(57)【要約】【課題】発電性能と生産性とを向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、該燃料電池モジュールを備える燃料電池を提供する。【解決手段】多角形の頂点位置に配置される複数のチューブ型燃料電池セル、及び、複数のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる空間に配置される導電体、を有する集合体と、一方向に配置される複数の集合体を収容するケース部材と、を備え、導電体に熱媒体流通用の流路が備えられるとともに、導電体の外周面と複数のチューブ型燃料電池セルの外周面とが接触し、集合体の外表面に拘束部材が配設される、燃料電池モジュールとする。【選択図】図１
2008166206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多角形の頂点位置に配置される複数のチューブ型燃料電池セル、及び、前記複数のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる空間に配置される導電体、を有する集合体と、一方向に配置される複数の前記集合体を収容するケース部材と、を備え、
前記導電体に熱媒体流通用の流路が備えられるとともに、前記導電体の外周面と前記複数のチューブ型燃料電池セルの外周面とが接触し、
前記複数のチューブ型燃料電池セルの外表面に拘束部材が配設されることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項２】
隣接する一の前記集合体と他の前記集合体とが、
前記一の集合体の前記多角形の辺と、前記他の集合体の前記多角形の辺とが面するように配置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】
前記多角形が、正六角形であ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】
前記ケース部材の形状が、前記多角形と対応する凹凸形状であ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モジュール。
【請求項５】
前記ケース部材の形状が、正六角形と対応する凹凸形状である、請求項４に記載の燃料電池モジュールを複数積層して構成される積層体を備え、
前記積層体を構成する、隣接する一の前記燃料電池モジュールと他の前記燃料電池モジュールとが、前記一の燃料電池モジュールに備えられる前記ケース部材の凹部及び凸部と、前記他の燃料電池モジュールに備えられる前記ケース部材の凸部及び凹部とが噛み合う形態で積層されることを特徴とする、燃料電池。
【請求項６】
前記一の燃料電池モジュールの端部と前記他の燃料電池モジュールの端部とを接触させることにより、前記一の燃料電池モジュールと前記他の燃料電池モジュールとが、電気的に直列接続されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記一の燃料電池モジュールの前記端部の端面と、前記他の燃料電池モジュールの前記端部の端面とが、直接接触することを特徴とする、請求項６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、中空形状の膜電極接合体を備えるチューブ型の単セルを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具備す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。）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、ユニットセルの小型化を図ることが容易になる。
【０００４】
このようなチューブ型ＰＥＦＣに関する技術として、例えば、特許文献１には、底面の中心が正六角形の各頂点位置に配置された６個のチューブ型燃料電池セルと、当該６個のチューブ型燃料電池セルが正六角形の各頂点位置に配置されることによってその中心部に形成された間隙に挿入された冷却媒体流通管とを有する、燃料電池スタックに関する技術が開示されている。かかる形態の燃料電池スタックによれば、高電流及び高電圧を得ることが可能で、しかも、小型かつ軽量である燃料電池スタックが提供される、としている。また、特許文献２には、複数のチューブ型燃料電池セルが、貫通孔又は溝部を有する複数の拘束部材により、略規則的に配列されていることを特徴とする燃料電池モジュールに関する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１５８３３５号公報
【特許文献２】特開２００６−２１６４６４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、冷却媒体流通管と各チューブ型燃料電池セルとの密着性にばらつきが生じやすいため、チューブ型燃料電池セルの冷却性能が低下し、モジュールとしての性能が低下しやすいという問題があった。さらに、特許文献１に開示されている技術では、多数のチューブ型燃料電池セル及び冷却媒体流通管が、１のケーシングに収容されるため、チューブ型燃料電池セル及び冷却媒体流通管の位置決めが困難であり、生産性が低下しやすいという問題もあった。また、特許文献２に開示されている技術によっても、燃料電池モジュールの発電性能と生産性とを両立させることが困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、発電性能と生産性とを向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、該燃料電池モジュールを備える燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
第１の本発明は、多角形の頂点位置に配置される複数のチューブ型燃料電池セル、及び、複数のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる空間に配置される導電体、を有する集合体と、一方向に配置される複数の集合体を収容するケース部材と、を備え、導電体に熱媒体流通用の流路が備えられるとともに、導電体の外周面と複数のチューブ型燃料電池セルの外周面とが接触し、複数のチューブ型燃料電池セルの外表面に拘束部材が配設されることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
【０００９】
第１の本発明において、複数のチューブ型セルの外周面と接触する「導電体」は、外部集電体としての機能を有し、さらに、熱媒体流通用の流路が備えられるため、温熱媒体又は冷却媒体としての機能をも有する。さらに、第１の本発明において、「集合体」は、例えば、正六角形の各頂点の位置に６個のチューブ型燃料電池セルをそれぞれ配置し、当該６個のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる正六角形の中心位置に導電体を配置した後、さらに、６個のチューブ型燃料電池セルの外側に拘束部材を配置し、当該拘束部材によって、６個のチューブ型燃料電池セルの外周面と導電体の外周面とが接触するように固定される形態、とすることができる。すなわち、第１の本発明において、一の集合体には、１個の導電体と１個の拘束部材と複数のチューブ型燃料電池セルとが備えられる。それゆえ、一の集合体にｎ個（ｎは３以上の自然数）のチューブ型燃料電池セルが備えられる場合には、例えば、正ｎ角形の各頂点の位置にｎ個のチューブ型燃料電池セルをそれぞれ配置し、当該ｎ個のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる正ｎ角形の中心位置に導電体を配置した後、さらに、ｎ個のチューブ型燃料電池セルの外側に拘束部材を配置し、当該拘束部材によって、ｎ個のチューブ型燃料電池セルの外周面と導電体の外周面とが接触するように固定される形態、とすることができる。加えて、第１の本発明において、「拘束部材」は、集合体に備えられる導電体及び複数のチューブ型燃料電池セルを、導電体の外周面と複数のチューブ型燃料電池セルの外周面との接触を維持可能な形態で拘束し得るものであれば、その形態は特に限定されるものではない。拘束部材は、例えば、集合体に備えられる複数のチューブ型燃料電池セルの外表面に巻回された線状部材、及び、当該線状部材の両端を拘束するＯ型の帯状部材により構成することができる。さらに、第１の本発明において、「ケース部材」は、一方向に配置される複数の集合体を収容可能なものであれば、特に限定されるものではないが、チューブ型燃料電池セルの作動時の環境に耐え得る耐熱性及び耐酸性を備えていることが好ましい。ケース部材を構成する材料の具体例としては、絶縁性の樹脂等を挙げることができる。
【００１０】
上記第１の本発明において、隣接する一の集合体と他の集合体とが、一の集合体の多角形の辺と、他の集合体の多角形の辺とが面するように配置されることが好ましい。
【００１１】
ここに、「隣接する一の集合体と他の集合体とが、一の集合体の多角形の辺と、他の集合体の多角形の辺とが面するように配置される」とは、一の集合体及び他の集合体に備えられるチューブ型燃料電池セルをｎ個とするとき、一の集合体を構成するｎ個のチューブ型燃料電池セル各々と対応する頂点によって形成されるｎ角形の辺と、他の集合体を構成するｎ個のチューブ型燃料電池セル各々と対応する頂点によって形成されるｎ角形の辺とが面する形態で、一の集合体及び他の集合体が配置されることを意味する。
【００１２】
上記第１の本発明（変形例も含む。以下同じ。）において、多角形が、正六角形であることが好ましい。
【００１３】
上記第１の本発明において、ケース部材の形状が、多角形と対応する凹凸形状であることが好ましい。
【００１４】
ここに、「ケース部材の形状が、多角形と対応する凹凸形状である」とは、少なくとも、複数の集合体を収容するケース部材の形状が、複数の集合体が間隔をあけずに一列に配置された場合に形成される複数の集合体の外形形状と、略相似形であることを意味する。
【００１５】
第２の本発明は、ケース部材の形状が、正六角形と対応する凹凸形状である、上記第１の本発明にかかる燃料電池モジュールを複数積層して構成される積層体を備え、積層体を構成する、隣接する一の燃料電池モジュールと他の燃料電池モジュールとが、一の燃料電池モジュールに備えられるケース部材の凹部及び凸部と、他の燃料電池モジュールに備えられるケース部材の凸部及び凹部とが噛み合う形態で積層されることを特徴とする、燃料電池である。
【００１６】
ここに、「一の燃料電池モジュールに備えられるケース部材の凹部及び凸部と、他の燃料電池モジュールに備えられるケース部材の凸部及び凹部とが噛み合う形態で積層される」とは、一の燃料電池モジュールのケース部材の凹部と隣接する他の燃料電池モジュールのケース部材の凸部とが噛み合い、かつ、一の燃料電池モジュールのケース部材の凸部と隣接する他の燃料電池モジュールのケース部材の凹部とが噛み合う形態で積層されることを意味する。すなわち、外形が凹凸形状である複数の燃料電池モジュールが、集積度が最大となる形態で積層されることを意味する。
【００１７】
上記第２の本発明において、一の燃料電池モジュールの端部と他の燃料電池モジュールの端部とを接触させることにより、一の燃料電池モジュールと他の燃料電池モジュールとが、電気的に直列接続されることが好ましい。
【００１８】
ここに、「一の燃料電池モジュールの端部と他の燃料電池モジュールの端部とを接触させる」とは、具体的には、一の燃料電池モジュールに備えられ当該一の燃料電池モジュールの端部に突き出た内部集電体と、隣接する他の燃料電池モジュールに備えられ当該他の燃料電池モジュールの端部に突き出た外部集電体とを、直接又は間接的に接触させることを意味し、「間接的に接触させる」とは、導電性部材を介して接触させることを意味する。
【００１９】
一の燃料電池モジュールの端部と他の燃料電池モジュールの端部とを接触させることにより、一の燃料電池モジュールと他の燃料電池モジュールとが、電気的に直列接続される、上記第２の本発明において、一の燃料電池モジュールの上記端部の端面と、他の燃料電池モジュールの上記端部の端面とが、直接接触することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
第１の本発明によれば、導電体の周囲に配置されるチューブ型燃料電池セルの数を調整することで、チューブ型燃料電池セルの温度制御の最適化を図りつつ、チューブ型燃料電池セルの集積度を向上させることができるので、燃料電池モジュールの発電性能を向上させることができる。さらに、第１の本発明によれば、導電体及び複数のチューブ型燃料電池セルを、集合体毎にまとめることができる。それゆえ、燃料電池モジュールの生産性を向上させることができる。加えて、第１の本発明によれば、拘束部材によって、各集合体に備えられる導電体と複数のチューブ型燃料電池セルとの接触が維持されるので、燃料電池モジュールの発電性能を向上させることができる。したがって、第１の本発明によれば、発電性能と生産性と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。
【００２１】
第１の本発明において、隣接する一の集合体と他の集合体とを、一の集合体の多角形の辺と他の集合体の多角形の辺とが面する形態で配置することにより、集合体の集積度を向上させることができる。集合体の集積度を向上させることにより、チューブ型燃料電池セルの集積度を向上させることができるので、かかる形態とすることで、燃料電池モジュールの発電性能を向上させることが容易になる。
【００２２】
第１の本発明において、多角形を正六角形とすることにより、チューブ型燃料電池セルの集積度を向上させることが容易になる。
【００２３】
第１の本発明において、ケース部材の形状を多角形と対応する凹凸形状とすることにより、集合体とケース部材との間に形成され得る空間を低減することができるので、単位体積当たりの発電性能を向上させることが容易になる。
【００２４】
第２の本発明によれば、ケース部材の形状を、正六角形と対応する凹凸形状とすることにより、隣接する一の燃料電池モジュールと他の燃料電池モジュールとの間に形成され得る空間を低減することができるので、燃料電池モジュールの集積度を向上させることができる。燃料電池モジュールの集積度を向上させることにより、チューブ型燃料電池セルの集積を向上させることができるので、かかる形態とすることで、燃料電池の発電性能を向上させることができる。また、第２の本発明には、生産性を向上させることが可能な、上記第１の本発明にかかる燃料電池モジュールが備えられるので、燃料電池の生産性を向上させることもできる。したがって、第２の本発明によれば、発電性能と生産性とを向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。
【００２５】
第２の本発明において、一の燃料電池モジュールの端部と他の燃料電池モジュールの端部とを接触させて電気的に直列接続させることにより、積層体の端部（燃料電池モジュールの外側両端部）に形成される空間を、電気的に直列接続させるための空間として利用することができる。したがって、無駄な空間を低減することにより、単位体積当たりの発電性能を向上させることが容易になる。
【００２６】
第２の本発明において、一の燃料電池モジュールの端面と他の燃料電池モジュールの端面とを直接接触させることによっても、単位体積当たりの発電性能を向上させることが容易な、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】
【００２７】
図面を参照しつつ、本発明の燃料電池モジュール及び燃料電池について、以下に説明する。以下の説明では、チューブ型燃料電池セルに備えられる中空形状のＭＥＡの外周面側へ酸素含有ガス（以下、「空気」という。）が供給されるとともに、同ＭＥＡの内周面側へ水素含有ガス（以下、「水素」という。）が供給され、導電体に備えられる熱媒体流通用の流路に冷媒が供給される形態を例示するが、本発明は当該形態に限定されるものではない。チューブ型燃料電池セルには、中空形状のＭＥＡの外周面側へ水素を供給し、同ＭＥＡの内周面側へ空気を供給することも可能であり、寒冷地等で使用される場合には、例えば始動時に、冷媒に代えて温水等の温熱媒体を供給することもできる。
【００２８】
１．燃料電池モジュール
１．１．第１実施形態
図１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概略的に示す断面図であり、紙面奥／手前方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。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に備えられるケース部材の端面を概略的に示す断面図であり、紙面奥／手前方向が、ケース部材に収容されるチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図３は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールを概略的に示す正面図であり、燃料電池モジュールに備えられる外部集電板の記載を省略している。図３の紙面奥／手前方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。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集合体の形態例を概略的に示す断面図であり、紙面奥／手前方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図５は、図４に示す形態にかかる集合体の一部を拡大して示す側面図であり、構成の理解を容易にするため、側面視で確認可能なチューブ型燃料電池セル４個のうち、チューブ型燃料電池セル２個の記載を省略している。図５の紙面左右方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図６は、図４に示す形態にかかる集合体の一部を拡大して示す断面図であり、紙面左右方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。以下、図１〜図６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説明する。
【００２９】
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１００（以下、「燃料電池モジュール１００」という。）は、一方向に配置された複数の集合体３０、３０、…と、当該複数の集合体３０、３０、…を収容するケース部材４０と、を備える。そして、ケース部材４０の内形及び外形の断面形状は、図１及び図２にＡで示される端部を除き、間隔を空けずに一列に配置される複数の集合体３０、３０、…の外形の断面形状と略相似形とされている。図４〜図６に示すように、燃料電池モジュール１００に備えられる集合体３０は、多角形（正六角形）の頂点位置に配置される６個のチューブ型燃料電池セル１０、１０、…（以下、「セル１０」ということがある。）と、当該セル１０、１０、…によって囲まれる空間に配置される導電体２０（以下、「外部集電体２０」という。）と、セル１０、１０、…の外表面に配設される拘束部材としての拘束ワイヤ３１と、を備えている。拘束ワイヤ３１は、セル１０、１０、…の軸方向の略全長に亘って、所定の間隔を空けて巻回され、その両端は図示されていない固定手段によって固定されており、当該拘束ワイヤ３１で拘束されることにより、外部集電体２０と複数のセル１０、１０、…との接触が維持されている。セル１０は、水素用流路２、２、…を備える内部集電体１と、内部集電体１の外周面に配設される中空形状のＭＥＡ３と、ＭＥＡ３の外周面に配設される外部集電部４と、を備え、複数のセル１０、１０、…の外部集電部４、４、…と接触している外部集電体２０には、熱媒体流通用の流路２１（以下、「冷媒流路２１」という。）が備えられている。燃料電池モジュール１００において、外部集電体２０の外径は、セル１０の外径と略同一とされている。
【００３０】
図５及び図６に示すように、集合体３０に備えられる複数のセル１０、１０、…の内部集電体１、１、…は、内部集電板３２と接触し、外部集電体２０は外部集電板３３と接触している。図６に示すように、内部集電板３２は、複数の内部集電体１、１、…と外部集電体２０との間に配設される内部集電板３２ａと、内部集電体１、１、…に対して内部集電板３２ａと反対側に配設される内部集電板３２ｂと、を備えている。一方、外部集電板３３は、外部集電板３３ａ及び外部集電板３３ｂを備え、外部集電板３３ａは、外部集電板３３ｂ及び外部集電体２０によって狭持されている。さらに、図６に示すように、集合体３０には、絶縁体３４が備えられ、当該絶縁体３４が内部集電板３２ａと外部集電体２０との間に配設されることにより、短絡が防止されている。
【００３１】
図１〜図３に示すように、燃料電池モジュール１００に備えられる６０個のセル１０、１０、…と１０個の外部集電体２０、２０、…をケース部材４０へ収容する際には、外部集電体２０と６個のセル１０、１０、…とを拘束ワイヤ３１によって予め拘束することにより作製した１０個の集合体３０、３０、…を一列に配置すればよい。そのため、６０個のチューブ型燃料電池セル１０、１０、…と１０個の外部集電体２０、２０、…とを、位置決めしながら順に配置していた従来の形態と比較して、本発明の燃料電池モジュール１００によれば、組立時の作業効率（生産性）を大幅に向上させることができる。
【００３２】
さらに、本発明の燃料電池モジュール１００には、６個のセル１０、１０、…に対して１個の外部集電体２０が備えられている。１個のチューブ型燃料電池セルに対して１個の冷却媒体が備えられていた従来の形態と比較して、本発明の燃料電池モジュール１００では、冷却媒体としても機能する外部集電体２０の数が低減されるので、セル１０、１０、…の集積密度を容易に向上させることができる。
【００３３】
本発明の燃料電池モジュール１００には、複数の集合体３０、３０、…が備えられ、集合体３０に備えられる、外部集電体２０及び６個のセル１０、１０、…は、セル１０、１０、…の軸方向の略全長に亘って配設される拘束ワイヤ３１によって拘束されている。それゆえ、集合体３０は、セル１０、１０、…の軸方向の略全長に亘って、セル１０、１０、…と外部集電体２０との接触（密着）が維持されるので、セル１０、１０、…を均一に冷却することができる。かかる形態の集合体３０、３０、…が備えられるので、燃料電池モジュール１００によれば、発電性能を向上させることができる。また、拘束ワイヤ３１により、外部集電体２０と複数のセル１０、１０、…との接触は、セル１０、１０、…の軸方向の略全長に亘って維持されるので、６個のセル１０、１０、…に対して１個の外部集電体２０が備えられる形態であっても、外部集電体２０の冷媒流路２１を流れる冷媒によって、６個のセル１０、１０、…を効率良く冷却することができる。
【００３４】
加えて、集合体３０では、外部集電体２０と複数のセル１０、１０、…との接触が、セル１０、１０、…の軸方向の略全長に亘って維持されるので、当該軸方向の略全長に亘って、６個のセル１０、１０、…に備えられる外部集電部４、４、…と外部集電体２０との接触を維持することができる。したがって、かかる形態の集電体３０が備えられる本発明の燃料電池モジュール１００によれば、集電効率を向上させることができる。
【００３５】
このように、本発明の燃料電池モジュール１００によれば、セル１０、１０、…の集積度を向上させることができ、冷却効率及び集電効率を向上させることができるので、発電性能を向上させることができる。
【００３６】
１．２．第２実施形態
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概略的に示す断面図であり、紙面奥／手前方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図８は、第２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ケース部材の端面を概略的に示す断面図であり、紙面奥／手前方向が、ケース部材に収容されるチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図９は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールを概略的に示す正面図であり、燃料電池モジュールに備えられる外部集電板の記載を省略している。図９の紙面奥／手前方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図１０は、第２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集合体の形態例を概略的に示す断面図であり、紙面奥／手前方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図１１は、図１０に示す形態にかかる集合体の一部を拡大して示す側面図であり、構成の理解を容易にするため、側面視で確認可能なチューブ型燃料電池セル４個のうち、チューブ型燃料電池セル２個の記載を省略している。図１１の紙面左右方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図１２は、図１０に示す形態にかかる集合体の一部を拡大して示す断面図であり、紙面左右方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図７〜図１２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。以下、図７〜図１２を参照しつつ、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールについて説明する。
【００３７】
図７〜図９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、「燃料電池モジュール２００」という。）は、一方向に配置された複数の集合体５０、５０、…と、当該複数の集合体５０、５０、…を収容するケース部材６０と、を備える。そして、ケース部材６０の内形及び外形の断面形状は、図７及び図８にＢで示される端部を除き、間隔を空けずに一列に配置される複数の集合体５０、５０、…の外形の断面形状と略相似形とされている。図１０〜図１２に示すように、燃料電池モジュール２００に備えられる集合体５０は、多角形（正八角形）の頂点位置に配置される８個のセル１０、１０、…と、当該セル１０、１０、…によって囲まれる空間に配置される導電体２２（以下、「外部集電体２２」という。）と、セル１０、１０、…の外表面に配設される拘束ワイヤ３１と、拘束ワイヤ３１の両端部に配設されるＯ型の帯状部材３５（以下、「緩み止めバンド３５」という。）を備えている。燃料電池モジュール２００において、外部集電体２２の外径をＤ、チューブ型燃料電池モジュール１０の外径をｄとするとき、Ｄ≒１．１６３ｄとされている。
【００３８】
図１１及び図１２に示すように、集合体５０に備えられる複数のセル１０、１０、…の内部集電体１、１、…は、内部集電板３６と接触し、外部集電体２０は外部集電板３７と接触している。図１２に示すように、内部集電板３６は、複数の内部集電体１、１、…と外部集電体２０との間に配設される内部集電板３６ａと、内部集電体１、１、…に対して内部集電板３６ａと反対側に配設される内部集電板３６ｂと、を備えている。一方、外部集電板３７は、外部集電板３７ａ及び外部集電板３７ｂを備え、外部集電板３７ａは、外部集電板３７ｂ及び外部集電体２０によって狭持されている。
【００３９】
このように、集合体５０では、拘束ワイヤ３１の両端部が緩み止めバンド３５によって固定されているので、簡易な構成で拘束ワイヤ３１の両端を固定することができる。拘束ワイヤ３１は、外部集電体２０と８個のセル１０、１０、…とを拘束することにより、集合体５０の冷却効率及び集電効率を向上させ得る機能を有する部材であるため、拘束ワイヤ３１の両端が簡易な構成で固定されることにより、集合体の冷却効率及び集電効率を容易に向上させることができる。したがって、かかる形態の集合体５０、５０、…を備える形態とすることで、容易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２００を提供することができる。
【００４０】
また、燃料電池モジュール２００は、拘束ワイヤ３１によって予め拘束された外部集電体２０及びセル１０、１０、…を具備する集合体５０、５０、…を備えている。そのため、燃料電池モジュール１００と同様に、組立時の作業効率（生産性）を大幅に向上させることができる。
【００４１】
１．３．第３実施形態
図１３は、本発明の燃料電池モジュールの他の形態例を概略的に示す断面図であり、紙面奥／手前方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図１３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にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図１３を参照しつつ、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールについて説明する。
【００４２】
図１３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、「燃料電池モジュール３００」という。）は、規則的に配置された、複数のセル１０、１０、…、及び、複数の内部集電体２０、２０、…と、これらを収容するケース部材７０と、を備えている。ケース部材７０は、セル１０、１０、…の軸方向の両端部にそれぞれ備えられ、燃料電池モジュール３００では、ケース部材７０によって拘束されることにより、セル１０、１０、…と内部集電体２０、２０、…との接触が維持され、当該ケース部材７０により、燃料電池モジュール３００の外形形状が維持される。すなわち、燃料電池モジュール３００に備えられるケース部材７０は、燃料電池モジュール１００におけるケース部材４０の機能及び拘束ワイヤ３１の機能を有し、燃料電池モジュール２００におけるケース部材６０の機能及び拘束ワイヤ３１の機能を有している。
【００４３】
上記第１実施形態及び第２実施形態とは異なり、燃料電池モジュール３００では、複数のセル１０、１０、…に加え、複数の外部集電体２０、２０、…が、ケース部材７０の内側に収容されている。燃料電池モジュール３００に備えられる各セル１０、１０、…は、１個の外部集電体２０、又は、２個の外部集電体２０、２０と接触しており、１個の外部集電体２０の周囲に、６個のセル１０、１０、…が配設されている。したがって、かかる形態とすることにより、冷却媒体としての機能も有する外部集電体２０の数を低減できるので、セル１０、１０、…の集積密度を向上させることができ、その結果、燃料電池モジュール３００の発電性能を向上させることができる。
また、燃料電池モジュール３００によれば、セル１０、１０、…の軸方向の両端部にそれぞれ配設されるケース部材によって、複数のセル１０、１０、…と複数の外部集電体２０、２０、…の接触が、セル１０、１０、…の軸方向の略全長に亘って維持される。それゆえ、燃料電池モジュール３００によれば、集電効率を向上させることができるほか、セル１０、１０、…の冷却効率を向上させることができるので、容易に発電性能を向上させることができる。
さらに、燃料電池モジュール３００には、複数のセル１０、１０、…と外部集電体２０、２０、…とを拘束するケース部材７０が備えられるので、当該ケース部材７０の形状は、複数のセル１０、１０、…と外部集電体２０、２０、…とを図１３に示す形態（集積密度を向上させやすい形態）で配置させ得る形状とされている。かかる形状のケース部材７０が備えられることで、当該ケース部材７０の内側に配設される複数のセル１０、１０、…、及び、外部集電体２０、２０、…の位置決めが容易になるので、燃料電池モジュール３００によれば、生産性を向上させることができる。
したがって、図１３に示す形態とすることにより、発電性能と生産性とを向上させることが可能な、燃料電池モジュール３００を提供することができる。
【００４４】
さらに、燃料電池モジュール３００に備えられる外部集電体２０、２０、…の外径は、セル１０、１０、…の外径と略同一とされているので、図１３にＣ、Ｃ、…で示される面を、平滑面とすることができる。それゆえ、複数の燃料電池モジュール３００、３００、…を積層する際に、その集積密度を向上させることができる。
【００４５】
燃料電池モジュール３００に関する上記説明では、平行四辺形の一の対角線上に配置された一組の頂点を、他の対角線と平行な方向へ切断する等の方法により形成される、六角形を断面形状とするケース部材７０が備えられる形態を例示したが、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。ただし、ケース部材７０の、図１３の紙面上下方向の長さと紙面左右方向の長さとの比が１：１に近づくほど、セル１０、１０、…の集積密度を向上させることが可能になるため、セル１０、１０、…の集積密度を向上させることにより、燃料電池モジュールの発電性能を向上させる等の観点からは、図１３に示す形態とすることが好ましい。第３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集合体の他の形態例を、図１４に示す。
【００４６】
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概略的に示す断面図であり、紙面奥／手前方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図１４において、図１３に示す部材と同様の構成を採るものには、図１３にて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１４に示す燃料電池モジュール３００’は、三角形の全ての頂点を対辺と平行に切断する等の方法により形成される六角形を断面形状とするケース部材８０を備えている。ケース部材８０は、セル１０、１０、…の軸方向の両端部にそれぞれ備えられ、燃料電池モジュール３００’では、ケース部材８０によって拘束されることにより、複数のセル１０、１０、…と複数の外部集電体２０、２０、…との接触が維持され、当該ケース部材８０により、燃料電池モジュール３００’の外形形状が維持されている。すなわち、図１４に示す形態であっても、図１３に示す形態と同様に、チューブ型燃料電池セル１０、１０、…の冷却効率を維持しつつ、集積密度を向上させることができる。さらに、燃料電池モジュール３００’に備えられるケース部材８０も、複数のセル１０、１０、…と外部集電体２０、２０、…とを集積密度を向上させやすい形態で配置させ得る形状とされているので、複数のセル１０、１０、…及び外部集電体２０、２０、…の位置決めが容易になる。したがって、燃料電池モジュール３００’によっても、発電性能と生産性とを向上させることが可能になる。加えて、燃料電池モジュール３００’に備えられる外部集電体２０、２０、…の外径は、セル１０、１０、…の外径と略同一とされているので、図１３にＤ、Ｄ、…で示される面を、平滑面とすることができる。それゆえ、複数の燃料電池モジュール３００’、３００’、…を積層する際に、その集積密度を向上させることができる。
【００４７】
本発明の燃料電池モジュール１００、２００において、ケース部材４０、６０は、複数の集合体３０、３０、…、５０、５０、…を収容可能であり、かつ、燃料電池モジュール１００、２００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。また、本発明の燃料電池モジュール３００、３００’において、ケース部材７０、８０は、複数のセル１０、１０、…、及び、複数の外部集電体２０、２０、…を収容可能であるとともに、燃料電池モジュール３００の外形を維持可能であり、かつ、燃料電池モジュール３００の運転時の環境に耐え得る性質を備えていれば、その形態は特に限定されるものではない。ケース部材４０、６０、７０、８０を構成する材料の具体例としては、絶縁性樹脂等を挙げることができる。
【００４８】
燃料電池モジュール１００、２００において、複数のセル１０、１０、…の外表面に配設される拘束ワイヤ３１は、複数のセル１０、１０、…、及び、外部集電体２０、２２を拘束可能であるとともに、燃料電池モジュール１００、２００の運転時の環境に耐え得る性質を備えていれば、その形態は特に限定されるものではない。拘束ワイヤ３１は、絶縁性材料又は導電性材料のいずれによって構成されていても良い。さらに、燃料電池モジュール１００、２００に関する説明では、拘束部材として、所定の間隔を空けて巻回された拘束ワイヤ３１（線状部材）が備えられる形態を例示したが、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。外部集電体と複数のチューブ型燃料電池セルとを拘束する拘束部材は、集合体に備えられる複数のチューブ型燃料電池セルの外周面へ酸素含有ガス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。拘束部材が採り得る形態としては、上述のような、所定の間隔を空けて巻回された線状部材によって構成される形態のほか、例えば、格子状（網状）形態の拘束部材によって、複数のセル１０、１０、…、及び、外部集電体２０、２２が拘束される形態とすることも可能である。
【００４９】
燃料電池モジュール２００に備えられる緩み止めバンド３５は、拘束ワイヤ３１の両端を固定可能であるとともに、燃料電池モジュール２００の運転時の環境に耐え得る性質を備えていれば、その形態は特に限定されるものではない。緩み止めバンド３５は、絶縁性材料又は導電性材料のいずれによって構成されていても良い。また、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、緩み止めバンド３５が備えられない形態を例示したが、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、拘束ワイヤ３１の両端が緩み止めバンド３５によって固定される形態とすることも可能である。さらに、緩み止めバンド３５の幅は、拘束ワイヤ３１の両端を固定可能な幅であれば、特に限定されるものではないが、幅が過度に広くなると、セル１０、１０、…の外周面へ酸素含有ガスが供給され難くなる恐れがある。それゆえ、緩み止めバンド３５は、拘束ワイヤ３１の両端を固定するために必要とされる最小の幅とすることが好ましい。
【００５０】
本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、一の集合体の多角形の辺と、当該一の集合体と隣接する他の集合体の多角形の辺とが面するように配置される形態を例示したが（図１、図７等参照）、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、例えば、一の集合体の多角形の頂点と、当該一の集合体と隣接する他の集合体の多角形の頂点とが接触するように配置される形態とすることも可能である。ただし、ケース部材に収容される集合体の集積密度を向上させることにより、良好な発電性能を有する燃料電池モジュールを提供する等の観点からは、一の集合体の多角形の辺と、当該一の集合体と隣接する他の集合体の多角形の辺とが接触するように配置される形態とすることが好ましい。
【００５１】
本発明の燃料電池モジュール１００、２００、３００、３００’（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。）に備えられるセル１０を構成する内部集電体１は、ＭＥＡ３の内周面側の集電（以下、「内部集電」という。）を行うことができ、かつ、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ていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。ただし、電気抵抗を低減することにより発電性能を容易に向上させ得る形態の燃料電池モジュールを提供する観点からは、良好な電子伝導性を有する金属（銅、金等）により構成されることが好ましい。  
【００５２】
セル１０を構成する中空形状のＭＥＡ３は、水素からプロトン及び電子が生じる電気化学反応を生じさせるアノード触媒層と、プロトン及び電子と酸素とから水が発生する電気化学反応を生じさせるカソード触媒層との間に、プロトン伝導体（プロトン伝導性ポリマー）により構成される固体高分子膜が備えられていれば、その形態は特に限定されるものではない。固体高分子膜を構成す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固体高分子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固体高分子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。
【００５３】
ＭＥＡ３に備えられるアノード触媒層及びカソード触媒層は、上記電気化学反応の触媒として機能する物質（触媒）と、上記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）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、上記固体高分子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。
【００５４】
セル１０を構成する外部集電部４は、ＭＥＡ３の外周面側の集電（以下、「外部集電」という。）を行うことができ、かつ、本発明の燃料電池モジュール運転時の環境に耐え得る性質を備えていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。ただし、電気抵抗を低減することにより発電性能を容易に向上させ得る形態の燃料電池モジュールを提供する観点からは、良好な電子伝導性を有する金属（銅、金等）により構成されることが好ましい。また、外部集電部４は、ＭＥＡ３の外周面へ酸素含有ガスを供給可能であり、かつ、ＭＥＡ３の外部集電を行い得る形態で配設されていれば、その配設形態は特に限定されるものではない。外部集電部４が導電性材料からなる線材により構成される場合には、当該線材を、所定の間隔を空けて配設することが好ましい。
【００５５】
複数のセル１０、１０、…と接触する外部集電体２０、２２は、セル１０、１０、…の外部集電を行うことができ、かつ、本発明の燃料電池モジュール運転時の環境に耐え得る性質を備えていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。ただし、電気抵抗を低減することにより発電性能を容易に向上させ得る形態の燃料電池モジュールを提供する観点からは、良好な電子伝導性を有する金属（銅、金等）により構成されることが好ましい。
【００５６】
また、燃料電池モジュール１００、２００に関する上記説明では、外部集電体として機能するとともに冷却媒体としても機能する外部集電体２０、２２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。ただし、部品点数削減及び軽量化を図るとともに、チューブ型燃料電池セルの集積密度を向上させることにより、より一層発電性能を向上させ得る形態の燃料電池モジュールとする観点からは、外部集電体及び冷却媒体として機能する外部集電体が備えられる形態とすることが好ましい。
【００５７】
外部集電体２０、２２に備えられる冷媒流路２１は、外部集電体２０、２２に予め備えられる空間であっても良く、外部集電体２０、２２を加工することにより形成されていても良い。外部集電体２０、２２が上記金属により構成され、冷媒流路２１の表面が当該金属面により構成される場合には、漏電を防止する等の観点から、冷媒流路２１には絶縁性の冷媒を流通することが好ましい。
【００５８】
集合体３０、５０に備えられる内部集電板３２、３６は、例えば、燃料電池モジュール１００、２００に備えられる複数の内部集電体１、１、…の全てと接触することにより、燃料電池モジュール１００、２００の内部集電を行うことができ、かつ、燃料電池モジュール１００、２００の運転時の環境に耐え得る性質を備えていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。ただし、電気抵抗を低減することにより発電性能を容易に向上させ得る形態の燃料電池モジュールを提供する観点からは、良好な電子伝導性を有する金属（銅、金等）により構成されることが好ましい。
【００５９】
燃料電池モジュール１００、２００に関する上記説明では、内部集電板３２ａ及び内部集電板３２ｂからなる形態の内部集電板３２、並びに、内部集電板３６ａ及び内部集電板３６ｂからなる形態の内部集電板３６を例示したが、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、単一の部材によって構成される形態の内部集電板が備えられる形態とすることも可能である。ただし、内部集電板と複数の内部集電体との密着性を確保しつつ、製造時に組み立て易い形態の内部集電板とする等の観点からは、複数の部材からなる形態の内部集電板が備えられることが好ましい。
本発明において、内部集電板３２は、例えば、金属の板状部材にプレス成形を施す等により作製することができる。このように構成される内部集電板３２が備えられる形態とすることにより、後述する図１６に示されるモジュール１００ａ及びモジュール１００ｃでは、紙面手前側が内部集電板３２の表面となるように配置するとともに、モジュール１００ｂでは、紙面手前側が内部集電板３２の裏面となるように配置することができる。すなわち、内部集電板３２の表面及び裏面をそれぞれ用いることにより、部品の共通化を図ることができるので好ましい。一方で、内部集電板３６は、例えば、金属の板状部材を機械加工する等により作製することができる。
【００６０】
集合体３０、５０に備えられる外部集電板３３、３７は、例えば、燃料電池モジュール１００、２００に備えられる複数の外部集電体２０、２０、…、２２、２２、…の全てと接触することにより、燃料電池モジュール１００、２００の外部集電を行うことができ、かつ、燃料電池モジュール１００、２００の運転時の環境に耐え得る性質を備えていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。ただし、電気抵抗を低減することにより発電性能を容易に向上させ得る形態の燃料電池モジュールを提供する観点からは、良好な電子伝導性を有する金属（銅、金等）により構成されることが好ましい。
【００６１】
燃料電池モジュール１００、２００に関する上記説明では、外部集電板３３ａ及び外部集電板３３ｂからなる形態の外部集電板３３、並びに、外部集電板３７ａ及び外部集電板３７ｂからなる形態の外部集電板３７を例示したが、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、単一の部材によって構成される形態の外部集電板が備えられる形態とすることも可能である。ただし、外部集電板と複数の外部集電体との密着性を確保しつつ、製造時に組み立て易い形態の外部集電板とする等の観点からは、複数の部材からなる形態の外部集電板が備えられることが好ましい。
本発明において、外部集電板３３は、例えば、金属の板状部材により構成することができる。これに対し、外部集電板３７は、例えば、金属の板状部材を機械加工する等により作製することができる。
【００６２】
集合体３０、５０に備えられる絶縁体３４は、内部集電板３２と外部集電体２０、又は、内部集電板３６と外部集電体２２との接触を防止することにより、内部集電板３２と外部集電体２０、又は、内部集電板３６と外部集電体２２との通電（短絡）を防止し得る形態を備えていれば、その構成材料及び形状は特に限定されるものではない。絶縁体３４を構成する材料の具体例としては、絶縁性樹脂等を挙げることができる。
【００６３】
燃料電池モジュール１００に関する上記説明では、１個の外部集電体２０と６個のセル１０、１０、…とを備える集合体３０が備えられる形態を例示し、燃料電池モジュール２００に関する上記説明では、１個の外部集電体２２と８個のセル１０、１０、…とを備える集合体５０が備えられる形態を例示したが、１個の外部集電体の周囲に配置されるチューブ型燃料電池セルの個数は、上記形態に限定されるものではない。ただし、チューブ型燃料電池セルの集積密度を向上させつつ集電効率を向上させる等の観点からは、１個の外部集電体の周囲に配置されるチューブ型燃料電池セルの個数を、６個以上８個以下とすることが好ましい。１個の外部集電体の周囲に９個以上のチューブ型燃料電池セルを配置すると、外部集電体の外径が大きくなるため、チューブ型燃料電池セルの集積密度が低下する恐れがある。これに対し、１個の外部集電体の周囲に３個以上５個以下のチューブ型燃料電池セルを配置すると、これらのチューブ型燃料電池セルによって周囲を囲まれる空間が小さくなるため、電子の移動路としての役割を果たす外部集電体の厚みが薄くなりやすく、その結果、電気抵抗が増大する恐れがある。
【００６４】
２．燃料電池
２．１．第１実施形態
図１５は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図であり、構造の理解を容易にするため、本発明の燃料電池に備えられる複数の燃料電池モジュールのうち、３個の燃料電池モジュールのみを抽出し、積層されるこれらの燃料電池モジュールを、間隔を空けて示している。図１５の紙面奥／手前方向が燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図１６は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を概略的に示す正面図であり、紙面奥／手前方向が燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図１６では紙面奥側に配置される内部集電板等を視認可能なように、外部集電板を透過させて当該内部集電板等を示している。図１７は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部を概略的に示す断面図であり、紙面の左右方向が燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セルの軸方向である。構造の理解を容易にするとともに図が煩雑になることを防止するため、図１７では符号の記載を適宜省略している。図１５〜図１７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。また、図１６及び図１７において、図１５に示す部材と同様の構成を採るものには、図１５で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図１〜図６、及び、図１５〜図１７を参照しつつ、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池について説明する。
【００６５】
図１５及び図１６に示すように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池１０００（以下、「燃料電池１０００」という。）は、複数の燃料電池モジュール１００、１００、…（以下、「モジュール１００ａ」、「モジュール１００ｂ」、「モジュール１００ｃ」等ということがある。）を積層して構成される積層体５００を備え、互いに隣接する一のモジュール１００ａと他のモジュール１００ｂとが、モジュール１００ａを構成するケース部材４０の凹部及び凸部と、モジュール１００ｂを構成するケース部材４０の凸部及び凹部とが噛み合う形態で積層され、互いに隣接するモジュール１００ｂ及びモジュール１００ｃもそれぞれの凹凸が噛み合う形態で積層されている。それゆえ、本発明によれば、モジュール１００ａ、モジュール１００ｂ、及び、モジュール１００ｃを間隔を空けずに積層することができる。したがって、本発明の燃料電池１０００によれば、セル１０、１０、…の集積密度を向上することが可能になり、その結果、発電性能を向上させることができる。
【００６６】
図１６に示すように、モジュール１００ａ及びモジュール１００ｂは、モジュール１００ａに備えられる内部集電板３２（より具体的には、内部集電板３２ｂ）とモジュール１００ｂに備えられる外部集電板３３（より具体的には、外部集電板３３ｂ）とが、図１６にＥで示される、モジュール１００ａ及びモジュール１００ｂの端部で接触しており、当該接触によって、モジュール１００ａとモジュール１００ｂとが電気的に直列に接続されている。さらに、モジュール１００ｂ及びモジュール１００ｃは、モジュール１００ｂに備えられる内部集電板３２（内部集電板３２ｂ）とモジュール１００ｃに備えられる外部集電板３３（外部集電板３３ｂ）とが、図１６にＦで示される、モジュール１００ｂ及びモジュール１００ｃの端部で接触しており、当該接触によって、モジュール１００ｂとモジュール１００ｃとが電気的に直列に接続されている。このように、本発明の燃料電池１０００によれば、モジュール１００ａ、モジュール１００ｂ、及び、モジュール１００ｃの両端側に形成される空間で、モジュール１００ａ、モジュール１００ｂ、及び、モジュール１００ｃが電気的に直列に接続されるので、無駄な空間を低減することにより、単位体積当たりの発電性能を向上させることが可能になる。
【００６７】
図１７を参照しつつ、モジュール１００ａに備えられる内部集電板３２とモジュール１００ｂに備えられる外部集電板３３との接触形態について説明する。図１７に示すように、モジュール１００ａに備えられる内部集電板３２ｂと、モジュール１００ｂに備えられる外部集電板３３ｂとが、連結体９０を介して接触している。そして、内部集電板３２ｂと連結体９０と外部集電板３３ｂとがボルト９１を介して固定されることにより、モジュール１００ａとモジュール１００ｂとの接続が維持されている。ここで、モジュール１００ａに備えられる内部集電板３２ｂは、モジュール１００ａに備えられる全ての内部集電体１、１、…と接触している内部集電板３２を構成する部材であり、モジュール１００ａの内部集電を行う。一方、モジュール１００ｂに備えられる外部集電板３３ｂは、モジュール１００ｂに備えられる全ての外部集電体２０、２０、…と接触している外部集電板３３を構成する部材であり、モジュール１００ｂの外部集電を行う。そして、連結体９０及びボルト９１は、導電性材料によって構成されている。それゆえ、図１７に示す形態でモジュール１００ａとモジュール１００ｂとを接続することにより、モジュール１００ａとモジュール１００ｂとを電気的に直列に接続することが可能になるので、本発明の燃料電池１０００によれば、容易に高電圧化を図ることができる。
【００６８】
２．２．第２実施形態
図１８は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す断面図であり、紙面左右方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図１８では、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の一部のみを拡大して示している。図１８において、図１〜図１７に示す部材と同様の構成を採るものには、図１〜図１７で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図１８を参照しつつ、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池について説明する。なお、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる燃料電池モジュール１００’と、上記燃料電池モジュール１００とは、内部集電板及び外部集電板の形態が異なり、燃料電池モジュール１００’には上記連結体９０及びボルト９１が備えられていない。
【００６９】
図１８に示すように、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池２０００（以下、「燃料電池２０００」という。）は、複数の燃料電池モジュール１００’、１００’、…（以下、「モジュール１００ａ’」、「モジュール１００ｂ’」等ということがある。）を備えている。隣接する一の燃料電池モジュール１００ａ’と他の燃料電池モジュール１００ｂとは、モジュール１００ａ’に備えられる内部集電板３２ｂ’とモジュール１００ｂ’に備えられる外部集電板３３ｂ’とが、図１８にＧで示される、モジュール１００ａ’及びモジュール１００ｂ’の端部で直接接触（面接触）しており、当該接触によって、モジュール１００ａ’とモジュール１００ｂ’とが電気的に直列に接続されている。かかる形態でモジュール１００ａ’とモジュール１００ｂ’とが接触しても、モジュール１００ａ’とモジュール１００ｂ’とを電気的に直列に接続することができるので、燃料電池２０００によれば、容易に高電圧化を図ることができる。なお、燃料電池２０００では、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形態の燃料電池とする観点から、図１８の上下方向から所定の圧縮圧力が加えられることが好ましい。かかる形態とすることにより、モジュール１００ａ’に備えられる内部集電板３２ｂ’とモジュール１００ｂ’に備えられる外部集電板３３ｂ’との間の接触抵抗を低減することが可能になる。
【００７０】
本発明の燃料電池１０００、２０００に関する上記説明では、外部集電体２０の周囲に６個のチューブ型燃料電池セル１０、１０、…が配置された形態の集合体３０を複数備える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、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、例えば、複数の燃料電池モジュール２００、２００、…が備えられる形態とすることも可能である。ただし、積層される燃料電池モジュール間に形成され得る空間を低減することにより燃料電池モジュールの集積密度を向上させ、その結果として発電性能を向上させ得る形態の燃料電池とする観点からは、１個の外部集電体の周囲に６個のチューブ型燃料電池セルが配置された形態の集合体が備えられる燃料電池とすることが好ましい。
【００７１】
本発明の燃料電池に関する上記説明では、内部集電板３２ａ及び内部集電板３２ｂを備える内部集電板３２、並びに、外部集電板３３ａ及び外部集電板３３ｂを備える外部集電板３３が備えられる形態、又は、内部集電板３２ａ’及び内部集電板３２ｂ’を備える内部集電板３２’、並びに、外部集電板３３ａ’及び外部集電板３３ｂ’を備える外部集電板３３’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い。ただし、内部集電板と複数の内部集電体との良好な接触を維持しつつ、組み立て易い形態の燃料電池とする等の観点からは、複数の部材を備える内部集電板が備えられる形態とすることが好ましく、外部集電板と複数の外部集電体との良好な接触を維持しつつ、組み立て易い形態の燃料電池とする等の観点からは、複数の部材を備える外部集電板が備えられる形態とすることが好ましい。
【００７２】
上記形態にかかる燃料電池１０００は、例えば、以下の工程を経ることにより、組み立てることができる。
燃料電池モジュール１００に備えられる複数のセル１０、１０、…と、複数の外部集電体２０、２０、…と、拘束ワイヤ３１、３１、…と、内部集電板３２、３２と、外部集電板３３、３３と、絶縁体３４、３４、…と、を準備し、外部集電体２０の軸方向両端部に絶縁体３４、３４を配置する。次いで、正六角形の頂点位置に６個のセル１０、１０、…を配置し、当該６個のセル１０、１０、…によって囲まれる空間へ、その両端部に絶縁体３４、３４が配設された内部集電体２０を配置する。次いで、上記絶縁体３４、３４と６個の内部集電体１、１、…との間に、内部集電板３２ａ、３２ａを配置する。次いで、６個のセル１０、１０、…の周囲に、拘束ワイヤ３１を巻回する。このようにして、内部集電板３２ａが配設された形態の集合体３０を複数作製する。引き続き、作製した複数の集合体３０、３０、…を、所定の間隔を空けて一列に配置し、複数の集合体３０、３０、…に備えられる全ての内部集電体１、１、…を、上記内部集電板３２ａ、３２ａ、…と内部集電板３２ｂ、３２ｂとで狭持すべく、セル１０、１０、…の軸方向両端部に、内部集電板３２ｂ、３２ｂを配設する。このようにして内部集電板３２ｂ、３２ｂを配設した後、続いて、内部集電板３２ｂ、３２ｂよりもセル１０、１０、…の軸方向端部側へ、外部集電板３３、３３を配設する。ここで、外部集電板３３は、外部集電板３３ａ及び外部集電板３３ｂを備えている。そのため、外部集電板３３、３３を配設する場合には、一列に配置された集合体３０、３０、…に備えられる各外部集電体２０、２０、…の外周面に、外部集電板３３ａ、３３ａ、…を配設し、その後、当該外部集電板３３ａ、３３ａ、…を、外部集電体２０、２０、…と外部集電板３３ｂ、３３ｂとで狭持すべく、集合体３０、３０、…の軸方向両端部に、外部集電板３３ｂ、３３ｂを配設する。このようにして、内部集電板３２、３２及び外部集電板３３、３３が配設された形態の構造体を作製した後、引き続き、内部集電板３２及び外部集電板３３の端面がケース部材４０の外側へと突き出た形態となるように、当該構造体をケース部材４０に収容する。かかる工程を経ることで、燃料電池モジュール１００を組み立てることができる。その後、上記工程により組み立てた複数の燃料電池モジュール１００、１００、…を、図１５及び図１６に示す形態で積層する。このようにして、複数の燃料電池モジュール１００、１００、…を積層して構成される積層体５００を作製した後、隣接する一の燃料電池モジュール１００に備えられる内部集電板３２ｂと他の燃料電池モジュール１００に備えられる外部集電板３３ｂとを、連結体９０及びボルト９１を介して接触させ固定する。このようにして、隣接する全ての燃料電池モジュール１００、１００、…の端部を接触させ固定することにより、複数の燃料電池モジュール１００、１００、…が電気的に直列に接続される形態の、燃料電池１０００を組み立てることができる。
【００７３】
２．３．第３実施形態
図１９及び図２０は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す断面図であり、紙面奥／手前方向がチューブ型燃料電池セルの軸方向である。図１９及び図２０において、図１３及び図１４に示す部材と同様の構成を採るものには、これらの図で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図１９及び図２０を参照しつつ、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池について説明する。
【００７４】
図１９に示すように、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池３０００は、複数の燃料電池モジュール３００、３００、…を一列に積層して構成される積層体６００を備えている。一方、図２０に示すように、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池３０００’は、複数の燃料電池モジュール３００’、３００’、…を一列に積層して構成される積層体６００’を備えている。このように、燃料電池３０００、３０００’には、燃料電池モジュール３００、３００’が複数備えられているので、発電性能と生産性とを向上させることが可能な燃料電池３０００、３０００’とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】燃料電池モジュール１００の形態例を概略的に示す断面図である。
【図２】ケース部材４０の端面を概略的に示す断面図である。
【図３】燃料電池モジュール１００を概略的に示す正面図である。
【図４】集合体３０の形態例を概略的に示す断面図である。
【図５】集合体３０の一部を拡大して示す側面図である。
【図６】集合体３０の一部を拡大して示す断面図である。
【図７】燃料電池モジュール２００の形態例を概略的に示す断面図である。
【図８】ケース部材６０の端面を概略的に示す断面図である。
【図９】燃料電池モジュール２００を概略的に示す正面図である。
【図１０】集合体５０の形態例を概略的に示す断面図である。
【図１１】集合体５０の一部を拡大して示す側面図である。
【図１２】集合体５０の一部を拡大して示す断面図である。
【図１３】燃料電池モジュール３００の形態例を概略的に示す断面図である。
【図１４】燃料電池モジュール３００’の形態例を概略的に示す断面図である。
【図１５】燃料電池１０００の形態例を概略的に示す断面図である。
【図１６】燃料電池１０００を概略的に示す正面図である。
【図１７】燃料電池１０００の一部を概略的に示す断面図である。
【図１８】燃料電池２０００の一部を概略的に示す断面図である。
【図１９】燃料電池３０００の形態例を概略的に示す断面図である。
【図２０】燃料電池３０００’の形態例を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１…内部集電体
２…水素用流路
３…ＭＥＡ
４…外部集電部
１０…チューブ型燃料電池セル
２０、２２…外部集電体（導電体）
２１…冷媒流路（熱媒体流通用の流路）
３０、５０…集合体
３１…拘束ワイヤ（拘束部材）
３２、３２ａ、３２ｂ…内部集電板
３３、３３ａ、３３ｂ…外部集電板
３４…絶縁体
３５…緩み止めバンド
３６、３６ａ、３６ｂ…内部集電板
３７、３７ａ、３７ｂ…外部集電板
４０、６０、７０、８０…ケース部材
９０…連結体
９１…ボルト
１００、１００’…燃料電池モジュール
１００ａ、１００ａ’…燃料電池モジュール
１００ｂ、１００ｂ’…燃料電池モジュール
２００…燃料電池モジュール
３００、３００’…燃料電池モジュール
５００…積層体
６００、６００’…積層体
１０００、２０００…燃料電池
３０００、３０００’…燃料電池
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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