JP2009158349A - 燃料電池スタック用配管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】流体主配管から分岐配管が分岐する分岐部を各スタックから等距離に配置できない場合であっても、各スタックへの流体の均一供給を可能にする燃料電池スタック用配管を提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１の第１および第２積層体１６，１８に対し、セル積層方向の同一側端部から流体を供給する配管１０を備える。配管１０は、主配管４０と、この主配管１０から分岐部４２を介して分岐し、第１積層体１６の流体供給口に接続される第１配管４４および第２積層体１８の流体供給口に接続される第２配管４６とを有する。第１配管４４は、第２配管４６よりも流路長が短く、かつ内部を流れる流体について圧力損失を生じさせる絞り部４４ａ，４４ｂが設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタック用配管に関し、特に、燃料電池スタックに燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体等の流体を供給するための配管に関する。

近年、環境に配慮した自動車として、駆動源としてエンジンとモータとを併用するハイブリッド自動車が普及しつつあり、また、モータだけを駆動源とする電気自動車や燃料電池自動車についても実用化に向けて研究開発が進められている。そのなかでも、燃料電池自動車は、燃料電池内における燃料ガスである例えば水素と酸化剤ガスである例えば酸素との電気化学反応によって取り出される電力でモータを駆動するものであり、上記電気化学反応によって生成されるのは水だけであることから究極のエコカーとして注目されている。

上記燃料電池は、通常、発電電圧が小さい燃料電池単セルを複数積層して直列接続したスタックをエンドプレートで積層方向両側から挟持して構成される。そして、エンドプレートに形成された供給口に接続される配管を介して、燃料ガスとしての水素、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気、および、上記電気化学反応に伴う発熱によって昇温する燃料電池セルを冷却するための冷却媒体、例えばＬＬＣ（Long Life Coolant）がスタックに供給される。

スタック内には、各燃料電池セルに燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体をそれぞれ供給するための各供給マニホールドと、各燃料電池セルから排出された燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体をスタック外へ排出するための各排出マニホールドとが、セル積層方向に貫通して設けられている。

各燃料電池セルには、燃料ガス供給マニホードから水素が供給されるとともに、酸化剤ガス供給マニホールドから酸素を含む空気が供給され、これらの水素と酸素とが固体高分子電解質膜を介して電気化学反応することにより発電するとともに水が生成される。各燃料電池セルで発電された電力は、スタックの積層方向両端に設けられた集電板を介して取り出される。

各燃料電池セルから排出された廃水素ガスと反応生成水を含む廃空気とは、燃料ガス排出マニホールドおよび酸化剤ガス排出マニホールドを介してスタック外にそれぞれ排出される。また、冷却媒体供給マニホールドから各燃料電池セルに供給された冷却媒体は、燃料電池セルを通過する際に反応により生じる熱で昇温したセルを冷却した後、冷却媒体排出マニホールドを介してスタック外に排出される。

上記のような燃料電池スタックにおいて、同一構成を有する複数のスタックをセル積層方向が互いに平行になるように横並びで配置されている場合がある。例えば特許文献１には、４つのスタックをマトリックス位置に配設し、各２つのスタック間に設けた燃料給排部材を介して各スタックに燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体をそれぞれ供給するようにしたことで、各スタックについての燃料ガス等の供給経路および排出経路流体の分岐点の数、分岐点からの距離が全く同一となって、それぞれの流体の均一な分配が保証され、燃料電池の性能を向上することができることが記載されている。

特開２０００−１６４２３６号公報

しかしながら、同一構成の複数のスタックを並設した燃料電池スタックにおいて、流体主配管から分岐部で分岐させた分岐配管を介して各スタックへ流体を分配供給しようとするとき、燃料電池スタックが搭載される車両における搭載位置や他の車両構成要素との関係等の理由で、上記分岐部を各スタックの流体供給口から等距離に配置できない場合があり、その場合には各スタックへの流体供給が不均一になってしまうという課題がある。

そこで、本発明の目的は、流体主配管から分岐配管が分岐する分岐部を各スタックから等距離に配置できない場合であっても、各スタックへの流体の均一供給を可能にする燃料電池スタック用配管を提供することにある。

本発明に係る燃料電池スタック用配管は、複数の燃料電池セルを積層したスタックを挟持部材で挟持してそれぞれ構成される第１積層体および第２積層体を横並びで備える燃料電池スタックの各積層体に対し、セル積層方向の同一側端部からガスまたは液体である流体を供給する配管であって、主配管と、この主配管から分岐部を介して分岐し、第１積層体の流体供給口に接続される第１配管および第２積層体の流体供給口に接続される第２配管とを有し、第１配管は、第２配管よりも流路長が短く、かつ第１配管に内部を流れる流体について圧力損失を生じさせる圧力損失部が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池スタック用配管において、圧力損失部は、横断面積が第１配管の他の部分よりも小さい絞り部で構成されてもよい。

また、本発明に係る燃料電池スタック用配管において、第１配管は分断箇所を含んでおり、分断箇所は、配管材料よりも低剛性材料からなる筒状部材を介して接続されていてもよい。

本発明に係る燃料電池スタック用配管によれば、主配管から分岐部を介して分岐する第１および第２配管について、第１配管は第２配管よりも流路長が短く、かつ内部を流れる流体に圧力損失を生じさせる圧力損失部が設けられていることで、分岐部が各スタックの流体供給口から等距離に配置されていなくても、圧力損失部によって第１配管を流れる流体に圧力損失を生じさせることにより、各スタックの流体供給口に到達する際の圧力（すなわち流量）を均一にすることができ、その結果、各スタックへの流体の等分配が可能になり、各スタックの同一性能での発電動作を保証することができる。

また、第１配管に分断箇所を設け、この分断箇所を配管材料よりも低剛性材料からなる筒状部材を介して接続する構成とすれば、第１配管の端部にあるスタック接続部と第２配管の端部にあるスタック接続部との間の距離の製造寸法誤差を筒状部材による連結部で吸収または許容することができ、燃料電池スタック用配管の製造が容易になる。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施形態である燃料電池スタック用配管１０，１２，１４が接続されている燃料電池スタック１の平面図である。燃料電池スタック１の端部には、酸化剤ガスである酸素を含む空気を供給するための空気供給配管１０、燃料ガスである水素を供給するための水素供給配管１２、およびＬＬＣ等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給配管１４が接続されている。

燃料電池スタック１は、第１スタック１６および第２スタック１８を備える。第１スタック１６は、複数の燃料電池セル２０をその厚み方向に積層して構成されている。燃料電池セル２０は、固体高分子電解質膜をそれぞれ導電性と通気性がある燃料電極層および酸化電極層で挟み、さらに、冷却媒体が流れる冷媒流路を有するセパレータを燃料電極層および酸化電極層の少なくとも一方側に配置して構成される。第２スタック１８もまた、第１スタック１６と同一構成を有する。

第１スタック１６の内部には、矢印Ａで示すセル積層方向に沿って、水素供給マニホールド２２ａ、水素排出マニホールド２２ｂ、空気供給マニホールド２４ａ、空気排出マニホールド２４ｂ、冷媒供給マニホールド２６ａ、および、冷媒排出マニホールド２６ｂがそれぞれ貫通形成されている。なお、図１において、水素供給マニホールド２２ａと空気排出マニホールド２４ｂ、空気供給マニホールド２４ａと水素排出マニホールド２２ｂ、冷媒供給マニホールド２６ａと冷媒排出マニホールド２６ｂは、それぞれ横方向（図１の左右方向）にずらして描いてあるが、これは図示および理解を容易にするためであって、図１紙面の奥行き方向に離れて設けられるため、平面図では完全に重なる位置に形成されることができる。

第２スタック１８についても同様に、水素供給マニホールド２２ａ、水素排出マニホールド２２ｂ、空気供給マニホールド２４ａ、空気排出マニホールド２４ｂ、冷媒供給マニホールド２６ａ、および、冷媒排出マニホールド２６が形成されているが、供給と排出が第１スタック１６とは横方向で左右逆になっている。

第１スタック１６および第２スタック１８は、セル積層方向に沿って平行に所定間隔をおいて横並びで配置されており、各スタック１６，１８の両端がそれぞれ一対の集電板（挟持部材）２８ａ，２８ｂ、絶縁板（挟持部材）３０ａ，３０ｂ、および、エンドプレート（挟持部材）３２ａ，３２ｂによって挟持されている。エンドプレート３２ａ，３２ｂは、図示しない帯状部材からなるテンションプレートで連結されており、これにより各スタック１６，１８を挟持する保持力が付与されている。

なお、本実施形態における第１スタック１６とこれを挟持する各一対の集電板２８ａ，２８ｂ、絶縁板３０ａ，３０ｂおよびエンドプレート３２ａ，３２ｂとが本願発明における第１積層体を構成し、本実施形態における第２スタック１８とこれを挟持する各一対の集電板２８ａ，２８ｂ、絶縁板３０ａ，３０ｂおよびエンドプレート３２ａ，３２ｂとが本願発明における第２積層体を構成する。本実施形態では、絶縁板３０ａ，３０ｂおよびエンドプレート３２ａ，３２ｂは第１スタック１６および第２スタック１８で共通の一体部材で構成されるが、これに限定されるものではなく、絶縁板およびエンドプレートが第１スタック１６と第２スタック１８とで別体をなすよう構成されてもよい。

各一方の集電板２８ａ、絶縁板３０ａおよびエンドプレート３２ａには、第１および第２スタック１６，１８の各マニホールド２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂの一部を構成する貫通穴がそれぞれ形成されており、各マニホールド２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂの端部がエンドプレート３２ａの外側端面に開口形成されている。

図２は空気供給配管１０の側面図、図３は図２における空気供給配管１０の分岐管近傍の部分断面図である。空気供給配管１０は、図示しない空気供給機から空気が供給される主配管４０と、主配管４０に接続されて二股に分岐する略Ｔ字状の分岐管（分岐部）４２と、分岐管４２に一端がそれぞれ接続される第１配管４４および第２配管４６とを含む。主配管４０、第１配管４４および第２配管４６はいずれも金属製パイプで形成され、図３に示すように分岐管４２に挿入された状態で溶接等により固定されている。

第１配管４４および第２配管４６の各他端には、２つの取付穴４８が形成されたフランジ５０が固定されており、取付穴４８に挿入されるボルトでフランジ５０をエンドプレート３２ａに締結固定することで空気供給配管１０が燃料電池スタック１に取り付けられる。これにより、第１配管４４の他端が第１スタック１６の空気供給マニホールド２４ａの端部に接続され、第２配管４６の他端が第２スタック１８の空気供給マニホールド２４ａの端部に接続される。

図２に示すように、第１配管４４は、分岐管４２の中心から水平方向で見た流路長Ｌ１が第２配管４６の流路長Ｌ２よりも短く設定されている。すなわち、分岐管４２が、第１スタック１６の空気供給マニホールド２４ａの開口端部と第２スタック１８の空気供給マニホールド２４ａの開口端部とに対して不等距離に位置している。また、第１配管４４に比べて長い第２配管４６は、エンドプレート３２ａに固定される支持部材５２によって支持されている。

分岐管４２は、金属板をプレス成型して製造される半割り形状の２つの部品を鉢合わせ状態で溶接等により接合して形成されている。このように分岐管４２をプレス成型品で構成することで、金属塊から切削加工で製造した場合によりも製造工数が少なく安価にできる。また、プレス成型で形成されることで、二股に分かれた分岐枝４３ａ，４３ｂを滑らかに湾曲して分岐する内面４３ｃとなるように形成できる。このように切削加工では製造不能であった滑らかな湾曲分岐流路とすることで、分岐管４２で分配される空気流についての圧力損失を低減できる。

図３に示すように、第１配管４４は、分断箇所５４を含んでおり、この分断箇所５４は、配管材料である金属材料よりも低剛性材料からなる筒状部材、例えばゴムホース５６を介して接続されている。このゴムホース５６は、ホース外周に設けられたホースクランプ５８，５８によって分断箇所５４の両側で第１配管４４に固定されている。このように第１配管４４に分断箇所５４を設け、この分断箇所５４をゴムホース５６で接続することにより、第１配管４４の端部にあるフランジ５０の取付穴４８と第２配管の端部にあるフランジ５０の取付穴４８との間の距離Ｌ３の製造寸法誤差をゴムホース５６による連結部で吸収または許容することができ、燃料電池スタック用配管１０の製造が容易になる。

第１配管４４の分断箇所５４に臨む各配管端部４４ａ，４４ｂは、第１配管４４の他の部分よりも横断面積が小さくした絞り部として形成されている。この絞り部によって、第１スタック１６へ向けて配管内を流れる空気に圧力損失を生じさせる圧力損失部として機能する。

なお、上記水素供給配管１２および冷却媒体供給配管１４もまた、空気供給配管１０と同一構成を有しており、水素供給配管１２は空気供給配管１０と左右逆にした状態で燃料電池スタック１に対して取り付けられる。

このように、本実施形態の燃料電池スタック用配管１０，１２，１４によれば、第１配管４４は第２配管４６よりも流路長が短く、かつ内部を流れる空気に圧力損失を生じさせる圧力損失部が設けられていることで、分岐部４２が各スタック１６，１８の各供給マニホールド２２ａ，２４ａ，２６ａの供給入口から等距離に配置されていなくても、圧力損失部によって第１配管４４を流れる空気、水素、冷却媒体等の流体に圧力損失を生じさせることにより、各スタック１６，１８の流体供給入口に到達する際の圧力（すなわち流量）を均一にすることができ、その結果、各スタック１６，１８への流体の等分配が可能になり、各スタック１６，１８の同一性能での発電動作を保証することができる。

なお、上記実施形態では、第１配管４４の圧力損失部を配管端部の絞り部として構成したが、本発明の圧力損失部はこれに限定されずに他の形態のものであってもよく、例えば図４に示すように、第１配管４４の分断箇所５４においてゴムホース５６の内周面からホース中心軸方向に突出する凸部で絞り部が構成されてもよい。あるいは、図示しないが、第１配管４４の一部分を若干潰すように変形させて絞り部を形成してもよいし、第１配管４４を流路方向に湾曲形状に構成して第２配管４６よりも大きな圧力損失を生じさせるようにしてもよい。

次に、図５〜７を参照して、冷却媒体供給配管の固定構造について説明する。図５は、燃料電池スタック１を含む燃料電池システム２の部分側面図である。上述したように、燃料電池スタック１には、空気供給配管１０の第２配管４６を介して空気が第２スタック１８に供給され、冷却媒体供給配管１４の第２配管４６を介して冷却媒体が第２スタック１８に供給されるようになっている。

この実施形態では、冷却媒体用第２配管４６から分岐した第１バイパス配管６２が設けられている。第１バイパス配管６２は、排気排水弁６４に接続されている。冷却媒体用第２配管４６から第１倍パス配管６２に分流した冷却媒体は、排気排水弁６４内を流れることで、排気排水弁６４を冷却する。排気排水弁６４から排出された冷却媒体は、第２バイパス配管６６を介して冷却媒体用第２配管４６内を流れる冷却媒体に合流するようになっている。

燃料電池システム２は、燃料電池スタック１の水素排出マニホールド２２ｂから排出された廃水素に含まれる水素と反応生成水とを分離する気液分離器６８を備える。気液分離器６８で分離された水は、排気排水弁を介してシステム外に排出される。一方、気液分離器６８で分離された水素は、未だ高濃度にある水素を再利用するため排気排水弁６４を介して水素供給配管１２へ送られる。

気液分離器６８の外面には、板状部材からなり、比較的狭い入口開口部７２と、この入口開口部７２につながってこの入口開口部７２から拡張された円形開口部７４とを含むクランプ部７０が固定または一体形成されている。第１バイパス配管６２は、入口開口部７２を介して円形開口部７４内に嵌め込まれることによってクランプ部７０で支持されている。これにより、内部を流れる冷却媒体の脈動等によって第１バイパス配管６２が振動するのを防止できる。なお、クランプ部７０は、気液分離器６８以下の他の車両構成要素に固定されてもよい。

第１バイパス配管６２は、比較的硬いゴムホースが用いられることが多いため、クランプ部７０内に押し込むときにホースが変形しにくく、ホース外面が傷つくおそれがある。また、気液分離器６８の振動がクランプ部７０に伝播することで、クランプ部７０の円形開口部７４の縁部と第１バイバス配管６２の外周面とが上記振動によって擦れて、やはりホース外面が傷つくおそれがある。

そこで、クランプ部７０に嵌め込まれる位置に対応する第１バイパス配管６２の外周部に、図６，７に示すように、例えばスポンジゴム等からある円筒状の弾性部材７６を外装するとともに、この弾性部材７６の外周を耐摩擦部材７８で被覆してある。この耐摩擦部材７８は、例えばナイロン等の化学繊維を編みこんで構成されるネットプロテクタまたはフレックスガードで構成され、耐摩擦性に優れている。

このような弾性部材７６および耐摩擦部材７８で第１バイパス配管６２を被覆保護することで、第１バイパス配管６２をクランプ部７０に押し込むとき、入口開口部７２を通過する際に弾性部材７６がつぶれ変形することによりクランプ部７０内の円形開口部７４への嵌め込みが容易になるとともに、耐摩擦部材７８によってクランプ挿入時の入口開口部７２との擦れやクランプ部７０の振動によって第１バイパス配管６２の外周部が損傷するのを防止できる。

なお、上述した実施形態では、流体の供給と排出をセル積層方向の同一側端部から行う例について説明したが、本発明に係る燃料電池スタック用配管は、流体の供給と排出とをセル積層方向における異なる端部で行うタイプの燃料電池スタックにも適用可能である。

流体の供給および排出を概略的に示す燃料電池スタックの平面図である。 流体供給配管の側面図である。 流体供給配管の分岐配管近傍の部分断面図である。 図３の第１配管の分断箇所の変形例を示す部分拡大断面図である。 燃料電池システムの部分側面図である。 第１バイバス配管の側面図である。 第１バイパス配管を被覆保護する弾性部材および耐摩擦部材の断面を示す、図６のＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック、２ 燃料電池システム、１０ 空気供給配管、１２ 水素供給配管、１４ 冷却媒体供給配管、１６ 第１スタック、１８ 第２スタック、２０ 燃料電池セル、２２ａ 水素供給マニホールド、２２ｂ 水素排出マニホールド、２４ａ 空気供給マニホールド、２４ｂ 空気排出マニホールド、２６ａ 冷媒供給マニホールド、２６ｂ 冷媒排出マニホールド、２８ａ，２８ｂ 集電板、３０ａ，３０ｂ 絶縁板、３２ａ，３２ｂ エンドプレート、４０ 主配管、４２ 分岐管、４３ａ，４３ｂ 分岐枝、４３ｃ 内面、４４ 第１配管、４４ａ，４４ｂ 第１配管の分断箇所における配管端部、４６ 第２配管、４８ 取付穴、５０ フランジ、５２ 支持部材、５４ 分断箇所、５６ ゴムホース、５８ ホースクランプ、６２ 第１バイパス配管、６４ 排気排水弁、６６ 第２バイパス配管、６８ 気液分離器、７０ クランプ部、７２ 入口開口部、７４ 円形開口部、７６ 弾性部材、７８ 耐摩擦部材。Ｌ１，Ｌ２ 流路長、Ｌ３ 距離。

Claims (3)

1. 複数の燃料電池セルを積層したスタックを挟持部材で挟持してそれぞれ構成される第１積層体および第２積層体を横並びで備える燃料電池スタックの前記各積層体に対し、セル積層方向の同一側端部からガスまたは液体である流体を供給する配管であって、主配管と、この主配管から分岐部を介して分岐し、第１積層体の流体供給口に接続される第１配管および第２積層体の流体供給口に接続される第２配管とを有し、第１配管は、第２配管よりも流路長が短く、かつ第１配管に内部を流れる流体について圧力損失を生じさせる圧力損失部が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック用配管。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタック用配管において、
   前記圧力損失部は、横断面積が第１配管の他の部分よりも小さい絞り部で構成されていることを特徴とする燃料電池スタック用配管。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタック用配管において、
   第１配管は分断箇所を含んでおり、前記分断箇所は、配管材料よりも低剛性材料からなる筒状部材を介して接続されていることを特徴とする燃料電池スタック用配管。

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