JP2006216350A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内の冷媒を燃料電池の状況に応じた方法で完全にすばやく排出することで再起動時に効率良く運転できるようにする。
【解決手段】冷媒流路５ａ,５ｂに独立した冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄを設け、燃料電池の運転停止時に冷媒置換用マニフォールド４a〜４dに設けた冷媒排出遮断弁を開き冷媒排出を行い，また同様にマニフォールド４a〜４dに設けた吸気導入遮断弁を開き圧力気体導入を行い、冷媒流路５ａ,５ｂ,５ｃから冷媒をすばやくかつ完全に外部へ排出する。運転時は冷媒置換用マニフォールド４a〜４dから冷媒が排出されないように冷媒排出遮断弁は閉じており，外部から圧力気体が入り込まないように吸気導入遮断弁も閉じている。また各マニフォールドと各遮断弁の間には切替三方弁を設けてある。
【選択図】図２

Description

本発明は運転停止時における燃料電池内の冷媒の排出を迅速に行い、運転再開後に効率よく起動する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池を自動車に用いることを想定した場合の起動運転において、特に氷点下からの燃料電池起動では燃料電池の各構成部品の熱容量を低減することが非常に重要である。低温時の反応速度低下による発電性能低下や燃料電池の冷却に必要な水が凍結することにより、発電できなくなるといった懸念がある。

そこで例えば、燃料電池内の冷却水（冷媒）通路に加え、燃料電池内部を循環した冷却水が流通する冷却水循環路を燃料電池外部に構成し、この冷却水通路内の冷却水を酸化ガスの気体圧力で抜き取る燃料電池システムが開示されている。
特開平６−２２３８５５号公報

しかしながら上記の発明では停止時の車両姿勢によっては燃料電池スタック内に冷媒が残る可能性があり、残留する冷媒によって設計見積もりよりも熱容量が増えることによる起動時間遅延や起動運転が不可能になるという問題があった。

そこで本発明はこのような問題を解決するために、冷媒流路内の冷媒を燃料電池の状況に応じた方法で完全にすばやく取り出すことで、再起動時に効率よく運転できるようにした燃料電池の提供を目的とする。

複数の単位セルを各々セパレータを介して積層し、各単位セルに対して燃料ガスと酸化剤ガスを供給することで発電をする燃料電池において、前記各セパレータに設けた冷媒流路と、前記冷媒流路に冷媒を循環及び遮断可能な冷媒入口マニフォールド及び冷媒出口マニフォールドと、前記冷媒流路に接続する少なくとも一対の冷媒置換用マニフォールドと、前記それぞれの冷媒置換用マニフォールドを外部の圧力気体の供給部（圧力気体を導入できるものであればよい）、並びに冷媒貯留部とそれぞれ選択的に接続可能な流路切換機構と、を備え、燃料電池の運転停止時に一方の冷媒置換用マニフォールドから導入した圧力気体により前記冷媒流路の冷媒を他方の冷媒置換用マニフォールドへと送り出し、燃料電池内の冷媒を気体と置換する。

本発明によると、一方の冷媒置換用マニフォールドから冷媒流路に圧力気体を導入し、この圧力気体によって冷媒を他方の冷媒置換用マニフォールドから押し出されるように排出するので、すばやくかつ十分に、冷媒を燃料電池から排出できる。

また冷媒置換用マニフォールドを冷媒入口マニフォールドと冷媒出口マニフォールドから独立して形成することで、冷媒排出時の冷媒の残留を考慮せずに冷媒入口マニフォールドと冷媒出口マニフォールドを通常運転時の性能優先で設計することができる。

本発明の燃料電池システムの第１実施形態について図１〜図９を用いて説明する。

図１は本発明の燃料電池システムに用いる燃料電池１４の単位セル６の断面図である。単位セル６は電極触媒とガス拡散の機能を併せ持つ発電膜６aと、燃料ガス流路６ｂを有するセパレータと、酸化剤ガス流路６ｃを有すセパレータから構成される。

発電膜６aの一方の側には燃料ガス流路６ｂを有するセパレータが備えられ、もう一方の側には酸化剤ガス流路６ｃを有するセパレータが備えられている。各々のセパレータの外側（発電膜６ａの反対側）の凹部（酸化剤ガス流路６ｃと燃料ガス流路６ｂの間の部分）が、各々のセパレータを積層したときに冷媒流路５を形成する。
燃料ガス流路６ｂには外部から燃料ガスが供給され、同じく外部から、吸気ホース２５を流通した空気が酸化剤ガス流路６ｃに供給される。冷媒流路５には、冷媒である冷却水が後述するように循環される。

図２に示されているセパレータの外側の面には、冷媒流路５と、冷媒入口マニフォールド１と、冷媒出口マニフォールド２、と冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄが形成される。

冷媒流路５内の両端に流路入口側５aと流路出口側５ｂが設けられ、流路入口側５aは冷媒入口マニフォールド１と接続し、流路出口側５ｂは冷媒出口マニフォールド２と接続している。図２に示されるように、冷媒流路５の冷却流域５ｃは、それぞれ流路入口側５aと流路出口側５ｂよりも冷却面積を大きくとっている。

流路入口側５aと流路出口側５ｂ以外の冷却領域５ｃは、複数の細長い流路が一定の間隔をもって並列に並べられて形成されている。この一定の間隔の冷却領域５ｃに、前記酸化剤ガス流路６ｃあるいは、燃料ガス流路６ｂが入り込んでいる。この構造によって図１のように、冷媒流路５が前記単位セル６の酸化剤ガス流路６ｃと隣接する単位セル６の燃料ガス流路６ｂに接しているのがわかる。

前記冷媒入口マニフォールド１と冷媒出口マニフォールド２は燃料電池１４内の各々のセパレータをそれぞれ積層方向に貫通し、冷媒入口マニフォールド１は外部の冷媒ホース２４aと連通し、冷媒出口マニフォールド２は外部の冷媒ホース２４ｂと連通している。

冷媒流路５の流路入口側５aと流路出口側５ｂの付近それぞれには冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂを備え、同じく下端部には冷媒置換用マニフォールド４ｃ、４ｄを備える。冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄはそれぞれ冷媒流路５と連通する。

図３は本発明の燃料電池１４の側面図である。燃料電池１４は複数の積層された単位セル６と電流取り出し板７とエンドプレート８a、８ｂを配置する。

積層された単位セル６の外側を両側から一対の電流取り出し板７で挟み、それぞれの電流取り出し板７の外側にエンドプレート８a、８ｂを積層させる。一方のエンドプレート８aの外側には置換ポート２７a〜２７ｄが連結され、もう一方のエンドプレート８ｂの外側には置換ポート２７e〜２７ｈが連結される。それぞれの置換ポート２７a〜２７ｈは燃料電池１４を貫通した冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄと接続する。また、置換ポート２７a〜２７ｈは外部の配管９と接続している。つまり、置換ポート２７a〜２７ｈを介して冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄは外部の配管９と接続している。

図４は本発明の燃料電池１４の斜透視図である。

一方のエンドプレート８aの外側の面において、冷媒置換用マニフォールド４aに連通する置換ポート２７aを備え、同じく冷媒置換用マニフォールド４ｂに連通する置換ポート２７ｂ、冷媒置換用マニフォールド４ｃに連通する置換ポート２７ｃ、冷媒置換用マニフォールド４ｄに連通する置換ポート２７ｄをそれぞれ備える。

同様にもう一方のエンドプレート８ｂの外側の面において、冷媒置換用マニフォールド４aに連通する置換ポート２７e、同じく冷媒置換用マニフォールド４ｂに連通する置換ポート２７ｆ、冷媒置換用マニフォールド４ｃに連通する置換ポート２７ｇを備え、さらに冷媒置換用マニフォールド４ｄに連通する置換ポート２７ｈをそれぞれ備える。

図５は本発明の燃料電池１４の冷却システムの構成についての概略図である。前記冷媒入口マニフォールド１と連通する冷媒ホース２４aと、前記冷媒出口マニフォールド２と連通する冷媒ホース２４ｂを燃料電池１４の外部に備える。

冷媒ホース２４aと２４ｂはそれぞれ冷媒冷却用ラジエータ１０に接続される。冷媒ホース２４aは冷媒冷却用ラジエータ１０の一方の側と燃料電池１４の冷媒入口マニフォールド１に接続され、冷媒ホース２４ｂは冷媒冷却用ラジエータ１０のもう一方の側と燃料電池１４の冷媒出口マニフォールド２に接続される。冷媒ホース２４aの途中には冷媒ポンプ１２が備えられている。

また、冷媒ホース２４aに備えられた冷媒ポンプ１２と燃料電池１４の間に冷媒遮断弁１３aが備えられ、冷媒冷却用ラジエータ１０と燃料電池１４の間の冷媒ホース２４ｂには冷媒遮断弁１３ｂが備えられている。ここで、それぞれ冷媒遮断弁１３ａ、１３ｂは、冷媒ホース２４a、２４ｂと燃料電池１４の接続付近に備えられている。

燃料電池１４内のエンドプレート８a、８ｂに備えられたそれぞれ置換ポート２７a〜２７ｄは配管９を介して吸気・冷媒切替三方弁２３a〜２３ｄに接続している。同様に、それぞれ置換ポート２７e〜２７ｈは配管９を介して吸気・冷媒切替三方弁２３e〜２３ｈに接続している。ここで吸気・冷媒切替三方弁２３a〜２３ｈのa〜ｈは置換ポート２７a〜２７ｈのa〜ｈに対応している。

吸気・冷媒切替三方弁２３a〜２３ｄは、置換ポート２７a〜２７ｄを冷媒貯留部１１側又は蓄圧タンク１８側に切り替え接続する。同様に吸気・冷媒切替三方弁２３e〜２３ｈは、置換ポート２７e〜２７ｈを冷媒貯留部１１側又は蓄圧タンク１８側に切り替え接続する。

吸気・冷媒切替三方弁２３a〜２３ｄと冷媒貯留部１１の間に冷媒排出遮断弁２２a〜２２ｄが備えられ、吸気・冷媒切替三方弁２３a〜２３ｄと圧力気体の供給部としての蓄圧タンク１８の間に吸気導入遮断弁２１a〜２１ｄが備えられている。同様に、吸気・冷媒切替三方弁２３e〜２３ｈと冷媒貯留部１１の間に冷媒排出遮断弁２２e〜２２ｈが備えられ、吸気・冷媒切替三方弁２３e〜２３ｈと蓄圧タンク１８の間に吸気導入遮断２１e〜２１ｈが備えられている。

吸気導入遮断弁２１a〜２１ｈと冷媒排出遮断弁２２a〜２２ｈのa〜ｈは、それぞれ置換ポート２７a〜２７ｈのa〜ｈに対応している。

酸化剤ガスの供給源ともなる蓄圧タンク１８には圧力センサ１９が備えられ、吸気フィルタ１６を備えた空気圧縮機１７と接続している。

吸気フィルタ１６を通った空気が空気圧縮機１７で圧縮され、蓄圧タンク１８に送り込まれる。圧力センサ１９によって、蓄圧タンク１８の空気の圧力を検知することができる。

蓄圧タンクの下部には吸気ホース２５が接続され、蓄圧タンク１８はこの吸気ホース２５を介して、燃料電池１４の酸化剤ガス流路６ｃに連通する図示しない酸化剤ガスの導入用のマニフォールドと接続している。燃料電池１４の通常運転時に蓄圧タンク１８から酸化剤ガスとして空気が供給される。

燃料電池１４の酸化剤ガス流路６ｃに連通する酸化剤ガス排出用のマニフォールドの出口は、外部のオフガス排気管２６と接続している。

吸気ホース２５とオフガス排気管２６には、それぞれ、酸化剤ガス弁２０a、２０ｂが燃料電池１４付近に備えられている。

冷媒貯留部１１の下方と冷媒冷却用ラジエータ１０は、ラジエータ流路１０aによって接続されている。冷媒冷却用ラジエータ１０と燃料電池１４と冷媒ホース２４a、２４ｂの間で冷媒が減少した場合、自動的に冷媒貯留部１１から冷媒を補充し、燃料電池１４の温度上昇による冷媒膨張時には、冷媒を冷媒貯留部１１に排出できるような構造になっている。つまり冷媒貯留部１１はリザーバタンクの役割を有している。

燃料電池１４には燃料電池１４の傾斜角を検知するために、傾斜角センサ１５が備えられている。傾斜角センサ１５は燃料電池１４の前後方向に対する傾きと左右方向に対する傾きが検出できるようになっている。

図６は本発明の燃料電池１４を車両に搭載したときに燃料電池１４が前後に傾いたときの、水位２８に対するそれぞれ置換ポート２７a〜２７ｈの高さを示している。図７は燃料電池１４が図６の状態よりも前後に傾いているときの、水位２８に対するそれぞれ置換ポート２７ａ〜２７ｈの高さを示している。

図８は本発明の燃料電池１４を車両に搭載したときに燃料電池１４が左右に傾いたときの、水位２８に対するそれぞれ置換ポート２７a〜２７ｈの高さを示している。図９は燃料電池１４が図８の状態よりも左右に傾いているときの、水位２８に対するそれぞれ置換ポート２７a〜２７ｈの高さを示している。

次に本発明の第１実施形態の作用について説明する。

通常運転時の作用について図１〜図５を用いて説明する。まず、吸気フィルタ１６を通過して空気圧縮機１７に送り込まれた空気は、圧縮されたのちに蓄圧タンク１８に送り込まれる。この蓄圧タンク１８の空気は吸気ホース２５を流通して、燃料電池１４の酸化剤ガスが流通するマニフォールドにから、酸化剤ガス流路６ｃに送り込まれる。外部から燃料ガスが、燃料ガスが流通するマニフォールドに供給され、燃料ガス流路６ｂに送り込まれる。燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により、各々の単位セル６内の燃料ガス流路６ｂと発電膜１の間で発生した電子を、電流取り出し板７から取り出すことで、燃料電池１４の発電が行われる。

燃料電池１４の通常運転中に各々の単位セル６内の温度の上昇を抑えるために、セパレータの冷媒流路５に冷媒である冷却水を流通させる。

冷媒ポンプ１２の作用によって冷媒は冷媒ホース２４aを流通し、燃料電池１４を循環したあと冷媒ホース２４ｂを流通して冷媒冷却用ラジエータ１０に循環する。なお冷媒遮断弁１３aと１３ｂを開放されている。

燃料電池１４に供給された冷媒は、セパレータの冷媒入口マニフォールド１に入り、流路入口側５a、冷媒流路５、流路出口側５ｂを流通して、冷媒出口マニフォールド２から外部に排出される。

冷媒は、冷媒流路５に接する発電膜６a、燃料ガス流路６ｂ、酸化剤ガス流路６ｃを冷却する。

このとき、冷媒流路５に接続している冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄから冷媒が排出されないように、冷媒排出遮断弁２２a〜２２ｈが閉じられ、冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄに外部から気体が入り込まないように、吸気導入遮断弁２１a〜２１ｈが閉じられている。

冷媒貯留部１１の下端と冷媒冷却用ラジエータ１０の上端がラジエータ流路１０aによって接続され、冷媒冷却用ラジエータ１０と燃料電池１４の間の冷却系で冷媒が減少した場合には、自動的に冷媒貯留部１１から冷媒を冷媒冷却用ラジエータ１０に補充し、また、温度上昇による冷媒膨張時には冷媒を冷媒貯留部１１へと排出される。

次に燃料電池１４の運転を停止するときに燃料電池１４から冷媒を抜き取るシステムについて説明する。

まず、車両が平坦な場所に停止し、且つ荷物などの積載がなく、燃料電池１４に備えられた傾斜角センサ１５の出力から判断して、燃料電池１４の姿勢がある閾値以内で傾きがないときの冷却システムについて説明する。

まず冷却ポンプ１２を停止し燃料電池１４の外部の冷媒遮断弁１３a、１３ｂを閉鎖する。これによって冷媒が燃料電池１４内に残留する分と他の冷却系に残留する分とに分割することができる。なお、燃料電池１４の運転停止時には各々の単位セル６に対する燃料ガスと酸化剤ガスの供給は停止される。

ここで空気圧縮機１７を駆動し、吸気フィルタ１６から送り込まれた空気を高圧にして蓄圧タンクに送り込む。蓄圧タンク１８の圧力が所定値以上になったことを圧力センサ１９で検知したとき、空気圧縮機１７の運転を停止する。

冷媒流路５の上端部に備えられた冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂに対応する置換ポート２７a、２７ｂ、２７e、２７ｆと、冷媒流路５の下端部に備えられている冷媒置換用マニフォールド４ｃ、４ｄに対応する置換ポート２７ｃ、２７ｄ、２７ｇ、２７ｈを気体導入用と冷媒排出用にわけて用いる。

まず、冷媒流路５の上端部から空気を送り込むために、置換ポート２７a、２７ｂ、２７e、２７ｆに対応する吸気・冷媒切替三方弁２３a、２３ｂ、２３e、２３ｆを蓄圧タンク１８側へ切替接続し、吸気導入遮断弁２１a、２１ｂ、２１e、２１ｆを開放する。

これによって燃料電池１４内部の冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂが置換ポート２７a、２７ｂ、２７e、２７ｆと配管９を介して、蓄圧タンク１８と接続される。

一方、置換ポート２７ｃ、２７ｄ、２７ｇ、２７ｈに対応する吸気・冷媒切替三方弁２３ｃ、２３ｄ、２３ｇ、２３ｈを冷媒貯留部１１へ切替接続し、冷媒排出遮断弁２２ｃ、２２ｄ、２２ｇ、２２ｈを開放する。

この作用によって燃料電池１４内部の冷媒置換用マニフォールド４ｃ、４ｄが置換ポート２７ｃ、２７ｄ、２７ｇ、２７ｈを介して、冷媒貯留部１１と接続される。

このとき、冷媒排出遮断弁２２a、２２ｂ、２２e、２２ｆは閉じられ、吸気導入遮断弁２１ｃ、２１ｄ、２１ｇ、２１ｈは閉じられている。

また酸化剤ガス弁２０a、２０ｂを閉じることで、外部からの空気の供給と外部への空気の排出を停止しておく。

蓄圧タンク１８から置換ポート２７a、２７ｂ、２７e、２７ｆに空気が送り込まれ、冷媒流路５の上端部に備えられている冷媒置換用マニフォールド４aと４ｂの両側から空気が供給される。この供給された空気によって、冷媒は冷媒流路５の下端部にある冷媒置換用マニフォールド４ｃ、４ｄから押し出され、置換ポート２７ｃ、２７ｄ、２７ｇ、２７ｈから冷媒貯留部１１へ排出される。冷媒流路５の冷媒量が減少するにつれて、蓄圧部１８内の空気圧も下がる。この蓄圧タンク１８内部の空気の圧力の減少によって、冷媒流路５内の冷媒の残留量を知ることができる。

ここで蓄圧タンク１８に備えられた圧力センサ１９が検知する圧力が所定値まで低下したとき、冷媒流路５から完全に冷媒が排出されたと判断できるので、この時点ですべての弁である、吸気導入遮断弁２１a〜２１ｈと冷媒排出遮断弁２２a〜２２ｈを閉じて燃料電池１４の冷媒排出の作用を終わらせる。

次に燃料電池１４の運転再開時に冷媒を再投入するときは、吸気導入遮断弁２１a〜２１ｈを全部閉鎖し、冷媒排出遮断弁２２a〜２２ｈを全開にする。また、冷媒遮断弁１３aを開放し冷媒遮断弁１３ｂを閉鎖する。この状態では燃料電池１４の冷媒流路５には冷媒と置換された空気が流通している。

冷媒ポンプ１２を駆動すると冷媒入口マニフォールド１から冷媒が冷媒流路５に導入され、冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄから冷媒流路５に溜まった空気を押し出していく。

空気は冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄから、置換ポート２７a〜２７ｈを介して、冷媒貯留部１１へと送り出される。この排気動作は冷媒流路５内の空気がすべて冷媒貯留部１１を経由して外部に排出されるまで継続される。ただし冷媒流路５内がすっかり冷媒を置換、すなわち冷媒が再投入されたときでも冷媒中には気泡が残留する。

冷媒に存在する気泡を取り除くために、冷媒ポンプ１２によって上記の冷媒の循環をしばらく継続的に行う。冷媒中の気泡は冷媒貯留部１１で分離され、その下方のラジエータ流路１０aから冷媒冷却用ラジエータ１０に循環される冷媒内の気泡を完全に取り除くことができる。

次に車両の停止時に、燃料電池１４が前後又は左右に傾きがある場合の、本発明の冷媒排出システムの作用について図２、図５〜図９を用いて説明する。

燃料電池１４の傾斜において、図６、図７のように前後に傾斜しているか、図８、図９のように左右に傾斜している場合に分けて説明する。ここで図６〜図９には水位２８が例示的に図示されている。

燃料電池１４の運転停止時において、まず燃料電池１４に備えられている傾斜角センサ１５によって燃料電池１４の傾斜角と前後または左右の傾きであるか判断する。

傾斜角センサ１５の出力によって、燃料電池１４の傾きを検知し、ここでは燃料電池１４が図６のように前後に傾いているときについて説明する。

燃料電池１４が図６の示されるように前後に傾いている場合、置換ポート２７a〜２７ｈと水位の関係は、冷媒の排出とともに変化する。

初めに置換ポート２７a〜２７ｈは、位置の高い順から置換ポート２７eと２７ｆ、次に２７aと２７ｂ、２７ｇと２７ｈ、そして２７ｃと２７ｄとなる。傾斜角センサ１５で検出される角度と、そのときの置換ポート２７a〜２７ｈの高さの順番の関係を予め検知しておく。

次に燃料電池１４の運転停止直後において、傾斜角センサ１５に基づいて置換ポート２７e、２７ｆが水位よりも高いところにあり、それ以外の置換ポート２７a、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、２７ｇ、２７ｈは水位よりも低いところにあることを確認する。

置換ポート２７a〜２７ｈうちもっとも高い位置にある置換ポート２７eと２７ｆに対応する吸気・冷媒切替三方弁２３eと２３ｆを蓄圧タンク１８側へ切替接続する。他の吸気・冷媒切替三方弁２３a、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｇ、２３ｈを冷媒貯留部１１側へ切替接続する。

吸気導入遮断弁２１e、２１ｆを開放し他の吸気導入遮断弁２１a、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｇ、２１ｈを閉鎖する。

同時に冷媒排出遮断弁２２a、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｇ、２２ｈを開放し、２２e、２２ｆを閉鎖する。

次に酸化剤ガス弁２０a、２０ｂを閉鎖する。この作用によって、空気が蓄圧タンク１８から置換ポート２７e、２７ｆに流れ、冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂの傾斜上方側から空気が冷媒流路５に供給される。この冷媒流路５に送り込まれた空気の圧力によって、冷媒流路５の下端部の冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂのうち傾斜下方側から、また、冷媒置換用マニフォールド４ｃ、４ｄの両側から冷媒が外部へ押し出される。そして、置換ポート２７a、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、２７ｇ、２７ｈから冷媒が排出され、冷媒貯留部１１へ循環される。

前記の作用の後、圧力センサ１９によって蓄圧タンク１８内の空気圧力を測定し、この空気圧力の減少によって、冷媒流路５内の冷媒の水位が下がることを検知する。

前記の圧力センサ１９の検出値に基づいて、燃料電池１４内部の水位が下がり、水位が置換ポート２７a、２７ｂよりもさがった状態で、且つ置換ポート２７a、２７ｂに対応する冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂから完全に冷媒が排出された状態になったことを判断する。なお、この判定は予めした実験結果から、水位と、傾斜角センサ１５の傾斜角と、置換ポート２７a〜２７ｈの配置と、圧力センサ１９の出力の関係から正確に導くことができる。

この時点で吸気・冷媒切替三方弁２３a、２３ｂを冷媒貯留部１１側から蓄圧タンク１８側に切替接続する。冷媒排出遮断弁２２a、２２ｂを閉鎖し吸気導入遮断弁２１a、２１ｂを開放する。この作用によって置換ポート２７a、２７ｂと蓄圧タンク１８が接続され、燃料電池１４に置換ポート２７a、２７ｂからも空気が供給される。

置換ポート２７a、２７ｂ、２７e、２７ｆを流通したあと、空気は冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂの両側から冷媒流路５に流れ、冷媒置換用マニフォールド４ｃ、４ｄの両側から、つまり、置換ポート２７ｃ、２７ｄ、２７ｇ、２７ｈから冷媒貯留部１１へ冷媒が循環される。

さらに冷媒流路５の水位が置換ポート２７ｇ、２７ｈよりも下がることを圧力センサ１９で検知すると、吸気・冷媒切替三方弁２３ｇ、２３ｈが冷媒貯留部１１から蓄圧タンク１８へ切替接続される。同時に冷媒排出遮断弁２２ｇ、２２ｈが閉じられ、吸気導入遮断弁２１ｇ、２１ｈが開放される。

この作用によって置換ポート２７ｇ、２７ｈと蓄圧タンク１８が接続され、燃料電池１４に置換ポート２７ｇ、２７ｈからも空気が供給される。

置換ポート２７a、２７ｂ、２７e、２７ｆ、２７ｇ、２７ｈからの空気が、冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂの両側からと冷媒置換用マニフォールド４ｃ、４ｄの傾斜上方側から冷媒流路５に送り込まれ、冷媒置換用マニフォールド４ｃ、４ｄの傾斜下方側から冷媒貯留部１１へ冷媒が排出される。

圧力センサ１９の検出値が所定値となったところで、上記の作用を終了する。

ところで、燃料電池１４が図７のように前後に傾いているときも、図６のように前後に傾いているときと同様な手順で同様に作用する。

このとき、置換ポート２７a〜２７ｈの高さにおいて、置換ポート２７e、２７ｆがもっとも高い位置にあり、置換ポート２７ｇと２７ｈ、２７aと２７ｂ、２７ｃと２７ｄの順番に低い位置にあることを、傾斜角センサ１５と置換ポート２７a〜２７ｈの配置の関係から導き出す。

以下図６のように燃料電池１４が前後に傾いているときと同様な手順で冷媒を排出していく。

次に図８と図９のように車両が左右方向に傾いて停車しているとき、すなわち燃料電池１４が左右に傾いているときについて説明する。まず燃料電池１４が図８のように左右に傾いているときについて説明する。

傾斜角センサ１５から燃料電池１４の傾斜角度を検知に基づき前回と同じように、最上端（または最下端）からの置換ポート２７a〜２７ｈの高さの順番を予め把握しておく。置換ポート２７a〜２７ｈのうち、置換ポート２７ｂと２７ｆがもっとも高い位置にあり、置換ポート２７aと２７e、２７ｄと２７ｈ、２７ｃと２７ｇの順に低い位置にある。

置換ポート２７a〜２７ｈのうち、もっとも高い位置にある置換ポート２７ｂ、２７ｆに対応する吸気・冷媒切替三方弁２３ｂと２３ｆを蓄圧タンク１８側へと切替接続する。

他の吸気・冷媒切替三方弁２３a、２３ｃ、２３ｄ、２３e、２３ｇ、２３ｈを冷媒貯蓄部１１へ切替接続する。

同時に吸気導入遮断弁２１ｂ、２１ｆを開放し、他の吸気導入遮断弁２１a、２１ｃ、２１ｄ、２１e、２１ｇ、２１ｈを閉鎖する。

同時に、冷媒排出遮断弁２２ｂ、２２ｆを閉鎖し、他の冷媒排出遮断弁２２a、２２ｃ、２２ｄ、２２e、２２ｇ、２２ｈを開放する。

この送り込まれた空気の圧力によって冷媒流路５の冷媒が、冷媒置換用マニフォールド４a、４ｃ、４ｄの両側から外部に押し出される。この押し出された冷媒は置換ポート２７a、２７e、２７ｃ、２７ｄ、２７ｇ、２７ｈから配管９を介して貯留部１１へ循環される。

圧力センサ１９の出力から、燃料電池１４内部の水位が下がり、水位が置換ポート２７aと２７eよりも下がった状態で、且つ置換ポート２７aと２７eに対応する冷媒置換用マニフォールド４aから完全に冷媒が排出された状態になったことを判定すると、置換ポート２７aと２７eに対応する吸気・冷媒切替三方弁２３a、２３eを蓄圧タンク１８側へ切替接続する。同時に吸気導入遮断弁２１a、２１eを開放し、冷媒排出遮断弁２２a、２２eを閉鎖する。これによって置換ポート２７a、２７eからも空気が冷媒流路５に、冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂの両側から供給される。

この送り込まれた空気の圧力によって、水位がさらに下がり置換ポート２７ｄ、２７ｈより低く、置換ポート２７ｃと２７ｇより高くなったとき、吸気・冷媒切替三方弁２３ｄと２３ｈを冷媒貯留部１１から蓄圧タンク１８側へ切替接続する。同時に冷媒排出遮断弁２２ｄと２２ｈを閉鎖し、吸気導入遮断弁２１ｄと２１ｈを開放する。

この作用によって置換ポート２７ｄと２７ｈからも冷媒流路５に空気が送り込まれる。この送り込まれた空気によって、冷媒流路５に残留する冷媒を冷媒貯留部１１へ排出することができる。

図９のように燃料電池１４が左右に傾いたときも、同様にして上記の作用を行うことで冷媒流路５からの冷媒を排出する。

なお、燃料電池１４内の冷媒を抜き取った後に冷媒を再投入する場合は、燃料電池１４の傾きがない場合と同じ作用によって冷媒を導入し、また冷媒中の気泡を取り除く。

なお、前記した冷媒の排出、再投入の制御は図示しないコントローラにより吸気・冷媒切替三方弁２３a〜２３ｈ、吸気導入遮断弁２１a〜２１ｈ、冷媒排出遮断弁２２a〜２２ｈ、冷媒遮断弁１３a、１３ｂを傾斜角センサ１５に基づいて自動的に行うようにする。

なお、空気を一定の圧力で空気圧縮機１７から蓄圧タンク１８に送り続けながら、前記と同様にして燃料電池１４の冷媒流路５から冷媒を取り除くこともできる。

ここで一例として燃料電池１４が図６のように前後に傾いたときの、冷媒流路５からの冷媒の取り出しについて説明する。

燃料電池１４の置換ポート２７e、２７ｆに蓄圧タンク１８から空気を送り続けると、空気が冷媒置換用マニフォールド4a、４ｂ上方の片側から冷媒流路５に空気が供給される。送りこまれる空気と、置換ポート２７a、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ、２７ｇ、２７ｈの開放によって、冷媒は冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂの下方の片側と冷媒置換用マニフォールド４ｃ、４ｄの両側から冷媒が排出される。

燃料電池１４内の冷媒の水位が置換ポート２７a、２７ｂより下がり、かつ、冷媒置換用マニフォールド４a、４ｂから冷媒が完全に抜け切る時、空気が置換ポート２７a、２６ｂを通って配管９に送り込まれる。空気が置換ポート２７a、２７ｂに送り込まれた瞬間、冷媒流路５内の圧が若干低下する。

この若干低下した圧力を判定することで、置換ポート２７a、２７ｂに対応する吸気・冷媒切替三方弁２３a、２３ｂを蓄圧タンク１８へ切替接続する。そして蓄圧タンク１８から置換ポート２７a、２７ｂにも空気が送り込まれる。そこで冷媒流路５から完全に冷媒が排出されると、その時点で冷媒流路５内の圧力は一定の圧力となり、変化はしなくなる。

このような蓄圧タンク１８と圧力センサ１９と空気圧縮機１７による水位の判定によっても、状況に応じて冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｈを、正確に冷媒排出または空気導入用に用いることができ、冷媒流路５から冷媒を完全に排出できる。

次に通常運転時における冷媒流路５からの冷媒の気泡の取り除きの作用について説明する。

なお、一般に気泡は高い場所に溜まるため、気泡除去操作時に傾斜センサ１５から検知したもっとも高い位置にある置換ポート２７a〜２７ｈを割り出し、冷媒中の気泡を排除する。例えば、置換ポート２７aがもっとも高い位置にある場合、吸気・冷媒切替三方弁２３aを冷媒貯留部１１側に切替接続し、冷媒排出遮断弁２２aを開き、通常の冷媒流路５以外にも冷媒が流れ、置換ポート２７aを流通する冷媒とともに、冷媒内の気泡を取り除くことができる。

一定時期にこの操作を実施し、終了後に通常の運転に切り替える。この作用によって、以下述べる冷媒再投入時に完全に抜ききることができなかった気泡を、冷媒から完全に取り除くことができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

本発明の燃料電池１４において、冷媒流路５に冷媒を循環及び遮断可能な冷媒入口マニフォールド及び冷媒出口マニフォールドと、冷媒流路５に接続する少なくとも一対の冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄを設け、それぞれの冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄを外部の圧力気体の畜圧タンク１８、並びに冷媒貯留部１１とそれぞれ選択的に接続可能な吸気・冷媒切替三方弁２３a〜２３ｈと接続した。この構成によって、冷媒排出時に冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄを冷媒排出又は気体導入用に切替て用いることができる。

燃料電池１４の運転停止時に、一方の冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄから導入した空気により冷媒流路５の冷媒を他方の冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄへと送り出すことによって、燃料電池１４内の冷媒を気体と置換するため、冷媒流路５の冷媒を完全に又すばやく取り除くことができる。

冷媒流路５の上部に、一方の冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄを、同じく冷媒流路５の下部に、他方の冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄが接続されるように構成したので、冷媒流路５の上方から空気を送り込み、冷媒流路５の下方から冷媒を排出するので、冷媒流路５内の冷媒を気体と置換し、冷媒を完全に排出する。

また、本発明の燃料電池１４の構成では、冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄを、燃料ガスが流通するマニフォールドと酸化剤ガスが流通するマニフォールド、冷媒入口マニフォールド１と冷媒出口マニフォールド２から独立させて冷媒流路５に接続させているので、燃料電池１４の運転時の性能に影響を与える冷媒流路５および冷媒入口マニフォールド１と冷媒出口マニフォールド２の配置を、冷媒排出時の残留量を考慮せずに冷却性能優先で構成することができる。

冷媒流路５への冷媒の再充填時に、冷媒入口マニフォールド１から冷媒を導入し、冷媒出口マニフォールド２からの冷媒の排出を遮断し、冷媒置換用マニフォールド４a〜４をから冷媒流路５内に溜まった気体を排出するようにしたので、複雑な形状をもつ冷媒流路５内に残留する気泡を完全に除去することが可能となり、気泡詰りによる燃料電池１４内の局所的なヒートスポットがなくなり、燃料電池１４の寿命に悪影響を及ぼす因子を取り除くことができる。

燃料電池１４の運転中に、冷媒流路５に冷媒入口マニフォールド１から冷媒を導入し、冷媒出口マニフォールド２から排出させる一方で、冷媒流路５の上部の冷媒置換マニフォールド４a〜４ｄを冷媒貯留部１１と連結させることで、冷媒中に含まれる気泡を排除するようにした。このときに用いる冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄは傾斜角センサ１６から判断した、もっとも高い位置にある置換ポート２７a〜２７ｈに対応するものを用いるので、燃料電池１４の運転中に置換ポート２７a〜２７ｈの高さが変化しても、常にもっとも高い位置にある置換ポート２７a〜２７ｈに対応した冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄの上方の片側から冷媒を排出し、冷媒内に含まれる気泡を確実に除去することが可能になる。

冷媒流路５の上部の異なった位置に少なくとも２つの冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄを備え、同様に冷媒流路５の下部の異なった位置に少なくとも２つの冷媒置換用マニフォールド４a〜４ｄを備える。燃料電池１４の前後または左右、または前後と左右の複合の傾きを検知する傾斜角センサ１５を備えることで、燃料電池１４から冷媒を排出するとき、燃料電池１４が傾斜していても、傾斜角センサ１５の検出値から判断し、もっとも高い位置にある置換ポート２７a〜２７ｈから空気を導入し、それ以外の置換ポート２７a〜２７ｈから冷媒を排出することができ、燃料電池１４が前後または左右、または前後と左右に傾いているときにも、冷媒流路５内の冷媒をすばやく、確実に排出することができる。

傾斜角センサ１５と、冷媒の水位と、蓄圧タンク１８と、置換ポート２７a〜２７ｈの高さの位置の関係を予め検知しておくことで、燃料電池１４が前記のように傾いているとき、傾斜角センサ１５の検出値から時間の経過とともに変化する置換ポート２７a〜２７ｈと水位の関係を適確に判断できる。これにより、吸気・冷媒切替三方弁２３a〜２３ｈを冷媒流路５内の冷媒の水位よりも高い位置にある置換ポート２７a〜２７ｈに接続させ、常に、水位よりも高い位置にある置換ポート２７a〜２７ｈから空気を導入し、水位よりも低い位置にある置換ポート２７a〜２７ｈから冷媒を排出することができ、したがって燃料電池１４が前後または左右または前後左右に傾いているときも、冷媒流路５に残留する冷媒を上方から下方へ押し出すように外部へ排出するので、冷媒流路５の冷媒の残留を完全にすばやく取り除くことができる。

冷媒ポンプ１２が冷媒ホース２４aに備えられているので、冷媒を冷媒貯留部１１から冷媒入口マニフォールド１と冷媒流路５と冷媒出口マニフォールド２を循環させることができる。冷媒ポンプ１２の構成と作用によって、燃料電池１４に任意で冷媒を循環させることができる。

冷媒貯留部１１はリザーバタンクであるため、通常運転中に冷媒の膨張時には冷媒を冷媒貯留部１１へ排出し、燃料電池１４の冷媒が不足したときには冷媒を導入することが可能である。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池により走行する燃料電池自動車などに用いることができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池の単位セル内の概略図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池のセパレータの概略図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池の側面の概略図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池の斜視図の概略図である。一部のセパレータと冷却用マニフォールドが図示されている。 本発明の第１実施形態の燃料電池の冷却システムの概略図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池の側面の概略図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池の側面の概略図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池の正面の概略図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池の正面の概略図である。

符号の説明

１ 冷媒入口マニフォールド
２ 冷媒出口マニフォールド
４a〜４ｄ 冷媒置換用マニフォールド
５ 冷媒流路
５a 流路入口側
５ 流路出口側
５c 冷却流路
６a 発電膜
６ｂ 燃料ガス流路
６ｃ 酸化剤ガス流路
７ 電流取り出し板
８ａ エンドプレート
８ｂ エンドプレート
９ 配管
１０ 冷媒冷却用ラジエータ
１０a ラジエータ流路
１１ 冷媒貯留部
１２ 冷媒ポンプ
１３a 冷媒遮断弁
１３b 冷媒遮断弁
１４ 燃料電池
１５ 傾斜角センサ
１６ 吸気フィルタ
１７ 空気圧縮機
１８ 蓄圧タンク
１９ 圧力センサ
２０a 酸化剤ガス弁
２０b 酸化剤ガス弁
２１a〜２１ｈ 吸気導入遮断弁
２２a〜２２ｈ 冷媒排出遮断弁
２３a〜２３ｈ 吸気・冷媒切替三方弁
２４a 冷媒ホース
２４b 冷媒ホース
２５ 吸気ホース
２６ オフガス排気管
２７a〜２７ｈ 置換ポート
２８ 水位

Claims (12)

1. 複数の単位セルを各々セパレータを介して積層し、各単位セルに対して燃料ガスと酸化剤ガスを供給することで発電を行うようにした燃料電池において、
   前記各セパレータに設けた冷媒流路と、
   前記冷媒流路に冷媒を循環及び遮断可能な冷媒入口マニフォールド及び冷媒出口マニフォールドと、
   前記冷媒流路に接続する少なくとも一対の冷媒置換用マニフォールドと、
   前記それぞれの冷媒置換用マニフォールドを外部の圧力気体の供給部、並びに冷媒貯留部とそれぞれ選択的に接続可能な流路切換機構と、を備え、
   燃料電池の運転停止時に一方の冷媒置換用マニフォールドから導入した圧力気体により前記冷媒流路の冷媒を他方の冷媒置換用マニフォールドへと送り出し、燃料電池内の冷媒を気体と置換するようにした燃料電池システム。
2. 前記冷媒流路の上部に、前記一方の冷媒置換用マニフォールドを、同じく下部に前記他方の冷媒置換用マニフォールドが接続される請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷媒流路からの冷媒の排出時に、前記上部の冷媒置換用マニフォールドから圧力気体が導入され、下部の冷媒置換用マニフォールドから冷媒が排出されるようにする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷媒流路への冷媒の再充填時に、前記冷媒入口マニフォールドから冷媒を導入し、前記冷媒出口マニフォールドからの冷媒の排出を遮断し、冷媒置換用マニフォールドをから冷媒流路内に溜まった気体を排出することを特徴とした請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の運転中に、前記冷媒流路に冷媒入口マニフォールドから冷媒を導入し、冷媒出口マニフォールドから排出させる一方で、前記上部の冷媒置換マニフォールドを前記冷媒貯留部と連通させることで、冷媒中に含まれる気泡を排除するようにする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
6. 前記一方の冷媒置換用マニフォールドとして、冷媒流路の上部で異なった位置に少なくとも２つの冷媒置換用マニフォールドが接続され、また前記他方の冷媒置換用マニフォールドとして、同じく冷媒流路の下部で異なった位置に少なくもと２つの冷媒置換用マニフォールドが接続され、
   前記燃料電池の傾斜を検出する手段を備え、
   前記冷媒流路からの冷媒の排出時に、前記傾斜検出手段の検出した傾斜角により、前記最も上部に位置する冷媒置換用マニフォールドから圧力気体が導入され、最も下部の冷媒置換用マニフォールドから冷媒が排出されるようにする請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記冷媒流路からの冷媒の排出時に、前記傾斜検出手段の検出した傾斜角により、前記最も上部に位置する冷媒置換用マニフォールドから圧力気体が導入され、以後、時間の経過に伴い、順次位置の低い冷媒置換用マニフォールドからも圧力気体が導入されるようにする請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 前記冷媒置換用マニフォールドは前記燃料電池を積層方向に貫通して設けられ、
   前記冷媒置換用マニフォールドは、その両端において、前記外部の圧力気体の供給部、並びに前記冷媒貯留部に対してそれぞれ前記流路切換機構を介して選択的に接続可能に構成される請求項１〜７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
9. 前記圧力気体の供給部は、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスとしての圧縮空気を蓄える畜圧タンクである請求項１〜８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
10. 前記畜圧タンクの気体圧力を検出する手段を備え、
    前記冷媒流路からの冷媒の排出時に前記検出圧力に基づいて冷媒の排出状態を推定するようにした請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記冷媒入口マニフォールドと冷媒出口マニフォールドは、冷媒を冷却するラジエータと循環通路を介して接続し、前記循環通路には冷媒を前記冷媒入口マニフォールドに圧送するポンプを備える請求項１〜１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
12. 前記冷媒貯留部は、前記循環通路に循環させる冷媒のリザーバタンクである請求項１１に記載の燃料電池システム。