JP2006004741A

JP2006004741A - チューブ型燃料電池

Info

Publication number: JP2006004741A
Application number: JP2004179601A
Authority: JP
Inventors: Harumichi Nakanishi; 治通中西; Shinpei Abe; 信平阿部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: JP4649885B2

Abstract

【課題】支持板間に複数本のチューブ型燃料電池用膜電極複合体が平行に挟持されてなる燃料電池において、電圧を自由に設計可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】チューブ状の固体電解質膜と、外周面に形成された外側触媒電極層と、内周面に形成された内側触媒電極層と、外側集電体と、内側集電体とを有し、複数本が平行に立設されているチューブ型燃料電池用膜電極複合体、上記の一方の端部を支持する下側支持板、および上記他方の端部を支持する上側支持板を有し、上記外側集電体および上記内側集電体の両者が接続する端子部と、外側集電体のみが接続する端子部と、内側集電体のみが接続する端子部とが、上記下側支持板および上記上側支持板の少なくとも一方に形成されていることを特徴とするチューブ型燃料電池を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、チューブ状に形成することにより、コストを低減し、かつ小型化が可能なチューブ型燃料電池に関するものである。

固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス流路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
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。

しかしながら上記従来の固体高分子型燃料電池の構成では、各単位セル間の反応ガスの混合を防ぎ、かつ電気的に接続するための部材であるセパレータが必要となる。このセパレータは、高分子固体電解質膜がそのイオン交換基であるスルホン基の性質により酸性を示すため、耐酸性でありかつ導電性を有することが必要であることから、カーボン材料やチタン材料が用いられている。これらの材料は加工性が悪く高価であるため燃料電池本体のコストを高価にする一因となっている。
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る可能性があるといった問題があった。

このような問題を解決すべく、チューブ型の燃料電池が提案されている（特許文献１、特許文献２、および特許文献３等）。このようなチューブ型の燃料電池は、セパレータを必要としないことから、コストダウンを図ることが可能であり、また小型化が可能であるといった利点を有するものである。
このようなチューブ型燃料電池は、大きな電流を得るため、また燃料電池の製造の容易性等の観点から、通常、一方の支持板に内側集電体の端部がすべて接続される内側集電体端子部が形成され、他方の支持板に外側集電体の端子が全て接続される外側集電体端子部が形成された構造を採る。
しかしながら、このような端子構造では、高電圧を要求された場合には、これらの支持板に挟持された燃料電池自体を直列に複数個連結する等の必要性が生じるといった問題があった。

特開２００２−２８９２２０公報特開２００２−１２４２７３公報特開２００２−２６０６８５公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、支持板間に複数本のチューブ型燃料電池用膜電極複合体が平行に挟持されてなるチューブ型燃料電池において、得られる電圧を用途に応じて自由に設計することが可能なチューブ型燃料電池を提供することを主目的とするものである。

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し、複数本が平行に立設されているチューブ型燃料電池用膜電極複合体（以下、単に膜電極複合体とする場合がある。）、上記複数本が平行に立設されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体の一方の端部を支持する下側支持板、および上記複数本が平行に立設されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体の他方の端部を支持する上側支持板を有し、上記外側集電体および上記内側集電体の両者が接続する端子部と、外側集電体のみが接続する端子部と、内側集電体のみが接続する端子部とが、上記下側支持板および上記上側支持板の少なくとも一方に形成されていることを特徴とするチューブ型燃料電池を提供する。

本発明においては、上記外側集電体および内側集電体の両者が接続する端子部の数を種々変更することにより、直列に接続する回数を自由に変更させることが可能となるので、生じる電圧を用途に応じて自由に設計することができる。
また、上記発明においては、上記外側集電体および上記内側集電体の少なくとも一方が、コイル状集電体であることが好ましい。このようなコイル状集電体を用いることにより、集電を効率的に行うことができるので、燃料電池の発電効率を向上させることができるからである。

本発明のチューブ型燃料電池は、得られる電圧を自由に設計できるので、種々の用途に用いることができるといった効果を奏するものである。

本発明のチューブ型燃料電池は、上側支持板および/または下側支持板に形成された端子部のパターンに特徴を有するものである。以下、この点について説明する。
図１〜図３は一般的な端子部のパターンを有するチューブ型燃料電池を示すものである。このチューブ型燃料電池においては、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おり、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。なお、図１はチューブ型燃料電池の上面を、図２はその底面を、図３はその断面を示すものである。

ここで上記複数のチューブ型燃料電池用膜電極複合体１１の全ての内側集電体１５は、その上端において上側支持板１３の表面に形成された上側端子１６に接続されており、上記複数のチューブ型燃料電池用膜電極複合体１１の外側集電体１７は、その下端において下側支持板１２の表面に形成された下側端子１８に全て接続されている。
このように、通常の端子部は、一方の支持板側に形成された端子部に、全ての膜電極複合体の内側集電体の端部が接続され、他方の支持板に形成された端子部に、全ての膜電極複合体の外側集電体の端子部が接続されるパターンであった。すなわち、一つのチューブ型燃料電池において、外側集電体のみが接続する端子部、および内側集電体のみが接続する端子部のみが形成されていたのである。

本発明は、外側集電体および内側集電体の両者が接続する端子部と、外側集電体のみが接続する端子部と、内側集電体のみが接続する端子部とが、上記下側支持板および上側支持板の少なくとも一方に形成されている点に特徴を有するものである。
このように、外側集電体および内側集電体の両者が接続する端子部を設けることにより、複数のチューブ型燃料電池用膜電極複合体を有するチューブ型燃料電池において、膜電極複合体を直列に接続することが可能となり、またこの直列に接続する回数を設計することにより、広範囲の電圧を自由に得ることができるという利点を有するものである。

このような端子部のパターンについて、図面を用いて説明する。
図４は、本発明に用いられる端子部のパターンの一例を示す模式図である。この例においては、上側支持板もしくは下側支持板である基板１上に端子部２のパターンが形成されている。この端子部２は、図１および図３でいう上側端子１６または下側端子１８と同様の位置に形成されたものであり、そのパターンを変更したものである。
上記基板１は、図４に示すように、計３２個のチューブ型燃料電池用膜電極複合体１１を支持している。ここで膜電極複合体１１の中心部から描かれている線は、内側集電体１５の端部であり、外周から描かれている線は、外側集電体１７の端部であるとする。なお、実際には膜電極複合体１１は、基板の端子部２が形成されている側と逆側に通常配されているが、図４においては、便宜上見えているものとして説明する。

図４に示す端子部のパターンにおいては、まず４個の膜電極複合体１１の内側集電体１５のみが接続する内側集電体端子部３が形成されており、さらにこの４個の膜電極複合体の外側集電体１７と、隣接する次の４個の膜電極複合体の内側集電体１５が接続する両側集電体端子部４が形成されている。そして、このような両側集電体端子部４を７個介して最終的に外側集電体１７のみが接続される外側集電体端子部５に至る。この例では、７つの両側集電体端子部４を介して接続されていることから、４つの並列に接続された膜電極複合体１１が８回直列で接続されたことになり、理論的には全ての膜電極複合体１１を並列で接続した場合と比較して、８倍の電圧が得られる端子部パターンとなっている。

図５は、別の端子部パターンの例を示すものであり、４個の膜電極複合体１１を２組ずつ直列に接続したもので、理論的には膜電極複合体１１を並列で接続した場合と比較して、２倍の電圧が得られる端子部パターンとなっている。なお、この場合は、内側集電体端子部３は４個形成され、外側集電体端子部も４個形成される。
このように、内側集電体のみ接続される内側集電体端子部と、外側集電体のみ接続される外側集電体端子部と、内側集電体および外側集電体の両者が接続される両側集電体端子部とを用いることにより、種々の電圧とすることが可能であり、用途に応じて端子部パターンを形成することにより、種々の目的に適用することが可能である。
なお、上記説明においては、端子部パターンを、上側支持板もしくは下側支持板のいずれか一方に形成した例を示したが、上側支持板および下側支持板の両方に端子部パターンを形成してもよい。

以下、このような本発明のチューブ型燃料電池について、各構成に分けて説明する。
１．チューブ型燃料電池用膜電極複合体。
本発明における膜電極複合体とは、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ものである。以下、それぞれについて説明する。

（１）固体電解質膜
まず、本発明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且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、現在平板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：Nafion^TM、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。

また、無機系の固体電解質膜として、多孔質ガラスをチューブ状に成形し、そのナノ細孔内の表面を改質して、プロトン導電性を付与したチューブ状固体電解質膜や、チューブ状のリン酸ガラスを応用したもの等を挙げることができる。上記多孔質ガラスを用いたものとしては、例えば多孔質ガラスの細孔内表面のＯＨ基にメルカプトプロピルトリメトキシシランのシランカップリング剤を反応させ、その後にメルカプト基の−ＳＨを酸化することにより、プロトン伝導性を有するスルホン酸基を導入する方法（化学と工業第５７巻第１号(２００４年）ｐ４１〜ｐ４４）等を挙げることができる。また、リン酸ガラスを応用したものとしては、燃料電池Ｖｏｌ．３Ｎｏ．３２００４ｐ６９〜ｐ７１に報告された例等を挙げることができる。

（２）外側集電体
次に、本発明に用いられる外側集電体について説明する。本発明に用いられる外側集電体は、後述する外側触媒電極層において発生した電子を集電すること、または内側集電体により集電され、外部負荷を通じて運ばれた電子を外側触媒電極層に供給することが可能であり、かつ膜電極複合体の外側から供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスを通過させるような開孔部を有するものであれば、その形状、材質等は特に限定されるものではない。例えば、ステンレス鋼、チタン、金、白金等を管状に成型したものに、多数の細孔が形成されたものや、上述した金属をコイル状に形成したもの等を挙げることができる。本発明においては、中でもチタン、金、白金等からなる線材をコイル状に形成したコイル状集電体が特に好ましい。集電効率が高く、かつ取付けが容易であり、さらに低コストで得ることができるからである。このようなコイル状集電体を外側集電体として用いる場合には、コイルをねじることにより内径を拡げた状態として、外側触媒電極層外周に配置し、配置後コイルの内径の拡がりを元に戻す方法等が挙げられる。

（３）内側集電体
次に、本発明に用いられる内側集電体について説明する。本発明に用いられる内側集電体は、内側触媒電極層において発生した電子を集電すること、または上記外側集電体により集電され、外部負荷を通じて運ばれた電子を、内側触媒電極層に供給することが可能なものであり、かつ内側集電体の内側から供給される酸化剤ガスや燃料ガスを通過させることが可能なものであれば、特に限定されるものではない。このような内側集電体としては、上記外側集電体と同様の材質のものとすることができ、また外側集電体と同様に、例えば酸化剤ガス等を通過させるための開孔部を多数有するような管形状や、コイル形状を有するコイル状集電体等とすることができる。この場合も同様の理由からコイル状集電体が好ましい。内側集電体としてコイル状集電体を用いる場合は、コイルをねじることによりコイルを収縮させて外径を小さくした状態で上記固体電解質膜内面に内側触媒電極層が積層された積層体の内側に挿入し、コイルの収縮を元に戻す方法等が挙げられる。

（４）外側触媒電極層および内側触媒電極層
次に、本発明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。本発明において、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：Nafion^TM、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。

（５）チューブ型燃料電池用膜電極複合体
本発明におけるチューブ型燃料電池用膜電極複合体は、上記図１〜図３に示す例のように、複数本が並列に配置され、後述する上側支持板と下側支持板の間に挟持されて用いられる。このような膜電極複合体の上記内側集電体の端部と外側集電体の端部とが上述したような種々の端子部パターンに接続されることにより、本発明の効果が奏されるものである。

２．上側支持板および下側支持板
本発明に用いられる上側支持板および下側支持板（以下、単に基板とする場合がある。）は、通常エポキシ樹脂等の絶縁性材料により形成される板状のものであり、両者の間に上述した膜電極複合体が配置されてチューブ型燃料電池とされるものである。このような基板は、通常一表面側で膜電極複合体を支持し、他方側表面に上述したような端子部のパターンが形成される。

３．端子部
本発明における端子部は、上述したように内側集電体のみが接続する内側集電体端子部、外側集電体のみが接続する外側集電体端子部、および両者が接続する両側集電体端子部の３種類があり、これらを組み合わせることにより、種々の電流・電圧を取り出すことができる端子部パターンとすることができる。
なお、これらの端子部は、上述したように、上側支持板および下側支持板の一方もしくは両方に形成されていればよいのであるが、電流の流れる順序が、外側集電体端子部、一つもしくは複数の両側集電体端子部、および内側集電体端子部の順、もしくは内側集電体端子部、一つもしくは複数の両側集電体端子部、および外側集電体端子部の順となるように接続されているものである。
このような端子部パターンの形成方法は、例えばフォトリソグラフィー法等の通常の導電体パターンの形成方法により形成される。

４．その他
本発明のチューブ型燃料電池においては、上述した膜電極複合体の内周側および外周側にそれぞれ水素ガス等の燃料ガス、および空気等の酸化剤ガスを供給するためのガス供給手段を有するものであり、上述した上側支持板および下側支持板には、通常これらのガスを供給するための流路が形成されている。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
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。

チューブ型燃料電池の一例を示す平面図である。チューブ型燃料電池の一例を示す底面図である。チューブ型燃料電池の一例を示す断面図である。本発明のチューブ型燃料電池の端子部のパターンの一例を示す模式図である。本発明のチューブ型燃料電池の端子部のパターンの他の例を示す模式図である。

符号の説明

１ … 基板（上側支持板、下側支持板）
２ … 端子部
３ … 内側集電体端子部
４ … 両側集電体端子部
５ … 外側集電体端子部
１１ … 膜電極複合体
１２ … 下側支持板
１３ … 上側支持板
１５ … 内側集電体
１７ … 外側集電体

Claims

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し、複数本が平行に立設されているチューブ型燃料電池用膜電極複合体、
前記複数本が平行に立設されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体の一方の端部を支持する下側支持板、および
前記複数本が平行に立設されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体の他方の端部を支持する上側支持板を有し、
前記外側集電体および前記内側集電体の両者が接続する端子部と、外側集電体のみが接続する端子部と、内側集電体のみが接続する端子部とが、前記下側支持板および前記上側支持板の少なくとも一方に形成されていることを特徴とするチューブ型燃料電池。
前記外側集電体および前記内側集電体の少なくとも一方が、コイル状集電体であることを特徴とする請求項１に記載のチューブ型燃料電池。