(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却剤を循環させるためのポンプ等の補機稼動分のエネルギーを減少させ、燃料電池の発電効率を向上させる。【解決手段】中空型セル６と冷却装置７とを備え、前記冷却装置は前記中空型セルを直接冷却する冷却部８と、該冷却部と共に冷却剤の循環流路を形成する冷却剤返却部１０と、該冷却部から排出された冷却剤を冷却する熱交換器９とを備え、前記冷却部は重力方向下部側から重力方向上部側へと方向決めされた上行流路８ａを含む流路とを有し、前記冷却剤返却部は、重力方向上部側から重力方向下部側へと方向決めされた下行流路１０ａを含む流路を有し、前記熱交換器は冷却剤が、該熱交換器によって熱を奪われて収縮することで生じた下降力によって前記冷却剤返却部内の流路を自然に循環方向へ流通できるように、前記冷却剤を自然対流を利用して循環させることを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
2007134181.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、該中空型セルを冷却する冷却剤を流通させる冷却装置とを備える燃料電池であって、
前記冷却装置は、
前記中空型セルの外面側及び／又は内面側に設けられて該中空型セルを直接冷却する冷却部と、該冷却部と共に冷却剤の循環流路を形成する冷却剤返却部と、該冷却部から排出された冷却剤を冷却する熱交換器とを備え、
前記冷却部は、前記冷却剤が前記中空型セルから熱を奪って熱膨張することで生じた上昇力によって該冷却部内の流路を自然に循環方向へ流通できるように、重力方向下部側に配置された冷却剤入口と、重力方向上部側に配置された冷却剤出口と、重力方向下部側から重力方向上部側へと方向決めされた上行流路を含む流路とを有し、
前記冷却剤返却部は、前記冷却部の冷却剤出口から冷却剤入口へと延び、且つ、重力方向上部側から重力方向下部側へと方向決めされた下行流路を含む流路を有し、
前記熱交換器は、前記冷却部の冷却剤出口から流出した冷却剤が、該熱交換器によって熱を奪われて収縮することで生じた下降力によって、前記冷却剤返却部内の流路を自然に循環方向へ流通できるように、該冷却剤返却部内の流路上に配置されており、
前記冷却剤を自然対流を利用して循環させることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記冷却部の冷却剤出口から該冷却部への冷却剤の逆流を防止する逆流防止手段をさらに備える請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記逆流防止手段が、前記冷却部の冷却剤出口から該冷却部への冷却剤の逆流を防止する逆止弁である、請求項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】特表２００４−５０５４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、発電に伴い発生する熱を、冷却剤を流通させることにより回収し、セル外へと排出して熱交換することが行われている。このようにセル内の温度を所定範囲内に制御することにより、安全で安定した発電が可能となる。また、セル内の温度が過度に上昇することによる、構成部材の劣化を防止することもできる。
例えば、中空型セルを備える燃料電池においては、冷却剤が流通する冷却部と各中空型セルとが接するように配設され、冷却部を通流する冷却剤によってセルが冷却されるようにする。
【００１０】
従来、燃料電池に搭載されてきた冷却装置は、セルを冷却する冷却部に対して冷却剤タンクからポンプにより冷却剤を供給し、冷却部を通過してセルを冷却した冷却剤がラジエータ等の熱交換器によって冷却された後、冷却剤タンクに帰還するような冷却剤循環系統を構成するものであった。
このように冷却剤の循環には、ポンプ等の補機を用い、冷却剤を強制的に循環させるのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、補機の稼働にはエネルギーを要するため、補機を用いて冷却剤を循環させる燃料電池においては、補機稼働分のエネルギー損失が発生し、発電効率の低下を招いていた。
【００１１】
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、冷却剤を循環させるためのポンプ等の補機稼動分のエネルギーを減少させ、燃料電池の発電効率を向上させることを目的とする。
【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、該中空型セルを冷却する冷却剤を流通させる冷却装置とを備える燃料電池であって、前記冷却装置は、前記中空型セルの外面側及び／又は内面側に設けられて該中空型セルを直接冷却する冷却部と、該冷却部と共に冷却剤の循環流路を形成する冷却剤返却部と、該冷却部から排出された冷却剤を冷却する熱交換器とを備え、前記冷却部は、前記冷却剤が前記中空型セルから熱を奪って熱膨張することで生じた上昇力によって該冷却部内の流路を自然に循環方向へ流通できるように、重力方向下部側に配置された冷却剤入口と、重力方向上部側に配置された冷却剤出口と、重力方向下部側から重力方向上部側へと方向決めされた上行流路を含む流路とを有し、前記冷却剤返却部は、前記冷却部の冷却剤出口から冷却剤入口へと延び、且つ、重力方向上部側から重力方向下部側へと方向決めされた下行流路を含む流路を有し、前記熱交換器は、前記冷却部の冷却剤出口から流出した冷却剤が、該熱交換器によって熱を奪われて収縮することで生じた下降力によって、前記冷却剤返却部内の流路を自然に循環方向へ流通できるように、該冷却剤返却部内の流路上に配置されており、前記冷却剤を自然対流を利用して循環させることを特徴とする。
本発明の燃料電池は、冷却剤を自然対流を利用して循環させるため、冷却剤を循環させるための補機の稼働に要するエネルギーを減少させることが可能である。
【００１３】
本発明の燃料電池は、前記冷却部の冷却剤出口から該冷却部への冷却剤の逆流を防止する逆流防止手段をさらに備えていてもよい。前記冷却部の冷却剤出口から該冷却部への冷却剤の逆流を防止することによって、冷却剤の自然対流を効率的に形成することができる。
前記逆流防止手段としては、例えば、前記冷却部の冷却剤出口から該冷却部への冷却剤の逆流を防止する逆止弁が挙げられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、冷却剤を自然対流現象を利用して循環させることが可能であり、ポンプ等の冷却剤を循環させる補機稼動分のエネルギー損出を抑えることができる。ゆえに、本発明の燃料電池は発電効率に優れるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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、該中空型セルを冷却する冷却剤を流通させる冷却装置とを備える燃料電池であって、前記冷却装置は、前記中空型セルの外面側及び／又は内面側に設けられて該中空型セルを直接冷却する冷却部と、該冷却部と共に冷却剤の循環流路を形成する冷却剤返却部と、該冷却部から排出された冷却剤を冷却する熱交換器とを備え、前記冷却部は、前記冷却剤が前記中空型セルから熱を奪って熱膨張することで生じた上昇力によって該冷却部内の流路を自然に循環方向へ流通できるように、重力方向下部側に配置された冷却剤入口と、重力方向上部側に配置された冷却剤出口と、重力方向下部側から重力方向上部側へと方向決めされた上行流路を含む流路とを有し、前記冷却剤返却部は、前記冷却部の冷却剤出口から冷却剤入口へと延び、且つ、重力方向上部側から重力方向下部側へと方向決めされた下行流路を含む流路を有し、前記熱交換器は、前記冷却部の冷却剤出口から流出した冷却剤が、該熱交換器によって熱を奪われて収縮することで生じた下降力によって、前記冷却剤返却部内の流路を自然に循環方向へ流通できるように、該冷却剤返却部内の流路上に配置されており、前記冷却剤を自然対流を利用して循環させることを特徴とする。
【００１６】
本発明の燃料電池は、中空型セルを冷却する冷却剤を、自然対流を利用して循環させるため、冷却剤をポンプ等の補機を用いて強制的に循環させる従来の燃料電池と比較して、冷却剤の循環に要するエネルギーを低減することが可能である。従って、本発明の燃料電池は、補機稼働分のエネルギーを削減可能な発電効率の高いものである。
【００１７】
以下、図１〜７を参照しながら、本発明を詳しく説明していく。
図１は、本発明の燃料電池における冷却装置の一形態例を示す概念図である。
冷却装置７は、該中空型セル６を直接冷却する冷却部８と、該冷却部８と共に冷却剤の循環流路を形成する冷却剤返却部１０と、中空型セルを冷却した後、冷却部８から排出された冷却剤を冷却する熱交換器９とを備えている。
【００１８】
図１において、冷却部８は、中空型セル６の外面側に該中空型セル６と接するように配設されており、該冷却部８内の流路を流通する冷却剤によって、中空型セル６の熱が回収されるようになっている。冷却部８内の流路において、冷却剤は中空型セル６から熱を奪うことによって自身の温度が次第に高くなる。その結果、冷却剤は膨張してその比重が小さくなり、上昇力が発生する。
【００１９】
この上昇力によって冷却剤が冷却部８内の流路を自然に循環方向へ流通できるように、該冷却部８は冷却剤入口８inが重力方向下部側に、冷却剤出口８outが重力方向上部側に配置され、且つ、重力方向下部側から重力方向上部側へと方向決めされた上行流路８ａを有している。ゆえに、冷却剤入口８inから冷却部内の流路に流入した冷却剤は、中空型セル６から熱を奪い、生じた上昇力で冷却部８内の流路を上昇して循環方向へ進行する。そして、冷却剤は冷却部内の流路を上昇しながらさらに中空型セル６から熱を奪い、さらに上昇する、というサイクルを繰り返しながら、冷却部８内を循環方向へ、すなわち、冷却剤入口８inから上行流路８ａを経て冷却剤出口８outへと向かって自然に流通する。
【００２０】
ここで、上行流路とは、冷却剤の循環方向の上流側から下流側へと至る流路全体において、上流側が重力方向下部側、下流側が重力方向上部側に位置するように水平方向に対して垂直な又は傾斜した流路であって、重力方向下部側から重力方向上部側へと方向決めされており、水平流路や、上流側が重力方向上部及び下流側が重力方向下部に位置する下行流路とは区別される。
また、下行流路は、冷却剤の循環方向の上流側から下流側へと至る流路全体において、上流側が重力方向上部側、下流側が重力方向下部側に位置するように水平方向に対して垂直な又は傾斜した流路であって、重力方向上部側から重力方向下部側へと方向決めされており、水平流路や上行流路とは区別される。
【００２１】
冷却部８の冷却剤入口８in及び冷却剤出口８outの具体的な配置位置や、これら入口８inと出口８outを結ぶ冷却部内流路（上行流路を含む）の具体的な流路形態は、冷却剤が、入口８inから出口８outへ向かう循環方向に流通することができれば、特に限定されない。
例えば、図１においては、冷却部８は、重力方向に対して平行にまっすぐに延びる上行流路８ａと、該上行流路８ａの両端に設けられた冷却剤入口８in（重力方向下部側）及び冷却剤出口８out（重力方向上部側）とを有しているが、図１の冷却部の上行流路を、重力方向下部側から重力方向上部側へと方向決めされる範囲内で、重力方向に対して傾斜させた形態でもよい。
【００２２】
或いは、冷却剤が冷却剤入口から冷却剤出口へと向かう循環方向に通流することができれば、冷却部内の流路は上行流路のみから構成されていなくてもよく、例えば、上行流路と、水平流路及び／又は下行流路とから構成されていてもよい。下行流路を含む冷却部の場合、効率よく自然対流を発生させる観点から、当該下行流路の水平方向に対する傾斜角度は０〜１０°の範囲内であることが好ましい。また、同様の観点から、冷却部に下行流路や水平流路を含む場合、冷却部内の流路の全長の９０％以上が上行流路であることが好ましい。
冷却部内の流路を構成する上行流路は、１つであっても、複数であってもよい。
【００２３】
冷却部内において、循環方向へ流通する冷却剤の対流を効率よく発生するためには、通常、冷却部内流路は上行流路と水平流路のみで構成されるか、上行流路のみで構成されることが好ましく、特に、上行流路のみで構成されることが好ましい。下行流路や水平流路内では、冷却剤の上記上昇力が冷却剤を循環方向へと流通させる駆動力として働かないからである（図２参照。冷却部内に下行流路がある場合）。
【００２４】
また、冷却部の流路は、図１のように直線的な形状に限られず、曲線的な形状を有していてもよい。例えば、蛇行状でも、らせん状でもよい。冷却部の配設位置は、中空型セルの外面側でも、内面側でもよいし、その両方でもよい。
図１のように、冷却部が中空型セルの長手方向と平行な流路（上行流路）を有する場合には、効率よく中空型セルを冷却することができる。図１の場合、さらに、中空型セルは長手方向が重力方向に対して略平行となるように配置されているため、電極反応により生成した水を自重により効率よく排出することができるという利点もある。
尚、図１においては、１つの冷却部８のみが示されているが、冷却剤循環流路に複数の冷却部が含まれていてもよい。
【００２５】
冷却部８と共に冷却剤の循環流路を形成する冷却剤返却部１０は、冷却部８の冷却剤出口８outから冷却剤入口８inへと延びており、重力方向上部側に配置された冷却剤出口８outから流出した冷却剤が、重力方向下部側に配置された冷却剤入口８inへと下降できるよう、重力方向上部側から重力方向下部側へ方向決めされた下行流路１０ａを含む流路を有している。
冷却部８において中空型セルから熱を奪い、温度が上昇した冷却剤は、冷却剤返却部１０上に配置された熱交換器９によって冷却され、当該熱交換器９より下流側の冷却剤返却部１０を通って、再び冷却部８へ冷却剤入口８inから供給される。
【００２６】
このとき、熱交換器によって熱を奪われた冷却剤は、熱交換器による冷却前の温度の高い冷却剤と比べて収縮し、比重が小さくなるため下降力が発生する。
この下降力によって冷却剤が冷却剤返却部１０内の流路を自然に循環方向へ流通できるように、熱交換器９は冷却剤返却部１０内の流路上に設けられている。ゆえに、冷却部から流出した冷却剤は、熱交換器によって熱を奪われて温度が下がり、生じた下降力で冷却剤返却部１０内の流路を下降して循環方向へ、すなわち、冷却部８の冷却剤出口８out側から下行流路１０ａを経て冷却剤入口８in側へと自然に流通する。そして、冷却剤は、冷却部の冷却剤入口へと導かれて該冷却部に再び供給され、冷却部と冷却剤返却部とからなる循環流路内を循環する。
【００２７】
冷却剤返却部１０は、下行流路１０ａを含む流路であって、冷却部から流出した冷却剤が、上記下降力により冷却部の冷却剤入口へと導かれる流路を有していれば、その流路形態は特に限定されない。
例えば、図１においては、冷却剤返却部１０は、冷却部８の冷却剤出口８outから熱交換器９へと水平方向に延びる水平流路１０ｂと、熱交換器９から重力方向に対して平行にまっすぐに延びる下行流路１０ａと、該下行流路１０ａから冷却部８の冷却剤入口８inへと水平方向に延びる水平流路１０ｃとを有しているが、図１の下行流路１０ａを、重力方向上部側から重力方向下部側へと方向決めされる範囲内で、重力方向に対して傾斜させた形態としてもよいし、水平流路１０ｂを上行流路に変更したり、水平流路１０ｃを下行流路に変更した形態とすることもできる。また、冷却剤返却部を下行流路のみで構成してもよい。
【００２８】
また、冷却剤が、冷却剤返却部の流路内を冷却部の冷却剤出口側から冷却剤入口側へと向かう循環方向に通流することができれば、冷却剤返却部内の流路は、上行流路を含んでいてもよい。上行流路を含む冷却剤返却部の場合、効率よく自然対流を発生させる観点から、当該上行流路の水平方向に対する傾斜角度は０〜１０°の範囲内であることが好ましい。また、同様の観点から、冷却剤返却部に上行流路や水平流路を含む場合、冷却剤返却部内の流路の全長の９０％以上が下行流路であることが好ましい。
【００２９】
ただし、冷却剤返却部内の流路において、循環方向へ流通する冷却剤の対流を効率よく形成するためには、通常、熱交換器より下流側の冷却剤返却部の流路は、下行流路と水平流路のみで構成されるか、下行流路のみで構成されることが好ましい。上行流路内では、冷却剤の上記下降力が冷却剤を循環方向へと流通させる駆動力として働かないからである（図３参照）。
【００３０】
図１において、冷却剤返却部１０は下行流路１０ａを１つのみ有しているが、下行流路は複数でもよい。また、冷却剤返却部の流路は、図１のように直線的な形状に限られず、曲線的な形状を有していてもよく、例えば、蛇行状でも、らせん状でもよい。
【００３１】
冷却剤を冷却する熱交換器９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等が挙げられる。中でも、空気中に放熱するラジエーターが好ましい。
【００３２】
熱交換器の冷却剤返却部上の位置は、上述したような冷却剤の循環方向への自然な流通を可能とする位置であれば特に限定されない。例えば、図１において、熱交換器９は、水平流路１０ｂと下行流路１０ａが交差する流路上に配置されているが、水平流路１０ｂ上に配置してもよいし、或いは、下行流路１０ａ上に配置してもよい。
【００３３】
冷却剤を効率よく循環させるためには、熱交換器による冷却により発生する下降流が、冷却部内における上昇流と干渉しないことが好ましい。例えば、図１において、水平流路１０ｂ上であって、冷却部出口８outの上部に位置する位置に、熱交換器を設置した場合（図示せず）、当該熱交換器により冷却され、下降力が生じた冷却剤が冷却部出口８outから冷却部８内へと逆流するおそれがある。冷却剤出口８outから冷却部８内へ冷却剤が一部でも逆流すると、冷却部内における冷却剤の上昇（循環方向への流通）が妨げられ、また、冷却剤返却部内の下行流路を上流側から下流側へと下降する冷却剤の流れも弱くなる。その結果、自然対流による冷却剤の循環の実現が難しくなる。
このように、熱交換器の冷却により発生する下降流が、冷却部内に逆流する等、冷却部内における上昇流と干渉すると、冷却剤を効率よく循環させることが困難になるため、上記下降流が上記上昇流と干渉しないよう、熱交換器は冷却剤返却部の下行流路内に配置されることが好ましい。冷却剤返却部の下行流路内における熱交換器の具体的な位置としては、重力方向における位置が、冷却部の冷却剤出口の重力方向位置に対して、該冷却剤出口−冷却剤入口間の重力方向距離の３分の１程度重力方向下部側の位置から、重力方向上部側の範囲であることが好ましい。このとき、熱交換器は、冷却部の冷却剤出口よりも重力方向上部側に配置されていてもよい。
【００３４】
熱交換器の位置は、冷却部の流路形態（水平方向に対する角度や形状等）と冷却剤出口の形態との関係や、冷却部の冷却剤出口から熱交換器に至る冷却剤返却部の流路の形態、熱交換器の形態等、様々な要因を考慮して適宜設計することが好ましい。
【００３５】
図１に示す実施形態において、熱交換器９と冷却部８の冷却剤出口８outは、その配置位置が水平方向にずれているため、当該熱交換器９によって冷却され、下降力が生じた冷却剤は、冷却剤出口８outから冷却部８内へと逆流しない。すなわち、本実施形態においては、熱交換器９の設置位置が冷却部８への冷却剤の逆流を防止する逆流防止手段として機能している。
【００３６】
本発明の燃料電池は、上記のような冷却剤の効率的な循環の観点から、冷却剤の逆流を防止するように熱交換器を配置する他、必要に応じて、冷却部の冷却剤出口から該冷却部内への冷却剤の逆流を防止する逆流防止手段を設けることが好ましい。熱交換器の配置位置によって、或いは、冷却部の冷却剤出口と冷却剤返却部との連結部の構造や、冷却部の冷却剤出口から流出する冷却剤の流勢等によっては、冷却部の冷却剤出口から流出した冷却剤が、当該冷却剤出口へと逆流してしまう場合もある。これらの場合には、逆流防止手段として、冷却剤出口付近に当該冷却剤出口から冷却部への冷却剤の逆流を防止する逆止弁を設けたり（図４参照）、或いは、冷却剤出口と冷却剤返却部の連結部の構造を冷却剤の逆流を防止するような構造にすることもできる。
【００３７】
逆流防止手段として設けられる逆止弁の構造は特に限定されない。例えば、図４のように、冷却剤出口付近と共に冷却剤入口付近にも冷却剤の逆流を防止する逆止弁（１１ａ、１１ｂ）が設けられ、冷却部８内の冷却剤が膨張することによって、冷却剤出口側の逆止弁１１ａが冷却部外側へと開き、冷却剤出口８outから冷却剤が冷却部外へと流出し、この冷却部から流出した冷却剤に循環流路内の冷却剤の流れが押され、冷却剤入口側の逆止弁１１ｂが冷却部内側へと開き、冷却部に冷却剤が流入するような仕組みのものが挙げられる。
尚、逆流防止手段としての逆止弁の構造は特に限定されず、例えば、冷却剤出口付近の１箇所のみに設ける形態でもよい。また、逆流防止手段は、上記したものに限定されない。
【００３８】
一方、冷却剤の循環方向への流通を促進又は冷却剤返却部内における冷却剤の逆流を防止することを目的として、図５のように、冷却剤返却部１０内に逆止弁（１２ａ、１２ｂ）を設けてもよい。
図５の場合、冷却剤返却部１０の下行流路１０ａ上に設けられた熱交換器によって、冷却剤が冷却されて収縮すると、冷却剤出口８out側の逆止弁１２ａが循環方向へ冷却剤を流通させるように開き、熱交換器よりも上流側の冷却剤を逆止弁１２ａと逆止弁１２ｂ間の空間へと導く。そして、この空間へと導かれた冷却剤によって、冷却剤の流れが循環方向へと押され、冷却剤入口側の逆止弁１２ｂが冷却剤入口側へと開き、当該冷却剤入口へと冷却剤が導かれるような仕組みのものが挙げられる。
【００３９】
以上のように、本発明の燃料電池は、中空型セルを冷却する冷却装置において、冷却剤の循環に自然対流を利用するため、ポンプ等の補機を用いなくても或いは補機の使用割合を減らして、冷却剤を循環させることができる。従って、本発明によれば、従来、補機の稼働に要していたエネルギー分、発電効率を向上させることが可能である。
また、補機を用いない場合には、補機や補機の稼働に関わる構成部品数を削減することが可能であり、コスト削減の他、燃料電池の小型化、レイアウト設計の単純化等の利点もある。尚、本発明の燃料電池は、補機の使用を完全に排除するものではなく、高負荷時のようなセル内の温度が高くなる条件下等に、必要に応じて、ポンプ等の補機を補助的に用いて冷却剤を循環させてもよい。
本発明の燃料電池は、中空型セルを備えるものであり、平型の単セルを複数積層した形態の燃料電池と比較して、冷却剤流路構造の設計自由度が高く、また、冷却剤流路構造を単純化することができるため、冷却剤を自然対流させることが比較的容易に可能である。
【００４０】
冷却剤は、一般的に冷却剤として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。
尚、冷却剤中には、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。
【００４１】
冷却剤の循環流路のうち、冷却部は、該冷却部を冷却剤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。
【００４２】
冷却部は、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。中空型セルと冷却部の配置や冷却剤の種類によっては、冷却部や冷却剤からの漏電を防止する必要があるからである。一方、冷却部を中空型セルの集電材としても機能させる場合には、冷却部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、冷却部や冷却剤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。
【００４３】
冷却剤返却部の熱交換器を設置する部分も、通常は、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、上記冷却部を形成する材料として例示したものを用いることができる。当熱交換器設置部分以外の冷却剤返却部を形成する材料は、特に限定されず、一般的なものを用いることができる。
尚、本発明の燃料電池において、冷却装置には、必要に応じて、サーモスタット等を備えていてもよい。
【００４４】
以下、本発明の燃料電池に備えられる中空型セルについて説明する。
図６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７は、図６の中空型セルの断面図である。図６及び図７において、中空型セル６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を有している。さらに、アノード２の表面には、アノード側集電材４として柱状集電材が配置され、カソード３の表面には、カソード集電材５として、金属ワイヤからなる網状（ネット状）集電材５ａと棒状集電材５ｂが配置されている。
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、アノード側集電材４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。
【００４５】
図６の中空型セル６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６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。
【００４６】
図６において、中空型セル６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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。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、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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
アノード側集電材（本実施形態においては内面側電極表面に配置される内部集電材）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、その外周面には、中空型セルの軸方向（長手方向）に延びる溝４ａが形成されている。この溝と内面側電極２との隙間が水素ガスを供給するための中空内ガス流路となる。溝４ａ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。
【００６０】
カソード側集電材（本実施形態においては、外面側電極表面に配置される外部集電材）５の一部である網状集電材５ａは、中空型セルと棒状集電材５ｂを平行にして交互に並べ、これら両者の外周面を被覆するように金属ワイヤを編みこむことで製造できる。上述したように、棒状集電材５ｂを、流体やガスが流通できるような中空部５ｃを有するチューブ形状として、冷却装置の冷却部を兼ねるような構成としてもよい（図６、図７参照）。
【００６１】
上記カソード側又はアノード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。
【００６２】
尚、ここでは、柱状の内部集電材（本実施形態ではアノード側集電材）４及び網状の集電材５ａと棒状の集電材５ｂからなる外部集電材（本実施形態ではカソード集電材）５を中心に説明したが、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。
【００６３】
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、接続方法等は特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の燃料電池に備えられる冷却装置と中空型セルの一形態例を示す概念図である。
【図２】冷却部の流路内における冷却剤の流通を説明するための概念図である。
【図３】冷却剤返却部の流路内における冷却剤の流通を説明するための概念図である。
【図４】本発明の燃料電池に備えられる冷却装置と中空型セルの他の形態例を示す概念図である。
【図５】本発明の燃料電池に備えられる冷却装置と中空型セルの他の形態例を示す概念図である。
【図６】本発明の燃料電池に備えられる中空型セルの一形態例を示す斜視図である。
【図７】図６の中空型セルの断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…中空電解質膜（パーフルオロカーボンスルホン酸膜）
２…アノード（内面側電極）
３…カソード（外面側電極）
４…アノード側集電材（内部集電材）
５…カソード側集電材（外部集電材）
６…中空型セル
７…冷却装置
８…冷却部（８in：冷却剤入口、８out…冷却剤出口、８ａ：上行流路）
９…熱交換器
１０…冷却剤返却部（１０ａ…下行流路、１０ｂ…水平流路、１０ｃ…水平流路）
１１…逆止弁（１１ａ、１１ｂ）
１２…逆止弁（１２ａ、１２ｂ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007134181.tif 000006
【図５】
2007134181.tif 000007
【図６】
2007134181.tif 000008
【図７】
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