JPH01231274A - 燃料電池のマニホールド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は単位電池の積層体からなる燃料電池に反応ガ
スを給排するマニホールド、ことに電解液や冷却液の配
管接続部の収納スペースを兼ねたマニホールドの構造に
関する。

〔従来の技術〕

燃料電池積層体においては、単位電池が燃料極および酸
化剤極に挟まれた電解液層と、燃料極。

酸化剤極それぞれに燃料ガスおよび酸化ガスを供給する
リブ状の燃料ガス室および酸化ガス室が互いに直交する
方向に形成されており、両ガス室に反応ガスを給排する
ためのマニホールドが電池積層体の四方の側面をそれぞ
れ覆うよう取付けられる、また、マニホールドは前記電
解液層に電解液を補給または還流するための電解液配管
の接続部や、電池積層体を冷却して発電に好適な温度に
保つために複数の単位電池組ごとに介装される冷却板に
冷却液を供給、排出するための配管の接続部等の収納ス
ペースあるいは接続作業スペースにも兼用される。

第６図は従来の電池積層体のマニホールドを示す積層面
に平行な方向の破砕断面図、第７図は要部の拡大断面図
であり、前述のように構成された電池積層体１の互いに
対向する２組の側面の１組には燃料ガス給排用マニホー
ルド２および３が、他の１＆ｌｌには酸化ガス給排用マ
ニホールド４および５が設けられており、例えば燃料給
徘用マニホールド２および３の給気孔２Ａ、排気孔３Ａ
が図示しない燃料給徘系統に連結されて燃料ガスとして
の例えば水素Ｈ２が燃料ガス室を還流し、酸化ガス給排
用マニホールド４および５の給気孔４Ａ、排気孔５Ａが
図示しない酸化ガス給排系統に連結されて酸化ガスとし
ての例えば酸素Ｏ８が酸化ガス室を還流することにより
発電が行われる。

各マニホールドは枠体６および蓋板７からなるマニホー
ルド蓋８と、電池積層体の側面と枠体６との間のシール
部９とで構成されており、方形の枠体６と蓋板７は第７
図に示すように枠体側のＯリング溝を有するフランジ６
Ａと蓋板７とを０リング６Ｂを介在させて止めねじを用
いて結合することにより、両者が気密かつ着脱可能に結
合される。

また、シール部９としては、第７図に本願出願人等によ
って既に提案された構造の一例を示すように、燃料電池
積層体１の側面の周縁部に施されたシール層１０と、こ
れに対向するマニホールドの枠体６の端面に形成された
凹溝６Ｃとの間に、熱膨張係数が燃料電池積層体および
マニホールド蓋８のそれの中間の大きさを有する材料を
用いて形成された図の場合断面Ｈ字状のシールスペーサ
１１を設け、このシールスペーサ１１とシール層１０の
間および枠体６の間をバンキング材としてのＯリング１
２Ａおよび１２Ｂによりシールするよう構成されており
、電池積層体１の作動温度（２００℃程度）と常温との
温度変化の繰返しに伴って電池積層体１とマニホールド
′１１８との間に生ずる位置ずれをシールスペーサ１１
で緩衝し、パッキング材の位置ずれや損傷によるシール
性能の低下を防ぐよう構成されている。

また燃料給排用マニホールド２および３には、これを利
用して電解液の給排管２２およびこれから分岐して各単
位電池に連通ずる接続管２３が配されており、電解液の
給排管２２に外部から電解液を送る配管の貫通部２５が
マニホールドの枠体６を貫通して気密に結合される。さ
らに、酸化ガス給排用マニホールド４および５には、こ
れを利用して冷却液の給排管１９．接続管２０．冷却液
マニホールド２１、および燃料電池積層体ｌに介装され
た冷却板を沿層方向に貫通する多数の冷却パイプ１８の
端部が相互に連結された状態で収納され、冷却液の給排
管１９に結合された配管の貫通部２４がマニホールドＭ
８の枠体６を貫通して気密に結合される。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の燃料電池のマニホールドは前述のように反応ガス
の給排と電解液や冷却液の給排管部の収納スペースを兼
ねるとともに、給排管１９または２２と接続管２０また
は２３との溶接作業や、枠体６と貫通部２４または２５
との連結作業を行う作業スペースとしても利用される０
貫通部の取付作業は枠体６を電池積層体１に取付けた状
態で行わねばならず、そこでマニホールド！８を枠体６
と蓋板７に分割し、蓋板７を取り外した状態で上記諸作
業を行えるよう構成されている。しかしながら、上記配
管の接続部を収容するために枠体の奥行寸法がどうして
も大きくなり、これが原因で作業性が低下すること、マ
ニホールド蓋を２分割したためにシール部の数が増して
シール性能が低下する危険性が増すこと、シール性能を
保持するためにはマニホールドの大型化に対応してマニ
ホールド蓋８の剛性を増すとともに、強固なフランジ６
Ａを枠体に設けて蓋板との間のシール性能を保持する必
要があること、など種々の問題点を含んでおり、これが
原因でマニホールド蓋８が高重量化するとともに、その
加工費がかさむという欠点があった。

また、電解液配管の接続部や冷却液配管の接続部の構成
が複雑なために、これらを収容するマニホールド蓋８の
奥行きが大きくなるという問題があった・ この発明の目的は、マニホールド構造の改善により、配
管の接続作業を妨げずシール性能に優れ、小型かつ節素
なマニホールドを得るとともに、さらには配管接続部を
簡素化することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、単位電
池を柱状に積層した燃料電池積層体の側面に気密に取付
けられて反応ガスを給排するマニホールドと、このマニ
ホールドを貫通する配管を介して電解液および冷却液の
給排が行われるものにおいて、前記側面の周縁部に施さ
れたシール層と、このシール層に一方の端面が気密に接
触するよう枠状に形成され前記配管の貫通部を有するシ
ールスペーサと、このシールスペーサの反シール層側の
端面にパッキング材を介して気密に結合した深さを有す
るマニホールド蓋とを備えるものとし、さらには単位電
池を柱状に積層した燃料電池積層体の側面に気密に取付
けられて反応ガスを給排するマニホールドを備え、この
マニホールドを介して電解液および冷却液の給排が行わ
れるものにおいて、前記側面の周縁部に施されたシール
層と、このシール層に一方の端面が気密に結合されかつ
中空断面を有する枠状に形成されてその中空部が前記電
解液または冷却液の給排通路を烹ねたシールスペーサと
、このシールスペーサの反シール面側の端面にパッキン
グ材を介して気密に結合したマニホールド蓋とを備える
ものとする。

〔作用〕

上記手段において、従来シール部における熱膨張収縮の
緩衝材として用いられていたシールスペーサを電解液ま
たは冷却液給排用配管の貫通部を兼ねるよう電池積層体
の側面からの突出寸法（厚み）が従来よりやや厚い方形
断面を有する枠状に形成するとともに、このシールスペ
ーサの突出寸法だけでは収容しきれない前記配管の接続
部をこれを収容するに足る深さを有する枠体とＭ板が一
体化されたマニホールド蓋により覆うようにしたので、
配管接続部の溶接作業はシールスペーサの手前側に突出
した部分で行えるので作業スペースの制約から開放され
る。また、マニホールド蓋が一体化されてシール部の数
が減りシール性能の向上が期待できるとともに、シール
スペーサがマニホールドの側壁の一部を兼ねることによ
って一体化されたマニホールド蓋の深さが減って剛性が
増し、かつフランジの一つが不要になってその加工数も
現象するので、マニホールド蓋を従来より小形かつ軽量
で安価に形成することができる。

また、シールスペーサを方形の中空断面を有する枠状に
形成し、その中空部が電解液または冷却液の給排通路を
兼ねるよう構成したことにより、電解液を各車セルに分
岐する電解液給排管、冷却液を各冷却板に分岐する冷却
液給排管が不要となり、その分マニホールドを小型化で
きるとともに、接続作業を容易化できる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例装置を示す斜視断面図、第２
図は積層面に沿った方間の一部破砕断面図であり、マニ
ホールドの一つの取付は状況を示したものである０図を
用いてまず燃料電池積層体１について説明を補足する０
図はりん酸型燃料電池積層体を示しており、単位電池１
０１は′ｒ４Ｐｊ基材を挟んでその両側に配されたバイ
ポーラプレートと呼ばれるカーボン板にリブ状に形成さ
れた酸化ガス室１０２および燃料ガス室１０３が互いに
直交するよう配され、複数の単位電池組ごとに冷却板１
０４が介挿される。積層体の両端にはそれぞれ集電機１
０５、絶縁板１０６を介在させて締付板１０７が配され
、上下一対の締付板を連結する締付タイロッド１０８に
よって締付荷重が付加されることによって燃料電池積層
体１が形成される。

また、燃料電池積層体１の酸化ガス室１０２に連通ずる
側面側には貫通部３５が取付けられた電解液給排管２２
が配され、接続管２３によって各単位電池１０１の電解
液を保持するマトリックスへと導かれる。さらに、燃料
ガス室１０３に連通ずる側面側には貫通部３４が取付け
られた冷却液給徘管１９と、冷却板１０４を沿層方向に
貫通する複数の冷却パイプ１８の端部に結合された冷却
液マニホールド２１とが接続管２０によって相互に連結
された状態で配される。ただし、接続管２０を冷却液マ
ニホールド２１゜冷却液給徘管１９のいずれかに結合（
一般には溶接する）する作業、および電解液接続管２３
を給徘管２２側あるいは単位電池側に結合する作業は、
電気ＰＡＪＩ体１の組立てが終了した時点でないと実施
できない。

１０は燃料電池積層体ｌの側面の角部を含む周縁部を密
着して覆うよう施された例えば弗素樹脂からなるシール
層であり、このシール層の表面に一方の端面が気密に密
接するよう額縁状のシールスペーサ３１が配されること
により燃料電池積層体１とシールスペーサ３１との間の
気密が保持される。

シール圧力を発生するための締付構造は図示していない
が、例えばシールスペーサの側面に突起を設け、隣接す
るスペーサの突起の間を締付用のボルトで締結するなど
の方法が採用される。シールスペーサ３１はその奥行寸
法ｄ、が貫通部３４または３５を固定するに必要な厚み
を有する額縁状に形成される。３８はシールスペーサ３
１の反シール層側の端面に密接するよう配されたマニホ
ールド蓋であり、その深さｄ、はシールスペーサ３１の
外側に張り出した配管部を収納する寸法に設定され、シ
ールスペーサ３１とマニホールド蓋３８との間の気密性
はマニホールド蓋３８のフランジ３８Ａに形成された溝
３８Ｃに介装されたＯＩＪング等のバンキング材３９に
よって保持される。シール圧力を発生するための締付構
造は、図示してないが、前述のシールスペーサと同様に
相隣接するマニホールド蓋間を締結することもできるし
、又フランジ３８Ａとスペーサ３１との間を締付用ボル
トにより締付けることもできる。

第３図は実施例装置における要部の拡大図であり、電池
積層体ｌ側のシール層ｌＯとマニホールド蓋３８のパッ
キング材３９を有するフランジ３８Ａとの間には断面が
方形の額縁状に形成されたシールスペーサ３１が設けら
れ、図示しない締付部材によりシール面に締付荷重が加
えられることにより、気密が保持される。またシールス
ペーサ３１に線膨張係数が炭素繊維等を主材とする燃料
電池および例えば弗素樹脂コーティングされた鉄材から
なるマニホールド蓋のそれの中間の大きさう有する材料
（例えばリソケル綱）などを用いることにより、熱膨張
収縮によってシール部に加わる熱応力が緩衝される。ま
た、シールスペーサ３１を気密に貫通する貫通部３４ま
たは３５としては、第３図にその一例を示すように、パ
イプ３６が貫通するフランジ３７を気密に溶接し、これ
をシールスペーサ３１に形成された孔を通してロックナ
ツト３７Ａで固定し、フランジ３７とシールスペーサ３
１との接触面をパッキング材３７Ａによってシールする
ことにより、マニホールドの気密を保持して電解液や冷
却液を給排することができる。また、接続管２０および
２３の接続作業はシールスペーサ３１に貫通部３４また
は３５を固定することにより、給排管１９および２２を
所定位置に支持できるので、マニホールド蓋３８を取除
いた広い空間を利用して容易に行うことができる。

このとき、シールスペーサ３１の奥行寸法ｄ１を貫通部
の取付けに必要な最小限寸法とすることにより、配管部
がシールスペーサ３１の外側に突出かつ露出するので接
続作業を著しく容易化できる。さらに、マニホールド蓋
３８が一体化されてシール部の数が一つ減るので、気密
性が向上するとともに、マニホールド蓋の構造が簡素化
されて小型かつ軽量化される。

第４図はこの発明の異なる実施例を示す積層面に沿った
方向の破砕断面図であり、シールスペーサ４１を配管の
貫通部３４または３５を含む部分で奥行寸法ｄ、を保持
するようマニホールドＭ４８側に例えば台形状に凸に、
マニホールド蓋４８を凹に形成するとともに、その他の
部分ではシールスペーサ４１の奥行寸法をシールに必要
な最小寸法ｄ０とするよう構成した点が前述の実施例と
異なっており、シールスペーサが配管の接続作業に及ぼ
す影響が一層低凍されて作業を効率よく行うことが可能
になるとともに、所望の線膨張係数を得るためにニッケ
ル鋼やアンバーなど高価な素材を用いることによるシー
ルスペーサのコスト上昇を軽量化によって抑えることが
できる。

第５図はこの発明の他の実施例装置を示す斜視断面図で
ある１図において、５１は冷却液給排側の中空シールス
ペーサであり、中空部５１Ａを包囲する方形断面を有す
る枠状に形成され、その一方の端面と燃料電池積層体１
側のシール［１０とが気密に結合されるとともに、他方
の端面にマニホールド蓋５８が気密に結合されることに
より酸化ガス給徘用のマニホールドが形成される。中空
シールスペーサ５１は枠状の内壁側に複数の接続金具５
２を備え、冷却液マニホールド２１の延長部分であるマ
ニホールド接続管５３を接続金具５２に直接連結するこ
とにより、口金５５を介して中空部５１Ａに供給される
冷却液を各冷却板１０４の冷却パイプ１８に分岐供給す
るとともに、燃料電池積層体１の反対側の側面に対称に
配された図示しない排出側の中空シールスペーサを介し
て冷却液が外部に排出される。

一方、６１は電解液供給側の中空シールスペーサであり
、電解液（例えばりん酸液）に対する耐食性に優れた弗
素樹脂または弗素樹脂コーティングされた金属材料で中
空部６１Ａを有する枠状に形成され、中空部６１Ａ内に
は電解液に対して親水性を有するカーボン繊維、フェノ
ール繊維等の電解液保持材６４が電解液の流通を妨げな
い程度に充填される。また、中空シールスペーサ６１の
内壁面には接続金具６２があらかじめ設けられ、各単位
電池１０１に電解液を補給するための電解液接続管２３
が接続金具６２にそれぞれ連結されることにより、電解
液が各単位電池に分岐供給される。

なお、接続金具６２と電解液接続管２３との接続。

または接続金具５２と冷却液マニホールド２１の接続管
５３との接続は、接続管がステンレス合金等の金属管で
ある場合には溶接性によって、接続管が弗素樹脂チュー
ブのような耐熱ホースである場合には噴込継手を用いて
、また熱収縮チューブである場合には接続金具をホース
口としてこれに熱収縮チューブを熱風で被着する方法で
行うことができる。

上迷のように構成された装置においては、冷却液側の中
空シールスペーサ５１の中空部５１Ａが第１図における
冷却液給排管１９の機能を兼ね、かつ接続管２０も接続
金具５２をあらかしめ設けることによって不要になるの
で、冷却配管接続部構造が大幅に簡素化され、これに伴
ってマニホールドの奥行も接続作業を■害することな（
短縮することができる。したがって、中空シールスペー
サの奥行ｄ。

は冷却液の給排に必要な中空シールスペーサ５１の中空
部の断面積で決まり、接続部構造が簡素化された分マニ
ホールド蓋５８の深さｄ、を短縮することができる。

一方電解液側の中空シールスペーサ６１はその中空部６
１＾が第１図における電解液給排管２２の機能を兼ねる
ので、冷却液給排側と同様な作用効果が得られるととも
に、中空部６１Ａが包蔵する電解液が各単位電池に常時
供給されることにより、各単位電池１０１　それぞれに
リザーバやボンドを設ける必要もなく、かつこれらに比
べて十分な量の電解液を長時間補給できるので、燃料電
池の長期連続運転が可能になる利点が得られる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、燃料電池積層体の側面を覆う
ようシール層を介して気密に形成されて反応ガスの給排
通路と冷却液、電解液の給排配管の収納スペースを兼ね
るマニホールドを、一方の端面がシール層に密着するよ
う配された額縁状に形成され前記給排配管の貫通部を有
するシールスペーサと、このシールスペーサの他方の端
面にパッキング材を介して気密に結合した深さを有する
一マニホールド蓋とで構成した。その結果、マニホール
ド蓋を外した状態で冷却液、電解液の給排配管の連結作
業を行うにあたって給徘配管のかなりの部分がシールス
ペーサの反電池側に突出して広い作業空間が確保される
とともに、シールスペーサに固定されたＭ連部により例
えば給排管を支持して位置決めした状態で接続管の溶接
作業が行えるので、連結作業能率を著しく向上できると
ともに、作業スペースを確保するためにマニホールド蓋
を枠体と蓋板とに分割する従来装置で問題となったシー
ル部の数の増大に基づくシール性能の低下やマニホール
ド蓋の大型化や加工費の増大などの欠点が排除され、小
形かつ簡素でシール性能に対する信鯨性が高く、かつ配
管連結作業が容易化されたマニホールドを有する燃料電
池を提供することができる。また、シールスペーサの線
膨張係数を電池積層体およびマニホールド蓋のそれの中
を 間の値に選んでシール面に作業する熱応力う緩衝しよう
とする場合、ニッケル鋼など高価な素材でシールスペー
サを形成したとしても、シールスペーサの奥行寸法は配
管の貫通部でこれを気密に支持できる寸法であればよく
、他の部分は小さな寸法とすることができるので、素材
の使用量は少なくてすみ、かつ配管の接続作業の効率化
やマニホールド蓋の構造簡素化や加工費の低減効果によ
ってコスト上昇を十分吸収できるので、経済性にも優れ
たマニホールドが得られる。

また、シールスペーサを中空に形成すれば、その中空部
に冷却液の給徘管または電解液の給排管の機能を兼ねさ
せることができ、マニホールド内に収納される配管接続
部構造およびその接続作業を一層闇単化できる利点が得
られ、配管接続作業が容易でマニホールドを小型化でき
、かつ各単位電池に十分な量の電解液を連続して供給で
きるマニホールドを備えた燃料電池を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明の実施例装置を示す斜視断面図、第２
図は実施例装置の積層面に平行な方向の一部破砕断面図
、第３図は実施例装置を示す要部面図、第６図は従来装
置を示す破砕断面図、第７図は従来装置の要部の拡大断
面図である。 １：燃料電池積層体、２，３，４，５　：マニホールド
、６：枠体、７：蓋板、８，３８．４８，５８　：マニ
ホールド蓋、ｌＯ：シール層、１１，３１．４１　Ｆシ
ールスペーサ、６Ｂ、１２，３７８，３９　：パッキン
グ材、２５．３５　：貫通部、１９．２２　：給排管、
２０．２３，５３　：接続管、５１．６１：中空シール
スペーサ、５１Ａ、６１Ａ　　：中空部、５２．６２　
：接続金具、６４：電解液保持材、１８：冷却パイプ、
２１：冷却液マニホールド、１０１：単位電池、１０４
：冷却板、ｄ、ｄｏ：シールスペーサの奥行寸法、ｄ２
　：マニホールド蓋の深さ。 一部 、＼　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　区第３図 第６図 且 第７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）単位電池を柱状に積層した燃料電池積層体の側面に
   気密に取付けられて反応ガスを給排するマニホールドと
   、このマニホールドを貫通する配管を介して電解液およ
   び冷却液の給排が行われるものにおいて、前記側面の周
   縁部に施されたシール層と、このシール層に一方の端面
   が気密に接触するよう枠状に形成され前記配管の貫通部
   を有するシールスペーサと、このシールスペーサの反シ
   ール層側の端面にパッキング材を介して気密に結合した
   深さを有するマニホールド蓋とを備えたことを特徴とす
   る燃料電池のマニホールド。 ２）単位電池を柱状に積層した燃料電池積層体の側面に
   気密に取付けられて反応ガスを給排するマニホールドを
   備え、このマニホールドを介して電解液および冷却液の
   給排が行われるものにおいて、前記側面の周縁部に施さ
   れたシール層と、このシール層に一方の端面が気密に結
   合されかつ中空断面を有する枠状に形成されてその中空
   部が前記電解液または冷却液の給排通路を兼ねたシール
   スペーサと、このシールスペーサの反シール面側の端面
   にパッキング材を介して気密に結合したマニホールド蓋
   とを備えたことを特徴とする燃料電池のマニホールド。