JP4687406B2

JP4687406B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4687406B2
Application number: JP2005326699A
Authority: JP
Inventors: 成亮村田; 治通中西; 雅弘今西; 佳久田村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: JP2007134180A

Description

本発明は、中空型セルを備える燃料電池に関し、特に、中空型セルの熱交換効率を向上させることが可能な燃料電池に関する。

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、燃料電池は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。電解質として固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質型燃料電池は、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。

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、燃料電池では、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るとともに、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、さらに平面状のセパレータで挟んだ平型の単セルが開発されてきた。このような平型の単セルは、複数積層して燃料電池スタックとして用いられる。
固体高分子電解質型燃料電池の出力密度向上のため、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。この膜厚はすでに１０μｍ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。従って、小型化の要求に対しても、今後充分に応えられなくなることが予想される。

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が用いられている。セパレータは、このカーボン材料自体が高価である上に、平面状の膜・電極接合体の面全体に均一に燃料ガス及び酸化剤ガスを行き渡らせるためのガス流路溝を、微細加工により形成するため、非常に高価なものとなっている。その結果、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幾層にもスタックされた単セルの周縁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、中空状の電解質膜の内面側と外面側にそれぞれ電極を設けた中空型セ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等）。
このような中空型セルを有する燃料電池は、その中空内をガス流路とするため、平型で使用されるセパレータに相当する部材が必要ない。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、コストの低減が見込まれる。さらに、セルが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。

中空型セルを用いる燃料電池は、所望の出力電圧・電流が得られるように、複数の中空型セルを集電材で電気的に一つにまとめてモジュール（以下、中空型セル群という）とし、この中空型セル群を２つ以上直列及び／又は並列に接続した構成をとる。
また、中空型セル群には、中空型セルと並列に、中空型セルを冷却／加温するのに適切な数の熱交換部材（以下において、「冷却管」と記述することがある。）が備えられる。これは、中空型セルは、平型の単セルと同様に、電解質の種類に応じて、電気化学反応にとって最適な温度範囲が決まる（例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸膜なら約１００℃程度）ため、発電性能を向上させるには、中空型セルを冷却し、当該セルの温度を所定の温度範囲内に収める必要があり、一方で、燃料電池の低温起動性を向上させるという観点からは、燃料電池の起動時に、中空型セルを加温することが必要とされる場合があるからである。例えば、特許文献２には、複数の中空型セル（マイクロセル）を束ねてモジュール式電気化学的セルアセンブリを形成し、円管形状の伝熱管をマイクロセル束と並列にマイクロセル束間に備えた構成とする技術が開示されている。かかる技術によれば、マイクロセル束で発生する多量の熱を取り除くことが可能になるとしている。

中空型セル群の両端部には、中空型セルの中空内に水素ガスを流通させるガス用マニホールドと、熱交換部材内に熱媒体を流通させる冷却水用マニホールドとが備えられ、さらに、各中空型セルで発生した電荷を集める集電部が備えられる。そして、入口側のガス用マニホールドを介して中空型セル群へと供給された水素は、各中空型セルの中空内流路を通って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出口側のガス用マニホールドを介して回収される。中空型セルと各マニホールドが接する箇所は密閉処理が施されており、これをシール部という。燃料電池において、中空型セルは該シール部によってのみ支えられている構造であるため、中空型セルの重量が全てシール部にかかる。また、シール部は、中空型セルとマニホールドとの熱膨張差による歪みを最も受ける部分である。このような理由からシール部は特に破損しやすい。

特開平７−２９６８４０号公報特表２００４−５０５４１７号公報

従来の燃料電池においては、上記例示のように、熱交換部材と同じ長さの複数の直線形状の中空型セルを並列に配設しているが、シール部の破損などによって中空型セルが一本でも破損してガス漏れが発生すると、当該破損したセルが組み込まれている中空セル群が使用不可能となる。そのような問題の発生を回避するため、セル容積当たりのシール部の数を減らすことが有効である。
セル容積当たりのシール部の数は、各中空型セルの長さを長くして中空型セルの数を減らすことによって、減らすことができる。しかしながら、中空型セルを直線形状のまま、その長さを長くすると中空型セルが扱い難くなり、且つ、中空型セルの軸方向の長さにおける中間部分の強度が不安定になるという問題があった。
このような直線形状の長い中空型セルの扱い難さは、中空型セルの形状を螺旋状にすることで改善することができるが、単に中空型セルの形状を螺旋状にするだけでは、中空型セルの螺旋形状を保持するために支える部材がないため、セルの形状の安定性が悪く、また、中空型セルの両端のシール部にかかる中空型セルの重さによる負担が大きくなり、シール部が破損する原因となる虞があった。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、中空型セルの長さを長くしてセル容積当たりのシール部の数を減らしながら、モジュールが扱いやすく、シール部の破損を回避することが可能な燃料電池を提供することを課題とする。

本発明における燃料電池は、中空形状の電解質膜と、該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有する中空型セルと、棒状部材とを備える燃料電池であって、該棒状部材の外側に該中空型セルが螺旋状に巻き付くように配設されていることを特徴とする。

本発明における燃料電池は、前記中空型セルと前記棒状部材との接触長を、前記棒状部材の全長の１．５〜１０倍とすることができる。

前記棒状部材は、中空型セルの温度を調節する熱交換部材であることが好ましい。

前記棒状部材は、電気伝導性を有しており、前記中空型セルの外側電極の集電材として機能することが好ましい。

前記棒状部材は、前記熱交換部材であり、且つ、前記集電材として機能することが好ましい。

前記熱交換部材の内側に熱媒体が流れ、該熱媒体と接触する前記熱交換部材の内側表面の少なくとも一部は、電気絶縁性を有する材料によって構成されていることが好ましい。

また、前記棒状部材の外周面には、ガス流路が形成されていてもよい。

本発明によれば、棒状部材に中空型セルが螺旋状に巻き付けられているため、単に中空型セルを螺旋状の形状とするよりも螺旋形状を安定に保つことができ、中空型セルの両端のシール部にかかる負担を著しく大きくする虞がない。したがって、本発明によれば、中空型セルの長さを長くしてセル容積当たりのシール部の数を減らし、シール部の破損を回避することが可能な燃料電池を提供することができる。
さらに、上記棒状部材は、熱交換部材であり、且つ、導電材として機能することができるため、部材の数を減らすことができ、モジュールの小型化が可能である。

本発明の燃料電池は、中空形状の電解質膜と、該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有する中空型セルと、棒状部材とを備える燃料電池であって、該棒状部材の外側に該中空型セルが螺旋状に巻き付くように配設されていることを特徴とするものである。

以下に図面を参照しながら本発明の燃料電池について具体的に説明する。尚、以下の実施形態においては、熱交換部材の内部に冷却媒体を流通させることで、熱交換部材を冷却管として機能させる場合について記述するが、熱交換部材の内部に温熱媒体を流通させれば、中空型セルを加温可能な熱交換部材として機能させることも可能である。また、以下の実施形態においては、燃料として水素ガス、酸化剤として空気（酸素）を用いた固体高分子型燃料電池を中心に説明するが、本発明は下記の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の中空型セル及び棒状部材の一形態例を示す概略斜視図である。従来の中空型セルは、図１１に示す一形態例のように、直線形状を有し、冷却管等の棒状部材と並列に配置されているため、該中空型セルの軸方向の長さはおよそ冷却管等の棒状部材の軸方向の長さと同程度であった。これに対して、本発明の中空型セルは、図１に示すように棒状部材の外側に螺旋状に配設されているため、中空型セルの長さ（棒状部材と接触している長さ（接触長））を、棒状部材の全長よりも長くすることができ、具体的には、棒状部材の全長の１．５〜１０倍とすることができる。ここで、接触長は、［中空型セルの捲き数×棒状部材の外周長］から求めることができる。

棒状部材の外側に螺旋状に配設されている中空型セルにおいて、中空型セルは、図１に示すように隙間を空けずに密着して配置してもよく、また、図２に示すように当該中空型セルに０．１〜１ｍｍの間隔を設けて配置してもよい。
また、図３に示すように、複数の中空型セルを並行して、棒状部材の外側に螺旋状に捲き付けてもよい。

棒状部材に中空型セルを螺旋状に巻き付ける加工の方法としては、特開２００４−２２１６５１号に開示されているようなボビン捲き等が例示できる。
以下、各構成部材について詳しく説明する。

（中空型セル）
中空型セル１１は、少なくとも中空形状の電解質膜と、該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有する。中空型セル１１の各部分を構成する材料としては、棒状部材の軸回りに螺旋状に配置できる柔軟性を有するものであれば特に限定されず、その製造方法も特に限定されないが、以下に一実施形態を例示する。

図４は、本実施形態の燃料電池に用いられる中空型セルの断面図であり、図５は同じ中空型セルの斜視図である。中空型セル１１は、中空状の固体高分子電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）１、固体高分子電解質膜１の内面側に設けられたアノード（本実施形態では燃料極）２及び外面側に設けられたカソード（本実施形態では空気極）３を有し、中空部は中空内流路５であり、反応ガスとして燃料ガス（Ｈ_２）が供給される。負極側（アノード側）集電体は、アノード２の表面に接するように設けられている。正極側（カソード側）集電材は、カソード３の外側の表面に設けることもできるが、後述するように、棒状部材が外部集電材としての正極側集電材の機能を兼ねることが好ましい。
このような構造を有する中空型セルを棒状部材の外周面に螺旋状に捲き付けて配設し、必要に応じて、中空型セルをシリコン系、エポキシ系等の耐熱接着材により棒状部材上に固定させ、中空型セルの中空内に水素ガス、外面に空気を接触させることで、アノード及びカソード（空気極）に燃料又は酸化剤が供給され、発電する。

中空型セルは、中空電解質膜の内面側に反応ガスを十分に供給できるものであるならば、中空部（チューブ）の一端を封鎖し、もう一端を開口した状態としてもよい。中空型セルの一端を封鎖する方法としては、樹脂等を中空の一端に注入する方法が例示できるが、特に限定されるものではない。

中空状の固体高分子電解質膜１の内径及び外径、長さ等は特に限定されるものではないが、固体高分子電解質膜１の外径は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。チューブ状電解質膜の外径が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を超えるものでは、占有体積に対する表面積があまり大きくならないため、得られる中空型セルの単位体積当たりの出力が充分に得られない虞がある。

パーフルオロカーボンスルホン酸膜は、プロトン伝導性の向上の点からは薄いほうが好ましいが、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、中空形状を有する中空型セルを多数集めることにより作製された燃料電池では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、充分な出力が得られる。かかる観点から、パーフルオロカーボンスルホン酸膜の厚みは、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、上記の外径と膜厚と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。

図４に示した実施形態の中空型セルはチューブ状の電解質膜を有するものであるが、本発明における中空電解質膜はチューブ状に限られず、中空部を有し、当該中空部に燃料や酸化剤を流入させることで、中空内部に設けられた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。
中空型セル１１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。

本発明の燃料電池は、中空形状を有する中空型セルを有するため、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、固体高分子電解質膜として、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。
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、従来から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を使用することができ、例えば、パーフルオロカーボンスルホン酸以外のフッ素系イオン交換樹脂、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、特表平１１−５０３２６２号公報などに開示されている、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等の高分子電解質が挙げられる。
このような電解質を用いた固体高分子電解質膜は、フィブリル状、繊布状、不繊布状、多孔質シートのパーフルオロカーボン重合体で補強することや、膜表面に無機酸化物あるいは金属をコーティングすることにより補強することもできる。また、パーフルオロカーボンスルホン酸膜としては、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市販品もある。

また、本実施形態では電解質膜として、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パーフルオロカーボンスルホン酸膜を用いて説明しているが、本発明の燃料電池において用いられる電解質膜は特に限定されるものではなく、プロトン伝導性のものであっても、水酸化物イオンや酸化物イオン（Ｏ^2-）等その他のイオン伝導性のものであってもよい。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、多孔質性ガラスからなるプロトン伝導体、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等を用いることができる。水酸化物イオンや酸化物イオン（Ｏ^2-）等その他のイオン伝導性を有する電解質としてはセラミックスを含むもの等が挙げられる。

電解質膜の内面及び外面に設けられる各電極は、従来から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、図４に示すように、電解質膜側から順に触媒層（触媒層２ａ，触媒層３ａ）とガス拡散層（ガス拡散層２ｂ，ガス拡散層３ｂ）とを積層して構成された電極が用いられる。

触媒層は触媒粒を含み、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、中空形状を有する中空型セルを有するため、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を用いることができる。炭素質粒子及び炭素質繊維の大きさは、ガス拡散層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。電解質膜の内面及び外面に設けられる各電極の構成、電極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。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。

中空状の電解質膜の内面及び外面に一対の電極を設けた中空型セル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、中空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。このとき、電解質膜の内面側に形成したガス拡散層の内面に中空部が存在するように触媒層とガス拡散層を形成する。
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。

中空状の電解質膜を形成する方法は特に限定されず、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、電解質膜は、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、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。
本発明の燃料電池に用いられる中空形状を有する中空型セルは、上記にて例示した構成に限られず、中空型セルの機能を高めることを目的として触媒層及びガス拡散層以外の層を設けても良い。また、本実施形態においては、中空電解質膜の内側にアノード、外側にカソードを設けているが、内側にカソード、外側にアノードを設けても良い。

（集電材）
前記電極には、図４および図５に示すように、電極で発生した電荷を外部回路へ取り出すための集電材を設けることができる。本実施形態では、負極側集電材（内部集電材）４は第１ガス拡散層２ｂの内側に設けられている。正極側集電材（外部集電材）は、第２ガス拡散層３ｂの外側に設けることができるが、図４及び図５には図示されておらず、後述するように、棒状部材がその機能を兼ねることが好ましい。正極側集電材４を第２ガス拡散層３ｂの外側に設ける場合には、その形状は特に限定されないが、例えば、スプリング状、若しくは編みこんだ金属ワイヤ、又は棒状の集電材として設けることができる。
負極側集電材４は中空型セルの内周面と接する外径を有する柱状集電材であり、その胴部外周面には、中空型セルの軸方向（長手方向）に延びる溝状の中空内流路５が、該中空型セルの内周面の一部が該中空内流路５に露出するように形成され、該中空内流路５を通って水素ガスが供給される。尚、柱状の内部集電材が、非常にガス透過性が高い導電性材料である場合には、このような内面側電極を露出させる溝状の中空内流路を設ける必要はなく、柱状の内部集電材を軸方向に貫通する閉鎖されたガス流路を設けてもよいし、ガス流路を全く設けなくてもよい。負極側集電材の形状は、上記実施形態に特に限定されず、電気伝導性材料からなるものであれば柱状、ワイヤ状、棒状の他、線状でも、筒形状でもよく、例えば、スプリング状の金属ワイヤや金属箔、金属シート又はカーボンシート等のシート材料からなるもの等も適用できる。

上記負極側又は正極側集電材として使用される金属としては、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｍ、Ｉｎ等の中から選ばれる少なくとも１種以上の金属、又はステンレス鋼などのそれらの合金が好ましい。また、その表面がＡｕ、Ｐｔ、導電性樹脂等によりコーティングされていても良い。特に耐蝕性に優れることから、中でもステンレスやチタンが好ましい。ワイヤの太さ及び編みこみの密度、棒状集電材の太さ等は、特に制限されるものではない。
これら集電材は、必要に応じて、カーボン系接着剤やＡｇペーストなどの導電性接着材により電極上に固定される。

（棒状部材）
図６に示すように、本発明における棒状部材１０は、上記中空型セル１１の螺旋形状を保持して支えることが可能な棒状形状であればその形態は特に限定されないが、特に、中空型セルを安定的に保持する点、シール部への負担をなるべく抑える点、及び後述するように棒状部材が熱交換部材である場合に熱媒体（冷却媒体及び温熱媒体）の流れ易さの点で、直線状であることが好ましく、棒状部材１０の断面としては、中空型セルの巻き付け易さの点で、円、楕円等の外側に膨らむ曲線が閉じた形状が好ましい。
棒状部材１０の材料としては、燃料電池の作動環境に耐え得る耐食性及び強度を有している材料を使用することができ、例えば、金、白金、チタン、ステンレス鋼等を挙げることができる。チタンやステンレス鋼では耐食性の点で見劣りする場合には、例えば、これらの材料によって形成された冷却管の表面を、良好な耐食性を有する材料（例えば、金、白金等）でコーティング（めっき）することが好ましい。

図７に示すように、棒状部材１０の外周面には、棒状部材の軸方向と交差する方向、及び、棒状部材の軸方向と平行な方向に、それぞれ、溝を形成して、横方向ガス流路１２及び軸方向ガス流路１３としてもよい。これらの、横方向ガス流路１２及び１３を介して、中空型セル１１の外周面に反応ガスが供給される。このように、棒状部材１０の外周面に、横方向ガス流路１２及び軸方向ガス流路１３が形成されていれば、中空型セル１１の外周面に効率よく反応ガスを供給することが可能になり、反応ガスの供給不足による発電性能の低下を回避することが可能になる。特に、中空型セル１１を棒状部材１０の外周面に隙間なく密接に捲き付けた場合には、棒状部材１０に軸方向ガス流路１３を設けることによって得られる効果は大きい。
尚、かかる形態の棒状部材１０には、軸方向と交差する方向のみならず軸方向と平行な方向にもガス流路が形成されているため、例えば、中空型セル１１で発生する水蒸気が棒状部材１０と接触して生じる液滴の水を、横方向ガス流路１２内に受けて軸方向ガス流路１３に集め、その後、当該軸方向ガス流路１３に集まった液滴の水を軸方向へ移動させることで、外部へ排出することが可能になる。

棒状部材１０の内径及び外径、長さ等は特に限定されるものではないが、棒状部材１０の外径は０．５〜３ｍｍであることが好ましく、０．５〜１ｍｍであることがさらに好ましく、０．５〜０．８ｍｍであることが特に好ましい。棒状部材１０の外径が０．５ｍｍ未満のものは、特に棒状部材が後述する熱交換部材である場合に熱媒体流路となる内孔が十分に確保できず、一方、その外径が３ｍｍを超えるものでは、棒状部材の体格が大きくなるという問題がある。
上記棒状部材１０の製造方法は、特に限定されず、例えば、押出し成型（棒状部材１０を形成可能な鋳型に、溶融状態の材料を流し込んで鋳込む）等により製造することができる。

上記棒状部材１０は、上記中空型セル１１を冷却／加温する熱交換部材（冷却管）であることが好ましい。棒状部材１０は、螺旋状の中空型セル１１と線接触しているため、棒状部材１０によって、中空型セル１１の熱交換を行うことによって、燃料電池の構成部材の数を減らし、燃料電池の体格を低減させる（小型化させる）ことが可能になる。
熱交換部材（冷却管）１０とは、図６に示すように、その内部に熱媒体流路１４を有する部材をいい、該熱交換部材１０に冷却媒体が流通する場合には、該熱交換部材１０は中空型セルを冷却する冷却管として機能する一方、該熱交換部材１０に温熱媒体が流通する場合には、該熱交換部材１０は中空型セルを加温する加温管として機能する。

本発明における熱交換部材は、内部に熱媒体流路１４を備える中空形状であればその形態は特に限定されないが、特に、熱媒体（冷却媒体及び温熱媒体）の流れ易さの点で、直線状であることが好ましく、管の断面としては、中空型セルの巻き付け易さの点で、円、楕円等の外側に膨らむ曲線が閉じた形状が好ましい。また、内部に単一の熱媒体流路１４を有する熱交換部材１０のみならず、複数の熱媒体流路を内部に備えた熱交換部材、複数の熱交換部材の側壁部を一体化したような形態などであってもよい。
熱交換部材の材料としては、従来から熱交換部材に用いられているような熱伝導性を有し、燃料電池の作動環境に耐え得る耐食性及び強度を有している材料を使用することができ、例えば、金、白金、チタン、ステンレス鋼等を挙げることができる。チタンやステンレス鋼では耐食性の点で見劣りする場合には、例えば、これらの材料によって形成された冷却管の表面を、良好な耐食性を有する材料（例えば、金、白金等）でコーティング（めっき）することが好ましい。

熱媒体流路１４を水等の熱媒体が流れる。かかる熱媒体が流通する熱交換部材１０の外周に、中空型セル１１の外周が螺旋状に線接触することで、接触長が増大し、中空型セル１１を効率良く冷却することができる。
熱媒体流路１４は中空形状であればその形態は特に限定されないが、特に、熱媒体の流れ易さの点で、直線状であることが好ましい。流路の断面としては、例えば、円、楕円等の外側に膨らむ曲線が閉じた形状、矩形などの熱媒体流路を形成することができるが、これに限定されない。
尚、本発明にかかる熱交換部材内を流れる熱媒体は、水に限定されるものではなく、エチレングリコール等の液体、気体、他の熱媒体であっても良い。

また、棒状部材１０は、集電材として機能することが好ましい。棒状部材１０は、螺旋状の中空型セル１１と線接触しているため、棒状部材１０によって、中空型セル１１の集電を行うことによって、燃料電池の構成部材の数を減らし、燃料電池の体格を低減させる（小型化させる）ことが可能になる。棒状部材に集電材の機能を担わせる場合には、中空型セルの説明において記載したような集電材の材料を棒状部材に用いることができる。

さらに、棒状部材１０は、熱交換部材であり、且つ、集電材としても機能することによって、モジュールのさらなる小型化を実現することができる。棒状部材に熱交換部材及び集電材の機能をも担わせる場合には、上記熱交換部材の形状をした棒状部材とし、棒状部材１０の材料としては、熱伝導性を有し、燃料電池の作動環境に耐え得る耐食性及び強度を有し、且つ良好な電気伝導性を有していれば適当なものを選択することができる。良好な耐食性、熱伝導性、及び電気伝導性を有する材料の具体例としては、金、白金、銅等を挙げることができる。銅を用いる場合には、銅は燃料電池の作動環境に耐え得る耐食性を備えないため、銅製の棒状部材１０の全体の表面を、良好な耐食性、熱伝導性及び電気伝導性を有する材料（例えば、金、白金等の貴金属）でコーティング（めっき）するなどして、耐食性を向上させる必要がある。また、棒状部材１０の電気伝導性を向上させる方法としては、例えば、上記コーティングを行う方法に加え、熱交換部材１０に、良好な電気伝導性を有する材料を配置する方法等（例えば、高導電性材料からなる線材を熱交換部材１０に埋め込む、熱交換部材１０を中空形状の軸を中心とした多層構造として熱交換部材１０の中心側の層を高導電性材料により構成する等）を挙げることができる。

棒状部材１０に熱交換部材及び集電材の機能をも担わせる場合には、必要に応じて、熱媒体流路１４内を流れる熱媒体への漏電を防ぐために、棒状部材１０の内周面に絶縁層を設けてもよい。絶縁層を設ける方法としては、特に限定されないが、例えば、棒状部材の内周面を良好な電気絶縁性、熱伝導性及び耐食性を有する材料（例えば、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキビニルエーテル共重合樹脂（ＰＦＡ）などのフッ素樹脂等）でコーティングする方法、棒状部材の内周面に密着するように良好な電気絶縁性、熱伝導性及び耐食性を有するチューブ型部材（例えば、シリコンゴム製の管、高熱伝導性シリコンゴムにより形成したチューブ等）を配設する方法等が挙げられる。

（燃料電池）
図８は、上記中空型セル１１と熱交換部材及び集電材として機能する棒状部材１０の一体化物を複数備える中空型セル群１００を概略的に示す外観図である。中空型セル群１００の両端部には、中空型セル１１、１１、・・・の中空内に水素ガスを流通させるガス用マニホールド９８ａ、９８ｂと、棒状部材１０、１０、・・・内に熱媒体を流通させる冷却水用マニホールド９９ａ、９９ｂとが備えられ、さらに、各中空型セル１１、１１、・・・で発生した電荷を集める集電部（不図示）が備えられている。そして、入口側のガス用マニホールド（例えば、９８ａ）を介して中空型セル群１００へと供給された水素は、各中空型セル１１、１１、・・・の中空内流路１４、１４、・・・を通って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出口側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、中空型セル群１００において、上記集電部は、一方が中空型セル１１、１１、・・・の負極側集電材４、４、・・・に電気的に接続されるとともに、他方が集電材の機能をも担う棒状部材１０、１０、・・・に電気的に接続されることにより、複数の中空型セル１１、１１、・・・で発生した電荷を集めて（集電して）いる。

さらに、図９及び図１０に示すように、外装容器６００に複数の中空型セル群１００を収容し、直列又は並列に接続して燃料電池６０１とする。尚、図１０は、図９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。

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６０１には、格子状部材５５０を貫通する方向に空気が供給され、図９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格子状部材（図１０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６０１が作動することにより発熱した中空型セル群１００は、例えば、冷却水口５２０から供給・排出される水が当該中空型セル群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６０１には、複数の上述した中空型セル群１００が備えられ、中空型セル群１００の各中空型セルの長さを長くしてセル容積当たりのシール部の数を減らすことで、燃料電池６０１のシール部の破損を回避することが可能になる。

本発明の中空型セル及び棒状部材の一形態例を示す概略斜視図である。本発明の中空型セル及び棒状部材の一形態例を示す概略斜視図である。本発明の中空型セル及び棒状部材の一形態例を示す概略斜視図である。本発明の中空型セルの一形態例を示す断面図ある。本発明の中空型セルの一形態例を示す概略斜視図である。本発明の棒状部材の一形態例を示す斜視図である。本発明の棒状部材の一形態例を示す斜視図である。本発明の中空型セル群の一形態例を概略的に示す外観図である。本発明の中空型セル群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。本発明の中空型セル群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。従来の中空型セルの一形態例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１中空電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）
２第１の電極（アノード）
２ａ第１の触媒層
２ｂ第１のガス拡散層
３第２の電極（カソード）
３ａ第２の触媒層
３ｂ第２のガス拡散層
４負極側集電材（内部集電材）
５中空内流路
１０棒状部材（熱交換部材）
１１中空型セル
１２横方向ガス流路
１３軸方向ガス流路
１４熱媒体流路
９０熱交換部材（冷却管）
９１中空型セル
９２内部集電材
９８ａ、９８ｂガス用マニホールド
９９ａ、９９ｂ冷却水用マニホールド
１００中空型セル群
５００反応ガス導入口
５１０反応ガス排出口
５２０冷却水口
６００外装容器
６０１燃料電池

Claims

中空形状の電解質膜と、該電解質膜の中空内面及び外面に設けられた一対の電極を有する中空型セルと、棒状部材とを備える燃料電池であって、該棒状部材の外側に該中空型セルが螺旋状に巻き付くように配設されていることを特徴とする燃料電池。
前記中空型セルと前記棒状部材との接触長が、前記棒状部材の全長の１．５〜１０倍であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
前記棒状部材が、中空型セルの温度を調節する熱交換部材であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記棒状部材が、電気伝導性を有しており、前記中空型セルの外側電極の集電材として機能することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
前記棒状部材が、前記熱交換部材であり、且つ、前記集電材として機能することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池。
前記熱交換部材の内側に熱媒体が流れ、該熱媒体と接触する前記熱交換部材の内側表面の少なくとも一部が、電気絶縁性を有する材料によって構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池。
前記棒状部材の外周面に、ガス流路が形成されていることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池。