JP7154915B2 - 燃料電池スタックのマニホールド構造 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を流動させる燃料電池スタックのマニホールド構造に関する。

燃料電池スタックは、複数積層された発電セルを有し、各発電セルが燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に基づき発電を行う。また、燃料電池スタックには、発電時の温度を調節するための冷却媒体も供給される。このため、特許文献１に開示されているように、燃料電池スタックの一端部のエンドプレートには、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を発電セルに供給し、また燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体を発電セルから排出するマニホールドがそれぞれ接続される。

特開２０１６－１３４３３５号公報

ところで、特許文献１に開示されているように、エンドプレートのマニホールドを接続する複数の孔部は、相互に近接していると共に、各マニホールドのジョイント部材を取り付けるために燃料電池スタック内の連通孔に比べて大きく形成されている。従って、エンドプレートは、マニホールドの接続箇所付近においてエンドプレート自体の強度が低下し易い。

また、燃料電池スタックの実際のシステム構成において、エンドプレートの外側近傍位置には、上記のマニホールドの他に、燃料電池システム（燃料ガス系装置や酸化剤ガス系装置）のデバイスが複数配置される。すなわち、複数のマニホールドと複数のデバイスとが互いに近接した状態で存在することになり、エンドプレートの外側近傍位置は、レイアウトの自由度が大幅に低下するという課題がある。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成によってレイアウトの自由度、及びマニホールドの設置箇所付近の強度を高めることができる燃料電池スタックのマニホールド構造を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に伴い発電を行うと共に、冷却媒体の供給に伴い温度が調整される複数の発電セル、及び前記複数の発電セルが積層される積層方向の端部に配置されるエンドプレートを備える燃料電池スタックと、前記エンドプレートの外側で、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、前記冷却媒体を流動させる構造部と、を有する燃料電池スタックのマニホールド構造であって、前記複数の発電セルは、前記積層方向に沿って前記燃料ガス、前記酸化剤ガス及び前記冷却媒体をそれぞれ独立的に流動させる第１～第３連通孔を有し、前記構造部は、前記エンドプレートの隣接位置に設置され、前記第１連通孔に連通する第１流通路を内部に有し、且つ前記第２及び第３連通孔に連通する複数の第１貫通孔を有する第１層部と、前記第１層部の隣接位置に設置され、前記第１貫通孔を介して前記第２連通孔に連通する第２流通路を内部に有し、且つ前記第３連通孔に連通する第２貫通孔を有する第２層部と、を備え、前記第１層部は、前記エンドプレートとは別体に構成されるとともに前記エンドプレートに取り付けられ、前記第２層部は、前記エンドプレート及び前記第１層部とは別体に構成されるとともに前記第１層部に取り付けられている燃料電池スタックのマニホールド構造である。

本発明によれば、燃料電池スタックのマニホールド構造は、簡単な構成によってレイアウトの自由度、及びマニホールドの設置箇所付近の強度を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るマニホールド構造を適用した燃料電池スタックを示す斜視図である。 燃料電池スタックの発電セルの構成を示す斜視図である。 マニホールド構造の積層状態を概略的に示す正面断面図である。 マニホールド構造を第１ケース部材に取り付けた状態を示す斜視図である。 マニホールド構造の第１層部を示す側面図である。 マニホールド構造の第２層部を示す側面図である。 変形例に係るマニホールド構造の配管構造の接続部分を示す側面断面図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に伴い発電を行うと共に、冷却媒体の供給に伴い温度が調整される複数の発電セル１２を備える。また、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２を積層した状態で内部に収容するスタックケース１４を備える。この燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池車両のモータルームに搭載される。

複数の発電セル１２は、燃料電池スタック１０を燃料電池車両に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車長方向（矢印Ａ方向）に直交する車幅方向（矢印Ｂ方向）に沿って積層された積層体１６に構成される。なお、複数の発電セル１２は重力方向（矢印Ｃ方向）に積層されていてもよい。

また、積層体１６の積層方向（矢印Ｂ方向）の両端には、図示しないターミナルプレート、インシュレータが外方に向かって順に配置される。ターミナルプレートは、発電セル１２から電力を取り出す金属製の板部材であり、図示しない電力取出端子を積層体１６の所定位置から突出させている。インシュレータは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等の絶縁性材料により形成される。

図２に示すように、発電セル１２は、樹脂枠付きＭＥＡ２４が、２つのセパレータ（以下、それぞれ「第１セパレータ２６」、「第２セパレータ２８」ともいう）により挟持される。第１及び第２セパレータ２６、２８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、或いはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板の断面を波形にプレス成形して構成される。第１セパレータ２６と第２セパレータ２８は、その外周同士が溶接、ろう付け、かしめ等により接合され、一体的な接合セパレータに構成される。

樹脂枠付きＭＥＡ２４は、電解質膜・電極構造体３０（以下、「ＭＥＡ３０」という）と、ＭＥＡ３０の外周部に接合され当該外周部を周回する樹脂枠部材３２とを備える。ＭＥＡ３０は、電解質膜３４と、電解質膜３４の一方の面に設けられたアノード電極３６と、電解質膜３４の他方の面に設けられたカソード電極３８とを有する。なお、ＭＥＡ３０は、樹脂枠部材３２を用いることなく、電解質膜３４を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜３４の両側に枠形状の樹脂製フィルムを設けてもよい。

電解質膜３４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜３４は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。

第１セパレータ２６は、酸化剤ガス（例えば、酸素を含むエア）を流動させる酸化剤ガス流路４０を、樹脂枠付きＭＥＡ２４のカソード電極３８に対向する面２６ａに備える（図２中では、便宜的に、ＭＥＡ３０のカソード電極３８上に酸化剤ガスの流動方向を示す）。酸化剤ガス流路４０は、第１セパレータ２６の矢印Ａ方向（水平方向）に延在する複数本の凸部間に形成された直線状流路溝又は波状流路溝によって構成される。

第２セパレータ２８は、燃料ガス（例えば、水素含有ガス）を流動させる燃料ガス流路４２を、樹脂枠付きＭＥＡ２４のアノード電極３６に対向する面２８ａに備える。燃料ガス流路４２は、第２セパレータ２８の矢印Ａ方向に延在する複数本の凸部間に形成された直線状流路溝又は波状流路溝によって構成される。

互いに接合される第１セパレータ２６の面２６ｂと第２セパレータ２８の面２８ｂとの間には、冷却媒体（例えば、水）を流動させる冷却媒体流路４４が設けられる。冷却媒体流路４４は、酸化剤ガス流路４０が形成された第１セパレータ２６の裏面形状と、燃料ガス流路４２が形成された第２セパレータ２８の裏面形状とが重なり合って形成される。

また、発電セル１２の長辺方向である矢印Ａ方向の両側部（矢印Ａｒ側、矢印Ａｆ）には、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を、発電セル１２の積層方向に沿って独立的に流動させる複数の連通孔４６が設けられている。

矢印Ａｒ（燃料電池スタック１０の後方）側に設けられる複数の連通孔４６は、第２連通孔である酸化剤ガス入口連通孔４８ａと、第１連通孔である２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂと、第３連通孔である２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂと、を含む。相互の連通孔４６は上下方向に沿って概ね並んでいる。酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂ及び２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂは、発電セル１２を積層方向に貫通している。

酸化剤ガス入口連通孔４８ａは、矢印Ｃ方向に５つ並ぶ連通孔４６の真中に形成されている。２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔４８ａの上下に隣接して、この酸化剤ガス入口連通孔４８ａを間に挟む位置に形成されている。２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂは、上側の冷却媒体出口連通孔５２ｂよりも上側位置と、下側の冷却媒体出口連通孔５２ｂよりも下側位置とに配置され、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂを間に挟んでいる。

矢印Ａｆ（燃料電池スタック１０の前方）側に設けられる複数の連通孔４６は、第２連通孔である２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、第１連通孔である燃料ガス入口連通孔５０ａ、第３連通孔である２つの冷却媒体入口連通孔５２ａを含む。相互の連通孔４６は矢印Ｃ方向に概ね並んでいる。２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａ、２つの冷却媒体入口連通孔５２ａは、それぞれ発電セル１２を積層方向に貫通している。

燃料ガス入口連通孔５０ａは、矢印Ｃ方向に５つ並ぶ連通孔４６の中間位置に形成されている。２つの冷却媒体入口連通孔５２ａは、燃料ガス入口連通孔５０ａの上下に隣接して、この燃料ガス入口連通孔５０ａを間に挟む位置に形成されている。２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、上側の冷却媒体入口連通孔５２ａよりも上側位置と、下側の冷却媒体入口連通孔５２ａよりも下側位置とに配置され、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び２つの冷却媒体入口連通孔５２ａを間に挟んでいる。

また本実施形態において、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び燃料ガス入口連通孔５０ａは、六角形状に形成されている。さらに燃料ガス入口連通孔５０ａの流路断面積は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａの流路断面積よりも小さい。一方、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ、冷却媒体入口連通孔５２ａ及び冷却媒体出口連通孔５２ｂは、略三角形状に形成されている。

酸化剤ガス流路４０は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ及び２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに流体的に連通する。酸化剤ガス流路４０は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａから酸化剤ガスが供給されることで、この酸化剤ガスを矢印Ａ方向に沿って流動させ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに酸化剤ガスを排出する。２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂは、三角形状の一辺（底辺）が酸化剤ガス流路４０に向いている。

燃料ガス流路４２は、燃料ガス入口連通孔５０ａ及び２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂに流体的に連通する。燃料ガス流路４２は、燃料ガス入口連通孔５０ａから燃料ガスが供給されることで、この燃料ガスを矢印Ａ方向（酸化剤ガスと反対方向）に沿って流動させ、２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂに燃料ガスを排出する。２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂは、三角形状の一辺（底辺）が燃料ガス流路４２に向いている。

冷却媒体流路４４は、２つの冷却媒体入口連通孔５２ａ及び２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂに流体的に連通する。冷却媒体流路４４は、２つの冷却媒体入口連通孔５２ａから冷却媒体が供給されることで、この冷却媒体を矢印Ａ方向（燃料ガスと同方向）に沿って流動させ、２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂに冷却媒体を排出する。２つの冷却媒体入口連通孔５２ａ及び２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂは、三角形状の一頂部が共に冷却媒体流路４４に向いている。

なお、酸化剤ガス連通孔４８（酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ）、燃料ガス連通孔５０（燃料ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ）、冷却媒体連通孔５２（冷却媒体入口連通孔５２ａ、冷却媒体出口連通孔５２ｂ）の配置位置、数、形状は、上記に限定されない。各連通孔４６は、要求される仕様に応じて適宜設計されればよい。

第１及び第２セパレータ２６、２８の表面には、例えば、プレス成形により複数のメタルビードシール（シール部材５４）が樹脂枠付きＭＥＡ２４に向かって一体成形される。シール部材５４は、メタルビードシールに代えて、弾性材料からなる凸状弾性シールが適用されてもよい。

また、発電セル１２には、燃料電池スタック１０の運転時（発電時）にカソード側で生じた生成水を排出する第１ドレン５６が設けられている。第１ドレン５６は、第１及び第２セパレータ２６、２８、樹脂枠部材３２が重なる位置に貫通形成されている。第１ドレン５６は、積層体１６の端部（例えば、インシュレータ）に設けられた図示しない第１連結流路を介して、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに連通している。

さらに、発電セル１２には、燃料電池スタック１０の運転時（発電時）にアノード側で生じた生成水を排出するための第２ドレン５８が設けられている。第２ドレン５８は、第１及び第２セパレータ２６、２８、樹脂枠部材３２が重なる位置に貫通形成されている。第２ドレン５８は、積層体１６の端部（例えば、インシュレータ）に設けられた図示しない第２連結流路を介して、燃料ガス出口連通孔５０ｂに連通している。

図１に戻り、複数の発電セル１２を収容するスタックケース１４は、面状に延在して全面を覆う壁部１８を前面、上面及び底面に有する。その一方で、スタックケース１４の後面及び左右両側の側面は、スタックケース１４の内部空間１４ａに連通する窓２０ａを有する窓枠２０（フレーム状）に形成されている。

積層体１６の積層方向の一端側（矢印Ｂｒ側）に設けられる図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートは、発電セル１２と共にスタックケース１４内に収容される。スタックケース１４の矢印Ｂ方向一端側には、スタックケース１４の窓２０ａを閉塞する側壁６０が、シール部材６１を挟んで取り付けられる。この側壁６０は、発電セル１２の積層方向に締付荷重を付与する一方のエンドプレートを構成する。なお、スタックケース１４の後面も、窓２０ａを閉塞する後壁６２が、シール部材６１を挟んで取り付けられる。

積層体１６の積層方向の他端側（矢印Ｂｌ側）に設けられる図示しないターミナルプレート及び絶縁プレートは、発電セル１２と共にスタックケース１４内に収容される。そして、発電セル１２の積層方向他端側のスタックケース１４の側面には、窓２０ａを閉塞するように、シール部材６１を挟んで補機ケース６４が取り付けられる。

補機ケース６４は、マニホールド構造２２を収容及び保護するための保護筐体であり、スタックケース１４の水平方向に固定される。図３に示すように、マニホールド構造２２は、燃料電池システムの補機６６（デバイス）や配管６７を含み、流体である燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体を流動させる。補機ケース６４は、スタックケース１４にねじ止めされる凹形状の第１ケース部材６８と、第１ケース部材６８に接合される凹形状の第２ケース部材７０とを有し、これらの部材の内部に、マニホールド構造２２を収納する収納空間６４ａが形成される。

第１ケース部材６８は、ボルトによりスタックケース１４に接合され、スタックケース１４の内部空間１４ａと補機ケース６４の収納空間６４ａとを区画する取付壁部７２を有する。取付壁部７２は、発電セル１２の積層体１６に積層方向の締付荷重を付与するエンドプレートとしての機能を有している。

図１に戻り、取付壁部７２は、発電セル１２の複数の連通孔４６（酸化剤ガス連通孔４８、燃料ガス連通孔５０、冷却媒体連通孔５２）にそれぞれ連通する複数の孔部７４を有する。なお、取付壁部７２には、矢印Ａｒ側及びＡｆ側に上下方向に延在する一対の長孔を有し、後記のマニホールド構造２２（第１配管構造８５）から一対の長孔を貫通し、各連通孔４６に対応する管を突出させた構成でもよい。

複数の孔部７４は、取付壁部７２を厚さ方向に貫通形成されている。各孔部７４は、酸化剤ガス入口連通孔４８ａに連通する酸化剤ガス導入用孔部７６ａと、２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂに各々連通する２つの酸化剤ガス導出用孔部７６ｂと、燃料ガス入口連通孔５０ａに連通する燃料ガス導入用孔部７８ａと、２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂに各々連通する２つの燃料ガス導出用孔部７８ｂと、２つの冷却媒体入口連通孔５２ａに各々連通する２つの冷却媒体導入用孔部８０ａと、２つの冷却媒体出口連通孔５２ｂに各々連通する２つの冷却媒体導出用孔部８０ｂと、を含む。また図示は省略するが、孔部７４の内壁には、ガスケットが取り付けられ、ガスケットは、外側（矢印Ｂｌ側）において正円形状に形成され、内側（矢印Ｂｒ側）に向かって各連通孔４６の形状に応じた形に徐々に変化するように構成されている。なお孔部７４の内壁自体の形状が徐々に変化する構成でもよい。

図３に示すように、補機ケース６４の収納空間６４ａには、燃料電池システムの補機６６及び配管６７を含むマニホールド構造２２の構造部８２が構築されている。この構造部８２は、燃料電池スタック１０から外側（矢印Ｂｌ方向）に向かって順に第１～第３層部８４、８６、８８を有している。つまり、第１層部８４は、第１ケース部材６８の取付壁部７２の隣接位置に設置され、第２層部８６は、第１層部８４の矢印Ｂｌ側の隣接位置に設置され、第３層部８８は、第２層部８６の矢印Ｂｌ側の隣接位置に設置される。

第１～第３層部８４、８６、８８は、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体を流動させる配管６７をユニット状に構成した３つの配管構造によって区分される。すなわち、第１層部８４には第１配管構造８５、第２層部８６には第２配管構造８７、第３層部８８には第３配管構造８９が設けられている。

第１配管構造８５は、図４及び図５に示すように、第１ケース部材６８の取付壁部７２に固定され、取付壁部７２に設けられた全ての孔部７４に重なるブロック形状に形成されている。詳細には、第１配管構造８５は、第１ケース部材６８の取付壁部７２を臨む正面視で、略二等辺三角形状を呈する本体部９０と、本体部９０の頂角側に連なり上下方向に短く延在する縦延在部９２と、縦延在部９２の上下方向途中位置から本体部９０と反対方向に延在する一対の横延在部９４と、を有する。また、第１配管構造８５は、取付壁部７２から矢印Ｂ方向（厚さ方向）に所定長さ突出し、流体（本実施形態では燃料ガス、冷却媒体）が流動可能な第１流通路９６を内部に備える。第１配管構造８５の突出端側（矢印Ｂｌ側）の構造壁８５ａは、第１流通路９６を非露出とする平坦状に形成されている。

第１配管構造８５は、溶接、接着等の適宜の接合方法により取付壁部７２に接合される。接合状態では、縦延在部９２及び横延在部９４が矢印Ａｆ側となり、本体部９０の底辺側が矢印Ａｒ側となる。また接合状態では、縦延在部９２が取付壁部７２の矢印Ａｆ側に形成された複数の孔部７４に重なり、本体部９０の底辺側が壁部の矢印Ａｒ側に形成された複数の孔部７４に重なる。

本体部９０の底辺側は、複数の孔部７４の設置形状に応じて波状に形成されている。そして本体部９０は、矢印Ａｒ側において、上下方向中央部の３つの孔部７４に重なる位置に複数（３つ）の第１貫通孔９８を有する。各第１貫通孔９８は、本体部９０を厚さ方向に貫通して各孔部７４に連通する。各第１貫通孔９８は、酸化剤ガス導入用孔部７６ａに連通する酸化剤ガス導入用第１貫通孔９８ａと、２つの冷却媒体導出用孔部８０ｂの各々に連通する冷却媒体導出用第１貫通孔９８ｂと、を含む。すなわち、酸化剤ガス導入用第１貫通孔９８ａは、酸化剤ガス入口連通孔４８ａ（図２参照）に連通し、２つの冷却媒体導出用第１貫通孔９８ｂは、冷却媒体出口連通孔５２ｂ（図２参照）に連通する。

一方、本体部９０の矢印Ａｒ側において上下方向の底角付近は、本体部９０の構造壁８５ａによって２つの燃料ガス導出用孔部７８ｂを覆っている。本体部９０の底角付近において取付壁部７２と対向する面には、２つの燃料ガス導出用孔部７８ｂにそれぞれ連通する内側開口部１００ａが設けられている。また、本体部９０の頂角付近は、構造壁８５ａにより燃料ガス導入用孔部７８ａを覆っており、この頂角付近において取付壁部７２と対向する面には燃料ガス導入用孔部７８ａに連通する内側開口部１００ｂが設けられている。各内側開口部１００ａ、１００ｂは、本体部９０内に形成された第１流通路９６に連通している。

本体部９０の第１流通路９６は、構造壁８５ａによって覆われて本体部９０の面方向（矢印Ａ方向及び矢印Ｃ方向）に沿って延在している。本実施形態において、本体部９０の第１流通路９６は、燃料ガスが流動する燃料ガス流通路１０２として構成されている。例えば、燃料ガス流通路１０２は、内側開口部１００ａに連なる一対の第１路１０２ａと、一対の第１路１０２ａに連なる第２路１０２ｂ、第３路１０２ｃと、を有する。第２路１０２ｂは、本体部９０の外部に設けられた燃料ガス系装置のエゼクタ１０３（補機６６）に、燃料ガス（アノードオフガス）を流動させる。第３路１０２ｃは、アノードオフガスを排出する配管６７ｂに接続される。

また、燃料ガス流通路１０２は、燃料ガス系装置のインジェクタ１０４（補機６６）及びエゼクタ１０３の下流側の配管６７ａが外部に接続されると共に、本体部９０の外部から内側開口部１００ｂに連通する第４路１０２ｄを有する。第４路１０２ｄは、インジェクタ１０４の駆動下に、燃料ガスを内側開口部１００ｂ、燃料ガス入口連通孔５０ａに供給する。

第１配管構造８５の縦延在部９２は、本体部９０の頂角側から上下方向に向かって２つの酸化剤ガス導出用孔部７６ｂに達する長さに延在している。縦延在部９２は、取付壁部７２の矢印Ａｆ側に設けられた４つの孔部７４（２つの冷却媒体導入用孔部８０ａ、２つの酸化剤ガス導出用孔部７６ｂ）に対応した波状で、且つ本体部９０と同じ厚さに形成されている。縦延在部９２は、２つの酸化剤ガス導出用孔部７６ｂの対向位置に酸化剤ガス導出用第１貫通孔９８ｃ（第１貫通孔９８）をそれぞれ有する。つまり、２つの酸化剤ガス導出用第１貫通孔９８ｃは、発電セル１２の酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ（図２参照）に連通している。

その一方で、縦延在部９２は、２つの冷却媒体導入用孔部８０ａを構造壁８５ａにより覆っている。縦延在部９２の取付壁部７２との対向面側には、２つの冷却媒体導入用孔部８０ａにそれぞれ連通する２つの内側開口部１００ｃが設けられている。

一対の横延在部９４は、各内側開口部１００ｃの形成位置の側方に連なり、その内部に冷却媒体を供給する第１流通路９６である冷却媒体導入路１０６を有する。冷却媒体導入路１０６は、縦延在部９２まで延在して内側開口部１００ｃに連通している。つまり冷却媒体導入路１０６は、冷却媒体導入用孔部８０ａを介して、冷却媒体入口連通孔５２ａ（図２参照）に連通している。冷却媒体導入路１０６の他端は、一対の横延在部９４に沿って第１ケース部材６８の外部に延在し、図示しない冷却装置に繋がる配管に連通する。

上記の第１層部８４（第１配管構造８５）に対して第２層部８６が積層される。図４及び図６に示すように、第２層部８６は、酸化剤ガス系装置のデバイスである加湿器１０８と、加湿器１０８に連設するように設けられる第２配管構造８７と、を含み、加湿器１０８及び第２配管構造８７は、相互に一体化した状態で第１層部８４に取り付けられる。

加湿器１０８は、発電セル１２を発電に適当な湿潤状態とするために、燃料電池スタック１０に供給する酸化剤ガスを加湿する。例えば、加湿器１０８は、燃料電池スタック１０から排出される酸化剤ガス（カソードオフガス）を循環して、カソードオフガスに含まれる水により加湿を行う。

第２配管構造８７は、加湿器１０８の矢印Ａｒ側の端部に設置される連結体１１０と、加湿器１０８の矢印Ａｆ側の端部に設置される一対の連結管１１２とを有する。連結体１１０及び連結管１１２の各々は、第１配管構造８５の所定位置に接合されることで、第１配管構造８５の構造壁８５ａに対し加湿器１０８を若干離れた位置に位置決めする。連結体１１０及び連結管１１２は、溶接、接着等の適宜の接合方法により第１配管構造８５に接合されるとよい。

連結体１１０は、第１配管構造８５に設けられた酸化剤ガス導入用第１貫通孔９８ａ及び２つの冷却媒体導出用第１貫通孔９８ｂに重なるブロック状に形成され、第１配管構造８５よりも矢印Ｂ方向に長く延在している。連結体１１０の上下方向中央部の内部には、第１配管構造８５の酸化剤ガス導入用第１貫通孔９８ａに連通する酸化剤ガス導入用第２流通路１１６（第２流通路１１４）が設けられている。連結体１１０の上下方向両側部は、第１配管構造８５の一対の冷却媒体導出用第１貫通孔９８ｂに連通する冷却媒体導出用第２貫通孔１１８ａ（第２貫通孔１１８）が設けられている。

加湿器１０８の矢印Ａｆ側に設けられる一対の連結管１１２は、第１配管構造８５の第１貫通孔９８と加湿器１０８とを接続する管体に形成されている。一対の連結管１１２の内部には、第２流通路１１４が設けられ、この第２流通路１１４は、第１配管構造８５の酸化剤ガス導出用第１貫通孔９８ｃと加湿器１０８との間を連通する酸化剤ガス導出用第２流通路１１７となっている。すなわち、酸化剤ガス導出用第２流通路１１７は、酸化剤ガス導出用孔部７６ｂ及び酸化剤ガス導出用第１貫通孔９８ｃを介して、積層体１６から排出される酸化剤ガス（カソードオフガス）を加湿器１０８に流動させる。

連結体１１０が接続される加湿器１０８の一端側には、加湿器１０８内に酸化剤ガスを供給するための供給管１２０が接続されている。供給管１２０は、補機ケース６４の外部に設けられた図示しないエアポンプに接続されている。

連結管１１２が連結される加湿器１０８の他端側には、加湿器１０８に酸化剤ガス（カソードオフガス）流入した酸化剤ガスを、加湿器１０８（第２層部８６）から外部に排出するための排出管１２２が接続されている。排出管１２２には、酸化剤ガスの流動量や流動経路を変化させる図示しないバルブが設けられる。

図４及び図７に示すように、上記の第２層部８６（第２配管構造８７の連結体１１０）に対して第３層部８８が積層される。第３層部８８は、ユニット状に構成された第３配管構造８９を有し、この第３配管構造８９は、溶接、接着等の適宜の接合方法により連結体１１０の矢印Ｂｌ側の突出端に接合される。

第３配管構造８９は、一対の冷却媒体導出用第２貫通孔１１８ａに連通する冷却媒体導出用第３流通路１２６（第３流通路１２４）を内部に有している。具体的には、第３配管構造８９は、連結体１１０の一対の冷却媒体導出用第２貫通孔１１８ａに対向する２つの分岐管１２８と、２つの分岐管１２８が合流する１本の合流管１３０と、を有する。

一対の分岐管１２８は、連結体１１０に隣接する端部（矢印Ｂｒ）側に分岐管１２８同士を架橋し且つ連結体１１０に固定するための固定板部１３２を備えている。固定板部１３２は、連結体１１０の突出端面を全体的に覆うように接合される。合流管１３０は、上下に並ぶ分岐管１２８から下方向に延在して所定位置で９０°屈曲することで、加湿器１０８の下側を迂回して矢印Ａｆ方向に向かって延在している。合流管１３０は、燃料電池スタック１０の前方側に設けられた図示しない冷却装置に接続されている。

本実施形態に係る燃料電池スタック１０のマニホールド構造２２は、基本的には以上のように構成されており、以下その作用について説明する。

燃料電池スタック１０は、図１に示すように、製造時に、複数の発電セル１２を積層した積層体１６をスタックケース１４に収容する。そして、スタックケース１４の矢印Ｂｒ側に側壁６０を固定すると共に、スタックケース１４の矢印Ｂｌ側に補機ケース６４の第１ケース部材６８を固定して、積層体１６の積層方向に締付荷重を付与する。第１ケース部材６８の取付壁部７２は、取付状態で、積層体１６の各連通孔４６に各々対向するように複数の孔部７４を配置しており、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を供給及び排出可能としている。

マニホールド構造２２の構造部８２の製造では、図５に示すように、まず取付壁部７２の全ての孔部７４に重なるように、第１層部８４の第１配管構造８５を接合する。接合状態において第１配管構造８５の矢印Ａｒ側は、酸化剤ガス導入用孔部７６ａに酸化剤ガス導入用第１貫通孔９８ａが連通し、２つの冷却媒体導出用孔部８０ｂに２つの冷却媒体導出用第１貫通孔９８ｂが連通し、２つの燃料ガス導出用孔部７８ｂに燃料ガス流通路１０２が連通する。また第１配管構造８５の矢印Ａｆ側は、燃料ガス導入用孔部７８ａに燃料ガス流通路１０２が連通し、２つの冷却媒体導入用孔部８０ａに２つの冷却媒体導入路１０６が連通し、２つの酸化剤ガス導出用孔部７６ｂに２つの酸化剤ガス導出用第１貫通孔９８ｃが連通する。

次に、図６に示すように、第１配管構造８５に対し、第２層部８６を構成する第２配管構造８７、及び第２配管構造８７と一体化した加湿器１０８を接合する。接合状態において第２配管構造８７の矢印Ａｒ側は、連結体１１０が配置され、酸化剤ガス導入用第１貫通孔９８ａ、酸化剤ガス導入用第２流通路１１６が連通し、２つの冷却媒体導出用第１貫通孔９８ｂの各々に２つの冷却媒体導出用第２貫通孔１１８ａが連通する。また第２配管構造８７の矢印Ａｆ側は、一対の連結管１１２が配置され、２つの酸化剤ガス導出用第１貫通孔９８ｃに２つの酸化剤ガス導出用第２流通路１１７が連通する。

そして、第２配管構造８７の矢印Ａｒ側に対し、第３層部８８を構成する第３配管構造８９を接合する。接合状態において、第３配管構造８９は、２つの冷却媒体導出用第２貫通孔１１８ａに対して冷却媒体導出用第３流通路１２６を連通させる。第１～３層部８４、８６、８８を積層して構成されたマニホールド構造２２は、第１～第３流通路９６、１１４、１２４及び第１、第２貫通孔９８、１１８を通して、積層体１６に流体を供給及び排出させる。

燃料ガスは、インジェクタ１０４の駆動下に第１配管構造８５の燃料ガス流通路１０２に供給され、燃料ガス導入用孔部７８ａを介して燃料ガス入口連通孔５０ａに流入する。また２つの燃料ガス出口連通孔５０ｂを流動する燃料ガス（アノードオフガス）は、２つの燃料ガス導出用孔部７８ｂを介して第１配管構造８５の燃料ガス流通路１０２に流出される。第１配管構造８５内の燃料ガス流通路１０２は、所定形状に設計されていることで、アノードオフガスの一部を燃料ガス導入用孔部７８ａに環流させると共に、アノードオフガスの他部を第１配管構造８５から排出させる。

酸化剤ガスは、エアポンプの駆動下に供給管１２０を通して加湿器１０８に供給される。また酸化剤ガスは、加湿器１０８から酸化剤ガス導入用第２流通路１１６、酸化剤ガス導入用第１貫通孔９８ａ、酸化剤ガス導入用孔部７６ａを介して酸化剤ガス入口連通孔４８ａに流入する。さらに、２つの酸化剤ガス出口連通孔４８ｂを流動する酸化剤ガス（カソードオフガス）は、２つの酸化剤ガス導出用孔部７６ｂ、２つの酸化剤ガス導出用第１貫通孔９８ｃを介して、２つの酸化剤ガス導出用第２流通路１１７に流出される。さらにカソードオフガスは、加湿器１０８を通して酸化剤ガスを加湿した後、排出管１２２を介して外部に排出される。

冷却媒体は、冷却装置のポンプ（不図示）の駆動下に横延在部９４に接続される配管から冷却媒体導入路１０６及び冷却媒体導入用孔部８０ａを介して冷却媒体入口連通孔５２ａに流入する。また冷却媒体出口連通孔５２ｂを流動する冷却媒体は、冷却媒体導出用孔部８０ｂ、冷却媒体導出用第１貫通孔９８ｂ、冷却媒体導出用第２貫通孔１１８ａを介して、第３配管構造８９の冷却媒体導出用第３流通路１２６に流出される。

なお、第１～第３層部８４、８６、８８（第１～第３配管構造８５、８７、８９）の接続部分は、溶接や接着等の接合方法に限定されるものではなく、種々の方法を採用してよい。例えば図７に示すように、第１配管構造８５と第２配管構造８７の境界部分や第２配管構造８７と第３配管構造８９の境界部分に筒状のジョイント部材１３４を収容し、各構造同士を接合してもよい。ジョイント部材１３４は、各孔の内壁に密着可能な外径に設計され、また樹脂材料（弾性材料を含む）や金属材料等の適宜の材料により構成される。ジョイント部材１３４は、第１貫通孔９８と第２貫通孔１１８の接続、第１貫通孔９８と第２流通路１１４の接続、第２貫通孔１１８と第３流通路１２４の接続をガイドすると共に、境界部分からの流体の漏出を防ぐことができる。

また、ジョイント部材１３４は、取付壁部７２と第１配管構造８５との接合箇所に適用してもよい。ジョイント部材１３４の構成は、特に限定されず、例えば、取付壁部７２、第１～第３配管構造８５、８７、８９内を一連に連続する筒状に形成されていてもよい。

上記の実施形態から把握し得る本発明の技術的思想及び効果について、以下に記載する。

燃料電池スタック１０のマニホールド構造２２は、第１層部８４と第２層部８６とを備える構造部８２によって、レイアウトの自由度、及びマニホールドの設置箇所付近の強度を高めることができる。すなわち、第１層部８４は、第１流通路９６により第１層部８４内で燃料ガスを流動させ、第１貫通孔９８により酸化剤ガス、冷却媒体を別経路に案内する。第２層部８６は、第２流通路１１４により第２層部８６内で酸化剤ガスを流動させ、第２貫通孔１１８により冷却媒体を別経路に案内する。よって、異なる流体（燃料ガス及び酸化剤ガス）のレイアウトを層毎に容易に形成することができ、各層において流体を良好に流動させることが可能となる。また、第１及び第２層部８４、８６は、従来の配管を支持する部品や従来の配管により生じるクリアランスをなくし、マニホールドの設置箇所付近の強度を高め、しかも製造時の組立性を大幅に向上することができる。

また、構造部８２は、第２層部８６の隣接位置に設置され、第２貫通孔１１８に連通する第３流通路１２４を内部に有する第３層部８８を備える。第３層部８８は、第２貫通孔１１８に連通する第３流通路１２４によって、冷却媒体をより良好に流動させることができる。

第１層部８４は、エンドプレート（取付壁部７２）の面方向に沿って延在する一連の配管構造（第１配管構造８５）として構成されている。これにより、第１配管構造８５は、流体の流路を簡単に確保すると共に、取付壁部７２を補強することができる。

第３流通孔（冷却媒体連通孔５２）は、複数設けられ、当該複数の冷却媒体連通孔５２のうち一部は、配管構造（第１配管構造８５）に設けられた第１流通路９６（燃料ガス流通路１０２）とは異なる流通路（冷却媒体導入路１０６）に連通している。これにより、第１層部８４の冷却媒体導入路１０６を介して冷却媒体を別経路に案内することができる。

第１連通孔（燃料ガス入口連通孔５０ａ、燃料ガス出口連通孔５０ｂ）、第１層部８４の第１流通路９６（燃料ガス流通路１０２）は、燃料ガスを流動させる一方で、第２連通孔（酸化剤ガス入口連通孔４８ａ、酸化剤ガス出口連通孔４８ｂ）、第１層部８４の第１貫通孔９８（酸化剤ガス導入用第１貫通孔９８ａ、酸化剤ガス導出用第１貫通孔９８ｃ）及び第２層部８６の第２流通路１１４（酸化剤ガス導入用第２流通路１１６、酸化剤ガス導出用第２流通路１１７）は、酸化剤ガスを流動させる。これにより、第１層部８４に燃料ガス系装置の補機６６や配管６７を容易に配置すると共に、第２層部８６に酸化剤ガス系装置の補機６６や配管６７を容易に配置することができる。

第２層部８６は、酸化剤ガスを加湿する加湿器１０８と、加湿器１０８に取り付けられると共に当該加湿器１０８に連通する第２流通路１１４、及び第２貫通孔１１８を有する連結体１１０と、を含む。これにより、構造部８２は、第２層部８６の加湿器１０８において加湿した酸化剤ガスを、連結体１１０の第２流通路１１４を介して発電セル１２の第２連通孔（酸化剤ガス入口連通孔４８ａ）に供給することが可能となる。

連結体１１０の積層方向に沿った長さは、第１層部８４の積層方向に沿った長さよりも長い。これにより、構造部８２は、加湿器１０８等の比較的大きなデバイスを配置しても、第２層部８６を確実に形成することが可能となる。

発電セル１２の積層方向の端部には、構造部８２を収容する補機ケース６４が設けられ、発電セル１２に積層される補機ケース６４の取付壁部７２がエンドプレートを構成する。このように補機ケース６４の取付壁部７２がエンドプレートを構成しても、複数の発電セル１２に締付荷重を付与しつつ、また構造部８２を通して流体を良好に流動させることができる。

第１貫通孔９８と第２貫通孔１１８の境界部分には、第１層部８４と第２層部８６の取付をガイドすると共に、境界部分を覆う筒状のジョイント部材１３４が収容されてもよい。マニホールド構造２２は、ジョイント部材１３４によって第１層部８４と第２層部８６の組立を容易に行うことができる。しかもジョイント部材１３４は、第１層部８４と第２層部８６の組立状態で、流体の漏出を防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、マニホールド構造２２は、上述の実施形態では補機ケース６４内に収容された構成であったが、燃料電池スタック１０の平板状に形成されたエンドプレートに隣接するように設けられてもよい。

また例えば、第１配管構造８５の内部に形成される第１流通路９６の形状は、上述した燃料ガス流通路１０２に限定されず自由に設計してよい。さらに、構造部８２において第１層部８４の第１流通路９６、第２層部８６の第２流通路１１４、第３層部８８の第３流通路１２４を流動させる流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体）の種類は特に限定されない。他の例としては、第１層部８４の第１流通路９６に酸化剤ガスを流動させ、第２層部８６に燃料ガスを流動させる構成、或いは第１層部８４に冷却媒体を流動させ、第２層部８６に燃料ガスを流動させ、第３層部８８に酸化剤ガスを流動させる構成等があげられる。換言すれば、構造部８２において、燃料ガス系装置が設けられる層と、酸化剤ガス系装置が設けられる層と、冷却装置（配管６７）が設けられる層との積層順は任意に設定してよい。この場合、第１～第３層部８４、８６、８８は、流動させる流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体）の種類に応じて適切な流路形状に設計されればよい。

第１層部８４は、第１配管構造８５に加えて、水素ガス系装置の補機６６が一体に取り付けられたユニット形状に形成されてもよい。第２層部８６は、加湿器１０８が設けられていなくてもよく、また第１配管構造８５の本体部９０のようにエンドプレートの面方向に延在し内部に第２流通路１１４を有するブロック状に形成されていてもよい。

また、マニホールド構造２２は、エンドプレート（取付壁部７２）の内部に冷却媒体の流路（冷却媒体導入路１０６）等を設けて、エンドプレートの内部を通して冷却媒体を流動させる構成でもよい。これによりエンドプレートの外側近傍位置の構成をより一層簡素化させることができる。またエンドプレートの内部に冷却媒体を流動させる構成でも、エンドプレートに隣接する第１層部８４に燃料ガス系装置（燃料ガスを流動させる構造）を配置する構造に限定されず、酸化剤ガス系装置（酸化剤ガスを流動させる構造）を配置してもよい。すなわち、この構成でも、積層順を任意に設計し得る。

さらに、冷却媒体の配管は、燃料ガス系装置（例えば、第１層部８４）及び酸化剤ガス系装置（例えば、第２層部８６）等を直接加温するラインとして、適宜のデバイスの間やデバイス自体を通すように構成してもよい。またさらに冷却媒体の配管は、燃料電池スタック１０の低温時に、燃料電池スタック１０の外部をバイパスして各デバイスを加温するラインとして設定してもよい。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…スタックケース １６…積層体
２２…マニホールド構造 ６４…補機ケース
６６…補機 ６７…配管
７２…取付壁部 ７４…孔部
８２…構造部 ８４…第１層部
８５…第１配管構造 ８６…第２層部
８７…第２配管構造 ８８…第３層部
８９…第３配管構造 ９６…第１流通路
９８…第１貫通孔 １０８…加湿器
１１０…連結体 １１２…連結管
１１４…第２流通路 １１８…第２貫通孔
１２４…第３流通路 １３４…ジョイント部材

Claims (9)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの供給に伴い発電を行うと共に、冷却媒体の供給に伴い温度が調整される複数の発電セル、及び前記複数の発電セルが積層される積層方向の端部に配置されるエンドプレートを備える燃料電池スタックと、
   前記エンドプレートの外側で、前記燃料ガス、前記酸化剤ガス、前記冷却媒体を流動させる構造部と、を有する燃料電池スタックのマニホールド構造であって、
   前記複数の発電セルは、前記積層方向に沿って前記燃料ガス、前記酸化剤ガス及び前記冷却媒体をそれぞれ独立的に流動させる第１～第３連通孔を有し、
   前記構造部は、
   前記エンドプレートの隣接位置に設置され、前記第１連通孔に連通する第１流通路を内部に有し、且つ前記第２及び第３連通孔に連通する複数の第１貫通孔を有する第１層部と、
   前記第１層部の隣接位置に設置され、前記第１貫通孔を介して前記第２連通孔に連通する第２流通路を内部に有し、且つ前記第３連通孔に連通する第２貫通孔を有する第２層部と、を備え、
   前記第１層部は、前記エンドプレートとは別体に構成されるとともに前記エンドプレートに取り付けられ、
   前記第２層部は、前記エンドプレート及び前記第１層部とは別体に構成されるとともに前記第１層部に取り付けられている
   燃料電池スタックのマニホールド構造。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックのマニホールド構造において、
   前記構造部は、前記第２層部の隣接位置に設置され、前記第２貫通孔に連通する第３流通路を内部に有する第３層部を備える
   燃料電池スタックのマニホールド構造。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックのマニホールド構造において、
   前記第１層部は、前記エンドプレートの面方向に沿って延在する一連の配管構造として構成されている
   燃料電池スタックのマニホールド構造。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックのマニホールド構造において、
   前記第３連通孔は、複数設けられ、
   当該複数の第３連通孔のうち一部は、前記配管構造に設けられた前記第１流通路とは異なる流通路に連通している
   燃料電池スタックのマニホールド構造。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのマニホールド構造において、
   前記第１連通孔、前記第１層部の前記第１流通路は、前記燃料ガスを流動させる一方で、
   前記第２連通孔、前記第１層部の前記第１貫通孔及び前記第２層部の前記第２流通路は、前記酸化剤ガスを流動させる
   燃料電池スタックのマニホールド構造。
   
6. 請求項５記載の燃料電池スタックのマニホールド構造において、
   前記第２層部は、前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器に取り付けられると共に当該加湿器に連通する前記第２流通路、及び前記第２貫通孔を有する連結体と、を含む
   燃料電池スタックのマニホールド構造。
7. 請求項６記載の燃料電池スタックのマニホールド構造において、
   前記連結体の前記積層方向に沿った長さは、前記第１層部の前記積層方向に沿った長さよりも長い
   燃料電池スタックのマニホールド構造。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのマニホールド構造において、
   前記発電セルの積層方向の端部には、前記構造部を収容する補機ケースが設けられ、
   前記発電セルに積層される前記補機ケースの取付壁部が前記エンドプレートを構成する
   燃料電池スタックのマニホールド構造。
   
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池スタックのマニホールド構造において、
   前記第１貫通孔と前記第２貫通孔の境界部分には、前記第１層部と前記第２層部の取付をガイドすると共に、境界部分を覆う筒状のジョイント部材が収容される
   燃料電池スタックのマニホールド構造。

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