(57)【要約】【課題】曲成により筒形に形成され、且つ、横断面サイズの小型化を図るのに有利な筒形燃料電池およびその製造方法を提供する。【解決手段】筒形燃料電池１は、筒形の膜電極接合体２と、膜電極接合体２に付設された集電体６とをもつ。膜電極接合体２は、イオン伝導膜３と、イオン伝導膜３の厚み方向の片側に配置された燃料側電極４と、イオン伝導膜３の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極５とをもつ。筒形燃料電池１の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体２は、折り返し方向に曲成された形状をもつ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（i）イオン伝導性をもつイオン伝導膜と、前記イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、前記イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ筒形の膜電極接合体と、
（ii）前記膜電極接合体に付設された集電体とをもち長手方向に延びる筒形燃料電池において、
（iii）前記筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、前記膜電極接合体は、折り返し方向に曲成された形状をもつことを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記膜電極接合体の前記一端部は断面Ｃ形状に曲成され、前記膜電極接合体の前記他端部は断面逆Ｃ形状に曲成されていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２において、前記燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、前記膜電極接合体の前記イオン伝導膜の一端部は、前記燃料側電極の一端部、前記酸化剤側電極の一端部よりも突出しており、前記集電体に接合されており、且つ、前記膜電極接合体の前記イオン伝導膜の他端部は、前記燃料側電極の他端部、前記酸化剤側電極の他端部よりも突出しており、前記集電体に接合されていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のうちの一項において、前記イオン伝導膜は固体高分子材料を基材として形成されていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜３のうちの一項において、前記イオン伝導膜は、イオン伝導性が高い第１部分と補強性をもつ第２部分とを備える複合膜とされていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のうちの一項において、前記集電体は、前記膜電極接合体の端部を接合する接合部を備えていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜６のうちの一項において、前記膜電極接合体を巻き付けることにより、前記膜電極接合体の端部と前記集電体との一体性を高める巻付要素を備えていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項８】
請求項７において、前記集電体は、前記巻付要素を収容する凹状または凸状の収容部を備えていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項９】
請求項１〜８のうちの一項において、前記燃料側電極は燃料側触媒層と燃料側透過層を備えており、前記酸化剤側電極は酸化剤側触媒層と酸化剤側透過層とを備えていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちの一項において、前記集電体は、前記燃料側電極または前記酸化剤側電極に電気的に接触する第１集電体と、前記膜電極接合体から露出するように配置され前記第１集電体に電気的に接触する第２集電体とを備えていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちの一項において、前記集電体は、前記筒形燃料電池の長手方向に沿って延設された形状をもつことを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちの一項において、前記膜電極接合体の端部を前記集電体と共に挟持する挟持要素が、前記膜電極接合体の端部を挟む位置に設けられていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項１３】
請求項１〜１２のうちの一項において、前記膜電極接合体のうち曲げ内周側となる面において、複数個または単数の曲成促進部が形成されていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちの一項において、前記燃料側電極および前記酸化剤側電極のうちの一方は、曲げ外周側電極であり、前記燃料側電極および前記酸化剤側電極のうちの他方は、曲げ内周側電極であり、
横断面において、前記膜電極接合体のうち、前記曲げ外周側電極は長く設定されており、且つ、前記曲げ内周側電極は短く設定されていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項１５】
請求項１〜１４のうちの一項において、集電体の内部に、冷媒が通過する空洞状の冷媒通過路が形成されていることを特徴とする筒形燃料電池。
【請求項１６】
（i）平シート状をなすイオン伝導性をもつイオン伝導膜と、前記イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、前記イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ平シート状をなす膜電極接合体と、前記膜電極接合体に付設される集電体とを用意する準備工程と、
（ii）筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、平シート状をなす前記膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる曲成操作を実行して曲成部分を形成し、前記曲成部分を前記集電体に固定する固定工程とを含むことを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
請求項１６において、前記曲成操作は、互いに対向する第１曲成型面および第２曲成型面をもつと共に前記筒形燃料電池の長手方向に延設された矯正キャビティを備える矯正要素を用意する工程と、矯正前の前記膜電極接合体を前記矯正要素の前記矯正キャビティに前記長手方向に沿って前記矯正要素に対して相対移動させることにより、前記膜電極接合体の端部を前記第１型面および前記第２型面により矯正することにより、折り返し方向に曲成させる工程とを含むことを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６において、前記曲成操作は、前記筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、前記膜電極接合体の外側に曲成用治具を配置する工程と、前記曲成用治具を前記膜電極接合体に接近させることにより、前記膜電極接合体の端部を前記曲成用治具により折り返し方向に曲成させる工程とを含むことを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。
【請求項１９】
請求項１６において、前記曲成操作は、前記筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、前記膜電極接合体の外側に転動体を配置する工程と、前記転動体を膜電極接合体に接近させつつ前記膜電極接合体に沿わせることにより、前記膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる工程とを含むことを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
請求項１６〜１９のうちの一項において、前記固定工程は、前記膜電極接合体および前記集電体のうちの少なくとも一部に塗布された接着剤を介して、あるいは、前記膜電極接合体の少なくとも一部の溶着、あるいは、前記膜電極接合体の少なくとも一部の融着により行われることを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。
【請求項２１】
請求項１６〜２０のうちの一項において、前記固定工程は、前記膜電極接合体の前記イオン伝導膜の端部を前記集電体に接合することにより行われることを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。
【請求項２２】
請求項２１において、前記接合は、前記膜電極接合体と前記集電体との接合部分に、加圧力、高エネルギ密度ビーム、紫外線、赤外線および熱エネルギのうちの少なくとも一つを与えることにより行われることを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は筒形燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１には、ジルコニア系の固体電解質膜と、ジルコニア系の固体電解質膜の厚み方向の片側に配置されたセラミックス系の燃料側電極と、固体電解質膜の厚み方向の他の片側に配置されたセラミックス系の酸化剤側電極と、固体電解質膜と酸化剤側電極との間にセリアおよびサマリウム系の中間層とをもつ燃料電池セルが開示されている。このものによれば、先ず、押し出し成形法により長手方向にのびる導電性支持基板成形体を形成する。その後、その導電性支持基板に燃料側電極用のスラリを塗布、乾燥して燃料側電極を積層する。そして燃料側電極にセラミックス製の固体電解質膜を積層させる。この状態の導電性支持基板を１０００℃付近で仮焼し、積層仮焼体を形成する。その後、セリアおよびサマリウム系の中間層原料粉末を含むスラリを積層仮焼体の固体電解質膜に塗布し、中間層をもつ中間成形体を形成する。その後、酸素側電極を中間積層体の中間層に積層させる。ここで、中間層は、焼成時における固体電解質膜のクラック生成を抑制する機能をもつ。
【０００３】
この燃料電池セルは長手方向に延びる筒形をなしている。そして、燃料側電極および固体電解質膜の一端部は断面でＣ形状をなし、他端部は断面で逆Ｃ形状をなしている形状とされている。
【特許文献１】特開２００５−１００８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した燃料電池セルは長手方向にのびる筒形をなしており、発電性能を確保しつつ、横断面サイズの小型化を図るのに有利である。しかしながら上記した特許文献に係る燃料電池セルでは、燃料側電極および中間層等は、スラリーを塗布、乾燥させる操作に基づいて形成されており、膜電極接合体を曲成させる操作により、断面でＣ形状および断面で逆Ｃ形状に曲成されたものではない。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みなされたものであり、曲成により筒形に形成され、且つ、横断面サイズの小型化を図るのに有利となる筒形燃料電池およびその製造方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
様相１に係る本発明に係る筒形燃料電池は、（i）イオン伝導性をもつイオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ筒形の膜電極接合体と、（ii）膜電極接合体に付設された集電体とをもち長手方向に延びる筒形燃料電池において、（iii）筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体は、折り返し方向に曲成された形状をもつことを特徴とする。
【０００７】
膜電極接合体は、折り返し方向に曲成された形状をもつ。このため筒形燃料電池が容易に形成される。筒形燃料電池は、発電能力を確保しつつ、横断面サイズの小型化を図るのに有利となる。
【０００８】
様相２に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、膜電極接合体の一端部は断面Ｃ形状に曲成され、膜電極接合体の他端部は断面逆Ｃ形状に曲成されている。この場合、筒形燃料電池が良好に形成される。Ｃ形状および逆Ｃ形状とは、筒型燃料電池の長手方向に延びる軸芯の周りに沿って膜電極接合体が１周するように完全に連続的に延設されているのではなく、筒型燃料電池の長手方向に延びる軸芯の周りに沿って膜電極接合体が連続的に延設されつつも、一部に切欠をもつ形状であるという意味である。Ｃ形状は疑似Ｃ形状を含む。逆Ｃ形状は疑似逆Ｃ形状を含む。疑似Ｃ形状および疑似逆Ｃ形状は、Ｖの字を横に寝かせた形状、Ｕの字を横に寝かせた形状、Ｓ形状および疑似Ｓ形状を含む。これらに限定されるものではない。
【０００９】
様相３に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、膜電極接合体の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体の前記イオン伝導膜の一端部は、燃料側電極の一端部、酸化剤側電極の一端部よりも突出しており、集電体に接合されており、且つ、膜電極接合体のイオン伝導膜の他端部は、燃料側電極の他端部、酸化剤側電極の他端部よりも突出しており、集電体に接合されている。この場合、膜電極接合体の端部が折り返し方向に曲成された形状に良好に維持され、筒形燃料電池が良好に形成される。
【００１０】
様相４に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、膜電極接合体に巻き付けることにより、膜電極接合体の端部と集電体との一体性を高める巻付要素を備えている。この場合、膜電極接合体の端部と集電体との一体性が更に高まる。巻付要素は、高い電気絶縁性をもつことが好ましい。
【００１１】
様相５に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、集電体は、巻付要素を収容する凹状または凸状の収容部を備えている。この場合、巻付要素が収容されるため、巻付要素が集電等の邪魔になることが抑制される。
【００１２】
様相６に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、集電体は、筒形燃料電池の長手方向に沿って延設された形状である。この場合、長手方向に沿って延設された筒形燃料電池が形成され易い。
【００１３】
様相７に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、膜電極接合体の端部を集電体と共に挟持する挟持要素が、膜電極接合体の端部を挟む位置に設けられている。この場合、膜電極接合体の端部が集電体に良好に固定される。
【００１４】
様相８に係る本発明に係る筒形燃料電池の製造方法は、（i）平シート状をなすイオン伝導性をもつイオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ平シート状をなす膜電極接合体と、膜電極接合体に付設される集電体とを用意する準備工程と、（ii）筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、平シート状をなす膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる曲成操作を実行し、曲成部分を集電体に固定する固定工程とを含むことを特徴とする。この場合、膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成した形状に設定できる。このため筒形燃料電池の横断面サイズの小型化を図るのに有利となる。
【００１５】
様相９に係る本発明に係る筒形燃料電池の製造方法によれば、上記様相において、曲成操作は、互いに対向する第１曲成型面および第２曲成型面をもつと共に筒形燃料電池の長手方向に延設された矯正キャビティを備える矯正要素を用意する工程と、矯正前の膜電極接合体を矯正要素の矯正キャビティに前記長手方向に沿って矯正要素に対して相対移動させることにより、膜電極接合体の端部を第１型面および第２型面により矯正することにより、折り返し方向に曲成させる工程とを含む。この場合、膜電極接合体の端部を折り返し方向に延設した形状に設定できる。このため筒形燃料電池の横断面サイズの小型化を図るのに有利となる。
【００１６】
様相１０に係る本発明に係る筒形燃料電池の製造方法によれば、上記様相において、曲成操作は、筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体の外側に曲成用治具を配置する工程と、曲成用治具を膜電極接合体に接近させることにより、膜電極接合体の端部を曲成用治具により折り返し方向に曲成させる工程とを含む。この場合、膜電極接合体の端部を折り返し方向に延設した形状に設定できる。このため筒形燃料電池の横断面サイズの小型化を図るのに有利となる。
【００１７】
様相１１に係る本発明に係る筒形燃料電池の製造方法によれば、上記様相において、曲成操作は、筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体の外側に転動体を配置する工程と、転動体を膜電極接合体に接近させつつ膜電極接合体に沿わせることにより、膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる工程とを含む。この場合、膜電極接合体の端部を折り返し方向に延設した形状に設定できる。このため筒形燃料電池の横断面サイズの小型化を図るのに有利となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、曲成により膜電極接合体が筒形に成形されるため、横断面サイズの小型化を図るのに有利となる筒形燃料電池が得られる。このような筒形燃料電池は、平板形状の燃料電池に比較して、発電能力を確保しつつ横断面サイズの小型化を図るのに有利となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る筒形燃料電池は、筒形に曲成された膜電極接合体と、膜電極接合体に付設された集電体とをもつ。筒形とは、断面偏平に近い筒形、断面真円に近い筒形、断面長円に近い筒形を含む。
【００２０】
筒形に曲成された膜電極接合体は、イオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ。集電体は集電機能をもつものであれば、材質および構造を問わず、カーボン系または金属系が例示される。金属系は耐食性が良いものが好ましく、ステンレス鋼等の合金系、チタン系、アルミニウム系が例示される。燃料側電極は燃料が供給される側の電極である。酸化剤側電極は酸化剤流体が供給される側の電極である。燃料としては気体燃料（例えば水素ガス、水素含有ガス）、液体燃料（例えばメタノール、エタノール、ジメチルエーテル）が例示される。酸化剤としては空気等の酸素含有ガス、酸素ガスが例示される。
【００２１】
筒形燃料電池（膜電極接合体）の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体の一端部および他端部のうちの少なくとも一方は、折り返し方向に曲成された形状をもつことが好ましい。
【００２２】
イオン伝導膜としては、固体高分子材料を基材として形成されている形態が例示されるが、無機材料および高分子材料を複合化または混在させている材料でも良い。固体高分子材料としては、炭化フッ素系（例えばパーフルオロスルホン酸膜）、炭化水素系が例示される。ここで、イオン伝導膜は、固体高分子材料を基材として形成されており、補強要素を備えている形態が例示される。補強要素として繊維でも良いし、高分子材料でも良い。イオン伝導膜は、イオン伝導性が高い第１部分と補強性をもつ第２部分とを備える複合膜である形態が例示される。集電体としては、膜電極接合体の端部を接合する接合部を備えていることが好ましい。
【００２３】
接合部は粗面化されていても良い。膜電極接合体を巻き付けることにより、膜電極接合体の端部と集電体との一体性を高める巻付要素を備えている形態が例示される。巻付要素については、紐、糸、ロープなどの可撓性をもつ部材、伸縮性をもつ輪状の部材が例示される。巻付要素の材質としては、樹脂系、カーボン系、セラミックス系、金属系が例示されるが、集電体による集電性に影響を与えないように電気絶縁性が高いものが好ましい。ガラス転移点が高いものが好ましい。
【００２４】
集電体については、巻付要素を収容する凹状または凸状の収容部を備えている形態が例示される。この場合、巻付要素が収容され、集電性を邪魔することが抑制される。燃料側電極は燃料側触媒層と燃料側透過層を備えており、酸化剤側電極は酸化剤側触媒層と酸化剤側透過層とを備えている形態が例示される。上記した触媒層は一般的には設けられているが、高温型の燃料電池の場合には、設けられていないこともある。燃料側透過層および酸化剤側透過層については、多孔性および導電性を有するものが好ましく、カーボン系、金属系、金属とセラミックスとの混合物系が例示される。集電体は冷媒通路を有していても良い。
【００２５】
集電体としては、燃料側電極または酸化剤側電極に電気的に接触する第１集電体と、第１集電体に電気的に接触する第２集電体とを備えている形態が例示される。第１集電体と第２集電体とが組み合わされているため、集電経路が確保され易い。第１集電体または第２集電体については、筒形燃料電池の長手方向に沿って延設された形状（例えば棒状部材またはワイヤ部材）をもつ形態が例示される。膜電極接合体の端部を集電体と共に挟持する挟持要素が、膜電極接合体の端部を挟む位置に設けられている形態が例示される。挟持要素の材質は問わず、カーボン系、金属系、樹脂系が例示される。
【００２６】
本発明に係る筒形燃料電池の製造方法は、（i）平シート状をなすイオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ平シート状をなす膜電極接合体と、膜電極接合体に付設される集電体とを用意する準備工程と、（ii）筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、平シート状をなす膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる曲成操作を実行し、曲成部分を集電体に固定する固定工程とを含む。この場合、長手方向に延びる筒形の燃料電池を良好に形成することができる。
【００２７】
上記した曲成操作は、互いに対向する第１曲成型面および第２曲成型面をもつと共に筒形燃料電池の長手方向に延設された矯正キャビティを備える矯正要素を用意する工程と、矯正前の膜電極接合体を矯正要素の矯正キャビティに前記長手方向に沿って矯正要素に対して相対移動させることにより、膜電極接合体の端部を第１型面および第２型面により矯正することにより、折り返し方向に曲成させる工程とを含む。この場合、膜電極接合体の端部を良好に曲成できる。
【００２８】
また上記した曲成操作は、筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体の外側に曲成用治具を配置する工程と、曲成用治具を膜電極接合体に接近させることにより、膜電極接合体の端部を曲成用治具により折り返し方向に曲成させる工程とを含む。この場合、膜電極接合体の端部を良好に曲成できる。
【００２９】
また上記した曲成操作は、筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体の外側に転動体を配置する工程と、転動体を膜電極接合体に接近させつつ膜電極接合体に沿わせることにより、膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる工程とを含む。この場合、膜電極接合体の端部を良好に曲成できる。転動体としては円筒ロールおよび球体が例示される。
【００３０】
上記固定工程については、膜電極接合体および集電体のうちの少なくとも一部に塗布された接着剤を介して、あるいは、膜電極接合体の少なくとも一部の溶着、あるいは、膜電極接合体の少なくとも一部の融着により行われる形態が例示される。固定工程は、膜電極接合体のイオン伝導膜の端部を集電体に接合することにより行われる形態が例示される。上記した接合については、膜電極接合体と集電体との接合部分に高エネルギ密度ビーム、紫外線、赤外線または熱エネルギ、機械的な加圧力のうちの少なくとも一つを与えることにより行われる形態が例示される。
【実施例１】
【００３１】
図１〜図１５は実施例１を示す。図面では複雑化を避けるため、ハッチングを省略している部位もある。図１は、横断方向（Ｘ方向）に沿って切断した切断面をもつ長手方向（矢印Ｌ方向）に延設された偏平状の筒形燃料電池１の斜視図を示す。図２（Ａ）は、筒形燃料電池１の切断面を示す。
【００３２】
図１に示すように、本実施例に係る筒形燃料電池１は偏平な長尺筒形（チューブ形）をなしており、筒形に曲成された膜電極接合体２と、膜電極接合体２に付設された集電体６とをもつ。筒形に曲成された膜電極接合体２は、イオン伝導性（プロトン伝導性）をもつシート状のイオン伝導膜３と、イオン伝導膜３の厚み方向の片側に接合された可撓性をもつシート状の燃料側電極４と、イオン伝導膜３の厚み方向の他の片側に接合された可撓性をもつシート状の酸化剤側電極５とをもつ。燃料側電極４は、燃料（水素ガスまたは水素含有ガス）が供給される側の電極である。酸化剤側電極５は、酸化剤流体（空気等の酸素含有ガス）が供給される側の電極である。
【００３３】
ここで、図１に示すように、燃料側電極４は、イオン伝導膜３に対面接触する燃料側触媒層４１と、イオン伝導膜３に背向する燃料側透過層４２を備えている。酸化剤側電極５は、イオン伝導膜３に対面接触する酸化剤側触媒層５１と、イオン伝導膜３に背向する酸化剤側透過層５２とを備えている。燃料側触媒層４１および酸化剤側触媒層５１は、触媒成分と、イオン伝導性をもつ高分子型の電解質成分と、カーボンブラック等の微小な導電物質とを有する。触媒成分としては、白金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム等の少なくとも１種が挙げられる。
【００３４】
燃料側透過層４２および酸化剤側透過層５２は、多孔性（流体通過性）および導電性を有しており、例えば、カーボン繊維等のカーボン材の集合体で形成されており、流体透過性および可撓性を有する集電体としても機能することができる。なお、カーボン材の集合体としては、カーボン繊維を堆積させたカーボンペーパ、あるいは、カーボン繊維を編み込んだカーボンクロスが例示される。
【００３５】
図１に示すように、筒形燃料電池１において、燃料側電極４は膜電極接合体２の内側に配置されており、筒形燃料電池１の内部に形成されている燃料流体流路１８に対面している。酸化剤側電極５は膜電極接合体２の外側に配置されており、筒形燃料電池１の外部に形成されている酸化剤流体流路１９に対面している。
【００３６】
図１および図２に示すように、膜電極接合体２においては、これの中間部２５は、基本的には曲成されておらず、筒形燃料電池１の方向（矢印Ｘ方向）に沿った平坦状とされている。平坦状の中間部２５を利用すれば、電力の取出面積が確保され易く、電力の取り出しが容易となる。これに対して、中間部２５よりも外側の端部２０（一端部２０ｅおよび他端部２０ｆ）は、折り返し方向に弧状に曲成された形状をもつ。換言すると、膜電極接合体２のイオン伝導膜３の一端部３０ｅはＣ形状（弧状）に曲成されることにより、折り返し方向に延設されている。イオン伝導膜３の他端部３０ｆは逆Ｃ形状（弧状）に曲成されることにより、折り返し方向に延設されている。図１および図２に示すように、膜電極接合体２の電解質膜２０は、筒形燃料電池１の長手方向（矢印Ｌ方向）に沿った軸芯の周りを１周しておらず、電解質膜２０の一端部２０ｅおよび他端部２０ｆは開口２０ｙを形成しており、この開口２０ｙを第２集電体６２が気密的に閉鎖している構造となっている。
【００３７】
このイオン伝導膜３は固体高分子材料を基材として形成されている。固体高分子材料としては炭化フッ素系（例えばパーフルオロスルホン酸系のポリマー膜）、あるいは、イオン伝導基（プロトン伝導基）をもつ炭化水素系が例示される。ここで、イオン伝導膜３としては、図３に示すように、イオン伝導性（例えばプロトン伝導性）、含水性および可撓性をもつ固体高分子材料を基材として形成されていてもよい。あるいは、イオン伝導膜３は、図４に示すように、固体高分子材料の第１部分３１と固体高分子材料の第２部分３２とをもつ複合膜を採用しても良い。ここで、第１部分３１は高いイオン伝導性をもつ。第２部分３２は、第１部分３１よりも低いイオン伝導性をもつかあるいはイオン伝導性をもたず、イオン伝導膜３を強化する補強要素として機能することができる。このような複合膜は、ガスリーク抑制性を高めて発電効率を高め得る他に、発電運転が長期にわたってもイオン伝導膜３の皺などを抑制でき、耐久性を高め得る。
【００３８】
集電体６は集電機能（導電機能）をもつものであり、カーボン系、または、金属系、または、金属とセラミックスとの混合物系が例示される。集電体６は、膜電極接合体２の燃料側電極４に電気的に接触する第１集電体６１と、第１集電体６１に電気的に接触する第２集電体６２とを備えている。第１集電体６１は、所定の断面形状をもつ長手方向（矢印Ｌ方向）に延びる線材または棒材を、膜電極接合体２の方向（矢印Ｘ方向）に沿って複数併設することにより形成されている。
【００３９】
第１集電体６１は、筒形の膜電極接合体２の内部に配置されているため、筒形の膜電極接合体２の形状を維持するのに貢献できる。なお、第１集電体６１については、緻密体で形成しても良いし、あるいは、流体透過性を高めるように多孔質性を有するように形成しても良いし、あるいは、径方向に潰し変形可能な材料で形成し、導電接触性を高めることにしても良い。
【００４０】
第１集電体６１の外壁面で形成されている第１導電面６１ｆは、膜電極接合体２の燃料側電極４に電気的に接触している。第１集電体６１同士の第１導電面６１ｆは、互いに電気的に接触している。第２集電体６２は、所定の断面形状をもつ長手方向（矢印Ｌ方向）に延びる板状材で形成されている。第２集電体６２は、第１集電体６１の第１導電面６１ｆに電気的に接触する第２導電面６２ｆと、外方に露出する露出導電面６３ｆとをもつ。第１集電体６１および第２集電体６２は長手方向（矢印Ｌ方向）に沿って延設されているため、筒形燃料電池１の長手方向の長さおよび剛性が確保され易い。
【００４１】
第２集電体６２は、集電機能の他に、燃料流体流路１８と酸化剤流体流路１９とを隔離する機能を果たすため、緻密性が高いことが好ましい。第２集電体６２は接合面６６をもつ接合部６５を備えている。接合面６６は、膜電極接合体２のイオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）を接合する。接合面６６は、長手方向（矢印Ｌ方向）に延びているため、接合面積が確保される。接合面６６は、矢印Ｘ方向の外側に向かうにつれて下降傾斜している傾斜面とされている。即ち、接合面６６は、イオン伝導膜３の曲成部分に向かうにつれて下降傾斜している傾斜面とされている。イオン伝導膜３の端部３０を接合させ易くするためである。接合部６５の接合面６６は、イオン伝導膜３との接合性を高めるべく、粗面化されていても良い。なお、接合面６６に接着剤が予め塗布されていても良い。
【００４２】
本実施例によれば、筒形の膜電極接合体２の内部に収容される第１集電体６１と、第１集電体６１に導通する第２集電体６２とが組み合わされて集電体６が形成されている。このため膜電極接合体２の集電経路が確保され易い。第１集電体６１は長手方向に沿って延設されているため、膜電極接合体２との導電接触面積を確保し易い。
【００４３】
膜電極接合体２のイオン伝導膜３の一端部３０ｅおよび他端部３０ｆを集電体６の接合部６５の接合面６６に気密的に接合すれば、燃料流体流路１８と酸化剤流体流路１９とが互いに隔離される。よって、燃料流体流路１８を流れる燃料流体が酸化剤流体流路１９に流入することが抑制される。同様に、酸化剤流体流路１９を流れる酸化剤流体が燃料流体流路１８に流入することが抑制される。
【００４４】
図２（Ａ）に示すように、集電体６の露出導電面６３ｆには、溝凹状の収容部６９が複数または単数形成されている。収容部６９は、第１集電体６１の併設方向（矢印Ｘ方向）に沿って延設されている。後述するように、電気絶縁性が高い巻付要素６８が収容部６９に収容されると、集電性を阻害することが抑制される。
【００４５】
発電運転時には、燃料流体流路１８に燃料流体（一般的には水素ガスまたは水素含有ガス）が供給されると共に、酸化剤流体流路１９には酸化剤流体（一般的には空気、酸素含有ガス）が供給される。この場合、燃料流体は、燃料側電極４の燃料側透過層４２から燃料側触媒層４１に透過し、燃料側触媒層４１の触媒成分によりプロトンと電子とに分かれる。電子は第１集電体６１を介して第２集電体６２側に集電される。プロトンはイオン伝導膜３を厚み方向に透過し、酸化剤側電極５に到達する。これに対して酸化剤流体流路１９に供給された酸化剤流体の酸素は、酸化剤側電極５の酸化剤側透過層５２を透過し、酸化剤側触媒層５１に到達し、イオン伝導膜３を透過したプロトンと反応し、水を生成する。このような発電反応により電気エネルギが取り出される。
【００４６】
なお、燃料流体流路１８に供給される燃料流体の圧力をＰｉとし、酸化剤流体流路１９に供給される酸化剤流体の圧力をＰｏとすると、圧力Ｐｏは圧力Ｐｉよりも高いため（Ｐｏ＞Ｐｉ）、膜電極接合体２のイオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）を集電体６の接合面６６に加圧する方向に押し付けることになる。この場合、イオン伝導膜３の端部３０の剥離防止に更に貢献できる。このように燃料流体の圧力および酸化剤流体の圧力は、膜電極接合体２のイオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）を集電体６の接合面６６に加圧する方向に作用するように設定されている。但し、Ｐｏ＞Ｐｉに限定されるものではなく、必要に応じて、Ｐｏ＜Ｐｉ、Ｐｏ≒Ｐｉ、Ｐｏ＝Ｐｉに設定することもできる。
【００４７】
図２（Ｂ）に示すように、第１集電体６１の外面である第１導電面６１ｆと膜電極接合体２の電極（燃料側電極４）とを接触させる頻度を高め、接触導電面積を増加させても良い。更に図２（Ｃ）に示すように、第１導電面６１ｆと膜電極接合体２の電極（燃料側電極４）とを接触させる頻度を高めつつ、第１集電体６１の第１導電面６１ｆうち、膜電極接合体２の電極（燃料側電極４）に対面する部分に、溝等の凹部６１ｋを形成しても良い。この場合、燃料流体（反応流体）が凹部６１ｋを通過できるので、膜電極接合体２の電極（燃料側電極４）への燃料流体（反応流体）の供給性が確保される。
【００４８】
上記した筒形燃料電池１の製造方法について説明する。まず、図５に示すように、平シート状をなす可撓性をもつイオン伝導膜３を用意する。コロナ放電等の粗面化処理によりイオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）を粗面化処理させておくことができる。図６に示すように、イオン伝導膜３の厚み方向の片側に燃料側電極４を積層させると共に、イオン伝導膜３の厚み方向の他の片側に酸化剤側電極５とを配置させる。これにより平シート状をなす膜電極接合体２を形成する。イオン伝導膜３、燃料側電極４および酸化剤側電極５は、可撓性をもち、曲成可能とされている。図６に示すように、平シート状態において、イオン伝導膜３の一端部３０ｅは、燃料側電極４の一端部４０ｅ、酸化剤側電極５の一端部５０ｅよりも外方に突出している。またイオン伝導膜３の他端部３０ｆは、燃料側電極４の他端部４０ｆ、酸化剤側電極５の他端部５０ｆよりも外方に突出している。次に、膜電極接合体２に付設される第１集電体６１を膜電極接合体２に載せる。次に第１集電体６１に第２集電体６２を載せて付設させる。
【００４９】
なお、上記した製造過程において、イオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）に、接着剤３ｍを塗布しておくことが好ましい。第２集電体６２の接合部６５の接合面６６にも、接着剤３ｍを塗布しておくことも好ましい。但し、接着剤３ｍは、端部３０および接合面６６のいずれか一方のみ塗布しても良い。接着剤３ｍとしては、熱硬化型あるいは紫外線硬化型を例示できる。
【００５０】
図９は、筒形燃料電池１の長手方向に対して交差する方向に沿った断面を示す。図９に示すように、平シート状をなす可撓性をもつ膜電極接合体２のイオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）を折り返し方向に曲成させる曲成操作を実行する。この場合、酸化剤側電極５の端部５０（一端部５０ｅおよび他端部５０ｆ）、燃料側電極４の端部４０（一端部４０ｅおよび他端部４０ｆ）も同様に曲成される。
【００５１】
この結果、図９に示すように、膜電極接合体２のイオン伝導膜３０の一端部３０ｅはＣ形状、他端部３０ｆは逆Ｃ形状に曲成される。同様に、酸化剤側電極５の一端部５０ｅはＣ形状、他端部５０ｆは逆Ｃ形状に曲成される。同様に、燃料側電極４の一端部４０ｅはＣ形状、他端部４０ｆは逆Ｃ形状に曲成される。そして膜電極接合体２の曲成部分を集電体６の接合部６５の接合面６６にあてがう。具体的には、図９に示すように、イオン伝導膜３０の一端部３０ｅを集電体６の一方の接合部６５の接合面６６にあてがう。同様に、イオン伝導膜３０の他端部３０ｆを集電体６の他方の接合部６５の接合面６６にあてがう。このとき、接着剤３ｍと粗面化処理により接合性が向上する。この場合、イオン伝導膜３の接合部分に加圧操作を適宜加えることにより、接合部分の接着性を高めることが好ましい。
【００５２】
図９に示すように、イオン伝導膜３の一端部３０ｅは、燃料側電極４の一端部４０ｅ、酸化剤側電極５の一端部５０ｅよりも外方に突出して、第２集電体６２の一方の接合面６６に接合されて固定されている。またイオン伝導膜３の他端部３０ｆは、燃料側電極４の他端部４０ｆ、酸化剤側電極５の他端部５０ｆよりも外方に突出しており、第２集電体６２の他方の接合面６６に接合されて固定されている。
【００５３】
また必要に応じて、図１０に示すように、高エネルギ密度ビームＷｐ（例えばレーザビーム、電子ビーム）を用い、イオン伝導膜３の一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ（曲成部分）と集電体６の接合部６５の接合面６６との接合部分に照射し、溶着または融着を促進させてもよい。これにより曲成部分を集電体６の接合部６５の接合面６６に対して固定する固定性を更に高めることができる。なお、高エネルギ密度ビームＷｐに代えて、接着剤３ｍが熱硬化型である場合には、赤外線等の熱エネルギを照射して接着剤３ｍを硬化させても良い。また、接着剤３ｍが紫外線硬化型である場合には、紫外線を接合部分に照射して接着剤３ｍを硬化させても良い。
【００５４】
その後、図１１に示すように、曲成された膜電極接合体２に外側から糸状または紐状の巻付要素６８を巻付けて、巻付要素６８の端部６８ａ同士を縛る。この結果、膜電極接合体２の端部２０と集電体６との一体性を更に高めることができる。このように巻付要素６８で縛られると、燃料側電極４と第１集電体６１との電気的接触性が更に向上することができる。更に第１集電体６１と第２集電体６２との電気的接触性が向上することができる。なお巻付要素としては、接触性または締結性を高めるために、弾性に富む構造、あるいは、凹凸に曲成されている構造でも良い。
【００５５】
巻付要素６８としては、燃料電池１の長手方向において間隔を隔てて複数本設けられていることが好ましい。この場合、巻付要素６８による締結箇所は、燃料電池１の長手方向において間隔を隔てて複数箇所となる。巻付要素６８およびその締結部６８ｃ（図１参照）を第２集電体６２の溝状の収容部６９に収容する。このため、巻付要素６８が集電の支障になることが抑制される。巻付要素６８の材質としては特に限定されないが、電気絶縁性、引張強度およびガラス転移点が高い樹脂製（例えばナイロン、アラミド、ポリエーテルスルホン等の樹脂繊維）が好ましい。殊に、エンジニアプラスチック系の樹脂が好ましい。
【００５６】
図１２〜図１５は、上記した曲成操作の代表的形態を示す。図１２に示す場合には、膜電極接合体２の形状を曲成して矯正する矯正要素として矯正型７を用意する。矯正型７は、筒形燃料電池１の長手方向（矢印Ｌ方向）に沿って延設された矯正キャビティ７０を備えている。矯正キャビティ７０は、断面でＣ形状をなす第１曲成型面７１と、断面で逆Ｃ形状をなす第２曲成型面７２と、第１曲成型面７１に向けて内径が小さくなるように傾斜する円錐面的な第１案内面７３と、第２曲成型面７２に向けて内径が小さくなるように傾斜する円錐面的な第２案内面７４とをもつ。
【００５７】
そして図１２に示すように、矯正前の膜電極接合体２を矯正型７の矯正キャビティ７０に通す。これにより、膜電極接合体２をこれの長手方向に沿って、つまり矢印Ｋ１方向に矯正型７に対して相対移動させる。これにより膜電極接合体２の端部２０（２０ｅ，２０ｆ）を第１案内面７３および第２案内面７４により縮径させつつ、第１曲成型面７１および第２曲成型面７２により矯正する。この結果、膜電極接合体２の一端部２０ｅを断面でＣ形状に曲成し、他端部２０ｆを断面で逆Ｃ形状に曲成する。
【００５８】
図１２に示す形態では、第１曲成型面７１の加圧部７１ｒは、膜電極接合体２一端部２０ｅを内側（矢印Ｓ１方向）に加圧して第２集電体６２への接合性を高める。第２曲成型面７２の加圧部７２ｒは、膜電極接合体２の他端部２０ｆを内側（矢印Ｓ２方向）に加圧して第２集電体６２への接合性を高める。図１２に示すように、矯正型７の先端口７ｍから吐出された膜電極接合体２は筒形に曲成されている。このため、先端口７ｍから吐出された筒形の膜電極接合体２のイオン伝導膜３の端部３０（３０ｅ，３０ｆ）に高エネルギ密度ビームＷｐを照射して接合する。これにより接合性を更に高める。
【００５９】
図１３は、筒形燃料電池１の長手方向（矢印Ｌ方向）に対して交差する方向に沿った断面を示す。図１３に示す場合には、膜電極接合体２の外側に曲成用治具８を配置する。曲成用治具８は第１曲成用治具８１と第２曲成用治具８２とをもつ。第１曲成用治具８１は断面でＣ形状をなす第１曲成型面８３をもつ。第２曲成用治具８２は断面で逆Ｃ形状をなす第２曲成型面８４をもつ。第１曲成型面８３および第２曲成型面８４は、筒形燃料電池１の長手方向（矢印Ｌ方向）に沿って延設されている。
【００６０】
そして、第１曲成用治具８１および第２曲成用治具８２を膜電極接合体２に矢印Ｗ１方向に接近させることにより、第１曲成用治具８１および第２曲成用治具８２により膜電極接合体２の端部２０（２０ｅ，２０ｆ）を折り返し方向に曲成させ、Ｃ形状および逆Ｃ形状を形成する。その後、加圧面８６をもつ加圧体８５を膜電極接合体２に接近させ、加圧面８６で膜電極接合体２の端部２０（２０ｅ，２０ｆ）を第２集電体６２に向けて加圧し、端部２０と第２集電体６２との接合性を更に高める。この場合、圧力は、膜電極接合体２の構造を損傷させない程度とすることが好ましい。
【００６１】
また図１４に示す場合には、筒形燃料電池１の長手方向（矢印Ｌ方向）に沿って延設された棒状の細条材９０を結線９０ｆにより多数併設したすだれ状の巻付シート９を用いる。１本の細条材９０の外径は筒形燃料電池１の幅よりも遙かに小さい。巻付シート９は、細条材９０の延設方向（筒形燃料電池１の長手方向である矢印Ｌ方向に相当する方向）には高い剛性をもち、細条材９０の延設方向（筒形燃料電池１の方向である矢印Ｘ方向に相当する方向）には高い可撓性をもつ。そして平シート状の膜電極接合体２を巻付シート９に載せた状態で、膜電極接合体２を巻付シート９と共に巻付方向（矢印Ｒ２方向）に巻けば、筒形の膜電極接合体２が良好に形成される。
【００６２】
図１５は、筒形燃料電池１の長手方向（矢印Ｌ方向）に対して交差する方向（矢印Ｘ方向）に沿った断面を示す。図１５に示す場合には、平シート状の膜電極接合体２の外側に、転動可能な転動体として転動ロール１００を配置する。転動ロール１００は、円筒外周面形状の加圧面１０１と、軸芯１０２とをもつ。そして転動ロール１００を軸芯１０２の回りで回転させつつ、転動ロール１００を膜電極接合体２に接近させつつ、転動ロール１００を膜電極接合体２に沿わせる。これにより膜電極接合体２の端部２０（２０ｅ，２０ｆ）を加圧しつつ折り返し方向に曲成させ、一端部２０ｅをＣ形状に曲成し、他端部２０ｆを逆Ｃ形状を曲成する。従って、転動ロール１００は、膜電極接合体２の端部２０を曲成させつつ、第２集電体６２の接合部６５に加圧させて接着性を高める加圧手段として機能する。図１５に示す形態では、第１集電体６１は、膜電極接合体２との導電接触面積を増加させるための平坦状の接触頻度増加面６１ｘを有する。この場合、第１集電体６１の接触頻度増加面６１ｘ同士の接触面積、第１集電体６１の接触頻度増加面６１ｘと第２集電体６２との接触面積を増加させている。
【００６３】
ところで、図４に示すように、第１部分６１と第２部分６２とを併有する複合膜がイオン伝導膜３として使用されていることがある。この場合、複合膜は耐久性が高いため、発電運転が長時間にわたるときであっても、イオン伝導膜３の耐久性を高めるのに有利となる利点が得られる。また筒形燃料電池１によれば、流動液状の高分子材料を塗布して固化させることにより筒形のイオン伝導膜を成膜する方式により形成することも考えられている。しかしながら第１部分６１と第２部分６２とを併有する筒形の複合膜を、流動液状の高分子材料を塗布方式で形成することは困難である。したがって従来の筒形燃料電池では、複合膜で形成されたイオン伝導膜３をもつ筒形燃料電池を形成することは容易ではなかった。
【００６４】
この点本実施例によれば、前記したように、筒形のイオン伝導膜３を塗布方式で形成するのではなく、平シート状をなすイオン伝導膜３を予め用意し、イオン伝導膜３の厚み方向の片側に燃料側電極４を積層させると共に、イオン伝導膜３の厚み方向の他の片側に酸化剤側電極５とを配置させることにより、平シート状をなす膜電極接合体２を形成し、その後、平シート状をなす膜電極接合体２の端部２０（２０ｅ，２０ｆ）を曲成させて変形させる方式が採用されている。故に本実施例によれば、複合膜で形成されている筒形のイオン伝導膜３を容易に製作でき、製造過程を容易にできる利点が得られる。
【００６５】
本実施例に係る筒形燃料電池１では、平シート型の膜電極接合体２を形成した後に、膜電極接合体２の端部２０を折り返し方向に曲成させて変形させる曲成方式が採用されている。故に、平板型の膜電極接合体２を製造する過程の既存の技術を応用できるため、製造コストの低減に有利である。なお本実施例によれば、第１集電体６１が３個並設されているが、これに限らず、１個でも、２個でも、４個でも、それ以上でも良いものである。
【実施例２】
【００６６】
本発明の実施例２について図１６を参照して説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。膜電極接合体２のイオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）を更にＵ形状に折り返して積層複数層にすることにより、折返し部３６を形成している。そして接着剤３ｍ、高エネルギビームの照射等により、折返し部３６を第２集電体６２の接合部６５の接合面６６に接合している。この場合には、イオン伝導膜３の厚みが薄い場合でも、イオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）の接合部分の厚みが良好に確保される。このため、イオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）を第２集電体６２の接合部６５の接合面６６に接合し易い利点が得られる。折り返し部３６は、２重でも良いし、３重でも良く、それ以上でも良い。
【００６７】
更に本実施例によれば、膜電極接合体２の燃料側電極４は外側に配置されており、筒形燃料電池１の外部に形成されている燃料流体流路１８に対面している。酸化剤側電極５は内側に配置されており、筒形燃料電池１の内部に形成されている酸化剤流体流路１９に対面している。
【００６８】
但し、実施例１と同様に、膜電極接合体２の燃料側電極４は内側に配置されており、筒形燃料電池１の内部に形成されている燃料流体流路１８に対面している形態としてもよい。この場合、酸化剤側電極５は外側に配置されており、筒形燃料電池１の外部に形成されている酸化剤流体流路１９に対面している構成とする。
【実施例３】
【００６９】
本発明の実施例３について図１７を参照して説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。第１集電体６１は、燃料流体が流れ得る多数の孔（連通孔）６１ｐをもち、多孔質性、ガス透過性および導電性をもつ。第１集電体６１の孔６１ｐを透過する燃料流体は、第１集電体６１の外壁面である第１導電面６１ｆから燃料側電極４に移行できるため、燃料側電極４に燃料流体を供給し易い。これに対して第２集電体６２は緻密性が高い緻密体で形成されており、燃料流体流路１８の燃料流体等に対するガスバリヤ性を有する。このため、燃料流体流路１８の燃料流体および酸化剤流体流路１９の酸化剤流体が第１集電体６１の内部を透過することが、抑制されている。
【実施例４】
【００７０】
本発明の実施例４について図１８を参照して説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。集電体６Ｘは、ガス透過性をもつ多孔質部分６ｈ（第１集電体部分）と、ガスバリヤ性をもつ緻密部分６ｋ（第２集電体部分）とを併有する。ガスバリヤ性をもつ緻密性が高い緻密部分６ｋが設けられているため、燃料流体流路１８と酸化剤流体流路１９との隔離性が確保されている。
【実施例５】
【００７１】
本発明の実施例５について図１９を参照して説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。筒形の膜電極接合体２の内部に収容される第１集電体６１と、第１集電体６１に導通する第２集電体６２とが組み合わされて集電体６が形成されている。このため膜電極接合体２の集電経路が確保され易い。第１集電体６１は、２本の線材で形成されている。
【実施例６】
【００７２】
本発明の実施例６について図２０を参照して説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。筒形燃料電池１は、筒形の膜電極接合体２と、膜電極接合体２に付設された集電体６とをもつ。筒形の膜電極接合体２は、イオン伝導膜３と、イオン伝導膜３の厚み方向の片側に配置された燃料側電極４と、イオン伝導膜３の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極５とをもつ。
【００７３】
本例の筒形燃料電池１は積層可能とされている。故に、図２０に示すように、筒形燃料電池１が一方向（矢印ＨＡ方向）に並べて積層状態に配置されている。一方向（矢印ＨＡ方向）は、第１集電体６１の併設方向（矢印Ｘ方向）と直交する方向に相当する。
【００７４】
図２０に示すように、隣接する筒形燃料電池１の間には、導電性をもつ中間コネクタ部２００が介在している。中間コネクタ部２００は、一方の筒形燃料電池１の酸化剤側電極５に電気的に接合する第１導通面２０１と、他方の筒形燃料電池１の燃料側電極４側の集電体６に電気的に接合する第２導通面２０２とをもつ。従って、複数の筒形燃料電池１は電気的に直列に接続されて積層されており、ケース４００のケース室４０１の内部に収容されている。ケース室４０１は、酸化剤流体（酸素含有ガス）が流れる酸化剤流体流路１９を形成する。上記したように複数の筒形燃料電池１は電気的に直列に接続されて積層されているため、昇圧回路の簡素化、廃止を図り得、全体効率を高め得る。
【００７５】
膜電極接合体２の中間部２５はぼ平坦状であるため、中間コネクタ部２００の第１導通面２０１を酸化剤側電極５のうち中間部２５に対応する部分に電気的に接触させる導電面積を増加し易くなり、電気エネルギの取出面積を確保し易い利点が得られる。なお、中間コネクタ部２００を廃止し、筒形燃料電池１の外側の酸化剤側電極５を他の筒形燃料電池１の集電体６に直接接触させても良い。
【実施例７】
【００７６】
本発明の実施例７について図２１を参照して説明する。本実施例は実施例６と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。筒形燃料電池１が一方向（矢印ＨＡ方向）に並べて積層されている。ここで、一方向（矢印ＨＡ方向）は、第１集電体６１の併設方向（矢印Ｘ方向）と直交する方向に相当する。更に、筒形燃料電池１が矢印Ｘ方向に並べて配置されている。矢印Ｘ方向は、第１集電体６１の併設方向に相当する。
【００７７】
図２１に示すように、隣接する筒形燃料電池１の間には中間コネクタ部２００が介在している。複数の筒形燃料電池１は電気的に接続されており、ケース４００のケース室４０１の内部に収容されている。ケース室４０１は、酸化剤流体（例えば酸素含有ガス）が流れる酸化剤流体流路１９を形成する。
【実施例８】
【００７８】
本発明の実施例８について図２２を参照して説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。筒形燃料電池１は、筒形の膜電極接合体２と、膜電極接合体２に付設された集電体６とをもつ。互いに隣接する筒形燃料電池１の間には、導電性をもつ中間コネクタ部２００Ｂが介在している。
【００７９】
中間コネクタ部２００Ｂは、一方の筒形燃料電池１の酸化剤側電極５の平坦部分（中間部２５に相当）に電気的に接触する平坦な第１導通面２０１と、他方の筒形燃料電池１の燃料側電極４の第２集電体６２に電気的に接触する平坦な第２導通面２０２とをもつ。
【００８０】
更に、中間コネクタ部２００Ｂは挟持要素２３０をもつ。挟持要素２３０は、膜電極接合体２のイオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）を集電体６の接合部６５と共に挟持するものであり、従って、端部３０を挟む位置に設けられている。このような挟持要素２３０によりイオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）の固定性が向上し、端部３０の耐久性が向上する。
【実施例９】
【００８１】
本発明の実施例９について図２３を参照して説明する。本実施例は実施例８と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例８と異なる部分を中心として説明する。互いに隣接する筒形燃料電池１の間には、導電性をもつ中間コネクタ部２００Ｃが介在している。中間コネクタ部２００Ｃは、一方の筒形燃料電池１の酸化剤側電極５の平坦状部分（中間部２５に相当）に電気的に接触する第１導通面２０１と、他方の筒形燃料電池１の燃料側電極４の集電体６に電気的に接触する第２導通面２０２とをもつ。
【００８２】
中間コネクタ部２００Ｃは、挟持要素２３０Ｃをもつ。挟持要素２３０Ｃは、膜電極接合体２のイオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）を集電体６と共に挟持するに適する材料で形成されている。例えば、樹脂またはゴム等の高分子材料からなる弾性材料で形成されている。このような挟持要素２３０Ｃは、膜電極接合体２のイオン伝導膜３の端部３０を挟む位置に設けられている。挟持要素２３０Ｃによりイオン伝導膜３の端部３０の固定性が更に向上し、端部３０の耐久性が向上する。
【実施例１０】
【００８３】
本発明の実施例１０について図２４を参照して説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。膜電極接合体２の全体は実質的に円筒形状または疑似円筒形状に曲成されている。集電体６Ｅは緻密体で形成されており、膜電極接合体２の内部に配置された第１集電体６１Ｅと、膜電極接合体２から露出する第２集電体６２Ｅとを一体的に成形して形成されている。膜電極接合体２の端部２０（２０ｅ，２０ｆ）は、折り返し方向に曲成されている。
【００８４】
つまり、膜電極接合体２のイオン伝導膜３の全体は、燃料側電極４および酸化剤側電極５と共に円筒形状または疑似円筒形状に曲成されている。イオン伝導膜３の端部３０（一端部３０ｅおよび他端部３０ｆ）は、集電体６Ｅの接合部６５の接合面６６に接合されている。なお燃料側電極４は燃料側触媒層４１と燃料側透過層４２を備えており、酸化剤側電極５は酸化剤側触媒層５１と酸化剤側透過層５２とを備えている。第１集電体６１Ｅの外周壁面と燃料側電極４との間には、燃料流体流路１８が形成されている。
【実施例１１】
【００８５】
本発明の実施例１１について図２５を参照して説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。図２５は、横断方向（Ｘ方向）に沿って切断した切断面をもつ偏平筒形の燃料電池１の斜視図を示す。
【００８６】
図２５に示すように、本実施例に係る筒形燃料電池１は縦形の偏平な筒形（チューブ形）をなしている。膜電極接合体２の全体は、断面でＵ形状に曲成されている。従って、膜電極接合体２は、固体高分子材料を基材として形成されＵ形状に曲成されたイオン伝導膜３と、イオン伝導膜３の厚み方向の片側に配置された断面でＵ形状に曲成された燃料側電極４と、イオン伝導膜３の厚み方向の他の片側に配置された断面でＵ形状に曲成された酸化剤側電極５とをもつ。
【００８７】
図２５に示すように、膜電極接合体２の横断方向（矢印Ｘ方向）の中間部２５は、折り返し方向に曲成する曲成起点とされており、ほぼ半円状に曲成されている。中間部２５よりも外側の端部２０（一端部２０ｅおよび他端部２０ｆ）は、直状とされている。
【００８８】
図２５に示すように、集電体６は、膜電極接合体２の燃料側電極４に電気的に接触する第１集電体６１と、第１集電体６１に電気的に接触する第２集電体６２とを備えている。第１集電体６１は、所定の断面形状をもつ長手方向（矢印Ｌ方向）に延びる線材または棒材を、膜電極接合体２の方向（矢印Ｘ方向）と直交する方向（矢印Ｙ方向）に沿って複数併設することにより形成されている。
【００８９】
図２５に示すように、第１集電体６１の外壁面で形成されている第１導電面６１ｆは、膜電極接合体２の燃料側電極４に電気的に接触している。第２集電体６２は、所定の断面形状をもつ長手方向（矢印Ｌ方向）に延びる板状材で形成されている。第２集電体６２は、第１集電体６１の第１導電面６１ｆに電気的に接触する第２導電面６２ｆと、外方に露出する露出導電面６３ｆとをもつ。このように第１集電体６１と第２集電体６２とが組み合わされているため、膜電極接合体２の集電経路が確保され易い。第１集電体６１および第２集電体６２は長手方向（矢印Ｌ方向）に沿って延設されているため、筒形燃料電池１の長手方向の長さが確保され易い。
【００９０】
図２５に示すように、第２集電体６２は、膜電極接合体２のイオン伝導膜３の直状の端部３０（直状の一端部３０ｅおよび直状の他端部３０ｆ）を接合する平坦状の接合面６６をもつ。膜電極接合体２のイオン伝導膜３の一端部３０ｅおよび他端部３０ｆを第２集電体６２の接合部６５の接合面６６に接合すれば、燃料流体流路１８と酸化剤流体流路１９とが隔離される。よって、燃料流体流路１８を流れる燃料流体が酸化剤流体流路１９に流入することが抑制される。同様に、酸化剤流体流路１９を流れる酸化剤流体が燃料流体流路１８に流入することが抑制される。
【実施例１２】
【００９１】
本発明の実施例１２について図２６を参照して説明する。本実施例は実施例１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。図２６に示すように、膜電極接合体２の燃料側電極４に電気的に接触するワイヤ状または棒状の複数個の第１集電体６１が、一群をなして設けられている。複数の第１集電体６１は、互いに接触するように縦方向および横方向に積層されて束ねた状態で、接近しつつ並設されている。隣設する第１集電体６１の中心６１ｃ同士を繋ぐと、仮想的な三角形状が形成されるように、複数の第１集電体６１は配置されている。第１集電体６１の外周壁面である第１導電面６１ｆは、断面で円形の外壁面をもつ。この場合、隣接する第１集電体６１の第１導電面６１ｆ同士が電気的に接触する頻度が高まる。このような構造であれば、第１集電体６１の数が増加するときであっても、断面で非偏平形ではなく、疑似円に近い断面形状をもつ燃料電池１を形成し易い。
【実施例１３】
【００９２】
本発明の実施例１３について図２７を参照して説明する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。膜電極接合体２のうち曲げ内周側となる面において、複数個または単数の曲成促進部２ｖが形成されている。曲成促進部２ｖは、膜電極接合体２の内周側は、燃料側電極４とされている。曲成促進部２ｖは、膜電極接合体２を曲げ易くさせる機能をもち、凹状部または折り目で形成できる。曲成促進部２ｖは、筒形燃料電池１の長手方向に沿って連続的に、または、間隔を隔てて断続的に延設されていることが好ましい。膜電極接合体２の内周側が酸化剤側電極５であれば、酸化剤側電極５に曲成促進部２ｖを形成する。
【実施例１４】
【００９３】
本発明の実施例１４について図２８を参照して説明する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。横断面（図２８）において、膜電極接合体２のうち曲げ外周側の電極は長く設定されている。曲げ内周側の電極は短く設定されている。具体的には、膜電極接合体２において燃料側電極４（曲げ内周側の電極）は短く設定されている。酸化剤側電極５（曲げ外周側の電極）は長く設定されている。このため膜電極接合体１を筒形状に曲成させるとき、横断面において、曲げ外周側の電極の弧長寸法と、曲げ内周側の電極の弧長寸法とが均衡し易くなり、バランスがとり易い。
【実施例１５】
【００９４】
本発明の実施例１５について図２９を参照して説明する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。横断面（図２８）において、第１集電体６１の内部に空洞状の冷媒通過路６１ｈが第１集電体６１の長さに沿って形成されている。冷媒通過路６１ｈには冷媒が通過する（例えば電気絶縁性が高い冷却水、冷却ガス）。第１集電体６１は金属系（チタン、ステンレス鋼など）または炭素系で形成できる。筒形燃料電池１の温度が過剰になることが抑制される。
【実施例１６】
【００９５】
本発明の実施例１６について図３０を参照して説明する。以下、実施例１と異なる部分を中心として説明する。膜電極接合体２のイオン伝導膜３の一端部３０ｅは逆Ｓ字形状に曲成されることにより折り返し方向に延設され、第２集電体６２のうち逆Ｃ形状の一方の接合面６６に接合されている。イオン伝導膜３の他端部３０ｆはＳ字形状に曲成されることにより折り返し方向に延設され、第２集電体６２のうち逆Ｃ形状の他方の接合面６６に接合されている。この場合、第２集電体６２に対するイオン伝導膜３の一端部３０ｅおよび他端部３０ｆの接合面積が増加されており、接合力が増加している。
【００９６】
（他の実施例）
上記した各実施例によれば、集電体６は、膜電極接合体２の燃料側電極４に電気的に接触する第１集電体６１と、第１集電体６１に電気的に接触する第２集電体６２とを備えているが、集電体の形状はこれに限定されるものではない。燃料流体流路１８は筒形燃料電池の内部に配置されており、酸化剤流体流路１９は筒形燃料電池の外部に配置されている形態に限らず、燃料流体流路１８は筒形燃料電池の外部に配置されており、酸化剤流体流路１９は筒形燃料電池の内部に配置されている形態でも良い。イオン伝導膜は高分子系に限らず、有機無機複合系としても良い。
【００９７】
上記した実施例１によれば、燃料側電極４は、イオン伝導膜３に対面接触する燃料側触媒層４１と、イオン伝導膜３に背向する燃料側透過層４２を備えている形態とされているが、これに限らず、第１集電体６１が集電機能およびガス透過機能の双方を有するときには、燃料側透過層４２を廃止することも期待できる。
【００９８】
本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。特定の実施例に特有の構成は、支障がない限り、他の実施例にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、携帯用の燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】横断方向に沿って切断した切断端面をもつ筒形燃料電池の斜視図である。
【図２】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。
【図３】イオン伝導膜の断面図である。
【図４】他のイオン伝導膜の断面図である。
【図５】製造過程を示し、平シート状のイオン伝導膜の断面図である。
【図６】製造過程を示し、平シート状の膜電極接合体の断面図である。
【図７】製造過程を示し、平シート状の膜電極接合体に第１集電体を載せた状態の断面図である。
【図８】製造過程を示し、平シート状の膜電極接合体に第１集電体および第２集電体を載せた状態の断面図である。
【図９】製造過程を示し、平シート状の膜電極接合体の端部を曲成した状態の断面図である。
【図１０】製造過程を示し、曲成された膜電極接合体の端部に高エネルギ密度ビームを照射している状態の断面図である。
【図１１】製造過程を示し、曲成された膜電極接合体を巻付要素で縛る状態の断面図である。
【図１２】平シート状の膜電極接合体を曲成する過程の一例を示す斜視図である。
【図１３】平シート状の膜電極接合体を曲成する過程の他の例を示す断面図である。
【図１４】平シート状の膜電極接合体を曲成する過程の別の例を示す斜視図である。
【図１５】平シート状の膜電極接合体を曲成する過程の更に他の例を示す断面図である。
【図１６】実施例２を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。
【図１７】実施例３を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。
【図１８】実施例４を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。
【図１９】実施例５を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。
【図２０】実施例６を示し、複数の筒形燃料電池を積層している状態を示す断面図である。
【図２１】実施例７を示し、複数の筒形燃料電池を積層していると共に横断方向に沿って並設している状態を示す断面図である。
【図２２】実施例８を示し、積層している複数の筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。
【図２３】実施例９を示し、積層している複数の筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。
【図２４】実施例１０を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。
【図２５】実施例１１を示し、横断方向に沿って切断した切断端面をもつ筒形燃料電池の斜視図である。
【図２６】実施例１２を示し、横断方向に沿って切断した筒形燃料電池の切断端面を示す断面図である。
【図２７】実施例１３を示し、横断方向に沿って切断した曲成前の筒形燃料電池の断面図である。
【図２８】実施例１４を示し、横断方向に沿って切断した曲成前の膜電極接合体の断面図である。
【図２９】実施例１５を示し、第１集電体の部分斜視図である。
【図３０】実施例１６を示し、横断方向に沿って切断した曲成前の筒形燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１は筒形燃料電池、２は膜電極接合体、２０は膜電極接合体の端部、２３０は挟持要素、３はイオン伝導膜、４は燃料側電極、４１は燃料側触媒層、４２は燃料側透過層、５は酸化剤側電極、５１は酸化剤側触媒層、５２は酸化剤側透過層、６は集電体、６１は第１集電体、冷媒通過路６１ｈ、６２は第２集電体、６８は巻付要素、６９は収容部、７は矯正型（矯正要素）、８は曲成用治具を示す。
【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】
2008010187.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2008010187.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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