(57)【要約】【課題】発電性能を向上させることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】中空形状の電解質膜、電解質膜の内周面に備えられる中空形状の第１電極、及び、電解質膜の外周面に備えられる中空形状の第２電極、を有する膜電極構造体と、第１電極の内周面側へ配設される内側集電体と、第２電極の外周面側へ配設される外側集電体と、を備え、少なくとも、長手方向に間隔を開けて配置された第１集電体及び第２集電体が、内側集電体に備えられる、燃料電池とする。【選択図】図１
2008218230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空形状の電解質膜、前記電解質膜の内周面に備えられる中空形状の第１電極、及び、前記電解質膜の外周面に備えられる中空形状の第２電極、を有する膜電極構造体と、前記第１電極の内周面側へ配設される内側集電体と、前記第２電極の外周面側へ配設される外側集電体と、を備え、
少なくとも、長手方向に間隔を開けて配置された第１集電体及び第２集電体が、前記内側集電体に備えられることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記第１集電体の線熱膨張係数をＡ１、前記第１集電体の軸方向長さをＬ１、前記第２集電体の線熱膨張係数をＡ２、前記第２集電体の軸方向長さをＬ２、前記間隔の前記長手方向における幅をＳとするとき、Ｓ≧（Ａ１×Ｌ１＋Ａ２×Ｌ２）×６０であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空形状の膜電極構造体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。）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している。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（例えば、８０℃程度等）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】
出力密度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、「チューブ型セル」という。）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電極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の内周面側に配設される内側集電体及び外周面側に配設される外側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、出力密度を向上させることが容易になる。
【０００４】
ＰＥＦＣの運転時には、電子抵抗等に起因する熱が発生するため、チューブ型セルは、ＰＥＦＣの運転時に高温環境（例えば、８０℃〜１２０℃程度等）に曝される。これに対し、ＰＥＦＣの停止時には発電時のような熱が発生しないため、ＰＥＦＣの停止時におけるチューブ型セルの温度は、外気温と同程度の温度（例えば、−４０℃〜２０℃程度等）にまで低下する。すなわち、ＰＥＦＣの運転停止が繰り返されると、チューブ型セルの温度は数十℃〜百数十℃程度の幅で変動する。ここで、チューブ型セルに備えられる内側集電体は、多くの場合、良好な電子伝導性を有し、かつ、線熱膨張係数が大きい金属等により構成される。それゆえ、ＰＥＦＣの運転停止が繰り返されると、内側集電体は膨張収縮しやすい。さらに、チューブ型セルの集電は、多くの場合、内側集電体の長手方向両端を介して行われるため、内側集電体の長手方向両端は集電部材等によって固定されている。そのため、両端が固定された内側集電体が膨張し変形すると、当該変形に起因する力が内側集電体の長手方向中央部に集中し、内側集電体の長手方向中央が湾曲しやすい。内側集電体が湾曲すると、内側集電体の表面を介して中空形状のＭＥＡの内周面側へと供給される反応ガスの圧力損失が増大するため、当該圧力損失に抗して中空形状のＭＥＡの内周面側へ反応ガスを供給すべく、当該反応ガスの供給圧力を増大させる必要がある。このようにして反応ガスの供給圧力を増大させると、樹脂等によって構成される中空形状のＭＥＡが破損する恐れがある。ＭＥＡが破損すると、いわゆるクロスリークが生じる等して発電性能が低下するため、良好な発電性能を有するチューブ型ＰＥＦＣを開発するためには、当該ＭＥＡの破損を防止することが重要である。
【０００５】
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、チューブ状の固体電解質膜と、固体電解質膜の外周面に形成された外側触媒電極層と、固体電解質膜の内周面に形成された内側触媒電極層と、外側触媒電極層の外周面に配置された外側集電体と、内側触媒電極層の内周面に配置された内側集電体とを有し、内側集電体および外側集電体の少なくとも一方が、導電性チューブ状弾性材からな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が開示されている。かかる技術によれば、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良く集電できるチューブ型燃料電池用膜電極複合体が提供される、としている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−４７４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１にかかるチューブ型燃料電池用膜電極複合体を備えるチューブ型セルが搭載された、燃料電池の運転停止を繰り返すと、当該チューブ型セルの長手方向両端が集電部材等によって固定されるため、内側集電体の長手方向中央部に力が集中する。それゆえ、内側集電体を弾性材によって構成しても、内側集電体の湾曲を抑制できない恐れがあり、内側集電体が湾曲するとチューブ型ＰＥＦＣの発電性能が低下する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ることが可能な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】
【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、
本発明は、中空形状の電解質膜、電解質膜の内周面に備えられる中空形状の第１電極、及び、電解質膜の外周面に備えられる中空形状の第２電極、を有する膜電極構造体と、第１電極の内周面側へ配設される内側集電体と、第２電極の外周面側へ配設される外側集電体と、を備え、少なくとも、長手方向に間隔を開けて配置された第１集電体及び第２集電体が、内側集電体に備えられることを特徴とする、燃料電池である。
【００１０】
ここに、「中空形状の電解質膜」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固体高分子膜であれば、その形態は特に限定されない。さらに、「中空形状の第１電極」及び「中空形状の第２電極」は、電気化学反応の触媒として機能する物質と、当該電気化学反応によって生じたプロトンを伝導させ得る物質（プロトン伝導性物質）とを含有する中空形状の層であれば、その形態は特に限定されない。加えて、「膜電極構造体」は、上記電解質膜、第１電極、及び、第２電極を有する中空形状の構造体であれば、その形態は特に限定されない。膜電極構造体の形態例としては、上記電解質膜、第１電極、及び、第２電極からなる形態のほか、上記電解質膜、第１電極、及び、第２電極に加え、さらに、第１電極や第２電極へ水素含有ガスや酸素含有ガスを均一に拡散させる等の目的で、第１電極側及び／又は第２電極側に拡散層や撥水層が備えられる形態等を挙げることができる。さらにまた、「第１電極の内周面側へ配設される内側集電体」とは、第１電極の内周面側に拡散層及び／又は撥水層が備えられない場合には、第１電極の内周面と接触する形態で内側集電体が配設されることを意味する。これに対し、第１電極の内周面側に拡散層及び／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側集電体が配設されることを意味する。さらに、「第２電極の外周面側へ配設される外側集電体」とは、第２電極の外周面側に拡散層及び／又は撥水層が備えられない場合には、第２電極の外周面と接触する形態で外側集電体が配設されることを意味する。これに対し、第２電極の外周面側に拡散層及び／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側集電体が配設されることを意味する。加えて、本発明における「内側集電体」及び「外側集電体」は、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質（耐熱性、耐水性等。以下同じ。）を有する電子伝導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ない。また、「長手方向に間隔を開けて配置された第１集電体及び第２集電体」とは、第１集電体及び第２集電体が内側集電体の長手方向に間隔を開けて配置されることを意味する。
【００１１】
上記本発明において、第１集電体の線熱膨張係数をＡ１、第１集電体の軸方向長さをＬ１、第２集電体の線熱膨張係数をＡ２、第２集電体の軸方向長さをＬ２、上記間隔の上記長手方向における幅をＳとするとき、Ｓ≧（Ａ１×Ｌ１＋Ａ２×Ｌ２）×６０であることが好ましい。
【００１２】
ここに、「第１集電体の軸方向長さ」とは、第１集電体の長手方向の全長を意味する。すなわち、第１集電体が直線状の線材によって構成される場合、第１集電体の軸方向長さとは、第１集電体の長手方向長さを意味する。これに対し、第１集電体が縒り線形状の線材によって構成される場合、第１集電体の軸方向長さとは、縒り線を伸ばして直線状とされた第１集電体の長手方向長さを意味する。「第２集電体の軸方向長さ」についても同様である。さらに、Ｓの下限値を特定する上記式における「６０」は、燃料電池の停止時に温度が低下する第１集電体及び第２集電体の最低温度と、燃料電池の運転時に温度が上昇する第１集電体及び第２集電体の最高温度との差（以下、「温度差」という。）が６０℃であることを意味する。温度差が６０℃になる場合の具体例としては、上記最低温度及び上記最高温度がそれぞれ２０℃及び８０℃である場合のほか、上記最低温度及び上記最高温度がそれぞれ３０℃及び９０℃である場合等を挙げることができる。加えて、Ｓの下限値を特定する上記式において、Ａ１及びＡ２の単位は［℃−１］、Ｓ、Ｌ１、及び、Ｌ２の単位は［ｍｍ］であり、６０の単位は［℃］である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、長手方向に間隔を開けて配置された第１集電体及び第２集電体が、内側集電体に備えられるので、ＰＥＦＣの運転時に熱膨張した第１集電体及び第２集電体の伸びを、当該間隔によって吸収することができる。それゆえ、内側集電体の長手方向中央部に力が集中する事態を回避できるので、内側集電体の湾曲を防止でき、その結果、中空形状のＭＥＡの破損を防止できる。したがって、本発明によれば、ＭＥＡの破損を防止して発電性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。
【００１４】
本発明において、Ｓ≧（Ａ１×Ｌ１＋Ａ２×Ｌ２）×６０とすることにより、第１集電体及び第２集電体が最も伸びた場合でも、第１集電体と第２集電体とが互いに押し合う事態を回避できる。かかる形態とすることにより、内側集電体の湾曲を確実に防止できるので、ＭＥＡの破損を防止して発電性能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】
【００１５】
図面を参照しつつ、本発明の燃料電池について、説明する。以下の説明では、燃料電池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、燃料電池が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。本発明の燃料電池では、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、温水等の温熱媒体を用いて燃料電池を加温する形態とすることも可能である。
【００１６】
図１は、本発明の燃料電池に備えられる内側集電体の形態例を概略的に示す斜視図である。図１の紙面上下方向が内側集電体の長手方向であり、内側集電体の構造を理解しやすくするため、図１では、第１集電体と第２集電体との間に備えられる間隔を透過させて示している。図１のＳ１は、長手方向における間隔の幅を示している。図２は、本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す斜視図であり、図２の紙面上下方向が、内側集電体の長手方向である。図３は、本発明の燃料電池の形態例を示す概略図であり、図３の紙面手前／奥方向が、内側集電体の長手方向である。燃料電池の形態を理解しやすくするため、図３では、内側集電体及び膜電極構造体の断面と当該膜電極構造体の外周面に巻回された外側集電体の様子を簡略化して示している。図４は、本発明の燃料電池を複数備える燃料電池モジュールの形態例を示す概略図であり、図４の紙面上下方向が、内側集電体の長手方向である。本発明の燃料電池の配置形態を理解しやすくするため、図４では燃料電池モジュールに備えられる３つの燃料電池を拡大して示し、燃料電池冷却用の冷媒が流通する冷却管等の記載を省略している。図５は、本発明にかかる燃料電池の他の形態例を概略的に示す斜視図であり、図５の紙面上下方向が、内側集電体の長手方向である。図６は、他の実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる内側集電体の形態例を概略的に示す斜視図である。図６の紙面上下方向が内側集電体の長手方向であり、内側集電体の構造を理解しやすくするため、図６では、第１集電体と第２集電体との間に備えられる間隔を透過させて示している。図６のＳ２は、長手方向における間隔の幅を示している。図７は、他の実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を示す概略図であり、図７の紙面手前／奥方向が、内側集電体の長手方向である。燃料電池の形態を理解しやすくするため、図７では、内側集電体及び膜電極構造体の断面と当該膜電極構造体の外周面に巻回された外側集電体の様子を簡略化して示している。図５〜図７において、図１〜図６に示す部材と同様の構成を採るものには、図１〜図６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。図１〜図７を参照しつつ、本発明の燃料電池について、以下に説明する。
【００１７】
図１〜図３に示すように、本発明の燃料電池２０は、中空形状の電解質膜７、電解質膜７の内周面に形成された中空形状の第１電極６、及び、電解質膜７の外周面に形成された中空形状の第２電極８を有する中空形状のＭＥＡ９と、第１電極６の内周面と接触するように配設された複数の金属線を有する内側集電体５と、第２電極８の外周面に巻回された金属線からなる外側集電体１０と、を備える。燃料電池２０に備えられる内側集電体５は、間隔３を開けて配置された複数の金属線からなる第１集電体１と、複数の金属線からなる第２集電体２と、を備え、第１集電体１の端部表面及び第２集電体２の端部表面と接触する形態で配置された連結体４を介して、間隔３を開けて配置された第１集電体１及び第２集電体２が連結されている。
【００１８】
燃料電池２０の運転時には、縒り線形状に配置された複数の金属線を有する内側集電体５と第１電極６との間に備えられる隙間３１、３１、…を介して水素が供給され、第２電極８の外周面へ空気が供給される。ここで、第１集電体１と第１電極６との間に備えられる隙間３１、３１、…を介して供給された水素の一部は、第１集電体１と接触する第１電極６へと達し、残りの水素は隙間３１、３１、…を介して間隔３へと達する。間隔３へと達した水素は、第２集電体２と第１電極６との間に備えられる隙間３１、３１、…を介して第２集電体２と接触する第１電極６へと達する。このようにして第１電極６へと供給された水素は、第１電極６に含有される触媒（例えば、Ｐｔ等。以下同じ。）の作用下で電気化学反応することにより、プロトンと電子へ分離する。第１電極６で生じたプロトンは、第１電極６及び電解質膜７に含有されるプロトン伝導性ポリマーを介して第２電極８へと伝導される。これに対し、第１電極６で生じた電子は、外部回路を経由して第２電極８へと達する。そして、第２電極８へと供給された空気に含有される酸素と、第２電極８へと到達したプロトン及び電子とが、第２電極８に含有される触媒の作用下で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２０の運転時には、第２電極８で水が生成されるほか、プロトン及び電子の伝導過程における、プロトン伝導抵抗及び電気抵抗等に起因した熱が発生する。
【００１９】
第１電極６、電解質膜７、及び、第２電極８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。それゆえ、燃料電池２０の運転時には、図示されていない冷却管内を流れる冷媒を介して冷却されることにより過度の温度上昇が防止され、燃料電池２０が８０℃程度の温度に維持される。これに対し、燃料電池２０の停止時には、水素及び空気の供給が停止されるため、第１電極６及び第２電極８で電気化学反応が生じない。それゆえ、プロトン及び電子が伝導されず、プロトン伝導抵抗及び電気抵抗等に起因した熱が発生しない。したがって、燃料電池２０の停止時には、外気温（常温）と同程度にまで燃料電池２０の温度が低下する。すなわち、燃料電池２０の運転・停止が繰り返されると、燃料電池２０の温度は常温から８０℃程度の範囲で変動する。
【００２０】
図４に示すように、本発明の燃料電池２０、２０、２０を備える燃料電池モジュール４０では、平行に配置された燃料電池２０、２０、２０が電気的に並列に接続される。燃料電池モジュール４０では、燃料電池２０、２０、２０の長手方向一端側の水素流通領域を介して供給された水素が同他端側の水素流通領域を介して排出される一方、水素流通領域とシール部材４２、４２を介して隔離された燃料電池２０、２０、２０の長手方向中央部へ空気が供給される。空気が供給される燃料電池２０、２０、２０の長手方向中央部は、発電部として機能し、当該発電によって生じた電気は、燃料電池２０、２０、２０の長手方向両端部を介して集められる。それゆえ、燃料電池モジュール４０では、燃料電池２０、２０、２０の長手方向両端に、例えば燃料電池２０、２０、２０を貫通させる孔を有する集電部材４１、４１が配設され、当該集電部材４１、４１によって内側集電体５、５、５の長手方向両端が固定されることにより、内側集電体５、５、５と集電部材４１、４１との電気的接触が維持される。
【００２１】
上述のように、燃料電池２０に備えられる内側集電体５は、複数の金属線を縒り線形状に配置して構成される第１集電体１及び第２集電体２を有する。第１集電体１及び第２集電体２を形成する金属線は、良好な電子伝導性を有する金属（例えば、表面に金めっきを施された銅線等）によって構成されるため、線熱膨張係数が大きい。それゆえ、運転時に８０℃程度等の高温環境に曝された第１集電体１及び第２集電体２は、熱膨張しやすい。図４に示すように、内側集電体５は、集電部材４１、４１によって長手方向両端が固定されるので、高温環境に曝された第１集電体１及び第２集電体２は、集電部材４１、４１から遠ざかる方向へ膨張する。そのため、間隔３が備えられない従来の内側集電体では、その長手方向中央部に力が集中し、長手方向中央部が湾曲するという問題があった。
【００２２】
これに対し、本発明の燃料電池２０には、間隔３を開けて配置された第１集電体１及び第２集電体２を有する内側集電体５が備えられる。それゆえ、端部を固定された第１集電体１及び第２集電体２が熱膨張しても、当該熱膨張を間隔３で吸収することができ、第１集電体１と第２集電体２との接触を防止することができる。すなわち、間隔３を開けて配置された第１集電体１及び第２集電体２を有する内側集電体５が備えられる形態とすることで、内側集電体５の長手方向中央部に力が集中する事態を回避でき、内側集電体５の湾曲を防止できる。したがって、本発明の燃料電池２０によれば、内側集電体５の湾曲を防止することで、ＭＥＡ９の損傷を防止できるので、発電性能を向上させることができる。
【００２３】
本発明の燃料電池２０は、例えば、以下の方法により製造できる。まず、複数の金属線を縒り線状に配置することにより、第１集電体１及び第２集電体２を作製し、間隔３を開けてこれらを配置する。次いで、第１集電体１の端部表面及び第２集電体２の端部表面に掛け渡された帯状の連結体４で、第１集電体１及び第２集電体２の外周面を覆うことにより、間隔３を開けて配置された第１集電体１及び第２集電体２が連結体４によって連結された形態の内側集電体５を作製する。このようにして内側集電体５を作製したら、当該内側集電体５の長手方向両端部を除く外周面へ、例えば、プロトン伝導性ポリマーと触媒とを含有するインク状組成物を塗布し乾燥させることにより、第１電極６を形成する。ここで、内側集電体５は、連結体４によって囲まれる空間に間隔３を備える。そのため、塗布されたインク状組成物は連結体４の外表面へ配置され、塗布されたインク状組成物が間隔３へ進入することを防止できる。
このようにして内側集電体５の外周面へ第１電極６を形成したら、次いで、当該第１電極６の外周面へプロトン伝導性ポリマーを含有する組成物を塗布し乾燥させることにより、電解質膜７を作製し、当該電解質膜７の外周面へ、例えばプロトン伝導性ポリマーと触媒とを含有するインク状組成物を塗布し乾燥させることにより、第２電極８を作製する。第２電極８を作製して、内側集電体５の外周面へ中空形状のＭＥＡ９を作製したら、引き続き、第２電極８の外周面へ金属製の線材からなる外側集電体１０を巻回することにより、燃料電池２０を製造できる。
【００２４】
本発明に関する上記説明では、複数の金属線からなる第１集電体１及び第２集電体２が間隔３を開けて配置された形態の内側集電体５が備えられる燃料電池２０を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されない。他の形態にかかる本発明の燃料電池について、図５〜図７を参照しつつ説明する。
【００２５】
図５〜図７に示すように、他の実施形態にかかる本発明の燃料電池５０は、中空形状の第１電極６、中空形状の電解質膜７、及び、中空形状の第２電極８を有する中空形状のＭＥＡ９と、第１電極６の内周面と接触するように配設された内側集電体５５と、第２電極８の外周面に巻回された金属線からなる外側集電体１０と、を備える。燃料電池５０に備えられる内側集電体５５は、間隔５３を開けて配置された金属製の第１集電体５１及び第２集電体５２を備え、第１集電体５１及び第２集電体５２は連結体５４を介して連結されている。そして、内側集電体５５には、燃料電池５０の運転時に水素流路として機能する凹部５６、５６、…が備えられている。
【００２６】
一の部材からなる第１集電体５１及び第２集電体５２を有する内側集電体５５が備えられる燃料電池５０であっても、内側集電体５５には、第１集電体５１と第２集電体５２との間に間隔５３が備えられるので、燃料電池５０の運転時における内側集電体５５の湾曲を防止できる。したがって、かかる形態の燃料電池５０によっても、発電性能を向上させることができる。
【００２７】
本発明の燃料電池に関する上記説明では、内側集電体の長手方向を法線方向とする平面で切断した場合に、第１集電体及び第２集電体を含まない切断面が存在する間隔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ない。本発明の燃料電池に備えられる内側集電体の他の形態例を図８及び図９に示す。図８及び図９の紙面上下方向が内側集電体の長手方向であり、図８のＳ３及び図９のＳ４は、長手方向における間隔の幅を示している。図８及び図９において、図６と同様の構成を採るものには、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
図８は、間隔８３と面する第１集電体８１の端面及び第２集電体８２の端面の法線方向と、内側集電体８５の長手方向とが交差する、金属製の第１集電体８１及び第２集電体８２が、連結体８４を介して連結された形態の内側集電体８５を示している。一方、図９は、間隔９３と面する、第２集電体９２の端面に備えられる凸部９２ｘと対応する凹部（図９では見えない）が、間隔９３と面する第１集電体９１の端面に備えられる、金属製の第１集電体９１及び第２集電体９２が、連結体９４を介して連結された形態の内側集電体９５を示している。内側集電体８５、９５が備えられていても、第１集電体８１、９１と第２集電体８２、９２との間に間隔８３、９３が備えられるので、ＭＥＡの破損を防止して発電性能を向上させることが可能な燃料電池とすることができる。
【００２９】
本発明の燃料電池において、内側集電体５、５５、８５、９５（以下、単に「内側集電体」という。）に備えられる間隔３、５３、８３、９３（以下、単に「間隔」という。）の、長手方向における幅Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４（以下、これらをまとめて「幅Ｓ」という。）は、特に限定されない。ただし、燃料電池が高温状態に曝された場合であっても、内側集電体の湾曲を防止可能とする観点からは、内側集電体に備えられる第１集電体１、５１、８１、９１（以下、単に「第１集電体」という。）及び第２集電体２、５２、８２、９２（以下、単に「第２集電体」という。）が最も膨張した時に、膨張した第１集電体と第２集電体とが接触しない、又は、接する、幅Ｓとすることが好ましい。それゆえ、第１集電体の線熱膨張係数をＡ１［℃−１］、第１集電体の軸方向長さをＬ１［ｍｍ］、第２集電体の線熱膨張係数をＡ２［℃−１］、第２集電体の軸方向長さをＬ２［ｍｍ］とするとき、内側集電体の温度差が６０℃である場合には、幅Ｓ［ｍｍ］を、Ｓ≧（Ａ１×Ｌ１＋Ａ２×Ｌ２）×６０とすることが好ましい。このほか、例えば、内側集電体が曝される最低温度が−４０℃であり、同最高温度が１２０℃である等により、内側集電体の温度差として１６０℃が想定される場合には、Ｓ≧（Ａ１×Ｌ１＋Ａ２×Ｌ２）×１６０とすることが好ましい。一方、幅Ｓが過度に広いと、第１電極６と接触する内側集電体の面積が低下するため、集電効率が低下し、燃料電池の発電性能低下を招く恐れがある。それゆえ、発電性能を向上させ得る燃料電池を提供するという観点から、内側集電体の長手方向長さをＬ［ｍｍ］とするとき、Ｓ≦０．２Ｌとすることが好ましい。より好ましくは、Ｓ≦０．１Ｌである。なお、間隔が備えられる位置は、特に限定されるものではないが、内側集電体の長手方向中央に備えられることが好ましい。
【００３０】
本発明の燃料電池に関する上記説明では、金属製の第１集電体及び第２集電体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ない。本発明の燃料電池に備えられる第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し、かつ、良好な電子伝導性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ない。第１集電体及び第２集電体の構成材料の具体例としては、銅、チタン、アルミニウム、銀、白金、金等に代表される金属のほか、導電性樹脂等を挙げることができる。ただし、良好な電子伝導性を有する第１集電体及び第２集電体とする観点からは、金属によって構成することが好ましい。第１集電体及び／又は第２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。
【００３１】
本発明の燃料電池において、第１集電体と第２集電体とを連結する連結体４、５４、８４、９４（以下、単に「連結体」という。）は、間隔を挟んで配置された第１集電体と第２集電体とを連結可能であるとともに、第１電極６の作成時に触媒インクの間隔への進入を防止でき、かつ、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質を有するガス不透過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ない。連結体は、絶縁性材料によって構成することも可能であるほか、導電性材料によって構成することも可能である。本発明の燃料電池が曝される全ての温度環境において、間隔を挟んで配置された第１集電体と第２集電体との連結を維持し、かつ、本発明の燃料電池の運転時におけるクロスリークを防止する等の観点からは、伸縮自在な帯状の樹脂（例えば、ポリイミド、フッ素ゴム）等によって構成することが好ましい。
【００３２】
本発明の燃料電池において、電解質膜７は、ＰＥＦＣで使用可能な、プロトン伝導性ポリマーを含有する固体高分子膜であれば、その形態は特に限定されるものではない。電解質膜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。
【００３３】
本発明の燃料電池において、第１電極６及び第２電極８は、上記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一以上の金属と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。
【００３４】
本発明の燃料電池において、外側集電体１０は、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質を有する電子伝導性材料によって、第２電極８へ気体を到達させ得る形態で形成されていれば、その形態は特に限定されない。外側集電体１０を構成する材料の具体例としては、銅、チタン、アルミニウム、銀、白金、金等に代表される金属のほか、導電性樹脂等を挙げることができる。ただし、良好な電子伝導性を有する外側集電体１０とする観点からは、金属により構成することが好ましい。外側集電体１０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。
【００３５】
本発明の燃料電池に関する上記説明では、第１電極６の内周面側並びに第２電極８の外周面側に、拡散層及び撥水層が備えられない形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されない。第１電極６や第２電極８へ水素及び空気を均一に供給可能とし、フラッディングを抑制する等の観点からは、第１電極６の内周面側及び／又は第２電極８の外周面側に、拡散層や撥水層が備えられる形態とすることが好ましい。本発明の燃料電池に拡散層が備えられる場合、当該拡散層は、厚み方向へ気体を拡散させる機能を有し、かつ、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質を有する物質により構成されていれば、その形態は特に限定されない。拡散層は、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。これに対し、本発明の燃料電池に撥水層が備えられる場合、当該撥水層は、内側集電体の外周面、又は、第２電極８若しくは拡散層の外周面へ撥水剤（例えば、ポリテトラフルオロエチレン等を含有する流体）を塗布する等の方法により、形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】内側集電体の形態例を概略的に示す斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す斜視図である。
【図３】本発明の燃料電池の形態例を示す概略図である。
【図４】本発明の燃料電池を複数備える燃料電池モジュールの形態例を示す概略図である。
【図５】本発明にかかる燃料電池の他の形態例を概略的に示す斜視図である。
【図６】内側集電体の他の形態例を概略的に示す斜視図である。
【図７】本発明にかかる燃料電池の他の形態例を示す概略図である。
【図８】内側集電体の他の形態例を概略的に示す斜視図である。
【図９】内側集電体の他の形態例を概略的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４…間隔の長手方向における幅（Ｓ）
１、５１、８１、９１…第１集電体
２、５２、８２、９２…第２集電体
３、５３、８３、９３…間隔
４、５４、８４、９４…連結体
５、５５、８５、９５…内側集電体
６…第１電極
７…電解質膜
８…第２電極
９…ＭＥＡ（膜電極構造体）
１０…外側集電体
２０、５０…燃料電池
３１…隙間
４０…燃料電池モジュール
４１…集電部材
４２…シール部材
５６…凹部
９２ｘ…凸部
【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】
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