(57)【要約】【課題】燃料電池の停止時や起動時において生じる水素極内の部分電池状態に起因する各部材の劣化を防止し、耐久性に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた、水素極及び酸化剤極からなる一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された、２つ以上の中空型セルを備える燃料電池であって、前記水素極は、水素の流通方向の上流側から下流側に向けて並ぶように分割されて互いに絶縁された複数の分割部からなり、当該複数の分割部に夫々集電材が接続されて集電経路を形成しており、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時において、各分割部間の通電を阻止する通電阻止手段が、集電経路上に設けられていることを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた、水素極及び酸化剤極からなる一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された、２つ以上の中空型セルを備える燃料電池であって、
前記水素極は、水素の流通方向の上流側から下流側に向けて並ぶように分割されて互いに絶縁された複数の分割部からなり、
当該複数の分割部に夫々集電材が接続されて集電経路を形成しており、
燃料電池の運転停止時及び／又は起動時において、各分割部間の通電を阻止する通電阻止手段が、集電経路上に設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記水素極の各分割部の境界領域に、電気絶縁性材料よりなる絶縁壁が設けられてい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】
前記水素極は前記中空電解質膜の外面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、
該水素極側の集電材は、該中空電解質膜の外面に隣接して配置された集電材の幹部を有し、該集電材の幹部に各分割部から延びる集電経路が合流しており、
前記通電阻止手段は、前記各分割部から前記集電材の幹部に至るまでの間の集電経路上に設けられてい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】
前記通電阻止手段は、電流逆流防止ダイオードであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記通電阻止手段は、集電経路を電気的に遮断するスイッチであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記通電阻止手段は、集電経路を物理的に遮断するスイッチであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記水素極は前記中空電解質膜の外面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、
該水素極側の集電材は、前記中空電解質膜の外面に隣接して配置された集電材の幹部を有し、該集電材の幹部に各分割部から延びる集電経路が合流しており、
前記通電阻止手段として集電経路を物理的に遮断するスイッチが、前記各分割部から前記集電材の幹部との合流点までの間の集電経路上に設けられており、
前記集電材の幹部が、中空電解質膜に対して相対的に移動することによって、集電経路を物理的に遮断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項８】
集電経路を物理的に遮断する前記スイッチが、前記集電材の幹部の軸周りに回転するロータリースイッチであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記水素極は前記中空電解質膜の内面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、
該水素極側の集電材は、前記中空電解質膜の中空内に配置された集電材の幹部を有し、該集電材の幹部に各分割部から延びる集電経路が合流しており、
前記通電阻止手段は、前記各分割部から前記集電材の幹部に至るまでの間の集電経路上に設けられてい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１０】
前記通電阻止手段は、電流逆流防止ダイオードであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記通電阻止手段は、集電経路を電気的に遮断するスイッチであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記通電阻止手段は、集電経路を物理的に遮断するスイッチであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記水素極は前記中空電解質膜の内面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、
該水素極側の集電材は、前記中空電解質膜の中空内に配置された集電材の幹部を有し、該集電材の幹部に各分割部から延びる集電経路が合流しており、
前記通電阻止手段として集電経路を物理的に遮断するスイッチが、前記各分割部から前記集電材の幹部との合流点までの間の集電経路上に設けられており、
前記集電材の幹部が、中空電解質膜に対して相対的に移動することによって、集電経路を物理的に遮断することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１４】
集電経路を物理的に遮断する前記スイッチが、前記集電材の幹部の軸周りに回転するロータリースイッチであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記集電材の幹部上に、前記中空電解質膜の内面の水素極と接触し、且つ、各分割部間の境界領域に位置合わせ可能なスイッチが、各分割部間の境界領域と等しい間隔で設けられており、該集電材の幹部を前記中空型セルの長手方向に移動することによって、集電経路を物理的に遮断することを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記水素極は前記中空電解質膜の内面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、
該水素極側の集電材は、前記中空電解質膜の中空内に配置されるとともに、各分割部夫々に接続する複数の接続部と、電気的絶縁性材料よりなり、前記複数の接続部間を電気的に絶縁した状態で連結し、且つ、各分割部間の境界領域と等しい間隔で設けられた絶縁部とを有し、
該集電材を、前記中空型セルの長手方向において隣接する２つの分割部と、１つの接続部とが、同時に接続するように配置することによって、分割部及び接続部が交互に接続されて連続した集電経路を形成し、
該集電材を、前記中空型セルの長手方向に移動して、１つの接続部が１つの分割部のみと接続するように配置することによって、前記集電経路を遮断することを特徴とする請求項１又は２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】
【特許文献１】特開平７−２９６８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
平型のセルを備える燃料電池及び中空型のセルを備える燃料電池に共通する課題の一つとして、耐久性の確保がある。燃料電池に要求される耐久性としては、自動車用で５，０００時間、定置用で４０，０００以上、さらには９０，０００時間と言われている。
【００１０】
水素極側ガス流路は、燃料電池の運転中には水素で充満している。しかし、その運転の起動時及び停止時には、水素が存在する領域と酸素が存在する領域とが水素極側ガス流路内に一時的に併存する。
具体的には、運転停止時には、燃料ガス（通常、水素ガス）の下流側（排気管側）から空気が流入し、水素が存在する領域が上流側に、酸素が存在する領域が下流側にできる。一方、起動時には、空気で満ちている水素極内に燃料ガスの上流側から水素が供給されることにより、水素が存在する領域が上流側に、酸素が存在する領域が下流側にできる。
【００１１】
このように、水素が存在する領域と酸素が存在する領域とが水素極内に共存しているとき、水素が存在する領域では水素が解離してプロトンと電子を生じる（Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−）。生じた電子は、水素極内の酸素が存在する領域側へと移動し、酸素と反応する。このとき、水素極側の酸素が存在する領域及び酸化剤極側では、電解質膜近傍の水と炭素が反応して水の電気分解（２Ｈ２Ｏ＋Ｃ  →  ４Ｈ＋  ＋ＣＯ２  ＋４ｅ−）が進行する。酸化剤極側で生成したプロトンは電解質膜を通って水素極側の酸素が存在する領域へと移動してくる。
【００１２】
そして、水素極の酸素が存在する領域においては、水素極の水素が存在する領域から移動してきた電子と、酸素と、上記反応により生成したプロトンとが反応して水を生成する。すなわち、水素極内で水素酸化反応と酸素還元反応とが進行する部分電池の状態となる。燃料電池の運転停止時直後及び運転開始時直後は、水素極内に水素が存在する領域と酸素が存在する領域が形成されやすいため、水素極内の部分電池状態が特に発生しやすい。このような部分電池状態が発生した場合、水素極側及び酸化剤極側では、上記水の電気分解（２Ｈ２Ｏ＋Ｃ  →  ４Ｈ＋  ＋ＣＯ２  ＋４ｅ−）によって、電解質膜や導電性材料として用いられている炭素材料が二酸化炭素となる劣化が起きてしまう。
【００１３】
以上のような燃料電池の停止及び起動時における水素極内の部分電池状態に起因する燃料電池の劣化は、定置用と比較して起動停止が頻繁に行われる自動車用において、特に大きな問題となる。
【００１４】
この問題を解決する手段として、起動停止時に窒素ガス等の不活性ガスで、電極内をパージする方法等も提案されているが、特に小型化や低コスト化が重要である自動車用の用途では、不活性ガスの供給システムを搭載することは回避することが望ましい。また、システムが頻繁に停止及び起動される自動車用燃料電池において、停止や起動の度に不活性ガスを効率よく供給することは難しい。
【００１５】
本発明は以上のような実情を鑑みて成し遂げられたものであり、燃料電池の停止時や起動時において生じる水素極内の部分電池状態に起因する各部材の劣化を防止し、耐久性に優れた燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の燃料電池は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた、水素極及び酸化剤極からなる一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された、２つ以上の中空型セルを備える燃料電池であって、前記水素極は、水素の流通方向の上流側から下流側に向けて並ぶように分割されて互いに絶縁された複数の分割部からなり、当該複数の分割部に夫々集電材が接続されて集電経路を形成しており、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時において、各分割部間の通電を阻止する通電阻止手段が、集電経路上に設けられていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の燃料電池は、運転停止時及び／又は起動時において、水素極の各分割部間の通電が阻止されているため、水素極内に酸素が存在する領域と水素が存在する領域とが混在する状態となっても、水素が存在する領域から酸素が存在する領域への電子の移動が防止される。その結果、上述したような水素極内における部分電池状態が回避されるので、水素極及び酸化剤極における水の電気分解の進行が抑制される。すなわち、本発明によれば、水の電気分解に伴う電解質膜やその他炭素材料の劣化を抑えることが可能である。
【００１８】
前記水素極の分割方法としては、前記水素極の各分割部の境界領域に、電気絶縁性材料よりなる絶縁壁を設ける方法が挙げられる。
【００１９】
本発明の具体的な形態としては、例えば、前記水素極は前記中空電解質膜の外面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、該水素極側の集電材は、該中空電解質膜の外面に隣接して配置された集電材の幹部を有し、該集電材の幹部に各分割部から延びる集電経路が合流しており、前記通電阻止手段は、前記各分割部から前記集電材の幹部に至るまでの間の集電経路上に設けられていることを特徴とするものが挙げられる。
このとき、前記通電阻止手段としては、電流逆流防止ダイオードや集電経路を電気的に遮断するスイッチを用いることができ、集電経路を電気的に遮断するスイッチとしては、例えば、集電経路を物理的に遮断するスイッチが挙げられる。
【００２０】
また、本発明の具体的な形態としては、前記水素極は前記中空電解質膜の外面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、該水素極側の集電材は、前記中空電解質膜の外面に隣接して配置された集電材の幹部を有し、該集電材の幹部に各分割部から延びる集電経路が合流しており、前記通電阻止手段として集電経路を物理的に遮断するスイッチが、前記各分割部から前記集電材の幹部との合流点までの間の集電経路上に設けられており、前記集電材の幹部が、中空電解質膜に対して相対的に移動することによって、集電経路を物理的に遮断することを特徴とするものが挙げられる。
このとき、集電経路を物理的に遮断する前記スイッチとしては、例えば、前記集電材の幹部の軸周りに回転するロータリースイッチを採用することができる。
【００２１】
また、本発明の具体的な形態としては、前記水素極は前記中空電解質膜の内面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、該水素極側の集電材は、前記中空電解質膜の中空内に配置された集電材の幹部を有し、該集電材の幹部に各分割部から延びる集電経路が合流しており、前記通電阻止手段は、前記各分割部から前記集電材の幹部に至るまでの間の集電経路上に設けられていることを特徴とするものが挙げられる。
このとき、前記通電阻止手段としては、電流逆流防止ダイオードや集電経路を電気的に遮断するスイッチを用いることができ、集電経路を電気的に遮断するスイッチとしては、例えば、集電経路を物理的に遮断するスイッチが挙げられる。
【００２２】
さらに、本発明の具体的な形態としては、前記水素極は前記中空電解質膜の内面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、該水素極側の集電材は、前記中空電解質膜の中空内に配置された集電材の幹部を有し、該集電材の幹部に各分割部から延びる集電経路が合流しており、前記通電阻止手段として集電経路を物理的に遮断するスイッチが、前記各分割部から前記集電材の幹部との合流点までの間の集電経路上に設けられており、前記集電材の幹部が、中空電解質膜に対して相対的に移動することによって、集電経路を物理的に遮断することを特徴とするものが挙げられる。
【００２３】
このとき、集電経路を物理的に遮断する前記スイッチとしては、例えば、前記集電材の幹部の軸周りに回転するロータリースイッチを採用することができる。
或いは、前記集電材の幹部上に、前記中空電解質膜の内面の水素極と接触し、且つ、各分割部間の境界領域に位置合わせ可能なスイッチが、各分割部間の境界領域と等しい間隔で設けられており、該集電材の幹部を前記中空型セルの長手方向に移動することによって、集電経路を物理的に遮断するような構成とすることもできる。
【００２４】
また、本発明の具体的な形態としては、前記水素極は前記中空電解質膜の内面に設けられ、前記中空型セルの長手方向に並ぶように分割されており、該水素極側の集電材は、前記中空電解質膜の中空内に配置されるとともに、各分割部夫々に接続する複数の接続部と、電気的絶縁性材料よりなり、前記複数の接続部間を電気的に絶縁した状態で連結し、且つ、各分割部間の境界領域と等しい間隔で設けられた絶縁部とを有し、該集電材を、前記中空型セルの長手方向において隣接する２つの分割部と、１つの接続部とが、同時に接続するように配置することによって、分割部及び接続部が交互に接続されて連続した集電経路を形成し、該集電材を、前記中空型セルの長手方向に移動して、１つの接続部が１つの分割部のみと接続するように配置することによって、前記集電経路を遮断することを特徴とするものも挙げられる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池の運転停止時及び起動時における水素極内の部分電池状態を回避することが可能である。その結果、部分電池状態に起因する水の電気分解に伴う炭素材料の劣化を防止することができる。従って、本発明の燃料電池は、耐久性に優れ、長期間にわたる使用を可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の燃料電池は、中空電解質膜と、該中空電解質膜の内面及び外面に設けられた、水素極及び酸化剤極からなる一対の電極と、該一対の電極にそれぞれ接続する集電材とを有し、且つ、少なくとも一方の端部が開放された、２つ以上の中空型セルを備える燃料電池であって、前記水素極は、水素の流通方向の上流側から下流側に向けて並ぶように分割されて互いに絶縁された複数の分割部からなり、当該複数の分割部に夫々集電材が接続されて集電経路を形成しており、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時において、各分割部間の通電を阻止する通電阻止手段が、集電経路上に設けられていることを特徴とする。
【００２７】
上述したように、水素極側ガス流路内で、水素が存在する領域と酸素（空気）が存在する領域とが混在した状態になると、水素が存在する領域において水素の酸化反応により生じた電子が、酸素が存在する領域へと移動する。このとき、酸素の還元反応に必要なプロトンを得るため、水素極側の酸素が存在する領域、さらには、酸化剤極側において水の電気分解が進行する。そして、水素極内の酸素が存在する領域において、水素が存在する領域から移動してきた電子と、水の電気分解により生成したプロトンと、酸素とが反応し、酸素の還元反応が進行する。すなわち、水素極内に部分電池状態が形成される。
部分電池状態に伴う水の電気分解は、炭素材料（導電性材料）や電解質膜等の劣化を進行させるため、燃料電池の耐久性低下の原因となる。部分電池状態は、水素の供給が停止される燃料電池停止時や、水素の供給が開始される燃料電池起動時に発生しやすい。
【００２８】
本発明者らは、このような水素極における部分電池状態の発生を回避するため、水素が存在する領域から酸素が存在する領域への電子の移動を防ぐことに着目し、その手段として、水素極を細分化して互いに絶縁された分割部を形成し、これら分割部間の電子の移動を制限することを見出した。
【００２９】
しかしながら、平型のセルを圧をかけた状態で何層も積層した燃料電池においては、水素極を上記のように分割することは非常に困難である。
一方、中空型セルを備える燃料電池においては、中空電解質膜の外面側に設けられる電極が中空型セルの外面に露出した状態であり、中空電解質膜の内面側に設けられる電極が中空内のガス流路に露出した状態であるため、上記のように分割することが可能である。
そこで、本発明者らは、中空型セルを備える燃料電池において、水素極の細分化を実現すべく鋭意検討し、本発明に想到するに至った。
【００３０】
以下、図１〜図１１を用いて本発明の燃料電池について説明する。尚、下記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。また、燃料電池の構造を容易に理解可能とするため、図は燃料電池の構成部材・構成要素を適宜省略して示している。
【００３１】
まず、本発明の燃料電池が備える中空型セルの基本構造について説明する。
図１は、本発明の燃料電池に用いられる中空型セルの一形態例を示す概略図である。図２は、図１の中空型セルの断面図であり、（２Ａ）は図１のＡＡ断面図、（２Ｂ）は図１のＢＢ断面図である。
【００３２】
図１及び図２において、中空型セル８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）１、固体高分子電解質膜１の内面側に設けられた酸化剤極（カソード）２及び外面側に設けられた水素極（アノード）３を有している。さらに、酸化剤極２の表面には、酸化剤極側（正極側）集電材（本実施形態においては内部集電材）４として柱状集電材が配置され、水素極３の表面には、水素極側（負極側）集電材（本実施形態においては外部集電材）５として、らせん状の金属ワイヤ５ａと棒状の幹部５ｄが配置されている。内部集電材である酸化剤極側集電材４の表面には、酸化剤ガスの流路を形成する溝４ａが設けられている。
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、酸化剤極側集電材４（内部集電材）の外面に設けた溝４ａによって形成された内面側ガス流路に露出した部分）に空気、外面に水素ガスを流通させることで、酸化剤極及び水素極に酸化剤又は燃料が供給され、発電する。本実施形態において、水素ガスは中空型セル８の長手方向に対して略平行（図１内の矢印参照）に流通している。尚、ここで略平行とは、完全な平行状態以外にも、平行とみなせる状態（平行状態±３°）を含む。
【００３３】
本発明の燃料電池において、水素極３は、分割されて互いに絶縁された複数の分割部７よりなる。分割部７同士は、電気的に遮断されているため、電子が分割部７間を直接移動することはできない。
【００３４】
水素極３に接続される集電材５は、各分割部７夫々に電気的に接続されて集電経路を形成している。そして、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時において、分割部７夫々に接続された集電材５を介して分割部７間を電子が移動しないよう、各分割部間の通電を阻止する通電阻止手段９（９ａ）が、集電経路上に設けられている。
さらに、水素極３の分割は、水素極３に供給される水素ガス（燃料ガス）の流通方向の上流側から下流側に向けて並ぶように行われている。このように水素極３を電気的に分割し、且つ、各分割部から延びる集電経路上に通電阻止手段を設けることによって、燃料電池の起動時や停止時の水素極内に、水素が存在する領域が水素ガスの上流側に、酸素が存在する領域が水素ガスの下流側に、それぞれ混在する状態となっても、上流側の水素が存在する領域から下流側の酸素が存在する領域へと電子が移動することが阻止される。
【００３５】
ここで、燃料電池の起動時とは、水素の供給を開始することによって、水素極内に水素が流入し、水素極内に酸素（空気）が存在する領域（上流側）と水素が存在する領域（下流側）とが混在する状態が形成されている時であり、水素の供給開始から、水素極より空気が追い出され、水素ガスで満たされるまでの間である。また、燃料電池の停止時とは、水素の供給を停止することによって、水素極内に水素の下流側から空気が流入し、水素極内に酸素が存在する領域（下流側）と水素が存在する領域（上流側）とが混在する状態が形成されている時であり、水素の供給停止から、水素極が空気で満たされるまで（水素極から水素がなくなるまで）の間である。
必要に応じて、水素極の水素ガス入口近傍や出口近傍に、水素又は酸素を検知する手段等を設置し、水素が存在する領域と空気が存在する領域とが混在する状態を感知するようにしてもよい。
【００３６】
以上のように、本発明の燃料電池では、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時に水素極内において、水素ガスの上流側から下流側に向かって電子が移動することが防止されている。すなわち、燃料電池の運転停止時や起動時に水素極内に生じやすい水素が存在する領域と酸素が存在する領域が混在した状態において、水素が存在する領域、つまり、水素ガスの上流側から、酸素が存在する領域、つまり、水素ガスの下流側へと電子が移動することが阻止されているため、水素極内にて部分電池状態が生じない。従って、本発明の燃料電池は、水素極や酸化剤極における水の電気分解に伴う炭素材料の劣化が防止されており、耐久性に優れるものである。
【００３７】
以下、本発明についてさらに詳しく説明していく。
水素極の分割部間の電気的絶縁の方法は、特に限定されず、図１及び図２のように、電気絶縁性材料よりなる絶縁壁６を各分割部７の境界領域に設ける方法がある。その他にも、各分割部７間に、電気的絶縁を確保できる程度に間隔を空ける方法等でもよい。
【００３８】
水素極を分割する絶縁壁を形成する電気絶縁性材料は、電気絶縁性であれば特に限定されず、例えば、電解質樹脂、ゴム系材料等の導電性を有していない樹脂材料全般等が挙げられる。具体的には、水素極を電解質膜の外面側に設ける場合には、図３のように、中空電解質膜１を、外面に突起部１ａを有する形状とし、当該突起部１ａを絶縁壁６とすることができる。電解質膜の内面側に水素極を設ける場合には、図３とは逆の構成、すなわち、電解質膜の内面側に突起部を形成した構成とすることができる。
絶縁壁６の厚み等は、水素極の電極面積確保や、分割部間の電気絶縁性の確保等を考慮して適宜決定することができる。
【００３９】
分割部の分割方法は、水素の流通方向の上流側から下流側に向けて並ぶように分割し、部分電池状態の発生を阻止することができればよい。図１〜図２に示す本実施形態においては、水素ガスが中空型セルの長手方向と平行に流通しているため、絶縁壁を水素ガスの流通方向と直交するように設けることで、中空型セルを長手方向に分割するように分割部が形成されている。
一方、水素ガスが中空型セルの長手方向と直交する方向に流通する場合には、図４〜図５（図５は図４の断面図）に示すように、絶縁壁６を水素ガスの流通方向と直交するように設けることで、中空型セルを長手方向に沿って分割するように分割部を形成する。
【００４０】
具体的な分割形態は、特に限定されず、発電電流、集電体電流容量等を考慮して適宜設計すればよい。例えば、分割部の分割密度は、水素極全面において等しくてもよいし、或いは、水素極内の位置によって異なっていてもよい。
水素極の分割が細かければ細かいほど、部分電池状態は発生しにくいため、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となる。
【００４１】
中空型セルは通常、非常にその径が細いため、水素極の分割は、図１のように中空型セルの長手方向を分割する方が、図４のように中空型セルの長手方向に沿って分割するよりも容易である。ゆえに、水素極の分割が容易であるという観点から、中空電解質膜の外面に水素極を設ける場合、水素ガスは中空型セルの長手方向に対して平行に流通させることが好ましい。
【００４２】
各分割部間は絶縁されているため、夫々の分割部毎に集電材が接続されて集電経路が形成され、電流が取り出される。各分割部から取り出された電流は、中空型セル毎或いは複数の中空型セル単位で統合すればよい。各分割部への集電材の接続方法は特に限定されない。
水素極からの集電経路上、具体的には、例えば、各分割部から引き出された集電材が合流する手前等の集電経路上には、通電阻止手段が設けられる。通電阻止手段は、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時において、各分割部間の通電を阻止することができれば特に限定されず、例えば、逆流防止ダイオード等の整流器や、電気的な接続及び切断が可能なスイッチ等が挙げられる。
【００４３】
以下、各分割部の集電材との接続形態と、集電経路上に設けられる通電阻止手段について、まとめて説明する。
例えば、図１に示す実施形態では、集電材５は、各分割部７の表面に巻かれたワイヤ５ａと、中空電解質膜の外面に隣接して中空型セル８の長手方向に対して略平行に配置された幹部５ｄとを有している。各分割部７と接続し集電経路を形成しているワイヤ５ａはその一端が幹部５ｄに接続され、各分割部７の集電経路が幹部５ｄにて合流している。
【００４４】
そして、ワイヤ５ａにより形成された、各分割部７から集電材の幹部５ｄに至る集電経路上には、通電阻止手段９である電流逆流防止ダイオード９ａが設けられており、各分割部７からワイヤ５ａにより引き出されて幹部５ｄに流れた電流が、該幹部５ｄから他のワイヤ５ａを逆流して他の分割部７へと流れないようにされている。すなわち、各分割部間の通電が阻止されている。
図１の実施形態では、分割部７間の通電は、逆流防止ダイオード９ａによって、燃料電池の運転停止時及び起動時のみならず、運転中においても阻止される。
【００４５】
図６に他の実施形態を示す。図６の実施形態は、図１の実施形態において通電阻止手段９である逆流防止ダイオード９ａを、集電経路を電気的に遮断するスイッチ９ｂにした以外は同じ構成である。各分割部７から集電材の幹部５ｄに至る集電経路上に設けられたスイッチ９ｂ（通電阻止手段９）は、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時に、ワイヤ５ａにより形成された集電経路を電気的に遮断することによって、各分割部７からワイヤ５ａにより引き出され幹部５ｄに流れた電流が、幹部５ｄから他のワイヤ５ａを通って他の分割部７へと流れないようにする。すなわち、各分割部間の通電を阻止する。
集電経路を電気的に遮断するスイッチの構造は特に限定されず、例えば、集電経路を物理的（機械的）に遮断するスイッチ等が挙げられ、具体的な構成は限定されない。
【００４６】
また、水素ガスの上流側から下流側に向けて一列に並べた上記スイッチ９ｂは、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時における水素極上での水素ガスと空気の間の置換される領域の進行又は拡大に合わせてスイッチ郡の列の一端側から多端側に向けて、各スイッチを順次オン又はオフしていってもよい。
【００４７】
次に、水素極を中空電解質膜の内面側に設けた場合の実施形態について説明する。
図７は、水素極を中空電解質膜の内面側に設けた場合の実施形態例を示す断面図であって、（７Ａ）は燃料電池運転時を示し、（７Ｂ）は燃料電池運転停止時及び／又は起動時の状態を示す。尚、図７において、酸化剤極側（外面側）集電材は省略されている。
本実施形態において、水素ガスの流路は中空型セル８の中空内となる。すなわち、水素ガスは中空型セルの長手方向に対して平行に流通する。そのため、水素極３は中空型セル８の長手方向に並ぶように分割されている。
【００４８】
水素極側の集電材５は、中空電解質膜の中空内に中空型セル８の長手方向に対して略平行に配置された幹部５ｄを有している。当該集電材５は、中空型セルの長手方向に対する可動性を有している。また、当該幹部５ｄ上には、水素極の各分割部７へと延び、各分割部７と接触して電気的に接続することが可能な接続部５ｅが設けられている。この接続部５ｅは、各分割部７の境界領域（本実施形態においては絶縁壁６）と等しい間隔で設けられており、且つ、各分割部７間の境界領域に位置あわせが可能な構造を有している。
【００４９】
集電材５は、燃料電池運転時には、図７（７Ａ）に示すように、各分割部７と各接続部５ｅとが接触して、各分割部７から幹部５ｄに至る集電経路を形成し、各接続部５ｅにより形成される集電経路が幹部５ｄで合流するようになっている。
一方、図７（７Ｂ）に示すように、集電材５の幹部５ｄを中空型セル８の長手方向に移動（中空電解質膜に対して相対的に移動）させ、集電材５の接続部５ｅが各分割部７の境界領域である絶縁壁６と接触する位置とすることによって、集電材５の接続部５ｅと各分割部７との接触が開放され、集電経路が物理的に遮断される。すなわち、本実施形態においては、接続部５ｅの中空型セル長手方向への移動が、各分割部７から集電材５の幹部５ｄに至る集電経路上に設けられた、該集電経路を電気的（物理的）に遮断するスイッチとして機能し、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時に、各分割部７間の通電を阻止することが可能である。
【００５０】
図８及び図９に、水素極を中空電解質膜の内面側に設けた場合の他の実施形態を示す。本実施形態も、図７の実施形態同様、水素ガスの流路は中空型セル８の中空内となる。すなわち、水素ガスは中空型セルの長手方向に対して平行に流通する。そのため、水素極３は中空型セル８の長手方向に並ぶように分割されている。図８は、中空型セルを長手方向に対して垂直に切断した断面図であって図９のＡＡ断面図、図９は、中空型セルを長手方向に対して平行に切断した断面図であって図８のＢＢ断面図である。
【００５１】
図８及び図９の実施形態は、水素極側集電材５が中空型セルの中空内を回転可能な構造を有し、且つ、集電材５と水素極３の分割部が、集電材５の回転によって接続及び接続の解除が可能な表面形状を有しており、これら集電材５と各分割部７とがロータリースイッチの形式で接続及び接続解除できるようになっている。
具体的には、電解質膜１の内面側に設けられた水素極３は、中空内に面した表面に等間隔で設けられ、且つ、中空型セルの長手方向に略平行に延びる凸部３ａを有している。一方、水素極側の集電材５は、中空電解質膜の中空内に中空型セル８の長手方向に対して略平行に配置された幹部５ｄを有している。当該幹部５ｄ上には、水素極の各分割部７に延び、各分割部７と接触して電気的に接続することが可能な接続部５ｅが設けられている。この接続部５ｅは、水素極３の凸部３ａと等しい間隔で設けられており、且つ、各凸部３ａに位置あわせが可能な構造を有している。
【００５２】
集電材５は、燃料電池運転時には、図８（８Ａ）及び図９（９Ａ）に示すように、５つの接続部５ｅが各分割部７の５つの凸部３ａと接触して、各分割部７から幹部５ｄに至る集電経路を形成し、各接続部５ｅにより形成される集電経路が幹部５ｄで合流するようになっている。
一方、図８（８Ｂ）及び図９（９Ｂ）に示すように、集電材５の幹部５ｄを当該幹部５ｄの軸周りに回転（中空電解質膜に対して相対的に移動）させ、集電材５の各接続部５ｅを各分割部７の凸部３ａの間に位置させることによって、集電材５の各接続部５ｅと各分割部７との接触が開放され、集電経路が物理的に遮断される。すなわち、本実施形態においては、幹部５ｄの軸周りにおける接続部５ｅの回転が、各分割部７から集電材５の幹部５ｄに至る集電経路上に設けられた、該集電経路を電気的（物理的）に遮断するスイッチ（ロータリースイッチ）として機能し、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時に、各分割部７間の通電を阻止することが可能である。
【００５３】
以上のようなロータリースイッチ構造は、図８及び図９に示す構造に限定されず、例えば、図１０に示すように、楕円状の断面形状を有する集電材５と、円環状で内周側に凸部を有する断面形状の水素極３との組み合わせであって、水素極３の凸部３ａと集電材５が集電材５の軸周りの回転によって接続（１０Ａ）、接続解除（１０Ｂ）される構造でもよい。或いは、楕円状の断面形状を有する集電材と、楕円状の断面形状を有する内面側水素極との組み合わせであって、水素極の楕円形状の短軸と集電材の楕円形状の長軸とが一致するときに水素極と集電材が接続され、水素極の楕円形状の短軸と集電材の楕円形状の長軸とがずれると、水素極と集電材の接続が切断される構造も挙げられる。
【００５４】
さらに、水素極を中空電解質膜の内面側に設けた場合の他の実施形態を図１１に示す。本実施形態も、図７の実施形態同様、水素ガスの流路は中空型セル８の中空内となる。すなわち、水素ガスは中空型セルの長手方向に対して平行に流通する。そのため、水素極３は中空型セル８の長手方向に並ぶように分割されている。図１１は、中空型セルを長手方向に対して平行に切断した断面図である。
【００５５】
本実施形態において、水素極側の集電材５は、複数の接続部５ｂと複数の絶縁部５ｃとが中空型セルの長手方向に交互に並んだ構造を有している。接続部５ｂは、水素極の各分割部７夫々に電気的に接続し、集電経路を形成する。絶縁部５ｃは、電気的絶縁材料よりなり、複数の接続部５ｂ間を電気的に絶縁した状態で連結し、且つ、各分割部７間の境界領域（本実施形態においては絶縁壁６）と等しい間隔で設けられている。
接続部５ｂと絶縁部５ｃからなる集電材５は、中空電解質膜の中空内に中空型セルの長手方向に対して略平行に配置される。集電材５は、中空型セルの長手方向に対する可動性を有しており、絶縁部５ｃを各分割部７間の境界領域と位置あわせが可能である。
【００５６】
この集電材５は、燃料電池運転時には、接続部５ｂの１つ１つが、中空型セルの長手方向において隣接する２つの分割部７と同時に接続するように（各絶縁部５ｃと水素極の絶縁壁６とが相対して接しないように）配置される（図１０Ａ参照）。その結果、水素極の分割部７と集電材５の接続部５ｂとが交互に接続されて連続した集電経路を形成し、各分割部７から取り出された電流は、集電材５の接続部５ｂと当該分割部７より下流側の他の分割部７を通って集電される（図１０Ａ中の矢印参照）。
【００５７】
一方、燃料電池の運転停止時及び／又は起動時には、集電材５は、中空型セルの長手方向に移動して、各接続部５ｂの１つ１つが１つの分割部７のみと接続するように（各絶縁部５ｃと水素極の絶縁壁６とが相対して接するように）配置される（図１０Ｂ参照）。その結果、集電経路が遮断され、水素極の各分割部７と集電材５の各接続部５ｂは、他の分割部７及び他の接続部５ｂから電気的に孤立し、各分割部同士の通電が阻止される。
【００５８】
集電材５の絶縁部５ｃを形成する電気絶縁性材料としては、水素極を分割する絶縁壁を形成するものと同様の材料を用いることができる。また、集電材５において、絶縁部５ｃと接続部５ｂの具体的な構造は特に限定されず、上記したような集電経路の形成と遮断が可能な構造であればよい。
【００５９】
尚、上記にて中空型セルの外面側に水素極が設けられた場合の集電及び通電阻止手段として例示したものを、中空型セルの内面側に水素極が設けられた場合に採用することもできる。具体的には、集電経路上に設ける通電阻止手段として、電流逆流防止ダイオードを用いることも可能である。また、ここでは、集電経路を電気的に遮断するスイッチとして、集電材を電解質膜に対して相対的に移動させることによって集電経路を物理的に遮断するスイッチを主な例として説明してきたが、集電経路の電気的に遮断するものであれば、上記にて例示したスイッチに限定されず通電阻止手段として用いることができる。
【００６０】
同様に、上記にて中空型セルの内面側に水素極が設けられた場合の通電阻止手段として例示したものを、中空型セルの外面側に水素極が設けられた場合に採用することもできる。具体的には、図７〜図１１のように、通電阻止手段として、集電材を電解質膜に対して相対的に移動させることによって集電経路を物理的に遮断するスイッチを採用することもできる。
【００６１】
すなわち、水素極側の集電材として、中空型電解質膜の外面側に隣接して中空型セルの長手方向に対して略平行に配置された幹部を有し、該集電材の幹部に各分割部から延びる集電経路が合流するような構造を有するものを用いることができる。この分割部から幹部との合流点までの間の集電経路上に、通電阻止手段として集電経路を物理的（機械的）に遮断するスイッチを設け、集電材の幹部を中空電解質膜に対して相対的に移動することによって、分割部と集電材との接触を開放し、集電経路を物理的に遮断できるようにする。
集電材の幹部の中空電解質膜に対する相対的移動としては、例えば、中空型セルの長手方向への移動や、幹部の軸周りにおける回転（具体的にはロータリースイッチ）が挙げられる。
【００６２】
本発明の燃料電池において、水素極は中空電解質膜の内面側に設けられても、外面側に設けられてもよいが、水素極の分割構造及び通電阻止手段の構造を単純化することが可能であること、製造が容易なこと等の観点から、通常は、中空電解質膜の外面側に水素極を設けることが好ましい。
【００６３】
以下、中空型セルのその他の構成部について説明する。
図１の中空型セル７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、酸化剤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７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、内面側電極として、水素を燃料とする水素極を設ける場合、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。
【００６４】
また、図１において、中空型セル７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。
【００６５】
チューブ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、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。
【００６６】
電解質膜は、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、電解質膜としてパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂膜を用いる場合、電解質膜の厚みは、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。
【００６７】
本発明の燃料電池は、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樹脂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。
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、例えば米国デュポン社製ナフィオン（商品名）や旭硝子社製フレミオン（商品名）等の市販品もある。
【００６８】
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。
【００６９】
電解質膜１の内面及び外面に設けられる各電極２，３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、触媒層のみ、若しくは、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。
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。本発明の燃料電池は、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。
【００７０】
触媒成分としては、水素極における水素の酸化反応、酸化剤極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。
【００７１】
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。
【００７２】
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としては、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、水素極となる触媒層及びガス拡散層を、上記したように分割するように形成する。例えば、上記したように電解質膜に絶縁壁となる凸部を設けたり、又は、電解質膜上に絶縁壁を設けた状態で、触媒層及びガス拡散層を形成したり、或いは、マスク等を用いて触媒層及びガス拡散層のパターンを形成する方法等がある。
また、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。
【００７３】
或いは、酸化剤極を電解質膜の内面側に設ける場合には、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）を酸化剤極（内面側電極）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・乾燥して酸化剤極の触媒層を形成して酸化剤極を作製し、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水素極（外面側電極）の触媒層及びガス拡散層を分割した状態で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。
【００７４】
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。水素極側に触媒層及びガス拡散層以外の層を設ける場合であって、当該層が導電性を有する場合には、当該層も絶縁壁によって分割する。
【００７５】
中空型セルの内面側に設けられる電極に接続される内部集電材は、少なくとも一部において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、その外周面に中空型セルの軸方向（長手方向）に延びる溝が形成されているか、或いは、中空型セルの内面と野間に反応ガスが流通可能な隙間を形成するような形状を有している。この内面側電極との隙間（溝）が酸化剤ガスを供給するための中空内ガス流路となる。溝としては、中空型セルの軸方向（長手方向）に延びる溝が少なくとも一本必要であり、必要に応じて、内部集電材の外周面に様々なパターン又は方向性を有する溝が形成される。
外部集電材は、上記金属ワイヤや棒状に限定されず、その他の構造を有するものを用いることができる、
【００７６】
上記内面側又は外面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。ワイヤの太さや巻き方、棒状集電材の太さ等は、特に制限されるものではない。
【００７７】
集電材４，５は特に限定されず、電気伝導性材料からなるものであればその形状は任意である。集電材は、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。
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。
【００７８】
本発明の燃料電池は、上記のような中空型セルを備えるものであり、通常は、中空型セル２本以上を並列又は直列に接続したモジュールを、２つ以上並列又は直列に接続して組み込む。燃料及び酸化剤の供給、モジュールの集電、接続方法は特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の燃料電池に備えられる中空型（チューブ状）セルの一形態例を示す斜視図である。
【図２】図１の中空型セルの断面図である。
【図３】本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの長手方向における断面図（一例）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他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】本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの他の一形態例を示す斜視図である。
【図７】本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの他の一形態例を示す長手方向断面図である。
【図８】本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの他の一形態例を示す断面図である。
【図９】図８の中空型セルの長手方向断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの他の一形態例を示す断面図である。
【図１１】本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの他の一形態例を示す長手方向断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１…中空電解質膜
２…酸化剤極（カソード）
３…水素極（アノード）
４…酸化剤極側集電材（正極側集電材）
４ａ…溝
５…水素極側集電材（負極側集電材）
５ａ…ワイヤ
５ｂ…接続部
５ｃ…絶縁部
５ｄ…幹部
５ｅ…接続部
６…絶縁壁
７…分割部
８…中空型セル
９…通電阻止手段（９ａ…逆流防止ダイオード、９ｂ…スイッチ）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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