JP2007194205A - Fuel cell module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of efficiently collecting current on one end side of a module. <P>SOLUTION: In a fuel cell module formed by housing a plurality of hollow fiber type electrolyte cells in a cylindrical case, an inside current collecting layer and an outside current collecting layer are installed on one end side of the fuel cell module, a positive electrode and a negative electrode are extracted out of the one side of the module, and preferably, the plurality of hollow fiber type electrolyte cells are housed in the cylindrical case at both ends by a potting layer, and a current collecting layer is installed in the potting layer on one end side. The inside and the outside current collecting layers are formed with a conductive paste layer, or at least one of the current collecting layers is preferably formed with a grating-like conductive current collecting plate. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。さらに詳しくは、モジュールの一端側において集電が可能な固体高分子形の燃料電池モジュールに関する。   The present invention relates to a fuel cell module. More specifically, the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell module capable of collecting current at one end side of the module.

複数本の中空糸型電解質セルを用いた構造の固体高分子形の燃料電池モジュールは、電解質層、その内側電極層および外側電極層などからなる構造を有している。内側電極層の内部および外側電極層の外部には、それぞれ燃料となる流体が流れている。電解質層は、イオン導電体であるばかりではなく、各燃料流体のクロスリークが最小量となるように設計されている。また、内側および外側の各電極層は、電極として働くだけではなく、これら燃料となる流体および発電の結果生成した水等の生成物が透過・拡散できるように、多孔質層として形成されている。   A polymer electrolyte fuel cell module having a structure using a plurality of hollow fiber electrolyte cells has a structure including an electrolyte layer, an inner electrode layer, an outer electrode layer, and the like. A fluid serving as a fuel flows inside the inner electrode layer and outside the outer electrode layer. The electrolyte layer is designed not only to be an ionic conductor but also to minimize the cross leak of each fuel fluid. The inner and outer electrode layers not only function as electrodes, but are formed as porous layers so that fluids such as fuel and products such as water generated as a result of power generation can permeate and diffuse. .

そして、基本的には、中空糸型電解質セルの外部側を流れる流体と内部側を流れる流体とを分離するためのシール機構として、図３に示されるように、燃料電池モジュールの両端部にポッティング部を設けることなどが行われている。この図３に縦断面図として示された従来例の基本構成においては、筒状ケース１内に収容された中空糸型電解質セル２の両端部にポッティング層３,３′が設けられており、燃料Aはケース壁に穿設された貫通口４から導入されて貫通口５から排気され、また燃料Bは中空糸型電解質セルの入口６から導入されて出口7から排気される。   Basically, as shown in FIG. 3, potting is performed on both ends of the fuel cell module as a seal mechanism for separating the fluid flowing outside and the fluid flowing inside the hollow fiber electrolyte cell. A part is provided. In the basic configuration of the conventional example shown as a longitudinal sectional view in FIG. 3, potting layers 3, 3 ′ are provided at both ends of the hollow fiber type electrolyte cell 2 accommodated in the cylindrical case 1, The fuel A is introduced from the through-hole 4 drilled in the case wall and exhausted from the through-hole 5, and the fuel B is introduced from the inlet 6 of the hollow fiber electrolyte cell and exhausted from the outlet 7.

中空糸型電解質セル２の基本的な構成は、図４に横断面図として、また図５に縦断面図として示されている。その構成は、内側から順に内側多孔質電極層１１、内側触媒層１２、電解質層１３、外側触媒層１４および外側多孔質電極層１５の中空状積層体よりなる。これらの各層の長さは、図５に示されるように内側多孔質電極層１１が最も長く、外側の層は順次同じ長さかあるいは短く設定される。しかしながら、両端部は必ずしも同じ形状とする必要はなく、発電された電力を取り出す側の端部は、集電および絶縁のために他端部よりも長くすることが好ましい。   The basic structure of the hollow fiber electrolyte cell 2 is shown as a cross-sectional view in FIG. 4 and as a vertical cross-sectional view in FIG. The structure consists of the hollow laminated body of the inner side porous electrode layer 11, the inner side catalyst layer 12, the electrolyte layer 13, the outer side catalyst layer 14, and the outer side porous electrode layer 15 in an order from the inside. As shown in FIG. 5, the length of each of these layers is the longest in the inner porous electrode layer 11, and the outer layers are sequentially set to the same length or shorter. However, both ends do not necessarily have the same shape, and it is preferable that the end on the side from which the generated power is taken out be longer than the other end for current collection and insulation.

中空糸型電解質セルよりなる燃料電池単体をモジュール化することで、それの本数に比例して電流を多く取り出すことができる。最大の電流値を得るためには、モジュール化する際に中空糸型電解質セルである燃料電池単体は並列に、すべて同じ向きに配置され、こうした状態に固定するために、ポッティング層がモジュール両端に設けられる。   By modularizing a single fuel cell comprising hollow fiber electrolyte cells, a large amount of current can be extracted in proportion to the number of the fuel cells. In order to obtain the maximum current value, the single fuel cells, which are hollow fiber electrolyte cells, are arranged in parallel in the same direction when modularized, and a potting layer is placed on both ends of the module in order to fix in this state. Provided.

ポッティング層は、中空糸型電解質セル内側を流れる燃料とその外側を流れる燃料とを分離する役割も担っている。このとき、集電のために、また燃料となる流体を中空糸型電解質セル内に導入するために、中空糸型電解質セルの先端はポッティング層より外側に突出させた状態とされる。図３においては、一方のポッティング部３で内側多孔質電極層のみを突出させ、もう一方のポッティング部３′では外側多孔質電極層までを突出させ、両方のポッティング部でそれぞれ集電を行う構成が示されている。   The potting layer also plays a role of separating the fuel flowing inside the hollow fiber type electrolyte cell from the fuel flowing outside. At this time, the tip of the hollow fiber electrolyte cell is projected outward from the potting layer in order to collect current and introduce a fluid as a fuel into the hollow fiber electrolyte cell. In FIG. 3, only the inner porous electrode layer protrudes from one potting portion 3 and the outer porous electrode layer protrudes from the other potting portion 3 ′, and current is collected at both potting portions. It is shown.

燃料電池により発電した電力は、ポッティング部の内側に設けられた内側電極およびその外側に設けられた外側電極に取り出す必要があり、これらの構成についは、電極触媒層を設けた中空糸型電解質セルモジュールの集電を考慮した構成が提案されている。しかしながら、これらの構成では、中空糸膜内管側の電極からの接続を中空糸型電解質セル１本１本について行ったり、電極触媒層を設けた中空糸型電解質セルの１セル毎に対して細かな細工を施す必要があり、非常に多数本の中空糸型電解質セルをアセンブリするモジュールでは生産性の低下が特に問題となる。
特開２００４−３１９１５２号公報 特開２００４−３１９１１３号公報 特開２００４−１５８３３５号公報 特開平９−２２３５０７号公報 The electric power generated by the fuel cell needs to be taken out to the inner electrode provided inside the potting part and the outer electrode provided outside thereof, and for these configurations, a hollow fiber electrolyte cell provided with an electrode catalyst layer A configuration that takes into account the current collection of modules has been proposed. However, in these configurations, connection from the electrode on the hollow fiber membrane inner tube side is performed for each hollow fiber electrolyte cell, or for each hollow fiber electrolyte cell provided with an electrode catalyst layer. It is necessary to carry out fine work, and in a module that assembles a very large number of hollow fiber electrolyte cells, a decrease in productivity is a particular problem.
JP 2004-319152 A JP 2004-319113 A JP 2004-158335 A JP-A-9-223507

また、複数本の中空糸型電解質セルを並列に接続させ、それを直列接続させた複数の電磁束を備えた電極装置を有するモジュールも提案されており、複数本の中空糸型電解質セルを上記各提案と比べて比較的容易にアセンブリすることを可能としている。その上、正・負の各電極をモジュールの一方向に隣接して取り出すことが可能であり、モジュールスタックとして構成の面でもすぐれている。
特表２００４−５３４３６８号公報 Further, a module having an electrode device having a plurality of electromagnetic fluxes in which a plurality of hollow fiber electrolyte cells are connected in parallel and connected in series has also been proposed. Compared to each proposal, it is possible to assemble relatively easily. In addition, it is possible to take out the positive and negative electrodes adjacent to each other in one direction of the module, and the module stack is excellent in terms of configuration.
JP-T-2004-534368

しかしながら、この提案では、１モジュールにおいては、中空糸型電解質セルを並列つなぎする部分(電流値の増大をもたらす)とこれを直列につなぐ部分(電圧値の増大をもたらす)とで必然的に構成され、並列つなぎ部分のみで構成させることができない。また、この提案では、中空糸型電解質セルをブロックに仕切るための治具が必要となり、さらにこの治具の所定の位置に中空糸型電解質セルを設置するための作業上の煩雑さを避けることができない。   However, in this proposal, in one module, it is inevitably composed of a portion connecting hollow fiber electrolyte cells in parallel (increasing the current value) and a portion connecting them in series (increasing the voltage value). Therefore, it cannot be configured only by the parallel connection part. Moreover, this proposal requires a jig for partitioning the hollow fiber electrolyte cell into blocks, and further avoids the troublesome work of installing the hollow fiber electrolyte cell at a predetermined position of the jig. I can't.

さらに、中空形状のガス拡散電極層、その外周に形成された高分子固体電解質膜層およびさらにその外周に形成されたガス拡散電極層を有する固体高分子形燃料電池が下記特許文献４で提案されている。その図４〜５では、モジュールの構成例が紹介されており、電解質セル最外周側の炭素繊維巻き回し層(外側多孔質電極層に相当)を中空糸セル間で接触させ、各セルから突出する負極端子と正極端子とを結線し、セル3本を直列化した概念が図４に示されている。しかしながら、図５に示されたモジュール構成では、ポッティング部でこれがどのようにつながれているかについての具体的な構成が示されておらず、また集電した出力端子、特に正極側の出力がケース内から直接外側に引き出されており、本発明の目的とする解決課題である集電方法の点については、具体的な解決方法がそこには何ら示されていないことが指摘される。
特開２００２−１２４２７３号公報 Further, a polymer electrolyte fuel cell having a hollow gas diffusion electrode layer, a polymer solid electrolyte membrane layer formed on the outer periphery thereof, and a gas diffusion electrode layer formed on the outer periphery thereof is proposed in Patent Document 4 below. ing. 4 to 5 show examples of the module configuration, in which the carbon fiber winding layer (corresponding to the outer porous electrode layer) on the outermost peripheral side of the electrolyte cell is brought into contact between the hollow fiber cells and protrudes from each cell. FIG. 4 shows a concept in which the negative electrode terminal and the positive electrode terminal to be connected are connected and three cells are connected in series. However, the module configuration shown in FIG. 5 does not show a specific configuration as to how this is connected in the potting unit, and the collected output terminal, particularly the output on the positive electrode side, is in the case. It is pointed out that there is no specific solution for the current collecting method, which is drawn directly to the outside and is the solution to be solved by the present invention.
JP 2002-124273 A

本発明の目的は、モジュールの一端側において効率的な集電を可能とする燃料電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell that enables efficient current collection on one end side of a module.

かかる本発明の目的は、複数本の中空糸型電解質セルを筒状ケース内にモジュールとして収容した燃料電池モジュールにおいて、その一端側に内部集電層および外部集電層を設け、正および負の両電極をモジュールの一方の側に取り出すように構成した燃料電池モジュールによって達成され、好ましくは複数本の中空糸型電解質セルがその両端部においてポッティング層によって筒状ケース内にモジュールとして収容されており、一端側のポッティング層には集電層が設けられている。内部および外部集電層は、導電性ペースト層または目皿状の導電性集電用プレートで形成される。   An object of the present invention is to provide a fuel cell module in which a plurality of hollow fiber electrolyte cells are accommodated as a module in a cylindrical case, and an internal current collecting layer and an external current collecting layer are provided on one end side of the fuel cell module. Achieved by a fuel cell module configured to take out both electrodes to one side of the module, preferably a plurality of hollow fiber electrolyte cells are housed as modules in a cylindrical case by potting layers at both ends thereof A current collecting layer is provided on the potting layer on one end side. The inner and outer current collecting layers are formed of a conductive paste layer or a plate-shaped conductive current collecting plate.

本発明に係る燃料電池モジュールにおいては、外部集電層からの配線を行うことにより、モジュール片側からの配線が可能であるため、燃料電池システムとして省スペースを実現すると共に、配線の簡素化を図ることができる。さらに、このようなモジュールの複数個を並列に並べ、直列に配線することで、電圧を上げることができる。   In the fuel cell module according to the present invention, since wiring from the external current collecting layer is possible, wiring from one side of the module is possible, thereby realizing space saving as a fuel cell system and simplifying wiring. be able to. Further, the voltage can be increased by arranging a plurality of such modules in parallel and wiring them in series.

内部および外部集電層は、導電性ペースト層として形成させることもできるが、これを目皿状の集電用プレートで形成させた場合には、複数の中空糸型電解質セルから集電された電流が抵抗値の小さい導電性集電用プレートに主に流れるので、発電効率の向上が図られ、かつ電流負荷による発熱の影響を大幅に軽減することができる。   The internal and external current collecting layers can be formed as a conductive paste layer, but when this was formed by a plate-shaped current collecting plate, the current was collected from a plurality of hollow fiber electrolyte cells. Since the current mainly flows through the conductive current collecting plate having a small resistance value, the power generation efficiency can be improved, and the influence of heat generated by the current load can be greatly reduced.

モジュール一端側、好ましくは一端側のポッティング層に設けられる集電層は、ポッティング層の両側にあってもあるいは片側にあってもよい。図１に示されるように、ポッティング層２１の両側に集電層２２、２３を配置する場合には、中空糸型電解質セル２の末端側では、ポッティング層２１の外側にある外部集電極２２を内側多孔質電極層１1に接するように設け、ポッティング層２１を介してその内側にある内部集電層２３が外側多孔質電極層１５に接するように配置する。また、図２に示されるように、ポッティング層２１の片側に集電層２２、２３を配置する場合には、外部集電層２２と内部集電層２３との間には、絶縁層２８が設けられる。この場合にも、各集電層と各多孔質電極層との接し方は同様である。なお、この絶縁層２８は、ポッティング層を兼ねることもできる。   The current collecting layer provided on the potting layer on one end side of the module, preferably on one end side, may be on both sides of the potting layer or on one side. As shown in FIG. 1, when the current collecting layers 22 and 23 are arranged on both sides of the potting layer 21, the external collector electrode 22 outside the potting layer 21 is provided on the terminal side of the hollow fiber electrolyte cell 2. It is provided so as to be in contact with the inner porous electrode layer 11, and the inner current collecting layer 23 located inside thereof is arranged so as to be in contact with the outer porous electrode layer 15 through the potting layer 21. As shown in FIG. 2, when the current collecting layers 22 and 23 are arranged on one side of the potting layer 21, an insulating layer 28 is provided between the outer current collecting layer 22 and the inner current collecting layer 23. Provided. Also in this case, the manner of contacting each current collecting layer and each porous electrode layer is the same. The insulating layer 28 can also serve as a potting layer.

ポッティング層が絶縁性基材の場合には、外部および内部集電層はポッティング層に接して配置することは可能であるが、絶縁性が十分ではないと考えられる場合には、両集電層間に別途絶縁層が設けられる。この絶縁層は、ポッティング層と集電層との界面にあってもあるいはポッティング層内にあっても構わない。また、絶縁層は、液体あるいは固体、さらには空間であっても構わない。   If the potting layer is an insulating substrate, the outer and inner current collecting layers can be placed in contact with the potting layer, but if the insulating property is not sufficient, both current collecting layers A separate insulating layer is provided. This insulating layer may be at the interface between the potting layer and the current collecting layer or in the potting layer. The insulating layer may be a liquid or a solid, or a space.

内側多孔質電極層に接した集電層から外部への配線を行うために、ポッティング層内や絶縁層内への配線が行われる。このような配線は、予めポッティング層あるいは絶縁層形成時に埋設しておいても構わないし、これらの層形成後に加工して配線してもよい。また、ポッティング層あるいは絶縁層の外部にある集電層と、内部集電層からの配線が短絡しないように、このための絶縁部も適宜設けられる。短絡防止のためには、内部集電層からの配線に絶縁被覆したものを使用したり、この配線部分には外部集電層を配置しない構造にしてもよい。   In order to perform wiring from the current collecting layer in contact with the inner porous electrode layer to the outside, wiring is performed in the potting layer or the insulating layer. Such wiring may be embedded in advance when the potting layer or insulating layer is formed, or may be processed and wired after forming these layers. An insulating portion for this purpose is also provided as appropriate so that the current collecting layer outside the potting layer or the insulating layer and the wiring from the internal current collecting layer do not short-circuit. In order to prevent a short circuit, the wiring from the internal current collecting layer may be made of an insulating coating, or the external current collecting layer may not be disposed in this wiring portion.

図１に縦断面図として示される本発明の一実施態様について、燃料電池モジュールの作製方法を説明する。ケース１内に複数本の中空糸型電解質セル２を同じ向きに配置し、電極取出し側と反対側に筒状ケース１に穿設された貫通孔４から、絶縁性ポッティング剤２１′を流し込み、他端側の中空糸型電解質セル２群を固定する。次いで、電極取出し側にケース１に穿設された貫通孔５からパラフィンを流し込み、電極取出し側の中空糸型電解質セル２群を仮固定する。このとき、内部集電層２３の配線２４となる絶縁被膜付きのバスバー２５が、ポッティング層２１および外部集電層２２を貫通した状態で設けられる。バスバー２５が貫通する外部集電層２２には、内部集電層２３に結線されているバスバー２５と外部集電層２２を形成する導電性ペーストが接触しないように、配線２４の周囲に保設治具を使用して絶縁体部２６が設けられていることが好ましい。また、バスバー２５の絶縁被覆は、電気的接触が必要とされる部分には、当然のことながら設けられない。   A method of manufacturing a fuel cell module will be described with respect to one embodiment of the present invention shown as a longitudinal sectional view in FIG. A plurality of hollow fiber electrolyte cells 2 are arranged in the same direction in the case 1, and an insulating potting agent 21 ′ is poured from the through hole 4 drilled in the cylindrical case 1 on the side opposite to the electrode extraction side, The hollow fiber electrolyte cell group 2 on the other end side is fixed. Next, paraffin is poured from the through hole 5 formed in the case 1 to the electrode extraction side, and the hollow fiber electrolyte cell group 2 on the electrode extraction side is temporarily fixed. At this time, a bus bar 25 with an insulating film to be the wiring 24 of the internal current collecting layer 23 is provided in a state of penetrating the potting layer 21 and the external current collecting layer 22. The outer current collecting layer 22 through which the bus bar 25 penetrates is kept around the wiring 24 so that the bus bar 25 connected to the inner current collecting layer 23 and the conductive paste forming the outer current collecting layer 22 do not come into contact with each other. It is preferable that the insulator 26 is provided using a jig. In addition, the insulation coating of the bus bar 25 is not naturally provided in a portion where electrical contact is required.

次いで、電極取出し側の中空糸型電解質セル群を仮固定したパラフィン層上に絶縁性ポッティング剤２１を貫通孔５から流し込み、固定する。この際、内部集電層用バスバー２５も同時に固定される。このポッティング剤２１上に、内部集電層２３となる導電性ペーストを流し込み、中空糸型電解質セル２の外側多孔質電極層１５および電極取出し用のバスバー２５を同時に接合する。また、仮固定していたパラフィンを融解除去し、あるいは溶剤により溶解除去し、ケース端側から外部集電層２２となる導電性ペーストを、中空糸型電解質セル２の内側多孔質電極層１１と接触するように流し込む。このとき、外部集電層２２の配線２４′となるバスバー２７をポッティング層２１上に配置し、同時に固定する。   Next, the insulating potting agent 21 is poured from the through-hole 5 and fixed onto the paraffin layer on which the hollow fiber electrolyte cell group on the electrode extraction side is temporarily fixed. At this time, the internal current collecting layer bus bar 25 is also fixed at the same time. On this potting agent 21, a conductive paste that becomes the internal current collecting layer 23 is poured, and the outer porous electrode layer 15 of the hollow fiber type electrolyte cell 2 and the bus bar 25 for taking out the electrode are joined simultaneously. Also, the paraffin that has been temporarily fixed is removed by melting, or dissolved and removed with a solvent, and the conductive paste that becomes the external current collecting layer 22 from the end of the case is connected to the inner porous electrode layer 11 of the hollow fiber electrolyte cell 2. Pour it into contact. At this time, the bus bar 27 to be the wiring 24 ′ of the external current collecting layer 22 is disposed on the potting layer 21 and fixed at the same time.

また、図２に縦断面図として示される本発明の他の実施態様においては、図１の実施態様と同じくパラフィンによる仮固定を行った後、電極取出し側の中空糸型電解質セル群を仮固定したパラフィン層上に絶縁性ポッティング剤２１を流し込んで固定し、固定後パラフィンを融解除去あるいは溶剤で溶解除去する。ポッティング層２１の外部には、絶縁被膜付きバスバー２５を配置し、内部集電層２３となる導電性ペーストを流し込む。絶縁被膜は、電気的接触が必要とされる部分には設けられない。これにより、内部集電用バスバー２５が固定されると共に、中空糸型電解質セル２の外側多孔質電極層１５と内部集電層２３を介して結線される。   Further, in another embodiment of the present invention shown in a longitudinal sectional view in FIG. 2, after the paraffin is temporarily fixed as in the embodiment of FIG. 1, the hollow fiber electrolyte cell group on the electrode take-out side is temporarily fixed. The insulating potting agent 21 is poured onto the paraffin layer and fixed, and after fixing, the paraffin is removed by melting or dissolving with a solvent. A bus bar 25 with an insulating coating is disposed outside the potting layer 21 and a conductive paste that becomes the internal current collecting layer 23 is poured therein. The insulating coating is not provided on the portion where electrical contact is required. As a result, the internal current collecting bus bar 25 is fixed and connected via the outer porous electrode layer 15 of the hollow fiber electrolyte cell 2 and the internal current collecting layer 23.

内部集電層２３上には、絶縁性ポッティング剤を流し込み、絶縁層２８を形成させる。最後に、ケース端側から外部集電層２２となる導電性ペーストを流し込む。このとき、外部集電層２２の配線２４′となるバスバー２７を絶縁層２８上に配置し、同時に固定する。なお、絶縁体部２６の形成も同様に行われる。   An insulating potting agent is poured onto the internal current collecting layer 23 to form an insulating layer 28. Finally, a conductive paste to be the external current collecting layer 22 is poured from the case end side. At this time, the bus bar 27 to be the wiring 24 ′ of the external current collecting layer 22 is disposed on the insulating layer 28 and fixed at the same time. The insulator part 26 is formed in the same manner.

なお、中空糸型電解質セルを形成する各部分の内、内側多孔質電極層は例えば珪素化チタンTiSi2粉末を高分子物質の有機溶媒溶液中に高充填した製膜原液から複合膜を製膜し、得られた複合膜を約1300〜1800℃で焼成し、その際少くとも400℃以上の加熱温度範囲では真空または不活性雰囲気環境下で焼成を行って得られた、珪素化チタンTiSiを主成分として形成される導電性多孔質セラミックス等から形成され、外側多孔質電極層はカーボン等から形成される。内側および外側触媒層は、例えば白金を担持させたカーボン等から形成される。また、電解質層は、例えば固体高分子形電解質またはそれを多孔質体に充填したもの、あるいは電解質成分を無機支持体に担持させた有機-無機電解質または無機電解質等から形成され、これらの中空糸型電解質セルを複数本収容するケースとしては例えばポリスルホン樹脂製のものが用いられる。
特開２００６−１５１７３７号公報 Of each part forming the hollow fiber type electrolyte cell, the inner porous electrode layer is formed from, for example, a film-forming stock solution in which silicon silicide TiSi 2 powder is highly filled in an organic solvent solution of a polymer substance. The obtained composite film was fired at about 1300 to 1800 ° C., and at that time, at a heating temperature range of at least 400 ° C., titanium silicide TiSi obtained by firing in a vacuum or in an inert atmosphere was used. The outer porous electrode layer is formed of carbon or the like, and is formed of conductive porous ceramics formed as a main component. The inner and outer catalyst layers are made of, for example, carbon carrying platinum. The electrolyte layer is formed of, for example, a solid polymer electrolyte or a porous body filled with the electrolyte, or an organic-inorganic electrolyte or an inorganic electrolyte in which an electrolyte component is supported on an inorganic support. For example, a case made of polysulfone resin is used as a case for accommodating a plurality of type electrolyte cells.
JP 2006-151737 A

また、内部および外部集電層を形成させる導電性ペーストとしては、例えば市販の銀ペースト等が用いられ、あるいはこれに代えて半田等を用いてもよい。また、その厚さは導電性ペーストの導電性の程度によって決められる。ポッティング層は、例えば絶縁性のエポキシ樹脂、ウレタン系接着剤、無機接着剤等のポッティング剤から形成され、絶縁層や絶縁体部は例えばエポキシ樹脂、ウレタン系接着剤等の樹脂系のものやガラス等の無機系のものから形成される。   As the conductive paste for forming the inner and outer current collecting layers, for example, a commercially available silver paste or the like is used, or solder or the like may be used instead. The thickness is determined by the degree of conductivity of the conductive paste. The potting layer is formed from a potting agent such as an insulating epoxy resin, urethane adhesive, or inorganic adhesive, and the insulating layer or insulator is made of a resin such as epoxy resin or urethane adhesive or glass. Formed from inorganic materials such as

このように、内部および外部集電層は導電性ペーストで形成せしめることができるが、導電性ペーストや導電性接着剤は、ペーストや接着剤の形成に高分子材料を用いているため、導電性物質である銅、銀等の金属単体またはカーボンプレートなどよりも、抵抗値が1〜2桁高くなるという問題がみられる。   As described above, the inner and outer current collecting layers can be formed of a conductive paste. However, the conductive paste and the conductive adhesive use a polymer material for forming the paste and the adhesive, so There is a problem that the resistance value is one to two orders of magnitude higher than that of a simple substance such as copper or silver or a carbon plate.

このため、導電性ペーストで形成させた集電層の抵抗は、導電性物質単体よりも抵抗値が高くなり、抵抗値が高いと取り出せる電力が少なくなるばかりではなく、発熱の原因ともなる。すなわち、定電流回路としてみると、取り出せる電流の電圧が低下することとなる。また、中空糸型電解質セルの充填本数および表面積を増すと、集電層には大電流が流れることになり、発熱量の増大に伴う中空糸型電解質セルや周辺部材への熱的負荷が増大することになる。このため、安定した燃料電池モジュールの運転に対し、冷却機構などの装備を十分に行う必要が出てくる場合もみられる。   For this reason, the resistance value of the current collecting layer formed of the conductive paste has a higher resistance value than that of the conductive substance alone, and if the resistance value is high, not only the electric power that can be taken out is reduced, but also heat is generated. That is, when viewed as a constant current circuit, the voltage of the current that can be extracted decreases. In addition, when the number of filled hollow fiber electrolyte cells and the surface area are increased, a large current flows through the current collecting layer, and the thermal load on the hollow fiber electrolyte cells and peripheral members increases as the amount of heat generated increases. Will do. For this reason, it may be necessary to sufficiently equip the cooling mechanism or the like for stable operation of the fuel cell module.

こうした課題は、内部および外部集電層の少くとも一方を導電性ペーストで形成せしめる代りに、目皿状の導電性集電用プレートを用いることによって、その問題点の軽減を図ることができる。   Such problems can be reduced by using a plate-shaped conductive current collecting plate instead of forming at least one of the inner and outer current collecting layers with a conductive paste.

集電用プレートは、銅、銀等の金属単体やその合金あるいはカーボンなどの導電性物質で構成され、必要に応じこれにメッキなどの表面処理を行ったものであってもよい。この集電用プレートは、中空糸型電解質セルを通す貫通孔を有し、目皿状となっている。図６には、外部集電用プレート３１の斜視図が示されており、その貫通孔３２の内径は内側多孔質電極層１１の外径よりやや大きく設定されている。また、図７には、内部集電用プレート３３の斜視図が示されており、その貫通孔３４の内径は外側多孔質電極層１５の外径よりやや大きく設定されている。集電用プレートの厚さは、例えば50Aの電流を流すとした場合、約0.5〜2mm程度であり、これ以上の大電流タイプのモジュールでは、電流が最も集中する電極端子をプレート上に数ヶ所設け、過大な電流の集中を分散させることができる。   The current collecting plate may be composed of a single metal such as copper or silver, an alloy thereof, or a conductive material such as carbon, and may be subjected to surface treatment such as plating if necessary. The current collecting plate has a through hole through which the hollow fiber electrolyte cell passes, and has a plate shape. FIG. 6 is a perspective view of the external current collecting plate 31, and the inner diameter of the through hole 32 is set to be slightly larger than the outer diameter of the inner porous electrode layer 11. FIG. 7 is a perspective view of the internal current collecting plate 33, and the inner diameter of the through hole 34 is set slightly larger than the outer diameter of the outer porous electrode layer 15. The thickness of the current collecting plate is about 0.5 to 2 mm, for example, when a current of 50 A is passed. In a larger current type module than this, several electrode terminals where the current is most concentrated are placed on the plate. It is possible to disperse excessive current concentration.

中空糸型電解質セルと各集電用プレートとは、集電用プレートとその貫通孔に貫通させた中空糸型電解質セルの内側および外側多孔質電極層１１、１５との間の間隙４２、４３に充填または塗布された導電性ペーストまたは導電性接着剤によって、電気的接続が施される。発電時には、これら電気的接続部の導電性ペーストなどにも電流が流れることになるが、この場合の電流負荷は中空糸型電解質セル1本分の電流であるので、発熱等の影響はあまり問題とはならない。このように、間隙４２、４３において電気的接続がなされる程度の導電性材料の充填または塗布で所望の目的は達成されるものの、下記固定用アームを設けていない場合などには、集電用プレートの確実な固定のためにも導電性ペースト層２２′、２３′をプレートの上部および下部に設けることが好ましく、ただし上部についてはプレートが露出状態であってもよい。   The hollow fiber electrolyte cell and each current collecting plate include gaps 42 and 43 between the current collecting plate and the inner and outer porous electrode layers 11 and 15 of the hollow fiber electrolyte cell passed through the through holes. Electrical connection is made by a conductive paste or conductive adhesive filled or applied to the substrate. During power generation, current also flows through the conductive paste of these electrical connections, but the current load in this case is the current of one hollow fiber electrolyte cell, so the effect of heat generation is not a problem. It will not be. Thus, although the desired purpose can be achieved by filling or applying the conductive material to such an extent that electrical connection is made in the gaps 42 and 43, the current collector is used in the case where the fixing arm described below is not provided. In order to securely fix the plate, it is preferable to provide the conductive paste layers 22 'and 23' on the upper and lower portions of the plate, but the plate may be exposed at the upper portion.

各集電用プレートには、電力を外部に取り出すための電極端子３５、３６(前記バスバーに相当)が集電用プレートと一体となるように設けられる。この際、外部集電用プレート３１には、内部集電用端子３６を通すための切欠部３７が、また内部集電体プレート３３には、その内部集電用端子３６の一部に、外部集電用プレートとの短絡を防ぐための絶縁体３８がセラミックス、樹脂、ゴム等で形成され、取り付けられる。   Each current collecting plate is provided with electrode terminals 35 and 36 (corresponding to the bus bar) for taking out electric power to the outside so as to be integrated with the current collecting plate. At this time, the external current collecting plate 31 has a notch 37 through which the internal current collecting terminal 36 passes, and the internal current collector plate 33 has a part of the internal current collecting terminal 36 with an external An insulator 38 for preventing a short circuit with the current collecting plate is formed of ceramics, resin, rubber or the like and attached.

また、各集電用プレートには、これを筒状ケース１に固定するための手段、例えば図６および図８に示される外部集電用プレートにあっては、導電性集電用プレートの筒状ケースへの固定を確実とし、またモジュール組立作業を容易とさせるビス止め固定用アーム３９、振動等による集電層の脱離などの固定上の問題を容易に改善させるという効果を奏する、アンカー効果用切欠部４０を有するポッティング部埋込用アーム４１などを付設することもできる。   In addition, each current collecting plate has means for fixing it to the cylindrical case 1, for example, in the case of the external current collecting plate shown in FIG. 6 and FIG. A screw fixing arm 39 that secures fixing to a cylindrical case and facilitates module assembly work, an anchor that has the effect of easily improving fixing problems such as detachment of the current collecting layer due to vibration, etc. A potting portion embedding arm 41 or the like having the effect cutout portion 40 may be provided.

図９は、外部および内部集電用プレート３１、３３を用いて構成した燃料電池モジュールの一実施態様の縦断面図であり、他の符号は符号２２′、２３′を導電性ペースト層とした以外、図１のそれと同じである。   FIG. 9 is a longitudinal sectional view of an embodiment of a fuel cell module configured using external and internal current collecting plates 31 and 33, and other reference numerals are denoted by reference numerals 22 'and 23' as conductive paste layers. Otherwise, it is the same as that of FIG.

このような構成の燃料電池モジュールは、図１０の(a)〜(d)の各工程を経て作製される。まず、中空糸型電解質セル２および外部および内部集電用プレート３１、３３を、筒状ケース両端側から流し込んだパラフィン３０を用いて固定する(a)。次いで、絶縁性ポッティング剤を注入口４２から注入して硬化させ、絶縁性ポッティング層２１を形成させる。この際、注入口４２はポッティング剤で完全に塞ぐことが望ましい。同様に、注入口４からも絶縁性ポッティング剤を注入して硬化させ、絶縁性ポッティング剤層２１′を形成させる(b)。その後、仮固定用のパラフィン３０を融解除去、溶剤溶解除去等の手段で除去し(c)、導電性ペーストを筒状ケースの一端側および注入口５からそれぞれ流し込み、導電性ペーストで目皿貫通孔と中空糸型電解質セルの相当する外周部分との間隙４２、４３を埋めると共に、必要に応じて導電性ペースト層２２′、２３′を形成させ、モジュールを完成させる(d)。   The fuel cell module having such a configuration is manufactured through the steps (a) to (d) in FIG. First, the hollow fiber electrolyte cell 2 and the external and internal current collecting plates 31 and 33 are fixed using paraffin 30 poured from both ends of the cylindrical case (a). Next, an insulating potting agent is injected from the injection port 42 and cured to form the insulating potting layer 21. At this time, it is desirable to completely close the injection port 42 with a potting agent. Similarly, an insulating potting agent is also injected from the injection port 4 and cured to form an insulating potting agent layer 21 '(b). Thereafter, the paraffin 30 for temporary fixing is removed by means such as melting removal and solvent dissolution removal (c), and the conductive paste is poured from one end side of the cylindrical case and the injection port 5 respectively. The gaps 42 and 43 between the holes and the corresponding outer peripheral portion of the hollow fiber electrolyte cell are filled, and conductive paste layers 22 'and 23' are formed as necessary to complete the module (d).

本発明に係る燃料電池モジュールの一実施態様の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of one embodiment of the fuel cell module according to the present invention. 本発明に係る燃料電池モジュールの他の実施態様の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of another embodiment of the fuel cell module according to the present invention. 従来例の燃料電池モジュールの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the fuel cell module of a prior art example. 中空糸型電解質セルの横断面図である。It is a cross-sectional view of a hollow fiber electrolyte cell. 中空糸型電解質セルの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of a hollow fiber type electrolyte cell. 外部集電用プレートの一実施態様の斜視図である。It is a perspective view of one embodiment of an external current collecting plate. 内部集電用プレートの一実施態様の斜視図である。It is a perspective view of one embodiment of an internal current collecting plate. 外部集電用プレートの他の実施態様の斜視図である。It is a perspective view of other embodiments of an external current collection plate. 外部および内部集電用プレートを用いた燃料電池モジュールの一実施態様の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of one embodiment of a fuel cell module using external and internal current collecting plates. 外部および内部集電用プレートを用いた燃料電池モジュールの作製順序を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the preparation order of the fuel cell module using the plate for external and internal current collection.

符号の説明Explanation of symbols

１ 筒状ケース
２ 中空糸型電解質セル
３，３′ ポッティング部
４ 燃料A導入口
５ 燃料A排気口
６ 燃料B導入口
７ 燃料B排気口
11 内側多孔質電極層
12 内側触媒層
13 電解質層
14 外側触媒層
15 外側多孔質電極層
21，21′ ポッティング層
22 外部集電層
22′ 導電性ペースト層
23 内部集電層
23′ 導電性ペースト層
24，24′ 配線
25 内部集電層用バスバー
26 絶縁体部
27 外部集電層用バスバー
28 絶縁層
30 仮止め用パラフィン
31 外部集電用プレート
32，34 貫通孔
33 内部集電用プレート
35，36 電極端子
42，43 間隙充填導電性ペースト DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylindrical case 2 Hollow fiber type electrolyte cell 3, 3 'Potting part 4 Fuel A inlet 5 Fuel A exhaust 6 Fuel B inlet 7 Fuel B exhaust
11 Inner porous electrode layer
12 Inner catalyst layer
13 Electrolyte layer
14 Outer catalyst layer
15 Outer porous electrode layer
21, 21 'potting layer
22 External current collector layer
22 'conductive paste layer
23 Internal current collecting layer
23 'conductive paste layer
24, 24 ′ wiring
25 Bus bar for internal current collector layer
26 Insulator part
27 External current collector bus bar
28 Insulation layer
30 Temporary fixing paraffin
31 External current collecting plate
32, 34 Through hole
33 Internal current collecting plate
35, 36 electrode terminals
42, 43 Gap filling conductive paste

Claims (11)

複数本の中空糸型電解質セルを筒状ケース内にモジュールとして収容した燃料電池モジュールにおいて、その一端側に内部集電層および外部集電層を設け、正および負の両電極をモジュールの一方の側に取り出すように構成した燃料電池モジュール。   In a fuel cell module in which a plurality of hollow fiber electrolyte cells are accommodated as a module in a cylindrical case, an inner current collecting layer and an outer current collecting layer are provided on one end side, and both positive and negative electrodes are provided on one side of the module. A fuel cell module configured to be taken out to the side. 複数本の中空糸型電解質セルがその両端部においてポッティング層によって筒状ケース内にモジュールとして収容され、一端側のポッティング層に集電層を設けた請求項１記載の燃料電池モジュール。   2. The fuel cell module according to claim 1, wherein a plurality of hollow fiber electrolyte cells are accommodated as modules in a cylindrical case by potting layers at both ends thereof, and a current collecting layer is provided on the potting layer on one end side. 内部集電層からの配線が外部集電層内を貫通あるいは埋設された請求項１または２記載の燃料電池モジュール。   The fuel cell module according to claim 1 or 2, wherein wiring from the internal current collecting layer penetrates or is embedded in the external current collecting layer. 外部集電層の一部を形成させずあるいは除去し、その部分に内部集電層からの配線を取り出すように構成された請求項１または２記載の燃料電池モジュール。   The fuel cell module according to claim 1 or 2, wherein a part of the external current collecting layer is not formed or removed, and wiring from the internal current collecting layer is taken out to the part. 中空糸型電解質セルが内側多孔質電極層、内側触媒層、電解質層、外側触媒層および外側多孔質電極層の中空状積層体よりなる請求項１または２記載の燃料電池モジュール。   The fuel cell module according to claim 1 or 2, wherein the hollow fiber electrolyte cell comprises a hollow laminate of an inner porous electrode layer, an inner catalyst layer, an electrolyte layer, an outer catalyst layer, and an outer porous electrode layer. 絶縁層を介して外部集電層および内部集電層を配置し、外部集電層は内側多孔質電極層に接するように、また内部集電層は外側多孔質電極層に接するように設けられた請求項５記載の燃料電池モジュール。   An external current collecting layer and an internal current collecting layer are arranged via an insulating layer, and the external current collecting layer is provided so as to be in contact with the inner porous electrode layer, and the inner current collecting layer is provided so as to be in contact with the outer porous electrode layer. The fuel cell module according to claim 5. 外部集電層-内部集電層間に介在される絶縁層がポッティング層を兼ねている請求項６記載の燃料電池モジュール。   The fuel cell module according to claim 6, wherein the insulating layer interposed between the outer current collecting layer and the inner current collecting layer also serves as a potting layer. 内側多孔質電極層が珪素化チタンTiSiを主成分として形成される導電性多孔質セラミックス層から形成された請求項５記載の燃料電池モジュール。   6. The fuel cell module according to claim 5, wherein the inner porous electrode layer is formed of a conductive porous ceramic layer formed mainly of siliconized titanium TiSi. 内部および外部集電層が導電性ペースト層で形成された請求項１または２記載の燃料電池モジュール。   The fuel cell module according to claim 1 or 2, wherein the inner and outer current collecting layers are formed of a conductive paste layer. 内部および外部集電層の少くとも一方が目皿状の導電性集電用プレートで形成された請求項１または２記載の燃料電池モジュール。   The fuel cell module according to claim 1 or 2, wherein at least one of the inner and outer current collecting layers is formed of a plate-shaped conductive current collecting plate. 導電性集電用プレートの貫通孔とそこに貫通させた中空糸型電解質セルの内側および／または外側多孔質電極層との間の間隙が導電性ペーストで充填された請求項１０記載の燃料電池モジュール。   11. The fuel cell according to claim 10, wherein a gap between the through hole of the conductive current collecting plate and the inner and / or outer porous electrode layer of the hollow fiber electrolyte cell penetrated therethrough is filled with a conductive paste. module.
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