JP4222823B2

JP4222823B2 - Fuel cell

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Publication number: JP4222823B2
Application number: JP2002350541A
Authority: JP
Inventors: 孝昌松林; 光雄唐金; 保則吉本; 陽濱田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: JP2004185934A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタック内に複数積層されたプレートにおいて、反応ガスヘッダー部での結露を防止し、又セルを湿潤状態に保つようにした燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）を、他方の面にカソード（空気極）を接合一体化してセル（膜電極接合体）を形成し、アノードに対向する面に凹溝状の燃料ガスチャンネルを設けたプレートと、カソードに対向する面に凹溝状の酸化剤ガスチャンネルを設けたプレートとでセルを挟んで複数積層し、両端部にエンドプレートを添えて通しボルトで締め付けることにより電池スタックが構成される。そして、燃料ガスチャンネルには燃料ガス（水素ガス又は水素主体の改質ガス）を流通させると共に、酸化剤ガスチャンネルには酸化剤ガス（通常は空気）を流通させ、前記固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を起こさせることにより直流電力を発電する。
【０００３】
このような固体高分子形燃料電池において、上記固体高分子電解質膜は飽和湿潤状態で適正に機能するため、反応ガス（燃料ガス及び／又は酸化剤ガス）を加湿器等で加湿した後にプレートのチャンネルを流通させ、これにより固体高分子電解質膜を飽和湿潤状態に保持するようにしている。又、固体高分子形燃料電池の作動温度は約８０℃であるが、電気化学反応は発熱反応であるため発電中に温度が上昇する。これを防止するために電池スタック内に冷却プレートを組み込んでそのチャンネルに冷却水を流通させ、電池スタックを作動温度に保持するようにしているのが一般的である。
【０００４】
しかしながら、図５のように上記加湿した反応ガスをプレートＡの供給用マニホールドＢからチャンネルＣに供給すると、ガス入口側領域において冷却され、反応ガス中に含まれている水蒸気がチャンネルＣ内で凝縮して結露し、チャンネルＣを閉塞して反応ガスの流通を阻害し、その結果正常な発電がなされずに電池性能を低下させる事態が生じていた。特に、チャンネルＣの屈曲部付近は反応ガスの流速が弱まるため凝縮水が付着し易い。このような事態を防止するために、例えば略Ｓ字形に屈曲するチャンネルを廃止してストレート形とし、且つ反応ガスを重力方向の上から下に向かって流通させることで凝縮水が下流側に流れやすいようにし、更にガスチャンネルの間に水供給チャンネルを設けて電池スタックの冷却を効率良く行うようにした技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２７６１０５９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術においては、固体高分子膜電解質膜の温度及び含水率を一定の範囲内に保持することができるため、燃料電池高負荷への移行時の即応性に優れ、高出力を短時間で得ることができ、負荷変動に対して安定して運転することができる。しかしながら、反応ガスチャンネル内での結露防止に関しては、必ずしも満足すべきものではなく、特にガス入口領域での凝縮水対策が充分になされているものとは言えない。
【０００７】
そこで、本発明は、反応ガスチャンネルのガス入口領域で加湿反応ガス中に含まれている水蒸気が結露しないように改良した燃料電池を提供することを目的とする。この目的において、本発明者らは鋭意研究した結果、反応ガスチャンネルのガス入口領域を熱媒体により加温することにより、反応ガス中に含まれている水蒸気の結露を防止できることを見出して本発明を完成するに至った。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１は、燃料ガスチャンネル、酸化剤ガスチャンネル又は冷却水チャンネルの少なくともいずれか一つを設けたプレートが電池スタック内に複数積層されている燃料電池において、
前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部と、前記酸化剤ガスチャンネルの入口ヘッダー部とがセルを挟んで向かい合わせの対向位置に設けられ、もしくはプレートにおいて背中合わせの状態で近接配置され、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部を燃料ガス露点以上に加温することを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る請求項２は、燃料ガスチャンネル、酸化剤ガスチャンネル又は冷却水チャンネルの少なくともいずれか一つを設けたプレートが電池スタック内に複数積層されている燃料電池において、
前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部と、前記冷却水チャンネルの入口ヘッダー部とが向かい合わせの対向位置に設けられ、もしくはプレートにおいて背中合わせの状態で近接配置され、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部を燃料ガス露点以上に加温することを特徴とする。
【００１０】
又、本発明に係る請求項３は、請求項２の燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、燃料ガス露点≦冷却水温度であることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る請求項４は、請求項１の燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部より下方領域に対応させて冷却水を供給することで燃料ガスを強制的に結露させ、発電後に出た冷却水を前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部に対応させて再度プレートに供給して加温した後に排水することを特徴とする。
【００１２】
又、本発明に係る請求項５は、請求項４の燃料電池において、前記燃料ガスチャンの入口ヘッダー部より下方領域で、燃料ガス露点≧冷却水温度であり、発電後の冷却水を再度プレートに供給する燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、燃料ガス露点≦冷却水温度であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る請求項６は、請求項１乃至請求項５いずれか１項の燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部に流路抵抗発生部を設けたことを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る請求項７は、請求項６の燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部に加えて前記流路抵抗発生部も加温することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る請求項８は、請求項１乃至請求項７いずれか１項の燃料電池において、前記燃料電池の発電反応部での燃料ガス及び酸化剤ガスの流れと冷却水の流れとが、平行且つ重力方向に沿って並行流又は対向流であることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【００１７】
（第１実施形態）
図１において、１はカーボンを主体として形成されたプレートであり、その一方の面には凹溝状のガスチャンネル２が上下方向（重力方向）に複数本並設され、他方の面にも同じく凹溝状の水チャンネルが上下方向（重力方向）に複数本並設されて背中合わせとなっている。又、プレート１の上部側方にはガス供給用マニホールド孔３が貫通して設けられ、このガス供給用マニホールド孔３は凹部状のガス入口ヘッダー部４に連結し、更にガス入口ヘッダー部４は前記ガスチャンネル２に連通している。ここで、ガス入口ヘッダー部４とは、ガス供給用マニホールド孔３から分配供給される反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を、更にガスチャンネル２の入口に分配するための領域と定義（以下同様）する。このガス入口ヘッダー部４は、一般にマニホールドと称されるが、通常のマニホールドより領域を広く設定してある。
【００１８】
上記ガスチャンネル２の出口は、プレート１の下部に設けられた凹部状のガス出口フッター部５に連通し、このガス出口フッター部５はプレート１の下部側方に貫通して設けられたガス排出用マニホールド孔６に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される反応ガス（ここでは、燃料ガス）は、電池スタックの積層方向に連通しているガス供給用マニホールド孔３を通って各セルにおけるプレート１のガス入口ヘッダー部４に分配供給され、このガス入口ヘッダー部４からガスチャンネル２内に分配され、当該ガスチャンネル２に沿って上から下に向かって流通し、ガス出口フッター部５に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通しているガス排出用マニホールド孔６に流入し、このガス排出用マニホールド孔６を通って電池スタックの端部から外部に排出される。
【００１９】
又、プレート１の上部側方（ガス供給用マニホールド孔３とは反対側）には、水供給用マニホールド孔７が貫通して設けられており、この水供給用マニホールド孔７はプレート１の他方の面側に設けられた凹部状の水入口ヘッダー部に連結され、この水入口ヘッダー部は前記水チャンネルの入口に連通している。この場合、ガス入口ヘッダー部４と水入口ヘッダー部とは、プレート１において背中合わせの状態で近接配置されている。
【００２０】
更に、プレート１の水チャンネルの出口には凹部状の水出口フッター部が設けられ、この水出口フッター部はプレート１の下部側方（ガス排出用マニホールド孔６とは反対側）に貫通して設けられた水排出用マニホールド孔８に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される水（ここでは、冷却水）は、電池スタックの積層方向に連通している水供給用マニホールド孔７を通って各セルにおけるプレート１の水入口ヘッダー部に分配供給され、この水入口ヘッダー部から水チャンネル内に分配され、当該水チャンネルに沿って上から下に向かって流通し、水出口フッター部に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通している水排出用マニホールド孔８に流入し、この水排出用マニホールド孔８を通って電池スタックの端部から外部に排出される。
【００２１】
一方、他のプレートには、前記プレート１のガスチャンネル２に対応するガスチャンネルが上下方向（重力方向）に複数本並設され、このガスチャンネルの入口には凹部状のガス入口ヘッダー部４′が連通して設けられると共に、ガスチャンネルの出口には凹部状のガス出口フッター部５′が連通して設けられている。これにより、他のプレートにおいては、酸化剤ガス（ここでは、外気から取り込まれた空気）がガス入口ヘッダー部４′に供給され、このガス入口ヘッダー部４′からガスチャンネル内に分配され、当該ガスチャンネルに沿って上から下に向かって流通し、ガス出口フッター部５′に排出されると共に電池スタックの外部に排気される。
【００２２】
プレート１のガスチャンネル２と他のプレートのガスチャンネルとの間にセルを挟みこんで電池スタック内に組み込まれるが、その際プレート１のチャンネル２にはセルのアノードを密着して対向させ、他のプレートのチャンネルにはセルのカソードを密着して対向させることにより単電池が構成されるようにする。そして、単電池を複数積層して一体化することで電池スタックが構成される。尚、ガス入口ヘッダー部４、４′、ガス出口フッター部５、５′及び水入口ヘッダー部、水出口フッター部はガスケット等を介して凹部の上面が被覆され、漏れが防止される。
【００２３】
このように構成された電池スタックにおいて、プレート１のガスチャンネル２には燃料ガスが流通すると共に、他のプレートのガスチャンネルには酸化剤ガスが流通し、セルの高分子電解質膜を介して電気化学反応が生じることで直流電力を発電することができる。
【００２４】
セルの高分子電解質膜を飽和湿潤させるために、例えば燃料ガスを加湿器等で加湿してから電池スタックに供給するが、従来ではこの加湿燃料ガスがガスチャンネル２内に流通した時に、特にガスチャンネル２の入口領域で冷やされて燃料ガス中に含まれている水蒸気が結露し、その凝縮水がガスチャンネル２に付着して閉塞し、燃料ガスの流通を阻害することがあった。本実施形態では、ガス入口ヘッダー部４に対して水入口ヘッダー部を背中合わせの状態で近接位置してあるため、水入口ヘッダー部に供給される熱媒体としての冷却水によって加温し、その熱伝導によってガス入口ヘッダー部４を間接的に加温することができ、これにより燃料ガス中に含まれている水蒸気の結露を防止することができる。
【００２５】
このように冷却水を熱媒体として結露を防止するには、冷却水入口温度を燃料ガス露点以上（燃料ガス露点≦冷却水入口温度）に設定する。又、酸化剤ガス（空気）との温度関係は、燃料ガス露点≦空気露点≦冷却水入口温度となるように設定することが好ましい。
【００２６】
本実施形態では、燃料ガスの結露防止用の熱媒体として冷却水を用いた例であるが、冷却水の替わりに酸化剤ガスを熱媒体として利用することもできる。その場合には、図示は省略したがプレート１における燃料ガスのガス入口ヘッダー部４に対して、酸化剤ガスのガス入口ヘッダー部を背中合わせの状態で近接配置する構造を採用し、他のプレートに冷却水を流通させるための水チャンネルを設ける構成とする。そして、酸化剤ガス（空気）により燃料ガスの結露を防止するためには、燃料ガス露点≦空気温度となるように空気入口温度を設定する。
【００２７】
図２は、本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【００２８】
（第２実施形態）
図２において、１はカーボンを主体として形成されたプレートであり、その一方の面には凹溝状のガスチャンネル２が上下方向（重力方向）に複数本並設され、他方の面にも同じく凹溝状の水チャンネルが上下方向（重力方向）に複数本並設されて背中合わせの状態になっている。又、プレート１の上部側方にはガス供給用マニホールド孔３が貫通して設けられ、このガス供給用マニホールド孔３は凹部状のガス入口ヘッダー部４に連結し、更にガス入口ヘッダー部４は前記ガスチャンネル２に連通している。このガス入口ヘッダー部４は、一般にマニホールドと称されるが、通常のマニホールドより領域を広く設定してある。
【００２９】
上記ガスチャンネル２の出口は、プレート１の下部に設けられた凹部状のガス出口フッター部５に連通し、このガス出口フッター部５はプレート１の下部側方に貫通して設けられたガス排出用マニホールド孔６に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される反応ガス（燃料ガス）は、電池スタックの積層方向に連通しているガス供給用マニホールド孔３を通って各セルにおけるプレート１のガス入口ヘッダー部４に分配供給され、このガス入口ヘッダー部４からガスチャンネル２内に分配され、当該ガスチャンネル２に沿って上から下に向かって流通し、ガス出口フッター部５に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通しているガス排出用マニホールド孔６に流入し、このガス排出用マニホールド孔６を通って電池スタックの端部から外部に排出される。この場合、第１実施形態とは異なって内部空気マニホールド方式が採用されている。
【００３０】
又、プレート１の上部側方（ガス供給用マニホールド孔３とは反対側）には、水供給用マニホールド孔７が貫通して設けられており、この水供給用マニホールド孔７はプレート１の他方の面側に設けられた凹部状の水入口ヘッダー部に連結され、この水入口ヘッダー部７は前記水チャンネルの入口に連通している。この場合、ガス入口ヘッダー部４と水入口ヘッダー部とは、プレート１において背中合わせの状態で近接配置されている。
【００３１】
更に、プレート１他面側のチャンネルの出口には凹部状の水出口フッター部が設けられ、この水出口フッター部はプレート１の下部側方（ガス排出用マニホールド孔６とは反対側）に貫通して設けられた水排出用マニホールド孔８に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される水（冷却水）は、電池スタックの積層方向に連通している水供給用マニホールド孔７を通って各セルにおけるプレート１の水入口ヘッダー部に分配供給され、この水入口ヘッダー部から水チャンネル内に分配され、当該水チャンネルに沿って上から下に向かって流通し、水出口フッター部に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通している水排出用マニホールド孔８に流入し、この水排出用マニホールド孔８を通って電池スタックの端部から外部に排出される。
【００３２】
一方、他のプレートには、前記プレート１のガスチャンネル２に対応するガスチャンネルが上下方向（重力方向）に複数本並設されている。又、他のプレートの上部側方にはガス供給用マニホールド孔３′が貫通して設けられ、このガス供給用マニホールド孔３′は凹部状のガス入口ヘッダー部に連結し、更にガス入口ヘッダー部はガスチャンネルに連通している。
【００３３】
上記他のプレートのガスチャンネル出口は、下部に設けられた凹部状のガス出口フッター部に連通し、このガス出口フッター部はプレートの下端部に貫通して設けられたガス排出用マニホールド孔６′に連結している。これにより、電池スタックの端部から供給される酸化剤ガス（空気）は、電池スタックの積層方向に連通しているガス供給用マニホールド孔３′を通って各セルにおけるプレートのガス入口ヘッダー部に分配供給され、このガス入口ヘッダー部からガスチャンネル内に分配され、当該ガスチャンネルに沿って上から下に向かって流通し、ガス出口フッター部に排出されると共に電池スタックの積層方向に連通しているガス排出用マニホールド孔６′に流入し、このガス排出用マニホールド孔６′を通って電池スタックの端部から外部に排気される。
【００３４】
第１実施形態と同じく、プレート１のガスチャンネル２と他のプレートのガスチャンネルとの間にセルを挟みこんで電池スタック内に組み込まれるが、その際プレート１のガスチャンネル２にはセルのアノードを密着して対向させ、他のプレートのガスチャンネルにはセルのカソードを密着して対向させることにより単電池が構成される。そして、単電池を複数積層して一体化することで電池スタックが構成される。尚、ガス入口ヘッダー部４、ガス出口フッター部５及び水入口ヘッダー部、水出口フッター部はガスケット等を介して凹部の上面が被覆され、漏れが防止される。
【００３５】
このように構成された第２実施形態の電池スタックにおいて、プレート１のガスチャンネル２には燃料ガスが流通すると共に、他のプレートのガスチャンネルには酸化剤ガスが流通し、セルの高分子電解質膜を介して電気化学反応が生じることで直流電力を発電することができる。
【００３６】
前記と同様にセルの高分子電解質膜を飽和湿潤させるために、例えば燃料ガスを加湿器等で加湿してから電池スタックに供給するが、この第２実施形態では、ガス入口ヘッダー部４に対して水入口ヘッダー部を背中合わせの状態で近接位置してあるため、水入口ヘッダー部に供給される冷却水によって加温し、その熱伝導によってガス入口ヘッダー部４を間接的に加温することができ、これにより燃料ガス中に含まれている水蒸気の結露を防止することができる。従って、凝縮水に起因する燃料ガスの流通阻害が解消され、正常に発電運転が行われることから電池性能を高く保持することができる。
【００３７】
このように冷却水により結露を防止するには、前記と同じく冷却水入口温度を燃料ガス露点以上（燃料ガス露点≦冷却水入口温度）に設定する。又、酸化剤ガス（空気）との温度関係は、燃料ガス露点≦空気露点≦冷却水入口温度となるように設定することが好ましい。
【００３８】
第２実施形態においても、燃料ガスの結露防止用の熱媒体として冷却水を用いた例であるが、冷却水の替わりに酸化剤ガスを熱媒体として利用することもできる。その場合には、図示は省略したがプレート１における燃料ガスのガス入口ヘッダー部４に対して、酸化剤ガスのガス入口ヘッダー部を背中合わせの状態で近接配置する構造を採用し、他のプレートに冷却水を流通させるための水チャンネルを設ける構成とする。そして、酸化剤ガス（空気）により燃料ガスの結露を防止するためには、燃料ガス露点≦空気温度となるように空気入口温度を設定する。
【００３９】
図３は、本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【００４０】
（第３実施形態）
図３において、プレート１の構成は上記第２実施形態の場合と基本的に類似しているので、第２実施形態と同じ構成要素は同じ符号を付けて詳しい説明は省略し、主として第２実施形態とは異なる構成要素について説明する。大きく異なる点は、プレート１におけるガスチャンネル２の入口領域に流路抵抗発生部９を取り付けたことにある。
【００４１】
この流路抵抗発生部９は、例えば図４に示すような構成のものである。図４（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図を示している。当該流路抵抗発生部９は、薄板状の基部９Ａと、この基部９Ａの一端側に所定の間隔をもって突出片９１がほぼ櫛歯状に並設された接続部９Ｂとを有し、基部９Ａの他端側から前記各突出片９１を貫通するノズル孔９２がそれぞれ設けられている。
【００４２】
上記流路抵抗発生部９は、合成樹脂例えばポリアセタール、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルファイド、液晶ポリマー等から選択されるいずれかの材料で一体成形することが可能である。材料となる樹脂は、成形時の流動性が良好で且つ仕上がり寸法精度が高く、やや可撓性があり、熱伝導性に優れていれば上記以外のものであっても良い。
【００４３】
この流路抵抗発生部９は、ガスチャンネル２の入口部分に設けた凹部（図略）に嵌まり込む大きさに設定され、且つ凹部に嵌め込んだ際に上面がプレート１の上面と同一平面となるように厚さが設定される。当該流路抵抗発生部９は上記凹部に接着して取り付けるが、その時前記突出片９１がガスチャンネル２の各流路内にそれぞれ挿入され、前記ノズル孔９２を介してガス入口ヘッダー部４とガスチャンネル２が確実に連結されるようにする。ノズル孔９２の直径は、入口側（ガス入口ヘッダー部４側）が約０．２５ｍｍ、出口側（チャンネル２側）が約０．２２ｍｍに設定され、ノズル孔９２を通過するガスを噴出できるようにやや先細り孔にしてある。
【００４４】
又、プレート１には水供給用マニホールド孔７の他に、第２の水供給用マニホールド孔１０を貫通させて設け、この第２の水供給用マニホールド孔１０から冷却水を供給し、且つプレート１の他面側の水チャンネルにおいて、前記流路抵抗発生部９より若干下流に対応する領域に冷却水を導入するようにしてある点で相違している。
【００４５】
更に、プレート１の上部側方（水供給用マニホールド孔７とは反対側）に第２の水排出用マニホールド孔１１を貫通して設けると共に、前記水入口ヘッダー部に連結してある。そして、水入口ヘッダー部は、前記冷却水が流通する水チャンネル入口との境界に仕切壁（図略）を設けて仕切ってある点でも相違している。
【００４６】
この第３実施形態では、冷却水は第２の水供給用マニホールド孔１０からプレート１の水チャンネルに供給され、その水チャンネル内を上から下に向かって流通し、水チャンネルの出口から水排出用マニホールド孔８に排出され、更に、この水排出用マニホールド孔８から水供給マニホールド孔７に送り込み、前記水入口ヘッダー部に供給すると共に、この水入口ヘッダー部から第２の水排出用マニホールド孔１１に排出され、電池スタックの積層方向に流れて電池スタックの端部から外部に排出される。
【００４７】
上記の冷却水循環経路において、冷却水を水排出用マニホールド孔８から水供給マニホールド孔７に送り込む手段としては、例えばプレート１他面側の側方に水排出用マニホールド孔８と水供給マニホールド孔７とを連結する凹溝状の流路（図略）を設けるか、或は電池スタックの端板（エンドプレート）に管状の連結流路を設けるか又は電池モジュール外に配管を設けることにより水排出用マニホールド孔８と水供給マニホールド孔７とを連結するようにすれば良い。即ち、この場合、冷却水はプレート１の水チャンネルを流通した後に、プレート１の水供給ヘッダー部に戻されることになる。
【００４８】
第２の水供給用マニホールド孔１０から冷却水を供給する理由は、冷却水が流通する水チャンネルの入口領域を冷やし、この水チャンネルと背中合わせに位置している前記ガスチャンネル２の入口領域を冷やすことで、燃料ガスがガスチャンネル２の入口領域に流入した際に露点を下げて燃料ガス中に含まれている水蒸気を強制的に結露させ、これによりガスチャンネル２と接合しているセルの高分子電解質膜に水分を付与して飽和湿潤状態に保持するためである。
【００４９】
又、プレート１の水チャンネルを流通した後の冷却水を再び水供給ヘッダー部に戻す理由は、図３において破線で囲んだ領域を加温するためであり、この領域のほぼ背中合わせの位置には前記流路抵抗発生部９が取り付けられており、この流路抵抗発生部９に熱伝導して加温し、ノズル孔９２内での結露を防止するためである。
【００５０】
前記ガスチャンネル２の入口領域で、燃料ガス中の水蒸気を結露し易い状態にして固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐようにしたが、ガスチャンネル２内に過剰の凝縮水が生じたとしても上記流路抵抗発生部９のノズル孔９２から燃料ガスが噴出されるため、ガスチャンネル２に付着している凝縮水を吹き飛ばし、下流出口に押し流すことができる。従って、ガスチャンネル２内が凝縮水により閉塞されて燃料ガスの流通を阻害することはなくなり、電池性能の低下を未然に防止することができる。
【００５１】
このように流路抵抗発生部９を取り付け、且つ冷却水を戻すようにした第３実施形態では、燃料ガス露点≧第２の水供給用マニホールド孔１０からの冷却水入口温度とし、且つ燃料ガス露点≦水排出用マニホールド孔８の冷却水出口温度に設定することが望ましい。
【００５２】
尚、上記実施形態では、燃料電池の発電反応部での反応ガスの流れと冷却水の流れが平行且つ重力方向に沿って並行流であったが、これを対向流で実施することも可能である。反応ガスの露点に対して、冷却水の入口温度と出口温度を設定することにより達成できる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、燃料ガスチャンネル、酸化剤ガスチャンネル又は冷却水チャンネルの少なくともいずれか一つを設けたプレートが電池スタック内に複数積層されている燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部と、前記酸化剤ガスチャンネルの入口ヘッダー部とがセルを挟んで向かい合わせの対向位置に設けられ、もしくはプレートにおいて背中合わせの状態で近接配置され、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部を酸化剤ガスによって燃料ガス露点以上に加温するので、燃料ガス中に含まれている水蒸気が燃料ガスチャンネルの入口領域で凝縮して結露することがなくなる。これにより、燃料ガスチャンネルを閉塞して燃料ガスの流通を阻害することがなく、正常な発電運転がなされて電池性能を高めることができる。
【００５４】
本発明に係る請求項２の発明によれば、燃料ガスチャンネル、酸化剤ガスチャンネル又は冷却水チャンネルの少なくともいずれか一つを設けたプレートが電池スタック内に複数積層されている燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部と、前記冷却水チャンネルの入口ヘッダー部とが向かい合わせの対向位置に設けられ、もしくはプレートにおいて背中合わせの状態で近接配置され、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部を冷却水によって燃料ガス露点以上に加温するので、燃料ガス中に含まれている水蒸気が燃料ガスチャンネルの入口領域で凝縮して結露することがなくなる。これにより、燃料ガスチャンネルを閉塞して燃料ガスの流通を阻害することがなく、正常な発電運転がなされて電池性能を高めることができる。
【００５５】
本発明に係る請求項３の発明によれば、請求項２の燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、燃料ガス露点≦冷却水温度とするので、冷却水によって燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部を燃料ガス露点以上に加温し、燃料ガスの結露を防止することができる。
【００５６】
本発明に係る請求項４の発明によれば、請求項１の燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部より下方領域に対応させて冷却水を供給することで燃料ガスを強制的に結露させ、発電後に出た冷却水を前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部に対応させて再度プレートに供給して加温した後に排水するので、セルを湿潤状態に保つことができる。
【００５７】
本発明に係る請求項５の発明によれば、請求項４の燃料電池において、前記燃料ガスチャンの入口ヘッダー部より下方領域で、燃料ガス露点≧冷却水温度であり、発電後の冷却水を再度プレートに供給する燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部で、燃料ガス露点≦冷却水温度であるので、燃料ガスの入口ヘッダー部より下方領域で燃料ガスを強制的に結露させてセルを湿潤状態に保つと共に、燃料ガスの入口ヘッダー部で燃料ガスを加温することにより水詰まりを防止することができる。
【００５８】
本発明に係る請求項６の発明によれば、請求項１乃至請求項５いずれか１項の燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部に流路抵抗発生部を設けたので、燃料ガスの流れを調整して各流路に対する燃料ガスの分配を均一にすると共に、下方領域において強制的に結露させた凝縮水を流路の出口に向かって押し流すことができる。
【００５９】
本発明に係る請求項７の発明によれば、請求項６の燃料電池において、前記燃料ガスチャンネルの入口ヘッダー部に加えて前記流路抵抗発生部も加温するので、流路抵抗発生部における水詰まりを防止することができる。
【００６０】
本発明に係る請求項８の発明によれば、請求項１乃至請求項７いずれか１項の燃料電池において、前記燃料電池の発電反応部での燃料ガス及び酸化剤ガスの流れと冷却水の流れとが、平行且つ重力方向に沿って並行流又は対向流であることを特徴とし、これにより燃料電池のスタック構成の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の第２実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の第３実施形態を示すもので、プレートのチャンネルを流通する反応ガス及び冷却水を透視して模式的に表した説明図である。
【図４】本発明に係る燃料電池に取り付ける流路抵抗発生部の一実施形態を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は正面図である。
【図５】従来の燃料電池におけるプレートの構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
１…プレート
２…ガスチャンネル
３…ガス供給用マニホールド孔
４…ガス入口ヘッダー部
６…ガス排出用マニホールド孔
７…水供給用マニホールド孔
８…水排出用マニホールド孔
９…流路抵抗発生部
１０…第２の水供給用マニホールド孔
１１…第２の水排出用マニホールド孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell in which a plurality of stacked plates in a fuel cell stack prevent condensation at a reaction gas header and keep cells in a wet state.
[0002]
[Prior art]
A polymer electrolyte fuel cell is a cell (membrane electrode assembly) formed by joining and integrating an anode (fuel electrode) on one surface of a solid polymer electrolyte membrane and a cathode (air electrode) on the other surface, A plurality of layers are stacked with a cell sandwiched between a plate having a groove-shaped fuel gas channel on the surface facing the anode and a plate having a groove-shaped oxidant gas channel on the surface facing the cathode. A battery stack is configured by attaching an end plate and tightening with a through bolt. A fuel gas (hydrogen gas or hydrogen-based reformed gas) is circulated through the fuel gas channel, and an oxidant gas (usually air) is circulated through the oxidant gas channel. Direct current power is generated by causing an electrochemical reaction through
[0003]
In such a polymer electrolyte fuel cell, since the polymer electrolyte membrane functions properly in a saturated and wet state, the reaction gas (fuel gas and / or oxidant gas) is humidified with a humidifier or the like, and then the plate The channel is circulated, thereby maintaining the solid polymer electrolyte membrane in a saturated wet state. The operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is about 80 ° C., but the temperature rises during power generation because the electrochemical reaction is an exothermic reaction. In order to prevent this, a cooling plate is generally incorporated in the battery stack, and cooling water is circulated through the channel to keep the battery stack at the operating temperature.
[0004]
However, when the humidified reaction gas is supplied from the supply manifold B of the plate A to the channel C as shown in FIG. 5, it is cooled in the gas inlet side region, and the water vapor contained in the reaction gas is condensed in the channel C. As a result, condensation occurs and the channel C is blocked to inhibit the flow of the reaction gas. As a result, normal power generation is not performed and the battery performance is deteriorated. In particular, in the vicinity of the bent portion of channel C, the flow rate of the reaction gas is weakened, so that condensed water tends to adhere. In order to prevent such a situation, for example, the channel bent into a substantially S shape is abolished to be a straight shape, and the condensed gas flows downstream by flowing the reaction gas from the top to the bottom in the direction of gravity. A technique is disclosed in which the battery stack is efficiently cooled by providing a water supply channel between the gas channels (for example, Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2765959
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the above prior art, since the temperature and moisture content of the solid polymer membrane electrolyte membrane can be maintained within a certain range, it is excellent in responsiveness at the time of shifting to a high load of the fuel cell, and high output can be achieved in a short time. It is possible to obtain a stable operation against load fluctuations. However, the prevention of dew condensation in the reaction gas channel is not always satisfactory, and it cannot be said that sufficient countermeasures against condensed water are taken especially in the gas inlet region.
[0007]
Therefore, an object of the present invention is to provide an improved fuel cell so that water vapor contained in the humidified reaction gas does not condense in the gas inlet region of the reaction gas channel. For this purpose, as a result of intensive studies, the present inventors have found that condensation of water vapor contained in the reaction gas can be prevented by heating the gas inlet region of the reaction gas channel with a heat medium. It came to complete.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, claim 1 according to the present invention provides a fuel gas channel, an oxidant gas channel, or a cooling water channel.at leastIn a fuel cell in which a plurality of plates provided with any one are stacked in a battery stack,
  An inlet header portion of the fuel gas channel and an inlet header portion of the oxidant gas channelFacing each other across the cellProvided in the opposite position,Alternatively, they are placed close together on the plate, back to back,The inlet header of the fuel gas channel is heated above the fuel gas dew point.
[0009]
  According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel gas channel, an oxidant gas channel, or a cooling water channel.at leastIn a fuel cell in which a plurality of plates provided with any one are stacked in a battery stack,
  An inlet header portion of the fuel gas channel and an inlet header portion of the coolant channelFace-to-faceIn the opposite position, orPlaced close together on the plate back to back,The inlet header of the fuel gas channel is heated above the fuel gas dew point.
[0010]
  A third aspect of the present invention provides the fuel cell according to the second aspect, whereinfuelAt the inlet header of the gas channel,fuelGas dew point ≦ cooling water temperature.
[0011]
  Claim 4 according to the present invention provides:The fuel cell of claim 1, whereinSaidfuelBy supplying cooling water corresponding to the area below the inlet header of the gas channelfuelCondensation of gas is forced, and cooling water discharged after power generationfuelIt is characterized by being drained after being heated again by supplying to the plate corresponding to the inlet header of the gas channel.The
[0012]
  According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell of the fourth aspect,fuelIn the area below the inlet header of the gas chamber,fuelGas dew point ≥ cooling water temperature, and supply the cooling water after power generation to the plate againfuelAt the inlet header of the gas channel,fuelGas dew point ≦ cooling water temperature.
[0013]
  According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to fifth aspects,fuelThe present invention is characterized in that a flow path resistance generating portion is provided at the inlet header portion of the gas channel.
[0014]
  Claim 7 according to the present invention provides:Claim 6In the fuel cell of the above,fuelIn addition to the gas channel inlet headerAboveThe flow path resistance generator is also heated.
[0015]
  Claim 8 according to the present invention provides:The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein:In the power generation reaction part of the fuel cellfuelgasAnd oxidant gasFlow and cooling water flowWhenAre parallel flow or parallel flow along the direction of gravity.The
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a first embodiment of a fuel cell according to the present invention, and is an explanatory view schematically showing a reactive gas and cooling water flowing through a channel of a plate.
[0017]
(First embodiment)
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a plate mainly made of carbon. A plurality of groove-shaped gas channels 2 are arranged in parallel in the vertical direction (gravity direction) on one surface, and the same is applied to the other surface. A plurality of concave water channels are arranged side by side in the vertical direction (gravity direction). A gas supply manifold hole 3 is provided through the upper side of the plate 1, and the gas supply manifold hole 3 is connected to a concave gas inlet header portion 4. It communicates with the gas channel 2. Here, the gas inlet header portion 4 is defined as a region for distributing the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) distributed and supplied from the gas supply manifold hole 3 to the inlet of the gas channel 2 (hereinafter referred to as the gas inlet header portion 4). The same). The gas inlet header 4 is generally called a manifold, but has a wider area than a normal manifold.
[0018]
The outlet of the gas channel 2 communicates with a recessed gas outlet footer 5 provided at the lower part of the plate 1, and the gas outlet footer 5 passes through the lower side of the plate 1 to discharge gas. It is connected to the manifold hole 6 for use. Thereby, the reaction gas (here, fuel gas) supplied from the end of the battery stack passes through the gas supply manifold hole 3 communicating in the stacking direction of the battery stack, and the gas inlet of the plate 1 in each cell. Distributed and supplied to the header section 4, distributed from the gas inlet header section 4 into the gas channel 2, distributed along the gas channel 2 from the top to the bottom, discharged to the gas outlet footer section 5, and the battery. It flows into the gas discharge manifold hole 6 communicating with the stacking direction of the stack, and is discharged to the outside through the gas discharge manifold hole 6 from the end of the battery stack.
[0019]
Further, a water supply manifold hole 7 is provided through the upper side of the plate 1 (on the side opposite to the gas supply manifold hole 3), and this water supply manifold hole 7 is connected to the other side of the plate 1. Is connected to a concave water inlet header provided on the surface side of the water inlet, and the water inlet header communicates with the inlet of the water channel. In this case, the gas inlet header portion 4 and the water inlet header portion are arranged close to each other in the plate 1 in a back-to-back state.
[0020]
Further, a concave water outlet footer portion is provided at the outlet of the water channel of the plate 1, and this water outlet footer portion penetrates the lower side of the plate 1 (the side opposite to the gas discharge manifold hole 6). It is connected to the provided water discharge manifold hole 8. Thereby, the water (here, cooling water) supplied from the end of the battery stack passes through the water supply manifold hole 7 communicating in the stacking direction of the battery stack, and the water inlet header of the plate 1 in each cell. Distributed from the water inlet header to the water channel, distributed from top to bottom along the water channel, discharged to the water outlet footer, and communicated in the stacking direction of the battery stack. The water discharge manifold hole 8 flows through the water discharge manifold hole 8 and is discharged to the outside through the water discharge manifold hole 8.
[0021]
On the other hand, a plurality of gas channels corresponding to the gas channel 2 of the plate 1 are arranged in the vertical direction (gravity direction) on the other plate, and a concave gas inlet header portion 4 ′ is formed at the inlet of the gas channel. Are provided in communication with each other, and a recessed gas outlet footer 5 'is provided in communication with the outlet of the gas channel. As a result, in the other plates, the oxidant gas (here, air taken in from the outside air) is supplied to the gas inlet header portion 4 ′ and distributed from the gas inlet header portion 4 ′ into the gas channel. The gas flows along the gas channel from the top to the bottom, and is discharged to the gas outlet footer 5 'and exhausted to the outside of the battery stack.
[0022]
The cell is sandwiched between the gas channel 2 of the plate 1 and the gas channel of the other plate and incorporated in the battery stack. At this time, the anode of the cell is closely opposed to the channel 2 of the plate 1 and the other. A cell is formed by closely contacting the cathode of the cell to the channel of the plate. And a battery stack is comprised by laminating | stacking and integrating several single cells. The gas inlet header portions 4 and 4 ', the gas outlet footer portions 5 and 5', and the water inlet header portion and the water outlet footer portion are covered with the upper surfaces of the recesses through gaskets or the like, thereby preventing leakage.
[0023]
In the battery stack configured as described above, the fuel gas flows through the gas channel 2 of the plate 1, and the oxidant gas flows through the gas channel of the other plate to be electrically connected via the polymer electrolyte membrane of the cell. DC power can be generated by a chemical reaction.
[0024]
In order to saturate and wet the polymer electrolyte membrane of the cell, for example, the fuel gas is humidified by a humidifier or the like and then supplied to the battery stack. Water vapor contained in the fuel gas is condensed in the inlet region of the channel 2, and the condensed water adheres to the gas channel 2 and becomes clogged, thereby obstructing the flow of the fuel gas. In the present embodiment, since the water inlet header portion is located close to the gas inlet header portion 4 in a back-to-back state, it is heated by cooling water as a heat medium supplied to the water inlet header portion, and the heat The gas inlet header portion 4 can be indirectly heated by conduction, thereby preventing condensation of water vapor contained in the fuel gas.
[0025]
In this way, in order to prevent condensation using the cooling water as a heat medium, the cooling water inlet temperature is set to a fuel gas dew point or higher (fuel gas dew point ≦ cooling water inlet temperature). The temperature relationship with the oxidant gas (air) is preferably set so that the fuel gas dew point ≦ the air dew point ≦ the cooling water inlet temperature.
[0026]
In this embodiment, the cooling water is used as a heat medium for preventing dew condensation of the fuel gas. However, an oxidant gas can be used as the heat medium instead of the cooling water. In this case, although not shown in the drawing, a structure is employed in which the gas inlet header portion of the oxidant gas is placed close to the fuel gas gas inlet header portion 4 in the plate 1 in a back-to-back state, and is attached to the other plate. It is set as the structure which provides the water channel for distribute | circulating a cooling water. And in order to prevent dew condensation of fuel gas by oxidant gas (air), air inlet temperature is set so that it may become fuel gas dew point <= air temperature.
[0027]
FIG. 2 shows a second embodiment of the fuel cell according to the present invention, and is an explanatory view schematically showing the reaction gas and cooling water flowing through the channel of the plate.
[0028]
(Second Embodiment)
In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a plate mainly made of carbon, and a plurality of concave groove-like gas channels 2 are arranged in parallel on one side in the vertical direction (gravity direction), and the other side is also the same. A plurality of concave water channels are arranged side by side in the vertical direction (gravity direction). A gas supply manifold hole 3 is provided through the upper side of the plate 1, and the gas supply manifold hole 3 is connected to a concave gas inlet header portion 4. It communicates with the gas channel 2. The gas inlet header 4 is generally called a manifold, but has a wider area than a normal manifold.
[0029]
The outlet of the gas channel 2 communicates with a recessed gas outlet footer 5 provided at the lower part of the plate 1, and the gas outlet footer 5 passes through the lower side of the plate 1 to discharge gas. It is connected to the manifold hole 6 for use. Thereby, the reaction gas (fuel gas) supplied from the end of the battery stack passes through the gas supply manifold hole 3 communicating in the stacking direction of the battery stack, and the gas inlet header 4 of the plate 1 in each cell. Distributed to the gas channel 2 from the gas inlet header 4, distributed from the top to the bottom along the gas channel 2, discharged to the gas outlet footer 5, and stacked in the battery stack. It flows into the gas discharge manifold hole 6 communicating in the direction, passes through the gas discharge manifold hole 6 and is discharged to the outside from the end of the battery stack. In this case, unlike the first embodiment, an internal air manifold system is adopted.
[0030]
Further, a water supply manifold hole 7 is provided through the upper side of the plate 1 (on the side opposite to the gas supply manifold hole 3), and this water supply manifold hole 7 is connected to the other side of the plate 1. The water inlet header portion 7 is connected to the inlet of the water channel. In this case, the gas inlet header portion 4 and the water inlet header portion are arranged close to each other in the plate 1 in a back-to-back state.
[0031]
Further, a recessed water outlet footer is provided at the outlet of the channel on the other side of the plate 1, and this water outlet footer penetrates the lower side of the plate 1 (opposite to the gas discharge manifold hole 6). Are connected to a water discharge manifold hole 8 provided. Thereby, the water (cooling water) supplied from the end of the battery stack is distributed to the water inlet header portion of the plate 1 in each cell through the water supply manifold hole 7 communicating in the stacking direction of the battery stack. Supplied and distributed from the water inlet header portion into the water channel, circulates from top to bottom along the water channel, discharged to the water outlet footer portion, and communicated in the stacking direction of the battery stack. It flows into the water discharge manifold hole 8, passes through the water discharge manifold hole 8, and is discharged to the outside from the end of the battery stack.
[0032]
On the other hand, on the other plate, a plurality of gas channels corresponding to the gas channel 2 of the plate 1 are arranged side by side in the vertical direction (gravity direction). In addition, a gas supply manifold hole 3 'is provided in the upper side of the other plate, and this gas supply manifold hole 3' is connected to a recessed gas inlet header portion. Communicates with the gas channel.
[0033]
The gas channel outlet of the other plate communicates with a recessed gas outlet footer provided at the lower part, and this gas outlet footer is provided through a lower end of the plate and has a gas discharge manifold hole 6 '. It is linked to. As a result, the oxidant gas (air) supplied from the end of the battery stack passes through the gas supply manifold hole 3 ′ communicating in the stacking direction of the battery stack to the gas inlet header portion of the plate in each cell. Distributed and distributed from the gas inlet header portion into the gas channel, circulates from top to bottom along the gas channel, discharged to the gas outlet footer portion, and communicated in the stacking direction of the battery stack. The gas discharge manifold hole 6 'flows through the gas discharge manifold hole 6' and is exhausted from the end of the battery stack to the outside.
[0034]
As in the first embodiment, the cell is sandwiched between the gas channel 2 of the plate 1 and the gas channel of the other plate and incorporated into the battery stack. At this time, the gas channel 2 of the plate 1 includes the anode of the cell. Are made to face each other, and the cell cathodes are made to face the gas channels of the other plates in close contact with each other. And a battery stack is comprised by laminating | stacking and integrating several single cells. In addition, the gas inlet header part 4, the gas outlet footer part 5, the water inlet header part, and the water outlet footer part are covered with the upper surface of the recess through a gasket or the like to prevent leakage.
[0035]
In the battery stack of the second embodiment configured as described above, the fuel gas flows through the gas channel 2 of the plate 1 and the oxidant gas flows through the gas channel of the other plate, so that the polymer electrolyte of the cell Direct current power can be generated by the occurrence of an electrochemical reaction through the membrane.
[0036]
In the same way as described above, in order to saturate and wet the polymer electrolyte membrane of the cell, for example, fuel gas is humidified with a humidifier or the like and then supplied to the battery stack. Since the water inlet header portions are close to each other in a back-to-back state, the water inlet header portion can be heated by cooling water supplied to the water inlet header portion, and the gas inlet header portion 4 can be indirectly heated by the heat conduction. This can prevent condensation of water vapor contained in the fuel gas. Therefore, the fuel gas flow hindrance caused by the condensed water is eliminated and the power generation operation is normally performed, so that the battery performance can be kept high.
[0037]
Thus, in order to prevent dew condensation by the cooling water, the cooling water inlet temperature is set to the fuel gas dew point or higher (fuel gas dew point ≦ cooling water inlet temperature) as described above. The temperature relationship with the oxidant gas (air) is preferably set so that the fuel gas dew point ≦ the air dew point ≦ the cooling water inlet temperature.
[0038]
Also in the second embodiment, the cooling water is used as the heat medium for preventing dew condensation of the fuel gas. However, the oxidant gas can be used as the heat medium instead of the cooling water. In this case, although not shown in the drawing, a structure is employed in which the gas inlet header portion of the oxidant gas is placed close to the fuel gas gas inlet header portion 4 in the plate 1 in a back-to-back state, and is attached to the other plate. It is set as the structure which provides the water channel for distribute | circulating a cooling water. And in order to prevent dew condensation of fuel gas by oxidant gas (air), air inlet temperature is set so that it may become fuel gas dew point <= air temperature.
[0039]
FIG. 3 shows a third embodiment of the fuel cell according to the present invention, and is an explanatory view schematically showing the reaction gas and cooling water flowing through the channel of the plate.
[0040]
(Third embodiment)
In FIG. 3, since the configuration of the plate 1 is basically similar to that of the second embodiment, the same components as those of the second embodiment are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted, and mainly the second embodiment. Components different from the form will be described. The main difference is that the flow resistance generator 9 is attached to the inlet region of the gas channel 2 in the plate 1.
[0041]
The flow path resistance generator 9 has a structure as shown in FIG. 4, for example. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a front view. The flow path resistance generator 9 has a thin plate-like base 9A and a connecting part 9B in which projecting pieces 91 are arranged in a substantially comb-like shape with a predetermined interval on one end side of the base 9A. Nozzle holes 92 penetrating each of the projecting pieces 91 from the other end side are respectively provided.
[0042]
The flow path resistance generator 9 can be integrally formed of any material selected from synthetic resins such as polyacetal, polymethylpentene, polyphenylene ether, polyphenylene sulfide, and liquid crystal polymer. The resin used as the material may be other than the above as long as it has good fluidity during molding, has high finished dimensional accuracy, is somewhat flexible, and has excellent thermal conductivity.
[0043]
The flow resistance generator 9 is set to a size that fits into a recess (not shown) provided at the inlet of the gas channel 2, and the top surface is flush with the top surface of the plate 1 when fitted into the recess. The thickness is set so that The flow path resistance generator 9 is attached to the recess by being attached. At that time, the protruding piece 91 is inserted into each flow path of the gas channel 2, and the gas inlet header section 4 and the gas are connected through the nozzle hole 92. Ensure that channel 2 is connected. The diameter of the nozzle hole 92 is set to about 0.25 mm on the inlet side (gas inlet header portion 4 side) and about 0.22 mm on the outlet side (channel 2 side) so that the gas passing through the nozzle hole 92 can be ejected. Slightly tapered hole.
[0044]
In addition to the water supply manifold hole 7, the plate 1 is provided with a second water supply manifold hole 10 penetrating the cooling water from the second water supply manifold hole 10. In the water channel on the other surface side, the difference is that cooling water is introduced into a region corresponding to a slightly downstream side of the flow path resistance generation unit 9.
[0045]
Furthermore, a second water discharge manifold hole 11 is provided through the upper side of the plate 1 (on the side opposite to the water supply manifold hole 7) and is connected to the water inlet header. And the water inlet header part is also different in that a partition wall (not shown) is provided and partitioned at the boundary with the water channel inlet through which the cooling water flows.
[0046]
In this third embodiment, the cooling water is supplied from the second water supply manifold hole 10 to the water channel of the plate 1, circulates in the water channel from top to bottom, and discharges water from the outlet of the water channel. The water discharge manifold hole 8 is further fed into the water supply manifold hole 7 to be supplied to the water inlet header portion, and the second water discharge manifold hole is supplied from the water inlet header portion. 11, flows in the stacking direction of the battery stack, and is discharged from the end of the battery stack to the outside.
[0047]
In the above cooling water circulation path, as means for feeding the cooling water from the water discharge manifold hole 8 to the water supply manifold hole 7, for example, the water discharge manifold hole 8 and the water supply manifold hole 7 on the side of the other side of the plate 1 are used. Water is drained by providing a groove-shaped channel (not shown) that connects the two, a tubular connection channel on the end plate (end plate) of the battery stack, or a pipe outside the battery module. The manifold hole 8 for water and the water supply manifold hole 7 may be connected. That is, in this case, the cooling water is returned to the water supply header portion of the plate 1 after flowing through the water channel of the plate 1.
[0048]
The reason for supplying the cooling water from the second water supply manifold hole 10 is to cool the inlet region of the water channel through which the cooling water flows and cool the inlet region of the gas channel 2 located back to back with the water channel. Thus, when the fuel gas flows into the inlet region of the gas channel 2, the dew point is lowered to forcibly condense the water vapor contained in the fuel gas, thereby increasing the height of the cell joined to the gas channel 2. This is because moisture is applied to the molecular electrolyte membrane to maintain a saturated wet state.
[0049]
The reason why the cooling water after flowing through the water channel of the plate 1 is returned to the water supply header portion again is to heat the area surrounded by the broken line in FIG. 3. This is because the flow path resistance generation unit 9 is attached, and heat is conducted to the flow path resistance generation unit 9 to heat and prevent condensation in the nozzle hole 92.
[0050]
In the inlet region of the gas channel 2, water vapor in the fuel gas is easily condensed to prevent drying of the solid polymer electrolyte membrane. Even if excessive condensed water is generated in the gas channel 2, Since the fuel gas is ejected from the nozzle hole 92 of the flow path resistance generator 9, the condensed water adhering to the gas channel 2 can be blown off and pushed away to the downstream outlet. Therefore, the gas channel 2 is not blocked by the condensed water and the flow of the fuel gas is not hindered, and the battery performance can be prevented from being deteriorated.
[0051]
In the third embodiment in which the flow resistance generator 9 is attached and the cooling water is returned in this way, the fuel gas dew point ≧ the cooling water inlet temperature from the second water supply manifold hole 10 and the fuel gas It is desirable to set the dew point ≦ the cooling water outlet temperature of the water discharge manifold hole 8.
[0052]
In the above embodiment, the flow of the reaction gas and the flow of the cooling water in the power generation reaction section of the fuel cell are parallel and parallel to each other along the direction of gravity. However, it is possible to implement this in the counterflow. is there. This can be achieved by setting the inlet temperature and the outlet temperature of the cooling water with respect to the dew point of the reaction gas.
[0053]
【The invention's effect】
  As described above, according to the first aspect of the present invention, the fuel gas channel, the oxidant gas channel or the cooling water channel is provided.at leastIn a fuel cell in which a plurality of plates each having one of them are stacked in a battery stack, an inlet header portion of the fuel gas channel and an inlet header portion of the oxidant gas channelFacing each other across the cellProvided in the opposite position,Alternatively, they are placed close together on the plate, back to back,The inlet header of the fuel gas channelBy oxidant gasSince it heats above the fuel gas dew point, the water vapor contained in the fuel gasfuelCondensation and condensation do not occur in the inlet area of the gas channel. ThisfuelThe gas channel is not blocked and the flow of the fuel gas is not hindered, and the normal power generation operation is performed and the battery performance can be improved.
[0054]
  According to invention of Claim 2 which concerns on this invention, a fuel gas channel, an oxidant gas channel, or a cooling water channel is provided.at leastIn a fuel cell in which a plurality of plates each having one of them are stacked in a battery stack, an inlet header portion of the fuel gas channel and an inlet header portion of the cooling water channelFace-to-faceIn the opposite position, orPlaced close together on the plate back to back,The inlet header of the fuel gas channelBy cooling waterHeat above the fuel gas dew pointTherefore, water vapor contained in the fuel gas is not condensed and condensed in the inlet region of the fuel gas channel. As a result, the fuel gas channel is not blocked and the flow of the fuel gas is not hindered, and the normal power generation operation is performed and the battery performance can be improved.
[0055]
  According to invention of Claim 3 which concerns on this invention, in the fuel cell of Claim 2, the saidfuelAt the inlet header of the gas channel,fuelSince the gas dew point ≤ cooling water temperature,fuelThe inlet header of the gas channelfuelHeat above the gas dew point,fuelGas condensation can be prevented.
[0056]
  According to the invention of claim 4 according to the present invention,Claim 1In the fuel cell,fuelBy supplying cooling water corresponding to the area below the inlet header of the gas channelfuelCondensation of gas is forced, and cooling water discharged after power generationfuelThe cell is kept in a wet state because it is supplied to the plate again in correspondence with the inlet header portion of the gas channel and heated and then drained.
[0057]
  According to the invention of claim 5 according to the present invention, in the fuel cell of claim 4,fuelIn the area below the inlet header of the gas chamber,fuelGas dew point ≥ cooling water temperature, and supply the cooling water after power generation to the plate againfuelAt the inlet header of the gas channel,fuelSince gas dew point ≤ cooling water temperature,fuelIn the area below the gas inlet headerfuelKeeping the cell moist by forcing the gas to condense,fuelAt the gas inlet headerfuelWater clogging can be prevented by heating the gas.
[0058]
  According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to fifth aspects,fuelSince the flow resistance generator is provided in the inlet header of the gas channel,fuelAdjust the gas flow for each channelfuelThe distribution of gas can be made uniform, and the condensed water forcedly condensed in the lower region can be pushed toward the outlet of the flow path.
[0059]
  According to the invention of claim 7 according to the present invention,Claim 6In the fuel cell of the above,fuelIn addition to the gas channel inlet headerAboveSince the flow resistance generation unit is also heated, water clogging in the flow resistance generation unit can be prevented.
[0060]
  According to the invention of claim 8 according to the present invention,Claim 1 to Claim 7In fuel cells,AboveIn the power generation reaction part of the fuel cellfuelgasAnd oxidant gasFlow and cooling water flowWhenAre parallel flow or counter flow along the direction of gravity, and this can increase the degree of freedom of the stack configuration of the fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment of a fuel cell according to the present invention, and is a schematic view showing a reactive gas and cooling water flowing through a channel of a plate in perspective.
FIG. 2 is an explanatory view schematically showing a second embodiment of a fuel cell according to the present invention, with a perspective view of reaction gas and cooling water flowing through a channel of a plate.
FIG. 3 shows a third embodiment of a fuel cell according to the present invention, and is an explanatory view schematically showing a reactive gas and cooling water flowing through a channel of a plate as seen through.
FIGS. 4A and 4B show an embodiment of a flow path resistance generator attached to a fuel cell according to the present invention, in which FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a front view.
FIG. 5 is a plan view showing a configuration example of a plate in a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
1 ... Plate
2 ... Gas channel
3 ... Manifold hole for gas supply
4 ... Gas inlet header
6 ... Manifold hole for gas discharge
7 ... Manifold hole for water supply
8 ... Manifold hole for water discharge
9: Channel resistance generator
10: Second manifold hole for water supply
11 ... Second water discharge manifold hole

Claims

In a fuel cell in which a plurality of plates provided with at least one of a fuel gas channel, an oxidant gas channel, or a cooling water channel are stacked in a battery stack,
The inlet header part of the fuel gas channel and the inlet header part of the oxidant gas channel are provided at opposite positions facing each other across the cell , or are arranged close to each other in a back-to-back state on the plate, A fuel cell, wherein the inlet header is heated to a temperature above the fuel gas dew point.

In a fuel cell in which a plurality of plates provided with at least one of a fuel gas channel, an oxidant gas channel, or a cooling water channel are stacked in a battery stack,
The inlet header part of the fuel gas channel and the inlet header part of the cooling water channel are provided facing each other or close to each other in a back-to-back state on the plate, and the fuel gas channel inlet header part is fueled. fuel cells you characterized warming above the gas dew point.

The fuel cell according to claim 2, wherein fuel gas dew point ≦ cooling water temperature at an inlet header portion of the fuel gas channel.

The fuel gas is forcedly condensed by supplying cooling water corresponding to the region below the inlet header portion of the fuel gas channel, and the cooling water discharged after power generation is made to correspond to the inlet header portion of the fuel gas channel. 2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is drained after being supplied again to the plate and heated.

In the lower region the inlet header portion of the fuel gas Chang, a fuel gas dew point ≧ coolant temperature at the inlet header of the fuel gas channel for supplying the replated cooling water after the power generation, the fuel gas dew point ≦ coolant temperature The fuel cell according to claim 4, wherein:

The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a flow path resistance generating portion is provided at an inlet header portion of the fuel gas channel.

7. The fuel cell according to claim 6, wherein the flow path resistance generating portion is also heated in addition to the inlet header portion of the fuel gas channel.

Claims 1 to wherein the flow of fuel gas and oxidant gas in the power generation reaction of the fuel cell and the flow of cooling water, characterized in that it is a co-flow or counter-flow along the parallel and the direction of gravity 7. The fuel cell according to any one of 7 above .