JP2002343406A

JP2002343406A - 燃料電池のマニホールド

Info

Publication number: JP2002343406A
Application number: JP2001146634A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Hotta; 裕堀田; Toru Konsaga; 徹昆沙賀
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-05-16
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2002-11-29
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: JP4507451B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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の提供。【解決手段】（１）セル積層体の両端にエンドプレー
ト２２を配して構成しスタック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
ルト締結された配管３０、３１内に形成されスタック内
のマニホールド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であって、スタック内のマニホー
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
めに延びている燃料電池のマニホールド。（２）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３４は互いに共通にした燃料電池のマニホール
ド。

Description

【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 Assem
bly ）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→Ｈ₂Ｏ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３０５
０４０８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：Membra
ne-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２７
ｂ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２
２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３
１ａ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２
２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３
０、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３７Ｏリング３８ボルト穴３９Ｏリング溝

Claims

【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。