(57)【要約】【課題】製造工程の簡略化及び製造コストの削減が可能な燃料電池及び燃料電池の集電構造を提供する。【解決手段】基体管１０の内部に燃料ガスを供給すると共に、基体管１０の外面に設けられた燃料電池セル７に酸化剤ガスを供給することにより、燃料電池セル７において燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池において、基体管１０の外面に燃料電池セル７から基体管１０の一端まで延びる導電性のリード膜１１を設け、円筒形状の部材の内面に弾力性を有する弾性部３１を設けた集電キャップ２０をセルチューブに嵌め込むことで、リード膜１１の外周面と弾性部３１とが密接する外面集電構造とし、燃料電池の外部へ電力を取り出す。【選択図】　図５
2004139818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電し、発電した電力を外部へ取り出す燃料電池の集電構造において、
前記基体管の外面に設けられ、前記燃料電池セルから前記基体管の一端まで延びる導電性のリード膜と、
前記リード膜の外面に密接すると共に、前記基体管に前記第１ガスが入出する穴を有する集電キャップとを有し、
前記燃料電池セルが発電した電力をリード膜及び集電キャップを介して外部に集電することを特徴とする燃料電池の集電構造。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップは、当該集電キャップ自身を前記リード膜の外面に付勢して密接する弾性力を有する構造となっており、
前記リード膜の外面に前記集電キャップが密接することを特徴とする燃料電池の集電構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップは、当該集電キャップの前記リード膜と密接する内面に弾性部分を有し、
前記弾性部分は、前記リード膜の外面に付勢して密接する弾性力を有することを特徴とする燃料電池の集電構造。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップは、前記基体管の外周面を締め付ける弾性体からなり、
前記集電キャップ自身が前記リード膜の外面に付勢して密接する弾性力を有することを特徴とする燃料電池の集電構造。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップの周囲を固縛線により縛り、当該集電キャップを前記リード膜の外面に密接させたことを特徴とする燃料電池の集電構造。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップは、前記リード膜を外面から締めつけるように、前記集電キャップ又は集電キャップの一部を塑性変形させてなることを特徴とする燃料電池の集電構造。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池の集電構造において、
前記リード膜と前記集電キャップとが導電性の弾性部材を介して接触することを特徴とする燃料電池の集電構造。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池の集電構造において、
前記弾性部材は、ニッケルフェルトであることを特徴とする燃料電池の集電構造。
【請求項９】
筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池において、
請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池の集電構造を備え、前記集電構造により発電した電力を外部へ取り出すことを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池において、
前記基体管の一端から前記第１ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第１ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項９に記載の燃料電池において、
前記基体管の一端が閉塞されると共に、
前記基体管の内部に、前記基体管の他端から前記閉塞された一端に向かうガス案内管が挿入され、
前記第１ガスが、前記基体管の他端の側から前記ガス案内管に供給され、前記基体管の一端で折り返した後、前記基体管の他端に向かう、折り返しタイプの燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項９ないし１１のいずれかに記載の燃料電池において、　前記第１ガスは燃料ガスであり、前記第２ガスは酸化剤ガスであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項９ないし１１のいずれかに記載の燃料電池において、　前記第１ガスは酸化剤ガスであり、前記第２ガスは燃料ガスであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項９ないし１３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記基体管の外面に一素子の燃料電池セルが設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求項９ないし１３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記基体管の外面に複数の燃料電池セルが設けられていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池及び燃料電池の集電構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有する。このため、２１世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。
【０００３】
図１２は、従来の燃料電池の一例を示した概略構成図である。なお、図１２では、燃料電池の作動に使用される各種ガスの予熱と熱交換に関する構造、及び発電された電力の集電に関する構造は省略してある。
【０００４】
同図に示すように、燃料電池１は、複数の円筒形状のセルチューブ２と、セルチューブ２に燃料ガス４を供給すると共にセルチューブ２から排出燃料ガスを排出するヘッダ３とからなる。ヘッダ３の内部は、仕切板３ａにより上下の部屋に区分けされ、上方の供給室３ｃ、仕切板３ａと底板３ｂとに挟まれた下方の排出室３ｄとからなる。案内管８は、セルチューブ２の内部に挿入されると共に、その一端が仕切板３ａに支持され、燃料ガス４が供給室３ｃからセルチューブ２の底部に供給されるようになっている。
【０００５】
このような方法で燃料ガスが流動するタイプの燃料電池を「折り返しタイプ」の燃料電池という。円筒形状のセルチューブ２は多孔質の材料からなり、その外周面に複数の燃料電池セル７が形成されている。
【０００６】
燃料電池１により発電する場合には、セルチューブ２の内部に水素やメタン等の燃料ガス４を供給すると共に、セルチューブ２の外周面に酸素や空気等の酸化剤ガス６を供給する。更に、燃料電池１の内部を約８００℃から１０００℃の高温環境とすることにより、燃料ガス４と酸化剤ガス６とが燃料電池セル７において電気化学的に反応して電力を発生し、後述する集電構造により外部に電力が取り出される。
【０００７】
なお、セルチューブ２に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ２の外周面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル７を構成する燃料極（図示せず）及び空気極（図示せず）の配置を逆にすればよい。
【０００８】
図１３は、セルチューブ２を更に詳細に示した概略断面構造図である。同図には、集電に関する構造も示してある。同図に示すように、セルチューブ２は、円筒形状の基体管１０と、燃料電池セル７とを有し、基体管１０の外表面にリング状の燃料電池セル７が複数設けられると共に、その下端部は封止部材１３及びシールキャップ１４により閉塞されてなる。
【０００９】
次に、燃料電池セル７で発電された電力の集電について説明する。セルチューブ２の上端部にはニッケルなどの導電性部材からなる集電キャップ１５が取り付けられて燃料電池７から電力を集電する。詳細には以下の通りである。
【００１０】
複数の燃料電池セル７は相互にインタコネクタ（図示せず）により電気的に接続されている。また、リード線の役割を果たすリード膜１１が、基体管１０の外周面において、最上部の燃料電池セル７から基体管１０の上端部へ向けて延び、上端部で内周部側へ折り返されるようにして形成されている。更に、基体管１０の内周部側に折り返されたリード膜１１と円筒形状の集電キャップ１５の外周部とが導電性の弾性部材であるニッケルフェルト１６を介して接触する（以下、内面集電構造という。）と共に、押えナット１８により集電コネクタ１７が集電キャップ１５に接続されることにより、燃料電池の外部へ電力が取り出される（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１１−３０７１０９号公報
【００１２】
ニッケルフェルト１６は、集電キャップ１５および基体管１０の製造上生じる部品寸法のバラツキを吸収するために設けられる。すなわち、ニッケルフェルト１６を設けることにより、集電キャップ１５をセルチューブ２に嵌め込む際のクリアランスの問題及び、集電キャップ１５とリード膜１１との接触抵抗の問題を解決することができる。また、リード膜１１を電気的接触および物理的接触から保護するため、保護膜１２がリード膜１１の外周面に設けられている。
【００１３】
一方、セルチューブ２に設けられた最下部の燃料電池セル７と外部との電気的接続については、最下部の燃料電池セル７とニッケルなどの導電性部材からなる封止部材１３とを接続する（接続部材は図示せず）と共に、例えば案内管８の内部に集電棒（図示せず）を挿入して、集電棒と封止部材１３と接続することにより、燃料電池の外部と電気的に接続する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の集電構造において、上述する内面集電構造は、以下の理由により採用されていた。燃料電池１を作動させるには、燃料電池１の内部を約８００℃から１０００℃の高温環境とする必要がある。このため、セルチューブ２を構成する基体管１０（例えば、セラミック製）および集電キャップ１５（例えば、ニッケル製）は、それぞれの熱膨張係数に応じた熱膨張を起こす。この熱膨張の差を利用すると、高温環境において、基体管１０の内周面（すなわち、折り返されたリード膜１０）と集電キャップ１５の外周面とが密接するようになり、両者の接触抵抗を低減させることができる。この効果を得ることを主として、従来は内面集電構造が採用されていた。
【００１５】
しかしながら、内面集電構造では、以下のような問題がある。内面集電構造においては、リード膜１１を基体管１０の上端部において内周部側に巻き込ませる必要があるため、リード膜１１を形成する際にディップ成膜という特殊な工程を行う必要がある。
【００１６】
すなわち、燃料電池セル７を焼結方法により形成する場合には、例えば燃料電池セル７を構成する空気極、燃料極、電解質膜等をスクリーン印刷により基体管１０の外周面に印刷したのち一体焼結するが、リード膜１１を基体管１０の内周部側にスクリーン印刷することは困難である。このため、燃料電池セル７を一体焼結した後、別途、基体管１０の先端をスラリー状としたリード膜原料に浸けるというディップ成膜により、基体管１０の内周部側にまで及ぶリード膜１１を形成していた。
【００１７】
また、燃料電池セル７を溶射方法により形成する場合にも、基体管１０の外周面に燃料電池セル７を構成する空気極、燃料極、電解質膜等を溶射して形成する他に、別途、基体管１０の内周面にリード膜原料を溶射する必要がある。
【００１８】
更に、前述するように、基体管１０に集電キャップ１５を嵌め込む際のクリアランスの問題等から、ニッケルフェルト１６等の部品を設けている。しかしなが、ニッケルフェルトは高価な材料であり、製品コスト及び製造コストを上げる要因ともなっている。
【００１９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、製造工程を簡略化すると共に、製造コストを削減することのできる燃料電池及び燃料電池の集電構造を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する第１の発明は、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電し、発電した電力を外部へ取り出す燃料電池の集電構造において、
前記基体管の外面に設けられ、前記燃料電池セルから前記基体管の一端まで延びる導電性のリード膜と、
前記リード膜の外面に密接すると共に、前記基体管に前記第１ガスが入出する穴を有する集電キャップとを有し、
前記燃料電池セルが発電した電力をリード膜及び集電キャップを介して外部に集電することを特徴とする燃料電池の集電構造である。
【００２１】
第１の発明では、基体管の外面のみにリード膜を形成するため、集電構造の作製に当たって、従来のディップ成膜等の特殊な工程を省略することができる。これにより製造工程の短縮および製造コストの削減が可能である。なお、集電キャップの取り付け方については、下記第２または第３の発明で説明するように、集電キャップ自身が密着する力を有する構造が考えられる。また、集電キャップ自身が弾性力等を有さずとも、集電キャップの外側から固縛線等で縛り付けて固定する構造であってもよい。また、リード膜と集電キャップとの接触抵抗を低減させるため、リード膜と集電キャップとの間に導電性ペースト等を塗布してもよい。
【００２２】
前述した課題を解決する第２の発明は、第１の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップは、当該集電キャップ自身を前記リード膜の外面に付勢して密接する弾性力を有する構造となっており、
前記リード膜の外面に前記集電キャップが密接することを特徴とする燃料電池の集電構造である。
【００２３】
第２の発明では、ディップ成膜等の特殊な工程を省略に加え、集電キャップ自身がリード膜の外面に密接する弾性力を有する構造となっているため、ニッケルフェルト等の高価な部材を使用することなく集電構造を作製することができる。これにより、製造コストの大幅な削減が可能である。
【００２４】
前述した課題を解決する第３の発明は、第１又は第２の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップは、当該集電キャップの前記リード膜と密接する内面に弾性部分を有し、
前記弾性部分は、前記リード膜の外面に付勢して密接する弾性力を有することを特徴とする燃料電池の集電構造である。
【００２５】
前述した課題を解決する第４の発明は、第１又は第２の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップは、前記基体管の外周面を締め付ける弾性体からなり、
前記集電キャップ自身が前記リード膜の外面に付勢して密接する弾性力を有することを特徴とする燃料電池の集電構造である。
【００２６】
第４の発明では、集電キャップ自体が弾性体からなるため、簡易に集電キャップを作製することができる。
【００２７】
前述した課題を解決する第５の発明は、第１又は第２の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップの周囲を固縛線により縛り、当該集電キャップを前記リード膜の外面に密接させたことを特徴とする燃料電池の集電構造である。
【００２８】
第５の発明では、集電キャップを固縛線で縛り付けることにより、更に集電キャップとリード膜とを密接させる。固縛線とは、集電キャップを縛り付ける紐状の部材であれば良く、ワイヤーや耐熱性繊維等が考えられる。
【００２９】
前述した課題を解決する第６の発明は、第１の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップは、前記リード膜を外面から締めつけるように、前記集電キャップ又は集電キャップの一部を塑性変形させてなることを特徴とする燃料電池の集電構造である。
【００３０】
前述した課題を解決する第７の発明は、第１ないし第６のいずれかの発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記リード膜と前記集電キャップとが導電性の弾性部材を介して接触することを特徴とする燃料電池の集電構造である。
【００３１】
第７の発明では、燃料電池作動時の高温環境において、リード膜と集電キャップとの電気的接触を確実なものとすることができる。
【００３２】
前述した課題を解決する第８の発明は、第７の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記弾性部材は、ニッケルフェルトであることを特徴とする燃料電池の集電構造である。
【００３３】
前述した課題を解決する第９の発明は、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池において、
第１ないし第８のいずれかの発明に係る燃料電池の集電構造を備え、前記集電構造により発電した電力を外部へ取り出すことを特徴とする燃料電池である。
【００３４】
第９の発明では、燃料電池の集電構造の作製する際に、従来のディップ成膜等の特殊な工程を省略することができるため、製造工程の短縮および製造コストの削減した燃料電池とすることができる。基体管１本ごとに必要となる集電構造を低コストで作製し、燃料電池全体の製造コストの低減を図る。
【００３５】
前述した課題を解決する第１０の発明は、第９の発明に係る燃料電池において、　前記基体管の一端から前記第１ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第１ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることを特徴とする燃料電池である。
【００３６】
第１０の発明では、構造の簡単なワンスルータイプの燃料電池において、製造工程の短縮および製造コストの削減が可能である。
【００３７】
前述した課題を解決する第１１の発明は、第９の発明に係る燃料電池において、　前記基体管の一端が閉塞されると共に、
前記基体管の内部に、前記基体管の他端から前記閉塞された一端に向かうガス案内管が挿入され、
前記第１ガスが、前記基体管の他端の側から前記ガス案内管に供給され、前記基体管の一端で折り返した後、前記基体管の他端に向かう、折り返しタイプの燃料電池であることを特徴とする燃料電池である。
【００３８】
第１１の発明では、一般的に用いられている「折り返しタイプ」の燃料電池において、製造工程の短縮および製造コストの削減が可能である。
【００３９】
前述した課題を解決する第１２の発明は、第９ないし第１１のいずれかの発明に係る燃料電池において、
前記第１ガスは燃料ガスであり、前記第２ガスは酸化剤ガスであることを特徴とする燃料電池である。
【００４０】
前述した課題を解決する第１３の発明は、第９ないし第１１のいずれかの発明に係る燃料電池において、
前記第１ガスは酸化剤ガスであり、前記第２ガスは燃料ガスであることを特徴とする燃料電池である。
【００４１】
前述した課題を解決する第１４の発明は、第９ないし第１３のいずれかの発明に係る燃料電池において、
前記基体管の外面に一素子の燃料電池セルが設けられていることを特徴とする燃料電池である。
【００４２】
前述した課題を解決する第１５の発明は、第９ないし第１３のいずれかの発明に係る燃料電池において、
前記基体管の外面に複数の燃料電池セルが設けられていることを特徴とする燃料電池である。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
【００４４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の集電構造をセルチューブに取り付けた状態の概略断面図である。同図に示すように、セルチューブ２は、円筒形状の基体管１０と、燃料電池セル７とを有し、基体管１０の外表面にリング状の燃料電池セル７が複数設けられると共に、その下端部は封止部材１３及びシールキャップ１４により閉塞されてなる。
【００４５】
なお、基体管１０の外表面には、燃料電池セル７を一素子のみ設けて、単素子タイプとしてもよい。
【００４６】
セルチューブ２を有する燃料電池により発電する場合には、案内管８によりセルチューブ２の内部に水素やメタン等の燃料ガス４を供給すると共に、セルチューブ２の外周面に酸素や空気等の酸化剤ガス６を供給する。更に、燃料電池１の内部を約８００℃から１０００℃の高温環境とすることにより、燃料ガス４と酸化剤ガス６とが燃料電池セル７において電気化学的に反応して電力を発生し、後述する集電構造により外部に電力が取り出される。
【００４７】
なお、セルチューブ２に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ２の外周面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル７を構成する燃料極（図示せず）及び空気極（図示せず）の配置を逆にすればよい。
【００４８】
次に、燃料電池セル７で発電された電力の集電について説明する。セルチューブ２の上端部にはニッケルなどの導電性部材からなる集電キャップ２０が取り付けられて燃料電池７から電力を集電する。詳細には以下の通りである。
【００４９】
複数の燃料電池セル７は相互にインタコネクタ（図示せず）により電気的に接続されている。また、リード線の役割を果たすリード膜１１が、基体管１０の外周面において、最上部の燃料電池セル７から基体管１０の上端部まで形成されている。更に、リード膜１１の外周面と円筒形状の集電キャップ２０の内周面とが導電性のニッケルフェルト１６を介して接触する（以下、外面集電構造と言う。）と共に、押えナット１８により集電コネクタ１７が集電キャップ２０に接続されることにより、燃料電池の外部へ電力が取り出される。
【００５０】
ニッケルフェルト１６は、集電キャップ２０および基体管１０の製造上生じる部品寸法のバラツキを吸収するために設けられる。すなわち、ニッケルフェルト１６を設けることにより、集電キャップ２０をセルチューブ２に嵌め込む際のクリアランスの問題及び、集電キャップ２０とリード膜１１との接触抵抗の問題を解決することができる。
【００５１】
また、リード膜１１を電気的接触および物理的接触から保護するため、保護膜１２がリード膜１１の外周面に設けられている。
【００５２】
一方、セルチューブ２に設けられた最下部の燃料電池セル７と外部との電気的接続については、最下部の燃料電池セル７とニッケルなどの導電性部材からなる封止部材１３とを接続する（接続部材は図示せず）と共に、例えば案内管８の内部に集電棒（図示せず）を挿入して、集電棒と封止部材１３と接続することにより、燃料電池の外部と電気的に接続する。
【００５３】
本実施形態においては、基体管１０の外周面に設けられたリード膜１１に対して、集電キャップ２０がリード膜１１の外面に接するようになっている。これにより、集電構造部を作製するにあたってリード膜１１を基体管１０の内周面にまで形成する必要がないため、ディップ成膜等の工程を省略することができる。
【００５４】
更に、従来の内面集電構造のように、基体管の内部にまで張り出す集電構造ではないため、排出燃料ガス５の排気効率を高めることができ、高出力の燃料電池に対応することができる。また、内面集電構造においては、集電キャップの取り外しの際にニッケルフェルトが基体管の内部に落ちてしまうことがあり、燃料電池の補修等に煩わしさがあったが、本実施形態ではこの問題も解決することができる。
【００５５】
図２は、ワンスルータイプの燃料電池を示した概略構成図である。なお、図２では、燃料電池の作動に使用される各種ガスの予熱と熱交換に関する構造、及び発電された電力の集電に関する構造は省略してある。ワンスルータイプの燃料電池とは、燃料ガスの流動方法について、セルチューブの一端から供給された燃料ガスがセルチューブの他端から排出されるタイプの燃料電池である。
【００５６】
同図に示すように、燃料電池１は、複数の円筒形状のセルチューブ２（図には３本を図示）と、セルチューブ２に燃料ガス４を供給する供給室３ｃ−１と、セルチューブ２から排出燃料ガス５を排出する排出室３ｄ−１と、セルチューブ２の外周面に酸化剤ガス６を供給する酸化剤供給室２５とからなる。
【００５７】
上部管板２１及び下部管板２２には、セルチューブ２を通す穴が設けられ、この穴にセルチューブ２を通すことにより、セルチューブ２を支持すると共に、供給室３ｃ−１及び排出室３ｄ−１と酸化剤供給室２５とを隔離している（図３参照。セルチューブ２と上部管板２１との接合部であるセル接合部２６は、ガスシール性を高めるため充填材２７を充填している）。また、上部支持体２３及び下部支持体２４はセルチューブ２を補助的に支持するものである。円筒形状のセルチューブ２は多孔質の材料からなり、その外周面に複数の燃料電池セル７が形成されている。なお、基体管１０の外表面には、燃料電池セル７を一素子のみ設けて、単素子タイプとしてもよい。
【００５８】
燃料電池１により発電する場合には、供給室３ｃ−１からセルチューブ２の内部に水素やメタン等の燃料ガス４を供給すると共に、セルチューブ２の外周面に酸素や空気等の酸化剤ガス６を供給する。更に、燃料電池１の内部を約８００℃から１０００℃の高温環境とすることにより、燃料ガス４と酸化剤ガス６とが燃料電池セル７において電気化学的に反応して電力を発生し、後述する集電構造により外部に電力が取り出される。セルチューブ２を通過した燃料ガス４（未反応の燃料ガス等）は、排出室３ｄ−１から排出燃料ガス５として燃料電池１の外部に排出される。
【００５９】
なお、セルチューブ２に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ２の外周面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル７を構成する燃料極（図示せず）及び空気極（図示せず）の配置を逆にすればよい。
【００６０】
このように、ワンスルータイプの燃料電池は、構造上、案内管やシールキャップ（図１２参照）等を必要としないため、簡単な構造を有する燃料電池であり、製造工程や製造コスト等に利点を有する。また、図１２に示す燃料電池のように燃料ガスの流動方法が複雑でなく、燃料ガスの流動抵抗が少ないため、高出力の燃料電池に対応することができる。
【００６１】
図３は、ワンスルータイプの燃料電池に、第１の実施形態に係る集電構造を適用した例である。集電構造の詳細については、前述したとおりであるため、省略する。同図には、セルチューブ２の上端部における集電構造を示してあるが、下端部においても同様に適用できる。下端部では、基体管１０の外周面において、最下部の燃料電池セルから基体管１０の下端部までリード膜が形成されている。このリード膜の外周面と円筒形状の集電キャップの内周面とを導電性のニッケルフェルトを介して接触させると共に、押えナットにより集電コネクタを集電キャップに接続することにより、燃料電池の外部へ電力を取り出す。
【００６２】
［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る集電構造を構成する集電キャップを示した図である。図４（ａ）には、第２の実施形態に係る集電キャップの概略外観図、図４（ｂ）には、概略側断面図を示す。
【００６３】
図４に示すように、第２の実施形態に係る集電キャップ２０は、ニッケル等の導電性材料で成形された円筒形状の部材の上部にガス穴３０が設けられると共に、円筒の内側には弾性部３１が設けられてなる。弾性部３１は、円筒形状の集電キャップ２０の内部において、円筒の中心及び径方向外側へ向かう方向に弾性的に動くことができるようになっている。
【００６４】
図７は、第２の実施形態に係る集電キャップ２０をセルチューブに取り付けた状態の概略断面図である。同図に示すように、基体管１０の外周面には、リード線の役割を果たすリード膜１１が、最上部の燃料電池セル（図示せず）から基体管１０の上端部まで形成されている。リード膜１１の上部には保護膜１２を形成せず、剥き出しの状態となっており、この剥き出しとなったリード膜１１に集電キャップ２０の弾性部３１が付勢され密接することにより、集電キャップ２０が取り付けられる。集電キャップ２０には導線３５が接続され、発電された電力が燃料電池の外部に取り出される。
【００６５】
これにより、本実施形態では、第１の実施形態が有する効果に加えて、ニッケルフェルト（図１、３参照）を使用する必要がなくなるため、燃料電池の部品数及び製造コストを削減することができる。
【００６６】
図７では、ワンスルータイプの燃料電池における適用例を示したが、この場合にはセルチューブの両端に本実施形態に係る集電キャップ２０を取り付けてもよい。また、図１２に示すセルチューブの一端が閉塞された「折り返しタイプ」の燃料電池においても、本実施形態を適用することができる。
【００６７】
［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態に係る集電構造を構成する集電キャップを示した図である。図５（ａ）には、第３の実施形態に係る集電キャップの概略外観図、図５（ｂ）には、概略側断面図を示す。
【００６８】
図５に示すように、第３の実施形態に係る集電キャップ２０は、ニッケル等の導電性材料で成形された円筒形状の部材の上部にガス穴３０が設けられると共に、円筒の側面部分には蛇腹状のネジ部３２が設けられてなる。
【００６９】
図８は、第３の実施形態に係る集電キャップ２０をセルチューブに取り付けた状態の概略断面図である。同図に示すように、基体管１０の外周面には、リード線の役割を果たすリード膜１１が、最上部の燃料電池セル（図示せず）から基体管１０の上端部まで形成されている。リード膜１１の上部には保護膜１２を形成せず、剥き出しの状態となっており、この剥き出しとなったリード膜１１に集電キャップ２０のネジ部３２が密接することにより、集電キャップ２０が取り付けられる。集電キャップ２０には導線３５が接続され、発電された電力が燃料電池の外部に取り出される。
【００７０】
［第４の実施形態］
図６は、第４の実施形態に係る集電構造を構成する集電キャップを示した図である。図６（ａ）には、第３の実施形態に係る集電キャップを切欠部を手前として見た概略外観図、図６（ｂ）には、図６（ａ）を逆側から見た概略外観図を示す。
【００７１】
図６に示すように、第４の実施形態に係る集電キャップ２０は、ニッケル等の導電性材料で成形された円筒形状の部材からなり、その円筒形状の側面部分の一部に切欠部３３を設けてなる。切欠部３３を設けることで、集電キャップ２０自身は、切欠部３３が広がる方向および狭まる方向に弾性的に動くことができるようになっている。また、集電キャップ２０は、その円筒直径が燃料電池のセルチューブの直径よりもやや小さめになるように成形されている。
【００７２】
図９は、第４の実施形態に係る集電キャップ２０をセルチューブに取り付けた状態の概略断面図である。同図に示すように、基体管１０の外周面には、リード線の役割を果たすリード膜１１が、最上部の燃料電池セル（図示せず）から基体管１０の上端部まで形成されている。リード膜１１の上部には保護膜１２を形成せず、剥き出しの状態となっており、この剥き出しとなったリード膜１１を集電キャップ２０の円筒側面部分が外から締め付けるように密接することで、集電キャップ２０が取り付けられる。
【００７３】
集電キャップ２０は、集電キャップ２０自身が弾性力を有する構造となっており、切欠部３３を広げることにより、円筒の直径がセルチューブの直径よりも大きくなる一方、通常の状態ではセルチューブの直径よりも円筒の直径が小さくなっているため、リード膜１１に密接可能となっている。集電キャップ２０には導線３５が接続され、発電された電力が燃料電池の外部に取り出される。
【００７４】
［第５の実施形態］
図１０は、第５の実施形態に係る集電キャップをセルチューブに取り付けた状態の概略斜視図である。同図に示すように、第５の実施形態に係る集電キャップ４０は、ニッケル等の導電性材料で成形された円筒形状の部材からなり、その円筒形状の側面部分の一部に切欠部４４を設けてなる。切欠部４４を設けることで、集電キャップ４０自身は、切欠部４４が広がる方向および狭まる方向に弾性的に動くようになっている。
【００７５】
しかしながら、本実施形態では第４の実施形態とは異なり、集電キャップ４０の円筒直径が燃料電池のセルチューブの直径と同直径になるように成形されている。なお、成形精度の問題から、集電キャップ４０の円筒直径が燃料電池のセルチューブの直径に比べて、やや大きめとなってもよい。このため、集電キャップ４０自身では、基体管１０の周囲のリード膜１１に密接することはない。
【００７６】
そこで、本実施形態では、集電キャップ４０の周囲を固縛線４１により縛り、集電キャップ４０とリード膜１１とを密接させている。これにより、集電キャップ４０自身がリード膜１１に付勢される弾性力をもたずとも、集電キャップ４０をリード膜１１に密接させることができる。また、リード膜と集電キャップとの接触抵抗を低減させるため、リード膜と集電キャップとの間に導電性ペースト等を塗布してもよい。固縛線としては、ワイヤー、耐熱性繊維等の紐状部材が考えられる。
【００７７】
なお、集電キャップに固縛線４１を縛り付ける場合には、集電キャップは、それ自身がリード膜に付勢される弾性力をもっていてもよい。この場合には、集電キャップが有する弾性力と固縛線の縛り付けの力の両作用により、より確実に集電キャップをリード膜に密接させることができる。
【００７８】
［第６の実施形態］
図１１は、第６の実施形態に係る集電キャップをセルチューブに取り付けた状態の概略斜視図（ａ）と、上面図（ｂ）である。同図に示すように、第６の実施形態に係る集電キャップ４０は、ニッケル等の導電性材料で成形された円筒形状の部材からなり、その円筒形状の側面部分の一部を巻き込んで（巻き込み４２）塑性変形させてなる。側面部分の一部を塑性変形させ、巻き込み４２とすることで、集電キャップ４０自身がリード膜１１に密接するようになっている。
【００７９】
巻き込み４２の調整により集電キャップ４０のリード膜１１に対する密着性を高めて、燃料電池の長期信頼性（集電部の接触に関する）を向上させることができる。さらに、集電構造を構成する部品数の削減することができると共に、簡便な方法で集電を行うことができる。
【００８０】
【発明の効果】
〔請求項１〕に記載する発明では、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電し、発電した電力を外部へ取り出す燃料電池の集電構造において、
前記基体管の外面に設けられ、前記燃料電池セルから前記基体管の一端まで延びる導電性のリード膜と、
前記リード膜の外面に密接すると共に、前記基体管に前記第１ガスが入出する穴を有する集電キャップとを設け、
前記燃料電池セルが発電した電力をリード膜及び集電キャップを介して外部に集電することとしたので、
基体管の外面のみにリード膜を形成するため、集電構造の作製に当たって、従来のディップ成膜等の特殊な工程を省略することができる。これにより製造工程の短縮および製造コストの削減が可能である。
更に、従来の内面集電構造のように、基体管の内部にまで張り出す集電構造ではないため、排出燃料ガスの排気効率を高めることができ、高出力の燃料電池に対応することができる。
【００８１】
〔請求項２〕に記載する発明では、〔請求項１〕の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップを、当該集電キャップ自身を前記リード膜の外面に付勢して密接する弾性力を有する構造として、前記リード膜の外面に前記集電キャップが密接することとしたので、
ディップ成膜等の特殊な工程を省略に加え、ニッケルフェルト等の高価な部材を使用することなく集電構造を作製することができる。これにより、製造コストの大幅な削減が可能である。
【００８２】
〔請求項３〕に記載する発明では、〔請求項１〕又は〔請求項２〕の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップの前記リード膜と密接する内面に、前記リード膜の外面に付勢して密接する弾性力を有する弾性部分を設けたので、
ニッケルフェルト等の高価な部材を使用することなく集電構造を作製することができる。
【００８３】
〔請求項４〕に記載する発明では、〔請求項１〕又は〔請求項２〕の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップを、前記基体管の外周面を締め付ける弾性体で形成し、前記集電キャップ自身が前記リード膜の外面に付勢して密接する弾性力を有するようにしたので、
ニッケルフェルト等の高価な部材を使用することなく集電構造を作製することができると共に、製造が簡単な集電キャップとすることができる。
【００８４】
〔請求項５〕に記載する発明では、〔請求項１〕又は〔請求項２〕の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップの周囲を固縛線により縛り、当該集電キャップを前記リード膜の外面に密接させたので、更に集電キャップとリード膜とを密接させることができる。
【００８５】
〔請求項６〕に記載する発明では、〔請求項１〕の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記集電キャップは、前記リード膜を外面から締めつけるように、前記集電キャップ又は集電キャップの一部を塑性変形させてなることとしたので、簡便な方法で集電キャップとリード膜とを密接させることができる。
【００８６】
〔請求項７〕に記載する発明では、〔請求項１〕ないし〔請求項６〕のいずれか発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記リード膜と前記集電キャップとが導電性の弾性部材を介して接触することとしたので、
燃料電池作動時の高温環境において、リード膜と集電キャップとの電気的接触を確実なものとすることができる。
【００８７】
〔請求項８〕に記載する発明では、〔請求項７〕の発明に係る燃料電池の集電構造において、
前記弾性部材をニッケルフェルトとしたので、
一般的な導電・弾性部材を用いて、リード膜と集電キャップとの電気的接触を確実なものとすることができる。
【００８８】
〔請求項９〕に記載する発明では、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池において、
〔請求項１〕ないし〔請求項８〕のいずれかの発明に係る燃料電池の集電構造を備え、前記集電構造により発電した電力を外部へ取り出すこととしたので、
燃料電池の集電構造を作製する際に、従来のディップ成膜等の特殊な工程を省略することができるため、製造工程の短縮および製造コストの削減した燃料電池とすることができる。
【００８９】
〔請求項１０〕に記載する発明では、〔請求項９〕の発明に係る燃料電池において、
前記基体管の一端から前記第１ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第１ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることとしたので、
構造の簡単なワンスルータイプの燃料電池の更なる製造工程の短縮および製造コストの削減が可能である。
【００９０】
〔請求項１１〕に記載する発明では、〔請求項９〕の発明に係る燃料電池において、
前記基体管の一端が閉塞されると共に、前記基体管の内部に、前記基体管の他端から前記閉塞された一端に向かうガス案内管が挿入され、前記第１ガスが、前記基体管の他端の側から前記ガス案内管に供給され、前記基体管の一端で折り返した後、前記基体管の他端に向かう、折り返しタイプの燃料電池であることとしたので、
一般的に用いられている「折り返しタイプ」の燃料電池において、製造工程の短縮および製造コストの削減が可能である。
また、内面集電構造を折り返しタイプの燃料電池に適用していた従来は、集電キャップの取り外しの際にニッケルフェルトが基体管の内部に落ちてしまうことがあり、燃料電池の補修等に煩わしさがあったが、外面集電構造とすることで、この問題も解決することができる。
【００９１】
〔請求項１２〕に記載する発明では、〔請求項９〕ないし〔請求項１１〕のいずれかの発明に係る燃料電池において、
前記第１ガスを燃料ガスとし、前記第２ガスを酸化剤ガスとしたので、
一般的な燃料電池に適用することができる。
【００９２】
〔請求項１３〕に記載する発明では、〔請求項９〕ないし〔請求項１１〕のいずれかの発明に係る燃料電池において、
前記第１ガスを酸化剤ガスとし、前記第２ガスを燃料ガスとしたので、
一般的な燃料電池に適用することができる。
【００９３】
〔請求項１４〕に記載する発明では、〔請求項９〕ないし〔請求項１３〕のいずれかの発明に係る燃料電池において、
前記基体管の外面に、一素子の燃料電池セルが設けられていることとしたので、
一般的な燃料電池に適用することができる。
【００９４】
〔請求項１５〕に記載する発明では、〔請求項９〕ないし〔請求項１３〕のいずれかの発明に係る燃料電池において、
前記基体管の外面に複数の燃料電池セルが設けられていることとしたので、
一般的な燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の集電構造をセルチューブに取り付けた状態の概略断面図である。
【図２】ワンスルータイプの燃料電池を示した概略構成図である。
【図３】ワンスルータイプの燃料電池に、第１の実施形態に係る集電構造を適用した状態の概略断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る集電構造を構成する集電キャップの概略外観図（ａ）及び側断面図（ｂ）である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る集電構造を構成する集電キャップの概略外観図（ａ）及び側断面図（ｂ）である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る集電構造を構成する集電キャップの概略外観図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る集電キャップをセルチューブに取り付けた状態の概略断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る集電キャップをセルチューブに取り付けた状態の概略断面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る集電キャップをセルチューブに取り付けた状態の概略断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る集電キャップをセルチューブに取り付けた状態の概略斜視図である。
【図１１】第６の実施形態に係る集電キャップをセルチューブに取り付けた状態の概略斜視図（ａ）と、上面図（ｂ）である。
【図１２】従来の燃料電池の一例を示した概略構成図である。
【図１３】図１２に示すセルチューブを更に詳細に示した概略断面構造図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
２　セルチューブ
３　ヘッダ
３ａ　仕切板
３ｂ　底板
３ｃ　供給室
３ｄ　排出室
４　燃料ガス
５　排出燃料ガス
６　酸化剤ガス
７　燃料電池セル
８　案内管
１０　基体管
１１　リード膜
１２　保護膜
１３　封止部材
１４　シールキャップ
１５　集電キャップ
１６　ニッケルフェルト
１７　集電コネクタ
１８　押えナット
２０　集電キャップ
２１　上部管板
２２　下部管板
２３　上部支持体
２４　下部支持体
２５　酸化剤供給室
２６　セル接合部
２７　充填材
３０　ガス穴
３１　弾性部
３２　ネジ部
３３　切欠部
３５　導線
４０　集電キャップ
４１　固縛線
４２　巻き込み
４３　Ｎｉ線
４４　切欠部
【図１】
2004139818.tif 000003
【図２】
2004139818.tif 000004
【図３】
2004139818.tif 000005
【図４】
2004139818.tif 000006
【図５】
2004139818.tif 000007
【図６】
2004139818.tif 000008
【図７】
2004139818.tif 000009
【図８】
2004139818.tif 000010
【図９】
2004139818.tif 000011
【図１０】
2004139818.tif 000012
【図１１】
2004139818.tif 000013
【図１２】
2004139818.tif 000014
【図１３】
2004139818.tif 000015