JP2008218228A - Tube type fuel cell - Google Patents

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Toru Sugiyama
徹 杉山
Yuichiro Hama
雄一郎 濱
Keisuke Nagasaka
圭介 永坂
Yoshihisa Tamura
佳久 田村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tube type fuel cell capable of suppressing flooding, and of improving and stabilizing power generation performance of the cell. <P>SOLUTION: This tube type fuel cell is provided with: a hollow structure having a hollow electrolyte membrane, a first electrode and a second electrode; an inner collector arranged on an inner peripheral surface side of the structure; and an outer collector arranged in contact with an outer peripheral surface of the structure. In the tube type fuel cell, the inner collector is composed of a plurality of wires arranged concentrically around an axis of the structure in a region surrounded by the first electrode; the adjacent wires on the concentric circle within the wires contact each other; the wires on the outermost concentric circle come into contact with the structure; the wires arranged next to each other on the same circle within the wires come into contact with each other; and at least the wires arranged on the outermost concentric circle have water repellency. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、チューブ型燃料電池に関し、特に、フラッディングを抑制し、セルの発電性能を向上、安定化できるチューブ型燃料電池に関する。   The present invention relates to a tube type fuel cell, and more particularly to a tube type fuel cell that can suppress flooding and improve and stabilize the power generation performance of a cell.

従来の固体高分子型燃料電池(以下において、「PEFC」と記述することがある。)では、平板型の電解質膜と、当該電解質膜の両側に配設される電極(カソード及びアノード)とを備える膜電極接合体(以下において、「MEA」と記述することがある。)における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、MEAの両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。当該電気化学反応は、以下の工程で進行する。まず、燃料極へと届けられた水素が触媒の存在下で水素イオンと電子とに分解される。そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜を通過して空気極へと移動し、発生した電子は外部の回路を通って空気極へと移動する。PEFCにおいては、かかる電子の移動により、電気が発生する。一方で、空気極へと届けられた酸素が、空気極へと移動してきた水素イオン及び電子と反応することにより、水が生成される。   In a conventional polymer electrolyte fuel cell (hereinafter sometimes referred to as “PEFC”), a flat electrolyte membrane and electrodes (cathode and anode) disposed on both sides of the electrolyte membrane are provided. Electric energy generated by an electrochemical reaction in a membrane electrode assembly (hereinafter, sometimes referred to as “MEA”) provided is taken out through separators provided on both sides of the MEA. The electrochemical reaction proceeds in the following steps. First, hydrogen delivered to the fuel electrode is decomposed into hydrogen ions and electrons in the presence of the catalyst. The generated hydrogen ions pass through the electrolyte membrane, which is an ion conductor, and move to the air electrode, and the generated electrons move to the air electrode through an external circuit. In PEFC, electricity is generated by such movement of electrons. On the other hand, the oxygen delivered to the air electrode reacts with hydrogen ions and electrons that have moved to the air electrode, thereby generating water.

PEFCは、低温領域での運転が可能であるほか、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、システムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。PEFCの単セルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータ等の構成部材を含み、その理論起電力は1.23Vである。かかる低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、単セルを直列に積層した積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用される。そして、PEFCの発電性能をより一層向上させるためには、単セルの小型化を図り、単位体積当たりの出力(出力密度)を大きくすることが好ましい。   PEFC is attracting attention as a power source and portable power source for electric vehicles because it can be operated in a low temperature region, exhibits high energy conversion efficiency, has a short start-up time, and has a compact and lightweight system. A single cell of PEFC includes constituent members such as an electrolyte membrane, a cathode and an anode including at least a catalyst layer, and a separator, and its theoretical electromotive force is 1.23V. Since such a low electromotive force is not sufficient as a power source for an electric vehicle or the like, a stack type fuel cell is usually configured by disposing end plates and the like at both ends in the stacking direction of a stacked body in which single cells are stacked in series. Is used. In order to further improve the power generation performance of PEFC, it is preferable to reduce the size of a single cell and increase the output per unit volume (power density).

従来のPEFC(以下において、「平板型PEFC」と記述することがある。)において出力密度を向上させ、発電性能を向上させるためには、上記構成部材の厚さを薄くする必要がある。しかし、平板型PEFCにおいて構成部材を一定以下の厚さにすると、各構成部材の機能及び強度等が低下する恐れがあるため、平板型PEFCにより、出力密度を一定以上に向上させることは構造上困難である。   In order to improve the power density and improve the power generation performance in a conventional PEFC (hereinafter sometimes referred to as “flat-plate type PEFC”), it is necessary to reduce the thickness of the constituent members. However, if the thickness of the component members in the flat plate type PEFC is less than a certain level, the function and strength of each component member may be reduced. Therefore, it is structurally necessary to improve the output density to a certain level or more by using the flat plate type PEFC. Have difficulty.

かかる観点から、出力密度を一定以上に向上させること等を目的として、近年、チューブ型のPEFC(以下において、「チューブ型PEFC」と記述することがある。)に関する研究が進められている。チューブ型PEFCの単セル(以下において、「チューブ型セル」と記述することがある。)は、一般に、中空形状の電解質膜と当該電解質膜の内周面側及び外周面側に配設される触媒層とを備える中空形状のMEA、を備えている。そして、当該MEAの内周面側及び外周面側に反応ガス(水素含有ガス及び酸素含有ガス)を供給することにより電気化学反応を起こし、この電気化学反応により発生した電気エネルギーを、中空形状のMEAの内周面側及び外周面側に配設される集電体(以下において、内周面側に配設される集電体を「内側集電体」、外周面側に配設される集電体を「外側集電体」と記述する。)を介して外部に取り出している。すなわち、チューブ型PEFCでは、各単セルに備えられる中空形状のMEAの内周面側に一方の反応ガス(水素含有ガス又は酸素含有ガス)を、外周面側に他方の反応ガス(酸素含有ガス又は水素含有ガス)を供給することで発電エネルギーを取り出す。したがって、チューブ型PEFCによれば、隣り合う2つの単セルの外周面側に供給される反応ガスを同一とすることができるので、従来の平板型PEFCではガス遮蔽性能をも併せ持っていたセパレータが不要となる。そのため、チューブ型PEFCによれば、効果的に単セルの小型化を図ることが可能になる。   From this point of view, research on tube-type PEFC (hereinafter sometimes referred to as “tube-type PEFC”) has been underway for the purpose of improving the output density to a certain level or more. A tube-type PEFC single cell (hereinafter sometimes referred to as a “tube-type cell”) is generally disposed on a hollow electrolyte membrane and the inner and outer peripheral surfaces of the electrolyte membrane. A hollow MEA including a catalyst layer. Then, an electrochemical reaction is caused by supplying a reaction gas (hydrogen-containing gas and oxygen-containing gas) to the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side of the MEA, and the electric energy generated by this electrochemical reaction is converted into a hollow shape. Current collectors disposed on the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side of the MEA (hereinafter, the current collector disposed on the inner peripheral surface side is referred to as “inner current collector”, and is disposed on the outer peripheral surface side. The current collector is described as “outer current collector”). That is, in the tube type PEFC, one reaction gas (hydrogen-containing gas or oxygen-containing gas) is provided on the inner peripheral surface side of the hollow MEA provided in each single cell, and the other reaction gas (oxygen-containing gas) is provided on the outer peripheral surface side. (Or hydrogen-containing gas) to extract power generation energy. Therefore, according to the tube type PEFC, the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of two adjacent single cells can be made the same. Therefore, in the conventional flat plate type PEFC, a separator having both gas shielding performance is provided. It becomes unnecessary. Therefore, according to the tube type PEFC, it is possible to effectively downsize the single cell.

チューブ型PEFCに関する技術として、例えば、特許文献1には、中空電解質膜の内面及び外面に配置された一対の電極、および該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、当該中空電解質膜の内面又は外面のうち少なくとも一方の電極は、電極触媒を担持したナノ柱状体を有し、該ナノ柱状体は集電材上に設けられていると共に少なくとも一部が電解質膜に配向していることを特徴とする、燃料電池セルモジュールの技術が開示されている。   As a technique related to the tube-type PEFC, for example, Patent Document 1 includes a pair of electrodes disposed on the inner surface and the outer surface of a hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to the pair of electrodes, respectively. At least one of the inner surface and the outer surface has a nano-columnar body supporting an electrode catalyst, and the nano-columnar body is provided on the current collector and at least a part thereof is oriented to the electrolyte membrane. A feature of the fuel cell module is disclosed.

また、特許文献2には、平板型の燃料電池において、多孔質基材の触媒層側を撥水にし、セパレータ側を親水にすることで、フラッディングを抑制する技術が開示されている。特許文献3では、平板型の燃料電池において、MEAの外側を撥水性にして、その外側を親水性にする技術が開示されている。特許文献4では、平板型の燃料電池の拡散層において、触媒層に近い側の撥水性を高くする技術が開示されている。
特開2005−353493号公報 特開2004−39416号公報 特開平5−41223号公報 特開2003−331850号公報
Patent Document 2 discloses a technique for suppressing flooding in a flat plate type fuel cell by making the catalyst layer side of the porous substrate water repellent and making the separator side hydrophilic. Patent Document 3 discloses a technology for making the outside of a MEA water-repellent and making the outside hydrophilic in a flat plate fuel cell. Patent Document 4 discloses a technique for increasing the water repellency on the side close to the catalyst layer in the diffusion layer of the flat plate type fuel cell.
JP 2005-353493 A JP 2004-39416 A JP-A-5-41223 JP 2003-331850 A

PEFCは、電解質膜の比抵抗を小さくして発電効率を高く維持するため、80℃前後等の運転温度で使用される。そして、電解質膜が飽和に含水することによりその比抵抗が小さくなり、プロトン伝導性を発揮する。したがって、PEFCの発電効率を維持するためには、電解質膜の含水状態を飽和に維持することが必要となる。これに対し、水を供給して湿度を高めた反応ガスをPEFCへ供給することにより、電解質膜の乾燥を防止する方法が採用されている。しかし、PEFCの発電に際して生成する水は余剰の反応ガスとともに単セルの外部へ排出されるため、単セル内の反応ガスに含まれる水分の量が反応ガスの流れ方向における位置によって差異を生ずる。すなわち、下流側(出口側)における反応ガスは、上流側(入口側)に比べて、生成水に相当する量の水分を余分に含むことなる。このため、電解質膜の含水状態を飽和に維持すべく飽和状態に加湿した反応ガスを単セルへ供給すると、出口側では水蒸気が過飽和となり、水滴と混在してしまう。チューブ型PEFCの発電中に、このようにしてできた水が触媒層内に溜まると(フラッディング状態)、触媒へのガスの拡散が阻害され、発電性能が低下するという問題がある。しかし、特許文献1に記載されている技術ではMEAに接する集電体の排水性が低く、フラッディングを抑制することができない。また、平板型の燃料電池に用いられる様な、通常のフィルム状の撥水層(ガス拡散層)材をチューブPEFC適用することは製法上困難である。   PEFC is used at an operating temperature such as around 80 ° C. in order to reduce the specific resistance of the electrolyte membrane and maintain high power generation efficiency. Then, when the electrolyte membrane is saturated and hydrated, the specific resistance is reduced and proton conductivity is exhibited. Therefore, in order to maintain the power generation efficiency of PEFC, it is necessary to maintain the water content of the electrolyte membrane at saturation. On the other hand, a method of preventing the electrolyte membrane from drying by supplying water to the PEFC with a reaction gas whose humidity has been increased has been adopted. However, since the water generated during the power generation of PEFC is discharged to the outside of the single cell together with the surplus reaction gas, the amount of moisture contained in the reaction gas in the single cell varies depending on the position in the flow direction of the reaction gas. That is, the reaction gas on the downstream side (outlet side) contains an extra amount of water corresponding to the generated water as compared with the upstream side (inlet side). For this reason, when the reactive gas humidified to be saturated in order to keep the water content of the electrolyte membrane saturated is supplied to the single cell, the water vapor is supersaturated on the outlet side and mixed with water droplets. If the water produced in this way accumulates in the catalyst layer during the power generation of the tube type PEFC (flooding state), there is a problem that the gas diffusion to the catalyst is hindered and the power generation performance is lowered. However, in the technique described in Patent Document 1, the drainage of the current collector in contact with the MEA is low, and flooding cannot be suppressed. In addition, it is difficult to apply a tube PEFC to an ordinary film-like water-repellent layer (gas diffusion layer) material used in a flat type fuel cell.

そこで本発明は、フラッディングを抑制し、セルの発電性能を向上、安定化できるチューブ型燃料電池を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a tubular fuel cell that can suppress flooding and improve and stabilize the power generation performance of the cell.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の発明は、中空形状の電解質膜、電解質膜の内周面に沿って配設された中空形状の第一電極、及び、電解質膜の外周面に沿って配設された中空形状の第二電極、を有する中空形状の構造体、構造体の内周面側に配設された内側集電体、並びに、構造体の外周面に接して配設された外側集電体、を具備するチューブ型燃料電池であって、内側集電体は、第一電極に囲まれた領域内で、構造体の軸心を中心とする同心円状に配置された複数の線材によって構成されており、内側集電体の線材のうち、隣接する同心円上の線材同士は接しているとともに、内側集電体の線材のうち、最も外側の同心円上の線材は、構造体と接していて、内側集電体の線材のうち、同一円上で隣同士に配置されている線材は互いに接していて、内側集電体の線材のうち、少なくとも最も外側の同心円上に配置された線材が、撥水性を有することを特徴とする、チューブ型燃料電池により、上記課題を解決する。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The invention according to claim 1 is a hollow electrolyte membrane, a hollow first electrode disposed along the inner peripheral surface of the electrolyte membrane, and a hollow disposed along the outer peripheral surface of the electrolyte membrane. A hollow structure having a second electrode in shape, an inner current collector disposed on the inner peripheral surface side of the structure, and an outer current collector disposed in contact with the outer peripheral surface of the structure, The inner current collector is constituted by a plurality of wires arranged concentrically around the axis of the structure within a region surrounded by the first electrode. Among the wires of the inner current collector, adjacent concentric wires are in contact with each other, and among the wires of the inner current collector, the wires on the outermost concentric circle are in contact with the structure, Among the wires of the current collector, the wires arranged next to each other on the same circle are in contact with each other, and the inner current collector Of wire rod, at least the outermost arranged wire on a concentric circle, characterized in that the water-repellent by a tube-type fuel cell, to solve the above problems.

ここに、「電解質膜の内周面に沿って配設された中空形状の第一電極」とは、中空形状の電解質膜の内周面に、外周面が接するように形成されている中空形状の第一電極のことをいう。該第一電極の内周面側に水素含有ガスが流される場合、該第一電極は燃料極として機能し、該第一電極の内周面側に酸素含有ガスが流される場合、該第一電極は空気極として機能する。また、「電解質膜の外周面に沿って配設された中空形状の第二電極」とは、中空形状の電解質膜の外周面に、内周面が接するように形成されている中空形状の第二電極のことをいう。該第二電極の外周面側に水素含有ガスが流される場合、該第二電極は燃料極として機能し、該第二電極の外周面側に酸素含有ガスが流される場合、該第二電極は空気極として機能する。   Here, “the hollow first electrode disposed along the inner peripheral surface of the electrolyte membrane” is a hollow shape formed so that the outer peripheral surface is in contact with the inner peripheral surface of the hollow electrolyte membrane. The first electrode. When the hydrogen-containing gas flows on the inner peripheral surface side of the first electrode, the first electrode functions as a fuel electrode, and when the oxygen-containing gas flows on the inner peripheral surface side of the first electrode, the first electrode The electrode functions as an air electrode. In addition, “a hollow second electrode disposed along the outer peripheral surface of the electrolyte membrane” means a hollow-shaped second electrode formed so that the inner peripheral surface is in contact with the outer peripheral surface of the hollow electrolyte membrane. Refers to two electrodes. When the hydrogen-containing gas flows on the outer peripheral surface side of the second electrode, the second electrode functions as a fuel electrode, and when the oxygen-containing gas flows on the outer peripheral surface side of the second electrode, the second electrode Functions as an air electrode.

さらに、「内側集電体は、第一電極に囲まれた領域内で、構造体の軸心を中心とする同心円状に配置された複数の線材によって構成されており」とは、内側集電体が、第一電極の内周面側に配置された複数の線材の集まりから成り、中空形状の構造体と該複数の線材とを、該構造体の長手方向に対して垂直方向の切断面で見ると、上記複数の線材が、上記構造体の軸心を中心とする複数の円上(該軸心上を含む場合もある)に配置されていることをいう。また、「隣接する同心円上の線材」とは、構造体の軸心を中心とする複数の円のうち、ある円の外側に隣接する円上の線材と、内側に隣接する円上の線材とのことをいう。つまり、「隣接する同心円」とは、構造体の軸心を中心とする複数の円のうち、どの円についても、2つずつ存在することになる。ただし、構造体の軸心上に線材が配置されている場合、その線材については、隣接する同心円は軸心の外側にのみ存在する。また、最も外側の円については、該円の内側にのみ隣接する同心円が存在する。さらに、「隣接する同心円上に配置されている線材が互いに接している」とは、隣接する同心円のうち、それぞれの異なる円上に配置されている線材の少なくとも1本ずつが接していれば良いことをいう。さらに、「内側集電体の線材のうち、最も外側の同心円上に配置された線材」とは、同心円状に配置されている複数の線材のうち、最も外側の円上に配置されている線材をいう。本発明では、これら最も外側の円上に配置されている線材が構造体の内周面に接している。さらに、「同一円上で隣同士に配置されている線材」とは、構造体の軸心を中心とする同心円のうち、ある一つの円上に配置されている複数の線材について、隣同士に配置されている線材のことをいう。つまり、同一円上で隣同士に配置されている線材は、同一円上に並べられている複数の線材のうち、どの線材についても2本ずつ存在することになる。ただし、構造体の軸心上に線材が配置されている場合は、その線材と同一円上に配置されている他の線材は存在しない。本発明では、この隣同士に配置されている線材が互いに接している。さらに、本発明では、少なくとも最も外側の同心円上に配置された線材が、撥水性を有している。ここでいう撥水性とは、例えば、接触角が110°以上のことをいい、好ましくは130°以上180°以下である。   Further, “the inner current collector is composed of a plurality of wires arranged concentrically around the axis of the structure within the region surrounded by the first electrode” means that the inner current collector is The body is composed of a collection of a plurality of wires arranged on the inner peripheral surface side of the first electrode, and the hollow structure and the plurality of wires are cut in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the structure. In other words, the plurality of wire rods are arranged on a plurality of circles (including the axis center in some cases) centering on the axis center of the structure. In addition, the “wires on adjacent concentric circles” means a wire on a circle adjacent to the outside of a certain circle and a wire on a circle adjacent to the inside of a plurality of circles centered on the axis of the structure. I mean. That is, “adjacent concentric circles” means that there are two of each of a plurality of circles centered on the axis of the structure. However, when the wire is arranged on the axial center of the structure, adjacent concentric circles exist only outside the axial center for the wire. For the outermost circle, there are concentric circles adjacent only inside the circle. Furthermore, “the wires arranged on adjacent concentric circles are in contact with each other” means that at least one of the wires arranged on different circles among the adjacent concentric circles may be in contact. That means. Furthermore, “the wire arranged on the outermost concentric circle among the wires of the inner current collector” means the wire arranged on the outermost circle among the plurality of wires arranged concentrically. Say. In the present invention, the wires arranged on the outermost circle are in contact with the inner peripheral surface of the structure. Furthermore, “wires arranged on the same circle next to each other” means a plurality of wires arranged on a certain circle out of concentric circles centered on the axis of the structure. It refers to the wire that is placed. That is, two wires arranged adjacent to each other on the same circle are present for every wire among a plurality of wires arranged on the same circle. However, when the wire is arranged on the axial center of the structure, there is no other wire arranged on the same circle as the wire. In the present invention, the wires arranged next to each other are in contact with each other. Furthermore, in the present invention, at least the wire disposed on the outermost concentric circle has water repellency. Here, the water repellency means that the contact angle is 110 ° or more, preferably 130 ° or more and 180 ° or less.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のチューブ型燃料電池において、内側集電体の、一つの同心円上に配置された線材の親水性は、該同心円の内側の同心円上に配置された線材の親水性よりも低い、又は等しいことを特徴とする。   The invention according to claim 2 is the tube type fuel cell according to claim 1, wherein the hydrophilicity of the wire arranged on one concentric circle of the inner current collector is arranged on the concentric circle inside the concentric circle. It is characterized by being lower than or equal to the hydrophilicity of the formed wire.

本発明では、構造体の軸心を中心とするある一つの円上に配置されている線材の親水性は、当該円の内側に接する同心円上に配置されている線材の親水性より低い若しくは等しいことが好ましい。本発明では、少なくとも、内側集電体の最も外側の線材が撥水性を有するほか、最も内側の線材が親水性を有することが好ましい。ここでいう親水性とは、例えば、接触角90°以下のことをいい、好ましくは0°以上80°以下である。   In the present invention, the hydrophilicity of the wire disposed on one circle centered on the axis of the structure is lower or equal to the hydrophilicity of the wire disposed on the concentric circle in contact with the inside of the circle. It is preferable. In the present invention, it is preferable that at least the outermost wire of the inner current collector has water repellency and the innermost wire has hydrophilicity. The hydrophilicity here means, for example, a contact angle of 90 ° or less, preferably 0 ° or more and 80 ° or less.

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のチューブ型燃料電池において、内側集電体の、最も外側の同心円上の線材の径が、内側集電体の最も内側に配置された線材の径よりも小さいことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the tube type fuel cell according to the first or second aspect, the diameter of the outermost concentric wire of the inner current collector is arranged at the innermost side of the inner current collector. It is characterized by being smaller than the diameter of the wire.

ここに、「内側集電体において、最も外側の同心円上の線材の径が、内側集電体の最も内側に配置された線材の径よりも小さい」とは、内側集電体の最も内側に配置された線材の径が最も外側の同心円上の線材よりも大きく、かつ、内側集電体の最も外側の同心円上の線材よりも小さい径を有する線材が、内側集電体を構成する他の線材の中に存在しないことをいう。さらに、「内側集電体の最も内側に配置された線材」とは、構造体の軸心上に線材が配置されている場合は、該線材のことをいい、構造体の軸心上に線材が配置されていない場合は、内側集電体の線材のうち、最も内側の同心円上に配置されている線材のことをいう。   Here, “in the inner current collector, the diameter of the wire on the outermost concentric circle is smaller than the diameter of the wire arranged on the innermost side of the inner current collector” means that the inner current collector has the innermost diameter. A wire having a diameter larger than that of the outermost concentric wire and smaller than that of the outermost concentric wire of the inner current collector is the other current constituting the inner current collector. It means not existing in the wire. Furthermore, “the wire disposed at the innermost side of the inner current collector” refers to the wire when the wire is disposed on the axis of the structure, and the wire is disposed on the axis of the structure. Is not arranged, it means a wire arranged on the innermost concentric circle among the wires of the inner current collector.

請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のチューブ型燃料電池において、内側集電体の、一つの同心円上に配置された線材の径は、該同心円の内側に接する同心円上に配置された線材の径よりも小さい、又は等しいことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the tube type fuel cell according to the third aspect, the diameter of the wire rod arranged on one concentric circle of the inner current collector is arranged on the concentric circle in contact with the inner side of the concentric circle It is characterized by being smaller than or equal to the diameter of the formed wire.

請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載のチューブ型燃料電池において、内側集電体は、反応ガスの入口側から出口側に向かうに従い次第に高くなる排水性を有することを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the tubular fuel cell according to any one of the first to fourth aspects, the inner current collector gradually becomes higher in drainage as it goes from the inlet side to the outlet side of the reaction gas. It is characterized by having.

ここに、「反応ガスの入口側」及び「反応ガスの出口側」とは、それぞれ構造体の内周面側を流れる反応ガスの入口側及び出口側を意味する。構造体の内周面側に反応ガスを流すため、内側集電体を長手方向で見ると、どちらか一方が反応ガスの入口側となり、他方が反応ガスの出口側となる。   Here, “reactive gas inlet side” and “reactive gas outlet side” mean the inlet side and outlet side of the reactive gas flowing on the inner peripheral surface side of the structure, respectively. Since the reaction gas flows on the inner peripheral surface side of the structure, when the inner current collector is viewed in the longitudinal direction, one of them becomes the reaction gas inlet side and the other becomes the reaction gas outlet side.

請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載のチューブ型燃料電池において、外側集電体が撥水性を有することを特徴とする。   A sixth aspect of the present invention is the tube type fuel cell according to any one of the first to fifth aspects, wherein the outer current collector has water repellency.

ここでいう撥水性とは、例えば、接触角が110°以上のことをいい、好ましくは130°以上180°以下である。   Here, the water repellency means that the contact angle is 110 ° or more, preferably 130 ° or more and 180 ° or less.

請求項1に記載の発明によれば、少なくとも構造体に接する内側集電体を構成する線材に撥水性が付与されている。かかる構成とすることにより、第一電極からの排水性を向上させることができ、フラッディングを抑制することができるので、セルの発電性能を向上、安定化できるチューブ型燃料電池を提供できる。   According to the first aspect of the present invention, water repellency is imparted to at least the wire constituting the inner current collector in contact with the structure. By adopting such a configuration, drainage from the first electrode can be improved and flooding can be suppressed, so that a tubular fuel cell capable of improving and stabilizing the power generation performance of the cell can be provided.

請求項2に記載の発明によれば、内側集電体を構成する外側の線材及び内側の線材に、親水性の勾配を持たせている。内側集電体に、撥水性を有する線材と親水性を有する線材とを混在させることで、水が散在することを防げる。さらに、内側集電体の外側から内側へ向かって親水性を高めることで、水を親水性が高い内側集電体の内側に向かって集めることができる。よって、第一電極からの排水性を容易に向上させることができる。   According to the second aspect of the present invention, the outer wire and the inner wire constituting the inner current collector have a hydrophilic gradient. By mixing a water-repellent wire and a hydrophilic wire in the inner current collector, water can be prevented from being scattered. Furthermore, water can be collected toward the inner side of the inner current collector having high hydrophilicity by increasing the hydrophilicity from the outer side to the inner side of the inner current collector. Therefore, drainage from the first electrode can be easily improved.

請求項3に記載の発明によれば、構造体に接している内側集電体の線材の径が小さい。そのため、構造体と線材との接触面積が大きくなり、水を線材の間隙に取り込みやすくなる。間隙に取り込まれた水は、内側集電体の内側へ移動する。よって、第一電極からの排水性を容易に向上させることができる。   According to the invention described in claim 3, the diameter of the wire of the inner current collector in contact with the structure is small. Therefore, the contact area between the structure and the wire is increased, and water is easily taken into the gap between the wires. The water taken into the gap moves to the inside of the inner current collector. Therefore, drainage from the first electrode can be easily improved.

請求項4に記載の発明によれば、内側集電体の線材の径の大きさに差をつけることで、線材間に形成される間隙の大きさに勾配を持たせることが可能になる。第一電極付近に存在する水は徐々に周囲の水と凝集し、第一電極から遠ざかるにつれて大きな水滴となるが、線材間にできる間隙の大きさも大きくなるため、水は内側集電体の内側に集まり易くなる。また、内側集電体の内側の線材が太いため、内側集電体の中心では線材間にできる間隙が大きくなる。そのため、内側集電体の内側へ集められた水は、構造体の内側を流れるガスによって排出されやすくなる。   According to the invention described in claim 4, it is possible to give a gradient to the size of the gap formed between the wires by making a difference in the size of the diameter of the wires of the inner current collector. The water near the first electrode gradually aggregates with the surrounding water and becomes larger water droplets as you move away from the first electrode, but the size of the gap between the wires also increases, so the water is inside the inner current collector. It's easy to get together. In addition, since the inner wire of the inner current collector is thick, a gap formed between the wires increases at the center of the inner current collector. Therefore, the water collected inside the inner current collector is easily discharged by the gas flowing inside the structure.

請求項5に記載の発明によれば、内側集電体の長手方向で排水性の勾配を持たせることができる。水が溜まりやすい反応ガスの出口側での排水性を高めることで、構造体の内周面側の水のバランスを一定に保つことができ、チューブ型燃料電池の性能安定性を向上させることができる。   According to the fifth aspect of the present invention, a drainage gradient can be provided in the longitudinal direction of the inner current collector. By improving the drainage on the outlet side of the reactive gas where water tends to accumulate, the balance of water on the inner peripheral surface side of the structure can be kept constant, and the performance stability of the tube fuel cell can be improved. it can.

請求項6に記載の発明によれば、外側集電体に撥水性が付与されている。かかる構成とすることにより、構造体の外周面側における排水性を向上させることができる。   According to the invention described in claim 6, water repellency is imparted to the outer current collector. By setting it as this structure, the drainage property in the outer peripheral surface side of a structure can be improved.

チューブ型燃料電池の発電中には、アノード電極へと届けられた水素が触媒の存在下で水素イオンと電子とに分解される。そして、発生した水素イオンは、イオン伝導体である電解質膜を通過して、水とともにカソード電極へと移動する。カソード電極へと移動してきた水素イオンは、外部回路を通ってカソード電極へ移動してきた電子、及び、カソード電極へ供給される酸素、と反応し、水が生成される。そのため、カソード電極側では、生成水が触媒層内に溜まり(フラッディング状態)易く、生成水によって触媒へのガスの拡散が阻害されると、発電性能が低下するという問題がある。そこで、フラッディングを抑制し、セルの発電性能を向上、安定化できるチューブ型燃料電池を提供することが望まれている。   During power generation of the tube type fuel cell, hydrogen delivered to the anode electrode is decomposed into hydrogen ions and electrons in the presence of the catalyst. The generated hydrogen ions pass through the electrolyte membrane, which is an ion conductor, and move to the cathode electrode together with water. The hydrogen ions that have moved to the cathode electrode react with the electrons that have moved to the cathode electrode through the external circuit and oxygen supplied to the cathode electrode, thereby generating water. Therefore, on the cathode electrode side, the generated water is likely to be accumulated in the catalyst layer (flooded state), and there is a problem that the power generation performance is deteriorated when the diffusion of gas to the catalyst is hindered by the generated water. Therefore, it is desired to provide a tube-type fuel cell that can suppress flooding and improve and stabilize the power generation performance of the cell.

本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、排水性を向上させることで、フラッディングを抑制し、セルの発電性能を向上、安定化できるチューブ型燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made from such a viewpoint, and the gist of the present invention is to provide a tube type fuel cell capable of suppressing flooding and improving and stabilizing the power generation performance of a cell by improving drainage.

本発明について、以下に図面を参照しつつ、説明する。以下の説明では、チューブ型燃料電池の内周面側に酸素含有ガス(以下、「空気」ということがある。)が供給され、外周面側に水素含有ガス(以下、「水素」ということがある。)が供給される形態を例示するが、本発明は当該形態に限定されない。なお、以下の説明において、チューブ型燃料電池の軸心に近い方を「軸心側」、遠い方を「外側」、とそれぞれ表記することがある。   The present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, an oxygen-containing gas (hereinafter sometimes referred to as “air”) is supplied to the inner peripheral surface side of the tubular fuel cell, and a hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) is referred to as the outer peripheral surface side. Is provided), but the present invention is not limited to this form. In the following description, the side closer to the axial center of the tube type fuel cell may be referred to as “axial side”, and the far side as “outside”.

(第1実施形態)
図1は第1実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池を概略的に示す断面図である。図1の紙面奥/手前方向が、内側集電体6の長手方向である。図示のように、本発明のチューブ型燃料電池10(以下、単に「燃料電池10」ということがある。)は、電解質膜1と第一電極2aと第二電極2bとを有する構造体3、該構造体3の外周面に巻回された外側集電体4、及び、該構造体3の内周面側に配設された内側集電体6を具備している。内側集電体6は、構造体3の軸心を中心とした同心円状に配設された複数の線材5a、5a、…、線材5b、5b、…、線材5c、5c、…、及び、構造体3の軸心に配設された線材5dから成り、線材5a、5a、…、線材5b、5b、…、線材5c、5c、…、及び、線材5d(以下、これらをまとめて単に「線材5、5、…」ということがある。)は導電性ワイヤ(例えば金属線)によって構成されている。構造体3の直径は、例えば、0.5[mm]〜10[mm]程度である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a tube fuel cell according to the first embodiment of the present invention. 1 is the longitudinal direction of the inner current collector 6. As shown in the figure, a tube type fuel cell 10 of the present invention (hereinafter simply referred to as “fuel cell 10”) includes a structure 3 having an electrolyte membrane 1, a first electrode 2a, and a second electrode 2b. An outer current collector 4 wound around the outer peripheral surface of the structure 3 and an inner current collector 6 disposed on the inner peripheral surface side of the structure 3 are provided. The inner current collector 6 includes a plurality of wires 5a, 5a,..., Wires 5b, 5b,..., Wires 5c, 5c,. , Wire rods 5b, 5b,..., Wire rods 5c, 5c,..., And wire rods 5d (hereinafter collectively referred to as “wire rods”). 5, 5,... ”) Is formed of a conductive wire (for example, a metal wire). The diameter of the structure 3 is, for example, about 0.5 [mm] to 10 [mm].

燃料電池10の内周面側に空気が供給され、外周面側に水素が供給されると、第一電極2a及び第二電極2bは、それぞれ、カソード電極及びアノード電極として機能する(以下、第一電極2aを「カソード電極2a」、第二電極2bを「アノード電極2b」ということがある。)。アノード電極2bへ供給された水素は、触媒の存在下で水素イオンと電子とに分解される。アノード電極2bで発生した水素イオンは、アノード電極2b及び電解質膜1を通過して、カソード電極2aへと移動する。一方で、電子は、外部回路を通ってカソード電極2aへと移動する。カソード電極2aでは、水素イオンと電子と酸素とが反応することにより水が生成される。   When air is supplied to the inner peripheral surface side of the fuel cell 10 and hydrogen is supplied to the outer peripheral surface side, the first electrode 2a and the second electrode 2b function as a cathode electrode and an anode electrode, respectively (hereinafter referred to as the first electrode). One electrode 2a may be referred to as “cathode electrode 2a”, and the second electrode 2b may be referred to as “anode electrode 2b”. Hydrogen supplied to the anode electrode 2b is decomposed into hydrogen ions and electrons in the presence of the catalyst. The hydrogen ions generated at the anode electrode 2b pass through the anode electrode 2b and the electrolyte membrane 1 and move to the cathode electrode 2a. On the other hand, electrons move to the cathode electrode 2a through an external circuit. In the cathode electrode 2a, water is generated by the reaction of hydrogen ions, electrons, and oxygen.

図2は、図1に示す燃料電池10の一部を拡大して示す断面図である。図2の紙面奥/手前方向が、内側集電体6の長手方向である。図中の矢印は、水が排出される方向を示している。燃料電池10では、線材5a、5a、…、及び、線材5b、5b、…に撥水性を付与し、線材5c、5c、…、及び、線材5dに親水性を付与している。内側集電体6の軸心側で、線材の親水性を高めることにより、構造体3の内周面側の水は内側集電体6の軸心側(親水性が高い方)へ向かって移動するので、カソード電極2aの排水性を向上させることができる。このようにして、内側集電体6の軸心側に集まった水は、構造体3の内周面側を流れるガスによって排出される。   FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the fuel cell 10 shown in FIG. 2 is the longitudinal direction of the inner current collector 6. The arrows in the figure indicate the direction in which water is discharged. In the fuel cell 10, water repellency is imparted to the wires 5a, 5a, ... and the wires 5b, 5b, ..., and hydrophilicity is imparted to the wires 5c, 5c, ..., and the wire 5d. By increasing the hydrophilicity of the wire on the axial center side of the inner current collector 6, the water on the inner peripheral surface side of the structure 3 moves toward the axial center side (higher hydrophilicity) of the inner current collector 6. Since it moves, the drainage of the cathode electrode 2a can be improved. In this way, the water collected on the axial center side of the inner current collector 6 is discharged by the gas flowing on the inner peripheral surface side of the structure 3.

図1及び図2に示したように、本発明の燃料電池10では、線材5a、5a、…、及び、線材5b、5b、…の径は、線材5c、5c、…、及び、線材5dの径より小さい。構造体3に接している線材5a、5a、…の径を小さくすることで、線材5a、5a、…と構造体3との接触面積を増大することができ、複数の線材5、5、…によって形成される間隙へ水を取り込みやすくなる。間隙に取り込まれた水は内側集電体6の軸心側へ向かって移動するので、かかる形態とすることにより、カソード電極2aの排水性が向上される。   1 and 2, in the fuel cell 10 of the present invention, the diameters of the wires 5a, 5a, ... and the wires 5b, 5b, ... are the same as those of the wires 5c, 5c, ... and the wire 5d. Smaller than the diameter. By reducing the diameter of the wires 5a, 5a, ... that are in contact with the structure 3, the contact area between the wires 5a, 5a, ... and the structure 3 can be increased, and a plurality of wires 5, 5, ... It becomes easy to take in water into the gap formed by. Since the water taken into the gap moves toward the axial center side of the inner current collector 6, the drainage of the cathode electrode 2a is improved by adopting such a configuration.

また、本発明の燃料電池10では、内側集電体6の外側には径の小さい線材5a、5a、…、及び、線材5b、5b、…を用い、軸心側には径の大きい線材5c、5c、…、及び、線材5dを用いることで、内側集電体6の軸心側から外側に向かって、線材の径の太さに勾配を持たせている。線材の径の太さに勾配を持たせることで、線材5、5、…によって形成される間隙の大きさは、外側から軸心側に向かって大きくなり、大きな間隙には多くの空気が流れやすい。一方で、カソード電極2a付近に存在する水は、徐々に周囲の水と凝集するため、カソード電極2aから遠ざかるにつれて大きな水滴となる。燃料電池10では、カソード電極2aから遠ざかるにつれて水滴は大きくなるが、線材5、5、…によって形成される間隙の大きさも大きくなるため、水は内側集電体6の軸心側に集まり易い。内側集電体6の軸心側の大きな間隙には多くの空気が流れるので、燃料電池10によれば、内側集電体6の軸心側に集めた水を多くの空気とともに排出することができる。したがって、本発明の燃料電池10によれば、排水性を向上させることができる。   Further, in the fuel cell 10 of the present invention, small-diameter wire rods 5a, 5a,... And wire rods 5b, 5b,. By using the wire 5d, the gradient of the diameter of the wire is given from the axial center side of the inner current collector 6 to the outside. By providing a gradient in the diameter of the wire, the size of the gap formed by the wires 5, 5,... Increases from the outside toward the axial center, and a large amount of air flows through the large gap. Cheap. On the other hand, the water present in the vicinity of the cathode electrode 2a gradually aggregates with the surrounding water, and thus becomes larger water droplets as the distance from the cathode electrode 2a increases. In the fuel cell 10, water droplets increase as the distance from the cathode electrode 2 a increases, but the size of the gap formed by the wires 5, 5,... Also increases, so that water easily collects on the axial center side of the inner current collector 6. Since a large amount of air flows through the large gap on the axial center side of the inner current collector 6, according to the fuel cell 10, the water collected on the axial center side of the inner current collector 6 can be discharged together with a large amount of air. it can. Therefore, according to the fuel cell 10 of the present invention, drainage can be improved.

図3(a)は、第1実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池の一部を省略して示す斜視図である。図3(a)の紙面左右方向が、内側集電体6の長手方向である。図中の矢印は空気の流れ方向を示しており、紙面左側が空気の入口側、紙面右側が空気の出口側である。図3(a)に示すように、燃料電池10では、内側集電体6を構成する複数の線材5、5、…を縒り線構造とする。線材5、5、…を捻って縒り線にする際、線材5c、5c、…、及び、線材5b、5b、…の軸方向が交差するように巻回し、線材5b、5b、…、及び、線材5a、5a、…も軸方向が交差するように巻回する。このようにすることで、線材5、5、…が他の線材5、5、…によって形成される間隙に入り、該間隙が塞がれるという事態を防止できる。また、線材5、5、…を縒り線構造とすることで、曲げ剛性が強くなり、集電体としての性能安定化を望める。さらに、縒り線構造とすることで、各線材5、5、…を束ね易くなり、生産効率が向上される。当該構造にする方法の具体例として、例えば、線材5dの外側に、線材5c、5c、…を時計周りに巻回し、さらに、その外側に、線材5b、5b、…を反時計回りに巻回し、さらにまた、その外側に線材5a、5a、…を時計周りに巻回するという形態等を挙げることができる。   FIG. 3A is a perspective view showing a tube fuel cell according to the first embodiment with a part thereof omitted. The left-right direction in FIG. 3A is the longitudinal direction of the inner current collector 6. The arrows in the figure indicate the direction of air flow, with the left side of the paper being the air inlet side and the right side of the paper being the air outlet side. As shown in FIG. 3A, in the fuel cell 10, the plurality of wires 5, 5,... Constituting the inner current collector 6 have a twisted wire structure. When the wire rods 5, 5,... Are twisted into a twisted wire, the wire rods 5c, 5c,... And the wire rods 5b, 5b,. The wires 5a, 5a,... Are also wound so that the axial directions intersect. By doing so, it is possible to prevent a situation in which the wire rods 5, 5,... Enter the gap formed by the other wire rods 5, 5,. Moreover, by making the wire rods 5, 5,... Have a twisted wire structure, the bending rigidity is increased, and the performance as a current collector can be stabilized. Furthermore, by setting it as a twisted wire structure, it becomes easy to bundle each wire 5,5, ..., and a production efficiency improves. As a specific example of the method of forming the structure, for example, the wire 5c, 5c,... Is wound around the outside of the wire 5d in the clockwise direction, and the wire 5b, 5b,. Furthermore, the form etc. which wind the wire 5a, 5a, ... clockwise on the outer side can be mentioned.

図3(b)は、第1実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池の長手方向における排水性の勾配を示す図である。横軸は図3(a)に示した燃料電池10の長手方向に対応しており、紙面左側が空気の入口側、紙面右側が空気の出口側である。縦軸は内側集電体6の排水性を示している。燃料電池10では、ガスの出口側で、構造体3の内周面側に水が溜まりやすい。それゆえ、燃料電池10では、図3(b)に示すように、ガスの入口側より出口側の排水性を高めている。かかる形態とすることにより、構造体3の長手方向全長に亘って湿潤度を一定化することができ、燃料電池10の性能を安定化できる。   FIG.3 (b) is a figure which shows the gradient of the drainage property in the longitudinal direction of the tube type fuel cell of this invention concerning 1st Embodiment. The horizontal axis corresponds to the longitudinal direction of the fuel cell 10 shown in FIG. 3A. The left side of the paper is the air inlet side, and the right side of the paper is the air outlet side. The vertical axis represents the drainage of the inner current collector 6. In the fuel cell 10, water tends to accumulate on the inner peripheral surface side of the structure 3 on the gas outlet side. Therefore, in the fuel cell 10, as shown in FIG. 3B, the drainage property on the outlet side is improved from the gas inlet side. By setting it as this form, a wetness degree can be made constant over the longitudinal direction full length of the structure 3, and the performance of the fuel cell 10 can be stabilized.

内側集電体の長手方向で排水性の勾配を持たないチューブ型燃料電池(以下、「無勾配の燃料電池」ということがある。)と、本発明の燃料電池10とで、I−V特性による性能比較を行うと、本発明の燃料電池10は、無勾配の燃料電池と比べて、発電毎に生じる性能のバラツキを低減できる。例えば、電圧0.6[V]での電流密度によって評価すると、同じ条件で運転/停止を繰り返した場合に、無勾配の燃料電池では、運転毎で10%程度の性能のバラツキが生じる。しかし、本発明の燃料電池10では、当該バラツキを3%以下に低減できる。無勾配の燃料電池で10%程度のバラツキが生じる原因は、内側集電体を構成する線材間に形成される間隙に、水がつまりやすいためであると考えられる。無勾配の燃料電池では、構造体の内周面側の水のバランスを一定に保つことが困難である。そのため、内側集電体を構成する線材間に形成される間隙のうち、ガスの出口側の間隙では、水がつまりやすくなる。運転中に該間隙に水がつまり、そのまま運転が停止されると、次の運転時には、上記間隙につまった水によって、触媒へのガスの拡散が阻害されるため、発電性能が低下する。一方、本発明の燃料電池10では、内側集電体6のガスの出口側で排水性を高めることによって、構造体3の長手方向略全長に亘って水のバランスを一定に保つことが容易である。そのため、構造体3の内周面側全体において、線材5、5、…間に形成される間隙に水がつまりにくい状態を作ることができる。それゆえ、本発明の燃料電池10によれば、運転毎に生じる性能のバラツキを低減でき、セルの発電性能の安定性を向上させることができる。   IV characteristics of a tube-type fuel cell (hereinafter sometimes referred to as “non-gradient fuel cell”) having no drainage gradient in the longitudinal direction of the inner current collector and the fuel cell 10 of the present invention When the performance comparison is performed, the fuel cell 10 of the present invention can reduce the variation in performance that occurs at each power generation as compared with a non-gradient fuel cell. For example, when evaluated by the current density at a voltage of 0.6 [V], when the operation / stop is repeated under the same conditions, a non-gradient fuel cell has a performance variation of about 10% for each operation. However, in the fuel cell 10 of the present invention, the variation can be reduced to 3% or less. The reason why the non-gradient fuel cell has a variation of about 10% is considered to be because water is easily clogged in the gap formed between the wires constituting the inner current collector. In a non-gradient fuel cell, it is difficult to keep the balance of water on the inner peripheral surface side of the structure constant. For this reason, among the gaps formed between the wires constituting the inner current collector, water is easily clogged in the gap on the gas outlet side. If water is clogged in the gap during operation, that is, if the operation is stopped as it is, the water trapped in the gap is hindered during the next operation, and the power generation performance is reduced. On the other hand, in the fuel cell 10 of the present invention, it is easy to keep the balance of water constant over substantially the entire length in the longitudinal direction of the structure 3 by improving drainage on the gas outlet side of the inner current collector 6. is there. Therefore, in the entire inner peripheral surface side of the structure 3, it is possible to create a state in which water is not easily clogged in the gap formed between the wires 5, 5,. Therefore, according to the fuel cell 10 of the present invention, it is possible to reduce the variation in performance that occurs at each operation, and to improve the stability of the power generation performance of the cell.

線材5a、5a、…、及び、線材5b、5b、…に撥水性を付与する方法としては、例えば、線材表面にポリテトラフルオロエチレンディスパージョン(以下、「PTFEディスパージョン」という。)をコーティングする方法等を挙げることができる。しかし、集電体として機能するためには、導電性を確保する必要がある。撥水性と導電性とを両立させるため、例えば、PTFEディスパージョンに疎水性カーボン材(気相成長法炭素繊維(以下、「VGCF」という。)など)を混合した混合材をコーティングする方法等により、撥水性を付与することが好ましい。具体的なコーティング方法としては、例えば、撥水材の溶液に線材を浸す(ディッピング)方法や、撥水材の溶液を線材表面にスプレー塗布する方法などが考えられる。ただし、線材に撥水性を持たせる方法は、撥水性と導電性とを両立できる方法であれば良く、ここで例示した方法に限定されない。また、ここでいう撥水性とは、例えば、接触角が110°以上のことをいい、好ましくは130°以上180°以下である。   As a method for imparting water repellency to the wires 5a, 5a,... And the wires 5b, 5b,..., For example, a polytetrafluoroethylene dispersion (hereinafter referred to as “PTFE dispersion”) is coated on the surface of the wires. The method etc. can be mentioned. However, in order to function as a current collector, it is necessary to ensure conductivity. In order to achieve both water repellency and conductivity, for example, a method of coating a mixed material in which a PTFE dispersion is mixed with a hydrophobic carbon material (such as vapor grown carbon fiber (hereinafter referred to as “VGCF”)), etc. It is preferable to impart water repellency. As a specific coating method, for example, a method of dipping a wire in a solution of a water repellent material (dipping), a method of spraying a solution of the water repellent material on the surface of the wire, and the like can be considered. However, the method for imparting water repellency to the wire is not limited to the method exemplified here as long as it is a method that can achieve both water repellency and conductivity. The term “water repellency” as used herein means, for example, that the contact angle is 110 ° or more, and preferably 130 ° or more and 180 ° or less.

線材5c、5c、…、及び、線材5dに親水性を付与する方法としては、例えば、線材表面に親水性カーボン(COOH基が付与されたカーボン)材をコーティングする方法等を挙げることができる。ただし、内側集電体6を構成する線材5、5、…に親水性を付与する方法は、親水性と導電性とを両立できる方法であれば良く、ここで例示した方法に限定されない。ここでいう親水性とは、例えば、接触角が90°以下のことをいい、好ましくは0°以上80°以下である。   Examples of the method for imparting hydrophilicity to the wires 5c, 5c,... And the wire 5d include a method of coating a hydrophilic carbon (carbon added with a COOH group) on the surface of the wire. However, the method for imparting hydrophilicity to the wires 5, 5,... Constituting the inner current collector 6 may be any method that can achieve both hydrophilicity and conductivity, and is not limited to the method exemplified here. The hydrophilicity here means, for example, that the contact angle is 90 ° or less, preferably 0 ° or more and 80 ° or less.

図3(b)に示すように、燃料電池10の長手方向で排水性の勾配を持たせるためには、例えば、内側集電体6の撥水性に長手方向で勾配を持たせれば良い。内側集電体6を構成する複数の線材5、5、…に、長手方向で撥水性の勾配を持たせる方法としては、例えば、内側集電体6のうち、構造体3に接する線材5a、5a、…の表面にコーティングする撥水材の量を長手方向で変化させれば良い。線材にディップコート法により撥水材をコーティングする際、撥水材の溶液に浸した線材の引き上げ速度を徐々に変えることにより、線材表面の撥水材の厚さを変化させることができる。具体的には、線材の引き上げ速度を速くすると線材表面の撥水材の厚さが厚くなり、遅くすると撥水材の厚さが薄くなる。例えば、撥水材としてPTFEディスパージョンとVGCFの混合液(混合質量比1:1)を用いて、線材の引き上げ速度を0.5〜5[mm/s]にすると、コート材の厚みを1〜10[μm]とすることができる。また、線材の長手方向で、表面にコーティングする撥水材の組成を変えることによっても、撥水性の勾配を持たせることが可能である。具体的には、撥水材にPTFEディスパージョンとVGCFとの混合物を用いた場合、PTFEディスパージョンの比率を増すことで撥水性を高めることができる。本発明では、線材の長手方向で排水性の勾配を付けられれば良く、その方法はここで例示したものに限定されない。また、排水性の勾配については、図3(b)に示したように、傾斜的に付けることが好ましいが、段階的でも構わない。   As shown in FIG. 3B, in order to give a drainage gradient in the longitudinal direction of the fuel cell 10, for example, the water repellency of the inner current collector 6 may be given a gradient in the longitudinal direction. As a method of giving the plurality of wires 5, 5,... Constituting the inner current collector 6 a gradient of water repellency in the longitudinal direction, for example, among the inner current collectors 6, the wires 5 a that are in contact with the structure 3, What is necessary is just to change the quantity of the water repellent material coated on the surface of 5a, ... in a longitudinal direction. When the water repellent material is coated on the wire by the dip coating method, the thickness of the water repellent material on the surface of the wire can be changed by gradually changing the pulling speed of the wire immersed in the water repellent material solution. Specifically, when the pulling speed of the wire is increased, the thickness of the water repellent material on the surface of the wire is increased, and when the speed is decreased, the thickness of the water repellent material is decreased. For example, when a mixture of PTFE dispersion and VGCF (mixing mass ratio 1: 1) is used as the water repellent material and the wire pulling speed is 0.5 to 5 [mm / s], the thickness of the coating material is 1 To 10 [μm]. It is also possible to give a gradient of water repellency by changing the composition of the water repellent material coated on the surface in the longitudinal direction of the wire. Specifically, when a mixture of PTFE dispersion and VGCF is used as the water repellent material, the water repellency can be increased by increasing the ratio of the PTFE dispersion. In the present invention, it is only necessary to provide a drainage gradient in the longitudinal direction of the wire, and the method is not limited to that exemplified here. Further, as shown in FIG. 3B, the drainage gradient is preferably applied in an inclined manner, but may be stepwise.

(第2実施形態)
以下、図4〜図6を用いて、第2実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池について説明する。図4〜図6において、図1〜図3と同じ構成の部材については、図1〜図3で使用した符合と同じ符号を付し、説明を適宜省略する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the tube type fuel cell according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 6, members having the same configurations as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 1 to 3, and description thereof is omitted as appropriate.

図4は第2実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池を概略的に示す断面図である。図4の紙面奥/手前方向が、内側集電体26の長手方向である。図示のように、本発明のチューブ型燃料電池20(以下、単に「燃料電池20」ということがある。)は、構造体3の内周面側に配設された内側集電体26を具備しており、内側集電体26は、構造体3の軸心を中心とした同心円状に配設された複数の線材25a、25a、…、線材25b、25b、…、線材25c、25c、…、及び、構造体3の軸心に配設された線材25dから成る。内側集電体26を構成する線材25a、25a、…、線材25b、25b、…、線材25c、25c、…、及び、線材25d(以下、これらをまとめて単に「線材25、25、…」ということがある。)は導電性ワイヤ(例えば金属線)によって構成されている。   FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a tube fuel cell according to the second embodiment of the present invention. 4 is the longitudinal direction of the inner current collector 26. As shown in the figure, the tube-type fuel cell 20 of the present invention (hereinafter simply referred to as “fuel cell 20”) includes an inner current collector 26 disposed on the inner peripheral surface side of the structure 3. The inner current collector 26 has a plurality of wires 25a, 25a,..., Wires 25b, 25b,..., Wires 25c, 25c,. And a wire 25d disposed on the axis of the structure 3. Wire rods 25a, 25a,..., Wire rods 25c, 25c,..., And wire rods 25d (hereinafter referred to simply as “wire rods 25, 25,...”). May be formed of a conductive wire (for example, a metal wire).

図5は、図4に示す燃料電池20の一部を拡大して示す断面図である。図5の紙面奥/手前方向が、内側集電体26の長手方向である。図中の矢印は、水が排出される方向を示している。燃料電池20では、内側集電体26のうち、最も外側の線材である線材25a、25a、…にのみ撥水処理が施されている。そのため、線材25a、25a、…の撥水性を、線材25b、25b、…、線材25c、25c、…、及び、線材25dの撥水性よりも高くすることができる。このようにすることで、構造体3の内周面側の水は、内側集電体26の軸心側(親水性が高い方)へ向かって移動するので、カソード電極2aの排水性を向上させることができる。さらに、内側集電体26の軸心側に集まった水は、構造体3の内周面側を流れるガスによって排出される。   FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the fuel cell 20 shown in FIG. The back / front direction in FIG. 5 is the longitudinal direction of the inner current collector 26. The arrows in the figure indicate the direction in which water is discharged. In the fuel cell 20, the water repellent treatment is performed only on the outermost wire rods 25 a, 25 a,. Therefore, the water repellency of the wire rods 25a, 25a,... Can be made higher than the water repellency of the wire rods 25b, 25b,..., The wire rods 25c, 25c,. By doing so, the water on the inner peripheral surface side of the structure 3 moves toward the axial center side (higher hydrophilicity) of the inner current collector 26, so that the drainage of the cathode electrode 2a is improved. Can be made. Further, the water collected on the axial center side of the inner current collector 26 is discharged by the gas flowing on the inner peripheral surface side of the structure 3.

線材25a、25a、…に撥水性を付与する方法としては、例えば、線材5a、5a、…、及び線材5b、5b、…に撥水性を付与する上記方法と同様の方法を用いることができる。   As a method for imparting water repellency to the wires 25a, 25a,..., The same method as the above method for imparting water repellency to the wires 5a, 5a,.

図6は、第2実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池の一部を省略して示す斜視図である。図6の紙面左右方向が、内側集電体26の長手方向である。図中の矢印は空気の流れ方向を示しており、紙面左側が空気の入口側、紙面右側が空気の出口側である。図6に示すように、燃料電池20では、内側集電体26を構成する複数の線材25、25、…を平行に配置している。かかる形態の燃料電池20によっても、構造体3の排水性を向上させることができるので、フラッディングを抑制して発電性能を向上させることが可能になる。   FIG. 6 is a perspective view showing a tube fuel cell according to the second embodiment with a part thereof omitted. The left-right direction in FIG. 6 is the longitudinal direction of the inner current collector 26. The arrows in the figure indicate the direction of air flow, with the left side of the paper being the air inlet side and the right side of the paper being the air outlet side. As shown in FIG. 6, in the fuel cell 20, a plurality of wires 25, 25,... Constituting the inner current collector 26 are arranged in parallel. Also with this form of fuel cell 20, the drainage of the structure 3 can be improved, so flooding can be suppressed and power generation performance can be improved.

(材料)
本発明の燃料電池10、20に備えられる電解質膜1は、プロトン伝導性ポリマーを含有する中空形状の電解質膜である。電解質膜1に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。上記フッ素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、Nafion(「Nafion」は米国デュポン社の登録商標)やフレミオン(「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標)等を挙げることができる。一方、上記炭化水素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、セレミオン等(「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標)を挙げることができる。
(material)
The electrolyte membrane 1 provided in the fuel cells 10 and 20 of the present invention is a hollow electrolyte membrane containing a proton conductive polymer. Specific examples of the proton conductive polymer contained in the electrolyte membrane 1 include a fluorine-based polymer having at least one of a sulfonic acid group, a phosphonic acid group, and a phosphoric acid group with a fluorine-containing polymer as a skeleton. Examples thereof include hydrocarbon-based polymers having a hydrocarbon skeleton. Specific examples of the electrolyte membrane containing the fluorine polymer include Nafion ("Nafion" is a registered trademark of DuPont, USA) and Flemion ("Flemion" is a registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.). On the other hand, as a specific example of the electrolyte membrane containing the hydrocarbon-based polymer, there can be mentioned Selemion and the like (“Selemion” is a registered trademark of Asahi Glass Co., Ltd.).

カソード電極2a及びアノード電極2bは、燃料電池10、20のアノード及びカソードで生じる電気化学反応の触媒として機能する物質(触媒)と、当該電気化学反応で生じるプロトンを伝導させ得る物質(プロトン伝導性物質)とを有していれば、その形態は特に限定されるものではない。上記触媒の具体例としては、Ptのほか、Co、Ru、Ir、Au、Ag、Cu、Ni、Fe、Cr、Mn、V、Ti、Mo、Pd、Rh、Wからなる群より選択される一以上の金属とPtとを有するPt合金等を挙げることができる。上記プロトン伝導性物質の具体例としては、上記電解質膜に含有され得る上記プロトン伝導性ポリマー等を挙げることができる。   The cathode electrode 2a and the anode electrode 2b are a substance (catalyst) that functions as a catalyst for an electrochemical reaction generated at the anode and cathode of the fuel cells 10 and 20, and a substance that can conduct protons generated by the electrochemical reaction (proton conductivity). As long as it has (substance), its form is not particularly limited. Specific examples of the catalyst are selected from the group consisting of Pt, Co, Ru, Ir, Au, Ag, Cu, Ni, Fe, Cr, Mn, V, Ti, Mo, Pd, Rh, and W. Examples thereof include a Pt alloy having one or more metals and Pt. Specific examples of the proton conductive substance include the proton conductive polymer that can be contained in the electrolyte membrane.

内側集電体6、26を構成する線材5、5、…、及び、線材25、25、…、並びに、外側集電体4は、良好な電子伝導性を有する材料によって構成されていれば、その構成材料は特に限定されない。構成材料の具体例としては、銅、銀、金、白金等の金属を挙げることができる。集電体の構成材料として銅が用いられる場合には、耐酸性を向上させるため、その表面を銀、金、白金等によって被覆することが好ましい。   If the wire rods 5, 5,... And the wire rods 25, 25,... Constituting the inner current collectors 6, 26 and the outer current collector 4 are made of a material having good electron conductivity, The constituent material is not particularly limited. Specific examples of the constituent material include metals such as copper, silver, gold, and platinum. When copper is used as a constituent material of the current collector, the surface is preferably covered with silver, gold, platinum, or the like in order to improve acid resistance.

(その他の形態)
これまで、チューブ型燃料電池10、20の内周面側へ空気が供給され、外周面側へ水素が供給される形態について説明したが、チューブ型燃料電池10、20の内周面側へ水素が供給され、外周面側へ空気が供給される形態も採り得る。当該形態では、第一電極2aがアノード電極となり、第二電極2bがカソード電極となる。
(Other forms)
So far, the mode in which air is supplied to the inner peripheral surface side of the tube type fuel cells 10 and 20 and hydrogen is supplied to the outer peripheral surface side has been described. However, hydrogen is supplied to the inner peripheral surface side of the tube type fuel cells 10 and 20. May be supplied, and air may be supplied to the outer peripheral surface side. In the said form, the 1st electrode 2a becomes an anode electrode and the 2nd electrode 2b becomes a cathode electrode.

また、本発明のチューブ型燃料電池の内側集電体は、図1〜図6に示した形態に限定されない。本発明のチューブ型燃料電池に備えられる内側集電体は、第一電極に囲まれた領域内で、構造体の軸心を中心とする同心円状に配置された複数の線材によって構成されていれば良い。   Moreover, the inner side collector of the tube type fuel cell of this invention is not limited to the form shown in FIGS. The inner current collector provided in the tube-type fuel cell of the present invention may be constituted by a plurality of wires arranged concentrically around the axis of the structure within a region surrounded by the first electrode. It ’s fine.

さらにまた、第1実施形態では線材5、5、…の全てに撥水処理、若しくは、親水処理を施した形態を示し、第2実施形態では最も外側の線材5a、5a、…にのみ撥水処理が施される形態を示したが、本発明のチューブ型燃料電池は当該形態に限定されない。本発明では、少なくとも構造体の内周面と接触する複数の線材が撥水性を有していれば良い。   Furthermore, the first embodiment shows a form in which all of the wires 5, 5,... Are subjected to water repellent treatment or hydrophilic treatment, and in the second embodiment, only the outermost wires 5a, 5a,. Although the form to which a process is performed was shown, the tube type fuel cell of this invention is not limited to the said form. In the present invention, it is sufficient that at least a plurality of wires that are in contact with the inner peripheral surface of the structure have water repellency.

本発明のチューブ型燃料電池が採り得る他の形態を図7に示す。図7の紙面奥/手前方向が、内側集電体26の長手方向である。図中の矢印は水が排水される方向を示す。図7において、図1〜図6と同じ構成の部材については、図1〜図6で使用した符合と同じ符号を付し、その説明を適宜省略する。   FIG. 7 shows another embodiment that can be adopted by the tubular fuel cell of the present invention. 7 is the longitudinal direction of the inner current collector 26. The arrows in the figure indicate the direction in which water is drained. In FIG. 7, members having the same configurations as those in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 1 to 6, and description thereof is omitted as appropriate.

図7に示す本発明のチューブ型燃料電池30(以下、単に「燃料電池30」ということがある。)は、外側集電体34にも撥水性を付与させている。外側集電体34の巻き方が疎である場合は、構造体3の外周面側を流れるガスとともに水が流されやすいため、外側集電体34に撥水性が付与されていなくても良い。しかし、外側集電体34の巻き方が密である場合は、構造体3の外周面側の排水性が低下しやすくなるため、外側集電体34にも撥水性を付与することが好ましい。   The tube-type fuel cell 30 of the present invention shown in FIG. 7 (hereinafter simply referred to as “fuel cell 30”) also imparts water repellency to the outer current collector 34. When the winding method of the outer current collector 34 is sparse, water is likely to flow along with the gas flowing on the outer peripheral surface side of the structure 3, so that the outer current collector 34 may not be provided with water repellency. However, when the outer current collector 34 is wound in a dense manner, the drainage on the outer peripheral surface side of the structure 3 is likely to be deteriorated. Therefore, it is preferable to impart water repellency to the outer current collector 34 as well.

なお、本発明の燃料電池10、20、30に関する上記説明では、構造体3の内周面側及び外周面側に拡散層が備えられない形態を例示したが、本発明のチューブ型燃料電池は当該形態に限定されるものではない。フラッディングを抑制しつつ、反応ガスを構造体へ均一に供給可能とする観点からは、構造体3の内周面側及び/又は外周面側に拡散層が備えられる形態とすることが好ましい。本発明のチューブ型燃料電池に拡散層が備えられる場合、当該拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロス等によって構成することができる。   In the above description regarding the fuel cells 10, 20, and 30 of the present invention, the mode in which the diffusion layer is not provided on the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side of the structure 3 is illustrated, but the tube fuel cell of the present invention is It is not limited to the said form. From the viewpoint of allowing the reactant gas to be supplied uniformly to the structure while suppressing flooding, it is preferable that a diffusion layer is provided on the inner peripheral surface side and / or the outer peripheral surface side of the structure 3. In the case where the tubular fuel cell of the present invention is provided with a diffusion layer, the diffusion layer can be composed of carbon paper, carbon cloth, or the like.

1.チューブ型燃料電池セルの作製
表面に金めっきを施した、直径0.23[mm]の複数本の銅製ワイヤに、硝酸処理したケッチェンブラックと導電性樹脂(ドータイト(藤倉化成株式会社製))とを溶媒(アルコール)で混合した混合材を200[℃]で10分以上保持して焼成する親水処理を施した。一方、表面に金めっきを施した、直径0.08[mm]の複数本の銅製ワイヤに、PTFEディスパージョンとVGCFとの混合液(混合質量比1:1)を300[℃]で10分以上保持して焼成する撥水処理を施した。そして、上記親水処理が施された1本のワイヤの周りに、上記親水処理が施された複数本のワイヤを時計回り方向で螺旋状に巻回し、その後、さらにその外側に、上記撥水処理が施された複数本のワイヤを反時計回り方向で螺旋状に巻回した後、さらにまたその外側に、上記撥水処理が施された複数本のワイヤを時計回り方向で螺旋状に巻回することによって、内側集電体を作製した。
1. Fabrication of tube-type fuel battery cell Ketjen black and conductive resin (Dotite (manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd.)) treated with nitric acid on a plurality of copper wires with a diameter of 0.23 [mm] with gold plating on the surface The mixture was mixed with a solvent (alcohol) and subjected to a hydrophilic treatment in which the mixture was baked while being held at 200 [° C.] for 10 minutes or longer. On the other hand, a mixed solution of PTFE dispersion and VGCF (mixing mass ratio 1: 1) is mixed at 300 [° C.] for 10 minutes on a plurality of copper wires having a diameter of 0.08 [mm] with gold plating on the surface. A water repellent treatment for holding and firing was performed. Then, a plurality of wires subjected to the hydrophilic treatment are spirally wound in a clockwise direction around the one wire subjected to the hydrophilic treatment, and then the water-repellent treatment is further provided on the outside thereof. After winding a plurality of wires with a spiral in a counterclockwise direction, the plurality of wires subjected to the water-repellent treatment are wound spirally in a clockwise direction on the outer side. Thus, an inner current collector was produced.

また、白金をケッチェンブラックに担持させたPt/C触媒と、Nafionと、を混合し、さらにエタノールと水を溶媒として添加し、電極用触媒インクを調製した。得られた電極用触媒インクを、上記内側集電体の外側に塗布・乾燥し、さらにその外側に、流動状態の電解質膜組成物(Nafion)を塗布・乾燥し、さらにまたその外側に、上記電極用触媒インクを塗布・乾燥することで、MEAを作製した。このようにして作製したMEAの内径は1[mm]、外径は1.3[mm]、長さは150[mm]であった。さらに、表面に金めっきを施した銅線を、MEAの外周面に巻回して、外側集電体とした。外側集電体の直径は0.08[mm]であった。以上の工程を経て、実施例にかかるチューブ型燃料電池を作製した。   In addition, a Pt / C catalyst in which platinum was supported on ketjen black and Nafion were mixed, and ethanol and water were added as solvents to prepare an electrode catalyst ink. The obtained electrode catalyst ink was applied and dried on the outer side of the inner current collector, and the electrolyte membrane composition (Nafion) in a fluid state was further applied and dried on the outer side. MEA was produced by applying and drying electrode catalyst ink. The MEA thus produced had an inner diameter of 1 [mm], an outer diameter of 1.3 [mm], and a length of 150 [mm]. Furthermore, the copper wire which gave the surface gold plating was wound around the outer peripheral surface of MEA, and it was set as the outer side electrical power collector. The diameter of the outer current collector was 0.08 [mm]. Through the above steps, a tubular fuel cell according to the example was manufactured.

さらに、実施例にかかるチューブ型燃料電池と性能比較を行うため、比較例にかかるチューブ型燃料電池を作製した。比較例にかかるチューブ型燃料電池とは、内側集電体及び外側集電体に撥水処理及び親水処理を施していないチューブ型燃料電池であり、その他の構成については実施例にかかるチューブ型燃料電池と同じである。   Furthermore, in order to perform performance comparison with the tube type fuel cell according to the example, the tube type fuel cell according to the comparative example was manufactured. The tube-type fuel cell according to the comparative example is a tube-type fuel cell in which the inner current collector and the outer current collector are not subjected to water repellent treatment and hydrophilic treatment, and other configurations are the tube-type fuel cells according to the embodiment. Same as battery.

2.I−V特性評価
実施例にかかるチューブ型燃料電池と比較例にかかるチューブ型燃料電池との発電特性を評価した結果を図8に示す。実施例にかかるチューブ型燃料電池と比較例にかかるチューブ型燃料電池との内周面側には酸素含有ガスを供給し、外周面側には水素含有ガスを供給した。このときの実施例にかかるチューブ型燃料電池セルと比較例にかかるチューブ型燃料電池セルとの温度は80[℃]で、反応ガス(水素含有ガス及び酸素含有ガス)の温度は80[℃]とした。比較例にかかるチューブ型燃料電池と、実施例にかかるチューブ型燃料電池とを比較すると、高電流密度領域での性能に違いが見られた。比較例にかかるチューブ型燃料電池では、高電流密度領域で性能が大きく低下するのに対して、実施例にかかるチューブ型燃料電池では、その低下の度合いが小さかった。チューブ型燃料電池が高電流密度領域で性能を大きく低下させる原因は、フラッディングによって触媒へのガスの拡散が妨げられるからであると考えられる。実施例にかかるチューブ型燃料電池では、排水性が向上したことで、高電流密度領域でのフラッディングによる性能低下が抑制された。
2. IV Characteristics Evaluation FIG. 8 shows the results of evaluating the power generation characteristics of the tube fuel cell according to the example and the tube fuel cell according to the comparative example. An oxygen-containing gas was supplied to the inner peripheral surface side of the tube-type fuel cell according to the example and the tube-type fuel cell according to the comparative example, and a hydrogen-containing gas was supplied to the outer peripheral surface side. At this time, the temperature of the tubular fuel cell according to the example and the tubular fuel cell according to the comparative example is 80 [° C.], and the temperature of the reaction gas (hydrogen-containing gas and oxygen-containing gas) is 80 [° C.]. It was. When the tube-type fuel cell according to the comparative example and the tube-type fuel cell according to the example were compared, a difference in performance in a high current density region was observed. In the tube type fuel cell according to the comparative example, the performance is greatly deteriorated in the high current density region, whereas in the tube type fuel cell according to the example, the degree of the decrease is small. It is considered that the reason why the tubular fuel cell greatly deteriorates the performance in the high current density region is that the diffusion of gas to the catalyst is prevented by flooding. In the tubular fuel cell according to the example, the drainage was improved, so that the performance degradation due to flooding in the high current density region was suppressed.

燃料電池10を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell 10. FIG. 燃料電池10の一部を拡大して示す断面図である。2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the fuel cell 10. FIG. 図3(a)は、燃料電池10の一部を省略して示す斜視図である。図3(b)は、燃料電池10の長手方向における排水性の勾配を示す図である。FIG. 3A is a perspective view in which a part of the fuel cell 10 is omitted. FIG. 3B is a diagram illustrating a gradient of drainage in the longitudinal direction of the fuel cell 10. 燃料電池20を概略的に示す断面図である。2 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell 20. FIG. 燃料電池20の一部を拡大して示す断面図である。2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of a fuel cell 20. FIG. 燃料電池20の一部を省略して示す斜視図である。2 is a perspective view showing a part of the fuel cell 20 omitted. FIG. 燃料電池30の形態を示す図である。1 is a diagram showing a form of a fuel cell 30. FIG. 発電特性評価の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of electric power generation characteristic evaluation.

符号の説明Explanation of symbols

1…電解質膜
2a…第一電極
2b…第二電極
3…構造体
4、34…外側集電体
5a、5b、5c、5d、25a、25b、25c、25d…線材
6、26…内側集電体
10、20、30…チューブ型燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrolyte membrane 2a ... 1st electrode 2b ... 2nd electrode 3 ... Structure 4, 34 ... Outer collector 5a, 5b, 5c, 5d, 25a, 25b, 25c, 25d ... Wire rod 6, 26 ... Inner collector Body 10, 20, 30 ... Tube type fuel cell

Claims (6)

中空形状の電解質膜、前記電解質膜の内周面に沿って配設された中空形状の第一電極、及び、前記電解質膜の外周面に沿って配設された中空形状の第二電極、を有する中空形状の構造体、前記構造体の内周面側に配設された内側集電体、並びに、前記構造体の外周面に接して配設された外側集電体、を具備するチューブ型燃料電池であって、
前記内側集電体は、前記第一電極に囲まれた領域内で、前記構造体の軸心を中心とする同心円状に配置された複数の線材によって構成されており、
前記内側集電体の前記線材のうち、隣接する同心円上の前記線材同士は接しているとともに、前記内側集電体の前記線材のうち、最も外側の同心円上の前記線材は、前記構造体と接していて、
前記内側集電体の前記線材のうち、同一円上で隣同士に配置されている前記線材は互いに接していて、
前記内側集電体の前記線材のうち、少なくとも前記最も外側の同心円上に配置された前記線材が、撥水性を有することを特徴とする、チューブ型燃料電池。
A hollow electrolyte membrane, a hollow first electrode disposed along the inner peripheral surface of the electrolyte membrane, and a hollow second electrode disposed along the outer peripheral surface of the electrolyte membrane, A tube type comprising: a hollow structure having an inner current collector disposed on the inner peripheral surface side of the structure; and an outer current collector disposed in contact with the outer peripheral surface of the structure A fuel cell,
The inner current collector is constituted by a plurality of wires arranged concentrically around the axis of the structure within a region surrounded by the first electrode,
Among the wires of the inner current collector, the wires on adjacent concentric circles are in contact with each other, and among the wires of the inner current collector, the wires on the outermost concentric circle are the structure and Touching,
Among the wires of the inner current collector, the wires arranged adjacent to each other on the same circle are in contact with each other,
The tube fuel cell according to claim 1, wherein at least the wire arranged on the outermost concentric circle among the wires of the inner current collector has water repellency.
前記内側集電体の、一つの同心円上に配置された前記線材の親水性は、該同心円の内側に接する同心円上に配置された前記線材の親水性よりも低い、又は等しいことを特徴とする、請求項1に記載のチューブ型燃料電池。 The hydrophilic property of the wire disposed on one concentric circle of the inner current collector is lower than or equal to the hydrophilic property of the wire disposed on the concentric circle in contact with the concentric circle. The tube type fuel cell according to claim 1. 前記内側集電体の、前記最も外側の同心円上の前記線材の径が、前記内側集電体の最も内側に配置された前記線材の径よりも小さいことを特徴とする、請求項1又は2に記載のチューブ型燃料電池。 The diameter of the wire on the outermost concentric circle of the inner current collector is smaller than the diameter of the wire arranged on the innermost side of the inner current collector. A tube type fuel cell according to the above. 前記内側集電体の、一つの同心円上に配置された前記線材の径は、該同心円の内側に接する同心円上に配置された前記線材の径よりも小さい、又は等しいことを特徴とする、請求項3に記載のチューブ型燃料電池。 The diameter of the wire disposed on one concentric circle of the inner current collector is smaller than or equal to the diameter of the wire disposed on the concentric circle in contact with the inner side of the concentric circle. Item 4. The tubular fuel cell according to Item 3. 前記内側集電体は、反応ガスの入口側から出口側に向かうに従い次第に高くなる排水性を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のチューブ型燃料電池。 The tube-type fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the inner current collector has a drainage property that gradually increases from the reaction gas inlet side toward the outlet side. 前記外側集電体が撥水性を有することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載のチューブ型燃料電池。 The tube-type fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the outer current collector has water repellency.
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