(57)【要約】【課題】中空糸状高分子電解質膜の内外両面に設けた各電極相互の絶縁を確実なものとする。【解決手段】中空糸膜１の内面に空気極となる電極触媒３を、同外面に水素極となる電極触媒５をそれぞれ設ける。電極触媒３に接続する導電体９を中空糸膜１の一方の端部に、電極触媒５に接続する導電体７を中空糸膜１の他方の端部にそれぞれ配置する。【選択図】      図１
2004319113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空糸状高分子電解質膜の内外両面のうち一方に燃料極を、他方に酸化剤極をそれぞれ設けた中空糸膜型燃料電池において、前記中空糸状高分子電解質膜の一方の端部に設けた導電体を、前記燃料極と酸化剤極とのいずれか一方の電極に接続し、前記中空糸状高分子電解質膜の他方の端部に設けた導電体を、前記燃料極と酸化剤極とのいずれか他方の電極に接続したことを特徴とする中空糸膜型燃料電池。
【請求項２】
一つの中空糸状高分子電解質膜を備えた電池単体を、複数用いて組電池化する際に、互いに並列配置した状態の隣り合う電池単体同士で、中空糸状高分子電解質膜内面の電極に接続した前記導電体と、中空糸状高分子電解質膜外面の電極に接続した前記導電体とが、中空糸状高分子電解質膜の同一方向の端部に位置するよう設定したことを特徴とする請求項１記載の中空糸膜型燃料電池。
【請求項３】
前記中空糸状高分子電解質膜の端部に、前記導電体に電気的に接続するメッシュ状の導電体を、前記中空糸状高分子電解質膜の中空内部を覆うように設けたことを特徴とする請求項１または２記載の中空糸膜型燃料電池。
【請求項４】
前記互いに並列配置した隣り合う電体単体相互間で、前記内面の電極に接続した導電体と、前記外面の電極に接続した導電体とを、導電体シートで互いに接続したことを特徴とする請求項２記載の中空糸膜型燃料電池。
【請求項５】
複数の中空糸状高分子電解質膜それぞれと、前記導電体シートとを、導電性の中空糸固定冶具により固定したことを特徴とする請求項４記載の中空糸膜型燃料電池。
【請求項６】
前記導電体シートの前記中空糸固定冶具を設けた側と反対側に、絶縁体シートを設け、この絶縁体シートが中空糸状高分子電解質膜に対して内周側となる状態で渦巻状に巻き付けて中空糸膜モジュールを構成したことを特徴とする請求項５記載の中空糸膜型燃料電池。
【請求項７】
前記中空糸状高分子電解質膜の両端に設けた絶縁体シート相互間に、中空糸状高分子電解質膜を固定するメッシュ状の絶縁体を設けたことを特徴とする請求項６記載の中空糸膜型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、中空糸状高分子電解質膜の内外両面のうち一方に燃料極を、他方に酸化剤極をそれぞれ設けた中空糸膜型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の中空糸膜型燃料電池は、例えば特許文献１に記載されているように、中空糸状高分子電解質膜の内外両面のうち一方に燃料極を、他方に酸化剤極をそれぞれ設け、これら各電極を、中空糸状高分子電解質膜の一方の端部に引き出している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２２３５０７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の技術では、両電極が互いに近接し、電極間の絶縁の確保が難しいものとなっている。
【０００５】
そこで、この発明は、中空糸状高分子電解質膜の内外両面に設けた各電極相互の絶縁を確実なものとすることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、中空糸状高分子電解質膜の内外両面のうち一方に燃料極を、他方に酸化剤極をそれぞれ設けた中空糸膜型燃料電池において、前記中空糸状高分子電解質膜の一方の端部に設けた導電体を、前記燃料極と酸化剤極とのいずれか一方の電極に接続し、前記中空糸状高分子電解質膜の他方の端部に設けた導電体を、前記燃料極と酸化剤極とのいずれか他方の電極に接続した構成としてある。
【０００７】
【発明の効果】
この発明によれば、中空糸状高分子電解質膜の内外両面に設けた燃料極および酸化剤極にそれぞれ接続する各導電体が、中空糸状高分子電解質膜の互いに逆の端部に位置することになるので、各電極相互間の絶縁を確実なものとすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【０００９】
図１は、この発明の一実施形態による中空糸膜型燃料電池の側面断面図、図２は、同平面断面図である。
【００１０】
中空糸状高分子電解質膜としての中空糸膜１は、パーフルオロスルホン酸系の高分子電解質膜であり、その内外両面に電極触媒３，５をそれぞれ塗布している。ここでは、内面の電極触媒３を酸化剤極としての空気極、外面の電極触媒５を燃料極としての水素極としているが、空気極を外面に、水素極を内面にそれぞれ設けてもよい。
【００１１】
各電極触媒３，５は、中空糸膜１の図１中で上下両端手前まで塗布し、この上下両端には、導電体７，９をそれぞれ設ける。
【００１２】
図１中で上部の導電体７は、外側の電極触媒５に電気的に接続するもので、電極触媒５に接続して中空糸膜１の外周面に位置する円筒部７ａと、中空糸膜１の端面に位置する環状の円盤部７ｂとを有する。一方、図１中で下部の導電体９は、内側の電極触媒３に電気的に接続するもので、電極触媒３に接続して中空糸膜１の内周面に位置する円筒部９ａと、中空糸膜１の端面に位置する環状の円盤部９ｂとを有する。
【００１３】
このように、導電体７，９を中空糸膜１の互いに逆の端部に設けてあるので、両導電体７，９が接触してショートすることなく、集電することができ、各電極触媒３，５相互間の絶縁を確実なものとすることができる。また、この導電体７，９は、円盤部７ｂ，９ｂによって中空糸膜１の端面を覆っているため、中空糸膜１の内外の各電極触媒３，５からの集電が容易になる。
【００１４】
以下、図３〜図８は、図１，図２に示した一つの中空糸膜１を備える電池単体１１を複数用い、これら複数の電池単体１１相互を結合して組電池化する方法を順次示している。
【００１５】
まず図３において、互いに隣り合う電池単体１１相互を、導電体７，９の位置が、中空糸膜１の互いの逆の端部となるよう配置する。すなわち、図３中で右側の電池単体１１は、図１に示した電池単体１１と同様に、図中で上部に導電体７が、同下部に導電体９がそれぞれ位置するよう配置する。一方、図３中で左側の電体単体１１は、図中で上部に導電体９が、同下部に導電体７がそれぞれ位置するよう配置する。
【００１６】
各導電体７，９の円盤部７ｂ，９ｂ上には、各導電体７，９に電気的に接続するメッシュ状の導電体１３，１５を、中空糸膜１の中空内部を覆うようにそれぞれ設ける。また、互いに隣接する電池単体１１相互間で、導電体７およびメッシュ状の導電体１３と、導電体９およびメッシュ状の導電体１５とを、導電体シート１７によって接続する。これにより、中空糸膜１の内側の電極触媒３と、隣の中空糸膜１の外側の電極触媒５とを直列に連結することになる。
【００１７】
メッシュ状の導電体１３，１５は、例えばステンレスメッシュなどでよい。このメッシュ状の導電体１３，１５は、電流を通すとともに空気も通すので、空気の流れを阻害することなく、中空糸膜１の内外から容易に集電が可能となる。また、導電体シート１７は、金属箔などの薄型導電体がよい。薄型導電体とすることで、後述する複数の電池単体１１を渦巻き状に形成する際の作業性が向上する。
【００１８】
また、上記した導電体シート１７は、中空糸膜１の端部側から見た平面図である図４および、側面断面図である図５に示すように、絶縁体シート２１に固定されており、絶縁体シート２１は、中空糸膜１の両端部にて電池単体１１の配列方向に沿って延長して設けてある。
【００１９】
そして、この導電体シート１７に固定してある絶縁体シート２１に、メッシュ状の導電体１３，１５を端部に備えた中空糸膜１を、導電体からなる中空糸固定治具１９によって固定する。
【００２０】
上記した中空糸固定治具１９によって、中空糸膜１の内外からの電流が導電体シート１７に導かれるとともに、中空糸膜１を固定し、それぞれの中空糸膜１相互が接触、ショートすることを防ぐ。絶縁体シート２１は、導電体シート１７を固定するため、また導電体シート１７同士の接触を防ぐものである。
【００２１】
前記した中空糸固定治具１９によって、中空糸膜１およびメッシュ状の導電体１３，１５を、導電体シート１７および絶縁体シート２１に固定した後、これらを図５に示すように、メッシュ状の絶縁体２３に固定する。メッシュ状の絶縁体２３は、図５中で上下両端を、絶縁体シート２１の側縁に固定するが、この固定には、例えば樹脂製の接着剤を使用する。
【００２２】
メッシュ状の絶縁体２３は、例えば耐熱性の樹脂製であり、中空糸膜１同士の接触を避けるとともに、メッシュ構造であるため水素ガスの流れを阻害することがない。
【００２３】
図６は、図５のように複数の電池単体１１にメッシュ状の絶縁体２３を付加したものを、渦巻き状に巻き付けて中空糸膜モジュール２５を形成したものである。この際、中空糸膜１を備えた単位電池１１が、絶縁体シート２１およびメッシュ状の絶縁体２３に対して外側になるように巻き付けることで、渦巻き状とした各層相互間の単位電池１１同士の接触を回避できる。
【００２４】
また、上記した中空糸膜モジュール２５を形成する際には、最外周部に単位電池１１が露出しないように、絶縁体シート２１およびメッシュ状の絶縁体２３に単位電池１１を設けない部位を設定し、この部位を少なくとも１周分巻き付けるようにする。
【００２５】
図７は、上記図６のようにして巻き付けて構成した中空糸膜モジュール２５を、円筒状のケース２７の中に収容した状態を示す。ここで、ケース２７は、その両端２７ａが絶縁体シート２１に対して離間した位置にあり、このケース両端２７ａと絶縁体シート２１との間の中空糸膜モジュール２５の外周に、ポッディング（樹脂乗せ加工）による樹脂材２９を設けてこれら相互を固定し、かつケース端部２７ａと絶縁体シート２１との間を密閉する。
【００２６】
上記した樹脂材２９は、中空糸膜モジュール２５を固定するとともに、中空糸膜モジュール２５の外部を経て中空糸膜１の外部に流入する水素と、中空糸膜１の内部に流入する空気とのそれぞれの流路を分離する機能を有する。
【００２７】
ここで、中空糸膜１における電極触媒３，５は、前記図１に示したように、中空糸膜１の両端部の手前にまでしか塗布していないが、このような構成とすることで、ポッディングによる樹脂材２９の水素と酸素との気密性を保ち、また発電時の発熱から樹脂材２９を守ることができる。
【００２８】
また、上記したケース２７の樹脂材２９近傍には、円周方向に沿って複数のガス連通孔２７ｂ，２７ｃをそれぞれ設けてある。
【００２９】
そして、図８に示すように、この連通孔２７ｃおよび樹脂材２９を同時に覆うように円筒状の内側外管３１を設けるとともに、連通孔２７ｂおよび樹脂材２９を同時に覆うように円筒状の内側外管３３を設ける。さらに、一方の内側外管３１には水素導入管３５を、他方の内側外管３３には水素排出管３７をそれぞれ接続する。
【００３０】
水素導入管３５から導入した水素は、連通孔２７ｃから中空糸膜モジュール２５における中空糸膜１の外部に流入する。このとき、渦巻き状に形成してある中空糸膜モジュール２５は、渦巻き状の各層間を、メッシュ状の絶縁体２３で隔てているので、各層における単位電池１１への水素の供給は確実になされる。中空糸膜１での発電に消費された水素は、連通孔２７ｂからケース２７の外部へ流出し、水素排出管３７から排出される。
【００３１】
内側外管３１，３３のそれぞれの軸方向外側には、中空糸膜モジュール２５の端部における絶縁体シート２１を覆う外側外管３９，４１を設けてある。この外側外管３９，４１と内側外管３１，３３との間は密閉してある。そして、一方の外側外管４１の端面中央部には、空気導入管４３を連通接続するとともに、他方の外側外管３９の端面中央部には、空気排出管４５を連通接続する。
【００３２】
すなわち、空気導入管４３から導入する空気は、外側外管４１内に流入後、外側外管４１内に露出している中空糸膜モジュール２５における各単位電池１１の端部の導電体メッシュ１３，１５を経て中空糸膜１内に流入する。中空糸膜１内を通過して発電に消費された後の空気は、外側外管３９内に流出後、空気排出管４５を経て外部へ排出される。
【００３３】
以上のように、本実施形態の中空糸膜型燃料電池によれば、中空糸膜１内面の電極触媒３から中空糸膜１の端部へ導く導電体９と、中空糸膜１外面の電極触媒５から中空糸膜１の端部へ導く導電体７とが、中空糸膜１の互いの逆の端部に位置するよう設定したので、電極触媒３，５同士が接触してショートすることなく、集電することができ、各電極相互間の絶縁を確実なものとすることができる。
【００３４】
また、この場合、燃料電池の高分子電解質膜として中空糸膜１を使用しているので、セパレータなどの部材が不要となり、小型で高性能な燃料電池を製作することができる。
【００３５】
その他、本実施形態によれば、以下のような効果を有する。
【００３６】
（１）一つの中空糸膜１を備える電池単体１１を複数用い、これら複数の電池単体１１相互を結合して組電池化する際に、互いに並列配置した状態の隣り合う電池単体１１同士で、中空糸膜１内面の電極触媒３に接続した導電体９と、中空糸膜１外面の電極触媒５に接続した導電体７とが、中空糸膜１の同一方向の端部に位置するよう設定したので、複数の電池単体１１相互を、容易に直列接続可能となって、高電圧を得ることができる。
【００３７】
（２）中空糸膜１の端面にメッシュ状の導電体１３，１５を設けたので、中空糸膜１内に導入する空気の流れを阻害することなく、中空糸膜１で発生した電流を中空糸膜１の外部に取り出すことができる。
【００３８】
（３）中空糸膜１内からの電流を隣の中空糸膜１の外部へ、また中空糸膜１の外部からの電流を隣の中空糸膜１の内部へ導く導電体シート１７を設けたので、中空糸膜１相互間で、容易に電極を直列に連結することができる。
【００３９】
（４）導電体シート１７に中空糸膜１を固定する導電性の中空糸固定冶具１９を設けたので、導電体シート１７と中空糸膜１とを容易に固定することができるとともに、導電体シート１７と中空糸膜１とが確実に接触し、接触不良による不通電を防ぐことができる。
【００４０】
（５）渦巻き状の中空糸膜モジュール２５を形成する際に、電池単体１１同士の接触を避けるための絶縁体シート２１およびメッシュ状の絶縁体２３を設けたため、電池単体１１同士の接触によるショートを防ぎ、さらにメッシュ構造の絶縁体２３を使用しているので、水素ガスの流れを阻害することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態による中空糸膜型燃料電池の側面断面図である。
【図２】図１の中空糸膜型燃料電池の平面断面図である。
【図３】図１，図２に示した電池単体を複数直列に接続した状態を示す側面断面図である。
【図４】図１，図２に示した複数の電池単体を、中空糸固定治具によって絶縁体シートに固定した状態を示す平面図である。
【図５】図４に示す絶縁体シートにメッシュ状の絶縁体を固定した状態を示す側面断面図である。
【図６】中空糸膜を備えた電池単体がメッシュ状の絶縁体に対して外側になるように巻き付けて構成した中空糸膜モジュールの斜視図である。
【図７】図６の中空糸膜モジュールを、円筒状のケース内に収容した状態を示す斜視図である。
【図８】図７の構成に対し、水素および空気の導入、排出を行うための部材を付加した斜視図である。
【符号の説明】
１  中空糸膜（中空糸膜高分子電解質膜）
３  電極触媒（酸化剤極）
５  電極触媒（燃料極）
７，９  導電体
１３，１５  メッシュ状の導電体
１７  導電体シート
１９  中空糸固定治具
２１  絶縁体シート
２３  メッシュ状の絶縁体
【図１】
2004319113.tif 000003
【図２】
2004319113.tif 000004
【図３】
2004319113.tif 000005
【図４】
2004319113.tif 000006
【図５】
2004319113.tif 000007
【図６】
2004319113.tif 000008
【図７】
2004319113.tif 000009
【図８】
2004319113.tif 000010