JP5040099B2 - チューブ型燃料電池モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、チューブ型燃料電池モジュール及びその製造方法に関し、特に、シールの信頼性を向上させることが可能なチューブ型燃料電池モジュール及びその製造方法に関する。

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等を目的として、近年、チューブ型の燃料電池（以下において、「チューブ型ＰＥＦＣ」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ＰＥＦＣのユニットセル（以下において、「チューブ型セル」と記述することがある。）は、一般に、中空形状の電解質層と当該電解質層の内側及び外側に配設される触媒層とを備えるＭＥＡ、を備えている。そして、例えば、当該ＭＥＡの内側に水素含有ガスを、同外側に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、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ＰＥＦＣでは、各ユニットセルに備えられるＭＥＡの内側に一方の反応ガス（例えば、水素含有ガス）を、外側に他方の反応ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給することで発電エネルギーを取り出すので、隣り合う２つのユニットセルの外側面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、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。

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、マイクロセルの全てのコンポーネントが、単繊維アセンブリに加工された燃料電池に関する技術が開示されている。かかる技術によれば、高密度のエネルギー出力を生み出し、電気化学的セル装置（チューブ型燃料電池）の容積を最小限とすることができる、としている。
特表２００４−５０５４１７号公報

ところで、チューブ型セルに備えられる電解質膜は、所定の温度範囲（例えば８０℃前後等の範囲）でプロトン伝導性能を発現する。そのため、チューブ型ＰＥＦＣの作動時には、電解質膜の温度が、上記温度範囲となるように維持することが求められる。そこで、チューブ型セルを備えるチューブ型ＰＥＦＣモジュールでは、電解質膜の温度を適当な範囲とすること等を目的として、チューブ型セルの内側及び／又は外側に熱媒管が配置され、この熱媒管内を流れる熱媒体を用いて、チューブ型セルを加温又は冷却している。

このように、チューブ型ＰＥＦＣでは、水素含有ガス及び酸素含有ガスのほかに、熱媒体が用いられるため、チューブ型ＰＥＦＣモジュールには、これらの流体をそれぞれ分離するためのシール部が必須の構造として、ＭＥＡの端部等に備えられている。そして、特許文献１に開示されているような従来のチューブ型ＰＥＦＣモジュールでは、例えば、２種類の反応ガスをそれぞれ隔離するためのシール部、反応ガスと熱媒体とを隔離するためのシール部、及び、熱媒体と大気とを隔離するためのシール部が、配置される。

しかし、特許文献１に開示されているような形態のチューブ型ＰＥＦＣを作動させることにより、チューブ型セルや熱媒管等に代表される各構成要素の温度が上昇すると、チューブ型セル及び熱媒管が、膨張する。そのため、多くのシール部を有する複雑なシール構造のチューブ型ＰＥＦＣでは、シールの信頼性が低下しやすいという問題があり、特許文献１に開示されている技術ではこの問題を解決することが困難であった。

そこで本発明は、シールの信頼性を向上させることが可能なチューブ型燃料電池モジュール及びその製造方法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、
請求項１に記載の発明は、中空形状のＭＥＡと、ＭＥＡを冷却又は加温すべき熱媒体が内部を流れる熱媒管と、を具備し、熱媒管が、第１直線部及び第２直線部と、第１直線部と第２直線部とをつなぐ屈曲部と、を備え、第１直線部及び第２直線部の周囲に、ＭＥＡが形成されることによって、ＭＥＡの中空部に熱媒管が配置されていることを特徴とする、チューブ型燃料電池モジュールにより、上記課題を解決する。

本発明及び以下に示す発明において、「中空形状のＭＥＡ」とは、少なくとも、中空形状の内側触媒層と、当該内側触媒層の外側に配設される外側触媒層と、内側触媒層と外側触媒層との間に挟まれる電解質膜とを含む形態のＭＥＡを意味している。さらに、熱媒体の具体例としては、水、エチレングリコール、及び、これらの混合物等を挙げることができる。加えて、熱媒管は、チューブ型ＰＥＦＣの作動環境に耐え得る耐食性を有する材料により構成されていれば、その構成材料は特に限定されない。ただし、熱媒管に、内部集電体としての機能をも担わせることでチューブ型燃料電池モジュールの小型化を図りやすくする等の観点からは、上記耐食性に加えて良好な電気伝導性を有する材料により構成されていることが好ましい。当該耐食性及び良好な電気伝導性を有する材料の具体例としては、Ａｕ、Ｐｔのほか、Ｃｕの表面をＴｉにより被覆したもの（例えば、Ｃｕ−Ｔｉクラッド材）等を挙げることができる。加えて、本発明にかかるチューブ型燃料電池モジュールの出力密度を効果的に向上可能とする等の観点から、上記熱媒管に備えられる第１直線部の軸方向と第２直線部の軸方向が互いに平行であることが好ましい。
さらに、「第１直線部及び第２直線部の周囲に、ＭＥＡが形成されることによって、ＭＥＡの中空部に熱媒管が配置されている」とは、熱媒管が内部集電体としての機能をも担う場合には、当該熱媒管に備えられる第１直線部及び第２直線部の外表面に、ＭＥＡが形成されることを意味する。これに対し、熱媒管とＭＥＡとの間に内部集電体が配設される場合には、熱媒管の第１直線部及び第２直線部の外表面に配設された内部集電体の外表面に、ＭＥＡが形成されることを意味する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のチューブ型燃料電池モジュールにおいて、第１直線部、第２直線部、及び、屈曲部が、１本の熱媒管を曲げることにより形成されていることを特徴とする。

ここに、「１本の熱媒管を曲げることにより形成されている」とは、１本の熱媒管を曲げることで、当該熱媒管の少なくとも１部がＵ字状に形成され、当該Ｕ字状が、第１直線部、屈曲部、及び、第２直線部により構成されていることを意味する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のチューブ型燃料電池モジュールにおいて、熱媒管の入口及び出口が、ＭＥＡの軸方向中心に対して同じ側に位置していることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、中空形状のＭＥＡと、ＭＥＡを冷却又は加温すべき熱媒体が内部を流れる熱媒管と、を具備するチューブ型燃料電池モジュールの製造方法であって、直管形状の部材の周囲に、ＭＥＡを形成するＭＥＡ形成工程と、ＭＥＡ形成工程後に、直管形状の部材を曲げて、第１直線部及び第２直線部と、第１直線部と第２直線部とをつなぐ屈曲部と、を備える熱媒管とし、熱媒管の周囲にＭＥＡが形成された屈曲体を得る屈曲工程と、を含み、ＭＥＡ形成工程において、少なくとも屈曲部と対応する長さの間隔を開けながらＭＥＡが順次形成されるか、又は、屈曲工程後に、さらに、少なくとも屈曲部の周囲に形成されたＭＥＡを除去する除去工程が含まれることを特徴とする、チューブ型燃料電池モジュールの製造方法により、上記課題を解決する。

ここに、「直管形状の部材」とは、曲げられて屈曲部が形成される前の熱媒管を意味する。さらに、「直管形状の部材の外側に、ＭＥＡを形成する」形態は、直管形状の部材が曲げられることで形成される熱媒管（以下において、単に「熱媒管」と記述する。）が、内部集電体の機能をも有する場合と、内部集電体の機能を有しない場合とで分けることができる。熱媒管が内部集電体の機能をも有する場合の具体例としては、まず、熱媒管の外表面とＭＥＡの内側触媒層とが接触するようにＭＥＡが形成される形態を挙げることができる。さらに、屈曲部対応箇所並びに入口及び出口の近傍（以下において、「ＭＥＡ除去箇所」ということがある。）に形成されるＭＥＡを除去しやすくするため、予めＭＥＡ除去箇所に撥水処理を施すか又はマスキング部材等を配置した後、ＭＥＡ除去箇所以外の箇所には熱媒管の外表面に、ＭＥＡ除去箇所には当該撥水処理又はマスキング部材の上にＭＥＡを形成する形態等を挙げることができる。これに対し、熱媒管が内部集電体の機能を有しない場合には、ＭＥＡと熱媒管との間に内部集電体を配設する必要があるので、熱媒管の外表面と接するように配設される内部集電体の外表面にＭＥＡを形成する形態等を挙げることができる。
さらに、「屈曲部と対応する長さの間隔を開けながらＭＥＡを順次形成」する方法の具体例としては、溶融又は溶解させた触媒層成分や電解質膜成分を間欠塗布する形態等を挙げることができる。加えて、「屈曲部の周囲に形成されたＭＥＡを除去」する方法の具体例としては、ＭＥＡ除去箇所にレーザー光を当てて加熱することによりＭＥＡを溶融させて除去する形態や、ＭＥＡ除去箇所を溶剤に浸して溶解させて除去する形態のほか、予めＭＥＡ除去箇所に配設されたマスキング部材を除去することでマスキング部材及び当該マスキング部材の表面に形成されたＭＥＡを除去する形態等を挙げることができる。

請求項１に記載の発明によれば、隣接する第１直線部と第２直線部とを屈曲部により繋ぐことができるので、ｎ箇所の直線部とｎ−１箇所の屈曲部とを有する、蛇行した形状の熱媒管を備える形態とすることができる。このように、熱媒管を蛇行した形状にすれば、熱媒体の入口及び出口を限定することが可能になり、反応ガスと熱媒体との間に形成されるシール部の構造を簡略化することが可能になる。加えて、冷却管がチューブ型燃料電池の内部と接触しているため、特に熱の篭りやすいチューブ型燃料電池の内部を効率的に冷却することができる。したがって、本発明によれば、シール部の構造を簡略化することでシールの信頼性を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池モジュールを提供できる。

請求項２に記載の発明によれば、第１直線部、第２直線部、及び、屈曲部が、１本の熱媒管を曲げることにより形成されているので、第１直線部及び第２直線部と屈曲部との接続を回避することができ、シールの信頼性を一層向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、熱媒管の入口及び出口が、ＭＥＡの軸方向中心に対して同じ側に位置しているので、当該入口及び出口が位置している側にのみ、反応ガスと熱媒体とを隔離するシール部を形成することができ、シール部の構造を容易に簡略化することができる。

請求項４に記載の発明によれば、製造工程に、熱媒管を蛇行した形状にする工程と、当該熱媒管の周囲にＭＥＡを形成する工程が含まれるので、熱媒体の入口及び出口を限定することでシール構造を簡略化し得る、チューブ型燃料電池モジュールが製造される。かかる形態のチューブ型燃料電池モジュールによれば、従来よりもシール箇所を低減できるので、シールの信頼性が向上する。したがって、本発明によれば、シールの信頼性を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池モジュールの製造方法を提供できる。

チューブ型セルを適当な温度範囲に維持すること等を目的として、チューブ型ＰＥＦＣモジュールには、内部に熱媒体を通す熱媒管が備えられる。従来のチューブ型ＰＥＦＣモジュール（以下において、「従来型モジュール」と記述する。）に備えられる熱媒管は、直管形状であったため、反応ガス拡散領域と熱媒体拡散領域との間に形成されるシール部（後述）を熱媒管が貫通する貫通箇所が、熱媒管の本数と同数となり、シール構造が複雑化していた。すなわち、従来型モジュールでは、シールを貫通する貫通箇所が多く、これらの間隔が非常に狭かったため、シール構造が複雑化しやすいほか、シールの信頼性が低下しやすく、チューブ型ＰＥＦＣシステム（以下、単に「システム」という。）としての安定性が低下しやすいという問題があった。シールの信頼性を向上させるには、当該貫通箇所及び／又はシール部の数（シール箇所）を低減することが効果的であり、貫通箇所及び／又はシール箇所を低減しつつシステムの安定性を確保できれば、システムの小型化を図ることが可能になり、出力密度を向上させることも可能になる。

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、蛇行した形状の熱媒管と、当該熱媒管の周囲に形成されたＭＥＡとを備える形態とすることで、貫通箇所及びシール箇所を従来型モジュールよりも低減させ、シールの信頼性を向上させることが可能なチューブ型燃料電池モジュール、及び、その製造方法を提供することにある。

以下、図面を参照しつつ、本発明のチューブ型燃料電池モジュール及びその製造方法について具体的に説明する。

１．チューブ型燃料電池モジュール
図１は、第１実施形態にかかる本発明のチューブ型燃料電池モジュールの一部を概略的に示す斜視図である。図示のように、本発明のチューブ型燃料電池モジュール（以下において、「本発明のモジュール」という。）１００は、蛇行した形状に形成された熱媒管１と、当該熱媒管１の周囲に形成されたＭＥＡ２、２、…とを具備しており、さらに、各ＭＥＡ２、２、…と接触するように配設された外部集電体（不図示）と、熱媒管１の屈曲部１３、１３、…と接触するように配置された集電体３（図６参照）と、を備えている。本発明のモジュール１００に備えられる熱媒管１は、内部集電体としての機能をも有し、Ｃｕ−Ｔｉクラッド材を母材とする１本の直管を曲げて屈曲部１３、１３、…を形成することにより作製されており、第１直線部１１、１１、…、及び、第２直線部１２、１２、…と、これらを繋ぐ屈曲部１３、１３、…とを備えている。そして、熱媒管１の外表面には、ＭＥＡ２の内側へ反応ガスを拡散させるための反応ガス流路１６、１６、…が形成され、孔１７には熱媒体（例えば、水等。以下において、「水」と記述することがある。）が流れる。また、本実施形態にかかる熱媒管１では、入口１４及び出口１５が、ともに、手前側に位置している。

このように、本実施形態にかかるモジュール１００によれば、熱媒管１の入口１４及び出口１５が、ともに手前側に位置しているので、熱媒管１の孔１７を流れる熱媒体と反応ガスとをシールするシール部を、ＭＥＡ２、２、…の手前側の端部にのみ形成すれば良く、シール箇所を低減してシール構造を簡略化することができる。さらに、熱媒管１の入口及び出口が、入口１４及び出口１５のみに限定されているので、当該入口１４及び出口１５のみが熱媒体拡散領域と反応ガス拡散領域との間に形成されるシール部（後述）を貫通する形態とすることで、貫通箇所を低減してシール構造を一層簡略化することができる。

図２は、図１に示す熱媒管及びＭＥＡの一部を概略的に示す断面図であり、紙面に垂直な方向が、ＭＥＡの軸方向である。図２では、図１にて使用した符号を使用し、各部位・部材の説明を適宜省略する。以下、図１及び図２を参照しつつ、本発明のモジュールについて説明する。

図２に示すように、熱媒管１の外表面に形成されるＭＥＡ２は、内側触媒層２１と、その外側に形成される電解質膜２２と、さらに外側に形成される外側触媒層２３と、を備え、内側触媒層２１の内表面及び熱媒管１の外表面が接触している。そして、内部集電体としての機能も有する熱媒管１には、熱媒体流路としての孔１７と、反応ガス流路１６、１６、…と、が形成されている。このように、本発明のモジュール１００では、熱媒管１に形成された反応ガス流路１６、１６、…を介して、内側触媒層２１へ反応ガス（水素含有ガス、又は、酸素含有ガス）が供給され、熱媒管１により、ＭＥＡ２で発生した電気をＭＥＡ２の軸方向に集めている。さらに、熱媒管１は内側触媒層２１と接触しているので、孔１７へ冷水又は温水等を流すことで、ＭＥＡ２を冷却又は加温することができる。

図３は、本発明のモジュールに備えられるシール部の構成例を概略的に示す断面図、図４は、従来型モジュールに備えられるシール部の構成例を概略的に示す断面図であり、紙面上下方向が、ＭＥＡの軸方向である。図３は、本発明のモジュールに備えられる熱媒管、ＭＥＡ、及び、シール部の一部のみを拡大して示している。なお、図３では、３つの屈曲部を有する形態の熱媒管を示したが、本発明のモジュールに備えられる熱媒管の形態は、図示の形態に限定されない。一方、図４は、図３に示す熱媒管の直線部と同数の直管形状の熱媒管が備えられる従来型モジュールと、そのシール部の構成を示している。図３及び図４において、図１に示すモジュールの構成要素と同様の構成を採るものには、図１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。また、図３及び図４では、水素、空気、及び、水の取入口、並びに、排出口の記載を省略しており、反応ガス拡散領域としての水素含有ガス拡散領域と酸素含有ガス拡散領域との間に配置されるシール部、及び、水素含有ガス拡散領域と熱媒体拡散領域との間に配置されるシール部を強調して示している。なお、図３及び図４の直線矢印は、熱媒管内を流れる水の流れ方向を示している。

図３に示すように、本実施形態にかかるモジュール１００’は、熱媒管１と、当該熱媒管１の外表面上に配設されるＭＥＡ２、２、…と、を備えている。熱媒管１は、Ｃｕ−Ｔｉクラッド材を母材とする１本の直管を曲げて屈曲部１３、１３、…を形成することにより作製されており、第１直線部１１、１１、及び、第２直線部１２、１２と、これらを繋ぐ屈曲部１３、１３、…と、を有している。図示のモジュール１００’は、中央部が酸素含有ガス拡散領域（以下、「酸素拡散領域」という。）７、酸素拡散領域７の両側が水素含有ガス拡散領域（以下、「水素拡散領域」という。）６、６とされており、酸素拡散領域７と水素拡散領域６、６との間にシール部５ａ、５ａが、水素拡散領域６と熱媒体拡散領域（以下、「水拡散領域」という。）８との間にシール部５ｂが、それぞれ形成されている。このように、本発明のモジュール１００’によれば、熱媒管１の入口１４及び出口１５のみがシール部５ｂを貫通しているので、シール部の構造を簡略化することができる。

これに対し、図４に示す従来型モジュール９００は、直管形状の熱媒管１０、１０、…と、当該熱媒管１０、１０、…の外周面上に配設されるＭＥＡ２、２、…と、を備えている。図示のモジュール９００も、図３に示すモジュール１００’と同様に、中央部が酸素拡散領域７、酸素拡散領域７の両側が水素拡散領域６、６とされており、酸素拡散領域７と水素拡散領域６、６との間にシール部５ａ、５ａが、水素拡散領域６、６と水拡散領域８、８との間にシール部９５ｂ、９５ｂが、それぞれ形成されている。熱媒管１０、１０、…の本数を「ｔ」とするとき、従来型モジュール９００では、各シール部９５ｂを貫通する貫通箇所の数が「ｔ」であったため、シール構造が複雑化してシールの信頼性が低下しやすいという問題があった。

図３及び図４に示すように、本発明のモジュール１００’によれば、熱媒管１を蛇行した形状とすることで、シール部５ｂを貫通する貫通箇所の間隔を広げて貫通箇所の数を低減することができ、これによって、シールの信頼性を向上させることができる。さらに、本発明のモジュール１００’によれば、熱媒体拡散領域をモジュールの両端側に設ける必要がなくなるので、シール箇所を低減して小型化を容易に図ることができ、モジュール１００’の出力密度を向上させることができる。

上記説明では、熱媒管の入口及び出口が、ＭＥＡの軸方向中心に対して同じ側に位置している形態を例示したが、本発明のモジュールに備えられる熱媒管の形態は当該形態に限定されるものではなく、熱媒管の入口及び出口が、ＭＥＡの軸方向中心に対して反対側に位置していても良い。ただし、モジュールの小型化を図りやすくする等の観点からは、熱媒管の入口及び出口が、ＭＥＡの軸方向中心に対して同じ側に位置している形態とすることが好ましい。

また、これまで、第１直線部１１及び第２直線部１２を水平面上に載置可能な形態の熱媒管１が備えられるモジュール１００、１００’を例示したが、本発明のモジュールに備えられる熱媒管の形態は、これに限定されない。本発明のモジュールに備えられる熱媒管が採り得る他の形態例を、図５に示す。

図５は、第２実施形態にかかる本発明のモジュールの一部を概略的に示す斜視図である。図５において、図１に示すモジュールの構成要素と同様の構成を採るものには、図１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。

図５に示すように、第２実施形態にかかる本発明のモジュール２００は、熱媒管１ａと、当該熱媒管１ａの外側に形成されたＭＥＡ２、２、…とを具備しており、さらに、各ＭＥＡ２、２、…と接触するように配置された外部集電体と、熱媒管１ａの屈曲部１３ａ、１３ａ、…と接触するように配置された集電体（共に不図示）と、を備えている。図示のように、第２実施形態にかかる熱媒管１ａは、第１直線部１１、１１、…、第２直線部１２、１２、…、及び、これらを繋ぐ屈曲部１３ａ、１３ａ、…が略円筒形状となるように形成されており、熱媒管１ａの入口１４及び出口１５が隣接している。本実施形態において、熱媒管１ａは、内部集電体としての機能をも有しており、Ｃｕ−Ｔｉクラッド材を母材とする１本の直管を曲げて屈曲部１３ａ、１３ａ、…を形成することにより作製されている。そして、熱媒管１ａの外表面には、ＭＥＡ２の内側へ反応ガスを拡散させるための反応ガス流路１６、１６、…が形成され、孔１７には、水等の熱媒体が流される。

このように、第２実施形態にかかるモジュール２００によれば、熱媒管１ａの入口１４及び出口１５が隣接しているので、シール構造を簡略化することができる。

また、第２実施形態にかかるモジュール２００によれば、熱媒管１ａが略円筒形状に形成されているので、モジュール全体としての強度を向上させることが可能になり、モジュールの取り扱いやすさを向上させることができる。これに対し、上記第１実施形態にかかるモジュール１００、１００’では、熱媒管１が水平面上に載置可能な形態とされているので、ＭＥＡ２、２、…間の隙間を確保することが容易になるほか、略円筒形状である場合に形成される中央部の空間を有しないので、出力密度を向上させることが容易になる。したがって、出力密度を向上させる等の観点からは、上記第１実施形態のモジュール１００、１００’とすることが好ましく、モジュールの取り扱いやすさを向上させる等の観点からは、上記第２実施形態のモジュール２００とすることが好ましい。

なお、本発明のモジュールの構成を容易に理解可能とするため、図１〜図５では、屈曲部と接触するように配設される集電体の記載を省略したが、ＭＥＡの軸方向と交差する方向の集電効率を向上させる等の観点から、本発明のモジュールには、当該集電体が備えられる。そこで、図６に、屈曲部と接触するように配設された集電体を備える構成のモジュールを概略的に示す。

図６は、第１実施形態にかかる本発明のモジュールの形態例を概略的に示す斜視図である。図示のように、本発明のモジュール１００には、熱媒管１の入口１４及び出口１５が位置していない側の屈曲部１３、１３、…と接触するような形態で、集電体３が備えられている。このように、本発明のモジュールでは、熱媒管の屈曲部と接触する集電体を備える構成とすることで、ＭＥＡの軸方向と交差する方向の集電効率を向上させている。
なお、図６では、熱媒管１の入口１４及び出口１５が位置していない側の屈曲部１３、１３、…と接触するように配置された集電体３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ない。図６に示す形態以外に、熱媒管の入口及び出口が位置している側の屈曲部と接触するように集電体が配置される形態や、両方の側の屈曲部それぞれと接触するように配置された第１の集電体及び第２の集電体が備えられる形態とすることも可能である。これらの形態の中でも、集電効率をより一層向上させるという観点からは、第１の集電体及び第２の集電体が備えられる形態とすることが好ましい。

なお、上記説明では、ＭＥＡの内側に水素が、外側に空気が供給される形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されず、ＭＥＡの内側に空気が、外側に水素が供給される形態とすることもできる。

２．チューブ型燃料電池モジュールの製造方法
本発明にかかるチューブ型燃料電池モジュールの製造方法の形態例を、図７に簡略化して示す。本発明のモジュールでは、ＭＥＡを加温又は冷却する機能のみを有する熱媒管が備えられていても良いが、構成部材数を低減することで、モジュールの小型化を図りやすくする等の観点から、上述のように、熱媒管に内部集電体としての機能をも担わせることが好ましい。そこで、以下の説明では、内部集電体としての機能をも有する熱媒管が備えられる形態のモジュールの製造工程例について記述する。さらに、本発明の製造方法では、図１等に示すような、熱媒管の屈曲部表面を剥き出しにして熱媒管の直線部表面にＭＥＡを形成させる形態として、（１）ＭＥＡ除去箇所を避けてＭＥＡを形成する形態、及び、（２）熱媒管の外表面にＭＥＡを形成してから、ＭＥＡ除去箇所に形成されたＭＥＡを除去する形態、が考えられる。そして、（２）の具体的な形態として、例えば、（２ａ）ＭＥＡ除去箇所に予めマスキング部材を配設してからＭＥＡを形成し、ＭＥＡ形成後にマスキング部材を除去する形態、等が考えられる。そこで、以下の説明では、上記（２ａ）の形態について記述し、その他の形態についてはその概要を記述する。以下、図１〜図３にて使用した符号を適宜使用しつつ、本発明のチューブ型燃料電池モジュールの製造方法について説明する。なお、熱媒管に内部集電体としての機能をも担わせる場合には、漏電を防止する等の観点から、熱媒体と接触する熱媒管表面（例えば、内表面）を絶縁性材料で被覆することが好ましい。

本発明のチューブ型燃料電池を製造するには、まず、孔１７及び溝１６、１６、…を有する直管形状の熱媒管を用意し、当該熱媒管の外表面にＭＥＡ２を形成する。ここに、ＭＥＡ２に備えられる電解質膜２２の構成材料例としては、含フッ素イオン交換樹脂等を挙げることができ、内側触媒層２１及び外側触媒層２３の構成材料例としては、含フッ素イオン交換樹脂と白金担持カーボン等を挙げることができる。

直管形状の熱媒管の外表面にＭＥＡ２を形成するには、例えば、熱媒管のＭＥＡ除去箇所（屈曲部１３、１３、…に対応する箇所、並びに、熱媒管の入口１４及び出口１５の近傍）の外表面にマスキング部材を配設する（工程Ｓ１；マスキング工程）。そして、一部外表面がマスキング部材で覆われた熱媒管の外表面に、例えば、有機溶媒を用いて溶解させた含フッ素イオン交換樹脂等を含む溶液へ白金担持カーボン等の溶媒を分散させた触媒インク（以下において、単に「触媒インク」という。）を塗布し乾燥させることにより、内側触媒層２１を形成する。次に、有機溶媒を用いて溶解させた含フッ素イオン交換樹脂等（以下において、「電解質成分」という。）を上記内側触媒層２１の表面へ塗布し乾燥させることにより、電解質膜２２を形成し、さらに、当該電解質膜２２の表面に触媒インクを塗布し乾燥させることにより、外側触媒層２３を形成して、熱媒管の外表面にＭＥＡ２を形成する（工程Ｓ２；ＭＥＡ形成工程）。

このようにして、直管形状の熱媒管の外表面にＭＥＡ２を形成したら、工程Ｓ１でマスキング部材を配設した箇所のうち、屈曲部と対応する箇所を順次曲げることで、屈曲部１３、１３、…を形成する（工程Ｓ３；屈曲部形成工程）。そして、工程Ｓ３の後に、上記マスキング部材を除去して、ＭＥＡ除去箇所の外表面に形成されたＭＥＡ２を除去することで、図１に示す形態のモジュール１００（以下において、「屈曲体」と記述することがある。）を作製する（工程Ｓ４；除去工程）。上記工程により、屈曲体を形成したら、水素と空気とを隔離するシール部５ａ、５ａ、…を形成し、さらに、熱媒管の入口１４及び出口１５の周囲にシール部５ｂ、５ｂを形成する（工程Ｓ５；シール部形成工程）。そして、工程Ｓ５が終了したら、工程Ｓ１〜Ｓ５によって製造された、シール部を備える屈曲体を所定の筐体へ入れる等の工程を経ることにより、本発明のモジュールを製造することができる。
かかる工程により製造されるモジュール１００には、蛇行した形状の熱媒管１が備えられるので、シール箇所を低減することができる。したがって、本発明によれば、シールの信頼性を向上させることが可能な、チューブ型燃料電池モジュールの製造方法を提供できる。

本発明の製造方法に関する説明では、上記（２ａ）の形態について記述したが、本発明の製造方法は当該形態に限定されない。本発明の製造方法が採り得る、ＭＥＡ除去箇所を避けてＭＥＡを形成させる形態（上記（１））の具体例としては、直管形状の熱媒管の外表面へ触媒インクや電解質成分を塗布する際に、ＭＥＡ除去箇所を避けて間欠塗布する形態（間欠塗布形態）等を挙げることができる。また、熱媒管の外表面全体にＭＥＡを形成してから、ＭＥＡ除去箇所に形成されたＭＥＡを除去する形態（上記（２））の他の具体例としては、ＭＥＡ除去箇所のみを溶剤に浸して当該箇所のＭＥＡを溶解させて除去する形態や、ＭＥＡ除去箇所のみにレーザー光を当ててＭＥＡを溶融させて除去する形態等を挙げることができる。加えて、上記（２）の他の具体例としては、ＭＥＡ除去箇所に予め撥水処理を施しておき、ＭＥＡを形成し難くした後、当該箇所を高圧洗浄する等によりＭＥＡを除去する形態等を挙げることができる。ここで、間欠塗布形態を用いる場合には、上記箇所に予めマスキング部材をして、間欠塗布後に当該マスキング部材を除去する形態としても良い。

なお、本発明の製造方法でマスキング部材を使用する場合、当該マスキング部材は、熱媒管の外表面へ触媒インクや電解質成分が付着することを抑制可能であれば、その材料・形態は特に限定されない。マスキング部材の具体例としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、及び、これらのブレンド材等を挙げることができる。

また、これまで、Ｃｕ−Ｔｉクラッド材により構成される熱媒管が備えられる形態のモジュールを例示したが、本発明にかかる熱媒管の構成材料は、これに限定されない。本発明にかかる熱媒管の構成材料の具体例としては、Ｃｕ−Ｔｉクラッド材の他に、Ａｕ、Ｐｔ等を挙げることができる。

さらに、上記説明では、１本の直管形状の熱媒管を曲げて屈曲部を形成することにより、第１直線部、第２直線部、及び、屈曲部を有する熱媒管とする形態について記述したが、本発明にかかる熱媒管は当該形態に限定されない。本発明にかかる熱媒管は、例えば、直管とＵ字管とを接続することにより形成されていても良い。当該形態の熱媒管であっても、水素拡散領域と熱媒間とのシール部の数を低減することができるが、製造時に、直管とＵ字管とを接続する工程が必要になるため、本発明のモジュールを製造する際の作業性を向上させる等の観点からは、直管形状の熱媒管を曲げて屈曲部が形成される形態とすることが好ましい。
なお、本発明のモジュールに備えられる熱媒管内を流れる熱媒体の具体例として、チューブ型セルを冷却する際には冷水、エチレングリコール、及び、これらの混合物等を、チューブ型セルを加温する際には温水等を挙げることができる。

加えて、これまで、孔及び溝を有する熱媒管の外側に、当該熱媒管と軸中心が略同一である中空形状の内側触媒層、中空形状の電解質膜、及び、中空形状の外側触媒層を備えるＭＥＡが形成される形態を例示したが、本発明のモジュールは当該形態に限定されない。本発明のモジュールは、例えば、蛇行した形状を有する熱媒管の直線部の外表面と接するように、線材からなる複数の内部集電体が配設され、当該内部集電体の外側に、表面に内側触媒層が形成された複数の線材が配設され、当該内側触媒層付き線材の外側に電解質膜及び外側触媒層が順に形成された屈曲体を備える形態等であっても良い。かかる形態であっても、熱媒管が蛇行した形状を有していれば、シール箇所を低減することが可能になるので、シールの信頼性を向上させ得るチューブ型燃料電池モジュール、及びその製造方法を提供することができる。

なお、本発明のモジュールに備えられるシール部の構成材料の具体例としては、熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂等）、あるいは、２液混合によって硬化する接着剤（例えば、耐熱エポキシ系接着剤）等を挙げることができる。

第１実施形態にかかる本発明のモジュールの一部を概略的に示す斜視図である。 本発明にかかる熱媒管及びＭＥＡの一部を概略的に示す断面図である。 本発明のモジュールのシール部を概略的に示す断面図である。 従来型モジュールのシール部を概略的に示す断面図である。 第２実施形態にかかる本発明のモジュールの一部を概略的に示す斜視図である。 第１実施形態にかかる本発明のモジュールの一部を概略的に示す斜視図である。 本発明のモジュールの製造工程例を簡略化して示す概略図である。

符号の説明

１ 熱媒管
２ ＭＥＡ
３ 集電体
５ａ、５ｂ シール部
６ 水素拡散領域
７ 酸素拡散領域
８ 熱媒体拡散領域
１１ 第１直線部
１２ 第２直線部
１３ 屈曲部
１４ 入口
１５ 出口
１６ 反応ガス流路
１７ 孔
２１ 内側触媒層
２２ 電解質膜
２３ 外側触媒層
１００、１００’、２００ チューブ型燃料電池モジュール

Claims (4)

1. 中空形状のＭＥＡと、該ＭＥＡを冷却又は加温すべき熱媒体が内部を流れる熱媒管と、を具備し、
   前記熱媒管が、第１直線部及び第２直線部と、前記第１直線部と前記第２直線部とをつなぐ屈曲部と、を備え、
   前記第１直線部及び前記第２直線部の周囲に、前記ＭＥＡが形成されることによって、前記ＭＥＡの中空部に前記熱媒管が配置されていることを特徴とする、チューブ型燃料電池モジュール。
2. 前記第１直線部、前記第２直線部、及び、前記屈曲部が、１本の熱媒管を曲げることにより形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のチューブ型燃料電池モジュール。
3. 前記熱媒管の入口及び出口が、前記ＭＥＡの軸方向中心に対して同じ側に位置していることを特徴とする、請求項１又は２に記載のチューブ型燃料電池モジュール。
4. 中空形状のＭＥＡと、該ＭＥＡを冷却又は加温すべき熱媒体が内部を流れる熱媒管と、を具備するチューブ型燃料電池モジュールの製造方法であって、
   直管形状の部材の周囲に前記ＭＥＡを形成するＭＥＡ形成工程と、
   前記ＭＥＡ形成工程後に、直管形状の前記部材を曲げて、第１直線部及び第２直線部と、前記第１直線部と前記第２直線部とをつなぐ屈曲部と、を備える熱媒管とし、該熱媒管の周囲に前記ＭＥＡが形成された屈曲体を得る屈曲工程と、を含み、
   前記ＭＥＡ形成工程において、少なくとも前記屈曲部と対応する長さの間隔を開けながら前記ＭＥＡが順次形成されるか、又は、前記屈曲工程後に、さらに、少なくとも前記屈曲部の周囲に形成された前記ＭＥＡを除去する除去工程が含まれることを特徴とする、チューブ型燃料電池モジュールの製造方法。

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