JP2007134187A - チューブ型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能を向上させることが可能なチューブ型燃料電池を提供する。
【解決手段】内部集電体と、内部集電体の外側に配設される内側触媒層、内側触媒層の外側に配設される電解質膜、及び、電解質膜の外側に配設される外側触媒層を備えるＭＥＡと、ＭＥＡの端部に配置されるシール部と、を具備するチューブ型燃料電池であって、内側触媒層の両端面をＡ１及びＡ２、Ａ１と対応する電解質膜の端面をＢ１、Ａ２と対応する電解質膜の端面をＢ２、Ａ１及びＢ１と対応する外側触媒層の端面をＣ１、Ａ２及びＢ２と対応する外側触媒層の端面をＣ２、とするとき、外側触媒層の軸方向長さが、電解質膜の軸方向長さ及び内側触媒層の軸方向長さよりも短く、Ａ１及びＢ１の内側にＣ１が位置し、Ａ２及びＢ２の内側にＣ２が位置するとともに、Ａ１及びＢ１とＣ１との間、並びに、Ａ２及びＢ２とＣ２との間に、シール部が配置されている、チューブ型燃料電池とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、チューブ型燃料電池に関し、特に、発電性能を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池に関する。

単位面積当たりの出力密度を一定以上に向上させること等を目的として、近年、チューブ型の燃料電池（以下において、「チューブ型ＰＥＦＣ」と記述することがある。）に関する研究が進められている。チューブ型ＰＥＦＣのユニットセル（以下において、「チューブ型セル」と記述することがある。）は、一般に、中空形状の電解質層と当該電解質層の内側及び外側に配設される触媒層とを備えるＭＥＡ、を備えている。そして、例えば、当該ＭＥＡの内側に水素含有ガス（以下において「水素」と記述する。）を、同外側に酸素含有ガス（以下において「空気」と記述する。）を供給することにより電気化学反応を起こし、この電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの内側及び外側に配設される集電体（以下において、内側に配設される集電体を「内部集電体」、外側に配設される集電体を「外部集電体」と記述する。）を介して外部に取り出している。すなわち、チューブ型ＰＥＦＣでは、各ユニットセルに備えられるＭＥＡの内側に一方の反応ガス（例えば、水素）を、外側に他方の反応ガス（例えば、空気）を供給することで発電エネルギーを取り出す。したがって、チューブ型ＰＥＦＣによれば、隣り合う２つのユニットセルの外側面に供給される反応ガスを同一とすることができ、従来の平板型ＰＥＦＣではガス遮蔽性能をも併せ持っていたセパレータが不要となるので、効果的にユニットセルの小型化を図ることが可能になる。

チューブ型の燃料電池に関する技術として、例えば、特許文献１には、マイクロセルの全てのコンポーネントが、単繊維アセンブリに加工された燃料電池に関する技術が開示されている。かかる技術によれば、高密度のエネルギー出力を生み出し、電気化学的セル装置（チューブ型燃料電池）の容積を最小限とすることができる、としている。
特表２００４−５０５４１７号公報

上述のように、チューブ型ＰＥＦＣでは、水素及び空気を使用して電気エネルギーを得ており、これらのガスが混ざり合うのを防止するため、チューブ型セルの端部にシール部が備えられる。ここに、図３にその形態例を示すように、特許文献１に開示されるような従来のチューブ型ＰＥＦＣでは、これまで、内部集電体５の周りに内側触媒層９２ａ、電解質膜９１、及び外側触媒層９２ｂを備えるＭＥＡ９６が配設されるとともに、外側触媒層９２ｂと接するように外部集電体（不図示）が配設され、ＭＥＡ９６の端部にシール部９７、９７が配設されていた。ところが、かかる形態のチューブ型ＰＥＦＣでは、外側触媒層９２ｂの端部表面、及び、外側触媒層９２ｂの端面へ一の反応ガス（図３では水素）が拡散する一方、外側触媒層９２ｂの中央部表面へ他の反応ガス（図３では空気）が拡散する。このように、外側触媒層９２ｂの一部に水素が拡散し、他の部分に空気が拡散すると、外側触媒層９２ｂにおいて部分電池が形成されるため、チューブ型ＰＥＦＣの発電性能が低下しやすいという問題があった。

そこで本発明は、発電性能を向上させることが可能なチューブ型燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、内部集電体と、内部集電体の外側に配設される内側触媒層、内側触媒層の外側に配設される電解質膜、及び、電解質膜の外側に配設される外側触媒層を備えるＭＥＡと、ＭＥＡの端部に配置されるシール部と、を具備するチューブ型燃料電池であって、内側触媒層の両端面をＡ１及びＡ２、Ａ１と対応する電解質膜の端面をＢ１、Ａ２と対応する電解質膜の端面をＢ２、Ａ１及びＢ１と対応する外側触媒層の端面をＣ１、Ａ２及びＢ２と対応する外側触媒層の端面をＣ２、とするとき、外側触媒層の軸方向長さが、電解質膜の軸方向長さ及び内側触媒層の軸方向長さよりも短く、Ａ１及びＢ１の内側にＣ１が位置し、Ａ２及びＢ２の内側にＣ２が位置するとともに、Ａ１及びＢ１とＣ１との間、並びに、Ａ２及びＢ２とＣ２との間に、シール部が配置されていることを特徴とする、チューブ型燃料電池により、上記課題を解決する。

本発明及び以下の発明において、ＭＥＡの端部とは、具体的には、チューブ型セルの軸方向の両端部を意味する。さらに、「対応する端面」とは、ＭＥＡの軸方向中心に対して同じ方向に位置する端面を意味する。加えて、「Ａ１及びＢ１の内側にＣ１が位置する」とは、Ａ１及びＢ１よりもＣ１の方がＭＥＡの軸方向中心の近くに位置することを意味し、「Ａ２及びＢ２の内側にＣ２が位置する」とは、Ａ２及びＢ２よりもＣ２の方がＭＥＡの軸方向中心の近くに位置することを意味している。また、本発明及び以下の発明にかかるシール部の構成材料の具体例としては、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ等）、あるいは、２液混合によって硬化する接着剤（例えば、耐熱エポキシ系接着剤）等を挙げることができる。なお、「Ａ１及びＢ１とＣ１との間、並びに、Ａ２及びＢ２とＣ２との間に、シール部が配置されている」とは、Ｃ１及び／又はＣ２がシール部の表面又は内部に位置する形態をも含む概念である。

請求項２に記載の発明は、内部集電体と、内部集電体の外側に配設される内側触媒層、内側触媒層の外側に配設される電解質膜、及び、電解質膜の外側に配設される外側触媒層を備えるＭＥＡと、ＭＥＡの端部に配置されるシール部と、を具備するチューブ型燃料電池であって、内側触媒層の両端面をＸ１及びＸ２、Ｘ１と対応する電解質膜の端面をＹ１、Ｘ２と対応する電解質膜の端面をＹ２、Ｘ１及びＹ１と対応する外側触媒層の端面をＺ１、Ｘ２及びＹ２と対応する外側触媒層の端面をＺ２、とするとき、シール部内に、Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、及び、Ｚ２が配置されるとともに、Ｘ１、Ｙ１、及び、Ｚ１の位置、並びに、Ｘ２、Ｙ２、及び、Ｚ２の位置が略同一であることを特徴とする、チューブ型燃料電池により、上記課題を解決する。

ここに、「Ｘ１、Ｙ１、及び、Ｚ１の位置、並びに、Ｘ２、Ｙ２、及び、Ｚ２の位置が略同一である」とは、内側触媒層、電解質膜、及び外側触媒層の端面の位置が揃っていることを意味している。

請求項１に記載の発明によれば、シール部に対して、外側触媒層の端面位置と、内側触媒層及び電解質膜の端面位置とを反対側にすることができるので、外側触媒層の端部表面及び中央部表面へと拡散する反応ガスを１種類のみとすることができる。このようにすれば、外側触媒層における部分電池の形成を防止できるので、発電性能を向上させることが可能なチューブ型燃料電池を提供できる。

請求項２に記載の発明によれば、シール部の中に、外側触媒層の端面を配置することができるので、外側触媒層の端部表面及び中央部表面へと拡散する反応ガスを１種類のみとすることができる。すなわち、かかる形態であっても、外側触媒層における部分電池の形成を防止できるので、発電性能を向上させることが可能なチューブ型燃料電池を提供できる。

以下、図面を参照しつつ、本発明のチューブ型燃料電池について具体的に説明する。なお、以下において、各図の紙面上下方向を「軸方向」と表現し、チューブ型セルの中央側を「中央側」、同両端側を「両端側」と表記することがある。

図１は、第１実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池の一部を拡大して示す斜視図である。図示のように、第１実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池１０は、内部集電体５と、当該内部集電体５の外側に配設される内側触媒層２ａ、その外側に配設される電解質膜１、及び、さらに外側に配設される外側触媒層２ｂを備えるＭＥＡ６ａと、当該ＭＥＡ６ａの両端部に配置されるシール部７ａ、７ａと、を具備している。そして、内部集電体５の外周面には、内部集電体５と内側触媒層２ａとの間へ反応ガスを拡散可能とする流路が形成され、外側触媒層２ｂの表面には、外部集電体が配置される（流路及び外部集電体は不図示）。

チューブ型燃料電池１０において、外側触媒層２ｂの軸方向長さは、内側触媒層２ａ及び電解質膜１の軸方向長さよりも短く、内側触媒層２ａの両端面Ａ１、Ａ２、及び、電解質膜１の両端面Ｂ１、Ｂ２はシール部７ａ、７ａよりも両端側に、外側触媒層２ｂの両端面Ｃ１、Ｃ２はシール部７ａ、７ａよりも中央側に、それぞれ位置している。このような形態とすれば、シール部７ａ、７ａによって挟まれた空間には空気を、シール部７ａ、７ａによって隔離されたチューブ型セルの両端側には水素を、それぞれ流すことができる。そのため、外側触媒層２ｂの表面へと拡散可能な反応ガスを空気のみとして、外側触媒層２ｂにおける部分電池の形成を防止することで、チューブ型燃料電池１０の発電性能を向上させることができる。

加えて、チューブ型燃料電池１０では、外側触媒層２ｂの両端面Ｃ１、Ｃ２と、内側触媒層２ａの両端面Ａ１、Ａ２、及び、電解質膜１の両端面Ｂ１、Ｂ２との間に、シール部７ａ、７ａが形成されている。そのため、当該シール部７ａ、７ａを形成させる際に、シール部７ａ、７ａの構成材料（例えば、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ等）、あるいは、２液混合によって硬化する接着剤（例えば、耐熱エポキシ系接着剤）等）が、内側触媒層２ａと電解質膜１との間、及び、電解質膜１と外側触媒層２ｂとの間へ流入することを防止できる。このように、シール部７ａ、７ａの構成材料が上記部位へ流入しなければ、ＭＥＡ６内におけるプロトン伝導をスムーズに行うことが可能になるので、優れた発電性能を有するチューブ型燃料電池１０とすることができる。

ここに、チューブ型燃料電池１０は、例えば、以下の工程を経ることにより、製造することができる。チューブ型燃料電池１０を製造するには、まず、良好な電気伝導性及び耐食性を有する材料（例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ等。Ｃｕの場合は、耐食性を向上させるため、その表面を高耐食性材料（例えばＴｉ等）で被覆することが好ましい。）により構成される内部集電体５を用意する。そして、有機溶媒を用いて溶解させた含フッ素イオン交換樹脂等を含む溶液へ白金担持カーボン等の触媒を分散させてインク状にした触媒インク（以下、単に「触媒インク」という。）を、内部集電体５の表面に塗布し乾燥させる等の方法により、内部集電体５の表面に内側触媒層２ａを形成させる。このようにして内側触媒層２ａが形成されたら、引き続き、有機溶媒を用いて溶解させた含フッ素イオン交換樹脂等（以下、「電解質成分」という。）を、内側触媒層２ａの表面に塗布し乾燥させる等の方法により、内側触媒層２ａの表面に電解質膜１を形成させる。その後、電解質膜１の表面に、電解質膜１と両端面の位置がずれるように、触媒インクを電解質膜１の表面に塗布し乾燥させる等の方法により、外側触媒層２ｂを形成させ、当該外側触媒層２ｂの外側に、内側集電体１と同様の材料で構成される外部集電体を配設する。このようにして、チューブ型セルを作製したら、外側触媒層２ｂの両端面と、電解質膜１の両端面との間の位置のみに、例えば、常温で液体である熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ等）、あるいは、２液混合によって硬化する接着剤（例えば、耐熱エポキシ系接着剤）等を流し込み、冷却・固定させてシール部７ａ、７ａを形成することで、第１実施形態にかかるチューブ型燃料電池１０を製造することができる。

図２は、第２実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池の一部を拡大して示す斜視図である。図２において、図１に示すチューブ型燃料電池と同様の構成を採る部位・部材には、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。

図２に示すように、第２実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池２０は、内部集電体５と、当該内部集電体５の外側に配設される内側触媒層２ａ、その外側に配設される電解質膜１、及び、さらに外側に配設される外側触媒層２ｂ’を備えるＭＥＡ６ｂと、当該ＭＥＡ６ｂの両端部に配置されるシール部７ｂ、７ｂと、を具備している。そして、内部集電体５の外周面には、内部集電体５と内側触媒層２ａとの間へ反応ガスを拡散可能とする流路が形成され、外側触媒層２ｂ’の表面には、外部集電体が配置される（流路及び外部集電体は不図示）。加えて、シール部７ｂ、７ｂの厚さは、第１実施形態にかかるシール部７ａ、７ａよりも厚く、当該シール部７ｂ、７ｂは、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ等）、あるいは、２液混合によって硬化する接着剤（例えば、耐熱エポキシ系接着剤）等により構成されている。

チューブ型燃料電池２０では、内側触媒層２ａの一の端面Ｘ１、電解質膜１の一の端面Ｙ１、及び、外側触媒層２ｂ’の一の端面Ｚ１の位置が揃っており、内側触媒層２ａの他の端面Ｘ２、電解質膜１の他の端面Ｙ２、及び、外側触媒層２ｂ’の他の端面Ｚ２の位置が揃っている。そして、端面Ｘ１、Ｙ１、及び、Ｚ１は、一のシール部７ｂ内に、端面Ｘ２、Ｙ２、及び、Ｚ２は、他のシール部７ｂ内に、それぞれ位置している。かかる形態であっても、シール部７ｂ、７ｂによって挟まれた空間には空気を、シール部７ｂ、７ｂによって隔離されたチューブ型セルの両端側には水素を、それぞれ流すことができる。そのため、外側触媒層２ｂ’の表面へと拡散可能な反応ガスを空気のみとして、外側触媒層２ｂ’における部分電池の形成を防止することで、チューブ型燃料電池２０の発電性能を向上させることができる。

ここに、チューブ型燃料電池２０は、例えば、以下の工程を経ることにより、製造することができる。チューブ型燃料電池２０を製造するには、まず、良好な電気伝導性及び耐食性を有する材料（例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ等。Ｃｕの場合は、耐食性を向上させるため、その表面を高耐食性材料（例えばＴｉ等）で被覆することが好ましい。）により構成される内部集電体５を用意する。そして、当該内部集電体５の表面に、加熱して溶融させた、内側触媒層用の触媒インク、電解質成分、及び、外側触媒層用の触媒インクを、それぞれ押し出すことにより、内部集電体５の表面にＭＥＡ６ｂを形成させる。このようにしてＭＥＡ６ｂが形成されたら、その両端面を内部へ配置可能な位置に、常温で液体である熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ等）、あるいは、２液混合によって硬化する接着剤（例えば、耐熱エポキシ系接着剤）等を流し込み、冷却・固定させてシール部７ｂ、７ｂを形成することで、第２実施形態にかかるチューブ型燃料電池２０を製造することができる。このように、第２実施形態にかかるチューブ型燃料電池２０によれば、その製造工程を簡略化することができる。なお、第２実施形態にかかるチューブ型燃料電池の製造方法において、加熱して溶融させた、内側触媒層用の触媒インク、電解質成分、及び、外側触媒層用の触媒インクを押し出す方法の具体例としては、電線を製造する際等に利用される、溶融押出の方法等を利用可能である。

なお、本発明にかかる上記説明では、外側触媒層の表面へ空気が供給され、チューブ型セルの両端部から内側触媒層へ水素が供給される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、外側触媒層の表面へ水素が、内側触媒層へ空気が供給される形態とすることも可能である。

第１実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池の一部を拡大して示す斜視図である。 第２実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池の一部を拡大して示す斜視図である。 従来のチューブ型燃料電池の形態例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 電解質膜
２ａ 内側触媒層
２ｂ、２ｂ’ 外側触媒層
５ 内部集電体
６ａ、６ｂ ＭＥＡ
７ａ、７ｂ シール部
１０、２０ チューブ型燃料電池

Claims (2)

1. 内部集電体と、該内部集電体の外側に配設される内側触媒層、該内側触媒層の外側に配設される電解質膜、及び、該電解質膜の外側に配設される外側触媒層を備えるＭＥＡと、該ＭＥＡの端部に配置されるシール部と、を具備するチューブ型燃料電池であって、
   前記内側触媒層の両端面をＡ１及びＡ２、前記Ａ１と対応する前記電解質膜の端面をＢ１、前記Ａ２と対応する前記電解質膜の端面をＢ２、前記Ａ１及びＢ１と対応する前記外側触媒層の端面をＣ１、前記Ａ２及びＢ２と対応する前記外側触媒層の端面をＣ２、とするとき、
   前記外側触媒層の軸方向長さが、前記電解質膜の軸方向長さ及び前記内側触媒層の軸方向長さよりも短く、
   前記Ａ１及びＢ１の内側に前記Ｃ１が位置し、前記Ａ２及びＢ２の内側に前記Ｃ２が位置するとともに、前記Ａ１及びＢ１と前記Ｃ１との間、並びに、前記Ａ２及びＢ２と前記Ｃ２との間に、前記シール部が配置されていることを特徴とする、チューブ型燃料電池。
2. 内部集電体と、該内部集電体の外側に配設される内側触媒層、該内側触媒層の外側に配設される電解質膜、及び、該電解質膜の外側に配設される外側触媒層を備えるＭＥＡと、該ＭＥＡの端部に配置されるシール部と、を具備するチューブ型燃料電池であって、
   前記内側触媒層の両端面をＸ１及びＸ２、前記Ｘ１と対応する前記電解質膜の端面をＹ１、前記Ｘ２と対応する前記電解質膜の端面をＹ２、前記Ｘ１及びＹ１と対応する前記外側触媒層の端面をＺ１、前記Ｘ２及びＹ２と対応する前記外側触媒層の端面をＺ２、とするとき、
   前記シール部内に、前記Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、及び、Ｚ２が配置されるとともに、前記Ｘ１、Ｙ１、及び、Ｚ１の位置、並びに、前記Ｘ２、Ｙ２、及び、Ｚ２の位置が略同一であることを特徴とする、チューブ型燃料電池。
   

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