JP2002329510A - カートリッジ構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】カートリッジ構造において、燃料電池セル管の
熱応力を少なくし、運転時の温度変化に適切に対応可能
とする。 【解決手段】燃料ガス１を供給する供給室８と、供給室
８から離れて設けられ、燃料ガス１を排出する排出室９
と、供給室８と排出室９との間に設けられ、酸化剤ガス
２を供給する酸化剤供給部４と、一端部である第１端部
で供給室８に開放されて接合され、他端部である第２端
部で排出室９に開放されて接合され、基体管の外面に燃
料電池を形成された燃料電池セル管３と、一端部である
第３端部で供給室８に接合され、他端部である第４端部
で排出室９に接合され、熱膨張係数が、前記燃料電池セ
ル管３の熱膨張係数と概ね等しいフレーム支持体１３、
１５とを具備するカートリッジ構造を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池のスタック（燃料電池の
セル及びそれに付属したガスの供給及び排気を行なう構
成を、ここではスタックと呼ぶ）の概略構成の一例を図
１０に示す。ただし、図１０では、ガスの予熱と熱交換
に関する部分、及び、発電された電力の集電に関わる部
分は省略している。

【０００３】図１０を参照して、燃料電池は、ガス供給
部であるヘッダ１１０と、発電部であるセルチューブ１
１１とを具備する。ヘッダ１１０は、仕切板１１０ａ、
底板１１０ｂ、供給室１１０ｃ、排出室１１０ｄを有す
る。また、セルチューブ１１１は、案内管１１２を有す
る。

【０００４】ヘッダ１１０の内部は、仕切板１１０ａに
より上下方向に区分けされ、上方が供給室１１０ｃ、下
方が排出室１１０ｄとして構成されている。ヘッダ１１
０の底板１１０ｂには、セルチューブ１１１の上端部
（一端部）が排出室１１０ｄとガスの出入りが出来るよ
うに連結され、支持されている。セルチューブ１１１の
下端部（他端部）は、閉塞されている。セルチューブ１
１１の内部には、案内管１１２が、同軸をなして挿入さ
れている。案内管１１２は、その一端部（上端部）が、
上記供給室１１０ｃとガスの出入りが出来るように、上
記仕切板１１０ａに連結され、支持されている。このよ
うなセルチューブ１１１及び案内管１１２は、複数本存
在し、ヘッダ１１０に連結され、支持されている。ここ
で、セルチューブ１１１は、多孔質の基体管の外周面に
燃料電池セルを形成された燃焼電池を構成する円筒型セ
ルチューブである。

【０００５】一方、図９を参照して、セルチューブ１１
１に関する概略構成図である。セルチューブ１１１の上
端部（一端部）及び下端部（他端部）を除く中間部の外
周部には、燃料電池セルが形成されている（図示せ
ず）。セルチューブ１１１の下端部には、シールキャッ
プ１１４が取付けられ、セルチューブ１１１が閉塞され
ている。

【０００６】また、燃料電池セルで発電された電力の集
電は以下のようになる。最上部にある燃料電池セル（図
示せず）からリード線の役割を果たすリード膜１１５
が、外周部において、上端部（一端部）へ向けて延び、
上端部で内周部側へ折り返している。そして、そのリー
ド膜１１５と接触した円筒状の集電接合部１１６の外周
部と、円筒状の集電キャップ１１３の外周部とが接して
いる。そして、集電キャップ１１３が、外部のリード線
に接続され、そこから発電された電力が集電されてい
る。

【０００７】このような構成をなすスタックでは、供給
室１１０ｃ内に水素やメタンのような燃料ガス１を供給
すると共に、セルチューブ１１１の外周面に沿って酸素
や空気のような酸化剤ガス２を供給する。そうすると、
燃料ガス１が各案内管１１２に対してばらつきの無い流
量で流入して、案内管１１２の先端まで達する。しかる
後、燃料ガス１は、セルチューブ１１１内のシールキャ
ップ１１４により折り返し、セルチューブ１１１の他端
側から一端側へ向かって流通する。一方、酸化剤ガス２
は、外部から進入し、セルチューブ１１１の外周部に達
する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２がセルチュー
ブ１１１の前記燃料電池セルで電気化学的に反応して電
力を発生し、当該電力が集電キャップ１１３などを介し
て外部に取出される。

【０００８】上述のようなスタックにおいては、セルチ
ューブ１１１の交換は、燃料電池が収容された容器の上
部の蓋を開放し、ヘッダ１１０の供給室１１０ｃを外す
必要がある。ヘッダ１１０は、燃料電池全体に使用して
いるものであり、一部のセルチューブ１１１の交換のた
めに、ヘッダ１１０を取り外すのは、手間と労力がかか
る。また、発電規模を変更するには、１本１本セルチュ
ーブ１１１を取り外す（あるいは加える）必要がある。

【０００９】また、高温で作動する燃料電池では、各部
品の熱による膨張が大きい。各部品間の熱膨張係数の差
による熱応力の発生や、ガスシールの損傷によるガスリ
ークの発生などの問題が起きやすい。従って、部品の選
択や構造設計においては、熱膨張係数の関係を充分に考
慮する必要がある。ここで、円筒型の燃料電池は、支持
部分が一点（セルチューブ１１１と底板１１０ｂの連結
部分）だけである。従って、拘束点が一点だけなので、
熱応力が発生し難く、また、ガスシールについてもその
部分だけの問題となり、対処し易く、作動時における信
頼性が高い。しかし、その反面、振動や衝撃が発生した
場合、その一点に全ての力がかかることになるため、そ
の部分が他の部分に比較して劣化し易く（破損し易く）
なる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、運転時の温度変化に適切に対応可能な構造を有する
燃料電池におけるカートリッジ構造を提供することであ
る。

【００１１】また、別の目的としては、燃料電池セル管
の熱応力を少なくすることが可能な燃料電池におけるカ
ートリッジ構造を提供することである。

【００１２】更に、別の目的としては、燃料電池の脱着
を、あるまとまった単位で行ない、燃料電池の交換が容
易である燃料電池におけるカートリッジ構造を提供する
ことである。

【００１３】更に、別の目的としては、燃料電池の交換
が容易である燃料電池におけるカートリッジ構造を提供
することである。

【００１４】更に、別の目的としては、燃料電池の発電
電力量を容易に変更することが可能な燃料電池における
カートリッジ構造を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本課題を解決するための
手段の項における、図番号、符号は、特許請求の範囲と
発明の実施の形態との対応を示すために記したものであ
り、特許請求の範囲の解釈に用いてはならない。

【００１６】上記課題を解決するために、本発明のカー
トリッジ構造は、燃料ガス（図１、１）を供給する供給
室（図１、８）と、前記供給室（図１、８）から離れて
設けられ、前記燃料ガス（図１、１）を排出する排出室
（図１、９）と、前記供給室（図１、８）と前記排出室
（図１、９）との間に設けられ、酸化剤ガス（図１、
２）を供給する酸化剤供給部（図１、４）と、一端部で
ある第１端部で前記供給室（図１、８）に開放されて接
合され、他端部である第２端部で前記排出室（図１、
９）に開放されて接合され、基体管の外面に燃料電池を
形成された燃料電池セル管（図１、３）と、一端部であ
る第３端部で前記供給室（図１、８）に接合され、他端
部である第４端部で前記排出室（図１、９）に接合され
たフレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１
６）とを具備する。

【００１７】また、本発明のカートリッジ構造は、前記
フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１
６）の熱膨張係数が、前記燃料電池セル管（図１、３）
の熱膨張係数と概ね等しい。

【００１８】更に、本発明のカートリッジ構造は、前記
基体管（図４、２０）と前記フレーム支持体（図１、１
３・１５／図３、１３〜１６）が、ジルコニアで形成さ
れている。

【００１９】更に、本発明のカートリッジ構造は、前記
基体管が（図４、２０）、ジルコニアで形成され、前記
フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１
６）が、マグネシアスピネルである。

【００２０】更に、本発明のカートリッジ構造は、前記
基体管（図４、２０）が、ジルコニアで形成され、前記
フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１
６）が、コバールである。

【００２１】更に、本発明のカートリッジ構造は、前記
供給室（図１、８）が、前記第１端部が接合された第１
管板（図３、６）と、前記第１管板（図３、６）の強度
を補強するフレームである第１フレーム（図３、１１）
とを具備し、前記排出室（図１、９）が、前記第２端部
が接合された側面である第２管板（図３、７）と、前記
第２管板（図３、７）の強度を補強するフレームである
第２フレーム（図３、１２）とを具備している。そし
て、前記フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１
３〜１６）は、前記第３端部が前記第１フレーム（図
３、１１）において前記供給室（図１、８）と接合し、
前記第４端部が前記第２フレーム（図３、１２）で前記
排出室（図１、９）と接合する。

【００２２】更に、本発明のカートリッジ構造は、前記
第１フレーム（図３、１１）及び前記第２フレーム（図
３、１２）が多角形である。

【００２３】更に、本発明のカートリッジ構造は、前記
フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１
６）が、前記第１及び第２フレーム（図３、１１／１
２）と直角をなして接合する。

【００２４】更に、本発明のカートリッジ構造は、前記
フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１
６）が、前記第１及び第２フレーム（図３、１１／１
２）の角部において接合する。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明であるカートリッジ
構造の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明す
る。本実施例において、燃料電池の円筒型の燃料電池の
スタック（燃料電池のセル及びそれに付属したガスの供
給及び排気を行なう構成をここではスタックと呼ぶ）に
適用したカートリッジ構造に関して例を示して説明する
が、他の筒型構造を有する燃料電池にも適用が可能であ
る。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には
同一の符号を付して説明する。

【００２６】（実施例１）本発明であるカートリッジ構
造の第一の実施の形態の構成について、図面を参照して
説明する。

【００２７】図１は、本発明であるカートリッジ構造の
第一の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃
料電池セル管としてのセルチューブ３、酸化剤供給部と
しての酸化剤供給室４、セル接合部６−１を有する第１
管板としての管板Ａ６、セル接合部７−１を有する第２
管板としての管板Ｂ７、ガス供給口８−１を有する供給
室８、ガス排出口９−１を有する排出室９、第１支持体
としての支持体Ａ１０-１、第２支持体としての支持体
Ｂ１０-２、第１フレームとしてのフレームＡ１１（１
１-１〜１１−４）、第２フレームとしてのフレームＢ
１２（１２-１〜１２−４）、フレーム支持体Ａ１３、
フレーム支持体Ｂ１４（図１に図示せず）、フレーム支
持体Ｃ１５、フレーム支持体Ｄ１６（図１に図示せ
ず）、供給室収容部１７、排出室収容部１８、接合部Ａ
２５（２５-１〜２５-４）、接合部Ｂ２６（２６-１〜
２６-２）とからなる。なお、図１の構成は、集電に関
する構成について、省略している。

【００２８】また、図２は、本発明であるカートリッジ
構造の第一の実施の形態の構成に関わる図１の構成を模
式的に示す図である。図１に示す構成に加えて、セルチ
ューブ３の詳しい構造として、基体管２０上に燃料電池
セル２１を複数個有する発電部２７を具備することが示
されている。なお、図２の構成は、集電に関する構成に
ついて、省略している。

【００２９】なお、本発明においては、図１又は図２に
示す燃料電池スタックにおける構造（図示しないが、内
部に含まれるものも含む、例えば、集電端子等の部材な
ど）を燃料電池カートリッジ４０と呼ぶことにする。

【００３０】図３は、本発明であるカートリッジ構造の
第一の実施の形態の構成の内、フレーム構造を示す図で
ある。フレーム構造は、セル接合部６−１を有する第１
管板としての管板Ａ６とガス供給口８−１を有する供給
室収容部１７とを備える供給室８、セル接合部７−１を
有する第２管板としての管板Ｂ７とガス排出口９−１を
有する排出室収容部１８とを備える排出室９、供給室８
側のフレームＡ１１（１１-１〜１１−４）、排出室９
側のフレームＢ１２、フレーム支持体Ａ１３、フレーム
支持体Ｂ１４、フレーム支持体Ｃ１５、フレーム支持体
Ｄ１６、接合部Ａ２５（２５-１〜２５-４）、接合部Ｂ
２６（２６-１〜２６-２）とからなる。なお、図３の構
成は、集電に関する構成について、省略している。

【００３１】燃料ガス１は、ガス供給口８−１から供給
室８に供給される。次に、そこからセルチューブ３に進
入し、セルチューブ３の内側を一方向へ進み、発電に寄
与する。その後、排出燃料ガスとしての使用済みの燃料
ガスは、排出室９に達し、外部へ排出される。燃料ガス
１の流れは、セルチューブ３に沿った一方向（ワンスル
ー）であり、案内管は必要ない。また、酸化剤ガス２
は、酸化剤供給室４へ進入する。そして、セルチューブ
３の外側を進み、発電に寄与する。その後、排出酸化剤
ガスとしての使用済み酸化剤ガス２は、セルチューブ３
から離れ、酸化剤供給室４から排出される。

【００３２】本発明では、まず図１及び図２において、
燃料電池が横置きである。すなわち、燃料電池セル２１
が形成された燃料電池セル管としてのセルチューブ３は
横置きであり、支持体Ａ１０-１及び支持体Ｂ１０-２又
は管板Ａ６及び管板Ｂ７によって、２点で支持されてい
る。そして、供給室８側の管板Ａ６及び排出室９側の管
板Ｂ７の２点でガスシールされている。すなわち、２点
でセルチューブ３を支持し、シールを行なっている。ま
た、供給室８と排気室９とが、フレーム支持体Ａ１３〜
フレーム支持体Ｄ１６（図３参照）により、一体化され
ている。そして、図１及び図２に示す燃料電池カートリ
ッジ４０は、それら、供給室８、排気室９、フレーム支
持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６、セルチューブ３、
支持体Ａ１０-１、支持体Ｂ１０-２により、燃料電池で
発電を行なう一つのユニットを構成している（ただし、
集電部品を除く）。

【００３３】更に、図３において、図１及び図２に示す
燃料電池カートリッジ４０を構成するフレーム構造は、
フレームＡ１１（１１-１〜１１−４）及びフレームＢ
１２（１２-１〜１２−４）とフレーム支持体Ａ１３〜
フレーム支持体Ｄ１６とが構成する直方体形状の骨組み
で示される。この内、セルチューブ３の長手方向と平行
に設置されたフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ
１６は、セルチューブ３と同じ熱膨張係数である。従っ
て、熱によるセルチューブ３の伸縮に対応して、フレー
ム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６が同様の大きさ
の伸縮をするため、セルチューブ３に無理な熱応力がか
からない。そのため、セルチューブ３やその周辺部にお
ける損傷が起こり難く、燃料電池カートリッジ４０の信
頼性が向上する。

【００３４】また、燃料電池を、燃料電池カートリッジ
４０の集合体として構成すれば（例えば、燃料電池カー
トリッジ４０を、収容容器に複数重ねて並べて収納す
る）、複数ある燃料電池カートリッジ４０単位で、燃料
電池の脱着を行なうことが可能となる。そして、燃料電
池カートリッジ４０を出し入れすることにより容易に燃
料電池の発電電力量を増減することや、故障した燃料電
池の属する燃料電池カートリッジ４０を交換又は取り外
すことにより容易に修理を完了することができ、残りの
燃料電池を安全に運転できる。

【００３５】以下に各構成を詳細に説明する。まず、図
１、図５を参照して、燃料電池の１つのカートリッジ構
造（燃料電池カートリッジ４０）の構成について説明す
る。

【００３６】燃料電池セル管としてのセルチューブ３
は、多孔質セラミックスの基体管の外周面に燃料電池セ
ル２１を形成された、燃料電池を構成する円筒型の管で
ある。セルチューブ３は、第１端部としての一端部を供
給室８（後述）に、第２端部としての他端部を排出室９
（後述）にそれぞれ接合（嵌合）され、支持されてい
る。そして、一端部が供給室８（後述）と、他端部が排
出室９（後述）とガスの出入りが出来るように開放され
ている。内部に、従来の技術の例にある案内管を含ま
ず、構造が簡略化して部品点数が減少している。材質
は、安定化ジルコニアである。基体管の長手方向の一定
の幅毎に、外周面上に燃料極、電解質、空気極が順に積
層（図示せず）され、燃料電池セル２１（後述）を形成
している。それぞれの燃料電池セル２１同士は、インタ
コネクタ膜（図示せず）で接合されている。燃料ガス１
が、セルチューブ３の一端よりセルチューブ３の内部に
供給され、基体管の厚み方向に孔中を拡散し燃料極に達
することが可能であり、セルチューブ３の外側を流れる
酸化剤ガス２と共に発電に寄与する。

【００３７】供給室８は、セルチューブ３の一端部にあ
り、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室
である。本実施例では、直方体である。燃料ガス１（後
述）の供給を受けるためのガス供給口８−１を有する。
内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せ
ず）が付属している場合もある。一方の面は管板Ａ６
（後述）であり、セルチューブ３が取付けられている。
残りは、供給室収容部１７である。また、セルチューブ
３は、供給室８に入った燃料ガス１がセルチューブ３へ
供給されるように管板Ａ６に連結され、開放され接合さ
れている。複数存在する各セルチューブ３へ、均等に燃
料ガス１を供給する、ニッケル、ステンレスや耐熱合金
などの金属製の室である。

【００３８】第１管板としての管板Ａ６は、供給室８の
一方の側面の板であり、セルチューブ３を接合するため
の孔が（セルチューブ３の数だけ）開口している。セル
チューブ３に、セルチューブ３の一端部でガスの出入り
が出来るように連結され、開放されて接合されている。
接合部分は、管板Ａ６とセルチューブ３との隙間からガ
スをリークさせないために、かつ、応力などによる位置
ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、薄い
金属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。その
際、片側が酸化雰囲気でもあることから、ステンレスや
耐熱合金などの耐酸化性の部材を使用する。セルチュー
ブ３と管板Ａ６との接合部であるセル接合部６−１で
は、セルチューブ３を支持する役割もある。必要に応じ
て、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、
セル接合部６−１でのリークを完全に抑えるようにす
る。なお、薄い金属板の形状を長期間安定的に維持する
為に、薄い金属板の周囲（縁部）を強固な金属製のフレ
ームＡ１１（１１-１〜１１−４）（後述）で囲ってい
る。

【００３９】図５（ａ）に、管板Ａ６の正面図（図１に
おいて供給室８側又は排出室９側から見た図）を示す。
図１は、断面図であるので、管板Ａ６が小さく区切られ
て見えるが、図５（ａ）に示すように一体の部材であ
る。図５（ａ）では、例として、管板Ａ６は縦３個×横
３個の合計９個のセルチューブ３用の孔（セル接合部６
−１）が開口した、縦３本×横３本の合計９本のセルチ
ューブ３を有する燃料電池カートリッジ４０用の管板Ａ
６を示している。ただし、本発明が、９本のセルチュー
ブ３による燃料電池カートリッジ４０に限られるもので
はない。

【００４０】供給室収容部１７は、供給室８における一
側面である管板Ａ６を除く部分である。本実施例では、
直方体形状の供給室８の一側面を除いた他の五つの側面
を有する部材である。ただし、それに加えて管板Ａ６と
の接合を行うための糊しろの部分（接着、ねじ止め、溶
接などを行なう部分、以下同じ）を有する。管板Ａ６と
そのフレームＡ１１（１１-１〜１１−４）（後述）に
おいて、ガスがリークしないように接合している。ま
た、一側面にガス供給口８−１を有する。ニッケル、ス
テンレスや耐熱合金などの金属製の室である。

【００４１】排出室９は、セルチューブ３の他端部にあ
り、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室
である。本実施例では、直方体である。排出燃料ガスと
しての使用済み燃料ガス１（後述）の排出を行なうため
のガス排出口９−１を有する。内部にガスの流れを整え
る整流板のような機構（図示せず）が付属している場合
もある。一方の面は管板Ｂ７（後述）であり、セルチュ
ーブ３が取付けられている。残りは、排出室収容部１８
である。セルチューブ３は、セルチューブ３から排出さ
れる使用済み燃料ガス１を収集可能なように管板Ｂ７に
連結され、開放され接合されている。ニッケル、ステン
レスや耐熱合金などの金属製の室である。

【００４２】第２管板としての管板Ｂ７は、排出室９の
一方の面の板であり、セルチューブ３を接続するための
孔が（セルチューブ３の数だけ）開口している。セルチ
ューブ３に、セルチューブ３の他端部でガスの出入りが
出来るように連結され、開放されて接合されている。接
合部分は、管板Ｂ７とセルチューブ３との隙間からガス
をリークさせないために、かつ、応力などによる位置ず
れや振動や衝撃を吸収することが可能なように、薄い金
属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。その
際、片側が酸化雰囲気でもあることから、ステンレスや
耐熱合金などの耐酸化性の部材を使用する。セルチュー
ブ３と管板Ｂ７との接合部であるセル接合部７−１で
は、セルチューブ３を支持する役割もある。必要に応じ
て、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、
セル接合部７−１でのリークを完全に抑えるようにす
る。なお、薄い金属板の形状を長期間安定的に維持する
為に、薄い金属板の周囲（縁部）を強固な金属製のフレ
ームＢ１２（１２-１〜１２−４）（後述）で囲ってい
る。また、管板Ｂ７の正面図は、管板Ａ６の図５（ａ）
と同様であるので、省略する。

【００４３】排出室収容部１８は、排出室９における一
側面である管板Ｂ７を除く部分である。本実施例では、
直方体形状の排出室９の一側面を除いた他の五つの側面
を有する部材である。ただし、それに加えて管板Ｂ７と
の接合を行うための糊しろの部分を有する。管板Ｂ７と
そのフレームＢ１２（１２-１〜１２−４）（後述）に
おいて、ガスがリークしないように接合している。ま
た、一側面にガス排出口９−１を有する。ニッケル、ス
テンレスや耐熱合金などの金属製の室である。

【００４４】酸化剤供給部としての酸化剤供給室４は、
管板Ａ６（フレームＡ１１を含む）と管板Ｂ７（フレー
ムＢ１２を含む）とフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支
持体Ｄ１６とが構成する直方体形状の領域である。この
領域の管板Ａ６及び管板Ｂ７を除く直方体形状の側面部
分を、金属やセラミックスの板により覆っている場合も
ある。供給室８（の管板Ａ６）と排出室９（の管板Ｂ
７）との間にあり、それらと隔離され、セルチューブ３
を含んでいる。そして、セルチューブ３に酸化剤ガス２
を供給する室である。酸化剤ガス２（後述）の供給を受
けるための酸化剤ガス供給口及び排出酸化剤ガスとして
の使用済み酸化剤ガス２の排出を行なうための酸化剤ガ
ス排出口を有する場合もある。内部の管板Ａ６及び管板
Ｂ７の近傍に、支持体Ａ１０−１（管板Ａ６側）及び支
持体Ｂ１０−２（管板Ｂ７側）を、主にフレーム支持体
Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６により固定している。

【００４５】支持体１０は、供給室８側の支持体Ａ１０
−１及び排出室９側の支持体Ｂ１０−１がある。支持体
Ａ１０−１は、管板Ａ６の近傍であって、供給室８の外
側の酸化剤供給室４内に、主にフレーム支持体Ａ１３〜
フレーム支持体Ｄ１６により固定されている。そして、
セルチューブ３をその下方部分において支持している。
また、セルチューブ３の発電部２７側の熱を遮断し、管
板Ａ６あるいはセルチューブ３と管板Ａ６との接合部で
あるセル接合部６−１について、熱的に保護する。材料
としては、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、シリカ、ア
ルミナ、マグネシアなどを主成分とする多孔体などであ
る。

【００４６】図５（ｂ）に、支持体Ａ１０−１の正面図
（図１において供給室８側又は排出室９側から見た図）
を示す。図１は、断面図であるので、支持体Ａ１０−１
が小さく区切られて見えるが、図５（ｂ）に示すように
一体の部材である。図５（ｂ）では、例として、支持体
Ａ１０は、縦３個×横３個の合計９個のセルチューブ３
用の孔が開口した、縦３本×横３本の合計９本のセルチ
ューブ３を有する燃料電池カートリッジ４０用の支持体
Ａ１０を示している。また、セル支持部１０−３の直径
は、セルチューブ３、セル接合部６−１の直径よりもや
や大きい。セルチューブ３とセル支持部１０−３との隙
間を酸化剤ガス２が通過できるようにするためである。
それと同時に、熱などによるセルチューブ３のずれ、セ
ルチューブ３の受ける振動及び衝撃に関する予測に基づ
いて、セルチューブ３に無理な力がかからないためでも
ある。

【００４７】支持体Ｂ１０−２は、管板Ｂ７の近傍であ
って、排出室９の外側の酸化剤供給室４内に、主にフレ
ーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６により固定さ
れている。そして、セルチューブ３をその下方部分にお
いて支持している。また、セルチューブ３の発電部２７
側の熱を遮断し、管板Ｂ７あるいはセルチューブ３と管
板Ｂ７との接合部であるセル接合部７−１について、熱
的に保護する。材料としては、多孔質シリカ、多孔質ア
ルミナ、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分と
する多孔体などである。なお、セル支持部１０−４を有
する支持体Ｂ１０−２の正面図は、支持体Ａ１０−１の
図５（ｂ）と同様であるので、図示及びその説明を省略
する。

【００４８】なお、フレームＡ１１（１１-１〜１１−
４）、フレームＢ１２（１２-１〜１２−４）、フレー
ム支持体Ａ１３、フレーム支持体Ｂ１４（図１に図示せ
ず）、フレーム支持体Ｃ１５、フレーム支持体Ｄ１６
（図１に図示せず）、接合部Ａ２５（２５-１〜２５-
４）、接合部Ｂ２６（２６-１〜２６-２）については、
後述（図３において説明）する。

【００４９】次に、図３を参照して、図１及び図２に示
す燃料電池カートリッジ４０を構成するフレーム構造に
ついて説明する。第１フレームとしてのフレームＡ１１
は、フレームＡ１１-１〜フレームＡ１１−４の４つの
部分からなる。長方形形状の管板Ａ６の強度を、管板Ａ
６の縁部において補強する、金属又はセラミックス製の
フレームである。管板Ａ６の縁部において、管板Ａ６と
溶接、ボルト締めなどにより接合されている。そして、
供給室収容部１７と、一緒になって直方体形状の供給室
８を形成するように接合されている。

【００５０】フレームＡ１１−１は、その一端部でフレ
ームＡ１１−２の一端部と直角に接合している。フレー
ムＡ１１−２は、その他端部でフレームＡ１１−３の一
端部と直角に接合している。フレームＡ１１−３は、そ
の他端部でフレームＡ１１−４の一端部と直角に接合し
ている。フレームＡ１１−４は、その他端部でフレーム
Ａ１１−１の他端部と直角に接合している。そして、全
体が長方形の額縁のような形状をなしている。

【００５１】フレームＡ１１−１とフレームＡ１１−２
とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ａ１３が両
フレームＡ１１と直角をなすように接合している。接合
部は、接合部Ａ２５−１（後述）である。フレームＡ１
１−２とフレームＡ１１−３とが形成する直角部分に
は、フレーム支持体Ｃ１５が両フレームＡ１１と直角を
なすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−２
（後述）である。フレームＡ１１−３とフレームＡ１１
−４とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ｄ１６
が両フレームＡ１１と直角をなすように接合している。
接合部は、接合部Ａ２５−３（後述）である。フレーム
Ａ１１−４とフレームＡ１１−１とが形成する直角部分
には、フレーム支持体Ｂ１４が両フレームＡ１１と直角
をなすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−
４（後述）である。

【００５２】第２フレームとしてのフレームＢ１２は、
フレームＢ１２-１〜フレームＢ１２−４の４つの部分
からなる。長方形形状の管板Ｂ７の強度を、管板Ｂ７の
縁部において補強する、金属又はセラミックス製のフレ
ームである。管板Ｂ７の縁部において、管板Ｂ７と溶
接、ボルト締めなどにより接合されている。そして、排
出室収容部１８と、一緒になって直方体形状の排出室９
を形成するように接合されている。

【００５３】フレームＢ１２−１は、その一端部でフレ
ームＢ１２−２の一端部と直角に接合している。フレー
ムＢ１２−２は、その他端部でフレームＢ１２−３の一
端部と直角に接合している。フレームＢ１２−３は、そ
の他端部でフレームＢ１２−４の一端部と直角に接合し
ている。フレームＢ１２−４は、その他端部でフレーム
Ｂ１２−１の他端部と直角に接合している。そして、全
体が長方形の額縁のような形状をなしている。

【００５４】フレームＢ１２−１とフレームＢ１２−２
とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ａ１３が両
フレームＢ１２と直角をなすように接合している。接合
部は、接合部Ｂ２６−１（後述）である。フレームＢ１
２−２とフレームＢ１２−３とが形成する直角部分に
は、フレーム支持体Ｃ１５が両フレームＢ１２と直角を
なすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−２
（後述）である。フレームＢ１２−３とフレームＢ１２
−４とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ｄ１６
が両フレームＢ１２と直角をなすように接合している。
接合部は、接合部Ｂ２６−３（後述）である。フレーム
Ｂ１２−４とフレームＢ１２−１とが形成する直角部分
には、フレーム支持体Ｂ１４が両フレームＢ１２と直角
をなすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−
４（後述）である。

【００５５】フレーム支持体Ａ１３は、フレームＡ１１
とフレームＢ１２と接合している、両フレームを支持す
るセラミックス又は金属製の棒である。その熱膨張係数
は、セルチューブ３（あるいは後述の基体管）の熱膨張
係数と同一あるいはほぼ同一である。フレーム支持体Ａ
１３は、その第３端部としての一端部を、フレームＡ１
１−１とフレームＡ１１−２とが形成する直角部分にお
いて、両フレームＡ１１と直角をなすように接合してい
る。接合部は、接合部Ａ２５−１（後述）である。一
方、フレーム支持体Ａ１３は、その第４端部としての他
端部を、フレームＢ１２−１とフレームＢ１２−２とが
形成する直角部分において、両フレームＢ１２と直角を
なすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−１
（後述）である。

【００５６】フレーム支持体Ｂ１４は、フレームＡ１１
とフレームＢ１２と接合している、両フレームを支持す
るセラミックス又は金属製の棒である。その熱膨張係数
は、セルチューブ３（あるいは後述の基体管）の熱膨張
係数と同一あるいはほぼ同一である。フレーム支持体Ｂ
１４は、その第３端部としての一端部を、フレームＡ１
１−４とフレームＡ１１−１とが形成する直角部分にお
いて、両フレームＡ１１と直角をなすように接合してい
る。接合部は、接合部Ａ２５−４（後述）である。一
方、フレーム支持体Ｂ１４は、その第４端部としての他
端部を、フレームＢ１２−４とフレームＢ１２−１とが
形成する直角部分において、両フレームＢ１２と直角を
なすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−４
（後述）である。

【００５７】フレーム支持体Ｃ１５は、フレームＡ１１
とフレームＢ１２と接合している、両フレームを支持す
るセラミックス又は金属製の棒である。その熱膨張係数
は、セルチューブ３（あるいは後述の基体管）の熱膨張
係数と同一あるいはほぼ同一である。フレーム支持体Ｃ
１５は、その第３端部としての一端部を、フレームＡ１
１−２とフレームＡ１１−３とが形成する直角部分にお
いて、両フレームＡ１１と直角をなすように接合してい
る。接合部は、接合部Ａ２５−２（後述）である。一
方、フレーム支持体Ｃ１５は、その第４端部としての他
端部を、フレームＢ１２−２とフレームＢ１２−３とが
形成する直角部分において、両フレームＢ１２と直角を
なすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−２
（後述）である。

【００５８】フレーム支持体Ｄ１６は、フレームＡ１１
とフレームＢ１２と接合している、両フレームを支持す
るセラミックス又は金属製の棒である。その熱膨張係数
は、セルチューブ３（あるいは後述の基体管）の熱膨張
係数と同一あるいはほぼ同一である。フレーム支持体Ｄ
１６は、その第３端部としての一端部を、フレームＡ１
１−３とフレームＡ１１−４とが形成する直角部分にお
いて、両フレームＡ１１と直角をなすように接合してい
る。接合部は、接合部Ａ２５−３（後述）である。一
方、フレーム支持体Ｄ１６は、その第４端部としての他
端部を、フレームＢ１２−３とフレームＢ１２−４とが
形成する直角部分において、両フレームＢ１２と直角を
なすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−３
（後述）である。

【００５９】フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ
１６は、同一の熱膨張係数を有し、その値は、セルチュ
ーブ３（あるいは基体管２０（後述））の熱膨張係数と
同一（あるいはほぼ同一）である。本実施例のセルチュ
ーブ３では、熱膨張係数（線膨張係数）＝約１．０×１
０^−５／Ｋである。材質としては、セルチューブ３の基
体管２０（後述）と同一の材料である安定化ジルコニ
ア、ＭｇＯ−ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアスピネル）、
コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）などが適用できる。
より好ましくは、安定化ジルコニアである。

【００６０】フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ
１６は、フレームＡ１１とフレームＢ１２と共に、直方
体形状のフレームを構成する。そして、温度変化に伴い
伸縮するが、全体が同じ温度であれば、フレーム支持体
Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６は、同じ長さを保って伸
縮する。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６
は、フレームＡ１１及びフレームＢ１２に接合し、フレ
ームＡ１１及びフレームＢ１２は、管板Ａ６及び管板Ｂ
７と接合し、管板Ａ６及び管板Ｂ７は、セルチューブ３
に接合し、それを保持している。従って、フレーム支持
体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６の伸縮は、セルチュー
ブ３に影響を与える。しかし、どちらの熱膨張係数も同
一（又はほぼ同一、概ね同一）であるので、相互に無理
な応力が発生するような影響を及ぼし合うことはない。

【００６１】ここで、熱膨張係数が、「ほぼ同一」、あ
るいは、「概ね同一（概ね等しい）」とは、全く同一で
ない（少しの相違がある）場合でも、使用する温度範囲
（ここでは、常温〜１０００℃の範囲）において、熱膨
張係数の相違が僅かである場合をいう。すなわち、温度
変化に熱膨張係数を掛けて求まる熱による部材の伸縮変
化の大きさが小さいので、それに伴い各部材において発
生する応力も僅かであるような場合である。その場合に
は、本発明における技術的思想の範囲である。そして、
実際の装置の運用上、信頼性の問題は発生しない。

【００６２】接合部Ａ２５は、フレームＡ１１とフレー
ム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６とを接合する接
合部である。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ
１６に対応して、接合部Ａ２５−１〜接合部Ａ２５−４
がある。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６
の端部にねじ（おねじ）を切っておき、フレームＡ１１
の角部に孔を開口し、そこにねじを切ったフレーム支持
体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６の端部を入れ、フレー
ムＡ１１の両側からナット（めねじ）で締めつける。

【００６３】接合部Ｂ２６は、フレームＢ１２とフレー
ム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６とを接合する接
合部である。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ
１６に対応して、接合部Ｂ２６−１〜接合部Ｂ２６−４
がある。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６
の端部にねじ（おねじ）を切っておき、フレームＢ１２
の角部に孔を開口し、そこにねじを切ったフレーム支持
体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６端部を入れ、フレーム
Ｂ１２の両側からナット（めねじ）で締めつける。

【００６４】次に、図４を参照して、管板Ａ６とセルチ
ューブ３との接合部分について説明する。基体管２０と
リード膜２２と燃料電池セル２１と発電部２７と集電部
２４を有するセルチューブ３と、セル接合部６−１を有
する管板Ａ６と、セル支持部１０−３を有する支持体Ａ
１０-１と、充填材２３とからなる。

【００６５】管板Ａ６は、セルチューブ３を通す孔の部
分が、ガスシールを行なうガス接合部６−１を形成す
る。管板Ａ６のセルチューブ３を通す孔の直径を、セル
チューブ３の直径より、やや小さくする。すなわち、図
４で示すように管板Ａ６の孔部にセルチューブ３を通し
た時、管板Ａ６の孔部の内周部分が、セルチューブ３を
通した方向に内側に変形し、セルチューブ３の外周部と
管板Ａ６の孔部の内周部分が密着する程度である。セル
チューブ３を通すに当たっては、深絞り加工などのプレ
スにより事前に通し易くしておく。管板Ａ６の孔部の内
周部分は、セルチューブ３と密接する際、酸化剤供給室
４側への湾曲に伴う管板Ａ６の孔部の内周部分の弾性力
により密着し、ガスシール性を発揮する。それと同時
に、管板Ａ６は、ステンレスなどの薄い金属の板を使用
しているので、その弾性力により可動性、振動及び衝撃
吸収性が発揮される。すなわち、管板Ａ６（薄い金属
板）は、その伸縮自在性により、上下方向に可動である
他、前後左右の横方向や、斜め上下方向にもある程度の
範囲まで可動である。管板Ａ６の他の部分は図１で説明
した管板Ａ６と同一であるのでその説明は省略する。

【００６６】充填材２３は、セルチューブ３と管板Ａ６
の孔部とが接触する付近の隙間がある可能性がある領域
に充填されるガスシール材である。その隙間を埋め、供
給室８の燃料ガス１と、酸化剤供給室４の酸化剤ガス２
との間をガスシールする。セルチューブ３を管板Ａ６に
通す時にグランドパッキンを施工しておく方法や、その
周辺の最高使用温度に合わせてハンダを行なう方法、最
高使用温度がそれほど高く無い場合に樹脂などを埋め込
む方法などが使用できる。

【００６７】支持体Ａ１０−１がセルチューブ３を支持
している個所であるセル支持部１０−３に隙間があるの
は、セル支持部１０−３の直径が、酸化剤ガス２を通過
させる場合を考えていること及びセルチューブ３の位置
のずれを許容できるようにするためである。その場合、
セルチューブ３の支持は、基本的には管板Ａ６のセル接
合部６−１で行なう。そして、補助的に、支持体１０に
おいて、支持する。例えば、セルチューブ３から見て下
側のセル支持部１０−３の面に、酸化剤ガス２の通過の
大きな妨げにならない部材を入れる。部材の例として
は、ガラスウールや石綿のような耐熱性で変形容易な
（あるいは弾性体のような性質を持つ）材料をその隙間
に埋め込む、気孔率の高いセラミックス多孔体の小片を
入れ込むなどで実施可能である。支持体Ａ１０−１のそ
の他の詳細は図１における説明の通りであるので省略す
る。

【００６８】基体管２０は、燃料電池セル管としてのセ
ルチューブ３の燃料電池セル２１や、発電部２７、リー
ド膜２２、集電部２４（全て後述）などが形成される際
の基板となる基体管である。セラミックス製の多孔質で
ある筒型の管である。内部を流れる燃料ガスが、側面
（壁面）を径方向に拡散し、基体管２０の外周部に形成
された燃料電池セル２１に達することが可能である。

【００６９】リード膜２２は、複数の燃料電池セル２１
で発電した直流電力の一方の極を集電部２４（又は排出
室９側の集電部）へ引き出すための引き出し線の役割を
する膜である。膜保護のため、上部に保護膜（金属の酸
化物などの気密絶縁膜）が積層されている。基体管２０
の外周部の発電部２７のうち、最も一端部寄りの燃料電
池セル２１と接続している。そして、リード膜２２は、
その燃料電池セル２１から基体管２０の外周部をその一
端部まで延びている。周方向の幅は、発電する電力の大
きさとそのリード膜２２の厚みにより、抵抗が十分低く
なるように設定する。発電基体管全面であっても、ある
特定の幅であってもよい。

【００７０】燃料電池セル２１は、セルチューブ３の外
周面上に燃料極、電解質、空気極が順に積層（図示せ
ず）された燃料電池のセルである。それぞれの燃料電池
セル２１同士は、インタコネクタ膜（図示せず）で直列
に接合されている。セルチューブ３の内側から拡散して
くる燃料ガス１と、セルチューブ３の外側から供給され
る酸化剤ガス２とにより、発電が行なわれる。

【００７１】発電部２７は、燃料電池セル２１を複数個
有し、それらが直列接続しているセルチューブ３上の発
電領域である。燃料電池運転時には、燃料電池セル２１
の発電に伴い、発熱し高温になっている。

【００７２】集電部２４は、発電部２７で発電された電
力を取り出すための端子を取付ける部分である。本実施
例（図面中）では、省略している。電力の取出しは、こ
の集電部２４と排出室９側の集電部とにより行なう。例
えば、集電部２４については、そこに金属線を取り付け
て引き出し、供給室８の壁面から絶縁体を介して（供給
室８と接触しないようにして）外部へ延ばす。そして、
そこから電力を取出す。

【００７３】なお、排出室９側のセルチューブ３と管板
Ｂ７との接合部周辺については、管板が管板Ｂ７を用い
ている点が図４と異なるが、その他の構成は図４と同様
であるので、その説明は省略する。

【００７４】なお、燃料ガス１は、水素、メタン等を含
むガスと水蒸気との混合ガスである。また、酸化剤ガス
２は、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスであ
る。

【００７５】では、本発明であるカートリッジ構造の第
一の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明す
る。図１及び図２を参照して、このような構成をなす燃
料電池において、供給室８内に水蒸気を含む水素やメタ
ンなどの燃料ガス１がガス供給口８−１から供給され
る。燃料ガス１は、セルチューブ３の一端部から、ばら
つきの無い流量で流入する。そして、セルチューブ３内
を排出室９側へ向けて流れる。

【００７６】一方、酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４に
供給される。そして、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０
−２とに挟まれ形成された領域（セルチューブ３の発電
部２７のある領域）を移動する。そして、概ね各セルチ
ューブ３の外周部に沿って移動する。

【００７７】燃料ガス１は、セルチューブ３を進み、セ
ルチューブ３の発電部２７において、その壁面（側面）
内部へ壁面の外側に向かって拡散し、燃料電池セル２１
の燃料極であるアノードに達する。一方、酸化剤ガス２
は、セルチューブ３の外周面に沿って進み、セルチュー
ブ３の発電部２７において、燃料電池セル２１の空気極
であるカソード側に達する。そして、燃料電池セル２１
において、燃料ガス１と酸化剤ガス２との電気化学的反
応により、発電が行なわれ、電力が発生する。

【００７８】発電の際、燃料電池セル２１では、その特
性に基づいた、ある大きさの電力が発生すると共に、電
気エネルギーに変換されなかったエネルギーが熱エネル
ギーとなって放出される。熱エネルギーの原因として
は、抵抗分極（電極、電解質、インタコネクタ等に関す
る電気抵抗損）、活性化分極（電極反応に関わる活性化
エネルギー）、拡散分極（発電時のガス濃度分布による
ポテンシャルロス）等である。その発熱のエネルギー
は、燃料電池セル２１及びその近傍の温度を、燃料電池
セル２１の動作温度である９００℃〜１０００℃に維持
するのに用いられる。

【００７９】発熱により温度変化しているセルチューブ
３は、常温での長さに比べて長く延びる。例えば、常温
で１ｍの長さのセルチューブ３（熱膨張係数１．０×１
０^{− ５}／Ｋ）は、９００℃では、１×９００×１．０×
１０^−５＝９×１０⁻³ｍ＝９ｍｍ 程度延びる。従っ
て、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６も同
程度に延びないと、接合部Ａ２５及び接合部Ｂ２６や、
フレームＡ１１及びフレームＢ１２、管板Ａ６及び管板
Ｂ７、セル接合部６−１及びセル接合部７−１に無理な
力がかかり、セラミックス部品の破損、ガスリーク、な
どにより発電に悪影響を及ぼす可能性がある。

【００８０】しかし、本発明により、フレーム支持体Ａ
１３〜フレーム支持体Ｄ１６はセルチューブ３と同様の
熱膨張係数を有している。従って、各温度域において、
同一の熱膨張を起こすので、温度に依らず、上述の各部
に無理な力がかからない。すなわち、部品の破損やガス
リーク、などが起きることは無く、燃料電池の運転の信
頼性が向上する。特に、セルチューブ３と同一の安定化
ジルコニアを用いた場合には、全く同一の熱膨張とな
る。

【００８１】なお、使用済みの燃料ガス１は、セルチュ
ーブ３の他端部に達し、そこから排出室９へ移動する。
そして、排出室９に入った燃料ガス１は、ガス排出口９
−１か排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、
酸化剤供給室４から外部へ排出される。

【００８２】以上のプロセスにより、燃料電池における
発電が行なわれるセルチューブ３の発電部２７の温度が
変化しても、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ
１６がセルチューブ３と同じ熱膨張係数なので、セルチ
ューブ３に無理な力がかからない。従って、機械的、構
造的な安定性が高まり、燃料電池としての信頼性が向上
する。

【００８３】また、ガスは、一方向に流れるだけで良い
ので、案内管１２を用いる必要が無く、セルチューブ３
及びその周辺部分の構造を簡単にすることが出来る。す
なわち、部品点数を減らすことが出来、コストの削減に
つながる。加えて、部品点数が減ることにより、部品相
互で拘束し合う関係が減少する為、設計の自由度の向上
や部品の破損等の問題が減り、全体としての信頼性の向
上にもつながる。

【００８４】（実施例２）以下、本発明であるカートリ
ッジ構造の第二の実施の形態に関して、添付図面を参照
して説明する。

【００８５】図６は、本発明であるカートリッジ構造の
第二の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃
料電池は、燃料電池セル管としてのセルチューブ３、酸
化剤ガス供給口４−１及び酸化剤ガス排出口４−２を有
する酸化剤供給部としての酸化剤供給室４、セル接合部
６−１を有する第１管板としての管板Ａ６、セル接合部
７−１を有する第２管板としての管板Ｂ７、ガス供給口
８−１を有する供給室８、ガス排出口９−１を有する排
出室９、第１支持体としての支持体Ａ１０−１、第２支
持体としての支持体Ｂ１０−２、供給室収容部１７、排
出室収容部１８、下部断熱部３２、下部固定部３３、上
部断熱部３４、上部固定部３５、低温燃料管３６−１と
燃料供給管３６−２と燃料排出管３６−３と高温燃料管
３６−４と燃料出口管３６−５と燃料入口管３６−６と
を有する第１熱交換器としての燃料熱交換器３６、低温
酸化剤供給管３７−１と酸化剤排出管３７−２と酸化剤
供給口３７−３と高温酸化剤排出管３７−４とを有する
第２熱交換器としての酸化剤熱交換器３７、容器フラン
ジ４３、容器断熱部４４、支持体移動部としての燃料電
池支持部４５及び支持体車輪４６、移動補助部としての
支持体レール４８、酸化剤保持室４７からなる。なお、
図６の構成は、集電に関する構成について、省略してい
る。

【００８６】また、図７は、本発明であるカートリッジ
構造の第二の実施の形態の構成に関わる燃料電池部分の
詳細を示す図である。燃料電池は、燃料電池セル２１を
複数個有する発電部２７を具備するセルチューブ３、酸
化剤ガス供給口４−１及び酸化剤ガス排出口４−２を有
する酸化剤供給室４、管板Ａ６、管板Ｂ７、ガス供給口
８−１を有する供給室８、ガス排出口９−１を有する排
出室９、支持体Ａ１０−１、支持体Ｂ１０−２、供給室
収容部１７、排出室収容部１８、下部断熱部３２、下部
固定部３３、上部断熱部３４、上部固定部３５、低温燃
料管３６−１と燃料供給管３６−２と燃料排出管３６−
３と高温燃料管３６−４と燃料出口管３６−５と燃料入
口管３６−６とを有する燃料熱交換器３６、低温酸化剤
供給管３７−１と酸化剤排出管３７−２と酸化剤供給口
３７−３と高温酸化剤排出管３７−４とを有する酸化剤
熱交換器３７、フレーム支持体Ａ１３、フレーム支持体
Ｂ１４、フレーム支持体Ｃ１５（図１に図示せず）、フ
レーム支持体Ｄ１６からなる。なお、図７の構成は、集
電に関する構成について、省略している。

【００８７】なお、本発明においては、収容容器５０
（後述）内に、燃料電池カートリッジ４０を複数集めて
収納した構成を燃料電池カートリッジ部４１と呼ぶこと
とする。

【００８８】図８は、本発明であるカートリッジ構造の
第二の実施の形態の構成を示す図である。図７で示す料
電池の他に、燃料処分管３８、燃料導入管３９、収容容
器５０、容器脚部５１（容器脚部５１−１〜容器脚部５
１−４、ただし図面上では容器脚部５１−１及び容器脚
部５１−２のみ表示されている）、側板としての容器外
蓋４２（図３手前側は容器外蓋４２−１、奥側は容器外
蓋４２−２、ただし図面上では容器外蓋４２−２のみ表
示されている）、容器フランジ４３（図８手前側は容器
フランジ４３−１、奥側は容器フランジ４３−２）、容
器断熱部４４、支持体移動部としての燃料電池支持部４
５及び支持体車輪４６、移動補助部としての支持体レー
ル４８、容器筒部４９からなる。

【００８９】燃料ガス１は、収容容器５０の外部から進
入し、燃料導入管３９から燃料熱交換器３６の燃料入口
管３６−６を経由して燃料熱交換器３６へ入る。そし
て、低温燃料管３６−１で、使用済みの燃料ガス１の排
出ガスと熱交換を行ない高温となり、燃料供給管３６−
２を経由してガス供給口８−１から供給室８に供給され
る。次に、そこからセルチューブ３に進入し、セルチュ
ーブ３の内側を一方向へ進み、発電に寄与する。その
後、排出燃料ガスとしての使用済みの燃料ガスは、排出
室９に達し、ガス排出口９−１から燃料排出管３６−３
を経由して高温燃料管３６−４に入る。そして、そこで
新しい燃料ガス１と熱交換をして低温となり、燃料出口
管３６−５を経由して燃料処分管３８から収容容器５０
の外部へ排出される。燃料ガス１の流れは、セルチュー
ブ３に沿った一方向（ワンスルー）であり、案内管は必
要ない。

【００９０】また、酸化剤ガス２は、収容容器５０の外
部から進入し、酸化剤熱交換器３７の低温酸化剤供給管
３７−１において使用済みの酸化剤ガス２の排出ガスと
熱交換を行ない高温となる。次に、酸化剤供給口３７−
３から酸化剤保持室４７に入り、酸化剤ガス供給口４−
１より酸化剤供給室４へ進入する。そして、セルチュー
ブ３の外側をセルチューブ３に沿ってへ進み、セルチュ
ーブ３の中心付近から、セルチューブ３から離れ、酸化
剤ガス排出口４−２より酸化剤供給室４から排出され
る。排出酸化剤ガスとしての使用済み酸化剤ガス２は、
酸化剤排出管３７−２を経由し、高温酸化剤排出管３７
−４において新しい酸化剤ガス２と熱交換を行ない、低
温となり、収容容器５０の外部へ排出される。

【００９１】本発明では、まず図６及び図７において、
燃料電池が横置きである。すなわち、燃料電池セルが形
成された燃料電池セル管としてのセルチューブ３は横置
きであり、支持体Ａ１０−１及び支持体Ｂ１０−２又は
管板Ａ６及び管板Ｂ７によって、２点で支持されてい
る。そして、供給室８側の管板Ａ６及び排出室９側の管
板Ｂ７の２点でガスシールされている。すなわち、２点
でセルチューブ３を支持し、シールを行なっている。

【００９２】更に、図８において、図７に示す燃料電池
カートリッジ４０が、収容容器５０の長手方向に複数重
ねて並べられて収納されている。そして、燃料電池カー
トリッジ４０を収納している部分は支持体車輪４６がつ
いている。従って、収容容器５０の蓋を外した後、支持
体レール４８（伸縮可能）を手前に引き出すことによ
り、支持体レール４８上を手前に容易に引き出すことが
可能である。そして、複数ある燃料電池カートリッジ４
０のどれか一つあるいは複数をきわめて容易に取り出す
ことが可能となる。また、収容容器５０の大きさの範囲
内において、燃料電池カートリッジ４０を出し入れする
ことにより、容易に燃料電池の発電電力量を増減するこ
とが可能となる。また、故障した燃料電池の属する燃料
電池カートリッジ４０を交換又は取り外すことにより、
容易に修理を完了することができ、残りの燃料電池を安
全に運転できる。

【００９３】以下に各構成を詳細に説明する。まず、図
６、図５を参照して、燃料電池の１つのカートリッジ構
造（燃料電池カートリッジ４０）の構成について説明す
る。

【００９４】酸化剤供給部としての酸化剤供給室４は、
管板Ａ６と管板Ｂ７と上部固定部３５（上部断熱部３４
を含む）と下部固定部３３（下部断熱部３２を含む）と
隣接する手前側と奥側の他の燃料電池カートリッジ４０
の側壁部（図示せず、２枚の金属又はセラミックスの
板）とで囲まれた領域である。ただし、側壁部は無くて
も良い。供給室８（の管板Ａ６）と排出室９（の管板Ｂ
７）との間にあり、それらと隔離され、セルチューブ３
を含んでいる。すなわち、セルチューブ３に酸化剤ガス
２を供給する室である。酸化剤ガス２（後述）の供給を
受けるための酸化剤ガス供給口４−１及び排出酸化剤ガ
スとしての使用済み酸化剤ガス２の排出を行なうための
酸化剤ガス排出口４−２を有する。酸化剤ガス供給口４
−１は、酸化剤供給室４の管板Ａ６と接する側と、管板
Ｂ７と接する側とに、それぞれ２箇所づつあり、酸化剤
保持室４７に接続している。酸化剤ガス排出口４−２
は、酸化剤供給室４の下部中央にあり、酸化剤排出管３
７−２に接続している。内部の管板Ａ６及び管板Ｂ７の
近傍に、支持体Ａ１０−１（管板Ａ６側）及び支持体Ｂ
１０−２（管板Ｂ７側）を固定している。ステンレスや
耐熱合金などの金属製の室である。

【００９５】酸化剤ガス２は、４箇所の酸化剤ガス供給
口４−１から酸化剤供給室４に入り、支持体Ａ１０−１
と管板Ａ６とで形成された空間（隙間）又は支持体Ｂ１
０−２と管板Ｂ７とで形成された空間（隙間）を進む。
そして、セルチューブ３と支持体Ａ１０−１との隙間又
はセルチューブ３と支持体Ｂ１０−２との隙間から、セ
ルチューブ３の外周面に沿って、セルチューブ３の中央
（酸化剤供給室４の中央）側へ進む。そして、セルチュ
ーブ３の中央（酸化剤供給室４の中央）部付近から、そ
の流れを下向き（酸化剤ガス排出口４−２の向き）に変
え、酸化剤ガス排出口４−２から排出される。

【００９６】支持体Ａ１０−１は、管板Ａ６の近傍であ
って、供給室８の外側の酸化剤供給室４内に固定されて
いる。そして、セルチューブ３上の端部の近傍におい
て、管板と共に酸化剤ガス２の流路を形成している。そ
して、セルチューブ３をその下方部分において支持して
いる。その他の支持体Ａ１０−１の構成及び機能は、実
施例１と同じなのでその説明を省略する。

【００９７】支持体Ｂ１０−２は、管板Ｂ７の近傍であ
って、排出室９の外側の酸化剤供給室４内に固定されて
いる。そして、セルチューブ３上の端部の近傍におい
て、管板と共に酸化剤ガス２の流路を形成している。そ
して、セルチューブ３をその下方部分において支持して
いる。その他の支持体Ａ１０−１の構成及び機能は、実
施例１と同じなのでその説明を省略する。

【００９８】燃料電池セル管としてのセルチューブ３、
第１管板としての管板Ａ６、第２管板としての管板Ｂ
７、供給室８、排出室９は、実施例１と同様であるの
で、その説明を省略する。

【００９９】管板Ａ６とセルチューブ３との接合部分
は、図４に示した通りである。これら管板Ａ６、支持体
Ａ１０−１、基体管２０、リード膜２２、燃料電池セル
２１、発電部２７及び集電部２５は、実施例１と同様で
あるので、その説明を省略する。

【０１００】なお、排出室９側のセルチューブ３と管板
Ｂ７との接合部周辺については、管板が管板Ｂ７を用い
ている点が図４と異なるが、その他の構成は図４と同様
であるので、その説明は省略する。

【０１０１】なお、燃料ガス１は、水素、メタン等を含
むガスと水蒸気との混合ガスである。また、酸化剤ガス
は、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスであ
る。

【０１０２】次に、図７を参照して、燃料電池の１つの
燃料電池カートリッジ４０の構造に関わる燃料ガス１及
び酸化剤ガス２の流路の構成について説明する。本図面
においては、集電に関する構成（燃料電池セル２１を含
む）について、省略している。

【０１０３】まず、燃料ガス１の流路に関わる構成につ
いて説明する。第１熱交換器としての燃料熱交換器３６
は、二重管構造を有し、第１内管としての低温燃料管３
６−１と、その一端部である第３端部としての燃料入口
管３６−６と、その他端部である第４端部としての燃料
供給管３６−２、及び、第１外管としての高温燃料管３
６−４と、その一端部である第５端部としての燃料排出
管３６−３と、その他端部である第６端部としての燃料
出口管３６−５とを有する。燃料電池カートリッジ４０
の１個につき、その上部に１個設置されている。新しく
供給された低温の燃料ガス１を低温燃料管３６−１に通
し、それと同時に、使用済みの高温の燃料ガス１を高温
燃料管３６−４に通すことにより、燃料熱交換器３６で
燃料ガス１の熱交換を行なう。

【０１０４】燃料入口管３６−６は、新しい燃料ガス１
の入口の管であり、その一端部は、燃料導入管３９（図
８参照）に接続し、そこから新しい燃料ガス１を受け
る。その他端部は低温燃料管３６−１の一端部に接続
し、そこへ新しい燃料ガス１を供給する。低温燃料管３
６−１は、高温燃料管３６−４に含まれ（二重管構
造）、その一端部を燃料入口管３６−６と接続してい
る。また、他端部を燃料供給管３６−２に接続してい
る。そして、燃料入口管３６−６から供給されてきた新
しい燃料ガス１を燃料供給管３６−２へ供給する際、高
温燃料管３６−４内を流れる高温の使用済みの燃料ガス
１と新しい燃料ガス１とが熱交換し、新しい燃料ガス１
を高温にする。燃料供給管３６−２は、その一端部を低
温燃料管３６−１と接続し、他端部を供給室８のガス供
給口８−１に接続している。燃料供給管３６−２は、低
温燃料管３６−１から供給された高温の新しい燃料ガス
１を供給室８のガス供給口８−１に供給する。

【０１０５】一方、燃料排出管３６−３は、その一端部
を排出室９のガス排出口９−１と接続し、他端部を高温
燃料管３６−４に接続している。燃料排出管３６−３
は、排出室９のガス排出口９−１から供給された高温の
使用済み燃料ガス１を高温燃料管３６−４に供給する。
高温燃料管３６−４は、低温燃料管３６−１を含み（二
重管構造）、その一端部を燃料排出管３６−３に接続し
ている。また、他端部を燃料出口管３６−５に接続して
いる。そして、燃料排出管３６−３から供給されてきた
使用済み燃料ガス１を燃料出口管３６−５へ供給する
際、低温燃料管３６−１内を流れる低温の新しい燃料ガ
ス１と高温燃料管３６−４を流れる使用済み燃料ガス１
とが熱交換し、新しい燃料ガス１を高温にする。それと
共に、使用済みの燃料ガス１が低温になる。燃料出口管
３６−５は、使用済み燃料ガス１の出口の管であり、そ
の一端部は、高温燃料管３６−４に接続し、その他端部
は燃料処分管３８（図８参照）に接続している。高温燃
料管３６−４から使用済み燃料ガス１が供給され、それ
を燃料処分管３８へ排出する。

【０１０６】次に、酸化剤ガス２の流路に関わる構成に
ついて説明する。第２熱交換器としての酸化剤熱交換器
３７は、二重管構造を有し、第２外管としての低温酸化
剤供給管３７−１と酸化剤排出管３７−２と酸化剤供給
口３７−３と第２内管としての高温酸化剤排出管３７−
４とを有する。燃料電池カートリッジ４０の１個毎に対
応して、その下部に設置されている。新しく供給された
低温の酸化剤ガス１を低温酸化剤供給管３７−１に通
し、それと同時に、使用済みの高温の酸化剤ガス２を高
温酸化剤排出管３７−４に通すことにより、酸化剤熱交
換器３７で酸化剤ガス２の熱交換を行なう。

【０１０７】低温酸化剤供給管３７−１は、内部に高温
酸化剤排出管３７−４を含み（二重管構造）、燃料電池
カートリッジ４０のある位置の下方の位置に、酸化剤供
給口３７−３を有する。内部を流れる新しい低温の酸化
剤ガス２を酸化剤供給口３７−３から酸化剤保持室４７
へ供給する際、低温の酸化剤ガス２と高温酸化剤排出管
３７−４とが熱交換し、高温の酸化剤ガス２に変える。
酸化剤供給口３７−３は、低温酸化剤供給管３７−１に
開口した孔であり、そこから新しい酸化剤ガス２が、低
温酸化剤供給管３７−１から酸化剤保持室４７へ供給さ
れる。酸化剤保持室４７（図６参照）は、収容容器５０
（容器断熱部４４を含む）内における、燃料電池カート
リッジ４０（供給室８、酸化剤供給室4及び排出室９な
ど）、下部固定部３３、上部固定部３５、燃料熱交換器
３６、酸化剤熱交換器３７などを除いた空間である。酸
化剤供給口３７−３から供給８（放出）された新しい酸
化剤ガス２は、熱交換により高温化され、収容容器５０
内に充満し、定常運転（立上げや停止のような一時的な
運転を除く）時に容器全体を１００℃以上の温度に保
つ。１００℃以上にするのは、燃料ガス１中の水蒸気を
水に戻さない為である。酸化剤供給室４の酸化剤ガス供
給口４−１（供給室８側及び排出室９側）へ供給され
る。なお、酸化剤保持室４７は、収容容器５０の容器断
熱部４４の内側における温度を１００℃以上に保つ（配
管の水を水蒸気の状態に保つ）働きもある。

【０１０８】一方、酸化剤排出管３７−２は、その第７
端部としての一端部を酸化剤ガス排出口４−２と（開放
して）接続し、第８端部としての他端部を高温酸化剤排
出管３７−４に接続している。酸化剤ガス排出口４−２
から排出された高温の使用済み酸化剤ガス２を、高温酸
化剤排出管３７−４へ排出する。高温酸化剤排出管３７
−４は、酸化剤排出管３７−２と接続し、低温酸化剤供
給管３７−１の内部に含まれ（二重管構造）ている。酸
化剤排出管３７−２から排出された高温の使用済み酸化
剤ガス２が外部に排出される際、低温酸化剤供給管３７
−１を流れる低温の新しい酸化剤ガス２と熱交換し、低
温となる。新しい酸化剤ガス２は、熱交換により高温と
なる。

【０１０９】上部断熱部３４は、燃料電池カートリッジ
４０の部分の上部にある直方体形状の断熱材である。ア
ルミナや、シリカ、マグネシアのような多孔質のセラミ
ックスである。酸化剤供給室４内のセルチューブ３の発
電部２７で発生する熱に対する断熱用である。セルチュ
ーブ３の長手方向の幅は、支持体Ａ１０−１の管板Ａ６
側から支持体Ｂ１０−２の管板Ｂ７側までと同じ長さで
ある。その幅と直角の方向の奥行きは、供給室８の奥行
き（＝排出室９の奥行き）と同じである。高さ（厚み）
は、断熱材の上部（発電部２７と反対の側）において、
温度を何度にするかにより決定される。燃料電池カート
リッジ４０上に直接取り付ける。断熱材がセルチューブ
３に影響することを避けたい場合には、セラミックスや
金属などの板（上部断熱部３４と同じ平面サイズ）を、
燃料電池カートリッジ４０と上部断熱部３４との間に入
れても良い。

【０１１０】上部固定部３５は、上部断熱部３４の上部
にある直方体形状の金属板である。上部断熱部３４を固
定すると共に、その上部にある燃料熱交換器３６を固定
する。ニッケルやステンレスなどの金属である。幅は、
上部断熱部３４よりもその両端で若干長い。奥行きは、
上部断熱部３４と同じであり、高さ（厚み）は、上部断
熱部３４と燃料熱交換器３６を固定するのに必要な厚み
である。

【０１１１】下部断熱部３２は、燃料電池カートリッジ
４０の部分の下部にある直方体形状の断熱材である。ア
ルミナや、シリカ、マグネシアのような多孔質のセラミ
ックスである。酸化剤供給室４内のセルチューブ３の発
電部２７で発生する熱に対する断熱用である。セルチュ
ーブ３の長手方向の幅は、支持体Ａ１０−１の管板Ａ６
側から支持体Ｂ１０−２の管板Ｂ７側までと同じ長さで
ある。その幅と直角の方向の奥行きは、供給室８の奥行
き（＝排出室９の奥行き）と同じである。高さ（厚み）
は、断熱材の下部（発電部２７と反対の側）において、
温度を何度にするかにより決定される。幅及び奥行きに
おいて、その中央部分に高さ方向に酸化剤排出管３７−
２を通すための孔が開口している。燃料電池カートリッ
ジ４０下に直接取り付ける。断熱材がセルチューブ３に
影響することを避けたい場合には、セラミックスや金属
などの板（下部断熱部３２と同じ平面サイズで孔が開
口）を、燃料電池カートリッジ４０と下部断熱部３２と
の間に入れても良い。

【０１１２】下部固定部３３は、下部断熱部３２の下部
にある直方体形状の金属板である。下部断熱部３２を固
定すると共に、その上部にある燃料電池カートリッジ４
０を下部断熱部３２を介して支持する。ニッケルやステ
ンレスなどの金属である。幅は、上部断熱部３４よりも
その両端で若干長い。そして、その両端部において、下
部断熱材３２の両端を挟むような突起部がある。奥行き
は、下部断熱部３２と同じであり、高さ（厚み）は、下
部断熱部３２と燃料電池カートリッジ４０を固定するの
に必要な厚みである。

【０１１３】フレーム支持体Ａ１３、フレーム支持体Ｂ
１４、フレーム支持体Ｃ１５（図７に図示せず）及びフ
レーム支持体Ｄ１６については、実施例１で説明（図３
参照）した通りであるので、その説明は省略する。ただ
し、セルチューブ３は、図７では、図３、図６及び図５
の例と異なり、縦１０本×横３本＝合計３０本 を例示
している。しかし、セルチューブの本数は、これらの例
に限定されるものではない。設計変更により変更可能で
ある。

【０１１４】燃料電池カートリッジ４０における、セル
チューブ３に関わるその他の構成、酸化剤ガス供給口４
−１及び酸化剤ガス排出口４−２を有する酸化剤供給室
４、管板Ａ６、管板Ｂ７、ガス供給口８−１を有する供
給室８、ガス排出口９−１を有する排出室９、支持体Ａ
１０−１、支持体Ｂ１０−２については、図６で説明し
た通りなので、その説明を省略する。

【０１１５】次に、図８を参照して、複数の燃料電池カ
ートリッジ４０を有する燃料電池（図８に示す構造）に
おけるカートリッジ構造について説明する。本図面にお
いては、集電に関する構成（燃料電池セル２３を含む）
について、省略している。図７で示す燃料電池カートリ
ッジ４０（セルチューブ３、酸化剤供給室４及びその関
連部分、管板Ａ６、管板Ｂ７、供給室８、排出室９、支
持体Ａ１０、支持体Ｂ１１、フレーム２０など）及び、
下部断熱部３２、下部固定部３３、上部断熱部３４、上
部固定部３５、燃料熱交換器３６（３６−１〜３６−６
を含む）については、図６で説明した通りなので、その
説明を省略する。

【０１１６】燃料導入管３９は、燃料熱交換器３６の上
部にあり、燃料電池カートリッジ４０の長手方向（セル
チューブ３の方向）と直角の方向に延び、容器外蓋４２
を通って、外部の配管と接合している。外部から供給さ
れる燃料ガス１を、図８で示す燃料電池へ導入する金属
製の配管である。各燃料電池カートリッジ４０の燃料入
口管３６−６に接合され、そこを通して各燃料電池カー
トリッジ４０に燃料ガス１を供給する。燃料電池カート
リッジ４０が無い部分については、燃料入口管３６−６
との接合部に栓をしておく。また、燃料電池カートリッ
ジ４０を取り外す場合、燃料導入管３９は、その燃料電
池カートリッジ４０部分のみの取り外しが可能である。
すなわち、燃料導入管３９は、燃料電池カートリッジ４
０の幅分の配管を細かく接合したものである。

【０１１７】燃料処分管３８は、燃料熱交換器３６の上
部にあり、燃料電池カートリッジ４０の長手方向（セル
チューブ３の方向）と直角の方向に延び、容器外蓋４２
を通って、外部の配管と接合している。各燃料電池カー
トリッジ４０で使用された使用済み燃料ガス１を、図８
で示す燃料電池の外部へ排出する金属製の配管である。
各燃料電池カートリッジ４０の燃料出口管３６−５に接
合され、そこから各燃料電池カートリッジ４０の使用済
み燃料ガス１を受け取る。燃料電池カートリッジ４０が
無い部分については、燃料出口管３６−５との接合部に
栓をしておく。また、燃料電池カートリッジ４０を取り
外す場合、燃料処分管３８は、その燃料電池カートリッ
ジ４０部分のみの取り外しが可能である。すなわち、燃
料処分管３８は、燃料電池カートリッジ４０の幅分の配
管を細かく接合したものである。

【０１１８】酸化剤熱交換器３７（３７−１〜１７−４
を含む）は、燃料電池カートリッジ４０の下部にあり、
燃料電池カートリッジ４０の長手方向（セルチューブ３
の方向）と直角の方向に延び、容器外蓋４２を通って、
外部の配管と接合している。新しい酸化剤ガス２を外部
から燃料電池へ導入すると共に、各燃料電池カートリッ
ジ４０で使用された使用済み酸化剤ガス２を燃料電池の
外部へ排出する金属製の配管である。各燃料電池カート
リッジ４０の酸化剤ガス排出口４−２に接合され、そこ
から各燃料電池カートリッジ４０の使用済み酸化剤ガス
２を受け取る。燃料電池カートリッジ４０が無い部分に
ついては、酸化剤ガス排出口４−２と酸化剤排出管３７
−２との接合部、及び、酸化剤供給口３７−３の開口部
に栓をしておく。その他の酸化剤熱交換器３７について
は、図６で説明した通りなので、その説明を省略する。

【０１１９】収容容器５０は、図８に示す燃料電池を内
包する円筒形の容器である。円筒形の筒部である容器筒
部４９と、容器の蓋である容器外蓋４２と、容器筒部４
９と容器外蓋４２とを接合するための容器フランジ４３
と、容器を自立させるための容器脚部５１とから成る。

【０１２０】収容容器５０及び容器筒部４９は、ニッケ
ルやステンレルなどの金属製である。容器脚部５１（容
器脚部５１−１〜容器脚部５１−４、ただし、容器客部
５１−３、４は図示せず）は、収容容器５０を支える４
脚ある脚部である。ニッケルやステンレルなどの金属製
である。容器外蓋４２（図３に示す容器の手前側の蓋を
容器外蓋４２−１（図示せず）とし、奥側の蓋を容器外
蓋４２−２とする）は、燃料電池の燃料電池カートリッ
ジ４０を取出し可能な側（容器外蓋４２−１）と反対の
側（容器外蓋４２−２）の、収容容器５０の蓋である。
ニッケルやステンレルなどの金属製である。奥側の蓋で
ある容器外蓋４２−２には、燃料導入管３９、燃料処分
管３８及び酸化剤熱交換器３７が、外部の配管と接続す
るための接合部がある。容器断熱部４４、燃料電池支持
部４５、支持体車輪４６、支持体レール４８、からな
る。燃料電池の燃料電池カートリッジ４０を取出し可能
な側にも容器外蓋４２−１（配管の接合は無し）がある
が、図示していない。容器フランジ４３（図３に示す容
器外蓋４２−１（図示せず）に対応するフランジを容器
フランジ４３−１とし、容器外蓋４２−２に対応するフ
ランジを容器フランジ４３−２とする）は、容器筒部４
９と容器外蓋４２とを接合するためのフランジであり、
通常ボルトナットで締める。ニッケルやステンレルなど
の金属製である。容器筒部４９と容器外蓋４２との接合
面は、内部のガスがリークしないように、シール用のＯ
リング（温度により銅やアルミニウムのような金属又は
シリコーン製のゴムのような樹脂）を使用する。

【０１２１】容器断熱部４４は、収容容器５０の内壁面
全体を覆う断熱材である。収容容器５０内は、温度が１
００℃以上に保たれて入るため、外部にその温度が伝わ
らないように、内壁面を断熱している。容器の外蓋（容
器外蓋４２を含む）の内壁面についても同様である。ア
ルミナやシリカ、マグネシアの多孔質材料や、ガラスウ
ール、石綿などが用いられる。

【０１２２】支持体移動部の一部としての燃料電池支持
部４５は、各燃料電池カートリッジ４０を、それぞれの
供給室８及び排気室９の下部の２箇所において支持する
２つ（供給室８側及び排気室９側）の金属製の部剤であ
る。断面はＬ字型であり、Ｌ字の縦の辺が、供給室８及
び排気室９それぞれの発電部２７とは反対側に接して、
それらを支持する。また、Ｌ字の横の辺が、供給室８及
び排気室９それぞれの下側に接して、それらを支持す
る。そして、燃料電池支持部４５は、セルチューブ３と
直角の方向（容器筒部４９の側面と平行な方向）に延
び、下部固定部４３（下部断熱部４２を含む）と共に、
各燃料電池カートリッジ４０を支持している。

【０１２３】支持体移動部の一部としての支持体車輪４
６は、２つの燃料電池支持部４５の下部にそれぞれ取り
付けられた複数の車輪である。そして、燃料電池カート
リッジ部４１、燃料電池支持部４５及び支持体車輪４６
を収容容器５０の手前側に引き出す時に、その複数の支
持体車輪４６により、燃料電池カートリッジ４０の集合
体が支持体レール４８（後述）上を転がり又は滑り（摺
動し）、移動することが出来る。

【０１２４】移動補助体としての支持体レール４８は、
支持体車輪４６がその上を動くための、複数の支持体車
輪４６の下部に取り付けられたレールである。２つ（供
給室８側及び排気室９側）の支持体移動部としての燃料
電池支持部４５に対応して、供給室８側及び排気室９側
に１個所づつ、合計２つある。燃料電池カートリッジ４
０の集合体を収容容器５０の手前側に引き出す時に、手
前側に延びる（例えば、支持体レール４８の中に長さが
同じで断面の大きさがやや小さい支持体レールを入れて
おき、それを手前に出す）構造をしている。

【０１２５】では、本発明であるカートリッジ構造の第
二の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明す
る。まず、通常の発電に関わる燃料ガス１及び酸化剤ガ
ス２に関わる動作について説明する。図６及び図８を参
照して、このような構成をなす燃料電池において、収容
容器５０の容器外蓋４２を通して、燃料導入管３９へ低
温（ただし、１００℃以上）の燃料ガス１が供給され
る。燃料導入管３９を通って供給された燃料ガス１は、
各燃料入口管３６−６から各燃料電池カートリッジ４０
へ分配、供給される。燃料ガス１は、低温燃料管３６−
１において、その周囲を流れる高温の使用済みの燃料ガ
ス１と熱交換を行ない、高温となる。そして、燃料供給
管３６−２をとおり、ガス供給口８−１から供給室８に
供給される。

【０１２６】供給室８内に供給された燃料ガス１は、セ
ルチューブ３の一端部から、ばらつきの無い流量で流入
する。そして、供給室８から排出室９へ向かう方向へ、
移動していく。移動していく過程で燃料ガス１は、９０
０℃以上の温度に達する。

【０１２７】一方、収容容器５０の容器外蓋４２を通し
て、酸化剤熱交換器３７の低温酸化剤供給管３７−１へ
低温（ただし、１００℃以上）の酸化剤ガス２が供給さ
れる。酸化剤ガス２は、低温酸化剤供給管３７−１を通
る間に、高温酸化剤排出管３７−４を流れる高温の使用
済み酸化剤ガス２と熱交換を行ない、高温となる。そし
て、各酸化剤供給口３７−３から酸化剤保持室４７へ入
り、その後、各燃料電池カートリッジ４０へ分配、供給
される。すなわち、４箇所の酸化剤ガス供給口４−１か
ら酸化剤供給室４に供給される。

【０１２８】酸化剤ガス供給口４−１から酸化剤供給室
４に供給された酸化剤ガス２は、供給室８側では、支持
体Ａ１０−１と管板Ａ６とに挟まれ形成された領域を管
板Ａ６に沿って移動する。そして、各セルチューブ３に
達すると、支持体Ａ１０−１とセルチューブ３の外周部
との間の空間を通り、概ねセルチューブ３の外周部に沿
って、移動する。また、同様に、酸化剤ガス２は、排出
室９側では、支持体Ｂ１０−２と管板Ｂ７とに挟まれ形
成された領域を管板Ｂ７に沿って移動する。そして、各
セルチューブ３に達すると、支持体Ｂ１０−２とセルチ
ューブ３の外周部との間の空間を通り、概ねセルチュー
ブ３の外周部に沿って、移動する。

【０１２９】燃料ガス１は、出口ガス組成でセルチュー
ブ３を進み、セルチューブ３の発電部２７において、そ
の壁面（側面）内部へ壁面の外側に向かって拡散し、燃
料電池セル２１の燃料極であるアノードに達する。一
方、酸化剤ガス２は、セルチューブ３の外周面に沿って
進み、セルチューブ３の発電部２７において、燃料電池
セル２１の空気極であるのカソード側に達する。そし
て、燃料電池セル２１において、燃料ガス１と酸化剤ガ
ス２との電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力
が発生する。

【０１３０】発電の際、燃料電池セル２１では、その特
性に基づいた、ある大きさの電力が発生すると共に、電
気エネルギーに変換されなかったエネルギーが熱エネル
ギーとなって放出される。熱エネルギーの原因として
は、抵抗分極（電極、電解質、インタコネクタ等に関す
る電気抵抗損）、活性化分極（電極反応に関わる活性化
エネルギー）、拡散分極（発電時のガス濃度分布による
ポテンシャルロス）等である。その発熱により、燃料電
池セル２１及びその近傍の温度が、燃料電池セル２１の
動作温度である９００℃〜１０００℃に維持される。

【０１３１】また、発電が続けば発熱により温度が更に
高温になるが、供給する燃料ガス１及び酸化剤ガス２が
熱量を持ち去る。従って、燃料ガス１及び酸化剤ガス２
の流量、発電量を適切にすることで、動作温度を一定の
範囲に抑えることが可能である。その場合、燃料ガス１
及び酸化剤ガス２の温度は高温になるため、その熱を無
駄にしないため、本発明においては、燃料熱交換器３６
及び酸化剤熱交換器３７において、熱交換を行なう。

【０１３２】発電部２７を通過した高温の使用済み燃料
ガス１（発電により生じた水蒸気を含む）は、排出室９
に達し、そこで集められて排出口９−１から排出され
る。そして、その使用済み燃料ガス１は、燃料排出管３
６−３を経由して燃料熱交換器３６の高温燃料管３６−
４に達する。そこで、低温燃料管３６−１の周囲を流れ
ながら低温燃料管３６−１を流れる新しい燃料ガス１と
熱交換を行ない、低温の使用済み燃料ガス１（ただし１
００℃以上）となる（低温燃料管３６−１を流れる新し
い燃料ガス１は、高温となる）。低温となった使用済み
燃料ガス１は、燃料出口管３６−５を介して燃料処分管
３８に達する。そして、燃料処分管３８を通り、容器外
蓋４２から外部へ排出される。

【０１３３】発電部２７を通過した高温の使用済み酸化
剤ガス２は、セルチューブ３の中心付近から酸化剤ガス
供給室４の下部の中心付近にある酸化剤ガス排出口４−
２に達し、そこで集められて排出される。そして、酸化
剤排出管３７−２を経由して酸化剤熱交換器３７の高温
酸化剤排出管３７−４に達する。その使用済み酸化剤ガ
ス２は、低温酸化剤供給管３７−１の内部にある高温酸
化剤排出管３７−４を流れながら、その周囲を流れる新
しい酸化剤ガス２と熱交換を行ない、低温の使用済み酸
化剤ガス２となる（低温酸化剤供給管３７−１を流れる
新しい酸化剤ガス２は、高温となる）。低温となった使
用済み酸化剤ガス２は、高温酸化剤排出管３７−４から
容器外蓋３２に達し、外部へ排出される。

【０１３４】以上の動作により、本発明のカートリッジ
構造は、燃料ガス１及び酸化剤ガス２が、内部で熱交換
を行ない、効率的な発電を行なうことが可能となる。

【０１３５】次に、図７及び図８を参照して、燃料電池
カートリッジ４０の取り外しについて、説明する。燃料
電池が、完全に静止し、内部のガスが付活性ガスに置換
された状態において、容器外蓋４２−２を通る酸化剤熱
交換器３７、燃料処分管３８及び燃料導入管３９に続く
配管の接合を外す。この時、集電に関する配線も取り外
す。次に、容器フランジ４３−１にボルト締めされ取り
付けられた前部の容器外蓋４２−１（図示せず）を開け
る。続いて、支持体レール４８を２本手前に引き出す。
そして、燃料電池カートリッジ部４１を含む燃料電池の
発電本体を引き出す。その時、発電本体が支持体レール
４８上を支持体車輪４６の転がり（又は滑り）により引
き出されるようにする。一方、所望の燃料電池カートリ
ッジ４０について、まず燃料処分管３８及び燃料導入管
３９から、それぞれ燃料出口管３６−５及び燃料入口管
３６−６を取り外す。次に、燃料電池カートリッジ４０
毎に分割可能な燃料処分管３８及び燃料導入管３９にお
ける、所望の燃料電池カートリッジ４０に対応する部分
を取り外す。続いて、燃料供給管３６−２及び燃料排出
管３６−３をそれぞれガス供給口８−１及びガス排出口
９−１から取り外す。そして、燃料熱交換器３６、上部
固定部３５、上部断熱部３４を、この順番に取り外す。
また、集電に関する配線も取り外す。

【０１３６】以上の動作により、本発明のカートリッジ
構造は、燃料電池カートリッジ４０を容易に取出すこと
が可能となる。ある燃料電池カートリッジ４０の燃料電
池が故障した場合や、燃料電池の発電規模を変更したい
場合などにおいて、燃料電池カートリッジ４０を機動的
に着脱、交換することが出来る。燃料ガス１及び酸化剤
ガス２が、内部で熱交換を行ない、効率的な発電を行な
うことが可能となる。なお、燃料電池カートリッジ４０
を取出した後、予備の燃料電池カートリッジ４０がない
場合には、ダミーの燃料電池カートリッジ４０を入れる
ことにより対応する。

【０１３７】なお、取り付けは、上記取り外しプロセス
の逆を行なえば良いので、その説明を省略する。

【０１３８】以上のプロセスにより、燃料電池セル２１
で発電の際に発生する熱量を有効利用して、高温用の熱
交換器を用いることなく燃料ガス１及び酸化剤ガス２を
予熱することが可能となる。すなわち、発電に伴い発生
している熱をカートリッジ構造内で利用するので、熱効
率が高く、熱エネルギーのロスを少なくすることができ
る。また、発電により発生する熱を効率良く逃がすた
め、発電部２７の熱的な安定性が高まり、信頼性が向上
する。

【０１３９】また、燃料電池カートリッジ４０を収納し
ている部分は支持体車輪４６がついている。従って、収
容容器５０の蓋を外した後、支持体レール４８（伸縮可
能）を手前に引き出すことにより、複数重ねて収納され
ている燃料電池カートリッジ４０を支持体レール４８上
を手前に容易に引き出すことが可能である。そして、複
数ある燃料電池カートリッジ４０のどれか一つあるいは
複数をきわめて容易に取り出すことが可能となる。ま
た、収容容器５０の大きさの範囲内において、燃料電池
カートリッジ４０を出し入れすることにより、容易に燃
料電池の発電電力量を増減することが可能となる。ま
た、故障した燃料電池の属する燃料電池カートリッジ４
０を交換又は取り出すことにより、容易に修理を完了す
ることができ、残りの燃料電池を安全に運転できる。

【０１４０】加えて、ガスは、横置き、２点で支持及び
２点シールである。従って、一方向に流れるだけで良い
ので、案内管１１２を用いる必要が無く、セルチューブ
３及びその周辺部分の構造を簡単にすることが出来る。
すなわち、部品点数を減らすことが出来、コストの削減
につながる。加えて、部品点数が減ることにより、部品
相互で拘束し合う関係が減少する為、設計の自由度の向
上や部品の破損等の問題が減り、全体としての信頼性の
向上にもつながる。

【０１４１】本発明において、フレームＡ１１及びフレ
ームＢ１２は、長方形の額縁のような形状である。しか
し、三角形や正方形、六角形であっても、本発明を実施
することは可能である。それぞれの場合、フレーム支持
体は、フレームの角に接合する。従って、それぞれ３
本、４本、６本のフレーム支持体を用いる。供給室及び
排出室の形状は、本発明にあるような直方体形状でも良
いし、フレームの形状に合わせた三角柱、直方体、六角
柱（但し底面をフレームに合わせる）でも良い。三角
形、正方形、長方形、六角形あるいはそれに近い形状の
供給室及び排気室を持った燃料電池カートリッジは、複
数の燃料電池カートリッジを充填する（燃料電池カート
リッジ部を構成する）場合、充填し易い構造であり、燃
料電池カートリッジ部をコンパクトにするのに有用であ
る。

【０１４２】

【発明の効果】本発明により、カートリッジ構造におい
て、燃料電池セル管の熱応力を少なくし、運転時の温度
変化に適切に対応可能となる。

【０１４３】本発明により、燃料電池の交換が容易であ
り、カートリッジ構造の故障への対応を迅速かつ容易に
行なうことが可能となる。

【０１４４】また、本発明により、燃料電池の交換を、
あるまとまった単位で行なうことができ、燃料電池の発
電電力量を容易に変更することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明であるカートリッジ構造の第一の実施の
形態の構成を示す図である。

【図２】本発明であるカートリッジ構造の第一の実施の
形態の構成に関わる図１の構成を模式的に示す図であ
る。

【図３】本発明であるカートリッジ構造の実施の形態の
構成のに関わるフレームの構造を示す図である。

【図４】本発明であるカートリッジ構造の実施の形態に
おけるセルチューブの一端側の構成を示す図である。

【図５】（ａ）本発明であるカートリッジ構造の実施の
形態の管板の正面図を示す図である。（ｂ）本発明であ
るカートリッジ構造の実施の形態の支持体の正面図を示
す図である。

【図６】本発明であるカートリッジ構造の第二の実施の
形態の構成を示す図である。

【図７】本発明であるカートリッジ構造の第二の実施の
形態における燃料電池カートリッジ及びその周辺の構成
を示す図である。

【図８】本発明であるカートリッジ構造の実施の形態に
おける全体の構成を示す図である。

【図９】従来の技術の実施の形態の構成を示す図であ
る。

【図１０】従来の技術の実施の形態に関するセルチュー
ブを示す図である。

【符号の説明】

１ 燃料ガス ２ 酸化剤ガス ３ セルチューブ ４ 酸化剤供給室 ４−１ 酸化剤ガス供給口 ４−２ 酸化剤ガス排出口 ６ 管板Ａ ６−１ セル接合部 ７ 管板Ｂ ７−１ セル接合部 ８ 供給室 ８−１ ガス供給口 ９ 排出室 ９−１ ガス排出口 １０ 支持体 １０−１ 支持体Ａ １０−２ 支持体Ｂ １１ フレームＡ １１−１ フレームＡ １１−２ フレームＡ １１−３ フレームＡ １１−４ フレームＡ １２ フレームＢ １２−１ フレームＢ １２−２ フレームＢ １２−３ フレームＢ １２−４ フレームＢ １３ フレーム支持体Ａ １４ フレーム支持体Ｂ １５ フレーム支持体Ｃ １６ フレーム支持体Ｄ １７ 供給室収容部 １８ 排出室収容部 ２１ 燃料電池セル ２２ リード膜 ２３ 充填材 ２４ 集電部 ２５ 接合部Ａ ２５−１ 接合部Ａ ２５−２ 接合部Ａ ２５−３ 接合部Ａ ２５−４ 接合部Ａ ２６ 接合部Ｂ ２６−１ 接合部Ｂ ２６−２ 接合部Ｂ ２６−３ 接合部Ｂ ２６−４ 接合部Ｂ ２７ 発電部 ３２ 下部断熱部 ３３ 下部固定部 ３４ 上部断熱部 ３５ 上部固定部 ３６ 燃料熱交換器 ３６−１ 低温燃料管 ３６−２ 燃料供給管 ３６−３ 燃料排出管 ３６−４ 高温燃料管 ３６−５ 燃料出口管 ３６−６ 燃料入口管 ３７ 酸化剤熱交換器 ３７−１ 低温酸化剤供給管 ３７−２ 酸化剤排出管 ３７−３ 酸化剤供給口 ３７−４ 高温酸化剤排出管 ３８ 燃料処分管 ３９ 燃料導入管 ４０ 燃料電池カートリッジ ４１ 燃料電池カートリッジ部 ４２ 容器外蓋 ４２−２ 容器外蓋 ４３ 容器フランジ ４３−１ 容器フランジ ４３−２ 容器フランジ ４４ 容器断熱部 ４５ 燃料電池支持部 ４６ 支持体車輪 ４７ 酸化剤保持室 ４８ 支持体レール ４９ 容器筒部 ５０ 収容容器 ５１ 容器脚部 ５１−１ 容器脚部 ５１−２ 容器脚部 １１０ ヘッダ １１０ａ 仕切板 １１０ｂ 底板 １１０ｃ 供給室 １１０ｄ 排出室 １１１ セルチューブ １１２ 案内管 １１３ 集電キャップ １１４ シールキャップ １１５ リード膜 １１６ 集電接合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 好章 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 橋本 彰 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 久留 長生 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 池田 浩二 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 冨田 和男 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 CV02 CX06 EE12 HH00

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料ガスを供給する供給室と、 前記供給室から離れて設けられ、前記燃料ガスを排出す
   る排出室と、 前記供給室と前記排出室との間に設けられ、酸化剤ガス
   を供給する酸化剤供給部と、 一端部である第１端部で前記供給室に開放されて接合さ
   れ、他端部である第２端部で前記排出室に開放されて接
   合され、基体管の外面に燃料電池を形成された燃料電池
   セル管と、 一端部である第３端部で前記供給室に接合され、他端部
   である第４端部で前記排出室に接合されたフレーム支持
   体と、 を具備する、 カートリッジ構造。
2. 【請求項２】前記フレーム支持体の熱膨張係数は、前記
   燃料電池セル管の熱膨張係数と概ね等しい、 請求項１に記載のカートリッジ構造。
3. 【請求項３】前記基体管と前記フレーム支持体は、ジル
   コニアで形成されている、 請求項１又は２に記載のカートリッジ構造。
4. 【請求項４】前記基体管は、ジルコニアで形成され、 前記フレーム支持体は、マグネシアスピネルである、 請求項１又は２に記載のカートリッジ構造。
5. 【請求項５】前記基体管は、ジルコニアで形成され、 前記フレーム支持体は、コバールである、 請求項１又は２に記載のカートリッジ構造。
6. 【請求項６】前記供給室は、前記第１端部が接合された
   第１管板と、前記第１管板の強度を補強するフレームで
   ある第１フレームとを具備し、 前記排出室は、前記第２端部が接合された側面である第
   ２管板と、前記第２管板の強度を補強するフレームであ
   る第２フレームとを具備し、 前記フレーム支持体は、前記第３端部が前記第１フレー
   ムにおいて前記供給室と接合し、前記第４端部が前記第
   ２フレームで前記排出室と接合する、 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のカートリッジ構
   造。
7. 【請求項７】前記第１フレーム及び前記第２フレームは
   多角形である、 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のカートリッジ構
   造。
8. 【請求項８】前記フレーム支持体は、前記第１及び第２
   フレームと直角をなして接合する、 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のカートリッジ構
   造。
9. 【請求項９】前記フレーム支持体は、前記第１及び第２
   フレームの角部において接合する、 請求項１乃至８のいずれか一項に記載のカートリッジ構
   造。