JP2009076395A - Tube type fuel battery cell, and tube type fuel cell equipped with tube type fuel battery cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シール及び集電の信頼性の向上が図れ、生産性が良いチューブ型燃料電池セル及び該チューブ型燃料電池セルを備えるチューブ型燃料電池に関する。 The present invention relates to a tube-type fuel cell that can improve the reliability of sealing and current collection and has good productivity, and a tube-type fuel cell including the tube-type fuel cell.
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)とを備える膜電極接合体(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 has a membrane electrode assembly (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.
チューブ型燃料電池に関する技術として、例えば、特許文献1には、燃料電池の基体管原料に粗粒を添加・混合し、焼結時に収縮を不均一化し、基体管の気孔率を高くすることでガス透過性が向上された燃料電池用基体管と、その基体管上に燃料側電極、電解質、空気側電極などを積層した固体電解質型燃料電池に関する技術が開示されている。
As a technique related to a tube-type fuel cell, for example, in
また、特許文献2には、酸化剤ガスと燃料ガスとを、外周面に単電池膜を成膜してなるセルチューブに供給することにより、上記酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした円筒型固体電解質型燃料電池モジュールに関する技術が開示されており、特許文献3には、多孔質のカソードチューブの外周面上に、固体電解質体とインタコネクタがそれぞれ筒状に且つカソードチューブの長さ方向に交互に隣接して積層され、アノードがインタコネクタと離間して固体電解質体の表面に筒状に積層されてな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。さらに、特許文献4には、チューブ状の固体電解質膜と、その固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層と、固体電解質膜の内周面に形成された内側触媒電極層と、外側触媒電極層の外周面に配置された外側集電体と、内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体に関する技術が開示されており、特許文献5には、チューブ状電解質の内外周面側に電極が設けられた燃料電池に関する技術が開示されている。
上記特許文献4及5に開示されているようなチューブ型燃料電池セルを備える燃料電池で発電面積を大きくするには、以下の方法が考えられるが、各々問題がある。まず、一のチューブ型燃料電池セルの径を太くする場合は、電極集積率が悪くなる。また、一のチューブ型燃料電池セルの長さを長くする場合は、内部集電体の太さに制約される。さらに、一のチューブ型燃料電池セルを表面に凹凸のある複雑な形状にする場合は、成形が困難で、シールが複雑になる。そこで、チューブ型燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セルの数を増やすとすると、チューブ型燃料電池セルの端部の数が増え、その端部の処理を個々に行う場合、作業性が著しく悪くなる。また、チューブ型燃料電池セルを束ねる等してまとめて端部の処理をする場合は、複数の円筒が集まった複雑な形状となるため、特にシール、集電の信頼性が低くなる。
In order to increase the power generation area in a fuel cell having a tube-type fuel cell as disclosed in
一方、上記特許文献1〜3に開示されているようなチューブ型燃料電池セルでは、全体的にガス透過性を有する管体の外周面側に複数の発電部位が存在しており、発電面積を大きくするために発電部位を増やせば、シールを必要とする箇所が増加し、シール信頼性が低下する。また、構造が複雑であるため、生産性が良くない。
On the other hand, in the tubular fuel cells as disclosed in
そこで本発明は、シール及び集電の信頼性の向上が図れ、生産性が良いチューブ型燃料電池セル及び該チューブ型燃料電池セルを備えるチューブ型燃料電池を提供することを課題とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a tube-type fuel cell that can improve the reliability of sealing and current collection and has high productivity, and a tube-type fuel cell including the tube-type fuel cell.
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第1の本発明は、導電性を有し、中空形状であるとともに、内周面側から外周面側へガスの流通が可能なガス透過部を一又は複数有する、管体と、管体のガス透過部の外周面側に形成される膜電極接合体と、を備えることを特徴とする、チューブ型燃料電池セルである。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
A first aspect of the present invention is a tubular body having conductivity, a hollow shape, and having one or a plurality of gas permeable portions capable of gas flow from the inner peripheral surface side to the outer peripheral surface side, And a membrane electrode assembly formed on the outer peripheral surface side of the gas permeable portion.
ここに、「ガス」とは、燃料電池を運転する際に不可欠な水素含有ガスや酸素含有ガスなどを意味する。また、「ガス透過部の外周面側に形成される膜電極接合体」とは、ガス透過部を外周面側から完全に覆う形態で膜電極接合体が備えられることを意味する。さらに、「膜電極接合体」とは、プロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜と、該固体高分子膜の一方の面及び他方の面にそれぞれ形成された触媒層(アノード触媒層及びカソード触媒層)と、を備えるMEAを意味する。 Here, “gas” means a hydrogen-containing gas, an oxygen-containing gas, or the like that is indispensable when the fuel cell is operated. In addition, the “membrane electrode assembly formed on the outer peripheral surface side of the gas permeable portion” means that the membrane electrode assembly is provided in a form that completely covers the gas permeable portion from the outer peripheral surface side. Furthermore, the “membrane electrode assembly” includes a solid polymer membrane containing a proton conducting polymer, and catalyst layers (an anode catalyst layer and a cathode formed on one side and the other side of the solid polymer membrane, respectively). MEA provided with a catalyst layer).
上記第1の本発明のチューブ型燃料電池セルにおいて、管体が一又は複数の屈曲部を有することが好ましい。 In the tube-type fuel cell of the first aspect of the present invention, the tube body preferably has one or a plurality of bent portions.
上記第1の本発明のチューブ型燃料電池セルにおいて、管体の端部に拡管処理が施されていることが好ましい。 In the tubular fuel cell according to the first aspect of the present invention, it is preferable that a tube expansion process is performed on an end portion of the tubular body.
ここに、「拡管処理」とは、管体の端部において、管体の内径及び外径が端に向かって拡げられる処理を意味する。 Here, the “tube expansion process” means a process in which the inner diameter and the outer diameter of the tube body are expanded toward the end at the end portion of the tube body.
第2の本発明は、第1の本発明のチューブ型燃料電池セルを備えるチューブ型燃料電池である。 The second aspect of the present invention is a tube type fuel cell comprising the tube type fuel cell of the first aspect of the present invention.
第1の本発明によれば、導電性を有し、中空形状である管体のガス透過部に、膜電極接合体が備えられることによって、シール及び集電が容易なチューブ型燃料電池セルを得ることができる。したがって、第1の本発明によれば、シール及び集電の信頼性の向上を図れる、チューブ型燃料電池セルを得ることができる。さらに、第1の本発明のチューブ型燃料電池セルは、構成が簡単なため、生産性が良い。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a tube-type fuel cell that can be easily sealed and collected by providing a membrane electrode assembly in a gas permeable portion of a tubular body having conductivity and having a hollow shape. Obtainable. Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to obtain a tube-type fuel cell that can improve the reliability of sealing and current collection. Furthermore, the tube-type fuel cell according to the first aspect of the present invention has a simple configuration and therefore has high productivity.
また、管体が屈曲部を一又は複数有する形態とすることによって、例えば、制限された容積内で長い一のチューブ型燃料電池セルを作製することが可能であり、一のチューブ型燃料電池セルで大きな発電面積を得られるため、チューブ型燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セルの数(チューブ型燃料電池セルの端部の数)を少なくすることが可能である。したがって、第1の本発明によれば、発電面積を増大させても、シール及び集電の信頼性の向上を図れ、生産性が良いチューブ型燃料電池セルを得ることができる。 Further, by adopting a configuration in which the tube body has one or a plurality of bent portions, for example, it is possible to produce one long tube-type fuel cell within a limited volume, and one tube-type fuel cell. Therefore, it is possible to reduce the number of tube-type fuel cells (the number of end portions of the tube-type fuel cells) provided in the tube-type fuel cell. Therefore, according to the first aspect of the present invention, even when the power generation area is increased, the reliability of the seal and the current collection can be improved, and a tubular fuel cell having high productivity can be obtained.
また、管体の端部に拡管処理が施されていることによって、管体の中空部を流通するガスが管体の中空部に出入りしやすい、チューブ型燃料電池セルを得ることができる。 Moreover, the tube-type fuel cell in which the gas which distribute | circulates the hollow part of a pipe body easily enters / exits the hollow part of a pipe body can be obtained by performing the pipe expansion process to the edge part of a pipe body.
第2の本発明によれば、第1の本発明のチューブ型燃料電池セルを備えることで、シール及び集電の信頼性の向上を図れ、生産性が良いチューブ型燃料電池を得ることができる。 According to the second aspect of the present invention, by providing the tube type fuel cell of the first aspect of the present invention, it is possible to improve the reliability of the seal and the current collection and obtain a tube type fuel cell with good productivity. .
以下、図面を参照しつつ、本発明のチューブ型燃料電池セル及び本発明のチューブ型燃料電池について、具体的に説明する。 Hereinafter, the tubular fuel cell of the present invention and the tubular fuel cell of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
<チューブ型燃料電池セル>
図1は、本発明のチューブ型燃料電池セルの一部を概略的に示した図である。図1(a)は、本発明のチューブ型燃料電池セルを、長手方向に対して垂直な方向から見た図である。図1(b)は、図1(a)にI−I´で示した箇所での断面図であって、奥/手前方向がチューブ型燃料電池セルの長手方向である。図1(c)は、図1(b)にcで示した部分を拡大して示した図である。図2は、本発明のチューブ型燃料電池セルに備えられる管体の一部を長手方向に対して垂直な方向から見た概念図である。図3は、管体の端部を拡大して概略的に示した斜視図である。図4は、管体に配設されたMEAの長手方向の一方の端部のみを拡大して概略的に示した斜視図である。図1〜図4において、同様の構成を採るものには同符号を付し、適宜説明を省略する。
<Tube type fuel cell>
FIG. 1 is a diagram schematically showing a part of a tubular fuel cell according to the present invention. Fig.1 (a) is the figure which looked at the tubular fuel cell of this invention from the direction perpendicular | vertical with respect to a longitudinal direction. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line II ′ in FIG. 1A, and the back / front direction is the longitudinal direction of the tubular fuel cell. FIG.1 (c) is the figure which expanded and showed the part shown by c in FIG.1 (b). FIG. 2 is a conceptual view of a part of a tubular body provided in the tubular fuel cell of the present invention as seen from a direction perpendicular to the longitudinal direction. FIG. 3 is a perspective view schematically showing an enlarged end portion of the tubular body. FIG. 4 is an enlarged perspective view schematically showing only one end portion in the longitudinal direction of the MEA disposed in the tubular body. 1 to 4, components having the same configuration are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.
図1に示すように、本発明のチューブ型燃料電池セル10(以下、単に「燃料電池セル10」という。)は、管体1と、管体1の外周面側に配設されたMEA3を備えている。
As shown in FIG. 1, a
管体1は、導電性を有しており、図1(b)に示すように、中空部5を有する中空形状である。また、管体1は、図2に示すように、管体1の内周面側から外周面側へとガスの流通が可能なガス透過部2、2、…を複数備えている。ガス透過部2とは、具体的には、例えば、管体1の内周面側から外周面側へとガスの流通が可能な程度の微細な孔が複数設けられた部分を意味する。さらに、管体1の端部には、図3に示すように、管体1の内径及び外径が管体1の端に向かうにつれて拡げられた、拡管処理が施されていても良い。かかる形態とすることによって、管体1の中空部5を流通するガスが管体1の中空部5に出入りしやすくなる。本発明に用いることができる管体1の材料としては、燃料電池セル10の運転中の環境に耐えられ、導電性が良いものであれば特に限定されない。具体的には、例えば、カーボン、ステンレス、チタンなどの耐食材、もしくは、金メッキなどの耐食性表面処理を施した金属などを挙げることができる。
The
一方、MEA3は、図1(c)に示すように、電解質膜6と、電解質膜6の内周面側に配設されるアノード触媒層7aと、電解質膜6の外周面側に配設されるカソード触媒層7b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。より具体的には、例えば、Nafion(「Nafion」又は「ナフィオン」は米国デュポン社の登録商標。)等を挙げることができる。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、アノード触媒層7a及びカソード触媒層7bは、燃料電池セル10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。
On the other hand, as shown in FIG. 1C, the
燃料電池セル10では、ガス透過部2、2、…の外周面側がMEA3、3、…によって完全に覆うように配設されているため、ガス透過部2、2、…から中空部5を流通するガスが漏洩することを抑制できる。また、ガスの漏洩をさらに抑制するという観点からは、MEA3、3、…の長手方向の両端部9、9、…(図4参照)を接着、又は熱圧着することが好ましい。一方、一のMEA3と他のMEA3の間、すなわち、管体1のガス透過部2がない部分では、管体1の一部分が露出している。管体1は導電性を有するため、燃料電池セル10の運転時には、管体1を集電体として機能させて、管体1の露出部分を電流取出し部4、4、…とすることができる。したがって、燃料電池セル10では集電が容易である。一の電流取出し部4と他の電流取出し部4との間隔、すなわち、一のMEA3の長手方向の長さは、長過ぎれば電子の移動距離が伸びるため集電効率が悪くなり、短過ぎれば単位体積当たりの発電量が低くなる。
In the
これまでの説明では、本発明のチューブ型燃料電池セルの一つの形態例として、燃料電池セル10のように、管体1の長手方向に垂直な方向の断面形状が略円形であって、管体1が屈曲部を有さない形態を例示したが、本発明のチューブ型燃料電池セルはかかる形態に限定されるものではない。他の形態例として、具体的に、図5を用いて説明する。
In the description so far, as a form example of the tubular fuel cell of the present invention, like the
図5(a)及び図5(b)は、本発明のチューブ型燃料電池セルの他の形態例を概略的に示した図である。図1及び図2と同様の構成を採るものには、図1及び図2で用いた符号と同符号を付し、説明を適宜省略する。また、図5(a)及び図5(b)では、図が煩雑になるのを防ぐため、符号を一部省略して示している。 5 (a) and 5 (b) are diagrams schematically showing another embodiment of the tubular fuel cell according to the present invention. Components having the same configurations as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 1 and 2, and description thereof will be omitted as appropriate. Further, in FIGS. 5A and 5B, some symbols are omitted in order to prevent the drawings from becoming complicated.
本発明のチューブ型燃料電池セルは、図5(a)に示すように、屈曲部22を有する管体21のガス透過部(MEA3に覆われているため不図示。)の外周面側にMEA3、3、…が配設される、チューブ型燃料電池セル20のような形態であっても良い。また、図5(b)に示すように、複数の屈曲部32、32、…を有する管体31のガス透過部(MEA3に覆われているため不図示。)の外周面側にMEA3、3、…が配設される、チューブ型燃料電池セル30のような形態であっても良い。このように、屈曲部を有する形態とすることによって、例えば、制限された容積内で長い一のチューブ型燃料電池セルを作製することが可能であり、一のチューブ型燃料電池セルで大きな発電面積を得られるため、チューブ型燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セルの数(チューブ型燃料電池セルの端部の数)を少なくすることが可能である。したがって、発電面積を増大させても、シール及び集電の信頼性の向上を図れ、生産性が良いチューブ型燃料電池セルを得ることができる。
As shown in FIG. 5A, the tubular fuel cell according to the present invention has an
一方、本発明のチューブ型燃料電池セルに用いることができる管体の長手方向に垂直な方向の断面形状は、略円形に限られず、ガスの流通が可能な中空部を有している形態であれば良い。具体的には、例えば、管体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。生産効率などを考慮すると、断面形状が略円形である形態が好ましいが、屈曲部を有する管体とする場合には、断面形状を略扁平円形とした方が好ましい場合がある。 On the other hand, the cross-sectional shape in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the tubular body that can be used in the tubular fuel cell of the present invention is not limited to a substantially circular shape, but has a hollow portion that allows gas flow. I just need it. Specifically, for example, the cross-sectional shape in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the tubular body may be a substantially polygonal shape or a substantially flat circular shape. Considering production efficiency and the like, it is preferable that the cross-sectional shape is a substantially circular shape. However, in the case of a tubular body having a bent portion, it may be preferable that the cross-sectional shape is a substantially flat circular shape.
<チューブ型燃料電池セルの作製方法>
以下に、本発明のチューブ型燃料電池セルを作製する方法を説明する。例えば、燃料電池セル10を作製する際には、まず、管体1を目的の形状に作製した後、管体1のガス透過部2、2、…の外周面側にMEA3、3、…を配設する。MEA3、3、…を管体1に配設する方法は特に限定されるものではないが、MEA3、3、…の長手方向の両端部9、9、…(図4参照)は接着、又は熱圧着しておくことが好ましい。かかる形態とすることによって、中空部5を流通するガスの漏洩を抑制することができる。
<Method for producing tube type fuel cell>
Hereinafter, a method for producing the tubular fuel cell of the present invention will be described. For example, when the
MEA3、3、…を管体1に配設する方法の具体例としては、平板状に形成された複数のMEAを、それぞれ管体1のガス透過部2、2、…の外周面側を完全に覆うように巻きつけ、そのMEAの両端部を熱圧着することで、ガス透過部2、2、…の外周面側に中空形状のMEA3、3、…を形成する方法を挙げることができる。また、ガス透過部2、2、…の外周面側を完全に覆うように触媒インクをスプレー塗布してアノード触媒層7a、7a、…を形成した後、その外周面にプロトン伝導性ポリマーを含有する電解質組成物をスプレー塗布して電解質膜6、6、…を形成し、さらにその外周面に触媒インクをスプレー塗布してカソード触媒層7b、7b、…を形成することで、ガス透過部2、2、…の外周面側に中空形状のMEA3、3、…を形成する方法も挙げることができる。さらに、管体1と、粘度を高く調整した触媒インク及び電解質組成物を、ダイスを通して共押し出しすることで、管体1のガス透過部2、2、…の外周面側にMEA3、3、…を配設する方法も挙げることができる。
As a specific example of the method of disposing the
次に、屈曲部32、32、…を有する管体31のガス透過部2、2、…の外周面側にMEA3、3、…を配設する方法の具体例について、図6を用いて説明する。図6(a)及び図6(b)は管体31を平板状のMEA33a、及びMEA33b(管体31の外周面側に配設後のMEA3と区別するために、管体31の外周面側に配設前の平板状のMEAを「MEA33a」、及び「MEA33b」という。)で挟持した状態を概略的に示した上面図である。ただし、図6(a)においては、説明の都合のため、MEA33aを省略して管体31が見えるように示している。図6(b)は、図6(a)中に示した矢印の方向から管体31及びMEA33、33を見た図である。図6(a)、及び図6(b)において、図1及び図2と同じ構成を採るものには、図1及び図2で使用した符号と同符号を付し、適宜説明を省略する。また、図が煩雑になるのを防ぐため、図6(a)、及び図6(b)では、一部符号を省略して示している。
Next, a specific example of a method of arranging the
屈曲部32、32、…を有する管体31の外周面側にMEA3、3、…を配設する場合、図6(a)及び図6(b)に示すように、管体31をMEA33a、及びMEA33bで挟持し、図6(a)に破線で示した箇所(図6(b)に矢印で示した箇所)において、MEA33a、及びMEA33bを切断し、切断されたMEA33aの端部と切断されたMEA33bの端部とを互いに接着することで、効率良く、管体31のガス透過部2、2、…の外周面側を図5(b)に示すようにMEA3、3、…で覆完全に覆うことができる。この方法で管体31のガス透過部2、2、…の外周面側にMEA3、3、…を配設する場合は、管体31の外径に応じて、管体31の屈曲部32、32、…の曲率を決める必要がある。管体31の外径に対して屈曲部32、32、…の曲率が小さすぎる場合は、図6(b)にxで示した部分の長さが長くなりすぎて、ガス透過部2、2、…を覆うMEA3、3、…が過剰となる。逆に、管体31の外径に対して屈曲部32、32、…の曲率が大きすぎる場合は、図6(b)にxで示した部分の長さが短くなりすぎて、MEA3、3、…でガス透過部2、2、…を覆うことができなくなる。
When the
<チューブ型燃料電池>
以下に、本発明のチューブ型燃料電池について説明する。図7は、複数の燃料電池セル10を備える、本発明のチューブ型燃料電池の形態例を概略的に示した図である。図1及び図2と同様の構成を採るものには、図1及び図2で用いた符号と同符号を付し、説明を適宜省略する。また、図7では、図が煩雑になるのを防ぐため、符号を一部省略して示している。
<Tube type fuel cell>
The tube type fuel cell of the present invention will be described below. FIG. 7 is a diagram schematically showing an example of a tubular fuel cell according to the present invention that includes a plurality of
図7に示すように、本発明のチューブ型燃料電池100(以下、単に「燃料電池100」という。)は、複数の燃料電池セル10が略平行に配列されており、燃料電池セル10、10、…のそれぞれの電流取り出し部4、4、…が導線101で電気的に繋がれているとともに、燃料電池セル10、10、…のそれぞれのMEA3、3、…(カソード触媒層7b、7b、…)が導線102で電気的に繋がれている。
As shown in FIG. 7, a tube
燃料電池100の運転時には、燃料電池セル10の中空部5に水素含有ガス(以下、「水素」という。)が流通されるとともに、MEA3の外周面側に酸素含有ガス(以下、「空気」という。)が供給される。中空部5に流通させられる水素は、管体1の内周面側からガス透過部2、2、…の孔を通って、管体1の外周面側へと抜けることができる。ガス透過部2、2、…の孔から管体1の外周面側へと出てきた水素は、アノード触媒層7aへと達し、アノード触媒層7aに含有される触媒の作用下でプロトン及び電子に分離する。アノード触媒層7aで生じたプロトンは、アノード触媒層7a、電解質膜6、及び、カソード触媒層7bに含有されるプロトン伝導性ポリマーを伝って、カソード触媒層7bへと達する。一方、アノード触媒層7aで生じた電子は、導電性を有する管体1が集電体として機能し、アノード触媒層7aから管体1を伝って、電流取り出し部4から導線101及び導線102を含む外部回路を経由してカソード触媒層7bへと達する。そして、MEA3の外周面側に供給されることにより、カソード触媒層7bへと達した空気に含有される酸素と、アノード触媒層7aからカソード触媒層7bへと移動してきたプロトン及び電子とが、カソード触媒層7bに含有される触媒の作用下で反応することにより、カソード触媒層7bで水が生成される。燃料電池100では、このような過程と経ることで、電気エネルギーが発生する。なお、アノード触媒層7aにおける上記反応に利用されなかった水素は、中空部5を通って、燃料電池100セルの外へと排出されて回収され、カソード触媒層7bにおける上記反応に利用されなかった空気は、燃料電池100の外へと排出される。
During operation of the
このように、燃料電池100の運転時には、プロトン及び電子が移動するため、当該移動の際の抵抗等に起因する熱が発生する。MEA3に含有されるプロトン伝導性ポリマーは、例えば80℃程度等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ため、燃料電池100の性能を向上させるためには、燃料電池100の過度の温度上昇を防止する必要がある。かかる観点から、燃料電池100には、冷媒を流通させた冷却管などの冷却装置(不図示)が備えられる。
As described above, when the
これまでの本発明のチューブ型燃料電池セルの説明では、MEAが電解質膜、アノード触媒層、及びカソード触媒層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、アノード触媒層の内周面側及び/又はカソード触媒層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 tubular fuel cell of the present invention so far, the mode in which the MEA includes the electrolyte membrane, the anode catalyst layer, and the cathode catalyst layer has been described, but the present invention is not limited to such a mode, The gas diffusion layer may be provided on the inner peripheral surface side of the anode catalyst layer and / or the outer peripheral surface side of the cathode catalyst layer. 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チューブ型燃料電池セルの説明では、電解質膜の内周面側にアノード触媒層、電解質膜の外周面側カソード触媒層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、管体の中空部に空気を流通させ、チューブ型燃料電池セルの外周面側に水素を供給して、電解質膜の内周面側にカソード触媒層、電解質膜の外周面側にアノード触媒層を備える形態としても良い。 Further, in the description of the tubular fuel cell of the present invention so far, the embodiment in which the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer on the outer peripheral surface side of the electrolyte membrane are provided on the inner peripheral surface side of the electrolyte membrane has been described. It is not limited to such a form, air is circulated through the hollow portion of the tube body, hydrogen is supplied to the outer peripheral surface side of the tube type fuel cell, and the cathode catalyst layer and the electrolyte are provided on the inner peripheral surface side of the electrolyte membrane. The anode catalyst layer may be provided on the outer peripheral surface side of the membrane.
さらに、これまでの本発明のチューブ型燃料電池の説明では、図7に示したように、燃料電池セル10、10、…が電気的に並列に接続される形態について説明してきたが、本発明のチューブ型燃料電池はかかる形態に限定されるものではなく、本発明のチューブ型燃料電池セルを備えていれば良い。本発明のチューブ型燃料電池の他の形態例として、図8及び図9を用いて具体的に説明する。
Further, in the description of the tube type fuel cell of the present invention so far, as shown in FIG. 7, the configuration in which the
図8は、燃料電池セル10、10が電気的に直列に接続された形態のチューブ型燃料電池200を概略的に示した図である。図9は、燃料電池セル10、10が電気的に接続されている部分の形態例を概略的に示した図である。図8及び図9において、図1及び図2と同様の構成を採るものには、図1及び図2で用いた符号と同符号を付し、説明を適宜省略する。また、図8及び図9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. 8 is a diagram schematically showing a
本発明のチューブ型燃料電池は、図8に示した燃料電池200のように、一の燃料電池セル10の電流取り出し部4、4、…と他の燃料電池セル10のMEA3、3、…(カソード触媒層7b、7b、…)とが導線201で電気的に直列に接続されている形態であっても良い。図8に示した例では、二の燃料電池セル10が接続されている形態例を示したが、さらに複数の燃料電池セル10が同様に接続されても良い。
The tube type fuel cell of the present invention, like the
また、一の燃料電池セル10と他の燃料電池セル10の電気的な接続方法として、図9に示したように、一の燃料電池セル10と他の燃料電池セル10のMEA3の配設位置を、燃料電池セル10の長手方向にずらして配設し、一の燃料電池セル10の電流取り出し部4と他の燃料電池セル10のMEA3(カソード触媒層7b)とが隣り合うように配置され、それらが導電性部品301で接続される形態であっても良い。導電性部品301は、例えば、金属性などの導電性を有するS字状のフックや、ワイヤーなどであって、一の燃料電池セル10の電流取り出し部4と他の燃料電池セル10のMEA3(カソード触媒層7b)とを電気的に接続できるものであれば特に限定されない。
Further, as an electrical connection method between one
これまでの本発明のチューブ型燃料電池の説明では、燃料電池セル10が備えられる形態についてのみ説明してきたが、本発明はかかる形態に限定されず、図5に示したような、屈曲部を有する燃料電池セル20や燃料電池セル30などのように、他の形態の本発明のチューブ型燃料電池セルが備えられる形態であっても良い。
In the description of the tube type fuel cell of the present invention so far, only the mode in which the
1、21、31 管体
2 ガス透過部
3、33a、33b 膜電極接合体(MEA)
4 電流取り出し部
5 中空部
6 電解質膜
7a アノード触媒層
7b カソード触媒層
9 MEAの長手方向の端部
10、20、30 チューブ型燃料電池セル
22、32 屈曲部
100、200 チューブ型燃料電池
101、102、201 導線
301 導電性部品
1, 21, 31
4
Claims (4)
前記管体の前記ガス透過部の前記外周面側に形成される膜電極接合体と、
を備えることを特徴とする、チューブ型燃料電池セル。 A tube having conductivity, a hollow shape, and having one or a plurality of gas permeable portions capable of gas flow from the inner peripheral surface side to the outer peripheral surface side;
A membrane electrode assembly formed on the outer peripheral surface side of the gas permeable portion of the tubular body;
A tube-type fuel cell, comprising:
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