(57)【要約】【課題】本発明は、集電効率に優れ、小型化や出力密度の向上を図ることができるチューブ型燃料電池用膜電極複合体を提供することを主目的とするものである。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明は、内部集電体と、前記内部集電体の外周面に形成された内側触媒電極層と、前記内側触媒電極層の外周面に形成された固体電解質膜と、前記固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、前記内部集電体は、複数の前記内部集電体を交点で接触するように交差させた内部集電体構造をとることを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部集電体と、前記内部集電体の外周面に形成された内側触媒電極層と、前記内側触媒電極層の外周面に形成された固体電解質膜と、前記固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、
前記内部集電体は、複数の前記内部集電体を交点で接触するように交差させた内部集電体構造をとることを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体。
【請求項２】
前記内部集電体構造は、前記内部集電体が交点で絡み合って形成された金網状の構造であることを特徴とする請求項１に記載のチューブ型燃料電池用膜電極複合体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のチューブ型燃料電池用膜電極複合体を用いたことを特徴とするチューブ型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電効率に優れ、小型化や出力密度の向上を図ることが可能なチューブ型燃料電池用膜電極複合体およびそれを用いたチューブ型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の平板構造の固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に平板型燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合されている膜電極複合体を有し、この膜電極複合体の両側にはガス拡散層が配されている。さらに、その外側にはガス通路を備えたセパレータが配されており、ガス拡散層を介して膜電極複合体の触媒電極層へと供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを通流させるとともに、発電により得られた電流を外部に伝える働きをしている。
【０００３】
平板型燃料電池の小型化、および単位体積当たりの出力密度の向上を図るためには、平板型燃料電池を構成する固体電解質膜等の厚みを薄くする必要があるが、各構成部材の厚みをある一定以下の値にすることは、機能面や強度面の観点から好ましくなく、このような厚みの薄い平板型燃料電池の設計は限界に近づきつつある。そこで近年、平板型燃料電池に替わり、チューブ型燃料電池が開発されている。
【０００４】
チューブ型燃料電池の最小発電単位である単位セル（以下、単にチューブ型燃料電池セルと称する場合がある。）は、例えば、中空状の固体電解質膜と、上記固体電解質膜の内側に配設される内側触媒電極層と、上記固体電解質膜の外側に配設される外側触媒電極層とを備える中空状の膜電極複合体を有し、さらに、上記内側触媒電極層の内側に内部集電体が配設され、上記外側触媒電極層の外側に外部集電体が配設される。
【０００５】
このようなチューブ型燃料電池セルにおいては、上記中空状の膜電極複合体の内部に、酸素含有ガスおよび水素含有ガスの内の一方の反応ガスを供給し、上記中空状の膜電極複合体の外部に他方の反応ガスを供給することにより、電気化学反応を起こし電気エネルギーを得る。複数のチューブ型燃料電池セルを配設してチューブ型燃料電池を作製した場合に、各々の膜電極複合体の外部に供給する反応ガスを同一のものとすることで、従来の平板型燃料電池が有していたセパレータが不要となり、効果的に燃料電池の小型化を図ることができる。
【０００６】
例えば、特許文献１には、同軸上に内側から順に、内部集電体、内側触媒電極層、固体電解質膜、外側触媒電極層、および外部集電体が設けられたチューブ型燃料電池が開示されている。このチューブ型燃料電池は、上記内部集電体の外周面および上記外部集電体の内周面に、ガス流路を有するものである。このようなチューブ型燃料電池はその径を細く形成することにより、一定の空間に対し密に配置することができるため、単位体積当たりの出力密度を従来のものよりも大幅に増加することができる。
【０００７】
このようなチューブ形状の膜電極複合体を用いた燃料電池は、通常複数の膜電極複合体を並列に並べることにより構成されており、膜電極複合体内で発電反応により発生した電流は、内部集電体をチューブ形状の軸方向に流れて、チューブ形状の両端から外部へと取り出される。一般に、内部集電体内を流れる電流の経路が長ければ長いほど、電流にかかる抵抗が高くなるため、集電効率が悪化してしまう。したがって、上述したような並列に並べられた膜電極複合体においては、膜電極複合体の軸方向の中央部分で発生した電流の流れる経路は長くなるため、集電効率が悪化してしまうといった問題があった。
【０００８】
また、上記チューブ型燃料電池の出力を向上させるために、上記膜電極複合体の本数を増やした場合、これらは並列に並べられているため、膜電極複合体間の間隙が狭くなってしまう。そのため、ガス流路が確保できなくなり、発電効率が低下してしまうといった問題が生じた。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１２４２７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、集電効率に優れ、小型化や出力密度の向上を図ることができるチューブ型燃料電池用膜電極複合体を提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、内部集電体と、上記内部集電体の外周面に形成された内側触媒電極層と、上記内側触媒電極層の外周面に形成された固体電解質膜と、上記固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体（以下、単に膜電極複合体と称する場合がある。）であって、上記内部集電体は、複数の上記内部集電体を交点で接触するように交差させた内部集電体構造をとることを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体を提供する。
【００１２】
本発明によれば、上記内部集電体が、複数の上記内部集電体を交点で接触するように交差させた内部集電体構造をとることにより、内部集電体が並列に並べられた場合と比較して、ユニット当たりの端部の数、すなわち内部集電体から電流が取り出される部分（以下、電流取り出し部と称する場合がある。）を多くすることができる。したがって、内部集電体からより多くの電流を効率よく取り出すことが可能となる。また本発明によれば、交点で接触するように交差させた内部集電体構造をとることから、電流の発生した部位から電流の取り出し部までの経路が短縮され、内部集電体内において電流にかかる抵抗を低く抑えることができ、集電効率を向上させることができる。さらに本発明によれば、一定の空間に占める膜電極複合体の相対的な割合を増加させることができることから、発電面積を増大させることができ、単位体積当たりの出力密度の向上等を図れるという利点を有する。さらにまた、本発明によれば、膜電極複合体内の一部でフラッディングが発生した場合であっても、反応ガスをフラッディングが発生した部分を避けて別の経路へと流すことができるため、反応ガスの通流の滞りや滞留がないものとすることができる。したがって、発電性能の低下やチューブ内部の圧力上昇による膜電極複合体構造の破壊を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明においては、上記内部集電体構造が、上記内部集電体が交点で絡み合って形成された金網状の構造であることが好ましい。これにより、交点の位置が固定され、各内部集電体がばらけにくくなり、上記内部集電体構造の強度を向上させることができるからである。
【００１４】
本発明は、上記チューブ型燃料電池用膜電極複合体を用いたことを特徴とする燃料電池を提供する。本発明によれば、上記膜電極複合体を用いることにより、集電効率が高く、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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、膜電極複合体内で発生した電流の集電効率を向上させることができ、単位体積当たりの出力密度の向上等を図ることが可能となる。また、膜電極複合体内の一部でフラッディングが生じた場合であっても、発電性能の低下やチューブ内部の圧力上昇による構造破壊を防ぐことができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、チューブ型燃料電池用膜電極複合体およびそれを用いた燃料電池に関するものである。以下、これらについて説明する。
【００１７】
Ａ．チューブ型燃料電池用膜電極複合体
本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体は、内部集電体と、上記内部集電体の外周面に形成された内側触媒電極層と、上記内側触媒電極層の外周面に形成された固体電解質膜と、上記固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層とを有するチューブ型燃料電池用膜電極複合体であって、上記内部集電体は、複数の上記内部集電体を交点で接触するように交差させた内部集電体構造をとることを特徴とするものである。
以下、このような本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体について詳細に説明する。
【００１８】
ａ．内部集電体
まず、本発明に用いられる内部集電体について説明する。図１は、本発明に用いられる内部集電体により構成された内部集電体構造の一例を示すものである。図１に示すように、本発明における内部集電体１は、複数の上記内部集電体１を交点で接触するように絡み合って交差させた内部集電体構造２をとる。このように本発明における内部集電体は、複数の上記内部集電体を交点で接触するように交差させた内部集電体構造をとることを特徴とするものである。
【００１９】
このような本発明における内部集電体構造としては、例えば図１および図２に示すように、内部集電体１が二方向に並列に配列し、それらが交差するように配置された構造であることが好ましい。なお、本発明における内部集電体構造においては、通常内部集電体が二方向に並列に配列されたものが用いられるが、本発明はこれに限定されるものではなく、三方向以上に並列に配列された内部集電体が交差するように配置された構造であってもよい。
【００２０】
このような内部集電体構造において、内部集電体が交差する角度としては、鋭角側が、３０°〜９０°の範囲内であることが好ましい。これにより、交差した内部集電体間に適度な隙間を形成することができ、後述する外側触媒電極層に供給する空気が通流しやすくなるからである。
【００２１】
上記内部集電体構造における内部集電体の交点の構造としては、接触するように交差して形成された構造であれば特に限定されるものではなく、例えば図１に示すように内部集電体が絡み合って形成された構造、すなわち金網状を形成する交点の構造であってもよく、また図２に示すように、内部集電体が重なり合って形成された構造であってもよい。本発明において上記交点の構造は、上述した中でも、金網状を形成する交点の構造とすることが好ましい。これにより、交点の位置が固定され、強度の向上した内部集電体構造とすることができるからである。
【００２２】
また、上記内部集電体構造における内部集電体は、後述するように反応ガスが軸方向に通流するようにガス流路が形成されているものであるが、上記内部集電体の交点は、内部集電体同士のガス流路が連通するように交差しているものとする。これにより、膜電極複合体内でフラッディングが生じた場合であっても、反応ガスがフラッディング部分を迂回して通流することが可能となる。
【００２３】
本発明において、一つの交点を形成する内部集電体の本数としては、２本以上であれば特に限定されるものではないが、通常２本とされる。上記交点を形成する内部集電体の本数が多すぎると、交点の厚みが増し、単位体積当たりの発電面積が低下してしまうからである。
【００２４】
また本発明において上記内部集電体は、交点で接触するように交差させた内部集電体構造をとることから、上記内部集電体に囲われた隙間が形成される。このような隙間の面積としては特に限定されるものではないが、通常、一つの隙間の面積が、１ｍｍ２〜５ｍｍ２の範囲内程度であることが好ましい。上記隙間の面積が上記範囲よりも大きい場合、単位体積当たりの出力密度の向上といった効果が得られにくくなるからである。また、上記隙間の面積が上記範囲よりも小さい場合、外側触媒電極層に供給する空気が通流しにくくなるからである。
【００２５】
本発明においては、上記内部集電体構造の外周縁の形状が矩形状であることが好ましい。通常、内部集電体からの外部への電流の取り出しは、電流取り出し部に接続される金属製の部材等により行われるが、上記内部集電体構造の外周縁の形状が矩形状であることにより、電流取り出し部に接続する部材を、例えば図３に示すような矩形状の枠体１０を用いて、簡便にかつ効率的に電流を取り出すことが可能となるからである。
【００２６】
また、上記内部集電体としては、チューブ型燃料電池用膜電極複合体の軸方向に反応ガスを通流させることができ、さらに、内側触媒電極層に対して反応ガスを接触させることができるものであれば特に限定されるものではない。このような内部集電体としては、ガス流路が形成された内部集電体を用いることができ、例えば図４（ａ）に示すような表面にガス流路の溝を有する円柱状の集電体、また図４（ｂ）に示すような複数の導電線をより線状に編んだ集電体等を挙げることができる。
【００２７】
上記内部集電体は、例えば図４（ｂ）に示すように中空状であっても良い。内部集電体の材料の低減、内部集電体の軽量化を図ることができるからである。さらに、内部集電体の材料が高価である場合は、例えば図４（ｂ）に示す空洞部１１に安価な材料を用いることで、材料コストの削減を図ることができる。また、例えば図４（ｂ）に示す空洞部１１が気密性の高い空間である場合、空洞部１１に熱媒体または冷媒を流すことで、本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体の加熱または冷却を行うこともできる。
【００２８】
上記内部集電体の断面形状としては、特に限定されるものではなく、矩形、多角形、円形、楕円形などを例示することができるが、通常円形とされる。なお、これらの断面形状は、上述したような上記内部集電体の外周面に形成された溝により発生する断面の欠損は考慮せずに判断するものとする。
【００２９】
上記内部集電体の断面形状が円形である場合、その直径としては特に限定されるものではないが、具体的には、０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲内程度とされる。
【００３０】
上記内部集電体の材料としては、導電性、耐腐食性が高い材料であることが好ましい。このような材料としては、特に限定されるものではないが、具体的には、チタン、ステンレス鋼、白金、金、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ、またはＴｉＣ、ＴｉＳｉ２、ＴｉＢ２等のチタン系合金等の金属等、またはカーボン、導電性セラミックス、導電性樹脂等を挙げることができる。
【００３１】
ｂ．チューブ型燃料電池用膜電極複合体
本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体は、上述したように内部集電体、内側触媒電極層、固体電解質膜および外側触媒電極層を有し、上記内部集電体は、交点で接触するように交差させた内部集電体構造をとるものである。このようなチューブ型燃料電池用膜電極複合体としては、例えば図５に示すような構造を有するものとすることができる。すなわち、本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体は、交点部分で内部集電体同士が互いに接触し、内部集電体同士が接触していない内部集電体上（内部集電体の外周面）に、内側触媒電極層、固体電解質膜および外側触媒電極層が形成された構造を有している。また上述したように、内部集電体構造の交点においては、一つの内部集電体のガス流路が他の内部集電体のガス流路と連通するように交差している。
【００３２】
このようなチューブ型燃料電池用膜電極複合体の断面の一例を図６に示す。図６に示すように、チューブ型燃料電池用膜電極複合体２０は、内部集電体１と、上記内部集電体１の外周面に形成された内側触媒電極層３と、上記内側触媒電極層３の外周面に形成された固体電解質膜４と、上記固体電解質膜４の外周面に形成された外側触媒電極層５とを有している。
【００３３】
本発明において、上記内側触媒電極層、上記外側触媒電極層、および上記固体電解質膜は、特に限定されるものではなく、一般的なチューブ型燃料電池に用いられる部材と同様の部材を用いることができる。
【００３４】
また、本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体においては、通常、外側触媒電極層の外側に外部集電体が設置される。このような外部集電体としては、チューブ形状の膜電極複合体の径方向にガスを通流させることができるものであれば、その形状等は特に限定されるものではない。例えば、外側触媒電極層の外周面に沿った形状や、外側触媒電極層上を覆うように形成される板状のものを挙げることができる。外側触媒電極層の外周面に沿った形状の外部集電体として具体的には、バネ形状、網目形状、螺旋形状等を挙げることができる。また、板状の外部集電体として具体的には、膜電極複合体の面方向の凹凸形状に沿った凹凸形状（波板形状）等を挙げることができる。
【００３５】
また、上記外部集電体は、部分的に孔が形成されたものであっても良い。上記外部集電体の材料としては、導電性が高い材料であることが好ましい。このような材料としては、特に限定されるものではないが、具体的には、チタン、ステンレス鋼、白金、金、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ、またはＴｉＣ、ＴｉＳｉ２、ＴｉＢ２等のチタン系合金等の金属等、またはカーボン、導電性セラミックス、導電性樹脂等を挙げることができる。
【００３６】
ｃ．チューブ型燃料電池用膜電極複合体の製造方法
本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体の製造方法としては、特に限定されるものではなく、例えば上記内部集電体により形成された内部集電体構造に、内側触媒電極層、固体電解質膜および外側触媒電極層の各部材を構成する材料を含んだ各塗工液を順次塗布し、乾燥させる方法等とすることができる。上記各塗工液の塗布方法としては、特に限定されるものではなく、一般的な塗布方法を用いることができるが、例えば上記塗工液中に浸漬させて塗布する方法とすることができる。これにより、簡便に満遍なく塗布することが可能となるからである。上記乾燥方法としては、上記各塗工液に含まれる溶媒等を除去することが可能な乾燥方法であれば特に限定されるものではなく、一般的な乾燥方法を用いることができる。
【００３７】
また、上記内部集電体として、例えば図４に示すようなガス流路を有する集電体を用いる場合、内側触媒電極層を塗布する前に、所定の方法を用いることにより除去することが可能な除去可能部を上記ガス流路に形成し、上記内側触媒電極層形成後に上記除去可能部を除去することにより、上記内部集電体の有するガス流路を保持することができる。なお、上記除去可能部の除去は、内側触媒電極層を形成した後であればよく、いつ行われてもよい。
【００３８】
上記除去可能部としては、上述した内部集電体に形成されたガス流路に除去可能物質を充填することにより形成される。上記除去可能物質としては、例えば上記ガス流路に水や酸性溶液等の液体を通流させることにより除去される液体除去物質、上記ガス流路を加熱することにより除去される熱除去物質、上記ガス流路に空気や窒素等のガスを噴射することにより除去されるガス除去物質、光を照射することにより除去される光除去物質等を挙げることができる。
【００３９】
上記除去可能部の除去方法は、ガス流路に充填された除去可能物質により適宜選択されて行われる。
【００４０】
Ｂ．チューブ型燃料電池
本発明のチューブ型燃料電池は、上述したようなチューブ型燃料電池用膜電極複合体を用いたことを特徴とするものである。本発明のチューブ型燃料電池は、最小発電単位である単位セルに上述したチューブ型燃料電池用膜電極複合体を用いたものであるため、上述したチューブ型燃料電池用膜電極複合体の利点、すなわち集電効率が高く、単位体積当たりの出力密度が高いという利点をそのまま有する燃料電池とすることができる。本発明のチューブ型燃料電池に用いられるチューブ型燃料電池用膜電極複合体は、上記「Ａ．チューブ型燃料電池用膜電極複合体」に記載されたものと同様であるので、ここでの説明は省略する。
【００４１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明における内部集電体構造の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明における内部集電体構造の他の例を示す斜視図である。
【図３】本発明の内部集電体からの電流の取り出しを説明するための説明図である。
【図４】本発明における内部集電体の一例を示す斜視図である。
【図５】本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体の一例を示す斜視図である。
【図６】本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体の断面の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…内部集電体
２…内部集電体構造
３…内側触媒電極層
４…固体電解質膜
５…外側触媒電極層
２０…チューブ型燃料電池用膜電極複合体
【図１】
2007207719.tif 000003
【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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