WO2014156152A1 - 燃料電池スタック - Google Patents

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opening
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manifold
groove
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曜子 山本
光生 吉村
良文 田口
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Panasonic Corp
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    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • This disclosure relates to a manifold piping structure of a fuel cell stack.
  • the fuel cell generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas such as air containing oxygen. Therefore, fuel cells can be classified into various types according to the fuel used and the constituent materials. One of them is a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane.
  • the fuel cell stack is provided with a supply port and a discharge port for fuel gas, oxidant gas, and cooling fluid on the end face.
  • These supply ports / discharge ports are connected to piping for sending fuel gas and oxidant gas from the outside to the unit cell and piping for flowing a cooling fluid for recovering the generated heat.
  • These pipes are integrally formed as manifold pipes.
  • Patent Document 1 proposes a manifold piping structure in which three pipes are integrated to improve sealing performance.
  • FIG. 8 shows a partially exploded view of the fuel cell stack 91 having the manifold piping structure described in Patent Document 1.
  • the manifold structure includes a plurality of pipes 92 and a plate-like member 93 made of resin or metal having higher strength than the pipes 92, and the pipes 92 and the plate-like members 93 are integrally formed of resin or the like. This is fixed to the end plate 94 with bolts 95. The sealing member is securely held by the reinforcing member 96 fitted into the end plate 94 and the high-strength plate member 93.
  • the plate-like member is integrated and continuous in each pipe in order to ensure the sealing performance, and there is no contrivance in the heat insulation performance that insulates the fluid flowing in the adjacent pipes. It will never be done.
  • the present disclosure solves the above-described conventional problems, and aims to improve heat insulation between fluids flowing in adjacent pipes in a fuel cell stack including a manifold pipe integrated by connecting a plurality of pipes.
  • the fuel cell stack of the present disclosure has the following characteristics.
  • a plurality of single cells are stacked, and have a first flow path and a second flow path that communicate with each other in the stacking direction of the single cells and that are open at least on one end surface in the stacking direction.
  • a manifold pipe connected to the opening of the first flow path and the opening of the second flow path, and the manifold pipe is connected to the opening of the first flow path via a seal member.
  • the pipe for connection, the second connection pipe connected to the opening of the second flow path via the seal member, the first connection pipe and the second connection pipe are connected and arranged on the end face of the cell stack.
  • a seal contact surface with which the seal member contacts is provided around each of the first connection pipe and the second connection pipe on the first surface of the plate member on the cell stack side.
  • Seal around the first connection pipe A groove or a first surface and a second surface are formed on the first surface of the plate member or the second surface on the back surface side of the first surface between the surface and the seal contact surface around the second connection pipe.
  • a fuel cell stack is provided in which an opening therethrough is formed.
  • FIG. 3 is an exploded view of a unit cell in the fuel cell stack according to the first embodiment.
  • the perspective view which looked at the manifold piping in the fuel cell stack of Embodiment 1 from the piping side The perspective view which looked at the manifold piping in the fuel cell stack of Embodiment 1 from the bottom face side
  • (c) Bottom view of manifold piping The perspective view which looked at the manifold piping which showed the other example of the opening part in the manifold piping of the fuel cell stack of Embodiment 1 from the front side
  • Partially exploded perspective view of a fuel cell stack according to Embodiment 2 of the present disclosure Partially exploded view of a fuel cell stack having a conventional manifold piping structure described in Patent Document 1
  • a plurality of single cells are stacked, and have a first flow path and a second flow path that communicate with each other in the stacking direction of the single cells and that are opened at least on one end face in the stacking direction.
  • a manifold pipe connected to the opening of the first flow path and the opening of the second flow path, and the manifold pipe is connected to the opening of the first flow path via a seal member.
  • the pipe for connection, the second connection pipe connected to the opening of the second flow path via the seal member, the first connection pipe and the second connection pipe are connected and arranged on the end face of the cell stack.
  • a seal contact surface with which the seal member contacts is provided around each of the first connection pipe and the second connection pipe on the first surface of the plate member on the cell stack side.
  • Seal around the first connection pipe A groove or a first surface and a second surface are formed on the first surface of the plate member or the second surface on the back surface side of the first surface between the surface and the seal contact surface around the second connection pipe.
  • a fuel cell stack is provided in which an opening therethrough is formed.
  • the groove portion is formed on the first surface or the second surface of the plate-like member so as to extend from one end edge to the other end edge.
  • a fuel cell stack is provided.
  • the fuel cell stack according to the first or second aspect wherein a groove and an opening are formed in the plate-like member, and the opening is connected to the groove.
  • the fuel cell stack according to the third aspect is provided, in which the opening has a long hole shape along the formation direction of the groove.
  • the fuel cell stack according to any one of the first to fourth aspects, wherein a groove is formed on the first surface on the cell stack side in the plate-like member.
  • the fuel cell stack according to any one of the first to fifth aspects, wherein a width at the opening edge of the groove is larger than a width at the bottom surface.
  • the fuel cell stack according to any one of the first to sixth aspects, wherein the manifold pipe is formed of an insulating resin material.
  • FIG. 1 is a partially exploded perspective view of a fuel cell stack 1 according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • the fuel cell stack 1 includes a manifold pipe 11 disposed on one side of the cell stack 10, a current collector plate 12 and an end plate 4 stacked on both sides of the cell stack 10, and bolts and nuts. (Not shown) to be configured.
  • the fastening method may be other than bolt fastening such as belt fastening.
  • the cell stack 10 is formed by stacking the unit cells 13 in about 2 to 200 stages according to the required output.
  • FIG. 2 shows an exploded view of the unit cell 13.
  • the cell 13 includes an MEA (electrode electrolyte membrane assembly) 14 and a separator 16 provided with a gas seal 15.
  • the gas seal 15 and the separator 16 may be separate.
  • the MEA 14 is formed by providing a catalyst layer on both sides of the polymer electrolyte membrane and overlapping a gas diffusion layer on the outside thereof (not shown).
  • the polymer electrolyte membrane is composed of a cation exchange resin that selectively transports hydrogen ions
  • the catalyst layer is composed mainly of carbon powder supporting a metal having a catalytic function such as platinum. Yes.
  • the gas diffusion layer has a function of having both the breathability of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) and the conductivity of electrons.
  • the catalyst and the gas diffusion layer may be described as electrodes.
  • the separator 16 of the unit cell 13 is disposed outside the MEA 14, and a flow path 17 is formed on both surfaces thereof.
  • a flow path 17 formed on the inner surface (MEA 14 side) of the separator 16 is a flow path 17 for supplying a reaction gas to the catalyst layer, and a flow path (not shown) formed on the outer surface is a cooling fluid (for example, a cooling fluid).
  • a cooling fluid for example, a cooling fluid
  • This is a flow path for flowing water between the cells 13.
  • the heat generated by the MEA 14 can be used as thermal energy by recovering with cooling water.
  • the separator 16 has conductivity and electrically connects adjacent MEAs 14 to each other in series.
  • the upstream end of the reactive gas flow path 17 and the cooling water flow path formed in the separator 16 are connected to the supply port 18 and the downstream end is connected to the discharge port 19. Further, manifold holes (holes provided in the MEA) 20 are provided at the peripheral edge of the MEA 14 so as to correspond to the supply port 18 and the discharge port 19 of the separator. Therefore, when the cell stack 10 is assembled by laminating the unit cells 13 including the separator 16 and the MEA 14, the supply port 18 and the discharge port 19 of each separator 16 and the manifold hole (hole portion provided in the MEA) 20 of the MEA 14 are mutually connected. Connect and communicate.
  • a fluid manifold such as a reaction gas or cooling water, that is, a communication channel in the stacking direction of the unit cells 13 and a channel that communicates with a fluid channel in each unit cell is formed.
  • these reaction gas and cooling water manifolds are examples of the first flow path and the second flow path.
  • the gas seal 15 of the unit cell 13 is disposed on the separator 16 so as to surround the electrode, the outer periphery of the supply port 18 and the discharge port 19.
  • the gas seal 15 prevents the fuel gas and the oxidant gas from leaking out or mixing different gases.
  • the cell stack 10 includes two reaction gas supply manifolds 21, two reaction gas discharge manifolds 22, one coolant supply manifold 21, and one coolant discharge manifold. 22 are formed in the stacking direction of the unit cells 13.
  • One end of two reaction gas supply manifolds 21 constitutes two reaction gas supply ports 18, and two reaction gas discharge manifolds 22 constitute two reaction gas discharge ports 19.
  • One end of the cooling water supply manifold 21 constitutes the cooling water supply port 18, and one end of the cooling water discharge manifold 22 constitutes the cooling water discharge port 19.
  • One end face of the end face of the cell stack 10 (the outer face of the separator 16 in the unit cell 13 located on the outermost side) has two reaction gas supply ports 18 for supplying the reaction gas, and two reaction gas discharge outlets.
  • a reaction gas outlet 19 is formed.
  • each of the supply port 18 and the discharge port 19 opened on the end face of the cell stack 10 is an example of the opening of the first flow path and the second flow path.
  • current collecting plates 12 for obtaining good electrical contact between the cell stack 10 and an external circuit are disposed between the cell stack 10 and the end plate 4 on both outer sides of the cell stack 10. .
  • the current collector plate 12 is accommodated in the end plate 4 at a position that does not overlap with the positions of the reaction gas supply port 18 and the discharge port 19 and the coolant supply port 18 and the discharge port 19 provided in the cell stack 10. It is provided as follows.
  • the end plate 4 is disposed further outward from the current collecting plate 12 in order to sandwich and fix the cell stack 10 and the current collecting plate 12 from both sides via bolts (not shown) as fastening means. ing.
  • the end plate 4 is made of, for example, an insulating resin.
  • the bolt passes through the bolt hole 23 formed in the end plate 4 and is fastened with a nut (not shown) to fix the entire fuel cell stack 1. Therefore, the end plate 4 is required to have high rigidity and a certain thickness in order to firmly and uniformly hold the entire fuel cell stack 1 from both sides.
  • the end plate 4 is described as an example of a single member made of resin.
  • the end plate 4 is not limited thereto.
  • it may be composed of an insulating plate (insulating plate) arranged on the current collector plate 12 side and a strength holding plate (end plate) made of metal, for example, arranged on the outside thereof. May be integrated to form a laminated structure such as a two-layer structure.
  • the end plate 4 on the side connected to the external pipe is provided with a reaction gas supply port 18, a cooling water supply port 18, a reaction gas discharge port 19, and a cooling water discharge port 19 provided in the cell stack 10.
  • a circular through-hole 24 is provided at a corresponding position.
  • FIG. 3 is a perspective view of the manifold piping 11 as viewed from the front side.
  • FIG. 4 is a perspective view of the manifold piping 11 as viewed from the bottom surface side (the seal contact surface 25 side).
  • 5A, 5B, and 5C are drawings showing a top view (front view), a cross-sectional view, and a bottom view (back view) of the manifold pipe 11, respectively.
  • the manifold pipe 11 in the first embodiment is a plurality of pipes 2 (short) that are first and second connection pipes that can be connected to a fluid pipe outside the fuel cell stack 1. Tube) and a flange 26, which is a plate-like member that connects the respective pipes 2 into an integrated state.
  • the pipe 2 is three pipes of reaction gas and cooling water, and one end of each pipe 2 is joined to the flange 26.
  • the manifold pipe 11 is integrally formed by injection molding using, for example, resin. 3 to 5 exemplify cases where the respective pipes 2 are formed with the same size and the same shape, but the present invention is not limited thereto.
  • each pipe 2 may be deformed such as increasing the inner diameter according to the nature and flow rate of the fluid passing through the pipe 2.
  • manifold holes corresponding to the respective pipes 2 are formed on the first surface 26 a (surface on the cell stack 10 side) which is the bottom surface of the flange 26 of the manifold pipe 11. (That is, a hole in the pipe 2) 29 is provided to be opened.
  • seal contact surfaces (grooves) 25 are provided around each manifold hole 29 so as to surround the entire periphery of the manifold hole 29.
  • the gas seal 15 disposed on the outer periphery of the supply port 18 and the discharge port 19 on the end surface of the cell stack 10 is a groove.
  • the seal contact surface 25 is contacted. Thereby, the circumference
  • the first surface 26 a of the flange 26 extends between the holes of the adjacent pipes 2, that is, between the manifold holes 29 in a direction orthogonal to the arrangement direction of the pipes 2.
  • a groove is provided. This groove portion divides the surrounding area of one adjacent pipe 2 and the surrounding area of the other pipe 2 on the first surface 26a of the flange 26 (that is, divides so that the surface is not continuous).
  • the flange 26 is formed so as to be connected from one end edge to the other end edge. Therefore, in the first embodiment, this groove portion is referred to as a division portion 27. Further, each divided portion 27 is formed between the seal contact surfaces 25 around the adjacent pipes 2. Note that the groove-shaped dividing portion 27 of the first embodiment is opened at the edge of the flange 26.
  • An opening 28 that penetrates in the thickness direction from the first surface 26 a side of the flange 26 to the second surface 26 b (the back surface side of the first surface 26 a) side is formed on the inner bottom surface of the divided portion 27 (groove portion). Is formed.
  • This opening portion 28 is connected to the dividing portion 27, that is, communicated with the inner space of the groove in the dividing portion 27 and is also a part of the dividing portion 27, and has a long hole shape along the extending direction of the dividing portion 27. And is formed near the center in the extending direction.
  • the dividing portion 27 has a trapezoidal cross-sectional shape in which the width at the opening edge of the groove is larger than the width at the bottom surface.
  • the groove-shaped divided portion 27 is provided between the adjacent pipes 2, so that the surrounding area of one adjacent pipe 2 and the other The area around the pipe 2 can be divided. Therefore, it becomes possible to suppress heat transfer between the fluid flowing in one adjacent pipe 2 and the fluid flowing in the other pipe 2 in the vicinity of the surface on the first surface 26a side, and the heat insulation between the fluids is improved. Can be made. Such suppression of heat transfer between fluids is such that the first surface 26a is not continuous in the divided portion 27, and the cross-sectional area of the flange 26 in the heat transfer direction at the position where the divided portion 27 is provided. This can be realized by reducing the size.
  • the opening part 28 which penetrates the flange 26 in the thickness direction between the adjacent pipes 2 is further formed, heat transfer between the pipes 2 can be further suppressed.
  • the opening 28 is also opened on the second surface 26b side of the flange 26, heat transfer near the surface of the flange 26 on the second surface 26b side can be suppressed. Therefore, in the manifold piping 11, by providing the flange 26 with the opening 28 in addition to the dividing portion 27, heat transfer from each piping 2 to the other piping 2 can be further suppressed, and the heat insulation effect is improved. There is an effect.
  • the split portion 27 is provided on the flange 26, the flatness of the seal contact surface 25 can be increased. Since the first surface 26 a of the flange 26 is divided into three plane regions by the groove-shaped dividing portion 27, the area of each plane region is smaller than the area of the entire flange 26. Therefore, the flatness of each plane area can be increased as compared with the case where the entire flange 26 is formed as one plane area. Further, in the case where the flange 26 is formed by injection molding, since the groove-shaped divided portions 27 are provided, it is possible to reduce the influence of adjacent planar regions on each other, thereby increasing the flatness. Can do.
  • the flange 26 is easily deformed at the dividing portion 27, and the flatness at the time of assembling at each seal contact surface 25 is easily secured. Therefore, the sealing performance between the manifold pipe 11 and the cell stack 10 is improved.
  • FIG. 6 shows a manifold pipe 11 showing another example of an opening that penetrates the flange 26 in the thickness direction as a perspective view from the front side.
  • the opening 28 is provided at two positions on both ends of the flange 26, not at the center. If the groove-shaped divided portion 27 is formed on the first surface 26a side (the seal contact surface 25 side) of the flange 26 so that the adjacent pipes 2 are discontinuous, in this way, in the vicinity of the center. Alternatively, the opening 28 may be provided at both end edges. However, as shown in FIGS. 3 to 5, the effect of suppressing heat transfer can be further enhanced by providing the opening 28 so as to divide the route where the adjacent pipes 2 have the shortest distance.
  • FIG. 7 is a partially exploded perspective view of the fuel cell stack 51 according to the second embodiment of the present disclosure.
  • the fuel cell stack 51 is configured by stacking current collector plates 12, manifold pipes 11, and end plates 4 on both sides of the cell stack 10 and fastening them with bolts and nuts (not shown).
  • the fuel cell stack 1 supplies a reactive gas to one end surface (the front side in the figure) of the end surfaces of the cell stack 10 (the outer surface of the separator 16 in the outermost unit cell 13) 2
  • One reaction gas supply port and a cooling water supply port for supplying cooling water are formed.
  • the other end surface (the back side in the figure) of the end surface of the cell stack (the outer surface of the separator 16 in the outermost unit cell 13) has two reaction gas discharge ports for discharging the reaction gas, and cooling water.
  • a cooling water discharge port for discharging the water is formed.
  • reaction gas and cooling water which entered from the supply port of reaction gas and the supply port of cooling water flow through the inside or boundary of each unit cell, and are located on the opposite surface (illustration back side) of the cell stack 10. It is discharged from the reaction gas outlet and the cooling water outlet.
  • the current collector plate 12 is provided so as to be accommodated in the end plate 4 at a position that does not overlap the positions of the supply port and discharge port of the reaction gas and the supply port and discharge port of the cooling water provided in the cell stack. Yes.
  • end plates 4 on both sides have, for example, circular shapes at positions corresponding to the reaction gas supply port, the cooling water supply port, the reaction gas discharge port, and the cooling water discharge port provided in the cell stack 10.
  • a through hole 24 is provided.
  • reaction gas supply port 18 and the cooling water supply port 18 provided in the external piping and the cell stack 10 through the manifold piping 11.
  • the reaction gas outlet 19 and the cooling water outlet 19 are connected to each other.
  • a gas seal 15 is disposed around the reaction gas supply port 18, the cooling water supply port 18, the reaction gas discharge port 19, and the cooling water discharge port 19 of the cell stack 10. To be sealed.
  • the current collecting plate 12 and the end plate 4 can be configured in the same shape at both ends. The effect that the number can be reduced can be obtained.
  • the groove-shaped divided portion 27 formed in the flange 26 of the manifold pipe 11 extends in a direction orthogonal to the arrangement direction of the pipes 2 is described as an example. Not limited to. What is necessary is just to extend in the direction which cross
  • the opening 28 is formed on the inner bottom surface of the dividing portion 27
  • the dividing portion 27 and the opening 28 may be formed at different positions and not connected to each other. Even when only the groove-shaped divided portion 27 is provided and the opening portion 28 is not provided, the effect of suppressing heat transfer by the divided portion 27 can be obtained. Even if only the opening 28 is provided and the groove-shaped dividing portion 27 is not provided, the effect of suppressing heat transfer by the opening 28 can be obtained.
  • the opening 28 preferably has a long hole shape extending in a direction intersecting with the arrangement direction of the pipes 2.
  • the division part 27 may be provided on the second surface 26b side.
  • the division part 27 may be provided on the second surface 26b side.
  • seal contact surface 25 disposed so as to surround the circumference of the pipe 2 on the first surface 26a of the flange 26 is not limited to the groove-shaped form.
  • the seal contact surface may be any surface that the gas seal 15 contacts, and a planar contact region that is not a groove shape may be used as the seal contact surface.
  • the dividing portion 27 has a trapezoidal cross-sectional shape
  • various other cross-sectional shapes may be adopted.
  • the cross-sectional shape of the dividing portion 27 so that the width at the opening edge of the groove is larger than the width at the bottom surface, it is easy to perform die cutting when the flange 26 is formed by injection molding.
  • stress concentration can be prevented by making the inner surface of the groove
  • the cell stack 10 including the unit cell 13 and the end plate 4 is referred to as the cell stack 10.
  • the end face of the cell stack 10 may be the end face of the end plate 4.
  • a configuration in which the flange 26 of the manifold pipe 11 is disposed on the end surface of the cell stack 10, that is, the end surface of the end plate 4 may be adopted.
  • the fuel cell stack of the present disclosure can provide a pipe structure with a high heat insulating effect as well as improved assemblability and sealability by using manifold piping. Therefore, it is considered that this fuel cell is suitable for application to a household cogeneration system or an automobile fuel cell.

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Abstract

　燃料電池スタックにおいて、単電池の積層方向に連通しかつ端面にそれぞれ開口された第１流路および第２流路を有するセルスタックと、第１および第２流路の開口にそれぞれ接続されるマニホールド配管とを備え、マニホールド配管は、第１流路の開口に連通される第１接続用配管と、第２流路の開口に連通される第２接続用配管と、第１接続用配管と第２接続用配管とを連結するとともに、セルスタックの端面上に配置される板状部材とを備え、第１接続用配管の周囲のシール当接面と第２接続用配管の周囲のシール当接面との間において、板状部材の第１表面または第２表面に溝部、または開口部が形成されている。

Description

燃料電池スタック
　本開示は、燃料電池スタックのマニホールド配管構造に関するものである。
　燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する空気などの酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより電力と熱とを同時に発生させるものである。そのため、燃料電池は、使用される燃料や構成材料などによって様々な種類に分けることができる。そのひとつに、高分子電解質膜を用いた高分子電解質型燃料電池がある。
　燃料電池スタックには、端面に燃料ガスおよび酸化剤ガス、冷却流体用の供給口、排出口がそれぞれ設けられる。これらの供給口／排出口には、外部より燃料ガス、酸化剤ガスを単電池に送るための配管、および発生した熱を回収するための冷却流体を流すための配管が接続される。そして、これらの配管は、マニホールド配管として一体的に形成されている。
　従来のマニホールド配管構造としては、特許文献１に開示されるものが知られている。特許文献１では、３つの配管を一体にし、シール性を向上させたマニホールド配管構造が提案されている。
　図８は、特許文献１に記載のマニホールド配管構造を有する燃料電池スタック９１の一部分解図を示す。
　図８において、マニホールド構造は、複数の配管９２と、配管９２よりも高強度の樹脂または金属から成る板状部材９３とを備え、それぞれの配管９２と板状部材９３とを樹脂等で一体成形したものを端板９４にボルト９５で固定するものである。端板９４にはめ込んだ補強部材９６と高強度の板状部材９３とでシール性を確実に保持するというものである。
特許第４６５３９７８号公報
　しかしながら、上記従来の構成では、シール性を確実に保証するために板状部材は各配管で一体となって連続しており、隣接する配管に流れる流体間の断熱を行う断熱性能においてはなんら工夫されることはない。
　本開示は、前記従来の課題を解決するもので、複数の配管を連結して一体化されたマニホールド配管を備える燃料電池スタックにおいて、隣接する配管に流れる流体間の断熱性を向上させることを目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示の燃料電池スタックは、以下の特徴を有する。
　本開示の一の態様によれば、複数の単電池が積層され、単電池の積層方向に連通しかつ少なくとも積層方向の一方の端面にそれぞれ開口された第１流路および第２流路を有するセルスタックと、第１流路の開口および第２流路の開口に接続されるマニホールド配管と、を備え、マニホールド配管は、第１流路の開口にシール部材を介して接続される第１接続用配管と、第２流路の開口にシール部材を介して接続される第２接続用配管と、第１接続用配管と第２接続用配管とを連結するとともに、セルスタックの端面上に配置される板状部材とを備え、板状部材のセルスタック側の第１表面において、第１接続用配管および第２接続用配管の周囲それぞれに、シール部材が当接するシール当接面が設けられ、第１接続用配管の周囲のシール当接面と第２接続用配管の周囲のシール当接面との間において、板状部材の第１表面または第１表面の裏面側の第２表面に溝部、または第１表面と第２表面とを貫通する開口部が形成されている、燃料電池スタックを提供する。
　本開示によれば、燃料電池スタックが備える複数の配管を連結して一体化されたマニホールド配管において、隣接する配管に流れる流体間の断熱性を向上させることができる。
本開示の実施の形態１における燃料電池スタックの一部分解斜視図 実施の形態１の燃料電池スタックにおける単電池を分解した展開図 実施の形態１の燃料電池スタックにおけるマニホールド配管を配管側から見た斜視図 実施の形態１の燃料電池スタックにおけるマニホールド配管を底面側から見た斜視図 （ａ）実施の形態１の燃料電池スタックにおけるマニホールド配管の上面図、（ｂ）マニホールド配管の断面図、（ｃ）マニホールド配管の底面図 実施の形態１の燃料電池スタックのマニホールド配管における開口部の他の例を示したマニホールド配管を正面側から見た斜視図 本開示の実施の形態２における燃料電池スタックの一部分解斜視図 特許文献１に記載された従来のマニホールド配管構造を持つ燃料電池スタックの一部分解図
　本開示の第１態様によれば、複数の単電池が積層され、単電池の積層方向に連通しかつ少なくとも積層方向の一方の端面にそれぞれ開口された第１流路および第２流路を有するセルスタックと、第１流路の開口および第２流路の開口に接続されるマニホールド配管と、を備え、マニホールド配管は、第１流路の開口にシール部材を介して接続される第１接続用配管と、第２流路の開口にシール部材を介して接続される第２接続用配管と、第１接続用配管と第２接続用配管とを連結するとともに、セルスタックの端面上に配置される板状部材とを備え、板状部材のセルスタック側の第１表面において、第１接続用配管および第２接続用配管の周囲それぞれに、シール部材が当接するシール当接面が設けられ、第１接続用配管の周囲のシール当接面と第２接続用配管の周囲のシール当接面との間において、板状部材の第１表面または第１表面の裏面側の第２表面に溝部、または第１表面と第２表面とを貫通する開口部が形成されている、燃料電池スタックを提供する。
　本開示の第２態様によれば、板状部材の第１表面または第２表面において、一方の端縁から他方の端縁にまで延びるように溝部が形成されている、第１態様に記載の燃料電池スタックを提供する。
　本開示の第３態様によれば、板状部材において、溝部および開口部が形成され、開口部は溝部と接続されている、第１または第２態様に記載の燃料電池スタックを提供する。
　本開示の第４態様によれば、開口部は、溝部の形成方向に沿った長孔形状を有する、第３態様に記載の燃料電池スタックを提供する。
　本開示の第５態様によれば、板状部材において、セルスタック側の第１表面に溝部が形成されている、第１から第４態様のいずれか１つに記載の燃料電池スタックを提供する。
　本開示の第６態様によれば、溝部の開口端縁における幅は、底面における幅よりも大きい、第１から第５態様のいずれか１つに記載の燃料電池スタックを提供する。
　本開示の第７態様によれば、マニホールド配管は絶縁性樹脂材料で形成されている、第１から第６態様のいずれか１つに記載の燃料電池スタックを提供する。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本開示が限定されるものではない。
　（実施の形態１）
　図１は、本開示の実施の形態１における燃料電池スタック１の一部分解斜視図である。
　図１に示すように、燃料電池スタック１は、セルスタック１０の片側にマニホールド配管１１を配置し、セルスタック１０の両側に、集電板１２と、端板４とを積層し、ボルトとナット（図示せず）により締結されて構成される。
　ここで、締結方法は、ベルト締結などボルト締結以外でも構わない。このとき、セルスタック１０は、要求出力に応じて２～２００段程度に単電池１３を積層して形成される。
　図２は、単電池１３を分解した展開図を示したものである。
　図２に示す通り、単電池１３は、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）１４と、ガスシール１５を設けたセパレータ１６とを備える。ガスシール１５とセパレータ１６は別体でも構わない。そして、ＭＥＡ１４は、高分子電解質膜の両側に触媒層を設け、その外側にガス拡散層を重ねて形成されている（図示せず）。このとき、高分子電解質膜は、水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂で構成され、触媒層は、白金などの触媒機能を有する金属を担持させたカーボン粉末を主成分として構成されている。
　更に、ガス拡散層は、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の通気性と電子の伝導性とを併せ持つ機能を有している。触媒およびガス拡散層を電極と説明する場合もある。
　また、単電池１３のセパレータ１６は、ＭＥＡ１４の外側に配置され、その両面には流路１７が形成されている。そして、セパレータ１６の内面（ＭＥＡ１４側）に形成された流路１７は反応ガスを触媒層に供給する流路１７で、外面に形成された流路（図示せず）は冷却流体（例えば、冷却水）を単電池１３の間に流す流路である。このとき、ＭＥＡ１４で発生する熱を、冷却水で回収することによって、熱エネルギーとして利用することが可能となる。更に、セパレータ１６は導電性を有し、隣接するＭＥＡ１４を互いに電気的に直列に接続する。
　そして、セパレータ１６に形成された反応ガスの流路１７と冷却水の流路は、上流端が供給口１８に接続され、下流端が排出口１９に接続される。また、ＭＥＡ１４の周縁部には、セパレータの供給口１８および排出口１９に対応してマニホールド孔（ＭＥＡに設けられる孔部）２０が設けられている。そのため、セパレータ１６およびＭＥＡ１４からなる単電池１３を積層してセルスタック１０を組み立てると、各々のセパレータ１６の供給口１８および排出口１９とＭＥＡ１４のマニホールド孔（ＭＥＡに設けられる孔部）２０が互いに繋がって連通する。これにより、反応ガスや冷却水などの流体のマニホールド、すなわち単電池１３の積層方向に連通され、各単電池内の流体の流路と連通された流路が形成される。なお、本実施の形態１では、これら反応ガスや冷却水のマニホールドが、第１流路、第２流路の一例となっている。
　また、単電池１３のガスシール１５は、電極と供給口１８および排出口１９の外周を囲うようにセパレータ１６に配設されている。なお、ガスシール１５は、燃料ガスや酸化剤ガスが外にリークしたり、異なるガス同士が混合したりするのを防止するものである。
　図１に示す燃料電池スタック１において、セルスタック１０には、２つの反応ガスの供給マニホールド２１、２つの反応ガスの排出マニホールド２２、１つの冷却水の供給マニホールド２１および１つの冷却水の排出マニホールド２２が、単電池１３の積層方向に形成される。そして２つの反応ガスの供給マニホールド２１の一端が２つの反応ガスの供給口１８を構成し、２つの反応ガスの排出マニホールド２２が２つの反応ガスの排出口１９を構成する。また、冷却水の供給マニホールド２１の一端が冷却水の供給口１８を構成し、冷却水の排出マニホールド２２の一端が冷却水の排出口１９を構成する。
　セルスタック１０の端面（最も外側に位置する単電池１３におけるセパレータ１６の外面）のうち一方の端面には、反応ガスを供給する２つの反応ガスの供給口１８と、反応ガスを排出する２つの反応ガスの排出口１９が形成されている。
　更に、冷却水を供給する冷却水の供給口１８と、冷却水を排出する冷却水の排出口１９が形成されている。そして、反応ガスの供給口１８と冷却水の供給口１８とから入った反応ガスや冷却水は、各単電池１３の内部または境界を通流して、反応ガスの排出口１９と冷却水の排出口１９とから排出される。本実施の形態１では、セルスタック１０の端面に開口されたそれぞれの供給口１８、排出口１９が、第１流路、第２流路の開口の一例となっている。
　また、セルスタック１０と端板４との間には、セルスタック１０と外部回路との良好な電気的接触を得るための集電板１２が、セルスタック１０の両外側に配設されている。このとき、集電板１２は、セルスタック１０に設けられた反応ガスの供給口１８および排出口１９や冷却水の供給口１８および排出口１９の位置と重ならない位置で端板４内に収まるように設けられている。
　更に、端板４は締結手段であるボルト（図示せず）を介して、セルスタック１０と集電板１２を両側から狭持し固定するために集電板１２の更に外方に配設されている。なお、端板４は例えば絶縁性を有する樹脂などで構成されている。このとき、ボルトは、端板４に形成されたボルト孔２３を通し、ナット（図示せず）で締結することにより燃料電池スタック１の全体を固定する。そこで、端板４には、両側から燃料電池スタック１の全体をしっかりと均一に狭持するために、高い剛性が求められ、ある程度の厚みが必要となる。
　なお、端板４として、上述の説明では樹脂からなる単一の部材で構成した例で説明したが、これに限られない。例えば、集電板１２側に配置する絶縁性の板（絶縁板）と、その外側に配置する、例えば金属からなる強度保持用の板（端板）とで構成してもよく、また、それらを一体化して２層構造などの積層構成としてもよい。
　また、外部配管と接続する側の端板４には、セルスタック１０に設けられた反応ガスの供給口１８や冷却水の供給口１８および反応ガスの排出口１９や冷却水の排出口１９と対応する位置に、例えば円孔状の貫通孔２４が設けられている。
　そして、貫通孔２４に、複数の配管２が連結されたマニホールド配管１１をセルスタック１０側から挿入することにより、マニホールド配管１１を介して外部配管とセルスタック１０に設けられた反応ガスの供給口１８や冷却水の供給口１８および反応ガスの排出口１９や冷却水の排出口１９とを接続する構成となっている。セルスタック１０の反応ガスの供給口１８や冷却水の供給口１８および反応ガスの排出口１９や冷却水の排出口１９の外周囲には、ガスシール１５が配設される。マニホールド配管１１でガスシール１５を圧縮することによって、供給口１８や排出口１９とマニホールド配管１１との接続部分の周囲がシールされる。
　図３、図４、図５でマニホールド配管１１の構成を詳細に説明する。
　図３は、マニホールド配管１１を正面側から見た斜視図として示したものである。図４は、マニホールド配管１１を底面側（シール当接面２５側）から見た斜視図として示したものである。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、マニホールド配管１１の上面図（正面図）、断面図、底面図（裏面図）を示した図面である。
　図３から図５に示すように、本実施の形態１におけるマニホールド配管１１は、燃料電池スタック１外部の流体の配管と接続可能な第１および第２接続用配管である複数の配管２（短管）と、それぞれの配管２を連結させて一体的な状態とさせる板状部材であるフランジ２６とを備える。配管２は、反応ガス、冷却水の３つの配管であり、それぞれの配管２の一方の端縁がフランジ２６に接合されている。マニホールド配管１１は、例えば樹脂を用いて射出成形により一体的に形成される。なお、図３から図５では、それぞれの配管２が、同じサイズ、同じ形状にて形成される場合を例とするが、これに限られない。例えば、配管２を通過する流体の性質や流量に応じて、内径を大きくするなどの変形をそれぞれの配管２に施してもよい。
　図４および図５（ｂ）、（ｃ）に示す通り、マニホールド配管１１のフランジ２６の底面である第１表面２６ａ（セルスタック１０側の表面）には、それぞれの配管２に対応したマニホールド孔（すなわち、配管２の孔）２９が開口して設けられている。フランジ２６の第１表面２６ａにおいて、それぞれのマニホールド孔２９の周囲には、マニホールド孔２９の周囲全体を取り囲むようにシール当接面（溝）２５が設けられている。マニホールド配管１１のフランジ２６の第１表面２６ａがセルスタック１０の端面上に配置され状態にて、セルスタック１０の端面において供給口１８、排出口１９の外周囲に配置されたガスシール１５が溝状のシール当接面２５に当接する。これにより、それぞれの配管２と、供給口１８、排出口１９との接続部分の周囲がシールされる。
　また、図３から図５に示すように、フランジ２６の第１表面２６ａにおいて、隣接する配管２の孔、すなわちマニホールド孔２９の間には、配管２の配列方向と直交する方向に延在する溝部が設けられている。この溝部は、フランジ２６の第１表面２６ａにおいて、隣接する一方の配管２の周囲領域と、他方の配管２の周囲領域とを分割する（すなわち、表面が連続しないように分割する）ように、フランジ２６の一方の端縁から他方の端縁にまで繋がるように形成されている。そのため、本実施の形態１では、この溝部を分割部２７と称する。また、それぞれの分割部２７は、隣接する配管２の周囲のシール当接面２５の間に形成されている。なお、本実施の形態１の溝状の分割部２７は、フランジ２６の端縁において開放されている。
　また、分割部２７（溝部）における内底面には、フランジ２６の第１表面２６ａ側から第２表面２６ｂ（第１表面２６ａの裏面側の表面）側へと厚さ方向に貫通する開口部２８が形成されている。この開口部２８は、分割部２７と接続、すなわち、分割部２７における溝の内側空間と連通されて分割部２７の一部ともなっており、分割部２７の延在方向に沿った長孔形状を有し、延在方向のほぼ中央付近に形成されている。図５（ｂ）に示すように、分割部２７は、溝の開口端縁における幅が、底面における幅よりも大きい台形断面形状をしている。
　このように、マニホールド配管１１のフランジ２６の第１表面２６ａにおいて、隣接する配管２の間に溝状の分割部２７が設けられていることにより、隣接する一方の配管２の周囲領域と、他方の配管２の周囲領域とを分割することができる。そのため、隣接する一方の配管２を流れる流体と、他方の配管２を流れる流体との間の伝熱を第１表面２６ａ側の表面近傍において抑制することが可能となり、流体間の断熱性を向上させることができる。このような流体間の伝熱抑制は、分割部２７において第１表面２６ａが連続しないようにしていること、さらに、分割部２７が設けられている位置において、伝熱方向におけるフランジ２６の断面積を小さくできることにより実現される。
　また、隣接する配管２の間にフランジ２６を厚さ方向に貫通する開口部２８がさらに形成されていることにより、配管２の間の伝熱をさらに抑制できる。特に、開口部２８が、フランジ２６の第２表面２６ｂ側にも開口されていることにより、フランジ２６の第２表面２６ｂ側の表面近傍における伝熱を抑制できる。したがって、マニホールド配管１１において、フランジ２６に分割部２７に加えて開口部２８を設けることにより、それぞれの配管２から他の配管２への伝熱をさらに抑制することができ、断熱効果が向上するという効果がある。
　また、フランジ２６に分割部２７が設けられていることにより、シール当接面２５の平面度を高めることができる。フランジ２６の第１表面２６ａを溝状の分割部２７により３つの平面領域に分割しているため、個々の平面領域の面積がフランジ２６全体の面積に比して小さくなる。そのため、フランジ２６全体を１つの平面領域とするような場合に比して、個々の平面領域の平面度を高めることができる。また、フランジ２６を射出成形により形成するような場合では、溝状の分割部２７が設けられていることにより、隣接する平面領域同士が互いに影響し合うことを低減できるため、平面度を高めることができる。さらに、セルスタック１０にマニホールド配管１１を組み付ける際に、分割部２７においてフランジ２６を変形させやすくなり、それぞれのシール当接面２５における組み付け時の平面度が確保しやすくなる。よって、マニホールド配管１１とセルスタック１０との間におけるシール性が向上する。
　図６は、フランジ２６を厚さ方向に貫通する開口部の他の例を示したマニホールド配管１１を正面側からの斜視図として示したものである。図６に示すとおり、開口部２８は、フランジ２６の中央部ではなく両端縁に２箇所設けられている。フランジ２６の第１表面２６ａ側（シール当接面２５側）において、隣接する配管２の間が非連続となるように溝状の分割部２７が形成されていれば、このように中央付近ではなく両端縁に開口部２８が設けられるような場合であってもよい。ただし、図３から図５に示すように、隣接する配管２同士が最短距離となるルートを分割するように開口部２８を設けることにより、伝熱を抑制する効果をより高めることができる。
　（実施の形態２）
　以下に、本開示の実施の形態２における燃料電池スタック５１について、図７を用いて説明する。なお、実施の形態１の燃料電池スタック５１と同じ構成部材については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。
　図７は、本開示の実施の形態２における燃料電池スタック５１の一部分解斜視図である。燃料電池スタック５１は、セルスタック１０の両側に集電板１２と、マニホールド配管１１と、端板４とを積層し、ボルトとナット（図示せず）により締結されて構成される。
　実施の形態２における燃料電池スタック１は、セルスタック１０の端面（最も外側に位置する単電池１３におけるセパレータ１６の外面）のうち一方の端面（図示手前側）には、反応ガスを供給する２つの反応ガスの供給口と、冷却水を供給する冷却水の供給口が形成されている。
　また、セルスタックの端面（最も外側に位置する単電池１３におけるセパレータ１６の外面）のもう一方の端面（図示奥側）には、反応ガスを排出する２つの反応ガスの排出口と、冷却水を排出する冷却水の排出口が形成されている。
　そして、反応ガスの供給口と冷却水の供給口とから入った反応ガスや冷却水は、各単電池の内部または境界を通流して、セルスタック１０の反対面（図示奥側）に位置する反応ガスの排出口と冷却水の排出口とから排出される。
　また、セルスタック１０と端板４との間には、セルスタック１０と外部回路との良好な電気的接触を得るための集電板１２が、セルスタック１０の両端面に配設されている。このとき、集電板１２は、セルスタックに設けられた反応ガスの供給口および排出口や冷却水の供給口および排出口の位置と重ならない位置で端板４内に収まるように設けられている。
　また、両側の端板４には、セルスタック１０に設けられた反応ガスの供給口や冷却水の供給口および反応ガスの排出口や冷却水の排出口と対応する位置に、例えば円状の貫通孔２４が設けられている。
　そして、貫通孔２４に、マニホールド配管１１をセルスタック１０側から挿入することにより、マニホールド配管１１を介して外部配管とセルスタック１０に設けられた反応ガスの供給口１８や冷却水の供給口１８および反応ガスの排出口１９や冷却水の排出口１９とを接続する構成となっている。セルスタック１０の反応ガスの供給口１８や冷却水の供給口１８および反応ガスの排出口１９や冷却水の排出口１９の外周囲には、ガスシール１５が配設され、マニホールド配管１１で圧縮することによってシールされる。
　本実施の形態２の燃料電池スタック５１のように、セルスタック１０の両側にマニホールド配管１１を配置することにより、集電板１２、端板４が両端で同じ形状で構成することができ、部品数を削減できるという効果を得ることができる。
　上述の実施の形態では、マニホールド配管１１のフランジ２６に形成された溝状の分割部２７が、配管２の配列方向と直交する方向に延在する場合を例としたが、このような場合のみに限られない。配管２の配列方向と交差する方向に延在していればよく、配列方向と直交する方向に対して傾斜した方向に分割部が延在してもよい。
　また、分割部２７の内底面に開口部２８が形成される場合を例としたが、分割部２７と開口部２８とが異なる位置に形成され、互いに接続されていない場合であってもよい。なお、溝状の分割部２７のみが設けられ、開口部２８が設けられないような場合であっても、分割部２７による伝熱抑制の効果を得ることができる。また、開口部２８のみが設けられ、溝状の分割部２７が設けられないような場合であっても、開口部２８による伝熱抑制の効果を得ることができる。開口部２８のみが設けられる場合、開口部２８は、配管２の配列方向と交差する方向に延在する長孔形状とすることが好ましい。
　また、分割部２７がフランジ２６の第１表面２６ａ側に設けられる場合を例としたが、第２表面２６ｂ側に分割部２７が設けられる場合であってもよい。マニホールド配管１１のフランジ２６の第２表面２６ｂにおいて、隣接する配管２の間に溝状の分割部２７を設けることにより、隣接する一方の配管２の周囲領域と、他方の配管２の周囲領域とを分割することができ、伝熱を抑制できる。すなわち、隣接する一方の配管２の周囲のシール当接面２５と、他方の配管２の周囲のシール当接面２５との間において、フランジ２６の第１表面２６ａまたは第２表面２６ｂに溝状の分割部２７が形成されていれば、伝熱抑制の効果を得ることができる。
　また、フランジ２６の第１表面２６ａにおいて、配管２の周囲を囲むように配置されるシール当接面２５は溝状の形態のみに限られない。シール当接面はガスシール１５が当接する面であればよく、溝状ではない平面状の当接領域をシール当接面としてもよい。
　また、分割部２７が台形断面形状を有している場合を例としたが、その他様々な断面形状を採用してもよい。例えば、分割部２７の断面形状を、溝の開口端縁における幅が底面における幅よりも大きい形状とすることにより、フランジ２６を射出成形にて形成する場合に型抜きがしやすくなる。また、分割部２７の溝の内表面がエッジ部分を有さないようにする（例えば、湾曲面とする等）ことで、応力集中を防ぐことができる。
　また、セルスタック１０の端面が、積層された単電池１３のうちの最も外側の単電池１３の端面である場合を例として説明したが、単電池１３および端板４を含めてセルスタック１０として、セルスタック１０の端面が端板４の端面であるとする場合であってもよい。このような構成において、セルスタック１０の端面、すなわち、端板４の端面にマニホールド配管１１のフランジ２６を配置するような構成を採用してもよい。
　なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
　本開示は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本開示の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
　本開示の燃料電池スタックは、マニホールド配管を用いて組立性と共にシール性が向上するだけでなく、断熱効果の高い配管構造を提供できる。したがって、この燃料電池は家庭用コージェネレーションシステムや自動車用燃料電池への応用が好適であると考えられる。
　１　燃料電池スタック
　２　配管
　３　板状部材
　４　端板
　５　ボルト
　６　補強部材
　１０　セルスタック
　１１　マニホールド配管
　１２　集電板
　１３　単電池
　１４　ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）
　１５　ガスシール
　１６　セパレータ
　１７　流路
　１８　供給口
　１９　排出口
　２０　マニホールド孔（ＭＥＡに設けられる孔部）
　２１　供給マニホールド
　２２　排出マニホールド
　２３　ボルト孔
　２４　貫通孔
　２５　シール当接面
　２６　フランジ
　２７　分割部（溝部）
　２８　開口部
　２９　マニホールド孔（配管に設けられる孔部）

Claims (7)

  1. 　複数の単電池が積層され、単電池の積層方向に連通しかつ少なくとも積層方向の一方の端面にそれぞれ開口された第１流路および第２流路を有するセルスタックと、
    　第１流路の開口および第２流路の開口に接続されるマニホールド配管と、を備え、
    　マニホールド配管は、
    　　　第１流路の開口にシール部材を介して接続される第１接続用配管と、
    　　　第２流路の開口にシール部材を介して接続される第２接続用配管と、
    　　　第１接続用配管と第２接続用配管とを連結するとともに、セルスタックの端面上に配置される板状部材とを備え、
    　板状部材のセルスタック側の第１表面において、第１接続用配管および第２接続用配管の周囲それぞれに、シール部材が当接するシール当接面が設けられ、
    　第１接続用配管の周囲のシール当接面と第２接続用配管の周囲のシール当接面との間において、板状部材の第１表面または第１表面の裏面側の第２表面に溝部、または第１表面と第２表面とを貫通する開口部が形成されている、燃料電池スタック。
  2. 　板状部材の第１表面または第２表面において、一方の端縁から他方の端縁にまで延びるように溝部が形成されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  3. 　板状部材において、溝部および開口部が形成され、開口部は溝部と接続されている、請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
  4. 　開口部は、溝部の形成方向に沿った長孔形状を有する、請求項３に記載の燃料電池スタック。
  5. 　板状部材において、セルスタック側の第１表面に溝部が形成されている、請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
  6. 　溝部の開口端縁における幅は、底面における幅よりも大きい、請求項１から５のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
  7. 　マニホールド配管は絶縁性樹脂材料で形成されている、請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料電池スタック。
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