JP2009070765A - Tube type fuel cell module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tube type fuel cell module which can improve uniformity of humidity on the outer peripheral surface of a tube type fuel cell and concentration of reactant gas supplied to the outer peripheral surface of the tube type fuel cell, and which can improve power generation characteristics. <P>SOLUTION: The tube type fuel cell module 10 includes: a tube type fuel cell 3 which is equipped with a membrane electrode assembly 5 in a hollow shape, an inner collector provided on the inner peripheral surface of the membrane electrode assembly, and an outer collector provided on the outer peripheral surface of the membrane electrode assembly; and a case member 1 which accommodates the tube type fuel cell, wherein gas supplied to the outer peripheral surface of the tube type fuel cell is supplied from the side surface of the case member and is discharged therefrom, and the gas flows along the outer peripheral surface of the tube type fuel cell. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、チューブ型燃料電池セルの外周面側の湿度、及びチューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される反応ガスの濃度の均一性の向上を図れ、発電特性を向上させることが可能なチューブ型燃料電池モジュールに関する。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can improve the uniformity of the humidity on the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell and the concentration of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell, thereby improving the power generation characteristics. The present invention relates to a tubular fuel cell module.

燃料電池は、電解質層(以下、「電解質膜」という。)と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極(アノード及びカソード)とを備える膜電極構造体(以下、「MEA」という。)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の両面側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下、「PEFC」という。)は、低温領域での運転が可能である。また、PEFCは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつ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。   A fuel cell includes a membrane electrode structure (hereinafter referred to as “MEA”) including an electrolyte layer (hereinafter referred to as “electrolyte membrane”) and electrodes (anode and cathode) respectively disposed on both sides of the electrolyte membrane. The electric energy generated by the electrochemical reaction in (1) is taken out to the outside through current collectors arranged on both sides of the MEA. Among fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as “PEFC”) used in a home cogeneration system or an automobile can be operated in a low temperature region. In addition, PEFC has attracted attention as a power source and portable power source for electric vehicles because it exhibits high energy conversion efficiency, has a short start-up time, and is compact and lightweight.

単位体積当たりの発電量を向上させること等を目的として、近年、単セルが柱状の燃料電池(以下、「チューブ型燃料電池」という。)に関する研究が進められている。チューブ型燃料電池の単セル(以下、「チューブ型燃料電池セル」ということがある。)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それぞれ配設される中空形状の触媒層とを備える中空形状のMEA、を備えている。そして、例えば、当該MEAの内周面側に水素含有ガスを、外周面側に酸素含有ガスをそれぞれ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、当該MEAの内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。すなわち、チューブ型燃料電池では、各チューブ型燃料電池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(例えば、水素含有ガス)を、外周面側に他方の反応ガス(例えば、酸素含有ガス)を供給することにより電気エネルギーを取り出すので、隣り合う2つのチューブ型燃料電池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。したがって、チューブ型燃料電池によれば、従来の平板型燃料電池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ため、単位体積当たりの発電量を向上させることが容易になる。   Recently, for the purpose of improving the amount of power generation per unit volume, etc., research on a fuel cell in which a single cell is a columnar shape (hereinafter referred to as “tube type fuel cell”) has been advanced. A single cell of a tube type fuel cell (hereinafter sometimes referred to as a “tube type fuel cell”) is generally disposed on a hollow electrolyte membrane and on an inner peripheral surface side and an outer peripheral surface side of the electrolyte membrane, respectively. A hollow MEA including a hollow catalyst layer. For example, an electrochemical reaction is caused by supplying a hydrogen-containing gas to the inner peripheral surface side of the MEA and an oxygen-containing gas to the outer peripheral surface side, and the electric energy generated by the electrochemical reaction is It is taken out to the outside through current collectors arranged on the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side, respectively. That is, in the tube type fuel cell, one reaction gas (for example, hydrogen-containing gas) is provided on the inner peripheral surface side of the hollow MEA provided in each tube type fuel cell, and the other reaction gas (for example, the hydrogen gas is provided on the outer peripheral surface side). Since the electric energy is taken out by supplying the oxygen-containing gas), the reaction gases supplied to the outer peripheral surfaces of the two adjacent tubular fuel cells can be made the same. Therefore, according to the tube type fuel cell, a separator having gas shielding performance in the conventional flat plate type fuel cell is not required, and it becomes easy to improve the power generation amount per unit volume.

燃料電池では、上述した電気化学反応の際に生成される水が余剰の反応ガスとともに流される。すなわち、反応ガスの流れ方向における位置によって湿度に差異を生ずる。また、反応ガスの濃度も、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。その湿度、及び反応ガスの濃度の差異によって、発電分布が発生するということが問題となっていた。   In the fuel cell, water generated during the above-described electrochemical reaction is caused to flow together with surplus reaction gas. That is, the humidity varies depending on the position in the flow direction of the reaction gas. Also, the concentration of the reaction gas varies depending on the position in the flow direction of the reaction gas. Due to the difference in humidity and the concentration of the reaction gas, the problem is that power generation distribution occurs.

燃料電池セルの各所に均一に反応ガスを供給させることを目的とした技術として、例えば、特許文献1には、多層中空円筒状に積層された空気電極、固体電解質層及び燃料電極と、空気電極または燃料電極のうち内面側の電極(内面電極)と電気的に接続され、円筒外面に表出するインターコネクターと、を有する複数の円筒型セルの集合体を有し、該円筒型セル集合体は、隣り合う円筒型セルの外面の電極(外面電極)とインターコネクターとが接して配列されており、上記円筒型セルの中空部及び外周部が、各々、空気(酸化剤)又は気体燃料(両者をガスという)の流路を形成する円筒型セルタイプの固体電解質型燃料電池であって、隣り合う円筒型セルの外周面によって区画されるセル間のスペースにガス導入管が設けられており、このガス導入管から上記円筒型セル外面にガスが供給されるよう構成されていることを特徴とする固体電解質型燃料電池に関する技術が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses an air electrode, a solid electrolyte layer, a fuel electrode, and an air electrode that are stacked in a multilayer hollow cylindrical shape as a technique for uniformly supplying a reaction gas to various portions of a fuel cell. Or an assembly of a plurality of cylindrical cells having an interconnector electrically connected to an inner electrode (inner surface electrode) of the fuel electrode and exposed to the outer surface of the cylinder, and the cylindrical cell assembly Are arranged such that the outer electrode (outer electrode) of the adjacent cylindrical cell and the interconnector are in contact with each other, and the hollow part and the outer peripheral part of the cylindrical cell are respectively air (oxidant) or gaseous fuel ( A cylindrical cell type solid oxide fuel cell that forms a flow path of gas), and a gas introduction pipe is provided in a space between cells defined by the outer peripheral surface of adjacent cylindrical cells. , Art relates to a solid electrolyte type fuel cell, wherein there is disclosed a from the gas introduction pipe is configured such that the gas in the cylindrical cell external surface is provided.

また、特許文献2には、複数の筒状の燃料電池セルと、前記燃料電池セルの軸方向に沿って電気的な直列方向を接続する導電部材と、前記燃料電池セルの周囲へ燃料ガスを流す燃料ガス流路と、を備えてなる燃料電池であって、燃料ガス排出側に前記燃料電池セルの露出面を形成していることを特徴とする燃料電池に関する技術が開示されており、前記燃料ガス流路を、燃料ガス供給側より燃料ガス排出側の方を大きくすることによって、燃料ガス供給側より燃料ガス排出側の燃料ガスの流速を遅くできるため、燃料ガスが燃料電池セルに接触する時間を燃料ガス供給側で短く燃料ガス排出側で長くすることができるとしている。さらに、特許文献3には、水素ガス供給源と、燃料電池と、を備え、かつ上記燃料電池が、水素ガスを水素イオンと電子に解離する負極部と、空気中の酸素ガスを水素イオンおよび電子と反応させて水を生成する正極部と、上記負極部と上記正極部との間に配置されるとともに、上記負極部から上記正極部への水素イオンの移動を許容する電解部と、上記負極部に隣接して配置され、かつ上記負極部に対面するようにして水素ガス供給用溝部が形成された第1のプレートと、上記正極部に隣接して配置され、かつ上記正極部に対面するようにして空気供給用溝部が形成された第2のプレートと、を有する燃料電池システムであって、上記燃料電池は、全体として円柱状に形成されているとともに、その周方向に回転可能とされており、かつ、上記空気供給用溝部は、上記第2のプレートの周縁と中心部との間に延びるとともに、上記第2のプレートの周縁において外部に開放する第1線状溝部を有し、上記第1線状溝部における上記第2のプレートの周縁側の端縁もしくはその近傍には、上記第1線状溝部への空気の取り込みを助長するための羽根が突出形成されていることを特徴とする、燃料電池システムに関する技術が開示されており、かかる形態とすることによって、燃料電池の正極部において生じた水を効果的に除去できるとしている。
特開平8−203552号公報 特開2006−066387号公報 特開2001−102081号公報
Further, Patent Document 2 discloses a plurality of cylindrical fuel cells, a conductive member that connects an electric series direction along the axial direction of the fuel cells, and fuel gas around the fuel cells. A fuel cell comprising: a fuel gas flow path, and a fuel cell technology characterized in that an exposed surface of the fuel cell is formed on a fuel gas discharge side. By making the fuel gas flow path larger on the fuel gas discharge side than on the fuel gas supply side, the flow rate of the fuel gas on the fuel gas discharge side can be made slower than the fuel gas supply side, so that the fuel gas contacts the fuel cell. It is said that the time required for the fuel gas supply can be shortened on the fuel gas supply side and longer on the fuel gas discharge side. Further, Patent Document 3 includes a hydrogen gas supply source and a fuel cell, and the fuel cell includes a negative electrode portion that dissociates hydrogen gas into hydrogen ions and electrons, oxygen gas in the air as hydrogen ions and A positive electrode part that reacts with electrons to generate water, an electrolytic part that is disposed between the negative electrode part and the positive electrode part, and that allows movement of hydrogen ions from the negative electrode part to the positive electrode part; and A first plate disposed adjacent to the negative electrode portion and formed with a groove for supplying hydrogen gas so as to face the negative electrode portion; and disposed adjacent to the positive electrode portion and facing the positive electrode portion And a second plate in which an air supply groove is formed. The fuel cell is formed in a cylindrical shape as a whole and is rotatable in the circumferential direction. And The groove for supplying air has a first linear groove that extends between the peripheral edge and the center of the second plate and opens to the outside at the peripheral edge of the second plate. A fuel cell characterized in that a blade for promoting air intake into the first linear groove is formed at or near the peripheral edge of the second plate in the groove. The technology regarding the system is disclosed, and it is supposed that the water generated in the positive electrode portion of the fuel cell can be effectively removed by adopting such a configuration.
JP-A-8-203552 JP 2006-066387 A JP 2001-102081 A

しかし、上記特許文献1及び2に開示されているような技術では、チューブ型燃料電池セルの外周面側に酸素含有ガス(空気)を供給する形態とした場合、チューブ型燃料電池セルの長手方向において、湿度の均一性を向上させることが困難であった。また、上記特許文献3に開示されている技術では、平板型の燃料電池セルを用いることを前提としている。   However, in the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, when the oxygen-containing gas (air) is supplied to the outer peripheral surface side of the tube-type fuel cell, the longitudinal direction of the tube-type fuel cell However, it was difficult to improve the uniformity of humidity. In addition, the technique disclosed in Patent Document 3 is based on the assumption that flat fuel cells are used.

そこで本発明は、チューブ型燃料電池セルの外周面側の湿度、及びチューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される反応ガスの濃度の均一性の向上を図れ、発電特性を向上させることが可能なチューブ型燃料電池モジュールを提供することを課題とする。   Therefore, the present invention can improve the uniformity of the humidity on the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell and the concentration of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell, thereby improving the power generation characteristics. It is an object of the present invention to provide a tube type fuel cell module that can be used.

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、
本発明は、中空形状の膜電極構造体、膜電極構造体の内周面側へ配設される内側集電体、及び膜電極構造体の外周面側へ配設される外側集電体、を備えるチューブ型燃料電池セルと、チューブ型燃料電池セルを収容するケース部材と、を備え、チューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される反応ガスが、ケース部材の側面から供給/排出されるとともに、該反応ガスがチューブ型燃料電池セルの外周面に沿うように流れることを特徴とする、チューブ型燃料電池モジュールである。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention relates to a hollow membrane electrode structure, an inner current collector disposed on the inner peripheral surface side of the membrane electrode structure, and an outer current collector disposed on the outer peripheral surface side of the membrane electrode structure, The reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the tube-type fuel cell is supplied / discharged from the side surface of the case member. At the same time, the reaction gas flows along the outer peripheral surface of the tube-type fuel cell, which is a tube-type fuel cell module.

ここに、「膜電極構造体」とは、中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の内周面側に形成される第1電極と、当該電解質膜の外周面側に形成される第2電極と、を備えるMEAを意味する。さらに、「膜電極構造体の内周面側へ配設される内側集電体」とは、第1電極の内周面に拡散層及び撥水層が備えられない場合には、内側集電体の外周面と、第1電極の内周面とが接触する形態で、内側集電体が配設されることを意味する。これに対し、第1電極の内周面に拡散層又は撥水層(拡散層及び撥水層が備えられる場合には拡散層、拡散層のみが備えられる場合には拡散層、撥水層のみが備えられる場合には撥水層を、それぞれ意味する。以下同じ。)が備えられる場合には、当該拡散層又は撥水層と内側集電体の外周面とが接触する形態で、内側集電体が配設されることを意味する。さらに、「膜電極構造体の外周面側へ配設される外側集電体」とは、第2電極の外周面に拡散層及び撥水層が備えられない場合には、第2電極と接触する形態で外側集電体が配設されることを意味する。これに対し、第2電極の外周面に拡散層又は撥水層が備えられる場合には、当該拡散層又は撥水層と接触する形態で外側集電体が配設されることを意味する。さらに、「反応ガス」とは、燃料電池での発電の際に必要とされるガスであって、水素含有ガスや酸素含有ガスを意味する。「反応ガスが、ケース部材の側面から供給/排出される」とは、ケース部材の側面に複数の開口部が備えられており、その開口部からガスが供給/排出されることを意味する。加えて、「反応ガスがチューブ型燃料電池セルの外周面に沿うように流れる」とは、上記複数の開口部のうち一部の開口部から供給された反応ガスがチューブ型燃料電池セルの外周面に沿って流れた後、その反応ガスが上記複数の開口部のうち他の開口部から排出される形態を意味する。   Here, the “membrane electrode structure” means a hollow electrolyte membrane, a first electrode formed on the inner peripheral surface side of the electrolyte membrane, and a second electrode formed on the outer peripheral surface side of the electrolyte membrane. And MEA. Furthermore, the “inner current collector disposed on the inner peripheral surface side of the membrane electrode structure” means an inner current collector when the inner peripheral surface of the first electrode is not provided with a diffusion layer and a water repellent layer. This means that the inner current collector is disposed in a form in which the outer peripheral surface of the body and the inner peripheral surface of the first electrode are in contact with each other. On the other hand, a diffusion layer or a water repellent layer on the inner peripheral surface of the first electrode (if a diffusion layer and a water repellent layer are provided, a diffusion layer, and if only a diffusion layer is provided, only the diffusion layer and the water repellent layer are provided. ) Means a water repellent layer, respectively (the same shall apply hereinafter)), the diffusion layer or water repellent layer and the outer peripheral surface of the inner current collector are in contact with each other. This means that an electric body is provided. Furthermore, the “outer current collector disposed on the outer peripheral surface side of the membrane electrode structure” refers to a contact with the second electrode when a diffusion layer and a water repellent layer are not provided on the outer peripheral surface of the second electrode. This means that the outer current collector is disposed in such a form. On the other hand, when a diffusion layer or a water repellent layer is provided on the outer peripheral surface of the second electrode, it means that the outer current collector is disposed in contact with the diffusion layer or the water repellent layer. Furthermore, the “reactive gas” is a gas required for power generation in the fuel cell, and means a hydrogen-containing gas or an oxygen-containing gas. “Reactive gas is supplied / discharged from the side surface of the case member” means that a plurality of openings are provided on the side surface of the case member, and gas is supplied / discharged from the openings. In addition, “the reaction gas flows along the outer peripheral surface of the tube-type fuel cell” means that the reaction gas supplied from some of the plurality of openings is the outer periphery of the tube-type fuel cell. After flowing along the surface, the reaction gas is discharged from the other openings among the plurality of openings.

上記本発明のチューブ型燃料電池モジュールにおいて、ケース部材の長手方向に直交する方向の断面形状が、略円形であることが好ましい。   In the tube-type fuel cell module of the present invention, it is preferable that the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the case member is substantially circular.

本発明によれば、チューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される反応ガスが、ケース部材の側面から供給/排出されるとともに、該反応ガスがチューブ型燃料電池セルの外周面に沿うように流れることによって、チューブ型燃料電池セルの外周面側の湿度、及びチューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される反応ガスの濃度の均一性の向上を図れ、発電特性を向上させることが可能なチューブ型燃料電池モジュールを得られる。   According to the present invention, the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell is supplied / discharged from the side surface of the case member, and the reaction gas is along the outer peripheral surface of the tube fuel cell. To improve the uniformity of the humidity on the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell and the concentration of the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell, thereby improving the power generation characteristics. A possible tubular fuel cell module can be obtained.

また、上記本発明のチューブ型燃料電池モジュールにおいて、ケース部材の長手方向に直交する方向の断面形状を略円形とすることによって、チューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される反応ガスがチューブ型燃料電池セルの外周面側を円滑に流れる、チューブ型燃料電池モジュールを得られる。   Moreover, in the tube type fuel cell module of the present invention, the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the tube type fuel cell is made to be a tube by making the cross-sectional shape in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the case member substantially circular. A tubular fuel cell module that smoothly flows on the outer peripheral surface side of the fuel cell can be obtained.

以下、図面を参照しつつ、本発明のチューブ型燃料電池モジュールについて、具体的に説明する。以下の説明では、MEAの外周面側へ酸素含有ガス(以下「空気」という。)が供給されるとともに、MEAの内周面側へ水素含有ガス(以下「水素」という。)が供給される形態を例示する。   Hereinafter, the tube type fuel cell module of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the following description, an oxygen-containing gas (hereinafter referred to as “air”) is supplied to the outer peripheral surface side of the MEA, and a hydrogen-containing gas (hereinafter referred to as “hydrogen”) is supplied to the inner peripheral surface side of the MEA. The form is illustrated.

図1は、本発明のチューブ型燃料電池モジュールを概略的に示した図である。図1(a)は長手方向に垂直な方向から見た側面図であって、紙面左右方向がチューブ型燃料電池モジュールの長手方向である。図1(b)は、図1(a)中にb−b´で示した箇所での長手方向に垂直な方向の断面図であって、紙面奥/手前方向がチューブ型燃料電池モジュールの長手方向である。図1(c)は、図1(a)中にc−c´で示した箇所での長手方向に垂直な方向の断面図であって、紙面奥/手前方向がチューブ型燃料電池モジュールの長手方向である。図1(a)、図1(b)、及び図1(c)中に示した矢印は、空気の流れの向きを示している。また、図1(a)では、図が煩雑になるのを防ぐため、一部符号を省略して示している。   FIG. 1 is a view schematically showing a tube type fuel cell module of the present invention. FIG. 1A is a side view seen from a direction perpendicular to the longitudinal direction, and the left-right direction on the paper is the longitudinal direction of the tubular fuel cell module. FIG. 1B is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the longitudinal direction at the position indicated by bb ′ in FIG. 1A, and the back / front direction of the paper is the longitudinal direction of the tubular fuel cell module. Direction. FIG. 1C is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the longitudinal direction at a location indicated by cc ′ in FIG. 1A, and the back / front direction of the paper is the longitudinal direction of the tubular fuel cell module. Direction. The arrows shown in FIG. 1A, FIG. 1B, and FIG. 1C indicate the direction of air flow. Further, in FIG. 1A, some symbols are omitted in order to prevent the figure from becoming complicated.

本発明のチューブ型燃料電池モジュール10(以下、単に「モジュール10」という。)は、図1に示すように、ケース部材1とケース部材1に収容されているチューブ型燃料電池セル3(以下、単に「セル3」という。)とを備えている。   As shown in FIG. 1, a tubular fuel cell module 10 of the present invention (hereinafter simply referred to as “module 10”) includes a case member 1 and a tubular fuel cell 3 accommodated in the case member 1 (hereinafter referred to as “module 10”). Simply “cell 3”).

ケース部材1の側面には、複数の開口部2、2、…が備えられている。これら開口部2、2、…のうち、一部の開口部2、2、…が空気の供給を行う供給口2a、2a、…であって、他の開口部2、2、…が排出口2b、2b、…であり、供給口2aと排出口2bはモジュール10の長手方向において交互に備えられることが好ましい。また、開口部2、2、…は、図1(a)に示すように、長手方向に適度に傾けて備えられていることが好ましい。かかる形態とすることによって、空気の供給/排出が行われやすくなる。   The side surface of the case member 1 is provided with a plurality of openings 2, 2,. Among these openings 2, 2, ..., some of the openings 2, 2, ... are supply ports 2a, 2a, ... for supplying air, and the other openings 2, 2, ... are discharge ports. 2b, 2b, ..., and the supply port 2a and the discharge port 2b are preferably provided alternately in the longitudinal direction of the module 10. Moreover, it is preferable that the openings 2, 2,... Are provided with an appropriate inclination in the longitudinal direction, as shown in FIG. By adopting such a configuration, it becomes easy to supply / discharge air.

一方、セル3は、中空部4を有するMEA5、MEA5の内周面側に備えられる内側集電体(不図示)、及びMEA5の外周面側に備えられる外側集電体(不図示)を備えている。MEA5は、図1(b)及び図1(c)に示すように、電解質膜6と、電解質膜6の内周面側に備えられる第1電極7(以下「アノード電極7」という。)と、電解質膜6の外周面側に備えられる第2電極8(以下「カソード電極8」という。)とを備えている。電解質膜6は、80℃程度の温度環境下で含水状態に保たれることによりプロトン伝導性能を発現するプロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜である。具体的には、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ポリマーを有することが好ましい。例えば、Nafion等(「Nafion」又は「ナフィオン」は米国デュポン社の登録商標。)。このほか、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とするポリマーを有していても良い。また、アノード電極7及びカソード電極8は、セル3の運転時に電気化学反応を生じさせる際の触媒として機能する金属粒子(例えば、白金のほか、白金黒粒子、又はこれらの合金等。以下において単に「触媒」という。)と、プロトン伝導性ポリマーとを含有している。内側集電体及び外側集電体は、上記電気化学反応により発生した電気エネルギーをMEA5の外部に取り出すことができれば特に限定されるものではなく、公知の手段によって備えられれば良い。   On the other hand, the cell 3 includes an MEA 5 having a hollow portion 4, an inner current collector (not shown) provided on the inner peripheral surface side of the MEA 5, and an outer current collector (not shown) provided on the outer peripheral surface side of the MEA 5. ing. As shown in FIGS. 1B and 1C, the MEA 5 includes an electrolyte membrane 6 and a first electrode 7 (hereinafter referred to as “anode electrode 7”) provided on the inner peripheral surface side of the electrolyte membrane 6. And a second electrode 8 (hereinafter referred to as “cathode electrode 8”) provided on the outer peripheral surface side of the electrolyte membrane 6. The electrolyte membrane 6 is a solid polymer membrane containing a proton conducting polymer that exhibits proton conducting performance when kept in a water-containing state in a temperature environment of about 80 ° C. Specifically, it is preferable to have a 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. For example, Nafion et al. (“Nafion” or “Nafion” is a registered trademark of DuPont, USA). In addition, a polymer having a hydrocarbon skeleton such as polyolefin may be included. In addition, the anode electrode 7 and the cathode electrode 8 are metal particles that function as a catalyst for causing an electrochemical reaction during the operation of the cell 3 (for example, platinum black particles or alloys thereof in addition to platinum. "Catalyst") and a proton conductive polymer. The inner current collector and the outer current collector are not particularly limited as long as the electric energy generated by the electrochemical reaction can be taken out of the MEA 5, and may be provided by a known means.

モジュール10では、図1(b)に示すように、供給口2aから、ケース部材1とセル3との間に形成されている空間9へと空気が供給される。空間9へと供給された空気は、図1(b)及び図1(c)に示すように、セル3の周方向に沿ってほぼ一周流れ、図1(c)に示すように、排出口2bから排出される。図1(b)及び図1(c)に示すように、ケース部材1の断面形状が略円形であることによって、空気がセル3の周りを円滑に流れることができる。一方、中空部4には水素が供給される。   In the module 10, as shown in FIG. 1B, air is supplied from the supply port 2 a to a space 9 formed between the case member 1 and the cell 3. The air supplied to the space 9 flows almost once along the circumferential direction of the cell 3 as shown in FIG. 1 (b) and FIG. 1 (c), and as shown in FIG. It is discharged from 2b. As shown in FIGS. 1B and 1C, the case member 1 has a substantially circular cross-sectional shape, so that air can smoothly flow around the cells 3. On the other hand, hydrogen is supplied to the hollow portion 4.

中空部4には供給された水素はアノード電極7へと達し、アノード電極7へと達した水素は、アノード電極7に分散された触媒の作用下で、プロトンと電子に分離する。アノード電極7で生じたプロトンは、アノード電極7、電解質膜6、及び、カソード電極8に含有されるプロトン伝導性ポリマーによって伝導され、カソード電極8へと達する。これに対し、アノード電極7で生じた電子は電解質膜6を通過することができない。そのため、電子は、アノード電極7の内周面側に配設された内側集電体(不図示)、及びカソード電極8の外周面側に配設された外側集電体(不図示)を含む外部回路を経て、カソード電極8へと達する。かかる過程を経てカソード電極8へと達したプロトン及び電子は、その後、カソード電極8に分散された触媒の作用下で、カソード電極8へと供給される空気に含有される酸素と反応し、水となる。セル3では、このようにして、電気化学反応によって電気エネルギーと共に水が生成される。   The hydrogen supplied to the hollow portion 4 reaches the anode electrode 7, and the hydrogen reaching the anode electrode 7 is separated into protons and electrons under the action of the catalyst dispersed in the anode electrode 7. Protons generated at the anode electrode 7 are conducted by the proton conductive polymer contained in the anode electrode 7, the electrolyte membrane 6, and the cathode electrode 8, and reach the cathode electrode 8. On the other hand, electrons generated at the anode electrode 7 cannot pass through the electrolyte membrane 6. Therefore, the electrons include an inner current collector (not shown) disposed on the inner peripheral surface side of the anode electrode 7 and an outer current collector (not illustrated) disposed on the outer peripheral surface side of the cathode electrode 8. The cathode electrode 8 is reached through an external circuit. The protons and electrons that have reached the cathode electrode 8 through this process then react with oxygen contained in the air supplied to the cathode electrode 8 under the action of the catalyst dispersed in the cathode electrode 8, It becomes. In the cell 3, in this way, water is generated together with electric energy by an electrochemical reaction.

上述したように、モジュール10では、上記電気化学反応に用いられる空気が、ケース部材1の側面に備えられた供給口2aから供給され、セル3の外周面に沿って流れた後、排出口2bから排出される。かかる形態とすることによって、セル3の長手方向において、セル3の外周面側の湿度、及びセル3の外周面側に供給される空気中に含まれる酸素濃度の均一性の向上を図れ、発電特性を向上させることが可能となる。その理由を以下に具体的に説明する。   As described above, in the module 10, the air used for the electrochemical reaction is supplied from the supply port 2 a provided on the side surface of the case member 1 and flows along the outer peripheral surface of the cell 3. Discharged from. By adopting such a configuration, in the longitudinal direction of the cell 3, the humidity on the outer peripheral surface side of the cell 3 and the uniformity of the oxygen concentration contained in the air supplied to the outer peripheral surface side of the cell 3 can be improved. The characteristics can be improved. The reason will be specifically described below.

燃料電池では、発電の際にカソード電極側で生成される水が余剰の反応ガスとともに流される。すなわち、反応ガスの流れ方向における位置によって湿度に差異を生ずる。具体的には、反応ガスの入り口側では湿度が低く、出口側に向かうにつれて多くの水を含むようになるため、湿度が高くなる。また、反応ガスの濃度も、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。具体的には、反応ガスの入り口側では反応ガスの濃度が高くなっているが、出口側に向かうにつれて反応ガスの濃度が低くなる。したがって、例えば、チューブ型燃料電池の外周面側において、チューブ型燃料電池セルの長手方向に沿って空気が流される形態の場合、チューブ型燃料電池セルの長手方向において湿度、及び酸素の濃度に差異が生じ、発電分布が発生する虞があった。また、チューブ型燃料電池の外周面側において、チューブ型燃料電池セルの長手方向に対して垂直な一方向から空気が供給される形態の場合、チューブ型燃料電池セルの空気が供給される側では酸素濃度が高くて乾燥した状態となり、その裏側では酸素濃度が薄くて湿度が高い状態となりやすいため、発電分布が発生する虞があった。   In a fuel cell, water generated on the cathode electrode side during power generation flows together with surplus reaction gas. That is, the humidity varies depending on the position in the flow direction of the reaction gas. Specifically, the humidity is low on the inlet side of the reaction gas, and the amount of water increases as it goes toward the outlet side, so the humidity increases. Also, the concentration of the reaction gas varies depending on the position in the flow direction of the reaction gas. Specifically, the concentration of the reaction gas increases on the inlet side of the reaction gas, but the concentration of the reaction gas decreases toward the outlet side. Therefore, for example, in the case where air is flowed along the longitudinal direction of the tubular fuel cell on the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell, there is a difference in the concentration of humidity and oxygen in the longitudinal direction of the tubular fuel cell. As a result, power generation distribution may occur. In the case where air is supplied from one direction perpendicular to the longitudinal direction of the tubular fuel cell on the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell, on the side where the air of the tubular fuel cell is supplied Since the oxygen concentration is high and it is in a dry state, and the oxygen concentration is low on the back side and the humidity is likely to be high, the power generation distribution may occur.

しかし、モジュール10では、上述したように、空気が供給口2aから供給されて、セル3の外周面に沿ってほぼ一周流れた後に、排出口2bから排出される形態となっている。かかる形態とすることによって、セル3の外周面側の湿度及び酸素濃度の差異が生じることを抑制できる。すなわち、モジュール10では、セル3の外周面側の湿度、及びセル3の外周面側に供給される酸素濃度の均一性の向上を図れ、発電特性を向上させることが可能となる。   However, in the module 10, as described above, air is supplied from the supply port 2a, flows substantially once along the outer peripheral surface of the cell 3, and then is discharged from the discharge port 2b. By setting it as this form, it can suppress that the difference of the humidity and oxygen concentration of the outer peripheral surface side of the cell 3 arises. That is, in the module 10, the humidity on the outer peripheral surface side of the cell 3 and the uniformity of the oxygen concentration supplied to the outer peripheral surface side of the cell 3 can be improved, and the power generation characteristics can be improved.

これまでの説明では、本発明のチューブ型燃料電池モジュールの一つの形態例として、MEA5の外周面側へ空気が供給されるとともに、MEA5の内周面側へ水素が供給される形態を例示したが、本発明のチューブ型燃料電池モジュールでは、MEAの内周面側へ空気が供給されるとともに、MEAの外周面側へ水素が供給される形態であっても、チューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される水素の濃度の均一性を向上させるという効果は得られる。ただし、チューブ型燃料電池セルの湿度の均一性も向上させるという観点からは、MEAの外周面側へ空気が供給されるとともに、MEAの内周面側へ水素が供給される形態が好ましい。   In the description so far, as an example of the form of the tube type fuel cell module of the present invention, an example in which air is supplied to the outer peripheral surface side of the MEA 5 and hydrogen is supplied to the inner peripheral surface side of the MEA 5 is illustrated. However, in the tube type fuel cell module of the present invention, the outer periphery of the tube type fuel cell is provided even when air is supplied to the inner peripheral surface side of the MEA and hydrogen is supplied to the outer peripheral surface side of the MEA. The effect of improving the uniformity of the concentration of hydrogen supplied to the surface side can be obtained. However, from the viewpoint of improving the humidity uniformity of the tube-type fuel cell, a mode in which air is supplied to the outer peripheral surface side of the MEA and hydrogen is supplied to the inner peripheral surface side of the MEA is preferable.

また、これまでの本発明のチューブ型燃料電池モジュールの説明では、モジュール10のように、ケース部材1の長手方向に垂直な方向の断面形状が略円形である形態を例示したが、本発明のチューブ型燃料電池モジュールはかかる形態に限定されるものではない。ケース部材とチューブ型燃料電池セルとの間に、ケース部材の側面から供給/排出される反応ガスが流通可能な空間を有する形態であれば良く、具体的には、例えば、ケース部材の長手方向に垂直な方向の断面形状が略多角形、又は略扁平円形などであっても良い。ただし、チューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される反応ガスをより円滑に流すという観点からは、ケース部材の長手方向に垂直な方向の断面形状が略円形である形態が好ましい。   Further, in the description of the tube type fuel cell module of the present invention so far, the mode in which the cross-sectional shape in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the case member 1 is substantially circular like the module 10 is illustrated. The tube type fuel cell module is not limited to such a form. Any configuration may be used as long as it has a space in which the reaction gas supplied / exhausted from the side surface of the case member can flow between the case member and the tube-type fuel cell, for example, the longitudinal direction of the case member. The cross-sectional shape in the direction perpendicular to may be a substantially polygonal shape or a substantially flat circular shape. However, from the viewpoint of more smoothly flowing the reaction gas supplied to the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell, a form in which the cross-sectional shape in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the case member is substantially circular is preferable.

また、これまでの本発明のチューブ型燃料電池モジュールの説明では、ケース部材1の側面に備えられた開口部2、2、…が突出している形態を例示したが、本発明のチューブ型燃料電池モジュールはかかる形態に限定されるものではなく、開口部が面一になっている形態であっても良い。ただし、反応ガスの供給/排出を容易に行うという観点からは、図1に示したように、開口部が突出した形態で備えられることが好ましい。   Further, in the description of the tube type fuel cell module of the present invention so far, the form in which the opening portions 2, 2,... Provided on the side surface of the case member 1 protrude is illustrated, but the tube type fuel cell of the present invention is illustrated. The module is not limited to such a form, and may have a form in which the openings are flush with each other. However, from the viewpoint of easily supplying / discharging the reaction gas, it is preferable that the opening is provided in a form protruding as shown in FIG.

また、これまでの本発明のチューブ型燃料電池モジュールの説明では、MEA5が電解質膜6、アノード電極7、及びカソード電極8を備える形態について説明してきたが、本発明はかかる形態に限定されるものではなく、アノード電極の内周面側及び/又はカソード電極の外周面側にガス拡散層が備えられる形態であっても良い。ガス拡散層はチューブ型燃料電池の運転時の環境に耐えられ、ガスを拡散させることが可能で、導電性を有するものであれば良く、本発明で使用可能な拡散層の具体例としては、カーボンペーパーやカーボンクロス等を挙げることができる。   In the description of the tube type fuel cell module of the present invention, the MEA 5 includes the electrolyte membrane 6, the anode electrode 7, and the cathode electrode 8. However, the present invention is limited to such a form. Instead, the gas diffusion layer may be provided on the inner peripheral surface side of the anode electrode and / or the outer peripheral surface side of the cathode electrode. The gas diffusion layer may be any material that can withstand the environment during operation of the tubular fuel cell, can diffuse the gas, and has conductivity, and specific examples of the diffusion layer that can be used in the present invention include: Examples thereof include carbon paper and carbon cloth.

また、これまでの本発明の説明では、一のチューブ型燃料電池モジュールに注目して説明してきたが、本発明のチューブ型燃料電池モジュールを複数組み合わせて用いることも可能である。例えば、本発明のチューブ型燃料電池モジュールを長手方向に複数配列し、それぞれを電気的に接続して用いることも可能である。また、本発明のチューブ型燃料電池モジュールを長手方向に対して直交する方向に複数配列し、それぞれを電気的に接続して用いることも可能である。ただし、構造を簡単にするという観点からは、長手方向に複数配列する形態が好ましい。   In the description of the present invention so far, one tube type fuel cell module has been described. However, a plurality of the tube type fuel cell modules of the present invention can be used in combination. For example, a plurality of the tube-type fuel cell modules of the present invention can be arranged in the longitudinal direction, and each can be electrically connected for use. It is also possible to arrange a plurality of the tubular fuel cell modules of the present invention in a direction orthogonal to the longitudinal direction and to electrically connect each of them. However, from the viewpoint of simplifying the structure, a form in which a plurality are arranged in the longitudinal direction is preferable.

本発明のチューブ型燃料電池モジュールを概略的に示した図である。(a)は長手方向に垂直な方向から見た側面図である。(b)は、(a)中にb−b´で示した箇所での長手方向に垂直な方向の断面図である。(c)は、(a)中にc−c´で示した箇所での長手方向に垂直な方向の断面図である。It is the figure which showed schematically the tube type fuel cell module of this invention. (A) is the side view seen from the direction perpendicular | vertical to a longitudinal direction. (B) is sectional drawing of the direction perpendicular | vertical to the longitudinal direction in the location shown by bb 'in (a). (C) is sectional drawing of the direction perpendicular | vertical to the longitudinal direction in the location shown by cc 'in (a).

符号の説明Explanation of symbols

1 ケース部材
2 開口部
2a 供給口
2b 排出口
3 チューブ型燃料電池セル
4 中空部
5 MEA(膜電極構造体)
6 電解質膜
7 アノード電極(第1電極)
8 カソード電極(第2電極)
9 空間
10 チューブ型燃料電池モジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Case member 2 Opening part 2a Supply port 2b Discharge port 3 Tube type fuel cell 4 Hollow part 5 MEA (membrane electrode structure)
6 Electrolyte membrane 7 Anode electrode (first electrode)
8 Cathode electrode (second electrode)
9 Space 10 Tube type fuel cell module

Claims (2)

中空形状の膜電極構造体、前記膜電極構造体の内周面側へ配設される内側集電体、及び前記膜電極構造体の外周面側へ配設される外側集電体、を備えるチューブ型燃料電池セルと、
前記チューブ型燃料電池セルを収容するケース部材と、を備え、
前記チューブ型燃料電池セルの前記外周面側に供給される反応ガスが、前記ケース部材の側面から供給/排出されるとともに、前記反応ガスが前記チューブ型燃料電池セルの前記外周面に沿うように流れることを特徴とする、チューブ型燃料電池モジュール。
A hollow membrane electrode structure, an inner current collector disposed on the inner peripheral surface side of the membrane electrode structure, and an outer current collector disposed on the outer peripheral surface side of the membrane electrode structure A tubular fuel cell;
A case member that accommodates the tubular fuel cell,
The reactive gas supplied to the outer peripheral surface side of the tubular fuel cell is supplied / discharged from the side surface of the case member, and the reactive gas is along the outer peripheral surface of the tubular fuel cell. A tubular fuel cell module, characterized by flowing.
前記ケース部材の長手方向に直交する方向の断面形状が、略円形であることを特徴とする、請求項1に記載のチューブ型燃料電池モジュール。 2. The tube type fuel cell module according to claim 1, wherein a cross-sectional shape in a direction orthogonal to a longitudinal direction of the case member is substantially circular.
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