(57)【要約】【課題】安全性を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、当該燃料電池モジュールを複数備える燃料電池スタックを提供する。【解決手段】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集電体と、第２電極の外周面側に配設される第２集電体と、第１集電体の表面を介して第１電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、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、チューブ型燃料電池セルの異常時に、流入口からの流体の流入を防ぐ、流入防止手段が備えられる、燃料電池モジュールとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空形状のイオン伝導体、前記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、前記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、前記第１電極の内周面側に配設される第１集電体と、前記第２電極の外周面側に配設される第２集電体と、前記第１集電体の表面を介して前記第１電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、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、
前記チューブ型燃料電池セルの異常時に、前記流入口からの前記流体の流入を防ぐ、流入防止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】
前記第１集電体の前記流入口側端面に前記第１集電体と一体に設けられた第１蓋部材、該第１蓋部材を前記第１集電体の長手方向中央へと押圧する第１押圧手段、及び、前記第１蓋部材の前記長手方向中央側端面と接触可能な端面を有する第１蓋受け部材が、前記流入防止手段に備えられ、
前記第１蓋受け部材は、前記ケース部材に固定されるとともに前記第１集電体の前記流入口側端部を貫通させる開口部を有し、前記異常時に、前記第１蓋受け部材の前記端面と、前記第１蓋部材の前記長手方向中央側端面とが密着することにより、前記流入口からの前記流体の流入が防止され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】
さらに、前記チューブ型燃料電池セルの異常時に、前記流出口からの前記流体の流出を防ぐ、流出防止手段が備えられ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】
前記第１集電体の前記流出口側端面に前記第１集電体と一体に設けられた第２蓋部材、該第２蓋部材を前記第１集電体の長手方向中央へと押圧する第２押圧手段、及び、前記第２蓋部材の前記長手方向中央側端面と接触可能な端面を有する第２蓋受け部材が、前記流出防止手段に備えられ、
前記第２蓋受け部材は、前記ケース部材に固定されるとともに前記第１集電体の前記流出口側端部を貫通させる開口部を有し、前記異常時に、前記第２蓋受け部材の前記端面と、前記第２蓋部材の前記長手方向中央側端面とが密着することにより、前記流出口からの前記流体の流出が防止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】
中空形状のイオン伝導体、前記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、前記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、前記第１電極の内周面側に配設される第１集電体と、前記第２電極の外周面側に配設される第２集電体と、前記第１集電体の表面を介して前記第１電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、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、
前記チューブ型燃料電池セルの状態を検知し得る検知手段と、
前記検知手段によって検知された結果に基いて、前記チューブ型燃料電池セルの正常／異常を判断し得る判断手段と、
少なくとも前記流入口からの前記流体の流入を防止し得る防止手段と、
前記判断手段によって前記チューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、前記防止手段を作動させる作動手段と、
を備えることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記防止手段に、少なくとも前記流入口を閉塞し得る第１蓋部材が備えられ、前記判断手段によって前記チューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、前記作動手段によって前記第１蓋部材が作動され、前記流入口が閉塞されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記防止手段に、少なくとも前記流入口を閉塞し得る第１蓋部材、及び、前記流出口を閉塞し得る第２蓋部材が備えられ、前記判断手段によって前記チューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、前記作動手段によって前記第１蓋部材及び前記第２蓋部材が作動され、前記流入口及び前記流出口が閉塞されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記防止手段に、弁が備えられることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
さらに、前記チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する熱媒体管が備えられ、
前記異常時に、弁によって、前記熱媒体管の流入口からの流体の流入が防止されることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
さらに、前記異常時に、前記弁によって、前記熱媒体管の流出口からの前記流体の流出が防止されることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
複数の前記チューブ型燃料電池セルが、電気的に並列に接続されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
前記異常が、前記流体の漏洩であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
前記漏洩が、前記チューブ型燃料電池セルの破損によって形成された開口部を介して生じていることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１４】
前記流体が、反応ガス及び／又は熱媒体であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１５】
電気的に直列に接続された複数の燃料電池モジュールを備え、
前記燃料電池モジュールが、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールであることを特徴とする、燃料電池スタック。
【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の単セルを複数具備す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具備する、燃料電池スタックに関する。
【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）とを備える膜電極構造体（以下「ＭＥＡ」という。）における電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側に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である。また、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（以下において「チューブ型燃料電池セル」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触媒層とを備える中空形状のＭＥＡ、を備えている。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、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している。すなわち、チューブ型ＰＥＦＣでは、各チューブ型燃料電池セルに備えられる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発電エネルギーを取り出すので、隣り合う２つのチューブ型燃料電池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、チューブの軸方向の集電機能を向上させ、発電反応により発生した電力を効率よく集電できるチューブ型燃料電池用膜電極複合体、およびその製造方法に関する技術が開示されている。また、特許文献２には、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設されるとともに、前記複数の発電部が電気的に直列に接続される燃料電池と、複数の燃料電池を付加に対して並列に接続する発電回路と、各燃料電池を前記発電回路に対して個別に接続及び切断可能な断続機構と、を備えることを特徴とする燃料電池ユニットに関する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４７４２号公報
【特許文献２】特開２００４−２３４９７３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に開示されている技術では、チューブ型燃料電池セルが元々不具合を有する場合や、運転中にチューブ型燃料電池セルに不具合が生じた場合における、当該不具合への対策が施されていない。そのため、上記不具合が生じた場合に、燃料電池モジュールの安全性が低下しやすいという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術は、平板型ＰＥＦＣに関する技術であり、当該技術をチューブ型燃料電池へと適用すると、構造が複雑になりやすい等の問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、安全性を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、当該燃料電池モジュールを複数備える燃料電池スタックを提供することを課題とし、より具体的には、簡易な構造で安全性を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、当該燃料電池モジュールを複数備える燃料電池スタック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、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集電体と、第２電極の外周面側に配設される第２集電体と、第１集電体の表面を介して第１電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、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、チューブ型燃料電池セルの異常時に、流入口からの流体の流入を防ぐ、流入防止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】
ここに、第１の本発明及び以下に示す本発明（以下「本発明」という。）において、「中空形状のイオン伝導体」とは、ＰＥＦＣの場合には、プロトン伝導性ポリマーを含有する中空形状の固体高分子膜に相当し、酸化物固体電解質型燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という。）の場合には、酸化物イオン伝導性物質を含有する中空形状の電解質（例えば、セラミックス系の固体電解質）に相当する。さらに、本発明において、「中空形状の第１電極」及び「中空形状の第２電極」とは、ＰＥＦＣの場合には、Ｐｔ等の触媒を含有する電極（アノード、カソード）に相当し、ＳＯＦＣの場合には、ＮｉやＬａＭｎＯ３等の触媒を含有する電極（アノード、カソード）に相当する。さらに、本発明において、「第１集電体」及び「第２集電体」は、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質を有する導電性物質により構成されていれば、その形態は特に限定されるものではない。さらに、本発明における「流体」の具体例としては、ＰＥＦＣの場合には、水素含有ガス及び酸素含有ガスのほか、チューブ型燃料電池セル等の温度を制御するために使用される熱媒体等を挙げることができる。ここでいう「熱媒体」は、チューブ型燃料電池セル等の温度を低下させるために使用される冷熱媒体と、チューブ型燃料電池セル等の温度を上昇させるために使用される温熱媒体とを含む概念である。これに対し、ＳＯＦＣの場合における「流体」の具体例としては、例えば水素含有ガスや天然ガスと酸素含有ガス等に代表される反応物のほか、チューブ型燃料電池セル等の温度を制御するために使用される熱媒体等を挙げることができる。さらに、本発明において、「第１集電体の表面を介して第１電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備する」とは、流入口及び第１集電体の表面を介して第１電極の内周面側へと供給された流体（例えば、水素含有ガス等）が、流出口を介してチューブ型燃料電池セルの外側へと流出可能なように構成されていることを意味する。ここで、「第１集電体の表面」とは、第１集電体が柱状である場合には、第１集電体の外周面を意味し、第１集電体が管状である場合には、第１集電体の外周面及び／又は内周面を意味する。第１集電体の外周面を介して第１電極の内周面側へと供給される流体の具体例としては、反応ガスを挙げることができる。これに対し、第１集電体の内周面を介して第１電極の内周面側へと供給される流体の具体例としては、熱媒体を挙げることができる。さらに、本発明において、「異常」の具体例としては、チューブ型燃料電池セルから流体が漏洩している形態のほか、ＰＥＦＣの場合には固体高分子膜の加湿が不十分である形態等を挙げることができる。
【００１０】
上記第１の本発明において、第１集電体の流入口側端面に第１集電体と一体に設けられた第１蓋部材、該第１蓋部材を第１集電体の長手方向中央へと押圧する第１押圧手段、及び、第１蓋部材の長手方向中央側端面と接触可能な端面を有する第１蓋受け部材が、流入防止手段に備えられ、第１蓋受け部材は、ケース部材に固定されるとともに第１集電体の流入口側端部を貫通させる開口部を有し、上記異常時に、第１蓋受け部材の上記端面と、第１蓋部材の長手方向中央側端面とが密着することにより、流入口からの流体の流入が防止されることが好ましい。
【００１１】
また、上記第１の本発明において、さらに、チューブ型燃料電池セルの異常時に、流出口からの流体の流出を防ぐ、流出防止手段が備えられることが好ましい。
【００１２】
また、流出防止手段が備えられる上記第１の本発明において、第１集電体の流出口側端面に第１集電体と一体に設けられた第２蓋部材、該第２蓋部材を第１集電体の長手方向中央へと押圧する第２押圧手段、及び、第２蓋部材の長手方向中央側端面と接触可能な端面を有する第２蓋受け部材が、流出防止手段に備えられ、第２蓋受け部材は、ケース部材に固定されるとともに第１集電体の流出口側端部を貫通させる開口部を有し、上記異常時に、第２蓋受け部材の上記端面と、第２蓋部材の長手方向中央側端面とが密着することにより、流出口からの流体の流出が防止されることが好ましい。
【００１３】
第２の本発明は、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集電体と、第２電極の外周面側に配設される第２集電体と、第１集電体の表面を介して第１電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、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、チューブ型燃料電池セルの状態を検知し得る検知手段と、検知手段によって検知された結果に基いて、チューブ型燃料電池セルの正常／異常を判断し得る判断手段と、少なくとも流入口からの流体の流入を防止し得る防止手段と、判断手段によってチューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、防止手段を作動させる作動手段と、を備えることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
【００１４】
ここに、「検知手段」とは、判断手段でチューブ型燃料電池セルの正常／異常を判断し得る情報を得ることが可能な手段であれば、特に限定されるものではなく、例えば、チューブ型燃料電池セルの開回路電圧を測定可能な測定装置等を用いることができる。さらに、「判断手段」は、上記正常／異常の判断をし得る手段であれば、特に限定されるものではなく、例えば、パーソナルコンピュータ等に備えられる中央処理装置（以下「ＣＰＵ」という。）等を用いることができる。さらに、「少なくとも流入口からの流体の流入を防止し得る防止手段」とは、本発明に備えられる防止手段が、流入口を介して第１電極の内周面側へと供給される流体の流入のみを防止し得る形態を採り得るほか、流入口を介して第１電極の内周面側へと供給される流体の流入、及び、流出口を介して第１電極の内周面側から流出する流体の流出を防止し得る形態を採り得ることを意味する。さらに、「作動手段」は、判断手段によって異常と判断された場合に、防止手段へ動作指令を出力することにより防止手段を作動させ得る手段であれば、特に限定されるものではなく、例えば、パーソナルコンピュータ等に備えられるＣＰＵ等を用いることができる。
【００１５】
上記第２の本発明において、防止手段に、少なくとも流入口を閉塞し得る第１蓋部材が備えられ、判断手段によってチューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、作動手段によって第１蓋部材が作動され、流入口が閉塞されることが好ましい。
【００１６】
ここに、「防止手段に、少なくとも流入口を閉塞し得る第１蓋部材が備えられる」とは、少なくとも、ケース部材に収容されているそれぞれのチューブ型燃料電池セル（以下において単に「セル」ということがある。）に備えられる流入口をセル毎に個別に塞ぐことが可能な第１蓋部材が、防止手段に備えられることを意味する。
【００１７】
また、上記第２の本発明において、防止手段に、少なくとも流入口を閉塞し得る第１蓋部材、及び、流出口を閉塞し得る第２蓋部材が備えられ、判断手段によってチューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、作動手段によって第１蓋部材及び第２蓋部材が作動され、流入口及び流出口が閉塞されることが好ましい。
【００１８】
ここに、「防止手段に、少なくとも流入口を閉塞し得る第１蓋部材、及び、流出口を閉塞し得る第２蓋部材が備えられる」とは、少なくとも、ケース部材に収容されているそれぞれのセルに備えられる流入口及び流出口をセル毎に個別に塞ぐことが可能な第１蓋部材及び第２蓋部材が、防止手段に備えられることを意味する。
【００１９】
また、上記第２の本発明において、防止手段に、弁が備えられることが好ましい。
【００２０】
ここに、第２の本発明における「弁」は、流入口への流体の流入や流出口からの流体の流出を止める機能を有する部材・機器を意味し、使用可能な弁としては、電磁バルブ等を例示することができる。
【００２１】
防止手段に弁が備えられる上記第２の本発明において、さらに、チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する熱媒体管が備えられ、上記異常時に、弁によって、熱媒体管の流入口からの流体の流入が防止されることが好ましい。
【００２２】
熱媒体管の流入口からの流体の流入が防止される上記第２の本発明において、さらに、上記異常時に、弁によって、熱媒体管の流出口からの流体の流出が防止されることが好ましい。
【００２３】
上記第１の本発明及び上記第２の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルが、電気的に並列に接続されていることが好ましい。
【００２４】
また、上記第１の本発明及び上記第２の本発明において、異常が、流体の漏洩であっても良い。
【００２５】
ここに、「流体の漏洩」とは、ＰＥＦＣの場合には、水素含有ガス、酸素含有ガス、熱媒体等の流体が漏洩することにより、例えば、ケース部材の内側で水素含有ガスと酸素含有ガスとが混合することを意味し、ＳＯＦＣの場合には、水素含有ガスや天然ガス、酸素含有ガス、熱媒体等が漏洩することにより、例えば、ケース部材の内側で水素含有ガスと酸素含有ガスとが混合することを意味する。
【００２６】
また、異常が流体の漏洩である上記第１の本発明及び上記第２の本発明において、漏洩が、チューブ型燃料電池セルの破損によって形成された開口部を介して生じていても良い。
【００２７】
また、上記第１の本発明及び上記第２の本発明において、流体が、反応ガス及び／又は熱媒体であっても良い。
【００２８】
ここに、「反応ガス」とは、ＰＥＦＣの場合には、水素含有ガス及び酸素含有ガスを意味し、ＳＯＦＣの場合には、例えば水素含有ガスや天然ガスと酸素含有ガス等に代表される反応ガスを意味する。さらに、「熱媒体」とは、燃料電池モジュールの運転時に、チューブ型燃料電池セルと熱交換することにより、当該チューブ型燃料電池セルの温度を制御する目的で使用される冷熱媒体や温熱媒体を意味する。
【００２９】
第３の本発明は、電気的に直列に接続された複数の燃料電池モジュールを備え、該燃料電池モジュールが、上記第１の本発明及び／又は上記第２の本発明にかかる燃料電池モジュールであることを特徴とする、燃料電池スタックである。
【発明の効果】
【００３０】
第１の本発明によれば、セルの異常時に流入口からの流体の流入が防止されるので、第１電極側へと供給される流体と第２電極側へと供給される流体とが混合することにより生じる安全性の低下や発電性能の低下を抑制できる。したがって、第１の本発明によれば、安全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。
【００３１】
第１の本発明において、流入防止手段に、第１蓋部材、第１押圧手段、及び、第１蓋受け部材が備えられることにより、例えば、セルが折れ曲がることによって開口部が形成された場合に、第１押圧手段によって第１蓋部材を移動させ、第１蓋部材と第１蓋受け部材とを密着させることにより、流入口からの流体の流入を防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全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。
【００３２】
第１の本発明において、さらに、流出防止手段が備えられることにより、第１電極側へと供給される流体と第２電極側へと供給される流体との混合を効率的に抑制できる。したがって、かかる形態とすることにより、安全性を効率的に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。
【００３３】
第１の本発明において、流出防止手段に、第２蓋部材、第２押圧手段、及び、第２蓋受け部材が備えられることにより、例えば、セルが折れ曲がることによって開口部が形成された場合に、第２押圧手段によって第２蓋部材を移動させ、第２蓋部材と第２蓋受け部材とを密着させることにより、流出口からの流体の流出を防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全性を効率的に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。
【００３４】
第２の本発明によれば、セルが異常であると判断された場合には、セルへの流体の流入、又は、セルへの流体の流入及びセルからの流体の流出が停止され、正常であると判断されたセルに対してのみ、流体の供給が行われる。そのため、異常と判断されたセルへ流体を供給することによって生じ得る不具合（例えば、還元剤と酸化剤との混合や、これに伴う発電性能の低下等）を回避することができるので、第２の本発明によれば、安全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。
【００３５】
第２の本発明において、防止手段に第１蓋部材が備えられることにより、当該第１蓋部材を作動させることによって、異常と判断されたセルへ流体が流入することを防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全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。
【００３６】
第２の本発明において、防止手段に第１蓋部材及び第２蓋部材が備えられることにより、当該第１蓋部材及び第２蓋部材を作動させることによって、異常と判断されたセルへ流体が流入すること、及び、異常と判断されたセルから流体が流出することを防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全性を効率的に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。
【００３７】
第２の本発明において、防止手段に弁が備えられることにより、当該弁を作動させることによって、異常と判断されたセルへの流体の流入や、当該セルからの流体の流出を防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全性を効率的に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。
【００３８】
第２の本発明において、弁によって、セルの外周面と接触する熱媒体管の流入口からの熱媒体の流入が防止されることにより、熱媒体管が第２電極の外周面側に配設される場合であっても、異常と判断されたセルと接触する熱媒体管へ熱媒体が流入することを防止できる。これにより、セルの外周面と接触する熱媒体管がセルとともに破損した場合であっても、当該破損した熱媒体管への熱媒体の流入を防止できるので、熱媒体の漏洩に起因する短絡等を抑制して安全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。
【００３９】
第２の本発明において、弁によって、セルの外周面と接触する熱媒体管の流入口からの熱媒体の流入、及び、当該熱媒体管の流出口からの熱媒体の流出が防止されることにより、セルの外周面と接触する熱媒体管がセルとともに破損した場合であっても、当該破損した熱媒体管への熱媒体の流入及び当該熱媒体管からの熱媒体の流出を防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、安全性をより一層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。
【００４０】
第１の本発明及び第２の本発明において、複数のセルが電気的に並列に接続されていることにより、異常と判断されたセルへの流体の供給を停止して、当該セルの発電を停止しても、正常と判断された他のセルへの流体の供給を継続することにより、燃料電池モジュールから継続して電気エネルギーを取り出すことができる。したがって、かかる形態とすることにより、上記効果に加え、さらに、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。
【００４１】
第１の本発明及び第２の本発明において、異常が流体の漏洩である場合、流体の漏洩によって生じる水素含有ガスと酸素含有ガスとの混合等を抑制できる。したがって、かかる形態とすることにより、流体の混合を抑制して安全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。
【００４２】
第１の本発明及び第２の本発明において、流体の漏洩がセルの破損によって生じている場合、破損したセルに対する流体の供給を止めることにより、流体の混合の拡大を確実に防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、安全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。
【００４３】
第１の本発明及び第２の本発明において、流体が反応ガス及び／又は熱媒体である場合、反応ガスの漏洩によって生じる水素含有ガスと酸素含有ガスとの混合や、熱媒体の漏洩によって生じる性能低下・短絡等を抑制できる。したがって、かかる形態とすることにより、安全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。
【００４４】
第３の本発明によれば、第１の本発明及び／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ているので、安全性や発電性能を向上させることが可能な燃料電池スタックを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
従来の平板型ＰＥＦＣでは、電圧値を所定の値へと増加させるため、複数のセルを電気的に直列に接続してスタック形態とした燃料電池が使用される。平板型ＰＥＦＣの場合、スタックに備えられる一部のセルに不具合が生じ、当該セルへの流体（例えば、還元剤及び／又は酸化剤。以下同じ。）の供給を止めると、供給が止められたセルから電気エネルギーを取り出すことが不可能になるほか、当該セルはスタックに備えられる他のセルと電気的に直列に接続されているため、スタック全体から電気エネルギーを取り出すことも不可能となる。それゆえ、平板型ＰＥＦＣにおいて、一部のセルを停止させた場合であってもスタックから電気エネルギーを取り出し得る構成とするためには、特許文献２に開示されているような複雑な構成を採る必要があった。これに対し、チューブ型ＰＥＦＣは、例えば、ケースに収容される複数のセルが電気的に並列に接続される形態のモジュールとし、当該モジュールを他のモジュールと電気的に直列に接続する等により、電圧値を所定の値へと増加させる形態とすることができる。それゆえ、チューブ型ＰＥＦＣでは、ケース内の不具合が生じた一部のセルへ流体の供給を停止し、当該セルを発電不能の状態にしても、他のセルへ流体の供給を継続することにより、平板型ＰＥＦＣの場合よりも簡易な構成で、継続して電気エネルギーを取り出すことが可能になると考えられる。
【００４６】
本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、不具合を有する一部セルに対する流体の供給を停止して不具合を有する一部セルの運転のみを停止させつつ、他の正常なセルの運転を継続して、電気エネルギーを取り出すことが可能な形態とすることにより、安全性を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、当該燃料電池モジュールを備える燃料電池スタックを提供することにある。
【００４７】
以下、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スタックについて具体的に説明する。なお、以下の説明では、本発明をＰＥＦＣに適用した場合について記載するが、本発明が適用され得る燃料電池はＰＥＦＣに限定されるものではなく、ＳＯＦＣ等、他の燃料電池にも適用することが可能である。また、以下の説明では、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、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く、水素のシール性を確保するための構成を適宜変更する等により、例えば、ＭＥＡの外周面側へ水素が供給されるとともに、ＭＥＡの内周面側へ酸素が供給される形態とすることも可能である。また、以下の説明では、セルの温度を制御する等の目的で備えられる、熱媒体流通部の記載を省略することがあるが、本発明の燃料電池モジュール及び燃料電池スタックに備えられるセルは、ケースの内側に備えられる部材の内部を流通する熱媒体を介して温度が制御されている。
【００４８】
１．燃料電池モジュール
１．１．第１実施形態
図１及び図２は、第１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示す拡大図であり、燃料電池モジュールに備えられるケース部材、セル、流入防止手段、及び、流出防止手段の一部断面を簡略化して示している。図１はセルが破損する前の状態を、図２はセルが破損した後の状態を、それぞれ示している。図１及び図２に紙面奥／手前方向が、ケース部材に収容される複数のセルの配列方向であり、図１及び図２の紙面左右方向が、セルの長手方向である。図３は、図１に示す燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す平面図であり、ケース部材内側の構成を理解しやすくするため、ケース部材に収容されるセルと、流入防止手段及び流出防止手段とを透過させて示している。図３の紙面左右方向がケース部材に収容される複数のセルの配列方向であり、図３の紙面上下方向がセルの長手方向である。図４は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールに備えられるセルの形態例を概略的に示す断面図であり、内部集電体及びＭＥＡの断面と、ＭＥＡの周りに巻回された外部集電体の様子を簡略化して示している。図４の紙面奥／手前方向が、セルの長手方向である。以下、図１〜図４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について具体的に説明する。
【００４９】
図１〜図３に示すように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール（以下において単に「燃料電池モジュール１００」という。）は、ケース部材１４と、その内側に収容され電気的に並列に接続される複数のセル１０、１０、…と、を備えている。ケース部材１４の内側には、セル１０、１０、…の長手方向両端部にそれぞれ位置する水素流通部１６、１６（以下、図１及び図２の紙面左側、並びに、図３の紙面上側に位置する水素流通部１６を「水素流通部１６ａ」、図１及び図２の紙面右側、並びに、図３の紙面下側に位置する水素流通部１６を「水素流通部１６ｂ」ということがある。）と、当該水素流通部１６、１６の間に備えられる空気流通部１５と、を具備している。図４に示すように、セル１０は、中空形状の電解質膜１、電解質膜１の内周面側に配設される中空形状のアノード２、及び、電解質膜１の外周面側に配設される中空形状のカソード３を備える中空形状のＭＥＡ４と、アノード２の内周面と接触する内部集電体５と、カソード３の外周面に巻回された外部集電体６と、を備え、内部集電体５の外周面には、水素流路として機能する凹部７、７、…が備えられている。燃料電池モジュール１００では、水素流通部１６ａに位置する内部集電体５の端部の外周面に備えられる凹部７、７、…が、水素の流入口８、８、…として機能する一方、水素流通部１６ｂに位置する内部集電体５の端部の外周面に備えられる凹部７、７、…が、水素の流出口９、９、…として機能する。内部集電体５の長手方向両端面には、流体を厚み方向へ透過させない板状の蓋部材１１、１１が備えられ、水素流通部１６ａに位置する端面には第１蓋部材１１ａが、水素流通部１６ｂに位置する端面には第２蓋部材１１ｂが、それぞれ内部集電体５と一体に備えられている。さらに、水素流通部１６ａ、１６ｂを形成する隔壁には、押圧手段１２、１２、及び、蓋受け部材１３、１３が備えられている。水素流通部１６ａに備えられる第１押圧手段１２ａは、第１蓋部材１１ａを内部集電体５の長手方向中央へと押圧する形態で備えられ、水素流通部１６ａに備えられる第１蓋受け部材１３ａは、その端面が、図２に示す形態において、第１蓋部材１１ａの上記長手方向中央側の端面と密着可能な形態で備えられている。一方、水素流通部１６ｂに備えられる第２押圧手段１２ｂは、第２蓋部材１１ｂを内部集電体５の長手方向中央へと押圧する形態で備えられ、水素流通部１６ｂに備えられる第２蓋受け部材１３ｂは、その端面が、図２に示す形態において、第２蓋部材１１ｂの上記長手方向中央側の端面と密着可能な形態で備えられている。そして、第１蓋部材１１ａに面した第１蓋受け部材１３ａの端面、及び、第２蓋部材１１ｂに面した第２蓋受け部材１３ｂの端面には、第１蓋部材１１ａと第１蓋受け部材１３ａとの密着性、及び、第２蓋部材１１ｂと第２蓋受け部材１３ｂとの密着性を向上させることが可能な部材（例えば、Ｏ−リング等。以下、「密着性向上部材」ということがある。）が配設されている。
【００５０】
図１に示すように、正常なセル１０が備えられる燃料電池モジュール１００から電気エネルギーが取り出される定常運転時には、水素流通部１６ａを介して供給された水素が、流入口８、８、…へと分岐する。そして、当該流入口８、８、…を備える凹部７、７、…を介して、水素がアノード２の内周面側へと供給される。このようにしてアノード２へ水素が供給されると、アノード２に含有される触媒の作用下で、水素からプロトン及び電子が生じる。一方、燃料電池モジュール１００の上記定常運転時には、ケース部材１４に備えられる開口部（不図示）を介して空気流通部１５へと供給された空気が、カソード３へと達する。そして、当該カソード３に含有される触媒の作用下で、カソード３へと供給された空気に含有される酸素と、アノード２から移動してきたプロトン及び電子とが反応することにより、水が生成される。
【００５１】
燃料電池モジュール１００に正常なセル１０、１０、…のみが備えられている場合、ケース部材１４の内側に備えられる水素流通部１６ａ、１６ｂ、及び、空気流通部１５は、ケース部材１４を構成する隔壁によって隔離され、シール部材（不図示）によって水路流通部１６ａ、１６ｂを流通する水素のシール性が確保されている。そのため、ＭＥＡ４の内周面側へと供給される水素と、ＭＥＡ４の外周面側へと供給される酸素との混合は、回避されている。
【００５２】
これに対し、燃料電池モジュール１００の運転時に、例えば、セル１０、１０、…へ何らかの外力が作用することにより、燃料電池モジュール１００の運転中に、一部のセル１０が破損する場合も想定される。かかる場合には、図２に示すように、水素流通部１６ａ及び流入口８、８、…を介して流入した多量の水素が、凹部７、７、…及び破損により生じた開口部を介して空気流通部１５へと流入し、空気流通部１５において、水素及び空気が混合する（以下、破損により生じた開口部に対して水素流通部１６ａ側に位置する内部集電体の一部を「内部集電体５ａ」、当該開口部に対して水素流通部１６ｂ側に位置する内部集電体の一部を「内部集電体５ｂ」ということがある。）。このほか、セル１０が破損することにより生じた開口部から、空気流通部１５を流通する空気が凹部７、７、…へと流入し、流出口９、９、…を介して水素流通部１６ｂへと流出する。これらの事態が生じると、燃料電池モジュール１００の安全性が損なわれる恐れがある。そのため、本発明では、内部集電体５の長手方向両端部に、第１蓋部材１１ａ、第１押圧手段１２ａ、及び、第１蓋受け部材１３ａ、並びに、第２蓋部材１１ｂ、第２押圧手段１２ｂ、及び、第２蓋受け部材１３ｂを設けている。かかる形態とすることにより、セル１０が破損した場合には、第１押圧手段１２ａによって第１蓋部材１１ａ及び当該第１蓋部材１１ａと一体の内部集電体５ａを押圧して、これらをセル１０の長手方向中央側へと移動させ、第１蓋部材１１ａと第１蓋受け部材１３ａとを密着させる。同様に、第２押圧手段１２ｂによって第２蓋部材１１ｂ及び当該第２蓋部材１１ｂと一体の内部集電体５ｂを押圧して、これらをセル１０の長手方向中央側へと移動させ、第２蓋部材１１ｂと第２蓋受け部材１３ｂとを密着させる。このようにして、第１蓋部材１１ａと第１蓋受け部材１３ａとを密着させると、流入口８、８、…を塞ぐことができるので、流入口８、８、…からの水素の流入を防止することができる。さらに、第２蓋部材１１ｂと第２蓋受け部材１３ｂとを密着させると、流出口９、９、…を塞ぐことができるので、流出口９、９、…からの空気の流出も防止することができる。すなわち、第１実施形態では、流入防止手段として機能する第１蓋部材１１ａ、第１押圧手段１２ａ、及び、第１蓋受け部材１３ａが備えられ、かつ、流出防止手段として機能する第２蓋部材１１ｂ、第２押圧手段１２ｂ、及び、第２蓋受け部材１３ｂが備えられる形態とすることにより、破損したセル１０への水素の流入、及び、破損したセル１０からの空気の流出を最小限に止め、燃料電池モジュール１００の安全性を向上させている。
【００５３】
また、上述のように、燃料電池モジュール１００に備えられるセル１０、１０、…は、電気的に並列に接続されている。そのため、破損したセル１０への水素の供給が途絶えても、破損していない正常な他のセル１０、１０、…に対する水素及び空気の供給を継続させることにより、燃料電池モジュール１００から電気エネルギーを継続して取り出すことができる。すなわち、燃料電池モジュール１００では、セル毎に水素の供給を遮断可能な構成とするとともに、ケース部材１４に収容される複数のセル１０、１０、…を電気的に並列に接続させることで、破損した一部のセル１０への水素の供給が停止された場合であっても、電気エネルギーを取り出し得る構成としている。
【００５４】
１．２．第２実施形態
図５、図６、及び、図７は、第２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示す拡大図であり、ケース部材及びセルの一部断面、並びに、燃料電池モジュールに備えられる制御装置等を簡略化して示している。図５は、防止手段によって流入口及び流出口が塞がれる前の状態を、図６は、防止手段によって流入口及び流出口が塞がれた後の状態を、それぞれ示しており、図７は、破損したセルの流入口及び流出口が防止手段によって塞がれている状態を示している。図５〜図７の紙面左右方向が、セルの長手方向であり、図５〜図７の紙面奥／手前方向が、ケース部材に収容される複数のセルの配列方向である。図８は、図５に示す燃料電池モジュールに備えられるケース部材、セル、及び、防止手段の形態例を概略的に示す平面図であり、ケース部材内側の構造を理解しやすくするため、ケース部材に収容されるセル及び防止手段を透過させて示している。図８の紙面上下方向がセルの長手方向であり、図８の紙面左右方向がセルの配列方向である。図５〜図８において、図１〜図４に示す部材と同様の構成を採るものには、図１〜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。
【００５５】
図５〜図８に示すように、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール２００（以下において単に「燃料電池モジュール２００」という。）は、ケース部材１４と、その内側に収容され電気的に並列に接続される複数のセル１０、１０、…と、を備えている。ケース部材１４の内側に備えられる水素流通部１６ａには、流入口８、８、…からの水素の流入を防止することが可能な防止手段２４（以下「第１蓋部材２４ａ」ということがある。）が備えられ、ケース部材１４の内側に備えられる水素流通部１６ｂには、流出口９、９、…からの空気の流出を防止することが可能な防止手段２４（以下「第２蓋部材２４ｂ」ということがある。）が備えられている。第１蓋部材２４ａ及び第２蓋部材２４ｂは、内部集電体５の外表面に形成された凹部７、７、…へと進入可能な複数の凸部を有する構造（ピラー構造）とされている。
【００５６】
燃料電池モジュール２００には、さらに、電流を流さない状態で、アノード２へ水素を供給し、カソード３へ空気を供給した際の、セル１０、１０、…の電圧（以下「開回路電圧」という。）を検知可能な検知手段としての電圧計１７と、防止手段２４、２４の動作を制御可能な制御装置１８と、が備えられている。制御装置１８には、防止手段２４、２４の動作制御を実行するＣＰＵ２０と、当該ＣＰＵ２０に対する記憶装置とが設けられている。ＣＰＵ２０は、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、ＣＰＵ２０に対する記憶装置は、例えば、防止手段２４、２４の動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するＲＯＭ２１と、ＣＰＵ２０の作業領域として機能するＲＡＭ２２等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、ＣＰＵ２０が、ＲＯＭ２１に記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、本発明の燃料電池モジュール２００における制御装置１８が機能する。
【００５７】
電圧計１７によって検知された開回路電圧に関する出力信号は、入力ポート１９を介して、入力信号としてＣＰＵ２０へと到達する。ＣＰＵ２０は、上記入力信号及びＲＯＭ２１に記憶されたプログラムに基いて、セル１０、１０、…の正常／異常を判断し、セル１０、１０、…が異常状態にあると判断した場合には、出力ポート２３を介して第１蓋部材２４ａ及び第２蓋部材２４ｂに対する動作指令を制御する。第１蓋部材２４ａ及び第２蓋部材２４ｂは、ＣＰＵ２０から与えられた動作指令に応じて、流入口８、８、…、及び、流出口９、９、…を塞ぐように動作し、流入口８、８、…からの水素の流入、及び、流出口９、９、…からの空気の流出を防止する。すなわち、燃料電池モジュール２００におけるＣＰＵ２０は、セル１０、１０、…の正常／異常を判断し得る判断手段として機能するとともに、防止手段２４、２４を作動させる作動手段として機能する。
【００５８】
セル１０が正常である場合、電圧計１７によって検知されるセル１０の開回路電圧の値は、例えば、１．０Ｖ程度となる。これに対し、含水状態下においても塞がれない大きさの貫通孔が電解質膜１に備えられる等により、アノード２へと供給される水素やカソード３へと供給される空気が電解質膜１を通過し、いわゆるクロスリークが生じている場合（異常な場合）、セル１０の開回路電圧の値は、１．０Ｖ未満となる。それゆえ、開回路電圧の値によって、セル１０の正常／異常を判断することができる。燃料電池モジュール２００の製造時にケース部材１４に収容されたセル１０が、上記異常な状態にある場合、当該セル１０へ水素及び酸素を供給するとクロスリークが生じ、燃料電池モジュール２００の発電性能が低下する恐れがあるほか、クロスリークの程度によっては、燃料電池モジュール２００の安全性が損なわれる恐れがある。そこで、本発明では、燃料電池モジュール２００に電流を流し始める前に、ケース部材１４に収容されている各セル１０、１０、…の開回路電圧を検知し、当該開回路電圧が所定値（例えば、０．８５Ｖ）未満である場合には、ＣＰＵ２０から第１蓋部材２４ａ及び第２蓋部材２４ｂへと動作指令を出力することにより、第１蓋部材２４ａ及び第２蓋部材２４ｂを作動させ、当該所定値未満のセル１０の流入口８、８、…、及び、流出口９、９、…のみを塞ぐ（図６参照）。
【００５９】
かかる形態とすることにより、クロスリークが生じるセル１０に対しては水素を供給せず、他の正常なセル１０、１０、…に対しては水素及び空気を供給した状態で、燃料電池モジュール２００を運転することができる。ここで、上述のように、ケース部材１４に収容されたセル１０、１０、…は、電気的に並列に接続されているので、異常と判断された一部のセル１０へ水素を供給しなくても、他の正常なセル１０、１０、…へと水素及び空気を供給することにより、燃料電池モジュール２００から電気エネルギーを取り出すことができる。したがって、本発明によれば、異常なセル１０への水素の供給を停止することにより安全性を向上させることが可能であるとともに、他の正常なセル１０、１０、…を作動させることにより電気エネルギーを取り出すことが可能な、燃料電池モジュール２００を提供することができる。
【００６０】
一方、燃料電池モジュール２００の運転時に、セル１０、１０、…へ何らかの外力が加えられることにより、燃料電池モジュール２００の運転中に、一部のセル１０が破損する場合も想定される。かかる場合には、図７に示すように、水素流通部１６ａ及び流入口８、８、…を介して流入した多量の水素が、凹部７、７、…及び破損により生じた開口部を介して空気流通部１５へと流入し、空気流通部１５において、水素と空気とが混合する。このほか、セル１０が破損することにより生じた開口部から、空気流通部１５を流通する空気が凹部７、７、…へと流入し、流出口９、９、…を介して空気が水素流通部１６ｂへと流出する。これらの事態が生じると、燃料電池モジュール２００の安全性が損なわれる恐れがある。そのため、本発明では、燃料電池モジュール２００の、電流を流さない状態における運転時にも、セル１０、１０、…の開回路電圧を検知することができる。セル１０が破損している場合、当該セル１０の開回路電圧は、例えば、０．８Ｖ以下程度の値を示すと考えられるため、開回路電圧の値によって、破損したセル１０を特定することができる。このようにして、破損したセル１０を特定した後、燃料電池モジュール２００では、ＣＰＵ２０から第１蓋部材２４ａ及び第２蓋部材２４ｂへと動作指令を出力し、破損したセル１０の流入口８、８、…、及び、流出口９、９、…のみを塞ぐ（図７参照）。かかる形態とすることにより、破損したセル１０の流入口８、８、…からの水素の流入が防止されるので、空気流通部１５へと流入する水素の量を最小限に止めることができる。さらに、破損したセル１０の流出口９、９、…からの空気の流出が防止されるので、水素流通部１６ｂへと流出する空気の量を最小限に止めることができ、水素濃度の低下を抑制することができる。したがって、本発明によれば、水素と空気との混合を抑制することにより安全性を向上させることが可能であるとともに、水素濃度の低下を抑制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２００を提供することができる。
【００６１】
１．３．第３実施形態
図９及び図１０は、第３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示す拡大図であり、ケース部材及びセルの一部断面、並びに、燃料電池モジュールに備えられる制御装置等を簡略化して示している。図９は、防止手段（以下「弁」ということがある。）によって、冷却管としての機能も兼ねる内部集電体の長手方向一端面及び他端面に備えられる冷媒流入口及び冷媒流出口としての開口部（以下、当該開口部を「冷媒の入口」、「冷媒の出口」等ということがある。）が塞がれる前の状態を、図１０は、弁によって冷媒の入口及び出口並びに流入口８、８、…及び流入口９、９、…が塞がれた後の状態を、それぞれ示している。図９及び図１０の紙面左右方向が、セルの長手方向であり、図９及び図１０の紙面奥／手前方向が、ケース部材に収容される複数のセルの配列方向である。図１１は、図９に示す燃料電池モジュールに備えられるケース部材、セル、及び、防止手段の形態例を概略的に示す平面図である。図１１は燃料電池モジュールの一部のみを示しており、ケース部材内側の構造を理解しやすくするため、ケース部材に収容されるセル及び防止手段を透過させて示している。図１１の紙面上下方向がセルの長手方向であり、図１１の紙面左右方向がセルの配列方向である。図１２は、図９〜図１１に示す燃料電池モジュールに備えられるセルの形態例を概略的に示す断面図であり、内部集電体及びＭＥＡの断面と、ＭＥＡの周りに巻回された外部集電体の様子を簡略化して示している。図１２の紙面奥／手前方向が、セルの長手方向である。図９〜図１２において、図５〜図８と同様の構成を採るものには、図５〜図８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。
【００６２】
図９〜図１１に示すように、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール３００（以下において単に「燃料電池モジュール３００」という。）は、ケース部材１４と、その内側に収容され電気的に並列に接続される複数のセル１０ｘ、１０ｘ、…と、を備え、各セル１０ｘ、１０ｘ、…に備えられる内部集電体５ｘ、５ｘ、…は、冷却管としても機能している。ケース部材１４の内側には、水素流通部１６ａ、空気流通部１５、及び、水素流通部１６ｂが備えられ、さらに、水素流通部１６ａの外側（空気流通部１５と反対側）に冷媒流通部２６（以下において当該冷媒流通部２６を「冷媒流通部２６ａ」という。）が、水素流通部１６ｂの外側（空気流通部１５と反対側）に冷媒流通部２６（以下において当該冷媒流通部２６を「冷媒流通部２６ｂ」という。）が、備えられる。燃料電池モジュール３００において、冷却管としても機能する内部集電体５ｘ、５ｘ、…は、水素流通部１６ａ及び水素流通部１６ｂを貫通する形態で備えられる。内部集電体５ｘ、５ｘ、…の長手方向における一方の端面に備えられる冷媒の入口は、冷媒流通部２６ａに開口し、同長手方向における他方の端面に備えられる冷媒の出口は、冷媒流通部２６ｂに開口している。
【００６３】
図１２に示すように、燃料電池モジュール３００に備えられるセル１０ｘは、管状部材の外周面にガス流路として機能する凹部７、７、…が備えられる形態の内部集電体５ｘと、当該内部集電体５ｘの外周面に形成されたＭＥＡ４と、当該ＭＥＡ４の外周面に巻回された外部集電体６と、を備える。内部集電体５ｘに備えられる中空部２６ｃは、熱媒体（冷媒）の流路として機能し、上記冷媒流通部２６ａへと流入した冷媒が中空部２６ｃへと流入し、当該中空部２６ｃを流通した冷媒が、上記冷媒流通部２６ｂへと流出する。このように、セル１０ｘには、冷媒流通部として機能する中空部２６ｃ、及び、ガス流路として機能する凹部７、７、…が備えられるので、内部集電体及び冷却管として機能することができる。
【００６４】
燃料電池モジュール３００の運転時には、冷媒流通部２６ａへと流入した冷媒が、冷媒の入口から各内部集電体５ｘ、５ｘ、…へと分岐し、各内部集電体５ｘ、５ｘ、…に備えられる中空部２６ｃ、２６ｃ、…へと流入する。このようにして流入した冷媒は、冷媒流通部２６ｂ側へと移動する間に、ＭＥＡ４、４、…等と熱交換を行い、セル１０ｘ、１０ｘ、…の過度の温度上昇を抑制する。そして、ＭＥＡ４、４、…等と熱交換することにより温められた冷媒は、冷媒流通部２６ｂへと排出され、その後、回収される。このように、燃料電池モジュール３００では、冷媒流通部２６ａ、中空部２６ｃ、２６ｃ、…、及び、冷媒流通部２６ｂを流通する冷媒によって、セル１０ｘ、１０ｘ、…の温度が制御される。
【００６５】
図９〜図１１に示すように、燃料電池モジュール３００は、冷媒流通部２６ａから各内部集電体５ｘ、５ｘ、…へと分岐する冷媒の流量を検知可能なセンサー（検知手段）を備えた弁２７、２７、…（以下「弁２７ａ」等という。）が冷媒流通部２６ａに配置され、各内部集電体５ｘ、５ｘ、…から冷媒流通部２６ｂへと流出する冷媒の流量を検知可能なセンサー（検知手段）を備えた弁２７、２７、…（以下「弁２７ｂ」等という。）が冷媒流通部２６ｂに配置される。弁２７ａ、２７ａ、…、及び、弁２７ｂ、２７ｂ、…（以下において単に「弁２７」ということがある。）は、制御装置１８と接続され、弁２７に備えられるセンサーによって検知された冷媒流量に関する出力信号は、入力ポート１９を介して、入力信号としてＣＰＵ２０へと到達する。冷却管としても機能する内部集電体５ｘ、５ｘ、…から冷媒が漏洩していない場合には、弁２７ａ、２７ａ、…のセンサーによって検知された冷媒流量Ｘと、弁２７ｂ、２７ｂ、…のセンサーによって検知された冷媒流量Ｙは等しいため、Ｘ−Ｙ＝０となる。ところが、内部集電体５ｘ、５ｘ、…から冷媒が漏洩すると、Ｘ−Ｙ＞０となる。したがって、Ｘ−Ｙの値によって、冷媒漏洩の有無を判断できる。ＣＰＵ２０は、上記入力信号及びＲＯＭ２１に記憶されたプログラムに基づいて、冷媒漏洩の有無を判断する。Ｘ−Ｙ＞０であることにより冷媒が漏洩していると判断した場合には、出力ポート２３を介して、冷媒が漏洩している内部集電体５ｘの冷媒流量を検知するセンサーを備える弁２７ａ及び弁２７ｂに対して動作指令を出力し、当該弁２７ａ及び弁２７ｂを作動させることにより、冷媒が漏洩している内部集電体５ｘに備えられる冷媒の入口及び冷媒の出口を塞ぐ（図１０参照）。すなわち、燃料電池モジュール３００におけるＣＰＵ２０は、冷媒漏洩の有無を判断し得る判断手段としても機能し、さらに、防止手段としての弁２７を作動させる作動手段としても機能する。
【００６６】
ここで、内部集電体５ｘから冷媒が漏洩している場合、当該冷媒漏洩は、セル１０ｘが破損することにより、折れ曲がったセル１０ｘ（以下「異常なセル１０ｘ」という。）に、冷媒、水素、及び、空気が流出・流入し得る開口部が形成されたことに起因するとも考えられる（図１０参照）。そのため、冷媒が漏洩していると判断された場合には、ＣＰＵ２０から、さらに、異常なセル１０ｘに備えられる内部集電体５ｘへの水素の流入、及び、当該内部集電体５ｘからの空気の流出を防止する第１蓋部材２４ａ及び第２蓋部材２４ｂも作動させ、異常なセル１０ｘへの冷媒及び水素の流入、並びに、当該異常なセル１０ｘからの冷媒及び空気の流出を防止することが好ましい（図１０参照）。このようにして、異常なセル１０ｘへの冷媒及び水素の流入、並びに、異常なセル１０ｘからの冷媒及び空気の流出を防止することにより、水素及び空気の混合、並びに、冷媒の漏洩を防止できるので、燃料電池モジュール３００の安全性を向上させることが容易になる。
【００６７】
図１３及び図１４は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの他の形態例を示す拡大図であり、ケース部材及びセルの一部断面、並びに、燃料電池モジュールに備えられる熱媒体管（以下「冷却管」という。）及び制御装置等を簡略化して示している。図１３は、弁によって冷却管の入口及び出口が塞がれる前の状態を、図１４は、弁によって冷却管の入口及び出口が塞がれた後の状態を、それぞれ示している。図１３及び図１４の紙面左右方向が、セル及び冷却管の長手方向であり、図１３及び図１４の紙面奥／手前方向が、ケース部材に収容される複数のセル及び冷却管の配列方向である。図１５は、図１３に示す燃料電池モジュールに備えられるケース部材、セル、冷却管、及び、防止手段の形態例を概略的に示す平面図である。図１５は燃料電池モジュールの一部のみを示しており、ケース部材内側の構造を理解しやすくするため、ケース部材に収容されるセル、冷却管、及び防止手段を透過させて示している。図１５の紙面上下方向がセル及び冷却管の長手方向であり、図１５の紙面左右方向がセル及び冷却管の配列方向である。図１３〜図１５において、図９〜図１２と同様の構成を採るものには、図９〜図１２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。
【００６８】
図１３〜図１５に示すように、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール３０１（以下において単に「燃料電池モジュール３０１」という。）は、ケース部材１４と、その内側に収容され電気的に並列に接続される複数のセル１０、１０、…と、セル１０、１０、…と接触するように配置された冷却管２５、２５、…と、を備える。ケース部材１４の内側には、水素流通部１６ａ、空気流通部１５、及び、水素流通部１６ｂが備えられ、さらに、水素流通部１６ａの外側（空気流通部１５と反対側）に冷媒流通部２６ａが、水素流通部１６ｂの外側（空気流通部１５と反対側）に冷媒流通部２６ｂが、備えられる。燃料電池モジュール３０１において、セル１０、１０、…と接触するように配設された冷却管２５、２５、…は、冷媒が流通可能な流路を備え、当該流路の一端は冷媒流通部２６ａに開口し、同他端は冷媒流通部２６ｂに開口している。燃料電池モジュール３０１の運転時には、冷媒流通部２６ａへと流入した冷媒が、各冷却管２５、２５、…へと分岐し、各冷却管２５、２５、…の内部へと流入する。このようにして流入した冷媒は、冷媒流通部２６ｂ側へと移動する間に、セル１０、１０、…と熱交換を行い、セル１０、１０、…の過度の温度上昇を抑制する。そして、セル１０、１０、…と熱交換することにより温められた冷媒は、冷媒流通部２６ｂへと排出され、その後、回収される。このように、燃料電池モジュール３０１では、冷媒流通部２６ａ、冷却管２５、２５、…、及び、冷媒流通部２６ｂを循環する冷媒によって、セル１０、１０、…の温度が制御される。
【００６９】
図１３〜図１５に示すように、燃料電池モジュール３０１は、冷媒流通部２６ａから各冷却管２５、２５、…へと分岐する冷媒の流量を検知可能なセンサー（検知手段）を備えた弁２７ａ、２７ａ、…が冷媒流通部２６ａに配置され、各冷却管２５、２５、…から冷媒流通部２６ｂへと流出する冷媒の流量を検知可能なセンサー（検知手段）を備えた弁２７ｂ、２７ｂ、…が冷媒流通部２６ｂに配置される。弁２７は、制御装置１８と接続され、弁２７に備えられるセンサーによって検知された冷媒流量に関する出力信号は、入力ポート１９を介して、入力信号としてＣＰＵ２０へと到達する。かかる形態であっても、上記燃料電池モジュール３００の場合と同様に、Ｘ−Ｙの値によって冷媒漏洩の有無を判断できる。燃料電池モジュール３０１においても、Ｘ−Ｙ＞０であることにより冷媒が漏洩していると判断された場合には、出力ポート２３を介して、冷媒が漏洩している冷却管２５の冷媒流量を検知するセンサーを備える弁２７ａ及び弁２７ｂに対して、動作指令を出力し、当該弁２７ａ及び弁２７ｂを作動させることにより、冷媒が漏洩している冷却管２５の入口及び出口を塞ぐ（図１４参照）。すなわち、燃料電池モジュール３０１におけるＣＰＵ２０は、冷媒漏洩の有無を判断し得る判断手段としても機能し、さらに、防止手段としての弁２７を作動させる作動手段としても機能する。
【００７０】
かかる形態とすることにより、冷媒が漏洩する冷却管２５への冷媒の流入、及び、当該冷却管２５からの冷媒の流出を停止して冷媒の漏洩を停止する一方、他の正常な冷却管２５、２５、…に対しては冷媒を流通させた状態で、燃料電池モジュール３０１を運転することができる。冷媒が漏洩すると、当該冷媒を介してセル１０、１０が電気的に接続され、短絡が生じる等して燃料電池モジュール３０１の性能が低下し、安全性が低下する恐れがある。この点、本発明によれば、冷媒の漏洩を容易に停止することができるので、性能及び安全性を向上させることが可能な、燃料電池モジュール３０１を提供できる。
【００７１】
上述のように、燃料電池モジュール３０１の運転時には、冷媒によって、セル１０、１０、…の過度の温度上昇が防止され、これによって、温度上昇が防止されたセル１０、１０、…の発電性能を向上させている。そのため、冷媒が漏洩する冷却管２５への冷媒の供給が停止されると、当該冷却管２５と接触しているセル１０、１０の温度を制御することができず、当該セル１０、１０の温度が上昇すると考えられる。このようにしてケース部材１４に備えられる一部のセル１０、１０の温度が過度に上昇すると、他のセル１０、１０、…の温度制御が困難になる恐れがある。それゆえ、燃料電池モジュール３０１において、冷媒が漏洩する冷却管２５への冷媒の流入、及び、当該冷却管２５からの冷媒の流出を停止した場合には、当該冷却管２５と接触するセル１０、１０に対する水素の供給を停止することが好ましい。なお、これらのセル１０、１０に対する水素の供給停止は、ＣＰＵ２０から当該セル１０、１０と対応して設けられた第１蓋部材２４ａ、２４ａ及び第２蓋部材２４ｂ、２４ｂへと動作指令を出力して、第１蓋部材２４ａ、２４ａ及び第２蓋部材２４ｂ、２４ｂを作動させることにより、行うことができる。
【００７２】
本発明の燃料電池モジュール１００、２００、３００、３０１（以下これらをまとめて「本発明の燃料電池モジュール」ということがある。）に関する上記説明では、外周面に水素ガス流路として機能する凹部７、７、…が形成されている、一の部材からなる内部集電体５又は内部集電体５ｘが各セル１０、１０、…に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い。中空形状のＭＥＡの内周面側に備えられる内部集電体は、中空形状のＭＥＡの内周面側の集電を行い得る形態であれば、その形態は特に限定されるものではなく、水素ガス流路の形態も、内部集電体の外表面を介して中空形状のＭＥＡの内周面側へ水素を供給可能な形態であれば、その形態は特に限定されない。内部集電体は、上記形態のほか、例えば、長手方向がＭＥＡの長手方向と平行となるように配置された複数の導電性の線材を捻ることにより構成される複数の線材（以下、本段落において「第１形態の線材」という。）を、内部集電体として機能させることも可能である。第１形態の線材を内部集電体として用いる場合、当該第１形態の線材と中空形状のＭＥＡの内周面とが接触するように、第１形態の線材を配置すると、第１形態の線材と中空形状のＭＥＡの内周面との間等、中空形状のＭＥＡの内周面の内側に微小な隙間が形成される。それゆえ、第１形態の線材を内部集電体として機能させる場合には、当該微小な隙間を水素ガス流路として機能させることができる。
上記第１形態の線材のほか、例えば、図１〜図１１に示す外部集電体６と同様の外形（例えば、円筒の外周面に１以上の線材を巻回することにより形成される外形）に加工した導電性の線材を、中空形状のＭＥＡの内周面側へと配設することにより、上記外形を有する導電性の線材（以下、本段落において「第２形態の線材」という。）を内部集電体として機能させることも可能である。第２形態の線材を内部集電体として用いる場合、当該第２形態の線材によって周囲を囲まれる空間が形成される。そのため、第２形態の線材を内部集電体として用いる場合には、当該空間を水素ガス流路として機能させることができる。
上記第１形態の線材及び第２形態の線材のほか、例えば、円筒状に成形した導電性の多孔体（以下、本段落において「第３形態」という。）を内部集電体として用いることも可能である。第３形態の内部集電体を用いる場合には、当該内部集電体の内部及び表面に備えられる複数の孔を水素ガス流路として機能させることができる。なお、内部集電体を熱媒体管としても機能させる場合には、冷媒の漏洩を防止する観点から、上記内部集電体５ｘと同様の形態にかかる内部集電体が備えられることが好ましい。
【００７３】
また、本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、反応ガスの流入や流出を防止する流入防止手段及び流出防止手段、又は、防止手段に備えられる蓋部材として、板状の第１蓋部材１１ａ及び第２蓋部材１１ｂ、並びに、ピラー構造の第１蓋部材２４ａ及び第２蓋部材２４ｂを例示したが、本発明の燃料電池モジュールに備えられる蓋部材の形態は、例示した形態に限定されるものではない。蓋部材は、流入口や流出口を塞ぐことにより水素や空気の流通を防止し得る形状及び材料により構成されていれば、その形状及び材料は限定されるものではない。内部集電体の長手方向を法線方向とする平面によって蓋部材を切断した場合における、蓋部材の断面形状の具体例としては、円形のほか、三角形や四角形等の多角形を挙げることができる。
【００７４】
また、燃料電池モジュール１００に備えられる押圧手段１２、１２は、蓋部材１１、１１を内部集電体５の長手方向中央へと押圧可能であれば、その形態は特に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールで使用可能な押圧手段の具体例としては、らせん状に成形した線材（バネ等）のほか、弾性樹脂（ゴム等）等を挙げることができる。
【００７５】
また、燃料電池モジュール１００において、押圧手段１２、１２によって内部集電体５へと加えられる圧力は、蓋部材１１、１１を移動させることにより当該蓋部材１１、１１と蓋受け部材１３、１３とを密着させることが可能な圧力であり、かつ、当該圧力のみによって内部集電体５を座屈させることはない圧力、であれば、特に限定されるものではない。
【００７６】
また、本発明の燃料電池モジュール１００に関する上記説明では、第１蓋部材１１ａに面した第１蓋受け部材１３ａの端面、及び、第２蓋部材１１ｂに面した第２蓋受け部材１３ｂの端面に、密着性向上部材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い。これらの端面に代えて、例えば、第１蓋受け部材１３ａに面した第１蓋部材１１ａの端面、及び、第２蓋受け部材１３ｂに面した第２蓋部材１１ｂの端面に、密着性向上部材が備えられていても良い。このほか、第１蓋部材１１ａに面した第１蓋受け部材１３ａの端面、第２蓋部材１１ｂに面した第２蓋受け部材１３ｂの端面、第１蓋受け部材１３ａに面した第１蓋部材１１ａの端面、及び、第２蓋受け部材１３ｂに面した第２蓋部材１１ｂの端面に、密着性向上部材が備えられない形態とすることも可能である。ただし、蓋部材１１、１１と蓋受け部材１３、１３との密着性を向上させることにより、水素の流入や空気の流出をより効果的に防止し得る形態とする観点からは、密着性向上部材が備えられる形態とすることが好ましい。
【００７７】
また、本発明の燃料電池モジュール２００、３００、３０１において、セル１０又はセル１０ｘが異常状態であると判断され、ＣＰＵ２０からの動作指令に基いて防止手段２４、２４及び／又は弁２７を内部集電体５の長手方向中央へと移動させる際に、当該防止手段２４、２４及び／又は弁２７を内部集電体５の長手方向中央へと移動させる駆動力を与える部材・機構は、特に限定されるものではなく、公知技術等を適宜用いることができる。
【００７８】
また、本発明の燃料電池モジュール３００、３０１に関する上記説明では、冷媒の流量を検知可能なセンサーを備える弁２７が備えられる形態を例示したが、第３実施形態にかかる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い。上記形態のほか、例えば、各セル１０、１０、…又は各セル１０ｘ、１０ｘ、…（以下これらをまとめて単に「セル」ということがある。）へと供給され、各セルから排出される反応ガスの流量や圧力を検知可能なセンサーを備える弁が、防止手段に備えられる形態とすることも可能である。反応ガスの流量を検知可能なセンサーを備える弁が防止手段に備えられる場合、水素流通部１６ａから分岐してセル１０へと流入する水素の流量をＡ、セル１０の反応で消費される水素の流量をＢ、セル１０に備えられる電解質膜１を透過する水素の流量をＣ、セル１０から水素流通部１６ｂへと流出する水素の流量をＸ、とするとき、セル１０が正常な状態であれば、Ｘ＝Ａ−Ｂ−Ｃの関係が成り立つと考えられる。しかし、セル１０が破損する等により、水素流通部１６ａと水素流通部１６ｂとの間において水素が漏洩すると、Ｘ＜Ａ−Ｂ−Ｃとなる。ここで、セルにおける反応で消費される水素流量Ｂは燃料電池モジュールの運転状態（電流密度の値）に基づいて算出でき、電解質膜を透過する水素流量Ｃは、電解質膜の透過を許容すべき水素流量として設定することができる。それゆえ、水素の流量を検知可能なセンサーを備えた弁によって、水素流通部１６ａから各セルへと流入する水素の流量Ａ、Ａ、…、及び、各セルから水素流通部１６ｂへと排出される水素の流量Ｘ、Ｘ、…を検知し、Ｘ＜Ａ−Ｂ−Ｃであるか否かをセル毎に判断することによって、異常の有無を判断することができる。そして、特定のセルが異常であると判断された場合には、ＣＰＵ２０からの動作指令に基づいて弁を作動させ、異常なセルへの水素の流入及び当該セルからの水素の流出を防止する。かかる形態とすることにより、反応ガスの流量の測定結果に基づいて弁を作動させて異常なセルへのガスの供給を停止すること可能になるので、安全性を向上させた燃料電池モジュールを提供することができる。
【００７９】
本発明の燃料電池モジュール１００、２００、３０１において、セル１０は、中空形状のＭＥＡ４と、中空形状のＭＥＡ４の内周面側に配設される内部集電体５と、中空形状のＭＥＡ４の外周面側に配設される外部集電体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。内部集電体５及び外部集電体６は、良好な電子伝導性を有する材料によって構成されることが好ましく、構成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。なお、内部集電体５及び／又は外部集電体６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。
【００８０】
また、本発明の燃料電池モジュール３０１において、セル１０ｘは、中空形状のＭＥＡ４と、中空形状のＭＥＡ４の内周面側に配設される内部集電体５ｘと、中空形状のＭＥＡ４の外周面側に配設される外部集電体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。内部集電体５ｘは、良好な電子伝導性を有する材料によって構成されることが好ましく、内部集電体５と同様の材料によって構成することができる。
【００８１】
本発明の燃料電池モジュールにおいて、ケース部材１４に収容されるセルの数は、それぞれのセルを電気的に並列に接続することにより、本発明の燃料電池モジュールに必要とされる電流値に到達し得る数であれば特に限定されるものではない。ケース部材１４に収容されるセルの数は、例えば、数十〜百数十程度とすることができる。
【００８２】
一方、中空形状のＭＥＡ４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１と、電解質膜１の内周面側に配設される中空形状のアノード２と、電解質膜１の外周面側に配設される中空形状のカソード３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１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。
【００８３】
中空形状のＭＥＡ４に備えられる中空形状のアノード２及び中空形状のカソード３は、アノード２及びカソード３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。アノード２及びカソード３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。また、アノード２及びカソード３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。
【００８４】
本発明の燃料電池モジュールにおいて、ケース部材１４は、複数のセルや冷却管を収容可能であり、かつ、燃料電池モジュールの運転時の環境に耐え得る性質（例えば、耐熱性、耐水性等。以下同じ。）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。ケース部材１４を構成する材料の具体例としては、金属や絶縁性樹脂のほか、内表面に絶縁被覆が施された金属等を挙げることができる。
【００８５】
本発明の燃料電池モジュールにおいて、蓋部材１１、１１、押圧手段１２、１２、蓋受け部材１３、１３、防止手段２４、２４、及び、弁２７は、本発明の燃料電池モジュールの運転時の環境に耐え得る性質を備え、かつ、セルの短絡を生じさせない材料により構成することができる。すなわち、ケース部材１４が絶縁性樹脂や内表面に絶縁被覆が施された金属等によって構成される場合には、導電性材料（例えば、銅、銀、金、白金等の金属等）によって構成することができる一方、ケース部材１４が金属等の導電性材料によって構成される場合には、表面に絶縁被覆が施された材料や絶縁性樹脂等によって構成することが好ましい。
【００８６】
本発明の燃料電池モジュール１００に関する上記説明では、流入防止手段及び流出防止手段が備えられる形態を例示したが、第１実施形態にかかる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、少なくとも流入防止手段が備えられていれば良い。ただし、流出口９、９、…から水素流通部１６ｂへと空気が流出することに起因する発電性能の低下を防止するとともに、水素と空気とが混合し難い形態とすることにより安全性を向上させやすい形態とする等の観点からは、流入防止手段及び流出防止手段が備えられる形態とすることが好ましい。
【００８７】
また、本発明の燃料電池モジュール２００に関する上記説明では、流入口８、８、…からの水素の流入を防止するとともに、流出口９、９、…からの空気の流出を防止する形態の防止手段２４、２４が備えられる形態を例示したが、第２実施形態にかかる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、少なくとも、流入口８、８、…からの水素の流入を防止する防止手段が備えら得ていれば良い。ただし、流出口９、９、…から水素流通部１６ｂへと空気が流出することに起因する発電性能の低下を防止するとともに、水素と空気とが混合し難い形態とすることにより安全性を向上させやすい形態とする等の観点からは、内部集電体の長手方向両端側に防止手段が備えられる形態とすることが好ましい。
【００８８】
２．燃料電池スタック
図１６は、本発明の燃料電池スタックの形態例を示す正面図であり、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、エンドプレートと、電極素子との配置を概略的に示している。図１６の直線矢印は、重力方向を示している。図１７は、本発明の燃料電池スタックの形態例を示す平面図であり、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、電極素子と、外部ケース部材との配置を概略的に示している。図１７の点線矢印は、空気の流れ方向を示している。図１６及び図１７において、図１〜図４と同様の構成を採る部位・部材には、図１〜図４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４、図１６、及び、図１７を参照しつつ、本発明の燃料電池スタックについて具体的に説明する。
【００８９】
図１６及び図１７に示すように、本発明の燃料電池スタック１０００は、電気的に直列に接続された複数の燃料電池モジュール１００、１００、…と、マニホールド一体型エンドプレート５０５（以下「マニホールド５０５」ということがある。）及びエンドプレート５０６と、電極素子６０１、６０２と、を備え、マニホールド５０５には、冷媒用配管５０１、５０２、及び、水素用配管５０３、５０４が接続されている。そして、複数の燃料電池モジュール１００、１００、…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間の接触抵抗を低減させ得る圧力が付与されている。燃料電池１０００では、水素用配管５０３を介して供給された水素が、マニホールド５０５を介して、燃料電池モジュール１００、１００、…へと供給され、発電に利用される。そして、燃料電池モジュール１００、１００、…から排出された水素は、マニホールド５０５、及び、水素用配管５０４を介して回収される。一方、冷媒用配管５０１を介して供給された冷媒は、マニホールド５０５を介して燃料電池モジュール１００、１００、…へと供給され、燃料電池モジュール１００、１００、…から排出された冷媒は、マニホールド５０５、及び、冷媒用配管５０２を介して回収される。そして、電気的に直列に接続された燃料電池モジュール１００、１００、…の最も外側（図１６及び図１７の紙面左側）に位置する燃料電池モジュール１００に備えられる、外部集電体６と通電している部材と、電極素子６０１とが接続されている。さらに、電極素子６０１が接続された上記燃料電池モジュール１００と反対側の最も外側（図１６及び図１７の紙面右側）に位置する燃料電池モジュール１００に備えられる、内部集電体５と通電している部材と、電極素子６０２とが接続されている。したがって、燃料電池１０００によれば、電極素子６０１及び電極素子６０２を介して電気エネルギーを取り出すことができる。
【００９０】
図１７に示すように、燃料電池スタック１０００は、外部ケース部材７００を備え、当該外部ケース部材７００に、図１６で示した各部材が収容される。外部ケース部材７００には、空気を透過可能な開口部７０１、７０１、…が備えられ、当該開口部７０１、７０１、…を透過した空気が、燃料電池モジュール１００、１００、…へと供給される。
【００９１】
上述のように、燃料電池スタック１０００に備えられる燃料電池モジュール１００、１００、…は、安全性を向上させる等の観点から異常状態にあるセル１０に対する水素の供給を停止しても、電気エネルギーを取り出すことができる。そのため、当該燃料電池モジュール１００を複数備える燃料電池スタック１０００は、異常状態にあるセル１０に対する水素の供給を停止しても、安全性を向上させつつ、電気エネルギーを取り出すことができる。
【００９２】
なお、本発明の燃料電池スタック１０００に関する上記説明では、燃料電池モジュール１００、１００、…が一列に積層される形態を例示したが、本発明の燃料電池スタック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。
【００９３】
また、本発明の燃料電池スタック１０００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５０５が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池スタック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。
【００９４】
また、本発明の燃料電池スタック１０００に関する上記説明では、燃料電池モジュール１００、１００、…が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池スタックは当該形態に限定されるものではない。上記形態のほか、燃料電池モジュール２００、２００、…、燃料電池モジュール３００、３００、…、又は、燃料電池モジュール３０１、３０１、…のみが備えられる形態や、燃料電池モジュール１００、１００、…と、燃料電池モジュール２００、２００、…と、燃料電池モジュール３００、３００、…と、燃料電池モジュール３０１、３０１、…とが備えられる形態等とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】燃料電池モジュール１００の形態例を示す図である。
【図２】燃料電池モジュール１００の形態例を示す図である。
【図３】燃料電池モジュール１００の形態例を示す平面図である。
【図４】セル１０の形態例を示す断面図である。
【図５】燃料電池モジュール２００の形態例を示す図である。
【図６】燃料電池モジュール２００の形態例を示す図である。
【図７】燃料電池モジュール２００の形態例を示す図である。
【図８】燃料電池モジュール２００の形態例を示す平面図である。
【図９】燃料電池モジュール３００の形態例を示す図である。
【図１０】燃料電池モジュール３００の形態例を示す図である。
【図１１】燃料電池モジュール３００の形態例を示す平面図である。
【図１２】セル１０ｘの形態例を示す断面図である。
【図１３】燃料電池モジュール３０１の形態例を示す図である。
【図１４】燃料電池モジュール３０１の形態例を示す図である。
【図１５】燃料電池モジュール３０１の形態例を示す平面図である。
【図１６】燃料電池スタック１０００の形態例を示す正面図である。
【図１７】燃料電池スタック１０００の形態例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１…電解質膜（中空形状のイオン伝導体）
２…アノード（中空形状の第１電極）
３…カソード（中空形状の第２電極）
４…ＭＥＡ（中空形状の構造体）
５、５ｘ…内部集電体（第１集電体）
６…外部集電体（第２集電体）
７…凹部
８…流入口
９…流出口
１０、１０ｘ…セル（チューブ型燃料電池セル）
１１…蓋部材
１１ａ…第１蓋部材
１１ｂ…第２蓋部材
１２…押圧手段
１２ａ…第１押圧手段
１２ｂ…第２押圧手段
１３…蓋受け部材
１３ａ…第１蓋受け部材
１３ｂ…第２蓋受け部材
１４…ケース部材
１５…空気流通部
１６…水素流通部
１７…電圧計（検知手段）
１８…制御装置
１９…入力ポート
２０…ＣＰＵ（判断手段、作動手段）
２１…ＲＯＭ
２２…ＲＡＭ
２３…出力ポート
２４…防止手段
２４ａ…第１蓋部材
２４ｂ…第２蓋部材
２５…冷却管
２６…冷媒流通部
２６ｃ…中空部
２７…弁（防止手段）
１００、２００、３００、３０１…燃料電池モジュール
５０１、５０２…冷媒用配管
５０３、５０４…水素用配管
５０５…マニホールド
５０６…エンドプレート
６０１、６０２…電極素子
７００…外部ケース部材
７０１…開口部
１０００…燃料電池スタック
【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】
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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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