筒形燃料电池及其制造方法.pdf

本发明提供通过弯曲成形而形成为筒形的并且对谋求横截面尺寸和体积的小型化有利的筒形燃料电池及其制造方法。筒形燃料电池(1)具有筒形的膜电极接合体(2)和设置于膜电极接合体(2)上的集电体(6)。膜电极接合体(2)具有离子传导膜(3)、配置于离子传导膜(3)的厚度方向的一侧的燃料侧电极(4)和配置于离子传导膜(3)的厚度方向的另一侧的氧化剂侧电极(5)。在沿着与筒形燃料电池(1)的纵向交叉的方向的截面上，膜电极接合体(2)具有沿折回方向弯曲成形的形状。

1.  一种筒形燃料电池，具备：
(i)筒形的膜电极接合体，其具有有离子传导性的离子传导膜、配置于所述离子传导膜的厚度方向的一侧的燃料侧电极、和配置于所述离子传导膜的厚度方向的另一侧的氧化剂侧电极；和
(ii)设置于所述膜电极接合体上的集电体，
其特征在于，
(iii)在沿着与所述筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，所述膜电极接合体具有沿折回方向弯曲成形的形状。

2.  根据权利要求1所述的筒形燃料电池，其特征在于，所述膜电极接合体的所述一端部被弯曲成形为截面呈C形状，所述膜电极接合体的所述另一端部被弯曲成形为截面呈反C形状。

3.  根据权利要求1或2所述的筒形燃料电池，其特征在于，在沿着与所述燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，(i)所述膜电极接合体的所述离子传导膜的一端部比所述燃料侧电极的一端部和所述氧化剂侧电极的一端部突出，并与所述集电体接合，并且，
(ii)所述膜电极接合体的所述离子传导膜的另一端部比所述燃料侧电极的另一端部和所述氧化剂侧电极的另一端部突出，并与所述集电体接合。

4.  根据权利要求1～3中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，所述离子传导膜以固体高分子材料为基材而形成。

5.  根据权利要求1～4中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，所述离子传导膜为具备离子传导性高的第1部分和与所述第1部分相比具有补强性的第2部分的复合膜。

6.  根据权利要求1～5中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，所述集电体具备将所述膜电极接合体的端部接合的接合部。

7.  根据权利要求1～6中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，具备通过卷绕所述膜电极接合体来提高所述膜电极接合体的端部与所述集电体的一体性的卷绕要素。

8.  根据权利要求7所述的筒形燃料电池，其特征在于，所述集电体具备容纳所述卷绕要素的凹状或凸状的容纳部。

9.  根据权利要求1～8中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，所述燃料侧电极具备燃料侧催化剂层和燃料侧透过层，所述氧化剂侧电极具备氧化剂侧催化剂层和氧化剂侧透过层。

10.  根据权利要求1～9中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，所述集电体具备第1集电体和第2集电体，所述第1集电体与所述燃料侧电极或所述氧化剂侧电极电接触，所述第2集电体被配置成从所述膜电极接合体露出，并与所述第1集电体电接触。

11.  根据权利要求1～10中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，所述集电体具有沿所述筒形燃料电池的纵向延伸设置的形状。

12.  根据权利要求1～11中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，在夹持所述膜电极接合体端部的位置，设有将所述膜电极接合体的端部与所述集电体一同夹持的夹持要素。

13.  根据权利要求1～12中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，在所述膜电极接合体之中成为弯曲内周侧的面上，形成有多个或单个的弯曲成形促进部。

14.  根据权利要求1～13中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，所述燃料侧电极和所述氧化剂侧电极中的一方是弯曲外周侧电极，所述燃料侧电极和所述氧化剂侧电极中的另一方是弯曲内周侧电极，
在横截面上，所述膜电极接合体之中所述弯曲外周侧电极被设定得较长，并且所述弯曲内周侧电极被设定得较短。

15.  根据权利要求1～14中的任一项所述的筒形燃料电池，其特征在于，在集电体的内部形成有致冷剂通过的空洞状致冷剂通路。

16.  一种筒形燃料电池的制造方法，是制造权利要求1所述的筒形燃料电池的方法，其特征在于，包括：
(i)准备工序：准备呈平片状的膜电极接合体和设置于所述膜电极接合体上的集电体，所述膜电极接合体具有呈平片状的具有离子传导性的离子传导膜、配置于所述离子传导膜的厚度方向的一侧的燃料侧电极和配置于所述离子传导膜的厚度方向的另一侧的氧化剂侧电极；和
(ii)固定工序：在沿着与筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，执行使呈平片状的所述膜电极接合体的端部沿折回方向弯曲成形的弯曲成形操作从而形成弯曲成形部分，将所述弯曲成形部分固定在所述集电体上。

17.  根据权利要求16所述的筒形燃料电池的制造方法，其特征在于，所述弯曲成形操作包括：(a)准备矫正要素的工序，所述矫正要素具备矫正腔，所述矫正腔具有相互对置的第1弯曲成形模面和第2弯曲成形模面，同时沿所述筒形燃料电池的纵向延伸设置；和(b)通过使矫正前的所述膜电极接合体在所述矫正要素的所述矫正腔中沿所述纵向相对于所述矫正要素相对移动，来利用所述第1模面和所述第2模面矫正所述膜电极接合体的端部，由此使其沿折回方向弯曲成形，将该弯曲成形部分固定在所述集电体上的工序。

18.  根据权利要求16所述的筒形燃料电池的制造方法，其特征在于，所述弯曲成形操作包括：在沿着与所述筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，(a)在所述膜电极接合体的外侧配置弯曲成形用夹具的工序；和(b)通过使所述弯曲成形用夹具接近所述膜电极接合体，而使所述膜电极接合体的端部由所述弯曲成形用夹具沿折回方向弯曲成形，将该弯曲成形部分固定在所述集电体上的工序。

19.  根据权利要求16所述的筒形燃料电池的制造方法，其特征在于，所述弯曲成形操作包括：在沿着与所述筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，(a)在所述膜电极接合体的外侧配置滚动体的工序；和(b)通过一边使所述滚动体接近膜电极接合体，一边使其跟随所述膜电极接合体，而使所述膜电极接合体的端部沿折回方向弯曲成形，将该弯曲成形部分固定在所述集电体上的工序。

20.  根据权利要求16～19中的任一项所述的筒形燃料电池的制造方法，其特征在于，所述固定工序，是借助于涂敷于所述膜电极接合体和所述集电体之中的至少一部分上的粘接剂，或者通过所述膜电极接合体的至少一部分的熔敷或者所述膜电极接合体的至少一部分的熔合来进行。

21.  根据权利要求16～20中的任一项所述的筒形燃料电池的制造方法，其特征在于，所述固定工序是通过将所述膜电极接合体的所述离子传导膜的端部与所述集电体接合来进行。

22.  根据权利要求21所述的筒形燃料电池的制造方法，其特征在于，所述接合是通过对所述膜电极接合体与所述集电体的接合部分赋予加压压力、高能量密度束、紫外线、红外线和热能之中的至少一种来进行。

筒形燃料电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及筒形燃料电池及其制造方法。
背景技术
以往，专利文献1中公开了一种燃料电池单元，其具有氧化锆系的固体电解质膜、配置于氧化锆系的固体电解质膜的厚度方向的一侧的陶瓷系的燃料侧电极、配置于固体电解质膜的厚度方向的另一侧的陶瓷系的氧化剂侧电极、在固体电解质膜与氧化剂侧电极之间的二氧化铈以及钐系的中间层。根据该燃料电池单元，首先，通过挤压成型法形成沿纵向延伸的导电性支持基板成型体。然后，在该导电性支持基板上涂敷燃料侧电极用的浆液并进行干燥，从而层叠燃料侧电极。然后，使燃料侧电极层叠陶瓷制的固体电解质膜。将该状态的导电性支持基板在1000℃附近煅烧，形成叠层煅烧体。然后，在叠层煅烧体的固体电解质膜上涂敷含有二氧化铈以及钐系的中间层原料粉末的浆液，形成具有中间层的中间成型体。然后，使氧侧电极层叠在中间叠层体的中间层上。在此，中间层具有抑制烧成时固体电解质膜产生裂纹的功能。
该燃料电池单元呈沿纵向延伸的筒形。并且，为下述形状：燃料侧电极以及固体电解质膜的一端部在截面上呈C形状，另一端部在截面上呈反C形状。
专利文献1  日本特开2005-100816号公报
发明内容
上述的燃料电池单元呈沿纵向延伸的筒形，对确保发电性能，并谋求横截面尺寸的小型化有利。然而，上述的专利文献所涉及的燃料电池单元中，燃料侧电极以及中间层等是基于涂敷浆液并使其干燥的操作而形成，并不是通过使膜电极接合体弯曲成形的操作来主动弯曲成形为截面呈C形状以及截面呈反C形状的。
本发明是鉴于上述的实际情况而完成的，其目的在于提供通过弯曲成形而形成为筒形、并且对谋求横截面尺寸以及体积的小型化有利的筒形燃料电池及其制造方法。
方案1所涉及的本发明的筒形燃料电池，具备：(i)筒形的膜电极接合体，其具有有离子传导性的离子传导膜、配置于离子传导膜的厚度方向的一侧的燃料侧电极、和配置于离子传导膜的厚度方向的另一侧的氧化剂侧电极；和(ii)设置于膜电极接合体上的集电体，该筒形燃料电池的特征在于，(iii)在沿着与筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，膜电极接合体具有沿折回方向弯曲成形的形状。
膜电极接合体具有沿折回方向弯曲成形的形状。因此可容易地形成筒形燃料电池。筒形燃料电池对确保发电能力并谋求横截面尺寸以及体积的小型化有利。
方案2所涉及的本发明的筒形燃料电池，在上述的方案基础上，膜电极接合体的一端部被弯曲成形为截面呈C形状，膜电极接合体的另一端部被弯曲成形为截面呈反C形状。该场合下，可良好地形成筒形燃料电池。所谓C形状以及反C形状，并不是以膜电极接合体沿在筒形燃料电池的纵向延伸的轴芯的周围绕一周的方式完全地连续地延伸设置的，而是沿着在筒形燃料电池的纵向延伸的轴芯的周围，膜电极接合体连续地延伸设置，并且局部具有缺口的形状的意思。C形状包括类似C形状。反C形状包括类似反C形状。类似C形状以及类似反C形状包括使V字横躺着的形状、使U字横躺着的形状、S形状以及类似S形状。并不限于这些形状。
方案3所涉及的本发明的筒形燃料电池，在上述的方案基础上，在沿着与膜电极接合体的纵向交叉的方向的截面上，(i)膜电极接合体的离子传导膜的一端部比燃料侧电极的一端部和氧化剂侧电极的一端部突出，并与集电体接合，并且，(ii)膜电极接合体的离子传导膜的另一端部比燃料侧电极的另一端部和氧化剂侧电极的另一端部突出，并与集电体接合。该场合下，膜电极接合体的端部可良好地维持成沿折回方向弯曲成形的形状，可良好地形成筒形燃料电池。
方案4所涉及的本发明的筒形燃料电池，在上述的方案基础上，具备通过卷绕膜电极接合体来提高膜电极接合体的端部与集电体的一体性的卷绕要素。该场合下，膜电极接合体的端部与集电体的一体性进一步提高。卷绕要素优选具有较高的电绝缘性。作为卷绕要素，可例举绳状、索缆状。
方案5所涉及的本发明的筒形燃料电池，在上述的方案基础上，集电体具备容纳卷绕要素的凹状或凸状的容纳部。该场合下，由于卷绕要素被收容，因此可抑制卷绕要素干扰集电和叠层化。
方案6所涉及的本发明的筒形燃料电池，在上述的方案基础上，集电体为沿筒形燃料电池的纵向延伸设置的形状。该场合下，沿纵向延伸设置的筒形燃料电池容易被形成。
方案7所涉及的本发明的筒形燃料电池，在上述的方案基础上，在夹持膜电极接合体端部的位置设有将膜电极接合体端部与集电体一起夹持的夹持要素。该场合下，膜电极接合体的端部被良好地固定于集电体上。
方案8所涉及的本发明的筒形燃料电池的制造方法，是制造上述的方案所涉及的筒形燃料电池的方法，其特征在于，包括：(i)准备工序：准备呈平片状的膜电极接合体和设置于所述膜电极接合体上的集电体，所述膜电极接合体具有呈平片状的具有离子传导性的离子传导膜、配置于离子传导膜的厚度方向的一侧的燃料侧电极和配置于离子传导膜的厚度方向的另一侧的氧化剂侧电极；和(ii)固定工序：在沿着与筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，执行使呈平片状的膜电极接合体的端部沿折回方向弯曲成形的弯曲成形操作，将弯曲成形部分固定在集电体上。该场合下，可将膜电极接合体的端部设定成沿折回方向弯曲成形的形状。因此，对谋求筒形燃料电池的横截面尺寸以及体积的小型化有利。
方案9所涉及的本发明的筒形燃料电池的制造方法，在上述的方案基础上，弯曲成形操作包括：准备矫正要素的工序，所述矫正要素具备矫正腔，所述矫正腔具有相互对置的第1弯曲成形模面和第2弯曲成形模面，同时沿筒形燃料电池的纵向延伸设置；和通过使矫正前的膜电极接合体在矫正要素的矫正腔中沿上述纵向相对于矫正要素相对移动，来利用第1模面和第2模面矫正膜电极接合体的端部，由此使其沿折回方向弯曲成形的工序。该场合下，可将膜电极接合体的端部设定成沿折回方向延伸设置的形状。因此，对谋求筒形燃料电池的横截面尺寸以及体积的小型化有利。
方案10所涉及的本发明的筒形燃料电池的制造方法，在上述的方案基础上，弯曲成形操作包括：在沿着与筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，在膜电极接合体的外侧配置弯曲成形用夹具的工序；和通过使弯曲成形用夹具接近膜电极接合体，而使膜电极接合体的端部由弯曲成形用夹具沿折回方向弯曲成形的工序。该场合下，可将膜电极接合体的端部设定成沿折回方向延伸设置的形状。因此，对谋求筒形燃料电池的横截面尺寸以及体积的小型化有利。
方案11所涉及的本发明的筒形燃料电池的制造方法，在上述的方案基础上，弯曲成形操作包括：在沿着与筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，在膜电极接合体的外侧配置滚动体的工序；和通过一边使滚动体接近膜电极接合体，一边使其跟随膜电极接合体，而使膜电极接合体的端部沿折回方向弯曲成形的工序。该场合下，可将膜电极接合体的端部设定成沿折回方向延伸设置的形状。因此，对谋求筒形燃料电池的横截面尺寸以及体积的小型化有利。
发明效果
根据本发明，通过弯曲成形，膜电极接合体被成形为筒形，因此可得到对谋求横截面尺寸以及体积的小型化有利的筒形燃料电池。这样的筒形燃料电池，与平板形状的燃料电池比较，对确保发电能力并谋求横截面尺寸的小型化有利。
附图说明
图1是具有沿横截方向切断的切断端面的筒形燃料电池的立体图。
图2(A)是表示将筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图2(B)是表示将另一筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图2(C)是表示将另一筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图3是离子传导膜的截面图。
图4是另一离子传导膜的截面图。
图5示出制造过程，是平片状的离子传导膜的截面图。
图6示出制造过程，是平片状的膜电极接合体的截面图。
图7示出制造过程，是在平片状的膜电极接合体上载置了第1集电体的状态的截面图。
图8示出制造过程，是在平片状的膜电极接合体上载置了第1集电体以及第2集电体的状态的截面图。
图9示出制造过程，是将平片状的膜电极接合体的端部弯曲成形的状态的截面图。
图10示出制造过程，是对弯曲成形了的膜电极接合体的端部照射高能量密度束的状态的截面图。
图11示出制造过程，是将弯曲成形了的膜电极接合体用卷绕要素捆束的状态的截面图。
图12是表示将平片状的膜电极接合体弯曲成形的过程的一例的立体图。
图13是表示将平片状的膜电极接合体弯曲成形的过程的另一例的截面图。
图14是表示将平片状的膜电极接合体弯曲成形的过程的另一例的立体图。
图15是表示将平片状的膜电极接合体弯曲成形的过程的又一例的截面图。
图16示出实施例2，是表示将筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图17示出实施例3，是表示将筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图18示出实施例4，是表示将筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图19示出实施例5，是表示将筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图20示出实施例6，是表示将多个筒形燃料电池层叠的状态的截面图。
图21示出实施例7，是表示将多个筒形燃料电池层叠，同时沿横截方向并排设置的状态的截面图。
图22实施例8，是表示将层叠的多个筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图23示出实施例9，是表示将层叠的多个筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图24示出实施例10，是表示将筒形燃料电池沿横截方向切断的切断端面的截面图。
图25实施例11，是具有沿横截方向切断的切断端面的筒形燃料电池的立体图。
图26示出实施例12，是表示沿横截方向切断的筒形燃料电池的切断端面的截面图。
图27示出实施例13，是沿横截方向切断的弯曲成形前的筒形燃料电池的截面图。
图28示出实施例14，是沿横截方向切断的弯曲成形前的膜电极接合体的截面图。
图29示出实施例15，是第1集电体的局部立体图。
图30示出实施例16，是沿横截方向切断的弯曲成形前的筒形燃料电池的截面图。
附图标记说明
1-筒形燃料电池、2-膜电极接合体、2-膜电极接合体的端部、230-夹持要素、3-离子传导膜、4-燃料侧电极、41-燃料侧催化剂层、42-燃料侧透过层、5-氧化剂侧电极、51-氧化剂侧催化剂层、52-氧化剂侧透过层、6-集电体、61-第1集电体、致冷剂通路61h、62-第2集电体、68-卷绕要素、69-容纳部、7-矫正模(矫正要素)、8-弯曲成形用夹具。
具体实施方式
本发明的筒形燃料电池，具有弯曲成形为筒形的膜电极接合体和配置于膜电极接合体上的集电体。所谓筒形，包括接近于截面扁平的筒形、接近于截面正圆的筒形、接近于截面椭圆的筒形。
弯曲成形为筒形的膜电极接合体具有离子传导膜、配置于离子传导膜的厚度方向的一侧的燃料侧电极和配置于离子传导膜的厚度方向的另一侧的氧化剂侧电极。集电体，如果是具有集电功能的材料，则不管材质和结构，可例举出碳系或金属系。金属系优选耐蚀性良好的金属系，可例举出不锈钢等合金系、钛系、铝系。燃料侧电极是被供给燃料的一侧的电极。氧化剂侧电极是被供给氧化剂流体的一侧的电极。作为燃料，可例举出气体燃料(例如氢气、含氢气体)、液体燃料(例如甲醇、乙醇、二甲醚)、固体燃料(例如硼烷等的氢化合物)。作为氧化剂，可例举出空气等的含氧气体、氧气。
在沿着与筒形燃料电池(膜电极接合体)的纵向交叉的方向的截面上，优选膜电极接合体的一端部和另一端部之中的至少一方具有沿折回方向弯曲成形的形状。
作为离子传导膜，可例举出以固体高分子材料为基材而形成的形态，但也可以是将无机材料和高分子材料复合化或混合的材料。作为固体高分子材料，可例举出氟碳化合物系(例如全氟磺酸膜)、烃系。在此，离子传导膜可例举出以固体高分子材料为基材而形成，并具备补强要素的形态。作为补强要素，既可以是纤维，也可以是具有多孔质性的高分子材料。离子传导膜可例举出复合膜的形态，所述复合膜同时具有离子传导性高的第1部分和具有补强性的第2部分。作为集电体，优选具备将膜电极接合体的端部接合的接合部。
接合部也可以被粗面化。可例举出具备通过卷绕膜电极接合体来提高膜电极接合体的端部与集电体的一体性的卷绕要素的形态。关于卷绕要素，可例举出绳、丝线、索缆等的具有可挠性的构件、具有伸缩性的轮状构件。作为卷绕要素的材质，可例举出树脂系、碳系、陶瓷系、金属系，但优选电绝缘性高的材质，以避免给集电体的集电性造成影响。特别优选玻璃化转变点高的材质。
关于集电体，可例举出具备容纳卷绕要素的凹状或凸状的容纳部的形态。该场合下，卷绕要素被收容，可抑制干扰集电性。燃料侧电极可例举出具备燃料侧催化剂层和燃料侧透过层的形态，氧化剂侧电极可例举出具备氧化剂侧催化剂层和氧化剂侧透过层的形态。虽然通常设有上述的催化剂层，但在高温型的燃料电池的情况下，有时不设置。关于燃料侧透过层和氧化剂侧透过层，优选是具有多孔性和导电性的，可例举出碳系、金属系、金属与陶瓷的混合物系。集电体也可以具有致冷剂通路。
作为集电体，可例举出具有与燃料侧电极或氧化剂侧电极电接触的第1集电体和与第1集电体电接触的第2集电体的形态。由于组合有第1集电体和第2集电体，因此容易确保集电路径。关于第1集电体或第2集电体，可例举出具有沿筒形燃料电池的纵向延伸设置的形状(例如棒状构件或线(Wire)构件)的形态。将膜电极接合体的端部与集电体一起夹持的夹持要素，可例举出设置于夹持膜电极接合体端部的位置的形态。夹持要素的材质不被限定，可例举出碳系、金属系、树脂系。
根据本发明的筒形燃料电池的制造方法，(i)实施准备工序，准备呈平片状的膜电极接合体和配置于膜电极接合体上的集电体，所述膜电极接合体具有呈平片状的离子传导膜、配置于离子传导膜的厚度方向的一侧的燃料侧电极和配置于离子传导膜的厚度方向的另一侧的氧化剂侧电极；(ii)实施固定工序，在沿着与筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，执行使呈平片状的膜电极接合体的端部沿折回方向弯曲成形的弯曲成形操作，将弯曲成形部分固定于集电体上。该场合下，可良好地形成沿纵向延伸的筒形燃料电池。
另外，一例的上述弯曲成形操作可包括：(a)准备矫正要素的工序，所述矫正要素具备矫正腔，所述矫正腔具有相互对置的第1弯曲成形模面和第2弯曲成形模面，同时沿筒形燃料电池的纵向延伸设置；和(b)通过使矫正前的膜电极接合体在矫正要素的矫正腔中沿上述纵向相对于矫正要素相对移动，来利用第1模面和第2模面矫正膜电极接合体的端部，由此使其沿折回方向弯曲成形，将弯曲成形部分固定于集电体上的工序。该场合下，可将膜电极接合体的端部良好地弯曲成形。
另外，另一例的上述弯曲成形操作可包括：在沿着与筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，(a)在膜电极接合体的外侧配置弯曲成形用夹具的工序；和(b)通过使弯曲成形用夹具接近膜电极接合体，而使膜电极接合体的端部由弯曲成形用夹具沿折回方向弯曲成形，将弯曲成形部分固定于集电体上的工序。该场合下，可将膜电极接合体的端部良好地弯曲成形。
另外，另一例的上述弯曲成形操作可包括：在沿着与筒形燃料电池的纵向交叉的方向的截面上，(a)在膜电极接合体的外侧配置滚动体的工序；和(b)通过一边使滚动体接近膜电极接合体，一边使其跟随膜电极接合体，而使膜电极接合体的端部沿折回方向弯曲成形，将弯曲成形部分固定于集电体上的工序。该场合下，可将膜电极接合体的端部良好地弯曲成形。作为滚动体，可例举出圆筒辊和球体。
关于上述的固定工序，可例举出下述形态：借助于涂敷于膜电极接合体和集电体之中的至少一部分上的粘接剂，或者通过膜电极接合体的至少一部分的熔敷或者膜电极接合体的至少一部分的熔合来进行。关于上述的接合，可例举出下述形态：通过对膜电极接合体与集电体的接合部分赋予高能量密度束、紫外线、红外线和热能、机械的加压压力之中的至少一种来进行。
实施例1
图1～图15示出实施例1。在附图中，为避免复杂化，有省略了剖面线的部位。图1表示具有沿横截方向(X方向)切断的切断面的沿纵向(箭头L方向)延伸设置的扁平状的筒形燃料电池1的立体图。图2(A)示出一个筒形燃料电池1的切断面。图2(B)示出另一筒形燃料电池1的切断面。图2(C)示出又一筒形燃料电池1的切断面。图2(A)～图(C)的筒形燃料电池1具有基本同样的构成。
如图1所示，本实施例的筒形燃料电池1呈扁平的长筒形(管形)。筒形燃料电池1具有弯曲成形为筒形的膜电极接合体2和配置于膜电极接合体2上的集电体6。弯曲成形为筒形的膜电极接合体2具有：有离子传导性(质子传导性)的片状的离子传导膜3、与离子传导膜3的厚度方向的一侧接合的具有可挠性的片状的燃料侧电极4和与离子传导膜3的厚度方向的另一侧接合的具有可挠性的片状的氧化剂侧电极5。燃料侧电极4是被供给燃料(氢气或含氢气体)的一侧的电极。氧化剂侧电极5是被供给氧化剂流体(空气等含氧气体)的一侧的电极。
在此，如图1所示，燃料侧电极4具备与离子传导膜3面对接触的燃料侧催化剂层41和与离子传导膜3背向的燃料侧透过层42。氧化剂侧电极5具备与离子传导膜3面对接触的氧化剂侧催化剂层51和与离子传导膜3背向的氧化剂侧透过层52。燃料侧催化剂层41和氧化剂侧催化剂层51具有催化剂成分、具有离子传导性的高分子型电解质成分和炭黑等的微小的导电物质。作为催化剂成分，可举出铂、钌、钯、铑等的至少一种。
燃料侧透过层42和氧化剂侧透过层52具有多孔性(流体通过性)和导电性，例如由碳纤维等碳材的集合体形成，也起到具有流体透过性和可挠性的集电体的功能。再者，作为碳材的集合体，可例举出使碳纤维堆积而成的碳纸(复写纸；carbon paper)或者编有碳纤维的碳布。
如图1所示，在筒形燃料电池1中，燃料侧电极4配置于膜电极接合体2的内侧，与形成于筒形燃料电池1的内部的燃料流体流路18面对。氧化剂侧电极5配置于膜电极接合体2的外侧，与形成于筒形燃料电池1的外部的氧化剂流体流路19面对。
如图1和图2所示，在膜电极接合体2中，其中间部25基本上未弯曲成形，为沿筒形燃料电池1的横向(箭头X方向)的平坦状。如果利用平坦状的中间部25，则容易确保电取出面积，电取出变得容易。与此相对，比中间部25靠外侧的端部20(一端部20e和另一端部20f)具有沿折回方向弯曲成形为弧状的形状。换言之，膜电极接合体2的离子传导膜3的一端部30e通过被弯曲成形为C形状(弧状)，而沿折回方向延伸设置。离子传导膜3的另一端部30f通过被弯曲成形为C形状(弧状)，而沿折回方向延伸设置。如图1和图2所示，膜电极接合体2的电解质膜20，没有在沿筒形燃料电池1的纵向(箭头L方向)的轴芯的周围绕一周，电解质膜20的一端部20e和另一端部20f形成开口20y，成为第2集电体62气密地封闭该开口20y的结构。
该离子传导膜3以固体高分子材料为基材而形成。作为固体高分子材料，可例举出氟化碳系(例如全氟磺酸系的聚合物膜)或者具有离子传导基(质子传导基)的烃系。在此，作为离子传导膜3，如图3所示，可以以具有离子传导性(例如质子传导性)、含水性以及可挠性的固体高分子材料为基材而形成。或者，离子传导膜3，如图4所示，可以采用具有固体高分子材料的第1部分31和固体高分子材料的第2部分32的复合膜。在此，第1部分31具有高的离子传导性。第2部分32具有比第1部分31低的离子传导性或者不具有离子传导性，可作为强化离子传导膜3的补强要素发挥功能。这样的复合膜，除了可提高漏气抑制性、提高发电效率以外，即使长期发电运行也能够抑制离子传导膜3的褶皱等，可提高耐久性。
集电体6是具有集电功能(导电功能)的，可例举出碳系或金属系或金属与陶瓷的混合物系。集电体6具备与膜电极接合体2的燃料侧电极4电接触的第1集电体61和与第1集电体61电接触的第2集电体62。第1集电体61，可通过将具有规定的截面形状的沿纵向(箭头L方向)延伸的线材或棒材，沿膜电极接合体2的方向(箭头X方向)并排设置多个而形成。
第1集电体61配置于筒形的膜电极接合体2的内部，因此可对维持筒形的膜电极接合体2的形状作出贡献。再者，关于第1集电体61，可以由致密体形成，或者可以以具有多孔质性的方式形成，使得提高流体透过性，或者可以由能够在径向压溃变形的材料形成，使导电接触性提高。
由第1集电体61的外壁面形成的第1导电面61f，与膜电极接合体2的燃料侧电极4电接触。第1集电体61彼此的第1导电面61f相互电接触。第2集电体62可采用具有所规定的截面形状的沿纵向(箭头L方向)延伸的板状材料形成。第2集电体62具有与第1集电体61的第1导电面61f电接触的第2导电面62f和向外方露出的露出导电面63f。第1集电体61以及第2集电体62沿纵向(箭头L方向)延伸设置，因此可确保筒形燃料电池1的纵向的长度和刚性。
第2集电体62，除了起到集电功能以外，还起到将燃料流体流路18和氧化剂流体流路19隔离的功能，因此优选致密性高。第2集电体62具备具有接合面66的接合部65。接合面66将膜电极接合体2的离子传导膜3的端部30(一端部30e以及另一端部30f)接合。接合面66沿纵向(箭头L方向)延伸，因此可确保接合面积。接合面66，随着趋向箭头X方向的外侧而形成为下降倾斜的倾斜面。即，接合面66随着趋向离子传导膜3的弯曲成形部分，形成为下降倾斜的倾斜面。这是因为容易使离子传导膜3的端部30接合。接合部65的接合面66，为了提高与离子传导膜3的接合性，可以进行粗面化。再者，也可以在接合面66上预先涂敷粘接剂。
根据本实施例，被收容于筒形的膜电极接合体2的内部的第1集电体61和与第1集电体61导通的第2集电体62组合，可形成集电体6。因此，即使膜电极接合体2被弯曲成形，也容易确保膜电极接合体2的集电路径。由于第1集电体61沿纵向延伸设置，因此容易确保与膜电极接合体2的导电接触面积。
如果将膜电极接合体2的离子传导膜3的一端部30e和另一端部30f与集电体6的接合部65的接合面66气密地接合，则燃料流体流路18和氧化剂流体流路19被相互隔离。因此，可抑制在燃料流体流路18中流动的燃料流体流入氧化剂流体流路19。同样地，可抑制在氧化剂流体流路19中流动的氧化剂流体流入燃料流体流路18。
如图1所示，在集电体6的露出导电面63f上形成有多个或单个的沟凹状的容纳部69。容纳部69沿第1集电体61的并排设置方向(箭头X方向)延伸设置。如后所述，当电绝缘性高的卷绕要素68被收容于容纳部69时，可抑制损害集电性。
在发电运行时，向燃料流体流路18供给燃料流体(一般地为氢气或含氢气体)，同时向氧化剂流体流路19供给氧化剂流体(一般地为空气、含氧气体)。该场合下，燃料流体从燃料侧电极4的燃料侧透过层42透过至燃料侧催化剂层41，被燃料侧催化剂层41的催化剂成分分成质子和电子。电子经由第1集电体61被集电于第2集电体62侧。质子从离子传导膜3沿厚度方向透过，到达氧化剂侧电极5。与此相对，被供给至氧化剂流体流路19的氧化剂流体的氧透过氧化剂侧电极5的氧化剂侧透过层52，到达氧化剂侧催化剂层51，与透过离子传导膜3的质子进行反应，生成水。通过这样的发电反应，可取出电能。
再者，将被供给至燃料流体流路18的燃料流体的压力设为Pi，将被供给至氧化剂流体流路19的氧化剂流体的压力设为Po时，压力Po比压力Pi高(Po>Pi)。因此，会将膜电极接合体2的离子传导膜3的端部30(一端部30e以及另一端部30f)向对集电体6的接合面66加压的方向推压。该场合下，可进一步对防止离子传导膜3的端部30的剥离作出贡献。这样，燃料流体的压力和氧化剂流体的压力被设定使得对膜电极接合体2的离子传导膜3的端部30(一端部30e以及另一端部30f)在向集电体6的接合面66加压的方向进行作用。但是，并不是被限定为Po>Pi，也可以根据需要设定成Po<Pi、Po＝Pi。
在此，根据图2(B)所示的筒形燃料电池1，提高了使作为第1集电体61的外面的第1导电面61f与膜电极接合体2的电极(燃料侧电极4)的面相接触的频率。由此，使接触导电面积增加。第1导电面61f呈圆弧凸面形状。该电极的面呈与该圆弧凸面嵌合的圆弧凹面形状。因此容易使接触导电面积增加，可提高发电效率。
此外，根据图2(C)所示的筒形燃料电池1，提高了使第1导电面61f和膜电极接合体2的电极(燃料侧电极4)相接触的频率。而且，第1集电体61的第1导电面61f中，与膜电极接合体2的电极(燃料侧电极4)面对的部分上形成有沟等的凹部61k(流体通路)。该场合下，由于燃料流体(反应流体)可通过凹部61k，因此可确保燃料流体(反应流体)向膜电极接合体2的电极(燃料侧电极4)的供给性。
对上述的筒形燃料电池1的制造方法的一例进行说明。首先，如图5所示，准备呈平片状的具有可挠性的离子传导膜3。通过放电等的粗面化处理可对离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)进行粗面化处理。如图6所示，使离子传导膜3的厚度方向的一侧层叠燃料侧电极4，同时使离子传导膜3的厚度方向的另一侧配置氧化剂侧电极5。由此，形成呈平片状的膜电极接合体2。离子传导膜3、燃料侧电极4以及氧化剂侧电极5具有可挠性，能够弯曲成形。如图6所示，在平片状态下，离子传导膜3的一端部30e，相比于燃料侧电极4的一端部40e、氧化剂侧电极5的一端部50e向外方突出。另外，离子传导膜3的另一端部30f，相比于燃料侧电极4的另一端部40f、氧化剂侧电极5的另一端部50f向外方突出。接着，如图7所示，将膜电极接合体2上要配置的第1集电体61搁置于膜电极接合体2上。接着，在第1集电体61上载置第2集电体62。
再者，在上述的制造过程中，优选在离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)涂敷粘接剂3m。还优选在第2集电体62的接合部65的接合面66也涂敷粘接剂3m。但是，粘接剂3m也可以只涂敷于端部30和接合面66的任一方上。作为粘接剂3m，可例举出热固化型或者紫外线固化型。
图9示出沿着与筒形燃料电池1的纵向交叉的方向的截面。如图9所示，执行使呈平片状的具有可挠性的膜电极接合体2的离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)沿折回方向弯曲成形的弯曲成形操作。该场合下，氧化剂侧电极5的端部50(一端部50e和另一端部50f)、燃料侧电极4的端部40(一端部40e和另一端部40f)也被同样地弯曲成形。
其结果，如图9所示，膜电极接合体2的离子传导膜30的一端部30e被弯曲成形为C形状，另一端部30f被弯曲成形为反C形状。同样地，氧化剂侧电极5的一端部50e被弯曲成形为C形状，另一端部50f被弯曲成形为反C形状。同样地，燃料侧电极4的一端部40e被弯曲成形为C形状，另一端部40f被弯曲成形为反C形状。并且，将膜电极接合体2的弯曲成形部分与集电体6的接合部65的接合面66紧贴。具体的讲，如图9所示，将离子传导膜30的一端部30e与集电体6的一个接合部65的接合面66紧贴。同样地，将离子传导膜30的另一端部30f与集电体6的另一接合部65的接合面66紧贴。此时，通过粘接剂3m和粗面化处理而使接合性提高。该场合下，优选通过对离子传导膜3的接合部分适当施加加压操作，来提高接合部分的粘接性。
如图9所示，离子传导膜3的一端部30e，相比于燃料侧电极4的一端部40e、氧化剂侧电极5的一端部50e向外方突出，与第2集电体62的一个接合面66接合并被固定。另外，离子传导膜3的另一端部30f，相比于燃料侧电极4的另一端部40f、氧化剂侧电极5的另一端部50f向外方突出，与第2集电体62的另一接合面66接合并被固定。
另外，也可以根据需要，如图10所示那样，使用高能量密度束Wp(例如激光束、电子束)，对离子传导膜3的一端部30e以及另一端部30f(弯曲成形部分)与集电体6的接合部65的接合面66的接合部分进行照射，从而促进熔敷或熔合。由此，可进一步提高将弯曲成形部分固定于集电体6的接合部65的接合面66上的固定性。如果没有必要，则也可以废止高能量密度束Wp。
再者，在粘接剂3m为热固化型的情况下，也可以代替高能量密度束Wp照射红外线等的热能使粘接剂3m固化。另外，在粘接剂3m为紫外线固化型的情况下，也可以对接合部分照射紫外线使粘接剂3m固化。
然后，如图11所示，对被弯曲成形的膜电极接合体2从外侧卷绕丝线状或绳状的卷绕要素68，并将卷绕要素68的端部68a彼此捆束。其结果，可进一步提高膜电极接合体2的端部20与集电体6的一体性。若这样地用卷绕要素68捆束，则能够进一步提高燃料侧电极4与第1集电体61的电接触性。而且，能够提高第1集电体61与第2集电体62的电接触性。再者，作为卷绕要素，为了提高接触性或紧固性，可以是富有弹性的结构以便可给予附加力(例如橡胶绳)、或者是形成为具有向膜电极接合体2突出的凸状突起的结构的结构。
作为卷绕要素68，优选在燃料电池1的纵向隔开间隔设置多个。该场合下，由卷绕要素68紧固的部位，在燃料电池1的纵向隔开间隔地具有多个部位。将卷绕要素68及其紧固部68c(参照图1)收容于第2集电体62的沟状容纳部69。因此，可抑制卷绕要素68成为集电障碍。作为卷绕要素68的材质，没有特别限定，但优选电绝缘性、抗拉强度以及玻璃化转变点高的树脂制(例如尼龙、芳族聚酰胺、聚醚砜等树脂纤维)的材质。特别优选工程塑料系的树脂。但是，并不限于这些材质。
图12～图15表示上述的弯曲成形操作的另一代表形态。弯曲成形操作的形态并不限于图12～图15。
在图12所示的场合，准备矫正模7作为将膜电极接合体2的形状弯曲成形并进行矫正的矫正要素。矫正模7具备沿筒形燃料电池1的纵向(箭头L方向)延伸设置的矫正腔70。矫正腔70具有截面呈C形状的第1弯曲成形模面71、截面呈反C形状的第2弯曲成形模面72、以朝向第1弯曲成形模面71内径变小的方式倾斜的圆锥面的第1导向面73和以朝向第2弯曲成形模面72内径变小的方式倾斜的圆锥面的第2导向面74。
另外，如图12所示，使矫正前的膜电极接合体2在矫正模7的矫正腔70中通过。由此，使膜电极接合体2沿着矫正腔的纵向，即沿着箭头K1方向相对于矫正模7进行相对移动。由此，一边利用第1导向面73和第2导向面74使膜电极接合体2的端部20(20e，20f)缩径，一边利用第1弯曲成形模面71和第2弯曲成形模面进行矫正。其结果，将膜电极接合体2的一端部20e弯曲成形为截面呈C形状，将另一端部20f弯曲成形为截面呈反C形状。
在为图12所示的形态时，第1弯曲成形模面71的加压部71r向膜电极接合体2一端部20e向内侧(箭头S1方向)加压，提高对第2集电体62的接合性。第2弯曲成形模面72的加压部72r将膜电极接合体2的另一端部20f向内侧(箭头S2方向)加压，提高对第2集电体62的接合性。如图12所示，从矫正模7的端口7m排出的膜电极接合体2被弯曲成形为筒形。因此，对从端口7m排出的筒形的膜电极接合体2的离子传导膜3的端部30(30e，30f)照射高能量密度束Wp进行接合。由此进一步提高接合性。
图13表示沿着与筒形燃料电池1的纵向(箭头L方向)交叉的方向的截面。在图13所示的场合，在膜电极接合体2的外侧配置弯曲成形用夹具8。弯曲成形用夹具8具有第1弯曲成形用夹具81和第2弯曲成形用夹具82。第1弯曲成形用夹具81具有截面呈C形状的第1弯曲成形模面83。第2弯曲成形用夹具82具有截面呈反C形状的第2弯曲成形模面84。第1弯曲成形模面83和第2弯曲成形模面84沿筒形燃料电池1的纵向(箭头L方向)延伸设置。
另外，通过使第1弯曲成形用夹具81和第2弯曲成形用夹具82沿箭头W1方向接近膜电极接合体2，从而利用第1弯曲成形用夹具81和第2弯曲成形用夹具82使膜电极接合体2的端部20(20e，20f)沿折回方向弯曲成形，形成C形状以及反C形状。然后，使具有加压面86的加压体85接近膜电极接合体2，用加压面86将膜电极接合体2的端部20(20e，20f)朝向第2集电体62加压，进一步提高端部20与第2集电体62的接合性。该场合下，压力优选为不损伤膜电极接合体2的结构的程度。
另外，在图14所示的场合，使用将沿着筒形燃料电池1的纵向(箭头L方向)延伸设置的棒状的细条材90利用连结线90s并排设置多个而成的帘状的卷绕片9。1根细条材90的外径远小于筒形燃料电池1的宽幅。卷绕片9在细条材90的延伸设置方向(与筒形燃料电池1的纵向即箭头L方向相当的方向)具有较高的刚性，在细条材90的延伸设置方向(与筒形燃料电池1的方向即箭头X方向相当的方向)具有较高的可挠性。而且，如果在将平片状的膜电极接合体2载置于卷绕片9上的状态下将膜电极接合体2与卷绕片9一同沿卷绕方向(箭头R2方向)卷绕，则可良好地形成筒形的膜电极接合体2。
图15示出沿着与筒形燃料电池1的纵向(箭头L方向)交叉的方向(箭头X方向)的截面。在图15所示的场合，在平片状的膜电极接合体2的外侧配置作为可滚动的滚动体的滚动辊100。滚动辊100具有圆筒外周面形状的加压面101和轴芯102。另外，一边使滚动辊100绕轴芯102旋转，一边使滚动辊100接近膜电极接合体2，一边使滚动辊100跟随膜电极接合体2。由此一边对膜电极接合体2的端部20(20e，20f)进行加压一边使其沿折回方向弯曲成形，将一端部20e弯曲成形为C形状，将另一端部20f弯曲成形为反C形状。因此，滚动辊100作为一边使膜电极接合体2的端部20弯曲成形，一边使其加压到第2集电体62的接合部65上从而提高粘接性的加压手段发挥功能。在为图15所示的形态时，第1集电体61具有用于增加其与膜电极接合体2的导电接触面积的平坦状的接触频率增加面61x。该场合下，使第1集电体61的接触频率增加面61x彼此的接触面积、第1集电体61的接触频率增加面61x与第2集电体62的接触面积增加。
可是，如图4所示，同时具有第1部分61和第2部分62的复合膜有时作为离子传导膜3使用。该场合下，由于复合膜的耐久性高，因此可以得到即使发电运行经历长时间，也有利于提高离子传导膜3的耐久性的优点。另外，根据筒形燃料电池1，也可考虑利用通过涂敷流动液状的高分子材料并使其固化来形成筒形的离子传导膜的方式来形成。然而，以涂敷流动液状的高分子材料的方式形成同时具有第1部分61和第2部分62的筒形复合膜是困难的。因此，对于以往的筒形燃料电池而言，形成具有由复合膜形成的离子传导膜3的筒形燃料电池并不容易。
根据所述本实施例，如上述那样并不是以敷方式形成筒形的离子传导膜3，而是预先准备呈平片状的离子传导膜3，使离子传导膜3的厚度方向的一侧层叠燃料侧电极4，同时使离子传导膜3的厚度方向的另一侧配置氧化剂侧电极5。由此，形成呈平片状的膜电极接合体2。然后，可采用使呈平片状的膜电极接合体2的端部20(20e，20f)弯曲成形从而进行变形的方式。因此，根据本实施例，可由采用复合膜形成的平片状的离子传导膜3容易地制作采用复合膜形成的筒形的离子传导膜3。由此，可实现集电性和耐久性优异的筒形燃料电池。这样，有利于本实施例适用于离子传导膜3具有复合膜结构的情况。
对于本实施例的筒形燃料电池1而言，在形成平片型的膜电极接合体2之后，可以采用使膜电极接合体2的端部20沿折回方向弯曲成形从而进行变形的弯曲成形方式。因此，能够应用制造平板型的膜电极接合体2的过程的已有技术，因此对降低制造成本有利。再者，根据本实施例，第1集电体61被并排设置3个，但不限于此，可以为1个，可以为2个，可以为4个，可以为更多个。
实施例2
关于本发明的实施例2，参照图16进行说明。本实施例具有与实施例1基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以不同的部分为中心进行说明。将膜电极接合体2的离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)进一步折回为U形状，形成为层叠的多层。由此，形成了折叠部36。然后，通过粘接剂3m、高能量束的照射等，将折叠部36与第2集电体62的接合部65的接合面66接合。该场合下，即使是离子传导膜3的厚度较薄的情况下，也可良好地确保离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)的接合部分的厚度。因此，可以得到容易将离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)与第2集电体62的接合部65的接合面66接合的优点。折叠部36可以为两层折叠，可以为3层折叠，可以为更多层折叠。
此外，根据本实施例，膜电极接合体2的燃料侧电极4配置于外侧，与形成于筒形燃料电池1的外部的燃料流体流路18面对。氧化剂侧电极5配置于内侧，与形成于筒形燃料电池1的内部的氧化剂流体流路19面对。但是，也可以与实施例1同样地形成为：膜电极接合体2的燃料侧电极4配置于内侧，与形成于筒形燃料电池1的内部的燃料流体流路18面对的形态。该场合下，为氧化剂侧电极5配置于外侧，与形成于筒形燃料电池1的外部的氧化剂流体流路19面对的构成。
实施例3
关于本发明的实施例3，参照图17进行说明。本实施例具有与实施例1基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以不同的部分为中心进行说明。第1集电体61具有可流通燃料流体的多个孔(连通孔)61p，具有多孔质性、气体透过性以及导电性。孔61p在第1集电体61的厚度方向和长度方向具有气体通过性。从第1集电体61的孔61p透过的燃料流体，可从作为第1集电体61的外壁面的第1导电面61f转移至燃料侧电极4。因此，容易向燃料侧电极4供给燃料流体。与此相对，第2集电体62由致密性高的致密体形成，具有针对燃料流体流路18的燃料流体等的气体阻隔性。因此，可抑制燃料流体流路18的燃料流体以及氧化剂流体流路19的氧化剂流体从第1集电体61的内部透过。
实施例4
关于本发明的实施例4，参照图18进行说明。本实施例具有与实施例1基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以不同的部分为中心进行说明。集电体6X同时具备有气体透过性的多孔质部分6h(第1集电体部分)和具有气体阻隔性的致密部分6k(第2集电体部分)。由于设置有具有气体阻隔性的致密性高的致密部分6k，因此可确保燃料流体流路18与氧化剂流体流路19的隔离性。多孔质部分6h在集电体6X的厚度方向和长度方向具有气体通过性。
实施例5
关于本发明的实施例5，参照图19进行说明。本实施例具有与实施例1基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。收容于筒形的膜电极接合体2的内部的第1集电体61和与第1集电体61电导通的第2集电体62相组合，形成有集电体6。因此，可容易确保膜电极接合体2的集电路径。第1集电体61由2根线材形成。
实施例6
关于本发明的实施例6，参照图20进行说明。本实施例具有与实施例1基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。筒形燃料电池1具有筒形的膜电极接合体2和设置于膜电极接合体2上的集电体6。筒形的膜电极接合体2具有离子传导膜3、配置于离子传导膜3的厚度方向的一侧的燃料侧电极4和配置于离子传导膜3的厚度方向的另一侧的氧化剂侧电极5。
本例的筒形燃料电池1可层叠。因此，如图20所示，筒形燃料电池1在一个方向(箭头HA方向)排列，配置成层叠状态。该一个方向(箭头HA方向)相当于与第1集电体61的并排设置方向(箭头X方向)正交的方向。
如图20所示，在邻接的筒形燃料电池1之间介有具有导电性的中间连接部200。中间连接部200具有与一方的筒形燃料电池1的氧化剂侧电极5的中间部25电接合的第1导通面201和与另一方的筒形燃料电池1的燃料侧电极4侧的集电体6电接合的第2导通面202。因此，多个筒形燃料电池1被串联地电连接从而被层叠，并被收容于壳体400的壳体室401的内部。壳体室401形成有可流通氧化剂流体(含氧气体)的氧化剂流体流路19。由于如上所述那样，多个筒形燃料电池1被串联地电连接从而被层叠，因此可谋求升压电路的简化、废止，可提高总体效率。
由于膜电极接合体2的中间部25大致为平坦状，因此容易增加使中间连接部200的第1导通面201与氧化剂侧电极5之中的对应于中间部25的部分电接触的导电面积，可以得到容易确保电能取出面积的优点。再者，也可以根据情况，将中间连接部200废止，使筒形燃料电池1的外侧的氧化剂侧电极5与其他的筒形燃料电池1的集电体6直接接触。
实施例7
关于本发明的实施例7，参照图21进行说明。本实施例具有与实施例6基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。筒形燃料电池1在一个方向(箭头HA方向)排列从而层叠。在此，该一个方向(箭头HA方向)相当于与第1集电体61的并排设置方向(箭头X方向)正交的方向。而且，筒形燃料电池1在箭头X方向排列地配置。箭头X方向相当于第1集电体61的并排设置方向。
如图21所示，在邻接的筒形燃料电池1之间介有中间连接部200。多个筒形燃料电池1电连接，并被收容于壳体400的壳体室401的内部。壳体室401形成有可流通氧化剂流体(例如含氧气体)的氧化剂流体流路19。
实施例8
关于本发明的实施例8，参照图22进行说明。本实施例具有与实施例1基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。筒形燃料电池1具有筒形的膜电极接合体2和设置于膜电极接合体2上的集电体6。在相互邻接的筒形燃料电池1之间介有具有导电性的中间连接部200B。
中间连接部200B具有与一方的筒形燃料电池1的氧化剂侧电极5的平坦部分(与中间部25相当)电接触的平坦的第1导通面201和与另一方的筒形燃料电池1的燃料侧电极4的集电体6的第2集电体62电接触的平坦的第2导通面202。
而且，中间连接部200B具有夹持要素230。夹持要素230是将膜电极接合体2的离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)与集电体6的接合部65一同夹持的夹持要素，因此设置于夹持端部30的位置。利用这样的夹持要素230，离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)的固定性提高，端部30的耐久性提高。
实施例9
关于本发明的实施例9，参照图23进行说明。本实施例具有与实施例8基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以与实施例8不同的部分为中心进行说明。在相互邻接的筒形燃料电池1之间介有具有导电性的中间连接部200C。中间连接部200C具有与一方的筒形燃料电池1的氧化剂侧电极5的平坦状部分(与中间部25相当)电接触的第1导通面201和与另一方的筒形燃料电池1的燃料侧电极4的集电体6电接触的第2导通面202。
中间连接部200C具有夹持要素230C。夹持要素230C由适合于将膜电极接合体2的离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)与集电体6一同夹持的材料形成。例如，夹持要素230C采用由树脂或橡胶等的高分子材料形成的弹性材料形成。这样的夹持要素230C，设置于夹持膜电极接合体2的离子传导膜3的端部30的位置。利用夹持要素230C，离子传导膜3的端部30的固定性进一步提高，端部30的耐久性提高。
实施例10
关于本发明的实施例10，参照图24进行说明。本实施例具有与实施例1基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。膜电极接合体2的整体，实质上被弯曲成形为圆筒形状或类似圆筒形状。集电体6E由致密体形成，将配置于膜电极接合体2的内部的第1集电体61E和从膜电极接合体2露出的第2集电体62E一体地成形而形成。膜电极接合体2的端部20(20e，20f)沿折回方向弯曲成形。
即，膜电极接合体2的离子传导膜3的整体，与燃料侧电极4以及氧化剂侧电极5一同被弯曲成形为圆筒形状或类似圆筒形状。离子传导膜3的端部30(一端部30e和另一端部30f)被弯曲成形，与集电体6E的接合部65的接合面66接合。再者，燃料侧电极4具备燃料侧催化剂层41和燃料侧透过层42，氧化剂侧电极5具备氧化剂侧催化剂层51和氧化剂侧透过层52。在第1集电体61E的外周壁面与燃料侧电极4之间形成有燃料流体流路18。再者，也可以使燃料流体流路18和氧化剂流体流路19的位置反过来。
实施例11
关于本发明的实施例11，参照图25进行说明。本实施例具有与实施例1基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。图25表示具有沿横截方向(X方向)切断的切断面的扁平筒形的燃料电池1的立体图。
如图25所示，本实施例的筒形燃料电池1呈立式的扁平筒形(管形)。膜电极接合体2的整体被弯曲成形为截面呈U形状。因此，膜电极接合体2以固体高分子材料为基材而形成，具有被弯曲成形为U形状的离子传导膜3、配置于离子传导膜3的厚度方向的一侧的被弯曲成形为截面呈U形状的燃料侧电极4和配置于离子传导膜3的厚度方向的另一侧的被弯曲成形为截面呈U形状的氧化剂侧电极5。
如图25所示，膜电极接合体2的横截方向(箭头X方向)的中间部25，为沿折回方向弯曲成形的弯曲成形起点，大致被弯曲成形为半圆状。比中间部25靠外侧的端部20(一端部20e和另一端部20f)为直形。
如图25所示，集电体6具备与膜电极接合体2的燃料侧电极4电接触的呈线状或棒状的第1集电体61和与第1集电体61电接触的呈线状或棒状的第2集电体62。第1集电体61，是通过将具有所规定的截面形状的沿纵向(箭头L方向)延伸的线材或棒材，沿着与膜电极接合体2的方向(箭头X方向)正交的方向(箭头Y方向)并排设置多个而形成的。
如图25所示，由第1集电体61的外壁面形成的第1导电面61f，与膜电极接合体2的燃料侧电极4电接触。第2集电体62，由具有所规定的截面形状的沿纵向(箭头L方向)延伸的板状材料形成。第2集电体62具有与第1集电体61的第1导电面61f电接触的第2导电面62f和向外方露出的露出导电面63f。这样，由于第1集电体61和第2集电体62相组合，因此容易确保膜电极接合体2的集电路径。第1集电体61以及第2集电体62沿纵向(箭头L方向)延伸设置，因此容易确保筒形燃料电池1的纵向长度。
如图25所示，第2集电体62具有将膜电极接合体2的离子传导膜3的直形的端部30(直形的一端部30e和直形的另一端部30f)接合的平坦状的接合面66。如果将膜电极接合体2的离子传导膜3的一端部30e和另一端部30f与第2集电体62的接合部65的接合面66接合，则燃料流体流路18和氧化剂流体流路19被隔离。因此，可抑制在燃料流体流路18中流动的燃料流体流入到氧化剂流体流路19中。同样地，可抑制在氧化剂流体流路19中流动的氧化剂流体流入到燃料流体流路18中。再者，也可以使燃料流体流路18和氧化剂流体流路19的位置反过来。
实施例12
对于本发明的实施例12，参照图26进行说明。本实施例具有与实施例1基本同样的构成以及同样的作用效果。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。如图26所示，与膜电极接合体2的燃料侧电极4电接触的线状或棒状的多个第1集电体61，构成一群而设置。多个第1集电体61以相互接触的方式在纵向和横向层叠，以捆束的状态接近，且并排地设置。多个第1集电体61被配置为当将相邻设置的第1集电体61的中心61c彼此连接时，可形成假想的三角形状。作为第1集电体61的外周壁面的第1导电面61f，具有截面为圆形的外壁面。该场合下，邻接的第1集电体61的第1导电面61f彼此电接触的频率提高。如果是这样的结构，则即使是第1集电体61的数量增加时，也容易形成截面为非扁平形的、具有接近于类似圆的截面形状的燃料电池1。
实施例13
关于本发明的实施例13，参照图27进行说明。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。在膜电极接合体2之中的成为弯曲内周侧的面上，形成有多个或单个的弯曲成形促进部2v。弯曲成形促进部2v，形成于在膜电极接合体2的内周侧配置的燃料侧电极4上。弯曲成形促进部2v具有使膜电极接合体2容易弯曲的功能，可由凹状部或折口形成。优选弯曲成形促进部2v沿着筒形燃料电池1的纵向连续地延伸设置、或者隔开间隔而断续地延伸设置。再者，如果膜电极接合体2的内周侧为氧化剂侧电极5，则在氧化剂侧电极5上形成弯曲成形促进部2v。
实施例14
关于本发明的实施例14，参照图28进行说明。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。在横截面(图28)上，膜电极接合体2之中的弯曲外周侧的电极被设定得比弯曲内周侧的电极长。弯曲内周侧的电极被设定得比弯曲外周侧的电极短。具体地讲，在膜电极接合体2中，燃料侧电极4(膜电极接合体2之中的弯曲内周侧的电极)被设定得比氧化剂侧电极5短。氧化剂侧电极5(膜电极接合体2之中的弯曲外周侧的电极)被设定得比燃料侧电极4长。因此，使膜电极接合体1弯曲成形为筒形状时，在横截面上，弯曲外周侧的电极的弧长尺寸和弯曲内周侧的电极的弧长尺寸容易均衡，容易取得平衡。
实施例15
关于本发明的实施例15，参照图29进行说明。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。在横截面(图28)上，在构成集电体6的第1集电体61的内部，沿着第1集电体61的长度形成有空洞状致冷剂通路61h。致冷剂在致冷剂通路61h中通过(例如，电绝缘性高的冷却水、冷却气体)。第1集电体61可由金属系(钛、不锈钢等)或碳系形成。可抑制筒形燃料电池1的温度过剩。
实施例16
关于本发明的实施例16，参照图30进行说明。以下，以与实施例1不同的部分为中心进行说明。膜电极接合体2的离子传导膜3的一端部30e，通过被弯曲成形为反S字形状，而沿折回方向延伸设置，并与第2集电体62之中的反C形状的一方的接合面66接合。离子传导膜3的另一端部30f，通过被弯曲成形为S字形状，而沿折回方向延伸设置，并与第2集电体62之中的反C形状的另一方的接合面66接合。该场合下，离子传导膜3的一端部30e以及另一端部30f与第2集电体62的接合面积增加，接合力增加。在此，S字形状的轨迹包括C形状。反S字形状的轨迹包括反C形状。(其他的实施例)
根据上述的各实施例，集电体6具备与膜电极接合体2的燃料侧电极4电接触的第1集电体61和与第1集电体61电接触的第2集电体62，但集电体的形状并不限于此。第1集电体61的数量可以为1个，可以为2个，可以为3个，可以为4个，没有特别的限定。第2集电体6的形状以及数量并不限于上述的情况。
不限于燃料流体流路18配置于筒形燃料电池内部，氧化剂流体流路19配置于筒形燃料电池外部的形态。因此，也可以为燃料流体流路18配置于筒形燃料电池外部，氧化剂流体流路19配置于筒形燃料电池内部的形态。离子传导膜不限于高分子系，也可以为有机无机复合系。
根据上述的实施例1，燃料侧电极4可为具备与离子传导膜3面对接触的燃料侧催化剂层41和与离子传导膜3背向的燃料侧透过层42的形态，但并不限于此，在第1集电体61具有集电功能和气体透过功能这两者时，也可期待废止燃料侧透过层42。在图11所示的例中，对被弯曲成形的膜电极接合体2从外侧卷绕丝线状或绳状的卷绕要素68，将卷绕要素68的端部68a彼此捆束，但也可以废止卷绕要素68。
本发明并不只限于上述的且在附图中所示的实施例，在不脱离要旨的范围内可进行适当变更从而实施。特定的实施例所特有的构成，只要没有问题，就也可适用于其他的实施例。在特定的实施例中采用的构成，也可以与其他的实施例的构成进行部分的置换。
产业上的利用可能性
本发明可用于例如车辆用、定置用、电气设备用、电子设备用、便携用的燃料电池系统。