JP4204348B2

JP4204348B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4204348B2
Application number: JP2003050341A
Authority: JP
Inventors: 哲郎菊地; 直宏竹下; 稔幸鈴木
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: JP2004259637A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）に関し、とくに圧損をほとんど増加させずに、各セルへのガスの分配の均一化をはかった燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６、図７に示すように、単電池（セル）１９を積層して構成した燃料電池スタック２３のうち、セル積層体の各単電池（セル）１９に燃料ガス、酸化ガスなどの反応ガスを供給するのに、従来、セル積層体中にセル積層方向に延びるマニホールド２９、３０、３１（冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）を形成し、燃料電池スタック２３に供給された反応ガスをマニホールド３０、３１に流し、マニホールド３０、３１から各セル１９に分配する方法がとられている。
【０００３】
通常、反応ガスを外部からセル積層体内のマニホールド３０、３１に供給するガス供給管３２、３３は、図６に示すように、配置上、寸法上の都合などから曲がり管とならざるを得ない。また、ガス供給管の断面は、燃料電池スタックへの入口部近傍においては、単純な円形ではなく、楕円形や長方形になる場合が多いため、ガスは管内を複雑な流線を描いて流れる。その結果、曲がり管から燃料電池スタック２３のガス流入口に入ったガスは、ガス流入口近傍およびマニホールド３０、３１のガス流入口側端部において、図８に示すように、旋回流Ｓを形成したり、マニホールド３０、３１に流入した所に渦を発生したりする。
【０００４】
この旋回流や渦はつぎの問題を生じる。
供給される反応ガスが加湿ガスである場合で燃料電池起動時等には、マニホールド３０、３１のガス流入口側端部に結露水Ｗが集中しやすい。その場合、旋回流Ｓが結露水Ｗを巻き上げ、マニホールド３０、３１のガス流入口側端部にあるセル１９に水を押し込み、そのセル１９のガス流路２７、２８に水により閉塞が生じて電圧低下を生じさせ、セル間に発電能力のばらつきを生じさせるおそれがある。
また、マニホールド３０、３１内の旋回流、渦は、各セル１９へのガス分配を不均一にする。とくにセル積層方向端部のセルはガスの流入量が少なくなるという現象が見られる。その結果、セルの発電能力にばらつきが発生し、ガスの供給の少ないセルの電圧が低下し、極端な場合、電池全体の運転を停止せざるを得なくなる場合も生じる。
【０００５】
従来、上記の問題に対処するには、以下の提案がなされている。
たとえば、特開平８−２９３３１８号のように、マニホールド流入部と外部との間にパンチングメタルのような穴あき板を設置することが行われている。これはパンチングメタルを通過する間に圧力損失が起こることにより、ガスの流入部の圧力を均一にする。その結果、ガスの流れ（主として流量）を均一にすることを狙っている。
また、特開平８−２１３０４４号のように、マニホールド流入部に、多孔質体を介してガスを導入する例もある。この場合も、多孔質体を通過するときに生じる圧力損失を利用してガスの流れ（主として流量）を均一にすることを狙っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２９３３１８号公報
【特許文献２】
特開平８−２１３０４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平８−２９３３１８号のように、パンチングメタルを設けるものでは、ガスがパンチングメタルを通過する際に圧力損失が発生する。近年の燃料電池は、マニホールドのガス通過断面積を小さくして、ガスの流速を上げる傾向にある。とくに積層するセルの枚数が多くなる場合には、ガスの流量、流速が増大する。したがって、パンチングメタルなどの圧力損失を発生する部分があると、ガスを送るポンプの動力損失が増大してしまう。また、パンチングメタルでは、ガスが孔を通過するときに孔のエッジにて渦が発生し、その渦により、近傍のセルには、ガスの流入が少なくなるという問題もある。
また、特開平８−２１３０４４号公報のように、多孔質体を介してガスを導入するものにも、ガスが多孔質体を通過する際に圧力損失が発生するため、特開平８−２９３３１８号の場合と同様の問題が生じる。
本発明の目的は、圧力損失をほとんど生じさせずに、マニホールドに流入する反応ガスの旋回流や渦流の発生を抑制し各セルへのガスの分配を均一化することができる燃料電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
複数の単電池の積層体を有する燃料電池スタックと、
燃料電池スタックへの反応ガスの供給管と、
上記複数の単電池の積層体に形成され上記反応ガスの供給管を通して供給された反応ガスを上記複数の単電池の各々に分配するマニホールドと、
上記燃料電池スタックへの反応ガスの供給管と上記マニホールドとを接続するガス通路に設けられ上記複数の単電池の積層体の単電池積層方向と平行な方向に延びる１以上の整流板と、
を備えている。
上記燃料電池において、望ましくは、上記整流板の、前記ガス通路の延びる方向と平行な方向の長さは、前記整流板同士の間隔または前記ガス通路内面との間隔の２倍以上である。
また、望ましくは、上記燃料電池スタックがエンドプレートを有し、上記ガス通路が上記エンドプレートに形成されている。
また、上記整流板が、複数設けられ、互いに交わっていてもよい。
また、望ましくは、上記整流板の、上記ガス通路の延びる方向と平行な方向の長さは、１０ｍｍ以上である。
また、望ましくは、上記整流板の、整流板同士の間隔または上記ガス通路内面との間隔は１０ｍｍ以下である。
また、前記燃料電池スタックがエンドプレートを有し、前記整流板が該エンドプレートに設けられている。
また、前記整流板が、前記ガス通路の断面長手方向に延びていてもよい。
また、前記整流板が、前記ガス通路の断面長手方向に延びる板と該板に直交する方向に延びる板とを格子状に組み合わせて構成されていてもよい。
また、前記整流板が、ハニカム状に構成されていてもよい。
また、前記整流板が、前記ガス通路の断面短手方向に延びていてもよい。
【０００９】
上記本発明の燃料電池では、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる整流板を設けたので、マニホールドにほぼストレートにガスを導入することができ、ガス通路およびマニホールドのガス入口部に旋回流が生じることを抑制できる。また、単電池積層方向と平行な方向に延びる整流板であるので、マニホールドのガス入口部に、整流板のエッジにて渦が生じることを抑制できる。旋回流、渦を抑制することにより、マニホールドに流入したガスの各セルへの分配を均一化でき、かつ、特定のセルへの凝縮水の巻き上げ、押し込みも防止できる。この場合、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる整流板としたので、ガス通路の流路断面積はほとんど縮小せず、整流板部を通過するガス流れにはほとんど圧損が生じない。
また、整流板が該エンドプレートに設けられている場合は、マニホールド流入部での渦発生を抑制して、均一分配ができる。
また、整流板が、ガス通路の断面長手方向に延びている場合は、少ない整流板の枚数でも、渦発生の抑止効果が得られ、圧損上昇も抑制できる。
また、整流板が、ガス通路の断面長手方向に延びる板と該板に直交する方向に延びる板とを格子状に組み合わせて構成されている場合は、整流板自体で整流板形状を維持できるため、組み付けなどにおいて取扱いが容易である。
また、整流板が、ハニカム状に構成されている場合は、整流板自体で整流板形状を維持できるため、組み付けなどにおいて取扱いが容易である。また、整流板が強度を必要とする場合に有利である。
また、整流板が、ガス通路の断面短手方向に延びている場合は、少ない整流板の枚数でも、渦発生の抑止効果が得られ、圧損上昇も抑制できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の望ましい実施例を、図１〜図６を参照して説明する。従来技術で参照した図４〜図６とその説明は、本発明の燃料電池にも準用される。
本発明の燃料電池１０は、たとえば低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば車両に搭載される。ただし、車両搭載用に限るものではない。
【００１１】
図４〜図６に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられてもよい。セパレータ１８にはアノード１４、カソード１７に反応ガスである燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および／または冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単電池（セル）１９を構成し、セルを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、図示しないセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【００１２】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
【００１３】
電極１４、１７は、たとえば、カーボンと触媒（たとえば、Ｐｔ）と電解質とから構成されている。
拡散層１３、１６は、たとえば、通気性カーボン層から構成されている。
セパレータ１８は燃料ガス、酸化ガス、冷媒を区画するため不透過性でなければならず、また隣接セル間の電子通路となるため導電性をもたなければならない。そのために、セパレータ１８は、通常、カーボンプレート（カーボン、黒鉛等の導電材料と樹脂との混合材料の成型カーボンプレート、あるいはカーボン、黒鉛等の導電材料の焼結カーボンプレート）、導電性樹脂に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレート（たとえば、ＳＵＳプレート）に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレートに流体流路を形成したものと樹脂フレームとの組み合わせ、等からなる。図４は、セパレータ１８がカーボンセパレータからなる場合を示しているが、セパレータ１８がカーボンセパレータに限るものではない。
【００１４】
セパレータ１８には、冷媒流路２６、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８の何れか少なくとも１つの流路が形成される。これらの流路は、セル面に平行に延びる。図５は酸化ガス流路２８を示している。
また、セル積層体には、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１がそれぞれ形成される。これらのマニホールドはセル面と直交する方向、すなわちセル積層方向に延び、セパレータ１８を貫通し、それぞれ冷媒、燃料ガスおよび酸化ガスを各セル１９に分配する。
【００１５】
燃料電池スタック２３の一端のエンドプレート２２には、燃料ガス供給管３２、酸化ガス供給管３３、冷媒供給管、燃料ガス排出管３４、酸化ガス排出管３５、冷媒排出管が取付けられる。これらの反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の供給、排出管は、曲がり管からなる。
燃料ガス供給管３２と燃料ガスマニホールド３０との間には燃料ガスのガス通路３６が形成されており、酸化ガス供給管３３と酸化ガスマニホールド３１との間には酸化ガスのガス通路３７が形成されている。同様に、燃料ガス排出管３４と燃料ガスマニホールド３０との間には燃料ガスのガス通路が形成されており、酸化ガス排出管３５と酸化ガスマニホールド３１との間には酸化ガスのガス通路が形成されている。
図１は、燃料ガス供給管３２と燃料ガスマニホールド３０との間に形成された燃料ガスのガス通路３６、または酸化ガス供給管３３と酸化ガスマニホールド３１との間に形成された酸化ガスのガス通路３７を示している。
【００１６】
燃料ガスのガス通路３６または酸化ガスのガス通路３７は、図１に示すように、燃料電池の単電池積層方向と平行な方向に延びていてもよいし、図２に示すように、燃料電池の単電池積層方向と斜交する方向に延びていてもよい。ガス供給管３２、３３をエンドプレート２２にフランジ接続とする場合は、フランジがエンドプレート２２の端からはみ出ないようにするために、ガス供給管３２、３３の軸芯をエンドプレート２２の端から内側にオフセットさせる必要が生じる場合があるが、そのような場合には、図２のような配置となる場合がある。
【００１７】
燃料ガスのガス通路３６と酸化ガスのガス通路３７との少なくとも一方のガス通路（両方のガス通路３６、３７であることが望ましい）には、図１〜図３に示すように、複数の単電池の積層体の単電池積層方向と平行な方向に延びる１以上の板（整流板）３８が設置される。
整流板３８は、複数の単電池の積層体の単電池積層方向と直交する面内方向には、整流板３８部をガスが流れる時に整流板３８が無かったならば生じるであろうガスの旋回流（図８のＳ）を切る方向に延びている。
【００１８】
ガス通路３６、３７の単電池積層方向と直交する横断面における、１以上の整流板３８の、単電池積層方向と直交する面内方向の配置パターンは、図３に示す通りである。図３の（ａ）では、整流板３８の枚数は１つで、１つの整流板３８がガス通路３６、３７の断面の長手方向に延びている。図３の（ｂ）では、整流板３８の枚数は複数で、複数の整流板３８が互いに平行で、かつ、ガス通路３６、３７の断面の長手方向に延びている。図３の（ｃ）では、整流板３８の枚数は複数で、複数の整流板３８はガス通路３６、３７の断面の長手方向およびそれと直交する幅方向に延びており、かつ、格子状に互いに組み合わされている。図３の（ｄ）では、整流板３８の枚数は複数で、複数の整流板３８はガス通路３６、３７の断面の長手方向およびそれと直交する幅方向に斜交しており、かつ、格子状に互いに組み合わされている。図３の（ｅ）では、整流板３８の枚数は複数で、複数の整流板３８はハニカム状に互いに組み合わされている。図３の（ｆ）では、整流板３８の枚数は複数で、複数の整流板３８が互いに平行で、かつ、ガス通路３６、３７の断面の幅方向に延びている。図３の（ｆ）のパターンは、図２のガス通路３６、３７が単電池積層方向に対して斜めに延びている場合にも、適用されることができ、その場合、整流板３８は単電池積層方向に平行である。
【００１９】
整流板３８は、整流板３８のガス流れ方向上流端面およびガス流れ方向下流端面が、端面近傍にて、ガスに渦流を発生させない程度の薄厚とされている。整流板３８の厚さが薄いため、ガス通路３６、３７の流路断面積は、整流板３８が設けられているにかかわらず、ほとんど減少しない。
【００２０】
十分な整流作用を得る上から、つぎの構造条件を具備することが望ましい。整流板３８の、ガス通路３６、３７の延びる方向と平行な方向の長さは、整流板３８同士の間隔またはガス通路３６、３７内面との間隔の２倍以上であることが望ましい。整流板３８の、ガス通路３６、３７の延びる方向と平行な方向の長さは、１０ｍｍ以上であることが望ましい。整流板３８の、整流板同士の間隔またはガス通路内面との間隔が１０ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２１】
燃料電池スタック２３はエンドプレート２２を有しており、ガス通路３６、３７はエンドプレート２２に形成されている。
整流板３８がエンドプレート２２に形成されたガス通路３６、３７に設けられる場合、整流板３８は上流側のガス供給管内に突出していてもよいし、あるいは整流板３８は下流側のターミナル２０、インシュレータ２１内のガス通路３６、３７に突出していてもよい。
【００２２】
つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明する。
ガス通路３６、３７に単電池積層方向と平行な方向に延びる整流板３８を設けたので、マニホールド３０、３１にほぼストレートに反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を導入することができ、ガス通路３６、３７およびマニホールド３０、３１のガス入口部に旋回流（図８のＳ）が生じることを抑制できる。また、整流板３８は単電池積層方向と平行な方向に延びる整流板であり板厚は薄いので、マニホールド３６、３７のガス入口部に、整流板３８のエッジにて渦が生じることを抑制できる。
【００２３】
旋回流、渦を抑制し、マニホールド３０、３１にほぼストレートに反応ガスを導入した結果、マニホールド３０、３１に流入したガスの各セル１９への分配を均一化できる。整流板３８による整流で流れをまっすぐにして各セル１９への分配を均一化しており、従来のパンチングメタルや多孔質体を設けて圧損を利用してガス分配の均一化をはかるものと自然法則の利用の仕方が異なる。また、旋回流を抑制したため、特定のセル（ガス流入側の端部またはその近傍にあるセル）への凝縮水（図８のＷ）の巻き上げ、押し込みも防止できる。
【００２４】
この場合、整流板３８をガス通路３６、３７内で単電池積層方向と平行な方向に延びる整流板としたので、ガス通路３６、３７の流路断面積はほとんど縮小せず、整流板部３８設置部を通過する反応ガス流れにはほとんど圧損が生じない。その結果、従来のパンチングメタルや多孔質体を設けて圧損を利用してガス分配の均一化をはかる場合のようなガスポンプの動力増大を伴わない。
【００２５】
（イ）整流板３８の、ガス通路３６、３７の延びる方向と平行な方向の長さを、整流板同士の間隔または前記ガス通路内面との間隔の２倍以上とした場合や、（ロ）整流板３８の、ガス通路３６、３７の延びる方向と平行な方向の長さを、１０ｍｍ以上とした場合や、（ハ）整流板３８の、整流板同士の間隔またはガス通路内面との間隔を１０ｍｍ以下とした場合、（ニ）複数の整流板３８を交わらせて格子状とした場合には、整流板３８設置部を通過する時に、十分な反応ガスの整流が得られ、その結果、十分な各セルへのガス分配の均一化、凝縮水の巻き上げ抑制が得られる。
また、燃料電池スタックのエンドプレート２２に形成されたガス通路３６、３７に整流板３８を設置した場合は、エンドプレート２２が適宜の厚さと強度を有するので、整流板３８の設置、固定、および整流板３８の形状寸法の確保が容易である。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１〜６の燃料電池によれば、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる整流板を設けたので、マニホールドにほぼストレートにガスを導入することができ、ガス通路およびマニホールドのガス入口部に旋回流が生じることを抑制できる。また、単電池積層方向と平行な方向に延びる整流板であるので、マニホールドのガス入口部に、整流板のエッジにて渦が生じることを抑制できる。旋回流、渦を抑制することにより、マニホールドに流入したガスの各セルへの分配を均一化でき、かつ、特定のセルへの凝縮水の巻き上げ、押し込みも防止できる。この場合、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる整流板としたので、ガス通路の流路断面積はほとんど縮小せず、整流板部を通過するガス流れにはほとんど圧損が生じない。
請求項７の燃料電池によれば、整流板がエンドプレートに設けられているので、マニホールド流入部での渦発生を抑制して、均一分配ができる。
請求項８の燃料電池によれば、整流板が、ガス通路の断面長手方向に延びているので、少ない整流板の枚数でも、渦発生の抑止効果が得られ、圧損上昇も抑制できる。
請求項９の燃料電池によれば、整流板が、ガス通路の断面長手方向に延びる板と該板に直交する方向に延びる板とを格子状に組み合わせて構成されているので、整流板自体で整流板形状を維持できるため、組み付けなどにおいて取扱いが容易である。
請求項１０の燃料電池によれば、整流板が、ハニカム状に構成されているので、整流板自体で整流板形状を維持できるため、組み付けなどにおいて取扱いが容易である。また、整流板が強度を必要とする場合に有利である。
請求項１１の燃料電池によれば、整流板が、ガス通路の断面短手方向に延びているので、少ない整流板の枚数でも、渦発生の抑止効果が得られ、圧損上昇も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池（ガス通路がセル積層方向と平行な方向に延びている場合）の一部の拡大断面図である。
【図２】本発明の燃料電池（ガス通路がセル積層方向に対し斜め方向に延びている場合）の一部の拡大断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は図１、図２の燃料電池のガス通路における整流板の配置パターン図である。
【図４】本発明の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図５】本発明の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図６】本発明の燃料電池スタックの斜視図である。
【図７】従来の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図８】従来の燃料電池のガス通路またはマニホールドのガス導入部の、旋回流および凝縮水も併せて示した、断面図である。
【符号の説明】
１０（固体高分子電解質型）燃料電池
１１電解質膜
１２触媒層
１３拡散層
１４電極（アノード、燃料極）
１５触媒層
１６拡散層
１７電極（カソード、空気極）
１８セパレータ
１９単電池（単セル）
２０ターミナル
２１インシュレータ
２２エンドプレート
２３スタック
２４締結部材（テンションプレート）
２５ボルト・ナット
２６冷媒流路
２７燃料ガス流路
２８酸化ガス流路
２９冷媒マニホールド
３０燃料ガスマニホールド
３１酸化ガスマニホールド
３２燃料ガス供給管
３３酸化ガス供給管
３４燃料ガス排出管
３５酸化ガス排出管
３６ガス通路（燃料ガス用）
３７ガス通路（酸化ガス用）
３８板（整流板）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell (for example, a solid polymer electrolyte fuel cell), and more particularly to a fuel cell in which gas distribution to each cell is made uniform without increasing pressure loss.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIGS. 6 and 7, among the fuel cell stacks 23 formed by stacking unit cells (cells) 19, a reaction gas such as a fuel gas or an oxidant gas is applied to each unit cell (cell) 19 of the cell stack. Conventionally, manifolds 29, 30, and 31 (refrigerant manifold 29, fuel gas manifold 30, and oxidizing gas manifold 31) extending in the cell stacking direction are formed in the cell stack and supplied to the fuel cell stack 23. The reaction gas is supplied to the manifolds 30 and 31 and distributed from the manifolds 30 and 31 to the respective cells 19.
[0003]
Normally, the gas supply pipes 32 and 33 for supplying the reaction gas from the outside to the manifolds 30 and 31 in the cell stack must be bent pipes due to arrangement and dimensional convenience as shown in FIG. . In addition, the gas supply pipe has a cross section that is not a simple circle but is often an ellipse or a rectangle in the vicinity of the inlet to the fuel cell stack, so that the gas flows in a complicated streamline in the pipe. As a result, the gas that has entered the gas inlet of the fuel cell stack 23 from the bent pipe forms a swirl flow S in the vicinity of the gas inlet and the gas inlet side end of the manifolds 30 and 31 as shown in FIG. Or generate vortices where they flow into the manifolds 30,31.
[0004]
This swirling flow or vortex causes the following problems.
When the supplied reaction gas is a humidified gas and the fuel cell is activated, the condensed water W tends to concentrate on the gas inlet side end portions of the manifolds 30 and 31. In that case, the swirl flow S winds up the condensed water W, pushes the water into the cell 19 at the gas inlet side end of the manifold 30, 31, and the gas flow paths 27, 28 of the cell 19 are blocked by water. There is a possibility of causing a voltage drop and causing a variation in power generation capacity between cells.
Further, the swirl flow and vortices in the manifolds 30 and 31 make the gas distribution to each cell 19 non-uniform. In particular, the cell at the end of the cell stacking direction has a phenomenon that the amount of inflow of gas decreases. As a result, the power generation capacity of the cell varies, the voltage of the cell with less gas supply decreases, and in an extreme case, the operation of the entire battery must be stopped.
[0005]
Conventionally, the following proposals have been made to deal with the above problems.
For example, as in JP-A-8-293318, a perforated plate such as a punching metal is installed between the manifold inflow portion and the outside. This makes the pressure at the gas inflow portion uniform by causing a pressure loss while passing through the punching metal. As a result, it aims to make the gas flow (mainly flow rate) uniform.
There is also an example in which gas is introduced into the manifold inflow portion via a porous body as disclosed in JP-A-8-213044. In this case as well, the aim is to make the gas flow (mainly the flow rate) uniform by utilizing the pressure loss generated when passing through the porous body.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-8-293318 [Patent Document 2]
JP-A-8-213044
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case where a punching metal is provided as in JP-A-8-293318, a pressure loss occurs when the gas passes through the punching metal. Recent fuel cells tend to increase the gas flow rate by reducing the gas cross-sectional area of the manifold. In particular, when the number of stacked cells increases, the gas flow rate and flow rate increase. Therefore, if there is a portion that generates pressure loss, such as punching metal, the power loss of the pump that sends the gas increases. Further, in the punching metal, when the gas passes through the hole, a vortex is generated at the edge of the hole, and the vortex causes a problem that the inflow of the gas is reduced in the neighboring cells.
Further, as in JP-A-8-213044, a gas introduced through a porous body also causes a pressure loss when the gas passes through the porous body. Therefore, JP-A-8-293318 is disclosed. The same problem as in the case of.
An object of the present invention is to provide a fuel cell that can suppress the generation of a swirling flow and a swirling flow of a reaction gas flowing into a manifold and make the gas distribution to each cell uniform without causing almost any pressure loss. There is.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the fuel cell of the present invention comprises:
A fuel cell stack having a stack of a plurality of unit cells;
A reaction gas supply pipe to the fuel cell stack;
A manifold that distributes the reaction gas formed in the stack of the plurality of single cells and supplied through the reaction gas supply pipe to each of the plurality of single cells;
One or more rectifying plates provided in a gas passage connecting the reaction gas supply pipe to the fuel cell stack and the manifold and extending in a direction parallel to the unit cell stacking direction of the plurality of unit cell stacks;
It has.
In the fuel cell, preferably, the current plate, the direction parallel to the direction of the length of extension of the gas passage is at least twice the distance between the distance or the gas passage inner surface between said current plate.
Desirably, the fuel cell stack has an end plate, and the gas passage is formed in the end plate.
Moreover, the current plate, provided with a plurality, may intersect with each other.
Also, preferably, the current plate, the length in a direction parallel to the direction of extension of the gas passage is 10mm or more.
Also, preferably, the current plate, the interval between the interval or the gas passage inner surface of the rectifying plate between is 10mm or less.
The fuel cell stack has an end plate, and the rectifying plate is provided on the end plate.
The rectifying plate may extend in the longitudinal direction of the cross section of the gas passage.
The rectifying plate may be configured by combining a plate extending in the longitudinal direction of the cross section of the gas passage and a plate extending in a direction orthogonal to the plate in a lattice shape.
The rectifying plate may be configured in a honeycomb shape.
Moreover, the said baffle plate may be extended in the cross-sectional short direction of the said gas passage.
[0009]
In the fuel cell of the present invention, since the gas passage is provided with the rectifying plate extending in the direction parallel to the unit cell stacking direction, the gas can be introduced almost straight into the manifold, and the gas passage and the gas inlet of the manifold can be introduced. The generation of swirling flow can be suppressed. Further, since a rectifying plate extending unit cell stacking direction parallel to the direction, the gas inlet portion of the manifold, it is possible to prevent the vortex at rectifying plate edge occurs. By suppressing the swirling flow and vortex, the distribution of the gas flowing into the manifold can be made uniform, and the condensate can be prevented from being rolled up and pushed into a specific cell. In this case, since the rectifying plate extending unit cell stacking direction and a direction parallel to the gas passage, the flow path cross-sectional area of the gas passage is hardly reduced, little pressure loss does not occur in the gas flow through the rectifier plate portion .
Further, when the rectifying plate is provided on the end plate, the vortex generation at the manifold inflow portion is suppressed and uniform distribution can be performed.
Further, when the rectifying plate extends in the longitudinal direction of the cross section of the gas passage, even if the number of rectifying plates is small, the effect of suppressing the generation of vortex can be obtained and the increase in pressure loss can be suppressed.
Further, when the rectifying plate is configured by combining a plate extending in the longitudinal direction of the cross section of the gas passage and a plate extending in a direction perpendicular to the plate, the shape of the rectifying plate can be maintained by the rectifying plate itself. Easy to handle in assembly.
In addition, when the rectifying plate is formed in a honeycomb shape, the rectifying plate shape can be maintained by the rectifying plate itself, so that it is easy to handle in assembling. Moreover, it is advantageous when the current plate requires strength.
Further, when the rectifying plate extends in the short direction of the cross section of the gas passage, even if the number of rectifying plates is small, the effect of suppressing the generation of vortex can be obtained and the increase in pressure loss can be suppressed.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 6 referred to in the prior art and the description thereof apply mutatis mutandis to the fuel cell of the present invention.
The fuel cell 10 of the present invention is, for example, a low temperature fuel cell, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell 10 is mounted on a vehicle, for example. However, the present invention is not limited to being mounted on a vehicle.
[0011]
As shown in FIGS. 4 to 6, the solid polymer electrolyte fuel cell 10 includes a laminate of a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator 18. The membrane-electrode assembly includes an electrolyte membrane 11 made of an ion exchange membrane, an electrode (anode, fuel electrode) 14 made up of a catalyst layer 12 arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a catalyst layer 15 arranged on the other surface of the electrolyte membrane. Electrode (cathode, air electrode) 17. Between the membrane-electrode assembly and the separator 18, diffusion layers 13 and 16 may be provided on the anode side and the cathode side, respectively. Gas flow paths 27 and 28 (fuel gas flow path 27, oxidant gas flow) for supplying fuel gas (hydrogen) and oxidant gas (oxygen, usually air) as reaction gases to the anode 14 and cathode 17 are supplied to the separator 18. Channel 28) and / or coolant channel 26 for flowing coolant (usually cooling water) is formed. The membrane-electrode assembly and separator 18 are stacked to form a single battery (cell) 19, and the cells are stacked to form a cell stack, and terminals 20, insulators 21, and end plates 22 are provided at both ends of the cell stack in the cell stacking direction. The fuel cell stack 23 is configured by arranging and fastening the cell stack in the cell stacking direction, and fixing with a fastening member (for example, a tension plate), bolts and nuts extending outside the cell stack not shown in the cell stacking direction. To do.
[0012]
In each cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons is performed on the anode side, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side. On the cathode side, oxygen, hydrogen ions, and electrons (adjacent to the cells). Electrons generated at the anode of the MEA come through the separator, or electrons generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction come to the cathode of the other end cell through an external circuit), thus generating water. Is done.
Anode side: H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻
Cathode side: 2H ⁺ + 2e ⁻ + (1/2) O ₂ → H ₂ O
[0013]
The electrodes 14 and 17 are made of, for example, carbon, a catalyst (for example, Pt), and an electrolyte.
The diffusion layers 13 and 16 are made of, for example, a breathable carbon layer.
The separator 18 must be impermeable in order to partition fuel gas, oxidizing gas, and refrigerant, and must have conductivity because it serves as an electron path between adjacent cells. For that purpose, the separator 18 is usually a carbon plate (a molded carbon plate made of a mixture of a conductive material such as carbon or graphite and a resin, or a sintered carbon plate made of a conductive material such as carbon or graphite), or a conductive resin. It is composed of a material in which a flow channel is formed, a metal plate (for example, SUS plate) in which a fluid channel is formed, or a metal plate in which a fluid channel is formed and a resin frame. FIG. 4 shows a case where the separator 18 is made of a carbon separator, but the separator 18 is not limited to a carbon separator.
[0014]
In the separator 18, at least one of a refrigerant channel 26, a fuel gas channel 27, and an oxidizing gas channel 28 is formed. These flow paths extend parallel to the cell surface. FIG. 5 shows the oxidizing gas channel 28.
In the cell stack, a refrigerant manifold 29, a fuel gas manifold 30, and an oxidizing gas manifold 31 are formed. These manifolds extend in the direction orthogonal to the cell surface, that is, in the cell stacking direction, penetrate the separator 18, and distribute the refrigerant, fuel gas, and oxidizing gas to each cell 19.
[0015]
A fuel gas supply pipe 32, an oxidizing gas supply pipe 33, a refrigerant supply pipe, a fuel gas discharge pipe 34, an oxidizing gas discharge pipe 35, and a refrigerant discharge pipe are attached to the end plate 22 at one end of the fuel cell stack 23. The supply and discharge pipes for these reaction gases (fuel gas or oxidant gas) are bent pipes.
A fuel gas path 36 is formed between the fuel gas supply pipe 32 and the fuel gas manifold 30, and an oxidizing gas path 37 is formed between the oxidizing gas supply pipe 33 and the oxidizing gas manifold 31. Has been. Similarly, a fuel gas passage is formed between the fuel gas discharge pipe 34 and the fuel gas manifold 30, and an oxidizing gas passage is formed between the oxidizing gas discharge pipe 35 and the oxidizing gas manifold 31. Is formed.
FIG. 1 shows a gas path 36 of fuel gas formed between the fuel gas supply pipe 32 and the fuel gas manifold 30 or an oxidizing gas gas formed between the oxidizing gas supply pipe 33 and the oxidizing gas manifold 31. A passage 37 is shown.
[0016]
As shown in FIG. 1, the fuel gas gas passage 36 or the oxidizing gas gas passage 37 may extend in a direction parallel to the unit cell stacking direction of the fuel cell, or as shown in FIG. It may extend in a direction oblique to the cell stacking direction. When the gas supply pipes 32 and 33 are flanged to the end plate 22, the axial centers of the gas supply pipes 32 and 33 are extended from the end of the end plate 22 so that the flange does not protrude from the end of the end plate 22. In some cases, it may be necessary to offset inward. In such a case, the arrangement may be as shown in FIG.
[0017]
As shown in FIGS. 1 to 3, at least one of the fuel gas gas passage 36 and the oxidizing gas gas passage 37 (preferably both gas passages 36, 37) includes a plurality of single gas passages. One or more plates (rectifying plates) 38 extending in a direction parallel to the unit cell stacking direction of the battery stack are installed.
In the in-plane direction orthogonal to the unit cell stacking direction of the plurality of unit cell stacks, the rectifier plate 38 is a gas swirl that would occur if there was no rectifier plate 38 when gas flowed through the rectifier plate 38 part. It extends in the direction of cutting the flow (S in FIG. 8).
[0018]
The arrangement pattern in the in-plane direction orthogonal to the cell stacking direction of the one or more rectifying plates 38 in the cross section orthogonal to the cell stacking direction of the gas passages 36 and 37 is as shown in FIG. In FIG. 3A, the number of the rectifying plates 38 is one, and one rectifying plate 38 extends in the longitudinal direction of the cross section of the gas passages 36 and 37. In FIG. 3B, the number of the rectifying plates 38 is plural, and the plurality of rectifying plates 38 are parallel to each other and extend in the longitudinal direction of the cross section of the gas passages 36 and 37. In FIG. 3C, the number of the rectifying plates 38 is plural, and the plurality of rectifying plates 38 extend in the longitudinal direction of the cross section of the gas passages 36 and 37 and in the width direction perpendicular thereto, and are arranged in a lattice shape. It is combined. In FIG. 3 (d), the number of the rectifying plates 38 is plural, and the plurality of rectifying plates 38 are obliquely crossed in the longitudinal direction of the cross section of the gas passages 36 and 37 and in the width direction perpendicular thereto. Are combined with each other. In (e) of FIG. 3, the number of the rectifying plate 38 is a plurality, a plurality of rectifying plates 38 are combined together in a honeycomb shape. In FIG. 3F, the number of the rectifying plates 38 is plural, and the plurality of rectifying plates 38 are parallel to each other and extend in the width direction of the cross section of the gas passages 36 and 37. Pattern of the (f) 3, even when the extending obliquely with respect to the gas passage 36, 37 in FIG. 2 is a single cell stacking direction, can be applied, in which case, distributor 38 is a single Parallel to the battery stacking direction.
[0019]
Distributor 38, the gas flow direction upstream end face and a gas flow direction downstream end surface of the rectifying plate 38 at near the end surface, there is a thin thickness that does not generate vortex in the gas. Since the thickness of the rectifying plate 38 is thin, the flow path cross-sectional area of the gas passages 36 and 37 hardly decreases regardless of whether the rectifying plate 38 is provided.
[0020]
In order to obtain a sufficient rectifying action, it is desirable to have the following structural conditions. Of the current plate 38, a direction parallel to the direction of the length of extension of the gas passages 36 and 37 is preferably at least twice the distance between the distance or gas passages 36 and 37 the inner surface between the distributor 38. The length of the rectifying plate 38 in the direction parallel to the extending direction of the gas passages 36 and 37 is preferably 10 mm or more. The distributor 38, it is desirable that the interval between the interval or gas passage inner surface of the current plate to each other is 10mm or less.
[0021]
The fuel cell stack 23 has an end plate 22, and gas passages 36 and 37 are formed in the end plate 22.
When the rectifying plate 38 is provided in the gas passages 36 and 37 formed in the end plate 22, the rectifying plate 38 may protrude into the upstream gas supply pipe, or the rectifying plate 38 may be connected to the downstream terminal 20, The gas passages 36 and 37 in the insulator 21 may protrude.
[0022]
Next, the operation of the fuel cell of the present invention will be described.
Since the gas passages 36 and 37 are provided with the rectifying plate 38 extending in the direction parallel to the unit cell stacking direction, the reaction gas (fuel gas, oxidizing gas) can be introduced into the manifolds 30 and 31 almost straight. It is possible to suppress the swirling flow (S in FIG. 8) from occurring at the gas inlets of 36 and 37 and the manifolds 30 and 31. Further, since the rectifying plate 38 is a rectifying plate extending in a direction parallel to the cell stacking direction and has a thin plate thickness, it is possible to suppress vortices from being generated at the edges of the rectifying plate 38 at the gas inlet portions of the manifolds 36 and 37. .
[0023]
As a result of suppressing the swirling flow and vortex and introducing the reaction gas almost straight into the manifolds 30 and 31, the distribution of the gas flowing into the manifolds 30 and 31 to the respective cells 19 can be made uniform. The flow is straightened by rectification by the rectifying plate 38 and the distribution to each cell 19 is made uniform, and the conventional punching metal or porous body is provided to make the gas distribution uniform by utilizing pressure loss and the natural law. How to use is different. Further, since the swirl flow is suppressed, it is possible to prevent the condensed water (W in FIG. 8) from being wound up and pushed into a specific cell (cell at the end of the gas inflow side or a cell in the vicinity thereof).
[0024]
In this case, since the rectifier plate 38 and the rectifying plate extending unit cell stacking direction parallel to the direction in the gas passages 36 and 37, flow path cross-sectional area of the gas passage 36, 37 is hardly reduced, the current plate portion 38 There is almost no pressure loss in the reaction gas flow passing through the installation section. As a result, there is no increase in power of the gas pump as in the case where a conventional punching metal or a porous body is provided and the pressure distribution is used to achieve uniform gas distribution.
[0025]
(B) The length of the rectifying plate 38 in the direction parallel to the extending direction of the gas passages 36, 37 is set to be twice or more the interval between the rectifying plates or the interval between the inner surfaces of the gas passages; of the current plate 38, the direction parallel to the direction of the length of extension of the gas passages 36 and 37, and when a 10mm or more, the distance between (c) of the current plate 38, spacing or gas passage inner surface of the rectifying plates are When it is 10 mm or less, (d) when a plurality of rectifying plates 38 are crossed to form a lattice, sufficient rectification of the reaction gas is obtained when passing through the rectifying plate 38 installation portion, and as a result The gas distribution to each cell can be made uniform and the condensate can be prevented from being rolled up.
Also, the case of installing the rectifying plate 38 to the gas passage 37 formed in the end plate 22 of the fuel cell stack, since the end plate 22 has a thickness and strength of the appropriate installation of the distributor 38, fixed, and It is easy to ensure the shape and size of the current plate 38.
[0026]
【The invention's effect】
According to the fuel cell of the first to sixth aspects, since the rectifying plate extending in the direction parallel to the unit cell stacking direction is provided in the gas passage, the gas can be introduced almost straight into the manifold. It can suppress that a swirling flow arises in a gas inlet part. Further, since a rectifying plate extending unit cell stacking direction parallel to the direction, the gas inlet portion of the manifold, it is possible to prevent the vortex at rectifying plate edge occurs. By suppressing the swirling flow and vortex, the distribution of the gas flowing into the manifold can be made uniform, and the condensate can be prevented from being rolled up and pushed into a specific cell. In this case, since the rectifying plate extending unit cell stacking direction and a direction parallel to the gas passage, the flow path cross-sectional area of the gas passage is hardly reduced, little pressure loss does not occur in the gas flow through the rectifier plate portion .
According to the fuel cell of the seventh aspect, since the rectifying plate is provided on the end plate, vortex generation at the manifold inflow portion is suppressed, and uniform distribution can be achieved.
According to the fuel cell of the eighth aspect, since the rectifying plate extends in the longitudinal direction of the cross section of the gas passage, even if the number of rectifying plates is small, the effect of suppressing the generation of vortex can be obtained and the increase in pressure loss can be suppressed.
According to the fuel cell of claim 9, the rectifying plate is configured by combining the plate extending in the longitudinal direction of the cross section of the gas passage and the plate extending in the direction orthogonal to the plate in a lattice shape. Since the current plate shape can be maintained, it is easy to handle in assembly.
According to the fuel cell of the tenth aspect, since the rectifying plate is formed in a honeycomb shape, the rectifying plate shape can be maintained by the rectifying plate itself, so that handling is easy in assembling. Moreover, it is advantageous when the current plate requires strength.
According to the fuel cell of the eleventh aspect, since the rectifying plate extends in the cross-sectional short direction of the gas passage, even if the number of rectifying plates is small, an effect of suppressing vortex generation can be obtained and an increase in pressure loss can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a part of a fuel cell of the present invention (when a gas passage extends in a direction parallel to a cell stacking direction).
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a part of the fuel cell of the present invention (when the gas passage extends obliquely with respect to the cell stacking direction).
FIGS. 3A to 3F are arrangement pattern diagrams of rectifying plates in the gas passage of the fuel cell of FIGS. 1 and 2; FIGS.
FIG. 4 is an enlarged sectional view of a part of the fuel cell of the present invention.
FIG. 5 is a front view of the separator of the fuel cell of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view of a fuel cell stack according to the present invention.
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a part of a conventional fuel cell.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a swirling flow and condensed water in a gas passage of a conventional fuel cell or a gas introduction part of a manifold.
[Explanation of symbols]
10 (solid polymer electrolyte type) fuel cell 11 electrolyte membrane 12 catalyst layer 13 diffusion layer 14 electrode (anode, fuel electrode)
15 Catalyst layer 16 Diffusion layer 17 Electrode (cathode, air electrode)
18 Separator 19 Single cell (single cell)
20 Terminal 21 Insulator 22 End plate 23 Stack 24 Fastening member (tension plate)
25 Bolts and nuts 26 Refrigerant flow path 27 Fuel gas flow path 28 Oxidation gas flow path 29 Refrigerant manifold 30 Fuel gas manifold 31 Oxidation gas manifold 32 Fuel gas supply pipe 33 Oxidation gas supply pipe 34 Fuel gas discharge pipe 35 Oxidation gas discharge pipe 36 Gas passage (for fuel gas)
37 Gas passage (for oxidizing gas)
38 plates (rectifier plates)

Claims

A fuel cell stack having a stack of a plurality of unit cells;
A reaction gas supply pipe to the fuel cell stack;
A manifold that is formed in a stack of the plurality of single cells and distributes the reaction gas supplied through the reaction gas supply pipe to each of the plurality of single cells;
One or more rectifying plates provided in a gas passage connecting the reaction gas supply pipe to the fuel cell stack and the manifold and extending in a direction parallel to the unit cell stacking direction of the plurality of unit cell stacks;
A fuel cell.

The rectifying plates, the length in a direction parallel to the direction of extension of the gas passing path, the fuel cell according to claim 1, wherein at least 2 times the distance between the distance or the gas passage inner surface between said current plate.

The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell stack has an end plate, and the gas passage is formed in the end plate.

The rectifying plate, provided with a plurality of, claim 1 or claim 2 or claim 3 fuel cell according intersect each other.

The rectifying plates, the length in a direction parallel to the direction of extension of the gas communication passage, the fuel cell according to claim 1 or claim 2, wherein at 10mm or more.

The rectifying plates, the rectifying plate spacing or fuel cell according to claim 1 or claim 2, wherein spacing is 10mm or less and the gas passage inner surface of another.

The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell stack has an end plate, and the rectifying plate is provided on the end plate.

The fuel cell according to claim 1, wherein the rectifying plate extends in a longitudinal direction of a cross section of the gas passage.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the rectifying plate is configured by combining a plate extending in a longitudinal direction of a cross section of the gas passage and a plate extending in a direction orthogonal to the plate in a lattice shape. .

The fuel cell according to claim 1, wherein the current plate is configured in a honeycomb shape.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, and 5 to 7, wherein the current plate extends in a cross-sectional short direction of the gas passage.