JP2007329060A - Fuel cell module - Google Patents
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Abstract
【課題】複数本の中空糸型電解質セルおよびそれを収容した筒状ケースなどの熱的破損を防止した燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】複数本の中空糸型電解質セル2の内側電極層部分および外側電極層部分をそれぞれ貫通孔を有する目皿状集電体に貫通させ、各々の目皿状集電体の両面側に導電性ペースト層およびポッティング材層をそれぞれ積層させた積層体を形成させ、各々の積層体部分をリング状体で固定した燃料電池モジュール。積層体部分を固定したリング状体24,24’は、筒状体28内に収容されて用いられる。
【選択図】 図2The present invention provides a fuel cell module that prevents thermal breakage such as a plurality of hollow fiber electrolyte cells and a cylindrical case containing the cells.
SOLUTION: An inner electrode layer portion and an outer electrode layer portion of a plurality of hollow fiber electrolyte cells 2 are respectively penetrated through a dish-shaped current collector having a through hole, and both sides of each dish-shaped current collector. A fuel cell module in which a laminate in which a conductive paste layer and a potting material layer are respectively laminated is formed, and each laminate portion is fixed with a ring-shaped body. The ring-shaped bodies 24 and 24 ′ with the laminated body portions fixed are accommodated in the cylindrical body 28 and used.
[Selection] Figure 2
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、複数本の中空糸型電解質セルおよびそれを収容した筒状ケースなどの熱的破損を防止した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 fuel cell module that prevents thermal damage such as a plurality of hollow fiber electrolyte cells and a cylindrical case that accommodates them.
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,
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3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 configuration of the hollow
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、ポッティング材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, when fuel cells are modularized, the fuel cells alone, which are hollow fiber electrolyte cells, are all arranged in parallel and in the same direction. Is provided.
ポッティング材層は、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とられている。
The potting material layer also plays a role of separating the fuel flowing inside the hollow fiber 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
燃料電池により発電した電力は、中空糸型電解質セルの内側電極および外側電極から外部に取り出される。また、多数本の中空糸型電解質セルを並列に結線することで多くの電流を取り出すことが可能となり、それらを直列に接続したモジュール構造にあっては、高い電圧をモジュールの両端から取り出すことができる。さらに、中空糸型電解質セルと外部取出し電極とを導電性ペーストや導電性接着剤などの集電層を介して行われる電気的な接続や貫通孔を有する目皿状の集電層を用いることで、抵抗値を低くして電力の取出しを行うことができる。
また、前述の如く、中空糸型電解質セルの外部を流れる流体と内部を流れる流体とを分離するため、図3に示すように筒状体を用いたモジュールの両端にポッティング部を設け、シールするための機構がとられている。しかしながら、このように構成される複数本の中空糸型電解質セルを単に筒状ケースに収容した燃料電池モジュールにおいては、それを構成する中空糸型電解質セル、筒状ケース、ポッティング材等の線膨張係数が異なるため、ポッティング時に発生する熱応力の影響や使用時の熱衝撃により、中空糸型電解質セルや筒状ケース等に破損がみられる場合がある。 Further, as described above, in order to separate the fluid flowing outside the hollow fiber electrolyte cell from the fluid flowing inside, a potting portion is provided at both ends of the module using a cylindrical body as shown in FIG. A mechanism has been taken. However, in a fuel cell module in which a plurality of hollow fiber electrolyte cells configured as described above are simply housed in a cylindrical case, the linear expansion of the hollow fiber electrolyte cell, the cylindrical case, the potting material, etc. constituting the fuel cell module Since the coefficients are different, the hollow fiber electrolyte cell or the cylindrical case may be damaged due to the influence of thermal stress generated during potting or thermal shock during use.
本発明の目的は、複数本の中空糸型電解質セルおよびそれを収容した筒状ケースなどの熱的破損を防止した燃料電池モジュールを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell module that prevents thermal damage such as a plurality of hollow fiber electrolyte cells and a cylindrical case that accommodates them.
かかる本発明の目的は、複数本の中空糸型電解質セルの内側電極層部分および外側電極層部分をそれぞれ貫通孔を有する目皿状集電体に貫通させ、各々の目皿状集電体の両面側に導電性ペースト層およびポッティング材層をそれぞれ積層させた積層体を形成させ、各々の積層体部分をリング状体で固定した燃料電池モジュールによって達成され、積層体部分を固定したリング状体は筒状体内に収容されて用いられる。 An object of the present invention is to allow the inner electrode layer portion and the outer electrode layer portion of the plurality of hollow fiber electrolyte cells to pass through the dish-shaped current collectors having through holes, respectively, A ring-shaped body that is achieved by a fuel cell module in which a laminated body in which a conductive paste layer and a potting material layer are laminated on both sides is formed, and each laminated body portion is fixed with a ring-shaped body. Is used in a cylindrical body.
本発明に係る燃料電池モジュールは、複数本の中空糸型電解質セルの内側電極層部分および外側電極層部分をそれぞれ貫通孔を有する目皿状集電体に貫通させ、各々の目皿状集電体の両面側に導電性ペースト層およびポッティング材層をそれぞれ積層させた積層体を形成させ、各々の積層体部分をリング状体で固定させ、さらに積層体部分を固定したリング状体は筒状体内に収容して用いられるので、すなわちポッティング材層を含む積層体部分をリング状体に固定した後筒状体内に収容しているので、筒状体にはポッティング時に発生する熱応力の影響が全くなく、また作動時の熱衝撃を筒状体のみではなくリング状体でも分担しているので応力を緩和することができ、結果として中空糸型電解質セルやそれを収容した筒状体の破損を有効に防止することができる。 A fuel cell module according to the present invention includes a plurality of hollow fiber electrolyte cells, each of which has an inner electrode layer portion and an outer electrode layer portion that are passed through a dish-shaped current collector having a through-hole. A laminated body in which a conductive paste layer and a potting material layer are respectively laminated is formed on both sides of the body, each laminated body portion is fixed with a ring-shaped body, and the ring-shaped body in which the laminated body portion is further fixed is a cylindrical shape Since it is housed and used in the body, that is, since the laminated body portion including the potting material layer is fixed to the ring-shaped body and then housed in the tubular body, the tubular body is affected by the thermal stress generated during potting. Since there is no thermal shock at the time of operation, not only the cylindrical body but also the ring body, stress can be relieved, resulting in damage to the hollow fiber electrolyte cell and the cylindrical body containing it Enable It is possible to prevent.
図1には、目皿状集電体21、導電性ペースト層22およびポッティング材層23よりなる積層体部分をリング状体24、24′で固定するための工程が順番に示されている。なお、リング状体24、24′は、目皿状集電体21を取り囲むことのできる形状であればよく、環状の他正方形状や三角形状であってもよい。
In FIG. 1, the steps for fixing the laminated body portion composed of the plate-shaped
複数本の同じ向きに配置された中空糸型電解質セル2は、それの内側電極層部分11および外側電極層部分15をそれぞれ貫通孔を有する目皿状集電層21、21′に貫通させている(a)。この目皿状集電体21、21′は、それぞれその周囲はリング状体24、24′に接して設置されている。また、目皿状集電体21、21′には、それぞれ発電した電気を取出すための取出用端子25、25′および固定用アーム26、26′が取付けられている。なお、この取出用端子25、25′については、後の工程の(d)において、パラフィンを除去し、導電性ペーストを流し込む工程の間に、目皿状集電体21、21′に取り付けるようにしてもよい。
A plurality of hollow
次いで、目皿状集電体21、21′に接する固定材層を形成する工程について説明する。固定材層は、少なくとも目皿状集電体21、21′と中空糸型電解質セル2を固定する機能を有していればよいが、これら両者との集電性を向上させるために導電性の機能を有していてもよく、固定機能、導電性機能の両方の機能を別の層として有していてもよい。この態様では、これら両方の機能をそれぞれ別の層として有する場合についての製造工程について説明する。
Next, a process of forming a fixing material layer in contact with the plate-shaped
目皿状集電体21、21′のそれぞれ外側にはリング状体24、24′の内周面を利用して溶融パラフィン27、27′が流し込まれ、仮固定が行われる(b)。しかる後に、集電体21、21′のそれぞれ内側にはやはりリング状体24、24′の内周面を利用してポッティング材層23、23′が形成される(c)。その後、パラフィンを溶融除去し、あるいは溶剤による溶解除去し、そこに導電性ペーストを流し込み、導電性ペースト層22、22′を形成させる(d)。ポッティング材層、導電性ペースト層は、いずれも固定材層を形成する。
目皿状集電体、導電性ペースト層およびポッティング材層よりなる積層体部分を固定するリング状体24、24′は、Oリング、シリコーン系接着剤等の柔軟な弾性体シール材によるシール(図示せず)を介して、筒状体28内に嵌装され、収容される。このように、柔軟なシール材を用いることにより、固定材による熱応力を受けた目皿状集電体21、21′およびリング状体24、24′と筒状体との間のシール性が向上する。筒状体28の両端部には、必要に応じてカバー29、29′が装着される。この筒状体は、筒状体そのものを用いてもよいが、シート状のものを巻付け、その両端部を適当な固着手段によって固着させ、筒状体に形成せしめたものであってもよい。また、筒状体28は必ずしも一体である必要はなく、それぞれのリング状体24、24′を収容するように、2つ以上の筒状体から構成してもよい。このような工程を経て製造することにより、筒状体には集電体21、21′およびリング状体24、24′が、固定材層の形成後、好ましくは仮固定のために使用されるパラフィン層の除去後に収納されるため、筒状体は熱応力の影響を軽減することができる。
The ring-
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(特願2004-343678号参照)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筒状ケースとしては、例えばポリスルホン樹脂、アクリル樹脂等の樹脂製またはガラス、アルミナ等の無機材質製のものが用いられる。さらに、リング状体についても筒状ケースの場合と同様の材質のものを用いることができ、好ましくは接着性等の問題から樹脂製のものが用いられる。 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 inert atmosphere environment was obtained. The outer porous electrode layer is formed of carbon or the like, and is formed of conductive porous ceramics (see Japanese Patent Application No. 2004-343678) 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. As the cylindrical case that houses a plurality of type electrolyte cells, for example, a resin made of a resin such as polysulfone resin or acrylic resin or an inorganic material such as glass or alumina is used. Further, the ring-shaped body can be made of the same material as that of the cylindrical case, and preferably a resin-made one is used due to problems such as adhesiveness.
また、集電体は、銅、銀等の金属単体または合金あるいはカーボンなどの導電性物質から形成され、必要に応じてメッキなどの表面処理を行ったものが用いられる。集電体は目皿状に形成され、その貫通孔には中空糸型電解質セルの内側電極層部分および外側電極層部分を貫通させており、この貫通孔は最小のクリアランスを有する大きさに設計されており、集電体と電極層部分との電気的な接続は、導電性ペースト、導電性接着剤等を用いて行われる。集電体上に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。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る。 In addition, the current collector is made of a single metal such as copper or silver, or a conductive material such as an alloy or carbon, and is subjected to surface treatment such as plating if necessary. The current collector is formed in the shape of a plate, and the through-holes penetrate the inner and outer electrode layer portions of the hollow fiber electrolyte cell, and the through-holes are designed to have a minimum clearance. The electrical connection between the current collector and the electrode layer portion is performed using a conductive paste, a conductive adhesive, or the like. As the conductive paste formed on the current collector, for example, a commercially available silver paste or the like is used, or solder or the like may be used instead. The potting layer is formed of a potting agent such as an insulating epoxy resin, a urethane adhesive, or an inorganic adhesive.
直径30mm、長さ25mmのポリスルホン樹脂製筒状体に直径1mmの中空糸膜電解質セル20本を銅製の目皿状集電体を介してエポキシ樹脂で直接装着したモジュールでは、100℃⇔-20℃(1時間ホールド)の熱衝撃試験で中空糸膜電解質セルに破損が生じた。 For a module in which 20 hollow fiber membrane electrolyte cells with a diameter of 1 mm are directly attached to a cylindrical body made of a polysulfone resin having a diameter of 30 mm and a length of 25 mm with an epoxy resin via a copper plate-shaped current collector, the temperature is 100 ° C ⇔-20 In the thermal shock test at ℃ (hold for 1 hour), the hollow fiber membrane electrolyte cell was damaged.
これに対し、筒状体内に直径25nn、長さ23mmのポリスルホン樹脂製リング状を収容して用いた本発明のモジュールでは、上記熱衝撃試験において、中空糸膜電解質セルの破損はみられなかった。 In contrast, in the module of the present invention in which the ring shape made of polysulfone resin having a diameter of 25 nn and a length of 23 mm was accommodated in the cylindrical body, the hollow fiber membrane electrolyte cell was not damaged in the thermal shock test. .
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′ 目皿状集電体
22,22′ 導電性ペースト層
23,23′ ポッティング材層
24,24′ リング状体
25,25′ 電気取出用端子
26,26′ 固定用端子
27,27′ 溶融パラフィン
28 筒状体
29,29′ カバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
11 Inner porous electrode layer
12 Inner catalyst layer
13 Electrolyte layer
14 Outer catalyst layer
15 Outer porous electrode layer
21, 21 'Eye plate-shaped current collector
22, 22 'Conductive paste layer
23,23 'Potting material layer
24, 24 ′ ring-shaped body
25, 25 ′ Electrical outlet terminal
26, 26 'fixing terminal
27,27 ′ Molten paraffin
28 Tube
29, 29 ′ cover
Claims (6)
6. The method of manufacturing a fuel cell module according to claim 5, wherein an elastic body is interposed between the ring-shaped body and the cylindrical body.
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