(57)【要約】      （修正有）【課題】ほぼＵ字形の中空糸型電解質セルの両端部を一体的にポッティングし、該ポッティング層表面に集電層を設けることにより構成した燃料電池モジュールにおいて、モジュール片側からの配線が可能で、1モジュール当り最大の電流を取り出すことを可能とした燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】中空糸型電解質セル２をほぼＵ字形に形成し、その両端部を一体的にポッティングし、該ポッティング層２１表面に集電層２２を設けることにより構成した燃料電池モジュールにおいて、セルの一方端部の外側多孔質電極層１５が接触した集電層と、他方端部の内側多孔質電極層１１が接触した集電層とを、絶縁性仕切り板２４で絶縁して構成した燃料電池モジュール。内側および外側多孔質電極層が接触した集電層はそれぞれ導電性ペースト層で形成され、あるいは目皿状の導電性集電用プレートで形成されていることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側多孔質電極層、内側触媒層、電解質層、外側触媒層および外側多孔質電極層の中空状積層体よりなる中空糸型電解質セルをほぼＵ字形に形成し、その両端部を一体的にポッティングし、該ポッティング層表面に集電層を設けることにより構成した燃料電池モジュールにおいて、セルの一方端部の内側多孔質電極層が接触した集電層と、他方端部の外側多孔質電極層が接触した集電層とを、絶縁性仕切り板で絶縁して構成した燃料電池モジュール。
【請求項２】
各集電層のブロックにそれぞれ電極端子部を設けた請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
内側および外側多孔質電極層が接触した集電層を、それぞれ導電性ペースト層で形成させた請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
内側および外側多孔質電極層が接触した集電層を、目皿状の導電性集電用プレートで形成させた請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
導電性集電用プレートの貫通孔とそこに貫通させた中空糸型電解質セルの内側および外側多孔質電極層との間の間隙が導電性ペーストで充填された請求項４記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
内側多孔質電極層が珪素化チタンTiSiを主成分として形成される導電性セラミックス層からなる請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
中空糸型電解質セル群が用いられ、中空糸型電解質セルの内側多孔質電極と隣り合う中空糸型電解質セルの外側多孔質電極とが集電層によって直列つなぎされ、両端のブロックには電極端子部が設けられた請求項１、４または５記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
複数の中空糸型電解質セル群を並列に配置し、各中空糸型電解質セルの一方端部群側と他方端部群側との間に絶縁性仕切り板を設け、該仕切り板によって仕切られた各集電層に電極端子部が設けられた請求項１、４、５または７記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールに関する。さらに詳しくは、ほぼＵ字形に形成した中空糸型電解質セルの両端部を一体的にポッティングした燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数本の中空糸型電解質セルを用いた構造の燃料電池モジュールは、電解質層、その内側電極層および外側電極層などからなる構造を有している。内側電極層の内部および外側電極層の外部には、それぞれ燃料となる流体が流れている。電解質層は、イオン導電体であるばかりではなく、各燃料流体のクロスリークが最小量となるように設計されている。また、内側および外側の各電極層は、電極として働くだけではなく、これら燃料となる流体および発電の結果生成した水等の生成物が透過・拡散できるように、多孔質層として形成されている。
【０００３】
そして、基本的には、中空糸型電解質セルの外部側を流れる流体と内部側を流れる流体とを分離するためのシール機構として、図１１に示されるように、燃料電池モジュールの両端部にポッティング部を設けることなどが行われている。この図１１に縦断面図として示された従来例の基本構成においては、筒状ケース１内に収容された中空糸型電解質セル２の両端部にポッティング層３，３′が設けられており、燃料Aはケース壁に穿設された貫通口４から導入されて貫通口５から排気され、また燃料Bは中空糸型電解質セルの入口６から導入されて出口7から排気される。
【０００４】
中空糸膜は、導電性セラミックス等の無機系多孔質中空糸膜群モジュールとしても用いられており、かかるモジュールはほぼＵ字形としてガス分離装置等にも用いられている。
【特許文献１】特開２００１−２１２４２２号公報
【特許文献２】特開２００３−１４４８６１号公報
【特許文献３】特開２００４−１５８３３５号公報
【０００５】
かかるほぼＵ字形のモジュールは、燃料電池のモジュールとしても用いられており、図１の中空糸型電解質セルの中心線縦断面図に示されるように、それの基本的な構成は、内側から順に内側多孔質電極層１１、内側触媒層１２、電解質層１３、外側触媒層１４および外側多孔質電極層１５の中空状積層体よりなる。これらの各層の長さは、内側多孔質電極層１１が最も長く、外側の層は順次同じ長さかあるいは短く設定される。
【０００６】
ほぼＵ字形の中空糸型電解質セルよりなる燃料電池単体をモジュール化することで、それの本数に比例して電流を多く取り出すことができる。最大の電流値を得るためには、モジュール化する際に中空糸型電解質セルである燃料電池単体は並列に、すべて同じ向きに配置され、こうした状態に固定するために、ポッティング層がほぼＵ字形の中空糸型電解質セル両端に一体的に設けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、ほぼＵ字形の中空糸型電解質セルの両端部を一体的にポッティングし、該ポッティング層表面に集電層を設けることにより構成した燃料電池モジュールにおいて、モジュール片側からの配線が可能で、1モジュール当り最大の電流を取り出すことを可能とした燃料電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる本発明の目的は、内側多孔質電極層、内側触媒層、電解質層、外側触媒層および外側多孔質電極層の中空状積層体よりなる中空糸型電解質セルをほぼＵ字形に形成し、その両端部を一体的にポッティングし、該ポッティング層表面に集電層を設けることにより構成した燃料電池モジュールにおいて、セルの一方端部の外側多孔質電極層が接触した集電層と、他方端部の内側多孔質電極層が接触した集電層とを、絶縁性仕切り板で絶縁して構成した燃料電池モジュールによって達成され、内側および外側多孔質電極層が接触した集電層はそれぞれ導電性ペースト層で形成され、あるいは目皿状の導電性集電用プレートで形成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池モジュールにおいては、モジュール片側からの配線が可能で、1モジュール当り最大の電流を取り出すことが可能である。このとき、モジュール片側からの配線が可能となることで、燃料電池システムとしての省スペースを実現し、配線の簡素化を実現することができる。また、ほぼＵ字形の中空糸型電解質セルの固定化が片側のみであるため、線膨張係数の違いによる熱応力の影響を受け難く、各部材の選定や温度領域の拡大につなげることができる。さらに、このようなモジュールを複数個並べて直列に配線することで、電圧を上げることができる。
【００１０】
内側および外側多孔質電極層が接触した集電層は、導電性ペースト層として形成させることもできるが、これを目皿状の集電用プレートで形成させた場合には、複数の中空糸型電解質セルから集電された電流が抵抗値の小さい導電性集電用プレートに主に流れるので、発電効率の向上が図られ、かつ電流負荷による発熱の影響を大幅に軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の燃料電池モジュール作製に用いられる中空糸型電解質セルの中心線縦断面図であり、また図２は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施態様を示す中心線縦断面図である。中空糸型電解質セル２はほぼＵ字形に形成されて、その両端部をポッティング層２１で一体的にポッティングされており、Ｕ字形に形成された中空糸型電解質セル２は、前述の如くセル中心部の内側から順に内側多孔質電極層１１、内側触媒層１２、電解質層１３、外側触媒層１４および外側多孔質電極層１５から構成されている。
【００１２】
ここで、中空糸型電解質セルを形成する各部分の内、内側多孔質電極層は例えば珪素化チタンTiSi2粉末を高分子物質の有機溶媒溶液中に高充填した製膜原液から複合膜を製膜し、得られた複合膜を約1300〜1800℃で焼成し、その際少くとも400℃以上の加熱温度範囲では真空または不活性雰囲気環境下で焼成を行って得られた、珪素化チタンTiSiを主成分として形成される導電性多孔質セラミックス等から形成され、外側多孔質電極層はカーボン等から形成される。内側および外側触媒層は、例えば白金を担持させたカーボン等から形成される。また、電解質層は、例えば固体高分子形電解質またはそれを多孔質体に充填したもの、あるいは電解質成分を無機支持体に担持させた有機無機電解質または無機電解質等から形成され、これらの中空糸型電解質セルを複数本収容するケースとしては例えばポリスルホン樹脂製のものが用いられる。
【特許文献４】特開２００６−１５１７３７号公報
【００１３】
ポッティング層２１表面には、集電層２２、２３が設けられ、これらの集電層は絶縁性仕切り板２４によって互いに絶縁されている。これらの集電層２２、２３と中空糸型電解質セル２とは、セルの一方端部の内側多孔質電極層１１が集電層２２と、また他方端部の外側多孔質電極層１５が集電層２３とそれぞれ接触するように構成されており、ただし外側多孔質電極層１５は上記一方端部側において、ポッティング層２１によって集電層２２と絶縁されており、各集電層のブロックにはそれぞれ電極端子部としてのバスバー２５、２７が設けられている。
【００１４】
このようにして形成される燃料電池モジュールの作製は、例えば有底筒状、箱状等のケース１内にＵ字形中空糸型電解質セル２の複数本を同じ向きに治具を用いて配置し、まず電極取出し側においてケースに設けられた貫通孔からパラフィンを流し込み、セル群を仮固定する。このとき、治具には絶縁性仕切り板２４を配置しておく。このパラフィン上に、パラフィンと同様にして絶縁性ポッティング剤２１を流し込み、固定する。これにより、絶縁性仕切り板２４も同時に固定される。治具を除去した後、仮固定していたパラフィンを融解除去し、ケース開放端側から集電層２２および２３を形成する導電性ペーストを流し込む。このとき、これらの集電層の取出配線となるバスバー２５および２７をポッティング層２１上に配置し、同時に固定する。
【００１５】
また、内側および外側多孔質電極層が接触した集電層(以下、内側および外側集電層と略称)を形成させる導電性ペーストとしては、例えば市販の銀ペースト等が用いられ、あるいはこれに代えて半田等を用いてもよい。また、その厚さは導電性ペーストの導電性の程度によって決められる。ポッティング層は、例えば絶縁性のエポキシ樹脂、ウレタン系接着剤、無機接着剤等のポッティング剤から形成され、絶縁層や絶縁体部は例えばエポキシ樹脂、ウレタン系接着剤等の樹脂系のものやガラス等の無機系のものから形成される。
【００１６】
このように、内側および外側集電層は導電性ペーストで形成せしめることもできるが、導電性ペーストや導電性接着剤は、ペーストや接着剤の形成に高分子材料を用いているため、導電性物質である銅、銀等の金属単体またはカーボンプレートなどよりも、抵抗値が1〜2桁高くなるという問題がみられる。
【００１７】
このため、導電性ペーストで形成させた集電層の抵抗は、導電性物質単体よりも抵抗値が高くなり、抵抗値が高いと取り出せる電力が少なくなるばかりではなく、発熱の原因ともなる。すなわち、定電流回路としてみると、取り出せる電流の電圧が低下することとなる。また、中空糸型電解質セルの充填本数および表面積を増すと、集電層には大電流が流れることになり、発熱量の増大に伴う中空糸型電解質セルや周辺部材への熱的負荷が増大することになる。このため、安定した燃料電池モジュールの運転に対し、冷却機構などの装備を十分に行う必要が出てくる場合もみられる。
【００１８】
こうした課題は、内側および外側集電層を導電性ペーストで形成せしめる代りに、目皿状の導電性集電用プレートを用いることによって、その問題点の軽減を図ることができる。
【００１９】
集電用プレートは、銅、銀等の金属単体やその合金あるいはカーボンなどの導電性物質で構成され、必要に応じこれにメッキなどの表面処理を行ったものであってもよい。この集電用プレートは、中空糸型電解質セルを通す貫通孔を有し、目皿状となっている。図３〜４には、内側または外側集電用として用いられるプレート３１、３３の斜視図が示されており、その貫通孔３２、３４の内径は内側または外側多孔質電極層１１、１５の外径よりやや大きく設定されている。集電用プレートの厚さは、例えば50Aの電流を流すとした場合、約0.5〜2mm程度であり、これ以上の大電流タイプのモジュールでは、電流が最も集中する電極端子をプレート上に数ヶ所設け、過大な電流の集中を分散させることができる。
【００２０】
中空糸型電解質セルと各集電用プレートとは、集電用プレートとその貫通孔に貫通させた中空糸型電解質セルの内側および外側多孔質電極層１１、１５との間の間隙４３、４４に充填または塗布された導電性ペーストまたは導電性接着剤によって、電気的接続が施される。発電時には、これら電気的接続部の導電性ペーストなどにも電流が流れることになるが、この場合の電流負荷は中空糸型電解質セル1本分の電流であるので、発熱等の影響はあまり問題とはならない。このように、間隙４３、４４において電気的接続がなされる程度の導電性材料の充填または塗布で所望の目的は達成されるものの、下記固定用アームを設けていない場合などには、集電用プレートの確実な固定のためにも導電性ペースト層２２′、２３′をプレートの上部に設けることが好ましく、ただし固定上などに問題がなければ上部についてはプレートが露出状態であってもよい。
【００２１】
各集電用プレートには、電力を外部に取り出すための集電用電極端子３５、３６(前記バスバーに相当)が集電用プレート３１、３３と一体となるように設けられる。この際、各集電用プレートには、これを筒状ケース１に固定するための手段、例えば図３〜４に示される集電用プレートにあっては、導電性集電用プレートの筒状ケースへの固定を確実とし、またモジュール組立作業を容易とさせるビス止め固定用アーム３９、振動等による集電層の脱離などの固定上の問題を容易に改善させるという効果を奏する、アンカー効果用切欠部４０を有するポッティング部埋込用アーム４１などを付設することもできる。さらに、図５に示される如く、パラフィン透過用のスリット４２を穿設し、パラフィンの回り込みを容易にすることもできる。
【００２２】
図６は、内側および外側集電用プレート３１、３３を用いて構成した燃料電池モジュールの一実施態様の縦断面図であり、他の符号は符号２２′、２３′を導電性ペースト層とした以外、図２のそれと同じである。
【００２３】
このような構成の燃料電池モジュールは、図７の(a)〜(d)の各工程を経て作製される。まず、中空糸型電解質セル２および内側および外側集電用プレート３１、３３を、筒状ケースに設けられた貫通孔、例えば燃料導入用貫通孔４から流し込んだパラフィン３０を用いて固定する(a)。次いで、絶縁性ポッティング剤を筒状ケースの所定位置に設けられた貫通孔、例えば上記貫通孔４から注入して硬化させ、絶縁性ポッティング層２１を形成させる。その後、仮固定用のパラフィン３０をケース開放端から融解除去、溶剤溶解除去等の手段で除去し(c)、導電性ペーストを筒状ケースの開放端側から流し込み、導電性ペースト層で目皿貫通孔と中空糸型電解質セルの相当する外周部分との間隙４３、４４を埋めると共に、必要に応じて導電性ペースト層２２′２３′を形成させ、モジュールを完成させる(d)。
【００２４】
中空糸型電解質セルよりなる燃料電池単体は、それを複数本並列にモジュール化することで、セル本数に比例して電流を多く取り出すことができる。最大の電流値を得るためには、モジュール化する際に燃料電池単体をすべて同じ向きに配置する。このため、ポッティング層２１が燃料電池単体２の両端部に一体的に設けられ、燃料電池単体を固定させる。
【００２５】
ポッティング層２１は、電解質層１３の内側を流れる燃料とその外側を流れる燃料(流体導入口４、流体排出口５による)とを分離する役割も担っている。このとき、集電および燃料となる流体を中空糸型電解質セル内に導入するために、中空糸型電解質セルの各先端部分２a、２bはポッティング層21よりも外側に突出させておくようにする(図２参照)。
【００２６】
この図２に示されるように、集電層２２、２３は、ポッティング層21の上に配置される。このとき、一方の集電層２２はセルの一方端部の内側多孔質電極層１１と接触させ、他方の集電層２３はセルの他方端部の外側多孔質電極層１５と接触させるように、中空糸型電解質セルの各末端の長さが調整される。
【００２７】
このようなモジュールにおいて、一方の燃料はほぼＵ字形の中空糸型電解質セル２の一端側から導入され、他端側に排出される。このため、導入燃料ガスと排出燃料ガスとが混合しないように、セルの両端面側空間をそれぞれ仕切る仕切り板２４が配置される。この仕切り板２４は、集電層２２、２３の絶縁板としての役割を果たし、＋電極と−電極とを分離する。
【００２８】
かかる構成のモジュールは、並列つなぎによる電流値の増大を図ることができるが(図９〜１０参照)、図８に示される如くこれをさらに直列つなぎし、これにより電圧値を増大させることができ、燃料電池の高出力化が図られる。この場合、隣り合う中空糸型電解質セル２、２′、…の内側多孔質電極層１１と外側多孔質電極１５とが集電層２６によって接続され、両側のブロックには電極端子のバスバー２５、２７が設けられる。
【００２９】
また、図９に示されるように、複数の中空糸型電解質セル群２、２′、…は、各中空糸型電解質セルの一方端部２９群と他方端部２８側との間に絶縁性仕切り板２４を設け、この仕切り板によって仕切られた各集電層に電極端子部２５、２７を設けることにより、一般に並列に配置されるが、図１０に示すようにセル群を斜めに配置し、仕切り板２４の両側にセル両端部がずれた位置に配置することもできる。この場合には、デッドスペースが小さくなり、その面積を有効に利用することができ、特にＵ字部の曲率が大きいときに有効である。
【００３０】
さらに、内側および外側多孔質電極層が接続した集電層を設けた場合には、図９〜１０に示される態様において、符号２２は導電性ペースト層であって、その下部に内側集電用プレートが一体化されており、また符号２３は導電性ペースト層であって、その下部に外側集電用プレートが一体化されており、符号２５は内側集電用プレートの端子、２７は外側集電用プレートの端子であり、その他の符号は図２と同じである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールで用いられるＵ字形中空糸型電解質セルの中心線縦断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池モジュールの一実施態様の中心線縦断面図である。
【図３】集電用プレートの一実施態様の斜視図である。
【図４】集電用プレートの他の実施態様の斜視図である。
【図５】集電用プレートのさらに他の実施態様の斜視図である。
【図６】外側および内側集電用プレートを用いた燃料電池モジュールの一実施態様の縦断面図である。
【図７】外側および内側集電用プレートを用いた燃料電池モジュールの作製順序を示す縦断面図である。
【図８】本発明の燃料電池モジュールを直列つなぎした一実施態様を示すその中心線縦断面図である。
【図９】本発明の燃料電池モジュールを並列つなぎした一実施態様を示すその平面図である。
【図１０】本発明の燃料電池モジュールを並列つなぎした他の実施態様を示すその平面図である。
【図１１】従来例の燃料電池モジュールの縦断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１        筒状ケース
２        中空糸型電解質セル
２a，２b  中空糸型電解質セル先端部分
３，３′  ポッティング部
４        燃料A導入口
５        燃料A排気口
６        燃料B導入口
７        燃料B排気口
11        内側多孔質電極層
12        内側触媒層
13        電解質層
14        外側触媒層
15        外側多孔質電極層
21        ポッティング層
22        集電層
22′      導電性ペースト層
23        集電層
23′      導電性ペースト層
24        絶縁性仕切り板
25        集電層バスバー
26        集電層
27        集電層用バスバー
28        中空糸型電解質セルの他方端部
29        中空糸型電解質セルの一方端部
30        仮止め用パラフィン
31        内側集電用プレート
33        外側集電用プレート
35，36    集電用電極端子
43，44    間隙充填導電性ペースト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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