燃料电池用隔板和燃料电池用隔板组件 【技术领域】
本发明涉及燃料电池，更详细地说，涉及有效地防止其中的任意流路的液体堵塞的燃料电池用隔板和燃料电池用隔板组件。
背景技术
在提出的技术中，燃料电池具有膜电极接合体，该膜电极接合体具有阴极、阳极、以及被它们夹持着的高分子电解质膜。上述隔板被安装在上述膜电极接合体的两面上，构成一组燃料电池。上述燃料电池还具有一对隔板，它们具有用来向上述膜电极接合体供给空气或燃料的气体流路。一般说来，为了增加发电能力，通过叠加两组以上的燃料电池，构成叠加结构。
在日本国专利公开平10-199552号中公开了相关技术。
【发明内容】
根据上述相关技术，为了大致均等地将空气及燃料供给上述各燃料电池而采用集流腔。可是，屡屡发现由燃料电池反应生成的水堵塞上述隔板的某些流路。液体堵塞成为气体流通的阻碍和各流路的供给不均等的原因。与其相伴随地还导致燃料电池发电的不稳定性。
本发明就是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种有效地防止其中的任意流路的液体堵塞的燃料电池用隔板。
根据本发明的第一方面，燃料电池用隔板包括：接收燃料电池中利用的流体的流入口；排出来自上述燃料电池的排出物的流出口；与上述流入口连接的主流路；以及两个以上的支流路。上述各支流路有第一端和第二端，上述第一端具有与上述主流路连通地节流管。上述第二端与上述流出口连通。
根据本发明的第二方面，燃料电池用隔板组件包括：供给燃料电池中利用的流体的集流腔；分别具有节流管的连接在上述集流腔上的两个以上的流路；以及具有与上述流路分别连接的流入口、以及流出口的两个以上的隔板。
【附图说明】
图1A是本发明的第一实施形态的隔板的平面图。
图1B是从图1A中的1B-1B线获得的上述隔板的剖面图。
图1C是从图1A中的1C-1C线获得的上述隔板的剖面图。
图2A是关于正常状态下的压力损失的说明图。
图2B是关于水滴在流路中产生液体堵塞时的压力损失的说明图。
图3A是表示正常状态下的各流路的流量的曲线图。
图3B是表示一个流路发生液体堵塞时的各流路的流量的曲线图。
图3C是表示本发明的第一实施形态中，一个流路发生液体堵塞时的各流路的流量的曲线图。
图4A表示模型流路。
图4B是表示系数K小于0.5时的电压下降的曲线图。
图4C是表示系数K等于0.5时的电压下降的曲线图。
图4D是表示系数K大于0.5时的电压下降的曲线图。
图5是本发明的第二实施形态的隔板的平面图。
图6是本发明的第三实施形态的隔板的分解斜视图。
图7是表示一般结构的直接型甲醇燃料电池的分解斜视图。
图8是表示一般的且实用的叠加有多个燃料电池的叠加结构的斜视图。
【具体实施方式】
如图7所示，一般结构的直接型甲醇燃料电池(以下，称为DMFC)51具有一对隔板55、57、以及被它们夹持着的电解质膜53。由催化剂和碳纸构成的一对电极59分别层叠在上述电解质膜53的两面上。另外，包围上述电极59的一对衬垫61配置在上述电解质膜53的两面上。上述隔板55、57分别与上述电解质膜53相对，且具有流路63。
上述的结构要素利用紧固机构(图中未示出)加以固定，构成燃料电池1。
作为燃料，甲醇水溶液经由燃料流入口55A，供给上述隔板55的上述流路73，作为氧化剂，外部空气经由空气流入口57A供给到上述隔板55的上述流路63。由此，燃料电池1由燃料及空气进行发电。发电期间，未反应的甲醇、水、二氧化碳等从燃料流出口55B排出，未反应的空气和水等从空气流出口57B排出。
一般说来，在实用上，将多个燃料电池51叠加起来，构成图8所示的叠加结构。上述叠加结构利用一对板65和多个紧固构件67加以固定。
本发明是适用于上述燃料电池51的隔板的流路及流入口的发明。
以下参照图1A、1B、1C说明本发明的第一实施形态。
本发明的第一实施形态的隔板1具有与流入口3连通的主流路5、以及互相并列配置的多个支流路7。在上述主流路5和上述支流路7的上游端之间分别形成节流管9，由此，上述支流路7与上述主流路5连通。上述支流路7的下游端连接在与流出口11连通的排出集流腔13上。上述主流路5形成为比较宽的槽，为了具有作为集流腔的功能，与各支流路7连接。
更详细地说，上述流入口3、上述主流路5、上述支流路7、上述排出集流腔13和上述流出口11以具有大致相同的宽度和深度的沟的形式形成。上述节流管9以狭缝状形成。
更详细地说，这样构成节流管9：气体通过时，上述节流管9中的压力损失与其下游的流路中的压力损失相比较，有足够的大小。即，假设流入口3中的压力为P1、上述支流路7的上游端中的压力为P2、而且流出口11中的压力为P3，上述节流管9中的压力损失表示为(P1-P2)，从上述支流路7到上述流出口11的压力损失表示为(P2-P3)。上述节流管9和上述支流路7这样构成：它们的压力损失应一直满足不等式(P1-P2)＞K(P2-P3)。这里K是常数。常数K的值越大越好，更优选为0.5以上。换句话说，上述节流管9和上述支流路7这样构成：上述节流管9中的压力损失应大于上述支流路7中的压力损失的0.5倍。
这里压力损失可如下估计。假定是在圆筒管内气体以层流状态流动的模型流路，根据Hagen-Poiseuille法则，上述模型流路中的压力损失表示为ΔP＝128μLQ/πd4。这里，ΔP是压力损失，μ是上述气体的粘度，L是上述模型流路的长度，d是上述模型流路的直径，π是圆周率，Q是上述气体的流量。上述节流管9和上述支流路7可近似为将直径和长度不同的两个模型流路串联连接的流路。由于μ、Q相同，所以压力损失与各自的模型流路的L/d4成正比。例如，为了使上述节流管9中的压力损失为上述支流路7中的压力损失的10倍，使上述节流管9的长度为5mm、直径为0.7mmφ，使上述支流路7的长度为32mm、直径为2mmφ即可。即，通过适当地设定上述节流管9和上述支流路7各自的长度和直径，能满足上述不等式。这里，虽然假定了圆筒管式的模型流路，但也可以考虑现实的各流路的形状，假定棱柱管或锥形管等各种模型流路。在棱柱管的情况下，通过代入与上述直径d相当的直径2ab/(a+b)，能进行同样的考察。这里，a、b分别是上述棱柱管的断面的高度及宽度。在不是简单形状的情况下，不能适用基于Hagen-Poiseuille法则的上述算式。在此情况下，根据Navier-Stokes算式，导出与其等效的算式，利用它也能找出怎样构成上述节流管9和上述支流路7才好。
从上述节流管9的上游到上述流出口11的气体的压力变化示意性地示于图2A、2B。
在此情况下，上述气体为燃料或空气，从上述流入口3流入时，上述气体均等地分配并流入各支流路7。在上述任意的流路未由燃料电池反应而产生的水引起堵塞的情况下，上述节流管9中的压力损失(P1-P2)能维持比从上述支流路7到上述流出口11的压力损失(P2-P3)的0.5倍大。各支流路7的流量如图3A所示，由于离散小，所以能看作大致均等。
如图2B所示，在上述任意的流路由燃料电池反应而产生的水滴15引起了堵塞的情况下，其流量减少，上述水滴15和节流管9之间的压力上升。上述上升的压力将上述水滴15向流出口11挤压。因此，上述水滴15从上述流出口11流出，液体堵塞能主动地解除。
如果在上述的结构中省略节流管9，上述主流路5和上述支流路7直接连接，则压力和流量变化能如下考察。在上述支流路7的任一个中产生了由水滴15引起的堵塞的情况下，该流路阻力上升，因此，流路系统总体的流路阻力上升，压力上升。上述上升的压力使上述引起了液体堵塞的支流路7以外的支流路7的流量微微增加。与此相对应，总体流量不增加，所以引起液体堵塞的支流路7的流量如图3B所示，显著减少。这样减少了的流量的气体流不能使上述水滴15移动。因此，不能期待主动地解除液体堵塞。
从以上的说明可以理解，本发明的第一实施形态的上述结构不仅能主动地解除流路的液体堵塞，而且如图3C所示，还能抑制支流路7之间的流量的离散。
另外，上述节流管9提高引起了液体堵塞的支流路7中的压力，由此将水滴15压出，还防止了上述上升了的压力从发生液体堵塞的支流路7散失。防止由于流路的液体堵塞引起的发电能力的下降，能期待稳定的发电。
利用下述的实验确认了上述结构的优点。
实验中采用了图4A所示的全部由固体壁构成的、且由节流管和支流路构成的模型流路。液体或气体性的流体以层流状态流过上述模型流路。入口端和出口端的流量完全相等。(换句话说，没有通过壁面的流动。)
对三种节流管直径进行了实验。将其结果示于图4B、4C、4D。示出了燃料电池和系数K的关系。在此，K＝(P1-P2)/(P2-P3)。
K＜0.5(例如K＝0.1)时，如图4B所示，由于流路的液体堵塞而引起电压下降，上述电压下降持续的时间长。从实用的角度来看，这样的结果不好。
K＝0.5时，如图4C所示，虽然屡屡能观察到由流路的液体堵塞引起的电压下降，但上述电压下降立刻被解除。从实用的角度来看，上述电压下降(ΔV)处于没有问题的范围内。
K＞0.5(例如K＝10)时，屡屡能观察到由流路的液体堵塞引起的电压下降。可是，上述电压下降相当微小，而且如图4D所示，立刻被解除。上述电压下降(ΔV)处于没有问题的范围内，而且被认为是优选的情况。
从以上说明能理解，燃料电池的电压下降与系数K有关，换句话说，与节流管直径有关。K的阈值为0.5，K＞0.5时能获得更好的电压稳定性。即，满足(P1-P2)＞0.5(P2-P3)的关系时，能获得燃料电池的稳定性。
参照图5说明本发明的第二实施形态。在隔板17的角部附近形成主流路21。与上述的第一实施形态同样地形成节流管23，与各个支流路19连接。上述支流路19形成为呈S形，连接在出口集流腔25上。该结构也具有与上述第一实施形态的结构同样的效果。
以下参照图6说明本发明的第三实施形态。在上述第三实施形态中，多个隔板27互相层叠。上述隔板27与上述第一及第二实施形态不同，没有节流管。集流腔29连接在上述隔板27的各流入口上，其分支的各流路具有节流管31。即使在这样的结构中，也具有与第一及第二实施形态的结构同样的效果。
在以上说明中，虽然示出了液滴混入气体流中的例子，但本发明也能适用于在液体流中发生气体堵塞的情况。另外，在以上说明中虽然上述节流管配置在集流腔和支流路之间，但也可以配置在产生水滴的位置的上游的任意位置。
虽然说明了本发明的优选实施例，但本发明不限于上述实施例。根据上述公开内容，具有该技术领域的常识的技术人员通过对实施例修正或变形，也能实施本发明。