(57)【要約】【課題】生産性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】間隔を空けて規則的に配列された複数の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の外周面と接触する外部集電体と、複数のチューブ型燃料電池セル及び複数の外部集電体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が、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、及び、第２電極の外周面側に配設される第２集電体と、を具備し、外部集電体の内部に、熱媒体流路が備えられ、複数のチューブ型燃料電池セルが、ケース部材及び複数の外部集電体によって狭持される、燃料電池モジュールとする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を空けて規則的に配列された複数の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によって囲まれる空間に配置され複数の前記チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する外部集電体と、前記複数のチューブ型燃料電池セル及び複数の前記外部集電体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が、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、及び、前記第２電極の外周面側に配設される第２集電体と、を具備し、
前記外部集電体の内部に、熱媒体流路が備えられ、
前記複数のチューブ型燃料電池セルが、前記ケース部材及び前記複数の外部集電体によって狭持されることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記外部集電体及び前記ケース部材の剛性が、前記中空形状の構造体の剛性よりも高いことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記複数のチューブ型燃料電池セルに備えられる複数の前記第１集電体と接触する第１集電部材が、前記複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に備えられ、
前記第１集電部材に、導電性を有する弾性材料からなる第１集電弾性体と、複数の前記第１集電体を貫通させ得る複数の開口部を有する第１連結体とが備えられ、
前記第１連結体の前記開口部に前記第１集電弾性体が配設され、前記第１連結体の前記開口部に配設された前記第１集電弾性体が、前記第１集電体及び前記第１連結体によって狭持されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記複数のチューブ型燃料電池セルに備えられる複数の前記第２集電体と接触する第２集電部材が、前記複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に備えられ、
前記第２集電部材に、導電性を有する弾性材料からなる第２集電弾性体と、複数の前記第２集電体を貫通させ得る複数の開口部を有する第２連結体とが備えられ、
前記第２連結体の前記開口部に前記第２集電弾性体が配設され、前記第２連結体の前記開口部に配設された前記第２集電弾性体が、前記第２集電体及び前記第２連結体によって狭持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モジュール。
【請求項５】
さらに、内径が前記チューブ型燃料電池セルの外径と略同一の開口部、を複数備える位置決め部材が、前記複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に備えられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記位置決め部材に、内径が前記チューブ型燃料電池セルの外径と略同一の開口部、を複数備える第１位置決め部材及び第２位置決め部材が備えられ、
前記第１位置決め部材及び前記第２位置決め部材によって周囲を囲まれる空間に、接着剤が配設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】
請求項１〜６のいずれか１項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と、前記積層体を収容する外部ケース部材とを備えることを特徴とする、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複数具備する、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、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、チューブ型燃料電池用膜電極複合体バンド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２００６−２１６４１６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、冷却媒体流通管に加え、当該冷却媒体流通管とは別の構成部材である外部集電体が備えられるため、チューブ型燃料電池セルの集積度を向上させ難いという問題があった。さらに、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、チューブ型燃料電池セル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があった。
【０００７】
そこで本発明は、生産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を提供することを課題とし、より具体的には、チューブ型燃料電池セルを容易に位置決めし得る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、間隔を空けて規則的に配列された複数の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によって囲まれる空間に配置され複数のチューブ型燃料電池セルの外周面と接触する外部集電体と、複数のチューブ型燃料電池セル及び複数の外部集電体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が、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、及び、第２電極の外周面側に配設される第２集電体と、を具備し、外部集電体の内部に、熱媒体流路が備えられ、複数のチューブ型燃料電池セルが、ケース部材及び複数の外部集電体によって狭持さ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、「間隔を空けて規則的に配列された複数のチューブ型燃料電池セル」とは、例えば、隣接する長方形又は正方形の各頂点が重なり合う形態で一方向に配置された長方形又は正方形の各頂点位置に、各チューブ型燃料電池セルが配置される形態（以下、本段落において「第１形態」という。）のほか、蜂の巣状に連続して配置された六角形の各頂点位置に、各チューブ型燃料電池セルが配列される形態（以下、本段落において「第２形態」という。）のように、複数のチューブ型燃料電池セルが特定の規則に則って幾何学的に配置されることを意味する。さらに、「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複数のチューブ型燃料電池セルの外周面と接触する外部集電体」とは、上記第１形態の場合には、複数の長方形又は正方形の中心位置に複数の外部集電体がそれぞれ配置され、当該外部集電体の外周面と長方形又は正方形の頂点位置に配置された複数のチューブ型燃料電池セルの外周面とが接触していることを意味する。上記第２形態の場合には、複数の六角形の中心位置に複数の外部集電体がそれぞれ配置され、当該外部集電体の外周面と長方形又は正方形の頂点位置に配置された複数のチューブ型燃料電池セルの外周面とが接触していることを意味する。外部集電体は、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、「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、「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、「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、「熱媒体」とは、チューブ型燃料電池セルを加温又は冷却し得る温熱媒体又は冷却媒体を意味し、温熱媒体の具体例をしては温水等を例示することができ、冷却媒体の具体例としては冷水のほか、ＬＬＣ（「ＬＬＣ」は株式会社デンソーの登録商標）等を例示することができる。さらに、「熱媒体流路」は、外部集電体に形成された孔を熱媒体流路として機能させる形態であっても良く、外部集電体の内部に予め備えられる空洞等を熱媒体流路として機能させる形態であっても良い。
【００１０】
上記第１の本発明において、外部集電体及びケース部材の剛性が、上記中空形状の構造体の剛性よりも高いことが好ましい。
【００１１】
ここに、「外部集電体及びケース部材の剛性が、上記中空形状の構造体の剛性よりも高い」とは、ケース部材及び外部集電体と接触するように、ケース部材と外部集電体との間に配置されたセルへ、ケース部材及び外部集電体の側から圧力を加えると、ケース部材及び外部集電体よりも先に中空形状の構造体が凹むことを意味する。以下においても同様である。
【００１２】
上記第１の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルに備えられる複数の第１集電体と接触する第１集電部材が、複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に備えられ、第１集電部材に、導電性を有する弾性材料からなる第１集電弾性体と、複数の第１集電体を貫通させ得る複数の開口部を有する第１連結体とが備えられ、第１連結体の開口部に第１集電弾性体が配設され、第１連結体の開口部に配設された第１集電弾性体が、第１集電体及び第１連結体によって狭持されることが好ましい。
【００１３】
ここに、「複数の第１集電体と接触する第１集電部材」とは、ケース部材に収容される複数の外部集電体の全てが一列に配置されている場合には、ケース部材に収容される複数のチューブ型燃料電池セルのそれぞれに備えられる第１集電体の全てと、第１集電部材とが接触することを意味する。これに対し、ケース部材に収容される複数の外部集電体が二列に配置されている場合には、一列に配置された外部集電体と接触する複数のチューブ型燃料電池セルにそれぞれ備えられる第１集電体の全てと、一の第１集電部材とが接触することを意味する。すなわち、外部集電体が二列に配置される場合には、ケース部材に収容された複数の第１集電体の半分と、一の第１集電部材とが接触し、残りの第１集電体は他の第１集電部材と接触することを意味する。以下同様に、ケース部材に収容された複数の外部集電体がｎ列（ｎは３以上の自然数）に配置されている場合には、当該ケース部材にｎ個の第１集電部材（各チューブ型燃料電池セルの長手方向両端部に第１集電部材がそれぞれ備えられる場合には２ｎ個の第１集電部材）が備えられ、当該ｎ個の第１集電部材のそれぞれがケース部材に備えられる複数の第１集電体の１／ｎ個と接触することを意味する。さらに、本発明において、「導電性を有する弾性材料」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。さらに、「複数の第１集電体を貫通させ得る複数の開口部」とは、一の第１集電部材と接触する第１集電体の数と同数の開口部を意味する。さらに、本発明において、「長手方向端部」とは、長手方向の一端側端部と両端側端部とを含む概念であり、「長手方向端部に備えられ」とは、長手方向の一端側端部にのみ備えられる形態のほか、長手方向の両端側端部に備えられる形態も採り得ることを意味する。
【００１４】
上記第１の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルに備えられる複数の第２集電体と接触する第２集電部材が、複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に備えられ、第２集電部材に、導電性を有する弾性材料からなる第２集電弾性体と、複数の第２集電体を貫通させ得る複数の開口部を有する第２連結体とが備えられ、第２連結体の開口部に第２集電弾性体が配設され、第２連結体の開口部に配設された第２集電弾性体が、第２集電体及び第２連結体によって狭持されることが好ましい。
【００１５】
ここに、「複数の第２集電体と接触する第２集電部材」とは、上記「複数の第１集電体と接触する第１集電部材」に関する説明において、第１集電体を第２集電体へと置き換え、第１集電部材を第２集電部材へと置き換えたものに相当する。さらに、「複数の第２集電体を貫通させ得る複数の開口部」とは、一の第２集電部材と接触する第２集電体の数と同数の開口部を意味する。
【００１６】
上記第１の本発明において、さらに、内径がチューブ型燃料電池セルの外径と略同一の開口部、を複数備える位置決め部材が、複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に備えられることが好ましい。
【００１７】
位置決め部材が複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に備えられる上記第１の本発明において、位置決め部材に、内径がチューブ型燃料電池セルの外径と略同一の開口部、を複数備える第１位置決め部材及び第２位置決め部材が備えられ、第１位置決め部材及び第２位置決め部材によって周囲を囲まれる空間に、接着剤が配設されることが好ましい。
【００１８】
第２の本発明は、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と、該積層体を収容する外部ケース部材とを備えることを特徴とする、燃料電池である。
【発明の効果】
【００１９】
第１の本発明によれば、複数のチューブ型燃料電池セルが、ケース部材及び複数の外部集電体によって狭持されるので、ケース部材に収容される複数のチューブ型燃料電池セル及び複数の外部集電体の位置決めが容易になる。したがって、第１の本発明によれば、構成部材の位置決めを容易にすることで生産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。
【００２０】
第１の本発明において、外部集電体及びケース部材の剛性を、中空形状の構造体の剛性よりも高くすることにより、複数のチューブ型燃料電池セル及び複数の外部集電体の位置決めが一層容易になる。
【００２１】
第１の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に、複数の第１集電体と接触する第１集電部材が備えられ、第１連結体及び複数の第１集電体によって第１集電弾性体が狭持される形態とすることにより、集電効率を向上させることができる。さらに、複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に第１集電部材が備えられる形態とすることにより、複数のチューブ型燃料電池セルの位置決めが容易になり、生産性を向上させることができる。
【００２２】
第１の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に、複数の第２集電体と接触する第２集電部材が備えられ、第２連結体及び複数の第２集電体によって第２集電弾性体が狭持される形態とすることにより、集電効率を向上させることができる。さらに、複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に第２集電部材が備えられる形態とすることにより、複数のチューブ型燃料電池セルの位置決めが容易になり、生産性を向上させることができる。
【００２３】
第１の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルの長手方向端部に位置決め部材が備えられる形態とすることにより、複数のチューブ型燃料電池セルの位置決めがより一層容易になるので、生産性を向上させることができる。
【００２４】
第１の本発明において、第１位置決め部材及び第２位置決め部材によって周囲を囲まれる空間に、接着剤が配設される形態とすることにより、製造過程における接着剤の流出を防止できるので、生産性を向上させることができる。
【００２５】
第２の本発明によれば、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、構成部材の位置決めを容易にすることで生産性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】
【００２６】
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、説明する。図示する形態は、あくまでも本発明の形態例であり、本発明の燃料電池モジュール及び燃料電池は図示の形態に限定されるものではない。以下の説明では、ケース部材にチューブ型ＰＥＦＣのユニットセルが複数備えら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、例えば、ケース部材に、単セルが柱状のＳＯＦＣのユニットセルが複数備えられる形態とすることも可能である。また、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、外部集電体の内部に備えられる熱媒体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。
【００２７】
１．燃料電池モジュール
図１は、本発明の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、図１の紙面上下方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図２は、本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す側面図であり、図２の紙面上下方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す図であり、図３の紙面奥／手前方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図４は、図３にＡで示す領域を拡大して示す図である。図５は、図１のＶ−Ｖ断面を示す図であり、図５の紙面上下方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図６は、図５にＢで示す領域を拡大して示す図である。図７は、図１のＶＩＩ−ＶＩＩ断面を示す図であり、図７の紙面上下方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図８は、図７にＣで示す領域を拡大して示す図である。図９は、図２のＩＸ−ＩＸ断面を示す図であり、図９の紙面上下方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図１０は、図１のＸ−Ｘ断面を示す図であり、図１０の紙面奥／手前方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図１１は、図１０にＤで示す領域を拡大して示す図である。図１２は、図１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面を示す図であり、図１２の紙面奥／手前方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図１３は、図１２にＥで示す領域を拡大して示す図である。図１４は図１のＸＩＶ−ＸＩＶ断面を、ケース部材の記載を省略して示す図であり、図１４の紙面奥／手前方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図１５は、本発明の燃料電池モジュールに備えられる第２位置決め部材の形態例を概略的に示す正面図であり、形態の理解を容易にするため、第２位置決め部材に備えられる開口部を貫通する形態で配設されるセル及び外部集電体の記載を省略している。以下、図１〜図１５を参照しつつ、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。
【００２８】
図１に示すように、本発明の燃料電池モジュール１００は、ケース本体１ｘと端部ケース部材１ｙ、１ｚとを有するケース部材１を備え、当該ケース部材１に、複数のチューブ型燃料電池セル２、２、…（以下、単に「セル２、２、…」等という。）、及び、複数の外部集電体７、７、…が収容されている。ケース本体１ｘには凸部３、３が備えられ、当該凸部３、３が、端部ケース部材１ｙに備えられる開口部４、及び、端部ケース部材１ｚに備えられる開口部５と嵌め合わされることにより、ケース本体１ｘと端部ケース部材１ｙ、１ｙとが連結されている（図２参照）。また、端部ケース部材１ｙ、１ｚには、冷媒マニホールド２８、２８及び水素マニホールド２９、２９が備えられ、冷媒及び水素のシール性を確保するため、端部ケース部材１ｙ、１ｚにはシール部材（例えば、ビードガスケット）３５、３５が加硫接着されている。一方、図２に示すように、ケース本体１ｘの側面には、開口部６、６、…が備えられ、燃料電池モジュール１００の運転時には、当該開口部６、６、…を介して、ケース部材１に収容されている複数のセル２、２、…の外周面へ空気が供給される。
【００２９】
図３に示すように、ケース部材１には、４層に積層された複数のセル２、２、…と、４個のセル２、２、…の外周面と接触可能な形態で配置された複数の外部集電体７、７、…が備えられている。ケース部材１の内側において、４層に積層された複数のセル２、２、…は、ケース本体１ｘを構成する隔壁８によって２層ずつに隔離され、２層に配置されたセル２、２、…、及び、当該２層に配置された複数のセル２、２、…によって形成される間隔に配置される１層の外部集電体７、７、…によって、一のモジュールユニット９が形成されている。すなわち、ケース部材１には、二のモジュールユニット９、９（以下、「ユニット９ａ」、「ユニット９ｂ」といい、ユニット９ａに備えられる部材を他と区別して言及する場合には符号に「ａ」を付し、ユニット９ｂに備えられる部材を他と区別して言及する場合には符号に「ｂ」を付す。）が収容されている。このように、燃料電池モジュール１００では、複数のセル２、２、…が、外部集電体７、７、…とケース本体１ｘとによって狭持されている。それゆえ、燃料電池モジュール１００によれば、複数のセル２、２、…及び複数の外部集電体７、７、…の位置決めが容易になる。
【００３０】
図４に示すように、外部集電体７の内部には冷媒流路１０が備えられている。一方、セル２、２、…には、中空形状のＭＥＡ１４、１４、…と、ＭＥＡ１４、１４、…の内周面（ＭＥＡ１４、１４、…の内周面にガス拡散層（不図示）が配設される場合には、当該ガス拡散層の内周面）と接触するようにそれぞれ配設される内部集電部１５、１５、…と、ＭＥＡ１４、１４、…の外周面（ＭＥＡ１４、１４、…の外周面にガス拡散層（不図示）が配設される場合には、当該ガス拡散層の外周面）と接触するようにそれぞれ配設される外部集電部１６、１６、…と、が備えられ、外部集電部１６、１６、１６、１６の外周面と外部集電体７の外周面とが接触している。中空形状のＭＥＡ１４、１４、…には、中空形状の固体高分子膜１１、１１、…と、固体高分子膜１１、１１、…の内周面側に配設される中空形状のアノード触媒層１２、１２、…と、固体高分子膜１１、１１、…の外周面側に配設される中空形状のカソード触媒層１３、１３、…と、がそれぞれ備えられ、内部集電部１５、１５、…の表面には、水素流路３０、３０、…が備えられている。外部集電体７は、４個のセル２、２、２、２によって囲まれる空間に配設され、４個の外部集電部１６、１６、１６、１６の外周面と外部集電体７の外周面とを点接触させるために必要とされる外径よりも数十μｍ大きな外径の外部集電体７が上記空間に配設されている。ここで、後述するように、外部集電体７は金属管により構成される一方、ＭＥＡ１４、１４、…に含有される物質は主にプロトン伝導性ポリマー及び触媒であるため、外部集電体７はＭＥＡ１４、１４、…よりも剛性が高い。それゆえ、上記形態でセル２、２、…と外部集電体７とを配置すると、外部集電体７と接触するセル２、２、２、２の面が凹み、外部集電体７とセル２、２、２、２とを面接触させることが可能になる。このように、燃料電池モジュール１００によれば、内部に冷媒が流通する外部集電体７、７、…とセル２、２、…とが面接触するため、冷却効率と集電効率とを向上させることが容易になる。
【００３１】
さらに、後述するように、ケース部材１は、複数の燃料電池モジュール１００が積層された際の圧力に耐え得る剛性を有する絶縁性樹脂等により構成されるため、ＭＥＡ１４よりも剛性が高い。それゆえ、燃料電池モジュール１００では、セル２、２、…よりも剛性の高いケース部材１及び外部集電体７、７、…によって、セル２、２、…が狭持される。ここで、図１に示すように、外部集電体７、７、…の長手方向長さは、セル２、２、…の長手方向長さよりも長く、外部集電体７、７、…とセル２、２、…とは、ＭＥＡ１４、１４、…の長手方向全長に亘って接触している。それゆえ、ケース部材１と外部集電体７、７、…とによってセル２、２、…を狭持することにより、長手方向の全長に亘ってセル２、２、…を位置決めすることが容易になるので、かかる形態とすることにより、セル２、２、…及び外部集電体７、７、…を容易に位置決めすることができる。
【００３２】
図５、図６、図１０、及び、図１１に示すように、ユニット９ａに備えられる外部集電体７、７、…（以下、「外部集電体７ａ、７ａ、…」という。）は、第２集電弾性体１７、１７（以下、外部集電体７ａ、７ａ、…と接触する第２集電弾性体１７、１７を「外部弾性体１７ａ、１７ａ」という。）を介して第２連結体（以下、「外部集電板」という。）１８、１８と通電している。すなわち、燃料電池モジュール１００では、外部弾性体１７ａ、１７ａと外部集電板１８、１８とを備える第２集電部材１９、１９が、外部集電体７ａ、７ａ、…と通電している。一方、直列接続板２０、２０と外部集電板１８、１８は絶縁体２１、２１（以下、直列接続板２０と外部集電板１８との間に配設される絶縁体２１を「絶縁体２１ａ」という。）によって離隔され、第１集電弾性体２２、２２（以下、ユニット９ａに備えられる内部集電部１５、１５、…と接触する第１集電弾性体２２、２２を「内部弾性体２２ａ、２２ａ」という。）と外部集電体７ａ、７ａ、…も絶縁体２１ａ、２１ａによって離隔されている。
【００３３】
これに対し、図５、図６、図１０、及び、図１１に示すように、ユニット９ｂに備えられる外部集電体７、７、…（以下、「外部集電体７ｂ、７ｂ、…」という。）は、第２集電弾性体１７、１７（以下、外部集電体７ｂ、７ｂ、…と接触する第２集電弾性体１７、１７を「外部弾性体１７ｂ、１７ｂ」という。）を介して直列接続板２０、２０と通電している。すなわち、直列接続板２０、２０は、ユニット９ｂの第２集電部材として機能している。また、第１連結体（以下、「内部集電板」という。）２３、２３と直列接続板２０、２０は絶縁体２１、２１（以下、内部集電板２３と直列接続板２０との間に配設される絶縁体２１を「絶縁体２１ｂ」という。）によって離隔され、内部集電板２３、２３と接触している第１集電弾性体２２、２２（以下、内部集電板２３、２３と接触する第１集電弾性体２２、２２を「内部弾性体２２ｂ、２２ｂ」という。）と外部集電体７ｂ、７ｂ、…も絶縁体２１ｂ、２１ｂによって離隔されている。
【００３４】
一方、図７、図８、図１２、及び、図１３に示すように、ユニット９ａに備えられる内部集電部１５、１５、…（以下、「内部集電部１５ａ、１５ａ、…」という。）は、内部弾性体２２ａ、２２ａを介して直列接続板２０、２０と通電している。それゆえ、直列接続板２０、２０は、ユニット９ａの第１集電部材として機能している。そして、外部弾性体１７ａ、１７ａと通電している外部集電板１８、１８と、直列接続板２０、２０は、絶縁体２１ａ、２１ａによって離隔されている。また、ユニット９ｂに備えられる内部集電部１５、１５、…（以下、「内部集電部１５ｂ、１５ｂ、…」という。）は、内部弾性体２２ｂ、２２ｂを介して内部集電板２３、２３と通電している。すなわち、燃料電池モジュール１００において、内部弾性体２２ｂ、２２ｂと内部集電板２３、２３とを備える第１集電部材２４、２４が、内部集電部１５ｂ、１５ｂ、…と通電している。そして、外部弾性体１７ｂ、１７ｂと通電している直列接続板２０、２０と、内部集電板２３、２３は、絶縁体２１ｂ、２１ｂによって離隔されている。
【００３５】
このように、燃料電池モジュール１００では、内部弾性体２２ａ、２２ａ、直列接続板２０、２０、及び、外部弾性体１７ｂ、１７ｂを介して、ユニット９ａに備えられる内部集電部１５ａ、１５ａ、…とユニット９ｂに備えられる外部集電体７ｂ、７ｂ、…とが通電することにより、ユニット９ａとユニット９ｂとが電気的に直列に接続され、高電圧化が図られている。これに対し、内部集電部１５ａ、１５ａ、…と通電している内部弾性体２２ａ、２２ａ及び直列接続板２０、２０と、外部集電体７ａ、７ａ、…と通電している外部弾性体１７ａ、１７ａ及び外部集電板１８、１８とが、絶縁体２１ａ、２１ａによって離隔されることにより、ユニット９ａにおける短絡が防止されている。さらに、内部集電部１５ｂ、１５ｂ、…と通電している内部弾性体２２ｂ、２２ｂ及び内部集電板２３、２３と、外部集電体７ｂ、７ｂ、…と通電している外部弾性体１７ｂ、１７ｂ及び直列接続板２０、２０とが、絶縁体２１ｂ、２１ｂによって離隔されることにより、ユニット９ｂにおける短絡が防止されている。すなわち、燃料電池モジュール１００では、かかる形態とすることにより、ユニット９ａ及びユニット９ｂにおける短絡を防止しつつ、高電圧化が図られている。
【００３６】
さらに、燃料電池モジュール１００では、外部集電体７ａ、７ａ、…と外部集電板１８、１８とが外部弾性体１７ａ、１７ａを介して接触しており、外部集電体７ｂ、７ｂ、…と直列接続板２０、２０とが外部弾性体１７ｂ、１７ｂを介して接触している。そのため、外部集電体７ａ、７ａ、…と外部集電板１８、１８との間、及び、外部集電体７ｂ、７ｂ、…と直列接続板２０、２０との間に隙間が形成され難い形態とすることができる。このようにして隙間が形成され難い形態とすることにより、部材間の接触抵抗を低減することができるので、本発明の燃料電池モジュール１００によれば、集電効率を向上させることが可能になる。
【００３７】
さらに、図５〜図８に示すように、燃料電池モジュール１００では、外部集電板１８、１８、直列接続板２０、２０、及び、内部集電板２３、２３よりもセル２、２、…の長手方向両端側に形成される空間に、接着剤が配設される。上述のように、本発明では、外部集電体７ａ、７ａ、…と外部集電板１８、１８との間、及び、外部集電体７ｂ、７ｂ、…と直列接続板２０、２０との間に隙間が形成され難い形態とされているので、ケース部材１にセル２、２、…等の構成部材を配置した後に、接着剤をケース部材１の内側へ注入しても、接着剤の流出を防止することができる。それゆえ、燃料電池モジュール１００によれば、接着剤の流出を防止することにより、生産性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１００では、端部ケース部材１ｙ、１ｚの内側に、第１位置決め部材２６、２６、及び、第２位置決め部材２７、２７が備えられている（以下、端部ケース部材１ｙの内側に備えられる第１位置決め部材及び第２位置決め部材を「第１位置決め部材２６ｙ」及び「第２位置決め部材２７ｙ」といい、端部ケース部材１ｚの内側に備えられる第１位置決め部材及び第２位置決め部材を「第１位置決め部材２６ｚ」及び「第２位置決め部材２７ｚ」という。）。そして、第１位置決め部材２６ｙ、第２位置決め部材２７ｙ、及び、端部ケース部材１ｙの内表面によって形成される空間に接着剤が配設されるとともに、第１位置決め部材２６ｚ、第２位置決め部材２７ｚ、及び、端部ケース部材１ｚの内表面によって形成される空間に接着剤が配設される。第１位置決め部材２６ｙ、２６ｚ、及び、第２位置決め部材２７ｙ、２７ｚについては後述する。
【００３８】
図９に示すように、ケース部材１には、セル２、２、…、及び、外部集電体７、７、…が備えられている。外部集電体７、７、…の長手方向両端面は、端部ケース部材１ｙ、１ｚに備えられる冷媒マニホールド２８、２８（以下、端部ケース部材１ｙに備えられる冷媒マニホールド２８を「冷媒マニホールド２８ｙ」といい、端部ケース部材１ｚに備えられる冷媒マニホールド２８を「冷媒マニホールド２８ｚ」という。）に位置している。そして、燃料電池モジュール１００の運転時には、例えば、冷媒マニホールド２８ｙを介して供給された冷媒が、外部集電体７、７、…にそれぞれ備えられる冷媒流路１０、１０、…へと分岐し、外部集電体７、７、…の内部へと流入した冷媒によって、当該外部集電体７、７、…と接触しているセル２、２、…が冷却される。その後、セル２、２、…を冷却した後の冷媒は、冷媒流路１０、１０、…から冷媒マニホールド２８ｚへと流出し、当該冷媒マニホールド２８ｚから燃料電池モジュール１００の外側へと排出されて回収される。
【００３９】
外部集電体７、７、…は、外部弾性体１７、１７、…を介して外部集電板１８、１８と接触しており、燃料電池モジュール１００の運転時には、外部集電体７、７、…、外部弾性体１７、１７、…、及び、外部集電板１８、１８を介してセル２、２、…のカソード側の集電がなされる。冷媒マニホールド２８ｙ、２８ｚと外部集電板１８、１８との間に設けられた空間には、接着剤（ポッティング材）が充填され、冷媒マニホールド２８ｙ、２８ｚ、及び、冷媒流路１０、１０、…以外の空間へ冷媒が流出しない構成とされている。燃料電池モジュール１００では、外部集電体７、７、…と外部集電板１８、１８とが、弾性体により構成される外部弾性体１７ａ、１７ａ、…を介して接続される形態とすることにより、外部集電体７、７、…と外部集電板１８、１８との間から接着剤が流出しない構成とされている。
【００４０】
外部集電体７、７、…と接触しているセル２、２、…の長手方向両端面（内部集電部１５、１５、…の長手方向両端面）は、端部ケース部材１ｙ、１ｚに備えられる水素マニホールド２９、２９（以下、端部ケース部材１ｙに備えられる水素マニホールド２９を「水素マニホールド２９ｙ」といい、端部ケース部材１ｚに備えられる水素マニホールド２９を「水素マニホールド２９ｚ」という。）に位置している。燃料電池モジュール１００の運転時には、例えば、水素マニホールド２９ｚを介して供給された水素が、内部集電部１５、１５、…の表面に備えられる水素流路３０、３０、…へと分岐し、水素流路３０、３０、…を介してアノード触媒層１２、１２、…へと水素が供給される。その後、水素は、水素流路３０、３０、…から水素マニホールド２９ｙへと流出し、当該水素マニホールド２９ｙから燃料電池モジュール１００の外側へと排出されて回収される。
一方で、燃料電池モジュール１００の運転時には、ケース本体１ｘに備えられる開口部６、６、…を介して供給された空気が、セル２、２、…の外周面へと供給され、カソード触媒層１３、１３、…へと空気（酸素）が供給される。その後、空気は、ケース本体１ｘに備えられる開口部３１、３１、…を介して燃料電池モジュール１００の外側へと排出される。
【００４１】
燃料電池モジュール１００では、水素マニホールド２９ｙ、２９ｚの、ケース本体１ｘ側に、位置決め部材２５、２５が備えられる（以下、第１位置決め部材２６ｙ及び第２位置決め部材２７ｙを備える位置決め部材２５を「位置決め部材２５ｙ」といい、第１位置決め部材２６ｚ及び第２位置決め部材２７ｚを備える位置決め部材２５を「位置決め部材２５ｚ」という。）。そして、第１位置決め部材２６ｙと第２位置決め部材２７ｙとの間に備えられる空間、及び、第１位置決め部材２６ｚと第２位置決め部材２７ｚとの間に備えられる空間に、接着剤（ポッティング材）が充填されることにより、水素マニホールド２９ｙ、２９ｚを介して供給される水素と、開口部６、６、…を介して供給される空気との混合が防止されている。
【００４２】
以下、図１４及び図１５を参照しつつ、燃料電池モジュール１００に備えられる位置決め部材２５ｙ、２５ｚについて説明する。燃料電池モジュール１００において、位置決め部材２５ｙと位置決め部材２５ｚは略同一形態であるため、図１４及び図１５には位置決め部材２５ｙのみを示し、位置決め部材２５ｚの記載は省略する。
【００４３】
図１４及び図１５に示すように、位置決め部材２５ｙに備えられる第１位置決め部材２６ｙ及び第２位置決め部材２７ｙは、第２位置決め部材２７ｙに備えられる凸部３２、３２、…が、第１位置決め部材２６ｙに備えられる開口部３３、３３、…へと嵌め込まれることにより、連結されている。主に図１４及び図１５で示すように、第２位置決め部材２７ｙには、セル２、２、…及び外部集電体７、７、…を配設し得る開口部３４、３４が備えられている。そして、図には表れていないが、第１位置決め部材２６ｙにも、当該開口部３４、３４に配設されたセル２、２、…及び外部集電体７、７、…の両端部を配設し得る開口部が備えられている。本発明の燃料電池モジュール１００では、当該形態の位置決め部材２５ｙ及び位置決め部材２５ｚがセル２、２、…の長手方向両端部に備えられるので、燃料電池モジュール１００を製造する際に、ケース部材１に収容されるセル２、２、…及び外部集電体７、７、…の位置決めを容易に行うことができる。それゆえ、かかる形態とすることにより、生産性を向上させることが可能な構造を有する、燃料電池モジュール１００を提供することができる。
【００４４】
燃料電池モジュール１００において、ケース部材１（ケース本体１ｘ及び端部ケース部材１ｙ、１ｚ。以下、単に「ケース部材１」という。）は、短絡を防止する等の観点から、少なくとも、その内表面が絶縁性物質（例えば、絶縁性樹脂など）により構成される。ケース部材１が金属製である場合には、少なくともその内表面に絶縁被覆が施された形態とすることが好ましい。また、後述するように、燃料電池モジュール１００が積層された際に加えられる圧力に耐え得る剛性を有するケース部材１とする等の観点から、ケース部材１が絶縁性樹脂により構成される場合には、少なくとも、ＭＥＡ１４よりも剛性の高い絶縁性樹脂を用いることが好ましい。
【００４５】
本発明において、ケース部材１に収容されるセル２、２、…の数は、それぞれのセル２、２、…を電気的に並列に接続することにより、燃料電池モジュール１００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１に収容されるセル２、２、…の数は、例えば、数十〜百数十程度とすることができる。また、上記説明では、ケース部材１に二のモジュールユニット９、９が収容さ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。ケース部材に収容されるモジュールユニットの数は、セルの集積度、燃料電池モジュールに必要とされる電流値、及び、組み立てやすさ等を考慮して、１以上の適当な数とすることができる。
【００４６】
さらに、燃料電池モジュール１００において、セル２を構成する固体高分子膜１１は、ＰＥＦＣで使用され得る電解質膜を好適に用いることができる。固体高分子膜１１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。
【００４７】
さらに、燃料電池モジュール１００において、セル２を構成するアノード触媒層１２及びカソード触媒層１３は、電気化学反応の触媒として機能する物質（触媒）とプロトン伝導性物質とを備えていれば特に限定されるものではなく、ＰＥＦＣで使用され得る触媒層を好適に用いることができる。アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３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。加えて、アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３に含有されるプロトン伝導性物質の具体例としては、固体高分子膜１１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。
【００４８】
さらに、燃料電池モジュール１００において、セル２を構成する内部集電部１５及び外部集電部１６は、良好な電子伝導性を有し、かつ、燃料電池モジュール１００の運転時の環境に耐え得る性質（例えば、耐熱性及び耐水性等。以下同じ。）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。内部集電部１５及び外部集電部１６を構成する材料の具体例としては、銅、アルミニウム、銀、金、白金等を挙げることができる。内部集電部１５及び／又は外部集電部１６の母材として銅又はアルミニウムが用いられる場合には、耐酸性を向上させる等の観点から、その表面が金等によって被覆されることが好ましい。
【００４９】
さらに、燃料電池モジュール１００において、外部集電体７は、良好な電子伝導性を有し、かつ、燃料電池モジュール１００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。外部集電体７を構成する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。外部集電体７の母材として銅が用いられる場合には、耐酸性を向上させる等の観点から、その表面が金等によって被覆されることが好ましい。さらに、外部集電体７が金属によって構成される場合、漏電を防止する等の観点から、冷媒流路１０を流通させる冷媒は、絶縁性の冷媒とすることが好ましい。
【００５０】
さらに、燃料電池モジュール１００において、外部弾性体１７及び内部弾性体２２は、良好な電子伝導性及び弾性を有し、かつ、燃料電池モジュール１００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。外部弾性体１７及び内部弾性体２２を構成する材料の具体例としては、銅、銀、金、白金等を挙げることができる。外部弾性体１７及び／又は内部弾性体２２の母材として銅が用いられる場合には、耐酸性を向上させる等の観点から、その表面が金等によって被覆されることが好ましい。
【００５１】
さらに、燃料電池モジュール１００において、外部集電板１８、直列接続板２０、及び、内部集電板２３は、良好な電子伝導性及び弾性を有し、かつ、燃料電池モジュール１００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。外部集電板１８、直列接続板２０、及び、内部弾性板２３を構成する材料の具体例としては、銅、アルミニウム、銀、金、白金等を挙げることができ、燃料電池モジュール１００の軽量化を図りやすくする観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。外部集電板１８、直列接続板２０、及び、内部弾性板２３の少なくとも１以上の部材の構成材料として銅又はアルミニウムが用いられる場合には、電子伝導性を向上させる等の観点から、その表面が金等によって被覆されることが好ましい。
【００５２】
さらに、燃料電池モジュール１００において、絶縁体２１は、モジュールユニット９、９における短絡を防止し得る絶縁性の物質であり、かつ、燃料電池モジュール１００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。絶縁体２１の構成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。
【００５３】
さらに、燃料電池モジュール１００において、位置決め部材２５（第１位置決め部材２６ｙ、２６ｚ、及び、第２位置決め部材２７ｙ、２７ｚ）は、セル２、２、…及び外部集電体７、７、…を位置決めし得る剛性を有する絶縁性材料であり、かつ、燃料電池モジュール１００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。位置決め部材２５の構成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、セル２、２、…及び外部集電体７、７、…の位置決めの容易化を図る等の観点からは、ＭＥＡ１４よりも剛性の高い絶縁性樹脂を用いることが好ましい。
【００５４】
さらに、燃料電池モジュール１００において、第１位置決め部材２６ｙ、２６ｚと第２位置決め部材２７ｙ、２７ｚとの間に形成される空間に配設される接着剤は、燃料電池モジュール１００の運転時に、冷媒及び水素のシール性を確保し得るものであれば、特に限定されるものではない。当該接着剤としては、ＰＥＦＣのポッティング材として使用されるものを好適に用いることができる。
【００５５】
２．燃料電池
図１６は、本発明の燃料電池に備えられる積層体の一部断面を示す図であり、積層される各燃料電池モジュールを識別しやすくするため、間隔を空けて配置した３個の燃料電池モジュールの断面を示し、一部の符号のみを付している。図１６の紙面奥／手前方向が、チューブ型燃料電池セルの長手方向である。図１７は、本発明の燃料電池の形態例を示す正面図であり、積層体と、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１７の直線矢印は、重力方向を示している。図１８は、本発明の燃料電池の形態例を示す平面図であり、積層体と、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１８の点線矢印は、空気の流れ方向を示している。図１６〜図１８において、図１〜図１５と同様の構成を採る部位・部材には、図１〜図１５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１８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。
【００５６】
本発明の燃料電池には、複数の燃料電池モジュール１００、１００、…（以下、図１６の紙面左端、中央、及び、右端の燃料電池モジュール１００、１００、１００を、「燃料電池モジュール１００α」、「燃料電池モジュール１００β」、「燃料電池モジュール１００γ」という。）を積層して構成される積層体２００が備えられる。図１６に示すように、燃料電池モジュール１００αと燃料電池モジュール１００βは、燃料電池モジュール１００αに備えられる外部集電板１８、１８と燃料電池モジュール１００βに備えられる内部集電板２３、２３とが接触することにより、電気的に直列に接続し、燃料電池モジュール１００βと燃料電池モジュール１００γは、燃料電池モジュール１００βに備えられる外部集電板１８、１８と燃料電池モジュール１００γに備えられる内部集電板２３、２３とが接触することにより、電気的に直列に接続している。すなわち、本発明の燃料電池では、燃料電池モジュール１００、１００、…を積層することにより、高電圧化を図っている。
【００５７】
一方、図１７及び図１８に示すように、本発明の燃料電池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。）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１７及び図１８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板５５、５５と電極素子６０１とが接続され、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１７及び図１８の紙面右側）に位置する燃料電池モジュール１００に備えられる第１ケース部材１０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。
【００５８】
図１８に示すように、燃料電池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１７で示した各部材が収容される。外部ケース部材７００には、塵や埃等を排除可能であるとともに空気を透過可能な透過膜７０１、７０１、…を配置可能な開口部が備えられ、透過膜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。このように、燃料電池１０００には、セル２、２、…及び外部集電体７、７、…の位置決めを容易にすることにより、生産性を向上させることが可能な燃料電池モジュール１００、１００、…が備えられている。したがって、本発明によれば、生産性を向上することが可能な燃料電池１０００を提供できる。
【００５９】
なお、本発明の燃料電池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。
【００６０】
また、本発明の燃料電池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】
【００６１】
【図１】本発明の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る。
【図２】本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す側面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す図である。
【図４】図３にＡで示す領域を拡大して示す図である。
【図５】図１のＶ−Ｖ断面を示す図である。
【図６】図５にＢで示す領域を拡大して示す図である。
【図７】図１のＶＩＩ−ＶＩＩ断面を示す図である。
【図８】図７にＣで示す領域を拡大して示す図である。
【図９】図２のＩＸ−ＩＸ断面を示す図である。
【図１０】図１のＸ−Ｘ断面を示す図である。
【図１１】図１０にＤで示す領域を拡大して示す図である。
【図１２】図１のＸＩＩ−ＸＩＩ断面を示す図である。
【図１３】図１２にＥで示す領域を拡大して示す図である。
【図１４】図１のＸＩＶ−ＸＩＶ断面を示す図である。
【図１５】第２位置決め部材の形態例を概略的に示す正面図である。
【図１６】本発明の燃料電池に備えられる積層体の一部断面を示す図である。
【図１７】本発明の燃料電池の形態例を示す正面図である。
【図１８】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】
【００６２】
１…ケース部材
１ｘ…ケース本体
１ｙ、１ｚ…端部ケース部材
２…セル（チューブ型燃料電池セル）
３…凸部
４、５、６…開口部
７…外部集電体
８…隔壁
９、９ａ、９ｂ…モジュールユニット
１０…冷媒流路（熱媒体流路）
１１…固体高分子膜（中空形状のイオン伝導体）
１２…アノード触媒層（中空形状の第１電極）
１３…カソード触媒層（中空形状の第２電極）
１４…ＭＥＡ（中空形状の構造体）
１５…内部集電部（第１集電体）
１６…外部集電部（第２集電体）
１７…外部弾性体（第２集電弾性体）
１８…外部集電板（第２連結体）
１９…第２集電部材
２０…直列接続板
２１…絶縁体
２２…内部弾性体（第１弾性体）
２３…内部集電板（第１連結体）
２４…第１集電部材
２５、２５ｙ、２５ｚ…位置決め部材
２６、２６ｙ、２６ｚ…第１位置決め部材
２７、２７ｙ、２７ｚ…第２位置決め部材
２８、２８ｙ、２８ｚ…冷媒マニホールド
２９、２９ｙ、２９ｚ…水素マニホールド
３０…水素流路
３１…開口部
３２…凸部
３３、３４…開口部
１００…燃料電池モジュール
２００…積層体
５０１、５０２…冷媒用配管
５０３、５０４…水素用配管
５０５、５０６…マニホールド
６０１、６０２…電極素子
７００…外部ケース部材
７０１…透過膜
１０００…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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