JP2006216403A - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell recovering water exhausted from an electrode installed on a hollow outer surface of an electrolyte membrane, and effectively utilizing the recovered water in the wet state control on the inside of the fuel cell and in addition, in the other application if necessary. <P>SOLUTION: In the fuel cell equipped with a cell module having a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes installed on the inner surface and the outer surface of the hollow electrolyte membrane, the cell module has the electrode producing water of the pair of electrodes on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane and a reservoir for storing water exhausted from the electrode installed on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、中空形状の電解質膜を有するセルモジュールを備える燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell including a cell module 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、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。中でも、固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用いる燃料電池であり、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, it is not subject to the Carnot cycle, so it exhibits high energy conversion efficiency. Among them, the solid polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and has advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. It is attracting attention as a power source for mobile objects.

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。
→ 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アノード側からカソード側に、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.
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane in a state of being hydrated with water.

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。
4H + O + 4e → 2HO ・・・(2)
カソードで生成した水は、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 cathode.
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O (2)
The water produced at the cathode 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 having no emission 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アノード及び他面にカソードとなる触媒層を設け、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、最後に平面状のセパレータで挟みこむことによって作製される平型の単セルを、複数積層することで得られる燃料電池スタックを有するものが開発されてきた。   Conventionally, as a solid polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer serving as an anode and a cathode is provided on one surface of a planar solid polymer electrolyte membrane, and the resulting planar membrane / electrode assembly is obtained. There has been developed a fuel cell stack obtained by laminating a plurality of flat single cells prepared by further providing gas diffusion layers on both sides and finally sandwiching them with a planar separator.

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、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。
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. The film thickness of 100 μm or less is the mainstream, 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.
In addition, a sheet-like carbon material having excellent corrosivity is usually used for the separator. This carbon material itself is also expensive. However, in order to distribute the fuel gas and the oxidant gas almost uniformly over the entire surface of the planar membrane / electrode assembly, a gas is usually provided on the surface of the separator. Since the groove to be the flow path is finely processed, the processing makes the separator very expensive, which increases the manufacturing cost of the fuel cell.

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積層された複数の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があることなど、多くの問題がある。   In addition to the above problems, it is a technology to reliably seal the periphery of a plurality of unit cells stacked so that fuel gas and oxidant gas do not leak from the gas flow path in the flat unit cell. There are many problems such as difficulty in power generation and reduction in power generation efficiency due to deflection or deformation of the planar membrane / electrode assembly.

近年、中空状電解質膜の内面側と外面側にそれぞれ電極を設けたセルモジュー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1〜4参照)。
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。
In recent years, a solid polymer electrolyte fuel cell has been developed in which a cell module having electrodes on the inner surface side and outer surface side of a hollow electrolyte membrane is used as a basic power generation unit. (For example, see Patent Documents 1 to 4).
Usually, in a fuel cell having such a hollow cell module, it is not necessary to use a member corresponding to a separator used in a flat type. Since different types of gas are supplied to the inner surface and the outer surface for power generation, it is not necessary to form a gas flow path. Therefore, the manufacturing cost is expected to be reduced. Further, since the cell module 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.

上記のような中空形状を有するセルモジュールは、通常、複数配列し、各セルモジュールのアノード端子及びカソード端子をそれぞれ束ねて並列又は直列接続し、支持板等で支持したセル群を形成する。さらに、セル群は他のセル群と直列又は並列接続してセル集合体とする。
セル群やセル集合体は、通常、外装容器内に収容され、セルモジュールの中空部が、電解質膜の中空内面に設けられた電極に供給される反応ガス(酸化剤又は燃料)の供給源に、外装容器の内部空間が、電解質膜の中空外面に設けられた電極に供給される反応ガスの供給源に、それぞれ接続されることによって、各電極に反応ガスが供給される。
A plurality of cell modules having a hollow shape as described above are usually arranged, and the anode terminal and cathode terminal of each cell module are bundled and connected in parallel or in series to form a cell group supported by a support plate or the like. Further, the cell group is connected in series or in parallel with other cell groups to form a cell aggregate.
The cell group and the cell assembly are usually housed in an outer container, and the hollow portion of the cell module is used as a supply source of a reactive gas (oxidant or fuel) supplied to the electrode provided on the hollow inner surface of the electrolyte membrane. The internal space of the outer container is connected to the supply source of the reactive gas supplied to the electrode provided on the hollow outer surface of the electrolyte membrane, whereby the reactive gas is supplied to each electrode.

電気化学反応の結果生成する水分や反応ガスと共に電極に供給された水蒸気等、セルモジュール内の余剰の水分は、電解質膜の内面及び外面に設けられた電極から、セルモジュール中空部及び外装容器の内部空間へと排出される。このとき、各電極から排出される水分量は、生成水を生じる電極で多くなる。すなわち、電気化学反応の結果生成水を生成する電極が電解質膜の外面側に設けられている場合、外装容器の内部空間へと多くの水分が排出されることになる。   Excess moisture in the cell module, such as water generated as a result of the electrochemical reaction and water vapor supplied to the electrode together with the reaction gas, is removed from the electrodes provided on the inner and outer surfaces of the electrolyte membrane from the cell module hollow part and the outer container. It is discharged into the internal space. At this time, the amount of water discharged from each electrode increases at the electrode that generates the generated water. That is, when the electrode that generates water as a result of the electrochemical reaction is provided on the outer surface side of the electrolyte membrane, a large amount of moisture is discharged into the internal space of the outer container.

ところで、電解質膜としてプロトン伝導膜の一つである高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池においては、アノードで生じたプロトンは水と水和した状態で高分子電解質膜内をアノード側からカソード側へと移動するため、高分子電解質膜の含水率が低い状態ではプロトン伝導性が低下する。従って、高分子電解質膜の含水率を高い状態に保持し、乾燥を防止することが重要となる。また、高分子電解質膜の両面に形成された電極が乾燥していると電解質膜を高い湿潤状態に保つことができないため、電極も適度な湿潤状態にする必要がある。   By the way, in a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane, which is one of proton conducting membranes as an electrolyte membrane, protons generated at the anode are hydrated with water and flow inside the polymer electrolyte membrane on the anode side. Therefore, proton conductivity decreases when the water content of the polymer electrolyte membrane is low. Therefore, it is important to keep the moisture content of the polymer electrolyte membrane high and prevent drying. In addition, if the electrodes formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane are dry, the electrolyte membrane cannot be kept in a high wet state, and therefore the electrode needs to be in a proper wet state.

特開平9−223507号公報JP-A-9-223507 特開2002−124273号公報JP 2002-124273 A 特開2002−158015号公報JP 2002-158015 A 特開2002−260685号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-260685

本発明は、電解質膜の中空外面に設けられた電極から排出される水分を回収し、この回収した水分を燃料電池内の湿潤状態管理、さらには、必要に応じてその他の用途に有効利用することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention recovers moisture discharged from the electrode provided on the hollow outer surface of the electrolyte membrane, and effectively uses the recovered moisture for wet state management in the fuel cell, and for other uses as necessary. An object of the present invention is to provide a fuel cell that can be used.

本発明の燃料電池は、中空電解質膜と、当該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極を有するセルモジュールを備えた燃料電池であって、前記セルモジュールは、前記一対の電極のうち生成水を生成する電極を中空電解質膜の外面側に有し、且つ、当該中空電解質膜の外面側に設けられた電極から排出される水を貯溜するためのリザーバを有することを特徴とする。
本発明によれば、中空電解質膜の外面側に設けられた電極から排出される水分、主に電気化学反応の際に生成した生成水はリザーバ内に貯溜され、セルモジュール内の水分管理やその他の用途に再利用することができる。
The fuel cell of the present invention is a fuel cell comprising a cell module having a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, the cell module comprising the pair of electrodes. Of these, an electrode for generating generated water is provided on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane, and a reservoir for storing water discharged from the electrode provided on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane is provided. .
According to the present invention, moisture discharged from the electrode provided on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane, mainly generated water during the electrochemical reaction, is stored in the reservoir, moisture management in the cell module and other Can be reused for any purpose.

リザーバ内に回収、貯溜された水分を有効利用するために、前記リザーバ内の水を再利用するための手段をさらに有することが好ましい。
また、中空電解質膜の外面側に設けられた電極から排出される水分を効率的にリザーバ内に回収するためには、前記リザーバは、燃料電池の使用状態において前記セルモジュールの重力方向下部側に位置するように設けられていることが好ましい。重力方向下部側にリザーバを設けることによって、重力により自然落下した水をリザーバ内に回収することができる。
また、燃料電池の構造の簡易化の観点からは、前記セルモジュールは、その長手方向が燃料電池の使用状態において重力方向に対して略垂直となるように配置されていることが好ましい。
In order to effectively use the water collected and stored in the reservoir, it is preferable to further include means for reusing the water in the reservoir.
In addition, in order to efficiently collect the water discharged from the electrode provided on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane into the reservoir, the reservoir is placed on the lower side in the gravity direction of the cell module in the state of use of the fuel cell. It is preferable that it is provided so that it may be located. By providing the reservoir on the lower side in the direction of gravity, water that naturally falls due to gravity can be collected in the reservoir.
Further, from the viewpoint of simplifying the structure of the fuel cell, the cell module is preferably arranged so that its longitudinal direction is substantially perpendicular to the direction of gravity when the fuel cell is in use.

本発明の燃料電池が、前記セルモジュールを複数配列させたセル群を備え、当該セル群が外装容器内に収容され、当該外装容器は、前記中空電解質膜の内面及び外面に設けられた電極に供給される物質の流出入口を除いて、外部空間との気密性が保持されている構造を有する場合には、前記中空電解質膜の外面側に設けられた電極から排出された水分によって、外装容器内を高い湿度状態に保持することができるため、電解質膜や電極の乾燥を抑制することが可能である。   The fuel cell of the present invention includes a cell group in which a plurality of the cell modules are arranged, the cell group is accommodated in an outer container, and the outer container is attached to electrodes provided on the inner surface and the outer surface of the hollow electrolyte membrane. In the case of having a structure in which the airtightness with the external space is maintained except for the outlet / inlet of the substance to be supplied, the outer container is caused by the moisture discharged from the electrode provided on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane. Since the inside can be maintained in a high humidity state, drying of the electrolyte membrane and the electrode can be suppressed.

本発明の燃料電池において、セルモジュールの外面側から排出される水分は、燃料電池の発電性能等の電池特性に悪影響を与えない場所に設けられたリザーバ内へ回収、貯溜され、セルモジュール内の水分管理やその他の用途に有効利用することができる。従って、本発明によれば、中空形状を有するセルモジュールを備えた燃料電池において、中空外面側に生成水を生成する電極を設けた場合に、当該外面側電極から排出された水分を再利用し、燃料電池の電池特性を向上させることもできる。   In the fuel cell of the present invention, moisture discharged from the outer surface side of the cell module is collected and stored in a reservoir provided in a place where the battery characteristics such as the power generation performance of the fuel cell are not adversely affected. It can be effectively used for moisture management and other purposes. Therefore, according to the present invention, in a fuel cell including a cell module having a hollow shape, when an electrode for generating generated water is provided on the hollow outer surface side, water discharged from the outer surface electrode is reused. In addition, the battery characteristics of the fuel cell can be improved.

特に、固体高分子電解質膜のように良好な湿潤状態が求められる電解質膜を用いる燃料電池において、リザーバ内に回収、貯溜された水分をセルモジュールの湿潤状態を高めるために利用する場合には、電解質膜の乾燥を抑制することができ、燃料電池の発電性能を高めることが可能である。   In particular, in a fuel cell using an electrolyte membrane that requires a good wet state such as a solid polymer electrolyte membrane, when using the water collected and stored in the reservoir to increase the wet state of the cell module, Drying of the electrolyte membrane can be suppressed, and the power generation performance of the fuel cell can be improved.

本発明の燃料電池は、中空電解質膜と、当該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極を有するセルモジュールを備えた燃料電池であって、前記セルモジュールは、前記一対の電極のうち生成水を生成する電極を中空電解質膜の外面側に有し、且つ、当該中空電解質膜の外面側に設けられた電極から排出される水を貯溜するためのリザーバを有することを特徴とするものである。   The fuel cell of the present invention is a fuel cell comprising a cell module having a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, the cell module comprising the pair of electrodes. Of these, an electrode for generating generated water is provided on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane, and a reservoir for storing water discharged from the electrode provided on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane is provided. Is.

以下、本発明の燃料電池を、電解質膜としてプロトン伝導膜の一種である固体高分子電解質膜を用いた場合を例に説明する。尚、ここでは、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を用いている。   Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described by taking as an example a case where a solid polymer electrolyte membrane which is a kind of proton conducting membrane is used as an electrolyte membrane. Here, a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane is used as the solid polymer electrolyte membrane.

まず、図1、図2を用いて、本発明の燃料電池の一形態を説明する。なお、図1は、本発明において用いられるセルモジュールの一形態例を示す図である。   First, an embodiment of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing an example of a cell module used in the present invention.

図1において、セルモジュール101は、チューブ状の電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜)1を有し、生成水を生成する第1の電極(この場合はカソード)2が電解質膜1の中空外面側に、前記第1の電極と対をなす第2の電極(この場合はアノード)3が電解質膜1の中空内面側に形成されている。第2の電極(アノード)3の内側には、第2の電極に供給される反応ガスが流入する中空部(通常、水素ガス等の燃料ガスの流路)4が形成されている。第1の電極2及び第2の電極3には、集電体5,6がそれぞれ接続されており、集電体5,6の一端は出力端子として機能する。   In FIG. 1, a cell module 101 has a tubular electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane) 1, and a first electrode (in this case, a cathode) 2 that generates product water is a hollow outer surface of the electrolyte membrane 1. On the side, a second electrode (in this case, an anode) 3 that forms a pair with the first electrode is formed on the hollow inner surface side of the electrolyte membrane 1. Inside the second electrode (anode) 3, a hollow portion (usually a flow path for a fuel gas such as hydrogen gas) 4 into which a reaction gas supplied to the second electrode flows is formed. Current collectors 5 and 6 are connected to the first electrode 2 and the second electrode 3, respectively, and one end of the current collectors 5 and 6 functions as an output terminal.

図2は、セルモジュールを複数配列して収容した外装容器の一形態例を示す断面斜視図である。図2において、複数のセルモジュール101は、支持板(図示せず)により支持されて配列した状態で外装容器7内に収容されている。外装容器7内に収容された複数のセルモジュールは、カソード端子5(図示せず)及びアノード端子6(図示せず)を束ねて並列又は直列接続したセル群を構成している。外装容器7の内部空間は酸化剤ガス供給源(図示せず)に、セルモジュール101の中空部4は燃料ガス供給源(図示せず)に連通しており、各電極2,3にそれぞれ反応ガスが供給されるようになっている。外装容器7は、内部空間に酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス流入口及び酸化剤ガス流出口、並びに、セルモジュール101の中空部4に燃料ガスを通流させる燃料ガス流入口及び燃料ガス流出口以外は、外部空間から遮断されており、気密性が保たれている。   FIG. 2 is a cross-sectional perspective view showing an example of an outer container in which a plurality of cell modules are arranged and accommodated. In FIG. 2, the plurality of cell modules 101 are accommodated in the outer casing 7 in a state of being supported and arranged by a support plate (not shown). The plurality of cell modules accommodated in the outer casing 7 constitute a cell group in which the cathode terminals 5 (not shown) and the anode terminals 6 (not shown) are bundled and connected in parallel or in series. The internal space of the outer container 7 communicates with an oxidant gas supply source (not shown), and the hollow portion 4 of the cell module 101 communicates with a fuel gas supply source (not shown). Gas is supplied. The outer container 7 includes an oxidant gas inlet and an oxidant gas outlet through which the oxidant gas flows into the internal space, and a fuel gas inlet and fuel gas through which the fuel gas flows through the hollow portion 4 of the cell module 101. The parts other than the outflow port are blocked from the external space, and airtightness is maintained.

外装容器7には、当該外装容器7の内部空間と連通する空間を有するリザーバ8が設けられている。リザーバ8は、外装容器7においてセルモジュール101が収容される空間の重力方向の下部側に位置している。また、リザーバ8は、チューブ状電解質膜1の外面側に設けられた電極2への反応ガスの供給や、電極2,3(特に電極2)の水分分布に悪影響を与えないような位置、すなわち、セルモジュール101がリザーバ8内に貯溜される水分に浸からないような位置に設けられている。   The exterior container 7 is provided with a reservoir 8 having a space communicating with the internal space of the exterior container 7. The reservoir 8 is located on the lower side in the gravity direction of the space in which the cell module 101 is accommodated in the outer container 7. The reservoir 8 is positioned so as not to adversely affect the supply of reaction gas to the electrode 2 provided on the outer surface side of the tubular electrolyte membrane 1 and the moisture distribution of the electrodes 2 and 3 (particularly the electrode 2). The cell module 101 is provided at a position so as not to be immersed in moisture stored in the reservoir 8.

外装容器7内に収容されたセル群は、通常、他の外装容器に収容されたセル群と直列又は並列接続されて、セル集合体を形成する。ここで、1つの外装容器内に収容されるセル群は1つに限定されず、複数のセル群が収容されていてもよく、或いは、燃料電池全体として外装容器が1つであってもよい。また、セルモジュールの接続形態や配列形態等の構成は特に限られず、例えば、セルモジュールを直列接続したセル群を用いてもよい。また、反応ガスの供給方向も図に示す場合に限られない。   The cell group accommodated in the exterior container 7 is normally connected in series or in parallel with the cell group accommodated in another exterior container to form a cell aggregate. Here, the number of cell groups accommodated in one exterior container is not limited to one, a plurality of cell groups may be accommodated, or there may be one exterior container as the whole fuel cell. . In addition, the configuration of the cell module connection form and arrangement form is not particularly limited, and for example, a group of cells in which the cell modules are connected in series may be used. Further, the supply direction of the reaction gas is not limited to the case shown in the figure.

本発明の燃料電池は、チューブ状電解質膜の外面側に設けられた電極、つまり、セルモジュールの外面から排出される水分をリザーバ内に回収し、貯溜できることを特徴としている。電極から排出される水分には、電気化学反応により生成した水分の他、反応ガスとともにセルモジュールに供給された水分も含まれる。
本発明の燃料電池において、リザーバ内に回収された水分は、セルモジュールの湿度調整や冷却等、燃料電池の運転環境を向上させ、発電性能を高めるための有効利用が可能である。しかも、リザーバは、リザーバ内に回収された水分が反応ガスの流通や電極及び電解質膜の水分分布に悪影響を与えない場所に設けられている。従って、本発明によれば、電極から排出された水分を再利用することによって、燃料電池の発電性能を高めることが可能である。
The fuel cell of the present invention is characterized in that the water discharged from the electrode provided on the outer surface side of the tubular electrolyte membrane, that is, the outer surface of the cell module, can be collected and stored in the reservoir. The moisture discharged from the electrode includes moisture supplied to the cell module together with the reaction gas in addition to moisture generated by the electrochemical reaction.
In the fuel cell of the present invention, the water collected in the reservoir can be effectively used to improve the operating environment of the fuel cell and improve the power generation performance, such as humidity adjustment and cooling of the cell module. In addition, the reservoir is provided in a place where the moisture collected in the reservoir does not adversely affect the flow of the reaction gas and the moisture distribution of the electrode and the electrolyte membrane. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the power generation performance of the fuel cell by reusing the water discharged from the electrode.

本発明において、リザーバの構造、位置及び材料等の構成は、チューブ状電解質膜の外面側に設けられた電極から排出される水分を回収し、貯溜することができれば特に限定されるものではなく、燃料電池使用時におけるセルモジュールの配置状態や、外装容器の構造等の諸条件を考慮して、適宜設計すればよい。   In the present invention, the structure of the reservoir, the structure of the position, the material and the like are not particularly limited as long as the water discharged from the electrode provided on the outer surface side of the tubular electrolyte membrane can be collected and stored. What is necessary is just to design suitably in consideration of conditions, such as the arrangement | positioning state of the cell module at the time of fuel cell use, and the structure of an exterior container.

セルモジュールの外面側に設けられた電極から排出された水分を、速やかに且つ確実にリザーバ内に回収するためには、図2のように、リザーバが燃料電池の使用状態においてセルモジュールの重力方向下部側に位置するように設けられていることが好ましい。このようにセルモジュールの重力方向下部側にリザーバを設けることによって、チューブ状電解質膜の外面側に設けられた第1の電極から排出される液状水分は、自重により自然落下し、外装容器の壁の内面又はセルモジュールの外面を伝って、或いは、直接、リザーバ内へと効率良く回収される。   In order to quickly and surely collect the moisture discharged from the electrode provided on the outer surface side of the cell module into the reservoir, as shown in FIG. It is preferable to be provided on the lower side. Thus, by providing the reservoir on the lower side in the gravitational direction of the cell module, the liquid water discharged from the first electrode provided on the outer surface side of the tubular electrolyte membrane naturally falls by its own weight, and the wall of the outer container It is efficiently collected into the reservoir through the inner surface or the outer surface of the cell module or directly.

リザーバは、外装容器内のセル群が収容される空間から水を誘導できる開口部を有するが、この開口部の形状等も特に限定されない。例えば、外装容器のセル群が収容される空間とリザーバとの境界部が全面に亘って開口したような開口部であってもよいし、外装容器のセル群が収容される空間とリザーバとを隔てる壁に設けられた穴状の開口部であってもよい。また、外装容器のセル群が収容される空間とリザーバとを隔てる壁を設ける場合に、当該壁を水透過性を有する材料で形成しても、リザーバ内に水を回収することができる。   The reservoir has an opening through which water can be guided from the space in which the cell group in the outer container is accommodated, but the shape of the opening is not particularly limited. For example, the opening may be such that the boundary between the space in which the cell group of the outer container is accommodated and the reservoir is opened over the entire surface, or the space and the reservoir in which the cell group of the outer container is accommodated. It may be a hole-shaped opening provided in the wall to be separated. Further, when a wall is provided to separate the reservoir from the space in which the cell group of the outer container is accommodated, the water can be recovered in the reservoir even if the wall is formed of a material having water permeability.

また、開口部は、常時開口している必要はなく、リザーバ内に貯溜されている水分の逆流を防止する弁や、必要に応じて開閉可能なゲート等が備えられていてもよい。開口部は一つのみ或いは複数設けることができる。   The opening need not always be open, and may be provided with a valve that prevents the backflow of moisture stored in the reservoir, a gate that can be opened and closed as necessary, and the like. Only one or a plurality of openings can be provided.

リザーバ内に回収、貯溜された水を有効利用するため、リザーバ内の水を取り出して再利用するための手段を設けることが好ましい。リザーバ内の水を再利用するための手段としては、例えば、以下のようなものが挙げられる。   In order to effectively use the water collected and stored in the reservoir, it is preferable to provide means for taking out and reusing the water in the reservoir. Examples of the means for reusing the water in the reservoir include the following.

リザーバの開口部が、リザーバ内に回収、貯溜された水分が外装容器内へ再び揮散できるような構造を有する場合には、揮散した水分によって電解質膜及び電極が加湿されるため、電解質膜を高い湿潤状態に保持しやすくなる。従って、固体高分子電解質膜のような膜の乾燥が発電性能に大きな影響を及ぼす電解質膜を用いる場合には、上記のような構造を有する開口部を設けることによって、電解質膜の乾燥による発電性能の低下を防止することが可能である。リザーバ内の水分を電解質膜の中空内へ揮散させることが可能な開口部の構造としては特に限定されず、適宜設計すればよい。例えば、図2においては、蒸発したリザーバ内の水分は自然と上昇してリザーバの開口部からリザーバ外へと移動し、セル群が収容された外装容器内へと揮散することができる。   If the reservoir opening has a structure that allows the water collected and stored in the reservoir to be volatilized again into the outer container, the electrolyte membrane and the electrode are humidified by the volatilized water. It becomes easy to hold in a wet state. Therefore, in the case of using an electrolyte membrane in which the drying of the membrane such as the solid polymer electrolyte membrane has a great influence on the power generation performance, the power generation performance by drying the electrolyte membrane is provided by providing the opening having the above structure. Can be prevented. The structure of the opening that can volatilize the water in the reservoir into the hollow of the electrolyte membrane is not particularly limited, and may be appropriately designed. For example, in FIG. 2, the water in the evaporated reservoir naturally rises, moves from the opening of the reservoir to the outside of the reservoir, and can be volatilized into the outer container in which the cell group is accommodated.

リザーバ内に回収された水分は、燃料電池の運転時における電池内温度によって蒸発可能であるが、リザーバ内の水分を加熱する加熱手段を設ける場合には、リザーバに回収された水分の蒸発が促進され、電解質膜の乾燥をさらに抑制することができるため、燃料電池の発電性能をより高めることが期待できる。また、低温条件下においては、水分の蒸発を促進するのみならず、起動時にリザーバ内の凍結した水分を迅速に解凍、蒸発させ、電解質膜を速やかに加湿することが可能となる。このような加熱手段としては、例えば、電熱線等の発熱体をリザーバの外周に設け、リザーバの外壁を加熱することによりリザーバ内の水分を加熱するもののほか、リザーバ内に発熱体を設け、リザーバ内の水分を直接加熱するものも挙げられる。   The water collected in the reservoir can be evaporated according to the temperature in the battery during operation of the fuel cell. However, when a heating means for heating the water in the reservoir is provided, the evaporation of the water collected in the reservoir is accelerated. In addition, since the drying of the electrolyte membrane can be further suppressed, the power generation performance of the fuel cell can be expected to be further improved. Further, under low temperature conditions, not only is the evaporation of moisture promoted, but also the frozen moisture in the reservoir can be quickly thawed and evaporated at the time of activation, and the electrolyte membrane can be quickly humidified. As such heating means, for example, a heating element such as a heating wire is provided on the outer periphery of the reservoir, and the outer wall of the reservoir is heated to heat the water in the reservoir. In addition, a heating element is provided in the reservoir. The thing which heats the water | moisture content directly is also mentioned.

また、リザーバ内に貯溜される水を外装容器外に一旦回収し、セルモジュールを冷却する冷却水や反応ガスを加湿する加湿水等に使用する場合には、例えばリザーバの底部等を、リザーバ内の水分を誘導して外装容器外の所望の場所に回収することができる構造とすればよい。   In addition, when water stored in the reservoir is once recovered outside the outer container and used for cooling water for cooling the cell module or humidified water for humidifying the reaction gas, for example, the bottom of the reservoir is placed in the reservoir. The structure may be such that the moisture can be induced and collected at a desired location outside the outer container.

リザーバを形成する材料としては、水透過性のないものであれば特に限定されず、伸縮性材料でも剛性材料でもよいが、リザーバ内に貯溜された水分の凍結膨張による破損を防止する観点から、伸縮性材料、特に弾性材料を用いることが好ましい。剛性材料を用いる場合には、上記のような理由により破損しないような強度を有しているものを選択することが好ましい。また、耐久性を有する材料であることが好ましい。強度及び耐久性の点から、伸縮性材料としてはゴム、剛性材料としてはプラスチック、ステンレス鋼、金等が挙げられる。さらに、電気化学反応の結果電極(カソード)で生成される生成水そのものは純水であるが、アノード側からプロトンと同伴して移動してきた水と混合する結果、電極から排出される水分は通常酸性を示すことから、耐食性に優れる材料であることが好ましい。このような観点から、リザーバの材料としては、ゴム、ステンレス鋼、金が特に好ましく、弾性による復元力の高いゴムがさらに好ましい。ゴムは、安価な材料であることから、コスト面からも好ましい。具体的には、ゴムとしては、例えば、ニトリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、エラストマー等が挙げられるがこれらに限られない。また、プラスチックとしては、ポリプロピレン(PP)、ポリエーテルスルホン(PES)、ナイロン等が挙げられ、ステンレス鋼としては、SUS316等が挙げられる。   The material forming the reservoir is not particularly limited as long as it does not have water permeability, and may be an elastic material or a rigid material, but from the viewpoint of preventing breakage due to freezing and expansion of moisture stored in the reservoir, It is preferable to use a stretchable material, particularly an elastic material. In the case of using a rigid material, it is preferable to select a material having a strength that does not break for the reasons described above. Moreover, it is preferable that it is a material which has durability. From the viewpoint of strength and durability, examples of the stretchable material include rubber, and examples of the rigid material include plastic, stainless steel, and gold. In addition, the water generated at the electrode (cathode) as a result of the electrochemical reaction itself is pure water, but as a result of mixing with the water that has moved with the protons from the anode side, the water discharged from the electrode is usually Since it shows acidity, it is preferable that it is a material excellent in corrosion resistance. From such a viewpoint, the reservoir material is particularly preferably rubber, stainless steel, or gold, and more preferably rubber having high resilience due to elasticity. Rubber is preferable from the viewpoint of cost because it is an inexpensive material. Specifically, examples of the rubber include, but are not limited to, nitrile rubber, butyl rubber, ethylene propylene rubber, and elastomer. Examples of the plastic include polypropylene (PP), polyethersulfone (PES), nylon, and the like, and examples of the stainless steel include SUS316.

本発明において、外装容器は、収容されるセルモジュールの配列状態を保持することができる構造、さらには必要に応じてセルモジュールを機械的衝撃から守ることができる構造を有していればよく、例えば、セル群の周囲を取り囲む枠であってもよいが、外装容器内の湿度を高く保つことによって、第1の電極及び電解質膜、ひいては、電解質膜の内面側に設けられた第2の電極の湿潤状態を高めることができることから、各電極2,3に反応ガスを供給する流出入口以外は外部空間から遮断された気密性の高い状態を保持できることが好ましい。このように気密性が高い外装容器は、第1の電極から排出された水によってその内部空間を高い湿度状態に保持することができる上に、気体の状態で第1の電極から排出された水分も、外装容器7内の湿度が飽和状態となった場合には凝縮して液状となるため、リザーバ内に効率良く回収することができる。ここで、外部空間との気密性が保持されているとは、外装容器内の湿度状態を外部空間とは異なる状態に保持することができる程度であればよく、完全な密封状態でなくてもよい。   In the present invention, the outer container only needs to have a structure capable of maintaining the arrangement state of the cell modules to be accommodated, and further a structure capable of protecting the cell modules from mechanical shock as necessary. For example, it may be a frame surrounding the periphery of the cell group, but by keeping the humidity inside the outer container high, the first electrode and the electrolyte membrane, and thus the second electrode provided on the inner surface side of the electrolyte membrane Therefore, it is preferable that a highly airtight state blocked from the external space can be maintained except for the inlet / outlet for supplying the reaction gas to the electrodes 2 and 3. In this way, the highly airtight outer container can maintain its internal space in a high humidity state by the water discharged from the first electrode, and the water discharged from the first electrode in a gaseous state. However, when the humidity in the outer container 7 becomes saturated, it condenses and becomes liquid, so that it can be efficiently collected in the reservoir. Here, the airtightness with the external space is maintained as long as the humidity state in the exterior container can be maintained in a state different from the external space, and it is not necessary to be in a completely sealed state. Good.

外装容器を形成する材料は、収容されるセルモジュールの配列状態を保持したり、機械的衝撃から守ることができる強度を有する材料であれば、特に限定されない。既述したように、外装容器内の湿度状態は高く保持することが好ましいことから、水(液滴、水蒸気等)透過性のない材料であることが好ましい。また、固体高分子型燃料電池において、カソードで生成される生成水そのものは純水であるが、アノード側からプロトンと同伴して移動してきた水分子等と混合する結果、電極から排出される水分は通常酸性を示すことから、耐食性に優れる材料であることが好ましい。具体的には、プラスチック、ステンレス鋼、金、Ti合金等が挙げられ、特に、ステンレス鋼、金、Ti合金が好ましい。ステンレス鋼としてはSUS316等、Ti合金としてはTiN等が挙げられる。外装容器は単一の材料で形成されていても、複数の材料を組み合わせて形成されていてもよい。   The material forming the outer container is not particularly limited as long as it is a material having a strength capable of maintaining the arrangement state of the cell modules to be accommodated and protecting it from mechanical impact. As described above, since it is preferable to keep the humidity state in the outer container high, it is preferable that the material has no water (droplet, water vapor, etc.) permeability. In the polymer electrolyte fuel cell, the water produced at the cathode itself is pure water, but the water discharged from the electrode is mixed as a result of mixing with water molecules that have moved with the protons from the anode side. Since it usually shows acidity, it is preferably a material having excellent corrosion resistance. Specific examples include plastic, stainless steel, gold, Ti alloy, and stainless steel, gold, and Ti alloy are particularly preferable. Examples of the stainless steel include SUS316, and examples of the Ti alloy include TiN. The exterior container may be formed of a single material or a combination of a plurality of materials.

燃料電池の使用状態におけるセルモジュールの配置状態は特に限定されず、その長手方向が重力方向に対して平行であっても、傾斜していても、若しくは垂直であってもよい。セルモジュールの長手方向が重力方向に対して平行、つまり、セルモジュールを縦向きに配置する場合、セルモジュールの中空内に供給される反応ガス(この場合は、燃料ガス)の流出口及び流入口は、通常、外装容器の上面側及び下面側にそれぞれ設けられる。このとき、セルモジュールの外面側に設けられた電極から排出される水を効率良くリザーバへと誘導するために、リザーバは図3のように外装容器7の重力方向下部に設けられることが好ましいが、この場合、セルモジュール101がリザーバ8内の水に浸からないようにするためには、リザーバ及び反応ガスの流出口又は流入口の配置や構造が複雑化する可能性がある。   The arrangement state of the cell modules in the usage state of the fuel cell is not particularly limited, and the longitudinal direction may be parallel to, inclined, or perpendicular to the direction of gravity. When the longitudinal direction of the cell module is parallel to the direction of gravity, that is, when the cell module is arranged vertically, the outlet and the inlet of the reactive gas (in this case, fuel gas) supplied into the hollow of the cell module Are usually provided on the upper surface side and the lower surface side of the outer container, respectively. At this time, in order to efficiently guide the water discharged from the electrode provided on the outer surface side of the cell module to the reservoir, the reservoir is preferably provided at the lower part in the gravity direction of the outer container 7 as shown in FIG. In this case, in order to prevent the cell module 101 from being immersed in the water in the reservoir 8, the arrangement and structure of the reservoir and the outlet or inlet of the reaction gas may be complicated.

従って、燃料電池構造の簡易化の観点から、セルモジュールは、図2のように燃料電池の使用状態において重力方向に対してその長手方向が略垂直となるように配置されることが好ましい。この場合、外装容器の重力方向下部側には、反応ガスの流出口や流入口等の部位がないため、リザーバを設けても構造がそれほど複雑化しない。   Therefore, from the viewpoint of simplification of the fuel cell structure, the cell module is preferably arranged so that its longitudinal direction is substantially perpendicular to the direction of gravity when the fuel cell is used as shown in FIG. In this case, since there is no portion such as an outlet or an inlet for the reaction gas on the lower side in the gravity direction of the outer container, the structure is not so complicated even if a reservoir is provided.

図1においては、中空電解質膜としてチューブ状の中空形状を有する電解質膜を用いているが、本発明における中空電解質膜とは、チューブ状に限られず、中空部を有し、当該中空部内に反応ガスを流入させることで内面側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. 1, an electrolyte membrane having a tubular hollow shape is used as the hollow electrolyte membrane. However, the hollow electrolyte membrane in the present invention is not limited to a tubular shape, and has a hollow portion, and a reaction occurs in the hollow portion. What is necessary is just to be able to supply a reaction component required for an electrochemical reaction to the inner surface side electrode by flowing gas.

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る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、本発明の燃料電池は、中空形状を有するセルモジュールを有するため、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、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。   In the present embodiment, a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, which is one of solid polymer electrolyte membranes, which is a kind of proton conducting membrane, is described as an electrolyte membrane. However, the fuel cell of the present invention is hollow. Since it has a cell module having a shape, it can take a larger electrode area per unit volume than a fuel cell having a flat cell, so it does not have a higher proton conductivity than a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane. Even when an electrolyte 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、例えば米国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。
また、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。
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 of the United States and Flemion manufactured by Asahi Glass.
In addition, the proton conductive electrolyte membrane is not limited to the solid polymer electrolyte membrane as described above, a porous electrolyte plate impregnated with a phosphoric acid aqueous solution, a proton conductor made of porous glass, Use hydrogelated phosphate glass, organic-inorganic hybrid proton conductive membrane with proton conductive functional groups introduced into the surface and pores of nanoporous glass, inorganic metal fiber reinforced electrolyte polymer, etc. Can do.

パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜の内面及び外面に設けられる各電極は、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。   Each electrode provided on the inner surface and the outer surface of the perfluorocarbon sulfonic acid resin film can be formed using an electrode material used in a polymer electrolyte fuel cell. Usually, an electrode configured by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer in order from the electrolyte membrane side is used.

触媒層は触媒粒を含み、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、中空形状を有するセルモジュールを有するため、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。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、白金、及び白金と例えばルテニウムなど他の金属とからなる合金である。   The catalyst layer contains catalyst particles and may contain a proton conductive material for increasing the utilization efficiency of the catalyst particles. As the proton conductive material, those used as the material of 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 cell module having a hollow shape, the electrode area per unit volume can be made larger than that of a fuel cell having a flat cell. Even when components are used, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained. 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. Preferable is platinum and an alloy made of platinum and another metal such as ruthenium.

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。電解質膜の内面及び外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。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)、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。   As the gas diffusion layer, a 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 configuration of each electrode provided on the inner and outer surfaces of the electrolyte membrane, the material used for the electrode, and the like may be the same or different. The gas diffusion layer is impregnated with, for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), perfluorocarbon alkoxyalkane, ethylene-tetrafluoroethylene polymer, or a mixture thereof from the viewpoint of enhancing the drainage of moisture such as generated water. It is preferable to perform water-repellent processing by forming a water-repellent layer using these substances.

チューブ状の電解質膜の内面及び外面に一対の電極を設ける法は、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形成する方法としては特に限定されず、市販品のチューブ状に形成された電解質膜を用いてもよい。そして、当該チューブ状電解質膜の内面及び外面に、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、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、電解質膜の内面側に形成したガス拡散層の内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。
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2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2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1の触媒層を形成し、当該第1の触媒層の外面に炭素材料を含む溶液を塗布・乾燥して第1のガス拡散層を形成する方法も挙げられる。また、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。
The method of providing a pair of electrodes on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane is not particularly limited. For example, first, a tubular electrolyte membrane is prepared. It does not specifically limit as a method of forming a tubular electrolyte membrane, You may use the electrolyte membrane formed in the tube shape of a commercial item. Then, a solution containing electrolyte and catalyst particles is applied and dried on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane to form a catalyst layer, and carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers are contained on the two catalyst layers. The method of apply | coating and drying a solution and forming a gas diffusion layer is mentioned. At this time, the catalyst layer and the gas diffusion layer are formed so that a hollow portion exists on the inner surface of the gas diffusion layer formed on the inner surface side of the electrolyte membrane.
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 second electrode (anode), and the gas A solution containing an electrolyte and catalyst particles is applied to the outer surface of the diffusion layer and dried to form a catalyst layer to produce a second electrode, and then a solution containing the electrolyte is applied to the outer surface of the catalyst layer and dried. The first catalyst layer is formed on the outer surface of the electrolyte membrane layer and the electrolyte membrane layer, and the first gas diffusion layer is formed by applying and drying a solution containing a carbon material on the outer surface of the first catalyst layer. The method of doing is also mentioned. 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、刷毛塗り法等種々の方法から適宜選択することができる。   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 a spray method and a brush coating method.

チューブ状のセルモジュールの内径及び外径、長さ等は、燃料電池に必要な出力、燃料電池を適用する機器等燃料電池の設計や運転条件に応じて適宜設計することができ、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小さくなることとなって、得られるセルモジュールの単位体積当たりの発電出力が小さくなってしまうので好ましくない。   The inner diameter, outer diameter, length, etc. of the tubular cell module can be appropriately designed according to the output required for the fuel cell, the design of the fuel cell such as the equipment to which the fuel cell is applied, and the operating conditions, and are particularly limited. Although not intended, the outer diameter of the tubular electrolyte membrane is preferably 0.01 to 10 mm, more preferably 0.1 to 1 mm, and particularly preferably 0.1 to 0.5 mm. . At present, it is difficult to manufacture a tubular electrolyte membrane having an outer diameter of less than 0.01 mm due to technical problems. On the other hand, when the outer diameter exceeds 10 mm, the surface area with respect to the occupied volume becomes small. This is not preferable because the power generation output per unit volume of the obtained cell module becomes small.

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、充分な出力を示す。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。   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, in comparison with a conventional fuel cell in which flat cells for fuel cells are stacked, a fuel cell manufactured by collecting a large number of hollow cell modules can take a large electrode area. Even when is used, sufficient output is shown. 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.

また、上記したパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜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。
また、電解質膜の内面及び外面に設ける触媒層の厚みは1〜100μm程度、ガス拡散層の厚みは3〜10μm程度とすることが好ましい。
Moreover, from the preferable range of the outer diameter and film thickness of the above-mentioned perfluorocarbon sulfonic acid resin film, the preferable range of the inner diameter is 0.01 to 10 mm, more preferably 0.1 to 1 mm, and still more preferably 0. .1 to 0.5 mm.
The thickness of the catalyst layer provided on the inner and outer surfaces of the electrolyte membrane is preferably about 1 to 100 μm, and the thickness of the gas diffusion layer is preferably about 3 to 10 μm.

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、集電体(5,6)の形態、材料は特に限定されない。集電体の材料としては、ステンレス等の金属の線材又は箔を例示することができ、例えば、カーボン系接着材やAgペースト等の導電性接着材により電極上に固定してもよい。
The cell module having a hollow shape used in the fuel cell of the present invention is not limited to the configuration exemplified above, and a layer other than the catalyst layer and the gas diffusion layer may be provided for the purpose of enhancing the function of the cell module. .
Moreover, the form and material of a collector (5, 6) are not specifically limited. Examples of the current collector material include a metal wire such as stainless steel or a foil. For example, the current collector may be fixed on the electrode with a conductive adhesive such as a carbon-based adhesive or an Ag paste.

なお、図1に示した実施形態では、電解質膜として、プロトン伝導膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜を用いた構成をとるが、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。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を有する電解質としてはセラミックスを含むもの等が挙げられる。酸化物イオン伝導性の電解質膜を用いる場合には、カソード側で生成した酸化物イオンが電解質膜内を通過してアノード側に達し、水素と反応して水を生成すると同時に電子を放出する。従って、この場合、アノード側で生成水が生成するのでチューブ状電解質膜の外面側にアノードを設け、中空内には酸化剤ガスを流通させる構成とする。 In the embodiment shown in FIG. 1, a perfluorocarbon sulfonic acid resin film, which is a proton conducting film, is used as the electrolyte film, but the electrolyte film used in the fuel cell of the present invention is particularly limited. Instead, it may be proton-conductive or other ion-conductive such as hydroxide ions or oxide ions (O 2− ). Examples of other ion-conducting electrolytes such as hydroxide ions and oxide ions (O 2− ) include those containing ceramics. In the case of using an oxide ion conductive electrolyte membrane, oxide ions generated on the cathode side pass through the electrolyte membrane and reach the anode side, react with hydrogen to generate water and simultaneously release electrons. Therefore, in this case, since generated water is generated on the anode side, an anode is provided on the outer surface side of the tubular electrolyte membrane, and an oxidizing gas is circulated in the hollow.

本発明の燃料電池内に備えられるセルモジュールの一形態例を示す概略図である。It is the schematic which shows one example of the cell module with which the fuel cell of this invention is equipped. 本発明の燃料電池の一形態例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example of 1 form of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池の別の一形態例を示す概略図である。It is the schematic which shows another one example of the fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101…セルモジュール
1…中空電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜)
2…カソード(水を生成する電極:第一の電極)
3…アノード(第二の電極)
4…中空部
5,6…集電体
7…外装容器
8…リザーバ
101 ... Cell module 1 ... Hollow electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane)
2 ... Cathode (electrode for generating water: first electrode)
3 ... Anode (second electrode)
4 ... Hollow part 5, 6 ... Current collector 7 ... Exterior container 8 ... Reservoir

Claims (5)

中空電解質膜と、当該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極を有するセルモジュールを備えた燃料電池であって、前記セルモジュールは、前記一対の電極のうち生成水を生成する電極を中空電解質膜の外面側に有し、且つ、当該中空電解質膜の外面側に設けられた電極から排出される水を貯溜するためのリザーバを有することを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising a cell module having a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, wherein the cell module is an electrode that generates generated water of the pair of electrodes. And a reservoir for storing water discharged from an electrode provided on the outer surface side of the hollow electrolyte membrane. 前記リザーバ内の水を再利用するための手段をさらに有する、請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, further comprising means for reusing water in the reservoir. 前記リザーバは、燃料電池の使用状態において前記セルモジュールの重力方向下部側に位置するように設けられている、請求項1又は2に記載の燃料電池。   3. The fuel cell according to claim 1, wherein the reservoir is provided so as to be positioned on a lower side in a gravitational direction of the cell module in a use state of the fuel cell. 前記セルモジュールは、その長手方向が燃料電池の使用状態において重力方向に対して略垂直となるように配置されている、請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the cell module is arranged so that a longitudinal direction thereof is substantially perpendicular to a direction of gravity in a use state of the fuel cell. 前記セルモジュールを複数配列させたセル群を備え、当該セル群が外装容器内に収容され、当該外装容器は、前記中空電解質膜の内面及び外面に設けられた電極に供給される物質の流出入口を除いて、外部空間との気密性が保持されている請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池。   A cell group in which a plurality of the cell modules are arranged; the cell group is accommodated in an outer container; and the outer container is an outlet / outlet of a substance supplied to electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein airtightness with respect to the external space is maintained except for the above.
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