JP2007220632A - チューブ型燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高効率化を図ることが可能なチューブ型燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】中空形状の内部集電体１１、外部集電体１６、及びＭＥＡ１５を有し、同軸方向に配置される第１の燃料電池セル１０並びに第２の燃料電池セル２０を備え、第１の燃料電池セルにおける第１の内部集電体の内表面に凸部１７又は凹部が備えられ、第２の燃料電池セルにおける第２の外部集電体の一方の端面にシール部材１８を配設可能な溝が備えられ、第１の内部集電体の内周面と接触する第２の外部集電体の外周面、及び、該外周面と接触する第１の内部集電体の内周面にネジ山及び溝が備えられ、、第２の外部集電体の外表面と第２の外部集電体を挿入された第１の内部集電体の内表面とが接触することで、第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルを電気的に直列に接続可能な、チューブ型燃料電池モジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、チューブ型燃料電池モジュールに関し、特に、高効率化を図ることが可能なチューブ型燃料電池モジュールに関する。

単位面積当たりの出力密度を一定以上に向上させること等を目的として、近年、チューブ型の燃料電池（以下において、「チューブ型ＰＥＦＣ」と記述することがある。）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、「チューブ型セル」又は「燃料電池セル」と記述することがある。）は、一般に、中空形状の電解質層と当該電解質層の内側及び外側に配設される触媒層とを備えるＭＥＡ、を備えている。そして、例えば、当該ＭＥＡの内側に水素含有ガスを、同外側に酸素含有ガスを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の内側及び外側に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、各ユニットセルに備えられるＭＥＡの内側に一方の反応ガス（例えば、水素含有ガス）を、外側に他方の反応ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給することで発電エネルギーを取り出すので、隣り合う２つのユニットセルの外側面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、効果的にユニットセルの小型化を図ることが可能になる。

チューブ型燃料電池に関する技術として、例えば、特許文献１には、肉厚多孔質のテーパ管に単セルを積層して単セル／基体集合体を調製し、この単セル／基体集合体の複数個をインタコネクタを介して相互に嵌合してスタックを形成する、固体電解質型燃料電池に関する技術が開示されている。この技術によれば、テーパ管型の固体電解質型燃料電池において、機械的強度に優れるとともにスタック形成時に電気的接続とガスシール性に優れる固体電解質型燃料電池が得られる、としている。また、特許文献２には、複数の燃料電池セルが管状に連結されたことを特徴とす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、コンパクトな形態で燃料電池セルの直列接続構造を実現できるので、所望の電力を得ることができる、としている。さらに、特許文献３には、高分子膜にアノード側電極とカソード側電極とからなる電極対を複数個設けた接合体を、水素ガスを透過可能な円筒状基材に巻回し、端部を導電性物質で接着した燃料電池スタックに関する技術が開示されている。この技術によれば、燃料電池スタックから高電流および高電圧を得ることができるとともに、該燃料電池スタックの小型化かつ軽量化を図ることができる、としている。
特開平６−２４３８７９号公報 特開２００３−３１７７９０号公報 特開２００４−１５８３３５号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、テーパ状のチューブ型燃料電池を、単純に積層することでモジュール化しているため、衝撃等で積層状態がずれる虞があり、かかる場合には、反応ガスが反対側の極へ漏れ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も、複数の燃料電池セルを単純に管状に連結しているのみであるため、衝撃等で積層状態がずれる虞があり、かかる場合には、反応ガスが反対側の極へ漏れる虞があるという問題があった。さらに、特許文献３に開示されている技術では、複数の単位燃料電池を電気的に直列接続させる際の作業効率が低下しやすく、燃料電池スタックの生産性が低下しやすいという問題があった。

そこで本発明は、積層状態がずれ難く、生産性を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池モジュールを提供することを課題とする。

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、
本発明は、中空形状の内部集電体及び外部集電体と、これらの間に配設される中空形状のＭＥＡと、を有し、同軸方向に配置される第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルを具備する、チューブ型燃料電池モジュールであって、少なくとも、第１の燃料電池セルに備えられる第１の内部集電体の内表面に凸部又は凹部が備えられるとともに、第２の燃料電池セルに備えられる第２の外部集電体の一方の端面に、シール部材を配設可能な溝が備えられ、上記溝に配設されたシール部材と、凸部又は凹部の表面とを押し付けることで、シール部材が機能し、第２の外部集電体における、上記一方の端面側の端部を、第１の内部集電体の中空部へと挿入し、第２の外部集電体の外表面と当該第２の外部集電体を挿入された第１の内部集電体の内表面とが接触することで、第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルを電気的に直列に接続可能であり、第２の外部集電体の、一方の端面側の端部の外径と、第１の内部集電体における、第２の外部集電体が挿入される側の端部の内径とが、略同一であり、第１の内部集電体の内周面と接触する、第２の外部集電体の外周面に、ネジ山及び溝が備えられるとともに、第２の外部集電体の外周面と接触する第１の内部集電体の内周面に、上記ネジ山及び溝と対応した形状の溝及びネジ山が備えられ、第２の外部集電体の、上記一方の端面側の端部の外径が、当該一方の端面と反対側の端部の外径よりも小さく、第２の外部集電体、及び、第１の燃料電池セルに備えられる第１の外部集電体が、略同一の外径寸法を有することを特徴とする、チューブ型燃料電池モジュールにより、上記課題を解決する。

ここに、中空形状のＭＥＡとは、中空形状の内側触媒層と、当該内側触媒層の外周面と接触するように配設される中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の外周面と接触するように配設される中空形状の外側触媒層と、を備えるＭＥＡを意味している。「同軸方向に配置される第１の燃料電池セル並びに第２の燃料電池セル」とは、一直線状に配置される第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルが、例えば、第１の燃料電池セルの下部と第２の燃料電池セルの上部とが接触する形態で配置されることを意味している。さらに、中空形状のＭＥＡの内側及び外側に配設される「内部集電体及び外部集電体が中空形状」であるとは、中空形状の内部集電体の外側に中空形状のＭＥＡが配設されるとともに、当該ＭＥＡの外側に中空形状の外部集電体が配設されることを意味している。

加えて、「第１の内部集電体の内表面に凸部又は凹部が備えられる」とは、第１の内部集電体の軸方向を含む複数の平面で当該第１の内部集電体を切断した場合に、第１の内部集電体の切断面の両端側に必ず一対の凸部又は凹部が存在するように、凸部又は凹部が備えられることを意味する。また、本発明において、溝は、シール部材を凸部又は凹部の表面（側面）へと押し付け得る形態で配設可能であれば、その形態は特に限定されない。さらに、本発明にかかるシール部材は、中空形状のＭＥＡの内側へ供給される反応ガスと、同外側へ供給される反応ガスとを隔離可能なものであれば、その構成材料は特に限定されないが、取扱い容易性及び入手容易性等の観点から、Ｏリング等を用いることが好ましい。加えて、「シール部材と、凸部又は凹部の表面とを押し付けることで、シール部材が機能」するとは、例えば、第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルの軸方向に締結圧力を加えることで、シール部材を挟んで第１の燃料電池セルと第２の燃料電池セルとを接触させ、これらの内部集電体側に供給される反応ガスの拡散領域と、同外部集電体側に供給される反応ガスの拡散領域とを、シール部材によって分離することを意味する。

さらに、「前記ネジ山及び溝と対応した形状の溝及びネジ山が備えられる」とは、第１の内部集電体の内周面及び第２の外部集電体の外周面が、これらをネジ止めすることで、第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルを連結可能なように形成されていることを意味している。
なお、本明細書では、複数のチューブ型セルを連結してチューブ型燃料電池モジュールを組み立てる前の、チューブ型セルを作製した状態において、チューブ型セルの中空部の空気と接触し得る全表面を指す語として「内表面」を用いる。すなわち、内表面は、内周面のほか、チューブ型セルの軸方向と交差する面をも含む概念である。これに対し、チューブ型セルの軸方向と交差しない表面を指す語として、「内周面」を用いる。また、「外表面」は内表面に対応する語、「外周面」は内周面に対応する語であり、それぞれ、中空状部材の外側を指す語であるか、内側を指す語であるか、のみが異なっている。

本発明のチューブ型燃料電池モジュール（以下、「本発明のモジュール」ということがある。）によれば、第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルをネジ止めすることで、これらを容易に連結することができる。このように、ネジ止めすることで連結されれば、第１の燃料電池セルと第２の燃料電池セルとの間に加えられる締結圧力を調整することが容易になるので、積層状態がずれ難くシールの信頼性を容易に向上させることができるほか、チューブ型燃料電池モジュールの生産性を向上させることができる。さらに、本発明のモジュールでは、各燃料電池セルに備えられる外部集電体の外形寸法が略同一なので、各燃料電池セルに備えられる構成部材（外部集電体、ＭＥＡ、及び内部集電体）の外形寸法を、それぞれ１種類にすることができる。したがって、かかる形態とすることで、チューブ型燃料電池モジュールの生産性を一層向上させることができる。加えて、本発明のモジュールでは、第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルが電気的に直列に接続されるので、高電圧化を図ることが容易になる。さらに、第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルの軸方向に締結圧力を加えることで、シール部材を機能させることができる。そのため、シールの信頼性を向上させることができ、チューブ型ＰＥＦＣの内周面側及び外周面側に供給される反応ガスの混在を防止することで、発電効率を向上させることができる。加えて、本発明のモジュールによれば、第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルを連結した時に、第２の外部集電体の外周面と、第１の内部集電体の内周面とが接触する。そのため、第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルが、電気的に直列に接続する際の確実性を増すことができる。

図１は、第１実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池モジュール（以下において、単に「モジュール」という。）の一部を概略的に示す斜視図であり、構造を容易に理解可能とするため、連結された３つのチューブ型セルの一部が切断された様子を示している。図２は、図１における第１の燃料電池セルと第２の燃料電池セルとの連結部を拡大して示す断面図である。以下、図１及び図２を適宜参照しつつ、第１実施形態にかかるモジュールについて説明する。なお、本発明のチューブ型燃料電池モジュールに備えられる内部集電体及び外部集電体は、ＭＥＡへガスを拡散可能な形態（例えば、メッシュ状やスリット状のほか、多孔質部材により形成される形態等）を有しているが、煩雑な図となることを防ぐため、図１では、内部集電体及び外部集電体の具体的な形態を省略して示している。また、図１の直線矢印は、燃料電池セルの軸方向を示しており、以下、図の説明において、燃料電池セルに備えられる部材の紙面右側を上端側、同紙面左側を下端側と表現する。

図１に示すように、第１実施形態にかかるモジュール１００は、略同一の外径寸法を有する、第１の燃料電池セル１０、第２の燃料電池セル２０、及び、第３の燃料電池セル３０を備え、これらが同軸方向に連結されている。第１の燃料電池セル１０は、中空形状の第１の内部集電体１１（以下において、単に「内部集電体１１」と記述する。）と、中空形状の内側触媒層１２、電解質膜１３、及び、外側触媒層１４を備えるＭＥＡ１５と、ＭＥＡ１５に対して内部集電体１１と反対側に配設される第１の外部集電体１６（以下において、単に「外部集電体１６」と記述する。）と、を備えている。内部集電体１１の内表面には、ドーナツ状部材が固定されることにより、凸部１７が形成され、外部集電体１６の上端側端面に形成された溝１６ａにシール部材（Ｏリング）１８が配設されている。さらに、第２の燃料電池セル２０は、内部集電体１１と略同一の外径寸法を有する中空形状の第２の内部集電体２１（以下において、単に「内部集電体２１」と記述する。）と、中空形状の内側触媒層２２、電解質膜２３、及び、外側触媒層２４を備えるＭＥＡ２５と、ＭＥＡ２５に対して内部集電体２１と反対側に配設される、外部集電体１６と略同一の外径寸法を有する第２の外部集電体２６（以下において、単に「外部集電体２６」と記述する。）と、を備えている。内部集電体２１の内表面には、上記内部集電体１１と同様に凸部（不図示）が備えられるとともに、外部集電体２６の上端側端面に形成された溝２６ａ、２６ａにシール部材２８、２８が配設されている。加えて、第３の燃料電池セル３０は、内部集電体１１及び内部集電体２１と略同一の外径寸法を有する中空形状の第３の内部集電体３１（以下において、単に「内部集電体３１」と記述する。）と、中空形状の内側触媒層３２、電解質膜３３、及び、外側触媒層３４を備えるＭＥＡ３５と、ＭＥＡ３５に対して内部集電体３１と反対側に配設される、外部集電体１６及び内部集電体２６と略同一の外径寸法を有する第３の外部集電体３６（以下において、単に「外部集電体３６」と記述する。）と、を備えている。内部集電体３１の内表面には、上記内部集電体１１及び内部集電体２１と同様に凸部（不図示）が備えられるとともに、外部集電体３６の上端側端面に形成された溝にシール部材（共に不図示）が配設されている。

上記形態のモジュール１００では、第３の燃料電池セル３０の上端側端部が、第２の燃料電池セル２０における中空部２９の下端側へと挿入されるとともに、第２の燃料電池セル２０の上端側端部が、第１の燃料電池セル１０における中空部１９の下端側へと挿入されている。第２の燃料電池セル２０及び第３の燃料電池セル３０は、外部集電体３６の上端側端面と、内部集電体３１に備えられる凸部の下端側表面とを接触させる形態で接触しており、第１の燃料電池セル１０及び第２の燃料電池セル２０は、外部集電体２６の上端側端面と、凸部１７の下端側表面とを接触させる形態で接触している。そして、第１の燃料電池セル１０の上端側及び第３の燃料電池セル３０の下端側から締結圧力が加えられて、第３の燃料電池セル３０に備えられるシール部材及び第２の燃料電池セル２０に備えられるシール部材２８が、内部集電体２１に備えられる凸部の下端側表面及び内部集電体１１に備えられる凸部１７の下端側表面へと押し付けられると、これらシール部材２８の機能が発現する。さらに、第１実施形態にかかるモジュール１００では、内部集電体１１の下端側端部の内径と、外部集電体２６の上端側端部の外径とが、略同一となるように構成されているほか、内部集電体２１の下端側端部の内径と外部集電体３６の上端側端部の外径とが、略同一となるように構成されている。すなわち、第１の燃料電池セル１０と第２の燃料電池セル２０とが図示の形態で連結されると、凸部１７の下端側表面と外部集電体２６の上端側端面とが接触するとともに、外部集電体２６の上端側の外周面と内部集電体１１の下端側の内周面とが接触し、モジュール１００の作動時には、これらの接触面を介して、第１の燃料電池セル１０及び第２の燃料電池セル２０が、電気的に直列に接続される。また、第３の燃料電池セル３０及び第２の燃料電池セル２０も、第１の燃料電池セル１０及び第２の燃料電池セル２０の場合と同様に、電気的に直列に接続される。したがって、モジュール１００によれば、第１の燃料電池セル１０、第２の燃料電池セル２０、及び、第３の燃料電池セル３０を、電気的に直列に接続することができる。

さらに、モジュール１００において、内部集電体１１の内周面下端部と接触している外部集電体２６の外周面上端部にネジ山及び溝が形成されているとともに、当該外部集電体２６の外周面上端部と接触する内部集電体１１の内周面下端部に、外部集電体２６のネジ山及び溝と対応する形状の溝及びネジ山が形成されており（図２参照）、内部集電体２１の内周面下端部と外部集電体３６の外周面上端部も同様に形成されている。そのため、モジュール１００は、第２の燃料電池セル２０の上端部を第１の燃料電池セル１０の中空部下端側へとねじ込むことで、第１の燃料電池セル１０と第２の燃料電池セル２０とを容易に連結することができ、第３の燃料電池セル３０の上端部を第２の燃料電池セル２０の中空部下端側へとねじ込むことで、第２の燃料電池セル２０と第３の燃料電池セル３０とを容易に連結することができる。このような形態で、軸方向に隣り合う２つのセルを連結すれば、一方の燃料電池セルを他方の燃料電池セルへとねじ込む際の力を調節することで、軸方向に隣り合う２つのセルの締結圧力を調節することができ、シール部材１８、２８のシール機能を効果的に発現させてシールの信頼性を向上させることができる。

本発明のモジュール１００を作動させる際には、例えば、中空部１９、２９に水素含有ガスを、燃料電池セル１０、２０、３０の外周面側に酸素含有ガスを、それぞれ供給する。そうすると、燃料電池セル１０、２０、３０の内側がアノード、同外側がカソードとなり、外部集電体が陽極、内部集電体が陰極となる。図示のモジュール１００では、上述のように、例えば、内部集電体１１の内表面と、外部集電体２６の外表面とが接触する形態で、第１の燃料電池セル１０及び第２の燃料電池セル２０が連結されているので、陽極である外部集電体２６と、陰極である内部集電体１１とが接触することで、電気的に直列に接続される。このように、本発明によれば、同軸方向に配置された複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続することができるので、高電圧化を図ることでモジュールの高効率化を図ることが可能になる。

第１実施形態にかかる上記説明では、内表面に凸部が備えられる形態の内部集電体を具備するモジュールについて記述してきたが、本発明のモジュールに備えられる内部集電体の形態は、これに限定されず、内表面に凹部が備えられる形態であってもよい。そこで、図３に、内表面に凹部が備えられる形態の内部集電体を備えるモジュールの一部断面を概略的に示す。

図３は、第２実施形態にかかる本発明のモジュールに備えられる第１の燃料電池セルと第２の燃料電池セルとの連結部のみを拡大して示す、断面図である。図３の直線矢印は、燃料電池セルの軸方向を示している。本実施形態のチューブ型燃料電池モジュールに備えられる内部集電体及び外部集電体は、ＭＥＡへガスを拡散可能な形態（例えば、メッシュ状、スリット状、多孔質状等）を有しているが、煩雑な図となることを防ぐため、図３では、内部集電体及び外部集電体の具体的な形態を省略して示している。図３において、図２に示すモジュールの部材・部位と同様の構成を採る部材・部位には、図２にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。

図３に示すように、第２実施形態にかかる本発明のモジュール２００は、第１の燃料電池セル５０と第２の燃料電池セル６０とを備え、これらが同軸方向に連結されている。第１の燃料電池セル５０は、中空形状の第１の内部集電体５１（以下、単に「内部集電体５１」と記述する。）と、内側触媒層１２、電解質膜１３、及び、外側触媒層１４を備えるＭＥＡ１５と、ＭＥＡ１５に対して内部集電体５１と反対側に配設される外部集電体１６と、を備えている。内部集電体５１の下端側内表面には、例えば、径方向の厚みを低減することにより凹部５７が形成されている。一方、第２の燃料電池セル６０は、内部集電体５１と略同一の外径寸法を有する中空形状の第２の内部集電体（図３では不図示）と、内側触媒層２２、電解質膜２３、及び、外側触媒層２４を備えるＭＥＡ２５と、ＭＥＡ２５に対して第２の内部集電体と反対側に配設される外部集電体２６と、を備えている。そして、上記凹部５７の内径は、外部集電体２６の上端部外径と略同一であり、凹部５７の内周面（以下において、「内部集電体５１の下端側内周面」と記述することがある。）には、外部集電体２６の上端側外周面に備えられるネジ山及び溝と対応する形状の溝及びネジ山が形成されている。

かかる形態のモジュールであっても、第２の燃料電池セル６０の上端側端部を、第１の燃料電池セル５０に備えられる内部集電体５１の中空部へと挿入し、上記凹部５７の、燃料電池セルの軸方向と交差する表面と、外部集電体２６の上端側端面とを接触させることで、第１の燃料電池セル５０及び第２の燃料電池セル６０を同軸方向に接触させることができる。加えて、外部集電体２６の上端側外周面及び内部集電体５１の下端側内周面は、互いにネジ止め可能なように形成されているので、ネジ止めすることで第１の燃料電池セル５０及び第２の燃料電池セル６０を容易に連結することができる。さらに、第１の燃料電池セル５０及び第２の燃料電池セル６０の両端側から締結圧力を加えることで、外部集電体２６の溝２６ａに配設されているシール部材２８を機能させることができるので、第１実施形態にかかるモジュール１００と同様の効果を奏することができる。

図１〜図３では、図が煩雑になることを防ぐため、内部集電体及び外部集電体の具体的な形態を省略して示したが、本発明のモジュールに備えられる内部集電体及び外部集電体は、その厚み方向に反応ガスを拡散させ得る形態をしている。そこで、内部集電体の形態例を図４及び図５に、外部集電体の形態例を図６に、それぞれ示す。なお、図４及び図５では、第１の燃料電池セルに備えられる内部集電体の形態例を示すが、この形態例は当該内部集電体のみに限定されず、本発明のモジュールに備えられる他の内部集電体も同様の形態を採ることができる。

図４は、本発明のモジュールに備えられる内部集電体の形態例を概略的に示す断面図であり、紙面左右方向が、内部集電体の軸方向である。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施形態にかかる本発明のモジュールに備えられる内部集電体の形態例を示す断面図であり、図５（Ａ）及び（Ｂ）は、第２実施形態にかかる本発明のモジュールに備えられる内部集電体の形態例を示す断面図である。図４及び図５において、図２又は図３と同様の構成を採る部位には、図２又は図３にて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１〜図５を適宜参照しつつ、本発明のモジュールに備えられる内部集電体について説明する。

図４（Ａ）は、凸部１７よりも上端側がスリット状形態である内部集電体１１ａを概略的に示す断面図、図４（Ｂ）は、凸部１７よりも上端側が格子状形態である内部集電体１１ｂを概略的に示す断面図である。このように、凸部１７よりも上端側がスリット状又は格子状であれば、内部集電体１１ａ、１１ｂの厚み方向に反応ガスを拡散させることが可能になる。
ところで、図示のように、内部集電体１１ａ、１１ｂにおいて、スリット状又は格子状形態を有するのは、凸部１７よりも上端側のみであり、凸部１７よりも下端側（以下において、「凸部下端側」という。）はスリット状又は格子状ではない。これは、凸部下端側は、外部集電体２６の外周面上端部と接触し（図１及び図２参照）、シール部材２８が機能すると、中空部１９へと供給される反応ガスがシール部材２８によって遮られて凸部下端側に達しないことから、スリット状又は格子状にする必要がないためである。すなわち、少なくとも一方の反応ガスがＭＥＡへ供給されないので、凸部下端側は、非発電領域となる。

図５（Ａ）は、凹部５７よりも上端側がスリット状形態である内部集電体５１ａを概略的に示す断面図、図５（Ｂ）は、凹部５７よりも上端側が格子状形態である内部集電体５１ｂを概略的に示す断面図である。このように、凹部５７よりも上端側がスリット状又は格子状であれば、内部集電体５１ａ、５１ｂの厚み方向に反応ガスを拡散させることが可能になる。なお、凹部５７がスリット状又は格子状形態でない理由は、凸部下端側が当該形態でない理由と同様である。

図１、図２、及び図４に示すように、内部集電体１１、１１a、１１ｂに凸部１７が備えられれば、凸部１７よりも上端側の内周面の厚みを容易に薄くすることができるので、中空部へと供給される反応ガスを、ＭＥＡへ拡散させやすくすることができる。一方、図３及び図５に示すように、内部集電体５１、５１a、５１bに凹部５７が備えられれば、中空部５９の径を略一定にすることができるので、中空部５９へと供給される反応ガスの流れの安定化を図る（乱流状態となることを防ぐ）ことが可能になる。

図４及び図５では、スリット状又は格子状形態の部位を備える内部集電体を例示したが、本発明のモジュールに備えられる内部集電体は、当該形態に限定されない。内部集電体の他の形態例としては、発泡金属等の多孔質材からなる内部集電体等を挙げることができる。かかる形態であっても、厚み方向に反応ガスを拡散させ得る内部集電体とすることができる。

図６は、本発明のモジュールの、第１の燃料電池セルに備えられる外部集電体の形態例を概略的に示す断面図であり、紙面左右方向が、外部集電体の軸方向である。なお、図６では、第１の燃料電池セルに備えられる外部集電体の形態例を示すが、この形態例は当該外部集電体のみに限定されず、本発明のモジュールに備えられる他の外部集電体も同様の形態を採ることができる。以下、図１〜図６を参照しつつ、本発明のモジュールに備えられる外部集電体について説明する。

図６（Ａ）は、スリット状に形成された外部集電体１６ｘを概略的に示す断面図、図６（Ｂ）は、格子状に形成された外部集電体１６ｙを概略的に示す断面図である。かかる形態の外部集電体１６ｘ、１６ｙであれば、ＭＥＡへ反応ガスを拡散させることができる。
ところで、図示のように、外部集電体１６ｘ、１６ｙにおいて、スリット状又は格子状形態を有するのは、他の燃料電池セルに備えられる内部集電体の内表面と接しない部位のみであり、少なくとも、当該内部集電体の内表面と接する部位（外部集電体上端部。図６（Ａ）及び（Ｂ）参照。）は、スリット状又は格子状に形成されていない。これは、外部集電体上端部がこれらの形状に形成されると、シールの信頼性が低下する虞がある等の理由による。このように、外部集電体上端部はスリット状又は格子状等に形成されないので、当該外部集電体上端部にＭＥＡが配設されていても、少なくとも一方の反応ガスが当該ＭＥＡへ供給されない。そのため、外部集電体上端部は、非発電領域となる。

本発明のモジュールに関する上記説明では、これまで、燃料電池セルの上端から下端の全長に亘ってＭＥＡが配設されている形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。上述のように、少なくとも外部集電体上端部は非発電領域であり、さらに、複数の燃料電池セルが連結されると、燃料電池セルの下端側も非発電領域となる。そのため、かかる非発電領域にＭＥＡを配設しても、非発電領域に配設されたＭＥＡでは電気エネルギーが生成されない。したがって、本発明では、例えば、非発電領域にはＭＥＡを配設せず、電気エネルギーを生成可能な領域にのみＭＥＡを配設する形態とすることも可能である。

本発明にかかる燃料電池セルに備えられるＭＥＡは、例えば、筒状部材に、溶融状態の内側触媒層、電解質膜、及び、外側触媒層を押し出す等の方法により、作製することができる。ここに、内側触媒層及び外側触媒層の構成材料の具体例としては、含フッ素イオン交換樹脂及び白金担持カーボン等を挙げることができ、電解質膜の構成材料の具体例としては、含フッ素イオン交換樹脂等を挙げることができる。一方、燃料電池セルに備えられる内部集電体は、例えば、凸部及び所定のスリットを形成した金属製部材を筒状にして、両端面を接合する等の方法により、作製することができる。他方、燃料電池セルに備えられる外部集電体は、例えば、金属材の一部を圧延して薄くすることにより、薄肉部と肉厚の上端部とを備える金属製部材を作製して、上端部の端面にシール部材配設用の溝を、薄肉部にスリットを、それぞれ形成したのち、これを筒状にして両端面を接合する等の方法により、作製することができる。ここに、内部集電体及び外部集電体の構成材料の具体例としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ等、及び、これらの２種以上を混合して製造される合金等、を挙げることができる。内部集電体及び外部集電体には、燃料電池の作動環境に耐え得る耐食性、及び、電気伝導性が特に必要とされる。

上記方法等により作製されるＭＥＡ、内部集電体、及び、外部集電体を備える燃料電池セルを製造するには、例えば、筒状部材の周囲にＭＥＡを形成した後、当該ＭＥＡの中空部に、上記方法等により作製される中空形状の内部集電体を配設する。このようにして、ＭＥＡの内側に内部集電体を配設したら、当該ＭＥＡの外側に、スリットが形成された上記金属製部材を配設し、当該金属製部材を所定の大きさの筒状にして両端面を接合することにより、ＭＥＡの内側へ内部集電体を、同外側へ外部集電体を配設することができる。ここで、燃料電池セルの発電効率を向上させるには、構成部材間の接触抵抗を低減する必要があるので、内部集電体とＭＥＡとの間、及び、ＭＥＡと外部集電体との間に隙間が形成されないように、外部集電体の径を調整することが好ましい。上記手順により、ＭＥＡの両側に内部集電体及び外部集電体を配設したら、外部集電体上端部の外周面に、軸方向の中心向きの力を加えることで、外部集電体上端部の外径を小さくし、内部集電体の内径と外部集電体上端部の外径とが略同一となるように加工する。そして、外部集電体の上端面に溝を形成する等の工程を経ることで、本発明にかかる燃料電池セルを製造することができる。

なお、本発明において、中空形状を有する外部集電体の外周面及び内周面、並びに、中空形状を有する内部集電体の外周面及び内周面の、軸方向断面の形状は特に限定されない。当該断面形状の具体例としては、円形等を挙げることができる。ここに、外部集電体上端部の内周面の軸方向断面形状を六角形形状とすれば、燃料電池セルの中空部に６角レンチ等を差し込んで、軸方向に連続する２つの燃料電池セルを連結することが可能になるので好ましい。

第１実施形態にかかる本発明のモジュールを示す斜視図である。 第１実施形態のモジュールに備えられる燃料電池セルの連結部を示す断面図である。 第２実施形態のモジュールに備えられる燃料電池セルの連結部を示す断面図である。 第１実施形態のモジュールに備えられる内部集電体の形態例を示す断面図である。 第２実施形態のモジュールに備えられる内部集電体の形態例を示す断面図である。 本発明のモジュールに備えられる外部集電体の形態例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 第１の燃料電池セル
１１、２１、３１ 内部集電体
１２、２２、３２ 内側触媒層
１３、２３、３３ 電解質膜
１４、２４、３４ 外側触媒層
１５、２５、３５ ＭＥＡ
１６、２６、３６ 外部集電体
１７ 凸部
１８、２８ シール部材
１９、２９ 中空部
２０ 第２の燃料電池セル
３０ 第３の燃料電池セル
１００、２００ チューブ型燃料電池モジュール

Claims (1)

1. 中空形状の内部集電体及び外部集電体と、これらの間に配設される中空形状のＭＥＡと、を有し、同軸方向に配置される第１の燃料電池セル及び第２の燃料電池セルを具備する、チューブ型燃料電池モジュールであって、
   少なくとも、前記第１の燃料電池セルに備えられる第１の内部集電体の内表面に凸部又は凹部が備えられるとともに、前記第２の燃料電池セルに備えられる第２の外部集電体の一方の端面に、シール部材を配設可能な溝が備えられ、
   前記溝に配設されたシール部材と、前記凸部又は凹部の表面とを押し付けることで、前記シール部材が機能し、
   前記第２の外部集電体における、前記一方の端面側の端部を、前記第１の内部集電体の中空部へと挿入し、前記第２の外部集電体の外表面と該第２の外部集電体を挿入された前記第１の内部集電体の内表面とが接触することで、前記第１の燃料電池セル及び前記第２の燃料電池セルを電気的に直列に接続可能であり、
   前記第２の外部集電体の、前記一方の端面側の端部の外径と、前記第１の内部集電体における、前記第２の外部集電体が挿入される側の端部の内径とが、略同一であり、
   前記第１の内部集電体の内周面と接触する、前記第２の外部集電体の外周面に、ネジ山及び溝が備えられるとともに、前記第２の外部集電体の前記外周面と接触する前記第１の内部集電体の前記内周面に、前記ネジ山及び前記溝と対応した形状の溝及びネジ山が備えられ、
   前記第２の外部集電体の、前記一方の端面側の端部の外径が、該一方の端面と反対側の端部の外径よりも小さく、前記第２の外部集電体、及び、前記第１の燃料電池セルに備えられる第１の外部集電体が、略同一の外径寸法を有することを特徴とする、チューブ型燃料電池モジュール。

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