(57)【要約】【課題】簡単な構造で燃料電池スタック内から気泡を外部に排出できる燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】第１及び第２エンドプレート、前記第１及び第２エンドプレートの間で積層された単セル群、前記単セル群及び第２エンドプレートを貫通した冷媒排出マニホールド、を有した燃料電池スタックと、前記冷媒排出マニホールドに連通して前記第２エンドプレートに接続された冷媒排出管と、を備え、前記単セル群及び第２エンドプレートを貫通して、前記冷媒排出マニホールドの前記第１エンドプレート側の端部と、前記冷媒排出管とを連通するエア抜き通路を有し、前記冷媒排出管は、通路断面積が当該冷媒排出管の他の領域よりも小さい絞り領域を有し、前記絞り領域は、前記エア抜き通路の下流端に連通している、燃料電池システム。【選択図】図１
2019079779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２エンドプレート、前記第１及び第２エンドプレートの間で積層された単セル群、前記単セル群及び第２エンドプレートを貫通した冷媒排出マニホールド、を有した燃料電池スタックと、
前記冷媒排出マニホールドに連通して前記第２エンドプレートに接続された冷媒排出管と、を備え、
前記単セル群及び第２エンドプレートを貫通して、前記冷媒排出マニホールドの前記第１エンドプレート側の端部と、前記冷媒排出管とを連通するエア抜き通路を有し、
前記冷媒排出管は、通路断面積が当該冷媒排出管の他の領域よりも小さい絞り領域を有し、
前記絞り領域は、前記エア抜き通路の下流端に連通している、燃料電池システム。
【請求項２】
前記エア抜き通路内に配置された配管を有し、
前記配管は、前記冷媒排出マニホールドの前記第１エンドプレート側の前記端部に位置した一端部、前記第２エンドプレート内に位置した他端部、を有し、
前記配管を軸心方向に伸縮可能とする伸縮部を備えた、請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
前記エア抜き通路は、前記冷媒排出マニホールド内に配置され可撓性を有したチューブを含み、
前記チューブは、前記冷媒排出マニホールドの前記第１エンドプレート側の前記端部に位置した一端部、前記一端部の反対側の他端部、前記冷媒排出マニホールドを流通する冷媒よりも比重が小さく前記他端部よりも前記一端部に近い位置にある低比重部、を有している、請求項１の燃料電池システム。
【請求項４】
第１及び第２エンドプレート、前記第１及び第２エンドプレートの間で積層された単セル群、を有した燃料電池スタックと、
少なくとも前記単セル群及び第２エンドプレートを貫通した冷媒排出通路と、を備え、
前記冷媒排出通路内に配置されて、前記第１エンドプレート側の一端部と、前記第２エンドプレート側の他端部とを有したエア抜き通路を有し、
前記冷媒排出通路及びエア抜き通路は、前記冷媒排出通路の内側であって前記エア抜き通路の外側の通路断面積が他の領域よりも小さい絞り領域を画定し、
前記絞り領域は、前記エア抜き通路の前記他端部により画定される、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
第１及び第２エンドプレートの間で積層された単セル群を備えた燃料電池スタックが知られている。このような燃料電池スタックでは、第２エンドプレート及び単セル群を貫通し冷媒が流通する冷媒排出マニホールドが設けられている。また、第２エンドプレートには、冷媒排出マニホールドに連通した冷媒排出管が接続されている。また、冷媒排出マニホールド内で滞留した気泡を外部に排出するためのエア抜き通路がもうけられる場合がある。例えば特許文献１では、エア抜き通路は、第１エンドプレートを介して、冷媒排出マニホールドの上流端と冷媒排出管とを連通させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２０１１−７４０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、冷媒排出管は、第２エンドプレートに接続されている。これに対して、第１エンドプレートは、単セル群を介して第２エンドプレートとは反対側に位置している。ここで、各単セルの厚みにはばらつきがあり、第２エンドプレートに対する第１エンドプレートの位置のばらつきは、各単セルの厚みのばらつきが累積されて大きくなる可能性がある。従って、冷媒排出管に対する第１エンドプレートの位置のばらつきも大きくなる可能性がある。このため、上述したようにエア抜き通路を、第１エンドプレートを介して冷媒排出マニホールドと冷媒排出管とを連通するように設けようとすると、冷媒排出管に対する第１エンドプレートの位置のばらつきを許容できる構造にする必要があり、これらの構造が複雑になる可能性がある。
【０００５】
本発明は、簡単な構造で燃料電池スタック内から気泡を外部に排出できる燃料電池システム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】
【０００６】
上記目的は、第１及び第２エンドプレート、前記第１及び第２エンドプレートの間で積層された単セル群、前記単セル群及び第２エンドプレートを貫通した冷媒排出マニホールド、を有した燃料電池スタックと、前記冷媒排出マニホールドに連通して前記第２エンドプレートに接続された冷媒排出管と、を備え、前記単セル群及び第２エンドプレートを貫通して、前記冷媒排出マニホールドの前記第１エンドプレート側の端部と、前記冷媒排出管とを連通するエア抜き通路を有し、前記冷媒排出管は、通路断面積が当該冷媒排出管の他の領域よりも小さい絞り領域を有し、前記絞り領域は、前記エア抜き通路の下流端に連通している、燃料電池システムによって達成できる。
【０００７】
前記エア抜き通路内に配置された配管を有し、前記配管は、前記冷媒排出マニホールドの前記第１エンドプレート側の前記端部に位置した一端部、前記第２エンドプレート内に位置した他端部、を有し、前記配管を軸心方向に伸縮可能とする伸縮部を備えていてもよい。
【０００８】
前記エア抜き通路は、前記冷媒排出マニホールド内に配置され可撓性を有したチューブを含み、前記チューブは、前記冷媒排出マニホールドの前記第１エンドプレート側の前記端部に位置した一端部、前記一端部の反対側の他端部、前記冷媒排出マニホールドを流通する冷媒よりも比重が小さく前記他端部よりも前記一端部に近い位置にある低比重部、を有していてもよい。
【０００９】
また、上記目的は、第１及び第２エンドプレート、前記第１及び第２エンドプレートの間で積層された単セル群、を有した燃料電池スタックと、少なくとも前記単セル群及び第２エンドプレートを貫通した冷媒排出通路と、を備え、前記冷媒排出通路内に配置されて、前記第１エンドプレート側の一端部と、前記第２エンドプレート側の他端部とを有したエア抜き通路を有し、前記冷媒排出通路及びエア抜き通路は、前記冷媒排出通路の内側であって前記エア抜き通路の外側の通路断面積が他の領域よりも小さい絞り領域を画定し、前記絞り領域は、前記エア抜き通路の前記他端部により画定される、燃料電池システムによって達成できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、簡単な構造で燃料電池スタック内から気泡を外部に排出できる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、燃料電池システムの説明図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、単セルの正面図である。
【図３】図３Ａは、変形例の単セルの正面図であり、図３Ｂは、変形例の集電板周辺の部分拡大図であり、図３Ｃは変形例のエンドプレート及び冷媒排出管周辺の部分拡大図である。
【図４】図４Ａは、変形例の燃料電池スタックの説明図であり、図４Ｂは、配管の説明図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｃは、それぞれ変形例の配管の説明図である。
【図６】図６Ａは、変形例の燃料電池スタックの説明図であり、図６Ｂは、変形例の燃料電池スタックの単セル群の単セルの説明図であり、図６Ｃは、図６Ｂに示した単セルの変形例の説明図である。
【図７】図７は、変形例の燃料電池スタックの説明図である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、変形例の燃料電池スタックの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、燃料電池システム１０の説明図である。燃料電池システム１０は、たとえば、車両に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００とラジエータ３００とを備える。燃料電池スタック１００は、単セル群１１０、その両端に順次設置された集電板１２０及び１３０、絶縁板１４０及び１５０、エンドプレート１６０及び１７０、及びケース２１０を備える。ケース２１０は、底部を有した略角筒状であって単セル群１１０等を包囲して外部衝撃などから保護しており、開口端側がエンドプレート１７０に固定されている。また、エンドプレート１６０は、ネジ２００によりエンドプレート１７０の方向に押圧されている。エンドプレート１６０及び１７０は、それぞれ第１及び第２エンドプレートの一例である。
【００１３】
単セル群１１０は、鉛直方向（図１においてＺ方向）に積層された複数の単セル１１２から構成されている。尚、複数の単セル１１２は、集電板１２０側から集電板１３０側へ順にｎ枚積層されている。本明細書では、各単セルを集電板１２０側から順に、単セル１１２−１、１１２−２…１１２−ｎとして表記する。また、本明細書では単セルの総称として単セル１１２と表記する。
【００１４】
エンドプレート１６０が、前述のようにネジ２００によりエンドプレート１７０の方向に押圧されることにより、単セル群１１０は一定の締結力で締結されている。また、下方側のエンドプレート１７０は、燃料電池スタック１００を車両のボディに取り付けるためにも用いられる。
【００１５】
燃料電池スタック１００の内部には、冷媒供給マニホールド１８０及び冷媒排出マニホールド１９０が形成されている。冷媒供給マニホールド１８０及び冷媒排出マニホールド１９０は共に、単セル群１１０、集電板１３０、絶縁板１５０、及びエンドプレート１７０を貫通して形成されている。冷媒は、冷媒供給マニホールド１８０から隣接する単セル１１２間を通過して冷媒排出マニホールド１９０へと流れる。これにより単セル群１１０は冷却される。尚、アノードガスが流通するアノードガス供給マニホールド及びアノードガス排出マニホールドと、カソードガスが流通するカソードガス供給マニホールド及びカソードガス排出マニホールドも、単セル群１１０、集電板１３０、絶縁板１５０、及びエンドプレート１７０を貫通して形成されている。
【００１６】
各単セル１１２は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、ＭＥＧＡを支持する絶縁部材、及びＭＥＧＡと絶縁部材を挟持する一対のセパレータを有している。ＭＥＧＡは、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、触媒層にそれぞれ接合された一対のガス拡散層とを有している。冷媒供給マニホールド１８０から冷媒排出マニホールド１９０に流れる冷媒は、隣接する単セル１１２の一方のセパレータとこれに対向する他方のセパレータとの間を介して流通する。尚、アノードガス供給マニホールドからアノードガス排出マニホールドに流れるアノードガスと、カソードガス供給マニホールドからカソードガス排出マニホールドに流れるカソードガスは、互いに合流しないように、各単セル１１２内を流通する。
【００１７】
ラジエータ３００と冷媒供給マニホールド１８０とは、冷媒供給管３１０と冷媒供給管２２０とを介して連通している。冷媒供給管２２０は、エンドプレート１７０の外面側に接続されている。冷媒供給管３１０上には、冷媒供給ポンプ３３０が配置されている。また、ラジエータ３００と冷媒排出マニホールド１９０とは、冷媒排出管２３０と冷媒排出管３２０を介して連通している。冷媒排出管２３０は、冷媒供給管２２０と同様にエンドプレート１７０の外面側に接続されている。尚、燃料電池システム１０は、さらに、アノードガス供給管と、アノードガス排出管と、カソードガス供給管と、カソードガス排出管と、を有し、これらの管も、エンドプレート１７０に接続されている。
【００１８】
ラジエータ３００は、ラジエータキャップ３０２と、ラジエータキャップ３０２に接続されたサブタンク３０４と、を備えている。ラジエータキャップ３０２と、サブタンク３０４は、ラジエータ３００内の圧力を調整するために用いられる。
【００１９】
燃料電池スタック１００は、冷媒排出マニホールド１９０の最上部に滞留した気泡Ｂを燃料電池スタック１００の外部へ排出するためのエア抜き通路２４０を備える。エア抜き通路２４０は、単セル群１１０、集電板１３０、絶縁板１５０、エンドプレート１７０、及び冷媒排出管２３０に形成された孔が連通して画定されており、本実施例では略直線状に画定される。また、冷媒排出管２３０には、他の領域よりも通路断面積が小さい絞り部２３０Ａが形成されており、エア抜き通路２４０の下流端は、絞り部２３０Ａに連通している。絞り部２３０Ａは、絞り領域の一例である。エア抜き通路２４０は、冷媒排出マニホールド１９０の上流側に滞留した気泡Ｂを、燃料電池スタック１００の外部へと排出するための通路である。エア抜き通路２４０は、詳しくは後述するが、冷媒排出マニホールド１９０の上流端側で連通している。冷媒中の気泡Ｂは、最も鉛直上方側に位置する単セル１１２−１内に滞留しやすく、また、単セル１１２―１での冷媒供給マニホールド１８０側からの冷媒の流れにより、冷媒排出マニホールド１９０側に移動しやすいからである。
【００２０】
ここで、単セル１１２−２〜１１２−ｎは同じ構造であるが、単セル１１２−１は一部構造が異なっている。最初に、単セル１１２−２〜１１２−ｎの代表として単セル１１２−２について説明する。図２Ａは、単セル１１２−２の正面図であり、セパレータ１１２−２Ｓを示している。単セル１１２−２は、Ｘ方向を長手方向としＹ方向を短手方向とした略矩形状である。図２Ａでは、冷媒供給マニホールド１８０や冷媒排出マニホールド１９０の位置や、一方のセパレータに設けられたシール部２４３等を示している。冷媒供給マニホールド１８０は、略矩形状の単セル１１２の対向する２つの短辺の一方側に２つ設けられており、冷媒排出マニホールド１９０は、他方側に２つ設けられている。セパレータ１１２−２Ｓの外側には、冷媒供給マニホールド１８０側から冷媒排出マニホールド１９０側へと冷媒が通過する複数の溝状の冷媒流路１８５が形成されている。尚、単セル１１２の対向する２つの長辺の一方側にカソードガス供給マニホールド２６０が設けられ、他方側にカソードガス排出マニホールド２７０が設けられている。単セル１１２の４つの角部のうちの一つの近傍にアノードガス供給マニホールド２８０が設けられ、アノードガス供給マニホールド２８０と対角線上にある角部にアノードガス排出マニホールド２９０が設けられている。尚、これらマニホールドの位置や数はこれに限定されない。
【００２１】
一方のセパレータには、冷媒供給マニホールド１８０、冷媒排出マニホールド１９０、及び冷媒流路１８５を包囲するシール部２４３が設けられている。更に一方のセパレータには、カソードガス供給マニホールド２６０、カソードガス排出マニホールド２７０、アノードガス供給マニホールド２８０、及びアノードガス排出マニホールド２９０をそれぞれ包囲するシール部２６１、２７１、２８１、及び２９１が設けられている。これらシール部は、例えばゴム製である。図２Ａでは、これらシール部の位置も示している。これらシール部により、アノードガス、カソードガス、及び冷媒が互いに混合することが抑制されている。
【００２２】
エア抜き通路２４０は、２つの冷媒排出マニホールド１９０の間に位置する。エア抜き通路２４０の少なくとも一部は、冷媒排出マニホールド１９０等と同様に、各単セル１１２に形成された孔が、単セル１１２が積層されることによって画定される。エア抜き通路２４０の断面積は、冷媒供給マニホールド１８０、冷媒排出マニホールド１９０の各断面積よりも小さい。図２Ａに示すようにエア抜き通路２４０の周囲には、シール部２４１が設けられている。即ち、単セル１１２−２では、冷媒流路１８５を流れる冷媒はエア抜き通路２４０内に侵入できない。単セル１１２−３〜１１２−ｎは、単セル１１２−２と同様である。
【００２３】
次に、単セル１１２−１について説明する。図２Ｂは、単セル１１２−１の正面図であり、セパレータ１１２−１Ｓを示している。セパレータ１１２−１Ｓは、集電板１２０と対向しており、セパレータ１１２−１Ｓの冷媒流路１８５と集電板１２０との間を冷媒が流れる。セパレータ１１２−１Ｓでは、単セル１１２−２〜１１２−ｎのセパレータとは異なり、シール部２４１は設けられていない。従って、単セル１１２−１では、冷媒流路１８５を流れる冷媒の少なくとも一部がエア抜き通路２４０に流れ、その他の冷媒が冷媒排出マニホールド１９０に流れる。即ち、エア抜き通路２４０は、冷媒排出マニホールド１９０の上端部と連通している。尚、単セル１１２−１のその他の部分については、単セル１１２−２〜１１２−ｎと同じである。また、単セル１１２−２に対向する側の単セル１１２−１のセパレータも、セパレータ１１２−２Ｓと同様にシール部２４１が設けられている。
【００２４】
エア抜き通路２４０の下流端は、絞り部２３０Ａに連通している。ここで、絞り部２３０Ａを通過する冷媒は、それ以外の冷媒排出管２３０の領域を通過する冷媒よりも、流速が速く圧力が低くなり、いわゆるベンチュリー効果が絞り部２３０Ａで発生する。このため、絞り部２３０Ａの内圧は、絞り部２３０Ａ以外の冷媒排出管２３０や冷媒排出マニホールド１９０の内圧よりも低くなり、エア抜き通路２４０の上流端付近にある気泡Ｂは、エア抜き通路２４０内を流れて冷媒と共に絞り部２３０Ａへと吸引される。これにより、気泡Ｂを燃料電池スタック１００の外部へと排出でき、冷媒排出マニホールド１９０内に気泡Ｂが滞留し続けることによる冷却効率の低下を抑制できる。
【００２５】
以上のように、エア抜き通路２４０は、エンドプレート１７０を介して、冷媒排出マニホールド１９０の上流端と絞り部２３０Ａとを連通している。ここで、各単セル１１２の厚みにはばらつきがあるためエンドプレート１７０に対するエンドプレート１６０の位置のばらつきは、各単セル１１２の厚みのばらつきが累積されて大きくなる可能性があり、冷媒排出管２３０に対するエンドプレート１７０の位置のばらつきは、冷媒排出管２３０に対するエンドプレート１６０の位置のばらつきよりも少ない。従って、エア抜き通路を、エンドプレート１６０を介して冷媒排出マニホールド１９０の上流端と冷媒排出管２３０又は３２０とを連通するように設ける場合と比較して、エンドプレート１７０の位置のばらつきを考慮せずにエア抜き通路２４０を設けることができる。このため、本実施例のような簡単な構造で燃料電池スタック１００から気泡Ｂを外部に排出できる。これにより、製造コストの増大も抑制される。また上述の実施例のように燃料電池スタック１００は、外部をケース２１０で覆う構成が採用される場合がある。エンドプレート１６０を介して冷媒排出管２３０又は３２０に接続しようとした場合には、接続配管がケース２１０を貫通するため、ケース２１０内部の気密を保つのが困難である。エンドプレート１７０を介して冷媒排出管２３０又は３２０に接続することにより、接続配管はケースを貫通する必要がなく、ケースの気密を比較的容易に確保できる。
【００２６】
また、冷媒排出管２３０の絞り部２３０Ａは、Ｚ方向から見てエンドプレート１７０と重なる位置に形成されている。これにより、絞り部２３０ＡがＺ方向から見てエンドプレート１７０から離れた位置に形成された場合と比較して、エア抜き通路２４０の全長を短くすることができる。これにより、エア抜き通路２４０内を流通する冷媒の圧損を抑制して、気泡Ｂを燃料電池スタック１００の外部へ効率的に排出できる。
【００２７】
次に変形例について説明する。図３Ａは、変形例の単セル１１２−２ａの説明図である。単セル１１２―２ａでは、シール部２４１は設けられていないが、エア抜き通路２４０内には、絶縁材料で形成された配管２４２が挿入されている。配管２４２は、単セル群を貫通して形成されている。また、配管２４２の上流端は、集電板１２０に接触せずに、集電板１２０と集電板１２０に対向する単セル１１２−１との間で冷媒が流通する空間内に位置している。これにより、エア抜き通路２４０は冷媒排出マニホールド１９０の上流端と連通している。尚、配管２４２の下流端は、絞り部２３０Ａに連通している。
【００２８】
図３Ｂは、変形例の集電板１２０ａ周辺の部分拡大図である。集電板１２０ａは、冷媒排出マニホールド１９０の上流端及びエア抜き通路２４０の上流端の双方に対向する位置に、凹部１２１が形成されている。このため、凹部１２１の底面は、単セル１１２−１に対向する集電板１２０ａ側の面のうち最も鉛直上方側に位置する。これにより、気泡Ｂは凹部１２１で捕集されやすくなっており、凹部１２１に上流端が対向したエア抜き通路２４０により、気泡Ｂを燃料電池スタック１００から容易に排出できる。尚、このような凹部は、集電板１２０ａのみならず絶縁板１４０にまで深く形成されていてもよいし、集電板１２０ａ及び絶縁板１４０のみならずエンドプレート１６０にまで深く形成されていてもよい。
【００２９】
図３Ｃは、変形例のエンドプレート１７０ａ及び冷媒排出管２３０ａ周辺の部分拡大図である。エア抜き通路２４０ａのエンドプレート１７０ａ内の部分では屈曲して絞り部２３０Ａに連通しているが、冷媒排出管２３０ａ内の通路は、一か所のみで屈曲している。このように、冷媒排出管２３０ａ内の通路の屈曲した箇所をできるだけ少なくすることにより、エア抜き通路２４０ａよりも通過する冷媒の流量が多い冷媒排出管２３０ａでの冷媒の圧損を抑制している。これにより、エア抜き通路２４０ａ内を流れて絞り部２３０Ａを通過する冷媒の流速の低下を抑制でき、絞り部２３０Ａでの冷媒の圧力を十分に低下させて、エア抜き通路２４０ａを介して気泡Ｂを吸引できる。
【００３０】
上記実施例及び変形例では、絞り部２３０Ａでは、冷媒排出管２３０又は２３０ａの通路断面積が他の領域よりも小さく形成されているがこれに限定されない。例えば、絞り部２３０Ａに相当する箇所の通路断面積を、他の領域と略同じにして通路断面積を変更可能な絞り弁を設けて、絞り弁により通路断面積を減少させてもよい。この場合も、絞り弁により通路断面積を減少することにより、ベンチュリー効果を発生させて気泡Ｂを燃料電池スタック１００の外部に排出できるからである。この場合、例えば、燃料電池スタック１００内で気泡Ｂが発生しやすい運転状態の場合や、燃料電池スタック１００内で気泡Ｂが滞留しやすい場合に、絞り弁により通路断面積を減少させてもよい。即ち、気泡Ｂが発生しにくい場合や滞留しにくい場合には、冷媒排出管２３０の通路断面積を確保して冷媒の圧損を抑制できる。
【００３１】
ここで、燃料電池の運転中に、冷媒供給ポンプ３３０のインペラ近傍等で乱流が起こり気泡が発生することがあり、燃料電池スタック内で気泡Ｂが滞留する場合がある。気泡が発生しやすい運転状態の場合とは、例えば、冷媒供給ポンプ３３０の回転数が高い場合、冷却システムの内部の圧力が低い場合などである。
【００３２】
また、気泡Ｂが燃料電池スタック１００内で滞留しやすい場合とは、例えば、単セル群１１０の積層方向が水平方向となるように燃料電池スタック１００が車両に搭載されているが、車両が傾斜路の走行中に単セル１１２−１が単セル１１２−ｎよりも鉛直上方側となるように燃料電池スタック１００が傾いている場合である。このような場合に、絞り弁により冷媒排出管２３０の通路断面積を絞ることにより、気泡Ｂを燃料電池スタック１００から排出できる。具体的には、車両の傾斜姿勢を検出するセンサによって単セル１１２−１が単セル１１２−ｎよりも鉛直上方側となるように燃料電池スタック１００が傾斜していることを制御ユニットが検出した場合に、制御ユニットが絞り弁の開度を減少させて通路断面積を減少させる。
【００３３】
図２Ａ及び図２Ｂに示したが、エア抜き通路２４０の位置は、平面方向（ＸＹ方向）で２つの冷媒排出マニホールド１９０の間に限定されないが、平面方向で冷媒供給マニホールド１８０よりも冷媒排出マニホールド１９０に近い位置にあることが望ましい。
【００３４】
図４Ａは、変形例の燃料電池スタック１００ｂの説明図である。図４Ａには、単セル群１１０の積層方向での長さＬを示している。エア抜き通路２４０内を貫通するように、配管２５０が配置されている。図４Ｂは、配管２５０の説明図である。配管２５０は、例えば合成樹脂製である。配管２５０は、一端部２５１、他端部２５２、及び蛇腹部２５３を有している。蛇腹部２５３は、軸方向に伸縮可能であり、一端部２５１よりも他端部２５２に近い位置に形成されている。一端部２５１は、斜めに形成されており、一端部２５１の斜めに形成された部分の先端が集電板１２０の面に接触している。他端部２５２は、エンドプレート１７０ｂに形成された凹部１７２の下流側の内底面に接触している。凹部１７２の下流側の面には、配管２５０の外径よりも小さい連通孔１７４が形成されている。連通孔１７４は、絞り部２３０Ａと連通している。
【００３５】
蛇腹部２５３は、伸縮可能であるため、長さＬのばらつきを吸収して、一端部２５１を集電板１２０に接触させ他端部２５２を凹部１７２の内底面に接触させることができる。更に、一端部２５１の先端は、一端部２５１の開口端面が単セル１１２−１での冷媒流路１８５の上流側を向くように斜めに形成されている。このため、冷媒排出マニホールド１９０の最上部に滞留した気泡Ｂを一端部２５１から容易に吸引でき、燃料電池スタック１００ｂの外部へと排出できる。また、一端部２５１の先端が斜めに形成されており、一端部２５１側の開口が集電板１２０の面により塞がれることが防止される。尚、蛇腹部２５３は、凹部１７２内に収容される位置に形成されているが、燃料電池スタック１００ｂ内に形成されたエア抜き通路２４０内に配置可能であれば、燃料電池スタック１００ｂ内のエア抜き通路２４０内に位置してもよい。
【００３６】
図５Ａ〜図５Ｃは、それぞれ変形例の配管の説明図である。図５Ａに示すように、配管２５０ａは、配管２５０よりも短く形成され、配管２５０ａを冷媒排出マニホールド１９０の最上部側へと付勢するコイルばね２５３ｓが設けられている。コイルばね２５３ｓは、図５Ａには図示していないが、エンドプレート１７０ｂ内に保持され、凹部１７２の内底面に接触している。コイルばね２５３ｓは伸縮可能であるため、上述した配管２５０と同様の効果を奏する。
【００３７】
図５Ｂに示すように、配管２５０ｂは、配管２５０と形状及び大きさがほぼ同じであって、蛇腹部２５３の外周部にコイルばね２５３ｓが巻回されている。これにより、蛇腹部２５３とコイルばね２５３ｓとが協働で配管２５０ｂを伸縮させることができるため、何れか一方の場合よりも弾性復元力が増大している。これにより、例えば一端部２５１側から他端部２５２側へ配管２５０ｂが受ける冷媒の圧力が大きい場合であっても、この圧力に抗して、上述した配管２５０と同様の効果を奏する。
【００３８】
図５Ｃに示すように、配管２５０ｃ及び２５０ｄは、その間にコイルばね２５３ｓが配置されている。詳細には、配管２５０ｃの他端部２５２と、配管２５０ｄの２５４との間にコイルばね２５３ｓが配置されている。配管２５０ｄの２５５は、上述した場合と同様に凹部１７２の内底面に接触している。コイルばね２５３ｓは伸縮可能であるため、上述した配管２５０と同様の効果を奏する。尚、図４Ｂ〜図５Ｃに示した例において、一端部２５１、他端部２５２を以下の方法により単セル１１２−１に固定してもよい。例えば、単セル１１２−１に形成されたエア抜き通路２４０用の孔の内径を、単セル１１２−２〜１１２−ｎに形成されたエア抜き通路２４０用の孔の内径よりも小さく形成し、一端部２５１が単セル１１２−１に形成されたエア抜き通路２４０用の孔に嵌合することにより固定されてもよい。また、一端部２５１を単セル１１２−１又は集電板１２０にネジ止めによって固定してもよいし、クリップ等の別体の固定部材を用いて固定してもよい。他端部２５２も、同様に、ネジ止めやクリップ等の別体の固定部材を用いて、エンドプレート１７０ｂに固定してもよい。
【００３９】
図６Ａは、変形例の燃料電池スタック１００ｃの説明図である。燃料電池スタック１００ｃは、上述した燃料電池スタック１００や燃料電池スタック１００ｂとは異なる姿勢で配置されている。具体的には、図６Ａに示すように、Ｙ方向の手前側が奥側よりも上方側（Ｚ方向側）に位置する姿勢で配置されている。尚、図６Ａでは、いくつかの符号を省略して示している。図６Ｂは、変形例の燃料電池スタック１００ｃの単セル群１１０ｃの単セル１１２−１ｃの説明図である。エア抜き通路２４０内には上述した配管２５０が配置されており、エア抜き通路２４０は冷媒排出マニホールド１９０よりもＹ方向の手前側、即ち、上方側に位置している。また、エア抜き通路２４０は冷媒排出マニホールド１９０よりも冷媒の下流側に位置して設けられている。また、シール部２４３の一部分である、エア抜き通路２４０近傍であって冷媒の流通方向に沿った部分２４４は、単セル１１２−１ｃの長手方向に対して角度αだけ斜めに設けられ、換言すれば、冷媒の流通方向に従って流路幅が拡大するように斜めに設けられている。また、図６Ａに示したように燃料電池スタック１００ｃは斜めに配置されているため、部分２４４は、単セル１１２−１ｃの冷媒排出マニホールド１９０用の孔よりも鉛直方向で高い位置にある。このため、気泡Ｂが部分２４４に沿って移動してエア抜き通路２４０の上流側の端部周辺に集めることが容易となり、配管２５０により容易に排出できる。尚、単セル１１２−１ｃでは、冷媒排出マニホールド１９０は、２つの冷媒供給マニホールド１８０の合計と略同じ大きさに設定されている。このため、他の単セルも同様に構成されている。
【００４０】
図６Ｃは、図６Ｂに示した単セル１１２−１ｃの変形例の説明図である。変形例である単セル１１２―１ｄのように、カソードガス供給マニホールド２６０及びカソードガス排出マニホールド２７０が、冷媒流路１８５を介して単セル１１２−１ｄの長手方向に離れており、対角線上に位置してもよい。この場合、その他の単セルも同様に構成されている。尚、配管２５０の代わりに、配管２５０ａ〜２５０ｃの何れかを採用してもよい。
【００４１】
図７は、変形例の燃料電池スタック１００ｅの説明図である。燃料電池スタック１００ｅのエア抜き通路２４０ｅは、エンドプレート１７０ｅ内に形成された配管部２４１ｅと、単セル群１１０ｅの冷媒排出マニホールド１９０内に配置されたチューブ２４２ｅとを含む。即ち、単セル１１２−１ｅ〜１１２−ｎｅで構成される単セル群１１０ｅでは、上記の実施例や変形例とは異なり、冷媒排出マニホールド１９０とは別にエア抜き通路が形成されているわけではなく、エア抜き通路２４０ｅの一部であるチューブ２４２ｅが冷媒排出マニホールド１９０内に形成されている。配管部２４１ｅの上流端は、エンドプレート１７０ｅ内の冷媒排出マニホールド１９０内に突出している。エンドプレート１６０側に位置したチューブ２４２ｅの一端部には、冷媒よりも比重の小さい低比重部２４３ｅが設けられている。チューブ２４２ｅの他端部は、配管部２４１ｅの上流端と接続されている。チューブ２４２ｅや低比重部２４３ｅは、例えば合成樹脂製であり可撓性を有している。低比重部２４３ｅは、例えば合成樹脂製の発泡体であるが、冷媒よりも比重が小さければこれに限定されない。
【００４２】
低比重部２４３ｅは、冷媒排出マニホールド１９０内を流れる冷媒中で低比重部２４３ｅに浮力が作用し低比重部２４３ｅは鉛直上方側に浮遊する。これにより、低比重部２４３ｅは冷媒から受ける圧力に抗して、エンドプレート１６０側に留まることができる。これによりチューブ２４２ｅの一端部は、気泡Ｂ周辺を滞留でき、気泡Ｂの吸引が容易となる。また、燃料電池スタック１００ｅが搭載された車体の姿勢が傾いた場合であっても、これに対応して低比重部２４３ｅに作用する浮力によりチューブ２４２ｅの一端部は鉛直上方側に移動することができるため、気泡Ｂの吸引が容易となっている。尚、低比重部２４３ｅは、チューブ２４２ｅの他端部よりも一端部に近い位置に設けられていればよい。この場合であっても低比重部２４３ｅに作用する浮力によりチューブ２４２ｅの一端部は冷媒排出マニホールド１９０内で鉛直上方側に移動させることができるからである。
【００４３】
図８Ａは、変形例の燃料電池スタック１００ｆの説明図である。尚、図８Ａは、燃料電池スタック１００ｆの一部分の断面を示している。燃料電池スタック１００ｆのエア抜き通路２４０ｆは、単セル群１１０ｆの冷媒排出マニホールド１９０と冷媒排出管２３０ｆとの内側に配置されている。冷媒排出マニホールド１９０と冷媒排出管２３０ｆとは、少なくとも単セル群１１０ｆ及びエンドプレート１７０ｆを貫通した冷媒排出通路の一例である。
【００４４】
エア抜き通路２４０ｆは、例えばある程度の剛性を有し絶縁性を有した樹脂製である。エア抜き通路２４０ｆは、冷媒排出マニホールド１９０内で冷媒排出マニホールド１９０の内側面に接合又は固定されている。ここで、冷媒排出管２３０ｆの内側の断面積は、冷媒排出マニホールド１９０の内側の断面積と略同じになるように構成されている。エア抜き通路２４０ｆは、エンドプレート１６０側の一端部２４１ｆ、エンドプレート１７０ｆ側の他端部２４２ｆを有している。他端部２４２ｆは、詳細には、冷媒排出管２３０ｆ内に位置している。他端部２４２ｆの外径は、一端部２４１ｆの外径よりも大きい。換言すれば、冷媒排出管２３０ｆの内側とエア抜き通路２４０ｆの他端部２４２ｆの外側との間の通路断面積は、冷媒排出マニホールド１９０の内側とエア抜き通路２４０ｆの一端部２４１ｆの外側との間の通路断面積よりも小さい。従って、冷媒排出管２３０ｆの内側と他端部２４２ｆの外側との間で、絞り部２３０Ａｆが画定される。このように、冷媒排出マニホールド１９０及び冷媒排出管２３０ｆとエア抜き通路２４０ｆは、冷媒排出マニホールド１９０及び冷媒排出管２３０ｆの内側であってエア抜き通路２４０ｆの外側との間の通路断面積が他の領域よりも通路断面積が小さい絞り部２３０Ａｆを有する。
【００４５】
このため、絞り部２３０Ａｆを通過する冷媒は、それ以外の冷媒排出マニホールド１９０及び冷媒排出管２３０ｆとエア抜き通路２４０ｆとの間の領域を通過する冷媒よりも、流速が速く圧力が低くなり、ベンチュリー効果が絞り部２３０Ａｆで発生する。このため、エア抜き通路２４０ｆの一端部２４１ｆ付近にある気泡は、エア抜き通路２４０ｆ内を流れて冷媒と共に絞り部２３０Ａｆへと吸引される。これにより、気泡を燃料電池スタック１００ｆの外部へと排出できる。
【００４６】
また、本変形例ではエア抜き通路２４０ｆにより絞り部２３０Ａｆを画定できるため、冷媒排出管２３０ｆに絞り部を設ける必要はない。このため、本変形例では既存の燃料電池スタックに対してエア抜き通路２４０ｆを組み付けるという簡易な手法により絞り部２３０Ａｆを画定でき、気泡の排出性を確保できる。
【００４７】
尚、本変形例では、図８Ａに示すように、エア抜き通路２４０ｆの外径は、一端部２４１ｆからエンドプレート１７０ｆよりも上流側の手前まで略一定であり、エンドプレート１７０ｆの近傍で拡大を開始しているが、これに限定されない。例えば、冷媒排出マニホールド１９０内ではエア抜き通路２４０ｆの外径が略一定であるが、冷媒排出管２３０ｆ内で拡大していてもよい。
【００４８】
また、エア抜き通路２４０ｆは、冷媒排出マニホールド１９０から冷媒排出管２３０ｆ内にまで延びているがこれに限定されない。例えば、エア抜き通路２４０ｆが冷媒排出マニホールド１９０内に完全に収納される程度の長さであってもよい。この場合、冷媒排出マニホールド１９０内に位置した他端部２４２ｆの外側と冷媒排出マニホールド１９０の内側との間で絞り部が画定される。
【００４９】
図８Ｂは、変形例の燃料電池スタック１００ｇの説明図である。エア抜き通路２４０ｇは、冷媒排出マニホールド１９０内に配置されている。エア抜き通路２４０ｇは、上述したエア抜き通路２４０ｆとは異なり、一端部２４１ｇから他端部２４２ｇにかけて外径が略一定である。他端部２４２ｇ付近では、冷媒排出マニホールド１９０の内側面に筒部材１９５が嵌合している。本変形例では、筒部材１９５は、内径が上流側から下流側にかけて徐々に小さくなる裁頭円錐面を有した角筒状である。筒部材１９５は、例えば絶縁性を有した樹脂製である。冷媒排出マニホールド１９０と筒部材１９５と冷媒排出管２３０ｆとは、少なくとも単セル群１１０ｆ及びエンドプレート１７０ｆを貫通した冷媒排出通路の一例である。エア抜き通路２４０ｇの他端部２４２ｇは、筒部材１９５の内側に位置している。これにより、筒部材１９５の内側であってエア抜き通路２４０ｇの他端部２４２ｇの外側で絞り部１９０Ａｇが画定される。このような構成によっても、一端部２４１ｇ付近の気泡を、エア抜き通路２４０ｇを介して他端部２４２ｇから燃料電池スタック１００ｇの外部へと排出できる。尚、筒部材１９５は、燃料電池スタック１００ｇの各単セルと冷媒排出マニホールド１９０との間に冷媒が流れるように貫通孔が設けられている。
【００５０】
筒部材１９５は、冷媒排出マニホールド１９０内に設けられている。このため、冷媒排出管２３０ｆの形状を考慮することなくペンチュリー効果を生じさせる絞り部１９０Ａｇを画定できる。このため、絞り部１９０Ａｇを形成するために冷媒排出管２３０ｆの設計を変更する必要はないため、製造コストの増大を抑制しつつ、燃料電池スタック１００ｇから気泡を排出できる。
【００５１】
尚、筒部材１９５は、絶縁板１５０、集電板１３０、及びそれら周辺の単セルの近傍に位置しているが、筒部材１９５の位置や大きさはこれに限定されず、例えばエンドプレート１７０ｆの孔にまで延びていてもよいし、冷媒排出管２３０ｆの上流側にまで延びていてもよいし、エンドプレート１７０ｆの孔のみに嵌合するような長さであってもよいし、冷媒排出管２３０ｆの上流側にのみに嵌合していてもよい。何れの場合も、筒部材１９５の内側にエア抜き通路２４０ｇの他端部２４２ｇが位置することが望ましい。
【００５２】
また、筒部材１９５は角筒状であるがこれに限定されず、例えば、冷媒排出マニホールド１９０の内側面に固定され、上流側から下流側にかけて厚みが徐々に増大した板部材であってもよい。この場合も、エア抜き通路２４０ｇの他端部２４２ｇは、この板部材に対向した位置にあることが望ましい。
【００５３】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００５４】
上記実施例及び変形例では酸化剤としてカソードガスを用いる場合を例に説明しているが、溶液を酸化剤として用いるレドックスフロー型燃料電池であってもよい。この場合、例えば酸化剤として用いられるＰＯＭ（ポリオキソメタレート）溶液は、冷媒としても用いられ、ＰＯＭ溶液中の気泡を燃料電池スタック内から排出できる。
【符号の説明】
【００５５】
１０  燃料電池システム
１００  燃料電池スタック
１１０  単セル群
１１２  単セル
１２０、１３０  集電板
１４０、１５０  絶縁板
１６０  エンドプレート（第１エンドプレート）
１７０  エンドプレート（第２エンドプレート）
１８０  冷媒供給マニホールド
１９０  冷媒排出マニホールド
２２０  冷媒供給管
２３０  冷媒排出管
２３０Ａ  絞り部
２４０  エア抜き通路
２５０  配管
２４２ｅ  チューブ
２４３ｅ  低比重部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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