(57)【要約】【課題】集電効率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】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へ複数のチューブ型燃料電池セルと接触するように配置される導電体、を有する集合体と、複数のチューブ型燃料電池セルと接触する集電部材と、少なくとも集電部材及び複数の集合体を収容するケース部材と、を備え、複数のチューブ型燃料電池セルと集電部材との接触抵抗を低減する接触抵抗低減手段が備えられる、燃料電池モジュールとする。【選択図】図８
2008288152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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へ複数の前記チューブ型燃料電池セルと接触するように配置される導電体、を有する集合体と、複数の前記チューブ型燃料電池セルと接触する集電部材と、少なくとも前記集電部材及び複数の前記集合体を収容するケース部材と、を備え、
複数の前記チューブ型燃料電池セルと前記集電部材との接触抵抗を低減する接触抵抗低減手段が備えられることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項２】
中空形状の膜電極構造体、前記膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体、及び、前記膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体が、前記チューブ型燃料電池セルに備えられるとともに、複数の前記内部集電体と接触する内部集電部材が、前記集電部材に備えられ、
前記接触抵抗低減手段が、前記内部集電部材と複数の前記内部集電体との接触抵抗を低減する手段であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記集合体に備えられる複数の前記内部集電体が、前記導電体と前記内部集電部材との間に配設され、
少なくとも前記導電体と複数の前記内部集電体との間に、絶縁部材が配設され、
前記絶縁部材が前記接触抵抗低減手段に備えられ、かつ、前記絶縁部材を介して、複数の前記内部集電体を前記導電体から遠ざける向きの力が付与されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記接触抵抗低減手段に圧力付与部材が備えられ、
複数の前記内部集電体と接触する前記絶縁部材の表面が、前記導電体の長手方向に対して傾斜を有する傾斜面であり、
前記圧力付与部材から前記絶縁部材へ、前記導電体の長手方向中央側へと向かう力が付与されることにより、前記絶縁部材の前記傾斜面を介して、複数の前記内部集電体を前記導電体から遠ざける向きの力が付与されることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記接触抵抗低減手段に弾性体が備えられ、該弾性体が前記圧力付与部材と前記絶縁部材との間に配設されることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記接触抵抗低減手段に、前記内部集電部材と複数の前記内部集電体との間に配設された金属が備えられ、該金属を介して前記内部集電部材と複数の前記内部集電体とが接合されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項１〜６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増大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増大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２００４−１４４５８号公報
【特許文献３】特開２００６−２１６４０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、チューブ型ＰＥＦＣは各チューブ型セルで生じた電気エネルギーを外部へ取り出す装置であるため、チューブ型ＰＥＦＣの性能を向上させるためには、集電効率を向上させることが重要である。しかし、特許文献１には、集電板及びターミナル端子を介して集電することのみが開示され、チューブ型セルで生じた電気エネルギーをケーシングの外へ取り出す過程で集電効率を向上させる構成については開示されていない。また、特許文献２においても、集電体を介して集電することのみが開示され、集電効率を向上させる構成については開示されていない。また、特許文献３では、電気エネルギーを取り出す機構に関する記載がなされておらず、集電効率を向上させる構成についても開示されていない。したがって、特許文献１乃至特許文献３にかかる技術によっては、チューブ型セルを備える燃料電池モジュール及び燃料電池の集電効率を向上させることは困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、集電効率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、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へ複数のチューブ型燃料電池セルと接触するように配置される導電体、を有する集合体と、複数のチューブ型燃料電池セルと接触する集電部材と、少なくとも集電部材及び複数の集合体を収容するケース部材と、を備え、複数のチューブ型燃料電池セルと集電部材との接触抵抗を低減する接触抵抗低減手段が備えられることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
【０００９】
本発明において、「チューブ型燃料電池セル」は、中空形状のイオン伝導体、イオン伝導体の内周面側に配設される中空形状の第１電極、及び、イオン伝導体の外周面側に配設される中空形状の第２電極を備える中空形状の構造体と、第１電極の内周面側に配設される第１集電体、及び、第２電極の外周面側に配設される第２集電体と、を具備する単セルを意味する。チューブ型燃料電池セルとしては、チューブ型ＰＥＦＣの単セル等を例示することができる。また、複数のチューブ型燃料電池セルと接触する「導電体」は、当該導電体の周囲に配置された複数のチューブ型燃料電池セルのそれぞれに備えられる外部集電体と電気的に接触する。本発明において、導電体の形態は特に限定されるものではないが、本発明の燃料電池モジュールにチューブ型ＰＥＦＣの単セルが収容される場合には、部品点数を削減して単位体積当たりの発電量を増大させやすい形態の燃料電池モジュールとする等の観点から、当該導電体の内部に熱媒体流通用の空間が備えられることが好ましい。導電体の内部に熱媒体流通用の空間が備えられる場合、当該導電体は管状の部材とすることができる。さらに、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、本発明において、一の集合体には、１本の導電体と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。さらに、本発明において、「複数のチューブ型燃料電池セルと接触する集電部材」とは、複数の第１集電体又は複数の第２集電体と接触することにより、複数のチューブ型燃料電池セルと集電部材とが、通電可能な形態で接触することを意味する。さらに、本発明において、「少なくとも集電部材及び複数の集合体を収容するケース部材」とは、少なくとも集電部材及び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、これらのほかに、接触抵抗低減手段等もケース部材に収容され得ることを意味する。本発明において、「ケース部材」は、少なくとも集電部材及び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ることが好ましい。
【００１０】
上記第１の本発明において、中空形状の膜電極構造体、膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体、及び、膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体が、チューブ型燃料電池セルに備えられるとともに、複数の内部集電体と接触する内部集電部材が、集電部材に備えられ、接触抵抗低減手段が、内部集電部材と複数の内部集電体との接触抵抗を低減する手段であることが好ましい。
【００１１】
本発明において、「中空形状の膜電極構造体」は、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と、電解質膜の内周面側に配設される中空形状の第１触媒層と、電解質膜の外周面側に配設される中空形状の第２触媒層と、を有する中空形状のＭＥＡ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。第１触媒層及び／又は第２触媒層へ反応ガスが均一に供給されやすい形態とする等の観点からは、第１触媒層と内部集電体との間、及び／又は、第２触媒層と外部集電体との間に、拡散層や撥水層が備えられることが好ましい。また、本発明において、「複数の内部集電体と接触する内部集電部材」とは、一の集合体に備えられる全ての内部集電体と一の内部集電部材とが接触する形態のみならず、燃料電池モジュールに備えられる全ての内部集電体と一の内部集電部材とが接触する形態も採り得ることを意味する。
【００１２】
接触抵抗低減手段が内部集電部材と複数の内部集電体との接触抵抗を低減する手段である、上記第１の本発明において、集合体に備えられる複数の内部集電体が、導電体と内部集電部材との間に配設され、少なくとも導電体と複数の内部集電体との間に、絶縁部材が配設され、該絶縁部材が接触抵抗低減手段に備えられ、かつ、該絶縁部材を介して、複数の内部集電体を導電体から遠ざける向きの力が付与されることが好ましい。
【００１３】
本発明において、「集合体に備えられる複数の内部集電体が、導電体と内部集電部材との間に配設され」とは、内部集電部材が、集合体の周囲を取り囲む形状を有し、当該内部集電部材と導電体との間（より具体的には、内部集電部材と絶縁部材との間）に、集合体に備えられる全ての内部集電体が配設されることを意味する。また、本発明において、「少なくとも導電体と複数の内部集電体との間に、絶縁部材が配設され」とは、少なくとも複数の内部集電体と導電体との通電を防止する形態で絶縁部材が配設されることを意味し、複数の内部集電体と導電体との通電、及び、内部集電部材と導電体との通電を防止する形態で、絶縁部材が配設される形態も採り得ることを意味する。本発明で、少なくとも複数の内部集電体と導電体との間に配設される絶縁部材を構成する材料の具体例としては、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等に代表される各種絶縁性樹脂を挙げることができる。さらに、本発明において、「導電体から遠ざける向き」とは、導電体を中心として複数の内部集電体よりも外側に位置する内部集電部材の方へ近づける向き、と同義である。
【００１４】
絶縁部材を介して複数の内部集電体を導電体から遠ざける向きの力が付与される、上記第１の本発明において、接触抵抗低減手段に圧力付与部材が備えられ、複数の内部集電体と接触する絶縁部材の表面が、導電体の長手方向に対して傾斜を有する傾斜面であり、圧力付与部材から絶縁部材へ、導電体の長手方向中央側へと向かう力が付与されることにより、絶縁部材の上記傾斜面を介して、複数の内部集電体を導電体から遠ざける向きの力が付与されることが好ましい。
【００１５】
本発明において、「複数の内部集電体と接触する絶縁部材の表面が、導電体の長手方向に対して傾斜を有する傾斜面であり」とは、導電体の長手方向に対して傾斜を有する絶縁部材表面の傾斜面と、集合体に備えられる全ての内部集電体とが接触することを意味する。
【００１６】
接触抵抗低減手段に圧力付与部材及び絶縁部材が備えられる、上記第１の本発明において、接触抵抗低減手段に弾性体が備えられ、該弾性体が圧力付与部材と絶縁部材との間に配設されることが好ましい。
【００１７】
本発明において、「弾性体」は、絶縁部材に、導電体の長手方向中央側へと向かう弾性力を継続的に付与し得る部材であれば、その形態は特に限定されるものではない。本発明において使用可能な弾性体としては、スプリングワッシャーや皿バネ等を例示することができる。
【００１８】
接触抵抗低減手段が内部集電部材と複数の内部集電体との接触抵抗を低減する手段である、上記第１の本発明において、接触抵抗低減手段に、内部集電部材と複数の内部集電体との間に配設された金属が備えられ、該金属を介して内部集電部材と複数の内部集電体とが接合されることが好ましい。
【００１９】
本発明において、接触抵抗低減手段に備えられる「金属」は、内部集電部材と複数の内部集電体との間に配設されることにより、当該金属を介して内部集電部材と複数の内部集電体とを電気的に接続し得るものであれば、特に限定されるものではない。内部集電部材と複数の内部集電体との間に配設される「金属」の具体例としては、鉛フリーはんだ等を挙げることができる。
【００２０】
第２の本発明は、上記第１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】
【００２１】
第１の本発明によれば、複数のチューブ型燃料電池セルと集電部材との接触抵抗を低減する接触抵抗低減手段が備えられるので、接触抵抗を低減して集電効率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。
【００２２】
第１の本発明において、複数の内部集電体と接触する内部集電部材と複数の内部集電体との接触抵抗を低減することにより、集電効率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。
【００２３】
第１の本発明において、絶縁部材を介して複数の内部集電体を導電体から遠ざける向きの力が付与されることにより、内部集電部材と複数の内部集電体とを密着させて接触抵抗を低減することができる。
【００２４】
第１の本発明において、複数の内部集電体との接触面が傾斜面とされた絶縁部材に、圧力付与部材から導電体の長手方向中央側へと向かう力が付与されることにより、絶縁部材の傾斜面を介して導電体から遠ざける向きの力を複数の内部集電体へ付与できる。したがって、かかる形態とすることにより、内部集電部材と複数の内部集電体とを密着させて集電効率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。
【００２５】
第１の本発明において、圧力付与部材と絶縁部材との間に弾性体が配設されることにより、弾性体を介して、絶縁部材へ、導電体の長手方向中央側へと向かう力を継続的に付与することが可能な、燃料電池モジュールを提供できる。
【００２６】
第１の本発明において、金属を介して内部集電部材と複数の内部集電体とが接合されることにより、内部集電部材と複数の内部集電体との間の電気抵抗を低減して集電効率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。
【００２７】
第２の本発明によれば、燃料電池に、集電効率を向上させることが可能な燃料電池モジュールが複数備えられるので、集電効率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】
【００２８】
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。図示する形態は、あくまでも本発明の形態例であり、本発明の燃料電池モジュール及び燃料電池は図示の形態に限定されるものではない。図面に示す構造体に複数の同種部材が備えられる場合、本発明の理解を容易にするため、複数の同種部材の一部にのみ符号を付すことがある。また、以下の説明では、チューブ型燃料電池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、導電体に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。チューブ型燃料電池セルには、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導電体へ供給することもできる。
【００２９】
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乃至図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、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正面図であり、ケースに収容される前の形態を示している。図４の紙面上下方向が、チューブ型セルの長手方向である。図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。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の理解を容易にするため、図５では、導電体及びチューブ型セルの断面と、チューブ型セルの周囲に巻回される拘束部材の形態を概略的に示している。図５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６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６の紙面奥／手前方向が、チューブ型セルの長手方向である。
以下、本発明の燃料電池モジュールについて説明するが、後述する第１実施形態乃至第３実施形態は、ケース部材に収容される集電構造等が異なるのみであり、ケース部材外表面の形状のほか、ケース部材に収容される集合体の形態や、水素及び空気並びに冷媒（以下、これらをまとめて「流体」ということがある。）の流通形態は共通している。そこで、主に図１乃至図６を用いて、第１実施形態乃至第３実施形態に共通する、本発明の燃料電池モジュールの外形、集合体の外形、チューブ型セルの構造、及び、流体の流通形態について概説し、その後、図７乃至図１６を参照しつつ、各実施形態における集電構造等について具体的に説明する。
【００３０】
図１乃至図３に示すように、本発明の燃料電池モジュール３０は、複数のチューブ型セル７、７、…、及び、熱媒体管としても機能する複数の導電体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２０と、を備える。ケース部材２０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２０ｘ、２０ｚ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２０ｙと、を備え、端部ケース２０ｘ及び端部ケース２０ｚに備えられる開口部２１、２１と、ケース本体２０ｙに備えられる嵌合爪２２、２２とが嵌め合わされることにより、これらが連結される。ケース部材２０には、凹部２３、２３、２３が備えられるとともに（図１参照）、その裏面側には凸部２４、２４、２４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３０、３０、…が積層されると、隣接する一方の燃料電池モジュール３０の凸部２４、２４、２４と、他方の燃料電池モジュール３０の凹部２３、２３、２３とが嵌め合わされることにより、積層体４０が構成される（図１７参照）。燃料電池モジュール３０において、端部ケース２０ｘには、冷媒流通部２５の開口部と水素流通部２６の開口部が備えられ、（以下、端部ケース２０ｘに備えられる冷媒流通部２５及び水素流通部２６を、「冷媒流通部２５ｘ」及び「水素流通部２６ｘ」という。）、これらの開口部の周囲に設けられた凹部２８に、シール部材２７が配設されている。同様に、端部ケース２０ｚにも、冷媒流通部２５の開口部と水素流通部２６の開口部が備えられ（以下、端部ケース２０ｚに備えられる冷媒流通部２５及び水素流通部２６を、「冷媒流通部２５ｚ」及び「水素流通部２６ｚ」という。）、これらの開口部の周囲に設けられた凹部２８に、シール部材２７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２０の側面には、開口部２９、２９、…が備えられ、燃料電池モジュール３０の運転時には、当該開口部２９、２９、…を介して、ケース部材２０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。
【００３１】
図４及び図５に示すように、本発明の燃料電池モジュール３０に備えられる集合体１０は、７個のチューブ型セル７、７、…と、当該複数のチューブ型セル７、７、…によって囲まれた空間に配置された１本の導電体８と、を備える。そして、７個のチューブ型セル７、７、…の周囲に配置された拘束部材９によって、７個のチューブ型セル７、７、…と１本の導電体８とが接触する形態で拘束され、拘束部材９の両端が端部止め９ａ、９ａによって固定されることにより、一の集合体１０が構成されている。
【００３２】
図６に示すように、本発明の燃料電池モジュール３０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３０の運転時には、重力方向下方側に位置する水素流通部２６ｚへと供給された水素が、当該水素流通部２６ｚ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２６ｘへと流出し、当該水素流通部２６ｘの開口部から燃料電池モジュール３０の外へ排出されて回収される。
【００３３】
一方、燃料電池モジュール３０の運転時には、ケース部材２０の側面に備えられる開口部２９、２９、…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３０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３０の運転時において、第１触媒層２、２、…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第２内部集電板１ｂ、１ｂ（図１及び図７乃至図１６参照。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４、４、…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８、８、…と、当該導電体８、８、…と電気的に接続された集電部材（図７乃至図１６参照。以下、「外部集電板」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３０によれば、第２内部集電板１ｂ、１ｂ及び外部集電板を介して、電気エネルギーを取り出すことができる。
【００３４】
上述のように、燃料電池モジュール３０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３０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３０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、…と接触する導電体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。以下同じ。）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２５ｘへと供給され、次いで、当該冷媒流通部２５ｘに長手方向の一端面が配置された導電体８、８、…へと分岐することにより、導電体８、８、…の内部へと流入する。このようにして導電体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、導電体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２５ｚへと流出し、当該冷媒流通部２５ｚの開口部から燃料電池モジュール３０の外へ排出されて回収される。
【００３５】
１．１．第１実施形態
図７は、図１に示す燃料電池モジュール３０（以下、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの説明において、「燃料電池モジュール３０ａ」ということがある。）のＶＩＩ−ＶＩＩ断面を示す拡大図であり、一部を省略して示している。図７の紙面奥／手前方向が、燃料電池モジュール３０ａに備えられるチューブ型セル７、７、…の長手方向である。図７の直線矢印は、絶縁部材１１、１１、…を介して複数の内部集電体１、１、…へと付与された力の向きを示している。図８は、図１に示す燃料電池モジュール３０（燃料電池モジュール３０ａ）に点線で示した部位のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。図９は、図２に示す燃料電池モジュール３０（燃料電池モジュール３０ａ）のＩＸ−ＩＸ断面図であり、一部のみを拡大して示している。図８及び図９の紙面上下方向が、燃料電池モジュール３０ａに備えられるチューブ型セル７、７、…の長手方向である。以下、図１乃至図９を参照しつつ、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール３０ａの集電構造等について具体的に説明する。
【００３６】
図１及び図７に示すように、燃料電池モジュール３０ａには、複数の集合体１０、１０、…をそれぞれ挿入可能な複数の孔を有する第１内部集電板１ａ、１ａと、締結部材１２、１２、…（例えば、低頭ボルト等。以下同じ。）によって第１内部集電板１ａ、１ａと締結固定された第２内部集電板１ｂ、１ｂと、が備えられる。そして、導電体８、８、…と複数の内部集電体１、１、…との間に配設された絶縁部材１１、１１、…を介して、燃料電池モジュール３０ａの製造時のみならず長期間に亘る運転時において、複数の内部集電体１、１、…へ、導電体８、８、…から遠ざかる向きの力が継続的に付与される。かかる構成とすることにより、燃料電池モジュール３０ａでは、複数の内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ａ、１ａとが密着した状態で維持され、これらの界面における接触抵抗が低減される。
【００３７】
図８及び図９に示すように、集合体１０、１０、…の長手方向中央部は、ケース本体２０ｙに収容され、当該集合体１０、１０、…の長手方向端部には、部材１６、１６、…及び部材１７、１７、…が配設される。そして、部材１６、１６、…とチューブ型セル７、７、…及び導電体８、８、…との間、並びに、部材１６、１６、…と部材１７、１７、…との間に、接着剤１８、１８、…が配設され、当該接着剤１８、１８、…によって、チューブ型セル７、７、…の外周面へと供給される空気と、チューブ型セル７、７、…の長手方向端部を介して供給される水素とが隔離される。燃料電池モジュール３０ａでは、部材１６、１６、…及び部材１７、１７、…の端面と、チューブ型セル７、７、…に備えられるＭＥＡ５、５、…の端面とが略面一となる形態で、部材１６、１６、…及び部材１７、１７、…が配設される。
【００３８】
燃料電池モジュール３０ａにおいて、集合体１０、１０、…の長手方向両端側にそれぞれ配設される第１内部集電板１ａ、１ａは、部材１６、１６、…、部材１７、１７、…、及び、接着剤１８、１８の少なくとも一以上と接触するように配置される。集合体１０、１０、…の長手方向両端側にそれぞれ配設される絶縁部材１１、１１、…は、導電体８、８、…の長手方向両端側から挿入され、導電体８、８、…と複数の内部集電体１、１、…との間へと配設される。一方、外部集電板６ａ、６ａは、導電体８、８、…の長手方向両端側から、導電体８、８、…の長手方向一端側及び他端側にそれぞれ１つずつ挿入され、導電体８、８、…と接触する形態で配置される。そして、外部集電板６ａ、６ａと導電体８、８、…とを密着させるべく、導電体８、８、…等を挿入可能な複数の孔を備える連結ワッシャー１３、１３によって、外部集電板６ａ、６ａの位置が固定される。集合体１０、１０、…の長手方向両端側にそれぞれ配設されるスプリングワッシャー１４、１４、…は、導電体８、８、…の長手方向両端側から挿入され、連結ワッシャー１３、１３と接触する形態で配置される。そして、スプリングワッシャー１４、１４、…よりも導電体８、８、…の長手方向端部側に、圧力付与部材としてのナット１５、１５、…が配置される。燃料電池モジュール３０ａでは、圧力付与部材としてのナット１５、１５、…を導電体８、８、…の長手方向中央側へと押し付ける形態で固定することにより、スプリングワッシャー１４、１４、…、連結ワッシャー１３、１３、及び、外部集電板６ａ、６ａを介して、絶縁部材１１、１１、…に、導電体８、８、…の長手方向中央側へと向かう力が付与される。
【００３９】
図８及び図９に示すように、燃料電池モジュール３０ａに備えられる絶縁部材１１、１１、…は、複数の内部集電体１、１、…と接触する接触面が、導電体８、８、…の長手方向に対して傾斜した傾斜面とされている。それゆえ、導電体８、８、…の長手方向中央側へと向かう上記力が絶縁部材１１、１１、…に付与されると、絶縁部材１１、１１、…の傾斜面によって、内部集電体１、１、…の端部が押し潰されるとともに、当該内部集電体１、１、…へ、導電体８、８、…から遠ざかる方向の力（第１内部集電板１ａ、１ａへと向かう力）が付与される。したがって、燃料電池モジュール３０ａによれば、絶縁部材１１、１１、…を介して力を付与された内部集電体１、１、…と、第１内部集電板１ａ、１ａとの密着性を向上させることができるので、内部集電体１、１、…、第１内部集電板１ａ、１ａ、及び、第２内部集電板１ｂ、１ｂを介した集電効率を向上させることができる。燃料電池モジュール３０ａの製造時には、上記過程を経てナット１５、１５、…を配置した後、当該ナット１５、１５、…の外側（導電体８、８、…の長手方向端部側。以下において同じ。）にバックアップリング３８、３８、…及びシール部材１９、１９、…が配置され、その後、導電体８、８、…の端面等が端部ケース２０ｘ、２０ｚに収容される。そして、複数の集合体１０、１０、…等の端部を端部ケース２０ｘ、２０ｚへ収容した後に、第１内部集電板１ａ、１ａと第２内部集電板１ｂ、１ｂとが締結部材１２、１２、…によって締結固定される。
【００４０】
燃料電池モジュール３０ａにおいて、絶縁部材１１、１１、…によって端部を押し潰された内部集電体１、１、…の外周面には溝１ｘ、１ｘ、…が備えられ、絶縁部材１１、１１、…との接触面に備えられる溝１ｘ、１ｘ、…は、絶縁部材１１、１１、…によって塞がれると考えられる。しかし、絶縁部材１１、１１、…と接触していない側の内部集電体１、１、…の外周面に備えられる溝１ｘ、１ｘ、…は、絶縁部材１１、１１、…によって塞がれないので、燃料電池モジュール３０ａの運転時には、水素流通部２６ｚ、及び、塞がれていない溝１ｘ、１ｘ、…を介して、第１触媒層２、２、…へ水素を供給することができる。
【００４１】
このように、第１実施形態によれば、絶縁部材１１、１１、…を介して継続的に力を付与することにより、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ａ、１ａとの密着性を向上させる。それゆえ、内部集電体１、１、…、第１内部集電板１ａ、１ａ、及び、第２内部集電板１ｂ、１ｂを介した集電効率を継続的に向上させることができるので、性能を向上させることが可能な、燃料電池モジュール３０ａを提供することができる。
【００４２】
１．２．第２実施形態
図１０は、図１に示す燃料電池モジュール３０（以下、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの説明において、「燃料電池モジュール３０ｂ」ということがある。）のＸ−Ｘ断面を示す拡大図であり、一部を省略して示している。図１０の紙面奥／手前方向が、燃料電池モジュール３０ｂに備えられるチューブ型セル７、７、…の長手方向である。図１１は、図１に示す燃料電池モジュール３０（燃料電池モジュール３０ｂ）に点線で示した部位のＸＩ−ＸＩ断面図である。図１２は、図２に示す燃料電池モジュール３０（燃料電池モジュール３０ｂ）のＸＩＩ−ＸＩＩ断面図であり、一部のみを拡大して示している。図１１及び図１２の紙面上下方向が、燃料電池モジュール３０ｂに備えられるチューブ型セル７、７、…の長手方向である。図１３は、燃料電池モジュール３０ｂの導電体８、８、…と内部集電体１、１、…との間に配設される部材３１の形態例を概略的に示す平面図である。図１０乃至図１２において、図７乃至図９と同様の構成を採るものには、図７乃至図９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。以下、図１乃至図６及び図１０乃至図１３を参照しつつ、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール３０ｂの集電構造等について具体的に説明する。
【００４３】
図１及び図１０に示すように、燃料電池モジュール３０ｂには、複数の集合体１０、１０、…をそれぞれ挿入可能な複数の孔を有する第１内部集電板１ｃ、１ｃと、締結部材１２、１２、…によって第１内部集電板１ｃ、１ｃと締結固定された第２内部集電板１ｂ、１ｂとが備えられる。さらに、導電体８、８、…と内部集電体１、１、…との間に、部材３１、３１、…が配設され、部材３１、３１、…と導電体８、８、…との間に、絶縁体３２、３２、…が配設される。燃料電池モジュール３０ｂでは、内部集電体１、１、…と、部材３１、３１、…と、第１内部集電板１ｃ、１ｃと、によって囲まれた空間に、流動状態の金属（例えば、溶融状態のはんだ等）が流し込まれ、流し込まれた空間において形状を特定された金属３３、３３、…（例えば、温度が低下することにより固体状態とされた、はんだ等）を介して、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｃ、１ｃとが接合される。このように、金属３３、３３、…を介して内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｃ、１ｃとを接合すると、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｃ、１ｃとを単に接触させる場合と比較して、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｃ、１ｃとの間の接触抵抗を低減することができる。それゆえ、燃料電池モジュール３０ｂによれば、集電効率を向上させることが可能になる。
【００４４】
図１１及び図１２に示すように、集合体１０、１０、…の長手方向中央部は、ケース本体２０ｙに収容され、当該集合体１０、１０、…の長手方向端部には、部材１６、１６、…、及び、部材１７、１７、…が配設される。そして、部材１６、１６、…とチューブ型セル７、７、…及び導電体８、８、…との間、並びに、部材１６、１６、…と部材１７、１７、…との間に、接着剤１８、１８、…が配設され、当該接着剤１８、１８、…によって、チューブ型セル７、７、…の外周面へと供給される空気と、チューブ型セル７、７、…の長手方向端部を介して供給される水素とが隔離される。
【００４５】
上述のように、燃料電池モジュール３０ｂでは、導電体８、８、…と内部集電体１、１、…との間には、絶縁体３２、３２、…が配設され、当該絶縁体３２、３２、…と内部集電体１、１、…との間に、部材３１、３１、…が配置される。部材３１は、導電体８の周囲に配置された内部集電体１、１、…が配置されるべき箇所が凹んだ形状とされ（図１３参照）、後に流し込まれる金属が配置されるべき空間を限定する機能を担う。さらに、燃料電池モジュール３０ｂでは、集合体１０、１０、…の長手方向両端側にそれぞれ配設される第１内部集電板１ｃ、１ｃは、部材１６、１６、…、部材１７、１７、…、及び、接着剤１８、１８の少なくとも一以上と接触するように配置され、第１内部集電板１ｃ、１ｃに備えられる孔に、集合体１０、１０、…が配置される。燃料電池モジュール３０ｂの製造時には、このようにして部材３１、３１、…、及び、第１内部集電板１ｃ、１ｃを配置した後、内部集電体１、１、…と、部材３１、３１、…と、第１内部集電板１ｃ、１ｃによって側面を囲まれるとともに、チューブ型セル７、７、…、及び／又は、接着剤１８、１８、…によって底面を区画された空間へ、流動状態の金属が流し込まれ、流し込まれた空間において形状を特定された金属３３、３３、…を介して、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｃ、１ｃとが接合される。このようにして金属が流し込まれたら、その後、絶縁体３２、３２、…、部材３１、３１、…、チューブ型セル７、７、…、及び、金属３３、３３、…の上に、絶縁体３４、３４が配置され、当該絶縁体３４、３４の上に、外部集電板６ａ、６ａが配置される。燃料電池モジュール３０ｂの製造時には、さらに、上記燃料電池モジュール３０ａの場合と同様に、連結ワッシャー１３、１３、スプリングワッシャー１４、１４、…、及び、ナット１５、１５、…が配置され、バックアップリング３８、３８、…及びシール部材１９、１９、…の配置後に、導電体８、８、…の端面等が端部ケース２０ｘ、２０ｚに収容される。
【００４６】
このように、第２実施形態によれば、金属３３、３３、…を介して内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｃ、１ｃとを接合することにより、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｃ、１ｃとの界面における接触抵抗を低減し、集電効率を向上させる。それゆえ、内部集電体１、１、…、第１内部集電板１ｃ、１ｃ、及び、第２内部集電板１ｂ、１ｂを介した集電効率を継続的に向上させることができるので、性能を向上させることが可能な、燃料電池モジュール３０ｂを提供することができる。加えて、第２実施形態によれば、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｃ、１ｃとが、金属３３、３３、…によって接合されるので、燃料電池モジュール３０ｂの運転時に第１内部集電板１ｃ、１ｃ等へ外力が付与されても、当該第１内部集電板１ｃ、１ｃと内部集電体１、１、…との接触抵抗を低減し続けることができる。
【００４７】
１．３．第３実施形態
図１４は、図１に示す燃料電池モジュール３０（以下、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの説明において、「燃料電池モジュール３０ｃ」ということがある。）のＸＩＶ−ＸＩＶ断面を示す拡大図であり、一部を省略して示している。図１４の紙面奥／手前方向が、燃料電池モジュール３０ｃに備えられるチューブ型セル７、７、…の長手方向である。図１４の直線矢印は、絶縁部材１１、１１、…を介して複数の内部集電体１、１、…へと付与された力の向きを示している。図１５は、図１に示す燃料電池モジュール３０（燃料電池モジュール３０ｃ）に点線で示した部位のＸＶ−ＸＶ断面図である。図１６は、図２に示す燃料電池モジュール３０（燃料電池モジュール３０ｃ）のＸＶＩ−ＸＶＩ断面図であり、一部のみを拡大して示している。図１５及び図１６の紙面上下方向が、燃料電池モジュール３０ｃに備えられるチューブ型セル７、７、…の長手方向である。図１４乃至図１６において、図７乃至図９と同様の構成を採るものには、図７乃至図９で使用した符号と同符号を付す。以下、図１乃至図９及び図１４乃至図１６を参照しつつ、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール３０ｃの集電構造等について具体的に説明する。
【００４８】
図１及び図１４に示すように、燃料電池モジュール３０ｃには、複数の集合体１０、１０、…をそれぞれ挿入可能な複数の孔を有する第１内部集電板１ｄ、１ｄと、締結部材１２、１２、…によって第１内部集電板１ｄ、１ｄと締結固定された第２内部集電板１ｂ、１ｂと、が備えられる。そして、導電体８、８、…と複数の内部集電体１、１、…との間に配設された絶縁部材１１、１１、…を介して、燃料電池モジュール３０ｃの製造時のみならず長期間に亘る運転時において、複数の内部集電体１、１、…へ、導電体８、８、…から遠ざかる向きの力が継続的に付与される。かかる構成とすることにより、燃料電池モジュール３０ｃでは、複数の内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｄ、１ｄとが密着した状態で維持され、これらの界面における接触抵抗が低減される。
【００４９】
図１５及び図１６に示すように、集合体１０、１０、…の長手方向中央部は、ケース本体２０ｙに収容され、当該集合体１０、１０、…の長手方向端部には、部材１６、１６、…及び部材１７、１７、…が配設される。そして、部材１６、１６、…とチューブ型セル７、７、…及び導電体８、８、…との間、並びに、部材１６、１６、…と部材１７、１７、…との間に、接着剤１８、１８、…が配設され、当該接着剤１８、１８、…によって、ケース部材２０へと供給される水素と空気とが隔離される。燃料電池モジュール３０ｃでは、上記燃料電池モジュール３０ａとは異なり、チューブ型セル７、７、…に備えられるＭＥＡ５、５、…の長手方向端面が、少なくとも、部材１６、１６、…及び部材１７、１７、…の端面から突き出した状態となるように、部材１６、１６、…及び部材１７、１７、…が配設される。
【００５０】
燃料電池モジュール３０ｃにおいて、集合体１０、１０、…の長手方向両端側にそれぞれ配設される第１内部集電板１ｄ、１ｄは、部材１６、１６、…、部材１７、１７、…、及び、接着剤１８、１８、…の少なくとも一以上と接触するように配置される。そして、部材１６、１６、…及び部材１７、１７、…の端面から突き出した形態で備えられるＭＥＡ５、５、…の損傷を抑制する等の観点から、ＭＥＡ５、５、…と対向する第１内部集電板１ｄ、１ｄの表面には凹部３７、３７、…が備えられている（図１５及び図１６参照）。集合体１０、１０、…の長手方向両端側にそれぞれ配設される絶縁部材１１、１１、…は、導電体８、８、…の長手方向両端側から挿入され、導電体８、８、…と複数の内部集電体１、１、…との間へと配設される。
【００５１】
燃料電池モジュール３０ｃの製造時には、上記過程を経て配設された絶縁部材１１、１１、…の上に、導電体８、８、…の長手方向両端側からそれぞれ挿入された平ワッシャー３５、３５、…が配設され、さらに、当該平ワッシャー３５、３５、…の上に、導電体８、８、…の長手方向両端側からそれぞれ挿入された皿バネ３６、３６、…が配設される。その後、導電体８、８、…の長手方向両端側から、導電体８、８、…の長手方向一端側及び他端側にそれぞれ１つずつの外部集電板６ｂ、６ｂが挿入され、上記皿バネ３６、３６、…、及び、導電体８、８、…と接触する形態で配設される。ここに、外部集電板６ｂ、６ｂには、複数の孔が備えられ、当該孔に導電体８、８、…が挿入される。そして、外部集電板６ｂ、６ｂと導電体８、８、…とを密着させるべく、導電体８、８、…等を挿入可能な複数の孔を備える連結ワッシャー１３、１３によって、外部集電板６ｂ、６ｂの位置が固定される。このようにして連結ワッシャー１３、１３を配設したら、次いで、導電体８、８、…の長手方向両端側から、圧力付与部材としてのナット１５、１５、…を挿入する。燃料電池モジュール３０ｃでは、圧力付与部材としてのナット１５、１５、…を導電体の長手方向中央側へと押し付ける形態で固定することにより、連結ワッシャー１３、１３、外部集電板６ｂ、６ｂ、皿バネ３６、３６、…、及び、平ワッシャー３５、３５、…を介して、絶縁部材１１、１１、…に、導電体８、８、…の長手方向中央側へと向かう力が付与される。
【００５２】
図１５及び図１６に示すように、燃料電池モジュール３０ｃに備えられる絶縁部材１１、１１、…は、複数の内部集電体１、１、…と接触する接触面が、導電体８、８、…の長手方向に対して傾斜した傾斜面とされている。それゆえ、導電体８、８、…の長手方向中央側へと向かう上記力が絶縁部材１１、１１、…に付与されると、絶縁部材１１、１１、…の傾斜面によって、内部集電体１、１、…の端部が押し潰されるとともに、当該内部集電体１、１、…へ、導電体８、８、…から遠ざかる方向の力（第１内部集電板１ｄ、１ｄへと向かう力）が付与される。したがって、燃料電池モジュール３０ｃによれば、絶縁部材１１、１１、…を介して力を付与された内部集電体１、１、…と、第１内部集電板１ｄ、１ｄとの密着性を向上させることができるので、内部集電体１、１、…、第１内部集電板１ｄ、１ｄ、及び、第２内部集電板１ｂ、１ｂを介した集電効率を向上させることができる。燃料電池モジュール３０ｃの製造時には、上記過程を経てナット１５、１５、…を配置した後、当該ナット１５、１５、…の上にバックアップリング３８、３８、…及びシール部材１９、１９、…が配置され、その後、導電体８、８、…の端面等が端部ケース２０ｘ、２０ｚに収容される。そして、複数の集合体１０、１０、…等の端部を端部ケース２０ｘ、２０ｚへ収容した後に、第１内部集電板１ｄ、１ｄと第２内部集電板１ｂ、１ｂとが締結部材１２、１２、…によって締結固定される。
【００５３】
燃料電池モジュール３０ｃにおいて、絶縁部材１１、１１、…によって端部を押し潰された内部集電体１、１、…の外周面には溝１ｘ、１ｘ、…が備えられ、絶縁部材１１、１１、…との接触面に備えられる溝１ｘ、１ｘ、…は、絶縁部材１１、１１、…によって塞がれると考えられる。しかし、絶縁部材１１、１１、…と接触していない側の内部集電体１、１、…の外周面に備えられる溝１ｘ、１ｘ、…は、絶縁部材１１、１１、…によって塞がれないので、燃料電池モジュール３０ｃの運転時には、水素流通部２６ｚ、及び、塞がれていない溝１ｘ、１ｘ、…を介して、第１触媒層２、２、…へ水素を供給することができる。
【００５４】
このように、第３実施形態によれば、絶縁部材１１、１１、…を介して継続的に力を付与することにより、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｄ、１ｄとの密着性を向上させる。それゆえ、内部集電体１、１、…、第１内部集電板１ｄ、１ｄ、及び、第２内部集電板１ｂ、１ｂを介した集電効率を継続的に向上させることができるので、性能を向上させることが可能な、燃料電池モジュール３０ｃを提供することができる。なお、燃料電池モジュール３０ｃでは、複数の導電体８、８、…と接触する外部集電板６ａの上にスプリングワッシャー１４、１４、…が備えられる上記燃料電池モジュール３０ａとは異なり、複数の導電体８、８、…と接触する外部集電板６ｂと絶縁部材１１、１１、…との間に、皿バネ３６、３６、…及び平ワッシャー３５、３５、…が備えられる。したがって、燃料電池モジュール３０ｃによれば、各絶縁部材１１、１１、…に対し、導電体８、８、…の長手方向中央側へと向かう力を個別かつ継続的に付与することができる。
【００５５】
２．燃料電池
図１７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によって構成される積層体と、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１７の直線矢印は重力方向を示しており、図１７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１８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によって構成される積層体と、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１８の点線矢印は空気の流れ方向を示している。図１８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１７及び図１８において、図１乃至図３と同様の構成を採るものには、図１乃至図３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乃至図９、図１７、及び、図１８を参照しつつ、複数の燃料電池モジュール３０ａ、３０ａ、…を備える本発明の燃料電池について具体的に説明する。なお、以下の説明では、複数の燃料電池モジュール３０ａ、３０ａ、…を備える燃料電池について説明するが、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、燃料電池モジュール３０ｂや燃料電池モジュール３０ｃが備えられる形態とすることも可能である。
【００５６】
図１７及び図１８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３０ａ、３０ａ、…が電気的に直列に接続される形態で積層して構成される積層体４０と、マニホールド一体型エンドプレート４５（以下、「マニホールド４５」という。）及びエンドプレート４６と、電極素子４７、４８と、を備え、マニホールド４５には、冷媒用配管４１、４２、及び、水素用配管４３、４４が接続されている。そして、複数の燃料電池モジュール３０ａ、３０ａ、…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３０ａ、３０ａ、…間の接触抵抗（より具体的には、隣接する一方の燃料電池モジュール３０ａに備えられる第２内部集電板１ｂ、１ｂと他方の燃料電池モジュール３０ａに備えられる外部集電板６ａ、６ａとの接触抵抗）を低減させ得る圧力が付与されている。
【００５７】
燃料電池１００の運転時には、水素用配管４３を介して供給された水素が、マニホールド４５を介して、燃料電池モジュール３０ａ、３０ａ、…の水素流通部２６ｚ、２６ｚ、…へと供給され、当該水素流通部２６ｚ、２６ｚ、…へと供給された水素は、長手方向両端部外集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（第１触媒層２、２、…）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、…に含有さ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１８に示すように、燃料電池１００は、外部ケース部材５０を備え、当該外部ケース部材５０に、図１７で示した各部材が収容される。外部ケース部材５０には、空気を透過可能な開口部４９、４９、…が備えられ、燃料電池１００の運転時には、当該開口部４９、４９、…を透過した空気が、燃料電池モジュール３０ａ、３０ａ、…の側面に備えられる開口部２９、２９、…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、…へと到達した電子及びプロトンと、第２触媒層４、４、…へと供給され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２６ｘ、２６ｘ、…、マニホールド４５、及び、水素用配管４４を経て回収される。
【００５８】
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４１を介して冷媒が供給される（図１７及び図１８参照）。冷媒用配管４１を介して供給された冷媒は、マニホールド４５を介して燃料電池モジュール３０ａ、３０ａ、…の冷媒流通部２５ｘ、２５ｘ、…へと供給され、当該冷媒流通部２５ｘ、２５ｘ、…へと供給された冷媒は、導電体８、８、…の端面に備えられる開口部へと分岐する。このようにして導電体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暖められた冷媒は、冷媒流通部２５ｚ、２５ｚ、…、マニホールド４５、及び、冷媒用配管４２を介して回収される。また、燃料電池１００において、電極素子４７は、電気的に直列に接続された燃料電池モジュール３０ａ、３０ａ、…の最も外側（図１７及び図１８の紙面左側）の燃料電池モジュール３０ａに備えられる第２内部集電板１ｂ、１ｂと電気的に接続されている。他方、電極素子４８は、電極素子４７が接続された上記燃料電池モジュール３０ａと反対側の最も外側（図１７及び図１８の紙面右側）の燃料電池モジュール３０ａに備えられる、外部集電板６ａ、６ａ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４７及び電極素子４８を介して電気エネルギーを取り出すことができる。
【００５９】
このように、燃料電池１００には、集電効率を向上させることにより性能を向上させることが可能な燃料電池モジュール３０ａ、３０ａ、…が備えられるので、本発明によれば、集電効率を向上させることにより性能を向上させることが可能な燃料電池１００を提供することができる。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
また、本発明において、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、第１内部集電板１ａ、１ｃ、１ｄ、第２内部集電板１ｂ、外部集電板６ａ、６ｂ、及び、導電体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い。これらの部材を構成し得る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、導電体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。
【００６３】
また、本発明において、外部集電体６を介した集電効率を向上させる観点から、外部集電体６はＭＥＡ５を内部集電体１側へ押圧する形態で備えられることが好ましい。当該形態は、例えば、上記導電性材料の線材等により構成される外部集電体６の長手方向両端を固定部材（例えば、熱収縮チューブ等）によって固定する等により、維持することができる。
【００６４】
また、本発明において、ケース部材２０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２０の構成材料の具体例としては、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５０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４０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。
【００６５】
また、本発明において、絶縁部材１１及び絶縁体３２、３４は、内部集電体１と導電体８との通電を防止し、かつ、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質を有する絶縁性材料により構成されていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。ただし、燃料電池モジュール３０ｂに備えられる絶縁部材１１及び絶縁体３２、３４は、上記性質に加え、さらに、内部集電体１、１、…と部材３１と第１内部集電板１ａとによって囲まれる空間へ流し込まれる金属の温度に耐え得る耐熱性を有する材料を用いることが好ましい。かかる材料の具体例としては、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を挙げることができる。
【００６６】
また、本発明において、連結ワッシャー１３は、スプリングワッシャー１４又はナット１５を介して付与される、導電体８の長手方向中央側へと向かう力を、外部集電板６ａ又は外部集電板６ｂへと伝え得る形態で配設されていれば、その配設形態は特に限定されるものではない。ただし、外部集電板６ａ又は外部集電板６ｂへと効率良く力を伝え得る形状とする等の観点からは、スプリングワッシャー１４又はナット１５側の連結ワッシャー１３の端面が、外部集電板６ａ又は外部集電板６ｂの端面よりも突き出した形態で備えられることが好ましい。スプリングワッシャー１４又はナット１５側へと突き出した形態で連結ワッシャー１３が配設される場合、連結ワッシャー１３の端面と外部集電板６ａ又は外部集電板６ｂの端面との段差の高さは特に限定されるものではないが、小型化を図りつつ、単位体積当たりの発電量を向上させ得る形態の燃料電池モジュールを提供する等の観点から、当該高さは例えば２０μｍ程度とすることが好ましい。
【００６７】
また、本発明において、部材１６、１７は、水素と空気とを隔離する接着剤１８が配置される空間を特定でき、かつ、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質を有する材料により構成されていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。ただし、燃料電池モジュール３０ｂに備えられる部材１６、１７は、内部集電体１、１、…と部材３１と第１内部集電板１ａとによって囲まれる空間の近くに配置されるため、上記性質に加え、さらに、当該空間へ流し込まれる金属の温度に耐え得る耐熱性を有することが好ましい。かかる材料の具体例としては、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を挙げることができる。
【００６８】
また、本発明において、部材３１は、空間へと流し込まれる金属の温度に耐え得る耐熱性を有し、かつ、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質を有する材料により構成されていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。当該材料の具体例としては、各種金属のほか、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を挙げることができる。
【００６９】
また、本発明の燃料電池モジュール３０ｂ及び当該燃料電池モジュール３０ｂを備える本発明の燃料電池において、内部集電体１、１、…と部材３１と第１内部集電板１ｃとによって囲まれる空間へと流し込まれる金属は、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ｃとを電気的に接続可能な金属であれば、その構成材料は特に限定されるものではない。ただし、部材３１やチューブ型セル７や導電体８等を始めとする部材への熱的影響を低減することで、性能を向上させやすい燃料電池モジュール３０ｂ及びこれを備える燃料電池を提供する等の観点からは、低融点（例えば、融点が３００℃以下程度）の金属を用いることが好ましい。本発明で使用可能な当該金属の具体例としては、鉛フリーはんだ等を挙げることができる。
【００７０】
また、本発明に関する上記説明では、締結部材１２、１２によって締結固定された第１内部集電体１ａ、１ｃ、１ｄと第２内部集電体１ｂとが備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、上記説明における第１内部集電体と第２内部集電体とが一体に成形された一の内部集電板が備えられる形態とすることも可能である。
【００７１】
また、本発明に関する上記説明では、集合体１０に７個のチューブ型セル７、７、…が備えられる形態を例示したが、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。ただし、小型化を図りつつ、単位体積当たりの発電量を向上させ得る形態の燃料電池モジュールを提供する等の観点からは、１本の導電体と、当該導電体と接触する６〜８個のチューブ型セルとを備える形態の集合体とすることが好ましい。
【００７２】
また、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。
【００７３】
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３０ａ、３０ａ、…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。
【００７４】
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４５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】
【００７５】
【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】集合体の形態例を概略的に示す正面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】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７】燃料電池モジュール３０ａの断面図である。
【図８】燃料電池モジュール３０ａの断面図である。
【図９】燃料電池モジュール３０ａの断面図である。
【図１０】燃料電池モジュール３０ｂの断面図である。
【図１１】燃料電池モジュール３０ｂの断面図である。
【図１２】燃料電池モジュール３０ｂの断面図である。
【図１３】部材３１の形態例を示す平面図である。
【図１４】燃料電池モジュール３０ｃの断面図である。
【図１５】燃料電池モジュール３０ｃの断面図である。
【図１６】燃料電池モジュール３０ｃの断面図である。
【図１７】本発明の燃料電池の形態例を示す側面図である。
【図１８】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】
【００７６】
１…内部集電体
１ａ、１ｃ、１ｄ…第１内部集電板（内部集電部材）
１ｂ…第２内部集電板（内部集電部材）
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
６ａ…外部集電板
７…チューブ型セル（チューブ型燃料電池セル）
８…導電体
９…拘束部材
１０…集合体
１１…絶縁部材
１２…締結部材
１３…連結ワッシャー
１４…スプリングワッシャー（弾性体）
１５…ナット（圧力付与部材）
１６、１７…部材
１８…接着剤
１９…シール部材
２０…ケース部材
２０ｘ、２０ｚ…端部ケース
２０ｙ…ケース本体
２１…開口部
２２…嵌合爪
２３…凹部
２４…凸部
２５…冷媒流通部
２６…水素流通部
２７…シール部材
２８…凹部
２９…開口部
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…燃料電池モジュール
３１…部材
３２、３４…絶縁体
３３…金属
３５…平ワッシャー
３６…皿バネ
３７…凹部
３８…バックアップリング
４０…積層体
４１、４２…冷媒用配管
４３、４４…水素用配管
４５…マニホールド
４６…エンドプレート
４７、４８…電極素子
４９…開口部
５０…外部ケース部材
１００…燃料電池
【図１】
2008288152.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008288152.tif 000007
【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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【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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