JP2008004390A - チューブ型燃料電池 - Google Patents
チューブ型燃料電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2008004390A JP2008004390A JP2006172723A JP2006172723A JP2008004390A JP 2008004390 A JP2008004390 A JP 2008004390A JP 2006172723 A JP2006172723 A JP 2006172723A JP 2006172723 A JP2006172723 A JP 2006172723A JP 2008004390 A JP2008004390 A JP 2008004390A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- current collector
- fuel cell
- type fuel
- tube type
- cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
- H01M8/004—Cylindrical, tubular or wound
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
- H01M8/025—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form semicylindrical
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
- H01M8/0252—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form tubular
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
- H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
- H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
- H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
- H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
- H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】チューブ型燃料電池を構成する単セルの外側集電体において軸直交方向に集電可能、かつ集電距離が少なく低抵抗化可能にした集電構造を有するチューブ型燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明のチューブ型燃料電池は、軸直交方向内側から順に内側集電体、第1触媒電極層、電解質膜、第2触媒電極層、外側集電体を積層に配置してなるチューブ状単セルと、複数本の単セルを並列に束ねて収容する電池ケースと、を備えるチューブ型燃料電池において、電池ケース内に並列に収容された複数本の単セルは、該単セルの外側集電体の外周面の少なくとも一部を介して電気的に接触し、軸直交方向に集電されることを特徴とする。
【選択図】図2
【解決手段】本発明のチューブ型燃料電池は、軸直交方向内側から順に内側集電体、第1触媒電極層、電解質膜、第2触媒電極層、外側集電体を積層に配置してなるチューブ状単セルと、複数本の単セルを並列に束ねて収容する電池ケースと、を備えるチューブ型燃料電池において、電池ケース内に並列に収容された複数本の単セルは、該単セルの外側集電体の外周面の少なくとも一部を介して電気的に接触し、軸直交方向に集電されることを特徴とする。
【選択図】図2
Description
本発明はチューブ型燃料電池、特にチューブ状単セルの軸直交方向に集電構造を有するチューブ型燃料電池に関するものである。
近年、世界の経済成長と共にエネルギの消費が急激に大きくなり、環境の悪化が懸念されている。そのような状況下、環境問題やエネルギ問題などの解決策として、酸素や空気などの酸化剤ガスと、水素やメタンなどの還元剤ガス(燃料ガス)あるいはメタノールなどの液体燃料とを原料として電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換して発電する燃料電池の開発が注目されている。特に、出力密度が大きく、しかも変換効率の高い燃料電池がクローズアップされている。
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)の最小発電単位である単セル(Unit cell)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(MEA:Membrane Electrode Assembly)を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配置されている。さらに、この二つのガス拡散層の外側にはガス流路を備えたセパレータが配置される。このため、ガス拡散層を介してセパレータを流れた反応気体(燃料ガス及び酸化剤ガス)が膜電極複合体の触媒電極層へ通流されるとともに、発電反応により得られた電流が外部へ伝導される。
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、単セルを構成する固体電解質膜、触媒電極層、ガス拡散層、セパレータの厚さや耐久性等の設計要素が従来技術に制限されている。例えば、単位体積当たりの発電反応面積を大きくするために薄い固体電解質膜が要求されている。現在実用化可能な固体電解質膜として、ナフィオン膜(Nafion)が汎用されている。しかしながら、ナフィオン膜は膜厚が一定以下になるとガス透過性が大きくなりすぎる。このため、単セル内部に燃料ガスと酸化剤ガスは漏れやすくなり、クロスリーク(Cross leak)現象が発生し、発電電圧が低下するなどの問題がある。即ち、従来の平板構造の燃料電池において現在以上に単位体積当たりの出力密度を向上することは困難である。
これらの問題を解決する方法として、チューブ型(円柱型、円筒型、中空形状)の燃料電池の開発が検討されている。例えば、特開平7−263001号公報(以下、特許文献1と称する)、特開2006−4742号公報(以下、特許文献2と称する)、または特開2005−353489号公報(以下、特許文献3と称する)には、チューブ型燃料電池が開示されている。特に、特許文献1に開示されているように、電解質膜を径の小さいチューブ状とすることにより、発電反応面積を増大させることが可能である。また、チューブ型燃料電池の形状から、平板型燃料電池では必要であったセパレータが不要となり、構造上は簡素化されやすいなどの利点がある。さらに、複数本の単セルを束ね、単セルの燃料電極(または酸化剤電極)を並列接続して電池ケースに収容することができる。なお、複数本の単セルの内側集電体が通電性ワイヤを介して並列に接続され、外側側集電体が通電性コネクタを介して接続されている。
特開7−263001号公報
特開2006−4742号公報
特開2005−353489号公報
複数本の単セルを並列に接続し電池ケースに束ねて収容させる場合、外側集電体において単セルの軸直交方向(円筒状では径方向)に集電する方法は可能であるが、隣接した単セルの外側集電体を接続するのにコネクタが必要である。このため、隣接した単セルの外側集電体間の集電距離がコネクタの長さにより決められ、コネクタの抵抗により電圧損失が発生するという問題がある。
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、チューブ型燃料電池を構成する単セルの外側集電体において軸直交方向に集電可能、かつ集電距離が少なく低抵抗化可能にした集電構造を有するチューブ型燃料電池を提供することを課題とする。
本発明のチューブ型燃料電池は、軸直交方向内側から順に内側集電体、第1触媒電極層、電解質膜、第2触媒電極層、外側集電体を積層に配置してなるチューブ状単セルと、複数本の単セルを並列に束ねて収容する電池ケースと、を備えるチューブ型燃料電池において、電池ケース内に並列に収容された複数本の単セルは、該単セルの外側集電体の外周面の少なくとも一部を介して電気的に接触し、軸直交方向に集電されることを特徴とする。これにより、複数本の単セルが並列に接続される際、一つの単セルの外側集電体は隣接した別の単セルの外側集電体と接触し、外側集電体の外周面の少なくとも一部が通電性コネクタとして機能することができる。このため、外側集電体において軸直交方向に集電が可能となり、さらに単セル間のコネクタが存在しないので集電距離が最も短くなる。つまり、並列に接続された単セルの間にコネクタを設ける必要がなく、コネクタによる抵抗を無くすことができる。発電反応により発生する電流(電圧)が低い抵抗状態で集電されることが可能である。従って、チューブ型燃料電池が並列に接続されることによる電圧(電流)損失が低減されるので、燃料電池の効率向上に有利である。また、コネクタが不要なので、生産コストを削減することができると同時に、生産プロセスを簡素化することができる。
また、本発明のチューブ型燃料電池の外側集電体は弾性変形可能な部材から構成されていることが好ましい。外側集電体を弾性(非塑性)変形可能な部材から構成することにより、単セルが内部の電解質層及び触媒層に対して一定の強度を維持できると共に、ある程度の断面形状を変えることができる。つまり、複数本の単セルを並列に束ねて電池ケースに収容する際、隣接した単セルの外側集電体は電池ケースの規制による外力を受けて弾性変形し、外側集電体を介して単セル間の接触する面積が大きくなる。このため、隣接した単セルの外側集電体で集めた電流が低い抵抗状態で伝導され、集電距離や接触面積などによって発生するエネルギ損失を抑えることができる。
また、本発明のチューブ型燃料電池は電池ケース内に収容された複数本の単セルの内、少なくとも一本の単セルの外側集電体と電気的に接触し電流を外部へ伝導する電極が設けられていることが好ましい。これにより、電極を介して外側集電体で集電された電流を外部へ伝導することができる。なお、単セルを収容する電池ケースが通電性部材で構成された場合、その電池ケースの内表面が単セルの外側集電体と接触していれば、電池ケースを介して集電された電流を外部へ伝導することもできる。この場合において、特に電極を設ける必要がない。
また、本発明のチューブ型燃料電池は、並列に接続された複数本の単セルの間の空間内に、気体の進入を封止する封止手段が備えられていることが好ましい。一般的に単セルの断面形状は円形であるため、複数本の単セルを束ねて電池ケース内に収容する際、単セル間において空スペースが同時に形成される。このため、燃料ガス(或いは酸化剤ガス)の一部は空スペースに流され、外側集電体内部を流れる燃料ガス(或いは酸化剤ガス)の流速が低下し、反応物質の濃度も低下する。これに対して、空スペースを無くすための封止手段を設けることにより、燃料ガス(或いは酸化剤ガス)が電池ケース内の単セル以外の空間に入ることがなく、外側集電体を流れる燃料ガス(或いは酸化剤ガス)の流速が上昇し、発電反応物質の濃度を高いレベルに維持することができる。このため、発電反応が促進され、燃料電池の発電効率に有利である。
本発明のチューブ型燃料電池によれば、複数本の単セルが並列に接続される際、一の単セルの外側集電体は隣接した単セルの外側集電体と接触し、外側集電体の外周面の少なくとも一部が通電性コネクタとして機能することができる。このため、外側集電体において軸直交方向に集電が可能となり、さらに単セル間のコネクタが存在しないので集電距離が最も短くなる。つまり、並列に接続された単セルの間にコネクタを設ける必要がなく、コネクタによる抵抗を無くすことができる。発電反応により発生する電流(電圧)が低い抵抗状態で集電されることが可能である。従って、チューブ型燃料電池が並列に接続による電圧(電流)損失が低減されるので、燃料電池の効率向上に有利である。また、コネクタが不要なので、生産コストを削減することができると同時に、生産プロセスを簡素化することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態のチューブ型燃料電池の概略構成を図1に示す。本実施形態のチューブ型燃料電池は、図1に示すように、複数本の単セル1を並列に接続し、束ねて電池ケース2に収容してなる。電池ケース2には、燃料ガスを送入する燃料ガス送入口201、酸化剤ガス(空気)を送入する酸化剤口202、及び排気口203が備えられている。
本実施形態のチューブ型燃料電池を構成する単セル1が並列に接続され、後述する導電体を介して電流を外部へ伝える。また、本実施形態のチューブ型燃料電池の単セル1は、チューブ状であり、その横断面は円形である。なお、チューブ型単セル1の横断面形状を円形以外の形状、例えば楕円形、あるいは方形等にすることもできる。
次に、単セル1の構造、または複数本の単セル1を並列に束ねて電池ケース2に収容したときの配置について説明する。図2は、単セル1の横断面及び複数本の単セル1の位置関係を示したものである。
図2に示すように、本実施形態のチューブ型燃料電池の単セル1は、内側集電体11と、第1触媒電極層12と、電解質層13と、第2触媒電極層14と、外側集電体15とから構成されている。内側集電体11は円柱状支持部材から構成され、内部には気体が通過できるように連続細孔が形成されている。また、内側集電体11を構成する円柱状支持部材が通電性を備え、電気を外部へ伝えることができる。なお、第1触媒電極層12と、電解質層13と、第2触媒電極層14とから膜電極複合体(MEA)が構成される。
単セル1は内側集電体11の外周面上に、内側集電体11を覆うように第1触媒電極層12が設けられる。次に、第1触媒電極層12の外周面上に、第1触媒電極層12を覆うように電解質層13が設けられる。また、電解質層13の外周面上に、電解質層13を覆うように第2触媒電極層14が設けられる。さらに、第2触媒電極層14の外周面上に、外側集電体15が設けられる。なお、本実施形態のチューブ型燃料電池では、第1触媒電極層12は酸化剤極(空気極)であり、第2触媒電極層14は燃料極であるが、第1触媒電極層12を燃料極とし、第2触媒電極層14を酸化剤極(空気極)として設置することもできる。このような燃料電池において、内側集電体11と外側集電体15とを外部回路に電気的に接続し、燃料極及び空気極にそれぞれ原料を供給して運転すれば、電池として機能させることができる。
また、内側集電体11が連通細孔を持つ通電可能な部材から構成されるため、単セル1の中心部に位置する内側集電体11を介して、空気(酸素ガス)が運ばれ、第1触媒電極層12(空気極)に提供される。
また、本実施形態において、内側集電体11としては、膜電極複合体における発電時に電子を通すために導電性の高い材料であれば特に制限はないが、原料ガスなどの原料の供給路として原料が拡散しやすいように、粉末焼結体、繊維状焼結体、繊維状発泡体などの導電性多孔材料であることが好ましい。導電性の高い材料としては、例えば、金や白金などの金属、カーボン、チタンやカーボンの表面を金や白金などの金属でコーティングしたもの等の導電性を有する材料の多孔質体、またはそれらの筒状中空体でその壁面にパンチング等により孔を設けたもの等が挙げられ、導電性、原料拡散性、耐腐食性等の点から多孔カーボン材料であることが好ましい。内側集電体11が中空体である場合、膜厚は例えば、0.5mm〜10mm、好ましくは1mm〜3mmの範囲である。内側集電体11が中実体である場合、膜厚は例えば、0.5mm〜10mm、好ましくは1mm〜3mmの範囲である。
なお、ハンチングなどにより筒状中空体である内側集電体11の壁面に設けられる孔の孔径は、通常0.01mm〜1mmの範囲である。
本実施形態において筒状支持体として、内側集電体11が使用されているが、これに制限されるものではなく、例えば、内側集電体11の変わりに、テフロン(登録商標)などの離型性のよい樹脂の棒やワイヤなどの円筒状等の支持体を用いることができる。この場合、膜電極複合体(MEA)を形成後に、支持体から膜電極複合体を取り出せることが可能である。なお、筒状支持体としては、筒状であればよく、例えば、円筒状:三角筒、四角筒、五角筒、六角筒などの多角筒状、楕円筒状などいずれの形状であってもよいが、通常は円筒状である。また、本明細書では、特に説明されない場合には、「筒状」とは、中空体および中実体を含む。
第1触媒電極層12(空気極)としては、例えば、白金(Pt)等を担持したカーボンなどの触媒をナフィオン(登録商標)などの固体高分子電解質等の樹脂に分散させて成膜されたものである。第1触媒電極層12の膜厚は例えば1μm〜100μm、好ましくは、1μm〜20μmの範囲である。
電解質層13としては、プロトン(H+)や酸素イオン(O2−)などのイオン伝導性の高い材料であれば特に制限はなく、例えば、固体高分子電解質膜、安定化ジルコニア膜などが挙げられるが、好ましくはパーフルオロスルホン酸系等の固体高分子電解質膜が用いられる。具体的には、ジャパンゴアデックス(株)のゴアセレクト(Goreselect、登録商標)、デュポン社(Du Pont)のナフィオン(Nafion、登録商標)、旭化成(株)のアシプレックス(Aciplex、登録商標)、旭硝子(株)のフレミオン(Flemion、登録商標)などのパーフルオロスルホン酸系固体高分子電解質膜を使用することができる。電解質膜13の膜厚は、例えば10μm〜200μm、好ましくは30μm〜50μmの範囲である。
第2触媒電極層14(燃料極)としては、白金(Pt)などをルテニウム(Ru)等の他の金属と共に担持したカーボン等の触媒をナフィオンなどの固体高分子電解質等の樹脂に分散させて成膜されたものである。第2触媒電極層14の膜厚は、例えば、1μm〜100μm、好ましくは1μm〜20μmの範囲である。
外側集電体15は通孔性、通電性を有すると共に、弾性変形可能な部材から構成される。図2に示すように、隣接した複数本の単セル1を束ねて電池ケース2(図1に示す)に収容する際、電池ケース2の規制力により単セル1の外側集電体15が隣接した単セル1の外周面151(外側集電体15の外周面)に接触し、外側集電体接触部152が形成される。外側集電体15を弾性変形可能な部材で構成することにより、弾性変形より接触面の面積が大きくなる。このため、隣接した単セル1の外側集電体接触部152の接触面積を大きくすることができ、外側集電体15における集電及びその内部の気体の流動に有利である。また、隣接した単セル1が外側集電体15を介して互いに電気的に接触しているため、電池ケース2に収容された全ての単セル1の外側集電体15が電気的に一体となる。さらに、複数本の単セル1の内、少なくとも一本の単セル1の外側集電体15に電気的に接触する電極21が設けられている。このため、外側集電体15で集めた電流を単セル1の径方向で集電できると共に、外部回路へ電流を伝えることができる。なお、電池ケース2が導電性部材で構成された場合、単セル1が電池ケース2の内壁に接触していれば、単セル1の外側集電体15で集めた電流を電池ケース2を介して外部へ伝えることが可能となり、特に電極21を設ける必要性がなくなる。
本実施形態例において、外側集電体15はSUS(ステンレス鋼)材質の帯状部材(商品名:セルメット、住友電工)で構成される。なお、外側集電体15はこれに限定されるものではなく、通孔性、通電性に優れ且つ弾性変形可能な部材を用いて構成することができる。また、内側集電体11の上にコーティングにより積層した第1触媒電極層12、電解質層13及び第2触媒電極層14の内、径方向の最外面に位置する第2触媒電極層14の外周面にSUS材質の帯状部材を所定の斜角で巻きつけて外側集電体15を形成する。図3は単セル1の外周に外側集電体15を構成する帯状部材が巻きつけられた状態を示す。
また、図4は単セル1の配置関係を示したものである。図4に示すように、二つ隣接した単セル1の中心距離をLとし、単セル1の外側集電体15の厚みをAとし、第2触媒電極層14の外径をDとした場合、
(L−D)/2<A (式1)
式1の関係を満足させれば、隣接した単セル1の外側集電体15で集められた電流を取り出すことができ、そして外側集電体15を電極21(図2)に接触させるだけで電気的に結線を完了することができる。
(L−D)/2<A (式1)
式1の関係を満足させれば、隣接した単セル1の外側集電体15で集められた電流を取り出すことができ、そして外側集電体15を電極21(図2)に接触させるだけで電気的に結線を完了することができる。
なお、本実施形態例では、この帯状部材の幅bは5mmであり、厚みAは1mmであり、気孔率は90%である。また、単セルの長さは100mmであり、単セル1を構成する第2触媒電極層14の外径Dは3mmである。さらに、隣接した二本の単セル1の中心距離Lは4.5mmである。このとき、式1の左側は(4.5−3)/2=0.75となり、右側は1となるため、式1の関係が満足されている。つまり、隣接した単セル1の外側集電体15の外側集電体接触部152(図2)において0.5mmの潰し(或いは弾性)変形が起こっている。なお、一つの単セル1の外側集電体の径方向の変形量は0.25mmである。
単セル1内の燃料ガス及び酸化剤ガスの流れ方向を示したものが図5である。図5に示すように、本実施形態のチューブ型燃料電池の単セル1の電解質層13の両側に酸化剤ガス及び燃料ガスを流して発電反応を行う際、酸化剤ガス(空気)が中心部に位置する内側集電体11の内部において軸方向に流れる。燃料ガスが単セル1の外側に位置する外側集電体15の内部において軸方向に流れる。また、図2に示したように、電池ケース2内において、複数本の円形断面を持つ単セル1に包囲されて空スペース160が形成される。
電池ケース2に収容された単セル1を流れる燃料ガスの流速を示したものが図6である。図6から分かるように、空スペース160内の気体抵抗が少ないため、燃料ガスの一部はこの空スペース160を介して流れる。このため、断面A−Aにおける燃料ガスの流速が流れる部位によって異なり、外側集電体15における気体流速F1が空スペース160における気体流速より低下している。
外側集電体15内部を流れる燃料ガスの流速を増大させるために、本実施形態では空スペース160を流れる気体を封止する封止手段260が設けられている。複数本の単セル1が束ねて配置された際の断面を図7に示し、空スペース160内に封止手段260が設置された状態を示したものである。これにより、電池ケース2内の空スペース160が無くなり、単セル1の外側集電体15の内部を流れる燃料ガスの流速F2が大きくなり、空スペース160を流れる燃料ガスがなくなる。空スペース160内において封止手段260が設けられた時、単セル1のA−A断面における燃料ガスの流速を示したものが図8である。図8から分かるように、空スペース160が封止手段260により封止され、燃料ガスが完全に外側集電体15の内部を通るようになり、燃料ガスの流速F2が封止手段260を設けていない場合の流速F1に比べ、大きく改善される。なお、図9に示すように、封止手段260は単セル1の外側集電体15の外周面151に沿うように外周端面261を備えた三角柱状部品で構成される。従って、外周端面261が外側集電体15の外周面151と密着した状態で接触することができる。このため、空スペース160が完全になくなり、空スペース160を流れる燃料ガスが封止される。よって、外側集電体15内の燃料ガスの流速が上昇し、発電反応物質の濃度を高いレベルに維持することができる。このため、発電反応が促進され、燃料電池の発電効率に有利である。
なお、本実施形態では、樹脂などを空スペース160内に注入して封止手段260を形成する。また、単セル1の外径(2×R)が5mmである場合、封止手段260を構成する三角柱状部材の外周端面261から中心Sまで(単セル1の径方向Rで)の最短距離rは0.775mmである。
本実施形態のチューブ型燃料電池において、内側集電体11と外側集電体15とを、外部回路に電気的に接続し、第1触媒電極層12及び第2触媒電極層14にそれぞれ原料を供給して運転すれば、電池として機能させることができる。
第1触媒電極層12側に提供する原料としては、酸素や空気などの酸化剤ガス等が挙げられる。第2触媒電極層14側に提供する原料としては、水素やメタンなどの還元性ガス(燃料ガス)あるいはメタノールなどの液体燃料等が挙げられる。
また、本実施形態のチューブ型燃料電池において、例えば、第2触媒電極層14に供給する原料を水素ガス、第1触媒電極層12に供給する原料を空気として運転した場合、第2触媒電極層14において、
H2→2H++2e−(式2)
式2の反応式を経て、水素ガス(H2)から水素イオン(H+)と電子(e−)とが発生する。電子(e−)は外側集電体15から外部回路を通り、必要に応じて第1触媒電極層12の内面に設けられた内側集電体11から第1触媒電極層12に到達する。第1触媒電極層12において、供給される空気中の酸素(O2)と、電解質層13を通過した水素イオン(H+)と、外部回路を通じて第1触媒電極層12に到達した電子(e−)により、
2H++1/2O2+2e−→H2O (式3)
式3の反応式を経て、水(H2O)が生成する。このように第1触媒電極層12及び第2触媒電極層14において、化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することができる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。
H2→2H++2e−(式2)
式2の反応式を経て、水素ガス(H2)から水素イオン(H+)と電子(e−)とが発生する。電子(e−)は外側集電体15から外部回路を通り、必要に応じて第1触媒電極層12の内面に設けられた内側集電体11から第1触媒電極層12に到達する。第1触媒電極層12において、供給される空気中の酸素(O2)と、電解質層13を通過した水素イオン(H+)と、外部回路を通じて第1触媒電極層12に到達した電子(e−)により、
2H++1/2O2+2e−→H2O (式3)
式3の反応式を経て、水(H2O)が生成する。このように第1触媒電極層12及び第2触媒電極層14において、化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能することができる。そして、一連の反応において排出される成分は水であるので、クリーンな電池が構成されることになる。
本発明のチューブ型燃料電池は、工業、例えば自動車産業などの分野に使用でき、さらに家庭などにもエネルギ源として使用することができる。
1:単セル 2:電池ケース
11:内側集電体 12:第1触媒電極層
13:電解質層 14:第2触媒電極層
15:外側集電体 151:外周面
152:外側集電体接触部
b:帯状部材幅 L:単セル中心距離 R:単セル半径
A:外側集電体厚み D:第2触媒電極層の外径
160:単セル間の空スペース
260:封止手段 261:封止手段の外周端面
S:封止手段の中心 r:中心から外周端面までの最短距離
11:内側集電体 12:第1触媒電極層
13:電解質層 14:第2触媒電極層
15:外側集電体 151:外周面
152:外側集電体接触部
b:帯状部材幅 L:単セル中心距離 R:単セル半径
A:外側集電体厚み D:第2触媒電極層の外径
160:単セル間の空スペース
260:封止手段 261:封止手段の外周端面
S:封止手段の中心 r:中心から外周端面までの最短距離
Claims (4)
- 軸直交方向内側から順に内側集電体、第1触媒電極層、電解質膜、第2触媒電極層、外側集電体を積層に配置してなるチューブ状単セルと、
複数本の前記単セルを並列に束ねて収容する電池ケースと、を備えるチューブ型燃料電池において、
前記電池ケース内に並列に収容された複数本の前記単セルは、該単セルの前記外側集電体の外周面の少なくとも一部を介して電気的に接触し、軸直交方向に集電されることを特徴とするチューブ型燃料電池。 - 前記外側集電体は弾性変形可能な部材から構成されている請求項1に記載のチューブ型燃料電池。
- 前記電池ケース内に収容された複数本の前記単セルの内、少なくとも一本の前記単セルの前記外側集電体と電気的に接触し電気を外部へ伝導する電極が設けられている請求項1に記載のチューブ型燃料電池。
- 並列に配置された複数本の前記単セルの間の空間内に、気体の進入を封止する封止手段が備えられている請求項1に記載のチューブ型燃料電池。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006172723A JP2008004390A (ja) | 2006-06-22 | 2006-06-22 | チューブ型燃料電池 |
US12/303,974 US20100239939A1 (en) | 2006-06-22 | 2007-06-19 | Tube-type fuel cell |
EP07767163A EP2037520A4 (en) | 2006-06-22 | 2007-06-19 | TUBE TYPE FUEL CELL |
CNA2007800229625A CN101473475A (zh) | 2006-06-22 | 2007-06-19 | 管型燃料电池 |
PCT/JP2007/062289 WO2007148679A1 (ja) | 2006-06-22 | 2007-06-19 | チューブ型燃料電池 |
CA002653166A CA2653166A1 (en) | 2006-06-22 | 2007-06-19 | Tube-type fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006172723A JP2008004390A (ja) | 2006-06-22 | 2006-06-22 | チューブ型燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2008004390A true JP2008004390A (ja) | 2008-01-10 |
Family
ID=38833421
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006172723A Withdrawn JP2008004390A (ja) | 2006-06-22 | 2006-06-22 | チューブ型燃料電池 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20100239939A1 (ja) |
EP (1) | EP2037520A4 (ja) |
JP (1) | JP2008004390A (ja) |
CN (1) | CN101473475A (ja) |
CA (1) | CA2653166A1 (ja) |
WO (1) | WO2007148679A1 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010274213A (ja) * | 2009-05-29 | 2010-12-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ガス除害装置 |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113921846A (zh) * | 2021-10-09 | 2022-01-11 | 中汽创智科技有限公司 | 一种管状单元电池及管状燃料电池 |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4812373A (en) * | 1986-04-16 | 1989-03-14 | Westinghouse Electric Corp. | Fuel feed arrangement for a fuel cell generator |
US4791035A (en) * | 1987-12-10 | 1988-12-13 | Westinghouse Electric Corp. | Cell and current collector felt arrangement for solid oxide electrochemical cell combinations |
JPH03274672A (ja) * | 1990-03-26 | 1991-12-05 | Ngk Insulators Ltd | 固体電解質型燃料電池 |
JP3706959B2 (ja) | 1994-03-18 | 2005-10-19 | 関西電力株式会社 | 導電性チューブを挿入した円筒形固体電解質型燃料電池セルの構造、このセルを複数本束ねたバンドルの構造並びにこのバンドルを用いた発電モジュールの構造 |
US6936367B2 (en) * | 2002-01-16 | 2005-08-30 | Alberta Research Council Inc. | Solid oxide fuel cell system |
JP4057822B2 (ja) * | 2002-03-14 | 2008-03-05 | 京セラ株式会社 | 燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池 |
DE10352656B4 (de) * | 2003-11-11 | 2010-04-08 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Tubulare Brennstoffzelle, Brennstoffzellenbündel sowie Brennstoffzellenmodul und Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellenbündels |
JP4686123B2 (ja) * | 2003-12-03 | 2011-05-18 | 東邦瓦斯株式会社 | 固体酸化物形燃料電池サブモジュールおよびこれを用いた固体酸化物形燃料電池モジュール |
JP2005166552A (ja) * | 2003-12-04 | 2005-06-23 | Canon Inc | 燃料電池 |
JP2005174846A (ja) * | 2003-12-15 | 2005-06-30 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池ブロック及びその製造方法 |
JP2005353489A (ja) | 2004-06-11 | 2005-12-22 | Toyota Motor Corp | チューブ型燃料電池用膜電極複合体 |
JP4649886B2 (ja) | 2004-06-17 | 2011-03-16 | トヨタ自動車株式会社 | チューブ型燃料電池用膜電極複合体、およびその製造方法 |
JP2006216416A (ja) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Toyota Motor Corp | チューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドル |
JP2006216464A (ja) * | 2005-02-04 | 2006-08-17 | Toyota Motor Corp | 燃料電池モジュール及び該燃料電池モジュールを備える燃料電池 |
US20070141424A1 (en) * | 2005-12-21 | 2007-06-21 | Armstrong Timothy R | Solid oxide fuel cell and stack configuration |
-
2006
- 2006-06-22 JP JP2006172723A patent/JP2008004390A/ja not_active Withdrawn
-
2007
- 2007-06-19 US US12/303,974 patent/US20100239939A1/en not_active Abandoned
- 2007-06-19 CA CA002653166A patent/CA2653166A1/en not_active Abandoned
- 2007-06-19 WO PCT/JP2007/062289 patent/WO2007148679A1/ja active Search and Examination
- 2007-06-19 EP EP07767163A patent/EP2037520A4/en not_active Withdrawn
- 2007-06-19 CN CNA2007800229625A patent/CN101473475A/zh active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010274213A (ja) * | 2009-05-29 | 2010-12-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ガス除害装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2037520A4 (en) | 2009-12-09 |
WO2007148679A1 (ja) | 2007-12-27 |
US20100239939A1 (en) | 2010-09-23 |
CA2653166A1 (en) | 2007-12-27 |
CN101473475A (zh) | 2009-07-01 |
EP2037520A1 (en) | 2009-03-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1776729B1 (en) | Membrane electrode assembly for a tube-shaped fuel cell and tube-shaped fuel cell | |
US20070072054A1 (en) | Method for producing an electrode arrangement for use in a fuel cell | |
JP2009521793A (ja) | 固体酸化物型燃料電池及びスタック構成 | |
WO2006083037A1 (ja) | 中空型燃料電池用膜電極複合体および中空型燃料電池 | |
US7887973B2 (en) | Cell module and fuel cell having a water permeable hollow body | |
JP2006216410A (ja) | 燃料電池 | |
US20120231373A1 (en) | Fuel cell separator and fuel cell including same | |
JP2006216407A (ja) | セルモジュール集合体及び燃料電池 | |
JP2008004390A (ja) | チューブ型燃料電池 | |
JP4687406B2 (ja) | 燃料電池 | |
JP2009076395A (ja) | チューブ型燃料電池セル及び該チューブ型燃料電池セルを備えるチューブ型燃料電池 | |
JP2010092699A (ja) | 燃料電池 | |
JP2006216463A (ja) | 燃料電池用膜電極複合体 | |
JP2006216406A (ja) | セルモジュール集合体及び燃料電池 | |
JP2008140563A (ja) | 燃料電池 | |
JP2009187891A (ja) | 膜電極構造体及び燃料電池 | |
JP4934965B2 (ja) | セルモジュール集合体及び燃料電池 | |
JP2008140658A (ja) | 燃料電池 | |
JP2006128047A (ja) | 燃料電池及びその製造方法 | |
JP2006216409A (ja) | セルモジュール集合体及び燃料電池 | |
US8841044B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP2007066723A (ja) | 燃料電池 | |
JP2007134182A (ja) | 燃料電池、及びその製造方法 | |
JP2006216416A (ja) | チューブ型燃料電池用膜電極複合体バンドル | |
JP2006216417A (ja) | チューブ型燃料電池用膜電極複合体およびチューブ型燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20090305 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20110322 |