(57)【要約】【課題】発電性能を向上させ得る燃料電池を製造することが可能な、燃料電池の製造方法を提供する。【解決手段】中空形状の膜電極構造体と、該膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体と、該膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体と、を備えるチューブ型燃料電池セルを具備する燃料電池の製造方法であって、内部集電体の外周面側に中空形状の膜電極構造体を形成する第１工程と、該第１工程で形成された中空形状の膜電極構造体の外周面側に外部集電体を配設する第２工程と、該第２工程で配設された外部集電体の表面へ、間隔を開けて複数の固定部材を配設し、外部集電体の位置を固定する第３工程と、該第３工程で配設された固定部材を、内部集電体の長手方向と交差する面で切断することによりチューブ型燃料電池セルを得る第４工程と、を有する、燃料電池の製造方法とする。【選択図】図１
2008251326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空形状の膜電極構造体と、前記膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体と、前記膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体と、を備えるチューブ型燃料電池セルを具備する燃料電池の製造方法であって、
前記内部集電体の外周面側に、中空形状の前記膜電極構造体を形成する、第１工程と、
前記第１工程で形成された中空形状の前記膜電極構造体の外周面側に、前記外部集電体を配設する、第２工程と、
前記第２工程で配設された前記外部集電体の表面へ、間隔を開けて複数の固定部材を配設し、前記外部集電体の位置を固定する、第３工程と、
前記第３工程で配設された前記固定部材を、前記内部集電体の長手方向と交差する面で切断することにより、前記チューブ型燃料電池セルを得る、第４工程と、
を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記固定部材が、加熱により収縮する中空形状の収縮部材であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記第４工程で、前記内部集電体の長手方向端部外周面が剥き出しにされることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記第４工程で、前記膜電極構造体の長手方向端部外周面が剥き出しにされることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空形状の膜電極構造体を備える燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という。）で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを、ＭＥＡの両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という。）は、低温領域での運転が可能という特徴を有している。このＰＥＦＣは、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、かつシステムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
単位体積当たりの発電量を向上させること等を目的として、近年、単セルが柱状のＰＥＦＣ（以下、「チューブ型ＰＥＦＣ」という。）に関する研究が進められている。チューブ型ＰＥＦＣのユニットセル（以下、「チューブ型燃料電池セル」又は「チューブ型セル」ということがある。）は、一般に、中空形状の電解質膜と当該電解質膜の内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される中空形状の触媒層とを備える中空形状のＭＥＡ、を具備する。そして、例えば、当該ＭＥＡの内周面側に水素含有ガスを、外周面側に酸素含有ガスをそれぞれ供給することにより電気化学反応を起こし、この電気化学反応により発生した電気エネルギーを、当該ＭＥＡの内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出す。このように、チューブ型ＰＥＦＣでは、各チューブ型セルに備えられる中空形状のＭＥＡの内周面側に一方の反応ガス（例えば、水素含有ガス）を、外周面側に他方の反応ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給することにより電気エネルギーを取り出すので、隣り合う２つのチューブ型セルの外周面側に供給される反応ガスを同一とすることができる。したがって、チューブ型ＰＥＦＣによれば、従来の平板型ＰＥＦＣではガス遮蔽性能をも併せ持っていたセパレータが不要となるため、単位体積当たりの発電量を向上させることが容易になる。
【０００４】
このようなチューブ型ＰＥＦＣに関する技術として、例えば、特許文献１には、内側金属製中空材上に触媒金属層形成用塗工液を塗布して内側触媒電極前駆体層を形成する工程と、内側触媒電極前駆体層上に、溶融ガラスを塗布して電解質多孔質前駆体層を形成する工程と、内側金属製中空材上に内側触媒電極層、電解質多孔質層、外側触媒電極層、外側金属製中空材が形成された積層体を焼成し、酸処理を行うことにより、電解質多孔質前駆体層を電解質多孔質層とする工程と、該工程後の積層体上に、触媒電極層形成用塗工液を塗布して外側触媒電極前駆体層を形成する工程と、外側触媒電極前駆体層上に、外側金属製中空材を形成する工程と、内側触媒電極前駆体層および外側触媒電極前駆体層内に白金を析出させることにより、内側触媒電極前駆体層および外側触媒電極前駆体層を内側触媒電極層および外側触媒電極層とする工程と、を少なくとも有することを特徴とするチューブ型燃料電池用膜電極複合体の製造方法が開示されている。かかる技術によれば、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を、精度良く効率的に製造できる方法が提供される、としている。
【０００５】
このほか、チューブ状の部材を備える物を製造する技術として、特許文献２には、所定長さの被覆電線を簡単に製造することが可能な、被覆電線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３には、複数個の電池を熱収縮樹脂チューブで被覆固定する集合電池の製造方法に関する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３２１３０号公報
【特許文献２】特開２００１−３５１４４９号公報
【特許文献３】特開平５−１７４７９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
チューブ型ＰＥＦＣの発電性能を向上させるには、チューブ型セルで生じた電気エネルギーを外部へ効率良く取り出すことが重要であり、電気エネルギーを外部へ効率良く取り出すためには、チューブ型セルを構成する部材間の接触抵抗を低減することが必要になる。上記特許文献１に開示されている技術によれば、チューブ型セルを効率良く製造することが可能になると考えられるが、長尺物を切断してチューブ型セルを製造すると、外側金属製中空材が緩み、中空形状のＭＥＡとの界面における密着性が低下する。それゆえ、特許文献１に開示されている技術によって製造したチューブ型セルは、接触抵抗が増大して発電に支障を来たす恐れがあり、発電性能が低下しやすいという問題があった。また、特許文献２及び特許文献３に開示されている技術は、燃料電池とは異なる技術分野に係るものであり、熱収縮チューブに中空形状のＭＥＡを単に挿通すると、当該ＭＥＡの外周面側からの反応物の供給が阻害される。そのため、特許文献２及び／又は特許文献３に係る技術と、特許文献１に係る技術とを単に組み合わせるのみでは、発電性能を向上させ得る形態の燃料電池を製造できないという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、発電性能を向上させ得る燃料電池を製造可能な、燃料電池の製造方法を提供することを課題とし、特に、接触抵抗を低減して発電性能を向上させ得る燃料電池を製造可能な、燃料電池の製造方法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】
【０００９】
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、
請求項１に記載の本発明は、中空形状の膜電極構造体と、該膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体と、該膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体と、を備えるチューブ型燃料電池セルを具備する燃料電池の製造方法であって、内部集電体の外周面側に中空形状の膜電極構造体を形成する第１工程と、該第１工程で形成された中空形状の膜電極構造体の外周面側に外部集電体を配設する第２工程と、該第２工程で配設された外部集電体の表面へ、間隔を開けて複数の固定部材を配設し、外部集電体の位置を固定する第３工程と、該第３工程で配設された固定部材を、内部集電体の長手方向と交差する面で切断することによりチューブ型燃料電池セルを得る第４工程と、を有することを特徴とする、燃料電池の製造方法である。
【００１０】
ここに、「中空形状の膜電極構造体」は、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と、当該電解質膜の内周面に形成される中空形状の第１触媒層と、当該電解質膜の外周面に形成される中空形状の第２触媒層と、を備える中空形状のＭＥＡを意味する。さらに、「該膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体」とは、中空形状のＭＥＡの内周面（より具体的には、中空形状の第１触媒層の内周面。以下同じ。）に拡散層及び／又は撥水層が備えられる場合には、当該拡散層又は撥水層と接触する形態で内部集電体が配設されることを意味する。これに対し、中空形状のＭＥＡの内周面に拡散層及び撥水層が備えられない場合には、第１触媒層の内周面と接触する形態で内部集電体が配設されることを意味する。さらに、「該膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体」とは、中空形状のＭＥＡの外周面（より具体的には、中空形状の第２触媒層の外周面。以下同じ。）に拡散層及び／又は撥水層が備えられる場合には、当該拡散層又は撥水層と接触する形態で外部集電体が配設されることを意味する。これに対し、中空形状のＭＥＡの外周面に拡散層及び撥水層が備えられない場合には、第２触媒層の外周面と接触する形態で外部集電体が配設されることを意味する。
【００１１】
さらに、「内部集電体の外周面側に中空形状の膜電極構造体を形成する」とは、本発明における第４工程で、内部集電体と中空形状のＭＥＡとの間に拡散層及び／又は撥水層が備えられる形態のチューブ型燃料電池セルを得る場合には、内部集電体の外周面に形成された拡散層又は撥水層の外周面に中空形状のＭＥＡを形成することを意味する。これに対し、本発明における第４工程で、内部集電体と中空形状のＭＥＡとの間に拡散層及び撥水層が備えられない形態のチューブ型燃料電池セルを得る場合には、内部集電体の外周面に中空形状のＭＥＡを形成することを意味する。さらに、「中空形状の膜電極構造体の外周面側に外部集電体を配設する」とは、本発明における第４工程で、中空形状のＭＥＡと外部集電体との間に拡散層及び／又は撥水層が備えられる形態のチューブ型燃料電池セルを得る場合には、中空形状のＭＥＡの外周面に形成された拡散層又は撥水層の外周面に外部集電体を配設することを意味する。これに対し、本発明における第４工程で、中空形状のＭＥＡと外部集電体との間に拡散層及び撥水層が備えられない形態のチューブ型燃料電池セルを得る場合には、中空形状のＭＥＡの外周面に外部集電体を配設することを意味する。加えて、「固定部材」は、中空形状の膜電極構造体の外周面側に配設された外部集電体を固定する部材であれば、その形態は特に限定されるものではない。固定部材の具体例としては、熱収縮チューブや接着剤等を挙げることができる。例えば、固定部材として熱収縮チューブが用いられる場合、本発明における第３工程は、外部集電体の表面に間隔を開けて複数の熱収縮チューブを配置した後、加熱して複数の熱収縮チューブを収縮させることにより、当該収縮した複数の熱収縮チューブによって外部集電体の位置を固定する工程とすることができる。さらに、「固定部材を、内部集電体の長手方向と交差する面で切断することにより、チューブ型燃料電池セルを得る」とは、第３工程を経た部材を固定部材が配設された箇所で切断して、複数の部材へと分断することにより、チューブ型燃料電池セルを得ることを意味する。
【００１２】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池の製造方法において、上記固定部材が、加熱により収縮する中空形状の収縮部材であることを特徴とする。
【００１３】
ここに、「加熱により収縮する中空形状の収縮部材」の具体例としては、熱収縮チューブ等を挙げることができる。
【００１４】
請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池の製造方法において、上記第４工程で、内部集電体の長手方向端部外周面が剥き出しにされることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の本発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法において、上記第４工程で、膜電極構造体の長手方向端部外周面が剥き出しにされることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の本発明によれば、外部集電体が固定部材によって固定された部材を、固定部材の箇所で切断する第４工程を経て、燃料電池が製造される。そのため、固定部材によって固定された状態を、切断後においても維持することができ、切断後においても、中空形状のＭＥＡと外部集電体との間の接触抵抗を低減することができる。したがって、請求項１に記載の本発明によれば、接触抵抗を低減することにより発電性能を向上させ得る燃料電池を製造可能な、燃料電池の製造方法を提供できる。
【００１７】
請求項２に記載の本発明によれば、加熱により収縮する中空形状の収縮部材が固定部材として用いられる。当該固定部材を用いることにより、外部集電体を固定することが容易になるほか、本発明によって製造した燃料電池の運転時においても、外部集電体を長期間に亘って固定することが容易になる。したがって、請求項２に記載の本発明によれば、接触抵抗をより一層低減することにより発電性能を向上させ得る、燃料電池を製造できる。
【００１８】
請求項３に記載の本発明によれば、第４工程で、内部集電体の長手方向端部外周面が剥き出しにされる。内部集電体の長手方向端部外周面を剥き出しにすることにより、内部集電体を介した集電が容易になるので、集電効率を向上させて発電性能を向上させることができる。したがって、請求項３に記載の本発明によれば、発電性能を向上させることが可能な、燃料電池を製造できる。
【００１９】
請求項４に記載の本発明によれば、第４工程で、中空形状のＭＥＡの長手方向端部外周面が剥き出しにされる。かかる形態とすることにより、単一のチューブ型セルに備えられる内部集電体と外部集電体との通電（短絡）を抑制することが可能になるほか、中空形状のＭＥＡの当該外周面をシール材配設用領域として活用することができる。したがって、請求項４に記載の本発明によれば、短絡を抑制しつつシール性を向上させることにより、発電性能を向上させることが可能な、燃料電池を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図面を参照しつつ、本発明の燃料電池の製造方法、及び、当該製造方法によって製造される燃料電池について、以下に説明する。以下の説明では、チューブ型セルに備えられる中空形状のＭＥＡの外周面側へ酸素含有ガス（以下、「空気」という。）が供給されるとともに、同ＭＥＡの内周面側へ水素含有ガス（以下、「水素」という。）が供給され、冷媒によって冷却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。本発明の燃料電池の製造方法によって製造したチューブ型セルには、中空形状のＭＥＡの外周面側へ水素を供給し、同ＭＥＡの内周面側へ空気を供給することも可能であり、寒冷地等で使用される場合には、例えば始動時に、冷媒に代えて温水等の温熱媒体によって加温することも可能である。
【００２１】
１．燃料電池の製造方法
図１は、本発明の燃料電池の製造方法（以下、「本発明の製造方法」ということがある。）に備えられる工程を示すフローチャートである。図２は、本発明の製造方法を適用可能な製造ラインの形態例を示す概念図である。図２の紙面左右方向が、内部集電体等の搬送方向である。図３は、内部集電体の形態例を示す斜視図であり、内部集電体の一部のみを示している。図４は、第１工程によって中空形状のＭＥＡが形成された部材（以下、「第１部材」ということがある。）の形態例を示す断面図である。図４の紙面奥／手前方向が、第１部材に備えられる内部集電体の長手方向である。図５は、第２工程によって外部集電体が配設された部材（以下、「第２部材」ということがある。）の形態例を示す断面図である。図５の紙面奥／手前方向が、第２部材に備えられる内部集電体の長手方向である。図６は、第３工程によって固定部材が配設された部材（以下、「第３部材」ということがある。）の形態例を示す概念図であり、当該第３部材の一部のみを拡大し示している。図６の紙面左右方向が、第３部材に備えられる内部集電体の長手方向である。図７は、第４工程によって切断された部材（以下、「第４部材」ということがある。）の形態例を示す概念図である。図７の紙面左右方向が、第４部材に備えられる内部集電体の長手方向である。図８は、第４工程によって長手方向端部外周面が剥き出しにされた内部集電体及び中空形状のＭＥＡを備えるチューブ型セルの形態例を示す概念図である。図８の紙面左右方向が、チューブ型セルに備えられる内部集電体の長手方向である。以下、図１〜図８を参照しつつ、本発明の製造方法について説明する。
【００２２】
図１及び図２に示すように、本発明の製造方法は、第１工程（工程Ｓ１）と、第２工程（工程Ｓ２）と、第３工程（工程Ｓ３）と、第４工程（工程Ｓ４）と、を備え、工程Ｓ１〜工程Ｓ４を経て、燃料電池が製造される。
【００２３】
１．１．第１工程（工程Ｓ１）
工程Ｓ１は、内部集電体の外周面側に、中空形状のＭＥＡを形成して構成される第１部材を得る工程である。本発明の製造方法では、例えば図２に示すように、工程Ｓ１の前工程で、水素流路として機能する凹部１ｘ、１ｘ、…を有する内部集電体１（図２及び図３参照）の外周面へ、撥水層形成手段４１から撥水スプレー（例えば、ポリテトラフルオロエチレンを含有するスプレー等）を塗布することにより、内部集電体１の外周面に撥水層２を形成することができる。このようにして撥水層２を形成したら、その後、本発明における工程Ｓ１によって、まず、撥水層２の外周面へ、第１触媒層形成手段４２から、触媒（例えば、Ｐｔ等。以下同じ。）及びプロトン伝導性ポリマーを含有するインク状組成物（以下、「触媒インク」ということがある。）を塗布し乾燥することにより、中空形状の第１触媒層３を形成することができる。このようにして中空形状の第１触媒層３を形成したら、次いで、当該第１触媒層３の外周面へ、電解質膜形成手段４３から、プロトン伝導性ポリマーを含有する組成物（以下、「電解質組成物」ということがある。）を塗布し乾燥することにより、中空形状の電解質膜４を形成することができる。このようにして中空形状の電解質膜４を形成したら、次いで、当該電解質膜４の外周面へ、第２触媒層形成手段４４から触媒インクを塗布し乾燥することにより、中空形状の第２触媒層５を形成することができる。このように、当該形態の工程Ｓ１によれば、搬送される内部集電体１の外周面側に、第１触媒層３と電解質膜４と第２触媒層５とを備える中空形状のＭＥＡ６を形成でき、内部集電体１と中空形状のＭＥＡ６とを備える第１部材８を作製することができる（図２及び図４参照）。
工程Ｓ１において、触媒インクや電解質組成物を塗布する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、スプレー塗布法や浸漬法等の公知の方法を用いることができる。また、工程Ｓ１は、内部集電体の外周面側に中空形状のＭＥＡを形成可能であれば、その形態は特に限定されるものではないが、生産効率を向上させる等の観点からは、図２に示すように、搬送される内部集電体１の外周面（図２に示す形態では、撥水層２の外周面）へ、第１触媒層３、電解質膜４、及び、第２触媒層５が連続的に形成される形態とすることが好ましい。
【００２４】
１．２．第２工程（工程Ｓ２）
工程Ｓ２は、上記工程Ｓ１で形成された中空形状のＭＥＡの外周面側に、外部集電体を配設し、内部集電体と中空形状のＭＥＡと外部集電体とを備える形態の第２部材を得る工程である。工程Ｓ２は、例えば、工程Ｓ１の下流側において、搬送される第１部材８の外周面へ、外部集電体配設手段４５を用いて、金属線からなる外部集電体７を巻回することにより、第２部材９を連続的に作製する工程、とすることができる（図２及び図５参照）。
工程Ｓ２において、外部集電体を配設する方法は、特に限定されるものではなく、例えば、電線を製造する際に用いられる公知の方法等を用いることができる。
【００２５】
１．３．第３工程（工程Ｓ３）
工程Ｓ３は、上記工程Ｓ２で配設された外部集電体の表面に、固定部材を配設し、外部集電体の位置が固定された形態の第３部材を得る工程である。固定部材として熱収縮チューブを用いる場合、工程Ｓ３では、例えば、固定部材配設手段４６を用いて、外部集電体７の表面に、所定の間隔（本発明の製造方法を経て製造されるチューブ型セルの長手方向長さが例えば２０ｃｍである場合には、２０ｃｍ弱の間隔。以下同じ。）を開けて、複数の熱収縮チューブを配設する。そして、加熱手段４７により、配設された複数の熱収縮チューブを、所定の温度（例えば、８０℃程度等）へ加熱し、収縮した複数の熱収縮チューブ１０、１０、…によって、外部集電体７の位置を固定する。このようにすれば、収縮した複数の熱収縮チューブ１０、１０、…によって外部集電体７の位置が固定された形態の、第３部材１１を連続的に作製することができる（図２及び図６参照）。
これに対し、固定部材として接着剤を用いる場合、工程Ｓ３は、外部集電体７の表面に、所定の間隔を開けて接着剤を配置し、当該接着剤によって外部集電体７の位置を固定する。このようにすれば、接着剤によって外部集電体７の位置が固定された形態の第３部材を作製することができる。
【００２６】
工程Ｓ３において、固定部材として熱収縮チューブを用いる場合、当該熱収縮チューブを収縮させるために加熱手段４７によって加熱する際の温度は、中空形状のＭＥＡ６に含有されるプロトン伝導性ポリマーのプロトン伝導性能に影響を及ぼさない温度であれば、特に限定されない。当該温度の具体例としては、常温〜１００℃程度を挙げることができる。
【００２７】
また、工程Ｓ３において、固定部材として熱収縮チューブを用いる場合、当該熱収縮チューブは、上記温度（例えば、常温〜１００℃程度）で収縮して外部集電体を固定可能であるとともに、燃料電池の運転時における環境に耐え得る性質（例えば、耐熱性、耐水性等。以下同じ。）を有する物質により構成されていれば、その材料は特に限定されない。本発明の製造方法で使用可能な熱収縮チューブの構成材料としては、ポリオレフィン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニル、フッ素樹脂のほか、エラストマー（フッ化エラストマー）等を例示することができる。
【００２８】
また、工程Ｓ３において、固定部材として接着剤を用いる場合、当該接着剤は、燃料電池の運転時における環境に耐え得る性質を有し、かつ、燃料電池の運転時においても継続して外部集電体を固定可能な物質により構成されていれば、その材料は特に限定されない。本発明の製造方法で使用可能な、固定部材としての接着剤の構成材料としては、高分子系のエポキシ樹脂等を例示することができる。
【００２９】
１．４．第４工程（工程Ｓ４）
工程Ｓ４は、上記工程Ｓ３を経た第３部材を、固定部材が配置された箇所において、内部集電体の長手方向と交差する面で切断することにより、第４部材を得る工程である。工程Ｓ４は、固定部材が配置された箇所で第３部材を切断することにより第４部材を得る工程であれば、その形態は特に限定されるものではなく、例えば、切断及び端面の加工を行う加工手段４８によって、固定部材（熱収縮チューブ１０、１０、…）が配置された箇所で第３部材１１を単に切断することにより、第４部材１２を得る工程とすることができる（図２及び図７参照）。このほか、本発明の製造方法によって、集電効率を向上させ得る形態のチューブ型セルを製造可能とする観点からは、第４部材の長手方向両端部において、内部集電体の外周面が剥き出しとなるように、第３部材１１を切断して端面を加工する形態の工程Ｓ４が備えられることが好ましい。さらに、本発明の製造方法によって、短絡を防止しつつシール性を向上させ得る形態のチューブ型セルを製造する観点からは、加工手段４８によって、第３部材１１を切断し、内部集電体１及び中空形状のＭＥＡ６の外周面が剥き出しとなるように端面を加工して、第４部材１３（以下、「チューブ型セル１３」という。）を連続的に作製する形態の工程Ｓ４が備えられることが好ましい（図２及び図８参照）。
工程Ｓ４で、内部集電体１、及び／又は、中空形状のＭＥＡ６の長手方向端部が剥き出しとなる形態へと加工する際に使用可能な加工手段４８としては、線材の被覆を剥ぎ取る際に使用される、市販のストリッパー等を例示することができる。なお、中空形状のＭＥＡ６の長手方向端部外周面を剥き出しにする場合、内部集電体１と外部集電体７との短絡を効果的に防止し得る形態のチューブ型セルを製造可能とする観点からは、さらに、剥き出しにされた中空形状のＭＥＡ６の長手方向端部に備えられる触媒へレーザー等を照射して当該触媒を除去する工程が工程Ｓ４に備えられることが好ましい。図８は、内部集電体１及び中空形状のＭＥＡ６の長手方向端部外周面が剥き出しとなるように加工されるとともに、当該ＭＥＡ６の長手方向端部に備えられる触媒が除去された形態の、チューブ型セル１３の形態例を概略的に示している。
【００３０】
２．燃料電池
図９は、本発明の製造方法によって製造したチューブ型セル（以下、「本発明のチューブ型セル」ということがある。）の形態例を概略的に示す断面図である。図９の紙面奥／手前方向が、チューブ型セルに備えられる内部集電体の長手方向である。図１０は、本発明のチューブ型セルを複数備える燃料電池モジュールの形態例を示す正面図である。図１０の紙面上下方向が、チューブ型セルに備えられる内部集電体の長手方向である。図１１は、図１０に示す燃料電池モジュールを複数備える燃料電池（以下、「本発明の燃料電池」ということがある。）の形態例を示す正面図であり、積層された複数の燃料電池モジュールと、冷媒用配管及び水素用配管と、エンドプレート等の配置を概略的に示している。図１１の直線矢印は重力方向を示しており、図１１の紙面奥／手前方向が、チューブ型セルに備えられる内部集電体の長手方向である。図１２は、本発明の燃料電池の形態例を示す平面図であり、積層された複数の燃料電池モジュールと、冷媒用配管及び水素用配管と、外部ケース部材等の配置を概略的に示している。図１２の点線矢印は空気の流れ方向を示している。図１２の紙面奥／手前方向が、重力方向であり、かつ、チューブ型セルに備えられる内部集電体の長手方向である。図９及び図１０において、図８と同様の構成を採る部材には、図８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８〜図１２を参照しつつ、本発明の燃料電池について具体的に説明する。
【００３１】
図８及び図９に示すように、本発明のチューブ型セル１３は、内部集電体１と、内部集電体１の外周面に形成された撥水層２と、撥水層２の外周面に形成された第１触媒層３と、第１触媒層３の外周面に形成された電解質膜４と、電解質膜４の外周面に形成された第２触媒層５と、第２触媒層５の外周面に巻回された外部集電体７と、外部集電体７の位置を固定する熱収縮チューブ１０、１０と、を備え、内部集電体１と第２触媒層５（ＭＥＡ６）の長手方向両端における外表面が剥き出しとされている。図１０に示すように、本発明のチューブ型セル１３、１３、…を備える燃料電池モジュール２０は、電気的に並列に接続されるように配置された複数のチューブ型セル１３、１３、…と、燃料電池の運転時にチューブ型セル１３、１３、…を冷却すべき冷媒が流通する冷却管１４、１４、…と、これらを収容するケース１５を備える。ケース１５は、チューブ型セル１３、１３、…、及び、冷却管１４、１４、…の一端側及び他端側をそれぞれ収容する端部ケース１５ｘ、１５ｚと、チューブ型セル１３、１３、…、及び、冷却管１４、１４、…の長手方向中央部を収容するケース本体１５ｙと、を備える。端部ケース１５ｘには、ケース１５の内側へ供給された冷媒が流通するための冷媒流通部１８（以下、「冷媒流通部１８ｘ」という。）、及び、ケース１５の内側へ供給された水素が流通するための水素流通部１９（以下、「水素流通部１９ｘ」という。）が備えられる。そして、冷媒流通部１８ｘの開口部及び水素流通部１９ｘの開口部の周囲に備えられる凹部１７に、冷媒及び水素のシール性を保つためのシール部材１６が配設されている。一方、端部ケース１５ｚには、ケース１５の内側へ供給された冷媒が流通するための冷媒流通部１８（以下、「冷媒流通部１８ｚ」という。）、及び、ケース１５の内側へ供給された水素が流通するための水素流通部１９（以下、「水素流通部１９ｚ」という。）が備えられる。そして、冷媒流通部１８ｚの開口部及び水素流通部１９ｚの開口部の周囲に備えられる凹部１７に、冷媒及び水素のシール性を保つためのシール部材１６が配設されている。
【００３２】
図１０に示す燃料電池モジュール２０において、ケース１５に収容されたチューブ型セル１３、１３、…に備えられる第２触媒層５、５、…の外表面には、図示されていないシール材（接着剤）が配置され、第１触媒層３、３、…へと供給される水素と、第２触媒層５、５、…へと供給される空気とを分離する。一方、図１１及び図１２に示すように、本発明の燃料電池３０は、電気的に直列に接続されるように配置された複数の燃料電池モジュール２０、２０、…と、マニホールド一体型エンドプレート２５（以下、「マニホールド２５」という。）及びエンドプレート２６と、電極素子２７、２８と、を備え、マニホールド２５には、冷媒用配管２１、２２、及び、水素用配管２３、２４が接続されている。そして、複数の燃料電池モジュール２０、２０、…の積層方向両端側から、圧力付与手段（不図示）によって、燃料電池モジュール２０、２０、…間の接触抵抗を低減させ得る圧力が付与されている。
【００３３】
燃料電池３０の運転時には、水素用配管２３を介して供給された水素が、マニホールド２５を介して、燃料電池モジュール２０、２０、…の水素流通部１９ｚ、１９ｚ、…へと供給され、水素流通部１９ｚ、１９ｚ、…へと供給された水素は、長手方向両端部外周面が剥き出しにされた内部集電体１の凹部１ｘ、１ｘ、…へと分岐する。燃料電池３０において、凹部１ｘ、１ｘ、…は水素流路として機能し、凹部１ｘ、１ｘ、…へと分岐した水素が、チューブ型セル１３、１３、…に備えられる第１触媒層３、３、…（以下、燃料電池３０に備えられる第１触媒層をまとめて「第１触媒層３」という。）へと達する。第１触媒層３へと達した水素は、当該第１触媒層３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１３、１３、…に備えられるプロトン伝導性ポリマーを介して伝導されることにより、各チューブ型セル１３、１３、…に備えられる第２触媒層５、５、…（以下、燃料電池３０に備えられる第２触媒層をまとめて「第２触媒層５」という。）へと達する。これに対し、第１触媒層３で生じた電子は、各チューブ型セル１３、１３、…に備えられる電解質膜４、４、…（以下、燃料電池３０に備えられる電解質膜をまとめて「電解質膜４」という。）を通過することができないため、外部回路を経て第２触媒層５へと達する。一方、燃料電池３０の運転時には、燃料電池モジュール２０、２０、…の側面に備えられる開口部２９、２９、…（図１１参照）を介して、各チューブ型セル１３、１３、…の外周面へ空気が供給され、当該空気が第２触媒層５へと達する。そして、第２触媒層５に含有される触媒の作用下で、第２触媒層５へと到達した電子及びプロトンと、第２触媒層５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３における反応に利用されずに残った水素は、凹部１ｘ、１ｘ、…、水素流通部１９ｘ、１９ｘ、…、マニホールド２５、及び、水素用配管２４を経て回収される。
【００３４】
一方、燃料電池３０の運転時には、プロトンの伝導抵抗や電子抵抗等に起因する熱が発生する。燃料電池３０に備えられる第１触媒層３、電解質膜４、及び、第２触媒層５に含有されるプロトン伝導性ポリマーは、例えば８０℃程度の温度環境下で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ため、燃料電池３０の運転時には、チューブ型セル１３、１３、…の過度の温度上昇を防止すべく、冷媒用配管２１を介して冷媒が供給される（図１１及び図１２参照）。冷媒用配管２１を介して供給された冷媒は、マニホールド２５を介して燃料電池モジュール２０、２０、…の冷媒流通部１８ｘ、１８ｘ、…へと供給され、冷却管１４、１４、…の内部を流通して冷媒流通部１８ｚ、１８ｚ、…から排出された冷媒は、マニホールド２５、及び、冷媒用配管２２を介して回収される。一方、電極素子２７は、電気的に直列に接続された燃料電池モジュール２０、２０、…の最も外側（図１１及び図１２の紙面左側）の燃料電池モジュール２０に備えられる、外部集電体７、７、…と通電可能な部材（外部集電部材）と接続されている。他方、電極素子２８は、電極素子２７が接続された上記燃料電池モジュール２０と反対側の最も外側（図１１及び図１２の紙面右側）の燃料電池モジュール２０に備えられる、内部集電体１、１、…と通電可能な部材（内部集電部材）と接続されている。したがって、燃料電池３０によれば、電極素子２７及び電極素子２８を介して電気エネルギーを取り出すことができる。
【００３５】
図１２に示すように、燃料電池３０は、外部ケース部材３１を備え、当該外部ケース部材３１に、図１１で示した各部材が収容される。外部ケース部材３１には、空気を透過させる開口部３２、３２、…が備えられ、開口部３２、３２、…を透過した空気が、燃料電池モジュール２０、２０、…へと供給される。
【００３６】
このように、燃料電池３０の運転時には、第１触媒層３へ供給された水素が第１触媒層３で反応するとともに、第２触媒層５へと供給された空気が第２触媒層５で反応し、かかる反応を効率良く発生させることにより、燃料電池３０の発電性能を向上させることが可能になる。それゆえ、燃料電池３０の発電性能を向上させるには、第１触媒層３へ供給される水素と第２触媒層５へ供給される空気とを分離することが重要であり、水素と空気とを分離するための部材として、シール部材が用いられる。ここで、上述のように、本発明の燃料電池３０には、長手方向端部外周面が剥き出しにされた第２触媒層５（ＭＥＡ６）が備えられる。したがって、当該第２触媒層５の長手方向端部外周面にシール部材を配設することで、水素と空気とを確実に分離することが可能になる。
【００３７】
さらに、本発明の燃料電池３０には、外部集電体７の長手方向両端部が熱収縮チューブ１０、１０によって固定された形態のチューブ型セル１３、１３、…が備えられる。外部集電体７の長手方向両端部が熱収縮チューブ１０、１０によって固定されることで、外部集電体７とＭＥＡ６との接触抵抗を低減することができるので、本発明の燃料電池３０によれば、発電性能を向上させることができる。
【００３８】
さらに、本発明の燃料電池３０には、長手方向端部外周面が剥き出しにされた第２触媒層５（ＭＥＡ６）が備えられるので、外周面が剥き出しにされた内部集電体１の長手方向端部と、第２触媒層５の外周面に巻回された外部集電体７の端部との間に、外周面が剥き出しにされた第２触媒層５（ＭＥＡ６）が備えられる。それゆえ、チューブ型セル１３の長手方向において、外周面が剥き出しにされた内部集電体１の端部と、外部集電体７の端部とを、間隔を開けて配置することができるので、燃料電池３０によれば、運転時に生じた水を介して内部集電体１と外部集電体７とが通電し、短絡が生じる事態を回避することができる。
【００３９】
加えて、本発明の燃料電池３０に備えられるチューブ型セル１３、１３、…は、剥き出しにされた中空形状のＭＥＡ６の長手方向端部に備えられる触媒が除去されている。そのため、燃料電池３０によれば、剥き出しにされた中空形状のＭＥＡ６の長手方向端部に備えられる触媒及び燃料電池３０の運転時に生じた水を介して、内部集電体１と外部集電体７とが通電し、短絡が生じる事態を回避することができる。
【００４０】
ここで、水素と空気との分離が不十分であったり、内部集電体１と外部集電体７とが通電して短絡が生じたりすると、燃料電池３０の発電性能が低下する。ところが、上述のように、本発明の燃料電池３０によれば、水素と空気とを確実に分離することが可能であるとともに、内部集電体１と外部集電体７との通電を防止し得る形態に形成されたチューブ型セル１３、１３、…が備えられている。そのため、本発明の燃料電池３０によれば、発電性能を向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、発電性能を向上させることが可能な燃料電池を製造し得る、燃料電池の製造方法を提供できる。
【００４１】
本発明の製造方法における上記工程Ｓ１〜工程Ｓ４を経て製造されるチューブ型セル１３、１３、…は、中空形状の第１触媒層３、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４、及び、中空形状の第２触媒層５を備える中空形状のＭＥＡ６と、第１触媒層３側に配設される内部集電体１と、第２触媒層５側に配設される外部集電体７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４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。
【００４２】
第１触媒層３及び第２触媒層５（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１３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。
【００４３】
内部集電体１及び外部集電体７（以下、これらをまとめて単に「集電体」ということがある。）は、良好な電子伝導性を有する材料（導電性材料）によって構成されることが好ましく、導電性材料の具体例としては、銅、銀、金、白金等の金属を挙げることができる。集電体の構成材料として銅が用いられる場合には、耐酸性を向上させるため、その表面を銀、金、白金等によって被覆することが好ましい。
【００４４】
また、本発明の製造方法に関する上記説明では、中空形状のＭＥＡ６の周囲に外部集電体７が巻回された形態のチューブ型セル１３を例示したが、本発明の製造方法で製造さ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ＭＥＡ６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ＭＥＡ６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。中空形状のＭＥＡ６の内周面側に拡散層が備えられる場合、中空形状のＭＥＡ６は、内部集電体１の外周面側に形成された拡散層の外周面に形成される。一方、中空形状のＭＥＡ６の外周面側に拡散層が備えられる場合、外部集電体７は、中空形状のＭＥＡ６の外周面側に形成された拡散層の外周面に巻回される。
【００４５】
なお、本発明の燃料電池３０に関する上記説明では、燃料電池モジュール２０、２０、…が一列に積層される形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、電気的に直列に接続される形態で、２列以上に積層することも可能である。
【００４６】
また、本発明の燃料電池３０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２５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】
【００４７】
【図１】本発明の製造方法に備えられる工程を示すフローチャートである。
【図２】本発明の製造方法を適用可能な製造ラインの形態例を示す概念図である。
【図３】内部集電体の形態例を示す斜視図である。
【図４】第１部材の形態例を示す断面図である。
【図５】第２部材の形態例を示す断面図である。
【図６】第３部材の形態例を示す概念図である。
【図７】第４部材の形態例を示す概念図である。
【図８】長手方向端部外周面が剥き出しにされた内部集電体及び中空形状のＭＥＡを備えるチューブ型セルの形態例を示す概念図である。
【図９】本発明の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１０】本発明のチューブ型セルを複数備える燃料電池モジュールの形態例を示す正面図である。
【図１１】本発明の燃料電池の形態例を示す正面図である。
【図１２】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】
【００４８】
Ｓ１…第１工程
Ｓ２…第２工程
Ｓ３…第３工程
Ｓ４…第４工程
１…内部集電体
２…撥水層
３…第１触媒層
４…電解質膜
５…第２触媒層
６…ＭＥＡ（膜電極構造体）
７…外部集電体
８…第１部材
９…第２部材
１０…熱収縮チューブ（固定部材）
１１…チューブ状部材
１２…第４部材
１３…チューブ型セル（チューブ型燃料電池セル）
１４…冷却管
１５、１５ｘ、１５ｙ、１５ｚ…ケース
１６…シール部材
１７…凹部
１８、１８ｘ、１８ｚ…冷媒流通部
１９、１９ｘ、１９ｚ…水素流通部
２０…燃料電池モジュール
２１、２２…冷媒用配管
２３、２４…水素用配管
２５…マニホールド
２６…エンドプレート
２７、２８…電極素子
２９…開口部
３０…燃料電池
３１…外部ケース部材
３２…開口部
【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】
2008251326.tif 000011
【図１０】
2008251326.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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