JP4945963B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、チューブ型燃料電池セルを備える燃料電池に関し、特に、チューブ型燃料電池セルと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。

従来の固体高分子型燃料電池（以下において、「ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）」と記述する。）では、平板型の電解質膜と、当該電解質膜の両側に配設される電極（カソード及びアノード）とを備える膜電極接合体（以下において、「ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）」と記述する。）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の両側に配設されるセパレータを介して外部に取り出している。ＰＥＦＣは、低温領域での運転が可能であるほか、高いエネルギー変換効率を示し、起動時間が短く、システムが小型軽量であることから、電気自動車や携帯用電源の最適な動力源として注目されている。

一方、上記ＰＥＦＣのユニットセルは、電解質膜、少なくとも触媒層を備えるカソード及びアノード、並びに、セパレータ等の構成部材を含み、その理論起電力は１．２３Ｖである。ところが、このような低起電力では電気自動車等の動力源として不十分であるため、通常は、ユニットセルを直列に積層した積層体の積層方向両端にエンドプレート等を配置して構成されるスタック形態のＰＥＦＣ（以下において、単に「燃料電池」と記述することがある。）が使用される。これに加え、燃料電池の発電性能をより一層向上させるためには、ユニットセルの小型化を図り、単位面積当たりの発電反応面積（出力密度）を大きくすることが好ましい。

従来の平板型燃料電池（以下において、「平板型ＦＣ」と記述することがある。）において単位面積当たりの出力密度を向上させ、発電性能を向上させるためには、上記構成部材の厚さを薄くする必要がある。しかし、平板型ＦＣにおいて構成部材を一定以下の厚さにすると、各構成部材の機能及び強度等が低下する虞があるため、当該形態の燃料電池により、単位面積当たりの出力密度を一定以上に向上させることは構造上困難である。

かかる観点から、近年、チューブ型のＰＥＦＣ（以下において、「チューブ型ＰＥＦＣ」と記述することがある。）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、「チューブ型セル」と記述することがある。）は、中空形状の電解質層と、当該電解質層の内側及び外側に配設される中空形状の電極層とを備える中空形状のＭＥＡ（以下において、単に「中空ＭＥＡ」と記述する。）を備えている。そして、当該中空ＭＥＡの内側及び外側に反応ガス（水素含有ガス及び酸素含有ガス）を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、中空ＭＥＡの内側及び外側に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によれば、各ユニットセルに備えられる中空ＭＥＡの内側に一方の反応ガス（水素含有ガス又は酸素含有ガス）を、外側に他方の反応ガス（酸素含有ガス又は水素含有ガス）を供給することで発電エネルギーを取り出すことが容易になる。すなわち、チューブ型ＰＥＦＣによれば、隣り合う２つのユニットセルの外側面に供給される反応ガスを同一とすることができるため、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。したがって、チューブ型ＰＥＦＣによれば、効果的にユニットセルの小型化を図ることが可能になる。

これまでに、チューブ型ＰＥＦＣ等のチューブ型燃料電池（以下において、単に「チューブ型ＦＣ」と記述することがある。）に関する技術はいくつか開示されてきている。例えば、特許文献１には、複数のチューブ型燃料電池セル（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。
特表２００４−５０５４１７号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術では、冷却管が円管形状であることから、チューブ型燃料電池セルと冷却管とが線でのみ接触し、冷却効率を向上させ難いという問題があった。

そこで本発明は、チューブ型燃料電池セルとの熱交換効率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。

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、
請求項１に記載の発明は、チューブ型燃料電池セルと、内部に熱媒体流路を有する熱交換部材であって、チューブ型燃料電池セルの外側に配設される熱交換部材とを備え、該熱交換部材の外周面が凹部を有し、チューブ型燃料電池セルの外周面と、熱交換部材の外周面の少なくとも一部とが、上記凹部において面接触していることを特徴とする、燃料電池により、上記課題を解決する。

本発明において、「チューブ型燃料電池セルの外側に配設される熱交換部材」とは、熱交換部材が、チューブ型燃料電池セルの外周面の少なくとも一部と面接触し得る形態で配置されることを意味している。ここに、「熱交換部材」とは、その内部に熱媒体流路を有する部材を指し、冷却媒体が流通する場合には、チューブ型燃料電池セルを冷却すべき冷却管として機能する一方、温熱媒体が流通する場合には、チューブ型燃料電池セルを加温すべき加温管として機能する。本発明にかかる熱交換部材は、内部に熱媒体流路を備えていればその形態は特に限定されず、単一の中空形状からなる冷却管のみならず、後述するように、複数の熱媒体流路を内部に備え、複数の管状の熱交換部材の肉厚部を連結して形成されるような形態をも含む概念である。また、本発明において、１つの熱交換部材と面接触するチューブ型燃料電池セルの数は、特に限定されない。単一のチューブ型燃料電池セルのみと面接触していても良く、複数（例えば、４つ、又は４つ以上）のチューブ型燃料電池セルと面接触していても良い。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、チューブ型燃料電池セルの外周面と熱交換部材の外周面との接触面積が、熱交換部材の外周面面積の２％以上５０％以下であることを特徴とする。

本発明において、「接触面積が、熱交換部材の外周面面積の２％以上５０％以下」とは、チューブ型燃料電池セルの外周面と面接触している熱交換部材の外周面の面積が、熱交換部材の外周面面積全体の２％以上５０％以下であることを意味している。ここで、「熱交換部材の外周面面積全体」とは、熱交換部材の外周面のうち、チューブ型燃料電池セルの外周面と接触する面の面積をＡ、チューブ型燃料電池セルの外周面と接触しない面の面積をＢとするとき、「Ａ＋Ｂ」で表される面積を意味している。すなわち、Ａ及びＢを用いれば、請求項２の条件は、「０．０２≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）≦０．５」と表すことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、チューブ型燃料電池セルと面接触すべき、熱交換部材の外周面に、反応ガス流路が形成されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、熱交換部材が、電気伝導性を有していることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、熱交換部材の内側に冷却媒体が流れ、冷却媒体と接触すべき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６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、上記凹部が、チューブ型燃料電池セルの外周面に対応する形状を有することを特徴とする。

ここに、冷却媒体の具体例としては、水のほか、エチレングリコール等を挙げることができる。

請求項１に記載の発明によれば、チューブ型燃料電池セルと熱交換部材とが面接触しているので、これらの外周面が線で接触していた従来技術よりも、チューブ型燃料電池セルの熱交換効率を大幅に向上させることが可能になる。したがって、本発明によれば、チューブ型燃料電池セルの熱交換効率を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。

請求項２に記載の発明によれば、チューブ型燃料電池セルの外周面と熱交換部材の外周面との接触面積が、熱交換部材の外周面面積の２％以上５０％以下とされている。そのため、チューブ型燃料電池セルの熱交換効率を向上させつつ、チューブ型燃料電池セルへと供給されるガスの供給効率を維持することが可能になる。したがって、本発明によれば、発電効率を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。

請求項３に記載の発明によれば、熱交換部材の外周面に反応ガス流路が形成されている。そのため、チューブ型燃料電池セルの外周面と熱交換部材の外周面とが面接触しても、当該反応ガス流路を介して、チューブ型燃料電池の外周面へ反応ガスを供給することが可能になる。したがって、請求項３に記載の発明によれば、反応ガスの拡散性低下を抑制しつつ、チューブ型燃料電池セルの熱交換効率を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。

請求項４に記載の発明によれば、熱交換部材が電気伝導性を有している。このように、チューブ型燃料電池セルの外側に配設される熱交換部材が電気伝導性を有していれば、当該熱交換部材に、集電体としての機能を担わせることが可能になる。したがって、本発明によれば、さらに、集電効率を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。

請求項５に記載の発明によれば、冷却媒体と接触すべき熱交換部材の表面が、電気絶縁性を有する材料によって構成されている。したがって、本発明によれば、上記効果に加えて、さらに漏電を防止して発電性能を向上させることが可能な、燃料電池を提供できる。

単位体積当たりの出力密度を向上させること等を目的として、チューブ型ＦＣに関する研究が進められている。チューブ型ＦＣも、平板型ＦＣ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、ＰＥＦＣなら約１００℃程度）ため、発電性能を向上させるには、チューブ型ＦＣのセルを冷却し、当該セルの温度を所定の温度範囲内に収める必要がある。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、チューブ型ＦＣセルを加温することが必要とされる場合がある。それゆえ、チューブ型ＦＣでは、チューブ型ＦＣのセルを冷却／加温すべき熱交換部材（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。しかし、従来の冷却管は円管形状であり、冷却管はチューブ型ＦＣセルと線でのみ接触していた。そのため、冷却管の外周面とチューブ型ＦＣセルの外周面との接触面積が少なく、熱交換効率が低下しやすかった。チューブ型ＦＣセルの熱交換効率向上、特に、冷却効率向上を図るには、当該セルと冷却管との接触面積を増やす必要がある。

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、チューブ型燃料電池セルと面接触する形態の熱交換部材を介して、チューブ型燃料電池セルを冷却／加温し、その熱交換効率を向上させることにある。ここで、チューブ型燃料電池セルと熱交換部材とを面接触させると、当該外周面への反応ガスの拡散が阻害される虞がある。そのため、本発明では、熱交換部材の外周面に反応ガス流路を形成することで、反応ガスの拡散確保と、熱交換効率向上効果との両立を図っている。さらに、かかる形態の熱交換部材を、隣接するチューブ型燃料電池セルによって形成される隙間に配設すれば、熱交換効率を向上させつつ、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。加えて、当該熱交換部材を、電気導電性を有する材料により構成すれば、当該熱交換部材に、集電体の機能を担わせることが可能になり、集電効率の向上と更なる小型化を図ることが可能になる。

以下に図面を参照しつつ、本発明の燃料電池について具体的に説明する。なお、以下の説明では、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、チューブ型燃料電池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。

まず、本発明を容易に理解可能とするため、従来の燃料電池と本発明の燃料電池との差異を、図１を参照しつつ説明する。

図１（Ａ）は、本発明の燃料電池におけるチューブ型燃料電池セルと冷却管との配置形態を概略的に示す正面図であり、図１（Ｂ）は、従来の燃料電池におけるチューブ型燃料電池セルと冷却管との配置形態例を概略的に示す正面図である。図１（Ａ）に示すように、本発明にかかる冷却管１０ａの外周面は、チューブ型燃料電池セル１、１、１、１の外周面と面接触可能な形態に形成されており、各チューブ型燃料電池セル１、１、１、１と冷却管１０ａとは、面接触している。これに対し、図１（Ｂ）に示すように、円管形状を有する従来の冷却管９０を、複数のチューブ型燃料電池セル１、１、１、１によって形成される隙間に配設しても、冷却管９０及びチューブ型燃料電池セル１は共に円管形状（チューブ型形状）を有しているため、これらは線で接触（線接触）するのみであった。すなわち、従来の燃料電池では、冷却管とチューブ型燃料電池セルとの接触面積が、本発明における接触面積よりも著しく少ないため、冷却効率を向上させることが困難であった。

図２は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セル及び冷却管を概略的に示す斜視図であり、図３は、図２に示す冷却管の形態を概略的に示す斜視図である。図２及び図３において、図１に示す燃料電池の構成要素と同様の構成を採る要素には、図１にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図２及び図３を参照しつつ、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池について説明する。

図２に示すように、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる冷却管１０ａは、隣接する４つのチューブ型燃料電池セル１、１、１、１によって形成される隙間に配設されている。かかる冷却管１０ａは、例えば、導電性を有する材料（例えば、Ｔｉ等）からなりその表面に貴金属めっき（例えば、金めっき）が施された複数のプレート状部材を、導電性を有する材料（例えば、Ｔｉ等）からなりその外周面に貴金属めっき（例えば、金めっき）が施された円管状部材に、所定の間隔を開けて固定する等の方法により形成されている。チューブ型燃料電池セル１、１、１、１の軸方向長さと同等程度の長さを有する冷却管１０ａに形成されている孔１３には、電気絶縁性を有するチューブ型部材（例えば、シリコンゴム製の管等）が配設され、この部材内を水等の冷却媒体が流れている。そして、かかる冷却媒体によって冷却される冷却管１０ａの外周面と、チューブ型燃料電池セル１、１、１、１の外周面とが面接触することで、これら４つのチューブ型燃料電池セル１、１、１、１を効率良く冷却可能としている。

図３に示すように、第１実施形態にかかる冷却管１０ａの外周面には、管の軸方向と交差する方向、及び、管の軸方向と平行な方向に、それぞれ、反応ガス流路１１、１１、…、及び、１２、１２、…が形成されており、これらの反応ガス流路１１、１１、…、１２、１２、…を介して、チューブ型燃料電池セル１、１、…の外周面に、反応ガスが供給される。このように、冷却管１０ａの外周面に反応ガス流路１１、１１、…、１２、１２、…が形成されていれば、隙間１５ａ、１５ａ、１５ｂ、１５ｂに面しているチューブ型燃料電池セル１、１、１、１の外周面のみならず、冷却管１０ａの外周面に面しているチューブ型燃料電池セル１、１、１、１の外周面にも、反応ガスを供給することが可能になり、反応ガスの供給過少による発電性能の低下を回避することが可能になる。すなわち、かかる形態の冷却管１０ａを、チューブ型燃料電池セル１、１、１、…の間に配設することで、反応ガスの拡散性を維持しつつ、冷却効率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。なお、第１実施形態にかかる冷却管１０ａ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反応ガス流路が形成されている。そのため、例えば、各チューブ型燃料電池セル１、１、…で発生する水蒸気が冷却管１０ａと接触して生じる液滴の水を、反応ガス流路１１、１１、…に沿って移動させて反応ガス流路１２、１２、…に集め、その後、当該反応ガス流路１２、１２、…に集まった液滴の水を、外部へ排出することが可能になる。

また、上述のように、冷却管１０ａは、導電性を有する材料により形成されており、当該冷却管１０ａは、各チューブ型燃料電池セル１、１、１、１と面接触している。そのため、冷却管１０ａによって、チューブ型燃料電池セル１、１、１、１外周面の周方向及び軸方向における集電を行うことが可能になる。このように、冷却管１０ａが集電体としても機能させれば、燃料電池の構成を簡略化することが可能になるほか、チューブ型燃料電池セル１、１、１、１と面接触する冷却管１０ａによって、集電効率を向上させることも可能になる。

図４は、第１実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セル及び冷却管を概略的に示す斜視図である。図４に示すように、第１実施形態にかかる燃料電池では、４つのチューブ型燃料電池セル１、１、１、１によって形成される全ての隙間に、冷却管１０ａが配設される形態で、チューブ型燃料電池セル１、１、…、及び、冷却管１０ａが配置される。かかる形態とすることで、反応ガスの拡散性を確保しつつ、全てのチューブ型燃料電池セル１、１、…を効率よく冷却することが可能になる。また、チューブ型燃料電池セル１、１、…を、紙面上下方向に積層する場合にも、同様に、４つのチューブ型燃料電池セル１、１、１、１によって形成される隙間に、冷却管１０ａが配設される形態で、チューブ型燃料電池セル及び冷却管を配設すれば良い。

なお、上記説明では、隙間１５ａ、１５ａ、１５ｂ、１５ｂと対向する端面に、軸方向と平行な方向の反応ガス流路１２、１２、…が形成されている形態の冷却管１０ａについて記述したが、当該反応ガス流路１２、１２、…が形成される部位は、上記部位に限定されず、チューブ型燃料電池セル１、１、…の外周面と対向する面に形成しても良い。また、上記説明では、チューブ型燃料電池セルによって形成される全ての隙間に冷却管が配設される形態について記述したが、本発明の燃料電池は当該形態に限定されるものではなく、当該隙間の一部にのみ冷却管が配設される形態としても良い。

図５は、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セル及び冷却管を概略的に示す斜視図である。また、図６は、第２実施形態にかかる冷却管の形態を概略的に示す上面図である。図５及び図６において、図２に示す本発明の燃料電池の構成要素と同様の構成を採る要素には、図２にて使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。以下、図５及び図６を適宜参照しつつ、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池について説明する。なお、図示の冷却管は、例えば、導電性を有する材料（例えば、Ｃｕ等）の表面を貴金属めっき（例えば、Ａｕめっき）することにより形成されている。

図５に示すように、第２実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられる冷却管１０ｂは、図３に示す冷却管１０ａを紙面左右方向に連結して一体に形成したような、波打った形態を有し、その表面に反応ガス流路が形成されている。そして、複数の孔１３、１３、…には、電気絶縁性を有するチューブ型部材（例えば、シリコンゴム製の管等）が配設され、当該部材内を水等の冷却媒体が流れている。本発明にかかる冷却管１０ｂがかかる形態を有していても、当該冷却管１０ｂと複数のチューブ型燃料電池セル１、１、…とが面接触するので、当該チューブ型燃料電池セル１、１、…の冷却効率を向上させ得る、燃料電池２００とすることができる。

また、図６に示すように、第２実施形態にかかる冷却管１０ｂの外周面には、軸方向と交差方向に形成された反応ガス流路１１、１１、…が途中で途切れること無く形成されているため、第２実施形態にかかる燃料電池２００によれば、反応ガスを、当該軸方向と交差方向へ高流速で拡散させること、及び、反応ガスの圧力損失を低減することができる。反応ガスを高流速で拡散させると、反応ガス流路に存在し得る液滴の水を、反応ガスによって容易に除去することが可能になるため、フラッディングの発生を効果的に抑制することができる。

また、第１実施形態にかかる冷却管１０ａと同様に、第２実施形態にかかる冷却管１０ｂは、導電性を有する材料によって形成されており、当該冷却管１０ｂは、複数のチューブ型燃料電池セル１、１、…と面接触している。そのため、チューブ型燃料電池セル１、１、…の外周面の集電を、当該冷却管１０ｂによって行うことが可能になる。したがって、第２実施形態にかかる燃料電池２００によっても、燃料電池の構成を簡略化すること、及び、集電効率を向上させることが可能になる。

上記第２実施形態にかかる燃料電池の説明では、軸方向と交差する方向に形成された反応ガス流路１１、１１、…のみを備える形態の冷却管１０ｂについて記述したが、本実施形態にかかる冷却管の形態はこれに限定されず、軸方向と平行な方向に反応ガス流路が形成されていても良い。ただし、一体に形成された第２実施形態にかかる冷却管１０ｂの外周面に、軸方向と平行な方向に反応ガス流路を形成すると、当該反応ガス流路と軸方向と交差する方向に形成された反応ガス流路とが交差する部位で反応ガスの流れに乱れが生じて、圧損が増大し、反応ガスの流速が低下する虞がある。そのため、第２実施形態にかかる燃料電池は、反応ガスの高流速拡散及び圧損低減効果を得る観点から、軸方向と交差する方向にのみ反応ガス流路１１、１１、…が形成されている形態の冷却管１０ｂを備える構成とすることが好ましい。

上記第１実施形態及び第２実施形態にかかる本発明の燃料電池の説明では、冷却管１０ａ、１０ｂの孔１３、１３、…に電気絶縁性を有するチューブ型部材が配設されている形態について記述したが、本発明は当該形態に限定されない。孔１３、１３、…に、電気絶縁性を有する部材が備えられる場合には、例えば、当該孔１３、１３、…の表面の一部のみを、電気絶縁性を有する材料によりコーティングしても良い。ここで、孔１３、１３、…に電気絶縁性を有する材料が備えられると、冷却管１０ａ、１０ｂの電気伝導性及び熱伝導性が低下する虞がある一方、当該材料が備えられないと、漏電の可能性がある。そのため、孔１３、１３、…に電気絶縁性を有する部材を配設するか否かについては、これらの性質を総合的に勘案した上で、適宜決定することが好ましい。なお、上述のように、孔１３、１３、…に電気絶縁性を有する材料が備えられると、冷却管１０ａ、１０ｂの熱伝導性が低下する虞があるため、孔１３、１３、…に当該材料が備えられる構成とする場合には、電気絶縁性を備え、かつ、良好な熱伝導性を有する材料（例えば、高熱伝導性シリコンゴムにより形成したチューブ等）を選択することが好ましい。一方で、冷却管の電気伝導性及び熱伝導性の確保を重視する場合には、冷却管の孔１３、１３、…に、電気絶縁性を有する材料が備えられない形態とすることもできる。

上記説明では、導電性を有する材料の表面を貴金属めっきすることにより形成される形態の冷却管について記述したが、本発明にかかる冷却管は、当該形態に限定されず、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。良好な耐食性を有する構成材料の具体例としては、金、白金、チタン、ステンレス鋼等を挙げることができ、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構成される冷却管の表面を、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。

さらに、冷却管に集電体の機能をも担わせる場合には、冷却管を、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の具体例としては、金、白金、銅等を挙げることができる。ここに、冷却管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冷却管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、銅製の冷却管の表面を、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。なお、良好な耐食性を有する上記材料によって形成された冷却管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、冷却管の肉厚部内に、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、冷却管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。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態にかかる冷却管１０ａの製造方法は、特に限定されず、例えば、当該形態の冷却管１０ａ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ことにより製造することができる。しかし、かかる方法では、反応ガス流路を精度良く形成することが困難になる場合が想定される。そこで、以下に、本発明にかかる冷却管の他の製造方法形態例について説明する。

図７は、本発明にかかる冷却管を構成すべき部材を示す概略図であり、図７（Ａ）は、第１実施形態にかかる冷却管１０ａを構成すべき部材の正面図、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）の矢視図、図７（Ｃ）は、第１実施形態及び／又は第２実施形態にかかる冷却管を構成すべき孔を備える管材の斜視図、図７（Ｄ）は、第２実施形態にかかる冷却管１０ｂを構成すべき部材の正面図、図７（Ｅ）は、図７（Ｄ）の矢視図である。

図７（Ｃ）に示す形態の管材２０の外周面に、所定の間隔を開けて、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示す形態のプレート状部材２１ａを順次固定することにより、第１実施形態にかかる冷却管１０ａを製造することができる。なお、管材２０及びプレート状部材２１ａが共に金属製である場合、上記固定方法の具体例としては、溶接等を挙げることができる。

一方、図７（Ｄ）及び（Ｅ）に示す形態のプレート状部材２１ｂを、所定の間隔を開けて一方向に複数配置した後、当該各部材２１ｂに設けられている孔に、図７（Ｃ）に示す形態の管材２０を順次固定することにより、第２実施形態にかかる冷却管１０ｂを製造することができる。管材２０及びプレート状部材２１ｂが共に金属製である場合、上記固定方法の具体例としては、溶接等を挙げることができる。

上記説明では、チューブ型燃料電池セル１、１、…が格子状に配置され、これらのチューブ型燃料電池セル１、１、…によって形成される隙間に冷却管が配設される形態の燃料電池１００、２００を図示したが、本発明において、チューブ型燃料電池セルの配置形態は当該形態に限定されず、ハニカム状に配置しても良い。チューブ型燃料電池セルをハニカム状に配置すると、チューブ型燃料電池セルによって形成される隙間が、図示の形状とは異なる形状になるため、かかる場合には、当該変更後の隙間に配設可能な形態に形成した冷却管を備える燃料電池とすれば良い。ただし、チューブ型燃料電池セルをハニカム状に配置すると、反応ガスの圧損が増加し、反応ガスの流速が低下してフラッディング抑制効果が低減するほか、１つ１つの上記隙間が小さくなるため、冷却管内を流れる冷却媒体用の空間が小さくなり、冷却効率向上効果が低減する虞がある。そのため、反応ガスの圧損を低減し、十分なフラッディング抑制効果を得つつ、冷却効率を容易に向上可能とする観点からは、格子状に配置されたチューブ型燃料電池セルを備える形態の燃料電池とすることが好ましい。なお、本発明にかかる冷却管内を流れる冷却媒体は、水に限定されるものではなく、エチレングリコール等、他の冷却媒体であっても良い。

本発明において、チューブ型燃料電池セルの冷却効率を向上させる観点からは、冷却管の外周面とチューブ型燃料電池セルの外周面との接触面積（以下において、「接触面積Ａ」と記述することがある。）を大きくすることが好ましい。これに対し、チューブ型燃料電池セルの外周面に反応ガスを容易に拡散可能とする観点からは、冷却管の外周面とチューブ型燃料電池セルの外周面との接触面積Ａを小さくし、非接触面積（チューブ型燃料電池セルの外周面と接触しない、冷却管外周面の面積。以下において、「非接触面積Ｂ」と記述することがある。）を大きくすることが好ましい。しかし、この非接触面積Ｂを大きくし過ぎると、チューブ型燃料電池セルの冷却効率向上という本発明の目的を達成できない。そこで、本発明では、接触面積Ａ及び非接触面積Ｂの割合を、燃料電池全体としての発電性能を向上可能な割合とすることが好ましい。チューブ型燃料電池セルの冷却効率を向上可能とする観点からは、接触面積Ａを冷却管の外周面面積全体（Ａ＋Ｂ）の２％以上とすることが好ましく、ガスの拡散効率を確保する観点からは、接触面積Ａを冷却間の外周面面積全体（Ａ＋Ｂ）の５０％以下とすることが好ましい。したがって、本発明では、０．０２≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）≦０．５とすることが好ましい。より好ましくは、０．２≦Ａ／（Ａ＋Ｂ）≦０．４である。

従来の燃料電池と本発明の燃料電池との差異点を示す概略図である。 第１実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セル及び冷却管を示す斜視図である。 第１実施形態にかかる冷却管の形態を示す斜視図である。 第１実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セル及び冷却管を示す斜視図である。 第２実施形態にかかる本発明の燃料電池に備えられるチューブ型燃料電池セル及び冷却管を示す斜視図である。 第２実施形態にかかる冷却管の形態を示す上面図である。 本発明にかかる冷却管を構成すべき部材を示す概略図である。

符号の説明

１ チューブ型燃料電池セル
１０ａ、１０ｂ 冷却管（熱交換部材）
１１、１２ 反応ガス流路
１３ 孔
１５ａ、１５ｂ 隙間
１００、２００ 燃料電池

Claims (6)

1. チューブ型燃料電池セルと、内部に熱媒体流路を有する熱交換部材であって、前記チューブ型燃料電池セルの外側に配設される熱交換部材とを備え、
   該熱交換部材の外周面が凹部を有し、
   前記チューブ型燃料電池セルの外周面と、前記熱交換部材の外周面の少なくとも一部とが、前記凹部において面接触していることを特徴とする、燃料電池。
2. 前記チューブ型燃料電池セルの前記外周面と前記熱交換部材の前記外周面との接触面積が、前記熱交換部材の外周面面積の２％以上５０％以下であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記チューブ型燃料電池セルと面接触すべき、前記熱交換部材の外周面に、反応ガス流路が形成さ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。
4. 前記熱交換部材が、電気伝導性を有してい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。
5. 前記熱交換部材の内側に冷却媒体が流れ、該冷却媒体と接触すべき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１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
6. 前記凹部が、前記チューブ型燃料電池セルの外周面に対応する形状を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。

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