JP5428595B2 - 燃料電池システムの配管部品 - Google Patents

Description

本発明は、スタック内部に設けられた複数の空気通路のそれぞれに均一な流量の空気を供給する燃料電池システムの配管部品に関する。

近年、燃料電池自動車の開発が盛んに行われ、その燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムにおいては、スタック内の各セルへ反応ガスを供給するために、各セルに連通するマニホールドがスタック内に備えられている。

特許文献１に開示されている「燃料電池システム」においては、内部に複数のマニホールドを備え、エンドプレートの一面に複数のマニホールドのそれぞれの出入口を備える燃料電池スタックに対して、樹脂製の一部品からなる配管部品を取り付けるようになっている。この配管部品の空気入口通路から供給された空気は、空気入口管路部内を通過して、エンドプレート側の長細状の開口部を介してスタック内に流入するようになっている。

特開２００８−１７７１００号公報（［要約］を参照）

従来提案されている例として、エンドプレートに対する２ヶ所の下流側接続口６２、６３を有する空気の配管部品６０を、図６に示す。この配管部品６０においては、上流側接続口６１から導入された空気は、分岐部６５で二つの流路に分岐されると共に、直角方向に方向を変えられた後、２ヶ所の下流側接続口６２、６３を通じてスタックの空気通路ｔ１〜ｔ８に供給される。分岐部６５で分岐されて下流側接続口６２、６３に案内される空気は、それぞれの位置により流勢が異なるため、それぞれの単位面積当たりの流量が異なる。図６では、流量が異なる態様を、矢印の大きさによって示している。

下流側接続口６２に案内される空気は、内側部６４と分岐部６５との間において、分岐部６５寄りの内側部分に大流量ｗ１が現れる。また、下流側接続口６３に案内される空気は、分岐部６５と外側部６７との間において、内から外に向かって流量が徐々に多くなり、外側部６７近傍に大流量ｗ２が現れる。

このように、下流側接続口６２、６３から空気通路ｔ１〜ｔ８に供給される空気の流量は、空気通路ｔ１〜ｔ８のそれぞれに対して均一とはなり難いので、各空気通路ｔ１〜ｔ８のそれぞれに最適な流量の空気を供給することは難しい。特許文献１に開示されている燃料電池システムにおいても、エンドプレート側の長細状の開口部を通過する空気は、開口部内の部位により単位面積当たりの流量が異なることになる。従って、この燃料電池システムは、スタック内への均一な流量の空気の供給に係る問題を内在している。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池のセパレータに設けられた複数の空気通路のそれぞれに対して均一な流量の空気を供給することができる燃料電池システムの配管部品を提供することにある。

上記問題を解決するために請求項１に記載の燃料電池システムの配管部品の発明は、セルに複数のガス通路が形成され、エンドプレートに前記ガス通路に連通するガス入口が形成された燃料電池の該ガス入口に接続される配管部品において、前記ガス通路にそれぞれ対応するように、複数の流路が上流側接続口と下流側接続口との間を繋ぐように形成され、前記上流側接続口と前記下流側接続口との間は湾曲した形状に形成され、前記上流側接続口は、内部に複数の隔壁が長手方向に沿って立設されるとともに長手方向の一部が開口した一対の樋状体と、仕切板とよりなる合成樹脂製の３部材により構成され、互いの開口が対向する前記一対の樋状体の間に前記仕切板が挟持されるように前記３部材が結合されて一対の上流側接続口として形成されており、前記下流側接続口は、一対の下流側接続口に分岐し、前記複数の流路は、前記一対の下流側接続口のそれぞれと前記一対の上流側接続口のそれぞれとの間を繋いでいることを特徴とするものである。

上記構成によれば、配管部品の少なくとも下流側接続口の内部に、セルに形成された複数のガス通路にそれぞれ対応するように、複数の流路を形成した。このため、複数の流路により整流された均一な流量の空気を、ガス通路のそれぞれに供給することができる。

また、配管部品の上流側接続口と下流側接続口との間を繋いで流路を形成した。このため、上流側接続口と下流側接続口との間において配管部品の形状が変化しても、セパレータの各空気通路のそれぞれに対して、均一な流量の空気を供給することができる。

さらに、複数の流路を形成するために、内部に複数の隔壁を長手方向に沿って立設し、長手方向の一部を開口させた一対の樋状体と、仕切板とよりなる合成樹脂製の３部材の結合により配管部品を形成した。このため、射出成形等により形成した３部材のそれぞれを溶着等により結合して、配管部品を容易に形成することができる。

加えて、下流側接続口を一対の下流側接続口からなるものとした。このため、一つの上流側接続口から流入した空気を一対の下流側接続口に整流すると共に、それぞれの下流側接続口の複数の流路から、セパレータの各空気通路のそれぞれに対して均一な流量の空気を供給することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムの配管部品において、前記一対の下流側接続口の内部には、複数の流路がそれぞれ形成され、前記一対の上流側接続口の内部には、前記複数の隔壁によって区画された複数の流路がそれぞれ形成され、前記一対の下流側接続口の内部の複数の流路のそれぞれは、前記一対の上流側接続口の内部の複数の流路のそれぞれに各別に繋がれていることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池システムの配管部品において、前記上流側接続口は、前記一対の樋状体が高さ方向に重合して形成されていることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の燃料電池システムの配管部品において、前記一対の下流側接続口は、それぞれが並列する複数の流路により横長状に形成され、直列に配置されていることを特徴とするものである。

上記構成によれば、並列する複数の流路により横長状に形成された二つの下流側接続口を直列に配置した。このため、高さ方向が限られたスペースにおいても、二つの下流側接続口から、セパレータの複数の空気通路のそれぞれに対して、均一な流量の空気の供給を容易に行うことができる。

本発明によれば、空気を供給するための配管部品の少なくとも下流側接続口の内部に、燃料電池のセパレータに設けられた空気通路の数に対応するように、複数の流路を形成した。このため、複数の流路により整流された均一な流量の空気を、セパレータの各空気通路のそれぞれに供給する燃料電池システムの配管部品を提供することができる。

第１実施形態の燃料電池システムを示す斜視図。 第１実施形態の配管部品を示し、（ａ）は左側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は正面図。 図２のＡＡ矢視断面図。 図２のＡＡ矢視断面の変更例を示す断面図。 第３実施形態の配管部品を示し、（ａ）は左側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は正面図。 従来技術の空気の配管部品を示す断面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した実施形態を図１〜図３を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池１は、多数枚の燃料電池セル３ａを積層して構成されたスタック３と、その両端に配置された一対のエンドプレート２ａ、２ｂとにより構成される。一方のエンドプレート２ａには、図示下方に一対の空気入口４ａ、４ｂが形成され、図示上方に一対の空気出口７ａ、７ｂが形成されている。一対の空気入口４ａ、４ｂ及び空気出口７ａ、７ｂには、燃料電池セル３ａに設けられた複数の空気通路３ｂ（空気出口７ａ、７ｂ側のみ図示）がそれぞれに４ヶ所開口している。空気入口４ａ、４ｂ内には空気通路３ｂに対応する独立した部屋を形成するための隔壁４ｃが形成されている。また、エンドプレート２ａの図示左方には冷却水出口５ａが形成され、図示右方には冷却水入口５ｂが形成されている。

そして、配管部品１０が、一対の空気入口４ａ、４ｂに接続されて、空気をそれぞれの燃料電池セル３ａへ供給するようになっている。図１においては、空気入口４ａ、４ｂに接続される配管部品１０以外の他の配管部品の図示を省略している。また、配管部品１０の下流側接続口１２、１３には、この配管部品１０をエンドプレート２ａに接続するためのボルト挿通孔を有するフランジ部が形成されているが、その図示及び説明を省略する。

なお、エンドプレート２ａには、他に、燃料を供給するための燃料ガス用の接続口を有し、配管を通じて燃料が供給される構造となっているが、図示及び説明は省略する。
次に、図２及び図３を用いて配管部品１０の構成を説明する。図２（ｂ）に示すように、本実施形態の配管部品１０は、第１配管部１４と第２配管部１５とが上流部を重合させた筒状体である。第１配管部１４と第２配管部１５とは上流側接続口１１を共有する。

図２（ｄ）に示すように、上流側接続口１１は、略四角形をなすように開口し、仕切板１６により上下方向に第１配管部１４と第２配管部１５とに区画されている。第１配管部１４は、等間隔に配置された３ヶ所のリブ１４ｂが隔壁となって、流路２１、２２、２３、２４が区画されている。同様に、第２配管部１５は、等間隔に配置された３ヶ所のリブ１５ｂが隔壁となって、流路３１、３２、３３、３４が区画されている。これらの流路２１〜２４、３１〜３４は、それぞれが下流側接続口１２及び下流側接続口１３に連なっている。

また、図２（ａ）に示すように、下流側接続口１２及び下流側接続口１３は、それぞれが並列する流路２１〜２４及び流路３１〜３４により横長状に形成され、互いに直列に配置されている。

更に、図３を用いて、配管部品１０の構成を説明する。第１配管部１４は、内側に３ヶ所のリブ１４ｂが立設された四角樋状体の合成樹脂製の本体部１４ａと、合成樹脂製の仕切板１６とを備えている。３ヶ所のリブ１４ｂは等間隔に配置されている。

また、第２配管部１５は、内側に３ヶ所のリブ１５ｂが立設された四角樋状体の合成樹脂製の本体部１５ａと、合成樹脂製の仕切板１６とを備えている。３ヶ所のリブ１５ｂは等間隔に配置されている。仕切板１６と、本体部１４ａ及びリブ１４ｂの端部と、本体部１５ａ及びリブ１５ｂの端部とは溶着により結合されている。

上記のように、３ヶ所のリブ１４ｂが等間隔に配置されることにより、流路２１〜２４の断面積は同一となり、３ヶ所のリブ１５ｂが等間隔に配置されることにより、流路３１〜３４の断面積は同一となっている。

本実施形態の本体部１４ａ、本体部１５ａ及び仕切板１６は合成樹脂で形成され、それぞれの成形には、射出成形が好適に用いられる。
上記のように構成された配管部品１０においては、上流側接続口１１に導入された空気は、仕切板１６により、第１配管部１４と第２配管部１５とに均一に整流される。更に、第１配管部１４において、空気は、３ヶ所のリブ１４ｂにより流路２１〜２４に均一に整流され、下流側接続口１２を介して、燃料電池１のセパレータの４ヶ所の空気入口４ａのそれぞれに均一な流量のままに供給される。同様に、第２配管部１５において、空気は、３ヶ所のリブ１５ｂにより流路３１〜３４に均一に整流され、下流側接続口１３を介して、燃料電池１のセパレータの４ヶ所の空気入口４ｂのそれぞれに均一な流量のままに供給される。

従って、セパレータの８ヶ所の空気通路に対して均一な流量の空気を供給できるので、それぞれのスタック３に対して最適条件の流量の空気を供給することができる。
（第２の実施形態）
以下、第１実施形態と異なる部分を中心に図４を用いて説明する。本実施形態は、上流側接続口１１の形状が略四角形をなし、リブ１４ｂ、１５ｂが等間隔に配置されている第１実施形態に対して、略円形をなし、リブ１４ｂ、１５ｂが所定間隔に配置されている点が異なる。

図４に示すように、流路２１、２４を形成するための２ヶ所のリブ１７ｂ及び流路３１、３４を形成するための２ヶ所のリブ１８ｂがそれぞれ中央よりの所定位置に配置され、流路２１〜２４及び流路３１〜３４のそれぞれが同一の面積となっている。

本実施形態の円形の開口を有する上流側接続口１１は、円形断面の空気供給パイプに接続されて、コンプレッサー等から空気を供給されることが容易となる。
従って、上記第１、２実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）上記実施形態では、配管部品１０の内部を仕切板１６により二つに区画すると共に、等間隔の複数のリブ１４ｂ、１５ｂ或いはリブ１７ｂ、１８ｂを立設することにより、燃料電池１のセパレータに設けられた空気通路の数に対応するように、複数の流路２１〜２４、３１〜３４を形成した。このため、流路２１〜２４、３１〜３４により整流された均一な流量の空気を、前記空気通路のそれぞれに供給することができるので、スタック３のそれぞれに対して最適条件の流量の空気を供給することができる。

（２）上記実施形態では、配管部品１０の上流側接続口１１と下流側接続口１２、１３との間を繋いで流路２１〜２４、３１〜３４を形成した。このため、上流側接続口１１と下流側接続口１２、１３との間において配管部品１０の形状を変化させても、燃料電池１のセパレータの各空気通路に対して、均一な流量の空気を供給することができる。従って、限られたスペースに対応した形状に形成された燃料電池１の配管部品１０を提供することができる。

（３）上記実施形態では、複数の流路２１〜２４、３１〜３４を形成するために、内部に複数のリブ１４ｂ、１５ｂを長手方向に沿って立設した一対の四角樋状体の本体部１４ａ、１５ａと、仕切板１６とよりなる合成樹脂製の３部材の結合により配管部品１０を形成するようにした。このため、射出成形等により形成した３部材のそれぞれを溶着して、配管部品１０を容易に形成することができる。

（４）上記実施形態の別例では、複数の流路２１〜２４、３１〜３４を形成するために、内部に複数のリブ１７ｂ、１８ｂを長手方向に沿って立設した一対の半円樋状体の本体部１７ａ、１８ａと、仕切板１６とよりなる合成樹脂製の３部材の結合により配管部品１０を形成するようにした。このため、コンプレッサー等から空気を供給されるために、円形断面の空気供給パイプに、円形開口の上流側接続口１１を接続することを容易に行うことができる。

（５）上記実施形態では、下流側接続口を二つの下流側接続口１２、１３からなるものとした。このため、一つの上流側接続口１１から流入した空気を二つの下流側接続口１２、１３に整流すると共に、それぞれの下流側接続口１２、１３の複数の流路から、燃料電池１のセパレータの各空気通路のそれぞれに対して均一な流量の空気を供給することができる。

（６）上記実施形態では、並列する複数の流路２１〜２４、３１〜３４により横長状に形成された下流側接続口１２、１３を直列に配置した。このため、高さ方向に限られたスペースにおいても、エンドプレート２ａに対する配管部品１０の接続が容易となり、二つの下流側接続口１２、１３から、燃料電池１のセパレータの複数の空気通路のそれぞれに対して、均一な流量の空気を容易に供給することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明を具体化した第３実施形態を、第１及び第２実施形態と異なる部分を中心に図５を用いて説明する。

本実施形態の配管部品４０においては、図５（ｂ）に示すように、直角状に方向を変える第１流路４９と、同じく直角状に方向を変える第２流路５０とがリブ４８により区画され、全体として筒状体に形成されている。図５（ａ）に示すように、配管部品４０は、下流側接続口４２、４３の側の部分と上流側接続口４１の側の部分とは拡開部５７を境にして高さが異なっている。

図５（ｃ）に示すように、上流側接続口４１は、略四角形をなすように開口し、リブ４８により左右方向に第１流路４９と第２流路５０とに区画されている。また、図５（ａ）に示すように、下流側接続口４２は、等間隔に配置された３ヶ所のリブ５１〜５３により、４ヶ所の流路４２ａ〜４２ｄに区画されている。また、下流側接続口４３は、等間隔に配置された３ヶ所のリブ５４〜５６により、４ヶ所の流路４３ａ〜４３ｄに区画されている。

一方、３ヶ所のリブ５１〜５３の内方の端部５１ｐ〜５３ｐは、第１流路４９の方向変更部位における内側角部４４と外側角部４５とを結ぶ仮想面４９ａに接するように配置されている。また、３ヶ所のリブ５４〜５６の内方の端部５４ｐ〜５６ｐは、第２流路５０の方向変更部位における内側角部４６と外側角部４７とを結ぶ仮想面５０ａに接するように配置されている。

本実施形態の配管部品４０は、合成樹脂製の上下対称形状の半体どうしを溶着して一体に形成したものである。
上記のように構成された配管部品４０においては、一様な流れとして上流側接続口４１に導入された空気は、リブ４８により第１流路４９と第２流路５０とに均一に整流される。第１流路４９を流れる空気は、その流れ方向を変更する部位に配置されたリブ５１〜５３のそれぞれの端部５１ｐ〜５３ｐにより均一に整流される。同様に、第２流路５０を流れる空気は、その流れ方向を変更する部位に配置されたリブ５４〜５６のそれぞれの端部５４ｐ〜５６ｐにより均一に整流される。

そして、この第３実施形態においては、第１、第２実施形態における効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
（７）上記実施形態では、配管部品４０の下流側接続口４２、４３の内部に、等間隔の複数のリブ５１〜５３及びリブ５４〜５６を立設することにより、燃料電池１のセパレータに設けられた空気通路の数に対応するように、流路４２ａ〜４２ｄ及び流路４３ａ〜４３ｄを形成した。そして、端部５１ｐ〜５３ｐが仮想面４９ａに当接するようにリブ５１〜５３の長さを設定し、端部５４ｐ〜５６ｐが仮想面５０ａに当接するようにリブ５４〜５６の長さを設定した。このため、流路４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄにより整流された均一な流量の空気を、前記空気通路のそれぞれに供給することができるので、スタック３のそれぞれに対して最適条件の流量の空気を供給することができる。

（８）上記実施形態では、上流側接続口４１をリブ４８により区画して、第１流路４９と第２流路５０とを形成した。そして、第１流路４９及び第２流路５０のそれぞれに案内された空気を整流して、横長状に並列した流路４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄから燃料電池１のセパレータの各空気通路のそれぞれに供給するようにした。このため、配管部品４０を扁平状とすることができ、限られたスペースに配置することが可能な燃料電池１の配管部品４０を提供することができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・ 下流側接続口１２、１３或いは下流側接続口４２、４３の開口部において、流路２１〜２４、３１〜３４或いは流路４２ａ〜４２ｄ、４３ａ〜４３ｄの形状を四角形としたが、円形とすること。
・ 下流側接続口１２、１３或いは下流側接続口４２、４３の断面形状を横長四角形としたが、両端が半円の略長円とすること。
・ 本体部１４ａ、１５ａ、１７ａ、１８ａ及び仕切板１６との結合を溶着としたが、ホットメルト接着剤による結合、或いは締結バンド等の機械的結合とすること。
・ 第３実施形態において、第１流路４９、第２流路５０の方向を直角に変更したが、直角以外の角度で方向を変えること。
・ 第３実施形態において、リブ４８の端部４８ｐを上流側接続口４１に臨むように配置したが、端部４８ｐを内方に配置すること。
・ 第３実施形態において、上流側接続口４１の開口形状を四角形としたが、円形とすること。
・ 空気入口４ａ、４ｂとして、その内部の隔壁４ｃを省略した構成とすること。
・ 燃料ガス（水素ガス）の入口に接続される配管部品に本発明を具体化すること。

１…燃料電池、２ａ，２ｂ…エンドプレート、４ｃ…隔壁、１０，４０…配管部品、１１，４１…上流側接続口、１２，１３，４２，４３…下流側接続口、１６…仕切板、２１，２２，２３，２４，３１，３２，３３，３４，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄ…流路。

Claims (4)

1. セルに複数のガス通路が形成され、エンドプレートに前記ガス通路に連通するガス入口が形成された燃料電池の該ガス入口に接続される配管部品において、
   前記ガス通路にそれぞれ対応するように、複数の流路が上流側接続口と下流側接続口との間を繋ぐように形成され、
   前記上流側接続口と前記下流側接続口との間は湾曲した形状に形成され、
   前記上流側接続口は、内部に複数の隔壁が長手方向に沿って立設されるとともに長手方向の一部が開口した一対の樋状体と、仕切板とよりなる合成樹脂製の３部材により構成され、互いの開口が対向する前記一対の樋状体の間に前記仕切板が挟持されるように前記３部材が結合されて一対の上流側接続口として形成されており、
   前記下流側接続口は、一対の下流側接続口に分岐し、
   前記複数の流路は、前記一対の下流側接続口のそれぞれと前記一対の上流側接続口のそれぞれとの間を繋いでいることを特徴とする燃料電池システムの配管部品。
2. 前記一対の下流側接続口の内部には、複数の流路がそれぞれ形成され、
   前記一対の上流側接続口の内部には、前記複数の隔壁によって区画された複数の流路がそれぞれ形成され、
   前記一対の下流側接続口の内部の複数の流路のそれぞれは、前記一対の上流側接続口の内部の複数の流路のそれぞれに各別に繋がれていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの配管部品。
3. 前記上流側接続口は、前記一対の樋状体が高さ方向に重合して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システムの配管部品。
4. 前記一対の下流側接続口は、それぞれが並列する複数の流路により横長状に形成され、直列に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の燃料電池システムの配管部品。

Images