JP2008269879A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の発電効率を向上させる技術に関する。 The present invention relates to a technique for improving the power generation efficiency of a fuel cell.
近年、電気化学反応により発電を行う燃料電池がクリーンかつ高効率な発電手段として注目されており、種々の方式が開発されている。そのひとつに、固体酸化物型燃料電池がある。固体酸化物型燃料電池は、セラミックスであるジルコニアなどを電解質として、摂氏700〜1000度程度の高温域で動作するものが一般的である。また、この固体酸化物型燃料電池の中には、水素透過性金属の緻密膜を基材として、その上に電解質層を成膜することで電解質層を十分に薄膜化し、摂氏200〜600度程度まで動作温度の低減を図った水素分離膜型の燃料電池も開発されている。こうした水素分離膜型の燃料電池(以下、「水素分離膜電池」という)としては、例えば、下記特許文献1に記載のものが知られている。水素分離膜電池は電解質膜を極めて薄く形成することができるため、膜抵抗が小さく、面積当たりの出力が大きいという特徴がある。 In recent years, fuel cells that generate electricity by electrochemical reactions have attracted attention as clean and highly efficient power generation means, and various systems have been developed. One of them is a solid oxide fuel cell. A solid oxide fuel cell generally operates in a high temperature range of about 700 to 1000 degrees Celsius using zirconia, which is a ceramic, as an electrolyte. In addition, in this solid oxide fuel cell, a dense membrane of hydrogen permeable metal is used as a base material, and an electrolyte layer is formed thereon to sufficiently reduce the thickness of the electrolyte layer to 200 to 600 degrees Celsius. A hydrogen separation membrane type fuel cell has also been developed in which the operating temperature is reduced to a certain extent. As such a hydrogen separation membrane type fuel cell (hereinafter referred to as “hydrogen separation membrane cell”), for example, the one described in Patent Document 1 below is known. Since the hydrogen separation membrane battery can form an electrolyte membrane very thinly, it has a feature of low membrane resistance and high output per area.
水素分離膜電池のセル抵抗の大半は、電解質抵抗とカソード分極抵抗である。両抵抗とも、温度に負の相関を持つため、水素分離膜電池の発電効率は、温度が高くなればそれだけ向上することになる。一方、水素分離膜電池の起動時に必要なエネルギは、熱容量と運転温度の積であるから、運転温度が高温になるほど必要なエネルギは多くなる。また、運転温度が高くなれば燃料電池を構成するシール材や構造材の選択の幅が狭くなり、設計の自由度が低くなる。つまり、水素分離膜電池の運転温度の高低とそのメリット・デメリットとには、トレードオフの関係が生じやすいといえる。 Most of the cell resistance of the hydrogen separation membrane battery is an electrolyte resistance and a cathode polarization resistance. Since both resistances have a negative correlation with temperature, the power generation efficiency of the hydrogen separation membrane battery increases as the temperature increases. On the other hand, the energy required for starting the hydrogen separation membrane battery is the product of the heat capacity and the operating temperature, so that the required energy increases as the operating temperature increases. Further, when the operating temperature is increased, the selection range of the sealing material and the structural material constituting the fuel cell is narrowed, and the degree of freedom in design is reduced. That is, it can be said that there is a trade-off relationship between the operating temperature of the hydrogen separation membrane battery and its merits and demerits.
このような問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、水素分離膜電池の発電効率の向上を図りつつ設計の自由度が低下してしまうことを抑制することにある。 In view of such problems, the problem to be solved by the present invention is to suppress a reduction in the degree of freedom in design while improving the power generation efficiency of the hydrogen separation membrane battery.
上記課題を踏まえ、本発明の一態様である燃料電池を次のように構成した。すなわち、一方の面に供給された燃料ガスから他方の面に水素を選択的に透過する水素分離膜を基材として、該基材の前記他方の面に電解質層が形成され、更に、該電解質層に隣接してカソード電極層が形成された発電体と、前記発電体の前記水素分離膜側の面に隣接して配設され、前記水素分離膜に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成された第1のセパレータと、前記発電体の前記カソード電極層側の面に隣接して配設され、前記カソード電極層に酸化ガスを供給する酸化ガス流路が形成された第2のセパレータと、前記発電体内の電気化学反応によって生じた熱を、該発電体から当該燃料電池を構成する他の部分に伝熱することを抑制する伝熱抑制構造とを備えることを要旨とする。 Based on the above problems, a fuel cell which is one embodiment of the present invention is configured as follows. That is, a hydrogen separation membrane that selectively permeates hydrogen from the fuel gas supplied to one surface to the other surface is used as a base material, and an electrolyte layer is formed on the other surface of the base material. A power generation body having a cathode electrode layer formed adjacent to the layer, and a fuel gas flow path disposed adjacent to the surface of the power generation body on the hydrogen separation membrane side and supplying the fuel gas to the hydrogen separation membrane And a second separator having an oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode electrode layer. The first separator is formed adjacent to a surface of the power generator on the cathode electrode layer side. The gist is to include a separator and a heat transfer suppressing structure that suppresses heat generated by an electrochemical reaction in the power generation body from the power generation body to other parts constituting the fuel cell.
上記構成の燃料電池によれば、発電体で生じた熱が、燃料電池を構成する他の部分に伝熱してしまうことを伝熱抑制構造によって抑制することができる。そのため、発電体は高温になるものの、発電体以外の部分については温度上昇を抑制することができる。この結果、燃料電池の発電効率の向上と設計の自由度の低下の抑制を図ることが可能になる。 According to the fuel cell having the above-described configuration, the heat generated by the power generation body can be prevented from being transferred to other parts constituting the fuel cell by the heat transfer suppression structure. Therefore, although a power generation body becomes high temperature, a temperature rise can be suppressed about parts other than a power generation body. As a result, it is possible to improve the power generation efficiency of the fuel cell and to suppress a decrease in the degree of freedom in design.
上記構成の燃料電池において、前記伝熱抑制構造の少なくとも一部は、前記水素分離膜内に形成された断熱層であるものとしてもよい。このような構成であれば、主な発熱源である電解質層から第1のセパレータに向けて熱が伝導することを抑制することができる。 In the fuel cell having the above-described configuration, at least a part of the heat transfer suppression structure may be a heat insulating layer formed in the hydrogen separation membrane. With such a configuration, heat conduction from the electrolyte layer, which is a main heat generation source, toward the first separator can be suppressed.
例えば、上記構成の燃料電池において、前記水素分離膜内には、前記断熱体として、非水素透過性の断熱材、または、空間が前記水素分離膜内に所定の間隔で埋設されているものとしてもよい。また、前記水素分離膜内には、前記断熱体として、前記水素分離膜よりも断熱性の高い水素透過性物質が埋設されているものとしてもよい。更に、上述した構成において、前記断熱体は、前記水素分離膜内の前記電解質層近傍に埋設されているものとしてもよい。これらの構成によれば、効果的に電解質層から第1のセパレータへの熱の伝導を抑制することができる。 For example, in the fuel cell having the above-described configuration, a non-hydrogen permeable heat insulating material or a space is embedded in the hydrogen separation membrane at predetermined intervals in the hydrogen separation membrane as the heat insulator. Also good. In the hydrogen separation membrane, a hydrogen permeable substance having higher heat insulation than the hydrogen separation membrane may be embedded as the heat insulator. Further, in the configuration described above, the heat insulator may be embedded in the vicinity of the electrolyte layer in the hydrogen separation membrane. According to these configurations, heat conduction from the electrolyte layer to the first separator can be effectively suppressed.
上記構成の燃料電池において、前記伝熱抑制構造の少なくとも一部は、前記第1のセパレータと前記発電体の接触面、および、前記第2のセパレータと前記発電体の接触面の少なくとも一方に形成されているものとしてもよい。例えば、上記構成の燃料電池において、前記伝熱抑制構造は、前記第1のセパレータと前記発電体の接触面、および、前記第2のセパレータと前記発電体の接触面の少なくとも一方に断熱材を配設することで形成されているものとしてもよい。このような構成であれば、簡易な構造で発電体から第1あるいは第2のセパレータへの熱の伝導を抑制することができる。 In the fuel cell configured as described above, at least a part of the heat transfer suppression structure is formed on at least one of a contact surface between the first separator and the power generator, and a contact surface between the second separator and the power generator. It is good also as what is done. For example, in the fuel cell having the above-described configuration, the heat transfer suppression structure includes a heat insulating material on at least one of a contact surface between the first separator and the power generator, and a contact surface between the second separator and the power generator. It is good also as what is formed by arrange | positioning. With such a configuration, conduction of heat from the power generator to the first or second separator can be suppressed with a simple structure.
上記構成の燃料電池において、前記伝熱抑制構造は、前記第1のセパレータまたは前記第2のセパレータと前記発電体の中央部の接触面積を、周辺部の接触面積よりも低減することで形成されているものとしてもよい。このような構成であれば、電気化学反応が主に進行する発電体の中央部から直接的にセパレータに熱が伝導してしまうことを抑制することができる。また、このような構成であれば、断熱材等の別部材を設けることなく低コストに熱の伝導を抑制することができる。 In the fuel cell having the above-described configuration, the heat transfer suppression structure is formed by reducing a contact area of the first separator or the second separator and a central portion of the power generator to be smaller than a contact area of a peripheral portion. It is good as it is. If it is such a structure, it can suppress that a heat | fever conducts to a separator directly from the center part of the electric power generation body where an electrochemical reaction mainly advances. Moreover, if it is such a structure, heat conduction can be suppressed at low cost, without providing separate members, such as a heat insulating material.
上記構成の燃料電池において、前記第1のセパレータまたは前記第2のセパレータには、前記発電体との接触面に複数の凸部が形成されており、前記伝熱抑制構造は、前記第1のセパレータまたは前記第2のセパレータの中央部に形成された凸部の数を周辺部の凸部の数よりも少なくすることで形成されているものとしてもよい。このような構成であれば、凸部の数を調整するだけで、容易に熱の伝導を抑制することができる。 In the fuel cell having the above-described configuration, the first separator or the second separator has a plurality of convex portions formed on a contact surface with the power generation body, and the heat transfer suppression structure includes the first separator. It is good also as what is formed by making the number of the convex parts formed in the center part of a separator or the said 2nd separator smaller than the number of the convex parts of a peripheral part. With such a configuration, it is possible to easily suppress heat conduction only by adjusting the number of convex portions.
上記構成の燃料電池において、更に、当該燃料電池内に前記発電体を固定するサポートプレートを備え、前記伝熱抑制構造の少なくとも一部は、前記発電体と前記サポートプレートとの接触部分に断熱部を設けることで形成されているものとしてもよい。このような構成であれば、比較的熱容量の大きいサポートプレートに熱が伝導してしまうことを抑制することができる。 The fuel cell having the above configuration further includes a support plate for fixing the power generation body in the fuel cell, and at least a part of the heat transfer suppression structure is a heat insulating portion at a contact portion between the power generation body and the support plate. It is good also as what is formed by providing. With such a configuration, it is possible to suppress heat from being conducted to the support plate having a relatively large heat capacity.
上記構成の燃料電池において、更に、前記発電体と前記第1のセパレータの間、および、前記発電体と前記第2のセパレータとの間の少なくとも一方に多孔質集電体を備え、
前記伝熱抑制構造は、前記多孔質集電体と前記発電体との間に断熱体を設けることで形成されているものとしてもよい。このような構成によっても、簡易な構成で、発電体から多孔質集電体あるいはセパレータに熱が伝導してしまうことを抑制することができる。
In the fuel cell having the above-described configuration, a porous current collector is further provided between at least one of the power generator and the first separator and between the power generator and the second separator,
The heat transfer suppression structure may be formed by providing a heat insulator between the porous current collector and the power generator. Even with such a configuration, it is possible to suppress heat conduction from the power generation body to the porous current collector or the separator with a simple configuration.
なお、上述した本発明の種々の構成は、適宜組み合わせたり、一部を省略して構成することが可能である。また、本発明は、上述した燃料電池を備える燃料電池システムや車両としても構成することができる。 It should be noted that the various configurations of the present invention described above can be combined as appropriate, or a part of the configurations can be omitted. The present invention can also be configured as a fuel cell system or a vehicle including the fuel cell described above.
以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
A.第1実施例(セパレータの凸部に断熱材):
B.第2実施例(セパレータの凸部を一部省略):
C.第3実施例(サポートプレートに断熱材):
D.第4実施例(多孔質集電体に断熱層):
E.第5実施例(水素分離膜に断熱層):
Hereinafter, in order to further clarify the operations and effects of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described based on examples in the following order.
A. 1st Example (insulation material on convex part of separator):
B. Second Embodiment (Part of the separator convex part is omitted):
C. Third Example (Insulating material on support plate):
D. Example 4 (Insulating layer on porous current collector):
E. Example 5 (Heat separation layer on hydrogen separation membrane):
A.第1実施例(セパレータの凸部に断熱材):
図1は、本発明の第1実施例としての燃料電池10aの断面模式図である。燃料電池10aは、2つのサポートプレート20の内側に多孔質集電体15、水素分離膜18、電解質層17、カソード電極層16、多孔質集電体14の順に積層され、これらの層構造をセパレータ13,19が両面から挟持することで形成されている。以下では、多孔質集電体15、水素分離膜18、電解質層17、カソード電極層16、多孔質集電体14からなる部分を、「発電体30」と呼ぶ。サポートプレート20は、例えば、SUSにより形成されており、発電体30と接触する部分は、短絡を防止するために絶縁処理が施されている。
A. 1st Example (insulation material on convex part of separator):
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
水素分離膜18は、水素透過性を有する金属によって形成される緻密な層であり、アノードとしての機能を果たす。この水素分離膜18には、例えば、水素分子を解離させる活性を有するパラジウム(Pd)またはPd合金を用いることができる。そのほか、水素分離膜18としては、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)等の5族金属、または5族金属の合金を基材として、少なくともセパレータ19側の面にPdやPd合金層を形成した多層膜を用いることができる。また、水素分子を解離させる活性を有する他の金属、例えば、アモルファス合金などを用いることも可能である。本実施例においては、水素分離膜18として、パラジウム(Pd)を用いるものとした。
The
水素分離膜18は、電解質層17を形成するための基材となるので、一定の強度が求められる。また、燃料電池10の製造工程における積層体のハンドリングの問題から、一定の厚みが求められる。したがって、水素分離膜18の厚みは、例えば、10〜100μm程度の厚みとすることが好ましい。本実施例においては、水素分離膜18の厚みは、80μmとした。もちろん、求められる強度やハンドリング性を考慮して、適宜設定することが可能である。
Since the
電解質層17は、水素分離膜18上に形成される層であり、プロトン伝導性を有する固体酸化物からなる。この電解質層17には、例えば、SrZrInO3系や、SrCeO3系、BaCeO3系のセラミックスプロトン伝導体などを用いることができる。本実施例では、SrZr0.8In0.2O3を用いるものとした。電解質層17は、例えば、PLD(Pulsed Laser Deposition)装置を用いて、SrZr0.8In0.2O3を水素分離膜18上に蒸着させることで形成することができる。
The
電解質層17は、緻密かつ十分な厚さを有する水素分離膜18上に形成しているため、薄膜化が可能である。そのため、電解質層17の厚みは、例えば、0.1〜5μm程度とすることができる。本実施例では、2μmとした。もちろん、膜抵抗や強度を考慮して適宜設定することが可能である。このように電解質層17の薄膜化を図ることで、電解質層17の膜抵抗を低減することができ、従来の固体酸化物形燃料電池の運転温度よりも低い温度である200〜600℃程度で燃料電池を運転することができる。
Since the
カソード電極層16は、電解質層17上に成膜される層であり、電子伝導性と、電気化学反応を促進する触媒活性と、酸化物イオン伝導性とを有している。このカソード電極層16には、LaSrCoO3系、LaSrMnO3系等の導電性セラミックスや、白金(Pt)、Pd、ロジウム(Rh)、銀(Ag)等の金属または合金を用いることができる。本実施例では、La0.6Sr0.4CoO3を用いるものとした。なお、厚みは25nmとした。カソード電極層16は、例えば、PLD装置を用いて、La0.6Sr0.4CoO3を電解質層17上に蒸着させることで形成することができる。
The
多孔質集電体14,15は、ガス透過性および導電性を有する部材である。多孔質集電体14は、発電体30に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス流路21の一部になるとともに、セパレータ13との間に介在して集電を行なう。また、多孔質集電体15は、発電体30に燃料ガスを供給する燃料ガス流路22の一部になるとともに、セパレータ19との間に介在して集電を行なう。多孔質集電体14,15は、例えば、カーボンクロス、カーボンフエルト、カーボンペーパなどの炭素部材や、発泡金属、金属メッシュなどの金属部材、導電性セラミックスなどによって形成することができる。本実施例においては、2mmの厚みを有するSUSのメッシュとした。燃料電池10内において、十分に集電が可能であれば、多孔質集電体14および多孔質集電体15の少なくとも一方は省略することとしてもよい。
The porous
セパレータ13,19は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。セパレータ13,19には、発電体30に接する面に凹凸形状が形成されている。これにより、燃料電池10内に、酸化ガス流路21と燃料ガス流路22が形成される。なお、セパレータ13とサポートプレート20との接触部、および、セパレータ19とサポートプレート20との接触部の少なくともいずれか一方には、絶縁処理がなされている。燃料電池10を複数積層させて一つの燃料電池ユニットを形成する場合には、セパレータ13とセパレータ19とは、一体的に構成することが可能である。
The
本実施例では、セパレータ13,19の凸部の先端には、断熱材40が接合されている。断熱材40としては、(1)導電性断熱材や、(2)導電性断熱材と非導電性断熱材とを物理混合した断熱材を用いることができる。前者の断熱材としては、例えば、La0.6Sr0.4MnO3、La0.6Sr0.4CoO3、La0.8Sr0.2Cr0.9Co0.1O3、を用いることができる。一方、後者の断熱材を構成する導電性断熱材としては、ステンレスファイバ、ニッケルファイバを用いることができ、非導電性断熱材としては、シリカ、アルミナ、シリカアルミナ、ジルコニアファイバを用いることができる。
In this embodiment, a
本実施例の燃料電池10によれば、セパレータ13,19と発電体30との接触面に断熱材40が配設されているため、発電に伴い電解質層17で生じた熱がセパレータ13,19に伝導してしまうことを抑制することができる。この結果、発電体30の温度が上昇し、発電効率を向上させることができる。また、発電体30から他の部分への熱の伝導が抑制されるため、シール材その他の燃料電池10を構成する部材の選択の幅が増す。この結果、燃料電池10の発電効率を向上させつつ、設計の自由度が低下してしまうことを抑制することが可能になる。
According to the fuel cell 10 of the present embodiment, since the
なお、図1では、セパレータ13,19のすべての凸部に断熱材40を設ける例を示したが、セパレータ13またはセパレータ19のいずれか一方の断熱材40は省略してもよい。この場合において、電解質層17で生じた熱は、カソード電極層16よりも水素分離膜18に伝わりやすい傾向があるため、アノード側のセパレータ19よりも、カソード側のセパレータ13の断熱材40を省略する方が好ましい。
In addition, although the example which provides the
また、セパレータ13もしくはセパレータ19の全ての凸部に断熱材40を設けるのではなく、一部の凸部にのみ断熱材40を設けるものとしてもよい。電解質層17では、周辺部よりも中央部で多くの電気化学反応が進行するため、発電体30の中央部の方が周辺部よりも温度が高くなる。そのため、一部の凸部にのみ断熱材40を設ける場合には、セパレータ13,19の中央部の凸部には断熱材40を残し、周辺の凸部の断熱材40を省略する構成とすることが好ましい。
Moreover, it is good also as what provides the
B.第2実施例(セパレータの凸部を一部省略):
図2は、本発明の第2実施例としての燃料電池10bの断面模式図である。本実施例の燃料電池10bは、第1実施例の燃料電池10aとセパレータの構造が異なる。第1実施例では、セパレータ13,19の凸部に断熱材40を設けるものとしたが、本実施例のセパレータ13b,19bは、発電体30の中央部に位置する凸部を省略する構成とした。
B. Second Embodiment (Part of the separator convex part is omitted):
FIG. 2 is a schematic sectional view of a
図3は、本実施例の効果を示す説明図である。図3(a)は、セパレータの凸部を省略しない場合の燃料電池10bの温度プロファイルを示している。一方、図3(b)は、図2のように凸部を省略した場合の燃料電池10bの温度プロファイルを示している。これらの図において、横軸は、図2の発電体30の長手方向の位置(図2のx0〜x1)を示し、縦軸は、その位置における発電体30の温度を示す。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the effect of this embodiment. FIG. 3A shows the temperature profile of the
図3(a)に示すように、セパレータの凸部を省略しない場合には、発電体30で生じた熱は、凸部全体を通じて、外部に伝導されるため、発電体30の温度は、全体的に低くなる。これに対して、発電体30の中央部に位置する凸部を省略した場合には、図3(b)に示すように、発電体30の中央部が高温になる。この結果、燃料電池10bの発電効率を向上させることができる。電解質層17では、周辺部よりも中央部において電気化学反応が多く進行するため、本実施例のように、周辺部ではなく中央部の凸部の数を低減させることで、より効果的に、セパレータへの熱の伝導を抑制することができる。なお、本実施例では、発電体30の周辺部に位置する凸部の数は減じないこととした。そのため、この部分を通じて、不要な熱は放出される。従って、発電体30が必要以上に高温になることを抑制することができる。
As shown in FIG. 3 (a), when the convex portion of the separator is not omitted, the heat generated in the
C.第3実施例(サポートプレートに断熱材):
図4は、第3実施例としての燃料電池10cの断面模式図である。図4では、発電体30の詳細な構造の図示を省略しているが、全体の構造は、第1実施例とほぼ同様である。ただし、本実施例では、セパレータの凸部ではなく、発電体30とサポートプレート20との接触部に断熱材42を設けるものとした。この断熱材42としては、例えば、ガラスやセラミックなどの非導電性断熱材を用いることができる。
C. Third Example (Insulating material on support plate):
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a
本実施例の燃料電池10cによれば、熱容量が比較的大きいサポートプレート20に発電体30の熱が伝導することを抑制することができる。そのため、発電体30の温度を高温に保つことができ、発電効率を向上することができる。
According to the
図5は、第3実施例の変形例を示す説明図である。図5に示した燃料電池10dでは、サポートプレート20と発電体30の接触部に断熱材42を設けるのではなく、発電体30のサポートプレート近傍部をプレスすることにより凹部44を形成し、その部分の厚みを狭めるものとした。このような態様であっても、発電体30からサポートプレート20に熱が伝導することを抑制することが可能になる。
FIG. 5 is an explanatory view showing a modification of the third embodiment. In the
D.第4実施例(多孔質集電体に断熱層):
図6は、本発明の第4実施例としての燃料電池10eの断面模式図である。本実施例の燃料電池10eは、第1実施例の燃料電池10aと断熱材を配置する場所が異なる。すなわち、第1実施例では、セパレータ13,19と発電体30との間に断熱材40を配置するものとしたが、本実施例では、多孔質集電体14とカソード電極層16との間、および、多孔質集電体15と水素分離膜18との間に断熱材46を配置するものとした。断熱材46の材料としては、導電性を有する多孔質な断熱材を用いることができる。
D. Example 4 (Insulating layer on porous current collector):
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a
こうした本実施例の構成であっても、発電体30で生じた熱が外部に伝導することを抑制することができる。そのため、他の実施例と同様に、発電効率を向上させつつ設計の自由度の低下を抑制することができる。なお、本実施例では、図6に示すように、断熱材46を多孔質集電体14とカソード電極層16との間、および、多孔質集電体15と水素分離膜18との間に配置するものとしたが、いずれか一方を省略する構成としてもよい。
Even with this configuration of the present embodiment, heat generated in the
E.第5実施例(水素分離膜内に断熱層):
図7は、本発明の第5実施例としての燃料電池10fの断面模式図である。本実施例では、水素分離膜18内の電解質層17近傍に、所定の間隔を空けて断熱材48を埋設するものとした。
E. 5th Example (heat insulation layer in a hydrogen separation membrane):
FIG. 7 is a schematic sectional view of a
水素分離膜18内に埋設する断熱材48としては、例えば、第1実施例で説明した種々の断熱材や、水素分離膜18よりも断熱性が高く水素透過性が低いセラミック水素透過膜のような水素透過性物質を用いることができる。このような水素透過性物質としては、例えば、SrZr0.8Y0.1Ru0.1O3や、BaCe0.8Y0.1Ru0.1O3を用いることができる。断熱材48が水素透過性を有する場合には、上述した間隔を省略することができる。
Examples of the
断熱材48を内部に有する水素分離膜18は、例えば、2層分の水素分離膜を用意し、その間に、断熱材48を配置し、その後、全体を拡散接合するなどして形成することができる。なお、本実施例では、水素分離膜18内に断熱材48を埋設するものとしたが、断熱材48に替えて、その部分を空間としても断熱の効果を得ることが可能である。もちろん、断熱材48と空間とが水素分離膜18内に混在する構成としてもよい。
The
以上、本発明の種々の実施例について説明した。上述した種々の実施例によれば、燃料電池内の電解質部分で発生する局所的な熱が他の部分へ伝導してしまうことを抑制することができる。そのため、発電体30の温度が上昇し、発電効率を向上させることができる。また、発電体30から他の部分への熱の伝導が抑制されるため、シール材その他の燃料電池10を構成する部材の選択の幅が増す。この結果、燃料電池10の発電効率を向上させつつも、設計の自由度が低下してしまうことを抑制することが可能になる。
In the foregoing, various embodiments of the present invention have been described. According to the various embodiments described above, local heat generated in the electrolyte portion in the fuel cell can be prevented from being conducted to other portions. Therefore, the temperature of the
なお、本発明は、上述した各実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。上述した種々の実施例は適宜組み合わせることが可能である。例えば、第1実施例と第3実施例とを組み合わせれば、セパレータだけではなく、サポートプレートへの熱の伝導を抑制することができるので、より効果的に断熱を行うことが可能になる。 Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various configurations can be adopted without departing from the spirit of the present invention. The various embodiments described above can be combined as appropriate. For example, if the first embodiment and the third embodiment are combined, heat conduction not only to the separator but also to the support plate can be suppressed, so that heat insulation can be performed more effectively.
10a〜10f…燃料電池
13,19…セパレータ
14,15…多孔質集電体
16…カソード電極層
17…電解質層
18…水素分離膜
20…サポートプレート
21…酸化ガス流路
22…燃料ガス流路
30…発電体
40,42,46,48…断熱材
DESCRIPTION OF
Claims (11)
一方の面に供給された燃料ガスから他方の面に水素を選択的に透過する水素分離膜を基材として、該基材の前記他方の面に電解質層が形成され、更に、該電解質層に隣接してカソード電極層が形成された発電体と、
前記発電体の前記水素分離膜側の面に隣接して配設され、前記水素分離膜に前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成された第1のセパレータと、
前記発電体の前記カソード電極層側の面に隣接して配設され、前記カソード電極層に酸化ガスを供給する酸化ガス流路が形成された第2のセパレータと、
前記発電体内の電気化学反応によって生じた熱を、該発電体から当該燃料電池を構成する他の部分に伝熱することを抑制する伝熱抑制構造と
を備える燃料電池。 A fuel cell,
A hydrogen separation membrane that selectively permeates hydrogen from the fuel gas supplied to one surface to the other surface is used as a base material, and an electrolyte layer is formed on the other surface of the base material. A power generator having a cathode electrode layer formed adjacent thereto;
A first separator disposed adjacent to a surface of the power generation body on the hydrogen separation membrane side and having a fuel gas flow path for supplying the fuel gas to the hydrogen separation membrane;
A second separator disposed adjacent to the cathode electrode layer side surface of the power generation body and having an oxidizing gas flow path for supplying an oxidizing gas to the cathode electrode layer;
A fuel cell comprising: a heat transfer suppression structure that suppresses heat generated by an electrochemical reaction in the power generation body from being transferred from the power generation body to another part of the fuel cell.
前記伝熱抑制構造の少なくとも一部は、前記水素分離膜内に形成された断熱体である
燃料電池。 The fuel cell according to claim 1,
At least a part of the heat transfer suppression structure is a heat insulator formed in the hydrogen separation membrane.
前記水素分離膜内には、前記断熱体として、非水素透過性の断熱材、または、空間が所定の間隔で埋設されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
In the hydrogen separation membrane, a non-hydrogen-permeable heat insulating material or a space is embedded as the heat insulator at a predetermined interval. Fuel cell.
前記水素分離膜内には、前記断熱体として、前記水素分離膜よりも断熱性の高い水素透過性物質が埋設されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein
In the hydrogen separation membrane, a hydrogen permeable substance having higher heat insulation than the hydrogen separation membrane is embedded as the heat insulator.
前記断熱体は、前記水素分離膜内の前記電解質層近傍に埋設されている
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 2 to 4, wherein
The heat insulator is embedded in the vicinity of the electrolyte layer in the hydrogen separation membrane.
前記伝熱抑制構造の少なくとも一部は、前記第1のセパレータと前記発電体の接触面、および、前記第2のセパレータと前記発電体の接触面の少なくとも一方に形成されている
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
At least a part of the heat transfer suppression structure is formed on at least one of a contact surface between the first separator and the power generation body, and a contact surface between the second separator and the power generation body.
前記伝熱抑制構造は、前記第1のセパレータと前記発電体の接触面、および、前記第2のセパレータと前記発電体の接触面の少なくとも一方に断熱材を配設することで形成されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 6, wherein
The heat transfer suppression structure is formed by disposing a heat insulating material on at least one of the contact surface between the first separator and the power generator and the contact surface between the second separator and the power generator. Fuel cell.
前記伝熱抑制構造は、前記第1のセパレータまたは前記第2のセパレータと前記発電体の中央部の接触面積を、周辺部の接触面積よりも低減することで形成されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 6, wherein
The heat transfer suppression structure is formed by reducing a contact area of the first separator or the second separator and a central portion of the power generator to be smaller than a contact area of a peripheral portion.
前記第1のセパレータまたは前記第2のセパレータには、前記発電体との接触面に複数の凸部が形成されており、
前記伝熱抑制構造は、前記第1のセパレータまたは前記第2のセパレータの中央部に形成された凸部の数を周辺部の凸部の数よりも少なくすることで形成されている
燃料電池。 The fuel cell according to claim 8, wherein
In the first separator or the second separator, a plurality of convex portions are formed on the contact surface with the power generator,
The said heat-transfer suppression structure is formed by making the number of the convex parts formed in the center part of the said 1st separator or the said 2nd separator smaller than the number of the convex parts of a peripheral part. Fuel cell.
更に、当該燃料電池内に前記発電体を固定するサポートプレートを備え、
前記伝熱抑制構造の少なくとも一部は、前記発電体と前記サポートプレートとの接触部分に断熱部を設けることで形成されている
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 9,
And a support plate for fixing the power generator in the fuel cell.
At least a part of the heat transfer suppressing structure is formed by providing a heat insulating portion at a contact portion between the power generation body and the support plate.
更に、前記発電体と前記第1のセパレータの間、および、前記発電体と前記第2のセパレータとの間の少なくとも一方に多孔質集電体を備え、
前記伝熱抑制構造の少なくとも一部は、前記多孔質集電体と前記発電体との間に断熱体を設けることで形成されている
燃料電池。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 10,
Furthermore, a porous current collector is provided between at least one of the power generator and the first separator and between the power generator and the second separator,
At least a part of the heat transfer suppression structure is formed by providing a heat insulator between the porous current collector and the power generator.
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WO2021229814A1 (en) * | 2020-05-15 | 2021-11-18 | 日産自動車株式会社 | Fuel battery stack |
-
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- 2007-04-18 JP JP2007109217A patent/JP2008269879A/en active Pending
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WO2021229814A1 (en) * | 2020-05-15 | 2021-11-18 | 日産自動車株式会社 | Fuel battery stack |
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