JPWO2005053072A1 - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
具体的には、特許文献1においては、熱交換器により、上記改質器において生成した水素含有ガスとカソードオフガスとの熱交換を行い、水素含有ガスからカソードオフガスに熱量を与えると共にこの水素含有ガスの温度を低下させており、また、他の熱交換器により、上記水素分離膜を透過した水素の温度をさらに低下させてから、これを燃料電池に供給している。
また、特許文献2においては、水素分離膜を透過した水素を凝縮器を通過させることにより、この水素の温度を低下させてから、これを燃料電池に供給している。
そこで、例えば下記の特許文献3〜7に示すごとく、燃料電池の温度分布の偏りを解消すべく開発が進められてきた。
また、特許文献4には、電池内部の冷媒流路に、起動時には酸化発熱用触媒として機能し、運転時には冷却ガスの流量抵抗体として機能する燃焼触媒体を装填した積層型燃料電池が示されている。このような触媒体を用いることにより燃料電池の積層方向における温度分布の偏りを低減することができる。
さらに、特許文献5には、カソードガス流路とセパレータ間にカソード流れと対向する冷却ガス流路を形成した燃料電池システムが示されている。
さらに、特許文献7には、冷媒流路の内壁に、冷却ガスの流通方向に対して直交もしくは斜交する小突起を所定間隔で配置した燃料電池の冷却板が示されている。
即ち、特許文献3においては、テーパ状パイプを冷却ガス通路に挿入することが必要である。しかし、通常、燃料電池は、セパレータを数百枚積層してなっており、このセパレータには、一枚当たりに数百という多くのチャンネルが形成されているため、特許文献3に記載のテーパ状パイプを、各チャンネル毎に挿入することは、実際には非常に困難である。また、冷却ガスの入口通路に挿入したパイプは、冷媒の流れを妨げるため、圧力損失が大きくなり、冷却ガス等の流体の供給動力の損失が大きくなってしまう。その結果、燃料電池システムのエネルギー効率が低下するという問題が生じる。
また、このような触媒体を用いた燃料電池においては、燃料電池の温度分布の偏りを充分に低減することができないという問題があった。
特に、特許文献7に記載の小突起を設けた冷却板を用いるに当たっては、燃料電池における流路の高さが一般に数百μmと非常に小さいため、小突起によるじょう乱効果はほとんど発生しない。そのため、熱伝達の促進効果はほとんど得ることができず、温度分布の偏りを充分に解消することはできなかった。
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された水素又は水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した水素をプロトンの状態にして上記カソード流路に到達させるための、セラミックスよりなるプロトン伝導体層とを積層してなり、
また、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒流路を有し、
上記冷媒流路においては、その冷媒の入口側に、下流側よりも熱伝導率が小さい低熱伝導部が形成されていることを特徴とする燃料電池にある。
また、本発明において、上記電解質体は、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる。そのため、従来のように水素分離金属と燃料電池とを別々に設ける必要がなく、その構成を簡単にすることができると共に、例えば改質器等から供給される水素や水素含有ガスを上記燃料電池に直接供給することができる。
上記低熱伝導部は、上記冷媒流路の入口側に形成されており、冷媒流路の下流側よりも熱伝導率が小さくなっている。そのため、上記冷媒流路に冷媒を供給したときに、入口側における熱の移動を抑制し、入口側での過冷却を防止することができる。それ故、燃料電池における冷媒による冷却を均一に行うことができ、温度分布の偏りを防止できる。
本発明においては、上記のごとく、上記冷媒流路の入口側に上記低熱伝導部を設けてあるため、冷媒の入口側における熱の移動を抑制し、入口側における過冷却を防止することにより、冷媒流路の温度分布の偏りを防止できる。
本発明において、上記燃料電池は、上記アノード流路、上記カソード流路、及び上記電解質体とを積層してなる。
また、本発明の燃料電池は、上記アノード流路、カソード流路、及び上記電解質体を積層してなる単位電池セルをさらに複数積層して構成することができる。この場合には、各単位電池セルが冷却されるように、例えば単位電池セルと冷媒流路を交互に積層して、上記冷媒流路を複数形成することができる。
また、上記プロトン伝導体層としては、例えばペロブスカイト系の電解質膜等を用いることができる。ペロブスカイト系の電解質膜としては、例えば、BaCeO3系のもの、SrCeO3系のもの等がある。
また、アノード流路に供給される酸素含有ガスとしては、例えば酸素や空気などがある。
また、上記冷媒流路に供給する冷媒としては、例えば水蒸気、空気、上記改質ガス、上記燃料電池において反応後に排出されるオフガス、及び水等を用いることができる。
また、上記冷媒流路は、例えばステンレス等によって形成することができ、ステンレスの熱伝導率は、およそ10〜30W/m・Kである。したがって、上記低熱伝導部は、例えば上記冷媒流路の入口側の熱伝導率を10W/m・Kよりも小さくすることにより形成することができる。より好ましくは、1W/m・K以下にすることがよい。
この場合には、上記冷媒流路における冷媒の入口側の通過熱抵抗を増大させることができる。即ち、この場合には、上記冷媒流路の入口側における熱伝導率を下流側よりも低くすることができ、上記低熱伝導部を容易に構成することができる。
このように上記冷媒流路の入口側の壁内に中空部を形成することにより、入口側の通過熱抵抗を増大させることができる。即ち、上記冷媒流路に入口側の壁内に中空部を形成することにより、冷媒流路の入口側は魔法瓶のような構造となる。その結果、上記冷媒流路の入口側における熱伝導率を下流側よりも低くすることができ、上記低熱伝導部を容易に構成することができる。
この場合には、内部ガスの置換、循環、流動を抑制し、入口側での通過熱抵抗を増大させることができる。その結果、上記冷媒流路の入口側における熱伝導率を下流側よりも低くすることができ、上記低熱伝導部を容易に構成することができる。
この場合には、上記冷媒流路の入口側における冷媒の置換を抑制し、冷媒の循環や流動を抑制することができる。そのため、上記冷媒流路内に供給される冷媒が上記冷媒流路の入口側において順次置換されることを抑制し、上記冷媒流路の入口側における過冷却を防止することができる。
この場合には、冷媒の流れと逆向きに上記冷媒流路に加熱ガスを供給することにより、内部ガスを置換し、上記開口部を効率的な昇温用フィンとして活用することができる。さらに、このとき、伝熱面積が大きくなるため、燃料電池を効率的に昇温させることができる。
この場合には、上記冷媒流路における冷媒の内部配流の偏りや重力等による偏りを防止することができる。上記隔壁は上記冷媒流路内に複数配設することができる。
このような金属薄膜としては、例えばSUS316L、SUS304、インコネル、ハステロイ、チタン合金、ニッケル合金、及びSUS430等からなる、耐熱性及び耐酸化性に優れたものを用いることができる。
この場合には、上記隔壁によって分離された流路の入口側における断面積が大きくなり、入口側における伝熱面積を小さくすることができる。これにより、上記冷媒流路における冷媒の入口側の熱伝導性が低くなり、上記低熱伝導部を容易に形成することができる。
また、上述のごとく、上記冷媒流路の入口側に、上記断熱層、上記開口部を有する中空部、上記置換抑制部を形成する場合には、上記冷媒流路の入口側における流路抵抗(絞り損失)が大きくなり、冷媒動力損失が若干増加してしまうおそれがある。したがって、この場合には、上記断熱層、上記中空部、上記置換抑制部と共に、上記流路拡大部を形成することにより、流路抵抗の増大を防止することができる。
上記流路拡大部を上記隔壁にて分離された流路のすべてに形成すると、冷媒を供給したときの圧力損失が大きくなるおそれがある。上記隔壁にて分離された流路のうち、一部の流路のみに上記流路拡大部を形成することにより、圧力損失の増加を最小限にしつつ、上記冷媒流路における入口側の過冷却を防止することができる。
この場合には、熱流方向、即ち上記積層方向への熱流を抑制し、熱流方向と略直交する面内での熱流を促進することができる。そのため、熱流方向と略直行する面内の温度差を低減することができ、冷媒流路における入口側の過冷却を防止することができる。なお、上記分離壁は、複数形成することができる。
この場合には、上記冷媒流路の入口側におけるフィン効率を低減させることができる。その結果、入口側の拡大伝熱面積が小さくなり、熱伝達特性を低くすることができる。即ち、この場合には、上記冷媒流路の入口側に上記低熱伝導部を容易に形成することができる。
また、上記連通部は、上記隔壁に、その冷媒の流れ方向にスリットを設けることによっても形成することができる。この場合には、スリットにより熱流方向へのフィン内熱流束が分断されるため、伝熱面積を小さくすると共にフィン効率を著しく低減することができる。
さらに、上記連通部は、上記隔壁に1つ以上の孔を形成することによっても形成することができる。この場合には、上記隔壁に設けた孔により、熱流方向へのフィン内熱流束が分断されるため、伝熱面積を小さくすることができる。
この場合には、上記冷媒流路の入口側におけるフィン内熱流束が分断されるため、上記冷媒流路の入口側におけるフィン効率を低減させることができる。その結果、実際の伝熱面積が小さくなり、上記冷媒流路の入口側における熱伝達性を低くすることができる。即ち、この場合には、上記冷媒流路の入口側に上記低熱伝導部を容易に形成することができる。
この場合には、上記冷媒流路の入口側におけるフィン効率を低減させることができる。その結果、入口側の伝熱面積が小さくなり、冷媒流路における入口側の熱伝達性を低くすることができる。即ち、この場合には、上記冷媒流路の入口側に上記低熱伝導部を容易に形成することができる。
このような低熱伝導材料としては、例えばセラミックス、ガラス、発泡金属、及び発泡セラミックス等がある。
この場合には、下流側の側面に形成された上記側面入口からも冷媒を導入することができる。そして、上記側面入口から導入した冷媒は、冷媒流路の入口側からの冷媒と合流して流れる。即ち、上記冷媒流路はシリアルな流路となる。そのため、上記冷媒流路においては、下流側の冷媒流量を増加させることができる。即ち、冷媒流路の入口側(上流側)においては下流側よりも冷媒流量が低減し、入口側の熱伝達率の低下を図ることができる。なお、上記側面入口は複数形成することもできる。
この場合には、上記隔壁に分離された流路に、冷媒の流れる流路と流れない流路を設定することができる。即ち、上記冷媒流路の入口側に上記遮断壁を配設して、上記隔壁により分離された流路の一部に、冷媒の流れない流路を形成することにより、上記冷媒流路の入口側における熱交換能力を低下させることができる。これにより、上記冷媒流路の入口側に上記低熱伝導部を容易に形成することができる。
この場合には、上記冷媒流路における冷媒の入口側に、冷媒の流量の多い流路と少ない流路とを形成することができる。これにより、上記冷媒流路の入口側における熱交換能力を低減させることができ、上記低熱伝導部を容易に形成することができる。また、冷媒流量の少ない流路の数が多く、冷媒流量の多い流路の数が少なくなるように、上記流量抑制部を形成することにより、上記冷媒流路の入口側における熱交換能力をさらに効果的に低減させることができる。これは、冷媒流量の少ない流路の数を多くし、冷媒流量の多い流路の数を少なくすると、流量の少ない流路の伝熱面積が大きくなり、また、冷媒流量の多い流路の伝熱面積が小さくなるからである。
また、上記流量抑制部は、例えば上記遮断壁の少なくとも一部に、冷媒の流量を制限するための絞り孔を形成することにより形成できる。
上記遮断壁を形成した場合においては、上記冷媒流路の入口側から下流側の冷媒の流れが不均一になり、下流側において温度分布の偏りが起こるおそれがある。そこで、上記のごとく、上記隔壁において、その入口側よりも下流側にある部分に、冷媒を再分配するための上記連通孔を設けることにより、冷媒の流れの不均一性を改善させることができる。その結果、上記冷媒流路の下流側における温度分布の均一化を図ることができる。
この場合には、上記冷媒流路内の内部配流を冷媒の流動方向と略直交する方向に拡散させることができ、その結果、上記冷媒流路内の内部配流を均一化することができる。上記冷媒流路を単一の流路にて形成することは、例えば上記冷媒流路内に上記隔壁等を配設しないこと等により実現できる。
また、この場合には、上記冷媒流路内に、該冷媒流路の内壁から冷媒流路の内側に突起する突起体を複数配設することが好ましい。これにより、上記冷媒流路内の冷媒の分散性をさらに向上させることができる。
この場合には、上記冷媒流路の入口側に、冷媒の流れる部分と流れない部分を設定することができる。このように、上記冷媒流路の入口側に冷媒の流れない部分を部分的に形成することにより、上記冷媒流路の入口側における熱交換能力を低下させることができる。即ち、上記冷媒流路の入口側に上記低熱伝導部を容易に形成することができる。
この場合には、上記冷媒流路における冷媒の入口側に、冷媒の流量の多い部分と少ない部分とを形成することができる。このように、上記冷媒流路の入口側に、冷媒の流量の少ない部分を部分的に形成することにより、上記冷媒流路の入口側における熱交換能力を低減させることができる。即ち、上記冷媒流路の入口側に、上記低熱伝導部を容易に形成することができる。
また、上記冷媒流路の入口側に、冷媒流量の少ない部分が多く、冷媒流量の多い部分が少なくなるように、上記流量抑制部を形成することにより、上記冷媒流路の入口側における熱交換能力をさらに効果的に低減させることができる。
次に、本発明の実施例にかかる燃料電池につき、図1〜図3を用いて説明する。
図1に示すごとく、本例の燃料電池1は、水素又は水素含有ガスGHが供給されるアノード流路2と、酸素又は酸素含有ガスGOが供給されるカソード流路3と、及びカソード流路3とアノード流路2との間に配設された電解質体4とを積層してなる。
また、本例の燃料電池1は、アノード流路2、電解質体4、及びカソード流路3を積層してなる単位電池セル15をさらに複数積層してなる。
また、図1に示すごとく、上記燃料電池1は、これを冷却するための冷媒Cを供給するための冷媒流路5を有している。本例において、冷媒流路5は、各単位電池セル15をそれぞれ冷却するために、これらの間にそれぞれ形成されている。
また、図3に示すごとく、冷媒流路5には、その冷媒Cの入口側に、下流側よりも熱伝導率が小さい低熱伝導部55が形成されている。本例においては、低熱伝導部55は、冷媒流路5における上記入口側の内壁に断熱層51を配設することにより形成している。
図1〜図3に示すごとく、本例の燃料電池1においては、上記電解質体4を挟むようにアノード流路2及びカソード流路3が形成されている。本例において、アノード流路2には、炭化水素燃料を改質して得られる水素含有ガスGHが供給される。また、カソード流路3には、酸素含有ガスGOとしての空気が供給される。
また、図3に示すごとく、本例の冷媒流路5においては、冷媒Cの入口側に酸化アルミニウムよりなる断熱層51を形成してある。この断熱層51は、冷媒流路5の入口側の内壁に酸化アルミニウムよりなる板を貼付することにより形成してある。
本例の燃料電池1においては、図2に示すごとく、アノード流路2に水素含有ガスGHが供給されると、水素分離金属層41により水素含有ガスGHから水素ガスHが選択的に透過される。水素分離金属層41を透過した水素ガスHは、プロトン伝導体層42においてプロトン(H+)の状態になり、プロトン伝導体層42を透過する。そして、このプロトン伝導体層42を透過したプロトンと、カソード流路3に供給された酸素含有ガスGO(空気)中の酸素とが反応して水が生成される。この水の生成反応にともなって、図2に示すごとく、アノード電極47及びカソード電極48の間に電力が発生する。本例の燃料電池1においては、この電力を外部に取り出すことにより発電を行うことができる。なお、本例においては、燃料電池における反応が約300〜600℃という高温状態にて行われるため、上記のようにして生成された水は水蒸気となる。
そのため、本例の燃料電池1においては、冷媒流路5に冷媒を供給したときに、入口側における熱の移動を抑制し、入口側での過冷却を防止することができる。それ故、燃料電池1における冷媒Cによる冷却を均一に行うことができ、温度分布の偏りを防止できる。
しかし、本例の燃料電池1においては、図3に示すごとく、上記低熱伝導部55を冷媒流路5の入口側に形成してあるため、温度分布の偏りはほとんどおこらず、水素分離金属層41の劣化を防止することができる。また、低温度方向へ偏ることもないため、発電効率の低下を防止することができる。
本例は、上記冷媒流路における上記低熱伝導部を、冷媒流路の壁内に中空部を設けることにより形成した例である。
即ち、図4に示すごとく、本例の燃料電池1においては、冷媒流路5の入口側の壁内を部分的に空洞化させて中空部52を形成してある。これにより、冷媒流路5の入口側の通過熱抵抗を増大させることができる。即ち、冷媒流路5の入口側の壁内に中空部52を形成することにより、冷媒流路5の入口側は魔法瓶のような構造となり、この部分の熱の移動を抑制することができる。
本例は、上記冷媒流路における上記低熱伝導部を、置換抑制部を設けることにより形成した例である。
即ち、図5に示すごとく、本例の燃料電池1においては、冷媒流路5の入口側に、冷媒Cの置換を抑制する置換抑制部551を形成することにより、低熱伝導部55を形成してある。同図に示すごとく、置換抑制部551は、冷媒流路5における冷媒Cの入口側の壁内に設けられる中空部52と、該中空部52に設けられると共に冷媒流路5に開口する開口部521,522とを設けることにより形成されている。
具体的には、図5に示すごとく、冷媒流路5における冷媒Cの入口側の壁内を空洞化させて中空部52を形成すると共に、該中空部52に、冷媒流路5に開口する開口部521,522を形成してある。同図に示すごとく、開口部521,522は、中空部52における冷媒Cの入口側に位置する部分と、下流側に位置する部分とが上記冷媒流路5に開口するように形成されており、特に、本例においては冷媒Cの流れに対して垂直に開口する開口部521と、冷媒Cの流れに対して平行に開口する開口部522とを形成してある。また、冷媒Cの流れに対して垂直に開口する開口部521は、中空部52における、冷媒Cの流れの上流側部分に形成し、冷媒Cの流れに対して平衡に開口する開口部522は、中空部52における、冷媒Cの流れの下流側部分に形成した。
即ち、同図に示すごとく、冷媒Cと反対向きに冷媒流路5内に導入された加熱ガスFの一部は、冷媒Cとは反対向きで冷媒流路5を流れて冷媒Cの入口から外部へ排出される。一方、冷媒流路5内に導入された加熱ガスFの一部は、開口部522から中空部52を通って開口部521から再び冷媒流路5を通って外部に排出される。
このように、本例においては、燃料電池1の始動時等に、上記のごとく冷媒流路5に加熱ガスFを導入することにより、中空部52を効率的な昇温用フィンとして活用することができる。
本例は、上記冷媒流路に、冷媒の流れを分離する隔壁を形成すると共に、該隔壁によって分離された流路の流路間隔を冷媒流路の入口側と下流側とで変えることにより、上記低熱伝導部を形成した例である。
即ち、本例の燃料電池においては、図7に示すごとく、上記冷媒流路5内に冷媒Cの流れを分離する複数の隔壁6を形成してある。また、隔壁6によって分離された冷媒の流路65は、その入口側における流路間隔が下流側よりも大きくなるように隔壁6を配置して形成されている。具体的には、図7においては、冷媒流路5の入口側における隔壁6の数が下流側よりも少なくなるように隔壁6を配置した。これにより、隔壁6により分離された流路65の入口側には、下流側よりも流路間隔が大きい流路拡大部53が形成される。
また、上記のごとく、冷媒Cの入口側に上記流路拡大部53が形成されており、隔壁6によって分離された流路65は、その断面積が入口側にて大きくなっているため、この部分の伝熱面積が小さくなる。これにより、冷媒流路5における入口側の熱伝導性が低くなり、冷媒流路5に上記低熱伝導部を容易に形成することができる。なお、図7、後述の図8、及び図10〜図12においては、冷媒流路内の隔壁の構成を明示するため、燃料電池における冷媒流路の部分のみを斜視図にて示してある。
即ち、図11に示すごとく、隔壁6により分離された流路65のうち、一部の流路65にはその下流側に隔壁6をさらに追加して配置し流路拡大部53を形成する。一方、隔壁6により分離された流路65のうちの残りの流路には、隔壁6は追加しない。このように隔壁6を配置することにより、隔壁6により分離された流路65には、流路拡大部53を有する流路と流路拡大部のない流路ができる。
即ち、同図に示すごとく、冷媒流路5に、その入口側から下流側まで延びる隔壁6を配置し、隔壁6にて分離された流路65において、入口より下流側だけに隔壁6をさらに追加することにより、冷媒流路5の入口側に流路拡大部53を形成する。そして、この流路拡大部53に、アノード流路、カソード流路、及び電解質体の積層方向Aと略垂直な方向に流路拡大部53を分離する分離壁535を複数形成する。なお、図12においては、アノード流路、カソード流路、及び電解質体は示していないが、その積層方向を矢印Aにて示してある。
本例は、冷媒流路の入口側において、上記隔壁に連通部を形成することにより、上記低熱伝導部を形成した例である。
即ち、本例においては、図13に示すごとく、冷媒流路5に、冷媒Cの流れを分離するための隔壁6を形成すると共に、該隔壁6における冷媒流路5の入口側にある部分に連通部62を形成してある。図13においては、連通部62は、入口側の隔壁6が冷媒の流動方向に離間するように隔壁6を配置して形成してある。
さらに、図15に示すごとく、連通部62は、上記隔壁6に複数の孔を形成することによっても形成できる。この場合には、隔壁6に設けた孔により、熱流方向へのフィン内熱流束が分断されるため、伝熱面積を小さくすることができる。
なお、図14及び図15においては、隔壁6に設けたスリット及び孔を明示するために、燃料電池1を側面から見た断面図で示してある。
本例は、上記冷媒流路の入口側において、隔壁と冷媒流路の内壁との間に離間部を形成することにより、上記低熱伝導部を形成した例である。
即ち、本例においては、図16に示すごとく、冷媒流路5内に冷媒Cの流れを分離するための隔壁6を形成すると共に、冷媒流路5の入口側においては、隔壁6と冷媒流路5の内壁500とが接する部分の少なくとも一部に、隔壁6が冷媒流路5の内壁500から離間する離間部58を形成してある。
本例は、上記隔壁における上記冷媒流路の入口側にある部分を低熱伝導材料にて形成した例である。
すなわち,本例においては,図17に示すごとく、冷媒流路5内に冷媒Cの流れを分離するための隔壁6を形成すると共に、該隔壁6の冷媒流路5の入口側にある部分68を下流側よりも熱伝導性の低い低熱伝導材料にて形成してある。本例においては、低熱伝導材料として、酸化アルミニウムを用いた。
本例は、冷媒流路の側面に、冷媒を導入するための側面入口を形成した例である。
即ち、図18に示すごとく、本例の冷媒流路5においては、該冷媒流路の側面に、冷媒Cを導入するための側面入口56が複数形成されている。側面入口56は、冷媒流路の入口側より下流側に形成されている。なお、図18及び後述の図19は、冷媒流路5における冷媒Cの流れを明確にするため、冷媒流路5を上方から見たときの平面図を示してある。そして、図18及び図19においては、アノード流路、カソード流路、及び電解質体は示されていないが、紙面と垂直な方向がこれらの積層方向である。
本例は、冷媒流路を複数のユニットに区画した例である。
即ち、図19に示すごとく、本例の冷媒流路5は、冷媒Cの流動方向を複数のユニット7に区画する区画壁75を有している。そして、各ユニット7には、冷媒を導入するための導入口76と、冷媒を排出するための排出口77とが配設されている。
本例は、隔壁によって分離された流路のうち少なくとも一部の流路に、遮断壁を形成した例である。
すなわち、図20に示すごとく、本例の冷媒流路5においては、冷媒流路5内に冷媒Cの流れの分離するための複数の隔壁6が配設されている。そして、隔壁6によって分離された流路65のうちの一部の流路には、その入口側において冷媒Cの流れを遮断する遮断壁8が配設されている。
したがって、本例の冷媒流路5の入口側においては、冷媒Cの流れる流路と流れない流路が形成される。そのため、冷媒流路5に冷媒Cを導入しても、その入口側においては一部の流路に冷媒Cが流れない。その結果、冷媒流路の入口側における熱交換能力を低下させることができる。なお、図20、後述の図21及び図22においては、遮断壁8を明示するため、冷媒流路5を上方から見たときの平面図を示してある。
即ち、図21に示すごとく、遮断壁8の少なくとも一部に冷媒Cの流量を制限して冷媒Cを透過する流量抑制部81を形成した。この流量抑制部81は、遮断壁8の少なくとも一部を冷媒抵抗材料にて形成することにより形成できる。本例においては、冷媒抵抗材料として、ステンレスよりなる多孔材を用いた。
また、この場合においても、隔壁67の下流側の部分に冷媒を再分配するための連通孔67を設けることにより、下流側において冷媒Cの流れが不均一になることを防止できる。
即ち、同図に示すごとく、本例の冷媒流路5においては、遮断壁8の少なくとも一部に、冷媒を少量通過させる絞り孔を形成してある。この場合においても、冷媒流路5における冷媒Cの入口側に、冷媒流量の多い流路と、冷媒流量の少ない流路が形成される。そのため、冷媒流路5の入口側における熱交換能力を低減させることができる。
また、この場合においても、隔壁6の下流側の部分に冷媒を再分配するための連通孔67を設けることにより、下流側において冷媒Cの流れが不均一になることを防止できる。
本例においては、冷媒流路内に隔壁を形成せず、冷媒流路を単一の流路により形成した例である。
即ち、本例においては、図23に示すごとく、冷媒流路5は単一の流路により構成されており、実施例4〜10のような隔壁は形成されていない。なお、図23及び後述の図24〜図26においては、冷媒流路5内に隔壁6が形成されていないことを明示するため、冷媒流路5を上方から見たときの平面図を示してある。
即ち、上記実施例4〜10のごとく、冷媒流路内に隔壁を形成すると、冷媒の流れが不均一になり、冷媒の下流側において温度分布の偏りが発生するおそれがある。
本例のごとく、単一の流路にて冷媒流路5を構成することにより、この不均一性を解消することができる。
また、本例の冷媒流路5においては、冷媒流路内に複数の突起体9が形成されている。そのため、冷媒流路5内に導入された冷媒Cは、この突起体9により冷媒流路5内を均一に分散して流れる。
即ち、図23に示すごとく、単一の流路よりなる本例の冷媒流路5においても、その入口側に、冷媒Cの流れを部分的に遮断する遮断壁8を形成することができる。
このように遮断壁8を形成することにより、冷媒流路5の入口側に冷媒の流れない部分を部分的に形成できる。そして、これにより冷媒流路5の入口側における熱交換能力を低下させることができる。
そのため、本例の冷媒流路5に冷媒Cを導入すると、冷媒流路5の入口側に、冷媒流量の多い部分と、冷媒流量の少ない部分が形成され、冷媒流路5の入口側における熱交換能力を低減させることができる。
この場合においても、冷媒流路5における冷媒Cの入口側に、冷媒流量の多い部分と、冷媒流量の少ない部分が形成され、冷媒流路5の入口側における熱交換能力を低減させることができる。
を充分に低減することができないという問題があった。
【0013】
また、特許文献5の燃料電池システムにおいても、燃料電池における温度分布の偏りを充分に低減することができないという問題があった。即ち、このような燃料電池システムにおいては、冷却ガス流路の端部において温度が高くなり、中央部において温度が低くなるという不具合が生じるおそれがあった。
【0014】
また、特許文献6及び特許文献7に記載の冷却手段においても、燃料電池の温度分布の偏りを充分に低減することはできなかった。
特に、特許文献7に記載の小突起を設けた冷却板を用いるに当たっては、燃料電池における流路の高さが一般に数百μmと非常に小さいため、小突起によるじょう乱効果はほとんど発生しない。そのため、熱伝達の促進効果はほとんど得ることができず、温度分布の偏りを充分に解消することはできなかった。
【0015】
【特許文献1】特開2003−151599号公報
【特許文献2】特開2001−223017号公報
【特許文献3】特開昭64−77874号公報
【特許文献4】実開昭63−188865号公報
【特許文献5】特開平11−283638号公報
【特許文献6】特開昭63−276878号公報
【特許文献7】特開平2−129858号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムの構造を簡単にすることができ、そのエネルギー効率を向上できると共に、温度分布の偏りを低減できる燃料電池を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明の第1の側面は、水素又は水素含有ガスが供給されるアノード流路、酸素又は酸素含有ガスが供給されるカソード流路、及び該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体を積層してなる燃料電池において、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された水素又は水素含有ガス中の水素
4/1
を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した水素をプロトンの状態にして上記カソード流路に到達させるための、セラミックスよりなるプロトン伝導体層とを積層してなり、
また、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒流路を有し、
上記冷媒流路においては、その冷媒の入口側に、下流側よりも熱伝導率が小さい低熱伝導部が形成されており、
該低熱伝導部は、上記冷媒流路の入口側における冷媒の置換を抑制する置換抑制部を設けることにより形成されていることを特徴とする燃料電池にある。
本発明の第2の側面は、水素又は水素含有ガスが供給されるアノード流路、酸素又は酸素含有ガスが供給されるカソード流路、及び該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体を積層してなる燃料電池において、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された水素又は水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した水素をプロトンの状態にして上記カソード流路に到達させるための、セラミックスよりなるプロトン伝導体層とを積層してなり、
また、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒流路を有し、
上記冷媒流路においては、その冷媒の入口側に、下流側よりも熱伝導率が小さい低熱伝導部が形成されており、
上記冷媒流路は、その入口側より下流側における側面に、該側面から冷媒を導入するための側面入口を有していることを特徴とする燃料電池にある。
本発明の第3の側面は、水素又は水素含有ガスが供給されるアノード流路、酸素又は酸素含有ガスが供給されるカソード流路、及び該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体を積層してなる燃料電池において、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された水素又は水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した水素をプロトンの状態にして上記カソード流路に到達させるための、セラミックスよりなるプロトン伝導体層とを積層してなり、
また、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒流路を有し、
上記冷媒流路においては、その冷媒の入口側に、下流側よりも熱伝導率が小さい低熱伝導部が形成されており、
上記冷媒流路は、冷媒の流動方向を複数のユニットに区画する区画壁を有し、各ユニットには、冷媒を導入するための導入口と、冷媒を排出するための排出口とがそれぞれ配設されていることを特徴とする燃料電池にある。
【0018】
本発明の燃料電池において、上記電解質体は、例えばペロブスカイト系などのセラミックスよりなる上記プロトン伝導体層を有しており、このようなプロトン伝導体層は、プロトンの伝導に水分を必要としない。そのため、上記燃料電池は、例えば300〜600℃という高温状態で作動させることができる。
また、本発明において、上記電解質体は、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる。そのため、従来のように水素分離金属と燃料電池とを別々に設ける必要がなく、その構成を簡単にすることができると共に、例えば改質器等から供給される水素や水素含有ガスを上記燃料電池に直接供給することができる。
【0019】
また、本発明の燃料電池においては、上記のごとく、燃料電池の作動温度を高温にすることができるため、例えば改質器等から供給される水素や水素含有ガスの温度と、燃料電池の作動温度とをほとんど同じにすることができる。そのため、本発明においては、改質器と燃料電池との間に、これらの温度の違いから必要となる熱交換器や凝縮器等を設ける必要がない。そのため、これらを用いたことによるエネルギーロスをなくし、エネルギー効率を向上させることができる。したがって、上記燃料電池を改質器等の他の装置と組み合わせて燃料電池システムを構成する際に、その構成を簡単にし、エネルギー効率を向上させることができる。
【0020】
また、本発明の燃料電池は、上記冷媒流路における冷媒の入口側に、熱伝導率が小さい低熱伝導部を有している。
上記低熱伝導部は、上記冷媒流路の入口側に形成されており、冷媒流路の下流側よりも熱伝導率が小さくなっている。そのため、上記冷媒流路に冷媒を供給したときに、入口側における熱の移動を抑制し、入口側での過冷却を防止することができる。それ故、燃料電池における冷媒による冷却を均一に行うことができ、温度分布の偏
5/2
Claims (19)
- 水素又は水素含有ガスが供給されるアノード流路、酸素又は酸素含有ガスが供給されるカソード流路、及び該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体を積層してなる燃料電池において、
上記電解質体は、上記アノード流路に供給された水素又は水素含有ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した水素をプロトンの状態にして上記カソード流路に到達させるための、セラミックスよりなるプロトン伝導体層とを積層してなり、
また、上記燃料電池は、該燃料電池を冷却するための冷媒流路を有し、
上記冷媒流路においては、その冷媒の入口側に、下流側よりも熱伝導率が小さい低熱伝導部が形成されていることを特徴とする燃料電池。 - 請求項1において、上記低熱伝導部は、上記冷媒流路の入口側における冷媒の置換を抑制する置換抑制部を設けることにより形成されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項2において、上記置換抑制部は、上記冷媒流路における冷媒の入口側の壁内に設けられる中空部と、該中空部に設けられると共に上記冷媒流路に開口する開口部とを設けることにより形成されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項3において、上記開口部は、上記中空部における冷媒の入口側に位置する部分と下流側に位置する部分とが上記冷媒流路に開口するように形成されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記冷媒流路内には、冷媒の流れを分離するための隔壁が冷媒の流動方向と略平行に配設されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項5において、上記隔壁によって分離された冷媒の流路は、その入口側における流路間隔が下流側よりも大きくなるように形成した流路拡大部を有していることを特徴とする燃料電池。
- 請求項6において、上記流路拡大部は、上記隔壁により分離された流路のうちの一部の流路に形成されており、分離された流路のうちの残りの流路には、上記流路拡大部が形成されていないことを特徴とする燃料電池。
- 請求項6又は7において、上記流路拡大部には、上記アノード流路、上記カソード流路、及び上記電解質体の積層方向と略垂直な方向に上記流路拡大部を分離する分離壁が形成されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項5〜8のいずれか1項において、上記隔壁は、上記冷媒流路の入口側において、上記隔壁によって分離された流路を連通する連通部を有していることを特徴とする燃料電池。
- 請求項5〜9のいずれか1項において、上記冷媒流路の入口側には、上記隔壁と上記冷媒流路の内壁とが接する部分の少なくとも一部に、上記隔壁が上記冷媒流路の内壁から離間する離間部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項5〜10のいずれか1項において、上記隔壁の冷媒流路の入口側にある部分は、その下流側にある部分よりも熱伝導率が低くなるように構成されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項1〜11のいずれか1項において、上記冷媒流路は、その入口側より下流側における側面に、該側面から冷媒を導入するための側面入口を有していることを特徴とする燃料電池。
- 請求項1〜11のいずれ1項において、上記冷媒流路は、冷媒の流動方向を複数のユニットに区画する区画壁を有し、各ユニットには、冷媒を導入するための導入口と、冷媒を排出するための排出口とがそれぞれ配設されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項5〜13のいずれか1項において、上記隔壁によって分離された流路のうちの少なくとも一部の流路には、上記冷媒流路の入口側において冷媒の流れを遮断する遮断壁が配設されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項14において、上記遮断壁の少なくとも一部には、冷媒の流量を制限して冷媒を透過させる流量抑制部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項14又は15において、上記隔壁における上記冷媒流路の入口側よりも下流側にある部分には、冷媒を再分配するための連通孔が設けられていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記冷媒流路は、単一の流路により形成されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項17において、上記冷媒流路には、該冷媒流路の入口側で冷媒の流れの一部を遮断する遮断壁が配設されていることを特徴とする燃料電池。
- 請求項18において、上記遮断壁の少なくとも一部には、冷媒の流量を制限して冷媒を透過させる流量抑制部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
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