１がスタック２３の上部からスタック２３に入ってスタック２３の下部から出る場合、スタック下部の出側ガス配管の内壁の下端の高さ位置はセルの出側の貫通マニホールド２９の下端の高さ位置より低い位置に設定されている。
図２に示すように、ガス配管３１がスタック２３の上部からスタック２３に入ってスタック２３の下部から出る場合、入側ガス配管に対してはとくに位置規制は無くてよいが、スタック上部の入側ガス配管の内壁の下端の高さ位置はセルの入側の貫通マニホールド２９の下端の高さ位置より低い位置に設定されていることが望ましい。
図６、図７の例では、スタック２３の上部から入ってスタック２３の下部から出るガスは燃料ガスであるが、酸化ガスとしてもよい。
【００１５】
また、図３に示すように、ガス配管３１がスタック２３の下部からスタック２３に入ってスタック２３の上部から出る場合、スタック下部の入側ガス配管の内壁の下端の高さ位置はセルの入側の貫通マニホールド２９の下端の高さ位置より低い位置に設定されている。
図３に示すように、ガス配管３１がスタック２３の下部からスタック２３に入ってスタック２３の上部から出る場合、スタック上部の出側ガス配管の内壁の下端の高さ位置はセルの出側の貫通マニホールド２９の下端の高さ位置より低い位置に設定されている。
図６、図７の例では、スタック２３の下部から入ってスタック２３の上部から出るガスは酸化ガスであるが、燃料ガスとしてもよい。
【００１６】
図２、図３の例では、上記設定が、各セルがセル面を重力方向にして積層され、ガス流れがセル積層方向にＵターン状に形成されている燃料電池に適用された場合を示している。
【００１７】
図４に示すように、燃料電池用冷媒配管３０を設置する場合、冷媒（冷却水）出口ラインについては、配管３０の内壁の上端の高さ位置は、セルの貫通冷媒マニホールド２８の上端の高さ位置と同じかまたはそれ（冷媒マニホールド２８の上端の高さ位置）より高い位置に設定される。冷媒配管３０の内壁の上端の高さ位置に対する規制は、冷媒配管３０内の気泡が自分の浮力で抜ける位置、たとえば上方に延びる枝管位置まで、保たれる。
冷媒配管３０の入口ラインについては、高さ規制はとくにしなくてよい。
【００１８】
つぎに、本発明の燃料電池の配管構造の作用を説明する。
燃料ガス（アノードガス）、酸化ガス（カソードガス）ラインについて、配管３１内壁の下端の高さ位置がセルの貫通マニホールド２９下端の高さ位置より低い位置に設定されているので、セルの貫通ガスマニホールド２９に水が溜まろうとしても、その水は自重でスタック２３内から配管３１側に流出し、燃料電池スタック２３内のガスマニホールド２９から配管３１への移行部（エンドプレート２２内のガス出入り口の部分）や、燃料電池セル内のガス流路に、水が溜まることが防止され、水抜け性は良好である。したがって、ガス流路からの水抜け不良によるフラッディングとそれによる燃料電池の出力不良は生じない。これは、燃料ガスについても、酸化ガスについてもいえることであるが、反応生成水が生じる酸化ガス流路に対しては、とくにフラッディング防止効果が大きい。
【００１９】
燃料ガス（アノードガス）、酸化ガス（カソードガス）ラインについて、配管３１内壁の下端の高さ位置が、配管のスタックへの取付け部で、セルの貫通マニホールド２９下端の高さ位置より低い位置に設定されている場合は、セルの貫通マニホールド２９に水が溜まろうとしても、その水は自重でスタック２３内から配管３１側に流出し、燃料電池スタック２３内のガス流路から配管３１への移行部や、燃料電池セル内のガス流路に、水が溜まることが防止され、水抜け性は良好である。したがって、ガス流路からの水抜け不良によるフラッディングとそれによる燃料電池の出力不良は生じない。これは、燃料ガスについても、酸化ガスについてもいえることであるが、反応生成水が生じる酸化ガス流路に対しては、とくにフラッディング防止効果が大きい。
【００２０】
また、冷却水出口ラインについて、冷媒配管３０の内壁の上端の高さ位置がセルの貫通冷媒マニホールド２８の上端の高さ位置より高い位置に設定されているので、セルの貫通冷媒マニホールド２８内の気泡は自分の浮力で出側冷媒配管３０に流出していき、燃料電池スタック内冷媒マニホールド２８から冷媒配管３０への移行部（エンドプレート２２内の冷媒出口部分）や、燃料電池セル内冷却水流路に、ガスが溜まることが防止され、ガス抜け性は良好である。したがって、冷却水流路からのガス抜け不良による、すなわちガス溜まり部分での、冷却不良は生じない。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１〜請求項３の燃料電池の配管構造によれば、アノードガス、カソードガスラインについて、配管のスタックへの取付部で、配管内壁の下端の高さ位置がセルの貫通マニホールド下端の高さ位置より低い位置に設定され、該ガスラインについての設定は、少なくともガスラインの出口に適用されたので、セルの貫通ガスマニホールドの水は自重で配管に流出し、燃料電池スタック内マニホールドから配管への移行部や、燃料電池セル内ガス流路に、水が溜まることを防止でき、ガス流路からの水抜け不良によるフラッディングを防止できる。
請求項１の燃料電池の配管構造によれば、冷却水出口ラインについて、配管内壁の上端の高さ位置がセルの貫通マニホールド上端の高さ位置より高い位置に設定され、該冷却水出口ラインについての設定は、冷却水が入側冷媒配管からエンドプレートの下部でスタックに入りスタックからエンドプレートの上部で出側冷媒配管に流出する燃料電池に適用され、該冷媒配管の内壁の上端の高さ位置に対する規制は、出側冷媒配管のスタックからの出口から該出側冷媒配管から上方に延びる枝管位置まで保たれるので、セルの貫通冷却水マニホールド内の気泡は浮力で配管に流出し、燃料電池スタック内マニホールドから配管への移行部や、燃料電池セル内冷却水流路に、ガスが溜まることを防止でき、冷却水流路からのガス抜け不良による冷却不良を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の燃料電池の配管構造が適用された燃料電池の一部分の拡大断面図である。
【図２】  本発明の燃料電池の配管構造が適用された燃料電池の、配管が燃料ガス配管である場合の、概略断面図である。
【図３】  本発明の燃料電池の配管構造が適用された燃料電池の、配管が酸化ガス配管である場合の、概略断面図である。
【図４】  本発明の燃料電池の配管構造が適用された燃料電池の、配管が冷媒配管である場合の、概略断面図である。
【図５】  本発明の燃料電池の配管構造が適用された、２スタック並列構造の燃料電池の平面図である。
【図６】  図５の燃料電池の一端のエンドプレート部の正面図である。
【図７】  図５の燃料電池のエンドプレートに配管が取付けられた場合の正面図である。
【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
【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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