(57)【要約】【課題】構成が簡単で、燃料ガスを高効率で利用することが可能なチューブ型燃料電池を提供する。【解決手段】外周面側にアノード電極を有するチューブ型燃料電池セルを備えたチューブ型燃料電池スタックと、チューブ型燃料電池スタックを収容する耐圧容器と、を備え、耐圧容器内に高圧の燃料ガスが供給され、燃料ガスを、チューブ型燃料電池セルでの化学反応によって消費されるまで耐圧容器内に留めることが可能であることを特徴とする、チューブ型燃料電池とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面側にアノード電極を有するチューブ型燃料電池セルを備えたチューブ型燃料電池スタックと、前記チューブ型燃料電池スタックを収容する耐圧容器と、を備え、
前記耐圧容器内に高圧の燃料ガスが供給され、
前記燃料ガスを、前記チューブ型燃料電池セルでの電気化学反応によって消費されるまで前記耐圧容器内に留めることが可能であることを特徴とする、チューブ型燃料電池。
【請求項２】
前記耐圧容器内に攪拌機が備えられ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。
【請求項３】
前記耐圧容器内の前記燃料ガスの圧力を一定に保つ手段が備えられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の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、構成が簡単で、燃料ガスを高効率で利用することが可能なチューブ型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ」という。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両面側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
単位体積当たりの発電量を向上させること等を目的として、近年、単セルが柱状の燃料電池（以下、「チューブ型燃料電池」という。）に関する研究が進められている。チューブ型燃料電池の単セル（以下、「チューブ型燃料電池セル」ということがある。）は、一般に、中空形状の電解質膜と当該電解質膜の内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される中空形状の触媒層とを備える中空形状のＭＥＡ、を備えている。そして、例えば、当該ＭＥＡの内周面側に水素含有ガスを、外周面側に酸素含有ガスをそれぞれ供給することにより電気化学反応を起こし、この電気化学反応により発生した電気エネルギーを、当該ＭＥＡの内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。すなわち、チューブ型燃料電池では、各チューブ型燃料電池セルに備えられる中空形状のＭＥＡの内周面側に一方の反応ガス（例えば、水素含有ガス）を、外周面側に他方の反応ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給することにより電気エネルギーを取り出すので、隣り合う２つのチューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される反応ガスを同一とすることができる。したがって、チューブ型燃料電池によれば、従来の平板型燃料電池ではガス遮蔽性能をも併せ持っていたセパレータが不要となるため、単位体積当たりの発電量を向上させることが容易になる。
【０００４】
このようなチューブ型燃料電池に関する技術が、これまでにいくつか開示されている。例えば、特許文献１には、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、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、燃料極と酸化剤極とのいずれか一方の電極に接続し、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、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に関する技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、複数本の中空糸型電解質セルを筒状ケース内にモジュールとして収容した燃料電池モジュールにおいて、その一端側に内部集電層および外部集電層を設け、正および負の両電極をモジュールの一方の側に取り出すように構成した燃料電池モジュールに関する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３１９１１３号公報
【特許文献２】特開２００７−１９４２０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池の運転中には、上述した電気化学反応に伴って水が生成される。この水が電極表面などに留まると、電極への反応ガスの供給が阻害され、燃料電池の性能低下を招く。そのため、燃料電池では、燃料電池に供給される反応ガスに流れを持たせることによって、燃料電池の運転中に生成された水を反応ガスと共に電極表面から除去している。上記特許文献１及び２に開示されているような従来のチューブ型燃料電池では、アノード電極に供給された燃料ガスのうち未反応の燃料ガスをそのまま排出して捨てる、又は未反応の燃料ガスを一旦排出させてから循環させることで、燃料ガスに流れを持たせていた。しかし、未反応の燃料ガスを捨てるとすると、燃料ガスの利用効率が悪くなる。また、未反応の燃料ガスを循環させるとすると、循環させるためにポンプなどを含むシステムが別途必要となる。すなわち、部品点数が増えて構成が複雑になるうえ、ポンプなどを動かすためのエネルギーが必要になる。
【０００７】
そこで本発明は、構成が簡単で、燃料ガスを高効率で利用することが可能なチューブ型燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、外周面側にアノード電極を有するチューブ型燃料電池セルを備えたチューブ型燃料電池スタックと、チューブ型燃料電池スタックを収容する耐圧容器と、を備え、耐圧容器内に高圧の燃料ガスが供給され、燃料ガスを、チューブ型燃料電池セルでの電気化学反応によって消費されるまで耐圧容器内に留めることが可能であることを特徴とする、チューブ型燃料電池である。
【０００９】
本発明において、「外周面側にアノード電極を有するチューブ型燃料電池セル」とは、中空形状をしており、内周面側にカソード電極を有し、外周面側にアノード電極を有するチューブ型燃料電池セルであって、アノード電極側に供給される燃料として気体を用いるものであれば特に限定されず、公知のチューブ型燃料電池セルで良い。また、「チューブ型燃料電池セルを備えたチューブ型燃料電池スタック」とは、チューブ型燃料電池セルが電気的に複数連結されて一体化されたものであって、具体的には、例えば、チューブ型燃料電池セルを複数束ねて構成されたチューブ型燃料電池モジュールを複数積層したものなどである。さらに、本発明において、「チューブ型燃料電池スタックを収容する耐圧容器」とは、上記チューブ型燃料電池スタックを収容できる容器であって、０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度の圧力に耐え得る耐圧性を有することが好ましい。かかる形態とすることによって、高圧の燃料ガスを耐圧容器内に留めておくことができる。ここで「高圧の燃料ガス」とは、チューブ型燃料電池スタックに備えられたチューブ型燃料電池セルのカソード電極側に空気を供給した場合、その空気中に含まれる窒素がアノード電極側に浸透してくるのを抑制できる程度の高圧の燃料ガスを意味する。ここでいう高圧とは、具体的には、０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度が好ましく、０．５ＭＰａ程度がより好ましい。「燃料ガスを、チューブ型燃料電池セルでの電気化学反応によって消費されるまで耐圧容器内に留めることが可能である」とは、耐圧容器内に供給された燃料ガスを、排出又は漏洩させずに、チューブ型燃料電池セルでの電気化学反応によって消費されるまで耐圧容器内に留めておくことが可能であることを意味する。かかる方法で燃料電池を運転する際、チューブ型燃料電池セルでの電気化学反応が進むにつれて耐圧容器内の水素が減少するため、その減少分を耐圧容器内に供給し続けながら運転する。
【００１０】
また、上記本発明のチューブ型燃料電池において、耐圧容器内に攪拌機が備えられることが好ましい。
【００１１】
ここに、「耐圧容器内」とは、耐圧容器の内側に形成される空間内を意味する。すなわち、チューブ型燃料電池スタックが収容されている空間を意味する。さらに、「攪拌機」とは、耐圧容器内で燃料ガスを攪拌させることができるものを意味する。攪拌機の具体例としては、例えば、ブロアファンなどを挙げることができる。
【００１２】
また、上記本発明のチューブ型燃料電池において、耐圧容器内の燃料ガスの圧力を一定に保つ手段が備えられていることが好ましい。
【００１３】
ここに、「耐圧容器内の燃料ガスの圧力を一定に保つ手段」とは、耐圧容器内の燃料ガスの圧力を一定に保てる手段であれば特に限定されない。具体的には、例えば、燃料ガスを耐圧容器内に供給する供給口の手前に備えられる調圧弁などを挙げることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のチューブ型燃料電池によれば、チューブ型燃料電池セルの外周面側に供給される燃料ガスを、チューブ型燃料電池セルでの電気化学反応によって消費されるまで耐圧容器内に留め、燃料電池の運転中には、電気化学反応によって消費された分の燃料ガスを追加していく形態にすることによって、燃料ガスを無駄なく利用することができる。
【００１５】
また、耐圧容器内の水素を攪拌機によって攪拌することで、耐圧容器内に供給された燃料ガスを耐圧容器から排出させなくても耐圧容器内で燃料ガスの流れを作ることができる。すなわち、未反応の燃料ガスを排出してそのまま捨てることなく、また、一旦排出して循環させためのシステムを備えることなく、簡単な構成で、流れのある燃料ガスをアノード電極に供給することができる。流れのある燃料ガスをアノード電極に供給することによって、アノード電極に水分などが付着することを抑制でき、燃料ガスをアノード電極の全面に供給することができる。また、耐圧容器内の水素が攪拌されることで、耐圧容器内の水素濃度の均一性の向上が可能であるという効果も得られる。したがって、本発明のチューブ型燃料電池によれば、構成が簡単で、燃料ガスを高効率で利用することが可能なチューブ型燃料電池を提供することができる。
【００１６】
また、耐圧容器内の燃料ガスの圧力を一定に保つ手段を備えることによって、耐圧容器内で電気化学反応によって消費された分の燃料ガスを耐圧容器内に供給することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明のチューブ型燃料電池について、具体的に説明する。図１は、本発明にかかるチューブ型燃料電池１０の断面を概略的に示す図である。図中の矢印は、燃料ガスの流れの向きを示している。また、図が煩雑になるのを防ぐため、一部符号を省略している。
【００１８】
図１に示すように、チューブ型燃料電池１０は、チューブ型燃料電池スタック１、チューブ型燃料電池スタック１を収容し、燃料供給口６を有する耐圧容器４、及び攪拌機５を備えている。チューブ型燃料電池スタック１は、直径が約１ｍｍで、長さが約１５０ｍｍのチューブ型燃料電池セル２を１００本内蔵したチューブ型燃料電池モジュール３が４００個積層されているものとする。
【００１９】
チューブ型燃料電池スタック１に備えられるチューブ型燃料電池セル２は、外周面側にアノード電極を有し、該アノード電極に供給される燃料として気体を用いるものであれば、特に限定されず、公知のもので良い。以下の説明においてチューブ型燃料電池セル２は、中空形状の電解質膜、当該電解質膜の内周面側に形成されるカソード電極、及び当該電解質膜の外周面側に形成されるアノード電極を備える、チューブ型のＰＥＦＣとする。カソード電極の内周面に拡散層及び撥水層が備えられない場合には、内側集電体の外周面と、カソード電極の内周面とが接触する形態で、内側集電体が配設され、カソード電極の内周面に拡散層又は撥水層（拡散層及び撥水層が備えられる場合には拡散層、拡散層のみが備えられる場合には拡散層、撥水層のみが備えられる場合には撥水層を、それぞれ意味する。以下同じ。）が備えられる場合には、当該拡散層又は撥水層と内側集電体の外周面とが接触する形態で、内側集電体が配設される。また、アノード電極の外周面に拡散層及び撥水層が備えられない場合には、アノード電極と接触する形態で外側集電体が配設され、アノード電極の外周面に拡散層又は撥水層が備えられる場合には、当該拡散層又は撥水層と接触する形態で外側集電体が配設される。
【００２０】
耐圧容器４は、チューブ型燃料電池スタック１を収容でき、燃料供給口６から耐圧容器４内へと供給された水素を、外側に漏洩させない程度の耐圧性を有する容器である。耐圧容器４の耐圧性としては、０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度の圧力に耐え得ることが好ましい。耐圧容器４の耐圧性が低すぎれば、後述する高圧の水素を内側に留めておくことができず、高くしすぎれば、余分なコストをかけていることになる。また、耐圧容器４は、耐圧容器４内に供給される水素と反応しないことや、耐熱性など、チューブ型燃料電池１０の運転中の環境に耐え得る性能を有する。さらに、耐圧容器４内に溜まった水などの不純物を排出するという観点からは、不純物を排出できる機構が備えられることが好ましい。該機構は、耐圧容器４の底部に備えられ、耐圧容器４の内側と外側に弁を有する形態であることが好ましい。かかる形態とすることによって、耐圧容器４内に溜まった不純物を排出する際、内側の弁を開けて外側の弁を閉じた状態から、内側の弁を閉じてから外側の弁を開くことによって、耐圧容器４内の水素の漏洩を抑えつつ、不純物を排出させることができる。耐圧容器４は、これらの条件を備えるものであれば特に限定されず、金属製でも樹脂製でも良い。
【００２１】
チューブ型燃料電池１０では、耐圧容器４に設けられた燃料供給口６から耐圧容器４内に水素が供給される。耐圧容器４内に供給された水素は、攪拌機５によって耐圧容器４内で攪拌され、図１に示すように、チューブ型燃料電池スタック１を通過する。攪拌機５は、例えば小型のブロアファンなどであって、耐圧容器４内で水素の攪拌を行うことができ、チューブ型燃料電池１０の運転時の環境に耐え得るものであれば、特に限定されない。
【００２２】
攪拌機５によって攪拌され、チューブ型燃料電池スタック１を通過する水素は、チューブ型燃料電池セル２、２、…のアノード電極へと達し、アノード電極へと達した水素は、アノード電極に分散された触媒の作用下で、プロトンと電子に分離する。アノード電極で生じたプロトンは、アノード電極、電解質膜、及び、カソード電極に含有されるプロトン伝導性ポリマーによって伝導され、カソード電極へと達する。これに対し、アノード電極で生じた電子は電解質膜を通過することができない。そのため、電子は、アノード電極の内周面側に配設された内側集電体、及びカソードの外周面側に配設された外側集電体を含む外部回路を経て、カソード電極へと達する。
一方、カソード電極（チューブ型燃料電池セル２の内周面側）には、図示していない配管から空気などの酸素含有ガス（以下、「空気」という。）が供給される。上述した過程を経てカソード電極へと達したプロトン及び電子は、カソード電極に分散された触媒の作用下で、カソード電極へ供給される空気に含有される酸素と反応する。その結果、水が生成される。チューブ型燃料電池セル２、２、…では、この電気化学反応によって電気エネルギーと共に水が生成される。
【００２３】
このように、チューブ型燃料電池１０の運転中は、耐圧容器４内に供給された水素は、チューブ型燃料電池セル２、２、…での電気化学反応によって消費され、耐圧容器４内の水素は減少する。したがって、耐圧容器４内に新たに水素が供給されなければ、耐圧容器４内の圧力は低下していく。チューブ型燃料電池１０では、燃料供給口６の手前（耐圧容器４から見て外側）に調圧弁７を備えることによって、耐圧容器４内の圧力を一定に保ち、電気化学反応によって減少した分の水素を耐圧容器４内へと供給し続けることが容易である。
【００２４】
上述したように、チューブ型燃料電池セル２には、外周面側のアノード電極に水素が供給され、内周面側のカソード電極には空気が供給される。空気には酸素の他に、上記電気化学反応によって消費されないガス（例えば、窒素。以下「窒素」という。）が含有されており、この窒素がアノード電極側へ透過してくると、耐圧容器４内の水素分圧が低下し、アノード電極での化学反応を効率良く行うことができなくなる。そのため、チューブ型燃料電池１０では、燃料供給口６から耐圧容器４内に供給される水素を高圧の状態で供給し、アノード電極側からカソード電極側へと圧力をかけることで、窒素の透過を抑制している。燃料供給口６から耐圧容器４内に供給される水素の圧力は、具体的には、０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度が好ましく、０．５ＭＰａ程度がより好ましい。供給される水素の圧力が低すぎれば窒素の透過を抑制する効果を得にくく、供給される水素の圧力が高すぎれば耐圧容器４の耐圧性を向上させる必要があり、コスト及び質量が大きくなる。
【００２５】
チューブ型燃料電池１０では、耐圧容器４内に供給された水素を、上述したチューブ型燃料電池セル２での電気化学反応によって消費されるまで耐圧容器４内に留めることが可能である。すなわち、未反応の水素を耐圧容器４の外に排出させずにチューブ型燃料電池１０を運転することが可能である。したがって、チューブ型燃料電池１０では、水素を高効率で利用することが可能である。
【００２６】
また、チューブ型燃料電池１０では、攪拌機５によって耐圧容器４内の水素を攪拌することで、チューブ型燃料電池セル２のアノード電極に、流れを持った水素を供給することができる。流れを持った水素がアノード電極に供給される過程について、以下により具体的に説明する。
【００２７】
外周面側にアノード電極を有するチューブ型燃料電池セル２は、アノード電極が剥き出しの状態（耐圧容器４の水素に直接、若しくは、拡散層又は撥水層を介して触れられる状態）になっている。また、チューブ型燃料電池セル２の形状がチューブ型であることによって、複数のチューブ型燃料電池セル２を備えたチューブ型燃料電池スタック１では、チューブ型燃料電池セル２同士の間に間隙が形成されている。そのため、耐圧容器４内の水素を攪拌機５で攪拌すると、水素は、図１に示すように、チューブ型燃料電池スタック１を容易に通り抜けることができる。より具体的に言えば、チューブ型燃料電池スタック１に備えられるチューブ型燃料電池セル２同士の間に間隙が形成されていることによって、攪拌機５によってチューブ型燃料電池スタック１の方へと送られた水素は、大きな圧損を受けずにその間隙を通って、容易にチューブ型燃料電池スタック１を通り抜けることができる。そして、チューブ型燃料電池スタック１を通り抜ける水素は、チューブ型燃料電池セル２同士の間に形成された間隙を流通する際に、チューブ型燃料電池セル２のアノード電極に供給される。したがって、流れを持った水素がチューブ型燃料電池セル２のアノード電極に供給されることになる。
【００２８】
流れを持った水素がチューブ型燃料電池セル２のアノード電極に供給されることによって、カソード電極側からアノード電極側に透過してきた窒素や水がアノード電極に付着するのを抑制することができ、アノード電極の全面に水素を供給することができるため、発電性能の向上を図ることができる。また、攪拌機５によって耐圧容器４内の水素が攪拌されることによって、耐圧容器４内の水素の濃度が均一化されるという効果も得られる。
【００２９】
従来のチューブ型燃料電池では、アノード電極に供給される水素に流れを持たせるためには、未反応の水素を排出させて捨てる、又は未反応の水素を一旦排出させて循環させるためのシステムを設けて循環させるといった方法を採っていた。従来のように、未反応の水素を排出させて捨てるとすれば、水素の利用効率が悪くなる。また、未反応の水素を循環させるとすれば、循環させるためにポンプ等を含むシステムが必要になり、部品点数が増えて構成が複雑になるうえ、ポンプなどを動かすためのエネルギーが必要になる。
【００３０】
しかし、チューブ型燃料電池１０では、上述したように、耐圧容器４から未反応の水素を排出させて捨てることなく、また、一旦耐圧容器４から排出させて循環させるためのシステムを備えることなく、耐圧容器４内で水素に流れを持たせることができる。したがって、チューブ型燃料電池１０は、簡単な構成で、水素を高効率で利用することが可能である。
【００３１】
本発明のように、アノード電極に供給される水素を排出させずに運転する方法を、平板型の燃料電池セルが積層された燃料電池スタック（以下、「平板型燃料電池スタック」という。）に適用した場合は、以下のような欠点を有することになる。
【００３２】
平板型燃料電池スタックは平板型のＭＥＡとセパレータとが交互に積層された形態となっているため、アノード電極は剥き出しの状態になっていない。平板型燃料電池スタックに備えられる単セルのアノード電極に水素を供給するには、アノード電極に隣接するセパレータに刻設されたガス流通路に水素を流通させる必要がある。しかし、水素を排出させずに、当該ガス流通路で水素を攪拌する（水素に流れを持たせる）ことは困難である。したがって、ガス流通路の水素を排出させなければ、水素がガス流通路内で停滞することになり、アノード電極側に透過してきた水や窒素を除去することができない。そのため、アノード電極への水素の供給が阻害され、燃料電池の性能低下に繋がる。
【００３３】
さらに、セパレータに刻設されたガス流通路から水素を排出させずに留めておくと、上述したように、カソード電極側からアノード電極側へと透過してきた窒素によって、水素濃度が低下する。そこで、本発明と同様に、アノード電極に供給される水素を高圧にするとすれば、アノード電極側とカソード電極側との間の圧力に差が生じ、電解質膜に損傷を与える虞がある。また、平板型燃料電池スタック内部に高圧の水素が供給されると、電解質膜と電極との密着性が低下する虞や、電解質膜と電極との密着性が低下することでガスリークする虞がある。
【００３４】
本発明のチューブ型燃料電池では、チューブ型燃料電池セルを用いているため、耐圧容器内に上述したような高圧の水素を供給することが可能となっている。具体的に説明すると、チューブ型燃料電池１０に備えられるチューブ型燃料電池スタック１は、複数のチューブ型燃料電池セル２から構成されており、チューブ型燃料電池セル２は内周面側に支持部材となるもの（内側集電体など）が備えられるため、アノード電極（チューブ型燃料電池セル２の外周面側）に高圧の水素が供給されると、電極と電解質膜の密着性が増す。したがって、アノード電極（チューブ型燃料電池セル２の外周面側）に高圧の水素が供給されても、電解質膜と電極の密着度の低下による発電性能の低下が起きない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の燃料電池の断面を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  チューブ型燃料電池スタック
２  チューブ型燃料電池セル
３  チューブ型燃料電池モジュール
４  耐圧容器
５  攪拌機
６  燃料供給口
７  調圧弁
１０  チューブ型燃料電池
【図１】
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