JP3627834B2

JP3627834B2 - Stack stack structure of fuel cells

Info

Publication number: JP3627834B2
Application number: JP00596397A
Authority: JP
Inventors: 一斉藤
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1997-01-17
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2017-01-17
Also published as: JPH10199552A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶融炭酸塩型燃料電池のスタック積層構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、図３に示すように、薄い平板状の電解質板（タイル）１を燃料極（アノード）２と空気極（カソード）３の平板状の電極で挟んだ単セル４と、導電性のバイポーラプレート（セパレータ）５とからなる。セパレータ５は、単セルでは電圧が低い（０．８Ｖ程度）ため、これを多段に積層した電池とするために用いられる。この積層電池をスタックと呼ぶ。
【０００３】
更に、スタック内の各セルにプロセスガスを供給する手段として、図４に示すように、スタックの側面から直接プロセスガスを供給する外部マニホールド方式（Ａ）と、セパレータ自体に垂直な貫通マニホールド６を備え、このマニホールドを介して各セルにプロセスガスを供給する内部マニホールド方式（Ｂ）とがある。内部マニホールド方式は、スタックの高さ，スタック側面の凹凸の影響を受けないため、スタック構成要素の寸法，精度を緩やかにでき、量産化に適していると共に、組立性に優れている特徴がある。
【０００４】
一般に、マニホールドは大きいほど、各セルへの流配（流量の配分）は良くなる。しかし、マニホールドを大きくすることはスタックのコストに直接影響するため、流配，コストを考慮した最適設計が要求される。
内部マニホールド方式におけるガスの流れ方式には、図５に示すように、（Ａ）正流方式と（Ｂ）反流方式とがあり、マニホールド内の圧力分布は、図６に示すようになる。各セルを流れるガス流量を一様に近ずけるには、各セルの出入口間の圧力差を同一にする必要があり、図５及び図６から、反流方式（Ｂ）のほうが各セルの圧力差がより一様であり、好ましいことがわかる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、内部マニホールド方式（図４Ｂ）の燃料電池では、従来、マニホールド内をガスの流れ方式として、反流方式（図５Ｂ）が用いられ、各セパレータには、主として製造上の理由から同一寸法のマニホールドが設けられていた。
【０００６】
しかし、上述した燃料電池（スタック）における積層段数が大きくなる（例えば１００段以上）と、内部マニホールド内の流速差が大きくなり過ぎる問題点があった。このため、図６（Ｂ）に示すように、ガスが流入／流出する低段部における入口／出口間の圧力差が高段部よりも大きくなり、流量差が過大になる問題点があった。
【０００７】
この問題点を解決するため、従来のスタックでは、流量差が問題にならない程度の段数以下にスタック積層数を制限し、そのスタック数毎に中間ヘッダ部（ガスの流入流出部）を設けていた。しかし、中間ヘッダ部は、ガスの流入／流出部や電流取出部等を設ける必要があるため、セルとセパレータが積層された部分に比較して大型になり、全体としてスタックが大型化しコストダウンが困難になる等の問題点があった。
【０００８】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、スタック内の各セル間の流量差を低減することができ、これにより、中間ヘッダ部を設けることなく、スタック積層数を増大させることができる燃料電池のスタック積層構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、複数のセルがセパレータを介して積層され、各セパレータが積層方向に連通した内部マニホールドを有し、該マニホールドを介して各セルに反応ガスが供給されかつ排出される燃料電池において、供給側マニホールドと排出側マニホールドの少なくとも一方は、ガスの流入流出側から離れて奥側に向かうにつれ流路面積が、各セルにおける供給側マニホールドと排出側マニホールドの差圧が所定値以内になるように複数段毎に漸減し、供給側マニホールドと排出側マニホールド内の静圧は、それぞれ流入流出側が低く、奥側が高くなっている、ことを特徴とする燃料電池のスタック積層構造が提供される。
【００１０】
マニホールド内では各セルへのガス流があるためガスの流入流出側から徐々に流量が少なくなり、ベルヌーイの定理（ρｖ^２／２＋Ｐ＝一定）により、静圧は徐々に増大する（マニホールドの流路面積が同一の場合：図６参照）。これに対して、上述した本発明の構成によれば、マニホールドの流路面積が流入流出側から離れるにつれ漸減しているので、このマニホールド内では、流速の変化が低減され、静圧の増大割合を変えることができる。従って、供給側又は排出側のマニホールドの一方又は両方の流路面積を最適に設定することにより、スタック内の各セル間の圧力差（及び流量差）を低減することができ、これにより、中間ヘッダ部を設けることなく、スタック積層数を増大させることができる。
【００１１】
また、流路面積が複数段毎に漸減するので、同一の流路面積を有するセパレータを複数段（例えば数十段）共通に使用することができ、製造コストの上昇を最少限に抑えることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図１は、本発明の燃料電池のスタック積層構造の原理図であり、（Ａ）は本発明によるスタック積層構造を備えた燃料電池、（Ｂ）はその模式図を示している。
【００１３】
図１（Ａ）において、複数のセル１１がセパレータ１２を介して積層され、各セパレータ１２が積層方向に連通した内部マニホールド１４，１５を有し、このマニホールド１４，１５を介して各セル１１に反応ガス１６が供給されかつ排出されるようになっている。
図１（Ｂ）は（Ａ）に対応する分配・集合管である。この図に示すように、燃料電池におけるスタック積層方向の流配性能は、反流形の分配・集合管として扱うことができる。すなわち、燃料電池（Ａ）における内部マニホールド（供給側マニホールド１４と排出側マニホールド１５）は、（Ｂ）における分配管と集合管に相当し、燃料電池（Ａ）における各セル１１を流れる流路が、（Ｂ）における支管に相当する。
【００１４】
本発明によれば、供給側マニホールド１４と排出側マニホールド１５の少なくとも一方（この例では、供給側マニホールド１４）が、ガスの流入流出側から離れるにつれ流路面積が漸減している。すなわち、供給側マニホールド１４は、複数段毎に漸減する流路面積を有しており、この漸減の度合は、供給側マニホールドと排出側マニホールドの差圧が所定値以内になるように設定されている。
【００１５】
図２は、本発明の積層電池におけるマニホールド内圧力分布図であり、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は図１に示した本発明の場合を示している。
上述した反流形の分配・集合管との対応から、供給側マニホールド１４（分配管）と排出側マニホールド１５（集合管）における圧力は〔数１〕の▲１▼式と▲２▼式で表すことができる。
【００１６】
【数１】

【００１７】
▲１▼▲２▼式において、ｊはスタック積層位置を表し、ガスヘッダー側（ガスの流入流出側）を１とする。
反流形では、両式右辺の第１項は常に正（分配側の静圧回復分）となり、図２（Ａ）に示すような圧力分布となる。スタックにおける流配を改善するためには、分配に従って流速を回復させること、すなわち▲１▼式の右辺第１項を大きくする必要がある。
【００１８】
従って、図１に示したように、供給側マニホールド１４の流路面積をガスの流入流出側から離れるにつれ漸減させることにより、図２（Ｂ）に模式的に示すように、このマニホールド内では、流速の変化が低減され、静圧の増大割合を変えることができる。すなわち、供給側又は排出側のマニホールドの一方又は両方の流路面積を最適に設定することにより、スタック内の各セル間の圧力差（及び流量差）を低減することができ、これにより、中間ヘッダ部を設けることなく、スタック積層数を増大させることができる。
【００１９】
なお、上述した実施形態では、排出側マニホールド１５の流路面積のみを段階的に漸減させたが、本発明はこれに限定されず、供給側又は排出側のマニホールドの一方又は両方を漸減させてもよい。
また、マニホールドの流路面積は、各セル毎に変化（漸減）させてもよいが、図２（Ｂ）に示したように、供給側マニホールドと排出側マニホールドの差圧が所定値以内になるように、複数段毎に漸減させることにより、同一の流路面積を有するセパレータを複数段（例えば数十段）共通に使用することができ、製造コストの上昇を最少限に抑えることができる。
【００２０】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２１】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池のスタック積層構造は、スタック内の各セル間の流量差を低減することができ、これにより、中間ヘッダ部を設けることなく、スタック積層数を増大させることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のスタック積層構造の原理図である。
【図２】本発明の積層電池におけるマニホールド内圧力分布図である。
【図３】従来の積層電池の構造図である。
【図４】外部マニホールド方式と内部マニホールド方式の構造図である。
【図５】マニホールド内のガスの流れ方式の比較図である。
【図６】マニホールド内の圧力分布の比較図である。
【符号の説明】
１電解質板（タイル）
２燃料極（アノード）
３空気極（カソード）
４単セル
５バイポーラプレート（セパレータ）
６マニホールド
１１セル
１２セパレータ
１４供給側マニホールド
１５排出側マニホールド
１６反応ガス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stack laminated structure of a molten carbonate fuel cell.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 3, a molten carbonate fuel cell has a single cell 4 in which a thin flat electrolyte plate (tile) 1 is sandwiched between flat electrodes of a fuel electrode (anode) 2 and an air electrode (cathode) 3. And a conductive bipolar plate (separator) 5. Since the separator 5 has a low voltage (about 0.8 V) in a single cell, it is used to make a battery in which this is laminated in multiple stages. This stacked battery is called a stack.
[0003]
Furthermore, as means for supplying process gas to each cell in the stack, as shown in FIG. 4, an external manifold system (A) for supplying process gas directly from the side surface of the stack and a through manifold 6 perpendicular to the separator itself are provided. And an internal manifold system (B) for supplying process gas to each cell through the manifold. The internal manifold system is not affected by the height of the stack and unevenness on the side of the stack, so the dimensions and accuracy of the stack components can be relaxed, and it is suitable for mass production and has excellent characteristics in assembly. .
[0004]
In general, the larger the manifold, the better the flow distribution (flow distribution) to each cell. However, since increasing the manifold directly affects the cost of the stack, an optimal design that takes into account the flow and cost is required.
As shown in FIG. 5, the gas flow method in the internal manifold method includes (A) a positive flow method and (B) a counterflow method, and the pressure distribution in the manifold is as shown in FIG. 6. In order to make the gas flow rate flowing through each cell uniform, it is necessary to make the pressure difference between the inlets and outlets of each cell the same. From FIG. 5 and FIG. It can be seen that the pressure difference is more uniform and preferable.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the fuel cell of the internal manifold system (FIG. 4B), the counter flow system (FIG. 5B) is conventionally used as the gas flow system in the manifold, and each separator is mainly for manufacturing reasons. A manifold with the same dimensions was provided.
[0006]
However, when the number of stacking stages in the fuel cell (stack) described above increases (for example, 100 or more), there is a problem that the flow velocity difference in the internal manifold becomes too large. For this reason, as shown in FIG. 6B, there is a problem that the pressure difference between the inlet and outlet at the low stage where gas flows in / out is larger than that at the high stage, and the flow rate difference becomes excessive. .
[0007]
In order to solve this problem, in the conventional stack, the stack stack number is limited to the number of stages or less that does not cause a difference in flow rate, and an intermediate header section (gas inflow / outflow section) is provided for each stack number. . However, since it is necessary to provide the gas inflow / outflow part, current extraction part, etc., the intermediate header part becomes larger than the part where the cells and separators are stacked, and the stack becomes larger as a whole, resulting in cost reduction. There were problems such as difficulty.
[0008]
The present invention has been developed to solve such problems. That is, an object of the present invention is to provide a stack structure of a fuel cell that can reduce the flow rate difference between cells in the stack, thereby increasing the number of stack stacks without providing an intermediate header portion. It is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a fuel cell in which a plurality of cells are stacked via separators, each separator has an internal manifold communicated in the stacking direction, and reaction gas is supplied to and discharged from each cell via the manifolds. in at least one of the discharge-side manifold and the supply-side manifold, away from the inflow and outflow side of the gas entanglement passage area toward the far side, within a predetermined value the pressure difference is the supply-side manifold and the discharge side manifold in each cell The fuel cell stack structure is characterized in that the static pressure in the supply side manifold and the discharge side manifold is low on the inflow / outflow side and high on the back side, respectively. The
[0010]
Gradually flow decreases from the inflow and outflow side of the gas because of the gas flow to each cell in the manifold, by Bernoulli's theorem (ρv ^2/2 + P = constant), the static pressure is gradually increased (manifold flow passage When the areas are the same: see FIG. On the other hand, according to the configuration of the present invention described above, the flow passage area of the manifold gradually decreases as it moves away from the inflow / outflow side. Can be changed. Therefore, the pressure difference (and flow rate difference) between each cell in the stack can be reduced by optimally setting the flow passage area of one or both of the supply side and the discharge side manifolds. The number of stacked layers can be increased without providing a header portion.
[0011]
In addition, since the flow path area gradually decreases for each plurality of stages, separators having the same flow path area can be used in common for a plurality of stages (for example, several tens of stages), and the increase in manufacturing cost can be minimized. it can.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, common portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
FIG. 1 is a principle diagram of a stack structure of a fuel cell according to the present invention, (A) is a fuel cell having a stack structure according to the present invention, and (B) is a schematic diagram thereof.
[0013]
In FIG. 1 (A), a plurality of cells 11 are stacked via separators 12, and each separator 12 has

internal manifolds

14 and 15 communicating in the stacking direction. A reaction gas 16 is supplied and discharged.
FIG. 1B shows a distribution / collection pipe corresponding to FIG. As shown in this figure, the flow distribution performance in the stacking direction of the fuel cell can be handled as a countercurrent distribution / collection pipe. That is, the internal manifolds (supply side manifold 14 and discharge side manifold 15) in the fuel cell (A) correspond to distribution pipes and collecting pipes in (B), and flow paths that flow through the respective cells 11 in the fuel cell (A). This corresponds to the branch pipe in (B).
[0014]
According to the present invention, the flow passage area gradually decreases as at least one of the supply side manifold 14 and the discharge side manifold 15 (in this example, the supply side manifold 14) is separated from the gas inflow / outflow side. That is, the supply-side manifold 14 has a flow passage area that gradually decreases for each of a plurality of stages, and the degree of this decrease is set so that the differential pressure between the supply-side manifold and the discharge-side manifold is within a predetermined value. Yes.
[0015]
FIG. 2 is a pressure distribution diagram in the manifold in the laminated battery of the present invention, (A) shows a conventional example, and (B) shows the case of the present invention shown in FIG.
The pressure in the supply side manifold 14 (distribution pipe) and the discharge side manifold 15 (collection pipe) is expressed by the formulas (1) and (2) in [Equation 1] because of the correspondence with the above-described counterflow type distribution / collection pipe. Can be represented.
[0016]
[Expression 1]

[0017]
In the formulas (1) and (2), j represents the stack stacking position, and the gas header side (gas inflow / outflow side) is 1.
In the counterflow type, the first term on the right side of both formulas is always positive (the amount of static pressure recovered on the distribution side), resulting in a pressure distribution as shown in FIG. In order to improve the flow distribution in the stack, it is necessary to recover the flow velocity according to the distribution, that is, to increase the first term on the right side of the equation (1).
[0018]
Therefore, as shown in FIG. 2B, by gradually reducing the flow passage area of the supply side manifold 14 away from the gas inflow / outflow side, as schematically shown in FIG. The change in flow rate is reduced and the rate of increase in static pressure can be changed. That is, the pressure difference (and flow rate difference) between each cell in the stack can be reduced by optimally setting the flow path area of one or both of the supply side and the discharge side manifolds. The number of stacked layers can be increased without providing a header portion.
[0019]
In the above-described embodiment, only the flow passage area of the discharge side manifold 15 is gradually reduced. However, the present invention is not limited to this, and one or both of the supply side or discharge side manifolds are gradually reduced. Also good.
Further, the flow path area of the manifold may be changed (gradually decreased) for each cell, but as shown in FIG. 2B, the differential pressure between the supply side manifold and the discharge side manifold is within a predetermined value. As described above, by gradually decreasing the number of the plurality of stages, separators having the same flow path area can be used in common for a plurality of stages (for example, several tens of stages), and an increase in manufacturing cost can be minimized.
[0020]
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, Of course, it can change variously in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, the stack structure of the fuel cell according to the present invention can reduce the flow rate difference between cells in the stack, thereby increasing the number of stack stacks without providing an intermediate header section. It has excellent effects such as
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle diagram of a stack structure of a fuel cell of the present invention.
FIG. 2 is a pressure distribution diagram in a manifold in the laminated battery of the present invention.
FIG. 3 is a structural diagram of a conventional laminated battery.
FIG. 4 is a structural diagram of an external manifold system and an internal manifold system.
FIG. 5 is a comparison diagram of gas flow methods in a manifold.
FIG. 6 is a comparative view of pressure distribution in the manifold.
[Explanation of symbols]
1 Electrolyte plate (tile)
2 Fuel electrode (anode)
3 Air electrode (cathode)
4 single cell 5 bipolar plate (separator)
6 Manifold 11 Cell 12 Separator 14 Supply side manifold 15 Discharge side manifold 16 Reaction gas

Claims

In a fuel cell in which a plurality of cells are stacked via separators, each separator has an internal manifold that communicates in the stacking direction, and a reactive gas is supplied to and discharged from each cell via the manifolds.
At least one of the supply-side manifold and the discharge-side manifold has a flow path area so that the differential pressure between the supply-side manifold and the discharge-side manifold in each cell is within a predetermined value as it moves away from the gas inflow / outflow side and toward the back side. Gradually decreases every multiple steps,
The static pressure in the supply side manifold and the discharge side manifold is low on the inflow / outflow side and high on the back side.
A stack structure of a fuel cell.