專利名稱：燃料電池堆的流體通路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在燃料電池堆的各燃料電池中分配燃料氣 體、氧化劑氣體、冷卻水等流體的流體通路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在層疊了許多燃料電池而成的燃料電池堆中，將燃料氣體 等流體均勻分配到堆的各燃料電池中、并將燃料氣體等流體從 各燃料電池均勻地排出是重要的。各燃料電池由單元主體和層 疊在該單元主體兩側(cè)的隔板構(gòu)成。在隔板上形成面向單元主體 的內(nèi)流體通路。另外，將流體分配到單元內(nèi)流體通i 備的內(nèi)部歧 管與使從單元內(nèi)流體通路流出的流體合流的其它內(nèi)部歧管沿燃 料電池的層疊方向、即縱貫燃料電池堆的方向貫通。
根據(jù)發(fā)明人們的研究，從與在燃料電池堆的外側(cè)開口的內(nèi) 部歧管端部正交的方向供給流體時，則在內(nèi)部ot支管的上游部的
橫截面內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力偏差。由于該壓力偏差使得向各燃料 電池流體通路的流體供給流量產(chǎn)生在內(nèi)部歧管的上游部較少、 在內(nèi)部歧管的比較下游的部分較多這樣的偏置。
另 一方面，關(guān)于在燃料電池堆中的流體分配偏置的修正提 出了如下那樣的各種方案。
即，日本專利局2002年發(fā)布的JP2002 — 252021A沖是出了 如下方案從歧管內(nèi)周空開適當(dāng)?shù)拈g隙地配置圓柱狀的貫通體， 流入歧管的流體由圓柱狀貫通體整流后供給到堆中。日本專利 局2004年發(fā)布的JP2004—259637A提出了如下方案在歧管 上連接具有整流板的導(dǎo)入流路。JPH06—314570A提出了如下 方案通過在歧管與流體通路之間配置多孔材料來對流體進行整流。
JP2002—252021A的^是案需要在^支管內(nèi)插入圓柱狀的貫 通體并且在通體與歧管內(nèi)周之間確保有供流體流動的間隙。因 此，無法避免歧管的大型化。JP2004—259637A與JPH06 — 314570A的提案存在如下問題由于使用整流板或多孔材料， 從而增加了歧管的構(gòu)成部件的數(shù)量，并且整流板或多孔材料成 為流體的流通阻力，從而導(dǎo)致壓力損失。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于用簡易且緊湊的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)在流 體的分配或流體的流出中不產(chǎn)生偏置的燃料電池堆的歧管結(jié)構(gòu)。
為了達成以上目的，在本發(fā)明提供一種燃料電池堆的流體 通路結(jié)構(gòu)，具有內(nèi)部歧管和外部流體通^各，該內(nèi)部歧管沿層疊 方向形成在多個燃料電池的層疊體的內(nèi)側(cè)，該外部流體通路向 內(nèi)部歧管供給流體，各燃料電池具有從正交方向與內(nèi)部歧管連 接的單元內(nèi)流體通路，外部流體通路從正交方向與內(nèi)部歧管的 一端連接，其中，該流體通路結(jié)構(gòu)具有連接部，該連接部將流 體通路與內(nèi)部歧管連接，以使得利用從流體通路流入內(nèi)部歧管 的流體能量在內(nèi)部歧管內(nèi)產(chǎn)生渦流。
本發(fā)明的詳細內(nèi)容及其他特征及優(yōu)點將在說明書后面的記 載中進行說明，并用附圖進行表示。


圖l是表示具有本發(fā)明的流體通路結(jié)構(gòu)的燃料電池堆的切 去一部分的立體圖。
圖2表示與圖1類似、但取下外部歧管的狀態(tài)。圖3是本發(fā)明的隔板的主視圖。 圖4是燃料電池堆的概略水平剖視圖。
圖5是本發(fā)明的外部歧管的主視圖與垂直剖視圖的復(fù)合圖。
圖6是說明流線的交叉角a的隔板要部的力文大主視圖。
圖7與圖5類似，表示本發(fā)明第2實施例。
圖8與圖6類似，表示本發(fā)明第3實施例。
圖9是本發(fā)明的第3實施例的外部流體通路與內(nèi)部歧管的 連接部的概略構(gòu)成圖。
圖10與圖6類似，表示本發(fā)明第4實施例。
圖11與圖9類似，表示本發(fā)明第4實施例。
圖12與圖9類似，表示本發(fā)明第5實施例。
圖13是用于說明本發(fā)明的第5實施例中產(chǎn)生渦流的、外部 流體通路與內(nèi)部歧管的連接部的概略構(gòu)成圖。
圖14是表示發(fā)明人對使流線的交叉角a為零的以往的流 體通路結(jié)構(gòu)的單元內(nèi)流體通路的流量進行模擬的模擬結(jié)果的 圖。
圖15是表示發(fā)明人對本發(fā)明的流體通路結(jié)構(gòu)的單元內(nèi)流 體通路的流量進行模擬的模擬結(jié)果的圖。
圖16是用于說明使流線的交叉角a為零的以往的流體通 路結(jié)構(gòu)的、外部歧管的主視圖與垂直剖視圖的復(fù)合圖。
圖17A是用于說明以往的流體通路結(jié)構(gòu)中的逆循環(huán)現(xiàn)象的 燃料電池堆的水平剖視圖，圖17B是說明以往的流體通路結(jié)構(gòu) 中的逆循環(huán)現(xiàn)象的、表示內(nèi)部歧管上游部的橫截面內(nèi)的流量分 布的圖。
圖18A是說明使用本發(fā)明的流體通路結(jié)構(gòu)的狀態(tài)下的流體 的流動狀況的、燃料電池堆的水平剖視圖，圖18B是說明使用本發(fā)明的流體通i 各結(jié)構(gòu)的狀態(tài)下的流體的流動狀況的、內(nèi)部歧 管上游部的橫截面圖。
圖19是表示說明本發(fā)明的外部流體通路、連接部與內(nèi)部歧
管的流體的流動狀況的透視狀態(tài)的立體圖。
具體實施例方式
參照圖l，燃料電池堆由3座堆主體1、 一對外部歧管4A、 4B、以及殼體3，該3座堆主體1是層疊了許多由單元主體和隔 板構(gòu)成的燃料電池而成，該一對外部ot支管4A、 4B與3座堆主體 l相鄰接，該殼體3收容堆主體1與外部歧管4A、 4B。由配置在 堆主體1兩端的端板2將構(gòu)成各堆主體1的燃料電池保持為層疊 狀態(tài)。 一對外部歧管4A、 4B是為了向3座堆主體1供給燃料氣 體、氧化劑氣體與水、并且從3座堆主體1回收使用后的燃料廢 氣、氧化劑廢氣及剩余水而設(shè)置的。
在一外部歧管4A上連接有剩余水分排出管6、氧化劑氣體 供給管8及燃料氣體供給管10,該剩余水分排出管6用于排出剩 余水分Fwe,該氧化劑氣體供給管8用于供給氧化劑氣體Fo， 該燃料氣體供給管IO用于供給燃料氣體Fh。在另 一外部歧管 4B上連接有水供給管5、氧化劑廢氣排出管7及燃料廢氣排出管 9,該水供給管5用于供給水Fw,該氧化劑廢氣排出管7用于排 出氧化劑廢氣F o e ，該燃料廢氣排出管9用于排出燃料廢氣F h e 。
參照圖2， 3個內(nèi)部歧管16在各堆主體1的一個端板2的一端 開口 ，該3個內(nèi)部歧管16分別與一外部歧管4A的剩余水分排出 管6、氧化劑氣體供給管8及燃料氣體供給管10連通。3個內(nèi)部 歧管16在各堆主體1的端板2的另一端開口 ，該3個內(nèi)部歧管16 分別與另 一 方的外部歧管4B的水供給管5、氧化劑廢氣排出管7 及燃料廢氣排出管9連通。這樣，在端板2的兩端分別以在垂直方向上各排列3個開口部的狀態(tài)形成內(nèi)部歧管16的開口部。
這些內(nèi)部歧管16通過在外部歧管4A、 4B內(nèi)形成的各種流 體分別用的空間20與對應(yīng)的配管連接。
參照圖4，各內(nèi)部歧管16形成為貫通堆主體1，由夾著堆主 體l位于與外部歧管4A、 4B相反一側(cè)的端板2封閉各內(nèi)部歧管 16的末端。例如，關(guān)于氧化劑氣體Fo的供給與氧化劑廢氣Foe 的排出，從氧化劑供給管8向外部歧管4A內(nèi)的氧化劑氣體用的 空間20供給氧化劑氣體Fo。該氧化劑氣體Fo被從氧化劑氣體用 的空間20分配到堆主體l的圖4上部所示的氧化劑氣體用的內(nèi) 部歧管16。
參照圖3，該內(nèi)部歧管16與形成于各燃料電池的隔板14的 單元內(nèi)流體通路15的一端連通。單元內(nèi)流體通路15的另 一端自 正交方向與貫通隔板14相反側(cè)端部的內(nèi)部歧管16相連接。
因此，在各隔板14中，氧化劑氣體Fo被從圖右上的內(nèi)部歧 管16分配到單元內(nèi)流體通路15,在單元內(nèi)流體通路15中被消 耗。單元內(nèi)流體通路15中殘存的氧化劑氣體作為氧化劑廢氣 Foe被排出到在圖左下開口的內(nèi)部歧管16。
再次參照圖4，氧化劑廢氣Foe從位于圖下部的內(nèi)部歧管16 匯集到外部歧管4B的氧化劑廢氣用的空間20,排出到氧化劑廢 氣排出管7。
水Fw的供給與剩余水Fwe的排出、燃料氣體Fh的供給與 燃料廢氣F h e的排出也同樣通過形成在堆主體1的專用內(nèi)部歧 管16與形成在外部歧管4A、 4B的專用空間20來進行。
接著參照圖5，說明空間20的形狀。
形成在外部歧管4 B的空間2 0由容積部21與3條外部流體通 路22構(gòu)成，該容積部21臨時儲存從氧化劑氣體供給管8流入的 氧化劑氣體，該3條外部流體通路22將容積部21內(nèi)的氧化劑氣體分配到堆主體1的氧化劑氣體用的各內(nèi)部歧管1 6 。
3條外部流體通路22自與內(nèi)部歧管16正交的方向分別與內(nèi) 部歧管16的連接部16a連接。在該連接時，適用使從外部流體 通路22流入到內(nèi)部歧管16的氧化劑氣體在內(nèi)部歧管16的內(nèi)部 生成渦流這樣的連接構(gòu)造。
如圖6所示，在該實施例中通過如下方式來實現(xiàn)將內(nèi)部 歧管16做成扁平的矩形截面，從斜上方將外部流體通路22與內(nèi) 部歧管16連接成使外部流體通路22的中心線22d與單元內(nèi)流體 通路15的形成方向15d成規(guī)定的交叉角a 。在此，交叉角a為 大于零度、小于90度的值。
在內(nèi)部A支管16的內(nèi)部形成渦 流是 基于如下理由。
供給到堆主體1的氧化劑氣體高速流入內(nèi)部歧管16。流入 速度最高達到每秒50 100米。
外部流體通路22從與內(nèi)部歧管16正交方向與連接部16a連 接，因此，若如圖16所示那樣使外部流體通路22與單元內(nèi)流體 通路15的形成方向15d的交叉角a為零度，則如圖17A與圖17B 所示那樣，由于高速流入的氧化劑氣體的流動在連接部16a中 流動的方向改變90度而向彎曲外側(cè)偏置較大，其結(jié)果，高速流 入的氧化劑氣體的流動從內(nèi)部歧管16上游部的靠近堆主體1的 壁面剝離。其結(jié)果，在內(nèi)部歧管16上游部的橫截面內(nèi)產(chǎn)生較大 的壓力偏差，在如圖所示那樣成為低壓的靠近堆主體1的部分 產(chǎn)生下游氧化劑氣體發(fā)生逆流的逆循環(huán)現(xiàn)象。圖17B表示位于 內(nèi)部歧管16最上游的燃料電池的單元內(nèi)流體通路15的入口附 近切取的、內(nèi)部歧管16的橫截面內(nèi)的氧化劑氣體速度分布。
在產(chǎn)生逆循環(huán)現(xiàn)象那樣的狀況下，面向內(nèi)部歧管16上游部 的單元內(nèi)流體通路15的入口部的壓力比面向內(nèi)部歧管16下游 部的單元內(nèi)流體通路15的入口部的壓力低。由于該壓力差，向面向內(nèi)部歧管16上游部的單元內(nèi)流體通路15供給氧化劑氣體 的供給量比向其他單元內(nèi)流體通路15供給氧化劑氣體的供給 量少。圖14表示對在這樣的狀況下向各燃料電池供給氧化劑氣 體的供給流量進行比較的、發(fā)明人的模擬結(jié)果。如圖所示那樣， 在向構(gòu)成堆主體1的各燃料電池之間供給氧化劑氣體的供給量 產(chǎn)生較大的偏置。
本發(fā)明的連"J妄結(jié)構(gòu)做成如下這樣通過在內(nèi)部歧管16的內(nèi) 部產(chǎn)生渦流來減少在內(nèi)部歧管16的4黃截面內(nèi)中的壓力偏差，以 使得不產(chǎn)生氧化劑氣體流動的剝離與逆循環(huán)現(xiàn)象。對于在內(nèi)部 歧管16的內(nèi)部產(chǎn)生渦流，換言之為在內(nèi)部歧管16的氧化劑氣體 的流動中具有橫切方向上的速度成分。
圖18A、圖18B及圖19表示在將內(nèi)部歧管16做成扁平的 矩形截面，以規(guī)定的交叉角度a將外部流體通路22與內(nèi)部歧管 16連接時，從外部流體通i 各22通過連接部16a到內(nèi)部歧管16的 氧化劑氣體的流動的樣態(tài)。這些基于發(fā)明人的模擬。
如圖18B與圖19所示，在該結(jié)構(gòu)下，在連"l妻部16a與內(nèi)部 歧管16上游部的橫截面內(nèi)形成2個方向的渦流。其結(jié)果，橫截 面內(nèi)的壓力偏差纟皮消除。但是，連接部16a所形成的渦流的形 成風(fēng)向也可以不是2個方向而是l個方向。
在該連接結(jié)構(gòu)下，當(dāng)在內(nèi)部歧管16的內(nèi)部生成渦流時，內(nèi) 部歧管16的橫截面內(nèi)的壓力偏差變小，各單元內(nèi)流體通路15的 入口部的壓力變小。其結(jié)果，如圖15所示，可以使向構(gòu)成堆主 體1的各燃料電池供給氧化劑氣體的供給量均勻化，可以提高 堆主體l的發(fā)電效率。
以上對氧化劑氣體的供給進行了說明，但是，對于本發(fā)明 的燃料氣體或水的供給，可通過適用同樣的連接結(jié)構(gòu)而得到希 望的效果。在該情況下配置成在外部歧管4A、 4B內(nèi)分別形成各流體專用的空間20，各空間20相互不干涉。
在以上的實施例中，在所有的3個連接部16中將交叉角a 做成相同，但是，這些交叉角a也可以不必一定相同。優(yōu)選的 交叉角a的值根據(jù)流體的種類或速度、外部流體通路22與內(nèi)部 歧管16的形狀與尺寸等而不同。
對于形成渦流的連接結(jié)構(gòu)不限定于上述交叉角a的設(shè)定， 可以有各種結(jié)構(gòu)。
參照圖7~13,將對連接結(jié)構(gòu)的改變作為本發(fā)明的不同實施 例來進行說明。
參照圖7，在本發(fā)明的第2實施例的連接結(jié)構(gòu)中，通過從斜 下方將外部流體通路22與連接部16a連接來確保交叉角a 。
參照圖8與圖9，在本發(fā)明的第3實施例的連接結(jié)構(gòu)中，與 第2實施例相同從斜下方以交叉角a使外部流體通路22與連接 部16a相連接，但是，連接位置與圖7的實施例不同。在第2實 施例中，夕卜部流體通路22在扁平的矩形截面的連接部16a的底 部開口，與此相對，在本實施例中外部流體通i 各22在同樣形狀 的連接部16a的側(cè)面開口 。 -使開口部16a的4黃向尺寸為a,縱向 尺寸為b,外部流體通路22的通路寬度為c,設(shè)定開口部16a與 外部流體通路22的尺寸使得a〉c且a>b 。
參照圖IO與圖11,在本發(fā)明的第4實施例的連接結(jié)構(gòu)中， 將連接部16a形成為縱長的矩形截面，從斜下方使外部流體通 路22與連接部16a的側(cè)面連接。內(nèi)部歧管16的橫截面也做成縱 長的矩形截面。使開口部16a的橫向尺寸為a,縱向尺寸為b, 外部流體通路22的通路寬度為c，設(shè)定開口部16a與外部流體通 路22的尺寸使bX3且b〉a。
參照圖12與圖13，在本發(fā)明的第5實施例的連接構(gòu)造中， 從斜下方將外部流體通路22連接于扁平的矩形截面的連接部16的角部上的側(cè)面上，外部流體通路22的中心線做成通過連接 部16a的中心16c。如圖13所示那樣，在該連接結(jié)構(gòu)中也與第l 實施例相同，在連接部16a與內(nèi)部歧管16的上游部的4黃截面內(nèi) 形成2個方向的渦 流o
根據(jù)發(fā)明人的模擬，在以上任何實施例的連接結(jié)構(gòu)中都可
以在內(nèi)部歧管16中形成渦流。
引用以2005年10月27日為申請日的日本專利2005 — 312999號的內(nèi)容而合并于此。
如以上那樣，通過幾個特定實施例來對本發(fā)明進行說明。 但是，本發(fā)明不限于上述各實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員在權(quán)利要 求的技術(shù)范圍內(nèi)可對這些實施例添加各種修正或變更。
例如，以上各實施例在任何規(guī)定的交叉角a下使外部流體 通路22與連接部16a連接，但是，作為在內(nèi)部歧管16的內(nèi)部產(chǎn) 生渦流的連接結(jié)構(gòu)交叉角a不是不可欠缺的構(gòu)成要件。即使在 與圖16的以往技術(shù)相同交叉角a為零度時，也可以例如將連接 部16a的橫截面形成為正方形，在從橫截面的中心線偏置的位 置使外部流體通路22與連接部16a相連接，由此來在連接部16a 與內(nèi)部歧管16內(nèi)形成渦流。
因此，外部流體通路22與連接部16a的連接結(jié)構(gòu)只要是在 流體力學(xué)上可在內(nèi)部歧管16內(nèi)引起生成渦流的任何結(jié)構(gòu)都可 以。
產(chǎn)業(yè)上的可應(yīng)用性
如以上那樣，本發(fā)明利用從外部流體通路流入到燃料電池 堆的內(nèi)部歧管的流體能量在內(nèi)部歧管內(nèi)生成渦流。因此可以用 緊湊的結(jié)構(gòu)來減少內(nèi)部歧管的橫截面內(nèi)的壓力偏差，使從內(nèi)部 歧管向單元內(nèi)流體通路的流體分配均勻化。因此，在適用于汽 車用燃料電池系統(tǒng)中得到特別期望的效果。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池堆的流體通路結(jié)構(gòu)，其具有內(nèi)部歧管(16)、外部流體通路(22)，該內(nèi)部歧管(16)沿層疊方向形成于多個燃料電池的層疊體(1)的內(nèi)側(cè)，該外部流體通路(22)向內(nèi)部歧管(16)供給流體，各燃料電池具有自與內(nèi)部歧管(16)正交的方向同內(nèi)部歧管(16)連接的單元內(nèi)流體通路(15)，該外部流體通路(22)自與內(nèi)部歧管(16)正交的方向同內(nèi)部歧管(16)的一端連接，其特征在于，上述流體通路結(jié)構(gòu)具有連接部(16a)，該連接部(16a)將外部流體通路(22)與內(nèi)部歧管(16)連接，以使得利用從外部流體通路(22)流入內(nèi)部歧管(16)流體的能量在內(nèi)部歧管(16)內(nèi)產(chǎn)生渦流。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池堆的流體通路結(jié)構(gòu)，連 接部(16a)構(gòu)成為阻止流體從內(nèi)部歧管(16)的壁面剝離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池堆的流體通路結(jié)構(gòu)，連 接部(16a)構(gòu)成為阻止在內(nèi)部歧管(16)內(nèi)流體的流動中產(chǎn) 生逆循環(huán)現(xiàn)象。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的燃料電池堆的流體通路結(jié)構(gòu)，連 接部(16a)構(gòu)成為使在內(nèi)部歧管(16)內(nèi)流體的流動中具有 內(nèi)部歧管(16)的橫切方向的速度成分。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任意 一 項所述的燃料電池堆的流體 通路結(jié)構(gòu)，連接部(16a)構(gòu)成為將外部流體通路(22)與內(nèi) 部歧管(16)連接，以使得在從內(nèi)部歧管的中心軸線方向觀察 的狀態(tài)下單元內(nèi)流體通路(15)的形成方向與外部流體通路成 規(guī)定的交叉角。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任意 一 項所述的燃料電池堆的流體 通路結(jié)構(gòu)，連接部(16a )構(gòu)成為在偏離內(nèi)部歧管(16 )的橫 截面中心線的位置處使外部流體通路與內(nèi)部歧管連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 4中任意 一 項所述的燃料電池堆的流體 通路結(jié)構(gòu)，內(nèi)部歧管(16)的橫截面形成為扁平的矩形截面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1 ~ 4中任意 一 項所述的燃料電池堆的流體 通路結(jié)構(gòu)，內(nèi)部歧管(16)的橫截面形成為縱長的矩形截面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中任意 一項所述的燃料電池堆的流體 通路結(jié)構(gòu)，連接部(16a)構(gòu)成為使得在內(nèi)部歧管(16)中形 成方向不同的2個渦 流o
10. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中任意 一 項所述的燃料電池堆的流 體通路結(jié)構(gòu)，燃料電池堆具有多個層疊體(1 )與形成在多個 層疊體(1 )外側(cè)的外部歧管(4A、 4B),外部流體通路(22) 由在外部歧管(4A、 4B)內(nèi)形成的分支通路構(gòu)成，該分支通路 將在外部歧管(4A、 4B)內(nèi)形成的流體儲存空間(21)、和各 層疊體的內(nèi)部歧管(16)連接。
全文摘要
本發(fā)明的燃料電池堆的流體通路結(jié)構(gòu)具有內(nèi)部歧管(16)、外部流體通路(22)與連接部(16a)，該內(nèi)部歧管(16)沿層疊方向形成在多個燃料電池的層疊體(1)內(nèi)側(cè)，該外部流體通路(22)向內(nèi)部歧管(16)供給流體，該連接部(16a)將流體通路與內(nèi)部歧管連接。各燃料電池具有從正交方向與內(nèi)部歧管(16)連接的單元內(nèi)流體通路(15)。將連接部(16a)構(gòu)成為利用從流體通路(22)流入內(nèi)部歧管(16)的流體能量而在內(nèi)部歧管(16)內(nèi)產(chǎn)生渦流，由此減少內(nèi)部歧管(16)的橫截面內(nèi)的壓力偏差，實現(xiàn)向各單元內(nèi)流體通路(15)的流體供給量的均勻化。
文檔編號H01M8/24GK101297431SQ20068004002
公開日2008年10月29日 申請日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者市川靖 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社