JP2008146866A - 燃料電池モジュール及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、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】複数のチューブ型燃料電池セルと、該複数のチューブ型燃料電池セルを収容するケース部材とを備え、ケース部材自体に、熱媒体を流通させる流路が備えられる、燃料電池モジュールとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空形状の膜電極接合体を備えるチューブ型の単セルを具備する燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを備える燃料電池に関する。

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。）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している。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。

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、「チューブ型燃料電池セル」という。）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、各チューブ型燃料電池セルに備えられる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つのチューブ型燃料電池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、ユニットセルの小型化を図ることが容易になる。

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、底面の中心が正六角形の各頂点位置に配置された６個のチューブ型燃料電池セルと、当該６個のチューブ型燃料電池セルが正六角形の各頂点位置に配置されることによってその中心部に形成された間隙に挿入された冷却媒体流通管とを有する、燃料電池スタックに関する技術が開示されている。かかる形態の燃料電池スタックによれば、高電流及び高電圧を得ることが可能で、しかも、小型かつ軽量である燃料電池スタックが提供される、としている。

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、冷却媒体流通管と各チューブ型燃料電池セルとの密着性にばらつきが生じやすいため、ケース内に収容されるチューブ型燃料電池毎の温度が不均一となりやすく、モジュールとしての性能を向上させ難いという問題があった。

そこで本発明は、発電性能を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、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し、より具体的には、複数のチューブ型燃料電池セルの温度の均一化を図ることが可能な、燃料電池モジュール、及び、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。

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、複数のチューブ型燃料電池セルと、該複数のチューブ型燃料電池セルを収容するケース部材とを備え、ケース部材自体に、熱媒体を流通させる流路が備えられることを特徴とする、燃料電池モジュールである。

ここに、本発明の燃料電池モジュールに備えられるチューブ型燃料電池セルは、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備えられる一対の触媒層とを有する中空形状のＭＥＡを備え、当該ＭＥＡの内周面側及び外周面側にそれぞれ集電体が配設される。そして、ＭＥＡの内周面側に還元剤（又は酸化剤）を、ＭＥＡの外周面側に酸化剤（又は還元剤）を、それぞれ供給することにより、電気化学反応を生じさせ、当該電気化学反応により生じた電気エネルギーが、上記集電体を介して取り出される。ＭＥＡへと供給される還元剤の具体例としては、水素含有ガス等を挙げることができ、ＭＥＡへと供給される酸化剤の具体例としては、酸素含有ガス等を挙げることができる。本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルは、２次元状（平面状）に一列に配置され、電気的に並列に接続される。以下の本発明においても同様である。さらに、本発明において、「複数のチューブ型燃料電池セルを収容するケース部材」とは、ケース部材によって囲まれることにより形成される空間に、複数のチューブ型燃料電池セルが収容されることを意味する。
加えて、「熱媒体」とは、低温始動性を向上させる等の目的で利用され得る温熱媒体と、運転時におけるチューブ型燃料電池セルの温度上昇を抑制する等の目的で利用される冷熱媒体とを含む概念である。温熱媒体の具体例としては温水等を例示することができ、冷熱媒体の具体例としては冷却水のほか、ＬＬＣ等を例示することができる。さらに、「ケース部材自体に、熱媒体を流通させる流路が備えられる」とは、ケース部材自体の内部又は表面に、熱媒体を流通させる流路（以下、「熱媒体流路」ということがある。）が備えられることを意味し、またケース部材自体が熱媒体流路になっている形態のみならず、熱媒体流路がケース部材へ一体的に取付けられている形態も含まれる。ケース部材自体の内部に熱媒体流路が備えられる形態の具体例としては、ケース部材の表面の一部に熱媒体の流入口及び流出口が備えられ、当該流入口と流出口とを結ぶ流路がケース部材自体の内部に備えられる形態を挙げることができる。これに対し、ケース部材自体の表面に熱媒体流路が備えられる形態の具体例としては、ケース部材の外表面に熱媒体流路が備えられる形態のほか、ケース部材の内表面又は外表面に熱媒体流路としての配管がケース部材へ一体的に配設される形態等を挙げることができる。

上記第１の本発明において、流路が、ケース部材の外表面に備えられ、流路が備えられるケース部材の外表面の周囲に、シール部材が配設されることが好ましい。

さらに、上記第１の本発明（変形例も含む。以下同じ。）において、ケース部材に、熱媒体用のマニホールドとして機能する開口部が備えられ、該開口部を介して、流路へ熱媒体が供給されることが好ましい。

さらに、上記第１の本発明において、少なくとも、ケース部材の幅方向中央部に備えられる複数のチューブ型燃料電池セルが、該複数のチューブ型燃料電池セルの軸方向と交差する方向へと流通する熱媒体によって、加温又は冷却されることが好ましい。

ここに、「ケース部材の幅方向中央部に備えられる複数のチューブ型燃料電池セル」とは、例えば、ケース部材に収容される複数のチューブ型燃料電池セルのうち、上記開口部から最も遠い位置に配置されるチューブ型燃料電池セルを除く全てのチューブ型燃料電池セルを意味する。

さらに、少なくとも、ケース部材の幅方向中央部に備えられる複数のチューブ型燃料電池セルが、複数のチューブ型燃料電池セルの軸方向と交差する方向へと流通する熱媒体によって、加温又は冷却される形態の、第１の本発明において、上記交差する方向が、直角方向であることが好ましい。

ここに、「交差する方向が直角方向である」とは、例えば、本発明の燃料電池モジュールの平面視で、ケース部材に収容される複数のチューブ型燃料電池セルが、当該チューブ型燃料電池セルの軸方向と直角方向へと流通する熱媒体によって加温又は冷却されることを意味する。

第２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、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。

第１の本発明によれば、燃料電池モジュールに備えられる全てのチューブ型燃料電池セルを収容するケース部材に、熱媒体流路が備えられるので、ケース部材に収容される全てのチューブ型燃料電池セルを同様の条件で加温又は冷却することができる。したがって、第１の本発明によれば、複数のチューブ型燃料電池セルの温度の均一化を図ることにより、発電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。

さらに、熱媒体流路がケース部材の外表面に備えられる形態とすることにより、熱媒体流路を容易に形成することができる。そして、当該熱媒体流路が形成されたケース部材の外表面の周囲にシール部材を配設することにより、熱媒体流路内を流通する熱媒体をシールすることができる。

さらに、ケース部材に、熱媒体用のマニホールドとして機能する開口部が備えられる形態とすることで、複数の燃料電池モジュールを積層して構成される積層体に備えられる、複数のチューブ型燃料電池セルを、容易に加温又は冷却することができる。

さらに、チューブ型燃料電池セルの軸方向と交差する方向へと流通する熱媒体によって、複数のチューブ型燃料電池セルが加温又は冷却される形態とすることにより、燃料電池モジュールに収容される複数のチューブ型燃料電池セルの温度の均一化を図ることが容易になる。

さらに、チューブ型燃料電池セルの軸方向と直角方向へと流通する熱媒体によって、複数のチューブ型燃料電池セルが加温又は冷却される形態とすることにより、複数のチューブ型燃料電池セルの温度の均一化を図ることが一層容易になる。

第２の本発明によれば、第１の本発明にかかる燃料電池モジュールが複数備えられるので、複数のチューブ型燃料電池セルの温度の均一化を図ることにより、発電性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。

図面を参照しつつ、本発明の燃料電池モジュール及び燃料電池について、以下に説明する。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、チューブ型燃料電池セル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供給することもできる。

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平面図である。図２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３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背面図である。図４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底面図である。図５は、図１に点線で示した部位を一部省略して示す拡大図であり、本発明の燃料電池モジュールに収容される複数のチューブ型燃料電池セルと外部集電板とを破線で示している。図６は、図５のＸ−Ｘ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は、図５のＹ−Ｙ断面を示す拡大図である。図８は、図５のＺ−Ｚ断面を示す拡大図である。図９は、１つの実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールが積層された状態を示す断面図であり、図が煩雑になることを防ぐため、符号を適宜省略して示している。図１〜図６、及び、図９の直線矢印は、重力方向を示しており、図７及び図８では、紙面に垂直な方向が重力方向である。また、図１、図４、及び、図５の破線矢印は、燃料電池モジュールの幅方向を示している。以下、図１〜図９を適宜参照しつつ、本発明の燃料電池モジュールについて説明する。

図１〜図５に示すように、本発明の燃料電池モジュール１００（以下、「燃料電池モジュール１００」という。）は、ケース部材としての第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０を備え、それぞれ一体に成形された第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０の両端部には、水素用マニホールド３１、３２が備えられるとともに、ケース部材の側面には、空気流入口３５及び空気流出口３６が備えられている。そして、第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０の幅方向端部には、冷媒用マニホールド３３、３４が備えられている。燃料電池モジュール１００の運転時には、冷媒用マニホールド３３を介して冷媒（例えば、ＬＬＣ等）が供給され、第１ケース部材１０の外表面に形成された冷媒流路３７、３７、…を流通することによりチューブ型燃料電池セル（以下、単に「セル」ということがある。）５０、５０、…を冷却した後の冷媒は、冷媒用マニホールド３４から排出される。一方、水素は空気よりも軽いため、重力方向下方側から供給されて重力方向上方側へと移動し、セル５０、５０、…にて使用されなかった水素は、重力方向上方側から排出されて回収される。そして、水素用マニホールド３１、３２、並びに、冷媒用マニホールド３３、３４、及び、冷媒流路３７、３７、…の周縁部には、ビードガスケット４０、４０、…が備えられ、ビードガスケット４０、４０、…は、第１ケース部材１０に加硫接着されている。かかる形態の燃料電池モジュール１００が積層されて積層方向に圧縮圧力が加えられると、ビードガスケット４０、４０、…がシール部材として機能する（図９参照）。

図５及び図６に示すように、燃料電池モジュール１００に収容される複数のセル５０、５０、…は、並列かつ一列に平面配置され、当該セル５０、５０、…が、第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０によって狭持されている。ここで、第１ケース部材１０は、例えば、所定の形状に成形したアルミニウムのダイキャスト材の表面に金めっきを施すことにより構成され、第２ケース部材２０は、絶縁材料であるガラス繊維強化樹脂（ＦＲＰ）を所定の形状に成形することにより構成されている。

図６〜図９に示すように、第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０によって狭持されるセル５０は、外表面に反応ガス流路５４、５４、…を備える内部集電体５２と、当該内部集電体５２の外表面に配設される中空形状のＭＥＡ５１と、当該ＭＥＡ５１の外表面に巻回される外部集電体５３と、を備えている。燃料電池モジュール１００では、外部集電体５３と第１ケース部材１０との間に絶縁性のシート状部材（絶縁シート）５６が備えられることにより、短絡が防止されている。そして、外部集電体５３及び外部集電板５５、５５が、図６にＢ、Ｂで示される部位にて接触し、内部集電体５２及び第１ケース部材１０が、図６にＡ、Ａ、…で示される部位にて接触している。ここで、内部集電体５２、外部集電体５３、及び、外部集電板５５、５５は、表面に金めっきが施された銅等の導電材料により構成されている。

図６に示すように、第１ケース部材１０には、接着剤を配置可能な凹部１１、１２が備えられるとともに、第２ケース部材２０には、接着剤を配置可能な凹部２１、２２が備えられている。そのため、例えば、凹部２１、２２に接着剤を配置するとともに、孔２４、２４に外部集電板５５、５５を配置した第２ケース部材２０の上に、セル５０、５０、…を並列かつ一列に平面配置し、さらに、第２ケース部材２０の上に配置されたセル５０、５０、…に備えられる外部集電体５３、５３、…の上に絶縁シート５６を配置した後、凹部１１、１２に接着剤を配置した第１ケース部材１０を、第１ケース部材１０の凹部１１、１２、…と第２ケース部材２０の凹部２１、２２、…とが対向する形態で配置する等の工程を経ることにより、燃料電池モジュール１００を容易に組み立てる（製造する）ことができる。

燃料電池モジュール１００の運転時には、冷媒用マニホールド３３の冷媒流入口３３ａから冷媒が供給される。冷媒流入口３３ａから流入した冷媒の一部は、冷媒用マニホールド３３を介して、第１ケース部材１０の外表面に形成された冷媒流路３７、３７、…へと分岐することにより、冷媒流路３７、３７へと流入する。これに対し、冷媒流入口３３ａから流入した残りの冷媒は、冷媒流出口３３ｂから燃料電池モジュール１００の外へと流出し、当該燃料電池モジュール１００と隣接して積層される他の燃料電池モジュール１００の冷媒流入口から、当該他の燃料電池モジュール内へと流入する。上記工程を経て冷媒用マニホールド３３から冷媒流路３７、３７、…へと流入した冷媒は、冷媒流路３７、３７、…を流通する間に、絶縁シート５６を介してセル５０、５０、…を冷却することにより、ＭＥＡ５１、５１、…を所定の温度（例えば、８０℃前後）に維持するために機能する。その後、冷媒流路３７、３７、…から冷媒用マニホールド３４へと流出した冷媒は、隣接する他の燃料電池モジュールから冷媒流入口３４ａを介して流入してきた冷媒とともに、冷媒流出口３４ｂから燃料電池モジュール１００の外へと流出し、回収される。

このように、燃料電池モジュール１００によれば、複数のセル５０、５０、…と絶縁シート５６を介して接触する第１ケース部材１０の外表面に形成された、冷媒流路３７、３７、…を流通する冷媒によって、ケース部材１０に収容される複数のセル５０、５０、…が冷却される。それゆえ、燃料電池モジュール１００に備えられる複数のセル５０、５０、…を同様の条件で冷却することが可能になり、複数のセル５０、５０、…の温度状態の均一化を図ることができる。したがって、かかる形態とすることにより、本発明によれば、発電性能を向上させることが可能な燃料電池モジュール１００を提供できる。

さらに、燃料電池モジュール１００によれば、第１ケース部材１０の外表面に形成された冷媒流路３７、３７、…を冷媒が流通するため、内部集電体５２自体の内部に冷媒流路を形成する必要がない（図７及び図８参照）。それゆえ、円柱状に成形した内部集電体５２の外表面に反応ガス流路５４、５４、…を形成する等の方法により、例えば、数ｋｍ程度の長さを有する内部集電体を製造することが可能になり、燃料電池モジュール１００に備えられる複数の内部集電体５２、５２、…を容易に量産化できる。したがって、本発明によれば、量産化を容易にすることで生産性を向上させることが可能な燃料電池モジュール１００を提供できる。

加えて、燃料電池モジュール１００によれば、複数のセル５０、５０、…が並列かつ一列に平面配置されるので、第１ケース部材１０と複数のセル５０、５０、…と第２ケース部材２０とを、接着剤を介して固定することにより、全てのセル５０、５０、…を容易かつ確実にシールすることができる。さらに、後述するように、外部集電板５５、５５の上に複数のセル５０、５０、…を配置するのみで、燃料電池モジュール１００に収容される複数のセル５０、５０、…を位置決めすることができる。さらにまた、複数のセル５０、５０、…が並列かつ一列に平面配置されるので、全てのセル５０、５０、…と第１ケース部材１０とを、図６にＡ、Ａ、…で示される部位を介して接触させることができ、アノード側の集電を容易に行うことが可能になる。したがって、燃料電池モジュール１００によれば、セル５０、５０、…の位置決めが容易になることで製造が容易になるのみならず、セル５０、５０、…のシール性及び集電効率を向上させることが可能になる。

一方、図６に示すように、燃料電池モジュール１００の運転時には、重力方向下方側に位置する水素用マニホールド３１の水素流入口３１ａから水素が供給される。水素流入口３１ａから流入した水素の一部は、水素用マニホールド３１を介して複数のセル５０、５０、…の反応ガス流路５４、５４へと分岐することにより、セル５０、５０、…の反応ガス流路５４、５４、…へと流入し、当該反応ガス流路５４、５４、…からＭＥＡ５１、５１、…の内周面側へ水素が供給される。これに対し、水素流入口３１ａから流入した残りの水素は、水素流出口３１ｂから燃料電池モジュール１００の外へと流出し、当該燃料電池モジュール１００と隣接して積層される他の燃料電池モジュール１００の水素流入口から、当該他の燃料電池モジュール１００の内側へと流入する（図９参照）。上記工程を経てＭＥＡ５１、５１、…の内周面側へと供給された水素は、その後、ＭＥＡ５１、５１、…における電気化学反応に使用され、内部集電体５２、５２、…及び第１ケース部材１０を介して、ＭＥＡ５１、５１、…のアノード側の集電がなされる。ＭＥＡ５１、５１、…における上記電気化学反応に使用されなかった水素は、その後、重力方向上方側に位置する水素用マニホールド３２へと到達する。このようにして水素用マニホールド３２へと到達した水素は、隣接する他の燃料電池モジュール１００から水素流入口３２ａを介して流入してきた水素とともに、水素流出口３２ｂから燃料電池モジュール１００の外へと流出し、回収される。

すなわち、燃料電池モジュール１００では、ケース部材の内側の空間で構成される水素用マニホールド３１を介して水素がセル５０、５０、…へと供給され、ケース部材の内側の空間で構成される水素用マニホールド３２を介して、水素が燃料電池モジュール１００の外へと流出する。また、燃料電池モジュール１００では、冷媒が、ケース部材の内側の空間で構成される冷媒用マニホールド３３を介して冷媒流路３７、３７、…へと供給され、冷媒流路３７、３７、…を流通することによりセル５０、５０、…を冷却した後の冷媒は、ケース部材の内側の空間で構成される冷媒用マニホールド３４を介して、燃料電池モジュール１００の外へと流出する。このように、燃料電池モジュール１００は、ケース部材内側の空間によって水素用マニホールド３１、３２及び冷媒用マニホールド３３、３４が構成されるので、燃料電池モジュールを構成する部材数の増加を抑制することが可能になり、燃料電池モジュールの小型化を図ることが容易になる。また、主に図１及び図５〜図９に示すように、燃料電池モジュール１００では、水素用マニホールド３１、３２、並びに、冷媒用マニホールド３３、３４、及び、冷媒流路３７、３７、…の周囲にビードガスケット４０、４０、…が備えられている。そのため、水素及び冷媒を確実にシールすることができる。さらに、重力方向下方側に位置する水素用マニホールド３１は、燃料電池モジュール１００から流出する冷媒が流入する冷媒用マニホールド３４の側に配置されるので、過冷却状態で供給される水素を、冷媒用マニホールド３４を介して流出する冷媒によって暖めることができ、暖められた水素をセル５０、５０、…へと供給することができる。

他方、図２に示すように、燃料電池モジュール１００の運転時には、燃料電池モジュール１００の側面に備えられる空気流入口３５を介して、ＭＥＡ５１、５１の外周面側へ空気が供給される。ＭＥＡ５１、５１の外周面側へと供給された空気は、ＭＥＡ５１、５１における電気化学反応に使用され、外部集電体５３、５３及び外部集電板５５を介して、カソード側の集電がなされる。ＭＥＡ５１、５１における上記電気化学反応に使用されなかった空気は、その後、空気流入口３５が備えら得る側面とは反対側の側面に備えられる空気流出口３６から燃料電池モジュール１００の外へと排出される。

加えて、図７に示すように、燃料電池モジュール１００に備えられる外部集電板５５は、セル５０、５０側の面に凹部を備え、当該凹部は、外部集電体５３、５３と対応した形状とされている。したがって、燃料電池モジュール１００によれば、外部集電板５５、５５の凹部にセル５０、５０、…を並列かつ一列に平面配置することのみによって、セル５０、５０、…の位置決めをすることができるので、燃料電池モジュール１００を容易に組み立てる（製造する）ことができる。なお、図７及び図８の空間６０、６１には、接着剤が充填され、当該接着剤を介して、第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０が固定される。

図９に示すように、燃料電池モジュール１００、１００、…は、カソード側の集電部材として機能する外部集電板５５、５５、…と、アノード側の集電部材として機能する第１ケース部材１０、１０、…とが接触する形態で積層される。それゆえ、燃料電池モジュール１００によれば、導電部材である外部集電板５５、５５、…、及び、第１ケース部材１０、１０、…を介して、複数の燃料電池モジュール１００、１００、…を電気的に直列に接続することができる。

また、上述のように、燃料電池モジュール１００において、第１ケース部材１０は、表面に金めっきが施されたアルミニウムのダイキャスト材からなり、第２ケース部材２０はＦＲＰからなる。ここで、アルミニウムのダイキャスト材の線熱膨張係数値は約２１×１０^−６［℃^−１］〜約２５×１０^−６［℃^−１］であり、第２ケース部材２０を構成するＦＲＰの線熱膨張係数値も約２１×１０^−６［℃^−１］〜約２５×１０^−６［℃^−１］である。すなわち、第１ケース部材１０を構成する材料の線熱膨張係数値と第２ケース部材２０を構成する材料の線熱膨張係数値との差の絶対値が５×１０^−６［℃^−１］以下となるため、燃料電池モジュール１００によれば、第１ケース部材１０と第２ケース部材２０との熱膨張収縮差が小さい。当該熱膨張収縮差が大きいと、第１ケース部材と第２ケース部材との間に隙間が生じやすくなる等、燃料電池モジュールのケース部材の変形が懸念されるが、燃料電池モジュール１００によれば、当該熱膨張収縮差に起因するケース部材の変形を抑制することが可能になる。

本発明の燃料電池モジュール１００に関する上記説明では、シール部材としてのビードガスケット４０、４０、…が第１ケース部材１０に加硫接着されている形態を例示したが、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、シール部材が第１ケース部材に接着固定されている形態とすれば、燃料電池モジュールの組立作業時にシール部材が落下する等の事態を回避することができ、組立作業時の作業性を容易に向上させることができるので好ましい。

本発明の燃料電池モジュール１００に関する上記説明では、導電部材により構成される第１ケース部材１０及び絶縁部材により構成される第２ケース部材２０が、それぞれ、線熱膨張係数値の近い材料で構成される形態を例示したが、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、第１ケース部材及び第２ケース部材が、線熱膨張係数値が大きく異なる材料により構成されると、第１ケース部材の熱膨張収縮量と第２ケース部材の熱膨張収縮量との差が大きくなってケース部材が変形し、冷媒及び／又は水素のシール性等が低下する恐れがある。そこで、冷媒及び／又は水素のシール性を維持する等の観点から、第１ケース部材及び第２ケース部材は、それぞれ、線熱膨張係数値の近い材料で構成されることが好ましい。

本発明の燃料電池モジュールにおいて、「導電部材」及び「絶縁部材」は、少なくとも−４０℃以上１２０℃以下の温度環境において使用可能であれば特に限定されるものではないが、平板型のＰＥＦＣ運転時の単セル内と同等の環境に耐え得る耐食性を有することが好ましい。「導電部材」の具体例としては、アルミニウム、銀、白金、金等に代表される金属等を挙げることができる。「絶縁部材」は、さらに、成形可能なものであれば特に限定されず、その具体例としては、エンジニアリングプラスチック、フェノール樹脂、ガラス繊維強化樹脂等を挙げることができる。

また、本発明の燃料電池モジュールにおいて、外部集電体と接触する外部集電板は、第２ケース部材側に備えられ、かつ、複数の燃料電池モジュールが積層された時に隣接する燃料電池モジュールの第１ケース部材と接触可能な形態で備えられていれば、その形態は特に限定されない。ここで、複数の燃料電池モジュールを積層してスタック形態の燃料電池（以下、「スタック」という。）とする場合、燃料電池モジュール間の接触抵抗を低減するために、スタックの両端側から圧力が加えられる。それゆえ、当該圧力が加えられた状態において、互いに面する外部集電板と第１ケース部材とが接触することにより複数の燃料電池モジュールを電気的に直列に接続可能とする観点から、外部集電板は、第２ケース部材からわずかに（例えば、５０〜１００μｍ程度）外側へはみ出す形態で備えられることが好ましい。さらに、複数の燃料電池モジュールを電気的に直列に接続可能とする観点からは、上記圧力が加えられた状態の単一の燃料電池モジュール内において、外部集電体と外部集電板とが接触した状態に維持されること、すなわち、外部集電板が燃料電池モジュールの外側へ脱離しないことが必要とされる。それゆえ、本発明の燃料電池モジュールでは、上記圧力が加えられた状態において、外部集電板が第２ケース部材に引っかかる形態で備えられることが好ましい。当該形態は、例えば、燃料電池モジュール１００のように、外部集電板５５、５５が配置されるべき第２ケース部材２０の箇所に、断面形状Ｔ字型の孔２４、２４を形成するとともに、外部集電板５５、５５の断面形状を上記孔２４、２４と対応するＴ字型とした上で、第２ケース部材２０の上記孔２４、２４に外部集電板５５、５５を配置することにより、構成することができる。

また、本発明の燃料電池モジュールに関する上記説明では、複数のセルを収容するケース部材が複数の部材からなる形態を例示したが、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く、単一の部材からなるケース部材が備えられる形態とすることも可能である。かかる形態であっても、ケース部材を、良好な熱伝導性を有する材料によって構成することにより、ケース部材の内側に形成される空間に収容される複数セルの、温度の均一化を図ることができる。ただし、良好な熱伝導性を有する材料として、金属に代表される導電性材料を用いた場合には、燃料電池モジュール内における短絡を防止するため、内部集電体と接触するケース部材の表面、又は、外部集電体及び外部集電板と接触するケース部材の表面に絶縁性の部材を配置する等の絶縁処理を施す必要がある。それゆえ、かかる絶縁処理を回避して、より生産性を向上させ易い形態の燃料電池モジュールとする等の観点からは、複数の部材からなるケース部材が備えられる形態とすることが好ましい。

また、本発明の燃料電池モジュール１００に関する上記説明では、第１ケース部材１０の外表面に形成された冷媒流路３７、３７、…が備えられる形態を例示したが、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。上記形態のほか、例えば、ケース部材（上記形態では、第１ケース部材）の表面に冷媒流入口及び冷媒流出口が備えられ、冷媒流入口と冷媒流出口とを繋ぐ冷媒流路がケース部材自体の内部に備えられるとともに、当該ケース部材の外表面に、冷媒流路用のシール部材が配設されない形態とすることも可能である。ただし、容易に製造可能なケース部材が備えられる形態とすることにより、容易に製造可能な燃料電池モジュールとする等の観点からは、その外表面に冷媒流路が備えられるとともに、当該冷媒流路の周囲に配設されるシール部材が備えられる形態のケース部材を具備する、燃料電池モジュールとすることが好ましい。

また、本発明の燃料電池モジュール１００に関する上記説明では、内部集電体５２、５２、…の端面が、第１ケース部材１０及び第２ケース部材２０の側面へ剥き出しとされる形態を例示したが、本発明の燃料電池モジュールは当該形態に限定されず、内部集電体の端面が、ケース部材に収容される形態とすることも可能である。ただし、燃料電池モジュールの軽量化を図りやすくする等の観点からは、内部集電体の端面がケース部材の外側へ剥き出しとされる形態とすることが好ましい。

以上のように、ケース部材に冷媒流路（熱媒体流路）が備えられる本発明の燃料電池モジュールによれば、燃料電池モジュールに備えられる複数のチューブ型燃料電池セルの温度の均一化を図ることができる。さらに、上記形態の燃料電池モジュールによれば、容易に製造することができるほか、集電の容易化を図ることができ、セルの位置決めを容易に行うこともできる。それゆえ、別の観点から言えば、上記形態の本発明の燃料電池モジュールは、チューブ型燃料電池セルを備える従来の燃料電池モジュールと比較して、容易に分解することができる。したがって、本発明の燃料電池モジュールによれば、修理性・交換性を向上させることも可能になる。

２．燃料電池
図１０は、本発明の燃料電池の形態例を示す正面図であり、積層された複数の燃料電池モジュールと、冷媒用配管及び水素用配管と、エンドプレートと、電極素子との配置を概略的に示している。図１０の直線矢印は、重力方向を示している。図１１は、本発明の燃料電池の形態例を示す平面図であり、積層された複数の燃料電池モジュールと、冷媒用配管及び水素用配管と、電極素子と、外部ケース部材との配置を概略的に示している。図１１の点線矢印は、空気の流れ方向を示しており、図１１では、紙面に垂直な方向が重力方向である。図１０及び図１１において、図１〜図９と同様の構成を採る部位・部材には、図１〜図９にて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〜図１１を参照しつつ、本発明の燃料電池について具体的に説明する。

図１０及び図１１に示すように、本発明の燃料電池１０００は、電気的に直列に接続された複数の燃料電池モジュール１００、１００、…と、マニホールド一体型エンドプレート５０５（以下、「マニホールド５０５」という。）及びエンドプレート５０６と、電極素子６０１、６０２と、を備え、マニホールド５０５には、冷媒用配管５０１、５０２、及び、水素用配管５０３、５０４が接続されている。そして、複数の燃料電池モジュール１００、１００、…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間の接触抵抗を低減させ得る圧力が付与されている。燃料電池１０００では、水素用配管５０３を介して供給された水素が、マニホールド５０５を介して、燃料電池モジュール１００、１００、…へと供給され、発電に利用される。そして、燃料電池モジュール１００、１００、…から排出された水素は、マニホールド５０５、及び、水素用配管５０４を介して回収される。一方、冷媒用配管５０１を介して供給された冷媒は、マニホールド５０５を介して燃料電池モジュール１００、１００、…へと供給され、燃料電池モジュール１００、１００、…から排出された冷媒は、マニホールド５０５、及び、冷媒用配管５０２を介して回収される。そして、電気的に直列に接続された燃料電池モジュール１００、１００、…の最も外側（図１０及び図１１の紙面左側）に位置する燃料電池モジュール１００に備えられる外部集電板５５、５５と電極素子６０１とが接続され、電極素子６０１が接続された上記燃料電池モジュール１００と反対側の最も外側（図１０及び図１１の紙面右側）に位置する燃料電池モジュール１００に備えられる第１ケース部材１０と、電極素子６０２とが接続されている。したがって、燃料電池１０００によれば、電極素子６０１及び電極素子６０２を介して電気エネルギーを取り出すことができる。

図１１に示すように、燃料電池１０００は、外部ケース部材７００を備え、当該外部ケース部材７００の中に、図１０で示した各部材が収容される。外部ケース部材７００には、塵や埃等を排除可能であるとともに空気を透過可能な透過膜７０１、７０１、…を配置可能な開口部が備えられ、透過膜７０１、７０１、…を透過した空気が、燃料電池モジュール１００、１００、…へと供給される。

このように、燃料電池１０００には、複数のチューブ型燃料電池セル５０、５０、…の温度の均一化を図ることが可能であるとともに、容易に製造することが可能な燃料電池モジュール１００、１００、…が備えられている。したがって、本発明によれば、複数のチューブ型燃料電池セル５０、５０、…の温度の均一化を図ることが可能であるとともに、容易に製造することが可能な燃料電池１０００を提供できる。

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１００、１００、…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。

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。

本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す平面図である。 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。 本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す背面図である。 本発明の燃料電池モジュールの形態例を概略的に示す底面図である。 図１に点線で示した部位を一部省略して示す拡大図である。 図５のＸ−Ｘ断面を示す拡大図である。 図５のＹ−Ｙ断面を示す拡大図である。 図５のＺ−Ｚ断面を示す拡大図である。 本発明の燃料電池モジュールが積層された状態を示す断面図である。 本発明の燃料電池の形態例を示す正面図である。 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

１０…第１ケース部材（ケース部材）
１１、１２…凹部
２０…第２ケース部材（ケース部材）
２１、２２…凹部
２４…孔
３１、３２…水素用マニホールド
３１ａ、３２ａ…水素流入口
３１ｂ、３２ｂ…水素流出口
３３、３４…冷媒用マニホールド
３３ａ、３４ａ…冷媒流入口
３３ｂ、３４ｂ…冷媒流出口
３５…空気流入口
３６…空気流出口
３７…冷媒流路（流路）
４０…ビードガスケット（シール部材）
５０…チューブ型燃料電池セル
５１…ＭＥＡ
５２…内部集電体
５３…外部集電体
５４…反応ガス流路
５５…外部集電板
５６…絶縁シート
１００…燃料電池モジュール
５０１、５０２…冷媒用配管
５０３、５０４…水素用配管
５０５、５０６…マニホールド
６０１、６０２…電極素子
７００…外部ケース部材
７０１…透過膜
１０００…燃料電池

Claims (6)

1. 複数のチューブ型燃料電池セルと、前記複数のチューブ型燃料電池セルを収容するケース部材とを備え、前記ケース部材自体に、熱媒体を流通させる流路が備えられることを特徴とする、燃料電池モジュール。
2. 前記流路が、前記ケース部材の外表面に備えられ、前記流路が備えられる前記ケース部材の前記外表面の周囲に、シール部材が配設されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記ケース部材に、前記熱媒体用のマニホールドとして機能する開口部が備えられ、前記開口部を介して、前記流路へ前記熱媒体が供給されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
4. 少なくとも、前記ケース部材の幅方向中央部に備えられる前記複数のチューブ型燃料電池セルが、前記複数のチューブ型燃料電池セルの軸方向と交差する方向へと流通する前記熱媒体によって、加温又は冷却されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記交差する方向が、直角方向であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１項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、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。

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