(57)【要約】【課題】発電性能を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、該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】複数のチューブ型燃料電池セルと、少なくとも、間隔を開けて配設される複数のチューブ型燃料電池セルを収容するケース部材と、を備える燃料電池モジュールであって、ケース部材の内面が凹凸面であり、該ケース部材の内面の凸面と上記間隔とが対応し、かつ、該ケース部材の内面の凹面とチューブ型燃料電池セルとが対応するように、複数のチューブ型燃料電池セルが収容される、燃料電池モジュールとする。【選択図】図４
2008258056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のチューブ型燃料電池セルと、少なくとも、間隔を開けて配設される複数の前記チューブ型燃料電池セルを収容するケース部材と、を備える燃料電池モジュールであって、
前記ケース部材の内面が凹凸面であり、
前記ケース部材の前記内面の凸面と前記間隔とが対応し、かつ、前記ケース部材の前記内面の凹面と前記チューブ型燃料電池セルとが対応するように、複数の前記チューブ型燃料電池セルが収容されることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項２】
多角形の頂点位置に配置される複数のチューブ型燃料電池セル、及び、複数の前記チューブ型燃料電池セルによって囲まれる空間に配置される導電体、を有する集合体と、少なくとも、間隔を開けて配設される複数の前記集合体を収容するケース部材と、を備える燃料電池モジュールであって、
前記導電体に熱媒体流通用の流路が備えられるとともに、前記導電体の外周面と前記複数のチューブ型燃料電池セルの外周面とが接触し、
前記複数のチューブ型燃料電池セルの外周面に拘束部材が配設され、
前記ケース部材の内面が凹凸面であり、
前記ケース部材の前記内面の凸面と前記間隔とが対応し、かつ、前記ケース部材の前記内面の凹面と前記集合体とが対応するように、複数の前記集合体が収容されることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記凹面が、曲面形状であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記凸面が、曲面形状であ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モジュール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールを複数積層して構成される積層体と、少なくとも前記積層体を収容する外部ケース部材とを備えることを特徴とする、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空形状の膜電極接合体を備えるチューブ型燃料電池セルを具備する燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを備える燃料電池に関する。
【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）とを備える膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という。）で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出す装置である。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という特徴を有している。この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ＰＥＦＣ（以下、「チューブ型ＰＥＦＣ」という。）に関する研究が進められている。チューブ型ＰＥＦＣのユニットセル（以下、「チューブ型燃料電池セル」又は「チューブ型セル」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、を具備する。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す。このように、チューブ型ＰＥＦＣでは、各チューブ型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ＰＥＦＣによれば、従来の平板型ＰＥＦＣ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ＰＥＦＣに関する技術として、例えば、特許文献１には、底面の中心が正六角形の各頂点位置に配置された６個のチューブ型燃料電池セルと、当該６個のチューブ型燃料電池セルが正六角形の各頂点位置に配置されることによってその中心部に形成された間隙に挿入された冷却媒体流通管とを有する、燃料電池スタックに関する技術が開示されている。かかる形態の燃料電池スタックによれば、高電流及び高電圧を得ることが可能で、しかも、小型かつ軽量である燃料電池スタックが提供される、としている。また、特許文献２には、電解質膜の中空外面に設けられた電極から排出される水分を回収し、この回収した水分を燃料電池内の湿潤状態管理等に利用することが可能な燃料電池に関する技術が開示されている。一方、チューブ型ＰＥＦＣ以外の技術として、特許文献３には、固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニットの構造に関する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１５８３３５号公報
【特許文献２】特開２００６−２１６４０３号公報
【特許文献３】特開２００４−１４４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１乃至特許文献３に開示されている技術を用いて、ケース部材の側面に備えられる開口部から複数のチューブ型セルの外表面へ反応ガスを供給すると、各チューブ型セルへ反応ガスを満遍なく供給することが難しく、複数のチューブ型セルを備える燃料電池モジュール、及び、該燃料電池モジュールを複数備える燃料電池の性能が低下しやすいという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、発電性能を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、該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し、特に、複数のチューブ型セルへ反応ガスを満遍なく供給することが可能な燃料電池モジュール、及び、該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】
【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、
第１の本発明は、複数のチューブ型燃料電池セルと、少なくとも、間隔を開けて配設される複数のチューブ型燃料電池セルを収容するケース部材と、を備える燃料電池モジュールであって、ケース部材の内面が凹凸面であり、該ケース部材の内面の凸面と上記間隔とが対応し、かつ、該ケース部材の内面の凹面とチューブ型燃料電池セルとが対応するように、複数のチューブ型燃料電池セルが収容されることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
【０００９】
第１の本発明及び以下に示す本発明（以下、単に「本発明」という。）において、「チューブ型燃料電池セル」は、中空形状のＭＥＡと当該ＭＥＡの内周面側に配設される内部集電体と当該ＭＥＡの外周面側に配設される外部集電体とを有していれば、その形態は特に限定されるものではない。また、第１の本発明において、「少なくとも、間隔を開けて配設される複数のチューブ型燃料電池セルを収容するケース部材」とは、少なくとも複数のチューブ型燃料電池セルが、ケース部材に収容されることを意味し、複数のチューブ型燃料電池セルのほかに、当該複数のチューブ型燃料電池セルの温度を制御するための熱媒体が流通する熱媒体管や、当該複数のチューブ型燃料電池セルで生じた電気エネルギーを集めるための集電部材等も、ケース部材に収容され得ることを意味する。さらに、第１の本発明において、「ケース部材」は、少なくとも複数のチューブ型燃料電池セルを収容可能なものであれば、特に限定されるものではないが、チューブ型燃料電池セルの作動時の環境に耐え得る耐熱性及び耐酸性を備えていることが好ましい。ケース部材を構成する材料の具体例としては、絶縁性の樹脂等を挙げることができる。さらに、本発明において、「ケース部材の内面」とは、ケース部材に収容される複数のチューブ型燃料電池セルと対向する面を意味する。また、本発明において、「凸面」とは、ケース部材の外側から内側へ向かってケース部材の厚み方向に凸形状とされた面（ケース部材の厚みが厚くされた箇所におけるケース部材の内面）をいい、「凹面」とは凸面の逆形状の面（ケース部材の厚みが薄くされた箇所におけるケース部材の内面）をいう。
【００１０】
第２の本発明は、多角形の頂点位置に配置される複数のチューブ型燃料電池セル、及び、複数のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる空間に配置される導電体、を有する集合体と、少なくとも、間隔を開けて配設される複数の集合体を収容するケース部材と、を備える燃料電池モジュールであって、導電体に熱媒体流通用の流路が備えられるとともに、導電体の外周面と複数のチューブ型燃料電池セルの外周面とが接触し、複数のチューブ型燃料電池セルの外周面に拘束部材が配設され、ケース部材の内面が凹凸面であり、ケース部材の内面の凸面と上記間隔とが対応し、かつ、ケース部材の内面の凹面と集合体とが対応するように、複数の集合体が収容されることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
【００１１】
第２の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルの外周面と接触する「導電体」は、外部集電体としての機能を有し、さらに、熱媒体流通用の流路が備えられるため、温熱媒体又は冷却媒体を流通させる熱媒体管としての機能をも有する。さらに、第２の本発明において、「集合体」は、例えば、正六角形の各頂点の位置に６個のチューブ型燃料電池セルをそれぞれ配置し、当該６個のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる正六角形の中心位置に導電体を配置した後、さらに、６個のチューブ型燃料電池セルの外側に拘束部材を配置し、当該拘束部材によって、６個のチューブ型燃料電池セルの外周面と導電体の外周面とが接触するように固定される形態、とすることができる。すなわち、第２の本発明において、一の集合体には、１個の導電体と１個の拘束部材と複数のチューブ型燃料電池セルとが備えられる。それゆえ、一の集合体にｎ個（ｎは３以上の自然数）のチューブ型燃料電池セルが備えられる場合には、例えば、正ｎ角形の各頂点の位置にｎ個のチューブ型燃料電池セルをそれぞれ配置し、当該ｎ個のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる正ｎ角形の中心位置に導電体を配置した後、さらに、ｎ個のチューブ型燃料電池セルの外側に拘束部材を配置し、当該拘束部材によって、ｎ個のチューブ型燃料電池セルの外周面と導電体の外周面とが接触するように固定される形態、とすることができる。加えて、第２の本発明において、「拘束部材」は、集合体に備えられる導電体及び複数のチューブ型燃料電池セルを、導電体の外周面と複数のチューブ型燃料電池セルの外周面との接触を維持可能な形態で拘束し得るものであれば、その形態は特に限定されるものではない。拘束部材は、例えば、集合体に備えられる複数のチューブ型燃料電池セルの外周面に巻回された線状部材、及び、当該線状部材の両端を拘束するＯ型の帯状部材等により構成することができる。さらに、第２の本発明において、「少なくとも、間隔を開けて配設される複数の集合体を収容するケース部材」とは、少なくとも複数の集合体が、ケース部材に収容されることを意味し、複数の集合体のほかに、複数のチューブ型燃料電池セルで生じた電気エネルギーを集めるための集電部材等も、ケース部材に収容され得ることを意味する。さらに、第２の本発明において、「ケース部材」は、少なくとも複数の集合体を収容可能なものであれば、特に限定されるものではないが、チューブ型燃料電池セルの作動時の環境に耐え得る耐熱性及び耐酸性を備えていることが好ましい。ケース部材を構成する材料の具体例としては、絶縁性の樹脂等を挙げることができる。
【００１２】
上記第１の本発明及び上記第２の本発明において、上記凹面が、曲面形状であることが好ましい。
【００１３】
さらに、上記第１の本発明及び上記第２の本発明（変形例も含む）において、上記凸面が、曲面形状であることが好ましい。
【００１４】
第３の本発明は、上記第１の本発明又は上記第２の本発明にかかる燃料電池モジュール（変形例も含む）を複数積層して構成される積層体と、少なくとも該積層体を収容する外部ケース部材とを備えることを特徴とする、燃料電池である。
【発明の効果】
【００１５】
第１の本発明によれば、ケース部材内面の凸面とチューブ型燃料電池セル間の間隔とが対応し、かつ、ケース部材内面の凹面とチューブ型燃料電池セルとが対応するように、複数のチューブ型燃料電池セルが配設される。そのため、複数のチューブ型燃料電池セルの配設方向と平行な方向へと流通する反応ガスを、当該反応ガスの下流側に位置する複数のチューブ型燃料電池セルの表面へと回りこませることができ、ケース部材に収容される全てのチューブ型燃料電池セルへ反応ガスを満遍なく供給することができる。したがって、かかる形態とすることにより、発電性能を向上させることが可能な、燃料電池モジュールを提供できる。さらに、ケース部材内面が凹凸面とされることにより、水平面に立てたケース部材へ複数のチューブ型燃料電池セルを挿入するのみで、ケース部材内面の凹面と対応する箇所へと収容された複数のチューブ型燃料電池セルの位置決めをすることができる。したがって、かかる形態とすることで、上記効果に加え、さらに生産性を向上させることが可能な、燃料電池モジュールを提供できる。
【００１６】
第２の本発明によれば、ケース部材内面の凸面と集合体間の間隔とが対応し、かつ、ケース部材内面の凹面と集合体とが対応するように、複数の集合体が配設される。そのため、複数の集合体の配設方向と平行な方向へと流通する反応ガスを、当該反応ガスの下流側に位置する複数の集合体に備えられるチューブ型燃料電池セルの表面へと回りこませることができ、ケース部材に収容される全てのチューブ型燃料電池セルへ反応ガスを満遍なく供給することができる。したがって、かかる形態とすることにより、発電性能を向上させることが可能な、燃料電池モジュールを提供できる。さらに、ケース部材内面が凹凸面とされることにより、水平面に立てたケース部材へ複数の集合体を挿入するのみで、ケース部材内面の凹面と対応する箇所へと収容された複数の集合体の位置決めをすることができる。したがって、かかる形態とすることで、上記効果に加え、さらに生産性を向上させることが可能な、燃料電池モジュールを提供できる。
【００１７】
第１の本発明及び第２の本発明において、ケース部材内面の凹面が曲面形状であることにより、ケース部材の内側へと供給される反応ガスが、当該反応ガスの下流側で渦を形成し難い状態とすることができる。したがって、かかる形態とすることにより、複数のチューブ型燃料電池セルへ反応ガスを満遍なく供給することが容易になる。
【００１８】
第１の本発明及び第２の本発明において、ケース部材内面の凸面が曲面形状であることにより、ケース部材の内側へ供給される反応ガスが、当該反応ガスの下流側で渦を形成し難い状態とすることができる。したがって、かかる形態とすることにより、複数のチューブ型セルへ反応ガスを満遍なく供給することが容易になる。
【００１９】
第３の本発明によれば、燃料電池に第１の本発明又は第２の本発明にかかる燃料電池モジュールが備えられるので、複数のチューブ型セルへ反応ガスを満遍なく供給して発電性能を向上させることが可能であるとともに、生産性を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面を参照しつつ、本発明の燃料電池モジュール及び燃料電池について説明する。以下の説明では、チューブ型セルに備えられる中空形状のＭＥＡの外周面側へ酸素含有ガス（以下、「空気」という。）が供給されるとともに、同ＭＥＡの内周面側へ水素含有ガス（以下、「水素」という。）が供給され、熱媒体管へ冷媒が供給される形態を例示するが、本発明は当該形態に限定されるものではない。チューブ型セルには、中空形状のＭＥＡの外周面側へ水素を供給し、同ＭＥＡの内周面側へ空気を供給することも可能であり、寒冷地等で使用される場合には、例えば始動時に、冷媒に代えて温水等の温熱媒体を熱媒体管へ供給することもできる。
【００２１】
１．燃料電池モジュール
図１は、本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す正面図である。図２は、本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す左側面図である。図３は、本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す右側面図である。図１〜図３の紙面上下方向が、本発明の燃料電池モジュールに備えられるチューブ型セルの長手方向である。図４は、図１のＩＶ−ＩＶ断面を示す拡大図であり、一部を省略して示している。図４の紙面奥／手前方向が、本発明の燃料電池モジュールに備えられるチューブ型セルの長手方向である。図５は、図１に点線で示した部位のＶ−Ｖ断面図である。図６は、図２のＶＩ−ＶＩ断面図であり、一部のみを拡大して示している。図７は、本発明の燃料電池モジュールに備えられる集合体の形態例を概略的に示す平面図である。図５〜図７の紙面上下方向が、本発明の燃料電池モジュールに備えられるチューブ型セルの長手方向である。図８は、本発明の燃料電池モジュールに備えられるチューブ型セルの形態例を概略的に示す断面図である。図８の紙面奥／手前方向が、チューブ型セルの長手方向である。図９は、他の実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す断面図である。図９は図４と対応する図であり、図９の紙面奥／手前方向が、本発明の燃料電池モジュールに備えられるチューブ型セルの長手方向である。以下、図１〜図９を適宜参照しつつ、本発明の燃料電池モジュールについて説明する。
【００２２】
図１〜図３に示すように、本発明の燃料電池モジュール２０は、複数のチューブ型セル７、７、…、及び、複数の熱媒体管８、８、…（以下、「チューブ型セル７等」ということがある。）と、チューブ型セル７等を収容するケース部材１１と、を備える。ケース部材１１は、チューブ型セル７等の長手方向端部を収容する端部ケース１１ｘ、１１ｚと、チューブ型セル７等の長手方向中央部を収容するケース本体１１ｙと、を備え、端部ケース１１ｘ及び端部ケース１１ｚに備えられる開口部１２、１２と、ケース本体１１ｙに備えられる嵌合爪１３、１３とが嵌め合わされることにより、連結される。ケース部材１１には、凹部１４、１４、１４が備えられるとともに（図１参照）、ケース部材１１の底面には、凸部１９、１９、１９が備えられ（図２及び図３参照）、複数の燃料電池モジュール２０、２０、…が積層されると、隣接する一方の燃料電池モジュール２０の凸部１９、１９、１９と、他方の燃料電池モジュール２０の凹部１４、１４、１４とが嵌め合わされることにより、積層体３０が構成される（図１０参照）。燃料電池モジュール２０において、端部ケース１１ｘには、冷媒流通部１５の開口部と水素流通部１６の開口部が備えられ（以下、端部ケース１１ｘに備えられる冷媒流通部１５及び水素流通部１６を、「冷媒流通部１５ｘ」及び「水素流通部１６ｘ」という。）、これらの開口部の周囲に設けられた凹部１８に、シール部材１７が配設されている。同様に、端部ケース１１ｚにも、冷媒流通部１５の開口部と水素流通部１６の開口部が備えられ（以下、端部ケース１１ｚに備えられる冷媒流通部１５及び水素流通部１６を、「冷媒流通部１５ｚ」及び「水素流通部１６ｚ」という。）、これらの開口部の周囲に設けられた凹部１８に、シール部材１７が配設されている。一方、図２及び図３に示すように、ケース部材１１の側面には、開口部２１、２１、…が備えられ、燃料電池モジュール２０の運転時には、当該開口部を介して、ケース部材１１に収容されたチューブ型セル７、７、…の外周面へ空気が供給される。
【００２３】
図４〜図７に示すように、ケース部材１１に収容されるチューブ型セル７等は、七角形の頂点位置に配置された７個のチューブ型セル７、７、…と、これら７個のチューブ型セル７、７、…によって囲まれる空間に配置された熱媒体管８とを、端部止め９ａ、９ａによって両端を固定された拘束部材９で拘束して形成される集合体１０を構成し、間隔を開けて配置された複数の集合体１０、１０、…が、ケース部材１１に収容されている。図４に示すように、ケース本体１１ｙの内面（複数の集合体１０、１０、…側の面）は、凹凸面とされ、隣接する集合体１０、１０、…の間隔と曲面形状の凸面２２、２２、…とが対応するとともに、集合体１０、１０、…と凹面２３、２３、…とが対応する形態で、複数の集合体１０、１０、…の長手方向中央部がケース本体１１ｙに収容されている。凹凸面を有するケース部材１１ｙに収容された複数の集合体１０、１０、…へ、ケース本体１１ｙの側面に備えられる開口部２１、２１、…を介して空気が流入すると（以下、図４の紙面左側の開口部２１を「開口部２１ａ」、同右側の開口部２１を「開口部２１ｂ」ということがある。）、最初に、開口部２１ａに最も近い集合体１０（以下、「集合体１０ａ」ということがある。）へ空気が供給される。このようにして集合体１０ａに空気が供給されると、集合体１０ａの開口部２１ａ側（以下、開口部２１ａ側を「表側」、開口部２１ｂ側を「裏側」という。）に備えられるチューブ型セル７、７、…の外周面へ一部の空気が供給され、残りの空気は、集合体１０ａと凹面２３、２３との隙間を通って、集合体１０ａの裏側へと回り込み、集合体１０ａの裏側に備えられるチューブ型セル７、７、…の外周面へ空気が供給される。それゆえ、凹凸面を有するケース部材１１ｙに集合体１０ａを収容することで、集合体１０ａの表側及び裏側にそれぞれ備えられるチューブ型セル７、７、…の外周面へ空気を供給することができるほか、凹面２３、２３と対向する箇所に備えられるチューブ型セル７、７、…の外周面にも空気を供給することができる。したがって、燃料電池モジュール２０によれば、集合体１０ａに備えられる全てのチューブ型セル７、７、…の外周面へ、空気を満遍なく供給することができる。
【００２４】
上記過程を経て、開口部２１ａを介して流入した一部の空気が集合体１０ａへと供給された後、残りの空気は、曲面形状の凸面２２、２２の表面を経て、集合体１０ａの開口部２１ｂ側に位置する隣の集合体１０（以下、「集合体１０ｂ」という。）へと供給される。集合体１０ｂに空気が供給されると、集合体１０ｂの表側に備えられるチューブ型セル７、７、…の外周面へ一部の空気が供給され、残りの空気は、集合体１０ｂと凹面２３、２３との隙間を通って、集合体１０ｂの裏側へと回り込み、上記集合体１０ａの場合と同様にして、集合体１０ｂの裏側に備えられるチューブ型セル７、７、…の外周面へ空気が供給される。このように、凹凸面を有するケース部材１１ｙに集合体１０ｂを収容することで、集合体１０ｂに備えられる全てのチューブ型セル７、７、…の外周面へ、空気を満遍なく供給することができ、集合体１０ｂの開口部２１ｂ側に位置する複数の集合体１０、１０、…に対しても、以下同様にして、空気を供給することができる。したがって、凹凸面を有するケース部材１１に複数の集合体１０、１０、…を収容することにより、本発明によれば、全てのチューブ型セル７、７、…へ空気を満遍なく供給することが可能な、燃料電池モジュール２０を提供することができる。
【００２５】
さらに、本発明の燃料電池モジュール２０によれば、水平面に立てた、側面に開口部２１、２１、…を備えるケース本体１１ｙ内面の凹面２３、２３、…へ、複数の集合体１０、１０、…を挿入するのみで、複数の集合体１０、１０、…の位置決めを行うことができる。したがって、内面が凹凸面とされたケース部材１１を備える形態とすることで、上記効果に加えて生産性を向上させることが可能な、燃料電池モジュール２０を提供することができる。
【００２６】
図１〜図８を参照しつつ、燃料電池モジュール２０の運転時における、物質の移動形態等について説明する。
図８に示すように、燃料電池モジュール２０に備えられるチューブ型セル７は、外周面に溝１ｘ、１ｘ、…を備える内部集電体１と、内部集電体１の外周面に形成された中空形状のＭＥＡ５と、当該ＭＥＡ５の外周面に巻回された外部集電体６と、を備える。中空形状のＭＥＡ５は、内部集電体１の外周面に形成された中空形状の第１触媒層２と、当該第１触媒層２の外周面に形成された中空形状の電解質膜３と、当該電解質膜３の外周面に形成された中空形状の第２触媒層４と、を備える。燃料電池モジュール２０の運転時には、重力方向下方側に位置する水素流通部１６ｚへと供給された水素が、水素流通部１６ｚに長手方向の一端面が配置された内部集電体１の溝１ｘ、１ｘ、…へと分岐することにより、溝１ｘ、１ｘ、…へ水素が流入し、当該溝１ｘ、１ｘ、…を介して、第１触媒層２、２、…へ水素が供給される。このようにして第１触媒層２、２、…へ水素が供給されると、当該第１触媒層２、２、…に含有される触媒（例えば、Ｐｔ等。以下同じ。）の作用下で生じる電気化学反応により、水素がプロトンと電子に分離する。第１触媒層２、２、…で生じたプロトンは、中空形状のＭＥＡ５、５、…に含有されるプロトン伝導性ポリマー（例えば、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマー等。以下同じ。）を伝って電解質膜３、３、…を透過し、第２触媒層４、４、…へと達する。これに対し、第１触媒層２、２、…で生じた電子は、電解質膜３、３、…を透過することができないため、外部回路を経由して、第２触媒層４、４、…へと達する。なお、溝１ｘ、１ｘ、…を介して供給された水素のうち、第１触媒層２、２、…で使用されずに残った水素は、内部集電体１、１、…の長手方向他端側から、重力方向上方側に位置する水素流通部１６ｘへと流出し、当該水素流通部１６ｘの開口部から燃料電池モジュール２０の外へ排出されて回収される。
【００２７】
一方、燃料電池モジュール２０の運転時には、ケース部材１１の側面に備えられる開口部２１、２１、…を介して空気が流入し、複数のチューブ型セル７、７、…の外周面へ空気が供給され、当該空気が第２触媒層４、４、…へと達する。第２触媒層４、４、…へと達した空気に含有される酸素は、その後、第２触媒層４、４、…に含有される触媒の作用下で、上記工程を経て第２触媒層４、４、…へと到達したプロトン及び電子と電気化学反応することにより、水が生成される。このように、燃料電池モジュール２０へ水素及び空気を供給して電気化学反応を生じさせると、電子を移動させることができる。燃料電池モジュール２０の運転時において、第１触媒層１、１、…側の集電は、内部集電体１、１、…と、当該内部集電体１、１、…と電気的に接続された集電部材（不図示。以下、「内部集電部材」という。）と、を介して行われる。これに対し、第２触媒層２、２、…側の集電は、外部集電体６、６、…と、当該外部集電体６、６、…と接触する導電体（熱媒体管８、８、…）と、当該導電体と電気的に接続された集電部材（不図示。以下、「外部集電部材」という。）と、を介して行われる。したがって、燃料電池モジュール２０によれば、内部集電部材及び外部集電部材を介して、電気エネルギーを取り出すことができる。
【００２８】
上述のように、燃料電池モジュール２０の運転時には、電子及びプロトンが伝導される。それゆえ、燃料電池モジュール２０の運転時には、電気抵抗やプロトン伝導抵抗等に起因する熱が発生する。ここで、中空形状のＭＥＡ５、５、…に含有されるプロトン伝導性ポリマーは、８０℃程度の温度環境において含水状態に保たれることにより、プロトン伝導性能を発現する。それゆえ、燃料電池モジュール２０の運転時には、チューブ型セル７、７、…の過度の温度上昇を防止すべく、チューブ型セル７、７、…の外部集電体６、６、…と接触する熱媒体管８、８、…へ、冷媒（例えば、ＬＬＣ等。「ＬＬＣ」は株式会社デンソーの登録商標。）が供給される。この冷媒は、まず、重力方向上方側に位置する冷媒流通部１５ｘへと供給され、次いで、当該冷媒流通部１５ｘに長手方向の一端面が配置された熱媒体管８、８、…へと分岐することにより、熱媒体管８、８、…の内部へと流入する。このようにして熱媒体管８、８、…の内部へと流入した冷媒は、重力方向下方側へと移動する間に、チューブ型セル７、７、…と熱交換を行うことにより、チューブ型セル７、７、…の過度の温度上昇を防止する。そして、チューブ型セル７、７、…と熱交換を行うことにより暖められた冷媒は、熱媒体管８、８、…の長手方向他端側から重力方向下方側に位置する冷媒流通部１５ｚへと流出し、当該冷媒流通部１５ｚの開口部から燃料電池モジュール２０の外へ排出されて回収される。
【００２９】
このように、燃料電池モジュール２０の運転時には、熱媒体管８、８、…の内部を流通する冷媒によって温度を制御されたチューブ型セル７、７、…へ水素及び空気を供給して中空形状のＭＥＡ５、５、…で電気化学反応を生じさせ、電気エネルギーを取り出している。電気化学反応を生じさせるためには、水素及び空気が全てのチューブ型セル７、７、…へ満遍なく供給される必要があるところ、本発明の燃料電池モジュール２０によれば、内面が凹凸面とされたケース部材１１に、複数の集合体１０、１０、…が間隔を開けて収容されるので、ケース部材１１に収容された全てのチューブ型セル７、７、…へ空気を満遍なく供給することができる。したがって、本発明によれば、発電性能を向上させることが可能な、燃料電池モジュール２０を提供することができる。
【００３０】
本発明の燃料電池モジュール２０に関する上記説明では、曲面形状の凸面２２、２２、…及び曲面形状の凹面２３、２３、…が備えられる形態について説明したが、本発明の燃料電池モジュールは当該形態に限定されるものではなく、平面形状の凸面及び凹面が備えられる形態や、凸面又は凹面の一方のみが曲面形状である形態とすることも可能である。本発明の燃料電池モジュールが採り得る他の形態を図９に示す。図９において、図４と同様の構成を採るものには、図４で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９に示すように、他の実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール２６は、曲面形状の凹面２３、２３、…と、平面形状の凸面２４、２４、…とを備えるケース本体２５を備える。かかる形態の燃料電池モジュール２６であっても、ケース本体２５の内面には曲面形状の凹面２３、２３、…、及び、平面形状の凸面２４、２４、…が備えられ、複数の集合体１０、１０、…の間隔と平面形状の凸面２４、２４、…とが対応するとともに、複数の集合体１０、１０、…と曲面形状の凹面２３、２３、…とが対応する形態で、複数の集合体１０、１０、…が収容されるので、集合体１０ａの裏側へ空気を回り込ませることができる。したがって、かかる形態の燃料電池モジュール２６であっても、全てのチューブ型セル７、７、…へ空気を満遍なく供給することが可能となる。しかし、図９に示す燃料電池モジュール２６では、凸面２４、２４、…が平面形状であるため、当該凸面２４、２４、…に挟まれた空間において、空気の渦が発生しやすい。空気の渦が発生すると、チューブ型セル７、７、…へと供給される空気の量にバラツキが生じやすくなると考えられる。それゆえ、間隔を開けて配置された複数の集合体１０、１０、…の間において、空気の渦の形成を低減することにより、全てのチューブ型セル７、７、…へより満遍なく空気を供給可能とすることで、発電性能を向上させやすい燃料電池モジュール２０を提供するという観点からは、曲面形状の凸面２２、２２、…が備えられることが好ましい。同様に、本発明の燃料電池モジュールでは、平面形状の凹面を有するケース部材が備えられる形態とすることも可能であるが、曲面形状の凹面を有するケース部材が備えられることで、空気の渦が発生し難い形態とすることができる。したがって、全てのチューブ型セル７、７、…へより満遍なく空気を供給可能とすることで、発電性能を向上させやすい燃料電池モジュール２０を提供するという観点からは、曲面形状の凹面２３、２３、…が備えられることが好ましい。
【００３１】
また、本発明の燃料電池モジュール２０、２６において、一対の凹面２３、２３間の幅をＬ１、一対の凸面２２、２２間又は一対の凸面２４、２４間の幅をＬ２とするとき、空気の十分な回り込み効果を得ることで、全てのチューブ型セル７、７、…へより一層満遍なく空気を供給可能とし、かつ空気の圧力損失が過剰にならない程度の凹凸面とし、補機損失を低減し得る形態とする等の観点から、反応ガスの供給圧力を２０ｋＰａ以下に限定し、０．４ｋＰａ以上０．８ｋＰａ以下とすることが好ましい。
【００３２】
また、本発明の燃料電池モジュール２０、２６に関する上記説明では、ケース部材１１、２５に、複数の集合体１０、１０、…が間隔を開けて収容される形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールは、かかる形態に限定されるものではない。上記形態のほか、集合体１０、１０、…に代えてチューブ型セル７、７、…を凹面２３、２３、…に配置するとともに、凸面２２、２２、…、又は凸面２４、２４、…へ、チューブ型セル７、７、…と接触可能な形態で熱媒体管８、８、…を配置する形態等とすることも可能である。ただし、発電性能のみならず生産性をも向上させ得る燃料電池モジュールを提供する等の観点からは、複数の集合体１０、１０、…が間隔を開けて配置される形態とすることが好ましい。
【００３３】
また、本発明の燃料電池モジュール２０、２６に関する上記説明では、１本の熱媒体管８の周囲に、７個のチューブ型セル７、７、…が配置された集合体１０が複数収容される形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールに集合体が収容される場合、当該集合体に備えられるチューブ型セルの数は、これに限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールにおいて、集合体に備えられるチューブ型セルの数は、３以上の任意の数とすることができる。ただし、発電性能及び生産性を向上させ得る形態の燃料電池モジュールとする観点からは、１本の熱媒体管の周囲に６個〜８個のチューブ型セルを配置することが好ましい。
【００３４】
２．燃料電池
図１０は、本発明の燃料電池の形態例を示す側面図であり、積層された複数の燃料電池モジュールと、冷媒用配管及び水素用配管と、エンドプレート等の配置を概略的に示している。図１０の直線矢印は重力方向を示しており、図１０の紙面上下方向が、本発明の燃料電池に備えられるチューブ型セルの長手方向である。図１１は、本発明の燃料電池の形態例を示す平面図であり、積層された複数の燃料電池モジュールと、冷媒用配管及び水素用配管と、外部ケース部材等の配置を概略的に示している。図１１の点線矢印は空気の流れ方向を示している。図１１の紙面奥／手前方向が、重力方向であり、かつ、チューブ型セルの長手方向である。図１０及び図１１において、図１〜図９と同様の構成を採るものには、図１〜図９にて使用した符号と同符号を付し、その説明を省略する。以下、図１〜図１１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。
【００３５】
図１０及び図１１に示すように、本発明の燃料電池１００は、複数の燃料電池モジュール２０、２０、…が電気的に直列に接続されるように積層して構成される積層体３０と、マニホールド一体型エンドプレート３５（以下、「マニホールド３５」という。）及びエンドプレート３６と、電極素子３７、３８と、を備え、マニホールド３５には、冷媒用配管３１、３２、及び、水素用配管３３、３４が接続されている。そして、複数の燃料電池モジュール２０、２０、…の積層方向両端側から、圧力付与手段（不図示）によって、燃料電池モジュール２０、２０、…間の接触抵抗を低減させ得る圧力が付与されている。
【００３６】
燃料電池１００の運転時には、水素用配管３３を介して供給された水素が、マニホールド３５を介して、燃料電池モジュール２０、２０、…の水素流通部１６ｚ、１６ｚ、…へと供給され、水素流通部１６ｚ、１６ｚ、…へと供給された水素は、長手方向両端部外周面がむき出しにされた内部集電体１、１、…に備えられる溝１ｘ、１ｘ、…へと分岐する。燃料電池１００において、溝１ｘ、１ｘ、…は水素流路として機能し、溝１ｘ、１ｘ、…へと分岐した水素が、チューブ型セル７、７、…に備えられる中空形状のＭＥＡ５、５、…の内周面へと達する。ＭＥＡ５、５、…の内周面に備えられる第１触媒層２、２、…へと達した水素は、当該第１触媒層２、２、…に含有される触媒の作用下でプロトンと電子に分離する。このようにして生じたプロトンは、各チューブ型セル７、７、…に備えられるプロトン伝導性ポリマーを介して伝導されることにより、ＭＥＡ５、５、…の外周面側に備えられる第２触媒層４、４、…へと達する。これに対し、ＭＥＡ５、５、…の第１触媒層２、２、…で生じた電子は、ＭＥＡ５、５、…に備えられる中空形状の電解質膜３、３、…を透過することができないため、外部回路を経て上記第２触媒層４、４、…へと達する。一方、図１１に示すように、燃料電池１００は、外部ケース部材４０を備え、当該外部ケース部材４０に、図１０で示した各部材が収容される。外部ケース部材４０には、空気を透過可能な開口部３９、３９、…が備えられ、燃料電池１００の運転時には、当該開口部３９、３９、…を透過した空気が、燃料電池モジュール２０、２０、…の側面に備えられる開口部２１、２１、…を介して、各チューブ型セル７、７、…の外周面へと供給される。そして、このようにしてチューブ型セル７、７、…へと供給された空気が、各チューブ型セル７、７、…に備えられる第２触媒層４、４、…へと達し、当該第２触媒層４、４、…に含有される触媒の作用下で、第２触媒層４、４、…へと達した電子及びプロトンと、第２触媒層４、４、…へと達した空気に含有される酸素とが反応することにより、水が生成される。なお、第１触媒層２、２、…における電気化学反応に利用されずに残った水素は、溝１ｘ、１ｘ、…、水素流通部１６ｘ、１６ｘ、…、マニホールド３５、及び、水素用配管３４を経て回収される。
【００３７】
他方、上述のように、燃料電池１００の運転時には、熱が発生する。それゆえ、燃料電池１００の運転時には、チューブ型セル７、７、…の過度の温度上昇を防止すべく、冷媒用配管３１を介して冷媒が供給される（図１０及び図１１参照）。冷媒用配管３１を介して供給された冷媒は、マニホールド３５を介して燃料電池モジュール２０、２０、…の冷媒流通部１５ｘ、１５ｘ、…へと供給され、冷媒流通部１５ｘ、１５ｘ、…へと供給された冷媒は、熱媒体管８、８、…の端面に備えられる開口部へと分岐する。このようにして熱媒体管８、８、…の内部へと流入した冷媒は、チューブ型セル７、７、…の温度制御に利用され、チューブ型セル７、７、…と熱交換することにより温められた冷媒は、冷媒流通部１５ｚ、１５ｚ、…、マニホールド３５、及び、冷媒用配管３２を介して回収される。また、燃料電池１００において、電極素子３７は、電気的に直列に接続された燃料電池モジュール２０、２０、…の最も外側（図１０及び図１１の紙面左側）の燃料電池モジュール２０に備えられる、内部集電部材と電気的に接続されている。他方、電極素子３８は、電極素子３７が接続された上記燃料電池モジュール２０と反対側の最も外側（図１０及び図１１の紙面右側）の燃料電池モジュール２０に備えられる、外部集電部材と電気的に接続されている。したがって、燃料電池１００によれば、電極素子３７及び電極素子３８を介して電気エネルギーを取り出すことができる。
【００３８】
このように、燃料電池１００には、全てのチューブ型セル７、７、…へ空気を満遍なく供給することで発電性能を向上可能であるとともに、生産性を向上させることが可能な燃料電池モジュール２０、２０、…が備えられている。したがって、本発明によれば、発電性能及び生産性を向上させることが可能な燃料電池１００を提供できる。
【００３９】
本発明の燃料電池モジュール及び本発明の燃料電池（以下、これらをまとめて単に「本発明」という。）に備えられるチューブ型セル７は、中空形状の第１触媒層２と、ＰＥＦＣで使用可能なプロトン伝導性ポリマーを含有する中空形状の電解質膜３と、中空形状の第２触媒層４と、を有する中空形状のＭＥＡ５と、当該ＭＥＡ５の内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される内部集電体１及び外部集電体６と、を備えていれば、その形態は特に限定されるものではない。
電解質膜３に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。上記フッ素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、Ｎａｆｉｏｎ（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標。）やフレミオン（「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）等を挙げることができる。一方、上記炭化水素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、セレミオン等（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）を挙げることができる。
【００４０】
第１触媒層２及び第２触媒層４（以下、これらをまとめて単に「触媒層」ということがある。）は、チューブ型セル７のアノードやカソードで生じる電気化学反応の触媒として機能する物質（触媒）と、当該電気化学反応で生じるプロトンを伝導させ得る物質（プロトン伝導性物質）とを有していれば、その形態は特に限定されるものではない。触媒層に含有される触媒の具体例としては、Ｐｔのほか、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗからなる群より選択される１以上の金属とＰｔとを有するＰｔ合金等を挙げることができる。触媒層に含有されるプロトン伝導性物質の具体例としては、上記電解質膜に含有され得る上記プロトン伝導性ポリマー等を挙げることができる。
【００４１】
内部集電体１及び外部集電体６（以下、これらをまとめて単に「集電体」ということがある。）並びに熱媒体管８は、良好な電子伝導性を有する材料（導電性材料）によって構成されることが好ましく、導電性材料の具体例としては、銅、銀、金、白金等の金属を挙げることができる。集電体の構成材料として銅が用いられる場合には、耐酸性を向上させるため、その表面を銀、金、白金等によって被覆することが好ましい。また、漏電を回避するため、熱媒体管８の内部には、絶縁性の熱媒体（例えば、ＬＬＣ等。）を流通させることが好ましい。
【００４２】
また、本発明において、ケース部材１１の構成材料は、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質（耐熱性、耐水性等。以下同じ。）を有していれば、特に限定されるものではないが、収容されるチューブ型セル７、７、…との通電を防止しつつ容易に製造可能な形態とする等の観点からは、各種絶縁性樹脂により構成されることが好ましい。ケース部材１１の構成材料の具体例としては、ガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）等を挙げることができる。一方、本発明の燃料電池において、外部ケース部材４０は、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質を有し、かつ、長期間に亘って積層体３０等を収容し続けることが可能な強度を有していれば、その構成材料は特に限定されるものではない。
【００４３】
本発明に関する上記説明では、ＭＥＡ５の内周面に内部集電体１が配置されるとともに、同外周面に外部集電体６が配置された形態のチューブ型セル７を例示したが、本発明に備えられるチューブ型セルは、当該形態に限定されるものではない。中空形状のＭＥＡ５へ反応ガスを均一に供給可能とする等の観点からは、中空形状のＭＥＡ５の内周面側及び／又は外周面側に、中空形状の拡散層が備えられることが好ましい。本発明で使用されるチューブ型セルに中空形状の拡散層が備えられる場合、当該拡散層は、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等によって構成することができる。
【００４４】
なお、本発明の燃料電池に関する上記説明では、燃料電池モジュール２０、２０、…が一列に積層される形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、電気的に直列に接続される形態で、２列以上に積層することも可能である。
【００４５】
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、マニホールド一体型エンドプレートが備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、マニホールドとエンドプレートとが別体に構成され、冷媒及び水素が互いに流入・流出可能なように連結される形態のマニホールド及びエンドプレートが備えられる形態とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す正面図である。
【図２】本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す左側面図である。
【図３】本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す右側面図である。
【図４】図１のＩＶ−ＩＶ断面を示す拡大図である。
【図５】図１に点線で示した部位のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図２のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】集合体の形態例を概略的に示す平面図である。
【図８】チューブ型セルの形態例を概略的に示す断面図である。
【図９】本発明の燃料電池モジュールの他の形態例を概略的に示す断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池の形態例を示す側面図である。
【図１１】本発明の燃料電池の形態例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…内部集電体
１ｘ…溝
２…第１触媒層
３…電解質膜
４…第２触媒層
５…ＭＥＡ
６…外部集電体
７…チューブ型セル（チューブ型燃料電池セル）
８…熱媒体管（導電体）
９…拘束部材
９ａ…端部止め
１０…集合体
１１、１１ｘ、１１ｙ、１１ｚ…ケース部材
１２…開口部
１３…嵌合爪
１４…凹部
１５、１５ｘ、１５ｚ…冷媒流通部
１６、１６ｘ、１６ｚ…水素流通部
１７…シール部材
１８…凹部
１９…凸部
２０、２６…燃料電池モジュール
２１…開口部
２２、２４…凸面
２３…凹面
２５…ケース部材
３０…積層体
３１、３２…冷媒用配管
３３、３４…水素様配管
３５…マニホールド
３６…エンドプレート
３７、３８…電極素子
３９…開口部
４０…外部ケース部材
１００…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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【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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