JP2008140561A - Fuel cell and fuel cell manufacturing method - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の中空型セルを並列接続したセルスタックを備え、各中空型セルから効率良く電流を取り出し、燃料電池の発電効率を高めることができる燃料電池の提供。
【解決手段】中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セル6を、2個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池であって、前記2個以上の中空型セルが束ねられ、外部集電材である少なくとも1つの導電性線材によって結束されて結束単位8を形成し、該結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルであり、前記導電性線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とする燃料電池。
【選択図】図8Provided is a fuel cell that includes a cell stack in which a plurality of hollow cells are connected in parallel, can efficiently extract current from each hollow cell, and can improve the power generation efficiency of the fuel cell.
A pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of a hollow electrolyte membrane, an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively, and at least one end thereof is open. A fuel cell comprising a cell stack in which two or more hollow cells 6 are connected in parallel, wherein the two or more hollow cells are bundled and bound by at least one conductive wire as an external current collector To form a binding unit 8, and at least one of the hollow cells constituting the binding unit is deformed from the original first shape to the second shape when a pressing force is applied from the outside, and A fuel cell, which is a resilient hollow cell having elasticity that generates a restoring force to return to the first shape, and retains the second shape by the tightening force of the conductive wire.
[Selection] Figure 8
Description
本発明は、中空形状の電解質膜を有する中空型セルを備える燃料電池とその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a hollow cell having a hollow electrolyte membrane and a method for manufacturing the fuel cell.
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。電解質として固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。 A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle and thus exhibit high energy conversion efficiency. Solid polymer electrolyte fuel cells using a solid polymer electrolyte as an electrolyte have advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. Has been.
固体高分子電解質型燃料電池では、燃料として水素を供給した場合、アノードでは(1)式の反応が進行する。
H2 → 2H+ + 2e- …(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソードに到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is supplied as a fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode.
H 2 → 2H + + 2e − (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane in a state of being hydrated with water.
また、酸化剤として空気(酸素)を供給した場合、カソードでは(2)式の反応が進行する。
2H+ + (1/2)O2 + 2e- → H2O …(2)
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
When air (oxygen) is supplied as the oxidant, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode.
2H + + (1/2) O 2 + 2e − → H 2 O (2)
The water produced at the cathode mainly passes through the gas diffusion layer and is discharged to the outside.
As described above, the fuel cell is a clean power generation device that has no emissions other than water.
従来、固体高分子電解質型燃料電池としては主に、平面状の固体高分子電解質膜の一面にアノード及び他面にカソードとなる触媒層を設けるとともに、得られた平面状の膜・電極接合体の両側にさらにそれぞれガス拡散層を設け、さらに平面状のセパレータで挟んだ平型の単セルが開発されてきた。このような平型の単セルは、複数積層して燃料電池スタックとし用いられる。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のため、固体高分子電解質膜としては非常に膜厚の薄いプロトン伝導性高分子膜が用いられている。この膜厚はすでに100μm以下のものが主流であり、さらなる出力密度向上のためにさらに薄い電解質膜を用いたとしても、単セルの厚みを現在のものより劇的に薄くすることはできない。同様に、触媒層、ガス拡散層及びセパレータ等についてもそれぞれ薄膜化が進んでいるが、それらすべての部材の薄膜化によっても、単位体積当たりの出力密度の向上には限界がある。従って、小型化の要求に対しても、今後充分に応えられなくなることが予想される。
Conventionally, as a solid polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer serving as an anode and a cathode is provided on one surface of a planar solid polymer electrolyte membrane, and the obtained planar membrane / electrode assembly is provided. A flat unit cell has been developed in which gas diffusion layers are further provided on both sides of the substrate and sandwiched between planar separators. A plurality of such flat single cells are stacked and used as a fuel cell stack.
In order to improve the output density of the solid polymer electrolyte fuel cell, a proton conductive polymer membrane having a very thin film thickness is used as the solid polymer electrolyte membrane. This film thickness is already 100 μm or less, and even if a thinner electrolyte membrane is used to further improve the power density, the thickness of the single cell cannot be dramatically reduced from the present one. Similarly, the catalyst layer, the gas diffusion layer, the separator, and the like have been made thinner, but there is a limit to improving the output density per unit volume even by making all these members thinner. Therefore, it is expected that it will not be possible to meet the demand for miniaturization in the future.
また、前記セパレータには、通常、腐食性に優れたシート状のカーボン材料が用いられている。セパレータは、このカーボン材料自体が高価である上に、平面状の膜・電極接合体の面全体に均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるためのガス流路溝を、微細加工により形成するため、非常に高価なものとなっている。その結果、燃料電池の製造原価を押し上げていた。
以上の問題の他にも、平型の単セルには、前記ガス流路から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れ出さないように幾層にもスタックされた単セルの周縁を確実にシールすることが技術的に難しいこと、平面状の膜・電極接合体のたわみや変形に起因して発電効率が低下してしまうことがあることなど、多くの問題がある。
Moreover, the sheet-like carbon material excellent in corrosivity is normally used for the said separator. In the separator, the carbon material itself is expensive, and a gas channel groove for uniformly distributing the fuel gas and the oxidant gas over the entire surface of the planar membrane / electrode assembly is formed by micromachining. Therefore, it has become very expensive. As a result, the manufacturing cost of the fuel cell was pushed up.
In addition to the above problems, for flat single cells, the periphery of single cells stacked in multiple layers should be reliably sealed so that fuel gas and oxidant gas do not leak from the gas flow path. However, there are many problems such as technical difficulties, and power generation efficiency may decrease due to deflection or deformation of the planar membrane / electrode assembly.
近年、中空状の電解質膜の内面側と外面側にそれぞれ電極を設けた中空型セルを基本的な発電単位とする固体高分子電解質型燃料電池が開発されている(例えば、特許文献1等)。
このような中空型セルを有する燃料電池は、その中空内をガス流路とするため、平型で使用されるセパレータに相当する部材が必要ない。そして、その内面と外面とにそれぞれ異なった種類のガスを供給して発電するので、特別にガス流路を形成する必要もない。従って、その製造においては、コストの低減が見込まれる。さらに、セルが3次元形状であるので、平型の単セルに比べて体積に対する比表面積が大きくとれ、体積当たりの発電出力密度の向上が見込める。
In recent years, a solid polymer electrolyte fuel cell has been developed in which a hollow cell in which an electrode is provided on each of an inner surface side and an outer surface side of a hollow electrolyte membrane is used as a basic power generation unit (for example, Patent Document 1). .
Since the fuel cell having such a hollow cell has a gas flow path in the hollow, a member corresponding to a separator used in a flat type is not necessary. Since different types of gas are supplied to the inner surface and the outer surface for power generation, it is not necessary to form a gas flow path. Therefore, cost reduction is expected in the manufacture. Further, since the cell has a three-dimensional shape, the specific surface area with respect to the volume can be increased as compared with the flat single cell, and the power generation output density per volume can be expected to be improved.
中空型セルを備える燃料電池では、通常、大きな電圧を得るために、まず、複数の中空型セルを並列に接続する。そして、大きな電流を得るために、中空型セルが並列に接続された複数の中空型セルスタックを、さらに直列に接続する。
中空型セルは、中空電解質膜の内面及び外面に設けられた電極にそれぞれ接続する集電材(内部集電材、外部集電材)を有しており、ここから各セルの電流が取り出される。複数の中空型セルを並列に接続する場合には、各セルの内面側電極の電流及び外面側電極の電流をそれぞれ集約する。
例えば、特許文献1には、ワイヤ状のラッピング要素によって、複数の中空型セルを、共通の棒状集電材の周囲に巻き付けた形態の燃料電池が開示されている(特許文献1の図2参照)。
In a fuel cell having hollow cells, usually, a plurality of hollow cells are connected in parallel in order to obtain a large voltage. In order to obtain a large current, a plurality of hollow cell stacks in which hollow cells are connected in parallel are further connected in series.
The hollow cell has current collectors (internal current collector and external current collector) connected to electrodes provided on the inner surface and the outer surface of the hollow electrolyte membrane, and the current of each cell is taken out therefrom. When a plurality of hollow cells are connected in parallel, the current of the inner surface side electrode and the current of the outer surface side electrode of each cell are collected.
For example,
燃料電池全体の出力を向上させるためには、各中空型セルの集電経路において、電極と集電材との接続部分における集電損失を低減する必要がある。そのためには、中空型セルと集電材との接続部分における接触圧が重要である。
しかしながら、従来の中空型セルを備える燃料電池において、電極と集電材、特に、外面側電極と外部集電材との接触圧を、長期間保持することは困難であった。その原因の一つとして、長期間にわたる燃料電池の使用によって、中空型セルを構成する高分子電解質膜や電極内に含有される高分子電解質が劣化し、中空型セルの外径が経時的に変化することが挙げられる。
In order to improve the output of the entire fuel cell, it is necessary to reduce current collection loss at the connection portion between the electrode and the current collection material in the current collection path of each hollow cell. For this purpose, the contact pressure at the connection portion between the hollow cell and the current collector is important.
However, in a conventional fuel cell including a hollow cell, it has been difficult to maintain a contact pressure between an electrode and a current collector, particularly, an outer surface side electrode and an external current collector for a long period of time. One of the causes is that the polymer electrolyte contained in the hollow cell and the polymer electrolyte contained in the electrode deteriorate due to the use of the fuel cell for a long period of time, and the outer diameter of the hollow cell is changed over time. Change.
燃料電池の運転条件や運転状況に伴うセル内の水分量の変化により、セルを構成する高分子電解質膜や電極内に含有される高分子電解質は、膨潤と収縮を繰り返すことが知られている。このような膨潤と収縮の繰り返し等を原因として、高分子電解質膜の薄膜化や電極の薄層化が生じて中空型セルの厚みが薄くなり、中空型セルの外径が変化する。その結果、中空型セルの外面側に設けられた電極と外部集電材との接触性が低下し、接触圧が低くなる。 It is known that the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte contained in the electrode repeatedly swell and shrink due to changes in the moisture content in the cell in accordance with the operating conditions and operating conditions of the fuel cell. . Due to such repeated swelling and shrinkage, the polymer electrolyte membrane is thinned and the electrode is thinned, the thickness of the hollow cell is reduced, and the outer diameter of the hollow cell is changed. As a result, the contact between the electrode provided on the outer surface side of the hollow cell and the external current collector is lowered, and the contact pressure is lowered.
具体的には、特許文献1の図2に開示されている上記のような燃料電池においては、中空型セルの外径の収縮により、外部集電材である棒状集電材の周囲に中空型セルを固定しているワイヤが経時的に緩んでしまうおそれがある。その結果、中空型セルの外面側電極と棒状集電材との接触圧が低くなり、集電効率が低下してしまう。
また、図10(10−A)のように、外部集電材として、導電性を有するワイヤ16を中空型セル17の外周に巻き付けた場合、中空型セル17の外径の収縮により、ワイヤ16が緩み(図10(10−B)参照)、中空型セル17の外面側電極(外表面)と外部集電材であるワイヤ16との接触圧が低下する。
Specifically, in the fuel cell as disclosed above in FIG. 2 of
Further, as shown in FIG. 10 (10 -A), when an electrically
従来の燃料電池は、定寸構造を有しており、且つ、以上のような中空型セルの形状変化による集電材と外面側電極との接触圧の低下を補正する機構が備えられていないため、上記のような中空型セルの形状変化に伴う経時的な集電効率の低下を抑制することができなかった。 Conventional fuel cells have a fixed-size structure and are not equipped with a mechanism for correcting the decrease in contact pressure between the current collector and the outer electrode due to the shape change of the hollow cell as described above. Thus, it has been impossible to suppress a decrease in current collection efficiency over time accompanying a change in the shape of the hollow cell as described above.
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、複数の中空型セルを並列接続したセルスタックを備える燃料電池において、各中空型セルから効率良く電流を取り出し、燃料電池の発電効率を高めることを目的とする。 The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and in a fuel cell having a cell stack in which a plurality of hollow cells are connected in parallel, an electric current is efficiently extracted from each hollow cell and the power generation efficiency of the fuel cell is increased. For the purpose.
本発明の第一の燃料電池は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、2個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池であって、前記2個以上の中空型セルが束ねられ、前記外部集電材である少なくとも1つの導電性線材によって結束されて結束単位を形成し、該結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルであり、該結束単位内において前記復元性中空型セルは、前記導電性線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とするものである。 The first fuel cell of the present invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner surface and the outer surface of the hollow electrolyte membrane, and an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively. And a fuel cell comprising a cell stack in which two or more hollow cells open at least at one end are connected in parallel, wherein the two or more hollow cells are bundled, Bundled by at least one conductive wire that is a current collector to form a bundling unit, and when at least one of the hollow cells constituting the bundling unit is subjected to a pressing force from the outside, the original first A resilient hollow cell having elasticity that produces a restoring force that deforms from a shape to a second shape and returns to the first shape, and the resilient hollow cell within the binding unit is electrically conductive. For tightening power of wire rod It holds the second shape I is characterized in.
本発明の第一の燃料電池は、上記のような復元性中空型セルによる復元力によって、前記結束単位を結束し且つ前記中空型セルの外部集電材として機能する導電性線材による該結束単位の締め付け力を長期間にわたって維持することができる。すなわち、本発明の第一の燃料電池によれば、電解質膜の膜厚減少等を原因とする中空型セルの直径の縮小や導電性線材の伸び等による結束単位の締め付け力の低下を抑制することが可能である。このように、本発明の燃料電池においては、外部集電材と中空型セルの電極との接触圧が長期にわたって保持されるため、中空型セルからの集電効率が高く、優れた発電性能を示す燃料電池を提供することが可能である。 The first fuel cell according to the present invention is configured to bind the binding unit by the restoring force of the recoverable hollow cell as described above, and to bind the binding unit with the conductive wire functioning as an external current collector of the hollow cell. The clamping force can be maintained over a long period. That is, according to the first fuel cell of the present invention, it is possible to suppress a decrease in the tightening force of the binding unit due to a reduction in the diameter of the hollow cell due to a decrease in the thickness of the electrolyte membrane or an elongation of the conductive wire. It is possible. Thus, in the fuel cell of the present invention, the contact pressure between the external current collector and the electrode of the hollow cell is maintained over a long period of time, so the current collection efficiency from the hollow cell is high and excellent power generation performance is exhibited. It is possible to provide a fuel cell.
前記復元性中空型セルの第一の及び第二の形状としては、例えば、第二の形状が略直線棒状であり、前記第一の形状が略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合が挙げられる。 As the first and second shapes of the recoverable hollow cell, for example, the second shape is a substantially straight bar shape, and the first shape is a shape in which the substantially straight bar shape is curved in the radial direction. Is mentioned.
前記結束単位は、該結束単位を構成する中空型セルとして、前記復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する略直線棒状の形状規定用中空型セルを少なくとも1つ含んでいてもよく、この場合、該形状規定用中空型セルの略直線棒状の形状に沿って、前記復元性中空型セルが第二の形状に変形させることができる。 The bundling unit is a hollow cell constituting the bundling unit, and the shape of the substantially straight bar shape that defines the second shape of the restorable hollow cell by placing the restorable hollow cell along the surface thereof. At least one hollow cell may be included. In this case, the recoverable hollow cell may be deformed into a second shape along the shape of the substantially straight rod of the shape-defining hollow cell. it can.
復元性中空型セルの復元力により得られる効果を最大限高めるためには、一つの結束単位を構成する2個以上の中空型セルのうち、10分の1以上が前記復元性中空型セルであることが好ましい。 In order to maximize the effect obtained by the restoring force of the restorative hollow cell, one tenth or more of the two or more hollow cells constituting one binding unit are the restorative hollow cell. Preferably there is.
前記導電性線材による前記結束単位における結束形態は特に限定されず、例えば、前記導電性線材が前記結束単位の外周に捲回されることにより、前記2個以上の中空型セルが結束されている形態や、前記導電性線材を編みこんだ網状部材により、前記2個以上の中空型セルが結束されている形態が挙げられる。 The binding form in the binding unit by the conductive wire is not particularly limited. For example, the two or more hollow cells are bound by winding the conductive wire around the binding unit. Examples thereof include a form and a form in which the two or more hollow cells are bound together by a net-like member braided with the conductive wire.
前記導電性線材による締め付け力を保持するため、通常、前記結束単位は、少なくとも該結束単位の軸方向両端を、前記導電性線材と共に支持板に固定する。 In order to maintain the tightening force by the conductive wire, the bundling unit usually fixes at least both axial ends of the bundling unit together with the conductive wire to a support plate.
本発明の第二の燃料電池は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、2個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池であって、少なくとも1つの前記中空型セルが、少なくとも1つの棒状部材と共に束ねられ、少なくとも1つの線材によって結束されて結束単位を形成し、該棒状部材及び該線材のうち少なくとも一つが、前記外部集電材であり、該結束単位を構成する前記中空型セル及び前記棒状部材から選ばれる少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材であり、該結束単位内において前記復元性中空型セル及び復元性棒状部材は、前記線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とするものである。 The second fuel cell of the present invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner and outer surfaces of the hollow electrolyte membrane, and an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively. And a fuel cell comprising a cell stack in which two or more hollow cells open at least at one end are connected in parallel, wherein at least one of the hollow cells is at least one rod-shaped member. Are bundled together and bound by at least one wire to form a binding unit, and at least one of the rod-shaped member and the wire is the external current collector, and the hollow cell and the rod-shaped member constituting the binding unit When at least one selected from the members is subjected to a pressing force from the outside, elasticity that generates a restoring force that deforms from the original first shape to the second shape and returns to the first shape. It is a recoverable hollow cell or a recoverable rod-shaped member, and the recoverable hollow cell and the recoverable rod-shaped member in the binding unit hold the second shape by the tightening force of the wire. It is what.
本発明の第二の燃料電池は、上記のような復元性中空型セル及び/又は復元性棒状部材による復元力によって、前記結束単位を結束する線材による該結束単位の締め付け力を長期間にわたって維持することができる。すなわち、本発明の第二の燃料電池によれば、電解質膜の膜厚減少等を原因とする中空型セルの直径の縮小や導電性線材の伸び等による結束単位の締め付け力の低下によって、外部集電材である棒状部材及び/又は線材と、中空型セルとの接触圧が低下することを抑制することが可能である。このように、本発明の燃料電池においては、外部集電材と中空型セルの電極との接触圧が長期にわたって保持されるため、中空型セルからの集電効率が高く、優れた発電性能を示す燃料電池を提供することが可能である。 The second fuel cell according to the present invention maintains the fastening force of the binding unit by the wire material that binds the binding unit over a long period of time by the restoring force of the recoverable hollow cell and / or the recoverable rod-shaped member. can do. That is, according to the second fuel cell of the present invention, the external cell is reduced by reducing the fastening force of the binding unit due to the reduction in the diameter of the hollow cell due to the reduction in the thickness of the electrolyte membrane or the extension of the conductive wire. It is possible to suppress a decrease in the contact pressure between the rod-shaped member and / or wire that is the current collector and the hollow cell. Thus, in the fuel cell of the present invention, the contact pressure between the external current collector and the electrode of the hollow cell is maintained over a long period of time, so the current collection efficiency from the hollow cell is high and excellent power generation performance is exhibited. It is possible to provide a fuel cell.
本発明の燃料電池においては、例えば、前記棒状部材が中空形状を有し、該中空内を冷却媒体が流通する冷却管として機能するようにしてもよい。
第二の燃料電池の具体的な実施形態としては、例えば、前記結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも1つが、前記復元性中空型セルであり、且つ、前記棒状部材が、該復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する形状規定用棒状部材であり、該形状規定用棒状部材の形状に沿って前記復元性中空型セルが第二の形状に変形されている形態が挙げられる。
このとき、前記復元性中空型セルの第一の形状及び第二の形状としては、第二の形状が略直線棒状であり、前記第一の形状が略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合が挙げられる。
さらに、前記形状規定用棒状部材は、前記復元性中空型セルよりも剛性が高く、且つ、略直線棒状の形状を有し、該略直線棒状を保持した状態で、前記復元性中空型セルと共に前記線材によって結束されている形態が挙げられる。このとき、前記結束単位は、前記形状規定用棒状部材の外周を取り囲むように前記中空型セルが2つ以上配置された形態とすることができる。
In the fuel cell of the present invention, for example, the rod-shaped member may have a hollow shape and function as a cooling pipe through which a cooling medium flows.
As a specific embodiment of the second fuel cell, for example, at least one of the hollow cells constituting the binding unit is the recoverable hollow cell, and the rod-shaped member has the recoverable property. A shape-defining rod-shaped member that defines a second shape of the restorable hollow cell by bringing the hollow cell along the surface thereof, and the resilience hollow-type cell along the shape of the shape-defining rod-shaped member The form which is deform | transformed into the 2nd shape is mentioned.
At this time, as the first shape and the second shape of the recoverable hollow cell, the second shape is a substantially straight bar shape, and the first shape is a shape in which the substantially straight bar shape is curved in the radial direction. There are some cases.
Furthermore, the shape-defining rod-like member has higher rigidity than the restorable hollow cell and has a substantially straight rod-like shape, and with the restorable hollow cell while holding the substantially straight rod-like shape. The form bundled with the said wire is mentioned. At this time, the bundling unit may have a configuration in which two or more hollow cells are arranged so as to surround the outer periphery of the shape-defining rod-shaped member.
前記導電性線材による前記結束単位における結束形態は特に限定されず、例えば、前記線材が前記結束単位の外周に捲回されることにより、前記中空型セル及び前記棒状部材が結束されていてもよいし、前記線材を編みこんだ網状部材により、前記中空型セル及び前記棒状部材が結束されていてもよい。 The binding form in the binding unit by the conductive wire is not particularly limited. For example, the hollow cell and the rod-shaped member may be bound by winding the wire around the outer periphery of the binding unit. And the said hollow cell and the said rod-shaped member may be bound by the net-like member which braided the said wire.
前記導電性線材による締め付け力を保持するため、通常、前記結束単位は、少なくとも該結束単位の軸方向両端が、前記線材と共に支持板に固定される。 In order to maintain the tightening force by the conductive wire, usually, at least both ends of the binding unit in the axial direction are fixed to the support plate together with the wire.
本発明の第一の燃料電池の製造方法は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、2個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池の製造方法であって、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルを含む、2つ以上の中空型セルを準備し、該復元性中空型セルを含む2つ以上の中空型セルを束ねて、前記外部集電材である少なくとも1つの導電性線材により復元性中空型セルが第二の形状を保持できるように締めつけ結束して結束単位を形成することを特徴とするものである。 The first fuel cell manufacturing method of the present invention includes a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner surface and the outer surface of the hollow electrolyte membrane, and an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively. And a manufacturing method of a fuel cell comprising a cell stack in which two or more hollow cells having at least one end opened are connected in parallel, and a pressing force is applied from the outside. Sometimes, two or more hollow cells are prepared, including a resilient hollow cell having elasticity that deforms from the original first shape to the second shape and generates a restoring force to return to the first shape. Two or more hollow cells including the restorable hollow cell are bundled and tightened so that the restorative hollow cell can maintain the second shape by at least one conductive wire as the external current collector. It is characterized by binding to form a binding unit. It is an.
前記復元性中空型セルの第一及び第二の形状としては、例えば、前記第二の形状が略直線棒状であり、前記第一の形状が略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合が挙げられる。
具体的な実施形態としては、前記結束単位を構成する中空型セルとして、前記復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する略直線棒状の形状規定用中空型セルを少なくとも準備し、該形状規定用中空型セルの略直線棒状の形状に沿って前記復元性中空型セルを第二の形状に変形する方法が挙げられる。
復元性中空型セルの復元力により得られる効果を最大限高めるためには、一つの結束単位を構成する中空型セルの10分の1以上を、前記復元性中空型セルで構成することが好ましい。
As the first and second shapes of the recoverable hollow cell, for example, the second shape is a substantially straight bar shape, and the first shape is a shape in which the substantially straight bar shape is curved in the radial direction. Is mentioned.
As a specific embodiment, as a hollow cell constituting the binding unit, a substantially straight bar shape that defines the second shape of the recoverable hollow cell by placing the recoverable hollow cell along the surface thereof The shape-defining hollow cell is prepared at least, and the restorable hollow cell is deformed into the second shape along the substantially straight rod-like shape of the shape-defining hollow cell.
In order to maximize the effect obtained by the restoring force of the restorative hollow cell, it is preferable that one tenth or more of the hollow cells constituting one binding unit are composed of the restorative hollow cell. .
前記導電性線材による前記結束単位の結束形態としては、例えば、前記導電性線材を前記結束単位の外周に捲回させることにより、前記2個以上の中空型セルを結束してもよいし、前記導電性線材を編みこんだ網状部材により、前記2個以上の中空型セルを結束してもよい。
前記導電性線材による締め付け力を保持するために、通常、前記結束単位を少なくとも該結束単位の軸方向両端において、前記導電性線材と共に支持板に固定する工程を備える。
As a binding form of the binding unit by the conductive wire, for example, the two or more hollow cells may be bound by winding the conductive wire around an outer periphery of the binding unit, The two or more hollow cells may be bound by a net-like member woven with a conductive wire.
In order to maintain the tightening force by the conductive wire, it usually includes a step of fixing the binding unit to the support plate together with the conductive wire at least at both axial ends of the binding unit.
本発明の第二の燃料電池の製造方法は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、2個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池の製造方法であって、少なくとも1つの中空型セル、少なくとも1つの棒状部材、及び少なくとも1つの線材を準備し、且つ、該棒状部材及び該線材のうちの少なくとも一つとしては、外部集電材となる導電性材料を選び、且つ、該中空型セル及び該棒状部材のうちの少なくとも一つとしては、外部から押圧力が負荷された時に元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材を選び、該復元性中空型セル又は該復元性棒状部材を含む、少なくとも1つの中空型セル及び少なくとも1つの棒状部材を束ねて、少なくとも1つの線材により該復元性中空型セル及び該復元性棒状部材が第二の形状を保持できるように締めつけ結束して結束単位を形成することを特徴とするものである。 The second fuel cell manufacturing method of the present invention includes a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner surface and the outer surface of the hollow electrolyte membrane, and an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively. And a method of manufacturing a fuel cell comprising a cell stack in which two or more hollow cells open at least at one end thereof are connected in parallel, comprising at least one hollow cell, at least One rod-shaped member and at least one wire are prepared, and at least one of the rod-shaped member and the wire is selected from a conductive material to be an external current collector, and the hollow cell and the wire At least one of the rod-shaped members has elasticity that generates a restoring force that transforms from the original first shape to the second shape and returns to the first shape when a pressing force is applied from the outside. Have resilience An empty cell or a restoring rod-shaped member is selected, and at least one hollow cell and at least one rod-shaped member including the restoring hollow cell or the restoring rod-shaped member are bundled, and the restoring property is obtained by at least one wire. The hollow cell and the restorable rod-shaped member are fastened and bound so that the second shape can be maintained, thereby forming a binding unit.
前記棒状部材が中空形状を有し、該中空内を冷却媒体が流通する冷却管として機能させてもよい。
具体的な製造方法としては、前記結束単位を構成する中空型セルの少なくとも1つとして、前記復元性中空型セルを準備し、且つ、前記棒状部材として、該復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する形状規定用棒状部材を準備し、該形状規定用棒状部材の形状に沿って前記復元性中空型セルを第二の形状に変形する方法が挙げられる。
The rod-shaped member may have a hollow shape and function as a cooling pipe through which a cooling medium flows.
As a specific manufacturing method, the restorable hollow cell is prepared as at least one hollow cell constituting the binding unit, and the restorative hollow cell is provided on the surface as the rod-shaped member. Preparing a shape-defining rod-shaped member that defines the second shape of the restorable hollow cell by aligning, and forming the restorable hollow cell into the second shape along the shape of the shape-defining rod-shaped member There is a method of deformation.
前記復元性中空型セルの第一及び第二の形状としては、例えば、前記復元性中空型セルの第二の形状は略直線棒状であり、前記第一の形状は略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合が挙げられる。このとき、前記形状規定用棒状部材として、前記復元性中空型セルよりも剛性が高く、且つ、略直線棒状の形状を有しているものを用い、該形状規定用棒状部材を該略直線棒状を保持した状態で、前記復元性中空型セルと共に前記線材により結束することができる。さらに、前記形状規定用棒状部材の外周を取り囲むように前記中空型セルを配置し結束してもよい。 As the first and second shapes of the recoverable hollow cell, for example, the second shape of the recoverable hollow cell is a substantially straight bar shape, and the first shape is a substantially straight bar shape in the radial direction. An example is a curved shape. At this time, as the shape-defining rod-shaped member, one having higher rigidity than the restorable hollow cell and having a substantially straight rod-like shape is used, and the shape-defining rod-shaped member is used as the substantially straight rod-shaped member. In the state which hold | maintained, it can bind by the said wire with the said recoverable hollow type cell. Further, the hollow cells may be arranged and bound so as to surround the outer periphery of the shape defining rod-shaped member.
前記線材により前記結束単位を結束する方法は特に限定されず、例えば、前記線材を前記結束単位の外周に捲回させることにより、前記中空型セル及び前記棒状部材を結束する方法でもよいし、前記線材を編みこんだ網状部材により、前記中空型セル及び前記棒状部材を結束する方法でもよい。
前記導電性線材による締め付け力を保持するために、通常、前記結束単位を、少なくとも該結束単位の軸方向両端において、前記線材と共に支持板に固定する工程を備える。
The method of binding the binding unit with the wire is not particularly limited, for example, the method may be a method of binding the hollow cell and the rod-like member by winding the wire around the binding unit, A method of binding the hollow cell and the rod-like member by a net-like member knitted with a wire may be used.
In order to maintain the tightening force by the conductive wire, it usually includes a step of fixing the binding unit to the support plate together with the wire at least at both axial ends of the binding unit.
本発明によれば、長期間にわたって、中空型セルと集電材との接触圧を保持することが可能であり、集電材と中空型セルとの接触抵抗を低減することができる。従って、本発明の燃料電池は、長期間の使用に際しても、中空型セルと集電材との接触圧低下を原因とする出力低下を抑制することが可能であり、安定した発電性能を発現する。 According to the present invention, the contact pressure between the hollow cell and the current collector can be maintained over a long period of time, and the contact resistance between the current collector and the hollow cell can be reduced. Therefore, the fuel cell of the present invention can suppress a decrease in output caused by a decrease in contact pressure between the hollow cell and the current collector even when used for a long period of time, and exhibits stable power generation performance.
本発明の燃料電池は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、2個以上並列接続させたセルスタックを基本構造とするものであり、本発明の第一の燃料電池は、前記2個以上の中空型セルが束ねられ、前記外部集電材である少なくとも1つの導電性線材によって結束されて結束単位を形成し、該結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルであり、該結束単位内において前記復元性中空型セルは、前記導電性線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とするものである。 The fuel cell of the present invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner surface and the outer surface of the hollow electrolyte membrane, an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively The basic structure is a cell stack in which two or more hollow cells having at least one end opened are connected in parallel. The first fuel cell of the present invention includes the two or more hollow cells. The cells are bundled and bound by at least one conductive wire that is the external current collector to form a binding unit, and at least one of the hollow cells constituting the binding unit is loaded with a pressing force from the outside. Sometimes a resilient hollow cell that has elasticity to produce a restoring force that deforms from the original first shape into the second shape and returns to the first shape, and the resilient hollow cell is within the binding unit. Type cell And it is characterized in that it holds the second shape by the clamping force of sexual wire.
また、本発明の第二の燃料電池は、少なくとも1つの前記中空型セルが、少なくとも1つの棒状部材と共に束ねられ、少なくとも1つの線材によって結束されて結束単位を形成し、該棒状部材及び該線材のうち少なくとも一つが、前記外部集電材であり、該結束単位を構成する前記中空型セル及び前記棒状部材から選ばれる少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材であり、該結束単位内において前記復元性中空型セル及び復元性棒状部材は、前記線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とするものである。 In the second fuel cell of the present invention, at least one of the hollow cells is bundled together with at least one rod-shaped member, and is bound by at least one wire to form a bundling unit. The rod-shaped member and the wire At least one of the external current collector, and at least one selected from the hollow cell and the rod-shaped member constituting the binding unit is the original first shape when a pressing force is applied from the outside. A reversible hollow cell or a resilient rod-like member having elasticity that produces a restoring force that deforms from the first shape to the second shape and returns to the first shape. The recoverable rod-like member is characterized in that the second shape is held by the tightening force of the wire.
本発明の燃料電池において、中空型セル又は中空型セルと棒状部材を含む結束単位では、該結束単位を結束する線材の締め付け力によって、該結束単位を構成する中空型セル及び/又は棒状部材の少なくとも一つが変形され、復元力が生じている。このとき発生する復元力は、線材の締め付け力による変形状態から元の形状に戻ろうとする方向に働く、すなわち、線材による締め付け力を押し返すように働く。 In the fuel cell of the present invention, in the binding unit including the hollow cell or the hollow cell and the rod-shaped member, the hollow cell and / or the rod-shaped member constituting the binding unit is formed by the tightening force of the wire rod that binds the binding unit. At least one of them is deformed and a restoring force is generated. The restoring force generated at this time acts in a direction to return to the original shape from the deformed state due to the tightening force of the wire, that is, pushes back the tightening force by the wire.
このように、中空型セルを含む結束単位をその構成部材に復元力を生じさせた状態で結束することによって、線材による結束単位への大きな締め付け力が長期間にわたって保持されることになる。従って、例えば、中空型セルの径が縮小した場合や、結束単位を結束する線材が伸びた場合等でも、これら中空型セルや導電性線材等の寸法変化を許容し、線材による結束単位への締め付け力を保持することができる。ゆえに、本発明の燃料電池において、前記結束単位を構成する中空型セル同士、結束単位内に棒状部材を含む場合にはさらに該棒状部材と中空型セル、結束単位を束ねる線材と該結束単位を構成する中空型セル及び棒状部材は、常に圧接しており、高い接触圧が保持されている。 In this way, by binding the binding unit including the hollow cell in a state where a restoring force is generated in the constituent member, a large fastening force to the binding unit by the wire is maintained for a long period of time. Therefore, for example, even when the diameter of the hollow cell is reduced, or when the wire that binds the binding unit is extended, the dimensional change of the hollow cell or the conductive wire is allowed, and the binding unit to the binding unit by the wire is allowed. Tightening force can be maintained. Therefore, in the fuel cell according to the present invention, when the hollow cells constituting the bundling unit include a rod-shaped member in the bundling unit, the rod-shaped member and the hollow cell, the wire material for bundling the bundling unit, and the bundling unit are further included. The hollow cell and the rod-shaped member which constitute are always in pressure contact, and a high contact pressure is maintained.
すなわち、本発明によれば、上記棒状部材及び/又は線材として、導電性材料を用い、集電材として機能させた場合、結束単位を構成する中空型セルと、該中空型セルの電流を集電する集電材である棒状部材及び/又は線材とを、常に高い接触圧を保持した状態で接触させることができるため、集電効率が高く、中空型セルと集電材間における集電ロスを低減することができる。 In other words, according to the present invention, when a conductive material is used as the rod-shaped member and / or wire, and it functions as a current collector, the hollow cells constituting the binding unit and the current of the hollow cells are collected. Since the current collector can be brought into contact with a rod-like member and / or wire that is always kept at a high contact pressure, the current collection efficiency is high and the current collection loss between the hollow cell and the current collection material is reduced. be able to.
電極と、該電極と直接接触して電流を集電する集電材との間の集電効率を決定する要素として、これらの接続部の面積や接触圧が挙げられるが、接触圧の方がより大きく集電効率に影響する。すなわち、接続部の面積が大きくても接触圧が全体的に低い場合と、接続部の面積が小さくても高い接触圧が保持されている場合とでは、接触圧が高く保持されている場合の方が集電効率は高くなる。ゆえに、電極と集電材との接続部の少なくとも一部において、その接触圧を高く保持することによって、集電効率に優れた燃料電池を得ることができる。
本発明はこのような知見に基づいて成し遂げられたものであり、外部からの押圧力による負荷により元の第一の形状から第二の形状に変形したときに生じる復元力を、集電材と電極との接触圧を高く保持する手段として利用し、集電効率を高めることを可能とした。さらには、この集電材と電極との接触圧を長期間保持することで、集電効率の低下を抑制し、長期にわたって安定した発電性能を発現する燃料電池を提供することができる。
As an element that determines the current collection efficiency between the electrode and the current collector that directly contacts the electrode and collects current, the area and contact pressure of these connection parts can be mentioned, but the contact pressure is more Significantly affects current collection efficiency. That is, even when the contact area is large, the contact pressure is generally low, and when the contact area is small, the contact pressure is kept high. The current collection efficiency is higher. Therefore, a fuel cell excellent in current collection efficiency can be obtained by maintaining a high contact pressure in at least a part of the connection portion between the electrode and the current collector.
The present invention has been accomplished on the basis of such knowledge, and the restoring force generated when the original first shape is deformed to the second shape by a load due to an external pressing force is applied to the current collector and the electrode. As a means for maintaining a high contact pressure, it was possible to increase the current collection efficiency. Furthermore, by maintaining the contact pressure between the current collector and the electrode for a long period of time, it is possible to provide a fuel cell that suppresses a decrease in current collection efficiency and exhibits stable power generation performance over a long period of time.
以下、図1〜図9を用いて本発明の燃料電池の一実施形態について説明する。なお、下記の実施形態においては、燃料として水素ガス、酸化剤として空気(酸素)を用いた固体高分子型燃料電池を中心に説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。また、これら図1〜図9は、便宜上その構造を一部省略している場合がある。 Hereinafter, an embodiment of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. In the following embodiment, the description will focus on a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen gas as the fuel and air (oxygen) as the oxidant, but the present invention is not limited to the following embodiment. Absent. 1 to 9 may omit a part of the structure for the sake of convenience.
[中空型セル]
図1は、本発明の燃料電池において、並列接続されてセルスタックを構成する中空型セルの一形態例を示す概略図、図2は、図1の中空型セルの断面図である。図1及び図2において、中空型セル6はチューブ状の固体高分子電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂)1、固体高分子電解質膜1の内面側に設けられたアノード(内面側電極。本実施形態では燃料極)2及び外面側に設けられたカソード(外面側電極。本実施形態では空気極)3を有している。さらに、アノード2の表面には、アノード側集電材(本実施形態では、内部集電材)4として柱状集電材が配置され、カソード3の表面には、カソード集電材(本実施形態では外部集電材)5として、金属ワイヤ(導電性線材)からなる線状集電材が配置されている。
このような構造を有する中空型セルの中空内面(実質的には、アノード側集電材4の外面に設けた溝4aによって形成された内面側ガス流路に露出した部分)に水素ガス、外面に空気を流通させることで、アノード及びカソードに燃料又は酸化剤が供給され、発電する。
[Hollow cell]
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of hollow cells that are connected in parallel to form a cell stack in the fuel cell of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the hollow cell of FIG. 1 and 2, a
On the hollow inner surface of the hollow cell having such a structure (substantially, the portion exposed to the inner surface side gas flow path formed by the
図1の中空型セル6は、その両端において中空部が開放されているものであって、燃料ガスは一端から中空内へと流入し、他端から流出するようになっているが、本発明における中空型セル6は、中空電解質膜の内面側に反応ガスを十分に供給できるものであるならば、中空部の一端のみが開放され、もう一端は封止されていてもよい。
特に、本実施形態のように、内面側の電極として、水素を燃料とする燃料極を設ける場合、非反応性成分をほとんど含まない水素ガスを燃料ガスとして中空型セルの中空内に供給できること、また、水素分子の拡散性が高いことから、中空内に供給された反応ガスを消費しきることが可能であるため、一端を封鎖した中空部内であっても反応ガスを十分に供給することができる。中空型セルの一端を封鎖する方法としては、樹脂等を中空の一端に注入する方法が例示できるが、特に限定されるものではない。
The
In particular, as in the present embodiment, when providing a fuel electrode using hydrogen as a fuel as the inner surface side electrode, hydrogen gas containing almost no non-reactive component can be supplied into the hollow of the hollow cell as a fuel gas, In addition, since the diffusibility of hydrogen molecules is high, the reaction gas supplied into the hollow can be consumed, so that the reaction gas can be sufficiently supplied even in the hollow portion with one end sealed. . Examples of the method of sealing one end of the hollow cell include a method of injecting resin or the like into the hollow one end, but is not particularly limited.
図1において、中空型セル6はチューブ状の電解質膜を有するものであるが、本発明における中空電解質膜はチューブ状に限られず、中空部を有し、当該中空部に燃料や酸化剤を流入させることで、中空内部に設けられた電極に電気化学反応に必要な反応成分を供給することができるものであればよい。
In FIG. 1, the
チューブ状の固体高分子電解質膜1の内径及び外径、長さ等は特に限定されるものではないが、チューブ状電解質膜の外径は0.01〜10mmであることが好ましく、0.1〜1mmであることがさらに好ましく、0.1〜0.5mmであることが特に好ましい。チューブ状電解質膜の外径が0.01mm未満のものは現時点では、技術的な問題で製造することが難しく、一方、その外径が10mmを超えるものでは、占有体積に対する表面積があまり大きくならないため、得られる中空型セルの単位体積当たりの出力が充分に得られないおそれがある。
電解質膜は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大してしまう。しかしながら、従来の平型の燃料電池用単セルを積層した燃料電池と比べると、中空形状を有するセルを多数集めることにより作製された燃料電池では電極面積が大きくとれるので、やや厚みのある膜を用いた場合でも、充分な出力が得られる。かかる観点から、電解質膜の厚みは、10〜100μmであり、より好ましくは50〜60μmであり、さらに好ましくは50〜55μmである。
また、上記の外径と膜厚との好ましい範囲から、内径の好ましい範囲は0.01〜10mmであり、より好ましくは0.1〜1mmであり、さらに好ましくは0.1〜0.5mmである。
The inner diameter, outer diameter, length and the like of the tubular solid
The electrolyte membrane is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity. However, if the electrolyte membrane is too thin, the function of isolating gas is reduced, and the amount of aprotic hydrogen permeation is increased. However, compared to conventional fuel cells in which flat single cells for fuel cells are stacked, a fuel cell manufactured by collecting a large number of cells having a hollow shape can take a large electrode area, so a slightly thicker membrane is formed. Even when used, a sufficient output can be obtained. From this viewpoint, the thickness of the electrolyte membrane is 10 to 100 μm, more preferably 50 to 60 μm, and still more preferably 50 to 55 μm.
Moreover, from the preferable range of said outer diameter and film thickness, the preferable range of an internal diameter is 0.01-10 mm, More preferably, it is 0.1-1 mm, More preferably, it is 0.1-0.5 mm. is there.
本発明の燃料電池は、中空型セルを有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、固体高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜ほど高いプロトン伝導性を有していない電解質膜を用いても、単位体積当たりの出力密度の高い燃料電池を得ることができる。固体高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の他、固体高分子型燃料電池の電解質膜に用いられているような材料を使用することができ、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂以外のフッ素系イオン交換樹脂、スルホン酸基を有するポリスチレン系陽イオン交換膜などのポリオレフィンのような炭化水素を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及び、リン酸基等のプロトン交換基のうちから一種を有するもの、特表平11−503262号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質等の高分子電解質が挙げられる。このような電解質を用いた固体高分子電解質膜は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。また、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜としては、例えばデュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等の市販品もある。 Since the fuel cell of the present invention has a hollow cell, the electrode area per unit volume can be made larger than that of a fuel cell having a flat cell. Therefore, as the solid polymer electrolyte membrane, perfluorocarbon sulfonic acid is used. Even when an electrolyte membrane that does not have a proton conductivity as high as that of a resin membrane is used, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained. As the solid polymer electrolyte membrane, perfluorocarbon sulfonic acid resin and materials used for the electrolyte membrane of solid polymer fuel cells can be used. For example, fluorine other than perfluorocarbon sulfonic acid resin can be used. One kind of proton exchange groups such as at least sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, and phosphoric acid groups, based on hydrocarbons such as polyolefins such as polystyrene ion exchange resins and polystyrene cation exchange membranes having sulfonic acid groups A complex of a basic polymer and a strong acid, which is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-503262, etc., in which a basic polymer such as polybenzimidazole, polypyrimidine, and polybenzoxazole is doped with a strong acid And polymer electrolytes such as solid polymer electrolytes. A solid polymer electrolyte membrane using such an electrolyte should be reinforced with a perfluorocarbon polymer in the form of a fibril, a fabric, a non-fabric, or a porous sheet, or the membrane surface can be coated with an inorganic oxide or metal. It can also be reinforced. In addition, examples of the perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane include commercially available products such as Nafion manufactured by DuPont and Flemion manufactured by Asahi Glass.
また、本実施形態では電解質膜として、プロトン伝導膜の一種であり、固体高分子電解質膜の一つであるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜を用いて説明しているが、本発明の燃料電池において用いられる電解質膜は特に限定されるものではなく、プロトン伝導性のものであっても、水酸化物イオンや酸化物イオン(O2-)等その他のイオン伝導性のものであってもよい。プロトン伝導性の電解質膜としては、上記したような固体高分子電解質膜に限られず、リン酸水溶液を多孔質の電解質板に含浸させたものや、多孔質性ガラスからなるプロトン伝導体、ハイドロゲル化したリン酸塩ガラス、ナノ細孔を有する多孔質硝子の表面及び細孔内にプロトン伝導性官能基を導入した有機−無機ハイブリットプロトン伝導膜、無機金属繊維強化電解質ポリマー等を用いることができる。
また、燃料電池の構成によっては、例えば、本発明を固体酸化物燃料電池に適用した場合や、水酸化物イオンを電荷担体とする固体高分子型燃料電池に適用した場合などでは、酸素イオンや水酸化物イオンなどの他の電荷担体となるイオンを伝導する固体電解質膜でもよい。
In the present embodiment, a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, which is a kind of proton conductive membrane and one of solid polymer electrolyte membranes, is described as an electrolyte membrane, but it is used in the fuel cell of the present invention. The electrolyte membrane to be used is not particularly limited, and may be proton-conductive or other ion-conductive such as hydroxide ion or oxide ion (O 2− ). The proton conductive electrolyte membrane is not limited to the solid polymer electrolyte membrane as described above, but a porous electrolyte plate impregnated with an aqueous phosphoric acid solution, a proton conductor made of porous glass, or a hydrogel Phosphated phosphate glass, organic-inorganic hybrid proton conductive membrane having proton conductive functional groups introduced into the surface and pores of nanoporous glass, inorganic metal fiber reinforced electrolyte polymer, etc. can be used. .
Depending on the configuration of the fuel cell, for example, when the present invention is applied to a solid oxide fuel cell or to a solid polymer fuel cell using hydroxide ions as charge carriers, oxygen ions or It may be a solid electrolyte membrane that conducts ions serving as other charge carriers such as hydroxide ions.
電解質膜1の内面及び外面に設けられる各電極2,3は、固体高分子型燃料電池に用いられているような電極材料を用いて形成することができる。各電極の構成は特に限定されず、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とが積層した構成の他、触媒層のみからなる構成や、触媒層とガス拡散層の他に機能層を設けた構成が挙げられる。
Each of the
触媒層は触媒粒を含み、さらに触媒粒の利用効率を高めるためのプロトン伝導性物質を含んでいてもよく、プロトン伝導性物質としては上記電解質膜の材料として用いられるものを用いることができる。触媒粒としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。 The catalyst layer includes catalyst particles, and may further include a proton conductive material for increasing the utilization efficiency of the catalyst particles. As the proton conductive material, those used as the material for the electrolyte membrane can be used. As the catalyst particles, catalyst particles in which a catalyst component is supported on a conductive material such as a carbon material such as carbonaceous particles or carbonaceous fibers are preferably used.
本発明の燃料電池は、中空型セルを有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、白金ほど触媒作用が大きくない触媒成分を用いても、単位体積当たりの出力密度が高い燃料電池を得ることができる。
触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスニウム(Os)、タングステン(W)、鉛(Pb)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、モリブデン(Mo)、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Pt、及びPtと例えばRuなど他の金属とからなる合金である。
Since the fuel cell of the present invention has a hollow cell, the electrode area per unit volume can be made larger than that of a fuel cell having a flat cell. Therefore, a catalyst component that is not as catalytic as platinum is used. However, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained.
The catalyst component is not particularly limited as long as it has a catalytic action for hydrogen oxidation reaction at the anode and oxygen reduction reaction at the cathode. For example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir) , Rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), tungsten (W), lead (Pb), iron (Fe), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn) , Vanadium (V), molybdenum (Mo), gallium (Ga), aluminum (Al) and other metals, or alloys thereof. Pt and an alloy made of Pt and another metal such as Ru are preferable.
ガス拡散層としては、炭素質粒子及び/又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする多孔質導電性材料を用いることができる。炭素質粒子及び炭素質繊維の大きさは、ガス拡散層を製造する際の溶液中における分散性や得られるガス拡散層の排水性等を考慮して適宜最適なものを選択すればよい。
ガス拡散層は、生成水など水分の排水性を高める点から、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカーボンアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマー、又はこれらの混合物等を含浸させたり、或いはこれらの物質を用いて撥水層を形成するなどして撥水加工することが好ましい。
尚、中空電解質膜の内面及び外面に設けられる各電極の構成、電極に用いられる材料等は、同じであってもよく、また、異なっていてもよい。
As the gas diffusion layer, a porous conductive material mainly composed of a carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers can be used. The sizes of the carbonaceous particles and the carbonaceous fibers may be appropriately selected in consideration of the dispersibility in the solution when the gas diffusion layer is produced, the drainage property of the obtained gas diffusion layer, and the like.
The gas diffusion layer is, for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, perfluorocarbon alkoxyalkane, ethylene-tetrafluoroethylene polymer, or these from the point of improving the drainage of moisture such as generated water It is preferable to perform water-repellent processing by impregnating a mixture of the above or the like or forming a water-repellent layer using these substances.
In addition, the structure of each electrode provided in the inner surface and outer surface of a hollow electrolyte membrane, the material used for an electrode, etc. may be the same, and may differ.
チューブ状の電解質膜の内面及び外面に一対の電極を設ける方法は、特に限定されるものではない。例えば、まず、チューブ状の電解質膜を準備する。チューブ状の電解質膜を準備する方法は特に限定されず、市販品のチューブ状に形成された電解質膜を用いることもできる。
そして、当該チューブ状電解質膜の内面及び外面に、電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して触媒層を形成し、当該二つの触媒層上に炭素質粒子及び/又は炭素質繊維を含む溶液を塗布・乾燥してガス拡散層を形成する方法が挙げられる。このとき、電解質膜の内面側に形成したガス拡散層の内面に中空部が存在するように触媒層とガス拡散層を形成する。
The method of providing a pair of electrodes on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane is not particularly limited. For example, first, a tubular electrolyte membrane is prepared. The method for preparing the tubular electrolyte membrane is not particularly limited, and a commercially available electrolyte membrane formed in a tube shape can also be used.
Then, a solution containing electrolyte and catalyst particles is applied and dried on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane to form a catalyst layer, and carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers are contained on the two catalyst layers. The method of apply | coating and drying a solution and forming a gas diffusion layer is mentioned. At this time, the catalyst layer and the gas diffusion layer are formed so that a hollow portion exists on the inner surface of the gas diffusion layer formed on the inner surface side of the electrolyte membrane.
或いは、まず、炭素質粒子及び/又は炭素質繊維等の炭素材料を含み、チューブ状に形成されたもの(チューブ状炭素質)を内面側電極(アノード)のガス拡散層として用い、当該ガス拡散層の外面に電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して内面側電極の触媒層を形成して内面側電極を作製し、次に、当該触媒層の外面に電解質を含む溶液を塗布・乾燥して電解質膜層、さらに当該電解質膜層の外面に外面側電極(カソード)の触媒層を形成し、当該触媒層の外面に炭素材料を含む溶液を塗布・乾燥して外面側電極のガス拡散層を形成する方法も挙げられる。
チューブ状炭素質としては、例えば、炭素質粒子等の炭素材料とエポキシ及び/又はフェノール系樹脂を溶媒に分散させてチューブ状に成形し、熱硬化後、焼成することにより得られる。
Alternatively, first, a gas material containing a carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers and formed into a tube shape (tubular carbonaceous material) is used as the gas diffusion layer of the inner surface side electrode (anode), and the gas diffusion is performed. Applying and drying a solution containing electrolyte and catalyst particles on the outer surface of the layer to form a catalyst layer of the inner surface side electrode to produce the inner surface side electrode, and then applying a solution containing the electrolyte to the outer surface of the catalyst layer. The electrode layer is dried to form a catalyst layer of the outer electrode (cathode) on the outer surface of the electrolyte membrane layer, and a solution containing a carbon material is applied to the outer surface of the catalyst layer and dried to dry the gas of the outer electrode. A method for forming a diffusion layer is also included.
The tubular carbonaceous material can be obtained, for example, by dispersing a carbon material such as carbonaceous particles and an epoxy and / or phenolic resin in a solvent to form a tubular shape, thermosetting, and firing.
尚、電解質膜、触媒層、ガス拡散層を形成する際に使用する溶媒は、分散及び/又は溶解する材料に応じて適宜選択すればよく、また、各層を形成する際の塗布方法についても、スプレー法、スクリーン印刷法等種々の方法から適宜選択することができる。
本発明の燃料電池に用いられる中空型セルは、上記にて例示した構成に限られず、中空型セルの機能を高めることを目的として触媒層及びガス拡散層以外の層を設けても良い。また、本実施形態においては、中空電解質膜の内側にアノード、外側にカソードを設けているが、内側にカソード、外側にアノードを設けても良い。
In addition, the solvent used when forming the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer may be appropriately selected according to the material to be dispersed and / or dissolved, and the coating method when forming each layer is also as follows. It can be appropriately selected from various methods such as spraying and screen printing.
The hollow cell used in the fuel cell of the present invention is not limited to the configuration exemplified above, and layers other than the catalyst layer and the gas diffusion layer may be provided for the purpose of enhancing the function of the hollow cell. In this embodiment, the anode is provided inside the hollow electrolyte membrane and the cathode is provided outside, but the cathode may be provided inside and the anode may be provided outside.
内面側電極表面に配置される内部集電材(本実施形態においては、アノード側集電材)4は中空型セルの内周面と接する外径を有する柱状集電材であり、その外周面には、中空型セルの軸方向(長手方向)に延びる溝4aが形成されている。この溝と内面側電極2との隙間が水素ガスを供給するための中空内ガス流路となる。溝4aとしては、中空型セルの軸方向(長手方向)に延びる溝が少なくとも一本必要であり、必要に応じて、中空型セルの外周面に様々なパターン又は方向性を有する溝が形成される。
The internal current collector 4 (in this embodiment, the anode current collector) 4 disposed on the inner surface side electrode surface is a columnar current collector having an outer diameter in contact with the inner peripheral surface of the hollow cell, A
外面側電極表面に配置される外部集電材(本実施形態においてはカソード側集電材)5は、金属ワイヤ等の導電性を有する線材からなり、複数の中空型セル6を束ねて形成される結束単位8(図4参照。)の外周に捲回され、各中空型セル6の外表面であるカソード3の外周に周着されている。このとき、導電性線材は編みこんだ網状部材としてもよい。また、本実施形態においては、外部集電材である導電性線材が複数の中空型セルと接触しており、結束単位を構成する全中空型セルによって一つの外部集電材が共有される形態となっているが、結束単位を結束する導電性線材とは別に、例えば、個々の又は複数の中空型セルの集電を行う導電性線材や導電性棒状部材等を併用してもよい。
An external current collector (cathode-side current collector in this embodiment) 5 arranged on the outer surface side electrode surface is made of a conductive wire such as a metal wire, and is formed by bundling a plurality of
上記カソード側又はアノード側集電材として使用される金属としては、例えば、Al、Cu、Fe、Ni、Cr、Ta、Ti、Zr、Sm、In等の中から選ばれる少なくとも1種以上の金属、又はステンレス鋼などのそれらの合金が好ましい。また、その表面がAu、Pt、導電性樹脂等によりコーティングされていても良い。特に耐蝕性に優れることから、中でもステンレスやチタンが好ましい。ワイヤの太さ及び編みこみの密度、棒状集電材の太さ等は、特に制限されるものではない。 Examples of the metal used as the cathode side or anode side current collector include at least one metal selected from Al, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In, and the like, Or their alloys such as stainless steel are preferred. Further, the surface thereof may be coated with Au, Pt, conductive resin or the like. Of these, stainless steel and titanium are preferred because of their excellent corrosion resistance. The thickness of the wire and the braid density, the thickness of the rod-shaped current collector, etc. are not particularly limited.
尚、ここでは、柱状の内部集電材(本実施形態ではアノード側集電材)4及び線状の外部集電材(本実施形態ではカソード集電材)5を中心に説明したが、集電材4,5は特に限定されず、電気伝導性材料からなるものであればその形状は任意である。集電材は、柱状、ワイヤ状、棒状の他、線状でも、筒形状でもよく、例えば、スプリング状の金属ワイヤや金属箔、金属シート又はカーボンシート等のシート材料からなるもの等も適用できる。
これら集電材は、必要に応じて、カーボン系接着剤やAgペーストなどの導電性接着材により電極上に固定される。
Here, the columnar internal current collector (anode-side current collector in this embodiment) 4 and the linear external current collector (in this embodiment, the cathode current collector) 5 have been mainly described. Is not particularly limited, and the shape thereof is arbitrary as long as it is made of an electrically conductive material. The current collector may be a columnar shape, a wire shape, a rod shape, a linear shape, or a cylindrical shape. For example, a material made of a sheet material such as a spring-like metal wire, a metal foil, a metal sheet, or a carbon sheet can be applied.
These current collectors are fixed on the electrodes with a conductive adhesive such as a carbon-based adhesive or an Ag paste as necessary.
本発明の燃料電池を構成する中空型セルとしては、外部からの押圧力で変形して復元力を生じる性質、すなわち、弾性変形範囲内で変形させると、元の形状に戻ろうとする力が生じる性質を有する復元性中空型セルを用いることができる。 The hollow cell constituting the fuel cell of the present invention has a property of generating a restoring force by being deformed by an external pressing force, that is, a force to return to the original shape when deformed within an elastic deformation range. A restorative hollow cell having properties can be used.
上記にて説明したような構成を有する中空型セルは、外部からの押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性を有しているため、復元性中空型セルとして用いることができる。
但し、復元性中空型セルとしては、集電効率の観点から、さらに強い復元性を示す弾性が付与されているものが好ましい。そのため、内部集電材である柱状集電材として、例えば、ベリリウム銅、チタン銅、タングステン銅、リン青銅等の銅合金、チタン合金のようなばね材料として用いられている金属や、アルミ合金等の強い復元力を発現しうる材料を用いることが好ましい。中でも、導電性と軽量性の観点から、アルミ合金が好適に用いられる。
The hollow cell having the structure as described above is deformed from the original first shape to the second shape and restored to the first shape when an external pressing force is applied. Since it has resilience having elasticity that generates force, it can be used as a resilience hollow cell.
However, as the restorable hollow cell, those given elasticity exhibiting stronger resilience are preferable from the viewpoint of current collection efficiency. Therefore, as a columnar current collector that is an internal current collector, for example, copper alloys such as beryllium copper, titanium copper, tungsten copper, phosphor bronze, metals used as spring materials such as titanium alloys, and strong aluminum alloys It is preferable to use a material capable of expressing a restoring force. Among these, aluminum alloys are preferably used from the viewpoints of conductivity and lightness.
<第一の燃料電池>
[セルスタック及び燃料電池]
本発明の第一の燃料電池は、上記のような中空型セルを2個以上(うち、一つの結束単位を構成する少なくとも一つは復元性中空型セル)並列接続させたセルスタックを備えるものである。以下、第一の燃料電池におけるセルスタックについて、図3〜図7を用いて説明する。尚、各図において、便宜上、中空型セルの数や、各ガス流路等を省略している場合がある。
図3は、本発明を適用した燃料電池に備えられるセルスタックの一形態例を示す図である。図4は、図3のセルスタックに備えられる結束単位である。
<First fuel cell>
[Cell stack and fuel cell]
A first fuel cell according to the present invention includes a cell stack in which two or more hollow cells as described above are connected in parallel (of which at least one of the bundling units is a recoverable hollow cell). It is. Hereinafter, the cell stack in the first fuel cell will be described with reference to FIGS. In each figure, the number of hollow cells, gas flow paths, and the like may be omitted for convenience.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a cell stack provided in a fuel cell to which the present invention is applied. FIG. 4 shows a binding unit provided in the cell stack of FIG.
図3及び図4に示すセルスタック100及び結束単位8において、中空型セル6は、図1及び図2に示す構造を有している。すなわち、中空型電解質膜の内面に設けられたアノード及び外面に設けられたカソードと、カソード側集電材(外部集電材)及びアノード側集電材(内部集電材)が各電極に接触するように配設され、接続されている。
複数の中空型セル6は、その長手方向を平行にして束ねられ、その外周に周着された導電性線材7によって結束された結束単位8を形成している(図4の4−B、4−C参照)。結束単位8を構成する中空型セル6のうち、少なくとも一つは、復元性中空型セル6Aであり、結束単位内において復元力が生じるように第一の形状(6a)から第二の形状(6a’)に変形された状態で導電性線材7によって結束されている(図4の4−A参照)。尚、図4の4−Cは、4−Bの破線部分の断面図である。
In the
The plurality of
復元性中空型セル6Aは、外力から開放されたときには、第一の形状を有するが、外部からの押圧力が負荷されたときには、第二の形状に変形し、且つ、第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有している。すなわち、復元性中空型セルは、導電性線材による外力から開放されたときには、共に結束単位を構成する中空型セルとの間に隙間を生じるが、導電性線材により押圧力が負荷された状態で他の中空型セルと共に結束され、該他の中空型セルとの間の隙間が小さくなるように変形されたときには、元の形状に戻ろうとする復元力を生じる。
The recoverable
このように、結束単位を結束する導電性線材の締め付け力により、該結束単位を構成する中空型セルを変形させることによって、この変形された中空型セルには該導電性線材の締め付けを押し返すような、結束単位の外径方向への復元力が生じる。その結果、結束単位全体において、結束単位を構成する中空型セルと、該結束単位を結束する導電性線材との接触部には高い接触圧が作用する。
しかも、この接触圧は、例えば、従来の燃料電池においては、導電性線材による結束単位の締め付け力の低下を生じていたような場合でも高く保持することができる。つまり、本発明の燃料電池においては、中空型セルの外表面、すなわち、外面側電極(本実施形態ではカソード)と集電材である導電性線材との接触圧が常に高く保持されており、長期間にわたって安定した集電効率を維持することが可能である。
Thus, by deforming the hollow cell constituting the binding unit by the tightening force of the conductive wire that binds the binding unit, the tightening of the conductive wire is pushed back to the deformed hollow cell. In addition, a restoring force in the outer diameter direction of the binding unit is generated. As a result, in the entire binding unit, a high contact pressure acts on a contact portion between the hollow cell constituting the binding unit and the conductive wire material binding the binding unit.
In addition, for example, in the conventional fuel cell, the contact pressure can be kept high even when the tightening force of the binding unit is reduced by the conductive wire. That is, in the fuel cell of the present invention, the contact pressure between the outer surface of the hollow cell, that is, the outer surface side electrode (cathode in the present embodiment) and the conductive wire as the current collector is always kept high. It is possible to maintain stable current collection efficiency over a period.
以上のように、本発明の燃料電池において、中空型セルの外面側電極と、該外面側電極の電流を集電する外部集電材との接触圧が常に高く保持される。そのため、本発明の燃料電池は、中空型セルと集電材間の集電ロスが小さく、集電効率に優れる。 As described above, in the fuel cell of the present invention, the contact pressure between the outer surface side electrode of the hollow cell and the external current collector that collects the current of the outer surface side electrode is always kept high. Therefore, the fuel cell of the present invention has a small current collection loss between the hollow cell and the current collector, and is excellent in current collection efficiency.
2個以上の中空型セルを束ねてなる結束単位において、中空型セルは通常、並列接続される。そして、この並列接続された中空型セルからなる結束単位8は、図3のように、セルスタック100内に、2個以上を並列接続若しくは直列接続されて備えられる。セルスタック内に備えられる結束単位は1個でもよい。図3においては、各結束単位8は、外部集電材である導電性線材7の末端を、外部集電材接続部12に接続することで、電流を集約し、並列接続されている。尚、図3において、各結束単位の内部集電材の並列接続については、省略されている。
In a bundling unit formed by bundling two or more hollow cells, the hollow cells are usually connected in parallel. Then, as shown in FIG. 3, two or
尚、本発明の燃料電池において、結束単位を構成する中空型セルの数、セルスタックに組み込まれる結束単位の数、結束単位を2つ以上組み込む場合、結束単位間の接続形態、燃料電池に組み込まれるセルスタックの数、セルスタックを2つ以上組み込む場合、セルスタック間の接続等は、特に限定されず、所望の電流及び電圧が得られるよう適宜選択すればよい。また、各反応ガスの流通方向や供給方法等は特に限定されるものではない。 In the fuel cell of the present invention, the number of hollow cells constituting the bundling unit, the number of bundling units incorporated in the cell stack, and the case where two or more bundling units are incorporated, the connection configuration between the bundling units, and the incorporation into the fuel cell. In the case of incorporating two or more cell stacks, the connection between the cell stacks is not particularly limited, and may be appropriately selected so as to obtain a desired current and voltage. Further, the flow direction and supply method of each reaction gas are not particularly limited.
並列接続された2個以上の中空型セルを束ねてなる結束単位において、導電性線材の結束による押圧力によって第一の形状から第二の形状に変形された復元性中空型セルは、その復元力により、束ねられた中空型セル間及び結束単位を結束する導電性線材と中空型セルとの間に押圧力を生じさせている。 In a bundling unit formed by bundling two or more hollow cells connected in parallel, a recoverable hollow cell deformed from the first shape to the second shape by the pressing force due to the bundling of conductive wires is restored. The pressing force is generated between the bundled hollow cells and between the conductive wires that bind the binding units and the hollow cells.
上記のように変形されて復元力を生じる復元性中空型セルの第一の形状(変形前の形状)と第二の形状(変形後の形状)はそれぞれ特に限定されないが、セルスタックの取り扱い性、セルスタックを搭載する燃料電池の設計性等の観点から、通常、第二の形状が略直線棒状であることが好ましい。ここで略直線棒状とは、その長手方向の軸方向及びその表面形状が略直線状の棒状であることを意味し、その軸方向が一定で、表面がほぼ平坦な形状である。
導電性線材によって結束単位が結束された状態で略直線棒状となる変形前の初期の形状(第一の形状)としては、略直線棒状が径方向に湾曲した形状が挙げられ、具体例としては、図5に示すものが挙げられる。略直線棒状が径方向に湾曲した形状とは、略直線棒状が部分的或いは全体的に弧を描くような形状である。
The first shape (the shape before deformation) and the second shape (the shape after deformation) of the restorative hollow cell that is deformed and generates restoring force as described above are not particularly limited. In general, from the viewpoint of the design of a fuel cell on which the cell stack is mounted, the second shape is preferably a substantially straight bar. Here, the term “substantially straight bar shape” means that the axial direction of the longitudinal direction and the surface shape thereof are substantially linear bar shapes, and the axial direction is constant and the surface is substantially flat.
The initial shape (first shape) before deformation that becomes a substantially straight bar shape in a state in which the binding unit is bound by the conductive wire includes a shape in which the substantially straight bar shape is curved in the radial direction. As a specific example, The thing shown in FIG. 5 is mentioned. The shape in which the substantially straight bar shape is curved in the radial direction is a shape in which the substantially straight bar shape partially or entirely draws an arc.
第一の燃料電池において、結束単位を構成する2つ以上の中空型セルは、その少なくとも1つが、上記復元性中空型セルであり、導電性線材による締め付け力によって、復元力が生じていない元の第一の形状から変形された第二の形状を保持した状態で結束されていれば、数や結束単位における配列等に特に限定はなく、例えば、結束単位を構成する全中空型セルが復元性を有しており、復元力が生じた状態、すなわち、変形された状態で結束単位中に結束されていてもよい。
導電性線材と中空型セルとの接触圧を確実に確保する観点からは、1つの結束単位を構成する2個以上の中空型セルのうち、少なくとも10分の1以上を復元性中空型セルとすることが好ましい。結束単位を構成する全ての中空型セルを復元性中空型としてもよい。
In the first fuel cell, at least one of the two or more hollow cells constituting the binding unit is the recoverable hollow cell, and the restoring force is not generated by the tightening force of the conductive wire. As long as the second shape deformed from the first shape is bound, the number and the arrangement in the binding unit are not particularly limited. For example, all the hollow cells constituting the binding unit are restored. And may be bound in a binding unit in a state where a restoring force is generated, that is, in a deformed state.
From the standpoint of ensuring the contact pressure between the conductive wire and the hollow cell, at least one-tenth or more of the two or more hollow cells constituting one binding unit is a recoverable hollow cell. It is preferable to do. All the hollow cells constituting the binding unit may be a recoverable hollow type.
復元力が生じない状態で結束されている中空型セルは、復元性中空型セルをその表面に沿わせ、該復元性中空型セルとの隙間が小さくなるように該復元性中空型セルを変形させることによって該復元性中空型セルの変形後の形状である第二の形状を規定する形状規定用の中空型セルとして機能する。形状規定用中空型セルは、単独で形状規定用中空型セルとして機能する剛性を有していても、複数本で形状規定用中空型セルとして機能する剛性を示すものであってもよい。
上記のように、復元性セルの変形後の形状、すなわち第二の形状が略直線棒状であり、元の形状、すなわち第一の形状が略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合、形状規定用中空型セルとしては、略直線棒状の形状を有するものが用いられることとなる。
A hollow cell that is bound in a state where no restoring force is generated, the deformable hollow cell is deformed so that the gap between the hollow cell and the restorative hollow cell is reduced. By functioning, it functions as a shape-defining hollow cell that defines the second shape, which is the deformed shape of the recoverable hollow cell. The shape-defining hollow cell may have rigidity that functions as a shape-defining hollow cell alone, or a plurality of shape-defining hollow cells that exhibit rigidity that functions as a shape-defining hollow cell.
As described above, when the shape of the restorable cell is deformed, that is, the second shape is a substantially straight bar shape, and the original shape, that is, the first shape is a shape in which the substantially straight bar shape is curved in the radial direction, As the shape defining hollow cell, a cell having a substantially straight bar shape is used.
複数の中空型セルを束ねた結束単位を結束する導電性線材は、結束単位を構成する中空型セルの電流を集約する集電材として機能するものであり、その構成材料としては上記中空型セルの集電材の材料として列挙したものを用いることができる。中でも、導電性と軽量性の点から、アルミ合金が好適である。
尚、本発明において、線材とは、その断面の形状等に限定はなく、例えば、その断面が円等のアスペクト比が小さい形状の線材、その断面がアスペクト比の大きい帯状の線材であってもよい。
The conductive wire that binds the binding unit in which a plurality of hollow cells are bundled functions as a current collector that collects the current of the hollow cells that constitute the binding unit. Those listed as materials for the current collector can be used. Among these, aluminum alloys are preferable from the viewpoint of conductivity and lightness.
In the present invention, the wire is not limited to the shape of the cross section, and for example, the cross section may be a wire having a small aspect ratio such as a circle, or a strip-shaped wire having a large cross section. Good.
導電性線材による結束単位の結束方法は、中空型セルの外面に設けられた電極への反応ガスの供給を妨げずに、且つ、該電極からの集電及び中空型セルに対する締め付け力の付与が可能であれば、特に限定されない。
典型例としては、一本の導電性線材を結束単位の外周に螺旋状に捲回した形態(図4参照)が挙げられるが、その他にも、編組線状、より線状、等の形態が挙げられる。また、図6のように、導電性線材を編みこんだ網状部材を結束単位の外周に、押圧力を付与した状態で巻き付けた形態でもよい。一つの結束単位を結束する導電性線材は一本でも複数本でもよい。
The bundling method of the bundling unit using the conductive wire does not interfere with the supply of the reaction gas to the electrode provided on the outer surface of the hollow cell, and can collect current from the electrode and apply a clamping force to the hollow cell. If possible, there is no particular limitation.
Typical examples include a form in which a single conductive wire is spirally wound on the outer periphery of the binding unit (see FIG. 4), but there are other forms such as a braided wire shape, a twisted wire shape, and the like. Can be mentioned. Moreover, as shown in FIG. 6, the form which wound the net-like member which braided the electroconductive wire around the outer periphery of the binding unit in the state which gave the pressing force may be sufficient. One or a plurality of conductive wires for binding one binding unit may be used.
導電性線材によって結束された結束単位8は、該導電性線材による結束状態を保持するため、少なくとも結束単位の軸方向両端を、導電性線材と共に支持板13に固定されることが好ましい(図7参照)。このように、導電性線材と共に結束単位を固定することで、該導電性線材の該結束単位に対する捲回形態等を固定することができ、導電性線材による結束単位の結束状態を保持することができる。
The
ここで、結束単位の軸方向とは、結束単位を構成する中空型セルの軸方向であり、通常は、結束単位内に結束された中空型セルの長手方向と一致する。また、結束単位の軸方向両端とは、上記軸方向の両方の端部近傍を指し、特に具体的な位置等は限定されないが、結束単位の両端を固定する支持板は、通常、外面側電極に供給される反応ガスと、内面側電極に供給される反応ガス(中空型セルの中空内に供給)との混合を防止する隔壁として、機能するものであり、2枚の支持板に挟まれた空間が外面側電極に供給される反応ガスの流路をなす。すなわち、中空型セルの支持及び結束単位の結束状態の保持の他、外面側電極の有効表面積も考慮して、支持板の位置を決定することとなる。
支持板における中空型セルと導電性線材の固定方法としては、特に限定されず、例えば、図7のように、支持板13の貫通孔14内に結束単位8を挿入した状態で、該支持板13の少なくとも一方の表面にポッティング材15を流しこみ、固化させる方法が挙げられる。
Here, the axial direction of the binding unit is the axial direction of the hollow cells constituting the binding unit, and usually coincides with the longitudinal direction of the hollow cells bound in the binding unit. Further, both ends in the axial direction of the binding unit refer to the vicinity of both ends in the axial direction, and the specific position and the like are not particularly limited. However, the support plate for fixing both ends of the binding unit is usually an outer surface side electrode. Functions as a partition wall that prevents mixing of the reaction gas supplied to the inner electrode and the reaction gas supplied to the inner surface side electrode (supplied into the hollow of the hollow cell), and is sandwiched between two support plates The open space forms a flow path for the reaction gas supplied to the outer surface side electrode. That is, the position of the support plate is determined in consideration of the effective surface area of the outer surface side electrode in addition to the support of the hollow cell and the holding state of the binding unit.
A method for fixing the hollow cell and the conductive wire in the support plate is not particularly limited. For example, in the state where the
<第二の燃料電池>
[セルスタック及び燃料電池]
本発明の第二の燃料電池は、上記のような中空型セルを2個以上、並列接続させたセルスタックを備えるものである。以下、本発明におけるセルスタックについて、図8〜図9を用いて説明する。
図8及び図9はそれぞれ、本発明を適用した燃料電池のセルスタックに備えられる結束単位の一実施形態である。
尚、第二の燃料電池は、結束単位が中空型セルと棒状部材を結束したものであり、復元力を示す部材として復元性中空型セル及び/又は復元性棒状部材を用い、結束単位を結束する線材及び該結束単位を構成する棒状部材のうち、少なくとも一つが外部集電材として機能する点において、上記第一の燃料電池と大きく異なる。ここでは、第二の燃料電池について、第一の燃料電池と異なる点を中心に説明していく。
<Second fuel cell>
[Cell stack and fuel cell]
The second fuel cell of the present invention comprises a cell stack in which two or more hollow cells as described above are connected in parallel. Hereinafter, the cell stack according to the present invention will be described with reference to FIGS.
8 and 9 are each an embodiment of a binding unit provided in a cell stack of a fuel cell to which the present invention is applied.
In the second fuel cell, the bundling unit is a bundling of hollow cells and rod-shaped members, and the bundling units are bundled using a reversible hollow cell and / or a reversible rod-shaped member as a member showing a restoring force. The first fuel cell is greatly different in that at least one of the wire rod and the rod-shaped member constituting the binding unit functions as an external current collector. Here, the second fuel cell will be described focusing on differences from the first fuel cell.
図8に示す結束単位8において、複数の中空型セル6は、その長手方向を平行にした状態で、棒状部材(棒状集電材)9の外周を取り囲むように配置され、該棒状部材9とともに、線材(導電性線材)11によって結束され、結束単位8を形成している(図8の8−B参照)。図8に示す実施形態においては、棒状集電材(棒状部材)9と共に結束単位を構成している中空型セル6の一部が、復元性中空型セルであり、復元力が生じるように第一の形状(6a)から第二の形状(6a’)に変形された状態で線材11によって結束されている(図8の8−A参照)。尚、図8において8−Cは、8−Bの破線部分における断面図である。
In the
結束単位8では、線材11の締め付け力により変形された状態で結束された復元性中空型セル6Aの復元力によって、線材11の締め付けを押し返すような結束単位8の外径方向への力が生じており、線材11と中空型セル6との接触圧が高くなっている。これに伴い、中空型セル6と、外部集電材である棒状部材9との接触圧も高くなっている。すなわち、中空型セル6と、該中空型セル6の外部集電材として機能する棒状部材9及び線材11との接触圧が高い。
このように、結束単位を結束する線材の締め付け力により、結束単位を構成する中空型セル及び棒状部材のうち少なくとも一つを変形させることによって、この変形された中空型セル及び/又は棒状部材には該線材の締め付けを押し返すような、結束単位の外径方向への復元力が生じる。その結果、結束単位全体において、結束単位を構成する中空型セルと、外部集電材である棒状部材及び/又は線材との接触部に高い接触圧が生じ、上記第一の燃料電池と同様、集電効率に優れた燃料電池を得ることができる。
In the
In this way, by deforming at least one of the hollow cell and the bar-shaped member constituting the binding unit by the tightening force of the wire rod that binds the binding unit, the deformed hollow-type cell and / or the bar-shaped member Produces a restoring force in the outer diameter direction of the binding unit that pushes back the tightening of the wire rod. As a result, in the entire bundling unit, a high contact pressure is generated at the contact portion between the hollow cell constituting the bundling unit and the rod-like member and / or wire that is the external current collector, and as in the first fuel cell, A fuel cell excellent in electric efficiency can be obtained.
図8に示した実施形態においては、1つの結束単位が複数の中空型セルで構成されているが、本発明の第二の燃料電池において、結束単位を構成する中空型セルの数は特に限定されず、1つのみでもよいし、2つ以上でもよい。 In the embodiment shown in FIG. 8, one binding unit is composed of a plurality of hollow cells, but in the second fuel cell of the present invention, the number of hollow cells constituting the binding unit is particularly limited. There may be only one, or two or more.
また、図8においては、棒状部材として棒状集電材が用いられており、しかも、棒状集電材が中空型セルの温度をコントロールする冷却管としても機能している。具体的には、棒状集電材9が中空形状を有しており、中空内に冷却媒体(例えば、水など)を流通させることで、中空型セルの温度を調整することができる。棒状部材は本実施形態のように集電材及び冷却管として機能するものの他、集電材(図9参照)又は冷却管として機能するものを用いてもよい。
棒状部材が外部集電材として機能する場合には、棒状部材の少なくとも一部は導電性材料からなり、冷却管として機能する場合には、棒状部材の少なくとも一部は熱伝導性材料からなる。冷却管の場合、典型的には中空の管内に冷却媒体を流通させることになるが、集電材の場合にも中実に限定されず、軽量化等を目的として中空の管状部材を集電材として用いてもよい。図9に示す実施形態では、中実の棒状部材(外部集電材)9の外周面に複数の中空型セル6が接するように配設されており、各中空型セル6の電流が棒状部材(外部集電材)9によって集電されるようになっている。
In FIG. 8, a rod-shaped current collector is used as the rod-shaped member, and the rod-shaped current collector also functions as a cooling pipe for controlling the temperature of the hollow cell. Specifically, the rod-shaped current collector 9 has a hollow shape, and the temperature of the hollow cell can be adjusted by circulating a cooling medium (for example, water) in the hollow. The rod-shaped member may function as a current collector or a cooling pipe as in the present embodiment, or may function as a current collector (see FIG. 9) or a cooling pipe.
When the rod-shaped member functions as an external current collector, at least a part of the rod-shaped member is made of a conductive material, and when it functions as a cooling pipe, at least a portion of the rod-shaped member is made of a heat conductive material. In the case of a cooling pipe, typically, a cooling medium is circulated in the hollow pipe, but the case of the current collector is not limited to solid, and a hollow tubular member is used as the current collector for the purpose of weight reduction or the like. May be. In the embodiment shown in FIG. 9, a plurality of
また、本実施形態において、棒状部材(棒状集電材)は、復元性中空型セルがその表面に沿わせて変形されており、復元性中空型セルの形状規定用部材としても機能しているが、棒状部材として、復元性棒状部材(外部からの押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し、且つ、第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する)を用いることもできる。共に結束単位を構成する中空型セルの剛性、太さ、数等にもよるが、復元性棒状部材を元の第一の形状から変形させた第二の形状で結束単位を結束することによって、復元性中空型セルを変形させた状態で結束単位を結束する場合と同様の効果を得ることができる。冷却管や集電材は、通常、中空型セルよりも剛性が高いものが多く、復元性中空型セルや復元性棒状部材の形状規定用の棒状部材として機能させることができる場合が多い。
復元性を有し、元の第一の形状から第二の形状に変形された状態を保持して結束単位内に結束されているのは、復元性中空型セル及び復元性棒状部材のうちの少なくとも1つでよく、図8や図9の本実施形態のように復元性中空型セルのみを用いても、或いは復元性棒状部材のみを用いてもよいし、復元性中空型セル及び復元性棒状部材の両方を用いてもよい。
In the present embodiment, the rod-shaped member (bar-shaped current collector) is such that the recoverable hollow cell is deformed along its surface and functions as a shape defining member of the recoverable hollow cell. As a rod-shaped member, a restoring rod-shaped member (when a pressing force from the outside is applied, a deforming force is generated that deforms from the original first shape to the second shape and tries to return to the first shape. (Having elasticity) can also be used. Depending on the rigidity, thickness, number, etc. of the hollow cells that together form the binding unit, by binding the binding unit in the second shape obtained by deforming the recoverable rod-shaped member from the original first shape, It is possible to obtain the same effect as in the case of binding the binding unit in a state where the recoverable hollow cell is deformed. Usually, the cooling pipe and the current collector are often more rigid than the hollow cell, and often function as a rod-shaped member for defining the shape of the recoverable hollow cell or the recoverable rod-shaped member.
It has resilience and is bound in the binding unit while maintaining the deformed state from the original first shape to the second shape, among the recoverable hollow cell and the recoverable rod-shaped member. At least one may be used, and only the recoverable hollow cell may be used as in the present embodiment of FIGS. 8 and 9, or only the recoverable rod-shaped member may be used. Both rod-like members may be used.
復元性棒状部材としては、例えば、上記したような銅合金、アルミ合金等の弾性材料を用いて形成されたものが挙げられる。復元性棒状部材の材料や径等は、共に結束単位を構成する中空型セルの弾性、径、数等を考慮して適宜決定することが好ましい。 As a restoring rod-shaped member, what was formed using elastic materials, such as the above copper alloys and aluminum alloys, is mentioned, for example. It is preferable that the material, diameter, and the like of the recoverable rod-shaped member are appropriately determined in consideration of the elasticity, diameter, number, etc. of the hollow cells that constitute the binding unit.
復元性中空型セル及び/又は復元性棒状部材の形状規定のみを目的とした棒状部材を用いてもよい。形状規定用棒状部材は、共に結束単位を構成する復元性中空型セル及び/又は復元性棒状部材の形状を規定できるよう、その材料、径等を決定すればよい。 You may use the rod-shaped member aiming only at the shape prescription | regulation of a recoverable hollow cell and / or a recoverable rod-shaped member. The shape-defining rod-shaped member may be determined in its material, diameter, etc. so that the shape of the restorable hollow cell and / or the restorable rod-shaped member that together form the binding unit can be defined.
形状規定用の棒状部材は、セルスタックの取り扱い性、セルスタックを搭載する燃料電池の設計性等の観点から、通常、略直線棒状であることが好ましく、これに伴い、結束単位を構成する復元性中空型セル及び/又は形状規定用棒状部材は、変形後の第二の形状が略直線棒状であることが好ましい。このとき、第一の形状としては、略直線棒状が径方向に湾曲した形状が挙げられる。 In general, the shape-defining rod-like member is preferably a substantially straight rod-like shape from the viewpoints of the handleability of the cell stack, the design of the fuel cell on which the cell stack is mounted, and the like. It is preferable that the second shape after deformation of the porous hollow cell and / or the shape-defining rod member is a substantially straight rod shape. At this time, the first shape includes a shape in which a substantially straight bar shape is curved in the radial direction.
第二の燃料電池においては、その設計性等の観点から、通常、結束単位を構成する中空型セルの少なくとも一つとして復元性中空型セルを用い、棒状部材としては形状規定用棒状部材を用いることが好ましい。
尚、本発明において、一つの結束単位を構成する棒状部材としては、復元性を有するものと、形状規定用のものとを両方用いてもよい。
In the second fuel cell, from the viewpoint of design and the like, normally, a recoverable hollow cell is used as at least one of the hollow cells constituting the binding unit, and a shape-defining rod member is used as the rod member. It is preferable.
In the present invention, as the rod-shaped member constituting one binding unit, both a member having resilience and a member for defining the shape may be used.
第二の燃料電池においては、結束単位を結束する線材及び結束単位を構成する棒状部材のうち、少なくとも一方が結束単位を構成する中空型セルの外部集電材として機能すればよく、本実施形態のように棒状部材及び線材の両方が集電材として機能する形態の他、棒状部材のみが外部集電材として機能する形態や結束単位を結束する線材のみが外部集電材として機能する形態等でもよい。第二の燃料電池では、中空型セルと線材間の接触圧、中空型セルと棒状部材間の接触圧の両方が高く保持されているからである。 In the second fuel cell, at least one of the wire rod that binds the bundling unit and the rod-shaped member that constitutes the bundling unit may function as an external current collector of the hollow cell that constitutes the bundling unit. In addition to the form in which both the rod-like member and the wire function as the current collector, a form in which only the rod-like member functions as the external current collector, a form in which only the wire that binds the binding units functions as the external current collector, or the like may be used. This is because in the second fuel cell, both the contact pressure between the hollow cell and the wire and the contact pressure between the hollow cell and the rod-like member are kept high.
線材による結束単位の結束方法は、結束単位に対して充分な締め付け力を付与できれば、特に限定されないが、中空型セルからの集電、例えば、該線材が外部集電材としての機能を有するかどうか、該線材が外部集電材として機能する場合には、さらにその他の外部集電材を備えているかどうか等、さらには、中空型セルの外面に設けられた電極への反応ガスの供給性等も考慮することが好ましい。
典型例としては、一本の線材を結束単位の外周に螺旋状に捲回した形態(図8及び図9参照)が挙げられるが、その他にも、導電性線材を編みこんだ網状部材を結束単位の外周に押圧力を付与した状態で巻き付けた形態等の形態が挙げられる。
The bundling method of the bundling unit by the wire is not particularly limited as long as a sufficient tightening force can be applied to the bundling unit, but current collection from the hollow cell, for example, whether the wire has a function as an external current collection material In the case where the wire functions as an external current collector, whether other external current collectors are provided or not, and further, supply of reaction gas to the electrodes provided on the outer surface of the hollow cell is taken into consideration. It is preferable to do.
A typical example is a form in which a single wire is wound spirally around the outer periphery of a bundling unit (see FIGS. 8 and 9). In addition, a net-like member woven with a conductive wire is bound. Examples include a form wound around the outer periphery of the unit with a pressing force applied.
結束単位における中空型セル及び棒状部材の配列形態は特に限定されず、棒状部材の機能(形状規定用、復元性、集電材、冷却管)等を考慮して適宜決定すればよく、図8や図9のような形態に限定されない。 The arrangement of the hollow cells and the rod-shaped members in the bundling unit is not particularly limited, and may be appropriately determined in consideration of the functions of the rod-shaped members (for shape definition, resilience, current collector, cooling pipe), etc. It is not limited to the form as shown in FIG.
線材によって結束された結束単位は、第一の燃料電池同様、該導電性線材による結束状態を保持するため、少なくとも結束単位の軸方向両端を、導電性線材と共に支持板に固定されていることが好ましい。このように、線材と共に結束単位を固定することで、該線材の該結束単位の捲回形態等を固定することができ、線材による結束単位の結束状態を保持することができる。 As in the first fuel cell, the bundling unit bundled with the wire may be fixed to the support plate together with the conductive wire at least at both ends in the axial direction in order to maintain the bundling state with the conductive wire. preferable. Thus, by fixing the binding unit together with the wire, the winding form of the binding unit of the wire can be fixed, and the binding state of the binding unit by the wire can be maintained.
本発明の第一及び第二の燃料電池の結束単位において、復元性中空型セル及び/又は復元性棒状部材がその復元力によって変位する大きさは、少なくとも、該結束単位の直径において、中空型セルの電解質膜が占める大きさ以上であることが好ましい。電解質膜の薄膜化に伴う中空型セルの縮径を許容し、結束単位の結束力の低下を充分に抑制することができるからである。
さらに、第一及び第二の燃料電池の結束単位において、復元性中空型セル及び/又は復元性棒状部材が復元力によって変位する大きさは、少なくとも、該結束単位の直径において前記中空型セルの電解質膜及び該電解質膜の内面及び外面に設けられた電極が占める大きさ以上であることが好ましい。電解質膜及び電極内に含有される電解質の劣化を原因とする電解質膜及び電極の薄膜化に伴う中空型セルの縮径を許容し、結束単位の結束力の低下を充分に抑制することができるからである。
In the bundling unit of the first and second fuel cells of the present invention, the size of the reversible hollow cell and / or the reversible rod-like member displaced by the restoring force is at least in the diameter of the bundling unit. It is preferable that it is more than the size which the electrolyte membrane of a cell occupies. This is because the hollow cell can be reduced in diameter as the electrolyte membrane is made thinner, and the reduction in the binding force of the binding unit can be sufficiently suppressed.
Further, in the binding unit of the first and second fuel cells, the size of the recoverable hollow cell and / or the recoverable rod-like member displaced by the restoring force is at least the diameter of the hollow cell in the binding unit. It is preferable that it is more than the magnitude | size which the electrode provided in the electrolyte membrane and the inner surface and outer surface of this electrolyte membrane occupies. It is possible to allow the diameter reduction of the hollow cell accompanying the thinning of the electrolyte membrane and the electrode due to deterioration of the electrolyte contained in the electrolyte membrane and the electrode, and sufficiently suppress the reduction of the binding force of the binding unit. Because.
本発明の燃料電池は、以上のような並列接続された中空型セルからなる結束単位を、所望の電圧及び電流が得られるように、適宜、1個又は結束単位を2個以上並列接続若しくは直列接続してセルスタック内に備える。燃料電池内には、通常、セルスタックをさらに直列接続若しくは並列接続した状態で組み込む。 In the fuel cell of the present invention, one or two or more bundling units are suitably connected in parallel or in series so that a desired voltage and current can be obtained from the bundling units composed of the hollow cells connected in parallel as described above. Connect and prepare in the cell stack. Normally, a cell stack is incorporated in a fuel cell in a state of being connected in series or in parallel.
1…中空電解質膜
2…内面側電極(アノード)
3…外面側電極(カソード)
4…内部集電材(アノード側集電材)
5…外部集電材(カソード側集電材)
6…中空型セル
7…導電性線材
8…結束単位
9…棒状部材(外部集電材兼冷却管)
10…棒状部材(外部集電材)
11…線材
12…外部集電材接続部
13…支持板
14…貫通孔
15…ポッティング材
16…外部集電材
17…中空型セル
100…セルスタック
DESCRIPTION OF
3. External electrode (cathode)
4. Internal current collector (anode-side current collector)
5. External current collector (cathode side current collector)
6 ... Hollow cell 7 ...
10 ... Rod-shaped member (external current collector)
DESCRIPTION OF
Claims (32)
前記2個以上の中空型セルが束ねられ、前記外部集電材である少なくとも1つの導電性線材によって結束されて結束単位を形成し、
該結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルであり、
該結束単位内において前記復元性中空型セルは、前記導電性線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とする燃料電池。 A hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively, and at least one end portion thereof A fuel cell comprising a cell stack in which two or more open hollow cells are connected in parallel,
The two or more hollow cells are bundled and bound by at least one conductive wire as the external current collector to form a binding unit;
At least one of the hollow cells constituting the bundling unit is deformed from the original first shape to the second shape and returned to the first shape when a pressing force is applied from the outside. It is a recoverable hollow cell having elasticity that generates force,
The fuel cell according to claim 1, wherein the restorative hollow cell retains a second shape by a tightening force of the conductive wire in the binding unit.
該形状規定用中空型セルの略直線棒状の形状に沿って、前記復元性中空型セルが第二の形状に変形されている、請求項2に記載の燃料電池。 The bundling unit is a hollow cell constituting the bundling unit, and the shape of the substantially straight bar shape that defines the second shape of the restorable hollow cell by placing the restorable hollow cell along the surface thereof. Including at least one hollow cell for use,
3. The fuel cell according to claim 2, wherein the recoverable hollow cell is deformed into a second shape along a substantially straight bar shape of the shape defining hollow cell.
少なくとも1つの前記中空型セルが、少なくとも1つの棒状部材と共に束ねられ、少なくとも1つの線材によって結束されて結束単位を形成し、
該棒状部材及び該線材のうち少なくとも一つが、前記外部集電材であり、
該結束単位を構成する前記中空型セル及び前記棒状部材から選ばれる少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材であり、
該結束単位内において前記復元性中空型セル及び復元性棒状部材は、前記線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とする燃料電池。 A hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively, and at least one end portion thereof A fuel cell comprising a cell stack in which two or more open hollow cells are connected in parallel,
At least one hollow cell is bundled together with at least one rod-like member and bound by at least one wire to form a binding unit;
At least one of the rod-shaped member and the wire is the external current collector,
At least one selected from the hollow cell and the rod-shaped member constituting the binding unit is deformed from the original first shape to the second shape when a pressing force is applied from the outside, and the first It is a recoverable hollow cell or a recoverable rod-like member having elasticity that generates a restoring force to return to the shape,
In the binding unit, the recoverable hollow cell and the recoverable rod-shaped member maintain a second shape by a tightening force of the wire.
外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルを含む、2つ以上の中空型セルを準備し、
該復元性中空型セルを含む2つ以上の中空型セルを束ねて、前記外部集電材である少なくとも1つの導電性線材により復元性中空型セルが第二の形状を保持できるように締めつけ結束して結束単位を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。 A hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively, and at least one end portion thereof A method for producing a fuel cell comprising a cell stack in which two or more open hollow cells are connected in parallel,
A resilient hollow cell having elasticity that deforms from the original first shape to the second shape and generates a restoring force to return to the first shape when a pressing force is applied from the outside; 2 Prepare one or more hollow cells,
Two or more hollow cells including the restorative hollow cell are bundled and fastened so that the restorative hollow cell can maintain the second shape by at least one conductive wire as the external current collector. Forming a binding unit.
該形状規定用中空型セルの略直線棒状の形状に沿って前記復元性中空型セルを第二の形状に変形する、請求項18に記載の燃料電池の製造方法。 As a hollow cell constituting the bundling unit, a substantially straight rod-shaped hollow cell for defining a shape that defines the second shape of the recoverable hollow cell by placing the recoverable hollow cell along the surface thereof. At least prepare,
19. The method of manufacturing a fuel cell according to claim 18, wherein the recoverable hollow cell is deformed into a second shape along a substantially straight bar shape of the shape defining hollow cell.
少なくとも1つの中空型セル、少なくとも1つの棒状部材、及び少なくとも1つの線材を準備し、且つ、該棒状部材及び該線材のうちの少なくとも一つとしては、外部集電材となる導電性材料を選び、且つ、該中空型セル及び該棒状部材のうちの少なくとも一つとしては、外部から押圧力が負荷された時に元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材を選び、
該復元性中空型セル又は該復元性棒状部材を含む、少なくとも1つの中空型セル及び少なくとも1つの棒状部材を束ねて、少なくとも1つの線材により該復元性中空型セル及び該復元性棒状部材が第二の形状を保持できるように締めつけ結束して結束単位を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。 A hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, an internal current collector and an external current collector connected to the pair of electrodes, respectively, and at least one end portion thereof A method for producing a fuel cell comprising a cell stack in which two or more open hollow cells are connected in parallel,
Preparing at least one hollow cell, at least one rod-shaped member, and at least one wire, and selecting at least one of the rod-shaped member and the wire as a conductive material as an external current collector; At least one of the hollow cell and the rod-shaped member may be deformed from the original first shape to the second shape and returned to the first shape when a pressing force is applied from the outside. Choose a resilient hollow cell or resilient rod-like member that has elasticity to produce a restoring force to try,
At least one hollow cell and at least one rod-shaped member including the restorable hollow cell or the restorable rod-shaped member are bundled, and the at least one wire is used to make the recoverable hollow cell and the restorable rod-shaped member first. A method of manufacturing a fuel cell, comprising forming a binding unit by tightening and binding to hold the second shape.
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