JP2005071959A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】外部マニホールドのシール性を向上することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】スタック１と、スタック１の側面に配置され、燃料電池セルに反応ガスまたは冷媒または加湿水の少なくとも一つを分配または回収する外部マニホールド２を備える。また、スタック１および外部マニホールドの外周に巻装することにより、スタック１に外部マニホールド２を固定し、かつ、外部マニホールド２のシール面圧を発生させるワイヤ３を備える。さらに、外部マニホールド２の端部５近傍にリブ６を備える。シール面圧の作用方向（矢印Ｄ）の、リブ６の頂点６ｂを通る軸８に対して、略対称なリブ６の両斜面にワイヤ３が接触するように、ワイヤ３の巻装経路を構成し、矢印Ｄとワイヤ３の張力による圧力方向（矢印Ｃ）とを略平行とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、燃料電池に備えた反応ガスのマニホールドのシール構造に関する。

従来の燃料電池として、パッキンとシール材を用いてマニホールドを電池積層体に取り付けたものが知られている。例えば、パッキンのマニホールドに当接する面に形成された凹部と、パッキンの電池積層体に接する面にパッキンの長手方向に沿った窪みと、を設ける。この窪みに、ペースト状または熱可塑性樹脂からなるシール材を介装し、マニホールドの端部をパッキンの凹部に押し付ける。これにより、シール材はパッキンの窪みに閉じ込められて逃げることなく電池積層頼の凹凸に応じて密着するので、マニホールドを流通する反応ガスを完全にシールすることができる（例えば、特許文献１、参照。）。

また、非接着性の弾性体を用いてマニホールドをスタックに取り付けた燃料電池が知られている。例えば、燃料電池を、電解層と、電解層を狭持する触媒反応層を有する一対の電極と、電極に燃料および酸化剤を供給するための流路を有するセパレータとを積層したスタックから構成する。また、スタックの側面に、燃料、酸化剤、温度制御もしくは加湿のために燃料電池に供給される流体の少なくとも一種類以上を供給するための外部マニホールドを具備する。外部マニホールドとスタック側面との間には、外部マニホールドおよびスタックの側面から脱着可能な弾性体からなる非接着性シール層を有する（例えば、特許文献２、参照。）。

このような燃料電池においては、さらにその外側からボルトで外部マニホールドを締結する、または、ワイヤにて外周を緊縛するものが公知技術として知られている。
特開平６−６０９００号公報 特開２００１−９３５６３号公報

しかしながら、外部マニホールドの周囲にワイヤを緊縛する際に、ワイヤの張力により形成される合力の採用方向が、面圧の作用する方向に対して一致しない場合がある（図１参照）。そのため、ワイヤの張力をワイヤの耐力限界まで上げたとしても、ベクトルの和の方向にずれがあることから、実際に面圧方向に作用する力は小さくなるため、シール性が不足し、マニホールド内部に充満する反応ガスが外部に漏れるという問題があった。

そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、外部マニホールドのシール性を向上することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池セルを積層することにより構成したスタックと、前記スタックの外側面に配置され、前記燃料電池セルに反応ガスまたは冷媒または加湿水の少なくとも一つを分配または回収するマニホールドを備える。前記スタックおよび前記マニホールドの周囲に巻装することにより、前記スタックに前記マニホールドを固定し、かつ、前記マニホールドのシール面圧を発生させるワイヤを備える。さらに、前記マニホールドの前記ワイヤが巻装される端部近傍には、外に向かって突出する凸部を設ける。シール面圧の作用方向の、前記凸部の頂点を通る軸に対して、略対称な前記凸部の両斜面に前記ワイヤが接触するように前記ワイヤの巻装経路を構成する。

マニホールドのワイヤが巻装される端部近傍には、外に向かって突出する凸部を設け、シール面圧の作用方向の、凸部の頂点を通る軸に対して、略対称な凸部の両斜面にワイヤが接触するようにワイヤの巻装経路を構成する。これにより、シール面圧の作用方向と、ワイヤの張力による圧力方向とを略平行とすることができるので、マニホールドのシール性を向上することができる。

本実施形態で用いる燃料電池の概略を図２に示す。なお、図２は積層面に沿った燃料電池の断面図となる。

燃料電池セルを積層することにより構成したスタック１と、スタック１の側面に配置した外部マニホールド２を備える。ここでは、外部マニホールドとして、略直方体形状のスタック１のそれぞれの側面に沿って、酸化剤ガス供給マニホールド２ａ、水素ガス供給マニホールド２ｂ、酸化剤ガス排出マニホールド２ｃ、水素ガス排出マニホールド２ｄを構成する。各マニホールド２は、各燃料電池セルに構成したガス流路に連通するように構成する。供給マニホールド２ａ、２ｂを流通する反応ガスは、各燃料電池セルのガス流路に分配されて発電反応に用いられた後、排出マニホールド２ｃ、２ｄから回収される。

スタック１に外部マニホールド２を固定する固定手段を備える。ここでは、スタック１をメンテナンスする際に分解しやすいように、外部マニホールド２の外側からワイヤ３を緊縛することで、スタック１に外部マニホールド２を固定する。複数のワイヤ３を、スタック１の積層方向に沿って均等に配置する。外部マニホールド２とスタック１の側面との間には、図示しないラバー等を設置し、このワイヤ３で締付、圧縮することで、外部マニホールド２をスタック１に固定し、かつ、外部マニホールド２内を流通する反応ガスをシールする。

さらに、ワイヤ３の外側に、タイロッド４を配置する。このタイロッド４は、スタック１の積層方向両端部に配置した図示しないエンドプレート同士を締結する。言い換えれば、タイロッド４により、スタック１の積層方向の圧縮圧力を維持している。ここでは、スタック１の角に二つずつ、計八つのタイロッド４を備える。

このような燃料電池において、ワイヤを単に巻装した場合の比較例として示す緊縛状態を図１に示す。

断面がコの字形状のプレートの開口部分をスタック１の側面に対峙するように配置することにより、外部マニホールド２０を構成する。外部マニホールド２０の外側から積層面の外周方向に沿ってワイヤ３０を締付、圧縮する。

このとき、ワイヤ３０の張力により外部マニホールド２０に作用する合力の方向が、矢印Ａとなる。これに対して、外部マニホールド２０をシールするためには、外部マニホールド２０とスタック１０との接触面に垂直な方向（矢印Ｂ）の面圧が必要となる。

このように、ワイヤ３０の張力による合力方向（矢印Ａ）が、面圧の作用する方向（矢印Ｂ）に対して内側を向いていると、ワイヤ３０の張力をワイヤ３０の耐力限界まで上げたとしても、ベクトルの和の方向にずれがあることから、実際に面圧方向（矢印Ｂ）に作用する力は小さくなるため、シール性が不足し、外部マニホールド２０内部に充満する反応ガスが外部に漏れる可能性がある。

これに対して、本実施形態におけるワイヤ３の緊縛状態を図３に示す。

ワイヤ３の張力による合力が、シール面圧の作用方向と略平行となるようにワイヤ３の巻き付け経路を構成する。ここでは、ワイヤ３の巻き付け経路を、タイロッド４および外部マニホールド２の形状により規制する。

例えば、外部マニホールド２を略コの字型形状に構成する。リブ６を、外部マニホールド２の、スタック１の側面１ａに平行な外面７であって、外部マニホールド２のワイヤ３の巻装方向についての端部５に構成する。また、リブ６の表面を山形に突出する曲面６ａにより構成する。なお、ここではリブ６を用いているが、積層方向に完全に連続している必要はなく、少なくともワイヤ３を巻装する部分に配置すればよい。

また、リブ６の裾近傍に、タイロッド４を配置することにより、リブ６表面にワイヤ３が密着するように構成する。ここでは、シール面圧の作用方向の、リブ６の頂点６ｂを通る軸８に対して略対称に、リブ６の両斜面のほぼ全域にワイヤ３が接触するように、タイロッド４を配置する。つまり、ワイヤ３の一部をリブ６の少なくとも一部に沿って巻装することにより、外部マニホールド２に作用するワイヤ３の張力の合力方向（矢印Ｃ）と、シール面圧の作用方向（矢印Ｄ）とが、略平行となるように構成する。このように構成することで、ワイヤ３の張力が効果的に作用し、低い張力で必要なシール面圧を得ることができる。なお、このときには、まずワイヤ３を巻き付けてから、タイロッド４を配置するのが好ましい。

なお、リブ６の形状、およびタイロッド４の配置はこの限りではなく、ワイヤ３の張力による合力の方向と、シール面圧の作用方向とが平行となるように構成されていればよい。また、本構成は、反応ガスの外部マニホールド２に限らない。例えば、冷却水、加湿水等を供給・回収するための外部マニホールドについても同様に構成することができる。さらに、ここでは全ての外部マニホールド２について漏れを防止しているが、酸化剤ガスとして空気を用いた場合には、水素マニホールド２ｂ、２ｄについてのみ、上述したような構成としてもよい。

次に、本発明の効果について説明する。

燃料電池セルを積層することにより構成したスタック１と、スタック１の外側面に配置され、燃料電池セルに反応ガスまたは冷媒または加湿水の少なくとも一つを分配または回収する外部マニホールド２を備える。また、スタック１および外部マニホールド２の周囲に巻装することにより、スタック１に外部マニホールド２を固定し、かつ、外部マニホールド２のシール面圧を発生させるワイヤ３を備える。さらに、外部マニホールド２のワイヤ３が巻装される端部５近傍には、外に向かって突出する凸部（リブ６）を設ける。シール面圧の作用方向（矢印Ｄ）の、リブ６の頂点６ｂを通る軸８に対して、略対称なリブ６の両斜面にワイヤ３が接触するように、ワイヤ３の巻装経路を構成する。これにより、シール面圧の作用方向（矢印Ｄ）と、シール部分にかかるワイヤ３の張力による圧力方向（矢印Ｃ）とを略平行とすることができる。その結果、ワイヤ３の張力を効率的に作用させて、外部マニホールド２を流通する流体、ここでは反応ガスの漏洩を抑制することができる。

また、凸部として、積層方向に伸び、山形に突出する曲面６ａよりなるリブ６を外部マニホールド２の両端部に備える。リブ６をスタック１の積層方向に沿って構成することで、ワイヤ３が積層方向にずれた場合にも、外部マニホールド２のシール機能を維持することができる。また、リブ６を曲面により構成することで、ワイヤ３に局所的に力がかかるのを防ぐことができ、耐久性を維持することができる。

さらに、スタック１の積層方向の圧力を維持するタイロッド４を備え、ワイヤ３の巻装経路をタイロッド４で規制することにより、シール面圧の作用方向（矢印Ｄ）の、リブ６の頂点６ａを通る軸８に対して略対称に、リブ６にワイヤ３が接触するように、ワイヤ３の巻装経路を構成する。このように、既存する部品であるタイロッド４を用いてワイヤ３の巻装経路を構成することができるので、新たに部品を加える必要がない。

なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更が為し得ることは言うまでもない。

本発明は、酸化剤ガスや燃料ガス、または、冷媒や加湿水を流通する外部マニホールドを、スタック外周に配置する燃料電池に適用することができる。

従来の燃料電池におけるワイヤ巻き付け状態を示す図である。 本実施形態に用いる燃料電池の断面図である。 本実施形態に用いる燃料電池におけるワイヤ巻き付け状態を示す図である。

符号の説明

１ スタック
２ 外部マニホールド
３ ワイヤ
４ タイロッド
５ 端部
６ リブ（凸部）
６ｂ 頂点（凸部の頂点）
８ 軸

Claims (3)

1. 燃料電池セルを積層することにより構成したスタックと、
   前記スタックの外側面に配置され、前記燃料電池セルに反応ガスまたは冷媒または加湿水の少なくとも一つを分配または回収するマニホールドと、
   前記スタックおよび前記マニホールドの周囲に巻装することにより、前記スタックに前記マニホールドを固定し、かつ、前記マニホールドのシール面圧を発生させるワイヤと、を備え、
   さらに、前記マニホールドの前記ワイヤが巻装される端部近傍には、外に向かって突出する凸部を設け、
   前記シール面圧の作用方向の、前記凸部の頂点を通る軸に対して、略対称な前記凸部の両斜面に前記ワイヤが接触するように前記ワイヤの巻装経路を構成することを特徴とする燃料電池。
2. 前記凸部として、積層方向に伸び、山形に突出する曲面よりなるリブを前記マニホールドの両端部に備える請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記スタックの積層方向の圧力を維持するタイロッドを備え、
   前記ワイヤの巻装経路を前記タイロッドで規制することにより、前記シール面圧の作用方向の、前記凸部の頂点を通る軸に対して略対称に、前記凸部に前記ワイヤが接触するように前記ワイヤの巻装経路を構成する請求項１または２に記載の燃料電池。

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