(57)【要約】【課題】燃料電池の流量分布を均一する方法及び流路構造を提供する。【解決手段】本発明は、積層型電池スタックまたは平板型電池スタックの流路システムに実施可能なものを指し、つまり流体が電池スタックに流入した後、流量を各流路板ごとの流路に均一配分することができると共に、シングルラインまたはマルチライン流通の方式を採用することにより、各流路ごとにいずれも均一な流体流量を有するため、各流路ごとに組み合わされた電池により生成された電圧は、平均値に達することになり、低電圧に起因して破損した電池がないので、電池スタックの使用寿命を延長できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が電池スタックに流入した後、シングルライン流通の方式を採用することにより、前記流体を各流路板の間に順次に経路逐次流通させ、全ての当該流路板の流路まで流通させた後に前記電池スタックの出口から離去させることにより、流体流量を各当該流路板上ごとの当該流路に均一配分することで、各当該流路板ごとにより生成された電圧が一致化されることを特徴とする、燃料電池の流量分布を均一する方法。
【請求項２】
流体が電池スタックに流入した後、マルチライン流通の方式を採用することにより、前記流体を各々各流路板の１層目の流路に流入させると共に、当該流路の前、後端をいずれも貫通させることで、前記流体を合流させ得り、次いで下向きに層々逐次流通させ、このように類推して最後の１本の当該流路まで集約させた後に前記電池スタックの出口から離去させることにより、各当該流路への均一配分の目的を達成することで、各当該流路板ごとにより生成された電圧が一致化されることを特徴とする、燃料電池の流量分布を均一する方法。
【請求項３】
互いに積み重ねられた複数の流路板及び複数の膜電極群を備える燃料電池の流量分布を均一する流路構造であって、
当該流路板の間に当該膜電極群が設けられ、当該流路板に流路及び第１貫通孔が設けられ、当該膜電極群に第２貫通孔が設けられ、当該流路と当該第１貫通孔及び当該第２貫通孔とが相互に連接されてシングルライン流通の通路が形成され、流体のシングルライン流通を実施する時、前記流体は、当該流路板内に進入し、当該第１貫通孔を介して当該流路板の当該流路に流通し、次いで当該第１貫通孔を介して次の当該流路板の当該流路へ変換されると共に、途中に当該膜電極群の当該第２貫通孔が連接され、前記流体が当該第１貫通孔及び当該第２貫通孔を経由して当該流路間にシングルライン流通することによって、全ての当該流路まで流通してから、当該第１貫通孔から流出することを特徴とする、燃料電池の流量分布を均一する流路構造。
【請求項４】
互いに積み重ねられた複数の流路板及び複数の膜電極群を備える燃料電池の流量分布を均一する流路構造であって、
当該流路板の間に当該膜電極群が設けられ、当該流路板には流路及び第１貫通孔が設けられ、当該膜電極群に第２貫通孔が設けられ、当該流路と当該第１貫通孔及び当該第２貫通孔とが相互に連接されてマルチライン流通の合流通路が形成され、流体のマルチライン流通を実施する時、前記流体は、当該第１貫通孔を介して同時に前記複数の流路板の当該流路内に進入すると共に、各当該流路の終端部及びコーナー部に貫設された当該第１貫通孔で合流流通を行い、また当該流路間の流通には当該膜電極群の当該第２貫通孔が連接され、前記流体が当該第１貫通孔及び当該第２貫通孔を経由して当該流路間にマルチライン流通することによると共に、終端部及びコーナー部の当該第１貫通孔での合流により、全ての当該流路まで流通してから、当該第１貫通孔から流出することを特徴とする、燃料電池の流量分布を均一する流路構造。
【請求項５】
流路底板、内側流路板及び外側流路板を備える燃料電池の流量分布を均一する流路構造であって、
前記流路底板に横断路及び第１貫通孔が設けられ、前記内側流路板及び前記外側流路板にそれぞれ流路が設けられ、前記横断路、前記第１貫通孔と当該流路が相互に連接されてシングルライン流通の通路が形成され、流体が、前記流路底板の前記第１貫通孔を介して同時に前記内側流路板及び前記外側流路板の流路板内に進入して流通すると、次いで前記流路底板の前記横断路を介して次の当該流路に連通され、前記流体が前記横断路を経由して当該流路間にシングルライン流通することによって、全ての当該流路まで流通してから、前記第１貫通孔から流出することを特徴とする、燃料電池の流量分布を均一する流路構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の流量分布を均一する方法及び流路構造を提供し、とりわけシングルラインまたはマルチライン流通の方式を採用することにより、各流路ごとにいずれも均一な流体流量を有するため、その流路板により生成された電圧は、いずれも平均値に達することができる。
【背景技術】
【０００２】
図１〜図２に示すように、現在、市販されている一般の燃料電池は、積層型７０であっても、平板型８０であっても、通常の流体（燃料や酸化剤）の流路板９０への進入は、マルチラインで同時に流入することを採用するが、しかしこの過程において、往々にして流量分布不均一な状態が生じる。一般の電池スタックの流路分岐管がＵ字形やＺ字形に設計され、通常、流路がＵ字形である場合、流体の入口に近づく流量が最も多く、出口での流量が最も少なくなる一方、流路がＺ字形である場合、入、出口での流量が最も多く、中間部でのが最も少なくなる。Ｕ字形やＺ字形に係らず、いずれも流量分布が不均一という問題がある。また、電池スタック中の流路板からは、１個の電圧が生成されることを意味し、各枚の流路板ごとに所在位置の違いに応じて異なる電圧差ΔＰが存在し、かつ流路内に水が溜まる場合、電圧差が大きければ大きいほど、流量が小さくなり（燃料電池は、反応過程において水が生成されて流路に進入する）、該枚の流路板に水がますます溜まりやすくなる。低流量や流量不足において燃料電池が稼働される時、このような時には、不均一な状態をより一層顕著にすることで、一般の燃料電池を流量不足の条件下で操作することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上に述べたことをまとめると、流量分布が不均一になった場合、流量不足の電池に低電圧が形成され、長時間にわたって低電圧が維持して電池の破損がもたらされ、少数の電池が破損してしまったら、電池スタック全体に補修を施したり、破損の電池を取替えたりする必要があるため、コストの無駄使いや給圧が不安定になる事態を招くという欠点が存在する。そこで、産業の進歩の要望に沿って使用者により多くの選択肢を提供できるように、実に具体的で斬新な方案を提出する必要がある。
【０００４】
従来技術における各流路板の流体の流量分布が不均一という欠点を解決するために、本発明の目的は、シングルライン流通の流路板を採用することにより、各流路板の間を単路で行き渡ると共に、流路を往復迂回することで、各流路板は均一な流体流量を有するため、電池スタックの使用寿命を延長する目的を達成する、燃料電池の流量分布を均一する方法及び流路構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の目的を達成するために本発明が採用した技術手段及び方案は、以下の通りである。
【０００６】
本発明に係る燃料電池の流量分布を均一する方法は、流体が電池スタックに流入した後、シングルライン流通の方式を採用することにより、流体を各流路板の間に順次に経路逐次流通させ、全ての流路板の流路まで流通させた後に電池スタックの出口から離去させることにより、流体流量を各流路板上ごとの流路に均一配分することで、各流路板ごとにより生成された電圧が一致化されることから、電池スタックの使用寿命を延長することを達成できる。
また、上述のほか、流体が電池スタックに流入した後、流体を各流路板の１本目の流路にマルチライン流入させた後に集約させ、次いで各流路板の２本目の流路にマルチライン流入させた後に集約させ、このように類推して最後の１本の流路まで集約させた後に電池スタックの出口から離去させることにより、各流路への均一配分の目的を達成する方法もある。
【０００７】
本発明に係る燃料電池の流量分布を均一する流路構造は、互いに積み重ねられた複数の流路板及び複数の膜電極群を備え、当該流路板の間に膜電極群が設けられ、当該流路板に流路及び第１貫通孔が設けられ、前記膜電極群に第２貫通孔が設けられ、当該流路と第１貫通孔及び第２貫通孔とが相互に連接されてシングルライン流通の通路が形成され、流体のシングルライン流通を実施する時、流体は、流路板内に進入し、第１貫通孔を介して流路板の流路に流通し、次いで第１貫通孔を介して次の流路板の流路へ変換されると共に、途中に膜電極群の第２貫通孔が連接され、この流体が第１貫通孔及び第２貫通孔を経由して流路間にシングルライン流通することによって、全ての流路まで流通してから、第１貫通孔から流出する。
また、上述のほか、流路と第１貫通孔及び第２貫通孔とが相互に連接されてマルチライン流通の合流通路が形成され、流体のマルチライン流通を実施する時、流体は、第１貫通孔を介して同時に複数の流路板の流路内に進入すると共に、各流路の終端部及びコーナー部に貫設された第１貫通孔で合流流通を行い、また流路間の流通には膜電極群の第２貫通孔が連接され、この流体が第１貫通孔及び第２貫通孔を経由して流路間にマルチライン流通することによると共に、終端部及びコーナー部の第１貫通孔での合流により、全ての流路まで流通してから、第１貫通孔から流出する構造もある。
【０００８】
本発明に係る燃料電池の流量分布を均一する流路構造は、流路底板、内側流路板及び外側流路板を備え、前記流路底板に横断路及び第１貫通孔が設けられ、前記内側流路板及び外側流路板にそれぞれ流路が設けられ、前記横断路、第１貫通孔と流路が相互に連接されてシングルライン流通の通路が形成され、流体が、流路底板の第１貫通孔を介して同時に内側流路板及び外側流路板の流路板内に進入して流通すると、次いで流路底板の横断路を介して次の流路に連通され、この流体が横断路を経由して流路間にシングルライン流通することによって、全ての流路まで流通してから、第１貫通孔から流出する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、任意の電池スタック上に応用できると共に、流体の流入、終了、流量不足、水溜まりに至った時は、いずれも電池の電圧上の分布差異をもたらすことがなく、電圧を均一化させるから、低電圧に起因して破損した電池がないので、電池スタックの寿命を延長することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術の積層型流路板の流体の流入状態を示す図である。
【図２】従来技術の平板型流路板の流体の流入状態を示す図である。
【図３】本発明の積層型流路板のシングルライン流通流体の流入状態を示す図である。
【図３−１】本発明の積層型流路板をシングルライン流通する流体の１本目の流路への流入状態を示す図である。
【図３−２】本発明の積層型流路板をシングルライン流通する流体の２本目の流路への流入状態を示す図である。
【図４】本発明の積層型電池スタックの組立て分解斜視図である。
【図５】本発明の積層型流路板のマルチライン流通流体の流入状態を示す図である。
【図５−１】本発明の積層型流路板をマルチライン流通する流体の１本目の流路への流入状態を示す図である。
【図５−２】本発明の積層型流路板をマルチライン流通する流体の２本目の流路への流入状態を示す図である。
【図６】本発明の別の実施例の積層型電池スタックの組立て分解斜視図である。
【図７】本発明の平板型流路板のシングルライン流通流体の流入状態を示す図である。
【図７−１】本発明の平板型流路板をシングルライン流通する流体の１本目の流路への流入状態を示す図である。
【図７−２】本発明の平板型流路板をシングルライン流通する流体の２本目の流路への流入状態を示す図である。
【図８】本発明の平板型電池スタックの組立て分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図３、図５及び図７に示すように、本発明に係る燃料電池の流量分布を均一する方法及び流路構造は、とりわけ積層型電池スタックＡまたは平板型電池スタックＢに使用される流路板１に実施可能な構造を指し、各流路板１は、流体（燃料や酸化剤）Ｃの均一な流量を有するため、生成された電圧を一致化し得るので、電池スタックの寿命を延長することができる。その構造は、使用ニーズに応じてシングルライン流通２とマルチライン流通３との２種の方式に分けることができる。
まず、本発明のシングルライン流通２の方式について説明し、その積層型電池スタックＡからなる構造は、以下の通りである。
【００１２】
図３〜図４に示すように、積層型Ｕ字形かつ３組の電池からなるものが例示され、それは第１陰極流路板１１１と、第２陰極流路板１１２と、第３陰極流路板１１３と、第１陽極流路板１２１と、第２陽極流路板１２２と、第３陽極流路板１２３と、２つの第１膜電極群４１と、１つの第２膜電極群４２とからなるシングルライン流通２の積層型Ｕ字形電池スタックであると共に、その各陰極流路板には、シングルライン疎通可能な配列を採用し、及び各陽極流路板には、シングルライン疎通可能な配列を採用し、次いで各陰極流路板、陽極流路板、膜電極群の第１貫通孔５及び第２貫通孔５１を経由して直列に連通連結することにより、シングルライン流通の陰極流路板及び陽極流路板が形成される。
【００１３】
そのため、ほかに図３−１及び図３−２を合わせて参照し、ここでは陰極流路板を例として説明する。
流体（燃料や酸化剤）Ｃが第１陰極流路板１１１に流入する時、流体Ｃは、第１貫通孔５を介して第１陰極流路板１１１の１本目の流路１３１内に進入できると共に、第１貫通孔５を経由して順次に第２及び第３陰極流路板１１２，１１３の１本目の流路１３２，１３３に流れ込むと共に、途中に各第１膜電極群４１及び第２膜電極群４２の第２貫通孔５１が連接され、最後に第３陰極流路板１１３で下向きの２本目の流路１３３を通り抜け、流体Ｃは、次いで順次に第３陰極流路板１１３、第２陰極流路板１１２、第１陰極流路板１１１の２本目の流路１３３，１３２，１３１に流通し、最後に第１陰極流路板１１１で下向きの３本目の流路１３１を通り抜け、このような類推によって、流体Ｃが陰極流路板の流路に沿って一定の距離を流入した後、第１貫通孔５及び第２貫通孔５１を介して次の陰極流路板の流路に導入され、出口から流出するまで流路板の間にシングルライン流通し、これにより各流路板中ごとの流体流量の均一配分を保証し、安定な電圧を生成することで、電池スタックの寿命を延長する目的を達成することができる。
【００１４】
次に、本発明の別の実施例のマルチライン流通３の方式について説明し、その積層型電池スタックＡからなる構造は、図５〜図６に示すように、積層型Ｕ字形かつ３組の電池からなるものが例示され、それは第４陰極流路板１１４と、第５陰極流路板１１５と、第６陰極流路板１１６と、第４陽極流路板１２４と、第５陽極流路板１２５と、第６陽極流路板１２６と、２つの第３膜電極群４３と、１つの第４膜電極群４４とからなるマルチライン流通３の積層型Ｕ字形電池スタックであると共に、その各陰極流路板には、マルチライン疎通可能な配列を採用し、及び各陽極流路板には、マルチライン疎通可能な配列を採用し、次いで各陰極流路板、陽極流路板、膜電極群の第１貫通孔５及び第２貫通孔５１を経由して直列に連通連結することにより、マルチライン流通の陰極流路板及び陽極流路板が形成される。
【００１５】
そのため、ほかに図５−１及び図５−２を合わせて参照し、ここでは陰極流路板を例として説明する。
流体（燃料や酸化剤）Ｃが陰極流路板に流入する時、流体Ｃは、第１貫通孔５を経由して各々第４陰極流路板１１４、第５陰極流路板１１５、第６陰極流路板１１６の１本目の流路１３４，１３５，１３６内に進入できると共に、途中に各第３膜電極群４３及び第４膜電極群４４の第２貫通孔５１が連接され、その後、第６陰極流路板１１６で集約された後、下向きに２本目の流路１３６に向けて流通し、そして流体Ｃが第６陰極流路板１１６の２本目の流路１３６に進入した後、次いで第１貫通孔５を利用して各々第５、第４陰極流路板１１５，１１４の２本目の流路１３５，１３４内に進入し、このような類推によって、各流路板の２本目の流路１３４，１３５，１３６内に合流した後、次いで第４陰極流路板１１４の３本目の流路１３４に進入してから、上述と同様な工程を経て該層の流路に合流した後、次いで次の層に向けて流動すると共に、出口から流出するまでこの循環を続け、これにより各陰極流路板または陽極流路板中ごとの流体Ｃの流量の均一配分を保証し、安定な電圧を生成することで、電池スタックの寿命を延長する目的を達成することができる。
【００１６】
本発明の別の実施例の平板型電池スタックＢのシングルライン流通２の方式について説明し、その平板型電池スタックＢからなる構造は、図７〜図８に示すように、平板型Ｕ字形かつ３組の電池からなるものが例示され、それは２つの流路底板１４と、２つの内側流路板１５と、６つの外側流路板１６と、１つの第５膜電極群４５とからなるシングルライン流通２の平板型Ｕ字形電池スタック構造であり、それは第５膜電極群４５の両側から順次対向配列された外側流路板１６と、内側流路板１５と、流路底板１４とが互いに重ねられて組み立てられている。
【００１７】
そのほかに、図７−１及び図７−２を合わせて参照し、流体Ｃが、流路底板１４の第１貫通孔５から内側流路板１５及び外側流路板１６の１本目の流路１３７，１３８に進入して流通すると、この流路１３７，１３８の終端に流通した後、即ち、流路底板１４の横断路１４１を介して次の組の電池の内側流路板１５及び外側流路板１６の２本目の流路１３７，１３８を横断し、そして３個目の電池組までに至った後、流体Ｃは、次いで流路底板１４の横断路１４１を介して下層に向かって２本目の流路１３７，１３８を横断し、この流体Ｃが上層方向とは反対方向に沿って継続的に２個目、１個目の電池組に向かって流体Ｃの横断動作を行い、次いで１個目の電池組の２本目の流路１３７，１３８を介して下層に向かって３本目の流路１３７，１３８を横断し、このような類推によって、最後の１本の流路１３７，１３８の第１貫通孔５から流出するまて循環し、入口に流入した後の流体Ｃがシングルライン単流路のみで順次に電池組の間に流通するので、その流量を均一配分して安定な電圧を生成することで、電池スタックの寿命を延長する目的を達成することができる。
【００１８】
以上に述べたことをまとめると、３つの実施例では、電池スタック中のＵ字形積層型の配列方式のみを示すが、ほかにＺ字形配列方式もある。その配列と流体流動方式は、いずれも上述の実施例に教示された技術と同様である。このため、本発明は、任意の電池スタック上に応用できると共に、流体の流入、終了、流量不足、水溜まりに至った時は、いずれも電池の電圧上の分布差異をもたらすことがなく、電圧を均一化させるから、低電圧に起因して破損した電池がないので、電池スタックの寿命を延長することが可能となる。
【符号の説明】
【００１９】
従来技術
７０ 積層型
８０ 平板型
９０ 流路板
本発明
１ 流路板
１１１ 第１陰極流路板
１１２ 第２陰極流路板
１１３ 第３陰極流路板
１１４ 第４陰極流路板
１１５ 第５陰極流路板
１１６ 第６陰極流路板
１２１ 第１陽極流路板
１２２ 第２陽極流路板
１２３ 第３陽極流路板
１２４ 第４陽極流路板
１２５ 第５陽極流路板
１２６ 第６陽極流路板
１３１，１３２，１３３，１３４，１３５，１３６，１３７，１３８ 流路
１４ 流路底板
１４１ 横断路
１５ 内側流路板
１６ 外側流路板
２ シングルライン流通
３ マルチライン流通
４１ 第１膜電極群
４２ 第２膜電極群
４３ 第３膜電極群
４４ 第４膜電極群
４５ 第５膜電極群
５ 第１貫通孔
５１ 第２貫通孔
Ａ 積層型電池スタック
Ｂ 平板型電池スタック
Ｃ 流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４】
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【図５】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図６】
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【図７】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８】
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