JP2008140563A - Fuel cell - Google Patents

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JP2008140563A JP2006322919A JP2006322919A JP2008140563A JP 2008140563 A JP2008140563 A JP 2008140563A JP 2006322919 A JP2006322919 A JP 2006322919A JP 2006322919 A JP2006322919 A JP 2006322919A JP 2008140563 A JP2008140563 A JP 2008140563A
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Keisuke Nagasaka
圭介 永坂
Yoshihisa Tamura
佳久 田村
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To relax or ideally uniformize power generation gradient which is reduced from one end side to the other end side of the axial direction of a hollow type cell caused by concentration gradient of a reaction gas circulating in the inner peripheral face side of the hollow type cell, and suppress deterioration of the hollow type cell in the fuel cell equipped with the hollow type cell. <P>SOLUTION: This is a fuel cell equipped with the hollow type cell which comprises a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes installed at the inner peripheral face and the outer peripheral face of the hollow electrolyte membrane, and current collecting materials connected to the pair of electrodes, respectively, and at least one end part of which is opened. At least at one of the inner peripheral face and the outer peripheral face of the hollow type cell, a contact area changing means is installed in which a contact area of the reaction gas per unit area of the inner peripheral face and the outer peripheral face is increased as it goes from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral face side gas flow passage of the hollow type cell. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、中空形状の電解質膜を有する中空型セルを備える燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell including a hollow cell having a hollow electrolyte membrane.

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。電解質として固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動することなどの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。   A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle and thus exhibit high energy conversion efficiency. Solid polymer electrolyte fuel cells that use solid polymer electrolytes as electrolytes are particularly attractive as portable and mobile power supplies because they are easy to downsize and operate at low temperatures. ing.

固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード(水素極)では(1)式の反応が進行する。
→ 2H + 2e …(1)
(1)式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード(酸化剤極)に到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内を水素極側から酸化剤極側に、電気浸透により移動する。
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode (hydrogen electrode).
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode (oxidant electrode) after working with an external load via an external circuit. The proton generated in the formula (1) moves in the solid polymer electrolyte membrane from the hydrogen electrode side to the oxidant electrode side by electroosmosis while being hydrated with water.

また、酸素を酸化剤とした場合、酸化剤極では(2)式の反応が進行する。
2H + (1/2)O + 2e → HO …(2)
酸化剤極で生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the oxidizing agent electrode.
2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
The water produced at the oxidizer electrode mainly passes through the gas diffusion layer and is discharged to the outside.
As described above, the fuel cell is a clean power generation device that has no emissions other than water.

従来、固体高分子電解質型燃料電池としては主に、平面状の固体高分子電解質膜の一面に水素極及び他面に酸化剤極となる触媒層を設けるとともに、得られた平面状の膜・電極接合体の両側にさらにそれぞれガス拡散層を設け、さらに平面状のセパレータで挟んだ平型の単セルが開発されてきた。このような平型の単セルは、複数積層して燃料電池スタックとして用いられる。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のため、固体高分子電解質膜としては非常に膜厚の薄いプロトン伝導性高分子膜が用いられている。この膜厚はすでに100μm以下のものが主流であり、さらなる出力密度向上のためにさらに薄い電解質膜を用いたとしても、単セルの厚みを現在のものより劇的に薄くすることはできない。同様に、触媒層、ガス拡散層及びセパレータ等についてもそれぞれ薄膜化が進んでいるが、それらすべての部材の薄膜化によっても、単位体積当たりの出力密度の向上には限界がある。従って、小型化の要求に対しても、今後充分に応えられなくなることが予想される。
Conventionally, as a solid polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer serving as a hydrogen electrode and an oxidant electrode is provided on one surface of a planar solid polymer electrolyte membrane and the obtained planar membrane / Flat single cells have been developed in which gas diffusion layers are further provided on both sides of the electrode assembly and sandwiched between flat separators. A plurality of such flat single cells are stacked and used as a fuel cell stack.
In order to improve the output density of the solid polymer electrolyte fuel cell, a proton conductive polymer membrane having a very thin film thickness is used as the solid polymer electrolyte membrane. This film thickness is already 100 μm or less, and even if a thinner electrolyte membrane is used to further improve the power density, the thickness of the single cell cannot be dramatically reduced from the present one. Similarly, the catalyst layer, the gas diffusion layer, the separator, and the like have been made thinner, but there is a limit to improving the output density per unit volume even by making all these members thinner. Therefore, it is expected that it will not be possible to meet the demand for miniaturization in the future.

また、前記セパレータには、通常、腐食性に優れたシート状のカーボン材料が用いられている。セパレータは、このカーボン材料自体が高価である上に、平面状の膜・電極接合体の面全体に均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるためのガス流路溝を、微細加工により形成するため、非常に高価なものとなっている。その結果、燃料電池の製造原価を押し上げていた。
以上の問題の他にも、平型の単セルには、前記ガス流路から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れ出さないように幾層にもスタックされた単セルの周縁を確実にシールすることが技術的に難しいこと、平面状の膜・電極接合体のたわみや変形に起因して発電効率が低下してしまうことなど、多くの問題がある。
Moreover, the sheet-like carbon material excellent in corrosivity is normally used for the said separator. In the separator, the carbon material itself is expensive, and a gas channel groove for uniformly distributing the fuel gas and the oxidant gas over the entire surface of the planar membrane / electrode assembly is formed by micromachining. Therefore, it has become very expensive. As a result, the manufacturing cost of the fuel cell was pushed up.
In addition to the above problems, for flat single cells, the periphery of single cells stacked in multiple layers should be reliably sealed so that fuel gas and oxidant gas do not leak from the gas flow path. However, there are a number of problems such as technical difficulties and a decrease in power generation efficiency due to deflection and deformation of the planar membrane / electrode assembly.

近年、中空状の電解質膜の内周面側と外周面側にそれぞれ電極を設けた中空型セルを基本的な発電単位とする固体高分子電解質型燃料電池が開発されている(例えば、特許文献1等)。
このような中空型セルを有する燃料電池は、その中空内をガス流路とするため、平型で使用されるセパレータに相当する部材が必要ない。そして、その内周面と外周面とにそれぞれ異なった種類のガスを供給して発電するので、特別にガス流路を形成する必要もない。従って、その製造においては、コストの低減が見込まれる。さらに、セルが3次元形状であるので、平型の単セルに比べて体積に対する比表面積が大きくとれ、体積当たりの発電出力密度の向上が見込める。
In recent years, a solid polymer electrolyte fuel cell has been developed in which a hollow cell in which electrodes are respectively provided on an inner peripheral surface side and an outer peripheral surface side of a hollow electrolyte membrane is used as a basic power generation unit (for example, Patent Documents). 1).
Since the fuel cell having such a hollow cell has a gas flow path in the hollow, a member corresponding to a separator used in a flat type is not necessary. Since different types of gas are supplied to the inner peripheral surface and the outer peripheral surface for power generation, it is not necessary to form a gas flow path. Therefore, cost reduction is expected in the manufacture. Further, since the cell has a three-dimensional shape, the specific surface area with respect to the volume can be increased as compared with the flat single cell, and the power generation output density per volume can be expected to be improved.

中空型セルを備える燃料電池では、中空型セルにおいて、内周面側ガス流路を流通する反応ガス(例えばここで燃料ガスである水素とするが、これに限定されず空気等の酸化剤ガスであってもよい)と中空型セルの外周面側を流通する反応ガス(例えばここで空気とするが、これに限定されず水素等の燃料ガスであってもよい)が反応して発電する。
通常、大きな電圧を得るために、まず、複数の中空型セルを並列に接続する。そして、大きな電流を得るために、中空型セルが並列に接続された複数の中空型セルスタックを、さらに直列に接続する。
中空型セルは、中空電解質膜の内面及び外面に設けられた電極にそれぞれ接続する集電材(内部集電材、外部集電材)を有しており、ここから各セルの電流が取り出される。複数の中空型セルを並列に接続する場合には、各セルの内面側電極の電流及び外面側電極の電流をそれぞれ集約する。例えば、特許文献2には、コイル状集電体を有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体を用いたチューブ型燃料電池が開示されている。また、特許文献3には、巻き線又はメッシュ状の集電体をカソード又はアノード触媒層の表面に接するように配置して集電を行う管形複合体を複数有するモジュールが開示されている。
In a fuel cell including a hollow cell, a reaction gas (for example, hydrogen as a fuel gas here is used as a fuel gas in the hollow cell), but the oxidant gas such as air is not limited thereto. May be generated) and a reaction gas (for example, air here but may be a fuel gas such as hydrogen) flowing through the outer peripheral surface of the hollow cell reacts to generate electric power. .
Usually, in order to obtain a large voltage, first, a plurality of hollow cells are connected in parallel. In order to obtain a large current, a plurality of hollow cell stacks in which hollow cells are connected in parallel are further connected in series.
The hollow cell has current collectors (internal current collector and external current collector) connected to electrodes provided on the inner surface and the outer surface of the hollow electrolyte membrane, and the current of each cell is taken out therefrom. When a plurality of hollow cells are connected in parallel, the current of the inner surface side electrode and the current of the outer surface side electrode of each cell are collected. For example, Patent Document 2 discloses a tube type fuel cell using a membrane electrode assembly for a tube type fuel cell having a coiled current collector. Patent Document 3 discloses a module having a plurality of tubular composites that collect current by arranging winding or mesh current collectors in contact with the surface of the cathode or anode catalyst layer.

しかしながら、中空型セルには、中空型セルの軸方向に発電勾配が存在する。発電勾配は、具体的には次のように生じる。上述したように、中空型セルにおいて、内周面側ガス流路を流通する燃料ガスと中空型セルの外周面側を流通する空気が反応して発電する。一方、中空型セルの内周面側ガス流路に水素ガスが供給され、該中空型セルの外周面側に空気が該中空型セルの軸方向に対して交差する方向に供給される燃料電池の場合には、空気は中空型セルの外周面の全面に、すなわち、中空型セルの外周面全体にほぼ一定に供給されるが、中空型セルの軸方向に沿って内周面側ガス流路を流通する水素ガスは、空気との反応によって上流側で優先的に消費され、内周面側ガス流路の上流側から下流側に進むにつれて、水素の濃度が減少していく。そのため、中空型セルの内周面側の上流側に比べて下流側の方が単位体積あたりの水素ガスの濃度が少なく、濃度勾配が生じる。
中空型セルにはこのような水素ガスの濃度勾配が存在するために、水素ガスと空気が反応して発電する量(電気化学反応量)が中空型セルの内周面側ガス流路の上流側から下流側にかけて減少していく。
このように、中空型セルの内周面側ガス流路の上流側と下流側との間に電気化学反応量の差が生じるため、中空型セルに温度勾配ができたり、水素欠や部分電池が生じ易く、中空型セルの劣化の原因となっていた。
However, the hollow cell has a power generation gradient in the axial direction of the hollow cell. Specifically, the power generation gradient is generated as follows. As described above, in the hollow cell, the fuel gas flowing through the inner peripheral surface side gas flow path and the air flowing through the outer peripheral surface of the hollow cell react to generate electric power. On the other hand, a fuel cell in which hydrogen gas is supplied to the gas flow path on the inner peripheral surface side of the hollow cell and air is supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell in a direction intersecting the axial direction of the hollow cell. In this case, air is supplied to the entire outer peripheral surface of the hollow cell, that is, substantially uniformly to the entire outer peripheral surface of the hollow cell, but the inner peripheral surface side gas flow along the axial direction of the hollow cell. The hydrogen gas flowing through the channel is preferentially consumed on the upstream side due to the reaction with air, and the hydrogen concentration decreases as the gas flows from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. Therefore, the concentration of hydrogen gas per unit volume is smaller on the downstream side than on the upstream side on the inner peripheral surface side of the hollow cell, and a concentration gradient is generated.
Since the hollow cell has such a hydrogen gas concentration gradient, the amount of electric power generated by the reaction of hydrogen gas and air (electrochemical reaction amount) is upstream of the gas flow path on the inner peripheral surface side of the hollow cell. It decreases from the side to the downstream side.
As described above, a difference in the amount of electrochemical reaction occurs between the upstream side and the downstream side of the gas flow path on the inner peripheral surface side of the hollow cell. This is likely to cause deterioration of the hollow cell.

特表2004−505417号公報JP-T-2004-505417 特開2005−353484号公報JP 2005-353484 A 特表2002−539587号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-539587

本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、中空型セルを備えた燃料電池において、中空型セルの内周面側を流通する反応ガスの濃度勾配に起因する中空型セルの軸方向の一端側から他端側にかけて減少する発電勾配を緩和、又は理想的には均一化し、中空型セルの劣化を抑制することを目的とする。   The present invention has been achieved in view of the above circumstances, and in a fuel cell having a hollow cell, the shaft of the hollow cell resulting from the concentration gradient of the reaction gas flowing through the inner peripheral surface of the hollow cell. The purpose is to mitigate or ideally uniform the power generation gradient that decreases from one end side to the other end side of the direction, and to suppress deterioration of the hollow cell.

本発明の燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを備える燃料電池であって、
該中空型セルの内周面及び外周面のうち少なくとも一方に、該中空型セルの内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って該内周面又は外周面の単位面積当りの反応ガスの接触面積を増大させる接触面積変化手段が設けられていることを特徴とする。
The fuel cell of the present invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner and outer peripheral surfaces of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one of the electrodes A fuel cell comprising a hollow cell having an open end,
At least one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the hollow cell has a per unit area of the inner peripheral surface or outer peripheral surface as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas flow path on the inner peripheral surface side of the hollow cell. Contact area changing means for increasing the contact area of the reaction gas is provided.

前記中空型セルの外周面側に供給される反応ガスの流通方向は、前記中空型セルの軸方向に対して交差する方向である。   The flow direction of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell is a direction intersecting the axial direction of the hollow cell.

本発明において、前記中空型セルの外周面及び内周面のうち少なくとも一方が反応ガス遮断性材料によって被覆され、前記中空型セルの外周面又は内周面の単位面積当りの該反応ガス遮断性材料による被覆面積割合が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って減少するように被覆することにより前記接触面積変化手段を構成することができる。   In the present invention, at least one of the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the hollow cell is coated with a reactive gas barrier material, and the reactive gas barrier property per unit area of the outer peripheral surface or the inner peripheral surface of the hollow cell. The contact area changing means can be configured by covering so that the covering area ratio of the material decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path.

この場合、前記反応ガス遮断性材料が、前記中空型セルの内周面又は外周面に接触する集電材及び/又は熱交換部材、又は、樹脂製部材であってもよい。   In this case, the reactive gas barrier material may be a current collector and / or a heat exchange member or a resin member in contact with the inner peripheral surface or the outer peripheral surface of the hollow cell.

例えば、前記反応ガス遮断性材料が線状反応ガス遮断性材料であり、該線状反応ガス遮断性材料が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従って巻きピッチが大きくなるように前記中空型セルの外周面に捲回されていてもよい。   For example, the reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material, and the winding pitch increases as the linear reactive gas barrier material moves from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. Thus, it may be wound around the outer peripheral surface of the hollow cell.

また、前記反応ガス遮断性材料が、一端から他端に向けて線径が小さくなる線状反応ガス遮断性材料であるか又は線径が異なる2本以上の線状反応ガス遮断性材料の組み合わせであり、該線状反応ガス遮断性材料が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従って線径が小さくなるように前記中空型セルの外周面に捲回されていてもよい。   Further, the reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material whose wire diameter decreases from one end to the other end, or a combination of two or more linear reactive gas barrier materials having different wire diameters. Even if the linear reaction gas blocking material is wound around the outer peripheral surface of the hollow cell so that the wire diameter decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. Good.

また、前記反応ガス遮断性材料が線状反応ガス遮断性材料であり、該線状反応ガス遮断性材料が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従って弱い巻き締め力となるように前記中空型セルの外周面に捲回されていてもよい。   The reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material, and the linear reactive gas barrier material has a weak tightening force as it goes from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. It may be wound around the outer peripheral surface of the hollow cell.

さらに、前記反応ガス遮断性材料が前記中空型セルの内周面又は外周面の形状と合う湾曲した板状反応ガス遮断性材料であり、該板状反応ガス遮断性材料が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従って該板状反応ガス遮断性材料の前記中空型セルに接している面積が小さくなるように、前記中空型セルの外周面又は内周面に沿うように配置されていてもよい。   Further, the reactive gas barrier material is a curved plate-like reactive gas barrier material that matches the shape of the inner peripheral surface or outer peripheral surface of the hollow cell, and the plate-like reactive gas barrier material is on the inner peripheral surface side. Along the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the hollow cell so that the area of the plate-like reactive gas blocking material in contact with the hollow cell decreases from the upstream side to the downstream side of the gas flow path. May be arranged.

また本発明において、前記中空型セルの外周面及び内周面のうち少なくとも一方が前記反応ガス遮断性材料によって被覆されており、該反応ガス遮断性材料のガス透過性が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って増大するように被覆することにより前記接触面積変化手段を構成することができる。   In the present invention, at least one of the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the hollow cell is coated with the reactive gas barrier material, and the gas permeability of the reactive gas barrier material is the inner peripheral surface side gas. The contact area changing means can be configured by covering the flow path so as to increase from the upstream side to the downstream side.

この場合、前記反応ガス遮断性材料が、前記中空型セルの内周面又は外周面に接触する集電材及び/又は熱交換部材、又は、樹脂製部材であってもよい。   In this case, the reactive gas barrier material may be a current collector and / or a heat exchange member or a resin member in contact with the inner peripheral surface or the outer peripheral surface of the hollow cell.

例えば、前記反応ガス遮断性材料が、一端から他端に向けてガス透過性が大きくなる線状反応ガス遮断性材料であるか、又は、ガス透過性が異なる2本以上の線状反応ガス遮断性材料の組み合わせであり、該線状反応ガス遮断性材料が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従ってガス透過性が大きくなるように前記中空型セルの外周面に捲回されていてもよい。   For example, the reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material whose gas permeability increases from one end to the other, or two or more linear reactive gas barriers having different gas permeability. The linear reactive gas barrier material is disposed on the outer peripheral surface of the hollow cell so that the gas permeability increases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. It may be turned.

また、前記反応ガス遮断性材料が前記中空型セルの内周面又は外周面の形状と合う湾曲した板状反応ガス遮断性材料であり、該板状反応ガス遮断性材料が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従ってガス透過性が大きくなるように前記中空型セルの外周面又は内周面に沿うように配置されていてもよい。   The reactive gas barrier material is a curved plate-like reactive gas barrier material that matches the shape of the inner peripheral surface or outer peripheral surface of the hollow cell, and the plate-like reactive gas barrier material is on the inner peripheral surface side. You may arrange | position along the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the said hollow cell so that gas permeability may become large as it goes downstream from the upstream of a gas flow path.

本発明によれば、中空型セルの内周面及び外周面のうち少なくとも一方に、内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って中空型セルの内周面又は外周面の単位面積当りの反応ガスの接触面積を増大させる接触面積変化手段が設けられていることによって、中空型セルの内周面側ガス流路の上流側と下流側における反応ガス(燃料ガスと酸化剤ガス)の電気化学反応量を調整することができるので、中空型セルの軸方向の一端側から他端側にかけての発電勾配を緩和、又は理想的には中空型セルの発電(電気化学反応量)を均一化し、温度勾配、水素欠、部分電池等に起因する中空型セルの劣化を抑制することができる。それ故に、燃料電池において安全で安定した発電が可能となる。   According to the present invention, at least one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the hollow cell is a unit of the inner peripheral surface or the outer peripheral surface of the hollow cell as it goes from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. By providing contact area changing means for increasing the contact area of the reaction gas per area, the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) on the upstream side and downstream side of the gas flow passage on the inner peripheral surface side of the hollow cell is provided. ), The power generation gradient from one end to the other end in the axial direction of the hollow cell is moderated, or ideally, the power generation of the hollow cell (electrochemical reaction amount) The hollow cell can be prevented from degrading due to temperature gradient, lack of hydrogen, partial battery, and the like. Therefore, safe and stable power generation is possible in the fuel cell.

本発明の燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを備える燃料電池であって、
該中空型セルの内周面及び外周面のうち少なくとも一方に、該中空型セルの内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って該内周面又は外周面の単位面積当りの反応ガスの接触面積を増大させる接触面積変化手段が設けられていることを特徴とする。
The fuel cell of the present invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner and outer peripheral surfaces of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one of the electrodes A fuel cell comprising a hollow cell having an open end,
At least one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the hollow cell has a per unit area of the inner peripheral surface or outer peripheral surface as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas flow path on the inner peripheral surface side of the hollow cell. Contact area changing means for increasing the contact area of the reaction gas is provided.

上記接触面積変化手段は、中空型セルの内周面及び外周面のうち少なくとも一方の一部領域を反応ガスと接触しないようにするハードウエア的な手段である。尚、燃料電池のシステム全体としての反応ガスの供給量は、該接触面積変化手段によっては変化しない。   The contact area changing means is hardware means for preventing at least one partial region of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the hollow cell from contacting the reaction gas. The supply amount of the reaction gas as the whole fuel cell system does not change depending on the contact area changing means.

中空型セルを集合させたセルスタックの場合、通常、中空型セルの外周面側に供給される反応ガスは、中空型セルの軸方向に対して交差する方向に流通させる。
本発明において、中空型セルの外周面側に供給される反応ガスの流通方向が中空型セルの軸方向に対して交差する方向であるとは、一般的には中空型セルの軸方向に対して90度付近(真横)の角度方向を意味するが、中空型セルの外周面側に供給される反応ガスの濃度勾配が中空型セルの軸方向に沿って発生しないという観点、すなわち、中空型セルの軸方向に沿った電気化学反応量の不均一さに関しては中空型セルの外周面側に供給される反応ガスの流通方向が実質的に影響を与えないという観点からすれば、中空型セルの軸方向に対して45度程度の斜め横から90度(真横)までの角度方向は、中空型セルの軸方向に対して交差する方向であると言って差し支えない。
In the case of a cell stack in which hollow cells are assembled, normally, the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cells is circulated in a direction crossing the axial direction of the hollow cells.
In the present invention, the direction in which the flow direction of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell intersects with the axial direction of the hollow cell generally refers to the axial direction of the hollow cell. Means that the concentration gradient of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell does not occur along the axial direction of the hollow cell, that is, the hollow type From the viewpoint that the flow direction of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface of the hollow cell does not substantially affect the non-uniformity of the electrochemical reaction amount along the axial direction of the cell, the hollow cell It can be said that the angle direction from about 45 degrees to 90 degrees (straight side) with respect to the axial direction is a direction intersecting the axial direction of the hollow cell.

中空型セルの外周面側に供給される反応ガスの流通方向が中空型セルの軸方向に対して交差する方向である場合には、中空型セルの外周面側に供給される反応ガスの濃度勾配が中空型セルの軸方向に沿って全く或いはそれほど発生しないため、中空型セルの外周面側に供給される反応ガスの流通方向は中空型セルの軸方向に沿った電気化学反応量の不均一さに関して実質的に影響を与えないか、影響があるとしてもそれほど大きくない。従って、中空型セルの内周面側の反応ガスの流通方向のみを考慮して、内周面側又は外周面側における反応ガスの接触面積を変化させることで、中空型セルの軸方向における電気化学反応量の勾配を充分に緩和することができ、通常は中空型セルの外周面側の反応ガスの流通方向を考慮する必要がない。   When the flow direction of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell is a direction intersecting the axial direction of the hollow cell, the concentration of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell Since the gradient does not occur at all or not so much along the axial direction of the hollow cell, the flow direction of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell is limited in the amount of electrochemical reaction along the axial direction of the hollow cell. There is virtually no effect on uniformity or, if so, not so much. Therefore, considering only the flow direction of the reaction gas on the inner peripheral surface side of the hollow cell, the contact area of the reaction gas on the inner peripheral surface side or the outer peripheral surface side is changed, so that the electric power in the axial direction of the hollow cell is changed. The gradient of the chemical reaction amount can be sufficiently relaxed, and it is usually unnecessary to consider the flow direction of the reaction gas on the outer peripheral surface side of the hollow cell.

以下、図を参照しながら、本発明を実施形態を以て詳しく説明していく。
(1)第1の実施形態
本発明の第1の実施形態は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルの外周面及び内周面のうち少なくとも一方が反応ガス遮断性材料によって被覆されており、該中空型セルの外周面又は内周面の単位面積当りの該反応ガス遮断性材料による被覆面積割合が該中空型セルの内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って減少するように被覆することにより前記接触面積変化手段が構成されている実施形態である。
接触面積変化手段を構成する反応ガス遮断性材料を用いて、中空型セルの外周面又は内周面の単位面積当りの該反応ガス遮断性材料による被覆面積割合が、中空型セルの内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って減少するように、中空型セルの内周面及び外周面のうち少なくとも一方を被覆することによって、該中空型セルの内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って該内周面又は外周面の単位面積当りの反応ガスの接触面積を増大させ、中空型セルの発電勾配を小さくすることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1) First Embodiment A first embodiment of the present invention is connected to a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner and outer peripheral surfaces of the hollow electrolyte membrane, and the pair of electrodes, respectively. At least one of the outer peripheral surface and inner peripheral surface of the hollow cell having a current collector and having at least one end opened is covered with a reactive gas barrier material, and the outer peripheral surface of the hollow cell Alternatively, the coating may be performed so that the ratio of the area covered by the reactive gas blocking material per unit area of the inner peripheral surface decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path of the hollow cell. It is embodiment by which the contact area change means is comprised.
Using the reactive gas barrier material constituting the contact area changing means, the ratio of the area covered by the reactive gas barrier material per unit area of the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the hollow cell is the inner peripheral surface of the hollow cell. By covering at least one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the hollow cell so as to decrease from the upstream side to the downstream side of the side gas flow channel, the inner peripheral surface side gas flow channel of the hollow cell As the temperature increases from the upstream side to the downstream side, the contact area of the reaction gas per unit area of the inner peripheral surface or outer peripheral surface can be increased, and the power generation gradient of the hollow cell can be reduced.

上記反応ガス遮断性材料は、中空型セルの内周面及び外周面のうち少なくとも一方の一部領域を被覆し、反応ガスの中空型セルへの供給を遮断又は供給を少なくする材料である。
本発明における反応ガス遮断性材料は、燃料電池の作動環境に耐え得る耐食性及び強度を有していれば、その構成材料は適当なものを選択することができる。反応ガス遮断性材料は、専用の部材で接触面積変化手段を構成してもよいが、既存の部材に反応ガス遮断性材料の機能を持たせて接触面積変化手段を構成してもよい。既存の部材としては、例えば、集電材、中空型セルの温度を調節する熱交換部材、集電材と熱交換部材の機能を兼ねる部材などが挙げられる。また、反応ガス遮断性材料の専用の部材としては、例えば、樹脂製部材を用いることができる。例えば、アクリル、ポリカーボネート、ポリスルホン、及びポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂(PEEK)を用いることができ、耐腐食性、耐熱性の観点からポリスルホン及びPEEK等が好ましい。尚、複数の異なる反応ガス遮断性材料を組み合わせて用いてもよい。
上記反応ガス遮断性材料の形状は、中空型セルの外周面に、又は、後述する場合によっては中空型セルと棒状反応ガス遮断性材料の外周面に密着させて配置できるものであれば、特に限定されない。例えば、線状(断面が円形の線材、平帯状の線状を含む)、板状、棒状、網状、シート状、略U字状及びこれらの組み合わせなどが挙げられる。
このように、上記反応ガス遮断性材料が中空型セルの内周面又は外周面に接触する集電材及び/又は熱交換部材、又は、樹脂製部材である場合には、該内周面又は外周面の単位面積当りの該反応ガス遮断性材料による接触面積割合が内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って減少するように該反応ガス遮断性材料を配置することにより前記接触面積変化手段が構成されている。
The reactive gas barrier material is a material that covers a partial region of at least one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the hollow cell and blocks or reduces the supply of the reactive gas to the hollow cell.
If the reactive gas barrier material in the present invention has corrosion resistance and strength that can withstand the operating environment of the fuel cell, an appropriate material can be selected. The reactive gas barrier material may constitute the contact area changing means by a dedicated member, but the contact area changing means may be constituted by giving the function of the reactive gas barrier material to an existing member. Examples of the existing member include a current collector, a heat exchange member that adjusts the temperature of the hollow cell, and a member that also functions as a current collector and a heat exchange member. In addition, as a dedicated member for the reactive gas barrier material, for example, a resin member can be used. For example, acrylic, polycarbonate, polysulfone, and polyether ether ketone resin (PEEK) can be used, and polysulfone and PEEK are preferable from the viewpoint of corrosion resistance and heat resistance. A plurality of different reactive gas barrier materials may be used in combination.
If the shape of the reactive gas barrier material can be arranged on the outer peripheral surface of the hollow cell, or in some cases described later, in close contact with the outer peripheral surface of the hollow cell and the rod-shaped reactive gas barrier material, It is not limited. Examples of the shape include a wire shape (including a wire having a circular cross section and a flat belt shape), a plate shape, a rod shape, a net shape, a sheet shape, a substantially U shape, and combinations thereof.
Thus, when the reactive gas barrier material is a current collector and / or heat exchange member or resin member that contacts the inner peripheral surface or outer peripheral surface of the hollow cell, the inner peripheral surface or outer periphery By arranging the reaction gas blocking material such that the ratio of the contact area by the reaction gas blocking material per unit area of the surface decreases from the upstream side to the downstream side of the gas flow path on the inner peripheral surface side, the contact is achieved. Area changing means is configured.

本発明の第1の実施形態として具体的には、次のような形態が挙げられる。
図1は反応ガス遮断性材料が線状反応ガス遮断性材料2aであり、該線状反応ガス遮断性材料2aが中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って巻きピッチが大きくなるように該中空型セル1の外周面に捲回されている第1の実施形態の第1の例の概念図である。
捲回とは、通常は長尺の線状部材を螺旋状に中空型セルの外周面に巻き付けることをいうが、中空型セルの軸方向に所望の間隔をあけて環状の反応ガス遮断性材料を複数配置する(中空型セルに嵌め込む)形態も含まれる。また、中空型セルと棒状反応ガス遮断性材料(集電材、熱交換部材など)を互いに接触するように並列させて、該線状反応ガス遮断性材料が該中空型セルの外周面と該棒状反応ガス遮断性材料の外周面を橋渡すように捲回してもよい。
Specific examples of the first embodiment of the present invention include the following.
In FIG. 1, the reactive gas blocking material is a linear reactive gas blocking material 2 a, and the linear reactive gas blocking material 2 a extends from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1 a of the hollow cell 1. It is a conceptual diagram of the 1st example of 1st Embodiment wound by the outer peripheral surface of this hollow cell 1 so that a winding pitch becomes large as it goes.
Winding usually means that a long linear member is spirally wound around the outer peripheral surface of a hollow cell, and an annular reactive gas blocking material is provided at a desired interval in the axial direction of the hollow cell. A form in which a plurality of (inserted into a hollow cell) is also included. In addition, the hollow cell and the rod-shaped reactive gas barrier material (current collector, heat exchange member, etc.) are juxtaposed in contact with each other so that the linear reactive gas barrier material is connected to the outer peripheral surface of the hollow cell and the rod-shaped material. You may wind so that the outer peripheral surface of a reactive gas barrier material may be bridged.

上記巻きピッチには、長尺の線状部材を螺旋状に中空型セルの外周面に巻き付ける場合の隣り合う捲回された螺旋状部材同士の間のピッチも、環状の反応ガス遮断性材料の部材同士の間のピッチも含まれる。
ピッチの大きさとしては、上流側:中空型セル1の軸方向の長さの約1/2の部分(以下、中間部分という):下流側が1:10:200の割合で、中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に向って増加し、線状反応ガス遮断性材料2aの配置が密から疎に変化することが好ましい。
In the winding pitch, the pitch between adjacent spiral members when a long linear member is spirally wound around the outer peripheral surface of the hollow cell is also the same as that of the annular reactive gas blocking material. The pitch between members is also included.
As for the size of the pitch, the upstream side: a portion of about 1/2 of the axial length of the hollow cell 1 (hereinafter referred to as an intermediate portion): the downstream side at a ratio of 1: 10: 200, the hollow cell 1 It is preferable that the inner circumferential surface side gas flow path 1a increases from the upstream side toward the downstream side, and the arrangement of the linear reaction gas blocking material 2a changes from dense to sparse.

第1の実施形態の第1の例において、中空型セル1の発電(電気化学反応量)は、接触面積変化手段を構成する反応ガス遮断性材料を用いて次のように調節される。中空型セル1の内周面側ガス流路1aに水素ガスが供給され、該中空型セル1の外周面側に空気が該中空型セル1の軸方向に対して交差する方向に供給されるため、空気は中空型セルの外周面の全面に、すなわち、中空型セルの外周面全体にほぼ一定に供給され、中空型セルの軸方向に沿って内周面側ガス流路1aを流通する水素ガスは、下流側よりも上流側で優先的に空気との反応によって消費される環境下にある。一方、線状反応ガス遮断性材料2aが中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って巻きピッチが大きくなるように該中空型セル1の外周面に捲回されているため、該外周面の単位面積当りの線状反応ガス遮断性材料2aによる接触面積割合が該上流側から下流側にいくに従って減少する。すなわち、中空型セル1の外周面の単位面積当りの線状反応ガス遮断性材料2aによる被覆面積割合が内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にいくに従って減少するため、該上流側から下流側にいくに従って該外周面の単位面積当りの空気の接触面積が増大する。したがって、中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側で、水素ガスが空気との反応に過剰に消費されることはなく、上流側から下流側においてほぼ均等に水素が行きわたるため、水素ガスの濃度勾配はほとんど生じない。
第1の実施形態の第1の例における中空型セル1には、このように水素ガスの濃度勾配がほとんど存在しないために、水素ガスと空気が反応して発電する量(電気化学反応量)が中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にかけてほぼ均一である。
これに対して、従来、特許文献2においては、集電材のピッチ、太さ等の分布について記載されておらず、図面を参照すると、単にコイル状集電体を均等のピッチで中空型セルに沿わせるだけであるため、中空型セルの内周側ガス流路の軸方向のける上流側に発電の偏りがあった。また、特許文献3においては、図面を参照すると、巻き線又はメッシュ状の集電体をカソード又はアノード触媒層の表面に均一に接するように配置して全体を覆うため、発電の偏りを是正することは難しい。
In the first example of the first embodiment, the power generation (electrochemical reaction amount) of the hollow cell 1 is adjusted as follows using the reactive gas barrier material that constitutes the contact area changing means. Hydrogen gas is supplied to the inner peripheral surface side gas flow path 1 a of the hollow cell 1, and air is supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell 1 in a direction intersecting the axial direction of the hollow cell 1. Therefore, the air is supplied substantially uniformly over the entire outer peripheral surface of the hollow cell, that is, the entire outer peripheral surface of the hollow cell, and flows through the inner peripheral surface side gas flow path 1a along the axial direction of the hollow cell. Hydrogen gas is in an environment where it is consumed preferentially by reaction with air upstream rather than downstream. On the other hand, the linear reaction gas blocking material 2a is placed on the outer peripheral surface of the hollow cell 1 so that the winding pitch increases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a of the hollow cell 1. Since it is rotated, the contact area ratio by the linear reactive gas barrier material 2a per unit area of the outer peripheral surface decreases as it goes from the upstream side to the downstream side. That is, the ratio of the area covered by the linear reactive gas barrier material 2a per unit area on the outer peripheral surface of the hollow cell 1 decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a. The air contact area per unit area of the outer peripheral surface increases from the side toward the downstream side. Accordingly, hydrogen gas is not excessively consumed in the reaction with air on the upstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1, and hydrogen is distributed almost evenly from the upstream side to the downstream side. Therefore, the hydrogen gas concentration gradient hardly occurs.
Since the hollow cell 1 in the first example of the first embodiment has almost no hydrogen gas concentration gradient as described above, the amount of electricity generated by the reaction of hydrogen gas and air (electrochemical reaction amount). Is substantially uniform from the upstream side to the downstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1.
On the other hand, conventionally, Patent Document 2 does not describe the distribution of the pitch, thickness and the like of the current collector, and referring to the drawings, the coil current collector is simply formed into a hollow cell at an equal pitch. Since it was only along, the power generation was biased on the upstream side in the axial direction of the inner circumferential gas flow path of the hollow cell. In Patent Document 3, referring to the drawings, a winding or mesh current collector is disposed so as to be in uniform contact with the surface of the cathode or anode catalyst layer to cover the entire surface, thereby correcting the bias in power generation. It ’s difficult.

また、本発明においては、第1の実施形態の第2の例として図2に示すように、反応ガス遮断性材料が、一端から他端に向けて線径が小さくなる線状反応ガス遮断性材料2bであるか、又は、線径が異なる2本以上の線状反応ガス遮断性材料2bの組み合わせであり、該線状反応ガス遮断性材料2bが中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って線径が小さくなるように該中空型セル1の外周面に捲回されていてもよい。
この場合、線状反応ガス遮断性材料の線径の大きいものを内周面側ガス流路の上流側に捲回し、該線径の小さいものを下流側に且つ上流側と同じ巻きピッチで捲回する。線径が大きいほど線材の外周面のカーブが緩い(外周面がより平坦に近づく)ため、中空型セル1の外周面に対する線材の単位長さ当りの接触面積が大きくなる。
Further, in the present invention, as shown in FIG. 2 as a second example of the first embodiment, the reactive gas barrier material has a linear reactive gas barrier property in which the wire diameter decreases from one end to the other end. The material 2b or a combination of two or more linear reactive gas barrier materials 2b having different wire diameters, and the linear reactive gas barrier material 2b is a gas flow on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1 It may be wound around the outer peripheral surface of the hollow cell 1 so that the wire diameter decreases from the upstream side to the downstream side of the path 1a.
In this case, the linear reaction gas blocking material having a large wire diameter is wound upstream of the inner peripheral surface side gas flow path, and the small wire diameter material is wound downstream and at the same winding pitch as the upstream side. Turn. Since the curve of the outer peripheral surface of the wire becomes gentler as the wire diameter is larger (the outer peripheral surface becomes closer flat), the contact area per unit length of the wire with respect to the outer peripheral surface of the hollow cell 1 increases.

ここで、線径が異なる2本以上の線状反応ガス遮断性材料2bの組み合わせとすることは、例えば、線材Aの線径>線材Bの線径とした場合に、下記1)又は2)いずれの方法でも良い。
1)上流側では線材Aを巻き、下流側では線材Bを巻く方法。この場合、線材の巻き方としては、長尺状線材を螺旋状に巻いてもよいし、環状線材を嵌め込んでもよい。
2)内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に向けて、最初に「線材Aを2本」、次に「線材Aを1本及び線材Bを1本」そして「線材Bを2本」の順序でそれぞれ配置する方法。
線径の大きさとしては、上流側:中間部分:下流側が50:5:1の割合で、中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に向って減少し、線状反応ガス遮断性材料2bが幅広から幅狭に変化することが好ましい。
Here, the combination of two or more linear reactive gas barrier materials 2b having different wire diameters is, for example, when the wire diameter of the wire A> the wire diameter of the wire B is 1) or 2) below. Either method is acceptable.
1) A method of winding wire A on the upstream side and winding wire B on the downstream side. In this case, as a method of winding the wire, a long wire may be spirally wound, or an annular wire may be fitted.
2) From the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a, first “two wires A”, then “one wire A and one wire B” and “the wire B A method of arranging them in the order of “two”.
As the size of the wire diameter, the ratio of upstream: intermediate portion: downstream is 50: 5: 1 and decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a of the hollow cell 1, It is preferable that the linear reactive gas barrier material 2b changes from wide to narrow.

第1の実施形態の第1の例と同様に、捲回には、長尺の線状部材を螺旋状に中空型セルの外周面に巻き付ける形態及び中空型セルの軸方向に所望の間隔を設けて環状の反応ガス遮断性材料を複数配置する形態が含まれ、中空型セルと棒状反応ガス遮断性材料を互いに接触するように並列させて、該線状反応ガス遮断性材料が該中空型セルの外周面と該棒状反応ガス遮断性材料の外周面を橋渡すように捲回してもよい。   As in the first example of the first embodiment, for winding, a long linear member is spirally wound around the outer peripheral surface of the hollow cell and a desired interval is set in the axial direction of the hollow cell. A plurality of annular reaction gas blocking materials are provided, and the hollow reaction cells and the rod-shaped reaction gas blocking materials are arranged in parallel so as to be in contact with each other so that the linear reaction gas blocking material is the hollow type. You may wind so that the outer peripheral surface of a cell and the outer peripheral surface of this rod-shaped reactive gas barrier material may be bridged.

第1の実施形態の第2の例において、中空型セル1の発電(電気化学反応量)は、接触面積変化手段を構成する反応ガス遮断性材料を用いて次のように調節される。中空型セル1の内周面側ガス流路1aに水素ガスが供給され、該中空型セル1の外周面側に空気が該中空型セル1の軸方向に対して交差する方向に供給されるため、空気は中空型セルの外周面の全面に、すなわち、中空型セルの外周面全体にほぼ一定に供給され、中空型セルの軸方向に沿って内周面側ガス流路1aを流通する水素ガスは、下流側よりも上流側で優先的に空気との反応によって消費される環境下にある。一方、線状反応ガス遮断性材料2bが中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って線径が小さくなるように該中空型セル1の外周面に捲回されているため、該外周面の単位面積当りの線状反応ガス遮断性材料2bによる接触面積割合が該上流側から下流側にいくに従って減少する。すなわち、中空型セル1の外周面の単位面積当りの線状反応ガス遮断性材料2bによる被覆面積割合が内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にいくに従って減少するため、該上流側から下流側にいくに従って該外周面の単位面積当りの空気の接触面積が増大する。したがって、中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側で、水素ガスが空気との反応に過剰に消費されることはなく、上流側から下流側においてほぼ均等に水素が行きわたるため、水素ガスの濃度勾配はほとんど生じない。
第1の実施形態の第2の例における中空型セル1には、このように水素ガスの濃度勾配がほとんど存在しないために、水素ガスと空気が反応して発電する量(電気化学反応量)が中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にかけてほぼ均一である。
第1の実施形態の第2の例と比較すると、第1の実施形態の第1の例は、現在用いられている部材をそのまま用いることができるため、容易に採用することができることから、第1の実施形態の第1の例の方が好ましい。
In the second example of the first embodiment, the power generation (electrochemical reaction amount) of the hollow cell 1 is adjusted as follows using the reactive gas barrier material constituting the contact area changing means. Hydrogen gas is supplied to the inner peripheral surface side gas flow path 1 a of the hollow cell 1, and air is supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell 1 in a direction intersecting the axial direction of the hollow cell 1. Therefore, the air is supplied substantially uniformly over the entire outer peripheral surface of the hollow cell, that is, the entire outer peripheral surface of the hollow cell, and flows through the inner peripheral surface side gas flow path 1a along the axial direction of the hollow cell. Hydrogen gas is in an environment where it is consumed preferentially by reaction with air upstream rather than downstream. On the other hand, the linear reactive gas barrier material 2b is placed on the outer peripheral surface of the hollow cell 1 so that the wire diameter decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas passage 1a of the hollow cell 1. Since it is rotated, the contact area ratio by the linear reactive gas barrier material 2b per unit area of the outer peripheral surface decreases as it goes from the upstream side to the downstream side. That is, since the ratio of the area covered with the linear reactive gas blocking material 2b per unit area on the outer peripheral surface of the hollow cell 1 decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a, The air contact area per unit area of the outer peripheral surface increases from the side toward the downstream side. Accordingly, hydrogen gas is not excessively consumed in the reaction with air on the upstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1, and hydrogen is distributed almost evenly from the upstream side to the downstream side. Therefore, the hydrogen gas concentration gradient hardly occurs.
Since there is almost no hydrogen gas concentration gradient in the hollow cell 1 in the second example of the first embodiment, the amount of electricity generated by reaction between hydrogen gas and air (electrochemical reaction amount). Is substantially uniform from the upstream side to the downstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1.
Compared with the second example of the first embodiment, the first example of the first embodiment can be used easily because the member currently used can be used as it is. The first example of one embodiment is preferred.

また、本発明においては、第1の実施形態の第3の例として、反応ガス遮断性材料が線状反応ガス遮断性材料2cであり、該線状反応ガス遮断性材料2cが中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って弱い巻き締め力となるように該中空型セル1の外周面に捲回されていてもよい。
図3に第1の実施形態の第3の例における代表的な斜視図を示し、該線状反応ガス遮断性材料2cの中空型セルに捲回されている様子の模式的な断面図を図4に示す。線状反応ガス遮断性材料2cの巻き締め力を上流側では強くし、下流側では弱くする。巻き締め力が強いほど線状反応ガス遮断性材料2cが中空型セル1にめり込む(沈む)ので、中空型セル1の外周面に対する線材の単位長さ当りの接触面積が大きくなる。尚、線状反応ガス遮断性材料2cの巻きピッチは特に限定されず、均等でも変化をつけてもよい。
巻き締め力の大きさとしては、上流側:中間部分:下流側が5:3:1の割合で、中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に向って減少し、線状反応ガス遮断性材料2cの巻き締め力が強から弱に変化することが好ましい。
第1の実施形態の第3の例において、線状反応ガス遮断性材料2cを巻き締めて固定する部材としては、従来から用いられている適切な部材を使用することができる。又は、線状反応ガス遮断性材料2cが中空型セル1にめり込むように、中空型セル1及び線状反応ガス遮断性材料2cの材料を適宜選択することができる。
In the present invention, as a third example of the first embodiment, the reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material 2c, and the linear reactive gas barrier material 2c is a hollow cell 1. The hollow cell 1 may be wound around the outer peripheral surface so as to have a weaker tightening force from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a.
FIG. 3 shows a typical perspective view of the third example of the first embodiment, and shows a schematic cross-sectional view of a state where the linear reaction gas blocking material 2c is wound around a hollow cell. 4 shows. The tightening force of the linear reaction gas blocking material 2c is increased on the upstream side and is decreased on the downstream side. The stronger the tightening force, the more the linear reactive gas blocking material 2c sinks (sinks) into the hollow cell 1, so that the contact area per unit length of the wire to the outer peripheral surface of the hollow cell 1 increases. Note that the winding pitch of the linear reaction gas blocking material 2c is not particularly limited, and may be uniform or varied.
As the magnitude of the tightening force, the ratio of upstream side: intermediate portion: downstream side is 5: 3: 1 and decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a of the hollow cell 1. It is preferable that the winding force of the linear reaction gas blocking material 2c changes from strong to weak.
In the third example of the first embodiment, an appropriate member that has been conventionally used can be used as the member that winds and fixes the linear reaction gas blocking material 2c. Alternatively, the materials of the hollow cell 1 and the linear reaction gas blocking material 2c can be appropriately selected so that the linear reaction gas blocking material 2c sinks into the hollow cell 1.

第1の実施形態の第1の例と同様に、捲回には、長尺の線状部材を螺旋状に中空型セルの外周面に巻き付ける形態及び中空型セルの軸方向に所望の間隔を設けて環状の反応ガス遮断性材料を複数配置する形態が含まれ、中空型セルと棒状反応ガス遮断性材料を互いに接触するように並列させて、該線状反応ガス遮断性材料が該中空型セルの外周面と該棒状反応ガス遮断性材料の外周面を橋渡すように捲回してもよい。   As in the first example of the first embodiment, for winding, a long linear member is spirally wound around the outer peripheral surface of the hollow cell and a desired interval is set in the axial direction of the hollow cell. A plurality of annular reaction gas blocking materials are provided, and the hollow reaction cells and the rod-shaped reaction gas blocking materials are arranged in parallel so as to be in contact with each other so that the linear reaction gas blocking material is the hollow type. You may wind so that the outer peripheral surface of a cell and the outer peripheral surface of this rod-shaped reactive gas barrier material may be bridged.

第1の実施形態の第3の例において、中空型セル1の発電(電気化学反応量)は、接触面積変化手段を構成する反応ガス遮断性材料を用いて次のように調節される。中空型セル1の内周面側ガス流路1aに水素ガスが供給され、該中空型セル1の外周面側に空気が該中空型セル1の軸方向に対して交差する方向に供給されるため、空気は中空型セルの外周面の全面に、すなわち、中空型セルの外周面全体にほぼ一定に供給され、中空型セルの軸方向に沿って内周面側ガス流路1aを流通する水素ガスは、下流側よりも上流側で優先的に空気との反応によって消費される環境下にある。一方、線状反応ガス遮断性材料2cが中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って弱い巻き締め力となるように該中空型セル1の外周面に捲回されているため、該外周面の単位面積当りの線状反応ガス遮断性材料2cによる接触面積割合が該上流側から下流側にいくに従って減少する。すなわち、中空型セル1の外周面の単位面積当りの線状反応ガス遮断性材料2cによる被覆面積割合が内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にいくに従って減少するため、該上流側から下流側にいくに従って該外周面の単位面積当りの空気の接触面積が増大する。したがって、中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側で、水素ガスが空気との反応に過剰に消費されることはなく、上流側から下流側においてほぼ均等に水素が行きわたるため、水素ガスの濃度勾配はほとんど生じない。
第1の実施形態の第3の例における中空型セル1には、このように水素ガスの濃度勾配がほとんど存在しないために、水素ガスと空気が反応して発電する量(電気化学反応量)が中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にかけてほぼ均一である。
In the third example of the first embodiment, the power generation (electrochemical reaction amount) of the hollow cell 1 is adjusted as follows using the reactive gas barrier material constituting the contact area changing means. Hydrogen gas is supplied to the inner peripheral surface side gas flow path 1 a of the hollow cell 1, and air is supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell 1 in a direction intersecting the axial direction of the hollow cell 1. Therefore, the air is supplied substantially uniformly over the entire outer peripheral surface of the hollow cell, that is, the entire outer peripheral surface of the hollow cell, and flows through the inner peripheral surface side gas flow path 1a along the axial direction of the hollow cell. Hydrogen gas is in an environment where it is consumed preferentially by reaction with air upstream rather than downstream. On the other hand, the linear reaction gas blocking material 2c is applied to the outer peripheral surface of the hollow cell 1 so that the tightening force becomes weaker as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas channel 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1. Since it is wound, the ratio of the contact area by the linear reactive gas barrier material 2c per unit area of the outer peripheral surface decreases from the upstream side to the downstream side. That is, the ratio of the area covered by the linear reactive gas blocking material 2c per unit area on the outer peripheral surface of the hollow cell 1 decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a. The air contact area per unit area of the outer peripheral surface increases from the side toward the downstream side. Accordingly, hydrogen gas is not excessively consumed in the reaction with air on the upstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1, and hydrogen is distributed almost evenly from the upstream side to the downstream side. Therefore, the hydrogen gas concentration gradient hardly occurs.
In the hollow cell 1 in the third example of the first embodiment, since there is almost no hydrogen gas concentration gradient, the amount of electricity generated by the reaction of hydrogen gas and air (electrochemical reaction amount). Is substantially uniform from the upstream side to the downstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1.

上述した第1の実施形態の第1〜3の例は、例えば、コイル状に予め巻かれた線状反応ガス遮断性材料を両端から牽引することによって巻きの直径を小さくし、中空型セルの内周面側ガス流路内に配置した後に牽引を止め、該線状反応ガス遮断性材料の回復力に従って巻きの直径が大きくなり、該線状反応ガス遮断性材料を該内周面側ガス流路の内周面に沿わせることで、中空型セルの内周面においても実現することができる。又は、支持部材に線状反応ガス遮断性材料を捲回して中空型セルの内周面に合う形状を作り、該支持部材を取り除いて形状を保ったまま、該線状反応ガス遮断性材料を中空型セルの内周面に接するように配置することもできる。   In the first to third examples of the first embodiment described above, for example, the diameter of the winding is reduced by pulling the linear reaction gas blocking material wound in advance in a coil shape from both ends, and After being arranged in the inner peripheral surface side gas flow path, the traction is stopped, and the diameter of the winding is increased according to the recovery force of the linear reaction gas blocking material, and the linear reaction gas blocking material is removed from the inner peripheral surface side gas. It can also be realized on the inner peripheral surface of the hollow cell by being along the inner peripheral surface of the flow path. Alternatively, a linear reaction gas blocking material is wound around the support member to form a shape that fits the inner peripheral surface of the hollow cell, and the linear reaction gas blocking material is removed while maintaining the shape by removing the support member. It can also arrange | position so that the internal peripheral surface of a hollow type cell may be touched.

さらに、図5に示すような、反応ガス遮断性材料が中空型セル1の外周面の形状と合う湾曲した板状反応ガス遮断性材料2dであり、該板状反応ガス遮断性材料2dが該中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って該板状反応ガス遮断性材料2dの該中空型セル1に接している面積が小さくなるように該中空型セル1の外周面に沿うように配置されている第1の実施形態の第4の例が挙げられる。
板状反応ガス遮断性材料2dの形状は、反応ガス遮断性材料と中空型セルの横断面における接触部分の円弧長さが内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って短くなる形状を有している形状とすることができる。これによって、板状反応ガス遮断性材料2dの該中空型セル1に接している面積が内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って小さくなる。
必要に応じて、板状反応ガス遮断性材料2dを中空型セル1に接触して固定するための拘束部材(上述した線材などであってもよい)や接着材料を用いることができ、これらは従来から用いられているものを使用することができる。
Further, as shown in FIG. 5, the reactive gas barrier material is a curved plate-shaped reactive gas barrier material 2 d that matches the shape of the outer peripheral surface of the hollow cell 1, and the planar reactive gas barrier material 2 d is The hollow mold 1 is configured so that the area of the plate-like reaction gas blocking material 2d in contact with the hollow cell 1 decreases as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1. The 4th example of 1st Embodiment arrange | positioned so that the outer peripheral surface of the cell 1 may be mentioned is mentioned.
The shape of the plate-like reactive gas barrier material 2d is such that the arc length of the contact portion in the cross section of the reactive gas barrier material and the hollow cell decreases as it goes from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a. It can be set as the shape which has the shape which becomes. As a result, the area of the plate-like reaction gas blocking material 2d that is in contact with the hollow cell 1 decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a.
If necessary, a constraining member (which may be the above-described wire or the like) or an adhesive material for contacting and fixing the plate-like reactive gas blocking material 2d to the hollow cell 1 can be used. Conventionally used ones can be used.

第1の実施形態の第4の例において、中空型セル1の発電(電気化学反応量)は、接触面積変化手段を構成する反応ガス遮断性材料を用いて次のように調節される。中空型セル1の内周面側ガス流路1aに水素ガスが供給され、該中空型セル1の外周面側に空気が該中空型セル1の軸方向に対して交差する方向に供給されるため、空気は中空型セルの外周面の全面に、すなわち、中空型セルの外周面全体にほぼ一定に供給され、中空型セルの軸方向に沿って内周面側ガス流路1aを流通する水素ガスは、下流側よりも上流側で優先的に空気との反応によって消費される環境下にある。一方、板状反応ガス遮断性材料2dが該中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って該板状反応ガス遮断性材料2dの該中空型セル1に接している面積が小さくなるように該中空型セル1の外周面に沿うように配置されているため、該外周面の単位面積当りの板状反応ガス遮断性材料2dによる接触面積割合が該上流側から下流側にいくに従って減少する。すなわち、中空型セル1の外周面の単位面積当りの板状反応ガス遮断性材料2dによる被覆面積割合が内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にいくに従って減少するため、該上流側から下流側にいくに従って該外周面の単位面積当りの空気の接触面積が増大する。したがって、中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側で、水素ガスが空気との反応に過剰に消費されることはなく、上流側から下流側においてほぼ均等に水素が行きわたるため、水素ガスの濃度勾配はほとんど生じない。
第1の実施形態の第4の例における中空型セル1には、このように水素ガスの濃度勾配がほとんど存在しないために、水素ガスと空気が反応して発電する量(電気化学反応量)が中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にかけてほぼ均一である。
In the fourth example of the first embodiment, the power generation (electrochemical reaction amount) of the hollow cell 1 is adjusted as follows using the reactive gas barrier material constituting the contact area changing means. Hydrogen gas is supplied to the inner peripheral surface side gas flow path 1 a of the hollow cell 1, and air is supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell 1 in a direction intersecting the axial direction of the hollow cell 1. Therefore, the air is supplied substantially uniformly over the entire outer peripheral surface of the hollow cell, that is, the entire outer peripheral surface of the hollow cell, and flows through the inner peripheral surface side gas flow path 1a along the axial direction of the hollow cell. Hydrogen gas is in an environment where it is consumed preferentially by reaction with air upstream rather than downstream. On the other hand, as the plate-like reaction gas blocking material 2d goes from the upstream side to the downstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1, the plate-like reaction gas blocking material 2d moves to the hollow cell 1 of the plate-like reaction gas blocking material 2d. Since it is arranged along the outer peripheral surface of the hollow cell 1 so that the contact area is small, the contact area ratio by the plate-like reactive gas blocking material 2d per unit area of the outer peripheral surface is the upstream. Decreases from the side to the downstream side. That is, the ratio of the area covered by the plate-like reactive gas blocking material 2d per unit area on the outer peripheral surface of the hollow cell 1 decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path 1a. The air contact area per unit area of the outer peripheral surface increases from the side toward the downstream side. Accordingly, hydrogen gas is not excessively consumed in the reaction with air on the upstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1, and hydrogen is distributed almost evenly from the upstream side to the downstream side. Therefore, the hydrogen gas concentration gradient hardly occurs.
In the hollow cell 1 in the fourth example of the first embodiment, since there is almost no hydrogen gas concentration gradient, the amount of electricity generated by the reaction of hydrogen gas and air (electrochemical reaction amount). Is substantially uniform from the upstream side to the downstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1.

上述した板状反応ガス遮断性材料2dが、反応ガス遮断性材料が中空型セル1の内周面の形状と合う湾曲した板状反応ガス遮断性材料であり、該板状反応ガス遮断性材料が該中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って該板状反応ガス遮断性材料の該中空型セル1に接している面積が小さくなるように該中空型セル1の内周面に沿うように配置されていてもよい。さらに、板状反応ガス遮断性材料を外周面及び内周面に設けることもできる。
尚、上述した第1の実施形態の第1〜4の例を組み合わせてもよい。
The plate-like reactive gas barrier material 2d described above is a curved plate-like reactive gas barrier material in which the reactive gas barrier material matches the shape of the inner peripheral surface of the hollow cell 1, and the plate-like reactive gas barrier material Of the hollow cell 1 so that the area of the plate-like reaction gas blocking material in contact with the hollow cell 1 decreases as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side. You may arrange | position so that the inner peripheral surface of the type | mold cell 1 may be followed. Furthermore, a plate-like reactive gas barrier material can be provided on the outer peripheral surface and the inner peripheral surface.
In addition, you may combine the 1st-4th example of 1st Embodiment mentioned above.

以下、本発明の燃料電池に備えられる中空型セル1について説明する。
図6は、本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの一形態例を示す斜視図、図7は、図6の中空型セルの模式的な断面図である。図6及び図7において、中空型セル1はチューブ状の固体高分子電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜)11、固体高分子電解質膜11の内周面側に設けられたアノード(本実施形態では燃料極)12及び外周面側に設けられたカソード(本実施形態では空気極)13を有している。さらに、アノード12の表面には、アノード側集電材14として柱状集電材が配置され、カソード13の表面には、カソード集電材15として、金属ワイヤからなる網状(ネット状)集電材15aと棒状集電材15bが配置されている。図示されていないが、本実施例における反応ガス遮断性材料2が中空型セル1の外周面に配置されながら、網状集電材15aに編み込まれていてもよい。また、該網状集電材15aが本実施例における線状反応ガス遮断性材料2a〜2cであってもよい。
このような構造を有する中空型セルの中空内周面(実質的には、アノード側集電材14の外周面に設けた溝14aによって形成された内周面側ガス流路に露出した部分)に水素ガス、外周面に空気を流通させることで、アノード及びカソードに燃料又は酸化剤が供給され、発電する。
Hereinafter, the hollow cell 1 provided in the fuel cell of the present invention will be described.
FIG. 6 is a perspective view showing an embodiment of a hollow cell provided in the fuel cell of the present invention, and FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the hollow cell of FIG. 6 and 7, a hollow cell 1 includes a tubular solid polymer electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane) 11 and an anode provided on the inner peripheral surface side of the solid polymer electrolyte membrane 11 (this embodiment). , The fuel electrode 12 and the cathode (air electrode in this embodiment) 13 provided on the outer peripheral surface side. Further, a columnar current collector is disposed on the surface of the anode 12 as the anode-side current collector 14, and a net-like (net-shaped) current collector 15 a made of metal wire and a rod-shaped current collector are disposed on the surface of the cathode 13 as the cathode current collector 15. An electric material 15b is arranged. Although not shown, the reactive gas barrier material 2 in the present embodiment may be knitted into the mesh current collector 15a while being disposed on the outer peripheral surface of the hollow cell 1. Further, the net-like current collector 15a may be the linear reaction gas barrier materials 2a to 2c in the present embodiment.
On the hollow inner peripheral surface of the hollow cell having such a structure (substantially the portion exposed to the inner peripheral surface side gas flow path formed by the groove 14a provided on the outer peripheral surface of the anode current collector 14). By supplying hydrogen gas and air to the outer peripheral surface, fuel or an oxidant is supplied to the anode and cathode to generate electricity.

図7の中空型セル1は、その両端において中空部が開放されているものであって、燃料ガスは一端から中空内へと流入し、他端から流出するようになっているが、本発明における中空型セル1は、中空電解質膜の内周面側に反応ガスを十分に供給できるものであれば、中空部の一端のみが開放され、もう一端は封止されていてもよい。特に、本実施形態のように、内周面側の電極として、水素を燃料とする燃料極を設ける場合、非反応性成分をほとんど含まない水素ガスを燃料ガスとして中空型セルの中空内に供給できること、また、水素分子の拡散性が高いことから、中空内に供給された反応ガスを消費しきることが可能であるため、一端を封鎖した中空部内であっても反応ガスを十分に供給することができる。中空型セルの一端を封鎖する方法としては、樹脂等を中空の一端に注入する方法が例示できるが、特に限定されるものではない。   The hollow cell 1 of FIG. 7 has hollow portions open at both ends, and the fuel gas flows from one end into the hollow and flows out from the other end. As long as the hollow cell 1 can sufficiently supply the reaction gas to the inner peripheral surface side of the hollow electrolyte membrane, only one end of the hollow portion may be opened and the other end may be sealed. In particular, when a fuel electrode using hydrogen as a fuel is provided as an electrode on the inner peripheral surface side as in this embodiment, hydrogen gas containing almost no non-reactive component is supplied into the hollow of the hollow cell as a fuel gas. In addition, since the diffusibility of hydrogen molecules is high, it is possible to consume the reaction gas supplied in the hollow, so that the reaction gas can be sufficiently supplied even in the hollow portion where one end is sealed. Can do. Examples of the method of sealing one end of the hollow cell include a method of injecting resin or the like into the hollow one end, but is not particularly limited.

図6において、中空型セル1はチューブ状の電解質膜を有するものであるが、本発明における中空電解質膜はチューブ状に限られず、中空部を有し、当該中空部に燃料や酸化剤を流入させることで、中空内部に設けられた電極に電気化学反応に必要な反応成分を供給することができるものであればよい。   In FIG. 6, the hollow cell 1 has a tubular electrolyte membrane, but the hollow electrolyte membrane in the present invention is not limited to a tubular shape, has a hollow portion, and a fuel or an oxidant flows into the hollow portion. By doing so, it is only necessary that the reaction component necessary for the electrochemical reaction can be supplied to the electrode provided in the hollow interior.

チューブ状の固体高分子電解質膜11の内径及び外径、長さ等は特に限定されるものではないが、チューブ状電解質膜の外径は0.01〜10mmであることが好ましく、0.1〜1mmであることがさらに好ましく、0.1〜0.5mmであることが特に好ましい。チューブ状電解質膜の外径が0.01mm未満のものは現時点では、技術的な問題で製造することが難しく、一方、その外径が10mmを超えるものでは、占有体積に対する表面積があまり大きくならないため、得られる中空型セルの単位体積当たりの出力が充分に得られないおそれがある。   The inner diameter, outer diameter, length, etc. of the tubular solid polymer electrolyte membrane 11 are not particularly limited, but the outer diameter of the tubular electrolyte membrane is preferably 0.01 to 10 mm, 0.1 More preferably, it is-1 mm, and it is especially preferable that it is 0.1-0.5 mm. At present, it is difficult to manufacture a tubular electrolyte membrane having an outer diameter of less than 0.01 mm due to technical problems. On the other hand, when the outer diameter exceeds 10 mm, the surface area relative to the occupied volume is not so large. The output per unit volume of the obtained hollow cell may not be sufficiently obtained.

パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大してしまう。しかしながら、従来の平型の燃料電池用単セルを積層した燃料電池と比べると、中空形状を有するセルを多数集めることにより作製された燃料電池では電極面積が大きくとれるので、やや厚みのある膜を用いた場合でも、充分な出力が得られる。かかる観点から、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜の厚みは、10〜100μmであり、より好ましくは50〜60μmであり、さらに好ましくは50〜55μmである。
また、上記の外径と膜厚との好ましい範囲から、内径の好ましい範囲は0.01〜10mmであり、より好ましくは0.1〜1mmであり、さらに好ましくは0.1〜0.5mmである。
The perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity, but if it is too thin, the function of isolating gas is lowered and the permeation amount of aprotic hydrogen is increased. However, compared to conventional fuel cells in which flat single cells for fuel cells are stacked, a fuel cell manufactured by collecting a large number of cells having a hollow shape can take a large electrode area, so a slightly thicker membrane is formed. Even when used, a sufficient output can be obtained. From this viewpoint, the thickness of the perfluorocarbon sulfonic acid resin film is 10 to 100 μm, more preferably 50 to 60 μm, and still more preferably 50 to 55 μm.
Moreover, from the preferable range of said outer diameter and film thickness, the preferable range of an internal diameter is 0.01-10 mm, More preferably, it is 0.1-1 mm, More preferably, it is 0.1-0.5 mm. is there.

本発明の燃料電池は、中空型セルを有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、固体高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜ほど高いプロトン伝導性を有していない電解質膜を用いても、単位体積当たりの出力密度の高い燃料電池を得ることができる。
固体高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の他、固体高分子型燃料電池の電解質膜に用いられているような材料を使用することができ、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂以外のフッ素系イオン交換樹脂、スルホン酸基を有するポリスチレン系陽イオン交換膜などのポリオレフィンのような炭化水素を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及び、リン酸基等のプロトン交換基のうちから一種を有するもの、特表平11−503262号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質等の高分子電解質が挙げられる。
Since the fuel cell of the present invention has a hollow cell, the electrode area per unit volume can be made larger than that of a fuel cell having a flat cell. Therefore, as the solid polymer electrolyte membrane, perfluorocarbon sulfonic acid is used. Even when an electrolyte membrane that does not have a proton conductivity as high as that of a resin membrane is used, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained.
As the solid polymer electrolyte membrane, perfluorocarbon sulfonic acid resin and materials used for the electrolyte membrane of solid polymer fuel cells can be used. For example, fluorine other than perfluorocarbon sulfonic acid resin can be used. One kind of proton exchange groups such as at least sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, and phosphoric acid groups, based on hydrocarbons such as polyolefins such as polystyrene ion exchange resins and polystyrene cation exchange membranes having sulfonic acid groups A complex of a basic polymer and a strong acid, which is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-503262, etc., in which a basic polymer such as polybenzimidazole, polypyrimidine, and polybenzoxazole is doped with a strong acid And polymer electrolytes such as solid polymer electrolytes.

このような電解質を用いた固体高分子電解質膜は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。また、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜としては、例えばデュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等の市販品もある。   A solid polymer electrolyte membrane using such an electrolyte should be reinforced with a perfluorocarbon polymer in the form of a fibril, a fabric, a non-fabric, or a porous sheet, or the membrane surface can be coated with an inorganic oxide or metal. It can also be reinforced. In addition, examples of the perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane include commercially available products such as Nafion manufactured by DuPont and Flemion manufactured by Asahi Glass.

また、本実施形態では電解質膜として、プロトン伝導膜の一種であり、固体高分子電解質膜の一つであるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜を用いて説明しているが、本発明の燃料電池において用いられる電解質膜は特に限定されるものではなく、プロトン伝導性のものであっても、水酸化物イオンや酸化物イオン(O2-)等その他のイオン伝導性のものであってもよい。プロトン伝導性の電解質膜としては、上記したような固体高分子電解質膜に限られず、リン酸水溶液を多孔質の電解質板に含浸させたものや、多孔質性ガラスからなるプロトン伝導体、ハイドロゲル化したリン酸塩ガラス、ナノ細孔を有する多孔質硝子の表面及び細孔内にプロトン伝導性官能基を導入した有機−無機ハイブリットプロトン伝導膜、無機金属繊維強化電解質ポリマー等を用いることができる。 In the present embodiment, a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane, which is a kind of proton conductive membrane and one of solid polymer electrolyte membranes, is described as an electrolyte membrane, but it is used in the fuel cell of the present invention. The electrolyte membrane to be used is not particularly limited, and may be proton-conductive or other ion-conductive such as hydroxide ion or oxide ion (O 2− ). The proton conductive electrolyte membrane is not limited to the solid polymer electrolyte membrane as described above, but a porous electrolyte plate impregnated with an aqueous phosphoric acid solution, a proton conductor made of porous glass, or a hydrogel Phosphated phosphate glass, organic-inorganic hybrid proton conductive membrane having proton conductive functional groups introduced into the surface and pores of nanoporous glass, inorganic metal fiber reinforced electrolyte polymer, etc. can be used. .

電解質膜11の内周面及び外周面に設けられる各電極12、13は、固体高分子型燃料電池に用いられているような電極材料を用いて形成することができる。通常は、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを積層して構成された電極が用いられる。   The electrodes 12 and 13 provided on the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the electrolyte membrane 11 can be formed using an electrode material as used in a polymer electrolyte fuel cell. Usually, an electrode configured by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer in order from the electrolyte membrane side is used.

触媒層は触媒粒を含み、さらに触媒粒の利用効率を高めるためのプロトン伝導性物質を含んでいてもよく、プロトン伝導性物質としては上記電解質膜の材料として用いられるものを用いることができる。触媒粒としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。
本発明の燃料電池は、中空型セルを有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、白金ほど触媒作用が大きくない触媒成分を用いても、単位体積当たりの出力密度が高い燃料電池を得ることができる。
The catalyst layer includes catalyst particles, and may further include a proton conductive material for increasing the utilization efficiency of the catalyst particles. As the proton conductive material, those used as the material for the electrolyte membrane can be used. As the catalyst particles, catalyst particles in which a catalyst component is supported on a conductive material such as a carbon material such as carbonaceous particles or carbonaceous fibers are preferably used.
Since the fuel cell of the present invention has a hollow cell, the electrode area per unit volume can be made larger than that of a fuel cell having a flat cell. Therefore, a catalyst component that is not as catalytic as platinum is used. However, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained.

触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスニウム(Os)、タングステン(W)、鉛(Pb)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、モリブデン(Mo)、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Pt、及びPtと例えばRuなど他の金属とからなる合金である。   The catalyst component is not particularly limited as long as it has a catalytic action for hydrogen oxidation reaction at the anode and oxygen reduction reaction at the cathode. For example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir) , Rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), tungsten (W), lead (Pb), iron (Fe), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn) , Vanadium (V), molybdenum (Mo), gallium (Ga), aluminum (Al) and other metals, or alloys thereof. Pt and an alloy made of Pt and another metal such as Ru are preferable.

ガス拡散層としては、炭素質粒子及び/又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする多孔質導電性材料を用いることができる。炭素質粒子及び炭素質繊維の大きさは、ガス拡散層を製造する際の溶液中における分散性や得られるガス拡散層の排水性等を考慮して適宜最適なものを選択すればよい。ガス拡散層は、生成水など水分の排水性を高める点から、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカーボンアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマー、又はこれらの混合物等を含浸させたり、或いはこれらの物質を用いて撥水層を形成するなどして撥水加工することが好ましい。
尚、中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられる各電極の構成、電極に用いられる材料等は、同じであってもよく、また、異なっていてもよい。
As the gas diffusion layer, a porous conductive material mainly composed of a carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers can be used. The sizes of the carbonaceous particles and the carbonaceous fibers may be appropriately selected in consideration of the dispersibility in the solution when the gas diffusion layer is produced, the drainage property of the obtained gas diffusion layer, and the like. The gas diffusion layer is, for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, perfluorocarbon alkoxyalkane, ethylene-tetrafluoroethylene polymer, or these from the point of improving the drainage of moisture such as generated water It is preferable to perform water-repellent processing by impregnating a mixture of the above or the like or forming a water-repellent layer using these substances.
In addition, the structure of each electrode provided in the inner peripheral surface and outer peripheral surface of a hollow electrolyte membrane, the material used for an electrode, etc. may be the same, and may differ.

チューブ状の電解質膜の内周面及び外周面に一対の電極を設ける方法は、特に限定されるものではない。例えば、まず、チューブ状の電解質膜を準備する。チューブ状の電解質膜を準備する方法は特に限定されず、市販品のチューブ状に形成された電解質膜を用いることもできる。そして、当該チューブ状電解質膜の内周面及び外周面に、電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して触媒層を形成し、当該二つの触媒層上に炭素質粒子及び/又は炭素質繊維を含む溶液を塗布・乾燥してガス拡散層を形成する方法が挙げられる。このとき、電解質膜の内周面側に形成したガス拡散層の内周面に中空部が存在するように触媒層とガス拡散層を形成する。   The method for providing a pair of electrodes on the inner and outer peripheral surfaces of the tubular electrolyte membrane is not particularly limited. For example, first, a tubular electrolyte membrane is prepared. The method for preparing the tubular electrolyte membrane is not particularly limited, and a commercially available electrolyte membrane formed in a tube shape can also be used. Then, a solution containing electrolyte and catalyst particles is applied and dried on the inner and outer peripheral surfaces of the tubular electrolyte membrane to form a catalyst layer, and carbonaceous particles and / or carbonaceous matter are formed on the two catalyst layers. The method of apply | coating and drying the solution containing a fiber and forming a gas diffusion layer is mentioned. At this time, the catalyst layer and the gas diffusion layer are formed so that the hollow portion exists on the inner peripheral surface of the gas diffusion layer formed on the inner peripheral surface side of the electrolyte membrane.

或いは、まず、炭素質粒子及び/又は炭素質繊維等の炭素材料を含み、チューブ状に形成されたもの(チューブ状炭素質)を内周面側電極(アノード)のガス拡散層として用い、当該ガス拡散層の外周面に電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して内周面側電極の触媒層を形成して内周面側電極を作製し、次に、当該触媒層の外周面に電解質を含む溶液を塗布・乾燥して電解質膜層、さらに当該電解質膜層の外周面に外周面側電極(カソード)の触媒層を形成し、当該触媒層の外周面に炭素材料を含む溶液を塗布・乾燥して外周面側電極のガス拡散層を形成する方法も挙げられる。チューブ状炭素質としては、例えば、炭素質粒子等の炭素材料とエポキシ及び/又はフェノール系樹脂を溶媒に分散させてチューブ状に成形し、熱硬化後、焼成することにより得られる。   Alternatively, first, a carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers and formed into a tube shape (tubular carbonaceous material) is used as a gas diffusion layer of the inner peripheral surface side electrode (anode), A solution containing an electrolyte and catalyst particles is applied to the outer peripheral surface of the gas diffusion layer and dried to form a catalyst layer of the inner peripheral surface side electrode to produce the inner peripheral surface side electrode, and then the outer peripheral surface of the catalyst layer. A solution containing an electrolyte is applied and dried to form an electrolyte membrane layer, a catalyst layer of an outer peripheral surface side electrode (cathode) is formed on the outer peripheral surface of the electrolyte membrane layer, and a solution containing a carbon material on the outer peripheral surface of the catalyst layer There is also a method of forming a gas diffusion layer of the outer peripheral surface side electrode by applying and drying. The tubular carbonaceous material can be obtained, for example, by dispersing a carbon material such as carbonaceous particles and an epoxy and / or phenolic resin in a solvent to form a tubular shape, thermosetting, and firing.

尚、電解質膜、触媒層、ガス拡散層を形成する際に使用する溶媒は、分散及び/又は溶解する材料に応じて適宜選択すればよく、また、各層を形成する際の塗布方法についても、スプレー法、スクリーン印刷法等種々の方法にから適宜選択することができる。
本発明の燃料電池に用いられる中空型セルは、上記にて例示した構成に限られず、中空型セルの機能を高めることを目的として触媒層及びガス拡散層以外の層を設けても良い。また、本実施形態においては、中空電解質膜の内側にアノード、外側にカソードを設けているが、内側にカソード、外側にアノードを設けても良い。
In addition, the solvent used when forming the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer may be appropriately selected according to the material to be dispersed and / or dissolved, and the coating method when forming each layer is also as follows. It can be appropriately selected from various methods such as spraying and screen printing.
The hollow cell used in the fuel cell of the present invention is not limited to the configuration exemplified above, and layers other than the catalyst layer and the gas diffusion layer may be provided for the purpose of enhancing the function of the hollow cell. In this embodiment, the anode is provided inside the hollow electrolyte membrane and the cathode is provided outside, but the cathode may be provided inside and the anode may be provided outside.

次に、本発明の燃料電池に備えることができる集電材について説明する。集電材は、中空型セルの中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた電極にそれぞれ接続され、各セルの電流を取り出すものである。
本発明の集電材は、電気伝導性材料からなるものであれば特に限定されない。集電材として使用される金属としては、例えば、Al、Cu、Fe、Ni、Cr、Ta、Ti、Zr、Sm、In等の中から選ばれる少なくとも1種以上の金属、又はステンレス鋼などのそれらの合金が好ましい。また、その表面がAu、Pt、導電性樹脂等によりコーティングされていても良い。特に耐蝕性に優れることから、中でもステンレスやチタンが好ましい。
集電材の形状は特に限定されず、柱状、ワイヤ状、棒状の他、線状でも、筒形状でもよく、例えば、スプリング状の金属ワイヤや金属箔、金属シート又はカーボンシート等のシート材料からなるもの等も適用できる。ワイヤの太さ及び編みこみの密度、棒状集電材の太さ等は、特に制限されるものではない。
Next, the current collector that can be provided in the fuel cell of the present invention will be described. The current collector is connected to electrodes provided on the inner peripheral surface and outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane of the hollow cell, and takes out the current of each cell.
The current collector of the present invention is not particularly limited as long as it is made of an electrically conductive material. Examples of the metal used as the current collector include at least one metal selected from Al, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In, and the like, or those such as stainless steel The alloy is preferred. Further, the surface thereof may be coated with Au, Pt, conductive resin or the like. Of these, stainless steel and titanium are preferred because of their excellent corrosion resistance.
The shape of the current collector is not particularly limited, and may be a linear shape or a cylindrical shape in addition to a columnar shape, a wire shape, a rod shape, and is made of a sheet material such as a spring-like metal wire, a metal foil, a metal sheet, or a carbon sheet. Things can also be applied. The thickness of the wire and the braid density, the thickness of the rod-shaped current collector, etc. are not particularly limited.

集電材の形態としては、例えば図6に示すようなアノード側集電材(本実施形態においては内面側電極表面に配置される内部集電材)14は中空型セル1の内周面と接する外径を有する柱状集電材であり、その外周面には、中空型セル1の軸方向(長手方向)に延びる溝14aが形成されている。この溝14aと内周面側電極12との隙間が水素ガスを供給するための内周側ガス流路1aとなる。溝14aとしては、中空型セル1の軸方向(長手方向)に延びる溝が少なくとも一本必要であり、必要に応じて、中空型セル1の外周面に様々なパターン又は方向性を有する溝が形成される。   As a form of the current collector, for example, an anode side current collector (in this embodiment, an internal current collector disposed on the inner surface side electrode surface) 14 as shown in FIG. 6 has an outer diameter in contact with the inner peripheral surface of the hollow cell 1. A groove 14a extending in the axial direction (longitudinal direction) of the hollow cell 1 is formed on the outer peripheral surface thereof. A gap between the groove 14a and the inner peripheral surface side electrode 12 serves as an inner peripheral gas flow path 1a for supplying hydrogen gas. As the groove 14a, at least one groove extending in the axial direction (longitudinal direction) of the hollow cell 1 is necessary, and grooves having various patterns or orientations on the outer peripheral surface of the hollow cell 1 as necessary. It is formed.

また、カソード側集電材(本実施形態においては、外面側電極表面に配置される外部集電材)15としては、中空型セル1と棒状集電材15bを平行にして交互に並べ、これら両者の外周面を被覆するように金属ワイヤを編みこんだカソード側集電材15の一部である網状集電材15aが形成されている。金属ワイヤからなる網状集電材15aは、複数の中空型セル1と各中空型セルの棒状集電材15bとを一体化するように、且つ、各中空型セルのカソード(外面側電極)及び各棒状集電材15bに接触するように、金属ワイヤが編み込まれており、網状集電材15aは複数の中空型セルで共有されている。このとき、各中空型セルのカソード側集電材(15a、15b)は相互に電気的に接続された接続網を形成している。   Moreover, as the cathode side current collector (in this embodiment, the external current collector disposed on the surface of the outer surface side electrode), the hollow cells 1 and the rod-shaped current collectors 15b are alternately arranged in parallel, and the outer circumferences of both are arranged. A net-like current collector 15a, which is a part of the cathode-side current collector 15 woven with a metal wire so as to cover the surface, is formed. The net-like current collector 15a made of a metal wire is formed so that the plurality of hollow cells 1 and the rod-shaped current collector 15b of each hollow cell are integrated, and the cathode (outer surface side electrode) and each rod of each hollow cell. Metal wires are knitted so as to contact the current collector 15b, and the mesh-like current collector 15a is shared by a plurality of hollow cells. At this time, the cathode side current collectors (15a, 15b) of the hollow cells form a connection network electrically connected to each other.

網状集電材を用いる形態としては、上述した網状集電材15aの他に、1つの中空型セルと1つの棒状集電材を一体化するように金属ワイヤを編み込んだ形態(接続網形成せず)でもよく、或いは、複数の中空型セルと1本の棒状集電体を一体化するように金属ワイヤを編み込み、複数の中空型セルの電流が網状集電材の金属ワイヤを経て1本の棒状集電体に集まるように形成された接続網を形成していてもよい。
また、外部集電材としては、上記棒状集電材15bを用いずに、金属ワイヤからなる網状集電材15aのみでもよい。このとき、複数の中空型セルを一体化するように金属ワイヤを編み込み、各中空型セルがこの網状集電材を共有する(各集電材が相互に接続する)接続網としてもよい。棒状集電材15bを、流体やガスが流通できるような中空部を有するチューブ形状とし、この棒状集電材の中空部にセルを冷却又は加温するための熱媒体を流通させてもよい。
また、アノード側(中空型セル内面側)においても、各中空型セルのアノード側集電材が相互に電気的に接続した接続網を形成していてもよい。
これら集電材は、必要に応じて、カーボン系接着剤やAgペーストなどの導電性接着材により電極上に固定される。
尚、中空型セル1と集電材の間には、反応ガス遮断性材料や導電性の部材を介在させてもよい。該導電性の部材の材料等は導電材と同様のものを用いることができる。
As a form using a mesh current collector, in addition to the mesh current collector 15a described above, a form in which a metal wire is woven so as to integrate one hollow cell and one rod current collector (without forming a connection network) is also possible. Alternatively, a metal wire is knitted so as to integrate a plurality of hollow cells and a single rod current collector, and the current of the plurality of hollow cells passes through the metal wire of the mesh current collector to form a single rod current collector. You may form the connection network formed so that it may gather on a body.
Moreover, as the external current collector, only the net-like current collector 15a made of a metal wire may be used without using the rod-shaped current collector 15b. At this time, a metal wire may be knitted so as to integrate a plurality of hollow cells, and each hollow cell may share this network current collector (each current collector is connected to each other). The rod-shaped current collector 15b may have a tube shape having a hollow portion through which fluid or gas can flow, and a heat medium for cooling or heating the cells may be circulated in the hollow portion of the rod-shaped current collector.
Also, on the anode side (hollow cell inner surface side), a connection network in which anode-side current collectors of the respective hollow cells are electrically connected to each other may be formed.
These current collectors are fixed on the electrodes with a conductive adhesive such as a carbon-based adhesive or an Ag paste as necessary.
A reactive gas blocking material or a conductive member may be interposed between the hollow cell 1 and the current collector. As the material of the conductive member, the same material as the conductive material can be used.

次に、本発明の燃料電池に備えることができる熱交換部材について説明する。
本発明の熱交換部材は、中空型セルの熱交換のための部材である。本発明の熱交換部材は、中空型セルの軸方向の長さに沿って少なくとも一部領域と接触し、本発明を実施できるものであればよいが、通常は、中空型セルと平行に設けられる管であり、一つの熱媒体供給口及び一つの熱媒体排出口を有することが好ましい。このような構造の熱交換部材を用いることで、熱交換部材を固定するシール構造を単純化することができるからである。また、熱交換部材の入口及び出口が一つである場合、入口から出口に至るまでの間に、熱交換部材が枝分れ構造を有していてもよく、一本の管からなる場合であってもよい。中でも、本発明においては、上記熱交換部材が一本の管からなることが好ましい。冷却管の配置を簡略化できるからである。
熱交換部材は、図示しない熱交換器に接続されており、該熱交換器を熱媒体が循環し、熱交換部材の中を熱媒体が流通する。熱交換部材の中の熱媒体は中空型セルと熱交換した後、流路を通って熱交換器に回収され、当初の熱状態に戻され、再び熱交換部材の中に供給されて循環する。
Next, the heat exchange member that can be provided in the fuel cell of the present invention will be described.
The heat exchange member of the present invention is a member for heat exchange of the hollow cell. The heat exchange member of the present invention may be any member that can contact at least a partial region along the axial length of the hollow cell and can implement the present invention, but is usually provided in parallel with the hollow cell. It is preferable that the pipe has one heat medium supply port and one heat medium discharge port. This is because the seal structure for fixing the heat exchange member can be simplified by using the heat exchange member having such a structure. In addition, when there is one inlet and outlet of the heat exchange member, the heat exchange member may have a branched structure from the inlet to the outlet, and it may be a single tube. There may be. Especially, in this invention, it is preferable that the said heat exchange member consists of one pipe | tube. This is because the arrangement of the cooling pipes can be simplified.
The heat exchange member is connected to a heat exchanger (not shown), the heat medium circulates through the heat exchanger, and the heat medium circulates through the heat exchange member. The heat medium in the heat exchange member exchanges heat with the hollow cell, and then is collected in the heat exchanger through the flow path, returned to the original heat state, supplied to the heat exchange member again, and circulated. .

熱交換部材は、該熱交換部材の中を熱媒体が流通することによって、中空型セルを所定の温度範囲まで冷却又は加温できるような熱伝導性を有する材料で形成される。このような材料としては、例えば、Cu、Al、Ti、Pt、Ag、Au等の一般的な金属や、これら金属の組み合わせによる合金又はクラッド材等が挙げられる。   The heat exchange member is formed of a material having thermal conductivity that allows the hollow cell to be cooled or heated to a predetermined temperature range when a heat medium flows through the heat exchange member. Examples of such materials include common metals such as Cu, Al, Ti, Pt, Ag, and Au, and alloys or clad materials of combinations of these metals.

熱交換部材は、必要に応じて、少なくともその一部に絶縁性を付与してもよい。中空型セルと熱交換部材の配置や熱媒体の種類によっては、熱交換部材や熱媒体からの漏電を防止する必要があるからである。一方、熱交換部材を中空型セルの集電材としても機能させる場合には、熱交換部材の少なくとも一部に導電性を付与する必要がある。この場合も、必要に応じて、熱交換部材や熱媒体からの漏電を防止すべく、冷却部の流路内周面側に絶縁性を付与する。
上記冷却管の外径としては、中空型セルの大きさ等によって異なり、特に限定されるものではないが、通常0.5〜2mmの範囲内である。
The heat exchange member may impart insulating properties to at least a part thereof as necessary. This is because, depending on the arrangement of the hollow cell and the heat exchange member and the type of the heat medium, it is necessary to prevent electric leakage from the heat exchange member and the heat medium. On the other hand, when the heat exchange member functions as a current collector for a hollow cell, it is necessary to impart conductivity to at least a part of the heat exchange member. Also in this case, if necessary, insulation is imparted to the inner peripheral surface of the flow path of the cooling unit in order to prevent leakage from the heat exchange member or the heat medium.
The outer diameter of the cooling pipe varies depending on the size of the hollow cell and is not particularly limited, but is usually in the range of 0.5 to 2 mm.

熱媒体は、一般的に冷却剤として、又は熱媒ヒーター、ボイラーに用いられている流体を使用することができ、液体であっても、気体であってもよい。例えば、液体としては、水、エチレングリコール、等、気体としては、空気等が挙げられる。冷却効果の点から通常は、液体の冷却剤が好ましい。液体の冷却剤としては、対流性、耐凍性、腐食性の観点から、エチレングリコールを好適に用いることができる。また、セルを加温する場合には、熱媒体油、砂などを熱媒体として用いることができる。
尚、熱媒体中には、氷点下における冷却剤の凍結を防止するための不凍剤などを、適宜添加してもよい。
As the heat medium, a fluid generally used as a coolant or a heat medium heater or a boiler can be used, and may be a liquid or a gas. For example, examples of the liquid include water and ethylene glycol, and examples of the gas include air. From the viewpoint of the cooling effect, a liquid coolant is usually preferable. As the liquid coolant, ethylene glycol can be preferably used from the viewpoints of convection, freezing resistance, and corrosivity. Moreover, when heating a cell, heat medium oil, sand, etc. can be used as a heat medium.
In addition, you may add suitably the antifreeze etc. for preventing the freezing of the coolant under freezing point etc. in a heat medium.

上記熱交換器としては、一般的なものを用いることができる。例えば、冷却ファン等の通風によって放熱させるものや、熱媒体となる溶媒を流通させることによって放熱させるもの、外気である空気を利用した空冷方式のもの、電熱ヒーター等が挙げられる。中でも、空気中に放熱するラジエータが好ましい。
尚、中空型セル1と熱交換部材の間には、反応ガス遮断性材料や熱伝導性の部材を介在させてもよい。該熱伝導性の部材の材料等は熱交換部材と同様のものを用いることができる。
As the heat exchanger, a general heat exchanger can be used. Examples thereof include those that dissipate heat by ventilating a cooling fan, those that dissipate heat by circulating a solvent serving as a heat medium, those that use an air-cooling system that uses air as the outside air, and electric heaters. Among these, a radiator that radiates heat in the air is preferable.
A reactive gas barrier material or a heat conductive member may be interposed between the hollow cell 1 and the heat exchange member. As the material of the heat conductive member, the same material as that of the heat exchange member can be used.

(2)第2の実施形態
本発明の第2の実施形態は、中空型セルの外周面及び内周面のうち少なくとも一方が反応ガス遮断性材料によって被覆されており、中空型セルの外周面又は内周面に対する該反応ガス遮断性材料のガス透過性が内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って増大するように被覆することにより前記接触面積変化手段が構成されている実施形態である。
接触面積変化手段を構成する反応ガス遮断性材料を用いて、反応ガス遮断性材料のガス透過性が、中空型セルの内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って増大するように、中空型セルの内周面及び外周面のうち少なくとも一方を被覆することによって、該中空型セルの内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って該内周面又は外周面の単位面積当りの反応ガスの接触面積を増大させ、中空型セルの発電勾配を小さくすることができる。
(2) Second Embodiment In the second embodiment of the present invention, at least one of the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the hollow cell is covered with a reactive gas barrier material, and the outer peripheral surface of the hollow cell Alternatively, the contact area changing means is configured by covering the inner peripheral surface such that the gas permeability of the reactive gas blocking material increases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. It is an embodiment.
By using the reactive gas barrier material constituting the contact area changing means, the gas permeability of the reactive gas barrier material is increased as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas flow path on the inner peripheral surface side of the hollow cell. Further, by covering at least one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the hollow cell, the inner peripheral surface or the outer peripheral surface as it goes from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path of the hollow cell. The contact area of the reaction gas per unit area can be increased, and the power generation gradient of the hollow cell can be reduced.

第2の実施形態で用いられている反応ガス遮断性材料は、ガス透過性等において第1の実施形態に対し特殊であるが、形状、材料、ピッチ等は上記第1の実施形態と同様とすることができる。また、第2の実施形態における中空型セル、集電材及び熱交換部材は、第1の実施形態と同様のものを用いることができる。各部材の材料、形状、ピッチ等は第1の実施形態と同様とすることができる。   The reactive gas barrier material used in the second embodiment is special to the first embodiment in terms of gas permeability, but the shape, material, pitch, etc. are the same as those in the first embodiment. can do. Moreover, the hollow cell, current collector, and heat exchange member in the second embodiment can be the same as those in the first embodiment. The material, shape, pitch, and the like of each member can be the same as in the first embodiment.

第2の実施形態としては、具体的には次のような形態が挙げられる。
第2の実施形態の第1の例としては、反応ガス遮断性材料が、一端から他端に向けてガス透過性が大きくなる線状反応ガス遮断性材料であるか、又は、ガス透過性が異なる2本以上の線状反応ガス遮断性材料の組み合わせであり、該線状反応ガス遮断性材料が中空型セル1の内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従ってガス透過性が大きくなるように該中空型セルの外周面に捲回されている実施形態が挙げられる。
この場合、線状反応ガス遮断性材料のガス透過性の小さいものを内周面側ガス流路の上流側に捲回し、該ガス透過性の大きいものを下流側に且つ上流側と同じ巻きピッチで捲回する。
ここで、長手方向の一端から他端に向けてガス透過性が大きくなる線状熱伝導部材は、例えば、長手方向の一端から他端に向けて濃度の異なる撥水層インクを塗布し、線状熱伝導部材の多孔性に勾配をもたせたものなどを用いる手法で実現することができる。ガス透過性の小さい線状反応ガス遮断性材料としては、メッキ線、金等のクラッド線等が挙げられる。また、ガス透過性の大きい線状反応ガス遮断性材料としては、メッキ線やクラッド線を撥水処理した撥水処理線、カーボン繊維等が挙げられる。
Specifically, the second embodiment includes the following forms.
As a first example of the second embodiment, the reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material whose gas permeability increases from one end to the other end, or the gas permeability is It is a combination of two or more different linear reactive gas barrier materials, and the linear reactive gas barrier material is gas permeable as it goes from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path of the hollow cell 1. There is an embodiment in which the coil is wound around the outer peripheral surface of the hollow cell so as to be large.
In this case, a linear reactive gas blocking material having a low gas permeability is wound upstream of the inner circumferential surface side gas flow path, and the high gas permeability is wound downstream and at the same winding pitch as the upstream side. Wrap around.
Here, the linear heat conducting member whose gas permeability increases from one end to the other end in the longitudinal direction is applied with, for example, water-repellent layer inks having different concentrations from one end to the other end in the longitudinal direction. This can be realized by a technique using a gradient of the porous shape of the heat conductive member. Examples of the linear reactive gas barrier material having a low gas permeability include a plated wire and a clad wire such as gold. Examples of the linear reactive gas barrier material having high gas permeability include water-repellent treated wires obtained by subjecting plated wires and cladding wires to water-repellent treatment, carbon fibers, and the like.

第1の実施形態の第1の例と同様に、捲回には、長尺の線状部材を螺旋状に中空型セルの外周面に巻き付ける形態及び中空型セルの軸方向に所望の間隔を設けて環状の反応ガス遮断性材料を複数配置する形態が含まれ、中空型セルと棒状反応ガス遮断性材料を互いに接触するように並列させて、該線状反応ガス遮断性材料が該中空型セルの外周面と該棒状反応ガス遮断性材料の外周面を橋渡すように捲回してもよい。   As in the first example of the first embodiment, for winding, a long linear member is spirally wound around the outer peripheral surface of the hollow cell and a desired interval is set in the axial direction of the hollow cell. A plurality of annular reaction gas blocking materials are provided, and the hollow reaction cells and the rod-shaped reaction gas blocking materials are arranged in parallel so as to be in contact with each other so that the linear reaction gas blocking material is the hollow type. You may wind so that the outer peripheral surface of a cell and the outer peripheral surface of this rod-shaped reactive gas barrier material may be bridged.

第2の実施形態の第1の例において、中空型セル1の発電(電気化学反応量)は、接触面積変化手段を構成する反応ガス遮断性材料を用いて次のように調節される。中空型セル1の内周面側ガス流路1aに水素ガスが供給され、該中空型セル1の外周面側に空気が該中空型セル1の軸方向に対して交差する方向に供給されるため、空気は中空型セルの外周面の全面に、すなわち、中空型セルの外周面全体にほぼ一定に供給され、中空型セルの軸方向に沿って内周面側ガス流路1aを流通する水素ガスは、下流側よりも上流側で優先的に空気との反応によって消費される環境下にある。一方、線状反応ガス遮断性材料2?が中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従ってガス透過性が大きくなるように該中空型セル1の外周面に捲回されているため、該上流側から下流側にいくに従って該外周面の単位面積当りの空気の接触面積が増大する。したがって、中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側で、水素ガスが空気との反応に過剰に消費されることはなく、上流側から下流側においてほぼ均等に水素が行きわたるため、水素ガスの濃度勾配はほとんど生じない。
第2の実施形態の第1の例における中空型セル1には、このように水素ガスの濃度勾配がほとんど存在しないために、水素ガスと空気が反応して発電する量(電気化学反応量)が中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にかけてほぼ均一である。
In the first example of the second embodiment, the power generation (electrochemical reaction amount) of the hollow cell 1 is adjusted as follows using the reactive gas barrier material constituting the contact area changing means. Hydrogen gas is supplied to the inner peripheral surface side gas flow path 1 a of the hollow cell 1, and air is supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell 1 in a direction intersecting the axial direction of the hollow cell 1. Therefore, the air is supplied substantially uniformly over the entire outer peripheral surface of the hollow cell, that is, the entire outer peripheral surface of the hollow cell, and flows through the inner peripheral surface side gas flow path 1a along the axial direction of the hollow cell. Hydrogen gas is in an environment where it is consumed preferentially by reaction with air upstream rather than downstream. On the other hand, linear reactive gas barrier material 2? Is wound around the outer peripheral surface of the hollow cell 1 so that the gas permeability increases from the upstream side to the downstream side of the gas channel 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1, so that the upstream side The air contact area per unit area of the outer peripheral surface increases from the downstream side to the downstream side. Accordingly, hydrogen gas is not excessively consumed in the reaction with air on the upstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1, and hydrogen is distributed almost evenly from the upstream side to the downstream side. Therefore, the hydrogen gas concentration gradient hardly occurs.
Since the hollow cell 1 in the first example of the second embodiment has almost no hydrogen gas concentration gradient as described above, the amount of electricity generated by the reaction of hydrogen gas and air (electrochemical reaction amount). Is substantially uniform from the upstream side to the downstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1.

上述した第2の実施形態の第1の例は、例えば、コイル状に予め巻かれた線状反応ガス遮断性材料を両端から牽引することによって巻きの直径を小さくし、中空型セルの内周面側ガス流路内に配置した後に牽引を止め、該線状反応ガス遮断性材料の回復力に従って巻きの直径が大きくなり、該線状反応ガス遮断性材料を該内周面側ガス流路の内周面に沿わせることで、中空型セルの内周面においても実現することができる。又は、支持部材に線状反応ガス遮断性材料を捲回して中空型セルの内周面に合う形状を作り、該支持部材を取り除いて形状を保ったまま、該線状反応ガス遮断性材料を中空型セルの内周面に接するように配置することもできる。   In the first example of the second embodiment described above, for example, the diameter of the winding is reduced by pulling a linear reaction gas blocking material wound in advance in a coil shape from both ends, and the inner periphery of the hollow cell is reduced. The traction is stopped after being arranged in the surface side gas flow path, and the diameter of the winding is increased in accordance with the recovery force of the linear reaction gas blocking material, and the linear reaction gas blocking material is moved to the inner peripheral surface side gas flow path. It can also be realized on the inner peripheral surface of the hollow cell by being along the inner peripheral surface. Alternatively, a linear reaction gas blocking material is wound around the support member to form a shape that fits the inner peripheral surface of the hollow cell, and the linear reaction gas blocking material is removed while maintaining the shape by removing the support member. It can also arrange | position so that the internal peripheral surface of a hollow type cell may be touched.

また、第2の実施形態の第2の例としては、反応ガス遮断性材料が中空型セル1の外周面の形状と合う湾曲した板状反応ガス遮断性材料であり、該板状反応ガス遮断性材料が該中空型セル1の内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従ってガス透過性が大きくなるように該中空型セルの外周面に沿うように配置されている実施形態が挙げられる。
ここで、ガス透過性が大きくなる板状熱伝導部材は、例えば、網目の異なる金属メッシュを複数種用いるなどの手法で実現することができる。
必要に応じて、板状反応ガス遮断性材料を中空型セル1に接触して固定するための拘束部材(上述した線材などであってもよい)や接着材料を用いることができ、これらは従来から用いられているものを使用することができる。
As a second example of the second embodiment, the reactive gas barrier material is a curved plate-shaped reactive gas barrier material that matches the shape of the outer peripheral surface of the hollow cell 1, and the plate-shaped reactive gas barrier Embodiment in which the conductive material is arranged along the outer peripheral surface of the hollow cell so that the gas permeability increases as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas flow path on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1 Is mentioned.
Here, the plate-like heat conducting member having high gas permeability can be realized by a technique such as using a plurality of types of metal meshes having different meshes.
If necessary, a constraining member (which may be the above-described wire or the like) or an adhesive material for contacting and fixing the plate-like reactive gas barrier material to the hollow cell 1 can be used. Can be used.

第2の実施形態の第2の例において、中空型セル1の発電(電気化学反応量)は、接触面積変化手段を構成する反応ガス遮断性材料を用いて次のように調節される。中空型セル1の内周面側ガス流路1aに水素ガスが供給され、該中空型セル1の外周面側に空気が該中空型セル1の軸方向に対して交差する方向に供給されるため、空気は中空型セルの外周面の全面に、すなわち、中空型セルの外周面全体にほぼ一定に供給され、中空型セルの軸方向に沿って内周面側ガス流路1aを流通する水素ガスは、下流側よりも上流側で優先的に空気との反応によって消費されえる環境下でありながら、板状反応ガス遮断性材料が該中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って該板状反応ガス遮断性材料2dのガス透過性が大きくなるように該中空型セル1の外周面に沿うように配置されているため、該上流側から下流側にいくに従って該外周面の単位面積当りの空気の接触面積が増大する。したがって、中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側で、水素ガスが空気との反応に過剰に消費されることはなく、上流側から下流側においてほぼ均等に水素が行きわたるため、水素ガスの濃度勾配はほとんど生じない。
第2の実施形態の第2の例における中空型セル1には、このように水素ガスの濃度勾配がほとんど存在しないために、水素ガスと空気が反応して発電する量(電気化学反応量)が中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側にかけてほぼ均一である。
In the second example of the second embodiment, the power generation (electrochemical reaction amount) of the hollow cell 1 is adjusted as follows using a reactive gas barrier material constituting the contact area changing means. Hydrogen gas is supplied to the inner peripheral surface side gas flow path 1 a of the hollow cell 1, and air is supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell 1 in a direction intersecting the axial direction of the hollow cell 1. Therefore, the air is supplied substantially uniformly over the entire outer peripheral surface of the hollow cell, that is, the entire outer peripheral surface of the hollow cell, and flows through the inner peripheral surface side gas flow path 1a along the axial direction of the hollow cell. While the hydrogen gas is in an environment where it can be preferentially consumed by the reaction with air on the upstream side rather than on the downstream side, the plate-like reactive gas blocking material is the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1. Since the gas permeability of the plate-like reactive gas barrier material 2d increases along the outer circumferential surface of the hollow cell 1 as it goes from the upstream side to the downstream side, the downstream from the upstream side The contact area of air per unit area of the outer peripheral surface increases toward the side . Accordingly, hydrogen gas is not excessively consumed in the reaction with air on the upstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1, and hydrogen is distributed almost evenly from the upstream side to the downstream side. Therefore, the hydrogen gas concentration gradient hardly occurs.
Since the hollow cell 1 in the second example of the second embodiment has almost no hydrogen gas concentration gradient as described above, the amount of electric power generated by the reaction of hydrogen gas and air (electrochemical reaction amount). Is substantially uniform from the upstream side to the downstream side of the gas flow path 1a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1.

上述した板状反応ガス遮断性材料が、反応ガス遮断性材料が中空型セル1の内周面の形状と合う湾曲した板状反応ガス遮断性材料であり、該板状反応ガス遮断性材料が該中空型セル1の内周面側ガス流路1aの上流側から下流側に行くに従って該板状反応ガス遮断性材料のガス透過性が大きくなるように該中空型セル1の内周面に沿うように配置されていてもよい。さらに、板状反応ガス遮断性材料を外周面及び内周面に設けることもできる。
尚、上述した第2の実施形態の第1及び2の例を組み合わせてもよい。また、上述した第1の実施形態の及び第2の実施形態を組み合わせてもよい。
The plate-like reactive gas barrier material described above is a curved plate-like reactive gas barrier material in which the reactive gas barrier material matches the shape of the inner peripheral surface of the hollow cell 1, and the plate-like reactive gas barrier material is On the inner peripheral surface of the hollow cell 1, the gas permeability of the plate-like reaction gas blocking material increases as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas channel 1 a on the inner peripheral surface side of the hollow cell 1. It may be arranged along. Furthermore, a plate-like reactive gas barrier material can be provided on the outer peripheral surface and the inner peripheral surface.
In addition, you may combine the 1st and 2nd example of 2nd Embodiment mentioned above. Moreover, you may combine 1st Embodiment mentioned above and 2nd Embodiment.

本発明の燃料電池は、少なくとも上述した中空型セル1、集電材及び熱交換部材の一体化物を並列又は直列に2本以上備えるセルスタックを、並列又は直列に2つ以上接続したものである。
具体的には、図8に示すように、セルスタック30は、中空型セル1、集電材及び熱交換部材の一体化物(セルモジュール29)を2本以上備える。セルスタック30の両端部には、中空型セル1の中空内に水素ガスを流通させるガス用マニホールド31a及び31bと、熱交換部材2内に熱媒体を流通させる熱媒体用マニホールド32a及び32bとが備えられ、さらに、各中空型セル1で発生した電荷を集める集電部(不図示)が備えられている。ガス用マニホールド31a及び31b内である水素ガス流路33と、ガス用マニホールド31a及び31bの間である酸化剤ガス流路34との間に配置されている隔壁35a及び35b(上述した外部拘束部材に相当する)には、セルモジュール29を挿入することができる貫通孔が所定の間隔で設けられており、複数のセルモジュール29はその両端を対向しあう隔壁35a及び35bの貫通孔に挿入することによって、所定間隔で且つ互いに長手方向が平行となるように整列されている。隔壁35a及び35bの酸化剤ガス流路側には、ポッティング材を流し込んで貫通孔の周囲を含む領域を密閉するポッティング処理等が施されており、貫通孔に挿入されたセルモジュール29が一体に固定されている。
セルスタック30において、入口側のガス用マニホールド(例えば、31a)を介してセルスタック30へと供給された水素は、各中空型セル1の内周面側ガス流路1aを通って、酸化剤ガス流路34からの中空型セル1の外周面に供給される空気中の酸素と電解質膜を介して電気化学反応し、当該電気化学反応に使用されなかった水素等は出口側のガス用マニホールド(例えば、31b)を介して回収される。また、セルスタック30において、上記集電部は、一方が中空型セル1の図7に示した負極側集電材14に電気的に接続されるとともに、他方が正極側集電材15(15a,15b)に電気的に接続されることにより、複数の中空型セル1で発生した電荷を集めて(集電して)いる。尚、上述した反応ガス遮断性材料2が正極側集電材を兼ねる場合には、正極側集電材15と共に、正極側集電部に電気的に接続される(図示せず)。
このようなセルスタック30を複数、外装容器に収容し、直列又は並列に接続して燃料電池とする。燃料及び酸化剤の供給、モジュールの集電、接続方法等は特に限定されない。
The fuel cell according to the present invention is obtained by connecting two or more cell stacks in parallel or in series, each including at least two integrals of the hollow cell 1, the current collector and the heat exchange member in parallel or in series.
Specifically, as shown in FIG. 8, the cell stack 30 includes two or more hollow cells 1, a current collector and a heat exchange member integrated product (cell module 29). At both ends of the cell stack 30, gas manifolds 31 a and 31 b that circulate hydrogen gas in the hollow of the hollow cell 1 and heat medium manifolds 32 a and 32 b that circulate the heat medium in the heat exchange member 2 are provided. And a current collector (not shown) that collects the charges generated in each hollow cell 1. Partition walls 35a and 35b (external restraint members described above) disposed between the hydrogen gas flow path 33 in the gas manifolds 31a and 31b and the oxidant gas flow path 34 between the gas manifolds 31a and 31b. Through holes into which the cell modules 29 can be inserted are provided at predetermined intervals, and the plurality of cell modules 29 are inserted into the through holes of the partition walls 35a and 35b facing each other. Thus, they are aligned at predetermined intervals and in parallel with each other in the longitudinal direction. The partition walls 35a and 35b are subjected to a potting process for pouring a potting material and sealing a region including the periphery of the through hole on the side of the oxidizing gas channel, and the cell module 29 inserted into the through hole is fixed integrally. Has been.
In the cell stack 30, the hydrogen supplied to the cell stack 30 via the gas manifold (for example, 31 a) on the inlet side passes through the inner peripheral surface side gas flow path 1 a of each hollow cell 1, and the oxidant The oxygen in the air supplied from the gas flow path 34 to the outer peripheral surface of the hollow cell 1 and the electrolyte membrane through the electrolyte membrane, hydrogen and the like not used in the electrochemical reaction are gas manifolds on the outlet side. (For example, 31b). In the cell stack 30, one of the current collectors is electrically connected to the negative electrode side current collector 14 shown in FIG. 7 of the hollow cell 1, and the other is positive electrode side current collector 15 (15a, 15b). ) Is electrically connected to (collects) the electric charges generated in the plurality of hollow cells 1. In addition, when the reactive gas barrier material 2 described above also serves as the positive electrode side current collector, it is electrically connected to the positive electrode side current collector together with the positive electrode side current collector 15 (not shown).
A plurality of such cell stacks 30 are accommodated in an outer container and connected in series or in parallel to form a fuel cell. There are no particular limitations on the supply of fuel and oxidant, current collection of the module, connection method, and the like.

本発明における第1の実施形態の第1の例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 1st example of 1st Embodiment in this invention. 本発明における第1の実施形態の第2の例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 2nd example of 1st Embodiment in this invention. 本発明における第1の実施形態の第3の例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 3rd example of 1st Embodiment in this invention. 本発明における第1の実施形態の第3の例を示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing the 3rd example of a 1st embodiment in the present invention. 本発明における第1の実施形態の第4の例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 4th example of 1st Embodiment in this invention. 本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの一形態例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows one example of the hollow cell with which the fuel cell of this invention is equipped. 図6の中空型セルの断面図である。It is sectional drawing of the hollow type cell of FIG. 本発明のセルスタックの一形態例を概略的に示す外観図である。It is an external view which shows roughly the example of 1 form of the cell stack of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…中空型セル
1a…内周側ガス流路
2a,2b,2c,2d…反応ガス遮断性材料
11…中空電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸膜)
12…アノード(内周面側電極)
13…カソード(外周面側電極)
14…アノード側集電材(内部集電材)
14a…溝
15(15a,15b)…カソード側集電材(外部集電材)
29…セルモジュール
30…セルスタック
31(31a,31b)…ガス用マニホールド
32(32a,32b)…熱媒体用マニホールド
33…水素ガス流通路
34…酸化剤ガス流通路
35(35a,35b)…隔壁
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hollow cell 1a ... Inner peripheral side gas flow path 2a, 2b, 2c, 2d ... Reaction gas blocking material 11 ... Hollow electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid membrane)
12 ... Anode (inner surface side electrode)
13 ... Cathode (outer peripheral surface side electrode)
14 ... Anode-side current collector (internal current collector)
14a ... Groove 15 (15a, 15b) ... Cathode side current collector (external current collector)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 29 ... Cell module 30 ... Cell stack 31 (31a, 31b) ... Gas manifold 32 (32a, 32b) ... Heat medium manifold 33 ... Hydrogen gas flow passage 34 ... Oxidant gas flow passage 35 (35a, 35b) ... Partition

Claims (12)

中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを備える燃料電池であって、
該中空型セルの内周面及び外周面のうち少なくとも一方に、該中空型セルの内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って該内周面又は外周面の単位面積当りの反応ガスの接触面積を増大させる接触面積変化手段が設けられていることを特徴とする燃料電池。
A hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one end thereof being open A fuel cell comprising a type cell,
At least one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the hollow cell has a per unit area of the inner peripheral surface or outer peripheral surface as it goes from the upstream side to the downstream side of the gas flow path on the inner peripheral surface side of the hollow cell. A fuel cell comprising contact area changing means for increasing the contact area of the reaction gas.
前記中空型セルの外周面側に供給される反応ガスの流通方向が、前記中空型セルの軸方向に対して交差する方向である、請求項1に記載の燃料電池。   2. The fuel cell according to claim 1, wherein a flow direction of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the hollow cell is a direction intersecting with an axial direction of the hollow cell. 前記中空型セルの外周面及び内周面のうち少なくとも一方が反応ガス遮断性材料によって被覆されており、前記中空型セルの外周面又は内周面の単位面積当りの該反応ガス遮断性材料による被覆面積割合が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って減少するように被覆することにより前記接触面積変化手段が構成されている、請求項1又は2に記載の燃料電池。   At least one of the outer peripheral surface and inner peripheral surface of the hollow cell is covered with a reactive gas barrier material, and the reactive gas barrier material per unit area of the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the hollow cell is 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the contact area changing means is configured by covering so that a covering area ratio decreases from an upstream side to a downstream side of the gas flow path on the inner peripheral surface side. . 前記反応ガス遮断性材料が前記中空型セルの内周面又は外周面に接触する集電材及び/又は熱交換部材、又は、樹脂製部材である、請求項3に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 3, wherein the reactive gas barrier material is a current collector and / or a heat exchange member or a resin member that is in contact with an inner peripheral surface or an outer peripheral surface of the hollow cell. 前記反応ガス遮断性材料が線状反応ガス遮断性材料であり、該線状反応ガス遮断性材料が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従って巻きピッチが大きくなるように前記中空型セルの外周面に捲回されている、請求項4に記載の燃料電池。   The reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material, and the winding pitch of the linear reactive gas barrier material increases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. The fuel cell according to claim 4, wherein the fuel cell is wound around an outer peripheral surface of the hollow cell. 前記反応ガス遮断性材料が、一端から他端に向けて線径が小さくなる線状反応ガス遮断性材料であるか又は線径が異なる2本以上の線状反応ガス遮断性材料の組み合わせであり、該線状反応ガス遮断性材料が前記内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従って線径が小さくなるように前記中空型セルの外周面に捲回されている、請求項4に記載の燃料電池。   The reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material whose wire diameter decreases from one end to the other, or a combination of two or more linear reactive gas barrier materials having different wire diameters. The linear reactive gas blocking material is wound around the outer peripheral surface of the hollow cell so that the wire diameter decreases from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. 5. The fuel cell according to 4. 前記反応ガス遮断性材料が線状反応ガス遮断性材料であり、該線状反応ガス遮断性材料が内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従って弱い巻き締め力となるように前記中空型セルの外周面に捲回されている、請求項4に記載の燃料電池。   The reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material, and the linear reactive gas barrier material has a weak tightening force as it goes from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. The fuel cell according to claim 4, wherein the fuel cell is wound around an outer peripheral surface of the hollow cell. 前記反応ガス遮断性材料が前記中空型セルの内周面又は外周面の形状と合う湾曲した板状反応ガス遮断性材料であり、該板状反応ガス遮断性材料が内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従って該板状反応ガス遮断性材料の前記中空型セルに接している面積が小さくなるように前記中空型セルの外周面又は内周面に沿うように配置されている、請求項4に記載の燃料電池。   The reactive gas barrier material is a curved plate-shaped reactive gas barrier material that matches the shape of the inner peripheral surface or outer peripheral surface of the hollow cell, and the planar reactive gas barrier material is an inner peripheral surface side gas flow path. Is arranged along the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the hollow cell so that the area of the plate-like reaction gas blocking material in contact with the hollow cell decreases as it goes from the upstream side to the downstream side. The fuel cell according to claim 4. 中空型セルの外周面及び内周面のうち少なくとも一方が反応ガス遮断性材料によって被覆されており、該反応ガス遮断性材料のガス透過性が内周面側ガス流路の上流側から下流側にいくに従って増大するように被覆することにより前記接触面積変化手段が構成されている、請求項1又は2に記載の燃料電池。   At least one of the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the hollow cell is covered with a reactive gas barrier material, and the gas permeability of the reactive gas barrier material is downstream from the upstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. 3. The fuel cell according to claim 1, wherein the contact area changing means is configured by covering so as to increase as it goes. 前記反応ガス遮断性材料が中空型セルの内周面又は外周面に接触する集電材及び/又は熱交換部材、又は、樹脂製部材である、請求項9に記載の燃料電池。   10. The fuel cell according to claim 9, wherein the reactive gas barrier material is a current collector and / or a heat exchange member or a resin member that contacts an inner peripheral surface or an outer peripheral surface of a hollow cell. 前記反応ガス遮断性材料が、一端から他端に向けてガス透過性が大きくなる線状反応ガス遮断性材料であるか、又は、ガス透過性が異なる2本以上の線状反応ガス遮断性材料の組み合わせであり、該線状反応ガス遮断性材料が内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従ってガス透過性が大きくなるように前記中空型セルの外周面に捲回されている、請求項10に記載の燃料電池。   The reactive gas barrier material is a linear reactive gas barrier material whose gas permeability increases from one end to the other, or two or more linear reactive gas barrier materials having different gas permeability The linear reaction gas blocking material is wound around the outer peripheral surface of the hollow cell so that the gas permeability increases as it goes from the upstream side to the downstream side of the inner peripheral surface side gas flow path. The fuel cell according to claim 10. 前記反応ガス遮断性材料が前記中空型セルの内周面又は外周面の形状と合う湾曲した板状反応ガス遮断性材料であり、該板状反応ガス遮断性材料が内周面側ガス流路の上流側から下流側に行くに従ってガス透過性が大きくなるように前記中空型セルの外周面又は内周面に沿うように配置されている、請求項10に記載の燃料電池。   The reactive gas barrier material is a curved plate-shaped reactive gas barrier material that matches the shape of the inner peripheral surface or outer peripheral surface of the hollow cell, and the planar reactive gas barrier material is an inner peripheral surface side gas flow path. The fuel cell according to claim 10, wherein the fuel cell is disposed along an outer peripheral surface or an inner peripheral surface of the hollow cell so that gas permeability increases from an upstream side to a downstream side.
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