JP2009037991A - Mobile body - Google Patents

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Harumichi Nakanishi
治通 中西
Naruaki Murata
成亮 村田
Masahiro Imanishi
雅弘 今西
Yoshihisa Tamura
佳久 田村
Hatsumi Fukuda
はつみ 福田
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mobile body which efficiently feeds air being an oxidizer gas to a hollow cell, and is improved in energy conversion efficiency, in the mobile body such as a vehicle mounted with a fuel cell having the hollow cell. <P>SOLUTION: The mobile body is mounted with the fuel battery which comprises a cell stack 7 including two or more hollow cells 6 in which a fuel electrode is provided on the inner surface of a hollow electrolyte film while an air electrode is provided on the outer surface of it, with at least one end opened. The body comprises an air-intake hole 8 for taking air that is supplied to the air electrode of the hollow cell from the outside of the mobile body, an exhaust hole 9 for exhausting the air to the outside of the mobile body, an air-intake pipe 10, an exhaust pipe 11, and at least one blower 12 which is arranged at the air-intake pipe 10 and/or the exhaust pipe 11, to shape the stream of the air from the air-intake hole 8 to the exhaust hole 9. The air taken-in through the air-intake hole 8 is made to contact to with the air electrode provided on the outer surface of the hollow cell 6 in non-compressed state. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、中空型セルを備える燃料電池を搭載した移動体に関する。   The present invention relates to a moving body equipped with a fuel cell including a hollow cell.

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 using a solid polymer electrolyte as an electrolyte have advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. Has been.

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(燃料極)では(1)式の反応が進行する。
2 → 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(空気極)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空気極側に、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 (fuel electrode).
H 2 → 2H + + 2e (1)
The electrons generated in the formula (1) reach the cathode (air 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 air electrode side by electroosmosis while being hydrated with water.

また、酸素(空気)を酸化剤とした場合、空気極では(2)式の反応が進行する。
2H+ + (1/2)O2 + 2e- → H2O …(2)
空気極で生成した水は、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 (air) is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the air electrode.
2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (2)
Water generated at the air 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燃料極及び他面に空気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 fuel electrode and an air electrode is provided on one surface of a planar solid polymer electrolyte membrane, and the obtained planar membrane / electrode Flat single cells have been developed in which gas diffusion layers are further provided on both sides of the joined body and sandwiched between planar 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面側と外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〜特許文献4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、その内面と外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。しかも、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, solid polymer electrolyte fuel cells have been developed in which hollow cells each provided with electrodes on the inner surface side and outer surface side of a hollow electrolyte membrane are used as basic power generation units (for example, Patent Documents 1 to 5). Reference 4).
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 surface and the outer surface for power generation, it is not necessary to form a gas flow path. Therefore, cost reduction is expected in the manufacture. In addition, 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.

特開平7−296840号公報JP-A-7-296840 特開2000−299118号公報JP 2000-299118 A 特開2004−319113号公報JP 2004-319113 A 特開2004−158335号公報JP 2004-158335 A

従来、中空型セルを備えた燃料電池に関して、上記特許文献1〜特許文献4以外にも多くの技術が研究、開発されている。しかしながら、車両等の移動体に燃料電池を搭載し、燃料電池から得られる電気を動力として用いる際の具体的な搭載形態等については充分考慮されておらず、中空型セルの利点を充分に活かした移動体がない。   Conventionally, many techniques other than the above-described Patent Documents 1 to 4 have been researched and developed for fuel cells including hollow cells. However, a specific mounting mode when a fuel cell is mounted on a moving body such as a vehicle and electricity obtained from the fuel cell is used as power is not sufficiently considered, and the advantages of the hollow cell are fully utilized. There is no moving body.

本発明は以上のような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を搭載した車両等の移動体において、中空型セルに酸化剤ガスである空気を効率よく供給し、エネルギー変換効率に優れた移動体を提供することを目的とする。   The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and in a moving body such as a vehicle equipped with a fuel cell equipped with a hollow cell, air as an oxidant gas is efficiently supplied to the hollow cell. And it aims at providing the mobile body excellent in energy conversion efficiency.

本発明の移動体は、燃料電池を搭載した移動体であって、前記燃料電池は、中空電解質膜の内面に燃料極及び該中空電解質膜の外面に空気極が設けられ且つ少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、2つ以上含むセルスタックを備えており、
前記中空型セルの空気極に供給する空気を、該移動体の外気から取り込む吸気孔と、
前記吸気孔から取り込まれて前記中空型セルの空気極に供給された空気を、該移動体の外部に排出する排気孔と、
前記吸気孔から取り込まれた空気を前記中空型セルの空気極に誘導する吸気管と、
前記中空型セルの空気極に供給された空気を前記排気孔に誘導する排気管と、
前記吸気管及び/又は前記排気管に配置され、且つ、前記吸気孔から前記排気孔に至る空気の流れを形成可能な少なくとも1つの送風機と、を備え、
前記吸気孔から取り込まれた空気を、非圧縮状態で前記中空型セルの外面に設けられた空気極に接触させることを特徴とするものである。
The mobile body of the present invention is a mobile body equipped with a fuel cell, wherein the fuel cell is provided with a fuel electrode on the inner surface of the hollow electrolyte membrane and an air electrode on the outer surface of the hollow electrolyte membrane, and at least one end portion. Is provided with a cell stack including two or more hollow cells opened,
An air intake hole for taking in air to be supplied to the air electrode of the hollow cell from outside air of the moving body;
An exhaust hole for discharging air taken in from the intake hole and supplied to the air electrode of the hollow cell to the outside of the moving body;
An intake pipe for guiding the air taken in from the intake hole to the air electrode of the hollow cell;
An exhaust pipe for guiding the air supplied to the air electrode of the hollow cell to the exhaust hole;
And at least one blower disposed in the intake pipe and / or the exhaust pipe and capable of forming a flow of air from the intake hole to the exhaust hole,
The air taken in from the intake hole is brought into contact with an air electrode provided on the outer surface of the hollow cell in an uncompressed state.

従来、燃料電池において、充分な量の酸素を空気極に供給するために、酸化剤である空気はコンプレッサー等を用いて圧縮された状態で供給されてきた。一般的に、中空電解質膜の外側に空気極が設けられた中空型セルを備える燃料電池は、平型のセルを備える燃料電池と比較して、空気を供給するガス流路構造等の違いから空気供給の際の圧力損失が小さく、また、セルの構造上、単位体積当りの電極面積を大きくすることができる。   Conventionally, in a fuel cell, in order to supply a sufficient amount of oxygen to an air electrode, air as an oxidant has been supplied in a compressed state using a compressor or the like. In general, a fuel cell including a hollow cell in which an air electrode is provided outside a hollow electrolyte membrane is different from a fuel cell including a flat cell because of a difference in a gas flow path structure for supplying air and the like. The pressure loss during air supply is small, and the electrode area per unit volume can be increased due to the cell structure.

本発明者らは、以上のような中空型セルを備えた燃料電池における空気供給特性の高さと電極面積の大きさを生かすことによって、移動体におけるエネルギー変換効率を向上させることが可能であるという知見を得た。そして、移動体に搭載された中空型セルの外面(空気極)に、移動体の外気から取り込んだ空気、典型的には走行風を、コンプレッサーを用いずに非圧縮状態で接触させても、移動体の動力源として充分な電力が得られ、必要に応じて、ファン等の送風機による気流の形成を行うことで、移動体の運転条件に対応した移動体の駆動が可能であることを見出した。   The inventors of the present invention are able to improve the energy conversion efficiency in the moving body by taking advantage of the high air supply characteristics and the electrode area in the fuel cell including the hollow cell as described above. Obtained knowledge. And even if the air taken in from the outside air of the mobile body, typically the traveling wind, is brought into contact with the outer surface (air electrode) of the hollow cell mounted on the mobile body in an uncompressed state without using a compressor, It has been found that sufficient power can be obtained as a power source for the moving body, and if necessary, the moving body can be driven in accordance with the operating conditions of the moving body by forming an air flow with a blower such as a fan. It was.

本発明の移動体は、コンプレッサーを用いない又はコンプレッサーの使用頻度を減らすことが可能であるため、コンプレッサーの圧縮空気を供給する燃料電池を搭載した移動体と比較して、コンプレッサーを稼動させるのに必要な電力を削減したり、コンプレッサーの小型化、コンプレッサー搭載分の移動体の小型化や軽量化等が可能であるため、発電効率に優れている。また、コンプレッサーでは困難だった低圧、低流量の空気供給が可能であるため、燃料電池の細やかな作動制御や発電効率の高い低電流域での発電が達成できる。
また、本発明の移動体は、吸気孔から排気孔に至る空気の流路の少なくとも1箇所に送風機を設けており、必要に応じて該送風機を作動させて吸気孔から排気孔に至る気流を形成することによって、吸気孔からの空気の取り込み効率を高めることが可能であることから、吸気孔から取り込まれる空気量を制御することができ、空気極への空気供給量のコントロールが可能である。しかも、送風機の設置により、吸気孔の開口方向の自由度が高くなるという利点もある。前記送風機は、吸気孔からセルスタックへと流れる空気流の抵抗の低さ、また、均一な空気流の形成等の観点から、少なくとも前記排気管に設けられていることが好ましい。
Since the moving body of the present invention does not use a compressor or can reduce the frequency of use of the compressor, the moving body can be operated in comparison with a moving body equipped with a fuel cell that supplies compressed air of the compressor. The power generation efficiency is excellent because the required power can be reduced, the size of the compressor can be reduced, and the moving body can be reduced in size and weight. In addition, since low-pressure, low-flow air supply, which was difficult with a compressor, is possible, detailed operation control of the fuel cell and power generation in a low current region with high power generation efficiency can be achieved.
Further, the moving body of the present invention is provided with a blower in at least one position of the air flow path from the intake hole to the exhaust hole, and operates the blower as necessary to generate an air flow from the intake hole to the exhaust hole. By forming, it is possible to increase the efficiency of air intake from the air intake hole, so the amount of air taken in from the air intake hole can be controlled, and the amount of air supplied to the air electrode can be controlled. . In addition, there is an advantage that the degree of freedom in the opening direction of the intake holes is increased by installing the blower. The blower is preferably provided at least in the exhaust pipe from the viewpoint of low resistance of airflow flowing from the intake hole to the cell stack, and formation of a uniform airflow.

前記吸気孔からより効率的に空気を取り込むことが可能であることから、前記吸気孔から前記排気孔に至る空気の流路は、前記移動体が前方に移動する際に生じる該移動体に対して相対的な気流である走行風が、前記吸気孔に流入して前記中空型セルの空気極に接触し、前記排気孔から排出可能な構造を有していることが好ましい。移動体の移動により生じる走行風を有効利用することで、効率よく外気を取り込むことが可能となる。   Since air can be taken in more efficiently from the intake hole, the air flow path from the intake hole to the exhaust hole is in contrast to the movable body that is generated when the movable body moves forward. It is preferable that the traveling wind, which is a relative air flow, flows into the intake hole, contacts the air electrode of the hollow cell, and is discharged from the exhaust hole. By effectively using the traveling wind generated by the movement of the moving body, it is possible to efficiently take in outside air.

前記吸気管にエアフィルタを設ける場合、吸気孔から取り込まれた外気からほこり等が進入するのを防止することができる。   When an air filter is provided in the intake pipe, it is possible to prevent dust and the like from entering from outside air taken in from the intake hole.

中空型セルの外面における空気流の流量の調整等が可能となることから、前記排気管に背圧弁が設けられていることが好ましい。背圧弁を備える構造の場合、前記吸気孔の断面積が、前記排気孔の断面積を大きくすることで、背圧弁による空気流の流量の調整がより容易となる。   It is preferable that a back pressure valve is provided in the exhaust pipe because it is possible to adjust the flow rate of the air flow on the outer surface of the hollow cell. In the case of a structure including a back pressure valve, the cross-sectional area of the intake hole increases the cross-sectional area of the exhaust hole, so that the flow rate of the air flow by the back pressure valve can be easily adjusted.

吸気孔から取り込まれた空気を、セルスタックを構成する複数の各中空型セルに効率よく供給する観点から、前記セルスタックは、前記中空型セルの外面に接触する空気の流通方向の垂直面に対する投影面積が、該空気の流通方向の平行面に対する投影面積よりも大きくなるように、前記中空型セルが配列されていることが好ましい。   From the viewpoint of efficiently supplying the air taken in from the intake holes to each of the plurality of hollow cells constituting the cell stack, the cell stack is in contact with the vertical surface in the air flow direction that contacts the outer surface of the hollow cell. It is preferable that the hollow cells are arranged so that a projected area is larger than a projected area with respect to a parallel plane in the air flow direction.

同様に、吸気孔から取り込まれた空気を、セルスタックを構成する複数の各中空型セルに効率よく供給するためには、空気の流通方向に対する中空型セルの配列形態が重要であり、このような観点から、例えば、前記セルスタックにおいて、前記中空型セルは、該中空型セルの外面に接触する空気の流通方向に対してその軸方向が非平行となるように配置されていることが好ましく、特に、前記中空型セルは、該中空型セルの外面に接触する空気の流通方向に対してその軸方向が略垂直となるように配置されていることが好ましい。   Similarly, in order to efficiently supply the air taken in from the air intake holes to each of the plurality of hollow cells constituting the cell stack, the arrangement form of the hollow cells with respect to the air flow direction is important. From such a viewpoint, for example, in the cell stack, the hollow cells are preferably arranged such that the axial direction thereof is non-parallel to the flow direction of the air contacting the outer surface of the hollow cells. In particular, the hollow cell is preferably arranged so that its axial direction is substantially perpendicular to the flow direction of air contacting the outer surface of the hollow cell.

さらに、同様の観点から、前記セルスタックにおいて、2つ以上の前記中空型セルは、該中空型セルの外面に接触する空気の流通方向に対して千鳥配置されていることが好ましい。   Furthermore, from the same viewpoint, in the cell stack, it is preferable that two or more hollow cells are arranged in a staggered manner with respect to the air flow direction in contact with the outer surface of the hollow cell.

また、同様に、空気極への空気の供給効率の観点から、前記セルスタックは、前記中空型セルの外面に接触する空気の流通方向の垂直面に対する投影面積が、前記吸気孔の断面積よりも小さいことが好ましい。   Similarly, from the viewpoint of the efficiency of supplying air to the air electrode, the cell stack has a projected area with respect to a vertical plane in the air flow direction that contacts the outer surface of the hollow cell, from the cross-sectional area of the intake hole. Is preferably small.

本発明の移動体は、前記移動体のアクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、前記中空型セルの空気極に供給されている空気供給量を検出する空気供給量検出手段と、記アクセル開度検出手段からの情報に基づいて前記空気極に供給される空気の要求量を決定し、該空気要求量に対する前記空気供給量の不足分を算出して、前記空気極に該空気要求量が供給されるように、空気不足分に応じて前記送風機を作動させる送風機制御手段と、を備えることによって、燃料電池に要求される出力に応じた空気要求量を中空型セルに供給することが可能である。
このとき、具体的には、前記空気供給量検出手段が、前記吸気管及び/又は前記排気管に設けられたガス流量計、或いは、前記移動体の速度を検出する速度検出器、の少なくとも一つを備える場合、空気の流量及び/又は移動体の速度から空気供給量を検出することができる。
The moving body of the present invention includes an accelerator opening detecting means for detecting an accelerator opening of the moving body, an air supply amount detecting means for detecting an air supply amount supplied to an air electrode of the hollow cell, A required amount of air supplied to the air electrode is determined based on information from the accelerator opening detecting means, and a shortage of the air supply amount with respect to the required air amount is calculated, and the air request is supplied to the air electrode. By supplying a blower control means for operating the blower according to a shortage of air so that the amount of air is supplied, the air requirement amount according to the output required for the fuel cell is supplied to the hollow cell. Is possible.
At this time, specifically, the air supply amount detection means is at least one of a gas flow meter provided in the intake pipe and / or the exhaust pipe or a speed detector for detecting the speed of the moving body. When one is provided, the air supply amount can be detected from the air flow rate and / or the moving body speed.

本発明の移動体は、外気から取り込んだ空気を圧縮せずに燃料電池に供給するため、コンプレッサーを用いて圧縮した空気を燃料電池に供給する場合と比較して、コンプレッサー稼動分、エネルギー効率を向上させることができ、また、コンプレッサー搭載分の軽量化及び小型化も可能である。さらには、コンプレッサーでは困難であった低圧、低流量の空気供給が可能であるため、燃料電池のより複雑で細やかな運転制御や発電効率の高い低電流域での運転を達成できる。   Since the moving body of the present invention supplies the air taken in from the outside air to the fuel cell without being compressed, compared with the case where the air compressed using the compressor is supplied to the fuel cell, the amount of compressor operation and energy efficiency are improved. In addition, the weight and size of the compressor can be reduced. Furthermore, since low-pressure and low-flow air supply, which was difficult with a compressor, is possible, more complex and detailed operation control of the fuel cell and operation in a low current region with high power generation efficiency can be achieved.

本発明の移動体は、燃料電池を搭載した移動体であって、前記燃料電池は、中空電解質膜の内面に燃料極及び該中空電解質膜の外面に空気極が設けられ且つ少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、2つ以上含むセルスタックを備えており、
前記中空型セルの空気極に供給する空気を、該移動体の外気から取り込む吸気孔と、前記吸気孔から取り込まれて前記中空型セルの空気極に供給された空気を、該移動体の外部に排出する排気孔と、前記吸気孔から取り込まれた空気を前記中空型セルの空気極に誘導する吸気管と、前記中空型セルの空気極に供給された空気を前記排気孔に誘導する排気管と、前記吸気管及び/又は前記排気管に配置され、且つ、前記吸気孔から前記排気孔に至る空気の流れを形成可能な少なくとも1つの送風機と、を備え、
前記吸気孔から取り込まれた空気を、非圧縮状態で前記中空型セルの外面に設けられた空気極に接触させることを特徴とする。
The mobile body of the present invention is a mobile body equipped with a fuel cell, wherein the fuel cell is provided with a fuel electrode on the inner surface of the hollow electrolyte membrane and an air electrode on the outer surface of the hollow electrolyte membrane, and at least one end portion. Is provided with a cell stack including two or more hollow cells opened,
An air intake hole that takes in air to be supplied to the air electrode of the hollow cell from outside air, and an air that is taken in from the air intake hole and supplied to the air electrode of the hollow cell is outside the mobile body. An exhaust hole for discharging air to the air electrode of the hollow cell, and an exhaust gas for guiding the air supplied to the air electrode of the hollow cell to the exhaust hole A pipe, and at least one blower arranged in the intake pipe and / or the exhaust pipe and capable of forming a flow of air from the intake hole to the exhaust hole,
The air taken in from the intake hole is brought into contact with an air electrode provided on the outer surface of the hollow cell in an uncompressed state.

以下、図1〜6を用いて、本発明の移動体について説明していく。図1〜6は、移動体や燃料電池の構造を容易に理解可能とするため、構成部材・構成要素を適宜省略して示している。   Hereinafter, the moving body of the present invention will be described with reference to FIGS. In FIGS. 1 to 6, components and components are appropriately omitted in order to facilitate understanding of the structure of the moving body and the fuel cell.

尚、下記の実施形態においては、燃料として水素ガス、酸化剤として空気(酸素)を用いた固体高分子型燃料電池を中心に説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。
また、本発明において移動体とは、自動車、電車、二輪車、船舶、航空機等、動力源を備え、自走可能なものである。また、移動体は、搭載する燃料電池を動力として移動するものであっても、燃料電池以外の動力源を備え、該動力源のみを動力として、又は、該動力源と燃料電池を動力として移動するものであってもよく、さらには、燃料電池を移動の動力源として使用しないものであってもよい。
In the following embodiment, the description will focus on a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen gas as a fuel and air (oxygen) as an oxidant, but the present invention is not limited to the following embodiment. Absent.
Further, in the present invention, the moving body includes a power source such as an automobile, a train, a two-wheeled vehicle, a ship, and an aircraft, and is capable of self-propelled. In addition, even if the moving body moves using the mounted fuel cell as power, the moving body includes a power source other than the fuel cell and moves only with the power source or with the power source and the fuel cell as power. In addition, the fuel cell may not be used as a power source for movement.

図1は、本発明の移動体(自動車)の一形態例を示す図であり、図2はセルスタックへの空気供給と水素供給を示す概念図である。
図1及び図2において、移動体100は、複数の中空型セル6(図3〜図4参照)を有するセルスタック7を備えた燃料電池を搭載している。また移動体100は、該セルスタック7を構成する中空型セル6の空気極3に供給する空気を該移動体100の外気から取り込む吸気孔8と、該吸気孔8から取り込まれて中空型セル6の空気極3に供給された空気を該移動体100の外部に排出する排気孔9と、を有している。吸気孔8から取り込まれた空気は吸気管10により中空型セル6の外面(空気極3)に誘導され、該空気極3に供給された空気は排気管11により排気孔9へと誘導される。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a mobile body (automobile) according to the present invention, and FIG. 2 is a conceptual diagram showing air supply and hydrogen supply to a cell stack.
1 and 2, the moving body 100 includes a fuel cell including a cell stack 7 having a plurality of hollow cells 6 (see FIGS. 3 to 4). The moving body 100 includes an intake hole 8 for taking in air supplied to the air electrode 3 of the hollow cell 6 constituting the cell stack 7 from outside air of the moving body 100, and a hollow type cell taken in from the intake hole 8. 6 and an exhaust hole 9 for discharging the air supplied to the air electrode 3 to the outside of the moving body 100. The air taken in from the intake hole 8 is guided to the outer surface (air electrode 3) of the hollow cell 6 by the intake pipe 10, and the air supplied to the air electrode 3 is guided to the exhaust hole 9 by the exhaust pipe 11. .

吸気孔8から、セルスタック7を通過し、排気孔9に至る空気の流路(空気流路)13は、移動体100が前方に移動する際に生じる、移動体100に対して相対的な気流である走行風が、吸気孔8に流入して中空型セル6の空気極3に接触し、排気孔9から排出可能な構造を有している。ゆえに、移動体が前方(図1中の移動方向)に移動する際には、走行風が効率よく吸気孔8から空気流路13内に流入し、中空型セル6へと供給される。   An air flow path (air flow path) 13 that passes from the intake hole 8 through the cell stack 7 to the exhaust hole 9 is relative to the moving body 100 that is generated when the moving body 100 moves forward. A traveling wind, which is an airflow, flows into the intake hole 8, contacts the air electrode 3 of the hollow cell 6, and can be discharged from the exhaust hole 9. Therefore, when the moving body moves forward (moving direction in FIG. 1), the traveling wind efficiently flows into the air flow path 13 from the intake hole 8 and is supplied to the hollow cell 6.

さらに、排気管11には送風機(ファン)12が配置されており、必要に応じて、移動体100の移動により発生する気流(走行風)以外を動力として送風機12を駆動させることによって、送風機12の前方(空気流路上流側)の空気が吸い込まれ、該送風機12の後方へ送られて排出孔9から強制的に排出され、空気流路13内に吸気孔8から排気孔9へ流れる気流が形成可能となっている。   Further, a blower (fan) 12 is disposed in the exhaust pipe 11 and, if necessary, the blower 12 is driven by using a power other than an air flow (running wind) generated by the movement of the moving body 100 as power. The air in front of the air (upstream side of the air flow path) is sucked, sent to the rear of the blower 12, forcibly discharged from the discharge hole 9, and the airflow flowing from the intake hole 8 to the exhaust hole 9 in the air flow path 13 Can be formed.

本発明者らは、中空電解質膜の内側に燃料極及び外側に空気極を設けた中空型セルを備える燃料電池(以下、中空型燃料電池ということがある)が、平型のセルを備える燃料電池(以下、平型燃料電池ということがある)と比較して、空気極に供給される空気の圧力損出が著しく低いこと、及び、単位体積あたりの電極面積を大きくすることが可能であることに着目した。そして、これらの特性から、中空型セルを備える燃料電池は、平型セルを備える燃料電池のように、コンプレッサーを用いて圧縮した空気を圧送しなくても、充分な発電量が得られることを見出した。   The inventors of the present invention provide a fuel cell having a hollow cell in which a fuel electrode is provided on the inner side of the hollow electrolyte membrane and an air electrode on the outer side (hereinafter also referred to as a hollow fuel cell), and a fuel having a flat cell. Compared with a battery (hereinafter sometimes referred to as a flat fuel cell), the pressure loss of air supplied to the air electrode is remarkably low, and the electrode area per unit volume can be increased. Focused on that. From these characteristics, a fuel cell having a hollow cell can obtain a sufficient amount of power generation without pumping air compressed using a compressor, unlike a fuel cell having a flat cell. I found it.

すなわち、中空型燃料電池は、空気供給における圧力損出が低いことから、非圧縮状態の空気を供給しても空気極に充分量の酸素を供給することが可能であり、単位体積当りの電極面積を大きくとることができることから、電極単位面積当りの発電量が低くても、燃料電池の単位体積当りの発電量としては、充分な性能を得ることが可能である。以上のような中空型燃料電池の特性を充分に生かした本発明では、コンプレッサーを使用しない、コンプレッサーの使用頻度を減らす、又はコンプレッサーの圧縮比を低下させることができるため、コンプレッサーを稼動させる電力の削減、搭載コンプレッサーの小型化、コンプレッサー搭載分の移動体の小型化及び軽量化が可能である。その結果、燃料電池の発電効率を向上させることができる。   That is, since the hollow fuel cell has a low pressure loss in the air supply, a sufficient amount of oxygen can be supplied to the air electrode even when non-compressed air is supplied. Since the area can be increased, sufficient performance can be obtained as the power generation amount per unit volume of the fuel cell even when the power generation amount per electrode unit area is low. In the present invention that makes full use of the characteristics of the hollow fuel cell as described above, the compressor is not used, the frequency of use of the compressor can be reduced, or the compression ratio of the compressor can be lowered. It is possible to reduce the size, reduce the size of the installed compressor, and reduce the size and weight of the moving body. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell can be improved.

しかも、本発明の移動体によれば、コンプレッサーによる空気供給を行う燃料電池では困難だった、低圧、低流量の空気供給が可能であり、燃料電池の細やかな作動制御や発電効率の高い低電流域での発電を実現することができる。   In addition, according to the moving body of the present invention, it is possible to supply air at a low pressure and a low flow rate, which has been difficult with a fuel cell that supplies air by a compressor. Power generation in the basin can be realized.

さらに、本発明の移動体は、空気をセルスタックへ導き、移動体外へと排出する空気路(吸気孔から排気孔に至る空気の流路)の少なくとも1箇所に送風機を設けており、必要に応じて該送風機を作動させることによって、吸気孔から排気孔へと流れる空気流を強制的に形成することが可能であることから、吸気孔から取り込まれる空気量を制御することができ、空気極への空気供給量のコントロールが可能である。しかも、送風機の設置により、強制的な空気流の形成が可能であることから、吸気孔の開口方向の自由度が高くなるという利点もある。具体的には、移動体の移動方向と直交するような方向に向かって開口する吸気孔からでも、送風機による空気流の形成作用によって、移動体の外気を吸気孔から取り込むことが可能である。   Furthermore, the moving body of the present invention is provided with a blower in at least one place of an air path (air flow path from the intake hole to the exhaust hole) that guides air to the cell stack and discharges it to the outside of the moving body. By operating the blower accordingly, it is possible to forcibly form an air flow flowing from the intake hole to the exhaust hole, so that the amount of air taken in from the intake hole can be controlled, and the air electrode The air supply amount can be controlled. In addition, since the forced air flow can be formed by installing the blower, there is an advantage that the degree of freedom in the opening direction of the intake holes is increased. Specifically, it is possible to take in the outside air of the moving body from the intake hole by the air flow forming action by the blower even from the intake hole that opens in a direction orthogonal to the moving direction of the moving body.

本発明において、「空気を非圧縮状態で中空型セルの外面に接触させる」とは、吸気孔から流入する空気流を、コンプレッサー(圧縮機)を介して吐出圧力を高め且つ圧縮した状態で中空型セルの外面に接触させるのではなく、吸気孔から排気孔へと流れる空気流を、コンプレッサーを介さずに、且つ、中空型セルの外面における気圧が110kPa以下に保持されるように、中空型セルの外面に接触させることである。通常の燃料電池における空気の圧縮率1.5〜2、圧力150kPa以上と比較するとその圧縮率及び圧力は大幅に小さい。典型的には、吸気孔から流入した空気をそのまま中空型セルの外面へ導くことであり、大気の流れである風や、移動体の移動による生じる該移動体に対して相対的な気流である走行風等、吸気孔に自然に流入してくる気流を利用する。吸気孔に自然に流入してくる気流のみでは、空気供給量が不足したとしても、送風機を作動させたり、或いは、背圧弁により排気管の管径を絞り、空気流量を制御する程度で充分に補うことができる。
尚、本発明は、空気極に供給する空気の圧力を高めたり、圧縮することを完全に排除するものではなく、本発明の効果を損なわない範囲で、必要に応じて適宜、圧力の付加、圧縮を行ってよい。コンプレッサーを搭載し、燃料電池に高出力が望まれる時に一時的に使用してもよい。また、ファン等の送風機により、吸気孔から流入して中空型セルの外面を流通する気流を発生させた場合、吸気孔から排気孔に至る空気流路の構造によっては、空気流の圧力が上昇したり、空気流の圧縮が生じる場合もあるが、コンプレッサーによる圧縮空気と比較すると、その圧力及び圧縮率は小さく、また、コンプレッサー作動ほどエネルギーを要しない。
In the present invention, “the air is brought into contact with the outer surface of the hollow cell in an uncompressed state” means that the air flow flowing in from the intake hole is hollow in a state where the discharge pressure is increased and compressed through the compressor (compressor). Instead of contacting the outer surface of the mold cell, the air flow that flows from the intake hole to the exhaust hole does not go through the compressor, and the air pressure on the outer surface of the hollow cell is maintained at 110 kPa or less. It is to contact the outer surface of the cell. Compared with an air compression rate of 1.5 to 2 and a pressure of 150 kPa or more in a normal fuel cell, the compression rate and pressure are significantly smaller. Typically, the air flowing in from the intake hole is directly guided to the outer surface of the hollow cell, and is a wind that is an air flow or an air flow that is relative to the moving body caused by the movement of the moving body. Use airflow that naturally flows into the air intake holes, such as traveling wind. Even with an air flow that naturally flows into the air intake holes, even if the air supply is insufficient, it is sufficient to operate the blower or restrict the air flow rate by restricting the exhaust pipe diameter using the back pressure valve. Can be supplemented.
It should be noted that the present invention does not completely eliminate increasing or compressing the pressure of air supplied to the air electrode, and appropriately adding pressure as necessary, as long as the effects of the present invention are not impaired. Compression may be performed. A compressor may be installed and used temporarily when high output is desired for the fuel cell. Also, when a fan or other blower generates an airflow that flows from the intake hole and flows through the outer surface of the hollow cell, the pressure of the airflow increases depending on the structure of the air flow path from the intake hole to the exhaust hole. However, as compared with compressed air produced by a compressor, its pressure and compression ratio are small, and it requires less energy than compressor operation.

また、送風機とは、気流を形成するものであり、コンプレッサーのように気体を圧縮(圧縮率2以上)するものではなく、具体的には、シロッコファン、軸流ファン等のファン(圧縮率1.1以下)等が挙げられる。   The blower forms an air flow and does not compress gas (compression ratio of 2 or more) unlike a compressor. Specifically, a fan such as a sirocco fan or an axial fan (compression ratio 1). .1 or less).

送風機は、図1のように排気管に設けたり、或いは、吸気管に設けたり、さらには、排気管と吸気管の両方に設けることができる。セルスタックの中空型セルの周囲を流れる空気流の一様性の観点から、送風機は少なくとも排気管に設けることが好ましい。中空型セルの周囲を流れる空気流の一様性が高まることで、セルスタックの発電効率向上、中空型セルの耐久性向上等の効果が得られるからである。また、空気流路におけるセルスタックの下流側に送風機を配置することによって、非作動時の送風機が空気流の抵抗となるのを防止することができる。
吸気管及び排気管それぞれに配置する送風機は1つでも2つ以上でもよい。
The blower can be provided in the exhaust pipe as shown in FIG. 1, or in the intake pipe, and can be provided in both the exhaust pipe and the intake pipe. From the viewpoint of the uniformity of the airflow that flows around the hollow cells of the cell stack, the blower is preferably provided at least in the exhaust pipe. This is because the uniformity of the air flow that flows around the hollow cell increases, so that effects such as improved power generation efficiency of the cell stack and improved durability of the hollow cell can be obtained. In addition, by disposing the blower on the downstream side of the cell stack in the air flow path, it is possible to prevent the blower during non-operation from becoming a resistance to the air flow.
One or two or more blowers may be disposed in each of the intake pipe and the exhaust pipe.

送風機は移動体が移動している際には、吸気孔から流入する走行風によって空転しているが、燃料電池やバッテリー等、移動体に搭載された動力源により作動させることで、吸気孔から排出孔へ流れる気流を形成することができる。送風機は、運転者の加速意思に従って、或いは、走行風が利用できない移動体停止時等、燃料電池に要求される発電量を実現する空気供給量の制御を必要とする際に、移動体の外気を中空型セルの外面(空気極)へと効率よく供給するため、必要に応じて作動させればよい。   When the moving body is moving, the blower is idling due to the traveling wind flowing from the intake hole, but by operating it with a power source mounted on the moving body such as a fuel cell or battery, An airflow flowing to the discharge hole can be formed. When the air blower needs to control the air supply amount that achieves the amount of power generation required for the fuel cell, such as when the driver is accelerating, or when the moving body is stopped when the traveling wind cannot be used, May be operated as necessary to efficiently supply the gas to the outer surface (air electrode) of the hollow cell.

送風機の作動(on・off)や、回転数等の具体的な作動は、移動体の運転状態や、運転者の加速意思などに応じて制御することが好ましい。送風機の具体的な制御システムとしては、例えば、以下のようなものが挙げられる。すなわち、移動体のアクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、中空型セルの空気極に供給されている空気供給量を検出する空気供給量検出手段と、上記アクセル開度検出手段からの情報に基づいて中空型セルの空気極に供給される空気の要求量を決定し、該空気要求量に対する上記空気供給量の不足分を算出して、空気極に空気要求量が供給されるように、空気不足分に応じて送風機を作動させる送風機制御手段とを備えるものである。   It is preferable to control the operation of the blower (on / off) and the specific operation such as the rotational speed in accordance with the driving state of the moving body, the driver's intention to accelerate, and the like. Specific examples of the blower control system include the following. That is, an accelerator opening degree detecting means for detecting the accelerator opening degree of the moving body, an air supply amount detecting means for detecting an air supply amount supplied to the air electrode of the hollow cell, and the accelerator opening degree detecting means Based on the information, the required amount of air supplied to the air electrode of the hollow cell is determined, the shortage of the air supply amount with respect to the required air amount is calculated, and the required air amount is supplied to the air electrode. And a blower control means for operating the blower according to the air shortage.

アクセル開度は、移動体の運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に対応しており、運転者の加速意思を表す。ゆえに、アクセル開度を検出することで、運転者の要求駆動力を設定することができ、アクセル開度検出手段の情報に基づいて、要求駆動力を達成する発電量を得るために燃料電池を構成する中空型セルの空気極に供給する必要のある空気量(空気要求量)を決定することができる。一方で、実際に中空型セルの空気極に供給されている空気量を空気供給量検出手段により検出し、上記空気要求量に対する不足分(空気要求量−空気供給量)を算出して、空気要求量が中空型セルの空気極に供給されるように、空気不足分に応じて送風機を作動させることによって、要求駆動力に応じた発電量を実現することができる。
実際に空気極に供給されている空気量を検出する手段(空気供給量検出手段)としては、特に限定されず、例えば、前記吸気管及び/又は排気管に設けられたガス流量計や、移動体の速度を検出する速度検出器が挙げられる。ガス流量計と速度検出器は、それぞれ、他の空気供給量検出手段と組み合わせてもよく、ガス流量計と速度検出器を組み合わせてもよい。
アクセル開度検出手段や、送風機制御手段の具体的構成は限定されず、一般的な手段に準じることができる。
The accelerator opening corresponds to the amount of depression of the accelerator pedal by the driver of the moving body, and represents the driver's intention to accelerate. Therefore, by detecting the accelerator opening, the driver's required driving force can be set. Based on the information of the accelerator opening detecting means, the fuel cell is obtained in order to obtain the power generation amount that achieves the required driving force. It is possible to determine the amount of air that needs to be supplied to the air electrode of the hollow cell to be formed (required air amount). On the other hand, the amount of air actually supplied to the air electrode of the hollow cell is detected by the air supply amount detection means, and a deficiency with respect to the air requirement amount (air requirement amount−air supply amount) is calculated. By operating the blower according to the shortage of air so that the required amount is supplied to the air electrode of the hollow cell, a power generation amount corresponding to the required driving force can be realized.
The means for detecting the amount of air actually supplied to the air electrode (air supply amount detecting means) is not particularly limited, and for example, a gas flow meter provided in the intake pipe and / or the exhaust pipe, or movement One example is a speed detector that detects the speed of the body. Each of the gas flow meter and the speed detector may be combined with other air supply amount detection means, or may be combined with the gas flow meter and the speed detector.
The specific configurations of the accelerator opening detection means and the blower control means are not limited, and can conform to general means.

本発明の移動体において、走行風が吸気孔に流入して中空型セルの空気極に接触し、排出孔から排出されることを可能とする空気流路の具体的な構造は、移動体の移動により生じる走行風が、吸気孔内に流入し、吸気孔からつながる空気流路上に配置された中空型セルの外面に接触することができれば、特に限定されない。吸気孔からの効率的な走行風の取り込みの観点から、吸気孔が移動体の前方、排気孔が移動体の後方に配置され、吸気孔から排気孔に至る空気流路が、移動体の移動方向に沿って形成されていることが好ましく、典型的には、吸気孔から排気孔までが、略直線状の流路であることが好ましい。このような空気流路は、空気抵抗が小さく、吸気孔から効率よく走行風を取り込むことが可能であり、中空型セルに供給する空気の流量を確保することができる。   In the moving body of the present invention, the specific structure of the air flow path that allows the traveling wind to flow into the intake hole, contact the air electrode of the hollow cell, and be discharged from the discharge hole is as follows. There is no particular limitation as long as the traveling wind generated by the movement flows into the intake holes and can come into contact with the outer surface of the hollow cell disposed on the air flow path connected to the intake holes. From the viewpoint of efficient air intake from the intake holes, the intake holes are arranged in front of the moving body, the exhaust holes are arranged behind the moving body, and the air flow path from the intake holes to the exhaust holes is used to move the moving body. It is preferably formed along the direction, and typically, it is preferable that the flow path from the intake hole to the exhaust hole is a substantially linear flow path. Such an air flow path has a low air resistance, can efficiently take in the traveling wind from the intake holes, and can secure a flow rate of air supplied to the hollow cell.

図1や図2のように、排気管11に背圧弁15を設けることによって、中空型セル6に接触させる空気量(流量)をコントロールすることが可能である。例えば、要求電流が低電流である場合、空気極で必要な酸素量が少ないと共に、空気極で生成する水分量が少ないため、空気極に供給される空気は少量でよく、大流量の空気を接触させると中空型セルから水分を奪い、却って中空型セルの発電性能を低下させるおそれがある。そこで、背圧弁を絞って排気管の径を縮小することで、吸気孔から流入する空気量を調節し、中空型セルに接触する空気の流量を低くすることによって、要求電流を発電しつつ、中空型セルの乾燥を抑制することができる。逆に、要求電流が高電流である場合には、背圧弁を開いて排気管の径を拡大することによって、空気極に多くの酸素を効率よく供給することが可能となる。   As shown in FIGS. 1 and 2, by providing the exhaust pipe 11 with the back pressure valve 15, it is possible to control the amount of air (flow rate) brought into contact with the hollow cell 6. For example, when the required current is low, the amount of oxygen required at the air electrode is small and the amount of moisture generated at the air electrode is small, so a small amount of air is supplied to the air electrode. If contact is made, moisture may be taken from the hollow cell, and on the contrary, the power generation performance of the hollow cell may be reduced. Therefore, by restricting the back pressure valve and reducing the diameter of the exhaust pipe, the amount of air flowing in from the intake hole is adjusted, and the flow rate of air contacting the hollow cell is lowered, while generating the required current, Drying of the hollow cell can be suppressed. Conversely, when the required current is high, it is possible to efficiently supply a large amount of oxygen to the air electrode by opening the back pressure valve and expanding the diameter of the exhaust pipe.

図1のように排気管に送風機と背圧弁を設ける場合には、送風機が背圧弁の上流側、すなわち、送風機と排気孔の間に背圧弁を設ける。
また、排気管に背圧弁を設ける形態において、吸気孔の断面積を排気孔の断面積より大きくすることで、背圧弁による管径のコントロール性を高めることができる。このとき、吸気孔の断面積と排気孔の断面積の比率は特に限定されず、適宜設定すればよい。
尚、送風機を吸気管と排気管のそれぞれに少なくとも1つずつ配置する場合、吸気管、排気管の送風機の回転数をコントロールことで、排気管に背圧弁を設けた場合と同様の効果を得ることが可能である。具体的には、排気管上に設けた送風機の回転数よりも、吸気管上に設けた送風機の回転数を大きくすることで、セルスタック周囲を流通する空気の流量を低下させることができる。
When the blower and the back pressure valve are provided in the exhaust pipe as shown in FIG. 1, the blower is provided with the back pressure valve upstream of the back pressure valve, that is, between the blower and the exhaust hole.
Further, in the form in which the back pressure valve is provided in the exhaust pipe, the controllability of the pipe diameter by the back pressure valve can be enhanced by making the cross-sectional area of the intake hole larger than the cross-sectional area of the exhaust hole. At this time, the ratio of the cross-sectional area of the intake hole and the cross-sectional area of the exhaust hole is not particularly limited, and may be set as appropriate.
In the case where at least one blower is arranged in each of the intake pipe and the exhaust pipe, the same effect as in the case where a back pressure valve is provided in the exhaust pipe is obtained by controlling the rotation speed of the blower in the intake pipe and the exhaust pipe. It is possible. Specifically, the flow rate of the air flowing around the cell stack can be reduced by increasing the rotational speed of the blower provided on the intake pipe than the rotational speed of the blower provided on the exhaust pipe.

外気の取り込み口となる吸気孔及び排ガスを排出する排気孔は、配置位置、数、断面形状、断面のサイズ等、特に限定されないが、既述したように、吸気孔が移動体の前方、排気孔が移動体の後方に配置され、吸気孔から排気孔に至る空気流路が、移動体の移動方向に沿って形成されていることが好ましい。
移動体の移動時に生じる走行風を効率よく取り込むことが可能であることから、吸気孔は移動体の前方に向かって開口していることが好ましい。このとき、移動体の前方に向かって開口しているとは、吸気孔が移動体の前方方向に対する垂直面と平行でなくてもよく、該垂直面に対して、傾斜角を持って開口していてもよい。同様の観点から、吸気孔は、移動体の前方に設けられていることが好ましいが、移動体の側面や天頂部、底部等であってもよい。走行風を取り込みにくい移動体側面や後部であっても、移動体の側面に吹きつける風や停止時の送風機の作動等によって空気を取り込むことが可能であるため、適宜、必要に応じて、複数箇所に吸気孔を設けることができる。複数箇所への吸気孔の設置は、その流れの方向が定まらない風を、燃料電池の酸化剤として効率的に利用することを可能とする。吸気孔の数は、吸気孔のサイズ、配置位置等によって、適宜決定すればよい。
The intake holes that serve as intake ports for the outside air and the exhaust holes that discharge the exhaust gas are not particularly limited in terms of arrangement position, number, cross-sectional shape, cross-sectional size, and the like. It is preferable that the hole is disposed behind the moving body, and an air flow path from the intake hole to the exhaust hole is formed along the moving direction of the moving body.
Since it is possible to efficiently take in the traveling wind generated when the moving body moves, the intake holes are preferably opened toward the front of the moving body. At this time, the opening toward the front of the moving body means that the air intake hole does not have to be parallel to the vertical plane with respect to the forward direction of the moving body, and the opening is opened with an inclination angle with respect to the vertical plane. It may be. From the same viewpoint, the intake hole is preferably provided in front of the moving body, but may be a side surface, a zenith portion, a bottom portion, or the like of the moving body. Even if it is on the side or rear of the moving body where it is difficult to capture the traveling wind, it is possible to take in air by the wind blowing on the side of the moving body or the operation of the blower when stopped, etc. An intake hole can be provided at the location. The installation of the intake holes at a plurality of locations makes it possible to efficiently use wind whose direction of flow is not determined as an oxidant for the fuel cell. The number of intake holes may be determined as appropriate depending on the size and arrangement position of the intake holes.

吸気孔のサイズとしては、セルスタック7の中空型セル6外面に接触する空気の流通方向の垂直面に対する投影面積を、該吸気孔8の断面積より小さくすることによって、中空型セルへの空気供給効率を高めることができる。
ここで、セルスタックの中空型セル外面に接触する空気の流通方向とは、空気流路上に配置されたセルスタックに対して吸気孔側から排気孔側へと流れる空気の流れの方向であり、通常は、空気流路におけるセルスタックの吸気孔側正面中央部と排気孔側正面中央部とを結ぶ方向とみなすことができる。また、セルスタックの上記投影面積とは、中空型セルの発電領域が配置された空間の投影面積とする。すなわち、セルスタックには、中空型セルの他、集電部材や冷却部材、中空型セルの保護部材等も備えられ、また、中空型セルには発電に寄与しない部分もあるため、これらを含むセルスタック全体の投影面積ではなく、接触した空気が酸化剤として利用され得る中空型セルの発電量域が配置された空間の投影面積とする。以下、セルスタックの投影面積については同様である。
The size of the air intake hole is such that the projected area of the cell stack 7 with respect to the vertical surface in the flow direction of the air contacting the outer surface of the hollow cell 6 is smaller than the cross-sectional area of the air intake hole 8, thereby reducing the air to the hollow cell. Supply efficiency can be increased.
Here, the flow direction of air contacting the hollow cell outer surface of the cell stack is the direction of the flow of air flowing from the intake hole side to the exhaust hole side with respect to the cell stack arranged on the air flow path, Usually, it can be regarded as a direction connecting the front center portion on the intake hole side and the front center portion on the exhaust hole side of the cell stack in the air flow path. The projected area of the cell stack is the projected area of the space where the power generation region of the hollow cell is arranged. That is, in addition to the hollow cell, the cell stack includes a current collecting member, a cooling member, a protective member for the hollow cell, and the hollow cell includes a portion that does not contribute to power generation. It is not the projected area of the entire cell stack, but the projected area of the space where the power generation amount area of the hollow cell in which the contacted air can be used as an oxidant is arranged. The same applies to the projected area of the cell stack.

図1や図2のように、吸気管10にエアフィルタ14を設けることによって、外気に含まれる粉塵を除去することができ、中空型セルの劣化を防止することができる。吸気管に設けるエアフィルタとしては、特に限定されず一般的なものを用いることができ、例えば、濾紙やスポンジ等が挙げられる。
また、上記した構成部材以外にも、例えば、排気管に気液分離器や希釈器16(図2参照)等の装置を配置することもできる。気液分離器により、燃料電池の発電により生成した水分や、吸気孔から取り込んだ空気中の水分を排出ガスから分離、回収し、空気流路の吸気側において空気に噴霧することによって、中空型セルに供給される空気を加湿することが可能となる。また、中空型セルの燃料極に供給した水素ガスの未反応分を排気孔から排出する場合には、希釈器によって水素ガス濃度を希釈してから排出することで水素排出における問題を回避することができる。さらには、吸気孔から雨水等が入りこまないように、吸気孔の周囲や吸気管に雨水フィルターを設けてもよい。気液分離器、希釈器、雨水フィルターは、その構造等に特に限定はなく、従来の形態に準じることができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, by providing the air filter 14 in the intake pipe 10, dust contained in the outside air can be removed, and deterioration of the hollow cell can be prevented. The air filter provided in the intake pipe is not particularly limited, and a general one can be used. Examples thereof include filter paper and sponge.
In addition to the above-described components, for example, a device such as a gas-liquid separator or a diluter 16 (see FIG. 2) can be disposed in the exhaust pipe. The gas-liquid separator separates and collects the moisture generated by the power generation of the fuel cell and the moisture in the air taken in from the intake holes from the exhaust gas, and sprays it on the air on the intake side of the air flow path, so that the hollow type The air supplied to the cell can be humidified. Also, when unreacted hydrogen gas supplied to the fuel electrode of the hollow cell is discharged from the exhaust hole, dilute the hydrogen gas concentration with a diluter before discharging to avoid problems in hydrogen discharge. Can do. Furthermore, a rainwater filter may be provided around the intake hole or in the intake pipe so that rainwater or the like does not enter from the intake hole. The structure of the gas-liquid separator, the diluter, and the rainwater filter is not particularly limited, and can conform to a conventional form.

次に、本発明の移動体に搭載される燃料電池が備える中空型セルの基本構造について説明する。図3及び図4は、本発明の燃料電池に用いられる中空型セルの一形態例を示す概略図である。図3は中空型セルの斜視図、図4は図3の中空型セルの断面図である。   Next, the basic structure of the hollow cell provided in the fuel cell mounted on the moving body of the present invention will be described. 3 and 4 are schematic views showing one embodiment of a hollow cell used in the fuel cell of the present invention. 3 is a perspective view of the hollow cell, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the hollow cell of FIG.

図3及び図4において、中空型セル6は、チューブ状の固体高分子電解質膜1、固体高分子電解質膜1の内面側に設けられた燃料極(アノード)2及び外面側に設けられた空気極(カソード)3を有している。さらに、燃料極2の表面には、内部集電材(本実施形態においては燃料極側(負極側)集電材)4として柱状集電材が配置され、空気極3の表面には、外部集電材(本実施形態においては、空気極側(正極側)集電材)5として、らせん状の金属ワイヤ5aと棒状部材5bが配置されている。外部集電材5は、棒状部材5bが隣り合う中空型セル6の間にその軸方向が平行となるように配列され、複数の中空型セル6と複数の棒状部材5bとが金属ワイヤ5aによって編みこまれるようにして一体化されている。また、内部集電材4の表面には、燃料ガスの流路を形成する溝4aが設けられている。
このような構造を有する中空型セルの中空内面(実質的には、内部集電材4の外面に設けた溝4aによって形成された内面側ガス流路に露出した部分)に水素ガス、中空型セルの外面に空気を流通させることで、燃料極及び空気極に燃料又は空気が供給され、発電する。図3において、酸化剤ガスである空気は、中空型セルの軸方向に対してその流通方向が略垂直となっている。尚、本明細書において、略垂直とは、完全な垂直状態以外にも、垂直とみなせる状態(垂直状態±3°)を含む。
3 and 4, the hollow cell 6 includes a tubular solid polymer electrolyte membrane 1, a fuel electrode (anode) 2 provided on the inner surface side of the solid polymer electrolyte membrane 1, and air provided on the outer surface side. It has a pole (cathode) 3. Further, a columnar current collector is disposed on the surface of the fuel electrode 2 as an internal current collector (in this embodiment, a fuel electrode side (negative electrode side) current collector) 4, and an external current collector ( In the present embodiment, a spiral metal wire 5 a and a rod-shaped member 5 b are arranged as the air electrode side (positive electrode side current collector) 5. The external current collector 5 is arranged such that the rod-shaped members 5b are parallel to each other between adjacent hollow cells 6 and the plurality of hollow cells 6 and the plurality of rod-shaped members 5b are knitted by metal wires 5a. It is integrated so that it is embedded. Further, a groove 4 a that forms a flow path for the fuel gas is provided on the surface of the internal current collector 4.
Hydrogen gas, hollow cell on the hollow inner surface of the hollow cell having such a structure (substantially, the portion exposed to the inner surface side gas flow path formed by the groove 4a provided on the outer surface of the internal current collector 4) By allowing air to flow through the outer surface, fuel or air is supplied to the fuel electrode and the air electrode to generate electricity. In FIG. 3, the flow direction of the oxidant gas air is substantially perpendicular to the axial direction of the hollow cell. In the present specification, the term “substantially vertical” includes not only a completely vertical state but also a state that can be regarded as vertical (vertical state ± 3 °).

図3の中空型セル6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6は、中空電解質膜の内面側に反応ガスを十分に供給できるものであるならば、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、内面側電極として、水素を燃料とする水素極を設ける場合、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 6 shown in FIG. 3 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. In the hollow cell 6, if the reaction gas can be sufficiently supplied to the inner 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 hydrogen electrode using hydrogen as a fuel is provided as the inner surface side electrode, hydrogen gas containing almost no non-reactive component can be supplied as a fuel gas into the hollow cell, and the diffusibility of hydrogen molecules can be reduced. Since it is high, it is possible to consume the reaction gas supplied into the hollow space, so that the reaction gas can be sufficiently supplied even within the hollow portion with one end sealed. 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.

また、図3及び図4において、中空型セル6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。   3 and 4, the hollow cell 6 has a tubular electrolyte membrane. However, the hollow electrolyte membrane in the present invention is not limited to the tubular shape, and has a hollow portion, and the hollow portion has a fuel. As long as the reaction component necessary for the electrochemical reaction can be supplied to the electrode provided in the hollow space, it is sufficient.

チューブ状の固体高分子電解質膜1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 and the like of the tubular solid polymer electrolyte membrane 1 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, a tube electrolyte membrane having an outer diameter of more than 10 mm does not have a large surface area relative to the occupied volume. The output per unit volume of the obtained hollow cell may not be sufficiently obtained.

電解質膜は、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、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を用いる場合、電解質膜の厚みは、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 electrolyte membrane is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity. However, if the electrolyte membrane is too thin, the function of isolating gas is reduced, and the amount of aprotic hydrogen permeation 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, when a perfluorocarbon sulfonic acid resin film is used as the electrolyte membrane, the thickness of the electrolyte membrane 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。
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、例えば米国デュポン社製ナフィオン(商品名)や旭硝子社製フレミオン(商品名)等の市販品もある。
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.
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. Examples of the perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane include commercially available products such as Nafion (trade name) manufactured by DuPont, USA and Flemion (trade name) 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1の内面及び外面に設けられる各電極2,3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、触媒層のみ、若しくは、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。
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。
Each of the electrodes 2 and 3 provided on the inner and outer surfaces of the electrolyte membrane 1 can be formed using an electrode material used in a polymer electrolyte fuel cell. Usually, only the catalyst layer or an electrode formed by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer in order from the electrolyte membrane side is used.
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、燃料極における水素の酸化反応、空気極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 with respect to the hydrogen oxidation reaction at the fuel electrode and the oxygen reduction reaction at the air electrode. 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 can be selected. 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、中空電解質膜の内面及び外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 surface and outer 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面及び外面に一対の電極を設ける方法としては、特に限定されるものではない。例えば、下記の(1)〜(3)の方法が挙げられる。すなわち、(1)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面及び外面に、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。また、このとき、電解質膜の内面側に形成したガス拡散層の内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 of providing a pair of electrodes on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane is not particularly limited. For example, the following methods (1) to (3) may be mentioned. That is, (1) 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 tubular shape can also be used. Then, a solution containing electrolyte and catalyst particles is applied and dried on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane to form a catalyst layer, and carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers are contained on the two catalyst layers. A method of forming a gas diffusion layer by applying and drying a solution is mentioned. At this time, the catalyst layer and the gas diffusion layer are formed so that a hollow portion exists on the inner surface of the gas diffusion layer formed on the inner surface side of the electrolyte membrane.

或いは、(2)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)を内面側電極(燃料極)のガス拡散層として用い、当該ガス拡散層の外面に電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して燃料極側触媒層を形成して燃料極を作製し、次に、当該触媒層の外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面に空気極(外面側電極)の触媒層及びガス拡散層を方法も挙げられる。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。
或いは、(3)上記(2)の方法において、棒状の内部集電材の周囲に、導電性多孔質シートを巻き付けて内面側電極のガス拡散層とする方法が挙げられる。
Or (2) 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 surface side electrode (fuel electrode). Then, a solution containing an electrolyte and catalyst particles is applied to the outer surface of the gas diffusion layer and dried to form a fuel electrode side catalyst layer to produce a fuel electrode, and then a solution containing an electrolyte is applied to the outer surface of the catalyst layer. There is also a method in which an electrolyte membrane layer is applied and dried, and a catalyst layer and a gas diffusion layer of an air electrode (outer surface side electrode) are provided on the outer surface of the electrolyte membrane layer. 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.
Alternatively, (3) in the above method (2), there is a method in which a conductive porous sheet is wound around the rod-shaped internal current collector to form a gas diffusion layer of the inner surface side electrode.

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形状を有する中空型セルは、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。
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 having a hollow shape used in the fuel cell of the present invention is not limited to the configuration exemplified above, and a layer other than the catalyst layer and the gas diffusion layer is provided for the purpose of enhancing the function of the hollow cell. Also good.

図3及び図4において、中空型セル6の内面側電極2に接続される内部集電材4は、少なくとも一部において内面側電極の内周面と接する外径を有する柱状集電材であり、その外周面に中空型セルの軸方向(長手方向)に延びる溝4aが形成されている。或いは、内面側電極の内面との間に反応ガスが流通可能な隙間を形成するような形状を有するものも内部集電材として利用可能である。この内面側電極との隙間(溝)が燃料ガスを供給するための中空内ガス流路となる。溝としては、中空型セルの軸方向(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、内部集電材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。
また、中空型セルの外面側電極3に接続される外部集電材5は、外面側電極への空気供給量を確保しつつ該電極との接触面積の確保を可能とする金属ワイヤ5aと、金属ワイヤによる集電効率をさらに高める棒状部材5bとを組み合わせることによって、集電効率を高めることが可能である。また、図3や図4のように、棒状部材5bを中空形状とし、その中空5c内に冷却媒体を流通させることによって、中空型セルの冷却を行ってもよい。
3 and 4, the internal current collector 4 connected to the inner surface side electrode 2 of the hollow cell 6 is a columnar current collector having an outer diameter at least partially in contact with the inner peripheral surface of the inner surface side electrode. Grooves 4a extending in the axial direction (longitudinal direction) of the hollow cell are formed on the outer peripheral surface. Or what has a shape which forms the clearance gap through which reaction gas can circulate between the inner surfaces of the inner surface side electrodes can also be used as an internal current collector. A gap (groove) with the inner surface side electrode serves as a hollow gas passage for supplying fuel gas. As the groove, at least one groove extending in the axial direction (longitudinal direction) of the hollow cell is necessary, and grooves having various patterns or directions are formed on the outer peripheral surface of the internal current collector as necessary. .
In addition, the external current collector 5 connected to the outer surface side electrode 3 of the hollow cell includes a metal wire 5a that can secure a contact area with the electrode while securing an air supply amount to the outer surface side electrode, The current collection efficiency can be increased by combining the rod-shaped member 5b that further increases the current collection efficiency of the wire. Further, as shown in FIG. 3 and FIG. 4, the hollow cell may be cooled by making the rod-like member 5 b have a hollow shape and circulating a cooling medium in the hollow 5 c.

上記内部集電材又は外部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。ワイヤの太さや巻き方、棒状部材の太さ等は、特に制限されるものではない。   As the metal used as the internal current collector or the external current collector, for example, at least one metal selected from Al, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In, etc., Or their alloys such as stainless steel are 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 thickness of the wire, the winding method, the thickness of the rod-shaped member, etc. are not particularly limited.

内部集電材4,外部集電材5は特に限定されず、電気伝導性材料からなるものであればその形状は任意である。具体的には、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。
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。
The internal current collector 4 and the external current collector 5 are not particularly limited, and the shape thereof is arbitrary as long as it is made of an electrically conductive material. Specifically, in addition to a columnar shape, a wire shape, a rod shape, a linear shape or a cylindrical shape may be used. For example, a spring-shaped metal wire, a metal foil, a sheet material such as a metal sheet or a carbon sheet, or the like can be applied. .
These current collectors are fixed on the electrodes with a conductive adhesive such as a carbon-based adhesive or an Ag paste as necessary.

本発明の移動体に搭載される燃料電池は、上記のような中空型セルを備えるものであり、通常は、中空型セル2本以上を並列又は直列に接続したセルスタックを、2つ以上並列又は直列に接続して組み込む。燃料の供給方法、中空型セルの集電・接続方法、セルスタックの集電・接続方法は特に限定されない。
また、複数の中空型セルを備えてなるセルスタックにおいて、中空型セルの配置形態は特に限定されず、適宜設定すればよい。中空型セルの外面に設けられた空気極への空気供給を効率良く行うためには、中空型セルの外面に接触する空気の流通方向の垂直面に対するセルスタックの投影面積が、該空気の流通方向の平行面に対する投影面積よりも大きくなるように、前記中空型セルが配列されていることが好ましい。
The fuel cell mounted on the moving body of the present invention includes the hollow cell as described above, and usually two or more cell stacks in which two or more hollow cells are connected in parallel or in series are arranged in parallel. Or connect in series. A fuel supply method, a hollow cell current collection / connection method, and a cell stack current collection / connection method are not particularly limited.
In the cell stack including a plurality of hollow cells, the arrangement of the hollow cells is not particularly limited and may be set as appropriate. In order to efficiently supply air to the air electrode provided on the outer surface of the hollow cell, the projected area of the cell stack with respect to the vertical plane in the air flow direction that contacts the outer surface of the hollow cell is determined by the flow of the air. It is preferable that the hollow cells are arranged so as to be larger than a projected area with respect to a parallel plane in the direction.

また、図5に示すように、中空型セルの外面に接触する空気の流通方向に対して、該中空型セルの軸方向が非平行(図5の5A参照)となるように配置することによって、空気極に対する空気供給効率を向上させることができる。特に、空気の流通方向に対して中空型セルの軸方向が略垂直(図5の5B参照)となるようにすることが好ましい。
さらに、セルスタックにおいて、図6の6Aのように、複数の中空型セルを空気の流通方向に千鳥配置することによって、図6の6Bのように空気流通方向に対して直線的に配列する場合と比較して、中空型セルへの空気供給効率を高めることも可能である。千鳥配置の具体的な形態は特に限定されないので適宜設定してよい。
Further, as shown in FIG. 5, by arranging the axial direction of the hollow cell so as to be non-parallel (see 5A in FIG. 5) with respect to the flow direction of the air contacting the outer surface of the hollow cell. The air supply efficiency for the air electrode can be improved. In particular, it is preferable that the axial direction of the hollow cell is substantially perpendicular to the air flow direction (see 5B in FIG. 5).
Further, in the cell stack, when a plurality of hollow cells are arranged in a staggered manner in the air flow direction as shown in 6A of FIG. 6, they are linearly arranged in the air flow direction as shown in 6B of FIG. Compared with, it is also possible to increase the air supply efficiency to the hollow cell. The specific form of the staggered arrangement is not particularly limited and may be set as appropriate.

本発明にかかる移動体の一形態例を示す図である。It is a figure which shows one example of the moving body concerning this invention. 本発明の移動体におけるセルスタックへの空気供給と水素供給を示す概念図であるIt is a conceptual diagram which shows the air supply and hydrogen supply to the cell stack in the moving body of this invention. 本発明の移動体に搭載される燃料電池のセルスタックを構成する中空型セル(一例)の斜視図である。It is a perspective view of the hollow type cell (an example) which constitutes the cell stack of the fuel cell carried in the mobile object of the present invention. 図3の中空型セルの断面図である。It is sectional drawing of the hollow type cell of FIG. 本発明の移動体に搭載される燃料電池のセルスタックにおける中空型セルの配置形態例を説明する図である。It is a figure explaining the example of arrangement | positioning form of the hollow cell in the cell stack of the fuel cell mounted in the moving body of this invention. 本発明の移動体に搭載される燃料電池のセルスタックにおける中空型セルの配置形態例を説明する図である。It is a figure explaining the example of arrangement | positioning form of the hollow cell in the cell stack of the fuel cell mounted in the moving body of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…中空電解質膜
2…燃料極(内面側電極)
3…空気極(外面側電極)
4…燃料極側集電材(内部集電材)
4a…溝
5…空気極側集電材(外部集電材)
5a…ワイヤ
5b…棒状部材
5c…中空
6…中空型セル
7…セルスタック
8…吸気孔
9…排気孔
10…吸気管
11…排気管
12…送風機
13…空気流路
14…エアフィルター
15…背圧弁
16…希釈器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hollow electrolyte membrane 2 ... Fuel electrode (inner surface side electrode)
3 ... Air electrode (outside electrode)
4 ... Fuel electrode side current collector (internal current collector)
4a ... Groove 5 ... Air electrode side current collector (external current collector)
5a ... wire 5b ... rod-like member 5c ... hollow 6 ... hollow cell 7 ... cell stack 8 ... intake hole 9 ... exhaust hole 10 ... intake pipe 11 ... exhaust pipe 12 ... blower 13 ... air flow path 14 ... air filter 15 ... back Pressure valve 16 ... Diluter

Claims (13)

燃料電池を搭載した移動体であって、
前記燃料電池は、中空電解質膜の内面に燃料極及び該中空電解質膜の外面に空気極が設けられ且つ少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、2つ以上含むセルスタックを備えており、
前記中空型セルの空気極に供給する空気を、該移動体の外気から取り込む吸気孔と、
前記吸気孔から取り込まれて前記中空型セルの空気極に供給された空気を、該移動体の外部に排出する排気孔と、
前記吸気孔から取り込まれた空気を前記中空型セルの空気極に誘導する吸気管と、
前記中空型セルの空気極に供給された空気を前記排気孔に誘導する排気管と、
前記吸気管及び/又は前記排気管に配置され、且つ、前記吸気孔から前記排気孔に至る空気の流れを形成可能な少なくとも1つの送風機と、
を備え、
前記吸気孔から取り込まれた空気を、非圧縮状態で前記中空型セルの外面に設けられた空気極に接触させることを特徴とする、移動体。
A mobile body equipped with a fuel cell,
The fuel cell includes a cell stack including two or more hollow cells in which a fuel electrode is provided on an inner surface of a hollow electrolyte membrane and an air electrode is provided on an outer surface of the hollow electrolyte membrane, and at least one end portion is open. And
An air intake hole for taking in air to be supplied to the air electrode of the hollow cell from outside air of the moving body;
An exhaust hole for discharging air taken in from the intake hole and supplied to the air electrode of the hollow cell to the outside of the moving body;
An intake pipe for guiding the air taken in from the intake hole to the air electrode of the hollow cell;
An exhaust pipe for guiding the air supplied to the air electrode of the hollow cell to the exhaust hole;
At least one blower arranged in the intake pipe and / or the exhaust pipe and capable of forming an air flow from the intake hole to the exhaust hole;
With
The moving body, wherein the air taken in from the intake hole is brought into contact with an air electrode provided on an outer surface of the hollow cell in an uncompressed state.
前記吸気孔から前記排気孔に至る空気の流路は、前記移動体が前方に移動する際に生じる該移動体に対して相対的な気流である走行風が、前記吸気孔に流入して前記中空型セルの空気極に接触し、前記排気孔から排出可能な構造を有している、請求項1に記載の移動体。   In the air flow path from the intake hole to the exhaust hole, traveling wind, which is an airflow relative to the moving body generated when the moving body moves forward, flows into the intake hole and The moving body according to claim 1, wherein the moving body has a structure that contacts an air electrode of a hollow cell and can be discharged from the exhaust hole. 少なくとも前記排気管に前記送風機が設けられている、請求項1又は2に記載の移動体。   The moving body according to claim 1 or 2, wherein the blower is provided at least in the exhaust pipe. 前記吸気管にエアフィルタが設けられている、請求項1乃至3のいずれかに記載の移動体。   The moving body according to claim 1, wherein an air filter is provided in the intake pipe. 前記排気管に背圧弁が設けられている、請求項1乃至4のいずれかに記載の移動体。   The moving body according to claim 1, wherein a back pressure valve is provided in the exhaust pipe. 前記吸気孔の断面積が、前記排気孔の断面積よりも大きい、請求項5に記載の移動体。   The moving body according to claim 5, wherein a cross-sectional area of the intake hole is larger than a cross-sectional area of the exhaust hole. 前記セルスタックは、前記中空型セルの外面に接触する空気の流通方向の垂直面に対する投影面積が、該空気の流通方向の平行面に対する投影面積よりも大きくなるように、前記中空型セルが配列されている、請求項1乃至6のいずれかに記載の移動体。   In the cell stack, the hollow cells are arranged so that a projected area with respect to a vertical plane in the air flow direction contacting the outer surface of the hollow cells is larger than a projected area with respect to a parallel plane in the air flow direction. The moving body according to any one of claims 1 to 6, wherein 前記セルスタックは、前記中空型セルの外面に接触する空気の流通方向に対してその軸方向が非平行となるように、前記中空型セルが配置されている、請求項1乃至7のいずれかに記載の移動体。   The cell stack according to any one of claims 1 to 7, wherein the hollow cell is arranged so that an axial direction thereof is non-parallel to a flow direction of air contacting an outer surface of the hollow cell. The moving body described in 1. 前記中空型セルは、該中空型セルの外面に接触する空気の流通方向に対してその軸方向が略垂直となるように配置されている、請求項8に記載の移動体。   The mobile body according to claim 8, wherein the hollow cell is arranged such that an axial direction thereof is substantially perpendicular to a flow direction of air contacting an outer surface of the hollow cell. 前記セルスタックにおいて、前記中空型セルは、該中空型セルの外面に接触する空気の流通方向に対して千鳥配置されている、請求項1乃至9のいずれかに記載の移動体。   In the said cell stack, the said hollow cell is a mobile body in any one of Claims 1 thru | or 9 arrange | positioned with respect to the distribution direction of the air which contacts the outer surface of this hollow cell. 前記セルスタックは、前記中空型セルの外面に接触する空気の流通方向の垂直面に対する投影面積が、前記吸気孔の断面積よりも小さい、請求項1乃至10のいずれかに記載の移動体。   The mobile body according to any one of claims 1 to 10, wherein the cell stack has a projected area with respect to a vertical plane in a flow direction of air contacting an outer surface of the hollow cell that is smaller than a cross-sectional area of the intake hole. 前記移動体のアクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、
前記中空型セルの空気極に供給されている空気供給量を検出する空気供給量検出手段と、
前記アクセル開度検出手段からの情報に基づいて前記空気極に供給される空気の要求量を決定し、該空気要求量に対する前記空気供給量の不足分を算出して、前記空気極に該空気要求量が供給されるように、空気不足分に応じて前記送風機を作動させる送風機制御手段と、
を備える、請求項1乃至11のいずれかに記載の移動体。
Accelerator opening detection means for detecting the accelerator opening of the moving body;
An air supply amount detecting means for detecting an air supply amount supplied to the air electrode of the hollow cell;
A required amount of air to be supplied to the air electrode is determined based on information from the accelerator opening detecting means, a shortage of the air supply amount with respect to the required air amount is calculated, and the air electrode is supplied to the air electrode. Blower control means for operating the blower according to the air shortage so that the required amount is supplied,
The mobile body according to claim 1, comprising:
前記空気供給量検出手段が、前記吸気管及び/又は前記排気管に設けられたガス流量計、或いは、前記移動体の速度を検出する速度検出器、の少なくとも一つを備える、請求項12に記載の移動体。   The air supply amount detection means includes at least one of a gas flow meter provided in the intake pipe and / or the exhaust pipe, or a speed detector for detecting the speed of the moving body. The moving body described.
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