JP6396435B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池および中空子膜モジュールから燃料電池を製造する方法に関する。

電気エネルギ生成用の燃料電池は、連続供給される燃料と酸化剤との化学反応エネルギを電気エネルギに変換することが知られている。

各種タイプの燃料電池が知られている。最もよく知られている燃料電池は、水素とメタノールの燃料電池である。ダイレクトメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、比較的に低発熱であることが認められており、燃料としてメタノールが用いられる。

燃料電池は２つの電極板を有し、これら２つの電極板は半透膜により別々に分けられている。一方の電極板はアノードを形成し、他方の電極板はカソードを形成する。アノードとカソードには触媒が塗布されている。アノード側の触媒においてメタノールが酸化されて二酸化炭素を形成し、カソード側の触媒において酸化剤として酸素が吸収され、酸素が還元されて水を形成する。反応プロセスにおいて、プロトンが半透膜を通って輸送され、電子が回路を通流し、それにより電気エネルギが生じる。

単一の燃料電池の使用では、１〜１．２Ｖの範囲の電圧を発生できるにすぎない。このため、複数の単電池を積層したスタック構造としている。しかし、膜表面のサイズの関係において、膜表面のサイズはプロトン輸送および燃料電池の総発電力のために決定的に重要なことであり、この構造物は比較的大きな寸法と比較的大きな重量となることが認められている。

DE 199 51 687 A1は、複数の反応チャンバを有する燃料電池を開示している。この燃料電池は、ポリマー電解質膜により分離され、異なる極性の電気伝導体を交互に配置している。燃料電池において、半透膜は中空子膜のバンドルから形成され、同極性の電気導電体が各ケース内の中空子の内側と外側に設けられ、各ケース内においてカソードとアノードを形成するために電気的に相互に接続されている。

DE 199 51 687 A1は、アノード及びカソードとしての中空子膜の内外面に導電材料の薄い箔または撚り糸からなる電気導電体を設けることを提案している。全ての電気導電体はアノードまたはカソードとの間にジョイントを形成するために相互に接続されている。

本発明の目的は、前述したタイプの燃料電池を製造することにあり、減量化の要請に沿う高出力密度かつ小型構造で、簡易な方法でコストの効果ある燃料電池を確立することにある。

本発明は、この目的を独立請求項の特徴の手段により達成している。従属請求項の主題は本発明の好ましい実施の形態に係るものである。

本発明に係る燃料電池は、中空子膜のバンドルが設けられたハウジングを有する。

ハウジングによって取り囲まれた容積は、中空子膜のバンドルの一方の端面部を緊密に取り囲む仕切壁と中空子膜のバンドルの他方の端面部を緊密に取り囲む仕切壁により、入口スペース、中間スペース、および出口スペースに分割されている。入口スペースは中空子膜の一方の開口端に流体接続されているが、出口スペースは中空子膜の他方の開口端に流体接続されている。

中空子膜の内面と外面は、触媒材料および導電材料を含む少なくとも１つの層を有する。中空子膜の内面および中空子膜の外面を触媒材料層で被覆することができ、触媒材料層を導電材料層で被覆することができる。しかし、両特性をもつ材料を単一層内に適用して塗布することも可能である。例えば、触媒材料それ自体が導電性であれば、個別の導電層を施すことができる。

入口スペースには入口ターミナルがあり、出口スペースには出口ターミナルがある一方で、入口ターミナルおよび出口ターミナルは中間スペースに設けられている。

入口スペースと出口スペースは、入口ターミナルから中空子の中空スペースを通って出口ターミナルに媒体を通流させるように、中空子の中空スペースを介して流体接続されている。媒体は、中間スペースの入口ターミナルを介して流入し、中空子の周囲を流れることができる中間スペースの出口ターミナルを介して流出する。

本発明の燃料電池は、アノード及びカソードを形成する全ての電気伝導体の簡易な電気接続により成り立っている。結果として、本発明の燃料電池は、膨大な量のコスト効果を生み出すことができる。

導電材料のコーティングは、ハウジング壁または２つの仕切壁を被覆することにより中空子膜の内面と外面にアノードとカソードを形成するものであり、また、入口スペースおよび出口スペースと同様に導電材料を有する中間スペースを画定するものである。

アノードとカソードの電気接続のために、電気接続接点はハウジングに形成され、入口と出口のスペースおよび中間スペース内の導電材料層のそれぞれに電気接続される。電気的接触は、内面に導電材料がコーティングされたハウジングの入口ターミナルおよび出口ターミナルに簡単な方法で、例えば置くだけでできる。

導電材料層は、ハウジング壁および仕切壁の表面に直かに塗ることができる。しかし、製造上の理由のために、ハウジング壁および仕切壁の表面にすでに存在する触媒材料層に対して塗布される導電材料の層とするほうが有利であるが、燃料電池の運転において中空子膜の内外面の表面の外側に触媒材料層は必要ではないからである。

本発明に係る燃料電池の製造方法は、導電材料層を塗布することにより作製される中空子膜の内外面にアノードとカソードを形成する個別の層に電気接続することにより成り立つものである。

先ず触媒材料を含む液を第１及び第２の入口スペースおよび中空子膜を通って一方にポンプ送液し、次いで導電材料を含む液を中間スペースを通って他方にポンプ送液することが、２つの層を塗布するには有利である。

本発明の特別な面は、燃料電池製造用の中空子モジュールとしての透析モジュールの用途である。

医療（透析法）に用いられる透析モジュールは、燃料電池に原理的に適する中空子膜のバンドルを有する。このため本発明は、新たな用途の目的のために中古の透析装置に供給することを目的とする。

透析装置中空子膜モジュール用の燃料電池の製造には、触媒材料を有するコーティングおよび導電材料を有するコーティングの塗布、または触媒としても導電体としても同等に働くコーティングの塗布のみが基本的に要求される。ハウジングは、透析モジュール内に既に存在する媒体を供給および除去するためのターミナルを有する。

透析モジュールから製造される、このタイプの燃料電池は、低重量化に沿う小型の構造物であり、広く一般的に使用できる燃料電池である。

材料を含む液をコーティングした中空子膜の内外面の代わりとして、２つの材料層のうちの少なくとも１つを既に有する中空子膜のバンドルを用いることができる。このタイプのマルチ層中空子は、押出し加工法で製造することができる。しかし、このケースでも、全ての導電体は入口スペースまたは出口スペースの導電材料層により電気的に接続され、中空子膜のそれぞれの端部は流体接続されている。

本発明の好ましい実施の形態では、燃料電池のハウジングは円筒状筐体であり、第１及び第２の仕切壁は円筒体である。これは小型で簡易な構造体となる結果が得られ、ハウジング壁に対する仕切壁のシーリングが特にシンプルになる。好ましくは、第１及び第２の仕切壁は封止用コンパウンド（封止材）からなるものである。

触媒材料は、白金またはパラジウムであることが好ましい。しかし、他の触媒材料を用いてもよい。触媒材料層の層厚さは２〜５００ｎｍの間とすることが好ましい。中空子の径は５０〜５００μｍの間とすることが好ましい。

導電材料は炭素粒子または炭素繊維を含むことが好ましい。しかし、導電材料は、他の導電性の粒子や繊維を含むようにしてもよい。原則として、導電材料は、考えられうる全ての導電材料、例えば、金属または導電性ポリマーあるいはセラミック材料を含むことができる。

燃料電池製造用の中空子膜モジュールのままで透析モジュールに用いるとすると、透析モジュールの中空子膜内に存在する孔がイオン伝導性材料で満たされていることが好ましい。この充填にはポリスルホンで湿らせた接着剤を用いることができる。

以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態をより詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池を示す概略構成図である。 図２は、燃料電池のハウジングの仕切壁のＡ部分領域の中空糸膜の端面部を示す部分拡大図である。 図３は、図１のＢ部分の詳細を示す部分拡大図である。

本発明に係る燃料電池は透析モジュールから製造することができる。図１は透析モジュールから製造された燃料電池の簡略図である。

以下に、先ず透析モジュールの構造を説明する。透析モジュールは、中空円筒筐体部1Aと２つの末端部1B,1Cを持つ細長い形状のハウジング１を有する。２つの末端部1B,1Cは、両端において中空円筒筐体部1Aを緊密に封止する。

中空子膜３のバンドル２は、ハウジング１の中空円筒筐体部1A内に収容されている。中空子膜３は、ハウジング１の長手軸方向に平行に伸び出し、端部において各々が開口している。

中空子膜は、数あるなかでもとりわけ、ポリスルホン(PSU)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)またはポリエーテルスルホン(PES)からなるものとすることができる。

中空子膜３のバンドル２の一方端面部2Aは、第１の仕切壁４により緊密に取り囲まれている。第１の仕切壁４は、中空円筒筐体部1Aの一方の末端1B内に緊密に配置されている。一方、中空子膜バンドル２の他方端面部2Bは、第２の仕切壁５により緊密に取り囲まれている。第２の仕切壁５は、中空円筒筐体部1Aの他方の末端1C内に緊密に配置されている。２つの仕切壁４，５は、封止用コンパウンドからなり、好ましくはポリウレタンである。

２つの仕切壁４，５の間は中空子膜３が伸びている中間スペース６である。

仕切壁４の外面と一緒になってハウジング１の一方の末端1Bは、入口スペース７を画定する。一方、第２の仕切壁５の外面と一緒になってハウジング１の他方の末端1Cは、出口スペース８を画定する。中空子３の開口端3A,3Bは、入口スペースおよび出口スペースを介してそれぞれ流体接続されている。

入口ターミナル９はハウジング１の一方の末端1Bに設けられ、出口ターミナル10は他方の末端1Cに設けられている。中空円筒筐体部1Aにおいて、出口ターミナル11は一方の仕切壁４のそばに並び、入口ターミナル12は他方の仕切壁５のそばに並んでいる。燃料電池が、カウンターフロー（向流）ではなく、ダイレクトフロー（正流）で運転される場合は、中間スペースの入口ターミナルと出口ターミナルとの位置が反対になる。

中空子３の内面には触媒材料層13がコーティングされている。触媒材料として白金またはパラジウムまたはそれらの合金を用いることができる。導電材料層14は、炭素粒子または炭素繊維を含有することができ、触媒材料層13に塗布される（図２と図３）。しかし、触媒としても導電体としても機能する単一層を中空子膜３の内面に塗布するようにしてもよい。

同様に、触媒材料層15が中空子膜３の外面に塗布され、導電材料層16が触媒材料層に塗布されている（図２と図３）。これら２つの層15,16は、中空子膜の外面に沿うばかりでなく、中空円筒筐体部1Aの全体の壁および中間スペース６を画定する２つの仕切壁４，５の内面にわたって沿っている。好ましくは、２つの仕切壁４，５は、ハウジングと一体化したハウジングの一体部品として形成される入口ターミナル11および出口ターミナル12のなかにも延び出ている。しかし、触媒としても導電体としても機能する単一層は、中空子膜３の外面に塗布するようにしてもよい。

入口スペース７を画定する壁、第１の末端1Bおよび一方の仕切壁４の外面および末端1Cの壁、出口スペース８を画定する壁、および他方の仕切壁５の外面は、同様に導電材料層14で被覆されている。導電材料層14は、末端1B,1Cの壁および仕切壁４，５の外面にそれぞれある触媒材料層13の上に塗布するようにしてもよい。これは製造上の理由で以下に述べるように有利になることができる。この場合においても、触媒としても導電体としても両方に機能する単一層を提供することができる。

入口スペース７と出口スペース８の導電層14は、中空子膜３の内面の導電層14間に電気接続をつくり出すものである。一方、中間スペース６の導電層16は、中空子膜３の外側の導電層16間に電気接続をつくり出すものである。

燃料電池は、２つの電気接続接点18,19を有する。第１の接続接点18は、ハウジング１の２つの末端７，８のうちの１つに導電材料層14に導通している。第２の接続接点19は、中空円筒筐体部1Aの導電層16に導通している。燃料電池に負荷を接続できるようにするために、電気接続接点18,19に電気配線20,21を接続することができる。電気接続接点18,19の概略だけを図１に示す。

燃料電池において、中空子膜３の外面の層16はアノードを形成し、中空子膜３の内面の層14はカソードを形成している。全ての中空子膜が平行に接続されており、それにより高出力密度の結果となる。

燃料電池の製造に従来の透析モジュールを利用しようとしても、導電材料層や触媒材料層がまだ存在していない。

透析装置は孔が設けられた中空子膜を有しており、イオン伝導性材料を有する中空子の孔を充填する必要がある。孔は、十分なトランス-メンブレン圧力を発生させることにより、イオン伝導性材料を充填することができる。孔にはポリスルホンで湿らされた接着剤を充填することができる。

製造上の理由のために、触媒材料と導電材料の両者を１つの層として端部部品1B,1Cの壁および仕切壁４，５の内面近傍に塗布するのは有益なことであるが、触媒材料層を入口スペース７および出口スペース８には塗布する必要はない。また、仕切壁４，５の内面および円筒筐体部1Aの壁にも触媒材料層は不要である。

第１の作業工程において、触媒材料を含む液を入口ターミナル９に供給し、出口ターミナル10にて排出し、これにより入口スペース７、出口スペース８、および中空子膜３の内面をコーティングする。第２の作業工程において、導電材料を含む液を入口スペース７、中空子膜３、および出口スペース８にポンプ送液し、これにより触媒材料層13の上に導電材料層14を塗布する。

触媒材料と導電材料の２つの層15,16は、中間スペース６内にも塗布され、触媒材料含有液または導電材料含有液が入口ターミナル12を介して供給され、出口ターミナル11を介して排出される。

公知の透析装置は一般的におよそ１．５ｍ²の膜表面積を有している。このタイプの膜表面積を用いて、ちょうど１０％の効率で（実際の効率はもっと高い）１００〜１５０ワットの出力をもつ燃料電池を製造することが可能である。

電気エネルギをつくり出すために、メタノール／水の混合物を入口ターミナル12を介して燃料電池に供給する。燃料電池内で生じた二酸化炭素を出口ターミナル11を介して排出する。入口ターミナル９を介して燃料電池に空気を供給する。空気からの酸素を用いて陽子と電子から生じた水を出口ターミナル10を介して排出する。しかし、流路を交換することも可能であり、このケースでは燃焼空気は中空子膜を透過しない。

燃料電池内での化学反応は下式で表される。

アノード ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→６Ｈ⁺＋６ｅ^-＋ＣＯ₂
酸化／電子を失う
カソード ３Ｏ₂＋１２Ｈ⁺＋１２ｅ^-→６Ｈ₂Ｏ
還元／電子を得る
全体反応 ２ＣＨ₃ＯＨ＋３Ｏ₂→４Ｈ₂Ｏ＋２ＣＯ₂
酸化還元反応／電池反応

1…ハウジング、1A…中空円筒筐体部、1B,1C…末端部、2…バンドル、2A,2B…端面部、3…中空糸膜、3A,3B…開口端、4,5…仕切壁、6…中間スペース、7…入口スペース、8…出口スペース、9…第１の入口ターミナル、10…第１の出口ターミナル、11…第２の出口ターミナル、12…第２の入口ターミナル、13,15…触媒材料層、14,16…導電材料層、18…第２の電気接続接点、19…第１の電気接続接点、20,21…電気配線。

Claims (16)

1. 中空子膜(3)のバンドル(2)が配置されたハウジング(1)と、
   前記中空子膜(3)のバンドル(2)の一方の端面部(2A)を緊密に取り囲む第１の仕切壁(4)と、
   前記中空子膜(3)のバンドル(2)の他方の端面部(2B)を緊密に取り囲む第２の仕切壁(5)と、
   前記第１の仕切壁(4)および前記第２の仕切壁(5)により、前記中空子膜(3)の一方の開口端(3A)に流体接続された入口スペース(7)と、前記中空子膜(3)の他方の開口端(3B)に流体接続された出口スペース(8)と、前記仕切壁(4,5)間に位置する中間スペース(6)と、に前記ハウジング内が分けられており、
   前記入口スペース(6)の第１の入口ターミナル(9)および前記出口スペース(8)の第１の出口ターミナル(10)と、
   前記中間スペース(6)の第２の入口ターミナル(12) および前記中間スペース(6)の第２の出口ターミナル(11)と、
   を具備し、
   前記中空子膜(3)の内面および前記中空子膜(3)の外面は、触媒材料および導電材料を有する少なくとも１つの層(13,15;14,16)を有しており、
   前記入口スペース(7)を画定する前記ハウジング(1)の壁に塗布され、前記入口スペース(7)を画定する前記第１の仕切壁(4)の表面に塗布され、前記出口スペース(8)を画定する前記ハウジング(1)の壁に塗布され、前記出口スペース(8)を画定する前記第２の仕切壁(5)の表面に塗布された導電材料層(14)と、
   前記中間スペース(6)を画定する前記ハウジング(1)の壁に塗布され、前記中間スペース(6)を画定する前記第１及び第２の仕切壁(4,5)の表面に塗布された導電材料層(16)と、
   前記入口スペース(7)および前記出口スペース(8)内の前記導電材料層(14)に電気的に接続された第１の電気接続接点(19)と、前記ハウジング(1)に形成され、前記中間スペース(6)内の前記導電材料層(16)に電気的に接続された第２の電気接続接点(18)と、を有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記入口スペース(7)内の前記導電材料層(14)の下に設けられ、かつ前記中間スペース(6)内の前記導電材料層(16)の下に設けられた触媒材料層(13,15)を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ハウジング(1)が円柱状筐体であり、前記第１及び第２の仕切壁(4,5)が円柱形状体であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の燃料電池。
4. 前記第１及び第２の仕切壁(4,5)が封止用コンパウンドを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
5. 前記触媒材料が白金またはパラジウムであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記触媒材料層(13,15)の厚さが２ｎｍ〜５００ｎｍの間にあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 前記導電材料が炭素粒子または炭素繊維を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記中空子膜(3)の径が５０μｍ〜５００μｍの間にあることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池。
9. 中空子膜モジュールから燃料電池を製造する方法において、
   前記中空子膜モジュールは、
   中空子膜(3)のバンドル(2)が配置されたハウジング(1)と、
   前記中空子膜(3)のバンドル(2)の一方の端面部(2A)を緊密に取り囲む第１の仕切壁(4)と、
   前記中空子膜(3)のバンドル(2)の他方の端面部(2B)を緊密に取り囲む第２の仕切壁(5)と、
   前記第１の仕切壁(4)および前記第２の仕切壁(5)により、前記中空子膜(3)の一方の開口端(3A)に流体接続された入口スペース(7)と、前記中空子膜(3)の他方の開口端(3B)に流体接続された出口スペース(8)と、前記仕切壁(4,5)間に位置する中間スペース(6)と、に前記ハウジング内が分けられており、
   前記入口スペース(6)の第１の入口ターミナル(9)および前記出口スペース(8)の第１の出口ターミナル(10)と、
   前記中間スペース(6)の第２の入口ターミナル(12) および前記中間スペース(6)の第２の出口ターミナル(11)と、
   を具備し、
   前記中空子膜(3)の内面および前記中空子膜(3)の外面は、触媒材料および導電材料を有する少なくとも１つの層(13,15;14,16)を有しており、
   前記入口スペース(7)を画定する前記ハウジング(1)の壁に塗布され、前記入口スペース(7)を画定する前記第１の仕切壁(4)の表面に塗布され、前記出口スペース(8)を画定する前記ハウジング(1)の壁に塗布され、前記出口スペース(8)を画定する前記第２の仕切壁(5)の表面に塗布された導電材料層(14)と、
   前記中間スペース(6)を画定する前記ハウジング(1)の壁に塗布され、前記中間スペース(6)を画定する前記第１及び第２の仕切壁(4,5)の表面に塗布された導電材料層(16)と、
   前記入口スペース(7)および前記出口スペース(8)内の前記導電材料層(14)に電気的に接続された第１の電気接続接点(19)と、前記ハウジング(1)に形成され、前記中間スペース(6)内の前記導電材料層(16)に電気的に接続された第２の電気接続接点(18)と、を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
10. 第１の工程において触媒材料を含む液を前記入口スペース(7)と前記出口スペース(8)と前記中空子膜(3)とにポンプ通液し、第２の工程において導電材料を含む液を前記入口スペース(7)と前記出口スペース(8)と前記中空子膜(3)とにポンプ通液する際に、第１の工程において触媒材料を含む液を前記中間スペース(6)にポンプ通液し、第２の工程において導電材料を含む液を前記中間スペース(6)にポンプ通液する、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記触媒材料が白金またはパラジウムであることを特徴とする請求項９又は１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記触媒材料が２ｎｍ〜５００ｎｍの間の層の厚さに塗布されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記導電材料が炭素粒子または炭素繊維を含むことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記中空子膜(3)の径が５０μｍ〜５００μｍの間にあることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記中空子膜モジュールが透析モジュールであることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記透析モジュールの中空子膜(3)の孔は、イオン伝導性材料で満たされていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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