(57)【要約】【課題】複数の線材を有する内側集電体が備えられる場合であっても性能を向上させることが可能な燃料電池、及び、当該燃料電池を備える燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】中空形状の膜電極構造体と、膜電極構造体の内周面側へ配設される内側集電体と、膜電極構造体の外周面側へ配設される外側集電体と、を備え、内側集電体に複数の内側集電線が備えられ、かつ、内側集電体の外周面は内側集電体の径方向中心よりも親水性の程度が小さく、少なくとも一以上の内側集電線に、内側集電体の径方向へ流体を移動させ得る凹部が備えられる、燃料電池とする。【選択図】図１
2009026634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空形状の膜電極構造体と、前記膜電極構造体の内周面側へ配設される内側集電体と、前記膜電極構造体の外周面側へ配設される外側集電体と、を備え、
前記内側集電体は複数の内側集電線を備えるとともに、前記内側集電体の外周面は前記内側集電体の径方向中心よりも親水性の程度が小さく、
少なくとも一以上の前記内側集電線に、前記内側集電体の径方向へ流体を移動させ得る凹部が備えられることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記内側集電線に、複数の前記凹部が備えられ、
前記内側集電線の長手方向に、撥水性の程度の異なる前記凹部が交互に備えられることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
複数の前記内側集電線が同心円状に配設され、
前記同心円の最小径の円上に配設された前記内側集電線は、前記同心円の最大径の円上に配設された前記内側集電線よりも、親水性の程度が大きく、
前記同心円に含まれる隣り合う円の、前記同心円の中心側の円上に配設された前記内側集電線の親水性の程度は、前記膜電極構造体側の円上に配設された前記内側集電線の親水性の程度以上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。
【請求項４】
前記最小径の円上に配設された前記内側集電線は親水性を有し、前記最大径の円上に配設された前記内側集電線は撥水性を有することを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
複数の前記内側集電線によって、前記膜電極構造体の内周面側に大きさの異なる複数の空隙が形成され、
複数の前記空隙のうち、前記最大径の円上に配設された前記内側集電線によって挟まれる空隙が最大であることを特徴とする、請求項３又は４に記載の燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池と、前記燃料電池と接触して配設される吸水材と、前記吸水材及び複数の前記燃料電池を収容するケース部材と、を備え、
前記ケース部材の内側に、前記膜電極構造体の外周面側に供給される気体が流通すべき空間と、前記膜電極構造体の内周面側に供給される気体が流通すべき空間と、が備えられ、
前記吸水材は、前記内側集電体の長手方向一端側と接触し、
前記長手方向一端側は、前記膜電極構造体の内周面側に供給される気体の入口側であることを特徴とする、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、中空形状の膜電極構造体を備える燃料電池、及び、該燃料電池を備える燃料電池モジュールに関する。
【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」ということがある。）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す装置である。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」ということがある。）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、「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、単位体積当たりの発電量を向上させ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、中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有するセルモジュールを備えた燃料電池であって、前記一対の電極の少なくとも一方は、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを有し、前記触媒層の多孔度がガス拡散層側から電解質膜側に向かって小さくなる分布を有することを特徴とする燃料電池が開示されている。特許文献１に係る技術によれば、充分量の反応ガスが供給されると共に、供給された反応ガス中の反応成分の利用効率を向上させ、且つ、電解質膜の乾燥を促成することができる燃料電池が提供される、としている。また、特許文献２には、燃料電池用膜電極複合体内におけるガス濃度を均一化することができ、かつ、フラッディングを防止することができる、内側集電体に関する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２１６４０４号公報
【特許文献２】特開２００６−２１６４１８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及び特許文献２に開示されている技術において、電解質膜の中空内面側に配設される集電体を複数の線材で構成すると、当該線材によって小さな空隙が形成される。この小さな空隙に、燃料電池の運転中に生成された水が溜まると、当該空隙から水が排出され難い。溜まった水によって空隙が塞がれると、電解質膜の中空内面側へと供給されるガスの拡散性が低下し、燃料電池の性能が低下する。しかし、特許文献１及び特許文献２に係る技術では、複数の線材で構成される集電体について検討されていないため、当該性能低下を防止できないという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、複数の線材を有する内側集電体が備えられる場合であっても性能を向上させることが可能な燃料電池、及び、当該燃料電池を備える燃料電池モジュール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、中空形状の膜電極構造体と、膜電極構造体の内周面側へ配設される内側集電体と、膜電極構造体の外周面側へ配設される外側集電体と、を備え、内側集電体は複数の内側集電線を備えるとともに、内側集電体の外周面は内側集電体の径方向中心よりも親水性の程度が小さく、少なくとも一以上の内側集電線に、内側集電体の径方向へ流体を移動させ得る凹部が備えられることを特徴とする、燃料電池である。
【０００９】
ここに、「膜電極構造体」とは、中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の内周面側に形成される第１電極と、当該電解質膜の外周面側に形成される第２電極と、を備えるＭＥＡを意味する。さらに、「膜電極構造体の内周面側へ配設される内側集電体」とは、第１電極の内周面に拡散層及び撥水層が備えられない場合には、内側集電体の外周面と、第１電極の内周面とが接触する形態で、内側集電体が配設されることを意味する。これに対し、第１電極の内周面に拡散層及び／又は撥水層が備えられる場合には、当該拡散層又は撥水層と内側集電体の外周面とが接触する形態で、内側集電体が配設されることを意味する。さらに、「膜電極構造体の外周面側へ配設される外側集電体」とは、第２電極の外周面に拡散層及び撥水層が備えられない場合には、第２電極と接触する形態で外側集電体が配設されることを意味する。これに対し、第２電極の外周面に拡散層及び／又は撥水層が備えられる場合には、当該拡散層又は撥水層（拡散層及び撥水層が備えられる場合には拡散層、拡散層のみが備えられる場合には拡散層、撥水層のみが備えられる場合には撥水層を、それぞれ意味する。以下同じ。）と接触する形態で外側集電体が配設されることを意味する。さらに、「流体」とは、膜電極構造体へと供給される気体、及び、膜電極構造体で生成される水を意味する。加えて、「凹部」は、内側集電線の軸方向と交差する方向に形成されていれば、その形態は特に限定されるものではなく、内側集電線の外周面にらせん状に形成された凹部が備えられていても良い。
【００１０】
上記第１の本発明において、内側集電線に、複数の凹部が備えられ、内側集電線の長手方向に、撥水性の程度の異なる凹部が交互に備えられることが好ましい。
【００１１】
また、上記第１の本発明（変形例も含む）において、複数の内側集電線が同心円状に配設され、同心円の最小径の円上に配設された内側集電線は、同心円の最大径の円上に配設された内側集電線よりも、親水性の程度が大きく、同心円に含まれる隣り合う円の、同心円の中心側の円上に配設された内側集電線の親水性の程度は、膜電極構造体側の円上に配設された内側集電線の親水性の程度以上であることが好ましい。
【００１２】
ここに、「同心円の最小径の円」とは、同心円の中心に内側集電線が配設されない場合には、同心円の中で最も径が小さい円を意味する。これに対し、同心円の中心に内側集電線が配設される場合には、当該同心円の中心を意味する。すなわち、本発明における「円」の概念には、同心円の中心も含まれる。さらに、「同心円に含まれる隣り合う円の、同心円の中心側の円」とは、例えば、同心円が二の円により構成され、当該二の円を径の小さい方から順に第１の円及び第２の円とするとき、隣り合う円として第１の円と第２の円を抽出した場合には、第１の円を意味し、隣り合う円として同心円の中心と第１の円を抽出した場合には、同心円の中心を意味する。これに対し、「同心円に含まれる隣り合う円の、膜電極構造体側の円」とは、上記例において、隣り合う円として第１の円と第２の円を抽出した場合には、第２の円を意味し、隣り合う円として同心円の中心と第１の円を抽出した場合には、第１の円を意味する。
【００１３】
また、同心円状に配設された複数の内側集電線を備える上記第１の本発明において、最小径の円上に配設された内側集電線は親水性を有し、最大径の円上に配設された内側集電線は撥水性を有することが好ましい。
【００１４】
また、最小径の円上に配設された内側集電線が親水性を有し、最大径の円上に配設された内側集電線が撥水性を有する上記第１の本発明において、複数の内側集電線によって、膜電極構造体の内周面側に大きさの異なる複数の空隙が形成され、複数の空隙のうち、最大径の円上に配設された内側集電線によって挟まれる空隙が最大であることが好ましい。
【００１５】
ここに、「最大径の円上に配設された内側集電線によって挟まれる空隙」とは、第１電極の内周面に拡散層及び撥水層が配設されない場合には、第１電極と面する空隙を意味し、第１電極の内周面に拡散層及び／又は撥水層が備えられる場合には、当該拡散層又は撥水層と面する空隙を意味する。
【００１６】
第２の本発明は、上記第１の本発明にかかる燃料電池と、該燃料電池と接触して配設される吸水材と、該吸水材及び複数の上記第１の本発明にかかる燃料電池を収容するケース部材と、を備え、ケース部材の内側に、膜電極構造体の外周面側に供給される気体が流通すべき空間と、膜電極構造体の内周面側に供給される気体が流通すべき空間と、が備えられ、吸水材は、内側集電線の長手方向一端側と接触し、該長手方向一端側は、膜電極構造体の内周面側に供給される気体の入口側であることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
【００１７】
ここに、「吸水材」とは、燃料電池モジュールの運転時の環境（耐熱性、耐水性等。以下同じ。）に耐え得る性質を有し、かつ、ＭＥＡで生成される水等を吸収し得る構造を有する部材であれば、特に限定されるものではなく、公知の部材を用いることができる。
【発明の効果】
【００１８】
第１の本発明では、内側集電体の外周面が内側集電体の径方向中心よりも親水性の程度が小さく、かつ、内側集電体を構成する内側集電線に、内側集電体の径方向へ流体を移動させ得る凹部が備えられる。そのため、ＭＥＡで生じた水を、容易に内側集電体の径方向中心側へ移動させることができる。内側集電体の径方向中心側へ水（特に、液滴の水）を移動させることが可能になれば、複数の内側集電線で囲まれた空隙に水が留まり難い形態とすることができ、ガスの拡散性低下を抑制できる。その結果、電気化学反応に使用される多くのガスをＭＥＡへ供給でき、性能を向上させることができる。それゆえ、第１の本発明によれば、集電体として複数の線材が備えられる場合であっても性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。
【００１９】
第１の本発明において、内側集電線の長手方向に、撥水性の程度の異なる凹部が交互に備えられることにより、撥水性の程度が低い（親水性の程度が高い）凹部に水を、撥水性の程度が高い（親水性の程度が低い）凹部にガスを、それぞれ流通させることができる。かかる形態とすることにより、ガスの流通経路を確保することが容易になるので、ガスの拡散性低下を抑制して性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。
【００２０】
また、第１の本発明において、内側集電体を構成する複数の内側集電線が、内側集電体の径方向中心へ向かうにつれて親水性の程度が大きくなるように、同心円状に配設される形態とすることにより、内側集電体の径方向中心側へ水を移動させやすくなる。水を移動させやすい形態とすることにより、ガスが流通すべき空隙が水によって閉塞される事態を抑制できるので、燃料電池の性能を向上させることが可能になる。
【００２１】
また、第１の本発明において、最小径の円上に親水性の内側集電線を配設し、最大径の円上に撥水性の内側集電線を配設することにより、内側集電体の径方向中心側へ水を移動させやすくなる。したがって、かかる形態とすることにより、燃料電池の性能を向上させることが可能になる。
【００２２】
また、最大径の円上に撥水性の内側集電線が配設された第１の本発明において、最大径の円上に配設された内側集電線によって挟まれる空隙が最大であることにより、当該空隙が水によって塞がれ難い形態とすることができ、その結果、ガスの拡散性を長期間に亘って維持できる。したがって、かかる形態とすることにより、燃料電池の性能を向上させることが可能になる。
【００２３】
第２の本発明では、内側集電体の長手方向一端側と吸水材とが接触し、当該吸水材が、ＭＥＡの内周面側へ供給される気体の入口側に配設される。かかる形態とすることにより、運転時に生成された水を、内側集電体及び吸水材を介して、燃料電池の外側へ容易に排出できる。そのため、ＭＥＡの内周面側に備えられる空隙が水によって塞がれる頻度を低減でき、ガスの拡散性低下を抑制できるので、燃料電池の性能を向上させることができる。さらに、第２の本発明によれば、吸水材が気体の入口側に配設されることにより、吸水材に吸収させた水を用いて、気体を加湿できる。ここで、ＰＥＦＣに備えられるＭＥＡは、湿潤環境下でプロトン伝導性能を発現するため、性能を向上させるためには、ＭＥＡに一定以上の水を含ませておく必要がある。かかる観点から、燃料電池の運転時には、加湿された気体がＭＥＡへと供給されるところ、第２の本発明では、吸水材に吸収させた水によって、気体を加湿できる。それゆえ、第２の本発明によれば、ガスの拡散性低下を抑制しながら性能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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の燃料電池及び燃料電池モジュールについて具体的に説明する。以下の説明では、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、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、水素のシール性を確保するための構成を適宜変更する等により、例えば、ＭＥＡの外周面側へ水素が供給されるとともに、ＭＥＡの内周面側へ酸素が供給される形態とすることも可能である。また、本発明の燃料電池モジュールの形態例を示す以下の図では、燃料電池モジュールの運転中に燃料電池の温度を制御するための熱媒体が流通する熱媒体管の記載を省略するが、本発明の燃料電池モジュールは、例えば、外側集電体と接触するように配置された熱媒体管の内部を流れる熱媒体（例えば、ＬＬＣ等。「ＬＬＣ」は株式会社デンソーの登録商標。）によって、燃料電池の温度が制御されている。
【００２５】
１．燃料電池
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を簡略化して示す断面図である。図１の紙面奥／手前方向が、内側集電線の長手方向である。図２は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を簡略化して示す正面図である。図２の紙面上下方向が、内側集電線の長手方向である。図３は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる内側集電体の形態例を簡略化して示す斜視図である。図３では、内側集電体の一部のみを示し、内側集電線に備えられる凹部を視認しやすくするため、当該凹部を適宜透過させて示している。以下、図１〜図３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。
【００２６】
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２０（以下において、「セル２０」ということがある。）は、中空形状のＭＥＡ４と、ＭＥＡ４の内周面側に配設された内側集電体１０と、ＭＥＡ４の外周面側に配設された外側集電体８と、を備える。ＭＥＡ４は、中空形状の電解質膜１と、電解質膜１の内周面に形成された中空形状の第１電極２と、電解質膜１の外周面に形成された中空形状の第２電極３と、を備える。第１電極２と内側集電体１０との間に中空形状の第１拡散層５が配設されるとともに、第２電極３と外側集電体８との間に中空形状の第２拡散層６が配設され、内側集電体１０及び第１拡散層５、並びに、第２拡散層６及び外側集電体８は、互いに接触している。
【００２７】
図２に示すように、セル２０は、内側集電体１０の長手方向中央部に、第１拡散層５、ＭＥＡ４、及び、第２拡散層６が配設され（第１拡散層５及びＭＥＡ４は第２拡散層６の下に形成されているため、図２では見えない）、第２拡散層６の周囲に外側集電体８が巻回されている。セル２０の運転時には、剥き出しにされた内側集電体１０の長手方向一端側から、加湿された水素が供給され、当該水素は、内側集電体１０の表面及び第１拡散層５を介して、第１電極２へと達する。これに対し、セル２０の運転時には、内側集電体１０の長手方向中央部に形成された第２拡散層６の外側へ、加湿された空気が供給され、第２拡散層６を通過した空気が、第２電極３へと達する。
【００２８】
一方、図１及び図３に示すように、内側集電体１０は、同心円状に配設された１３本の金属線を備える。当該１３本の金属線は、同心円の中心に配設された１本の内側集電線１０ａと、その周囲に内側集電線１０ａと接触するように配設された６本の内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…と、その周囲に内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…と接触するように間隔を空けて配設された６本の内側集電線１０ｃ、１０ｃ、…と、によって構成される。ＭＥＡ４の内周面側には、内側集電線１０ａ及び内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…によって囲まれる空隙９ａ、９ａ、…と、内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…と内側集電線１０ｃ、１０ｃ、…によって囲まれる空隙９ｂ、９ｂ、…と、内側集電線１０ｃ、１０ｃ、…と内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…と第１拡散層５によって囲まれる空隙９ｃ、９ｃ、…と、が形成され、これらの中では、空隙９ｃ、９ｃ、…が最も大きい。
【００２９】
さらに、図３に示すように、内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…には、ＭＥＡ４の径方向へ流体を移動させ得る凹部７、７、…が備えられ、凹部７、７、…には、撥水剤が塗布されていない凹部７ｘ、７ｘ、…と、撥水剤が塗布された凹部７ｙ、７ｙ、…と、が備えられる。そして、内側集電線１０ａには撥水剤が塗布されず、内側集電線１０ｃ、１０ｃ、…の略全表面には撥水剤が塗布されている。そのため、内側集電線１０ａ、内側集電線１０ｂ、及び、内側集電線１０ｃを比較すると、撥水剤が塗布されていない内側集電線１０ａの親水性の程度が最も高く、略全表面に撥水剤が塗布されている内側集電線１０ｃの親水性の程度が最も低い。そして、凹部７ｙ、７ｙ、…に撥水剤が塗布されている内側集電線１０ｂの親水性の程度は、内側集電線１０ａの親水性の程度よりも小さく、内側集電線１０ｃの親水性の程度よりも大きい。
【００３０】
第１電極２へと達した水素は、第１電極２に分散された触媒（例えば、Ｐｔ等。以下同じ。）の作用下で、プロトンと電子に分離する。第１電極２で生じたプロトンは、第１電極２、電解質膜１、及び、第２電極３に含有されるプロトン伝導体によって伝導され、第２電極３へと達する。これに対し、第１電極２で生じた電子は電解質膜１を通過することができない。そのため、電子は外部回路を経て第２電極３へと達する。かかる過程を経て第２電極３へと達したプロトン及び電子は、その後、第２電極３に分散された触媒の作用下で、第２電極３へと供給される空気に含有される酸素と反応し、水となる。ここで、セル２０の定常運転時には、図示されていない熱媒体管の内部を流通する熱媒体によって、セル２０が冷却される。そのため、第２電極３で生じた水は、冷却されて液滴の水となる。
【００３１】
このようにして生じた液滴の水の一部は、第２電極３へと供給される空気等とともに、セル２０の外部へと排出され得る。ここで、第１電極２から第２電極３へと伝導されるプロトンは水とともに移動する。そのため、低電流密度領域で運転される等により、生成される水の量が所定値以下である場合には、ＭＥＡ４に含まれる水は第１電極２から第２電極３へと移動し、第２電極３から第１電極２へと移動する水は少ない。したがって、生成される水の量が所定値以下である間は、第１電極２から空隙９ｃ、９ｃ、…へと達する水が少なく、空隙９ｃ、９ｃ、…は水によって塞がれ難い。しかし、高電流密度領域で運転される等により、排出能力を超える多量の水が生成されると、第２電極３から第１電極２へと移動する水の量が増加する。そのため、生成される水の量が所定値を超えると、第１電極２から空隙９ｃ、９ｃ、…へと達した水によって、空隙９ｃ、９ｃ、…、空隙９ｂ、９ｂ、…、及び、空隙９ａ、９ａ、…（以下、これらをまとめて単に「空隙９」ということがある。）が塞がれやすくなる。空隙９が水によって塞がれると、水素が当該空隙９を拡散できなくなるため、第１電極２へと供給される水素の量が少なくなり、セル２０の性能が低下する恐れがある。
【００３２】
ところが、セル２０には、内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…に、凹部７ｘ、７ｘ、…、及び、凹部７ｙ、７ｙ、…（以下、これらをまとめて単に「凹部７」ということがある。）が備えられ、当該凹部７によって、空隙９ｃ、９ｃ、…、空隙９ｂ、９ｂ、…、及び、空隙９ａ、９ａ、…が連通される。そのため、凹部７を備えるセル２０によれば、第１電極２から空隙９ｃ、９ｃ、…へと達した水を、空隙９ａ、９ａ、…へと容易に移動させることができる。さらに、凹部７には、表面に撥水剤が塗布されていない凹部７ｘ、７ｘ、…と、表面に撥水剤が塗布された凹部７ｙ、７ｙ、…と、が備えられる。そのため、空隙９ｃ、９ｃ、…に達した水は、撥水剤が塗布されていない凹部７ｘ、７ｘ、…を介して、空隙９ａ、９ａ、…へと移動させることができ、凹部７ｙ、７ｙ、…は水素の流路として機能させることができる。したがって、本発明によれば、ＭＥＡ４で多量の水が生成されても、水素の流路を確保しつつ、液滴の水によって空隙９が塞がれるのを抑制できるので、良好な性能を有するセル２０を提供することができる。
【００３３】
加えて、セル２０に備えられる内側集電線１０ａ、内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…、及び、内側集電線１０ｃ、１０ｃ、…は、内側集電体１０の径方向中心へ近づくほど、親水性の程度が大きい。それゆえ、第１電極２から空隙９ｃ、９ｃ、…へと達した水は、内側集電体１０の径方向中心側（内側集電線１０ａ側）へと移動しやすい。このように、セル２０は、内側集電体１０を構成する内側集電線１０ａ、内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…、及び、内側集電線１０ｃ、１０ｃ、…の親水性の程度に差を設けることで、第１電極２から空隙９ｃ、９ｃ、…へと達した水が、内側集電線１０ａ側へ移動しやすい形態としている。そのため、セル２０によれば、空隙９が水によって塞がれる事態を抑制して、水素の拡散空間を確保することができる。
【００３４】
さらにまた、セル２０に備えられる空隙９は、第１拡散層５と面する空隙９ｃ、９ｃ、…の大きさが、他の空隙９ａ、９ａ、…、及び、空隙９ｂ、９ｂ、…よりも大きく、空隙９ｃ、９ｃ、…は、水で塞がれ難い形態とされている。そのため、セル２０によれば、第１拡散層５の内周面に水素が拡散する空間を確保しやすい。すなわち、セル２０は、ＭＥＡ４の内周面側に形成される空隙の大きさを調整することで、第１拡散層５と面する空隙９ｃ、９ｃ、…に、水素が拡散する空間を確保しやすい形態としている。
【００３５】
このように、セル２０では、（１）内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…に凹部７を設け、（２）凹部７を、撥水剤が塗布されていない凹部７ｘ、７ｘ、…、及び、撥水剤が塗布された凹部７ｙ、７ｙ、…によって構成し、（３）内側集電線１０ａ、１０ｂ、１０ｃの親水性の程度に差を設け、さらに、（４）空隙９ｃを空隙９ａ、９ｂよりも大きくしている。かかる形態とすることにより、内側集電体に複数の線材が備えられる形態であっても、排水性と水素の拡散性を向上させることができるので、性能を向上させることが可能なセル２０とすることができる。
【００３６】
本発明の燃料電池に関する上記説明では、内側集電線１０ｂ、１０ｂ、…に、撥水剤が塗布された凹部７ｙ、７ｙ、…が備えられる形態のセル２０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。本発明の燃料電池は、少なくとも一以上の内側集電線に凹部が備えられていれば良く、当該凹部には、撥水剤が塗布されていなくても良い。内側集電線に、撥水剤が塗布されていない凹部のみが備えられていても、当該凹部を介して、空隙９ａ、９ａ、…、空隙９ｂ、９ｂ、…、及び、空隙９ｃ、９ｃ、…を連通させることができ、中空形状のＭＥＡ４の径方向へ水素及び水を移動させることができるので、排水性と水素の拡散性を向上させて性能を向上させることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００３７】
１．２．第２実施形態
図４は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を簡略化して示す断面図である。図４の紙面奥／手前方向が、内側集電線の長手方向である。図５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内側集電体の形態例を簡略化して示す斜視図であり、内側集電体の一部を拡大して示している。図４及び図５において、図１〜図３と同様の構成を採るものには、図１〜図３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４及び図５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。
【００３８】
図４及び図５に示すように、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池２１（以下において「セル２１」ということがある。）は、中空形状のＭＥＡ４と、ＭＥＡ４の内周面に形成された第１拡散層５と、第１拡散層５の内周面に配設された内側集電体１１と、ＭＥＡ４の外周面に形成された第２拡散層６と、第２拡散層６の周囲に巻回された外側集電体８と、を備える。内部集電体１１は、同心円の中心に配設された１本の内側集電線１０ａと、その周囲に内側集電線１０ａと接触するように配設された６本の内側集電線１１ｂ、１１ｂ、…と、その周囲に内側集電線１１ｂ、１１ｂ、…と接触するように間隔を空けて配設された６本の内側集電線１０ｃ、１０ｃ、…と、によって構成される。そして、内側集電線１１ｂ、１１ｂ、…には、凹部７ｘ、７ｘ、…のみが備えられている。かかる形態であっても、凹部７ｘ、７ｘ、…を介して、空隙９ａ、９ａ、…、空隙９ｂ、９ｂ、…、及び、空隙９ｃ、９ｃ、…を連通させることができ、中空形状のＭＥＡ４の径方向へ水素及び水を移動させることができるので、排水性と水素の拡散性を向上させて性能を向上させることが可能な燃料電池２１を提供することができる。
【００３９】
本発明の燃料電池２０、２１に関する上記説明では、ＭＥＡ４の内周面側に形成される空隙９のうち、第１拡散層５と面する空隙９ｃ、９ｃ、…が、他の空隙９ａ、９ａ、…、及び、空隙９ｂ、９ｂ、…よりも大きい形態を例示したが、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。本発明の燃料電池は、例えば、ＭＥＡ４の内周面側に形成される全ての空隙が同程度の大きさとなるように、複数の内側集電線が配設された形態とすることも可能である。ただし、内側集電線の径方向中心から最も離れた位置に存在する空隙が水によって塞がれると、ＭＥＡへと向かう水素の拡散が阻害され、燃料電池の性能が低下しやすい。それゆえ、複数の内側集電線を同心円状に配設した本発明の燃料電池において、収容可能な水の量を増やして性能を向上させやすい形態の燃料電池を提供する観点からは、内側集電線の径方向中心から最も離れた位置に存在する空隙が、他の空隙よりも大きい形態とすることが好ましい。
【００４０】
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、同心円の中心と、二の同心円上に内側集電線を配設して構成される内側集電体が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池に備えられる内側集電体の形態は、これに限定されない。同心円の中心に内側集電線が配設されない形態とすることも可能であるほか、三以上の同心円上に内側集電線を配設して構成される内側集電体が備えられる形態とすることも可能である。以下、同心円の中心に内側集電線が配設されない形態にかかる本発明の燃料電池について説明する。
【００４１】
１．３．第３実施形態
図６は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を簡略化して示す断面図である。図６の紙面奥／手前方向が、内側集電線の長手方向である。図７は、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる内側集電体の形態例を簡略化して示す斜視図であり、内側集電体の一部を拡大して示している。図６及び図７において、図１〜図３と同様の構成を採るものには、図１〜図３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６及び図７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。
【００４２】
図６及び図７に示すように、第３実施形態にかかる本発明の燃料電池２２（以下において「セル２２」ということがある。）は、中空形状のＭＥＡ４と、ＭＥＡ４の内周面に形成された第１拡散層５と、第１拡散層５の内周面に配設された内側集電体１２と、ＭＥＡ４の外周面に形成された第２拡散層６と、第２拡散層６の周囲に巻回された外側集電体８と、を備える。内側集電体１２は、環状に配設された６本の金属線を備える。当該６本の金属線は、中央の空隙を囲むように配設された６本の内側集電線１２ａ、１２ａ、…からなり、隣り合う内側集電線１２ａ、１２ａ、…は、互いに接触している。ＭＥＡ４の内周面側には、６本の内側集電線１２ａ、１２ａ、…によって囲まれる空隙９ｄと、内側集電線１２ａ、１２ａ、…と第１拡散層５によって囲まれる空隙９ｅ、９ｅ、…と、が形成され、これらの中では、空隙９ｄが最も大きい。
【００４３】
さらに、図７に示すように、内側集電線１２ａ、１２ａ、…には、ＭＥＡ４の径方向へ流体を移動させ得る凹部７、７、…が備えられる。この凹部７、７、…には、凹部７ｘ、７ｘ、…と凹部７ｙ、７ｙ、…とが備えられ、環状に配設された６本の内側集電線１２ａ、１２ａ、…の凹部７ｘ、７ｘ、…にマスキング部材を配置した後、当該内側集電線１２ａ、１２ａ、…の外側から撥水剤を塗布することにより、撥水性を付与している。それゆえ、凹部７ｘ、７ｘ、…を除く内側集電線１２ａ、１２ａ、…の外周面は撥水性を有し、撥水剤が塗布されない凹部７ｘ、７ｘ、…は親水性が維持されている。
【００４４】
かかる形態のセル２２であっても、内側集電線１２ａ、１２ａ、…には凹部７、７、…が備えられるので、当該凹部７、７、…を介して、空隙９ｄと空隙９ｅ、９ｅ、…とが連通される。それゆえ、第１拡散層５から空隙９ｅ、９ｅ、…へと達した液滴の水を、当該凹部７、７、…を介して、空隙９ｄへと容易に移動させることができ、排水性を向上させることが可能になる。さらに、セル２２の内側集電体１２は、外周面に撥水剤が塗布されることにより、内側集電体１２の外周面は径方向中心よりも親水性の程度が小さい形態、すなわち、内側集電体１２の径方向中心は外周面よりも親水性の程度が大きい形態とされている。ここで、水は親水性の程度が大きい箇所へ移動しやすい。そのため、かかる形態とすることで、空隙９ｅ、９ｅ、…から空隙９ｄへ水が移動しやすいセル２２としている。加えて、セル２２には、撥水性を付与されずに親水性が維持された凹部７ｘ、７ｘ、…と、撥水性を付与された凹部７ｙ、７ｙ、…と、が備えられる。それゆえ、親水性の凹部７ｘ、７ｘ、…を水の移動経路として機能させることができ、撥水性の凹部７ｙ、７ｙ、…を水素の移動経路として機能させることができる。
【００４５】
このように、セル２２によれば、水と水素の移動経路がそれぞれ確保され、排水性と水素の拡散性を向上させることができる。それゆえ、かかる形態とすることで、燃料電池の性能を向上させることが可能になる。
【００４６】
本発明の燃料電池において、内側集電体の形態は、複数の内側集電線によって構成されていれば特に限定されるものではないが、強度を向上させて耐久性を向上させやすい形態の燃料電池とする等の観点からは、縒り線形状に配設されることが好ましい。また、上記説明では、外側集電体として、第２拡散層６の外周面に巻回される形態の外側集電体８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く、ＭＥＡ４へと反応ガスを供給可能であり、かつ、第２電極３側の集電を行い得る形態であれば、他の形態の外側集電体が備えられていても良い。
【００４７】
また、本発明の燃料電池において、内側集電体を構成する各内側集電線の外径は、特に限定されるものではないが細孔径確保という観点から、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることが好ましい。また、複数の内側集電線によって構成される内側集電体の外径は、特に限定されるものではないが、電極面積の高充填化（高密度化）という観点から、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００４８】
また、内側集電線の長手方向を法線方向とする平面で本発明の燃料電池を切断した場合における、中空形状のＭＥＡの内周面側に形成される空間（内側集電体を配設可能な空間）の断面積をＡ、当該空間を囲む部材（セル２０の場合には第１拡散層５）の、当該断面における線周長をＢ（図４参照）、当該空間の直径をＣ（図４参照）、内側集電体の断面積（内側集電体を構成する複数の内側集電線の断面積の総和）をＤとするとき、ＭＥＡの内周面側へと供給される気体の圧力損失を低減して性能を向上させ得る形態の燃料電池を提供する等の観点から、（Ａ−Ｄ）／Ａ≧０．２とすることが好ましい。
さらに、Ｃ＝０．７ｍｍの場合、ＭＥＡの内周面側へと供給される気体の圧力損失を低減して性能を向上させ得る形態の燃料電池を提供する等の観点から、Ｂ１．９２８／（Ａ−Ｄ）３．１６４≦４００００とすることが好ましい。
【００４９】
また、本発明の燃料電池において、内側集電線に備えられる凹部の形状は特に限定されるものではないが、排水性を向上させやすい形態とする等の観点からは、Ｕ字形とすることが好ましい。さらに、当該凹部の深さ及び幅は、特に限定されるものではないが、排水性向上効果を得やすくする等の観点からは、深さを０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とし、幅を０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５０】
本発明の燃料電池において、ＭＥＡ４は、プロトン伝導性ポリマーを含有する中空形状の電解質膜１と、電解質膜１の内周面側に形成される中空形状の第１電極２と、電解質膜１の外周面に形成される中空形状の第２電極３と、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。電解質膜１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。
【００５１】
中空形状のＭＥＡ４に備えられる中空形状の第１電極２及び中空形状の第２電極３は、それぞれ、アノード及びカソードとして機能する。それゆえ、第１電極２及び第２電極３は、アノード及びカソードで生じる電気化学反応の触媒として機能する物質（触媒）と、当該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）とを含有していれば、その形態は特に限定されるものではない。第１電極２及び第２電極３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。また、第１電極２及び第２電極３に含有されるプロトン伝導性物質の具体例としては、上記電解質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。
【００５２】
本発明の燃料電池に備えられる内側集電線及び外側集電線は、良好な電子伝導性を有する材料によって構成されることが好ましい。当該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。なお、内部集電体及び／又は外側集電体の構成材料として銅が用いられる場合には、耐酸性を向上させるため、その表面を銀、金、白金等によって被覆することが好ましい。
【００５３】
本発明の燃料電池において、内側集電線として金属線を用いる場合、当該金属線の親水性は、内側集電線１０ａのように、撥水処理を施さないことにより維持されていても良いが、親水化処理を施すことにより、親水性が付与されていても良い。内側集電線に親水化処理を施す場合、その方法は特に限定されるものではない。本発明で使用可能な親水化処理としては、酸素等の非重合性気体を用いるプラズマ表面処理等を例示することができる。
【００５４】
また、本発明の燃料電池において、内側集電線に塗布する撥水剤は、特に限定されるものではない。当該撥水剤の具体例としてはフッ素系撥水処理剤等を挙げることができる。また、撥水剤を塗布する方法の具体例としては、スプレー塗布法等を挙げることができる。
【００５５】
また、本発明の燃料電池に関する上記説明では、ＭＥＡ４の内周面に第１拡散層５が、ＭＥＡ４の外周面に第２拡散層６が、それぞれ配設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、ＭＥＡの内周面及び／又は外周面に拡散層が配設されない形態とすることも可能である。ただし、第１電極及び第２電極へ水素及び空気を均一に供給可能とするとともに、いわゆるフラッディングの発生を抑制して性能を向上させ得る燃料電池を提供する等の観点からは、ＭＥＡの内周面及び外周面に拡散層が配設される形態とすることが好ましい。本発明の燃料電池において、第１拡散層５及び第２拡散層６は、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質を有し、かつ、流体を厚み方向へ拡散させ得る構造を有していれば、その形態は特に限定されるものではない。本発明の燃料電池で使用可能な拡散層としては、カーボンペーパーやカーボンクロスのほか、カーボン不織布等を例示することができる。
【００５６】
なお、本発明の燃料電池に関する上記説明では、ＭＥＡ４の内周面及び外周面に撥水層が形成されない形態を例示したが、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、拡散層に代えて、又は、拡散層と共に、撥水層が形成された形態とすることも可能である。
【００５７】
２．燃料電池モジュール
図８は、本発明の燃料電池モジュールの形態例を簡略化して示す断面図である。図８の紙面左右方向が、内側集電線の長手方向であり、図８の紙面奥／手前方向が、燃料電池の配列方向である。図８において、図１〜図３と同様の構成を採るものには、図１〜図３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８を参照しつつ、本発明の燃料電池モジュールについて説明する。なお、図示は省略するが、本発明の燃料電池モジュールには、複数の燃料電池が備えられている。
【００５８】
図８に示すように、本発明の燃料電池モジュール１００は、燃料電池２０（以下、「燃料電池２０、２０、…」ということがある。）と、当該燃料電池２０、２０、…を収容するケース部材３０と、を備え、燃料電池２０、２０、…の長手方向一端側に吸水材４０が配設されている。ケース部材３０の内側には、水素流通部３１、３１（以下、図８の紙面左側の水素流通部３１を「水素流通部３１ｘ」、同右側の水素流通部３１を「水素流通部３１ｙ」ということがある。）と、空気流通部３２と、が備えられ、水素流通部３１ｘ、３１ｙと空気流通部３２は、シール部材３３、３３によって隔離されている。
【００５９】
燃料電池モジュール１００の運転時には、ケース部材３０に備えられる開口部（不図示）を介して、空気流通部３２に空気が供給されるとともに、図示されていない開口部を介して、水素流通部３１ｘに水素が供給される。燃料電池モジュール１００において、吸水材４０は水素流通部３１ｘに配設され、この吸水材４０は、燃料電池２０、２０、…の内側集電線１０ａ、１０ａ、…と接触している。
【００６０】
上述のように、燃料電池２０、２０、…では、空隙９ｃ、９ｃ、…へと達した水が内側集電線１０ａ、１０ａ、…側へと移動する。そのため、内側集電線１０ａ、１０ａ、…へと達した水は、吸水材４０によって吸収される。ここで、燃料電池２０、２０、…に備えられるＭＥＡ４、４、…は、含水状態下でプロトン伝導性能を発現するため、当該燃料電池２０、２０、…には、加湿された空気及び水素が供給される。燃料電池２０、２０、…の運転時に生成された水は、燃料電池２０、２０、…へと供給される気体（空気及び水素）とともに移動するので、気体の出口側に水が溜まりやすく、気体の入口側は水が不足しやすい。水が不足すると、ＭＥＡ４、４、…のプロトン伝導性能が低下し、燃料電池２０、２０、…の性能が低下する。それゆえ、燃料電池２０、２０、…の性能を向上させるためには、運転時に排出された水を気体の入口側へと移動させ、この水を用いて、入口から供給される気体を加湿することが好ましい。
【００６１】
かかる観点から、本発明の燃料電池モジュール１００では、吸水材４０を水素流通部３１ｘに配置している。これにより、燃料電池２０、２０、…の運転時に生成された水を用いて、水素流通部３１ｘへと供給される水素を加湿することができるので、乾燥に起因するプロトン伝導性能低下を抑制でき、その結果、燃料電池モジュール１００の性能を向上させることが可能になる。
【００６２】
本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、燃料電池２０、２０、…が備えられる燃料電池モジュール１００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。本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池２１や燃料電池２２が備えられる形態とすることも可能である。
【００６３】
本発明の燃料電池モジュールにおいて、吸水材は、燃料電池モジュールの運転時の環境に耐え得る性質を有し、かつ、水を吸収する性質を有する部材であれば、特に限定されるものではなく、公知の吸水材を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を示す断面図である。
【図２】第１実施形態にかかる本発明の燃料電池を示す正面図である。
【図３】内側集電体の形態例を示す斜視図である。
【図４】第２実施形態にかかる本発明の燃料電池を示す断面図である。
【図５】内側集電体の形態例を示す斜視図である。
【図６】第３実施形態にかかる本発明の燃料電池を示す断面図である。
【図７】内側集電体の形態例を示す斜視図である。
【図８】本発明の燃料電池モジュールの形態例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…電解質膜
２…第１電極
３…第２電極
４…ＭＥＡ（膜電極構造体）
５…第１拡散層
６…第２拡散層
７、７ｘ、７ｙ…凹部
８…外側集電体
９…空隙
９ａ、９ｂ、９ｃ…空隙
９ｄ、９ｅ…空隙
１０…内側集電体
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…内側集電線
１１…内側集電体
１１ｂ…内側集電線
１２…内側集電体
１２ａ…内側集電線
２０、２１、２２…セル（燃料電池）
３０…ケース部材
３１、３１ｘ、３１ｙ…水素流通部
３２…空気流通部
３３…シール部材
４０…吸水材
１００…燃料電池モジュール
【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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