JP2005353484A - チューブ型燃料電池用膜電極複合体およびチューブ型燃料電池用集電体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 上記目的を達成するために本発明は、チューブ状の固体電解質膜と、上記固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層と、上記固体電解質膜の内周面に形成された内側触媒電極層と、上記外側触媒電極層の外周面に配置された外側集電体と、上記内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、上記外側集電体および内側集電体の少なくとも一方が、コイル状の導電体からなるコイル状集電体であることを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体を提供する。
【選択図】 図1
Description
上記セルとセルの間にはセパレータがはさまれ、セルを積層した時に燃料極に入る水素と空気極に入る空気とが混合するのを防ぐ役割を果たすと共に、二つのセルを直列につなぐための電子導電体の役割も果たすものである。このような単セルを必要な数だけ重ね合わせることによって燃料電池スタックを組み立て、さらに燃料および酸化剤ガスを供給する装置及び制御装置等と一体化して燃料電池とし、これにより発電を行うものである。
また、上述したような平面型燃料電池構成では、大面積の電極(燃料極、空気極)を幾枚も重ねるという設計に適してはいても、小型化という要請には答えることができず、例えば車載用の燃料電池等のように小型化の要請があった場合に問題が生じ可能性がるといった問題があった。
しかしながら、このようなチューブ型の燃料電池は、発生した電子をチューブの軸方向に流す必要があり、この軸方向の電子の流れを円滑に行うことができる集電体を有さない場合は、効率が低下してしまうといった問題があった。
また、予めチューブ状に形成された固体電解質膜を用いて、チューブ型燃料電池用膜電極複合体を形成しようとした場合に、管状の導電体を用いて集電体を形成しようとすると、内側集電体においては外径、外側集電体においては内径の寸法精度が極めて高いことが要求されるという問題があった。さらにこの場合、内側集電体および外側集電体を取り付ける工程が極めて煩雑な工程となるといった問題があった。
上記発明においては、上記外側集電体が上記直線状集電体であり、上記直線状集電体の外周にらせん状に配置された剥離防止材を有することが好ましい。このように剥離防止材を配置することにより、剥離を防止するのみならず、外側触媒電極層と外側集電材との密着性を高めることができることから、外側領域における導電性を向上させることが可能となり、発電効率を向上させることができる。
さらにまた、本発明は上述したチューブ型燃料電池用膜電極複合体を用いたことを特徴とするチューブ型燃料電池を提供する。
本発明のチューブ型燃料電池は、上述したようなチューブ型燃料電池用膜電極複合体を用いたものであるので、チューブの軸方向の集電効率が良好であることから発電効率が良好であり、かつ低コストであるという利点を有するものである。
A.チューブ型燃料電池用膜電極複合体
本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体は、第1実施態様と第2実施態様の二つの実施態様に分けることができる。
本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体の第1実施態様は、チューブ状の固体電解質膜と、上記固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層と、上記固体電解質膜の内周面に形成された内側触媒電極層と、上記外側触媒電極層の外周面に配置された外側集電体と、上記内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、上記外側集電体および内側集電体の少なくとも一方が、コイル状の導電体からなるコイル状集電体であることを特徴とするものである。
図1は、本実施態様の膜電極複合体の一例を示すものであり、図1(a)はチューブ状の膜電極複合体の軸方向の断面を示す縦断面図であり、図1(b)は、周方向の断面(A−A’矢視断面)を示す横断面図である。図1に示すように、この例の膜電極複合体は、チューブ状の固体電解質膜1と、この固体電解質膜1の外周側に形成された外側触媒電極層2と、上記固体電解質膜1の内周側に形成された内側触媒電極層3と、上記外側触媒電極層2の外周面に配置されたコイル状の線材からなる外側集電体4と、上記内側触媒電極層3の内周面に配置されたコイル状の線材からなる内側集電体5とから構成されるものである。
まず、集電体がコイル状の線材からなるものであり、軸方向の端部から端部まで1本の線材から構成されているものであるので、軸方向の集電効率が極めて良好であり、燃料電池として用いた場合に発電効率を向上させることができる。
次に、集電体をコイル状としていることから、例えば内側集電体として用いる場合は、コイルが締まる方向にねじることにより、コイルの外径を小さくすることができる。このため、コイル状集電体を取り付ける際に、このように外径を小さくしてから内側触媒電極層内部に挿入することが可能であることから、取り付けが極めて容易であるという利点を有する。また上記ねじる角度を調整することにより、コイル状集電体の外径をある程度変化させることができる。このため、コイル状集電体の外径の精度は、それほど高くなくてもよく、結果的にコストを低減させることが可能となる。
一方、コイル状集電体が外側集電体である場合は、コイルを緩める方向(拡張する方向)にねじることにより、コイルの内径を大きくすることができる。このため、コイル状集電体を取り付ける際に、このように内径を大きくしてから外側触媒電極層の外周面に装着する、すなわち、チューブ状固体電解質膜外周面に外側触媒電極層が形成された積層体をコイル状集電体の内部に挿入することが可能であることから、取り付けが極めて容易であるという利点を有する。また上記ねじる角度を調整することにより、コイル状集電体の内径をある程度変化させることができる。このため、コイル状集電体の内径の精度は、それほど高くなくてもよく、結果的にコストを低減させることが可能となる。
以下、このような膜電極複合体について、それぞれの構成毎に詳細に説明する。
本実施態様において用いられるコイル状集電体は、導電性を有する線材をコイル状に形成したものであれば特に限定されるものではない。しかしながら、使用環境等を考慮すると耐腐食性が高く、触媒電極層内での反応に悪影響を及ぼさないものであることが好ましい。また、上述したような取り付け方法により取り付けた後、触媒電極層に対して所定の力で押圧できること好ましいことから、ある程度の弾性を有することが好ましいといえる。これらの点を考慮すると、耐腐食性を有する金属が好ましく、特にチタン、金、および白金等が好ましい材料であり、中でもチタンがコスト面を考慮すると好ましい材料であるといえる。
このようなコイル状集電体は外側集電体としてのみ、もしくは内側集電体のみとして用いることも可能であるが、外側集電体および内側集電体の両者がコイル状集電体で構成されていることが好ましい態様であるといえる。
次ぎに本実施態様に用いられる固体電解質膜について説明する。本発明に用いられる固体電解質膜としては、チューブ状の形態を有し、かつプロトン伝導性に優れかつ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。
具体的には、現在平面構造の燃料電池の固体電解質膜として、汎用されているパーフルオロスルホン酸系ポリマー(商品名:NafionTM、デュポン株式会社製)などのフッ素系樹脂や、プロトン伝導基を有するポリイミドなどの炭化水素系樹脂等をチューブ状に形成したもの等を挙げることができる。
最後に、本実施態様に用いられる外側触媒電極層および内側触媒電極層について説明する。本実施態様において、これらの触媒電極層は、通常の平面構造の燃料電池用膜電極複合体に用いられているものを用いることが可能である。具体的には、パーフルオロスルホン酸系ポリマー(商品名:NafionTM、デュポン株式会社製)等のプロトン伝導材、カーボンブラックやカーボンナノチューブ等の導電性材料、および上記導電性材料に担持された白金等の触媒を含むものである。
次に、本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体の第2実施態様について説明する。本発明の第2実施態様は、チューブ状の固体電解質膜と、上記固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層と、上記固体電解質膜の内周面に形成された内側触媒電極層と、上記外側触媒電極層の外周面に配置された外側集電体と、上記内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、上記外側集電体および内側集電体の少なくとも一方が、複数の直線状の導電体が軸方向に配置された直線状集電体であることを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体を提供する。
図2は、本実施態様の膜電極複合体の一例を示すものであり、図2(a)は膜電極複合体の斜視図であり、図2(b)は、その横断面(周方向の断面)を示すものである。図2に示すように、この例の膜電極複合体は、チューブ状の固体電解質膜1と、この固体電解質膜1の外周側に形成された外側触媒電極層2と、上記固体電解質膜1の内周側に形成された内側触媒電極層3と、上記外側触媒電極層2の外周面上に、複数の直線状の導電体が軸方向に平行に配置されてなる外側集電体4と、上記内側触媒電極層3の内周面上に複数の直線状の導電体が軸方向に平行に配置されてなる内側集電体5とから構成されるものである。
まず、集電体が軸方向の端部から端部まで切断部分の無い直線状の導電性を有する複数の線材から構成されているものであるので、軸方向の集電効率が極めて良好であり、燃料電池として用いた場合に発電効率を向上させることができる。
次に、集電体を複数の直線状の導電性線材により構成していることから、例えば、内側集電体として用いる場合は、内側触媒電極層の内側に直線状の線材を複数本通し、内側触媒電極層の両端において、内側触媒電極層の内径よりも大きくなるように複数の線材に対して張力を加えることにより、内側触媒電極層の内周面に上述した複数の直線状の線材を密着させて内側集電体を形成することができる。したがって、内側集電体の形成が比較的容易であるという利点を有する。さらに、複数の直線状の導電性線材で内側集電体を形成するものであるので、集電体としての精度は要求されるものでなく、結果的にコストを低減させることができる。さらに、上述したように内側触媒電極層に密着させることができることから、集電効率を高くすることが可能となり、燃料電池として用いた場合の発電効率を向上させることができる。
以下、このような膜電極複合体について説明する。なお、固体電解質膜、外側触媒電極層および内側触媒電極層に関しては、上記第1実施態様と同様であるので、ここでの説明は省略する。
本実施態様において用いられる直線状集電体は、上述したように複数の直線状の導電性線材が用いられる。このような線材としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、使用環境等を考慮すると耐腐食性が高く、触媒電極層内での反応に悪影響を及ぼさないものであることが好ましい。具体的には、カーボン繊維や、耐腐食性を有する金属製、具体的には金、白金もしくはチタン製の線材を挙げることができる。本実施態様においては、コスト等の関係からカーボン繊維が特に好適に用いられる。
このような線材の配置は、上述したように軸方向に配置されていれば特に限定されるものではなく、軸方向に所定の角度を有して配置されていてもよい。しかしながら、上述した直線状集電体の製造方法や軸方向の集電効率を考慮すると軸方向に平行に配置されることが好ましい。
このような直線状集電体は外側集電体としてのみ、もしくは内側集電体のみとして用いることも可能であるが、外側集電体および内側集電体の両者が直線状集電体で構成されていることが好ましい態様であるといえる。
外側集電体が、上述したような上記直線状集電体である場合は、上記直線状集電体の外周にらせん状に配置された剥離防止材を配置することが好ましい。このように剥離防止剤を配置することにより、外側集電体が剥離することを防止することができるのみならず、所定の張力で剥離防止材により縛ることにより、外側集電体が外側触媒電極層に対して所定の応力で押圧することになり、集電効率を向上させることができるからである。
このような剥離防止材としては、外側集電体の外周をらせん状に巻くことができる線材であれば特に限定されるものではなく、導電性を有するものであっても、導電性を有さないものであってもよい。
具体的には、SUS、Ti等の腐食に強い金属や、ナイロン、塩ビ等のプラスチックを用いることができる。
本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体は、例えば図3に示すように、チューブ型燃料電池用膜電極複合体11を複数本並列に配置し、各チューブ型燃料電池用膜電極複合体11の内側集電体(図示略)および外側集電体(図示略)をそれぞれ外部端子に接続した状態で、内側集電体内部に空気を通流し、外側集電体の外側に水素ガスを通流するか、図3とは逆に内側集電体内部に水素ガスを通流し、外側集電体の外側に空気を通流することにより、燃料電池として用いられる。
次に、本発明のチューブ型燃料電池用集電体について説明する。本発明のチューブ型燃料電池用集電体は、チューブ状の固体電解質膜を用いたチューブ型燃料電池に用いられ、耐腐食性を有する金属からなるコイル状の線材で形成されていることを特徴とするものである。
本発明のチューブ型燃料電池用集電体は、上記「チューブ型燃料電池用膜電極複合体」の項で「コイル状集電体」として説明したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
最後に、本発明のチューブ型燃料電池について説明する。本発明のチューブ型燃料電池は、上述したようなチューブ型燃料電池用膜電極複合体を用いたことを特徴とするものである。
以下、このような本発明のチューブ型燃料電池について、図面を用いて説明する。
図4、図5、および図6は、本発明のチューブ型燃料電池の一例を示すものであり、図4はその上面を、図5はその底面を、図6はその断面を示すものである。なお、この例では、上記コイル状集電体を内側集電体および外側集電体の両方に用いたチューブ型燃料電池を示すものである。図4〜図6に示すように、この例のチューブ型燃料電池は、チューブ状燃料電池用膜電極複合体11が、下側支持板12および上側支持板13の間に複数本平行に立設されてなるものであり、その四隅には上記下側支持板12と上側支持板13とを連結して支持する支持部14が配されている。
この例に示すチューブ型燃料電池においては、図示略のガス供給手段により、膜電極複合体11の内部に水素ガスが、外部に空気が供給されるようになっており、これにより内側集電体5側に電子が供給されることになるので、内側集電体5が接続される上側端子16が陰極となり、外側集電体4が接続される下側端子17が陽極として作用することになる。
例えば、上記説明においては、外側触媒電極層と外側集電体と、さらには内側触媒電極層と内側集電体とを別々の構成であるかのように記載されているが、集電体自体に触媒が担持されたカーボンチューブが形成されている場合等のように、集電体と触媒電極層とが一体化され両機能を有するような構成とされる場合もある。本発明は、このような構成をも含むものである。
2 … 外側触媒電極層
3 … 内側触媒電極層
4 … 外側集電体
5 … 内側集電体
11 … 膜電極複合体
Claims (5)
- チューブ状の固体電解質膜と、前記固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層と、前記固体電解質膜の内周面に形成された内側触媒電極層と、前記外側触媒電極層の外周面に配置された外側集電体と、前記内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、
前記外側集電体および内側集電体の少なくとも一方が、コイル状の導電体からなるコイル状集電体であることを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体。 - チューブ状の固体電解質膜と、前記固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層と、前記固体電解質膜の内周面に形成された内側触媒電極層と、前記外側触媒電極層の外周面に配置された外側集電体と、前記内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、
前記外側集電体および内側集電体の少なくとも一方が、複数の直線状の導電体が軸方向に配置された直線状集電体であることを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体。 - 前記外側集電体が前記直線状集電体であり、前記直線状集電体の外周にらせん状に配置された剥離防止材を有することを特徴とする請求項2に記載のチューブ型燃料電池用膜電極複合体。
- チューブ状の固体電解質膜を用いたチューブ型燃料電池に用いられ、耐腐食性を有する金属からなるコイル状の線材で形成されていることを特徴とするチューブ型燃料電池用集電体。
- 請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載のチューブ型燃料電池用膜電極複合体を用いたことを特徴とするチューブ型燃料電池。
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