WO2008001814A1

WO2008001814A1 - Pile à combustible tubulaire et son procédé de fabrication

Info

Publication number: WO2008001814A1
Application number: PCT/JP2007/062920
Authority: WO
Inventors: Yukihisa Katayama
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2008-01-03
Also published as: CA2653701A1; EP2040324A4; EP2040324A1; US20100015492A1; CN101479870A; JP2008010187A

Description

明細書

筒形燃料電池およびその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は筒形燃料電池およびその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 従来、特許文献 1には、ジルコユア系の固体電解質膜と、ジルコユア系の固体電解質膜の厚み方向の片側に配置されたセラミックス系の燃料側電極と、固体電解質膜の厚み方向の他の片側に配置されたセラミックス系の酸化剤側電極と、固体電解質膜と酸化剤側電極との間にセリアおよびサマリウム系の中間層とをもつ燃料電池セルが開示されている。このものによれば、先ず、押し出し成形法により長手方向にのびる導電性支持基板成形体を形成する。その後、その導電性支持基板に燃料側電極用のスラリを塗布、乾燥して燃料側電極を積層する。そして燃料側電極にセラミックス製の固体電解質膜を積層させる。この状態の導電性支持基板を 1000°C付近で仮焼し、積層仮焼体を形成する。その後、セリアおよびサマリウム系の中間層原料粉末を含むスラリを積層仮焼体の固体電解質膜に塗布し、中間層をもつ中間成形体を形成する。その後、酸素側電極を中間積層体の中間層に積層させる。ここで、中間層は、焼成時における固体電解質膜のクラック生成を抑制する機能をもつ。

[0003] この燃料電池セルは長手方向に延びる筒形をなして、る。そして、燃料側電極および固体電解質膜の一端部は断面で C形状をなし、他端部は断面で逆 C形状をなしている形状とされている。

特許文献 1 :特開 2005— 100816号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 上記した燃料電池セルは長手方向にのびる筒形をなしており、発電性能を確保しつつ、横断面サイズの小型化を図るのに有利である。し力しながら上記した特許文献に係る燃料電池セルでは、燃料側電極および中間層等は、スラリーを塗布、乾燥させる操作に基づいて形成されており、膜電極接合体を曲成させる操作により、断面で c形状および断面で逆 c形状に積極的に曲成されたものではない。

[0005] 本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、曲成により筒形に形成され、且つ、横断面サイズひいては体積の小型化を図るのに有利となる筒形燃料電池およびその製造方法を提供するにある。

課題を解決するための手段

[0006] 様相 1に係る本発明に係る筒形燃料電池は、 ( イオン伝導性をもつイオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ筒形の膜電極接合体と、 (ii) 膜電極接合体に配設された集電体とを具備する筒形燃料電池において、

(iii)筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面にお!、て、膜電極接合体は、折り返し方向に曲成された形状をもつことを特徴とする。

膜電極接合体は、折り返し方向に曲成された形状をもつ。このため筒形燃料電池が容易に形成される。筒形燃料電池は、発電能力を確保しつつ、横断面サイズひいては体積の小型化を図るのに有利となる。

[0007] 様相 2に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、膜電極接合体の一端部は断面 C形状に曲成され、膜電極接合体の他端部は断面逆 C形状に曲成されている。この場合、筒形燃料電池が良好に形成される。 C形状および逆 C形状とは、筒形燃料電池の長手方向に延びる軸芯の周りに沿って膜電極接合体が 1周するように完全に連続的に延設されて、るのではなく、筒形燃料電池の長手方向に延びる軸芯の周りに沿って膜電極接合体が連続的に延設されつつも、一部に切欠をもつ形状であるという意味である。 C形状は疑似 C形状を含む。逆 C形状は疑似逆 C 形状を含む。疑似 C形状および疑似逆 C形状は、 Vの字を横に寝力せた形状、 Uの字を横に寝かせた形状、 S形状および疑似 S形状を含む。これらに限定されるものではない。

[0008] 様相 3に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、膜電極接合体の長手方向に対して交差する方向に沿った断面にぉ、て、 (i)膜電極接合体のイオン伝導膜の一端部は、燃料側電極の一端部、および、酸化剤側電極の一端部よりも突出しており、集電体に接合されており、且つ、（ii)膜電極接合体のイオン伝導膜の他端部は、燃料側電極の他端部、および、酸化剤側電極の他端部よりも突出しており、集電体に接合されている。この場合、膜電極接合体の端部が折り返し方向に曲成された形状に良好に維持され、筒形燃料電池が良好に形成される。

[0009] 様相 4に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相におヽて、膜電極接合体に巻き付けることにより、膜電極接合体の端部と集電体との一体性を高める卷付要素を備えている。この場合、膜電極接合体の端部と集電体との一体性が更に高まる。卷付要素は、高い電気絶縁性をもつことが好ましい。卷付要素としては紐状。口ープ状が例示される。

[0010] 様相 5に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、集電体は、卷付要素を収容する凹状または凸状の収容部を備えている。この場合、卷付要素が収容されるため、卷付要素が集電および積層化の邪魔になることが抑制される。

[0011] 様相 6に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、集電体は、筒形燃料電池の長手方向に沿って延設された形状である。この場合、長手方向に沿って延設された筒形燃料電池が形成され易ヽ。

[0012] 様相 7に係る本発明に係る筒形燃料電池によれば、上記様相において、膜電極接合体の端部を集電体と共に挟持する挟持要素が、膜電極接合体の端部を挟む位置に設けられている。この場合、膜電極接合体の端部が集電体に良好に固定される。

[0013] 様相 8に係る本発明に係る筒形燃料電池の製造方法は、上記した様相に係る筒形燃料電池を製造する方法であり、 ( 平シート状をなすイオン伝導性をもつイオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ平シート状をなす膜電極接合体と、膜電極接合体に配設される集電体とを用意する準備工程と、（ii)筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面にぉ、て、平シート状をなす膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる曲成操作を実行し、曲成部分を集電体に固定する固定工程とを含むことを特徴とする。この場合、膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成した形状に設定できる。このため筒形燃料電池の横断面サイズひいては体積の小型化を図るのに有利となる。

[0014] 様相 9に係る本発明に係る筒形燃料電池の製造方法によれば、上記様相において、曲成操作は、互いに対向する第 1曲成型面および第 2曲成型面をもっと共に筒形燃料電池の長手方向に延設された矯正キヤビティを備える矯正要素を用意する工程と、矯正前の膜電極接合体を矯正要素の矯正キヤビティに前記長手方向に沿って矯正要素に対して相対移動させることにより、膜電極接合体の端部を第 1型面および第 2型面により矯正することにより、折り返し方向に曲成させる工程とを含む。この場合、膜電極接合体の端部を折り返し方向に延設した形状に設定できる。このため筒形燃料電池の横断面サイズひいては体積の小型化を図るのに有利となる。

[0015] 様相 10に係る本発明に係る筒形燃料電池の製造方法によれば、上記様相において、曲成操作は、筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体の外側に曲成用治具を配置する工程と、曲成用治具を膜電極接合体に接近させることにより、膜電極接合体の端部を曲成用治具により折り返し方向に曲成させる工程とを含む。この場合、膜電極接合体の端部を折り返し方向に延設した形状に設定できる。このため筒形燃料電池の横断面サイズひ、ては体積の小型化を図るのに有利となる。

[0016] 様相 11に係る本発明に係る筒形燃料電池の製造方法によれば、上記様相におヽて、曲成操作は、筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体の外側に転動体を配置する工程と、転動体を膜電極接合体に接近させつつ膜電極接合体に沿わせることにより、膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる工程とを含む。この場合、膜電極接合体の端部を折り返し方向に延設した形状に設定できる。このため筒形燃料電池の横断面サイズひヽては体積の小型化を図るのに有利となる。

発明の効果

[0017] 本発明によれば、曲成により膜電極接合体が筒形に成形されるため、横断面サイズひ、ては体積の小型化を図るのに有利となる筒形燃料電池が得られる。このような筒形燃料電池は、平板形状の燃料電池に比較して、発電能力を確保しつつ横断面サイズの小型化を図るのに有利となる。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]横断方向に沿って切断した切断端面をもつ筒形燃料電池の斜視図である。 [図 2(A)]は筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

[図 2(B)]は別の筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

[図 2(C)]は他の筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

圆 3]イオン伝導膜の断面図である。

圆 4]他のイオン伝導膜の断面図である。

圆 5]製造過程を示し、平シート状のイオン伝導膜の断面図である。

圆 6]製造過程を示し、平シート状の膜電極接合体の断面図である。

[図 7]製造過程を示し、平シート状の膜電極接合体に第 1集電体を載せた状態の断面図である。

[図 8]製造過程を示し、平シート状の膜電極接合体に第 1集電体および第 2集電体を載せた状態の断面図である。

圆 9]製造過程を示し、平シート状の膜電極接合体の端部を曲成した状態の断面図である。

圆 10]製造過程を示し、曲成された膜電極接合体の端部に高工ネルギ密度ビームを照射して、る状態の断面図である。

[図 11]製造過程を示し、曲成された膜電極接合体を卷付要素で縛る状態の断面図である。

[図 12]平シート状の膜電極接合体を曲成する過程の一例を示す斜視図である。

[図 13]平シート状の膜電極接合体を曲成する過程の他の例を示す断面図である。

[図 14]平シート状の膜電極接合体を曲成する過程の別の例を示す斜視図である。圆 15]平シート状の膜電極接合体を曲成する過程の更に他の例を示す断面図である。

圆 16]実施例 2を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

圆 17]実施例 3を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

[図 18]実施例 4を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

[図 19]実施例 5を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

[図 20]実施例 6を示し、複数の筒形燃料電池を積層している状態を示す断面図である。

[図 21]実施例 7を示し、複数の筒形燃料電池を積層していると共に横断方向に沿つて並設して!/ヽる状態を示す断面図である。

[図 22]実施例 8を示し、積層している複数の筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

[図 23]実施例 9を示し、積層している複数の筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

[図 24]実施例 10を示し、筒形燃料電池を横断方向に沿って切断した切断端面を示す断面図である。

[図 25]実施例 11を示し、横断方向に沿って切断した切断端面をもつ筒形燃料電池の斜視図である。

[図 26]実施例 12を示し、横断方向に沿って切断した筒形燃料電池の切断端面を示す断面図である。

[図 27]実施例 13を示し、横断方向に沿って切断した曲成前の筒形燃料電池の断面図である。

[図 28]実施例 14を示し、横断方向に沿って切断した曲成前の膜電極接合体の断面図である。

[図 29]実施例 15を示し、第 1集電体の部分斜視図である。

[図 30]実施例 16を示し、横断方向に沿って切断した曲成前の筒形燃料電池の断面図である。

符号の説明

1は筒形燃料電池、 2は膜電極接合体、 20は膜電極接合体の端部、 230は挟持要素、 3はイオン伝導膜、 4は燃料側電極、 41は燃料側触媒層、 42は燃料側透過層、 5は酸化剤側電極、 51は酸化剤側触媒層、 52は酸化剤側透過層、 6は集電体、 61 は第 1集電体、冷媒通過路 61h、 62は第 2集電体、 68は卷付要素、 69は収容部、 7 は矯正型 (矯正要素）、 8は曲成用治具を示す。

発明を実施するための最良の形態

[0020] 本発明に係る筒形燃料電池は、筒形に曲成された膜電極接合体と、膜電極接合体に配設された集電体とをもつ。筒形とは、断面偏平に近い筒形、断面真円に近い筒形、断面長円に近い筒形を含む。

[0021] 筒形に曲成された膜電極接合体は、イオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ。集電体は、集電機能をもつものであれば、材質および構造を問わず、カーボン系または金属系が例示される。金属系は耐食性が良いものが好ましぐステンレス鋼等の合金系、チタン系、アルミニウム系が例示される。燃料側電極は燃料が供給される側の電極である。酸化剤側電極は酸化剤流体が供給される側の電極である。燃料としては気体燃料 (例えば水素ガス、水素含有ガス）、液体燃料 (例えばメタノール、エタノール、ジメチルエーテル）、固体燃料 (例えば水素化ボロン等の水素化合物）が例示される。酸化剤としては空気等の酸素含有ガス、酸素ガスが例示される。

[0022] 筒形燃料電池 (膜電極接合体)の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、膜電極接合体の一端部および他端部のうちの少なくとも一方は、折り返し方向に曲成された形状をもつことが好まし、。

[0023] イオン伝導膜としては、固体高分子材料を基材として形成されてヽる形態が例示されるが、無機材料および高分子材料を複合ィ匕または混在させている材料でも良い。固体高分子材料としては、炭化フッ素系（例えばパーフルォロスルホン酸膜)、炭化水素系が例示される。ここで、イオン伝導膜は、固体高分子材料を基材として形成されており、補強要素を備えている形態が例示される。補強要素として繊維でも良いし、多孔質性をもつ高分子材料でも良い。イオン伝導膜は、イオン伝導性が高い第 1部分と補強性をもつ第 2部分とを併有する複合膜である形態が例示される。集電体としては、膜電極接合体の端部を接合する接合部を備えて!/、ることが好ま、。

[0024] 接合部は粗面化されていても良い。膜電極接合体を巻き付けることにより、膜電極接合体の端部と集電体との一体性を高める卷付要素を備えている形態が例示される。卷付要素については、紐、糸、ロープなどの可撓性をもつ部材、伸縮性をもつ輪状の部材が例示される。卷付要素の材質としては、榭脂系、カーボン系、セラミックス系、金属系が例示されるが、集電体による集電性に影響を与えないように電気絶縁性が高、ものが好まし、。特にガラス転移点が高、ものが好まし!/、。

[0025] 集電体については、卷付要素を収容する凹状または凸状の収容部を備えている形態が例示される。この場合、卷付要素が収容され、集電性を邪魔することが抑制される。燃料側電極は燃料側触媒層と燃料側透過層を備えており、酸化剤側電極は酸ィ匕剤側触媒層と酸化剤側透過層とを備えている形態が例示される。上記した触媒層は一般的には設けられているが、高温型の燃料電池の場合には、設けられていないこともある。燃料側透過層および酸化剤側透過層については、多孔性および導電性を有するものが好ましぐカーボン系、金属系、金属とセラミックスとの混合物系が例示される。集電体は冷媒通路を有していても良い。

[0026] 集電体としては、燃料側電極または酸化剤側電極に電気的に接触する第 1集電体と、第 1集電体に電気的に接触する第 2集電体とを備えている形態が例示される。第 1集電体と第 2集電体とが組み合わされているため、集電経路が確保され易い。第 1 集電体または第 2集電体については、筒形燃料電池の長手方向に沿って延設された形状 (例えば棒状部材またはワイヤ部材)をもつ形態が例示される。膜電極接合体の端部を集電体と共に挟持する挟持要素が、膜電極接合体の端部を挟む位置に設けられている形態が例示される。挟持要素の材質は問わず、カーボン系、金属系、榭脂系が例示される。

[0027] 本発明に係る筒形燃料電池の製造方法によれば、 (i)平シート状をなすイオン伝導膜と、イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ平シート状をなす膜電極接合体と、膜電極接合体に配設される集電体とを用意する準備工程を実施し、 (ii) 筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面にぉ、て、平シート状をなす膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる曲成操作を実行し、曲成部分を集電体に固定する固定工程を実施する。この場合、長手方向に延びる筒形の燃料電池を良好に形成することができる。

[0028] また、一例に係る上記した曲成操作は、（a)互いに対向する第 1曲成型面および第 2曲成型面をもっと共に筒形燃料電池の長手方向に延設された矯正キヤビティを備える矯正要素を用意する工程と、（b)矯正前の膜電極接合体を矯正要素の矯正キヤビティに前記長手方向に沿って矯正要素に対して相対移動させることにより、膜電極接合体の端部を第 1型面および第 2型面により矯正することにより、折り返し方向に曲成させ、曲成部分を集電体に固定する工程とを含むことができる。この場合、膜電極接合体の端部を良好に曲成できる。

[0029] また他例に係る上記した曲成操作は、筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面にぉ、て、 (a)膜電極接合体の外側に曲成用治具を配置するェ程と、 (b)曲成用治具を膜電極接合体に接近させることにより、膜電極接合体の端部を曲成用治具により折り返し方向に曲成させ、曲成部分を集電体に固定する工程とを含むことができる。この場合、膜電極接合体の端部を良好に曲成できる。

[0030] また別例に係る上記した曲成操作は、筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面にぉヽて、 (a)膜電極接合体の外側に転動体を配置する工程と、 (b)転動体を膜電極接合体に接近させつつ膜電極接合体に沿わせることにより、膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させ、曲成部分を集電体に固定する工程とを含むことができる。この場合、膜電極接合体の端部を良好に曲成できる。転動体としては円筒ロールおよび球体が例示される。

[0031] 上記固定工程については、膜電極接合体および集電体のうちの少なくとも一部に塗布された接着剤を介して、あるいは、膜電極接合体の少なくとも一部の溶着、あるいは、膜電極接合体の少なくとも一部の融着により行われる形態が例示される。固定工程は、膜電極接合体のイオン伝導膜の端部を集電体に接合することにより行われる形態が例示される。上記した接合については、膜電極接合体と集電体との接合部分に高工ネルギ密度ビーム、紫外線、赤外線または熱エネルギ、機械的な加圧力のうちの少なくとも一つを与えることにより行われる形態が例示される。実施例 1

[0032] 図 1〜図 15は実施例 1を示す。図面では複雑ィ匕を避けるため、ハッチングを省略している部位もある。図 1は、横断方向（X方向）に沿って切断した切断面をもつ長手方向 (矢印 L方向）に延設された偏平状の筒形燃料電池 1の斜視図を示す。図 2 (A)は一の筒形燃料電池 1の切断面を示す。図 2 (B)は別の筒形燃料電池 1の切断面を示す。図 2 (C)は他の筒形燃料電池 1の切断面を示す。図 2 (A)〜図 (C)の筒形燃料電池 1は基本的には同様の構成を有する。

[0033] 図 1に示すように、本実施例に係る筒形燃料電池 1は偏平な長尺筒形 (チューブ形 )をなしている。筒形燃料電池 1は、筒形に曲成された膜電極接合体 2と、膜電極接合体 2に配設された集電体 6とをもつ。筒形に曲成された膜電極接合体 2は、イオン伝導性 (プロトン伝導性)をもつシート状のイオン伝導膜 3と、イオン伝導膜 3の厚み方向の片側に接合された可撓性をもつシート状の燃料側電極 4と、イオン伝導膜 3の厚み方向の他の片側に接合された可撓性をもつシート状の酸化剤側電極 5とをもつ。燃料側電極 4は、燃料 (水素ガスまたは水素含有ガス）が供給される側の電極である。酸化剤側電極 5は、酸化剤流体 (空気等の酸素含有ガス）が供給される側の電極である。

[0034] ここで、図 1に示すように、燃料側電極 4は、イオン伝導膜 3に対面接触する燃料側触媒層 41と、イオン伝導膜 3に背向する燃料側透過層 42を備えている。酸化剤側電極 5は、イオン伝導膜 3に対面接触する酸化剤側触媒層 51と、イオン伝導膜 3に背向する酸化剤側透過層 52とを備えている。燃料側触媒層 41および酸化剤側触媒層 5 1は、触媒成分と、イオン伝導性をもつ高分子型の電解質成分と、カーボンブラック等の微小な導電物質とを有する。触媒成分としては、白金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム等の少なくとも 1種が挙げられる。

[0035] 燃料側透過層 42および酸化剤側透過層 52は、多孔性 (流体通過性)および導電性を有しており、例えば、カーボン繊維等のカーボン材の集合体で形成されており、流体透過性および可撓性を有する集電体としても機能することができる。なお、カーボン材の集合体としては、カーボン繊維を堆積させたカーボンぺ一ノ^あるいは、力一ボン繊維を編み込んだカーボンクロスが例示される。 [0036] 図 1に示すように、筒形燃料電池 1において、燃料側電極 4は膜電極接合体 2の内側に配置されており、筒形燃料電池 1の内部に形成されて！ヽる燃料流体流路 18に対面している。酸化剤側電極 5は膜電極接合体 2の外側に配置されており、筒形燃料電池 1の外部に形成されている酸化剤流体流路 19に対面している。

[0037] 図 1および図 2に示すように、膜電極接合体 2においては、これの中間部 25は、基本的には曲成されておらず、筒形燃料電池 1の幅方向（矢印 X方向）に沿った平坦状とされている。平坦状の中間部 25を利用すれば、電力の取出面積が確保され易く、電力の取り出しが容易となる。これに対して、中間部 25よりも外側の端部 20 (—端部 20eおよび他端部 20f)は、折り返し方向に弧状に曲成された形状をもつ。換言すると、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の一端部 30eは C形状 (弧状）に曲成されることにより、折り返し方向に延設されている。イオン伝導膜 3の他端部 30fは逆 C形状（弧状）に曲成されることにより、折り返し方向に延設されている。図 1および図 2に示すように、膜電極接合体 2の電解質膜 20は、筒形燃料電池 1の長手方向（矢印 L方向）に沿った軸芯の周りを 1周しておらず、電解質膜 20の一端部 20eおよび他端部 20f は開口 20yを形成しており、この開口 20yを第 2集電体 62が気密的に閉鎖している構造となっている。

[0038] このイオン伝導膜 3は固体高分子材料を基材として形成されてヽる。固体高分子材料としては炭化フッ素系（例えばパーフルォロスルホン酸系のポリマー膜）、あるいは、イオン伝導基 (プロトン伝導基)をもつ炭化水素系が例示される。ここで、イオン伝導膜 3としては、図 3に示すように、イオン伝導性 (例えばプロトン伝導性）、含水性および可撓性をもつ固体高分子材料を基材として形成されていてもよい。あるいは、ィォン伝導膜 3は、図 4に示すように、固体高分子材料の第 1部分 31と固体高分子材料の第 2部分 32とをもつ複合膜を採用しても良い。ここで、第 1部分 31は高いイオン伝導性をもつ。第 2部分 32は、第 1部分 31よりも低いイオン伝導性をもつ力あるいはィオン伝導性をもたず、イオン伝導膜 3を強化する補強要素として機能することができる。このような複合膜は、ガスリーク抑制性を高めて発電効率を高め得る他に、発電運転が長期にわたってもイオン伝導膜 3の皺などを抑制でき、耐久性を高め得る。

[0039] 集電体 6は集電機能 (導電機能)をもつものであり、カーボン系、または、金属系、または、金属とセラミックスとの混合物系が例示される。集電体 6は、膜電極接合体 2の燃料側電極 4に電気的に接触する第 1集電体 61と、第 1集電体 61に電気的に接触する第 2集電体 62とを備えている。第 1集電体 61は、所定の断面形状をもつ長手方向（矢印 L方向）に延びる線材または棒材を、膜電極接合体 2の方向（矢印 X方向）に沿って複数併設することにより形成されている。

[0040] 第 1集電体 61は、筒形の膜電極接合体 2の内部に配置されているため、筒形の膜電極接合体 2の形状を維持するのに貢献できる。なお、第 1集電体 61については、緻密体で形成しても良いし、あるいは、流体透過性を高めるように多孔質性を有するように形成しても良いし、あるいは、径方向に潰し変形可能な材料で形成し、導電接触性を高めることにしても良い。

[0041] 第 1集電体 61の外壁面で形成されている第 1導電面 61fは、膜電極接合体 2の燃料側電極 4に電気的に接触している。第 1集電体 61同士の第 1導電面 61fは、互いに電気的に接触している。第 2集電体 62は、所定の断面形状をもつ長手方向（矢印 L方向）に延びる板状材で形成されている。第 2集電体 62は、第 1集電体 61の第 1導電面 61fに電気的に接触する第 2導電面 62fと、外方に露出する露出導電面 63fとをもつ。第 1集電体 61および第 2集電体 62は長手方向（矢印 L方向）に沿って延設されているため、筒形燃料電池 1の長手方向の長さおよび剛性が確保され易い。

[0042] 第 2集電体 62は、集電機能の他に、燃料流体流路 18と酸化剤流体流路 19とを隔離する機能を果たすため、緻密性が高いことが好ましい。第 2集電体 62は接合面 66 をもつ接合部 65を備えている。接合面 66は、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)を接合する。接合面 66は、長手方向（矢印 L方向）に延びているため、接合面積が確保される。接合面 66は、矢印 X方向の外側に向かうにつれて下降傾斜している傾斜面とされている。即ち、接合面 66は、イオン伝導膜 3の曲成部分に向かうにつれて下降傾斜して、る傾斜面とされて、る。イオン伝導膜 3の端部 30を接合させ易くするためである。接合部 65の接合面 66は、イオン伝導膜 3との接合性を高めるベぐ粗面化されていても良い。なお、接合面 66に接着剤が予め塗布されて、ても良、。

[0043] 本実施例によれば、筒形の膜電極接合体 2の内部に収容される第 1集電体 61と、第 1集電体 61に導通する第 2集電体 62とが組み合わされて集電体 6が形成されてヽる。このため膜電極接合体 2が曲成されたとしても、膜電極接合体 2の集電経路が確保され易い。第 1集電体 61は長手方向に沿って延設されているため、膜電極接合体 2との導電接触面積を確保し易、。

[0044] 膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の一端部 30eおよび他端部 30fを集電体 6の接合部 65の接合面 66に気密的に接合すれば、燃料流体流路 18と酸化剤流体流路 1 9とが互いに隔離される。よって、燃料流体流路 18を流れる燃料流体が酸化剤流体流路 19に流入することが抑制される。同様に、酸化剤流体流路 19を流れる酸化剤流体が燃料流体流路 18に流入することが抑制される。

[0045] 図 1に示すように、集電体 6の露出導電面 63fには、溝凹状の収容部 69が複数または単数形成されている。収容部 69は、第 1集電体 61の併設方向（矢印 X方向）に沿つて延設されている。後述するように、電気絶縁性が高い卷付要素 68が収容部 69に収容されると、集電性を阻害することが抑制される。

[0046] 発電運転時には、燃料流体流路 18に燃料流体 (一般的には水素ガスまたは水素含有ガス)が供給されると共に、酸化剤流体流路 19には酸化剤流体 (一般的には空気、酸素含有ガス)が供給される。この場合、燃料流体は、燃料側電極 4の燃料側透過層 42から燃料側触媒層 41に透過し、燃料側触媒層 41の触媒成分によりプロトンと電子とに分かれる。電子は第 1集電体 61を介して第 2集電体 62側に集電される。プロトンはイオン伝導膜 3を厚み方向に透過し、酸化剤側電極 5に到達する。これに対して酸化剤流体流路 19に供給された酸化剤流体の酸素は、酸化剤側電極 5の酸ィ匕剤側透過層 52を透過し、酸化剤側触媒層 51に到達し、イオン伝導膜 3を透過したプロトンと反応し、水を生成する。このような発電反応により電気工ネルギが取り出される。

[0047] なお、燃料流体流路 18に供給される燃料流体の圧力を Piとし、酸化剤流体流路 1 9に供給される酸化剤流体の圧力を Poとすると、圧力 Poは圧力 PUりも高い (Po >P i)。このため、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)を集電体 6の接合面 66に加圧する方向に押し付けることになる。この場合、ィォン伝導膜 3の端部 30の剥離防止に更に貢献できる。このように燃料流体の圧力および酸化剤流体の圧力は、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)を集電体 6の接合面 66に加圧する方向に作用するように設定されている。但し、 Po > Piに限定されるものではなぐ必要に応じて、 Po< Pi、 Po = P Po = Piに設定することもできる。

[0048] ここで、図 2 (B)に示す筒形燃料電池 1によれば、第 1集電体 61の外面である第 1 導電面 61fと膜電極接合体 2の電極 (燃料側電極 4)の面とを接触させる頻度を、高めている。これにより接触導電面積を増加させている。第 1導電面 61fは円弧凸面形状をなしている。当該電極の面は、この円弧凸面に嵌合する円弧凹面形状をなしている。故に接触導電面積を増加させ易ぐ発電効率を高めることができる。

更に図 2 (C)に示す筒形燃料電池 1によれば、第 1導電面 61fと膜電極接合体 2の電極 (燃料側電極 4)とを接触させる頻度を高めている。更に、第 1集電体 61の第 1導電面 61fうち、膜電極接合体 2の電極 (燃料側電極 4)に対面する部分に、溝等の凹部 61k (流体通路）が形成されている。この場合、燃料流体 (反応流体)が凹部 6 lkを通過できるので、膜電極接合体 2の電極 (燃料側電極 4)への燃料流体 (反応流体）の供給性が確保される。

[0049] 上記した筒形燃料電池 1の製造方法の一例について説明する。まず、図 5に示すように、平シート状をなす可撓性をもつイオン伝導膜 3を用意する。コロナ放電等の粗面化処理によりイオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)を粗面化処理させておくことができる。図 6に示すように、イオン伝導膜 3の厚み方向の片側に燃料側電極 4を積層させると共に、イオン伝導膜 3の厚み方向の他の片側に酸化剤側電極 5とを配置させる。これにより平シート状をなす膜電極接合体 2を形成する。ィォン伝導膜 3、燃料側電極 4および酸化剤側電極 5は、可撓性をもち、曲成可能とされている。図 6に示すように、平シート状態において、イオン伝導膜 3の一端部 30eは、燃料側電極 4の一端部 40e、酸化剤側電極 5の一端部 50eよりも外方に突出して、る。またイオン伝導膜 3の他端部 30fは、燃料側電極 4の他端部 40f、酸化剤側電極 5 の他端部 50はりも外方に突出している。次に、図 7に示すように、膜電極接合体 2に配設される第 1集電体 61を膜電極接合体 2に載せる。次に第 1集電体 61に第 2集電体 62を載せて配設させる。 [0050] なお、上記した製造過程にぉ、て、イオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)に、接着剤 3mを塗布しておくことが好ましい。第 2集電体 62の接合部 65 の接合面 66にも、接着剤 3mを塗布しておくことも好ましい。但し、接着剤 3mは、端部 30および接合面 66のいずれか一方のみ塗布しても良い。接着剤 3mとしては、熱硬化型あるいは紫外線硬化型を例示できる。

[0051] 図 9は、筒形燃料電池 1の長手方向に対して交差する方向に沿った断面を示す。

図 9に示すように、平シート状をなす可撓性をもつ膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3 の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)を折り返し方向に曲成させる曲成操作を実行する。この場合、酸化剤側電極 5の端部 50 (—端部 50eおよび他端部 50f)、燃料側電極 4の端部 40 (—端部 40eおよび他端部 40f)も同様に曲成される。

[0052] この結果、図 9に示すように、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 30の一端部 30eは C 形状、他端部 30fは逆 C形状に曲成される。同様に、酸化剤側電極 5の一端部 50e は C形状、他端部 50fは逆 C形状に曲成される。同様に、燃料側電極 4の一端部 40e は C形状、他端部 40fは逆 C形状に曲成される。そして膜電極接合体 2の曲成部分を集電体 6の接合部 65の接合面 66にあてがう。具体的には、図 9に示すように、イオン伝導膜 30の一端部 30eを集電体 6の一方の接合部 65の接合面 66にあてがう。同様に、イオン伝導膜 30の他端部 30fを集電体 6の他方の接合部 65の接合面 66にあてがう。このとき、接着剤 3mと粗面化処理により接合性が向上する。この場合、イオン伝導膜 3の接合部分に加圧操作を適宜加えることにより、接合部分の接着性を高めることが好ましい。

[0053] 図 9に示すように、イオン伝導膜 3の一端部 30eは、燃料側電極 4の一端部 40e、酸ィ匕剤側電極 5の一端部 50eよりも外方に突出して、第 2集電体 62の一方の接合面 66 に接合されて固定されている。またイオン伝導膜 3の他端部 30fは、燃料側電極 4の他端部 40f、酸化剤側電極 5の他端部 50fよりも外方に突出しており、第 2集電体 62 の他方の接合面 66に接合されて固定されている。

[0054] また必要に応じて、図 10に示すように、高工ネルギ密度ビーム Wp (例えばレーザビーム、電子ビーム）を用い、イオン伝導膜 3の一端部 30eおよび他端部 30f (曲成部分)と集電体 6の接合部 65の接合面 66との接合部分に照射し、溶着または融着を促進させてもよい。これにより曲成部分を集電体 6の接合部 65の接合面 66に対して固定する固定性を更に高めることができる。必要がなければ、高工ネルギ密度ビーム W Pを廃止しても良い。

なお、高工ネルギ密度ビーム Wpに代えて、接着剤 3mが熱硬化型である場合には、赤外線等の熱エネルギを照射して接着剤 3mを硬化させても良い。また、接着剤 3 mが紫外線硬化型である場合には、紫外線を接合部分に照射して接着剤 3mを硬化させても良い。

[0055] その後、図 11に示すように、曲成された膜電極接合体 2に外側から糸状または紐状の卷付要素 68を卷付けて、卷付要素 68の端部 68a同士を縛る。この結果、膜電極接合体 2の端部 20と集電体 6との一体性を更に高めることができる。このように卷付要素 68で縛られると、燃料側電極 4と第 1集電体 61との電気的接触性が更に向上することができる。更に第 1集電体 61と第 2集電体 62との電気的接触性が向上することができる。なお卷付要素としては、接触性または締結性を高めるために、付勢力を与え得るように弾性に富む構造 (例えばゴム紐）、あるいは、膜電極接合体 2に突出する凸状突起を有する構造とされて、る構造でも良、。

[0056] 卷付要素 68としては、燃料電池 1の長手方向において間隔を隔てて複数本設けられていることが好ましい。この場合、卷付要素 68による締結箇所は、燃料電池 1の長手方向において間隔を隔てて複数箇所となる。卷付要素 68およびその締結部 68c ( 図 1参照）を第 2集電体 62の溝状の収容部 69に収容する。このため、卷付要素 68が集電の支障になることが抑制される。卷付要素 68の材質としては特に限定されない力電気絶縁性、引張強度およびガラス転移点が高い榭脂製 (例えばナイロン、ァラミド、ポリエーテルスルホン等の榭脂繊維）が好ましい。殊に、エンジニアプラスチック系の樹脂が好ま U、。但しこれらに限定されるものではな、。

[0057] 図 12〜図 15は、上記した曲成操作の他の代表的形態を示す。曲成操作の形態は、図 12〜図 15に限定されるものではない。

図 12に示す場合には、膜電極接合体 2の形状を曲成して矯正する矯正要素として矯正型 7を用意する。矯正型 7は、筒形燃料電池 1の長手方向（矢印 L方向）に沿つて延設された矯正キヤビティ 70を備えている。矯正キヤビティ 70は、断面で C形状をなす第 1曲成型面 71と、断面で逆 C形状をなす第 2曲成型面 72と、第 1曲成型面 71 に向けて内径力、さくなるように傾斜する円錐面的な第 1案内面 73と、第 2曲成型面 72に向けて内径力 S小さくなるように傾斜する円錐面的な第 2案内面 74とをもつ。

[0058] そして図 12に示すように、矯正前の膜電極接合体 2を矯正型 7の矯正キヤビティ 70 に通す。これにより、膜電極接合体 2をこれの長手方向に沿って、つまり矢印 K1方向に矯正型 7に対して相対移動させる。これにより膜電極接合体 2の端部 20 (20e, 20f )を第 1案内面 73および第 2案内面 74により縮径させつつ、第 1曲成型面 71および第 2曲成型面 72により矯正する。この結果、膜電極接合体 2の一端部 20eを断面で C形状に曲成し、他端部 20fを断面で逆 C形状に曲成する。

[0059] 図 12に示す形態では、第 1曲成型面 71の加圧部 71rは、膜電極接合体 2—端部 2 Oeを内側 (矢印 S1方向）に加圧して第 2集電体 62への接合性を高める。第 2曲成型面 72の加圧部 72rは、膜電極接合体 2の他端部 20fを内側（矢印 S2方向）に加圧して第 2集電体 62への接合性を高める。図 12に示すように、矯正型 7の先端口 7mから吐出された膜電極接合体 2は筒形に曲成されている。このため、先端口 7mから吐出された筒形の膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の端部 30 (30e, 30f)に高工ネルギ密度ビーム Wpを照射して接合する。これにより接合性を更に高める。

[0060] 図 13は、筒形燃料電池 1の長手方向（矢印 L方向）に対して交差する方向に沿った断面を示す。図 13に示す場合には、膜電極接合体 2の外側に曲成用治具 8を配置する。曲成用治具 8は第 1曲成用治具 81と第 2曲成用治具 82とをもつ。第 1曲成用治具 81は断面で C形状をなす第 1曲成型面 83をもつ。第 2曲成用治具 82は断面で逆 C形状をなす第 2曲成型面 84をもつ。第 1曲成型面 83および第 2曲成型面 84は、筒形燃料電池 1の長手方向（矢印 L方向）に沿って延設されている。

[0061] そして、第 1曲成用治具 81および第 2曲成用治具 82を膜電極接合体 2に矢印 W1 方向に接近させることにより、第 1曲成用治具 81および第 2曲成用治具 82により膜電極接合体 2の端部 20 (20e, 20f)を折り返し方向に曲成させ、 C形状および逆 C形状を形成する。その後、加圧面 86をもつ加圧体 85を膜電極接合体 2に接近させ、加圧面 86で膜電極接合体 2の端部 20 (20e, 20f)を第 2集電体 62に向けて加圧し、端部 20と第 2集電体 62との接合性を更に高める。この場合、圧力は、膜電極接合体 2 の構造を損傷させな、程度とすることが好まし、。

[0062] また図 14に示す場合には、筒形燃料電池 1の長手方向（矢印 L方向）に沿って延設された棒状の細条材 90を結線 90sにより多数併設したすだれ状の卷付シート 9を用いる。 1本の細条材 90の外径は筒形燃料電池 1の幅よりも遙かに小さい。卷付シート 9は、細条材 90の延設方向（筒形燃料電池 1の長手方向である矢印 L方向に相当する方向）には高い剛性をもち、細条材 90の延設方向（筒形燃料電池 1の方向である矢印 X方向に相当する方向）には高い可撓性をもつ。そして平シート状の膜電極接合体 2を卷付シート 9に載せた状態で、膜電極接合体 2を卷付シート 9と共に卷付方向（矢印 R2方向）に巻けば、筒形の膜電極接合体 2が良好に形成される。

[0063] 図 15は、筒形燃料電池 1の長手方向（矢印 L方向）に対して交差する方向（矢印 X 方向）に沿った断面を示す。図 15に示す場合には、平シート状の膜電極接合体 2の外側に、転動可能な転動体として転動ロール 100を配置する。転動ロール 100は、円筒外周面形状の加圧面 101と、軸芯 102とをもつ。そして転動ロール 100を軸芯 1 02の回りで回転させつつ、転動ロール 100を膜電極接合体 2に接近させつつ、転動ロール 100を膜電極接合体 2に沿わせる。これにより膜電極接合体 2の端部 20 (20e , 20f)を加圧しつつ折り返し方向に曲成させ、一端部 20eを C形状に曲成し、他端部 20fを逆 C形状を曲成する。従って、転動ロール 100は、膜電極接合体 2の端部 2 0を曲成させつつ、第 2集電体 62の接合部 65に加圧させて接着性を高める加圧手段として機能する。図 15に示す形態では、第 1集電体 61は、膜電極接合体 2との導電接触面積を増加させるための平坦状の接触頻度増加面 61xを有する。この場合、第 1集電体 61の接触頻度増加面 61x同士の接触面積、第 1集電体 61の接触頻度増加面 61xと第 2集電体 62との接触面積を増加させている。

[0064] ところで、図 4に示すように、第 1部分 61と第 2部分 62とを併有する複合膜がイオン伝導膜 3として使用されていることがある。この場合、複合膜は耐久性が高いため、発電運転が長時間にわたるときであっても、イオン伝導膜 3の耐久性を高めるのに有利となる利点が得られる。また筒形燃料電池 1によれば、流動液状の高分子材料を塗布して固化させることにより筒形のイオン伝導膜を成膜する方式により形成することも考えられている。しかしながら第 1部分 61と第 2部分 62とを併有する筒形の複合膜を、流動液状の高分子材料を塗布方式で形成することは困難である。したがって従来の筒形燃料電池では、複合膜で形成されたイオン伝導膜 3をもつ筒形燃料電池を形成することは容易ではな力つた。

[0065] この点本実施例によれば、前記したように、筒形のイオン伝導膜 3を塗布方式で形成するのではなぐ平シート状をなすイオン伝導膜 3を予め用意し、イオン伝導膜 3の厚み方向の片側に燃料側電極 4を積層させると共に、イオン伝導膜 3の厚み方向の他の片側に酸化剤側電極 5とを配置させる。これにより、平シート状をなす膜電極接合体 2を形成する。その後、平シート状をなす膜電極接合体 2の端部 20 (20e, 20f) を曲成させて変形させる方式が採用されている。故に本実施例によれば、複合膜で形成されて!、る平シート状のイオン伝導膜 3から、複合膜で形成されて!、る筒形のィオン伝導膜 3を容易に製作できる。これにより集電性および耐久性に優れた筒形燃料電池が実現できる。このように本実施例は、イオン伝導膜 3が複合膜構造をもつ場合に適用するのに有利である。

[0066] 本実施例に係る筒形燃料電池 1では、平シート型の膜電極接合体 2を形成した後に、膜電極接合体 2の端部 20を折り返し方向に曲成させて変形させる曲成方式が採用されている。故に、平板型の膜電極接合体 2を製造する過程の既存の技術を応用できるため、製造コストの低減に有利である。なお本実施例によれば、第 1集電体 61 力 S3個並設されている力これに限らず、 1個でも、 2個でも、 4個でも、それ以上でも良い。

実施例 2

[0067] 本発明の実施例 2について図 16を参照して説明する。本実施例は実施例 1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)を更に U形状に折り返して積層複数層にする。これにより、折返し部 36を形成している。そして接着剤 3m、高工ネルギビームの照射等により、折返し部 36を第 2集電体 62の接合部 65の接合面 66に接合している。この場合には、イオン伝導膜 3の厚みが薄い場合でも、イオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)の接合部分の厚みが良好に確保される。このため、イオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30e および他端部 30f)を第 2集電体 62の接合部 65の接合面 66に接合し易い利点が得られる。折り返し部 36は、 2重でも良いし、 3重でも良ぐそれ以上でも良い。

[0068] 更に本実施例によれば、膜電極接合体 2の燃料側電極 4は外側に配置されており、筒形燃料電池 1の外部に形成されている燃料流体流路 18に対面している。酸化剤側電極 5は内側に配置されており、筒形燃料電池 1の内部に形成されて!ヽる酸化剤流体流路 19に対面している。但し、実施例 1と同様に、膜電極接合体 2の燃料側電極 4は内側に配置されており、筒形燃料電池 1の内部に形成されて!ヽる燃料流体流路 18に対面している形態としてもよい。この場合、酸化剤側電極 5は外側に配置されており、筒形燃料電池 1の外部に形成されてヽる酸化剤流体流路 19に対面して、る構成とする。

実施例 3

[0069] 本発明の実施例 3について図 17を参照して説明する。本実施例は実施例 1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。第 1集電体 61は、燃料流体が流れ得る多数の孔 (連通孔) 61pをもち、多孔質性、ガス透過性および導電性をもつ。孔 61pは、第 1集電体 61の厚み方向および長さ方向にガス通過性を有する。第 1集電体 61の孔 61pを透過する燃料流体は、第 1集電体 61の外壁面である第 1導電面 61fから燃料側電極 4に移行できる。このため、燃料側電極 4に燃料流体を供給し易い。これに対して第 2集電体 62は緻密性が高い緻密体で形成されており、燃料流体流路 18の燃料流体等に対するガスバリャ性を有する。このため、燃料流体流路 18の燃料流体および酸化剤流体流路 19の酸化剤流体が第 1集電体 61の内部を透過することが、抑制されている。

実施例 4

[0070] 本発明の実施例 4について図 18を参照して説明する。本実施例は実施例 1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。集電体 6Xは、ガス透過性をもつ多孔質部分 6h (第 1集電体部分)と、ガスバリヤ性をもつ緻密部分 6k (第 2集電体部分)とを併有する。ガスバリヤ性をもつ緻密性が高い緻密部分 6kが設けられているため、燃料流体流路 18と酸化剤流体流路 19との隔離性が確保されている。多孔質部分 6hは、集電体 6Xの厚み方向および長さ方向にガス通過性を有する。

実施例 5

[0071] 本発明の実施例 5について図 19を参照して説明する。本実施例は実施例 1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。筒形の膜電極接合体 2の内部に収容される第 1集電体 61と、第 1集電体 61に電気的に導通する第 2集電体 62とが組み合わされて集電体 6が形成されている。このため膜電極接合体 2の集電経路が確保され易い。第 1集電体 61 は、 2本の線材で形成されている。

実施例 6

[0072] 本発明の実施例 6について図 20を参照して説明する。本実施例は実施例 1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。筒形燃料電池 1は、筒形の膜電極接合体 2と、膜電極接合体 2 に配設された集電体 6とをもつ。筒形の膜電極接合体 2は、イオン伝導膜 3と、イオン伝導膜 3の厚み方向の片側に配置された燃料側電極 4と、イオン伝導膜 3の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極 5とをもつ。

[0073] 本例の筒形燃料電池 1は積層可能とされている。故に、図 20に示すように、筒形燃料電池 1がー方向（矢印 HA方向）に並べて積層状態に配置されている。一方向（矢印 HA方向）は、第 1集電体 61の併設方向（矢印 X方向）と直交する方向に相当する

[0074] 図 20に示すように、隣接する筒形燃料電池 1の間には、導電性をもつ中間コネクタ部 200が介在している。中間コネクタ部 200は、一方の筒形燃料電池 1の酸化剤側電極 5の中間部 25に電気的に接合する第 1導通面 201と、他方の筒形燃料電池 1の燃料側電極 4側の集電体 6に電気的に接合する第 2導通面 202とをもつ。従って、複数の筒形燃料電池 1は電気的に直列に接続されて積層されており、ケース 400のケース室 401の内部に収容されている。ケース室 401は、酸化剤流体 (酸素含有ガス）が流れる酸化剤流体流路 19を形成する。上記したように複数の筒形燃料電池 1は電気的に直列に接続されて積層されているため、昇圧回路の簡素化、廃止を図り得、全体効率を高め得る。 [0075] 膜電極接合体 2の中間部 25はぼ平坦状であるため、中間コネクタ部 200の第 1導通面 201を酸化剤側電極 5のうち中間部 25に対応する部分に電気的に接触させる導電面積を増加し易くなり、電気工ネルギの取出面積を確保し易、利点が得られる。なお、場合によっては、中間コネクタ部 200を廃止し、筒形燃料電池 1の外側の酸ィ匕剤側電極 5を他の筒形燃料電池 1の集電体 6に直接接触させても良い。

実施例 7

[0076] 本発明の実施例 7について図 21を参照して説明する。本実施例は実施例 6と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。筒形燃料電池 1がー方向（矢印 HA方向）に並べて積層されている。ここで、一方向（矢印 HA方向）は、第 1集電体 61の併設方向（矢印 X方向）と直交する方向に相当する。更に、筒形燃料電池 1が矢印 X方向に並べて配置されている。矢印 X方向は、第 1集電体 61の併設方向に相当する。

[0077] 図 21に示すように、隣接する筒形燃料電池 1の間には中間コネクタ部 200が介在している。複数の筒形燃料電池 1は電気的に接続されており、ケース 400のケース室 401の内部に収容されている。ケース室 401は、酸化剤流体 (例えば酸素含有ガス）が流れる酸化剤流体流路 19を形成する。

実施例 8

[0078] 本発明の実施例 8について図 22を参照して説明する。本実施例は実施例 1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。筒形燃料電池 1は、筒形の膜電極接合体 2と、膜電極接合体 2 に配設された集電体 6とをもつ。互いに隣接する筒形燃料電池 1の間には、導電性をもつ中間コネクタ部 200Bが介在して!/、る。

[0079] 中間コネクタ部 200Bは、一方の筒形燃料電池 1の酸化剤側電極 5の平坦部分（中間部 25に相当）に電気的に接触する平坦な第 1導通面 201と、他方の筒形燃料電池 1の燃料側電極 4の集電体 6の第 2集電体 62に電気的に接触する平坦な第 2導通面 202とをもつ。

[0080] 更に、中間コネクタ部 200Bは挟持要素 230をもつ。挟持要素 230は、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)を集電体 6の接合部 65と共に挟持するものであり、従って、端部 30を挟む位置に設けられている。このような挟持要素 230によりイオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)の固定性が向上し、端部 30の耐久性が向上する。

実施例 9

[0081] 本発明の実施例 9について図 23を参照して説明する。本実施例は実施例 8と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例 8と異なる部分を中心として説明する。互いに隣接する筒形燃料電池 1の間には、導電性をもつ中間コネクタ部 200Cが介在している。中間コネクタ部 200Cは、一方の筒形燃料電池 1の酸化剤側電極 5の平坦状部分（中間部 25に相当）に電気的に接触する第 1導通面 2 01と、他方の筒形燃料電池 1の燃料側電極 4の集電体 6に電気的に接触する第 2導通面 202とをもつ。

[0082] 中間コネクタ部 200Cは、挟持要素 230Cをもつ。挟持要素 230Cは、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)魏電体 6と共に挟持するために適する材料で形成されている。例えば、挟持要素 230Cは榭脂またはゴム等の高分子材料力もなる弾性材料で形成されて、る。このような挟持要素 230C は、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の端部 30を挟む位置に設けられている。挟持要素 230Cによりイオン伝導膜 3の端部 30の固定性が更に向上し、端部 30の耐久性が向上する。

実施例 10

[0083] 本発明の実施例 10について図 24を参照して説明する。本実施例は実施例 1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。膜電極接合体 2の全体は実質的に円筒形状または疑似円筒形状に曲成されている。集電体 6Eは緻密体で形成されており、膜電極接合体 2の内部に配置された第 1集電体 61Eと、膜電極接合体 2から露出する第 2集電体 62Eとを一体的に成形して形成されている。膜電極接合体 2の端部 20 (20e, 20f)は、折り返し方向に曲成されている。

[0084] つまり、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の全体は、燃料側電極 4および酸化剤側電極 5と共に円筒形状または疑似円筒形状に曲成されている。イオン伝導膜 3の端部 30 (—端部 30eおよび他端部 30f)は、曲成され、集電体 6Eの接合部 65の接合面 66に接合されている。なお燃料側電極 4は燃料側触媒層 41と燃料側透過層 42を備えており、酸化剤側電極 5は酸化剤側触媒層 51と酸化剤側透過層 52とを備えて、る。第 1集電体 61Eの外周壁面と燃料側電極 4との間には、燃料流体流路 18が形成されている。なお、燃料流体流路 18および酸化剤流体流路 19の位置を逆にしても良い。

実施例 11

[0085] 本発明の実施例 11について図 25を参照して説明する。本実施例は実施例 1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。図 25は、横断方向 (X方向）に沿って切断した切断面をもつ偏平筒形の燃料電池 1の斜視図を示す。

[0086] 図 25に示すように、本実施例に係る筒形燃料電池 1は縦形の偏平な筒形 (チューブ形)をなしている。膜電極接合体 2の全体は、断面で U形状に曲成されている。従つて、膜電極接合体 2は、固体高分子材料を基材として形成され U形状に曲成されたイオン伝導膜 3と、イオン伝導膜 3の厚み方向の片側に配置された断面で U形状に曲成された燃料側電極 4と、イオン伝導膜 3の厚み方向の他の片側に配置された断面で U形状に曲成された酸化剤側電極 5とをもつ。

[0087] 図 25に示すように、膜電極接合体 2の横断方向（矢印 X方向）の中間部 25は、折り返し方向に曲成する曲成起点とされており、ほぼ半円状に曲成されている。中間部 2 5よりも外側の端部 20 (—端部 20eおよび他端部 20f)は、直状とされている。

図 25に示すように、集電体 6は、膜電極接合体 2の燃料側電極 4に電気的に接触するワイヤ状または棒状をなす第 1集電体 61と、第 1集電体 61に電気的に接触するワイヤ状または棒状をなす第 2集電体 62とを備えている。第 1集電体 61は、所定の断面形状をもつ長手方向（矢印 L方向）に延びる線材または棒材を、膜電極接合体 2 の方向（矢印 X方向）と直交する方向（矢印 Y方向）に沿って複数併設することにより形成されている。

[0088] 図 25に示すように、第 1集電体 61の外壁面で形成されている第 1導電面 61fは、膜電極接合体 2の燃料側電極 4に電気的に接触している。第 2集電体 62は、所定の断面形状をもつ長手方向（矢印 L方向）に延びる板状材で形成されている。第 2集電体 62は、第 1集電体 61の第 1導電面 61fに電気的に接触する第 2導電面 62fと、外方に露出する露出導電面 63fとをもつ。このように第 1集電体 61と第 2集電体 62とが組み合わされているため、膜電極接合体 2の集電経路が確保され易い。第 1集電体 61 および第 2集電体 62は長手方向（矢印 L方向）に沿って延設されているため、筒形燃料電池 1の長手方向の長さが確保され易い。

[0089] 図 25に示すように、第 2集電体 62は、膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の直状の端部 30 (直状の一端部 30eおよび直状の他端部 30f)を接合する平坦状の接合面 6 6をもつ。膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の一端部 30eおよび他端部 30fを第 2集電体 62の接合部 65の接合面 66に接合すれば、燃料流体流路 18と酸化剤流体流路 19とが隔離される。よって、燃料流体流路 18を流れる燃料流体が酸化剤流体流路 19に流入することが抑制される。同様に、酸化剤流体流路 19を流れる酸化剤流体が燃料流体流路 18に流入することが抑制される。なお、燃料流体流路 18および酸化剤流体流路 19の位置を逆にしても良、。

実施例 12

[0090] 本発明の実施例 12について図 26を参照して説明する。本実施例は実施例 1と基本的には同様の構成および同様の作用効果を有する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。図 26に示すように、膜電極接合体 2の燃料側電極 4に電気的に接触するワイヤ状または棒状の複数個の第 1集電体 61が、一群をなして設けられている。複数の第 1集電体 61は、互いに接触するように縦方向および横方向に積層されて束ねた状態で、接近しつつ並設されている。隣設する第 1集電体 61の中心 61c同士を繋ぐと、仮想的な三角形状が形成されるように、複数の第 1集電体 61は配置されている。第 1集電体 61の外周壁面である第 1導電面 61fは、断面で円形の外壁面をもつ。この場合、隣接する第 1集電体 61の第 1導電面 61f同士が電気的に接触する頻度が高まる。このような構造であれば、第 1集電体 61の数が増加するときであっても、断面で非偏平形ではなぐ疑似円に近い断面形状をもつ燃料電池 1を形成し易い。

実施例 13 [0091] 本発明の実施例 13について図 27を参照して説明する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。膜電極接合体 2のうち曲げ内周側となる面において、複数個または単数の曲成促進部 2vが形成されている。曲成促進部 2vは、膜電極接合体 2の内周側に配置されている燃料側電極 4に形成されている。曲成促進部 2vは、膜電極接合体 2を曲げ易くさせる機能をもち、凹状部または折り目で形成できる。曲成促進部 2vは、筒形燃料電池 1の長手方向に沿って連続的に、または、間隔を隔てて断続的に延設されていることが好ましい。なお、膜電極接合体 2の内周側が酸化剤側電極 5であれば、酸化剤側電極 5に曲成促進部 2vを形成する。

実施例 14

[0092] 本発明の実施例 14について図 28を参照して説明する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。横断面（図 28)において、膜電極接合体 2のうち曲げ外周側の電極は、曲げ内周側の電極よりも長く設定されている。曲げ内周側の電極は、曲げ外周側の電極よりも短く設定されている。具体的には、膜電極接合体 2において燃料側電極 4 (膜電極接合体 2のうち曲げ内周側の電極）は酸化剤側電極 5よりも短く設定されて、る。酸化剤側電極 5 (膜電極接合体 2のうち曲げ外周側の電極)は燃料側電極 4よりも長く設定されている。このため膜電極接合体 1を筒形状に曲成させるとき、横断面において、曲げ外周側の電極の弧長寸法と、曲げ内周側の電極の弧長寸法とが均衡し易くなり、バランスがとり易い。

実施例 15

[0093] 本発明の実施例 15について図 29を参照して説明する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。横断面 (図 28)において、集電体 6を構成する第 1集電体 6 1の内部に空洞状の冷媒通過路 6 lhが第 1集電体 61の長さに沿って形成されて！、る。冷媒通過路 61hには冷媒が通過する（例えば電気絶縁性が高い冷却水、冷却ガス )。第 1集電体 61は金属系（チタン、ステンレス鋼など)または炭素系で形成できる。筒形燃料電池 1の温度が過剰になることが抑制される。

実施例 16

[0094] 本発明の実施例 16について図 30を参照して説明する。以下、実施例 1と異なる部分を中心として説明する。膜電極接合体 2のイオン伝導膜 3の一端部 30eは逆 S字形状に曲成されることにより折り返し方向に延設され、第 2集電体 62のうち逆 C形状の一方の接合面 66に接合されている。イオン伝導膜 3の他端部 30fは S字形状に曲成されることにより折り返し方向に延設され、第 2集電体 62のうち逆 C形状の他方の接合面 66に接合されている。この場合、第 2集電体 62に対するイオン伝導膜 3の一端部 30eおよび他端部 30fの接合面積が増加されており、接合力が増加している。ここで、 S字形状の軌跡は C形状を含む。逆 S字形状の軌跡は逆 C形状を含む。

[0095] (他の実施例）

上記した各実施例によれば、集電体 6は、膜電極接合体 2の燃料側電極 4に電気的に接触する第 1集電体 61と、第 1集電体 61に電気的に接触する第 2集電体 62とを備えているが、集電体の形状はこれに限定されるものではない。第 1集電体 61は数は 1個でも、 2個でも、 3個でも、 4個でも良ぐ特に限定されない。第 2集電体 6の形状および数は上記したものに限定されるものではない。

燃料流体流路 18は筒形燃料電池の内部に配置されており、酸化剤流体流路 19は筒形燃料電池の外部に配置されている形態に限らない。従って燃料流体流路 18は筒形燃料電池の外部に配置されており、酸化剤流体流路 19は筒形燃料電池の内部に配置されている形態でも良い。イオン伝導膜は高分子系に限らず、有機無機複合系としても良い。

[0096] 上記した実施例 1によれば、燃料側電極 4は、イオン伝導膜 3に対面接触する燃料側触媒層 41と、イオン伝導膜 3に背向する燃料側透過層 42を備えている形態とされているが、これに限らず、第 1集電体 61が集電機能およびガス透過機能の双方を有するときには、燃料側透過層 42を廃止することも期待できる。図 11に示す例では、曲成された膜電極接合体 2に外側から糸状または紐状の卷付要素 68を卷付けて、卷付要素 68の端部 68a同士を縛ることにしている力卷付要素 68を廃止しても良い。

[0097] 本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなぐ要旨を逸脱しな、範囲内で適宜変更して実施できるものである。特定の実施例に特有の構成は、支障がない限り、他の実施例にも適用することができる。特定の実施例において採用されて、る構成は、他の実施例の構成と部分的に置き換えられても良、。産業上の利用可能性本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、携帯用の燃料電池システムに利用することができる。

Claims

請求の範囲

[1] (i)イオン伝導性をもつイオン伝導膜と、前記イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、前記イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸ィ匕剤側電極とをもつ筒形の膜電極接合体と、

(ii)前記膜電極接合体に配設された集電体とを具備する筒形燃料電池にぉヽて、

(iii)前記筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面にぉ、て、前記膜電極接合体は、折り返し方向に曲成された形状をもつことを特徴とする筒形燃料電池。

[2] 請求項 1において、前記膜電極接合体の前記一端部は断面 C形状に曲成され、前記膜電極接合体の前記他端部は断面逆 C形状に曲成されていることを特徴とする筒形燃料電池。

[3] 請求項 1または 2において、前記燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿つた断面において、（i)前記膜電極接合体の前記イオン伝導膜の一端部は、前記燃料側電極の一端部、および、前記酸化剤側電極の一端部よりも突出しており、前記集電体に接合されており、且つ、

(ii)前記膜電極接合体の前記イオン伝導膜の他端部は、前記燃料側電極の他端部、および、前記酸化剤側電極の他端部よりも突出しており、前記集電体に接合されて、ることを特徴とする筒形燃料電池。

[4] 請求項 1〜3のうちの一項において、前記イオン伝導膜は固体高分子材料を基材として形成されてヽることを特徴とする筒形燃料電池。

[5] 請求項 1〜4のうちの一項において、前記イオン伝導膜は、イオン伝導性が高い第

1部分と前記第 1部分よりも補強性をもつ第 2部分とを備える複合膜とされていることを特徴とする筒形燃料電池。

[6] 請求項 1〜5のうちの一項において、前記集電体は、前記膜電極接合体の端部を接合する接合部を備えていることを特徴とする筒形燃料電池。

[7] 請求項 1〜6のうちの一項において、前記膜電極接合体を巻き付けることにより、前記膜電極接合体の端部と前記集電体との一体性を高める卷付要素を備えていることを特徴とする筒形燃料電池。

[8] 請求項 7において、前記集電体は、前記卷付要素を収容する凹状または凸状の収容部を備えて!/ヽることを特徴とする筒形燃料電池。

[9] 請求項 1〜8のうちの一項において、前記燃料側電極は燃料側触媒層と燃料側透過層を備えており、前記酸化剤側電極は酸化剤側触媒層と酸化剤側透過層とを備えて!/ヽることを特徴とする筒形燃料電池。

[10] 請求項 1〜9のうちの一項にぉ、て、前記集電体は、前記燃料側電極または前記酸化剤側電極に電気的に接触する第 1集電体と、前記膜電極接合体から露出するように配置され前記第 1集電体に電気的に接触する第 2集電体とを備えていることを特徴とする筒形燃料電池。

[11] 請求項 1〜10のうちの一項において、前記集電体は、前記筒形燃料電池の長手方向に沿って延設された形状をもつことを特徴とする筒形燃料電池。

[12] 請求項 1〜11のうちの一項において、前記膜電極接合体の端部を前記集電体と共に挟持する挟持要素が、前記膜電極接合体の端部を挟む位置に設けられてヽることを特徴とする筒形燃料電池。

[13] 請求項 1〜12のうちの一項において、前記膜電極接合体のうち曲げ内周側となる面にぉ、て、複数個または単数の曲成促進部が形成されて、ることを特徴とする筒形燃料電池。

[14] 請求項 1〜13のうちの一項において、前記燃料側電極および前記酸化剤側電極のうちの一方は、曲げ外周側電極であり、前記燃料側電極および前記酸化剤側電極のうちの他方は、曲げ内周側電極であり、

横断面において、前記膜電極接合体のうち、前記曲げ外周側電極は長く設定されており、且つ、前記曲げ内周側電極は短く設定されていることを特徴とする筒形燃料電池。

[15] 請求項 1〜14のうちの一項において、集電体の内部に、冷媒が通過する空洞状の冷媒通過路が形成されていることを特徴とする筒形燃料電池。

[16] 請求項 1に係る前記筒形燃料電池を製造する方法であって、

( 平シート状をなすイオン伝導性をもつイオン伝導膜と、前記イオン伝導膜の厚み方向の片側に配置された燃料側電極と、前記イオン伝導膜の厚み方向の他の片側に配置された酸化剤側電極とをもつ平シート状をなす膜電極接合体と、前記膜電極接合体に配設される集電体とを用意する準備工程と、

(ii)筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面にぉ、て、平シート状をなす前記膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させる曲成操作を実行して曲成部分を形成し、前記曲成部分を前記集電体に固定する固定工程とを含むことを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。

[17] 請求項 16において、前記曲成操作は、（a)互いに対向する第 1曲成型面および第 2曲成型面をもっと共に前記筒形燃料電池の長手方向に延設された矯正キヤビティを備える矯正要素を用意する工程と、 (b)矯正前の前記膜電極接合体を前記矯正要素の前記矯正キヤビティに前記長手方向に沿って前記矯正要素に対して相対移動させることにより、前記膜電極接合体の端部を前記第 1型面および前記第 2型面により矯正することにより、折り返し方向に曲成させ、その曲成部分を前記集電体に固定する工程とを含むことを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。

[18] 請求項 16において、前記曲成操作は、前記筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面において、（a)前記膜電極接合体の外側に曲成用治具を配置する工程と、（b)前記曲成用治具を前記膜電極接合体に接近させることにより、前記膜電極接合体の端部を前記曲成用治具により折り返し方向に曲成させ、その曲成部分を前記集電体に固定する工程とを含むことを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。

[19] 請求項 16において、前記曲成操作は、前記筒形燃料電池の長手方向に対して交差する方向に沿った断面にぉ、て、 (a)前記膜電極接合体の外側に転動体を配置する工程と、 (b)前記転動体を膜電極接合体に接近させつつ前記膜電極接合体に沿わせることにより、前記膜電極接合体の端部を折り返し方向に曲成させ、その曲成部分を前記集電体に固定する工程とを含むことを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。

[20] 請求項 16〜19のうちの一項において、前記固定工程は、前記膜電極接合体および前記集電体のうちの少なくとも一部に塗布された接着剤を介して、あるいは、前記膜電極接合体の少なくとも一部の溶着、あるいは、前記膜電極接合体の少なくとも一部の融着により行われることを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。

[21] 請求項 16〜20のうちの一項において、前記固定工程は、前記膜電極接合体の前記イオン伝導膜の端部を前記集電体に接合することにより行われることを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。

[22] 請求項 21におヽて、前記接合は、前記膜電極接合体と前記集電体との接合部分に、加圧力、高工ネルギ密度ビーム、紫外線、赤外線および熱エネルギのうちの少なくとも一つを与えることにより行われることを特徴とする筒形燃料電池の製造方法。