(57)【要約】【課題】      反応ガスの供給効率を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池モジュールを備える燃料電池を提供する。【解決手段】  反応ガス用マニホールド２０Ａ、２１Ａ、２０Ｂ、２１Ｂを備えるチューブ型燃料電池モジュール１００Ａ、１００Ｂ、を複数備え、隣接するチューブ型燃料電池モジュール１００Ａ、１００Ｂの反応ガス用マニホールド２０Ａ、２０Ｂ及び２１Ａ、２１Ｂが、互いに連結可能である、燃料電池１０００とする。【選択図】    図１
2006216465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガス用マニホールドを備えるチューブ型燃料電池モジュール、を複数備え、
隣接する前記チューブ型燃料電池モジュールの前記反応ガス用マニホールドが、互いに連結可能であることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記反応ガス用マニホールドが、少なくとも２つの開口部を有し、隣接する前記チューブ型燃料電池モジュール同士が少なくとも１つの前記開口部が連通するように配設されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記反応ガス用マニホールドが、アノードガス用マニホールドであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記チューブ型燃料電池モジュールが、さらに正極出力部及び負極出力部を備え、
隣接する前記チューブ型燃料電池モジュールが、異極出力部を介して接続されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に、反応ガスの供給効率を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池セルを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）では、平板型の電解質膜と、当該電解質膜の両側に配設される電極（カソード及びアノード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）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の両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。このＰＥＦＣは、低温領域での運転が可能であり、８０〜１００℃程度の運転温度で使用されるのが一般的である。また、ＰＥＦＣは、３０〜４０％の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、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
【０００３】
一方、従来のＰＥＦＣのユニットセルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータ等の構成部材を含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。かかる低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、ユニットセルを直列に積層した積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されているが、ＰＥＦＣ（以下において、単に「燃料電池」と記述することがある。）の発電性能をより一層向上させるためには、ユニットセルの小型化を図り、単位面積当たりの発電反応面積（出力密度）を大きくすることが好ましい。
【０００４】
従来の平板型燃料電池（以下において、「平板型ＦＣ」と記述することがある。）の単位面積当たりの出力密度を向上させ、発電性能を向上させるためには、上記構成部材の厚さを薄くする必要がある。しかし、平板型ＦＣにおいて構成部材を一定以下の厚さにすると、各構成部材の機能及び強度等が低下する虞があるため、当該形態の燃料電池により、単位面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。
【０００５】
かかる観点から、近年、チューブ型の燃料電池（以下において、「チューブ型ＦＣ」と記述することがある。）に関する研究が進められている。チューブ型ＦＣのユニットセル（以下において、単に「チューブ型ＦＣセル」と記述することがある。）は、中空形状の電解質層と、当該中空形状の電解質層の内側及び外側に配設される中空形状の電極層とを備える中空形状のＭＥＡ（以下において、単に「中空ＭＥＡ」と記述する。）を備えている。そして、当該中空ＭＥＡの内側及び外側に反応ガス（水素含有ガス及び酸素含有ガス）を供給することにより電気化学反応を起こし、かかる電気化学反応により発生した電気エネルギーを、中空ＭＥＡの内側及び外側に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ＦＣによれば、各チューブ型ＦＣセルに備えられる中空ＭＥＡの内側に一方の反応ガス（水素含有ガス又は酸素含有ガス）を、当該中空ＭＥＡの外側に他方の反応ガス（酸素含有ガス又は水素含有ガス）を供給することで電気エネルギーを取り出すことが容易になる。このように、チューブ型ＦＣにおいて隣り合う２つのチューブ型ＦＣセルの外側面に供給される反応ガスを同一にすることで、従来の平板型ＦＣ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。したがって、チューブ型ＦＣによれば、効果的にユニットセルの小型化を図ることが可能になる。
【０００６】
他方、チューブ型ＦＣ等の燃料電池は、反応ガス中に含まれる水素及び酸素を反応（電気化学反応）させることで電気エネルギーを取り出しているため、その発電性能をより一層向上させるためには、チューブ型ＦＣセルへと供給される反応ガスの供給効率を向上させることが好ましい。
【０００７】
これまでに、チューブ型ＦＣの発電性能向上を目的とした技術はいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、マイクロセルを束ねてマイクロセルアセンブリを形成する技術が開示されており、かかる技術によれば、高い電流密度を達成することが容易になる、としている。ここで、マイクロセルとは上記チューブ型ＦＣセルと同意義である。
【特許文献１】特表２００４−５０５４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に開示されている技術により、マイクロセルを束ね、高い電流密度を達成可能なチューブ型ＦＣセルを製造したとしても、反応ガスの供給効率が低く、各マイクロセルへと供給される水素及び酸素が少なければ、チューブ型ＦＣの出力密度を効果的に向上させ難い。すなわち、チューブ型ＦＣの発電性能を向上させるためには、反応ガスの供給効率の観点からも検討を加えることが好ましい。
【０００９】
そこで本発明は、反応ガスの供給効率を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池モジュールを備える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】
【００１０】
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、
請求項１に記載の発明は、反応ガス用マニホールドを備えるチューブ型燃料電池モジュール、を複数備え、隣接するチューブ型燃料電池モジュールの反応ガス用マニホールドが、互いに連結可能であることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。
【００１１】
ここに、チューブ型燃料電池モジュールとは、チューブ型燃料電池セルを備える燃料電池モジュールを意味している。また、反応ガス用マニホールドとは、燃料電池モジュールに備えられている反応ガスの導入・排出部を意味し、この反応ガス用マニホールドへと供給された反応ガスが、当該マニホールドから分岐している各チューブ型ＦＣセルの反応ガス流路へ流通可能なように構成されている。また、反応ガスとは、アノードへと供給される水素含有ガス、及び、カソードへと供給される酸素含有ガスを意味し、本発明では、水素含有ガスとして水素ガス等を、酸素含有ガスとして空気等を、それぞれ利用可能である。すなわち、本発明において、反応ガス用マニホールドとは、水素含有ガス用マニホールド（以下において、「アノードガス用マニホールド」と記述する。）と、酸素含有ガス用マニホールド（以下において、「カソードガス用マニホールド」と記述する。）との両方を含む概念である。さらに、隣接する反応ガス用マニホールドが互いに連結可能とは、例えば、本発明のチューブ型燃料電池モジュールにアノードガス用マニホールド及びカソードガス用マニホールドが備えられている場合には、一方の反応ガス用マニホールド同士（例えば、アノードガス用マニホールド同士）のみが、又は、両方の反応ガス用マニホールド同士（アノードガス用マニホールド同士、及び、カソードガス用マニホールド同士）が、一の空間を形成する形態で連結可能であることを意味する。これに対し、本発明のチューブ型燃料電池モジュールにアノードガス用マニホールド又はカソードガス用マニホールドのみが備えられている場合には、備えられている当該反応ガス用マニホールド同士が一の空間を形成する形態で連結可能であることを意味している。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、反応ガス用マニホールドが、少なくとも２つの開口部を有し、隣接するチューブ型燃料電池モジュール同士が少なくとも１つの開口部が連通するように配設されることを特徴とする。
【００１３】
また、燃料電池の反応効率を向上させるという観点から、隣接するチューブ型燃料電池モジュールと連通する上記開口部以外の開口部は、反応ガスの供給及び／又は排出に使用されることが好ましい。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、反応ガス用マニホールドが、アノードガス用マニホールドであることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、チューブ型燃料電池モジュールが、さらに正極出力部及び負極出力部を備え、隣接するチューブ型燃料電池モジュールが、異極出力部を介して接続されることを特徴とする。
【００１６】
ここで、正極出力部とは、カソード側に配設される集電体により集めた電荷を外部へ取り出す場合等に使用される構成部材を、負極出力部とは、アノード側に配設される集電体を介して集めた電荷を外部へ取り出す場合等に使用される構成部材を、それぞれ意味している。さらに、隣接するチューブ型燃料電池モジュールが異極出力部を介して接続されるとは、隣接するチューブ型燃料電池モジュールが、電気的に直列に接続されることを意味している。すなわち、例えば、燃料電池モジュールＡと燃料電池モジュールＢと燃料電池モジュールＣとが順に配置される場合を仮定すると、燃料電池モジュールＡの一方の出力部（例えば、正極出力部）と燃料電池モジュールＢの他方の出力部（負極出力部）とが接続されるとともに、燃料電池モジュールＢの一方の出力部（正極出力部）と燃料電池モジュールＣの他方の出力部（負極出力部）とが接続されることを意味する。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、複数の燃料電池モジュールに亘って一の空間を形成する形態で連結された反応ガス用マニホールドを介して、各チューブ型ＦＣセルへ反応ガスを供給することが可能になる。すなわち、燃料電池モジュール毎に独立した反応ガス用マニホールド、反応ガス導入口、及び反応ガス排出口を備える形態等よりも、反応ガスの導入・排出用に必要とされる構成を簡略化することが可能になる。このように、反応ガスの導入・排出用の構成が簡略化されれば、反応ガス導入口を介することで生じていた圧損を低減することが可能になる。したがって、かかる燃料電池モジュールを備える構成とすることで、反応ガスの供給効率を向上させることが可能な燃料電池を提供することが可能になる。さらに、請求項１に記載の発明によれば、それぞれのチューブ型燃料電池モジュールに反応ガス用マニホールドがそれぞれ備えられているため、１つのチューブ型燃料電池モジュールが異変等を起こし、取替えが必要になるような場合であっても、当該チューブ型燃料電池モジュールを簡単に交換することが可能になる。なお、請求項１に記載の発明によれば、反応ガスの導入・排出用の構成を簡略化する（構成部材数を低減する）ことが可能になるので、燃料電池の小型化を図ることが容易になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、チューブ型燃料電池モジュールに備えられる少なくとも１つの開口部同士が連通するような形態で、隣接するチューブ型燃料電池モジュールが配設されるので、反応ガスの供給効率を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、アノードガス用マニホールドが一の空間を形成する形態で連結されている。ここで、カソードガスとしては空気等を利用可能であるため、例えば、チューブ型ＦＣセルの内側がアノード、外側がカソードとされている場合には、反応ガス用マニホールドとしてアノードガス用マニホールドのみが備えられている形態とすることが可能である。そのため、かかるアノードガス用マニホールドが上記形態で連結されていれば、燃料電池モジュールの反応ガスの供給効率を向上させつつ、燃料電池モジュールの構成部材数を低減することが可能になる。したがって、請求項３に記載の発明によれば、上記効果を奏する燃料電池の小型化を図ることが一層容易になる。
【００２０】
請求項４に記載の発明によれば、隣接する燃料電池モジュールが直列に接続されるので、さらに、起電力を増加させることが容易になる。したがって、請求項４に記載の発明によれば、反応ガスの供給効率を向上させつつ起電力を増加させることで、発電性能を向上させ得る燃料電池を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
単位体積当たりの出力密度を向上させること等を目的として、チューブ型ＦＣに関する研究が進められており、当該チューブ型ＦＣの出力密度をより一層向上させるには、チューブ型ＦＣに備えられるチューブ型ＦＣセルの充填密度を高めることが好ましい。一方、チューブ型ＦＣセルの充填密度を向上させたとしても、各チューブ型ＦＣセルへと供給される反応ガスの供給効率が低ければ、チューブ型ＦＣの出力密度を効果的に向上させ難い。そのため、反応ガスの供給効率を高めることで、出力密度を効果的に向上させ、発電性能を向上させ得るチューブ型ＦＣとすることが好ましい。
【００２２】
本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、燃料電池を構成する複数の燃料電池モジュールに備えられる反応ガス用マニホールドを、一の空間を形成する形態で連結可能とすることで、反応ガスの供給効率を向上させ、発電性能を向上させ得る燃料電池を提供することにある。そして、かかる燃料電池に備えられる複数の燃料電池モジュールを直列に接続すれば、起電力を増加させることが可能になるため、より一層発電性能を向上させることが可能になる。
【００２３】
本発明の理解を容易にするため、まず、チューブ型ＦＣセル、当該チューブ型ＦＣセルを備えるチューブ型燃料電池モジュール、及び当該チューブ型燃料電池モジュールを備える燃料電池について説明する。
【００２４】
図４は、従来のチューブ型ＦＣセル、当該チューブ型ＦＣセルを備えるチューブ型燃料電池モジュールを概略的に示す外観図である。また、図５は、従来のチューブ型燃料電池モジュールを備える燃料電池を概略的に示す外観図である。なお、その内部構造を理解しやすくするため、図４では、チューブ型ＦＣの構成部材を適宜切断して示している。以下、図４及び図５を参照しつつ、従来のチューブ型ＦＣセル、チューブ型燃料電池モジュール、及び燃料電池について説明する。
【００２５】
図４（Ａ）に示すように、従来のチューブ型ＦＣセル１０は、中空形状の電解質膜（例えば、含フッ素イオン交換樹脂膜（Ｎａｆｉｏｎ等。Ｎａｆｉｏｎは米国デュポン社の登録商標。））１１並びに当該電解質膜１１の内側及び外側に配設される中空形状のアノード触媒層１２及びカソード触媒層１３を備えるＭＥＡ１５と、その外周面が中空形状のアノード触媒層１２の内周面と当接するように配設されるアノード集電体１６と、中空形状のカソード触媒層１３の外周面と当接するように配設されるカソード集電体１７ａ及び１７ｂとを備えている。図示のチューブ型ＦＣセル１０において、アノード集電体１６の外周面（アノード触媒層１２との当接面）には、アノード触媒層１２へと供給されるべき水素含有ガス（以下において、「水素」と記述する。）が流れる反応ガス流路１６ａ、１６ａ、…が形成されている一方、当該チューブ型ＦＣセル１０の外周面（カソード触媒層１３）には、外部から空気を吹き付けることにより酸素含有ガス（以下において、「空気」と記述する。）を直接供給可能とされている。ここで、図４（Ａ）に示すアノード触媒層１２及びカソード触媒層１３は、例えば、電気化学反応において触媒として機能する白金等と、含フッ素イオン交換樹脂等のプロトン伝導性物質とを備えている。
【００２６】
チューブ型ＦＣセル１０は、かかる形態を有することから、当該形態のチューブ型ＦＣセル１０、１０、…を配列する（図４（Ｂ）参照）と、チューブ型ＦＣセル１０、１０、…の外周面へ空気を供給することにより、チューブ型ＦＣセル１０、１０、…の各カソード触媒層１３、１３、…へ酸素を供給することが可能になる。すなわち、チューブ型ＦＣセル１０では、当該チューブ型ＦＣセル１０の間を遮蔽するためのセパレータが不要になるほか、チューブ型ＦＣセル１０のカソード触媒層１３へ酸素を効果的に供給するための拡散層を備えない形態とすることも可能になり、セルに備えられる構成部材数を低減することが可能になる。したがって、チューブ型ＦＣセル１０によれば、効果的にユニットセルの小型化を図ることが可能になる。
【００２７】
図４（Ｂ）は、複数の上記チューブ型ＦＣセルと当該チューブ型ＦＣセルを冷却すべき冷却管とを備えるチューブ型燃料電池モジュール（以下において、単に「燃料電池モジュール」と記述することがある。）を概略的に示す外観図である。図４（Ｂ）に示すように、燃料電池モジュール９００は、複数のチューブ型ＦＣセル１０、１０、…と冷却管９０、９０、…とを備えている。燃料電池モジュール９００の両端部には、チューブ型ＦＣセル１０、１０、…の反応ガス流路１６ａ、１６ａ、…へと供給される水素が送られるべきガス用マニホールド９８ａ、９８ｂと、冷却管内へ供給される水が送られるべき冷却水用マニホールド９９ａ、９９ｂとが備えられ、さらに、各チューブ型ＦＣセル１０、１０、…で発生した電荷を集めるべき一組の集電部（不図示）が備えられている。そして、一方のガス用マニホールド（例えば、９８ａ）に備えられているガス導入口（不図示）を介して供給された水素は、各チューブ型ＦＣセル１０、１０、…の反応ガス流路１６ａ、１６ａ、…を通ってチューブ型ＦＣセル１０、１０、…の電気化学反応に使用され、当該電気化学反応に使用されなかった水素等は他方のガス用マニホールド（例えば、９８ｂ）に備えられているガス排出口（不図示）を介して燃料電池モジュール外へと排出される。一方、図示の燃料電池モジュール９００では、その側面から空気が供給されており、このようにしてチューブ型ＦＣセル１０、１０、…の外周面へと供給された酸素、及び、上記形態にて供給された水素とが、電気化学反応を起こして発生した電荷を、上記集電部を介して外部へ取り出している。また、燃料電池モジュール９００において、上記集電部は、一方がチューブ型ＦＣセル１０、１０、…のアノード集電体１６、１６、…に接続されるとともに、他方が同カソード集電体１７ａ、１７ｂに接続されることにより、複数のチューブ型ＦＣセル１０、１０、…で発生した電荷を集めて（集電して）いる。
【００２８】
図５は、複数の上記燃料電池モジュールを備える燃料電池の外観を概略的に示す斜視図である。図５に示すように、燃料電池９０００は、外装容器９１０に複数の燃料電池モジュール９００、９００、…が収容されることにより構成され、当該外装容器９１０の上面には、反応ガス（例えば、水素）導入口９５０、反応ガス排出口９６０、及び、冷却水口９７０が備えられる一方、外装容器９１０の一対の側面には、格子状部材９８０が備えられている。反応ガス導入口９５０を介して供給された反応ガスは、各燃料電池モジュール９００、９００、…に備えられているガス導入口を介して各チューブ型ＦＣセル１０、１０、…へと供給され、当該各チューブ型ＦＣセル１０、１０、…から排出される反応ガスは、上記ガス排出口及び上記反応ガス排出口９６０を介して、反応ガスタンク（不図示）等へ戻される。反応ガス導入口９５０へと供給されるガスが水素である場合、燃料電池９０００には、さらに、格子状部材９８０を貫通する方向に空気が供給され、図５の格子状部材９８０へと供給された空気は、外装容器９１０の背面に備えられるべき格子状部材側から排出される。そして、当該形態の燃料電池９０００が作動することにより発熱した燃料電池モジュール９００、９００、…は、例えば、冷却水口９７０から供給・排出される水が当該燃料電池モジュール９００、９００、…に備えられる冷却管内を流通する等の方法により温度が制御される。
【００２９】
このように、従来の燃料電池に備えられる各チューブ型ＦＣセル１０、１０、…には、上記反応ガス導入口と、上記各燃料電池モジュール９００、９００、…に備えられるガス導入口及びガス用マニホールドを介して反応ガスが供給されていたため、反応ガスの圧損が多い等の理由から、反応ガスの供給効率が低かった。そこで、本発明では、燃料電池モジュールに備えられる反応ガス用マニホールドを一の空間を形成する形態で連結可能とし、例えば、燃料電池を構成する一の燃料電池モジュールにのみ上記ガス導入口及びガス排出口が備えられる構成とすることで、燃料電池内に備えられるガス導入口の数を大幅に低減する。かかる構成とすれば、一の空間を形成する形態で連結された反応ガス用マニホールドを介して反応ガスが供給されるため、反応ガスの圧損を低減することが容易になり、反応ガスの供給効率を向上させることが可能になる。さらに、かかる構成とすれば、構成部材数を低減することが可能になるので、燃料電池の小型化を図ることが容易になる。
【００３０】
以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池について具体的に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池モジュールの形態例を示す概略図である。連結形態の理解を容易にするため、図１では、燃料電池モジュールを切断した様子を示している。また、反応ガスの経路を容易に理解可能とするため、図１では、燃料電池モジュールに備えられる冷却水用マニホールド及び集電部等を省略して示す。また、図１では、チューブ型ＦＣセルを単純な管状形態で示すが、本発明の燃料電池に備えられるチューブ型ＦＣセルの実際の構造は、アノード集電体、ＭＥＡ、及びカソード集電体を備える多層構造である。図１において、従来のチューブ型ＦＣセルと同様の構成を採る構成部材には図４の各構成部材に使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。図１において、矢印Ｘはセルの軸方向を、矢印Ｙは当該軸方向と略直角に交差する方向をそれぞれ示し、その他の矢印は、反応ガスが流れる方向を示している。
【００３２】
図示のように、本発明にかかる燃料電池モジュール（以下において、単に「モジュール」と記述する。）１００Ａは、複数のチューブ型ＦＣセル（以下において、単に「セル」と記述する。）１０、１０、…を備え、その両端部に供給側アノードガス用マニホールド（以下において、単に「供給側マニホールド」と記述する。）２０Ａ、及び排出側アノードガス用マニホールド（以下において、単に「排出側マニホールド」と記述する。）２１Ａが備えられている。当該供給側マニホールド２０Ａの一方の側面にはガス導入口２２が、他方の側面には開口部２５Ａが備えられているとともに、排出側マニホールド２１Ａの一方の側面にはガス排出口２３が、他方の側面には開口部２６Ａが、それぞれ備えられ、開口部２５Ａ、２６Ａの枠には溝３０、３０が形成されている。そして、図示のセル１０、１０、…の外周面には空気が供給され、当該空気が流れる空気流通部とマニホールド２０Ａ、２１Ａとは、シール材８０、８０及び溝３０、３０に備えられるシール材（不図示）を介して仕切られている。
【００３３】
これに対し、上記モジュール１００Ａに隣接するモジュール１００Ｂは、モジュール１００Ａと同様に、複数のセル１０、１０、…を備え、その両端部に供給側マニホールド２０Ｂ及び排出側マニホールド２１Ｂが備えられている。これらのマニホールド２０Ｂ、２１Ｂには、一方の側面に開口部２５Ｂ、２６Ｂが形成されている一方で、他方の側面は開口しておらず、ガス導入口又はガス排出口が備えられていない。また、上記モジュール１００Ａと同様に、セル１０、１０、…の外周面には空気が供給され、当該空気が流れる空気流通部と上記マニホールド２０Ｂ、２１Ｂとは、シール材８０、８０、及び、開口部２５Ｂ、２６Ｂの枠に配設される上記シール材（不図示）を介して仕切られている。
【００３４】
本発明において、隣接するモジュール１００Ａ、１００Ｂは、上記溝３０、３０に備えられるシール材を介して連結される。このようにして隣接するモジュール１００Ａ、１００Ｂが連結されると、供給側マニホールド２０Ａ及び供給側マニホールド２０Ｂが一の空間を形成することが可能になるとともに、排出側マニホールド２１Ａ及び排出側マニホールド２１Ｂも一の空間を形成することが可能になる。そのため、かかる形態とすることで、上記ガス導入口２２から供給された水素が、供給側マニホールド２０Ａを介して供給側マニホールド２０Ｂへと到達可能になり、さらに、供給側マニホールド２０Ｂ及びモジュール１００Ｂのセル１０、１０、…を介して排出側マニホールド２１Ｂへと達した水素を、排出側マニホールド２１Ａ及びガス排出口２３を介して排出することが可能になる。また、図示のように、ガス導入口２２から供給された水素は、供給側マニホールド２０Ａを介して、モジュール１００Ａのセル１０、１０、…にも供給され、かかるセル１０、１０、…から排出された水素は、排出側マニホールド２１Ａ、及びガス排出口２３を介して排出される。なお、ガス排出口２３から排出された水素は、燃料電池に備えられる反応ガス排出口（不図示）を介して水素ガスタンクへと戻され、その後、ポンプ等（不図示）により当該水素ガスタンクから送り出されることにより、燃料電池に備えられる反応ガス導入口（不図示）を介して上記ガス導入口２２へと供給され、その後は上記工程を繰り返す。
【００３５】
このように、本発明の燃料電池に備えられるモジュールは、隣接する反応ガスマニホールド（２０Ａ及び２０Ｂ、２１Ａ及び２１Ｂ）が連結可能な形態で構成されているため、連結された供給側マニホールドの一端にガス導入口が、同排出側マニホールドの一端にガス排出口が備えられていれば、各モジュール１００Ａ、１００Ｂに備えられる全てのセル１０、１０、…へ水素を供給し、当該水素を排出することが可能になる。そのため、従来のモジュールのように、全てのモジュールにガス導入口及びガス排出口を備える形態とする必要がなくなり、当該ガス導入口及びガス排出口の数を低減することが可能になる。すなわち、上記形態のモジュールを備える燃料電池とすれば、反応ガスの圧損を低減することが可能になり、反応ガスの供給効率を向上させることが可能になる。なお、上述のように、ガス導入口及びガス排出口の数を低減することが可能になるため、本発明の燃料電池によれば、一層の小型化を図ることが容易になる。
【００３６】
便宜上、図１では、２つのモジュールのみを示したが、必要とされる起電力を容易に取り出し得る燃料電池とする等の観点から、本発明にかかる燃料電池には３以上のモジュールを備える形態とすることが好ましい。本発明の燃料電池に３以上のモジュールが備えられる場合には、上記モジュール１００Ａ及び１００Ｂを両端とし、これらの間に、供給側マニホールド及び排出側マニホールドの両側面に開口部が形成されているモジュールを順に配置することにより、複数の供給側マニホールド及び排出側マニホールドがそれぞれ連結された形態とすることが可能になる。なお、供給側マニホールド及び排出側マニホールドの両側面に開口部が形成されているモジュールとしては、後述するモジュール１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、及び１００Ｆ等を例示することができる
【００３７】
図２は、図１に示す燃料電池モジュール１００Ｂを具体的に示す外観図である。図２において、図１と同様の構成を採る構成部材には、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。図２において、矢印Ｘがセルの軸方向を、矢印Ｙがその軸と交差する方向を、それぞれ示している。なお、燃料電池モジュールの内部構造を容易に理解可能とするため、図２は、燃料電池モジュールの構成部材を適宜切断・省略して示している。図１及び図２を参照しつつ、本発明の燃料電池に備えられる燃料電池モジュールについてさらに説明する。
【００３８】
図示のように、本発明にかかる燃料電池モジュール１００Ｂは、セル１０、１０、…、第１の集電体３５、及び、第２の集電体４１、４１、…により構成される燃料電池集合体７０、７０、…を複数備えている。そして、当該セル１０、１０、…の外周面（カソード）へと供給される空気が流れるべきガス流通部６０と、セル１０、１０、…の中空部（アノード）へ供給される水素が流れるべき供給側マニホールド２０Ｂ及び排出側マニホールド２１Ｂとは、シール部材８０、８０、及び、上記溝３０に備えられるシール材８１を介して仕切られている。一方で、図示のように、モジュール１００Ｂの側面に備えられる部材５５には、開口部２５Ｂ及び２６Ｂが備えられている。そのため、当該モジュール１００Ｂの開口部２５Ｂ、２６Ｂと、図１に示すモジュール１００Ａの開口部２５Ａ、２６Ａとが向き合う形態で、モジュール１００Ａ、１００Ｂを配置すれば、供給側マニホールド同士及び排出側マニホールド同士を、一の空間を形成する形態で連結することが可能になる。
【００３９】
なお、図２では記載を省略しているが、シール材８１は、図示のシール材８１と同様の形態で、排出側マニホールド２１Ｂ側にも備えられている。図示の燃料電池モジュール１００Ａ、１００Ｂにおいて、各セル１０、１０、…のカソード触媒層にて発生した電荷は、当該電荷を交差方向に集電すべき第１の集電体３５及び軸方向に集電すべき第２の集電体４１、４１、…を介して集められ、さらに、このようにして集められた電荷は、第２の集電体４１、４１、…と接続されている正極集電部５３、及び、当該正極集電部５３に接続されている正極出力部５４を介して外部へ取り出される。一方、各セル１０、１０、…のアノード触媒層にて発生した電荷は、各セル１０、１０、…に備えられているアノード集電体（不図示）を介して負極集電部５１へと集められ、さらに、かかる負極集電部５１に接続されている負極出力部５２を介して外部へ取り出される。
【００４０】
図３は、上記形態で順に配置された本発明にかかる燃料電池モジュールの端部を概略的に示す外観図である。なお、各モジュール間の接続状況を容易に理解可能とするため、図３では、端部以外のモジュールではセルを省略して示すとともに、冷却水を流通させるべき構成部材等の図示を省略している。また、図３では各燃料電池モジュールが間隔を開けて配置される様子を示しているが、実際の燃料電池では、シール材を介して隙間なく配置される。図３において、矢印Ｘはセルの軸方向を、矢印Ｙは当該軸方向と略直角に交差する方向をそれぞれ示している。
【００４１】
図３に示すように、本発明の燃料電池１０００は、ガス導入口２２を備える供給側マニホールド２０Ａ、ガス排出口２３を備える排出側マニホールド２１Ａ、複数のセル１０、１０、…、負極出力部５２、及び正極出力部５４を備えるモジュール１００Ａと、供給側マニホールド及び排出側マニホールドの両側面に開口部が形成されているモジュール１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、…とを備え、さらに、紙面左側端部には、上記モジュール１００Ｂ（図３では不図示）が備えられる。そして、上記モジュール１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、及び１００Ｆには、負極出力部５２Ｃ、５２Ｄ、５２Ｅ、及び５２Ｆと、正極出力部５４Ｃ、５４Ｄ、５４Ｅ、及び５４Ｆとがそれぞれ備えられている。なお、図示のように、モジュール１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆは、順に配置されており、モジュール１００Ｃはモジュール１００Ａに、モジュール１００Ｄは上記モジュール１００Ｃに、モジュール１００Ｅは上記モジュール１００Ｄに、モジュール１００Ｆは上記モジュール１００Ｅに、それぞれ隣接している。そこで、以下の説明では、これらのモジュールが隣接していることを前提とし、「隣接する」旨の記述は適宜省略する。
【００４２】
図示のように、本発明の燃料電池１０００に備えられる各モジュール１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ、…は、電気的に直列に接続されることが好ましい。すなわち、モジュール１００Ａの正極出力部５４とモジュール１００Ｃの負極出力部５２Ｃとが接続され、モジュール１００Ｃの正極出力部５４Ｃとモジュール１００Ｄの負極出力部５２Ｄとが接続されるとともに、モジュール１００Ｄの正極出力部５４Ｄとモジュール１００Ｅの負極出力部５２Ｅとが接続される。さらに、当該モジュール１００Ｅの正極出力部５４Ｅとモジュール１００Ｆの負極出力部５２Ｆとが接続されるとともに、モジュール１００Ｆの正極出力部５４Ｆが当該モジュール１００Ｆに隣接するモジュール（不図示）の負極出力部と接続され、その後は上記形態を繰り返すように接続されることが好ましい。かかる形態で接続されていれば、燃料電池１０００の起電力を増加させることが容易になり、高出力の燃料電池１０００を提供することが可能になる。また、燃料電池１０００は、隣接する各モジュールのマニホールドが連結されるため、各セル１０、１０、…へ効率よく反応ガスを供給することが可能になる。したがって、かかる形態の燃料電池１０００によれば、反応ガスの供給効率を向上させつつ起電力を増加させて、容易に発電性能を向上させることが可能になる。なお、図示の形態で接続された各モジュールは、実際には外装容器内に収容され、当該外装容器に備えられる反応ガス導入口及び反応ガス排出口を介して反応ガスが供給・排出されることにより、運転される。そして、運転により温度が上昇した各セルは、冷却水が流れる上記冷却管等を介して冷却され、その温度上昇を抑制される。
【００４３】
本発明の燃料電池に備えられるチューブ型ＦＣセルの構成部材を形成し得る材料、及び、その形態について、以下に説明する。
本発明にかかるチューブ型ＦＣセルにおいて、電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層、アノード集電体、カソード集電体を形成すべき材料は、電気化学反応により電気エネルギーを生じ得るものであれば、特に限定されるものではない。
【００４４】
本発明にかかるチューブ型ＦＣセルの電解質膜を形成し得る材料（以下において、「電解質材料」と記述する。）の具体例としては、上記含フッ素イオン交換樹脂膜のほか、アミド系樹脂に代表される炭化水素系樹脂等の有機系の電解質成分や、珪素酸化物等を主成分とする無機系の電解質成分等を挙げることができる。電解質膜の成形容易性等の観点からは、特に、ケイ素酸化物を主成分とするものが好ましい。本発明にかかる電解質材料として、無機系の電解質成分を用いる場合、当該電解質成分の具体例としては、多孔質ガラスをチューブ状に成形し、そのナノ細孔内の表面を改質して、プロトン伝導性を付与したチューブ状電解質膜や、チューブ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。
【００４５】
本発明にかかるアノード触媒層及びカソード触媒層（以下において、単に「触媒層」と記述する。）は、電気化学反応の触媒として機能する物質（例えば、白金粒子が炭素粒子に担持された白金担持カーボン等。以下において、「触媒物質」と記述する。）が含まれていれば、当該触媒層を形成すべき物質は特に限定されるものではなく、例えば、上記触媒物質と当該触媒物質の利用効率を高めるためのプロトン伝導性物質とを備える形態等であっても良い。
本発明にかかる触媒層に備えられ得るプロトン伝導性物質の具体例としては、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー等を挙げることができる。また、本発明にかかる触媒物質の具体例としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させたもの等を挙げることができる。
【００４６】
チューブ型ＦＣセルを備える本発明の燃料電池は、平板型ＦＣと比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることが可能になるので、平板型ＦＣの触媒成分として好適に使用される白金よりも触媒作用が小さい触媒成分を用いたとしても、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可能になる。そのため、本発明にかかる触媒成分は、アノードにおける水素の酸化反応、及び、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、その具体例としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｗ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｇａ、Ａｌ等の金属単体、又はこれらの金属元素を含む合金等を挙げることができる。単位体積当たりの出力密度を高めるという観点からは、白金、及び／又は白金合金を用いることが好ましい。
【００４７】
さらに、本発明にかかるアノード集電体の形状は特に限定されるものではなく、その具体例としては、らせん形状、管の壁面部に当該壁面を貫通する孔を多数有する形状、管の壁面部が網目形状のもの、複数の直線状の導電体が中空ＭＥＡ外周面の軸方向に配列されたもの等を挙げることができ、集電効率を向上させるという観点からは、らせん形状であることが好ましい。
【００４８】
なお、上記説明では、直方体形状のチューブ型燃料電池モジュールを備える燃料電池について記述したが、本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池モジュールの外形形状は当該形状に限定されるものではない。本発明にかかるチューブ型燃料電池モジュールの外形形状は、燃料電池の外装容器の形状に応じて適宜変更可能であり、その形状の具体例としては、三角柱形状や六角柱形状等を挙げることができる。
【００４９】
また、上記説明では、拡散層を備えない形態のチューブ型ＦＣセルについて記述したが、本発明にかかるチューブ型ＦＣの形態は当該形態に限定されるものではなく、ＭＥＡと集電体との間に拡散層が備えられている形態であっても良い。
【００５０】
さらに、上記説明では、チューブ型ＦＣセルの内側に水素が、外側に空気が供給される形態について記述したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、チューブ型ＦＣセルの内側に空気（酸素含有ガス）が、外側に水素（水素含有ガス）が、それぞれ供給される形態であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池モジュールの形態例を示す概略図である。
【図２】本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池モジュールの形態例を示す概略図である。
【図３】本発明の燃料電池の形態例を示す概略図である。
【図４】従来のチューブ型ＦＣセル及びチューブ型燃料電池モジュールを概略的に示す外観図である。
【図５】従来のチューブ型燃料電池モジュールを備える燃料電池を概略的に示す外観図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  チューブ型燃料電池セル
２０Ａ、２０Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ  反応ガス用マニホールド
５２、５２Ｃ、５２Ｄ、５２Ｅ、５２Ｆ  負極出力部
５４、５４Ｃ、５４Ｄ、５４Ｅ、５４Ｆ  正極出力部
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ  チューブ型燃料電池モジュール
１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ  チューブ型燃料電池モジュール
１０００  燃料電池
【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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