JP2008251513A - 燃料電池モジュール及び燃料電池スタック - Google Patents

燃料電池モジュール及び燃料電池スタック Download PDF

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Hiroyuki Kawai
博之 川合
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Toyota Motor Corp
トヨタ自動車株式会社
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

【課題】安全性を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、当該燃料電池モジュールを複数備える燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】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集電体と、第2電極の外周面側に配設される第2集電体と、第1集電体の表面を介して第1電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、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、チューブ型燃料電池セルの異常時に、流入口からの流体の流入を防ぐ、流入防止手段が備えられる、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複数具備する燃料電池モジュール、及び、該燃料電池モジュールを複数具備する、燃料電池スタックに関する。
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)とを備える膜電極構造体(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、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。
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、チューブの軸方向の集電機能を向上させ、発電反応により発生した電力を効率よく集電できるチューブ型燃料電池用膜電極複合体、およびその製造方法に関する技術が開示されている。また、特許文献2には、電解質をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される複数の発電部が平面状に配設されるとともに、前記複数の発電部が電気的に直列に接続される燃料電池と、複数の燃料電池を付加に対して並列に接続する発電回路と、各燃料電池を前記発電回路に対して個別に接続及び切断可能な断続機構と、を備えることを特徴とする燃料電池ユニットに関する技術が開示されている。
特開2006−4742号公報 特開2004−234973号公報
しかし、特許文献1に開示されている技術では、チューブ型燃料電池セルが元々不具合を有する場合や、運転中にチューブ型燃料電池セルに不具合が生じた場合における、当該不具合への対策が施されていない。そのため、上記不具合が生じた場合に、燃料電池モジュールの安全性が低下しやすい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は、平板型PEFCに関する技術であり、当該技術をチューブ型燃料電池へと適用すると、構造が複雑になりやすい等の問題があった。
そこで本発明は、安全性を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、当該燃料電池モジュールを複数備える燃料電池スタックを提供することを課題とし、より具体的には、簡易な構造で安全性を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、当該燃料電池モジュールを複数備える燃料電池スタック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、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集電体と、第2電極の外周面側に配設される第2集電体と、第1集電体の表面を介して第1電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、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、チューブ型燃料電池セルの異常時に、流入口からの流体の流入を防ぐ、流入防止手段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、第1の本発明及び以下に示す本発明(以下「本発明」という。)において、「中空形状のイオン伝導体」とは、PEFCの場合には、プロトン伝導性ポリマーを含有する中空形状の固体高分子膜に相当し、酸化物固体電解質型燃料電池(以下「SOFC」という。)の場合には、酸化物イオン伝導性物質を含有する中空形状の電解質(例えば、セラミックス系の固体電解質)に相当する。さらに、本発明において、「中空形状の第1電極」及び「中空形状の第2電極」とは、PEFCの場合には、Pt等の触媒を含有する電極(アノード、カソード)に相当し、SOFCの場合には、NiやLaMnO3等の触媒を含有する電極(アノード、カソード)に相当する。さらに、本発明において、「第1集電体」及び「第2集電体」は、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質を有する導電性物質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。さらに、本発明における「流体」の具体例としては、PEFCの場合には、水素含有ガス及び酸素含有ガスのほか、チューブ型燃料電池セル等の温度を制御するために使用される熱媒体等を挙げることができる。ここでいう「熱媒体」は、チューブ型燃料電池セル等の温度を低下させるために使用される冷熱媒体と、チューブ型燃料電池セル等の温度を上昇させるために使用される温熱媒体とを含む概念である。これに対し、SOFCの場合における「流体」の具体例としては、例えば水素含有ガスや天然ガスと酸素含有ガス等に代表される反応物のほか、チューブ型燃料電池セル等の温度を制御するために使用される熱媒体等を挙げることができる。さらに、本発明において、「第1集電体の表面を介して第1電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備する」とは、流入口及び第1集電体の表面を介して第1電極の内周面側へと供給された流体(例えば、水素含有ガス等)が、流出口を介してチューブ型燃料電池セルの外側へと流出可能なように構成されていることを意味する。ここで、「第1集電体の表面」とは、第1集電体が柱状である場合には、第1集電体の外周面を意味し、第1集電体が管状である場合には、第1集電体の外周面及び/又は内周面を意味する。第1集電体の外周面を介して第1電極の内周面側へと供給される流体の具体例としては、反応ガスを挙げることができる。これに対し、第1集電体の内周面を介して第1電極の内周面側へと供給される流体の具体例としては、熱媒体を挙げることができる。さらに、本発明において、「異常」の具体例としては、チューブ型燃料電池セルから流体が漏洩している形態のほか、PEFCの場合には固体高分子膜の加湿が不十分であ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、第1集電体の流入口側端面に第1集電体と一体に設けられた第1蓋部材、該第1蓋部材を第1集電体の長手方向中央へと押圧する第1押圧手段、及び、第1蓋部材の長手方向中央側端面と接触可能な端面を有する第1蓋受け部材が、流入防止手段に備えられ、第1蓋受け部材は、ケース部材に固定されるとともに第1集電体の流入口側端部を貫通させる開口部を有し、上記異常時に、第1蓋受け部材の上記端面と、第1蓋部材の長手方向中央側端面とが密着することにより、流入口からの流体の流入が防止されることが好ましい。
また、上記第1の本発明において、さらに、チューブ型燃料電池セルの異常時に、流出口からの流体の流出を防ぐ、流出防止手段が備えられることが好ましい。
また、流出防止手段が備えられる上記第1の本発明において、第1集電体の流出口側端面に第1集電体と一体に設けられた第2蓋部材、該第2蓋部材を第1集電体の長手方向中央へと押圧する第2押圧手段、及び、第2蓋部材の長手方向中央側端面と接触可能な端面を有する第2蓋受け部材が、流出防止手段に備えられ、第2蓋受け部材は、ケース部材に固定されるとともに第1集電体の流出口側端部を貫通させる開口部を有し、上記異常時に、第2蓋受け部材の上記端面と、第2蓋部材の長手方向中央側端面とが密着することにより、流出口からの流体の流出が防止されることが好ましい。
第2の本発明は、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集電体と、第2電極の外周面側に配設される第2集電体と、第1集電体の表面を介して第1電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、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、チューブ型燃料電池セルの状態を検知し得る検知手段と、検知手段によって検知された結果に基いて、チューブ型燃料電池セルの正常/異常を判断し得る判断手段と、少なくとも流入口からの流体の流入を防止し得る防止手段と、判断手段によってチューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、防止手段を作動させる作動手段と、を備えることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
ここに、「検知手段」とは、判断手段でチューブ型燃料電池セルの正常/異常を判断し得る情報を得ることが可能な手段であれば、特に限定されるものではなく、例えば、チューブ型燃料電池セルの開回路電圧を測定可能な測定装置等を用いることができる。さらに、「判断手段」は、上記正常/異常の判断をし得る手段であれば、特に限定されるものではなく、例えば、パーソナルコンピュータ等に備えられる中央処理装置(以下「CPU」という。)等を用いることができる。さらに、「少なくとも流入口からの流体の流入を防止し得る防止手段」とは、本発明に備えられる防止手段が、流入口を介して第1電極の内周面側へと供給される流体の流入のみを防止し得る形態を採り得るほか、流入口を介して第1電極の内周面側へと供給される流体の流入、及び、流出口を介して第1電極の内周面側から流出する流体の流出を防止し得る形態を採り得ることを意味する。さらに、「作動手段」は、判断手段によって異常と判断された場合に、防止手段へ動作指令を出力することにより防止手段を作動させ得る手段であれば、特に限定されるものではなく、例えば、パーソナルコンピュータ等に備えられるCPU等を用いることができる。
上記第2の本発明において、防止手段に、少なくとも流入口を閉塞し得る第1蓋部材が備えられ、判断手段によってチューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、作動手段によって第1蓋部材が作動され、流入口が閉塞されることが好ましい。
ここに、「防止手段に、少なくとも流入口を閉塞し得る第1蓋部材が備えられる」とは、少なくとも、ケース部材に収容されているそれぞれのチューブ型燃料電池セル(以下において単に「セル」ということがある。)に備えられる流入口をセル毎に個別に塞ぐことが可能な第1蓋部材が、防止手段に備えられることを意味する。
また、上記第2の本発明において、防止手段に、少なくとも流入口を閉塞し得る第1蓋部材、及び、流出口を閉塞し得る第2蓋部材が備えられ、判断手段によってチューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、作動手段によって第1蓋部材及び第2蓋部材が作動され、流入口及び流出口が閉塞されることが好ましい。
ここに、「防止手段に、少なくとも流入口を閉塞し得る第1蓋部材、及び、流出口を閉塞し得る第2蓋部材が備えられる」とは、少なくとも、ケース部材に収容されているそれぞれのセルに備えられる流入口及び流出口をセル毎に個別に塞ぐことが可能な第1蓋部材及び第2蓋部材が、防止手段に備えられることを意味する。
また、上記第2の本発明において、防止手段に、弁が備えられることが好ましい。
ここに、第2の本発明における「弁」は、流入口への流体の流入や流出口からの流体の流出を止める機能を有する部材・機器を意味し、使用可能な弁としては、電磁バルブ等を例示することができる。
防止手段に弁が備えられる上記第2の本発明において、さらに、チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する熱媒体管が備えられ、上記異常時に、弁によって、熱媒体管の流入口からの流体の流入が防止されることが好ましい。
熱媒体管の流入口からの流体の流入が防止される上記第2の本発明において、さらに、上記異常時に、弁によって、熱媒体管の流出口からの流体の流出が防止されることが好ましい。
上記第1の本発明及び上記第2の本発明において、複数のチューブ型燃料電池セルが、電気的に並列に接続されていることが好ましい。
また、上記第1の本発明及び上記第2の本発明において、異常が、流体の漏洩であっても良い。
ここに、「流体の漏洩」とは、PEFCの場合には、水素含有ガス、酸素含有ガス、熱媒体等の流体が漏洩することにより、例えば、ケース部材の内側で水素含有ガスと酸素含有ガスとが混合することを意味し、SOFCの場合には、水素含有ガスや天然ガス、酸素含有ガス、熱媒体等が漏洩することにより、例えば、ケース部材の内側で水素含有ガスと酸素含有ガスとが混合することを意味する。
また、異常が流体の漏洩である上記第1の本発明及び上記第2の本発明において、漏洩が、チューブ型燃料電池セルの破損によって形成された開口部を介して生じていても良い。
また、上記第1の本発明及び上記第2の本発明において、流体が、反応ガス及び/又は熱媒体であっても良い。
ここに、「反応ガス」とは、PEFCの場合には、水素含有ガス及び酸素含有ガスを意味し、SOFCの場合には、例えば水素含有ガスや天然ガスと酸素含有ガス等に代表される反応ガスを意味する。さらに、「熱媒体」とは、燃料電池モジュールの運転時に、チューブ型燃料電池セルと熱交換することにより、当該チューブ型燃料電池セルの温度を制御する目的で使用される冷熱媒体や温熱媒体を意味する。
第3の本発明は、電気的に直列に接続された複数の燃料電池モジュールを備え、該燃料電池モジュールが、上記第1の本発明及び/又は上記第2の本発明にかかる燃料電池モジュールであることを特徴とする、燃料電池スタックである。
第1の本発明によれば、セルの異常時に流入口からの流体の流入が防止されるので、第1電極側へと供給される流体と第2電極側へと供給される流体とが混合することにより生じる安全性の低下や発電性能の低下を抑制できる。したがって、第1の本発明によれば、安全性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。
第1の本発明において、流入防止手段に、第1蓋部材、第1押圧手段、及び、第1蓋受け部材が備えられることにより、例えば、セルが折れ曲がることによって開口部が形成された場合に、第1押圧手段によって第1蓋部材を移動させ、第1蓋部材と第1蓋受け部材とを密着させることにより、流入口からの流体の流入を防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全性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。
第1の本発明において、さらに、流出防止手段が備えられることにより、第1電極側へと供給される流体と第2電極側へと供給される流体との混合を効率的に抑制できる。したがって、かかる形態とすることにより、安全性を効率的に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。
第1の本発明において、流出防止手段に、第2蓋部材、第2押圧手段、及び、第2蓋受け部材が備えられることにより、例えば、セルが折れ曲がることによって開口部が形成された場合に、第2押圧手段によって第2蓋部材を移動させ、第2蓋部材と第2蓋受け部材とを密着させることにより、流出口からの流体の流出を防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全性を効率的に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。
第2の本発明によれば、セルが異常であると判断された場合には、セルへの流体の流入、又は、セルへの流体の流入及びセルからの流体の流出が停止され、正常であると判断されたセルに対してのみ、流体の供給が行われる。そのため、異常と判断されたセルへ流体を供給することによって生じ得る不具合(例えば、還元剤と酸化剤との混合や、これに伴う発電性能の低下等)を回避することができるので、第2の本発明によれば、安全性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。
第2の本発明において、防止手段に第1蓋部材が備えられることにより、当該第1蓋部材を作動させることによって、異常と判断されたセルへ流体が流入することを防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全性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。
第2の本発明において、防止手段に第1蓋部材及び第2蓋部材が備えられることにより、当該第1蓋部材及び第2蓋部材を作動させることによって、異常と判断されたセルへ流体が流入すること、及び、異常と判断されたセルから流体が流出することを防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全性を効率的に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。
第2の本発明において、防止手段に弁が備えられることにより、当該弁を作動させることによって、異常と判断されたセルへの流体の流入や、当該セルからの流体の流出を防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、簡易な構成で安全性を効率的に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。
第2の本発明において、弁によって、セルの外周面と接触する熱媒体管の流入口からの熱媒体の流入が防止されることにより、熱媒体管が第2電極の外周面側に配設される場合であっても、異常と判断されたセルと接触する熱媒体管へ熱媒体が流入することを防止できる。これにより、セルの外周面と接触する熱媒体管がセルとともに破損した場合であっても、当該破損した熱媒体管への熱媒体の流入を防止できるので、熱媒体の漏洩に起因する短絡等を抑制して安全性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。
第2の本発明において、弁によって、セルの外周面と接触する熱媒体管の流入口からの熱媒体の流入、及び、当該熱媒体管の流出口からの熱媒体の流出が防止されることにより、セルの外周面と接触する熱媒体管がセルとともに破損した場合であっても、当該破損した熱媒体管への熱媒体の流入及び当該熱媒体管からの熱媒体の流出を防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、安全性をより一層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。
第1の本発明及び第2の本発明において、複数のセルが電気的に並列に接続されていることにより、異常と判断されたセルへの流体の供給を停止して、当該セルの発電を停止しても、正常と判断された他のセルへの流体の供給を継続することにより、燃料電池モジュールから継続して電気エネルギーを取り出すことができる。したがって、かかる形態とすることにより、上記効果に加え、さらに、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。
第1の本発明及び第2の本発明において、異常が流体の漏洩である場合、流体の漏洩によって生じる水素含有ガスと酸素含有ガスとの混合等を抑制できる。したがって、かかる形態とすることにより、流体の混合を抑制して安全性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。
第1の本発明及び第2の本発明において、流体の漏洩がセルの破損によって生じている場合、破損したセルに対する流体の供給を止めることにより、流体の混合の拡大を確実に防止できる。したがって、かかる形態とすることにより、安全性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。
第1の本発明及び第2の本発明において、流体が反応ガス及び/又は熱媒体である場合、反応ガスの漏洩によって生じる水素含有ガスと酸素含有ガスとの混合や、熱媒体の漏洩によって生じる性能低下・短絡等を抑制できる。したがって、かかる形態とすることにより、安全性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。
第3の本発明によれば、第1の本発明及び/又は第2の本発明にかかる燃料電池モジュールが備えられているので、安全性や発電性能を向上させることが可能な燃料電池スタックを提供できる。
従来の平板型PEFCでは、電圧値を所定の値へと増加させるため、複数のセルを電気的に直列に接続してスタック形態とした燃料電池が使用される。平板型PEFCの場合、スタックに備えられる一部のセルに不具合が生じ、当該セルへの流体(例えば、還元剤及び/又は酸化剤。以下同じ。)の供給を止めると、供給が止められたセルから電気エネルギーを取り出すことが不可能になるほか、当該セルはスタックに備えられる他のセルと電気的に直列に接続されているため、スタック全体から電気エネルギーを取り出すことも不可能となる。それゆえ、平板型PEFCにおいて、一部のセルを停止させた場合であってもスタックから電気エネルギーを取り出し得る構成とするためには、特許文献2に開示されているような複雑な構成を採る必要があった。これに対し、チューブ型PEFCは、例えば、ケースに収容される複数のセルが電気的に並列に接続される形態のモジュールとし、当該モジュールを他のモジュールと電気的に直列に接続する等により、電圧値を所定の値へと増加させる形態とすることができる。それゆえ、チューブ型PEFCでは、ケース内の不具合が生じた一部のセルへ流体の供給を停止し、当該セルを発電不能の状態にしても、他のセルへ流体の供給を継続することにより、平板型PEFCの場合よりも簡易な構成で、継続して電気エネルギーを取り出すことが可能になると考えられる。
本発明はかかる観点からなされたものであり、その要旨は、不具合を有する一部セルに対する流体の供給を停止して不具合を有する一部セルの運転のみを停止させつつ、他の正常なセルの運転を継続して、電気エネルギーを取り出すことが可能な形態とすることにより、安全性を向上させることが可能な燃料電池モジュール、及び、当該燃料電池モジュールを備える燃料電池スタックを提供することにある。
以下、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スタックについて具体的に説明する。なお、以下の説明では、本発明をPEFCに適用した場合について記載するが、本発明が適用され得る燃料電池はPEFCに限定されるものではなく、SOFC等、他の燃料電池にも適用することが可能である。また、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、以下の説明では、セルの温度を制御する等の目的で備えられる、熱媒体流通部の記載を省略することがあるが、本発明の燃料電池モジュール及び燃料電池スタックに備えられるセルは、ケースの内側に備えられる部材の内部を流通する熱媒体を介して温度が制御されている。
1.燃料電池モジュール
1.1.第1実施形態
図1及び図2は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を示す拡大図であり、燃料電池モジュールに備えられるケース部材、セル、流入防止手段、及び、流出防止手段の一部断面を簡略化して示している。図1はセルが破損する前の状態を、図2はセルが破損した後の状態を、それぞれ示している。図1及び図2に紙面奥/手前方向が、ケース部材に収容される複数のセルの配列方向であり、図1及び図2の紙面左右方向が、セルの長手方向である。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平面図であり、ケース部材内側の構成を理解しやすくするため、ケース部材に収容されるセルと、流入防止手段及び流出防止手段とを透過させて示している。図3の紙面左右方向がケース部材に収容される複数のセルの配列方向であり、図3の紙面上下方向がセルの長手方向である。図4は、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールに備えられるセルの形態例を概略的に示す断面図であり、内部集電体及びMEAの断面と、MEAの周りに巻回された外部集電体の様子を簡略化して示している。図4の紙面奥/手前方向が、セルの長手方向である。以下、図1〜図4を参照しつつ、第1実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールについて具体的に説明する。
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モジュール(以下において単に「燃料電池モジュール100」という。)は、ケース部材14と、その内側に収容され電気的に並列に接続される複数のセル10、10、…と、を備えている。ケース部材14の内側には、セル10、10、…の長手方向両端部にそれぞれ位置する水素流通部16、16(以下、図1及び図2の紙面左側、並びに、図3の紙面上側に位置する水素流通部16を「水素流通部16a」、図1及び図2の紙面右側、並びに、図3の紙面下側に位置する水素流通部16を「水素流通部16b」ということがある。)と、当該水素流通部16、16の間に備えられる空気流通部15と、を具備している。図4に示すように、セル10は、中空形状の電解質膜1、電解質膜1の内周面側に配設される中空形状のアノード2、及び、電解質膜1の外周面側に配設される中空形状のカソード3を備える中空形状のMEA4と、アノード2の内周面と接触する内部集電体5と、カソード3の外周面に巻回された外部集電体6と、を備え、内部集電体5の外周面には、水素流路として機能する凹部7、7、…が備えられている。燃料電池モジュール100では、水素流通部16aに位置する内部集電体5の端部の外周面に備えられる凹部7、7、…が、水素の流入口8、8、…として機能する一方、水素流通部16bに位置する内部集電体5の端部の外周面に備えられる凹部7、7、…が、水素の流出口9、9、…として機能する。内部集電体5の長手方向両端面には、流体を厚み方向へ透過させない板状の蓋部材11、11が備えられ、水素流通部16aに位置する端面には第1蓋部材11aが、水素流通部16bに位置する端面には第2蓋部材11bが、それぞれ内部集電体5と一体に備えられている。さらに、水素流通部16a、16bを形成する隔壁には、押圧手段12、12、及び、蓋受け部材13、13が備えられている。水素流通部16aに備えられる第1押圧手段12aは、第1蓋部材11aを内部集電体5の長手方向中央へと押圧する形態で備えられ、水素流通部16aに備えられる第1蓋受け部材13aは、その端面が、図2に示す形態において、第1蓋部材11aの上記長手方向中央側の端面と密着可能な形態で備えられている。一方、水素流通部16bに備えられる第2押圧手段12bは、第2蓋部材11bを内部集電体5の長手方向中央へと押圧する形態で備えられ、水素流通部16bに備えられる第2蓋受け部材13bは、その端面が、図2に示す形態において、第2蓋部材11bの上記長手方向中央側の端面と密着可能な形態で備えられている。そして、第1蓋部材11aに面した第1蓋受け部材13aの端面、及び、第2蓋部材11bに面した第2蓋受け部材13bの端面には、第1蓋部材11aと第1蓋受け部材13aとの密着性、及び、第2蓋部材11bと第2蓋受け部材13bとの密着性を向上させることが可能な部材(例えば、O−リング等。以下、「密着性向上部材」ということがある。)が配設されている。
図1に示すように、正常なセル10が備えられる燃料電池モジュール100から電気エネルギーが取り出される定常運転時には、水素流通部16aを介して供給された水素が、流入口8、8、…へと分岐する。そして、当該流入口8、8、…を備える凹部7、7、…を介して、水素がアノード2の内周面側へと供給される。このようにしてアノード2へ水素が供給されると、アノード2に含有される触媒の作用下で、水素からプロトン及び電子が生じる。一方、燃料電池モジュール100の上記定常運転時には、ケース部材14に備えられる開口部(不図示)を介して空気流通部15へと供給された空気が、カソード3へと達する。そして、当該カソード3に含有される触媒の作用下で、カソード3へと供給された空気に含有される酸素と、アノード2から移動してきたプロトン及び電子とが反応することにより、水が生成される。
燃料電池モジュール100に正常なセル10、10、…のみが備えられている場合、ケース部材14の内側に備えられる水素流通部16a、16b、及び、空気流通部15は、ケース部材14を構成する隔壁によって隔離され、シール部材(不図示)によって水路流通部16a、16bを流通する水素のシール性が確保されている。そのため、MEA4の内周面側へと供給される水素と、MEA4の外周面側へと供給される酸素との混合は、回避されている。
これに対し、燃料電池モジュール100の運転時に、例えば、セル10、10、…へ何らかの外力が作用することにより、燃料電池モジュール100の運転中に、一部のセル10が破損する場合も想定される。かかる場合には、図2に示すように、水素流通部16a及び流入口8、8、…を介して流入した多量の水素が、凹部7、7、…及び破損により生じた開口部を介して空気流通部15へと流入し、空気流通部15において、水素及び空気が混合する(以下、破損により生じた開口部に対して水素流通部16a側に位置する内部集電体の一部を「内部集電体5a」、当該開口部に対して水素流通部16b側に位置する内部集電体の一部を「内部集電体5b」ということがある。)。このほか、セル10が破損することにより生じた開口部から、空気流通部15を流通する空気が凹部7、7、…へと流入し、流出口9、9、…を介して水素流通部16bへと流出する。これらの事態が生じると、燃料電池モジュール100の安全性が損なわれる恐れがある。そのため、本発明では、内部集電体5の長手方向両端部に、第1蓋部材11a、第1押圧手段12a、及び、第1蓋受け部材13a、並びに、第2蓋部材11b、第2押圧手段12b、及び、第2蓋受け部材13bを設けている。かかる形態とすることにより、セル10が破損した場合には、第1押圧手段12aによって第1蓋部材11a及び当該第1蓋部材11aと一体の内部集電体5aを押圧して、これらをセル10の長手方向中央側へと移動させ、第1蓋部材11aと第1蓋受け部材13aとを密着させる。同様に、第2押圧手段12bによって第2蓋部材11b及び当該第2蓋部材11bと一体の内部集電体5bを押圧して、これらをセル10の長手方向中央側へと移動させ、第2蓋部材11bと第2蓋受け部材13bとを密着させる。このようにして、第1蓋部材11aと第1蓋受け部材13aとを密着させると、流入口8、8、…を塞ぐことができるので、流入口8、8、…からの水素の流入を防止することができる。さらに、第2蓋部材11bと第2蓋受け部材13bとを密着させると、流出口9、9、…を塞ぐことができるので、流出口9、9、…からの空気の流出も防止することができる。すなわち、第1実施形態では、流入防止手段として機能する第1蓋部材11a、第1押圧手段12a、及び、第1蓋受け部材13aが備えられ、かつ、流出防止手段として機能する第2蓋部材11b、第2押圧手段12b、及び、第2蓋受け部材13bが備えられる形態とすることにより、破損したセル10への水素の流入、及び、破損したセル10からの空気の流出を最小限に止め、燃料電池モジュール100の安全性を向上させている。
また、上述のように、燃料電池モジュール100に備えられるセル10、10、…は、電気的に並列に接続されている。そのため、破損したセル10への水素の供給が途絶えても、破損していない正常な他のセル10、10、…に対する水素及び空気の供給を継続させることにより、燃料電池モジュール100から電気エネルギーを継続して取り出すことができる。すなわち、燃料電池モジュール100では、セル毎に水素の供給を遮断可能な構成とするとともに、ケース部材14に収容される複数のセル10、10、…を電気的に並列に接続させることで、破損した一部のセル10への水素の供給が停止された場合であっても、電気エネルギーを取り出し得る構成としている。
1.2.第2実施形態
図5、図6、及び、図7は、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を示す拡大図であり、ケース部材及びセルの一部断面、並びに、燃料電池モジュールに備えられる制御装置等を簡略化して示している。図5は、防止手段によって流入口及び流出口が塞がれる前の状態を、図6は、防止手段によって流入口及び流出口が塞がれた後の状態を、それぞれ示しており、図7は、破損したセルの流入口及び流出口が防止手段によって塞がれている状態を示している。図5〜図7の紙面左右方向が、セルの長手方向であり、図5〜図7の紙面奥/手前方向が、ケース部材に収容される複数のセルの配列方向である。図8は、図5に示す燃料電池モジュールに備えられるケース部材、セル、及び、防止手段の形態例を概略的に示す平面図であり、ケース部材内側の構造を理解しやすくするため、ケース部材に収容されるセル及び防止手段を透過させて示している。図8の紙面上下方向がセルの長手方向であり、図8の紙面左右方向がセルの配列方向である。図5〜図8において、図1〜図4に示す部材と同様の構成を採るものには、図1〜図4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。
図5〜図8に示すように、第2実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール200(以下において単に「燃料電池モジュール200」という。)は、ケース部材14と、その内側に収容され電気的に並列に接続される複数のセル10、10、…と、を備えている。ケース部材14の内側に備えられる水素流通部16aには、流入口8、8、…からの水素の流入を防止することが可能な防止手段24(以下「第1蓋部材24a」ということがある。)が備えられ、ケース部材14の内側に備えられる水素流通部16bには、流出口9、9、…からの空気の流出を防止することが可能な防止手段24(以下「第2蓋部材24b」ということがある。)が備えられている。第1蓋部材24a及び第2蓋部材24bは、内部集電体5の外表面に形成された凹部7、7、…へと進入可能な複数の凸部を有する構造(ピラー構造)とされている。
燃料電池モジュール200には、さらに、電流を流さない状態で、アノード2へ水素を供給し、カソード3へ空気を供給した際の、セル10、10、…の電圧(以下「開回路電圧」という。)を検知可能な検知手段としての電圧計17と、防止手段24、24の動作を制御可能な制御装置18と、が備えられている。制御装置18には、防止手段24、24の動作制御を実行するCPU20と、当該CPU20に対する記憶装置とが設けられている。CPU20は、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、CPU20に対する記憶装置は、例えば、防止手段24、24の動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するROM21と、CPU20の作業領域として機能するRAM22等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、CPU20が、ROM21に記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、本発明の燃料電池モジュール200における制御装置18が機能する。
電圧計17によって検知された開回路電圧に関する出力信号は、入力ポート19を介して、入力信号としてCPU20へと到達する。CPU20は、上記入力信号及びROM21に記憶されたプログラムに基いて、セル10、10、…の正常/異常を判断し、セル10、10、…が異常状態にあると判断した場合には、出力ポート23を介して第1蓋部材24a及び第2蓋部材24bに対する動作指令を制御する。第1蓋部材24a及び第2蓋部材24bは、CPU20から与えられた動作指令に応じて、流入口8、8、…、及び、流出口9、9、…を塞ぐように動作し、流入口8、8、…からの水素の流入、及び、流出口9、9、…からの空気の流出を防止する。すなわち、燃料電池モジュール200におけるCPU20は、セル10、10、…の正常/異常を判断し得る判断手段として機能するとともに、防止手段24、24を作動させる作動手段として機能する。
セル10が正常である場合、電圧計17によって検知されるセル10の開回路電圧の値は、例えば、1.0V程度となる。これに対し、含水状態下においても塞がれない大きさの貫通孔が電解質膜1に備えられる等により、アノード2へと供給される水素やカソード3へと供給される空気が電解質膜1を通過し、いわゆるクロスリークが生じている場合(異常な場合)、セル10の開回路電圧の値は、1.0V未満となる。それゆえ、開回路電圧の値によって、セル10の正常/異常を判断することができる。燃料電池モジュール200の製造時にケース部材14に収容されたセル10が、上記異常な状態にある場合、当該セル10へ水素及び酸素を供給するとクロスリークが生じ、燃料電池モジュール200の発電性能が低下する恐れがあるほか、クロスリークの程度によっては、燃料電池モジュール200の安全性が損なわれる恐れがある。そこで、本発明では、燃料電池モジュール200に電流を流し始める前に、ケース部材14に収容されている各セル10、10、…の開回路電圧を検知し、当該開回路電圧が所定値(例えば、0.85V)未満である場合には、CPU20から第1蓋部材24a及び第2蓋部材24bへと動作指令を出力することにより、第1蓋部材24a及び第2蓋部材24bを作動させ、当該所定値未満のセル10の流入口8、8、…、及び、流出口9、9、…のみを塞ぐ(図6参照)。
かかる形態とすることにより、クロスリークが生じるセル10に対しては水素を供給せず、他の正常なセル10、10、…に対しては水素及び空気を供給した状態で、燃料電池モジュール200を運転することができる。ここで、上述のように、ケース部材14に収容されたセル10、10、…は、電気的に並列に接続されているので、異常と判断された一部のセル10へ水素を供給しなくても、他の正常なセル10、10、…へと水素及び空気を供給することにより、燃料電池モジュール200から電気エネルギーを取り出すことができる。したがって、本発明によれば、異常なセル10への水素の供給を停止することにより安全性を向上させることが可能であるとともに、他の正常なセル10、10、…を作動させることにより電気エネルギーを取り出すことが可能な、燃料電池モジュール200を提供することができる。
一方、燃料電池モジュール200の運転時に、セル10、10、…へ何らかの外力が加えられることにより、燃料電池モジュール200の運転中に、一部のセル10が破損する場合も想定される。かかる場合には、図7に示すように、水素流通部16a及び流入口8、8、…を介して流入した多量の水素が、凹部7、7、…及び破損により生じた開口部を介して空気流通部15へと流入し、空気流通部15において、水素と空気とが混合する。このほか、セル10が破損することにより生じた開口部から、空気流通部15を流通する空気が凹部7、7、…へと流入し、流出口9、9、…を介して空気が水素流通部16bへと流出する。これらの事態が生じると、燃料電池モジュール200の安全性が損なわれる恐れがある。そのため、本発明では、燃料電池モジュール200の、電流を流さない状態における運転時にも、セル10、10、…の開回路電圧を検知することができる。セル10が破損している場合、当該セル10の開回路電圧は、例えば、0.8V以下程度の値を示すと考えられるため、開回路電圧の値によって、破損したセル10を特定することができる。このようにして、破損したセル10を特定した後、燃料電池モジュール200では、CPU20から第1蓋部材24a及び第2蓋部材24bへと動作指令を出力し、破損したセル10の流入口8、8、…、及び、流出口9、9、…のみを塞ぐ(図7参照)。かかる形態とすることにより、破損したセル10の流入口8、8、…からの水素の流入が防止されるので、空気流通部15へと流入する水素の量を最小限に止めることができる。さらに、破損したセル10の流出口9、9、…からの空気の流出が防止されるので、水素流通部16bへと流出する空気の量を最小限に止めることができ、水素濃度の低下を抑制することができる。したがって、本発明によれば、水素と空気との混合を抑制することにより安全性を向上させることが可能であるとともに、水素濃度の低下を抑制す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200を提供することができる。
1.3.第3実施形態
図9及び図10は、第3実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの形態例を示す拡大図であり、ケース部材及びセルの一部断面、並びに、燃料電池モジュールに備えられる制御装置等を簡略化して示している。図9は、防止手段(以下「弁」ということがある。)によって、冷却管としての機能も兼ねる内部集電体の長手方向一端面及び他端面に備えられる冷媒流入口及び冷媒流出口としての開口部(以下、当該開口部を「冷媒の入口」、「冷媒の出口」等ということがある。)が塞がれる前の状態を、図10は、弁によって冷媒の入口及び出口並びに流入口8、8、…及び流入口9、9、…が塞がれた後の状態を、それぞれ示している。図9及び図10の紙面左右方向が、セルの長手方向であり、図9及び図10の紙面奥/手前方向が、ケース部材に収容される複数のセルの配列方向である。図11は、図9に示す燃料電池モジュールに備えられるケース部材、セル、及び、防止手段の形態例を概略的に示す平面図である。図11は燃料電池モジュールの一部のみを示しており、ケース部材内側の構造を理解しやすくするため、ケース部材に収容されるセル及び防止手段を透過させて示している。図11の紙面上下方向がセルの長手方向であり、図11の紙面左右方向がセルの配列方向である。図12は、図9〜図11に示す燃料電池モジュールに備えられるセルの形態例を概略的に示す断面図であり、内部集電体及びMEAの断面と、MEAの周りに巻回された外部集電体の様子を簡略化して示している。図12の紙面奥/手前方向が、セルの長手方向である。図9〜図12において、図5〜図8と同様の構成を採るものには、図5〜図8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。
図9〜図11に示すように、第3実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール300(以下において単に「燃料電池モジュール300」という。)は、ケース部材14と、その内側に収容され電気的に並列に接続される複数のセル10x、10x、…と、を備え、各セル10x、10x、…に備えられる内部集電体5x、5x、…は、冷却管としても機能している。ケース部材14の内側には、水素流通部16a、空気流通部15、及び、水素流通部16bが備えられ、さらに、水素流通部16aの外側(空気流通部15と反対側)に冷媒流通部26(以下において当該冷媒流通部26を「冷媒流通部26a」という。)が、水素流通部16bの外側(空気流通部15と反対側)に冷媒流通部26(以下において当該冷媒流通部26を「冷媒流通部26b」という。)が、備えられる。燃料電池モジュール300において、冷却管としても機能する内部集電体5x、5x、…は、水素流通部16a及び水素流通部16bを貫通する形態で備えられる。内部集電体5x、5x、…の長手方向における一方の端面に備えられる冷媒の入口は、冷媒流通部26aに開口し、同長手方向における他方の端面に備えられる冷媒の出口は、冷媒流通部26bに開口している。
図12に示すように、燃料電池モジュール300に備えられるセル10xは、管状部材の外周面にガス流路として機能する凹部7、7、…が備えられる形態の内部集電体5xと、当該内部集電体5xの外周面に形成されたMEA4と、当該MEA4の外周面に巻回された外部集電体6と、を備える。内部集電体5xに備えられる中空部26cは、熱媒体(冷媒)の流路として機能し、上記冷媒流通部26aへと流入した冷媒が中空部26cへと流入し、当該中空部26cを流通した冷媒が、上記冷媒流通部26bへと流出する。このように、セル10xには、冷媒流通部として機能する中空部26c、及び、ガス流路として機能する凹部7、7、…が備えられるので、内部集電体及び冷却管として機能することができる。
燃料電池モジュール300の運転時には、冷媒流通部26aへと流入した冷媒が、冷媒の入口から各内部集電体5x、5x、…へと分岐し、各内部集電体5x、5x、…に備えられる中空部26c、26c、…へと流入する。このようにして流入した冷媒は、冷媒流通部26b側へと移動する間に、MEA4、4、…等と熱交換を行い、セル10x、10x、…の過度の温度上昇を抑制する。そして、MEA4、4、…等と熱交換することにより温められた冷媒は、冷媒流通部26bへと排出され、その後、回収される。このように、燃料電池モジュール300では、冷媒流通部26a、中空部26c、26c、…、及び、冷媒流通部26bを流通する冷媒によって、セル10x、10x、…の温度が制御される。
図9〜図11に示すように、燃料電池モジュール300は、冷媒流通部26aから各内部集電体5x、5x、…へと分岐する冷媒の流量を検知可能なセンサー(検知手段)を備えた弁27、27、…(以下「弁27a」等という。)が冷媒流通部26aに配置され、各内部集電体5x、5x、…から冷媒流通部26bへと流出する冷媒の流量を検知可能なセンサー(検知手段)を備えた弁27、27、…(以下「弁27b」等という。)が冷媒流通部26bに配置される。弁27a、27a、…、及び、弁27b、27b、…(以下において単に「弁27」ということがある。)は、制御装置18と接続され、弁27に備えられるセンサーによって検知された冷媒流量に関する出力信号は、入力ポート19を介して、入力信号としてCPU20へと到達する。冷却管としても機能する内部集電体5x、5x、…から冷媒が漏洩していない場合には、弁27a、27a、…のセンサーによって検知された冷媒流量Xと、弁27b、27b、…のセンサーによって検知された冷媒流量Yは等しいため、X−Y=0となる。ところが、内部集電体5x、5x、…から冷媒が漏洩すると、X−Y>0となる。したがって、X−Yの値によって、冷媒漏洩の有無を判断できる。CPU20は、上記入力信号及びROM21に記憶されたプログラムに基づいて、冷媒漏洩の有無を判断する。X−Y>0であることにより冷媒が漏洩していると判断した場合には、出力ポート23を介して、冷媒が漏洩している内部集電体5xの冷媒流量を検知するセンサーを備える弁27a及び弁27bに対して動作指令を出力し、当該弁27a及び弁27bを作動させることにより、冷媒が漏洩している内部集電体5xに備えられる冷媒の入口及び冷媒の出口を塞ぐ(図10参照)。すなわち、燃料電池モジュール300におけるCPU20は、冷媒漏洩の有無を判断し得る判断手段としても機能し、さらに、防止手段としての弁27を作動させる作動手段としても機能する。
ここで、内部集電体5xから冷媒が漏洩している場合、当該冷媒漏洩は、セル10xが破損することにより、折れ曲がったセル10x(以下「異常なセル10x」という。)に、冷媒、水素、及び、空気が流出・流入し得る開口部が形成されたことに起因するとも考えられる(図10参照)。そのため、冷媒が漏洩していると判断された場合には、CPU20から、さらに、異常なセル10xに備えられる内部集電体5xへの水素の流入、及び、当該内部集電体5xからの空気の流出を防止する第1蓋部材24a及び第2蓋部材24bも作動させ、異常なセル10xへの冷媒及び水素の流入、並びに、当該異常なセル10xからの冷媒及び空気の流出を防止することが好ましい(図10参照)。このようにして、異常なセル10xへの冷媒及び水素の流入、並びに、異常なセル10xからの冷媒及び空気の流出を防止することにより、水素及び空気の混合、並びに、冷媒の漏洩を防止できるので、燃料電池モジュール300の安全性を向上させることが容易になる。
図13及び図14は、第3実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュールの他の形態例を示す拡大図であり、ケース部材及びセルの一部断面、並びに、燃料電池モジュールに備えられる熱媒体管(以下「冷却管」という。)及び制御装置等を簡略化して示している。図13は、弁によって冷却管の入口及び出口が塞がれる前の状態を、図14は、弁によって冷却管の入口及び出口が塞がれた後の状態を、それぞれ示している。図13及び図14の紙面左右方向が、セル及び冷却管の長手方向であり、図13及び図14の紙面奥/手前方向が、ケース部材に収容される複数のセル及び冷却管の配列方向である。図15は、図13に示す燃料電池モジュールに備えられるケース部材、セル、冷却管、及び、防止手段の形態例を概略的に示す平面図である。図15は燃料電池モジュールの一部のみを示しており、ケース部材内側の構造を理解しやすくするため、ケース部材に収容されるセル、冷却管、及び防止手段を透過させて示している。図15の紙面上下方向がセル及び冷却管の長手方向であり、図15の紙面左右方向がセル及び冷却管の配列方向である。図13〜図15において、図9〜図12と同様の構成を採るものには、図9〜図12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。
図13〜図15に示すように、第3実施形態にかかる本発明の燃料電池モジュール301(以下において単に「燃料電池モジュール301」という。)は、ケース部材14と、その内側に収容され電気的に並列に接続される複数のセル10、10、…と、セル10、10、…と接触するように配置された冷却管25、25、…と、を備える。ケース部材14の内側には、水素流通部16a、空気流通部15、及び、水素流通部16bが備えられ、さらに、水素流通部16aの外側(空気流通部15と反対側)に冷媒流通部26aが、水素流通部16bの外側(空気流通部15と反対側)に冷媒流通部26bが、備えられる。燃料電池モジュール301において、セル10、10、…と接触するように配設された冷却管25、25、…は、冷媒が流通可能な流路を備え、当該流路の一端は冷媒流通部26aに開口し、同他端は冷媒流通部26bに開口している。燃料電池モジュール301の運転時には、冷媒流通部26aへと流入した冷媒が、各冷却管25、25、…へと分岐し、各冷却管25、25、…の内部へと流入する。このようにして流入した冷媒は、冷媒流通部26b側へと移動する間に、セル10、10、…と熱交換を行い、セル10、10、…の過度の温度上昇を抑制する。そして、セル10、10、…と熱交換することにより温められた冷媒は、冷媒流通部26bへと排出され、その後、回収される。このように、燃料電池モジュール301では、冷媒流通部26a、冷却管25、25、…、及び、冷媒流通部26bを循環する冷媒によって、セル10、10、…の温度が制御される。
図13〜図15に示すように、燃料電池モジュール301は、冷媒流通部26aから各冷却管25、25、…へと分岐する冷媒の流量を検知可能なセンサー(検知手段)を備えた弁27a、27a、…が冷媒流通部26aに配置され、各冷却管25、25、…から冷媒流通部26bへと流出する冷媒の流量を検知可能なセンサー(検知手段)を備えた弁27b、27b、…が冷媒流通部26bに配置される。弁27は、制御装置18と接続され、弁27に備えられるセンサーによって検知された冷媒流量に関する出力信号は、入力ポート19を介して、入力信号としてCPU20へと到達する。かかる形態であっても、上記燃料電池モジュール300の場合と同様に、X−Yの値によって冷媒漏洩の有無を判断できる。燃料電池モジュール301においても、X−Y>0であることにより冷媒が漏洩していると判断された場合には、出力ポート23を介して、冷媒が漏洩している冷却管25の冷媒流量を検知するセンサーを備える弁27a及び弁27bに対して、動作指令を出力し、当該弁27a及び弁27bを作動させることにより、冷媒が漏洩している冷却管25の入口及び出口を塞ぐ(図14参照)。すなわち、燃料電池モジュール301におけるCPU20は、冷媒漏洩の有無を判断し得る判断手段としても機能し、さらに、防止手段としての弁27を作動させる作動手段としても機能する。
かかる形態とすることにより、冷媒が漏洩する冷却管25への冷媒の流入、及び、当該冷却管25からの冷媒の流出を停止して冷媒の漏洩を停止する一方、他の正常な冷却管25、25、…に対しては冷媒を流通させた状態で、燃料電池モジュール301を運転することができる。冷媒が漏洩すると、当該冷媒を介してセル10、10が電気的に接続され、短絡が生じる等して燃料電池モジュール301の性能が低下し、安全性が低下する恐れがある。この点、本発明によれば、冷媒の漏洩を容易に停止することができるので、性能及び安全性を向上させることが可能な、燃料電池モジュール301を提供できる。
上述のように、燃料電池モジュール301の運転時には、冷媒によって、セル10、10、…の過度の温度上昇が防止され、これによって、温度上昇が防止されたセル10、10、…の発電性能を向上させている。そのため、冷媒が漏洩する冷却管25への冷媒の供給が停止されると、当該冷却管25と接触しているセル10、10の温度を制御することができず、当該セル10、10の温度が上昇すると考えられる。このようにしてケース部材14に備えられる一部のセル10、10の温度が過度に上昇すると、他のセル10、10、…の温度制御が困難になる恐れがある。それゆえ、燃料電池モジュール301において、冷媒が漏洩する冷却管25への冷媒の流入、及び、当該冷却管25からの冷媒の流出を停止した場合には、当該冷却管25と接触するセル10、10に対する水素の供給を停止することが好ましい。なお、これらのセル10、10に対する水素の供給停止は、CPU20から当該セル10、10と対応して設けられた第1蓋部材24a、24a及び第2蓋部材24b、24bへと動作指令を出力して、第1蓋部材24a、24a及び第2蓋部材24b、24bを作動させることにより、行うことができる。
本発明の燃料電池モジュール100、200、300、301(以下これらをまとめて「本発明の燃料電池モジュール」ということがある。)に関する上記説明では、外周面に水素ガス流路として機能する凹部7、7、…が形成されている、一の部材からなる内部集電体5又は内部集電体5xが各セル10、10、…に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い。中空形状のMEAの内周面側に備えられる内部集電体は、中空形状のMEAの内周面側の集電を行い得る形態であれば、その形態は特に限定されるものではなく、水素ガス流路の形態も、内部集電体の外表面を介して中空形状のMEAの内周面側へ水素を供給可能な形態であれば、その形態は特に限定されない。内部集電体は、上記形態のほか、例えば、長手方向がMEAの長手方向と平行となるように配置された複数の導電性の線材を捻ることにより構成される複数の線材(以下、本段落において「第1形態の線材」という。)を、内部集電体として機能させることも可能である。第1形態の線材を内部集電体として用いる場合、当該第1形態の線材と中空形状のMEAの内周面とが接触するように、第1形態の線材を配置すると、第1形態の線材と中空形状のMEAの内周面との間等、中空形状のMEAの内周面の内側に微小な隙間が形成される。それゆえ、第1形態の線材を内部集電体として機能させる場合には、当該微小な隙間を水素ガス流路として機能させることができる。
上記第1形態の線材のほか、例えば、図1〜図11に示す外部集電体6と同様の外形(例えば、円筒の外周面に1以上の線材を巻回することにより形成される外形)に加工した導電性の線材を、中空形状のMEAの内周面側へと配設することにより、上記外形を有する導電性の線材(以下、本段落において「第2形態の線材」という。)を内部集電体として機能させることも可能である。第2形態の線材を内部集電体として用いる場合、当該第2形態の線材によって周囲を囲まれる空間が形成される。そのため、第2形態の線材を内部集電体として用いる場合には、当該空間を水素ガス流路として機能させることができる。
上記第1形態の線材及び第2形態の線材のほか、例えば、円筒状に成形した導電性の多孔体(以下、本段落において「第3形態」という。)を内部集電体として用いることも可能である。第3形態の内部集電体を用いる場合には、当該内部集電体の内部及び表面に備えられる複数の孔を水素ガス流路として機能させることができる。なお、内部集電体を熱媒体管としても機能させる場合には、冷媒の漏洩を防止する観点から、上記内部集電体5xと同様の形態にかかる内部集電体が備えられることが好ましい。
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、反応ガスの流入や流出を防止する流入防止手段及び流出防止手段、又は、防止手段に備えられる蓋部材として、板状の第1蓋部材11a及び第2蓋部材11b、並びに、ピラー構造の第1蓋部材24a及び第2蓋部材24bを例示したが、本発明の燃料電池モジュールに備えられる蓋部材の形態は、例示した形態に限定されるものではない。蓋部材は、流入口や流出口を塞ぐことにより水素や空気の流通を防止し得る形状及び材料により構成されていれば、その形状及び材料は限定されるものではない。内部集電体の長手方向を法線方向とする平面によって蓋部材を切断した場合における、蓋部材の断面形状の具体例としては、円形のほか、三角形や四角形等の多角形を挙げることができる。
また、燃料電池モジュール100に備えられる押圧手段12、12は、蓋部材11、11を内部集電体5の長手方向中央へと押圧可能であれば、その形態は特に限定されるものではない。本発明の燃料電池モジュールで使用可能な押圧手段の具体例としては、らせん状に成形した線材(バネ等)のほか、弾性樹脂(ゴム等)等を挙げることができる。
また、燃料電池モジュール100において、押圧手段12、12によって内部集電体5へと加えられる圧力は、蓋部材11、11を移動させることにより当該蓋部材11、11と蓋受け部材13、13とを密着させることが可能な圧力であり、かつ、当該圧力のみによって内部集電体5を座屈させることはない圧力、であれば、特に限定されるものではない。
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蓋部材11aに面した第1蓋受け部材13aの端面、及び、第2蓋部材11bに面した第2蓋受け部材13bの端面に、密着性向上部材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い。これらの端面に代えて、例えば、第1蓋受け部材13aに面した第1蓋部材11aの端面、及び、第2蓋受け部材13bに面した第2蓋部材11bの端面に、密着性向上部材が備えられていても良い。このほか、第1蓋部材11aに面した第1蓋受け部材13aの端面、第2蓋部材11bに面した第2蓋受け部材13bの端面、第1蓋受け部材13aに面した第1蓋部材11aの端面、及び、第2蓋受け部材13bに面した第2蓋部材11bの端面に、密着性向上部材が備えられない形態とすることも可能である。ただし、蓋部材11、11と蓋受け部材13、13との密着性を向上させることにより、水素の流入や空気の流出をより効果的に防止し得る形態とする観点からは、密着性向上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200、300、301において、セル10又はセル10xが異常状態であると判断され、CPU20からの動作指令に基いて防止手段24、24及び/又は弁27を内部集電体5の長手方向中央へと移動させる際に、当該防止手段24、24及び/又は弁27を内部集電体5の長手方向中央へと移動させる駆動力を与える部材・機構は、特に限定されるものではなく、公知技術等を適宜用いることができる。
また、本発明の燃料電池モジュール300、301に関する上記説明では、冷媒の流量を検知可能なセンサーを備える弁27が備えられる形態を例示したが、第3実施形態にかかる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、各セル10、10、…又は各セル10x、10x、…(以下これらをまとめて単に「セル」ということがある。)へと供給され、各セルから排出される反応ガスの流量や圧力を検知可能なセンサーを備える弁が、防止手段に備えられる形態とすることも可能である。反応ガスの流量を検知可能なセンサーを備える弁が防止手段に備えられる場合、水素流通部16aから分岐してセル10へと流入する水素の流量をA、セル10の反応で消費される水素の流量をB、セル10に備えられる電解質膜1を透過する水素の流量をC、セル10から水素流通部16bへと流出する水素の流量をX、とするとき、セル10が正常な状態であれば、X=A−B−Cの関係が成り立つと考えられる。しかし、セル10が破損する等により、水素流通部16aと水素流通部16bとの間において水素が漏洩すると、X<A−B−Cとなる。ここで、セルにおける反応で消費される水素流量Bは燃料電池モジュールの運転状態(電流密度の値)に基づいて算出でき、電解質膜を透過する水素流量Cは、電解質膜の透過を許容すべき水素流量として設定することができる。それゆえ、水素の流量を検知可能なセンサーを備えた弁によって、水素流通部16aから各セルへと流入する水素の流量A、A、…、及び、各セルから水素流通部16bへと排出される水素の流量X、X、…を検知し、X<A−B−Cであるか否かをセル毎に判断することによって、異常の有無を判断することができる。そして、特定のセルが異常であると判断された場合には、CPU20からの動作指令に基づいて弁を作動させ、異常なセルへの水素の流入及び当該セルからの水素の流出を防止する。かかる形態とすることにより、反応ガスの流量の測定結果に基づいて弁を作動させて異常なセルへのガスの供給を停止すること可能になるので、安全性を向上させた燃料電池モジュールを提供することができる。
本発明の燃料電池モジュール100、200、301において、セル10は、中空形状のMEA4と、中空形状のMEA4の内周面側に配設される内部集電体5と、中空形状のMEA4の外周面側に配設される外部集電体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。内部集電体5及び外部集電体6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く、構成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5及び/又は外部集電体6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、本発明の燃料電池モジュール301において、セル10xは、中空形状のMEA4と、中空形状のMEA4の内周面側に配設される内部集電体5xと、中空形状のMEA4の外周面側に配設される外部集電体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。内部集電体5x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く、内部集電体5と同様の材料によって構成することができる。
本発明の燃料電池モジュールにおいて、ケース部材14に収容されるセルの数は、それぞれのセルを電気的に並列に接続することにより、本発明の燃料電池モジュールに必要とされる電流値に到達し得る数であれば特に限定されるものではない。ケース部材14に収容されるセルの数は、例えば、数十〜百数十程度とすることができる。
一方、中空形状の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の内周面側に配設される中空形状のアノード2と、電解質膜1の外周面側に配設される中空形状のカソード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。
中空形状のMEA4に備えられる中空形状のアノード2及び中空形状のカソード3は、アノード2及びカソード3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。アノード2及びカソード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、アノード2及びカソード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。
本発明の燃料電池モジュールにおいて、ケース部材14は、複数のセルや冷却管を収容可能であり、かつ、燃料電池モジュールの運転時の環境に耐え得る性質(例えば、耐熱性、耐水性等。以下同じ。)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。ケース部材14を構成する材料の具体例としては、金属や絶縁性樹脂のほか、内表面に絶縁被覆が施された金属等を挙げることができる。
本発明の燃料電池モジュールにおいて、蓋部材11、11、押圧手段12、12、蓋受け部材13、13、防止手段24、24、及び、弁27は、本発明の燃料電池モジュールの運転時の環境に耐え得る性質を備え、かつ、セルの短絡を生じさせない材料により構成することができる。すなわち、ケース部材14が絶縁性樹脂や内表面に絶縁被覆が施された金属等によって構成される場合には、導電性材料(例えば、銅、銀、金、白金等の金属等)によって構成することができる一方、ケース部材14が金属等の導電性材料によって構成される場合には、表面に絶縁被覆が施された材料や絶縁性樹脂等によって構成することが好ましい。
本発明の燃料電池モジュール100に関する上記説明では、流入防止手段及び流出防止手段が備えられる形態を例示したが、第1実施形態にかかる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、少なくとも流入防止手段が備えられていれば良い。ただし、流出口9、9、…から水素流通部16bへと空気が流出することに起因する発電性能の低下を防止するとともに、水素と空気とが混合し難い形態とすることにより安全性を向上させやすい形態とする等の観点からは、流入防止手段及び流出防止手段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200に関する上記説明では、流入口8、8、…からの水素の流入を防止するとともに、流出口9、9、…からの空気の流出を防止する形態の防止手段24、24が備えられる形態を例示したが、第2実施形態にかかる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、少なくとも、流入口8、8、…からの水素の流入を防止する防止手段が備えら得ていれば良い。ただし、流出口9、9、…から水素流通部16bへと空気が流出することに起因する発電性能の低下を防止するとともに、水素と空気とが混合し難い形態とすることにより安全性を向上させやすい形態とする等の観点からは、内部集電体の長手方向両端側に防止手段が備えられる形態とすることが好ましい。
2.燃料電池スタック
図16は、本発明の燃料電池スタックの形態例を示す正面図であり、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16の直線矢印は、重力方向を示している。図17は、本発明の燃料電池スタックの形態例を示す平面図であり、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17の点線矢印は、空気の流れ方向を示している。図16及び図17において、図1〜図4と同様の構成を採る部位・部材には、図1〜図4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4、図16、及び、図17を参照しつつ、本発明の燃料電池スタックについて具体的に説明する。
図16及び図17に示すように、本発明の燃料電池スタック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」ということがある。)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16及び図17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、外部集電体6と通電している部材と、電極素子601とが接続されている。さらに、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16及び図17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、内部集電体5と通電している部材と、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17に示すように、燃料電池スタック1000は、外部ケース部材700を備え、当該外部ケース部材700に、図16で示した各部材が収容される。外部ケース部材700には、空気を透過可能な開口部701、701、…が備えられ、当該開口部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。
上述のように、燃料電池スタック1000に備えられる燃料電池モジュール100、100、…は、安全性を向上させる等の観点から異常状態にあるセル10に対する水素の供給を停止しても、電気エネルギーを取り出すことができる。そのため、当該燃料電池モジュール100を複数備える燃料電池スタック1000は、異常状態にあるセル10に対する水素の供給を停止しても、安全性を向上させつつ、電気エネルギーを取り出すことができる。
なお、本発明の燃料電池スタック1000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、本発明の燃料電池スタック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、本発明の燃料電池スタック1000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505が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池スタック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。
また、本発明の燃料電池スタック1000に関する上記説明では、燃料電池モジュール100、100、…が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池スタックは当該形態に限定されるものではない。上記形態のほか、燃料電池モジュール200、200、…、燃料電池モジュール300、300、…、又は、燃料電池モジュール301、301、…のみが備えられる形態や、燃料電池モジュール100、100、…と、燃料電池モジュール200、200、…と、燃料電池モジュール300、300、…と、燃料電池モジュール301、301、…とが備えられる形態等とすることも可能である。
燃料電池モジュール100の形態例を示す図である。 燃料電池モジュール100の形態例を示す図である。 燃料電池モジュール100の形態例を示す平面図である。 セル10の形態例を示す断面図である。 燃料電池モジュール200の形態例を示す図である。 燃料電池モジュール200の形態例を示す図である。 燃料電池モジュール200の形態例を示す図である。 燃料電池モジュール200の形態例を示す平面図である。 燃料電池モジュール300の形態例を示す図である。 燃料電池モジュール300の形態例を示す図である。 燃料電池モジュール300の形態例を示す平面図である。 セル10xの形態例を示す断面図である。 燃料電池モジュール301の形態例を示す図である。 燃料電池モジュール301の形態例を示す図である。 燃料電池モジュール301の形態例を示す平面図である。 燃料電池スタック1000の形態例を示す正面図である。 燃料電池スタック1000の形態例を示す平面図である。
符号の説明
1…電解質膜(中空形状のイオン伝導体)
2…アノード(中空形状の第1電極)
3…カソード(中空形状の第2電極)
4…MEA(中空形状の構造体)
5、5x…内部集電体(第1集電体)
6…外部集電体(第2集電体)
7…凹部
8…流入口
9…流出口
10、10x…セル(チューブ型燃料電池セル)
11…蓋部材
11a…第1蓋部材
11b…第2蓋部材
12…押圧手段
12a…第1押圧手段
12b…第2押圧手段
13…蓋受け部材
13a…第1蓋受け部材
13b…第2蓋受け部材
14…ケース部材
15…空気流通部
16…水素流通部
17…電圧計(検知手段)
18…制御装置
19…入力ポート
20…CPU(判断手段、作動手段)
21…ROM
22…RAM
23…出力ポート
24…防止手段
24a…第1蓋部材
24b…第2蓋部材
25…冷却管
26…冷媒流通部
26c…中空部
27…弁(防止手段)
100、200、300、301…燃料電池モジュール
501、502…冷媒用配管
503、504…水素用配管
505…マニホールド
506…エンドプレート
601、602…電極素子
700…外部ケース部材
701…開口部
1000…燃料電池スタック

Claims (15)

  1. 中空形状のイオン伝導体、前記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、前記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、前記第1電極の内周面側に配設される第1集電体と、前記第2電極の外周面側に配設される第2集電体と、前記第1集電体の表面を介して前記第1電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、複数の前記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、
    前記チューブ型燃料電池セルの異常時に、前記流入口からの前記流体の流入を防ぐ、流入防止手段が備えられることを特徴とする、燃料電池モジュール。
  2. 前記第1集電体の前記流入口側端面に前記第1集電体と一体に設けられた第1蓋部材、該第1蓋部材を前記第1集電体の長手方向中央へと押圧する第1押圧手段、及び、前記第1蓋部材の前記長手方向中央側端面と接触可能な端面を有する第1蓋受け部材が、前記流入防止手段に備えられ、
    前記第1蓋受け部材は、前記ケース部材に固定されるとともに前記第1集電体の前記流入口側端部を貫通させる開口部を有し、前記異常時に、前記第1蓋受け部材の前記端面と、前記第1蓋部材の前記長手方向中央側端面とが密着することにより、前記流入口からの前記流体の流入が防止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. さらに、前記チューブ型燃料電池セルの異常時に、前記流出口からの前記流体の流出を防ぐ、流出防止手段が備えら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. 前記第1集電体の前記流出口側端面に前記第1集電体と一体に設けられた第2蓋部材、該第2蓋部材を前記第1集電体の長手方向中央へと押圧する第2押圧手段、及び、前記第2蓋部材の前記長手方向中央側端面と接触可能な端面を有する第2蓋受け部材が、前記流出防止手段に備えられ、
    前記第2蓋受け部材は、前記ケース部材に固定されるとともに前記第1集電体の前記流出口側端部を貫通させる開口部を有し、前記異常時に、前記第2蓋受け部材の前記端面と、前記第2蓋部材の前記長手方向中央側端面とが密着することにより、前記流出口からの前記流体の流出が防止されることを特徴とする、請求項3に記載の燃料電池モジュール。
  5. 中空形状のイオン伝導体、前記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、前記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、前記第1電極の内周面側に配設される第1集電体と、前記第2電極の外周面側に配設される第2集電体と、前記第1集電体の表面を介して前記第1電極の内周面側へと供給される流体の流入口及び流出口と、を具備するチューブ型燃料電池セルと、複数の前記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、
    前記チューブ型燃料電池セルの状態を検知し得る検知手段と、
    前記検知手段によって検知された結果に基いて、前記チューブ型燃料電池セルの正常/異常を判断し得る判断手段と、
    少なくとも前記流入口からの前記流体の流入を防止し得る防止手段と、
    前記判断手段によって前記チューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、前記防止手段を作動させる作動手段と、
    を備えることを特徴とする、燃料電池モジュール。
  6. 前記防止手段に、少なくとも前記流入口を閉塞し得る第1蓋部材が備えられ、前記判断手段によって前記チューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、前記作動手段によって前記第1蓋部材が作動され、前記流入口が閉塞されることを特徴とする、請求項5に記載の燃料電池モジュール。
  7. 前記防止手段に、少なくとも前記流入口を閉塞し得る第1蓋部材、及び、前記流出口を閉塞し得る第2蓋部材が備えられ、前記判断手段によって前記チューブ型燃料電池セルが異常であると判断された場合に、前記作動手段によって前記第1蓋部材及び前記第2蓋部材が作動され、前記流入口及び前記流出口が閉塞されることを特徴とする、請求項5に記載の燃料電池モジュール。
  8. 前記防止手段に、弁が備えられることを特徴とする、請求項5〜7のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。
  9. さらに、前記チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する熱媒体管が備えられ、
    前記異常時に、弁によって、前記熱媒体管の流入口からの流体の流入が防止されることを特徴とする、請求項8に記載の燃料電池モジュール。
  10. さらに、前記異常時に、前記弁によって、前記熱媒体管の流出口からの前記流体の流出が防止されることを特徴とする、請求項9に記載の燃料電池モジュール。
  11. 複数の前記チューブ型燃料電池セルが、電気的に並列に接続されていることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。
  12. 前記異常が、前記流体の漏洩であることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。
  13. 前記漏洩が、前記チューブ型燃料電池セルの破損によって形成された開口部を介して生じていることを特徴とする、請求項12に記載の燃料電池モジュール。
  14. 前記流体が、反応ガス及び/又は熱媒体であることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか1項に記載の燃料電池モジュール。
  15. 電気的に直列に接続された複数の燃料電池モジュールを備え、
    前記燃料電池モジュールが、請求項1〜14のいずれか1項に記載の燃料電池モジュールであることを特徴とする、燃料電池スタック。
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