JP2005353494A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、および前記一対の電極にそれぞれ接触する集電材を有するセルモジュールが2個以上集合したセルカートリッジを外装容器に収容してなる燃料電池であって、
前記セルカートリッジは、2個以上のセルモジュールと、該セルモジュールを固定する固定部と、セルモジュールの集電材を電気的に接続するモジュール接続部と、接続されたセルモジュールの正極及び負極をそれぞれ統合する正極出力部及び負極出力部を有し、
前記外装容器は、2個以上のセルカートリッジを収容する収容部と、収容したセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部を電気的に接続するカートリッジ接続部と、接続されたセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部をそれぞれ統合する正極出力端子及び負極出力端子を有し、
2個以上のセルカートリッジが前記外装容器の収容部に収容されていることを特徴とする燃料電池。
【選択図】 図12
Description
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、アノードでは(1)式の反応が進行する。
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは(2)式の反応が進行する。
このように、燃料電池は水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のために、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。
また、前記セパレータには、通常、耐腐食性に優れたシート状のカーボン材料を用いる。このカーボン材料自体も高価であるが、さらに、平面状の膜・電極接合体の面全体にほぼ均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるために、前記セパレータの面上には、通常、ガス流路となる溝を微細加工するので、その加工によって、セパレータは非常に高価になってしまい、燃料電池の製造原価を押し上げていた。
通常このような中空形状のセルモジュールを有する燃料電池では、平型で使用されるセパレータに相当する部材は使用する必要がない。そして、その内面と外面とにそれぞれ異なった種類のガスを供給して発電するので、特別にガス流路を形成する必要もない。従って、その製造においては、製造コストの低減が見込まれる。さらに、セルモジュールが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。
一方、中空形状のセルモジュールは、平型の単セルで集電部材の役割を果し、セルとセルを電気的に接続するセパレータを省いて構成されるため、別途、集電部材を必要とする。
本発明は、上記実情を鑑みなされたものであり、部品の交換及び修理を簡単に行うことが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
ここで、上記扁平形状を有するセルカートリッジの具体例として、セルカートリッジの一対の広幅な前面と背面のうち少なくとも一方は平板により構成され、前記モジュール接続部はセルカートリッジの一対の薄幅な上面と下面にそれぞれ対をなして配置され、前記固定部は、前記平板と前記一対のモジュール接続部により構成されているものが挙げられる。
さらに、中空電解質膜の外面側に空気極を設けたセルモジュールを用い、且つ、外気が自由に流入可能な開放構造を有する外装容器及びセルカートリッジを用いた場合には、空気を供給するための空気供給源を特に設けなくても、外気である空気を開放構造から自然と取り込み、セルモジュール外面に供給することが可能である。従って、空気供給装置、及びこれを設置するためのスペースが不要となり、低コストで、コンパクトな燃料電池を構築することができる。
図1は、本実施形態の燃料電池に用いられるチューブ状セルモジュールの断面図である。セルモジュール6は、チューブ状の固体高分子電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸膜)1、固体高分子電解質膜1の内面側に設けられたアノード(本実施形態では燃料極)2及び外面側に設けられたカソード(本実施形態では空気極)3を有し、アノード2の表面に負極側(アノード側)集電材4であるスプリングワイヤ、カソード3の表面に正極側(カソード側)集電材5であるスプリングワイヤが配置されている。通常は、チューブ状セルモジュールの一端に負極側集電材4の取り出しが配置され、他端に正極側集電材5の取り出しが配置される。このような構造を有するセルモジュールの中空内に水素ガス、外面に空気を接触させることで、アノード及びカソード(空気極)に燃料又は酸化剤が供給され、発電する。
パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、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モジュー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。
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)を第1の電極(アノード)のガス拡散層として用い、当該ガス拡散層の外面に電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して触媒層を形成して第1の電極を作製し、次に、当該触媒層の外面に電解質を含む溶液を塗布・乾燥して電解質膜層、さらに当該電解質膜層の外面に第2の電極(カソード)の触媒層を形成し、当該触媒層の外面に炭素材料を含む溶液を塗布・乾燥してガス拡散層を形成する方法も挙げられる。
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、刷毛塗り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形状を有するセルモジュールは、上記にて例示した構成に限られず、セルモジュー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。
また、正極側集電材5を製造する時に、そのスプリングの内径を、前記チューブ状の固体高分子電解湿膜1の外径よりも、わずかに小さくしておくことが好ましい。わずかに小さい正極側集電材5を固体高分子電解質膜1の外側に取り付けることで、圧力がわずかに印加された状態でカソードと接触することになるので、正極側集電材5とカソードとの電気的な接続状態が良好になる。
本発明の燃料電池は、上記のようなセルモジュールを2個以上と、該セルモジュールを固定する固定部と、セルモジュールの集電材を電気的に接続するモジュール接続部と、接続されたセルモジュールの正極及び負極をそれぞれ統合する正極出力部及び負極出力部を有するセルカートリッジを2個以上備えるものである。
このセルカートリッジは、セルカートリッジ内のセルモジュールを破損させずに、且つセルカートリッジ内の各セルモジュールの電気的接続状態を保持した状態で、外装容器から取り出し、外装容器内に組み込むことが可能である。
図2は、図1に示すセルモジュールを備えたセルカートリッジの概略を示す斜視図である。図3は、図2に示すセルカートリッジ13を一対の広幅な前面又は背面側から見た図であり、図4は、セルカートリッジ13を一対の薄幅な側面側から見た図であり、図5は、図3におけるAA断面を上面側から見た図である。
本発明の燃料電池は、セルカートリッジを2個以上収容する収容部と、収容したセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部を電気的に接続するカートリッジ接続部と、接続されたセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部をそれぞれ統合する正極出力端子及び負極出力端子を有する外装容器に、上記のような2個以上のセルカートリッジが収容されていることを特徴とするものである。
以下、図12を用いて外装容器について説明する。図12は、セルカートリッジ13(13A及び13B)を収容することができる外装容器21である。外装容器21は、2個以上のセルカートリッジ13がその広幅の前面と背面を、隣接するカートリッジの背面又は前面と向き合わせて整列して収容することが可能な収容部14を有している。
本実施形態においては、第一のセルカートリッジ13Aは図6に示すように上面付近に負極出力部11、下面付近に正極出力部12が位置した状態、第二のセルカートリッジ13Bは図9に示すように上面付近に正極出力部12、下面付近に負極出力部11が位置した状態で、交互に整列して外装容器の収容部に収容され、直列に接続される。このとき、双方のセルカートリッジが有するセルモジュールの開口端は、共に上面側を向いて開口した状態となっている。
ここでカートリッジ接続部によるセルカートリッジ出力部の電気的接続について、図13を用いて詳しく説明する。図13は、図12の外装容器21に、第一のセルカートリッジ13Aと第二のセルカートリッジ13Bを交互に整列して収容した際の、カートリッジ接続部15とセルカートリッジ13A及び13Bとの配列状態を示すものであり、壁板16を外装容器内から見た図である。図13では、セルカートリッジ13A及び13Bを点線で表示した。また、便宜上、図13には、正極出力端子22を一点鎖線で表示しているが、正極出力端子22は壁板17の外面に設けられているものである。なお、壁板17には、壁板16と向かい合わせた時に、対称となる位置にカートリッジ接続部が設けられており、壁板16に設けられたカートリッジ接続部と対をなしている。
2…アノード
3…カソード
4…負極側集電材
5…正極側集電材
6,6A,6B…セルモジュール
7…負極モジュール接続部
8…正極モジュール接続部
9,10…平板
11…負極出力部
12…正極出力部
13,13A,13B…セルカートリッジ
14…収容部
15…カートリッジ接続部
16,17…壁板
18…底部
19…側壁
20…蓋
21…外装容器
22…正極出力端子
23…負極出力端子
Claims (6)
- 中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、および前記一対の電極にそれぞれ接触する集電材を有するセルモジュールが2個以上集合したセルカートリッジを外装容器に収容してなる燃料電池であって、
前記セルカートリッジは、2個以上のセルモジュールと、該セルモジュールを固定する固定部と、セルモジュールの集電材を電気的に接続するモジュール接続部と、接続されたセルモジュールの正極及び負極をそれぞれ統合する正極出力部及び負極出力部を有し、
前記外装容器は、2個以上のセルカートリッジを収容する収容部と、収容したセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部を電気的に接続するカートリッジ接続部と、接続されたセルカートリッジの正極出力部及び負極出力部をそれぞれ統合する正極出力端子及び負極出力端子を有し、
2個以上のセルカートリッジが前記外装容器の収容部に収容されていることを特徴とする燃料電池。 - 前記セルカートリッジは扁平形状を有し、その薄幅側面の所定位置に正極出力部及び負極出力部が設けられており、且つ、2個以上のセルカートリッジがその広幅の前面と背面を互いに向き合わせて外装容器の収容部に整列されており、
整列された各セルカートリッジの正極出力部及び負極出力部は、当該正極出力部及び負極出力部の位置に合わせて外装容器の所定位置に規則的に配置されたカートリッジ接続部により、隣接するセルカートリッジが有する異極の又は同極の出力部に接続されている請求項1に記載の燃料電池。 - 扁平形状を有するセルカートリッジの一対の広幅な前面と背面のうち少なくとも一方は平板により構成され、前記モジュール接続部はセルカートリッジの一対の薄幅な上面と下面にそれぞれ対をなして配置され、
前記固定部は、前記平板と前記一対のモジュール接続部により構成されている請求項2に記載の燃料電池。 - 前記セルカートリッジは一対の広幅な前面と背面、一対の薄幅な側面及び一対の薄幅な上面と下面により規定される扁平な直方体形状を有し、
前記モジュール接続部は一対の正極モジュール接続部と負極モジュール接続部からなり、該正極及び負極モジュール接続部はセルカートリッジの上面と下面にそれぞれ配置され且つセルモジュールの端部を挿入可能な2個以上の穴が所定の配列をもって形成されており、
前記正極出力部は前記正極モジュール接続部の長手方向両端に接続され、且つ、折り曲げられてセルカートリッジの一対の側面にそれぞれ配置され、
前記負極出力部は前記負極モジュール接続部の長手方向両端に接続され、且つ、折り曲げられてセルカートリッジの一対の側面にそれぞれ配置され、
各セルモジュールはその両端が上面側及び下面側にそれぞれ配置された正極及び負極モジュール接続部の穴に挿入されて整列され、且つ、正極モジュール接続部にセルモジュールの正極側集電材が接続され、負極モジュール接続部にセルモジュールの負極側集電材が接続されている請求項2又は3に記載の燃料電池。 - 前記セルカートリッジは、負極モジュール接続部が上面に配置され、該負極モジュール接続部にセルモジュールを挿入するために設けられた穴が貫通孔であり、一端のみ開口するセルモジュールの開口端が負極モジュール接続部の前記貫通孔に挿入され且つセルモジュールの負極側集電材が負極モジュール接続部に接続されてなる第一のセルカートリッジと、正極モジュール接続部が上面に配置され、該正極モジュール接続部にセルモジュールを挿入するために設けられた穴が貫通孔であり、一端のみ開口するセルモジュールの開口端が正極モジュール接続部の前記貫通孔に挿入され且つセルモジュールの正極側集電材が正極モジュール接続部に接続されてなる第二のセルカートリッジからなり、上記第一及び第二セルカートリッジが交互に外装容器の収容部に整列されており、直列に接続されている請求項4に記載の燃料電池。
- 各セルモジュールは中空電解質膜の外面に空気極が設けられており、前記セルカートリッジ及び前記外装容器は外気が自由に流入可能な開放構造を有する請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池。
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