JP4969864B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、電池本体の流路に反応ガスを流通させるマニホールドを備えた燃料電池に係り、特に、内部における凝縮水の処理に改良を施した燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell provided with a manifold for allowing a reaction gas to flow through a flow path of a battery body, and more particularly to a fuel cell in which processing of condensed water inside is improved.

燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを、電池本体に供給することにより、電気化学的に反応させ、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。この燃料電池は、発電効率が高く、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置として評価されている。   A fuel cell is a power generator that supplies a fuel gas, such as hydrogen, and an oxidant gas, such as air, to the cell body to cause an electrochemical reaction, converting the chemical energy of the fuel directly into electrical energy and taking it out. Device. This fuel cell has been evaluated as a power generation device that has high power generation efficiency and is excellent in environmental performance with less pollutant emission and noise.

このような燃料電池のうち、固体高分子膜を用いたものの構成を、図12、図13を参照して説明する。すなわち、燃料電池本体は、図12に示すように、複数の単位セル1を積層した積層体11を有し、その積層体11の両端に、集電板2と締付板3を配置し、スタッド4及びナットと皿バネによって締め付けることにより構成されている。各セル1は、固体高分子膜の両端に、触媒を塗布した燃料極及び酸化剤極を配し、その両端に燃料極流路と酸化剤極流路を備えた燃料極流路板と酸化剤極流路板によって構成されている。   The structure of such a fuel cell using a solid polymer membrane will be described with reference to FIGS. That is, as shown in FIG. 12, the fuel cell main body has a laminated body 11 in which a plurality of unit cells 1 are laminated, and a current collector plate 2 and a fastening plate 3 are disposed at both ends of the laminated body 11, It is configured by tightening with a stud 4 and a nut and a disc spring. Each cell 1 has a fuel electrode and an oxidant electrode coated with a catalyst at both ends of a solid polymer membrane, and a fuel electrode channel plate having a fuel electrode channel and an oxidant electrode channel at both ends thereof and an oxidation electrode. It is comprised by the agent electrode flow-path board.

燃料電池本体の周囲には、図13の断面図に示すように、燃料極入口マニホールド6、燃料極出口マニホールド7、酸化剤極入口マニホールド8及び酸化剤極出口マニホールド9が配置されている。燃料ガスは、燃料極入口マニホールド6に入り燃料極流路板5の燃料極流路10を通り、燃料極出口マニホールド7から外部へ排出される。また、酸化剤ガスも同様に酸化剤極入口マニホールド8に入り図示しない酸化剤極流路板の酸化剤極流路を通り、酸化剤極出口マニホールド9から外部へ排出される。   A fuel electrode inlet manifold 6, a fuel electrode outlet manifold 7, an oxidant electrode inlet manifold 8, and an oxidant electrode outlet manifold 9 are disposed around the fuel cell body as shown in the cross-sectional view of FIG. The fuel gas enters the fuel electrode inlet manifold 6, passes through the fuel electrode channel 10 of the fuel electrode channel plate 5, and is discharged from the fuel electrode outlet manifold 7 to the outside. Similarly, the oxidant gas enters the oxidant electrode inlet manifold 8, passes through the oxidant electrode channel of the oxidant electrode channel plate (not shown), and is discharged to the outside from the oxidant electrode outlet manifold 9.

このような燃料電池に使用される燃料ガスとしては、都市ガスなどを改質器により水素に改質し燃料電池に供給されるが、通常改質された燃料ガスには、蒸気が含まれている。このため、燃料電池に供給される際に、燃料ガスの露点が燃料極入口マニホールド内の温度より高い場合は、燃料極入口マニホールド内で燃料ガス中の水分が凝縮し、マニホールド内壁に水滴が付着する。この水滴がガス流路を塞いで特定のセルに供給されるガス流量が少なくなる問題がある。また、燃料電池本体から排出されるガスも、同様に蒸気を含んでおり、出口マニホールド内に溜まったドレンがガスの流れを阻害しセルの性能に影響を及ぼす問題がある。   As a fuel gas used in such a fuel cell, city gas or the like is reformed into hydrogen by a reformer and supplied to the fuel cell. Normally, the reformed fuel gas contains steam. Yes. For this reason, when the fuel gas dew point is higher than the temperature in the fuel electrode inlet manifold when it is supplied to the fuel cell, water in the fuel gas condenses in the fuel electrode inlet manifold, and water droplets adhere to the inner wall of the manifold. To do. There is a problem that the flow rate of gas supplied to a specific cell is reduced because the water droplets block the gas flow path. Further, the gas discharged from the fuel cell main body similarly contains steam, and there is a problem that the drain accumulated in the outlet manifold interferes with the gas flow and affects the cell performance.

これに対処するため、例えば、特許文献1〜3に示すような従来技術が提案されている。まず、特許文献1には、ガス入口マニホールドが積層面の上方に位置し、この天板に付着した水滴が、積層面に垂れてガス流路を閉塞することを防止するために、マニホールドを傾斜させ、ドレン排出口を設けた技術が開示されている。   In order to cope with this, for example, conventional techniques as shown in Patent Documents 1 to 3 have been proposed. First, in Patent Document 1, the gas inlet manifold is positioned above the lamination surface, and the manifold is inclined to prevent water droplets adhering to the top plate from dropping on the lamination surface and blocking the gas flow path. A technique for providing a drain discharge port is disclosed.

特許文献2には、ガス流路全体を覆う仕切り板とドレン受けを設け、直接積層面に水滴が垂れることを防止した技術が開示されている。特許文献3には、マニホールドに溜まったドレンを、重力を利用して排出されやすくするために、マニホールドのガス進行方向に向かって低位になるように燃料電池本体を傾斜配置する技術が開示されている。   Patent Document 2 discloses a technique in which a partition plate and a drain receiver that cover the entire gas flow path are provided, and water drops are prevented from dripping directly on the laminated surface. Patent Document 3 discloses a technique in which the fuel cell main body is inclined so that the drain accumulated in the manifold is easily discharged using gravity, so that the drain becomes lower in the gas traveling direction of the manifold. Yes.

特開2004−207106公報JP 2004-207106 A 特開2004−185935公報JP 2004-185935 A 特開2004−146303公報JP 2004-146303 A

ところで、従来の燃料電池においては、特許文献1や特許文献2において指摘されているように、積層面の上方に位置する天板から滴下する水滴によって、ガス流路が閉塞するという問題があった。これを回避するために、例えば、図13に示した例では、燃料極入口マニホールド6と燃料極出口マニホールド7の天井面を、積層面と垂直の位置関係としている。    By the way, in the conventional fuel cell, as pointed out in Patent Document 1 and Patent Document 2, there is a problem that the gas flow path is blocked by water droplets dripping from the top plate located above the laminated surface. . In order to avoid this, for example, in the example shown in FIG. 13, the ceiling surfaces of the fuel electrode inlet manifold 6 and the fuel electrode outlet manifold 7 are in a positional relationship perpendicular to the stacked surface.

しかし、かかる場合には、天板に付着した水滴が積層面を伝わり、ガス流路を閉塞しセルの性能に影響を及ぼす問題が発見されている。特に、燃料ガスの流路が閉塞された場合は、電極の腐食が起きる可能性がある。そして、このような問題は、特許文献3に示されたように、マニホールド内のガスがガス進行方向に向かって低位になるように燃料電池本体を傾けても、解決できないことが分かった。   However, in such a case, a problem has been discovered in which water droplets adhering to the top plate travel along the laminated surface, block the gas flow path, and affect the cell performance. In particular, when the fuel gas flow path is blocked, the electrodes may corrode. And it was found that such a problem cannot be solved even if the fuel cell body is tilted so that the gas in the manifold becomes lower in the gas traveling direction, as shown in Patent Document 3.

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、マニホールドに付着した水滴によるガス流路の閉塞を防止し、各セルへの反応ガスの流れと各セルの起電力が均一で特定のセルが損傷することがない、高性能で且つ耐久性のある燃料電池を提供することにある。   The present invention has been proposed in order to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is to prevent the gas flow path from being blocked by water droplets adhering to the manifold, and to react gas to each cell. It is an object of the present invention to provide a high-performance and durable fuel cell in which the flow and the electromotive force of each cell are uniform and a specific cell is not damaged.

上記目的を達成するために、本発明は、電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセルが、少なくとも1枚以上積層された燃料電池において、前記燃料電池の側部には、前記セルの流路に反応ガスを流通させるマニホールドが、複数設けられ、前記マニホールドのうち少なくとも1つ以上が、前記流路板の流路から水平方向に反応ガスが流入するように、前記燃料電池の側部に配置され、このマニホールドの内部の天井部には、セルの流路の出口から離れるに従って下方に向かう傾斜が付けられていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides an electrolyte membrane, a fuel electrode and an oxidant electrode respectively disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a flow path for supplying a reaction gas to the fuel electrode and the oxidant electrode. In a fuel cell in which at least one cell including a flow path plate is stacked , a plurality of manifolds that circulate reaction gas through the flow path of the cell are provided on the side of the fuel cell, At least one of the manifolds is disposed on the side of the fuel cell so that the reaction gas flows in a horizontal direction from the flow path of the flow path plate. It is characterized by being inclined downward as it goes away from the outlet of the channel .

以上のような本発明では、運転を継続することにより、マニホールドの内部の天井に凝縮する水滴は、天井に設けられた傾斜によって、セルの積層面側へ流れることなく、マニホールドの内壁へ流れる。その結果、セルにおける反応ガスの流路の閉塞を防止することができる。   In the present invention as described above, by continuing the operation, water droplets condensing on the ceiling inside the manifold flow to the inner wall of the manifold without flowing toward the cell stacking surface due to the inclination provided on the ceiling. As a result, it is possible to prevent the reaction gas flow path in the cell from being blocked.

以上のような本発明によれば、マニホールドに付着した水滴によるガス流路の閉塞を防止し、各セルへの反応ガスの流れと各セルの起電力が均一で特定のセルが損傷することがない、高性能で且つ耐久性のある燃料電池を提供することができる。   According to the present invention as described above, it is possible to prevent clogging of the gas flow path due to water droplets adhering to the manifold, and the flow of the reaction gas to each cell and the electromotive force of each cell can be uniform and a specific cell can be damaged. A high-performance and durable fuel cell can be provided.

本発明を実施するための最良の形態(以下、実施形態とする)を、図面を参照して、具体的に説明する。なお、図12、図13に示した従来技術と同様の構成及び作用については、説明を一部省略する。   The best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be specifically described with reference to the drawings. Note that a part of the description of the same configuration and operation as those of the prior art shown in FIGS.

[第1の実施形態…図1〜3]
[構成]
まず、第1の実施形態を、図1〜図3を参照して説明する。本実施形態は、図1に示すように、基本的な構成は図13に示した従来技術と同様であり、セル1の積層体11(図12参照)の周囲に、複数のマニホールドが配設されている。各マニホールドは、燃料極流路板5の燃料極流路10へ燃料ガスを流通させる燃料極入口マニホールド6及び燃料極出口マニホールド7、図示しない酸化剤極流路板の酸化剤極流路へ酸化剤ガスを流通させる酸化剤極入口マニホールド8及び酸化剤極出口マニホールド9として構成されている。
[First embodiment: FIGS. 1 to 3]
[Constitution]
First, a first embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, this embodiment has the same basic configuration as the prior art shown in FIG. 13, and a plurality of manifolds are arranged around the stacked body 11 of the cell 1 (see FIG. 12). Has been. Each manifold is oxidized to a fuel electrode inlet manifold 6 and a fuel electrode outlet manifold 7 for allowing fuel gas to flow to the fuel electrode flow channel 10 of the fuel electrode flow channel plate 5 and an oxidant electrode flow channel of an oxidant electrode flow channel plate (not shown). An oxidant electrode inlet manifold 8 and an oxidant electrode outlet manifold 9 through which the agent gas flows are configured.

ここで、酸化剤極入口マニホールド8は積層体11の上部に、酸化剤極出口マニホールド9は積層体11の下部に位置している。一方、燃料極入口マニホールド6、燃料極出口マニホールド7は、積層体11の両脇の流路板に接する位置に設けられ、セル1の積層方向に対して、垂直方向に相対する位置に配置されている。   Here, the oxidant electrode inlet manifold 8 is located in the upper part of the laminated body 11, and the oxidant electrode outlet manifold 9 is located in the lower part of the laminated body 11. On the other hand, the fuel electrode inlet manifold 6 and the fuel electrode outlet manifold 7 are provided at positions that are in contact with the flow path plates on both sides of the stacked body 11, and are disposed at positions that are perpendicular to the stacking direction of the cells 1. ing.

そして、本実施形態においては、燃料極出口マニホールド7の内部に、以下のような構造上の特徴がある。すなわち、図2に示すように、燃料極出口マニホールド7の内側面70は、セル1の積層体11の側面に相対している。そして、燃料極出口マニホールド7の内部の天板には、積層体11から内側面70に向けて、下向きとなる傾斜がつけられた傾斜部71が設けられている。   In the present embodiment, the fuel electrode outlet manifold 7 has the following structural features. That is, as shown in FIG. 2, the inner side surface 70 of the fuel electrode outlet manifold 7 is opposed to the side surface of the stacked body 11 of the cell 1. The top plate inside the fuel electrode outlet manifold 7 is provided with an inclined portion 71 that is inclined downward from the laminated body 11 toward the inner surface 70.

[作用]
以上のような構成を有する本実施形態の作用は、以下の通りである。まず、本実施形態のような燃料電池の内部において、凝縮水が発生する際の一般的なメカニズムを述べる。すなわち、単位セルは、電気化学反応に伴い発熱する。そして、例えば、固体高分子形燃料電池では、固体高分子膜の耐熱性を考慮して、通常は冷却水等により単位セル内温度を70℃〜80℃程度に保持している。
[Action]
The operation of the present embodiment having the above-described configuration is as follows. First, a general mechanism when condensed water is generated inside the fuel cell as in this embodiment will be described. That is, the unit cell generates heat with the electrochemical reaction. For example, in a polymer electrolyte fuel cell, in consideration of the heat resistance of the polymer electrolyte membrane, the unit cell temperature is usually maintained at about 70 ° C. to 80 ° C. with cooling water or the like.

一方、マニホールドの外壁は、外気あるいは燃料電池が組み込まれたパッケージ内と同じ温度となる。このため、マニホールドの内壁と外壁とでは、内壁の温度が高く、外壁の温度が低いという温度差が生じている。   On the other hand, the outer wall of the manifold is at the same temperature as the outside air or inside the package in which the fuel cell is incorporated. For this reason, there is a temperature difference between the inner wall and the outer wall of the manifold where the temperature of the inner wall is high and the temperature of the outer wall is low.

ここで、燃料極出口マニホールド若しくは酸化剤極出口マニホールド(以下、出口マニホールドとする)には、セル内の燃料極流路、酸化剤極流路を通過した燃料ガス若しくは酸化剤ガスが排出される。セル内は、セルの内部に挟持されている電解質膜を加湿するため、あるいは電気化学反応により水が生成することから、燃料ガスあるいは酸化剤ガスが、燃料極流路あるいは酸化剤極流路から出口マニホールドに排出される際には、相対湿度がほぼ100%の状態となっている。   Here, the fuel gas or the oxidant gas that has passed through the fuel electrode channel and the oxidant electrode channel in the cell is discharged to the fuel electrode outlet manifold or the oxidant electrode outlet manifold (hereinafter referred to as the outlet manifold). . In the cell, water is generated by humidifying the electrolyte membrane sandwiched inside the cell or by an electrochemical reaction, so that the fuel gas or oxidant gas flows from the fuel electrode channel or oxidant electrode channel. When discharged to the outlet manifold, the relative humidity is almost 100%.

その結果、出口マニホールドの内壁においては、燃料ガス若しくは酸化剤ガス中に含まれる水分が凝縮することになる。このように凝縮されて発生した水滴は、運転を継続することで徐々に成長する。そして、出口マニホールドの天板に形成された水滴は、やがて重力の影響で地板へと移動するが、この水滴が、次のような問題を生じさせる。   As a result, moisture contained in the fuel gas or the oxidant gas is condensed on the inner wall of the outlet manifold. The water droplets thus generated by condensation gradually grow as the operation continues. The water droplets formed on the top plate of the outlet manifold eventually move to the ground plate due to the influence of gravity, but the water droplets cause the following problems.

例えば、図3の従来技術(白矢印は燃料ガスの流通方向)に示すように、水滴Wは直接滴下するか、セル1の積層面やこれと相対して接する燃料極出口マニホールド7の内面を伝わって地板に到達する。特に、セル1の積層面を伝わった場合、水滴Wによって燃料極流路10若しくは酸化剤ガス流路が閉塞されることとなり、一時的に燃料ガス若しくは酸化剤ガスの流通が遮断される場合が生じる。   For example, as shown in the prior art in FIG. 3 (the white arrow indicates the fuel gas flow direction), the water droplets W are dropped directly, or the laminated surface of the cells 1 and the inner surface of the fuel electrode outlet manifold 7 that is in contact with the cell 1 It reaches and reaches the main plate. In particular, when traveling through the laminated surface of the cell 1, the fuel electrode channel 10 or the oxidant gas channel is blocked by the water droplets W, and the flow of the fuel gas or oxidant gas may be temporarily interrupted. Arise.

しかし、本実施形態においては、図2に示すように、燃料極出口マニホールド7の天板に、内側面70に向かって下降する傾斜部71が設けられている。このため、天板に形成された水滴Wは、セル1の積層面側へ流れることなく、この積層面と対向する燃料極出口マニホールド7の内壁を通過する。また、燃料極出口マニホールド7は、セル1の流路板と接しているため、セル1側の水滴Wも、傾斜部71を伝って内側面70を下降する。その結果、セル1における燃料極流路10若しくは酸化剤極流路の閉塞を防止することが可能となる。   However, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the top plate of the fuel electrode outlet manifold 7 is provided with an inclined portion 71 that descends toward the inner surface 70. For this reason, the water droplets W formed on the top plate pass through the inner wall of the fuel electrode outlet manifold 7 facing the stacked surface without flowing to the stacked surface side of the cell 1. Further, since the fuel electrode outlet manifold 7 is in contact with the flow path plate of the cell 1, the water droplet W on the cell 1 side also moves down the inner surface 70 along the inclined portion 71. As a result, the fuel electrode channel 10 or the oxidant electrode channel in the cell 1 can be prevented from being blocked.

[効果]
以上のような本実施形態によれば、燃料極出口マニホールド7の天板に傾斜部71を設けることによって、セル1の積層面への水滴の流れとこれによるガス流通の阻害を防止できる。その結果、反応ガスの流量が各セル1にほぼ均一に流れるので、特定のセル1が反応ガスの欠乏によって損傷することが防止され、高性能で耐久性のある燃料電池を構成できる。
[effect]
According to the present embodiment as described above, by providing the inclined portion 71 on the top plate of the fuel electrode outlet manifold 7, it is possible to prevent the flow of water droplets on the stacked surface of the cells 1 and the hindrance to the gas flow. As a result, the flow rate of the reaction gas flows almost uniformly in each cell 1, so that the specific cell 1 is prevented from being damaged by the lack of the reaction gas, and a high-performance and durable fuel cell can be configured.

[第2の実施形態…図4、図5]
[構成]
本発明の第2の実施形態を、図4及び図5を参照して説明する。本実施形態は、基本的には上記の第1の実施形態と同様の構成であるが、燃料極出口マニホールド7が、リターンマニホールドとして構成されている場合の態様である。すなわち、例えば、燃料ガスは、セル1における電気化学反応と共に、水素のみが消費され、その他の成分は消費されない。従って、燃料極流路10が後流になるに従って、水素濃度は低くなる。
[Second Embodiment: FIGS. 4 and 5]
[Constitution]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The present embodiment is basically the same configuration as that of the first embodiment, but is an aspect in the case where the fuel electrode outlet manifold 7 is configured as a return manifold. That is, for example, the fuel gas, together with the electrochemical reaction in the cell 1, consumes only hydrogen and does not consume other components. Therefore, the hydrogen concentration decreases as the fuel electrode flow path 10 becomes the wake.

そこで、本実施形態においては、図4及び図5に示すように、燃料極入口マニホールド6の内部に仕切り61を設けることにより、一つのマニホールドで入口マニホールドと出口マニホールドの両方の機能を持たせている。他方の燃料極出口マニホールド7は、セル1の燃料極流路10から排出された燃料ガスを、一旦合流させた後、その燃料ガスが排出された燃料極流路10とは異なる燃料極流路10に供給するように、燃料ガスをリターンさせるリターンマニホールドとなっている。   Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, by providing a partition 61 inside the fuel electrode inlet manifold 6, a single manifold can have both functions of an inlet manifold and an outlet manifold. Yes. The other fuel electrode outlet manifold 7 is a fuel electrode flow path different from the fuel electrode flow path 10 from which the fuel gas discharged from the fuel electrode flow path 10 of the cell 1 is once joined and then discharged. 10 is a return manifold for returning the fuel gas so as to supply the fuel gas.

このようにリターンマニホールドとして構成された燃料極出口マニホールド7の天板には、上記の第1の実施形態と同様に、積層体11から内側面70に向けて、下向きとなる傾斜がつけられた傾斜部71が設けられている。   In this way, the top plate of the fuel electrode outlet manifold 7 configured as a return manifold is inclined downward from the stacked body 11 toward the inner surface 70 as in the first embodiment. An inclined portion 71 is provided.

[作用]
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、リターンマニホールドとして構成された燃料極出口マニホールド7の天板に、傾斜部71が設けられているので、上記の第1の実施形態と同様に、天板に形成された水滴が、セル1の積層面を通過せず、セル1の積層面と対向する燃料極出口マニホールド7の内面を伝って地板に到達する。
[Action]
The operation of the present embodiment as described above is as follows. That is, since the inclined portion 71 is provided on the top plate of the fuel electrode outlet manifold 7 configured as a return manifold, the water droplets formed on the top plate are transferred to the cell 1 as in the first embodiment. Without passing through the laminated surface of the cell 1, it reaches the ground plane through the inner surface of the fuel electrode outlet manifold 7 facing the laminated surface of the cells 1.

[効果]
以上のような本実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、セル1の損傷を防止して高性能で耐久性のある燃料電池を構成できるとともに、リターンマニホールドを利用して燃料ガスを効率良く流通させることが可能となる。
[effect]
According to the present embodiment as described above, similarly to the first embodiment, the cell 1 can be prevented from being damaged, and a high-performance and durable fuel cell can be configured. Can be distributed efficiently.

[第3の実施形態…図6]
[構成]
本発明の第3の実施形態を、図6を参照して説明する。本実施形態は、図6に示すように、セル1における流路板80(燃料極流路板若しくは酸化剤極流路板)とマニホールド81とを一体的に形成した、いわゆる内部マニホールド構造としたものである。すなわち、流路板80には、蛇行した流路82が形成されており、その流路82の両端に、セル1の積層方向に対する断面が半楕円形の穴であるマニホールド81が設けられている。このように、マニホールド81の断面が半楕円形となっているため、マニホールド81の内部の天井が、流路82側から外側にかけて下向きとなる傾斜部となっている。
[Third Embodiment ... FIG. 6]
[Constitution]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6, the present embodiment has a so-called internal manifold structure in which a flow path plate 80 (fuel electrode flow path plate or oxidant electrode flow path plate) and a manifold 81 in the cell 1 are integrally formed. Is. That is, a meandering flow path 82 is formed in the flow path plate 80, and manifolds 81 each having a semi-elliptical cross section with respect to the stacking direction of the cells 1 are provided at both ends of the flow path 82. . Thus, since the cross section of the manifold 81 is semi-elliptical, the ceiling inside the manifold 81 is an inclined portion that faces downward from the flow path 82 side to the outside.

[作用]
以上のような構成を有する本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、積層された各セル1における流路板80が連なることにより、連続したマニホールド81の空間が形成されるが、その断面が半楕円形であり、天井が傾斜部となるため、マニホールド81の上部から下部に水滴が滴下する場合に、流路82側に流れてガス流通を阻害することがない。
[Action]
The operation of the present embodiment having the above-described configuration is as follows. That is, a continuous manifold 81 space is formed by connecting the flow path plates 80 in each of the stacked cells 1, but the cross section is semi-elliptical and the ceiling is an inclined portion. When a water droplet drops from the upper part to the lower part, it does not flow to the flow channel 82 side and obstruct gas flow.

[効果]
以上のような本実施形態によれば、流路82とマニホールド81とが一体化した流路板80を用いた積層体においても、ガス流通を阻害する水滴の流入を防止できるので、上記の第1の実施形態と同様に、セル1の損傷を防止して高性能で耐久性のある燃料電池を構成できるとともに、小型、省スペース化を実現できる。
[effect]
According to the present embodiment as described above, in the laminated body using the flow path plate 80 in which the flow path 82 and the manifold 81 are integrated, it is possible to prevent the inflow of water droplets that hinder gas flow. As in the first embodiment, the high-performance and durable fuel cell can be configured by preventing the cell 1 from being damaged, and a small size and space saving can be realized.

[第4の実施形態…図7]
[構成]
本発明の第4の実施形態を、図7を参照して説明する。本実施形態は、図7(A)に示すように、基本的には、上記の第2の実施形態と同様の構成であり、燃料極出口マニホールド7がリターンマニホールドとして構成され、燃料極入口マニホールド6の内部に仕切り61が設けられている。
[Fourth Embodiment ... FIG. 7]
[Constitution]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7A, this embodiment basically has the same configuration as that of the second embodiment described above, and the fuel electrode outlet manifold 7 is configured as a return manifold. A partition 61 is provided inside 6.

但し、本実施形態においては、図7(A)〜(C)に示すように、燃料極出口マニホールド7の傾斜部71から内側面70にかけて、鉛直方向に、複数条の溝72が形成されている。   However, in the present embodiment, as shown in FIGS. 7A to 7C, a plurality of grooves 72 are formed in the vertical direction from the inclined portion 71 to the inner side surface 70 of the fuel electrode outlet manifold 7. Yes.

[作用]
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、運転を継続するに従って、セル1の側面と対向する燃料極出口マニホールド7の傾斜部71及び内側面70に、水滴が凝縮していく。この水滴は、鉛直方向の溝72に入ることにより下方への流れが促進されるので、内壁に付着したまま大きく成長することはなく、早期に底面に達する。
[Action]
The operation of the present embodiment as described above is as follows. That is, as the operation is continued, water droplets are condensed on the inclined portion 71 and the inner side surface 70 of the fuel electrode outlet manifold 7 facing the side surface of the cell 1. Since the water droplets are promoted to flow downward by entering the vertical grooves 72, they do not grow greatly while attached to the inner wall, and reach the bottom surface early.

[効果]
以上のような本実施形態によれば、第2の実施形態と同様の効果が得られるとともに、凝縮した水滴の流れが溝72によって促進されるので、凝縮水のセル1の積層面への流入が、より確実に防止される。
[effect]
According to the present embodiment as described above, the same effect as that of the second embodiment is obtained, and the flow of condensed water droplets is promoted by the groove 72. Is more reliably prevented.

[第5の実施形態…図8、図9]
[構成]
本発明の第5の実施形態を、図8、図9を参照して説明する。本実施形態は、図8、図9に示すように、基本的には、上記の第2の実施形態と同様の構成であり、燃料極出口マニホールド7がリターンマニホールドとして構成され、燃料極入口マニホールド6の内部に仕切り61が設けられている。
[Fifth Embodiment: FIGS. 8 and 9]
[Constitution]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 8 and 9, the present embodiment basically has the same configuration as that of the second embodiment described above, and the fuel electrode outlet manifold 7 is configured as a return manifold. A partition 61 is provided inside 6.

但し、本実施形態においては、燃料極出口マニホールド7の外壁に、保温若しくは加熱するための手段が設けられている。例えば、図8は、保温材73を設けたもの、図9は、ヒータ74を設置したものである。   However, in the present embodiment, a means for keeping warm or heating is provided on the outer wall of the fuel electrode outlet manifold 7. For example, FIG. 8 shows a case where a heat insulating material 73 is provided, and FIG. 9 shows a case where a heater 74 is installed.

[作用]
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、燃料極出口マニホールド7の外壁に保温材73あるいはヒータ74を設置することにより、燃料極出口マニホールド7の外壁の温度を上げることができる。従って、セル1により高温となる燃料極出口マニホールド7の内壁の温度に、外壁の温度を近づけて、両者の温度差を小さくすることができるので、内部における水分の成長を抑制する作用が得られる。
[Action]
The operation of the present embodiment as described above is as follows. That is, by installing the heat insulating material 73 or the heater 74 on the outer wall of the fuel electrode outlet manifold 7, the temperature of the outer wall of the fuel electrode outlet manifold 7 can be increased. Therefore, since the temperature of the outer wall can be made closer to the temperature of the inner wall of the fuel electrode outlet manifold 7 that is heated by the cell 1 and the temperature difference between the two can be reduced, an effect of suppressing moisture growth inside can be obtained. .

[効果]
以上のような本実施形態によれば、第2の実施形態と同様の効果が得られるとともに、燃料極出口マニホールド7の内部での水分の凝縮を抑制できるので、凝縮水のセル1の積層面への流入が、より確実に防止される。
[effect]
According to the present embodiment as described above, the same effects as those of the second embodiment can be obtained and the condensation of moisture inside the fuel electrode outlet manifold 7 can be suppressed. Inflow to the water is more reliably prevented.

[第6の実施形態…図10]
[構成]
本発明の第6の実施形態を、図10を参照して説明する。本実施形態は、図10に示すように、基本的には、上記の第2の実施形態と同様の構成であり、燃料極出口マニホールド7がリターンマニホールドとして構成され、燃料極入口マニホールド6の内部に仕切り61が設けられている。
[Sixth Embodiment ... FIG. 10]
[Constitution]
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 10, this embodiment is basically the same configuration as that of the second embodiment described above, and the fuel electrode outlet manifold 7 is configured as a return manifold. A partition 61 is provided.

但し、本実施形態においては、燃料極出口マニホールド7の底板に穴が形成され、これにドレンポート75が設けられている。このドレンポート75は、燃料極出口マニホールド7の内部に凝縮して下降してきた水分を、外部に排出する排出口である。   However, in this embodiment, a hole is formed in the bottom plate of the fuel electrode outlet manifold 7, and a drain port 75 is provided in the hole. The drain port 75 is a discharge port that discharges moisture that has been condensed and lowered inside the fuel electrode outlet manifold 7 to the outside.

[作用]
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、運転を継続するに従って、燃料極出口マニホールド7の傾斜部71及び内側面70に、水滴が凝縮していく。この水滴は、傾斜部71及び内側面70を伝って底板に達するが、底板に設けられたドレンポート75を介して、積層体11の外部に円滑に排出される。
[Action]
The operation of the present embodiment as described above is as follows. That is, as the operation is continued, water droplets are condensed on the inclined portion 71 and the inner side surface 70 of the fuel electrode outlet manifold 7. The water droplets reach the bottom plate along the inclined portion 71 and the inner side surface 70, but are smoothly discharged to the outside of the stacked body 11 through the drain port 75 provided on the bottom plate.

[効果]
以上のような本実施形態によれば、第2の実施形態と同様の効果が得られるとともに、凝縮した水滴の排出がドレンポート75によって促進されるので、凝縮水のセル1の積層面への流入が、より確実に防止される。
[effect]
According to the present embodiment as described above, the same effect as that of the second embodiment can be obtained, and the drainage of the condensed water droplets is promoted by the drain port 75. Inflow is more reliably prevented.

[第7の実施形態…図11]
[構成]
本発明の第7の実施形態を、図11を参照して説明する。本実施形態は、基本的には、図11に示すように、上記の第2の実施形態と同様の構成であり、燃料極出口マニホールド7がリターンマニホールドとして構成され、燃料極入口マニホールド6の内部に仕切り61が設けられている。
[Seventh Embodiment ... FIG. 11]
[Constitution]
A seventh embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 11, this embodiment basically has the same configuration as that of the second embodiment described above, and the fuel electrode outlet manifold 7 is configured as a return manifold. A partition 61 is provided.

但し、本実施形態においては、燃料極出口マニホールド7の内部に傾斜部を設けるのではなく、セル1を構成する流路板90が、積層体11における燃料極出口マニホールド7に向かう側面が下向きの傾斜となるように、台形状をなしている。つまり、流路板90及びこれが積層された積層体11の水平方向断面積が、上部に行くほど大きく、下部に行くほど小さくなっている。また、燃料極出口マニホールド7は、積層体11の側面に合せて傾斜配置されている。   However, in this embodiment, the inclined portion is not provided inside the fuel electrode outlet manifold 7, but the flow path plate 90 constituting the cell 1 has a side surface facing the fuel electrode outlet manifold 7 in the stacked body 11 facing downward. It has a trapezoidal shape so as to be inclined. That is, the horizontal direction cross-sectional area of the flow path plate 90 and the laminated body 11 on which the flow path plate 90 is laminated is larger as it goes upward and becomes smaller as it goes downward. Further, the fuel electrode outlet manifold 7 is disposed in an inclined manner in accordance with the side surface of the stacked body 11.

[作用]
以上のような本実施形態の作用は、以下の通りである。すなわち、リターンマニホールドとして構成された燃料極出口マニホールド7が、積層体11の傾斜面に合せて傾斜配置されているので、その天井が傾斜部となる。このため、天板に形成された水滴が、セル1の積層面を通過せず、セル1の積層面と対向する燃料極出口マニホールド7の内面を伝って地板に到達する。
[Action]
The operation of the present embodiment as described above is as follows. That is, since the fuel electrode outlet manifold 7 configured as a return manifold is inclined and arranged in accordance with the inclined surface of the stacked body 11, the ceiling is an inclined portion. For this reason, water droplets formed on the top plate do not pass through the stacked surface of the cells 1, but reach the ground plane through the inner surface of the fuel electrode outlet manifold 7 facing the stacked surface of the cells 1.

[効果]
以上のような本実施形態によれば、燃料極出口マニホールド7の天井の傾斜部によって、第2の実施形態と同様の効果が得られるとともに、水滴がガス流路に流入する可能性のある箇所を、電池本体から離隔させることができるので、水滴の流入による弊害をより一層確実に防止することが可能となる。
[effect]
According to the present embodiment as described above, the same effect as that of the second embodiment can be obtained by the inclined portion of the ceiling of the fuel electrode outlet manifold 7, and water drops can flow into the gas flow path. Can be separated from the battery body, so that it is possible to more reliably prevent the adverse effects caused by the inflow of water droplets.

[他の実施形態]
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、第1の実施形態においては、燃料極出口マニホールドの天板について、傾斜部を設けた例を示したが、燃料極入口マニホールについても、燃料極入口マニホールドに供給される燃料ガスがセル温度よりも高く、その露点が燃料入口ガスマニホールド温度よりも高い場合には、天板に水滴が形成され、セルの積層面を伝って地板に滴下する際、セルへのガスの流れを遮断する。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the embodiment as described above. For example, in the first embodiment, an example in which the inclined portion is provided on the top plate of the fuel electrode outlet manifold has been shown. However, also in the fuel electrode inlet manifold, the fuel gas supplied to the fuel electrode inlet manifold is the cell temperature. If the dew point is higher than the fuel inlet gas manifold temperature, water droplets are formed on the top plate, and the flow of gas to the cells is blocked when dropping on the ground plate through the cell stacking surface.

従って、燃料極入口マニホールドに対しても、天板に傾斜部を設けることによって、セルへの水滴の流入を防止してもよい。さらに、第2、第4、第5、第6及び第7の実施形態の燃料極入口マニホールドにおける仕切りに傾斜部を設けてもよい。   Therefore, the inflow of water droplets to the cells may be prevented by providing an inclined portion on the top plate for the fuel electrode inlet manifold. Furthermore, you may provide an inclination part in the partition in the fuel electrode inlet manifold of 2nd, 4th, 5th, 6th, and 7th embodiment.

また、酸化剤極入口マニホールド及び酸化剤極出口マニホールドが、積層体の両脇に配置されている場合には、同様に天板に形成された水滴により、酸化剤の流通が遮断されることから、燃料極入口マニホールドあるいは酸化剤マニホールドに傾斜部を設けることで、上記と同様な効果が得られる。燃料極入口マニホールドあるいは酸化剤マニホールドに仕切り部を設けた場合にも、これに傾斜部を設けることができる。   Further, when the oxidant electrode inlet manifold and the oxidant electrode outlet manifold are arranged on both sides of the laminated body, the flow of the oxidant is similarly blocked by water droplets formed on the top plate. By providing the inclined portion in the fuel electrode inlet manifold or the oxidant manifold, the same effect as described above can be obtained. Even when the partition portion is provided in the fuel electrode inlet manifold or the oxidant manifold, the inclined portion can be provided in the partition portion.

また、第3の実施形態では、積層方向のマニホールド断面を半楕円形としているが、この形状には限定されない。つまり、セル積層面側から相対するマニホールド内面に向けて、流路板の断面積が小さくなるような傾斜を設ければ、同様な効果が得られる。また、上記の各実施形態において、マニホールド内壁に、撥水性を持たせるコーティング(例えば、フッ素樹脂加工など)を施すことによって、水滴の流れや排出をより一層促進させることができる。   In the third embodiment, the manifold cross section in the stacking direction is a semi-elliptical shape, but the shape is not limited to this. That is, the same effect can be obtained by providing an inclination that reduces the cross-sectional area of the flow path plate from the cell stacking surface side toward the opposing manifold inner surface. In each of the above embodiments, the flow and discharge of water droplets can be further promoted by applying a coating (for example, fluororesin processing) that imparts water repellency to the inner wall of the manifold.

また、第5の実施形態においては、リターンマニホールドのみに保温材あるいはヒータを取り付けているが、燃料極や酸化剤極の入口マニホールドあるいは出口マニホールドに保温材やヒータを取り付けても同様の効果が得られる。さらに、第7の実施形態においては、リターンマニホールドのみにドレンポートを設置しているが、燃料極や酸化剤極の入口マニホールドあるいは出口マニホールドにドレンポートを設置しても同様の効果が得られる。   In the fifth embodiment, the heat insulating material or the heater is attached only to the return manifold, but the same effect can be obtained by attaching the heat insulating material or the heater to the inlet manifold or the outlet manifold of the fuel electrode or the oxidizer electrode. It is done. Furthermore, in the seventh embodiment, the drain port is installed only in the return manifold, but the same effect can be obtained by installing the drain port in the inlet manifold or outlet manifold of the fuel electrode or oxidant electrode.

本発明の燃料電池の第1の実施形態における垂直断面図。1 is a vertical sectional view of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. 図1の実施形態における燃料極出口マニホールド内部を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing the inside of a fuel electrode outlet manifold in the embodiment of FIG. 1. 従来の燃料電池の燃料極出口マニホールド内部を示す斜視図。The perspective view which shows the inside of the fuel electrode exit manifold of the conventional fuel cell. 本発明の燃料電池の第2の実施形態における垂直断面図。The vertical sectional view in the 2nd embodiment of the fuel cell of the present invention. 図4の実施形態の斜視図。FIG. 5 is a perspective view of the embodiment of FIG. 4. 本発明の燃料電池の第3の実施形態における流路板を示す平面図。The top view which shows the flow-path board in 3rd Embodiment of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の第4の実施形態を示す斜視図(A)、燃料極出口マニホールドの垂直断面図(B)、燃料極出口マニホールドの斜視図(C)。The perspective view (A) which shows 4th Embodiment of the fuel cell of this invention, the vertical sectional view (B) of a fuel electrode outlet manifold, and the perspective view (C) of a fuel electrode outlet manifold. 本発明の燃料電池の第5の実施形態における保温材を用いた例を示す垂直断面図。The vertical sectional view which shows the example using the heat insulating material in 5th Embodiment of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の第5の実施形態におけるヒータを用いた例を示す垂直断面図。The vertical sectional view showing the example using the heater in a 5th embodiment of the fuel cell of the present invention. 本発明の燃料電池の第6の実施形態を示す垂直断面図。The vertical sectional view showing the 6th embodiment of the fuel cell of the present invention. 本発明の燃料電池の第7の実施形態を示す斜視図。The perspective view which shows 7th Embodiment of the fuel cell of this invention. 従来の燃料電池の一例を示す垂直断面図。The vertical sectional view showing an example of the conventional fuel cell. 図12の燃料電池を構成するマニホールドを示す垂直断面図。FIG. 13 is a vertical sectional view showing a manifold constituting the fuel cell of FIG. 12.

符号の説明Explanation of symbols

1…セル
2…集電板
3…締付板
4…スタッド
5…燃料極流路板
6…燃料極入口マニホールド
7…燃料極出口マニホールド
8…酸化剤極入口マニホールド
9…酸化剤極出口マニホールド
10…燃料極流路
11…積層体
61…仕切り
70…内側面
71…傾斜部
72…溝
73…保温材
74…ヒータ
75…ドレンポート
80…流路板
81…マニホールド
82…流路
90…流路板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cell 2 ... Current collecting plate 3 ... Fastening plate 4 ... Stud 5 ... Fuel electrode flow path plate 6 ... Fuel electrode inlet manifold 7 ... Fuel electrode outlet manifold 8 ... Oxidant electrode inlet manifold 9 ... Oxidant electrode outlet manifold 10 ... Fuel electrode flow path 11 ... Laminate body 61 ... Partition 70 ... Inner surface 71 ... Inclined portion 72 ... Groove 73 ... Insulating material 74 ... Heater 75 ... Drain port 80 ... Channel plate 81 ... Manifold 82 ... Channel 90 ... Flow path Board

Claims (10)

電解質膜と、前記電解質膜の両面にそれぞれ配置した燃料極および酸化剤極と、前記燃料極及び前記酸化剤極に反応ガスを供給する流路を構成する流路板とを備えたセルが、少なくとも1枚以上積層された燃料電池において、
前記燃料電池の側部には、前記セルの流路に反応ガスを流通させるマニホールドが、複数設けられ、
前記マニホールドのうち少なくとも1つ以上が、前記流路板の流路から水平方向に反応ガスが流入するように、前記燃料電池の側部に配置され、
このマニホールドの内部の天井部には、セルの流路の出口から離れるに従って下方に向かう傾斜が付けられていることを特徴とする燃料電池。
A cell comprising an electrolyte membrane, a fuel electrode and an oxidant electrode respectively disposed on both surfaces of the electrolyte membrane, and a flow path plate constituting a flow path for supplying a reaction gas to the fuel electrode and the oxidant electrode, In a fuel cell in which at least one sheet is laminated,
On the side of the fuel cell, there are provided a plurality of manifolds for circulating a reaction gas through the flow path of the cell,
At least one of the manifolds is disposed on the side of the fuel cell so that the reaction gas flows in a horizontal direction from the flow path of the flow path plate,
The fuel cell according to claim 1, wherein an inclination toward the lower side is attached to a ceiling portion inside the manifold as the distance from the outlet of the cell flow path is increased.
前記流路板は、前記燃料極に燃料ガスを供給するための燃料極流路を有する燃料極流路板と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極流路を有する酸化剤極流路板とを有し、
前記マニホールドは、前記燃料極流路に燃料ガスを供給するための燃料極入口マニホールドと、前記酸化剤極流路に酸化剤ガスを供給するための酸化剤極入口マニホールドと、前記燃料極流路からの燃料ガスを排出する燃料極出口マニホールドと、前記酸化剤極流路からの酸化剤ガスを排出する酸化剤極出口マニホールドとを有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
The flow path plate has a fuel electrode flow path plate having a fuel electrode flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode, and an oxidant electrode flow path for supplying oxidant gas to the oxidant electrode. An oxidant electrode flow path plate,
The manifold includes a fuel electrode inlet manifold for supplying fuel gas to the fuel electrode channel, an oxidant electrode inlet manifold for supplying oxidant gas to the oxidant electrode channel, and the fuel electrode channel. 2. The fuel cell according to claim 1, further comprising: a fuel electrode outlet manifold that discharges fuel gas from the oxidant electrode; and an oxidant electrode outlet manifold that discharges oxidant gas from the oxidant electrode flow path.
前記マニホールドは、前記流路から排出された反応ガスを合流させた後、当該流路とは異なる流路に、当該反応ガスを供給するリターンマニホールドを有し、
前記リターンマニホールドの内部の天井部に、前記傾斜が付けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の燃料電池。
The manifold has a return manifold for supplying the reaction gas to a flow path different from the flow path after the reaction gas discharged from the flow path is merged,
3. The fuel cell according to claim 1, wherein the slope is attached to a ceiling portion inside the return manifold.
前記マニホールドが前記流路板と一体となっていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the manifold is integrated with the flow path plate. 前記マニホールドが前記流路板に接するように取り付けられていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the manifold is attached so as to be in contact with the flow path plate. 前記マニホールドには、その内側表面に溝が付けられていることを特徴とする請求項1〜3,5のいずれか1項に記載の燃料電池。 The manifold, the fuel cell according to any one of claims 1 to 3 and 5, characterized in that a groove is attached to an inner surface thereof. 前記マニホールドは、保温性の高い材料を用いて構成されていることを特徴とする請求項1〜3,5,6のいずれか1項に記載の燃料電池。 The manifold, fuel cell according to any one of claims 1~3,5,6, characterized in that it is constructed using high insulation material. 前記マニホールドには、加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項1〜3,5〜7のいずれか1項に記載の燃料電池。 The manifold, the fuel cell according to any one of claims 1~3,5~7, characterized in that the heating means. 前記マニホールドには、液体の排出口が取り付けられていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池。 The manifold, the fuel cell according to any one of claims 1-8, characterized in that the outlet of the liquid are mounted. 前記流路板の水平方向断面積が上部に行くほど大きくなっていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9 , wherein a horizontal cross-sectional area of the flow path plate increases toward an upper portion.
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