(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質のそれぞれの面に燃料極又は酸化剤極を設けたセルユニットと燃料流路又は酸化剤流路又は冷媒流路を備える電池プレートとを積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの積層方向に貫通すると共に前記冷媒流路と連通し、前記冷媒流路に冷媒を分配・供給する冷媒供給マニホールドと、
前記冷媒供給マニホールドの一端に設けられ、冷媒供給管と接続される冷媒供給口と、
前記燃料電池スタックの積層方向に貫通すると共に前記冷媒流路と連通し、前記冷媒流路からの前記冷媒を集合・排出する冷媒排出マニホールドと、
前記冷媒排出マニホールドの一端に設けられ、冷媒排出管と接続される冷媒排出口と、
前記冷媒流路又は前記冷媒排出マニホールド又は前記冷媒排出口又は前記冷媒排出管のいずれかに設けられ、前記冷媒の循環を抑制する背圧発生手段と、を備える燃料電池において、
前記冷媒供給マニホールドの他端に設けられる空気抜き口と、前記空気抜き口と接続され、前記冷媒供給マニホールドから前記冷媒流路へ前記冷媒が流入する圧力よりも水頭圧が高くなる立ち上がり高さを有する空気抜き管と、を有する第１の空気抜き手段を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記冷媒排出マニホールドの他端に設けられる第２の空気抜き手段を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記冷媒供給管は、前記冷媒供給マニホールドの下端面より下方から配管されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記背圧発生手段で発生させる背圧は、前記冷媒供給マニホールドから前記空気抜き管に前記冷媒が流入する際の圧力よりも、前記冷媒供給マニホールドから前記冷媒流路に前記冷媒が流入する際の圧力の方が高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記背圧発生手段は、前記冷媒流路又は前記冷媒排出マニホールド又は前記冷媒排出管の圧力損失冷媒流路又は前記冷媒排出マニホールド又は前記冷媒排出管内に設けられた流路断面積の絞り部、又は前記冷媒排出管の途中に設けられたオリフィスやニードル弁、電磁弁の中から選んだ少なくとも１つであることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記背圧発生手段が前記冷媒排出管の途中に設けられた電磁弁であり、冷媒供給開始時に電磁弁を一定時間閉じた後に開ける制御装置を備えることを特徴とする請求項１〜請求項５いずれか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックの冷媒流路に冷媒を供給するに際して、冷媒供給マニホールド内の空気を確実に排除することで冷媒流配の均一化を図った燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電解質として例えば固体高分子膜を用い、この固体高分子膜を燃料極と酸化剤極とで挟み付けてセルユニットを形成し、燃料極側には燃料流路を設けた電池プレートを、酸化剤極側には酸化剤流路を設けた電池プレートをそれぞれ配し、これらを単位として複数積層することにより積層体（スタック）が構成される。
【０００３】
前記燃料流路には、燃料として改質ガス（都市ガス等を改質器で水素主体のガスに改質）又は水素ガス等が供給され、酸化剤流路には、酸化剤として空気又は酸素ガスが供給され、電解質を介して電気化学反応が生じることで電気と水とが生成される。
【０００４】
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、従来は冷媒流路を設けた電池プレート（冷却プレート）をスタック内に組み込み、冷媒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。
【０００５】
この冷却系は、通常図３のように燃料電池スタック１の積層方向に貫通し、各冷却プレートの冷媒流路に冷媒を分配・供給するための冷媒供給マニホールド２と、冷媒流路を流れた後の冷媒を集めて排出する冷媒排出マニホールド３とが設けられている。そして、冷媒供給マニホールド２には、冷媒タンク４内の冷媒（冷却水）がポンプ５により供給される。
【０００６】
冷媒供給マニホールド２に供給された冷媒は、各冷却プレートの冷媒流路に分配・供給され、冷媒流路をそれぞれ流れた後に冷媒排出マニホールド３に排出される。更に、冷媒排出マニホールド３に排出された冷媒は、冷媒タンク４に戻される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の冷却系において、冷媒供給マニホールド２の一端から冷媒を供給した場合、冷媒供給マニホールド２の他端側に空気が残り、他端側の冷却プレートにおける冷媒流路への冷媒供給が阻害される。このため、燃料電池スタック１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。冷媒供給マニホールド２の両端から冷媒を供給した場合も、中央部に排出されない空気が残り、上記問題の解決とはならない。
【０００８】
本発明は、このような従来の事態に鑑みなされたもので、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を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明は、請求項１に記載したように、電解質のそれぞれの面に燃料極又は酸化剤極を設けたセルユニットと燃料流路又は酸化剤流路又は冷媒流路を備える電池プレートとを積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの積層方向に貫通すると共に前記冷媒流路と連通し、前記冷媒流路に冷媒を分配・供給する冷媒供給マニホールドと、前記冷媒供給マニホールドの一端に設けられ、冷媒供給管と接続される冷媒供給口と、前記燃料電池スタックの積層方向に貫通すると共に前記冷媒流路と連通し、前記冷媒流路からの前記冷媒を集合・排出する冷媒排出マニホールドと、前記冷媒排出マニホールドの一端に設けられ、冷媒排出管と接続される冷媒排出口と、前記冷媒流路又は前記冷媒排出マニホールド又は前記冷媒排出口又は前記冷媒排出管のいずれかに設けられ、前記冷媒の循環を抑制する背圧発生手段と、を備える燃料電池において、前記冷媒供給マニホールドの他端に設けられる空気抜き口と、前記空気抜き口と接続され、前記冷媒供給マニホールドから前記冷媒流路へ前記冷媒が流入する圧力よりも水頭圧が高くなる立ち上がり高さを有する空気抜き管と、を有する第１の空気抜き手段を備えることを特徴とする燃料電池を要旨とする。
又、請求項２のように、前記冷媒排出マニホールドの他端に設けられる第２の空気抜き手段を備えること、
請求項３のように、前記冷媒供給管は、前記冷媒供給マニホールドの下端面より下方から配管されていること、
請求項４のように、前記背圧発生手段で発生させる背圧は、前記冷媒供給マニホールドから前記空気抜き管に前記冷媒が流入する際の圧力よりも、前記冷媒供給マニホールドから前記冷媒流路に前記冷媒が流入する際の圧力の方が高くなるように設定されていること、
請求項５のように、前記背圧発生手段は、前記冷媒流路又は前記冷媒排出マニホールド又は前記冷媒排出管の圧力損失冷媒流路又は前記冷媒排出マニホールド又は前記冷媒排出管内に設けられた流路断面積の絞り部、又は前記冷媒排出管の途中に設けられたオリフィスやニードル弁、電磁弁の中から選んだ少なくとも１つであること、
請求項６のように、前記背圧発生手段が前記冷媒排出管の途中に設けられた電磁弁であり、冷媒供給開始時に電磁弁を一定時間閉じた後に開ける制御装置を備えること、
を特徴とする燃料電池である。
【００１０】
本発明では、冷媒供給マニホールドに空気抜き手段を設けることにより、マニホールド内の空気を確実に排除することができる。又、背圧発生手段の適切な背圧設定により起動時、定常時共に特別な弁や制御を必要とせずに、空気抜きを確実に行える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池の実施形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、従来例と同じ部材は前記と同じ符号で表す。
図１において、１は燃料電池スタックであり、その積層方向に沿って冷媒供給マニホールド２及び冷媒排出マニホールド３がそれぞれ貫通して設けられている。
尚、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スタックの積層方向に沿って貫通して設けられている。
【００１２】
冷媒供給マニホールド２の一端には、冷媒供給口２ａが設けられ、この冷媒供給口２ａには冷媒供給マニホールド２の下面より下方から配管された冷媒供給管６が接続されている。この冷媒供給管６は、他端が冷媒タンク４に接続され、途中の要所にポンプ５が接続されている。又、冷媒タンク４は、底部に排出管４ａを有し、この排出管４ａと冷媒供給管６との接続部の下流側に排出弁７が設けられている。
【００１３】
冷媒供給マニホールド２の他端には、冷媒供給マニホールド２の略上端部に位置させて空気抜き口２ｂが設けられ、この空気抜き口２ｂに空気抜き管８が接続されている。この空気抜き管８は、冷媒供給マニホールド２の上端面より上方に延設されており、その上端部は管路８ａを介して冷媒タンク４に接続されている。
【００１４】
前記冷媒排出マニホールド３は、端部に冷媒排出口３ａが設けられ、この冷媒排出口３ａに冷媒排出管９が接続されている。この冷媒排出管９は、他端が冷媒タンク４に接続され、途中の要所に背圧発生手段１０が設けられている。背圧発生手段１０としては、例えば冷媒排出管９内に形成された流路断面積の絞り部、又は冷媒排出管９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）等を用いることができる。絞り部の場合は、冷却プレートの冷媒流路１１又は冷媒排出マニホールド３内に設けるようにしても良い。又、冷媒流路１１、冷媒排出マニホールド３、冷媒排出口３ａ、冷媒排出管９のトータルの圧力損失を設計時に設定しても良い。
【００１５】
上記のように冷却系が構成された燃料電池において、起動時には先ず、前記ポンプ５により冷媒タンク４内の冷媒（冷却水）を吸引し、冷媒供給管６を経て冷媒供給マニホールド２内に供給する。この際、冷媒供給管６内の空気は冷媒によって押し上げられ、この冷媒と共に冷媒供給マニホールド２に流入することで排除される。
【００１６】
この時、冷媒供給マニホールド２内に供給された冷媒が、各冷却プレートの冷媒流路１１に流れ込まないように前記背圧発生手段１０により背圧（バックプレッシャー）を掛ける。背圧発生手段１０で発生させる背圧は、冷媒供給マニホールド２から空気抜き管８に冷媒が流入する際の圧力よりも、冷媒供給マニホールド２から冷媒流路１１に冷媒が流入する際の圧力の方が高くなるように設定される。これにより、冷媒は空気抜き手段側に優先的に流れる。
【００１７】
冷媒供給マニホールド２内に供給された冷媒は、マニホールド内の空気を空気抜き口２ｂに押し出し、更に空気抜き管８を上昇する。冷媒供給マニホールド２内の空気は、空気抜き管８から管路８ａを経て冷媒タンク４内に排出される。
【００１８】
空気抜き管８は、冷媒流通時の空気抜き管８の水頭圧が、冷媒供給マニホールド２から冷媒流路１１に冷媒が流入する際の圧力よりも高くなるように、立ち上がり高さＨが設定されているため、空抜き管８を上昇した冷媒により空気抜き口２ｂに掛かる水頭圧が、背圧発生手段１０で発生させる背圧よりも高くなった時点で、空抜き管８内の冷媒の上昇は止まり、冷媒流路１１へ冷媒が流れ始める。
【００１９】
冷媒供給マニホールド２から冷媒流路１１に流入した冷媒は、冷媒流路１１を流れて冷却作用をなすと共に、前記冷媒排出マニホールド３に排出される。そして、冷媒排出マニホールド３に排出された冷媒は、冷媒排出口３ａから冷媒排出管９を経て冷媒タンク４内に戻される。
【００２０】
背圧発生手段１０として電磁弁を用いた場合は、冷媒供給開始時に電磁弁を一定時間閉じた後に開ける制御装置を備えることが好ましい。又、上記のような立ち上がり高さＨの設定は特に必要ない。
【００２１】
図２は、本発明の他の実施形態を示すもので、冷媒排出マニホールド３の冷媒排出口３ａ以外の他端で且つ冷媒排出マニホールド３の略上端部に第２の空気抜き手段を設けた構成に特徴を有するものである。ここで、上記実施形態の場合と同じ部材は前記と同じ符号で表してある。
【００２２】
本実施形態では、冷媒供給マニホールド２側には第１空気抜き管８を設け、冷媒排出マニホールド３の冷媒排出口３ａと反対側の端部で且つその略上端部には第２空抜き管１２が設けられ、この第２空気抜き管１２に続く管路１２ａは冷媒タンク４に接続されている。
【００２３】
又、第２空気抜き管１２に続く管路１２ａの途中要所には、背圧発生手段１０と空気抜き弁１３が設けられ、冷媒排出マニホールド３の冷媒排出口３ａに接続された冷媒排出管９には冷媒循環弁１４が設けられている。
【００２４】
このように構成された燃料電池において、起動時には、冷媒循環弁１４を閉じ、空気抜き弁１３を開にする。この状態でポンプ５を作動させ、冷媒供給マニホールド２への冷媒供給を開始する。冷媒は冷媒供給管６を通り、冷媒供給口２ａから冷媒供給マニホールド２内に供給される。
【００２５】
この時、前記実施形態と同様に背圧発生手段で発生する背圧が「第１空気抜き管入口（空気抜き口）圧＜冷媒流路入口圧」となるように設定されているので、冷媒は、先ず冷媒供給マニホールド内の空気を押し出しながら、第１空気抜き管８に流入する。
【００２６】
第１空気抜き管８に流入した冷媒は、「冷媒の水頭圧＞冷媒流路入口圧」となった時点で、冷媒流路１１に流れ出す。冷媒は冷媒流路内の空気を押し出しながら冷媒排出マニホールド３に排出されるが、冷媒循環弁１４が閉じているため冷媒排出マニホールド３内の空気を押し出しながら第２空気抜き管１２に流入する。第２空気抜き管１２に流入した冷媒は、押し出した空気と共に冷媒タンク４に戻される。
【００２７】
所定時間（第２空気抜き管１２に冷媒が流入し、空気が充分に排出された後）経過後、冷媒循環弁１４を開き、同時に空気抜き弁１３を閉じる。冷媒は、冷媒排出マニホールド３内に残った最後の空気を押し出しながら冷媒排出口３ａから冷媒排出管９に流入し、冷媒タンク４に戻される。これにより、冷媒循環の起動が完了する。
【００２８】
空気抜き終了後は、冷媒循環弁１４を開状態に又空気抜き弁１３を閉状態に保持し、冷媒供給マニホールド２に供給された冷媒が、各冷媒流路１１を流れた後に冷媒排出マニホールド３に排出され、冷媒排出口３ａ及び冷媒排出管９を経て冷媒タンク４に戻されるようにする。
【００２９】
この時、冷媒供給マニホールド２においては、第１空気抜き管８の水頭圧によって空気抜き口２ｂから第１空気抜き管８への冷媒の流入が阻止され、冷媒排出マニホールド３においては、前記空気抜き弁１３が閉じているため、第２空気抜き管１２への冷媒の流入が阻止される。
【００３０】
燃料電池の発電終了後は、ポンプ５を停止すると共に空気抜き弁１３、冷媒循環弁１４、排出弁７をすべて開放することにより、冷却系内の冷媒が全て排出される。従って、冷媒として冷却水などを用いた時の凍結防止となる。
【００３１】
以上の実施の形態では、冷媒供給マニホールド２を燃料電池スタック１の下側に、冷媒排出マニホールド３を燃料電池スタック１の上側に設け、冷媒は冷媒流路１１を下から上に流れる構成であったが、冷媒供給マニホールド２と冷媒排出マニホールド３の位置を上下入れ替えて冷媒が冷媒流路１１を上から下に流れる構成としても良い。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、燃料電池の冷媒供給マニホールドに空気抜き手段を設け、起動時に冷媒供給マニホールド内の空気を追い出す構成にしたので、冷媒流路への冷媒流配の均一が図れ、電池スタック内における温度分布が解消する。これにより、電池性能の向上及び長寿命化が図れるといった効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の実施形態を示す冷却系の概略ブロック図
【図２】本発明に係る燃料電池の他の実施形態を示す冷却系の概略ブロック図
【図３】従来例を示す説明図
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
２…冷媒供給マニホールド
２ａ…冷媒供給口
２ｂ…空気抜き口
３…冷媒排出マニホールド
３ａ…冷媒排出口
４…冷媒タンク
４ａ…排出管
５…ポンプ
６…冷媒供給管
７…排出弁
８…空気抜き管（第１空気抜き管）
８ａ…管路
９…冷媒排出管
１０…背圧発生手段
１１…冷媒流路
１２…第２空気抜き管
１３…空気抜き弁
１４…冷媒循環弁
【図１】
0004043218.tif 000002
【図２】
0004043218.tif 000003
【図３】
0004043218.tif 000004