JP4560992B2

JP4560992B2 - 燃料電池のマニホールド

Info

Publication number: JP4560992B2
Application number: JP2001151306A
Authority: JP
Inventors: 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: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2021-05-21
Also published as: JP2002343410A

Description

【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 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において、
前記配管のフランジは、セル積層体の両側の締結部材を結ぶ線と平行な方向に長軸をもつ横断面形状を有している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、配管のフランジが、セル積層体の両側の締結部材を結ぶ線と平行な方向に長軸をもつ横断面形状を有しているので、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。
【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：Membrane-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、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２４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２２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、３１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、同方向に変形できる大きさに設定されるので、フランジ３４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の燃料電池のマニホールドによれば、配管のフランジが、セル積層体の両側の締結部材を結ぶ線と平行な方向に長軸をもつ横断面形状を有しているので、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

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において、
前記配管のフランジは、セル積層体の両側の締結部材を結ぶ線と平行な方向に長軸をもつ横断面形状を有している燃料電池のマニホールド。