JP2020136272A - Method and flow channel structure for uniforming flow rate distribution of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の流量分布を均一する方法及び流路構造を提供し、とりわけシングルラインまたはマルチライン流通の方式を採用することにより、各流路ごとにいずれも均一な流体流量を有するため、その流路板により生成された電圧は、いずれも平均値に達することができる。 The present invention provides a method and a flow path structure for making the flow rate distribution of the fuel cell uniform, and in particular, by adopting a single-line or multi-line distribution method, each flow path has a uniform fluid flow rate. , The voltage generated by the flow path plate can reach an average value.
図1〜図2に示すように、現在、市販されている一般の燃料電池は、積層型70であっても、平板型80であっても、通常の流体(燃料や酸化剤)の流路板90への進入は、マルチラインで同時に流入することを採用するが、しかしこの過程において、往々にして流量分布不均一な状態が生じる。一般の電池スタックの流路分岐管がU字形やZ字形に設計され、通常、流路がU字形である場合、流体の入口に近づく流量が最も多く、出口での流量が最も少なくなる一方、流路がZ字形である場合、入、出口での流量が最も多く、中間部でのが最も少なくなる。U字形やZ字形に係らず、いずれも流量分布が不均一という問題がある。また、電池スタック中の流路板からは、1個の電圧が生成されることを意味し、各枚の流路板ごとに所在位置の違いに応じて異なる電圧差ΔPが存在し、かつ流路内に水が溜まる場合、電圧差が大きければ大きいほど、流量が小さくなり(燃料電池は、反応過程において水が生成されて流路に進入する)、該枚の流路板に水がますます溜まりやすくなる。低流量や流量不足において燃料電池が稼働される時、このような時には、不均一な状態をより一層顕著にすることで、一般の燃料電池を流量不足の条件下で操作することができない。
As shown in FIGS. 1 and 2, the general fuel cell currently on the market is a flow path of a normal fluid (fuel or oxidant) regardless of whether it is a laminated
以上に述べたことをまとめると、流量分布が不均一になった場合、流量不足の電池に低電圧が形成され、長時間にわたって低電圧が維持して電池の破損がもたらされ、少数の電池が破損してしまったら、電池スタック全体に補修を施したり、破損の電池を取替えたりする必要があるため、コストの無駄使いや給圧が不安定になる事態を招くという欠点が存在する。そこで、産業の進歩の要望に沿って使用者により多くの選択肢を提供できるように、実に具体的で斬新な方案を提出する必要がある。 To summarize the above, when the flow rate distribution becomes uneven, a low voltage is formed in the battery with insufficient flow rate, the low voltage is maintained for a long time, and the battery is damaged, resulting in a small number of batteries. If the battery is damaged, the entire battery stack needs to be repaired or the damaged battery needs to be replaced, which has the disadvantage of wasting costs and making the supply pressure unstable. Therefore, it is necessary to submit a very concrete and novel plan so that the user can be provided with more options in line with the demand for industrial progress.
従来技術における各流路板の流体の流量分布が不均一という欠点を解決するために、本発明の目的は、シングルライン流通の流路板を採用することにより、各流路板の間を単路で行き渡ると共に、流路を往復迂回することで、各流路板は均一な流体流量を有するため、電池スタックの使用寿命を延長する目的を達成する、燃料電池の流量分布を均一する方法及び流路構造を提供することである。 In order to solve the drawback that the flow rate distribution of the fluid in each flow path plate in the prior art is non-uniform, an object of the present invention is to adopt a flow rate plate for single-line flow in a single path between the flow path plates. Since each flow path plate has a uniform fluid flow rate by circulating and reciprocating around the flow path, a method and a flow path for making the flow rate distribution of the fuel cell uniform to achieve the purpose of extending the life of the battery stack. To provide the structure.
上述の目的を達成するために本発明が採用した技術手段及び方案は、以下の通りである。 The technical means and measures adopted by the present invention to achieve the above-mentioned object are as follows.
本発明に係る燃料電池の流量分布を均一する方法は、流体が電池スタックに流入した後、シングルライン流通の方式を採用することにより、流体を各流路板の間に順次に経路逐次流通させ、全ての流路板の流路まで流通させた後に電池スタックの出口から離去させることにより、流体流量を各流路板上ごとの流路に均一配分することで、各流路板ごとにより生成された電圧が一致化されることから、電池スタックの使用寿命を延長することを達成できる。
また、上述のほか、流体が電池スタックに流入した後、流体を各流路板の1本目の流路にマルチライン流入させた後に集約させ、次いで各流路板の2本目の流路にマルチライン流入させた後に集約させ、このように類推して最後の1本の流路まで集約させた後に電池スタックの出口から離去させることにより、各流路への均一配分の目的を達成する方法もある。
The method for making the flow rate distribution of the fuel cell uniform according to the present invention is to adopt a single-line distribution method after the fluid has flowed into the battery stack, so that the fluid is sequentially distributed between the flow path plates in sequence, and all of them are distributed. It is generated by each flow path plate by uniformly distributing the fluid flow rate to each flow path on each flow path plate by separating it from the outlet of the battery stack after circulating it to the flow path of the flow path plate. Since the fluids are matched, it is possible to extend the life of the battery stack.
In addition to the above, after the fluid has flowed into the battery stack, the fluid is multi-lined into the first flow path of each flow path plate and then aggregated, and then multi-lined into the second flow path of each flow path plate. A method of achieving the purpose of uniform distribution to each flow path by consolidating after flowing into the line, consolidating to the last one flow path by analogy, and then separating from the outlet of the battery stack. There is also.
本発明に係る燃料電池の流量分布を均一する流路構造は、互いに積み重ねられた複数の流路板及び複数の膜電極群を備え、当該流路板の間に膜電極群が設けられ、当該流路板に流路及び第1貫通孔が設けられ、前記膜電極群に第2貫通孔が設けられ、当該流路と第1貫通孔及び第2貫通孔とが相互に連接されてシングルライン流通の通路が形成され、流体のシングルライン流通を実施する時、流体は、流路板内に進入し、第1貫通孔を介して流路板の流路に流通し、次いで第1貫通孔を介して次の流路板の流路へ変換されると共に、途中に膜電極群の第2貫通孔が連接され、この流体が第1貫通孔及び第2貫通孔を経由して流路間にシングルライン流通することによって、全ての流路まで流通してから、第1貫通孔から流出する。
また、上述のほか、流路と第1貫通孔及び第2貫通孔とが相互に連接されてマルチライン流通の合流通路が形成され、流体のマルチライン流通を実施する時、流体は、第1貫通孔を介して同時に複数の流路板の流路内に進入すると共に、各流路の終端部及びコーナー部に貫設された第1貫通孔で合流流通を行い、また流路間の流通には膜電極群の第2貫通孔が連接され、この流体が第1貫通孔及び第2貫通孔を経由して流路間にマルチライン流通することによると共に、終端部及びコーナー部の第1貫通孔での合流により、全ての流路まで流通してから、第1貫通孔から流出する構造もある。
The flow path structure for uniform flow distribution of the fuel cell according to the present invention includes a plurality of flow path plates and a plurality of membrane electrode groups stacked on each other, and a membrane electrode group is provided between the flow path plates. A flow path and a first through hole are provided in the plate, a second through hole is provided in the membrane electrode group, and the flow path and the first through hole and the second through hole are connected to each other for single-line flow. When a passage is formed and a single line flow of the fluid is carried out, the fluid enters the flow path plate, flows through the flow path of the flow path plate through the first through hole, and then passes through the first through hole. Then, it is converted into the flow path of the next flow path plate, and the second through hole of the membrane electrode group is connected in the middle, and this fluid is single between the flow paths via the first through hole and the second through hole. By the line circulation, it flows to all the flow paths and then flows out from the first through hole.
Further, in addition to the above, when the flow path and the first through hole and the second through hole are connected to each other to form a confluence passage for multi-line distribution, and the multi-line distribution of the fluid is performed, the fluid is first. It enters the flow paths of a plurality of flow path plates at the same time through the through holes, and joins and flows through the first through holes formed at the end and corners of each flow path, and also flows between the flow paths. The second through hole of the membrane electrode group is connected to the surface, and this fluid is multi-lined between the flow paths via the first through hole and the second through hole, and the first of the terminal portion and the corner portion. There is also a structure in which the fluid flows out from the first through hole after flowing to all the flow paths by merging at the through hole.
本発明に係る燃料電池の流量分布を均一する流路構造は、流路底板、内側流路板及び外側流路板を備え、前記流路底板に横断路及び第1貫通孔が設けられ、前記内側流路板及び外側流路板にそれぞれ流路が設けられ、前記横断路、第1貫通孔と流路が相互に連接されてシングルライン流通の通路が形成され、流体が、流路底板の第1貫通孔を介して同時に内側流路板及び外側流路板の流路板内に進入して流通すると、次いで流路底板の横断路を介して次の流路に連通され、この流体が横断路を経由して流路間にシングルライン流通することによって、全ての流路まで流通してから、第1貫通孔から流出する。 The flow path structure for uniform flow rate distribution of the fuel cell according to the present invention includes a flow path bottom plate, an inner flow path plate, and an outer flow path plate, and the flow path bottom plate is provided with a cross passage and a first through hole. A flow path is provided in each of the inner flow path plate and the outer flow path plate, and the cross passage, the first through hole and the flow path are connected to each other to form a single-line flow path, and the fluid flows through the flow path bottom plate. When the fluid enters the inner flow path plate and the outer flow path plate at the same time through the first through hole and flows, the fluid is then communicated to the next flow path through the crossing path of the flow path bottom plate, and this fluid flows. By circulating in a single line between the flow paths via the crossing, the flow flows to all the flow paths and then flows out from the first through hole.
本発明は、任意の電池スタック上に応用できると共に、流体の流入、終了、流量不足、水溜まりに至った時は、いずれも電池の電圧上の分布差異をもたらすことがなく、電圧を均一化させるから、低電圧に起因して破損した電池がないので、電池スタックの寿命を延長することが可能となる。 The present invention can be applied to any battery stack, and when a fluid flows in, ends, a flow rate is insufficient, or a water pool is reached, the voltage is made uniform without causing a distribution difference on the battery voltage. Therefore, since no battery is damaged due to the low voltage, the life of the battery stack can be extended.
図3、図5及び図7に示すように、本発明に係る燃料電池の流量分布を均一する方法及び流路構造は、とりわけ積層型電池スタックAまたは平板型電池スタックBに使用される流路板1に実施可能な構造を指し、各流路板1は、流体(燃料や酸化剤)Cの均一な流量を有するため、生成された電圧を一致化し得るので、電池スタックの寿命を延長することができる。その構造は、使用ニーズに応じてシングルライン流通2とマルチライン流通3との2種の方式に分けることができる。
まず、本発明のシングルライン流通2の方式について説明し、その積層型電池スタックAからなる構造は、以下の通りである。
As shown in FIGS. 3, 5 and 7, the method and flow path structure for making the flow rate distribution of the fuel cell according to the present invention uniform are the flow paths used for the laminated battery stack A or the flat plate battery stack B in particular. Refers to a structure that can be implemented in
First, the method of the
図3〜図4に示すように、積層型U字形かつ3組の電池からなるものが例示され、それは第1陰極流路板111と、第2陰極流路板112と、第3陰極流路板113と、第1陽極流路板121と、第2陽極流路板122と、第3陽極流路板123と、2つの第1膜電極群41と、1つの第2膜電極群42とからなるシングルライン流通2の積層型U字形電池スタックであると共に、その各陰極流路板には、シングルライン疎通可能な配列を採用し、及び各陽極流路板には、シングルライン疎通可能な配列を採用し、次いで各陰極流路板、陽極流路板、膜電極群の第1貫通孔5及び第2貫通孔51を経由して直列に連通連結することにより、シングルライン流通の陰極流路板及び陽極流路板が形成される。
As shown in FIGS. 3 to 4, a laminated U-shaped battery consisting of three sets of batteries is exemplified, which includes a first cathode
そのため、ほかに図3−1及び図3−2を合わせて参照し、ここでは陰極流路板を例として説明する。
流体(燃料や酸化剤)Cが第1陰極流路板111に流入する時、流体Cは、第1貫通孔5を介して第1陰極流路板111の1本目の流路131内に進入できると共に、第1貫通孔5を経由して順次に第2及び第3陰極流路板112,113の1本目の流路132,133に流れ込むと共に、途中に各第1膜電極群41及び第2膜電極群42の第2貫通孔51が連接され、最後に第3陰極流路板113で下向きの2本目の流路133を通り抜け、流体Cは、次いで順次に第3陰極流路板113、第2陰極流路板112、第1陰極流路板111の2本目の流路133,132,131に流通し、最後に第1陰極流路板111で下向きの3本目の流路131を通り抜け、このような類推によって、流体Cが陰極流路板の流路に沿って一定の距離を流入した後、第1貫通孔5及び第2貫通孔51を介して次の陰極流路板の流路に導入され、出口から流出するまで流路板の間にシングルライン流通し、これにより各流路板中ごとの流体流量の均一配分を保証し、安定な電圧を生成することで、電池スタックの寿命を延長する目的を達成することができる。
Therefore, FIG. 3-1 and FIG. 3-2 are also referred to, and here, the cathode flow path plate will be described as an example.
When the fluid (fuel or oxidizing agent) C flows into the first cathode
次に、本発明の別の実施例のマルチライン流通3の方式について説明し、その積層型電池スタックAからなる構造は、図5〜図6に示すように、積層型U字形かつ3組の電池からなるものが例示され、それは第4陰極流路板114と、第5陰極流路板115と、第6陰極流路板116と、第4陽極流路板124と、第5陽極流路板125と、第6陽極流路板126と、2つの第3膜電極群43と、1つの第4膜電極群44とからなるマルチライン流通3の積層型U字形電池スタックであると共に、その各陰極流路板には、マルチライン疎通可能な配列を採用し、及び各陽極流路板には、マルチライン疎通可能な配列を採用し、次いで各陰極流路板、陽極流路板、膜電極群の第1貫通孔5及び第2貫通孔51を経由して直列に連通連結することにより、マルチライン流通の陰極流路板及び陽極流路板が形成される。
Next, the method of the
そのため、ほかに図5−1及び図5−2を合わせて参照し、ここでは陰極流路板を例として説明する。
流体(燃料や酸化剤)Cが陰極流路板に流入する時、流体Cは、第1貫通孔5を経由して各々第4陰極流路板114、第5陰極流路板115、第6陰極流路板116の1本目の流路134,135,136内に進入できると共に、途中に各第3膜電極群43及び第4膜電極群44の第2貫通孔51が連接され、その後、第6陰極流路板116で集約された後、下向きに2本目の流路136に向けて流通し、そして流体Cが第6陰極流路板116の2本目の流路136に進入した後、次いで第1貫通孔5を利用して各々第5、第4陰極流路板115,114の2本目の流路135,134内に進入し、このような類推によって、各流路板の2本目の流路134,135,136内に合流した後、次いで第4陰極流路板114の3本目の流路134に進入してから、上述と同様な工程を経て該層の流路に合流した後、次いで次の層に向けて流動すると共に、出口から流出するまでこの循環を続け、これにより各陰極流路板または陽極流路板中ごとの流体Cの流量の均一配分を保証し、安定な電圧を生成することで、電池スタックの寿命を延長する目的を達成することができる。
Therefore, FIG. 5-1 and FIG. 5-2 will be referred to together, and the cathode flow path plate will be described here as an example.
When the fluid (fuel or oxidizing agent) C flows into the cathode flow board, the fluid C passes through the first through
本発明の別の実施例の平板型電池スタックBのシングルライン流通2の方式について説明し、その平板型電池スタックBからなる構造は、図7〜図8に示すように、平板型U字形かつ3組の電池からなるものが例示され、それは2つの流路底板14と、2つの内側流路板15と、6つの外側流路板16と、1つの第5膜電極群45とからなるシングルライン流通2の平板型U字形電池スタック構造であり、それは第5膜電極群45の両側から順次対向配列された外側流路板16と、内側流路板15と、流路底板14とが互いに重ねられて組み立てられている。
The method of single-
そのほかに、図7−1及び図7−2を合わせて参照し、流体Cが、流路底板14の第1貫通孔5から内側流路板15及び外側流路板16の1本目の流路137,138に進入して流通すると、この流路137,138の終端に流通した後、即ち、流路底板14の横断路141を介して次の組の電池の内側流路板15及び外側流路板16の2本目の流路137,138を横断し、そして3個目の電池組までに至った後、流体Cは、次いで流路底板14の横断路141を介して下層に向かって2本目の流路137,138を横断し、この流体Cが上層方向とは反対方向に沿って継続的に2個目、1個目の電池組に向かって流体Cの横断動作を行い、次いで1個目の電池組の2本目の流路137,138を介して下層に向かって3本目の流路137,138を横断し、このような類推によって、最後の1本の流路137,138の第1貫通孔5から流出するまて循環し、入口に流入した後の流体Cがシングルライン単流路のみで順次に電池組の間に流通するので、その流量を均一配分して安定な電圧を生成することで、電池スタックの寿命を延長する目的を達成することができる。
In addition, with reference to FIGS. 7-1 and 7-2, the fluid C flows from the first through
以上に述べたことをまとめると、3つの実施例では、電池スタック中のU字形積層型の配列方式のみを示すが、ほかにZ字形配列方式もある。その配列と流体流動方式は、いずれも上述の実施例に教示された技術と同様である。このため、本発明は、任意の電池スタック上に応用できると共に、流体の流入、終了、流量不足、水溜まりに至った時は、いずれも電池の電圧上の分布差異をもたらすことがなく、電圧を均一化させるから、低電圧に起因して破損した電池がないので、電池スタックの寿命を延長することが可能となる。 Summarizing the above, in the three examples, only the U-shaped stacked arrangement method in the battery stack is shown, but there is also a Z-shaped arrangement method. The arrangement and the fluid flow method are both similar to the techniques taught in the above-mentioned examples. Therefore, the present invention can be applied to any battery stack, and when the inflow, termination, insufficient flow rate, or pool of fluid is reached, the voltage is not caused to cause a distribution difference on the battery voltage. Since it is made uniform, there is no battery damaged due to the low voltage, so that the life of the battery stack can be extended.
従来技術
70 積層型
80 平板型
90 流路板
本発明
1 流路板
111 第1陰極流路板
112 第2陰極流路板
113 第3陰極流路板
114 第4陰極流路板
115 第5陰極流路板
116 第6陰極流路板
121 第1陽極流路板
122 第2陽極流路板
123 第3陽極流路板
124 第4陽極流路板
125 第5陽極流路板
126 第6陽極流路板
131,132,133,134,135,136,137,138 流路
14 流路底板
141 横断路
15 内側流路板
16 外側流路板
2 シングルライン流通
3 マルチライン流通
41 第1膜電極群
42 第2膜電極群
43 第3膜電極群
44 第4膜電極群
45 第5膜電極群
5 第1貫通孔
51 第2貫通孔
A 積層型電池スタック
B 平板型電池スタック
C 流体
Claims (5)
当該流路板の間に当該膜電極群が設けられ、当該流路板に流路及び第1貫通孔が設けられ、当該膜電極群に第2貫通孔が設けられ、当該流路と当該第1貫通孔及び当該第2貫通孔とが相互に連接されてシングルライン流通の通路が形成され、流体のシングルライン流通を実施する時、前記流体は、当該流路板内に進入し、当該第1貫通孔を介して当該流路板の当該流路に流通し、次いで当該第1貫通孔を介して次の当該流路板の当該流路へ変換されると共に、途中に当該膜電極群の当該第2貫通孔が連接され、前記流体が当該第1貫通孔及び当該第2貫通孔を経由して当該流路間にシングルライン流通することによって、全ての当該流路まで流通してから、当該第1貫通孔から流出することを特徴とする、燃料電池の流量分布を均一する流路構造。 A flow path structure having a uniform flow rate distribution of a fuel cell having a plurality of flow path plates and a plurality of membrane electrode groups stacked on each other.
The membrane electrode group is provided between the flow path plates, the flow path plate and the first through hole are provided, the membrane electrode group is provided with the second through hole, and the flow path and the first through hole are provided. When the hole and the second through hole are connected to each other to form a single-line flow path and the single-line flow of the fluid is performed, the fluid enters the flow path plate and enters the first through. It flows through the hole to the flow path of the flow path plate, is then converted to the flow path of the next flow path plate through the first through hole, and is converted to the flow path of the next flow path plate, and in the middle, the first of the membrane electrode group. The two through holes are connected to each other, and the fluid flows through the first through hole and the second through hole in a single line between the flow paths, thereby flowing to all the flow paths, and then the first through hole. 1 A flow path structure that makes the flow distribution of the fuel cell uniform, characterized in that it flows out from the through hole.
当該流路板の間に当該膜電極群が設けられ、当該流路板には流路及び第1貫通孔が設けられ、当該膜電極群に第2貫通孔が設けられ、当該流路と当該第1貫通孔及び当該第2貫通孔とが相互に連接されてマルチライン流通の合流通路が形成され、流体のマルチライン流通を実施する時、前記流体は、当該第1貫通孔を介して同時に前記複数の流路板の当該流路内に進入すると共に、各当該流路の終端部及びコーナー部に貫設された当該第1貫通孔で合流流通を行い、また当該流路間の流通には当該膜電極群の当該第2貫通孔が連接され、前記流体が当該第1貫通孔及び当該第2貫通孔を経由して当該流路間にマルチライン流通することによると共に、終端部及びコーナー部の当該第1貫通孔での合流により、全ての当該流路まで流通してから、当該第1貫通孔から流出することを特徴とする、燃料電池の流量分布を均一する流路構造。 A flow path structure having a uniform flow rate distribution of a fuel cell having a plurality of flow path plates and a plurality of membrane electrode groups stacked on each other.
The membrane electrode group is provided between the flow path plates, the flow path plate is provided with a flow path and a first through hole, the membrane electrode group is provided with a second through hole, and the flow path and the first through hole are provided. When the through hole and the second through hole are connected to each other to form a confluence passage for multi-line flow and the multi-line flow of the fluid is carried out, the fluid is simultaneously introduced through the first through hole. In addition to entering the flow path of the flow path plate, merging and flowing through the first through hole formed at the end and corner of each flow path, and the flow between the flow paths is the same. The second through hole of the membrane electrode group is connected, and the fluid flows through the first through hole and the second through hole between the flow paths in a multi-line manner, and at the end portion and the corner portion. A flow path structure having a uniform flow rate distribution of a fuel cell, characterized in that the flow flows to all the flow paths by merging at the first through hole and then flows out from the first through hole.
前記流路底板に横断路及び第1貫通孔が設けられ、前記内側流路板及び前記外側流路板にそれぞれ流路が設けられ、前記横断路、前記第1貫通孔と当該流路が相互に連接されてシングルライン流通の通路が形成され、流体が、前記流路底板の前記第1貫通孔を介して同時に前記内側流路板及び前記外側流路板の流路板内に進入して流通すると、次いで前記流路底板の前記横断路を介して次の当該流路に連通され、前記流体が前記横断路を経由して当該流路間にシングルライン流通することによって、全ての当該流路まで流通してから、前記第1貫通孔から流出することを特徴とする、燃料電池の流量分布を均一する流路構造。 A flow path structure having a uniform flow rate distribution of a fuel cell having a flow path bottom plate, an inner flow path plate, and an outer flow path plate.
A cross passage and a first through hole are provided in the flow path bottom plate, a flow path is provided in each of the inner flow path plate and the outer flow path plate, and the cross passage, the first through hole and the flow path are mutually provided. A single-line flow path is formed, and the fluid simultaneously enters the inner flow path plate and the flow path plate of the outer flow path plate through the first through hole of the flow path bottom plate. Once circulated, it is then communicated to the next flow path via the crossover of the flow path bottom plate, and the fluid circulates in a single line between the flow paths via the crossover, thereby causing all the flow. A flow path structure having a uniform flow rate distribution of a fuel cell, characterized in that the fluid flows to the road and then flows out from the first through hole.
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