JP4608958B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

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

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された2つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、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。固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用いる燃料電池であり、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。
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、アノードでは(1)式の反応が進行する。
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, it is not subject to the Carnot cycle, so it exhibits high energy conversion efficiency. A solid polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, and has advantages such as being easy to downsize and operating at a low temperature. It is attracting attention as a power source for mobile objects.
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode.

Figure 0004608958
Figure 0004608958

(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アノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは(2)式の反応が進行する。
The electrons generated in the equation (1) reach the cathode after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane in a state of being hydrated with water.
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode.

Figure 0004608958
Figure 0004608958

カソードで生成した水は、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、燃料電池は水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
The water produced at the cathode 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 having no emission 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アノード及び他面にカソードとなる触媒層を設け、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、最後に平面状のセパレータで挟みこむことによって作製される平型の単セルを、複数積層することで得られる燃料電池スタックを有するものが開発されてきた。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のために、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。
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を用いる。このカーボン材料自体も高価であるが、さらに、平面状の膜・電極接合体の面全体にほぼ均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるために、前記セパレータの面上には、通常、ガス流路となる溝を微細加工するので、その加工によって、セパレータは非常に高価になってしまい、燃料電池の製造原価を押し上げていた。
Conventionally, as a solid polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer serving as an anode and a cathode is provided on one surface of a planar solid polymer electrolyte membrane, and the resulting planar membrane / electrode assembly is obtained. There has been developed a fuel cell stack obtained by laminating a plurality of flat single cells prepared by further providing gas diffusion layers on both sides and finally sandwiching them with a planar separator.
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. The film thickness of 100 μm or less is the mainstream, 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.
In addition, a sheet-like carbon material having excellent corrosivity is usually used for the separator. This carbon material itself is also expensive. However, in order to distribute the fuel gas and the oxidant gas almost uniformly over the entire surface of the planar membrane / electrode assembly, a gas is usually provided on the surface of the separator. Since the groove to be the flow path is finely processed, the processing makes the separator very expensive, which increases the manufacturing cost of the fuel cell.

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積層された複数の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があることなど、多くの問題がある。   In addition to the above problems, it is a technology to reliably seal the periphery of a plurality of unit cells stacked so that fuel gas and oxidant gas do not leak from the gas flow path in the flat unit cell. There are many problems such as difficulty in power generation and reduction in power generation efficiency due to deflection or deformation of the planar membrane / electrode assembly.

近年、中空状電解質膜の内面側と外面側にそれぞれ電極を設けたセルモジュー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1〜4参照)。
通常このような中空形状のセルモジュールを有する燃料電池では、平型で使用されるセパレータに相当する部材は使用する必要がない。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、製造コストの低減が見込まれる。さらに、セルモジュールが3次元形状であるので、平型の単セルに比べて体積に対する比表面積が大きくとれ、体積当たりの発電出力密度の向上が見込める。
In recent years, a solid polymer electrolyte fuel cell has been developed in which a cell module having electrodes on the inner surface side and outer surface side of a hollow electrolyte membrane is used as a basic power generation unit. (For example, see Patent Documents 1 to 4).
Usually, in a fuel cell having such a hollow cell module, it is not necessary to use a member corresponding to a separator used in a flat type. 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, the manufacturing cost is expected to be reduced. Further, since the cell module 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9−223507号公報JP-A-9-223507 特開2002−124273号公報JP 2002-124273 A 特開2002−158015号公報JP 2002-158015 A 特開2002−260685号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-260685

上記のような中空形状を有するセルモジュールを備えた燃料電池において、電気化学反応の結果生成水を生成する電極を、電解質膜の中空内面に設ける場合には、生成水や反応ガス中の水蒸気が過飽和となって凝縮した水分など、セルモジュールの中空内に液体状態の水分が溜まりやすい。この液体状態の水分により、電極の水浸し状態、いわゆるフラッディングが発生したり、中空内を通る反応ガス(燃料ガス又は酸化剤ガス)の流通性が低下し、その結果、反応ガスの供給量、電極の発電有効面積が減少して、燃料電池の発電性能が低下してしまう。従って、燃料電池の発電性能を向上させるためには、中空内に存在する余剰の水分を、中空内の反応ガスの流通や電極及び電解質膜の水分分布に悪影響を与えない場所へ排出することが重要となってくる。
一方で、電解質膜としてプロトン伝導膜の一つである高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池においては、アノードで生じたプロトンは水と水和した状態で高分子電解質膜内をアノード側からカソード側へと移動するため、高分子電解質膜の含水率が低い状態ではプロトン伝導性が低下する。従って、高分子電解質膜の含水率を高い状態に保持し、乾燥を防止することが重要となる。また、高分子電解質膜の両面に形成された電極が乾燥していると電解質膜を高い湿潤状態に保つことができないため、電極も適度な湿潤状態にする必要がある。すなわち、固体高分子型燃料電池の発電性能を高めるためには、過剰な水分を適度に排出すると共に水分が必要となる場合がある。
In a fuel cell including a cell module having a hollow shape as described above, when an electrode that generates water as a result of an electrochemical reaction is provided on the hollow inner surface of an electrolyte membrane, the generated water or water vapor in the reaction gas is Moisture in a liquid state easily accumulates in the hollow of the cell module, such as moisture condensed due to supersaturation. This liquid moisture causes a soaked state of the electrode, so-called flooding, and decreases the flowability of the reaction gas (fuel gas or oxidant gas) through the hollow. As a result, the supply amount of the reaction gas, the electrode As a result, the power generation effective area of the fuel cell decreases and the power generation performance of the fuel cell decreases. Therefore, in order to improve the power generation performance of the fuel cell, it is necessary to discharge excess moisture present in the hollow to a location that does not adversely affect the reaction gas flow in the hollow and the moisture distribution of the electrode and the electrolyte membrane. It becomes important.
On the other hand, in a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane, which is one of proton conducting membranes as an electrolyte membrane, protons generated at the anode are hydrated with water in the polymer electrolyte membrane. Since the polymer electrolyte membrane moves from the cathode side to the cathode side, proton conductivity decreases when the water content of the polymer electrolyte membrane is low. Therefore, it is important to keep the moisture content of the polymer electrolyte membrane high and prevent drying. In addition, if the electrodes formed on both surfaces of the polymer electrolyte membrane are dry, the electrolyte membrane cannot be kept in a high wet state, and therefore the electrode needs to be in a proper wet state. That is, in order to improve the power generation performance of the polymer electrolyte fuel cell, excessive moisture may be discharged appropriately and moisture may be required.

本発明は、上記問題を考慮してなされたものであり、セルモジュールの中空内部における水分管理、特に排水性に優れる共に、必要に応じて水の有効利用が可能な燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above problems, and provides a fuel cell that is excellent in moisture management in the hollow interior of a cell module, particularly drainage, and that can effectively use water as needed. Objective.

本発明の燃料電池は、中空電解質膜と、当該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極を有するセルモジュールを備えた燃料電池であって、前記セルモジュールは、前記一対の電極のうち生成水を生成する電極を中空電解質膜の内面側に有し、且つ、中空内の水を貯溜するためのリザーバを有することを特徴とする。
本発明によれば、セルモジュールの中空内に存在する水分、主に電気化学反応の際に生成した生成水は、中空内の反応ガスの流通や電極及び電解質膜の水分分布に悪影響を与えない場所に設けられたリザーバ内に貯溜されるため、フラッディングや反応ガスの流通性の低下といった過剰な水分により引き起こされる問題を抑制することができる。
The fuel cell of the present invention is a fuel cell comprising a cell module having a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, the cell module comprising the pair of electrodes. Of these, an electrode for generating generated water is provided on the inner surface side of the hollow electrolyte membrane, and a reservoir for storing water in the hollow is provided.
According to the present invention, moisture present in the hollow of the cell module, mainly generated water during the electrochemical reaction, does not adversely affect the flow of the reaction gas in the hollow and the moisture distribution of the electrode and the electrolyte membrane. Since it is stored in a reservoir provided at a place, problems caused by excessive moisture such as flooding and a decrease in the flow of reaction gas can be suppressed.

本発明の燃料電池におけるセルモジュールの具体的な構成としては、前記リザーバへ水を誘導する開口部が中空電解質膜又はこれに接続する中空延長部の中空内に設けられた構成が挙げられ、さらに具体的には、前記セルモジュールの中空電解質膜又はこれに接続する中空延長部の中空内に、反応ガス誘導路が挿入されており、前記開口部が当該反応ガス誘導路の外周と、これを取り囲む中空電解質膜又は中空延長部の内面により形成されている構成が挙げられる。
また、前記開口部が、リザーバ内に回収した水を中空電解質膜の中空内へ再び揮散させることが可能である構造を有している場合には、中空電解質膜の中空内を加湿することが可能であり、電解質膜や電極を湿潤することができるため、固体高分子電解質膜のように良好な湿潤状態が求められる電解質膜を用いる燃料電池に好適である。
中空電解質膜の中空内の排水性を向上させる観点から、前記セルモジュールは燃料電池の使用状態において水平方向に対して斜め又は垂直となるように配置され、前記中空電解質膜の下端側にリザーバが設けられていることが好ましい。このようにセルモジュールを配置することによって、中空内の水分が重力によりリザーバ内に自然落下し、効率良く排出、回収される。
The specific configuration of the cell module in the fuel cell of the present invention includes a configuration in which an opening for guiding water to the reservoir is provided in the hollow of the hollow electrolyte membrane or the hollow extension connected to the hollow electrolyte membrane, Specifically, a reaction gas induction path is inserted into the hollow electrolyte membrane of the cell module or a hollow extension connected to the hollow electrolyte membrane, and the opening is connected to the outer periphery of the reaction gas induction path. The structure formed by the inner surface of the surrounding hollow electrolyte membrane or a hollow extension part is mentioned.
In addition, when the opening has a structure that allows the water collected in the reservoir to be volatilized again into the hollow of the hollow electrolyte membrane, the inside of the hollow of the hollow electrolyte membrane can be humidified. Since the electrolyte membrane and the electrode can be wetted, it is suitable for a fuel cell using an electrolyte membrane that requires a good wet state such as a solid polymer electrolyte membrane.
From the viewpoint of improving the drainage performance in the hollow of the hollow electrolyte membrane, the cell module is disposed so as to be oblique or perpendicular to the horizontal direction when the fuel cell is used, and a reservoir is provided at the lower end side of the hollow electrolyte membrane. It is preferable to be provided. By arranging the cell module in this way, the moisture in the hollow naturally falls into the reservoir due to gravity, and is efficiently discharged and collected.

また、中空内の反応ガスの流通方向と、リザーバへの水の誘導方向を逆向きにする場合には、中空内を流通する反応ガスがリザーバ内に入り込むことを防止することができ、さらに、リザーバ内に回収された水の中空電解質膜の中空内への揮散を促進することも可能である。
前記リザーバは、リザーバ内に貯溜された水分の凍結時における膨張によって破損しないよう、伸縮性材料により形成されていることが好ましい。
さらに、前記リザーバ内の水を加熱する加熱手段を設けた場合には、リザーバ内の水分の蒸発を促し、また、凍結したリザーバ内の水分を速やかに解凍することも可能である。
Further, when the flow direction of the reaction gas in the hollow and the direction in which water is guided to the reservoir are reversed, the reaction gas flowing in the hollow can be prevented from entering the reservoir. It is also possible to promote volatilization of the water collected in the reservoir into the hollow electrolyte membrane.
The reservoir is preferably made of a stretchable material so as not to be damaged by expansion of water stored in the reservoir during freezing.
Further, when a heating means for heating the water in the reservoir is provided, it is possible to promote the evaporation of moisture in the reservoir and to quickly thaw the moisture in the frozen reservoir.

本発明によれば、中空形状を有するセルモジュールの中空内の水分は、燃料電池の発電性能等の電池特性に悪影響を与えない場所に設けられたリザーバ内へ排出、貯溜されるため、フラッディングや中空内でのガス流通性低下など、過剰な水分により引き起こされる問題を防止することができる。従って、中空形状を有するセルモジュールを備えた燃料電池において、中空内面側に生成水を生成する電極を設けた場合であっても、優れた排水性を示し、燃料電池の有効発電面積を低下させず、また、反応ガスの流通もスムーズに行われるため、高い電池特性を発現することができる。   According to the present invention, the moisture in the hollow of the cell module having a hollow shape is discharged and stored in a reservoir provided in a place that does not adversely affect battery characteristics such as power generation performance of the fuel cell. Problems caused by excessive moisture, such as a decrease in gas flowability in the hollow, can be prevented. Therefore, even in the case where an electrode for generating generated water is provided on the hollow inner surface side in a fuel cell provided with a cell module having a hollow shape, it exhibits excellent drainage and reduces the effective power generation area of the fuel cell. In addition, since the reaction gas can be circulated smoothly, high battery characteristics can be exhibited.

特に、燃料電池の使用状態において、セルモジュールを水平方向に対して垂直又は水平方向に対して斜めになるように配置することにより、開口部が1つしかない中空形状を有するセルモジュールを備えた燃料電池、或いは反応ガス流の圧力が小さい条件下で運転する燃料電池等、反応ガスの圧力で中空内部の水分を押し出すことが困難な場合や、セルモジュール内の中空形状が細く、目詰まりを起こしやすい場合においても、排水性に優れた燃料電池とすることができる。
また、本発明によれば、中空内部のガス流路が水分による目詰まり起こしにくいことから、セルモジュールの径を細くすることができるため、セルモジュールの密集度を高くすることができ、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。
In particular, in the state of use of the fuel cell, the cell module is arranged so as to be perpendicular to the horizontal direction or inclined with respect to the horizontal direction, thereby providing a cell module having a hollow shape with only one opening. When it is difficult to push out the moisture inside the hollow with the pressure of the reaction gas, such as a fuel cell or a fuel cell that operates under a condition where the pressure of the reaction gas flow is low, Even when it is likely to occur, a fuel cell having excellent drainage can be obtained.
In addition, according to the present invention, since the gas flow path in the hollow is less likely to be clogged with moisture, the cell module can be reduced in diameter, so that the density of the cell module can be increased, and the unit volume It is possible to increase the per electrode area.

さらに、リザーバ内に回収された水分は廃棄されずに貯溜されるので、有効利用することが可能であり、特に、固体高分子電解質膜のように良好な湿潤状態が求められる電解質膜を用いる燃料電池において、電解質膜の中空内を加湿するための水分として利用した場合には、電解質膜の乾燥を抑制することができ、その結果、燃料電池の発電性能をより一層高めることが可能となる。しかも、リザーバ内の水分温度を上昇させる加熱手段を設けた場合には、リザーバ内に溜められた水分をより多く蒸発させることによって中空内をさらに加湿したり、低温下においてリザーバ内で凍結した水分を解凍することが可能であるため、電解質膜の乾燥をより抑制することができる。   Further, since the water collected in the reservoir is stored without being discarded, it can be used effectively, and in particular, a fuel using an electrolyte membrane that requires a good wet state such as a solid polymer electrolyte membrane. When the battery is used as moisture for humidifying the inside of the electrolyte membrane, drying of the electrolyte membrane can be suppressed, and as a result, the power generation performance of the fuel cell can be further enhanced. In addition, when a heating means for increasing the temperature of the moisture in the reservoir is provided, the moisture in the hollow is further humidified by evaporating more of the moisture stored in the reservoir, or the moisture frozen in the reservoir at a low temperature. Therefore, drying of the electrolyte membrane can be further suppressed.

本発明の燃料電池は、中空電解質膜と、当該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極を有するセルモジュールを備えた燃料電池であって、前記セルモジュールは、前記一対の電極のうち生成水を生成する電極を中空電解質膜の内面側に有し、且つ、中空内の水を貯溜するためのリザーバを有することを特徴とするものである。   The fuel cell of the present invention is a fuel cell comprising a cell module having a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, the cell module comprising the pair of electrodes. Of these, an electrode for generating generated water is provided on the inner surface side of the hollow electrolyte membrane, and a reservoir for storing the water in the hollow is provided.

以下、本発明の燃料電池を、電解質膜としてプロトン伝導膜の一種である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膜を用いた場合を例に説明する。
まず、図1及び図2を用いて、本発明の燃料電池の第一実施形態について説明する。図1は本発明のセルモジュールの一形態例を示す概略図であって、一部を切り取った内部断面も示している。図2は図1に示すセルモジュールにリザーバ内の水を加熱する加熱手段を設けた変形例を示す概略図である。
Hereinafter, the fuel cell of the present invention will be described by taking as an example a case where a perfluorocarbon sulfonic acid membrane which is one of solid polymer electrolyte membranes which is a kind of proton conducting membrane is used as an electrolyte membrane.
First, the first embodiment of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of the cell module of the present invention, and also shows an internal cross-section cut away. FIG. 2 is a schematic view showing a modification in which the cell module shown in FIG. 1 is provided with heating means for heating water in the reservoir.

図1において、セルモジュール101は、チューブ状の電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸膜)1を有し、生成水を生成する第1の電極(この場合はカソード)2が電解質膜1の中空内面側に、前記第1の電極と対をなす第2の電極(この場合はアノード)3が電解質膜1の中空外面側に形成されている。さらに、第1の電極(カソード)2の内側には、第1の電極に供給される反応ガスが流入する中空部(通常、空気等の酸化剤ガス流路)4が形成されている。   In FIG. 1, a cell module 101 has a tubular electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid membrane) 1, and a first electrode (in this case, a cathode) 2 that generates generated water is on the hollow inner surface side of the electrolyte membrane 1. In addition, a second electrode (in this case, an anode) 3 paired with the first electrode is formed on the hollow outer surface side of the electrolyte membrane 1. Further, inside the first electrode (cathode) 2, a hollow portion (usually an oxidant gas channel such as air) 4 into which the reaction gas supplied to the first electrode flows is formed.

符号5は中空内の水を貯溜するリザーバであり、外部空間との外壁6によって形成された中空形状を有し、電解質膜1の重力方向下端側に設けられている。この外壁6によって形成されたリザーバの中空内を貫通するような状態で、反応ガス誘導路7が電解質膜の中空部と外壁6との境界部まで挿入されており、反応ガス誘導路7の開口端外周8とこれを取り囲む外壁6の内面より、リザーバ5へ水を誘導する開口部9が電解質膜1の中空内に形成され、開口部9においてリザーバ5の中空部と電解質膜の中空部は連通している。反応ガス誘導路7は、電解質膜の内面側に設けられた第1の電極に供給される反応ガス(この場合、空気等の酸化剤ガス)供給源(図示せず)に接続しており、この反応ガス誘導路7を通って反応ガスが電解質膜1の中空内に供給される。電解質膜とリザーバ、及び、反応ガス誘導路とリザーバ等の接続部分は、セルモジュール101の中空内(電解質膜中空内、反応ガス誘導路、リザーバ中空部等)の気密性を保つように接続されている。
符号10及び11は、それぞれ第1の電極2、第2の電極3に接続された集電体であり、その一端が出力端子として機能する。
Reference numeral 5 denotes a reservoir for storing the water in the hollow, has a hollow shape formed by the outer wall 6 with the external space, and is provided on the lower end side in the gravity direction of the electrolyte membrane 1. The reaction gas guiding path 7 is inserted up to the boundary between the hollow portion of the electrolyte membrane and the outer wall 6 so as to penetrate the hollow of the reservoir formed by the outer wall 6. An opening 9 for guiding water to the reservoir 5 is formed in the hollow of the electrolyte membrane 1 from the inner periphery of the outer periphery 8 and the outer wall 6 surrounding the end outer periphery 8, and the hollow portion of the reservoir 5 and the hollow portion of the electrolyte membrane are formed in the opening 9. Communicate. The reactive gas guide path 7 is connected to a reactive gas (in this case, an oxidant gas such as air) supply source (not shown) supplied to the first electrode provided on the inner surface side of the electrolyte membrane, The reaction gas is supplied into the hollow of the electrolyte membrane 1 through the reaction gas guide path 7. Connection portions of the electrolyte membrane and the reservoir, and the reaction gas induction path and the reservoir are connected so as to maintain airtightness in the hollow of the cell module 101 (electrolyte membrane hollow, reaction gas induction path, reservoir hollow, etc.). ing.
Reference numerals 10 and 11 denote current collectors connected to the first electrode 2 and the second electrode 3, respectively, and one end thereof functions as an output terminal.

セルモジュールは、通常、複数配列して支持板で支持したセル群を形成し、各セルモジュールのアノード端子及びカソード端子をそれぞれ束ねて並列又は直列接続し、さらにセル群を他のセル群と直列又は並列接続してセル集合体とする。セル群は外装部材により取り囲まれてケーシングされ、セルモジュールの中空部(電解質膜中空部、ガス誘導路内)は酸化剤ガス供給源に、外装部材の内部空間は燃料ガス供給源に接続し、各電極の内外両面にそれぞれ反応ガスが供給される。なお、セルモジュール、セル群の接続形態や配列形態等の燃料電池の構成は特に限られず、例えば、セル接合体全体をケーシングし、その内部空間を反応ガス供給源に連通してもよい。   The cell modules are usually arranged in a plurality of cells that are supported by a support plate, and the anode terminals and cathode terminals of each cell module are bundled and connected in parallel or in series, and the cell groups are connected in series with other cell groups. Or it connects in parallel and it is set as a cell aggregate. The cell group is surrounded and encased by an exterior member, and the hollow portion of the cell module (electrolyte membrane hollow portion, in the gas guiding path) is connected to the oxidant gas supply source, the internal space of the exterior member is connected to the fuel gas supply source, A reactive gas is supplied to both the inner and outer surfaces of each electrode. The configuration of the fuel cell, such as the connection configuration and arrangement configuration of the cell modules and cell groups, is not particularly limited. For example, the entire cell assembly may be casing and the internal space thereof may be communicated with the reaction gas supply source.

本発明の燃料電池は、電解質膜の中空内に存在する過剰な水分、例えば、内面側電極で電気化学反応の結果生成した生成水や、反応ガス中の水蒸気等が過飽和となって凝縮した水分等を、反応ガスの流通や電極及び電解質膜の水分分布に悪影響を与えない場所に設けられたリザーバ内に排出し、貯溜することを特徴としている。そのため、生成水を生成する電極で発生しやすいフラッディングや、内面側電極に反応ガスを供給するための流路となる中空部内のガス流通性の低下等、過剰な水分の存在によって生じる問題を防止することができる。従って、本発明の燃料電池は、燃料電池の有効発電面積が低下せず、また、反応ガスの流通もスムーズに行われるため、高い発電性能など優れた電池特性を発現することになる。   The fuel cell of the present invention has excessive moisture present in the hollow of the electrolyte membrane, for example, water generated as a result of the electrochemical reaction at the inner surface side electrode, moisture condensed by supersaturation of water vapor in the reaction gas, etc. Are discharged and stored in a reservoir provided in a place that does not adversely affect the flow of the reaction gas and the moisture distribution of the electrode and the electrolyte membrane. Therefore, it prevents the problems caused by the presence of excessive moisture, such as flooding that is likely to occur at the electrode that generates the generated water, and a decrease in gas flowability in the hollow part that becomes the flow path for supplying the reaction gas to the inner surface side electrode. can do. Therefore, the fuel cell of the present invention does not decrease the effective power generation area of the fuel cell, and the reaction gas is smoothly circulated, so that excellent battery characteristics such as high power generation performance are exhibited.

電解質膜の中空内の過剰な水分を速やかに且つ確実にリザーバ内に排出するためには、図1に示すように燃料電池の使用状態において、セルモジュールを水平方向に対して垂直又は斜めになるように配置し、チューブ状の電解質膜の重力方向下端側にリザーバを設けることが好ましい。このようにセルモジュールを構成し、且つ配置することによって、電解質膜の中空内の過剰な水分は、反応ガスの流通性や電極の水分分布等に悪影響を及ぼす領域に長い間留まることなく、自重により自然落下し、リザーバ内へと効率良く排出されることになる。リザーバ内に排出、回収された水分は、そこに貯溜し、有効利用することが可能であるため、有効利用のための回収という観点からもセルモジュールを上記のような排水性に優れた構成とすることが好ましい。水分をより確実且つより速やかにリザーバ内へと移動させるためには、セルモジュールを水平方向に対する傾斜角が大きくなるように配置することが好ましく、特に水平方向に対して垂直とすることが好ましい。セルモジュールを燃料電池の使用状態において水平方向に斜め又は垂直となるように配置することは、燃料電池内にセルモジュールを一定の傾斜角をもたせた状態で固定設置する場合に限られず、何らかの制御機構によって燃料電池の変位に対応してセルモジュールの傾斜角を随時調節する場合も含む。   In order to quickly and surely discharge excess moisture in the hollow of the electrolyte membrane into the reservoir, the cell module is vertically or obliquely with respect to the horizontal direction when the fuel cell is used as shown in FIG. It is preferable that the reservoir be provided on the lower end side in the gravity direction of the tubular electrolyte membrane. By constructing and arranging the cell module in this way, excessive moisture in the hollow of the electrolyte membrane does not stay for a long time in a region that adversely affects the flowability of the reaction gas, the moisture distribution of the electrode, etc. Will naturally fall and be efficiently discharged into the reservoir. Since the water discharged and collected in the reservoir can be stored in the reservoir and used effectively, the cell module has a structure with excellent drainage as described above from the viewpoint of recovery for effective use. It is preferable to do. In order to move moisture into the reservoir more reliably and more quickly, it is preferable to arrange the cell module so that the inclination angle with respect to the horizontal direction is large, and it is particularly preferable that the cell module be perpendicular to the horizontal direction. The arrangement of the cell module so as to be oblique or vertical in the horizontal direction in the usage state of the fuel cell is not limited to the case where the cell module is fixedly installed in the fuel cell with a certain inclination angle, and some control is performed. This includes a case where the tilt angle of the cell module is adjusted at any time according to the displacement of the fuel cell by the mechanism.

上記の如く、重力により水分が自然とリザーバ内に流下するように燃料電池を設計した場合には、中空部に存在する水分を強制的にリザーバ内に移動させためにガス圧をかける等の必要がないため、セルモジュールや燃料電池の設計、燃料電池の運転条件が制約されない。特に、ガスの流入出口が1箇所しかない中空形状を有するセルモジュールを備えた燃料電池、セルモジュールの中空内に流入するガス圧が小さい燃料電池等、ガス圧によって中空内の水分を押し出すことが困難な場合や、セルモジュールが細長い中空形状を有する燃料電池等、中空内の目詰まりが発生しやすい場合に優れた効果を発揮することが期待される。また、反応ガスの流路となるセルモジュールの中空内部が水分による目詰まり起こしにくいため、セルモジュールの径を細くすることができる。従って、セルモジュールの密集度を高くすることができ、単位体積あたりの電極面積を大きくすることができる。   As described above, when the fuel cell is designed so that moisture flows down naturally into the reservoir due to gravity, it is necessary to apply gas pressure to force the moisture present in the hollow portion to move into the reservoir. Therefore, the design of the cell module and the fuel cell and the operating conditions of the fuel cell are not restricted. In particular, a fuel cell having a cell module having a hollow shape with only one gas inlet / outlet, a fuel cell having a low gas pressure flowing into the hollow of the cell module, etc., can extrude moisture in the hollow by the gas pressure. It is expected to exhibit an excellent effect when it is difficult or when the cell module is easily clogged, such as a fuel cell having an elongated hollow shape. In addition, since the hollow interior of the cell module serving as the reaction gas flow path is less likely to be clogged with moisture, the diameter of the cell module can be reduced. Therefore, the density of the cell modules can be increased, and the electrode area per unit volume can be increased.

本発明において、リザーバの構造、位置及び材料等の構成は、電解質膜の中空内の水分を貯溜することができれば特に限定されるものではなく、燃料電池使用時におけるセルモジュールの配置状態や、中空電解質膜の中空形状等の諸条件を考慮して、適宜設計すればよい。
例えば、リザーバへ水を誘導する開口部は、通常、チューブ状(中空形状)の電解質膜の中空内に設ける。リザーバの開口部は、電解質膜中空部の内壁面に限られず、電解質膜中空内のいずれの位置に設けられていてもよい。また、セルモジュールの設計上、電解質膜及び電極とは異なる材料で形成した中空延長部を電解質膜の中空部に接続してもよく、その場合には、当該中空延長部の中空内に開口部を設けることもできる。例えば、図1においては、電解質膜の中空部とリザーバの外壁との境界部において、反応ガス誘導路の開口端外周と、リザーバの外壁の内面によりリザーバの開口部が規定されているが、反応ガス誘導路の開口端を電解質膜の中空内部まで挿入し、反応ガス誘導路の外周と電解質膜中空部の内壁によって開口部が規定されていてもよい。また、電解質膜中空部の内壁面に直接穴を開けたような開口部でもよい。
In the present invention, the structure, position, material, and the like of the reservoir are not particularly limited as long as the moisture in the hollow of the electrolyte membrane can be stored. The arrangement state of the cell module when using the fuel cell, the hollow What is necessary is just to design suitably considering various conditions, such as the hollow shape of an electrolyte membrane.
For example, the opening for guiding water to the reservoir is usually provided in the hollow of a tubular (hollow shape) electrolyte membrane. The opening of the reservoir is not limited to the inner wall surface of the electrolyte membrane hollow portion, and may be provided at any position in the electrolyte membrane hollow. Further, in the design of the cell module, a hollow extension formed of a material different from that of the electrolyte membrane and the electrode may be connected to the hollow portion of the electrolyte membrane, and in that case, an opening is formed in the hollow of the hollow extension. Can also be provided. For example, in FIG. 1, at the boundary between the hollow portion of the electrolyte membrane and the outer wall of the reservoir, the opening of the reservoir is defined by the outer periphery of the open end of the reaction gas guiding path and the inner surface of the outer wall of the reservoir. The opening end of the gas guiding path may be inserted into the hollow inside of the electrolyte membrane, and the opening may be defined by the outer periphery of the reaction gas guiding path and the inner wall of the electrolyte membrane hollow portion. Moreover, the opening part which opened the hole directly in the inner wall face of the electrolyte membrane hollow part may be used.

開口部の形状は特に限定されるものではなく、例えば、図1のように反応ガス誘導路の外周を取り囲む環状でも、楕円や円、多角形でもよい。
開口部は、常時開口している必要はなく、リザーバ内に貯溜されている水分の逆流を防止する弁や、必要に応じて開閉可能なゲート等が備えられていてもよい。また、開口部は一つのみ、又は、複数設けることができる。
図1に示す実施形態においては、反応ガス誘導路の外周を取り囲む形状で、且つ、水分の誘導方向に対向してリザーバの開口部が設けられており、水分は電解質膜の中空部内壁を伝って流下し、自然と開口部へと誘導されるため、効率良くリザーバ内に回収される。
The shape of the opening is not particularly limited, and may be, for example, an annular shape that surrounds the outer periphery of the reaction gas guiding path as shown in FIG. 1, an ellipse, a circle, or a polygon.
The opening need not always be open, and may be provided with a valve that prevents the backflow of moisture stored in the reservoir, a gate that can be opened and closed as necessary, and the like. Further, only one or a plurality of openings can be provided.
In the embodiment shown in FIG. 1, a reservoir opening is provided so as to surround the outer periphery of the reaction gas guiding path and face the moisture guiding direction, and the moisture travels through the inner wall of the hollow portion of the electrolyte membrane. Since it flows down and is naturally guided to the opening, it is efficiently collected in the reservoir.

リザーバの開口部を、リザーバ内に回収された水分を電解質膜の中空内へ再び揮散させることができるような構造とした場合には、揮散した水分によって電解質膜及び電極が加湿されるため、電解質膜を高い湿潤状態に保持しやすくなる。従って、高分子電解質膜のような膜の乾燥が発電性能に大きな影響を及ぼす電解質膜を用いた場合には、上記のような構造を有する開口部を設けることによって、過剰な水分による電池特性の低下と共に、電解質膜の乾燥による発電性能の低下をも防止することが可能であり、水分の排出と供給のバランスのとれた水分管理ができる。リザーバ内の水分を電解質膜の中空内へ揮散させることが可能な開口部の構造としては特に限定されず、適宜設計すればよく、例えば図1においては、蒸発したリザーバ内の水分は自然と上昇してリザーバの開口部からリザーバ外へと移動し、電解質膜の中空内へと揮散することができる。   When the opening of the reservoir is structured so that the water collected in the reservoir can be volatilized again into the hollow of the electrolyte membrane, the electrolyte membrane and the electrode are humidified by the volatilized water, so that the electrolyte It becomes easy to keep the membrane in a high wet state. Therefore, when an electrolyte membrane such as a polymer electrolyte membrane having a large effect on power generation performance is used, by providing an opening having the above structure, battery characteristics due to excessive moisture can be reduced. Along with the decrease, it is possible to prevent a decrease in power generation performance due to the drying of the electrolyte membrane, and it is possible to perform moisture management with a balance between moisture discharge and supply. The structure of the opening that can volatilize the water in the reservoir into the hollow of the electrolyte membrane is not particularly limited, and may be appropriately designed. For example, in FIG. Then, it can move from the opening of the reservoir to the outside of the reservoir and volatilize into the hollow of the electrolyte membrane.

リザーバ内に回収された水分は、燃料電池の運転時における電池内温度によって蒸発可能であるが、リザーバ内の水分を加熱する加熱手段を設けた場合には、リザーバに回収された水分の蒸発が促進され、電解質膜の乾燥をさらに抑制することができるため、燃料電池の発電性能をより高めることが期待できる。また、低温条件下においては、水分の蒸発を促進するのみならず、起動時にリザーバ内の凍結した水分を迅速に解凍、蒸発させ、電解質膜を速やかに加湿することが可能となる。このような加熱手段としては、図2セルモジュール102のように電熱線13等の発熱体をリザーバの外周に設け、リザーバの外壁を加熱することによりリザーバ内の水分を加熱するもののほか、リザーバの中空内に発熱体を設け、リザーバ内の水分を直接加熱するものも挙げられる。
また、リザーバ内に回収した水は、上記のように中空内の電解質膜や電極の乾燥を防止するための加湿のほか、セルモジュールの冷却等その他の目的で有効利用してもよい。
The water collected in the reservoir can be evaporated depending on the temperature in the battery during operation of the fuel cell. However, when a heating means for heating the water in the reservoir is provided, the water collected in the reservoir is not evaporated. It is promoted and the drying of the electrolyte membrane can be further suppressed, so that the power generation performance of the fuel cell can be expected to be further improved. In addition, under low temperature conditions, not only is the evaporation of moisture promoted, but also the frozen moisture in the reservoir can be quickly thawed and evaporated at startup to quickly humidify the electrolyte membrane. As such heating means, a heating element such as a heating wire 13 is provided on the outer periphery of the reservoir as in the cell module 102 in FIG. 2, and the water in the reservoir is heated by heating the outer wall of the reservoir. A heating element provided in the hollow to directly heat the water in the reservoir can also be mentioned.
Further, the water collected in the reservoir may be effectively used for other purposes such as cooling of the cell module in addition to humidification for preventing the electrolyte membrane and electrodes in the hollow from being dried as described above.

リザーバを形成する材料としては、水透過性のないものであれば特に限定されず、伸縮性材料でも剛性材料でもよいが、リザーバ内に貯溜された水分の凍結膨張による破損を防止する観点から、伸縮性材料、特に弾性材料を用いることが好ましい。剛性材料を用いる場合には、上記のような理由により破損しないような強度を有しているものを選択することが好ましい。また、耐久性を有する材料であることが好ましい。強度及び耐久性の点から、伸縮性材料としてはゴム、剛性材料としてはプラスチック、ステンレス鋼、金等が挙げられる。さらに、カソードで生成される生成水そのものは純水であるが、アノード側からプロトンと同伴して移動してきた水分子等と混合する結果、電極から排出される水分は通常(強)酸性を示すことから、耐食性に優れる材料であることが好ましい。このような観点から、リザーバの外壁の材料としては、ゴム、ステンレス鋼、金が特に好ましく、弾性による復元力の高いゴムがさらに好ましい。ゴムは、安価な材料であることから、コスト面からも好ましい。具体的には、ゴムとしては、例えば、ニトリルゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、エラストマー等が挙げられるがこれらに限られない。また、プラスチックとしては、ポリプロピレン(PP)、ポリエーテルスルホン(PES)、ナイロン等が挙げられ、ステンレス鋼としては、SUS316等が挙げられる。リザーバの外壁は、このような材料からなる単層構造でも、多層構造でもよい。図1に示したセルモジュール101及び図2に示したセルモジュール102に設けたリザーバは袋状に形成したゴム、後述する第2実施形態を示す図3のセルモジュール103のリザーバは、管状のステンレス鋼を用いている。また、リザーバの製造方法は、用いる材料、形状等に適した方法を適宜選択すればよく、中空部を有する形状に成形された市販品を利用してもよい。反応ガス誘導路も、上記したリザーバの材料と同様のものを用いて形成することができる。   The material forming the reservoir is not particularly limited as long as it does not have water permeability, and may be an elastic material or a rigid material, but from the viewpoint of preventing breakage due to freezing and expansion of moisture stored in the reservoir, It is preferable to use a stretchable material, particularly an elastic material. In the case of using a rigid material, it is preferable to select a material having a strength that does not break for the reasons described above. Moreover, it is preferable that it is a material which has durability. From the viewpoint of strength and durability, examples of the stretchable material include rubber, and examples of the rigid material include plastic, stainless steel, and gold. Furthermore, although the product water itself generated at the cathode is pure water, the water discharged from the electrode usually shows (strong) acidity as a result of mixing with water molecules etc. that have moved with the protons from the anode side. Therefore, it is preferable that the material is excellent in corrosion resistance. From such a viewpoint, the material of the outer wall of the reservoir is particularly preferably rubber, stainless steel, or gold, and more preferably rubber having high resilience due to elasticity. Rubber is preferable from the viewpoint of cost because it is an inexpensive material. Specifically, examples of the rubber include, but are not limited to, nitrile rubber, butyl rubber, ethylene propylene rubber, and elastomer. Examples of the plastic include polypropylene (PP), polyethersulfone (PES), nylon, and the like, and examples of the stainless steel include SUS316. The outer wall of the reservoir may have a single layer structure or a multilayer structure made of such materials. The reservoir provided in the cell module 101 shown in FIG. 1 and the cell module 102 shown in FIG. 2 is rubber formed in a bag shape, and the reservoir of the cell module 103 in FIG. Steel is used. In addition, as a method for manufacturing the reservoir, a method suitable for the material, shape, and the like to be used may be selected as appropriate, and a commercially available product formed into a shape having a hollow portion may be used. The reactive gas guiding path can also be formed using the same material as that of the reservoir described above.

電解質膜の内外面に供給される各反応ガスの流通方向は特に限定されるものではないが、電解質膜の中空内における反応ガスの流通方向は、リザーバへの水の誘導方向と逆向きにすることが好ましい。このような方向で反応ガスを中空内に流通させることによって、反応ガスがリザーバ内に入り込むのを防止することができる。反応ガスがリザーバに入り込んだ場合には、ガス流が乱れたり、リザーバ内の水がガス圧で押し出されてしまうおそれがある。特に、燃料電池を使用するために設置した状態でセルモジュールが水平方向対して垂直又は斜めになるように配置し、リザーバをセルモジュールの重力方向下端側に設けた上で、中空内を流通する反応ガスを重力方向下方側から上方側へ流通させることが好ましい。このような構成を有する図1のセルモジュール101においては、反応ガスは電解質膜の下端に設けられた反応ガス誘導路から電解質膜の中空内に供給され、リザーバに入り込むことなく中空内を重力方向下方から上方(重量方向に逆らう方向)へ流通し、一方、電解質膜の中空内の水分は重力方向上方から下方(重量方向に従う方向)へ、重力により誘導されてリザーバ内に回収される。さらに、図1の場合には、リザーバの開口部が反応ガスの流通方向上流側、電解質膜の中空部が反応ガスの流通方向下流側に位置しているため、リザーバの開口部から放出される水蒸気が、反応ガスの流れに沿って電解質膜の中空内へと移動するし、電解質膜の乾燥をより抑制することもできる。   The flow direction of each reaction gas supplied to the inner and outer surfaces of the electrolyte membrane is not particularly limited, but the reaction gas flow direction in the hollow of the electrolyte membrane is opposite to the direction of water induction to the reservoir. It is preferable. By flowing the reaction gas into the hollow in such a direction, the reaction gas can be prevented from entering the reservoir. When the reaction gas enters the reservoir, the gas flow may be disturbed or the water in the reservoir may be pushed out by the gas pressure. In particular, in a state where the fuel cell is installed, the cell module is arranged so as to be vertical or oblique with respect to the horizontal direction, and the reservoir is provided on the lower end side in the gravity direction of the cell module, and then circulates in the hollow. It is preferable to distribute the reaction gas from the lower side to the upper side in the direction of gravity. In the cell module 101 of FIG. 1 having such a configuration, the reaction gas is supplied from the reaction gas guide path provided at the lower end of the electrolyte membrane into the hollow of the electrolyte membrane, and does not enter the reservoir in the direction of gravity. The water in the electrolyte membrane is circulated from the lower side to the upper side (the direction opposite to the weight direction), while the moisture in the hollow of the electrolyte membrane is induced by gravity from the upper side to the lower side (direction according to the weight direction) and collected in the reservoir. Further, in the case of FIG. 1, since the opening of the reservoir is located upstream in the flow direction of the reaction gas and the hollow portion of the electrolyte membrane is located downstream in the flow direction of the reaction gas, it is discharged from the opening of the reservoir. Water vapor moves into the hollow of the electrolyte membrane along the flow of the reaction gas, and the drying of the electrolyte membrane can be further suppressed.

また、本発明の第2実施形態として、図3に示す燃料電池を説明する。図3に示すセルモジュール103は、燃料電池の使用状態において水平方向に対して垂直に配置され、中空電解質膜の重力方向下端側にリザーバが設けられている。図1のセルモジュール101同様、中空形状のパーフルオロカーボンスルホン酸膜1には、その内面側に生成水を生成する第1の電極2、外面側に第2の電極3が形成されており、さらに反応ガスの流路となる中空部4を有している。電解質膜中空の下端に設けられたリザーバ5は、2重管構造を有し、開口部9から底部を有する外側の中空部内に水が流下する。一方、2重管の内側の管状中空部は底部がなく、反応ガス誘導路7として機能する。リザーバ内に回収された水分は、中空内の湿度状況により気化して再び電解質膜の中空部に供給される。   Moreover, the fuel cell shown in FIG. 3 is demonstrated as 2nd Embodiment of this invention. The cell module 103 shown in FIG. 3 is arranged perpendicular to the horizontal direction when the fuel cell is in use, and a reservoir is provided on the lower end side in the gravity direction of the hollow electrolyte membrane. As in the cell module 101 of FIG. 1, the hollow perfluorocarbon sulfonic acid membrane 1 is formed with a first electrode 2 for generating generated water on the inner surface side and a second electrode 3 on the outer surface side. It has the hollow part 4 used as the reaction gas flow path. The reservoir 5 provided at the lower end of the electrolyte membrane hollow has a double tube structure, and water flows from the opening 9 into the outer hollow part having the bottom. On the other hand, the tubular hollow portion inside the double tube does not have a bottom portion and functions as the reaction gas guide path 7. The water recovered in the reservoir is vaporized according to the humidity condition in the hollow and supplied again to the hollow portion of the electrolyte membrane.

図3は、上記のようなセルモジュール103を複数集めたセル群を示し、複数のセルモジュール103が仕切板12a、12b、12cにより固定され整列している。セルモジュール103は、仕切板12a、12b、12cを貫通し、仕切板12bにより中空電解質膜1及び電極2,3よりなる部分とリザーバ部分とに仕切られている。仕切板12aと12bで仕切られた空間は、気密性が保たれており、中空電解質膜1の外面側電極3に供給される燃料ガスが流通する。一方、内面側電極2に供給される酸化剤ガスは、外部空間との気密性が保たれているセルモジュール103内へ反応ガス誘導路の下端から流入し、下方から上方に向かってセルモジュールの中空内を流通する。なお、図3において集電体については表記を省略した。   FIG. 3 shows a cell group in which a plurality of cell modules 103 as described above are collected. The plurality of cell modules 103 are fixed and aligned by partition plates 12a, 12b, and 12c. The cell module 103 penetrates the partition plates 12a, 12b, and 12c, and is partitioned into a reservoir portion by a partition plate 12b and a portion made of the hollow electrolyte membrane 1 and the electrodes 2 and 3. The space partitioned by the partition plates 12a and 12b is kept airtight, and the fuel gas supplied to the outer surface side electrode 3 of the hollow electrolyte membrane 1 flows. On the other hand, the oxidant gas supplied to the inner surface side electrode 2 flows from the lower end of the reaction gas guiding path into the cell module 103 in which the airtightness with the external space is maintained, and from the lower side to the upper side of the cell module. Circulates in the hollow. In FIG. 3, the current collector is not shown.

図1においては、中空電解質膜としてチューブ状の中空形状を有する電解質膜を用いているが、本発明における中空電解質膜とは、チューブ状に限られず、中空部を有し、当該中空部内に反応ガスを流入させることで内面側電極に電気化学反応に必要な反応成分を供給することができるものであればよい。   In FIG. 1, an electrolyte membrane having a tubular hollow shape is used as the hollow electrolyte membrane. However, the hollow electrolyte membrane in the present invention is not limited to a tubular shape, and has a hollow portion, and a reaction occurs in the hollow portion. What is necessary is just to be able to supply a reaction component required for an electrochemical reaction to the inner surface side electrode by flowing gas.

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る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膜を用いて説明しているが、本発明の燃料電池は、中空形状を有するセルモジュールを有するため、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、パーフルオロカーボンスルホン酸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膜としては、例えば米国デュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等の市販品もある。
また、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 membrane that is one of solid polymer electrolyte membranes, which is a kind of proton conducting membrane, is described as an electrolyte membrane. However, the fuel cell of the present invention has a hollow shape. Since the electrode module per unit volume can be increased compared to a fuel cell having a flat cell, the electrolyte membrane does not have a proton conductivity as high as that of a perfluorocarbon sulfonic acid membrane. Even if is used, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained. As the polymer electrolyte membrane, in addition to perfluorocarbon sulfonic acid, materials such as those used for the electrolyte membrane of a polymer electrolyte fuel cell can be used. For example, fluorine ion other than perfluorocarbon sulfonic acid can be used. It has at least one of proton exchange groups such as sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, and phosphoric acid groups with a backbone of a hydrocarbon such as polyolefin such as an exchange resin and a polystyrene-based cation exchange membrane having a sulfonic acid group. A composite of a basic polymer and a strong acid, such as polybenzimidazole, polypyrimidine, polybenzoxazole, etc., doped with a strong acid, as disclosed in JP-A-11-503262. Examples include 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. In addition, examples of perfluorocarbon sulfonic acid membranes include commercially available products such as Nafion manufactured by DuPont, USA and Flemion manufactured by Asahi Glass.
In addition, the proton conductive electrolyte membrane is not limited to the solid polymer electrolyte membrane as described above, a porous electrolyte plate impregnated with a phosphoric acid aqueous solution, a proton conductor made of porous glass, Use hydrogelated phosphate glass, organic-inorganic hybrid proton conductive membrane with proton conductive functional groups introduced into the surface and pores of nanoporous glass, inorganic metal fiber reinforced electrolyte polymer, etc. Can do.

パーフルオロカーボンスルホン酸膜の内面及び外面に設けられる各電極は、固体高分子型燃料電池に用いられているような電極材料を用いて形成することができる。通常は、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを積層して構成された電極が用いられる。   Each electrode provided on the inner surface and outer surface of the perfluorocarbon sulfonic acid membrane can be formed using an electrode material used in a polymer electrolyte fuel cell. Usually, an electrode configured by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer in order from the electrolyte membrane side is used.

触媒層は触媒粒を含み、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、中空形状を有するセルモジュールを有するため、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。触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、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 layer contains catalyst particles and may contain a proton conductive material for increasing the utilization efficiency of the catalyst particles. As the proton conductive material, those used as the material of 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 cell module having a hollow shape, the electrode area per unit volume can be made larger than that of a fuel cell having a flat cell. Even when components are used, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained. The catalyst component is not particularly limited as long as it has a catalytic action on the hydrogen oxidation reaction at the anode and the oxygen reduction reaction at the cathode. For example, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, osnium, tungsten, It can be selected from metals such as lead, iron, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium, aluminum, or alloys thereof. Pt and an alloy made of Pt and another metal such as Ru are preferable.

ガス拡散層としては、炭素質粒子及び/又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする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。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。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。   As the gas diffusion layer, a 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 configuration of each electrode provided on the inner and outer surfaces of the electrolyte membrane, the material used for the electrode, and the like may be the same or different. 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.

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たセルモジュールの製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、まず、チューブ状の電解質膜を準備し、当該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。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。
或いは、まず、炭素質粒子及び/又は炭素質繊維等の炭素材料を含み、チューブ状に形成されたもの(チューブ状炭素質)を第1の電極(カソード)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・乾燥して触媒層を形成して第1の電極を作製し、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第2の触媒層を形成し、当該触媒層の外面に炭素材料を含む溶液を塗布・乾燥して第2のガス拡散層を形成する方法も挙げられる。
The manufacturing method of the cell module which provided a pair of electrode in the inner surface and outer surface of a tubular electrolyte membrane is not specifically limited. For example, first, a tubular electrolyte membrane is prepared, and a solution containing electrolyte and catalyst particles is applied and dried on the inner and outer surfaces of the electrolyte membrane to form a catalyst layer, and a carbonaceous material is formed on the two catalyst layers. The method of apply | coating and drying the solution containing particle | grains and / or carbonaceous fiber, and forming a gas diffusion layer 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.
Alternatively, first, a tube material (tubular carbonaceous material) containing a carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers is used as the gas diffusion layer of the first electrode (cathode), and the gas A solution containing an electrolyte and catalyst particles is applied to the outer surface of the diffusion layer and dried to form a catalyst layer to produce a first electrode, and then a solution containing the electrolyte is applied to the outer surface of the catalyst layer and dried. And forming a second gas diffusion layer by forming a second catalyst layer on the outer surface of the electrolyte membrane layer and further applying and drying a solution containing a carbon material on the outer surface of the catalyst layer. Can be mentioned.

チューブ状の電解質膜を形成する方法としては特に限定されず、市販品のチューブ状に形成された電解質膜を用いてもよい。また、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。
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、刷毛塗り法等種々の方法から適宜選択することができる。
It does not specifically limit as a method of forming a tubular electrolyte membrane, You may use the electrolyte membrane formed in the tube shape of a commercial item. 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.
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 a spray method and a brush coating method.

チューブ状のセルモジュールの内径及び外径、長さ等は、燃料電池に必要な出力、燃料電池を適用する機器等燃料電池の設計や運転条件に応じて適宜設計することができ、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小さくなることとなって、得られるセルモジュールの単位体積当たりの発電出力が小さくなってしまうので好ましくない。
パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、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モジュー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、充分な出力を示す。かかる観点から、パーフルオロカーボンスルホン酸膜の厚みは、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。
また、電解質膜の内面及び外面に設ける触媒層の厚みは1〜100μm程度、ガス拡散層の厚みは3〜10μm程度とすることが好ましい。
The inner diameter, outer diameter, length, etc. of the tubular cell module can be appropriately designed according to the output required for the fuel cell, the design of the fuel cell such as the equipment to which the fuel cell is applied, and the operating conditions, and are particularly limited. Although not intended, the outer diameter of the tubular electrolyte membrane is preferably 0.01 to 10 mm, more preferably 0.1 to 1 mm, and particularly preferably 0.1 to 0.5 mm. . At present, it is difficult to manufacture a tubular electrolyte membrane having an outer diameter of less than 0.01 mm due to technical problems. On the other hand, when the outer diameter exceeds 10 mm, the surface area with respect to the occupied volume becomes small. This is not preferable because the power generation output per unit volume of the obtained cell module becomes small.
The perfluorocarbon sulfonic acid membrane is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity. However, if the perfluorocarbon sulfonic acid membrane is too thin, the function of isolating gas is lowered, and the permeation amount of aprotic hydrogen is increased. However, in comparison with a conventional fuel cell in which flat cells for fuel cells are stacked, a fuel cell manufactured by collecting a large number of hollow cell modules can take a large electrode area. Even when is used, sufficient output is shown. From this viewpoint, the thickness of the perfluorocarbon sulfonic acid film is 10 to 100 μm, more preferably 50 to 60 μm, and still more preferably 50 to 55 μm.
Moreover, from the preferable range of said outer diameter and film thickness, the preferable range of an internal diameter is 0.01-10 mm, More preferably, it is 0.1-1 mm, More preferably, it is 0.1-0.5 mm. is there.
The thickness of the catalyst layer provided on the inner and outer surfaces of the electrolyte membrane is preferably about 1 to 100 μm, and the thickness of the gas diffusion layer is preferably about 3 to 10 μm.

本発明の燃料電池に用いられる中空形状を有するセルモジュールは、上記にて例示した構成に限られず、セルモジュールの機能を高めることを目的として触媒層及びガス拡散層以外の層を設けても良い。
また、集電体10,11の形態、材料は特に限定されない。集電体の材料としては、ステンレス等の金属の線材又は箔を例示することができ、例えば、カーボン系接着材やAgペースト等の導電性接着材により電極上に固定してもよい。
The cell module 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 may be provided for the purpose of enhancing the function of the cell module. .
Further, the shape and material of the current collectors 10 and 11 are not particularly limited. Examples of the current collector material include a metal wire such as stainless steel or a foil. For example, the current collector may be fixed on the electrode with a conductive adhesive such as a carbon-based adhesive or an Ag paste.

なお、図1に示した実施形態では、電解質膜として、プロトン伝導膜であるパーフルオロカーボンスルホン酸膜を用いた構成をとるが、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。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を有する電解質としてはセラミックスを含むもの等が挙げられる。酸化物イオン伝導性の電解質膜を用いる場合には、カソード側で生成した酸化物イオンが電解質膜内を通過してアノード側に達し、水素と反応して水を生成すると同時に電子を放出する。従って、この場合、アノード側で生成水が生成するのでチューブ状電解質膜の内面側にアノードを設け、中空内には水素ガスを流通させる構成とする。 In the embodiment shown in FIG. 1, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane, which is a proton conducting membrane, is used as the electrolyte membrane. However, the electrolyte membrane used in the fuel cell of the present invention is not particularly limited. Alternatively, it may be proton-conductive or other ion-conductive such as hydroxide ion or oxide ion (O 2− ). Examples of other ion-conducting electrolytes such as hydroxide ions and oxide ions (O 2− ) include those containing ceramics. In the case of using an oxide ion conductive electrolyte membrane, oxide ions generated on the cathode side pass through the electrolyte membrane and reach the anode side, react with hydrogen to generate water and simultaneously release electrons. Therefore, in this case, since generated water is generated on the anode side, an anode is provided on the inner surface side of the tubular electrolyte membrane, and hydrogen gas is circulated in the hollow.

本発明の燃料電池内に備えられるセルモジュールの一形態例を示す概略図である。It is the schematic which shows one example of the cell module with which the fuel cell of this invention is equipped. 図1に示すセルモジュールにリザーバ内の水を加熱する加熱手段を設けた一形態例を示す概略図である。It is the schematic which shows one form example which provided the heating means which heats the water in a reservoir in the cell module shown in FIG. セルモジュールを複数配列したセル群の一形態例を示す概略図である。It is the schematic which shows one form example of the cell group which arranged the cell module in multiple numbers.

符号の説明Explanation of symbols

1…中空電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸膜)
2…第1の電極(カソード)
3…第2の電極(アノード)
4…中空部
5…リザーバ
6…リザーバの外壁
7…反応ガス誘導路
8…反応ガス誘導路の開口端外周
9…開口部
10,11…端子
12a,12b,12c…仕切板
13…加熱手段(電熱線)
101,102,103…セルモジュール
1 ... Hollow electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid membrane)
2 ... 1st electrode (cathode)
3. Second electrode (anode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 ... Hollow part 5 ... Reservoir 6 ... Outer wall of reservoir 7 ... Reaction gas induction path 8 ... Opening outer periphery of reaction gas induction path 9 ... Opening part 10, 11 ... Terminal 12a, 12b, 12c ... Partition plate 13 ... Heating means ( Heating wire)
101, 102, 103 ... cell module

Claims (8)

中空電解質膜と、当該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極を有するセルモジュールを備えた燃料電池であって、前記セルモジュールは、前記一対の電極のうち生成水を生成する電極を中空電解質膜の内面側に有し、且つ、中空内の水を貯溜するためのリザーバを有することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising a cell module having a hollow electrolyte membrane and a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, wherein the cell module is an electrode that generates generated water of the pair of electrodes. And a reservoir for storing the water in the hollow, on the inner surface side of the hollow electrolyte membrane. 前記リザーバへ水を誘導する開口部が中空電解質膜又はこれに接続する中空延長部の中空内に設けられている請求項1に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein an opening for guiding water to the reservoir is provided in a hollow of the hollow electrolyte membrane or a hollow extension connected to the hollow electrolyte membrane. 前記セルモジュールの中空電解質膜又はこれに接続する中空延長部の中空内に、反応ガス誘導路が挿入されており、前記開口部は当該反応ガス誘導路の外周と、これを取り囲む中空電解質膜又は中空延長部の内面により形成されている、請求項2に記載の燃料電池。 A reaction gas induction path is inserted into the hollow electrolyte membrane of the cell module or a hollow extension connected to the hollow electrolyte membrane, and the opening has an outer periphery of the reaction gas induction path and a hollow electrolyte membrane surrounding the reaction gas induction path. The fuel cell according to claim 2, wherein the fuel cell is formed by an inner surface of the hollow extension portion. 前記開口部は、リザーバ内に回収した水を中空電解質膜の中空内へ再び揮散させることが可能である請求項2又は3に記載の燃料電池。 4. The fuel cell according to claim 2, wherein the opening is capable of volatilizing water collected in the reservoir again into the hollow of the hollow electrolyte membrane. 5. 前記セルモジュールは燃料電池の使用状態において水平方向に対して斜め又は垂直となるように配置され、前記中空電解質膜の下端側にリザーバが設けられている請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料電池。 5. The cell module according to claim 1, wherein the cell module is disposed so as to be oblique or vertical with respect to a horizontal direction when the fuel cell is used, and a reservoir is provided on a lower end side of the hollow electrolyte membrane. Fuel cell. 中空内の反応ガスの流通方向と、リザーバへの水の誘導方向を逆向きにする請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a flow direction of the reaction gas in the hollow is opposite to a direction in which water is guided to the reservoir. 前記リザーバは、伸縮性材料により形成されている、請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein the reservoir is made of a stretchable material. 前記リザーバ内の水を加熱する加熱手段をさらに有する、請求項1乃至7のいずれかに記載の燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, further comprising heating means for heating water in the reservoir.
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