JP2008140658A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】中空型セルを備えた燃料電池において、集電材の中空型セルに対する接触面積を確保して集電性を維持しながら、ガス拡散性を向上させる。
【解決手段】中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを備える燃料電池であって、
該中空型セルの内周面側及び外周面側のうち少なくとも一方の電極上に、自軸に垂直な断面が扁平形状を有する線状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延び、且つ、自軸に垂直な断面の長径方向が電極表面の垂線に対して0〜45度の範囲内の角度をもって配向するように配置されていることを特徴とする燃料電池。
【選択図】図2In a fuel cell having a hollow cell, gas diffusivity is improved while maintaining a current collecting property by securing a contact area of the current collector with the hollow cell.
SOLUTION: A hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one end portion is provided A fuel cell comprising an open hollow cell,
Two or more rows of linear current collectors having a flat cross section perpendicular to their own axis are parallel to each other on at least one of the inner and outer surfaces of the hollow cell. The fuel cell is arranged so that the major axis direction of the cross section extending in a direction perpendicular to its own axis is oriented with an angle in the range of 0 to 45 degrees with respect to the normal to the electrode surface.
[Selection] Figure 2
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に関する。 The present invention relates to a fuel cell including a hollow cell having a hollow electrolyte membrane.
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、水素を燃料とした場合、アノード(水素極)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(酸化剤極)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水素極側から酸化剤極側に、電気浸透により移動する。
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode (hydrogen electrode).
H 2 → 2H + + 2e − (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode (oxidant electrode) after working with an external load via an external circuit. The proton generated in the formula (1) moves in the solid polymer electrolyte membrane from the hydrogen electrode side to the oxidant electrode side by electroosmosis while being hydrated with water.
また、酸素を酸化剤とした場合、酸化剤極では(2)式の反応が進行する。
2H+ + (1/2)O2 + 2e− → H2O …(2)
酸化剤極で生成した水は、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。
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the oxidizing agent electrode.
2H + + (1/2) O 2 + 2e − → H 2 O (2)
The water produced at the oxidizer electrode 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水素極及び他面に酸化剤極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て用いられる。
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 a hydrogen electrode and an oxidant electrode is provided on one surface of a planar solid polymer electrolyte membrane and the obtained planar membrane / Flat single cells have been developed in which gas diffusion layers are further provided on both sides of the electrode assembly and sandwiched between flat 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 a number of problems such as technical difficulties and a decrease in power generation efficiency due to deflection and deformation of the planar membrane / electrode assembly.
近年、中空状の電解質膜の内周面側と外周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、その内周面と外周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 electrodes are respectively provided on an inner peripheral surface side and an outer peripheral surface side of a hollow electrolyte membrane is used as a basic power generation unit (for example, Patent Documents). 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 peripheral surface and the outer peripheral 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、中空型セルにおいて、内周面側ガス流路を流通する反応ガス(例えばここで燃料ガスである水素とするが、これに限定されず空気等の酸化剤ガスであってもよい)と中空型セルの外周面側を流通する反応ガス(例えばここで空気とするが、これに限定されず水素等の燃料ガスであってもよい)が反応して発電する。
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。特許文献2には、触媒電極層の外周面又は内周面に配置されたコイル状集電材を備えるチューブ型燃料電池用膜電極複合体が開示されている。また、特許文献3には、中空部材の外側に導電性巻線、電解質膜及び導電性巻線をこの順に備える水素燃料電池が開示されている。
通常、線状集電材としては、集電材の軸に垂直な断面がほぼ真円形のものが用いられ、そのような集電材が2列以上、隣との間隔を空けながら均等なピッチで中空型セルの内周面及び/又は外周面に配設されている。集電効果は、線状集電材を中空型セルの内周面及び/又は外周面に密に配設することにより、中空電極表面における集電材の接触面積を増やして向上させることができる。しかしながら、線状集電材を密に配設することによって、隣り合う集電材と集電材との間の間隔が狭いため、反応ガスの電極表面への供給を集電材が阻害してしまい、電極表面へのガス拡散性が低下してしまう虞がある。ガス拡散性が低下すると、濃度過電圧が大きくなり、電池性能が低下する可能性がある。
In a fuel cell including a hollow cell, a reaction gas (for example, hydrogen as a fuel gas here is used as a fuel gas in the hollow cell), but the oxidant gas such as air is not limited thereto. May be generated) and a reaction gas (for example, air here but may be a fuel gas such as hydrogen) flowing through the outer peripheral surface of the hollow cell reacts to generate electric power. .
Usually, in order to obtain a large voltage, first, a plurality of hollow cells are connected in parallel. 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.
Usually, as the linear current collector, one having a substantially circular cross section perpendicular to the axis of the current collector is used, and such current collectors are in a hollow type with two or more rows and at an equal pitch while keeping a distance between them. It is arranged on the inner peripheral surface and / or outer peripheral surface of the cell. The current collecting effect can be improved by increasing the contact area of the current collecting material on the surface of the hollow electrode by densely arranging the linear current collecting material on the inner peripheral surface and / or the outer peripheral surface of the hollow cell. However, by arranging the linear current collectors closely, the distance between the adjacent current collectors is narrow, so that the current collector inhibits the supply of the reaction gas to the electrode surface, and the electrode surface There is a risk that the gas diffusibility to the water will deteriorate. When the gas diffusibility is lowered, the concentration overvoltage is increased, and the battery performance may be lowered.
本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、中空型セルを備えた燃料電池において、集電材の中空型セルに対する接触面積を確保して集電性を維持しながら、ガス拡散性を向上させ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 equipped with a hollow cell, while ensuring the contact area of the current collector with the hollow cell and maintaining the current collecting property, the gas diffusibility is achieved. It aims at improving.
上記の目的は、集電材の自軸に垂直な断面を従来の真円形ではなく扁平形状とし、該扁平形状の長軸が電極(中空型セル)の表面に対してできる限り垂直になるように、該集電材を配置することにより達成される。 The purpose of the above is to make the cross section perpendicular to the own axis of the current collector a flat shape instead of the conventional perfect circle, so that the long axis of the flat shape is as perpendicular as possible to the surface of the electrode (hollow cell) This is achieved by arranging the current collector.
第1の発明に係る燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを備える燃料電池であって、
該中空型セルの内周面側及び外周面側のうち少なくとも一方の電極上に、自軸に垂直な断面が扁平形状を有する線状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延び、且つ、自軸に垂直な断面の長径方向が電極表面の垂線に対して0〜45度の範囲内の角度をもって配向するように配置されていることを特徴とする。
A fuel cell according to a first invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to the pair of electrodes, and A fuel cell comprising a hollow cell having at least one end opened,
Two or more rows of linear current collectors having a flat cross section perpendicular to their own axis are parallel to each other on at least one of the inner and outer surfaces of the hollow cell. The major axis direction of the cross section extending and perpendicular to its own axis is oriented with an angle in the range of 0 to 45 degrees with respect to the normal to the electrode surface.
前記中空型セルの外周面に、扁平形状の断面を有する前記線状集電材が巻きつけられていてもよい。 The linear current collector having a flat cross section may be wound around the outer peripheral surface of the hollow cell.
さらに、前記中空型セルの外周面に、扁平形状の断面を有する前記線状集電材が、螺旋状に巻きつけられていてもよい。 Further, the linear current collector having a flat cross section may be spirally wound around the outer peripheral surface of the hollow cell.
第2の発明に係る燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを備える燃料電池であって、
該中空型セルの内周面側及び外周面側のうち少なくとも一方の電極上に、自軸に垂直な断面が略楕円形状を有する線状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延びるように配置されており、且つ、
該線状集電材と電極との接触部分を、該線状集電材の自軸に対し垂直方向に切断した断面において、該線状集電材の自軸に垂直な略楕円形断面の外周と電極表面を表す境界線との接点における電極表面を表す境界線の接線を引き、さらに略楕円形断面の外周と接し且つ該接線と垂直に交差する2本の垂線を引いた場合に、2本の垂線で区切られた接線の長さをrとし、前記線状集電材の略楕円形状の断面と同じ断面積を有する真円の直径をRとしたときに、
下記式(1):
R>r・・・(1)
を満たすように、該線状集電材が電極表面に対して配向されていることを特徴とする。
A fuel cell according to a second invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to the pair of electrodes, and A fuel cell comprising a hollow cell having at least one end opened,
Two or more rows of linear current collectors having a substantially elliptical cross section perpendicular to its own axis are formed on at least one of the inner and outer peripheral surfaces of the hollow cell, with an interval between the current collector and the adjacent cell. Arranged to extend in parallel, and
In the cross section obtained by cutting the contact portion between the linear current collector and the electrode in a direction perpendicular to the own axis of the linear current collector, the outer periphery of the substantially elliptical cross section perpendicular to the own axis of the linear current collector and the electrode When a tangent line of the boundary line representing the electrode surface at the contact point with the boundary line representing the surface is drawn, and two perpendicular lines that are in contact with the outer periphery of the substantially elliptical cross section and perpendicularly intersect the tangent line are drawn, two lines are drawn. When the length of a tangent line separated by a perpendicular line is r, and the diameter of a perfect circle having the same cross-sectional area as the substantially elliptical cross section of the linear current collector is R,
Following formula (1):
R> r (1)
The linear current collector is oriented with respect to the electrode surface so as to satisfy the above.
前記中空型セルの外周面に、略楕円形状の断面を有する前記線状集電材が巻きつけられていてもよい。 The linear current collector having a substantially elliptical cross section may be wound around the outer peripheral surface of the hollow cell.
さらに、前記中空型セルの外周面に、略楕円形状の断面を有する前記線状集電材が、螺旋状に巻きつけられていてもよい。 Furthermore, the linear current collector having a substantially elliptical cross section may be spirally wound around the outer peripheral surface of the hollow cell.
また、前記略楕円形状の断面を有する前記線状集電材が、自軸に垂直な略楕円形断面の長径方向が電極表面の垂線に対して0〜45度の範囲内の角度をもって配向されていてもよい。 Further, the linear current collector having the substantially elliptical cross section is oriented so that the major axis direction of the substantially elliptical cross section perpendicular to its own axis is in the range of 0 to 45 degrees with respect to the normal to the electrode surface. May be.
本発明によれば、中空型セルの内周面側及び外周面側のうち少なくとも一方の電極上に、自軸に垂直な断面が扁平形状、更には略楕円形状を有する線状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延び、且つ、自軸に垂直な断面の長径方向が電極表面に対してできる限り垂直になるように配置されていることによって、集電材が電極に接触して集電性を確保しながら、集電材間の隙間を増大させることができる。したがって、集電材の形状が電極表面に対する反応ガスの拡散を阻害することなく、反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガス)のガス拡散性の向上が可能となり、発電性能を向上させることができる。 According to the present invention, on at least one of the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side of the hollow cell, the linear current collector having a flat cross section perpendicular to its own axis, and further having a substantially elliptical shape, The current collector is arranged in such a manner that the major axis direction of the cross section perpendicular to its own axis is as perpendicular as possible to the electrode surface as long as it extends in parallel with two or more rows with a distance from the next. It is possible to increase the gap between the current collectors while ensuring the current collecting property by contacting the current. Therefore, the gas diffusibility of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) can be improved without hindering the diffusion of the reaction gas to the electrode surface, and the power generation performance can be improved.
本発明の燃料電池は、集電材の自軸に垂直な断面を従来の真円形ではなく扁平形状とし、該扁平形状の長軸が電極(中空型セル)の表面に対してできる限り垂直になるように、該集電材を配置するという特徴に基づき、第1の発明及び第2の発明として捉えることができる。第1の発明及び第2の発明によれば、集電材が電極に接触して集電性を確保しながら、集電材の形状が電極表面に対する反応ガスの拡散を阻害しないようにし、ガス拡散性を向上させることができる。 In the fuel cell of the present invention, the cross section perpendicular to its own axis of the current collector is made flat instead of the conventional perfect circle, and the long axis of the flat shape is as perpendicular as possible to the surface of the electrode (hollow cell). Thus, based on the feature of arranging the current collector, it can be understood as the first invention and the second invention. According to the first and second aspects of the present invention, the current collector is in contact with the electrode to ensure the current collecting property, and the shape of the current collecting material is prevented from inhibiting the diffusion of the reaction gas with respect to the electrode surface. Can be improved.
第1の発明に係る燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを備える燃料電池であって、
該中空型セルの内周面側及び外周面側のうち少なくとも一方の電極上に、自軸に垂直な断面が扁平形状を有する線状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延び、且つ、自軸に垂直な断面の長径方向が電極表面の垂線に対して0〜45度の範囲内の角度をもって配向するように配置されていることを特徴とする。
ここで、扁平形状とは、外側及び/又は内側に弧状に膨らんでいる曲線及び/又は直線などの連続線で囲まれた形状であって、長軸(長径)と短軸(短径)を有するものをいう。例えば、扁平形状には、楕円形、台形、菱形、平行四辺形、ビーンズ形状などが含まれる。本願においては、該形状の最大長さを長軸といい、該長軸の中点を通過する直線を引いた場合における、該直線と該形状とが交わって区切られた直線の長さの中、最短長さを短軸という。該直線と該形状が3点以上で交わる場合には、最も外側の2点を以て長軸又は短軸を定める。
上述した自軸に垂直な断面の長径方向の電極表面の垂線に対する配向角度としては、線状集電材と電極との接触部分を、線状集電材の自軸に対し垂直方向に切断した断面において、電極表面を表す境界が直線である場合には、線状集電材の断面の長径方向と、電極表面を表す直線の垂線とのなす角を傾斜角とする。典型的には、中空電解質膜の外周面に、該中空電解質膜の軸方向と垂直に線状集電材を巻きつける場合が該当する。
A fuel cell according to a first invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to the pair of electrodes, and A fuel cell comprising a hollow cell having at least one end opened,
Two or more rows of linear current collectors having a flat cross section perpendicular to their own axis are parallel to each other on at least one of the inner and outer surfaces of the hollow cell. The major axis direction of the cross section extending and perpendicular to its own axis is oriented with an angle in the range of 0 to 45 degrees with respect to the normal to the electrode surface.
Here, the flat shape is a shape surrounded by a continuous line such as a curved line and / or a straight line that bulges outward and / or inside, and has a major axis (major axis) and a minor axis (minor axis). What you have. For example, the flat shape includes an ellipse, a trapezoid, a rhombus, a parallelogram, and a beans shape. In the present application, the maximum length of the shape is referred to as the major axis, and when the straight line passing through the midpoint of the major axis is drawn, the length of the straight line that is divided by the intersection of the straight line and the shape. The shortest length is called the short axis. When the straight line and the shape intersect at three or more points, the major axis or minor axis is determined by the two outermost points.
As the orientation angle with respect to the normal of the electrode surface in the major axis direction of the cross section perpendicular to the self-axis, the contact portion between the linear current collector and the electrode is cut in a direction perpendicular to the self-axis of the linear current collector. When the boundary representing the electrode surface is a straight line, the angle between the major axis direction of the cross section of the linear current collector and the perpendicular to the straight line representing the electrode surface is the inclination angle. Typically, a case where a linear current collector is wound around the outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane perpendicular to the axial direction of the hollow electrolyte membrane is applicable.
また、線状集電材と電極との接触部分を、線状集電材の自軸に対し垂直方向に切断した断面において、電極表面を表す境界が曲線(弧状)である場合には、線状集電材の断面の長径方向と、線状集電材の断面と電極表面を表す曲線との接点における電極表面を表す曲線の接線(すなわち、接点を通過する接線)の垂線とのなす角を傾斜角とする。典型的には、中空電解質膜の外周面に、該中空電解質膜の軸方向と平行に線状集電材を配置する場合が該当する。
扁平形状の断面を有する前記線状集電材は、中空電解質膜の外周面及び/又は内周面に、該中空電解質膜の軸方向と平行に配置されても、該中空電解質膜の軸方向と垂直に配置されてもよいが、作製が比較的容易であることから、中空型セルの外周面に巻きつけられていることが好ましく、螺旋状に巻きつけられていることがより好ましい。
In addition, in a cross section in which the contact portion between the linear current collector and the electrode is cut in a direction perpendicular to the axis of the linear current collector, if the boundary representing the electrode surface is a curve (arc), the linear current collector The angle between the major axis direction of the cross section of the electrical material and the perpendicular of the curve representing the electrode surface at the contact point between the cross section of the linear current collector and the curve representing the electrode surface (that is, the tangent line passing through the contact point) is the inclination angle To do. Typically, this corresponds to the case where a linear current collector is disposed on the outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane in parallel with the axial direction of the hollow electrolyte membrane.
The linear current collector having a flat cross section may be disposed on the outer peripheral surface and / or the inner peripheral surface of the hollow electrolyte membrane in parallel with the axial direction of the hollow electrolyte membrane. Although it may be arranged vertically, it is preferably wound around the outer peripheral surface of the hollow cell, and more preferably spirally wound, because it is relatively easy to manufacture.
第2の発明に係る燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを備える燃料電池であって、
該中空型セルの内周面側及び外周面側のうち少なくとも一方の電極上に、自軸に垂直な断面が略楕円形状を有する線状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延びるように配置されており、且つ、
該線状集電材と電極との接触部分を、該線状集電材の自軸に対し垂直方向に切断した断面において、該線状集電材の自軸に垂直な略楕円形断面の外周と電極表面を表す境界線との接点における電極表面を表す境界線の接線を引き、さらに略楕円形断面の外周と接し且つ該接線と垂直に交差する2本の垂線を引いた場合に、2本の垂線で区切られた接線の長さをrとし、前記線状集電材の略楕円形状の断面と同じ断面積を有する真円の直径をRとしたときに、
下記式(1):
R>r・・・(1)
を満たすように、該線状集電材が電極表面に対して配向されていることを特徴とする。
ここで、略楕円形状とは、数学的な楕円のみならず、外側に弧状に膨らんでいる連続線で囲まれた形状であって、長軸(長径)と短軸(短径)を有するものをいう。
A fuel cell according to a second invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to the pair of electrodes, and A fuel cell comprising a hollow cell having at least one end opened,
Two or more rows of linear current collectors having a substantially elliptical cross section perpendicular to its own axis are formed on at least one of the inner and outer peripheral surfaces of the hollow cell, with an interval between the current collector and the adjacent cell. Arranged to extend in parallel, and
In the cross section obtained by cutting the contact portion between the linear current collector and the electrode in a direction perpendicular to the own axis of the linear current collector, the outer periphery of the substantially elliptical cross section perpendicular to the own axis of the linear current collector and the electrode When a tangent line of the boundary line representing the electrode surface at the contact point with the boundary line representing the surface is drawn, and two perpendicular lines that are in contact with the outer periphery of the substantially elliptical cross section and perpendicularly intersect the tangent line are drawn, two lines are drawn. When the length of a tangent line separated by a perpendicular line is r, and the diameter of a perfect circle having the same cross-sectional area as the substantially elliptical cross section of the linear current collector is R,
Following formula (1):
R> r (1)
The linear current collector is oriented with respect to the electrode surface so as to satisfy the above.
Here, the substantially elliptical shape is not only a mathematical ellipse but also a shape surrounded by a continuous line that swells outward in an arc shape, and has a major axis (major axis) and a minor axis (minor axis). Say.
上記第1の発明と同様に、略楕円形状の断面を有する前記線状集電材も、中空電解質膜の外周面及び/又は内周面に、該中空電解質膜の軸方向と平行に配置されても、該中空電解質膜の軸方向と垂直に配置されてもよいが、作製が比較的容易であることから、中空型セルの外周面に巻きつけられていることが好ましく、螺旋状に巻きつけられていることがより好ましい。 Similarly to the first invention, the linear current collector having a substantially elliptical cross section is also arranged on the outer peripheral surface and / or inner peripheral surface of the hollow electrolyte membrane in parallel with the axial direction of the hollow electrolyte membrane. May be arranged perpendicular to the axial direction of the hollow electrolyte membrane, but since it is relatively easy to manufacture, it is preferably wound around the outer peripheral surface of the hollow cell, and wound in a spiral shape. More preferably.
以下、図を参照しながら、本発明の代表的な実施形態を以て詳しく説明していく。但し、本発明はこれに限定されない。
図1に示す本発明の代表的な実施形態は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セル1を備える燃料電池であって、該中空型セル1の外周面側の電極上に、自軸に垂直な断面が略楕円形状を有する線状集電材2が、隣との間隔を空けて螺旋状に巻きつけられている。
Hereinafter, a representative embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to this.
A typical embodiment of the present invention shown in FIG. 1 has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner and outer peripheral surfaces of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to the pair of electrodes, respectively. In addition, the fuel cell includes a
線状集電材2は、後述する中空型セルに通常用いられている集電材と同様の材料で形成され、且つ、自軸に垂直な断面が扁平形状、好ましくは略楕円形状を有する長尺の集電材であり、中空型セルを構成する該中空電解質膜の内周面又は外周面の集電材の少なくとも一部として用いられる。
略楕円形状における長軸と短軸のアスペクト比は、1.1:1〜5:1、好ましくは1.2:1〜2:1、より好ましくは1.4:1〜1.8:1である。また、線状集電材2の長さは、用いる中空型セル1の長さ及び外周に応じて任意である。
反応ガスが線状集電材2同士の間を通って電極に接触し、電気化学反応に用いられるため、線状集電材2は、隣との間隔を空けて、すなわち非接触の状態で配置されている。一方、集電効率を向上させるためには、線状集電材を中空型セルに密に巻くことが望ましい。線状集電材2は、作製が容易であることから、典型的には図1に示すように、線状集電材2の間隔がほぼ均等で、中空型セル1の軸方向に垂直に近い角度に配置されて巻かれる。このような、ガス拡散性と集電効率のバランスを考慮して、中空型セルの内周面及び/又は外周面における被覆面積(接触面積)の割合は、5:1〜1:1であることが好ましく、より好ましくは3:1〜1:1であり、さらに好ましくは1:1である。ここで、被覆面積とは、中空型セルの外周面又は内周面のうち、線状集電材が接触して覆っているため、反応ガスが透過できない領域の面積をいい、被覆面積の割合は、本発明の線状集電材が用いられている中空型セルの内周面及び/又は外周面における単位面積あたりの被覆面積の割合をいう。
The linear
The aspect ratio of the major axis to the minor axis in the substantially elliptical shape is 1.1: 1 to 5: 1, preferably 1.2: 1 to 2: 1, more preferably 1.4: 1 to 1.8: 1. It is. Further, the length of the linear
Since the reaction gas passes between the linear
本発明の代表的な実施形態は、上述した図1に加えて、図2に示すように、前記線状集電材2と前記電極(中空型セル1)との接触部分を、該線状集電材2の自軸に対し垂直方向に切断した断面において、該線状集電材2の自軸に垂直な略楕円形断面の外周と該電極表面を表す境界線3との接点4における電極表面を表す境界線3の接線5を引き、さらに線状集電材2における略楕円形断面の外周と接し且つ該接線5と垂直に交差する2本の垂線6a及び6bを引いた場合に、2本の垂線6a及び6bで区切られた接線5の長さをrとし、前記線状集電材の略楕円形状の断面と同じ断面積を有する真円7の直径をRとしたときに、
下記式(1):
R>r・・・(1)
を満たすように、該線状集電材2が電極(中空型セル1)表面に対して配向されている実施形態である。
In addition to FIG. 1 described above, a typical embodiment of the present invention has a contact portion between the linear
Following formula (1):
R> r (1)
In this embodiment, the linear
ここで、上述したように、線状集電材2は中空型セルの軸方向に対してほぼ垂直に巻かれているため、線状集電材2の自軸に対し垂直方向に切断した断面においては、図2に示すように、中空型セル1の表面を表す境界線3は、直線であり、該線状集電材2の自軸に垂直な略楕円形断面の外周と、該中空型セル1の表面を表す境界線3との接点4における該中空型セル1の表面を表す境界線3の接線5、すなわち、接点4を通過する接線5は、境界線3そのものが接線とみなされる。
他方、線状集電材2が中空型セルの軸方向に対してほぼ垂直に巻かれていない場合には、線状集電材2の自軸に対し垂直方向に切断した断面においては、中空型セル1(電極)表面を表す境界線3は、曲線であり、該線状集電材2の自軸に垂直な略楕円形断面の外周と、該中空型セル1(電極)表面を表す境界線3との接点4における電極表面を表す境界線3の接線5は、境界線3とは別の直線として表れる(後述する図7)。線状集電材2が中空型セルの軸方向に対してほぼ垂直に巻かれていない場合としては、線状集電材2が中空型セルの軸方向に対してほぼ垂直よりも角度をつけて巻かれている場合、線状集電材2が中空型セルの軸方向に平行に配置されている場合(後述する図6)などが挙げられる。
Here, as described above, since the linear
On the other hand, when the linear
式(1)は、略楕円形状の長軸が接線5に対して大きく傾き、すなわち配向角度が大きく、垂線6a及び6bで区切られた接線5の長さrが真円7の直径Rよりも大きくならないようにすることを意味する。
本発明の線状集電材2を図1に示すように巻きつけた場合を、自軸に垂直な断面が本発明の線状集電材2と同じ断面積を有する真円7である集電材(以下、仮想集電材という)を本発明の線状集電材2と同じ位置に同様に巻き付けた場合と比較すると、図2に示すように、仮想集電材よりも本発明の線状集電材の方が線状集電材同士の隙間が大きい。そのため、反応ガスが集電材の間に流入して電極表面に接触しやすく、ガス拡散性が高い。ここで、仮想集電材と本発明の線状集電材の断面積は同じであるため、電気伝導率は同じである。また、仮想集電材も本発明の線状集電材も接点4において中空型セル1の外周面の電極と接触しているため、同じように集電が可能である。
このような理由から、本発明の線状集電材は自軸に垂直な断面を略楕円形としているため、線状集電材2の断面の略楕円形の長軸が接線5に対して多少傾くように配向されることは許容できるが、線状集電材同士の隙間を大きくするために、できる限り略楕円形の長軸方向を電極表面に対して、すなわち、上述したように本実施形態においては、接線5に対して真直ぐに立てて配置することが好ましい。したがって、rは理想的には略楕円形の短径と同じであることが好ましい。
Formula (1) shows that the major axis of the substantially elliptical shape is greatly inclined with respect to the
When the linear
For this reason, the linear current collector of the present invention has a substantially elliptical cross section perpendicular to its own axis. Therefore, the major axis of the substantially elliptical shape of the cross section of the linear
具体的には、図3に示すように、略楕円形状の断面を有する前記線状集電材が、自軸に垂直な略楕円形断面の長径方向8が電極表面(本実施形態においては接線5)の垂線9に対して0〜45度の範囲内の角度(傾斜角θ)をもって配向されていることが好ましい。より好ましくは、0°〜30°、さらに好ましくは0°〜10°の範囲である。上記範囲を超えると、ガス拡散性を向上させることが難しく、また、線状集電材の配向角度を維持することが困難である。
図1及び図2に示した実施形態においては、本発明の線状集電材2が中空型セル1の外周面に巻きつけられているが、本発明の線状集電材2を中空型セル1の内周面側に配置されてもよい。
Specifically, as shown in FIG. 3, the linear current collector having a substantially elliptical cross section has a
In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the linear
尚、線状集電材2は、中空型セルの上流側が下流側よりも反応ガスの濃度が高いなど発電勾配が存在する場合には、中空型セルの上流側及び下流側において、電極表面に接触する線状集電材の自軸に垂直な断面のアスペクト比に差を設けてもよい。
本実施形態のように線状導電材のピッチが均等な状態においては、中空型セルの上流側及び下流側で該断面のアスペクト比に差を設け、線状導電材同士の隙間を調節することによって、反応ガスが中空型セルの表面に接触する度合を中空型セルの上流側及び下流側で調節することができる。このような形態としては、例えば、中空型セルの軸方向の上流側に、従来からの自軸に垂直な断面が真円(アスペクト比1)の集電材を配置し、下流側に本発明の自軸に垂直な断面が略楕円形状の集電材を配置する形態、中空型セルの軸方向の上流側に本発明の傾斜角が比較的大きい集電材を配置し、下流側に本発明の傾斜角が比較的小さい集電材を配置する形態、及びこれらの組み合わせなどが挙げられる。尚、線状集電材のピッチを均等とし、且つ、線状導電材の断面積を等しくする場合には、中空型セルの上流側及び下流側において単位面積当たりの集電性は同じである。
上記線状集電材同士の隙間の調節に加えて、中空型セルの上流側及び下流側において、線状導電材のピッチを変えて電極表面の線状集電材による被覆面積を調節し、反応ガスが中空型セルの表面に接触する度合を中空型セルの上流側及び下流側で調節することもできる。このような形態としては、例えば、中空型セルの上流側に線状集電材を密に巻き、下流側に線状集電材を粗く巻く形態などが挙げられる。尚、線状集電材のピッチに変化をつけるため、中空型セルの上流側及び下流側において単位面積当たりの集電性に差を生じさせることができる。
The linear
In the state where the pitch of the linear conductive material is uniform as in this embodiment, a difference is provided in the aspect ratio of the cross section between the upstream side and the downstream side of the hollow cell, and the gap between the linear conductive materials is adjusted. Thus, the degree to which the reaction gas contacts the surface of the hollow cell can be adjusted on the upstream side and the downstream side of the hollow cell. As such a form, for example, a current collector having a perfect circle (aspect ratio 1) perpendicular to its own axis is disposed on the upstream side in the axial direction of the hollow cell, and the present invention is disposed on the downstream side. A configuration in which a current collector having a substantially elliptical cross section perpendicular to its own axis is disposed, and a current collector having a relatively large inclination angle is disposed on the upstream side in the axial direction of the hollow cell, and the current collector is disposed on the downstream side. The form which arrange | positions the current collector with a comparatively small angle | corner, these combinations, etc. are mentioned. When the pitch of the linear current collector is made uniform and the cross-sectional area of the linear conductive material is equal, the current collecting performance per unit area is the same on the upstream side and the downstream side of the hollow cell.
In addition to the adjustment of the gap between the linear current collectors described above, on the upstream side and the downstream side of the hollow cell, the pitch of the linear conductive material is changed to adjust the coverage area of the electrode surface with the linear current collector, and the reaction gas It is also possible to adjust the degree of contact of the surface of the hollow cell with the upstream side and the downstream side of the hollow cell. Examples of such a form include a form in which a linear current collector is tightly wound on the upstream side of the hollow cell and the linear current collector is roughly wound on the downstream side. Since the pitch of the linear current collector is changed, it is possible to cause a difference in the current collecting performance per unit area between the upstream side and the downstream side of the hollow cell.
以下、図4及び5を参照しながら、本発明の燃料電池に備えられる中空型セル1について説明する。尚、図4及び図5には図示されていないが、上述したように線状集電材2は、後述する中空型セルに通常用いられている集電材と同様の材料で形成され、且つ、自軸に垂直な断面が略楕円形状を有する長尺の集電材であり、中空型セルを構成する該中空電解質膜の内周面又は外周面の集電材の少なくとも一部として用いられる。
図4は、本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの一形態例を示す斜視図、図5は、図4の中空型セルの模式的な断面図である。図4及び図5において、中空型セル1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膜)11、固体高分子電解質膜11の内周面側に設けられたアノード(本実施形態では燃料極)12及び外周面側に設けられたカソード(本実施形態では空気極)13を有している。さらに、アノード12の表面には、アノード側集電材14として柱状集電材が配置され、カソード13の表面には、カソード集電材15として、金属ワイヤからなる網状(ネット状)集電材15aと棒状集電材15b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周面(実質的には、アノード側集電材14の外周面に設けた溝14aによって形成された内周面側ガス流路に露出した部分)に水素ガス、外周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。
Hereinafter, the
FIG. 4 is a perspective view showing an example of a hollow cell provided in the fuel cell of the present invention, and FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the hollow cell of FIG. 4 and 5, a
On the hollow inner peripheral surface of the hollow cell having such a structure (substantially the portion exposed to the inner peripheral surface side gas flow path formed by the
図4の中空型セル1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1は、中空電解質膜の内周面側に反応ガスを十分に供給できるものであれば、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、内周面側の電極として、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
図4において、中空型セル1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. 4, the
チューブ状の固体高分子電解質膜11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。
The inner diameter, outer diameter, length, etc. of the tubular solid
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜は、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、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜の厚みは、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 perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity, but if it is too thin, the function of isolating gas is lowered and the permeation amount of aprotic hydrogen 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 perfluorocarbon sulfonic acid resin film 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。
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.
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。 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。 In the present embodiment, a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, which is a kind of proton conducting 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. .
電解質膜11の内周面及び外周面に設けられる各電極12、13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。通常は、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを積層して構成された電極が用いられる。
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。
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。
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.
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.
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。 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、中空電解質膜の内周面及び外周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 peripheral surface and outer peripheral 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周面及び外周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周面及び外周面に、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、電解質膜の内周面側に形成したガス拡散層の内周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 for providing a pair of electrodes on the inner and outer peripheral 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 peripheral surfaces of the tubular electrolyte membrane to form a catalyst layer, and carbonaceous particles and / or carbonaceous matter are formed on the two catalyst layers. The method of apply | coating and drying the solution containing a fiber and forming a gas diffusion layer is mentioned. At this time, the catalyst layer and the gas diffusion layer are formed so that the hollow portion exists on the inner peripheral surface of the gas diffusion layer formed on the inner peripheral 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)を内周面側電極(アノード)のガス拡散層として用い、当該ガス拡散層の外周面に電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して内周面側電極の触媒層を形成して内周面側電極を作製し、次に、当該触媒層の外周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周面に外周面側電極(カソード)の触媒層を形成し、当該触媒層の外周面に炭素材料を含む溶液を塗布・乾燥して外周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 carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers and formed into a tube shape (tubular carbonaceous material) is used as a gas diffusion layer of the inner peripheral surface side electrode (anode), A solution containing an electrolyte and catalyst particles is applied to the outer peripheral surface of the gas diffusion layer and dried to form a catalyst layer of the inner peripheral surface side electrode to produce the inner peripheral surface side electrode, and then the outer peripheral surface of the catalyst layer. A solution containing an electrolyte is applied and dried to form an electrolyte membrane layer, a catalyst layer of an outer peripheral surface side electrode (cathode) is formed on the outer peripheral surface of the electrolyte membrane layer, and a solution containing a carbon material on the outer peripheral surface of the catalyst layer There is also a method of forming a gas diffusion layer of the outer peripheral surface side electrode by applying and drying. 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に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.
次に、本発明の燃料電池に備えることができる集電材について説明する。集電材は、中空型セルの中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた電極にそれぞれ接続され、各セルの電流を取り出すものである。
本発明の集電材は、電気伝導性材料からなるものであれば特に限定されない。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。
集電材の形状は特に限定されず、柱状、ワイヤ状、棒状の他、線状でも、筒形状、環状でもよく、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。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。
Next, the current collector that can be provided in the fuel cell of the present invention will be described. The current collector is connected to electrodes provided on the inner peripheral surface and outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane of the hollow cell, and takes out the current of each cell.
The current collector of the present invention is not particularly limited as long as it is made of an electrically conductive material. Examples of the metal used as the current collector include at least one metal selected from Al, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In, and the like, or those such as stainless steel The alloy is 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 shape of the current collector is not particularly limited, and may be a linear shape, a cylindrical shape, or an annular shape in addition to a columnar shape, a wire shape, or a rod shape. For example, a sheet material such as a spring-shaped metal wire, metal foil, metal sheet, or carbon sheet The thing which consists of can also be applied. The thickness of the wire and the braid density, the thickness of the rod-shaped current collector, etc. are not particularly limited.
集電材の形態としては、本発明の線状集電材を中空型セルの内周面及び/又は外周面に配置することができる。集電材は複数の形態を組み合わせて用いることができ、以下にその他の典型的な集電材の形態を説明する。
例えば図5に示すようなアノード側集電材(本実施形態においては内面側電極表面に配置される内部集電材)14は中空型セル1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1の軸方向(長手方向)に延びる溝14aが形成されている。この溝14aと内周面側電極12との隙間が水素ガスを供給するための内周側ガス流路1a(図1に図示)となる。溝14aとしては、中空型セル1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1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。
As a form of the current collector, the linear current collector of the present invention can be disposed on the inner peripheral surface and / or outer peripheral surface of the hollow cell. The current collector can be used in combination with a plurality of forms. Other typical forms of the current collector will be described below.
For example, an anode side current collector (in this embodiment, an internal current collector disposed on the inner surface side electrode surface) 14 as shown in FIG. 5 is a columnar current collector having an outer diameter in contact with the inner peripheral surface of the
また、カソード側集電材(本実施形態においては、外面側電極表面に配置される外部集電材)15としては、例えば図4に示すように、中空型セル1と棒状集電材15bを平行にして交互に並べ、これら両者の外周面を被覆するように金属ワイヤを編みこんだカソード側集電材15の一部である網状集電材15aが形成されている。金属ワイヤからなる網状集電材15aは、複数の中空型セル1と各中空型セルの棒状集電材15bとを一体化するように、且つ、各中空型セルのカソード(外面側電極)及び各棒状集電材15bに接触するように、金属ワイヤが編み込まれており、網状集電材15aは複数の中空型セルで共有されている。このとき、各中空型セルのカソード側集電材(15a、15b)は相互に電気的に接続された接続網を形成している。但し、集電材の形状はあくまでも例示であってこれらに限定されない。
Further, as the cathode side current collector (in this embodiment, the external current collector disposed on the outer surface side electrode surface) 15, for example, as shown in FIG. 4, the
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。
尚、中空型セル1と集電材の間には、反応ガス遮断性材料や導電性の部材を介在させてもよい。該導電性の部材の材料等は導電材と同様のものを用いることができる。
These current collectors are fixed on the electrodes with a conductive adhesive such as a carbon-based adhesive or an Ag paste as necessary.
A reactive gas blocking material or a conductive member may be interposed between the
次に、本発明の燃料電池に備えることができる熱交換部材について説明する。
熱交換部材は、中空型セルの軸方向の長さに沿って少なくとも一部領域と接触し、本発明を実施できるものであればよいが、通常は、中空型セルと平行に設けられる管であり、一つの熱媒体供給口及び一つの熱媒体排出口を有することが好ましい。このような構造の熱交換部材を用いることで、熱交換部材を固定するシール構造を単純化することができるからである。
熱交換部材は、図示しない熱交換器に接続されており、該熱交換器を熱媒体が循環し、熱交換部材の中を熱媒体が流通する。熱交換部材の中の熱媒体は中空型セルと熱交換した後、流路を通って熱交換器に回収され、当初の熱状態に戻され、再び熱交換部材の中に供給されて循環する。
Next, the heat exchange member that can be provided in the fuel cell of the present invention will be described.
The heat exchange member may be any one that can be in contact with at least a partial region along the axial length of the hollow cell and can implement the present invention, but is usually a tube provided in parallel with the hollow cell. It is preferable to have one heat medium supply port and one heat medium discharge port. This is because the seal structure for fixing the heat exchange member can be simplified by using the heat exchange member having such a structure.
The heat exchange member is connected to a heat exchanger (not shown), the heat medium circulates through the heat exchanger, and the heat medium circulates through the heat exchange member. The heat medium in the heat exchange member exchanges heat with the hollow cell, and then is collected in the heat exchanger through the flow path, returned to the original heat state, supplied to the heat exchange member again, and circulated. .
熱交換部材は、該熱交換部材の中を熱媒体が流通することによって、中空型セルを所定の温度範囲まで冷却又は加温できるような熱伝導性を有する材料で形成される。このような材料としては、例えば、Cu、Al、Ti、Pt、Ag、Au等の一般的な金属や、これら金属の組み合わせによる合金又はクラッド材等が挙げられる。
上記冷却管の外径としては、中空型セルの大きさ等によって異なり、特に限定されるものではないが、通常0.5〜2mmの範囲内である。
熱媒体は、一般的に冷却剤として、又は熱媒ヒーター、ボイラーに用いられている流体を使用することができ、液体であっても、気体であってもよい。例えば、液体としては、水、エチレングリコール、等、気体としては、空気等が挙げられる。冷却効果の点から通常は、液体の冷却剤が好ましい。液体の冷却剤としては、対流性、耐凍性、腐食性の観点から、エチレングリコールを好適に用いることができる。また、セルを加温する場合には、熱媒体油、砂などを熱媒体として用いることができる。
上記熱交換器としては、一般的なものを用いることができる。例えば、冷却ファン等の通風によって放熱させるものや、熱媒体となる溶媒を流通させることによって放熱させるもの、外気である空気を利用した空冷方式のもの等が挙げられる。中でも、空気中に放熱するラジエータが好ましい。
The heat exchange member is formed of a material having thermal conductivity that allows the hollow cell to be cooled or heated to a predetermined temperature range when a heat medium flows through the heat exchange member. Examples of such materials include common metals such as Cu, Al, Ti, Pt, Ag, and Au, and alloys or clad materials of combinations of these metals.
The outer diameter of the cooling pipe varies depending on the size of the hollow cell and is not particularly limited, but is usually in the range of 0.5 to 2 mm.
As the heat medium, a fluid generally used as a coolant or a heat medium heater or a boiler can be used, and may be a liquid or a gas. For example, examples of the liquid include water and ethylene glycol, and examples of the gas include air. From the viewpoint of the cooling effect, a liquid coolant is usually preferable. As the liquid coolant, ethylene glycol can be preferably used from the viewpoints of convection, freezing resistance, and corrosivity. Moreover, when heating a cell, heat medium oil, sand, etc. can be used as a heat medium.
As the heat exchanger, a general heat exchanger can be used. For example, those that radiate heat by ventilation such as a cooling fan, those that radiate heat by circulating a solvent serving as a heat medium, and those that use an air-cooling system that uses air as the outside air can be used. Among these, a radiator that radiates heat in the air is preferable.
本発明の燃料電池に用いられる線状集電材は、上述したように、自軸に垂直な断面が扁平形状、更に好ましくは略楕円形状を有する長尺な集電材であることを特徴とする。そのような線状集電材を、隣との間隔を空けて、すなわち非接触の状態で2列以上並行して延ぶように配置する形態として、中空型セルの外周面に該線状集電材を巻きつけるものがあり、上記代表例として中空型セルの外周面に線状集電材を螺旋状に巻きつける形態を示した。
本発明においては以下のような変形例が挙げられる。
(第1の変形例)
本発明の燃料電池は、中空型セルの外周面側の電極上に、自軸に垂直な断面が扁平形状を有する環状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延び、且つ、自軸に垂直な断面の長径方向が電極表面の垂線に対して0〜45度の範囲内の角度をもって配向するように巻きつけられていることを特徴とする実施形態であってもよい。
線状部材を中空型セルに巻きつける形態には、螺旋状に巻きつける形態に限定されず、上記の中空型セルの軸方向に所望の間隔をあけて環状の集電材を複数配置する(中空型セルに嵌め込む)形態も含まれる。第1の変形例を図示すると、図1と同様の斜視図になる。
環状集電材の内径は、中空型セルの外径に合わせて任意である。
尚、本発明の線状集電材は、中空型セルの内周面側に配置されていてもよい。
(第2の変形例)
本発明の線状集電材を、隣との間隔を空けて2列以上並行して延ぶように配置する形態としては、上述した中空型セルの外周面に該線状集電材を巻きつけるもの以外に、以下の形態も含まれる。
本発明の燃料電池は、図6の斜視図に示すように、中空型セル1の外周面側の電極上に、自軸に垂直な断面が略楕円形状を有する線状集電材2が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延びるように、中空型セル1の軸方向と平行に配置されており、且つ、
図7の部分的断面図に示すように、該線状集電材2と電極(中空型セル1)との接触部分を、該線状集電材2の自軸に対し垂直方向に切断した断面において、該線状集電材2の自軸に垂直な略楕円形断面の外周と電極表面を表す境界線3との接点4における電極表面を表す境界線3の接線5を引き、さらに略楕円形断面の外周と接し且つ該接線5と垂直に交差する2本の垂線6a及び6bを引いた場合に、2本の垂線6a及び6bで区切られた接線5の長さをrとし、前記線状集電材2の略楕円形状の断面と同じ断面積を有する真円の直径をRとしたときに、
下記式(1):
R>r・・・(1)
を満たすように、該線状集電材2が電極表面に対して配向されていることを特徴とする実施形態であってもよい。
上記線状集電材の長さは、中空型セル1の軸方向の長さと合わせて任意である。
尚、上記線状集電材を中空型セルの内周面側に配置してもよい。
As described above, the linear current collector used in the fuel cell of the present invention is a long current collector having a flat cross section perpendicular to its own axis, more preferably a substantially elliptical shape. Such a linear current collector is arranged on the outer peripheral surface of the hollow cell as a form in which the linear current collector is arranged so as to extend in parallel with two or more rows in a non-contact state. As a typical example, a mode in which a linear current collector is spirally wound around the outer peripheral surface of a hollow cell is shown.
In the present invention, the following modifications are given.
(First modification)
In the fuel cell of the present invention, on the electrode on the outer peripheral surface side of the hollow cell, an annular current collector having a flat cross section perpendicular to its own axis extends in parallel with two or more rows with an interval between them, In addition, the embodiment may be characterized by being wound so that the major axis direction of the cross section perpendicular to its own axis is oriented at an angle within a range of 0 to 45 degrees with respect to the normal to the electrode surface. .
The form in which the linear member is wound around the hollow cell is not limited to the form wound in a spiral shape, and a plurality of annular current collectors are arranged at a desired interval in the axial direction of the hollow cell (hollow A form that fits into a mold cell is also included. When the first modification is illustrated, a perspective view similar to FIG. 1 is obtained.
The inner diameter of the annular current collector is arbitrary according to the outer diameter of the hollow cell.
The linear current collector of the present invention may be disposed on the inner peripheral surface side of the hollow cell.
(Second modification)
As a form in which the linear current collector of the present invention is arranged so as to extend in parallel with two or more rows with an interval between adjacent ones, the linear current collector is wound around the outer peripheral surface of the hollow cell described above. In addition, the following forms are also included.
In the fuel cell of the present invention, as shown in the perspective view of FIG. 6, the linear
As shown in the partial cross-sectional view of FIG. 7, the contact portion between the linear
Following formula (1):
R> r (1)
In another embodiment, the linear
The length of the linear current collector is arbitrary together with the length of the
The linear current collector may be disposed on the inner peripheral surface side of the hollow cell.
上述したような本発明の燃料電池によれば、中空型セルの内周面側及び外周面側のうち少なくとも一方の電極上に、自軸に垂直な断面が扁平形状、更に好ましくは略楕円形状を有する線状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延び、且つ、自軸に垂直な断面の長径方向が電極表面に対してできる限り垂直になるように配置されていることによって、集電材が電極に接触して集電性を確保しながら、集電材間の隙間を増大させることができる。したがって、集電材の形状が電極表面に対する反応ガスの拡散を阻害することなく、反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガス)のガス拡散性の向上が可能となり、発電性能を向上させることができる。 According to the fuel cell of the present invention as described above, the cross section perpendicular to its own axis is flat, more preferably substantially elliptical, on at least one of the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side of the hollow cell. Are arranged so that the major axis direction of the cross section perpendicular to its own axis is as perpendicular to the electrode surface as possible as long as possible. Thus, the gap between the current collectors can be increased while the current collectors are in contact with the electrodes to ensure current collection. Therefore, the gas diffusibility of the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) can be improved without hindering the diffusion of the reaction gas to the electrode surface, and the power generation performance can be improved.
本発明の燃料電池は、少なくとも上述した中空型セル、集電材及び熱交換部材の一体化物を並列又は直列に2本以上備えるセルスタックを、並列又は直列に2つ以上接続したものである。
具体的には、図8に示すように、セルスタック30は、中空型セル1、集電材及び熱交換部材の一体化物(セルモジュール29)を2本以上備える。セルスタック30の両端部には、中空型セル1の中空内に水素ガスを流通させるガス用マニホールド31a及び31bと、熱交換部材内に熱媒体を流通させる熱媒体用マニホールド32a及び32bとが備えられ、さらに、各中空型セル1で発生した電荷を集める集電部(不図示)が備えられている。ガス用マニホールド31a及び31b内である水素ガス流路33と、ガス用マニホールド31a及び31bの間である酸化剤ガス流路34との間に配置されている隔壁35a及び35b(上述した外部拘束部材に相当する)には、セルモジュール29を挿入することができる貫通孔が所定の間隔で設けられており、複数のセルモジュール29はその両端を対向しあう隔壁35a及び35bの貫通孔に挿入することによって、所定間隔で且つ互いに長手方向が平行となるように整列されている。隔壁35a及び35bの酸化剤ガス流路側には、ポッティング材を流し込んで貫通孔の周囲を含む領域を密閉するポッティング処理等が施されており、貫通孔に挿入されたセルモジュール29が一体に固定されている。
セルスタック30において、入口側のガス用マニホールド(例えば、31a)を介してセルスタック30へと供給された水素は、各中空型セル1の内周面側ガス流路1aを通って、酸化剤ガス流路34からの中空型セル1の外周面に供給される空気中の酸素と電解質膜を介して電気化学反応し、当該電気化学反応に使用されなかった水素等は出口側のガス用マニホールド(例えば、31b)を介して回収される。また、セルスタック30において、上記集電部は、一方が中空型セル1の図4に示した負極側集電材14に電気的に接続されるとともに、他方が図4に示した正極側集電材15(15a,15b)に電気的に接続されることにより、複数の中空型セル1で発生した電荷を集めて(集電して)いる。
The fuel cell of the present invention is obtained by connecting two or more cell stacks in parallel or in series, each including at least two of the above-described hollow cell, current collector and heat exchange member in parallel or in series.
Specifically, as shown in FIG. 8, the
In the
1…中空型セル
1a…内周側ガス流路
2…線状集電材
3…境界線
4…接点
5…接線
6a、6b…垂線
7…真円
8…長径(長軸)方向
9…電極表面の垂線
11…中空電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸膜)
12…アノード(内周面側電極)
13…カソード(外周面側電極)
14…アノード側集電材(内部集電材)
14a…溝
15(15a,15b)…カソード側集電材(外部集電材)
29…セルモジュール
30…セルスタック
31(31a,31b)…ガス用マニホールド
32(32a,32b)…熱媒体用マニホールド
33…水素ガス流通路
34…酸化剤ガス流通路
35(35a,35b)…隔壁
DESCRIPTION OF
12 ... Anode (inner surface side electrode)
13 ... Cathode (outer peripheral surface side electrode)
14 ... Anode-side current collector (internal current collector)
14a ... Groove 15 (15a, 15b) ... Cathode side current collector (external current collector)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
該中空型セルの内周面側及び外周面側のうち少なくとも一方の電極上に、自軸に垂直な断面が扁平形状を有する線状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延び、且つ、自軸に垂直な断面の長径方向が電極表面の垂線に対して0〜45度の範囲内の角度をもって配向するように配置され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 peripheral surface and an outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one end thereof being open A fuel cell comprising a type cell,
Two or more rows of linear current collectors having a flat cross section perpendicular to their own axis are parallel to each other on at least one of the inner and outer surfaces of the hollow cell. The fuel cell is arranged so that the major axis direction of the cross section extending in a direction perpendicular to its own axis is oriented with an angle in the range of 0 to 45 degrees with respect to the normal to the electrode surface.
該中空型セルの内周面側及び外周面側のうち少なくとも一方の電極上に、自軸に垂直な断面が略楕円形状を有する線状集電材が、隣との間隔を空けて2列以上並行して延びるように配置されており、且つ、
該線状集電材と電極との接触部分を、該線状集電材の自軸に対し垂直方向に切断した断面において、該線状集電材の自軸に垂直な略楕円形断面の外周と電極表面を表す境界線との接点における電極表面を表す境界線の接線を引き、さらに略楕円形断面の外周と接し且つ該接線と垂直に交差する2本の垂線を引いた場合に、2本の垂線で区切られた接線の長さをrとし、前記線状集電材の略楕円形状の断面と同じ断面積を有する真円の直径をRとしたときに、
下記式(1):
R>r・・・(1)
を満たすように、該線状集電材が電極表面に対して配向され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 peripheral surface and an outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one end thereof being open A fuel cell comprising a type cell,
Two or more rows of linear current collectors having a substantially elliptical cross section perpendicular to its own axis are formed on at least one of the inner and outer peripheral surfaces of the hollow cell, with an interval between the current collector and the adjacent cell. Arranged to extend in parallel, and
In the cross section obtained by cutting the contact portion between the linear current collector and the electrode in a direction perpendicular to the own axis of the linear current collector, the outer periphery of the substantially elliptical cross section perpendicular to the own axis of the linear current collector and the electrode When a tangent line of the boundary line representing the electrode surface at the contact point with the boundary line representing the surface is drawn, and two perpendicular lines that are in contact with the outer periphery of the substantially elliptical cross section and perpendicularly intersect the tangent line are drawn, two lines are drawn. When the length of a tangent line separated by a perpendicular line is r, and the diameter of a perfect circle having the same cross-sectional area as the substantially elliptical cross section of the linear current collector is R,
Following formula (1):
R> r (1)
The fuel cell, wherein the linear current collector is oriented with respect to the electrode surface so as to satisfy
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
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2006
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