(57)【要約】【課題】本発明は、集電効率および冷却効率に優れ、小型化や出力密度の向上を図ることができる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、波型の冷却管を複数本平行に配置することにより形成される、凸部および凹部が交互に連続した波板構造を有し、上記チューブ型燃料電池セルの集電を行う冷却集電体と、を備え、上記冷却集電体と、上記冷却集電体の凹部と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−冷却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、波型の冷却管を複数本平行に配置することにより形成される、凸部および凹部が交互に連続した波板構造を有し、前記チューブ型燃料電池セルの集電を行う冷却集電体と、を備え、
前記冷却集電体と、前記冷却集電体の凹部と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−冷却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】
前記冷却集電体が、一つの前記セル−冷却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】
前記冷却集電体を構成する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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電効率および冷却効率に優れ、小型化や出力密度の向上を図ることができる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出力密度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】
上記のような特性を有するチューブ型燃料電池であるが、より実用的なチューブ型燃料電池とするためには、さらなる改良が必要である。具体的には、チューブ型燃料電池セルで発生した電気エネルギーを外部へ取り出す集電効率の向上、発電時にチューブ型燃料電池セルを冷却する冷却効率の向上、チューブ型燃料電池の小型化、および単位体積当たりの出力密度の向上等を図ることが必要である。
【０００７】
なお、上記集電効率の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。
【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】
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、集電効率および冷却効率に優れ、小型化や出力密度の向上を図ることができる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】
【０００９】
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、波型の冷却管を複数本平行に配置することにより形成される、凸部および凹部が交互に連続した波板構造を有し、上記チューブ型燃料電池セルの集電を行う冷却集電体と、を備え、上記冷却集電体と、上記冷却集電体の凹部と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−冷却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。
【００１０】
本発明によれば、上記冷却集電体が、チューブ型燃料電池セルを冷却する冷却機能と、チューブ型燃料電池セルの集電を行う集電機能と、を兼ね備えていることから、従来に比べて、より少ない部材でチューブ型燃料電池モジュールを作製することができる。そのため、チューブ型燃料電池モジュールの小型化を容易に図ることができる。また、より少ない部材でチューブ型燃料電池モジュールを作製することができるため、一定の空間に占めるチューブ型燃料電池セルの相対的な割合を増加させることができ、単位体積当たりの出力密度の向上等を図れるという利点を有する。また、上記セル−冷却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、冷却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−冷却集電体構造単位の積層方向に圧力を加える。この際、上記冷却集電体は、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冷却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、集電効率および冷却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、通常、上記冷却集電体は予め波板構造を有していることから、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。また、冷却集電体を構成する冷却管が管状部材であることから、燃料ガスの拡散を阻害することを抑制することができる。
【００１１】
また、上記発明においては、上記冷却集電体が、一つの上記記セル−冷却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。冷却液供給口および冷却液排出口が一つであれば、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。
【００１２】
また、上記発明においては、上記冷却集電体を構成する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】
【００１３】
本発明においては、上記冷却集電体を用いることで、集電効率および冷却効率に優れ、小型化や出力密度の向上を図ることができるチューブ型燃料電池モジュール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】
【００１４】
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。
【００１５】
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冷却集電体の一例を示す斜視図である。図１に示すように、冷却集電体１は、波型の冷却管２を複数本平行に配置することにより形成される、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、冷却集電体１はチューブ型燃料電池セルの集電を行う集電機能を有する。上述したように、冷却集電体１が冷却機能および集電機能を兼ね備えていることから、チューブ型燃料電池モジュールの小型化、単位体積当たりの出力密度の向上等を図ることができる。また、冷却集電体１における冷却管２の折返部位Ａは、電気エネルギーを取り出す集電部として機能し得る。
【００１６】
また、図２は本発明に用いられるセル−冷却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−冷却集電体構造単位１０は、冷却集電体１と、冷却集電体１の凹部と接触する複数のチューブ型燃料電池セル３と、を有する。なお、図示しないが、チューブ型燃料電池セル３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。
【００１７】
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−冷却集電体構造単位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、最上位に積層されたセル−冷却集電体構造単位１０の表面上には、通常、冷却集電体１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。
【００１８】
１．冷却集電体
まず、本発明に用いられる冷却集電体について説明する。本発明に用いられる冷却集電体は、チューブ型燃料電池セルを冷却する冷却機能と、チューブ型燃料電池セルの集電を行う集電機能とを兼ね備えるものである。さらに、上記冷却集電体は、波型の冷却管を複数本平行に配置することにより形成される、凸部および凹部が交互に連続した波板構造を有する。
【００１９】
また、上記冷却集電体は、冷却液を投入する冷却液供給口と、冷却液を排出する冷却液排出口とを有する。上記冷却集電体が有する冷却液供給口および冷却液排出口の数は、特に限定されるものではなく、任意に設定することができる。中でも、本発明においては、上記冷却集電体が、一つの上記記セル−冷却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。冷却液供給口および冷却液排出口が一つであれば、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。
【００２０】
さらに、冷却液供給口および冷却液排出口が一つである場合、冷却液供給口から冷却液排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。冷却集電体の製造が容易だからである。
【００２１】
上記冷却管が一本の管からなる場合における冷却集電体の具体例としては、例えば、上述した図１に示される冷却集電体１等を挙げることができる。一方、冷却管が枝分れ構造を有する場合の具体例としては、例えば、図４に示されるように、冷却液供給口４から冷却液排出口５に至るまでの間に、冷却管２が枝分れ構造を有する冷却集電体１等を挙げることができる。なお、本発明においては、上記冷却集電体が、一つの上記記セル−冷却集電体構造単位に対して、複数の冷却液供給口および冷却液排出口を有していても良い。このような冷却集電体としては、例えば、図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるように、複数の冷却液供給口４および冷却液排出口５を有する冷却集電体１等を挙げることができる。
【００２２】
また、本発明においては、上記冷却集電体を構成する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−冷却集電体構造単位とを連結する冷却管のうち、セル−冷却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−冷却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−冷却集電体構造単位側直近における冷却管の軸方向をいう。
【００２３】
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。
【００２４】
このようなセル−冷却集電体構造単位の具体例としては、例えば、図６に示すように、冷却管２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３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。
【００２５】
また、上記冷却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−冷却集電体構造単位を積層した場合に、一方のセル−冷却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−冷却集電体構造単位の冷却集電体と接触できる寸法であることが好ましい。具体的には、図７に示すように、セル−冷却集電体構造単位１０ａのチューブ型燃料電池セル３ａが、隣り合うセル−冷却集電体構造単位１０ｂの冷却集電体１ｂと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冷却集電体との接触面積が増えることで、集電効率および冷却効率がさらに向上するからである。
【００２６】
上記冷却集電体を構成する冷却管の材料としては、導電性を有するもの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。具体的にはメッキ等の耐食処理の施された銅またはアルミニウム、あるいはチタン、白金、金等を挙げることができ、中でもメッキ等の耐食処理の施された銅またはアルミニウムが好ましい。
また、上記冷却管の断面の形状としては、冷却液を流通させることができれば特に限定されるものではなく、任意の形状を選択することができる。中でも、本発明においては、上記冷却管の断面の形状が円であることが好ましい。断面が円である冷却管は汎用品として購入可能であり、安価だからである。なお、集電効率および冷却効率の観点からは、チューブ型燃料電池セルに対する接触面積が大きい長方形等が好ましい。
【００２７】
また、上記冷却管の断面の形状が円である場合、その外径は、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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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０．５〜１０ｍｍ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５０〜６００ｍｍ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。
【００３２】
３．セル−冷却集電体構造単位
次に、本発明に用いられるセル−冷却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−冷却集電体構造単位は、上記冷却集電体と、上記冷却集電体の凹部と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、上記冷却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。
【００３３】
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−冷却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−冷却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−冷却集電体構造単位を備える。その際、上述した図７で説明したように、一方のセル−冷却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−冷却集電体構造単位の冷却集電体と接触することが好ましい。チューブ型燃料電池セルと冷却集電体との接触面積が増えることで、集電効率および冷却効率がさらに向上するからである。
【００３４】
また、セル−冷却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−冷却集電体構造単位が、１〜２４段の範囲内、中でも２〜１０段の範囲内で積層されていることが好ましい。より実用的な電気エネルギーを得ることができるからである。
【００３５】
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、直線状の冷却管を波型等に加工することによって、上述した波板構造を有する冷却集電体を作製し、その凹部にチューブ型燃料電池セルを配置することによりセル−冷却集電体構造単位を作製し、そのセル−冷却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。
【００３６】
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】
【００３７】
【図１】本発明に用いられる冷却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−冷却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】本発明に用いられる冷却集電体の他の例を示す斜視図である。
【図５】本発明に用いられる冷却集電体の他の例を示す斜視図である。
【図６】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。
【図７】積層されたセル−冷却集電体構造単位を説明する概略断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  …  冷却集電体
２  …  冷却管
３  …  チューブ型燃料電池セル
４  …  冷却液供給口
５  …  冷却液排出口
１０  …  セル−冷却集電体構造単位
２０  …  チューブ型燃料電池モジュール
【図１】
2007134179.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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