JP2016081852A - 燃料電池システムとその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各セルの冷却媒体流路に冷却媒体を確実に流し、燃料電池の出力を十分に確保する。
【解決手段】燃料電池システム３０は、膜−電極接合体３３と、複数の冷却媒体流路３５を有するセパレータ３４で形成されたセル３６との積層体３８と、冷却媒体流路３５の入口と連通する入口マニホールド３７と、入口マニホールド３７よりも鉛直方向の下方で冷却媒体流路３５の出口とを連通する出口マニホールド３９を備える燃料電池２９と、冷却媒体タンク４０の冷却媒体を入口マニホールド３７に供給する供給路４２に設けられた冷却媒体ポンプ４１と、入口マニホールド３７における冷却媒体の最下流側の端部を、冷却媒体タンク４０を連通させる帰還路４３に設けられた弁４４と、弁４４及び冷却媒体ポンプ４１を制御し、燃料電池２９の出力に対応して入口マニホールド３７から帰還路４３へ流れる冷却媒体の流量を制御する制御器４５とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池システムに関するものである。

固体高分子電解質形燃料電池では、高分子電解質を挟んでアノードとカソードとが形成されており、これを一対のセパレータで挟持した燃料電池の基本構成を単セルと呼ぶ。そして、両セパレータのアノードとカソードとに接する面にそれぞれ設けたガス流路を通じて、アノード及びカソードにそれぞれ水素を含有する燃料ガスと空気などの酸素を含有する酸化剤ガス（以下、燃料ガスと酸化剤ガスとを総称する場合がある）とが供給される。

そして、アノードにおいて、電極反応により燃料ガス中の水素分子が解離して電子とプロトンが生成されると共に、この電子が外部回路を通してカソードに到達する。そして、カソードにおいて、プロトンと電子と酸化剤ガス中の酸素とが結合して水が生成される。この反応システムにより起電力が生じる。

燃料電池が所要の起電力を得るために、単セルを電気的に直列に複数積層し、その両端に端板を挟みロッド等で適圧に締結し一体化した状態（燃料電池スタック）で構成されている。

通常、燃料電池スタックは発電と共に発生する熱を効率的に排出し、燃料電池スタックの温度をコントロールするために、水や不凍液などの冷却媒体を流通させる複数の冷却水プレートを有している。この冷却流路は、ガス流路を形成したセパレータの背面に形成されている場合が多い。

さらにセパレータは、冷却媒体プレート及び冷却媒体を配分して供給するための供給用マニホールドと流通後の冷却媒体を合流して外部に排出するための排出用マニホールドの配設により、燃料電池スタックの冷却媒体経路が形成されている。

そして、上記燃料電池本体に供給する冷却媒体は、通常冷却媒体タンクからポンプで汲み上げられる。この汲み上げた冷却媒体は、供給用マニホールドに供給して燃料電池スタック本体の冷却水プレート、または冷却媒体流路が形成されたセパレータを流通し、排出用マニホールドから排出した後冷却媒体タンクに戻る。この機構により燃料電池スタックは冷却される。

しかしながら、起動時や停止時の冷却媒体流通経路内に存在した空気、あるいは冷却媒体中に溶存しているガスが含まれていることがあり、このように冷却媒体に空気やガスが存在していると燃料電池本体への冷却媒体の供給が阻害され、冷却媒体供給不足又は分配不均一性が生じて電池内部の温度分布が大きくなり、その結果燃料電池本体の性能を低下させるという課題があった。

この課題を解決した従来の燃料電池システムとしては、特許文献１に開示されたものがある。図３は、特許文献１に開示された従来の燃料電池システムの概略構成を示すものである。

特許文献１に開示された従来の燃料電池システムでは、図３に示すように、燃料電池ス
タック１は、冷却媒体供給連通孔２ａに連通する冷却媒体供給口３ａが設けられる配管マニホールド４を積層方向の一端に配置している。そして、配管マニホールド４は、冷却媒体供給口３ａと、冷却媒体供給口３ａよりも高い位置に冷却媒体供給連通孔２ａに連通するエア抜き口５とを設けた構成になっている。

上記構成において、冷却媒体が冷却媒体供給口３ａに供給されると、この冷却媒体の混在するエアが、冷却媒体供給口３ａの鉛直方向上方に移動してエア抜き口５から排出することができる。

特開２００６−３２０５４号公報

特許文献１に開示された燃料電池システムでは、冷却媒体が、各セルの冷却媒体流路６を一部流れながら冷却媒体供給連通孔２ａを進みエンドプレート７ｂまで流れた後、冷却媒体排出連通孔２ｂを経てエンドプレート７ａに設けられた冷却媒体排出口３ｂから排出される構成となっている。

そのため、冷却媒体流量は、エンドプレート７ｂに近づくほど減少し、冷却媒体中に残存しているエアや、発電セル８の発熱により冷却媒体中の溶存ガスの気化により発生したガスが、エンドプレート７ｂに近い冷却媒体連通孔２ａ周辺で滞留しやすくなるという課題を有していた。

さらに、これにより特にエンドプレート７ｂに近い発電セル８の冷却媒体流路６に冷却媒体が流れにくくなり、この部分での発電セル８の冷却が不十分になって、燃料電池スタック１の電圧が低下し、燃料電池の出力を十分に確保することができないといった課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであって、燃料電池の各セルの冷却媒体流路に冷却媒体が確実に流れる構成とし、燃料電池の出力を十分に確保することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、高分子電解質膜、及び高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、電極と接触するように配置され、冷却媒体が流通する複数の冷却媒体流路を有するセパレータと、を有するセルが複数積層されて構成された積層体と、積層体の積層方向に延び、且つ冷却媒体流路の人口と連通する入口マニホールドと、入口マニホールドよりも鉛直方向の下方で、積層体の積層方向に延び、かつ、冷却媒体流路の出口と連通する出口マニホールドと、を備える燃料電池と、冷却媒体を貯めた冷却媒体タンクと、冷却媒体タンクの冷却媒体を入口マニホールドにおける冷却媒体の最下流側の端部を冷却媒体タンクと連通させる冷却帰還路と、帰還路に設けられた弁と、弁及び冷却媒体ポンプを制御し、燃料電池の出力に対応して入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量を制御する制御器と、を備えるのである。

これによって、燃料電池入口マニホールドから帰還路までの間の冷却媒体の流量が制御できるように設定されているので、入口マニホールドから冷却流路に発生したガスを確実に除去することができ、冷却媒体が各セルの冷却媒体流路に確実に流れるようになる。

また、本発明の燃料電池システムは、入口マニホールドが、冷却媒体がＵターンして供給路と帰還路が積層体の積層方向の同じ側に位置する。

これによって、燃料電池入口マニホールドから帰還路までの間に各セルに流れる冷却媒体の平均温度が一定になる。

また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力が所定出力以上の場合は弁を開状態にし、所定出力未満の場合は弁を開閉状態にするように構成されている。

これによって、燃料電池システムが所定の出力未満の場合は、燃料電池の出力が所定出力以上の場合よりも、帰還路を冷却媒体がより流れるように、また燃料電池システムが所定の出力以上の場合は、帰還路を冷却媒体が流れないように設定されているので、出力が所定出力以上でも、所定出力未満でも入口マニホールドから冷却流路に発生したガスを効果的に除去でき、安定した発電が可能となる。

本発明の燃料電池システムでは、冷却媒体中に含まれるガスを除去することが可能であり、各セルの冷却を確実に行うことで燃料電池の出力を十分に確保することができる。

さらに、燃料電池の出力が所定出力以上で発電している場合でも、所定出力未満で発電している場合でも、冷却媒体流通経路内に存在した空気、あるいは冷却媒体中に溶存しているガスが入口マニホールド内で滞留することなく、セルの冷却流路に冷却媒体が規定量流れることで燃料電池の冷却を十分に行うことができ、安定に燃料電池が運転できる。

これにより燃料電池システムの冷却を確実に行いながら、安定な出力を確保することができる燃料電池システムを提供できる。

本発明の実施の形態１の燃料電池システムの概略構成図 本発明の実施の形態２の燃料電池システムを上から見た場合の概略構成図 特許文献１に開示された従来の燃料電池システムの概略構成図

第１の発明は、高分子電解質膜、および高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、電極と接触するように配置され、冷却媒体が通流する複数の冷却媒体流路を有するセパレータと、を有するセルが複数積層されて構成された積層体と、積層体の積層方向に延び、かつ、冷却媒体流路の入日と連通する入口マニホールドと、入口マニホールドよりも鉛直方向の下方で、積層体の積層方向に延び、かつ、冷却媒体流路の出口と連通する出口マニホールドと、を備える燃料電池と、冷却媒体を貯めた冷却媒体タンクと冷却媒体タンクの冷却媒体を入口マニホールドに供給する供給路と、供給路に設けられた冷却媒体ポンプと、入口マニホールドにおける冷却媒体の最下流側の端部を冷却媒体タンクと連通させる帰還路と、帰還路に設けられた弁と、弁及び冷却媒体ポンプを制御し、燃料電池の出力に対応して入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量を制御する制御器と、を備えた燃料電池システムである。

これによって弁及び冷却媒体ポンプを制御することで、冷却媒体は、入口マニホールドから帰還路へ流れる。そのため冷却媒体流通経路内に存在した空気、あるいは冷却媒体中に溶存しているガスは、入口マニホールドと連通する冷却媒体流路の間に滞留せず、冷却媒体は、安定に冷却流路にも流れるようになる。これより燃料電池に十分な冷却を行うこ
とができ、安定に出力を確保することができるようになる。

第２の発明は、第１の発明の燃料電池システムの入口マニホールドが、冷却媒体がＵターンして供給路と帰還路が積層体の積層方向の同じ側に位置する。

これによって、燃料電池入口マニホールドから帰還路までの間に流れる冷却媒体の平均温度が一定になる。そのため燃料電池全体の冷却を均一にすることができ、より安定な出力を確保することができるようになる。

第３の発明は、第２の発明の燃料電池システムの入口マニホールドが、Ｕターンの往路と復路の両方で前記冷却流路の入口と連通しているように構成されている。

これによって、燃料電池を構成しているセルに、温度が一定になるように冷却媒体が流れる。このため燃料電池のセル間の温度ばらつきを抑えることができ、より安定な出力を確保することができる。

第４の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明の燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力が大きいほど、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量が少なく、燃料電池の出力が小さいほど、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量が多くなるように構成されている。

これは燃料電池が所定出力以上の場合では、セル内で発生する熱量が多いため、冷却流路に流れる冷却媒体の流量は多くなる。これにより、燃料電池が所定出力以上では、ガス滞留が抑制されるので冷却媒体は、帰還路に流れる還流量を減らすことができる。一方、帰還路に流れる冷却媒体の流量は少なくなる。このとき、冷却媒体は、燃料電池の出力が大きくなるに従い帰還路に流れる流量が連続的に少なくなるようにする。

また、所定出力未満では、セル内で発生する熱量が少なくなり、ガスが滞留しやすくなる。このため冷却媒体は、帰還路に流れる還流量を増加させる。このとき、冷却媒体は、燃料電池の出力が小さくなるに従い帰還路に流れる流量が連続的に多くなるように構成する。

これによって、燃料電池の出力変動に伴い、帰還路に流れる冷却媒体の流量が追従しながら変化するように設定できる。このため燃料電池は、出力変化に対して安定に発電することができる。

第５の発明は、第１から第３のいずれか１つの発明の燃料電池システムの制御器が、燃料電池の所定出力未満の場合は、燃料電池の出力が所定出力以上の場合よりも、帰還路を流れる冷却媒体の流量が増えるように構成されている。

これは、燃料電池が所定出力未満の場合、冷却媒体は、帰還路に流れる流量が、燃料電池の所定出力以上の場合よりも多く流れるようになるため、冷却媒体流通経路内に存在した空気、あるいは冷却媒体中に溶存しているガスは、入口マニホールドと連通する冷却媒体流路の間をより滞留しにくくなる。このため、所定出力未満の場合、冷却媒体は、各セルの冷却流路に流れることができ、セル間を均一に冷却することができる。

第６の発明は、第５の発明の燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力が所定出力以上の場合は弁を閉状態にし、所定出力未満の場合は弁を開状態にするように構成されている。

これは、燃料電池が所定出力以上の場合は、冷却媒体が帰還路に流れず、燃料電池が所定出力未満の場合は、冷却媒体が帰還路に流れるように設定されている。このため、燃料電池の出力変動に応じて、セル間の冷却を均一に行うことができる。

第７の発明は、第１の発明の燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力が大きいほど、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量が定期的に増減する間隔を大きくし、燃料電池の出力が小さいほど、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量が定期的に増減する間隔を小さくするよう制御するように構成されている。

これは、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量を増減させることで、冷却媒体の流れる圧力に強弱を生じることができるようになる。そのため、断続的に冷却媒体が入口マニホールド管内に圧力を与えることができる。

また、燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、帰還路へ流れる冷却媒体の流量を増減させる間隔を小さくすることで、入口マニホールド管内に圧力を与える頻度が増えるためにガスの入口マニホールドと連通する冷却媒体流路の間の滞留が抑制しやくなる。

さらに燃料電池の出力が所定出力以上の場合は、帰還路へ流れる冷却媒体の流量を増減させる間隔を大きくすることで、入口マニホールドに定常的に冷却媒体を供給するように設定されている。このため冷却媒体は冷却媒体流路に確実に流れるようになり、燃料電池のセル間で均一に冷却することができるようになる。

第８の発明は、第７の発明の燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力が大きいほど、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量が定期的に増減する間隔を大きくし、燃料電池の出力が所定の出力未満の場合には、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量が定期的に増減する間隔を小さくするよう制御するように構成されている。

これは、燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、帰還路へ流れる冷却媒体の流量を増減させる間隔を小さくすることで、入口マニホールド管内に圧力を与える頻度が増えるためにガスの入口マニホールドと連通する冷却媒体流路の間の滞留を抑制しやくなる。このため冷却媒体は冷却媒体流路に確実に流れるようになり、燃料電池のセル間で均一に冷却することができるようになる。

第９の発明は、第８の発明の燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、帰還路を流れる冷却媒体の流量が定期的に増減するように制御し、燃料電池の出力が所定出力以上の場合は、帰還路を流れる冷却媒体の流量が定期的に増減しないように制御するように構成したものである。

そのため、断続的に冷却媒体が入口マニホールド管内に圧力を与えることができる。燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、帰還路へ流れる冷却媒体の流量を増減させる間隔を小さくすることで、入口マニホールド管内に圧力を与える頻度が増えるためにガスの入口マニホールドと連通する冷却媒体流路の間の滞留を抑制しやすくなり、燃料電池の出力が所定出力以上の場合は、冷却流媒体の流量が増えるため、帰還路へ流れる冷却媒体の流量を増減させないことで、入口マニホールドにより定常的に冷却媒体を供給するように設定されている。

このため冷却媒体は冷却媒体流路に確実に流れるようになり、燃料電池は、出力変化に対してより安定に発電することができる。

第１０の発明は、特に第１から第９の発明の燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力に対応して、燃料入口マニホールドから出口マニホールドヘ流れる冷却媒体の流量を制御するように構成したものである。

そのため、燃料電池の出力が所定出力未満の場合、冷却媒体流路に流れる冷却媒体は、燃料電池の少ない発熱にあわせて流れるようになり、燃料電池の出力が所定出力以上の場合、冷却媒体流路に流れる冷却媒体は、燃料電池の多い発熱にあわせて流れるように設定されている。このため燃料電池の出力変動に応じた冷却を確実に行うことができる。

第１１の発明は、特に第１０の発明の燃料電池システムの制御器が、燃料電池の出力が大きいほど、入口マニホールドから出口マニホールドヘ流れる冷却媒体の流量が多く、燃料電池の出力が小さいほど、入口マニホールドから出口マニホールドヘ流れる冷却媒体流量が小さくなるよう制御するように構成されている。

そのため、燃料電池の出力が所定出力未満の場合から、燃料電池の出力が所定出力以上の変化に伴って、冷却媒体流路に流れる冷却媒体は、流量が連続的に増えるように流れるように設定されている。このため燃料電池の出力変動に応じた冷却を確実に行うことができる。

第１２の発明は、高分子電解質膜、及び高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、電極と接触するように配置され、冷却媒体が通流する複数の冷却媒体流路を有するセパレータと、を有するセルが複数積層されて構成された積層体と、積層体の積層方向に延び、かつ、冷却媒体流路の人口と連通する入口マニホールドと、入口マニホールドよりも鉛直方向の下方で、積層体の積層方向に延び、かつ、冷却媒体流路の出口と連通する出口マニホールドと、を備える燃料電池と、冷却媒体を貯めた冷却媒体タンクと、冷却媒体タンクの冷却媒体を入口マニホールドに供給する供給路と、入口マニホールドにおける冷却媒体の最下流側の端部を冷却媒体タンクを連通させる帰還路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池の出力に対応して入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量を調整する、燃料電池システムの運転方法である。

これによって、冷却媒体は、入口マニホールドから一部帰還路へ流れる。そのため冷却媒体流通経路内に存在した空気、あるいは冷却媒体中に溶存しているガスは、入口マニホールドと連通する冷却媒体流路の間を滞留しにくくなり、冷却媒体は、安定に冷却流路にも流れるようにすることができる。これにより燃料電池に十分な冷却を行うことができ、安定な出力を確保することができるようになる。

このとき、入口マニホールドが、冷却媒体がＵターンして供給路と帰還路が積層体の積層方向の同じ側に位置するように構成されてもよい。さらに、Ｕターンの往路と復路の両方で冷却流路の入口と連通しているように構成されてもよい。

これによって、燃料電池を構成しているセルに、温度が一定になるように冷却媒体が冷却媒体流路に流れる。これにより燃料電池のセル間の温度ばらつきを抑えることができ、より安定な出力を確保することができる。

また、燃料電池の出力が大きいほど、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量が少なく、燃料電池の出力が小さいほど、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量が多くなるように運転してもよい。

さらに、燃料電池の出力が所定出力以上の場合よりも、帰還路を流れる冷却媒体の流量が増えるように運転してもよい。これによって、燃料電池の出力変動に伴い、帰還路に流
れる冷却媒体の流量が追従しながら変化する。このため燃料電池は、出力変化に対して安定に発電することができる。

また、燃料電池の所定出力未満の場合には、燃料電池の出力が所定出力以上の場合よりも、帰還路を流れる冷却媒体の流量が増えるように運転してもよい。

これによって、燃料電池が所定出力未満の場合、冷却媒体は、帰還路に流れる流量が、燃料電池の所定出力以上の場合よりも多く流れるようになるため、冷却媒体流通経路内に存在した空気、あるいは冷却媒体中に溶存しているガスは、入口マニホールドと連通する冷却媒体流路の間をより滞留しにくくなる。これにより、所定出力未満の場合、冷却媒体は、各セルの冷却流路に流れることができ、セル間を均一に冷却することができる。

また、燃料電池の出力が所定出力以上の場合は帰還路に設けられた弁を閉状態にし、所定出力未満の場合は帰還路に設けられた弁を開状態にするように構成してもよい。

これは、燃料電池が所定出力以上の場合は、冷却媒体が帰還路に流れず、燃料電池が所定出力未満の場合は、冷却媒体が帰還路に流れるように設定されている。このため、燃料電池の出力変動に応じて、セル間の冷却を均一に行うことができる。

また、入口マニホールドから帰還路へ流れる冷却媒体の流量が定期的に増減する間隔を小さくするように運転してもよい。

これは、燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、帰還路へ流れる冷却媒体の流量を増減させる間隔を小さくすることで、入口マニホールド管内に圧力を与える頻度が増えるためにガスの入口マニホールドと連通する冷却媒体流路の間の滞留を抑制しやすくなる。このため冷却媒体は冷却媒体流路に確実に流れるようになり、燃料電池のセル間で均一に冷却することができるようになる。

また、燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、帰還路を流れる冷却媒体の流量が定期的に増減するように運転し、燃料電池の出力が所定出力以上の場合は、帰還路を流れる冷却媒体の流量が定期的に増減しないように運転してもよい。

これによって、断続的に冷却媒体が入口マニホールド管内に圧力を与えることができるので、燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、帰還路へ流れる冷却媒体の流量を増減させる間隔を小さくすることで、入口マニホールド管内に圧力を与える頻度が増えるためにガスの入口マニホールドと連通する冷却媒体流路の間の滞留を抑制しやすくなり、燃料電池の出力が所定出力以上の場合は、冷却流媒体の流量が増えるため、帰還路へ流れる冷却媒体の流量を増減させないことで、入口マニホールドにより定常的に冷却媒体を供給するように設定されている。このため冷却媒体は冷却媒体流路に確実に流れるようになり、燃料電池は、出力変動に対してより安定に発電することができる。

また、燃料電池の出力に対応して、燃料入口マニホールドから出口マニホールドヘ流れる冷却媒体の流量を制御するように運転してもよい。

これによって、燃料電池の出力が所定出力未満の場合、冷却媒体流路に流れる冷却媒体は、燃料電池の少ない発熱にあわせて流れるようになり、燃料電池の出力が所定出力以上の場合、冷却媒体流路に流れる冷却媒体は、燃料電池の多い発熱にあわせて流れるように設定されている。このため燃料電池の出力変動に応じた冷却を確実に行うことができる。

さらに、燃料電池の出力が大きいほど、入口マニホールドから出口マニホールドヘ流れ
る冷却媒体の流量が多く、燃料電池の出力が小さいほど、入口マニホールドから出口マニホールドヘ流れる冷却媒体流量が小さくなるように運転してもよい。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池システム３０の概略構成を示すものである。

図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システム３０の燃料電池２９は、高分子電解質膜３１、及び高分子電解質膜３１を互いの間に挟む一対の電極３２を有する膜−電極接合体３３と、電極３２と接触するように配置され、冷却媒体（図示しない）が流通する複数の冷却媒体流路３５を有するセパレータ３４で形成されたセル３６が複数積層されて構成された積層体３８と、積層体３８の積層方向に延び、且つ、冷却媒体流路３５の入口と連通する入口マニホールド３７と、入口マニホールド３７よりも鉛直方向の下方で、積層体３８の積層方向に延び、かつ、冷却媒体流路３５の出口とを連通する出口マニホールド３９とを備える。

さらに、本実施の形態の燃料電池システム３０は、冷却媒体を貯めた冷却媒体タンク４０と、冷却媒体タンク４０の冷却媒体を入口マニホールド３７に供給する供給路４２と、供給路４２に設けられた冷却媒体ポンプ４１と、入口マニホールド３７における冷却媒体の最下流側の端部を、冷却媒体タンク４０を連通させる帰還路４３と、帰還路４３に設けられた弁４４と、弁４４及び冷却媒体ポンプ４１を制御し、燃料電池２９の出力に対応して入口マニホールド３７から帰還路４３へ流れる冷却媒体の流量を制御する制御器４５とを備える。

以上のように構成された本実施の形態の燃料電池システム３０について、以下その動作と作用について説明する。

まず、冷却媒体タンク４０から冷却媒体は、冷却媒体ポンプ４１により供給路４２を通過し入口マニホールド３７に供給される。

入口マニホールド３７に供給された冷却媒体は、冷却媒体ポンプ４１と弁４４を制御する制御器４５によって、入口マニホールド３７に連通している冷却媒体流路３５と、入口マニホールド３７の最下流側の端部に接続されている帰還路４３への流れが、制御される。

図２は、本発明の別の実施の形態の燃料電池システムを上から見た場合の概略構成を示すものである。

図２に示すように、入口マニホールド３７が、冷却媒体がＵターンして供給路４２と帰還路４３が積層体３８の積層方向の同じ側に位置するように構成されている。さらに、往路（図示しない）と復路（図示しない）の両方で冷却媒体流路３５の入口と連通しているように構成される。

これによって、燃料電池２９を構成しているセルに、平均温度が一定になるように冷却媒体が冷却媒体流路３５に流れるように設定されている。これにより燃料電池２９のセル間の温度ばらつきを抑えることができ、より安定な出力を確保することができる。

また、制御器４５が、燃料電池２９の出力が大きいほど、入口マニホールド３７から帰還路４３へ流れる冷却媒体の流量が少なく、燃料電池２９の出力が小さいほど、入口マニホールド３７から帰還路４３へ流れる冷却媒体の流量が多くなるように構成することもできる。

さらに、制御器４５が、燃料電池２９の出力が所定出力以上の場合よりも、帰還路４３を流れる冷却媒体の流量が増えるように構成することもできる。これによって、燃料電池２９の出力変動に伴い、帰還路４３に流れる冷却媒体の流量が追従しながら変化するように設定されている。このため燃料電池システム３０は、出力変化に対して安定に発電することができる。

また、制御器４５が、燃料電池２９の所定出力未満の場合は、燃料電池２９の出力が所定出力以上の場合よりも、帰還路４３を流れる冷却媒体の流量が増えるように構成してもよい。

これによって、燃料電池２９が所定出力未満の場合、冷却媒体は、帰還路４３に流れる流量が、燃料電池２９の所定出力以上の場合よりも多く流れるようになるため、冷却媒体流路３５の経路内に存在した空気、あるいは冷却媒体中に溶存しているガスは、入口マニホールド３７と連通する冷却媒体流路３５の間をより滞留できにくくなるように設定されている。

これは、所定出力未満の場合、冷却媒体は、各セル３６の冷却媒体流路３５に流れることができ、セル３６間を均一に冷却することができる。

また、制御器４５は、燃料電池２９の出力が所定出力以上の場合には弁４４を閉状態にし、所定出力未満の場合には弁４４を開状態にするように構成することもできる。

この場合、燃料電池２９が所定出力以上の場合は、冷却媒体が帰還路４３に流れず、燃料電池２９が所定出力未満の場合は、冷却媒体が帰還路４３に流れるように設定される。このため、燃料電池２９の出力変動に応じて、セル間の冷却を均一に行うことができる。

また、制御器４５が、燃料電池２９の出力に対応して、入口マニホールド３７から出口マニホールド３９に流れる冷却媒体の流量を制御するように構成することができる。

これによって、燃料電池２９の出力が所定出力未満の場合、冷却媒体流路３５に流れる冷却媒体は、燃料電池２９の少ない発熱にあわせて流れるようになり、燃料電池２９の出力が所定出力以上の場合、冷却媒体流路３５に流れる冷却媒体は、燃料電池２９の多い発熱にあわせて流れるように設定されている。このため燃料電池２９の出力変動に応じた冷却を確実に行うことができる。

さらに、制御器４５は、燃料電池２９の出力が大きいほど、入口マニホールド３７から出口マニホールドヘ流れる冷却媒体の流量が多く、燃料電池２９の出力が小さいほど、入口マニホールド３７から出口マニホールド３９に流れる冷却媒体の流量が小さくなるようにすることができる。これによって、燃料電池２９の出力変動に応じた冷却を確実に行うことができる。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２における燃料電池システムについて説明する。

本実施の形態は、実施の形態１における燃料電池システム３０の構成と同じであり、制
御方法が異なるものである。図２に示す実施の形態と同一または相当部には、同一の符号を付し詳細な説明は省略する。

図２に示すように、入口マニホールド３７が、冷却媒体がＵターンして供給路４２と帰還路４３が積層体３８の積層方向の同じ側に位置するように構成されている。さらに、Ｕターンの往路と復路の両方で冷却媒体流路３５の入口と連通しているように構成されている。

これによって、燃料電池２９を構成しているセル３６に、温度が一定になるように冷却媒体が冷却媒体流路３５に流れるように設定されている。これにより燃料電池２９のセル３６間の温度ばらつきを抑えることができ、より安定な出力を確保することができる。

燃料電池システム３０の制御器４５は、入口マニホールド３７から帰還路４３へ流れる冷却媒体の流量が定期的に増減する間隔を小さくするよう制御するように構成することもできる。

これは、燃料電池２９の出力が所定出力未満の場合は、帰還路４３へ流れる冷却媒体の流量を増減させる間隔を小さくすることで、入口マニホールド３７管内に圧力を与える頻度が増えるためにガスの入口マニホールド３７と連通する冷却媒体流路３５の間の滞留を抑制しやすくなる。このため冷却媒体は冷却媒体流路３５に確実に流れるようになり、燃料電池２９のセル３６間で均一に冷却することができるようになる。

また、制御器４５は、燃料電池２９の出力が所定出力未満の場合は、帰還路４３を流れる冷却媒体の流量が定期的に増減するように制御し、燃料電池２９の出力が所定出力以上の場合は、帰還路４３を流れる冷却媒体の流量が定期的に増減しないように制御するように構成することもできる。

これによって、断続的に冷却媒体が入口マニホールド３７の管内に圧力を与えることができるので、燃料電池２９の出力が所定出力未満の場合は、帰還路４３へ流れる冷却媒体の流量を増減させる間隔を小さくすることで、入口マニホールド３７の管内に圧力を与える頻度が増えるためにガスの入口マニホールド３７と連通する冷却媒体流路３５の間の滞留を抑制しやすくなる。

また、燃料電池２９の出力が所定出力以上の場合には、冷却媒体の流量が増えるため、帰還路４３へ流れる冷却媒体の流量を増減させないことで、入口マニホールド３７により定常的に冷却媒体を供給するように設定されるため、冷却媒体は冷却媒体流路３５に確実に流れるようになり、燃料電池システム３０は、出力変動に対してより安定に発電することができる。

また、制御器４５は、燃料電池２９の出力に対応して、入口マニホールド３７から出口マニホールド３９に流れる冷却媒体の流量を制御するように構成することもできる。

これによって、燃料電池２９の出力が所定出力未満の場合、冷却媒体流路３５に流れる冷却媒体は、燃料電池２９の少ない発熱にあわせて流れるようになり、燃料電池２９の出力が所定出力以上の場合、冷却媒体流路３５に流れる冷却媒体は、燃料電池２９の多い発熱にあわせて流れるように設定される。このため燃料電池２９の出力変動に応じた冷却を確実に行うことができる。

さらに、制御器４５は、燃料電池２９の出力が大きいほど、入口マニホールド３７から出口マニホールドヘ流れる冷却媒体の流量が多く、燃料電池２９の出力が小さいほど、入
口マニホールド３７から出口マニホールド３９に流れる冷却媒体の流量が小さくなるよう制御するように構成することができる。これによって、燃料電池２９の出力変動に応じた冷却を確実に行うことができる。

本発明の燃料電池システムは、入口マニホールドの最下流側に、冷却流路とは別に冷却媒体タンクに連通している帰還路と弁が設けられ、特に所定出力未満の出力時冷却媒体の流量が少ないときは、冷却媒体が入口マニホールドから一部帰還路に、その他は冷却流路に流れることにより空気等のガスが滞留しなくなるので、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車、家庭用コージェネレーションシステム等に好適に用いることができる。

一方、所定出力以上の場合は冷却媒体がすべて冷却流路に流れることにより、出力変動に対する燃料電池システムの各セルの均一な冷却が確実に行われ、常に安定な出力を確保することができる。

２９ 燃料電池
３０ 燃料電池システム
３１ 高分子電解質膜
３２ 電極
３３ 膜−電極接合体
３４ セパレータ
３５ 冷却媒体流路
３６ セル
３７ 入口マニホールド
３８ 積層体
３９ 出口マニホールド
４０ 冷却媒体タンク
４１ 冷却媒体ポンプ
４２ 供給路
４３ 帰還路
４４ 弁
４５ 制御器

Claims (12)

1. 高分子電解質膜、及び前記高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、前記電極と接触するように配置され、冷却媒体が通流する複数の冷却媒体流路を有するセパレータと、を有するセルが複数積層されて構成された積層体と、
   前記積層体の積層方向に延び、かつ、前記冷却媒体流路の入口と連通する入口マニホールドと、
   前記入口マニホールドよりも鉛直方向の下方で、前記積層体の積層方向に延び、かつ、前記冷却媒体流路の出口と連通する出口マニホールドと、
   を備える燃料電池と、
   冷却媒体を貯めた冷却媒体タンクと、
   前記冷却媒体タンクの冷却媒体を前記入口マニホールドに供給する供給路と、
   前記供給路に設けられた冷却媒体ポンプと、
   前記入口マニホールドにおける冷却媒体の最下流側の端部を前記冷却媒体タンクと連通させる帰還路と、
   前記帰還路に設けられた弁と、
   前記弁及び前記冷却媒体ポンプを制御し、前記燃料電池の出力に対応して前記入口マニホールドから前記帰還路へ流れる冷却媒体の流量を制御する制御器と、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記入口マニホールドは、冷却媒体がＵターンして前記供給路と前記帰還路が前記積層体の積層方向の同じ側に位置する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記入口マニホールドは、前記Ｕターンの往路と復路の両方で前記冷却媒体流路の入口と連通している、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記燃料電池の出力が大きいほど、前記入口マニホールドから前記帰還路へ流れる前記冷却媒体の流量が少なく、前記燃料電池の出力が小さいほど、前記入口マニホールドから前記帰還路へ流れる前記冷却媒体の流量が多くなるように制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、前記燃料電池の出力が前記所定出力以上の場合よりも、前記帰還路を流れる冷却媒体の流量が増えるように制御する、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御器は、前記燃料電池の出力が前記所定出力以上の場合は前記弁を閉状態にし、前記所定出力未満の場合は前記弁を開状態にする、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御器は、前記燃料電池の出力が大きいほど、前記入口マニホールドから前記帰還路へ流れる前記冷却媒体の流量が定期的に増減する間隔を大きくし、前記燃料電池の出力が小さいほど、前記入口マニホールドから前記帰還路へ流れる前記冷却媒体の流量が定期的に増減する間隔を小さくするよう制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御器は、前記燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、前記燃料電池の出力が前記所定出力以上の場合よりも、前記帰還路を流れる冷却媒体の流量が定期的に増減する間隔が小さくなるように制御する、請求項７記載の燃料電池システム。
9. 前記制御器は、前記燃料電池の出力が所定出力未満の場合は、前記帰還路を流れる冷却媒体の流量が定期的に増減するように制御し、前記燃料電池の出力が所定出力以上の場合は、前記帰還路を流れる冷却媒体の流量が定期的に増減しないように制御する、請求項８
   に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御器は、前記燃料電池の出力に対応して、前記入口マニホールドから前記出口マニホールドへ流れる前記冷却媒体の流量を制御する、請求項１から９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
11. 前記制御器は、前記燃料電池の出力が大きいほど、前記入口マニホールドから前記出口マニホールドへ流れる前記冷却媒体の流量が多く、前記燃料電池の出力が小さいほど、前記入口マニホールドから前記出口マニホールドへ流れる前記冷却媒体の流量が少なくなるよう制御する、請求項１０記載の燃料電池システム。
12. 高分子電解質膜、及び前記高分子電解質膜を互いの間に挟む一対の電極を有する膜−電極接合体と、前記電極と接触するように配置され、冷却媒体が通流する複数の冷却媒体流路を有するセパレータと、を有するセルが複数積層されて構成された積層体と、
    前記積層体の積層方向に延び、かつ、前記冷却媒体流路の入口と連通する入口マニホールドと、
    前記入口マニホールドよりも鉛直方向の下方で、前記積層体の積層方向に延び、かつ、前記冷却媒体流路の出口と連通する出口マニホールドと、
    を備える燃料電池と、
    冷却媒体を貯めた冷却媒体タンクと、
    前記冷却媒体タンクの冷却媒体を前記入口マニホールドに供給する供給路と、
    前記入口マニホールドにおける冷却媒体の最下流側の端部を前記冷却媒体タンクと連通させる帰還路と、
    を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
    前記燃料電池の出力に対応して前記入口マニホールドから前記帰還路へ流れる冷却媒体の流量を調整する、
    燃料電池システムの運転方法。

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