JP4971781B2 - 冷媒マニホールド及び冷媒供給方法並びに冷媒排出方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに取り付けられ、冷媒を分配又は集合させる冷媒マニホールド及び冷媒供給方法並びに冷媒排出方法に関する。

固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池（単セル）が積層して構成される燃料電池スタックは、その発電により発熱する。そこで、燃料電池スタックの過昇温を防止すると共に、発電好適温度に維持するため、燃料電池スタックを経由するように、エチレングリコールを主成分とするラジエータ液等の冷媒を流通させ、燃料電池スタックを適宜に冷却する技術がある（特許文献１、特許文献２参照）。
特開２０００−１６４２３８号公報（図１、図４参照） 特開２００５−５１９６号公報（図１、図２参照）

このような燃料電池スタックの冷却については、さらに効率的に冷却可能な技術の開発が望まれている。
そこで、本発明は、燃料電池スタックに取り付けることで、燃料電池スタックを効率的に冷却可能とする冷媒マニホールド及び冷媒供給方法並びに冷媒排出方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、複数の単セルが積層して構成され、その積層方向において、複数の冷媒供給用連通孔と、冷媒排出用連通孔とを有し、冷媒が、前記複数の冷媒供給用連通孔、前記複数の単セル、前記冷媒排出用連通孔の順に流れる燃料電池スタックに取り付けられ、前記複数の冷媒供給用連通孔に冷媒を分配する冷媒マニホールドであって、前記複数の冷媒供給用連通孔に連通し、当該複数の冷媒供給用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室を有するマニホールド本体と、前記マニホールド室と外部とを連通させると共に前記マニホールド室において冷媒の旋回流を発生させるように設けられた外部連通孔を有する外部連通部と、を備え、前記外部連通孔の中心を通る軸線と各前記冷媒供給用連通孔の中心を通る軸線とは、非平行かつ非垂直であることを特徴とする冷媒マニホールドである。

このような冷媒マニホールドを燃料電池スタックに取り付ければ、外部連通孔の軸線と各冷媒供給用連通孔の軸線とが、非平行かつ非垂直（ねじれの関係）であることにより、冷媒が、外部連通孔から各冷媒供給用連通孔に、直接的に流れ込みにくくなる。すなわち、外部連通孔からの冷媒は、複数の冷媒供給用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室で旋回流等となった後、各冷媒供給用連通孔に均等に流れ込みやすくなる。これにより、複数の冷媒供給用連通孔に連通する各単セルの冷媒流路に、冷媒を均等に分配して供給することができ、その結果として、単セル、つまり、燃料電池スタックを効率的に冷却することができる。

また、本発明は、複数の単セルが積層して構成され、その積層方向において、冷媒供給用連通孔と、複数の冷媒排出用連通孔とを有し、冷媒が、前記冷媒供給用連通孔、前記複数の単セル、前記複数の冷媒排出用連通孔の順に流れる燃料電池スタックに取り付けられ、前記複数の冷媒排出用連通孔からの冷媒を集合させる冷媒マニホールドであって、前記複数の冷媒排出用連通孔に連通し、当該複数の冷媒排出用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室を有するマニホールド本体と、前記マニホールド室と外部とを連通させると共に前記マニホールド室において冷媒の旋回流を発生させるように設けられた外部連通孔を有する外部連通部と、備え、前記外部連通孔の中心を通る軸線と各前記冷媒排出用連通孔の中心を通る軸線とは、非平行かつ非垂直であることを特徴とする冷媒マニホールドである。

このような冷媒マニホールドを燃料電池スタックに取り付ければ、外部連通孔の軸線と各冷媒排出用連通孔の軸線とが、非平行かつ非垂直（ねじれの関係）であることにより、冷媒が、各冷媒排出用連通孔から外部連通孔に、直接的に流れ込みにくくなる。すなわち、各冷媒排出用連通孔からの冷媒は、複数の冷媒排出用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室に略同一の流量で流れ込んで集合すると共に、このマニホールド室で旋回流等となった後、外部連通孔を介して外部に排出される。
これにより、各単セルの冷媒流路から複数の冷媒排出用連通孔に、冷媒が略同一流量で流れ込みやすくなり、その結果として、前記冷媒流路に熱交換後の高温の冷媒が残留しにくくなる。よって、前記冷媒流路全体にわたって、冷媒を流通させることができ、ゆえに、単セル（燃料電池スタック）を効率的に冷却することができる。

また、前記外部連通孔と前記燃料電池スタック内の複数の連通孔（冷媒供給用連通孔、又は、冷媒排出用連通孔）との間において、冷媒が直接的に流通しにくくさせるべく、前記マニホールド室を取り囲む内周面に立設したリブを備えたことを特徴とする冷媒マニホールドであることが好ましい。

このような冷媒マニホールドを燃料電池スタックに取り付ければ、マニホールド室を取り囲む内周面に立設したリブを備えたことにより、外部連通孔と燃料電池スタック内の複数の連通孔との間において、冷媒がさらに直接的に流通しにくくなる。これにより、単セル（燃料電池スタック）を効率的に冷却することができる。

また、前記配列方向において、前記外部連通孔と、前記燃料電池スタック内の複数の連通孔とは、ずれていることを特徴とする冷媒マニホールドであることが好ましい。
このような冷媒マニホールドによれば、燃料電池スタック内の供給用又は排出用の複数の連通孔の配列方向において、外部連通孔とこの複数の連通孔とがずれており重なっていないので、外部連通孔と燃料電池スタック内の複数の連通孔との間において、冷媒を直接的に流通しにくくすることができる。

また、前記配列方向において、前記外部連通孔は、前記燃料電池スタック内の複数の連通孔のうちの最外側の２つの連通孔の間に配置されていることを特徴とする冷媒マニホールドであることが好ましい。
このような冷媒マニホールドによれば、配列方向において、外部連通孔は、燃料電池スタック内の複数の連通孔うちの最外側の２つの連通孔の間に配置されているので、冷媒を外部連通孔から燃料電池スタック内の複数の連通孔に均等に供給する、又は、冷媒を燃料電池スタック内の複数の連通孔から外部連通孔に均等に排出することができる。

また、前記外部連通部は、前記マニホールド室を挟んで前記燃料電池スタックとは反対側に配置されると共に、外側に開いていることを特徴とする冷媒マニホールドであることが好ましい。
このような冷媒マニホールドによれば、外部連通部が、前記マニホールド室を挟んで、燃料電池スタックとは反対側に配置されているので、外部連通部に冷媒を供給又は排出するためのホース等を接続しやすくなる。
そして、外部連通部が、外側に開いているので、さらに、外部連通部にホース等を容易に接続することができる。ここで、外側とは、燃料電池スタックを構成する単セルの面方向において、燃料電池スタックから遠ざかる方向を意味する。

また、前記燃料電池スタック内の複数の連通孔の配列方向は鉛直方向であって、前記マニホールド室は鉛直下方に向かうほど小さくなっていることを特徴とする冷媒マニホールドであることが好ましい。
このような冷媒マニホールドによれば、マニホールド室が鉛直下方に向かうほど小さくなっているので、重力の影響によって、冷媒が、鉛直方向に配列した複数の連通孔のうち、鉛直下方側の連通孔に多量に供給、又は、鉛直下方側の連通孔から多量に排出されることを防止できる。

また、前記マニホールド本体が前記燃料電池スタックの内側にオフセットしていることを特徴とする冷媒マニホールドであることが好ましい。
このような冷媒マニホールドによれば、マニホールド本体が燃料電池スタックの内側にオフセットしているので、マニホールド本体が燃料電池スタックからはみ出しにくくなる。これにより、冷媒マニホールドが取り付けられた燃料電池スタックを、デッドスペースをつくることなく、容易にレイアウト可能となる。ここで、燃料電池スタックの内側とは、燃料電池スタックを構成する単セルの面方向において、燃料電池スタックの中心側を意味する。

また、本発明は、複数の単セルが積層して構成され、その積層方向において、複数の冷媒供給用連通孔と、冷媒排出用連通孔とを有し、冷媒が、前記複数の冷媒供給用連通孔、前記複数の単セル、前記冷媒排出用連通孔の順に流れる燃料電池スタックに対して、冷媒を、１つの外部連通孔から、前記複数の冷媒供給用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室を介して、前記複数の冷媒供給用連通孔に分配して供給する冷媒供給方法であって、前記マニホールド室において冷媒の旋回流を発生させながら、前記複数の冷媒供給用連通孔に供給することを特徴とする冷媒供給方法である。
このような冷媒供給方法によれば、マニホールド室において冷媒の旋回流を発生させながら、複数の冷媒供給用連通孔に略均等に供給することができる。

また、本発明は、複数の単セルが積層して構成され、その積層方向において、冷媒供給用連通孔と、複数の冷媒排出用連通孔とを有し、冷媒が、前記冷媒供給用連通孔、前記複数の単セル、前記複数の冷媒排出用連通孔の順に流れる燃料電池スタックに対して、冷媒を、前記複数の冷媒排出用連通孔から、前記複数の冷媒排出用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室で集合させ、外部に通じる１つの外部連通孔に排出する冷媒排出方法であって、前記マニホールド室において冷媒の旋回流を発生させながら、前記１つの外部連通孔に排出することを特徴とする冷媒排出方法である。
このような冷媒排出方法によれば、マニホールド室で冷媒の旋回流を発生させることにより、複数の冷媒用排出孔から略均等に冷媒を排出することができる。

本発明によれば、燃料電池スタックに取り付けることで、燃料電池スタックを効率的に冷却可能とする冷媒マニホールド及び冷媒供給方法並びに冷媒排出方法を提供することができる。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図１２を参照して説明する。
第１実施形態に係る冷媒マニホールドが取り付けられた燃料電池スタック、及びこれが組み込まれた燃料電池システム、並びにこのシステムを搭載した燃料電池自動車について説明する。

図１に示すように、燃料電池自動車２００は、燃料電池システム１００を搭載している。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック５０と、水素タンク１０１と、コンプレッサ１０２と、加湿器１０３と、ラジエータ１０４（放熱器）とを主に備えている。燃料電池スタック５０の出力端子には、コンタクタやＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇降圧回路を介して、電動式の走行モータ（図示しない）が接続されており、燃料電池スタック５０が発電すると、前記走行モータが駆動し、これを動力として、燃料電池自動車２００が走行するようになっている。

燃料電池スタック５０及び加湿器１０３は、燃料電池自動車２００のフロアパネル下のセンタートンネル内に配置されると共に、クロスメンバ等のサブフレームに固定されており、低床化が図られている。そして、水素が、燃料電池自動車２００の後方に横置きされた水素タンク１０１から、燃料電池スタック５０の後側に供給されるようになっている。また、酸素を含む外部の空気が、ボンネット下のコンプレッサ１０２によって加湿器１０３に送られ、この加湿器１０３で加湿された後、燃料電池スタック５０の後側に供給されるようになっている。

また、燃料電池自動車２００のフロントグリル裏に配置されたラジエータ１０４と、燃料電池スタック５０との間で、ポンプ（図示しない）等を動力源として、冷媒が循環するようになっている。これにより、発電によって自己発熱する燃料電池スタック５０が適宜に冷却されると共に、燃料電池スタック５０は好適運転温度（例えば７０〜８０℃）に維持されるようになっている。

≪燃料電池スタック≫
次に、燃料電池スタック５０について、具体的に説明する。
図２に示すように、燃料電池スタック５０は、その外形が略直方体である。図３に示すように、燃料電池スタック５０は、複数（例えば、２００〜４００）の単セル５１と、剛性の高いフロントプレート７１及びリアプレート７２と、を主に備えている。複数の単セル５１は、その厚み方向に積層されており、フロントプレート７１とリアプレート７２とに挟まれている。フロントプレート７１とリアプレート７２とは、ボルト７３によって締結されており、これにより、単セル５１の積層状態が維持されている。なお、単セル５１の積層方向と、燃料電池自動車２００の前後方向（走行方向）とは、一致している。そして、後方に向かって、燃料電池スタック５０は、正面視において、縦長となっている。

図３に示すように、単セル５１は、ＭＥＡ５２（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟んでいる板状のアノードセパレータ６１及びカソードセパレータ６２と、を主に備えている。

ＭＥＡ５２は、１価の陽イオン交換膜である固体高分子膜５３と、これを挟んでいるアノード５４及びカソード５５とを主に備えている。アノード５４は固体高分子膜５３の前方に配置され、カソード５５は固体高分子膜５３の後方に配置されている。因みに、アノード５４及びカソード５５は、カーボンペーパ等を主に構成され、その固体高分子膜５３側に電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

１つの単セル５１において、アノードセパレータ６１は、ＭＥＡ５２のアノード５４側に配置されている。カソードセパレータ６２は、ＭＥＡ５２のカソード５５側に配置されている。また、アノードセパレータ６１及びカソードセパレータ６２は、金属製であり、導電性を有している。これにより、複数の単セル５１が直列に接続されている。そして、直列に接続された複数の単セル５１のプラス端子及びマイナス端子（ともに図示しない）は、フロントプレート７１の貫通孔７１ｃ、又は、リアプレート７２の貫通孔７２ｃを介して、外部に引き出されている。

＜燃料電池スタック内の水素の流路＞
次に、燃料電池スタック５０内の水素の流路について説明する（図１〜図３参照）。
単セル５１の積層方向である燃料電池自動車２００の前後方向において、後方に向かって、燃料電池スタック５０の左上部には、水素タンク１０１からの水素を、各単セル５１に供給するための水素供給用連通孔５０ａが形成されている。なお、水素供給用連通孔５０ａは、アノードセパレータ６１、固体高分子膜５３及びカソードセパレータ６２に形成された連通孔が重なることで構成されている。
同じく後方に向かって、燃料電池スタック５０の右下部には、各単セル５１から排出された未反応の水素等を、外部に排出するための水素排出用連通孔５０ｂが形成されている。
また、各単セル５１のアノードセパレータ６１の後面（アノード５４側の面）には、アノード５４の全面に水素が供給されるように溝状の水素流路６１ａが形成されている。
そして、水素は、水素供給用連通孔５０ａから、各単セル５１の水素流路６１ａに流れ込み、各アノード５４に供給された後、未反応の水素が水素排出用連通孔５０ｂを介して外部に排出されるようになっている。

＜燃料電池スタック内の空気の流路＞
次に、燃料電池スタック５０内の空気の流路について説明する（図１〜図３参照）。
後方に向かって、燃料電池スタック５０の右上部には、加湿器１０３からの加湿された酸素を含む空気を、各単セル５１に供給するための空気供給用連通孔５０ｃが形成されている。燃料電池スタック５０の左下部には、各単セル５１から排出された空気等を、外部に排出するための空気排出用連通孔５０ｄが形成されている。
また、各単セル５１のカソードセパレータ６２の前面（カソード５５側の面）には、カソード５５の全面に空気が供給されるように溝状の空気流路６２ａが形成されている。
そして、空気は、空気供給用連通孔５０ｃから、各単セル５１の空気流路６２ａに流れ込み、各カソード５５に供給された後、未反応の酸素等を含む空気が空気排出用連通孔５０ｄを介して外部に排出されるようになっている。

＜燃料電池スタック内の冷媒の流路＞
次に、燃料電池スタック５０内の冷媒の流路について説明する（図１〜図４参照）。
単セル５１の積層方向（前後方向）において、後方に向かって、燃料電池スタック５０の左側部には、冷媒供給側の冷媒マニホールド１を介して送られる冷媒を、各単セル５１に供給するための４本の冷媒供給用連通孔５０ｅが形成されている。
燃料電池スタック５０の右側部には、各単セル５１から排出された冷媒を、冷媒排出側の冷媒マニホールド１に排出するための４本の冷媒排出用連通孔５０ｆが形成されている。
また、各単セル５１のカソードセパレータ６２の前面には、冷媒が流通する溝状の冷媒流路６２ｂが形成されている（図４参照）。
そして、冷媒は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅから、各単セル５１の冷媒流路６２ｂに流れ込み、単セル５１を冷却した後、冷媒排出用連通孔５０ｆを通って、外部に排出されるようになっている。

さらに説明すると、燃料電池スタック５０の正面視において、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆとは、燃料電池スタック５０の両側部に振り分けられている。そして、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆとは、燃料電池スタック５０の両側部において、鉛直方向に沿って直線状で配列されている。つまり、第１実施形態において、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと４本の冷媒排出用連通孔５０ｆとの配列方向は、鉛直方向である。

このように、各単セル５１の冷媒流路６２ｂに対して、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅによる４系統で冷媒を供給し、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆによる４系統で冷媒を排出することにより、各冷媒流路６２ｂの全体に、冷媒をむらなく流通させることができるようになっている。これにより、各単セル５１を全体的に冷却することができ、各単セル５１が局所的に昇温しにくくなっている。

≪冷媒マニホールド≫
次に、このような燃料電池スタック５０に取り付けられる冷媒マニホールド１、１について説明する。
図５に示すように、燃料電池スタック５０の正面視において、その左側の冷媒マニホールド１は冷媒供給側のマニホールドであり、その右側の冷媒マニホールド１は冷媒排出側のマニホールドである。すなわち、図５において、左側の冷媒マニホールド１は、ラジエータ１０４からの冷媒を、燃料電池スタック５０内の４本の冷媒供給用連通孔５０ｅに、分配供給するものである。これに対し、右側の冷媒マニホールド１は、燃料電池スタック５０内の４本の冷媒排出用連通孔５０ｆから排出された冷媒を集合させ、ラジエータ１０４に導くものである。そして、冷媒供給側の冷媒マニホールド１と、冷媒排出側の冷媒マニホールド１とは、燃料電池スタック５０のフロントプレート７１に、車幅方向（図５における左右方向）において、対称に取り付けられている。
ここで、冷媒供給側の冷媒マニホールド１と、冷媒排出側の冷媒マニホールド１とは、同一形状であるので、以下、冷媒供給側の冷媒マニホールド１について、主に説明する。

＜冷媒供給側の冷媒マニホールドの構成＞
冷媒マニホールド１は、合成樹脂製の一体成型品であって、図５から図８に示すように、その両端が閉じられた筒状のマニホールド本体１０と、１つの外部連通部２０と、４つの脚部３０、３０、３０、３０と、を主に備えている。

［マニホールド本体］
マニホールド本体１０は、その内部に、マニホールド室１１を有している（図６、図７参照）。このマニホールド室１１は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅの配列方向である鉛直方向（図７の紙面を貫通する方向）に伸びており、冷媒マニホールド１が燃料電池スタック５０に取り付けられた状態（以下、「取付状態」と略称する）において、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅに対して、垂直となるように設計されている。

マニホールド本体１０の内周面１０ａには、図７に示すように、その軸方向（鉛直方向）断面視において、中心角が略９０°の扇形を呈する凸条１２が、その中心側を突出させるように形成されている。すなわち、マニホールド室１１は、その軸方向断面視において、中心角が略２７０°の扇形を呈している。凸条１２は脚部３０側に配置されており、脚部３０の後記する脚部連通孔３１は、凸条１２内を伸びて、マニホールド室１１に開口している。

そして、凸条１２の一部を構成すると共に、脚部連通孔３１を取り囲み、内周面１０ａに立設した土手状の堤部１３（特許請求の範囲における「リブ」に相当）は、外部連通孔２１からの冷媒が、マニホールド室１１を介して、脚部連通孔３１に直接的に流れ込みにくくさせる「じゃま部」として機能している。
ここで、直接的に流通するとは、外部連通孔２１から冷媒が、マニホールド室１１を取り囲む内周面１０ａで反射等せず、流れが急激に変化しないまま、脚部連通孔３１に流れ込むことを意味する。

これにより、外部連通孔２１からの冷媒は、図７及び図８に示すように、土手状の堤部１３によって、４つの脚部連通孔３１に直接的に流れ込むことがじゃまされるようになっている。その結果として、マニホールド室１１では、鉛直方向断面視において、右回りの旋回流や、渦流や、乱流等が発生するようになっている。次いで、このように旋回流等で流れる冷媒が、各脚部連通孔３１に均等に流れ込むようになっている。

また、マニホールド本体１０は、冷媒供給用連通孔５０ｅに対して、燃料電池スタック５０の内側にオフセットしており（図５、図７参照）、その幅方向（車幅方向）において、マニホールド本体１０が燃料電池スタック５０からはみ出ていない。これにより、冷媒マニホールド１が取り付けられた燃料電池スタック５０を、デッドスペースをつくることなく、容易にレイアウト可能となっている。
さらに、マニホールド室１１の軸線も、冷媒供給用連通孔５０ｅに対して、燃料電池スタック５０の内側にオフセットしている（図５、図７参照）。これにより、外部連通孔２１からの冷媒が、冷媒供給用連通孔５０ｅに、直接的に流れ込みにくくなっている。

［脚部］
４つの脚部３０は、フロントプレート７１の４つの取付孔７１ａに差し込まれる部分である。各脚部３０は、その内部に脚部連通孔３１を有している。そして、取付状態において、マニホールド室１１は、４つの脚部連通孔３１を介して、燃料電池スタック５０の４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと、それぞれ連通するようになっている。
また、各脚部連通孔３１の中心を通る軸線と、対応する冷媒供給用連通孔５０ｅの軸線Ａ２とは、一致している。

［外部連通部］
外部連通部２０は、円筒状であって、ラジエータ１０４に接続するホース１１０等が外嵌する部分であり（図７参照）、その内部に外部連通孔２１を有している。そして、このようにラジエータ１０４と外部連通部２０とが前記ホース１１０等を介して接続されると、ラジエータ１０４とマニホールド室１１とは、外部連通孔２１を介して連通するようになっている。

外部連通孔２１の中心を通る軸線Ａ１は、取付状態において、燃料電池スタック５０内の冷媒供給用連通孔５０ｅの軸線Ａ２と、非平行かつ非垂直の関係、つまり、ねじれの関係となるように設計されている。これにより、冷媒が、外部連通孔２１からマニホールド室を介して脚部連通孔３１に、直接的に流れ込みにくくなっていると共に、前記したように、マニホールド室１１で冷媒の旋回流等が発生するようになっている。

さらに説明すると、外部連通孔２１の軸線Ａ１上には、マニホールド本体１０の内周面１０ａが位置するように設計されている。これにより、外部連通孔２１からマニホールド室１１に流れ込んだ冷媒が軸線Ａ１上の内周面１０ａに当たり、これにより、マニホールド室１１で、冷媒の旋回流、渦流、乱流等が発生し、４つの脚部連通孔３１に直接的に流れにくくなっている。

また、外部連通孔２１の軸線Ａ１（外部連通部２０）は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅの配列方向（鉛直方向）において、冷媒供給用連通孔５０ｅからずれていると共に、この４本の冷媒供給用連通孔５０ｅに冷媒が分配供給されるように、中間に配置されている（図５、図６参照）。すなわち、外部連通孔２１は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅの配列方向（鉛直方向）において、最外側の２つの冷媒供給用連通孔５０ｅ（連通孔（１）と連通孔（４）、図５参照）の間に配置されている。

さらに、外部連通部２０は、マニホールド室１１に対して燃料電池スタック５０の反対側に配置されると共に、燃料電池スタック５０の外側に開いている。これにより、外部連通部２０にホース１１０を着脱容易となっている。
そして、外部連通孔２１の軸線Ａ１は、フロントプレート７１の表面と４本の冷媒供給用連通孔５０ｅを通る仮想面との両面に対して垂直な面（第１実施形態では水平面）内において、冷媒供給用連通孔５０ｅの軸線Ａ２とのなす角度θが、１０〜７０°の範囲内となるように設計されている。

＜冷媒供給側の冷媒マニホールドの作用効果＞
このような冷媒供給側の冷媒マニホールド１によれば、次の作用効果を主に得ることができる。
ラジエータ１０４から送られる冷媒は、１つの外部連通孔２１を通って、マニホールド室１１で冷媒の旋回流等が発生し、４つの脚部連通孔３１に直接的に流れ込みにくくなる。また、堤部１３によっても、脚部連通孔３１への直接的な冷媒の流れ込みは防止される。
そして、このように旋回流等となった冷媒は、４つの脚部連通孔３１に均等に流れ込む。これにより、燃料電池スタック５０内の４本の冷媒供給用連通孔５０ｅには、同流量で冷媒が流通する（図９参照）。なお、図９は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅを便宜的に、鉛直上方に向かって、連通孔（１）、連通孔（２）、連通孔（３）、連通孔（４）とした場合において（図５、図６参照）、連通孔（１）〜（４）を通流する冷媒の流量を示すグラフである。
その結果として、各カソードセパレータ６２の冷媒流路６２ｂ（図４参照）の全体に、冷媒が行き届きやすくなり、各単セル５１を効率的に冷却することができる。よって、燃料電池スタック５０は局所的に昇温することはなく、燃料電池スタック５０の温度分布は均一となり、その温度管理がしやすくなる。

これに対し、図１０（ａ）に示すように、外部連通部２０がマニホールド本体１０の鉛直下方に配置されており、その外部連通孔２１の軸線Ａ１と、燃料電池スタック５０内の冷媒供給用連通孔５０ｅの軸線Ａ２とが、垂直の関係にある場合（θ＝９０°）、マニホールド室１１で、冷媒の旋回流等は発生しない。そうすると、図１０（ｂ）に示すように、外部連通部２０に最も近い連通孔（１）を通る冷媒流量が最も多くなり、遠ざかるにつれて徐々に少なくなる。
したがって、カソードセパレータ６２の冷媒流路６２ｂ（図４参照）の全体にわたって、冷媒が流通しにくくなる。よって、単セル５１が局所的に高温となりやすく、燃料電池スタック５０に例えば複数の温度センサを設けないと、その温度管理がしにくくなる。

また、図１１（ａ）に示すように、外部連通部２０がマニホールド本体１０の前側に配置されており、その外部連通孔２１の軸線Ａ１と、燃料電池スタック５０内の冷媒供給用連通孔５０ｅの軸線Ａ２とが、平行の関係にある場合も（θ＝０°）、同様に、マニホールド室１１で、冷媒の旋回流等は発生しない。そうすると、図１１（ｂ）に示すように、外部連通部２０に近い連通孔（２）及び連通孔（３）を通る冷媒流量が多くなり、遠い連通孔（１）及び連通孔（４）を通る冷媒流量は少なくなってしまう。

＜冷媒排出側の冷媒マニホールド＞
図５及び図７等に示すように、後方に向かって、右側に配置される冷媒排出側の冷媒マニホールド１では、左側の冷媒供給側の冷媒マニホールド１と比較して、冷媒の流れの向きが逆になるものの、同様の作用効果を得ることができる。
すなわち、図７に示すように、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆの中心を通る軸線Ａ３と、外部連通孔２１の軸線Ａ１とは、非平行かつ非垂直の関係、つまり、ねじれの関係にあるため、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆから、４つの脚部３０の脚部連通孔３１を介して、マニホールド室１１に送り込まれた冷媒は、このマニホールド室１１で旋回流等を発生させる。これにより、冷媒が、脚部連通孔３１から外部連通孔２１に、直接的に流れ込みにくくなる。

したがって、各脚部連通孔３１からマニホールド室１１に流れ込む冷媒の流量は略同一となる。よって、カソードセパレータ６２の冷媒流路６２ｂから４本の冷媒排出用連通孔５０ｆに流れ込む冷媒の流量は略同一となる（図４参照）。すなわち、冷媒流路６２ｂの全体から冷媒排出用連通孔５０ｆに冷媒が流れ込む。つまり、冷媒流路６２ｂには、単セル５１との熱交換によって昇温した冷媒が残留しにくくなる。その結果として、冷媒が冷媒流路６２ｂの全体に亘って流通しやすくなり、単セル５１の全体を好適に冷却することができる。

＜冷媒マニホールドの製造方法＞
次に、冷媒供給側の冷媒マニホールド１の製造方法について、図１２を参照して説明する。
図１２に示すように、冷媒マニホールド１の外形に対応した金型３０１、３０１内に、中子３０２と、中子３０３とを配置する。中子３０２はマニホールド室１１を形成するためのものであり、中子３０３は脚部連通孔３１を形成するためのものである（図７参照）。
ここで、中子３０２と中子３０３とは、図１２に示すように、平面で相互に当接させることができるため、曲面で相互に当接する場合と比較して、中子３０２に対して中子３０３の位置決めを容易とすることができる。これにより、マニホールド室１１及び脚部連通孔３１が精密な位置に形成された冷媒マニホールド１を得ることができる。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図１３及び図１４を参照して説明する。
図１３及び図１４に示すように、第２実施形態に係る冷媒マニホールド２は、第１実施形態に係る冷媒マニホールド１の凸条１２及び堤部１３（図７、図８参照）を備えていない。ただし、前記したように、外部連通孔２１と脚部連通孔３１との間で、冷媒が直接的に流通しにくくさせるため、堤部１３を備えることが好ましい。

≪第３実施形態≫
次に、本発明の第３実施形態について、図１５から図１８を参照して説明する。
図１５から図１７に示すように、第３実施形態に係る冷媒マニホールド３、３のマニホールド本体１４、１４は、その外形が鉛直下方に向かうほど細くなっている。そして、各冷媒マニホールド３内に形成されたマニホールド室１５も、鉛直下方に向かうほど、細く（小さく）なっている。

このような冷媒マニホールド３によれば、冷媒の供給側では、重力の影響を受けている冷媒が、マニホールド本体１４の中間に配置される外部連通孔２１から、マニホールド室１５の下方に流れ込もうとするが、このようにマニホールド室１５の鉛直下方が細くなっているので、冷媒がマニホールド室１５の全体に流れ込む。これにより、マニホールド室１５から、４つの脚部連通孔３１を介して、４つの冷媒供給用連通孔５０ｅに、冷媒を均等に供給することができる。

一方、冷媒の排出側では、重力の影響を受けている冷媒が、４つの冷媒排出用連通孔５０ｆのち、鉛直下方側の冷媒排出用連通孔５０ｆからマニホールド室１５に排出されにくくなる。これにより、冷媒の供給側において、冷媒が鉛直下方側の冷媒排出用連通孔５０ｆに供給されにくくなる。したがって、重力の影響を受ける冷媒が鉛直下方側の冷媒排出用連通孔５０ｆに流れ込もうとするが、このように鉛直下方側の冷媒排出用連通孔５０ｆに供給されにくいので、冷媒を４つの冷媒供給用連通孔５０ｅに均等に供給することができる。

そして、図１８に示すように、このようなマニホールド室１５を形成する中子３０４は、その鉛直下方に向かうほど細くなるテーパの外周面を有している。このようなテーパ外周面を有する中子によれば、冷媒マニホールド３の製造過程において、マニホールド本体１４の胴部分となる筒状の胴体１６から、容易に抜き取ることができる。これにより、冷媒マニホールド３の製造が容易となる。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
前記した実施形態では、前記した実施形態では、冷媒マニホールド１、１が取り付けられる燃料電池スタック５０は、４本の冷媒供給用連通孔５０ｅと、４本の冷媒排出用連通孔５０ｆを備えたが、これに限定されず、冷媒供給用連通孔５０ｅ及び冷媒排出用連通孔５０ｆの少なくとも一方が、複数本であればよい。そして、冷媒マニホールド１の脚部３０及び脚部連通孔３１の数は、これに対応させればよい。

前記した実施形態では、マニホールド室１１は、切り欠かれた円柱状であり、燃料電池スタック５０内の冷媒供給用連通孔５０ｅ及び冷媒排出用連通孔５０ｆに対して垂直な関係であるとしたが、冷媒を分配又は集合させることができれば、この位置関係及び形状に限定されない。
また、前記した実施形態では、外部連通部２０及び外部連通孔２１が１つである場合を例示したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、これに限定されず、複数であってもよい。

第１実施形態に係る燃料電池自動車の斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。 図３に示すカソードセパレータを後方から見た斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタック及び冷媒マニホールドの正面図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタック及び冷媒マニホールドの図２に示すＸ１方向からの矢視図である。 第１実施形態に係る冷媒マニホールドの図６におけるＹ１−Ｙ１線断面図である。 第１実施形態に係る冷媒マニホールドの斜視図である。 第１実施形態に係る冷媒マニホールドの一効果を示すグラフである。 （ａ）は比較例１に係る冷媒マニホールドの正面図であり、（ｂ）はその冷媒流量を示すグラフである。 （ａ）は比較例２に係る冷媒マニホールドの正面図であり、（ｂ）はその冷媒流量を示すグラフである。 第１実施形態に係る冷媒マニホールドの製造方法を示す断面図である。 第２実施形態に係る冷媒マニホールドの断面図である。 第２実施形態に係る冷媒マニホールドの斜視図である。 第３実施形態に係る燃料電池スタック及び冷媒マニホールドの正面図である。 第３実施形態に係る燃料電池スタック及び冷媒マニホールドの図２に示すＸ１方向からの矢視図である。 （ａ）は、第３実施形態に係る冷媒マニホールドの図１５におけるＹ２−Ｙ２線断面図であり、（ｂ）はＹ３−Ｙ３線断面図である。 第３実施形態に係る冷媒マニホールドの製造工程を示す斜視図である。

符号の説明

１ 冷媒マニホールド
１０ マニホールド本体
１１ マニホールド室
１２ 凸条
１３ 堤部（リブ）
２０ 外部連通部
２１ 外部連通孔
３０ 脚部
３１ 脚部連通孔
５０ 燃料電池スタック
５０ｅ 冷媒供給用連通孔
５０ｆ 冷媒排出用連通孔
５１ 単セル
５２ ＭＥＡ
５３ 固体高分子膜
５４ アノード
５５ カソード
６１ アノードセパレータ
６２ カソードセパレータ
６２ｂ 冷媒流路
Ａ１ 外部連通孔の軸線
Ａ２ 冷媒供給用連通孔の軸線
Ａ３ 冷媒排出用連通孔の軸線

Claims (10)

1. 複数の単セルが積層して構成され、
   その積層方向において、複数の冷媒供給用連通孔と、冷媒排出用連通孔とを有し、
   冷媒が、前記複数の冷媒供給用連通孔、前記複数の単セル、前記冷媒排出用連通孔の順に流れる燃料電池スタックに取り付けられ、前記複数の冷媒供給用連通孔に冷媒を分配する冷媒マニホールドであって、
   前記複数の冷媒供給用連通孔に連通し、当該複数の冷媒供給用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室を有するマニホールド本体と、
   前記マニホールド室と外部とを連通させると共に前記マニホールド室において冷媒の旋回流を発生させるように設けられた外部連通孔を有する外部連通部と、
   を備え、
   前記外部連通孔の中心を通る軸線と各前記冷媒供給用連通孔の中心を通る軸線とは、非平行かつ非垂直であることを特徴とする冷媒マニホールド。
2. 複数の単セルが積層して構成され、
   その積層方向において、冷媒供給用連通孔と、複数の冷媒排出用連通孔とを有し、
   冷媒が、前記冷媒供給用連通孔、前記複数の単セル、前記複数の冷媒排出用連通孔の順に流れる燃料電池スタックに取り付けられ、前記複数の冷媒排出用連通孔からの冷媒を集合させる冷媒マニホールドであって、
   前記複数の冷媒排出用連通孔に連通し、当該複数の冷媒排出用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室を有するマニホールド本体と、
   前記マニホールド室と外部とを連通させると共に前記マニホールド室において冷媒の旋回流を発生させるように設けられた外部連通孔を有する外部連通部と、
   を備え、
   前記外部連通孔の中心を通る軸線と各前記冷媒排出用連通孔の中心を通る軸線とは、非平行かつ非垂直であることを特徴とする冷媒マニホールド。
3. 前記外部連通孔と前記燃料電池スタック内の複数の連通孔との間において、冷媒が直接的に流通しにくくさせるべく、前記マニホールド室を取り囲む内周面に立設したリブを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷媒マニホールド。
4. 前記配列方向において、前記外部連通孔と、前記燃料電池スタック内の複数の連通孔とは、ずれていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の冷媒マニホールド。
5. 前記配列方向において、前記外部連通孔は、前記燃料電池スタック内の複数の連通孔のうちの最外側の２つの連通孔の間に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の冷媒マニホールド。
6. 前記外部連通部は、前記マニホールド室を挟んで前記燃料電池スタックとは反対側に配置されると共に、外側に開いていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の冷媒マニホールド。
7. 前記燃料電池スタック内の複数の連通孔の配列方向は鉛直方向であって、
   前記マニホールド室は鉛直下方に向かうほど小さくなっていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の冷媒マニホールド。
8. 前記マニホールド本体が前記燃料電池スタックの内側にオフセットしていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の冷媒マニホールド。
9. 複数の単セルが積層して構成され、
   その積層方向において、複数の冷媒供給用連通孔と、冷媒排出用連通孔とを有し、
   冷媒が、前記複数の冷媒供給用連通孔、前記複数の単セル、前記冷媒排出用連通孔の順に流れる燃料電池スタックに対して、
   冷媒を、１つの外部連通孔から、前記複数の冷媒供給用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室を介して、前記複数の冷媒供給用連通孔に分配して供給する冷媒供給方法であって、
   前記マニホールド室において冷媒の旋回流を発生させながら、前記複数の冷媒供給用連通孔に供給することを特徴とする冷媒供給方法。
10. 複数の単セルが積層して構成され、
    その積層方向において、冷媒供給用連通孔と、複数の冷媒排出用連通孔とを有し、
    冷媒が、前記冷媒供給用連通孔、前記複数の単セル、前記複数の冷媒排出用連通孔の順に流れる燃料電池スタックに対して、
    冷媒を、前記複数の冷媒排出用連通孔から、前記複数の冷媒排出用連通孔の配列方向に伸びたマニホールド室で集合させ、外部に通じる１つの外部連通孔に排出する冷媒排出方法であって、
    前記マニホールド室において冷媒の旋回流を発生させながら、前記１つの外部連通孔に排出することを特徴とする冷媒排出方法。

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