JP2007066723A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、中空形状の電解質膜を有する中空型セルが2個以上並列接続したモジュールを2個以上、直列接続した燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell in which two or more modules in which two or more hollow cells having a hollow electrolyte membrane are connected in parallel are connected in series.
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、燃料電池は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。電解質として固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池は、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。 A fuel cell directly converts chemical energy into electrical energy by supplying fuel and an oxidant to two electrically connected electrodes and causing the fuel to be oxidized electrochemically. Unlike thermal power generation, fuel cells are not subject to the Carnot cycle, and thus exhibit high energy conversion efficiency. Solid polymer electrolyte fuel cells using a solid polymer electrolyte as an electrolyte have advantages such as easy miniaturization and operation at a low temperature. Has been.
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。
H2 → 2H+ + 2e− …(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、カソードに到達する。そして、(1)式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
In the solid polymer electrolyte fuel cell, when hydrogen is used as the fuel, the reaction of the formula (1) proceeds at the anode.
H 2 → 2H + + 2e − (1)
The electrons generated by the equation (1) reach the cathode after working with an external load via an external circuit. Then, the proton generated in the formula (1) moves by electroosmosis from the anode side to the cathode side in the solid polymer electrolyte membrane in a state of being hydrated with water.
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは(2)式の反応が進行する。
2H+ + (1/2)O2 + 2e− → H2O …(2)
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
Further, when oxygen is used as the oxidizing agent, the reaction of the formula (2) proceeds at the cathode.
2H + + (1/2) O 2 + 2e − → H 2 O (2)
The water produced at the cathode mainly passes through the gas diffusion layer and is discharged to the outside.
As described above, the fuel cell is a clean power generation device that has no emissions other than water.
従来、固体高分子電解質型燃料電池としては主に、平面状の固体高分子電解質膜の一面にアノード及び他面にカソードとなる触媒層を設けるとともに、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、さらに平面状のセパレータで挟んだ平型の単セルが開発されてきた。このような平型の単セルは、複数積層して燃料電池スタックとし用いられる。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のため、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100μm以下のものが主流であり、さらなる出力密度向上のためにさらに薄い電解質膜を用いたとしても、単セルの厚みを現在のものより劇的に薄くすることはできない。同様に、触媒層、ガス拡散層及びセパレータ等についてもそれぞれ薄膜化が進んでいるが、それらすべての部材の薄膜化によっても、単位体積当たりの出力密度の向上には限界がある。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。
Conventionally, as a solid polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer serving as an anode and a cathode is provided on one surface of a planar solid polymer electrolyte membrane, and the obtained planar membrane / electrode assembly is provided. A flat unit cell has been developed in which gas diffusion layers are further provided on both sides of the substrate and sandwiched between planar separators. A plurality of such flat single cells are stacked and used as a fuel cell stack.
In order to improve the output density of the solid polymer electrolyte fuel cell, a proton conductive polymer membrane having a very thin film thickness is used as the solid polymer electrolyte membrane. This film thickness is already 100 μm or less, and even if a thinner electrolyte membrane is used to further improve the power density, the thickness of the single cell cannot be dramatically reduced from the present one. Similarly, the catalyst layer, the gas diffusion layer, the separator, and the like have been made thinner, but there is a limit to improving the output density per unit volume even by making all these members thinner. Therefore, it is expected that it will not be possible to meet the demand for miniaturization in the future.
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が用いられている。セパレータは、このカーボン材料自体が高価である上に、平面状の膜・電極接合体の面全体に均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるためのガス流路溝を、微細加工により形成するため、非常に高価なものとなっている。その結果、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。
Moreover, the sheet-like carbon material excellent in corrosivity is normally used for the said separator. In the separator, the carbon material itself is expensive, and a gas flow channel groove for uniformly distributing the fuel gas and the oxidant gas over the entire surface of the planar membrane / electrode assembly is formed by fine processing. Therefore, it has become very expensive. As a result, the manufacturing cost of the fuel cell was pushed up.
In addition to the above problems, for flat single cells, the periphery of single cells stacked in multiple layers should be securely sealed so that fuel gas and oxidant gas do not leak from the gas flow path. However, there are a number of problems such as technical difficulties, and power generation efficiency may be reduced due to deflection or deformation of the planar membrane / electrode assembly.
近年、中空状の電解質膜の内面側と外面側にそれぞれ電極を設けた中空型セルを基本的な発電単位とする固体高分子電解質型燃料電池が開発されている(例えば、特許文献1等)。
このような中空型セルを有する燃料電池は、その中空内をガス流路とするため、平型で使用されるセパレータに相当する部材が必要ない。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、セルが3次元形状であるので、平型の単セルに比べて体積に対する比表面積が大きくとれ、体積当たりの発電出力密度の向上が見込める。
In recent years, a solid polymer electrolyte fuel cell has been developed in which a hollow cell in which an electrode is provided on each of an inner surface side and an outer surface side of a hollow electrolyte membrane is used as a basic power generation unit (for example, Patent Document 1). .
Since the fuel cell having such a hollow cell has a gas flow path inside the hollow cell, a member corresponding to a separator used in a flat type is not necessary. 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 the manufacture. Further, since the cell has a three-dimensional shape, the specific surface area with respect to the volume can be increased as compared with the flat single cell, and the power generation output density per volume can be expected to be improved.
中空型セルを備える燃料電池では、通常、大きな電圧を得るために、まず、複数の中空型セルを並列に接続する。そして、大きな電流を得るために、中空型セルが並列に接続された複数の中空型セル群(モジュール)を、さらに直列に接続する。
中空型セルは、中空電解質膜の内面及び外面に設けられた電極にそれぞれ接続する集電材(アノード側集電材、カソード側集電材)を有しており、ここから各セルの電流が取り出される。複数の中空型セルを並列に接続する場合には、各セルのアノード側集電材と接続して複数のセルの電流を集約するアノード側モジュール接続部と、各セルのカソード側集電材と接続して複数のセルの電流を集約するカソード側モジュール接続部とが設けられる。これらモジュール接続部は、通常、複数のモジュールを直列接続する際の接続部(端子)として働く。
In a fuel cell having hollow cells, usually, a plurality of hollow cells are connected in parallel in order to obtain a large voltage. In order to obtain a large current, a plurality of hollow cell groups (modules) in which hollow cells are connected in parallel are further connected in series.
The hollow cell has current collectors (anode-side current collector and cathode-side current collector) connected to electrodes provided on the inner surface and the outer surface of the hollow electrolyte membrane, respectively, and the current of each cell is taken out therefrom. When connecting multiple hollow cells in parallel, connect them to the anode-side current collector of each cell and aggregate the current of the cells, and connect to the cathode-side current collector of each cell. And a cathode-side module connecting portion that collects currents of a plurality of cells. These module connection portions normally function as connection portions (terminals) when a plurality of modules are connected in series.
従来の中空型セルを備える燃料電池は、並列接続された複数の中空型セルを含む中空型セル群の一方の端部側にアノード側モジュール接続部を、他方の端部側にカソード側モジュール接続部を有し、これらのモジュール接続部により隣接するモジュール同士が直列接続した構造を有するものが一般的である(特許文献1参照)。 A conventional fuel cell having a hollow cell has an anode-side module connection portion on one end side of a hollow cell group including a plurality of hollow-type cells connected in parallel and a cathode-side module connection on the other end side. It is common to have a structure in which adjacent modules are connected in series by these module connection portions (see Patent Document 1).
このように、中空型セルの一端にアノード側モジュール接続部、他端にカソード側モジュール接続部を設けた場合、モジュール接続部が設けられた一端とは反対側の端部側に位置する電極領域は、モジュール接続部までの経路が長いために、電流が取り出しにくく、集電効率の低下を招いていた。 Thus, when an anode side module connection part is provided at one end of the hollow cell and a cathode side module connection part is provided at the other end, the electrode region located on the end side opposite to the one end provided with the module connection part However, since the path to the module connection part is long, it is difficult to take out the current, and the current collection efficiency is lowered.
このとき、集電効率は、中空型セルの長手方向の長さが長ければ長いほど低下する。中空型セルが長くなると、モジュール接続部が設けられた端部とは反対側の端部側に位置する電極領域と該モジュール接続部との距離が広がり、集電経路が長くなるからである。
また、中空型セルの長さを長くする場合、各中空型セルの電極面積が拡大し、1つのセルの発電量が大きくなるので、モジュール接続部と各中空型セルとの接触面積を大きくすることが望まれる。
At this time, the current collection efficiency decreases as the length of the hollow cell in the longitudinal direction increases. This is because when the hollow cell becomes longer, the distance between the electrode region located on the side opposite to the end where the module connection portion is provided and the module connection portion increases, and the current collection path becomes longer.
Further, when the length of the hollow cell is increased, the electrode area of each hollow cell is enlarged and the power generation amount of one cell is increased, so that the contact area between the module connection portion and each hollow cell is increased. It is hoped that.
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、複数の中空型セルを並列接続したモジュールを2個以上直列接続した燃料電池において、各中空型セルから効率良く電流を取り出し、燃料電池の発電効率を高めることを目的とする。 The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and in a fuel cell in which two or more modules in which a plurality of hollow cells are connected in parallel are connected in series, an electric current is efficiently extracted from each hollow cell. The purpose is to increase power generation efficiency.
本発明の燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、および該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中空型セルを2個以上並列接続させたモジュールを、2個以上直列接続した燃料電池であって、前記各モジュールは、各中空型セルのアノード側集電材に接続するか又は各中空型セルのアノード側集電材が相互に接続した接続網に接続して電流を集約するアノード側モジュール接続部と、各中空型セルのカソード側集電材に接続するか又は各中空型セルのカソード側集電材が相互に接続した接続網に接続して電流を集約するカソード側モジュール接続部を備えており、隣接しあうモジュール間は、一方のモジュールのアノード側モジュール接続部と他方のモジュールのカソード側モジュール接続部とが接続して直列接続されており、少なくとも一つの前記モジュールにおいて、各中空型セルのアノード側及びカソード側のうち少なくとも一方の集電材又はそれらを相互に接続した接続網とモジュール接続部は、該集電材又は接続網に対する接続位置が分散配置された2つ以上の電流引出し部を介して接続されていることを特徴とするものである。 The fuel cell of the present invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner and outer surfaces of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to the pair of electrodes, respectively, and at least one end portion is A fuel cell in which two or more open hollow cells connected in parallel are connected in series, and each module is connected to the anode current collector of each hollow cell or each hollow cell Connected to a connection network in which anode-side current collectors of each type cell are connected to each other and connected to the anode-side module collector for collecting current, and connected to the cathode-side current collector of each hollow cell, or the cathode side of each hollow cell A cathode-side module connection part that collects current by connecting to a connection network in which current collectors are connected to each other is provided, and between adjacent modules, the anode-side module connection part of one module Are connected in series with the cathode side module connecting portion of the other module, and in at least one of the modules, at least one of the current collectors of the anode side and the cathode side of each hollow cell, or they are connected to each other The connection network and the module connection portion are connected via two or more current extraction portions in which connection positions with respect to the current collector or the connection network are dispersedly arranged.
本発明の燃料電池は、アノード側及び/又はカソード側の前記各集電材或いは接続網の電流を、前記2箇所以上の電流引出し部から取り出してモジュール接続部に集約することによって、集電材からモジュール接続部に至る集電経路を短縮し、集電材等による抵抗などに起因する集電効率の低下を抑制することができる。 The fuel cell according to the present invention provides a module from a current collector by taking out current from each of the current collectors or connection networks on the anode side and / or cathode side from the current draw parts at two or more locations and consolidating them in the module connection part. It is possible to shorten the current collecting path leading to the connecting portion and suppress the decrease in the current collecting efficiency due to the resistance caused by the current collecting material or the like.
集電効率の向上の観点から、全ての前記モジュールにおいて、各中空型セルのアノード側及びカソード側のうち少なくとも一方の集電材又はそれらを相互に接続した接続網とモジュール接続部が、前記分散配置された各電流引出し部を介して接続されていることが好ましい。 From the viewpoint of improving the current collection efficiency, in all the modules, at least one of the current collectors on the anode side and the cathode side of each hollow cell, or the connection network connecting them together and the module connection portions, are distributed. It is preferable that they are connected via each of the current drawing portions.
分散配置された前記各電流引出し部のモジュール接続部に対する接続位置も、通常は、モジュール接続部上の2箇所以上に分散配置させることが好ましい。 In general, it is preferable to disperse and arrange the connection positions of the respective current drawing portions arranged in a distributed manner with respect to the module connecting portion at two or more locations on the module connecting portion.
前記電流引出し部の構成は特に限定されず、例えば、前記電流引出し部と前記モジュール接続部とが一体的構造を有していてもよい。具体的には、前記モジュール接続部が前記各電流引出し部と、該各電流引出し部を電気的に連通する連通部とが一体的に形成された構造を有する形態が挙げられる。
このとき、隣接しあって直列接続される前記モジュール同士は、一方のモジュールが有するアノード側モジュール接続部の前記連通部と、他方のモジュールが有するカソード側モジュール接続部の前記連通部とが、面接触して直列に接続されており、2つの連通部の接触面が当該連通部に集約された電流が当該連通部と接続する隣接するモジュールの前記連通部へと流れる方向に対して直角であることが好ましい。具体的には、前記モジュール接続部が、板状の前記連通部の両端に板状の2つの前記電流引出し部が配置されるように板状の導電性材料をコの字型に成形した形状を有し、前記連通部が前記中空型セルの長手方向に対して平行となるように配設され、前記電流取り出し部が前記中空型セルの側面方向から該中空型セルの集電材に接近し、接続していることが好ましい。
The structure of the said current drawing part is not specifically limited, For example, the said current drawing part and the said module connection part may have an integral structure. Specifically, there may be mentioned a form in which the module connecting portion has a structure in which each of the current drawing portions and a communication portion that electrically communicates each of the current drawing portions are integrally formed.
At this time, the modules that are adjacent and connected in series are such that the communication part of the anode-side module connection part of one module and the communication part of the cathode-side module connection part of the other module face each other. They are in contact and connected in series, and the contact surfaces of the two communication parts are perpendicular to the direction in which the current concentrated in the communication part flows to the communication part of the adjacent module connected to the communication part. It is preferable. Specifically, the module connecting portion is formed by forming a plate-shaped conductive material into a U-shape so that the two plate-shaped current extraction portions are disposed at both ends of the plate-shaped communication portion. And the communication portion is disposed so as to be parallel to the longitudinal direction of the hollow cell, and the current extraction portion approaches the current collector of the hollow cell from the side surface direction of the hollow cell. Are preferably connected.
前記アノード側集電材及び前記カソード側集電材の構造と各集電材に対する前記電流引出し部の配置は特に限定されないが、例えば、前記アノード側集電材及び前記カソード側集電材のうち、前記中空電解質膜の外面に設けられた電極に接続する集電材が、前記中空型セルと平行に配置された棒状集電材と、前記複数の中空型セル及び該複数の中空型セルに備えられた棒状集電材を編み込む網状集電材とからなる場合、前記各中空型セルの棒状集電材上に、2つ以上の前記電流引出し部を分散配置する形態が挙げられる。 The structure of the anode-side current collector and the cathode-side current collector and the arrangement of the current extraction portion with respect to each current collector are not particularly limited. For example, among the anode-side current collector and the cathode-side current collector, the hollow electrolyte membrane The current collector connected to the electrode provided on the outer surface of the electrode comprises a rod-shaped current collector arranged in parallel with the hollow cell, the plurality of hollow cells, and the rod-shaped current collector provided in the plurality of hollow cells. In the case of the braided net current collector, there can be mentioned a mode in which two or more current extraction portions are dispersedly arranged on the rod-shaped current collector of each hollow cell.
このとき、前記各中空型セルの棒状集電材上に分散配置された前記各電流引出し部のうち最も遠い位置関係にあるもの同士は、前記棒状集電材の中空型セル長手方向における全長の二分の一以上の間隔を持って配置することができる。さらに、前記電流引出し部のうち最も遠い位置関係にあるもの同士を、前記棒状集電材の中空型セル長手方向における両端に設けることもできる。 At this time, the farthest position among the respective current extraction portions dispersedly arranged on the rod-shaped current collector of each hollow cell is a half of the total length of the rod-shaped current collector in the longitudinal direction of the hollow cell. It can be arranged with one or more intervals. Further, the most distant positional relationships among the current drawing portions may be provided at both ends of the rod-shaped current collector in the longitudinal direction of the hollow cell.
一方、前記アノード側集電材及び前記カソード側集電材のうち、前記中空電解質膜の外面に設けられた電極に接続する集電材が、前記複数の中空型セルを編み込む網状集電材からなる接続網である場合、前記網状集電材からなる接続網上に、2つ以上の前記電流引出し部を分散配置することができる。
前記分散配置された各電流引出し部の前記集電材又は接続網に対する接続位置は、該各電流引出し部によって電流を引き出される該集電材又は該接続網の各領域が電流を集電する電極の各領域における発電電流量と、該集電材又は該接続網の電流容量とを比較したときに、前記発電電流量が前記電流容量以下となる位置であることが好ましい。電流引出し部をこのように分散配置することによって、発電電流量が大きい中空型セル(例えば、セル長の長い中空型セルなど)を用いる場合や、集電する中空型セルに対して電流容量の小さい集電材又は接続網を用いる場合でも、効率よく集電することができる。
On the other hand, among the anode side current collector and the cathode side current collector, the current collector connected to the electrode provided on the outer surface of the hollow electrolyte membrane is a connection network made of a net-like current collector knitting the plurality of hollow cells. In some cases, two or more of the current extraction units can be dispersedly arranged on a connection network made of the mesh current collector.
The connection position of each of the current drawn portions arranged in a distributed manner with respect to the current collector or the connection network is determined by each of the current collecting material or each region of the connection network from which the current is drawn by each current draw portion. It is preferable that the generated current amount is a position where the generated current amount is equal to or less than the current capacity when the generated current amount in the region is compared with the current capacity of the current collector or the connection network. Distributing the current extraction parts in this way makes it possible to use a hollow cell having a large amount of generated current (for example, a hollow cell having a long cell length) or a current capacity of the hollow cell to be collected. Even when a small current collector or connection network is used, current can be collected efficiently.
本発明によれば、複数の中空型セルを並列接続したモジュールを備える燃料電池において、モジュール内の各中空型セルの集電材又は各中空型セルの集電材が相互に接続した接続網と、これら集電材又は接続網の電流を集約するモジュール接続部とを、前記集電材に対する接続位置が分散配置された2箇所以上の電流引出し部を介して接続することによって、各中空型セルから効率良く電流を取り出すことができるため、集電効率に優れ、発電効率の高い燃料電池を提供することが可能である。
また、このように分散配置された2箇所以上の電流引出し部を設け、効率の良い電流の取り出しを可能とすることによって、中空型セルのセル長を長くする(具体的には、例えば、600mm以上)ことが可能となる。このとき、セル長の長い中空型セルを用いることによって各中空型セルの発電電流が増加するが、複数の電流引出し部を備えているため、各集電材又は各接続網と電流引出し部全体との接触面積を確保しやすく、また、電流引き出し部全体の断面積(隣接するモジュールとの電気的な接続部分となる部分へと電流が流れる方向に対して直角な断面積)を発電電流を十分流し得るように確保することができる。
According to the present invention, in a fuel cell including a module in which a plurality of hollow cells are connected in parallel, a current collector for each hollow cell in the module or a connection network in which current collectors for each hollow cell are connected to each other, and By connecting the current collector or the module connection part that collects the current of the connection network via two or more current extraction parts in which the connection positions with respect to the current collector are dispersedly arranged, the current is efficiently supplied from each hollow cell. Therefore, it is possible to provide a fuel cell with excellent current collection efficiency and high power generation efficiency.
In addition, by providing two or more current extraction portions distributed in this way, enabling efficient current extraction, the cell length of the hollow cell is increased (specifically, for example, 600 mm, for example). This is possible. At this time, by using a hollow cell having a long cell length, the power generation current of each hollow cell increases, but since it has a plurality of current extraction parts, each current collector or each connection network and the entire current extraction part It is easy to ensure the contact area of the current, and the cross-sectional area of the entire current extraction part (the cross-sectional area perpendicular to the direction of current flow to the part that becomes the electrical connection part with the adjacent module) is sufficient for the generated current It can be ensured that it can be washed away.
本発明の燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、および該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中空型セルを2個以上並列接続させたモジュールを、2個以上直列接続した燃料電池であって、前記各モジュールは、各中空型セルのアノード側集電材に接続するか又は各中空型セルのアノード側集電材が相互に接続した接続網に接続して電流を集約するアノード側モジュール接続部と、各中空型セルのカソード側集電材に接続するか又は各中空型セルのカソード側集電材が相互に接続した接続網に接続して電流を集約するカソード側モジュール接続部を備えており、隣接しあうモジュール間は、一方のモジュールのアノード側モジュール接続部と他方のモジュールのカソード側モジュール接続部とが接続して直列接続されており、少なくとも一つの前記モジュールにおいて、各中空型セルのアノード側及びカソード側のうち少なくとも一方の集電材又はそれらを相互に接続した接続網とモジュール接続部は、該集電材又は接続網に対する接続位置が分散配置された2つ以上の電流引出し部を介して接続されていることを特徴とするものである。 The fuel cell of the present invention has a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on the inner and outer surfaces of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to the pair of electrodes, respectively, and at least one end portion is A fuel cell in which two or more open hollow cells connected in parallel are connected in series, and each module is connected to the anode current collector of each hollow cell or each hollow cell Connected to a connection network in which anode-side current collectors of each type cell are connected to each other and connected to the anode-side module collector for collecting current, and connected to the cathode-side current collector of each hollow cell, or the cathode side of each hollow cell A cathode-side module connection part that collects current by connecting to a connection network in which current collectors are connected to each other is provided, and between adjacent modules, the anode-side module connection part of one module Are connected in series with the cathode side module connecting portion of the other module, and in at least one of the modules, at least one of the current collectors of the anode side and the cathode side of each hollow cell, or they are connected to each other The connection network and the module connection portion are connected via two or more current extraction portions in which connection positions with respect to the current collector or the connection network are dispersedly arranged.
以下、図1〜11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。また、これら図1〜図11は、便宜上その構造を一部省略している。 Hereinafter, an embodiment of the fuel cell of the present invention will be described with reference to FIGS. In the following embodiment, the description will focus on a polymer electrolyte fuel cell using hydrogen gas as the fuel and air (oxygen) as the oxidant, but the present invention is not limited to the following embodiment. Absent. 1 to 11 are partially omitted for convenience.
(中空型セル)
図1は、本発明の燃料電池において、並列接続されてモジュールを構成する中空型セルの一形態例を示す概略図、図2は、図1の中空型セルの断面図である。図1及び図2において、中空型セル6はチューブ状の固体高分子電解質膜(パーフルオロカーボ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カソード(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、アノード側集電材4として柱状集電材が配置され、カソード3の表面には、カソード集電材5として、金属ワイヤからなる網状(ネット状)集電材5aと棒状集電材5bが配置されている。
このような構造を有する中空型セルの中空内面(実質的には、アノード側集電材4の外面に設けた溝4a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、アノード及びカソードに燃料又は酸化剤が供給され、発電する。
(Hollow cell)
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of hollow cells that are connected in parallel to form a module in the fuel cell of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view of the hollow cell of FIG. 1 and 2, a
On the hollow inner surface of the hollow cell having such a structure (substantially, the portion exposed to the inner surface side gas flow path formed by the
図1の中空型セル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っているが、本発明における中空型セル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中空型セ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。中空型セ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。
The
図1において、中空型セル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。
In FIG. 1, the
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0.01〜10mmであることが好ましく、0.1〜1mmであることがさらに好ましく、0.1〜0.5mmであることが特に好ましい。チューブ状電解質膜の外径が0.01mm未満のものは現時点では、技術的な問題で製造することが難しく、一方、その外径が10mmを超えるものでは、占有体積に対する表面積があまり大きくならないため、得られる中空型セ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。
パーフルオロカーボ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、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜の厚みは、10〜100μmであり、より好ましくは50〜60μmであり、さらに好ましくは50〜55μmである。
また、上記の外径と膜厚との好ましい範囲から、内径の好ましい範囲は0.01〜10mmであり、より好ましくは0.1〜1mmであり、さらに好ましくは0.1〜0.5mmである。
The inner diameter, outer diameter, length and the like of the tubular solid polymer electrolyte membrane 1 are not particularly limited, but the outer diameter of the tubular electrolyte membrane is preferably 0.01 to 10 mm, 0.1 More preferably, it is-1 mm, and it is especially preferable that it is 0.1-0.5 mm. At present, it is difficult to manufacture a tubular electrolyte membrane having an outer diameter of less than 0.01 mm due to technical problems. On the other hand, when the outer diameter exceeds 10 mm, the surface area relative to the occupied volume is not so large. The output per unit volume of the obtained hollow cell may not be sufficiently obtained.
The perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane is preferably thin from the viewpoint of improving proton conductivity, but if it is too thin, the function of isolating gas is lowered and the permeation amount of aprotic hydrogen is increased. However, compared to conventional fuel cells in which flat single cells for fuel cells are stacked, a fuel cell manufactured by collecting a large number of cells having a hollow shape can take a large electrode area, so a slightly thicker membrane is formed. Even when used, a sufficient output can be obtained. From this viewpoint, the thickness of the perfluorocarbon sulfonic acid resin film is 10 to 100 μm, more preferably 50 to 60 μm, and still more preferably 50 to 55 μm.
Moreover, from the preferable range of said outer diameter and film thickness, the preferable range of an internal diameter is 0.01-10 mm, More preferably, it is 0.1-1 mm, More preferably, it is 0.1-0.5 mm. is there.
本発明の燃料電池は、中空型セルを有するため、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、パーフルオ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、パーフルオ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、パーフルオロカー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ィンのような炭化水素を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及び、リン酸基等のプロトン交換基のうちから一種を有するもの、特表平11−503262号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質等の高分子電解質が挙げられる。このような電解質を用いた固体高分子電解質膜は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。また、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜としては、例えばデュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等の市販品もある。 Since the fuel cell of the present invention has a hollow cell, the electrode area per unit volume can be made larger than that of a fuel cell having a flat cell. Therefore, as the solid polymer electrolyte membrane, perfluorocarbon sulfonic acid is used. Even when an electrolyte membrane that does not have a proton conductivity as high as that of a resin membrane is used, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained. As the solid polymer electrolyte membrane, perfluorocarbon sulfonic acid resin and materials used for the electrolyte membrane of solid polymer fuel cells can be used. For example, fluorine other than perfluorocarbon sulfonic acid resin can be used. One kind of proton exchange groups such as at least sulfonic acid groups, phosphonic acid groups, and phosphoric acid groups, based on hydrocarbons such as polyolefins such as polystyrene ion exchange resins and polystyrene cation exchange membranes having sulfonic acid groups A complex of a basic polymer and a strong acid, which is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-503262, etc., in which a basic polymer such as polybenzimidazole, polypyrimidine, and polybenzoxazole is doped with a strong acid And polymer electrolytes such as solid polymer electrolytes. A solid polymer electrolyte membrane using such an electrolyte should be reinforced with a perfluorocarbon polymer in the form of a fibril, a fabric, a non-fabric, or a porous sheet, or the membrane surface can be coated with an inorganic oxide or metal. It can also be reinforced. In addition, examples of the perfluorocarbon sulfonic acid resin membrane include commercially available products such as Nafion manufactured by DuPont and Flemion manufactured by Asahi Glass.
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オロカーボンスルホン酸樹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イオン(O2-)等その他のイオン伝導性のものであってもよい。プロトン伝導性の電解質膜としては、上記したような固体高分子電解質膜に限られず、リン酸水溶液を多孔質の電解質板に含浸させたものや、多孔質性ガラスからなるプロトン伝導体、ハイドロゲル化したリン酸塩ガラス、ナノ細孔を有する多孔質硝子の表面及び細孔内にプロトン伝導性官能基を導入した有機−無機ハイブリットプロトン伝導膜、無機金属繊維強化電解質ポリマー等を用いることができる。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、酸素イオンや水酸化物イ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い。 In the present embodiment, 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, but it is used in the fuel cell of the present invention. The electrolyte membrane to be used is not particularly limited, and may be proton-conductive or other ion-conductive such as hydroxide ion or oxide ion (O 2− ). The proton conductive electrolyte membrane is not limited to the solid polymer electrolyte membrane as described above, but a porous electrolyte plate impregnated with an aqueous phosphoric acid solution, a proton conductor made of porous glass, or a hydrogel Phosphated phosphate glass, organic-inorganic hybrid proton conductive membrane having proton conductive functional groups introduced into the surface and pores of nanoporous glass, inorganic metal fiber reinforced electrolyte polymer, etc. can be used. . Depending on the configuration of the fuel cell, for example, when the present invention is applied to a solid oxide fuel cell or to a solid polymer fuel cell using hydroxide ions as charge carriers, oxygen ions or It may be a solid electrolyte membrane that conducts ions serving as other charge carriers such as hydroxide ions.
電解質膜(パーフルオ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、さらに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、中空型セルを有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、白金ほど触媒作用が大きくない触媒成分を用いても、単位体積当たりの出力密度が高い燃料電池を得ることができる。触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスニウム(Os)、タングステン(W)、鉛(Pb)、鉄(Fe)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、モリブデン(Mo)、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Pt、及びPtと例えばRuなど他の金属とからなる合金である。
The
The catalyst layer includes catalyst particles, and may further include a proton conductive material for increasing the utilization efficiency of the catalyst particles. As the proton conductive material, those used as the material for the electrolyte membrane can be used. As the catalyst particles, catalyst particles in which a catalyst component is supported on a conductive material such as a carbon material such as carbonaceous particles or carbonaceous fibers are preferably used. Since the fuel cell of the present invention has a hollow cell, the electrode area per unit volume can be made larger than that of a fuel cell having a flat cell. Therefore, a catalyst component that is not as catalytic as platinum is used. However, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained. The catalyst component is not particularly limited as long as it has a catalytic action for hydrogen oxidation reaction at the anode and oxygen reduction reaction at the cathode. For example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir) , Rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), tungsten (W), lead (Pb), iron (Fe), chromium (Cr), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn) , Vanadium (V), molybdenum (Mo), gallium (Ga), aluminum (Al) and other metals, or alloys thereof. Pt and an alloy made of Pt and another metal such as Ru are preferable.
ガス拡散層としては、炭素質粒子及び/又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする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、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカーボンアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマー、又はこれらの混合物等を含浸させたり、或いはこれらの物質を用いて撥水層を形成するなどして撥水加工することが好ましい。
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。
As the gas diffusion layer, a porous conductive material mainly composed of a carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers can be used. The sizes of the carbonaceous particles and the carbonaceous fibers may be appropriately selected in consideration of the dispersibility in the solution when the gas diffusion layer is produced, the drainage property of the obtained gas diffusion layer, and the like. The gas diffusion layer is, for example, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, perfluorocarbon alkoxyalkane, ethylene-tetrafluoroethylene polymer, or these from the point of improving the drainage of moisture such as generated water It is preferable to perform water-repellent processing by impregnating a mixture of the above or the like or forming a water-repellent layer using these substances.
In addition, the structure of each electrode provided in the inner surface and outer surface of a hollow electrolyte membrane, the material used for an electrode, etc. may be the same, and may differ.
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。チューブ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/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(カソード)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エポキシ及び/又はフェノール系樹脂を溶媒に分散させてチューブ状に成形し、熱硬化後、焼成することにより得られる。
The method of providing a pair of electrodes on the inner and outer surfaces of the tubular electrolyte membrane is not particularly limited. For example, first, 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. Then, 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 / or carbonaceous fibers are contained on the two catalyst layers. The method of apply | coating and drying a solution and forming a gas diffusion layer is mentioned. At this time, the catalyst layer and the gas diffusion layer are formed so that a hollow portion exists on the inner surface of the gas diffusion layer formed on the inner surface side of the electrolyte membrane.
Alternatively, first, a gas material containing a carbon material such as carbonaceous particles and / or carbonaceous fibers and formed into a tube shape (tubular carbonaceous material) is used as the gas diffusion layer of the inner surface side electrode (anode), and the gas diffusion is performed. Applying and drying a solution containing electrolyte and catalyst particles on the outer surface of the layer to form a catalyst layer of the inner surface side electrode to produce the inner surface side electrode, and then applying a solution containing the electrolyte to the outer surface of the catalyst layer. The electrode layer is dried to form a catalyst layer of the outer electrode (cathode) on the outer surface of the electrolyte membrane layer, and a solution containing a carbon material is applied to the outer surface of the catalyst layer and dried to dry the gas of the outer electrode. A method for forming a diffusion layer is also included. The tubular carbonaceous material can be obtained, for example, by dispersing a carbon material such as carbonaceous particles and an epoxy and / or phenolic resin in a solvent to form a tubular shape, thermosetting, and firing.
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型セルは、上記にて例示した構成に限られず、中空型セ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、外側にカソードを設けているが、内側にカソード、外側にアノードを設けても良い。
In addition, the solvent used when forming the electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer may be appropriately selected according to the material to be dispersed and / or dissolved, and the coating method when forming each layer is also as follows. It can be appropriately selected from various methods such as spraying and screen printing.
The hollow cell used in the fuel cell of the present invention is not limited to the configuration exemplified above, and layers other than the catalyst layer and the gas diffusion layer may be provided for the purpose of enhancing the function of the hollow cell. In this embodiment, the anode is provided inside the hollow electrolyte membrane and the cathode is provided outside, but the cathode may be provided inside and the anode may be provided outside.
アノード側集電材(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は中空型セ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、中空型セルの軸方向(長手方向)に延びる溝4a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4aとしては、中空型セルの軸方向(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、中空型セ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。
An anode 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 hollow cell. A
カソード側集電材(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の一部である網状集電材5aは、中空型セルと棒状集電材5bを平行にして交互に並べ、これら両者の外周面を被覆するように金属ワイヤを編みこむことで製造できる(図7参照)。棒状集電材5bを、流体やガスが流通できるような中空部5cを有するチューブ形状とし、この棒状集電材の中空部5cにセルを冷却するための冷却剤を流通させてもよい(図1参照)。
A net-like
図7において、金属ワイヤからなる網状集電材5aは、複数の中空型セル6と各中空型セルの棒状集電材5bとを一体化するように、且つ、各中空型セルのカソード(外面側電極)及び各棒状集電材5bに接触するように、金属ワイヤが編み込まれており、網状集電材5aは複数の中空型セルで共有されている。このとき、各中空型セルのカソード側集電材(5a、5b)は相互に電気的に接続された接続網を形成している。
尚、網状集電材を用いる形態は上記の場合に限定されず、1つの中空型セルと1つの棒状集電材を一体化するように金属ワイヤを編み込んだ形態(接続網形成せず)でもよく、或いは、複数の中空型セルと1本の棒状集電体を一体化するように金属ワイヤを編み込み、複数の中空型セルの電流が網状集電材の金属ワイヤを経て1本の棒状集電体に集まるように形成された接続網を形成していてもよい。
In FIG. 7, a net-like
The form using the mesh current collector is not limited to the above case, and may be a form in which metal wires are woven so as to integrate one hollow cell and one rod current collector (without forming a connection network), Alternatively, a metal wire is knitted so that a plurality of hollow cells and a single rod current collector are integrated, and the current of the plurality of hollow cells is transferred to a single rod current collector through the metal wire of the mesh current collector. You may form the connection network formed so that it may gather.
また、図3のように、外部集電材としては、上記棒状集電材5bを用いずに、金属ワイヤからなる網状集電材5aのみでもよい。このとき、複数の中空型セルを一体化するように金属ワイヤを編み込み、各中空型セルがこの網状集電材を共有する(各集電材が相互に接続する)接続網としてもよい。
Further, as shown in FIG. 3, the external current collector may be only the net-shaped
上記カソード側又はアノード側集電材として使用される金属としては、例えば、Al、Cu、Fe、Ni、Cr、Ta、Ti、Zr、Sm、In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Au、Pt、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。ワイヤの太さ及び編みこみの密度、棒状集電材の太さ等は、特に制限されるものではない。 Examples of the metal used as the cathode side or anode side current collector include at least one metal selected from Al, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In, and the like, Or their alloys such as stainless steel are preferred. Further, the surface thereof may be coated with Au, Pt, conductive resin or the like. Of these, stainless steel and titanium are preferred because of their excellent corrosion resistance. The thickness of the wire and the braid density, the thickness of the rod-shaped current collector, etc. are not particularly limited.
尚、ここでは、柱状の内部集電材(本実施形態ではアノード側集電材)4及び網状の集電材5aと棒状の集電材5bからなる外部集電材(本実施形態ではカソード集電材)5を中心に説明したが、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。また、アノード側(中空型セル内面側)においても、各中空型セルのアノード側集電材が相互に電気的に接続した接続網を形成していてもよい。
これら集電材は、必要に応じて、カーボン系接着剤やAg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。
Here, the columnar internal current collector (anode-side current collector in this embodiment) 4 and the external current collector (a cathode current collector in this embodiment) 5 consisting of a net-like
These current collectors are fixed on the electrodes with a conductive adhesive such as a carbon-based adhesive or an Ag paste as necessary.
(モジュール及び燃料電池)
本発明の燃料電池は、上記のような中空型セルを2個以上並列接続させたモジュールを、2個以上直列接続したものである。以下、本発明におけるモジュールについて、図4〜図11を用いて説明する。
図4は、本発明を適用した燃料電池に備えられるモジュールの一形態例を示す図である。図5は、図4のモジュールの一部分解図である。また、図6は、図4に示すモジュールを直列接続した概略図であり、便宜上、中空型セルの数や各ガス流路等一部省略している。
(Module and fuel cell)
The fuel cell of the present invention is obtained by serially connecting two or more modules in which two or more hollow cells as described above are connected in parallel. Hereinafter, the module according to the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a module provided in a fuel cell to which the present invention is applied. FIG. 5 is a partially exploded view of the module of FIG. FIG. 6 is a schematic diagram in which the modules shown in FIG. 4 are connected in series. For convenience, the number of hollow cells, each gas flow path, and the like are partially omitted.
図4及び図5に示すモジュール100において、中空型セル6は、図1及び図2に示す構造を有している。すなわち、カソード側集電材(外部集電材)が棒状集電材5bと網状集電材5aとで構成されており、且つ、アノード側集電材(内部集電材)が柱状集電材4で構成されている。また、棒状集電材5b及び柱状集電材4は、一つの中空型セルの発電電流をロスなく流すことができる電流容量を有している。
複数の中空型セル6は、網状集電材5aによって、中空型セル6と各中空型セルの棒状集電材5bとを交互に且つ平行に並べた状態で一体的に編み込まれ、中空型セル群7を形成している(図7参照)。中空型セル群7において、2個以上の中空型セル6は、その長手方向を平行にして、且つ、所定間隔で整列している。
In the
The plurality of
さらに、モジュール100は、各中空型セル6のアノード側集電材4に電気的に接続して電流を集約するアノード側モジュール接続部8と、各中空型セル6のカソード側集電材5の棒状集電材5bに電気的に接続して電流を集約するカソード側モジュール接続部9を備えており、これらアノード側モジュール接続部8及びカソード側モジュール接続部9によって、中空型セル群7を構成する各中空型セル6が並列接続されている。
Further, the
図4において、各中空型セル6のアノード側集電材4は、各中空型セル6の両端において外面に露出している。そして、各中空型セル6のアノード側集電材4とアノード側モジュール接続部8は、上記両端におけるアノード側集電材4の露出部分と接触するようにそれぞれ配置された櫛状のアノード側電流引出し部8a、8bを介して接続されている。
In FIG. 4, the anode-side
櫛状のアノード側電流引出し部8a、8bは、複数の溝10aと歯10bを有する櫛型構造10を有しており、各溝10aに各中空型セル6のアノード側集電材4が挿入されて、アノード側集電材4と各電流引出し部8a、8bとが接続されている。櫛型構造の溝10aは、溝1つあたり複数のアノード側集電材4が挿入でき、且つ、挿入された各アノード側集電材4が歯10bと接触して各アノード側集電材4と電流引出し部8a、8bとが電気的に接続されるような間隔で設けられている。
また、アノード側電流引出し部8a、8bは、各中空型セル6のアノード側集電材4との接触面積が充分確保されているとともに、中空型セル群7の各中空型セル6のアノード側集電材4から電流を取り出すのに十分な電流容量を有している。また、アノード側電流引出し部8a、8bは、アノード側モジュール接続部8の一部を構成しており、連通部8cによって電気的に集約されている。
このように各中空型セル6のアノード側集電材4は、その両端に分散配置されて接続された2箇所のアノード側電流引出し部8a、8bから電流が引き出され、各電流引出し部8a、8bによって各中空型セル6のアノード側集電材4から引き出された電流は、アノード側モジュール接続部(連通部8c)8において集約される。
The comb-shaped anode-side
The anode-side
In this way, the anode-side
本発明のように、集電材又は接続網の複数点から電流の取出しを行う場合、各中空型セルの発電のムラや、集電材又は接続網の電流取出し位置における集電具合のムラ等があるため、モジュール毎に複数の電流取出し部を集約させてから、モジュール同士を接続(直列接続)することが好ましい。 When current is taken out from a plurality of points of the current collector or connection network as in the present invention, there is unevenness in power generation of each hollow cell, current collection condition at the current extraction position of the current collector or connection network, etc. For this reason, it is preferable that the modules be connected (series connection) after a plurality of current extraction units are aggregated for each module.
一方、各中空型セル6の外面に配置されたカソード側棒状集電材5bは、各棒状集電材5bの両端にそれぞれ配置された櫛状の電流引出し部9a、9bを介して、カソード側モジュール接続部9と接続されている。
櫛状の電流引出し部9a、9bは、アノード側同様、複数の溝11aと歯11bを有する櫛型構造11であり、各溝11bに各中空型セル6のカソード側棒状集電材5bが挿入されている。櫛型構造の溝11aは、溝1つあたり複数のカソード側棒状集電材5bが挿入でき、且つ、挿入された各カソード側棒状集電材5bが歯10bと接触して各カソード側棒状集電材5bと電流引出し部9a、9bとが電気的に接続されるような間隔で設けられている。
また、電流引出し部9a、9bは、各中空型セル6のカソード側棒状集電材5bとの接触面積が充分確保されていると共に、中空型セル群7の各中空型セル6のカソード側棒状集電材5bから電流を取り出すのに十分な電流容量を有している。また、電流引出し部9a、9bは、カソード側モジュール接続部9の一部を構成しており、連通部9cによって電気的に集約されている。
On the other hand, the cathode-side rod-shaped
Like the anode side, the comb-shaped
Further, the
このように各中空型セル6のカソード側集電材5は、各棒状集電材5bの両端に分散配置されて接続された2箇所の電流引出し部9a、9bから電流が引き出され、各電流引出し部9a、9bによって各中空型セル6のカソード側集電材5bから引き出された電流は、カソード側モジュール接続部(本実施形態においては連通部9c)において集約される。
As described above, the cathode-side
そして、モジュール内に組み込まれる各中空型セルのアノード側集電材に接続して電流を集約するアノード側モジュール接続部と、各中空型セルのカソード側集電材に接続して電流を集約するカソード側モジュール接続部は、隣接するモジュールとの電気的な接続部であり、隣り合うモジュールにおいて、一方のモジュールのアノード側モジュール接続部8と、他方のモジュールのカソード側モジュール接続部9とが接続することによって隣接するモジュール同士が直列接続される(図6参照)。このとき、隣接するモジュール間の直列接続を形成する各モジュール接続部(連通部)の接触面は、モジュール内の中空型セルの長手方向に対して平行となるように配設されている。
And, the anode side module connection part that collects current by connecting to the anode side current collector of each hollow cell incorporated in the module, and the cathode side that collects current by connecting to the cathode side current collector of each hollow cell The module connecting portion is an electrical connecting portion with an adjacent module, and in the adjacent module, the anode side
本発明の燃料電池は、アノード側及び/又はカソード側の各集電材或いは各接続網から、2箇所以上の電流引出し部を介してモジュール接続部に電流を集約する点に大きな特徴を有するものである。各電流引出し部は、各集電材又は接続網に対する接続位置が分散配置されている。
ここで、各集電材又は接続網に対する接続位置が分散配置されている、とは、モジュール内に含まれる各中空型セルの同極側の集電材が、セルごとに電気的に独立している場合には、各セルの集電材上の2箇所以上に上記電流引出し部の接続点が分散配置されていることをいい、或いは、モジュール内に含まれる各中空型セルの同極側の集電材が、全ての又は一部のセル間で電気的に接続して、1つ又は複数の接続網を形成している場合には、各接続網上の2箇所以上に上記電流引出し部の接続点が分散配置されていることをいう。尚、接続網が形成されている場合であっても、各中空型セルを接続する集電材(この例では網状集電材5a)とともに、1つ又は複数のセルごとに振り分けられた集電材(この例では棒状集電材5b)がある場合には、当該振り分けられた各集電材上の2箇所以上に上記電流引出し部の接続点が分散配置されることが好ましい。
The fuel cell of the present invention has a great feature in that current is concentrated from the current collectors or connection networks on the anode side and / or cathode side to the module connection portion through two or more current extraction portions. is there. In each current drawing portion, connection positions with respect to each current collector or connection network are distributed.
Here, the connection positions with respect to each current collector or connection network are distributed, and the current collector on the same polarity side of each hollow cell included in the module is electrically independent for each cell. In this case, it is said that the connection points of the current extraction parts are dispersedly arranged at two or more locations on the current collector of each cell, or the current collector on the same polarity side of each hollow cell included in the module. However, when all or some of the cells are electrically connected to form one or a plurality of connection networks, the connection points of the above-described current extraction units are provided at two or more locations on each connection network. Is distributed. Even in the case where a connection network is formed, the current collecting material (this is the net
各電流部引出し部は、2箇所以上設けることによって各集電材又は接続網からモジュール接続部に至る集電経路を短縮し、効率良く電流を取り出すことができるような間隔で配置されている。具体的には、本実施形態においては、棒状集電材や柱状集電材等の集電材に分散配置された各電流引出し部のうち最も遠い位置関係にあるもの同士が、該集電材の中空型セル長手方向における全長の二分の一以上の間隔をもって配置される。典型的には、各電流引出し部のうち最も遠い位置関係にあるもの同士が各集電材の中空型セル長手方向の両端に配置される。最も遠い位置関係にある2つの電流引出し部の間には、これら2つの電流引出し部間を等分又は非等分するような1つ以上の電流引出し部が配置されてもよい。このように3つ以上の電流引出し部を設ける場合には、最も遠い位置関係にある2つの電流引出し部間を等分又は等分した距離±10%の範囲内の間隔があくように電流引出し部を配置することが好ましい。 Each current portion lead-out portion is arranged at intervals such that the current collection path from each current collector or connection network to the module connection portion is shortened by providing two or more locations, and current can be efficiently extracted. Specifically, in the present embodiment, the most distant positional relationship among the current extraction parts distributed and arranged in the current collector such as a rod-shaped current collector or a columnar current collector is a hollow cell of the current collector. It arrange | positions with the space | interval of 1/2 or more of the full length in a longitudinal direction. Typically, the most distant positional relationships among the current extraction portions are arranged at both ends of each current collector in the longitudinal direction of the hollow cell. One or more current extraction units may be arranged between the two current extraction units that are located in the farthest position so as to equally divide or divide the two current extraction units. When three or more current extraction parts are provided in this manner, the current extraction is performed so that there is an interval within the range of ± 10% of the distance obtained by equally dividing or equally dividing the two current extraction parts in the farthest positional relationship. It is preferable to arrange the parts.
尚、各電流引出し部において、隣接するモジュールとの電気的な接続部分となる部分(本例では、モジュール接続部8、9の連通部8c、9c)へと電流が流れる方向に対して直角な断面積(以下、単に、導電路の断面積という)は、各集電材又は接続網に分散配置されて接続した全電流引出し部の合計断面積が、該集電材又は該接続網が集電するセルの発電電流を十分に流し得るようになっている。すなわち、全電流引出し部の合計電流容量が、これら電流引出し部が接続する集電材又は接続網が集電するセルの発電電流量以上となっている。
It should be noted that in each current extraction portion, a portion perpendicular to the direction in which current flows to a portion (in this example, the
以上のように、本発明の燃料電池は、各中空型セル6のアノード側集電材(若しくは接続網)及び/又はカソード側集電材(若しくは接続網)の電流を、当該集電材(接続網)に対する接続位置が分散配置された2箇所以上の電流引出し部から取り出し、モジュール接続部に集約することによって、従来のように各集電材の一端のみから電流を取り出す場合と比較して集電材からモジュール接続部に至る集電経路を短縮し、集電材等による抵抗などに起因する集電効率の低下を抑制することができる。
As described above, the fuel cell of the present invention uses the current of the anode-side current collector (or connection network) and / or the cathode-side current collector (or connection network) of each
その結果、本発明によれば、従来のように各集電材の一端のみから電流を取り出す燃料電池では集電効率が低くなるため、用いることができなかった長手方向の長さが長い(具体的には600mm以上)中空型セルを用いることが可能である。しかも、中空型セルの長手方向の長さを長くすることによって各中空型セルの発電電流量が増加するが、電流引出し部を2箇所以上に設けることによって、各集電材又は接続網と電流引出し部との接触面積が確保しやすいため、各集電材又は接続網から効率良く電流を取り出すことができる。また、複数の電流引き出し部を備えることよって、各電流引き出し部の合計断面積をセルの発電電流を十分流し得るように確保できる。ゆえに、電流引出し部における発熱等による発電効率の低下が起きにくい。
また、長手方向の長さが長い中空型セルを用いることによって、短い中空型セルを備える従来の燃料電池と比較して中空型セルの本数を減らしても、電極面積を確保することが可能であり、その結果、各中空型セルの内面に供給されるべき反応ガスを流通させる内面用ガス流路の容積を減らすことが可能となり、燃料電池の小型化が達成可能である。加えて、中空型セルの本数が減ることによって、燃料電池の組立が容易になるという利点もある。
As a result, according to the present invention, since the current collection efficiency is low in a conventional fuel cell that draws current from only one end of each current collector, the length in the longitudinal direction that could not be used is long (specifically It is possible to use a hollow cell. In addition, by increasing the length of the hollow cell in the longitudinal direction, the amount of generated current of each hollow cell increases. However, by providing two or more current extraction parts, each current collector or connection network and current extraction Since it is easy to ensure the contact area with the part, current can be efficiently taken out from each current collector or connection network. Further, by providing a plurality of current drawing portions, it is possible to ensure the total cross-sectional area of each current drawing portion so that the generated current of the cell can sufficiently flow. Therefore, a decrease in power generation efficiency due to heat generation or the like in the current extraction unit is unlikely to occur.
Also, by using a hollow cell having a long length in the longitudinal direction, it is possible to secure an electrode area even if the number of hollow cells is reduced as compared with a conventional fuel cell having a short hollow cell. As a result, it is possible to reduce the volume of the gas flow path for the inner surface through which the reaction gas to be supplied to the inner surface of each hollow cell is circulated, and the miniaturization of the fuel cell can be achieved. In addition, since the number of hollow cells is reduced, there is an advantage that the fuel cell can be easily assembled.
図4〜図7に示す本実施形態においては、電流引出し部(8a、8b、9a、9b)が板状であり、各電流引出し部と各集電材との接触面積は、当該電流引出し部を形成する板の厚みに依存する。すなわち、図4〜図6のように電流引出し部を各集電材上の2箇所以上に設ける場合、同等の厚みを有する板状の電流引出し部を各集電材の一端(一箇所)のみに設ける場合と比較して、各集電材と電流引出し部全体との接触面積は2倍以上になる。
このとき、電流引出し部の導電路の断面積も、2箇所以上に電流引出し部を設けることによって、単純に2倍以上となっている。すなわち、同等の厚みを有する電流引出し部を一箇所に設ける場合と比較して、電流引出し部全体の電流容量が倍以上となっている。
In the present embodiment shown in FIGS. 4 to 7, the current extraction portions (8 a, 8 b, 9 a, 9 b) are plate-shaped, and the contact area between each current extraction portion and each current collector is determined by the current extraction portion. Depends on the thickness of the plate to be formed. That is, when providing current drawing portions at two or more places on each current collector as shown in FIGS. 4 to 6, a plate-like current drawing portion having an equivalent thickness is provided only at one end (one place) of each current collecting material. Compared to the case, the contact area between each current collector and the entire current extraction portion is twice or more.
At this time, the cross-sectional area of the conductive path of the current extraction portion is simply doubled by providing the current extraction portions at two or more locations. In other words, the current capacity of the entire current extraction portion is more than double that of the case where the current extraction portion having the same thickness is provided at one place.
従って、2箇所以上の電流引出し部を設けることによって、集電経路の短縮だけでなく、電流容量を大幅に増やすことも可能となり、各電流引出し部の各集電材からの集電効率を高めることができる。その結果、2倍以上の長さの中空型セルから効率良く電流を取り出すことが可能となる。 Therefore, by providing two or more current extraction parts, it is possible not only to shorten the current collection path but also to greatly increase the current capacity, and to improve the current collection efficiency from each current collector of each current extraction part. Can do. As a result, it is possible to efficiently extract current from a hollow cell having a length twice or more.
さらに、板状の各電流引出し部の厚みを薄くしても、各集電材との接触面積及び電流容量を充分に確保することが可能である。このように板状の電流引出し部の厚さを薄くすることが可能となることによって、例えば、板状の導電性材料を折り曲げ加工によりコの字型に成形し、これを図4〜図6のように連通部とその両端に接続された2つの電流引出し部を有するモジュール接続部として用いることができる。 Furthermore, even if the thickness of each plate-like current extraction portion is reduced, it is possible to sufficiently ensure the contact area and current capacity with each current collector. Thus, by making it possible to reduce the thickness of the plate-like current extraction portion, for example, a plate-like conductive material is formed into a U-shape by bending, and this is shown in FIGS. Thus, it can be used as a module connection portion having a communication portion and two current extraction portions connected to both ends thereof.
このとき、モジュール接続部8、9の連通部8c、9cは、幅の広い平坦面を有する平板状の形状となっている。さらに、これら連通部8cと9cは、2つのモジュールの間に挟まれた状態で対向するように配設されている。そして、各モジュール接続部8,9の連通部8c、9cにおいて、隣接し合うモジュール同士が当接して面接触し、直列接続されている。すなわち、図6に示すようにモジュール100aのアノード側モジュール接続部8の連通部8cと隣接するモジュール100bのカソード側モジュール接続部9の連通部9cとが当接し、モジュール100aのカソード側モジュール接続部9の連通部9cと隣接するモジュール100cのアノード側モジュール接続部8の連通部8cとが当接して、これら3つのモジュール100b、100a、100cとが直列に接続されている。
At this time, the
このように隣接するモジュールと当接し、直列接続を形成する部分(上記の例では連通部)が、当該隣接するモジュールとの当接面全体を形成する平板状である場合、隣接しあうモジュール同士の接触面積が大きいので、隣接するモジュール間の導通に優れる。 Thus, when the part which contact | abuts with the adjacent module and forms a serial connection (in the above-mentioned example) (communication part) is flat form which forms the whole contact surface with the said adjacent module, adjacent modules mutually Since the contact area is large, the conduction between adjacent modules is excellent.
さらに、図4〜図6のコの字型モジュール接続部では、各電流引出し部8a、8b(9a、9b)が中空型セル6の側面方向から当該中空型セルの集電材に接近して接続し、該各電流引出し部8a、8b(9a、9b)に対して、連通部8c(9c)の角度が90度変わっているので、連通部8c(9c)は中空型セル6の長手方向に対して平行となっている。このとき、連通部の平面が広がる方向が当該連通部の導電路の方向(隣接するモジュールのモジュール接続部への電流が流れる方向)に対して直角となっているので、連通部の面積が導電路の断面積となる。すなわち、隣接するモジュールとの直列接続を形成する連通部は、導電路の断面積が大きく、電流容量が充分確保されている。しかも、薄い板状の導電性材料で連通部を形成することによって当該連通部での抵抗が小さくなるので、連通部において直列接続されるモジュール同士は、導通性に優れ、集電効率に優れている。
Furthermore, in the U-shaped module connection part of FIGS. 4-6, each electric
具体的には、発電有効長(発電に有効な電極のセル長手方向長さ)が150mm、外径が1mmのチューブ型セル(発電有効面積4.71cm2)の発電性能を1cm2あたり0.6V、0.64Aとすると、このチューブ型セルを125本並列接続して搭載したモジュールの総発電電流は、125×0.64A×4.71cm2=約377Aとなる。このとき、厚さ1mm、幅50mmの銅製平板を曲げ加工して、モジュール接続部を図12に示すようなコの字型とした場合に、セル長手方向の長さが150mmの連通部(モジュール間の電気的接続部となる部分)における導電路の断面積は、50mm×150mm=7500mm2となる。銅は、一般的に1mm2あたり5Aの電流を流せるとして計算することができる。 Specifically, the 150 mm (cell longitudinal length of the effective power generation electrode) generating the effective length, 1 cm 2 per 0 power generation performance of the tubular cells of the outer diameter of 1 mm (power generation effective area 4.71cm 2). Assuming 6V and 0.64A, the total generated current of a module on which 125 tube-type cells are connected in parallel is 125 × 0.64A × 4.71 cm 2 = about 377A. At this time, when a copper flat plate having a thickness of 1 mm and a width of 50 mm is bent to form a U-shaped module connection portion as shown in FIG. The cross-sectional area of the conductive path in the portion that becomes the electrical connection portion between the two is 50 mm × 150 mm = 7500 mm 2 . Copper can be calculated as generally allowing a current of 5 A per mm 2 to flow.
すなわち、隣接するモジュール同士が連通部にて完全に面接触している場合、連通部は、計算上7500mm2×5A/mm2=37.5kAまでの電流を流すことができる。従って、このとき、モジュール間の電気的接続を形成する連通部同士は電流容量が十分確保されている。
さらに、この例では、2つの電流引出し部における導電路の合計断面積は1mm×50mm×2=100mm2であり、この2つの電流引出し部で500Aまでの電流を流すことができるため、全電流引出し部における電流容量も十分に確保されている。
尚、上記のような発電性能(1cm2あたり0.6V、0.64A)を有する中空型セルを125本搭載したモジュール1つあたりの発電電力は、0.6V×377A=約225Wである。このとき、該モジュールの最大電圧が1Vとすると、このようなモジュールを400個直列接続した燃料電池は、最大400V(1V×400)、90kW(225W×400)の発電性能を示す。
That is, when the adjacent modules to each other are completely surface-contact with the communicating portion, the communicating portion, a current can flow to the computational 7500mm 2 × 5A / mm 2 = 37.5kA. Therefore, at this time, a sufficient current capacity is secured between the communication portions forming the electrical connection between the modules.
Further, in this example, the total cross-sectional area of the conductive paths in the two current extraction portions is 1 mm × 50 mm × 2 = 100 mm 2 , and a current of up to 500 A can flow through these two current extraction portions, so that the total current A sufficient current capacity is secured in the lead-out portion.
The generated power per module on which 125 hollow cells having the above-described power generation performance (0.6 V per cm 2 , 0.64 A) are mounted is 0.6 V × 377 A = about 225 W. At this time, assuming that the maximum voltage of the module is 1V, a fuel cell in which 400 such modules are connected in series exhibits power generation performance of maximum 400V (1V × 400) and 90 kW (225W × 400).
ここで、図13のように、複数の電流引出し部を集約する連結部と隣接するモジュールの対極の電流引出し部を集約する連結部とをモジュール接続部にて接続した場合は、図4〜図6の形態と異なり、連結部とモジュール接続部内を流れる電流の方向(矢印で表示)と、連結部とモジュール接続部の向きとが同じため、連結部とモジュール接続部が各モジュールの総電流量を流し得るように、各部材の板厚を厚くして導電路の断面積を確保する必要がある。例えば、図13においては、連結部及びモジュール接続部の導電路の断面積(斜線部分)がそれぞれ、各電流引出し部の導電路の断面積(斜線部分)の3倍以上となるように各部材の板厚を厚くする必要がある。 Here, as shown in FIG. 13, when the connecting portion that aggregates a plurality of current drawing portions and the connecting portion that gathers the current drawing portions of the counter electrodes of the adjacent modules are connected at the module connecting portion, FIGS. Unlike the configuration of 6, the direction of the current flowing in the connecting portion and the module connecting portion (indicated by an arrow) and the direction of the connecting portion and the module connecting portion are the same, so the connecting portion and the module connecting portion are the total current amount of each module. It is necessary to increase the plate thickness of each member to ensure the cross-sectional area of the conductive path. For example, in FIG. 13, each member is such that the cross-sectional area (shaded portion) of the conductive path of the connecting portion and the module connecting portion is at least three times the cross-sectional area (shaded portion) of the conductive path of each current extraction portion. It is necessary to increase the plate thickness.
これと比較して、図4〜図6の形態のように、連通部(兼モジュール接続部)の平面が広がる方向が当該連通部の導電路の方向に対して直角となっている場合には、上述したように、連通部が板厚の薄い導電性材料により形成されていても、連通部の導電路の断面積を確保することができ、連通部が集約された電流を流し得るだけの電流容量を有している。しかも、図4〜図6の形態では、モジュール接続部が連結部を兼ねている。従って、図13に示す形態と比較して、図4〜図6のような形態はモジュール接続部や連結部等の集電部材が占める体積が小さく、モジュール全体の体格を減少させることができる。すなわち、各中空型セルの大きさは同等のまま、燃料電池全体としての小型化が可能であり、発電出力密度が高くなる。また、薄い板状の導電性材料を用いたモジュール接続部は、折り曲げ加工が容易である。 Compared with this, when the direction in which the plane of the communication portion (also known as module connection portion) expands is perpendicular to the direction of the conductive path of the communication portion, as in the form of FIGS. As described above, even if the communication portion is formed of a thin conductive material, the cross-sectional area of the conductive path of the communication portion can be ensured, and the communication portion can only flow the concentrated current. Has current capacity. In addition, in the forms of FIGS. 4 to 6, the module connecting portion also serves as the connecting portion. Therefore, compared with the form shown in FIG. 13, the form as shown in FIGS. 4 to 6 has a small volume occupied by current collecting members such as the module connecting part and the connecting part, and can reduce the physique of the entire module. That is, the size of each hollow cell remains the same, and the fuel cell as a whole can be miniaturized, and the power generation output density is increased. Further, the module connecting portion using the thin plate-like conductive material can be easily bent.
尚、隣接するモジュール間の直列接続部を形成する部分(上記例では連通部)は、隣接するモジュール同士の接触面積を、電流を効率良く取り出すことができるように確保できれば、平板状に限定されるものではなく、例えば、モジュール同士の当接面の左右方向に対して、幅の狭いものであってもよいし、モジュールの軽量化のために、平板状のものにパンチ孔のような貫通構造を形成したものでもよい。また、上記連通部のように面接触によって隣接するモジュール間の直列接続を形成する場合には、対向しあう接触面同士は平坦面でなくてもよく、互いに隙間なくかみ合う凹凸形状を有していてもよい。この場合、凹凸を平均化した平坦面が電流の流れる方向に対して直角であることが好ましい。 The portion forming the serial connection portion between adjacent modules (the communication portion in the above example) is limited to a flat plate shape as long as the contact area between adjacent modules can be secured so that current can be taken out efficiently. For example, it may be narrow with respect to the left-right direction of the contact surfaces between the modules, or in order to reduce the weight of the module, a flat plate-like one that penetrates like a punch hole A structure may be formed. In addition, in the case of forming a series connection between adjacent modules by surface contact like the above-described communication portion, the contact surfaces facing each other do not have to be flat surfaces, and have an uneven shape that meshes with each other without a gap. May be. In this case, it is preferable that the flat surface obtained by averaging the unevenness is perpendicular to the direction in which the current flows.
電流引出し部の具体的な分散配置形態は、電流引出し部を設ける集電材又は接続網の形態(材料、構造等)や、電流引出し部の形態(材料、構造等)、中空型セルの発電量等によって異なってくる。また、電流引出し部を配置する集電材又は接続網が中空型セルの内面に設けられているか又は外面に設けられているかによって形態が制限される場合がある。 The specific distribution arrangement form of the current extraction part includes the form of the current collector or connection network (material, structure, etc.) provided with the current extraction part, the form of the current extraction part (material, structure, etc.), and the power generation amount of the hollow cell It depends on the etc. Moreover, a form may be restrict | limited depending on whether the current collection material or connection network which arrange | positions an electric current extraction part is provided in the inner surface of the hollow cell, or is provided in the outer surface.
例えば、図4〜図6において、棒状集電材5bに接続される電流引出し部は、9a、9bの2箇所であり、棒状集電材5bの両端にそれぞれが配置されている。図7に示すように、中空型セル群7を構成する各中空型セル6各々が、外部集電材(本実施形態においてはカソード側集電材)として棒状集電材5bを有しており、且つ、複数の中空型セル6と棒状集電材5bとが網状集電材5aによって一体的に編み込まれている場合、カソードの表面に接している網状集電材5aによって電流が集められる棒状集電材5bは、この集められた電流を効率良く流すことが可能な導電路断面積を有する構造(網状集電材5aのワイヤと比べて径の太い棒状集電材等)にしやすく、電流容量を確保しやすい。そのため、棒状集電材5b上に配置される2つの電流引出し部は、当該棒状集電材5bの中空型セル長手方向(中空型セルの軸方向)における全長の二分の一以上の間隔をもって配置することによって、当該棒状集電材5bから効率良く電流を取り出すことができる。棒状集電材5bの中空型セル長手方向における全長の二分の一以上の間隔を空けずに2箇所の電流引出し部を設けた場合でも、集電経路を短縮する効果は得られるが、棒状集電材5bから効率良く電流を取り出すためには、棒状集電材5bのセル長手方向における全長の2分の1以上の間隔を開けて電流引出し部を分散配置することが好ましい。
For example, in FIGS. 4 to 6, there are two
上記のような棒状集電材5b上に3箇所以上の電流取り出し部を接続する場合には、そのうち最も遠い位置関係にある2つの電流取り出し部が、当該棒状集電材5bの中空型セル長手方向における全長の二分の一以上の間隔を持って配置されていればよく、典型的には、当該棒状集電材5bの両端を含む3箇所以上に等間隔で配置することができる。
When three or more current extraction parts are connected on the rod-shaped
また、図4〜図6において、内部集電材であるアノード側集電材4(柱状集電材)には、その両端の2箇所にアノード側電流取り出し部8a、8bが配置されている。本実施形態においては、アノード側集電材として用いられている柱状集電材は、上記棒状集電材5b同様、網状集電材5aのワイヤと比べて断面積が大きいので電流容量を確保しやすい。そのため、柱状集電材4上に配置される2つの電流引出し部は、当該集電材4の中空型セル長手方向における全長の二分の一以上の間隔をもって配置することによって、当該集電材4から効率良く電流を取り出すことができる。内部集電材は、その表面を外面に露出させた部分に電流引出し部が配置されるため、構造の複雑化の防止等の観点から、通常は、図4のようにその両端の2箇所にアノード側電流引出し部8a、8bが配置される。
但し、図8のように、中空型セルの中間部において、内部集電材を外面に露出させて電流引出し部18を設けてもよい。また、例えば、集電効率のさらなる向上や、中空型セルを長くし、これに伴う発電量の増加に対応するために、電流引出し部は3箇所以上設けてもよい。その場合、電流引出し部は、集電ロス低減の観点から、中空型セル長手方向における両端を含む3箇所以上に等間隔で設けることが望ましい。
4 to 6, anode-side
However, as shown in FIG. 8, in the middle part of the hollow cell, the
一方、各電流引出し部のモジュール接続部に対する接続位置、すなわち、電流引出し部のモジュール接続部上の接続点もまた、当該モジュール接続部の2箇所以上に分散されていることが好ましい。通常は、各集電材又は接続網に対する電流引出し部の接続位置と同様の分散配置形態で、電流引出し部のモジュール接続部に対する接続位置を分散配置すればよい。具体的には、図4〜図6に示す本実施形態においては、モジュール接続部である連通部の両端に2つの電流引出し部が分散して接続されている。 On the other hand, it is preferable that the connection positions of the respective current extraction units with respect to the module connection unit, that is, the connection points on the module connection unit of the current extraction unit are also distributed at two or more locations of the module connection unit. Usually, the connection positions of the current extraction units to the module connection units may be distributed in the same distributed arrangement form as the connection positions of the current extraction units to the respective current collectors or connection networks. Specifically, in the present embodiment shown in FIGS. 4 to 6, two current extraction parts are dispersedly connected to both ends of the communication part which is a module connection part.
各電流引出し部の構造は特に限定されず、図5のような櫛型構造の他、各棒状又は柱状集電材を挿入可能な孔を有し、当該孔に各棒状又は柱状集電材を挿入することで各集電材と電流引出し部とが電気的に接続されるような構造でもよい。 The structure of each current drawing part is not particularly limited. In addition to the comb structure as shown in FIG. 5, each current drawing part has a hole into which each rod-like or columnar current collector can be inserted, and each rod-like or columnar current collector is inserted into the hole. Thus, a structure in which each current collector and the current drawing portion are electrically connected may be used.
また、図4〜図6において、アノード側電流引出し部8a、8bとアノード側モジュール接続部8、及び、カソード側電流引出し部9a、9bとカソード側モジュール接続部9は、導電性材料からなる板の両端を90度折り曲げてコの字型に成形した一体的構造を有しているが、電流引出し部は、モジュール接続部と一体的構造を有する構造の他、各集電材又は集電材が相互に接続した接続網の一部であってもよい(図9、図10参照)し、或いは、モジュール接続部及び集電材と別個の部材であって、モジュール接続部と集電材とが当該電流引出し部を介して電気的に接続されるような処理が施されていてもよい。
4 to 6, the anode-side
各電流引出し部、モジュール接続部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。具体的な金属材料としては、例えば、Al、Cu、Fe、Ni、Cr、Ta、Ti、Zr、Sm、In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。
各電流引出し部、モジュール接続部を形成する導電性材料は、モジュールの構造に応じて、適宜選択すればよく、強度の点からはSUSやTi、軽量化の点からはAl、Ti、導電性の点からはCu,Alが好ましい。また、各電流引出し部やモジュール接続部を形成する材料は、それら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TiやSUS等を用いることが好ましい。
It does not specifically limit as an electroconductive material which forms each electric current extraction part and a module connection part, For example, a metal, a carbon material, electroconductive ceramics, electroconductive resin etc. are mentioned. These conductive materials may be used alone or in combination. Specific examples of the metal material include at least one metal selected from Al, Cu, Fe, Ni, Cr, Ta, Ti, Zr, Sm, In, and the like, or stainless steel (SUS). These alloys are mentioned.
The conductive material forming each current drawing part and module connection part may be appropriately selected depending on the structure of the module, and is SUS or Ti from the point of strength, Al, Ti, conductive from the point of weight reduction. From this point, Cu and Al are preferable. Moreover, the material which forms each current extraction part and module connection part can also be suitably selected according to the environment to which they are exposed. For example, when contacting with hydrogen, it is preferable to select a material having resistance to hydrogen embrittlement in which the metal material becomes brittle due to hydrogen adsorption. Further, when corrosion resistance is required, it is preferable to use Ti, SUS or the like.
尚、本実施形態においては、アノード側モジュール接続部とアノード側集電材、及び、カソード側モジュール接続部とカソード側集電材の両方が、2箇所以上の引出し部を介して接続されているが、本発明の燃料電池は、中空型セルのアノード側とカソード側のうち、少なくとも一方において、モジュール接続部と集電材又は接続網が2個以上の電流引出し部を介して接続されていればよい。集電効率の向上、及び、集電効率の向上により得られる上記のような効果をさらに高めるには、アノード側及びカソード側の両方が上記のような構造を有していることが好ましい。
また、集電効率の向上及び、集電効率の向上により得られる上記のような効果をさらに高めるには、本発明の燃料電池に組み込まれて直列接続される全モジュールが、各中空型セルのアノード側及び/又はカソード側において、集電材又は接続網とモジュール接続部とが上記2つ以上の電流引出し部によって接続されていることが好ましい。
In the present embodiment, both the anode-side module connection portion and the anode-side current collector, and the cathode-side module connection portion and the cathode-side current collector are connected via two or more lead portions, In the fuel cell of the present invention, at least one of the anode side and the cathode side of the hollow cell may be such that the module connection part and the current collector or connection network are connected via two or more current extraction parts. In order to further improve the above-mentioned effects obtained by improving the current collection efficiency and the current collection efficiency, it is preferable that both the anode side and the cathode side have the above-described structure.
Further, in order to further improve the above-mentioned effects obtained by improving the current collecting efficiency and improving the current collecting efficiency, all the modules incorporated in the fuel cell of the present invention and connected in series are connected to each hollow cell. On the anode side and / or the cathode side, the current collector or the connection network and the module connection part are preferably connected by the two or more current extraction parts.
また、図4〜図6に示す本実施形態において、アノード側電流引出し部8a、8bの櫛型構造10には、アノード側集電材4の他、カソード側棒状集電材5bも挿入されており、適宜、アノード側電流引出し部8a、8bとカソード側棒状集電材5bとの絶縁処理が行われている。同様に、カソード側電流引出し部9a、9bの櫛型構造11には、カソード側棒状集電材5bの他、アノード側集電材4も挿入されており、適宜、カソード側電流引出し部9a、9bとアノード側集電材4との絶縁処理が行われている。
各電流引出し部の櫛型構造の溝部に挿入された各アノード側集電材及びカソード側集電材は、必要に応じて、各モジュール接続部と集電材との電気的接続を保持しながら、接着剤等を用いて固定してもよい。
In addition, in the present embodiment shown in FIGS. 4 to 6, in addition to the anode-side
Each anode-side current collector and cathode-side current collector inserted into the comb-shaped structure groove of each current draw-out part is an adhesive while maintaining electrical connection between each module connection part and the current collector as necessary. You may fix using etc.
図8〜図11は、本発明の他の実施形態を示すものである。図8は本実施形態のモジュールの斜視図であって、便宜上、その一部を切除、省略している。図9は、図8のモジュール内に組み込まれる中空型セル群7の一部と、中空型セル群に接続される各電流引出し部のみを取り出したものを示している。
8 to 11 show another embodiment of the present invention. FIG. 8 is a perspective view of the module of the present embodiment, and a part thereof is cut out and omitted for convenience. FIG. 9 shows a part of the
図10は図8における網状集電材(外部集電材、本実施形態においてはカソード側集電材5a)とモジュール接続部(本実施形態においてはカソード側モジュール接続部9)の電流引出し部17による接続状態を説明するための図であって、一部を省略してある。図10(10A)は図8のCC断面図(図9のCC断面図に相当)であり、図10(10B)は図8におけるDD断面図(図9のDD断面図に相当)である。
FIG. 10 shows a connection state of the mesh current collector (external current collector, cathode side
また、図11は図8における内部集電材(本実施形態においてはアノード側集電材4)とモジュール接合部(本実施形態においてはアノード側モジュール接続部8)の電流引出し部18による接続状態を説明するための図であって、一部省略してある。図11(11A)は図8のAA断面図であり、図11(11B)は図8におけるBB断面図である。 FIG. 11 illustrates the connection state of the internal current collector (in this embodiment, the anode-side current collector 4) and the module junction (in this embodiment, the anode-side module connection portion 8) in FIG. It is a figure for doing, Comprising: A part is abbreviate | omitted. 11 (11A) is an AA cross-sectional view of FIG. 8, and FIG. 11 (11B) is a BB cross-sectional view of FIG.
図8に示すモジュールにおいて、各中空型セル6のアノード側集電材(本実施形態においては、内部集電材)4と、アノード側モジュール接続部8は、図8及び図11に示すように、アノード側集電材4の両端と、当該両端で挟まれた中間部分をセル長手方向に等分割(4分割)する3箇所の計5箇所に分散配置されたアノード側電流引出し部18を介して接続されている。本実施形態において、各中空型セル6は、その両端にてアノード側集電材4が露出している上に、中空型セルを4等分する中間部の3箇所においてもアノード側集電材4が露出しており、これら5箇所の露出部分にアノード側電流引出し部18が配置されている。
そして、当該アノード側集電材4上に分散配置されて接続された複数箇所のアノード側電流引出し部18によって引き出された電流は、アノード側モジュール接続部8において集約される。
In the module shown in FIG. 8, the anode-side current collector (in this embodiment, the internal current collector) 4 and the anode-side
Then, the current drawn by the plurality of anode-side
本実施形態において、アノード側集電材である内部集電材(柱状集電材)4には、上述したように5つの電流引出し部18が分散配置されている。このとき、分散配置された各電流引出し部18の集電材4に対する接続位置は、該各電流引出し部18によって電流を引き出される該集電材4の各領域が電流を集電する電極の各領域における発電電流量と、該集電材4の電流容量とを比較したときに、上記発電電流量が該電流容量以下となる位置にすることが好ましい。
ここで、各電流引出し部によって電流を引き出される該集電材(又は接続網)の各領域が電流を集電する電極の各領域における発電電流量とは、集電材(又は接続網)を介して各電流引出し部によって電流が引き出される電極の各領域ごとの発電電流量である。言い換えれば、個々の電流引出し部が受け持つ領域それぞれの発電電流量である。このとき、各電流引出し部によって電流を引き出される集電材(接続網。例えば、後述する網状集電材5a)の各領域は、集電材(接続網)の形態や電流引出し部の形態、セルそのものの発電性能のムラや各電流取出し部の集電具合のムラ等によって異なってくる。そのため、該各領域を一義的に決定することは難しいが、ある電流引出し部によって電流を引き出される集電材(接続網)の領域を、該集電材(接続網)に分散配置された複数の電流引出し部のうち、当該電流引出し部と隣接しあう電流引出し部間の該集電材(該接続網)を等分する領域とみなすことができる場合もある。例えば、本実施形態の内部集電材4の例では、内部集電材の中間部に設けられた電流引き出し部18aは、当該電流引出し部18aと隣接しあう2つの電流引出し部(18又は18a)夫々との中点に挟まれた内部集電材の領域から電流を引き出すとみなすことができる。
In the present embodiment, as described above, the five
Here, the amount of generated current in each region of the electrode from which each region of the current collector (or connection network) from which current is drawn by each current extraction unit collects current is defined via the current collector (or connection network). This is the amount of generated current for each region of the electrode from which current is drawn by each current drawing portion. In other words, it is the amount of generated current in each of the areas that are handled by the individual current extraction units. At this time, each region of the current collector (connection network; for example, a net-shaped
具体的には、内部集電材4として、直径1mm(断面積約0.78mm2)の銅製柱状体を用いる場合、一般的に銅は1mm2辺り5Aの電流を流すことができることから、当該内部集電材4の電流容量は約3.9Aである。このとき、各中空型セルが発電有効長150mm、外径1mmのチューブ型セル(発電有効面積4.71cm2)であって、発電性能が1cm2あたり0.64Aとすると、中空型セルの発電電流量は約3Aと求められる。すなわち、このセル長が150mmの中空型セルの場合には、内部集電材4に1箇所の電流引出し部を設けた場合でも、セルの発電電流を十分流し得、さらには、2箇所以上の電流引出し部を設けることによって、電流経路の短縮化により効率よく集電できることがわかる。
しかしながら、セル長が4倍の600mmの中空型セルを用いる場合には、中空型セルの発電電流量も4倍の12Aとなるため、最低でも4つの電流引出し部を、各電流引出し部により内部集電材4を介して電流が引き出される電極の各領域における発電電流量が内部集電材4の電流容量を超えないように、すなわち3.9A以下となる位置に配設することで、セルの発電電流を無駄なく電流引出し部により引き出すことができる。このとき、発電電流を確実に無駄なく電流引出し部により引き出すには、5つ以上の電流引出し部を、内部集電材4の両端と、当該両端で挟まれた中間部分をセル長手方向に等分割するような位置に設けることが好ましい。
尚、このとき、各電流引出し部は、各電流引出し部が内部集電材4から取り出す電流を流しえるだけの電流容量を有している。
Specifically, when a copper columnar body having a diameter of 1 mm (cross-sectional area of about 0.78 mm 2 ) is used as the internal
However, when a 600 mm hollow cell having a cell length of 4 times is used, the amount of generated current of the hollow cell is 4 times 12A, so that at least 4 current draw parts are internally connected to each current draw part. By arranging the power generation current in each region of the electrode through which the current is drawn through the
At this time, each current drawing portion has a current capacity sufficient to allow a current drawn by each current drawing portion from the internal
図8の実施形態において、各アノード側電流引出し部18は、図4に示した実施形態の電流引出し部と同様の櫛型構造10を有しており、溝10a1つあたり複数のアノード側集電材4が挿入されて電気的に接続されている。溝10aに挿入されたアノード側集電材4は、各電流引出し部18との電気的接続を保持しながら接着剤等を用いて固定してもよい。このとき、各中空型セル6の中間部において露出した部分のアノード側集電材4と、当該アノード側集電材4の中間部と接続されるアノード側電流引出し部18(18a)との接続部分は、アノードに供給されるべく中空型セルの内面を流通する反応ガスと、カソードに供給されるべく中空型セルの外面を流通する反応ガスが互いにリークしないよう、ガスシールされている。
In the embodiment of FIG. 8, each anode-side
一方、図8に示すモジュールにおいて、中空型セル群7を構成する各中空型セル6は、カソード側集電材(外部集電材)として、網状集電材5aのみを備えており(図3参照)、当該網状集電材5aによって複数の中空型セル6が一体的に編みこまれている。すなわち、複数の中空型セル6が網状集電材5aを共有しており、当該網状集電材5aは各中空型セル6のカソード側集電材が電気的に相互に接続した接続網となっている。
On the other hand, in the module shown in FIG. 8, each
本実施形態において、カソード側集電材の接続網である網状集電材5aとカソード側モジュール接続部9は、図9及び図10に示すような、分散配置された複数のカソード側電流引出し部17、17、・・・を介して接続されており、各電流引出し部17によってカソード側網状集電材5aから引き出された電流は、カソード側モジュール接続部9において集約される。
各カソード側電流引出し部17は、カソード側網状集電材5aによって編み込まれた中空型セル群7の端部に配列している中空型セル6a上に位置するカソード側網状集電材5aの端部であり、複数の中空型セル6に共有されるカソード側集電材として機能する網状集電材5aの複数箇所に分散配置されている。各電流引出し部17は、上述したアノード側集電材である柱状集電材4と比較して、短い間隔で多数配置されている。このとき、各電流引出し部17は、網状集電材5aに集められる各中空型セル6の電流を効率良く取り出すことができるように、カソード側集電材の接続網である網状集電材5aに対する接続位置が分散配置されている。
In the present embodiment, the net-like
Each cathode-side
ここで、網状集電材5aに集められる各中空型セル6の電流を効率良く取り出すことができるように、各電流引出し部17の当該網状集電材5aに対する接続位置は、網状集電材5aの導電路の断面積(網状集電材を構成するワイヤの断面積)や、網状集電材のワイヤの巻き方、網状集電材5aの材料、各中空型セルの発電性能、網状集電材を共有する中空型セルの本数等、様々な要素を考慮することが望ましい。
Here, in order to efficiently take out the current of each
具体的には、アノード側と同様、分散配置された各電流引出し部の接続網に対する接続位置は、該各電流引出し部17によって電流を引き出される該接続網(集電材5)の各領域が電流を集電する電極の各領域における発電電流量と、該接続網の電流容量とを比較したときに、上記発電電流量が該電流容量以下となる位置とすることが好ましい。
例えば、網状集電材5aを構成するワイヤが直径0.5mm(断面積約0.196mm2)の銅線の場合、一般的に銅線は1mm2辺り5Aの電流を流すことができることから、この径0.5mmの銅線の電流容量は0.98Aである。このとき、各中空型セルが発電有効長150mm、外径1mmのチューブ型セル(発電有効面積4.71cm2)であって、発電性能が1cm2あたり0.64Aとすると、各中空型セルの発電電流量は約3Aと求められ、5本の中空型セルの合計発電電流量は15Aとなる。すなわち、上記のような銅線から構成される網状集電材4aが5本の中空型セルによって共有されている場合、銅線の端部である電流引出し部17は、各電流引出し部17により網状集電材5aを介して電流が引き出される電極の各領域における発電電流量が0.98A以下となるように、最低でも16箇所(15A/0.98A≒15.3)に配設されることによって、セルの発電電流を無駄なく電流引出し部により引き出すことができる。
Specifically, as with the anode side, the connection positions of the respective current extraction units arranged in a distributed manner to the connection network are such that each region of the connection network (current collector 5) from which current is extracted by each
For example, when the wire constituting the mesh
以上のように、図9のように複数の中空型セル6が網状のカソード側集電材5a(接続網)を共有する場合、中空型セルの数や各セルの発電性能等にもよるが、網状集電材5aはその導電路の断面積が小さく、上記棒状集電材5aや柱状集電材4と比べて電流容量が小さい。そのため、当該網状集電材5aから効率良く電流を取り出すためには、当該網状集電材5aとモジュール接続部との間に介在する電流引出し部は、上記棒状集電材5aや柱状集電材4上に配置される電流引出し部と比較して、短い間隔で多数配置されることが望ましい。
As described above, when a plurality of
本実施形態において、カソード側電流引出し部17となる網状集電材5aの端部は、網状集電材5aを構成するワイヤ本来の端部を利用する他、複数の中空型セルを編み込む張力を保持できる範囲内で、適宜、網状集電材のワイヤの中間を切断して端部を形成し、電流引出し部としてもよい。
網状集電材の端部である電流引出し部をモジュール接続部に接続する方法は、特に限定されない。例えば、網状集電材のワイヤの端部である電流引出し部を、はんだ付け等によってモジュール接続部に固定、接続する方法や、モジュール接続部に網状集電材のワイヤの端部が挿入可能な孔を設け、当該孔にワイヤの端部を挿入する方法等がある。
In the present embodiment, the end of the mesh
There is no particular limitation on the method of connecting the current extraction portion, which is the end portion of the mesh current collector, to the module connection portion. For example, a method for fixing and connecting the current extraction part, which is the end of the wire of the mesh current collector, to the module connection part by soldering or the like, or a hole in which the end of the wire of the mesh current collector can be inserted into the module connection part And a method of inserting an end portion of the wire into the hole.
以上のように、本実施形態においては、アノード側モジュール接続部とアノード側集電材、カソード側モジュール接続部とカソード側集電材(接続網)をそれぞれ接続する電流引出し部を多数配置することによって、中空型セルに接続する集電材からモジュール接続に至る集電経路を短縮し、集電効率が高められている。また、カソード側集電材として網状集電材5aのみを用い、棒状集電材を用いていない本実施形態の燃料電池は、カソード側集電材として棒状集電材5bと網状集電材5aとを併用した上記実施形態と比較して、集電材による占有容積が棒状集電材の分だけ小さくすることができるという利点を有している。
As described above, in the present embodiment, by arranging a large number of current extraction parts for connecting the anode side module connection part and the anode side current collector, the cathode side module connection part and the cathode side current collector (connection network), respectively, The current collection path from the current collection material connected to the hollow cell to the module connection is shortened, and the current collection efficiency is improved. Further, the fuel cell of the present embodiment using only the net-like
さらに、分散配置された各電流引出し部の接続網に対する接続位置を、該各電流引出し部によって電流を引き出される集電材又は接続網の各領域が電流を集電する電極の各領域における発電電流量と、該集電材又は接続網の電流容量とを比較した時に、該発電電流量が該電流容量以下となる位置にする場合には、セル長が長い中空型セルを用いる場合や、集電する中空型セルに対して電流容量の小さい集電材又は接続網を用いる場合でも、損失なく集電することが可能である。このように発電電流量を考慮して電流引出し部を分散配置させる方法は、セル長が長い中空型セルを用いる場合や、集電する中空型セルに対して電流容量の小さい集電材又は接続網を用いる場合に高い効果を発揮し、好適に適用することができる。この分散配置方法は、本実施形態以外の形態、例えば、図4〜図6に示した実施形態にも適用できる。 Further, the connection position of each of the current extraction units arranged in a distributed manner to the connection network indicates the amount of generated current in each region of the current collecting material from which current is extracted by each current extraction unit or each region of the electrode from which each region of the connection network collects current. And the current capacity of the current collector or connection network, if the generated current amount is less than the current capacity, when using a hollow cell with a long cell length, or collecting current Even when a current collector or a connection network having a small current capacity is used for the hollow cell, current can be collected without loss. In this way, the method of distributing and arranging the current extraction parts in consideration of the amount of generated current is used when a hollow cell having a long cell length is used, or a current collector or connection network having a small current capacity with respect to the hollow cell to be collected. In the case of using, it is highly effective and can be suitably applied. This distributed arrangement method can be applied to forms other than the present embodiment, for example, the embodiments shown in FIGS.
尚、本実施形態において、網状集電材と接続される電流引出し部の分散配置形態は図8〜図10に示すものに限定されず、上述した集電効率の他、モジュールの構造等を考慮して、適宜設計することができる。
また、図8において、中空型セル群7内において、2段目及び3段目に配置された中空型セル6を編み込む網状集電材に電流引出し部を配置する場合には、当該電流引出し部となるワイヤを2段目及び3段目の中空型セル6の位置からモジュール接続部9まで伸ばして当該モジュール接続部9に接続させる。
In addition, in this embodiment, the dispersion | distribution arrangement | positioning form of the current extraction part connected with a mesh-shaped current collection material is not limited to what is shown in FIGS. 8-10, In addition to the current collection efficiency mentioned above, the structure of a module etc. are considered. And can be designed as appropriate.
In FIG. 8, when the current extraction part is arranged in the net-shaped current collector into which the
本実施形態では、アノード側モジュール接続部8及びカソード側モジュール接続部9は、それぞれ、箱状のモジュールの対向する上下面を形成しており、隣接するモジュール間は、一方のモジュールのアノード側モジュール接続部8と、他方のモジュールのカソード側モジュール接続部9とを当接させて、面接触させることによって、直列に接続される。
尚、1つのモジュール内では、アノード側電流引出し部18及びアノード側モジュール接続部8と、カソード側電流引出し部17及びカソード側モジュール接続部9とは、電気的に絶縁されるような構造となっている。
In the present embodiment, the anode-side
In one module, the anode-side
本発明の燃料電池において、各中空型セルの内面側及び外面側に反応ガスを供給する方法等は、特に限定されるものではない。
例えば、図4及び図5においては、中空型セル群7の両端側に各中空型セル6の内面に反応ガス(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12(12a、12b)が設けられている。また、中空型セル群7の各中空型セル6の胴部側には、各中空型セル6の外面側に反応ガス(本実施形態においては、空気)を流通させる該面用ガス流路13が設けられている。これら2つの内面用ガス流路12a、12bと外面用ガス流路13は、中空型セル群7の各中空型セル6の両端と胴部との間で中空型セル6の外面側の空間を仕切っている隔壁(図示せず)によって、ガスシール性が確保されている。
In the fuel cell of the present invention, the method of supplying the reaction gas to the inner surface side and the outer surface side of each hollow cell is not particularly limited.
For example, in FIGS. 4 and 5, the inner surface gas flow paths 12 (12 a, 12 a, 12 b, and 12 b) flow reaction gas (hydrogen gas in the present embodiment) to the inner surfaces of the
内面用ガス流路12a,12bのうち一方は中空型セルの中空内に水素ガスを供給する供給路(上流)、他方は中空型セ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、ガス圧差によりどちらが上流で、どちらが下流かが決まる。中空型セル6は一方の開放端を内面用ガス流路12の供給路に、他方の開放端を内面用ガス流路12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。
また、隣接して直列接続されるモジュール100同士の内面用ガス流路12a、12bは、モジュール100同士が当接する面に設けられた内面用ガス流路接続部15a、15bにおいて、接続されている。
One of the
Further, the inner surface
図4及び図5に示すモジュール100において、外面用ガス流路13は、モジュール100の幅が狭い側面部に開口部13aを有し、当該開口部13aからモジュール100内に反応ガスを供給、排出できるようになっている。また、モジュール100は、隣接するモジュールとの当接面が平板状のモジュール接続部8,9の連通部8c、9cとなっているため、幅が狭い側面部から反応ガスの供給と排出が行われるが、隣接するモジュールとの当接面に各モジュール100の外面用ガス流路用接続部(図示せず)を設け、隣接するモジュールの外面用ガス流路を連通してもよい。
In the
また、本実施形態においては、中空型セル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13は、モジュール100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ってもよい。
Further, in the present embodiment, air is used as the reaction gas supplied to the outer surface of the
図4及び図5に示すモジュール100は、2つの内面用ガス流路12a、12bの外側に、さらに、外部集電材(本実施形態においてはカソード側集電材)5の棒状集電材5bの中空内5cに冷却水を流通させるための冷却水流路14a、14bを有している。冷却水流路14a、14bのうち、一方は、棒状集電材5bの中空内5cに冷却水を供給する供給路(上流)、他方は棒状集電材5bの中空内から冷却水が排出される排出路(下流)である。棒状集電材5bは一方の開放端を冷却水流路14の供給路に、他方の開放端を冷却水流路14の排出路に接続されて、中空内5cに冷却水が流通するようになっている。冷却水は、モジュール内の温度を所定の温度に保つため及び/又は温度が過度に上昇するのを防止するために流通させる。
また、隣接して直列接続されるモジュール100同士の冷却水流路14a、14bは、モジュール100同士が当接する面に設けられた冷却水流路接続部16a、16bにおいて、接続されている。
The
Moreover, the cooling
図8に示すモジューにおいては、外面用ガス流路13は、モジュールの幅が狭い側面部に開口部13aを有し、当該開口部13aからモジュール内に反応ガスを供給、排出できるようになっている。内面用ガス流路については省略した。
In the module shown in FIG. 8, the outer-surface
尚、中空型セル群7は、中空型セル6が、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。中空型セルが等間隔で配置されていないと、中空型セルの外面側電極に供給される反応ガスの流れが均一にならないため、各中空型セ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低下してしまうからである。特に、中空型セ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中空型セ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、少なくとも中空型セ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中空型セル間の間隔が一定となるように、中空型セルを整列させることが好ましい。
また、中空型セ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、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が接続される。
In the
In addition, in the case of a dead-end type in which the hollow cell is opened at only one end, 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. An open end is connected to the road.
1…中空電解質膜(パーフルオロカーボンスルホン酸膜)
2…アノード(内面側電極)
3…カソード(外面側電極)
4…アノード側集電材(内部集電材)
5…カソード側集電材(外部集電材)
6…中空型セル
7…中空型セル群
8…アノード側モジュール接続部
8a、8b…アノード側電流引出し部
8c…連通部
9…カソード側モジュール接続部
9a、9b…カソード側電流引出し部
9c…連通部
10…櫛型構造(10a:溝、10b:歯)
11…櫛型構造(11a:溝、11b:歯)
12(12a、12b)…内面用ガス流路
13…外面用ガス流路
13a…開口部
14(14a、14b)…冷却水流路
15(15a、15b)…内面用ガス流路接続部
16(16a、16b)…冷却水ガス流路接続部
17…カソード側電流引出し部
18…アノード側電流引出し部
100(100a、100b、100c)…モジュール
1 ... Hollow electrolyte membrane (perfluorocarbon sulfonic acid membrane)
2 ... Anode (inner electrode)
3 ... Cathode (outside electrode)
4 ... Anode-side current collector (internal current collector)
5 ... Cathode side current collector (external current collector)
6 ...
11 ... Comb structure (11a: groove, 11b: tooth)
12 (12a, 12b) ... Gas channel for
Claims (11)
前記各モジュールは、各中空型セルのアノード側集電材に接続するか又は各中空型セルのアノード側集電材が相互に接続した接続網に接続して電流を集約するアノード側モジュール接続部と、各中空型セルのカソード側集電材に接続するか又は各中空型セルのカソード側集電材が相互に接続した接続網に接続して電流を集約するカソード側モジュール接続部を備えており、
隣接しあうモジュール間は、一方のモジュールのアノード側モジュール接続部と他方のモジュールのカソード側モジュール接続部とが接続して直列接続されており、
少なくとも一つの前記モジュールにおいて、各中空型セルのアノード側及びカソード側のうち少なくとも一方の集電材又はそれらを相互に接続した接続網とモジュール接続部は、該集電材又は接続網に対する接続位置が分散配置された2つ以上の電流引出し部を介して接続されていることを特徴とする、燃料電池。 A hollow cell having a hollow electrolyte membrane, a pair of electrodes provided on an inner surface and an outer surface of the hollow electrolyte membrane, and a current collector connected to each of the pair of electrodes, and at least one end of which is open A fuel cell in which two or more modules connected in parallel are connected in series,
Each module is connected to the anode side current collector of each hollow cell or connected to a connection network in which the anode side current collector of each hollow cell is connected to each other, and an anode side module connection part for collecting currents; A cathode-side module connecting part that collects current by connecting to a cathode-side current collector of each hollow cell or a connection network in which cathode-side current collectors of each hollow cell are connected to each other is provided.
Between adjacent modules, the anode side module connection part of one module and the cathode side module connection part of the other module are connected and connected in series.
In at least one of the modules, at least one of the current collectors on the anode side and the cathode side of each hollow cell, or the connection network connecting them and the module connection part are dispersed in connection positions with respect to the current collector or connection network. A fuel cell, characterized in that the fuel cell is connected through two or more arranged current drawing parts.
2つの連通部の接触面は、当該連通部に集約された電流が当該連通部と接続する隣接するモジュールの前記連通部へと流れる方向に対して直角である、請求項4に記載の燃料電池。 The modules that are adjacent and connected in series are in surface contact with the communication part of the anode side module connection part of one module and the communication part of the cathode side module connection part of the other module. Connected in series,
5. The fuel cell according to claim 4, wherein the contact surfaces of the two communication portions are perpendicular to a direction in which the current concentrated in the communication portions flows to the communication portions of adjacent modules connected to the communication portions. .
前記各中空型セルの各棒状集電材上に、2つ以上の前記電流引出し部が分散配置されている、請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料電池。 Among the anode-side current collector and the cathode-side current collector, a current collector connected to an electrode provided on the outer surface of the hollow electrolyte membrane is a rod-shaped current collector disposed in parallel with the hollow cell, and the plurality of the current collectors A hollow cell and a net-like current collector that weaves a rod-shaped current collector provided in the plurality of hollow cells,
The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein two or more current extraction portions are dispersedly arranged on each rod-shaped current collector of each hollow cell.
Priority Applications (1)
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JP2005252000A JP2007066723A (en) | 2005-08-31 | 2005-08-31 | Fuel cell |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010267618A (en) * | 2009-05-13 | 2010-11-25 | Robert Bosch Gmbh | Electrochemical cell for obtaining electric energy |
-
2005
- 2005-08-31 JP JP2005252000A patent/JP2007066723A/en active Pending
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JP2010267618A (en) * | 2009-05-13 | 2010-11-25 | Robert Bosch Gmbh | Electrochemical cell for obtaining electric energy |
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