JP4945887B2 - セルモジュール及び固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、中空形状の固体高分子電解質膜を有するセルモジュール、及び当該セルモジュールを備える固体高分子電解質型燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、カルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子電解質膜を用いる燃料電池であり、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。

一般的な固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノードでは（１）式の反応が進行する。
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ …（１）
（１）式で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソードに到達する。そして、（１）式で生じたプロトンは、水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード側からカソード側に、電気浸透により移動する。
また、酸素を酸化剤とした場合、カソードでは（２）式の反応が進行する。
２Ｈ^＋ ＋ （１／２）Ｏ_２ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２Ｏ …（２）
カソードで生成した水は、主としてガス拡散層を通り、外部へと排出される。
このように、燃料電池は水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。

従来、固体高分子電解質型燃料電池としては主に、平面状の固体高分子電解質膜の一面にアノード及び他面にカソードとなる触媒層を設け、得られた平面状の膜−電極接合体の両側にさらにそれぞれガス拡散層を設け、最後に平面状のセパレータで挟みこむことによって作製される平型の単セルを、複数積層することで得られる燃料電池スタックを有するものが開発されてきた。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のために、固体高分子電解質膜としては非常に膜厚の薄いプロトン伝導性高分子膜が用いられている。この膜厚は１００μｍ以下のものが主流であり、さらなる出力密度向上のためにさらに薄い電解質膜を用いたとしても、単セルの厚みを現在のものより劇的に薄くすることはできない。同様に、触媒層、ガス拡散層及びセパレータ等についてもそれぞれ薄膜化が進んでいるが、それらすべての部材の薄膜化によっても、単位体積当たりの出力密度の向上には限界がある。
また、前記セパレータには、通常、腐食性に優れたシート状のカーボン材料を用いる。このカーボン材料自体も高価であるが、さらに、平面状の膜−電極接合体の面全体にほぼ均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるために、前記セパレータの面上には、通常、ガス流路となる溝を微細加工するので、セパレータは非常に高価になってしまい、燃料電池の製造原価を押し上げていた。
以上の問題の他にも、平型の単セルには、前記ガス流路から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れ出さないように積層された複数の単セルの周囲を確実にシールすることが技術的に難しいこと、平面状の膜−電極接合体のたわみや変形に起因して発電効率が低下してしまうことがあることなど、多くの問題がある。

近年、中空形状電解質膜の内面側と外面側にそれぞれ電極を設けたセルモジュールを基本的な発電単位とする固体高分子電解質型燃料電池が開発されている。（例えば、特許文献１〜４参照）。
通常このような中空形状のセルモジュールを有する燃料電池では、平型で使用されるセパレータに相当する部材は使用する必要がない。そして、その内面と外面とにそれぞれ異なった種類のガスを供給して発電するので、特別にガス流路を形成する必要もない。従って、その製造においては、製造コストの低減が見込まれる。さらに、セルモジュールが３次元形状であるので、平型の単セルに比べて体積に対する比表面積が大きくとれ、体積当たりの発電出力密度の向上が見込める。
上記のような中空形状を有するセルモジュールを備えた燃料電池においては、通常、中空内部に水素を含む燃料ガス又は空気などの酸化剤ガスが供給され、そのガスに対応してセルモジュール外部には空気などの酸化剤ガス又は水素を含む燃料ガスが供給される。多くの電解質膜はプロトン伝導性であり、上記式（１）に関連して説明したように、プロトンが水と水和した状態で、固体高分子電解質膜内をアノード（燃料極）側からカソード（酸化剤極）側に、電気浸透により移動する。従って、中空内部をアノードとしそこに水素を供給して発電すると、アノード及びアノード側の電解質膜では水分が不足し、発電が良好に行われなくなるおそれがあった。

特許文献１では、高分子電解質中空糸の一部に正極と負極を形成して発電部とした燃料電池において、同じ高分子電解質中空糸の該発電部とは別の位置を加湿部として設けた燃料電池が開示されている。この燃料電池では、発電部の高分子電解質中空糸の外面には酸化剤としての空気を供給し、加湿部の高分子電解質中空糸の外面には純水を供給し、高分子電解質中空糸の内面には燃料としての水素を供給する。そして、高分子電解質の純水のみを透過するという性質により高分子電解質中空糸の内面を通過する水素を加湿部で加湿し、加湿された水素が発電部に供給されることで中空糸内面の発電部（アノード）の乾燥を防ぐ。しかし、この技術では、高分子電解質中空糸の表面に電極として利用しない部分が存在するため、電極面積を制限する要因となる。

特開平９−２２３５０７号公報 特開２００２−１２４２７３号公報 特開２００２−１５８０１５号公報 特開２００２−２６０６８５号公報

本発明は、上記問題を考慮してなされたものであり、中空形状を有するセルモジュールを備えた燃料電池において、該セルモジュールの乾燥を効果的に防ぐための加湿機構を設けた燃料電池を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明に係る固体高分子電解質型燃料電池用セルモジュールは、中空の固体高分子電解質膜及び一対の電極を備え、該一対の電極のうち、該中空の固体高分子電解質膜の内面側に一方の電極が、該中空の固体高分子電解質膜の外面側にもう一方の電極が設けられたチューブ状のセルモジュール本体、並びに該セルモジュール本体の各電極にそれぞれ接触する集電材を有し、前記チューブ状のセルモジュール本体の中空部内に挿入され、該セルモジュール本体との間に隙間がある加湿管をさらに備え、前記加湿管の表面が、前記セルモジュール本体の中空部内空間に露出し、前記加湿管は中空部を有し、当該加湿管の壁部は水透過性の材料からなり、当該加湿管の中空部には水が供給され、前記加湿管外部、且つ、前記セルモジュール本体の中空部内に反応ガスが供給され、前記反応ガスの流れ方向の上流から下流に沿って、前記加湿管の前記壁部の水透過性が小さくなることを特徴としている。
このように、前記チューブ状のセルモジュール本体の中空部内に挿入され、該セルモジュール本体との間に隙間がある加湿管をさらに備え、前記加湿管の表面が、前記セルモジュール本体の中空部内空間に露出し、前記加湿管は中空部を有し、当該加湿管の壁部は水透過性の材料からなり、当該加湿管の中空部には水が供給されるので、当該水が加湿管外部に供給され、セルモジュールの内面側から電極及び固体高分子電解質膜を加湿できる。

本発明の一実施形態として、前記加湿管は両端開口のチューブ状で、前記加湿管の中空部の一端側から他端側に流通するように水が供給される構成とすることができる。
また、別の実施形態として、セルモジュールは、前記中空の固体高分子電解質膜の外面側に生成水を生成する電極が設けられた構成とすることができる。
上記の固体高分子電解質型燃料電池用セルモジュールを備えた固体高分子電解質型燃料電池は、加湿が充分にされるので、電極及び固体高分子電解質膜の乾燥による出力低下のおそれが少ない。

本発明に係る燃料電池用セルモジュール及び燃料電池によれば、水透過性中空体に供給された水が、中空電解質膜の中空部内へ供給されることで、セルモジュールの内面側から電極及び電解質膜を加湿する。従って、発電に伴う電極及び電解質膜の乾燥が発生しにくい。
このようなセルモジュールを有する燃料電池によれば、外気の湿度や発電時間の長短に関わらず、電解質膜の水分管理を適切に行うことができるので、安定した発電を行える。
特に、セルモジュールの中空電解質膜の外面側に生成水を生成する電極を設けた構成とした場合に加湿効果が大きく、また水分管理が容易である。

以下、本発明の燃料電池を、電解質膜としてプロトン伝導膜の一種であるフッ素系イオン交換樹脂膜を用いた場合を例に説明する。
まず、図１〜図３を用いて、本発明の燃料電池の一形態を説明する。なお、図１はセルモジュールの斜視図で、説明のために構成部材の一部を切断した状態を示している。図２はセルモジュールを５本集合させたセルモジュール集合体の斜視図で、説明のために図示手前側の側面板（５１）と正面板（５２）の一部を透明にして透かして見せている。図３はセルモジュールの接続形態の一例を示す概略説明図である。

図１に示すセルモジュール１０は、その両端が開口している中空形状、いわゆるチューブ形状であり、チューブ状の電解質膜（フッ素系イオン交換樹脂膜）１１、その内面側に設けられている第１の電極（この場合はアノード）１６、及び前記電解質膜外面側に設けられている第２の電極（この場合はカソード）１７とからなる本実施形態のセルモジュール本体である膜−電極接合体１８と、セルモジュール１０の中空部１９内に挿入されかつ前記第１の電極１６の内面側表面に密着して設けられている第１の集電体２１と、セルモジュール１０の外面側に密着して設けられている第２の集電体２２と、前記中空部１９内に挿入されている加湿管３１とから構成されている。

本実施形態のセルモジュール１０は、その形状が中空形状であるという特徴がある。特に本実施形態ではセルモジュール１０はチューブ状であるが、チューブ状に限られず、中空部を有し、当該中空部に反応ガスを流入させることで第１の電極に電気化学反応に必要な反応成分を供給することができるものであればよい。
セルモジュール１０が中空形状であることで、様々な利点が得られる。特に大きな利点はセパレータが不要であること、及び、発電に有効な電極面積が大きくとれることである。

また、本実施形態のフッ素系イオン交換樹脂膜１１も両端が開いたチューブ状である。チューブ状中空電解質膜１１の外径は特に制限されるものではないが、外径は０．０１〜１０ｍｍであることが好ましく、０．１〜１ｍｍであることがさらに好ましく、０．１〜０．５ｍｍであることが特に好ましい。チューブ状中空電解質膜１１の外径が０．０１ｍｍ未満のものは、現時点では技術的な問題で製造することが難しく、一方、その外径が１０ｍｍを越えるものでは、占有体積に対する表面積があまり大きくならないため、得られるセルモジュールの単位体積当たりの発電出力を向上させる効果が十分に得られない場合がある。
フッ素系イオン交換樹脂膜１１は、プロトン伝導性の向上の点からは薄い方が好ましいが、あまりに薄すぎるとガスを隔離する機能が低下し、非プロトン水素の透過量が増大してしまう。しかしながら、従来の平型の燃料電池用単セルを積層した燃料電池と比べると、本発明に係る中空形状のセルモジュール１０を多数集めることにより作製された燃料電池では発電に有効な電極面積が大きくとれるので、やや厚みのある膜を用いた場合でも充分な出力を示す。かかる観点から、フッ素系イオン交換樹脂膜１１の厚みは、一般的に１０〜１００μｍであり、より好ましくは５０〜６０μｍであり、さらに好ましくは５０〜５５μｍである。
また、上記の外径と膜厚の好ましい範囲から、内径の好ましい範囲は０．０１〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．１〜１ｍｍであり、さらに好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。

前記フッ素系イオン交換樹脂膜１１としては、一部又は全部の水素がフッ素で置換されたポリオレフィン骨格を有する重合体で、且つ、側鎖にプロトン交換基を有するものが好適である。好ましいプロトン交換基としては、スルホン酸基、ホスホン酸基、及び、リン酸基などが挙げられる。特に好ましいフッ素系イオン交換樹脂は、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンの重合体（パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー）である。パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーには、例えば米国デュポン社製ナフィオンや旭硝子社製フレミオン等のように市販されているものもある。
上記フッ素系イオン交換樹脂膜１１を形成する重合体の重量平均分子量は、耐久性の観点から、５０００以上であることが好ましい。

また、本実施形態では電解質膜１１として、プロトン伝導膜の一種である固体高分子電解質膜の一つであるフッ素系イオン交換樹脂膜１１を用いて説明しているが、本発明の燃料電池は、中空形状を有するセルモジュール１０を有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、パーフルオロカーボンスルホン酸膜ほど高いプロトン伝導性を有していない電解質膜を用いても、単位体積当たりの出力密度の高い燃料電池を得ることができる。従って、固体高分子電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸の他、固体高分子型燃料電池の電解質膜に用いられているような材料ならばそのほとんどを使用することができ、例えば、スルホン酸基を有するポリスチレン系陽イオン交換膜などのポリオレフィンのような炭化水素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、リン酸基等のプロトン交換基のうちから一種を有するもの、ポリベンズイミダゾール、ポリピリミジン、ポリベンゾオキサゾールなどの塩基性高分子に強酸をドープした塩基性高分子と強酸との複合体からなる固体ポリマー電解質膜などが挙げられる。

また、プロトン伝導性の電解質膜としては、上記したような固体高分子電解質膜に限られず、リン酸水溶液を多孔質の電解質板に含浸させたものや、ハイドロゲル化したリン酸塩ガラス、ナノ細孔を有する多孔質硝子の表面及び細孔内にプロトン伝導性官能基を導入した有機−無機ハイブリットプロトン伝導膜、無機金属繊維強化電解質ポリマー膜等を用いることができる。

電解質膜（フッ素系イオン交換樹脂膜１１）の内面及び外面に設けられる各電極１６，１７は、一般的な固体高分子型燃料電池に用いられているような電極材料を用いて形成することができる。通常は、電解質膜側から順に触媒層１２，１３とガス拡散層１４，１５とを積層して構成された電極が用いられる。

触媒層１２，１３は触媒粒を含み、触媒粒の利用効率を高めるためのプロトン伝導性物質を含んでいてもよく、プロトン伝導性物質としては上記電解質膜の材料として用いられるものを用いることができる。触媒粒としては、触媒成分を炭素質粒子、炭素質繊維のような炭素材料等の導電性材料に担持させた触媒粒が好適に用いられる。本発明の燃料電池は、中空形状を有するセルモジュールを有するため、平型のセルを有する燃料電池と比べて単位体積当たりの電極面積を大きくとることができることから、白金ほど触媒作用が大きくない触媒成分を用いても、単位体積当たりの出力密度が高い燃料電池を得ることができる。触媒成分としては、アノードにおける水素の酸化反応、カソードにおける酸素の還元反応に対して触媒作用を有するものであれば特に限定されず、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスニウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、又はそれらの合金から選択することができる。好ましくは、Ｐｔ、及びＰｔと例えばＲｕなど他の金属とからなる合金である。

ガス拡散層１４，１５としては、炭素質粒子及び／又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする導電性材料、又は耐蝕性にすぐれたニッケル、ステンレスなどの多孔質金属材料を用いることができる。好ましくは炭素質粒子及び／又は炭素質繊維等の炭素材料を主成分とする導電性材料である。炭素質粒子の大きさ及び炭素質繊維の太さや長さは、ガス拡散層１４，１５を製造する際の溶液中における分散性や得られるガス拡散層１４，１５の排水性等を考慮して適宜最適なものを選択すればよい。ガス拡散層は、生成水など水分の排水性を高める点から、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカーボンアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマー、又はこれらの混合物等を含浸させたり、或いはこれらの物質を用いて撥水層を形成するなどして撥水加工することが好ましい。
なお、電解質膜１１の内面及び外面に設けられる各電極１６，１７の構成、及び各電極１６（１２，１４）、１７（１３，１５）に用いられる材料等は、同じであってもよく、また、異なっていてもよい。

集電体は電極で発生した電荷を外部回路へ取り出すための導電体であって、本実施形態ではガス拡散層１４，１５に接着されて設けられている導線２１，２２である。集電体２１，２２の形態、材料は特に限定されない。集電体２１，２２の材料としては、ステンレス等の金属の線材又は箔を例示することができ、接着方法としては、カーボン系の導電性接着材、Ａｇペースト等により電極上に接着することができる。

次に、水を供給可能な中空部を有する水透過性中空体である、加湿管３１について説明する。
本実施例のセルモジュール１０の中空内部１９に設けられる加湿管３１は、図１から分かるように中空形状の管であって、水透過性の材料から形成されているもの（水透過性中空体）である。加湿管３１の中空部３９には、図示しない水循環手段によって、水が流通され、その水が水透過性の材料からなる加湿管３１の壁部３２を通って加湿管外部に到達し、その周囲のセルモジュール１０の中空部内１９に供給される反応ガスを加湿する。

前記水透過性の材料としては、各種の多孔質体、水透過性を有する樹脂などが挙げられる。多孔質体としては、多孔質ガラス、多孔質セラミック、多孔質金属、多孔質カーボン、多孔質樹脂などが挙げられ、また水透過性樹脂としては、ナフィオンなどのパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー、ＰＴＦＥなどが挙げられる。これらの水透過性材料のうちで、好ましい材料は、ＰＴＦＥ、ＰＶＰＦなどであり、特にＰＴＦＥ、ナイロンが好ましい。
加湿管３１の外径は、前記膜−電極接合体１８の中空部１９の内径よりも小さい。好ましくは、加湿管３１の外径はセルモジュール本体（ここでは膜−電極接合体１８）の中空部１９の内径より、少なくとも１ｍｍ、好ましくは少なくとも１．５ｍｍ小さいものを使用する。あるいは、加湿管３１の外径はセルモジュール本体１８の中空部１９の内径の５０％以下、好ましくは６０％以下であるものを使用する。）このように膜−電極接合体１８の内径より、外径が小さい加湿管３１を用いることにより、膜−電極接合体１８と加湿管３１との間に隙間が生じ、そこに反応ガスを流通させることができる。
この加湿管３１の水透過性は、例えば加湿管３１の壁部３２の厚さを調整することによって制御しても良いし、多孔質材料の場合は空孔率や平均孔径を調整してもよい。また、水透過性樹脂を用いる場合は、例えば、樹脂内の親水性官能基と疎水性官能基の含有割合を調整することで、水透過性を制御してもよい。

また、加湿管外部、すなわち膜−電極接合体１８の中空部１９内に流通させる反応ガスの流れ方向に沿って、加湿管３１の壁部３２の水透過性に傾斜を設けてもよい。反応ガスの流れの上流から下流に沿って、加湿管壁部３２の水透過性が小さくなるようにすることにより、上流で加湿された反応ガスがその下流で過度に加湿されるのを防ぐことができる。このように、加湿管壁部３２の透過性に傾斜を付ける方法としては、例えば、反応ガスの上流から下流方向に向けて、加湿管壁部３２の空孔率を小さくしたり、平均孔径を小さくしたりすることが挙げられる。また、加湿管壁部３２の厚みを反応ガスの上流から下流方向に向けて徐々に厚くしたり、壁部３２の厚みは変えずに加湿管３１の外径を徐々に小さくしたりすることも効果的である。

なお、本実施形態では、水透過性中空体としてチューブ状の加湿管３１を用いた例を示したが、チューブ状に限られず、中空体であってその内部に水が供給可能な形状であればよい。また、本実施形態では加湿管３１の両端が開口しているが、片方のみが開口しているものでもよい。その場合、水は片方に設けられた水透過性中空体の開口部から供給され、該水透過性中空体の壁部を透過してその外部に出て行き、その周囲の反応性ガスを加湿したり、近傍の膜−電極接合体に直接水を供給することで、該膜−電極接合体の湿潤を保つようにすることができる。
また、本発明の燃料電池に用いられる中空形状を有するセルモジュール１０は、上記にて例示した構成に限られず、セルモジュール１０の機能を高めることを目的として触媒層１２，１３及びガス拡散層１４，１５以外の層を設けても良い。

次にセルモジュール１０の作製方法について説明する。ただし、加湿管３１は中空形状のセルモジュール１０の中空部１９内に挿入するだけなので、その説明については省略する。
まず、チューブ状の電解質膜１１の内面及び外面に一対の電極を設けた膜−電極接合体１８を作製するが、その製造方法としては、特に限定されるものではない。例えば、まず、チューブ状の電解質膜を準備し、当該電解質膜の内面及び外面に、電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して触媒層を形成し、当該二つの触媒層上に炭素質粒子及び／又は炭素質繊維を含む溶液を塗布・乾燥してガス拡散層を形成する方法が挙げられる。
或いは、まず、炭素質粒子及び／又は炭素質繊維等の炭素材料を含み、チューブ状に形成されたもの（チューブ状炭素質）を第１の電極（アノード）のガス拡散層として用い、当該ガス拡散層の外面に電解質及び触媒粒を含む溶液を塗布・乾燥して触媒層を形成して第１の電極を作製し、次に、当該触媒層の外面に電解質を含む溶液を塗布・乾燥して電解質膜層、さらに当該電解質膜層の外面に第２の電極（カソード）の触媒層を形成し、当該触媒層の外面に炭素材料を含む溶液を塗布・乾燥してガス拡散層を形成する方法も挙げられる。

チューブ状の電解質膜を形成する方法としては特に限定されず、市販品のチューブ状に形成された電解質膜を用いることもできる。また、チューブ状炭素質は、例えば、炭素質粒子等の炭素材料とエポキシ及び／又はフェノール系樹脂を溶媒に分散させてチューブ状に成形し、熱硬化後、焼成することにより得られる。
尚、上記したセルモジュールの製造方法において、電解質膜、触媒層、ガス拡散層を形成する際に使用する溶媒は、分散及び／又は溶解する材料に応じて適宜選択すればよく、また、各層を形成する際の塗布方法についても、スプレー法、刷毛塗り法等種々の方法から適宜選択することができる。
そして、集電体２１，２２は、上述したように、例えば、カーボン系の導電性接着材、Ａｇペースト等により電極上に接着する。

上記のようにして作製され、構成される個々のセルモジュール１０は、図２に示すように、適当な本数ごとにケーシング５０に配置され、セルモジュール集合体１００とされる。本実施形態では、５本のセルモジュール１０が一つのケーシング５０に固定されている。以下に詳しく説明するように、個々のセルモジュール１０は、その第２の電極１７の外側がケーシング５０の内側板５４，６４によって支持され、加湿管３１がケーシングの側面板５１，６１によって支持されることで固定されている。
このケーシング５０は、一対の側面板５１，６１と、一対の正面板５２，６２、及び一対の平面板５３，６３でその外形が形成され、全体としては直方体形状をしている。また、ケーシング５０の内部には一対の内側板５４，６４が設けられている。このケーシング５０を構成する全ての板は絶縁体からなっている。

前記側面板５１，６１は、所定間隔を空けて設けられた５箇所の小径孔である加湿管支持孔５５，６５と、端部に設けられたより大径孔である燃料ガス流通口５６，６６を備えている。前記加湿管支持孔５５，６５は前記セルモジュール１０の加湿管３１を支持するための穴であり、その直径は加湿管３１の外径とほぼ等しくなっている。また、前記燃料ガス流通口５６，６６は図示しない燃料ガス供給手段から供給されかつ排出される燃料ガスの供給口又は排出口である。
前記内側板５４、６４は、前記側面板５１，６１と同じ大きさの板からなり、且つ、セルモジュール１０の外面側を支持する５個の穴であるセルモジュール支持孔５７，６７を有するものである。セルモジュール支持孔５７，６７の直径は前記セルモジュール１０の外径とほぼ同じである。そして、内側板５４，６４は、ケーシング５０の側面板５１，６１から所定間隔を空けて、該側面板５１，６１と平行に配設されている。

このように、図２のセルモジュール集合体１００では、ケーシング５０の穴にセルモジュール１０が通されて固定されている。
さらに、ケーシング５０の平面板５３，６３の面上であって、前記一対の内側板５４，６４の接合部に挟まれた領域、すなわち比較的中央の部分には、セルモジュール１０の外面側に反応ガス（ここでは空気）を流通させるための酸化剤ガス流通口５８，６８が設けられている。

図示はしないが、個々のセルモジュール１０の集電体２１，２２は並列に接続されて一端に集められ、セルモジュール集合体１００の外部端子とされる。
図３は、以上のようにして作製したセルモジュール集合体１００をさらに集合させて、燃料電池２００とした状態を説明する図である。実際に燃料電池２００として使用する時には、適当な数のセルモジュール集合体１００を並列につなぎ、さらにその集合させたセルモジュール集合体１００をさらに適当な数集めて直列につなぐことで、高い出力電圧の電池２００とすることができる。

次に、本実施形態のセルモジュール１０の発電時の加湿機構について説明する。
図２のようにケーシング５０に固定されたセルモジュール１０には、上記酸化剤ガス流通口５８から酸化剤ガス（ここでは空気）がセルモジュール外面側に供給され、上記燃料ガス流通口５６から燃料ガス（ここでは水素ガス）がセルモジュール１０の中空部１９の一端に供給される。また、前記加湿管３１の中空部３９内には水が流通される。
前記水素ガスは、セルモジュール中空部１９の一端から供給され、前記加湿管３１の外壁に沿って流通し、他端から排出される。前記加湿管３１は水透過性物質であるので、加湿管中空部３９を流れる水がその壁部３２を通って加湿管外部、すなわちセルモジュール中空部１９に達し、気化して、又は液体状態のまま、セルモジュール中空部に放出される。
本実施形態のセルモジュール１０においては、このようにしてセルモジュール１０を中空部１９の内面側から加湿することができるので、水素ガスを加湿し、膜−電極接合体１８の湿潤を保つことができる。

実施形態で示したように、本発明によれば、セルモジュール内面側に電極反応によって水を生成しない電極が設けられている場合でも、そのセルモジュール内面側からセルモジュールを十分に加湿するか又は水で濡らすことができるので、セルモジュールの乾燥を防ぐことができる。
本発明ではこのように、狭い空間であるセルモジュールの中空部内に水分を供給するので、加湿量又は水供給量が外部の雰囲気に作用されず、よって安定して一定量の加湿又は水の供給を行える。これに対してセルモジュール外面側から加湿を行うと、加湿すべき空間がより広くかつ開放的であるので、一定の加湿を行うことが難しくなる。

本実施形態では、セルモジュールの中空内部に燃料ガス又は酸化剤ガスのいずれを供給する構成としてもよいが、水分管理の点からはセルモジュール内面側に水を生成しない電極を設け、セルモジュール外面側に水を生成する電極を設けた時に、セルモジュールの内面側からセルモジュールを加湿する効果が大きい。一般的な固体高分子電解質型燃料電池では、アノード（燃料極）が水を生成しない電極であるので、固体高分子電解質型燃料電池に本発明を適用する場合、本実施形態のように、セルモジュール内面側をアノードとし、そこに水素などの燃料ガスを供給することが好ましく、この場合には、燃料ガスを中空部内に供給することからガスシール性の点でも都合がよい。
また、本発明に係るセルモジュールとしては、一端が閉じている中空形状の電解質を有する中空セルモジュールを用いてもよい。この場合、セルモジュールの中空内部の一端が閉じているため、その中空内部に導入する反応ガスはチューブ内で消費しきることが好ましい。一般的に酸化剤ガスとして使用される空気は、全容量の１／３以下しか酸素を含んでおらず、電極反応で酸素を全て消費した場合でも、後には窒素を主成分とする非反応性ガスが残される。このような観点から、中空内部に導入する反応ガス又は反応液体を燃料ガスとし、外部側に空気などの酸化剤ガスを供給することが好ましい。

本発明に係るセルモジュールの斜視図。 本発明に係るセルモジュール集合体の斜視図。 セルモジュール集合体の接続形態の一例を示す概略説明図。

符号の説明

１０…セルモジュール
１１…電解質膜（フッ素系イオン交換樹脂膜）
１２…第１の触媒層
１３…第２の触媒層
１４…第１の拡散層
１５…第２の拡散層
１６…第１の電極（アノード）
１７…第２の電極（カソード）
１８…膜−電極接合体（セルモジュール本体）
１９…中空部、中空内部（セルモジュールの中空部、膜−電極接合体の中空部）
２１…導線（集電体）
２２…導線（集電体）
３１…加湿管
３２…壁部
３９…中空部（加湿管の中空部）
５０…ケーシング
５１，６１…側面板
５２，６２…正面板
５３，６３…平面板
５４，６４…内側板
５５，６５…加湿管支持孔
５６，６６…燃料ガス流通口
５７，６７…セルモジュール支持孔
５８，６８…酸化剤ガス流通口
１００…セルモジュール集合体
１１１，１１２，１１３…導線
２００…燃料電池

Claims (4)

1. 中空の固体高分子電解質膜及び一対の電極を備え、該一対の電極のうち、該中空の固体高分子電解質膜の内面側に一方の電極が、該中空の固体高分子電解質膜の外面側にもう一方の電極が設けられたチューブ状のセルモジュール本体、並びに該セルモジュール本体の各電極にそれぞれ接触する集電材を有し、
   前記チューブ状のセルモジュール本体の中空部内に挿入され、該セルモジュール本体との間に隙間がある加湿管をさらに備え、
   前記加湿管の表面が、前記セルモジュール本体の中空部内空間に露出し、
   前記加湿管は中空部を有し、当該加湿管の壁部は水透過性の材料からなり、当該加湿管の中空部には水が供給され、
   前記加湿管外部、且つ、前記セルモジュール本体の中空部内に反応ガスが供給され、
   前記反応ガスの流れ方向の上流から下流に沿って、前記加湿管の前記壁部の水透過性が小さくなることを特徴とする、固体高分子電解質型燃料電池用セルモジュール。
2. 前記加湿管は両端開口のチューブ状で、前記加湿管の中空部の一端側から他端側に流通するように水が供給される、請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料電池用セルモジュール。
3. 前記中空の固体高分子電解質膜の外面側に生成水を生成する電極が設けられた、請求項１又は２に記載の固体高分子電解質型燃料電池用セルモジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固体高分子電解質型燃料電池用セルモジュールを備えた固体高分子電解質型燃料電池。

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