JP4915045B2 - Membrane electrode composite for tube fuel cell and tube fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、チューブ形状に形成することにより、コストを低減し、かつ小型化が可能な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に関する。 The present invention relates to a membrane electrode assembly for a tube-type fuel cell, which is used in a tube-type fuel cell that can be reduced in cost and formed in a tube shape.
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、その外側にはガス流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。 A unit cell, which is a minimum power generation unit of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell having a flat plate structure (hereinafter sometimes simply referred to as a fuel cell), generally has a catalyst electrode layer bonded to both sides of the solid electrolyte membrane. A membrane electrode assembly is provided, and gas diffusion layers are disposed on both sides of the membrane electrode assembly. Furthermore, a separator having a gas flow path is arranged outside thereof, and the fuel gas and the oxidant gas supplied to the catalyst electrode layer of the membrane electrode composite are passed through the gas diffusion layer, It works to transmit the current obtained by power generation to the outside.
上記燃料電池の小型化のため、および、単位体積当たりの発電反応面積を大きくするためには、燃料電池の上記構成部材の厚さを薄くする必要がある。しかしながら、このような従来の平板構造の燃料電池においては、各構成部材の厚さをある一定以下の値にすることは、機能面や強度面から好ましくなく、設計限界に近づきつつある。例えば、現在汎用されているナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）の膜は厚さが一定以下になるとガス透過性が大きくなりすぎ、セル内でガスのクロスリークが生じて発電電圧が低下する等の問題がある。このようなことから、従来の平板構造の燃料電池の単位体積当たりの出力密度を一定以上に向上させることは構造上困難である。 In order to reduce the size of the fuel cell and increase the power generation reaction area per unit volume, it is necessary to reduce the thickness of the constituent members of the fuel cell. However, in such a conventional flat-plate structure fuel cell, it is not preferable in terms of function and strength to make the thickness of each component member a certain value or less, and the design limit is approaching. For example, the membrane of Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont Co., Ltd.), which is widely used at present, becomes too gas permeable when its thickness is below a certain level, causing gas cross-leakage in the cell and generating voltage There are problems such as lowering. For this reason, it is structurally difficult to improve the power density per unit volume of a conventional flat plate fuel cell to a certain level or more.
そこで、中空糸等を用い、その内面および外面に電解質膜や触媒電極層等を積層したチューブ形状の膜電極複合体を用いて燃料電池を構成することにより出力密度を高める研究が行なわれている。このようなチューブ形状の膜電極複合体は、多数の径の細いチューブを密に配することにより、従来の平板構造の燃料電池に比べ、単位体積当たりの出力密度を大幅に向上することができる(特許文献１参照)。
現在、このようなチューブ形状の膜電極複合体における単位体積当たりの出力密度をさらに向上させる様々な試みがなされている。
Therefore, research has been conducted to increase the power density by constructing a fuel cell using a tubular membrane electrode assembly in which hollow fibers or the like are used and an electrolyte membrane, a catalyst electrode layer, etc. are laminated on the inner and outer surfaces thereof. . In such a tube-shaped membrane electrode assembly, the power density per unit volume can be greatly improved by densely arranging a large number of thin tubes with a diameter compared to a conventional fuel cell having a flat plate structure. (See Patent Document 1).
At present, various attempts have been made to further improve the power density per unit volume in such a tube-shaped membrane electrode assembly.
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、単位体積当たりの出力密度を向上させることが可能な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。 The present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide a membrane electrode assembly for a tube type fuel cell capable of improving the power density per unit volume. .
上記目的を達成するために、本発明は、チューブ形状の固体電解質膜と、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、上記固体電解質膜の内周面に形成された内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、上記チューブ型燃料電池用膜電極複合体が、非直線形状に形成されてい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。 To achieve the above object, the present invention provides a tube-shaped solid electrolyte membrane, an outer catalyst electrode layer formed on the outer peripheral surface of the solid electrolyte membrane, and an inner surface formed on the inner peripheral surface of the solid electrolyte membrane. A membrane electrode assembly for a tubular fuel cell having a catalyst electrode layer, wherein the membrane electrode assembly for a tubular fuel cell is formed in a non-linear shape An electrode composite is provided.
本発明の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。）は非直線形状に形成されているため、一定の空間に対し、密に充填することができる。そのため、単位体積当たりの電極面積を大幅に増加させることができるので、燃料電池として用いた際の単位体積当たりの出力密度を向上させることができる。 The membrane electrode assembly for a tube type fuel cell of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a membrane electrode assembly) is formed in a non-linear shape, and therefore, a certain space can be filled densely. it can. Therefore, since the electrode area per unit volume can be greatly increased, the output density per unit volume when used as a fuel cell can be improved.
本発明においては、上記非直線形状がらせん形状であることが好ましい。膜電極複合体をらせん形状に形成することにより、空間に対して均一、かつ密に膜電極複合体を配置することができる。 In the present invention, the non-linear shape is preferably a helical shape. By forming the membrane electrode assembly in a spiral shape, the membrane electrode assembly can be arranged uniformly and densely with respect to the space.
また、本発明においては、上記外側触媒電極層の外周面に配置された外側集電体と、上記内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体とを有することが好ましい。これにより、非直線形状に形成された上記膜電極複合体の集電効率を向上させることができる。 Moreover, in this invention, it is preferable to have the outer side electrical power collector arrange | positioned at the outer peripheral surface of the said outer side catalyst electrode layer, and the inner side electrical power collector arrange | positioned at the inner peripheral surface of the said inner side catalyst electrode layer. Thereby, the current collection efficiency of the membrane electrode assembly formed in a non-linear shape can be improved.
さらに、本発明は、上述した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を提供する。上記膜電極複合体を用いて燃料電池を形成することにより、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。 Furthermore, the present invention provides a tube type fuel cell using the above-mentioned membrane electrode assembly for a tube type fuel cell. By forming a fuel cell using the membrane electrode assembly, a fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained.
本発明の膜電極複合体は、単位体積当たりの電極面積を増加させることが可能であり、単位体積当たりの出力密度を向上させることができるといった効果を奏する。 The membrane electrode assembly of the present invention can increase the electrode area per unit volume, and has the effect of improving the output density per unit volume.
本発明は、非直線形状に形成された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ものである。以下、それぞれ分けて説明する。 The present invention relates to a tubular electrode assembly for a tubular fuel cell formed in a non-linear shape, and a tubular fuel cell using the same. Hereinafter, each will be described separately.
Ａ．チューブ型燃料電池用膜電極複合体
まず、本発明のチューブ型燃料電池用膜電極複合体について説明する。
本発明の膜電極複合体は、非直線形状に形成に形成されてい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膜電極複合体を、図を用いて具体的に説明する。
A. First, the membrane electrode assembly for a tube type fuel cell of the present invention will be described.
The membrane electrode assembly of the present invention is characterized by being formed in a non-linear shape. Hereinafter, such a membrane electrode assembly of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図１は、本発明の膜電極複合体の一例を示す概略斜視図である。図１に示すように、本発明の膜電極複合体１はチューブ形状を有しており、そのチューブ形状の軸が非直線形状であるらせん形状になるように形成されている。また、図２は、このような本発明の膜電極複合体の、チューブ形状の軸に垂直な面の一例を示す概略斜視図である。図２に示すように、本発明の膜電極複合体１の中心部は空洞であり、同軸上に内側から順に内側集電体２、内側触媒電極層３、固体電解質膜４、外側触媒電極層５、外側集電体６が配されている。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of the membrane electrode assembly of the present invention. As shown in FIG. 1, the
本発明においては、膜電極複合体がらせん形状等の非直線形状に形成されているため、一定の空間に上記膜電極複合体を密に充填することができる。そのため、単位体積当たりの電極面積を増加させることができるので、単位体積当たりの出力密度を向上させることができる。 In the present invention, since the membrane electrode assembly is formed in a non-linear shape such as a spiral shape, the membrane electrode assembly can be densely filled in a certain space. Therefore, since the electrode area per unit volume can be increased, the output density per unit volume can be improved.
また、らせん形状のような非直線形状の導電体に電流が流れて磁界が発生すると、膜電極複合体内の水や酸素の分子が磁界の影響を受け、分子の動きが活発化する。その結果、触媒電極層内での酸素分子の拡散性の向上、固体電解質膜内や触媒電極層内での水分子の移動性の向上、流路内での水分子の排出性の向上などの効果を得ることができる。
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の形状、構成、および製造方法について、それぞれ詳細に説明する。
In addition, when a current flows through a non-linear conductor such as a spiral shape to generate a magnetic field, water and oxygen molecules in the membrane electrode assembly are affected by the magnetic field, and the movement of the molecules is activated. As a result, it is possible to improve the diffusibility of oxygen molecules in the catalyst electrode layer, improve the mobility of water molecules in the solid electrolyte membrane and the catalyst electrode layer, improve the discharge of water molecules in the flow path, etc. An effect can be obtained.
Hereinafter, the shape, configuration, and manufacturing method of the membrane electrode assembly for a tube type fuel cell of the present invention will be described in detail.
１．チューブ型燃料電池用膜電極複合体の形状
本発明の膜電極複合体の形状である非直線形状とは、膜電極複合体のチューブ形状の軸が全般にわたって直線のみから形成されているもの以外であれば、その形状は特に限定されるものではない。例えば、直線および角部から形成されているもの、曲線および直線から形成されているものなど、直線、曲線、および角部を適宜組み合わせて形成することができる。このような非直線形状は、同じパターンの形状が規則的に繰り返されているものでもよいし、不規則に変化する形状でもよい。
1. The shape of the membrane electrode assembly for a tube-type fuel cell The non-linear shape that is the shape of the membrane electrode assembly of the present invention is other than that in which the tube-shaped axis of the membrane electrode assembly is formed only from a straight line. If there is, the shape is not particularly limited. For example, a straight line, a curve, and a corner can be combined as appropriate, such as a straight line and a corner, or a curve and a straight line. Such a non-linear shape may be a shape in which the shape of the same pattern is regularly repeated or a shape that changes irregularly.
本発明においては、上記形状の中でも、膜電極複合体の非直線形状がらせん形状であることが好ましい。膜電極複合体を、らせん形状のように規則的に変化する形状にすることにより、一定の空間に対して膜電極複合体を均一に充填することができる。また、角部等を設けずに、膜電極複合体の形状を曲線的に変化させることにより、膜電極複合体内を移動する流体の流れを円滑に維持することができる。さらに、膜電極複合体をらせん形状にすることにより、上述した磁界の発生による水や酸素の動きの活発化の効果を得ることができる。 In the present invention, among the above shapes, the non-linear shape of the membrane electrode assembly is preferably a helical shape. By forming the membrane electrode assembly into a shape that changes regularly, such as a spiral shape, the membrane electrode assembly can be uniformly filled in a certain space. In addition, by changing the shape of the membrane electrode assembly in a curved manner without providing corners or the like, the flow of the fluid moving through the membrane electrode assembly can be maintained smoothly. Furthermore, by making the membrane electrode assembly into a spiral shape, the effect of activating the movement of water and oxygen due to the generation of the magnetic field described above can be obtained.
上記らせん形状は特に限定されるものではなく、渦巻き状の形状であれば、その径やピッチが一定であっても、変化するものであってもよい。ここで、らせん形状の径とは、図３に例示する長さｄのように、らせん形状の軸に垂直な方向の長さであり、らせん形状の最も外側の径の長さを意味する。また、らせん形状のピッチとは、図３に例示する長さｐのように、らせん形状に形成されたチューブ形状の膜電極複合体において、隣り合う膜電極複合体の、チューブ形状の中心線間の距離を意味する。 The spiral shape is not particularly limited, and the spiral shape may be constant or change in diameter and pitch. Here, the diameter of the spiral shape is a length in a direction perpendicular to the axis of the spiral shape, like the length d illustrated in FIG. 3, and means the length of the outermost diameter of the spiral shape. In addition, the helical pitch is a tube-shaped membrane electrode composite formed in a spiral shape, such as the length p illustrated in FIG. 3, and between the tube-shaped center lines of adjacent membrane electrode composites. Means distance.
本発明においては、上記らせん形状の中でも、らせん形状の径およびピッチが一定であるものが好ましい。この際、らせん形状の径は５００〜３０００μｍの範囲内、中でも２０００〜２５００μｍの範囲内であることが好ましい。また、らせん形状のピッチは５００〜３０００μｍの範囲内、中でも１０００〜２０００μｍの範囲内であることが好ましい。さらに、このようならせん形状に形成されるチューブ形状の膜電極複合体の外径は５００〜２０００μｍの範囲内、中でも８００〜１２００μｍの範囲内であることが好ましい。チューブ形状の膜電極複合体をこのようならせん形状に形成することにより、空間に対して均一、かつ密に膜電極複合体を充填することができる。 In the present invention, among the above spiral shapes, those having a constant diameter and pitch are preferable. At this time, the diameter of the spiral shape is preferably in the range of 500 to 3000 μm, and more preferably in the range of 2000 to 2500 μm. Further, the helical pitch is preferably in the range of 500 to 3000 μm, and more preferably in the range of 1000 to 2000 μm. Furthermore, the outer diameter of the tube-shaped membrane electrode assembly formed in such a spiral shape is preferably in the range of 500 to 2000 μm, and more preferably in the range of 800 to 1200 μm. By forming the tube-shaped membrane electrode composite in such a spiral shape, the membrane electrode composite can be filled uniformly and densely in the space.
なお、上記らせん形状のピッチは、上記チューブ形状の膜電極複合体の外径よりも大きい、つまり、らせん形状に形成されたチューブ形状の膜電極複合体において、隣り合う膜電極複合体同士は接触していないことが好ましい。隣り合う膜電極複合体を接触させず、膜電極複合体間に空間を設けることにより、膜電極複合体の外側の空間を利用したガスや水の流路と、膜電極複合体とが接触する面積を十分に確保でき、燃料ガスや酸化剤ガスの供給や生成水の排出を円滑に行うことができる。 The helical pitch is larger than the outer diameter of the tube-shaped membrane electrode assembly. That is, in the tube-shaped membrane electrode assembly formed in a spiral shape, adjacent membrane electrode assemblies are in contact with each other. Preferably not. By providing a space between the membrane electrode composites without bringing adjacent membrane electrode composites into contact with each other, the flow path of the gas or water using the space outside the membrane electrode composite is in contact with the membrane electrode composite. A sufficient area can be secured, and supply of fuel gas and oxidant gas and discharge of generated water can be performed smoothly.
２．チューブ型燃料電池用膜電極複合体の構成
本発明に用いられるチューブ形状の膜電極複合体は特に限定されるものではなく、一般的なものを用いることができる。一般的なチューブ形状の膜電極複合体の構成としては、例えば、チューブ形状の固体電解質膜と、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、上記固体電解質膜の内周面形成された内側触媒電極層とを有するもの等を挙げることができる。また、必要に応じて、上記外側触媒電極層の外周面に外側集電体、および、または、上記内側触媒電極層の内周面に内側集電体を設けてもよい。
以下、本発明に用いることができる膜電極複合体の各構成について説明する。
2. Configuration of Membrane Electrode Assembly for Tube Type Fuel Cell The tube-shaped membrane electrode assembly used in the present invention is not particularly limited, and a general one can be used. Examples of the configuration of a general tube-shaped membrane electrode assembly include, for example, a tube-shaped solid electrolyte membrane, an outer catalyst electrode layer formed on the outer peripheral surface of the solid electrolyte membrane, and an inner peripheral surface of the solid electrolyte membrane And the like having a formed inner catalyst electrode layer. Further, if necessary, an outer current collector may be provided on the outer peripheral surface of the outer catalyst electrode layer and / or an inner current collector may be provided on the inner peripheral surface of the inner catalyst electrode layer.
Hereinafter, each structure of the membrane electrode assembly that can be used in the present invention will be described.
本発明に用いられる固体電解質膜としては、チューブ形状の形態を有し、プロトン伝導性に優れ、かつ電流を流さない材料からなるものであれば特に限定されるものではない。このような固体電解質膜を形成する電解質材料としては、ナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）などに代表されるようなフッ素系樹脂、アミド系樹脂に代表されるような炭化水素系樹脂等有機系のもの、または、ケイ素酸化物を主成分とするものなどの無機系のもの等を挙げることができる。 The solid electrolyte membrane used in the present invention is not particularly limited as long as it has a tube shape, is excellent in proton conductivity, and is made of a material that does not flow current. Examples of the electrolyte material for forming such a solid electrolyte membrane include fluorine resins such as Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont) and hydrocarbon resins such as amide resins. Examples thereof include organic materials such as organic materials, and inorganic materials such as those containing silicon oxide as a main component.
上記無機系の電解質材料を用いた固体電解質膜としては、多孔質ガラスをチューブ形状に成形し、そのナノ細孔内の表面を改質して、プロトン導電性を付与したチューブ形状の固体電解質膜や、チューブ形状のリン酸ガラスを応用したもの等を挙げることができる。上記多孔質ガラスを用いたものとしては、例えば多孔質ガラスの細孔内表面のＯＨ基にメルカプトプロピルトリメトキシシランのシランカップリング剤を反応させ、その後にメルカプト基の−ＳＨを酸化することにより、プロトン伝導性を有するスルホン酸基を導入する方法（化学と工業 第５７巻 第１号(２００４年）ｐ４１〜ｐ４４）等を挙げることができる。また、リン酸ガラスを応用したものとしては、燃料電池 Ｖｏｌ．３ Ｎｏ．３ ２００４ ｐ６９〜ｐ７１に報告された例等を挙げることができる。 As the solid electrolyte membrane using the inorganic electrolyte material, a tube-shaped solid electrolyte membrane in which porous glass is formed into a tube shape, the surface inside the nanopore is modified, and proton conductivity is imparted. And those using tube-shaped phosphate glass. As the above-mentioned porous glass, for example, by reacting a silane coupling agent of mercaptopropyltrimethoxysilane with an OH group on the pore inner surface of the porous glass, and then oxidizing -SH of the mercapto group. And a method of introducing a sulfonic acid group having proton conductivity (Chemical and Industrial Vol. 57 No. 1 (2004) p41 to p44) and the like. In addition, as an application of phosphate glass, fuel cell Vol. 3 No. 3 2004 p69 to p71 can be mentioned.
また、本発明に用いられる内側触媒電極層、および外側触媒電極層は特に限定されるものではなく、通常の平面構造の燃料電池用膜電極複合体に用いられている材料をチューブ形状に成形したものを用いることが可能である。具体的には、パーフルオロスルホン酸系ポリマー（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）等のプロトン伝導材、カーボンブラックやカーボンナノチューブ等の導電性材料、および上記導電性材料に担持された白金等の触媒を含むものである。 Further, the inner catalyst electrode layer and the outer catalyst electrode layer used in the present invention are not particularly limited, and a material used for a fuel cell membrane electrode assembly having a normal planar structure is formed into a tube shape. Can be used. Specifically, proton conductive materials such as perfluorosulfonic acid polymers (trade name: Nafion, manufactured by DuPont), conductive materials such as carbon black and carbon nanotubes, platinum supported on the conductive materials, and the like The catalyst is included.
本発明に用いられる膜電極複合体において、発電反応により発生した電力の集電方法は特に限定されるものではなく、通常のチューブ形状の膜電極複合体における集電の方法により行うことができる。例えば、触媒電極層としての機能と、集電体としての機能とを併せ持つ部材を、上記内側触媒電極層および内側集電体、または外側触媒電極層および外側集電体として用いてもよい。また、触媒電極層とは別の部材を集電体として用い、上記内側触媒電極層の内側に内側集電体および、または、上記外側触媒電極層の外側に外側集電体を形成してもよい。 In the membrane electrode assembly used in the present invention, the method for collecting the electric power generated by the power generation reaction is not particularly limited, and can be performed by the method for collecting current in a normal tube-shaped membrane electrode assembly. For example, a member having both a function as a catalyst electrode layer and a function as a current collector may be used as the inner catalyst electrode layer and the inner current collector, or the outer catalyst electrode layer and the outer current collector. Further, a member other than the catalyst electrode layer may be used as a current collector, and an inner current collector may be formed inside the inner catalyst electrode layer and / or an outer current collector may be formed outside the outer catalyst electrode layer. Good.
上記の中でも、本発明の膜電極複合体は、上記外側触媒電極層の外周面に配置された外側集電体と、上記内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体とを有することが好ましい。触媒電極層とは別の部材である集電体を用い、触媒電極層に導電性の高い集電体を密着させて集電を行うことにより、電子の移動を円滑にし、効率よく集電を行うことができるからである。 Among the above, the membrane electrode assembly of the present invention comprises an outer current collector disposed on the outer peripheral surface of the outer catalyst electrode layer and an inner current collector disposed on the inner peripheral surface of the inner catalyst electrode layer. It is preferable to have. By using a current collector, which is a separate member from the catalyst electrode layer, and collecting current by bringing a highly conductive current collector into close contact with the catalyst electrode layer, the electrons can move smoothly and efficiently collect current. Because it can be done.
上記内側集電体、および外側集電体は導電性が高く、膜電極複合体のチューブ形状の径方向にガスを透過するものであれば特に限定されるものではない。このような内側集電体、および外側集電体の形状の例としては、バネ形状のもの、管の壁面部に、その壁面を貫通する孔を多数有する形状や、管の壁面部が網目構造のもの、複数の直線状の導電体がチューブ形状の軸方向に配置されたもの等を挙げることができ、中でもバネ形状のものが好適に用いられる。また、このような形状の内側集電体、および外側集電体を形成する材料としては、例えば、カーボンまたは、ステンレス鋼、チタン、白金、金、ＴｉＣ、ＴｉＳｉ２、ＳｉＯ２，Ｂ２Ｏ３，Ｎｄ２Ｏ，ＴｉＢ２等の金属等を挙げることができる。
The inner current collector and the outer current collector are not particularly limited as long as they have high conductivity and allow gas to permeate in the radial direction of the tube shape of the membrane electrode assembly. Examples of the shape of the inner current collector and the outer current collector include a spring shape, a shape having a large number of holes penetrating the wall surface of the tube, and a wall surface of the tube having a mesh structure. And those in which a plurality of linear conductors are arranged in the axial direction of a tube shape. Among them, a spring shape is preferably used. The inner current collector having such a shape, and as a material for forming the outer collector, for example, carbon or stainless steel, titanium, platinum, gold, TiC, TiSi 2, SiO 2 , B 2
３．製造方法
本発明の非直線形状に形成された膜電極複合体の製造方法は、チューブ形状を有し、かつ、そのチューブ形状の軸が非直線形状になるように形成された膜電極複合体を製造できるものであれば特に限定されるものではない。このような製造方法としては、例えば、最初から非直線形状にチューブ形状の膜電極複合体を作製する方法（第１の方法）、または、直線のチューブ形状を有する膜電極複合体を作製した後に、そのチューブ形状の膜電極複合体を非直線形状に形成する方法（第２の方法）などを挙げることができる。
3. Manufacturing Method The manufacturing method of a membrane electrode composite formed in a non-linear shape according to the present invention comprises a membrane electrode composite having a tube shape and a tube-shaped axis formed in a non-linear shape. If it can manufacture, it will not specifically limit. As such a manufacturing method, for example, a method of producing a tube-shaped membrane electrode assembly in a non-linear shape from the beginning (first method), or after producing a membrane electrode assembly having a straight tube shape And a method of forming the tube-shaped membrane electrode assembly in a non-linear shape (second method).
上記第１の方法により本発明の膜電極複合体を製造する場合は、まず、固体電解質膜を所望の非直線形状に形成し、その固体電解質膜の内周面および外周面にディッピング等により触媒電極層を形成することにより、非直線形状の膜電極複合体を製造することができ、必要に応じて内側集電体および、または外側集電体を設けてもよい。上記固体電解質膜の形成に際し、上記固体電解質膜を形成する材料として上記「２．チューブ型燃料電池用膜電極複合体の構成」に記載されたもののうち、ケイ素酸化物を主成分とするものなどの無機系材料など、溶融押し出しにより形成できる材料を用いる場合は、溶融押し出しにより所望の形状に固体電解質膜を形成することができる。溶融押し出しによる形成に適さない、ナフィオン（商品名：Nafion、デュポン株式会社製）などに代表されるようなフッ素系樹脂、アミド系樹脂に代表されるような炭化水素系樹脂等有機系材料を固体電解質膜に用いる場合は、所望の形状を有する型を用いてこれらの材料を成形することにより、所望の形状の固体電解質膜を形成することができる。 When the membrane electrode assembly of the present invention is produced by the first method, first, a solid electrolyte membrane is formed in a desired non-linear shape, and a catalyst is formed by dipping or the like on the inner and outer peripheral surfaces of the solid electrolyte membrane. By forming the electrode layer, a non-linear membrane electrode assembly can be produced, and an inner current collector and / or an outer current collector may be provided as necessary. Among the materials described in “2. Structure of membrane electrode assembly for a tube type fuel cell” as a material for forming the solid electrolyte membrane in forming the solid electrolyte membrane, those having silicon oxide as a main component, etc. In the case of using a material that can be formed by melt extrusion, such as an inorganic material, a solid electrolyte membrane can be formed into a desired shape by melt extrusion. Solid organic materials such as fluorinated resins such as Nafion (trade name: Nafion, manufactured by DuPont) and hydrocarbon resins typified by amide resins, which are not suitable for formation by melt extrusion When used for an electrolyte membrane, a solid electrolyte membrane having a desired shape can be formed by molding these materials using a mold having a desired shape.
また、第１の方法による膜電極複合体の製造は、膜電極複合体の最内層である内側集電体（内側集電体を設けない場合は内側触媒電極層）を所望の非直線形状に形成し、その上に順次膜電極複合体の各部材を積層することによっても行うことができる。 In addition, in the production of the membrane electrode composite by the first method, the inner current collector which is the innermost layer of the membrane electrode composite (inner catalyst electrode layer when no inner current collector is provided) is formed into a desired non-linear shape. It can also be carried out by forming and sequentially laminating each member of the membrane electrode assembly thereon.
上記第２の方法により本発明の膜電極複合体を製造する場合は、まず、チューブ形状を有する膜電極複合体を直線形状に作製する。この直線形状のチューブ形状を有する膜電極複合体の作製方法は特に限定されるものではなく、一般的な方法により行うことができる。次に、上記直線形状のチューブ形状を有する膜電極複合体を非直線形状に形成する。この形成方法としては、例えば、らせん形状に形成する場合は、ある程度の剛性を有する棒状の物質に、上記膜電極複合体を巻きつけることにより、チューブ形状を有する膜電極複合体をらせん形状に形成することができる。内側集電体および、または外側集電体を設ける場合は、膜電極複合体を非直線形状に形成した後に設けてもよく、また、直線形状のチューブ形状を有する膜電極複合体を形成する際に内側集電体および、または外側集電体を設け、その後に非直線形状に形成してもよい。この第２の方法により膜電極複合体を製造する場合は、膜電極複合体の各構成部材の材料として、上記「２．チューブ型燃料電池用膜電極複合体の構成」に記載された材料の中でも、可塑性を有する材料を用いることが好ましい。可塑性を有する材料を用いて膜電極複合体を構成することにより、チューブ形状に形成された膜電極複合体を非直線形状に形成する際の、構成部材の破損等を防止することができる。 When producing the membrane electrode assembly of the present invention by the second method, first, a membrane electrode assembly having a tube shape is produced in a linear shape. The production method of the membrane electrode assembly having the linear tube shape is not particularly limited, and can be performed by a general method. Next, the membrane electrode assembly having the linear tube shape is formed in a non-linear shape. As this formation method, for example, in the case of forming a spiral shape, the membrane electrode composite having a tube shape is formed into a spiral shape by winding the membrane electrode composite around a rod-shaped substance having a certain degree of rigidity. can do. When the inner current collector and / or the outer current collector are provided, they may be provided after the membrane electrode complex is formed in a non-linear shape, or when forming a membrane electrode complex having a linear tube shape. May be provided with an inner current collector and / or an outer current collector, and then formed in a non-linear shape. When a membrane electrode assembly is produced by the second method, the material described in the above “2. Configuration of membrane electrode assembly for tube fuel cell” is used as a material for each component of the membrane electrode assembly. Among them, it is preferable to use a plastic material. By forming the membrane electrode assembly using a plastic material, it is possible to prevent damage to the constituent members when the membrane electrode assembly formed in a tube shape is formed in a non-linear shape.
なお、上述したような非直線形状の膜電極複合体の外側の集電は、図４に示すように、非直線形状の膜電極複合体の形状に追従していない形状の外側集電体６よって行うこともできる。 In addition, as shown in FIG. 4, the current collection outside the non-linear membrane electrode assembly as described above is performed on the outside current collector 6 having a shape that does not follow the shape of the non-linear membrane electrode assembly. Therefore, it can also be performed.
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記「Ａ．チューブ型燃料電池用膜電極複合体」に記載された、単位体積当たりの電極面積を増加することができる膜電極複合体を用いたものであるため、単位体積当たりの出力密度が高いチューブ型燃料電池を得ることができる。なお、本発明のチューブ型燃料電池に用いられる膜電極複合体は、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。
B. Tube type fuel cell The tube type fuel cell of the present invention is characterized by using the membrane electrode assembly for a tube type fuel cell as described above. The tube type fuel cell of the present invention is a membrane electrode which can increase the electrode area per unit volume described in the above “A. Membrane electrode composite for tube type fuel cell” in a unit cell which is the minimum power generation unit. Since the composite is used, a tubular fuel cell having a high output density per unit volume can be obtained. The membrane electrode assembly used in the tube type fuel cell of the present invention is the same as that described in the above-mentioned “A. Membrane electrode assembly for tube type fuel cell”, and the description here is omitted. .
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。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.
１…膜電極複合体
２…内側集電体
３…内側触媒電極層
４…固体電解質膜
５…外側触媒電極層
６…外側集電体
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記チューブ型燃料電池用膜電極複合体が、らせん状に形成されてい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。 A tubular fuel cell membrane having a tube-shaped solid electrolyte membrane, an outer catalyst electrode layer formed on the outer peripheral surface of the solid electrolyte membrane, and an inner catalyst electrode layer formed on the inner peripheral surface of the solid electrolyte membrane An electrode composite comprising:
The membrane electrode assembly for a tube type fuel cell, wherein the membrane electrode assembly for a tube type fuel cell is formed in a spiral shape .
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