JP4356389B2

JP4356389B2 - 燃料電池のガス流量制御装置

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Publication number: JP4356389B2
Application number: JP2003281748A
Authority: JP
Inventors: 靖志中島; 圭子櫛引
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005050691A

Description

この発明は、電極に面してガス流路を備えた燃料電池のガス流量制御装置に関する。

一般に、燃料電池においては、高温部での発電効率が低温部より高くなるため、発電領域にて発熱のばらつきが生じた場合に、高温部はより高温化しやすく、ガス流路全体の温度が不均一になりやすい。

例えば、燃料電池の熱的なバランスの点で原理的に最適な形状は、薄型の円盤形状とされているが、このような円盤形状中心よりガスを供給した場合でも、下記非特許文献１にあるように、反応箇所に大きなばらつきを生じ、発電効率の低下を招く。
平成９年度成果報告書固体電解質型燃料電池の研究開発：株式会社富士電機総合研究所これに対し、下記特許文献１では、ガス流路内にバイメタルを含む感温型のガス流量調節弁を設ける手法が提案されている。特開平７−２４９４１９号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載のガス流量調節弁では、バイメタル全体に対する変形部の位置を、ガスの流れに対して特に考慮していないので、的確なガス流量制御が難しく、ガス流路全体の温度を均一化することが困難となっている。

そこで、この発明は、ガス流量を的確に制御し、ガス流路全体の温度を均一化することを目的としている。

前記目的を達成するために、この発明は、電極に面しかつ隔壁相互間に設けたガス流路に温度によって変形する温度可変体を配置し、この温度可変体は、所定温度未満でガスの流れに対して平行となる一方、所定温度以上で前記ガス流路を狭めるよう突出変形し、この突出変形する変形部が前記ガスの流れ方向上流側となるよう配置した燃料電池のガス流量制御装置であって、前記温度可変体は、互いに同一特性のもの一対を、前記所定温度以上で前記変形部が互いに離反するよう突出変形した状態から、前記所定温度未満でガスの流れに対して平行となるよう戻る側を互いに向かい合わせて配置し、この向かい合わせた状態で、前記変形部と反対の前記ガスの流れ方向下流側を固定部として互いに固定した構成としてある。

この発明によれば、所定温度未満でガスの流れに対して平行となる温度可変体が、所定温度以上でガス流路を狭めるように突出変形し、かつこの変形部がガスの流れ方向上流側に位置しているので、変形部がガスの流れの圧力を変形方向に受け、高温時でのガス流量制御を安定して的確に行うことができ、ガス流路全体の温度を均一化することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、この発明の参考例に係わる燃料電池のガス流量制御装置を示す要部の平面図で、このガス流量制御装置は、図２に側面断面図として示してある薄型の円盤形状とした燃料電池に適用している。

この燃料電池は、固体電解質の両面に燃料極と空気極とをそれぞれ配置した発電要素１を、導電性のセパレータ３を介して複数積層して構成している。上記円盤状の燃料電池の中心部には、ホルダ部５を備え、ホルダ部５の中心には燃料ガス供給流路５ａを、その外側には空気供給流路５ｂをそれぞれ形成してある。

燃料ガス供給流路５ａに供給した燃料ガスは、ホルダ部５に形成してある外周方向に延びる貫通孔５ｃを通してセパレータ３と発電要素１の燃料極との間の燃料ガス流路７に流入し、図１にて後述する隔壁１１の外周側端部でガス流れが反転して中心部に戻り、この燃料ガス流路７を通過する間に燃料ガスが消費されて、残りの燃料ガスがホルダ部５に設けてある図示しない燃料ガス排出流路を通して外部に排出する。

したがって、図２には図示していないが、燃料ガス流路７の外周部は閉じた状態とする。

一方、空気供給流路５ｂに供給した空気は、ホルダ部５に形成してある外周方向に延びる貫通孔５ｄを通してセパレータ３と発電要素１の空気極との間の空気流路９に流入し、ここで消費されて、残りの空気が外周側から排出する。

また、上記したホルダ部５は、セパレータ３に導通する上部電極５Ａと、発電要素１の燃料極に導通する下部電極５Ｂと、各電極Ａ，Ｂ相互間を電気的に絶縁する絶縁体５Ｃとを備えている。

このような燃料電池は、中央のホルダ部５を上下から挟持固定して燃料電池スタックを構成する。

図３は、図２に対し、隣接する発電要素１，１相互間に、各発電要素１，１にそれぞれ対応するセパレータ３，３を設けた例であり、この燃料電池にも前記図１に示したガス流量制御装置を適用可能である。

次に、前記図１に示したガス流量制御装置について説明する。図１は、前記図２，図３に示した燃料ガス流路７の一部を示している。この燃料ガス流路７は、セパレータ３と発電要素１の燃料極との間に形成されている。

上記した燃料ガス流路７は、円周方向に沿って等間隔に、放射状の隔壁１１を複数備えている。そして、この各隔壁１１相互間の燃料ガス流路７は、燃料ガス入口流路７ａと、燃料ガス出口流路７ｂとが、円周方向に沿って交互に形成される。すなわち、燃料ガス入口流路７ａの内周側の端部７ａiは、前記図２に示した燃料ガス供給流路５ａに連通し、燃料ガス出口流路７ｂの内周側の端部７ｂｉは、前記図示しない燃料ガス排出流路に連通する。

そして、上記した燃料ガス入口流路７ａの内周側の端部７ａi付近における両側の隔壁１１には、温度可変体としての一対の内周側バイメタル１３が、また燃料ガス出口流路７ｂの外周側付近における両側壁１１には、温度可変体としての一対の外周側バイメタル１５が、それぞれ配置してある。

上記した内周側バイメタル１３は、ガス流れの下流側端部を固定部１３ａとして、隔壁１１に耐熱性の良好な金ロウ付などで固定し、同上流側端部を変形部１３ｂとして隔壁１１に対して固定していない。この一対の内周側バイメタル１３は、所定温度以上で、図１に示すように、変形部１３ｂが互いに接近する方向に湾曲変形して燃料ガス入口流路７ａを狭める一方、所定温度未満では、変形部１３ｂが隔壁１１にほぼ密着して、燃料ガス入口流路７ａを、図１の状態より広くする。

また、外周側バイメタル１５は、ガス流れの下流側端部を固定部１５ａとして、隔壁１１に耐熱性の良好な金ロウ付などで固定し、同上流側端部を変形部１５ｂとして隔壁１１に対して固定していない。この一対の外周側バイメタル１５は、所定温度以上で、図１に示すように、変形部１５ｂが互いに接近する方向に湾曲変形して燃料ガス出口流路７ｂを狭める一方、所定温度未満では、変形部１５ｂが隔壁１１にほぼ密着して、燃料ガス出口流路７ｂを、図１の状態より広くする。

すなわち、上記した各バイメタル１３，１５は、所定温度未満で、ガスの流れと平行となるように、非変形体としての隔壁１１に沿わせて配置している。

図４は、隔壁１１に外周側バイメタル１５を固定部１５ａにて固定して変形部１５ｂが突出変形した状態を実線で、変形前の状態を二点鎖線で示す斜視図である。

各バイメタル１３，１５は、燃料電池の動作温度が、数百℃程度であれば、熱膨張率が互いに異なる耐熱金属２種を、互いに接着して構成し、それ以上の例えば７００℃程度以上の場合には、バイメタル１３，１５に代えて、熱膨張率が互いに異なるセラミックス２種を、バイメタルのように互いに接着して構成する。

各バイメタル１３，１５に、耐熱性金属を使用することでコストを低く抑えることができる一方、セラミックスを使用することで高温時での特性変化を抑えることができる。

上記した耐熱金属としては、コバールとフェライト系ステンレスとの組合せなどがあり、セラミックスとしては、熱膨張率が小さいアルミナと熱膨張率が大きいＹＺＳ（イットリア安定化ジルコニア）との組合せなどがある。

また、図示していないが、燃料ガス流路７の各バイメタル１３，１５の作動領域を除く領域には、発電要素１とセパレータ３とを電気的に接続する多孔質の集電体を収容する。

次に作用を説明する。前記図２に示すように、燃料ガス流路７に燃料ガスを、空気流路９に空気をそれぞれ供給することで、これらが発電要素１で反応して、燃料電池として発電動作を行い、上部電極５Ａおよび下部電極５Ｂから電力を取り出す。

このような発電動作の過程で、燃料ガスは、図１に示すように、燃料ガス入口流路７ａにその内周側の端部７ａiから流入し、隔壁１１の外周側の端部で反転して折り返し、燃料ガス出口流路７ｂに流れ込み、その内周側の端部７ｂｉに達する。

ここで、各バイメタル１３，１５は、周囲温度が所定温度未満と低い場合には、図４にて変形部１５ｂを二点鎖線で示すように、各変形部１３ｂ，１５ｂが隔壁１１にほぼ密着し、バイメタル１３，１５全体がガスの流れと平行となるよう隔壁１１に沿わせて配置した状態となる。したがって、この場合には、燃料ガス流路７の流路幅は、各バイメタル１３，１５を配置しない場合と大きく変わることがなく、バイメタル１３，１５がガスの流れを阻害せずに、燃料ガスが規定通りに流れて発電に供される。

一方、燃料ガス流路７の温度が所定温度以上と高くなった部分には、互いに向かい合って配置してある内周側バイメタル１３の変形部１３ｂ同士あるいは、同外周側バイメタル１５の変形部１５ｂ同士が、互いに接近する方向に突出変形し、燃料ガス入口流路７ａあるいは燃料ガス出口流路７ｂをそれぞれ狭め、前記した低温時よりもガス流路幅を狭くする。

これにより、高温部の燃料ガス流路７への燃料ガスの供給量が減少する一方、燃料ガス流路７の温度が所定温度以上に達していない低温部への燃料ガスの供給量が増加し、結果として燃料ガス流路７全体として温度の均一化が達成できる。このように、燃料ガス流路７における高温部位への燃料ガスの流量を制限することで、燃料ガス流路７内に設置してある構造部材の劣化を防止できる。

また、変形部１３ｂ，１５ｂは、突出変形した状態で、さらに変形する方向にガス流れの圧力を受けるので、昇温時には敏感にガス流を制限することができる。このような変形部１３ｂ，１５ｂの変形は、温度の上昇に応じて徐々に大きくなるので、燃料ガスの流量制御が的確に行え、燃料ガス流路７全体の温度をより均一化することができる。

また、本実施形態のように、円周方向に放射状に燃料ガスが供給される場合、燃料供給の入口側の燃料の濃度が高いため高温になりやすいが、変形部１３ｂはこの高温になりやすい燃料ガス入口流路７ａ内周側の端部７ａｉ付近に設けられているので、高温化を効果的に防止することができる。

さらに、バイメタル１３，１５が動くことで、燃料ガス流路７への煤の付着を防止することができる。

上記したガス流量制御は、燃料ガス流路７だけでなく、燃料ガス流路７を空気流路９に置き換えて使用することもできる。

図５は、この発明の第１の実施形態を示す、前記図１に対応する燃料電池のガス流量制御装置の要部の平面図である。この実施形態は、燃料ガス入口流路７ａの内周側の端部７ａｉ近傍の隔壁１１相互間に、互いに同一特性の一対の内周側バイメタル１７を配置するとともに、燃料ガス出口流路７ｂの外周側近傍の隔壁１１相互間に、互いに同一特性の一対の外周側バイメタル１９を配置する。

上記した一対の内周側バイメタル１７は、燃料ガス入口流路７ａの幅方向中央に設置し、燃料ガスの下流側の端部を固定部１７ａとして互いに固定する。一方、一対の内周側バイメタル１７の燃料ガスの上流側の端部は、変形部１７ｂとして互いに固定せずに、温度によって互いに接近離反する方向に変形可能とする。

上記した一対の内周側バイメタル１７は、周囲温度が所定温度以上で、図５に示すように、変形部１７ｂが互いに離反する方向に突出変形して燃料ガス入口流路７ａを狭める一方、所定温度未満では、変形部１７ｂが互いにほぼ密着して、燃料ガス入口流路７ａを、図５の状態より広くする。

また、一対の外周側バイメタル１９は、燃料ガス出口流路７ｂの幅方向中央に配置し、燃料ガスの下流側の端部を固定部１９ａとして互いに固定する。一方、一対の外周側バイメタル１９の燃料ガスの上流側の端部は、変形部１９ｂとして互いに固定せずに、互いに接近離反する方向に変形可能とする。

上記した一対の外周側バイメタル１９は、周囲温度が所定温度以上で、図５に示すように、変形部１９ｂが互いに離反する方向に突出変形して燃料ガス入口流路７ｂを狭める一方、所定温度未満では、変形部１９ｂが互いにほぼ密着して、燃料ガス入口流路７ｂを、図５の状態より広くする。

すなわち、前記した各バイメタル１７，１９は、互いに同一特性のもの一対を、所定温度以上で突出変形した状態から、所定温度未満でガスの流れに対して平行となるよう戻る側を互いに向かい合わせて配置している。

上記した第１の実施形態においても、周囲温度が所定温度未満と低い場合には、各バイメタル１７，１９の変形部１７ｂ同士，１９ｂ同士が互いにほぼ密着して平板状となるので、燃料ガス流路７の流路幅を、各バイメタル１７，１９を配置しない場合と大きく変わることがなく、また燃料ガスの流れも阻害することなく規定通りに流れる。

一方、周囲温度が所定温度以上と高くなった場合には、一対の内周側バイメタル１７の変形部１７ｂ同士あるいは、一対の外周側バイメタル１９の変形部１９ｂ同士が、互いに離反する方向に突出変形し、燃料ガス入口流路７ａあるいは燃料ガス出口流路７ｂをそれぞれ狭め、前記した低温時よりもガス流路幅を狭くする。

これにより、高温部の燃料ガス流路７への燃料ガスの供給量が減少する一方、燃料ガス流路７の温度が所定温度以上に達していない低温部への燃料ガスの供給量が増加し、結果として燃料ガス流路７全体として温度の均一化が達成できるなど、参考例と同様の効果が発生する。

また、この実施形態では、バイメタル１７，１９を隔壁１１に取り付けていないので、隔壁１１を発電要素１とセパレータ３との電気的接続および機械的接続に特化でき、電気伝導性や反応の均一性に寄与することができる。

さらに、各バイメタル１７，１９の固定部１７ａ，１９ａは、発電要素１とセパレータ３とを繋ぐようにすることで、設置状態が安定化するとともに、この状態でバイメタル１７，１９を導電体とすることで、電気的伝導にも寄与することができる。

図６は、この発明の他の参考例に係わる燃料ガス流路７の一部を示す斜視図である。この参考例は、隔壁１１の外周側の一部を、バイメタル２１で構成している。このバイメタル２１は、内周側の一端を固定部２１ａとして隔壁１１に固定し、外周側の他端を所定温度以上で燃料ガス出口流路７ｂに向けて突出変形する変形部２１ｂとしている。この変形部２１ｂは、所定温度未満では隔壁１１のほぼ延長上に位置するよう直線状となる。

すなわち、他の参考例は、燃料ガス流路７が、隔壁１１によって互いに隣接する燃料ガス入口流路７ａ，燃料ガス出口流路７ｂ相互間で、ガスの流れ方向が反転する流路反転部を備え、この流路反転部に、隔壁１１の端部に一端（固定部２１ａ）を接続して他端（変形部２１ｂ）が所定温度以上で変形するバイメタル２１を配置している。

この参考例では、図６に示すように、一対のバイメタル２１の変形部２１ｂが、周囲温度が所定温度以上となった場合に互いに接近する方向に変形する。これにより、変形部２１ｂ相互間の流路が狭まり、燃料ガス入口流路７ａから、高温となった燃料ガス出口流路７ｂに入り込む燃料ガス量を制限することができる。

周囲温度が所定温度未満で高温となっていない燃料ガス流路７の部位については、バイメタル２１は変形しないので、その低温部側へのガス流量が、高温部へのガス流量が減った分増大し、結果として燃料ガス流路７全体として温度の均一化が達成できるなど、第１の実施形態と同様の効果が発生する。

図７は、この発明の第２の実施形態に係わるバイメタル２３周辺の燃料ガス流路７を示す斜視図である。この実施形態は、燃料ガス流路７において、バイメタル２３の動作領域における発電要素１の表面に、多孔質導電体２５を発電要素１の電極に接触するよう設置する。

多孔質導電体２５は、外周側ほど広がる扇形状を呈し、内周側の端部に、発電要素１とセパレータ３とを電気的に接続する接続体２７を一体化している。この接続体２７は、セパレータ３に向けて突出するバイメタル取付部２７ａと、バイメタル取付部２７ａから屈曲してセパレータ３の表面に接触する接触部２７ｂとを備える。

なお、バイメタル２３は、多孔質集電体２５の表面に接触しないようにして、バイメタル２３の動作を確実なものとする。

上記した接続体２７の取付部２７ａに、バイメタル２３の一端の固定部２３ａを金ロウ付などにより取り付け、外周側の他端を、周囲温度が所定温度以上で突出変形してバイメタル２３全体が湾曲する変形部２３ｂとする。

このバイメタル２３は、例えば前記図５に示した外周側バイメタル１９のように、背中合わせに一対配置し、周囲温度が所定温度以上で変形部２３ｂが隔壁１１に向けて突出変形して燃料ガス出口流路７ｂを狭くし、周囲温度が所定温度未満では直線状となる。

バイメタル２３が、周囲温度が所定温度以上となったときに、燃料ガス出口流路７ｂを狭くすることにより、燃料ガス入口流路７ａから、高温となった燃料ガス出口流路７ｂに入り込む燃料ガス量を制限することができる。

また、上記した第２の実施形態では、発電要素１上に設置した多孔質集電体２５を、接続体２７を介してセパレータ３に導通させて、発電要素１側の電力を集電しており、この際多孔質集電体２５をバイメタル２３の動作領域に配置して、燃料ガス流路７内のスペースの有効利用を図っている。

さらに、バイメタル２３は、図７中で上下両端をセパレータ３および発電要素１にそれぞれ固定してある接続体２７に取り付けているので、取付精度が向上し、動作が安定する。

また、バイメタル２３を燃料ガス流路７の中央部分に配置する場合には、接続体２７によって流路高さを一定に保ち、構造の保持に寄与することができる。

なお、上記した各実施形態では、燃料ガス流路７にこの発明のガス流量制御装置を適用したが、燃料ガス流路７を空気流路９に置き換えて使用することもできる。

この発明の参考例に係わる燃料電池のガス流量制御装置を示す要部の平面図である。図１のガス流量制御装置を適用した燃料電池の側面断面図である。図１のガス流量制御装置を適用した他の燃料電池の側面断面図である。図１のガス流量制御装置の外周側バイメタルを隔壁に固定した状態を示す斜視図である。この発明の第１の実施形態を示す、図１に対応する燃料電池のガス流量制御装置の要部の平面図である。この発明の他の参考例に係わるバイメタル周辺を示す斜視図である。この発明の第２の実施形態に係わるバイメタル周辺を示す斜視図である。

符号の説明

３導電性のセパレータ
７燃料ガス流路（ガス流路）
９空気流路（ガス流路）
１１隔壁
１７内周側バイメタル（温度可変体）
１７ａ，１９ａ固定部
１７ｂ，１９ｂ変形部
１９外周側バイメタル（温度可変体）
２３バイメタル（温度可変体）
２５多孔質導電体
２７接続体

Claims

電極に面しかつ隔壁相互間に設けたガス流路に温度によって変形する温度可変体を配置し、この温度可変体は、所定温度未満でガスの流れに対して平行となる一方、所定温度以上で前記ガス流路を狭めるよう突出変形し、この突出変形する変形部が前記ガスの流れ方向上流側となるよう配置した燃料電池のガス流量制御装置であって、前記温度可変体は、互いに同一特性のもの一対を、前記所定温度以上で前記変形部が互いに離反するよう突出変形した状態から、前記所定温度未満でガスの流れに対して平行となるよう戻る側を互いに向かい合わせて配置し、この向かい合わせた状態で、前記変形部と反対の前記ガスの流れ方向下流側を固定部として互いに固定したことを特徴とする燃料電池のガス流量制御装置。
電極に面したガス流路に温度によって変形する温度可変体を配置し、この温度可変体は、所定温度未満でガスの流れに対して平行となる一方、所定温度以上で前記ガス流路を狭めるよう突出変形し、この突出変形する変形部が前記ガスの流れ方向上流側となるよう配置した燃料電池のガス流量制御装置であって、前記電極との間で前記ガス流路を形成する導電性のセパレータを設け、このセパレータと前記電極とを電気的に接続する接続体に、前記温度可変体を固定し、前記温度可変体の変形動作領域の少なくとも前記電極側に、多孔質導電体を設け、この多孔質導電体を前記接続体に接続したことを特徴とする燃料電池のガス流量制御装置。
前記温度可変体を、前記ガス流路の上流側および下流側にそれぞれ配置したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池のガス流量制御装置。
前記温度可変体は、熱膨張率が互いに異なる耐熱金属２種からなるバイメタルで構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池のガス流量制御装置。
前記温度可変体は、熱膨張率が互いに異なるセラミックス２種を互いに接合して構成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池のガス流量制御装置。
前記燃料電池は、電解質の両側に電極を設けた円盤状の発電要素と、前記発電要素との間でガス流路を形成する導電性のガスセパレータと、前記発電要素およびガスセパレータに対してその中心部を保持するホルダ部を備え、前記ホルダ部には前記ガス流路にガスを供給するガス供給路および、前記ガス流路からガスを排出するガス排出路をそれぞれ設け、前記ガス流路には放射状の複数の隔壁を設け、前記ガス流路は前記複数の隔壁を介してガス流れが外側に向かうガス流路と、外側から折り返して内側に向かうガス流路とに隔てられ、前記温度可変体は少なくとも前記外側に向かう流路の上流部に設けられていることを特徴とする請求項１，２，４，５のいずれか１項に記載の燃料電池のガス流量制御装置。