(57)【要約】【課題】本発明は、集電効率に優れたチューブ型燃料電池モジュールを提供することを主目的とするものである。【解決手段】本発明は、内側から順に内部集電体、内側触媒電極層、固体電解質膜および外側触媒電極層を有するチューブ型燃料電池セルと、上記チューブ型燃料電池セルの集電を行う外部集電体と、を有するチューブ型燃料電池モジュールであって、上記外部集電体が、凸部および凹部が交互に連続した波板構造を有し、かつ、上記外部集電体と、上記外部集電体の凹部と上記チューブ型燃料電池セルの長さ方向全長にわたって面接触する複数の上記チューブ型燃料電池セルと、を有するセル−集電体構造単位を少なくとも一つ備えることを特徴とするチューブ型燃料電池モジュールを提供することにより、上記課題を解決する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側から順に内部集電体、内側触媒電極層、固体電解質膜および外側触媒電極層を有するチューブ型燃料電池セルと、前記チューブ型燃料電池セルの集電を行う外部集電体と、を有するチューブ型燃料電池モジュールであって、
前記外部集電体が、凸部および凹部が交互に連続した波板構造を有し、かつ、
前記外部集電体と、前記外部集電体の凹部と前記チューブ型燃料電池セルの長さ方向全長にわたって面接触する複数の前記チューブ型燃料電池セルと、を有するセル−集電体構造単位を少なくとも一つ備えることを特徴とするチューブ型燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記セル−集電体構造単位が、２〜２４段の範囲内で積層されていることを特徴とする請求項１に記載のチューブ型燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記セル−集電体構造単位が、冷却管を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のチューブ型燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記冷却管が、一つの前記セル−集電体構造単位に対して、一つの冷却液供給口および一つの冷却液排出口を有することを特徴とする請求項３に記載のチューブ型燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記冷却管が、前記セル−集電体構造単位の少なくとも一つのチューブ型燃料電池セルの一方の端部から他方の端部までの範囲で接触することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のチューブ型燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記冷却管の冷却液供給方向および冷却液排出方向の少なくとも一方が、前記チューブ型燃料電池セルの軸方向と、平面視上異なる方向であることを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれかの請求項に記載のチューブ型燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電効率に優れたチューブ型燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の平板構造の固体高分子電解質型燃料電池（以下、単に平板型燃料電池と称する場合がある。）の最小発電単位である単位セルは、一般に、固体電解質膜の両側に触媒電極層が接合された膜電極複合体（ＭＥＡ）と、この膜電極複合体の両側に配置されたガス拡散層と、上記ガス拡散層の外側に配置されたセパレータとを有する。
【０００３】
平板型燃料電池の小型化、および単位体積当たりの発電反応面積の向上を図るためには、平板型燃料電池を構成する固体電解質膜等の厚みを薄くする必要があるが、各構成部材の厚みをある一定以下の値にすることは、機能面や強度面の観点から好ましくなく、このような厚みの薄い平板型燃料電池の設計は限界に近づきつつある。そこで近年、平板型燃料電池に替わり、チューブ型燃料電池が開発されている。
【０００４】
チューブ型燃料電池の最小発電単位である単位セル（チューブ型燃料電池セル）は、例えば、中空状の固体電解質膜と、上記固体電解質膜の内側に配設される内側触媒電極層と、上記固体電解質膜の外側に配設される外側触媒電極層とを備える中空状の膜電極複合体（ＭＥＡ）を有し、さらに、上記内側触媒電極層の内側に内部集電体が配設され、上記外側触媒電極層の外側に外部集電体が配設される。すなわち、一般的なチューブ型燃料電池セルは内側から順に、内部集電体、内側触媒電極層、固体電解質膜、外側触媒電極層、および外部集電体を有する。
【０００５】
このようなチューブ型燃料電池セルにおいては、上記中空状の膜電極複合体の内部に、酸素含有ガスおよび水素含有ガスの一方の反応ガスを供給し、上記中空状の膜電極複合体の外部に他方の反応ガスを供給することにより、電気化学反応を起こし電気エネルギーを得る。複数のチューブ型燃料電池セルを配設してチューブ型燃料電池を作製した場合に、各々の膜電極複合体の外部に供給する反応ガスを同一のものとすることで、従来の平板型燃料電池が有していたセパレータが不要となり、効果的に燃料電池の小型化を図ることができる。
【０００６】
一方、チューブ型燃料電池の発電性能をより一層向上させるためには、各チューブ型燃料電池セルにて発生した電気エネルギーを外部へ取り出す際の効率（集電効率）を向上させることが必要である。かかる集電効率の向上は、集電部材と複数のチューブ型燃料電池セルとを接触させる等の手段により達成可能であると考えられる。
【０００７】
これまでに、チューブ型燃料電池の集電効率向上を目的とした技術はいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、セル接続用導電部材を介して複数のチューブ型燃料電池セルが接続されて形成されるセル集合体と該セル集合体と電気的に接続された電極接続用導電部材とを備える燃料電池システムに関する技術が開示されており、かかる技術によれば、集電機能を備えるセル接続用導電部材と電極接続用導電部材との接続が維持されるので、安定した発電性能を有する燃料電池を提供できる、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とじゃま板とを備える固体電解質型燃料電池に関する技術が開示されており、かかる技術によれば、発電性能が向上した固体電解質型燃料電池を提供できる、としている。
【０００８】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、セル接続用導電部材と各チューブ型燃料電池セルとを経由して始めて電極接続用導電部材へと到達可能であるため、接触抵抗が大きくなり、集電効率が低下する虞があるという問題があった。また、特許文献２に開示されている技術によっても、集電効率を向上させ難いという問題があった。
【特許文献１】特開２００４−２８８５４２号公報
【特許文献２】特開平８−１６２１４２号公報
【特許文献３】特表２００４−５０５４１７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、集電効率に優れたチューブ型燃料電池モジュールを提供することを主目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明においては、内側から順に内部集電体、内側触媒電極層、固体電解質膜および外側触媒電極層を有するチューブ型燃料電池セルと、上記チューブ型燃料電池セルの集電を行う外部集電体と、を有するチューブ型燃料電池モジュールであって、上記外部集電体が、凸部および凹部が交互に連続した波板構造を有し、かつ、上記外部集電体と、上記外部集電体の凹部と上記チューブ型燃料電池セルの長さ方向全長にわたって面接触する複数の上記チューブ型燃料電池セルと、を有するセル−集電体構造単位を少なくとも一つ備えることを特徴とするチューブ型燃料電池モジュールを提供する。
【００１１】
本発明によれば、上記外部集電体が波板構造を有することにより、外部集電体とチューブ型燃料電池セルとが面接触し、接触面積が増大することから、集電効率に優れたチューブ型燃料電池モジュールを得ることができる。また、本発明においては、外部集電体の凹部とチューブ燃料電池セルとが、チューブ型燃料電池セルの長さ方向全長にわたって面接触することから、例えば、チューブ燃料電池セルの端部のみが外部集電体と接触するチューブ型燃料電池モジュールに比べて、より集電効率を向上させることができるという利点を有する。また、上記セル−集電体構造単位を複数積層してチューブ型燃料電池モジュールを作製する場合、外部集電体とチューブ型燃料電池セルとの面圧を上げるために、通常、セル−集電体構造単位の積層方向に圧力を加える。この際、上記外部集電体は、波板構造を有するため、バネのように上記積層方向と直交する方向に伸張する。このように、フレキシブルに上記外部集電体が変形することで、各々のチューブ型燃料電池セルに対して、均一に圧力を与えることができ、集電効率の向上を図ることができる。さらには、本発明のチューブ型燃料電池モジュールを作製する際に、上記外部集電体が予め波板構造を有していれば、チューブ型燃料電池セルの位置決めを容易に行うことができるという利点を有する。
【００１２】
また、上記発明においては、上記セル−集電体構造単位が、２〜２４段の範囲内で積層されていることが好ましい。上記範囲内である場合は、より実用的な電気エネルギーを得ることができ、上記範囲を超える場合は、シール構造の簡略化を図ることが難しくなる可能性があるからである。
【００１３】
また、上記発明においては、上記セル−集電体構造単位が、冷却管を備えることが好ましい。上記冷却管を備えることにより、過熱による燃料電池の性能低下を抑制することができるからである。
【００１４】
また、上記発明においては、上記冷却管が、一つの上記セル−集電体構造単位に対して、一つの冷却液供給口および一つの冷却液排出口を有することが好ましい。このような構造の冷却管を用いることで、冷却管を固定する冷却管シール部の構造を単純化することができるからである。
【００１５】
また、上記発明においては、上記セル−集電体構造単位の少なくとも一つのチューブ型燃料電池セルの一方の端部から他方の端部までの範囲で接触することが好ましい。より効果的にチューブ型燃料電池セルを冷却することができるからである。
【００１６】
また、上記発明においては、上記冷却管の冷却液供給方向および冷却液排出方向の少なくとも一方が、上記チューブ型燃料電池セルの軸方向と、平面視上異なる方向であることが好ましい。チューブ型燃料電池セルを固定するセルシール部と、冷却管を固定する冷却管シール部とが異なる位置に配置され、シール構造の多層化、複雑化を防止することができるからである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明においては、波板形状を有する外部集電体を用いることで、集電効率に優れたチューブ型燃料電池を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明のチューブ型燃料電池モジュールについて詳細に説明する。
【００１９】
まず、本発明のチューブ型燃料電池モジュールの各構成について図面を用いて説明する。
図１は本発明に用いられる外部集電体の一例を示す斜視図である。図１に示すように、外部集電体１は、凸部および凹部が交互に連続した波板構造を有する。上記外部集電体が波板構造を有することにより、外部集電体とチューブ型燃料電池セルとが、面接触し、接触面積が増大することから、集電効率に優れたチューブ型燃料電池モジュールを得ることができる。
【００２０】
また、図２は本発明に用いられるセル−集電体構造単位の一例を示す斜視図である。図２に示すように、セル−集電体構造単位１０は、外部集電体１と、外部集電体１の凹部とチューブ型燃料電池セル２の長さ方向全長にわたって面接触する複数のチューブ型燃料電池セル２と、を有する。また、セル−集電体構造単位１０は、必要に応じて、冷却管３を備えることが好ましい。冷却管３を有することにより、過熱による燃料電池の性能低下を抑制することができるからである。なお、図示しないが、チューブ型燃料電池セル２は、内側から順に内部集電体、内側触媒電極層、固体電解質膜および外側触媒電極層を有する。
【００２１】
また、図３は、本発明のチューブ型燃料電池モジュールの一例を示す斜視図である。図３に示されるチューブ型燃料電池モジュール２０は、セル−集電体構造単位１０を３段積層してなるものである。なお、図示していないが、通常、最上位に積層されたセル−集電体構造単位１０の表面上には、波板形状を有する外部集電体が設置される。
以下、本発明のチューブ型燃料電池モジュールの各構成について、詳細に説明する。
【００２２】
１．外部集電体
まず、本発明に用いられる外部集電体について説明する。本発明に用いられる外部集電体は、後述するチューブ型燃料電池セルから発生した電気エネルギーを外部に取り出す機能を有するものである。さらに、本発明においては、上記外部集電体は、凸部および凹部が交互に連続した波板構造を有する。さらに、上記外部集電体は、上記外部集電体の凹部と上記チューブ燃料電池セルとが、チューブ型燃料電池セルの長さ方向全長にわたって面接触するような寸法を有する。本発明において、上記「全長」とは、チューブ型燃料電池セルの長さの８０％〜１００％の範囲内の長さをいうものとする。本発明においては、チューブ燃料電池セルが、チューブ燃料電池セルの長さ方向において、１００％上記外部集電体の凹部と面接触していることが好ましい。
【００２３】
上記外部集電体の凸部および凹部の寸法については、用いられるチューブ型燃料電池セルの大きさ等により異なり特に限定されるものではない。中でも、本発明においては、複数のセル−集電体構造単位を積層した場合に、一方のセル−集電体構造単位のチューブ型燃料電池セルが、隣り合う他方のセル−集電体構造単位の外部集電体と面接触できる寸法であることが好ましい。具体的には、図４に示すように、セル−集電体構造単位１０ａのチューブ型燃料電池セル２ａが、隣り合うセル−集電体構造単位１０ｂの外部集電体１ｂと面接触できる寸法であることが好ましい。チューブ型燃料電池セルと外部集電体との接触面積が増えることで、集電効率がさらに向上するからである。
【００２４】
また、チューブ型燃料電池セルは、上述したように、中空状の膜電極複合体（ＭＥＡ）の内側および外側に反応ガスを供給することにより、電気エネルギーを得るものである。そのため、膜電極複合体の外側に配設される上記外部集電体は、通常、反応ガス通過孔を有する。このような反応ガス通過孔を有する外部集電体としては、反応ガスを外側触媒電極層に接触させることができるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、スリット状の反応ガス通過孔を有する外部集電体、円状の反応ガス通過孔を有する外部集電体等を挙げることができる。円状の反応ガス通過孔を有する外部集電体は、例えば、いわゆるパンチメタルを波板形状に加工することによって得ることができる。
【００２５】
上記外部集電体の材料としては、導電性を有する材料であれば特に限定されるものではないが、中でも耐腐食性に優れた材料であることが好ましい。具体的にはメッキ処理した銅、チタン、チタンクラッド材、銅クラッド材等を挙げることができ、中でもチタンクラッド材および銅クラッド材が好ましい。
また、上記外部集電体の厚みとしては、特に限定されるものではないが、例えば０．０５〜２ｍｍの範囲内、中でも０．１〜０．３ｍｍの範囲内であることが好ましい。外部集電体の厚みが小さすぎると、充分な機械強度を得ることができない可能性があり、逆に外部集電体の厚みが大きすぎると、内部抵抗の増加やチューブ型燃料電池モジュールの大型化等が生じるからである。
【００２６】
２．チューブ型燃料電池セル
次に、本発明に用いられるチューブ型燃料電池セルについて説明する。本発明に用いられるチューブ型燃料電池セルは、内側から順に内部集電体、内側触媒電極層、固体電解質膜および外側触媒電極層を有するものである。
【００２７】
上記内部集電体としては、導電性を有し、チューブ型燃料電池セルの軸方向に反応ガスを流通させることができ、さらに、内側触媒電極層に対して反応ガスを接触させることができるものであれば特に限定されるものではない。具体的には、表面にガス流路の溝を有する円筒状の集電体、複数の導電線を、より線状に編んだ集電体等を挙げることができる。
【００２８】
また、上記内側触媒電極層、上記外側触媒電極層、および上記固体電解質膜については、特に限定されるものではなく、一般的なチューブ型燃料電池に用いられる部材と同様の部材を用いることができる。
【００２９】
上記チューブ型燃料電池セルの外径としては、本発明のチューブ型燃料電池モジュールの用途や大きさ等によって異なり特に限定されるものではないが、通常０．５〜３ｍｍの範囲内である。また、上記チューブ型燃料電池セルの長さとしては、特に限定されるものではないが、通常３０〜６００ｍｍの範囲内である。
また、上記チューブ型燃料電池セルは、必要に応じて、内部集電体と内側触媒電極層との間、外側触媒電極層の外側等に撥水層を有していても良い。
【００３０】
３．セル−集電体構造単位
次に、本発明に用いられるセル−集電体構造単位について説明する。本発明に用いられるセル−集電体構造単位は、上記外部集電体と、上記外部集電体の凹部と上記チューブ型燃料電池セルの長さ方向全長にわたって面接触する複数の上記チューブ型燃料電池セルと、を有するものである。なお、本発明においては、上記外部集電体が波板構造を有することから、通常、その凹部に沿って、上記チューブ型燃料電池セルが平行に配置される。
【００３１】
また、本発明においては、上記セル−集電体構造単位が、冷却管を備えることが好ましい。上記冷却管を備えることにより、過熱による燃料電池の性能低下を抑制することができるからである。
【００３２】
また、本発明においては、上記冷却管が一つの上記セル−集電体構造単位に対して、一つの冷却液供給口および一つの冷却液排出口を有することが好ましい。すなわち、一つの上記セル−集電体構造単位に対して、冷却管の入口および出口が一つであることが好ましい。このような構造の冷却管を用いることで、冷却管を固定するシール構造を単純化することができるからである。また、冷却管の入口および出口が一つである場合、入口から出口に至るまでの間に、冷却管が枝分れ構造を有していても良く、一本の管からなる場合であっても良い。中でも、本発明においては、上記冷却管が一本の管からなることが好ましい。冷却管の配置を簡略化できるからである。
【００３３】
また、上記冷却管の配置パターンとしては、特に限定されるものではないが、冷却管とチューブ型燃料電池セルとの接触面積が大きい配置パターンであることが好ましい。より効果的にチューブ型燃料電池セルを冷却することができるからである。中でも、本発明においては、上記冷却管が、上記セル−集電体構造単位の少なくとも一つのチューブ型燃料電池セルの一方の端部から他方の端部までの範囲で接触することが好ましい。具体的には、図５に示すように、冷却管３が、チューブ型燃料電池セル２の一方の端部から他方の端部までの範囲で接触することが好ましい。なお、上記「端部」とは、厳密にチューブ型燃料電池セルの端の部分のみではなく、その内部近傍の領域をも包含する部分である。具体的には、チューブ型燃料電池セルの端の部分から、チューブ型燃料電池の長さに対して１０％の長さまでの部分をいう。特に、本発明においては、上記冷却管が、上記セル−集電体構造単位の全てのチューブ型燃料電池セルの一方の端部から他方の端部までの範囲で接触することが好ましい。このようなセル−集電体構造単位としては、例えば、上述した図２に示すセル−集電体構造単位等を挙げることができる。
【００３４】
また、上記冷却管の配置パターンは、上記セル−集電体構造単位を積層してチューブ型燃料電池モジュールを作製する際に、チューブ型燃料電池モジュールの厚みを増加させない配置パターンであることが好ましい。具体的には、図６に示すように、外部集電体１とチューブ型燃料電池セル２との間隙に沿って、冷却管３が配置されることが好ましい。なお、図６は、例えば図３に示されるチューブ型燃料電池モジュールの一部の断面を示す概略図である。
【００３５】
また、本発明においては、上記冷却管の冷却液供給方向および冷却液排出方向の少なくとも一方が、上記チューブ型燃料電池セルの軸方向と、平面視上異なる方向であることが好ましい。チューブ型燃料電池セルを固定するセルシール部と、冷却管を固定する冷却管シール部とが異なる位置に配置され、シール構造の多層化、複雑化を防止することができるからである。上記冷却管の冷却液供給方向とは、冷却液供給源とセル−集電体構造単位とを連結する冷却管のうち、セル−集電体構造単位側直近における冷却管の軸方向をいう。また、上記冷却管の冷却液排出方向とは、セル−集電体構造単位と冷却液排出先とを連結する冷却管のうち、セル−集電体構造単位側直近における冷却管の軸方向をいう。
【００３６】
本発明においては、中でも、上記冷却管の冷却液供給方向および冷却液排出方向の両方が、上記チューブ型燃料電池セルの軸方向と、平面視上異なる方向であることが好ましい。また、上記冷却液供給方向とチューブ型燃料電池セルの軸方向との角度としては、特に限定されるものではないが、中でも直角であることが好ましい。上記冷却液排出方向とチューブ型燃料電池セルの軸方向との角度についても同様である。
【００３７】
このような冷却管を有するセル−集電体構造単位の具体例としては、例えば、図７に示すように、冷却管３の冷却液供給方向Ａおよび冷却液排出方向Ｂの両方が、チューブ型燃料電池セル２の軸方向Ｘと、平面視上異なる方向であるもの等を挙げることができる。
【００３８】
また、上記冷却管の材料としては、特に限定されるものではないが、中でも耐腐食性に優れた材料であることが好ましい。具体的にはメッキ処理した銅、チタン、チタンクラッド材、銅クラッド材等を挙げることができ、中でもチタンクラッド材および銅クラッド材が好ましい。
上記冷却管の外径としては、チューブ型燃料電池セルの大きさ等によって異なり特に限定されるものではないが、通常０．５〜２ｍｍの範囲内である。
また、上記冷却管の中を流通させる冷却液としては、例えば水等を挙げることができる。
【００３９】
４．チューブ型燃料電池モジュール
本発明のチューブ型燃料電池モジュールは、上述したセル−集電体構造単位を少なくとも一つ備えるものである。従って、本発明のチューブ型燃料電池モジュールは、単一のセル−集電体構造単位を備えるものであっても良いが、通常、複数のセル−集電体構造単位を備える。その際、上述した図４で説明したように、一方のセル−集電体構造単位のチューブ型燃料電池セルが、隣り合う他方のセル−集電体構造単位の外部集電体と面接触することが好ましい。チューブ型燃料電池セルと外部集電体との接触面積が増えることで、集電効率がさらに向上するからである。
【００４０】
また、セル−集電体構造単位の積層数は、チューブ型燃料電池モジュールの用途等に応じて異なり特に限定されるものではない。中でも、本発明のチューブ型燃料電池モジュールは、上記セル−集電体構造単位が、２〜２４段の範囲内、中でも３〜６段の範囲内で積層されていることが好ましい。上記範囲内である場合は、より実用的な電気エネルギーを得ることができ、上記範囲を超える場合は、シール構造の簡略化を図ることが難しくなる可能性があるからである。
【００４１】
５．チューブ型燃料電池モジュールの製造方法
次に、本発明のチューブ型燃料電池モジュールの製造方法について説明する。本発明のチューブ型燃料電池モジュールの製造方法としては、上述したチューブ型燃料電池を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。例えば、波板構造を有する外部集電体を予め用意し、その凹部にチューブ型燃料電池セルを配置し、さらに必要に応じて冷却管を配設することでセル−集電体構造単位を作製し、そのセル−集電体構造単位を複数積層し、積層方向に圧力をかける方法等を挙げることができる。
【００４２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明に用いられる外部集電体の一例を示す斜視図である。
【図２】本発明に用いられるセル−集電体構造単位の一例を示す斜視図である
【図３】本発明のチューブ型燃料電池モジュールの一例を示す斜視図である。
【図４】積層されたセル−集電体構造単位を説明する概略断面図である。
【図５】冷却管の配置を説明する斜視図である。
【図６】冷却管の配置を説明する概略断面図である。
【図７】冷却液供給方向および冷却液排出方向を説明する斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  …  外部集電体
２  …  チューブ型燃料電池セル
３  …  冷却管
１０  …  セル−集電体構造単位
２０  …  チューブ型燃料電池モジュール
【図１】
2007134178.tif 000003
【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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