JP5228704B2

JP5228704B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5228704B2
Application number: JP2008217951A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: JP2010055867A

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックに接続する配管の接続構造に関する。

燃料電池においては、燃料ガスと酸化剤ガスを用いた電気化学反応により電気エネルギーが生成される。燃料電池による発電の際には、熱エネルギーも発生するため、冷却液により燃料電池の冷却が行われる。そのため、燃料ガスと酸化剤ガスと冷却液の供給及び排出を行うための配管（マニホールド）がそれぞれ燃料電池スタックに接続される。

下記特許文献１においては、第１及び第２燃料電池スタックの互いに隣接する一端側の第１及び第２エンドプレートに、それぞれ同一の連通孔同士を連通させる集合マニホールドが一体的に装着されている。この構成により、燃料電池スタックの配管構造をコンパクトに構成するとともに、部品点数の削減を図っている。

特開２００５−１１６２２６号公報特開２００７−３１１１３４号公報

特許文献１においては、集合マニホールドを第１及び第２エンドプレートに一体的に装着するため、集合マニホールドのエンドプレートへの取り付け作業が複雑化する。また、エンドプレートの連通孔と集合マニホールドの流路との全ての連通部分のシールを面シール部材により行う必要があるが、集合マニホールドのエンドプレートへの取り付け作業の際に面シール部材に傷を付けると、シール性能の低下を招きやすくなる。

本発明は、シール性能の低下を防ぎつつ燃料電池スタックへの配管の取り付けを容易に行うことを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る燃料電池システムは、複数の発電セルが積層された積層体と、発電セルの積層方向に関する一端側に設けられ、積層体内へ供給される流体または積層体内から排出される流体が通る連通流路が複数形成された連通部材と、連通部材に取り付けられ、連通流路に連通する配管流路が複数形成された配管部材と、を備える燃料電池システムであって、連通流路は、第１連通流路と、第２連通流路と、を含み、配管流路は、第１連通流路に連通する第１配管流路と、第２連通流路に連通する第２配管流路と、を含み、第２連通流路と第２配管流路との連通部分が、前記積層方向に関して第１連通流路と第１配管流路との連通部分より外側に配置され、第１連通流路と第１配管流路との連通部分の軸線方向が前記積層方向と略平行であり、第２連通流路と第２配管流路との連通部分の軸線方向が前記積層方向と略垂直であり、第１連通流路と第１配管流路との連通部分の周囲には、当該連通部分の軸線方向に関して連通部材と配管部材との間に挟まれた状態で当該連通部分のシールを行う面シール部材が設けられ、第２連通流路と第２配管流路との連通部分の周囲には、当該連通部分の軸線方向と略直交する方向に関して連通部材と配管部材との間に挟まれた状態で当該連通部分のシールを行う軸シール部材が設けられていることを要旨とする。

本発明の一態様では、配管部材には爪部が設けられ、配管部材の連通部材への固定前の状態において、爪部が連通部材に接触していないときは、配管部材は、連通部材に対して、第２連通流路と第２配管流路との連通部分の軸線方向まわりに相対回転可能であり、爪部が連通部材に接触することで、前記軸線方向まわりに関する連通部材と配管部材との間の相対回転が制限されることが好適である。

本発明の一態様では、配管部材においては、第１配管部材と第２配管部材とが弾性部材を介して結合され、弾性部材の変形により第１配管部材と第２配管部材との間の相対変位が許容されることで、第１配管流路と第２配管流路との間の相対変位が許容されることが好適である。

本発明の一態様では、第２連通流路及び第２配管流路は、燃料ガスに関わる流路であることが好適である。また、本発明の一態様では、第１連通流路及び第１配管流路は、酸化剤ガスまたは冷媒に関わる流路であることが好適である。

本発明によれば、配管部材を連通部材に取り付ける際には、軸シール部材により第２連通流路と第２配管流路との連通部分のシールを行ってから、配管部材をこの連通部分の軸線方向まわりに回転させて面シール部材により第１連通流路と第１配管流路との連通部分のシールを行うことで、面シール部材に傷が付くのを防ぐことができる。したがって、シール性能の低下を防ぎつつ、配管部材の連通部材への取り付けを容易に行うことができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜７は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。図１は全体構成の概念図を示し、図２は発電セル１１の積層方向の一端側から見た配管構造の概略を示し、図３は発電セル１１の積層方向の一端側から見たエンドプレート１４−１の概略構成を示し、図４は図２のＡ−Ａ断面図を示し、図５は図２のＢ−Ｂ断面図を示し、図６は図２のＣ−Ｃ断面図を示し、図７は図４のＤ−Ｄ断面図を示す。本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１０と、ＦＣスタック１０に対して流体の供給または排出を行うための配管流路が複数形成された配管部材と、を備える。ＦＣスタック１０は、図１に示すように、複数の発電セル１１が積層された積層体１２と、発電セル１１の積層方向（以下、単に積層方向とする）に関して積層体１２を挟み込む一対のエンドプレート１４−１，１４−２と、を含んで構成される。図２，４，６に示すように、積層方向に関する一端側に設けられたエンドプレート１４−１にはポンプ２４が取り付けられていることで、ＦＣスタック１０（エンドプレート１４−１）とポンプ２４とがモジュール化（一体化）されている。ポンプ２４が取り付けられたエンドプレート１４−１には、積層体１２内へ供給される流体または積層体１２内から排出される流体が通る連通流路が複数形成されている。ここでの流体の具体例としては、燃料ガスと酸化剤ガスを挙げることができ、さらに冷媒（冷却水）を挙げることもできる。燃料ガスとしては例えば水素（Ｈ₂）ガスを用いることができ、酸化剤ガスとしては例えば空気を用いることができる。

図３〜６に示すように、連通部材としての、ポンプ２４とモジュール化されたエンドプレート１４−１には、連通流路として、燃料ガス供給用連通流路５１と、燃料ガス排出用連通流路５２と、酸化剤ガス供給用連通流路５３と、酸化剤ガス排出用連通流路５４と、冷媒供給用連通流路５５と、冷媒排出用連通流路５６と、が形成されている。さらに、図６，７に示すように、ポンプ２４の入口及び出口には、連通流路として、燃料ガス循環用連通流路５７，５８がそれぞれ形成されている。

図２に示すように、エンドプレート１４−１には、配管部材として、酸化剤ガス供給用配管部材４３と、冷媒循環用配管部材４５と、が取り付けられている。さらに、エンドプレート１４−１には、配管部材として、燃料ガス供給用配管部材４１−１と燃料ガス循環用配管部材４１−２と酸化剤ガス排出用配管部材４１−３とが結合されることでモジュール化（一体化）されたモジュール化配管部材４１が取り付けられている。そして、図４〜７に示すように、配管流路として、燃料ガス供給用配管流路３１と燃料ガス循環用配管流路３８と酸化剤ガス排出用配管流路３４がモジュール化配管部材４１に形成され、酸化剤ガス供給用配管流路３３が酸化剤ガス供給用配管部材４３に形成され、冷媒循環用配管流路３５が冷媒循環用配管部材４５に形成されている。

図４，６に示すように、燃料ガス供給用配管流路３１は燃料ガス供給用連通流路５１に連通し、燃料ガス循環用連通流路５７（ポンプ２４の入口）は燃料ガス排出用連通流路５２に連通している。図７に示すように、燃料ガス循環用配管流路３８の一端は燃料ガス循環用連通流路５８（ポンプ２４の出口）に連通し、燃料ガス循環用配管流路３８の他端は燃料ガス供給用配管流路３１に連通している。図４，６に示すように、酸化剤ガス供給用配管流路３３は酸化剤ガス供給用連通流路５３に連通し、酸化剤ガス排出用配管流路３４は酸化剤ガス排出用連通流路５４に連通している。図５に示すように、冷媒循環用配管流路３５の一端は冷媒供給用連通流路５５に連通し、冷媒循環用配管流路３５の他端は冷媒排出用連通流路５６に連通している。図１に示すように、冷媒循環用配管流路３５には、ラジエータ２７及びポンプ２８が設けられている。

レギュレータバルブ２６で圧力が調整された燃料ガスは、燃料ガス供給用配管流路３１から燃料ガス供給用連通流路５１を通って積層体１２内（各発電セル１１）に供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給用配管流路３３から酸化剤ガス供給用連通流路５３を通って積層体１２内（各発電セル１１）に供給される。各発電セル１１においては、アノード極側に供給された燃料ガス（水素ガス）がアノードの触媒作用によりプロトン（Ｈ⁺）及び電子（ｅ^-）へと解離する。解離したプロトンは電解質膜中を移動し、電子は外部負荷を通ってカソードに移動し、カソードの触媒作用でカソード極側に供給された酸化剤ガス（空気）に含まれる酸素と反応して水を生成する。この燃料ガスと酸化剤ガスを用いた電気化学反応により発電が行われる。電気化学反応の際には、電気エネルギーが生成されるだけでなく熱エネルギーも発生する。電気化学反応に供された後の燃料ガスは、燃料ガス排出用連通流路５２を通って燃料ガス循環用連通流路５７（ポンプ２４の入口）に排出され、電気化学反応に供された後の酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出用連通流路５４を通って酸化剤ガス排出用配管流路３４に排出される。さらに、燃料ガス循環用連通流路５７に排出された燃料ガスは、ポンプ２４の駆動により、燃料ガス循環用配管流路３８を通って燃料ガス供給用配管流路３１に還流される。また、ポンプ２８からの冷却水は、冷媒循環用配管流路３５から冷媒供給用連通流路５５を通って積層体１２内に供給されることで、各発電セル１１の冷却が行われる。冷却に供された後の冷却水は、冷媒排出用連通流路５６を通って冷媒循環用配管流路３５に排出され、ラジエータ２７へ供給される。

各発電セル１１内の電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン導電性を有する電解質として機能する。そのため、ＦＣスタック１０には、水分を含んだ酸化剤ガスが供給される。ＦＣスタック１０の排水性能を向上させるためには、酸化剤ガスをＦＣスタック１０の上側から下側へ流すことが好ましい。一方、ＦＣスタック１０の無加湿性能を向上させるためには、酸化剤ガスをＦＣスタック１０の下側から上側へ流すことが好ましい。図３に示す例では、ＦＣスタック１０の積層方向を水平方向とし、ＦＣスタック１０の無加湿性能を重視して、酸化剤ガス供給用連通流路５３をＦＣスタック１０の下側に配置し、酸化剤ガス排出用連通流路５４をＦＣスタック１０の上側に配置している。一方、燃料ガスについては、酸化剤ガスと逆方向に流すことが好ましい。図３に示す例では、燃料ガス供給用連通流路５１をＦＣスタック１０の上側に配置し、燃料ガス排出用連通流路５２をＦＣスタック１０の上側に配置することで、燃料ガスをＦＣスタック１０の上側から下側へ流す構成としている。また、冷却水については、ＦＣスタック１０の左右方向に流す構成としており、冷媒供給用連通流路５５をＦＣスタック１０の左右方向の一方側（右側）に配置し、冷媒排出用連通流路５６をＦＣスタック１０の左右方向の他方側（左側）に配置している。

ＦＣスタック１０を車両の床下に搭載する場合は、ＦＣスタック１０の高さを下げる必要がある。酸化剤ガスの圧力損失を低減するよう酸化剤ガス供給用連通流路５３及び酸化剤ガス排出用連通流路５４の流路面積を確保しつつ、各発電セル１１で発電を均一に行うためには、図３に示すように、酸化剤ガス供給用連通流路５３及び酸化剤ガス排出用連通流路５４の横幅を広げることが好ましい。ただし、酸化剤ガス排出用連通流路５４の横幅を広げると、燃料ガス供給用連通流路５１と酸化剤ガス排出用連通流路５４との間隔が狭くなる。本実施形態では、燃料ガス供給用配管部材４１−１と酸化剤ガス排出用配管部材４１−３とをモジュール化配管部材４１に一体化することで、燃料ガス供給用配管部材４１−１及び酸化剤ガス排出用配管部材４１−３のエンドプレート１４−１への組み付け性を向上させている。また、各発電セル１１の冷却を均一に行うためには、図３に示すように、冷媒供給用連通流路５５及び冷媒排出用連通流路５６の縦幅を広げることが好ましい。なお、燃料ガスについては、通常、酸化剤ガスよりも高い圧力でＦＣスタック１０に供給されることを考慮して、燃料ガス供給用連通流路５１及び燃料ガス排出用連通流路５２の流路面積を酸化剤ガス供給用連通流路５３及び酸化剤ガス排出用連通流路５４の流路面積よりも小さくしている。

また、燃料ガス排出用連通流路５２からは、水分混じりの燃料ガスが排出される。そのため、低温時（氷点下時）には、ＦＣスタック１０内やポンプ２４内の水分が凍結しやすくなる。低温起動時にＦＣスタック１０とポンプ２４をほぼ同じ速度で温度上昇させるためには、ＦＣスタック１０とポンプ２４とを一体化して、ＦＣスタック１０とポンプ２４とを接続する流路の長さを短くすることが好ましい。

図３〜６に示すように、各連通流路５１〜５６の開口面は、エンドプレート１４−１の端面１４−１ａ（積層方向に垂直な同一平面）上に配置されている。一方、図４，７に示すように、燃料ガス循環用連通流路５８（ポンプ２４の出口）は、積層方向に関して各連通流路５１〜５６の開口面（エンドプレート１４−１の端面１４−１ａ）より外側に配置されている。そのため、燃料ガス循環用配管流路３８と燃料ガス循環用連通流路５８との連通部分６８は、積層方向に関して、燃料ガス供給用配管流路３１と燃料ガス供給用連通流路５１との連通部分６１、酸化剤ガス供給用配管流路３３と酸化剤ガス供給用連通流路５３との連通部分６３、酸化剤ガス排出用配管流路３４と酸化剤ガス排出用連通流路５４との連通部分６４、冷媒循環用配管流路３５と冷媒供給用連通流路５５との連通部分６５、及び冷媒循環用配管流路３５と冷媒排出用連通流路５６との連通部分６６より外側に位置している。図４に示すように、燃料ガス供給用配管流路３１と燃料ガス供給用連通流路５１との連通部分６１の軸線６１ａの方向（流体流れの主方向）、及び酸化剤ガス排出用配管流路３４と酸化剤ガス排出用連通流路５４との連通部分６４の軸線６４ａの方向（流体流れの主方向）は、積層方向と平行（あるいはほぼ平行）である。同様に、図５，６に示すように、各連通部分６３，６５，６６の軸線６３ａ，６５ａ，６６ａの方向（流体流れの主方向）も、積層方向と平行（あるいはほぼ平行）である。一方、図４，７に示すように、燃料ガス循環用配管流路３８と燃料ガス循環用連通流路５８との連通部分６８の軸線６８ａの方向（流体流れの主方向）は、積層方向と垂直（あるいはほぼ垂直）である。図４，７に示す例では、連通部分６８の軸線６８ａの方向がＦＣスタック１０の上下方向と平行（あるいはほぼ平行）である。さらに、図４に示すように、連通部分６１，６４，６８のうち、連通部分６８が軸線６８ａの方向及び積層方向と垂直方向（図４に示す例ではＦＣスタック１０の左右方向）に関して最も一端側（図４の右側）に位置する。

図４に示すように、燃料ガスに関わる流路である燃料ガス供給用配管流路３１と燃料ガス供給用連通流路５１との連通部分６１の周囲には、この連通部分６１のシールを行うための面シール部材７１が設けられ、酸化剤ガスに関わる流路である酸化剤ガス排出用配管流路３４と酸化剤ガス排出用連通流路５４との連通部分６４の周囲には、この連通部分６４のシールを行うための面シール部材７４が設けられている。面シール部材７１，７４は、連通部分６１，６４の軸線方向（積層方向）に関してモジュール化配管部材４１の端面４１ａとエンドプレート１４−１の端面１４−１ａとの間に挟まれた状態で、連通部分６１，６４のシールをそれぞれ行う。図４に示す例では、面シール部材７１，７４は、モジュール化配管部材４１の端面４１ａに形成された溝に装着されている。前述のように、酸化剤ガス排出用連通流路５４については横幅を広げることが好ましいため、酸化剤ガス排出用配管流路３４と酸化剤ガス排出用連通流路５４との連通部分６４の断面形状も横幅の広い形状となる。そこで、連通部分６４のシール構造を面シール部材７４による面シール構造とすることで、連通部分６４のシールを確実に行うことができる。同様に、図５，６に示すように、各連通部分６３，６５，６６の周囲には、連通部分６３，６５，６６のシールを行うための面シール部材７３，７５，７６がそれぞれ設けられている。面シール部材７３は、連通部分６３の軸線方向に関して酸化剤ガス供給用配管部材４３とエンドプレート１４−１の端面１４−１ａとの間に挟まれた状態で、連通部分６３のシールを行い、面シール部材７５，７６は、連通部分６５，６６の軸線方向に関して冷媒循環用配管部材４５とエンドプレート１４−１の端面１４−１ａとの間に挟まれた状態で、連通部分６５，６６のシールをそれぞれ行う。

一方、図７に示すように、燃料ガスに関わる流路である燃料ガス循環用配管流路３８と燃料ガス循環用連通流路５８との連通部分６８の周囲には、この連通部分６８のシールを行うための軸シール部材７８が設けられている。燃料ガス循環用配管流路３８の一端部及び燃料ガス循環用連通流路５８の断面形状（連通部分６８の断面形状）は円形状であり、軸シール部材７８は、連通部分６８の軸線方向と直交する（あるいはほぼ直交する）径方向に関してモジュール化配管部材４１（燃料ガス循環用配管部材４１−２の外周面４１−２ａ）とポンプ２４の出口の内周面２４ａとの間に挟まれた状態で、連通部分６８のシールを行う。図７に示す例では、軸シール部材７８は、燃料ガス循環用配管部材４１−２の外周面４１−２ａに形成された溝に装着されている。このように、本実施形態では、連通部分６８のシールを行うための構造を軸シール構造としている。そのため、モジュール化配管部材４１は、エンドプレート１４−１への固定前の状態では、エンドプレート１４−１に対して連通部分６８の軸線６８ａ（中心軸）まわりに相対回転可能である。モジュール化配管部材４１がエンドプレート１４−１に対して連通部分６８の軸線６８ａまわりに相対回転すると、モジュール化配管部材４１の端面４１ａとエンドプレート１４−１の端面１４−１ａとの距離が変化する。

ここで、連通部分６８のシールを行うための構造を面シール構造にした場合を考える。その場合は、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１に組み付ける際に、連通部分６１，６４の面シール部材７１，７４と連通部分６８の面シール部材とのいずれかをこすることで、面シール部材に傷が付きやすくなる。その結果、シール性能の低下を招きやすくなる。

これに対して本実施形態では、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１に組み付ける際には、図７に示すように、まず軸シール部材７８が設けられたモジュール化配管部材４１（燃料ガス循環用配管部材４１−２）をポンプ２４の出口に差し込むことで、燃料ガス循環用配管流路３８と燃料ガス循環用連通流路５８とを連通させるとともに、軸シール部材７８により連通部分６８のシールを行う。ここでは、図８に示すように、モジュール化配管部材４１の端面４１ａとエンドプレート１４−１の端面１４−１ａとの間に若干の隙間が空く状態で、燃料ガス循環用配管部材４１−２をポンプ２４の出口に差し込む。これによって、連通部分６８のシールを行う際に、面シール部材７１，７４をエンドプレート１４−１の端面１４−１ａにこすることで面シール部材７１，７４に傷が付くのを防ぐことができる。さらに、ＦＣスタック１０の上下方向に関するモジュール化配管部材４１の位置決めを行うことも可能となる。次に、図８から図４に示すように、面シール部材７１，７４が設けられたモジュール化配管部材４１の端面４１ａとエンドプレート１４−１の端面１４−１ａとの間の隙間が小さくなる方向にモジュール化配管部材４１を連通部分６８の軸線６８ａまわりに回転させることで、燃料ガス供給用配管流路３１と燃料ガス供給用連通流路５１、及び酸化剤ガス排出用配管流路３４と酸化剤ガス排出用連通流路５４をそれぞれ連通させるとともに、面シール部材７１，７４により連通部分６１，６４のシールをそれぞれ行う。そして、ボルト等の締結部材を用いて、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１及びポンプ２４に固定する。

以上説明した本実施形態によれば、燃料ガス循環用配管流路３８と燃料ガス循環用連通流路５８との連通部分６８のシール構造を軸シール構造にしている。そのため、モジュール化配管部材４１（燃料ガス循環用配管部材４１−２）をポンプ２４の出口に差し込んで軸シール部材７８により連通部分６８のシールを行ってから、モジュール化配管部材４１を連通部分６８の軸線６８ａまわりに回転させて面シール部材７１，７４により連通部分６１，６４のシールを行うことで、面シール部材７１，７４に傷が付くのを防ぎつつ、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１に組み付けることができる。したがって、シール性能の低下を防ぎつつ、モジュール化配管部材４１のエンドプレート１４−１への組み付けを容易に行うことができる。

なお、本実施形態において、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１に組み付ける際に、モジュール化配管部材４１を連通部分６８の軸線６８ａまわりに回転させると、軸シール部材７８に大きな摩擦力がかかりやすくなる。そこで、例えば図９，１０に示すように、連通部分６８の軸線６８ａまわりに関するモジュール化配管部材４１とエンドプレート１４−１との間の相対回転を制限するための爪部８０（回転制限部）を設けることが好ましい。ここで、図９はＦＣスタック１０の上側から見た図を示し、図１０は図９のＡ−Ａ断面図を示す。図９，１０に示す例では、爪部８０は、ポンプ２４の外面２４ｂより外側に張り出してモジュール化配管部材４１（燃料ガス循環用配管部材４１−２）に設けられている。モジュール化配管部材４１のエンドプレート１４−１への固定前の状態において、図９に示すように、爪部８０がポンプ２４の外面２４ｂに接触していないときは、モジュール化配管部材４１は、エンドプレート１４−１に対して連通部分６８の軸線６８ａまわりに相対回転可能である。一方、図１１に示すように、爪部８０がポンプ２４の外面２４ｂに接触すると、モジュール化配管部材４１の軸線６８ａまわりの回転が拘束され、モジュール化配管部材４１の回転角度が制限される。爪部８０によりモジュール化配管部材４１の軸線６８ａまわりの回転角度を制限することで、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１に組み付ける際に、モジュール化配管部材４１の軸線６８ａまわりの回転角度を小さくすることができ、軸シール部材７８にかかる摩擦力を小さくすることができる。

また、本実施形態では、燃料ガス供給用配管部材４１−１と燃料ガス循環用配管部材４１−２と酸化剤ガス排出用配管部材４１−３とを結合してモジュール化配管部材４１に一体化する場合には、例えば図１２に示すように、弾性部材８１を介して燃料ガス供給用配管部材４１−１及び燃料ガス循環用配管部材４１−２と酸化剤ガス排出用配管部材４１−３とを結合することもできる。弾性部材８１が弾性変形することで、燃料ガス供給用配管部材４１−１及び燃料ガス循環用配管部材４１−２と酸化剤ガス排出用配管部材４１−３との間の相対変位、すなわち燃料ガス供給用配管流路３１及び燃料ガス循環用配管流路３８と酸化剤ガス排出用配管流路３４との間の相対変位が許容される。そのため、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１に組み付ける場合に、エンドプレート１４−１の端面１４−１ａ（連通流路５１，５４の開口面）とポンプ２４の出口（燃料ガス循環用連通流路５８）の中心軸との位置公差を緩くしても、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１に組み付けることができる。その結果、モジュール化配管部材４１のエンドプレート１４−１への組み付けをさらに容易に行うことができる。なお、本実施形態では、弾性部材８１を設ける代わりに、燃料ガス供給用配管部材４１−１及び燃料ガス循環用配管部材４１−２と酸化剤ガス排出用配管部材４１−３との結合部分の肉厚を薄くする等してその剛性を下げることによっても、燃料ガス供給用配管部材４１−１及び燃料ガス循環用配管部材４１−２と酸化剤ガス排出用配管部材４１−３との間の相対変位（燃料ガス供給用配管流路３１及び燃料ガス循環用配管流路３８と酸化剤ガス排出用配管流路３４との間の相対変位）を許容することが可能である。

また、本実施形態では、燃料ガス循環用配管流路３８と燃料ガス循環用連通流路５８との連通部分６８の軸線６８ａの方向は、必ずしもＦＣスタック１０の上下方向と平行である必要はなく、例えば図１３，１４に示すように、ＦＣスタック１０の左右方向と平行（あるいはほぼ平行）であってもよい。ここで、図１３は発電セル１１の積層方向の一端側から見た配管構造の概略を示し、図１４は図１３のＡ−Ａ断面図を示す。この場合は、連通部分６１，６４，６８のうち、連通部分６８が軸線６８ａの方向及び積層方向と垂直方向（図１３，１４に示す例ではＦＣスタック１０の上下方向）に関して最も一端側（図１３の下側）に位置する。この場合でも、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１に組み付ける際には、モジュール化配管部材４１（燃料ガス循環用配管部材４１−２）をポンプ２４の出口に差し込んで軸シール部材７８により連通部分６８のシールを行ってから、モジュール化配管部材４１を連通部分６８の軸線６８ａまわりに回転させて面シール部材７１，７４により連通部分６１，６４のシールを行うことで、面シール部材７１，７４に傷が付くのを防ぐことができる。

また、本実施形態では、例えば図１５，１６に示すように、レギュレータバルブ２６の振動・騒音を低減するために、レギュレータバルブ２６をエンドプレート１４−１に取り付けることで、ＦＣスタック１０（エンドプレート１４−１）とレギュレータバルブ２６とをモジュール化（一体化）することも可能である。ここで、図１５は発電セル１１の積層方向の一端側から見た配管構造の概略を示し、図１６は図１５のＡ−Ａ断面図を示す。ただし、図１５では、酸化剤ガス供給用配管部材４３、冷媒循環用配管部材４５、燃料ガス排出用連通流路５２、酸化剤ガス供給用連通流路５３、冷媒供給用連通流路５５、及び冷媒排出用連通流路５６の図示を省略している。

図１５，１６に示す構成例では、燃料ガス供給用配管部材４１−１と酸化剤ガス排出用配管部材４１−３とが結合されることでモジュール化（一体化）されたモジュール化配管部材４１がエンドプレート１４−１に取り付けられている。レギュレータバルブ２６の出口には、燃料ガス出口側連通流路５９が連通流路として形成されており、燃料ガス供給用配管流路３１が燃料ガス出口側連通流路５９に連通している。燃料ガス出口側連通流路５９（レギュレータバルブ２６の出口）は、積層方向に関して各連通流路５１〜５６の開口面（エンドプレート１４−１の端面１４−１ａ）より外側に配置されており、燃料ガス供給用配管流路３１と燃料ガス出口側連通流路５９との連通部分６９は、積層方向に関して各連通部分６１，６３〜６６より外側に位置している。燃料ガス供給用配管流路３１と燃料ガス出口側連通流路５９との連通部分６９の軸線６９ａの方向（流体流れの主方向）は、積層方向と垂直（あるいはほぼ垂直）である。図１５，１６に示す例では、連通部分６９の軸線６９ａの方向がＦＣスタック１０の上下方向と平行（あるいはほぼ平行）である。さらに、連通部分６１，６４，６９のうち、連通部分６９が軸線６９ａの方向及び積層方向と垂直方向（図１５，１６に示す例ではＦＣスタック１０の左右方向）に関して最も一端側（図１５の右側）に位置する。燃料ガス供給用配管流路３１と燃料ガス出口側連通流路５９との連通部分６９の周囲には、この連通部分６９のシールを行うための軸シール部材７９が設けられている。燃料ガス供給用配管流路３１の一端部及び燃料ガス出口側連通流路５９の断面形状（連通部分６９の断面形状）は円形状であり、軸シール部材７９は、連通部分６９の軸線方向と直交する（あるいはほぼ直交する）径方向に関してモジュール化配管部材４１（燃料ガス供給用配管部材４１−１の外周面４１−１ａ）とレギュレータバルブ２６の出口の内周面２６ａとの間に挟まれた状態で、連通部分６９のシールを行う。

図１５，１６に示す構成例でも、モジュール化配管部材４１をエンドプレート１４−１に組み付ける際には、モジュール化配管部材４１（燃料ガス供給用配管部材４１−１）をレギュレータバルブ２６の出口に差し込んで軸シール部材７９により連通部分６９のシールを行ってから、モジュール化配管部材４１を連通部分６９の軸線６９ａまわりに回転させて面シール部材７１，７４により連通部分６１，６４のシールを行うことで、面シール部材７１，７４に傷が付くのを防ぐことができる。なお、レギュレータバルブ２６の代わりに、燃料ガスの流れを遮断することが可能なシャットバルブをエンドプレート１４−１に取り付けることで、ＦＣスタック１０（エンドプレート１４−１）とシャットバルブとをモジュール化（一体化）することも可能である。

以上の実施形態の説明では、燃料ガス供給用配管部材４１−１及び燃料ガス循環用配管部材４１−２と酸化剤ガス排出用配管部材４１−３とを結合してモジュール化配管部材４１に一体化する場合について説明した。ただし、本実施形態では、燃料ガス供給用配管部材４１−１及び燃料ガス循環用配管部材４１−２と酸化剤ガス供給用配管部材４３とを結合してモジュール化配管部材に一体化することも可能である。また、燃料ガス供給用配管部材４１−１及び燃料ガス循環用配管部材４１−２と冷媒循環用配管部材４５とを結合してモジュール化配管部材に一体化することも可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。モジュール化配管部材をエンドプレートに組み付ける動作を説明する図である。実施形態に係る燃料電池システムの他の概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの他の概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの他の概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの他の概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの他の概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの他の概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの他の概略構成を示す図である。実施形態に係る燃料電池システムの他の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０燃料電池スタック（ＦＣスタック）、１１発電セル、１２積層体、１４−１，１４−２エンドプレート、２４，２８ポンプ、２６レギュレータバルブ、２７ラジエータ、３１燃料ガス供給用配管流路、３３酸化剤ガス供給用配管流路、３４酸化剤ガス排出用配管流路、３５冷媒循環用配管流路、３８燃料ガス循環用配管流路、４１モジュール化配管部材、４１−１燃料ガス供給用配管部材、４１−２燃料ガス循環用配管部材、４１−３酸化剤ガス排出用配管部材、４３酸化剤ガス供給用配管部材、４５冷媒循環用配管部材、５１燃料ガス供給用連通流路、５２燃料ガス排出用連通流路、５３酸化剤ガス供給用連通流路、５４酸化剤ガス排出用連通流路、５５冷媒供給用連通流路、５６冷媒排出用連通流路、５７，５８燃料ガス循環用連通流路、５９燃料ガス出口側連通流路、６１，６３〜６６，６８，６９連通部分、７１，７３〜７６面シール部材、７８，７９軸シール部材、８０爪部、８１弾性部材。

Claims

複数の発電セルが積層された積層体と、
発電セルの積層方向に関する一端側に設けられ、積層体内へ供給される流体または積層体内から排出される流体が通る連通流路が複数形成された連通部材と、
連通部材に取り付けられ、連通流路に連通する配管流路が複数形成された配管部材と、
を備える燃料電池システムであって、
連通流路は、第１連通流路と、第２連通流路と、を含み、
配管流路は、第１連通流路に連通する第１配管流路と、第２連通流路に連通する第２配管流路と、を含み、
第２連通流路と第２配管流路との連通部分が、前記積層方向に関して第１連通流路と第１配管流路との連通部分より外側に配置され、
第１連通流路と第１配管流路との連通部分の軸線方向が前記積層方向と略平行であり、
第２連通流路と第２配管流路との連通部分の軸線方向が前記積層方向と略垂直であり、
第１連通流路と第１配管流路との連通部分の周囲には、当該連通部分の軸線方向に関して連通部材と配管部材との間に挟まれた状態で当該連通部分のシールを行う面シール部材が設けられ、
第２連通流路と第２配管流路との連通部分の周囲には、当該連通部分の軸線方向と略直交する方向に関して連通部材と配管部材との間に挟まれた状態で当該連通部分のシールを行う軸シール部材が設けられている、燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
配管部材には爪部が設けられ、配管部材の連通部材への固定前の状態において、爪部が連通部材に接触していないときは、配管部材は、連通部材に対して、第２連通流路と第２配管流路との連通部分の軸線方向まわりに相対回転可能であり、爪部が連通部材に接触することで、前記軸線方向まわりに関する連通部材と配管部材との間の相対回転が制限される、燃料電池システム。
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
配管部材においては、第１配管部材と第２配管部材とが弾性部材を介して結合され、弾性部材の変形により第１配管部材と第２配管部材との間の相対変位が許容されることで、第１配管流路と第２配管流路との間の相対変位が許容される、燃料電池システム。
請求項１〜３のいずれか１に記載の燃料電池システムであって、
第２連通流路及び第２配管流路は、燃料ガスに関わる流路である、燃料電池システム。
請求項１〜４のいずれか１に記載の燃料電池システムであって、
第１連通流路及び第１配管流路は、酸化剤ガスまたは冷媒に関わる流路である、燃料電池システム。