(57)【要約】【課題】簡単な構成で熱媒体経路内の空気を追い出せる燃料電池積層体、それに用いる簡単な構成で安価なセパレータおよび燃料電池システムの提供。【解決手段】単セルと、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路または熱媒体流路を備えるセパレータ１０Ａを積層した燃料電池積層体において、セパレータ１０Ａは、燃料電池の積層方向に貫通する熱媒体供給第１マニホールド１９から熱媒体供給口２０Ａを経て供給される熱媒体を熱媒体流路９と連通し、熱媒体流路９に熱媒体を分配・供給する熱媒体供給第２マニホールド２１を備え、熱媒体供給口２０Ａと反対側の最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路９０Ａの開口部９０Ａの位置を他の冷却水流路９の開口部９０の位置より高い位置に設けることにより課題を解決できる。【選択図】      図１
2004247258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極と電解質膜と燃料極で構成されたセルと、複数の燃料ガス流路または酸化剤ガス流路または熱媒体流路を備えるセパレータを積層した燃料電池積層体において、
熱媒体供給第１マニホールドを燃料電池の積層方向に貫通して設けるとともに、前記熱媒体供給第１マニホールドから熱媒体供給口を経て供給される熱媒体を前記熱媒体流路と連通し、前記熱媒体流路に熱媒体を分配・供給する熱媒体供給第２マニホールドを設け、前記熱媒体供給口と反対側の最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたことを特徴とする燃料電池積層体。
【請求項２】
空気極と電解質膜と燃料極で構成されたセルと、複数の燃料ガス流路または酸化剤ガス流路または熱媒体流路を備えるセパレータを積層した燃料電池積層体において、
熱媒体を前記熱媒体流路に分配・供給する熱媒体供給第１マニホールドを燃料電池の積層方向に貫通して設け、前記熱媒体供給第１マニホールドの最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたことを特徴とする燃料電池積層体。
【請求項３】
熱媒体供給第１マニホールドから熱媒体供給口を経て供給される熱媒体を、複数の熱媒体流路と連通し、前記熱媒体流路に熱媒体を分配・供給する熱媒体供給第２マニホールドを備えたセパレータにおいて、前記熱媒体供給口と反対側の最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
燃料電池への熱媒体供給経路または熱媒体供給マニホールドあるいは熱媒体排出マニホールドにガス抜き手段を設け、前記ガス抜き手段はガスを捕捉するガス溜りと、このガス溜りの上部と熱媒体タンクとを接続するガス抜き経路とからなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス抜き経路あるいは熱媒体主経路にこれらの経路中を流れる熱媒体の流量を調節する流量調節手段を設けたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池積層体、それに用いるセパレータおよび燃料電池システムに関するものであり、さらに詳しくは、各セルで均一な発電ができ、均一な起電力が得られる高性能の燃料電池積層体、それに用いるセパレータおよび燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の燃料電池の１形態である固体高分子形燃料電池の電極（セル）の基本構成を示す分解断面図である。固体高分子電解質膜１の両側の主面にそれぞれ貴金属（主として白金）を含む空気極（カソード）側触媒層２および燃料極（アノード）側触媒層３を接合してあり、空気極側触媒層２および燃料極側触媒層３と対向して、それぞれ空気極側ガス拡散層４および燃料極側ガス拡散層５が配置される。これによりそれぞれ空気極６および燃料極７が構成される。これらのガス拡散層４および５は、それぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝える働きをする。そして、ガス拡散層４、５の外面にガス拡散層４、５に面して反応ガス流通用ガス流路（燃料ガス流路または酸化剤ガス流路）８を備え、相対する主面に冷却水などの熱媒体流通用の熱媒体流路９を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組みのセパレータ１０を配置し、前記電解質膜１と前記触媒層２、３と前記ガス拡散層４、５とを締め付けて挟持して燃料電池用電極１１が構成されている。
【０００３】
図９は、固体高分子形燃料電池スタック（積層体）の基本構成を示す断面図である。多数の燃料電池用電極１１を積層し、集電板１２、電気絶縁と熱絶縁を目的とする絶縁板１３ならびに荷重を加えて積層状態を保持するための締付板１４によって挟持し、ボルト１５とナット１７により締め付けられており、締め付け荷重は、皿バネ１６により加えられている。
【０００４】
固体高分子電解質膜１は分子中にプロトン交換基を有しており、含水量を飽和させると比抵抗が常温で２０Ωｃｍ２  以下となり、プロトン導電性電解質として機能する。このように固体高分子電解質膜１は含水させることによりプロトン導電性電解質として機能するもので、固体高分子形燃料電池においては、反応ガスに水蒸気を飽和に含ませて各燃料電池用電極１１に供給して運転する方法が採られている。
【０００５】
燃料極７に水素を含む燃料ガス、空気極６に酸素を含む酸化剤ガスを供給すると、燃料極７では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極６では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する以下の電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空気極側に水が生成されることとなる。
【０００６】
燃料極；Ｈ２  →２Ｈ＋  ＋２ｅ−  （燃料極反応）
空気極；２Ｈ＋  ＋  （１／２）  Ｏ２  ＋２ｅ−  →Ｈ２  Ｏ（空気極反応）
全体    ；Ｈ２  ＋  （１／２）  Ｏ２  →Ｈ２  Ｏ
【０００７】
燃料電池での電気化学反応は発熱反応であるため、その反応熱によって燃料電池の温度が上昇し、発電性能が阻害されてしまう。これを防止するために、熱媒体流通用の熱媒体流路９を備えたセパレータ１０（冷却プレート）をスタック内に組み込み、熱媒体として、例えば、冷却水を流すことにより電池内部を冷却している。
【０００８】
図１０はこの燃料電池システムを説明する説明図である。燃料電池スタック（積層体）１８は、その積層方向に沿って熱媒体供給第１マニホールド１９及び熱媒体排出マニホールド２３がそれぞれ貫通して設けられている。
図示は省略したが、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールド、並びに酸化剤供給マニホールドと酸化剤排出マニホールドも同様に燃料電池積層体１８の積層方向に沿って貫通して設けられている。
【０００９】
熱媒体供給第１マニホールド１９の一端には、熱媒体供給第１マニホールド１９の下面より下方から配管された熱媒体供給管２７が接続されている。熱媒体供給管２７は、他端が熱媒体タンク２５に接続され、途中の要所にポンプ２６が接続されている。又、熱媒体タンク２５は、底部に排出管２８を有し、この排出管２８と熱媒体供給管２７との接続部の下流側に排出弁２９が設けられている。
【００１０】
前記熱媒体排出マニホールド２３には、熱媒体排出管３１が接続されている。この熱媒体排出管３１は、他端が熱媒体タンク２５に接続されている。
上記のように冷却系が構成された燃料電池積層体１８において、起動時には先ず、前記ポンプ２６により熱媒体タンク２５内の熱媒体を吸引し、熱媒体供給管２７を経て熱媒体供給第１マニホールド１９内に供給する。
熱媒体供給第１マニホールド１９内に供給された熱媒体は、各セルの図示しない熱媒体流路９を流れて冷却作用をなした後、前記熱媒体排出マニホールド２３に排出される。そして、熱媒体排出マニホールド２３に排出された熱媒体は、熱媒体排出管３１を経て熱媒体タンク２５内に戻される。
１９ａは、熱媒体供給口、２３ａは、熱媒体排出口を示す。
【００１１】
図１１（イ）、（ロ）は図１０に示した燃料電池スタック（積層体）１８に用いられるセパレータ１０の例を示す説明図である。
図１１（イ）に示したセパレータ１０は、上方の端部に熱媒体供給用の熱媒体供給第１マニホールド１９が燃料電池の積層方向に貫通して形成されており、図１０に示した熱媒体供給口１９ａからこの熱媒体供給第１マニホールド１９を経て供給される熱媒体を熱媒体流路９に分配・供給されるようになっており、他方の端部には熱媒体排出用の熱媒体排出マニホールド２３が燃料電池の積層方向に貫通して形成されており、熱媒体排出マニホールド２３を経て図１０に示した熱媒体排出口２３ａから外部に排出されるようになっている。
【００１２】
一方、図１１（ロ）に示したセパレータ１０は、燃料電池の積層方向に貫通する熱媒体供給第１マニホールド１９を設けるとともに、熱媒体供給第１マニホールド１９から熱媒体供給口２０Ａを経て供給される熱媒体を熱媒体流路９と連通し、熱媒体流路９に熱媒体を分配・供給する熱媒体供給第２マニホールド２１を上方の端部に設けてあり、他方の端部には熱媒体排出用の熱媒体排出第１マニホールド２２が形成されており、排出された熱媒体を熱媒体排出口２４Ａから、燃料電池の積層方向に貫通して設けた熱媒体排出マニホールド２３を経て外部に排出されるようになっている。
【００１３】
上記の従来の燃料電池スタック（積層体）１８の起動時や運転中に、熱媒体供給経路（熱媒体供給管２７など）あるいは熱媒体供給マニホールド（熱媒体供給第１マニホールド１９、熱媒体供給第２マニホールド２１など）あるいは熱媒体排出マニホールド（熱媒体排出マニホールド２３、熱媒体排出第１マニホールド２２など）内に空気が残り、熱媒体の流れが、残留空気により阻害されて、熱媒体流路９への熱媒体の分配・供給が不均一になったり、少なくなったり、とぎれたり、停止したりする。このため、燃料電池積層体１８内で温度分布が生じ、電池性能や寿命に対して悪影響を及ぼしていた。これは、特に起動時において生じ易い。
【００１４】
そこで、前記冷媒供給マニホールドの冷媒供給口以外の他端に空気抜き手段を備え、例えば前記冷媒排出マニホールドに、冷媒の循環を抑制する背圧発生手段を備え、冷媒流路に冷媒を供給する前に、冷媒供給マニホールド内の空気を追い出すようにした燃料電池が提供されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１５】
【特許文献１】
特願２００１−３４４８７７号
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の前記燃料電池は空気を追い出すことはできるが、煩雑でコストアップになる問題があった。
そこで本発明の第１の目的は、簡単な構成により、熱媒体供給経路あるいは熱媒体供給マニホールドあるいは熱媒体排出マニホールド内などの空気を容易にかつ低コストで追い出すことができる燃料電池積層体を提供することであり、
本発明の第２の目的は、このような目的のために使用できる簡単な構成で安価なセパレータを提供することであり、
本発明の第３の目的は、熱媒体供給経路あるいは熱媒体供給マニホールドあるいは熱媒体排出マニホールド内などの空気を容易にかつ低コストで追い出すことができる燃料電池システムを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の請求項１記載の燃料電池積層体は、空気極と電解質膜と燃料極で構成されたセルと、複数の燃料ガス流路または酸化剤ガス流路または熱媒体流路を備えるセパレータを積層した燃料電池積層体において、
熱媒体供給第１マニホールドを燃料電池の積層方向に貫通して設けるとともに、前記熱媒体供給第１マニホールドから熱媒体供給口を経て供給される熱媒体を前記熱媒体流路と連通し、前記熱媒体流路に熱媒体を分配・供給する熱媒体供給第２マニホールドを設け、前記熱媒体供給口と反対側の最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたことを特徴とする。
【００１８】
熱媒体供給口を経て熱媒体供給第２マニホールド内に熱媒体を供給した場合、万一、熱媒体供給口と反対側の熱媒体供給第２マニホールド内の特に上部に泡などの空気が残っても、最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたので、この開口部に熱媒体が少しでも流れると残留空気を巻き込み同伴して流れるので、残留空気はすくなくなり、そして排出されてなくなるので、各熱媒体流路への熱媒体の分配・供給が均一になり、燃料電池積層体内で温度分布が均一になる。
本発明の燃料電池積層体は、構成が簡単で、冷媒供給マニホールド内の空気を容易にかつ低コストで追い出すことができ、高電池性能、高寿命が得られ、信頼性が高い。
【００１９】
本発明の請求項２記載の燃料電池積層体は、空気極と電解質膜と燃料極で構成されたセルと、複数の燃料ガス流路または酸化剤ガス流路または熱媒体流路を備えるセパレータを積層した燃料電池積層体において、
熱媒体を前記熱媒体流路に分配・供給する熱媒体供給第１マニホールドを燃料電池の積層方向に貫通して設け、前記熱媒体供給第１マニホールドの最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたことを特徴とする。
【００２０】
熱媒体供給口を経て燃料電池の積層方向に貫通して設けた熱媒体供給第１マニホールド内に熱媒体を供給した場合、熱媒体供給第１マニホールドの最下流の位置に空気が残留し易いが、万一、熱媒体供給第１マニホールド内の最下流の位置の特に上部に泡などの空気が残っても、最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたので、この開口部に熱媒体が少しでも流れると残留空気を巻き込み同伴して流れるので、残留空気はすくなくなり、そして排出されてなくなるので、各熱媒体流路への熱媒体の分配・供給が均一になり、燃料電池積層体内で温度分布が均一になる。
本発明の燃料電池積層体は、構成が簡単で、冷媒供給マニホールド内の空気を容易にかつ低コストで追い出すことができ、高電池性能、高寿命が得られ、信頼性が高い。
【００２１】
本発明の請求項３記載の燃料電池セパレータは、熱媒体供給第１マニホールドから熱媒体供給口を経て供給される熱媒体を、複数の熱媒体流路と連通し、前記熱媒体流路に熱媒体を分配・供給する熱媒体供給第２マニホールドを備えたセパレータにおいて、前記熱媒体供給口と反対側の最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたことを特徴とする。
【００２２】
熱媒体供給口を経て熱媒体供給第２マニホールド内に熱媒体を供給した場合、万一、熱媒体供給口と反対側の熱媒体供給第２マニホールド内の特に上部に泡などの空気が残っても、開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けた熱媒体流路は残留空気にあまり影響されず熱媒体が流れ、熱媒体が少しでも流れると残留空気を巻き込み同伴して流れるので、残留空気はすくなくなり、排出されてなくなるので、熱媒体流路への熱媒体供給が少なくなったり、とぎれたり、停止したりせず、熱媒体の分配・供給が均一になり、燃料電池積層体内の温度分布が均一になる。
【００２３】
本発明の請求項４は、燃料電池への熱媒体供給経路または熱媒体供給マニホールドあるいは熱媒体排出マニホールドにガス抜き手段を設け、前記ガス抜き手段はガスを捕捉するガス溜りと、このガス溜りの上部と熱媒体タンクとを接続するガス抜き経路とからなることを特徴とする燃料電池システムである。
【００２４】
熱媒体供給経路あるいは熱媒体供給マニホールドあるいは熱媒体排出マニホールド内などには空気が残留し易いが、空気が残留し易い箇所にガス溜りを設けてガスを一旦捕捉し、次いでこのガス溜りの上部からガス抜き経路を経て熱媒体タンクへ熱媒体とともに排出するようにすれば、熱媒体流路への熱媒体供給が少なくなったり、とぎれたり、停止したりせず、熱媒体の分配・供給が均一になり、燃料電池積層体内の温度分布が均一になる。
【００２５】
本発明の請求項５は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス抜き経路あるいは熱媒体主経路にこれらの経路中を流れる熱媒体の流量を調節する流量調節手段を設けたことを特徴とする。
【００２６】
オリフィス、ニードル弁、電磁弁、細管などの流量調節手段によりこれらの経路中を流れる熱媒体の流量を調節することにより、捕捉して溜めたガスをガス溜りの上部からガス抜き経路を経て熱媒体タンクへ効率よく排出することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の燃料電池積層体に用いるセパレータの一実施の態様を説明する説明図である。
図２は、本発明の燃料電池積層体に用いる他のセパレータを説明する説明図である。
図３は、本発明の燃料電池積層体に用いる他のセパレータを説明する説明図である。
図４は、本発明の燃料電池積層体に用いる他のセパレータを説明する説明図である。
図１〜４において、図８〜１１に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
【００２８】
図１に示した本発明の燃料電池積層体に用いるセパレータ１０Ａは、燃料電池の積層方向に貫通して設けた熱媒体供給第１マニホールド１９から熱媒体供給口２０Ａを経て供給される冷却水などの熱媒体流路９と連通し、この熱媒体流路９に熱媒体を分配・供給して重力方向に流下させる熱媒体供給第２マニホールド２１を備えている。そして、熱媒体供給口２０Ａと反対側の最下流に位置する１つの熱媒体流路９Ａの開口部９０Ａの位置が他の複数の熱媒体流路９の開口部９０の位置より高い位置に設けてある。
熱媒体供給口２０Ａを経て熱媒体供給第２マニホールド２１内に熱媒体を供給した場合、万一、熱媒体供給口２０Ａと反対側の熱媒体供給第２マニホールド２１内の特に上部に泡などの空気８０が残っても、熱媒体流路９Ａを経て熱媒体が残留空気８０を巻き込み同伴して流れるので、各熱媒体流路９、９Ａへの熱媒体供給が少なくなったり、とぎれたり、停止したりせず、各熱媒体流路９、９Ａへ熱媒体が均一に分配・供給され重力方向に流下するので燃料電池積層体内の温度分布が均一になる。
【００２９】
図２に示した本発明の燃料電池積層体に用いるセパレータ１０Ｂは、熱媒体供給口２０Ａと反対側の最下流域に位置する２つの熱媒体流路９Ａ、９Ｂの開口部９０Ａ、９０Ｂの位置が他の複数の熱媒体流路９の開口部９０の位置より高い位置に設けてある以外は、図１に示したセパレータ１０Ａと同様になっている。熱媒体流路９Ａの開口部９０Ａの位置と熱媒体流路９Ｂの開口部９０Ｂの位置はほぼ同じ高さに設けてある。
熱媒体供給口２０Ａを経て熱媒体供給第２マニホールド２１内に熱媒体を供給した場合、万一、熱媒体供給口２０Ａと反対側の熱媒体供給第２マニホールド２１内の特に上部に空気８０が残っても、熱媒体流路９Ａ、９Ｂを経て熱媒体が残留空気８０を巻き込み同伴して流れるので、熱媒体流路９、９Ａ、９Ｂへの熱媒体供給が少なくなったり、とぎれたり、停止したりせず、各熱媒体流路９、９Ａ、９Ｂへ熱媒体が均一に分配・供給され重力方向に流下するので燃料電池積層体内の温度分布がより均一になる。
【００３０】
図３に示した本発明の燃料電池積層体に用いるセパレータ１０Ｃは、熱媒体供給口２０と反対側の最下流域に位置する２つの熱媒体流路９Ａ、９Ｂの開口部９０Ａ、９０Ｂの位置が他の複数の熱媒体流路９の開口部９０の位置より高い位置に設けてある以外は、図１に示したセパレータ１０Ａと同様になっている。ただし空気の溜り易い熱媒体流路９Ａの開口部９０Ａの位置を熱媒体流路９Ｂの開口部９０Ｂの位置より高く設けてある。
熱媒体供給口２０Ａを経て熱媒体供給第２マニホールド２１内に熱媒体を供給した場合、万一、熱媒体供給口２０Ａと反対側の熱媒体供給第２マニホールド２１内の特に上部に泡などの空気８０が残っても、熱媒体流路９Ａや９Ｂを経て熱媒体が残留空気８０を巻き込み同伴して流れるので、熱媒体流路９、９Ａ、９Ｂへの熱媒体供給が少なくなったり、とぎれたり、停止したりせず、各熱媒体流路９、９Ａ、９Ｂへ熱媒体が均一に分配・供給され重力方向に流下するので燃料電池積層体内で温度分布がより均一になる。
【００３１】
図４に示したセパレータ１０Ｄは、図示しない燃料電池積層体の積層方向に貫通して形成された熱媒体供給用の熱媒体供給第１マニホールド１９の最下流の位置に使用されるセパレータである。セパレータ１０Ｄは、上方の端部に熱媒体供給第１マニホールド１９が燃料電池の積層方向に貫通して形成されており、図示しない燃料電池積層体の熱媒体供給口１９ａからこの熱媒体供給第１マニホールド１９を経て供給される熱媒体を図示しない積層された各セパレータの熱媒体流路９に分配・供給されるようになっており、そして図示しない他方の端部は前記図１１（イ）に示したものと同様に熱媒体排出用の熱媒体排出マニホールド２３が燃料電池の積層方向に貫通して形成されており、熱媒体は図示しない熱媒体排出口２３ａから外部に排出されるようになっている。
【００３２】
熱媒体供給口１９ａと反対側の熱媒体供給第１マニホールド１９の最下流の位置にあるセパレータ１０Ｄの２つの熱媒体流路９Ａ、９Ｂの開口部９０Ａ、９０Ｂの位置がセパレータ１０Ｄの他の熱媒体流路９や図示しない積層された各セパレータの熱媒体流路９の開口部９０の位置より高い位置に設けてある。熱媒体流路９Ａの開口部９０Ａの位置と熱媒体流路９Ｂの開口部９０Ｂの位置はほぼ同じ高さに設けてある。
【００３３】
熱媒体供給口１９ａを経て熱媒体供給第１マニホールド１９内に熱媒体を供給した場合、万一、熱媒体供給口２０と反対側の熱媒体供給第１マニホールド１９の最下流の位置に空気８０が残っても、熱媒体流路９Ａ、９Ｂを経て熱媒体が残留空気８０を巻き込み同伴して流れるので、熱媒体流路９、９Ａ、９Ｂへの熱媒体供給が少なくなったり、とぎれたり、停止したりせず、各熱媒体流路９、９Ａ、９Ｂへ熱媒体が均一に分配・供給され重力方向に流下するので燃料電池積層体内の温度分布がより均一になる。
【００３４】
図５は、本発明の燃料電池システムを説明する説明図である。
図５において、１８Ａは本発明の燃料電池積層体であり、その積層方向に沿って熱媒体供給第１マニホールド１９及び熱媒体排出マニホールド２３がそれぞれ貫通して設けられている。
図示は省略したが、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールド、並びに酸化剤供給マニホールドと酸化剤排出マニホールドも同様に本発明の燃料電池積層体１８Ａの積層方向に沿って貫通して設けられている。
【００３５】
熱媒体供給第１マニホールド１９の一端には、熱媒体供給口１９ａが設けられ、この熱媒体供給口１９ａには熱媒体供給第１マニホールド１９の下面より下方から配管された熱媒体供給管２７が接続されている。熱媒体供給管２７は、他端が熱媒体タンク２５に接続され、途中の要所にポンプ２６が接続されている。又、熱媒体タンク２５は、底部に排出管２８を有し、この排出管２８と熱媒体供給管２７との接続部の下流側に排出弁２９が設けられている。
【００３６】
熱媒体供給第１マニホールド１９の他端には、熱媒体供給第１マニホールド１９の略上端部に位置させてガス抜き手段の空気などのガスを捕捉するガス溜り１９ｂが設けられており、このガス溜り１９ｂの上部にガス抜き手段のガス抜き経路３０が接続されている。このガス抜き経路３０は、熱媒体供給第１マニホールド１９の上端面より上方に延設されており、その他端部は熱媒体タンク２５に接続されている。
【００３７】
前記熱媒体排出第２マニホールド２３は、端部に排出口２３ａが設けられ、この排出口２３ａに熱媒体排出管３１が接続されている。この熱媒体排出管３１は、他端が熱媒体タンク２５に接続され、途中の要所に流量調節手段３２が設けられている。流量調節手段３２としては、例えば、熱媒体排出管３１内に形成された流路断面積の絞り部、又は熱媒体排出管３１の途中に設けられたオリフィスやニードル弁（開度調節可能）、電磁弁（開閉弁）、細管などを用いることができる。
【００３８】
上記のように冷却系が構成された燃料電池システムにおいて、起動時には先ず前記ポンプ２６により熱媒体タンク２５内の熱媒体を吸引し、熱媒体供給管２７を経て熱媒体供給第１マニホールド１９内に供給する。この際、熱媒体供給管２７内の空気は熱媒体によって押し上げられ、この熱媒体と共に熱媒体供給第１マニホールド１９に流入することで排除される。次に、熱媒体と空気は各セパレータの熱媒体流路９とガス抜き経路３０とに別れ、それぞれの経路を流れて熱媒体タンク２５に戻る。空気を排出した後はそれぞれの経路に常時熱媒体が流れる。それぞれの流路を流れる熱媒体の流量は流量調節手段３２で調節する。
【００３９】
なお流量調節手段３２はガス抜き経路３０に設けてもよく、この場合、流量調節手段としてガス抜き経路３０自体を細管とすることは好ましい。その他、流量調節手段３２は熱媒体主経路（熱媒体供給管２７、熱媒体供給第１マニホールド１９、熱媒体排出マニホールド２３、熱媒体排出第１マニホールド２２、熱媒体排出管３１などあるいはこれらの２つ以上の組み合わせ）のガスが溜り易いような適宜の箇所に設けてもよい。
【００４０】
またこの例では流量調節手段３２を設けた例を示したが、特別な流量調節手段３２を設けないで上記ガス抜き手段のみでガス抜きすることも可能である。
【００４１】
本発明の燃料電池システムにおいて、図１に示したセパレータ１０Ａを用いることもできる。セパレータ１０Ａを用いると熱媒体供給第２マニホールド２１を経て熱媒体流路９へ熱媒体が流れ始めた際に熱媒体供給口２０Ａと反対側の熱媒体供給第２マニホールド２１内の特に上部に空気８０が残っても、熱媒体供給口２０Ａと反対側の最下流域に位置する熱媒体流路９Ａの開口部９０Ａの位置が他の複数の熱媒体流路９の開口部９０の位置より高い位置に設けてあるので、熱媒体流路９Ａを経て熱媒体が残留空気８０を巻き込み同伴して流れ残留空気８０が排出されるので、熱媒体流路９、９Ａへの熱媒体供給が少なくなったり、とぎれたり、停止したりせず、各熱媒体流路９、９Ａへ熱媒体が均一に分配・供給される。
【００４２】
熱媒体は熱媒体供給第１マニホールド１９から熱媒体流路９、９Ａを流れて冷却作用を行い、前記熱媒体排出マニホールド２３に排出される。そして、熱媒体排出マニホールド２３に排出された熱媒体は、熱媒体排出口２３ａから熱媒体排出管３１を経て熱媒体タンク２５内に戻される。
流量調節手段３２として電磁弁を用いた場合は、熱媒体供給開始時に電磁弁を一定時間開けた後に閉じ、その後一定時間毎に開閉する制御装置を備えることが好ましい。
【００４３】
図６は、本発明の他の燃料電池システムを説明する説明図である。
図６において、１８Ｂは本発明の燃料電池積層体であり、その積層方向に沿って貫通して設けられた熱媒体排出マニホールド２３の一端部に位置させてガス抜き手段のガス溜り２３ｂを設け、このガス溜り２３ｂの上部にガス抜き手段のガス抜き経路３０Ａを接続し、このガス抜き経路３０Ａを、熱媒体排出マニホールド２３の上端面より上方に延設させ、その他端部を熱媒体タンク２５に接続した以外は図５に示した燃料電池システムと同様になっている。図５に示した燃料電池システムと同様に熱媒体供給経路中の空気などのガスを排出できる上、ガス溜り２３ｂおよびガス抜き経路３０Ａにより熱媒体排出マニホールド２３中の空気などのガスを排出できる。
なお流量調節手段をガス抜き経路３０、３０Ａに設けてもよい。この場合、流量調節手段としてガス抜き経路３０、３０Ａ自体を細管とすることは好ましい。
【００４４】
図７は、本発明の他の燃料電池システムを説明する説明図である。
図７において、１８Ｃは本発明の燃料電池積層体であり、図５に示した本発明の燃料電池システムのガス抜き手段に替えて、熱媒体供給第１マニホールド１９の手前の熱媒体供給管２７にガス溜り２７Ａ（この例では気水分離器を用いた）を設け、このガス溜り２７Ａの上部に上向きにガス抜き経路３０Ｂを接続し、このガス抜き経路３０Ｂの他端部を熱媒体タンク２５に接続した以外は図５に示した燃料電池システムと同様になっている。図５に示した燃料電池システムと同様に熱媒体供給経路中の空気などのガスを排出できる。なお、ガス溜り２７Ａとして気水分離器を用いたのでガス抜き経路３０Ｂを経て熱媒体供給経路中の空気などのガスのみを流して排出できる。
ガス抜き経路３０Ｂを経て熱媒体供給経路中の空気などのガスを流して確実に排出するために、流路抵抗を調節するなどのためガス抜き経路３０Ｂに流量調節手段を設けることが好ましい。流量調節手段としてガス抜き経路３０Ｂ自体を細管とすることは好ましい。
【００４５】
なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、熱媒体の流れ方向は図示した方向と逆であってもよく、また熱媒体の流れ方向やマニホールドの形状、接続管の形状などに合わせて空気などのガスの溜り易い箇所にガス溜りを設けることができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の燃料電池積層体は、空気極と電解質膜と燃料極で構成されたセルと、複数の燃料ガス流路または酸化剤ガス流路または熱媒体流路を備えるセパレータを積層した燃料電池積層体において、熱媒体供給第１マニホールドを燃料電池の積層方向に貫通して設けるとともに、前記熱媒体供給第１マニホールドから熱媒体供給口を経て供給される熱媒体を前記熱媒体流路と連通し、前記熱媒体流路に熱媒体を分配・供給する熱媒体供給第２マニホールドを設け、前記熱媒体供給口と反対側の最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたことを特徴とするものであり、
熱媒体供給口を経て熱媒体供給第２マニホールド内に熱媒体を供給した場合、万一、熱媒体供給口と反対側の熱媒体供給第２マニホールド内の特に上部に泡などの空気が残っても、最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたので、この開口部に熱媒体が少しでも流れると残留空気を巻き込み同伴して流れるので、残留空気はすくなくなり、そして排出されてなくなるので、各熱媒体流路への熱媒体の分配・供給が均一になり、燃料電池積層体内で温度分布が均一になるという顕著な効果を奏する。
本発明の燃料電池積層体は、構成が簡単で、冷媒供給マニホールド内の空気を容易にかつ低コストで追い出すことができ、高電池性能、高寿命が得られ、信頼性が高い。
【００４７】
本発明の請求項２記載の燃料電池積層体は、空気極と電解質膜と燃料極で構成されたセルと、複数の燃料ガス流路または酸化剤ガス流路または熱媒体流路を備えるセパレータを積層した燃料電池積層体において、熱媒体を前記熱媒体流路に分配・供給する熱媒体供給第１マニホールドを燃料電池の積層方向に貫通して設け、前記熱媒体供給第１マニホールドの最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたことを特徴とするものであり、
熱媒体供給口を経て燃料電池の積層方向に貫通して設けた熱媒体供給第１マニホールド内に熱媒体を供給した場合、熱媒体供給第１マニホールドの最下流の位置に空気が残留し易いが、万一、熱媒体供給第１マニホールド内の最下流の位置の特に上部に泡などの空気が残っても、最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたので、この開口部に熱媒体が少しでも流れると残留空気を巻き込み同伴して流れるので、残留空気はすくなくなり、そして排出されてなくなるので、各熱媒体流路への熱媒体の分配・供給が均一になり、燃料電池積層体内で温度分布が均一になるという顕著な効果を奏する。
本発明の燃料電池積層体は、構成が簡単で、冷媒供給マニホールド内の空気を容易にかつ低コストで追い出すことができ、高電池性能、高寿命が得られ、信頼性が高い。
【００４８】
本発明の請求項３記載の燃料電池セパレータは、熱媒体供給第１マニホールドから熱媒体供給口を経て供給される熱媒体を、複数の熱媒体流路と連通し、前記熱媒体流路に熱媒体を分配・供給する熱媒体供給第２マニホールドを備えたセパレータにおいて、前記熱媒体供給口と反対側の最下流に位置する少なくとも１つの熱媒体流路の開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けたことを特徴とするものであり、
熱媒体供給口を経て熱媒体供給第２マニホールド内に熱媒体を供給した場合、万一、熱媒体供給口と反対側の熱媒体供給第２マニホールド内の特に上部に泡などの空気が残っても、開口部の位置を他の熱媒体流路の開口部の位置より高い位置に設けた熱媒体流路は残留空気にあまり影響されず熱媒体が流れ、熱媒体が少しでも流れると残留空気を巻き込み同伴して流れるので、残留空気はすくなくなり、排出されてなくなるので、熱媒体流路への熱媒体供給が少なくなったり、とぎれたり、停止したりせず、熱媒体の分配・供給が均一になり、燃料電池積層体内の温度分布が均一になるという顕著な効果を奏する。
【００４９】
本発明の請求項４は、燃料電池への熱媒体供給経路または熱媒体供給マニホールドあるいは熱媒体排出マニホールドにガス抜き手段を設け、前記ガス抜き手段はガスを捕捉するガス溜りと、このガス溜りの上部と熱媒体タンクとを接続するガス抜き経路とからなることを特徴とする燃料電池システムであり、
熱媒体供給経路あるいは熱媒体供給マニホールドあるいは熱媒体排出マニホールド内などには空気が残留し易いが、空気が残留し易い箇所にガス溜りを設けてガスを一旦捕捉し、次いでこのガス溜りの上部からガス抜き経路を経て熱媒体タンクへ熱媒体とともに排出するようにすれば、熱媒体流路への熱媒体供給が少なくなったり、とぎれたり、停止したりせず、熱媒体の分配・供給が均一になり、燃料電池積層体内の温度分布が均一になるという顕著な効果を奏する。
【００５０】
本発明の請求項５は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記ガス抜き経路あるいは熱媒体主経路にこれらの経路中を流れる熱媒体の流量を調節する流量調節手段を設けたことを特徴とするものであり、
オリフィス、ニードル弁、電磁弁、細管などの流量調節手段によりこれらの経路中を流れる熱媒体の流量を調節することにより、捕捉して溜めたガスをガス溜りの上部からガス抜き経路を経て熱媒体タンクへ効率よく排出することができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池積層体に用いるセパレータの一実施の態様を説明する説明図である。
【図２】本発明の燃料電池積層体に用いる他のセパレータを説明する説明図である。
【図３】本発明の燃料電池積層体に用いる他のセパレータを説明する説明図である。
【図４】本発明の燃料電池積層体に用いる他のセパレータを説明する説明図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの一実施の態様を説明する説明図である。
【図６】本発明の他の燃料電池システムの一実施の態様を説明する説明図である。
【図７】本発明の他の燃料電池システムの一実施の態様を説明する説明図である。
【図８】従来の燃料電池の１形態である固体高分子形燃料電池の電極（セル）の基本構成を示す分解断面図である。
【図９】燃料電池スタック（積層体）の基本構成を示す断面図である。
【図１０】従来の燃料電池システムを説明する説明図である。
【図１１】（イ）、（ロ）は、図１０に示した燃料電池システムの燃料電池スタック（積層体）に用いるセパレータを説明する説明図である。
【符号の説明】
１  電解質膜
２  空気極（カソード）側触媒層
３  燃料極（アノード）側触媒層
４  空気極側ガス拡散層
５  燃料極側ガス拡散層
６  空気極
７  燃料極
８  反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）流通用ガス流路
９、９Ａ、９Ｂ  熱媒体流路
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  セパレータ
１１  燃料電池用電極（セル）
１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ  燃料電池積層体
１９  熱媒体供給用第１マニホールド
１９ｂ、２３ｂ、２７Ａ  ガス溜り
１９ａ、２０Ａ  熱媒体供給口
２１  熱媒体供給第２マニホールド
２２  熱媒体排出第１マニホールド
２３  熱媒体排出マニホールド
２３ａ、２４Ａ  熱媒体排出口
２５  熱媒体タンク
２７  熱媒体供給管
３０、３０Ａ、３０Ｂ  ガス抜き経路
３１  熱媒体排出管
３２  流量調節手段
９０、９０Ａ、９０Ｂ  開口部
８０  空気
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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