JP2004335145A

JP2004335145A - Fuel battery and its manufacturing method

Info

Publication number: JP2004335145A
Application number: JP2003125594A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Nagoshi; 健太郎名越; Yoshinori Wariishi; 義典割石; Yukito Tanaka; 之人田中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2004-11-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery in a compact, light-weight, and simple structure securing enough generating volume with a maintenance easily made. <P>SOLUTION: Hexagonal column cells 50 as generating cells constituting a fuel battery have a base member 32 of a porous metal, a cathode electrode layer 36, an electrolyte layer 38 and an anode electrode layer 40 arranged from an outer periphery toward an inner periphery, and has a fuel gas supply channel 52 supplying fuel gas, and a non-conductive pipe through which a cooling medium is supplied. While oxidant gas supplied to the base member 32 at the outer periphery reaches the cathode electrode layer 36, the fuel gas supplied to the fuel gas supply channel of the inner periphery is ionized at the electrolyte layer 38 through the anode electrode layer 40 and reaches the cathode electrode layer 36 and reacts with the oxidant gas. Electrons obtained at the electrolyte layer 38 are taken outside from the anode electrode layer 40 through an anode electrode terminal plate 42. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルを複数集合して構成される燃料電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガス等の燃料ガスと酸素ガスを含む空気等の酸化剤ガスとを電解質膜上で反応させて発電を行うものであり、例えば、図２０に示す積層構造からなるものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
図２０に示す燃料電池は、水素イオン導電性の固体高分子電解質膜の両面に白金触媒を担持させた多孔質カーボン電極（ガス拡散電極）を配設したシート状の膜・電極接合体（ＭＥＡ）２ａ、２ｂ、２ｃ、…を、溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を介して複数積層して構成される。
【０００４】
溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…の一方の面と膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…との間には、燃料ガス（Ｈ_２）が供給され、溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…の他方の面と膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…との間には、酸化剤ガス（Ｏ_２）が供給される。膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…は、両面に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電流を生成し、生成された電流が溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を介して外部に取り出される。
【０００５】
また、他の形態からなる燃料電池として、図２１に示す４つの円筒型セル６ａ〜６ｄを接続して構成されるものが知られている（特許文献２参照）。
【０００６】
各円筒型セル６ａ〜６ｄは、円筒型のチューブ状を呈し、中心部には、空気通路８が配設され、その外方には、支持管９、カソード電極１０、固体電解質層１２およびアノード電極１４が同心円状に配設される。なお、支持管９、カソード電極１０、固体電解質層１２およびアノード電極１４は、酸化物セラミックスや耐熱・耐酸化性の金属で構成される。また、隣接する円筒型セル６ａ〜６ｄ同士、集電板１６、１８および円筒型セル６ａ〜６ｄは、それぞれフェルトＮｉ２０によって電気的に接続される。
【０００７】
各円筒型セル６ａ〜６ｄの空気通路８には、酸化剤ガスが供給され、円筒型セル６ａ〜６ｄと集電板１６、１８との間には、燃料ガスが供給される。この場合、円筒型セル６ａ、６ｂおよび６ｃ、６ｄは、並列に接続され、円筒型セル６ａ、６ｃおよび６ｂ、６ｄは、直列に接続されており、各円筒型セル６ａ〜６ｄによって生成された電流が集電板１６、１８を介して外部に取り出される。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−２８３０９３号公報（図３）
【特許文献２】
特開２０００−５８０８９号公報（図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２０に示す構成からなる燃料電池では、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…における電気的な接触抵抗を低減させ、また、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…の両面に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの気密性を確保するため、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…および溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を高い面圧で均等に圧着させ、且つ、周縁部を確実にシールする必要がある。
【００１０】
この場合、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…および溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を圧着させる機構によって燃料電池全体の重量が増加するだけでなく、圧着力によって膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…が薄くなるため、出力が低下することが懸念される。また、各膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…を分離する溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…が必要となるため、重量がさらに増加してしまう。
【００１１】
また、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…に対して燃料ガスや酸化剤ガスを供給する流路が複雑化することが指摘されている。このような流路から反応によって生じた水を適切に外部に排出することができない場合、その水が反応ガスの供給の妨げとなったり、氷点下での使用に際して凍結する事態が生じると、発電ができなくなってしまうおそれがある。
【００１２】
また、図２０の構成からなる燃料電池では、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…および溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…が高い圧力で圧着されているため、例えば、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…の１つに不良が発生した場合、その膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…のみを抜き取って交換することが極めて困難である。
【００１３】
さらに、燃料電池の発電量は、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…の面積に依存する。図２０に示す燃料電池は、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…がシート状の平面から構成されているため、十分な発電量を確保するには、燃料電池を大型にしなければならない。
【００１４】
一方、図２１に示す構成からなる燃料電池の場合、各円筒型セル６ａ〜６ｄが、３次元的に構成されているため、図２０の構成からなる燃料電池と比較すると、発電に寄与する固体電解質層１２の面積を広く設定することが可能となる。
【００１５】
しかしながら、各円筒型セル６ａ〜６ｄの形状が円筒形状であり、隣接する円筒型セル６ａ〜６ｄ同士のフェルトＮｉ２０を介した電気的な接続部分がライン状となるため、接触抵抗が大きくなることが懸念される。このような問題を解消するためには、各円筒型セル６ａ〜６ｄ同士を加圧して圧着させることが必要になる。
【００１６】
また、円筒型セル６ａ〜６ｄの形状が円筒状であるため、円筒型セル６ａ〜６ｄ間の燃料ガスが供給されるスペースが必要以上に大きく設定されてしまう。従って、燃料電池の構成が大型化してしまうという不具合がある。
【００１７】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、発電量を十分に確保して燃料電池を小型、軽量にすることができるとともに、簡易な構成とし、メンテナンスを容易に行うことができる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルから構成される燃料電池において、
前記発電セルは、前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを多角柱形状に折曲して形成した多角柱型セルからなり、
前記多角柱型セルの内周部には、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの一方の反応ガスが供給され、前記多角柱型セルの外周部には、他方の前記反応ガスが供給されることを特徴とする。
【００１９】
請求項１記載の本発明では、発電セルを多角柱型セルとすることで、複数の多角柱型セルを隣接して配置した際、それらを近接させて集積率の高い燃料電池を得ることができる。
【００２０】
この場合、隣接して配置される多角柱型セル間の所定部位に反応ガスの流路を規制する隔壁を配設することで、反応ガスを各多角柱型セルに有効に供給して発電を行うことができる。
【００２１】
請求項３記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルを複数集合して構成される燃料電池において、
前記発電セルは、前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを多角柱形状に折曲して形成した多角柱型セルによって構成され、
前記多角柱型セルは、内周部に配設される前記アノード電極部または前記カソード電極部に接続され、隣接する一方の前記多角柱型セルの前記アノード電極部を、隣接する他方の前記多角柱型セルの前記カソード電極部に電気的に接続する端子部を外周側面の１つに備え、
前記多角柱型セルの内周部には、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの一方の反応ガスが供給され、前記多角柱型セルの外周部には、他方の前記反応ガスが供給されることを特徴とする。
【００２２】
請求項３記載の本発明では、発電セルを多角柱型セルとすることで、隣接する多角柱型セルが近接して配置され、集積率の高い燃料電池を得ることができる。また、隣接する多角柱型セルの端子部と端子部を除く外周側面とが面で接触し、接触抵抗の小さい電気回路を構成することができる。
【００２３】
なお、隣接する多角柱型セルの回路を構成しない外周側面に絶縁層を形成することで、所望の電気回路を構成することができる。この絶縁層は、多角柱型セルの一部に形成することにより、多角柱型セルの外周部に対して支障なく反応ガスを供給することができる。
【００２４】
また、多角柱型セルを構成するアノード電極部、カソード電極部および電解質層を、多角柱型セルの内周部に凹凸形状として形成することにより、燃料電池を大型化することなく発電に寄与する面積を確保することができる。
【００２５】
また、多角柱型セルの内周部に熱交換媒体が供給される媒体通路を配設することで、熱交換媒体によって多角柱型セルを効率的な発電を行う所望の温度に調整することができる。なお、媒体通路を非導電性パイプ、あるいは、絶縁層からなる通路とすることで、熱交換媒体を介して電流が漏洩する事態を回避することができる。
【００２６】
多角柱型セルの形状としては、４角柱形状、８角柱形状等を選択することができるが、６角柱形状とした場合、反応ガスの通路を十分に確保した状態で多角柱型セルの集積率を上げることができる。
【００２７】
また、複数の多角柱型セルをセルユニットとし、複数の前記セルユニットを組み合わせて燃料電池を構成することができる。
【００２８】
多角柱型セルの１つの側面を構成する端子部は、多角柱型セルの内部に供給される反応ガスが外部に漏洩することを回避でき、且つ、電気的に導通できるものであり、アノード電極部またはカソード電極部を構成する多孔質体の一部に導電性物質を含浸させて形成することができる。
【００２９】
また、端子部と、多角柱型セルの外周部に配設されるアノード電極部またはカソード電極部との間に絶縁性物質を含浸させて絶縁部を形成することができる。
【００３０】
また、多角柱型セルは、反応ガスを流通可能なスペーサを介して上下に積層して構成することにより、反応ガスの供給通路を共用し、且つ、反応ガスや生成された水が通路内に滞留しない状態とすることができる。
【００３１】
請求項１５記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルからなる燃料電池の製造方法において、
前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを積層し、端部に前記アノード電極部または前記カソード電極部に接続される端子部を連結した展開状態のシート体を形成するステップと、
前記端子部が連結される前記アノード電極部または前記カソード電極部が内周部となるように前記シート体を多角柱形状に折曲し、多角柱型セルを形成するステップと、
からなることを特徴とする。
【００３２】
請求項１７記載の本発明では、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルからなる燃料電池の製造方法において、
多角柱の内部から外部、または、外部から内部にかけて、前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを積層して多角柱型セルを形成するステップと、
前記多角柱型セルの外周面の１つから導電性物質を含浸させ、内部に形成される前記アノード電極部または前記カソード電極部と電気的に接続する端子部を形成するステップと、
前記端子部と前記多角柱型セルの他の外周面との間に絶縁性物質を含浸させ、前記端子部と前記他の外周面とを電気的に絶縁状態とするステップと、
からなることを特徴とする。
【００３３】
この場合、多角柱型セルの端子部と、隣接する多角柱型セルの外周面の１つとを密着させ、複数の多角柱型セルを集合させた燃料電池を製造することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の燃料電池を構成する発電セルの展開シート体３０を示す。展開シート体３０は、ガス通過性の多孔質金属からなる長尺なベース部材３２を有し、ベース部材３２の一方の面には、ベース部材３２の短手方向に延在する３角柱状の凸部３４が形成される。本実施形態の場合、ベース部材３２の長手方向に１５個の凸部３４が形成される。
【００３５】
凸部３４には、図２に示すように、ベース部材３２を介して酸化剤ガス（Ｏ_２）が供給される多孔質金属からなる電極触媒層であるカソード電極層３６が接合して形成される。カソード電極層３６には、水素イオン導電性の固体高分子電解質膜からなる電解質層３８が接合して形成される。電解質層３８には、燃料ガス（Ｈ_２）が供給される多孔質金属からなる電極触媒層であるアノード電極層４０が接合して形成される。
【００３６】
アノード電極層４０の端部には、ベース部材３２の長手方向に沿って延在するアノード電極端子板４２が接続される。アノード電極端子板４２は、ガスを通過させない金属箔から形成される。
【００３７】
アノード電極端子板４２の幅は、本実施形態の場合、３個の凸部３４が形成されるベース部材３２の幅と同じに設定される。ベース部材３２の他方の面には、ベース部材３２の長手方向に延在する帯状の絶縁層４４ａ〜４４ｆが形成される。なお、所定の凸部３４に対応するベース部材３２には、絶縁層４４ａ〜４４ｆが形成されない。
【００３８】
以上のように構成される展開シート体３０は、図３および図４に示すように、冷媒が供給される非導電性パイプ４６と、非導電性パイプ４６の外周部に配設されるメッシュ状パイプ４８とを介して、ベース部材３２を３個の凸部３４毎にアノード電極層４０側に折曲することにより、発電セルである６角柱型セル５０が形成される。この場合、非導電性パイプ４６の外周部とアノード電極層４０との間は、燃料ガス（Ｈ_２）が供給される燃料ガス供給路５２となる。なお、メッシュ状パイプ４８は、展開シート体３０を６角柱形状に折曲するための支持部材として機能する。
【００３９】
ここで、６角柱型セル５０による発電動作について説明する。
【００４０】
６角柱型セル５０の外周部に供給された酸化剤ガス（Ｏ_２）は、絶縁層４４ａ〜４４ｆの間から多孔質金属からなるベース部材３２を介してカソード電極層３６に到達する。一方、６角柱型セル５０の燃料ガス供給路５２に供給された燃料ガス（Ｈ_２）は、アノード電極層４０の触媒作用によって水素イオンとされて電解質層３８に到達する。水素イオンは、電解質層３８を介してカソード電極層３６に移動し、この間に得られた電子が電流としてアノード電極端子板４２を介して外部に取り出される。なお、６角柱型セル５０は、非導電性パイプ４６に供給される冷媒によって熱交換され、所望の温度に調整されている。
【００４１】
この場合、カソード電極層３６、電解質層３８およびアノード電極層４０が複数の凸部３４に形成されているため、発電に寄与する面積が十分に確保されており、これにより高い出力を得ることができる。また、燃料ガス供給路５２は、６角柱型セル５０を構成するアノード電極端子板４２によって外部から隔離されているため、供給された燃料ガス（Ｈ_２）が酸化剤ガス（Ｏ_２）側に漏洩する事態が生じることはない。さらに、冷媒は、非導電性パイプ４６を介して供給されるため、極めて高い絶縁性能を得ることができる。
【００４２】
図５は、７個の６角柱型セル６２ａ〜６２ｇを密着させて構成されるセルユニット６０を示す。６角柱型セル６２ａ〜６２ｇは、絶縁層４４ａ〜４４ｆ（図４参照）が形成されている側面を絶縁面６４とし、絶縁層４４ａ〜４４ｆが形成されていない側面をカソード電極面６６とすると、隣接する６角柱型セル６２ａ〜６２ｇのアノード電極端子板４２とカソード電極面６６とが電気的に接続されるように、アノード電極端子板４２、絶縁面６４およびカソード電極面６６の位置関係が設定される。
【００４３】
図５に示すセルユニット６０では、６角柱型セル６２ａのアノード電極端子板４２を負極とし、６角柱型セル６２ｅのカソード電極面６６を正極とする一点鎖線で示す６角柱型セル６２ａ〜６２ｅの直列回路と、６角柱型セル６２ｇのアノード電極端子板４２を負極とし、６角柱型セル６２ｆのカソード電極面６６を正極とする一点鎖線で示す直列回路とが形成される。
【００４４】
この場合、セルユニット６０の外周部に供給された酸化剤ガス（Ｏ_２）は、矢印で示すように、多孔質金属からなるベース部材３２を介して各６角柱型セル６２ａ〜６２ｇに供給される。従って、酸化剤ガス（Ｏ_２）の供給が阻害されることなく、６角柱型セル６２ａ〜６２ｇを密着させてセルユニット６０を構成することができる。この結果、高い発電能力を有し、且つ省スペース化を図ることのできるセルユニット６０が得られる。
【００４５】
また、セルユニット６０を構成する６角柱型セル６２ａ〜６２ｇは、アノード電極端子板４２とカソード電極面６６とが面で接触しているため、電気接触抵抗が小さく、効率的に電流を取り出すことができる。なお、アノード電極端子板４２とカソード電極面６６との間に電気伝導度の高いスペーサを挟設するように構成すれば、電気接触抵抗をさらに小さくすることができる。
【００４６】
図６は、図５に示す構成からなるセルユニット６０を含む複数のセルユニット６０、６８をさらに組み合わせて構成される燃料電池スタック７０を示す。燃料電池スタック７０は、複数のセルユニット６０、６８をハウジング７２に収納して構成される。酸化剤ガス（Ｏ_２）は、ハウジング７２の供給口７４から供給され、ハウジング７２の排出口７６から排出される。
【００４７】
燃料電池スタック７０は、複数のセルユニット６０、６８により一点鎖線で示す直列回路を形成している。供給口７４から供給された酸化剤ガス（Ｏ_２）は、矢印で示すように、ベース部材３２を介して各セルユニット６０、６８を構成する６角柱型セル５０に供給される。また、各６角柱型セル５０に供給された酸化剤ガス（Ｏ_２）は、排出口７６を介して外部に排出される。
【００４８】
この場合、燃料電池スタック７０を構成するセルユニット６０、６８の１つに動作不具合が発生したときには、当該セルユニット６０、６８のみを交換することで容易に修復することができる。なお、セルユニット６０、６８を構成する各６角柱型セル５０を個々に交換するようにしてもよい。
【００４９】
また、複数の６角柱型セル５０を密着させて燃料電池スタック７０を構成することにより、各６角柱型セル５０間に図２０に示す溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を配設する必要がないため、燃料電池スタック７０を軽量でコンパクトなものとすることができる。
【００５０】
さらに、各６角柱型セル５０が密着する側面には、同一の反応ガスである酸化剤ガス（Ｏ_２）が供給される構成であるため、ガス漏れに対する対策は、６角柱型セル５０の長手方向のみでよく、従って、シール機構を極めて簡便に構成することができる。
【００５１】
さらにまた、燃料電池スタック７０を図６に示すように構成し、各６角柱型セル５０の軸線方向が略鉛直方向となるように設定すれば、燃料電池スタック７０の上下方向の幅を６角柱型セル５０の長さの範囲内で小さくすることができる。この場合、燃料電池スタック７０内で発生した水を鉛直下方向に容易に排出することができる。従って、例えば、燃料電池スタック７０内で水が凍結するような場合が生じたとしても、燃料電池スタック７０の上部の空間に燃料ガス（Ｈ_２）および酸化剤ガス（Ｏ_２）を供給して発電を行うことができる。
【００５２】
さらに、隣接する６角柱型セル５０または隣接するセルユニット６０、６８は、アノード電極端子板４２とカソード電極面６６とが面で接触しているため、電気的な接触抵抗が小さく、６角柱型セル５０を高い圧力で圧着させる必要がない。従って、加圧機構が不要になるとともに、圧力により電解質層３８が薄くなって発電効率が低下してしまうような事態が生じることはない。
【００５３】
図７は、図４に示す複数の６角柱型セル５０を組み合わせて並列回路を構成する場合の説明図である。また、図８は、６角柱型セル５０を組み合わせて直列回路を構成する場合の説明図である。この場合、参照符号７８は、６角柱型セル５０のアノード電極端子板４２とカソード電極面６６（図５参照）とを接続したゲートを示す。このように、ゲート７８の設定位置によって、高電流を得ることのできる並列回路（図７）や、高電圧を得ることのできる直列回路（図８）を任意に作成することができる。
【００５４】
図９は、他の実施形態に係る６角柱型セル８０の平面図を示す。６角柱型セル８０は、６角柱の６つの側面部を多孔質金属で形成し、そのうちの５つの側面部をアノード電極部８２とし、残りの１つの側面部に導電性樹脂を含浸させることでカソード電極端子部８４を形成する。また、アノード電極部８２とカソード電極端子部８４との間には、絶縁性樹脂を含浸させることで絶縁部８６ａ、８６ｂを形成する。なお、アノード電極部８２の外側面には、必要に応じて、図３に示す帯状の絶縁層４４ａ〜４４ｆを形成することができる。
【００５５】
アノード電極部８２の内周部には、電解質層９０が形成される。電解質層９０およびカソード電極端子部８４によって囲まれる部位には、多孔質金属からなるカソード電極部９２が形成される。また、カソード電極部９２の内周部には、絶縁層９４が形成され、この絶縁層９４により囲繞される空間として冷媒通路９６が形成される。
【００５６】
以上のように構成される複数の６角柱型セル８０を組み合わせることにより、例えば、図１０に示すセルユニット９８を形成することができる。なお、通電路を構成しないアノード電極部８２の外側面には、帯状の絶縁層８８を形成し、隣接する６角柱型セル８０との電気的な接触がないように構成する。セルユニット９８では、各６角柱型セル８０の外周部に対して燃料ガス（Ｈ_２）が供給される一方、カソード電極部９２に対して酸化剤ガス（Ｏ_２）が供給されることで、発電が行われる。
【００５７】
また、セルユニット９８を構成する各６角柱型セル８０を所定距離離間させて配置すれば、外周部のアノード電極部８２に対して一層効率的に燃料ガス（Ｈ_２）を供給することができる。この場合、６角柱型セル８０の外周部の絶縁層８８は、省略することができる。なお、このような構成とした場合、アノード電極部８２とカソード電極端子部８４とは、上端部または下端部から接続端子等を介して接続するか、あるいは、これらの間に導電性のスペーサを介挿させることで、各６角柱型セル８０を電気的に接続することができる。
【００５８】
また、図９に示す６角柱型セル８０の冷媒通路９６に対して、図１１に示すように、非導電性パイプ１００を挿入し、この非導電性パイプ１００を介して冷媒を供給するように６角柱型セル１０２を構成すれば、冷媒の液漏れによる発電能力の低下を確実に回避することができる。
【００５９】
さらに、図１２に示すように６角柱型セル１０４を構成することもできる。この６角柱型セル１０４は、６角柱の６つの側面部を多孔質金属で形成し、そのうちの５つの側面部をカソード電極部１０６とし、残りの１つの側面部に導電性樹脂を含浸させることでアノード電極端子部１０８を形成する。また、カソード電極部１０６とアノード電極端子部１０８との間の多孔質金属には、絶縁性樹脂を含浸させることで絶縁部１１０ａ、１１０ｂを形成する。なお、カソード電極部１０６の外側面には、必要に応じて、図３に示す帯状の絶縁層４４ａ〜４４ｆを形成することができる。
【００６０】
カソード電極部１０６の内周部には、複数の凸部１１４が形成され、これらの凸部１１４に沿って電解質層１１６が形成される。そして、６角柱型セル１０４の中央部には、冷媒を供給する非導電性パイプ１１８が配設される。なお、非導電性パイプ１１８の外周部と電解質層１１６との間は、燃料ガス（Ｈ_２）が供給される燃料ガス通路１２０となる。
【００６１】
以上のように構成される６角柱型セル１０４では、酸化剤ガス（Ｏ_２）が外周部のカソード電極部１０６に供給される一方、燃料ガス通路１２０に燃料ガス（Ｈ_２）が供給されることで、発電が行われる。なお、燃料ガス通路１２０には、例えば、図１１に示す６角柱型セル１０２のようなアノード電極部８２を設けていないが、燃料ガス通路１２０に対して燃料ガス（Ｈ_２）が一様に拡散して供給されるのであれば、燃料ガス（Ｈ_２）を介して電子をアノード電極端子部１０８に導いて発電を行うことができる。
【００６２】
図１３は、図１１に示す６角柱型セル１０２を複数組み合わせて構成した燃料電池スタック１２２に対して、冷媒、酸化剤ガス（Ｏ_２）および燃料ガス（Ｈ_２）を各６角柱型セル１０２に並列的に供給する方法を示す模式的説明図である。なお、図１３では、各６角柱型セル１０２を所定距離離間させて配設しているが、図６に示す燃料電池スタック７０と同様に、相互に密着させて配設するようにしてもよい。
【００６３】
燃料電池スタック１２２は、６角柱型セル１０２が収納され、燃料ガス（Ｈ_２）が供給される燃料ガス通路１２４と、６角柱型セル１０２の上部に隔壁１２６ａ〜１２６ｃを介して形成され、酸化剤ガス（Ｏ_２）が供給される酸化剤ガス通路１２８および冷媒通路１３０と、６角柱型セル１０２の下部に隔壁１３２ａ〜１３２ｃを介して形成され、酸化剤ガス（Ｏ_２）および冷媒が排出される酸化剤ガス通路１３４および冷媒通路１３６とを備えて構成される。６角柱型セル１０２に冷媒を供給する非導電性パイプ１００の上下端部は、冷媒通路１３０、１３６に連通する。
【００６４】
なお、燃料ガス通路１２４と酸化剤ガス通路１２８との間に配設される隔壁１２６ａ、および、燃料ガス通路１２４と酸化剤ガス通路１３４との間に配設される隔壁１３２ａは、６角柱型セル１０２を構成するアノード電極部８２を閉塞する一方、カソード電極部９２の上下端部と、酸化剤ガス通路１２８、１３４とを連通するように構成される。
【００６５】
燃料ガス（Ｈ_２）は、燃料ガス通路１２４から各６角柱型セル１０２のアノード電極部８２に供給される。酸化剤ガス（Ｏ_２）は、酸化剤ガス通路１２８から各６角柱型セル１０２のカソード電極部９２の上端部に供給され、カソード電極部９２の下端部から酸化剤ガス通路１３４に排出される。冷媒は、冷媒通路１３０から各６角柱型セル１０２の非導電性パイプ１００の上端部に供給され、非導電性パイプ１００の下端部から冷媒通路１３６に排出される。
【００６６】
図１４は、図１１に示す６角柱型セル１０２を複数組み合わせて構成した燃料電池スタック１３８に対して、冷媒、酸化剤ガス（Ｏ_２）および燃料ガス（Ｈ_２）を上流側から各６角柱型セル１０２に直列的に供給する方法を示す模式的説明図である。
【００６７】
燃料電池スタック１３８は、図１３に示す燃料電池スタック１２２に対して、上部の酸化剤ガス通路１２８および冷媒通路１３０を２つの６角柱型セル１０２毎に隔壁１４０ａ、１４０ｂで分離するとともに、下部の酸化剤ガス通路１３４および冷媒通路１３６を上部の隔壁１４０ａ、１４０ｂに対して１つの６角柱型セル１０２だけずらせた隔壁１４２ａ、１４２ｂで分離するように構成される。
【００６８】
この場合、燃料ガス（Ｈ_２）は、燃料ガス通路１２４から各６角柱型セル１０２のアノード電極部８２に供給される。酸化剤ガス（Ｏ_２）は、酸化剤ガス通路１２８から第１の６角柱型セル１０２のカソード電極部９２の上端部に供給され、カソード電極部９２の下端部から酸化剤ガス通路１３４に排出され、次いで、第２の６角柱型セル１０２のカソード電極部９２の下端部に供給される。同様にして、第３、第４、第５の６角柱型セル１０２に対して酸化剤ガス（Ｏ_２）が順次供給される。冷媒は、冷媒通路１３０から第１の６角柱型セル１０２の非導電性パイプ１００の上端部に供給され、非導電性パイプ１００の下端部から冷媒通路１３６に排出され、次いで、第２の６角柱型セル１０２の非導電性パイプ１００の下端部に供給される。同様にして、第３、第４、第５の６角柱型セル１０２に対して冷媒が順次供給される。
【００６９】
図１５は、例えば、図９に示す６角柱型セル８０を横方向に多数配置するとともに、縦方向に２段に配置した燃料電池スタック１４４の概略構成を示す。
【００７０】
上下に配置される６角柱型セル８０の間には、上下のアノード電極部８２およびカソード電極部９２にそれぞれ対応して非導電性の発泡樹脂からなる通気性のスペーサ１４６および１４８が配設される。なお、スペーサ１４６と１４８との間には、燃料ガス（Ｈ_２）および酸化剤ガス（Ｏ_２）の流通を阻止するためのシール層１５０が形成される。また、スペーサ１４８の内周部には、上下の冷媒通路９６を連通する孔部１５２が絶縁層１５４を介して形成される。
【００７１】
上下の６角柱型セル８０は、電極板１５６によって電気的に接続されることにより、一点鎖線で示す直列回路が形成される。また、燃料電池スタック１４４に供給される燃料ガス（Ｈ_２）、酸化剤ガス（Ｏ_２）および冷媒は、スペーサ１４６、１４８および孔部１５２を介して自由に流動するため、６角柱型セル８０内で滞留が生じることがなく、発電能力が低下することはない。
【００７２】
図１６は、図９に示す６角柱型セル８０を密着して配設したセルユニット１５７の平面説明図である。この場合、隣接する６角柱型セル８０のアノード電極部８２同士の間には、絶縁層８８を配設する。また、隣接する６角柱型セル８０のカソード電極端子部８４とアノード電極部８２とは、絶縁層８８を介することなく密着させ、且つ、その部分を溶接する。これにより、電気的な接触抵抗を低減させることができる。なお、図１６の場合、複数の６角柱型セル８０によって一点鎖線で示す直列回路が形成される。
【００７３】
図１７は、電気的に接続しない６角柱型セル８０間に絶縁層８８を形成し、一点鎖線で示すように、直列回路と並列回路とを混在させた構成を示す。なお、絶縁層８８が所定の厚みを有するものとすると、その厚みによって隣接する６角柱型セル８０が所定距離離間することになる。
【００７４】
そこで、図１８に示すように、隣接する６角柱型セル８０間に形成される絶縁層８８を１つおきに形成し、それによって生じる隙間８９を利用して隣接する６角柱型セル８０間の絶縁を行うようにすることもできる。
【００７５】
図１９は、外周部の６面の全てがアノード電極部１５８であり、内周部に電解質層１６０を介してカソード電極部１６２が形成され、カソード電極部１６２の内周部に絶縁層１６４を介して冷媒通路１６６が形成された６角柱型セル１６８を複数密着させた場合におけるガス流路の構成の説明図である。
【００７６】
この６角柱型セル１６８においては、アノード電極部１５８の外周部の連続する４面に燃料ガス（Ｈ_２）を遮断する隔壁１７０を設けるとともに、隔壁１７０のない２面のアノード電極部１５８の間に隔壁１７２を設けることにより、燃料ガス（Ｈ_２）を実線の矢印で示す方向に強制的に流動させることができる。この場合、各６角柱型セル１６８のアノード電極部１５８に燃料ガス（Ｈ_２）を満遍なく供給することができるため、６角柱型セル１６８を有効に活用して効率的な発電を行うことができる。
【００７７】
なお、図１９に示す６角柱型セル１６８の場合、隣接する一方の６角柱型セル１６８のアノード電極部１５８と、隣接する他方の６角柱型セル１６８のカソード電極部１６２とを６角柱型セル１６８の端部側から順次電気的に結線することにより、発電によって生成された電流を外部に取り出すことができる。
【００７８】
また、上述した実施形態では、多角柱型セルを６角柱形状として説明したが、各多角柱型セル間の隙間を小さくできる構成であれば、例えば、４角柱、８角柱等の形状を選択することもできる。
【００７９】
また、図１に示す実施形態において、展開シート体３０を構成するベース部材３２、カソード電極層３６およびアノード電極層４０として多孔質金属を用いているが、多孔質状となる導電性の繊維積層体（例えば、カーボン繊維積層体）や、導電性樹脂からなる多孔体を用いてもよい。なお、他の実施形態においても同様に、多孔質金属に代えて、多孔質状となる導電性の繊維積層体や導電性樹脂からなる多孔体を用いることができる。
【００８０】
また、図９に示す実施形態において、カソード電極端子部８４を形成するために導電性樹脂を含浸させているが、基材となる多孔質体に含浸可能で且つ導電性を有するものであれば、樹脂以外の材料を選択することが可能であり、多孔質体よりも低融点の金属を用いることもできる。なお、他の実施形態においても同様に、導電性樹脂に代えて、他の導電性物質を用いることができる。
【００８１】
さらに、図９に示す実施形態において、アノード電極部８２とカソード電極端子部８４との間に絶縁性樹脂を含浸させているが、基材となる多孔質体に含浸可能で且つ絶縁性を有するものであれば、樹脂以外の材料を選択することが可能である。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、発電セルを多角柱形状とすることにより、発電セル同士を近接して配置することができるため、多数の発電セルを有する高密度な燃料電池を提供することができる。
【００８３】
また、隣接する発電セルのアノード電極部とカソード電極部とが面で接続されるため、電気的な接触抵抗を低減して効率的に発電を行うことができる。しかも、接触抵抗を低減させるために発電セル同士を高い圧力で密着させる必要がないため、構成自体も極めて簡易なものとなり、燃料電池全体の軽量化に大きく寄与する。
【００８４】
さらに、発電セルに供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏洩が問題となる個所は、発電セルの両端部だけであり、その部分においてのみ漏洩防止の対策を講じればよい。従って、ガスの漏洩防止のために加圧する必要がなく、機構も極めて簡易なものとなる。なお、各発電セルが高圧で加圧されないため、発電セルを構成する電解質層が薄くなって発電能力が低下する等の不具合が生じることもない。
【００８５】
さらにまた、発電セルが多角柱形状であるため、発電セルに供給されるガスの流路を直線に近い極めて単純なものとすることができる。この結果、発電によって生じた水が燃料電池内に滞留するおそれがなく、ガスの供給効率を低下させることがない。
【００８６】
なお、発電セルの軸線方向が略鉛直方向となるように配置すれば、少なくとも発電セルの上部空間に水が滞留することはない。従って、たとえ、発電セルの下部空間に水が滞留して凍結する事態が生じたとしても、凍結していない上部空間を利用して発電を開始することができる。
【００８７】
また、各発電セルは、単独で発電機能を有しており、且つ、発電セル同士を高圧で密着させる必要もないことから、例えば、障害の発生した発電セルのみを容易に交換することができる。
【００８８】
さらに、複数の発電セルによってセルユニットを構成し、セルユニットを複数組み合わせることにより、所望のサイズ、あるいは、回路構成からなる燃料電池を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池を構成する発電セルの展開シート体の構成図である。
【図２】図１に示す展開シート体の一部拡大断面図である。
【図３】本実施形態の燃料電池を構成する発電セルである６角柱型セルの構成斜視図である。
【図４】本実施形態の燃料電池を構成する発電セルである６角柱型セルの平面図である。
【図５】図４に示す６角柱型セルを組み合わせて構成されるセルユニットの平面図である。
【図６】図５に示すセルユニットを組み合わせて構成される燃料電池スタックの平面図である。
【図７】図４に示す６角柱型セルを組み合わせて構成される並列回路の説明図である。
【図８】図４に示す６角柱型セルを組み合わせて構成される直列回路の説明図である。
【図９】他の実施形態に係る６角柱型セルの平面図である。
【図１０】図９に示す６角柱型セルを組み合わせて構成される燃料電池スタックの構成図である。
【図１１】他の実施形態に係る６角柱型セルの平面図である。
【図１２】他の実施形態に係る６角柱型セルの平面図である。
【図１３】燃料電池スタックに対する冷媒、酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給方法を示す模式的説明図である。
【図１４】燃料電池スタックに対する冷媒、酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給方法を示す模式的説明図である。
【図１５】図９に示す６角柱型セルを組み合わせて構成される燃料電池スタックの構成図である。
【図１６】図９に示す６角柱型セルを密着して配設した平面説明図である。
【図１７】図９に示す６角柱型セルを密着して配設した平面説明図である。
【図１８】図９に示す６角柱型セルを密着して配設した平面説明図である。
【図１９】６角柱型セルを組み合わせた場合におけるガス流路の構成の説明図である。
【図２０】従来技術に係る燃料電池の構成説明図である。
【図２１】従来技術に係る燃料電池の構成説明図である。
【符号の説明】
３０…展開シート体３２…ベース部材
３４、１１４…凸部３６…カソード電極層
３８、９０、１１６、１６０…電解質層
４０…アノード電極層４２…アノード電極端子板
４６…非導電性パイプ
５０、６２ａ〜６２ｇ、８０、１０２、１０４、１６８…６角柱型セル
５２…燃料ガス供給路６０、６８、９８、１５７…セルユニット
７０、１２２、１３８、１４４…燃料電池スタック
７８…ゲート８２、１５８…アノード電極部
８４…カソード電極端子部９２、１０６、１６２…カソード電極部
１０８…アノード電極端子部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell including a plurality of power generation cells that generate power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell generates electric power by reacting a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidizing gas such as air containing oxygen gas on an electrolyte membrane. For example, a fuel cell having a laminated structure shown in FIG. 20 is known. (See Patent Document 1).
[0003]
The fuel cell shown in FIG. 20 has a sheet-like membrane-electrode assembly (MEA) in which a porous carbon electrode (gas diffusion electrode) carrying a platinum catalyst is provided on both surfaces of a proton conductive solid polymer electrolyte membrane. ) 2a, 2b, 2c,... Are laminated in plurality via the grooved separators 4a, 4b, 4c,.
[0004]
The fuel gas (H) is provided between one surface of the grooved separators 4a, 4b, 4c,... And the membrane / electrode assembly 2a, 2b, 2c,. ₂ ) Is supplied between the other surface of the grooved separators 4a, 4b, 4c,... And the membrane / electrode assemblies 2a, 2b, 2c,. ₂ ) Is supplied. The membrane / electrode assembly 2a, 2b, 2c,... Reacts the fuel gas supplied to both surfaces with the oxidant gas to generate a current, and the generated current is used as the grooved separators 4a, 4b, 4c,. Is taken out to outside.
[0005]
Further, as a fuel cell having another form, a fuel cell configured by connecting four cylindrical cells 6a to 6d shown in FIG. 21 is known (see Patent Document 2).
[0006]
Each of the cylindrical cells 6a to 6d has a cylindrical tube shape. An air passage 8 is provided in the center, and a support tube 9, a cathode electrode 10, a solid electrolyte layer 12, and an anode are provided outside the air passage 8. Electrodes 14 are arranged concentrically. Note that the support tube 9, the cathode electrode 10, the solid electrolyte layer 12, and the anode electrode 14 are made of oxide ceramics or a heat- and oxidation-resistant metal. The adjacent cylindrical cells 6a to 6d, the current collectors 16 and 18, and the cylindrical cells 6a to 6d are electrically connected to each other by felt Ni20.
[0007]
An oxidizing gas is supplied to the air passage 8 of each of the cylindrical cells 6a to 6d, and a fuel gas is supplied between the cylindrical cells 6a to 6d and the current collector plates 16 and 18. In this case, the cylindrical cells 6a, 6b and 6c, 6d are connected in parallel and the cylindrical cells 6a, 6c and 6b, 6d are connected in series and produced by each cylindrical cell 6a-6d. The current is extracted to outside through the current collectors 16 and 18.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-5-283093 (FIG. 3)
[Patent Document 2]
JP-A-2000-58089 (FIG. 2)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the fuel cell having the configuration shown in FIG. 20, the electrical contact resistance in the membrane / electrode assemblies 2a, 2b, 2c,. The membrane / electrode assemblies 2a, 2b, 2c,... And the grooved separators 4a, 4b, 4c,. And the peripheral portion must be sealed securely.
[0010]
In this case, not only does the weight of the entire fuel cell increase due to the mechanism for pressing the membrane / electrode assemblies 2a, 2b, 2c,... And the grooved separators 4a, 4b, 4c,. Since the bodies 2a, 2b, 2c,... Become thin, there is a concern that the output will decrease. Further, the grooved separators 4a, 4b, 4c,... For separating the membrane / electrode assemblies 2a, 2b, 2c,.
[0011]
In addition, it is pointed out that a flow path for supplying a fuel gas or an oxidizing gas to the membrane / electrode assemblies 2a, 2b, 2c,... Becomes complicated. If the water generated by the reaction cannot be discharged to the outside properly from such a flow path, if the water interferes with the supply of the reaction gas or freezes when used below freezing, power generation will occur. It may not be possible.
[0012]
In the fuel cell having the configuration shown in FIG. 20, the membrane / electrode assemblies 2a, 2b, 2c,... And the grooved separators 4a, 4b, 4c,. If one of the assemblies 2a, 2b, 2c,... Is defective, it is extremely difficult to extract and replace only the membrane / electrode assembly 2a, 2b, 2c,.
[0013]
Further, the amount of power generated by the fuel cell depends on the area of the membrane / electrode assembly 2a, 2b, 2c,. In the fuel cell shown in FIG. 20, since the membrane / electrode assemblies 2a, 2b, 2c,... Are formed of sheet-like flat surfaces, the fuel cell must be large in order to secure a sufficient power generation amount. .
[0014]
On the other hand, in the case of the fuel cell having the configuration shown in FIG. 21, since each of the cylindrical cells 6a to 6d is three-dimensionally configured, the solid-state cells that contribute to power generation are The area of the electrolyte layer 12 can be set wide.
[0015]
However, the shape of each of the cylindrical cells 6a to 6d is cylindrical, and the electrical connection between the adjacent cylindrical cells 6a to 6d via the felt Ni20 is linear, so that the contact resistance increases. Is concerned. In order to solve such a problem, it is necessary to pressurize and press-fit each of the cylindrical cells 6a to 6d.
[0016]
Further, since the cylindrical cells 6a to 6d are cylindrical, the space for supplying the fuel gas between the cylindrical cells 6a to 6d is set to be larger than necessary. Therefore, there is a problem that the configuration of the fuel cell becomes large.
[0017]
The present invention has been made to solve these problems, and it is possible to secure a sufficient amount of power generation to reduce the size and weight of a fuel cell, to have a simple configuration, and to facilitate maintenance. And a method for manufacturing the same.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The present invention according to claim 1 is a fuel cell including a power generation cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
The power generation cell includes an anode electrode portion made of a porous material to which the fuel gas is supplied, a cathode electrode portion made of a porous material to which the oxidant gas is supplied, and a portion between the anode electrode portion and the cathode electrode portion. It is composed of a polygonal column type cell formed by bending an electrolyte layer disposed in a polygonal column shape,
One reactant gas of the fuel gas or the oxidant gas is supplied to an inner peripheral portion of the polygonal column cell, and the other reactive gas is supplied to an outer peripheral portion of the polygonal column cell. It is characterized.
[0019]
According to the first aspect of the present invention, when the power generation cell is a polygonal column type cell, when a plurality of polygonal column type cells are arranged adjacent to each other, they can be brought close to each other to obtain a fuel cell with a high integration rate. it can.
[0020]
In this case, a partition wall for regulating the flow path of the reaction gas is provided at a predetermined portion between the polygonal column cells arranged adjacent to each other, so that the reaction gas is effectively supplied to each polygonal column cell and power is generated. It can be carried out.
[0021]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a fuel cell including a plurality of power generation cells configured to generate power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
The power generation cell includes an anode electrode portion made of a porous material to which the fuel gas is supplied, a cathode electrode portion made of a porous material to which the oxidant gas is supplied, and a portion between the anode electrode portion and the cathode electrode portion. It is constituted by a polygonal column type cell formed by bending an electrolyte layer disposed in a polygonal column shape,
The polygonal column type cell is connected to the anode electrode portion or the cathode electrode portion provided on the inner peripheral portion, and connects the anode electrode portion of one of the adjacent polygonal column type cells to the other of the adjacent polygonal cells. A terminal portion electrically connected to the cathode electrode portion of the prismatic cell is provided on one of the outer peripheral side surfaces,
One reactant gas of the fuel gas or the oxidant gas is supplied to an inner peripheral portion of the polygonal column cell, and the other reactive gas is supplied to an outer peripheral portion of the polygonal column cell. It is characterized.
[0022]
According to the third aspect of the present invention, by forming the power generation cell as a polygonal column type cell, adjacent polygonal column type cells are arranged close to each other, and a fuel cell with a high integration rate can be obtained. Further, the terminal portions of the adjacent polygonal column type cells and the outer peripheral side surface excluding the terminal portions are in surface contact with each other, so that an electric circuit with low contact resistance can be formed.
[0023]
Note that a desired electric circuit can be formed by forming an insulating layer on the outer peripheral side surface that does not form a circuit of an adjacent polygonal column cell. By forming this insulating layer in a part of the polygonal column type cell, it is possible to supply the reaction gas to the outer peripheral portion of the polygonal column type cell without any trouble.
[0024]
In addition, by forming the anode electrode portion, the cathode electrode portion, and the electrolyte layer constituting the polygonal column type cell in an uneven shape on the inner peripheral portion of the polygonal column type cell, it contributes to power generation without increasing the size of the fuel cell. The area can be secured.
[0025]
Further, by arranging a medium passage through which the heat exchange medium is supplied to the inner peripheral portion of the polygonal column type cell, the polygonal column type cell can be adjusted to a desired temperature at which the heat exchange medium efficiently generates power. it can. By making the medium passage a non-conductive pipe or a passage made of an insulating layer, it is possible to avoid a situation in which current leaks through the heat exchange medium.
[0026]
As the shape of the polygonal prism cell, a quadrangular prism shape, an octagonal prism shape, or the like can be selected. In the case of a hexagonal prism shape, the accumulation ratio of the polygonal prism cell is ensured with a sufficient passage of the reaction gas. Can be raised.
[0027]
Also, a fuel cell can be configured by combining a plurality of polygonal column cells as cell units and combining the plurality of cell units.
[0028]
The terminal part which constitutes one side surface of the polygonal column type cell can prevent the reaction gas supplied to the inside of the polygonal column type cell from leaking to the outside and can conduct electricity electrically. It can be formed by impregnating a part of the porous body constituting the part or the cathode electrode part with a conductive substance.
[0029]
Also, an insulating portion can be formed by impregnating an insulating material between the terminal portion and the anode electrode portion or the cathode electrode portion provided on the outer peripheral portion of the polygonal column cell.
[0030]
In addition, the polygonal column type cell is configured by stacking the reaction gas up and down via a spacer through which the reaction gas can flow, so that the reaction gas supply passage is shared, and the reaction gas and generated water are contained in the passage. It can be in a state where it does not stay.
[0031]
The present invention according to claim 15 provides a method of manufacturing a fuel cell comprising a power generation cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
An anode electrode portion made of a porous material to which the fuel gas is supplied, a cathode electrode portion made of a porous material to which the oxidant gas is supplied, and a member disposed between the anode electrode portion and the cathode electrode portion Laminating an electrolyte layer and forming an unfolded sheet body having terminal portions connected to the anode electrode portion or the terminal portion connected to the cathode electrode portion,
Bending the sheet body into a polygonal column shape such that the anode electrode portion or the cathode electrode portion to which the terminal portion is connected is an inner peripheral portion, and forming a polygonal column cell;
It is characterized by comprising.
[0032]
According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a fuel cell including a power generation cell configured to generate power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
From the inside of the polygonal column to the outside, or from the outside to the inside, an anode electrode portion made of a porous material to which the fuel gas is supplied, a cathode electrode portion made of a porous material to which the oxidant gas is supplied, and Laminating an anode electrode portion and an electrolyte layer disposed between the cathode electrode portions to form a polygonal column cell;
Impregnating a conductive material from one of the outer peripheral surfaces of the polygonal column type cell, and forming a terminal portion electrically connected to the anode electrode portion or the cathode electrode portion formed inside;
Impregnating an insulating material between the terminal portion and the other outer peripheral surface of the polygonal column type cell to electrically insulate the terminal portion and the other outer peripheral surface;
It is characterized by comprising.
[0033]
In this case, it is possible to manufacture a fuel cell in which a plurality of polygonal prism cells are assembled by bringing the terminal portions of the polygonal prism cells into close contact with one of the outer peripheral surfaces of the adjacent polygonal cells.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a development sheet 30 of a power generation cell constituting the fuel cell of the present embodiment. The deployment sheet body 30 has a long base member 32 made of a gas-permeable porous metal. On one surface of the base member 32, a triangular prism-shaped member extending in the short direction of the base member 32 is provided. The projection 34 is formed. In the case of the present embodiment, 15 projections 34 are formed in the longitudinal direction of the base member 32.
[0035]
As shown in FIG. 2, the convex portion 34 has an oxidizing gas (O 2) through a base member 32. ₂ The cathode electrode layer 36, which is an electrode catalyst layer made of a porous metal to which (1) is supplied, is joined and formed. An electrolyte layer 38 made of a hydrogen ion conductive solid polymer electrolyte membrane is joined to the cathode electrode layer 36. The fuel gas (H ₂ The anode electrode layer 40, which is an electrode catalyst layer made of a porous metal to which is supplied, is joined and formed.
[0036]
An anode electrode terminal plate 42 extending along the longitudinal direction of the base member 32 is connected to an end of the anode electrode layer 40. The anode electrode terminal plate 42 is formed of a metal foil that does not allow gas to pass.
[0037]
In the present embodiment, the width of the anode electrode terminal plate 42 is set to be the same as the width of the base member 32 on which the three protrusions 34 are formed. On the other surface of the base member 32, band-shaped insulating layers 44a to 44f extending in the longitudinal direction of the base member 32 are formed. In addition, the insulating layers 44a to 44f are not formed on the base member 32 corresponding to the predetermined convex portions 34.
[0038]
As shown in FIGS. 3 and 4, the unfolded sheet body 30 configured as described above has a non-conductive pipe 46 to which a coolant is supplied, and a mesh-shaped pipe disposed around the outer periphery of the non-conductive pipe 46. By bending the base member 32 toward the anode electrode layer 40 for each of the three protrusions 34 via the pipe 48, a hexagonal column cell 50 as a power generation cell is formed. In this case, between the outer peripheral portion of the non-conductive pipe 46 and the anode electrode layer 40, the fuel gas (H ₂ ) Is supplied to the fuel gas supply path 52. Note that the mesh pipe 48 functions as a support member for bending the spread sheet body 30 into a hexagonal column shape.
[0039]
Here, the power generation operation by the hexagonal column cell 50 will be described.
[0040]
The oxidant gas (O 2) supplied to the outer peripheral portion of the hexagonal column cell 50 ₂ ) Reaches the cathode electrode layer 36 from between the insulating layers 44a to 44f via the base member 32 made of porous metal. On the other hand, the fuel gas (H) supplied to the fuel gas supply passage 52 of the hexagonal column cell 50 ₂ ) Are converted into hydrogen ions by the catalytic action of the anode electrode layer 40 and reach the electrolyte layer 38. The hydrogen ions move to the cathode electrode layer 36 via the electrolyte layer 38, and the electrons obtained during the movement are taken out as an electric current through the anode electrode terminal plate 42 to the outside. The hexagonal column cell 50 is exchanged with a refrigerant supplied to the non-conductive pipe 46 to be adjusted to a desired temperature.
[0041]
In this case, since the cathode electrode layer 36, the electrolyte layer 38, and the anode electrode layer 40 are formed on the plurality of protrusions 34, an area contributing to power generation is sufficiently ensured, so that a high output can be obtained. it can. Further, since the fuel gas supply path 52 is isolated from the outside by the anode electrode terminal plate 42 constituting the hexagonal column type cell 50, the supplied fuel gas (H ₂ ) Is an oxidizing gas (O ₂ There is no possibility of leakage to the side. Further, since the refrigerant is supplied through the non-conductive pipe 46, extremely high insulation performance can be obtained.
[0042]
FIG. 5 shows a cell unit 60 configured by closely contacting seven hexagonal prism cells 62a to 62g. In the hexagonal column cells 62a to 62g, when the side surface on which the insulating layers 44a to 44f (see FIG. 4) are formed is the insulating surface 64, and the side surface on which the insulating layers 44a to 44f are not formed is the cathode electrode surface 66, The positional relationship between the anode electrode terminal plate 42, the insulating surface 64, and the cathode electrode surface 66 is set so that the anode electrode terminal plate 42 and the cathode electrode surface 66 of the adjacent hexagonal column cells 62a to 62g are electrically connected. Is done.
[0043]
In the cell unit 60 shown in FIG. 5, the anode electrode terminal plate 42 of the hexagonal column type cell 62a is used as the negative electrode, and the cathode electrode surface 66 of the hexagonal column type cell 62e is used as the positive electrode. A series circuit and a series circuit indicated by a chain line with the anode electrode terminal plate 42 of the hexagonal column cell 62g as the negative electrode and the cathode electrode surface 66 of the hexagonal column cell 62f as the positive electrode are formed.
[0044]
In this case, the oxidant gas (O 2) supplied to the outer peripheral portion of the cell unit 60 ₂ ) Is supplied to each of the hexagonal column cells 62a to 62g via the base member 32 made of a porous metal, as indicated by arrows. Therefore, the oxidant gas (O ₂ The cell unit 60 can be configured by closely contacting the hexagonal column cells 62a to 62g without obstructing the supply of the cell unit 60). As a result, a cell unit 60 having high power generation capacity and saving space can be obtained.
[0045]
The hexagonal column cells 62a to 62g constituting the cell unit 60 have low electrical contact resistance because the anode electrode terminal plate 42 and the cathode electrode surface 66 are in surface contact with each other, and can efficiently extract current. Can be. If a spacer having high electric conductivity is interposed between the anode electrode terminal plate 42 and the cathode electrode surface 66, the electric contact resistance can be further reduced.
[0046]
FIG. 6 shows a fuel cell stack 70 configured by further combining a plurality of cell units 60 and 68 including the cell unit 60 having the configuration shown in FIG. The fuel cell stack 70 is configured by housing a plurality of cell units 60 and 68 in a housing 72. Oxidizing gas (O ₂ ) Is supplied from a supply port 74 of the housing 72 and discharged from a discharge port 76 of the housing 72.
[0047]
In the fuel cell stack 70, a plurality of cell units 60 and 68 form a series circuit indicated by a chain line. Oxidant gas (O) supplied from the supply port 74 ₂ ) Is supplied to the hexagonal column type cells 50 constituting the cell units 60 and 68 via the base member 32 as indicated by arrows. The oxidizing gas (O 2) supplied to each hexagonal column cell 50 is ₂ ) Is discharged to the outside through the discharge port 76.
[0048]
In this case, when an operation failure occurs in one of the cell units 60, 68 constituting the fuel cell stack 70, it can be easily repaired by replacing only the cell unit 60, 68. The hexagonal column cells 50 constituting the cell units 60 and 68 may be individually replaced.
[0049]
Further, by forming the fuel cell stack 70 by closely contacting a plurality of hexagonal column-shaped cells 50, it is necessary to arrange the grooved separators 4a, 4b, 4c,. Therefore, the fuel cell stack 70 can be made lightweight and compact.
[0050]
Further, on the side surface where each hexagonal column cell 50 is in close contact, an oxidizing gas (O ₂ ) Is supplied, measures against gas leakage need only be taken in the longitudinal direction of the hexagonal column type cell 50, and therefore, the sealing mechanism can be configured extremely simply.
[0051]
Furthermore, if the fuel cell stack 70 is configured as shown in FIG. 6 and the axial direction of each hexagonal column type cell 50 is set to be substantially vertical, the vertical width of the fuel cell stack 70 is reduced to a hexagonal column. It can be reduced within the length of the mold cell 50. In this case, water generated in the fuel cell stack 70 can be easily discharged vertically downward. Therefore, for example, even if water freezes in the fuel cell stack 70, the fuel gas (H ₂ ) And oxidant gas (O ₂ ) Can be supplied to generate electricity.
[0052]
Further, the adjacent hexagonal column cell 50 or the adjacent cell units 60 and 68 have low electrical contact resistance because the anode electrode terminal plate 42 and the cathode electrode surface 66 are in surface contact with each other. There is no need to crimp the cell 50 with high pressure. Therefore, a pressurizing mechanism is not required, and a situation that the electrolyte layer 38 is thinned by pressure and power generation efficiency is not reduced does not occur.
[0053]
FIG. 7 is an explanatory diagram of a case where a plurality of hexagonal prism cells 50 shown in FIG. 4 are combined to form a parallel circuit. FIG. 8 is an explanatory diagram of a case where a hexagonal prism cell 50 is combined to form a series circuit. In this case, reference numeral 78 indicates a gate connecting the anode electrode terminal plate 42 of the hexagonal column cell 50 and the cathode electrode surface 66 (see FIG. 5). Thus, depending on the setting position of the gate 78, a parallel circuit (FIG. 7) that can obtain a high current and a series circuit (FIG. 8) that can obtain a high voltage can be arbitrarily created.
[0054]
FIG. 9 shows a plan view of a hexagonal prism cell 80 according to another embodiment. The hexagonal column type cell 80 is formed by forming six side surfaces of a hexagonal column with a porous metal, making five side surfaces thereof an anode electrode unit 82, and impregnating the remaining one side surface with a conductive resin. A cathode electrode terminal 84 is formed. Insulating portions 86a and 86b are formed between the anode electrode portion 82 and the cathode electrode terminal portion 84 by impregnating with an insulating resin. Note that strip-shaped insulating layers 44a to 44f shown in FIG. 3 can be formed on the outer surface of the anode electrode portion 82 as necessary.
[0055]
An electrolyte layer 90 is formed on the inner periphery of the anode electrode part 82. At a portion surrounded by the electrolyte layer 90 and the cathode electrode terminal portion 84, a cathode electrode portion 92 made of a porous metal is formed. Further, an insulating layer 94 is formed on the inner peripheral portion of the cathode electrode portion 92, and a refrigerant passage 96 is formed as a space surrounded by the insulating layer 94.
[0056]
By combining a plurality of hexagonal column cells 80 configured as described above, for example, a cell unit 98 shown in FIG. 10 can be formed. A strip-shaped insulating layer 88 is formed on the outer surface of the anode electrode portion 82 which does not form a current path, so that there is no electrical contact with the adjacent hexagonal column cell 80. In the cell unit 98, the fuel gas (H ₂ ) Is supplied, and an oxidant gas (O ₂ ) Is supplied, power is generated.
[0057]
When the hexagonal column cells 80 constituting the cell unit 98 are arranged at a predetermined distance from each other, the fuel gas (H ₂ ) Can be supplied. In this case, the insulating layer 88 on the outer periphery of the hexagonal column cell 80 can be omitted. In such a configuration, the anode electrode portion 82 and the cathode electrode terminal portion 84 are connected from the upper end or the lower end via connection terminals or the like, or a conductive spacer is provided between them. By interposing, each hexagonal column cell 80 can be electrically connected.
[0058]
In addition, as shown in FIG. 11, a non-conductive pipe 100 is inserted into the refrigerant passage 96 of the hexagonal column cell 80 shown in FIG. 9, and the refrigerant is supplied through the non-conductive pipe 100. When the hexagonal column type cell 102 is configured, it is possible to reliably prevent a decrease in power generation capacity due to leakage of the refrigerant.
[0059]
Further, as shown in FIG. 12, a hexagonal prism cell 104 can be formed. In the hexagonal column cell 104, six side surfaces of the hexagonal column are formed of porous metal, five side surfaces of which are used as the cathode electrode unit 106, and one of the side surfaces is impregnated with a conductive resin. To form the anode electrode terminal portion 108. Insulating portions 110a and 110b are formed by impregnating the porous metal between the cathode electrode portion 106 and the anode electrode terminal portion 108 with an insulating resin. Note that strip-shaped insulating layers 44a to 44f shown in FIG. 3 can be formed on the outer surface of the cathode electrode portion 106 as necessary.
[0060]
A plurality of convex portions 114 are formed on the inner peripheral portion of the cathode electrode portion 106, and an electrolyte layer 116 is formed along these convex portions 114. A non-conductive pipe 118 for supplying a coolant is provided at the center of the hexagonal column cell 104. A fuel gas (H) is provided between the outer periphery of the non-conductive pipe 118 and the electrolyte layer 116. ₂ ) Is supplied to the fuel gas passage 120.
[0061]
In the hexagonal column cell 104 configured as described above, the oxidizing gas (O ₂ ) Is supplied to the cathode electrode portion 106 on the outer peripheral portion, while the fuel gas (H ₂ ) Is supplied, power is generated. The fuel gas passage 120 is not provided with, for example, an anode electrode portion 82 like the hexagonal column type cell 102 shown in FIG. 11, but the fuel gas (H ₂ ) Is uniformly diffused and supplied, the fuel gas (H ₂ ), Electrons can be guided to the anode electrode terminal portion 108 to generate power.
[0062]
FIG. 13 shows a fuel cell stack 122 configured by combining a plurality of hexagonal column cells 102 shown in FIG. ₂ ) And fuel gas (H ₂ FIG. 4 is a schematic explanatory view showing a method of supplying the same to each hexagonal column type cell 102 in parallel. In FIG. 13, the hexagonal column cells 102 are arranged at a predetermined distance from each other, but may be arranged in close contact with each other as in the fuel cell stack 70 shown in FIG. .
[0063]
The fuel cell stack 122 accommodates the hexagonal column type cells 102 and stores the fuel gas (H ₂ ) Is supplied through the fuel gas passage 124 and the upper part of the hexagonal column type cell 102 through the partition walls 126a to 126c. ₂ ) Is formed through partition walls 132a to 132c below the hexagonal column type cell 102 and the oxidizing gas (O). ₂ ) And an oxidizing gas passage 134 and a refrigerant passage 136 through which the refrigerant is discharged. The upper and lower ends of the non-conductive pipe 100 that supplies the refrigerant to the hexagonal column type cell 102 communicate with the refrigerant passages 130 and 136.
[0064]
The partition 126a provided between the fuel gas passage 124 and the oxidizing gas passage 128 and the partition 132a provided between the fuel gas passage 124 and the oxidizing gas passage 134 have a hexagonal column shape. The anode electrode section 82 of the cell 102 is closed, while the upper and lower ends of the cathode electrode section 92 and the oxidizing gas passages 128 and 134 are connected.
[0065]
Fuel gas (H ₂ ) Is supplied from the fuel gas passage 124 to the anode electrode portion 82 of each hexagonal column cell 102. Oxidizing gas (O ₂ ) Is supplied from the oxidizing gas passage 128 to the upper end of the cathode electrode portion 92 of each hexagonal column cell 102, and is discharged from the lower end of the cathode electrode portion 92 to the oxidizing gas passage 134. The refrigerant is supplied from the refrigerant passage 130 to the upper end of the non-conductive pipe 100 of each hexagonal column cell 102, and is discharged from the lower end of the non-conductive pipe 100 to the refrigerant passage 136.
[0066]
FIG. 14 shows a fuel cell stack 138 formed by combining a plurality of hexagonal column cells 102 shown in FIG. ₂ ) And fuel gas (H ₂ FIG. 4 is a schematic explanatory view showing a method of supplying the hexagonal column cells 102 in series from the upstream side to each hexagonal column cell 102.
[0067]
The fuel cell stack 138 is different from the fuel cell stack 122 shown in FIG. 13 in that the upper oxidant gas passage 128 and the refrigerant passage 130 are separated by partition walls 140a and 140b for every two hexagonal column-shaped cells 102 and the lower oxidant gas passage 128 and the lower The oxidizing gas passage 134 and the refrigerant passage 136 are separated from each other by partition walls 142a and 142b which are shifted from the upper partition walls 140a and 140b by one hexagonal column cell 102.
[0068]
In this case, the fuel gas (H ₂ ) Is supplied from the fuel gas passage 124 to the anode electrode portion 82 of each hexagonal column cell 102. Oxidizing gas (O ₂ ) Is supplied from the oxidizing gas passage 128 to the upper end of the cathode electrode portion 92 of the first hexagonal column cell 102, discharged from the lower end of the cathode electrode portion 92 to the oxidizing gas passage 134, Is supplied to the lower end of the cathode electrode portion 92 of the hexagonal column cell 102 of FIG. Similarly, an oxidizing gas (O 2) is supplied to the third, fourth, and fifth hexagonal column cells 102. ₂ ) Are sequentially supplied. The refrigerant is supplied from the refrigerant passage 130 to the upper end of the non-conductive pipe 100 of the first hexagonal column cell 102, discharged from the lower end of the non-conductive pipe 100 to the refrigerant passage 136, and then to the second It is supplied to the lower end of the non-conductive pipe 100 of the prismatic cell 102. Similarly, the coolant is sequentially supplied to the third, fourth, and fifth hexagonal column cells 102.
[0069]
FIG. 15 shows a schematic configuration of a fuel cell stack 144 in which, for example, a large number of hexagonal column-shaped cells 80 shown in FIG. 9 are arranged in a horizontal direction and two stages are arranged in a vertical direction.
[0070]
Air-permeable spacers 146 and 148 made of a non-conductive foam resin are arranged between the hexagonal column cells 80 arranged vertically, corresponding to the upper and lower anode electrode portions 82 and the cathode electrode portions 92, respectively. You. In addition, between the spacers 146 and 148, the fuel gas (H ₂ ) And oxidant gas (O ₂ A seal layer 150 for preventing the flow of ()) is formed. A hole 152 communicating with the upper and lower refrigerant passages 96 is formed in the inner peripheral portion of the spacer 148 via an insulating layer 154.
[0071]
The upper and lower hexagonal column cells 80 are electrically connected by the electrode plate 156 to form a series circuit indicated by a chain line. Further, the fuel gas (H ₂ ), Oxidizing gas (O ₂ ) And the refrigerant flow freely through the spacers 146, 148 and the hole 152, so that the stagnation does not occur in the hexagonal column cell 80, and the power generation capacity does not decrease.
[0072]
FIG. 16 is an explanatory plan view of a cell unit 157 in which the hexagonal column cells 80 shown in FIG. 9 are arranged in close contact. In this case, an insulating layer 88 is provided between the anode electrodes 82 of the adjacent hexagonal column cells 80. Further, the cathode electrode terminal portion 84 and the anode electrode portion 82 of the adjacent hexagonal column type cell 80 are brought into close contact with each other without the interposition of the insulating layer 88, and the portion is welded. Thereby, electrical contact resistance can be reduced. In the case of FIG. 16, a series circuit indicated by a chain line is formed by the plurality of hexagonal prism cells 80.
[0073]
FIG. 17 shows a configuration in which an insulating layer 88 is formed between hexagonal column cells 80 that are not electrically connected, and a series circuit and a parallel circuit are mixed as shown by a dashed line. If the insulating layer 88 has a predetermined thickness, the adjacent hexagonal column cells 80 are separated by a predetermined distance depending on the thickness.
[0074]
Therefore, as shown in FIG. 18, every other insulating layer 88 formed between adjacent hexagonal column-shaped cells 80 is formed, and a gap 89 generated thereby is used to form a space between adjacent hexagonal column-shaped cells 80. Insulation may be provided.
[0075]
In FIG. 19, all six surfaces of the outer peripheral portion are the anode electrode portions 158, the cathode electrode portion 162 is formed on the inner peripheral portion via the electrolyte layer 160, and the insulating layer 164 is formed on the inner peripheral portion of the cathode electrode portion 162. FIG. 9 is an explanatory diagram of a configuration of a gas flow path in a case where a plurality of hexagonal column-shaped cells 168 in which a refrigerant passage 166 is formed through close contact.
[0076]
In this hexagonal column type cell 168, fuel gas (H ₂ ) Is provided, and a partition 172 is provided between the two anode electrode portions 158 without the partition 170, so that the fuel gas (H ₂ ) Can be forced to flow in the direction indicated by the solid arrow. In this case, the fuel gas (H) is applied to the anode electrode portion 158 of each hexagonal column cell 168. ₂ ) Can be supplied evenly, so that efficient power generation can be performed by effectively utilizing the hexagonal column type cells 168.
[0077]
In the case of the hexagonal column type cell 168 shown in FIG. By electrically connecting sequentially from the end of the 168, the current generated by the power generation can be taken out.
[0078]
Further, in the above-described embodiment, the polygonal column type cells are described as having a hexagonal column shape. However, if the gap between the polygonal column type cells can be reduced, for example, a quadratic prism, an octagonal column or the like is selected. You can also.
[0079]
Further, in the embodiment shown in FIG. 1, a porous metal is used as the base member 32, the cathode electrode layer 36, and the anode electrode layer 40 constituting the spread sheet body 30, but the porous conductive fiber laminate is used. A body (for example, a carbon fiber laminate) or a porous body made of a conductive resin may be used. Similarly, in other embodiments, instead of the porous metal, a porous conductive fiber laminate or a porous body made of a conductive resin can be used.
[0080]
Further, in the embodiment shown in FIG. 9, the conductive resin is impregnated to form the cathode electrode terminal portion 84. However, if the porous resin serving as the base material can be impregnated and has conductivity. It is possible to select a material other than the resin, and to use a metal having a lower melting point than the porous body. In other embodiments, similarly, other conductive substances can be used instead of the conductive resin.
[0081]
Further, in the embodiment shown in FIG. 9, the insulating resin is impregnated between the anode electrode portion 82 and the cathode electrode terminal portion 84, but the porous body serving as the base material can be impregnated and has an insulating property. If it is a material, it is possible to select a material other than the resin.
[0082]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the power generation cells have a polygonal column shape, the power generation cells can be arranged close to each other, so that a high-density fuel cell having a large number of power generation cells is provided. be able to.
[0083]
Further, since the anode electrode portion and the cathode electrode portion of the adjacent power generation cells are connected by a surface, electric power can be efficiently generated by reducing the electrical contact resistance. In addition, since it is not necessary to bring the power generation cells into close contact with each other at a high pressure in order to reduce the contact resistance, the configuration itself is extremely simple, which greatly contributes to the weight reduction of the entire fuel cell.
[0084]
Further, the location where the leakage of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the power generation cell poses a problem is only at both ends of the power generation cell, and it is only necessary to take measures to prevent the leakage only at those portions. Therefore, there is no need to pressurize to prevent gas leakage, and the mechanism is extremely simple. In addition, since each power generation cell is not pressurized at a high pressure, there is no problem such as the electrolyte layer forming the power generation cell being thinned and the power generation capacity being reduced.
[0085]
Furthermore, since the power generation cell has a polygonal column shape, the flow path of the gas supplied to the power generation cell can be made extremely simple and nearly straight. As a result, there is no possibility that the water generated by the power generation stays in the fuel cell, and the gas supply efficiency does not decrease.
[0086]
In addition, if the power generation cells are arranged so that the axial direction thereof is substantially vertical, water does not stay at least in the upper space of the power generation cells. Therefore, even if water stays in the lower space of the power generation cell and freezes, power generation can be started using the unfrozen upper space.
[0087]
Further, since each power generation cell has a power generation function independently, and it is not necessary to bring the power generation cells into close contact with each other at a high pressure, for example, only the power generation cell in which a failure has occurred can be easily replaced. .
[0088]
Furthermore, a fuel cell having a desired size or a circuit configuration can be produced by configuring a cell unit with a plurality of power generation cells and combining a plurality of cell units.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a development sheet body of a power generation cell constituting a fuel cell according to an embodiment.
FIG. 2 is a partially enlarged sectional view of the developed sheet body shown in FIG.
FIG. 3 is a configuration perspective view of a hexagonal column-type cell which is a power generation cell constituting the fuel cell of the present embodiment.
FIG. 4 is a plan view of a hexagonal column-type cell which is a power generation cell constituting the fuel cell of the present embodiment.
FIG. 5 is a plan view of a cell unit configured by combining the hexagonal column cells shown in FIG. 4;
6 is a plan view of a fuel cell stack configured by combining the cell units shown in FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a parallel circuit formed by combining the hexagonal column cells shown in FIG. 4;
FIG. 8 is an explanatory diagram of a series circuit formed by combining the hexagonal column cells shown in FIG.
FIG. 9 is a plan view of a hexagonal prism cell according to another embodiment.
10 is a configuration diagram of a fuel cell stack configured by combining the hexagonal column cells shown in FIG.
FIG. 11 is a plan view of a hexagonal prism cell according to another embodiment.
FIG. 12 is a plan view of a hexagonal prism cell according to another embodiment.
FIG. 13 is a schematic explanatory view showing a method of supplying a refrigerant, an oxidizing gas, and a fuel gas to a fuel cell stack.
FIG. 14 is a schematic explanatory view showing a method of supplying a refrigerant, an oxidizing gas, and a fuel gas to a fuel cell stack.
FIG. 15 is a configuration diagram of a fuel cell stack configured by combining the hexagonal column cells shown in FIG. 9;
FIG. 16 is an explanatory plan view in which the hexagonal column type cells shown in FIG. 9 are arranged in close contact with each other.
FIG. 17 is an explanatory plan view of the hexagonal column cell shown in FIG.
18 is an explanatory plan view in which the hexagonal column cells shown in FIG. 9 are arranged in close contact with each other.
FIG. 19 is an explanatory diagram of a configuration of a gas flow path when a hexagonal column cell is combined.
FIG. 20 is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell according to a conventional technique.
FIG. 21 is a configuration explanatory view of a fuel cell according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
30: unfolded sheet 32: base member
34, 114: convex portion 36: cathode electrode layer
38, 90, 116, 160 ... electrolyte layer
40: anode electrode layer 42: anode electrode terminal plate
46 ... non-conductive pipe
50, 62a to 62g, 80, 102, 104, 168 ... hexagonal prism cell
52: fuel gas supply path 60, 68, 98, 157: cell unit
70, 122, 138, 144 ... fuel cell stack
78: gate 82, 158: anode electrode section
84: cathode electrode terminal portions 92, 106, 162: cathode electrode portions
108: anode electrode terminal

Claims

In a fuel cell including a power generation cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
The power generation cell includes an anode electrode portion made of a porous material to which the fuel gas is supplied, a cathode electrode portion made of a porous material to which the oxidant gas is supplied, and a portion between the anode electrode portion and the cathode electrode portion. It is composed of a polygonal column type cell formed by bending an electrolyte layer disposed in a polygonal column shape,
One reactant gas of the fuel gas or the oxidant gas is supplied to an inner peripheral portion of the polygonal column cell, and the other reactive gas is supplied to an outer peripheral portion of the polygonal column cell. A fuel cell comprising:

The fuel cell according to claim 1,
A plurality of the polygonal column-shaped cells are assembled, and a predetermined portion between the polygonal column-shaped cells arranged adjacent to each other is provided with a partition wall for regulating a flow path of the reaction gas. Fuel cell.

In a fuel cell configured by grouping a plurality of power generation cells that generate power by reacting fuel gas and oxidant gas,
The power generation cell includes an anode electrode portion made of a porous material to which the fuel gas is supplied, a cathode electrode portion made of a porous material to which the oxidant gas is supplied, and a portion between the anode electrode portion and the cathode electrode portion. It is constituted by a polygonal column type cell formed by bending an electrolyte layer disposed in a polygonal column shape,
The polygonal column type cell is connected to the anode electrode portion or the cathode electrode portion provided on the inner peripheral portion, and connects the anode electrode portion of one of the adjacent polygonal column type cells to the other of the adjacent polygonal cells. A terminal portion electrically connected to the cathode electrode portion of the prismatic cell is provided on one of the outer peripheral side surfaces,
One reactant gas of the fuel gas or the oxidant gas is supplied to an inner peripheral portion of the polygonal column cell, and the other reactive gas is supplied to an outer peripheral portion of the polygonal column cell. A fuel cell comprising:

The fuel cell according to claim 3,
A fuel cell, wherein an insulating layer is formed on the outer peripheral side surface of the polygonal column cell except for the terminal portion and the outer peripheral side surface electrically connected to the terminal portion.

The fuel cell according to claim 4,
The fuel cell according to claim 1, wherein the insulating layer is formed on a part of the outer peripheral side surface.

The fuel cell according to claim 3,
The fuel cell according to claim 1, wherein the anode electrode portion, the cathode electrode portion, and the electrolyte layer are formed in an uneven shape on an inner peripheral portion of the polygonal column cell.

The fuel cell according to claim 3,
A fuel cell, wherein a medium passage to which a heat exchange medium is supplied is provided in an inner peripheral portion of the polygonal column cell.

The fuel cell according to claim 7,
The fuel cell according to claim 1, wherein the medium passage includes a non-conductive pipe to which the heat exchange medium is supplied.

The fuel cell according to claim 7,
The fuel cell according to claim 1, wherein the medium passage is configured as a passage made of an insulating layer formed on the anode electrode portion or the cathode electrode portion disposed on an inner peripheral portion of the polygonal column cell.

The fuel cell according to claim 3,
The fuel cell according to claim 1, wherein the polygonal column-shaped cells are formed in a hexagonal column shape.

The fuel cell according to claim 3,
A fuel cell, wherein a plurality of the polygonal columns are used as cell units, and a plurality of the cell units are combined.

The fuel cell according to claim 3,
The fuel cell according to claim 1, wherein the terminal portion is configured by impregnating a part of the porous body constituting the anode electrode portion or the cathode electrode portion with a conductive material.

The fuel cell according to claim 3,
An insulating portion is formed between the terminal portion and the anode electrode portion or the cathode electrode portion provided on the outer peripheral portion of the polygonal column type cell by being impregnated with an insulating material. Characteristic fuel cell.

4. The fuel cell according to claim 3, wherein the polygonal column-shaped cells are vertically stacked with a spacer through which the reaction gas can flow.

In a method of manufacturing a fuel cell comprising a power generation cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
An anode electrode portion made of a porous material to which the fuel gas is supplied, a cathode electrode portion made of a porous material to which the oxidant gas is supplied, and a member disposed between the anode electrode portion and the cathode electrode portion Laminating an electrolyte layer and forming an unfolded sheet body having terminal portions connected to the anode electrode portion or the terminal portion connected to the cathode electrode portion,
Bending the sheet body into a polygonal column shape such that the anode electrode portion or the cathode electrode portion to which the terminal portion is connected is an inner peripheral portion, and forming a polygonal column cell;
A method for manufacturing a fuel cell, comprising:

The manufacturing method according to claim 15,
A method of manufacturing a fuel cell, comprising: bringing the terminal portion of the polygonal column cell into close contact with one of the outer peripheral surfaces of the adjacent polygonal column cell.

In a method of manufacturing a fuel cell comprising a power generation cell that generates power by reacting a fuel gas and an oxidizing gas,
From the inside of the polygonal column to the outside, or from the outside to the inside, an anode electrode portion made of a porous material to which the fuel gas is supplied, a cathode electrode portion made of a porous material to which the oxidant gas is supplied, and Laminating an anode electrode portion and an electrolyte layer disposed between the cathode electrode portions to form a polygonal column cell;
Impregnating a conductive material from one of the outer peripheral surfaces of the polygonal column type cell, and forming a terminal portion electrically connected to the anode electrode portion or the cathode electrode portion formed inside;
Impregnating an insulating material between the terminal portion and the other outer peripheral surface of the polygonal column type cell to electrically insulate the terminal portion and the other outer peripheral surface;
A method for manufacturing a fuel cell, comprising:

The manufacturing method according to claim 17,
A method of manufacturing a fuel cell, comprising: bringing the terminal portion of the polygonal column cell into close contact with one of the outer peripheral surfaces of the adjacent polygonal column cell.