JP2002343410A

JP2002343410A - 燃料電池のマニホールド

Info

Publication number: JP2002343410A
Application number: JP2001151306A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Hotta; 裕堀田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2002-11-29
Anticipated expiration: 2021-05-21
Also published as: JP4560992B2

Abstract

(57)【要約】【課題】スタック締結時にエンドプレートに弾性そり
変形が生じるにもかかわらず、シール性の確保と省スペ
ース化を可能とす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を配して構成したスタック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を有し該
フランジ部でスタック２３の一端のエンドプレート２２
にボルトにより締結された配管３０、３１と、からなる
燃料電池のマニホールドであって、配管のフランジ３４
の剛性が、該フランジ３４がスタック締結時にスタック
一端のエンドプレート２２に生じる弾性そり変形に追従
して変形できる大きさに設定されている燃料電池のマニ
ホールド。（２）フランジ３４の剛性は、セル積層体の
両側の締結部材２４を結ぶ線と平行な方向と、それと直
交する方向とで、異なる。

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）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。そこでは、各種流体配管は導管
からなり、各導管ごとにスタック両端のプレートにナッ
ト締結されており、プレート内の流路に接続している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、通常、スタッ
ク内マニホールドはセルの端部に配置されていて細長い
断面形状を有しており、スタック外配管の断面形状をス
タックとの接続部においてスタック内マニホールド断面
形状に合わせると、スタック内マニホールドが円形断面
形状でないため、配管側もたとえば矩形状など円形でな
い外形をもつフランジによるボルト締結とならざるを得
ない。その場合、流路断面形状に合わせて、シールも円
形でない形状をもつＯリングを用いざるを得ない。フラ
ンジ締結構造は、特許第３０５０４０８号のナット締結
構造に比べて、セル積層方向と直交する方向にサイズが
大きくなり、とくに細長いマニホールド断面の長軸方向
のサイズが大きくなる。スタックのエンドプレートは、
締結部材にかかるセル積層方向の引張力とセル積層体か
らの反力とで、セル積層体の両側の締結部材を結ぶ線を
含みセル積層方向に延びる面内において、セル積層方向
外側に微小量凸状に反る弾性変形を生じる。エンドプレ
ートのそり方向とマニホールドの長軸方向とが合致した
場合、フランジ端部におけるエンドプレートのそり量は
無視できない大きさとなる。一方、配管のフランジは通
常十分な剛性を有しているため、エンドプレートにそり
が生じると、そったエンドプレートと配管フランジとの
間には隙間が生じようとする。その結果、Ｏリングの締
め代がエンドプレートそりに沿って変化し、シール性を
確保することが難しくなる。また、Ｏリングの締め代が
変化してもシール性が得られるように、たとえば、Ｏリ
ングの線径を太くすると、それを押さえるフランジのサ
イズも大きくなり、その結果、Ｏリングおよびフランジ
の配置に要するスペースに問題が生じる。本発明の目的
は、スタック締結時にエンドプレートに弾性そり（反
り）変形が生じるにもかかわらず、シール性の確保と省
スペース化を可能とする燃料電池のマニホールド（とく
にスタック外配管とスタック内マニホールドとの接続部
の構造）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）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により締結された配管と、からな
る燃料電池のマニホールドであって、前記配管のフラン
ジの剛性が、該フランジがスタック締結時に前記スタッ
ク一端のエンドプレートに生じる弾性そり変形に追従し
て変形できる大きさに設定されている燃料電池のマニホ
ールド。（２）前記配管のフランジの剛性は、セル積層体の両
側の締結部材を結ぶ線と平行な方向と、それと直交する
方向とで、異なる（１）記載の燃料電池のマニホール
ド。

【０００５】上記（１）、（２）の燃料電池のマニホー
ルドでは、配管のフランジの剛性を、意図的に下げて、
配管のフランジがスタック一端のエンドプレートの弾性
そり変形に追従できる大きさに設定したので、スタック
締結時に、フランジがエンドプレートのたわみに追従で
き、フランジとエンドプレートとの間に隙間が生じず、
Ｏリングの全長にわたってＯリングの締め代が変化しな
い。その結果、スタック締結時にエンドプレートに反り
が生じても、フランジとエンドプレートとの接続部のシ
ール性が確保される。また、Ｏリングの線径の締め代に
隙間分を計上しなくてもよくなり、Ｏリングの線径の締
め代に隙間分を計上しなければならない場合に比べて、
Ｏリングの線径を小さくでき、Ｏリングおよびそれを押
さえるフランジを小型化でき、配管のエンドプレートへ
の接続部の省スペース化が可能になる。なお、配管のフ
ランジの剛性と形状は、セル積層体の両側の締結部材を
結ぶ線と平行な方向と、それと直交する方向とで、異な
ってもよい。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の燃料電池を図１
〜図６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】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からセルの冷媒流路２６に流れ、セル
の冷媒流路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２
９ｂ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、セルの燃料ガス流路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、セルの酸化ガス流路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は図３に示すように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
対して共用される。スタック２３のセル積層方向一端に
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２９
ａ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のセル積層方向一端
にあるエンドプレート２２から燃料電池セル積層体に入
り、Ｕターンして、同じエンドプレート２２から出る。
配管３０、３１の内部は流体流路３５である。流体流路
３５はスタック内マニホールドに連通する。

【００１１】１スタック燃料電池の場合、たとえば、つ
ぎの配管配置をとる。冷媒（冷却水）は入側冷媒配管３
０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。複数スタック（たとえば、
２スタック）を並列配置した燃料電池の場合は、たとえ
ば、上記の配管配置と、上記の配管配置の左右対称配置
とを、燃料ガス配管をエンドプレート２２の左右方向中
央部に配して、左右に並べた配置をとる。

【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４〜図６に示すように、１スタックまた
は複数（たとえば、２）スタックを有する燃料電池１０
において、燃料電池のマニホールドは、セル積層体の両
端にエンドプレート２２を配して構成したスタック２３
内に形成された流体用のマニホールド２８、２９と、フ
ランジ３４を有し該フランジ部３４でスタック２３の一
端のエンドプレート２２にボルト３６により締結された
配管３０、３１と、からなる。フランジ３４は、各マニ
ホールド２８、２９に対して別々に設けられていてもよ
いし、２以上のマニホールド２８、２９にまたがって一
体に設けられていてもよい。フランジ３４にはボルト穴
３８が形成され、ボルト３６が挿通される。また、フラ
ンジ３４にはＯリング溝３９が形成され、そこにＯリン
グ３７が装着されてマニホールドをシールしている。こ
の燃料電池のマニホールドにおいて、配管３０、３１の
フランジ３４の剛性は、スタックをセル積層方向に締め
付け締結部材２４を介して両端エンドプレート２２を締
結した時に、スタック２３一端のエンドプレート２２に
生じる弾性そり変形に、フランジ３４が追従して変形で
きる大きさに設定されている。

【００１４】エンドプレート２２のそり変形は、エンド
プレート２２にかかる、テンションプレート２４による
引張力とセル積層体からの反力（テンションプレート２
４による引張力と反対方向の力）とによって生じる。エ
ンドプレート２２のそり変形は、スタック締結時に、セ
ル積層体を挟んでセル積層体の両側に配された締結部材
２４（たとえば、テンションプレート）を結ぶ線を含み
セル積層方向に延びる面内に生じる変形であり、セル積
層方向外側に凸状となる変形である。エンドプレート２
２は、上記そりが生じる面と直交する方向の面内方向に
も生じるが、上記そりが生じる面と直交する方向のフラ
ンジ長さは短くフランジとエンドプレート間隙間が問題
とはならない。ただし、上記そりが生じる面と直交する
面内方向にフランジ、マニホールドの長軸方向がある場
合は、上記そりが生じる面と直交する面内方向において
もフランジがエンドプレートのそりに合うようにフラン
ジの形状を決定する。配管３０、３１のフランジ３４の
剛性は、スタック締結時に、フランジ３４がエンドプレ
ート２２のそり変形と同面内で同量、同方向に弾性変形
できる剛性か、それより小の剛性に設定される。この設
定によって、フランジ３４はエンドプレート２２のそり
変形に追従して同じ量変形する。

【００１５】スタック２３内マニホールド２８、２９お
よび配管３０、３１のフランジ３４は、共に、セル積層
体両側の締結部材２４（たとえば、テンションプレー
ト）を結ぶ方向に長軸をもつ横断面形状を有している。
すなわち、スタック２３内マニホールド２８、２９は、
セル積層体両側の締結部材２４を結ぶ方向に細長い断面
形状を有しており、それに合わせてフランジ３４も同じ
方向に細長い外形形状と流路断面形状を有している。そ
して、細長い形状のフランジ３４の長軸方向の全長にわ
たってフランジ３４がエンドプレート２２のそり変形に
追従できるように、フランジ３４の剛性が設定されてい
る。

【００１６】図６に示すように、配管３０、３１のフラ
ンジ３４は細長い形状を有しているので、配管３０、３
１のフランジ３４の剛性と形状は、セル積層体の両側の
締結部材２４（たとえば、テンションプレート）を結ぶ
線と平行な方向（フランジ長軸方向）と、それと直交す
る方向とで、異なってよい。図示例では、フランジ３４
の剛性と形状は、フランジ長軸方向と、それと直交する
方向とで、異なっている。通常、エンドプレート２２の
そり変形は、セル積層体の両側の締結部材２４を結ぶ線
と平行な方向においてのみ生じるので、フランジ３４の
剛性は、セル積層体の両側の締結部材２４を結ぶ線と平
行な方向においてのみエンドプレート２２のそり変形に
追従できるように、設定されればよい。

【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、効果を説明する。まず、配管３０、３１
のフランジ３４の剛性を、意図的に下げて、配管３０、
３１のフランジ３４がスタック２３一端のエンドプレー
ト２２の弾性そり変形に追従できる大きさに設定したの
で、スタック締結時に、フランジ３４がエンドプレート
２２のたわみに追従でき、フランジ３４とエンドプレー
ト２２との間に隙間が生じず、Ｏリング３７の全長にわ
たってＯリング３７の締め代が変化しない。その結果、
スタック２３締結時にエンドプレート２２に反りが生じ
ても、フランジ３４とエンドプレート２２との接続部の
シール性が確保される。また、Ｏリング３７の線径の締
め代に隙間分を計上しなくてもよくなり、Ｏリングの線
径の締め代に隙間分を計上する場合に比べて、Ｏリング
３７の線径を小さくでき、Ｏリング３７およびそれを押
さえるフランジ３４を小型化でき、配管３０、３１のエ
ンドプレート２２への接続部の省スペース化が可能にな
る。

【００１８】また、フランジ３４の剛性は、フランジ３
４がエンドプレート２２のそり変形と同面内で同量、同
方向に変形できる大きさに設定されるので、フランジ３
４は、スタック２３締結時のエンドプレート２２のそり
変形を、隙間なく吸収することができる。

【００１９】また、スタック内マニホールド２８、２９
および配管のフランジ３４は、共に、セル積層体両側の
締結部材２４を結ぶ方向に長軸をもつ横断面形状を有し
ているので、フランジ３４の長軸方向両端とエンドプレ
ート２２との間に生じようとする隙間が最も厳しい（大
きい）が、フランジ３４は、この最も厳しい隙間をも吸
収できるように、剛性を設定されており、フランジ３４
の長軸方向全長においてエンドプレート２２との間に隙
間を生じない。

【００２０】

【発明の効果】請求項１、請求項２の燃料電池のマニホ
ールドによれば、配管のフランジの剛性を、配管のフラ
ンジがスタック一端のエンドプレートの弾性そり変形に
追従できる大きさに設定したので、スタック締結時にエ
ンドプレートに反りが生じても、フランジとエンドプレ
ートとの接続部のシール性を確保できる。また、Ｏリン
グの線径の締め代に隙間分を計上しなくてもよくなり、
Ｏリングの線径の締め代に隙間分を計上しなければなら
ない場合に比べて、Ｏリングの線径を小さくでき、Ｏリ
ングおよびそれを押さえるフランジを小型化でき、配管
のエンドプレートへの接続部の省スペース化が可能にな
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（図示例は２スタックの燃料電池の場合を示
す）の斜視図である。

【図４】図３のＡ視での、燃料電池のスタック締め付け
時の側面図である。

【図５】図３のＡ視での、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、配管を取付けた状態の、
一部分の断面図である。

【図６】図５の燃料電池のマニホールドが適用された燃
料電池の配管フランジ部の正面図である。

【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により締結された配管と、からな
る燃料電池のマニホールドであって、前記配管のフランジの剛性が、該フランジがスタック締
結時に前記スタック一端のエンドプレートに生じる弾性
そり変形に追従して変形できる大きさに設定されている
燃料電池のマニホールド。
【請求項２】前記配管のフランジの剛性は、セル積層
体の両側の締結部材を結ぶ線と平行な方向と、それと直
交する方向とで、異なる請求項１記載の燃料電池のマニ
ホールド。