(57)【要約】【課題】反応物の気密性を向上させることが可能な、燃料電池を提供する。【解決手段】中空形状の膜電極構造体、膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体、及び、膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体を備えるチューブ型燃料電池セルと、チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する熱媒体管と、チューブ型燃料電池セルと熱媒体管との接触を保持し得る接触保持手段と、を備え、チューブ型燃料電池セルの長手方向と熱媒体管の長手方向とが交差するように、チューブ型燃料電池セル及び熱媒体管が配設される、燃料電池とする。【選択図】図１
2008218229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空形状の膜電極構造体、前記膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体、及び、前記膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体を備えるチューブ型燃料電池セルと、前記チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する熱媒体管と、前記チューブ型燃料電池セルと前記熱媒体管との接触を保持し得る接触保持手段と、を備え、
前記チューブ型燃料電池セルの長手方向と前記熱媒体管の長手方向とが交差するように、前記チューブ型燃料電池セル及び前記熱媒体管が配設されることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
少なくとも前記熱媒体管の前記長手方向中央部の外形が擬正弦曲線形状であり、前記接触保持手段によって、前記熱媒体管を前記チューブ型燃料電池セルへと押し付ける力、及び／又は、前記チューブ型燃料電池セルを前記熱媒体管へと押し付ける力が付与されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記接触保持手段に、結束線が備えられ、前記結束線によって、前記チューブ型燃料電池セルと前記熱媒体管とが結束されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記チューブ型燃料電池セル、前記熱媒体管、及び、前記接触保持手段が、六面体形状のケース部材に収容され、
前記膜電極構造体の内周面側へと供給される第１反応物用のマニホールドが、前記ケース部材を構成する一対の面に備えられるとともに、
前記熱媒体管へと供給される熱媒体用のマニホールドが、前記ケース部材を構成する一対の面に備えられ、
前記第１反応物用のマニホールドが備えられる前記一対の面と、前記熱媒体用のマニホールドが備えられる前記一対の面とが異な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。
【請求項５】
前記交差する角度が、略９０°であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空形状の膜電極構造体を備えるチューブ型の単セルを具備する、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質層（以下、「電解質膜」という。）と、電解質膜の両面側にそれぞれ配設される電極（アノード及びカソード）とを備える膜電極構造体（以下、「ＭＥＡ」ということがある。）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の両側にそれぞれ配設される集電体を介して外部に取り出している。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池（以下、「ＰＥＦＣ」という。）は、低温領域での運転が可能である。また、ＰＥＦＣは、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、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。
【０００３】
単位体積当たりの発電量を向上させること等を目的として、近年、単セルが柱状のＰＥＦＣ（以下、「チューブ型ＰＥＦＣ」という。）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、「チューブ型燃料電池セル」ということがある。）は、一般に、中空形状の電解質膜と当該電解質膜の内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される触媒層とを備える中空形状のＭＥＡ、を備えている。そして、例えば、当該ＭＥＡの内周面側に水素含有ガスを、外周面側に酸素含有ガスをそれぞれ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の内周面側及び外周面側にそれぞれ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、各チューブ型燃料電池セルに備えられるＭＥＡの内周面側に一方の反応ガス（例えば、水素含有ガス）を、外周面側に他方の反応ガス（例えば、酸素含有ガス）を供給することにより発電エネルギーを取り出すので、隣り合う２つのチューブ型燃料電池セルの外周面側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、単位体積当たりの発電量を向上させることが容易になる。
【０００４】
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、底面の中心が正六角形の各頂点位置に配置された６個のチューブ型燃料電池セルと、当該６個のチューブ型燃料電池セル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挿入された冷却媒体流通管とを有する、燃料電池スタックに関する技術が開示されている。かかる形態の燃料電池スタックによれば、高電流及び高電圧を得ることが可能で、しかも、小型かつ軽量である燃料電池スタックが提供される、としている。
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている構造の燃料電池スタックでは、冷却媒体流通管が、チューブ型燃料電池セルに備えられる中空形状のＭＥＡの内周面側へと供給される反応物（例えば、水素ガス）用のマニホールドを貫通し、チューブ型燃料電池セルの端部が当該反応物用のマニホールドに配設される。それゆえ、上記反応物の気密性を保つには、上記反応物用のマニホールドに形成された冷却媒体流通管用の開口部と、冷却媒体流通管との隙間、及び、上記反応物用のマニホールドに形成されたチューブ型燃料電池用の開口部と、チューブ型燃料電池セルとの隙間に、シール部材を配置する必要がある。したがって、特許文献１に開示されている構造では、シール箇所が多いため、上記反応物の気密性が低下する恐れがある、という問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、反応物の気密性を向上させることが可能な、燃料電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、
本発明は、中空形状の膜電極構造体、膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体、及び、膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体を備えるチューブ型燃料電池セルと、チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する熱媒体管と、チューブ型燃料電池セルと熱媒体管との接触を保持し得る接触保持手段と、を備え、チューブ型燃料電池セルの長手方向と熱媒体管の長手方向とが交差するように、チューブ型燃料電池セル及び熱媒体管が配設されることを特徴とする、燃料電池である。
【０００９】
ここに、「中空形状の膜電極構造体」とは、プロトン伝導性ポリマーを含有する中空形状の固体高分子膜と、当該中空形状の固体高分子膜の内周面側に形成される中空形状の第１電極層と、当該中空形状の固体高分子膜の外周面側に形成される中空形状の第２電極層と、を備える中空形状の構造体を意味する。さらに、「膜電極構造体の内周面側に配設される内部集電体」とは、上記第１電極層の内周面側に中空形状のガス拡散層や中空形状の撥水層等が配設される場合には、当該ガス拡散層又は撥水層の内周面と内部集電体とが接触する形態で、内部集電体が備えられることを意味する。これに対し、上記第１電極層の内周面側に中空形状のガス拡散層や中空形状の撥水層等が配設されない場合には、上記第１電極層の内周面と内部集電体とが接触する形態で、内部集電体が備えられることを意味する。さらに、「膜電極構造体の外周面側に配設される外部集電体」とは、上記第２電極層の外周面側に中空形状のガス拡散層や中空形状の撥水層等が配設される場合には、当該ガス拡散層又は撥水層の外周面と外部集電体とが接触する形態で、外部集電体が備えられることを意味する。これに対し、上記第２電極層の外周面側に中空形状のガス拡散層や中空形状の撥水層等が配設されない場合には、上記第２電極層の外周面と外部集電体とが接触する形態で、外部集電体が備えられることを意味する。さらに、「チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する熱媒体管」とは、外部集電体の外周面、及び／又は、当該外部集電体と接触している部材（例えば、第２電極層、ガス拡散層、撥水層等）の外周面と、熱媒体管とが接触する形態で、熱媒体管が備えられることを意味する。さらに、本発明において、「熱媒体管」は、チューブ型燃料電池セル（以下、単に「セル」ということがある。）と熱交換することが可能な、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質（耐熱性、耐水性等）を有する材料により構成され、かつ、その内部に熱媒体を流通させ得る構成であれば、その形態は特に限定されない。燃料電池の運転中にセルを冷却する場合には、熱媒体管の内部に冷却水や絶縁性の冷却媒体等を流通させることができる。これに対し、寒冷地等における低温始動性を向上させる等の目的でセルを加温する場合には、熱媒体管の内部に温水等の温熱媒体を流通させることができる。また、本発明の燃料電池は、中空形状のプロトン伝導性ポリマーを含有する燃料電池であれば、その形態は特に限定されるものではなく、ＰＥＦＣのほか、ダイレクトメタノール型燃料電池（以下、「ＤＭＦＣ」という。）等にも本発明を適用することができる。
【００１０】
上記本発明において、少なくとも熱媒体管の長手方向中央部の外形が擬正弦曲線形状であり、接触保持手段によって、熱媒体管をチューブ型燃料電池セルへと押し付ける力、及び／又は、チューブ型燃料電池セルを熱媒体管へと押し付ける力が付与されることが好ましい。
【００１１】
ここに、「少なくとも熱媒体管の長手方向中央部の外形が擬正弦曲線形状」とは、少なくとも、熱媒体管の内部を流れる熱媒体用のマニホールドへと開口する両端部を除く、熱媒体管の長手方向中央部（セルの外周面へと供給される反応物が流通する空間に存在する熱媒体管）が、波打つように湾曲した形状であることを意味する。
【００１２】
上記本発明（変形例も含む。以下同じ。）において、接触保持手段に、結束線が備えられ、該結束線によって、チューブ型燃料電池セルと熱媒体管とが結束されることが好ましい。
【００１３】
ここに、「結束線」は、セルと熱媒体管との接触を保持し得る材料強度を有し、かつ、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質（耐熱性、耐水性等）を有していれば、その形態は特に限定されるものではなく、金属製の線材や導電性樹脂製の線材のほか、絶縁性樹脂製の線材等を、結束線として用いることができる。
【００１４】
上記本発明において、チューブ型燃料電池セル、熱媒体管、及び、接触保持手段が、六面体形状のケース部材に収容され、膜電極構造体の内周面側へと供給される第１反応物用のマニホールドが、ケース部材を構成する一対の面に備えられるとともに、熱媒体管へと供給される熱媒体用のマニホールドが、ケース部材を構成する一対の面に備えられ、第１反応物用のマニホールドが備えられる一対の面と、熱媒体用のマニホールドが備えられる一対の面とが異なることが好ましい。
【００１５】
ここに、「第１反応物用のマニホールドが備えられる一対の面と、熱媒体用のマニホールドが備えられる一対の面とが異なる」とは、ケース部材を構成する六面を面Ａ、面Ｂ、面Ｃ、面Ｄ、面Ｅ、及び、面Ｆとし、面Ａと面Ｂ、面Ｃと面Ｄ、及び、面Ｅと面Ｆが、互いに向かい合う面であり、面Ａ及び面Ｂに第１反応物用のマニホールドが備えられる場合、熱媒体用のマニホールドが、面Ｃと面Ｄ、又は、面Ｅと面Ｆに備えられることを意味する。
【００１６】
上記本発明において、上記交差する角度が、略９０°であることが好ましい。
【００１７】
ここに、「上記交差する角度」とは、セルの長手方向と熱媒体管の長手方向とがなす角度、を意味する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、セルの長手方向と熱媒体管の長手方向とが交差する形態で、セル及び熱媒体管が配設されるので、中空形状のＭＥＡの内周面側に供給される反応物用のマニホールドを貫通しない形態で、熱媒体管を配設することが可能になる。熱媒体管が反応物用のマニホールドを貫通しない形態で配設されることにより、当該マニホールドに形成される開口部の数を低減することができるので、本発明によれば、反応物の気密性を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。
【００１９】
本発明において、外形が擬正弦曲線形状の熱媒体管が備えられ、接触保持手段によって熱媒体管をセルへと押し付ける力が付与されることにより、上記効果に加え、さらにセルを容易に位置決めすることが可能な、燃料電池を提供できる。
【００２０】
また、本発明において、接触保持手段に結束線が備えられることにより、上記効果に加え、さらにセルと熱媒体管との接触を容易に保持することが可能な、燃料電池を提供できる。
【００２１】
また、本発明において、反応物用のマニホールドと熱媒体用のマニホールドとが、異なる面に備えられることにより、反応物用のマニホールドの気密性を保つためのシール部材の配置箇所を確実に低減することができる。したがって、かかる形態とすることにより、反応物の気密性を容易に向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。
【００２２】
また、本発明において、交差する角度を略９０°とすることにより、上記効果に加え、さらに容易に製造することが可能な、燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
燃料電池では、一般に、アノード及びカソードへ異なる反応物が供給され、各電極で電気化学反応を生じさせることにより、電気エネルギーを取り出している。固体高分子膜を含有する燃料電池のうち、ＰＥＦＣではアノードに水素が供給され、ＤＭＦＣではアノードにメタノール等の液体が供給されるため、これらの燃料電池では、水素や液体のシール性を保つ構造が不可欠である。一方、固体高分子膜に含有されるプロトン伝導性ポリマーは、例えば、８０［℃］程度等の温度でプロトン伝導性能を発現する。それゆえ、燃料電池の運転時には、単セルの温度を所定の範囲に維持する構造が必要とされる。かかる観点から、これまでは、熱媒体を流通させる熱媒体管の長手方向と、チューブ型の単セル（以下、チューブ型ＰＥＦＣの単セル及びチューブ型のＤＭＦＣの単セルをまとめて、単に「チューブ型セル」という。）の長手方向が略平行となる形態で熱媒体管を配設し、当該熱媒体管の内部を流れる熱媒体によって、単セルの温度を維持していた。
チューブ型セルを備えるチューブ型燃料電池では、その構造上、中空形状のＭＥＡの内周面側へと供給される反応物は、チューブ型セルの長手方向両端部を介して供給／排出する必要がある。そして、従来のように、熱媒体管をチューブ型セルと平行に配置すると、当該熱媒体管の内部を流通させる熱媒体も、チューブ型セルの長手方向両端部を介して供給／排出される。そのため、固体高分子膜を備える従来のチューブ型燃料電池では、熱媒体管が、チューブ型セルの長手方向両端部に設けられた反応物用のマニホールドを貫通する形態で配設されることが多く、当該反応物の気密性を維持することが困難であるという問題があった。反応物の気密性が低下して反応物が外部へ流出すると、燃料電池の発電効率が低下する等の問題が生じるため、反応物の気密性を向上させ得る、燃料電池の開発が求められている。
【００２４】
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、熱媒体管の長手方向とチューブ型セルの長手方向とが交差する形態として、中空形状のＭＥＡの内周面側へと供給される反応物用のマニホールドを貫通しない形態で熱媒体管を配設することにより、反応物の気密性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。
【００２５】
以下、図面を参照しつつ、本発明の燃料電池について説明する。以下の説明では、本発明をチューブ型ＰＥＦＣへ適用した場合について説明するが、本発明は、中空形状の固体高分子膜を備えるＤＭＦＣにも適用することができる。また、以下の説明では、中空形状のＭＥＡ（以下、単に「ＭＥＡ」ということがある。）の外周面側へ酸素含有ガス（以下、「空気」又は「Ａｉｒ」という。）が、同内周面側へ水素含有ガス（以下、「水素」又は「Ｈ２」という。）がそれぞれ供給される形態を例示するが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。本発明をＰＥＦＣへ適用する場合には、ＭＥＡの外周面側へ水素を供給し、同内周面側へ空気を供給することも可能である。ただし、取り扱いやすい燃料電池とする等の観点からは、ＭＥＡの外周面側へ空気を供給し、同内周面側へ水素を供給することが好ましい。さらに、以下の説明では、熱媒体管へ冷媒が供給される形態を例示するが、本発明は当該形態に限定されるものではない。寒冷地等における低温始動性等を向上させたい場合には、熱媒体管へ温熱媒体を供給することも可能である。
【００２６】
図１は、本発明の燃料電池に備えられるチューブ型セル及び熱媒体管の形態例を示す概略図であり、チューブ型セル及び熱媒体管の一部のみを拡大して示している。図１の紙面上下方向がチューブ型セルの長手方向、図１の紙面左右方向が熱媒体管の長手方向である。図２は、本発明の燃料電池に備えられる空気流通部の形態例を示す断面図であり、当該空気流通部の一部のみを拡大して示している。図２の紙面奥／手前方向がチューブ型セルの長手方向、図２の紙面左右方向が熱媒体管の長手方向である。図３は、本発明の燃料電池に備えられるチューブ型セルの形態例を示す概略図であり、構造の理解を容易にするため、ＭＥＡの内周面側に配設される内部集電体及びＭＥＡの断面、並びに、ＭＥＡの外周面に巻回される外部集電体の形態を示している。図３の紙面奥／手前方向がチューブ型セルの長手方向である。図４は、本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す斜視図であり、水素用マニホールド、熱媒体用マニホールド、及び、空気流通部の外形を示している。図５は、本発明の燃料電池に備えられる水素用マニホールド及び空気流通部の形態例を示す概略図であり、水素用マニホールド及び空気流通部の一部のみを拡大して示している。図５の紙面上下方向がチューブ型セルの長手方向、図５の紙面左右方向が熱媒体管の長手方向である。図６は、本発明の燃料電池に備えられる熱媒体用マニホールド及び空気流通部の形態例を示す概略図であり、熱媒体用マニホールド及び空気流通部の一部のみを拡大して示している。図６の紙面左右方向がチューブ型セルの長手方向であり、図６の紙面上下方向が熱媒体管の長手方向である。図７は、本発明の燃料電池に備えられるチューブ型セル及び熱媒体管の他の形態例を示す概略図であり、チューブ型セル及び熱媒体管の一部と接触保持手段のみを拡大して示している。図７の紙面上下方向がチューブ型セルの長手方向、図７の紙面左右方向が熱媒体管の長手方向である。図８は、従来の燃料電池に備えられる、熱媒体用マニホールド、水素用マニホールド、及び、空気流通部の形態例を示す概略図であり、熱媒体用マニホールド、水素用マニホールド、及び、空気流通部の一部のみを拡大して示している。図８において、図１〜図７に示す部材と同様の構成を採るものには、図１〜図７で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００２７】
図１及び図２に示すように、本発明の燃料電池１００は、複数のチューブ型セル１、１、…（以下、「セル１、１、…」という。）、及び、複数の熱媒体管２、２、…（以下、「冷却管２、２、…」という。）を備え、セル１、１、…の長手方向と冷却管２、２、…の長手方向が略直交するように（交差する角度が略９０°となるように）、セル１、１、…、及び、冷却管２、２、…が配置されている。セル１、１、…と接触する冷却管２、２、…の長手方向中央部の形状は、上下に波打った擬正弦曲線形状であり、縦糸（又は横糸）としてのセル１、１、…を、横糸（又は縦糸）としての冷却管２、２、…によって編み込むように配置することで、セル１、１、…の位置が冷却管２、２、…によって固定される。冷却管２、２、…によって位置を固定（位置決め）されるセル１、１、…の外周面側には、空気が供給される。そして、当該空気が流通する空気流通部３に配設される、接触保持手段としての部材４（例えば、空気が流通可能な複数の開口部を有する網状等の部材）を介して、図２に直線矢印で示す方向の力が付与されることにより、セル１、１、…と、冷却管２、２、…との接触が保たれている。
【００２８】
図３に示すように、セル１は、中空形状の電解質膜５、当該電解質膜５の内周面側に形成された第１電極層６、及び、電解質膜５の外周面側に形成された第２電極層７を具備する、中空形状のＭＥＡ８と、当該ＭＥＡ８の内周面側に配設された内部集電体９と、ＭＥＡ８の外周面側に配設された外部集電体１０と、を備え、第１電極層６の内周面と接触する内部集電体９の外周面には、水素ガス流路として機能する反応ガス流路９ｘ、９ｘ、…が形成されている。
【００２９】
図４に示すように、本発明の燃料電池１００は、６面体形状のケース部材１３によって囲まれた空気流通部３を備えている。当該ケース部材１３の一対の面（図４の紙面上側及び紙面下側の面）に水素用マニホールド１１、１１（以下、図４の紙面上側の水素用マニホールド１１を「水素用マニホールド１１ａ」、同紙面下側の水素用マニホールド１１を「水素用マニホールド１１ｂ」ということがある。）が備えられ、ケース部材１３の他の一対の面（図４の紙面手前側及び紙面奥側の面）に熱媒体用マニホールド１２、１２（以下、図４の紙面手前側の熱媒体用マニホールド１２を「冷媒用マニホールド１２ａ」、同紙面奥側の熱媒体用マニホールド１２を「冷媒用マニホールド１２ｂ」ということがある。）が、備えられている。そして、水素用マニホールド１１、１１、及び、熱媒体用マニホールド１２、１２が形成されていない、ケース部材１３の一対の面に開口部が備えられ、当該開口部を介して、空気流通部３へ空気が供給される。空気流通部３へと供給された空気は、その少なくとも一部がセル１、１、…における発電に利用され、その後、排出される。
【００３０】
図２〜図５に示すように、燃料電池１００の運転時には、水素用マニホールド１１ａへと供給された水素が、当該水素用マニホールド１１ａにその端部が開口している反応ガス流路９ｘ、９ｘ、…へと分岐し、当該反応ガス流路９ｘ、９ｘ、…を介して、第１電極層６、６、…へ水素が供給される。第１電極層６、６、…へ水素が供給されると、当該第１電極層６、６、…に含有される触媒の作用下で電気化学反応が生じることにより、水素がプロトンと電子へ分離する。第１電極層６、６、…で生じたプロトンは、第１電極層６、６、…、及び、電解質膜５、５、…を介して第２電極層７、７、…へと伝導され、当該第２電極層７、７、…に含有される触媒へと到達する。これに対し、第１電極層６、６、…で生じた電子は、外部回路を経由して第２電極層７、７、…へと移動し、当該第２電極層７、７、…に含有される触媒へと到達する。なお、第１電極層６、６、…で使用されなかった水素は、反応ガス流路９ｘ、９ｘ、…を流通して水素用マニホールド１１ｂへと達し、当該水素用マニホールド１１ｂの外側へと排出されて回収される。他方、燃料電池１００の運転時には、ケース部材１３に備えられる開口部を介して、空気流入部３へ空気が流入し、当該空気が第２電極層７、７、…へと供給される。そして、第２電極層７、７、…に含有される触媒の作用下で、第１電極層６、６、…から移動してきたプロトン及び電子と、空気に含まれる酸素とが反応することにより、水が生成される。
【００３１】
上記反応の過程において、プロトンの伝導抵抗及び電子の伝導抵抗等に起因した熱が発生する。ＰＥＦＣの電解質膜に含有されるプロトン伝導性ポリマーは、８０［℃］程度等の温度環境下でプロトン伝導性能を発現するため、ＰＥＦＣでは、その運転時に冷却管へ冷媒を流通させることにより、セルの温度を制御する必要がある。かかる観点から、本発明の燃料電池１００では、水素用マニホールド１１、１１が設けられている面とは異なる面に備えられる冷媒用マニホールド１２ａへと流入させた冷媒を、当該冷媒用マニホールド１２ａにその端部が開口している冷却管２、２、…へと分岐させ（図６参照）、冷媒が流通している冷却管２、２、…とセル１、１、…との間で熱交換を行わせることにより、セル１、１、…の温度を制御している。セル１、１、…の温度を制御するために利用された冷媒は、その後、冷却管２、２、…から冷媒用マニホールド１２ｂへと流出し、当該冷媒用マニホールド１２ｂから排出されて回収される。
【００３２】
図１〜図６に示すように、本発明の燃料電池１００では、互いの長手方向が略直交するように配設されたセル１、１、…、及び、冷却管２、２、…が備えられる構成とすることにより、水素用マニホールド１１、１１が設けられる面と冷媒用マニホールド１２、１２が設けられる面とを分離している。かかる構成の燃料電池１００では、冷却管２、２、…が、水素用マニホールド１１、１１を貫通していない。燃料電池１００では、水素用マニホールド１１、１１にセル１、１、…用の開口部Ｘ、Ｘ、…が設けられ、開口部Ｘ、Ｘ、…と当該開口部Ｘ、Ｘ、…に挿入されたセル１、１、…との微小な隙間にシール部材（不図示）を配設することにより、水素用マニホールド１１、１１の気密性を維持している。
【００３３】
これに対し、図８に示すように、従来の燃料電池９００では、セル１、１、…の長手方向と冷却管９４、９４、…の長手方向とが略平行となる形態で、セル１、１、…、及び、冷却管９４、９４、…が配置されている。当該形態の燃料電池９００では、水素用マニホールド９１を介して供給された水素が、セル１、１、…の反応ガス流路９ｘ、９ｘ、…へと分岐し、水素用マニホールド９１を挟んで空気流通部９３と反対側に配置される冷媒用マニホールド９２へと供給された冷媒が、冷却管９４、９４、…へと分岐している。それゆえ、冷却管９４、９４、…の長手方向端部が、水素用マニホールド９１を貫通し、水素用マニホールド９１に多くの開口部α、α、…、及び、開口部β、β、…が設けられていた。当該形態の燃料電池９００では、開口部α、α、…のみならず、開口部β、β、…にシール部材を配設して、水素用マニホールド９１の気密性を維持する必要がある。水素用マニホールドに設けられる開口部の数が増加するほど、水素の気密性の維持が困難となり、水素の気密性が低下しやすくなるため、水素の気密性を容易に向上させるには、水素用マニホールドに設けられる開口部の数を低減することが好ましい。
【００３４】
上述のように、従来の燃料電池９００では、水素用マニホールド９１に多くの開口部α、α、…、及び、β、β、…が設けられていたが、本発明の燃料電池１００によれば、水素用マニホールド１１に設けられる開口部が、開口部Ｘ、Ｘ、…のみとされている（図６及び図８参照）。したがって、本発明の燃料電池１００によれば、水素用マニホールド１１、１１に設けられる開口部の数を低減することができるので、水素用マニホールド１１、１１の気密性（気密性の信頼性）を向上させることができる
【００３５】
さらに、本発明の燃料電池１００には、長手方向中央部（セル１、１、…と接触する長手方向中央部）の外形が擬正弦曲線形状の冷却管２、２、…が備えられ、当該冷却管２、２、…及びセル１、１、…を、縦糸と横糸とを編み込むような形態で配置している。それゆえ、従来の燃料電池９００と比較して、セル１、１、…の位置を固定しやすい。したがって、本発明の燃料電池１００によれば、上記効果に加えて、さらに、組み立て時の作業性を向上させることができる。
【００３６】
さらに、従来の燃料電池９００では、一本のセル１と一本の冷却管９４とが接触していたが、本発明の燃料電池１００では、セル１と複数の冷却管２、２、…とが接触している。そのため、本発明の燃料電池１００によれば、セル１の長手方向の温度分布の幅を、従来の燃料電池９００よりも小さくすることができる。このようにして、セル１の長手方向の温度分布の幅を小さくすると、セル１の長手方向の略全長に亘って発電状態が均一化され、発電性能を向上させることができるので、本発明によれば、発電性能を向上させることが可能な、燃料電池１００を提供することができる。
【００３７】
本発明の燃料電池１００に関する上記説明では、長手方向中央部の外形が擬正弦曲線形状の冷却管２、２、…が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池に備えられる冷却管は、当該形態に限定されるものではない。上記形態のほか、円筒状の冷却管が備えられる構成とすることも可能である。図７を参照しつつ、円筒状の冷却管が備えられる、本発明の燃料電池について説明する。
【００３８】
図７に示すように、円筒状の冷却管１４、１４、…を備える本発明の燃料電池２００では、冷却管１４、１４、…の長手方向とセル１、１、…の長手方向とが略直交する形態で、冷却管１４、１４、…、及び、セル１、１、…が配設され、結束線１５、１５、…によって、冷却管１４、１４、…とセル１、１、…との接触が保たれている。かかる形態の燃料電池２００であっても、冷却管１４、１４、…の長手方向とセル１、１、…の長手方向とが交差するように、冷却管１４、１４、…、及び、セル１、１、…が配設されるので、セル１、１、…に備えられる中空形状のＭＥＡ８、８、…の内周面側へと供給される反応ガス（例えば、水素）のマニホールドを貫通しない形態で、冷却管１４、１４、…を配設できる。したがって、燃料電池２００によっても、反応物の気密性を向上させることが可能になる。
さらに、燃料電池２００も、燃料電池１００と同様に、一本のセル１と複数の冷却管１４、１４、…とが接触しているので、セル１の長手方向の略全長に亘って発電状態を均一化することが可能になる。したがって、燃料電池２００によっても、発電性能を向上させることが可能になる。
【００３９】
本発明において、燃料電池１００、２００に備えられる冷却管２、１４は、燃料電池１００、２００の運転時に、セル１と熱交換することにより、セル１の温度を所定の温度範囲（例えば、７０［℃］〜９０［℃］程度）に維持することが可能な、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質（耐熱性、耐水性等）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るものではない。冷却管２、１４を構成する材料の具体例としては、アルミニウム、銅、チタン、銀、金、白金等に代表される金属材料や、各種導電性ポリマーのほか、各種絶縁性ポリマー等を例示することができる。ただし、良好な電子伝導性を有する材料で構成した冷却管２、１４を集電体としても機能させることにより、集電効率を向上させ得る形態の燃料電池とする等の観点からは、銅、銀、金、白金等の、良好な電子伝導性を有する金属によって、冷却管２、１４を構成することが好ましい。なお、冷却管２、１４が銅により構成される場合には、耐食性（耐酸性）を向上させるため、その表面に金めっきや白金めっき等が施される形態とすることが好ましい。
【００４０】
本発明において、燃料電池１００、２００に備えられる冷却管２、１４の本数は、特に限定されるものではない。セル１、１、…の長手方向の温度分布の幅を小さくすることにより、発電性能を容易に向上させ得る形態とする観点からは、セル１、１、…と接触する冷却管２、２、…、又は、冷却管１４、１４、…のピッチ（間隔）を狭くすることが好ましい。ところが、当該ピッチを狭くしすぎると、セル１、１、…の外周面へと供給される空気の拡散性が阻害される恐れがある。それゆえ、本発明では、配置される冷却管のピッチは、５［ｍｍ］以上４０［ｍｍ］以下とすることが好ましい。より好ましいピッチは、１０［ｍｍ］以上２０［ｍｍ］以下である。
【００４１】
また、本発明の燃料電池１００、２００に関する上記説明では、互いの長手方向が略直交するように配置されたセル１、１、…、及び、冷却管２、２、…、又は、冷却管１４、１４、…が備えられる形態を例示したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではない。セル及び冷却管は、互いの長手方向が交差する形態で配置されていれば、当該交差する角度は、特に限定されない。ただし、組み立てやすい構成とすることで、生産性を向上させ得る形態の燃料電池とする等の観点からは、当該交差する角度が略９０°であることが好ましい。
【００４２】
また、本発明の燃料電池２００に備えられる結束線１５は、燃料電池２００の運転時に、セル１、１、…と冷却管１４、１４、…との接触を維持し得る性質（材料強度、耐水性、耐熱性等）を備えていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。結束線１５を構成する材料の具体例としては、鉄、アルミニウム、銅、チタン、銀、金、白金等に代表される金属材料、炭素材料や各種導電性ポリマーのほか、各種絶縁性ポリマー等を例示することができる。ただし、良好な電子伝導性を有する材料で構成することにより、集電体としても機能する冷却管１４、１４、…が備えられる場合には、集電効率を向上させるため、良好な電子伝導性を有する材料（例えば、銅、銀、金、白金等の金属や炭素材料等）によって構成することが好ましい。
【００４３】
本発明の燃料電池において、セルは、中空形状のＭＥＡと、中空形状のＭＥＡの内周面側に配設される内部集電体と、中空形状のＭＥＡの外周面側に配設される外部集電体と、を備えていればその形態は特に限定されるものではない。内部集電体及び外部集電体は、良好な電子伝導性を有する材料によって構成されることが好ましく、構成材料の具体例としては、銅、銀、金、白金等の金属を挙げることができる。内部集電体及び／又は外部集電体の構成材料として銅が用いられる場合には、耐食性（耐酸性）を向上させるため、その表面を銀、金、白金等によって被覆することが好ましい。
また、空気流通部を囲むケース部材に収容されるセルの数は、それぞれのセルを電気的に並列に接続することにより、本発明の燃料電池に必要とされる電流値に到達し得る数であれば特に限定されるものではない。ケース部材に収容されるセルの数は、例えば、数十〜百数十程度とすることができる。
【００４４】
一方、中空形状のＭＥＡは、プロトン伝導性ポリマーを含有する中空形状の電解質膜と、当該電解質膜の内周面側及び外周面側にそれぞれ配設される中空形状の触媒層とを備えていれば、その形態は特に限定されるものではない。電解質膜に含有されるプロトン伝導性ポリマーの具体例としては、含フッ素高分子を骨格として少なくともスルホン酸基、ホスホン酸基、及びリン酸基のうち一種を有するフッ素系のポリマーや、ポリオレフィンのような炭化水素を骨格とする炭化水素系のポリマー等を挙げることができる。上記フッ素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、Ｎａｆｉｏｎ（「Ｎａｆｉｏｎ」は米国デュポン社の登録商標）やフレミオン（「フレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）等を挙げることができる。一方、上記炭化水素系のポリマーを含有する電解質膜の具体例としては、セレミオン等（「セレミオン」は旭硝子株式会社の登録商標）を挙げることができる。
【００４５】
中空形状のＭＥＡに備えられる触媒層は、セルのアノード及びカソードで生じる電気化学反応の触媒として機能する物質（触媒）と、当該電気化学反応で生じるプロトンを伝導させ得る物質（プロトン伝導性物質）とを有していれば、その形態は特に限定されるものではない。触媒層に含有される触媒の具体例としては、Ｐｔのほか、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｗからなる群より選択される一以上の金属とＰｔとを有するＰｔ合金等を挙げることができる。触媒層に含有されるプロトン伝導性物質の具体例としては、上記電解質膜に含有され得る上記プロトン伝導性ポリマー等を挙げることができる。
【００４６】
本発明において、セル及び冷却管を収容するケース部材は、複数のセルを収容可能であり、かつ、燃料電池の運転時の環境に耐え得る性質（例えば、耐熱性、耐水性等。以下同じ。）を備えていれば、その形態は特に限定されるものではない。ケース部材を構成する材料の具体例としては、絶縁性樹脂等を挙げることができる。
【００４７】
また、本発明において、反応物用のマニホールドや熱媒体用のマニホールドに備えられる隙間に配設されるシール部材は、燃料電池の運転時に反応物や熱媒体の気密性を確保し得る材料であれば、その構成材料は特に限定されるものではない。当該シール部材としては、チューブ型燃料電池セルを備える燃料電池を製造する際に使用されるポッティング材等を用いることができる。
【００４８】
また、本発明の燃料電池１００、２００に関する上記説明では、中空形状のＭＥＡ８の内周面側及び外周面側にガス拡散層が備えられない形態を例示したが、電極層へ反応ガスを均一に供給しやすくする等の観点からは、中空形状のＭＥＡ８の内周面側及び／又は外周面側にガス拡散層が備えられる形態とすることが好ましい。本発明の燃料電池にガス拡散層が備えられる場合、当該ガス拡散層は、カーボンペーパーやカーボンクロス等により構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の燃料電池に備えられるセル及び熱媒体管の形態例を示す概略図である。
【図２】本発明の燃料電池に備えられる空気流通部の形態例を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池に備えられるセルの形態例を示す概略図である。
【図４】本発明の燃料電池の形態例を概略的に示す斜視図である。
【図５】本発明の燃料電池の水素用マニホールド及び空気流通部の形態例を示す概略図である。
【図６】本発明の燃料電池の熱媒体用マニホールド及び空気流通部の形態例を示す概略図である。
【図７】本発明の燃料電池に備えられるセル及び熱媒体管の他の形態例を示す概略図である。
【図８】従来の燃料電池の形態例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５０】
Ｘ、Ｙ、α、β…開口部
１…セル（チューブ型燃料電池セル）
２、１４、９４…冷却管（熱媒体管）
３、９３…空気流通部
４…部材（接触保持手段）
５…電解質膜
６…第１電極層
７…第２電極層
８…ＭＥＡ（膜電極構造体）
９…内部集電体
９ｘ…反応ガス流路
１０…外部集電体
１１、１１ａ、１１ｂ、９１…水素用マニホールド
１２、１２ａ、１２ｂ、９２…冷媒用マニホールド
１３…ケース部材
１５…結束線（接触保持手段）
１００、２００、９００…燃料電池
【図１】
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【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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