JP4929644B2 - 集電電極を兼ねたスペーサを備えたチューブ型燃料電池セル及び燃料電池モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セルの集電電極が燃料電池セル間のスペーサを兼ねているチューブ型燃料電池セル及び燃料電池モジュールに関する。
従来のチューブ型燃料電池セルは、図８のチューブ延伸方向に沿った断面図に示すように、内部電極１０、第１の触媒層１２、電解質層１４、第２の触媒層１６、外部コイル１８及び樹脂シール２０を含んで構成される。図９に、図８のA−Aラインに沿った断面図を示す。図９に示すように、内部電極１０、第１の触媒層１２、電解質層１４及び第２の触媒層１６は、内側から順に略同軸円筒状に積層されている。
このようなチューブ型燃料電池セルを複数集めてモジュール化する場合、各セルに燃料ガス又は酸化剤ガスをできるだけ均等に供給し、反応に伴う熱をうまく冷却するために所定の間隔をもって各セルを配置することが好ましい。特許文献１には、燃料電池のガスシール部分に負担がかからず、セルチューブの破損の発生を低減することができるチューブ型燃料電池セルのスペーサの構造が開示されている。
しかしながら、従来技術では、複数のチューブ型燃料電池セルの間隔を所定距離に保つためのスペーサとは別に、モジュール化された複数のセルの内部電極及び外部コイルをそれぞれ並列に接続するための集電用の配線を接続する必要があった。このような集電用の配線を行う工程は複雑であり、燃料電池モジュールを安価に製造する妨げとなっていた。また、スペーサに加えて、さらに集電用の電極を設ける必要があり、燃料電池モジュールを小型化する妨げとなっていた。
特に、直径が数ｍｍ程度の極細のチューブ型燃料電池セルを数千〜数万本集めて数ｍｍ間隔のスペースを持たせてモジュール化する場合、モジュール化されたセル間を集電用の配線によって電気的に接続するには極めて高い精度の配線技術及び手間が必要とされる。その結果、燃料電池モジュールの製造工程を複雑かつ困難なものとし、製造コストを高める原因となっていた。
本発明は、上記従来技術の問題の少なくとも１つを解決することができるスペーサを備えたチューブ型燃料電池セル及び燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
本発明は、筒形状の内部電極の外周面に触媒層及び電解質層が積層されたチューブ型燃料電池セルであって、導電性のスペーサ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。
具体的には、導電性を有する筒形状の内部電極と、前記内部電極の外周面に順に積層された第１の触媒層、電解質層及び第２の触媒層と、前記第２の触媒層の外周面に巻き付けられた導電性を有する外部コイルと、を備えるチューブ型燃料電池セルであって、前記外部コイルの外周径よりも大きな外周径を有する導電型のスペーサを備えることを特徴とする。すなわち、チューブ型燃料電池セルの発電部の外周径よりも非発電部の外周径が大きくなるようにスペーサを設けることを特徴とする。
前記スペーサを前記第２の触媒層からの集電電極として用いる場合、前記スペーサは、前記外部コイルと電気的に接続されていることが好適である。
このようなチューブ型燃料電池セルを複数束ねることによって燃料電池モジュールを構成することができる。すなわち、本発明は、チューブ型燃料電池セルを複数備える燃料電池モジュールであって、前記スペーサの外周面同士が接触するように前記複数のチューブ型燃料電池セルを並べてなることを特徴とする。
前記スペーサを導電性とすることによって、複数のチューブ型燃料電池セルをモジュール化する際に、各チューブ型燃料電池セル間を所定の間隔に保つと同時に前記スペーサによって各チューブ型燃料電池セル間を電気的に接続することができる。したがって、燃料電池モジュールを安価に製造することを可能とする。
例えば、前記スペーサは、中空部を有する円柱又は多角柱の形状を有する導電性部材であることが好適である。また、前記スペーサは、前記外部コイルの外周径よりも大きな外周径となるように巻かれた導電性のコイルとしてもよい。
特に、前記外部コイルの一部をそのまま前記スペーサとして前記外部コイルの外周径よりも大きな外周径となるように巻くことによって容易かつ安価に前記スペーサを設けることができる。
本発明によれば、集電電極を兼ねたスペーサを設けることによって、燃料電池モジュールを容易かつ安価に製造することを可能とする。特に、複数のチューブ型燃料電池セルを揃えて束ねるだけで、各セル間の間隔を略所定の距離に保つとともに、各セル同士を電気的に並列に接続することが可能となる。また、スペーサと集電電極を兼ねることによって燃料電池モジュールを小型化することができる。
＜チューブ型燃料電池セルの構成＞
本発明の実施の形態におけるチューブ型燃料電池セル１００は、図１のチューブ延伸方向に沿った断面図に示すように、内部電極３０、第１の触媒層３２、電解質層３４、第２の触媒層３６、外部コイル３８、樹脂シール４０及びスペーサ４２を含んで構成される。図２及び図３に、図１のＢ−Ｂライン及びＣ−Ｃラインに沿った断面図を示す。図２及び図３に示すように、チューブ型燃料電池セル１００は、内部電極３０、第１の触媒層３２、電解質層３４及び第２の触媒層３６を内側から順に略同軸円筒状に積層して構成されている。
本発明の実施の形態におけるチューブ型燃料電池セル１００は、図１のチューブ延伸方向に沿った断面図に示すように、内部電極３０、第１の触媒層３２、電解質層３４、第２の触媒層３６、外部コイル３８、樹脂シール４０及びスペーサ４２を含んで構成される。図２及び図３に、図１のＢ−Ｂライン及びＣ−Ｃラインに沿った断面図を示す。図２及び図３に示すように、チューブ型燃料電池セル１００は、内部電極３０、第１の触媒層３２、電解質層３４及び第２の触媒層３６を内側から順に略同軸円筒状に積層して構成されている。
内部電極３０は、電気的に導電性の高い材料からなる筒状の部材であり、図１〜図３の断面図に示すように、チューブ型燃料電池セル１００の中心に配置される。内部電極３０は、例えば、ステンレス、金、銀、銅、アルミニウム等の導電性の高い材料で形成される。ステンレス等を用いる場合には、耐腐食性を高めるためにめっきなどによって金，銀などの耐腐食性が高い材料で被膜することが好ましい。内部電極３０の端部は、外部に対してチューブ型燃料電池セル１００からの電力を取り出すための電極（図示しない）に接続される。また、内部電極３０の端部を除いた周壁には、内部電極３０の中空部を通して流される燃料ガス（例えば、水素含有ガス、有機炭化水素含有ガス等）を外周方向へ供給するための多数の小孔が開けられる。
第１の触媒層３２は、燃料極に相当する。図１及び図２の断面図に示すように、例えば、白金（Ｐｔ）系貴金属などの触媒金属を担持したカーボン（Ｃ）粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液を適量添加してペースト状にしたものを内部電極３０の端部を除いた外周面に塗布して第１の触媒層３２を形成することができる。このとき、図１及び図３の断面図に示すように、内部電極３０の両端の小孔が設けられてない部分が外部に突出するように内部電極３０の両端には第１の触媒層３２を形成しない。燃料電池の作動時には、内部電極３０の中空部を通して第１の触媒層３２に燃料ガスが供給される。
電解質層３４は、燃料極で生成したプロトンを空気極へと移動する働きを持つ。電解質層３４を構成する材料は、プロトンに対する伝導性の高さと安定性を鑑みて選択される。例えば、スルホン基を持ったフッ素系ポリマー等を、図１及び図２の断面図に示すように、第１の触媒層３２の外周面に塗布することによって電解質層３４を形成することができる。
第２の触媒層３６は、空気極に相当する。図１及び図２の断面図に示すように、例えば、白金（Ｐｔ）系貴金属などの触媒金属を担持したカーボン（Ｃ）粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液を適量添加してペースト状にしたものを電解質層３４の外周面に塗布して第２の触媒層３６を形成することができる。燃料電池の作動時には、第２の触媒層３６には酸化剤ガス（酸素含有ガス、例えば空気等）を供給する。
外部コイル３８は、電気的に導電性の高い材料からなる。外部コイル３８は、例えば、ステンレス、金、銀、銅、アルミニウム等の導電性の高い材料で形成される。ステンレス等を用いる場合には、耐腐食性を高めるためにめっきなどによって金，銀などの耐腐食性が高い材料で被膜することが好ましい。
外部コイル３８は、図１及び図２の断面図に示すように、内部電極３０の外表面に略同軸状に積層された第１の触媒層３２、電解質層３４及び第２の触媒層３６に対してらせん状に巻きつけられる。外部コイル３８は、第２の触媒層３６と電気的に導通するように第２の触媒層３６の外周面に巻きつけられる。このとき、外部コイル３８と第２の触媒層３６との導通を高めるために外部コイル３８は互いに隣接するようにらせん状に巻き付けることが好適である。また、本実施の形態では、図１に示すように、外部コイル３８を単層に巻き付けたが、２層以上に重ねて巻き付けてもよい。チューブ型燃料電池セル１００の外部電極を外部コイル３８とすることによって、チューブ型燃料電池セル１００の外部に流される酸化剤ガスを第２の触媒層３６まで供給することができる。
樹脂シール４０は、エポキシ樹脂等の非導電性の樹脂材料を塗布して形成される。樹脂シール４０は、図１及び図３の断面図に示すように、内部電極３０の両端部の露出部分と第１の触媒層３２，電解質層３４，第２の触媒層３６の積層部分との境界を被うように設けられる。
具体的には、第１の触媒層３２，電解質層３４及び第２の触媒層３６の端面、及び、内部電極３０と第１の触媒層３２との境界部分、を少なくとも被い、樹脂シール４０から内部電極３０の端部が露出されるように樹脂材料を塗布する。好ましくは、図１に示すように、第２の触媒層３６の外径よりも厚く樹脂材料を塗布し、第１の触媒層３２，電解質層３４及び第２の触媒層３６の端面のみならず第２の触媒層３６の周壁にまで及ぶように樹脂シール４０を設ける。
樹脂シール４０によって、内部電極３０の両端部の露出部分と第１の触媒層３２，電解質層３４及び第２の触媒層３６の積層部分との境界部における燃料ガス及び酸化剤ガスの漏れを防ぐことができる。
スペーサ４２は、電気的に導電性の高い材料からなる。スペーサ４２は、例えば、ステンレス、金、銀、銅、アルミニウム等の導電性の高い材料で形成される。ステンレス等を用いる場合には、耐腐食性を高めるためにめっきなどによって金，銀などの耐腐食性が高い材料で被膜することが好ましい。
スペーサ４２は、例えば、図４（a）〜（ｄ）に示すように、貫通した中空孔４２aを有する円柱、四角柱、六角柱又は三角柱の外形となるように形成される。図１及び図３の断面図に示すように、チューブ型燃料電池セル１００の端部をスペーサ４２の中空孔４２aに通すようにスペーサ４２が装着される。このとき、スペーサ４２の少なくとも一部が外部コイル３８に接触するようにスペーサ４２を装着する。
なお、本実施の形態では、円筒状の内部電極３０の外周面に第１の触媒層３２，電解質層３４及び第２の触媒層３６を積層させて円柱状のチューブ型燃料電池セル１００を構成したが、これに限定されるものではなく、例えば、中空の多角柱形状の内部電極３０の外周面に第１の触媒層３２，電解質層３４及び第２の触媒層３６を積層させて多角柱形状のチューブ型燃料電池セル１００を構成することもできる。
＜燃料電池モジュール＞
以下、本実施の形態におけるチューブ型燃料電池セル１００をモジュール化した構成について説明する。図５は、チューブ型燃料電池セル１００をモジュール化した燃料電池モジュール２００の構成を示す断面図である。図５では、説明を明確にするために、チューブ型燃料電池セル１００の左半図を断面図及び右半図を外観図として表している。
以下、本実施の形態におけるチューブ型燃料電池セル１００をモジュール化した構成について説明する。図５は、チューブ型燃料電池セル１００をモジュール化した燃料電池モジュール２００の構成を示す断面図である。図５では、説明を明確にするために、チューブ型燃料電池セル１００の左半図を断面図及び右半図を外観図として表している。
燃料電池モジュール２００は、複数のチューブ型燃料電池セル１００、燃料ガス供給室５０、燃料ガス排出室５２及び酸化剤室５４を含んで構成される。酸化剤室５４と燃料ガス供給室５０及び燃料ガス排出室５２とはそれぞれ供給側シール部５６、排出側シール部５８によって隔離される。供給側シール部５６及び排出側シール部５８は、チューブ型燃料電池セル１００の端部の樹脂シール４０よりも外側で酸化剤室５４と燃料ガス供給室５０及び燃料ガス排出室５２との間にガスの漏れがなくなるようにシールする。すなわち、チューブ型燃料電池セル１００の発電部は酸化剤室５４内に配置され、内部電極３０の中空部によって燃料ガス供給室５０と燃料ガス排出室５２とが接続される。
酸化剤室５４には、酸化剤ガスを外部から供給し、外部へ排気するための酸化剤ガス供給口５４a及び酸化剤ガス排出口５４ｂが設けられる。また、燃料ガス供給室５０には燃料ガスを各チューブ型燃料電池セル１００へ供給するための燃料ガス供給口５０aが設けられ、燃料ガス排出室５２には燃料ガスを各チューブ型燃料電池セル１００から排出するための燃料ガス排出口５２aが設けられる。
チューブ型燃料電池セル１００をモジュール化する場合、図５に示すように、スペーサ４２の外周面同士が接触するようにチューブ型燃料電池セル１００を積層させる。このとき、スペーサ４２の外周径ａ（スペーサ４２が多角柱の場合には、図４に示すように、スペーサ４２の中心から各辺までの距離を外周径ａとする）を第２の触媒層３６の外周面に巻かれた外部コイル３８の外周径ｂよりも大きく設定する。この条件下において、スペーサ４２の外周径ａを所望の大きさにすることによって、複数のチューブ型燃料電池セル１００を互いに所定の間隔を保って集積することができる。
例えば、チューブ型燃料電池セル１００は、スペーサ４２を除いた外周径が数ｍｍ〜数ｃｍ、長さ数十ｍｍ〜数百ｍｍのサイズに形成することができる。この場合、例えば、直径１ｍｍのチューブ型燃料電池セル１００に外周径（半径）１ｍｍのスペーサ４２を装着することによって、隣接し合うチューブ型燃料電池セル１００を略２ｍｍの間隔に保ってモジュール化することができる。
このように、本実施の形態における燃料電池モジュール２００では、チューブ型燃料電池セル１００の両端部に装着されたスペーサ４２によってチューブ型燃料電池セル１００を支持することができる。
また、各チューブ型燃料電池セル１００に装着されたスペーサ４２を導電体で構成し、外部コイル３８と電気的に接触するように装着することによって、複数のチューブ型燃料電池セル１００を集積するだけで各チューブ型燃料電池セル１００の外部コイル３８を同時に電気的に並列に接続することができる。
一方、各チューブ型燃料電池セル１００の内部電極３０は互いに外部配線によって並列に接続される。それぞれ並列に接続された内部電極３０とスペーサ４２とは外部回路を介して接続される。もちろん、外部コイル３８と導通するスペーサ４２とは電気的に遮断された別の導電性のスペーサを内部電極３０の端部に装着し、そのスペーサの外周径をスペーサ４２と等しくすることによって内部電極３０も同時に並列に接続することもできる。
以上のように、集電電極を兼ねたスペーサを用いてチューブ型燃料電池セル間の距離を保ちつつ、同時にチューブ型燃料電池セルを電気的に接続することができる。これによって、容易かつ安価に燃料電池モジュールを製造することができる。特に、直径が数ｍｍ〜数ｃｍのチューブ型燃料電池セルをモジュール化する際に、スペーサとは別に集電用の配線を行う負担を軽減することができる。
なお、図５では、紙面に対して平行な方向にチューブ型燃料電池セル１００を積層した構成を示しているが、もちろん紙面に対して垂直な方向にチューブ型燃料電池セル１００を積層してもよい。また、燃料電池モジュール２００をサブモジュールとしてさらに直列又は並列に接続してさらに大きなモジュールを構成することもできる。
＜燃料電池モジュールの作用＞
次に、燃料電池モジュール２００の作用について説明する。燃料電池の作動時には、燃料ガス供給口５０aから燃料ガス供給室５０を介して各チューブ型燃料電池セル１００の内部電極３０内へ燃料ガスが供給される。それと共に、酸化剤ガス供給口５４aから酸化剤室５４へ酸化剤ガスが供給される。供給側シール部５６及び排出側シール部５８によって、燃料ガスと酸化剤ガスとは互いに混じり合うことなく燃料電池モジュール２００内を流れる。
次に、燃料電池モジュール２００の作用について説明する。燃料電池の作動時には、燃料ガス供給口５０aから燃料ガス供給室５０を介して各チューブ型燃料電池セル１００の内部電極３０内へ燃料ガスが供給される。それと共に、酸化剤ガス供給口５４aから酸化剤室５４へ酸化剤ガスが供給される。供給側シール部５６及び排出側シール部５８によって、燃料ガスと酸化剤ガスとは互いに混じり合うことなく燃料電池モジュール２００内を流れる。
内部電極３０の中空部を燃料ガスが流れ、内部電極３０の周壁に設けられた小孔を通じて第１の触媒層３２に燃料ガスが供給される。燃料ガスは、第１の触媒層３２を備える電解質層３４において酸化されて電子を放出する。一方、第２の触媒層３６には外部コイル３８の間隙を通って酸化剤ガスが供給される。内部電極３０から外部回路を通って外部コイル３８へ電子が供給されることによって酸化剤ガスは電子を消費しながら還元される。このような反応によって外部回路に電力が取り出される。
反応に供された燃料ガス及び未反応の燃料ガスは燃料ガス排出室５２を介して燃料ガス排出口５２aから排出される。また、反応に供された酸化剤ガス及び未反応の酸化剤ガスは酸化剤ガス排出口５４ｂから排出される。
なお、本実施の形態では、第１の触媒層３２を燃料極及び第２の触媒層３６を空気極とする構成としたが、第１の触媒層３２を空気極及び第２の触媒層３６を燃料極とする構成にすることもできる。この場合、燃料ガスと酸化剤ガスの供給経路を入れ替えれば同様に発電反応を生じさせることができる。
＜変形例＞
図６及び図７に、本実施の形態の変形例におけるチューブ型燃料電池セル１０２，１０４の断面図を示す。本変形例では、外部コイル３８の一部を第２の触媒層３６の外周面に巻き付けられた外部コイル３８の外周径ｂよりも大きな外周径ａを有するように巻き付けることによってスペーサ４２とする。例えば、図６及び図７に示すように、第２の触媒層３６の外周面に巻き付けられた外部コイル３８の端部をさらに樹脂シール４０の外周面に巻き付けることによってスペーサ４２を構成する。
図６及び図７に、本実施の形態の変形例におけるチューブ型燃料電池セル１０２，１０４の断面図を示す。本変形例では、外部コイル３８の一部を第２の触媒層３６の外周面に巻き付けられた外部コイル３８の外周径ｂよりも大きな外周径ａを有するように巻き付けることによってスペーサ４２とする。例えば、図６及び図７に示すように、第２の触媒層３６の外周面に巻き付けられた外部コイル３８の端部をさらに樹脂シール４０の外周面に巻き付けることによってスペーサ４２を構成する。
このとき、図６に示すように、樹脂シール４０の外周径が第２の触媒層３６の外周径と等しい場合、第２の触媒層３６の外周面にｎ層（図６ではｎ＝１）の外部コイル３８を巻き付けたとすると樹脂シール４０の外周面には少なくともｎ＋１層以上（図６では２層）のコイルを巻き付けてスペーサ４２とすることが好適である。
また、図７に示すように、樹脂シール４０の外周径が第２の触媒層３６の外周径よりも大きい場合、第２の触媒層３６の外周面にｎ層（図６ではｎ＝１）の外部コイル３８を巻き付けたとすると樹脂シール４０の外周面には少なくともｎ層以上（図６では１層）のコイルを巻き付けてスペーサ４２とすることが好適である。
もちろん、チューブ型燃料電池セル１０２をモジュール化する際に必要とされるチューブ型燃料電池セル１０２間の間隔に応じてスペーサ４２とするコイルの層数を増加させてもよい。
以上のように、外部コイル３８の一部をそのまま集電電極を兼ねたスペーサ４２として利用することによって、チューブ型燃料電池セル間の距離を保ちつつモジュール化するとともに、同時にチューブ型燃料電池セルを電気的に接続することができる。特に、外部コイル３８の一部をそのままスペーサ４２として利用することによって、コイルを巻き付ける工程のみによってスペーサ４２を構成することができ、容易かつ安価に燃料電池モジュールを製造することができる。
１０ 内部電極、１２ 第１の触媒層、１４ 電解質層、１６ 第２の触媒層、１８ 外部コイル、２０ 樹脂シール、２２ ガスシール、３０ 内部電極、３２ 第１の触媒層、３４ 電解質層、３６ 第２の電解質層、３８ 外部コイル、４０ 樹脂シール、４２ スペーサ、４２a 中空孔、５０ 燃料ガス供給室、５０a 燃料ガス供給口、５２ 燃料ガス排出室、５２a 燃料ガス排出口、５４ 酸化剤室、５４a 酸化剤ガス供給口、５４ｂ 酸化剤ガス排出口、５６ 供給側シール部、５８ 排出側シール部、１００，１０２，１０４ チューブ型燃料電池セル、２００ 燃料電池モジュール。
Claims (4)
- 導電性を有する筒形状の内部電極と、
前記内部電極の外周面に順に積層された第１の触媒層、電解質層及び第２の触媒層と、
前記第２の触媒層の外周面に巻き付けられた導電性を有する外部コイルと、
を備えるチューブ型燃料電池セルであって、
前記外部コイルの外周径よりも大きな外周径を有する導電型のスペーサを備え、
前記スペーサは、中空部を有する円柱又は多角柱の形状を有する導電性部材であることを特徴とするチューブ型燃料電池セル。 - 導電性を有する筒形状の内部電極と、
前記内部電極の外周面に順に積層された第１の触媒層、電解質層及び第２の触媒層と、
前記第２の触媒層の外周面に巻き付けられた導電性を有する外部コイルと、
を備えるチューブ型燃料電池セルであって、
前記外部コイルの外周径よりも大きな外周径を有する導電型のスペーサを備え、
前記スペーサは、前記外部コイルの外周径よりも大きな外周径となるように巻かれた導電性のコイルであることを特徴とするチューブ型燃料電池セル。 - 請求項１又は２に記載のチューブ型燃料電池セルにおいて、
前記スペーサは、前記外部コイルと電気的に接続されていることを特徴とするチューブ型燃料電池セル。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載のチューブ型燃料電池セルを複数備える燃料電池モジュールであって、
前記スペーサの外周面同士が接触するように前記複数のチューブ型燃料電池セルを並べてなることを特徴とする燃料電池モジュール。
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