JPH0660901A - Gas feeding structure for fuel cell - Google Patents
Gas feeding structure for fuel cellInfo
- Publication number
- JPH0660901A JPH0660901A JP4207961A JP20796192A JPH0660901A JP H0660901 A JPH0660901 A JP H0660901A JP 4207961 A JP4207961 A JP 4207961A JP 20796192 A JP20796192 A JP 20796192A JP H0660901 A JPH0660901 A JP H0660901A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- header
- cell
- manifold
- fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に係り、特に
内部マニホールド型にて各セルへ均一にガスを供給する
ガス供給構造に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to an internal manifold type gas supply structure for uniformly supplying gas to each cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池において、燃料ガス及び酸化剤
ガスを単位セルに供給する方式には種々の構造が採用さ
れている。図６は、内部マニホールド型燃料電池の斜視
図である。図に示されるように、単位セルを構成するセ
パレータ１１、電解質板１３の周辺部に燃料ガス及び酸
化剤ガスそれぞれを給排気する流路即ちマニホールド
が、通常は前記２種のガスの流れが直交するように穿設
されている。単位セルを複数個積層して形成される積層
セルスタックに前記２種のガスを供給・排出する場合、
その積層セルスタックの上下にガスを供給・排出するた
めのガスヘッダ４及び５を設ける。ガスヘッダ４、５は
通常、ガスヘッダの上あるいは下のいずれか一方に隣接
する積層セルスタックにガスを供給する構造となってい
る。2. Description of the Related Art In a fuel cell, various structures are adopted as a system for supplying a fuel gas and an oxidant gas to a unit cell. FIG. 6 is a perspective view of the internal manifold type fuel cell. As shown in the figure, the flow passages or manifolds for supplying / exhausting the fuel gas and the oxidant gas to the peripheral portions of the separator 11 and the electrolyte plate 13 which constitute the unit cell are usually arranged such that the flows of the two kinds of gas are orthogonal to each other. It has been drilled. When the above two kinds of gases are supplied to and discharged from a laminated cell stack formed by laminating a plurality of unit cells,
Gas headers 4 and 5 for supplying and discharging gas are provided above and below the laminated cell stack. The gas headers 4 and 5 usually have a structure for supplying gas to the stacked cell stack adjacent to either the upper side or the lower side of the gas header.
【０００３】しかし、セルの積層数が増加すると積層セ
ルスタックの上下に配したガスヘッダのみでこれらのガ
スを供給・排出すると、積層セルスタック内に形成され
るマニホールド流路内でのガス流速が大きくなり、各セ
ルに均一にガスを供給することが困難になってくる。However, when the number of stacked cells increases, if these gases are supplied and discharged only by the gas headers arranged above and below the stacked cell stack, the gas flow velocity in the manifold channel formed in the stacked cell stack becomes large. Therefore, it becomes difficult to uniformly supply gas to each cell.
【０００４】そこで、従来のガス供給構造としては特開
昭６３−２３６２７３号公報にあるように、積層セルス
タックの中間に中間ガスヘッダを配設し、上ガスヘッダ
及び下ガスヘッダから燃料ガス、あるいは、酸化剤ガス
のいずれか一方のガスを供給し、中間ガスヘッダからそ
の上下にある積層セルスタックに他方のガスを供給する
燃料電池のガス供給構造が用いられていた。Therefore, as a conventional gas supply structure, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-236273, an intermediate gas header is arranged in the middle of a laminated cell stack, and fuel gas or an oxidant is supplied from the upper gas header and the lower gas header. A gas supply structure of a fuel cell has been used in which one of the agent gases is supplied and the other gas is supplied from the intermediate gas header to the stacked cell stacks above and below the intermediate gas header.
【０００５】ここで従来の中間ガスヘッダは図７に示す
ように、積層セルスタック内に形成されているマニホー
ルド部分と一体となって内部マニホールドを構成するマ
ニホールド２、３部分を仕切板６で上下に分割し、中間
ガスヘッダの上下に隣接する積層セルにガスを供給する
構造となっている。Here, as shown in FIG. 7, the conventional intermediate gas header has a partition plate 6 to vertically move the manifolds 2 and 3 which form an internal manifold together with the manifold formed in the laminated cell stack. The structure is divided and gas is supplied to the stacked cells adjacent to the upper and lower sides of the intermediate gas header.
【０００６】燃料ガスを例にとり従来のガスの流れを図
５（ａ）で説明する。図５（ａ）に示された積層セルス
タックは、上ガスヘッダ４及び下ガスヘッダ５で構成さ
れた積層群が２段重ねになっている。燃料ガスはガスヘ
ッダ４、５から供給される。酸化剤ガスはガスヘッダ４
と５の間に配置された中間ガスヘッダ６から供給されて
いる。上ガスヘッダ４から供給されるガスは給気側マニ
ホールド２ａにおいて下向きに流れ、排気側マニホール
ド３ａでは上向きに流れる。また、下ガスヘッダから供
給されるガスは前記と逆向きの流れになる。このよう
に、給気側マニホールド２ａ内と、排気側マニホールド
３ａ内で流れが逆向きになるような構造を反流型のガス
供給構造という。A conventional gas flow will be described with reference to FIG. 5A, taking fuel gas as an example. In the laminated cell stack shown in FIG. 5A, a laminated group composed of the upper gas header 4 and the lower gas header 5 is laminated in two stages. Fuel gas is supplied from gas headers 4 and 5. Oxidizer gas is gas header 4
It is supplied from an intermediate gas header 6 arranged between the and. The gas supplied from the upper gas header 4 flows downward in the air supply side manifold 2a and flows upward in the exhaust side manifold 3a. Further, the gas supplied from the lower gas header flows in the opposite direction to the above. Such a structure in which the flow in the air supply side manifold 2a and the flow in the exhaust side manifold 3a are opposite to each other is called a countercurrent gas supply structure.
【０００７】ここで、燃料ガス及び酸化剤ガスは、セル
反応面で体積変化と、組成変化による密度変化が生ず
る。燃料ガス側では、給気側マニホールドに比べ、排気
側マニホールドを流れるガスは、炭酸ガスや水が主成分
で密度は高くなる。この結果、従来の反流型ガス給気構
造で、燃料ガスを積層セル上方から供給した場合は、ガ
スの密度差による循環力の影響により、積層電池の積層
上側のセルにガスが流れ易くなり、下側のセルにはガス
が流れにくくなる。また、酸化剤ガス側では、燃料ガス
とは逆に、給気側マニホールドに比べ、排気側マニホー
ルドを流れるガスの方が密度が低くなる。この結果、積
層下方から酸化剤ガスを供給する場合は、ガスの密度差
による循環力の影響により積層セルの積層下側のセルに
ガスが流れ易くなり、上側のセルにはガスが流れにくく
なる。Here, the fuel gas and the oxidant gas undergo a volume change on the cell reaction surface and a density change due to a composition change. On the fuel gas side, the gas flowing through the exhaust side manifold is mainly composed of carbon dioxide gas and water and has a higher density than the gas supply side manifold. As a result, in the conventional counter-current gas supply structure, when the fuel gas is supplied from above the stacked cell, the gas easily flows into the upper cell of the stacked battery due to the influence of the circulation force due to the difference in gas density. It becomes difficult for gas to flow to the lower cell. On the oxidant gas side, contrary to the fuel gas, the density of the gas flowing through the exhaust side manifold is lower than that of the gas supply side manifold. As a result, when the oxidant gas is supplied from below the stack, the gas easily flows into the cell below the stack of the stack cell due to the influence of the circulation force due to the difference in the density of the gas, and the gas does not easily flow into the cell above the stack. .
【０００８】また、燃料電池はその性能を向上するため
に加圧運転を行うが、反応ガスの圧力が高くなると、セ
ルの反応面でのガス流速が小さくなって圧力損失が小さ
くなり、そのため、流路抵抗による圧力損失に対する密
度差の影響が相対的に大きくなり、密度差による不均一
分散の度合が燃料電池の加圧運転下で大きくなり、積層
セル間での流量分布の不均一度が大きくなる。Further, the fuel cell is operated under pressure in order to improve its performance. When the pressure of the reaction gas becomes higher, the gas flow velocity at the reaction surface of the cell becomes smaller and the pressure loss becomes smaller. The influence of the density difference on the pressure loss due to the flow path resistance becomes relatively large, the degree of non-uniform dispersion due to the density difference becomes large under the pressurized operation of the fuel cell, and the non-uniformity of the flow rate distribution between the laminated cells becomes growing.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、電池
セル内での電気化学反応に伴う反応ガスの各セルの入口
と出口での密度変化によって、各セル間での流量分布の
不均一さが助長され、その影響は積層セル数が多くなる
ほど、また、運転圧力が高くなる程大きくなる。本発明
の目的は、燃料電池積層スタックの各セルへ配分される
燃料ガス及び酸化剤ガスの流量分布を改善するための燃
料電池のガス供給構造を提供することにある。As described above, the nonuniformity of the flow rate distribution between the cells due to the density change of the reaction gas due to the electrochemical reaction in the battery cells at the inlet and the outlet of each cell. Is promoted, and the effect thereof increases as the number of stacked cells increases and the operating pressure increases. An object of the present invention is to provide a gas supply structure of a fuel cell for improving the flow rate distribution of the fuel gas and the oxidant gas distributed to each cell of the fuel cell stack.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、単位セルの周辺部に燃料ガスと酸化剤ガスの給気及
び排気用流路を穿設して内部マニホールドを設けた内部
マニホールド型積層セルスタックと、前記内部マニホー
ルドの一部を形成し、かつ前記燃料ガスと酸化剤ガスを
前記積層セルスタックの内部マニホールドに供給及び排
出する複数のガスヘッダを具備し、該複数のガスヘッダ
が上部ガスヘッダと下部ガスヘッダと該上部ガスヘッダ
と下部ガスヘッダの間に少くとも１個の中間ガスヘッダ
を含んでなる燃料電池のガス供給構造において、前記中
間ガスヘッダの内部マニホールドが前記積層セルスタッ
クの内部マニホールドを連通していることを特徴とする
燃料電池のガス供給構造としたのである。In order to achieve the above object, an internal manifold type in which an internal manifold is provided by perforating fuel gas and oxidant gas supply and exhaust passages in the periphery of a unit cell A laminated cell stack and a plurality of gas headers forming a part of the internal manifold and supplying and discharging the fuel gas and the oxidant gas to and from the internal manifold of the laminated cell stack, the plurality of gas headers being an upper gas header. And a lower gas header, and at least one intermediate gas header between the upper gas header and the lower gas header, in a gas supply structure of a fuel cell, wherein the inner manifold of the intermediate gas header communicates with the inner manifold of the laminated cell stack. The gas supply structure of the fuel cell is characterized by
【００１１】前記中間ガスヘッダのマニホールド上下仕
切板を貫通する貫通管を具えることでも同様の結果がえ
られる。The same result can be obtained by providing a through pipe penetrating the upper and lower manifold partition plates of the intermediate gas header.
【００１２】[0012]
【作用】このように構成することにより、本発明によれ
ば次の作用により上記の目的が達成される。◆燃料ガス
と酸化剤ガスは、積層セルスタックの上部のガスヘッダ
と下部のガスヘッダと、両ガスヘッダの間に設置される
少くとも１個の中間ガスヘッダを経て供給される。この
両ガスにはそれぞれ別の流路が形成されている。With this structure, the above-mentioned object can be achieved by the present invention by the following operations. ◆ Fuel gas and oxidant gas are supplied through a gas header at the top and a gas header at the bottom of the laminated cell stack, and at least one intermediate gas header installed between the gas headers. Separate passages are formed for both gases.
【００１３】ガスは、ガスヘッダのマニホールドから積
層セルスタックのマニホールドへ流れ込み、そのあとマ
ニホールドから各セルへ分流してゆく。従来は積層セル
スタックのマニホールドは中間ガスヘッダで区切られて
おり、１個所のガスヘッダからガスを供給し他の１個所
のガスヘッダから排出すると各セルへのガス流量配分が
多少不均一となる。ガスはセルで反応したあと、供給側
と対称な逆の通路を通り、排出される。Gas flows from the manifold of the gas header into the manifold of the laminated cell stack, and then splits from the manifold into each cell. Conventionally, the manifold of the laminated cell stack is divided by an intermediate gas header, and when gas is supplied from one gas header and discharged from another gas header, the gas flow distribution to each cell becomes slightly uneven. After reacting in the cell, the gas is discharged through a passage opposite to the supply side.
【００１４】燃料電池では、供給されたガスは、化学反
応によりセルへの供給側と排出側で密度変化を生じるの
で、上側にあるガスヘッダから下向きにマニホールドへ
供給されて各セルへ分配されるガスは、ガスヘッダに近
いセルに多く流れ、反対に、下側にあるガスヘッダから
上向きにマニホールドへ供給されて各セルへ分配される
ときは、ガスヘッダに遠いセルに多くのガスが流れる。
従来の技術では、上述した２組のセルグループは他方の
ガスを供給するガスヘッダのマニホールドで仕切られて
いたので、流量は不均一になったままであった。In the fuel cell, the supplied gas causes a density change on the supply side and the discharge side of the cell due to a chemical reaction. Therefore, the gas supplied to the manifold downward from the gas header on the upper side and distributed to each cell. Of gas flows to cells near the gas header, and conversely, when gas is supplied to the manifold upward from the gas header on the lower side and distributed to each cell, a large amount of gas flows to cells far from the gas header.
In the conventional technique, the above-mentioned two cell groups are partitioned by the manifold of the gas header that supplies the other gas, so that the flow rate remains uneven.
【００１５】これに対し、前記中間ガスヘッダの内部マ
ニホールドの仕切を廃止し積層セルスタックの内部マニ
ホールドを、上から下まで連通させたのである。このよ
うにすることにより、隣合うガス流量の多いセルと少な
いセルのマニホールドが連通して、流量配分の不均一さ
が相殺され、各セルへのガス供給を改善することができ
る。On the other hand, the partition of the internal manifold of the intermediate gas header is eliminated and the internal manifold of the laminated cell stack is communicated from top to bottom. By doing so, the adjacent cells having a large gas flow rate and the cells having a small gas flow rate are communicated with each other, the nonuniformity of the flow rate distribution is offset, and the gas supply to each cell can be improved.
【００１６】[0016]
【実施例】以下、本発明の実施例を図により説明する。
図１は本発明の一実施例の構造とガスの流れを説明する
断面図であり、図１（ａ）は図６のＡーＡ´断面したも
ので、燃料ガスの流れを示し、図１（ｂ）は同様にＢー
Ｂ´断面したもので酸化剤ガスの流れを示している。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1 is a cross-sectional view for explaining the structure and gas flow of one embodiment of the present invention, and FIG. 1A is a cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG. 6, showing the flow of fuel gas. Similarly, (b) is a cross section taken along the line BB ′, showing the flow of the oxidant gas.
【００１７】図１（ａ）及び（ｂ）において、積層セル
スタックは単位セルを複数積層した積層セルスタックの
ブロック１ａ毎に中間ガスヘッダ６が挿入されている。
上部と下部には、下または上いずれか一方のみへガスを
流す上ガスヘッダ４、下ガスヘッダ５が配置されてい
る。1A and 1B, in the laminated cell stack, an intermediate gas header 6 is inserted in each block 1a of the laminated cell stack in which a plurality of unit cells are laminated.
An upper gas header 4 and a lower gas header 5 that allow gas to flow only to either the lower side or the upper side are arranged at the upper portion and the lower portion.
【００１８】この一実施例では、最下段に下ガスヘッダ
５を設け、積層セルスタックのブロック１ａを積層し、
次に酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ６を設置し、そ
の上にブロック１ａを積層したのち、燃料ガス供給用の
中間ガスヘッダ６を配置する。さらにその上部へブロッ
ク１ａと酸化剤ガス供給用の中間ガスヘッダ６とブロッ
ク１ａを積み上げたのち、上ガスヘッダ４を最後に設置
してある。これらのガスヘッダにはそれぞれ供給管７
ａ、７ｂと排出管８ａ、８ｂが設けられている。In this embodiment, the lower gas header 5 is provided at the lowermost stage, and the blocks 1a of the laminated cell stack are laminated,
Next, the intermediate gas header 6 for supplying the oxidant gas is installed, the block 1a is stacked on the intermediate gas header 6, and then the intermediate gas header 6 for supplying the fuel gas is arranged. Further, a block 1a, an intermediate gas header 6 for supplying an oxidant gas, and the block 1a are stacked on the upper part thereof, and then an upper gas header 4 is installed at the end. Each of these gas headers has a supply pipe 7
a, 7b and discharge pipes 8a, 8b are provided.
【００１９】図３（ａ）に、上記実施例で用いられた中
間ガスヘッダ６の一構造例を示す。ガスヘッダは燃料電
池の運転温度、電解質、燃料ガス、酸化剤ガスの雰囲気
に曝されるので化学的に、また積層セルスタックを保持
したり、締付るので機械的に、耐えるものでなくてはな
らないので、材料にはステンレス鋼などが用いられてい
る。このガスヘッダは燃料ガスマニホールド２ａ及び３
ａと、酸化剤ガスマニホールド２ｂ及び３ｂを形成する
楕円状のガス通路が、ボックス状外箱を貫通している構
造となっている。そして燃料ガス給気管７ａと燃料ガス
排出管８ａが、マニホールド２ａ及び３ａの側面に外部
から貫通して設けられている。この中間ガスヘッダ６は
燃料ガス用として記載したが、９０度水平に回転させれ
ば、酸化剤ガス用になることは明らかである。FIG. 3A shows an example of the structure of the intermediate gas header 6 used in the above embodiment. The gas header must be chemically resistant because it is exposed to the operating temperature of the fuel cell, the atmosphere of the electrolyte, fuel gas, and oxidant gas, and mechanically because it holds or clamps the laminated cell stack. Therefore, stainless steel or the like is used as the material. This gas header includes fuel gas manifolds 2a and 3
a and an elliptical gas passage forming the oxidant gas manifolds 2b and 3b penetrate the box-shaped outer box. A fuel gas supply pipe 7a and a fuel gas discharge pipe 8a are provided so as to penetrate the side surfaces of the manifolds 2a and 3a from the outside. Although the intermediate gas header 6 has been described as being for fuel gas, it is clear that if it is rotated 90 degrees horizontally, it will be for oxidant gas.
【００２０】図１（ａ）に示す燃料ガス側では燃料ガス
１６が、ガス供給管７ａから上ガスヘッダ４、下ガスヘ
ッダ５、中間ガスヘッダ６へ供給される。また、図１
（ｂ）の酸化剤ガス側では酸化剤ガス１８が、ガス供給
管７ｂから中間ガスヘッダ６へ供給される。燃料ガス及
び酸化剤ガスはそれぞれ給気側マニホールド２ａ及び２
ｂを通り、各セルに配分される。その際、燃料ガス１６
及び酸化剤ガス１８は図６に示すように、セパレータ１
１に設けられた溝と電極１３とによって形成されるガス
流路を通りながら、各単位セルに供給される。燃料ガス
１６は各セル内ではアノード１２で電極反応を生じ、排
気側マニホールド３ａに達し、排出管８ａからセルスタ
ック外に排出される。一方、酸化剤ガス１８は燃料ガス
１６同様に、カソード１４で電極反応を生じ、排気側マ
ニホールド３ｂに達し、排出口８ｂからセルスタック外
に排出される。On the fuel gas side shown in FIG. 1A, the fuel gas 16 is supplied from the gas supply pipe 7a to the upper gas header 4, the lower gas header 5 and the intermediate gas header 6. Also, FIG.
On the oxidant gas side of (b), the oxidant gas 18 is supplied to the intermediate gas header 6 from the gas supply pipe 7b. The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the intake side manifolds 2a and 2 respectively.
It is distributed to each cell through b. At that time, fuel gas 16
As shown in FIG.
The gas is supplied to each unit cell while passing through the gas flow path formed by the groove provided in No. 1 and the electrode 13. The fuel gas 16 causes an electrode reaction in the anode 12 in each cell, reaches the exhaust side manifold 3a, and is discharged to the outside of the cell stack through the discharge pipe 8a. On the other hand, like the fuel gas 16, the oxidant gas 18 causes an electrode reaction at the cathode 14, reaches the exhaust side manifold 3b, and is discharged from the discharge port 8b to the outside of the cell stack.
【００２１】給気側マニホールド２ａ及び２ｂと排気側
マニホールド３ａ及び３ｂは、図１（ａ）及び（ｂ）に
示すように、上ガスヘッダ４から下ガスヘッダ５まで区
切りなく連続して形成されている。◆このガス供給構造
は上述した反流型ガス供給構造であるので、各セルの反
応面のガス流量分布が給気側マニホールド２と排気側マ
ニホールド３を流れるガスの密度変化の影響を受ける。As shown in FIGS. 1A and 1B, the air supply side manifolds 2a and 2b and the exhaust side manifolds 3a and 3b are continuously formed from the upper gas header 4 to the lower gas header 5 without separation. . Since this gas supply structure is the counter-current type gas supply structure described above, the gas flow rate distribution on the reaction surface of each cell is affected by the density change of the gas flowing through the air supply side manifold 2 and the exhaust side manifold 3.
【００２２】ガスの密度変化は次のようにして生じる。
◆燃料電池の反応面であるセル流路内では、燃料ガス１
６及び酸化剤ガス１８が、それぞれ数式１、数式２に示
す電気化学反応によって体積変化が生じ、さらに、組成
変化による密度変化が生ずる。The change in gas density occurs as follows.
◆ In the cell flow path, which is the reaction surface of the fuel cell, fuel gas 1
6 and the oxidant gas 18 cause a volume change due to the electrochemical reaction shown in Formula 1 and Formula 2, and a density change due to a composition change.
【００２３】[0023]
【数１】 燃料ガス側 ： Ｈ2＋ＣＯ3 2~→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2＋２ｅ~ この他反応後も未反応のＨ2が含まれる。## EQU1 ## Fuel gas side: H 2 + CO 3 2 ~ → H 2 O + CO 2 + 2e ~ In addition to this, unreacted H 2 is included even after the reaction.
【００２４】[0024]
【数２】 酸化剤ガス側： 1/2Ｏ2＋ＣＯ2＋２ｅ~→ＣＯ3 2~ 反応後も未反応のＯ2が含まれ、また反応前後、空気中
のＮ2が含まれる。[Number 2] oxidant gas side: 1 / 2O 2 + CO 2 + 2e ~ → CO 3 2 ~ after the reaction also contains O 2 unreacted and the reaction before and after, include N 2 in air.
【００２５】もし、給気マニホールド２・排気マニホー
ルド３を流れるガス密度が同じであれば、従来の反流型
のガス供給構造において、マニホールド内のガスの流れ
が上向きであっても下向きであっても、積層セル間での
流量分布の均一化にとって大きな差はないが、実際の燃
料電池においては上記に述べた密度変化があるため、流
量分布の均一化に悪影響が生ずる。If the gas densities flowing through the intake manifold 2 and the exhaust manifold 3 are the same, in the conventional counterflow type gas supply structure, the gas flow in the manifold may be upward or downward. However, although there is no great difference in making the flow rate distribution uniform between the stacked cells, in an actual fuel cell, the density change described above causes adverse effects in making the flow rate distribution uniform.
【００２６】燃料ガス１６側では、給気側マニホールド
２ａに比べ、排気側マニホールド３ａを流れるガスは、
炭酸ガスや水が主成分で密度は高くなる。ガスの利用率
に左右されるが、密度変化の割合は、反応後は反応前に
比較して、およそ２．６程度である。この結果、従来の
反流型ガス給気構造で、燃料ガス１６を積層セル上方か
ら供給した場合は、ガスの密度差による循環力の影響に
より、積層電池の積層上側のセルにガスが流れ易くな
り、下側のセルにはガスが流れにくくなる。積層セル数
が増加すると密度差がない場合でも下側セルは上側に比
べて流れにくくなるのに、密度差の影響がこれに加わる
ことになり、セル間の流量分布の不均一度がさらに増大
する。On the fuel gas 16 side, the gas flowing through the exhaust side manifold 3a is
Carbon dioxide and water are the main components, and the density is high. Although dependent on the gas utilization rate, the rate of density change is about 2.6 after the reaction as compared with before the reaction. As a result, in the conventional counter-current gas supply structure, when the fuel gas 16 is supplied from above the stacked cells, the gas easily flows into the cells on the upper side of the stack of the stacked battery due to the influence of the circulation force due to the difference in gas density. Therefore, it becomes difficult for gas to flow to the lower cell. As the number of stacked cells increases, even if there is no difference in density, the lower cell becomes more difficult to flow than the upper cell, but the effect of the difference in density is added to this, further increasing the non-uniformity of the flow distribution between cells. To do.
【００２７】また、酸化剤ガス１８側では、燃料ガス１
６とは逆に、給気側マニホールド２ｂに比べ、排気側マ
ニホールド３ｂを流れるガスの方が密度が低くなる。ガ
スの利用率に左右されるが、密度変化の割合は、反応後
は反応前に比較しておよそ０．９６程度になる。従っ
て、反流型ガス供給構造で、積層下方から酸化剤ガス１
８を供給する場合は、ガスの密度差による循環力の影響
により積層セルの積層下側のセルにガスが流れ易くな
り、上側のセルにはガスが流れにくくなる。On the oxidant gas 18 side, the fuel gas 1
Contrary to 6, the density of the gas flowing through the exhaust side manifold 3b is lower than that of the air supply side manifold 2b. Although it depends on the gas utilization rate, the rate of change in density is about 0.96 after the reaction as compared with before the reaction. Therefore, in the counter-flow type gas supply structure, the oxidizer gas 1
When 8 is supplied, the gas easily flows into the lower cell of the laminated cell due to the influence of the circulation force due to the difference in the gas density, and the gas does not easily flow into the upper cell.
【００２８】まず、燃料ガス１６について考えてみる。
任意のガス供給管７ａから供給された燃料ガス１６は、
中間ガスヘッダ６から、その上下にある積層セルによっ
て形成された給気側マニホールド２ａに上向きと下向き
とに分岐して供給される。First, consider the fuel gas 16.
The fuel gas 16 supplied from the arbitrary gas supply pipe 7a is
The intermediate gas header 6 is branched and supplied upward and downward to the air supply side manifold 2a formed by the laminated cells above and below the intermediate gas header 6.
【００２９】燃料ガス１６が、給気側マニホールド２ａ
において下向き、かつ、排気側マニホールド３ａで上向
きの流れの場合に、密度変化に伴う対流効果の影響でガ
ス供給管７ａよりも下方に位置するセルの流量が減少す
る。最も流量の減少が顕著となるセルは、ガス供給管７
ａと下方に隣接する下側ガス供給管７ａとの丁度中間点
に位置するものである。The fuel gas 16 is supplied to the air supply side manifold 2a.
In the case of downward flow and upward flow in the exhaust side manifold 3a, the flow rate of the cells located below the gas supply pipe 7a decreases due to the effect of the convection effect due to the density change. The cell where the decrease in flow rate is most remarkable is the gas supply pipe 7
It is located just at the midpoint between a and the lower gas supply pipe 7a adjacent to the lower side.
【００３０】これに対して、前記の下側に隣接するガス
供給管７ａからの燃料ガス１６の流れのように、給気側
マニホールド２ａにおいて上向き、かつ、排気側マニホ
ールド３ａで下向きの流れの場合には、ガス供給管７ａ
の上方に位置するセルの流量が増加する。最も流量の増
加が顕著となるセルは、前述の上方のガス供給管７ａと
の中間点に位置するものとなる。On the other hand, when the fuel gas 16 flows upward from the gas supply pipe 7a adjacent to the lower side, the fuel gas 16 flows upward in the intake manifold 2a and downward in the exhaust manifold 3a. The gas supply pipe 7a
The flow rate of the cells located above is increased. The cell where the flow rate is most remarkably increased is located at an intermediate point between the upper gas supply pipe 7a and the cell.
【００３１】従って上述した２個のガス供給管７ａの中
間に位置するセルは上方からは少ない流量、下方のガス
供給管７ａからは多い流量のガスが供給されることにな
る。その結果、ガスの密度変化に伴う対流効果による各
セルへのガス流量配分の不均一は、前述のように２個の
ガス供給管７ａにより緩和されるために、各セルに対し
てより均一にガスを供給することができる。Therefore, the cell located in the middle of the above-mentioned two gas supply pipes 7a is supplied with a small flow rate of gas from the upper side and a large flow rate of gas from the lower gas supply pipe 7a. As a result, the non-uniformity of the gas flow rate distribution to each cell due to the convection effect due to the change in the gas density is alleviated by the two gas supply pipes 7a as described above, and therefore more uniform for each cell. Gas can be supplied.
【００３２】一実施例により流量分布の改善された状態
を図４に示した。ここで図１（ａ）と同一の燃料ガス１
６の流れを示す断面で、図４は各セルを流れる燃料ガス
１６の流量の大きさを積層方向順に示したものである。
２個のガス供給管７ａの中間に位置するセルにおいて平
均化がみられる。中央部の中間ガスヘッダ６付近にも改
善がみられる。FIG. 4 shows a state in which the flow rate distribution is improved according to one embodiment. Here, the same fuel gas 1 as in FIG.
6 is a cross-sectional view showing the flow of No. 6, and FIG. 4 shows the magnitude of the flow rate of the fuel gas 16 flowing through each cell in order of the stacking direction.
Averaging is observed in the cell located in the middle of the two gas supply pipes 7a. Improvements are also seen near the middle gas header 6 in the center.
【００３３】他の実施例を図２で説明する。図２は本発
明の他の実施例の構造とガスの流れを説明する断面図で
ある。図１と同じ断面を示し、図２（ａ）は燃料ガスの
流れを、図２（ｂ）は酸化剤ガスの流れを示している。
図で明らかなように、燃料ガス及び酸化剤ガス専用のガ
スヘッダを設けずに、上、下及び中間のガスヘッダを両
ガスに共用としたものである。図３（ｂ）はこの実施例
の中間ガスヘッダ６の構造を示すもので、隣合う２辺に
ガス供給管７とガス排出管８をそれぞれ設けたものであ
る。Another embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a sectional view illustrating the structure and gas flow of another embodiment of the present invention. The same cross section as FIG. 1 is shown, FIG. 2A shows the flow of fuel gas, and FIG. 2B shows the flow of oxidant gas.
As is clear from the figure, the upper, lower, and middle gas headers are shared by both gases without providing a gas header dedicated to the fuel gas and the oxidant gas. FIG. 3B shows the structure of the intermediate gas header 6 of this embodiment, in which a gas supply pipe 7 and a gas discharge pipe 8 are provided on two adjacent sides, respectively.
【００３４】このような構成の場合も、各ガスヘッダの
間の積層セルスタック１ａはそれぞれ反流型のガス供給
構造となり、給気側マニホールド２と排気側マニホール
ド３とも上部から下部まで連通させることで、前記一実
施例と同様な流量分布の改善が期待できる。Also in the case of such a configuration, the laminated cell stack 1a between the gas headers has a countercurrent type gas supply structure, and the air supply side manifold 2 and the exhaust side manifold 3 are made to communicate from the upper part to the lower part. The improvement of the flow rate distribution similar to the one embodiment can be expected.
【００３５】積層セルスタック１ａの積層数、中間ガス
ヘッダ６の挿入個数などは、対象となる燃料電池により
ことなるが、本発明はそれらの個数に制限されるもので
はない。The number of stacked cell stacks 1a, the number of inserted intermediate gas headers 6 and the like differ depending on the target fuel cell, but the present invention is not limited to these numbers.
【００３６】燃料電池の出力によっては、図５に示した
ように、上ガスヘッダ４と下ガスヘッダ５で構成される
ユニットを複数積み重ねることがある。このような場合
はそのユニットに本発明は適用されるものである。Depending on the output of the fuel cell, as shown in FIG. 5, a plurality of units composed of the upper gas header 4 and the lower gas header 5 may be stacked. In such a case, the present invention is applied to the unit.
【００３７】また、ガスヘッダ４，５，６の何れかのガ
ス供給管７または排出管８の内の１部に不都合が生じた
場合も、本発明によるガス供給構造によれば、流量分布
不均一が解消される方向に対流が起こり、各セルに燃料
ガス１６及び酸化剤ガス１８を供給することができるよ
うになる効果がある。Even when a problem occurs in a part of the gas supply pipe 7 or the discharge pipe 8 of any of the gas headers 4, 5 and 6, the gas supply structure according to the present invention makes the flow rate distribution non-uniform. There is an effect that convection occurs in the direction in which is eliminated and the fuel gas 16 and the oxidant gas 18 can be supplied to each cell.
【００３８】電極とセパレータに設けられた溝とによっ
て形成されるガス流路はその断面積が微小であるため
に、積層セルスタック内の流動抵抗の大部分はガス流路
の管摩擦損失が占める。これに対して、マニホールド内
の管摩擦損失や給気側マニホールドから各セルのガス流
路への分岐による損失、各ガス流路から排気側マニホー
ルドへの排ガスの合流による損失、あるいは、ガス流路
における反応ガスの消費やガスの生成に伴う電極からガ
ス流路へのガスの吹き出し等の損失は、ガス流路におけ
る流れが非常に低速で、レイノルズ数が小さい層流域で
あるため、全体の流れに影響するような値とはならな
い。Since the gas flow passage formed by the electrode and the groove provided in the separator has a small cross-sectional area, most of the flow resistance in the laminated cell stack is occupied by the pipe friction loss of the gas flow passage. . On the other hand, pipe friction loss in the manifold, loss due to branching from the air supply side manifold to the gas flow path of each cell, loss due to merging of exhaust gas from each gas flow path to the exhaust side manifold, or gas flow path The loss such as gas consumption from the electrode to the gas flow path due to the consumption of the reaction gas and the generation of the gas in the gas flow path in the gas flow path is very slow and the Reynolds number is small in the laminar flow region. Does not affect the value of.
【００３９】[0039]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料電池の各セルに平均化して燃料ガス及び酸化剤ガス
を供給することができるので、積層された各セルの発電
性能が平均するので、積層燃料電池の性能が向上すると
いう効果がある。◆また、ガス供給管または排出管の内
の１部に不都合が生じた場合も、各セルへガスが供給さ
れるという効果がある。As described above, according to the present invention,
Since the fuel gas and the oxidant gas can be averaged and supplied to each cell of the fuel cell, the power generation performance of each stacked cell is averaged, and thus the performance of the laminated fuel cell is improved. ◆ Further, even if a part of the gas supply pipe or the discharge pipe is inconvenient, the gas is supplied to each cell.
【図１】本発明の一実施例の構造とガスの流れを説明す
る断面図である。（ａ）は燃料ガスの流れを、（ｂ）は
酸化剤ガスの流れを示す。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure and gas flow of an embodiment of the present invention. (A) shows the flow of fuel gas, (b) shows the flow of oxidizer gas.
【図２】本発明の他の実施例の構造とガスの流れを説明
する断面図である。（ａ）は燃料ガスの流れを、（ｂ）
は酸化剤ガスの流れを示す。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the structure and gas flow of another embodiment of the present invention. (A) shows the flow of fuel gas, (b)
Indicates the flow of oxidant gas.
【図３】（ａ）は図１の実施例の、（ｂ）は図２の実施
例に用いられる中間ガスヘッダの斜視図である。3A is a perspective view of an intermediate gas header used in the embodiment of FIG. 1 and FIG. 3B is a perspective view of an intermediate gas header used in the embodiment of FIG.
【図４】一実施例のガス供給構造による燃料ガス流量分
布例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a fuel gas flow rate distribution according to a gas supply structure of one embodiment.
【図５】従来技術の構造とガスの流れの一例を示す図で
ある。（ａ）は燃料ガスの流れ状態を、（ｂ）は燃料ガ
ス流量分布を示す。FIG. 5 is a diagram showing an example of a structure and gas flow of a conventional technique. (A) shows the flow state of the fuel gas, (b) shows the fuel gas flow rate distribution.
【図６】内部マニホールド型燃料電池の内部構造を示す
斜視図である。FIG. 6 is a perspective view showing the internal structure of an internal manifold type fuel cell.
【図７】従来の中間ガスヘッダの斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a conventional intermediate gas header.
１ 積層セルスタック ２ 給気側マニホールド ３ 排気側マニホールド ４ 上ガスヘッダ ５ 下ガスヘッダ ６ 中間ガスヘッダ ６ａ 中間ガスヘッダ上下仕切板 ７ ガス供給管 ８ ガス排出管 １０ カレントコレクタ １１ セパレータ １２ アノード １３ 電解質板 １４ カソード １６ 燃料ガス １８ 酸化剤ガス 1 Stacked Cell Stack 2 Air Supply Side Manifold 3 Exhaust Side Manifold 4 Upper Gas Header 5 Lower Gas Header 6 Intermediate Gas Header 6a Intermediate Gas Header Upper and Lower Partition Plate 7 Gas Supply Pipe 8 Gas Discharge Pipe 10 Current Collector 11 Separator 12 Anode 13 Electrolyte Plate 14 Cathode 16 Fuel Gas 18 Oxidizer gas
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加原 俊樹 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshiki Kahara 3-1-1, Saiwaicho, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi Ltd., Hitachi Works
Claims (2)
スの給気及び排気用流路を穿設して内部マニホールドを
設けた内部マニホールド型積層セルスタックと、前記内
部マニホールドの一部を形成し、かつ前記燃料ガスと酸
化剤ガスを前記積層セルスタックの内部マニホールドに
供給及び排出する複数のガスヘッダを具備し、該複数の
ガスヘッダが上部ガスヘッダと下部ガスヘッダと該上部
ガスヘッダと下部ガスヘッダの間に少くとも１個の中間
ガスヘッダを含んでなる燃料電池のガス供給構造におい
て、前記中間ガスヘッダの内部マニホールドが前記積層
セルスタックの内部マニホールドを連通させていること
を特徴とする燃料電池のガス供給構造。1. An internal manifold type laminated cell stack in which a fuel gas and oxidant gas supply / exhaust channels are provided in the peripheral portion of a unit cell to provide an internal manifold, and a part of the internal manifold is provided. A plurality of gas headers for forming and supplying and discharging the fuel gas and the oxidant gas to and from the internal manifold of the laminated cell stack, the plurality of gas headers being between an upper gas header and a lower gas header and between the upper gas header and the lower gas header. In a gas supply structure for a fuel cell including at least one intermediate gas header, an internal manifold of the intermediate gas header communicates with an internal manifold of the laminated cell stack. .
の内部マニホールドが、マニホールド上下仕切板に該マ
ニホールド上下仕切板を貫通する貫通管を具えているこ
とを特徴とする燃料電池のガス供給構造。2. The gas supply structure for a fuel cell according to claim 1, wherein the internal manifold of the intermediate gas header comprises a manifold upper / lower partition plate and a through pipe penetrating the manifold upper / lower partition plate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4207961A JP2555515B2 (en) | 1992-08-04 | 1992-08-04 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4207961A JP2555515B2 (en) | 1992-08-04 | 1992-08-04 | Fuel cell |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0660901A true JPH0660901A (en) | 1994-03-04 |
| JP2555515B2 JP2555515B2 (en) | 1996-11-20 |
Family
ID=16548395
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4207961A Expired - Fee Related JP2555515B2 (en) | 1992-08-04 | 1992-08-04 | Fuel cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2555515B2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003083982A2 (en) * | 2002-03-22 | 2003-10-09 | Richards Engineering | Power generation system having fuel cell modules |
| JP2006164876A (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-22 | Denso Corp | Fuel cell system |
| US7349093B2 (en) | 2005-02-17 | 2008-03-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Fluorescence measurement apparatus |
| KR101299808B1 (en) * | 2011-04-13 | 2013-08-23 | 지에스칼텍스 주식회사 | Cascade-type fuel cell stack unified with humidifiers |
| JP2020136272A (en) * | 2019-02-22 | 2020-08-31 | 欽瑞工業股▲分▼有限公司 | Method and flow channel structure for uniforming flow rate distribution of fuel cell |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102094992B1 (en) | 2013-08-30 | 2020-03-30 | 삼성전자주식회사 | Fluid tube increasing uniformity of fluid flow and apparatus including the same |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6353856A (en) * | 1986-08-22 | 1988-03-08 | Hitachi Ltd | Fuel cell separator |
| JPS63236273A (en) * | 1987-03-23 | 1988-10-03 | Hitachi Ltd | Fused carbonate type fuel cell stack |
-
1992
- 1992-08-04 JP JP4207961A patent/JP2555515B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6353856A (en) * | 1986-08-22 | 1988-03-08 | Hitachi Ltd | Fuel cell separator |
| JPS63236273A (en) * | 1987-03-23 | 1988-10-03 | Hitachi Ltd | Fused carbonate type fuel cell stack |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003083982A2 (en) * | 2002-03-22 | 2003-10-09 | Richards Engineering | Power generation system having fuel cell modules |
| WO2003083982A3 (en) * | 2002-03-22 | 2003-12-04 | Richards Engineering | Power generation system having fuel cell modules |
| JP2006164876A (en) * | 2004-12-10 | 2006-06-22 | Denso Corp | Fuel cell system |
| US7349093B2 (en) | 2005-02-17 | 2008-03-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Fluorescence measurement apparatus |
| KR101299808B1 (en) * | 2011-04-13 | 2013-08-23 | 지에스칼텍스 주식회사 | Cascade-type fuel cell stack unified with humidifiers |
| JP2020136272A (en) * | 2019-02-22 | 2020-08-31 | 欽瑞工業股▲分▼有限公司 | Method and flow channel structure for uniforming flow rate distribution of fuel cell |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2555515B2 (en) | 1996-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2269842C2 (en) | Fuel-cell module using solid polymeric electrolyte, fuel cell pile, and method for feeding chemically active gas to fuel cell | |
| JP3930045B2 (en) | Fuel cell module having a multi-fuel cell stack | |
| US4933242A (en) | Power generation system with use of fuel cell | |
| CN100388531C (en) | Fuel cell stack design and method of operation | |
| US8822090B2 (en) | Internally reforming fuel cell assembly with staged fuel flow and selective catalyst loading for improved temperature uniformity and efficiency | |
| US4877693A (en) | Fuel cell apparatus for internal reforming | |
| RU2262160C2 (en) | Fuel cell bank using solid polymeric electrolyte, fuel cell battery, and fuel cell bank operating process | |
| CA2344377A1 (en) | Self-humidifying fuel cell | |
| US20100035108A1 (en) | Fuel cell with triangular buffers | |
| US4599282A (en) | Fuel cell | |
| EP2124283B1 (en) | Fuel cell | |
| JPH0660901A (en) | Gas feeding structure for fuel cell | |
| EP0230036A1 (en) | Fuel cell apparatus with internal reforming | |
| JPS6160548B2 (en) | ||
| JPH01105474A (en) | Cooling method for fuel cell | |
| JP4887285B2 (en) | Fuel cell reactant flow area to maximize utilization of planar graphics | |
| US6969564B2 (en) | Fuel cell stack | |
| JPH01151163A (en) | Fuel cell | |
| WO2008098757A1 (en) | Unit cell header flow enhancement | |
| WO2001017049A1 (en) | Fuel cell multi-port manifolding | |
| JPH07192739A (en) | Fuel cell | |
| JPH0782874B2 (en) | Fuel cell | |
| JPH04206361A (en) | Fuel cell | |
| JPH0398269A (en) | Fuel cell | |
| KR20230120552A (en) | Reactant feed and return assembly for fuel cell stacks including a nozzle structure |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |