JP5100038B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。さらに詳しくは、複数本の中空糸型電解質セルおよびそれを収容した筒状ケースなどの熱的破損を防止した固体高分子形燃料電池モジュールに関する。

複数本の中空糸型電解質セルを用いた構造の固体高分子形の燃料電池モジュールは、電解質層、その内側電極層および外側電極層などからなる構造を有している。内側電極層の内部および外側電極層の外部には、それぞれ燃料となる流体が流れている。電解質層は、イオン導電体であるばかりではなく、各燃料流体のクロスリークが最小量となるように設計されている。また、内側および外側の各電極層は、電極として働くだけではなく、これら燃料となる流体および発電の結果生成した水等の生成物が透過・拡散できるように、多孔質層として形成されている。

そして、基本的には、中空糸型電解質セルの外部側を流れる流体と内部側を流れる流体とを分離するためのシール機構として、図３に示されるように、燃料電池モジュールの両端部にポッティング部を設けることなどが行われている。この図３に縦断面図として示された従来例の基本構成においては、筒状ケース１内に収容された中空糸型電解質セル２の両端部にポッティング層３,３′が設けられており、燃料Aはケース壁に穿設された貫通口４から導入されて貫通口５から排気され、また燃料Bは中空糸型電解質セルの入口６から導入されて出口7から排気される。

中空糸型電解質セル２の基本的な構成は、図４に横断面図として示されている。その構成は、内側から順に内側多孔質電極層１１、内側触媒層１２、電解質層１３、外側触媒層１４および外側多孔質電極層１５の中空状積層体よりなる。これらの各層の長さは、図３に示されるように内側多孔質電極層１１が最も長く、外側の層は順次同じ長さかあるいは短く設定される。しかしながら、両端部は必ずしも同じ形状とする必要はなく、発電された電力を取り出す側の端部は、集電および絶縁のために他端部よりも長くすることが好ましい。

中空糸型電解質セルよりなる燃料電池単体をモジュール化することで、それの本数に比例して電流を多く取り出すことができる。最大の電流値を得るためには、モジュール化する際に中空糸型電解質セルである燃料電池単体は並列に、すべて同じ向きに配置され、こうした状態に固定するために、ポッティング材層がモジュール両端に設けられる。

ポッティング材層は、中空糸型電解質セル内側を流れる燃料とその外側を流れる燃料とを分離する役割も担っている。このとき、集電のために、また燃料となる流体を中空糸型電解質セル内に導入するために、中空糸型電解質セルの先端はポッティング層より外側に突出させた状態とされる。図３においては、一方のポッティング部３で内側多孔質電極層のみを突出させ、もう一方のポッティング部３′では外側多孔質電極層までを突出させ、両方のポッティング部でそれぞれ集電を行う構成がとられている。

燃料電池により発電した電力は、中空糸型電解質セルの内側電極および外側電極から外部に取り出される。また、多数本の中空糸型電解質セルを並列に結線することで多くの電流を取り出すことが可能となり、それらを直列に接続したモジュール構造にあっては、高い電圧をモジュールの両端から取り出すことができる。さらに、中空糸型電解質セルと外部取出し電極とを導電性ペーストや導電性接着剤などの集電層を介して行われる電気的な接続や貫通孔を有する目皿状の集電層を用いることで、抵抗値を低くして電力の取出しを行うことができる。
特表２００４−５３４３６８号公報

また、前述の如く、中空糸型電解質セルの外部を流れる流体と内部を流れる流体とを分離するため、図３に示すように筒状体を用いたモジュールの両端にポッティング部を設け、シールするための機構がとられている。しかしながら、このように構成される複数本の中空糸型電解質セルを単に筒状ケースに収容した燃料電池モジュールにおいては、それを構成する中空糸型電解質セル、筒状ケース、ポッティング材等の線膨張係数が異なるため、ポッティング時に発生する熱応力の影響や使用時の熱衝撃により、中空糸型電解質セルや筒状ケース等に破損がみられる場合がある。

本発明の目的は、複数本の中空糸型電解質セルおよびそれを収容した筒状ケースなどの熱的破損を防止した固体高分子形燃料電池モジュールを提供することにある。

かかる本発明の目的は、複数本の、内側多孔質電極層、内側触媒層、電解質層、外側触媒層および外側多孔質電極層の中空状積層体よりなる中空糸型電解質セルの内側電極層部分および外側電極層部分をそれぞれ貫通孔を有する目皿状集電体に貫通させ、該目皿状集電体の一方の面側に目皿状集電体と内側および外側の多孔質電極層との導電性機能を向上させると共に少くとも前記目皿状集電体と中空糸型電解質セルとを接続させる導電性ペースト層を、他方の面側に固定機能を向上させるポッティング材層をそれぞれ積層させた積層体を形成させ、該積層体部分をリング状体で固定し、該リング状体を筒状体内に収容してなる固体高分子形燃料電池モジュールによって達成される。

本発明に係る固体高分子形燃料電池モジュールは、複数本の中空糸型電解質セルの内側電極層部分および外側電極層部分をそれぞれ貫通孔を有する目皿状集電体に貫通させ、目皿状集電体の一方の面側に目皿状集電体と内側および外側の多孔質電極層との導電性機能を向上させると共に少くとも目皿状集電体と中空糸型電解質セルとを接続させる導電性ペースト層を、他方の面側に固定機能を向上させるポッティング材層をそれぞれ積層させた積層体を形成させ、積層体部分をリング状体で固定させ筒状体内に収容して用いられるので、すなわちポッティング材層を含む積層体部分をリング状体に固定して筒状体内に収容しているので、筒状体にはポッティング時に発生する熱応力の影響が全くなく、また作動時の熱衝撃を筒状体のみではなくリング状体でも分担しているので応力を緩和することができ、結果として中空糸型電解質セルやそれを収容した筒状体の破損を有効に防止することができる。

図１には、目皿状集電体２１、導電性ペースト層２２およびポッティング材層２３よりなる積層体部分をリング状体２４、２４′で固定するための工程が順番に示されている。なお、リング状体２４、２４′は、目皿状集電体２１を取り囲むことのできる形状であればよく、環状の他正方形状や三角形状であってもよい。

複数本の同じ向きに配置された中空糸型電解質セル２は、それの内側電極層部分１１および外側電極層部分１５をそれぞれ貫通孔を有する目皿状集電層２１、２１′に貫通させている(a)。この目皿状集電体２１、２１′は、それぞれその周囲はリング状体２４、２４′に接して設置されている。また、目皿状集電体２１、２１′には、それぞれ発電した電気を取出すための取出用端子２５、２５′および固定用アーム２６、２６′が取付けられている。なお、この取出用端子２５、２５′については、後の工程の(d)において、パラフィンを除去し、導電性ペーストを流し込む工程の間に、目皿状集電体２１、２１′に取り付けるようにしてもよい。

次いで、目皿状集電体２１、２１′に接する固定材層を形成する工程について説明する。固定材層は、少なくとも目皿状集電体２１、２１′と中空糸型電解質セル２を固定する機能を有していればよいが、これら両者との集電性を向上させるために導電性の機能を有していてもよく、固定機能、導電性機能の両方の機能を別の層として有していてもよい。この態様では、これら両方の機能をそれぞれ別の層として有する場合についての製造工程について説明する。

目皿状集電体２１、２１′のそれぞれ外側にはリング状体２４、２４′の内周面を利用して溶融パラフィン２７、２７′が流し込まれ、仮固定が行われる(b)。しかる後に、集電体２１、２１′のそれぞれ内側にはやはりリング状体２４、２４′の内周面を利用してポッティング材層２３、２３′が形成される(c)。その後、パラフィンを溶融除去し、あるいは溶剤による溶解除去し、そこに導電性ペーストを流し込み、導電性ペースト層２２、２２′を形成させる(d)。ポッティング材層、導電性ペースト層は、いずれも固定材層を形成する。

図２に示されるように、目皿状集電体、導電性ペースト層およびポッティング材層よりなる積層体部分を固定するリング状体２４、２４′は、Oリング、シリコーン系接着剤等の柔軟な弾性体シール材によるシール(図示せず)を介して、筒状体２８内に嵌装され、収容される。このように、柔軟なシール材を用いることにより、固定材による熱応力を受けた目皿状集電体２１、２１′およびリング状体２４、２４′と筒状体との間のシール性が向上する。筒状体２８の両端部には、必要に応じてカバー２９、２９′が装着される。この筒状体は、筒状体そのものを用いてもよいが、シート状のものを巻付け、その両端部を適当な固着手段によって固着させ、筒状体に形成せしめたものであってもよい。また、筒状体２８は必ずしも一体である必要はなく、それぞれのリング状体２４、２４′を収容するように、２つ以上の筒状体から構成してもよい。このような工程を経て製造することにより、筒状体には集電体２１、２１′およびリング状体２４、２４′が、固定材層の形成後、好ましくは仮固定のために使用されるパラフィン層の除去後に収納されるため、筒状体は熱応力の影響を軽減することができる。

なお、中空糸型電解質セルを形成する各部分の内、内側多孔質電極層は例えば珪素化チタンTiSi₂粉末を高分子物質の有機溶媒溶液中に高充填した製膜原液から複合膜を製膜し、得られた複合膜を約1300〜1800℃で焼成し、その際少くとも400℃以上の加熱温度範囲では真空または不活性雰囲気環境下で焼成を行って得られた、珪素化チタンTiSiを主成分として形成される導電性多孔質セラミックス等から形成され、外側多孔質電極層はカーボン等から形成される。内側および外側触媒層は、例えば白金を担持させたカーボン等から形成される。また、電解質層は、例えば固体高分子形電解質またはそれを多孔質体に充填したもの、あるいは電解質成分を無機支持体に担持させた有機-無機電解質または無機電解質等から形成され、これらの中空糸型電解質セルを複数本収容する筒状ケースとしては、例えばポリスルホン樹脂、アクリル樹脂等の樹脂製またはガラス、アルミナ等の無機材質製のものが用いられる。さらに、リング状体についても筒状ケースの場合と同様の材質のものを用いることができ、好ましくは接着性等の問題から樹脂製のものが用いられる。
特開２００６−１５１７３７号公報

また、集電体は、銅、銀等の金属単体または合金あるいはカーボンなどの導電性物質から形成され、必要に応じてメッキなどの表面処理を行ったものが用いられる。集電体は目皿状に形成され、その貫通孔には中空糸型電解質セルの内側電極層部分および外側電極層部分を貫通させており、この貫通孔は最小のクリアランスを有する大きさに設計されており、集電体と電極層部分との電気的な接続は、導電性ペースト、導電性接着剤等を用いて行われる。集電体上に形成させる導電性ペーストとしては、例えば市販の銀ペースト等が用いられ、あるいはこれに代えて半田等を用いてもよい。ポッティング層は、例えば絶縁性のエポキシ樹脂、ウレタン系接着剤、無機接着剤等のポッティング剤から形成される。

直径30mm、長さ25mmのポリスルホン樹脂製筒状体に直径1mmの中空糸膜電解質セル20本を銅製の目皿状集電体を介してエポキシ樹脂で直接装着したモジュールでは、100℃⇔-20℃(1時間ホールド)の熱衝撃試験で中空糸膜電解質セルに破損が生じた。

これに対し、筒状体内に直径25nn、長さ23mmのポリスルホン樹脂製リング状を収容して用いた本発明のモジュールでは、上記熱衝撃試験において、中空糸膜電解質セルの破損はみられなかった。

本発明に係る燃料電池モジュールの一実施態様の製造工程を縦断面図として示したものである。 本発明に係る燃料電池モジュールにおいて、さらに筒状体内に収容した実施態様の縦断面図である。 従来例の燃料電池モジュールの縦断面図である。 中空糸型電解質セルの横断面図である。

符号の説明

１ 筒状ケース
２ 中空糸型電解質セル
３，３′ ポッティング部
４ 燃料A導入口
５ 燃料A排気口
６ 燃料B導入口
７ 燃料B排気口
11 内側多孔質電極層
12 内側触媒層
13 電解質層
14 外側触媒層
15 外側多孔質電極層
21，21′ 目皿状集電体
22，22′ 導電性ペースト層
23，23′ ポッティング材層
24，24′ リング状体
25，25′ 電気取出用端子
26，26′ 固定用端子
27，27′ 溶融パラフィン
28 筒状体
29，29′ カバー

Claims (5)

1. 複数本の、内側多孔質電極層、内側触媒層、電解質層、外側触媒層および外側多孔質電極層の中空状積層体よりなる中空糸型電解質セルの内側電極層部分および外側電極層部分をそれぞれ貫通孔を有する目皿状集電体に貫通させ、該目皿状集電体の一方の面側に目皿状集電体と内側および外側の多孔質電極層との導電性機能を向上させると共に少くとも前記目皿状集電体と中空糸型電解質セルとを接続させる導電性ペースト層を、他方の面側に固定機能を向上させるポッティング材層をそれぞれ積層させた積層体を形成させ、該積層体部分をリング状体で固定し、該リング状体を筒状体内に収容してなる固体高分子形燃料電池モジュール。
2. 前記内側多孔質電極層が珪素化チタンTiSiを主成分として形成される導電性多孔質セラミックス層から形成された請求項１記載の固体高分子形燃料電池モジュール。
3. 複数本の中空糸型電解質セルの内側電極層部分および外側電極層部分をそれぞれ貫通孔を有する目皿状集電体に貫通させ、該目皿状集電体をその端部を取り囲んで設けられたリング状体に嵌装し、該リング状体の内周面を利用して前記目皿状集電体に接するように固定材を流し込んで、ポッティング材層および導電性ペースト層を有する固定材層を形成させた後、内側多孔質電極層、内側触媒層、電解質層、外側触媒層および外側多孔質電極層の中空状積層体よりなる前記中空糸型電解質セル、前記目皿状集電体および該固定材層よりなる積層体を固定する前記リング状体を筒状体内に収容することを特徴とする固体高分子形燃料電池モジュールの製造法。
4. 前記内側多孔質電極層が珪素化チタンTiSiを主成分として形成される導電性多孔質セラミックス層から形成された請求項３記載の固体高分子形燃料電池モジュールの製造法。
5. リング状体と筒状体との間に弾性体を介在させた請求項３記載の燃料電池モジュールの製造法。

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