JP2010055877A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池におけるエンドプレートとガスや冷却媒体等の流体用の管路との接続部の構造に関し、流体流れを阻害することなく、しかも、外力や圧力流体からの内圧が管路に作用して変形や変位した場合でも、接続部のシール性を十分に担保することのできる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池のセル積層体１００の両側にエンドプレート２０，２０が配され、燃料ガス等の流体が流通するマニホールドに対し、樹脂素材で本体部３１、フランジ３３、突部３４からなる管路３０が連通して接続部が形成されるものであり、エンドプレート表面の貫通孔２０ａの周縁に座ぐり部２１が形成され、その端部に形成された無端状の凹溝２１ａにシール材４０が収容され、座ぐり部２１に嵌り込んだ突部３４の軸方向端部がシール材４０を押圧した姿勢でフランジ３３とエンドプレート２０が締結され、貫通孔２０ａと管路３０が同一内空断面の流路を形成している。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池に係り、特に、燃料電池スタックを形成するエンドプレートと各種ガスや冷却媒体用の管路との間の接続部の構造に関するものである。

固体高分子型燃料電池のセルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側の触媒層およびカソード側の触媒層と、から膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を形成し、この外側にセパレータが配されて単セルを形成している。なお、各触媒層の外側にガス流れの促進と集電効率を高めるためのガス拡散層（ＧＤＬ）が設けられて膜電極接合体（ＭＥＧＡ：ＭＥＡとＧＤＬの接合体）を成し、このガス拡散層の外側にセパレータが配される形態もある。実際には、これらの単セルが発電性能に応じた段数だけ積層され、燃料電池スタックが形成されることになる。

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、ガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。この電気化学反応では、アノード電極にて生成されたプロトン（水素イオン）と水が水和状態で電解質膜を透過してカソード電極に至り、カソード電極にて生成水が生成されることとなる。

上記するＭＥＡ（もしくはＭＥＧＡ）やセパレータには、燃料ガスや酸化剤ガス、膜電極接合体の昇温を抑止するための冷却媒体（冷却流体）が流入するマニホールドや、セル内から出た流体を外部へ流出させるマニホールドがセル積層方向に形成されている。そして、燃料電池スタックの両側にあるエンドプレートの一方に形成された貫通孔とこのマニホールドが連通し、ガスタンク等に通じて、各種ガスや冷却媒体からなる流体用の管路（配管、ホースなど）の端部がエンドプレートの貫通孔に連通することにより、燃料電池スタックが形成されている。

従来の上記流体用の管路は金属素材から成形されている。この流体は一般に圧力流体であることから、管路は該圧力流体から内圧を受けることとなるが、金属素材ゆえに十分な剛性が担保されていた。また、燃料電池から延出する管路をガスタンク等に組み付ける過程で、管路の曲がりやタンクと管路の配設精度などの製品誤差や組み付け誤差に起因した各種外力が作用し（無理に組み付けようとした際に作用するねじりや曲げ、せん断など）、この外力によって各種応力（曲げ応力やせん断応力、ねじり応力など）が管路に生じ得るが、この発生応力に対しても、金属素材の管路の剛性にて抗し得るものであった。

しかし、その一方で、金属素材から成形される管路はその重量が嵩み、これが燃料電池全体の重量増を来たす一因となっている。ハイブリッド車や電気自動車の軽量化が叫ばれている昨今、これらの車両に車載される燃料電池の軽量化が急務の課題であることに鑑みて、現在は、この金属素材の管路に代わって、より軽量な樹脂素材の流体用の管路がエンドプレートに接続されようとしている。

樹脂素材の流体用の管路を使用することによって燃料電池の軽量化を図ることはできるが、金属素材の管路に比してその剛性は低下し、圧力流体から受ける内圧や組み付け時に受ける外力等によって変形や変位し易くなってしまう。この結果、樹脂素材の管路とエンドプレートとの接続部に隙間（目開き）が生じ易くなってしまい、エンドプレートと管路の間における、各種ガスや冷却媒体などの流体シール性が確保し難くなるという新たな課題が生じることとなり、この課題を解消することが、当該分野における重要な開発目標となっている。

ところで、上記する管路とエンドプレートの貫通孔周縁との接続部における流体シール構造に関する公開技術として、特許文献１，２を挙げることができる。
特許文献１に開示の燃料電池システムは、樹脂素材の管路の端部がエンドプレートの貫通孔に嵌め込まれ、該管路の側面から張り出すフランジとエンドプレートとをボルト締結するものである。このエンドプレートの貫通孔に嵌め込まれる管路の端部に、該管路の本体部よりも線膨張係数が低く、ヤング率の高い（剛性の高い）補強部材を設けることで、管路接続部の温度変化による寸法変化の抑止や該寸法変化による経時劣化の抑止を図ろうとするものである。

しかし、この燃料電池システムにおける管路とエンドプレートの接続構造では、管路がエンドプレートの貫通孔の内部に嵌り込み、該貫通孔の内空寸法を侵してしまい、流体流れを阻害したり、流体に乱流を励起させるといった不具合が生じ易い。流体流れの阻害は、各種ガスの提供が不十分となること、電極冷却機能が不十分となること、等に繋がり、発電性能の低下に直結するものである。

一方、特許文献２に開示の燃料電池スタックにおける管路とエンドプレートの接続構造では、エンドプレートの貫通孔表面に絶縁グロメットが配され、管路の内空と該絶縁グロメットの内空がほぼ同程度となっていることで、特許文献１の技術で生じ得る上記課題は解消されると考えられる。この接続部では、絶縁グロメットの端部と管路の端部の双方の積層方向に重なる部位にシール構造が形成されている。しかし、このシール形態では、管路が変形したり、外力が作用して管路が変位し、絶縁グロメットの端部と管路の端部との間に目開きが生じたりした場合に、シール性が低下することは必至である。

特開２００６−５９６５２号公報 特開２００６−４９１２９号公報

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池におけるエンドプレートとガスや冷却媒体等の流体用の管路との接続部の構造に関し、流体流れを阻害することなく、しかも、管路に対して組み付け時に作用する外力やその内部を流れる圧力流体から受ける内圧によって該管路が変形や変位した場合でも、上記する接続部のシール性を十分に担保することのできる燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層されてセル積層体を成し、該セル積層体の両側にエンドプレートが配され、セル積層体の積層方向に形成された貫通孔とエンドプレートの貫通孔が連通して燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体からなる流体が流通するマニホールドを成し、該流体が流通する樹脂素材の管路が該マニホールドに連通した姿勢で前記エンドプレートに締結されて燃料電池スタックが形成される、燃料電池において、前記管路は、本体部と、その端部で外側に張り出すフランジと、該フランジに対して本体部と反対側に延出した突部と、を有し、該フランジとエンドプレートとの間で締結手段を介して締結されるものであり、エンドプレートのうち、前記管路が配設される側の貫通孔の周縁には座ぐり部が形成され、前記突部が該座ぐり部に嵌り込むようになっており、前記座ぐり部の端部と、該端部に当接する前記突部の軸方向端部との間で、エンドプレートの貫通孔の周方向に無端状に延びるシール構造が形成され、エンドプレートの貫通孔と管路とが同一内空断面の流路を形成しているものである。

本発明の燃料電池は、該燃料電池を構成するセル積層体の両側に配されるエンドプレートと、このエンドプレートの一方に開設された流体用の貫通孔に位置決めされた姿勢で締結される、樹脂素材の流体用の管路との接続構造に関するものである。

この樹脂素材の管路は、従来の金属素材の管路に比してその重量は軽量であり、さらには、金属素材の管路に比して剛性は低下するものの、該管路に生じる組み付け時の応力やその内部を通過する圧力流体から受ける圧力等に対して抗し得るだけの剛性を有するものである。また、樹脂素材から成形されていることにより、その変形性能（可撓性）が向上している。尤も、管路の剛性や可撓性は、その素材樹脂の材料特性のみならず、その断面剛性や長さ等によっても変化することから、これらの要素を加味して、所望する剛性、可撓性を有する管路が使用されるものである。

この管路の素材樹脂としては、その剛性や強度、寸法安定性、材料コスト等の観点から熱硬化性樹脂を用いることができ、たとえば、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール、ポリイミドなどや、これらの共重合体、これらのうちの２種類以上の混合材料を使用することができる。また、その寸法安定性や材料コスト、生産性、耐熱性、耐薬品性、剛性等の観点から熱可塑性樹脂を用いことができ、たとえば、ポリカーボネート樹脂、スチレン系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル樹脂（ＰＰＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）ポリエーテルイミド樹脂（ＰＥＩ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）などのポリオレフィン系樹脂などを使用でき、さらには、これらのうちの１種もしくは２種以上の混合材料を使用することができる。

エンドプレートのうち、上記する管路が配設される側の貫通孔の周縁には座ぐり部が形成されている。また、管路は、ガスや冷却媒体（冷却水や冷却エア、冷却エチレングリコールなど）が流れる本体部と、この本体部の端部おいて外側に張り出すフランジと、エンドプレートの座ぐり部に嵌り込む突部と、から構成されており、突部が座ぐり部に嵌り込み、かつ、フランジがエンドプレート表面に当接した姿勢で、たとえばボルト等の締結手段を介してエンドプレートと管路が締結される。

ここで、座ぐり部の端部と、該端部に当接する前記突部の軸方向端部との間には、エンドプレートの貫通孔の周方向に無端状に延びるシール構造が形成されている。すなわち、本発明におけるシール構造は、マニホールドと管路からなる流体流路の軸方向に沿う途中位置で形成される、いわゆる軸シール構造である。なお、たとえば、上記する管路のフランジとエンドプレートとの間でシール構造が形成される場合は、流路から離れた、該流路に直交する面内位置で形成されるシール構造であり、これは軸シール構造とは異なるものである。

この軸シール構造の一実施の形態として、たとえば、座ぐり部の端部、もしくは、管路の突部の軸方向端部のいずれか一方にエンドプレートの貫通孔の周方向に延びる無端状の凹溝を形成しておき、該凹溝内に無端状のシール材（たとえばＯリング等のリング状の定型シール材や、無定形シール材を充填してリング状に硬化させたものなど）を配設しておき、このシール材を他方の端部が押圧した姿勢でフランジとエンドプレートを締結することにより、シール材が該端部にて押し潰される等してできる軸シール構造を挙げることができる。

さらに、エンドプレートとフランジが締結された姿勢において、管路の内空断面（内空寸法もしくは内径）とエンドプレートの貫通孔の内空断面が同一、すなわち、同一の内空寸法もしくは内径を有している。

双方が同一の内空断面を有していることにより、上記する従来技術の有する課題、すなわち、管路とエンドプレートの接続部の流路において、流体流れが阻害されたり、流体に乱流が励起されるといった不具合が生じ得ず、これらに起因した燃料電池の発電性能低下の虞はない。

また、軸シール構造としたことにより、管路の本体部等に外力が作用してこれが変形や変位し、この変形等によってフランジが変位してエンドプレートとフランジの間に目開きが生じた場合でも、この目開き部位とは異なる位置で軸シール構造が形成されているため、マニホールドと管路の接続部における流体シール性は十分に担保される。

さらに、本発明では、座ぐり部の端部と、該端部に当接する管路の突部の軸方向端部との間で、貫通孔を囲繞する無端状の軸シール構造が形成されているため、たとえば、突部の途中位置と座ぐり部の側面位置との間で軸シール構造が形成される場合に比して、流路内を流れる圧力流体から受ける内圧に直交する、座ぐり部と突部との接触面積を増加させることができる。このことは、圧力流体から受ける内圧による座ぐり部と突部の間の摩擦抵抗の増大に繋がるものであり、この増大した摩擦抵抗によって、管路本体部の変形等に起因する力が軸シール構造へ作用するのを効果的に抑止できる。

また、本発明による燃料電池の他の実施の形態は、前記管路のうち、前記フランジと前記軸方向端部が、本体部に比して低剛性のものである。

本実施の形態は、管路の本体部は圧力流体に対する剛性を高めるべく、相対的に高剛性とし、フランジや突部は相対的に低剛性とすることでその変形性能（可撓性）を向上させ、本体部が変位等した場合でもこれに追従することなく自身の変形性能で吸収し、エンドプレートの座ぐり部と突部の間で目開きを生じさせないようにするものである。

管路の本体部もフランジや突部もともに樹脂素材で成形されるものであり、一般には本体部とフランジや突部が射出成形等で一体に成形されるものである。この際に、本体部とフランジや突部とで剛性を変化させる一つの方策として、成形型のキャビティのうち、本体部成形用のキャビティには強化繊維からなる基材等を配設しておき、成形された管路の本体部のみを繊維強化樹脂材から形成する方法を挙げることができる。

ここで、使用されるマトリックス樹脂としては、たとえば上記する熱硬化性、もしくは熱可塑性樹脂を使用できる。また、強化繊維としては、アルミニウム繊維、ステンレス繊維などの金属繊維、ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、リグニン系、ピッチ系の炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維などの絶縁性繊維や、アラミド繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維、およびシリコンカーバイト繊維、シリコンナイトライド繊維などの無機繊維などを使用することができる。

また、本体部とフランジや突部で双方の剛性を変化させる他の方策としては、成形型のキャビティのうち、本体部用のキャビティとフランジや突部用のキャビティの境界に仕切りを設けておき、双方のキャビティに素材の異なる樹脂を注入し、樹脂が硬化する前に仕切りを取り外すようにして管路を成形することで、材料特性に基づいて本体部とフランジや突部とで剛性の異なる管路を成形できる。

また、前記本体部の構造に関し、少なくとも、エンドプレートとの接続箇所から立ち上がる脚部領域を蛇腹構造とした実施の形態であってもよい。

少なくとも本体部の脚部領域を蛇腹構造とすることで、当該領域における変形性能が向上し、管路の当該部位における発生応力と、これに起因するフランジでの発生応力の双方を軽減することができ、このことは、管路とエンドプレート間の目開き抑止に繋がるものである。

以上の説明から理解できるように、本発明の燃料電池によれば、該燃料電池におけるエンドプレートとガスや冷却媒体等の流体用の管路との接続部の構造に関し、この管路を樹脂素材とすることで燃料電池の軽量化を図ることができる。しかも、当該接続部において、管路やマニホールドを流れるガスや冷却媒体などの流体流れを阻害することなく、さらには、管路組み付け時に該管路に作用する外力や圧力流体から受ける内圧によって管路が変形や変位した場合でも、管路とエンドプレートの接続部のシール性を十分に担保することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図示例は、燃料電池セルがいわゆるフラットタイプモジュールセルからなるものであり、そのセパレータが３層構造を呈したものであるが、セパレータは、従来一般の構造、すなわち、その一方側に蛇行したガス流路溝が形成され、その他方側に蛇行した冷却水流路溝が形成されたものであってもよい。

図１は、燃料電池セルの積層体と、エンドプレートと、管路の分解斜視図である。セル積層体１００は、発電性能に応じた所望基数の燃料電池セル１０，…が積層されてなり、このセル積層体１００の両側にエンドプレート２０，２０が配され、さらに、不図示のテンションプレートやインシュレータ等が積層され、所与の圧縮力にてスタッキングされることにより、燃料電池が形成される。なお、このセル積層体１００には、その積層方向に延びて酸化剤ガスや燃料ガス、冷却水を各セルに提供するためのマニホールドと、セル積層体を流れた酸化剤ガスや燃料ガス、冷却水をスタック外へ流出するためのマニホールドＭ，…がそれぞれ設けられている。

燃料電池セル１０は、電解質膜と、これを挟持するカソード電極層およびアノード電極層と、これらを挟持するカソード側およびアノード側のガス拡散層（ＧＤＬ）とからなる膜電極接合体１１（ＭＥＧＡ）と、ＭＥＧＡ１１を挟持するカソード側およびアノード側のセパレータ１２，１２と、から大略構成されている。

ここで、電解質膜は、スルホン酸基やカルボニル基を持つフッ素系イオン交換膜、置換フェニレンオキサイドやスルホン化ポリアリールエーテルケトン、スルホン化ポリアリールエーテルスルホン、スルホン化フェニレンスルファイドなどの非フッ素系のポリマーなどから形成される。また、電極層は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材からなり、ガス拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロスなどのガス透過性の素材から形成される。

また、いわゆるフラットタイプモジュールのセパレータ１２は、３層構造を呈しており、隣接する単セルとの間でセル間を画成する面材と、これに対向するＭＥＧＡ側の別途の面材と、これら２つの面材間に介層され、各面材の外周輪郭に沿う枠状（無端状）に形成された樹脂素材のスペーサと、から構成されるものである（図示略）。この面材は、ガス不透過性の緻密なカーボン材や緻密黒鉛材などから形成され、一方の面材における他方の面材に対向する側面には、不図示の多数の突起（ディンプル）が備えてあり、この突起がスペーサの厚み分の高さを有していることにより、３層構造となった際に、突起の先端が面材の側面と当接され、乱流状に突起間を流れる冷却水の流路が形成されるものである。なお、この３層構造のセパレータ１２と膜電極接合体１１の間には、エキスパンドメタルからなるガス流路層が介層されている。

なお、電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。

エンドプレート２０には、酸化剤ガスが流入する（Ｘ１方向）ための貫通孔２０ａ、セル積層体１００内を流通してきた酸化剤ガスが流出する（Ｘ１’方向）ための貫通孔２０ａ’、燃料ガスが流入する（Ｘ２方向）ための貫通孔２０ｂ、セル積層体１００内を流通してきた燃料ガスが流出する（Ｘ２’方向）ための貫通孔２０ｂ’、冷却水が流入する（Ｘ３方向）ための貫通孔２０ｃ、セル積層体１００内を流通してきた冷却水が流出する（Ｘ３’方向）ための貫通孔２０ｃ’が、それぞれ固有のマニホールドと連通した姿勢で取り付けられている。

また、管路３０は、本体部３１と、この一端から延びる３本の枝管路３２ａ，３２ｂ，３２ｃと、本体部３１の他端で外側に張り出すフランジ３３と、からなり、たとえば樹脂を射出成形することでこれらが一体に成形されている。枝管路３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、酸化剤ガスや燃料ガス、冷却水のいずれかを流通させるものであり、図示例は、各枝管路３２ａ，３２ｂ，３２ｃをその途中で切断して示したものであるが、実際は、その先端がガスタンクやラジエータ等に通じている。

ここで、管路３０は、たとえば、熱硬化性樹脂である不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール、ポリイミドなどや、これらの共重合体、これらのうちの２種類以上を混合した樹脂、あるいは、熱可塑性樹脂であるポリカーボネート樹脂、スチレン系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル樹脂（ＰＰＥ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）ポリエーテルイミド樹脂（ＰＥＩ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）などのポリオレフィン系樹脂などのうちの１種もしくは２種以上の混合材料を使用することができる

図２は、図１のII部を拡大した図であり、図３は、図１のIII−III矢視図であり、ともに、エンドプレート２０と管路３０の接続部を構成する要素の接続前の状態を説明した図である。

図２より、エンドプレート２０の表面において、各貫通孔２０ａ，…の周縁には座ぐり部２１，…が形成されており、この座ぐり部２１の端部には、無端状の凹溝２１ａが開設され、この内部にシール材４０（図示例はＯリング）が収容されるようになっている。

また、管路３０のフランジ３３の表面には、エンドプレート２０と管路３０が締結された際に、座ぐり部２１、…に嵌り込む突部３４、…がそれぞれ設けてあり、突部３４、…は、各マニホールドに対応する位置に開設された貫通孔３３ａ，３３ｂ，３３ｃを囲繞する位置に設けられている。

座ぐり部２１の無端状の凹溝２１ａにシール材４０を収容し、座ぐり部２１に突部３４を嵌め合いしてエンドプレート２０と管路３０を当接させ、双方に開設された同軸のボルト孔２０ｄ、３５に不図示のボルトを螺合させることにより、エンドプレート２０と管路３０の接続構造が形成される。さらに、座ぐり部２１に形成された無端状の凹溝２１ａ内のシール材４０が座ぐり部２１に嵌り込んだ突部３４によって押し潰され、シール性に優れた軸シール構造が形成される。

管路３０が樹脂から成形されていることにより、この管路を含めた燃料電池全体の重量は従来の金属素材の管路を備えた燃料電池に比して格段に軽量となる。また、樹脂製であることから、管路３０の特に本体部３１の変形性能が向上し、各枝管路をガスタンク等に組み付ける等の際に、組み付け誤差等に起因して本体部３１に外力が作用した場合でも、可撓性のある本体部３１の変形によってこの外力を吸収することができる。したがって、外力が作用した場合でも、本体部３１に繋がるフランジ３３には過大な曲げ応力や引張応力等が生じ難い。このことは、当該外力によってフランジ３３とエンドプレート２０の間に生じ得る目開きの抑制に繋がり、この接続構造における流体シール性を担保することに繋がる。

図４は、管路の他の実施の形態を示したものである。この管路３０Ａは、フランジ３３から立ち上がる本体部３１Ａが蛇腹構造を呈したものである。本体部３１Ａが蛇腹構造を呈していることにより、その変形性能をより向上させることが可能となる。

図５は、エンドプレートと管路との接続構造に関する実施の形態を説明した縦断面図であり、図６ａは、比較例の接続構造における摩擦抵抗長を説明した図であり、図６ｂは、図５の接続構造における摩擦抵抗長を説明した図である。なお、図示例では、接続構造における一つのマニホールドＭおよび貫通孔を取上げて説明しているが、図１における６つのマニホールドＭおよび貫通孔のすべてにおいて図示する接続構造が当てはまるものである。

図５で示す接続構造は、図１〜３で示すエンドプレート２０と管路３０を締結した際に形成される構造である。
ボルトＢを介してエンドプレート２０に管路３０のフランジ３３を押圧することにより、座ぐり部２１に形成された無端状の凹溝２１ａ内のシール材４０が座ぐり部２１に嵌り込んだ突部３４によって押し潰されて、軸シール構造が形成される。

図示するように、この締結姿勢において、各積層体１０，…に開設された同軸の流体用貫通孔と、エンドプレート２０の貫通孔２０ａとからなるマニホールドＭの内空断面と、管路３０の本体部３１の内空断面は同一寸法（同一内径）となっている。

したがって、管路の本体部３１を流通するガス（ここでは酸化剤ガス）はその流れを阻害されることなくマニホールドＭ内に流通することができ、各燃料電池セルへの効果的なガス提供が実現される。

ここで、図６を参照して、軸シール構造の形成部位により、マニホールドＭ内を流通する圧力流体から作用する内圧によって形成される突部と座ぐり部との間の摩擦抵抗力が相違することを説明する。

図６ａは比較例を、図６ｂは、図５で示す本発明にかかる接続構造（実施例）をそれぞれ示している。
図６ａで示す比較例は、突部３４’の軸方向端部ではなく、その途中位置に無端状の凹溝３４’ａを備え、この凹溝３４’ａと座ぐり部２１’との間に無端状のシール材４０が収容されている。この構造では、マニホールドＭ内を流通する圧力流体から受ける内圧Ｐに対し、これと直交する方向の座ぐり部２１’と突部３４’の摩擦面の長さは、Ｌ１とＬ２の和となり、これは、座ぐり部２１’や突部３４’の軸方向の全長から凹溝３４’ａの長さを差し引いた長さである。

一方、図６ｂで示す実施例は、座ぐり部２１の端部と突部３４の軸方向端部でシール構造を形成しているため、マニホールドＭ内を流通する圧力流体から受ける内圧Ｐに対し、これと直交する方向の座ぐり部２１と突部３４の摩擦面の長さは、それらの全長であるＬ３を見込むことができる。

摩擦抵抗長が長くなることは、座ぐり部２１と突部３４との接触面積を増加させることに繋がり、このことは、管路３０の本体部３１等が変形等した場合に、この増大した摩擦抵抗により、軸シール構造における目開きの発生抑止をより確実なものとできる。

図７で示す接続構造は、実質的に図５の接続構造と同じであるが、双方の違いは、図７における管路３０Ｂは、本体部３１と、フランジ３３Ａや突部３４Ａとが異なる素材樹脂で成形されていることである。たとえば、フランジ３３Ａと突部３４Ａは上記する素材樹脂のいずれか一種を材料とし、本体部３１はフランジ３３Ａや突部３４Ａと同素材の樹脂をマトリックス樹脂とし、かつ、その内部に強化繊維を配設して剛性を高めたものである。ここで、この強化繊維の具体例としては、アルミニウム繊維、ステンレス繊維などの金属繊維、ポリアクリロニトリル系、レーヨン系、リグニン系、ピッチ系の炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維などの絶縁性繊維や、アラミド繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維、およびシリコンカーバイト繊維、シリコンナイトライド繊維などの無機繊維を挙げることができる。

図７の接続構造によれば、管路３０Ｂの本体部３１は相対的に高剛性とされることで、圧力流体に対する耐久性が向上する。一方、フランジ３３Ａや突部３４Ａは相対的に低剛性とされることでその変形性能（可撓性）が向上し、たとえば、本体部３１が変位等した場合でもこれに追従することなく自身の変形性能で吸収し、エンドプレート２０の座ぐり部２１と突部３４の間の目開きの発生抑止をより確実なものとできる。

図示するエンドプレートと管路のフランジとの接続構造によれば、管路が樹脂素材から成形されていることで、この管路を含む燃料電池全体の軽量化を図ることができ、さらには、エンドプレートと管路を構成するフランジとの間に優れた流体シール性を付与することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

燃料電池セルの積層体と、エンドプレートと、管路の分解斜視図である。 図１のII部の拡大図である。 図１のIII−III矢視図である。 管路の他の実施の形態の斜視図である。 管路とエンドプレートの接続構造の一実施の形態の縦断面図である。 （ａ）は、比較例の接続構造における摩擦抵抗長を説明した図であり、（ｂ）は、図５の接続構造における摩擦抵抗長を説明した図である。 管路とエンドプレートの接続構造の他の実施の形態の縦断面図である。

符号の説明

１０…燃料電池セル、１１…ＭＥＧＡ（膜電極接合体）、１２…セパレータ、２０…エンドプレート、２０ａ…貫通孔（酸化剤ガス流入用）、２０ａ’…貫通孔（酸化剤ガス排出用）、２０ｂ…貫通孔（燃料ガス流入用）、２０ｂ’…貫通孔（燃料ガス流出用）、２０ｃ…貫通孔（冷却水流入用）、２０ｃ’…貫通孔（冷却水流出用）、２１…座ぐり部、２１ａ…無端状の凹溝、３０，３０Ａ，３０Ｂ…管路、３１…本体部、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…枝管路、３３，３３Ａ…フランジ、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…貫通孔、３４…突部、４０…無端状のシール材（Ｏリング）、１００…セル積層体

Claims (5)

1. 複数の燃料電池セルが積層されてセル積層体を成し、該セル積層体の両側にエンドプレートが配され、セル積層体の積層方向に形成された貫通孔とエンドプレートの貫通孔が連通して燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体からなる流体が流通するマニホールドを成し、該流体が流通する樹脂素材の管路が該マニホールドに連通した姿勢で前記エンドプレートに締結されて燃料電池スタックが形成される、燃料電池において、
   前記管路は、本体部と、その端部で外側に張り出すフランジと、該フランジに対して本体部と反対側に延出した突部と、を有し、該フランジとエンドプレートとの間で締結手段を介して締結されるものであり、
   エンドプレートのうち、前記管路が配設される側の貫通孔の周縁には座ぐり部が形成され、前記突部が該座ぐり部に嵌り込むようになっており、
   前記座ぐり部の端部と、該端部に当接する前記突部の軸方向端部との間で、エンドプレートの貫通孔の周方向に無端状に延びるシール構造が形成され、
   エンドプレートの貫通孔と管路とが同一内空断面の流路を形成している、燃料電池。
2. 前記座ぐり部の端部、もしくは、前記突部の軸方向端部のいずれか一方に、エンドプレートの貫通孔の周方向に延びる無端状の凹溝が形成され、該凹溝内に無端状のシール材が配設されており、
   前記シール材を他方の端部が押圧した姿勢でフランジとエンドプレートとが締結され、前記シール構造が形成される、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記管路のうち、前記フランジと前記突部は、前記本体部に比して低剛性である、請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記本体部は、強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化樹脂からなり、
   前記フランジと前記突部は、前記本体部と同素材のマトリックス樹脂からなる、請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記本体部のうち、少なくとも、エンドプレートとの接続箇所から立ち上がる脚部領域が蛇腹構造を呈している、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。

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