燃料电池堆的制作方法
燃料电池堆的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种能够尽可能抑制配管内的压力损失，且能够使流体顺利地流通的燃料电池堆。燃料电池堆层叠有多个燃料电池，并且在层叠方向两端配置有第一端板及第二端板。在第一端板上安装有与氧化剂气体供给连通孔连通的氧化剂气体供给连结配管。氧化剂气体供给连结配管的配管中间部位的开口截面积设定成比氧化剂气体入口的开口截面积及氧化剂气体出口的开口截面积大的值。
【专利说明】燃料电池堆【技术领域】
[0001]本发明涉及具有燃料电池且将多个所述燃料电池层叠而成的燃料电池堆，该燃料电池通过将在电解质膜的两侧设有电极的电解质膜-电极结构体和隔板层叠而成。
【背景技术】
[0002]例如，固体高分子型燃料电池具备通过隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA)而成的发电单元，该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的一方的面侧配设有阳极电极，在另一方的面侧配设有阴极电极。燃料电池通常通过层叠规定个数的发电单元，例如作为车载用燃料电池堆而装入燃料电池车辆中。 [0003]在上述的燃料电池中，在隔板的面内设有用于使燃料气体向阳极电极流动的燃料气体流路和用于使氧化剂气体向阴极电极流动的氧化剂气体流路。并且，在隔板间，沿着所述隔板的面方向而设有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。
[0004]在层叠方向一端配设的端板上，至少形成有向燃料气体流路供给燃料气体的燃料气体供给连通孔、从所述燃料气体流路排出使用完的燃料气体的燃料气体排出连通孔等流体连通孔。在端板上还形成有向氧化剂气体流路供给氧化剂气体的氧化剂气体供给连通孔、及从所述氧化剂气体流路排出使用完的氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔等流体连通孔。
[0005]在该内部歧管型的燃料电池上例如连接有加湿装置等外部设备，该加湿装置在氧化剂气体或燃料气体向该燃料电池供给之前对该氧化剂气体或燃料气体进行加湿。此时，在外部设备上设置的外部配管大多设置成圆筒形状，而在端板上形成的流体连通孔具有矩形形状或三角形形状(非圆形状)。因此，难以将圆形状的外部配管和非圆形状的流体连通孔气密地连接。
[0006]在此，已知有日本特开2009-224194号公报(以下，称为现有技术I)中公开的燃料电池堆。在该燃料电池堆中，在一方的端板上设有将非圆形状的连通孔和圆形状的外部配管连通的树脂制连结配管。该树脂制连结配管一体地设有:与非圆形状的连通孔连通的非圆形状筒部；与圆形状的外部配管连通的圆形状筒部；沿着一方的端板的厚度方向将所述非圆形状筒部和所述圆形状筒部连通的连结形状筒部。
[0007]另外，在内部歧管型的燃料电池中，为了将各连通孔和外部设备连接，而采用配管结构。作为此种技术，已知有例如日本特开2006-228632号公报(以下，称为现有技术2)中公开的燃料电池堆的配管结构。
[0008]如图17所示，该配管结构具备通过电化学反应使燃料气体和氧化剂气体反应而进行发电的燃料电池堆2。氧化剂气体入口配管3、冷却水入口配管4、燃料气体出口配管
5、冷却水出口配管6、燃料气体入口配管7及氧化剂气体出口配管8经由燃料电池歧管9而与燃料电池堆2连接。
[0009]氧化剂气体入口配管3向燃料电池堆2供给氧化剂气体，冷却水入口配管4向所述燃料电池堆2供给冷却水，燃料气体出口配管5从所述燃料电池堆2排出燃料气体。冷却水出口配管6从燃料电池堆2排出冷却水，燃料气体入口配管7向所述燃料电池堆2供给燃料气体，氧化剂气体出口配管8从所述燃料电池堆2排出氧化剂气体。
[0010]发明的概要
[0011]然而，在上述的现有技术I中，在树脂制连结配管上连接圆形状的外部配管的一端，且所述圆形状的外部配管的另一端与外部机器连接。这种情况下，尤其是使流体从外部配管在树脂制连结配管中流通而向燃料电池堆供给时，在配管内部容易产生压力损失。因此，在配管内部无法实现流体的顺利的流通。
[0012]另外，在上述的现有技术2中，各配管弯曲形成为大致90度的角度而构成为L字状。因此，在配管内部容易产生大的压力损失，从而无法实现流体的顺利的流通。
【发明内容】
[0013]本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种能够尽可能抑制配管内的压力损失，且能够使流体顺利地流通的燃料电池堆。
[0014]本发明涉及一种燃料电池堆，其具有将电解质膜-电极结构体和隔板层叠而成的燃料电池，该电解质膜-电极结构体在电解质膜的两侧设有电极，多个所述燃料电池层叠且在层叠方向两端配设有端板，并且在所述燃料电池的层叠方向上至少形成有使作为反应气体或冷却介质的流体流通的流体连通孔，且至少在一方的所述端板上连接有将所述流体连通孔和外部配管连通的连结配管。
[0015]在该燃料电池堆中，连结配管的配管中间部位的开口截面积设定成比流体入口的开口截面积及流体出口的开口截面积大的值。
[0016]根据本发明，在连结配管内，能够尽可能地抑制流体的压力损失，因此能够使流体顺利且可靠地流通。尤其是连结配管在途中弯曲时，内部的压力损失也不会增加，能够实现流体的良好的流通。
[0017]上述的目的、特征及优点根据参照【专利附图】
【附图说明】的以下的实施方式的说明而容易理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的第一实施方式的燃料电池堆的从第一端板侧观察到的简要立体说明图。
[0019]图2是所述燃料电池堆的从第二端板侧观察到的简要立体说明图。
[0020]图3是构成所述燃料电池堆的燃料电池的主要部分分解立体说明图。
[0021]图4是表示构成所述燃料电池堆的氧化剂气体供给连结配管的内部的立体说明图。
[0022]图5是所述氧化剂气体供给连结配管的剖视说明图。
[0023]图6是表示构成所述燃料电池堆的燃料气体供给连结配管的内部的立体说明图。
[0024]图7是所述燃料气体供给连结配管的剖视说明图。
[0025]图8是表示构成所述燃料电池堆的冷却介质供给连结配管的内部的立体说明图。
[0026]图9是第一实施方式与比较例的压力损失的比较说明图。
[0027]图10是本发明的第二实施方式的燃料电池堆的简要立体说明图。[0028]图11是表示构成所述燃料电池堆的氧化剂气体供给连结配管的内部的立体说明图。
[0029]图12是所述氧化剂气体供给连结配管的剖视说明图。
[0030]图13是表示比较例的氧化剂气体供给连结配管内的速度等高线的图。
[0031]图14是表示第二实施方式的氧化剂气体供给连结配管内的速度等高线的图。
[0032]图15是表示所述比较例的氧化剂气体出口附近的压力等高线的图。
[0033]图16是表示第二实施方式的氧化剂气体出口附近的压力等高线的图。
[0034]图17是现有技术2的配管结构的立体说明图。
【具体实施方式】
[0035]如图1及图2所示，本发明的第一实施方式的燃料电池堆10例如搭载于未图示的燃料电池电动机动车。燃料电池堆10将多个燃料电池12以电极面成为竖立姿态的方式沿着水平方向(箭头B方向)层叠。需要说明的是，也可以将多个燃料电池12沿重力方向层叠而构成燃料电池堆10。
[0036]在燃料电池12的层叠方向一端，朝向外方顺次配设有第一接线板14a、第一绝缘板16a及第一端板18a。在燃料电池12的层叠方向另一端,朝向外方顺次配设有第二接线板14b、第二绝缘板16b及第二端板18b。
[0037]与第一接线板14a连接的第一电力输出端子20a从横长形状的第一端板18a的中央部朝向外方延伸(参照图1)。与第二接线板14b连接的第二电力输出端子20b从横长形状的第二端板18b的中央部朝向外方延伸(参照图2)。
[0038]在第一端板18a与第二端板18b的各边之间，通过螺钉24将连结杆22的两端固定，来对多个层叠的燃料电池12施加层叠方向(箭头B方向)的紧固载荷。
[0039]如图3所示，燃料电池12具备电解质膜-电极结构体26和夹持所述电解质膜-电极结构体26的第一隔板28及第二隔板30。
[0040]第一隔板28及第二隔板30例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板或对其金属表面实施了防蚀用的表面处理的金属板形成。第一隔板28及第二隔板30的平面具有矩形形状，并且通过将金属制薄板冲压加工成波形形状而成形为截面凹凸形状。需要说明的是，第一隔板28及第二隔板30也可以取代金属隔板而使用例如碳隔板。
[0041 ] 第一隔板28及第二隔板30具有横长形状，并且长边沿着水平方向(箭头A方向)延伸，且短边沿着重力方向(箭头C方向)延伸。需要说明的是，也可以是短边沿着水平方向延伸，且长边沿着重力方向延伸。
[0042]在燃料电池12的长边方向(箭头A方向)的一端缘部设有沿着箭头B方向相互连通的氧化剂气体供给连通孔32a和燃料气体供给连通孔34a。氧化剂气体供给连通孔32a具有供给氧化剂气体例如含氧气体的长方形等矩形形状(或三角形形状)。燃料气体供给连通孔34a具有供给燃料气体例如含氢气体的长方形等矩形形状(或三角形形状)。
[0043]在燃料电池12的长边方向的另一端缘部设有沿着箭头B方向相互连通的燃料气体排出连通孔34b和氧化剂气体排出连通孔32b。燃料气体排出连通孔34b具有排出燃料气体的长方形等矩形形状(或三角形形状)。氧化剂气体排出连通孔32b具有排出氧化剂气体的长方形等矩形形状(或三角形形状)。[0044]在燃料电池12的短边方向(箭头C方向)的两端缘部一侧(水平方向一端侧)，即，在氧化剂气体供给连通孔32a及燃料气体供给连通孔34a侧设有两个冷却介质供给连通孔36a。冷却介质供给连通孔36a具有供给冷却介质的长方形等矩形形状(或三角形形状)，并且沿着箭头B方向相互连通而上下地设置于对置的边上。
[0045]在燃料电池12的短边方向的两端缘部另一侧(水平方向另一端侧)，即，在燃料气体排出连通孔34b及氧化剂气体排出连通孔32b侧设有两个冷却介质排出连通孔36b。冷却介质排出连通孔36b具有排出冷却介质的长方形等矩形形状(或三角形形状)，并且沿着箭头B方向连通而上下地设置于对置的边上。
[0046]电解质膜-电极结构体26具备:例如将水浸溃于全氟磺酸的薄膜而得到的固体高分子电解质膜38和夹持所述固体高分子电解质膜38的阴极电极40及阳极电极42。
[0047]阴极电极40及阳极电极42具有由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)和将在表面担载有钼合金的多孔质碳粒子同样地涂敷于所述气体扩散层的表面而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜38的两面上。
[0048]在第一隔板28的朝向电解质膜-电极结构体26的面28a上形成有将氧化剂气体供给连通孔32a和氧化剂气体排出连通孔32b连通的氧化剂气体流路44。氧化剂气体流路44由沿着箭头A方向延伸的多根波状流路槽(或直线状流路槽)形成。
[0049]在第二隔板30的朝向电解质膜-电极结构体26的面30a上形成有将燃料气体供给连通孔34a和燃料气体排出连通孔34b连通的燃料气体流路46。燃料气体流路46由沿着箭头A方向延伸的多根波状流路槽(或直线状流路槽)形成。
[0050]在第二隔板30的面30b和相邻的第一隔板28的面28b之间形成有与冷却介质供给连通孔36a、36a和冷却介质排出连通孔36b、36b连通的冷却介质流路48。该冷却介质流路48沿着水平方向延伸，使冷却介质在电解质膜-电极结构体26的整个电极范围内流通。
[0051]在第一隔板28的面28a、28b上，环绕该第一隔板28的外周端缘部而一体成形有第一密封构件50。在第二隔板30的面30a、30b上，环绕该第二隔板30的外周端缘部而一体成形有第二密封构件52。
[0052]作为第一密封构件50及第二密封构件52，例如使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等的密封件、缓冲件或填充件等具有弹性的密封构件。
[0053]如图1所示，在第一端板18a上安装有与氧化剂气体供给连通孔32a、氧化剂气体排出连通孔32b、燃料气体供给连通孔34a及燃料气体排出连通孔34b连通的氧化剂气体供给连结配管54a、氧化剂气体排出连结配管54b、燃料气体供给连结配管56a及燃料气体排出连结配管56b。
[0054]氧化剂气体供给连结配管54a具有板状安装部58，所述板状安装部58经由密封件60，与第一端板18a的氧化剂气体供给连通孔32a对应而配置。板状安装部58通过螺钉62固定于第一端板18a。从板状安装部58 —体成形有主体部64，并且在所述主体部64的前端设有圆形状的氧化剂气体入口(流体入口)66。
[0055]如图4所示，在板状安装部58上形成有与氧化剂气体供给连通孔32a连通的矩形形状(或三角形形状)的氧化剂气体出口(流体出口)68。氧化剂气体供给连结配管54a具有位于氧化剂气体入口 66与氧化剂气体出口 68之间的配管中间部位70。[0056]如图4及图5所示，配管中间部位70的开口截面积Wl设定成比氧化剂气体入口66的开口截面积W2及氧化剂气体出口 68的开口截面积W3大的值(Wl > W2，Wl > W3)。
[0057]氧化剂气体供给连结配管54a的内壁面54ai从氧化剂气体入口 66到配管中间部位70、以及从氧化剂气体出口 68到所述配管中间部位70分别平滑地形成。氧化剂气体供给连结配管54a的内壁面54ai仅由整体平滑地连续且朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。即，在氧化剂气体供给连结配管54a的内壁面54ai上未设置向内侧弯曲或折弯的部位(缩小部位)。
[0058]需要说明的是，氧化剂气体排出连结配管54b与上述的氧化剂气体供给连结配管54a同样地构成,对于同一构成要素标注同一参照符号并省略其详细的说明。氧化剂气体供给连结配管54a及氧化剂气体排出连结配管54b经由外部配管而与未图示的外部机器连接。
[0059]如图1所示，燃料气体供给连结配管56a具有板状安装部72，所述板状安装部72经由密封件74，与第一端板18a的燃料气体供给连通孔34a对应而配置。板状安装部72通过螺钉76固定于第一端板18a。从板状安装部72 —体成形有主体部78，并且在所述主体部78的前端设有圆形状的燃料气体入口(流体入口)80。主体部78具有大致90°的角度而弯曲成形。即，燃料气体入口 80的燃料气体流动方向设定成与燃料气体供给连通孔34a的燃料气体流动方向正交的方向。
[0060]如图6所示，在板状安装部72上形成有与燃料气体供给连通孔34a连通的矩形形状(或三角形形状)的燃料气体出口(流体出口)82。燃料气体供给连结配管56a具有位于燃料气体入口 80与燃料气体出口 82之间的配管中间部位84。
[0061]如图6及图7所示，配管中间部位84的开口截面积W4设定成比燃料气体入口 80的开口截面积W5及燃料气体出口 82的开口截面积W6大的值(W4 > W5，W4 > W6)。
[0062]燃料气体供给连结配管56a的内壁面56ai从燃料气体入口 80到配管中间部位84、以及从燃料气体出口 82到所述配管中间部位84分别平滑地形成。燃料气体供给连结配管56a的内壁面56ai仅由整体平滑地连续且朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。即，在燃料气体供给连结配管56a的内壁面56ai上未设置向内侧弯曲或折弯的部位(缩小部位)。
[0063]需要说明的是，燃料气体排出连结配管56b与上述的燃料气体供给连结配管56a同样地构成，对于同一构成要素标注同一参照符号并省略其详细的说明。燃料气体供给连结配管56a及燃料气体排出连结配管56b经由外部配管而与未图示的外部机器连接。
[0064]如图2所示，在第二端板18b上安装有与上下的冷却介质供给连通孔36a、36a —体地连通的冷却介质供给连结配管86a及与上下的冷却介质排出连通孔36b、36b —体地连通的冷却介质排出连结配管86b。
[0065]冷却介质供给连结配管86a具有一对板状安装部88，各板状安装部88分别经由密封件90而配置在第二端板18b的各冷却介质供给连通孔36a上。板状安装部88通过螺钉92固定于第二端板18b。从各板状安装部88 —体成形有主体部94，并且在所述主体部94的中央部一体设有弯曲的配管部96。在配管部96的前端形成有圆形状的冷却介质入口(流体入口)98。
[0066]如图8所示，在各板状安装部88上形成有与冷却介质供给连通孔36a连通的矩形形状(或三角形形状)的冷却介质出口(流体出口)100。冷却介质供给连结配管86a具有位于冷却介质入口 98与各冷却介质出口 100之间的一对配管中间部位102。
[0067]将各配管中间部位102的开口截面积W7合计后的总中间部位开口截面积2XW7设定成比冷却介质入口 98的开口截面积W8及将各冷却介质出口 100的开口截面积W9合计后的总出口侧开口截面积2XW9大的值(2XW7 > W8，2XW7 > 2XW9)。
[0068]冷却介质供给连结配管86a的内壁面86ai从冷却介质入口 98到配管中间部位102、以及从各冷却介质出口 100到所述配管中间部位102分别平滑地形成。冷却介质供给连结配管86a的内壁面86ai仅由整体平滑地连续且朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。即，在冷却介质供给连结配管86a的内壁面86ai上未设置向内侧弯曲或折弯的部位(缩小部位)。
[0069]需要说明的是，冷却介质排出连结配管86b与上述的冷却介质供给连结配管86a同样地构成，对于同一构成要素标注同一参照符号并省略其详细的说明。冷却介质供给连结配管86a及冷却介质排出连结配管86b经由外部配管而与未图示的外部机器连接。
[0070]以下，对该燃料电池堆10的动作进行说明。
[0071]首先,如图1所示，从第一端板18a的氧化剂气体供给连结配管54a向氧化剂气体供给连通孔32a供给含氧气体等氧化剂气体。从第一端板18a的燃料气体供给连结配管56a向燃料气体供给连通孔34a供给含氢气体等燃料气体。
[0072]另一方面，如图2所示，从第二端板18b的冷却介质供给连结配管86a向一对冷却介质供给连通孔36a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
[0073]由此，如图3所示，氧化剂气体从氧化剂气体供给连通孔32a向第一隔板28的氧化剂气体流路44导入。氧化剂气体沿着氧化剂气体流路44向箭头A方向移动，并向电解质膜-电极结构体26的阴极电极40供给。
[0074]另一方面，燃料气体从燃料气体供给连通孔34a向第二隔板30的燃料气体流路46供给。燃料气体沿着燃料气体流路46向箭头A方向移动，并向电解质膜-电极结构体26的阳极电极42供给。
[0075]因此，在电解质膜-电极结构体26中，向阴极电极40供给的氧化剂气体和向阳极电极42供给的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗而进行发电。
[0076]接着，向电解质膜-电极结构体26的阴极电极40供给而被消耗后的氧化剂气体沿着氧化剂气体排出连通孔32b向箭头B方向流通，并从氧化剂气体排出连结配管54b排出(参照图1)。另一方面，向电解质膜-电极结构体26的阳极电极42供给而被消耗后的燃料气体沿着燃料气体排出连通孔34b向箭头B方向流通，并从燃料气体排出连结配管56b排出。
[0077]另外，供给到一对冷却介质供给连通孔36a中的冷却介质被向第一隔板28与第二隔板30之间的冷却介质流路48导入。冷却介质暂且沿着箭头C方向向内方流动之后，沿着箭头A方向移动而对电解质膜-电极结构体26进行冷却。冷却介质移动到箭头C方向外方之后，沿着一对冷却介质排出连通孔36b向箭头B方向流通，从冷却介质排出连结配管86b排出(参照图2)。
[0078]这种情况下，在第一实施方式中，如图4及图5所示，氧化剂气体供给连结配管54a的配管中间部位70的开口截面积Wl设定成比氧化剂气体入口 66的开口截面积W2及氧化剂气体出口 68的开口截面积W3大的值(Wl > W2, Wl > W3)。
[0079]因此，在氧化剂气体供给连结配管54a内，氧化剂气体的压力损失被尽可能抑制。因而，能够使氧化剂气体从外部配管经由氧化剂气体供给连结配管54a而向氧化剂气体供给连通孔32a顺利且可靠地流通。
[0080]在此，使用配管中间部位70的开口截面积与氧化剂气体入口 66的开口截面积具有相同值且所述配管中间部位70的开口截面形状与所述氧化剂气体入口 66的开口截面形状具有不同形状的氧化剂气体供给连结配管(以下，称为比较例)，进行与本实施方式的氧化剂气体供给连结配管54a比较压力损失的实验。其结果在图9中示出。
[0081]由此，在比较例中，伴随配管长度增长而内部的压力损失急剧增加，与此相对，在本实施方式中，能够得到良好地抑制压力损失的增加这样的结果。需要说明的是，在以下说明的燃料气体供给连结配管56a及冷却介质供给连结配管86a中也同样。
[0082]另外，在第一实施方式中，如图6及图7所示，燃料气体供给连结配管56a的配管中间部位84的开口截面积W4设定成比燃料气体入口 80的开口截面积W5及燃料气体出口82的开口截面积W6大的值(W4 > W5, W4 > W6)。
[0083]因此，在燃料气体供给连结配管56a内，燃料气体的压力损失被尽可能地抑制。因而，能够使燃料气体从外部配管经由燃料气体供给连结配管56a而向燃料气体供给连通孔34a顺利且可靠地流通。尤其在燃料气体供给连结配管56a中，在主体部78具有大致90°的角度而弯曲成形时，内部的压力损失也不会增大，能够实现燃料气体的良好的流通。
[0084]另外，在第一实施方式中，如图8所示，冷却介质供给连结配管86a的各配管中间部位102的总中间部位开口截面积2XW7设定成比冷却介质入口 98的开口截面积W8及各冷却介质出口 100的总出口侧开口截面积2XW9大的值(2XW7 > W8,2XW7 > 2XW9)。
[0085]由此，在冷却介质供给连结配管86a内，冷却介质的压力损失被尽可能地抑制。因此，能够使冷却介质从外部配管经由冷却介质供给连结配管86a而向冷却介质供给连通孔36a顺利地可靠地流通。
[0086]如图10所示，本发明的第二实施方式的燃料电池堆110通过将多个燃料电池12层叠而构成。需要说明的是，在与第一实施方式的燃料电池堆10相同的构成要素上标注同一参照符号而省略其详细的说明。
[0087]在第一端板18a上安装有与氧化剂气体供给连通孔32a、氧化剂气体排出连通孔32b、燃料气体供给连通孔34a及燃料气体排出连通孔34b连通的氧化剂气体供给连结配管112a、氧化剂气体排出连结配管112b、燃料气体供给连结配管114a及燃料气体排出连结配管 114b ο
[0088]氧化剂气体供给连结配管112a具有板状安装部58，所述板状安装部58经由密封件60，与第一端板18a的氧化剂气体供给连通孔32a对应而配置。从板状安装部58 —体成形有主体部116，并且在所述主体部116的前端设有圆形状的氧化剂气体入口(流体入
口)66。
[0089]如图10及图11所示，在板状安装部58上形成有与氧化剂气体供给连通孔32a连通的矩形形状(或三角形形状)的氧化剂气体出口(流体出口)68。氧化剂气体供给连结配管112a具有配管中间部位118，该配管中间部位118位于氧化剂气体入口 66与氧化剂气体出口 68之间，具有大致90°的角度而弯曲成形。如图12所示，氧化剂气体入口 66的氧化剂气体流动方向设定成与氧化剂气体供给连通孔32a的氧化剂气体流动方向正交的方向。
[0090]如图11及图12所示，配管中间部位118的开口截面积WlO设定成比氧化剂气体入口 66的开口截面积WlI及氧化剂气体出口 68的开口截面积W12大的值(W10 > Wll，WlO>W12)。如图12所示，配管中间部位118具有鼓出部120，该鼓出部120从氧化剂气体出口 68的正面观察下的开口范围向与氧化剂气体入口 66相反的一侧鼓出。
[0091]氧化剂气体供给连结配管112a的内壁面112ai从氧化剂气体入口 66到配管中间部位118、以及从氧化剂气体出口 68到所述配管中间部位118分别平滑地形成。氧化剂气体供给连结配管112a的内壁面112ai仅由整体平滑地连续且朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。S卩，在氧化剂气体供给连结配管112a的内壁面112ai上未设置向内侧弯曲或折弯的部位(缩小部位)。
[0092]需要说明的是，氧化剂气体排出连结配管112b与上述的氧化剂气体供给连结配管112a同样地构成,对于同一构成要素标注同一参照符号并省略其详细的说明。氧化剂气体供给连结配管112a及氧化剂气体排出连结配管112b经由外部配管(未图示)而与加湿器等未图示的外部机器连接。
[0093]如图10所示，燃料气体供给连结配管114a及燃料气体排出连结配管114b与上述的氧化剂气体供给连结配管112a同样地构成，对于同一构成要素，在同一参照数字后标注符号a并省略其详细的说明。燃料气体供给连结配管114a及燃料气体排出连结配管114b经由外部配管(未图示)而与未图示的外部机器连接。
[0094]这种情况下，在第二实施方式中，如图11及图12所示，氧化剂气体供给连结配管112a的配管中间部位118的开口截面积WlO设定成比氧化剂气体出口 68的开口截面积W12大的值(W10 > W12)。而且，如图12所示，配管中间部位118具有鼓出部120，该鼓出部120从氧化剂气体出口 68的正面观察下的开口范围向与氧化剂气体入口 66相反的一侧鼓出。
[0095]因此，在氧化剂气体供给连结配管112a内，氧化剂气体的压力损失被尽可能地抑制。因而，能够使氧化剂气体从外部配管(未图示)经由氧化剂气体供给连结配管112a而向氧化剂气体供给连通孔32a顺利地均匀地流通。
[0096]并且，氧化剂气体供给连结配管112a在途中弯曲成大致90度的角度。由此，配管结构的布局性提高，且能够相对于燃料电池堆10的层叠方向紧凑地构成。需要说明的是，在燃料气体供给连结配管114a中也能够得到同样的效果。
[0097]在此，如图13所示，作为比较例，准备氧化剂气体供给连结配管112comp.。氧化剂气体供给连结配管112comp.具有氧化剂气体入口 66comp.、氧化剂气体出口 68comp.及配管中间部位IlScomp.，所述配管中间部位IlScomp.的开口截面积具有与所述氧化剂气体出口 68comp.的开口截面积相同的值。配管中间部位IlScomp.以大致90度的角度折弯，且未设置第二实施方式的鼓出部120。
[0098]使用作为比较例的氧化剂气体供给连结配管112comp.和作为第二实施方式的氧化剂气体供给连结配管112a，进行检测配管内的流速及压力的实验。其结果是，在氧化剂气体供给连结配管112comp.中，如图13的速度等高线所示，配管内的速度局部地发生较大地变动，尤其在氧化剂气体出口 68comp.的附近形成镟润区域118comp.S。因此,无法向氧化剂气体供给连通孔32a均匀地供给氧化剂气体。[0099]与此相对，在第二实施方式中，如图14的速度等高线所示，氧化剂气体出口 68的附近的流速被均匀化。因此，能够向氧化剂气体供给连通孔32a均匀且可靠地供给氧化剂气体。
[0100]另外，在氧化剂气体供给连结配管112comp.中，如图15的压力等高线所示，在氧化剂气体出口 68comp.的附近产生显著的压力分布。另一方面，在第二实施方式中，如图16的压力等高线所示，在氧化剂气体出口 68的附近得到均匀的压力分布，能够向氧化剂气体供给连通孔32a良好地供给氧化剂气体。
【权利要求】
1.一种燃料电池堆，其具有将电解质膜-电极结构体和隔板层叠而成的燃料电池，该电解质膜-电极结构体在电解质膜的两侧设有电极，多个所述燃料电池层叠且在层叠方向两端配设有端板，并且在所述燃料电池的层叠方向上至少形成有使作为反应气体或冷却介质的流体流通的流体连通孔，至少在一方的所述端板上连接有将所述流体连通孔和外部配管连通的连结配管，所述燃料电池堆的特征在于， 所述连结配管的配管中间部位的开口截面积设定成比流体入口的开口截面积及流体出口的开口截面积大的值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述连结配管的内壁面从所述流体入口到所述配管中间部位、以及从所述流体出口到所述配管中间部位分别平滑地形成，且仅由朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述连结配管一体地具有两个所述配管中间部位、两个所述流体出口及一个所述流体入口， 将两个所述配管中间部位的开口截面积合计后的总中间部位开口截面积设定成比所述流体入口的开口截面积大的值， 所述总中间部位开口截面积设定成比将两个所述流体出口的开口截面积合计后的总出口侧开口截面积大的值。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述连结配管具有:与所述外部配管连接的所述流体入口 ；与所述流体连通孔连接的所述流体出口 ；在所述流体入口与所述流体出口之间弯曲设置，且设定成比所述流体出口的开口截面积大的开口截面积的配管中间部位， 所述配管中间部位具有鼓出部，该鼓出部从所述流体出口的正面观察下的开口范围向与所述流体入口相反的一侧鼓出。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述流体入口的流体流动方向设定成与所述流体连通孔的流体流动方向正交的方向。
【文档编号】H01M8/24GK103996868SQ201410041503
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2013年2月18日
【发明者】佐佐本和也 申请人:本田技研工业株式会社
【专利摘要】本发明提供一种能够尽可能抑制配管内的压力损失，且能够使流体顺利地流通的燃料电池堆。燃料电池堆层叠有多个燃料电池，并且在层叠方向两端配置有第一端板及第二端板。在第一端板上安装有与氧化剂气体供给连通孔连通的氧化剂气体供给连结配管。氧化剂气体供给连结配管的配管中间部位的开口截面积设定成比氧化剂气体入口的开口截面积及氧化剂气体出口的开口截面积大的值。
【专利说明】燃料电池堆【技术领域】
[0001]本发明涉及具有燃料电池且将多个所述燃料电池层叠而成的燃料电池堆，该燃料电池通过将在电解质膜的两侧设有电极的电解质膜-电极结构体和隔板层叠而成。
【背景技术】
[0002]例如，固体高分子型燃料电池具备通过隔板夹持电解质膜-电极结构体(MEA)而成的发电单元，该电解质膜-电极结构体在由高分子离子交换膜构成的电解质膜的一方的面侧配设有阳极电极，在另一方的面侧配设有阴极电极。燃料电池通常通过层叠规定个数的发电单元，例如作为车载用燃料电池堆而装入燃料电池车辆中。 [0003]在上述的燃料电池中，在隔板的面内设有用于使燃料气体向阳极电极流动的燃料气体流路和用于使氧化剂气体向阴极电极流动的氧化剂气体流路。并且，在隔板间，沿着所述隔板的面方向而设有用于使冷却介质流动的冷却介质流路。
[0004]在层叠方向一端配设的端板上，至少形成有向燃料气体流路供给燃料气体的燃料气体供给连通孔、从所述燃料气体流路排出使用完的燃料气体的燃料气体排出连通孔等流体连通孔。在端板上还形成有向氧化剂气体流路供给氧化剂气体的氧化剂气体供给连通孔、及从所述氧化剂气体流路排出使用完的氧化剂气体的氧化剂气体排出连通孔等流体连通孔。
[0005]在该内部歧管型的燃料电池上例如连接有加湿装置等外部设备，该加湿装置在氧化剂气体或燃料气体向该燃料电池供给之前对该氧化剂气体或燃料气体进行加湿。此时，在外部设备上设置的外部配管大多设置成圆筒形状，而在端板上形成的流体连通孔具有矩形形状或三角形形状(非圆形状)。因此，难以将圆形状的外部配管和非圆形状的流体连通孔气密地连接。
[0006]在此，已知有日本特开2009-224194号公报(以下，称为现有技术I)中公开的燃料电池堆。在该燃料电池堆中，在一方的端板上设有将非圆形状的连通孔和圆形状的外部配管连通的树脂制连结配管。该树脂制连结配管一体地设有:与非圆形状的连通孔连通的非圆形状筒部；与圆形状的外部配管连通的圆形状筒部；沿着一方的端板的厚度方向将所述非圆形状筒部和所述圆形状筒部连通的连结形状筒部。
[0007]另外，在内部歧管型的燃料电池中，为了将各连通孔和外部设备连接，而采用配管结构。作为此种技术，已知有例如日本特开2006-228632号公报(以下，称为现有技术2)中公开的燃料电池堆的配管结构。
[0008]如图17所示，该配管结构具备通过电化学反应使燃料气体和氧化剂气体反应而进行发电的燃料电池堆2。氧化剂气体入口配管3、冷却水入口配管4、燃料气体出口配管
5、冷却水出口配管6、燃料气体入口配管7及氧化剂气体出口配管8经由燃料电池歧管9而与燃料电池堆2连接。
[0009]氧化剂气体入口配管3向燃料电池堆2供给氧化剂气体，冷却水入口配管4向所述燃料电池堆2供给冷却水，燃料气体出口配管5从所述燃料电池堆2排出燃料气体。冷却水出口配管6从燃料电池堆2排出冷却水，燃料气体入口配管7向所述燃料电池堆2供给燃料气体，氧化剂气体出口配管8从所述燃料电池堆2排出氧化剂气体。
[0010]发明的概要
[0011]然而，在上述的现有技术I中，在树脂制连结配管上连接圆形状的外部配管的一端，且所述圆形状的外部配管的另一端与外部机器连接。这种情况下，尤其是使流体从外部配管在树脂制连结配管中流通而向燃料电池堆供给时，在配管内部容易产生压力损失。因此，在配管内部无法实现流体的顺利的流通。
[0012]另外，在上述的现有技术2中，各配管弯曲形成为大致90度的角度而构成为L字状。因此，在配管内部容易产生大的压力损失，从而无法实现流体的顺利的流通。
【发明内容】
[0013]本发明用于解决此种问题，其目的在于提供一种能够尽可能抑制配管内的压力损失，且能够使流体顺利地流通的燃料电池堆。
[0014]本发明涉及一种燃料电池堆，其具有将电解质膜-电极结构体和隔板层叠而成的燃料电池，该电解质膜-电极结构体在电解质膜的两侧设有电极，多个所述燃料电池层叠且在层叠方向两端配设有端板，并且在所述燃料电池的层叠方向上至少形成有使作为反应气体或冷却介质的流体流通的流体连通孔，且至少在一方的所述端板上连接有将所述流体连通孔和外部配管连通的连结配管。
[0015]在该燃料电池堆中，连结配管的配管中间部位的开口截面积设定成比流体入口的开口截面积及流体出口的开口截面积大的值。
[0016]根据本发明，在连结配管内，能够尽可能地抑制流体的压力损失，因此能够使流体顺利且可靠地流通。尤其是连结配管在途中弯曲时，内部的压力损失也不会增加，能够实现流体的良好的流通。
[0017]上述的目的、特征及优点根据参照【专利附图】
【附图说明】的以下的实施方式的说明而容易理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的第一实施方式的燃料电池堆的从第一端板侧观察到的简要立体说明图。
[0019]图2是所述燃料电池堆的从第二端板侧观察到的简要立体说明图。
[0020]图3是构成所述燃料电池堆的燃料电池的主要部分分解立体说明图。
[0021]图4是表示构成所述燃料电池堆的氧化剂气体供给连结配管的内部的立体说明图。
[0022]图5是所述氧化剂气体供给连结配管的剖视说明图。
[0023]图6是表示构成所述燃料电池堆的燃料气体供给连结配管的内部的立体说明图。
[0024]图7是所述燃料气体供给连结配管的剖视说明图。
[0025]图8是表示构成所述燃料电池堆的冷却介质供给连结配管的内部的立体说明图。
[0026]图9是第一实施方式与比较例的压力损失的比较说明图。
[0027]图10是本发明的第二实施方式的燃料电池堆的简要立体说明图。[0028]图11是表示构成所述燃料电池堆的氧化剂气体供给连结配管的内部的立体说明图。
[0029]图12是所述氧化剂气体供给连结配管的剖视说明图。
[0030]图13是表示比较例的氧化剂气体供给连结配管内的速度等高线的图。
[0031]图14是表示第二实施方式的氧化剂气体供给连结配管内的速度等高线的图。
[0032]图15是表示所述比较例的氧化剂气体出口附近的压力等高线的图。
[0033]图16是表示第二实施方式的氧化剂气体出口附近的压力等高线的图。
[0034]图17是现有技术2的配管结构的立体说明图。
【具体实施方式】
[0035]如图1及图2所示，本发明的第一实施方式的燃料电池堆10例如搭载于未图示的燃料电池电动机动车。燃料电池堆10将多个燃料电池12以电极面成为竖立姿态的方式沿着水平方向(箭头B方向)层叠。需要说明的是，也可以将多个燃料电池12沿重力方向层叠而构成燃料电池堆10。
[0036]在燃料电池12的层叠方向一端，朝向外方顺次配设有第一接线板14a、第一绝缘板16a及第一端板18a。在燃料电池12的层叠方向另一端,朝向外方顺次配设有第二接线板14b、第二绝缘板16b及第二端板18b。
[0037]与第一接线板14a连接的第一电力输出端子20a从横长形状的第一端板18a的中央部朝向外方延伸(参照图1)。与第二接线板14b连接的第二电力输出端子20b从横长形状的第二端板18b的中央部朝向外方延伸(参照图2)。
[0038]在第一端板18a与第二端板18b的各边之间，通过螺钉24将连结杆22的两端固定，来对多个层叠的燃料电池12施加层叠方向(箭头B方向)的紧固载荷。
[0039]如图3所示，燃料电池12具备电解质膜-电极结构体26和夹持所述电解质膜-电极结构体26的第一隔板28及第二隔板30。
[0040]第一隔板28及第二隔板30例如由钢板、不锈钢板、铝板、镀敷处理钢板或对其金属表面实施了防蚀用的表面处理的金属板形成。第一隔板28及第二隔板30的平面具有矩形形状，并且通过将金属制薄板冲压加工成波形形状而成形为截面凹凸形状。需要说明的是，第一隔板28及第二隔板30也可以取代金属隔板而使用例如碳隔板。
[0041 ] 第一隔板28及第二隔板30具有横长形状，并且长边沿着水平方向(箭头A方向)延伸，且短边沿着重力方向(箭头C方向)延伸。需要说明的是，也可以是短边沿着水平方向延伸，且长边沿着重力方向延伸。
[0042]在燃料电池12的长边方向(箭头A方向)的一端缘部设有沿着箭头B方向相互连通的氧化剂气体供给连通孔32a和燃料气体供给连通孔34a。氧化剂气体供给连通孔32a具有供给氧化剂气体例如含氧气体的长方形等矩形形状(或三角形形状)。燃料气体供给连通孔34a具有供给燃料气体例如含氢气体的长方形等矩形形状(或三角形形状)。
[0043]在燃料电池12的长边方向的另一端缘部设有沿着箭头B方向相互连通的燃料气体排出连通孔34b和氧化剂气体排出连通孔32b。燃料气体排出连通孔34b具有排出燃料气体的长方形等矩形形状(或三角形形状)。氧化剂气体排出连通孔32b具有排出氧化剂气体的长方形等矩形形状(或三角形形状)。[0044]在燃料电池12的短边方向(箭头C方向)的两端缘部一侧(水平方向一端侧)，即，在氧化剂气体供给连通孔32a及燃料气体供给连通孔34a侧设有两个冷却介质供给连通孔36a。冷却介质供给连通孔36a具有供给冷却介质的长方形等矩形形状(或三角形形状)，并且沿着箭头B方向相互连通而上下地设置于对置的边上。
[0045]在燃料电池12的短边方向的两端缘部另一侧(水平方向另一端侧)，即，在燃料气体排出连通孔34b及氧化剂气体排出连通孔32b侧设有两个冷却介质排出连通孔36b。冷却介质排出连通孔36b具有排出冷却介质的长方形等矩形形状(或三角形形状)，并且沿着箭头B方向连通而上下地设置于对置的边上。
[0046]电解质膜-电极结构体26具备:例如将水浸溃于全氟磺酸的薄膜而得到的固体高分子电解质膜38和夹持所述固体高分子电解质膜38的阴极电极40及阳极电极42。
[0047]阴极电极40及阳极电极42具有由碳素纸等构成的气体扩散层(未图示)和将在表面担载有钼合金的多孔质碳粒子同样地涂敷于所述气体扩散层的表面而形成的电极催化剂层(未图示)。电极催化剂层形成在固体高分子电解质膜38的两面上。
[0048]在第一隔板28的朝向电解质膜-电极结构体26的面28a上形成有将氧化剂气体供给连通孔32a和氧化剂气体排出连通孔32b连通的氧化剂气体流路44。氧化剂气体流路44由沿着箭头A方向延伸的多根波状流路槽(或直线状流路槽)形成。
[0049]在第二隔板30的朝向电解质膜-电极结构体26的面30a上形成有将燃料气体供给连通孔34a和燃料气体排出连通孔34b连通的燃料气体流路46。燃料气体流路46由沿着箭头A方向延伸的多根波状流路槽(或直线状流路槽)形成。
[0050]在第二隔板30的面30b和相邻的第一隔板28的面28b之间形成有与冷却介质供给连通孔36a、36a和冷却介质排出连通孔36b、36b连通的冷却介质流路48。该冷却介质流路48沿着水平方向延伸，使冷却介质在电解质膜-电极结构体26的整个电极范围内流通。
[0051]在第一隔板28的面28a、28b上，环绕该第一隔板28的外周端缘部而一体成形有第一密封构件50。在第二隔板30的面30a、30b上，环绕该第二隔板30的外周端缘部而一体成形有第二密封构件52。
[0052]作为第一密封构件50及第二密封构件52，例如使用EPDM、NBR、氟橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、苯乙烯橡胶、氯丁二烯或丙烯酸橡胶等的密封件、缓冲件或填充件等具有弹性的密封构件。
[0053]如图1所示，在第一端板18a上安装有与氧化剂气体供给连通孔32a、氧化剂气体排出连通孔32b、燃料气体供给连通孔34a及燃料气体排出连通孔34b连通的氧化剂气体供给连结配管54a、氧化剂气体排出连结配管54b、燃料气体供给连结配管56a及燃料气体排出连结配管56b。
[0054]氧化剂气体供给连结配管54a具有板状安装部58，所述板状安装部58经由密封件60，与第一端板18a的氧化剂气体供给连通孔32a对应而配置。板状安装部58通过螺钉62固定于第一端板18a。从板状安装部58 —体成形有主体部64，并且在所述主体部64的前端设有圆形状的氧化剂气体入口(流体入口)66。
[0055]如图4所示，在板状安装部58上形成有与氧化剂气体供给连通孔32a连通的矩形形状(或三角形形状)的氧化剂气体出口(流体出口)68。氧化剂气体供给连结配管54a具有位于氧化剂气体入口 66与氧化剂气体出口 68之间的配管中间部位70。[0056]如图4及图5所示，配管中间部位70的开口截面积Wl设定成比氧化剂气体入口66的开口截面积W2及氧化剂气体出口 68的开口截面积W3大的值(Wl > W2，Wl > W3)。
[0057]氧化剂气体供给连结配管54a的内壁面54ai从氧化剂气体入口 66到配管中间部位70、以及从氧化剂气体出口 68到所述配管中间部位70分别平滑地形成。氧化剂气体供给连结配管54a的内壁面54ai仅由整体平滑地连续且朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。即，在氧化剂气体供给连结配管54a的内壁面54ai上未设置向内侧弯曲或折弯的部位(缩小部位)。
[0058]需要说明的是，氧化剂气体排出连结配管54b与上述的氧化剂气体供给连结配管54a同样地构成,对于同一构成要素标注同一参照符号并省略其详细的说明。氧化剂气体供给连结配管54a及氧化剂气体排出连结配管54b经由外部配管而与未图示的外部机器连接。
[0059]如图1所示，燃料气体供给连结配管56a具有板状安装部72，所述板状安装部72经由密封件74，与第一端板18a的燃料气体供给连通孔34a对应而配置。板状安装部72通过螺钉76固定于第一端板18a。从板状安装部72 —体成形有主体部78，并且在所述主体部78的前端设有圆形状的燃料气体入口(流体入口)80。主体部78具有大致90°的角度而弯曲成形。即，燃料气体入口 80的燃料气体流动方向设定成与燃料气体供给连通孔34a的燃料气体流动方向正交的方向。
[0060]如图6所示，在板状安装部72上形成有与燃料气体供给连通孔34a连通的矩形形状(或三角形形状)的燃料气体出口(流体出口)82。燃料气体供给连结配管56a具有位于燃料气体入口 80与燃料气体出口 82之间的配管中间部位84。
[0061]如图6及图7所示，配管中间部位84的开口截面积W4设定成比燃料气体入口 80的开口截面积W5及燃料气体出口 82的开口截面积W6大的值(W4 > W5，W4 > W6)。
[0062]燃料气体供给连结配管56a的内壁面56ai从燃料气体入口 80到配管中间部位84、以及从燃料气体出口 82到所述配管中间部位84分别平滑地形成。燃料气体供给连结配管56a的内壁面56ai仅由整体平滑地连续且朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。即，在燃料气体供给连结配管56a的内壁面56ai上未设置向内侧弯曲或折弯的部位(缩小部位)。
[0063]需要说明的是，燃料气体排出连结配管56b与上述的燃料气体供给连结配管56a同样地构成，对于同一构成要素标注同一参照符号并省略其详细的说明。燃料气体供给连结配管56a及燃料气体排出连结配管56b经由外部配管而与未图示的外部机器连接。
[0064]如图2所示，在第二端板18b上安装有与上下的冷却介质供给连通孔36a、36a —体地连通的冷却介质供给连结配管86a及与上下的冷却介质排出连通孔36b、36b —体地连通的冷却介质排出连结配管86b。
[0065]冷却介质供给连结配管86a具有一对板状安装部88，各板状安装部88分别经由密封件90而配置在第二端板18b的各冷却介质供给连通孔36a上。板状安装部88通过螺钉92固定于第二端板18b。从各板状安装部88 —体成形有主体部94，并且在所述主体部94的中央部一体设有弯曲的配管部96。在配管部96的前端形成有圆形状的冷却介质入口(流体入口)98。
[0066]如图8所示，在各板状安装部88上形成有与冷却介质供给连通孔36a连通的矩形形状(或三角形形状)的冷却介质出口(流体出口)100。冷却介质供给连结配管86a具有位于冷却介质入口 98与各冷却介质出口 100之间的一对配管中间部位102。
[0067]将各配管中间部位102的开口截面积W7合计后的总中间部位开口截面积2XW7设定成比冷却介质入口 98的开口截面积W8及将各冷却介质出口 100的开口截面积W9合计后的总出口侧开口截面积2XW9大的值(2XW7 > W8，2XW7 > 2XW9)。
[0068]冷却介质供给连结配管86a的内壁面86ai从冷却介质入口 98到配管中间部位102、以及从各冷却介质出口 100到所述配管中间部位102分别平滑地形成。冷却介质供给连结配管86a的内壁面86ai仅由整体平滑地连续且朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。即，在冷却介质供给连结配管86a的内壁面86ai上未设置向内侧弯曲或折弯的部位(缩小部位)。
[0069]需要说明的是，冷却介质排出连结配管86b与上述的冷却介质供给连结配管86a同样地构成，对于同一构成要素标注同一参照符号并省略其详细的说明。冷却介质供给连结配管86a及冷却介质排出连结配管86b经由外部配管而与未图示的外部机器连接。
[0070]以下，对该燃料电池堆10的动作进行说明。
[0071]首先,如图1所示，从第一端板18a的氧化剂气体供给连结配管54a向氧化剂气体供给连通孔32a供给含氧气体等氧化剂气体。从第一端板18a的燃料气体供给连结配管56a向燃料气体供给连通孔34a供给含氢气体等燃料气体。
[0072]另一方面，如图2所示，从第二端板18b的冷却介质供给连结配管86a向一对冷却介质供给连通孔36a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。
[0073]由此，如图3所示，氧化剂气体从氧化剂气体供给连通孔32a向第一隔板28的氧化剂气体流路44导入。氧化剂气体沿着氧化剂气体流路44向箭头A方向移动，并向电解质膜-电极结构体26的阴极电极40供给。
[0074]另一方面，燃料气体从燃料气体供给连通孔34a向第二隔板30的燃料气体流路46供给。燃料气体沿着燃料气体流路46向箭头A方向移动，并向电解质膜-电极结构体26的阳极电极42供给。
[0075]因此，在电解质膜-电极结构体26中，向阴极电极40供给的氧化剂气体和向阳极电极42供给的燃料气体在电极催化剂层内通过电化学反应被消耗而进行发电。
[0076]接着，向电解质膜-电极结构体26的阴极电极40供给而被消耗后的氧化剂气体沿着氧化剂气体排出连通孔32b向箭头B方向流通，并从氧化剂气体排出连结配管54b排出(参照图1)。另一方面，向电解质膜-电极结构体26的阳极电极42供给而被消耗后的燃料气体沿着燃料气体排出连通孔34b向箭头B方向流通，并从燃料气体排出连结配管56b排出。
[0077]另外，供给到一对冷却介质供给连通孔36a中的冷却介质被向第一隔板28与第二隔板30之间的冷却介质流路48导入。冷却介质暂且沿着箭头C方向向内方流动之后，沿着箭头A方向移动而对电解质膜-电极结构体26进行冷却。冷却介质移动到箭头C方向外方之后，沿着一对冷却介质排出连通孔36b向箭头B方向流通，从冷却介质排出连结配管86b排出(参照图2)。
[0078]这种情况下，在第一实施方式中，如图4及图5所示，氧化剂气体供给连结配管54a的配管中间部位70的开口截面积Wl设定成比氧化剂气体入口 66的开口截面积W2及氧化剂气体出口 68的开口截面积W3大的值(Wl > W2, Wl > W3)。
[0079]因此，在氧化剂气体供给连结配管54a内，氧化剂气体的压力损失被尽可能抑制。因而，能够使氧化剂气体从外部配管经由氧化剂气体供给连结配管54a而向氧化剂气体供给连通孔32a顺利且可靠地流通。
[0080]在此，使用配管中间部位70的开口截面积与氧化剂气体入口 66的开口截面积具有相同值且所述配管中间部位70的开口截面形状与所述氧化剂气体入口 66的开口截面形状具有不同形状的氧化剂气体供给连结配管(以下，称为比较例)，进行与本实施方式的氧化剂气体供给连结配管54a比较压力损失的实验。其结果在图9中示出。
[0081]由此，在比较例中，伴随配管长度增长而内部的压力损失急剧增加，与此相对，在本实施方式中，能够得到良好地抑制压力损失的增加这样的结果。需要说明的是，在以下说明的燃料气体供给连结配管56a及冷却介质供给连结配管86a中也同样。
[0082]另外，在第一实施方式中，如图6及图7所示，燃料气体供给连结配管56a的配管中间部位84的开口截面积W4设定成比燃料气体入口 80的开口截面积W5及燃料气体出口82的开口截面积W6大的值(W4 > W5, W4 > W6)。
[0083]因此，在燃料气体供给连结配管56a内，燃料气体的压力损失被尽可能地抑制。因而，能够使燃料气体从外部配管经由燃料气体供给连结配管56a而向燃料气体供给连通孔34a顺利且可靠地流通。尤其在燃料气体供给连结配管56a中，在主体部78具有大致90°的角度而弯曲成形时，内部的压力损失也不会增大，能够实现燃料气体的良好的流通。
[0084]另外，在第一实施方式中，如图8所示，冷却介质供给连结配管86a的各配管中间部位102的总中间部位开口截面积2XW7设定成比冷却介质入口 98的开口截面积W8及各冷却介质出口 100的总出口侧开口截面积2XW9大的值(2XW7 > W8,2XW7 > 2XW9)。
[0085]由此，在冷却介质供给连结配管86a内，冷却介质的压力损失被尽可能地抑制。因此，能够使冷却介质从外部配管经由冷却介质供给连结配管86a而向冷却介质供给连通孔36a顺利地可靠地流通。
[0086]如图10所示，本发明的第二实施方式的燃料电池堆110通过将多个燃料电池12层叠而构成。需要说明的是，在与第一实施方式的燃料电池堆10相同的构成要素上标注同一参照符号而省略其详细的说明。
[0087]在第一端板18a上安装有与氧化剂气体供给连通孔32a、氧化剂气体排出连通孔32b、燃料气体供给连通孔34a及燃料气体排出连通孔34b连通的氧化剂气体供给连结配管112a、氧化剂气体排出连结配管112b、燃料气体供给连结配管114a及燃料气体排出连结配管 114b ο
[0088]氧化剂气体供给连结配管112a具有板状安装部58，所述板状安装部58经由密封件60，与第一端板18a的氧化剂气体供给连通孔32a对应而配置。从板状安装部58 —体成形有主体部116，并且在所述主体部116的前端设有圆形状的氧化剂气体入口(流体入
口)66。
[0089]如图10及图11所示，在板状安装部58上形成有与氧化剂气体供给连通孔32a连通的矩形形状(或三角形形状)的氧化剂气体出口(流体出口)68。氧化剂气体供给连结配管112a具有配管中间部位118，该配管中间部位118位于氧化剂气体入口 66与氧化剂气体出口 68之间，具有大致90°的角度而弯曲成形。如图12所示，氧化剂气体入口 66的氧化剂气体流动方向设定成与氧化剂气体供给连通孔32a的氧化剂气体流动方向正交的方向。
[0090]如图11及图12所示，配管中间部位118的开口截面积WlO设定成比氧化剂气体入口 66的开口截面积WlI及氧化剂气体出口 68的开口截面积W12大的值(W10 > Wll，WlO>W12)。如图12所示，配管中间部位118具有鼓出部120，该鼓出部120从氧化剂气体出口 68的正面观察下的开口范围向与氧化剂气体入口 66相反的一侧鼓出。
[0091]氧化剂气体供给连结配管112a的内壁面112ai从氧化剂气体入口 66到配管中间部位118、以及从氧化剂气体出口 68到所述配管中间部位118分别平滑地形成。氧化剂气体供给连结配管112a的内壁面112ai仅由整体平滑地连续且朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。S卩，在氧化剂气体供给连结配管112a的内壁面112ai上未设置向内侧弯曲或折弯的部位(缩小部位)。
[0092]需要说明的是，氧化剂气体排出连结配管112b与上述的氧化剂气体供给连结配管112a同样地构成,对于同一构成要素标注同一参照符号并省略其详细的说明。氧化剂气体供给连结配管112a及氧化剂气体排出连结配管112b经由外部配管(未图示)而与加湿器等未图示的外部机器连接。
[0093]如图10所示，燃料气体供给连结配管114a及燃料气体排出连结配管114b与上述的氧化剂气体供给连结配管112a同样地构成，对于同一构成要素，在同一参照数字后标注符号a并省略其详细的说明。燃料气体供给连结配管114a及燃料气体排出连结配管114b经由外部配管(未图示)而与未图示的外部机器连接。
[0094]这种情况下，在第二实施方式中，如图11及图12所示，氧化剂气体供给连结配管112a的配管中间部位118的开口截面积WlO设定成比氧化剂气体出口 68的开口截面积W12大的值(W10 > W12)。而且，如图12所示，配管中间部位118具有鼓出部120，该鼓出部120从氧化剂气体出口 68的正面观察下的开口范围向与氧化剂气体入口 66相反的一侧鼓出。
[0095]因此，在氧化剂气体供给连结配管112a内，氧化剂气体的压力损失被尽可能地抑制。因而，能够使氧化剂气体从外部配管(未图示)经由氧化剂气体供给连结配管112a而向氧化剂气体供给连通孔32a顺利地均匀地流通。
[0096]并且，氧化剂气体供给连结配管112a在途中弯曲成大致90度的角度。由此，配管结构的布局性提高，且能够相对于燃料电池堆10的层叠方向紧凑地构成。需要说明的是，在燃料气体供给连结配管114a中也能够得到同样的效果。
[0097]在此，如图13所示，作为比较例，准备氧化剂气体供给连结配管112comp.。氧化剂气体供给连结配管112comp.具有氧化剂气体入口 66comp.、氧化剂气体出口 68comp.及配管中间部位IlScomp.，所述配管中间部位IlScomp.的开口截面积具有与所述氧化剂气体出口 68comp.的开口截面积相同的值。配管中间部位IlScomp.以大致90度的角度折弯，且未设置第二实施方式的鼓出部120。
[0098]使用作为比较例的氧化剂气体供给连结配管112comp.和作为第二实施方式的氧化剂气体供给连结配管112a，进行检测配管内的流速及压力的实验。其结果是，在氧化剂气体供给连结配管112comp.中，如图13的速度等高线所示，配管内的速度局部地发生较大地变动，尤其在氧化剂气体出口 68comp.的附近形成镟润区域118comp.S。因此,无法向氧化剂气体供给连通孔32a均匀地供给氧化剂气体。[0099]与此相对，在第二实施方式中，如图14的速度等高线所示，氧化剂气体出口 68的附近的流速被均匀化。因此，能够向氧化剂气体供给连通孔32a均匀且可靠地供给氧化剂气体。
[0100]另外，在氧化剂气体供给连结配管112comp.中，如图15的压力等高线所示，在氧化剂气体出口 68comp.的附近产生显著的压力分布。另一方面，在第二实施方式中，如图16的压力等高线所示，在氧化剂气体出口 68的附近得到均匀的压力分布，能够向氧化剂气体供给连通孔32a良好地供给氧化剂气体。
【权利要求】
1.一种燃料电池堆，其具有将电解质膜-电极结构体和隔板层叠而成的燃料电池，该电解质膜-电极结构体在电解质膜的两侧设有电极，多个所述燃料电池层叠且在层叠方向两端配设有端板，并且在所述燃料电池的层叠方向上至少形成有使作为反应气体或冷却介质的流体流通的流体连通孔，至少在一方的所述端板上连接有将所述流体连通孔和外部配管连通的连结配管，所述燃料电池堆的特征在于， 所述连结配管的配管中间部位的开口截面积设定成比流体入口的开口截面积及流体出口的开口截面积大的值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述连结配管的内壁面从所述流体入口到所述配管中间部位、以及从所述流体出口到所述配管中间部位分别平滑地形成，且仅由朝向配管长度方向而向外方弯曲的外方弯曲面构成。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述连结配管一体地具有两个所述配管中间部位、两个所述流体出口及一个所述流体入口， 将两个所述配管中间部位的开口截面积合计后的总中间部位开口截面积设定成比所述流体入口的开口截面积大的值， 所述总中间部位开口截面积设定成比将两个所述流体出口的开口截面积合计后的总出口侧开口截面积大的值。
4.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述连结配管具有:与所述外部配管连接的所述流体入口 ；与所述流体连通孔连接的所述流体出口 ；在所述流体入口与所述流体出口之间弯曲设置，且设定成比所述流体出口的开口截面积大的开口截面积的配管中间部位， 所述配管中间部位具有鼓出部，该鼓出部从所述流体出口的正面观察下的开口范围向与所述流体入口相反的一侧鼓出。
5.根据权利要求4所述的燃料电池堆，其特征在于， 所述流体入口的流体流动方向设定成与所述流体连通孔的流体流动方向正交的方向。
【文档编号】H01M8/24GK103996868SQ201410041503
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2013年2月18日
【发明者】佐佐本和也 申请人:本田技研工业株式会社
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