(57)【要約】【課題】高真空機器を利用することなく、安価かつ良好な作業性および作業効率を有し、燃料電池の冷却液循環経路における気泡の残留を抑制し得る冷却液充填方法および冷却液充填装置を提供する。【解決手段】気化容器１２０、加熱手段１２２、予備置換配管系１３０、冷却液容器１２５および本置換配管系１３０を有する冷却液充填装置１１０である。気化容器１２０は、冷却液の溶媒および／又は溶質が収容される。加熱手段１２０は、気化容器１２０に収容される溶媒および／又は溶質を加熱し、気化させて気相体を形成するために使用される。予備置換配管系１３０は、気相体を、燃料電池１００に設けられている冷却液循環経路に供給して、冷却液循環経路を占めている既存気体を、気相体によって予備置換するために使用される。冷却液容器１２５は、冷却液が収容される。本置換配管系は、冷却液容器１２５に収容される冷却液を、冷却液循環経路に供給し、冷却液循環経路に存在する気相体を、冷却液によって置換するために使用される。【選択図】図３
2010073343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の性能評価のために、溶媒および溶質からなる冷却液を、燃料電池に設けられている冷却液循環経路に充填するための冷却液充填方法であって、
前記溶媒および／又は前記溶質を気化させて気相体を形成する相変化工程、
前記気相体を、前記冷却液循環経路に供給して、前記冷却液循環経路を占めている既存気体を、前記気相体によって予備置換する予備置換工程、および、
前記冷却液を、前記冷却液循環経路に供給し、前記冷却液循環経路に存在する前記気相体を、前記冷却液によって置換する本置換工程
を有することを特徴とする冷却液充填方法。
【請求項２】
前記相変化工程において、過熱された気相体が形成され、
前記予備置換工程において、前記過熱された気相体から前記冷却液循環経路に対する伝熱によって、前記燃料電池が予熱される
ことを特徴とする請求項１に記載の冷却液充填方法。
【請求項３】
前記予備置換工程における前記気相体は、流れを層流あるいは乱流に変換自在の変換機構を経由し、前記冷却液循環経路に供給されることを特徴とする請求項２に記載の冷却液充填方法。
【請求項４】
前記予備置換工程において、前記気相体が凝縮しないように、前記冷却液循環経路の内圧を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却液充填方法。
【請求項５】
前記本置換工程において、前記気相体が凝縮することで体積変化が引き起こされ、前記冷却液循環経路が減圧状態となり、前記冷却液が、前記冷却液循環経路に減圧吸引されることにより、前記冷却液循環経路に供給されることを特徴とする請求項４に記載の冷却液充填方法。
【請求項６】
前記本置換工程において、前記冷却液は、圧送によって、前記冷却液循環経路に供給されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却液充填方法。
【請求項７】
燃料電池の性能評価のために、溶媒および溶質からなる冷却液を、燃料電池に設けられている冷却液循環経路に充填するための冷却液充填装置であって、
前記溶媒および／又は前記溶質が収容される気化容器、
前記気化容器に収容される前記溶媒および／又は前記溶質を加熱し、気化させて気相体を形成するための加熱手段、
前記気相体を、前記冷却液循環経路に供給して、前記冷却液循環経路を占めている既存気体を、前記気相体によって予備置換するための予備置換配管系、
前記冷却液が収容される冷却液容器、および、
前記冷却液容器に収容される前記冷却液を、前記冷却液循環経路に供給し、前記冷却液循環経路に存在する前記気相体を、前記冷却液によって置換するための本置換配管系
を有することを特徴とする冷却液充填装置。
【請求項８】
前記加熱手段を制御し、過熱された気相体を形成するための温度制御手段を有し、
前記予備置換配管系において、前記過熱された気相体は、前記冷却液循環経路に供給され、前記過熱された気相体から前記冷却液循環経路に対する伝熱によって、前記燃料電池が、予熱される
ことを特徴とする請求項７に記載の冷却液充填装置。
【請求項９】
流れを層流あるいは乱流に変換自在の変換機構を有し、前記変換機構は、前記予備置換配管系に配置されることを特徴とする請求項８に記載の冷却液充填装置。
【請求項１０】
前記冷却液循環経路の内圧を調整するための圧力調整機構、および、
前記冷却液循環経路を占めている既存気体を前記気相体によって予備置換する際、前記冷却液循環経路の内圧を、前記気相体の凝縮物の蒸気圧以下となるように、前記圧力調整機構を制御するための制御手段
を有することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の冷却液充填装置。
【請求項１１】
前記冷却液容器は、収縮自在であり、
前記気相体によって予備置換した後において、前記気相体が凝縮することで体積変化が引き起こされ、前記冷却液循環経路を減圧状態となり、前記冷却液循環経路に連通する前記冷却液容器が、大気圧によって収縮し、前記冷却液容器に収容される前記冷却液が、前記冷却液循環経路に減圧吸引されることにより、前記冷却液循環経路に供給される
ことを特徴とする請求項１０に記載の冷却液充填装置。
【請求項１２】
前記冷却液容器に収容される前記冷却液を、圧送によって、前記冷却液循環経路に供給するための圧送手段を有することを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の冷却液充填装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の冷却液充填方法および冷却液充填装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の性能評価は、完成後に反応ガスや冷却液を充填し、実際の運転状態をシミュレートすることで実施している。燃料電池の冷却液循環経路における気泡の存在は、冷却効率を低下させるため、冷却液の充填品位は、燃料電池の性能を発揮させる際における重要な要素である。そのため、冷却液循環経路を高真空化し、冷却液を充填することで、気泡の残留を抑制している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】実開昭５８−１０４７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、真空充填には、高価な高真空機器を利用しなければならず、また、高度なシール性を確保するための配管系接続作業や真空度の計測作業が必要であり、かつ、真空度を確保するまでの所要時間が長いといった問題の有する。また、冷却液循環経路の真空化によって、大気圧に基づく圧縮荷重が、燃料電池を構成する部材に付加され、燃料電池の性能に悪影響を及ぼす虞がある。
【０００４】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、高真空機器を利用することなく、安価かつ良好な作業性および作業効率を有し、燃料電池の冷却液循環経路における気泡の残留を抑制し得る冷却液充填方法および冷却液充填装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための本発明の一様相は、燃料電池の性能評価のために、溶媒および溶質からなる冷却液を、燃料電池に設けられている冷却液循環経路に充填するための冷却液充填方法であり、相変化工程、予備置換工程および本置換工程を有する。相変化工程においては、前記溶媒および／又は前記溶質が気化した気相体が形成される。予備置換工程においては、前記気相体が、前記冷却液循環経路に供給され、前記冷却液循環経路を占めている既存気体が、前記気相体によって予備置換される。本置換工程においては、前記冷却液が、前記冷却液循環経路に供給され、前記冷却液循環経路に存在する前記気相体が、前記冷却液によって置換される。
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の別の一様相は、燃料電池の性能評価のために、溶媒および溶質からなる冷却液を、燃料電池に設けられている冷却液循環経路に充填するための冷却液充填装置であり、気化容器、加熱手段、予備置換配管系、冷却液容器および本置換配管系を有する。気化容器は、前記溶媒および／又は前記溶質が収容される。加熱手段は、前記気化容器に収容される前記溶媒および／又は前記溶質を加熱し、気化させて気相体を形成するために使用される。予備置換配管系は、前記気相体を、前記冷却液循環経路に供給して、前記冷却液循環経路を占めている既存気体を、前記気相体によって予備置換するために使用される。冷却液容器は、前記冷却液が収容される。本置換配管系は、前記冷却液容器に収容される前記冷却液を、前記冷却液循環経路に供給し、前記冷却液循環経路に存在する前記気相体を、前記冷却液によって置換するために使用される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一様相および別の一様相によれば、冷却液循環経路を占めている既存気体は、気化した（既存気体と同じ相の）溶媒および／又は溶質からなる気相体によって置換されるため、置換効率が良好であり、既存気体の残留を抑制しつつ、短期間で置換を達成することが可能である。また、高価な高真空機器を使用しないため、高度なシール性を確保するための配管系接続作業や真空度の計測作業が不要である。さらに、冷却液による再置換の際、気相体およびその凝縮物は、冷却液に溶け込む（冷却液の溶媒および／又は溶質の一部となる）ことで、消失する。したがって、冷却液循環経路における気泡の残留が抑制されるため、燃料電池の性能を評価する際、気泡の残留による影響を排除することが可能である。つまり、高真空機器を利用することなく、安価かつ良好な作業性および作業効率を有し、燃料電池の冷却液循環経路における気泡の残留を抑制し得る冷却液充填方法および冷却液充填装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【０００９】
図１は、実施形態１に係る性能評価に適用される燃料電池を説明するための斜視図である。
【００１０】
性能評価に適用される燃料電池１００は、複数の単セルが積層されたスタック部２０を有しており、電源として利用される。電源の用途は、例えば、定置用、携帯電話などの民生用携帯機器用、非常用、レジャーや工事用電源などの屋外用、搭載スペースが限定される自動車などの移動体用である。特に、移動体用電源は、比較的長時間の運転停止後に高い出力電圧が要求されるため、燃料電池１００の用途として、特に好ましい。
【００１１】
スタック部２０の両側には、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンドプレート７０，８０が配置される。集電板３０，４０は、緻密質カーボンや銅板等のガス不透過な導電性部材から形成され、また、スタック部２０で生じた起電力を出力するための出力端子３５，４５が設けられている。絶縁板５０，６０は、ゴムや樹脂等の絶縁性部材から形成される。
【００１２】
エンドプレート７０，８０は、剛性を備えた材料、例えば鋼などの金属材料から形成される。エンドプレート７０は、燃料ガスである水素を流通させるため水素導入口７１および水素排出口７２、酸化剤ガスである空気（酸素）を流通させるための空気導入口７４および空気排出口７５、冷媒である冷却液を流通させるための冷却液導入口７７および冷却液排出口７８を有する。なお、冷却液は、水からなる溶媒およびエチレングリコールからなる溶質から構成されるが、特に、これらに限定されない。
【００１３】
スタック部２０、集電板３０，４０、絶縁板５０，６０およびエンドプレート７０，８０の四隅には、タイロッド９０が挿通される貫通孔が配置される。タイロッド９０は、その端部に形成される雄ねじ部に、ナット（不図示）が螺合され、燃料電池１００を締結している。
【００１４】
タイロッド９０は、剛性を備えた材料、例えば、鋼などの金属材料から形成され、また、単セル同士の電気的短絡を防止するため、絶縁処理された表面部を有する。タイロッド９０の設置本数は、４本（四隅）に限定されない。タイロッド９０の締結機構は、螺合に限定されず、他の手段を適用することも可能である。燃料電池１００の締結機構は、内部を延長するタイロッド９０を利用する形態に限定されず、外部を延長するテンションロッドを利用することも可能である。
【００１５】
図２は、図１に示されるスタック部を説明するための断面図である。
【００１６】
スタック部２０は、単セルを構成するアセンブリ１０を複数積層した積層体を有する。アセンブリ１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）１４を一対のセパレータ１５，１７によって挟持してなる。膜電極接合体１４、セパレータ１５およびセパレータ１７の間における外周縁部には、シール材（不図示）が配置されている。
【００１７】
膜電極接合体１４は、セパレータ１５，１７と略同一形状であり、電解質膜１１、電解質膜１１を挟んで配置されるカソード電極（空気極）１２およびアノード電極（燃料極）１３を有する。カソード電極１２は、カソード触媒層およびガス拡散層を有し、アノード電極１３は、アノード触媒層およびガス拡散層を有する。電解質膜１１は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を呈する。
【００１８】
カソード触媒層およびアノード触媒層は、導電性担体に触媒成分が担持されてなる電極触媒と、高分子電解質とを含んでいる。電極触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であるのが好ましい。
【００１９】
カソード触媒層に適用される触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。アノード触媒層に適用される触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。
【００２０】
触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜選択することが可能である。
【００２１】
電極触媒の高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。
【００２２】
ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスや、カーボンペーパ、あるいはカーボンフェルトから形成される。
【００２３】
セパレータ１５，１７は、略矩形であり、ステンレス鋼鈑にプレス加工を施すことで形成されている。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。また、セパレータ１５，１７の素材として、ステンレス鋼鈑以外の金属材料、例えば、アルミニウム板や、クラッド材を適用することも可能である。
【００２４】
セパレータ１５は、カソード用であり、別のアセンブリ１０のセパレータ１７に隣接しており、凹凸部と、水素用、空気用および冷却液用のマニホールド部とを有し、カソード電極１２に相対して配置される。
【００２５】
カソード電極１２に相対する凹凸部の内面と、カソード電極の表面により形成される空間Ｓ１は、空気を流通させるための流路を構成し、空気用マニホールド部を経由し、エンドプレート７０に配置される空気導入口７４および空気排出口７５に、接続されている。つまり、カソード電極１２に相対する凹凸部の内面は、空気を流通させるための流路溝を構成する。
【００２６】
セパレータ１７は、アノード用であり、セパレータ１５と略同一形状であり、別のアセンブリ１０のセパレータ１５に隣接しており、凹凸部と、水素用、空気用および冷却液用のマニホールド部とを有し、アノード電極１３に相対して配置される。
【００２７】
アノード電極１３に相対する凹凸部の内面と、アノード電極１３の表面により形成される空間Ｓ２は、水素を流通させるための流路を構成し、水素用マニホールド部を経由し、エンドプレート７０に配置される水素導入口７１および水素排出口７２に、接続されている。つまり、アノード電極１３に相対する凹凸部の内面は、水素を流通させるための流路溝を構成する。
【００２８】
アノード電極１３に相対する凹凸部の外面と、隣接する別のアセンブリ１０のセパレータ１５の外面により形成される空間Ｓ３は、冷却液を流通させるための流路（冷却液循環経路）を構成し、冷却液用マニホールド部を経由し、エンドプレート７０に配置される冷却液導入口７７および冷却液排出口７８に、接続されている。つまり、アノード電極１３に相対する凹凸部の外面は、冷却液を流通させるための流路溝を構成する。
【００２９】
次に、実施形態１に係る冷却液充填装置および性能評価装置を順次説明する。
【００３０】
図３は、実施形態１に係る冷却液充填装置を説明するための概略図である。
【００３１】
実施形態１に係る冷却液充填装置１１０は、燃料電池の性能評価の事前準備とし、冷却液を燃料電池１００の冷却液循環経路に充填するために使用され、後述するように、高真空機器を利用することなく、安価かつ良好な作業性および作業効率を有し、燃料電池の冷却液循環経路における気泡の残留を抑制することが可能である。
【００３２】
詳述すると、冷却液充填装置１１０は、蒸発タンク（気化容器）１２０、ヒータ（加熱手段）１２２、冷却液タンク（冷却液容器）１２５、上流側配管系（予備置換配管系かつ本置換配管系）１３０および下流側配管系１４０を有する。
【００３３】
蒸発タンク１２０は、冷却液に含まれる水（溶媒）を収容するために使用される。ヒータ１２２は、蒸発タンク１２０に取り付けられており、蒸発タンク１２０に収容される水を加熱し、気化させて水蒸気（気相体）を形成するために使用される。なお、水の代わりに、冷却液に含まれるエチレングリコール（溶質）や、冷却液自体を、蒸発タンク１２０に収容し、気化させて気相体を形成することも可能である。
【００３４】
冷却液タンク１２５は、燃料電池１００の冷却液循環経路に充填される冷却液を収容するために使用される。また、冷却液タンク１２５は、例えば、コンプレッサ等の圧縮空気源（圧送手段）１２７に連結された高圧配管系１２６が取り付けられており、収容される冷却液を、圧送可能に構成されている。
【００３５】
上流側配管系１３０は、水蒸気を冷却液循環経路に供給して、冷却液循環経路を占めている既存気体を、水蒸気によって予備置換すると共に、冷却液タンク１２５に収容される冷却液を冷却液循環経路に供給し、冷却液循環経路に存在する水蒸気を、冷却液によって置換するために設けられている。上流側配管系１３０は、上記目的のため、開閉バルブ１３２を経由して蒸発タンク１２０と連結している配管部、開閉バルブ１３４を経由して冷却液タンク１２５と連結している配管部、および、燃料電池１００の冷却液導入口７７と連結している配管部を有している。
【００３６】
下流側配管系１４０は、燃料電池１００の冷却液排出口７８に連結され、かつ、その配管途中に開閉バルブ１４２が配置されている。なお、下流側配管系１４０を冷却液導入口７７に連結し、上流側配管系１３０を冷却液排出口７８に連結することも可能である。
【００３７】
以上のように構成される冷却液充填装置１１０においては、冷却液循環経路を占めている既存気体は、気化した（既存気体と同じ相の）水からなる水蒸気によって置換されるため、置換効率が良好であり、既存気体の残留を抑制しつつ、短期間で置換を達成することが可能である。また、高価な高真空機器を使用しないため、高度なシール性を確保するための配管系接続作業や真空度の計測作業が不要である。さらに、冷却液による再置換の際、水蒸気およびその凝縮物（水）は、冷却液に溶け込む（冷却液の一部となる）ことで、消失する。したがって、冷却液循環経路における気泡の残留が抑制される。そのため、燃料電池の性能を評価する際、気泡の残留による影響を排除することが可能である。つまり、高真空機器を利用することなく、安価かつ良好な作業性および作業効率を有し、燃料電池の冷却液循環経路における気泡の残留を抑制することができる。
【００３８】
また、圧縮空気源１２７から配管系１２６を経由して供給される圧縮空気は、冷却液タンク１２５に収容される冷却液を、圧送し、上流側配管系１３０を経由して冷却液循環経路に供給することが可能である。したがって、冷却液の供給時間（冷却液による置換時間）を、短縮することができる。
【００３９】
図４は、実施形態１に係る燃料電池性能評価装置を説明するための概略図である。
【００４０】
実施形態１に係る燃料電池性能評価装置１５０は、冷却液充填装置１１０によって冷却液が充填された燃料電池１００が取り付けられ、実際の運転状態をシミュレートすることで、燃料電池１００の性能評価を実施するために使用され、水素タンク１６０、コンプレッサ１７０、冷却液タンク１８０およびコントローラ１９０を有する。
【００４１】
水素タンク１６０は、燃料電池１００に供給される水素を貯蔵するために使用され、水素供給配管系１６２を経由して、燃料電池１００の水素導入口７１に連結されている。燃料電池１００の水素排出口７２は、水素循環器１６４を介し、水素循環配管系１６６およびパージ配管系１６８に連結されている。
【００４２】
水素循環配管系１６６は、水素供給配管系１６２に連結されており、燃料電池１００から排出されるアノードオフガスを、新たに供給される水素と混合して、燃料電池１００の水素導入口７１に供給するために使用される。パージ配管系１６８は、必要に応じて、水素パージを実施し、水素循環に伴って蓄積される窒素などの不純物の濃度を一定以下に維持するために使用される。
【００４３】
コンプレッサ１７０は、燃料電池１００に空気（酸素）を供給するために使用され、空気供給配管系１７２を経由して、燃料電池１００の空気導入口７４に連結されている。燃料電池１００の空気排出口７５は、排気管１７６に連結されている。排気管１７６および空気供給配管系１７２は、加湿装置１７４に連結されている。
【００４４】
加湿装置１７４は、空気供給配管系１７２を流通する空気を加湿するために使用される。加湿に使用される水分は、燃料電池１００から排出され、排気管１７６を流通するカソードオフガスに含まれる水分（燃料電池１００の化学反応により生成された水）が利用される。
【００４５】
冷却液タンク１８０は、燃料電池に供給される冷却液を貯蔵するために使用され、冷却液供給配管系１８２を経由して、燃料電池１００の冷却液導入口７７に連結されている。燃料電池１００の冷却液排出口７８は、冷却液排出配管系１８４を経由して、冷却液タンク１８０に連結されている。冷却液排出配管系１８４の途中には、冷却液を循環させるための循環ポンプ１８６および冷却液を冷却するためのラジエータ１８８が配置されている。
【００４６】
コントローラ１９０は、中央演算処理装置および演算に必要なデータを記憶する記憶装置を有しており、インターフェースを経由して、電圧計１９５および循環ポンプ１８６に連結されている。電圧計１９５は、燃料電池１００の出力電圧（出力状態）を測定するために使用される。コントローラ１９０は、出力電圧の測定値に基づき、循環ポンプ１８６を制御し、冷却液タンク１８０から燃料電池１００へ冷却液の循環量を調整することにより、燃料電池１００の温度を所定の温度範囲に維持するために使用される。
【００４７】
以上のように構成される燃料電池性能評価装置１５０においては、例えば、燃料電池１００の出力電圧を評価することが可能である。燃料電池１００は、冷却液充填装置１１０を適用することで、燃料電池の冷却液循環経路における気泡の残留が抑制されており、燃料電池の性能を評価する際、気泡の残留による影響（例えば、気泡の断熱効果によるため冷却効率の低下）を排除することが可能である。つまり、燃料電池の性能を正確に評価することができる。なお、燃料電池性能評価装置は、冷却液が充填された燃料電池１００を利用する形態であれば、特に、上記構成に限定されない。
【００４８】
次に、実施形態１に係る冷却液充填方法を説明する。
【００４９】
実施形態１に係る冷却液充填方法は、相変化工程、予備置換工程および本置換工程を有する。
【００５０】
相変化工程においては、ヒータ１２２によって蒸発タンク１２０に収容される水が加熱されて、水蒸気が形成される。
【００５１】
予備置換工程においては、開閉バルブ１３２が開にされることで、蒸発タンク１２０は、上流側配管系１３０を経由して、燃料電池１００の冷却液循環経路と連通する。また、開閉バルブ１４２が開にされ、燃料電池１００の冷却液循環経路は、下流側配管系１４０と連通する。そして、開閉バルブ１３４が閉にされ、冷却液タンク１２５は、上流側配管系１３０に対して閉鎖される。
【００５２】
したがって、蒸発タンク１２０からの水蒸気は、上流側配管系１３０を経由して、冷却液循環経路に供給される。この際、冷却液循環経路を占めている既存気体は、水蒸気によって予備置換される。つまり、冷却液循環経路を占めている既存気体は、気化した（既存気体と同じ相の）水からなる水蒸気によって置換されるため、置換効率が良好であり、既存気体の残留を抑制しつつ、短期間で置換を達成することが可能である。
【００５３】
本置換工程においては、開閉バルブ１３２が閉にされることで、蒸発タンク１２０は、上流側配管系１３０に対して閉鎖され、冷却液循環経路に対する水蒸気の供給が停止される。また、開閉バルブ１３４が開にされることで、冷却液タンク１２５と上流側配管系１３０とが連通する。そして、圧縮空気が配管系１２６を経由して圧縮空気源１２７から冷却液タンク１２５に供給され、冷却液タンク１２５に収容される冷却液が加圧される。
【００５４】
したがって、冷却液は、圧送によって、冷却液タンク１２５から上流側配管系１３０を経由して、冷却液循環経路に連続的に供給される。また、冷却液による再置換の際、水蒸気およびその凝縮物（水）は、冷却液に溶け込む（冷却液の溶媒の一部となる）ことで、消失する。
【００５５】
以上のように、実施形態１においては、冷却液循環経路を占めている既存気体は、冷却液の溶媒である水が気化して形成される（既存気体と同じ相の）水蒸気によって置換されるため、置換効率が良好であり、既存気体の残留を抑制しつつ、短期間で置換を達成することが可能である。また、高価な高真空機器を使用しないため、高度なシール性を確保するための配管系接続作業や真空度の計測作業が不要である。さらに、冷却液による再置換の際水蒸気およびその凝縮物（水）は、冷却液に溶け込む（冷却液の溶媒の一部となる）ことで、消失する。したがって、冷却液循環経路における気泡の残留が抑制されるため、燃料電池の性能を評価する際、気泡の残留による影響を排除することが可能である。つまり、高真空機器を利用することなく、安価かつ良好な作業性および作業効率を有し、燃料電池の冷却液循環経路における気泡の残留を抑制し得る冷却液充填方法および冷却液充填装置を提供することができる。
【００５６】
また、冷却液循環経路を冷却液によって置換する際に、冷却液は、圧送によって、冷却液循環経路に供給されるため、冷却液の供給時間（冷却液による置換時間）を、短縮することができる。
【００５７】
次に、実施形態２を説明する。
【００５８】
図５は、実施形態２に係る冷却液充填装置を説明するための概略図である。なお、以下において、実施形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
【００５９】
実施形態２は、冷却液を充填する際に燃料電池１００が予熱される点で、実施形態１と概して異なり、実施形態２に係る冷却液充填装置２１０は、温度制御装置（制御手段）２１２、温度センサ２１４，２１５，２１６および流量計２１８を有する。
【００６０】
温度制御装置２１２は、ヒータ（加熱手段）２２２を制御することで、蒸発タンク（気化容器）２２０に収容される水を加熱し、過熱水蒸気（過熱された気相体）を形成するために使用される。過熱水蒸気は、上流側配管系２３０を経由して、燃料電池１００の冷却液循環経路に供給され、過熱水蒸気から冷却液循環経路に対する伝熱によって、燃料電池１００の温度が上昇するため、燃料電池１００が予熱されることになる。したがって、燃料電池１００の性能評価の際における運転状態到達前の暖気のための所要時間を、短縮化あるいは不要とすることが可能である。
【００６１】
温度センサ２１４は、燃料電池１００の冷却液導入口７７の近傍に配置されており、燃料電池１００の冷却液循環経路に導入される過熱水蒸気の導入温度を検出するために使用される。温度センサ２１５は、燃料電池１００の冷却液排出口７８の近傍に配置されており、燃料電池１００の冷却液循環経路から排出される過熱水蒸気の排出温度を検出するために使用される。温度センサ２１６は、燃料電池１００に取り付けられており、燃料電池１００の温度を検出するために使用される。流量計２１８は、燃料電池１００の冷却液導入口７７の近傍に配置されており、燃料電池１００の冷却液循環経路に導入される過熱水蒸気の質量を検出するために使用される。
【００６２】
したがって、温度センサ２１４によって検出される過熱水蒸気の導入温度と温度センサ２１５によって検出される過熱水蒸気の排出温度との温度差、過熱水蒸気の比熱および流量計２１８によって検出される過熱水蒸気の質量に基づいて、過熱水蒸気から冷却液循環経路に対する伝熱量を算出することが可能である。
【００６３】
また、燃料電池１００の重量および比熱に基づいて、上記伝熱量から燃料電池１００の温度上昇値を算出し、そして、温度センサ２１６によって検出される燃料電池１００の初期温度と、算出される温度上昇値に基づいて、燃料電池１００の予熱温度を算出することが可能である。つまり、温度制御装置２１２によってヒータ２２２を制御し、過熱水蒸気の導入温度を適宜設定することで、燃料電池１００の予熱による到達温度を適宜調整することが可能である。なお、冷却液においても同様に温度管理することが好ましい。
【００６４】
実施形態２に係る冷却液充填方法は、温度制御装置２１２によるヒータ２２２の制御を除けば、実施形態１に係る冷却液充填方法と略一致するため、その説明は省略する。
【００６５】
図６は、実施形態２に係る変形例を説明するための概略図、図７および図８は、図６に示されるコルゲートチューブを説明するための概念図であり、層流を形成する場合および乱流を形成する場合を示している。
【００６６】
本変形例においては、上流側配管系（予備置換配管系かつ本置換配管系）２３０に配置されるコルゲートチューブ（変換機構）２１９を有する。コルゲートチューブ２１９は、チューブ内部にらせん状に強度のある繊維を埋め込まれており、チューブ自体を「ひねる」ことにより（図８）、チューブ内部に凹凸が形成され、元の位相に戻すことにより（図７）、チューブ内部の凹凸が消失し、平滑になるように構成されている。つまり、コルゲートチューブ２１９は、流れを層流あるいは乱流に変換自在である。
【００６７】
チューブ内部に形成される凹凸は、チューブ内部を流通する流体の流れを、層流状態からから乱流状態に変化させる。乱流状態における伝熱率は、層流状態における伝熱率に比べて向上する。したがって、予備置換工程において水蒸気を冷却液循環経路に供給する際に、コルゲートチューブ２１９を「ひねる」ことによって、水蒸気を乱流化することが可能である。この場合、水蒸気から冷却液循環経路に対する伝熱効率を向上させることが可能である。
【００６８】
なお、必要に応じて、水蒸気を層流化することで、水蒸気から冷却液循環経路に対する伝熱効率を低下させ、水蒸気の相変化を抑制したり、また、冷却液においても同様に乱流化したり、することも可能である。さらに、流れを層流あるいは乱流に変換自在とする機構は、コルゲートチューブを利用する形態に限定されず、例えば、機械的機構を利用することも可能である。
【００６９】
以上のように、実施形態２においては、冷却液の充填の際に、過熱水蒸気によって燃料電池が予熱されるため、燃料電池の性能評価の際における運転状態到達前の暖気のための所要時間を、短縮化あるいは不要とすることが可能である。
【００７０】
また、実施形態２の変形例においては、過熱水蒸気から冷却液循環経路に対する伝熱効率を制御する（例えば、過熱水蒸気を乱流化して冷却液循環経路に供給することで伝熱効率を向上させる）ことができる。
【００７１】
次に、実施形態３を説明する。
【００７２】
図９は、実施形態３に係る燃料電池の冷却液充填装置を説明するための概略図、図１０は、図９に示される圧力制御装置による圧力管理を説明するための状態図である。
【００７３】
実施形態３は、水蒸気によって予備置換する際に冷却液循環経路の内圧を管理する点で、実施形態１と概して異なり、実施形態３に係る冷却液充填装置３１０は、温度センサ３１６、圧力センサ３１８、減圧機構（圧力調整機構）３４６およびコントローラ（制御手段）３１２を有する。なお、蒸発タンク３２０および冷却液タンク３２５は、上流側配管系（予備置換配管系）３３０および下流側配管系（本置換配管系）３４０に、それぞれ配置されており、また、上流側配管系３３０には、リーク弁３３６が配置されている。
【００７４】
温度センサ３１６は、燃料電池１００に取り付けられており、燃料電池１００の冷却液循環経路の温度を検出するために使用される。圧力センサ３１８は、燃料電池１００の冷却液導入口７７の近傍に配置されており、燃料電池１００の冷却液循環経路の内圧を測定するために使用される。
【００７５】
減圧機構３４６は、例えば、ターボファンやブロワからなり、冷却液循環経路の内圧を調整するために使用され、気液分離器３４５および開閉バルブ３４９を経由して、下流側配管系３４０に連結されている。
【００７６】
コントローラ３１２は、冷却液循環経路を占めている既存気体を水蒸気によって予備置換する際、冷却液循環経路の内圧を、温度センサ３１６によって検出される温度における水（気相体の凝縮物）の蒸気圧以下となるように、減圧機構３４６を制御するために使用される。例えば、図１０に示されるように、温度センサ３１６による検出温度が２０℃である場合、冷却液循環経路の内圧を０．０５ＭＰａ以下になるように制御し、また、温度センサ３１６による検出温度が９０℃である場合、冷却液循環経路の内圧を０．０９ＭＰａ以下になるように制御する。
【００７７】
この場合、予備置換の際に、水蒸気が凝縮して置換効率が低下することを、抑制することが可能である。また、水蒸気からの伝熱の対象である燃料電池の温度状態によって、置換効率が影響されることを、排除することができる。さらに、冷却液循環経路の内圧は、大気圧に近い領域で制御されるため、安価な機器を利用することで、設備コストの上昇を抑制することが可能であり、また、燃料電池を構成する部材への負荷も小さい。
【００７８】
なお、減圧機構３４６は、必要に応じ、上流側配管系３３０に配置することも可能である。また、温度センサ３１６は、燃料電池１００に取り付ける形態に限定されず、燃料電池１００の冷却液導入口７７の近傍や、燃料電池１００の冷却液導入口７７の近傍に配置したり、複数配置したりすることも可能である。さらに、例えば、冷却液循環経路の内圧を、作業温度においける水の蒸気圧以下となるように制御する場合、温度センサ３１６を省略することも可能である。
【００７９】
次に、実施形態３に係る冷却液充填方法における相変化工程、予備置換工程および本置換工程を説明する。
【００８０】
相変化工程においては、ヒータ３２２によって蒸発タンク３２０に収容される水が加熱されて、気化させて水蒸気が形成される。
【００８１】
予備置換工程においては、開閉バルブ３４９が開にされることで、減圧機構３４６は、下流側配管系３４０を経由して燃料電池１００の冷却液循環経路と連通する。開閉バルブ３４２が閉にされることで、下流側配管系３４０は密閉され、開閉バルブ３４８が閉にされることで、冷却液タンク３２５は、下流側配管系３４０に対して閉鎖される。
【００８２】
減圧機構３４６は、コントローラ３１２によって制御され、冷却液循環経路の内圧を、温度センサ３１６によって検出される温度における水の蒸気圧以下となるように調整する。そして、開閉バルブ３３２が開にされることで、蒸発タンク３２０は、上流側配管系３３０を経由して、燃料電池１００の冷却液循環経路と連通する。
【００８３】
したがって、蒸発タンク３２０からの水蒸気は、上流側配管系３３０を経由して、冷却液循環経路に供給される。この際、冷却液循環経路の内圧は、水蒸気が凝縮しないように制御されているため、予備置換の際に、水蒸気が凝縮して置換効率が低下することを、抑制することが可能である。また、水蒸気からの伝熱の対象である燃料電池の温度状態によって、置換効率が影響されることを、排除することができる。なお、下流側配管系３４０に排出される水蒸気は、気液分離器３４５によって適宜分離される。
【００８４】
本置換工程においては、開閉バルブ３４９が閉にされることで、減圧機構３４６は、下流側配管系３４０に対して閉鎖され、そして、作動が停止される。開閉バルブ３３２が閉にされることで、蒸発タンク３２０は、上流側配管系３３０に対して閉鎖され、冷却液循環経路に対する水蒸気の供給が停止される。また、開閉バルブ３４８が開にされることで、冷却液タンク３２５と下流側配管系３４０とが連通する。そして、圧縮空気が配管系３２６を経由して圧縮空気源３２７から冷却液タンク３２５に供給され、冷却液タンク３２５に収容される冷却液が加圧される。
【００８５】
したがって、冷却液は、圧送によって、冷却液タンク１２５から上流側配管系１３０を経由して、冷却液循環経路に連続的に供給される。この際、冷却液循環経路の内圧に応じてリーク弁３３６が適宜開にされることで、冷却液循環経路を占めている水蒸気は、冷却液によって連続的に置換される。
【００８６】
図１１および図１２は、実施形態３に係る変形例１および２を説明するための断面図である。
【００８７】
本置換工程において、水蒸気は凝縮することで体積変化を引き起こすため、冷却液循環経路を減圧状態とすることが可能であり、冷却液タンク３２５を、図１１に示されるように、例えば、薄肉の樹脂材料によって形成し、収縮（変形）自在に構成することも好ましい。
【００８８】
この場合、冷却液循環経路に連通する冷却液タンク３２５は、大気圧によって収縮し、冷却液タンク３２５に収容される冷却液は、冷却液循環経路に減圧吸引されることによって、冷却液循環経路に供給される。つまり、水蒸気の凝縮による体積変化を利用することで、冷却液を供給する（冷却液によって置換する）ためのエネルギを削減することが可能である。
【００８９】
また、図１２に示されるように、冷却液を収容しかつ圧縮空気源３２７に連結された配管系３２６が取り付けられたリザーブタンク３２８を、冷却液タンク３２５に連結することも可能である。この場合、冷却液は、冷却液循環経路に減圧吸引されつつ圧送されることとなるため、冷却液の供給時間（冷却液による置換時間）を、短縮することができる。
【００９０】
以上のように、実施形態３においては、予備置換の際に、水蒸気が凝縮して置換効率が低下することを、抑制することが可能である。また、水蒸気からの伝熱の対象である燃料電池の温度状態によって、置換効率が影響されることを、排除することができる。さらに、冷却液循環経路の内圧は、大気圧に近い領域で制御されるため、安価な機器を利用することで、設備コストの上昇を抑制することが可能であり、また、燃料電池を構成する部材への負荷も小さい。
【００９１】
また、実施形態３の変形例１においては、冷却液の供給に、水蒸気の凝縮による体積変化を利用しているため、冷却液を供給する（冷却液によって置換する）ためのエネルギを削減することが可能である。実施形態３の変形例２においては、冷却液は、冷却液循環経路に減圧吸引されつつ圧送されることとなるため、冷却液の供給時間（冷却液による置換時間）を、短縮することができる。
【００９２】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、実施形態３の構成に、実施形態２の構成を組み合わせたり、実施形態３およびその変形例１および２に、実施形態２に係る変形例を適用したりすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】実施形態１に係る性能評価に適用される燃料電池を説明するための斜視図である。
【図２】図１に示されるスタック部を説明するための断面図である。
【図３】実施形態１に係る冷却液充填装置を説明するための概略図である。
【図４】実施形態１に係る性能評価装置を説明するための概略図である。
【図５】実施形態２に係る冷却液充填装置を説明するための概略図である。
【図６】実施形態２に係る変形例を説明するための概略図である。
【図７】図６に示される変換機構を説明するための概念図であり、層流を形成する場合を示している。
【図８】図６に示されるコルゲートチューブを説明するための概念図であり、乱流を形成する場合を示している。
【図９】実施形態３に係る燃料電池の冷却液充填装置を説明するための概略図である。
【図１０】図９に示される圧力制御装置による圧力管理を説明するための状態図である。
【図１１】実施形態３に係る変形例１を説明するための断面図である。
【図１２】実施形態３に係る変形例２を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０  アセンブリ、
１１  電解質膜、
１２  カソード電極、
１３  アノード電極、
１４  膜電極接合体、
１５，１７  セパレータ、
２０  スタック部、
３０，４０  集電板、
３５，４５  出力端子、
５０，６０  絶縁板、
７０，８０  エンドプレート、
７１  水素導入口、
７２  水素排出口、
７４  空気導入口、
７５  空気排出口、
７７  冷却液導入口、
７８  冷却液排出口、
９０  タイロッド、
１００  燃料電池、
１１０  冷却液充填装置、
１２０  蒸発タンク（気化容器）、
１２２  ヒータ（加熱手段）、
１２５  冷却液タンク（冷却液容器）、
１２６  高圧配管系、
１２７  圧縮空気源（圧送手段）、
１３０  上流側配管系（予備置換配管系かつ本置換配管系）、
１３２  開閉バルブ、
１３４  開閉バルブ、
１４０  下流側配管系、
１４２  開閉バルブ、
１５０  燃料電池性能評価装置、
１６０  水素タンク、
１６２  水素供給配管系、
１６４  水素循環器、
１６６  水素循環配管系、
１６８  パージ配管系、
１７０  コンプレッサ、
１７２  空気供給配管系、
１７４  加湿装置、
１７６  排気管、
１８０  冷却液タンク、
１８２  冷却液供給配管系、
１８４  冷却液排出配管系、
１８６  循環ポンプ、
１８８  ラジエータ、
１９０  コントローラ、
１９５  電圧計、
２１０  冷却液充填装置、
２１２  温度制御装置（制御手段）、
２１４，２１５，２１６  温度センサ、
２１８  流量計、
２１９  コルゲートチューブ（変換機構）、
２２０  蒸発タンク（気化容器）、
２２２  ヒータ（加熱手段）、
２３０  上流側配管系（予備置換配管系かつ本置換配管系）、
３１０  冷却液充填装置、
３１２  コントローラ（制御手段）、
３１６  温度センサ、
３１８  圧力センサ、
３２０  蒸発タンク（気化容器）、
３２２  ヒータ（加熱手段）、
３２５  冷却液タンク（冷却液容器）、
３２６  高圧配管系、
３２７  圧縮空気源（圧送手段）、
３２８  リザーブタンク、
３３０  上流側配管系（予備置換配管系）、
３３２  開閉バルブ、
３３６  リーク弁、
３４０  下流側配管系（本置換配管系）、
３４２  開閉バルブ、
３４５  気液分離器、
３４６  減圧機構（圧力調整機構）、
３４８，３４９  開閉バルブ、
Ｓ１  空間、
Ｓ２  空間、
Ｓ３  空間。
【図１】
2010073343.tif 000003
【図２】
2010073343.tif 000004
【図３】
2010073343.tif 000005
【図４】
2010073343.tif 000006
【図５】
2010073343.tif 000007
【図６】
2010073343.tif 000008
【図７】
2010073343.tif 000009
【図８】
2010073343.tif 000010
【図９】
2010073343.tif 000011
【図１０】
2010073343.tif 000012
【図１１】
2010073343.tif 000013
【図１２】
2010073343.tif 000014