JP2006216416A

JP2006216416A - チューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドル

Info

Publication number: JP2006216416A
Application number: JP2005028527A
Authority: JP
Inventors: Harumichi Nakanishi; 治通中西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】本発明は、良好な発電特性の発揮、および効率的な集電が可能であるチューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドルを提供することを主目的とするものである。
【解決手段】上記目的を達成するために本発明は、チューブ形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を少なくとも有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体が複数本束状に配置されてなるチューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドルであって、上記チューブ型燃料電池用膜電極複合体が、隣り合うチューブ型燃料電池用膜電極複合体の側面同士が接触するように配置されており、かつ、導電板からなる外側集電体が上記束状に配置されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体の外側に接触するように配置されてい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バンドルを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、チューブ形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用いられるチューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドルに関する。

従来の平板構造の固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に燃料電池と称する場合がある。）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子を外部に伝える働きをしている。

上記燃料電池の小型化のため、および、単位体積当たりの発電反応面積を大きくするためには、燃料電池の上記構成部材の厚さを薄くする必要がある。しかしながら、このような従来の平板構造の燃料電池においては、各構成部材の厚さをある一定以下の値にすることは、機能面や強度面から好ましくなく、設計限界に近づきつつある。例えば、現在汎用されているナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）の膜は厚さが一定以下になるとガス透過性が大きくなりすぎ、セル内でガスのクロスリークが生じて発電電圧が低下する等の問題がある。このようなことから、従来の平板構造の燃料電池の単位体積当たりの出力密度を一定以上に向上させることは構造上困難である。

そこで、中空糸等を用い、その内面および外面に電解質膜や触媒電極層等を積層したチューブ形状の膜電極複合体を用いて燃料電池を構成することにより出力密度を高める研究が行なわれている。このようなチューブ形状の膜電極複合体は、多数の径の細いチューブを密に配することにより、従来の平板構造の燃料電池に比べ、単位体積当たりの出力密度を大幅に向上することができる。しかしながら、上記チューブ形状の膜電極複合体内において発生した電子は通常チューブの末端から集電されるため、発生した電子はチューブ形状の軸方向に沿って触媒電極層内を移動しなければならず、抵抗の大きい膜電極複合体内を長距離移動することは熱損失等につながってしまうため、効率的な集電を行うことが困難であった。

特許文献１には、複数本のチューブ形状の膜電極複合体を１列に並べ、上記１列に並べた膜電極複合体と、板状の集電体とを交互に配置し、上記板状の導電体によりチューブ形状の膜電極複合体の集電を行う構成のチューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドルが開示されている。上記構成においては全ての膜電極複合体が板状の集電体と接しているため、膜電極複合体内で発生した電子は上記板状の集電体まで移動し、抵抗が低い該集電体内を通り集電されるため、効率的な集電が可能になる。しかしながら、このような配置は、チューブ形状の膜電極複合体を空間に対して密に配置できないため、単位体積当たりの電極面積の増加を図ることが困難である。また、板状の導電体を多数配置する必要があるため、チューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドルの大型化および重量化を招いてしまう。

特開平８−１６２１４２号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、良好な発電特性の発揮、および効率的な集電が可能であるチューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドル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、チューブ形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を少なくとも有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体が複数本束状に配置されてなるチューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドルであって、上記チューブ型燃料電池用膜電極複合体が、隣り合うチューブ型燃料電池用膜電極複合体の側面同士が接触するように配置されており、かつ、導電板からなる外側集電体が上記束状に配置されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体の外側に接触するように配置されてい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バンドルを提供する。

本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体（以下、チューブ型燃料電池用膜電極複合体を単に膜電極複合体と称する場合がある。）バンドルは、膜電極複合体内で発生した電子の集電を膜電極複合体の束の外側に配置された導電板からなる外側集電体により行うため、膜電極複合体を密に配置することができ、かつ、膜電極複合体からの集電を効率よく行うことができる。

本発明においては、膜電極複合体バンドルに用いられる上記膜電極複合体が、上記内側触媒電極層の内周面に形成された内側集電体を有することが好ましい。上記膜電極複合体に内側集電体を設けることにより、さらに効率的な集電を行うことができる。

本発明は、良好な発電特性の発揮、および効率的な集電が可能である膜電極複合体バンドルを得ることができるといった効果を奏する。

本発明は、導電板からなる外側集電体が用いられた膜電極複合体バンドルに関するものである。以下、本発明の膜電極複合体バンドルについて詳細に説明する。

まず、本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドルについて、図を用いて具体的に説明する。
図１は、本発明の膜電極複合体バンドルの一例を示す概略斜視図である。また、図２（ａ）は、図１に示す膜電極複合体バンドルの、膜電極複合体のチューブ形状の軸に垂直な断面の一例を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明の膜電極複合体バンドル１においては、複数本の膜電極複合体２が束状に、隣り合う膜電極複合体２の側面同士が接触するように配置されている。上記膜電極複合体２の束の側面は、導電板からなる外側集電体３により覆われている。この際、図２（ａ）に示すように、上記外側集電体３の内側面は、上記膜電極複合体２の束の外側面と接触するように配置されている。

本発明の膜電極複合体バンドルにおいては、膜電極複合体内で発生した電子は上記導電板からなる外側集電体により集電される。このように板状の集電体を用いることにより、広い面積で集電することができ、抵抗を低く抑えることができるため、熱損失等を抑制して効率よく集電を行うことができる。

また、本発明においては、上記導電板からなる外側集電体は、膜電極複合体の束の外側に配置されているため、外側集電体が単位体積当たりに占める割合が少なく、その分膜電極複合体を密に配置することができる。さらに、本発明においては、上記外側集電体と直に接していない膜電極複合体内で発生した電子は、隣り合う膜電極複合体を介して外側集電体に到達できるようにするため、隣り合う膜電極複合体の側面同士が接触するように配置される。このことからも膜電極複合体を空間内に密に配置することとなり、単位体積当たりの電極面積を大きくすることができる。

本発明の膜電極複合体バンドルは、チューブ形状を有する複数の膜電極複合体の束と、上記膜電極複合体の束の外側に接触するように配置される外側集電体とから構成される。
以下、膜電極複合体バンドルの各構成部材、およびそれらの構成部材から構成される膜電極複合体バンドルについて、それぞれ分けて説明する。

１．膜電極複合体の束
本発明において、膜電極複合体バンドルを構成する膜電極複合体の束の大きさ等は特に限定されるものではなく、燃料電池が設置される空間の大きさや形状によって適宜調整することができる。例えば、膜電極複合体の束は、一般的な太さのチューブ形状を有する膜電極複合体を用いて構成することができ、その束の外径は特に限定されないが、１０〜１００ｍｍの範囲内、中でも３０〜５０ｍｍの範囲内のものを用いることができる。

また、１つの束を構成する膜電極複合体の本数は特に限定されるものではないが、通常は、１０〜１０００本、中でも１００〜２００本の膜電極複合体により構成される。１つの束の膜電極複合体の本数が上記範囲に満たないと、単位体積当たりに外側集電体を多数配置することとなり、単位体積当たりの外側集電体が占める体積の割合が高くなるため、膜電極複合体を密に配置することができなくなる可能性がある。一方、１つの束の膜電極複合体の本数が上記範囲を超えると、束の中心部に配置された膜電極複合体から外側集電体までの距離が長くなるため、集電効率が低下する可能性がある。

上述したような膜電極複合体の束を構成するチューブ形状の膜電極複合体は特に限定されるものではなく、一般的なものを用いることができる。一般的なチューブ形状の膜電極複合体の構成としては、例えば、チューブ形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形成された内側触媒電極層とを有するもの等を挙げることができる。また、必要に応じて、上記内側触媒電極層の内周面に内側集電体を設けてもよい。
以下、本発明に用いることができる膜電極複合体の各構成について説明する。

本発明に用いられる固体電解質膜としては、チューブ形状の形態を有し、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。このような固体電解質膜を形成する電解質材料としては、ナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）などに代表されるようなフッ素系樹脂、アミド系樹脂に代表されるような炭化水素系樹脂等有機系のもの、または、ケイ素酸化物を主成分とするものなどの無機系のもの等を挙げることができる。

上記無機系の電解質材料を用いた固体電解質膜としては、多孔質ガラスをチューブ形状に成形し、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形状の固体電解質膜や、チューブ形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。

また、本発明に用いられる内側触媒電極層、および外側触媒電極層は特に限定されるものではなく、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材料をチューブ形状に成形した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、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。

本発明においては、膜電極複合体の内側の集電を行う方法は特に限定されるものではなく、通常のチューブ形状の膜電極複合体の内側における集電の方法により行うことができる。例えば、触媒電極層としての機能と、集電体としての機能とを併せ持つ部材を、上記内側触媒電極層および内側集電体として用いてもよい。また、触媒電極層とは別の部材を集電体として用い、上記内側触媒電極層の内側に内側集電体を形成してもよい。

上記の中でも、本発明の膜電極複合体は、上記内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体を有することが好ましい。触媒電極層とは別の部材である集電体を用い、触媒電極層に導電性の高い集電体を密着させて集電を行うことにより、電子の移動を円滑にし、効率よく集電を行うことができるからである。

上記内側集電体は導電性が高く、膜電極複合体のチューブ形状の径方向にガスを透過する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の形状の例としては、バネ形状のもの、管の壁面部に、その壁面を貫通する孔を多数有する形状や、管の壁面部が網目構造のもの、複数の直線状の導電体がチューブ形状の軸方向に配置されたもの等を挙げることができ、中でもバネ形状のものが好適に用いられる。また、このような形状の内側集電体を形成する材料としては、例えば、カーボンまたは、ステンレス鋼、チタン、白金、金、ＴｉＣ、ＴｉＳｉ_２、ＳｉＯ_２，Ｂ_２Ｏ_３，Ｎｄ_２Ｏ，ＴｉＢ_２等の金属等を挙げることができる。

２．外側集電体
上記膜電極複合体の束の外側に配置される導電板からなる外側集電体は、導電性の高い物質が板状に形成されたものであれば特に限定されるものではない。上記外側集電体を形成する材料としては、例えば、カーボンまたは、ステンレス鋼、チタン、白金、金、ＴｉＣ、ＴｉＳｉ_２、ＳｉＯ_２，Ｂ_２Ｏ_３，Ｎｄ_２Ｏ，ＴｉＢ_２等の金属等を挙げることができる。また、外側集電体の板の厚さは、用いられる導電性材料の種類や膜電極複合体バンドルの大きさにより大きく異なるものであり、外側集電体の集電能力や強度等を考慮して、適宜調整して用いることができる。

３．膜電極複合体バンドル
本発明の膜電極複合体バンドルは、上述したような膜電極複合体の束と、外側集電体とから構成される。上記膜電極複合体の束と、その膜電極複合体の束の外側に配置される外側集電体との配置方法は、膜電極複合体の束と外側集電体とが接触していればよく、その配置方法は特に限定されるものではない。例えば、図２（ａ）に例示するように、膜電極複合体の束の４つの側面を囲むように外側集電体を配置してもよいし、図２（ｂ）から図２（ｄ）に例示するように、膜電極複合体の束の４つの側面のうち、１つまたは複数の側面に外側集電体が接触するように配置してもよい。

上記膜電極複合体の束と外側集電体とは、膜電極複合体の軸方向の長さが同程度であることが好ましい。外側集電体を、膜電極複合体の束の長さ方向全域にわたって配置することにより、膜電極複合体内で発生した電子を膜電極複合体の軸方向の末端まで効率的に移動させることができる。

本発明の膜電極複合体バンドルにおいては、隣り合う膜電極複合体の側面同士が接触し、かつ、膜電極複合体の束の外側面と外側集電体とが接触するように配置される。このように配置することにより、各膜電極複合体内で発生した電子を隣り合う膜電極複合体を介して外側集電体へと移動させ、さらに、上記外側集電体内を膜電極複合体の軸方向の末端まで移動させて効率的に集電を行うことができる。

なお、本発明にはチューブ形状を有する膜電極複合体が用いられ、その軸に垂直な断面の断面形状は円形状である。そのため、隣り合う膜電極複合体の側面同士、および膜電極複合体の側面と外側集電体とを接触させた場合でも膜電極複合体間、および膜電極複合体と外側集電体との間には空間が確保され、このような空間は発電反応に必要なガスや生成水の流路としても利用可能である。

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。

本発明の膜電極複合体バンドルの一例を示す概略斜視図である。本発明の膜電極複合体バンドルの一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ … 膜電極複合体バンドル
２ … 膜電極複合体
３ … 外側集電体

Claims

チューブ形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を少なくとも有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体が複数本束状に配置されてなるチューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドルであって、
前記チューブ型燃料電池用膜電極複合体が、隣り合うチューブ型燃料電池用膜電極複合体の側面同士が接触するように配置されており、かつ、導電板からなる外側集電体が前記束状に配置されたチューブ型燃料電池用膜電極複合体の外側に接触するように配置されてい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バンドル。
前記チューブ型燃料電池用膜電極複合体が、前記内側触媒電極層の内周面に形成された内側集電体を有す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用膜電極複合体バンドル。