(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の中空型セルを並列接続したセルスタックを備え、各中空型セルから効率良く電流を取り出し、燃料電池の発電効率を高めることができる燃料電池の提供。【解決手段】中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セル６を、２個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池であって、前記２個以上の中空型セルが束ねられ、外部集電材である少なくとも１つの導電性線材によって結束されて結束単位８を形成し、該結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルであり、前記導電性線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とする燃料電池。【選択図】図８
2008140561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、２個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池であって、
前記２個以上の中空型セルが束ねられ、前記外部集電材である少なくとも１つの導電性線材によって結束されて結束単位を形成し、
該結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルであり、
該結束単位内において前記復元性中空型セルは、前記導電性線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記復元性中空型セルの第二の形状は略直線棒状であり、前記第一の形状は略直線棒状が径方向に湾曲した形状である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記結束単位は、該結束単位を構成する中空型セルとして、前記復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する略直線棒状の形状規定用中空型セルを少なくとも１つ含み、
該形状規定用中空型セルの略直線棒状の形状に沿って、前記復元性中空型セルが第二の形状に変形されている、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
一つの結束単位を構成する２個以上の中空型セルのうち、１０分の１以上が前記復元性中空型セルである、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記導電性線材が前記結束単位の外周に捲回されることにより、前記２個以上の中空型セルが結束されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記導電性線材を編みこんだ網状部材により、前記２個以上の中空型セルが結束されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記結束単位は、少なくとも該結束単位の軸方向両端が、前記導電性線材と共に支持板に固定されている、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、２個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池であって、
少なくとも１つの前記中空型セルが、少なくとも１つの棒状部材と共に束ねられ、少なくとも１つの線材によって結束されて結束単位を形成し、
該棒状部材及び該線材のうち少なくとも一つが、前記外部集電材であり、
該結束単位を構成する前記中空型セル及び前記棒状部材から選ばれる少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材であり、
該結束単位内において前記復元性中空型セル及び復元性棒状部材は、前記線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
前記棒状部材が中空形状を有し、該中空内を冷却媒体が流通する冷却管として機能する、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも１つが、前記復元性中空型セルであり、且つ、前記棒状部材が、該復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する形状規定用棒状部材であり、該形状規定用棒状部材の形状に沿って前記復元性中空型セルが第二の形状に変形されている、請求項８又は９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記復元性中空型セルの第二の形状は略直線棒状であり、前記第一の形状は略直線棒状が径方向に湾曲した形状である、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記形状規定用棒状部材は、前記復元性中空型セルよりも剛性が高く、且つ、略直線棒状の形状を有し、該略直線棒状を保持した状態で、前記復元性中空型セルと共に前記線材によって結束されている、請求項１０又は１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記結束単位は、前記形状規定用棒状部材の外周を取り囲むように前記中空型セルが２つ以上配置された形態である、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記線材が前記結束単位の外周に捲回されることにより、前記中空型セル及び前記棒状部材が結束されている、請求項８乃至１３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記線材を編みこんだ網状部材により、前記中空型セル及び前記棒状部材が結束されている、請求項８乃至１３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記結束単位は、少なくとも該結束単位の軸方向両端が、前記線材と共に支持板に固定されている、請求項８乃至１５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１７】
中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、２個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池の製造方法であって、
外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルを含む、２つ以上の中空型セルを準備し、
該復元性中空型セルを含む２つ以上の中空型セルを束ねて、前記外部集電材である少なくとも１つの導電性線材により復元性中空型セルが第二の形状を保持できるように締めつけ結束して結束単位を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
前記復元性中空型セルの第二の形状は略直線棒状であり、前記第一の形状は略直線棒状が径方向に湾曲した形状である、請求項１７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１９】
前記結束単位を構成する中空型セルとして、前記復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する略直線棒状の形状規定用中空型セルを少なくとも準備し、
該形状規定用中空型セルの略直線棒状の形状に沿って前記復元性中空型セルを第二の形状に変形する、請求項１８に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
一つの結束単位を構成する中空型セルの１０分の１以上を、前記復元性中空型セルで構成する、請求項１７乃至１９のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２１】
前記導電性線材を前記結束単位の外周に捲回させることにより、前記２個以上の中空型セルを結束する、請求項１７乃至２０のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２２】
前記導電性線材を編みこんだ網状部材により、前記２個以上の中空型セルを結束する、請求項１７乃至２０のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２３】
前記結束単位を、少なくとも該結束単位の軸方向両端において、前記導電性線材と共に支持板に固定する工程を備える、請求項１７乃至２２のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２４】
中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、２個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池の製造方法であって、
少なくとも１つの中空型セル、少なくとも１つの棒状部材、及び少なくとも１つの線材を準備し、且つ、該棒状部材及び該線材のうちの少なくとも一つとしては、外部集電材となる導電性材料を選び、且つ、該中空型セル及び該棒状部材のうちの少なくとも一つとしては、外部から押圧力が負荷された時に元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材を選び、
該復元性中空型セル又は該復元性棒状部材を含む、少なくとも１つの中空型セル及び少なくとも１つの棒状部材を束ねて、少なくとも１つの線材により該復元性中空型セル及び該復元性棒状部材が第二の形状を保持できるように締めつけ結束して結束単位を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２５】
前記棒状部材が中空形状を有し、該中空内を冷却媒体が流通する冷却管として機能する、請求項２４に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２６】
前記結束単位を構成する中空型セルの少なくとも１つとして、前記復元性中空型セルを準備し、且つ、前記棒状部材として、該復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する形状規定用棒状部材を準備し、該形状規定用棒状部材の形状に沿って前記復元性中空型セルを第二の形状に変形する、請求項２４又は２５に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２７】
前記復元性中空型セルの第二の形状は略直線棒状であり、前記第一の形状は略直線棒状が径方向に湾曲した形状である、請求項２６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２８】
前記形状規定用棒状部材は、前記復元性中空型セルよりも剛性が高く、且つ、略直線棒状の形状を有しており、該形状規定用棒状部材を該略直線棒状を保持した状態で、前記復元性中空型セルと共に前記線材により結束する、請求項２６又は２７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２９】
前記形状規定用棒状部材の外周を取り囲むように前記中空型セルを配置し結束する、請求項２８に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３０】
前記線材を前記結束単位の外周に捲回させることにより、前記中空型セル及び前記棒状部材を結束する、請求項２４乃至２９のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３１】
前記線材を編みこんだ網状部材により、前記中空型セル及び前記棒状部材を結束する、請求項２４乃至２９のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３２】
前記結束単位を、少なくとも該結束単位の軸方向両端において、前記線材と共に支持板に固定する工程を備える、請求項２４乃至３１のいずれかに記載の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、中空形状の電解質膜を有する中空型セルを備える燃料電池とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。電解質として固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子電解質型燃料電池では、燃料として水素を供給した場合、アノードでは（１）式の反応が進行する。
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-    …（１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソードに到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
【０００４】
また、酸化剤として空気（酸素）を供給した場合、カソードでは（２）式の反応が進行する。
２Ｈ+  ＋  （１／２）Ｏ2  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ    …（２）
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池では、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
【０００５】
従来、固体高分子電解質型燃料電池としては主に、平面状の固体高分子電解質膜の一面にアノード及び他面にカソードとなる触媒層を設けるとともに、得られた平面状の膜・電極接合体の両側にさらにそれぞれガス拡散層を設け、さらに平面状のセパレータで挟んだ平型の単セルが開発されてきた。このような平型の単セルは、複数積層して燃料電池スタックとし用いられる。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のため、固体高分子電解質膜としては非常に膜厚の薄いプロトン伝導性高分子膜が用いられている。この膜厚はすでに１００μｍ以下のものが主流であり、さらなる出力密度向上のためにさらに薄い電解質膜を用いたとしても、単セルの厚みを現在のものより劇的に薄くすることはできない。同様に、触媒層、ガス拡散層及びセパレータ等についてもそれぞれ薄膜化が進んでいるが、それらすべての部材の薄膜化によっても、単位体積当たりの出力密度の向上には限界がある。従って、小型化の要求に対しても、今後充分に応えられなくなることが予想される。
【０００６】
また、前記セパレータには、通常、腐食性に優れたシート状のカーボン材料が用いられている。セパレータは、このカーボン材料自体が高価である上に、平面状の膜・電極接合体の面全体に均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるためのガス流路溝を、微細加工により形成するため、非常に高価なものとなっている。その結果、燃料電池の製造原価を押し上げていた。
以上の問題の他にも、平型の単セルには、前記ガス流路から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れ出さないように幾層にもスタックされた単セルの周縁を確実にシールすることが技術的に難しいこと、平面状の膜・電極接合体のたわみや変形に起因して発電効率が低下してしまうことがあることなど、多くの問題がある。
【０００７】
近年、中空状の電解質膜の内面側と外面側にそれぞれ電極を設けた中空型セルを基本的な発電単位とする固体高分子電解質型燃料電池が開発されている（例えば、特許文献１等）。
このような中空型セルを有する燃料電池は、その中空内をガス流路とするため、平型で使用されるセパレータに相当する部材が必要ない。そして、その内面と外面とにそれぞれ異なった種類のガスを供給して発電するので、特別にガス流路を形成する必要もない。従って、その製造においては、コストの低減が見込まれる。さらに、セルが３次元形状であるので、平型の単セルに比べて体積に対する比表面積が大きくとれ、体積当たりの発電出力密度の向上が見込める。
【０００８】
中空型セルを備える燃料電池では、通常、大きな電圧を得るために、まず、複数の中空型セルを並列に接続する。そして、大きな電流を得るために、中空型セルが並列に接続された複数の中空型セルスタックを、さらに直列に接続する。
中空型セルは、中空電解質膜の内面及び外面に設けられた電極にそれぞれ接続する集電材（内部集電材、外部集電材）を有しており、ここから各セルの電流が取り出される。複数の中空型セルを並列に接続する場合には、各セルの内面側電極の電流及び外面側電極の電流をそれぞれ集約する。
例えば、特許文献１には、ワイヤ状のラッピング要素によって、複数の中空型セルを、共通の棒状集電材の周囲に巻き付けた形態の燃料電池が開示されている（特許文献１の図２参照）。
【０００９】
【特許文献１】ＵＳ２００４／０１７５６０５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
燃料電池全体の出力を向上させるためには、各中空型セルの集電経路において、電極と集電材との接続部分における集電損失を低減する必要がある。そのためには、中空型セルと集電材との接続部分における接触圧が重要である。
しかしながら、従来の中空型セルを備える燃料電池において、電極と集電材、特に、外面側電極と外部集電材との接触圧を、長期間保持することは困難であった。その原因の一つとして、長期間にわたる燃料電池の使用によって、中空型セルを構成する高分子電解質膜や電極内に含有される高分子電解質が劣化し、中空型セルの外径が経時的に変化することが挙げられる。
【００１１】
燃料電池の運転条件や運転状況に伴うセル内の水分量の変化により、セルを構成する高分子電解質膜や電極内に含有される高分子電解質は、膨潤と収縮を繰り返すことが知られている。このような膨潤と収縮の繰り返し等を原因として、高分子電解質膜の薄膜化や電極の薄層化が生じて中空型セルの厚みが薄くなり、中空型セルの外径が変化する。その結果、中空型セルの外面側に設けられた電極と外部集電材との接触性が低下し、接触圧が低くなる。
【００１２】
具体的には、特許文献１の図２に開示されている上記のような燃料電池においては、中空型セルの外径の収縮により、外部集電材である棒状集電材の周囲に中空型セルを固定しているワイヤが経時的に緩んでしまうおそれがある。その結果、中空型セルの外面側電極と棒状集電材との接触圧が低くなり、集電効率が低下してしまう。
また、図１０（１０−Ａ）のように、外部集電材として、導電性を有するワイヤ１６を中空型セル１７の外周に巻き付けた場合、中空型セル１７の外径の収縮により、ワイヤ１６が緩み（図１０（１０−Ｂ）参照）、中空型セル１７の外面側電極（外表面）と外部集電材であるワイヤ１６との接触圧が低下する。
【００１３】
従来の燃料電池は、定寸構造を有しており、且つ、以上のような中空型セルの形状変化による集電材と外面側電極との接触圧の低下を補正する機構が備えられていないため、上記のような中空型セルの形状変化に伴う経時的な集電効率の低下を抑制することができなかった。
【００１４】
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、複数の中空型セルを並列接続したセルスタックを備える燃料電池において、各中空型セルから効率良く電流を取り出し、燃料電池の発電効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第一の燃料電池は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、２個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池であって、前記２個以上の中空型セルが束ねられ、前記外部集電材である少なくとも１つの導電性線材によって結束されて結束単位を形成し、該結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルであり、該結束単位内において前記復元性中空型セルは、前記導電性線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第一の燃料電池は、上記のような復元性中空型セルによる復元力によって、前記結束単位を結束し且つ前記中空型セルの外部集電材として機能する導電性線材による該結束単位の締め付け力を長期間にわたって維持することができる。すなわち、本発明の第一の燃料電池によれば、電解質膜の膜厚減少等を原因とする中空型セルの直径の縮小や導電性線材の伸び等による結束単位の締め付け力の低下を抑制することが可能である。このように、本発明の燃料電池においては、外部集電材と中空型セルの電極との接触圧が長期にわたって保持されるため、中空型セルからの集電効率が高く、優れた発電性能を示す燃料電池を提供することが可能である。
【００１７】
前記復元性中空型セルの第一の及び第二の形状としては、例えば、第二の形状が略直線棒状であり、前記第一の形状が略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合が挙げられる。
【００１８】
前記結束単位は、該結束単位を構成する中空型セルとして、前記復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する略直線棒状の形状規定用中空型セルを少なくとも１つ含んでいてもよく、この場合、該形状規定用中空型セルの略直線棒状の形状に沿って、前記復元性中空型セルが第二の形状に変形させることができる。
【００１９】
復元性中空型セルの復元力により得られる効果を最大限高めるためには、一つの結束単位を構成する２個以上の中空型セルのうち、１０分の１以上が前記復元性中空型セルであることが好ましい。
【００２０】
前記導電性線材による前記結束単位における結束形態は特に限定されず、例えば、前記導電性線材が前記結束単位の外周に捲回されることにより、前記２個以上の中空型セルが結束されている形態や、前記導電性線材を編みこんだ網状部材により、前記２個以上の中空型セルが結束されている形態が挙げられる。
【００２１】
前記導電性線材による締め付け力を保持するため、通常、前記結束単位は、少なくとも該結束単位の軸方向両端を、前記導電性線材と共に支持板に固定する。
【００２２】
本発明の第二の燃料電池は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、２個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池であって、少なくとも１つの前記中空型セルが、少なくとも１つの棒状部材と共に束ねられ、少なくとも１つの線材によって結束されて結束単位を形成し、該棒状部材及び該線材のうち少なくとも一つが、前記外部集電材であり、該結束単位を構成する前記中空型セル及び前記棒状部材から選ばれる少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材であり、該結束単位内において前記復元性中空型セル及び復元性棒状部材は、前記線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第二の燃料電池は、上記のような復元性中空型セル及び／又は復元性棒状部材による復元力によって、前記結束単位を結束する線材による該結束単位の締め付け力を長期間にわたって維持することができる。すなわち、本発明の第二の燃料電池によれば、電解質膜の膜厚減少等を原因とする中空型セルの直径の縮小や導電性線材の伸び等による結束単位の締め付け力の低下によって、外部集電材である棒状部材及び／又は線材と、中空型セルとの接触圧が低下することを抑制することが可能である。このように、本発明の燃料電池においては、外部集電材と中空型セルの電極との接触圧が長期にわたって保持されるため、中空型セルからの集電効率が高く、優れた発電性能を示す燃料電池を提供することが可能である。
【００２４】
本発明の燃料電池においては、例えば、前記棒状部材が中空形状を有し、該中空内を冷却媒体が流通する冷却管として機能するようにしてもよい。
第二の燃料電池の具体的な実施形態としては、例えば、前記結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも１つが、前記復元性中空型セルであり、且つ、前記棒状部材が、該復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する形状規定用棒状部材であり、該形状規定用棒状部材の形状に沿って前記復元性中空型セルが第二の形状に変形されている形態が挙げられる。
このとき、前記復元性中空型セルの第一の形状及び第二の形状としては、第二の形状が略直線棒状であり、前記第一の形状が略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合が挙げられる。
さらに、前記形状規定用棒状部材は、前記復元性中空型セルよりも剛性が高く、且つ、略直線棒状の形状を有し、該略直線棒状を保持した状態で、前記復元性中空型セルと共に前記線材によって結束されている形態が挙げられる。このとき、前記結束単位は、前記形状規定用棒状部材の外周を取り囲むように前記中空型セルが２つ以上配置された形態とすることができる。
【００２５】
前記導電性線材による前記結束単位における結束形態は特に限定されず、例えば、前記線材が前記結束単位の外周に捲回されることにより、前記中空型セル及び前記棒状部材が結束されていてもよいし、前記線材を編みこんだ網状部材により、前記中空型セル及び前記棒状部材が結束されていてもよい。
【００２６】
前記導電性線材による締め付け力を保持するため、通常、前記結束単位は、少なくとも該結束単位の軸方向両端が、前記線材と共に支持板に固定される。
【００２７】
本発明の第一の燃料電池の製造方法は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、２個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池の製造方法であって、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルを含む、２つ以上の中空型セルを準備し、該復元性中空型セルを含む２つ以上の中空型セルを束ねて、前記外部集電材である少なくとも１つの導電性線材により復元性中空型セルが第二の形状を保持できるように締めつけ結束して結束単位を形成することを特徴とするものである。
【００２８】
前記復元性中空型セルの第一及び第二の形状としては、例えば、前記第二の形状が略直線棒状であり、前記第一の形状が略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合が挙げられる。
具体的な実施形態としては、前記結束単位を構成する中空型セルとして、前記復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する略直線棒状の形状規定用中空型セルを少なくとも準備し、該形状規定用中空型セルの略直線棒状の形状に沿って前記復元性中空型セルを第二の形状に変形する方法が挙げられる。
復元性中空型セルの復元力により得られる効果を最大限高めるためには、一つの結束単位を構成する中空型セルの１０分の１以上を、前記復元性中空型セルで構成することが好ましい。
【００２９】
前記導電性線材による前記結束単位の結束形態としては、例えば、前記導電性線材を前記結束単位の外周に捲回させることにより、前記２個以上の中空型セルを結束してもよいし、前記導電性線材を編みこんだ網状部材により、前記２個以上の中空型セルを結束してもよい。
前記導電性線材による締め付け力を保持するために、通常、前記結束単位を少なくとも該結束単位の軸方向両端において、前記導電性線材と共に支持板に固定する工程を備える。
【００３０】
本発明の第二の燃料電池の製造方法は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、２個以上並列接続させたセルスタックを備えた燃料電池の製造方法であって、少なくとも１つの中空型セル、少なくとも１つの棒状部材、及び少なくとも１つの線材を準備し、且つ、該棒状部材及び該線材のうちの少なくとも一つとしては、外部集電材となる導電性材料を選び、且つ、該中空型セル及び該棒状部材のうちの少なくとも一つとしては、外部から押圧力が負荷された時に元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材を選び、該復元性中空型セル又は該復元性棒状部材を含む、少なくとも１つの中空型セル及び少なくとも１つの棒状部材を束ねて、少なくとも１つの線材により該復元性中空型セル及び該復元性棒状部材が第二の形状を保持できるように締めつけ結束して結束単位を形成することを特徴とするものである。
【００３１】
前記棒状部材が中空形状を有し、該中空内を冷却媒体が流通する冷却管として機能させてもよい。
具体的な製造方法としては、前記結束単位を構成する中空型セルの少なくとも１つとして、前記復元性中空型セルを準備し、且つ、前記棒状部材として、該復元性中空型セルをその表面に沿わせることによって該復元性中空型セルの第二の形状を規定する形状規定用棒状部材を準備し、該形状規定用棒状部材の形状に沿って前記復元性中空型セルを第二の形状に変形する方法が挙げられる。
【００３２】
前記復元性中空型セルの第一及び第二の形状としては、例えば、前記復元性中空型セルの第二の形状は略直線棒状であり、前記第一の形状は略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合が挙げられる。このとき、前記形状規定用棒状部材として、前記復元性中空型セルよりも剛性が高く、且つ、略直線棒状の形状を有しているものを用い、該形状規定用棒状部材を該略直線棒状を保持した状態で、前記復元性中空型セルと共に前記線材により結束することができる。さらに、前記形状規定用棒状部材の外周を取り囲むように前記中空型セルを配置し結束してもよい。
【００３３】
前記線材により前記結束単位を結束する方法は特に限定されず、例えば、前記線材を前記結束単位の外周に捲回させることにより、前記中空型セル及び前記棒状部材を結束する方法でもよいし、前記線材を編みこんだ網状部材により、前記中空型セル及び前記棒状部材を結束する方法でもよい。
前記導電性線材による締め付け力を保持するために、通常、前記結束単位を、少なくとも該結束単位の軸方向両端において、前記線材と共に支持板に固定する工程を備える。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、長期間にわたって、中空型セルと集電材との接触圧を保持することが可能であり、集電材と中空型セルとの接触抵抗を低減することができる。従って、本発明の燃料電池は、長期間の使用に際しても、中空型セルと集電材との接触圧低下を原因とする出力低下を抑制することが可能であり、安定した発電性能を発現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の燃料電池は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する内部集電材及び外部集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルを、２個以上並列接続させたセルスタックを基本構造とするものであり、本発明の第一の燃料電池は、前記２個以上の中空型セルが束ねられ、前記外部集電材である少なくとも１つの導電性線材によって結束されて結束単位を形成し、該結束単位を構成する中空型セルのうち少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セルであり、該結束単位内において前記復元性中空型セルは、前記導電性線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とするものである。
【００３６】
また、本発明の第二の燃料電池は、少なくとも１つの前記中空型セルが、少なくとも１つの棒状部材と共に束ねられ、少なくとも１つの線材によって結束されて結束単位を形成し、該棒状部材及び該線材のうち少なくとも一つが、前記外部集電材であり、該結束単位を構成する前記中空型セル及び前記棒状部材から選ばれる少なくとも一つが、外部から押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ前記第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性中空型セル又は復元性棒状部材であり、該結束単位内において前記復元性中空型セル及び復元性棒状部材は、前記線材の締め付け力によって第二の形状を保持していることを特徴とするものである。
【００３７】
本発明の燃料電池において、中空型セル又は中空型セルと棒状部材を含む結束単位では、該結束単位を結束する線材の締め付け力によって、該結束単位を構成する中空型セル及び／又は棒状部材の少なくとも一つが変形され、復元力が生じている。このとき発生する復元力は、線材の締め付け力による変形状態から元の形状に戻ろうとする方向に働く、すなわち、線材による締め付け力を押し返すように働く。
【００３８】
このように、中空型セルを含む結束単位をその構成部材に復元力を生じさせた状態で結束することによって、線材による結束単位への大きな締め付け力が長期間にわたって保持されることになる。従って、例えば、中空型セルの径が縮小した場合や、結束単位を結束する線材が伸びた場合等でも、これら中空型セルや導電性線材等の寸法変化を許容し、線材による結束単位への締め付け力を保持することができる。ゆえに、本発明の燃料電池において、前記結束単位を構成する中空型セル同士、結束単位内に棒状部材を含む場合にはさらに該棒状部材と中空型セル、結束単位を束ねる線材と該結束単位を構成する中空型セル及び棒状部材は、常に圧接しており、高い接触圧が保持されている。
【００３９】
すなわち、本発明によれば、上記棒状部材及び／又は線材として、導電性材料を用い、集電材として機能させた場合、結束単位を構成する中空型セルと、該中空型セルの電流を集電する集電材である棒状部材及び／又は線材とを、常に高い接触圧を保持した状態で接触させることができるため、集電効率が高く、中空型セルと集電材間における集電ロスを低減することができる。
【００４０】
電極と、該電極と直接接触して電流を集電する集電材との間の集電効率を決定する要素として、これらの接続部の面積や接触圧が挙げられるが、接触圧の方がより大きく集電効率に影響する。すなわち、接続部の面積が大きくても接触圧が全体的に低い場合と、接続部の面積が小さくても高い接触圧が保持されている場合とでは、接触圧が高く保持されている場合の方が集電効率は高くなる。ゆえに、電極と集電材との接続部の少なくとも一部において、その接触圧を高く保持することによって、集電効率に優れた燃料電池を得ることができる。
本発明はこのような知見に基づいて成し遂げられたものであり、外部からの押圧力による負荷により元の第一の形状から第二の形状に変形したときに生じる復元力を、集電材と電極との接触圧を高く保持する手段として利用し、集電効率を高めることを可能とした。さらには、この集電材と電極との接触圧を長期間保持することで、集電効率の低下を抑制し、長期にわたって安定した発電性能を発現する燃料電池を提供することができる。
【００４１】
以下、図１〜図９を用いて本発明の燃料電池の一実施形態について説明する。なお、下記の実施形態においては、燃料として水素ガス、酸化剤として空気（酸素）を用いた固体高分子型燃料電池を中心に説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。また、これら図１〜図９は、便宜上その構造を一部省略している場合がある。
【００４２】
［中空型セル］
図１は、本発明の燃料電池において、並列接続されてセルスタックを構成する中空型セルの一形態例を示す概略図、図２は、図１の中空型セルの断面図である。図１及び図２において、中空型セル６はチューブ状の固体高分子電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂）１、固体高分子電解質膜１の内面側に設けられたアノード（内面側電極。本実施形態では燃料極）２及び外面側に設けられたカソード（外面側電極。本実施形態では空気極）３を有している。さらに、アノード２の表面には、アノード側集電材（本実施形態では、内部集電材）４として柱状集電材が配置され、カソード３の表面には、カソード集電材（本実施形態では外部集電材）５として、金属ワイヤ（導電性線材）からなる線状集電材が配置されている。
このような構造を有する中空型セルの中空内面（実質的には、アノード側集電材４の外面に設けた溝４ａによって形成された内面側ガス流路に露出した部分）に水素ガス、外面に空気を流通させることで、アノード及びカソードに燃料又は酸化剤が供給され、発電する。
【００４３】
図１の中空型セル６は、その両端において中空部が開放されているものであって、燃料ガスは一端から中空内へと流入し、他端から流出するようになっているが、本発明における中空型セル６は、中空電解質膜の内面側に反応ガスを十分に供給できるものであるならば、中空部の一端のみが開放され、もう一端は封止されていてもよい。
特に、本実施形態のように、内面側の電極として、水素を燃料とする燃料極を設ける場合、非反応性成分をほとんど含まない水素ガスを燃料ガスとして中空型セルの中空内に供給できること、また、水素分子の拡散性が高いことから、中空内に供給された反応ガスを消費しきることが可能であるため、一端を封鎖した中空部内であっても反応ガスを十分に供給することができる。中空型セルの一端を封鎖する方法としては、樹脂等を中空の一端に注入する方法が例示できるが、特に限定されるものではない。
【００４４】
図１において、中空型セル６はチューブ状の電解質膜を有するものであるが、本発明における中空電解質膜はチューブ状に限られず、中空部を有し、当該中空部に燃料や酸化剤を流入させることで、中空内部に設けられた電極に電気化学反応に必要な反応成分を供給することができるものであればよい。
【００４５】
チューブ状の固体高分子電解質膜１の内径及び外径、長さ等は特に限定されるものではないが、チューブ状電解質膜の外径は０．０１〜１０ｍｍであることが好ましく、０．１〜１ｍｍであることがさらに好ましく、０．１〜０．５ｍｍであることが特に好ましい。チューブ状電解質膜の外径が０．０１ｍｍ未満のものは現時点では、技術的な問題で製造することが難しく、一方、その外径が１０ｍｍを超えるものでは、占有体積に対する表面積があまり大きくならないため、得られる中空型セルの単位体積当たりの出力が充分に得られないおそれがある。
電解質膜は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大してしまう。しかしながら、従来の平型の燃料電池用単セルを積層した燃料電池と比べると、中空形状を有するセルを多数集めることにより作製された燃料電池では電極面積が大きくとれるので、やや厚みのある膜を用いた場合でも、充分な出力が得られる。かかる観点から、電解質膜の厚みは、１０〜１００μｍであり、より好ましくは５０〜６０μｍであり、さらに好ましくは５０〜５５μｍである。
また、上記の外径と膜厚との好ましい範囲から、内径の好ましい範囲は０．０１〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．１〜１ｍｍであり、さらに好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。
【００４６】
本発明の燃料電池は、中空型セルを有するため、平型のセルを有する燃料電池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できることから、固体高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜ほど高いプロトン伝導性を有していない電解質膜を用いても、単位体積当たりの出力密度の高い燃料電池を得ることができる。固体高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の他、固体高分子型燃料電池の電解質膜に用いられているような材料を使用することができ、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂以外のフッ素系イオン交換樹脂、スルホン酸基を有するポリスチレン系陽イオン交換膜などのポリオレフィンのような炭化水素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、リン酸基等のプロトン交換基のうちから一種を有するもの、特表平１１−５０３２６２号公報などに開示されている、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質等の高分子電解質が挙げられる。このような電解質を用いた固体高分子電解質膜は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。また、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜としては、例えばデュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等の市販品もある。
【００４７】
また、本実施形態では電解質膜として、プロトン伝導膜の一種であり、固体高分子電解質膜の一つであるパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜を用いて説明しているが、本発明の燃料電池において用いられる電解質膜は特に限定されるものではなく、プロトン伝導性のものであっても、水酸化物イオンや酸化物イオン（Ｏ2-）等その他のイオン伝導性のものであってもよい。プロトン伝導性の電解質膜としては、上記したような固体高分子電解質膜に限られず、リン酸水溶液を多孔質の電解質板に含浸させたものや、多孔質性ガラスからなるプロトン伝導体、ハイドロゲル化したリン酸塩ガラス、ナノ細孔を有する多孔質硝子の表面及び細孔内にプロトン伝導性官能基を導入した有機−無機ハイブリットプロトン伝導膜、無機金属繊維強化電解質ポリマー等を用いることができる。
また、燃料電池の構成によっては、例えば、本発明を固体酸化物燃料電池に適用した場合や、水酸化物イオンを電荷担体とする固体高分子型燃料電池に適用した場合などでは、酸素イオンや水酸化物イオンなどの他の電荷担体となるイオンを伝導する固体電解質膜でもよい。
【００４８】
電解質膜１の内面及び外面に設けられる各電極２，３は、固体高分子型燃料電池に用いられているような電極材料を用いて形成することができる。各電極の構成は特に限定されず、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とが積層した構成の他、触媒層のみからなる構成や、触媒層とガス拡散層の他に機能層を設けた構成が挙げられる。
【００４９】
触媒層は触媒粒を含み、さらに触媒粒の利用効率を高めるためのプロトン伝導性物質を含んでいてもよく、プロトン伝導性物質としては上記電解質膜の材料として用いられるものを用いることができる。触媒粒としては、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触媒粒が好適に用いられる。
【００５０】
本発明の燃料電池は、中空型セルを有するため、平型のセルを有する燃料電池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できることから、白金ほど触媒作用が大きくない触媒成分を用いても、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できる。
触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、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、例えば、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスニウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Ｐｔ、及びＰｔと例えばＲｕなど他の金属とからなる合金である。
【００５１】
ガス拡散層としては、炭素質粒子及び／又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする多孔質導電性材料を用いることができる。炭素質粒子及び炭素質繊維の大きさは、ガス拡散層を製造する際の溶液中における分散性や得られるガス拡散層の排水性等を考慮して適宜最適なものを選択すればよい。
ガス拡散層は、生成水など水分の排水性を高める点から、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカーボンアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマー、又はこれらの混合物等を含浸させたり、或いはこれらの物質を用いて撥水層を形成するなどして撥水加工することが好ましい。
尚、中空電解質膜の内面及び外面に設けられる各電極の構成、電極に用いられる材料等は、同じであってもよく、また、異なっていてもよい。
【００５２】
チューブ状の電解質膜の内面及び外面に一対の電極を設ける方法は、特に限定されるものではない。例えば、まず、チューブ状の電解質膜を準備する。チューブ状の電解質膜を準備する方法は特に限定されず、市販品のチューブ状に形成された電解質膜を用いることもできる。
そして、当該チューブ状電解質膜の内面及び外面に、電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して触媒層を形成し、当該二つの触媒層上に炭素質粒子及び／又は炭素質繊維を含む溶液を塗布・乾燥してガス拡散層を形成する方法が挙げられる。このとき、電解質膜の内面側に形成したガス拡散層の内面に中空部が存在するように触媒層とガス拡散層を形成する。
【００５３】
或いは、まず、炭素質粒子及び／又は炭素質繊維等の炭素材料を含み、チューブ状に形成されたもの（チューブ状炭素質）を内面側電極（アノード）のガス拡散層として用い、当該ガス拡散層の外面に電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して内面側電極の触媒層を形成して内面側電極を作製し、次に、当該触媒層の外面に電解質を含む溶液を塗布・乾燥して電解質膜層、さらに当該電解質膜層の外面に外面側電極（カソード）の触媒層を形成し、当該触媒層の外面に炭素材料を含む溶液を塗布・乾燥して外面側電極のガス拡散層を形成する方法も挙げられる。
チューブ状炭素質としては、例えば、炭素質粒子等の炭素材料とエポキシ及び／又はフェノール系樹脂を溶媒に分散させてチューブ状に成形し、熱硬化後、焼成することにより得られる。
【００５４】
尚、電解質膜、触媒層、ガス拡散層を形成する際に使用する溶媒は、分散及び／又は溶解する材料に応じて適宜選択すればよく、また、各層を形成する際の塗布方法についても、スプレー法、スクリーン印刷法等種々の方法から適宜選択することができる。
本発明の燃料電池に用いられる中空型セルは、上記にて例示した構成に限られず、中空型セルの機能を高めることを目的として触媒層及びガス拡散層以外の層を設けても良い。また、本実施形態においては、中空電解質膜の内側にアノード、外側にカソードを設けているが、内側にカソード、外側にアノードを設けても良い。
【００５５】
内面側電極表面に配置される内部集電材（本実施形態においては、アノード側集電材）４は中空型セルの内周面と接する外径を有する柱状集電材であり、その外周面には、中空型セルの軸方向（長手方向）に延びる溝４ａが形成されている。この溝と内面側電極２との隙間が水素ガスを供給するための中空内ガス流路となる。溝４ａとしては、中空型セルの軸方向（長手方向）に延びる溝が少なくとも一本必要であり、必要に応じて、中空型セルの外周面に様々なパターン又は方向性を有する溝が形成される。
【００５６】
外面側電極表面に配置される外部集電材（本実施形態においてはカソード側集電材）５は、金属ワイヤ等の導電性を有する線材からなり、複数の中空型セル６を束ねて形成される結束単位８（図４参照。）の外周に捲回され、各中空型セル６の外表面であるカソード３の外周に周着されている。このとき、導電性線材は編みこんだ網状部材としてもよい。また、本実施形態においては、外部集電材である導電性線材が複数の中空型セルと接触しており、結束単位を構成する全中空型セルによって一つの外部集電材が共有される形態となっているが、結束単位を結束する導電性線材とは別に、例えば、個々の又は複数の中空型セルの集電を行う導電性線材や導電性棒状部材等を併用してもよい。
【００５７】
上記カソード側又はアノード側集電材として使用される金属としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｍ、Ｉｎ等の中から選ばれる少なくとも１種以上の金属、又はステンレス鋼などのそれらの合金が好ましい。また、その表面がＡｕ、Ｐｔ、導電性樹脂等によりコーティングされていても良い。特に耐蝕性に優れることから、中でもステンレスやチタンが好ましい。ワイヤの太さ及び編みこみの密度、棒状集電材の太さ等は、特に制限されるものではない。
【００５８】
尚、ここでは、柱状の内部集電材（本実施形態ではアノード側集電材）４及び線状の外部集電材（本実施形態ではカソード集電材）５を中心に説明したが、集電材４，５は特に限定されず、電気伝導性材料からなるものであればその形状は任意である。集電材は、柱状、ワイヤ状、棒状の他、線状でも、筒形状でもよく、例えば、スプリング状の金属ワイヤや金属箔、金属シート又はカーボンシート等のシート材料からなるもの等も適用できる。
これら集電材は、必要に応じて、カーボン系接着剤やＡｇペーストなどの導電性接着材により電極上に固定される。
【００５９】
本発明の燃料電池を構成する中空型セルとしては、外部からの押圧力で変形して復元力を生じる性質、すなわち、弾性変形範囲内で変形させると、元の形状に戻ろうとする力が生じる性質を有する復元性中空型セルを用いることができる。
【００６０】
上記にて説明したような構成を有する中空型セルは、外部からの押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し且つ第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する復元性を有しているため、復元性中空型セルとして用いることができる。
但し、復元性中空型セルとしては、集電効率の観点から、さらに強い復元性を示す弾性が付与されているものが好ましい。そのため、内部集電材である柱状集電材として、例えば、ベリリウム銅、チタン銅、タングステン銅、リン青銅等の銅合金、チタン合金のようなばね材料として用いられている金属や、アルミ合金等の強い復元力を発現しうる材料を用いることが好ましい。中でも、導電性と軽量性の観点から、アルミ合金が好適に用いられる。
【００６１】
＜第一の燃料電池＞
［セルスタック及び燃料電池］
本発明の第一の燃料電池は、上記のような中空型セルを２個以上（うち、一つの結束単位を構成する少なくとも一つは復元性中空型セル）並列接続させたセルスタックを備えるものである。以下、第一の燃料電池におけるセルスタックについて、図３〜図７を用いて説明する。尚、各図において、便宜上、中空型セルの数や、各ガス流路等を省略している場合がある。
図３は、本発明を適用した燃料電池に備えられるセルスタックの一形態例を示す図である。図４は、図３のセルスタックに備えられる結束単位である。
【００６２】
図３及び図４に示すセルスタック１００及び結束単位８において、中空型セル６は、図１及び図２に示す構造を有している。すなわち、中空型電解質膜の内面に設けられたアノード及び外面に設けられたカソードと、カソード側集電材（外部集電材）及びアノード側集電材（内部集電材）が各電極に接触するように配設され、接続されている。
複数の中空型セル６は、その長手方向を平行にして束ねられ、その外周に周着された導電性線材７によって結束された結束単位８を形成している（図４の４−Ｂ、４−Ｃ参照）。結束単位８を構成する中空型セル６のうち、少なくとも一つは、復元性中空型セル６Ａであり、結束単位内において復元力が生じるように第一の形状（６ａ）から第二の形状（６ａ’）に変形された状態で導電性線材７によって結束されている（図４の４−Ａ参照）。尚、図４の４−Ｃは、４−Ｂの破線部分の断面図である。
【００６３】
復元性中空型セル６Ａは、外力から開放されたときには、第一の形状を有するが、外部からの押圧力が負荷されたときには、第二の形状に変形し、且つ、第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有している。すなわち、復元性中空型セルは、導電性線材による外力から開放されたときには、共に結束単位を構成する中空型セルとの間に隙間を生じるが、導電性線材により押圧力が負荷された状態で他の中空型セルと共に結束され、該他の中空型セルとの間の隙間が小さくなるように変形されたときには、元の形状に戻ろうとする復元力を生じる。
【００６４】
このように、結束単位を結束する導電性線材の締め付け力により、該結束単位を構成する中空型セルを変形させることによって、この変形された中空型セルには該導電性線材の締め付けを押し返すような、結束単位の外径方向への復元力が生じる。その結果、結束単位全体において、結束単位を構成する中空型セルと、該結束単位を結束する導電性線材との接触部には高い接触圧が作用する。
しかも、この接触圧は、例えば、従来の燃料電池においては、導電性線材による結束単位の締め付け力の低下を生じていたような場合でも高く保持することができる。つまり、本発明の燃料電池においては、中空型セルの外表面、すなわち、外面側電極（本実施形態ではカソード）と集電材である導電性線材との接触圧が常に高く保持されており、長期間にわたって安定した集電効率を維持することが可能である。
【００６５】
以上のように、本発明の燃料電池において、中空型セルの外面側電極と、該外面側電極の電流を集電する外部集電材との接触圧が常に高く保持される。そのため、本発明の燃料電池は、中空型セルと集電材間の集電ロスが小さく、集電効率に優れる。
【００６６】
２個以上の中空型セルを束ねてなる結束単位において、中空型セルは通常、並列接続される。そして、この並列接続された中空型セルからなる結束単位８は、図３のように、セルスタック１００内に、２個以上を並列接続若しくは直列接続されて備えられる。セルスタック内に備えられる結束単位は１個でもよい。図３においては、各結束単位８は、外部集電材である導電性線材７の末端を、外部集電材接続部１２に接続することで、電流を集約し、並列接続されている。尚、図３において、各結束単位の内部集電材の並列接続については、省略されている。
【００６７】
尚、本発明の燃料電池において、結束単位を構成する中空型セルの数、セルスタックに組み込まれる結束単位の数、結束単位を２つ以上組み込む場合、結束単位間の接続形態、燃料電池に組み込まれるセルスタックの数、セルスタックを２つ以上組み込む場合、セルスタック間の接続等は、特に限定されず、所望の電流及び電圧が得られるよう適宜選択すればよい。また、各反応ガスの流通方向や供給方法等は特に限定されるものではない。
【００６８】
並列接続された２個以上の中空型セルを束ねてなる結束単位において、導電性線材の結束による押圧力によって第一の形状から第二の形状に変形された復元性中空型セルは、その復元力により、束ねられた中空型セル間及び結束単位を結束する導電性線材と中空型セルとの間に押圧力を生じさせている。
【００６９】
上記のように変形されて復元力を生じる復元性中空型セルの第一の形状（変形前の形状）と第二の形状（変形後の形状）はそれぞれ特に限定されないが、セルスタックの取り扱い性、セルスタックを搭載する燃料電池の設計性等の観点から、通常、第二の形状が略直線棒状であることが好ましい。ここで略直線棒状とは、その長手方向の軸方向及びその表面形状が略直線状の棒状であることを意味し、その軸方向が一定で、表面がほぼ平坦な形状である。
導電性線材によって結束単位が結束された状態で略直線棒状となる変形前の初期の形状（第一の形状）としては、略直線棒状が径方向に湾曲した形状が挙げられ、具体例としては、図５に示すものが挙げられる。略直線棒状が径方向に湾曲した形状とは、略直線棒状が部分的或いは全体的に弧を描くような形状である。
【００７０】
第一の燃料電池において、結束単位を構成する２つ以上の中空型セルは、その少なくとも１つが、上記復元性中空型セルであり、導電性線材による締め付け力によって、復元力が生じていない元の第一の形状から変形された第二の形状を保持した状態で結束されていれば、数や結束単位における配列等に特に限定はなく、例えば、結束単位を構成する全中空型セルが復元性を有しており、復元力が生じた状態、すなわち、変形された状態で結束単位中に結束されていてもよい。
導電性線材と中空型セルとの接触圧を確実に確保する観点からは、１つの結束単位を構成する２個以上の中空型セルのうち、少なくとも１０分の１以上を復元性中空型セルとすることが好ましい。結束単位を構成する全ての中空型セルを復元性中空型としてもよい。
【００７１】
復元力が生じない状態で結束されている中空型セルは、復元性中空型セルをその表面に沿わせ、該復元性中空型セルとの隙間が小さくなるように該復元性中空型セルを変形させることによって該復元性中空型セルの変形後の形状である第二の形状を規定する形状規定用の中空型セルとして機能する。形状規定用中空型セルは、単独で形状規定用中空型セルとして機能する剛性を有していても、複数本で形状規定用中空型セルとして機能する剛性を示すものであってもよい。
上記のように、復元性セルの変形後の形状、すなわち第二の形状が略直線棒状であり、元の形状、すなわち第一の形状が略直線棒状が径方向に湾曲した形状である場合、形状規定用中空型セルとしては、略直線棒状の形状を有するものが用いられることとなる。
【００７２】
複数の中空型セルを束ねた結束単位を結束する導電性線材は、結束単位を構成する中空型セルの電流を集約する集電材として機能するものであり、その構成材料としては上記中空型セルの集電材の材料として列挙したものを用いることができる。中でも、導電性と軽量性の点から、アルミ合金が好適である。
尚、本発明において、線材とは、その断面の形状等に限定はなく、例えば、その断面が円等のアスペクト比が小さい形状の線材、その断面がアスペクト比の大きい帯状の線材であってもよい。
【００７３】
導電性線材による結束単位の結束方法は、中空型セルの外面に設けられた電極への反応ガスの供給を妨げずに、且つ、該電極からの集電及び中空型セルに対する締め付け力の付与が可能であれば、特に限定されない。
典型例としては、一本の導電性線材を結束単位の外周に螺旋状に捲回した形態（図４参照）が挙げられるが、その他にも、編組線状、より線状、等の形態が挙げられる。また、図６のように、導電性線材を編みこんだ網状部材を結束単位の外周に、押圧力を付与した状態で巻き付けた形態でもよい。一つの結束単位を結束する導電性線材は一本でも複数本でもよい。
【００７４】
導電性線材によって結束された結束単位８は、該導電性線材による結束状態を保持するため、少なくとも結束単位の軸方向両端を、導電性線材と共に支持板１３に固定されることが好ましい（図７参照）。このように、導電性線材と共に結束単位を固定することで、該導電性線材の該結束単位に対する捲回形態等を固定することができ、導電性線材による結束単位の結束状態を保持することができる。
【００７５】
ここで、結束単位の軸方向とは、結束単位を構成する中空型セルの軸方向であり、通常は、結束単位内に結束された中空型セルの長手方向と一致する。また、結束単位の軸方向両端とは、上記軸方向の両方の端部近傍を指し、特に具体的な位置等は限定されないが、結束単位の両端を固定する支持板は、通常、外面側電極に供給される反応ガスと、内面側電極に供給される反応ガス（中空型セルの中空内に供給）との混合を防止する隔壁として、機能するものであり、２枚の支持板に挟まれた空間が外面側電極に供給される反応ガスの流路をなす。すなわち、中空型セルの支持及び結束単位の結束状態の保持の他、外面側電極の有効表面積も考慮して、支持板の位置を決定することとなる。
支持板における中空型セルと導電性線材の固定方法としては、特に限定されず、例えば、図７のように、支持板１３の貫通孔１４内に結束単位８を挿入した状態で、該支持板１３の少なくとも一方の表面にポッティング材１５を流しこみ、固化させる方法が挙げられる。
【００７６】
＜第二の燃料電池＞
［セルスタック及び燃料電池］
本発明の第二の燃料電池は、上記のような中空型セルを２個以上、並列接続させたセルスタックを備えるものである。以下、本発明におけるセルスタックについて、図８〜図９を用いて説明する。
図８及び図９はそれぞれ、本発明を適用した燃料電池のセルスタックに備えられる結束単位の一実施形態である。
尚、第二の燃料電池は、結束単位が中空型セルと棒状部材を結束したものであり、復元力を示す部材として復元性中空型セル及び／又は復元性棒状部材を用い、結束単位を結束する線材及び該結束単位を構成する棒状部材のうち、少なくとも一つが外部集電材として機能する点において、上記第一の燃料電池と大きく異なる。ここでは、第二の燃料電池について、第一の燃料電池と異なる点を中心に説明していく。
【００７７】
図８に示す結束単位８において、複数の中空型セル６は、その長手方向を平行にした状態で、棒状部材（棒状集電材）９の外周を取り囲むように配置され、該棒状部材９とともに、線材（導電性線材）１１によって結束され、結束単位８を形成している（図８の８−Ｂ参照）。図８に示す実施形態においては、棒状集電材（棒状部材）９と共に結束単位を構成している中空型セル６の一部が、復元性中空型セルであり、復元力が生じるように第一の形状（６ａ）から第二の形状（６ａ’）に変形された状態で線材１１によって結束されている（図８の８−Ａ参照）。尚、図８において８−Ｃは、８−Ｂの破線部分における断面図である。
【００７８】
結束単位８では、線材１１の締め付け力により変形された状態で結束された復元性中空型セル６Ａの復元力によって、線材１１の締め付けを押し返すような結束単位８の外径方向への力が生じており、線材１１と中空型セル６との接触圧が高くなっている。これに伴い、中空型セル６と、外部集電材である棒状部材９との接触圧も高くなっている。すなわち、中空型セル６と、該中空型セル６の外部集電材として機能する棒状部材９及び線材１１との接触圧が高い。
このように、結束単位を結束する線材の締め付け力により、結束単位を構成する中空型セル及び棒状部材のうち少なくとも一つを変形させることによって、この変形された中空型セル及び／又は棒状部材には該線材の締め付けを押し返すような、結束単位の外径方向への復元力が生じる。その結果、結束単位全体において、結束単位を構成する中空型セルと、外部集電材である棒状部材及び／又は線材との接触部に高い接触圧が生じ、上記第一の燃料電池と同様、集電効率に優れた燃料電池を得ることができる。
【００７９】
図８に示した実施形態においては、１つの結束単位が複数の中空型セルで構成されているが、本発明の第二の燃料電池において、結束単位を構成する中空型セルの数は特に限定されず、１つのみでもよいし、２つ以上でもよい。
【００８０】
また、図８においては、棒状部材として棒状集電材が用いられており、しかも、棒状集電材が中空型セルの温度をコントロールする冷却管としても機能している。具体的には、棒状集電材９が中空形状を有しており、中空内に冷却媒体（例えば、水など）を流通させることで、中空型セルの温度を調整することができる。棒状部材は本実施形態のように集電材及び冷却管として機能するものの他、集電材（図９参照）又は冷却管として機能するものを用いてもよい。
棒状部材が外部集電材として機能する場合には、棒状部材の少なくとも一部は導電性材料からなり、冷却管として機能する場合には、棒状部材の少なくとも一部は熱伝導性材料からなる。冷却管の場合、典型的には中空の管内に冷却媒体を流通させることになるが、集電材の場合にも中実に限定されず、軽量化等を目的として中空の管状部材を集電材として用いてもよい。図９に示す実施形態では、中実の棒状部材（外部集電材）９の外周面に複数の中空型セル６が接するように配設されており、各中空型セル６の電流が棒状部材（外部集電材）９によって集電されるようになっている。
【００８１】
また、本実施形態において、棒状部材（棒状集電材）は、復元性中空型セルがその表面に沿わせて変形されており、復元性中空型セルの形状規定用部材としても機能しているが、棒状部材として、復元性棒状部材（外部からの押圧力が負荷された時に、元の第一の形状から第二の形状に変形し、且つ、第一の形状に戻ろうとする復元力を生じる弾性を有する）を用いることもできる。共に結束単位を構成する中空型セルの剛性、太さ、数等にもよるが、復元性棒状部材を元の第一の形状から変形させた第二の形状で結束単位を結束することによって、復元性中空型セルを変形させた状態で結束単位を結束する場合と同様の効果を得ることができる。冷却管や集電材は、通常、中空型セルよりも剛性が高いものが多く、復元性中空型セルや復元性棒状部材の形状規定用の棒状部材として機能させることができる場合が多い。
復元性を有し、元の第一の形状から第二の形状に変形された状態を保持して結束単位内に結束されているのは、復元性中空型セル及び復元性棒状部材のうちの少なくとも１つでよく、図８や図９の本実施形態のように復元性中空型セルのみを用いても、或いは復元性棒状部材のみを用いてもよいし、復元性中空型セル及び復元性棒状部材の両方を用いてもよい。
【００８２】
復元性棒状部材としては、例えば、上記したような銅合金、アルミ合金等の弾性材料を用いて形成されたものが挙げられる。復元性棒状部材の材料や径等は、共に結束単位を構成する中空型セルの弾性、径、数等を考慮して適宜決定することが好ましい。
【００８３】
復元性中空型セル及び／又は復元性棒状部材の形状規定のみを目的とした棒状部材を用いてもよい。形状規定用棒状部材は、共に結束単位を構成する復元性中空型セル及び／又は復元性棒状部材の形状を規定できるよう、その材料、径等を決定すればよい。
【００８４】
形状規定用の棒状部材は、セルスタックの取り扱い性、セルスタックを搭載する燃料電池の設計性等の観点から、通常、略直線棒状であることが好ましく、これに伴い、結束単位を構成する復元性中空型セル及び／又は形状規定用棒状部材は、変形後の第二の形状が略直線棒状であることが好ましい。このとき、第一の形状としては、略直線棒状が径方向に湾曲した形状が挙げられる。
【００８５】
第二の燃料電池においては、その設計性等の観点から、通常、結束単位を構成する中空型セルの少なくとも一つとして復元性中空型セルを用い、棒状部材としては形状規定用棒状部材を用いることが好ましい。
尚、本発明において、一つの結束単位を構成する棒状部材としては、復元性を有するものと、形状規定用のものとを両方用いてもよい。
【００８６】
第二の燃料電池においては、結束単位を結束する線材及び結束単位を構成する棒状部材のうち、少なくとも一方が結束単位を構成する中空型セルの外部集電材として機能すればよく、本実施形態のように棒状部材及び線材の両方が集電材として機能する形態の他、棒状部材のみが外部集電材として機能する形態や結束単位を結束する線材のみが外部集電材として機能する形態等でもよい。第二の燃料電池では、中空型セルと線材間の接触圧、中空型セルと棒状部材間の接触圧の両方が高く保持されているからである。
【００８７】
線材による結束単位の結束方法は、結束単位に対して充分な締め付け力を付与できれば、特に限定されないが、中空型セルからの集電、例えば、該線材が外部集電材としての機能を有するかどうか、該線材が外部集電材として機能する場合には、さらにその他の外部集電材を備えているかどうか等、さらには、中空型セルの外面に設けられた電極への反応ガスの供給性等も考慮することが好ましい。
典型例としては、一本の線材を結束単位の外周に螺旋状に捲回した形態（図８及び図９参照）が挙げられるが、その他にも、導電性線材を編みこんだ網状部材を結束単位の外周に押圧力を付与した状態で巻き付けた形態等の形態が挙げられる。
【００８８】
結束単位における中空型セル及び棒状部材の配列形態は特に限定されず、棒状部材の機能（形状規定用、復元性、集電材、冷却管）等を考慮して適宜決定すればよく、図８や図９のような形態に限定されない。
【００８９】
線材によって結束された結束単位は、第一の燃料電池同様、該導電性線材による結束状態を保持するため、少なくとも結束単位の軸方向両端を、導電性線材と共に支持板に固定されていることが好ましい。このように、線材と共に結束単位を固定することで、該線材の該結束単位の捲回形態等を固定することができ、線材による結束単位の結束状態を保持することができる。
【００９０】
本発明の第一及び第二の燃料電池の結束単位において、復元性中空型セル及び／又は復元性棒状部材がその復元力によって変位する大きさは、少なくとも、該結束単位の直径において、中空型セルの電解質膜が占める大きさ以上であることが好ましい。電解質膜の薄膜化に伴う中空型セルの縮径を許容し、結束単位の結束力の低下を充分に抑制することができるからである。
さらに、第一及び第二の燃料電池の結束単位において、復元性中空型セル及び／又は復元性棒状部材が復元力によって変位する大きさは、少なくとも、該結束単位の直径において前記中空型セルの電解質膜及び該電解質膜の内面及び外面に設けられた電極が占める大きさ以上であることが好ましい。電解質膜及び電極内に含有される電解質の劣化を原因とする電解質膜及び電極の薄膜化に伴う中空型セルの縮径を許容し、結束単位の結束力の低下を充分に抑制することができるからである。
【００９１】
本発明の燃料電池は、以上のような並列接続された中空型セルからなる結束単位を、所望の電圧及び電流が得られるように、適宜、１個又は結束単位を２個以上並列接続若しくは直列接続してセルスタック内に備える。燃料電池内には、通常、セルスタックをさらに直列接続若しくは並列接続した状態で組み込む。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明に用いられる中空型（チューブ状）セルの一形態例を示す斜視図である。
【図２】図１に示すチューブ状セルの断面図ある。
【図３】本発明の第一の燃料電池に備えられるセルスタックの一形態例を示す図である。
【図４】図３のセルスタックに備えられる結束単位である。
【図５】復元性中空型セルの第一の形状の一例を示す図である。
【図６】第一の燃料電池における結束単位の他の形態例を示す図である。
【図７】第一の燃料電池において結束単位の軸方向両端を支持板で固定した状態を示す図である。
【図８】本発明の第二の燃料電池に備えられる結束単位の一形態例を示す図である。
【図９】本発明の第二の燃料電池に備えられる結束単位の他の形態例を示す図である。
【図１０】従来の燃料電池における中空型セルの外部集電材と外面側電極との接触状態の経時的変化を説明する図である。
【符号の説明】
【００９３】
１…中空電解質膜
２…内面側電極（アノード）
３…外面側電極（カソード）
４…内部集電材（アノード側集電材）
５…外部集電材（カソード側集電材）
６…中空型セル
７…導電性線材
８…結束単位
９…棒状部材（外部集電材兼冷却管）
１０…棒状部材（外部集電材）
１１…線材
１２…外部集電材接続部
１３…支持板
１４…貫通孔
１５…ポッティング材
１６…外部集電材
１７…中空型セル
１００…セルスタック
【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】
2008140561.tif 000008
【図７】
2008140561.tif 000009
【図８】
2008140561.tif 000010
【図９】
2008140561.tif 000011
【図１０】
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