(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの端部のセルの温度低下を抑制しつつ冷却水の流路における圧力損失を低減する。【解決手段】スタックマニホールド３０に送り込まれた冷却水が、複数のセルを積層してなる燃料電池スタック１０内を通り、スタックマニホールド３０戻される燃料電池１であって、スタックマニホールド３０は、冷却媒体出口３２を備えるとともに燃料電池スタック１０から戻った冷却水の一部が流通して冷却媒体出口３２から流出する第１流路３３と、第２出口３６を備えるとともにスタックマニホールド３０内で第１流路３３から分岐してスタックマニホールド３０内に延在し、燃料電池スタック１０から戻った冷却水の残部が流通して第２出口３６から補機へ導かれる第２流路３５と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの端部に配置されるエンドプレートと、
前記エンドプレートに隣接するスタックマニホールドと、
を備え、
前記スタックマニホールドに送り込まれた冷却媒体が、前記燃料電池スタック内を通り、前記スタックマニホールドに戻される燃料電池であって、
前記スタックマニホールドは、
第１出口を備えるとともに前記燃料電池スタックから戻った前記冷却媒体の一部が流通して前記第１出口から流出する第１流路と、
第２出口を備えるとともに前記スタックマニホールド内で前記第１流路から分岐して前記スタックマニホールド内に延在し、前記燃料電池スタックから戻った前記冷却媒体の残部が流通して前記第２出口から補機へ導かれる第２流路と、
を有する燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両に搭載される燃料電池は、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、燃料電池スタックの端部に配置されるエンドプレートと、エンドプレートに隣接するスタックマニホールドとを備えている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池では、スタックマニホールドの冷却水入口から供給された冷却水が、燃料電池スタックを通ってスタックマニホールドに戻り、スタックマニホールドの冷却水流路を通って冷却水出口から外部に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／００８３１５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の燃料電池では、燃料電池スタック内を通った冷却水をスタックマニホールドの冷却水流路へ流すことで、エンドプレートを介して燃料電池スタックの端部のセルを暖め、温度低下を抑制している。しかしながら、上記構造の燃料電池では、燃料電池スタックの端部のセルの温度低下を抑制できるが、燃料電池スタックから戻る冷却水をスタックマニホールドの冷却水流路へ導いて流す際に大きな圧力損失が生じるおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池スタックの端部のセルの温度低下を抑制しつつ冷却水の流路における圧力損失を低減できる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの端部に配置されるエンドプレートと、
前記エンドプレートに隣接するスタックマニホールドと、
を備え、
前記スタックマニホールドに送り込まれた冷却媒体が、前記燃料電池スタック内を通り、前記スタックマニホールドに戻される燃料電池であって、
前記スタックマニホールドは、
第１出口を備えるとともに前記燃料電池スタックから戻った前記冷却媒体の一部が流通して前記第１出口から流出する第１流路と、
第２出口を備えるとともに前記スタックマニホールド内で前記第１流路から分岐して前記スタックマニホールド内に延在し、前記燃料電池スタックから戻った前記冷却媒体の残部が流通して前記第２出口から補機へ導かれる第２流路と、
を有する。
【０００７】
この構成の燃料電池によれば、スタックマニホールドに、冷却媒体の出口を第１出口と第２出口の少なくとも２ヶ所設けたため（第２出口は複数あってもよい。）、スタックマニホールドから送り出される冷却媒体における圧力損失を低減できる。また、燃料電池スタックから戻される冷却媒体が第１流路から分岐して第２流路を流れるので、スタックマニホールドが隣接された燃料電池スタックの端部のセルを保温できる。さらに、第２流路をスタックマニホールド内で第１流路から分岐させることで、配管構造を簡略化することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池によれば、燃料電池スタックの端部のセルの温度低下を抑制しつつ冷却水の流路における圧力損失を低減できる燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池の構成を説明する図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図、（ｃ）は概略正面図である。
【図２】参考例１に係る燃料電池の構成を説明する図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図、（ｃ）は概略正面図である。
【図３】参考例２に係る燃料電池の構成を説明する図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図、（ｃ）は概略正面図である。
【図４】燃料電池の概略正面図である。
【図５】燃料電池の配管構成について説明する概略配管図である。
【図６】空調ヒータが並設された燃料電池の概略正面図である。
【図７】燃料電池の配管構成の他の例を説明する概略配管図である。
【図８】燃料電池の配管構成の他の例を説明する概略配管図である。
【図９】燃料電池の配管構成の他の例を説明する概略配管図である。
【図１０】燃料電池の変形例を説明する燃料電池の概略正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る燃料電池の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池の構成を説明する図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図、（ｃ）は概略正面図である。
【００１１】
図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態に係る燃料電池１は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、燃料電池スタック１０と、エンドプレート２０と、スタックマニホールド３０とを備えている。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、複数のセルを積層して構成される。セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。そして、一方のセパレータの水素ガス流路に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスとしての空気が供給され、これらのガスが電気化学反応することで電力が発生する。エンドプレート２０は、燃料電池スタック１０の両端に設けられ、互いに連結されてセルを挟み込んで一体化している。スタックマニホールド３０は、燃料電池スタック１０の一端側に設けられており、一方のエンドプレート２０と隣接されている。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、流入路１１と流出路１２とを有している。流入路１１は、燃料電池スタック１０の一側部に設けられ、セルの積層方向に沿って形成されている。流出路１２は、燃料電池スタック１０の他側部に設けられ、セルの積層方向に沿って形成されている。これらの流入路１１及び流出路１２は、各セルに設けられた冷却路１３に連通されている。流入路１１及び流出路１２は、燃料電池スタック１０のスタックマニホールド３０が設けられた一端側で開口されている。
【００１４】
スタックマニホールド３０は、冷却媒体入口３１を有している。冷却媒体入口３１は、スタックマニホールド３０における一端寄りに設けられており、燃料電池スタック１０の流入路１１に連通されている。
【００１５】
スタックマニホールド３０は、冷却媒体出口（第１出口）３２を備えた第１流路３３を有している。第１流路３３は、スタックマニホールド３０における他端寄りに設けられており、燃料電池スタック１０の流出路１２に連通されている。第１流路３３は、スタックマニホールド３０の厚さ方向に沿って設けられている。
【００１６】
また、スタックマニホールド３０は、第２流路３５を有している。第２流路３５は、スタックマニホールド３０内で、第１流路３３の途中から分岐してスタックマニホールド３０内へ延びており、スタックマニホールド３０の両側部近傍で交互に折り返しながら第１流路３３側から冷却媒体入口３１側へ向かって延在されている。第２流路３５は、第２出口３６を備えている。第２出口３６は、第２流路３５の端部に設けられている。
【００１７】
上記構成の燃料電池１では、スタックマニホールド３０の冷却媒体入口３１と冷却媒体出口３２とに、ラジエータ等を有する冷却系循環路が接続される。また、スタックマニホールド３０の第２出口３６には、水素ポンプなどの補機を通る補機循環路が接続される。
【００１８】
そして、この燃料電池１では、その内部を通ってスタックマニホールド３０に流入した冷却水の一部（燃料電池から戻った冷却媒体の一部）が冷却媒体出口３２から外部に流出して冷却系循環路のラジエータ等で冷却されて燃料電池１の冷却媒体入口３１へ送り込まれる。これにより、燃料電池１では、冷却水が冷却媒体入口３１から流入路１１に送り込まれて各セルの冷却路１３へ通される。これにより、燃料電池１の各セルが、冷却水によって冷却される。
【００１９】
また、燃料電池１の各セルの冷却路１３に通された冷却水は、流出路１２から第１流路３３を通過する際に、その一部（燃料電池から戻った冷却媒体の残部）が第２流路３５へ流れ込む。そして、この第２流路３５へ流れ込んだ冷却水は、第２流路３５を通り、第２出口３６から補機循環路へ送り込まれる。これにより、スタックマニホールド３０が第２流路３５を流れる冷却水によって暖められ、その熱によってスタックマニホールド３０に隣接された燃料電池スタック１０の端部のセルが保温される。
【００２０】
ここで、参考例に係る燃料電池について説明する。
（参考例１）
図２は、参考例１に係る燃料電池の構成を説明する図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図、（ｃ）は概略正面図である。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、参考例１に係る燃料電池１００Ａでは、冷却水の出口として、一つの冷却媒体出口３２Ａを設けたスタックマニホールド３０Ａを備えている。このスタックマニホールド３０Ａは、燃料電池スタック１０の流出路１２が連通する幅方向に広がる流路１０１を有し、冷却媒体出口３２Ａは、流路１０１における流出路１２と反対側に設けられている。
【００２２】
この参考例１に係る燃料電池１００Ａでは、流出路１２からの全ての冷却水が流路１０１を流れて冷却媒体出口３２Ａから送り出されることで、スタックマニホールド３０が隣接された燃料電池スタック１０の端部のセルを保温できる。
【００２３】
しかし、この燃料電池１００Ａでは、冷却水が流出路１２から流路１０１へ流れ込む際に、大きな圧力損失が生じてしまう。
【００２４】
（参考例２）
図３は、参考例２に係る燃料電池の構成を説明する図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略側面図、（ｃ）は概略正面図である。
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、参考例２に係る燃料電池１００Ｂでは、冷却水の出口として、一つの冷却媒体出口３２Ｂを設けたスタックマニホールド３０Ｂを備えている。このスタックマニホールド３０Ｂは、燃料電池スタック１０の流出路１２と冷却媒体出口３２Ｂとの間の流路１１１に、絞り１１２が設けられている。また、スタックマニホールド３０Ｂには、環状流路１１３が設けられている。この環状流路１１３は、一端が流路１１１における絞り１１２よりも流出路１２側に連通され、他端が流路１１１における絞り１１２よりも冷却媒体出口３２Ｂ側に連通されている。
【００２５】
この参考例２に係る燃料電池１００Ｂでは、流出路１２からの冷却水が流路１１１の絞り１１２を通過して冷却媒体出口３２Ｂから送り出される。また、流出路１２からの冷却水は、その一部が絞り１１２の上流側で環状流路１１３へ流れ込み、その後、この環状流路１１３を通り、流路１１１における絞り１１２の下流側へ流れ込んで冷却媒体出口３２Ｂから送り出される。したがって、この参考例２の場合も、冷却水が環状流路１１３を流れることで、スタックマニホールド３０Ｂが隣接された燃料電池スタック１０の端部のセルを保温できる。
【００２６】
しかし、この参考例２では、流出路１２からの冷却水の一部を環状流路１１３へ導くために、流路１１１に絞り１１２を設けているため、この絞り１１２によって冷却水に圧力損失が生じてしまう。また、絞り１１２や環状流路１１３を設けることで、スタックマニホールド３０Ｂの構造が複雑になり、製造コストが増加してしまう。
【００２７】
これに対して、本実施形態に係る燃料電池１によれば、スタックマニホールド３０に、冷却水の出口を少なくとも２ヶ所設けたため、スタックマニホールド３０から送り出される冷却水における圧力損失を低減できる。また、燃料電池スタック１０から戻される冷却水が第１流路３３から分岐して第２流路３５を流れるので、スタックマニホールド３０が隣接された燃料電池スタック１０の端部のセルを保温できる。さらに、第２流路３５をスタックマニホールド３０内で第１流路３３から分岐させることで、配管構造を簡略化することができ、製造コストを抑えることができる。
【００２８】
なお、第２流路３５は、第１流路３３の下部から分岐させて下方へ向かって延ばすのが好ましい。このようにすれば、第１流路３３を通る冷却水に含まれる気泡が第２流路３５を通って補機に繋がる補機循環路へ流入することを抑制できる。
【００２９】
次に、本実施形態に係る燃料電池１の具体的な配管構成について説明する。
図４は、燃料電池の概略正面図である。図５は、燃料電池の配管構成について説明する概略配管図である。
【００３０】
図４に示すように、スタックマニホールド３０には、第２流路３５に、複数の第２出口３６が設けられている。複数の第２出口３６のうちの一つの第２出口３６は、第２流路３５の端部に設けられ、他の第２出口３６は、第２流路３５の途中に間隔をあけて設けられている。
【００３１】
図５に示すように、燃料電池１には、冷却系５０が設けられる。冷却系５０は、燃料電池１に冷却媒体である冷却水を循環させて冷却する。
【００３２】
冷却系５０は、ラジエータ５１と、燃料電池１とラジエータ５１とを繋ぐ循環経路５２と、この循環経路５２に組み込まれたポンプ５３とを備える。循環経路５２は、燃料電池１のスタックマニホールド３０の冷却媒体入口３１と冷却媒体出口３２とに接続されている。この冷却系５０は、ポンプ５３の駆動により、燃料電池１の冷却媒体出口３２からの冷却水を循環経路５２に循環させてラジエータ５１で熱交換し、冷却済みの冷却水を燃料電池１の冷却媒体入口３１へ送り込む。燃料電池１では、冷却媒体入口３１から流入路１１に冷却水が送り込まれて各セルの冷却路１３へ通される。これにより、燃料電池１の各セルが、冷却水によって冷却される。
【００３３】
循環経路５２には、イオン交換器５５を備えたイオン交換経路５６が、ラジエータ５１と並列に接続されている。イオン交換経路５６と燃料電池１の冷却媒体出口３２側に接続された循環経路５２との接続箇所には、ロータリーバルブ５７が設けられており、ロータリーバルブ５７によって燃料電池１から送り出された冷却水のイオン交換器５５への送り込みが可能とされている。そして、このイオン交換器５５を通過する冷却水は、イオン交換器５５でイオンが除去され、その後、循環経路５２から燃料電池１へ送られる。
【００３４】
また、燃料電池１には、スタックマニホールド３０の第２出口３６に、水素ポンプ６１を通る水素ポンプ経路６２、インタークーラ６３を通るインタークーラ経路６４及び空調ヒータ回路６５を通るヒータ経路６６が接続されている。
【００３５】
水素ポンプ経路６２は、スタックマニホールド３０の第２出口３６と燃料電池１の冷却媒体出口３２側に接続された循環経路５２とに接続されている。これにより、スタックマニホールド３０の第２流路３５から送り出された冷却水が水素ポンプ経路６２を通って循環経路５２へ送られることで、燃料電池１へ水素を送り込むための水素ポンプ６１が暖められる。
【００３６】
インタークーラ経路６４は、スタックマニホールド３０の第２出口３６と燃料電池１の冷却媒体入口３１側に接続された循環経路５２とに接続されている。これにより、循環経路５２の冷却水がインタークーラ経路６４を通ることで、インタークーラ６３の熱によって暖められて第２流路３５へ送られる。
【００３７】
ヒータ経路６６は、スタックマニホールド３０の二つの第２出口３６に接続されている。これにより、スタックマニホールド３０の第２流路３５から送り出された冷却水がヒータ経路６６を通り、再び第２流路３５へ戻されることで、冷却水の熱が空調ヒータ回路６５によって暖められる。
【００３８】
このように、上記の配管構成とすることで、スタックマニホールド３０の第２流路３５からの冷却水によって水素ポンプ６１を暖機させることができる。特に、インタークーラ６３及び空調ヒータ回路６５によってスタックマニホールド３０の第２流路３５を流れる冷却水を暖めることができるので、燃料電池スタック１０の端部のセル及び水素ポンプ６１をより効率よく暖めることができ、低温始動時における始動性を高めることができる。しかも、スタックマニホールド３０から送り出される冷却水における圧力損失を低減できる。
【００３９】
図６に示すように、空調ヒータ回路６５をスタックマニホールド３０に並設する場合は、ポンプ７１、ヒータ７２及びヒータコア７３を有するヒータ経路６６を、スタックマニホールド３０における第２流路３５に設けられた上流側の第２出口３６と下流側の第２出口３６とにそれぞれ接続する。なお、ヒータ経路６６には、上流側と下流側とを繋ぐ循環路７４及びロータリー弁７５が設けられており、ロータリー弁７５を制御することで、必要に応じて、第２流路３５を流れる冷却水を、第２流路３５の下流側からヒータ経路６６へ引き込んでヒータ７２で加熱して第２流路３５の上流側へ戻し、スタックマニホールド３０に隣接するセルを効率的に暖めることができるようになっている。
【００４０】
なお、燃料電池１の配管構造としては、上記構造に限定されない。
例えば、図７に示すように、インタークーラ経路６４を、スタックマニホールド３０の第２出口３６と燃料電池１の冷却媒体出口３２側に接続された循環経路５２とに接続しても良く。また、図８に示すように、水素ポンプ経路６２及びインタークーラ経路６４を、スタックマニホールド３０の第２出口３６とイオン交換経路５６におけるイオン交換器５５の下流側とに接続しても良い。
【００４１】
このような配管構成においても、スタックマニホールド３０の第２流路３５からの冷却水によって水素ポンプ６１を暖機させることができる。しかも、インタークーラ６３及び空調ヒータ回路６５によってスタックマニホールド３０の第２流路３５を流れる冷却水を暖めることができるので、燃料電池スタック１０の端部のセル及び水素ポンプ６１をより効率よく暖めることができ、低温始動時における始動性を高めることができる。しかも、スタックマニホールド３０から送り出される冷却水における圧力損失を低減できる。
【００４２】
また、図９に示す配管構造では、スタックマニホールド３０に設けられた一つの第２出口３６は、イオン交換経路５６におけるイオン交換器５５の下流側に接続されている。また、ヒータ経路６６は、燃料電池１の冷却媒体出口３２側に接続された循環経路５２に接続されている。さらに、水素ポンプ経路６２及びインタークーラ経路６４は、燃料電池１の冷却媒体出口３２側に接続された循環経路５２と燃料電池１の冷却媒体入口３１側に接続された循環経路５２とに接続されている。
【００４３】
この配管構造においても、スタックマニホールド３０から送り出される冷却水における圧力損失を低減でき、しかも、スタックマニホールド３０が隣接された燃料電池スタック１０の端部のセルを保温できる。
【００４４】
なお、スタックマニホールド３０における第２流路３５の形成位置や形状は、燃料電池スタック１０のスタックマニホールド３０側の端部のセルにおける暖まりにくい領域や迅速に暖めたい領域に優先して形成するのが望ましい。
【００４５】
例えば、図１０に示すように、水素入口Ｈｉｎ側に対して暖まりにくい水素出口Ｈｏｕｔ側に第２流路３５を寄せて設けることで、燃料電池スタック１０のスタックマニホールド３０側の端部のセルにおける暖まりにくい水素出口Ｈｏｕｔ側を、第２流路３５を通る冷却水によって積極的に暖めることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  燃料電池
１０  燃料電池スタック
２０  エンドプレート
３０  スタックマニホールド
３２  冷却媒体出口（第１出口）
３３  第１流路
３５  第２流路
３６  第２出口
【図１】
2017183061.tif 000003
【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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