(57)【要約】【課題】部品点数を削減しつつ集電効率を向上させることが可能な、燃料電池モジュール及びその製造方法、並びに、当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】多角形の頂点位置に配置される複数のチューブ型燃料電池セル、及び、複数のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる空間へ複数のチューブ型燃料電池セルと接触するように配置される導電体、を有する集合体と、該集合体と接触する集電部材と、少なくとも集電部材及び複数の集合体を収容するケース部材と、を備え、複数のチューブ型燃料電池セルと導電体との接触、及び／又は、集合体と集電部材との接触が、ケース部材から集電部材及び複数の集合体へと付与される弾性力によって維持されている、燃料電池モジュールとする。【選択図】図８
2009087805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多角形の頂点位置に配置される複数のチューブ型燃料電池セル、及び、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へ複数の前記チューブ型燃料電池セルと接触するように配置される導電体、を有する集合体と、前記集合体と接触する集電部材と、少なくとも前記集電部材及び複数の前記集合体を収容するケース部材と、を備え、
複数の前記チューブ型燃料電池セルと前記導電体との接触、及び／又は、前記集合体と前記集電部材との接触が、前記ケース部材から前記集電部材及び複数の前記集合体へと付与される弾性力によって維持されていることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項２】
少なくとも複数の前記集合体の長手方向一端側と前記集電部材の少なくとも一部とを収容する第１ケース部材、及び、複数の前記集合体の、前記第１ケース部材に収容されていない長手方向他端側の少なくとも一部を収容し、かつ、前記第１ケース部材と接触する第２ケース部材が、前記ケース部材に備えられ、
前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間隔が、固定されていな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】
請求項２に記載の燃料電池モジュールを製造する方法であって、
複数の前記集合体を作製する、第１工程と、
複数の前記集合体と前記集電部材とを接触させて固定する、第２工程と、
少なくとも、複数の前記集合体の長手方向端部と前記集電部材の少なくとも一部とを前記第１ケース部材に収容する、第３工程と、
複数の前記集合体の少なくとも一部を前記第２ケース部材に収容する、第４工程と、を備え、
前記第３工程において、弾性変形させた前記第１ケース部材の内側へ複数の前記集合体の長手方向端部と前記集電部材とを収容した後に、弾性変形から回復した前記第１ケース部材から付与される弾性力によって、複数の前記チューブ型燃料電池セルと前記導電体との接触、及び／又は、前記集合体と前記集電部材との接触が維持されることを特徴とする、燃料電池モジュールの製造方法。
【請求項４】
請求項１又は２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、少なくとも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、中空形状の膜電極構造体を備えるチューブ型燃料電池セルを具備する燃料電池モジュール及びその製造方法、並びに、該燃料電池モジュールを備え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）とを備える膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」という。）で電気化学反応を起こし、当該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。）は、低温領域での運転が可能という特徴を有している。この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増大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、「チューブ型燃料電池セル」又は「チューブ型セル」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中空形状の触媒層とを備える中空形状のＭＥＡ、を具備する。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、当該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す。このように、チューブ型ＰＥＦＣでは、各チューブ型セルに備えられる中空形状の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電気エネルギーを取り出すので、隣り合う２つのチューブ型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増大させることが容易になる。
【０００４】
チューブ型ＰＥＦＣと類似した形状を有する、単セルが柱状の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）に関する技術として、例えば、特許文献１には、固体酸化物燃料電池を少なくとも一部を接続した状態で内部に保持する略直方体からなり、燃料電池の開口端に相対する前記略直方体の一平面と長手方向の一平面とが開口されており、燃料電池の封止端に相対する面に燃料供給孔を設けた導電性の外殻部材と、外殻部材の長手方向の開口面に設け、開口部を有した絶縁性の絶縁部材と、前記開口部を介して燃料電池と接続する導電性の外蓋とからなり、外殻部材と外蓋とが絶縁性の固定手段によって固定される固体酸化物型燃料電池のカートリッジ構造が開示されている。また、特許文献２には、筒状固体酸化物型燃料電池に関する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８８９１３号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２７２３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をチューブ型ＰＥＦＣに適用すると、チューブ型セルとケース部材とを拘束するための拘束部材が必要になる。そのため、部品点数が増大して生産性が低下しやすく、製造コストも増大しやすいという問題があった。また、特許文献２では、集電構造に関する内容が開示されていないため、特許文献２に開示されている技術をチューブ型ＰＥＦＣに適用しても、集電部材を含む全体の構造を最適化することが困難であるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、部品点数を削減しつつ集電効率を向上させることが可能な、燃料電池モジュール及びその製造方法、並びに、当該燃料電池モジュールを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、多角形の頂点位置に配置される複数のチューブ型燃料電池セル、及び、複数のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる空間へ複数のチューブ型燃料電池セルと接触するように配置される導電体、を有する集合体と、集合体と接触する集電部材と、少なくとも集電部材及び複数の集合体を収容するケース部材と、を備え、複数のチューブ型燃料電池セルと導電体との接触、及び／又は、集合体と集電部材との接触が、ケース部材から集電部材及び複数の集合体へと付与される弾性力によって維持されていることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
【０００９】
第１の本発明、及び、以下に示す本発明（以下これらをまとめて単に「本発明」という。）において、「チューブ型燃料電池セル」は、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、を具備する単セルを意味する。チューブ型燃料電池セルとしては、チューブ型ＰＥＦＣの単セル等を例示することができる。また、本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルと接触する「導電体」は、当該導電体の周囲に配置された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外部集電体と電気的に接触する。本発明において、導電体の形態は特に限定されるものではないが、本発明の燃料電池モジュールにチューブ型ＰＥＦＣの単セルが収容される場合には、部品点数を削減して単位体積当たりの発電量を増大させやすい形態の燃料電池モジュールとする等の観点から、当該導電体の内部に熱媒体流通用の空間が備えられることが好ましい。導電体の内部に熱媒体流通用の空間が備えられる場合、当該導電体は管状の部材とすることができる。さらに、本発明において、「集合体」は、例えば、正六角形の各頂点の位置に６個のチューブ型燃料電池セルをそれぞれ配置し、当該６個のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる正六角形の中心位置に導電体を配置した後、さらに、６個のチューブ型燃料電池セルの外側に拘束部材を配置し、当該拘束部材によって、６個のチューブ型燃料電池セルの外周面と導電体の外周面とが接触するように固定される形態、とすることができる。すなわち、本発明において、一の集合体には、１本の導電体と拘束部材と複数のチューブ型燃料電池セルとが備えられる。それゆえ、一の集合体にｎ個（ｎは３以上の自然数）のチューブ型燃料電池セルが備えられる場合には、例えば、正ｎ角形の各頂点の位置にｎ個のチューブ型燃料電池セルをそれぞれ配置し、当該ｎ個のチューブ型燃料電池セルによって囲まれる正ｎ角形の中心位置に導電体を配置した後、さらに、ｎ個のチューブ型燃料電池セルの外側に拘束部材を配置し、当該拘束部材によって、ｎ個のチューブ型燃料電池セルの外周面と導電体の外周面とが接触するように固定される形態、とすることができる。さらに、本発明において、「集合体と接触する集電部材」とは、集合体を構成する複数の第１集電体又は複数の第２集電体と接触することにより、集合体と集電部材とが通電可能な形態で接触することを意味する。さらに、本発明において、「少なくとも集電部材及び複数の集合体を収容するケース部材」とは、少なくとも集電部材及び複数の集合体が、ケース部材に収容されることを意味し、これら以外の部材もケース部材に収容され得ることを意味する。
【００１０】
上記第１の本発明において、少なくとも複数の集合体の長手方向一端側と集電部材の少なくとも一部とを収容する第１ケース部材、及び、複数の集合体の、第１ケース部材に収容されていない長手方向他端側の少なくとも一部を収容し、かつ、第１ケース部材と接触する第２ケース部材が、ケース部材に備えられ、第１ケース部材と第２ケース部材との間隔が固定されていないことが好ましい。
【００１１】
ここで、複数の集合体の長手方向中央から長手方向一端面（複数の集合体の長手方向半分）を収容する第１のケース部材、及び、複数の集合体の長手方向中央から長手方向他端面（複数の集合体の長手方向残りの半分）を収容する第２のケース部材が、本発明の燃料電池モジュールのケース部材に備えられる場合（以下「第１形態」という。）には、当該第１のケース部材を本発明における第１ケース部材とし、当該第２のケース部材を本発明における第２ケース部材とすることができる。これに対し、複数の集合体の長手方向一端を収容する第１のケース部材、複数の集合体の長手方向中央部を収容する第２のケース部材、及び、複数の集合体の長手方向他端を収容する第３のケース部材が、本発明の燃料電池モジュールのケース部材に備えられる場合（以下「第２形態」という。）には、当該第１のケース部材及び／又は当該第３のケース部材を本発明における第１ケース部材とし、当該第２のケース部材を本発明における第２ケース部材とすることができる。
【００１２】
第２の本発明は、第１ケース部材及び第２ケース部材が備えられる上記第１の本発明にかかる燃料電池モジュールを製造する方法であって、複数の集合体を作製する第１工程と、複数の集合体と集電部材とを接触させて固定する第２工程と、少なくとも、複数の集合体の長手方向一端と集電部材の少なくとも一部とを第１ケース部材に収容する第３工程と、複数の集合体の少なくとも一部を第２ケース部材に収容する第４工程と、を備え、上記第３工程において、弾性変形させた第１ケース部材の内側へ複数の集合体の長手方向端部と集電部材の少なくとも一部とを収容した後に、弾性変形から回復した第１ケース部材から付与される弾性力によって、複数のチューブ型燃料電池セルと導電体との接触、及び／又は、集合体と集電部材との接触が維持されることを特徴とする、燃料電池モジュールの製造方法である。
【００１３】
ここに、「少なくとも、複数の集合体の長手方向一端と集電部材の少なくとも一部とを第１ケース部材に収容する第３工程」とは、第１ケース部材及び第２ケース部材が備えられる上記第１の本発明にかかる燃料電池モジュールの、第１ケース部材に収容される全ての部材を第１ケース部材に収容する工程が、第２の本発明における第３工程であることを意味する。さらに、「集電部材の少なくとも一部」とは、集合体の長手方向一端側に備えられる集電部材を意味する。すなわち、集電部材が複数の集合体の長手方向一端側にのみ備えられる場合、「集電部材の少なくとも一部」とは、集電部材の全部を意味する。これに対し、集電部材が複数の集合体の長手方向一端側及び他端側に備えられる場合、「集電部材の少なくとも一部」とは、集電部材の一部を意味する。さらに、「複数の集合体の少なくとも一部を第２ケース部材に収容する第４工程」とは、第１ケース部材及び第２ケース部材が備えられる上記第１の本発明にかかる燃料電池モジュールの、第２ケース部材に収容される全ての部材を第２ケース部材に収容する工程が、第２の本発明における第４工程であることを意味する。すなわち、上記第１形態の場合であって、かつ、集電部材が複数の集合体の長手方向一端側にのみ備えられる場合、及び、上記第２形態の場合には、複数の集合体の一部を第２ケース部材に収容する工程が、第２の本発明における第４工程である。これに対し、上記第１形態の場合であって集電部材が複数の集合体の長手方向一端側及び他端側に備えられる場合には、複数の集合体の一部と集電部材の一部とを第２ケース部材に収容する工程が、第２の本発明における第４工程である。
【００１４】
第３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、少なくとも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】
【００１５】
第１の本発明によれば、ケース部材から集電部材及び複数の集合体へと付与される弾性力によって、複数のチューブ型燃料電池セルと導電体との接触、及び／又は、集合体と集電部材との接触が維持される。かかる形態とすることにより、拘束部材を用いることなく、チューブ型燃料電池セルとケース部材とを固定することが可能になるほか、異なる部材間の接触抵抗を低減することが可能になるので集電効率を向上させることが可能になる。したがって、第１の本発明によれば、部品点数を削減しつつ集電効率を向上させることが可能な、燃料電池モジュールを提供することができる。
【００１６】
第１の本発明において、第１ケース部材と第２ケース部材との間隔が固定されない形態とすることにより、ケース部材に収容された構成部材が、燃料電池モジュールの運転時に発生する熱によって膨張し、燃料電池モジュールの停止時に温度が低下して収縮した場合であっても、当該熱膨張・熱収縮によって生じる寸法差を吸収することが可能になる。
【００１７】
第２の本発明によれば、弾性変形させた第１ケース部材の内側へ複数の集合体と集電部材とを収容した後に、変形から回復した第１ケース部材より付与される弾性力によって、複数の集合体と集電部材とが拘束される形態の第３工程が備えられる。かかる形態とすることにより、拘束部材を用いることなく、ケース部材に収容される複数の集合体及び集電部材の位置を特定することが可能になるほか、異なる部材間の接触抵抗を低減することが可能になるので集電効率を向上させることが可能になる。したがって、第２の本発明によれば、部品点数を削減しつつ集電効率を向上させ得る燃料電池モジュールを製造することが可能な、燃料電池モジュールの製造方法を提供することができる。
【００１８】
第３の本発明によれば、燃料電池に、部品点数を削減しつつ集電効率を向上させることが可能な燃料電池モジュールが複数備えられるので、部品点数を削減しつつ集電効率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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図面を参照しつつ、本発明について説明する。以下に図示する形態は、あくまでも本発明の形態例であり、本発明は図示の形態に限定されるものではない。図面に示す構造体に複数の同種部材が備えられる場合、本発明の理解を容易にするため、複数の同種部材の一部にのみ符号を付すことがある。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、導電体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導電体へ供給することもできる。
【００２０】
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正面図である。図２は、図１に示す燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す左側面図である。図３は、図１に示す燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す右側面図である。図１乃至図３の紙面上下方向が、本発明の燃料電池モジュールに備えられるチューブ型セルの長手方向である。図４は、図１に示す燃料電池モジュールに備えられる集合体の形態例を概略的に示す正面図であり、ケース部材に収容される前の形態を示している。図４の紙面上下方向が、チューブ型セルの長手方向である。図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。本発明の燃料電池モジュールに備えられる集合体の形態の理解を容易にするため、図５では、導電体及びチューブ型セルの断面と、チューブ型セルの周囲に巻回される拘束部材の形態を概略的に示している。図５の紙面奥／手前方向が、チューブ型セルの長手方向である。図６は、図１に示す燃料電池モジュールに備えられるチューブ型セルの形態例を概略的に示す断面図である。図６の紙面奥／手前方向が、チューブ型セルの長手方向である。図７は、図１に示す燃料電池モジュールのＶＩＩ−ＶＩＩ断面を示す拡大図であり、一部を省略して示している。図７の紙面奥／手前方向が、燃料電池モジュールに備えられるチューブ型セルの長手方向である。図７の直線矢印は、絶縁部材を介してケース部材から複数の内部集電体へと付与される力の向きを示している。図８は、図１に示す燃料電池モジュールに点線で示した部位のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。図９は、図２に示す燃料電池モジュールのＩＸ−ＩＸ断面図であり、一部のみを拡大して示している。図８及び図９の紙面上下方向が、燃料電池モジュールに備えられるチューブ型セルの長手方向である。図８及び図９の直線矢印は、第１ケース部材から付与される弾性力の向きを示している。
【００２１】
図１乃至図３に示すように、本発明の燃料電池モジュール３０は、複数のチューブ型セル７、７、…、及び、熱媒体管としても機能する複数の導電体８、８、…（以下、これらをまとめて「チューブ型セル７等」ということがある。）と、チューブ型セル７、７、…等を収容するケース部材２０と、を備える。ケース部材２０は、チューブ型セル７等の長手方向一端側を収容する第１ケース部材２０ｘと、チューブ型セル７等の長手方向中央部を収容する第２ケース部材２０ｙと、チューブ型セル７等の長手方向他端側を収容する第３ケース部材２０ｚと、を備え、第１ケース部材２０ｘ及び第３ケース部材２０ｚに備えられる開口部２１、２１と、第２ケース部材２０ｙに備えられる嵌合爪２２、２２とが嵌め合わされることにより、これらが連結され、連結する際に接着剤は使用されない。すなわち、第１ケース部材２０ｘ及び第２ケース部材２０ｙ、並びに、第２ケース部材２０ｙ及び第３ケース部材２０ｚは、接着剤を用いることなく、互いに接触する形態で連結される。それゆえ、第１ケース部材２０ｘの端面と第２ケース部材２０ｙの端面との距離（間隔）、及び、第２ケース部材２０ｙの端面と第３ケース部材２０ｚの端面との距離（間隔）は固定されておらず、これらの間隔に、いわゆる「遊び」が設けられている。それゆえ、かかる形態とすることにより、燃料電池モジュール３０の運転時に発生する温度によって構成部材が膨張した際の寸法と、燃料電池モジュール３０の運転時に温度が低下して部材が収縮した際の寸法との差を、当該「遊び」によって吸収することができる。
【００２２】
ケース部材２０には、凹部２３、２３、２３が備えられるとともに（図１参照）、その裏面側には凸部２４、２４、２４が備えられ（図２及び図３参照）、複数の燃料電池モジュール３０、３０、…が積層されると、隣接する一方の燃料電池モジュール３０の凸部２４、２４、２４と、他方の燃料電池モジュール３０の凹部２３、２３、２３とが嵌め合わされることにより、積層体４０が構成される（図１１参照）。燃料電池モジュール３０において、第１ケース部材２０ｘには、冷媒流通部２５の開口部と水素流通部２６の開口部が備えられ（以下、第１ケース部材２０ｘに備えられる冷媒流通部２５及び水素流通部２６を、「冷媒流通部２５ｘ」及び「水素流通部２６ｘ」という。）、これらの開口部の周囲に設けられた凹部２８に、シール部材２７が配設されている。同様に、第３ケース部材２０ｚにも、冷媒流通部２５の開口部と水素流通部２６の開口部が備えられ（以下、第３ケース部材２０ｚに備えられる冷媒流通部２５及び水素流通部２６を、「冷媒流通部２５ｚ」及び「水素流通部２６ｚ」という。）、これらの開口部の周囲に設けられた凹部２８に、シール部材２７が配設されている。一方、図２及び図３に示すように、ケース部材２０の側面には、開口部２９、２９、…が備えられ、燃料電池モジュール３０の運転時には、当該開口部２９、２９、…を介して、ケース部材２０に収容されたチューブ型セル７、７、…の外周面へ空気が供給される。
【００２３】
図４及び図５に示すように、本発明の燃料電池モジュール３０に備えられる集合体１０は、７個のチューブ型セル７、７、…と、当該７個のチューブ型セル７、７、…によって囲まれた空間に配置された１本の導電体８と、を備える。そして、７個のチューブ型セル７、７、…の周囲に配置された拘束部材９によって、７個のチューブ型セル７、７、…と１本の導電体８とが接触する形態で拘束され、拘束部材９の両端が端部止め９ａ、９ａによって固定されることにより、一の集合体１０が構成されている。
【００２４】
図６に示すように、本発明の燃料電池モジュール３０に備えられるチューブ型セル７は、外周面に溝１ｘ、１ｘ、…を備える内部集電体１と、当該内部集電体１の外周面に形成された中空形状のＭＥＡ５と、当該ＭＥＡ５の外周面に巻回された外部集電体６と、を備える。中空形状のＭＥＡ５は、内部集電体１の外周面に形成された中空形状の第１触媒層２と、当該第１触媒層２の外周面に形成された中空形状の電解質膜３と、当該電解質膜３の外周面に形成された中空形状の第２触媒層４と、を備える。燃料電池モジュール３０の運転時には、例えば、水素流通部２６ｚへと供給された水素が、当該水素流通部２６ｚに長手方向の一端面が配置された内部集電体１の溝１ｘ、１ｘ、…へと分岐することにより、溝１ｘ、１ｘ、…へ水素が流入し、当該溝１ｘ、１ｘ、…を介して、第１触媒層２、２、…へ水素が供給される。このようにして第１触媒層２、２、…へ水素が供給されると、当該第１触媒層２、２、…に含有される触媒（例えば、Ｐｔ等。以下同じ。）の作用下で生じる電気化学反応により、水素がプロトンと電子に分離する。第１触媒層２、２、…で生じたプロトンは、中空形状のＭＥＡ５、５、…に含有されるプロトン伝導性ポリマー（例えば、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等。以下同じ。）を伝って電解質膜３、３、…を透過し、第２触媒層４、４、…へと達する。これに対し、第１触媒層２、２、…で生じた電子は、電解質膜３、３、…を透過することができないため、外部回路を経由して、第２触媒層４、４、…へと達する。なお、溝１ｘ、１ｘ、…を介して供給された水素のうち、第１触媒層２、２、…で使用されずに残った水素は、内部集電体１、１、…の長手方向他端側から、水素流通部２６ｘへと流出し、当該水素流通部２６ｘの開口部から燃料電池モジュール３０の外へ排出されて回収される。
【００２５】
一方、燃料電池モジュール３０の運転時には、ケース部材２０の側面に備えられる開口部２９、２９、…を介して空気が流入し、複数のチューブ型セル７、７、…の外周面へ空気が供給され、当該空気が第２触媒層４、４、…へと達する。第２触媒層４、４、…へと達した空気に含有される酸素は、その後、第２触媒層４、４、…に含有される触媒の作用下で、上記工程を経て第２触媒層４、４、…へと達したプロトン及び電子と電気化学反応し、水が生成される。このように、燃料電池モジュール３０へ水素及び空気を供給して電気化学反応を生じさせると、電子を移動させることができる。燃料電池モジュール３０の運転時において、第１触媒層２、２、…側の集電は、内部集電体１、１、…と、当該内部集電体１、１、…と接触する第１内部集電板１ａ、１ａと、当該第１内部集電板１ａ、１ａと接触する第２内部集電板１ｂ、１ｂ（図１及び図７乃至図９参照。以下、これらをまとめて「内部集電部材」ということがある。）と、を介して行われる。これに対し、第２触媒層４、４、…側の集電は、外部集電体６、６、…と、当該外部集電体６、６、…と接触する導電体８、８、…と、当該導電体８、８、…と電気的に接続された外部集電板６ａ、６ａ（図８及び図９参照。）と、を介して行われる。したがって、燃料電池モジュール３０によれば、第２内部集電板１ｂ、１ｂ及び外部集電板６ａ、６ａを介して、電気エネルギーを取り出すことができる。
【００２６】
上述のように、燃料電池モジュール３０の運転時には、電子及びプロトンが伝導される。それゆえ、燃料電池モジュール３０の運転時には、電気抵抗やプロトン伝導抵抗等に起因する熱が発生する。ここで、中空形状のＭＥＡ５、５、…に含有されるプロトン伝導性ポリマーは、８０℃程度等の温度環境において含水状態に保たれることにより、プロトン伝導性能を発現する。それゆえ、燃料電池モジュール３０の運転時には、チューブ型セル７、７、…の過度の温度上昇を防止すべく、チューブ型セル７、７、…の外部集電体６、６、…と接触する導電体８、８、…へ、冷媒（例えば、ＬＬＣ等。「ＬＬＣ」は株式会社デンソーの登録商標。以下同じ。）が供給される。この冷媒は、例えば、冷媒流通部２５ｘへと供給され、次いで、当該冷媒流通部２５ｘに長手方向の一端面が配置された導電体８、８、…へと分岐することにより、導電体８、８、…の内部へと流入する。このようにして導電体８、８、…の内部へと流入した冷媒は、導電体８、８、…の長手方向他端側へと移動する間に、チューブ型セル７、７、…と熱交換を行うことにより、チューブ型セル７、７、…の過度の温度上昇を防止する。そして、チューブ型セル７、７、…と熱交換を行うことにより温められた冷媒は、導電体８、８、…の長手方向他端側から冷媒流通部２５ｚへと流出し、当該冷媒流通部２５ｚの開口部から燃料電池モジュール３０の外へ排出されて回収される。
【００２７】
図１及び図７に示すように、燃料電池モジュール３０には、複数の集合体１０、１０、…をそれぞれ挿入可能な複数の孔を有する第１内部集電板１ａ、１ａと、締結部材１２、１２、…（例えば、低頭ボルト等。以下同じ。）によって第１内部集電板１ａ、１ａと締結固定された第２内部集電板１ｂ、１ｂと、が備えられる。そして、導電体８、８、…と複数の内部集電体１、１、…との間に配設された絶縁部材１１、１１、…を介して、燃料電池モジュール３０の製造時のみならず長期間に亘る運転時において、複数の内部集電体１、１、…へ、導電体８、８、…から遠ざかる向きの力が継続的に付与される。かかる構成とすることにより、燃料電池モジュール３０では、複数の内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ａ、１ａとが密着した状態で維持され、これらの界面における接触抵抗が低減される。
【００２８】
図８及び図９に示すように、集合体１０、１０、…の長手方向中央部は、第２ケース部材２０ｙに収容され、当該集合体１０、１０、…の長手方向端部には、部材１６、１６、…及び部材１７、１７、…が配設される。そして、部材１６、１６、…とチューブ型セル７、７、…及び導電体８、８、…との間、並びに、部材１６、１６、…と部材１７、１７、…との間に、接着剤１８、１８、…が配設され、当該接着剤１８、１８、…によって、チューブ型セル７、７、…の外周面へと供給される空気と、チューブ型セル７、７、…の長手方向端部を介して供給される水素とが隔離される。
【００２９】
燃料電池モジュール３０において、集合体１０、１０、…の長手方向両端側にそれぞれ配設される第１内部集電板１ａ、１ａは、部材１６、１６、…、部材１７、１７、…、及び、接着剤１８、１８の少なくとも一以上と接触するように配置される。集合体１０、１０、…の長手方向両端側にそれぞれ配設される絶縁部材１１、１１、…は、導電体８、８、…の長手方向両端側から挿入され、導電体８、８、…と複数の内部集電体１、１、…との間へと配設される。一方、外部集電板６ａ、６ａは、導電体８、８、…の長手方向両端から、導電体８、８、…の長手方向一端側及び他端側にそれぞれ一つずつ挿入され、導電体８、８、…と接触する形態で配置される。そして、外部集電板６ａ、６ａと導電体８、８、…とを密着させるべく、導電体８、８、…等を挿入可能な複数の孔を備える連結ワッシャー１３、１３によって、外部集電板６ａ、６ａの位置が固定される。集合体１０、１０、…の長手方向両端側にそれぞれ配設されるスプリングワッシャー１４、１４、…は、導電体８、８、…の長手方向両端から挿入され、連結ワッシャー１３、１３と接触する形態で配置される。そして、スプリングワッシャー１４、１４、…よりも導電体８、８、…の長手方向端部側に、圧力付与部材としてのナット１５、１５、…が配置される。燃料電池モジュール３０では、圧力付与部材としてのナット１５、１５、…を導電体８、８、…の長手方向中央側へと押し付ける形態で固定することにより、スプリングワッシャー１４、１４、…、連結ワッシャー１３、１３、…、及び、外部集電板６ａ、６ａを介して、絶縁部材１１、１１、…に、導電体８、８、…の長手方向中央側へと向かう力が付与される。
【００３０】
図８及び図９に示すように、燃料電池モジュール３０に備えられる絶縁部材１１、１１、…は、複数の内部集電体１、１、…と接触する接触面が、導電体８、８、…の長手方向に対して傾斜した傾斜面とされている。それゆえ、導電体８、８、…の長手方向中央側へと向かう上記力が絶縁部材１１、１１、…に付与されると、絶縁部材１１、１１、…の傾斜面によって、内部集電体１、１、…の端部が押しつぶされると共に、当該内部集電体１、１、…へ、導電体８、８、…から遠ざかる方向の力（第１内部集電板１ａ、１ａへと向かう力）が付与される。したがって、燃料電池モジュール３０によれば、絶縁部材１１、１１、…を介して力を付与された内部集電体１、１、…と、第１内部集電板１ａ、１ａとの密着性を向上させることができるので、内部集電体１、１、…、第１内部集電板１ａ、１ａ、及び、第２内部集電板１ｂ、１ｂを介した集電効率を向上させることができる。燃料電池モジュール３０の製造時には、上記過程を経てナット１５、１５、…を配置した後、当該ナット１５、１５、…の外側（導電体８、８、…の長手方向端部側。）にバックアップリング３１、３１、…及びシール部材１９、１９、…が配置される。その後、集合体１０、１０、…の長手方向一端側等が第１ケース部材２０ｘに収容され、次いで、集合体１０、１０、…の長手方向中央部が第２ケース部材２０ｙに収容され、さらに、集合体１０、１０、…の長手方向他端側等が第３ケース部材２０ｚに収容される。そして、複数の集合体１０、１０、…等の端部を第１ケース部材２０ｘ及び第３ケース部材２０ｚへ収容した後に、第１内部集電板１ａ、１ａと第２内部集電板１ｂ、１ｂとが締結部材１２、１２、…によって締結固定される。
【００３１】
燃料電池モジュール３０において、絶縁部材１１、１１、…によって端部を押し潰された内部集電体１、１、…の外周面には溝１ｘ、１ｘ、…が備えられ、絶縁部材１１、１１、…との接触面に備えられる溝１ｘ、１ｘ、…は、絶縁部材１１、１１、…によって塞がれると考えられる。しかし、絶縁部材１１、１１、…と接触していない側の内部集電体１、１、…の外周面に備えられる溝１ｘ、１ｘ、…は、絶縁部材１１、１１、…によって塞がれないので、燃料電池モジュール３０の運転時には、水素流通部２６ｚ、及び、塞がれていない溝１ｘ、１ｘ、…を介して、第１触媒層２、２、…へ水素を供給することができる。
【００３２】
ここで、燃料電池モジュール３０のケース部材２０（特に、第１ケース部材２０ｘ及び第３ケース部材２０ｚ）は、弾性を有する樹脂等により構成されている。燃料電池モジュール３０の製造時には、第２ケース部材２０ｙ側へと開口した開口部を押し広げて弾性変形させた第１ケース部材２０ｘに、集合体１０、１０、…の長手方向一端側、第１内部集電板１ａ、第２内部集電板１ｂ、及び、外部集電板等が収容される。そして、弾性変形した上記開口部が元の形状へと回復することにより、第１ケース部材２０ｘに収容された各構成部材の位置が、第１ケース部材２０ｘから弾性力が付与される状況下で固定される。このようにして、集合体１０、１０、…の長手方向一端側等を第１ケース部材２０ｘに収容したら、次いで、集合体１０、１０、…の長手方向中央部が第２ケース部材２０ｙに収容される。その後、集合体１０、１０、…の長手方向他端側、第１内部集電板１ａ、第２内部集電板１ｂ、及び、外部集電板等が、第２ケース部材２０ｙ側へと開口した開口部を押し広げて弾性変形させた第３ケース部材２０ｚへと収容される。すなわち、燃料電池モジュール３０では、第１ケース部材２０ｘ及び第３ケース部材２０ｚから、ケース部材２０の内側に形成される空間の中央へ向けて弾性力が付与される。かかる弾性力によって、（１）集合体１０、１０、…を構成するチューブ型セル７、７、…と導電体８、８、…との接触、（２）チューブ型セル７、７、…と第１内部集電板１ａ、１ａとの接触、（３）第１内部集電板１ａ、１ａと第２内部集電板１ｂ、１ｂとの接触、及び、（４）外部集電体６、６、…と外部集電板との接触等が維持され、これら異種部材間の接触抵抗が低減されている。このように、燃料電池モジュール３０によれば、第１ケース部材２０ｘ及び第３ケース部材２０ｚから付与される弾性力によって、ケース部材２０に収容される集合体１０、１０、…や集電部材（第１内部集電板１ａ、第２内部集電板１ｂ、及び、外部集電板等）の位置決めをすることができるので、従来の技術において必要とされた、ケース部材に収容される各部材を固定するための部品を削減することができる。したがって、燃料電池モジュール３０によれば、部品点数を削減することができる。さらに、燃料電池モジュール３０によれば、異種部材間の接触抵抗を低減することができるので、集電効率を向上させることができる。すなわち、燃料電池モジュール３０によれば、部品点数を削減しつつ集電効率を向上させることが可能になる。
【００３３】
加えて、燃料電池モジュール３０によれば、絶縁部材１１、１１、…を介して継続的に力を付与することにより、内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ａ、１ａとの密着性が向上される。それゆえ、内部集電体１、１、…、第１内部集電板１ａ、１ａ、及び、第２内部集電板１ｂ、１ｂを介した集電効率を継続的に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、燃料電池モジュール３０を提供することができる。
【００３４】
２．燃料電池モジュールの製造方法
図１０は、本発明の燃料電池モジュールの製造方法に含まれる工程例を示すフローチャートである。以下、図１乃至図１０を参照しつつ、本発明の燃料電池モジュールの製造方法について具体的に説明する。
【００３５】
図１０に示すように、本発明の燃料電池モジュールの製造方法（以下、「本発明の製造方法」という。）は、第１工程（工程Ｓ１１）と、第２工程（工程Ｓ１２）と、第３工程（工程Ｓ１３）と、第４工程（工程Ｓ１４）と、を備える。
【００３６】
＜工程Ｓ１１＞
工程Ｓ１１は、ケース部材２０に収容される複数の集合体１０、１０、…を作製する工程である。工程Ｓ１１は、チューブ型セル７、７、…を作製する工程と、複数のチューブ型セル７、７、…によって囲まれる空間へ導電体８を配置する工程と、に大別することができる。
チューブ型セル７、７、…を作製するには、まず、溶剤にプロトン伝導性ポリマーと触媒（例えば、Ｐｔ等）とを分散して調整した流動状態の組成物（以下「触媒インク」という。）等を、溝１ｘ、１ｘ、…を有する内部集電体１、１、…の外周面へそれぞれ塗布し乾燥することにより、内部集電体１、１、…の各外周面に中空形状の第１触媒層２、２、…を形成する。次いで、形成された第１触媒層２、２、…の外周面へ、例えば、溶剤にプロトン伝導性ポリマーを分散して調整した流動状態の組成物をそれぞれ塗布し乾燥することにより、第１触媒層２、２、…の各外周面に中空形状の電解質膜３、３、…を形成する。次いで、形成された電解質膜３、３、…の外周面へ触媒インクをそれぞれ塗布し乾燥することにより、電解質膜３、３、…の各外周面に中空形状の第２触媒層４、４、…を形成し、内部集電体１、１、…の外周面へ中空形状のＭＥＡ５、５、…を形成する。その後、当該ＭＥＡ５、５、…の各外周面へ、外部集電体６、６、…をそれぞれ巻回し、外部集電体６、６、…の両端を固定することにより、ＭＥＡ５、５、…の外周面に外部集電体６、６、…を固定する。かかる過程等を経ることにより、チューブ型セル７、７、…を作製することができる。
このようにして複数のチューブ型セル７、７、…を作製したら、これらのチューブ型セル７、７、…を、例えば、正七角形の頂点位置へとそれぞれ配置し、７個のチューブ型セル７、７、…によって囲まれる空間へ導電体８を配置する。そして、各チューブ型セル７、７、…の外側へ拘束部材９を配置し、当該拘束部材９によって、各チューブ型セル７、７、…に備えられる外部集電体６、６、…と導電体８とを接触させ、拘束部材９の両端を端部止め９ａ、９ａによって固定することにより、一の集合体１０を作製することができる。複数の集合体１０、１０、…を作製するには、同様の工程を繰り返せばよい。
【００３７】
＜工程Ｓ１２＞
工程Ｓ１２は、上記工程Ｓ１１で作製された集合体１０、１０、…と集電部材（第１内部集電板１ａ、１ａ及び外部集電板６ａ、６ａ。以下同じ。）とを接触させて固定する工程である。具体的には、複数の集合体１０、１０、…の長手方向一端側及び他端側（導電体８、８、…の長手方向両端）から、複数の孔を有する第１内部集電板１ａ、１ａと、絶縁部材１１、１１、…と、をそれぞれ挿入する。その後、導電体８、８、…の長手方向一端側及び他端側から外部集電板６ａ、６ａをそれぞれ挿入し、次いで、導電体８、８、…の長手方向一端側及び他端側から、連結ワッシャー１３、１３、スプリングワッシャー１４、１４、…、及び、ナット１５、１５、…をそれぞれ挿入して、導電体８、８、…の長手方向両端側から同長手方向中央へ向けて圧力を付与する。かかる過程を経ることにより、絶縁部材１１、１１、…の傾斜面に押し潰された内部集電体１、１、…と第１内部集電板１ａ、１ａとを密着させることができ、さらに、外部集電板６ａ、６ａと導電体８、８、…とを密着させることができる。
【００３８】
＜工程Ｓ１３＞
工程Ｓ１３は、上記工程Ｓ１２によって集電部材と密着した形態で固定された複数の集合体１０、１０、…の長手方向一端側を、第１ケース部材２０ｘに収容する工程である。具体的には、弾性変形させることが可能な第１ケース部材２０ｘに、集合体１０、１０、…を挿入可能な形態で設けられた開口部を押し広げた状態に維持したまま、上記集合体１０、１０、…の長手方向一端側、及び、当該集合体１０、１０、…と密着した集電部材を第１ケース部材２０ｘへと挿入する。挿入が完了したら、押し広げられた上記開口部を元の状態へと戻し、その後、第１内部集電板１ａと第２内部集電板１ｂとを締結部材１２、１２によって締結固定する工程、とすることができる。かかる形態の工程Ｓ１３とすることにより、第１ケース部材２０ｘから集合体１０、１０、…及び集電部材へと弾性力を付与することができるので、（１）集合体１０、１０、…を構成するチューブ型セル７、７、…と導電体８、８、…との界面の接触抵抗、（２）チューブ型セル７、７、…と第１内部集電板１ａ、１ａとの界面の接触抵抗、（３）第１内部集電板１ａ、１ａと第２内部集電板１ｂ、１ｂとの界面の接触抵抗、及び、（４）外部集電体６、６、…と外部集電板との界面の接触抵抗を低減することができる。
【００３９】
＜工程Ｓ１４＞
工程Ｓ１４は、上記工程Ｓ１３の後に、複数の集合体１０、１０、…の長手方向中央部を第２ケース部材２０ｙに収容する工程である。工程Ｓ１４は、例えば、上記工程Ｓ１３で複数の集合体１０、１０、…の長手方向一端側及び集電部材を第１ケース部材２０ｘへと収容した後に、第１ケース部材２０ｘに備えられる開口部２１、２１と、第２ケース部材２０ｙに備えられる嵌合爪２２、２２とを嵌め合わせ、第１ケース部材２０ｘと第２ケース部材２０ｙとを連結することにより、第２ケース部材２０ｙへ複数の集合体１０、１０、…の長手方向中央部を収容する工程、とすることができる。
【００４０】
このようにして、第１ケース部材２０ｘ及び第２ケース部材２０ｙへ、複数の集合体１０、１０、…の長手方向一端側及び同長手方向中央部を収容したら、複数の集合体１０、１０、…の長手方向他端側及び当該他端側に配置された集電部材を第３ケース部材２０ｚへと収容する工程を経て、燃料電池モジュール３０を完成させる。複数の集合体１０、１０、…の長手方向他端側及び当該他端側に配置された集電部材を第３ケース部材２０ｚへと収容する工程は、上記工程Ｓ１３と同様の形態とすることができる。
【００４１】
本発明の製造方法によれば、以上の工程を経て、燃料電池モジュール３０を製造することができる。燃料電池モジュール３０によれば、部品点数を削減しつつ集電効率を向上させることができるので、本発明によれば、部品点数を削減しつつ集電効率を向上させ得る燃料電池モジュール３０を製造することが可能な、燃料電池モジュールの製造方法を提供することができる。
【００４２】
３．燃料電池
図１１は、本発明の燃料電池の形態例を示す側面図であり、積層された複数の燃料電池モジュールによって構成される積層体と、冷却用配管及び水素用配管と、エンドプレート等の配置を概略的に示している。図１１の紙面上下方向が、本発明の燃料電池に備えられるチューブ型セルの長手方向である。図１２は、本発明の燃料電池の形態例を示す平面図であり、図１１に示される積層体、冷媒用配管、及び、水素用配管と、外部ケース部材等の配置を概略的に示している。図１２の点線矢印は空気の流れ方向を示している。図１２の紙面奥／手前方向が、チューブ型セルの長手方向である。図１１及び図１２において、図１乃至図３と同様の構成を採るものには、これらの図で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乃至図９、図１１、及び、図１２を参照しつつ、複数の燃料電池モジュール３０、３０、…を備える本発明の燃料電池について具体的に説明する。
【００４３】
図１１及び図１２に示すように、本発明の燃料電池１００は、電気的に直列に接続される形態で複数の燃料電池モジュール３０、３０、…を積層することにより構成される積層体４０と、マニホールド一体型エンドプレート４５（以下、「マニホールド４５」ということがある。）及びエンドプレート４６と、電極素子４７、４８と、を備え、マニホールド４５には、冷媒用配管４１、４２、及び、水素用配管４３、４４が接続されている。そして、複数の燃料電池モジュール３０、３０、…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３０、３０、…間の接触抵抗（より具体的には、隣接する一方の燃料電池モジュール３０に備えられる第２内部集電板１ｂ、１ｂと他方の燃料電池モジュール３０に備えられる外部集電板６ａ、６ａとの接触抵抗）を低減させ得る圧力が付与されている。それゆえ、燃料電池１００の運転時に、高圧の流体が燃料電池モジュール３０、３０、…の内側を流通させても、燃料電池モジュール３０、３０、…からケース部材２０、２０、…が外れることはない。
【００４４】
燃料電池１００の運転時には、例えば、水素用配管４３を介して供給された水素が、マニホールド４５を介して、燃料電池モジュール３０、３０、…の水素流通部２６ｚ、２６ｚ、…へと供給され、当該水素流通部２６ｚ、２６ｚ、…へと供給された水素は、内部集電体１、１、…に備えられる溝１ｘ、１ｘ、…へと分岐する。燃料電池１００において、溝１ｘ、１ｘ、…は水素流路として機能し、溝１ｘ、１ｘ、…へと分岐した水素が、チューブ型セル７、７、…に備えられる中空形状のＭＥＡ５、５、…の内周面（第１触媒層２、２、…）へと達する。ＭＥＡ５、５、…の内周面に備えられる第１触媒層２、２、…へと達した水素は、当該第１触媒層２、２、…に含有される触媒の作用下でプロトンと電子に分離する。このようにして生じたプロトンは、各チューブ型セル７、７、…に含有されるプロトン伝導性ポリマーを介して伝導されることにより、ＭＥＡ５、５、…の外周面側に備えられる第２触媒層４、４、…へと達する。これに対し、第１触媒層２、２、…で生じた電子は、ＭＥＡ５、５、…に備えられる中空形状の電解質膜３、３、…を透過することができないため、外部回路を経て上記第２触媒層４、４、…へと達する。一方、図１２に示すように、燃料電池１００は、外部ケース部材５０を備え、当該外部ケース部材５０に、図１１で示した各部材が収容される。外部ケース部材５０には、空気を透過可能な開口部４９、４９、…が備えられ、燃料電池１００の運転時には、当該開口部４９、４９、…を透過した空気が、燃料電池モジュール３０、３０、…の側面に備えられる開口部２９、２９、…を介して、各チューブ型セル７、７、…の外周面へと供給される。そして、このようにしてチューブ型セル７、７、…へと供給された空気が、各チューブ型セル７、７、…に備えられる第２触媒層４、４、…へと達し、当該第２触媒層４、４、…に含有される触媒の作用下で、第２触媒層４、４、…へと到達した電子及びプロトンと、第２触媒層４、４、…へと供給された空気に含有される酸素とが反応することにより、水が生成される。なお、第１触媒層２、２、…における電気化学反応に利用されずに残った水素は、溝１ｘ、１ｘ、…、水素流通部２６ｘ、２６ｘ、…、マニホールド４５、及び、水素用配管４４を経て回収される。
【００４５】
他方、上述のように、燃料電池１００の運転時には、熱が発生する。それゆえ、燃料電池１００の運転時には、チューブ型セル７、７、…の過度の温度上昇を防止すべく、例えば、冷媒用配管４１を介して冷媒が供給される（図１１及び図１２参照）。冷媒用配管４１を介して供給された冷媒は、マニホールド４５を介して燃料電池モジュール３０、３０、…の冷媒流通部２５ｘ、２５ｘ、…へと供給され、当該冷媒流通部２５ｘ、２５ｘ、…へと供給された冷媒は、導電体８、８、…の端面に備えられる開口部へと分岐する。このようにして導電体８、８、…の内部へと流入した冷媒は、チューブ型セル７、７、…の温度制御に利用され、チューブ型セル７、７、…と熱交換することにより暖められた冷媒は、冷媒流通部２５ｚ、２５ｚ、…、マニホールド４５、及び、冷媒用配管４２を介して回収される。また、燃料電池１００において、電極素子４７は、電気的に直列に接続された燃料電池モジュール３０、３０、…の最も外側（図１１及び図１２の紙面左側）の燃料電池モジュール３０に備えられる第２内部集電板１ｂ、１ｂと電気的に接続されている。他方、電極素子４８は、電極素子４７が接続された上記燃料電池モジュール３０と反対側の最も外側（図１１及び図１２の紙面右側）の燃料電池モジュール３０に備えられる、外部集電板６ａ、６ａと電気的に接続されている。したがって、燃料電池１００によれば、電極素子４７及び電極素子４８を介して電気エネルギーを取り出すことができる。
【００４６】
このように、燃料電池１００には、部品点数を削減しつつ集電効率を向上させることが可能な燃料電池モジュール３０、３０、…が備えられるので、本発明によれば、部品点数を削減しつつ集電効率を向上させることが可能な燃料電池１００を提供することができる。
【００４７】
本発明の燃料電池モジュール及び本発明の燃料電池（以下、これらをまとめて単に「本発明」という。）に備えられるチューブ型セル７は、中空形状の第１触媒層２、ＰＥＦＣで使用可能な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３、及び、中空形状の第２触媒層４、を有する中空形状のＭＥＡ５と、当該ＭＥＡ５の内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される内部集電体１及び外部集電体６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３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。
【００４８】
第１触媒層２及び第２触媒層４（以下、これらをまとめて単に「触媒層」ということがある。）は、チューブ型セル７のアノードや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）とを有していれば、その形態は特に限定されるものではない。触媒層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。触媒層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。
【００４９】
また、本発明において、内部集電体１及び外部集電体６（以下、これらをまとめて単に「集電体」ということがある。）、並びに、第１内部集電板１ａ、第２内部集電板１ｂ、外部集電板６ａ、及び、導電体８は、良好な電子伝導性を有する材料（導電性材料）によって構成されることが好ましい。これらの部材を構成し得る導電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。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。また、漏電を回避するため、導電体８の内部には、絶縁性の熱媒体（例えば、ＬＬＣ等。）を流通させることが好ましい。
【００５０】
また、本発明において、外部集電体６を介した集電効率を向上させる観点から、外部集電体６はＭＥＡ５を内部集電体１側へ押圧する形態で備えられることが好ましい。当該形態は、例えば、上記導電性材料の線材等により構成される外部集電体６の長手方向両端を固定部材（例えば、熱収縮チューブ等）によって固定する等により、維持することができる。
【００５１】
また、本発明において、第１ケース部材２０ｘ及び第３ケース部材２０ｚは、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質（耐熱性、耐水性等。以下同じ。）を有し、かつ、弾性変形させることが可能な材料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。ただし、収容されるチューブ型セル７、７、…との通電を防止しつつ容易に製造可能な形態とする等の観点からは、弾性変形可能な各種絶縁性樹脂により構成されることが好ましい。さらに、第２ケース部材２０ｙの構成材料は、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質を有していれば、特に限定されるものではないが、収容されるチューブ型セル７、７、…との通電を防止しつつ容易に製造可能な形態とする等の観点からは、各種絶縁性樹脂により構成されることが好ましい。ケース部材２０の構成材料の具体例としては、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）等を挙げることができる。一方、本発明の燃料電池において、外部ケース部材５０は、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質を有し、かつ、長期間に亘って積層体４０等を収容し続けることが可能な強度を有していれば、その構成材料は特に限定されるものではない。
【００５２】
また、本発明において、絶縁部材１１は、内部集電体１と導電体８との通電を防止し、かつ、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質を有する絶縁性材料により構成されていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。かかる材料の具体例としては、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を挙げることができる。
【００５３】
また、本発明において、連結ワッシャー１３は、スプリングワッシャー１４又はナット１５を介して付与される、導電体８の長手方向中央側へと向かう力を、外部集電板６ａへと伝え得る形態で配設されていれば、その配設形態は特に限定されるものではない。ただし、外部集電板６ａへと効率良く力を伝え得る形状とする等の観点からは、スプリングワッシャー１４又はナット１５側の連結ワッシャー１３の端面が、外部集電板６ａの端面よりも突き出した形態で備えられることが好ましい。スプリングワッシャー１４又はナット１５側へと突き出した形態で連結ワッシャー１３が配設される場合、連結ワッシャー１３の端面と外部集電板６ａの端面との段差の高さは特に限定されるものではないが、小型化を図りつつ、単位体積当たりの発電量を向上させ得る形態の燃料電池モジュールを提供する等の観点から、当該高さは例えば２０μｍ程度とすることが好ましい。
【００５４】
また、本発明において、部材１６、１７は、水素と空気とを隔離する接着剤１８が配置される空間を特定でき、かつ、燃料電池１００の運転時における環境に耐え得る性質を有する材料により構成されていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。かかる材料の具体例としては、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を挙げることができる。
【００５５】
また、本発明に関する上記説明では、第１ケース部材２０ｘと第２ケース部材２０ｙとの間隔、及び、第２ケース部材２０ｙと第３ケース部材２０ｚとの間隔が固定されていない形態の燃料電池モジュール３０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。ただし、燃料電池モジュールの運転時に熱膨張した際の寸法と、燃料電池モジュールの運転停止時に熱収縮した際の寸法との差を吸収し得る構造とすることにより、ガスシール性及び耐久性に優れた燃料電池モジュールを提供可能とする等の観点からは、上記形態の燃料電池モジュールとすることが好ましい。
【００５６】
また、本発明に関する上記説明では、締結部材１２、１２によって締結固定された第１内部集電体１ａと第２内部集電体１ｂとが備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、上記説明における第１内部集電体と第２内部集電体とが一体に成形された一の内部集電板が備えられる形態とすることも可能である。
【００５７】
また、本発明に関する上記説明では、集合体１０に７個のチューブ型セル７、７、…が備えられる形態を例示したが、集合体に備えられるチューブ型セルの数はこれに限定されるものではない。ただし、小型化を図りつつ、単位体積当たりの発電量を向上させ得る形態の燃料電池モジュールを提供する等の観点からは、１本の導電体と、当該導電体と接触する６〜８個のチューブ型セルとを備える形態の集合体とすることが好ましい。
【００５８】
また、本発明に関する上記説明では、ＭＥＡ５の内周面に内部集電体１が配置されるとともに、同外周面に外部集電体６が配置された形態のチューブ型セル７を例示したが、本発明に備えられるチューブ型セルは、当該形態に限定されるものではない。中空形状のＭＥＡ５へ反応ガスを均一に供給可能とする等の観点からは、中空形状のＭＥＡ５の内周面側及び／又は外周面側に、中空形状の拡散層が備えられることが好ましい。本発明で使用されるチューブ型セルに中空形状の拡散層が備えられる場合、当該拡散層は、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等によって構成することができる。
【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３０、３０、…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４５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正面図である。
【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左側面図である。
【図３】本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す右側面図である。
【図４】集合体の形態例を概略的に示す正面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】チューブ型セルの形態例を概略的に示す断面図である。
【図７】燃料電池モジュール３０の断面図である。
【図８】燃料電池モジュール３０の断面図である。
【図９】燃料電池モジュール３０の断面図である。
【図１０】本発明の製造方法の形態例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の燃料電池の形態例を示す側面図である。
【図１２】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…内部集電体
１ａ…第１内部集電板（内部集電部材）
１ｂ…第２内部集電板（内部集電部材）
１ｘ…溝
２…第１触媒層
３…電解質膜
４…第２触媒層
５…ＭＥＡ
６…外部集電体
６ａ…外部集電板
７…チューブ型セル（チューブ型燃料電池セル）
８…導電体
９…拘束部材
１０…集合体
１１…絶縁部材
１２…締結部材
１３…連結ワッシャー
１４…スプリングワッシャー（弾性体）
１５…ナット（圧力付与部材）
１６、１７…部材
１８…接着剤
１９…シール部材
２０…ケース部材
２０ｘ…第１ケース部材
２０ｙ…第２ケース部材
２０ｚ…第３ケース部材
２１…開口部
２２…嵌合爪
２３…凹部
２４…凸部
２５…冷媒流通部
２６…水素流通部
２７…シール部材
２８…凹部
２９…開口部
３０…燃料電池モジュール
３１…バックアップリング
４０…積層体
４１、４２…冷媒用配管
４３、４４…水素用配管
４５…マニホールド
４６…エンドプレート
４７、４８…電極素子
４９…開口部
５０…外部ケース部材
１００…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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