JP2003100338A

JP2003100338A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2003100338A
Application number: JP2001292462A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Tomita; 和男冨田; Osao Kudome; 長生久留; Katsumi Nagata; 勝巳永田; Koji Ikeda; 浩二池田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池に複数存在する各燃料電池セルへ、燃
料ガスを均一に分配するとともに、燃料ガスを燃料電池
内部で改質する。【解決手段】基体管の外面に燃料電池セルが形成された
複数の燃料電池セル管３と、前記複数の燃料電池セル管
３の一端部が開放され接続され、水蒸気改質触媒を有す
るガス分配体１１を有し、燃料ガス１が供給されるとき
複数の燃料電池セル管３の内部へ燃料ガス１を概ね均一
に分配する供給室８と、複数の燃料電池セル管３の他端
部が開放され接続され、複数の燃料電池セル管３の内部
を通過した燃料ガス１を排出する排出室９と、供給室８
と排出室９との間にあり、複数の燃料電池セル管３の外
部に酸化剤ガス２を供給する酸化剤供給室４とを具備す
る燃料電池を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池の概略構成の一例を図３
に示す。ただし、図３では、ガス供給源、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
わる部分等は省略している。

【０００３】図３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１１
１と、燃料ガス１を供給する燃料ガス供給管１１４と、
燃料ガス１を排出する燃料ガス排出管１１３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、整流室１１０ｅ、整
流板１１５を有する。また、セルチューブは、案内管１
１２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。また、供給
室１１０ｃには、整流板１１５により整流室１１０ｅが
設けられている。ヘッダ１１０の上部には、燃料ガス供
給管１１４が供給室１１０ｃとガスの出入りが出来るよ
うに連結され、支持される。ヘッダ１１０の底板１１０
ｂ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１１１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１１０
ｃ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１１
０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
成された燃料電池を構成する円筒型セルチューブであ
る。また、仕切板１１０ａには、燃料ガス排出管１１３
が排出室１１０ｄからガスを排出可能なように案内管１
１２と反対向きに連結され、支持されている。燃料ガス
排出管１１３は、燃料ガス供給管１１４と同軸で二重管
構造（燃料ガス排出管１１３が内側）を成している。

【０００５】セルチューブ１１１上に形成された燃料電
池セル（図示せず）は、燃料極−電解質−空気極（積
層）を一つの単位として、セルチューブ１１１の基体管
の外周表面において、基体管の長手方向に一定の幅毎に
複数連続して形成されている。そして、隣接する燃料電
池セルの空気極と燃料極とが、インタコネクタの膜で接
合されている。

【０００６】このような構成をなす燃料電池の定常的な
運転では、水素やメタンのような燃料ガス１、あるいは
プロパンなどを水蒸気改質した改質された燃料ガス１を
燃料ガス供給管１１４を経由して、供給室１１０ｃ内へ
供給する。その際、供給室１１０ｃ内に供給されたガス
は、整流板１１５により、整流室１１０ｅ全体に広が
り、供給室１１０ｃ全体に分散され、各案内管１１２へ
均等に供給されるように整流される。一方、燃料ガス１
の供給と同時に、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。そして、
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内の閉塞された
下端部（他端部）より折り返し、セルチューブ１１１の
下端部（他端部）から上端部（一端部）へ向かって流通
する。そして、基体管の側面（壁面）を外側に向かって
拡散し、燃料極に達する。一方、酸化剤ガス２は、外部
から進入し、セルチューブ１１１の外周部上の空気極に
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２で電気化学的に反応し
て電力を発生する。

【０００７】ヘッダ１１０に付属する各セルチューブ１
１１が等しく発電を行なう要件の一つとして、燃料ガス
１の供給を等しく行なうことが挙げられる。その為に、
整流板１１５を用い、供給室１１０ｃに燃料ガス１を供
給する際に、ガスの供給口付近の案内管１１２に燃料ガ
ス１が集中しないようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、燃料電池に複数存在する各燃料電池セルへ、燃料ガ
スあるいは酸化剤ガスを、概ね均一に分配することが可
能な燃料電池を提供することである。

【０００９】また、別の目的としては、燃料ガスを燃料
電池内部で改質することが可能な燃料電池を提供するこ
とである。

【００１０】更に、別の目的としては、各燃料電池セル
へ、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを、各ガスに含まれる
塵や埃などを除去して分配することが可能な燃料電池を
提供することである。

【００１１】更に、別の目的としては、各燃料電池セル
へ、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを、温度を概ね均一に
して分配することが可能な燃料電池を提供することであ
る。

【００１２】

【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。

【００１３】上記課題を解決するために、本発明の燃料
電池は、基体管の外面に燃料電池セルが形成された複数
の燃料電池セル管（３）と、複数の燃料電池セル管
（３）の一端部が開放され接続され、燃料ガス（１）が
供給されるとき、複数の燃料電池セル管（３）の内部へ
燃料ガス（１）を概ね均一に分配する供給室（８）と、
複数の燃料電池セル管（３）の他端部が開放され接続さ
れ、複数の燃料電池セル管（３）の内部を通過した燃料
ガス（１）を排出する排出室（９）と、供給室（８）と
排出室（９）との間にあり、複数の燃料電池セル管
（３）の外部に酸化剤ガス（２）を供給する酸化剤供給
室（４）とを具備する。

【００１４】また、本発明の燃料電池は、供給室（８）
が、供給室（８）内に設けられ、燃料ガス（１）が複数
の燃料電池セル管（３）に供給されるとき、燃料ガス
（１）を複数の燃料電池セル管（３）へ概ね均一に分配
するように燃料ガス（１）を透過させるガス分配体（１
１）とを具備する。

【００１５】また、本発明の燃料電池は、ガス分配体
（１１）が、金属又はセラミックスの発泡体である。

【００１６】更に、本発明の燃料電池は、ガス分配体
（１１）が、水蒸気改質触媒を有する。

【００１７】更に、本発明の燃料電池は、ガス分配体
（１１）が、燃料ガス（１）が供給室（８）に入るとき
の流れの方向の延長線上の領域において、燃料ガス
（１）の透過率が低く、その領域から離れるに連れて燃
料ガス（１）のその透過率が同じか又は高くなる。

【００１８】更に、本発明の燃料電池は、ガス分配体
（１１）が、燃料ガス（１１）が供給室（８）に入ると
きの流れの方向の延長線上の領域において、ガス分配体
（１１）の厚みが厚く、領域から離れるに連れてその厚
みが同じか又は薄くなる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明である燃料電池の実
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、筒型のうち横置きの円筒型の燃料電池セ
ル管を有する燃料電池に関して例を示して説明する。し
かし、縦置きの円筒型や、他形状の筒型、平板型等の他
の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。

【００２０】では、本発明である燃料電池の一実施の形
態に関して、図面を参照して説明する。図１は、本発明
である燃料電池の一実施の形態の構成を示す図（断面
図）であり、燃料電池は、燃料電池セル管としてのセル
チューブ３、酸化剤供給室４、管板Ａ６、管板Ｂ７、ガ
ス供給口８−１とガス分配体１１とガス分散部１２とを
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１０（供給室８側の支持体である支持体Ａ１０−
１及び排出室９側の支持体である支持体Ｂ１０−２）、
からなる。なお、図１の構成は、図示しない断熱及びガ
スリークの安全性を考慮した容器内に設置され、外部の
ガス供給排出装置や発電制御装置と接続している。

【００２１】本発明においては、供給室８内でのガスの
均一分配のために、ガス分配体１１により、各セルチュ
ーブ３に供給される燃料ガス１は、セルチューブ３の位
置に依らず概ね均一の量となる。すなわち、燃料ガス１
の不足等を気にせず、セルチューブ３を燃料電池内の場
所に依らずより正確に制御することが出来る。従って、
正常に安定的に発電することが可能となり、信頼性を向
上できる。また、ガス分配体１１は、燃料ガス１を改質
する改質触媒の働きを有している。すなわち、燃料ガス
１は、ガス分配体１１により供給室８内で各セルチュー
ブ３毎に概ね均一な量が供給されるが、その際、ガス分
配体１１により改質され水素を主成分とする改質ガスに
なってから供給される。通常外部で改質が行なわれる
が、本発明では内部であり、外部の改質装置及び配管等
のコストが削減できる。

【００２２】本発明において、ガスを「概ね均一」に分
配する（あるいは供給する等）とは、ガスの流量が完全
に均一でない（少しの相違がある）場合でも、燃料電池
の運転において、その相違によるセル出力への影響が僅
かであるような、ガスの分配状態をいう。すなわち、複
数の燃料電池セルに対するガスの分配量の誤差範囲が、
一定の範囲に収まっている状態である。その場合の一定
の範囲は、燃料電池の規模や性能、他の運転条件により
決定される。以後、「均一」又は「概ね均一」を「均
一」と記す。

【００２３】また、セルチューブ３は、両端支持であ
り、供給室８側の支持体Ａ１０−１及び排出室９側の支
持体Ｂ１０−２で支持され、かつ管板Ａ６及び管板Ｂ７
との接合部によって２点でガスシール及び支持されてい
る。従って、従来（図３）の１点支持と比較して、振動
や衝撃を２点で、分散して受けることになり、機械的に
強い構造となる。加えて、ガスシール部分は、支持する
荷重が少ないため、不要な力がかからず、ガスシールの
信頼性が向上する。また、燃料ガス１は、供給室８から
セルチューブ３に進入し、排出室９へ排出されるという
一方向（ワンスルー）のガスの流れである。従って、案
内管が不用となり、従来の場合（図３）と比較して、部
品点数を減らせるので、コストの削減と信頼性の向上が
可能となる。以上の点が、前述の従来例（図３）と大き
く異なる。

【００２４】以下に各構成を詳細に説明する。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（後述）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、一端側を供給室８（後述）に、他端側を排出室
９（後述）に接合（嵌合）され、支持されている。そし
て、一端側が供給室８（後述）と、他端側が排出室９
（後述）とガスの出入りが出来るように開放されてい
る。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、空気極が順に積層され、セルを形成してい
る。それぞれのセル同士は、インターコネクタ膜で接合
されている。燃料ガス１が、セルチューブ３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し、
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。

【００２５】第二の供給室としての酸化剤供給室４は、
供給室８（後述）と排出室９（後述）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。セルチ
ューブ３に酸化剤ガス２を供給する部屋である。そし
て、管板Ａ６（後述）及び管板Ｂ７（後述）の近傍に、
支持体１０（後述）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。

【００２６】第一の供給室としての供給室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の供給を受けるためのガス供給口８−
１と燃料ガス１を改質・分散させるガス分散体１１（後
述）を有している。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有る。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。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Ａ
６と開放されて連結、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、ステ
ンレスや耐熱合金などの金属製の室である。

【００２７】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。燃料ガス１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
属している場合も有る。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。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と開放されて連結、接
合されている。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室
である。

【００２８】管板Ａ６は、供給室８の一方側（排出室９
と向き合う側）の面の板であり、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と、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し、可動的に接合してい
る。接合部分は、供給側シール部６−１（後述）であ
り、管板Ａ６とセルチューブ３との隙間からガスがリー
クしないように、適切にシールされている。ステンレス
や耐熱合金などの薄い金属製の板を使用する。

【００２９】管板Ｂ７は、排出室９の一方側（供給室８
と向き合う側）の面の板であり、セルチューブ３を接合
するための穴が（セルチューブ３の数だけ）開口してい
る。セルチューブ３と、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し、可動的に接合してい
る。接合部分は、排出側シール部（図示せず）であり、
管板Ｂ７とセルチューブ３との隙間からガスがリークし
ないように、適切にシールされている。ステンレスや耐
熱合金などの薄い金属製の板を使用する。

【００３０】支持体１０は、供給室８側の支持体Ａ１０
−１と、排出室９側の支持体Ｂ１０−２とから成る。そ
れぞれの支持体は、直方体形状の一体物である。その支
持体１０を図１の左側（排出室９側）又は右側（供給室
８側）から見た場合の平面形状は、供給室８あるいは排
出室９とほぼ同一である。そしてその面に垂直にセルチ
ューブ３を通すための孔が、セルチューブ３の数だけ開
口している。

【００３１】支持体Ａ１０−１は、セルチューブ３を供
給室８の側で支持するための支持体である。それと同時
に、セルチューブ３の発電部２７（セルチューブ３が発
電を行なう、セルチューブ３の両端（支持及びガスシー
ルを行なう部分、後述）を除いた、燃料電池セルが形成
されている部分、以下同じ）の熱を遮蔽する。酸化材供
給室４内に設けられ、固定されている。シリカ、アルミ
ナ、マグネシアなどを主成分とする耐火レンガ、あるい
は、多孔質シリカ、多孔質アルミナの成形体、石英ガラ
スウールなどである。

【００３２】支持体Ｂ１０−２は、セルチューブ３を排
出室９の側で支持するための支持体である。それと同時
に、セルチューブ３の発電部２７（後述）で発生する熱
を遮蔽する。酸化材供給室４内に設けられ、固定されて
いる。シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とす
る耐火レンガ、あるいは、多孔質シリカ、多孔質アルミ
ナの成形体、石英ガラスウールなどである。

【００３３】ガス分配体１１は、供給室８の内部にあ
り、図１の左側（排出室９側）又は右側（供給室８側）
から見た場合の平面形状は、供給室８あるいは排出室９
とほぼ同一である。本実施例では、直方体形状の金属、
セラミックスの発泡体又は多孔体（後述）である。供給
室８のガス分散部１２（後述）に入った燃料ガス１（水
蒸気を含む）に対して、燃料ガス１の流れを妨げる流路
抵抗として働く。燃料ガス１は、一部はそのままガス分
配体１１を透過するが、抵抗により流量が制限されるの
で、その何割かが、流路断面積を稼ぐため（あるいは流
路抵抗の低いところを求めて）、その周辺に拡散する。
そして、ガス分散部１２全体に分散した後、ガス分配体
１１を透過する。すなわち、燃料ガス１は、ガス分散部
１２全体に広がりながら、セルチューブ３の方向へ均一
に流れる。

【００３４】ガス分配体１１である発泡体又は多孔体
（以下「発泡体等」ともいう）の気孔率は、流路の抵抗
が高くガスの分配が均一になる場合には、ガス分配体１
１全体に均一にしても良い。しかし、ガス分配体１１で
の圧損が大きくなる場合には、全体としての抵抗を減ら
す為に、ガス分配体１１全体の気孔率を上げる。その
際、燃料ガス１が供給室８に入るときの流れの方向の延
長線上の領域（ガス供給口８−１から近い場所）におい
て、燃料ガス１の透過率を低く（発泡体等の気孔率を低
く）、上記領域から離れるに連れて燃料ガス１の透過率
を同じか又は高く（発泡体等の気孔率を同じか又は高
く）することにより、気孔率を上げて圧損を減らしつつ
ガスの均一な分配が可能となる。

【００３５】また、ガス分配体１１である発泡体等の気
孔率を、燃料ガス１が供給室８に入るときの流れの方向
の延長線上の領域（ガス供給口８−１から近い場所）に
おいて、発泡体等の厚みを厚く、上記領域から離れるに
連れて発泡体等の厚みを同じか又は薄くすることによっ
ても、圧損の少ないガスの均一な分配が可能である。

【００３６】ガス分配体１１は、燃料ガス１を水蒸気改
質反応により、水素を主成分とする改質された燃料ガス
１に変更するための改質触媒でもある。燃料ガス１が、
ガス分配体１１を透過する際、ガス分配体１１表面に形
成された水蒸気改質触媒の作用により、改質された燃料
ガス１となる。ガス分配体１１には、セラミックスの発
泡体又は多孔体を触媒担体とし、その表面に触媒用の金
属を担持する。触媒担体としては、アルミナ、マグネシ
ア、ジルコニア、シリカなどの高比表面積の発泡体（又
は多孔体）を用い、触媒に担持する金属としてはＮｉ、
Ｒｕ、Ｒｈあるいはそれらを含む合金などを使用する。
ガス分配体１１を金属で作製する場合には、前述の金属
（Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈあるいはそれらを含む合金）でガス
分配体１１を構成するか、又は、何らかの金属表面に触
媒担体をコーティングし、その上に前述の金属を担持す
る。または、何らかの金属表面に、水蒸気改質触媒の粒
子を担持する。

【００３７】ガス分配体１１での水蒸気改質反応によ
り、燃料ガス１は、水素を主成分とする改質された燃料
ガス１となる。例えば、改質条件として水蒸気／炭素〜
４、１気圧、温度〜７５０℃のとき、およそ水素
（Ｈ_２）／水蒸気（Ｈ_２Ｏ）／一酸化炭素（ＣＯ）／二
酸化炭素（ＣＯ_２）＝５６／３０／８／６程度である。

【００３８】なお、ガス分配体１１は、粒状あるいはペ
レット状の水蒸気改質触媒そのものを、ガスが通過する
ことが可能な容器（金属あるいはセラミックスの網製の
容器など）に詰めたような物でも良い。その場合、発泡
体又は多孔体の孔の大きさや、粒状あるいはペレット状
の触媒の大きさにより、燃料ガス１中の塵や埃を除去す
るフィルター役割を持たせることも可能である。

【００３９】また、燃料ガス１の流れる方向の厚みを厚
くすることにより、燃料ガス１の温度をガス分配体１１
の温度に均一化することが出来る。特に、ガス分配体１
１を熱容量の大きな物質にすることにより、その効果を
より大きくすることが出来る。

【００４０】ガス分散部１２は、供給室８における、管
板Ａ６の反対側の面とガス分配体１１とで挟まれた空間
である。ガス供給口８−１から供給された燃料ガス１
は、一部はガス分配体１１に進入しつつ、この空間にお
いてガス分散部１２の全体に分散される。

【００４１】なお、燃料ガス１は、水素、メタンを含む
ガスと水蒸気との混合ガス、あるいは、プロパン等の有
機炭化水素と水蒸気との混合ガスである。なお、改質さ
れた燃料ガス１は、メタンあるいはプロパン等の有機炭
化水素と水蒸気が水蒸気改質された水素を主成分とする
改質ガスである。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。

【００４２】次に、図２を参照して、供給側シール部６
−１及びその周辺部について説明する。基本的に、供給
側シール部６−１及びその周辺部と排出側シール部（管
板Ｂ７とセルチューブ３との接合部）及びその周辺部と
は、同一の構造で良いので、供給側シール部６−１及び
その周辺部についてのみ説明する。図２は、供給側シー
ル部６−１及びその周辺部を示す図（断面図）である。
セルチューブ３の一端部、供給側シール部６−１を有す
る管板Ａ６（の供給側シール部４近傍）、セル支持部１
０−３を有する支持体Ａ１０−１、基体管２０、燃料電
池セル２１、リード膜２２、充填剤２３、集電部２４か
らなる。

【００４３】管板Ａ６そのもの（セルチューブ３を通す
孔の部分）が、供給側シール部６−１を形成し、ガスシ
ールを行なう。管板Ｂ６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２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（供給側シ
ール部６−１）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の外周部と供給側シール部６
−１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の孔部の内側部分である供給側シ
ール部６−１は、セルチューブ３と密接する際、供給室
８側への湾曲に伴う供給側シール部６−１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、供
給側シール部６−１及び排出側シール部（管板Ｂ７とセ
ルチューブ３との接合部）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。ステンレスなどの薄い金
属の板を使用する。

【００４４】管板Ａ６（薄い金属板）は、その伸縮自在
性により、左右（セルチューブ３の長手方向）、上下、
前後の方向や、斜め方向にもある程度の範囲まで可動で
ある。また、管板Ａ６は、それと同時に、供給室８の燃
料ガス１と、供給室８の外側の酸化剤ガス２との間をガ
スシールする。その時、下記の充填材２３も利用する。
管板Ａ６の他の部分は図１で示した管板Ａ６と同一であ
るのでその説明は省略する。

【００４５】支持体Ａ１０−１は、セルチューブ３をセ
ル支持部１０−３において支持する。図２において、セ
ル支持部１０−３とセルチューブ３との間に隙間がある
のは、セル支持部１０−３の直径が、セルチューブ３の
直径よりもやや大きい程度であるからである。セルチュ
ーブ３が振動その他の理由で本来の位置から動いても、
セル支持部１０−３で余裕を持たせ、無理な荷重が掛か
らないようにする。その場合、セルチューブ３の支持
は、セルチューブ３から見て下側のセル支持部１０−３
の面で行なう。別の支持方法として、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、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。

【００４６】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１
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。

【００４７】燃料電池セル２１は、セルチューブ３の外
周面上に、外周面の側から順番に燃料極、電解質、空気
極が積層（図示せず）された燃料電池のセルである。燃
料極、電解質、空気極は、少しずつずらして積層されて
いる。それぞれの燃料電池セル２１同士は、インターコ
ネクタ膜（図示せず）で直列に接合（隣り合うセルの一
方の燃料極と他方の空気極とを接合）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。

【００４８】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。一方の端が正極、他方の端が負極とな
り、そこから集電用の電線により電力を取出すことが出
来る。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。

【００４９】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へ引き出す
途中のリード線の役割をする膜である。基体管２０の外
周部の燃料電池セル２１のうち、最も供給室８寄りのも
のと接続している。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（供
給室８側の端部）まで延びている。そしてその先端部分
で、集電部２４と接続している。ただし、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、抵抗が電力引出し上問題なら無い程度になるよ
う、基体管２０全面であっても、ある特定の幅であって
もよい。膜の表面は、電気的絶縁、酸化保護及び機械的
保護のために絶縁膜（金属酸化膜など）で覆われてい
る。

【００５０】集電部２４は、発電部２７で発電され、リ
ード膜２２によって集められる電力の、引き出し電極を
取り付ける部分である。集電用の部品が取り付けられ、
リード膜２２の端部（その部分には保護用の絶縁膜無
し）と接続している。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。

【００５１】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、供給室８の外側の酸化剤ガス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。

【００５２】セルチューブ３は、図１のセルチューブ３
と同一であるので説明は省略する。

【００５３】では、本発明である燃料電池の一実施の形
態の動作に関して、図面を参照して説明する。図１を参
照して、このような構成をなす燃料電池において、水蒸
気を含んだ水素やメタン、プロパンのような燃料ガス１
が、供給室８内に、ガス供給口８−１から供給される。
燃料ガス１は、水蒸気改質反応による吸熱においても、
反応が継続できる程度に、予め充分に予熱されている。

【００５４】供給室８のガス分散部１２に入った燃料ガ
ス１は、ガス分配体１１にぶつかる。ガス分配体１１
は、燃料ガス１の流路の抵抗として働く。燃料ガス１
は、一部はそのままガス分配体１１に入って行くが、ガ
ス分配体１１のガスに対する抵抗作用により流量が制限
されるので、残りは、流路断面積を稼ぐために、その周
辺に拡散して行く。そして、ガス分散部１２全体に分散
しながら、ガス分配体１１の適当な場所から、ガス分配
体１１内に入って行く。すなわち、燃料ガス１は、ガス
分散部１２全体に広がりながら、セルチューブ３の方向
へ、均一にガス分配体１１内を流れる。

【００５５】ガス分配体１１に進入した燃料ガス１は、
ガス分配体１１において水蒸気改質反応により、水素を
主成分とする改質された燃料ガス１となる。例えば、改
質条件として水蒸気／炭素〜４、１気圧、温度〜７５０
℃のとき、およそ水素（Ｈ_２）／水蒸気（Ｈ_２Ｏ）／一
酸化炭素（ＣＯ）／二酸化炭素（ＣＯ_２）＝５６／３０
／８／６程度である。

【００５６】ガス分配体１１を更に加熱する必要がある
場合には、供給室８にヒーターを設置する方法、酸化剤
ガス２の廃熱を管板Ａ６を介して熱交換により燃料ガス
１に与えて、燃料ガス１により加熱する方法などにより
行なう。

【００５７】ここで、発泡体又は多孔体の孔の大きさ
を、発生が予想される塵や埃の大きさ（あるいは、好ま
しくない塵や埃の大きさ）より小さくしておけば、燃料
ガス１がガス分配体１１を通過する際、ガス中の塵や埃
を除去することが可能である。ガス分配体１１が、粒状
あるいはペレット状の触媒の場合にも、触媒等の大きさ
や、その充填率により同様の効果を持たせることが可能
である。

【００５８】酸素や空気のような酸化剤ガス２は、酸化
剤供給室４内に供給される。そして、セルチューブ３に
達し、その外周面に沿って酸化剤ガス２が進行する。一
方、ガス分配体１１から出た燃料ガス１は、各セルチュ
ーブ３に対してばらつきの無い流量で流入して、基体管
内を一方向に流れる。そしてセルチューブ３の一端側か
ら他端側へ向かって一方向に流通（ワンスルー）しなが
ら、セルチューブ３の側面（壁面）を外周面へ拡散し、
燃料極に達する。酸化剤ガス２は、外周面において空気
極に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２がセル
チューブ３の燃料電池セル２１で電気化学的に反応して
電力を発生し、当該電力が集電部（集電部２４など）を
介して外部に取出される。

【００５９】発電に供された燃料ガス１の内、余った燃
料ガスである使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３
を通り抜けて排出室９に達する。そこで、他のセルチュ
ーブ３からの使用済み燃料ガス１とまとめられて、ガス
排出口９−１から外部に排出される。一方、発電に供さ
れた使用済みの酸化剤ガス２は、排出管を介して外部に
送出される。

【００６０】本発明により、図１に示すような両端支持
（縦置き、横置きどちらでも可能）筒型タイプの燃料電
池において、セルチューブ３の本数が多い場合にでも、
各セルチューブ３に対する燃料ガス１の供給を均一に行
なうことが可能となる。そして、それと同時に、燃料電
池スタックにおいて水蒸気改質反応を行なうことで、外
部改質装置を削減することが出来る。

【００６１】本発明により、ガス分配体１１の気孔率等
を制御することによりフィルターとしての機能を持たせ
ることが可能となる。また、燃料ガス１１の温度をガス
分配体１１の温度に均一化することが可能となる。

【００６２】また、本発明においては、セルチューブ３
の内側に燃料ガス１を流しているが、逆に、酸化剤ガス
２を流すような構造にすることも可能である。その場
合、セルチューブ３上の燃料電池２１は、セルチューブ
３の外周表面に接する側から、空気極、電解質、燃料極
という順番で成膜する（実施例中は逆である）。

【００６３】原則的に、図１に示すような、セルチュー
ブ３を一端部の供給側シール部６−１と他端部の排出側
シール部（管板Ｂ７とセルチューブ３との接合部）でシ
ールする場合には、供給側シール部６−１の同軸方向の
位置に排出側シール部が来るように設計されている。し
かし、燃料電池始動時又は停止時、あるいは、何らかの
原因でセルチューブ３の一端部周辺と他端部周辺との間
などで温度差が生じた場合や衝撃や振動が発生した場合
など、供給側シール部６−１の同軸方向の位置から排出
側シール部がずれることがありうる。しかしその場合で
も、管板Ａ６の孔部（薄い金属板）及び管板Ｂ７の孔部
（薄い金属板）で、その位置のずれを吸収できるので、
セルチューブ３が損傷を受けることが無い。

【００６４】また、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０−
２との二点支持なので、一点だけの支持の場合に比べ
て、各段に耐衝撃性が向上している。加えて、管板Ａ６
及び管板Ｂ７には薄い金属板を用いているので、上下、
前後左右、斜め上下方向の強い衝撃や振動に対しても、
管板Ａ６及び管板Ｂ７の緩衝性により、それらを緩和、
吸収することが出来る。すなわち、構造的に強く、セル
チューブ３が破損し難く、損傷を受けることが無い。

【００６５】また、ガスは、一方向に流れるだけで良い
ので、案内管１１２（従来の技術の項及び図３参照）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。

【００６６】

【発明の効果】本発明により、燃料電池に複数存在する
各燃料電池セルへ、燃料ガスを均一に分配するととも
に、燃料ガスを燃料電池内部で改質することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明である燃料電池の一実施の形態の構成を
示す図である。

【図２】本発明である燃料電池の一実施の形態における
セルチューブと管板の接合部の詳細を示す図である。

【図３】従来の技術の実施の形態の構成を示す図であ
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６管板Ａ７管板Ｂ８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Ａ１０−２支持体Ｂ１０−３セル支持部１１ガス分配体１２ガス分散部２０基体管２１燃料電池セル２２リード膜２３充填材２４集電部２７発電部１１０ヘッダ１１０ａ仕切板１１０ｂ底板１１０ｃ供給室１１０ｄ排出室１１０ｅ整流室１１１セルチューブ１１２案内管１１３燃料ガス排出管１１４燃料ガス供給管１１５整流板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永田勝巳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Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 CC08 CV05 CV10 CX01 EE02 EE12 HH03 HH04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体管の外面に燃料電池セルが形成された
複数の燃料電池セル管と、前記複数の燃料電池セル管の一端部が開放され接続さ
れ、燃料ガスが供給されるとき、前記複数の燃料電池セ
ル管の内部へ前記燃料ガスを概ね均一に分配する供給室
と、前記複数の燃料電池セル管の他端部が開放され接続さ
れ、前記複数の燃料電池セル管の内部を通過した前記燃
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あり、前記複数の燃料
電池セル管の外部に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給室
と、を具備する、燃料電池。
【請求項２】前記供給室は、前記供給室内に設けられ、前記燃料ガスが前記複数の燃
料電池セル管に供給されるとき、前記燃料ガスを前記複
数の燃料電池セル管へ概ね均一に分配するように前記燃
料ガスを透過させるガス分配体と、を具備する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】前記ガス分配体は、金属又はセラミックス
の発泡体である、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】前記ガス分配体は、水蒸気改質触媒を有す
る、請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】前記ガス分配体は、前記燃料ガスが前記供給室に入るときの流れの方向の延
長線上の領域において、前記燃料ガスの透過率が低く、
前記領域から離れるに連れて前記燃料ガスの前記透過率
が同じか又は高くなる、請求項２乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】前記ガス分配体は、前記燃料ガスが前記供給室に入るときの流れの方向の延
長線上の領域において、前記ガス分配体の厚みが厚く、
前記領域から離れるに連れて前記厚みが同じか又は薄く
なる、請求項２乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。