WO2006083036A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2006083036A1
WO2006083036A1 PCT/JP2006/302309 JP2006302309W WO2006083036A1 WO 2006083036 A1 WO2006083036 A1 WO 2006083036A1 JP 2006302309 W JP2006302309 W JP 2006302309W WO 2006083036 A1 WO2006083036 A1 WO 2006083036A1
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WO
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cell module
cell
current collector
negative electrode
module assembly
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PCT/JP2006/302309
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English (en)
French (fr)
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Haruyuki Nakanishi
Shigeaki Murata
Masahiro Imanishi
Yoshihisa Tamura
Original Assignee
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Publication date
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel electrolytic erosion reservoir including a cell module assembly in which two or more cell modules each having a hollow electrolyte membrane are integrally fixed.
  • 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 oxidize 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 is advantageous in that it can be easily downsized and operated at a low temperature. It is attracting attention as a power source for mobile objects. In solid polymer electrolyte fuel cells, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode.
  • the electrons generated by the formula (1) pass through an external circuit and work with an external load. Reach the power sword. Then, the proton produced by the equation (1) moves in the solid polymer electrolyte membrane from the anode side to the cathode side by electroosmosis while being hydrated with water.
  • a fuel cell is a clean power generator that has no emissions other than water.
  • a planar membrane / electrode joint obtained by mainly providing a catalyst layer serving as an anode and a force sword on the other surface of a planar solid polymer electrolyte membrane is obtained.
  • a fuel cell stack has been developed that is obtained by stacking a plurality of flat single cells produced by further providing gas diffusion layers on both sides of the body and finally sandwiching them with a planar separator. I came.
  • a proton conductive polymer membrane with a very thin film thickness is used as the solid polymer electrolyte membrane.
  • This film thickness is already less than 100 um; the mainstream is less than um.
  • the catalyst layers, gas diffusion layers, separators, etc. are each being made thinner, but there is a limit to improving the power density per unit volume even by making all these members thinner. Therefore, to meet the demand for miniaturization, It is expected that it will no longer be able to respond sufficiently.
  • a sheet-like carbon material having excellent corrosivity is usually used for the separator. This carbon material itself is also expensive. Further, in order to distribute the fuel gas and the oxidant gas almost uniformly over the entire surface of the planar membrane / electrode assembly, the gas is usually disposed on the surface of the separator. Since the groove that becomes the flow path is microfabricated, the processing makes the separator very expensive, raising the manufacturing cost of the fuel cell.
  • the flat unit cell is surely sealed around the periphery of the unit cells stacked in multiple layers so that fuel gas and oxidant gas do not leak from the gas flow path.
  • problems such as the technical difficulty to install and the power generation efficiency may decrease due to the deflection and deformation of the planar membrane-electrode assembly.
  • solid polymer electrolyte fuel cells have been developed that use a cell module with electrodes on the inner and outer surfaces of a hollow electrolyte membrane as a basic power generation unit.
  • 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, cost reduction is expected in its production. Furthermore, since the cell module has a three-dimensional shape, the specific surface area relative to the volume can be increased compared to a flat single cell, and the power generation output density per volume can be expected to improve.
  • a suitable number of hollow cell modules are aligned with a predetermined interval in parallel in the longitudinal direction so that the reaction gas can be uniformly and smoothly supplied to the outer surface of the cell module, and fixed together.
  • a cell module assembly is formed, and the cell module assembly is used alone, or two or more cell module assemblies as required. Are connected in series or parallel and incorporated into the fuel cell.
  • the cell module assembly is a dead-end type that opens only at the end. In this case, it is necessary to produce two types of cell module assemblies in which the positions of the positive electrode and the negative electrode are interchanged, or to provide a complicated gas flow path for supplying the reaction gas to the inner surface of the cell module. There is. .
  • a first object of the present invention is to provide a cell in which two or more cell modules having a hollow electrolyte membrane with electrodes provided on the inner surface and outer surface thereof are assembled. When module assemblies are connected in series, It is an object of the present invention to provide a fuel cell that can easily increase the contact area of contact points between cell assemblies or can simplify the structure for connection between cell module assemblies. .
  • the second object of the present invention is to achieve the above first object, and it is not necessary to alternately switch the positions of the positive electrode and the negative electrode of the cell module assembly, and it is also produced when a dead-end type cell module is used.
  • the purpose is to provide a fuel cell that is easy to handle. Disclosure of the invention
  • the fuel cell of the present invention has a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of a hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one end portion is opened.
  • a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of a hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one end portion is opened.
  • each cell An outer surface gas flow path for allowing reaction gas to flow on the outer surface side of the module, and one end side of the cell module included in the cell module row are arranged near the one end side of the cell module, and the current collector on the positive electrode side of each cell module is integrated and collected.
  • the plurality of cell module assemblies that are adjacently connected in series are electrically connected at the contact surface with the adjacent cell module assembly, so that the area of the electrical contact is widened. It is excellent in electrical connection between cell module assemblies.
  • the structure for electrical connection between the cell module assemblies is simple.
  • cell module assemblies can be connected in series in an array in which the directions of the positive electrode and the negative electrode are aligned. Therefore, even when a dead-end type cell module is used, it is not necessary to produce a cell module assembly in which the arrangement of the positive electrode and the negative electrode is alternately changed and to provide a complicated reaction gas channel. ⁇
  • each cell module assembly is provided with a flow path connection portion that opens to a contact surface with the adjacent cell module assembly, and the adjacent flow path connection portions are in contact with each other.
  • it can be set as the structure which connected the gas flow path for inner surfaces of each cell module assembly.
  • it is preferable to provide a gas seal material around the flow path connection portion in order to ensure the gas sealing property of the gas flow path for the inner surface in the flow path connection portion.
  • the gas seal material include an o-ring, a convex gasket, and an adhesive, but an O-ring is particularly preferable.
  • the fuel cell of the present invention has a structure in which the inner gas passages of the cell module assemblies incorporated in the fuel cell are connected, a gas seal material such as an o-ring is connected to the connection portion of the inner gas passage Even in the case of providing, it is possible to secure a sufficient area of electrical contact with the adjacent cell module assembly, and it is excellent in conduction.
  • the positive and Z or negative electrode output portions of the cell module assembly form a pillar structure that bridges between the upper and lower ends of the contact surface with the adjacent cell module assembly, they are adjacent to each other.
  • the contact area between the negative electrode output portion and the positive electrode output portion between the cell module assemblies can be increased, and at the same time, the cell module array included in the cell module assembly can be captured.
  • the positive electrode and / or the negative electrode output portion constitutes such a column structure, it is necessary to electrically insulate the joint portion with the current collector portion of the opposite electrode.
  • the positive electrode or negative electrode current collector of the terminal cell module assembly connected in series is provided with an output terminal that conducts with the outside of the fuel cell.
  • the fuel cell of the present invention is excellent in conduction between cell module assemblies connected in series, a large current can be taken out.
  • productivity is excellent in maintenance.
  • the cell module assembly can be connected in series without changing the positions of the positive electrode and the negative electrode, even when using a so-called dead-end type cell module, the positions of the positive electrode and the negative electrode are alternated. There is no need to create two different cell module assemblies or to provide a complicated gas flow path structure. Therefore, it is excellent in productivity.
  • FIG. 1 is a perspective view of a tubular cell module used in the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the tubular cell module shown in FIG.
  • FIG. 3 is a view showing one embodiment of the fuel cell of the present invention, and is a perspective view of two adjacent cell module assemblies.
  • FIG. 4 is a view of the cell module assembly shown in FIG. 3 as viewed from the wide front side (negative electrode output portion 14 side).
  • FIG. 5 is a view seen from the wide front side with the negative electrode output portion 14 removed from the cell module assembly shown in FIG.
  • FIG. 6 is a view of two adjacent cell module assemblies shown in FIG. 3 as viewed from the narrow side.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the cell module assembly shown in FIG. 3 cut along a plane parallel to the narrow side surface.
  • 1 is a hollow electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid membrane), 2 is an anode (inner surface side electrode), 3 is a force sword (outer surface side electrode), 4 is a negative electrode side current collector, 5 is a positive electrode Side current collector, 6 is a cell module, 7 is a cell module row, 8 (8 A, 8 B) is a partition wall, 9 (9 A, 9 B) is an internal gas channel, 10 is an external gas channel, 1 1 (1 1 A, 1 1 B) is a cylindrical housing, 1 2 is a negative current collector, 1 3 is a positive current collector, 1 4 is a negative output, 1 5 is a positive output, and 16 is Opening, 17 is an O-ring, 18 is an insulating material, and 19 is an output terminal.
  • the fuel cell of the present invention has a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of a hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one end portion is opened.
  • a fuel cell in which two or more cell module assemblies in which two or more cells are assembled are adjacently connected in series, each cell module assembly having two or more cell modules in parallel in the longitudinal direction, and A cell module row in which the open ends or the closed ends are aligned in the same direction, and the outer surface of the cell module between the open end and the body of the cell module included in the cell module row
  • a partition wall that divides the space on the side, and is provided on the open end side of the cell module included in the cell module row by the partition wall.
  • An inner surface gas flow path that is provided on the body side of the cell module included in the cell module row by the partition wall, and that allows the reaction gas to flow to the outer surface side of each cell module; Arranged in the vicinity of one end side of the cell modules included in the module row, and arranged in the vicinity of the positive electrode current collecting part for collecting current by collecting the current collecting materials on the positive electrode side of each cell module; A negative electrode current collector that collects and collects current collectors on the negative electrode side of the module, and a positive electrode that is connected to the positive electrode or the negative electrode current collector and is provided on a contact surface with an adjacent cell module assembly Or a negative electrode output part is provided.
  • the cell module assemblies are adjacent to each other with the same polarity current collectors aligned in the same direction, and the positive electrode output unit is disposed on the contact surface of one of the adjacent cell module assemblies.
  • a negative output portion is disposed on the contact surface of the cell module assembly, and these are connected in series.
  • FIG. 1 is a schematic view of a hollow cell module constituting a cell module assembly in the fuel cell of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the hollow cell module of FIG.
  • the cell module 6 includes a tube-shaped solid polymer electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane) 1 and an anode provided on the inner surface side of the solid polymer electrolyte membrane 1 ( In this embodiment, it has a fuel electrode) 2 and a force sword (in this embodiment, an air electrode) 3 provided on the outer surface side.
  • a columnar current collector is disposed as the negative electrode side current collector 4 on the surface of the anode 2, and a net of the metal wire 5 a and a rod current collector 5 b are disposed as the positive electrode side current collector 5 on the surface of the force sword 3. It is arranged.
  • Hydrogen gas outer surface on the hollow inner surface of the cell module having such a structure (substantially, the portion exposed to the inner surface side gas flow path formed by the groove 4a provided on the outer surface of the negative electrode side current collector 4)
  • fuel or oxidant is supplied to the anode and power sword to generate electricity.
  • the cell module 6 in FIG. 1 has hollow portions open at both ends, and the fuel gas flows into the hollow from one end and flows out from the other end. If the cell module 6 in FIG. 6 can sufficiently supply the reaction gas to the inner surface side of the hollow electrolyte membrane, only one end of the hollow portion may be opened and the other end may be sealed.
  • a fuel electrode using hydrogen as a fuel is provided as an inner surface side electrode as in this embodiment, hydrogen gas containing almost no non-reactive components can be supplied as a fuel gas into the hollow of the cell module, 'Also, because the diffusibility of hydrogen molecules is high, it is possible to consume the reaction gas supplied into the hollow space, so that the reaction gas can be sufficiently supplied even in the hollow portion where one end is sealed. Can do.
  • Examples of the method of sealing one end of the cell module include a method of injecting resin or the like into the hollow one end, but is not particularly limited.
  • the cell module 6 has a tubular electrolyte membrane.
  • the hollow electrolyte membrane in the present invention is not limited to the tubular shape, and has a hollow portion, and a fuel or an oxidant flows into the hollow portion. By so doing, it is only necessary that the reaction component necessary for the electrochemical reaction can be supplied to the electrode provided inside the hollow.
  • the inner diameter, outer diameter, length, etc. of the tubular solid polymer electrolyte membrane 1 are not particularly limited, but the outer diameter of the tubular electrolyte membrane is preferably from 0.01 to 10 mm, More preferably, it is 0.1 to L mm, and particularly preferably 0.1 to 0.5 mm. Tube electrolyte membranes with an outer diameter of less than 0.01 mm are currently difficult to manufacture due to technical problems, while those with an outer diameter of more than 10 mm are difficult to manufacture. However, the output per unit volume of the obtained cell module may not be sufficiently obtained.
  • the perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane is preferably thin from the viewpoint of improving the proton conductivity. However, if it is too thin, the function of sequestering the gas decreases, and the permeation amount of non-proton hydrogen increases. End up. However, compared to conventional fuel cells 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, so it is slightly thicker. Even when a membrane is used, sufficient output can be obtained. From this point of view, The fluorocarbon sulfonic acid resin membrane has a thickness of 10 to 100 ⁇ m, more preferably 50 to 60 ⁇ m, and even more preferably 50 to 55 ⁇ m.
  • the preferable range of the inner diameter is 0.1 to 10 mm, more preferably 0.1 to 1 mm, and still more preferably 0.1 to 0.1 mm. 3 ⁇ 4> at ⁇ 0.5 mm.
  • the electrode area per unit volume can be increased as compared with a fuel cell having a flat cell.
  • a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained even by using an electrolyte membrane that does not have proton conductivity as high as that of a fluorocarbon sulfonic acid resin membrane.
  • the polymer electrolyte membrane in addition to perfluorocarbon sulfonic acid resin, materials such as those used in electrolyte membranes of polymer electrolyte fuel cells can be used.
  • Fluorine ion exchange resins other than sulfonic acid resins polystyrene-based cation exchange membranes with sulfonic acid groups and other hydrocarbons such as polyolefins as skeletons, at least sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, and phosphoric acid groups, etc.
  • Having a basic type such as polybenzimidazole, polypyrimidine, polybenzoxazole, etc., which are disclosed in Japanese Patent Publication No. 1 1-5 0 3 2 6 2
  • Examples thereof include polymer electrolytes such as solid polymer electrolytes composed of a complex of a basic polymer doped with a strong acid in the molecule and a strong acid.
  • Solid polymer electrolyte membranes using such electrolytes are fibril-like, fine-cloth-like, non-woven-like, perforated porous sheets. It can be reinforced with a leucocarbon polymer or by coating an inorganic oxide or metal on the membrane surface.
  • perfluorocarbon sulfonic acid resin membranes include commercially available products such as Nafion manufactured by DuPont of the United States and Fremion manufactured by Asahi Glass.
  • a perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane which is a kind of proton conductive membrane and one of solid polymer electrolyte membranes, is described as an electrolyte membrane.
  • the electrolyte membrane used in the fuel cell of the invention is not particularly limited. Even if it is proton-conductive, other ion-conductive materials such as hydroxide ions and oxide ions (o 2- ) can be used. It may be a thing.
  • the proton-conducting electrolyte membrane is not limited to the solid polymer electrolyte membrane as described above, but is obtained by impregnating a porous electrolyte plate with a phosphoric acid aqueous solution, a proton conductor made of porous glass, Drogled 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 be used.
  • the present invention when the present invention is applied to a solid oxide fuel cell or to a polymer electrolyte fuel cell using hydroxide ions as a charge carrier, oxygen ions Or a solid electrolyte membrane that conducts ions as other charge carriers, such as hydroxide and hydroxide.
  • Electrode membrane perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane
  • Each electrode 2 and 3 provided on the inner surface and outer surface of electrode 1 is an electrode material used in a polymer electrolyte fuel cell. It can be formed using a material. Usually, an electrode is used in which a catalyst layer and a gas diffusion layer are laminated in order from the electrolyte membrane side.
  • the catalyst layer includes catalyst particles, and may include a proton conductive material for improving the utilization efficiency of the catalyst particles.
  • a proton conductive material a material used as a material for the electrolyte membrane may be used. it can.
  • catalyst particles catalyst particles in which a catalyst component is supported on a conductive material such as a carbonaceous particle or a carbon material such as carbonaceous fiber 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 increased as compared with a fuel cell having a flat cell. Even if the components are used, a fuel cell having a high power 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 in the anode and the oxygen reduction reaction in the power sword.
  • platinum Pt
  • ruthenium Ru
  • iridium Ir
  • rhodium Rh
  • palladium Pd
  • osmium Os
  • tungsten W
  • lead Pb
  • iron Fe
  • Cr chromium
  • cobalt C o
  • Nickel N i
  • Gallium (Ga) Aluminum (A 1) and other metals, or alloys thereof .
  • An alloy made of Pt and Pt and another metal such as Ru is preferable.
  • a porous conductive material mainly composed of carbonaceous particles and carbon materials such as Z or carbonaceous fibers can be used.
  • carbonaceous particles and carbonaceous fibers The size 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.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • It is preferable to perform water-repellent processing by impregnating a tetrafluoroethylene polymer or a mixture thereof, or forming a water-repellent layer using these substances.
  • each electrode provided on the inner surface and outer surface of the hollow electrolyte membrane, the material used for the electrode, etc. may be the same or different.
  • the method of providing a pair of electrodes on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane is not particularly limited.
  • a tubular electrolyte membrane is prepared.
  • the method for preparing the tubular electrolyte membrane is not particularly limited, and a commercially available electrolyte membrane formed in a tube shape can also be used.
  • a solution containing electrolyte and catalyst particles is applied and dried on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane to form a catalyst layer, and carbonaceous particles and Z or carbonaceous fibers are formed on the two catalyst layers.
  • a gas diffusion layer may be formed by applying and drying a solution containing it. 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.
  • a tube material tubular carbonaceous material containing a carbonaceous material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers is used as a gas diffusion layer of the inner surface side electrode (anode). Apply a solution containing electrolyte and catalyst particles to the outer surface of the gas diffusion layer.
  • the inner surface side electrode catalyst layer is formed by drying the cloth to form the inner surface side electrode, and then the solution containing the electrolyte is applied to the outer surface of the catalyst layer and dried to form the electrolyte membrane layer, and then the electrolyte membrane
  • a method of forming a gas diffusion layer of the outer electrode by forming a catalyst layer of the outer electrode (force sword) on the outer surface of the layer and applying and drying a solution containing a carbon material on the outer surface of the catalyst layer. It is done.
  • the tubular carbonaceous material can be obtained, for example, by dispersing a carbon material such as carbonaceous particles and epoxy and / or phenolic resin in a solvent, forming into a tubular shape, thermosetting, and firing. It is done.
  • 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 for forming each layer is also used. It is possible to appropriately select from various methods such as spraying and screen printing.
  • 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. good.
  • the anode is provided inside the air electrolyte membrane and the force sword is provided outside, but the force sword may be provided inside and the anode may be provided outside.
  • Negative electrode side current collector (in this embodiment, an internal current collector disposed on the inner surface side electrode surface) 4 is a columnar current collector having an outer diameter in contact with the inner peripheral surface of the cell module.
  • a groove 4 a extending in the axial direction (longitudinal direction) of the module is formed.
  • the gap between this groove and the inner surface side electrode 2 is a gas flow in the hollow for supplying hydrogen gas. It becomes a road.
  • As the groove 4 a at least one groove extending in the axial direction (longitudinal direction) of the cell module is necessary, and grooves having various patterns or directions are formed on the outer peripheral surface of the cell module as necessary. Is done.
  • the metal wire 5 a net is alternately arranged with cell modules and rod-shaped current collectors 5 b in parallel. Can be manufactured by braiding the metal wire 5a so that the outer peripheral surfaces of both are covered with a net.
  • Examples of the metal used as the positive electrode side or negative electrode side current collector include, for example, A1, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In, and the like. At least one metal selected from the group consisting of metals or their alloys such as stainless steel is preferred. The surface may be coated with Au, Pt, conductive resin, or the like. Of these, stainless steel and titanium are particularly preferable because of excellent corrosion resistance.
  • the thickness of the wire, the density of the braid, the thickness of the rod-shaped current collector, etc. are not particularly limited.
  • the current collector 5 made up of the columnar current collector 4 and the metal wire 5a and the rod-shaped current collector 5b is used, but the current collectors 4 and 5 are not particularly limited, and are electrically conductive materials. If it consists of, the shape is arbitrary.
  • the current collector may be a columnar shape, a wire shape, a rod shape, a linear shape, or a tubular shape.
  • These current collectors can be made of carbon adhesive or Ag paste, if necessary. It is fixed on the electrode with an electric adhesive.
  • the fuel cell of the present invention comprises two or more cell module assemblies in which two or more cell modules as described above are aligned and fixed and assembled together.
  • the cell module assembly according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
  • FIG. 3 is a view showing one embodiment of the fuel cell of the present invention, and is a perspective view of two adjacent cell module assemblies.
  • Fig. 4 is a view of the cell module assembly shown in Fig. 3 as viewed from the wide front side (negative electrode output 14 side)
  • Fig. 5 is a view of the cell module assembly shown in Fig. 3 from the negative electrode. It is the figure which removed the output part 14 and was seen from the wide front side.
  • Fig. 6 is a view of two adjacent cell module assemblies shown in Fig. 3 as viewed from the narrow side surface.
  • Fig. 7 is a diagram showing the cell module assembly shown in Fig. 3 as a narrow side surface. It is sectional drawing cut
  • each cell module assembly 10 0 is the entire contact surface between adjacent cell module assemblies 100 (however, the inner surface gas channels 9 A and 9 B 1S A positive output part 15 or a negative output part 14 which is an electrical contact between the adjacent cell module assemblies 100.
  • each cell module assembly 100 in the fuel cell of the present invention is a positive output unit 15 or a negative output unit that is an electrical contact between adjacent cell module assemblies 100 connected in series. 1 4 is provided on the contact surface with the adjacent cell module assembly. Yes. That is, each cell module assembly 100 has a negative output of the cell module assembly adjacent to the contact surface of the positive output portion 15 provided on the contact surface with the adjacent one of the cell module assemblies.
  • Negative output part 14 provided on the contact surface with the other cell module assembly that is electrically connected to and adjacent to the output unit 14 is connected to the positive output of the cell module assembly adjacent to the corresponding contact surface. It is electrically connected to the unit 15 and is connected in series with the adjacent cell module assemblies 100.
  • each cell module assembly 100 has a negative current collector 12 that integrates the negative current collector 4 of each cell module 6 and collects current in the vicinity of one end of each cell module 6.
  • a positive current collector 13 that integrates and collects electric materials 5 is provided in the vicinity of the other end of each cell module 6, and the negative current collector 12 and the positive current collector 13 are the same. Arranged in the same direction. That is, the negative electrode output unit 14 connected to the negative electrode current collector 12 disposed on one end side of the cell module 6 included in each cell module assembly 100 and the other end side of the cell module 6 are disposed. The negative electrode output unit 14 and the positive electrode output unit 1 are connected so that the positive electrode output unit 15 connected to the positive electrode current collector unit 13 contacts the contact surface with the adjacent cell module assembly 100. 5 has a large area.
  • the plurality of cell module assemblies 100 are electrically connected at the contact surface with the adjacent cell module assembly 100, so that The structure for connection is simple, and electrical connection can be made without being bulky.
  • the area of the positive electrode output part 15 or the negative electrode output part 14 serving as an electrical contact point between adjacent cell module assemblies can be increased, It is excellent in conduction between cell module assemblies. Therefore, according to the fuel cell of the present invention, a large current can be taken out.
  • the cell modules can be connected in series in an array with the orientation of the cells 100 aligned, even when using dead-end type cell modules, two types of cells with the positions of the positive and negative electrodes interchanged are used. There is no need to create a module assembly or form a complicated gas flow path. Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the number of parts required for assembling the fuel cell.
  • two or more cell modules 6 are arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other and open ends (the negative current collector 4 is exposed).
  • the open end and the open end with the positive current collector 5 extended are aligned in the same direction to form a cell module row 7.
  • the plurality of cell modules 6 included in the cell module row are aligned at a predetermined interval, that is, an interval having a regularity, and are usually arranged at a constant interval (equal interval). If a plurality of cell modules are not arranged at equal intervals, the reaction gas flows between these cell modules and the flow of the reaction gas supplied to the outer electrode 3 of the cell module is not uniform. This is because there may be a difference in the gas supply amount and the power generation efficiency of the fuel cell may deteriorate. In particular, if the spacing between the cell modules in the direction perpendicular to the flow direction of the reaction gas supplied to the outer surface of the cell module is not constant, the flow of the reaction gas tends to be greatly biased.
  • the cell modules are arranged and aligned so that the distance between the cell modules in the direction perpendicular to the direction in which the reaction gas supplied to at least the cell module outer surface flows is constant. As long as the distance between the cell modules in the direction perpendicular to the flow direction of the reaction gas supplied to the outer surface of the cell module is constant, the cell modules may be in close contact with each other in other directions. The distance between the cell modules in the direction perpendicular to the direction in which the reaction gas supplied to the outer surface side of the cell module flows is not necessarily the same as the distance between the cell modules in the other directions. 3 to 7 show only a part of the cell module row 7.
  • an inner surface gas flow path 9 (hydrogen gas in this embodiment) is allowed to flow to the inner surface side of each cell module 6.
  • 9 A, 9 B) are provided on the body side of each cell module 6 included in the cell module row 7.
  • an outer surface gas flow path 10 through which a reactive gas (air in the present embodiment) flows to the outer surface side of each cell module 6.
  • These two inner gas passages 9 A and 9 B and the outer gas passage 10 are arranged between the two open ends of the cell module 6 included in the cell module row 7 and the body portion of the cell module 6. Gas sealability is ensured by the partition walls 8 (8A, 8B) partitioning the side space.
  • One of the gas passages 9 A and 9 B for the inner surface is a supply passage (upstream) for supplying hydrogen gas into the cavity of the cell module, and the other is hydrogen gas (part of the hydrogen is consumed from the hollow of the cell module) This is a discharge path (downstream) through which unreacted hydrogen gas is discharged.
  • the pressure difference determines which of 9 A and 9 B is upstream and which is downstream.
  • the cell module 6 has one open end connected to the supply path of the gas flow path 9 for the inner surface and the other open end connected to the discharge path of the gas flow path 9 for the inner surface, so that hydrogen gas flows in the hollow. ing. As shown in FIG. 3, the two open ends of each cell module 6 are inserted into through-holes (not shown) provided in the partition wall 8 and connected to the inner gas flow path 9 respectively. .
  • the open end may not penetrate through the partition wall 8, and may be disposed, for example, so that its tip is aligned with the surface of the partition wall 8 that is the inner surface of the inner reaction gas flow path 9.
  • a locking structure is provided in which the end of the open end is locked to the through-hole ⁇ and the axial alignment of each cell module 6 is provided, and the tip is arranged in the through-hole by the locking structure. You may make it do.
  • only the rod-shaped current collector 5b, which is a part of the negative electrode-side current collector 4 or the positive electrode-side current collector 5 may penetrate therethrough (see FIGS. 5 to 7).
  • the through holes provided in the partition wall 8 preferably have an inner diameter into which each cell module 6 can be inserted, and are provided at predetermined intervals. Since the partition wall having such a through hole has a function as a positioning means that can automatically determine the position of each cell module 6, the cell modules can be efficiently aligned. As described above, the cell modules 6 included in the cell module row 7 are aligned with a predetermined interval, usually a constant interval (equal interval), and flow a reaction gas supplied to at least the outer side of the cell module. Between cell modules at right angles to the direction It is preferable that the cell modules are aligned so that the intervals of the are constant.
  • the through holes provided in the partition walls 8 should be provided at equal intervals so that the intervals between the cell modules can be made constant. Is preferred.
  • the length of the interval between the through holes may be determined as long as it can supply a sufficient amount of reaction gas to the outer surface of the cell module.
  • Each cell module 6 inserted into the through hole of the partition wall 8 is usually fixed to the through hole by a potting process or the like. At this time, in order to prevent the potting material from flowing to the surface opposite to the surface of the partition wall 8 where the potting process is performed, the through hole provided in the partition wall 8 is at least in the opening on the surface side where the potting process is performed. It is preferable that the inner diameter of the cell module inserted into the through hole is substantially equal to the outer diameter of the cell module (the outer diameter including the current collector when the current collector of the outer electrode is inserted).
  • the reaction for the inner surface is performed in a cylindrical case 1 1 A, 11 B (made of a conductive material) in which the partition wall 8 and the negative electrode current collector 12 or the positive electrode current collector 13 are integrated. Gas flow paths 9 A and 9 B are formed.
  • the cylindrical housing 1 1 (1 1 A, 1 1 B) is open on the contact surface side with the adjacent cell module assembly 100, and the negative electrode output section disposed on the contact surface 14 and the positive electrode output portion 15 are also provided with an opening portion 16 that overlaps with the opening portion of the cylindrical casing 11.
  • the gas flow path 9 for the inner surface of the adjacent cell module aggregates 100 is composed of a negative electrode output section 14 and a positive electrode output section of each cell module aggregate 100.
  • a gas seal such as an O-ring 17 is provided around the flow path connection portion. It is preferable to provide a material.
  • the connection part of the gas flow path for the inner surface and the gas seal are located in the vicinity of the positive electrode and / or the negative electrode current collector. Due to the presence of materials, it is usually difficult to increase the contact area between adjacent cell module assemblies.
  • the contact surface between the adjacent cell module assemblies is widely used as the positive electrode and the Z or negative electrode output part far from the positive electrode and / or negative electrode current collector. Therefore, the contact area between the negative electrode output portion 14 and the positive electrode output portion 15 can be increased. Therefore, even if a gas flow path connecting portion or a gas seal material (for example, an O-ring) is disposed on the contact surface, a sufficient contact area as an electrical contact between the cell module assemblies can be secured.
  • a gas flow path connecting portion or a gas seal material for example, an O-ring
  • the outer surface gas flow path 10 located between A and 8 B can supply and discharge the reaction gas into the cell module assembly 100 from the narrow side surface portion of the cell module assembly 100. It is summer.
  • the cell module assembly 10 0 shown in FIG. 3 has the flat output portions 14 and 15 because the contact surfaces of the adjacent cell module assemblies are the flat output portions 14 and 15. Supply and discharge, but adjacent cell modules An opening serving as a connection portion of the outer surface gas flow path 10 of each cell module assembly 100 is provided on the contact surface with the assembly, and the outer surface gas flow paths of the adjacent cell module assemblies are connected to each other. Moyore.
  • air is used as the reaction gas supplied to the outer surface of the cell module 6, so that the outer surface gas flow path 10 can freely enter and exit from the outside of the cell module assembly 100. It may be an open space or a closed space communicating with an air supply source and a discharge path.
  • the partition wall 8 forms a part of the cylindrical housing 11 that forms the gas flow paths 9 A and 9 B for the inner surface and functions as the negative electrode current collector 12 or the positive electrode current collector 13.
  • the partition wall 8 may be a structure integrated with other members constituting the cell module assembly 100, or may be a structure removable from the cylindrical housing 11.
  • the partition wall 8 constitutes a part of the cylindrical housing 11 and is formed of a conductive material.
  • the material forming the partition wall 8 is not particularly limited, and the cell is not limited. It is only necessary to have hardness and strength capable of supporting the module 6 and non-permeability to the reaction gas. For example, metal, resin, carbon material, glass, ceramics and the like can be mentioned.
  • the partition wall 8 is formed of a conductive material, insulation with other members including the cell module 6 is performed as necessary.
  • the configuration of the negative electrode output unit 14 and the positive electrode output unit 15 is not particularly limited as long as the negative electrode output unit 14 and the positive electrode output unit 15 are arranged on the contact surface between the adjacent cell module assemblies.
  • one end is connected to the negative current collector 12 or the positive current collector 13 and the other end is fixed to any member.
  • a part of a plate-like member provided on the contact surface and capturing the cell modules 6 included in the cell module row 7 may be formed of a conductive material, and the negative electrode current collector It may be configured to be connected to the unit 12 or the positive electrode current collector 13. Further, the shape is not particularly limited.
  • the contact area between the output portions serving as electrical contacts is larger.
  • the negative electrode output unit 14 and / or the positive electrode output unit 15 are arranged at the upper end of the contact surface with the adjacent cell module assembly 100. It is preferable to constitute a column structure that bridges between the lower end and the lower end. When the negative electrode output portion 14 and / or the positive electrode output portion 15 has such a column structure, the contact area between the output portions of the adjacent cell module assemblies 100 can be increased. At the same time, the cell module row 7 can be captured in the axial direction.
  • each output section extends over the entire contact surface such as the flat plate shown in the figure if it bridges between the upper and lower ends of the contact surface with the adjacent cell module assembly 100.
  • the contact surface may be narrow with respect to the left-right direction, or may have a plurality of such narrow column structures.
  • a through structure such as a plurality of punch holes can be formed on the flat plate in the figure.
  • the negative electrode output portion 14 and the positive electrode output portion 15 are matched with the adjacent cell module aggregates 100 as in this embodiment. It is preferable that it is flat form which forms the whole contact surface.
  • the part where the output part and the collector part of the opposite electrode are fixed is electrically insulated.
  • the negative output part 14 connected to the negative current collector 12 provided on the upper end side of each cell module assembly 100 is provided on the lower end side of the cell module assembly 100.
  • the positive electrode current collector 13 and the insulating material 18 are joined to each other.
  • the positive electrode output unit 15 connected to the positive electrode current collector 13 provided on the lower end side of each cell module assembly 100 is connected to the negative electrode provided on the upper end side of the cell module assembly 100.
  • the current collector 1 2 and the insulating material 1 8 are joined together.
  • This insulating material 18 is composed of a cylindrical housing 1 1 that functions as the positive electrode current collector 1 1 3 and a cylindrical housing that functions as the periphery of the opening on the negative electrode output 1 4 side of 1 B and the negative electrode current collector 1 2.
  • the body 1 1 A is arranged so as to surround the opening on the positive electrode output section 15 side. .
  • the insulating material 18 is not particularly limited as long as it can electrically insulate the negative electrode output unit 14 and the positive electrode current collector 13 and the positive electrode output unit 15 and the negative electrode current collector 12.
  • An insulating adhesive that can be bonded and insulated can be used.
  • Epo Examples include xy-based adhesives and silicone-based adhesives.
  • each output part 14, 15 and each current collecting part 12, 13 is not particularly limited, and examples thereof include metals, carbon materials, conductive ceramics, and conductive resins. . These conductive materials may be used alone or in combination. Specific examples of metal materials include at least one selected from Al, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In, etc. Metals or their alloys such as stainless steel (SUS).
  • the conductive material that forms the output section and current collector section may be selected as appropriate according to the structure of the cell module assembly. SUS and Ti are used for strength, and A 1 is used for weight reduction. From the viewpoint of T i and conductivity, Cu and A 1 are preferable.
  • each current collector can be appropriately selected according to the environment to which each output unit is exposed.
  • Ti, SUS, etc. are preferably used.
  • the negative electrode side current collector 4 extended from the open end of each cell module 6 inserted into the through hole of the partition wall 8A is used as the gas for the inner surface. Crossing the channel 9 A, it is connected to the negative electrode current collector 12.
  • the positive electrode current collector 5 extended from the open end of each cell module 6 is connected to the positive electrode current collector 1 3 across the gas flow path 9 B for the inner surface.
  • each current collector (1 2, 1 3) is provided with a through hole into which the current collector (4, 5) can be inserted or a hole that does not penetrate, and the current collector of each cell module 6 is inserted into the hole. Then, it can be fixed with solder or the like, and a current collector can be connected to each current collector.
  • the current collector is provided with a through-hole as described above, the through-hole is sealed as necessary to ensure the gas sealing property of the inner gas passage.
  • the cylindrical housing 1 that forms the gas flow path 9 A or 9 B for the inner surface
  • the arrangement and structure of the negative electrode current collector 12 and the positive electrode current collector 13 are not particularly limited as long as the positive electrode current collector 13 is provided near the one end and in the vicinity of the other end.
  • the negative electrode current collector 12 and Z or the positive electrode current collector 13 may form part of the inner surface or the outer surface of the inner surface gas flow path 9 A or 9 B, or the inner surface gas flow It may be installed on the inner or outer surface of road 9A or 9B.
  • the method of electrical connection between the negative current collector 12 and the negative output 14 to integrate the negative current collector 4 of each cell module 6, and the positive current collector 5 of each cell module 6 The electrical connection between the positive current collector 1 3 and the positive output 15 It is not limited.
  • the cylindrical casing 11 A made of a conductive material and functioning as the negative electrode current collector 12 is welded and electrically connected to the negative electrode output 14 made of a conductive material.
  • it may have a structure in which the cylindrical casing 11 A and the negative electrode output portion 14 are integrally formed.
  • a cylindrical housing 11 B made of a conductive material and functioning as the positive electrode current collector 13 and a positive electrode output portion 15 made of a conductive material are welded and electrically connected.
  • the cylindrical housing 11 B and the positive electrode output portion 15 may have a structure integrally formed.
  • the cell module assembly arranged at one end usually has an output terminal 19 for conducting electrical connection with the outside of the fuel cell.
  • an output terminal (not shown) that conducts electricity to the outside of the fuel cell is provided in the positive electrode current collector 13.
  • the cell module assembly of the present invention is not limited to the form shown in FIGS. 3 to 7, and the number of cell modules constituting one cell module assembly, the arrangement form, etc. are not particularly limited. .
  • the negative electrode current collector 12 is disposed on the upper end side of the cell module assembly 100
  • the positive electrode current collector 13 is disposed on the lower end side of the cell module assembly 100.
  • the reverse configuration may be used.
  • each of the inner gas passage 9 (9A, 9B) and the cell module including the supply passage and the discharge passage is provided.
  • the cell module is connected to the open end of the In the case of the dead end type in which the hollow interior is open only, the cell module row is formed by aligning the open ends and the closed ends of each cell module in the same direction.
  • the gas flow path for the inner surface consists only of a supply path for supplying the reaction gas into the hollow from the open end, and the open end is connected to the supply path.
  • the partition wall 8 does not need to be provided on the closed end side of the cell module, and may be fixed to a member for fixing the cell module having no gas channel for the inner surface.
  • the fixing member is preferably provided with guiding means for determining the positions of the cell modules included in the cell module row, such as hole grooves provided at predetermined intervals.
  • the fixing member may also serve as a current collector.
  • the fuel cell according to the present invention is useful as a fuel cell that is easy to downsize and operates at a low temperature and further improves the power generation performance and extends the life.
  • it is suitable for use as a portable or mobile power source.

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Description

燃料電池
' 技術分野
明
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 2個以上、 一体に 固定したセルモジュール集合体を含む燃料電食池に関する。
背景技術 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。
H 2 → 2 H+ + 2 e - … （1 )
( 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、 力ソードに到達する。 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ァ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、 力ソードでは （2 ) 式の反応が進行する。 2 H + + ( 1 / 2 ) 0 2 + 2 6一 → H 2 0 … ( 2 )
力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。
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力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 はすでに 1 0 0 ； u m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、 それらすベ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。従って、小型化の要求に対しても、 今後充分に応えられなくなることが予想される。
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。
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幾層にもスタックされた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。
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、特開平 9一 223507号公報、特開 2002— 15801 5号公報、 特開 200 2— 26 068 5号公報及び特開 200 2— 28 9 220号公報参 照） 。
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、 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。
通常、 適当な本数の中空形状のセルモジュールを、 セルモジュールの外面に 反応ガスが均一且つ円滑に供給できるように、 長手方向を平行にして所定の間隔 をあけて整列し、 一体に固定し、 各セルモジュールのアノード及び力ソードをそ れぞれ集電することによって、 セルモジュール集合体を形成し、 該セルモジユー ル集合体を単独で、 又は、 必要に応じて 2個以上のセルモジュール集合体を直列 又は並列に接続して燃料電池に組み込む。
セルモジュール集合体間の良好な導通を得るためには、 接点の接触面積を大 きくとること、 及び、 セルモジュール集合体間の接続のための構造を簡素化する ことが望まれる。
また、 セルモジュール集合体を直列に接続する場合には、 正極と負極の位置 を入れ替えてセルモジュール集合体を交互に並べる必要があるため、 セルモジュ ールがー端のみで開口するデッドエンドタイプの場合、 正極と負極の位置を入れ 替えた 2種類のセルモジュール集合体を作製するか、 或いは、 セルモジュール内 面に反応ガスを供給するための複雑なガス流路を設けなければならないという問 題がある。 .
このような事情に鑑み、 本発明の第一の目的は、 中空形状の電解質膜であつ てその内面及び外面に電極を設けたものを基本構成要素とするセルモジュールを 2個以上集合させたセルモジュール集合体を直列に接続する場合に、 セルモジュ ール集合体間の接点の接触面積を大きくとることが容易な、 或いは、 セルモジュ ール集合体間の接続のための構造を簡素化することが可能な燃料電池を提供する ことを目的とする。
また、 本発明の第二の目的は、 上記第一の目的を達成するとともに、 セルモ ジュール集合体の正極と負極の位置を交互に入れ替える必要がなく、 デッドェン ドタイプのセルモジュールを用いる場合にも作製が容易な燃科電池を提供するこ とを目的とする。 発明の開示
本発明の燃料電池は、 中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、 および前記一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、 且つ、 少なくとも一方 の端部が開放されたセルモジュールが 2個以上集合したセルモジュール集合体を 2個以上、 隣接させて直列接続した燃料電池であって、 前記各セルモジュール集 合体は、 前記セルモジュールを 2個以上、 長手方向を平行にして、 且つ、 開放端 同士又は閉鎖端同士を同じ方向にそろえて整列させたセノレモジュール列と、 セル モジュール列に含まれるセルモジュールの開放端と胴部の間でセルモジュール外 面側の空間を仕切る隔壁と、 前記隔壁によって、 セルモジュール列に含まれるセ ルモジュールの開放端側に設けられ、 各セルモジュールの開放端と接続されて各 セルモジュールの内面側に反応ガスを流通させる内面用ガス流路と、 前記隔壁に よって、 セルモジュール列に含まれるセルモジュールの胴部側に設けられ、 各セ ルモジユールの外面側に反応ガスを流通させる外面用ガス流路と、 セルモジユー ル列に含まれるセルモジュールの一端側近傍に配設され、 各セルモジュ一ルの正 極側の集電材を統合して集電する正極集電部、 及び、 他端側近傍に配設され、 各 セルモジュールの負極側の集電材を統合して集電する負極集電部と、 前記正極又 は負極集電部と接続され、 隣接するセルモジュール集合体との当接面に設けられ た正極又は負極出力部を備え、 各セルモジュール集合体が同極の集電部を同じ方 向にそろえて隣接されており、 且つ、 隣接しあう一方のセルモジュール集合体の 当接面には正極出力部が配置され、 他方のセルモジュール集合体の当接面には負 極出力部が配置され、 これらが直列に接続されていることを特徴とする。
本発明の燃料電池において、 隣接して直列接続される複数のセルモジュール 集合体は、 隣接しあうセルモジュール集合体との当接面において電気的に接続さ れるため、 電気的接点の面積を広くとれ、 セルモジュール集合体間の導通に優れ るものである。 また、 セルモジュール集合体間の電気的接続のための構造が簡素 である。
しかも、 正極と負極の方向をそろえた配列で、 セルモジュール集合体を直列 接続することが可能である。 ゆえに、 デッドエンドタイプのセルモジュールを用 いる場合であっても、 正極と負極の配置を交互に入れ替えたセルモジュール集合 体を作製する必要や複雑な反応ガス流路を設ける必要がなくなる。 ·
本発明の燃料電池は、 前記各セルモジュール集合体に、 隣接するセルモジュ ール集合体との当接面に開口する流路接続部を設け、 隣接する該流路接続部を接 続することによって各セルモジュール集合体の内面用ガス流路を連通させた構造 とすることができる。 このとき、 前記流路接続部における内面用ガス流路のガス シール性を確保するため、 前記流路接続部の周囲にガスシール材を設けることが 好ましい。 ガスシール材としては、 oリング、 凸型ガスケット、 接着剤等を挙げ ることができるが、 Oリングが特に好ましい。
本発明の燃料電池は、 燃料電池に組み込まれる各セルモジュール集合体の内 面ガス流路を連結する構造とする場合でも、 さらには当該内面ガス流路の接続部 に oリング等のガスシール材を設けた場合でも、 隣接するセルモジュール集合体 との電気的接点の面積を充分に確保することが可能であり、 導通に優れるもので ある。
前記セルモジュール集合体の正極及び Z又は負極出力部が、 隣接するセルモ ジュール集合体との当接面の上端と下端の間を橋架ける柱構造を構成している場 合には、 隣接しあうセルモジュール集合体間の負極出力部と正極出力部との接触 面積を大きく とることができると同時にセルモジュール集合体に含まれるセルモ ジュール列を捕強することができる。 但し、 正極及び 又は負極出力部がこのよ うな柱構造を構成する場合には、 反対極の集電部との接合部分を電気的に絶縁す る必要がある。
通常、 直列接続された末端のセルモジュール集合体の前記正極又は負極集電 部には、 燃料電池の外部との導通をとる出力端子が設けられる。 発明の効果
本発明の燃料電池は、 直列接続されたセルモジュール集合体間の導通に優れ るものであるから、 大電流を取り出すことが可能である。 また、 セルモジュール 集合体間の接続のための構造を簡素化することが可能であるため、 生産性ゃメン テナンス性に優れる。
さらに、 セルモジュール集合体を正極と負極の位置を入れ替えなくても直列 に接続することができるため、 いわゆるデッドエンドタイプのセルモジュールを 使用する場合であっても、 正極と負極の位置を交互に入れ替えた 2種類のセルモ ジュール集合体を作製したり、複雑なガス流路構造を設ける必要がない。従って、 生産性に優れるものである。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明に用いられるチューブ状セルモジュールの斜視図である。 第 2図は、 第 1図に示すチューブ状セルモジュールの断面図ある。
第 3図は、 本発明の燃料電池の一形態例を示す図であって、 2つの隣接する セルモジュール集合体の斜視図である。
第 4図は、 第 3図に示すセルモジュール集合体を広幅の正面側 （負極出力部 1 4側） から見た図である。
第 5図は、 第 3図の示すセルモジュール集合体から負極出力部 1 4を外して、 幅広の正面側から見た図である。 第 6図は、 第 3図に示す 2つの隣接するセルモジュール集合体を幅細の側面 側から見た図である。
第 7図は、 第 3図に示すセルモジユール集合体を幅細の側面に平行な面に沿 つて切断した断面図である。
添付の図面において、 1は中空電解質膜 （パーフルォロカーボンスルホン酸 膜） 、 2はアノード （内面側電極） 、 3は力ソード （外面側電極） 、 4は負極側 集電材、 5は正極側集電材、 6はセルモジュール、 7はセルモジュール列、 8 ( 8 A, 8 B ) は隔壁、 9 ( 9 A, 9 B ) は内面用ガス流路、 1 0は外面用ガス流路、 1 1 ( 1 1 A, 1 1 B ) は筒状筐体、 1 2は負極集電部、 1 3は正極集電部、 1 4は負極出力部、 1 5は正極出力部、 1 6は開口部、 1 7は Oリング、 1 8は絶 縁材料、 1 9は出力端子を示す。 発明を実施するための最良の形態
本発明の燃料電池は、 中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、 および前記一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、 且つ、 少なくとも一方 の端部が開放されたセルモジュールが 2個以上集合したセルモジュール集合体を 2個以上、 隣接させて直列接続した燃料電池であり、 前記各セルモジュール集合 体は、 前記セルモジュールを 2個以上、 長手方向を平行にして、 且つ、 開放端同 士又は閉鎖端同士を同じ方向にそろえて整列させたセルモジュール列と、 セルモ ジュール列に含まれるセルモジュールの開放端と胴部の間でセルモジュール外面 側の空間を仕切る隔壁と、 前記隔壁によって、 セルモジュール列に含まれるセル モジュールの開放端側に設けられ、 各セルモジユールの開放端と接続されて各セ ルモジュ一ルの内面側に反応ガスを流通させる内面用ガス流路と、 前記隔壁によ つて、 セルモジュール列に含まれるセルモジュールの胴部側に設けられ、 各セル モジュールの外面側に反応ガスを流通させる外面用ガス流路と、 セルモジュール 列に含まれるセルモジュールの一端側近傍に配設され、 各セルモジュールの正極 側の集電材を統合して集電する正極集電部、 及び、 他端側近傍に配設され、 各セ ルモジュールの負極側の集電材を統合して集電する負極集電部と、 前記正極又は 負極集電部と接続され、 隣接するセルモジュール集合体との当接面に設けられた 正極又は負極出力部を備えるものである。 そして、 各セルモジュール集合体が同 極の集電部を同じ方向にそろえて隣接されており、 且つ、 隣接しあう一方のセル モジュール集合体の当接面には正極出力部が配置され、 他方のセルモジュール集 合体の当接面には負極出力部が配置され、 これらが直列に接続されている。
以下、 第 1図〜第 7図を用いて本発明の燃料電池の一実施形態について説明 する。 なお、 下記の実施形態においては、 燃料として水素ガス、 酸化剤として空 気 （酸素） を用いた固体高分子型燃料電池を中心に説明するが、 本発明は下記の 実施形態に限定されるものではない。
(セノレモジュール）
第 1図は、 本発明の燃料電池においてセルモジュール集合体を構成する中空 状セルモジュールの概略図、 第 2図は、 第 1図の中空状セルモジュールの断面図 である。 第 1図及び第 2図において、 セルモジュール 6はチューブ状の固体高分 子電解質膜 （パーフルォロカーポンスルホン酸樹脂膜） 1、 固体高分子電解質膜 1の内面側に設けられたアノード （本実施形態では燃料極） 2及び外面側に設け られた力ソード （本実施形態では空気極） 3を有している。 さらに、 アノード 2 の表面には、 負極側集電材 4として柱状集電材が配置され、 力ソード 3の表面に は、 正極側集電材 5として、 金属ワイヤ 5 aのネットと棒状集電材 5 bが配置さ れている。
このような構造を有するセルモジュールの中空内面 （実質的には、 負極側集 電材 4の外面に設けた溝 4 aによって形成された内面側ガス流路に露出した部 分） に水素ガス、 外面に空気を流通させることで、 アノード及び力ソードに燃料 又は酸化剤が供給され、 発電する。
第 1図のセルモジュール 6は、 その両端において中空部が開放されているも のであって、 燃料ガスは一端から中空内へと流入し、 他端から流出するようにな つているが、 本発明におけるセルモジュール 6は、 中空電解質膜の内面側に反応 ガスを十分に供給できるものであるならば、 中空部の一端のみが開放され、 もう 一端は封止されていてもよい。 特に、本実施形態のように、 内面側の電極として、 水素を燃料とする燃料極を設ける場合、 非反応性成分をほとんど含まない水素ガ スを燃料ガスとしてセルモジュールの中空内に供給できること、 'また、 水素分子 の拡散性が高いことから、 中空内に供給された反応ガスを消費しきることが可能 であるため、 一端を封鎖した中空部内であっても反応ガスを十分に供給すること ができる。 セルモジュールの一端を封鎖する方法としては、 樹脂等を中空の一端 に注入する方法が例示できるが、 特に限定されるものではない。
第 1図において、 セルモジュール 6はチューブ状の電解質膜を有するもので あるが、 本発明における中空電解質膜はチューブ状に限られず、 中空部を有し、 当該中空部に燃料や酸化剤を流入させることで、 中空内部に設けられた電極に電 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。
チューブ状の固体高分子電解質膜 1の内径及び外径、 長さ等は特に限定され るものではないが、 チューブ状電解質膜の外径は 0 . 0 1〜 1 0 m mであること が好ましく、 0 1〜： L m mであることがさらに好ましく、 0 . 1〜0 . 5 mm 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 . 0 1 mm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 1 0 m mを超えるものでは、 占有体積に対する表面積があまり大きくならないため、 得られるセルモジュールの単位体積当たりの出力が充分に得られないおそれがあ る。
パーフルォロカーポンスルホン酸樹脂膜は、 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、 充分な出力が得られる。 かかる観点から、 パー フルォロカーボンスルホン酸樹脂膜の厚みは、 1 0〜 1 0 0 μ mであり、 より好 ましくは 5 0〜 6 0 mであり、 さらに好ましくは 5 0〜 5 5 μ m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 . 0 1〜1 0 mmであり、 より好ましくは 0 . 1〜 1 m mであり、 さらに好ましく ίま 0 . 1〜0 . 5 mmで ¾>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、 固体高分子電解質膜として、 パーフルォロカーボンスルホン酸 樹脂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、 パーフルォロカーボンスルホン酸樹脂の他、 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、 パ一フルォロカ 一ボンスルホン酸樹脂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イ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 1 1— 5 0 3 2 6 2号公報などに開示され ている、 ポリべンズイミダゾール、 ポリピリミジン、 ポリべンゾォキサゾールな 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 ルォロカ一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 一ティングすることにより補強することもできる。 また、 パーフルォロカーボン スルホン酸榭脂膜としては、 例えば米国デュポン社製ナフイオンや旭硝子社製フ レミオン等の市販品もある。
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り、 固体 高分子電解質膜の一つであるパーフルォロカーボンスルホン酸榭脂膜を用いて説 明しているが、 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ィォ ン （o2-) 等その他のイオン伝導性のものであってもよい。 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ぴ細 孔内にプロ トン伝導性官能基を導入した有機一無機ハイプリットプロ 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。 また、 燃料電池の構 成によっては、 例えば、 本発明を固体酸化物燃料電池に適用した場合や、 水酸化 物イオンを電荷担体とする固体高分子型燃料電池に適用した場合などでは、 酸素 ィオンや水酸化物ィオンなどの他の電荷担体となるイオンを伝導する固体電解質 膜でもよレ、。
電解質膜 （パーフルォロカーボンスルホン酸樹脂膜） 1の内面及び外面に設 けられる各電極 2， 3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。
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、 ァ ノードにおける水素の酸化反応、 力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 （P t) 、 ルテニウム (Ru) 、 イリジウム ( I r ) 、 ロジウム (R h) 、 パラジウム (P d) 、 ォス ニゥム （O s) 、 タングステン （W) 、 鉛 （P b) 、 鉄 （F e) 、 クロム （C r) 、 コバルト （C o) 、 ニッケル （N i ) 、 マンガン （Mn) 、 バナジウム （V) 、 モリブデン （Mo) 、 ガリウム （G a) 、 アルミニウム (A 1 ) 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、 P t、 及び P tと例えば R uなど他の金属とからなる合金である。
ガス拡散層としては、 炭素質粒子及び Z又は炭素質繊維等の炭素材料を主成 分とする多孔質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。 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、 ポリテトラフルォロエチレン、 ポ リフッ化ビニリデン （P V D F ) 、 ポリテ トラフルォロエチレン、 パーフルォロ カーボンァノレコキシアルカン、 エチレン一テ トラフルォ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。
尚、 中空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。
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る方法は、 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する。 チュ ープ状の電解質膜を準備する方法は特に限定されず、 市販品のチューブ状に形成 された電解質膜を用いることもできる。 そして、 当該チューブ状電解質膜の内面 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 Z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） を内面側電極 （アノード） 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 ·乾燥して内面側電極の触媒層を形成して内面側電極を作製し、 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 膜層の外面に外面側電極 （力ソード） 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 ·乾燥して外面側電極のガス拡散層を形成する方法も挙 げられる。 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ェポ キシ及び/又はフヱノール系榭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、 スク リーン印刷法等種々の方法にから適宜選 択することができる。
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、 本実施形態においては、 中 空電解質膜の内側にアノード、外側に力ソードを設けているが、内側に力ソード、 外側にアノードを設けても良い。
負極側集電材 （本実施形態においては内面側電極表面に配置される内部集電 材） 4はセルモジュールの内周面と接する外径を有する柱状集電材であり、 その 外周面には、 セルモジュールの軸方向 （長手方向） に延びる溝 4 aが形成されて いる。 この溝と内面側電極 2との隙間が水素ガスを供給するための中空内ガス流 路となる。 溝 4 a としては、 セルモジュールの軸方向 （長手方向） に延びる溝が 少なく とも一本必要であり、 必要に応じて、 セルモジュールの外周面に様々なパ ターン又は方向性を有する溝が形成される。
正極側集電材 （本実施形態においては、 外面側電極表面に配置される外部集 電材） 5の一部である金属ワイヤ 5 aのネットは、 セルモジュールと棒状集電材 5 bを平行にして交互に並べ、 これら両者の外周面をネットで被覆するように金 属ワイヤ 5 aを編みこむことで製造できる。
上記正極側又は負極側集電材として使用される金属としては、例えば、 A 1、 C u、 F e、 N i、 C r、 T a、 T i、 Z r、 S m、 I n等の中から選ばれる少 なく とも 1種以上の金属、 又はステンレス鋼などのそれらの合金が好ましい。 ま た、 その表面が A u、 P t、導電性樹脂等によりコーティングされていても良い。 特に耐蝕性に優れることから、 中でもステンレスやチタンが好ましい。 ワイヤの 太さ及ぴ編みこみの密度、棒状集電材の太さ等は、特に制限されるものではない。
本実施形態では、 柱状の集電材 4及び金属ワイヤ 5 aと棒状の集電材 5 bか らなる集電材 5を使用しているが、 集電材 4， 5は特に限定されず、 電気伝導性 材料からなるものであればその形状は任意である。 集電材は、 柱状、 ワイヤ状、 棒状の他、 線状でも、 筒形状でもよく、 例えば、 スプリング状の金属ワイヤや金 属箔、 金属シート又はカーボンシート等のシート材料からなるもの等も適用でき る。
これら集電材は、 必要に応じて、 カーボン系接着剤や A gペース トなどの導 電性接着材により電極上に固定される。
(セルモジュール集合体及び燃料電池）
本発明の燃料電池は、 上記のようなセルモジュールを 2個以上整列し、 一体 に固定して集合させたセルモジュール集合体を 2つ以上備えるものである。 以下、 本発明におけるセルモジュール集合体について、 第 3図〜第 7図を用いて説明す る。 第 3図は、 本発明の燃料電池の一形態例を示す図であって、 2つの隣接する セルモジュール集合体の斜視図である。 また、 第 4図は、 第 3図に示すセルモジ ユール集合体を広幅の正面側 （負極出力部 1 4側） から見た図、 第 5図は、 第 3 図に示すセルモジュール集合体から負極出力部 1 4を外して、 幅広の正面側から 見た図である。 また、 第 6図は、 第 3図に示す 2つの隣接するセルモジュール集 合体を細幅の側面側から見た図、 第 7図は、 第 3図に示すセルモジュール集合体 を細幅の側面に平行な面に沿って切断した断面図である。 尚、 これら第 3図〜第 7図は、 便宜上その構造を一部省略している。
図に示す本実施形態の燃料電池において、 各セルモジュール集合体 1 0 0は、 隣接するセルモジュール集合体 1 0 0間の当接面全面 （ただし、 内面用ガス流路 9 A , 9 Bの接続部は除く） 1S 当該隣接しあうセルモジュール集合体 1 0 0間 の電気的接点である正極出力部 1 5又は負極出力部 1 4となっている。 このよう に本発明の燃料電池における各セルモジュール集合体 1 0 0は、 隣接して直列接 続されるセルモジュール集合体 1 0 0間の電気的接点である正極出力部 1 5又は 負極出力部 1 4が、 当該隣接するセルモジュール集合体との当接面に設けられて いる。 すなわち、 各セルモジュール集合体 1 0 0は、 隣接しあう一方のセルモジ ユール集合体との当接面に設けられた正極出力部 1 5が、 当該当接面において隣 接するセルモジュール集合体の負極出力部 1 4と電気的に接続され、 隣接しあう 他方のセルモジュール集合体との当接面に設けられた負極出力部 1 4が、 当該当 接面において隣接するセルモジュール集合体の正極出力部 1 5と電気的に接続さ れて、 隣接しあう各セルモジュール集合体 1 0 0と直列接続される。
また、 各セルモジュール集合体 1 0 0は、 各セルモジュール 6の負極側集電 材 4を統合して集電する負極集電部 1 2が各セルモジュール 6の一端側近傍に、 正極側集電材 5を統合して集電する正極集電部 1 3が各セルモジュール 6の他端 側近傍に設けられており、 且つ、 これらの負極集電部 1 2及び正極集電部 1 3を 同じ方向にそろえて配列されている。 すなわち、 各セルモジュール集合体 1 0 0 に含まれるセルモジュール 6の一端側に配置された負極集電部 1 2に接続する負 極出力部 1 4と、 セルモジュール 6の他端側に配置された正極集電部 1 3に接続 する正極出力部 1 5とが、 隣接するセルモジュール集合体 1 0 0との当接面にお いて接触するように、 負極出力部 1 4と正極出力部 1 5は広い面積を有している。
以上のように本発明の燃料電池は、 複数のセルモジュール集合体 1 0 0が隣 接するセルモジュール集合体 1 0 0との当接面において電気的に接続されるため、 セルモジュール集合体間の接続のための構造が簡素であり、 かさばらずに電気的 接続をとることができる。 また、 隣接しあうセルモジュール集合体間の電気的接 点となる正極出力部 1 5又は負極出力部 1 4の面積を広く とることができるため、 セルモジュール集合体間の導通に優れるものである。 ゆえに、 本発明の燃料電池 によれば、 大電流を取り出すことが可能である。 さらに、 各セルモジュール集合 体 1 0 0の方向をそろえた配列で直列接続が可能であることから、 デッドエンド タイプのセルモジュールを用いる場合でも、 正極と負極の位置を入れ替えた 2種 類のセルモジュール集合体を作製したり、 複雑なガス流路を形成する必要がない。 ゆえに、 本発明によれば、 燃料電池の組み立てに必要な部品点数を減らすことが 可能である。
以下、 本発明のセルモジュール集合体について詳しく説明する。
第 3図〜第 7図に示すセルモジュール集合体 1 0 0において、 2個以上のセ ルモジュール 6は、 その長手方向を平行にして、 且つ、 開放端同士 （負極側集電 材 4が露出された開放端と正極側集電材 5が延長された開放端） を同じ方向にそ ろえて整列し、 セルモジュール列 7を形成している。
セルモジュール列に含まれる複数のセルモジュール 6は、 所定間隔、 すなわ ちある規則性を持った間隔で整列され、 通常は、 一定間隔 （等間隔） を持って整 列される。 複数のセルモジュールが等間隔で配置されていないと、 これらのセル モジュール間を通流し、 セルモジュールの外面側電極 3に供給される反応ガスの 流れが均一とならないため、 各セルモジュールへの反応ガス供給量に差が生じ、 燃料電池の発電効率が悪くなつてしまう場合があるからである。 特に、 セルモジ ュール外面側に供給する反応ガスを流す方向に対して直角方向のセルモジュール 間の間隔が一定でない場合には、 反応ガスの流れに大きな偏りが生じやすいため、 少なくともセルモジュール外面側に供給する反応ガスを流す方向に対して直角方 向のセルモジュール間の間隔が一定となるように、 セルモジュールが整列してレヽ ることが好ましい。 セルモジュール外面側に供給する反応ガスを流す方向に対し て直角方向のセルモジュール間の間隔が一定であれば、 その他の方向においては セルモジュールが互いに密着して整列していてもよいし、 また、 セルモジュール 外面側に供給する反応ガスを流す方向に対して直角方向のセルモジュール間の間 隔とその他の方向におけるセルモジュール間の間隔が同じでなくてもよい。 尚、 第 3図〜第 7図はセルモジュール列 7の一部のみを示している。
セルモジュール列 7に含まれる各セルモジュール 6の 2つの開放端側には、 各セルモジュール 6の内面側に反応ガス （本実施形態においては水素ガス） を流 通させる内面用ガス流路 9 ( 9 A, 9 B ) が設けられている。 また、 セルモジュ ール列 7に含まれる各セルモジュール 6の胴部側には、 各セルモジュール 6の外 面側に反応ガス （本実施形態においては空気） を流通させる外面用ガス流路 1 0 が設けられている。 これら 2つの内面用ガス流路 9 A、 9 Bと外面用ガス流路 1 0は、 セルモジュール列 7に含まれるセルモジュール 6の 2つの開放端と胴部と の間でセルモジュール 6の外面側の空間を仕切っている隔壁 8 ( 8 A、 8 B ) に よって、 ガスシール性が確保されている。
■ 内面用ガス流路 9 A， 9 Bのうち一方はセルモジユーノレの中空内に水素ガス を供給する供給路 （上流） 、 他方はセルモジュールの中空内から水素ガス （一部 の水素が消費された未反応の水素ガス） が排出される排出路 （下流） であり、 ガ ス圧差により 9 A , 9 Bのどちらが上流で、 どちらが下流かが決まる。 セルモジ ユール 6は一方の開放端を内面用ガス流路 9の供給路に、 他方の開放端を内面用 ガス流路 9の排出路に接続されて、 中空内に水素ガスが流通するようになってい る。 第 3図に示すように、 各セルモジュール 6の 2つの開放端は、 隔壁 8に設け られた貫通孔 （図示せず） に揷入され、 それぞれ内面用ガス流路 9に接続されて レヽる。
このとき、 開放端は隔壁 8を貫通していなくてもよく、 例えば、 内面用反応 ガス流路 9の内面となる隔壁 8の面にその先端を合わせるように配置されていて もよい。 或いは、 貫通孔內に開放端の先端を係止し、 各セルモジュール 6の軸方 向の位置あわせが可能な係止構造が設けられ、 当該係止構造によってその先端が 貫通孔内に配置されるようにしてもよい。 或いは、 負極側集電材 4や正極側集電 材 5の一部である棒状集電材 5 bのみが貫通していてもよい （第 5図〜第 7図参 照） 。
また、 隔壁 8に設けられる貫通孔は、 各セルモジュール 6を挿入可能な内径 を有し、 所定間隔で設けられていることが好ましい。 このような貫通孔を有する 隔壁は、 各セルモジュール 6の位置を自動的に決定することができる位置決め手 段としての機能を有するため、 効率よくセルモジュールを整列することが可能と なる。 上述したように、 セルモジュール列 7に含まれるセルモジュール 6は、 所 定間隔、 通常は、 一定間隔 （等.間隔） を持って整列され、 少なくともセルモジュ ール外面側に供給する反応ガスを流す方向に対して直角方向のセルモジュール間 の間隔が一定となるように、 セルモジュールが整列していることが好ましい。 従 つて、 セルモジュールの外面側に供給する反応ガスを流す方向によるが、 隔壁 8 に設けられる貫通孔は、 セルモジュール間の間隔を一定にすることができるよう に等間隔で設けられていることが好ましい。 貫通孔の間隔の長さは、 セルモジュ ールの外面に充分量の反応ガスを供給することができる程度であればよく、 適宜 決定すればよい。
隔壁 8の貫通孔に揷入された各セルモジュール 6は、 通常、 ポッティング処 理等によって当該貫通孔に対して固定される。 このとき、 ポッティング材が隔壁 8のポッティング処理を行う面の反対の面側へ流れてしまわないように、 隔壁 8 に設けられる貫通孔は、 少なく ともポッティング処理を行う面側の開口部におい て当該貫通孔に揷入されるセルモジュールの外径 （外面側電極の集電材ごと挿入 する場合には、 当該集電材を含む外径） とほぼ等しい内径を有していることが好 ましい。
本実施形態においては、 隔壁 8と負極集電部 1 2又は正極集電部 1 3とが一 体化した筒状の筐体 1 1 A， 1 1 B (導電性材料製）で内面用反応ガス流路 9 A， 9 Bが形成されている。 この筒状筐体 1 1 ( 1 1 A， 1 1 B ) は、 隣接するセル モジュール集合体 1 0 0との当接面側で開口しており、 当該当接面に配置された 負極出力部 1 4及び正極出力部 1 5にも筒状筐体 1 1の開口部と重なり合う開口 部 1 6が設けられている。 隣接しあうセルモジュール集合体 1 0 0の内面用ガス 流路 9は、 この各セルモジュール集合体 1 0 0の負極出力部 1 4及び正極出力部 1 5に設けられた開口部 1 6 (流路接続部） において接続され、 連通している。 このとき、 隣接しあうセルモジュール集合体 1 0 0の流路接続部 （開口部 1 6 ) 間におけるガスシール性を高めるため、 通常、 流路接続部の周囲に Oリング 1 7 等のガスシール材を設けることが好ましい。
このように隣接し合うセルモジュール集合体 1 0 0のガス流路が連通する構 成とする場合には、 正極及び/又は負極集電部の近傍に内面用ガス流路の接続部 やガスシール材が存在するため、 通常、 隣接するセルモジュール集合体間の接触 面積を広くとることが困難である。 これに対し、 本発明の燃料電池においては、 隣接しあうセルモジュール集合体間の当接面を、 正極及び/又は負極集電部から 遠く離れた部分まで広く正極及ぴ Z又は負極出力部として利用できるため、 負極 出力部 1 4と正極出力部 1 5との接触面積を大きくすることができる。 よって、 当該当接面にガス流路の接続部やガスシール材 （例えば Oリング） が配置されて も、 セルモジュール集合体間の電気的接点となる接触面積を充分確保することが できる。
第 3図に示すセルモジュール集合体 1 0 0において、 2つの対向する隔壁 8
A， 8 Bの間に位置する外面用ガス流路 1 0は、 セルモジュール集合体 1 0 0の 幅細の側面部からセルモジュール集合体 1 0 0内に反応ガスを供給、 排出できる ようになつている。 第 3図に示すセルモジュール集合体 1 0 0は、 隣接するセル モジュール集合体の当接面が平板状の出力部 1 4， 1 5であるため、 このように 細幅の側面部から反応ガスの供給と排出が行われるが、 隣接するセルモジュール 集合体との当接面に各セルモジュール集合体 1 0 0の外面用ガス流路 1 0の接続 部となる開口部を設け、 隣接するセルモジュール集合体の外面用ガス流路を連通 してもよレ、。
また、 本実施形態においては、 セルモジュール 6の外面に供給する反応ガス として空気を用いているため、 外面用ガス流路 1 0は、 セルモジュール集合体 1 0 0の外部から空気が自由に出入りする開放された空間であってもよいし、 空気 供給源及び排出路と連通する閉鎖された空間であつてもよい。
隔壁 8は、 本実施形態においては内面用ガス流路 9 A , 9 Bを形成し且つ負 極集電部 1 2又は正極集電部 1 3として機能する筒状筐体 1 1の一部を構成して いるが、 セルモジュール集合体 1 0 0を構成するその他の部材と一体化した構造 であってもよいし、 筒状筐体 1 1から着脱可能な構造としてもよい。
また、本実施形態において、 隔壁 8は、筒状筐体 1 1の一部を構成しており、 導電性材料から形成されているが、 隔壁 8を形成する材料は特に限定されず、 セ ルモジュール 6を支持することができる硬度や強度、 及び反応ガスに対する非透 過性を有していればよい。 例えば、 金属、 樹脂、 炭素材料、 ガラス、 セラミック ス等が挙げられる。 なお、 隔壁 8を導電性材料で形成する場合には、 必要に応じ て、 セルモジュール 6を含むその他の部材との絶縁を行う。
負極出力部 1 4及び正極出力部 1 5は、 隣接し合うセルモジュール集合体間 の当接面に配置されていれば、 その構成は特に限定されない。 例えば、 一端が負 極集電部 1 2又は正極集電部 1 3と接続され、 他端は何の部材にも固定されてい ない構成であってもよいし、 上記当接面に設けられ、 セルモジュール列 7に含ま れるセルモジュール 6を捕強する平板状の部材の一部を導電性材料で形成し、 負 極集電部 1 2又は正極集電部 1 3と接続した構成であってもよい。 また、 その形 状も特に限定されない。
隣接するセルモジュール集合体 1 0 0間における電気的接続の観点からは、 電気的接点となる出力部同士の接触面積が大きければ大きいほど好ましい。また、 本実施形態のように、 各セルモジュール集合体 1 0 0において、 負極出力部 1 4 及び/又は正極出力部 1 5が、 隣接するセルモジュール集合体 1 0 0との当接面 の上端と下端の間を橋架ける柱構造を構成していることが好ましい。 負極出力部 1 4及び/又は正極出力部 1 5がこのような柱構造を有している場合、 隣接しあ うセルモジュール集合体 1 0 0の出力部同士の接触面積を大きく とることができ ると同時に、 セルモジュール列 7を軸方向に捕強することができる。
各出力部の柱構造は、 隣接するセルモジュール集合体 1 0 0 との当接面の上 端と下端の間を橋架けるものであれば、 図示する平板のような当接面全体に広が る面状のものに限定されず、 例えば、 当接面の左右方向に対して幅の細いもので あってもよいし、 このような幅の細い柱構造を複数有するものであってもよい。 また、 セルモジュール集合体 1 0 0の軽量化のために、 図の平板状のものに複数 のパンチ孔のような貫通構造を形成することもできる。
隣接しあうセルモジュール集合体 1 0 0の負極出力部 1 4と正極出力部 1 5 との接触面積が大きいため大電流を取り出すことができ、 且つ、 セルモジュール 列 7を形成する各セルモジュール 6の捕強効果が大きいという理由から、 負極出 力部 1 4と正極出力部 1 5は本実施形態のように隣接するセルモジュール集合体 1 0 0との当接面全体を形成する平板状であることが好ましい。
ただし、 上記のような柱構造を有する負極出力部 1 4及び/又は正極出力部 1 5を用いる場合には、 当該出力部と反対極の集電部とを固定した部分を電気的 に絶縁する必要がある。 本実施形態においては、 各セルモジュール集合体 1 0 0 の上端側に設けられた負極集電部 1 2と接続する負極出力部 1 4は、 該セルモジ ユール集合体 1 0 0の下端側に設けられた正極集電部 1 3と絶縁材料 1 8を介し て接合されている。 同様に、 各セルモジュール集合体 1 0 0の下端側に設けられ た正極集電部 1 3と接続する正極出力部 1 5は、 該セルモジュール集合体 1 0 0 の上端側に設けられた負極集電部 1 2と絶縁材料 1 8を介して接合されている。 この絶縁材料 1 8は、 正極集電部 1 3として機能する筒状筐体 1 1 Bの負極出力 部 1 4側における開口部の周囲、 並びに、 負極集電部 1 2として機能する筒状筐 体 1 1 Aの正極出力部 1 5側における開口部の周囲を取り囲むように配置されて レヽる。 .
絶縁材料 1 8は、 負極出力部 1 4と正極集電部 1 3及び正極出力部 1 5と負 極集電部 1 2を電気的に絶縁することができるものであれば特に限定されない。 例えば、負極出力部 1 4と正極集電部 1 3として機能する筒状筐体 1 1 B、及び、 正極出力部 1 5と負極集電部 1 2として機能する筒状筐体 1 1 Aを、 接合し且つ 絶縁することが可能な絶縁性接着材等を用いることができる。 具体的には、 ェポ キシ系接着材、 シリコーン系接着材等が挙げられる。
各出力部 1 4， 1 5及び各集電部 1 2, 1 3を形成する導電性材料としては、 特に限定されず、 例えば、 金属、 炭素材料、 導電性セラミックス、 導電性樹脂等 が挙げられる。 これら導電性材料は 1種のみであってもよいし、 複数を組み合わ せて用いてもよい。 具体的な金属材科としては、 例えば、 A l、 Cu、 F e、 N i、 C r、 T a、 T i、 Z r、 Sm、 I n等の中から選ばれる少なくとも 1種以 上の金属、 又はステンレス鋼 （SUS) などのそれらの合金が挙げられる。 出力 部及ぴ集電部を形成する導電性材料は、 セルモジュール集合体の構造に応じて、 適宜選択すればよく、 強度の点からは SUSや T i、 軽量化の点からは A 1、 T i、 導電性の点からは Cu, A 1が好ましい。 また、 各集電材ゃ各出力部が晒さ れる環境に応じて適宜選択することもできる。例えば、水素と接触する場合には、 水素の吸着によって金属材料が脆くなる水素脆化に対して耐性を有しているもの を選択することが好ましい。 また、 耐腐食性が要求される場合には T iや SUS 等を用いることが好ましい。
以下、 負極集電部 1 2又は正極集電部 1 3と各セルモジュール 6の負極側集 電材 4又は正極側集電材 5との電気的に接続について説明する。
負極集電部 1 2が配置されたセルモジュール 6の上端側では、 隔壁 8 Aの貫 通孔に挿入された各セルモジュール 6の開放端から延長された負極側集電材 4が、 内面用ガス流路 9 Aを横断して負極集電部 1 2に接続されている。 一方、 正極集 電部 1 3が配置されたセルモジュール 6の下端側では、 隔壁 8 Bの貫通孔に挿入 された各セルモジュール 6の開放端から延長された正極側集電材 5が、 内面用ガ ス流路 9 Bを横断して正極集電部 1 3に接続されている
このとき、 負極集電部 1 2に対して負極側集電材 4を接続する方法、 正極集 電部 1 3に対して正極側集電材 5を接続する方法は特に限定されない。 例えば、 各集電部 （1 2 , 1 3 ) に集電材 （4 , 5 ) が揷入可能な貫通孔又は貫通してい ない孔を設け、 当該孔に各セルモジュール 6の集電材を揷入してはんだ等によつ て固定し、 各集電部に集電材を接続することができる。 集電材に上記のような貫 通孔を設ける場合には、 必要に応じて当該貫通孔を封止して内面用ガス流路のガ スシール性を確保する。
本実施形態においては、 内面用ガス流路 9 A又は 9 Bを形成する筒状筐体 1
1 A， 1 1 Bが導電性材料からなり、 負極集電部 1 2又は正極集電部 1 3を兼ね ているが、 負極集電部 1 2がセルモジュール列 7に含まれるセルモジュール 6の 一端側近傍、 正極集電部 1 3が他端側近傍に設けられれば、 負極集電部 1 2及び 正極集電部 1 3の配置や構造は特に限定されない。 例えば、 負極集電部 1 2及び Z又は正極集電部 1 3が、 内面用ガス流路 9 A又は 9 Bの内面又は外面の一部を 構成していてもよいし、 或いは、 内面ガス流路 9 A又は 9 Bの内面或いは外面に 設置されていてもよい。
各セルモジュール 6の負極側集電材 4を統合して集電する負極集電部 1 2と 負極出力部 1 4との電気的な接続方法、 各セルモジュール 6の正極側集電材 5を 統合して集電する正極集電部 1 3と正極出力部 1 5との電気的な接続方法も特に 限定されない。 本実施形態においては、 導電性材料からなり負極集電部 1 2とし て機能する筒状筐体 1 1 Aと導電性材料からなる負極出力部 1 4とが溶着されて 電気的に接続されているが、 筒状筐体 1 1 Aと負極出力部 1 4とが一体成形され た構造を有していてもよい。 同様に、 本実施形態においては、 導電性材料からな り正極集電部 1 3として機能する筒状筐体 1 1 Bと導電性材料からなる正極出力 部 1 5とが溶着されて電気的に接続されているが、 筒状筐体 1 1 Bと正極出力部 1 5とが一体成形された構造を有していてもよい。
直列接続された複数のセルモジュール集合体のうち、 通常、 一方の末端に配 置されたセルモジュール集合体には、 燃料電池の外部との導通をとる出力端子 1 9が負極集電部 1 2に設けられ、 他方の末端に配置されたセルモジュール集合体 には、 燃料電池の外部との導通を取る出力端子 （図示せず） が正極集電部 1 3に 設けられる。
尚、 本発明のセルモジュール集合体は、 第 3図〜第 7図に示すような形態に 限定されず、 1つのセルモジュール集合体を構成するセルモジュールの本数、 配 列形式等も特に限定されない。 例えば、 第 3図〜第 7図においては、 負極集電部 1 2がセルモジュール集合体 1 0 0の上端側に、 正極集電部 1 3がセルモジユー ル集合体 1 0 0の下端側に配置されているが、 この逆の構成であってもよい。
また、 本実施形態においては、 中空部の両端が開放されたセルモジュールを 用いているために、 供給路と排出路からなる内面用ガス流路 9 ( 9 A, 9 B ) と セルモジュールのそれぞれの開放端とを接続しているが、 セルモジュールが一端 のみにおいて中空内を開放したデッドエンドタイプの場合には、 各セルモジユー ルの開放端同士、 閉鎖端同士を同じ方向にそろえて整列させたセルモジュール列 を形成する。 この場合、 内面用ガス流路は当該開放端から反応ガスを中空内に供 給するための供給路のみからなり、 当該供給路に開放端を接続することになる。 セルモジュールの閉鎖端側には隔壁 8を設けなくてもよく、 内面用ガス流路のな いセルモジュールを固定するための部材に固定されていればよい。 この固定部材 には、 セルモジュール列に含まれるセルモジュールの位置を決定するための誘導 手段、 例えば、 所定間隔で設けた孔ゃ溝等が設けられていることが好ましい。 固 定部材は集電部を兼ねていてもよい。
産業上の利用分野
以上のように、 本発明にかかる燃料電池は、 小型化が容易で低い温度で作動 する固体高分子電解質型燃料電池において、 一層の発電性能の向上及び長寿命化 を図った燃料電池として有用であり、 特に携帯用、 移動体用電源として用いるの に適している。

Claims

請 求 の 範 囲 1. 中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、および前記一対の電 極にそれぞれ接続する集電材を有し、 且つ、 少なくとも一方の端部が開放さ れたセルモジュールが 2個以上集合したセルモジュール集合体を 2個以上、 隣接させて直列接続した燃料電池であって、前記各セルモジュール集合体は、 前記セルモジュールを 2個以上、 長手方向を平行にして、 且つ、 開放端同士 又は閉鎖端同士を同じ方向にそろえて整列させたセルモジュール列と、セル モジュール列に含まれるセルモジュールの開放端と胴部の間でセルモジュ ール外面側の空間を仕切る隔壁と、 前記隔壁によって、 セルモジュール列に 含まれるセルモジュールの開放端側に設けられ、各セルモジュールの開放端 と接続されて各セルモジュールの内面側に反応ガスを流通させる内面用ガ ス流路と、 前記隔壁によって、 セルモジュール列に含まれるセルモジュール の胴部側に設けられ、各セルモジュールの外面側に反応ガスを流通させる外 面用ガス流路と、 セルモジュール列に含まれるセルモジュールの一端側近傍 に配設され、各セルモジュールの正極側の集電材を統合して集電する正極集 電部、 及び、 他端側近傍に配設され、 各セルモジュールの負極側の集電材を 統合して集電する負極集電部と、 前記正極又は負極集電部と接続され、 隣接 するセルモジュール集合体との当接面に設けられた正極又は負極出力部を 備え、各セルモジュール集合体が同極の集電部を同じ方向にそろえて隣接さ れており、 且つ、 隣接しあう一方のセルモジュール集合体の当接面には正極 出力部が配置され、他方のセルモジュール集合体の当接面には負極出力部が 配置され、 これらが直列に接続されていることを特徴とする、 燃料電池。
2. 前記各セルモジュール集合体は、隣接するセルモジュール集合体との当接面 に開口する流路接続部を有しており、隣接する該流路接続部が接続すること によって各セルモジュール集合体の内面用ガス流路が連通している請求の 範囲第 1項に記載の燃料電池。
3. 前記流路接続部の周囲にガスシール材が設けられている請求の範囲第 2項 に記載の燃料電池。
4. 前記ガスシール材が Oリングである請求の範囲第 3項に記載の燃料電池。
5. 前記セルモジュール集合体の正極及び Z又は負極出力部は、隣接するセルモ ジュール集合体との当接面の上端と下端の間を橋架ける柱構造を構成して おり、反対極の集電部との接合部分が電気的に絶縁されている請求の範囲第 1乃至 4項のいずれかに記載の燃料電池。
6. 直列接続された末端のセルモジュール集合体の前記正極又は負極集電部に、 燃料電池の外部との導通をとる出力端子が設けられている、請求の範囲第 1 乃至 5項のいずれかに記載の燃料電池。
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