JP2005158272A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの配管構造を有効に簡素化且つコンパクトに構成するとともに、配管の組み付け作業性を良好に向上させることを可能にする。
【解決手段】伸縮配管機構９０ａは、第１マニホールド８６に接続される第１配管１０４と、第２マニホールド８８に接続される第２配管１０６とを備える。第１配管１０４は、嵌合部１０８を第１マニホールド８６に挿入した状態で、前記第１マニホールド８６にねじ止めされる一方、第２配管１０６は、嵌合部１２０を第２マニホールド８８に挿入した状態で、前記第２マニホールド８８にねじ止めされる。第１配管１０４の外周部１１４と、第２配管１０６の内周部１１８とは、互いに摺動可能に構成される。
【選択図】図８

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを積層した積層体を一対のエンドプレート間に介装するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して少なくとも反応ガスを流す複数の連通孔が形成された燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を設け、この電解質膜・電極構造体をセパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この種の技術として、例えば、特許文献１に開示されている「電気化学燃料電池スタックアレイ用内部流体マニホールドアセンブリ」が知られている。

この特許文献１では、図１２に示すように、電気化学燃料電池スタックアレイ１は、５つの燃料電池スタック２から構成されるとともに、各燃料電池スタック２は、発電部３と加湿部４とバスプレート５ａ、５ｂとを備えている。

各燃料電池スタック２には、マニホールドエンドプレート６が接合されている。マニホールドエンドプレート６には、燃料供給管７ａ、燃料排出管７ｂ、酸化剤供給管８ａ、酸化剤排出管８ｂ、冷媒供給管９ａ及び冷媒排出管９ｂが接続されている。マニホールドエンドプレート６内には、図示していないが、燃料供給管７ａ、燃料排出管７ｂ、酸化剤供給管８ａ、酸化剤排出管８ｂ、冷媒供給管９ａ及び冷媒排出管９ｂにそれぞれ連通して燃料、酸化剤及び冷媒を流すための流路が形成されるとともに、前記流路は、各燃料電池スタック２に対応して複数の分岐流路を有している。各燃料電池スタック２では、分岐流路を介して燃料、酸化剤及び冷媒の供給と排出とが行われている。

米国特許第５，４８６，４３０号明細書（図２）

しかしながら、上記の特許文献１では、マニホールドエンドプレート６には、燃料供給管７ａ、燃料排出管７ｂ、酸化剤供給管８ａ、酸化剤排出管８ｂ、冷媒供給管９ａ及び冷媒排出管９ｂが接続されており、これらの配管作業が煩雑なものとなってしまう。特に、配管系を狭小なスペースに集約しようとすると、配管の接続作業が相当に煩雑化し、作業効率が著しく低下するという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックの配管構造を有効に簡素化且つコンパクト化するとともに、配管の組み付け作業性を良好に向上させることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックでは、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを積層した積層体を一対のエンドプレート間に介装するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して少なくとも反応ガスを流す複数の連通孔が形成されている。

そして、少なくとも一方のエンドプレートには、所定の連通孔に接続される第１マニホールドと、他の連通孔に接続される第２マニホールドとが装着されるとともに、前記第１マニホールドと前記第２マニホールドは、伸縮配管機構を介して接続されている。

また、伸縮配管機構は、少なくとも２本の配管を備え、第１の配管の外周部と第２の配管の内周部とが互いに摺動可能に構成されることが好ましい。

さらに、第１の配管と第２の配管との摺動部位には、ラジアルシールが配設されることが好ましい。さらにまた、第１の配管と第２の配管とが互いに摺動することを阻止するための固定具を備えることが好ましい。

本発明によれば、エンドプレートに第１及び第２マニホールドが装着された状態で、前記第１及び第２マニホールド間に伸縮配管機構が配置され、前記配管が伸長されて該第１及び第２マニホールドに取り付けられる。このため、加工精度や機械精度等に起因して第１及び第２マニホールド間の距離が変動しても、配管作業を確実に行うことができる。これにより、燃料電池スタックの配管構造を有効に簡素化且つコンパクト化するとともに、配管の組み付け作業性を良好に向上させることが可能になる。

また、第１の配管の外周部と第２の配管の内周部とが摺動する際、ラジアルシールにより摺動部位のシール性が有効に確保され、反応ガスや冷却媒体の気密性（又は液密性）を向上させることができる。

さらに、第１の配管と第２の配管とは、固定具の作用下に互いにスライドすることがない。従って、簡単な構成で、所望のシール性を確実に保持することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システム１０の概略全体斜視図である。

燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行に且つ極性を反転して配列される同一構成の第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の水平方向一端には、集合マニホールド１６が一体的に装着される。

図２に示すように、第１燃料電池スタック１２は、複数の単位セル１８が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体２０を備える。積層体２０の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート２２ａ、絶縁プレート２４及び第１エンドプレート２６ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体２０の積層方向他端には、ターミナルプレート２２ｂ、絶縁性スペーサ部材２８及び第２エンドプレート２６ｂが外方に向かって、順次、配設される。第１燃料電池スタック１２は、四角形（長方形）に構成される第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂを端板として含むケーシング２９により一体的に保持される。

図２及び図３に示すように、各単位セル１８は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。

単位セル１８の長辺方向（図３中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。

単位セル１８の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に接合される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が直接ケーシング２９に接触することを阻止すべく、シール５７が介装される。

図１及び図２に示すように、ターミナルプレート２２ａ、２２ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。

ケーシング２９は、図１、図２及び図４に示すように、端板である第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂと、積層体２０の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士をねじ止めにより連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。なお、アングル部材６２ａ〜６２ｄは、側板６０ａ〜６０ｄの外側に配設されているが、この側板６０ａ〜６０ｄの内側に配設されていてもよい。

図４に示すように、第１エンドプレート２６ａの矢印Ｂ方向一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する酸化剤ガス入口６６ａ、冷却媒体供給連通孔３８ａに連通する冷却媒体入口６８ａ、及び燃料ガス排出連通孔４０ｂに連通する燃料ガス出口７０ｂが形成される。

第１エンドプレート２６ａの矢印Ｂ方向他端縁部には、燃料ガス供給連通孔４０ａに連通する燃料ガス入口７０ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂに連通する冷却媒体出口６８ｂ、及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口６６ｂが形成される。

図２に示すように、スペーサ部材２８は、ケーシング２９の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材２８は、積層体２０の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体２０に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。なお、積層体２０の積層方向の長さの変動が、第１及び第２金属セパレータ３２、３４自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材２８を用いなくてもよい。

第２燃料電池スタック１４は、上記のように構成される第１燃料電池スタック１２と略同一に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

第１及び第２燃料電池スタック１２、１４を構成する積層体２０は、全く同一の構成を有しており、それぞれの極性を逆にするために、例えば、前記第２燃料電池スタック１４を構成する積層体２０を、前記第１燃料電池スタック１２を構成する積層体２０に対して鉛直軸回りに１８０°反転させている。

第２燃料電池スタック１４では、図５に示すように、第２エンドプレート２６ｂに酸化剤ガス入口７２ａ、冷却媒体入口７４ａ及び燃料ガス出口７６ｂが矢印Ｂ方向一端縁部に形成されるとともに、燃料ガス入口７６ａ、冷却媒体出口７４ｂ及び酸化剤ガス出口７２ｂが矢印Ｂ方向他端縁部に形成される。

第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の中間位置Ｐに対して、酸化剤ガス入口６６ａ、７２ａ、冷却媒体入口６８ａ、７４ａ及び燃料ガス出口７０ｂ、７６ｂは、互いに近接する位置に且つ対称となる位置に設けられる一方、燃料ガス入口７０ａ、７６ａ、冷却媒体出口６８ｂ、７４ｂ及び酸化剤ガス出口６６ｂ、７２ｂは、互いに離間する位置に且つ対称となる位置に設けられる。

図１に示すように、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の互いに隣接する一端側の第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂには、集合マニホールド１６が一体的に装着される。集合マニホールド１６は、図１及び図６に示すように、該集合マニホールド１６の中央部に連結ブロック８０を設けており、この連結ブロック８０の両側部には、それぞれ伸縮配管機構８２ａ〜８２ｆ及び８４ａ〜８４ｆが連結される。

伸縮配管機構８２ａ〜８２ｆは、第１燃料電池スタック１２側に延在して第１マニホールド８６に連結される。この第１マニホールド８６は、第１燃料電池スタック１２の一方の端部に形成された３つの連通孔である酸化剤ガス入口６６ａ、冷却媒体入口６８ａ及び燃料ガス出口７０ｂに接続される単一のマニホールドを構成する。

第１燃料電池スタック１２の他方の端部に形成された３つの連通孔である燃料ガス入口７０ａ、冷却媒体出口６８ｂ及び酸化剤ガス出口６６ｂには、単一の第２マニホールド８８が接続される。第１マニホールド８６には、それぞれ伸縮配管機構８２ｂ〜８２ｅに連通する伸縮配管機構９０ａ〜９０ｄの一端が接続される。

伸縮配管機構９０ａ〜９０ｄの他端は、第２マニホールド８８に接続される一方、前記第２マニホールド８８には、伸縮配管機構９０ｃに連通して第１燃料電池スタック１２の側方に延在する配管９１が接続される。

伸縮配管機構８４ａ〜８４ｆは、第２燃料電池スタック１４側に延在して第３マニホールド９２に接続される。この第３マニホールド９２は、第２燃料電池スタック１４の一方の端部に形成された３つの連通孔である酸化剤ガス入口７２ａ、冷却媒体入口７４ａ及び燃料ガス出口７６ｂに接続される単一のマニホールドを構成する。

第２燃料電池スタック１４の他方の端部に形成された３つの連通孔である燃料ガス入口７６ａ、冷却媒体出口７４ｂ及び酸化剤ガス出口７２ｂには、単一の第４マニホールド９４が接続される。

第３マニホールド９２には、伸縮配管機構８４ｂ〜８４ｅに連通する４つの伸縮配管機構９６ａ〜９６ｄの一端が接続されるとともに、前記伸縮配管機構９６ａ〜９６ｄの他端が第４マニホールド９４に接続される。第４マニホールド９４には、伸縮配管機構９６ｂに連通して第２燃料電池スタック１４の側方に延在する配管９７が接続される。

連結ブロック８０の一方の面である表面８０ａには、燃料ガス供給口９８ａと燃料ガス排出口９８ｂとが設けられる。燃料ガス供給口９８ａは、伸縮配管機構８２ｂ、８４ｂに連通する一方、燃料ガス排出口９８ｂは、伸縮配管機構８２ｆ、８４ｆに連通する。

図７に示すように、連結ブロック８０の他方の面である裏面８０ｂの上部側には、伸縮配管機構８２ａ、８４ａに連通する酸化剤ガス供給口１００ａと、伸縮配管機構８２ｅ、８４ｅに連通する酸化剤ガス排出口１００ｂとが近接して形成される。この裏面８０ｂには、酸化剤ガス供給口１００ａ及び酸化剤ガス排出口１００ｂに連通する加湿器１０２が取り付けられる。

図６に示すように、第１マニホールド８６は、酸化剤ガス入口６６ａを伸縮配管機構８２ａに連通し、冷却媒体入口６８ａを伸縮配管機構８２ｄ、９０ｃに連通し、燃料ガス出口７０ｂを伸縮配管機構８２ｆに連通する。第２マニホールド８８は、燃料ガス入口７０ａを伸縮配管機構９０ａに連通し、冷却媒体出口６８ｂを伸縮配管機構９０ｄに連通し、酸化剤ガス出口６６ｂを伸縮配管機構９０ｂに連通する。

同様に、第３マニホールド９２は、酸化剤ガス入口７２ａを伸縮配管機構８４ａに連通し、冷却媒体入口７４ａを伸縮配管機構８４ｄ（及び必要に応じて端部が閉塞された伸縮配管機構９６ｃ）に連通し、燃料ガス出口７６ｂを伸縮配管機構８４ｆに連通する。第４マニホールド９４は、燃料ガス入口７６ａを伸縮配管機構９６ａに連通し、冷却媒体出口７４ｂを伸縮配管機構９６ｂに連通し、酸化剤ガス出口７２ｂを伸縮配管機構９６ｄに連通する。

集合マニホールド１６では、伸縮配管機構８２ａ、８４ａが酸化剤ガス供給配管を構成し、伸縮配管機構８２ｂ、８４ｂ、９０ａ及び９６ａが燃料ガス供給配管を構成し、伸縮配管機構８２ｃ、８４ｃ、９０ｂ及び９６ｂが冷却媒体排出配管を構成し、伸縮配管機構８２ｄ、８４ｄ及び９０ｃが冷却媒体供給配管を構成し、伸縮配管機構８２ｅ、８４ｅ、９０ｄ及び９６ｄが酸化剤ガス排出配管を構成し、伸縮配管機構８２ｆ、８４ｆが燃料ガス排出配管を構成する。

伸縮配管機構８２ａ〜８２ｆ、８４ａ〜８４ｆ、９０ａ〜９０ｄ及び９６ａ〜９６ｄは、同一の構成を有しており、例えば、伸縮配管機構９０ａの構成についてのみ、以下に詳細に説明する。

図８に示すように、伸縮配管機構９０ａは、第１マニホールド８６に接続される第１配管１０４と、第２マニホールド８８に接続される第２配管１０６とを備える。第１配管１０４は、第１マニホールド８６に挿入される嵌合部１０８を設け、この嵌合部１０８の近傍には、フランジ部１１０が形成される。フランジ部１１０の孔部１１０ａにねじ１１２が挿入され、このねじ１１２が第１マニホールド８６にねじ込まれることにより、第１配管１０４が前記第１マニホールド８６に取り付けられる。

第１配管１０４の外周部１１４には、周溝１１５ａを介してラジアルシール１１６が配設されるとともに、この周溝１１５ａから所定の距離だけ離間してクリップ取り付け用周溝１１５ｂが形成される。第１配管１０４の嵌合部１０８には、同様にラジアルシール１１６が配設される。第１配管１０４の外周部１１４と、第２配管１０６の内周部１１８とは、互いに摺動可能に構成される。

第２配管１０６の内周部１１８は、軸方向に所定の長さＬを有している。第２配管１０６の内周部１１８とは反対側の端部には、第２マニホールド８８に挿入される嵌合部１２０が設けられる。この嵌合部１２０の近傍には、フランジ部１２２が形成される。フランジ部１２２の孔部１２２ａにねじ１２４が挿入され、このねじ１２４が第２マニホールド８８にねじ込まれることにより、第２配管１０６が前記第２マニホールド８８に取り付けられる。嵌合部１２０には、ラジアルシール１１６が配設される。

第１及び第２配管１０４、１０６は、熱伝導性に優れる金属材や伝熱性樹脂材、又は絶縁性樹脂材等で形成される。なお、金属材の流路内面に絶縁コートを施してもよい。第１及び第２配管１０４、１０６は、クリップ（固定具）１２６を介して互いに摺動することを阻止される。

図１に示すように、第１燃料電池スタック１２の集合マニホールド１６に近接する端子部５８ａと、第２燃料電池スタック１４の前記集合マニホールド１６に近接する端子部５８ｂとは、ケーブル１２８を介して電気的に接続される。端子部５８ａは、例えば、負極である一方、端子部５８ｂは、例えば、正極であり、これらがケーブル１２８により電気的に接続されることによって、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４が電気的に直列に接続される。第１燃料電池スタック１２の端子部５８ｂと、第２燃料電池スタック１４の端子部５８ａとは、例えば、モータ等の外部負荷１３０に接続されている。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１、図６及び図７に示すように、燃料電池システム１０では、集合マニホールド１６に装着された加湿器１０２から連結ブロック８０の酸化剤ガス供給口１００ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、前記連結ブロック８０の燃料ガス供給口９８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、配管９１から伸縮配管機構９０ｃには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

連結ブロック８０の酸化剤ガス供給口１００ａに供給された酸化剤ガスは、伸縮配管機構８２ａ、８４ａを通って第１及び第３マニホールド８６、９２に送られる。このため、酸化剤ガスは、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第１及び第２エンドプレート２６ａ、２６ｂの酸化剤ガス入口６６ａ、７２ａに供給される（図５及び図６参照）。

連結ブロック８０の燃料ガス供給口９８ａに供給された燃料ガスは、伸縮配管機構８２ｂ、８４ｂから伸縮配管機構９０ａ、９６ａを通って第１及び第２燃料電池スタック１２、１４の燃料ガス入口７０ａ、７６ａに供給される。

伸縮配管機構９０ｃに供給された冷却媒体は、一部分が第２マニホールド８６から第１燃料電池スタック１２の冷却媒体入口６８ａに送られるとともに、残余の部分が伸縮配管機構８２ｄ、８４ｄを介して第３マニホールド９２から第２燃料電池スタック１４の冷却媒体入口７４ａに供給される。

次いで、第１燃料電池スタック１２内では、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極４６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って流動した後、第１エンドプレート２６ａの酸化剤ガス出口６６ｂに排出される（図５参照）。同様に、アノード側電極４４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに排出されて流動し、第１エンドプレート２６ａの燃料ガス出口７０ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動して第１エンドプレート２６ａの冷却媒体出口６８ｂに排出される。

第２燃料電池スタック１４では、上記の第１燃料電池スタック１２と同様に、使用済みの酸化剤ガスは、第２エンドプレート２６ｂの酸化剤ガス出口７２ｂに排出される（図５参照）。さらに、使用済みの燃料ガスは、第２エンドプレート２６ｂの燃料ガス出口７６ｂに排出されるとともに、使用済みの冷却媒体は、前記第２エンドプレート２６ｂの冷却媒体出口７４ｂに排出される。

酸化剤ガス出口６６ｂ、７２ｂに排出された酸化剤ガスは、図６に示すように、第２及び第４マニホールド８８、９４から伸縮配管機構９０ｄ、９６ｄを通って伸縮配管機構８２ｅ、８４ｅに送られる。さらに、酸化剤ガスは、連結ブロック８０内を上昇して酸化剤ガス排出口１００ｂから加湿器１０２に送られる（図７参照）。

加湿器１０２では、使用済みの酸化剤ガスから使用前の酸化剤ガスに水分及び熱の交換が行われる。このため、使用前の酸化剤ガスは、所望の加湿状態で且つ所望の温度に調整された後、第１及び第２燃料電池スタック１２、１４に供給される。

一方、燃料ガス出口７０ｂ、７６ｂに排出された燃料ガスは、図６に示すように、第１及び第３マニホールド８６、９２から伸縮配管機構８２ｆ、８４ｆを通って連結ブロック８０の燃料ガス排出口９８ｂに排出される。

さらに、冷却媒体出口６８ｂに排出された冷却媒体は、第２マニホールド８８から伸縮配管機構９０ｂを通って第１マニホールド８６に至り、伸縮配管機構８２ｃ、８４ｃ及び９６ｂを通って配管９７に排出される。また、冷却媒体出口７４ｂから排出された冷却媒体は、配管９７に排出される。

この場合、第１の実施形態では、集合マニホールド１６が伸縮配管機構８２ａ〜８２ｆ、８４ａ〜８４ｆ、９０ａ〜９０ｄ及び９６ａ〜９６ｄを備えている。そこで、例えば、伸縮配管機構９０ａの配管取り付け作業について、具体的に説明すると、先ず、第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２６ａに第１及び第２マニホールド８６、８８がねじ止め等により固定される。一方、伸縮配管機構９０ａでは、第１配管１０４の外周部１１４が第２配管１０６の内周部１１８内に挿入されており、前記第１及び第２配管１０４、１０６の全長が短尺寸法に調整されている。

次いで、図９に示すように、伸縮配管機構９０ａは、第１及び第２マニホールド８６、８８間に配置されるとともに、例えば、第２配管１０６の嵌合部１２０が前記第２マニホールド８８に挿入される。そして、第２配管１０６は、ねじ１２４が孔部１２２ａを通って第２マニホールド８８に螺合されることにより、前記第２マニホールド８８に取り付けられる。

さらに、第１配管１０４は、第２配管１０６から軸方向（矢印Ｘ方向）に引き出され、この第１配管１０４の嵌合部１０８が第１マニホールド８６に挿入される。この状態で、ねじ１１２が孔部１１０ａを通って第１マニホールド８６に螺合されることにより、第１配管１０４が前記第１マニホールド８６に取り付けられる。その後、第１配管１０４の外周部１１４には、周溝１１５ｂを介してクリップ１２６が取り付けられる。

このように、第１の実施形態では、軸方向に伸縮自在な伸縮配管機構９０ａが用いられるため、加工精度や機械精度等に起因して第１及び第２マニホールド８６、８８間の距離が変動しても、配管作業を確実に行うことができる。これにより、配管構造が有効に簡素化且つコンパクト化されるとともに、伸縮配管機構９０ａの組み付け作業性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

また、第１配管１０４の外周部１１４と第２配管１０６の内周部１１８とが摺動する際、ラジアルシール１１６により摺動部位のシール性が有効に確保される。従って、燃料ガスの気密性を有効に向上させることができる。

さらに、第１配管１０４と第２配管１０６とは、クリップ１２６により互いに摺動することを阻止されている。このため、簡単な構成で、所望のシール性を確実に保持することが可能になる。

なお、伸縮配管機構８２ａ〜８２ｆ、８４ａ〜８４ｆ、９０ｂ〜９０ｄ及び９６ａ〜９６ｄにおいても、上記の伸縮配管機構９０ａと同様の効果が得られる。

ところで、第１の実施形態では、連結部材として、例えば、アングル部材６２ａ〜６２ｄを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、側板６０ａ〜６０ｄ自体に屈曲するフランジ部を形成し、各フランジ部をねじ止めして前記側板６０ａ〜６０ｄ同士を連結することにより連結部材を構成してもよい。また、側板６０ａ〜６０ｄ同士を溶接して一体化することにより、連結部材を構成してもよい。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する伸縮配管機構１４０の要部分解斜視図であり、図１１は、前記伸縮配管機構１４０が第１及び第２マニホールド８６、８８に取り付けられた状態の正面説明図である。なお、上述した第１の実施形態に係る伸縮配管機構９０ａと同様の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

伸縮配管機構１４０は、第１マニホールド８６に接続される第１配管１４２と、第２マニホールド８８に接続される第２配管１４４と、前記第１及び第２配管１４２、１４４間に摺動自在に介装される第３配管１４６とを備える。第１配管１４２は、第２配管１４４の内周部１１８と同様の内周部１４８を設ける。

第３配管１４６の両端側には、それぞれ外周部１５０ａ、１５０ｂが形成されるとともに、前記外周部１５０ａ、１５０ｂには、ラジアルシール１５２ａ、１５２ｂが配設される。外周部１５０ａ、１５０ｂは、内周部１４８、１１８に摺動自在に嵌合する。

このように構成される第２の実施形態では、伸縮配管機構１４０が第１乃至第３配管１４２、１４４及び１４６を備えており、それぞれの接続部位が摺動可能である。これにより、特に第１及び第２マニホールド８６、８８間の距離が比較的大きな場合にも、前記第１及び第２マニホールド８６、８８に伸縮配管機構１４０を確実に取り付けることができるという効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、伸縮配管機構１４０が３分割（第１乃至第３配管１４２、１４４及び１４６）されているが、これに限定されるものではなく、例えば、４分割以上に分割構成されていてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略全体斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池システムの反応ガス及び冷却媒体の流れ説明図である。 前記燃料電池システムを構成する集合マニホールドの流れ説明図である。 前記集合マニホールドを構成する連結ブロックの断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する伸縮配管機構の要部分解斜視図である。 前記伸縮配管機構が第１及び第２マニホールドに取り付けられた状態の正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する伸縮配管機構の要部分解斜視図である。 前記伸縮配管機構が第１及び第２マニホールドに取り付けられた状態の正面説明図である。 特許文献１に係るアセンブリの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２、１４…燃料電池スタック
１６…集合マニホールド １８…単位セル
２０…積層体 ２６ａ、２６ｂ…エンドプレート
２９…ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…セパレータ ３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３８ａ…冷却媒体供給連通孔
３８ｂ…冷却媒体排出連通孔 ４０ａ…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４２…固体高分子電解質膜
４４…アノード側電極 ４６…カソード側電極
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５２…酸化剤ガス流路 ５８ａ、５８ｂ…端子部
６０ａ〜６０ｄ…側板 ６６ａ、７２ａ…酸化剤ガス入口
６６ｂ、７２ｂ…酸化剤ガス出口 ６８ａ、７４ａ…冷却媒体入口
６８ｂ、７４ｂ…冷却媒体出口 ７０ａ、７６ａ…燃料ガス入口
７０ｂ、７６ｂ…燃料ガス出口 ８０…連結ブロック
８２ａ〜８２ｆ、８４ａ〜８４ｆ、９０ａ〜９０ｄ、９６ａ〜９６ｄ、１４０…伸縮配管機構
８６、８８、９２、９４…マニホールド
９８ａ…燃料ガス供給口 ９８ｂ…燃料ガス排出口
１００ａ…酸化剤ガス供給口 １００ｂ…酸化剤ガス排出口
１０２…加湿器 １０４、１０６、１４２、１４４、１４６…配管
１０８、１２０…嵌合部 １１４、１５０ａ、１５０ｂ…外周部
１１６、１５２ａ、１５２ｂ…ラジアルシール
１１８、１４８…内周部 １２６…クリップ

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを積層した積層体を一対のエンドプレート間に介装するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して少なくとも反応ガスを流す複数の連通孔が形成された燃料電池スタックであって、
   少なくとも一方のエンドプレートには、所定の連通孔に接続される第１マニホールドと、
   他の連通孔に接続される第２マニホールドと、
   が装着されるとともに、
   前記第１マニホールドと前記第２マニホールドとを接続する伸縮配管機構が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記伸縮配管機構は、少なくとも２本の配管を備え、
   第１の配管の外周部と第２の配管の内周部とが互いに摺動可能に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１の配管と前記第２の配管との摺動部位には、ラジアルシールが配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１の配管と前記第２の配管とが互いに摺動することを阻止するための固定具を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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