(57)【要約】      （修正有）【課題】中空型セル及び熱交換部材を備えた燃料電池において、該セルの放熱面積又は吸熱面積を増大させて、燃料電池の熱交換効率を向上させ、及び、該セルの熱交換部材と接触している部分と接触していない部分との間の温度差を緩和し、該セルの劣化を防ぐことが可能な燃料電池の提供。【解決手段】中空電解質膜、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、少なくとも一方の端部が開放された中空型セル１と、該セル１の温度を調節する熱媒体が流通する熱交換部材２とを並列に備える燃料電池であって、該セル１と該熱交換部材２は、該セル１の外周面と該熱交換部材２の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な接触状態を保つように配設され、且つ、該セル１の外周面の該熱交換部材２の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材２の外周面とが、熱伝導部材３ａ，３ｂを介して接続されている。【選択図】図１０
2008140565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルと、該中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する熱交換部材とを並列に備える燃料電池であって、
該中空型セルと該熱交換部材は、該中空型セルの外周面と該熱交換部材の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な直接的又は間接的接触状態を保つように配設され、且つ、該中空型セルの外周面の該熱交換部材の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材の外周面とが、熱伝導部材を介して接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記熱伝導部材が線状熱伝導部材であり、前記中空型セルの外周面に該線状熱伝導部材が捲回され、該線状熱伝導部材が捲回された中空型セルに熱交換部材の外周面が間接的に接触するように配設されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記熱伝導部材が網状熱伝導部材であり、該網状熱伝導部材が前記中空型セルの外周面を被覆し、該網状熱伝導部材で被覆された中空型セルに熱交換部材の外周面が間接的に接触するように配設されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記中空型セルの外周面の前記熱交換部材の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材の外周面の該中空型セルの外周面と対向する部分以外の部分とが、前記熱伝導部材を介して接続されている請求項１乃至３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記熱伝導部材が線状熱伝導部材であり、前記中空型セルの外周面と前記熱交換部材の外周面が直接的又は間接的に接触するように配設され、該中空型セルの外周面と該熱交換部材の外周面を橋渡すように前記線状熱伝導部材が捲回されている請求項１乃至４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記熱伝導部材が網状熱伝導部材であり、前記中空型セルの外周面と前記熱交換部材の外周面が直接的又は間接的に接触するように配設され、該中空型セルの外周面と該熱交換部材の外周面を橋渡すように前記網状熱伝導部材で被覆されている請求項１乃至５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記熱伝導部材が導電性であることを特徴とする請求項１乃至６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記熱伝導部材が、金属で構成されていることを特徴とする請求項１乃至７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記金属が、銅、銀、アルミニウム、ニッケル、銅−亜鉛合金、ステンレス鋼、白金、タングステンからなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空形状の電解質膜を有する中空型セルを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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（水素極）では（１）式の反応が進行する。
Ｈ２  →  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（酸化剤極）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水素極側から酸化剤極側に、電気浸透により移動する。
【０００４】
また、酸素を酸化剤とした場合、酸化剤極では（２）式の反応が進行する。
２Ｈ＋  ＋  （１／２）Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ    …（２）
酸化剤極で生成した水は、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。
【０００５】
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水素極及び他面に酸化剤極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１００μｍ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。
【０００６】
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など、多くの問題がある。
【０００７】
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。
【０００８】
燃料電池は、通常、安定した発電を行うために、発電中のセル温度を所定の範囲内に制御する必要がある。そのため、中空型セルと並列に、中空型セルを冷却／加温するための熱交換部材（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。熱交換部材に冷却媒体を流通させることにより、発電に伴い発生する熱を回収し、セル外へと排出して熱交換することが行われている。又は、熱交換部材に温熱媒体を流通させることにより、発電に必要な熱を供給して熱交換することが行われている。
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１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（特許文献１の図４参照）。また、特許文献２には、複数の単位燃料電池（中空型セル）と複数の冷却媒体流通管とを収容するケーシングを備えた燃料電池スタックであって、該ケーシング内においては６個の単位燃料電池が正六角形の各頂点位置に配置されることによってその中心部に形成された間隙に冷却媒体流通管を挿入する構成とする技術が開示されている（特許文献２の図３参照）。
【０００９】
しかし、特許文献１に開示されている技術では、円管形状の伝熱管が複数の中空型セル（マイクロセル）を束ねたマイクロセル束に並列されているため、一部の中空型セルのみが伝熱管と接触しているだけである。また、中空型セル及び伝熱管（熱交換部材、冷却管）が円管形状であることから、伝熱管と接している一部の中空型セルにおいても、伝熱管の外周面と中空型セルの外周面とは線で接触しているのみである。また、特許文献２に開示されている技術では、上述したように、並列された中空型セル及び冷却媒体流通管が円管形状であることから、冷却媒体流通管の外周面と中空型セルの外周面とは線で接触しているのみであり、さらに、ケーシング内の中空型セルは最大でも３本の冷却媒体流通管と線接触しているだけである。
図１６に、従来の１組の並列に設けられた中空型セル１０１と熱交換部材１０２であって、外周面同士が接する場合の形態を概略的に示し、図１７に、その断面図を模式的に示す。中空型セル１０１の外周面と熱交換部材１０２の外周面は、断面図におけるＡ点で線接触している。すなわち、上記中空型セル１０１のＡ点のみで熱交換が行われており、Ａ点以外の外周面は熱交換に利用されていない。特許文献２のように中空型セルの周囲に複数の熱交換部材を配置することもできるが、中空型セルと熱交換部材が線接触であることには変らず、中空型セルの周囲に配置できる熱交換部材の数に限界があることから、接触面積の大幅な増加を望むことは難しい。したがって、従来においては中空型セルの外周面が充分に熱交換に活用されておらず、熱交換効率（冷却効率）が非常に悪いという問題があった。また、中空型セルの中で熱交換部材と接触している部分（中空型セルの外周面と熱交換部材の外周面が対向しあう部分）と接触していない部分との間に温度差が生じ、中空型セルの劣化の原因となっていた。
【００１０】
【特許文献１】特表２００４−５０５４１７号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、中空型セル及び熱交換部材を備えた燃料電池において、中空型セルの放熱面積又は吸熱面積を増大させ、燃料電池の熱交換効率を向上させること、及び、中空型セルの中における熱交換部材と接触している部分と接触していない部分との間の温度差を緩和し、中空型セルの劣化を防ぐことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内周面及び外周面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルと、該中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する熱交換部材とを並列に備える燃料電池であって、
該中空型セルと該熱交換部材は、該中空型セルの外周面と該熱交換部材の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な直接的又は間接的接触状態を保つように配設され、且つ、該中空型セルの外周面の該熱交換部材の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材の外周面とが、熱伝導部材を介して接続されていることを特徴とする。
【００１３】
特に、前記熱伝導部材が線状熱伝導部材であり、前記中空型セルの外周面に該線状熱伝導部材が捲回され、該線状熱伝導部材が捲回された中空型セルに熱交換部材の外周面が間接的に接触するように配設されていてもよい。
【００１４】
また、前記熱伝導部材が網状熱伝導部材であり、該網状熱伝導部材が前記中空型セルの外周面を被覆し、該網状熱伝導部材で被覆された中空型セルに熱交換部材の外周面が間接的に接触するように配設されていてもよい。
【００１５】
また、本発明の燃料電池は、前記中空型セルの外周面の前記熱交換部材の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材の外周面の該中空型セルの外周面と対向する部分以外の部分とが、前記熱伝導部材を介して接続されていてもよい。これにより、前記中空型セルの外周面の前記熱交換部材が接触していない部分と、前記熱交換部材の外周面の前記中空型セルが接触していない部分とを橋渡す熱伝導路が形成されている。
【００１６】
特に、前記熱伝導部材が線状熱伝導部材であり、前記中空型セルの外周面と前記熱交換部材の外周面が接触するように配設され、該中空型セルの外周面と該熱交換部材の外周面を橋渡すように前記線状熱伝導部材が捲回されていてもよい。これにより、前記中空型セルの外周面の前記熱交換部材の外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置と、該熱交換部材の表面とを橋渡す熱伝導路が形成されている。
【００１７】
また、前記熱伝導部材が網状熱伝導部材であり、前記中空型セルの外周面と前記熱交換部材の外周面が直接的又は間接的に接触するように配設され、該中空型セルの外周面と該熱交換部材の外周面を橋渡すように前記網状熱伝導部材で被覆されていてもよい。
【００１８】
前記熱伝導部材は導電性であってもよい。熱伝導部材が集電材を兼ねることによって、燃料電池の限られた空間を有効に利用することができる。
【００１９】
前記熱伝導部材は、金属で構成されていることが好ましい。
【００２０】
さらに、前記金属は、銅、銀、アルミニウム、ニッケル、銅−亜鉛合金、ステンレス鋼、白金、タングステンからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、中空型セルと熱交換部材は、中空型セルの外周面と熱交換部材の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な直接的又は間接的接触状態を保つように配設され、且つ、該中空型セルの外周面の該熱交換部材の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材の外周面とが、熱伝導部材を介して接続されているため、従来よりも中空型セルの外周面の広い範囲を熱交換に活用することができ、熱交換効率（冷却効率）を向上させることができる。また、中空型セルの中で熱交換部材と接触している部分（中空型セルの外周面と熱交換部材の外周面が対向しあう部分）と接触していない部分との間に温度差が少なくなり、中空型セルの劣化を防止することができる。それ故に、燃料電池において安全で安定した発電が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の燃料電池は、中空電解質膜、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた一対の電極、並びに該一対の電極にそれぞれ接続する集電材を有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された中空型セルと、該中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する熱交換部材とを並列に備える燃料電池であって、
該中空型セルと該熱交換部材は、該中空型セルの外周面と該熱交換部材の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な直接的又は間接的接触状態を保つように配設され、且つ、該中空型セルの外周面の該熱交換部材の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材の外周面とが、熱伝導部材を介して接続されていることを特徴とする。
【００２３】
上記「熱伝導可能な直接的又は間接的接触状態」における直接的接触状態とは、中空型セルと熱交換部材の間に何の部材も介在させず、中空型セルの外周面と熱交換部材の外周面同士が接触している状態を意味する。また、間接的接触状態とは、中空型セルと熱交換部材の間に、熱伝導部材とは別の熱伝導性の部材が介在している状態を意味する。
【００２４】
さらに、上記直接的接触状態を有する本発明の典型的な例（図１）、及び上記間接的接触状態を有する本発明の典型的な例（図２）を、本発明の熱伝導部材を用いた中空型セルと熱交換部材の断面を模式的に示した図を用いて説明する。尚、図１及び図２に示す形態はあくまでも本発明の典型的な例であり、これらに限定されない。
図１においては、中空型セル１の外周面と熱交換部材２の外周面の対向しあう部分同士（Ａ点）が熱伝導可能な直接的接触状態を保つように配設され、且つ、該中空型セル１の外周面の該熱交換部材２の外周面と対向する部分（Ａ点）以外の部分と、該熱交換部材２の外周面とが、熱伝導部材３を介して接続されている。図２においては、中空型セル１の外周面と熱交換部材２の外周面の対向しあう部分同士（Ａ点）が熱伝導可能な間接的接触状態を保つように配設され、且つ、該中空型セル１の外周面の該熱交換部材２の外周面と対向する部分（Ａ点）以外の部分と、該熱交換部材２の外周面とが、熱伝導部材３を介して接続されている。
一方、上述した図１７に示す従来技術における中空型セルと熱交換部材の断面においては、中空型セル１０１の外周面と熱交換部材１０２の外周面が、断面図におけるＡ点で線接触しているだけである。すなわち、中空型セル１０１のＡ点のみで熱交換が行われている。
従来技術の図１７と本発明の図１及び図２とを比較すると、従来技術よりも本発明は、中空型セルの外周面を熱交換に広く活用することができ、熱交換効率（冷却効率）を向上させることができる。また、中空型セルの中で熱交換部材と接触している部分（Ａ点）と接触していない部分との間に温度差が少なくなり、中空型セルの劣化を防止することができる。
【００２５】
以下、図を参照しながら、本発明を実施形態を以て詳しく説明していく。
（１）第１の実施形態
図３は、本発明の第１の実施形態を示す概念図である。第１の実施形態においては、中空型セル１に線状の熱伝導部材である線状熱伝導部材３ａが捲回され、該中空型セル１の外周面と熱交換部材２の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な間接的接触状態を保つように、すなわち、線状熱伝導部材３ａを介して接触するように配設され、且つ、該中空型セル１の外周面の該熱交換部材２の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材２の外周面とが、線状熱伝導部材３ａを介して接続されている。
第１の実施形態において、中空型セル１の温度は次のように調節される。中空型セル１の温度が熱交換部材２よりも高い場合には、中空型セル１の熱が、該中空型セル１に捲回された線状熱伝導部材３ａを通じて、中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する棒状の熱交換部材２に伝わり、熱交換が行われる。反対に、中空型セル１の温度が熱交換部材２よりも低い場合には、中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する棒状の熱交換部材２の熱が、中空型セル１に捲回された線状熱伝導部材３ａを通じて、該中空型セル１に伝わり、熱交換が行われる。第１の実施形態を断面図で表すと、上述した図２のようになり（この場合、図２における熱伝導部材３が図３における線状熱伝導部材３ａを表す）、線状熱伝導部材３ａが捲回された中空型セル１は、Ａ点で該線状熱伝導部材３ａを介して熱交換部材２と熱交換できるだけでなく、中空型セルの外周面の熱交換部材の外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置（Ｂ点付近）を含む中空型セル１の外周面のＡ点以外の部分においても、線状熱伝導部材３ａを介して熱交換部材２と熱交換できる。
【００２６】
本発明における熱伝導部材とは、中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する熱交換部材と中空型セルとの熱交換において、中空型セルから熱交換部材へ、又は熱交換部材から中空型セルへの熱伝導を補助し、中空型セルの外周面と熱交換部材の外周面が対向しあい、直接的又は間接的に接触している部分に形成される熱伝導路以外に、中空型セルの外周面の熱交換部材が接触していない部分と、該熱交換部材の外周面とを接続する熱伝導路を形成する部材である。
熱伝導部材の形状は、中空型セルと熱交換部材を接続できるものであれば、特に限定されない。例えば、線状（幅の細い形態、平帯状の形態を含む）、板状、棒状、網状、シート状及びこれらの組み合わせなどが挙げられる。但し、中空型セルは外周面から反応ガスを取り込むため、中空型セルの外周を被覆しすぎないように配慮しなければならない。中空型セルの外周に被覆しない領域を設けることにより、中空型セルの外側でのガスの供給や生成水の排出が円滑に行われる。このような条件を考慮すると、熱伝導部材としては、線状熱伝導部材だけでなく、中空型セルの外周面を被覆する網状熱伝導部材も好ましい。熱伝導部材が網状熱伝導部材である場合には、該網状熱伝導部材が中空型セルの外周面を被覆し、該網状熱伝導部材で被覆された中空型セルに熱交換部材の外周面が間接的に接触するように配設される。網状熱伝導部材を用いることによって、中空型セルの外周面の広範囲を、一部材の組み込みのみで網羅することができるため、作業性に優れる。
【００２７】
本発明における熱伝導部材は、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れば、その構成材料は適当なものを選択することができる。
さらに、熱伝導部材に集電材の機能をも担わせることができる。この場合には、熱伝導部材を、良好な電気伝導性を有する材料により構成することが好ましい。良好な電気伝導性を有する材料としては金属が挙げられ、その具体例としては、銅、銀、アルミニウム、ニッケル、銅−亜鉛合金、ステンレス鋼、白金、タングステンからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。熱伝導部材が集電材としても機能すれば、より効率よく集電することができ、また、限られた燃料電池内の空間を有効活用することができる。
尚、熱伝導部材を銅により形成すると、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、そのままでは本発明の熱伝導部材として使用することが困難である。そのため、かかる場合には、上述したように、銅製の熱伝導部材の表面を、良好な耐食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。良好な耐食性を有する上記材料によって形成された熱伝導部材の電気伝導性を向上させる方法の具体例としては、上記コーティングに加え、熱伝導部材の肉厚部内に、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、当該材料からなる線材を埋め込む、熱伝導部材を多層構造としその中央を当該材料により構成する等）を挙げることができる。
【００２８】
第１の実施形態における熱伝導部材は、上述したとおり線状の熱伝導部材である線状熱伝導部材３ａであり、該線状熱伝導部材３ａは、中空型セル１に捲回されている。捲回とは、通常は長尺の線状部材を螺旋状に中空型セルの外周面に巻き付けることをいうが、中空型セルの軸方向に所望の間隔をあけて環状の熱伝導部材を複数配置する（中空型セルに嵌め込む）形態も含まれる。
中空型セル１と熱交換部材２の間には、線状熱伝導部材３ａとは別に熱伝導性の部材を介在させてもよい。該別の熱伝導性の部材の材料等は熱伝導部材３と同様のものを用いることができる。
【００２９】
次に、本発明の燃料電池に備えられる熱交換部材２について説明する。
本発明の熱交換部材は、中空型セルの熱交換のための部材であり、上述した熱伝導部材によって熱交換の機能が補助されている。本発明の熱交換部材は、中空型セルと平行に設けられる管であり、通常、一つの熱媒体供給口及び一つの熱媒体排出口を有することが好ましい。このような構造の熱交換部材を用いることで、熱交換部材を固定するシール構造を単純化することができるからである。また、熱交換部材の入口及び出口が一つである場合、入口から出口に至るまでの間に、熱交換部材が枝分れ構造を有していてもよく、一本の管からなる場合であってもよい。中でも、本発明においては、上記熱交換部材が一本の管からなることが好ましい。冷却管の配置を簡略化できるからである。
熱交換部材は、図示しない熱交換装置に接続されており、該熱交換装置を熱媒体が循環し、熱交換部材の中を熱媒体が流通する。熱交換部材の中の熱媒体は中空型セルと熱交換した後、流路を通って熱交換器に回収され、当初の熱状態に戻され、再び熱交換装置の中に供給されて循環する。
【００３０】
熱交換部材は、該熱交換部材の中を熱媒体が流通することによって、中空型セルを所定の温度範囲まで冷却又は加温できるような熱伝導性を有する材料で形成される。このような材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｇ、Ａｕ等の一般的な金属や、これら金属の組み合わせによる合金又はクラッド材等が挙げられる。
【００３１】
熱交換部材は、必要に応じて、少なくともその一部に絶縁性を付与してもよい。中空型セルと熱交換部材の配置や熱媒体の種類によっては、熱交換部材や熱媒体からの漏電を防止する必要があるからである。一方、熱交換部材を中空型セルの集電材としても機能させる場合には、熱交換部材の少なくとも一部に導電性を付与する必要がある。この場合も、必要に応じて、熱交換部材や熱媒体からの漏電を防止すべく、冷却部の流路内面側に絶縁性を付与する。
上記冷却管の外径としては、中空型セルの大きさ等によって異なり、特に限定されるものではないが、通常０．５〜２ｍｍの範囲内である。
【００３２】
熱媒体は、一般的に冷却剤として、又は熱媒ヒーター、ボイラーに用いられている流体を使用することができ、液体であっても、気体であってもよい。例えば、液体としては、水、エチレングリコール、等、気体としては、空気等が挙げられる。冷却効果の点から通常は、液体の冷却剤が好ましい。液体の冷却剤としては、対流性、耐凍性、腐食性の観点から、エチレングリコールを好適に用いることができる。また、セルを加温する場合には、熱媒体油、砂などを熱媒体として用いることができる。
尚、熱媒体中には、氷点下における冷却剤の凍結を防止するための不凍剤などを、適宜添加してもよい。
【００３３】
上記熱交換器としては、一般的なものを用いることができる。例えば、冷却ファン等の通風によって放熱させるものや、熱媒体となる溶媒を流通させることによって放熱させるもの、外気である空気を利用した空冷方式のもの、電熱ヒーター等が挙げられる。中でも、空気中に放熱するラジエータが好ましい。
【００３４】
以下、本発明の燃料電池に備えられる中空型セル１について説明する。
図４は、本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの一形態例を示す斜視図、図５は、図４の中空型セルの模式的な断面図である。図４及び図５において、中空型セル１はチューブ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樹脂膜）１１、固体高分子電解質膜１１の内面側に設けられたアノード（本実施形態では燃料極）１２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）１３を有している。さらに、アノード１２の表面には、アノード側集電材１４として柱状集電材が配置され、カソード１３の表面には、カソード集電材１５として、金属ワイヤからなる網状（ネット状）集電材１５ａと棒状集電材１５ｂが配置されている。図示されていないが、本実施例における線状熱伝導部材３ａが中空型セル１の外周面に捲回されながら、網状集電材１５ａに編み込まれていてもよい。また、該網状集電材１５ａが本実施例における線状熱伝導部材３ａであってもよい。
このような構造を有する中空型セルの中空内面（実質的には、アノード側集電材１４の外面に設けた溝１４ａによって形成された内面側ガス流路に露出した部分）に水素ガス、外面に空気を流通させることで、アノード及びカソードに燃料又は酸化剤が供給され、発電する。
【００３５】
図５の中空型セル１は、その両端において中空部が開放されているものであって、燃料ガスは一端から中空内へと流入し、他端から流出するようになっているが、本発明における中空型セル１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れば、中空部の一端のみが開放され、もう一端は封止されていてもよい。特に、本実施形態のように、内面側の電極として、水素を燃料とする燃料極を設ける場合、非反応性成分をほとんど含まない水素ガスを燃料ガスとして中空型セルの中空内に供給できること、また、水素分子の拡散性が高いことから、中空内に供給された反応ガスを消費しきることが可能であるため、一端を封鎖した中空部内であっても反応ガスを十分に供給することができる。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。
【００３６】
図５において、中空型セル１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。
【００３７】
チューブ状の固体高分子電解質膜１１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、チューブ状電解質膜の外径は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おそれがある。
【００３８】
パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜は、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。かかる観点から、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜の厚みは、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。
【００３９】
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樹脂の他、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樹脂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。
【００４０】
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樹脂膜としては、例えば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。
【００４１】
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り、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樹脂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（Ｏ2-）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。
【００４２】
電解質膜１１の内面及び外面に設けられる各電極１２、１３は、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、電解質膜側から順に触媒層とガス拡散層とを積層して構成された電極が用いられる。
【００４３】
触媒層は触媒粒を含み、さらに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。
【００４４】
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（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスニウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、鉛（Ｐｂ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）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。
【００４５】
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多孔質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。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。
尚、中空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。
【００４６】
チューブ状の電解質膜の内面及び外面に一対の電極を設ける方法は、特に限定されるものではない。例えば、まず、チューブ状の電解質膜を準備する。チューブ状の電解質膜を準備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。そして、当該チューブ状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。
【００４７】
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）を内面側電極（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・乾燥して内面側電極の触媒層を形成して内面側電極を作製し、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外面側電極（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・乾燥して外面側電極のガス拡散層を形成する方法も挙げられる。チューブ状炭素質としては、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。
【００４８】
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、スクリーン印刷法等種々の方法に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。
【００４９】
（２）第２の実施形態
第２の実施形態においては、中空型セルの外周面と熱交換部材の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な直接的又は間接的接触状態を保つように配設され、且つ、該中空型セルの外周面の該熱交換部材の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材の外周面の該中空型セルの外周面と対向する部分以外の部分とが、熱伝導部材を介して接続されている。このような第２の実施形態においては、該中空型セルの外周面の該熱交換部材が接触していない部分と、該熱交換部材の外周面の該中空型セルの外周面と対向する部分以外の部分とを接続する熱伝導路が形成されている。
第２の実施形態の典型的な例を図６に示す。図６の第２の実施形態においては、中空型セル１の外周面と熱交換部材２の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な直接的接触状態を保つように配設され、且つ、該中空型セル１の外周面と該熱交換部材２の外周面を橋渡すように線状の熱伝導部材である線状熱伝導部材３ｂが捲回されている。
【００５０】
図６の第２の実施形態において中空型セル１の温度は次のように調節される。中空型セル１の温度が熱交換部材２よりも高い場合には、中空型セル１の熱が、該中空型セル１の外周面と該熱交換部材２の外周面を橋渡すように捲回された線状熱伝導部材３ｂを通じて、中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する棒状の熱交換部材２に伝わり、熱交換が行われる。反対に、中空型セル１の温度が熱交換部材２よりも低い場合には、中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する棒状の熱交換部材２の熱が、該中空型セル１の外周面と該熱交換部材２の外周面を橋渡すように捲回された線状熱伝導部材３ｂを通じて、該中空型セル１に伝わり、熱交換が行われる。図６の第２の実施形態を断面図で表すと、上述した図１のようになり（この場合、図１における熱伝導部材３が図６における線状熱伝導部材３ｂを表す）、線状熱伝導部材３ｂによって中空型セル１の外周面の熱交換部材２の外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置（Ｂ点付近）を含む中空型セル１の外周面のＡ点以外の部分と、該熱交換部材２の表面とを橋渡す熱伝導路が形成され、中空型セル１は、Ａ点で熱交換部材２と直接熱交換できるだけでなく、中空型セル１の外周面のＡ点以外の部分においても、線状熱伝導部材３ｂを介して熱交換部材２と熱交換できる。また、第２の実施形態は、第１の実施形態よりも、熱交換部材の外周面を広い範囲で利用することができ、熱交換をより促進する。
【００５１】
図６の第２の実施形態における熱伝導部材は、上述したとおり線状の熱伝導部材である線状熱伝導部材３ｂであり、該線状熱伝導部材３ｂは、中空型セル１に捲回されている。捲回とは、上述した第１の実施形態と同様に、長尺の螺旋状部材を巻き付けることと環状部材を嵌め込むことを意味する。環状部材を用いる場合には、中空型セル１と熱交換部材２を接触させた状態の、中空型セル１と熱交換部材２を含む外周を１周する長さを有する環状の金属を１以上用いて、中空型セルと熱交換部材の長さ方向に所望の間隔を設けて該環状の金属を配置し、中空型セル１と熱交換部材２を接続する。このような熱伝導部材３ｂを含む中空型セル１と熱交換部材２の断面も図２と同様である。
更に、上述したように、熱伝導部材の形状は線状に限定されず、例えば、網状の熱伝導部材であってもよい。網状の熱伝導部材３ｃは図７のような構成となる。この場合、中空型セル１の外周面と熱交換部材２の外周面が直接的又は間接的に接触するように配設され、該中空型セル１の外周面と該熱交換部材２の外周面を橋渡すように網状熱伝導部材３ｃで被覆される。網状熱伝導部材３ｃを用いることによって、中空型セル１の外周面の広範囲を、一部材の組み込みのみで網羅することができるため、作業性に優れる。また、熱伝導部材が網状であることによって、中空型セルの外周に被覆しない領域を設けることができ、中空型セルの外側でのガスの供給や生成水の排出を円滑に行うことができる。
【００５２】
また、第２の実施形態としては、熱伝導部材が、熱交換部材の外周面の中空型セルの外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置まで覆う形状である必要はなく、図８に示すような熱伝導部材が、略Ｕ字形状であってもよい。図９にこのような略Ｕ字形状の熱伝導部材３ｄを用いた第２の実施形態の断面図を示す。略Ｕ字形状の熱伝導部材３ｄは、中空型セル１と熱交換部材２の軸方向を平行に隣接させた場合に、中空型セル１の熱交換部材の外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置を含めて外周面を覆うと共に、該熱伝導部材３ｄの端部は熱交換部材２の一部外周面を覆う構成である。このような熱伝導部材３ｄにおいても、熱伝導部材を複数設ける場合のピッチは特に限定されない。更に、熱伝導部材３ｄは、網状部材であってもよい。尚、図６の第２の実施形態の方が、図９の実施形態よりも熱交換部材の外周面を広い範囲で利用できるため、好ましい。
中空型セル１と熱交換部材２の間には、熱伝導部材３ｂ乃至３ｄとは別に熱伝導性の部材を介在させてもよい。該別の熱伝導性の部材の材料等は熱伝導部材と同様のものを用いることができる。
第２の実施形態における熱伝導部材、中空型セル及び熱交換部材は、第１の実施形態と同様のものを用いることができる。
【００５３】
（３）第３の実施形態
第３の実施形態は、上述した第１の実施形態と第２の実施形態を合わせた形態である。第３の実施形態においては、中空型セル１に線状の熱伝導部材である線状熱伝導部材３ａが捲回され、該中空型セル１の外周面と熱交換部材２の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な間接的接触状態を保つように、すなわち、線状熱伝導部材３ａを介して接触するように配設され、且つ、該中空型セル１の外周面の該熱交換部材２の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材２の外周面の該中空型セル１の外周面と対向する部分以外の部分とが、該中空型セル１の外周面と該熱交換部材２の外周面を橋渡すように捲回された別の線状の熱伝導部材である線状熱伝導部材３ｂを介して接続されている。このような第３の実施形態においては、該中空型セルの外周面の該熱交換部材が接触していない部分と、該熱交換部材の外周面とを接続する熱伝導路が形成されている。
より熱伝導を促進する観点から、中空型セルの外周面の熱交換部材の外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置まで熱伝導路が及ぶ熱伝導部材を複数種類有し、熱交換部材の外周面を広い範囲で利用するため、第１及び２の実施形態よりも第３の実施形態の方が好ましい。
【００５４】
図１０に第３の実施形態の典型的な例を示す。第３の実施形態において中空型セル１の温度は次のように調節される。中空型セル１の温度が熱交換部材２よりも高い場合には、中空型セル１の熱が、該中空型セル１に捲回された線状熱伝導部材３ａ及び該中空型セル１の外周面と該熱交換部材２の外周面を橋渡すように捲回された線状熱伝導部材３ｂを通じて、中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する棒状の熱交換部材２に伝わり、熱交換が行われる。反対に、中空型セル１の温度が熱交換部材２よりも低い場合には、中空型セルの温度を調節するための熱媒体が流通する棒状の熱交換部材２の熱が、該中空型セル１に捲回された線状熱伝導部材３ａ及び該中空型セル１の外周面と該熱交換部材２の外周面を橋渡すように捲回された線状熱伝導部材３ｂを通じて、該中空型セル１に伝わり、熱交換が行われる。第３の実施形態を断面図で表すと図１１のようになり、線状熱伝導部材３ｂによって中空型セル１の外周面の熱交換部材２の外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置（Ｂ点付近）と、該熱交換部材２の表面とを橋渡す熱伝導路が形成され、線状熱伝導部材３ａが捲回された中空型セル１は、Ａ点で該線状熱伝導部材３ａを介して熱交換部材２と熱交換できるだけでなく、中空型セル１の外周面の熱交換部材２の外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置（Ｂ点付近）を含む、中空型セル１の外周面のＡ点以外の部分においても、線状熱伝導部材３ａを介して熱交換部材２と熱交換できる。
中空型セル１と熱交換部材２の間には、線状熱伝導部材３ａ又は３ｂとは別に熱伝導性の部材を介在させてもよい。該別の熱伝導性の部材の材料等は熱伝導部材と同様のものを用いることができる。
第３の実施形態における熱伝導部材、中空型セル及び熱交換部材は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様のものを用いることができ、熱伝導部材の数やピッチ等も第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に任意である。
【００５５】
（４）第４の実施形態
第４の実施形態として、本発明は上述した第１〜３の実施形態の他に、中空型セルと熱交換部材が、該中空型セルの外周面と該熱交換部材の外周面の対向しあう部分同士が熱伝導可能な直接的又は間接的接触状態を保つように配設され、且つ、該中空型セルの外周面の該熱交換部材の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材の外周面とが、熱伝導部材を介して接続されている形態であって、該中空型セルの外周面の該熱交換部材が接触していない部分と、該熱交換部材の外周面とを接続する熱伝導路が形成されているが、該中空型セルの外周面の該熱交換部材の外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置まで、該熱伝導路が到達していない形態であってもよい。但し、より熱伝導を促進する観点から、中空型セルの外周面の熱交換部材の外周面と対向しあう部分に対して正反対の位置まで熱伝導路が及ぶ第１〜３の実施形態の方が好ましい。
第１〜３の実施形態と同様に、第４の実施形態においても、中空型セルと熱交換部材の間には、熱伝導部材とは別に熱伝導性の部材を介在させてもよい。該別の熱伝導性の部材の材料等は熱伝導部材と同様のものを用いることができる。
また、第４の実施形態における熱伝導部材、中空型セル及び熱交換部材は、第１〜３の実施形態と同様のものを用いることができ、熱伝導部材の数やピッチ等も第１〜３の実施形態と同様に任意である。
【００５６】
第４の実施形態としては、例えば、図１２に示すように、熱伝導部材が略Ｕ字形状の熱伝導部材３ｅであり、該略Ｕ字形状の熱伝導部材３ｅが中空型セル１の外周面に沿って密着し、該熱伝導部材３ｅを備えた中空型セル１に熱交換部材２の外周面が間接的に接触するように、すなわち該略Ｕ字形状の熱伝導部材３ｅを介して配設されている形態が挙げられる。
また、第４の実施形態としては、図１３に示すように、図１２の略Ｕ字形状の熱伝導部材３ｅと、中空型セル１と熱交換部材２の間に介在する、該略Ｕ字形状の熱伝導部材３ｅに接合した線状又は棒状の熱伝導部材３ｆとを備える形態が挙げられる。該略Ｕ字形状の熱伝導部材３ｅとそれに接合した線状又は棒状の熱伝導部材３ｆは一体となった１つの熱伝導部材であってもよい。
さらに、第４の実施形態としては、図１４に示すように、熱伝導部材が棒状又は板状の熱伝導部材３ｇであり、中空型セル１の外周面と熱交換部材２の外周面が直接的に接触するように配設され、該中空型セル１の外周面の該熱交換部材２の外周面と対向する部分以外の部分と、該熱交換部材２の外周面の該中空型セル１の外周面と対向する部分以外の部分とが、前記熱伝導部材３ｇを介して接続されている形態が挙げられる。
【００５７】
本発明の燃料電池は、少なくとも上述した熱伝導部材３を有する中空型セル１、及び熱交換部材２を並列又は直列に２本以上備えるセルスタックを、並列又は直列に２つ以上接続したものである。
具体的には、図１５に示すように、セルスタック３０は、熱伝導部材３を有する中空型セル１、熱交換部材２及び図示していない集電材を２本以上備える。セルスタック３０の両端部には、中空型セル１の中空内に水素ガスを流通させるガス用マニホールド３１ａ及び３１ｂと、熱交換部材２内に熱媒体を流通させる熱媒体用マニホールド３２ａ及び３２ｂとが備えられ、さらに、各中空型セル１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。ガス用マニホールド３１ａ及び３１ｂ内である水素ガス流路３３と、ガス用マニホールド３１ａ及び３１ｂの間である酸化剤ガス流路３４との間に配置されている隔壁３５ａ及び３５ｂには、中空型セル１、熱交換部材２及び集電材を挿入することができる貫通孔が所定の間隔で設けられており、複数の中空型セル１、熱交換部材２及び集電材はその両端を対向しあう隔壁３５ａ及び３５ｂの貫通孔に挿入することによって、所定間隔で且つ互いに長手方向が平行となるように整列されている。隔壁３５ａ及び３５ｂの酸化剤ガス流路側には、ポッティング材を流し込んで貫通孔の周囲を含む領域を密閉するポッティング処理等が施されており、貫通孔に挿入された中空型セル１、熱交換部材２及び集電材が固定されている。このような方法で、熱伝導部材を有する中空型セル１及び熱交換部材２を隔壁に固定することが一般的であるが、中空型セル１と熱交換部材２を線材（上述した熱伝導部材であってもよい）で捲回するなど構成によっては中空型セルと熱交換部材の単独でも分離しないように固定し、中空型セルと熱交換部材の密着度合を高めることもできる。尚、図１５においては、中空型セル１と熱交換部材２が交互に配列されているが、これに特に限定されない。
【００５８】
セルスタック３０において、入口側のガス用マニホールド（例えば、３１ａ）を介してセルスタック３０へと供給された水素は、各中空型セル１の中空内流路を通って、酸化ガス流路３４からの中空型セル１内に供給される酸化ガスと出会い、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、３１ｂ）を介して回収される。また、セルスタック３０において、上記集電部は、一方が中空型セル１の図４に示した負極側集電材１４に電気的に接続されるとともに、他方が正極側集電材１５（１５ａ，１５ｂ）に電気的に接続されることにより、複数の中空型セル１で発生した電荷を集めて（集電して）いる。尚、上述した熱伝導部材３（３ａ〜３ｇ）が正極側集電材を兼ねる場合には、正極側集電材１５と共に、正極側集電部に電気的に接続される（図示せず）。
このようなセルスタック３０を複数、外装容器に収容し、直列又は並列に接続して燃料電池とする。燃料及び酸化剤の供給、モジュールの集電、接続方法等は特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の燃料電池に備えられる熱伝導部材を用いた中空型セルと熱交換部材の一形態例の断面図である。
【図２】本発明の燃料電池に備えられる熱伝導部材を用いた中空型セルと熱交換部材の別の一形態例の断面図である。
【図３】本発明における第１の実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの一形態例を示す斜視図である。
【図５】図４の中空型セルの断面図である。
【図６】本発明における第２の実施形態を示す斜視図である。
【図７】本発明における第２の実施形態の別の形態を示す斜視図である。
【図８】本発明における第２の実施形態の別の形態を示す斜視図である。
【図９】図８の熱伝導部材を用いた中空型セルと熱交換部材の形態の断面図である。
【図１０】本発明における第３の実施形態を示す斜視図である。
【図１１】図１０の熱伝導部材を用いた中空型セルと熱交換部材の形態の断面図である。
【図１２】本発明における第４の実施形態の形態を示す斜視図である。
【図１３】本発明における第４の実施形態の別の形態を示す斜視図である。
【図１４】本発明における第４の実施形態の別の形態を示す斜視図である。
【図１５】本発明のセルスタックの一形態例を概略的に示す外観図である。
【図１６】従来の中空型セルと熱交換部材の一形態例を示す斜視図である。
【図１７】図１６の従来の中空型セルと熱交換部材の断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１…中空型セル
２…熱交換部材
３（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ，３ｇ）…熱伝導部材
１１…中空電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）
１２…アノード（内面側電極）
１３…カソード（外面側電極）
１４…アノード側集電材（内部集電材）
１４ａ…溝
１５（１５ａ，１５ｂ）…カソード側集電材（外部集電材）
３０…セルスタック
３１（３１ａ，３１ｂ）…ガス用マニホールド
３２（３２ａ，３２ｂ）…熱媒体用マニホールド
３３…水素ガス流通路
３４…酸化剤ガス流通路
３５（３５ａ，３５ｂ）…隔壁
１０１…中空型セル
１０２…熱交換部材
【図１】
2008140565.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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