JP3671864B2 - 燃料電池の配管構造 - Google Patents
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Description
【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、−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、＋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（単セル）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（電極板）、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、締結部材はスタック構成部材の一部）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
上記反応を行うために、スタックには燃料ガス、酸化ガスが供給・排出される。また、セパレータでのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出るので、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、冷媒（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、そこに冷媒が循環され、燃料電池を冷却している。
特開２００１−７６７５１は、複数の燃料電池スタックへのガス・冷媒配管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２００１−７６７５１のガス・冷媒配管構造は、スタックを車両に搭載した際の安全を考慮した配管配置構造となっていない。すなわち、水素出口配管がスタック両サイドに別れているため配管長さが長くなり、損傷の可能性が大きい。また、他の空気や冷媒配管により水素配管を保護する構造になっていない。
本発明の目的は、車両衝突に対する安全性を向上させた、とくに燃料ガス配管を守った、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） 燃料電池自動車に搭載される燃料電池であって、スタックをケースに収めて車両に搭載し、前記ケース内において、前記スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、前記酸化ガス配管と前記冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置した燃料電池の配管構造。
（２） 車両の前部のボンネット下に配置される燃料電池であって、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、前記酸化ガス配管と前記冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置した燃料電池の配管構造。
（３） 車両の前部のボンネット下に配置される燃料電池であって、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、前記酸化ガス配管と前記冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置し、燃料電池はスタックを２列有し、該２列のスタックに接続される燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、該２列のスタックが共有するエンドプレートの中央側に配置した燃料電池の配管構造。
（４） 燃料電池スタックに接続される酸化ガス配管、冷媒配管および燃料ガス配管は、それぞれ、前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分を有しており、前記燃料ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、前記酸化ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および前記冷媒配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもセル積層方向にスタック側に位置している（１）〜（３）記載の燃料電池の配管構造。
（５） スタックはケースに収められている（２）または（３）記載の燃料電池の配管構造。
（６） スタックはセルが車両左右方向に積層された状態に車両に搭載される（１）〜（５）記載の燃料電池の配管構造。
（７） 前記ケース内において、車両前後方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管の車両前後方向両端部の間にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管の車両前後方向両端部の間にあり、また、車両左右方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管よりスタック側にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管よりスタック側にある（１）または（５）記載の燃料電池の配管構造。
（８） スタックは車両前後方向にはサブフレームの前端と後端との間にあり、車両上下方向にはサブフレームおよびモータの上方にあり、車両左右方向にはサブフレームの左右両端間に配置されている（１）〜（７）記載の燃料電池の配管構造。
（９） スタックは車両上下方向にはインバータの下方に配置されており、サブフレームおよびモータとインバータとの間にある（８）記載の燃料電池の配管構造。
（１０） 車両の前部のボンネット下に配置される燃料電池であって、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管は、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置されており、前記スタックと該スタックに接続される燃料ガス配管は、車両前後方向には車両のサブフレームの前端と後端との間に配置され、車両上下方向には車両のサブフレームの上方に配置され、車両左右方向には車両のサブフレームの左右両端間に配置されている燃料電池の配管構造。
（１１） 燃料電池自動車に搭載される燃料電池であって、燃料電池スタックには、酸化ガス配管、冷媒配管および燃料ガス配管が接続されていて、該酸化ガス配管、冷媒配管および燃料ガス配管は、それぞれ、前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分を有しており、前記燃料ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、前記酸化ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および前記冷媒配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置している燃料電池の配管構造。
【０００５】
上記（１）の燃料電池の配管構造では、スタックをケースに収めて車両に搭載し、ケース内において、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最も車両スタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（２）の燃料電池の配管構造では、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（３）の燃料電池の配管構造では、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置し、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を２列のスタックが共有するエンドプレートの中央側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（４）の燃料電池の配管構造では、燃料ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、酸化ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および冷媒配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置しているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（５）の燃料電池の配管構造では、スタックがケースに収められているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（６）の燃料電池の配管構造では、スタックはセルが車両左右方向に積層された状態に車両に搭載されるので、セル積層方向にスタックに接続される配管類は、スタックの車両前方側に接続されず、車両前面衝突に対しても配管類は安全である。
上記（７）の燃料電池の配管構造では、スタックはケースに収められており、該ケース内において、車両前後方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管の車両前後方向両端部の間にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管の車両前後方向両端部の間にあり、また、車両左右方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管よりスタック側にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管よりスタック側にあるので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（８）の燃料電池の配管構造では、スタックはモータの上方に搭載されているので、スタックはモータによっても保護される。
上記（９）の燃料電池の配管構造では、スタックはインバータの下方に搭載されているので、スタックはモータ、インバータによっても保護される。
上記（１０）の燃料電池の配管構造では、スタックと該スタックに接続される燃料ガス配管は、車両前後方向には車両のサブフレームの前端と後端との間に配置され、車両上下方向には車両のサブフレームの上方に配置され、車両左右方向には車両のサブフレームの左右両端間に配置されているので、車両衝突時にも、燃料電池および配管はまわりの部材のサブフレームによって守られ、安全性が高い。
上記（１１）の燃料電池の配管構造では、燃料ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、酸化ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および冷媒配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置しているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の配管構造を図１〜図８を参照して説明する。
本発明の燃料電池の配管構造に係る燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０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、−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、＋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（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７（燃料流路２７ａ、空気流路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をセル積層方向に締め付けセル積層体の外側でセル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、締結部材２４はスタックの一部を構成する）とボルト２５で固定したものからなる。
スタック２３の一端側には、エンドプレート２２とインシュレータ２１との間にプレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート２１とエンドプレート２２との間にばね機構３３が設けられてセルを均一に押圧することができるようにしてある。
【０００８】
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。
セパレータ１８は、カーボン板に冷却水流路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、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷却水流路２６やガス流路２７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、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、の何れかを区画する。セパレータ１８は、また、導電性部材であり、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。
【０００９】
図３に示すように、燃料電池１０が２スタックからなる場合、スタック２３は、たとえば２列が並列に、かつセル積層方向を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。
２列並列のスタック２３が車両に搭載される場合、スタック２３はセル積層方向を車両前後方向と直交する方向に向けて配置される。また、テンションプレート２４がスタックの上下に位置するように配置される。
図６、図７に示すように、燃料電池スタック２３は、ケース４０に収められて車体に搭載されている。スタック２３が複数個（たとえば、２個）水平に配置されている場合は、全スタックが１つの共通のケース４０に収められて車体に搭載される。
また、図６、図７に示すように、燃料電池１０は車両内に配される場合、車両のサブフレーム５０の上方で、駆動用モータ５１の上方かつインバータ５２の下方に配置される。
【００１０】
図１、図４、図８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２７ｂから出側の酸化ガスマニホールド２９ｂに流れる。
【００１１】
図３〜図５に示すように、スタック２３の一端にあるエンドプレート２２（プレッシャプレート３２、ばね機構３３が配される側と反対側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（ばね機構３３が配されている側と反対側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。
【００１２】
図５の例では、冷媒（冷却水）は冷媒配管分配・集合部３４の分配部３４i で分かれて入側冷媒配管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は左右方向中央の冷媒配管分配・集合部３４の集合部３４o で合流し、そこから上方に流れる。
燃料ガスは、燃料ガス配管分配・集合部３５ａの分配部３５ａi で分かれて入側燃料ガス配管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、左右の出側燃料ガス配管３１ａは左右方向中央下部の燃料ガス配管分配・集合部３５ａの集合部３５ａo で合流し、そこから横に流れてさらに下方に流れる。
酸化ガスは、酸化ガス配管分配・集合部３５ｂの分配部３５ｂi で分かれて入側酸化ガス配管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は左右方向中央上部の酸化ガス配管分配・集合部３５ｂの集合部３５ｂo で合流し、そこから下方に流れる。
【００１３】
スタック２３に接続する各種流体配管３０、３１ａ、３１ｂ（３０は冷媒配管、３１ａは燃料ガス配管、３１ｂは酸化ガス配管）の分配・集合部３４、３５ａ、３５ｂ（３４は冷媒配管の分配・集合部で分配部３４i と集合部３４o を含み、３５ａは燃料ガス配管の分配・集合部で分配部３５ａi と集合部３５ａo を含み、３５ｂは酸化ガス配管の分配・集合部で分配部３５ｂi と集合部３５ｂo を含む）も、スタック２３を収めたケースと同一のケース４０に収められている。また、スタック２３と流体配管３０、３１ａ、３１ｂの分配・集合部３４、３５ａ、３５ｂとの間の流体配管部分も、スタック２３を収めたケースと同一のケース４０に収められている。
【００１４】
図３、図５に示すように、車両内に配置されるケース４０内に収められた、燃料電池１０のスタック２３の車両左右方向一端に接続される燃料ガス配管３１ａ、酸化ガス配管３１ｂ、冷媒配管３０のうち、燃料ガス配管３１ａが、最も車両内側に配置されている。すなわち、燃料ガス配管３１ａは、ケース４０内で、かつスタックと反対側を他の配管３１ｂ、３０によって守られた配置となっている。
さらに詳しくは、ケース４０内において、車両前後方向に、入側燃料ガス配管３１ａは出側冷媒配管３０の車両前後方向両端部の間にあり、出側燃料ガス配管３１ａは入側酸化ガス配管３１ｂの車両前後方向両端部の間にある。また、ケース内において、車両左右方向に、入側燃料ガス配管３１ａは出側冷媒配管３０よりスタック２３側にあり、出側燃料ガス配管３１ａは入側酸化ガス配管３１ｂよりスタック２３側にある。
【００１５】
つぎに、本発明の燃料電池の配管構造の作用を説明する。
上記の本発明の燃料電池の配管構造では、スタック２３をケース４０内に収めるとともに、スタック２３に接続する流体配管３０、３１ａ、３１ｂもケース４０内に収め、その場合、燃料ガス配管３１ａ、酸化ガス配管３１ｂ、冷媒配管３０のうち燃料ガス配管３１ａを最も車両内側（すなわち、車両左右方向にはスタック２３側、またスタックが２列並列の場合は車両前後方向には２列のスタックが共有するエンドプレートの中央側）に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管３１ａは守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。燃料ガス配管を最もスタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
【００１６】
また、車両衝突時にケース４０が車両部材によって押されて変形しても、ケース４０は酸化ガス配管３１ｂ、冷媒配管３０に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管３１ａにまで到達して燃料ガス配管３１ａを損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
また、燃料ガス配管３１ａを含む流体配管は、スタック２３の車両左右方向一端部に取付けられており、スタック２３の車両前方側に取付けられていないので、車両の前面衝突時にも、車両部材やケース４０が変形してもその変形はスタック２３で止まり、燃料ガス配管３１ａが損傷されることが抑制され、安全性が高い。
【００１７】
また、図６、図７に示すように、スタック２３を収めたケース４０は、車両前後方向にはサブフレーム５０の前端と後端との間にあり、車両上下方向にはサブフレーム５０およびモータ５１と、インバータ５２との間に配置され、車両左右方向にはサブフレーム５０の左右両端間に配置されているので、車両衝突時にも、ケース４０とその内部の燃料電池１０および配管３０、３１ａ、３１ｂはまわりの部材、サブフレーム５０、モータ５１、インバータ５２によって守られ、安全性が高い。
【００１８】
また、図３に示すように、配管３０、３１ａ、３１ｂはスタック２３のばね機構３３が取付けられている側の端部と反対側の端部のエンドプレート２２に取付けられているので、セル積層体内のマニホールドとつながることができ、マニホールドと配管との接続構造を容易かつ単純化することができる。もしも、配管がスタックのばね機構３３が取付けられている側の端部のエンドプレート２２に取付けられていると、エンドプレートとプレッシャプレートとの間の隙間によってマニホールドが切れるので、マニホールドと配管との接続構造が複雑になり、配管のとりまわしとケース内への収容が困難となり、ひいては車両衝突時の配管の安全確保を困難にする。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池の配管構造によれば、スタックをケースに収めて車両に搭載し、ケース内において、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最も車両スタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項２の燃料電池の配管構造によれば、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項３の燃料電池の配管構造によれば、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置し、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を２列のスタックが共有するエンドプレートの中央側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項４の燃料電池の配管構造によれば、燃料ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、酸化ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および冷媒配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置しているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項５の燃料電池の配管構造によれば、スタックがケースに収められているので、車両衝突時にケース４０が車両部材によって押されて変形しても、ケース４０は酸化ガス配管３１ｂ、冷媒配管３０に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管３１ａにまで到達して燃料ガス配管３１ａを損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項６の燃料電池の配管構造によれば、スタックはセルが車両左右方向に積層された状態に車両に搭載されるので、セル積層方向にスタックに接続される配管類は、スタックの車両前方側に接続されず、車両前面衝突に対しても配管類は安全である。
請求項７の燃料電池の配管構造によれば、スタックはケースに収められており、該ケース内において、車両前後方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管の車両前後方向両端部の間にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管の車両前後方向両端部の間にあり、また、車両左右方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管よりスタック側にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管よりスタック側にあるので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項８の燃料電池の配管構造によれば、スタックはモータの上方に搭載されているので、スタックはモータによっても保護される。
請求項９の燃料電池の配管構造によれば、スタックはインバータの下方に搭載されているので、スタックはモータ、インバータによっても保護される。
請求項１０の燃料電池の配管構造によれば、スタックと該スタックに接続される燃料ガス配管は、車両前後方向には車両のサブフレームの前端と後端との間に配置され、車両上下方向には車両のサブフレームの上方に配置され、車両左右方向には車両のサブフレームの左右両端間に配置されているので、車両衝突時にも、燃料電池および配管はまわりの部材のサブフレームによって守られ、安全性が高い。
請求項１１の燃料電池の配管構造によれば、燃料ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、酸化ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および冷媒配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置しているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施例の燃料電池の配管構造が適用される燃料電池の全体概略図である。
【図２】 図１の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図３】 本発明実施例の２スタック燃料電池の平面図である。
【図４】 本発明実施例の燃料電池の配管構造が適用される燃料電池の配管取付け側のエンドプレート部の正面図である。
【図５】 図４のエンドプレート部に取り付けられた各種配管の正面図である。
【図６】 本発明実施例の燃料電池の配管構造が適用される燃料電池を装着した燃料電池自動車の一部の側面図である。
【図７】 図６の燃料電池自動車の一部の平面図である。
【図８】 各種マニホールドと各種流路との接続を示すスタック内の透視斜視図である。
【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 冷媒配管の分配・集合部
３４i 分配部
３４o 集合部
３５ａ 燃料ガス配管の分配・集合部
３５ａi 分配部
３５ａo 集合部
３５ｂ 酸化ガス配管の分配・集合部
３５ｂi 分配部
３５ｂo 集合部
４０ ケース
５０ サブフレーム
５１ 駆動用モータ
５２ インバータ
【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、−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、＋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（単セル）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（電極板）、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、締結部材はスタック構成部材の一部）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
上記反応を行うために、スタックには燃料ガス、酸化ガスが供給・排出される。また、セパレータでのジュール熱とカソードでの水生成反応で熱が出るので、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、冷媒（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、そこに冷媒が循環され、燃料電池を冷却している。
特開２００１−７６７５１は、複数の燃料電池スタックへのガス・冷媒配管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２００１−７６７５１のガス・冷媒配管構造は、スタックを車両に搭載した際の安全を考慮した配管配置構造となっていない。すなわち、水素出口配管がスタック両サイドに別れているため配管長さが長くなり、損傷の可能性が大きい。また、他の空気や冷媒配管により水素配管を保護する構造になっていない。
本発明の目的は、車両衝突に対する安全性を向上させた、とくに燃料ガス配管を守った、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） 燃料電池自動車に搭載される燃料電池であって、スタックをケースに収めて車両に搭載し、前記ケース内において、前記スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、前記酸化ガス配管と前記冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置した燃料電池の配管構造。
（２） 車両の前部のボンネット下に配置される燃料電池であって、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、前記酸化ガス配管と前記冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置した燃料電池の配管構造。
（３） 車両の前部のボンネット下に配置される燃料電池であって、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、前記酸化ガス配管と前記冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置し、燃料電池はスタックを２列有し、該２列のスタックに接続される燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、該２列のスタックが共有するエンドプレートの中央側に配置した燃料電池の配管構造。
（４） 燃料電池スタックに接続される酸化ガス配管、冷媒配管および燃料ガス配管は、それぞれ、前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分を有しており、前記燃料ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、前記酸化ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および前記冷媒配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもセル積層方向にスタック側に位置している（１）〜（３）記載の燃料電池の配管構造。
（５） スタックはケースに収められている（２）または（３）記載の燃料電池の配管構造。
（６） スタックはセルが車両左右方向に積層された状態に車両に搭載される（１）〜（５）記載の燃料電池の配管構造。
（７） 前記ケース内において、車両前後方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管の車両前後方向両端部の間にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管の車両前後方向両端部の間にあり、また、車両左右方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管よりスタック側にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管よりスタック側にある（１）または（５）記載の燃料電池の配管構造。
（８） スタックは車両前後方向にはサブフレームの前端と後端との間にあり、車両上下方向にはサブフレームおよびモータの上方にあり、車両左右方向にはサブフレームの左右両端間に配置されている（１）〜（７）記載の燃料電池の配管構造。
（９） スタックは車両上下方向にはインバータの下方に配置されており、サブフレームおよびモータとインバータとの間にある（８）記載の燃料電池の配管構造。
（１０） 車両の前部のボンネット下に配置される燃料電池であって、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管は、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置されており、前記スタックと該スタックに接続される燃料ガス配管は、車両前後方向には車両のサブフレームの前端と後端との間に配置され、車両上下方向には車両のサブフレームの上方に配置され、車両左右方向には車両のサブフレームの左右両端間に配置されている燃料電池の配管構造。
（１１） 燃料電池自動車に搭載される燃料電池であって、燃料電池スタックには、酸化ガス配管、冷媒配管および燃料ガス配管が接続されていて、該酸化ガス配管、冷媒配管および燃料ガス配管は、それぞれ、前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分を有しており、前記燃料ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、前記酸化ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および前記冷媒配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置している燃料電池の配管構造。
【０００５】
上記（１）の燃料電池の配管構造では、スタックをケースに収めて車両に搭載し、ケース内において、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最も車両スタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（２）の燃料電池の配管構造では、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（３）の燃料電池の配管構造では、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置し、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を２列のスタックが共有するエンドプレートの中央側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（４）の燃料電池の配管構造では、燃料ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、酸化ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および冷媒配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置しているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（５）の燃料電池の配管構造では、スタックがケースに収められているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（６）の燃料電池の配管構造では、スタックはセルが車両左右方向に積層された状態に車両に搭載されるので、セル積層方向にスタックに接続される配管類は、スタックの車両前方側に接続されず、車両前面衝突に対しても配管類は安全である。
上記（７）の燃料電池の配管構造では、スタックはケースに収められており、該ケース内において、車両前後方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管の車両前後方向両端部の間にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管の車両前後方向両端部の間にあり、また、車両左右方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管よりスタック側にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管よりスタック側にあるので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
上記（８）の燃料電池の配管構造では、スタックはモータの上方に搭載されているので、スタックはモータによっても保護される。
上記（９）の燃料電池の配管構造では、スタックはインバータの下方に搭載されているので、スタックはモータ、インバータによっても保護される。
上記（１０）の燃料電池の配管構造では、スタックと該スタックに接続される燃料ガス配管は、車両前後方向には車両のサブフレームの前端と後端との間に配置され、車両上下方向には車両のサブフレームの上方に配置され、車両左右方向には車両のサブフレームの左右両端間に配置されているので、車両衝突時にも、燃料電池および配管はまわりの部材のサブフレームによって守られ、安全性が高い。
上記（１１）の燃料電池の配管構造では、燃料ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、酸化ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および冷媒配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置しているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の配管構造を図１〜図８を参照して説明する。
本発明の燃料電池の配管構造に係る燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池１０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、−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、＋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（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７（燃料流路２７ａ、空気流路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をセル積層方向に締め付けセル積層体の外側でセル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、締結部材２４はスタックの一部を構成する）とボルト２５で固定したものからなる。
スタック２３の一端側には、エンドプレート２２とインシュレータ２１との間にプレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート２１とエンドプレート２２との間にばね機構３３が設けられてセルを均一に押圧することができるようにしてある。
【０００８】
冷却水流路２６はセル毎に、または複数のセル毎に、設けられる。
セパレータ１８は、カーボン板に冷却水流路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、導電性粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板に冷却水流路２６やガス流路２７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、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、の何れかを区画する。セパレータ１８は、また、導電性部材であり、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。
【０００９】
図３に示すように、燃料電池１０が２スタックからなる場合、スタック２３は、たとえば２列が並列に、かつセル積層方向を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。
２列並列のスタック２３が車両に搭載される場合、スタック２３はセル積層方向を車両前後方向と直交する方向に向けて配置される。また、テンションプレート２４がスタックの上下に位置するように配置される。
図６、図７に示すように、燃料電池スタック２３は、ケース４０に収められて車体に搭載されている。スタック２３が複数個（たとえば、２個）水平に配置されている場合は、全スタックが１つの共通のケース４０に収められて車体に搭載される。
また、図６、図７に示すように、燃料電池１０は車両内に配される場合、車両のサブフレーム５０の上方で、駆動用モータ５１の上方かつインバータ５２の下方に配置される。
【００１０】
図１、図４、図８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２７ｂから出側の酸化ガスマニホールド２９ｂに流れる。
【００１１】
図３〜図５に示すように、スタック２３の一端にあるエンドプレート２２（プレッシャプレート３２、ばね機構３３が配される側と反対側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（ばね機構３３が配されている側と反対側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。
【００１２】
図５の例では、冷媒（冷却水）は冷媒配管分配・集合部３４の分配部３４i で分かれて入側冷媒配管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は左右方向中央の冷媒配管分配・集合部３４の集合部３４o で合流し、そこから上方に流れる。
燃料ガスは、燃料ガス配管分配・集合部３５ａの分配部３５ａi で分かれて入側燃料ガス配管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、左右の出側燃料ガス配管３１ａは左右方向中央下部の燃料ガス配管分配・集合部３５ａの集合部３５ａo で合流し、そこから横に流れてさらに下方に流れる。
酸化ガスは、酸化ガス配管分配・集合部３５ｂの分配部３５ｂi で分かれて入側酸化ガス配管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は左右方向中央上部の酸化ガス配管分配・集合部３５ｂの集合部３５ｂo で合流し、そこから下方に流れる。
【００１３】
スタック２３に接続する各種流体配管３０、３１ａ、３１ｂ（３０は冷媒配管、３１ａは燃料ガス配管、３１ｂは酸化ガス配管）の分配・集合部３４、３５ａ、３５ｂ（３４は冷媒配管の分配・集合部で分配部３４i と集合部３４o を含み、３５ａは燃料ガス配管の分配・集合部で分配部３５ａi と集合部３５ａo を含み、３５ｂは酸化ガス配管の分配・集合部で分配部３５ｂi と集合部３５ｂo を含む）も、スタック２３を収めたケースと同一のケース４０に収められている。また、スタック２３と流体配管３０、３１ａ、３１ｂの分配・集合部３４、３５ａ、３５ｂとの間の流体配管部分も、スタック２３を収めたケースと同一のケース４０に収められている。
【００１４】
図３、図５に示すように、車両内に配置されるケース４０内に収められた、燃料電池１０のスタック２３の車両左右方向一端に接続される燃料ガス配管３１ａ、酸化ガス配管３１ｂ、冷媒配管３０のうち、燃料ガス配管３１ａが、最も車両内側に配置されている。すなわち、燃料ガス配管３１ａは、ケース４０内で、かつスタックと反対側を他の配管３１ｂ、３０によって守られた配置となっている。
さらに詳しくは、ケース４０内において、車両前後方向に、入側燃料ガス配管３１ａは出側冷媒配管３０の車両前後方向両端部の間にあり、出側燃料ガス配管３１ａは入側酸化ガス配管３１ｂの車両前後方向両端部の間にある。また、ケース内において、車両左右方向に、入側燃料ガス配管３１ａは出側冷媒配管３０よりスタック２３側にあり、出側燃料ガス配管３１ａは入側酸化ガス配管３１ｂよりスタック２３側にある。
【００１５】
つぎに、本発明の燃料電池の配管構造の作用を説明する。
上記の本発明の燃料電池の配管構造では、スタック２３をケース４０内に収めるとともに、スタック２３に接続する流体配管３０、３１ａ、３１ｂもケース４０内に収め、その場合、燃料ガス配管３１ａ、酸化ガス配管３１ｂ、冷媒配管３０のうち燃料ガス配管３１ａを最も車両内側（すなわち、車両左右方向にはスタック２３側、またスタックが２列並列の場合は車両前後方向には２列のスタックが共有するエンドプレートの中央側）に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管３１ａは守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。燃料ガス配管を最もスタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
【００１６】
また、車両衝突時にケース４０が車両部材によって押されて変形しても、ケース４０は酸化ガス配管３１ｂ、冷媒配管３０に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管３１ａにまで到達して燃料ガス配管３１ａを損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
また、燃料ガス配管３１ａを含む流体配管は、スタック２３の車両左右方向一端部に取付けられており、スタック２３の車両前方側に取付けられていないので、車両の前面衝突時にも、車両部材やケース４０が変形してもその変形はスタック２３で止まり、燃料ガス配管３１ａが損傷されることが抑制され、安全性が高い。
【００１７】
また、図６、図７に示すように、スタック２３を収めたケース４０は、車両前後方向にはサブフレーム５０の前端と後端との間にあり、車両上下方向にはサブフレーム５０およびモータ５１と、インバータ５２との間に配置され、車両左右方向にはサブフレーム５０の左右両端間に配置されているので、車両衝突時にも、ケース４０とその内部の燃料電池１０および配管３０、３１ａ、３１ｂはまわりの部材、サブフレーム５０、モータ５１、インバータ５２によって守られ、安全性が高い。
【００１８】
また、図３に示すように、配管３０、３１ａ、３１ｂはスタック２３のばね機構３３が取付けられている側の端部と反対側の端部のエンドプレート２２に取付けられているので、セル積層体内のマニホールドとつながることができ、マニホールドと配管との接続構造を容易かつ単純化することができる。もしも、配管がスタックのばね機構３３が取付けられている側の端部のエンドプレート２２に取付けられていると、エンドプレートとプレッシャプレートとの間の隙間によってマニホールドが切れるので、マニホールドと配管との接続構造が複雑になり、配管のとりまわしとケース内への収容が困難となり、ひいては車両衝突時の配管の安全確保を困難にする。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池の配管構造によれば、スタックをケースに収めて車両に搭載し、ケース内において、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最も車両スタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項２の燃料電池の配管構造によれば、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項３の燃料電池の配管構造によれば、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置し、燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を２列のスタックが共有するエンドプレートの中央側に配置したので、車両衝突時にも燃料ガス配管は守られ、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項４の燃料電池の配管構造によれば、燃料ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、酸化ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および冷媒配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置しているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項５の燃料電池の配管構造によれば、スタックがケースに収められているので、車両衝突時にケース４０が車両部材によって押されて変形しても、ケース４０は酸化ガス配管３１ｂ、冷媒配管３０に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管３１ａにまで到達して燃料ガス配管３１ａを損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項６の燃料電池の配管構造によれば、スタックはセルが車両左右方向に積層された状態に車両に搭載されるので、セル積層方向にスタックに接続される配管類は、スタックの車両前方側に接続されず、車両前面衝突に対しても配管類は安全である。
請求項７の燃料電池の配管構造によれば、スタックはケースに収められており、該ケース内において、車両前後方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管の車両前後方向両端部の間にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管の車両前後方向両端部の間にあり、また、車両左右方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管よりスタック側にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管よりスタック側にあるので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
請求項８の燃料電池の配管構造によれば、スタックはモータの上方に搭載されているので、スタックはモータによっても保護される。
請求項９の燃料電池の配管構造によれば、スタックはインバータの下方に搭載されているので、スタックはモータ、インバータによっても保護される。
請求項１０の燃料電池の配管構造によれば、スタックと該スタックに接続される燃料ガス配管は、車両前後方向には車両のサブフレームの前端と後端との間に配置され、車両上下方向には車両のサブフレームの上方に配置され、車両左右方向には車両のサブフレームの左右両端間に配置されているので、車両衝突時にも、燃料電池および配管はまわりの部材のサブフレームによって守られ、安全性が高い。
請求項１１の燃料電池の配管構造によれば、燃料ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、酸化ガス配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および冷媒配管の燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置しているので、車両衝突時にケースが車両部材によって押されて変形しても、ケースは酸化ガス配管、冷媒配管に当たってそれ以上の変形を抑制され、燃料ガス配管にまで到達して燃料ガス配管を損傷することが抑制され、燃料ガス洩れとそれによる不具合の発生が抑制され、安全である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施例の燃料電池の配管構造が適用される燃料電池の全体概略図である。
【図２】 図１の燃料電池の一部拡大断面図である。
【図３】 本発明実施例の２スタック燃料電池の平面図である。
【図４】 本発明実施例の燃料電池の配管構造が適用される燃料電池の配管取付け側のエンドプレート部の正面図である。
【図５】 図４のエンドプレート部に取り付けられた各種配管の正面図である。
【図６】 本発明実施例の燃料電池の配管構造が適用される燃料電池を装着した燃料電池自動車の一部の側面図である。
【図７】 図６の燃料電池自動車の一部の平面図である。
【図８】 各種マニホールドと各種流路との接続を示すスタック内の透視斜視図である。
【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 冷媒配管の分配・集合部
３４i 分配部
３４o 集合部
３５ａ 燃料ガス配管の分配・集合部
３５ａi 分配部
３５ａo 集合部
３５ｂ 酸化ガス配管の分配・集合部
３５ｂi 分配部
３５ｂo 集合部
４０ ケース
５０ サブフレーム
５１ 駆動用モータ
５２ インバータ
Claims (11)
- 燃料電池自動車に搭載される燃料電池であって、スタックをケースに収めて車両に搭載し、前記ケース内において、前記スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、前記酸化ガス配管と前記冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置した燃料電池の配管構造。
- 車両の前部のボンネット下に配置される燃料電池であって、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、前記酸化ガス配管と前記冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置した燃料電池の配管構造。
- 車両の前部のボンネット下に配置される燃料電池であって、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、前記酸化ガス配管と前記冷媒配管よりもセル積層方向にスタック側に配置して、最もスタック側に配置し、燃料電池はスタックを２列有し、該２列のスタックに接続される燃料ガス配管を、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、該２列のスタックが共有するエンドプレートの中央側に配置した燃料電池の配管構造。
- 燃料電池スタックに接続される酸化ガス配管、冷媒配管および燃料ガス配管は、それぞれ、前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分を有しており、前記燃料ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、前記酸化ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および前記冷媒配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもセル積層方向にスタック側に位置している請求項１〜３記載の燃料電池の配管構造。
- スタックはケースに収められている請求項２または請求項３記載の燃料電池の配管構造。
- スタックはセルが車両左右方向に積層された状態に車両に搭載される請求項１〜５記載の燃料電池の配管構造。
- 前記ケース内において、車両前後方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管の車両前後方向両端部の間にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管の車両前後方向両端部の間にあり、また、車両左右方向に、入側燃料ガス配管は出側冷媒配管よりスタック側にあり、出側燃料ガス配管は入側酸化ガス配管よりスタック側にある請求項１または請求項５記載の燃料電池の配管構造。
- スタックは車両前後方向にはサブフレームの前端と後端との間にあり、車両上下方向にはサブフレームおよびモータの上方にあり、車両左右方向にはサブフレームの左右両端間に配置されている請求項１〜７記載の燃料電池の配管構造。
- スタックは車両上下方向にはインバータの下方に配置されており、サブフレームおよびモータとインバータとの間にある請求項８記載の燃料電池の配管構造。
- 車両の前部のボンネット下に配置される燃料電池であって、燃料電池スタックに接続される燃料ガス配管、酸化ガス配管、冷媒配管のうち燃料ガス配管は、入側燃料ガス配管と出側燃料ガス配管ともに、最もスタック側に配置されており、前記スタックと該スタックに接続される燃料ガス配管は、車両前後方向には車両のサブフレームの前端と後端との間に配置され、車両上下方向には車両のサブフレームの上方に配置され、車両左右方向には車両のサブフレームの左右両端間に配置されている燃料電池の配管構造。
- 燃料電池自動車に搭載される燃料電池であって、燃料電池スタックには、酸化ガス配管、冷媒配管および燃料ガス配管が接続されていて、該酸化ガス配管、冷媒配管および燃料ガス配管は、それぞれ、前記燃料電池スタックのエンドプレートの面 に沿って延びる部分を有しており、前記燃料ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分は、前記酸化ガス配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分および前記冷媒配管の前記燃料電池スタックのエンドプレートの面に沿って延びる部分よりもスタック側に位置している燃料電池の配管構造。
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