JP4957545B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、チューブ型燃料電池セルを備える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に関し、特に、集電効率を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池セルを備える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に関する。

従来の固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）」と記述する。）では、平板型の電解質膜と、当該電解質膜の両側に配設される電極（カソード及びアノード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）」と記述する。）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の両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。このＰＥＦＣは、低温領域での運転が可能であり、８０〜１００℃程度の運転温度で使用されるのが一般的である。また、ＰＥＦＣは、３０〜４０％の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、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。
一方、従来のＰＥＦＣのユニットセルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータ等の構成部材を含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。かかる低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、ユニットセルを直列に積層した積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態の燃料電池が使用されているが、ＰＥＦＣ（以下において、単に「燃料電池」と記述することがある。）の発電性能をより一層向上させるためには、ユニットセルの小型化を図り、単位面積当たりの発電反応面積（出力密度）を大きくすることが好ましい。
従来の平板型燃料電池（以下において、「平板型ＦＣ」と記述することがある。）の単位面積当たりの出力密度を向上させ、発電性能を向上させるためには、上記構成部材の厚さを薄くする必要がある。しかし、平板型ＦＣにおいて構成部材を一定以下の厚さにすると、各構成部材の機能及び強度等が低下する虞があるため、当該形態の燃料電池により、単位面積当たりの出力密度を一定以上に向上させることは構造上困難である。
かかる観点から、近年、チューブ型の燃料電池（以下において、「チューブ型ＦＣ」と記述することがある。）に関する研究が進められている。チューブ型ＦＣのユニットセル（以下において、単に「チューブ型ＦＣセル」と記述することがある。）は、中空形状の電解質層と、当該中空形状の電解質層の内側及び外側に配設される中空形状の電極層とを備える中空形状のＭＥＡ（以下において、単に「中空ＭＥＡ」と記述する。）を備えている。そして、当該中空ＭＥＡの内側及び外側に反応ガス（水素含有ガス及び酸素含有ガス）を供給することにより電気化学反応を起こし、かかる電気化学反応により発生した電気エネルギーを、中空ＭＥＡの内側及び外側に配設される集電体を介して外部に取り出している。すなわち、チューブ型ＦＣによれば、各チューブ型ＦＣセルに備えられる中空ＭＥＡの内側に一方の反応ガス（水素含有ガス又は酸素含有ガス）を、当該中空ＭＥＡの外側に他方の反応ガス（酸素含有ガス又は水素含有ガス）を供給することで電気エネルギーを取り出すことが容易になる。このように、チューブ型ＦＣにおいて隣り合う２つのチューブ型ＦＣセルの外側面に供給される反応ガスを同一にすることで、従来の平板型ＦＣ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。したがって、チューブ型ＦＣによれば、効果的にユニットセルの小型化を図ることが可能になる。
他方、チューブ型ＦＣの発電性能をより一層向上させるためには、各チューブ型ＦＣセルにて発生した電気エネルギーを外部へ取り出す際の効率（集電効率）を向上させることが好ましい。かかる集電効率の向上は、集電部材と複数のチューブ型ＦＣセルとを接触させる等の手段により達成可能であると考えられる。
これまでに、チューブ型ＦＣの集電効率向上を目的とした技術はいくつか開示されてきている。例えば、特開２００４−２８８５４２号公報には、セル接続用導電部材を介して複数のチューブ型ＦＣセルが接続されて形成されるセル集合体と該セル集合体と電気的に接続された電極接続用導電部材とを備える燃料電池システムに関する技術が開示されており、かかる技術によれば、集電機能を備えるセル接続用導電部材と電極接続用導電部材との接続が維持されるので、安定した発電性能を有する燃料電池を提供できる、としている。また、特開平８−１６２１４２号公報には、複数のチューブ型ＦＣセルとじゃま板とを備える固体電解質型燃料電池に関する技術が開示されており、かかる技術によれば、発電性能が向上した固体電解質型燃料電池を提供できる、としている。
しかし、特開２００４−２８８５４２号公報に開示されている技術では、セル接続用導電部材と各チューブ型ＦＣセルとを経由して始めて電極接続用導電部材へと到達可能であるため、接触抵抗が大きくなり、集電効率が低下する虞があるという問題があった。また、特開平８−１６２１４２号公報に開示されている技術によっても、集電効率を向上させ難いという問題があった。
そこで本発明は、集電効率を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池セルを備える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を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、本発明の第１の態様は、平行に配列された複数のチューブ型燃料電池セルと、第１の集電体と、を備え、複数のチューブ型燃料電池セルが、第１の集電体によって一体に固定されるように、複数のチューブ型燃料電池セルが、１つの第１の集電体によって、チューブ型燃料電池セルの軸方向と平面視で交差する方向に編込まれていることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
ここで、平行に配列とは、複数のチューブ型燃料電池セルの軸方向がそれぞれ平行となるように、かつ、各チューブ型燃料電池セルが当該軸方向と略垂直な方向へ配列されることを意味し、複数のチューブ型燃料電池セルを平行に配列すれば、層状のチューブ型燃料電池セル集合体（以下において、「ＦＣセル層」と記述することがある。）を形成可能である。また、複数のチューブ型燃料電池セルは、２以上のチューブ型燃料電池セルであればその数は特に限定されるものではなく、燃料電池モジュールの出力密度及び生産性等を考慮して、適当な数とすることができる。さらに、第１の集電体とは、チューブ型燃料電池セルの交差方向に電荷を集電可能な交差方向集電体を意味している。加えて、軸方向と平面視で交差する方向に編込まれるとは、平行に配置された複数のチューブ型燃料電池セルの交差方向に第１の集電体を架け渡すことにより、当該第１の集電体によって複数のチューブ型燃料電池セルを一体に固定可能とすることを意味している。
本発明の第２の態様は、平行に配列された複数のチューブ型燃料電池セルと、第１の集電体と、を備え、複数のチューブ型燃料電池セルが、第１の集電体によって、チューブ型燃料電池セルの軸方向と平面視で交差する方向に編込まれ、複数のチューブ型燃料電池セルと平行に配置された第２の集電体をさらに備え、複数のチューブ型燃料電池セル及び第２の集電体が、第１の集電体によって、チューブ型燃料電池セルの軸方向と平面視で交差する方向に編込まれていることを特徴とする、燃料電池モジュールである。
ここで、「複数のチューブ型燃料電池セル及び第２の集電体が、第１の集電体によって、チューブ型燃料電池セルの軸方向と平面視で交差する方向に編込まれる」とは、平行に配置された第２の集電体及び複数のチューブ型燃料電池セルの交差方向に第１の集電体を架け渡すことにより、第１の集電体によって第２の集電体及び複数のチューブ型燃料電池セルを一体に固定可能とすることを意味している。さらに、本態様に備えられる第２の集電体の数は特に限定されるものではなく、集電効率や生産性等を勘案して適当な数とすることができる。本態様において、第２の集電体の具体例としては軸方向集電体を挙げることができる。
また、上記本発明の第２の態様（変形例を含む。以下において同じ。）において、第２の集電体は、複数のチューブ型燃料電池セル配列の端部に配置されていてもよい。
さらに、上記本発明の第２の態様において、第２の集電体は、複数のチューブ型燃料電池セルと平行かつ交互に配置されていてもよい。
ここで、交互かつ平行に配置とは、複数のチューブ型燃料電池セルの間に第２の集電体が配置される形態を意味している。
さらにまた、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、第１の集電体が、ガスを透過可能であるように構成してもよい。
ここで、ガスを透過可能とは、例えば、第１の集電体を貫通する方向（例えば、ＦＣセル層の厚み方向）にガスが透過可能な形態で、第１の集電体が構成されていることを意味する。ガスを透過可能な第１の集電体の形態例としては、導電性を有する多孔体により形成された第１の集電体等を挙げることができる。
また、上記本発明の第２の態様において、第１の集電体と接触する第３の集電体をさらに備え、第１の集電体によって編込まれた複数のチューブ型燃料電池セル及び第２の集電体と、第３の集電体とが交互に積層されていてもよい。
さらに、上記本発明の第２の態様において、第３の集電体は、スノコ状又は格子状平板であるように構成してもよい。
ここで、スノコ状とは、例えば、一方向に平行に形成された複数の貫通孔を有する形状を意味し、格子状とは、互いに交差する二方向に形成された複数の貫通孔を有する形状を意味している。ここに、貫通孔とは、第３の集電体の厚み方向を貫通するように形成された開口部を意味している。本態様において形成され得る貫通孔の数は、特に限定されるものではなく、集電効率や第３の集電体の生産性等を勘案して適当な数とすることができる。加えて、貫通孔の形状も特に限定されるものではなく、正方形、矩形、楕円形等、集電効率や生産性等を勘案して適当な形状とすることができる。なお、集電効率を向上させるという観点から、第１の集電体及び第２の集電体と第３の集電体とは一体化されていることが好ましい。ここで、一体化の具体的な形態例としては、上記第１の集電体により、チューブ型ＦＣセル、第２の集電体、及び第３の集電体がくくりつけられる形態等を挙げることができる。
本発明の第３の態様は、上記本発明の第１の態様又は上記本発明の第２の態様にかかる燃料電池モジュールを備えることを特徴とする、燃料電池である。
［発明の効果］
本発明の第１の態様によれば、複数のチューブ型燃料電池セルが第１の集電体により編込まれている。そのため、第１の集電体を解して交差方向の集電を効果的に行うことが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、集電効率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。
上記本発明の第２の態様において、第２の集電体と複数のチューブ型燃料電池セルとが第１の集電体により編込まれ、第１の集電体と第２の集電体とが接触していれば、第１の集電体を介して交差方向に集めた電荷を、第２の集電体を介して軸方向へ伝達することが可能になる。したがって、かかる構成とすることで、集電効率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。
また、上記本発明の第２の態様において、第２の集電体が複数のチューブ型燃料電池セル配列の端部に配置されていれば、燃料電池モジュールの構成部材数の増加を抑制可能であるため、上記効果に加えて、さらに、燃料電池モジュールの生産性を向上させることが可能になる。
さらに、上記本発明の第２の態様において、平行にかつ交互に配置された第２の集電体及び複数のチューブ型燃料電池セルが、第１の集電体により編込まれていれば、軸方向への電荷の伝達効率を向上させることで、集電効率を向上させることが可能になる。
さらにまた、上記本発明の第１の態様及び上記本発明の第２の態様において、ガスを透過可能な第１の集電体が備えられていれば、さらに、ガス拡散性を向上させることが可能になる。
また、上記本発明の第２の態様において、第１の集電体によって一体に固定されたチューブ型燃料電池セル及び第２の集電体と、第３の集電体とが交互に積層されていれば、当該第３の集電体を介して集電することにより、集電効率を一層向上させることが可能になる。
さらに、上記本発明の第２の態様において、第３の集電体に、貫通孔が形成されていれば、第１の集電体と当該貫通孔の枠とを介して交差方向の集電を行うことが可能になり、交差方向の集電効率を向上させることが容易になる。
本発明の第３の態様によれば、集電効率を向上させ得る燃料電池モジュールが備えられているので、集電性能を向上させることで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。

第１図は、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チューブ型ＦＣセル並びに第１及び第２の集電体を概略的に示す外観図である。
第２図は、第２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チューブ型ＦＣセル並びに第１及び第２の集電体を概略的に示す外観図である。
第３図は、第３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燃料電池集合体及び第３の集電体を概略的に示す外観図である。
第４図は、第３実施形態にかかる第３の集電体の形態例を概略的に示す正面図である。
第５図は、第２実施形態にかかる燃料電池集合体を備える、本発明の燃料電池モジュールを概略的に示す外観図である。
第６図は、本発明の燃料電池モジュールを備える燃料電池の形態例を概略的に示す外観図である。
第７図は、本発明の燃料電池モジュールを備える燃料電池の形態例を概略的に示す外観図である。
第８図は、従来のチューブ型ＦＣセル及び当該チューブ型ＦＣセルを備える燃料電池モジュールを概略的に示す外観図である。
添付の図面において、１０はチューブ型燃料電池セル（チューブ型ＦＣセル）、３０は第３の集電体、３１は貫通孔、３２は第３の集電体、３３は貫通孔、３５は第１の集電体、４０は第２の集電体、４１は第２の集電体、１００は燃料電池モジュール、１０００は燃料電池を示す。

単位体積当たりの出力密度を向上させること等を目的として、チューブ型ＦＣに関する研究が進められており、当該チューブ型ＦＣの出力密度をより一層向上させるには、チューブ型ＦＣに備えられるチューブ型ＦＣセルの充填密度を高めることが好ましい。一方、チューブ型ＦＣセルの充填密度を向上させたとしても、各チューブ型ＦＣセルにて生成された電荷を集める（集電する）効率が低ければ、チューブ型ＦＣの出力密度を効果的に向上させ難い。そのため、集電効率を高めることで、出力密度を効果的に向上させ得るチューブ型ＦＣとすることが好ましい。
本発明はかかる観点からなされたものであり、その第１の要旨は、平行に配列された複数のチューブ型ＦＣセルと接触する集電体を備える構成とすることで、集電効率を向上させることが可能な燃料電池モジュールを提供することにある。そして、第２の要旨は、当該燃料電池モジュールを備える構成とすることで、集電効率を向上させることが可能な燃料電池を提供することにある。
本発明の理解を容易にするため、まず、チューブ型ＦＣセル、当該チューブ型ＦＣセルを備える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について説明する。
第８図は、従来のチューブ型ＦＣセル及び当該チューブ型ＦＣセルを備える燃料電池モジュールを概略的に示す外観図である。なお、その内部構造を理解しやすくするため、チューブ型ＦＣの構成部材を適宜切断して示している。
第８図（Ａ）に示すように、従来のチューブ型ＦＣセル１０は、中空形状の電解質膜（例えば、含フッ素イオン交換樹脂膜（Ｎａｆｉｏｎ等。Ｎａｆｉｏｎは米国デュポン社の登録商標。））１１並びに当該電解質膜１１の内側及び外側に配設される中空形状のアノード触媒層１２及びカソード触媒層１３を備えるＭＥＡ１５と、その外周面が中空形状のアノード触媒層１２の内周面と当接するように配設されるアノード集電体１６と、中空形状のカソード触媒層１３の外周面と当接するように配設されるカソード集電体１７ａ及び１７ｂとを備えている。図示のチューブ型ＦＣセル１０において、アノード集電体１６の外周面（アノード触媒層１２との当接面）には、アノード触媒層１２へと供給されるべき水素含有ガス（以下において、「水素」と記述する。）が流れる反応ガス流路１６ａ、１６ａ、…が形成されている。一方、当該チューブ型ＦＣセル１０の外周面（カソード触媒層１３）には、外部から空気を吹き付けることにより酸素含有ガス（以下において、「空気」と記述する。）を直接供給可能とされている。ここで、第８図（Ａ）に示すアノード触媒層１２及びカソード触媒層１３は、例えば、電気化学反応において触媒として機能する白金等と、含フッ素イオン交換樹脂等のプロトン伝導性物質とを備えている。
チューブ型ＦＣセル１０は、かかる形態を有することから、当該形態のチューブ型ＦＣセル１０、１０、…を配列する（第８図（Ｂ）参照）と、外部から空気を供給することにより、チューブ型ＦＣセル１０、１０、…の各カソード触媒層１３、１３、…へ酸素を供給することが可能になる。すなわち、チューブ型ＦＣセル１０では、当該チューブ型ＦＣセル１０の間を遮蔽するためのセパレータが不要になるほか、チューブ型ＦＣセル１０のカソード触媒層１３へ酸素を効果的に供給するための拡散層を備えない形態とすることも可能になり、セルに備えられる構成部材数を低減することが可能になる。したがって、チューブ型ＦＣセル１０によれば、効果的にユニットセルの小型化を図ることが可能になる。
第８図（Ｂ）は、複数の上記チューブ型ＦＣセルと当該チューブ型ＦＣセルを冷却すべき冷却管とを備える燃料電池モジュールを概略的に示す外観図である。第８図（Ｂ）に示すように、燃料電池モジュール９００は、複数のチューブ型ＦＣセル１０、１０、…と冷却管９０、９０、…とを備えている。燃料電池モジュール９００の両端部には、チューブ型ＦＣセル１０、１０、…の反応ガス流路１６ａ、１６ａ、…へと供給される水素が送られるべきガス用マニホールド９８ａ、９８ｂと、冷却管内へ供給される水が送られるべき冷却水用マニホールド９９ａ、９９ｂとが備えられ、さらに、各チューブ型ＦＣセル１０、１０、…で発生した電荷を集めるべき集電部（不図示）が備えられている。そして、一方のガス用マニホールド（例えば、９８ａ）を介して燃料電池モジュール９００へと供給された水素は、各チューブ型ＦＣセル１０、１０、…の反応ガス流路１６ａ、１６ａ、…を通ってチューブ型ＦＣセル１０、１０、…の電気化学反応に使用され、当該電気化学反応に使用されなかった水素等は他方のガス用マニホールド（例えば、９８ｂ）を介して回収される。また、燃料電池モジュール９００において、上記集電部は、一方がチューブ型ＦＣセル１０、１０、…のアノード集電体１６、１６、…に接続されるとともに、他方が同カソード集電体１７ａ、１７ｂに接続されることにより、複数のチューブ型ＦＣセル１０、１０、…で発生した電荷を集めて（集電して）いる。
従来のチューブ型ＦＣセル１０では、集電効率を向上させること等を目的として、各チューブ型ＦＣセル１０の外周面に、カソード集電体１７ａ及び１７ｂが備えられ（第８図（Ａ）参照）、カソード集電体１７ａは交差方向集電体として機能する一方、カソード集電体１７ｂは軸方向集電体として機能する。しかし、かかる構成では、交差方向に集めた電荷を、軸方向集電体１７ｂを介して取り出す等の手順を経る必要がある。そのため、電荷を外部へ取り出すまでの集電経路が長くなり、当該集電体の抵抗等により集電効率が低下しやすい。そこで、本発明では、複数のチューブ型ＦＣセルと集電体とを接触させ、交差方向の集電効率を向上させることで集電効率を向上させることが可能な燃料電池モジュールと、当該燃料電池モジュールを備える燃料電池とを提供している。
以下に図面を参照しつつ、本発明の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について具体的に説明する。
第１図は、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複数のチューブ型ＦＣセル並びに第１及び第２の集電体を概略的に示す外観図である。第１図において、第８図と同様の構成を採る構成部材には、第８図の各構成部材に使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。第１図において、矢印Ｘが軸方向を、矢印Ｙが交差方向を、それぞれ示している。
図示のように、第１実施形態にかかる複数のチューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…及び第２の集電体４０は、平行に配列されることによりＦＣセル層２１を形成し、かかるＦＣセル層２１は、繊維状又はチューブ状等の形状である第１の集電体３５によって、軸方向と略直交する交差方向に編込まれることにより、燃料電池集合体７１を形成している。
なお、図示のチューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…には、交差方向集電体１７ａ及び軸方向集電体１７ｂ（第８図参照）が備えられていない。また、本実施形態にかかる説明において、第２の集電体４０から複数のチューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…を介して端部のチューブ型ＦＣセル１０ａへ達するまでに必要とされる、第１の集電体３５の長さをＬとする。
本実施形態では、例えば、ＦＣセル層２１の端部に配置されている第２の集電体４０の上側面を出発し、当該第２の集電体４０に隣接するチューブ型ＦＣセル１０Ａの下側面を通過した第１の集電体３５は、当該チューブ型ＦＣセル１０Ａの隣に配列されているチューブ型ＦＣセル１０Ａの上側面を通過し、下側面と上側面とを交互に通過する形態を繰り返すことにより、端部に配列されているチューブ型ＦＣセル１０ａへと達する。そして、当該端部のチューブ型ＦＣセル１０ａへと達した第１の集電体３５は、当該チューブ型ＦＣセル１０ａの外周面を経由して再び上記と同様の行程を経て第２の集電体４０へと達し、その後は上記と同様の行程を繰り返すことにより、燃料電池集合体７１が形成される。したがって、本実施形態によれば、第１の集電体３５が各チューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…の外周面と接触しているため、当該第１の集電体３５に従来の交差方向集電体の機能を担わせることが可能になる。さらに、複数のチューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…と平行に配列している第２の集電体４０に、従来の軸方向集電体の機能を担わせることが可能になる。そして、当該第１の集電体３５は、約２Ｌの長さごとに、軸方向集電体として機能する第２の集電体４０と接触している。そのため、かかる形態とすることで、複数のチューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…で生成された電荷を、第１の集電体３５を介して、第２の集電体４０に集めることが容易になる。すなわち、本実施形態によれば、約２Ｌの長さごとに軸方向集電体と接触する交差方向集電体３５と、軸方向集電体４０とを用いることで、従来よりも集電経路の長さを短縮することが可能になるため、集電体の固有抵抗に起因する分極を低減することが可能になり、燃料電池集合体７１の集電効率を向上させることが可能になる。そして、かかる形態の燃料電池集合体７１を備える構成とすることで、燃料電池モジュールの集電効率を向上させることが可能になる。
また、本実施形態によれば、ＦＣセル層２１を構成する複数のチューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…及び第２の集電体４０を、第１の集電体３５により一度に編込んでいる。そのため、各チューブ型ＦＣセル１０、１０、…各々の外周面に交差方向集電体を配設する工程が必要とされた従来の燃料電池モジュールよりも、その生産性を向上させることが可能になる。
第２図は、第２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複数のチューブ型ＦＣセル並びに第１及び第２の集電体を概略的に示す外観図である。第２図において、第１図と同様の構成を採る構成部材には、第１図にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。第２図において、矢印Ｘが軸方向を、矢印Ｙが交差方向を、それぞれ示している。
図示のように、第２実施形態にかかる複数のチューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…及び第２の集電体４１、４１、…は、平行かつ交互に配置されることによりＦＣセル層２２を形成し、かかるＦＣセル層２２は、第２実施形態にかかる燃料電池集合体７１の場合と同様に、第１の集電体３５によって交差方向に編込まれることにより、燃料電池集合体７２を形成している。
本実施形態では、複数のチューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…と第２の集電体４１、４１、…とが交互に配列されているため、上記第１実施形態にかかる燃料電池集合体７１よりも軸方向の集電効率を向上させることが可能になる。したがって、かかる形態によっても、燃料電池モジュールの集電効率を向上させることが可能になる。なお、第２実施形態にかかる燃料電池集合体７２も、ＦＣセル層２２を構成する複数のチューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…及び第２の集電体４１、４１、…を、第１の集電体３５により一度に編込むことにより形成されている。そのため、かかる形態とすることで、従来よりも生産性を向上させ得る燃料電池モジュールを提供することが可能になる。
なお、第１実施形態及び第２実施形態にかかる上記説明では、チューブ型ＦＣセル１０Ａ、１０Ａ、…と第２の集電体４０（又は、４１、４１、…）が、第１の集電体３５によって軸方向と略直交する交差方向に編込まれる形態について記述したが、これらの実施形態にかかる第１の集電体３５の編込み方向は当該方向に限定されるものではなく、上記軸方向と交差する方向であれば、他の方向であっても良い。
また、第１並びに第２実施形態にかかる第１及び第２の集電体を構成し得る材料は、導電性が高い材料であれば特に限定されるものではないが、発電性能を向上させるという観点からは、ＦＣセル層の積層方向等へガスを透過し得る材料が好ましい。当該材料の具体例としては、ステンレス鋼、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＣ、ＴｉＳｉ_２、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ、ＴｉＢ_２等のほか、炭素系材料等を挙げることができる。
第３図は、第３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燃料電池集合体及び第３の集電体を概略的に示す外観図である。第３図（Ａ）は、第３実施形態にかかる燃料電池モジュールに備えられる複数の燃料電池集合体及び第３の集電体の一部を概略的に示す外観図、第３図（Ｂ）は、第３実施形態にかかる第３の集電体を概略的に示す正面図であり、第３図（Ｃ）は、第３図（Ａ）の矢視図の一部を概略的に示している。なお、第３図（Ａ）では、各燃料電池集合体に備えられる第１の集電体及び第２の集電体を、第３図（Ｃ）では第２の集電体をそれぞれ省略して示すが、実際の燃料電池集合体には、これらの集電体が備えられているものとする。第３図において、第１図及び／又は第８図と同様の構成を採る構成部材には、これらの図にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。第３図において、矢印Ｘが軸方向を、矢印Ｙが交差方向を、それぞれ示している。
第３図（Ａ）に示すように、第３実施形態にかかる燃料電池集合体７０は、燃料電池集合体７１、７１とスノコ状の第３の集電体３０、３０とが交互に積層されることにより形成され、かかる第３の集電体３０、３０には、スリット状に形成された複数の貫通孔３１、３１、…が備えられている（第３図（Ｂ）参照）。そして、第３図（Ｂ）に示すように、第３の集電体３０、３０に形成されている貫通孔３１、３１、…は、交差方向の枠３１ａ、３１ａ、…を介して形成されている。一方、第３図（Ｃ）に示すように、第３実施形態にかかる第３の集電体３０、３０は、各チューブ型ＦＣセル１０、１０、…の外周面に配設される第１の集電体３５、３５、…と接触している。そのため、第１の集電体３５、３５、…を介して集めた電荷を、第３の集電体３０、３０を介して外部へ取り出すことが可能になる。したがって、図示の燃料電池集合体７０を備える燃料電池モジュールとすることで、当該燃料電池モジュールの集電効率を向上させることが可能になる。なお、第３図（Ａ）及び第３図（Ｂ）に示すように、第３実施形態にかかる第３の集電体３０には、集めた電荷を外部へ容易に取り出し可能とする等の観点から、第３の集電体３０の軸方向中央部にタブ部３０Ａが備えられている。
また、図示の燃料電池集合体７０は、燃料電池集合体７１、７１と第３の集電体３０、３０とを交互に積層することにより形成されるため、容易に製造することが可能になる。
第３実施形態にかかる上記説明では、タブ部３０Ａが軸方向の中央部に備えられている形態について記述したが、当該タブ部３０Ａが備えられ得る位置は、特に限定されない。さらに、上記説明では、スリット状の貫通孔が形成されているスノコ形態の第３の集電体３０について記述したが、本実施形態にかかる第３の集電体の形状は、当該形状に限定されるものではなく、例えば、貫通孔が格子状に形成されている形態等であっても良い。そこで、第４図に、格子状に形成された貫通孔を備える第３の集電体を概略的に示す。
第４図は、第３の集電体の形態例を概略的に示す正面図である。図示のように、第３の集電体３２は、格子状に形成された複数の貫通孔３３、３３、…を備えており、かかる貫通孔３３、３３、…は、交差方向の枠３３ａ、３３ａ、…及び軸方向の枠３３ｂ、３３ｂ、…を介して形成されている。第３の集電体３２をかかる形態とすれば、当該第３の集電体３２に、軸方向の電荷を集める機能をも担わせることが可能になるため、集電効率をより一層向上させることが可能になる。
なお、第３実施形態にかかる上記説明では、第３の集電体に、軸方向と略直交する交差方向の枠を介して形成される貫通孔が備えられる形態について記述したが、第３の集電体は当該形態に限定されるものではなく、貫通孔は、軸方向と交差する方向の枠を介して形成されていれば良い。ただし、交差方向の集電効率を効果的に向上させるという観点からは、軸方向と略直交する交差方向の枠を備える形態であることが好ましい。さらに、上記説明では、貫通孔を備える形態の第３の集電体について記述したが、燃料電池集合体と交互に積層される第３の集電体は、貫通孔を備えない形態であっても良い。かかる形態であっても、第３の集電体は、複数のチューブ型ＦＣと、軸方向と交差する方向に接触し得るため、従来よりも交差方向の集電効率を向上させることが可能になる。
また、第３実施形態にかかる第３の集電体の構成材料は、導電性が高い材料であれば特に限定されるものではないが、発電性能を向上させるという観点からは、ＦＣセル層の積層方向等へガスを透過し得る材料が好ましい。当該材料の具体例としては、ステンレス鋼、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ、ＴｉＣ、ＴｉＳｉ_２、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ、ＴｉＢ_２等のほか、炭素系材料等を挙げることができる。
第５図は、第２実施形態にかかる燃料電池集合体７２を備える、本発明の燃料電池モジュールを概略的に示す外観図である。第５図において、第２図と同様の構成を採る構成部材には、第２図にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。第５図において、矢印Ｘが軸方向を、矢印Ｙが交差方向を、それぞれ示している。なお、燃料電池モジュールの内部構造を容易に理解可能とするため、第５図は、燃料電池モジュールの構成部材を適宜切断・省略して示している。以下において、チューブ型ＦＣセル１０Ａを、単に「セル１０Ａ」と表記することがある。
図示のように、本発明にかかる燃料電池モジュール１００は、セル１０Ａ、１０Ａ、…、第１の集電体３５、及び、第２の集電体４１、４１、…により構成される燃料電池集合体７２、７２、…を複数備えている。そして、当該セル１０Ａ、１０Ａ、…の外周面（カソード）へと供給される空気が流れるべきガス流通部６０と、セル１０Ａ、１０Ａ、…の中空部（アノード）へ供給される水素が流れるべきアノードマニホールド６１、６２とは、シール部材８０、８０及びシール材８１を介して略完全に区分けされている。なお、第５図では記載を省略しているが、当該シール材８１は、図示のシール材８１と同様の形態で、アノードマニホールド６２側にも備えられている。図示の燃料電池モジュール１００において、各セル１０Ａ、１０Ａ、…のカソード触媒層にて発生した電荷は、第１の集電体３５及び第２の集電体４１、４１、…を介して集められ、さらに、このようにして集められた電荷は、第２の集電体４１、４１、…と接続されているカソード集電部５３、及び、当該カソード集電部５３に接続されているカソード出力部５４を介して外部へ取り出される。一方、各セル１０Ａ、１０Ａ、…のアノード触媒層にて発生した電荷は、各セル１０Ａ、１０Ａ、…に備えられているアノード集電体（不図示）を介してアノード集電部５１へと集められ、さらに、かかるアノード集電部５１に接続されているアノード出力部５２を介して外部へ取り出される。
このように、本発明の燃料電池モジュール１００には、上記形態の燃料電池集合体７２、７２、…が複数備えられている。そのため、上述のようにして燃料電池集合体７２、７２、…の集電効率を向上させることで、燃料電池モジュール１００の集電効率を向上させることが可能になる。
便宜上、上記説明では、第２実施形態にかかる燃料電池集合体７２、７２、…を備える形態の燃料電池モジュール１００について記述したが、本発明にかかる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、第１実施形態にかかる燃料電池集合体７１や第３実施形態にかかる燃料電池集合体７０が備えられている形態であっても良い。ここで、第３実施形態にかかる燃料電池集合体７０が備えられる場合には、当該燃料電池集合体７０に備えられる第３の集電体のタブ部３０Ａが、上記カソード集電部５３に接続される形態等とすれば良い。他方、第１実施形態にかかる燃料電池集合体７１が備えられる場合には、第２集電体４０が上記カソード集電部５３に接続される形態等とすれば良い。
他方、燃料電池モジュール１００の作動時には、セル１０Ａが発熱する。例えば、セル１０Ａの電解質膜としてＮａｆｉｏｎが使用される場合、当該Ｎａｆｉｏｎが良好なプロトン伝導性能を発現するためには、セル１０Ａの温度を８０〜１００℃程度に維持する必要があるため、適当な手段によりセル１０Ａを冷却する必要がある。このほか、燃料電池モジュールを備える燃料電池の取扱いを容易にする等の観点からも、セル１０Ａを効果的に冷却することが望まれる。本発明において、この冷却方法は特に限定されるものではなく、具体例としては、水冷や空冷等を挙げることができる。ここで、セル１０Ａを水冷する場合、当該水冷の形態は特に限定されるものではないが、大掛かりな設備を用いることなくセル１０Ａを効果的に冷却する等の観点からは、一定比率（例えば、冷却管総数１に対してセル１０Ａの総数が３となる比率等）で冷却管が備えられる燃料電池モジュールとすることが好ましい。かかる形態とすれば、冷却管に水を流通させることにより、燃料電池モジュールに備えられるセル１０Ａを効果的に冷却することが可能になる。なお、第５図では、冷却水を流通させるべき構成部材を省略して示している。
第６図及び第７図は、本発明の燃料電池モジュールを備える燃料電池の形態例を概略的に示す外観図である。なお、第７図は、第６図の燃料電池を裏面側から見た図であり、燃料電池の内部構造を容易に理解可能とするため、側面に備えられる格子状部材を省略している。以下、第６図及び第７図を参照しつつ、本発明の燃料電池モジュールについて説明する。
第６図及び第７図に示すように、本発明の燃料電池１０００は、外装容器６００に複数の燃料電池モジュール１００、１００、…が収容されることにより構成され、当該外装容器６００の上面には、反応ガス（例えば、水素）導入口５００、反応ガス排出口５１０、及び、冷却水口５２０が備えられる一方、外装容器６００の一対の側面には、格子状部材５５０が備えられている。反応ガス導入口５００へと供給されるガスが水素である場合、燃料電池１０００には、格子状部材５５０を貫通する方向に空気が供給され、第６図の格子状部材５５０へと供給された空気は、外装容器６００の背面に備えられるべき格子状部材（第７図では不図示）側から排出される。そして、当該形態の燃料電池１０００が作動することにより発熱した燃料電池モジュール１００、１００、…は、例えば、冷却水口５２０から供給・排出される水が当該燃料電池モジュール１００、１００、…に備えられる冷却管内を流通する等の方法により温度が制御される。
このように、本発明の燃料電池１０００には、複数の燃料電池モジュール１００、１００、…が備えられる。そのため、燃料電池モジュール１００、１００、…の集電効率を向上させることで、燃料電池１０００の集電効率を向上させることが可能になる。
本発明の燃料電池モジュール、並びに、燃料電池に備えられるチューブ型ＦＣセルの構成部材を形成し得る材料、及び、その形態について、以下に説明する。
本発明にかかるチューブ型ＦＣセルにおいて、電解質膜、アノード触媒層、カソード触媒層、アノード集電体、カソード集電体を形成すべき材料は、電気化学反応により電気エネルギーを生じ得るものであれば、特に限定されるものではない。
本発明にかかるチューブ型ＦＣセルの電解質膜を形成し得る材料（以下において、「電解質材料」と記述する。）の具体例としては、上記含フッ素イオン交換樹脂膜、アミド系樹脂に代表される炭化水素系樹脂等の有機系の電解質成分や、珪素酸化物等を主成分とする無機系の電解質成分等を挙げることができる。電解質膜の成形容易性等の観点からは、特に、ケイ素酸化物を主成分とするものが好ましい。本発明にかかる電解質材料として、無機系の電解質成分を用いる場合、当該電解質成分の具体例としては、多孔質ガラスをチューブ状に成形し、そのナノ細孔内の表面を改質して、プロトン伝導性を付与したチューブ状電解質膜や、チューブ状のリン酸ガラスを応用したもの等を挙げることができる。
本発明にかかるアノード触媒層及びカソード触媒層（以下において、単に「触媒層」と記述する。）は、電気化学反応の触媒として機能する物質（例えば、白金粒子が炭素粒子に担持された白金担持カーボン等。以下において、「触媒物質」と記述する。）が含まれていれば、当該触媒層を形成すべき物質は特に限定されるものではなく、例えば、上記触媒物質と当該触媒物質の利用効率を高めるためのプロトン伝導性物質とを備える形態等であっても良い。本発明にかかる触媒層に備えられ得るプロトン伝導性物質の具体例としては、上記パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー等を挙げることができる。また、本発明にかかる触媒物質の具体例としては、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もの等を挙げることができる。
チューブ型ＦＣセルを備える本発明の燃料電池は、平板型ＦＣ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可能になるので、平板型ＦＣの触媒成分として好適に使用される白金よりも触媒作用が小さい触媒成分を用いたとしても、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可能になる。そのため、本発明にかかる触媒成分は、アノードにおける水素の酸化反応、及び、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、その具体例としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｗ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｖ、Ｍｏ、Ｇａ、Ａｌ等の金属単体、又はこれらの金属元素を含む合金等を挙げることができる。単位体積当たりの出力密度を高めるという観点からは、白金、及び／又は白金合金を用いることが好ましい。
さらに、本発明にかかるアノード集電体の形状は特に限定されるものではなく、その具体例としては、バネ形状、管の壁面部に当該壁面を貫通する孔を多数有する形状、管の壁面部が網目形状のもの、複数の直線状の導電体が中空ＭＥＡ外周面の軸方向に配列されたもの等を挙げることができ、集電効率を向上させるという観点からは、バネ形状であることが好ましい。
なお、上記説明では、便宜上、拡散層を備えない形態のチューブ型ＦＣセルについて記述したが、本発明にかかるチューブ型ＦＣの形態は当該形態に限定されるものではなく、ＭＥＡと集電体との間に拡散層が備えられている形態であっても良い。
また、上記説明では、チューブ型ＦＣセルの内側に水素が、外側に空気が供給される形態について記述したが、本発明は当該形態に限定されるものではなく、チューブ型ＦＣセルの内側に空気（酸素含有ガス）が、外側に水素（水素含有ガス）が、それぞれ供給される形態であっても良い。

以上のように、本発明にかかる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は、電気自動車や携帯用電源の動力源として用いるのに適している。

Claims (7)

1. 平行に配列された複数のチューブ型燃料電池セルと、第１の集電体と、を備え、前記複数のチューブ型燃料電池セルが、前記第１の集電体によって、前記チューブ型燃料電池セルの軸方向と平面視で交差する方向に編込まれ、
   前記複数のチューブ型燃料電池セルと平行に配置された第２の集電体をさらに備え、前記複数のチューブ型燃料電池セル及び前記第２の集電体が、前記第１の集電体によって、前記チューブ型燃料電池セルの軸方向と平面視で交差する方向に編込まれていることを特徴とする、燃料電池モジュール。
2. 前記第２の集電体は、前記複数のチューブ型燃料電池セル配列の端部に配置されてい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. 前記第２の集電体は、前記複数のチューブ型燃料電池セルと平行かつ交互に配置されてい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。
4. 前記第１の集電体が、ガスを透過可能であ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. 前記第１の集電体と接触する第３の集電体をさらに備え、前記第１の集電体によって編込まれた前記複数のチューブ型燃料電池セル及び前記第２の集電体と、前記第３の集電体とが交互に積層されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記第３の集電体が、スノコ状又は格子状平板であ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. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールを備えることを特徴とする、燃料電池。