JP3868253B2 - 燃料電池の熱交換構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の熱交換に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池のガスに関する概略構成の一例を図９に示す。ただし、図９では、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９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１１１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ている。そして、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１１０の底板１１０ｂには、セルチューブ１１１の上端側（一端側）が、上記排出室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の下端側（他端側）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、その一端側（上端側）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、複数本存在する。そして、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ている。燃料電池を構成する円筒型セルチューブである。
【０００５】
このような構成をなす燃料電池では、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。それと共に、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する。そして、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内の先端より折り返す。そして、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。それらの燃料ガス１と酸化剤ガス２は、セルチューブ１１１の燃料電池セルで電気化学的に反応して電力を発生する。発生した電力は、図示しない集電部材などを介して外部に取出される。
【０００６】
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１１１の上端と案内管１１２との隙間から、排出室１１０ｄ内に送出される。そして、燃料電池の外部に排出される。一方、発電に供された使用済みの酸化剤ガス２は、図示しない排出管を介して外部に送出される。外部に排出されたそれぞれの排出ガスは、排ガス処理装置で処理され、系外へ排気される。
【０００７】
上述のような燃料電池において、外部からガスを供給する際、事前にある程度予熱しておく必要が有る。予熱は、効率の面から、排出ガスである使用済みの燃料ガス１及び酸化剤ガス２との熱交換により行なわれる。排出ガスの排出経路中には、熱交換のための設備機器・配管を設ける。予熱の不足分は、ヒーターなどの熱源による加熱で賄われる。
【０００８】
ここで、熱交換を燃料電池セルの近傍において行なえば、効率的な熱交換ができ、外部加熱の割合も少なくて済む。しかし、燃料電池セル近傍の熱交換は、燃料電池セル自体の温度を低下させる可能性がある。そうなると、発電効率が低下し、発電自体も不安定になる危険性がある。
燃料電池セルの発電に影響を与えずに、燃料電池セルの近傍において熱交換を行なう技術が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池セル近傍で熱交換を行ない、且つ燃料電池セルの発電に影響を与えない燃料電池のガスの予熱を行なうことが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、燃料電池セル近傍で熱交換を行ない、且つ燃料電池の発電を行なう領域での温度分布を少なくすることが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的としては、燃料電池内部で効率的に熱交換を行ない、燃料電池の内部において発生する熱を有効に利用することが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、燃料電池のガスの予熱を行なう際、外部の高温用の予熱器や熱交換器を使用せずに行なうことが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１３】
更に他の目的としては、燃料電池の効率を向上することが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１４】
また、別の目的としては、燃料電池の規模を考慮する必要のない熱交換部を有する燃料電池の熱交換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】
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的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、本発明の燃料電池の熱交換構造は、基体管（１８）の外面に燃料電池セル（１３）を形成した燃料電池セルチューブ（３）と、前記燃料電池セルチューブ（３）の一端部である第１端部が開放されて接合され、前記燃料電池セルチューブ（３）内に燃料ガス（１）を供給する第１供給室（８）と、前記燃料電池セルチューブ（３）の他端部である第２端部が開放されて接合され、前記第１供給室（８）から離れて設けられ、前記燃料電池セルチューブ（３）内から前記燃料ガス（１）を排出される排出室（９）と、前記第１供給室（８）と前記排出室（９）との間に隔離されて設けられ、前記燃料電池セルチューブ（３）を含み、前記燃料電池セルチューブ（３）に酸化剤ガス（２）を供給する第２供給室（４）と、前記第２供給室（４）の前記排出室（９）側に、供給される前記酸化剤ガス（２）の流路を制限するように設けられた第１支持体（１０−２）と、前記第２供給室（４）の前記第１供給室側（８）に、排出される前記酸化剤ガス（２）の流路を制限するように設けられた第２支持体（１０−１）とを具備する。そして、供給された前記酸化剤ガス（２）が、前記第１支持体（１０−２）と前記排出室（９）の前記第２供給室（４）側の仕切板である第１管板（７）とで形成される空間中を移動し、前記第２端部近傍から前記第１端部近傍まで、前記燃料電池セルチューブ（３）に沿って進み、前記第２支持体（１０−１）と前記第１供給室（８）の前記第２供給室（４）側の仕切板である第２管板（６）とで形成される空間中を移動し、排出される。また、前記燃料電池セルチューブ（３）の内側を通る前記燃料ガス（１）と、前記燃料電池セルチューブ（３）の外側の前記酸化剤ガス（２）とが、前記燃料電池セルチューブ（３）を介して熱交換を行なう。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記燃料ガス（１）と前記酸化剤ガス（２）とが反対方向に流れる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造は、リング形状を有し、前記リング形状の中央の孔を前記燃料電池セルチューブ（３）が貫通する、前記第２端部の近傍に設置された輻射変換体（２２，２４）を更に具備し、前記酸化剤ガス（２）は、前記第２端部近傍において前記輻射変換体（２２，２４）で昇温され、前記燃料電池セル（１３）へ供給される。
【００１９】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記燃料電池セルチューブ（３）内で、前記第２端部から前記第１端部の方向へ延びるように、前記燃料電池セルチューブ（３）内の流路を狭くするように設けられ中子（２３）を更に具備し、前記燃料電池セルチューブ（３）の内側であり前記中子（２３）の外側の流路を通る前記燃料ガス（１）と、前記燃料電池セルチューブ（３）の外側の前記酸化剤ガス（２）とが、前記燃料電池セルチューブ（３）を介して熱交換を行なう。
【００２０】
更に、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記中子（２３）が、表面にメタネーション反応用の触媒を有する。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記第１支持体（１０−２’）が、厚み方向に、前記排出室（９）の側から前記第１供給室（８）の側へ広がるラッパ状の開口部（１０−３’）を有し、前記開口部（１０−３’）は、前記燃料電池セルチューブ（３）が貫通している。
【００２２】
更に、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記第１供給室（８）は、前記燃料ガス（１）を供給するガス供給口（８−１）を具備し、前記排出室（９）は、前記燃料ガス（１）を排出するガス排出口（９−１）を具備し、前記燃料ガス（１）は、前記ガス供給口（８−１）から前記第１供給室（８）に供給され、前記燃料電池セルチューブ（３）において、発電に寄与し、前記排出室（９）に入り、前記ガス排出口（９−１）から排出される。
【００２３】
上記課題を解決するための本発明の燃料電池は、燃料電池セル（１３）を形成された基体管（１８）の外側を流れる酸化剤ガス（２）と、前記基体管（１８）の内側を流れる燃料ガス（１）とが熱交換を行なう前記基体管（１８）の端部近傍の熱交換部において、前記酸化剤ガス（２）と前記燃料ガス（１）との間の熱伝達率が高くなるようにし、前記燃料電池セル（１３）のある領域において、前記酸化剤ガス（２）の熱伝達率が低下するように、前記基体管（１８）の外側の前記酸化剤ガス（２）及び燃料ガス（１）の少なくとも一方の流速を減速させる構造を有する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池の熱交換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、筒型のうち円筒型の燃料電池に中子を設置する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。
【００２５】
図１は、本発明である燃料電池の熱交換構造の一実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃料電池は、燃料電池セルチューブ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を有する第２供給室としての酸化剤供給室４、第２管板としての管板Ａ６、第１管板としての管板Ｂ７、ガス供給口８−１を有する第１供給室としての供給室８、ガス排出口９−１を有する排出室９、第２支持体としての支持体Ａ１０−１と第１支持体としての支持体Ｂ１０−２である支持体１０、中子１１、輻射変換体２２を具備する。なお、図１の構成は、断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器（図示せず）内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００２６】
また、図２は、本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の一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。セルチューブ３、管板Ａ６、管板Ｂ７、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０−２である支持体１０、中子１１、充填材１２、輻射変換体２２、チューブ支持リング２５、リング充填材２６を具備する。セルチューブ３は、燃料電池セル１３と、燃料電池セル１３を複数有する発電領域である発電部１４と、供給側リード部２０と、排出側リード部２１とを有する。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００２７】
本実施例では、図１或いは図２にあるように、燃料電池は、その両端で支持される。すなわち、燃料電池セル１３が形成されたセルチューブ３は、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して、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、管板Ａ６及び管板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。
【００２８】
燃料ガス１は、ガス供給口８−１から供給室８に供給され、そこからセルチューブ３に進入する。そして、セルチューブ３の入口にある改質触媒を有する中子１１上で改質される。その後、セルチューブ３の内側を一方向へ進み、排出室９に達し、ガス排出口９−１から排出される。
また、酸化剤ガス２は、酸化剤ガス供給口４−１より酸化剤供給室４へ進入後、セルチューブ３に達する。そして、輻射変換体２２の熱を奪いながら、セルチューブ３の外側をセルチューブに沿って一方向（燃料ガス１とは反対の方向）へ進み、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。
燃料ガス１及び酸化剤ガス２は、共にセルチューブに沿って一方向に流れるが、対向流である。そして、その際、セルチューブ３を介して、燃料ガス１と酸化剤ガス２を利用してセルチューブ３上の燃料電池セル１３が発電を行なう。それと共に、燃料ガス１と酸化剤ガス２とがセルチューブ３を介して熱交換を行なう。特に、セルチューブ３の輻射変換体２２は、温度が充分上がりきっていない酸化剤ガス２が、そのまま発電部１４へ向かうことを防止する。そして、酸化剤ガス２へ熱を供給し、酸化剤ガス２を効率的に昇温させることが可能である。中子１１のある部分では、セル内燃料ガス流量の相当径を小さくし、熱伝達率の向上を図っており、熱交換を高効率で行うことが可能である。
【００２９】
つまり、両端支持（縦置きでも良い）、両端ガスシール、案内管が不用、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが一方向、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流、という点が、従来例（図９）と異なる。
従って、振動や衝撃に強く、部品点数も減らすことが可能となり、構造的な安定性が向上する。また、ガスが対向流で、セルチューブ３の両端部において効率的な熱交換が可能となり、熱効率が向上する。特に、セルチューブ３の輻射変換体２２のある部分では、酸化剤ガス２を効率的に昇温でき、発電部１４での温度分布を緩和することが出来る。中子１１のある部分では、熱交換に必要な伝熱面積が低減され、リード部を短縮できる。加えて、外部のガスの予熱器及び加熱器、燃料電池などの容量や規模、スペースが小さくて済み、材料も高温用のものを用いなくて済み、コストを大幅に低減することが出来る。
【００３０】
以下に各構成を詳細に説明する。
まず、図１、図８を参照して、燃料電池の熱交換構造の構成について説明する。
【００３１】
燃料電池セルチューブとしてのセルチューブ３は、多孔質セラミックスの円筒型の基体管である。外周面上には、発電を行なう燃料電池セル１３（後述）を有する。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）に嵌合され、支持されている。そして、一端側は供給室８（後述）に、他端側は排出室９（後述）に、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して（図２等参照、後述）、ガスの出入りが出来るように開放されている。材質は、安定化ジルコニアである。本実施例では、外径２２ｍｍφ、内径１６ｍｍφである。
なお、本実施例では、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を用いるが、セルチューブ３を直接、供給室8及び排気室９に接続していても良い。
【００３２】
輻射変換体２２は、多孔質のセラミックスの円環（リング）又は円筒である。中心の孔にセルチューブ３が貫通しており、セルチューブ３の支持体Ｂ１０−２の位置と発電部１４（後述）との間にある。内径は、セルチューブ３の外径とほぼ同じであり、外径は、最高で内径の２倍程度である。発電部１４からの熱輻射により高温となり、内部に熱エネルギーを蓄積している。多孔質なので、気体は内部を透過することが出来る。材質は、アルミナ、ジルコニア、マグネシアなどである。
【００３３】
排出室９側から発電部１４へ向けて供給されるセルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２は、温度が充分上がりきっていない。従って、そのまま発電部１４へ向かうと、発電部１４の燃料電池セル１３（後述）の温度が低くなり、発電効率が低下する。従って、輻射変換体２２は、酸化剤ガス２の流れを抑えて、温度が充分上がりきっていない酸化剤ガス２がそのまま発電部１４へ向かうことを防止する。その時、輻射変換体２２の手前において、酸化剤ガス２の流れが遅くなり、その領域での熱交換が進む。それと共に、酸化剤ガス２を、輻射変換体２２の内部を透過させることにより、内部に有する熱エネルギーにより加熱し昇温して、発電部１４へ流すのに十分な温度にする。その後、酸化剤ガス２は、発電部１４へ向かう。
【００３４】
中子１１は、概ね円柱の形状をした部材である。表面には、燃料ガス１の水蒸気改質を行なう水蒸気改質用の触媒（改質触媒）を有する。セルチューブ３の一端部から、外側に支持体Ａ１０−１の管板Ｂ７側の側面がある位置までのセルチューブ３の内部に設置されている。中子１１の外周面上において、燃料ガス１が水蒸気と共に水蒸気改質反応し、水素を主成分とする改質された燃料ガス１となる。
【００３５】
また、中子１１は、セルチューブ３の燃料ガス１の供給される側にあって、供給される燃料ガス１の流路を制限している。すなわち、燃料ガス１は、中子１１の内部を通過不可能なので、中子１１の外表面とセルチューブ３の内表面との間の隙間を移動することになる。従って、中子１１の使用により、セルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２とセルチューブ３の内側（且つ中子１１の外側）を流れる燃料ガス１との熱交換を、より効率良く行うことが可能となる。
【００３６】
中子１１の形状について説明する。
中子１１は、円柱形状を有する中子本体と、中子本体の軸とセルチューブ３の軸とが概ね一致するように中子本体の位置を保持する凸部とからなる。中子本体の外径はセルチューブ３の内径よりも小さい。その表面は、改質触媒で覆われている。改質触媒は、多孔質で高表面積の担体（アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニアなど）に金属（Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈなど）が担持されている。本実施例では、１０ｍｍφであり、Ｎｉ／アルミナ触媒で覆われている。改質触媒により、表面は細かい凹凸を有し、低反射率の状態である。
【００３７】
凸部は、例えば、中子本体の側面に、その軸に平行に長手方向に延びる四角柱状である。それを、中子本体を囲むように、互いに１２０度の位置に３個取りつける。
中子１１の凸部のその他のバリエーションとしては、既述の凸部の数を８つとする（互いに４５℃の位置）ものや、その８つの凸部を中子本体にらせん状に巻きつけた形状としたものなどがある。
ただし、この数及びこの形状に制限されるものではなく、円柱形状の中子本体の軸とセルチューブ３の軸とが、概ね一致することが可能な形状であれば良い。
【００３８】
中子本体及び凸部は、セラミックス又は金属製である。例えば、アルミナ、安定化ジルコニア、シリカ、マグネシアなどである。中子本体と凸部を併せた外径は、セルチューブ３の内径程度である。ただし、セルチューブ３と中子１１の熱膨張係数の差を考慮し、中子１１の曝される最高温度においても、セルチューブ３に無理な力がかからない外径とする。本実施例では、外径１６ｍｍφとする。
【００３９】
第１供給室としての供給室８は、中空の直方体や円柱等の形をしているガス分配室である。ステンレスや耐熱合金などの金属製である。燃料ガス１の供給を受けるためのガス供給口８−１を有する。一方の面は管板Ａ６（後述）であり、供給室８と酸化剤供給室４とを隔てている。管板Ａ６には、セルチューブ３の一端部が、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、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して連結し、接合している。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。内部にガスの流れを整える整流板のような機構が付属している場合も有る。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００４０】
排出室９は、中空の直方体や円柱等の形をしているガス分配室である。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。使用済みの燃料ガス１の排出を行なうためのガス排出口９−１を有する。一方の面は管板Ｂ７（後述）であり、排出室９と酸化剤供給室４とを隔てている。管板Ｂ７には、セルチューブ３の他端部が、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、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して連結し、接合している。内部にガスの流れを整える整流板のような機構が付属している場合も有る。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００４１】
第２供給室としての酸化剤供給室４は、供給室８（の管板Ａ６）と排出室９（の管板Ｂ７）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を供給する室である。酸化剤ガス２の供給を受けるための酸化剤ガス供給口４−１及び使用済みの酸化剤ガス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。管板Ａ６及び管板Ｂ７の近傍の内部に、支持体１０（支持体Ａ１０−１及び支持体Ｂ１０−２）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。
酸化剤ガス２は、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Ｂ１０−２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Ｂ１０−２との隙間から、セルチューブ３の外周面に沿って、支持体Ａ１０−１側へ向かって進む。そして、セルチューブ３と支持体Ａ１０−１との隙間から、支持体Ａ１０−１と管板Ａ６とで形成された空間（隙間）を進み、酸化剤ガス排出口４−２から排出される。
【００４２】
第２管板としての管板Ａ６は、供給室８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の一端部と、ガスの出入りが出来るように、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して連結し、開放されて接合している。接合部分は、管板Ａ６とセルチューブ３（のチューブ支持リング２５及びリング充填材２６）との隙間からガスをリークさせないように、且つ、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弾性のある部材を使用する。その際、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（後述）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１２（後述）を用いて、リークを完全に抑えるようにする。
【００４３】
図８（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８に示すように一体の部材である。図８（ａ）にあるように、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）が開口している。すなわち、本実施例の燃料電池は、縦３本×横３本の合計９本のセルチューブ３を有する。ただし、本発明における燃料電池のセルチューブ３の配置及びその本数が、図８（ａ）に示すような配置の９本に限定されるものではない。その他の配置の例としては、千鳥格子状、蜂の巣状などがある。
【００４４】
第１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の他端部とガスの出入りが出来るように、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して連結し、開放されて接合している。接合部分は、管板Ｂ７とセルチューブ３（のチューブ支持リング２５及びリング充填材２６）との隙間からガスをリークさせないように、且つ、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弾性のある部材を使用する。その際、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（後述）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１２（後述）を用いて、リークを完全に抑えるようにする。なお、管板Ｂ７の正面図は、管板Ａ６の図８（ａ）と同様であるので、省略する。
【００４５】
支持体１０は、管板Ａ６及び管板Ｂ７の近傍であって、供給室８及び排出室９の外側の酸化剤供給室４内に固定されている。管板Ａ６側が、第２支持体としての支持体Ａ１０−１であり、管板Ｂ７側が、第１支持体としての支持体Ｂ１０−２である。そして、セルチューブ３上の両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、その流通を制限している。また、セルチューブ３の発電部１４（後述）側の熱を遮断し、管板Ａ６及び管板Ｂ７、あるいは、セルチューブ３と管板Ａ６又は管板Ｂ７との接合部であるガスシール部分について、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８（ｂ）に、支持体１０（支持体Ａ１０−１及び支持体Ｂ１０−２）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１０が小さく区切られて見えるが、図８に示すように一体の部材である。図８（ｂ）にあるように、支持体１０は縦３個×横３個の合計９個のセルチューブ３用の孔（セル支持部１０−３）が開口している。
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及びセル接合部７−１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。ただし、本発明における燃料電池のセルチューブ３の配置及びその本数が、図８（ｂ）に示すような配置の９本に限定されるものではない。
【００４７】
なお、燃料ガス１は、供給室８までは、メタン、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。その後、燃料ガス１は、セルチューブ３の供給室８側の中子１１において、水蒸気改質により水素と水蒸気を主成分とする改質ガス（後述）となる。
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。
【００４８】
次に、図２を参照して、セルチューブ３の周辺部分について説明する。図２は、図１のセルチューブ３１本分について拡大した図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
燃料電池セル１３は、セルチューブ３の外周面上に、燃料極、電解質、空気極を順に少しずつずらして積層（図示せず）した燃料電池のセルである。それぞれの燃料電池セル１３同士は、インターコネクタ膜（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改質された燃料ガス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、発電を行なう。
発電部１４は、セルチューブ３上の燃料電池セル１３が複数ある領域である。ここで、発電がなされ、それと同時に、セルの抵抗損などにより熱が発生し高温になっている。本実施例では、１６個の燃料電池セル１３が直列接続したものである。
【００４９】
供給側リード部２０は、セルチューブ３上の発電部１４以外の供給室８側の領域である。内部に中子１１を有する。セルチューブ３の内側、且つ中子１１の外側を低温の燃料ガス１が流通し、外側を高温の酸化剤ガス２が流通し、両者の間で熱交換が行なわれる。それにより、酸化剤ガス２は、低温となり排出される。また、燃料ガス１は、高温となり発電部１４へ供給される。
排出側リード部２１は、セルチューブ３上の発電部１４以外の排出室９側の領域である。支持体Ｂ１０−２の位置よりも発電部１４側に輻射変換体２２を有する。その内側を高温の燃料ガス１が流通し、外側を低温の酸化剤ガス２が流通し、両者の間で熱交換が行なわれる。また、酸化剤ガス２は、輻射変換体２２とも熱交換を行ない更に昇温される。それにより、酸化剤ガス２は、高温となり発電部１４へ供給される。また、燃料ガス１は、低温となり排出される。
【００５０】
チューブ支持リング２５は、その内径がセルチューブ３よりもやや大きい円筒状のリングである。セルチューブ３の寸法の多少のずれを、このチューブ支持リング２５とリング充填材２６（後述）とが緩衝材として働き、吸収する。供給室８側のチューブ支持リング２５は、外周面を、供給室８側の管板Ａ６と、セル接合部６−１で接合している。また、排出室９側のチューブ支持リング２５は、外周面を、排出室９側の管板Ｂ７と、セル接合部７−１で接合している。
【００５１】
リング充填材２６は、チューブ支持リング２５の内周面側とセルチューブ３の両端の外周面側と間の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及び排出室９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。また、セルチューブ３の寸法の多少のずれを、その変形で吸収する。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、接着剤や樹脂などを埋め込む方法などが使用できる。
【００５２】
管板Ａ６、管板Ｂ７、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０−２である支持体１０、中子１１、輻射変換体２２については、上述の図１における説明の通りなので、その説明を省略する。なお、充填材１２については、後述する。
【００５３】
次に、図３を参照して、排気室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説明する。
図３は、図２のセルチューブ３の排気室９との接合部付近を拡大した図であり、発電部１４と排気側リード部２１を有するセルチューブ３と、充填材１２と、セル接合部７−１を有する管板Ｂ７と、支持体Ｂ１０−２、輻射変換体２２、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６とから成る。ここで、セルチューブ３は、燃料電池セル１３、集電部Ｂ１５ｂ、リード膜１７及び基体管１８を含む。
【００５４】
管板Ｂ７は、セルチューブ３及びチューブ支持リング２５を通す孔の部分が、ガスシールを行なうガス接合部７−１を形成する。管板Ｂ７のセルチューブ３及びチューブ支持リング２５を通す孔の直径を、チューブ支持リング２５の直径より、やや小さくする。すなわち、図３で示すように管板Ｂ７の孔部にチューブ支持リング２５を通した時、管板Ｂ７の孔部の内周部分が、チューブ支持リング２５を通した方向に内側に変形し、チューブ支持リング２５の外周部と管板Ｂ７の孔部の内周部分が密着する。チューブ支持リング２５を通す方向は、図３に示す方向だけでなく、その逆方向（排出室９の方向）でも良い。
チューブ支持リング２５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Ｂ７の孔部の内周部分は、チューブ支持リング２５と密接する際、酸化剤供給室４側への湾曲に伴う管板Ｂ７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Ｂ７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Ｂ７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Ｂ７のその他については、図１において説明した通りである。
【００５５】
充填材１２は、セルチューブ３の端部のチューブ支持リング２５と管板Ｂ７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、排気室９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。図３に示す排出室９側だけでなく、その反対側の供給室８側において充填しても良い。セルチューブ３の端部のチューブ支持リング２５を管板Ｂ７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。
【００５６】
支持体１０は、厚みがｂであり、セル支持部１０−３の直径はａである。セルチューブ３とセル支持部１０−３とに隙間があるのは、セル支持部１０−３の直径が、酸化剤ガス２を通過させるため、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。支持体１０のその他の詳細は図１及び図２における説明の通りであるので省略する。
【００５７】
セルチューブ３の支持は、基本的には管板Ｂ７のセル接合部７−１（チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を含む）で行なう。そして、その補助として、支持体１０において、支持することも可能である。例えば、セルチューブ３から見て鉛直下側のセル支持部１０−３の面に部材を入れる。この部材により、酸化剤ガス２を緩やかにすることで、空気の各セルチューブ３への分配をより均一化することが可能である。また、発電部へ酸化剤ガス２が入る前に、出来るだけ酸化剤ガスの温度を上げることが可能である。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ことなどで実施可能である。
【００５８】
集電部Ｂ１５ｂは、発電部１４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Ｂ１５ｂと供給室８側の集電部Ａ１５ａ（後述）とにより行なう。例えば、集電部Ｂ１５ｂについては、そこに取り付けた端子から金属線を取り付けて引き出し、排出室９の壁面から絶縁体を介して（排出室９と接触しないようにして）外部へ延ばす。そして、集電部Ａ１５ａについても同様にすることにより、それらから電力を取出す。
【００５９】
基体管１８は、燃料電池セルチューブとしてのセルチューブ３の燃料電池セル１３や、発電部１４、集電部Ｂ１５ｂ、リード膜１７（後述）などが形成される前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１８の外周部に形成された燃料電池セル１３に達することが可能である。
【００６０】
リード膜１７は、複数の燃料電池セル１３で発電した直流電力の一方の極を集電部Ｂ１５ｂ（又は集電部Ａ１５ａ）へ引き出すためのリード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１８の外周部の燃料電池セル１３のうち、最も一端部寄りの燃料電池セル１３の燃料極（図示せず）と接続している。そして、リード膜１７は、その燃料電池セル１３から基体管１８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１７の厚みにより、抵抗が充分低くなるように、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。
【００６１】
輻射変換体２２（及び排出側リード部２１）については、図１及び図２に記した通りである。しかし、その他に以下に例示するようなバリエーションがある。輻射変換体２２を板状のものとすることも可能である。すなわち、管板Ｂ７の側から支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３の開口部を通り、セルチューブ３の外周面上を流れる酸化剤ガス２について、その流速を板状のリングにより抑えるようにする。これにより、発電室（酸化剤供給室４の発電部１４のある領域）へ入る酸化剤ガス２の流速を抑え、熱伝達率を下げ、燃料電池セル１３の温度を極力高温に保つことが出来る。
【００６２】
また、輻射変換体の位置を、支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３の開口部に持ってくることも可能である。それを示したのが、図４である。図３の内、この場合の輻射変換体２４も、既述のように、セルチューブ３を囲むリング状の多孔質セラミックスである。ただし、固定形状のセルチューブ３とセル支持部１０−３の開口部とに挟まれていることから、内径（セルチューブ３の外径程度）及び外径（セル支持部１０−３の開口部の内径程度）に余裕を持たせる。あるいは、柔軟性のあるセラミックス材料を用いる。例えば、シリカをもちいたガラスウールのようなものである。
この場合、輻射変換体の２４の輻射熱による熱エネルギーで酸化剤ガス２を加熱する効果のほかに、発電室へ入る流速を抑えることにより、発電室の入口部（支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３の発電室側付近）酸化剤ガス２の熱伝達率を下げ、その部分での燃料電池セル１３の温度を極力高温に保つことが出来る。
【００６３】
燃料電池セル１３、その集合体である発電部１４、セルチューブ３、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６については、図１及び図２に記した通りであるのでその説明を省略する。
【００６４】
次に、図７を参照して、供給室８側のセルチューブ３と管板Ａ６との接合部周辺について説明する。
燃料電池セル１３、その集合体である発電部１４、集電部Ａ１５ａ、リード膜１７及び基体管１８を有するセルチューブ３と、充填材１２と、セル接合部６−１を有する管板Ａ６と、支持体Ａ１０−１、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を具備する。
【００６５】
図７に関わる各部の構成に付いては、管板が第２管板としての管板Ａ６と中子１１を用いている点と、輻射変換体２２を用いていない点が図３と異なるが、その他の構成は図３と同様であるので、その説明は省略する。
【００６６】
次に、本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の一形態の動作に関して、図１、図２、図７及び図８を参照してを参照して説明する。
【００６７】
燃料ガス１について説明する。
図１において、供給室８内にメタンやプロパンのような有機系の燃料ガス１が、水蒸気と共にガス供給口８−１から供給される。燃料ガス１は、予熱されている（例えば、２５０℃程度）。その後、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。
【００６８】
図７を参照して、供給側リード部２０において、燃料ガス１は、セルチューブ３内のＣ点から流入する。そのときの温度を２５０℃とする。セルチューブ３と中子１１の有する熱により、燃料ガス１は除々に加熱される。そして、セルチューブ３内のＡ点近傍から、セルチューブ３を介して、セルチューブ３の外周面上を流れる酸化剤ガス２と、中子１１の外周面上を流れる燃料ガス１とが熱交換を開始する。熱交換により、燃料ガス１は、熱エネルギーを得て、改質触媒上で水蒸気改質され、水素を主成分とする改質された燃料ガス１（改質ガス）となる。それと共に、燃料ガス１は、熱エネルギーにより温度が上昇する。中子１１の無くなるセルチューブ３内のＢ点において、燃料ガス１の温度は、７００℃程度となる。その後も酸化剤ガス２と熱交換を続け、発電部１４に達するまでに、約９００℃になっている。
【００６９】
改質された燃料ガス１の、中子１１の端部（セルチューブ３内のＢ点）での組成（出口ガス組成）は、例えば、改質条件として水蒸気／炭素〜４、圧力〜１気圧、温度〜７５０℃のとき、およそ水素（Ｈ２）／水蒸気（Ｈ２Ｏ）／一酸化炭素（ＣＯ）／二酸化炭素（ＣＯ２）＝５６／３０／８／６程度である。出口ガス組成は、供給ガスの水蒸気／炭素、圧力、温度により、ほぼ一義的に定まる。
【００７０】
図２を参照して発電部１４において、改質された燃料ガス１は、燃料電池セル１３に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル１３は発熱するが、その熱は、セルチューブ３の外周部を流れる酸化剤ガス２により持ち去られるので、燃料電池セル１３の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。そして、燃料ガス１も、温度が上昇しない。改質された燃料ガス１のうち、発電に用いられなかった燃料ガス１及び発電により発生した水蒸気は、排出側リード部２１に達する。その時点での燃料ガス１の温度は、約９００℃である。
【００７１】
排出側リード部２１において、使用済みの改質された燃料ガス１は、セルチューブ３の側面（壁面）を介してセルチューブ３の外周部を対向して流れる酸化剤ガス２へ熱量を放出し、温度を下降させていく。そして、セルチューブ３の排出室９側の他端部（左側）から約６００℃で排出室９へ出る。
【００７２】
次に、酸化剤ガス２について説明する。
図１において、酸素を含む酸化剤ガス２が、ガス供給口４−１から酸化剤供給室４に入る。そして、支持体Ｂ１０−２と管板Ｂ７とに挟まれ形成される空間を、管板Ｂ７に沿って移動する。排出室９側のセルチューブ３に達した酸化剤ガス２は、支持体Ｂ１０−２とセルチューブ３の外周部との間の空間に入る（約４５０℃の温度）。そして、概ねセルチューブ３の外周部を、その排出室９側の他端部（左側）から供給室８の方向へ進む。
【００７３】
図３の排出側リード部２１の近傍領域において、酸化剤ガス２は、セルチューブ３の内部を対向して流れる燃料ガス１の熱量を、セルチューブ３の側面（壁面）を介して受け取り、温度を上昇させていく。酸化剤ガス２は、燃料ガス１と熱交換を続けるが、支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３の開口部を出たところでは、まだ十分な温度に達していない。そのまま発電部１４に達すると、発電部１４の燃料電池セル１３の一部の温度が低下し、発電効率が低下してしまう。
そこで、輻射変換体２２で、酸化剤ガス２の流れを遅くする。それと同時に、酸化剤ガス２と輻射変換体２２とが熱交換を行ない、酸化剤ガス２を充分な温度に昇温する。輻射変換体２２との熱交換により、酸化剤ガス２は、発電部１４に達するまでに約８００℃になっている。
【００７４】
図２を参照して、発電部１４において、酸化剤ガス２は、燃料電池セル１３に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル１３は発熱するが、その熱は、酸化剤ガス２により持ち去られるので、燃料電池セル１３の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。また、酸化剤ガス２は、燃料電池セル１３から発電によって生じた熱量を奪いながら温度を上昇させていく。そして、発電に用いられなかった酸化剤ガス２は、供給側リード部２０に達する。その時点での酸化剤ガス２の温度は、約９００℃である。
【００７５】
供給側リード部２０の近傍領域において、酸化剤ガス２は、セルチューブ３の内側を対向して流れる燃料ガス１へ熱量を、セルチューブ３の側面（壁面）を介して放出し、温度を下降させていく。そして、セルチューブ３の外周部の供給室８側の一端部（右側）へ約６００℃で達する。その後、支持体Ａ１０−１と管板Ａ６（断熱材５を含む）との空間を進む。
【００７６】
図１を参照して、使用済みの燃料ガス１（改質された燃料ガス１）は、排出室９に入り、ガス排出口９−１から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、支持体Ａ１０−１と管板Ａ６とに挟まれて形成された空間に沿って移動し、酸化剤供給室４の酸化剤ガス排出口４−２から外部へ排出される。
【００７７】
本発明の燃料電池の熱交換構造では、輻射変換体２２を有しているので、排出側リード部２１全体として、熱伝達率が向上している。すなわち、輻射変換体２２は、温度が充分上がりきっていない酸化剤ガス２が、発電部１４へ向かうことを防止し、酸化剤ガス２を効率的に昇温させる。それより、排出側リード部２１での酸化剤ガス２への熱交換を充分に行うことが出来る。
従って、発電部１４へ温度の低すぎる酸化剤ガス２が供給されることを防ぎ、発電部１４周辺での温度分布を緩和することが可能となる。また、温度分布が緩和され、高い温度が維持されるので、燃料電池セル１３での発電効率を向上させることが出来る。
【００７８】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造では、中子１１を有しているので、供給側リード部２０での熱伝達率が向上している。そのため、熱交換に必要な伝熱面積が低減され、熱交換の効率が向上している。従って、中子１１の無い場合に比較して、支持体Ａ１０−１の厚みｂは、１／２にすることが出来る。すなわち、熱交換を行なうＡ−Ｂ点間の距離が短くて済むので、ｂの長さが短くて済むからである。
従って、セルチューブ３の内、発電に寄与しない供給側リード部２０の長さも、概ね半分程度に短くすることが可能となる。これは、材料費の節約になる他、セルチューブ３の製造歩留まりの向上につながる。さらに、燃料電池の省スペース化にも有用である。
【００７９】
発電について説明する。
図２において、改質された燃料ガス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１４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１３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１４において、燃料電池セル１３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１３において、改質された燃料ガス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。
【００８０】
発電の際、燃料電池セル１３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、セパレー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（ガス濃度分布に関わる拡散のエネルギー）等である。その発熱のエネルギーは、燃料電池セル１３及びその近傍の温度を、燃料電池セル１３の動作温度である９００℃〜１０００℃に維持するのに用いられる。
【００８１】
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（熱エネルギー）を効率良く持ち去る。従って、燃料ガス１及び酸化剤ガス２の流量及び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。
従って、発電部１４の熱的な安定性が高まり、信頼性が向上する。加えて、セルチューブ１本毎に熱交換を行なっているので、発電規模（燃料電池の本数）に合わせた高温用の熱交換器を考慮する必要が無い。
【００８２】
本実施例では、輻射変換体２２により、温度が充分に高温でない酸化剤ガス２を昇温している。しかし、輻射変換体を用いず、セルチューブ３内の排出室９側の端部近傍（排出側リード部２１）に、中子２３を挿入することも可能である。それを示したのが図５である。図５は、図２のセルチューブ３の排気室９との接合部付近を拡大した図であり、発電部１４と排気側リード部２１を有するセルチューブ３、セル支持部１０−３を有する支持体Ｂ１０−２、中子２３とから成る。ここで、セルチューブ３は、燃料電池セル１３、リード膜１７及び基体管１８を含む。
【００８３】
中子２３の形状及び種類については、中子１１と同様である。ただし、表面を覆う触媒は、メタネーション反応（一酸化炭素及び二酸化炭素と水素とからメタンと水蒸気を得る反応）用の触媒を用いる。例えば酸化ニッケルである。すなわち、発電後の使用済みの燃料ガス１の成分のうち、一酸化炭素及び二酸化炭素と水素とを用いて、メタンと水蒸気を得る。この反応は発熱反応である。従って、燃料ガス１と酸化剤ガス２との間の熱交換の際、燃料ガス１を加熱し、より多くの熱を酸化剤ガス２へ供給することが可能となる。その熱により、酸化剤ガス２は、充分に高い温度となり、発電部１４へ供給されることになる。
【００８４】
また、酸化剤ガス２の流速を落とす方法として、既述のように、輻射変換体２２を設置し、排気側リード部２１での滞留時間を長くすることが挙げられている。その他の酸化剤ガス２の流速を落とす方法として、支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３をラッパ状に開口する方法がある。それを示したのが図６である。図６は、図２のセルチューブ３の排気室９との接合部付近を拡大した図であり、発電部１４と排気側リード部２１を有するセルチューブ３、セル支持部１０−３’を有する支持体Ｂ１０−２’から成る。ここで、セルチューブ３は、燃料電池セル１３、リード膜１７及び基体管１８を含む。セル支持部Ｂ１０−３’は排出室９側から供給室８側へ向かってラッパ状に開いている。従って、酸化剤ガス２は、ラッパの口から送出される段階で、流速が減速する。この場合には、周辺部の高温の酸化剤ガス２との熱交換も行なわれて、温度が上昇する。
【００８５】
また、図３、図４、図５及び図６に示される酸化剤ガス２の予熱方法については、一つを単独で行なっても良いし、複数を組み合わせて行なうことも可能である。それにより、予熱の効果及び発電部１４での温度分布の緩和効果を向上させることが可能となる。
【００８６】
本発明の燃料電池の熱交換構造により、燃料電池セル１３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、高温用熱交換器を設置する必要がなくなる。そして、発電に伴い発生している熱を発生直後にその近傍で利用するので、極めて熱効率が高く、熱エネルギーのロスを少なくすることができる。
【００８７】
また、酸化剤供給室４及び排出室９から排出されるガスは、熱交換により温度が下がっており、その後は低い温度用の配管及び熱交換器で充分となる。すなわち、配管や熱交換器の設備費用を低減することが出来る。
【００８８】
本発明における中子１１の設置により、発電部１４において、セルチューブ３の破損（亀裂など）があった場合でも、燃料ガス１のセルチューブ３から酸化剤供給室４への流出を抑制することが出来る。それは、中子１１が燃料ガス１の流路を狭くし、流量の増加を抑制するからである。
【００８９】
また、本発明における中子１１の設置により、供給室８から各セルチューブ３への燃料ガス１の分配を、より均一に行うことが可能となる。それは、中子１１が燃料ガス１の流路を狭くするため、燃料ガス１が一個所に固まらず、供給室８全体に広がり、各セルチューブ３へ入るからである。
【００９０】
本実施例では、供給側リード部２０（燃料ガス入口側）において、中子１１を設置した。しかし、同様に排出側リード部２１（燃料ガス出口側）に中子１１（ただし、改質触媒無し）を設置することも可能である。それにより、排出側リード部２１（燃料ガス出口側）での燃料ガス１（セルチューブ３の内側）と酸化剤ガス（セルチューブ３の外側）との熱交換の効率を向上することが可能となる。その場合、排出側リード部２１においても、熱交換に必要な伝熱面積を低減し、排出側リード部２１の長さを低減することが可能となる。そして、燃料電池として容積の低減と省スペース化を図ることが出来る。
【００９１】
本発明により、外部改質部が無くても、中子１１により燃料ガス１の改質が出来、燃料電池の良好な運転が可能となる。すなわち、発電に伴い発生している熱を有効利用して改質反応を行なうので極めて熱効率が良く熱エネルギーのロスが少なく、また、セルチューブ１本毎に改質部を設けるため改質部について考慮する必要が無い、燃料ガスの温度が上昇する過程で触媒で処理されるためコーキングが起こらない、というような効果をもたらす。
【００９２】
加えて、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。
【００９３】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池のガスの予熱を行なう際、燃料電池セルの発電に影響を与えず、燃料電池の発電を行なう領域での温度分布を少なく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熱交換構造の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熱交換構造の実施の形態の詳細な構成を示す図である。
【図３】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの一端側の詳細な構成を示す図である。
【図４】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの一端側の他の詳細な構成を示す図である。
【図５】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの一端側の更に他の詳細な構成を示す図である。
【図６】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの一端側の別の詳細な構成を示す図である。
【図７】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの他端側の詳細な構成を示す図である。
【図８】（ａ）本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態に関わる管板の正面図を示す図である。
（ｂ）本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のに関わる支持体の正面図を示す図である。
【図９】従来の技術の実施の形態の構成を示す図である。
【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
１０−２’ 支持体Ｂ
１０−３ セル支持部
１０−３’ セル支持部
１１ 中子
１１−１ 中子本体
１１−１ センタリング部Ａ
１１−２ センタリング部Ｂ
１１−３ センタリング部Ｃ
１１−４ センタリング部Ｄ
１２ 充填材
１３ 燃料電池セル
１４ 発電部
１５ａ 集電部Ａ
１５ｂ 集電部Ｂ
１７ リード膜
１８ 基体管
２０ 供給側リード部
２１ 排出側リード部
２２ 輻射変換体
２３ 中子
２４ 輻射変換体
２５ チューブ支持リング
２６ リング充填材
１１０ ヘッダ
１１０ａ 仕切板
１１０ｂ 排出室
１１０ｃ 供給室
１１０ｄ 底板
１１１ セルチューブ
１１２ 案内管
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の熱交換に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池のガスに関する概略構成の一例を図９に示す。ただし、図９では、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９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１１１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ている。そして、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１１０の底板１１０ｂには、セルチューブ１１１の上端側（一端側）が、上記排出室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の下端側（他端側）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、その一端側（上端側）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、複数本存在する。そして、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ている。燃料電池を構成する円筒型セルチューブである。
【０００５】
このような構成をなす燃料電池では、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。それと共に、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する。そして、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内の先端より折り返す。そして、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。それらの燃料ガス１と酸化剤ガス２は、セルチューブ１１１の燃料電池セルで電気化学的に反応して電力を発生する。発生した電力は、図示しない集電部材などを介して外部に取出される。
【０００６】
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１１１の上端と案内管１１２との隙間から、排出室１１０ｄ内に送出される。そして、燃料電池の外部に排出される。一方、発電に供された使用済みの酸化剤ガス２は、図示しない排出管を介して外部に送出される。外部に排出されたそれぞれの排出ガスは、排ガス処理装置で処理され、系外へ排気される。
【０００７】
上述のような燃料電池において、外部からガスを供給する際、事前にある程度予熱しておく必要が有る。予熱は、効率の面から、排出ガスである使用済みの燃料ガス１及び酸化剤ガス２との熱交換により行なわれる。排出ガスの排出経路中には、熱交換のための設備機器・配管を設ける。予熱の不足分は、ヒーターなどの熱源による加熱で賄われる。
【０００８】
ここで、熱交換を燃料電池セルの近傍において行なえば、効率的な熱交換ができ、外部加熱の割合も少なくて済む。しかし、燃料電池セル近傍の熱交換は、燃料電池セル自体の温度を低下させる可能性がある。そうなると、発電効率が低下し、発電自体も不安定になる危険性がある。
燃料電池セルの発電に影響を与えずに、燃料電池セルの近傍において熱交換を行なう技術が望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池セル近傍で熱交換を行ない、且つ燃料電池セルの発電に影響を与えない燃料電池のガスの予熱を行なうことが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、燃料電池セル近傍で熱交換を行ない、且つ燃料電池の発電を行なう領域での温度分布を少なくすることが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的としては、燃料電池内部で効率的に熱交換を行ない、燃料電池の内部において発生する熱を有効に利用することが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１２】
本発明の更に他の目的は、燃料電池のガスの予熱を行なう際、外部の高温用の予熱器や熱交換器を使用せずに行なうことが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１３】
更に他の目的としては、燃料電池の効率を向上することが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することである。
【００１４】
また、別の目的としては、燃料電池の規模を考慮する必要のない熱交換部を有する燃料電池の熱交換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】
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的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、本発明の燃料電池の熱交換構造は、基体管（１８）の外面に燃料電池セル（１３）を形成した燃料電池セルチューブ（３）と、前記燃料電池セルチューブ（３）の一端部である第１端部が開放されて接合され、前記燃料電池セルチューブ（３）内に燃料ガス（１）を供給する第１供給室（８）と、前記燃料電池セルチューブ（３）の他端部である第２端部が開放されて接合され、前記第１供給室（８）から離れて設けられ、前記燃料電池セルチューブ（３）内から前記燃料ガス（１）を排出される排出室（９）と、前記第１供給室（８）と前記排出室（９）との間に隔離されて設けられ、前記燃料電池セルチューブ（３）を含み、前記燃料電池セルチューブ（３）に酸化剤ガス（２）を供給する第２供給室（４）と、前記第２供給室（４）の前記排出室（９）側に、供給される前記酸化剤ガス（２）の流路を制限するように設けられた第１支持体（１０−２）と、前記第２供給室（４）の前記第１供給室側（８）に、排出される前記酸化剤ガス（２）の流路を制限するように設けられた第２支持体（１０−１）とを具備する。そして、供給された前記酸化剤ガス（２）が、前記第１支持体（１０−２）と前記排出室（９）の前記第２供給室（４）側の仕切板である第１管板（７）とで形成される空間中を移動し、前記第２端部近傍から前記第１端部近傍まで、前記燃料電池セルチューブ（３）に沿って進み、前記第２支持体（１０−１）と前記第１供給室（８）の前記第２供給室（４）側の仕切板である第２管板（６）とで形成される空間中を移動し、排出される。また、前記燃料電池セルチューブ（３）の内側を通る前記燃料ガス（１）と、前記燃料電池セルチューブ（３）の外側の前記酸化剤ガス（２）とが、前記燃料電池セルチューブ（３）を介して熱交換を行なう。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記燃料ガス（１）と前記酸化剤ガス（２）とが反対方向に流れる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造は、リング形状を有し、前記リング形状の中央の孔を前記燃料電池セルチューブ（３）が貫通する、前記第２端部の近傍に設置された輻射変換体（２２，２４）を更に具備し、前記酸化剤ガス（２）は、前記第２端部近傍において前記輻射変換体（２２，２４）で昇温され、前記燃料電池セル（１３）へ供給される。
【００１９】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記燃料電池セルチューブ（３）内で、前記第２端部から前記第１端部の方向へ延びるように、前記燃料電池セルチューブ（３）内の流路を狭くするように設けられ中子（２３）を更に具備し、前記燃料電池セルチューブ（３）の内側であり前記中子（２３）の外側の流路を通る前記燃料ガス（１）と、前記燃料電池セルチューブ（３）の外側の前記酸化剤ガス（２）とが、前記燃料電池セルチューブ（３）を介して熱交換を行なう。
【００２０】
更に、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記中子（２３）が、表面にメタネーション反応用の触媒を有する。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記第１支持体（１０−２’）が、厚み方向に、前記排出室（９）の側から前記第１供給室（８）の側へ広がるラッパ状の開口部（１０−３’）を有し、前記開口部（１０−３’）は、前記燃料電池セルチューブ（３）が貫通している。
【００２２】
更に、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記第１供給室（８）は、前記燃料ガス（１）を供給するガス供給口（８−１）を具備し、前記排出室（９）は、前記燃料ガス（１）を排出するガス排出口（９−１）を具備し、前記燃料ガス（１）は、前記ガス供給口（８−１）から前記第１供給室（８）に供給され、前記燃料電池セルチューブ（３）において、発電に寄与し、前記排出室（９）に入り、前記ガス排出口（９−１）から排出される。
【００２３】
上記課題を解決するための本発明の燃料電池は、燃料電池セル（１３）を形成された基体管（１８）の外側を流れる酸化剤ガス（２）と、前記基体管（１８）の内側を流れる燃料ガス（１）とが熱交換を行なう前記基体管（１８）の端部近傍の熱交換部において、前記酸化剤ガス（２）と前記燃料ガス（１）との間の熱伝達率が高くなるようにし、前記燃料電池セル（１３）のある領域において、前記酸化剤ガス（２）の熱伝達率が低下するように、前記基体管（１８）の外側の前記酸化剤ガス（２）及び燃料ガス（１）の少なくとも一方の流速を減速させる構造を有する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池の熱交換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、筒型のうち円筒型の燃料電池に中子を設置する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。
【００２５】
図１は、本発明である燃料電池の熱交換構造の一実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃料電池は、燃料電池セルチューブ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を有する第２供給室としての酸化剤供給室４、第２管板としての管板Ａ６、第１管板としての管板Ｂ７、ガス供給口８−１を有する第１供給室としての供給室８、ガス排出口９−１を有する排出室９、第２支持体としての支持体Ａ１０−１と第１支持体としての支持体Ｂ１０−２である支持体１０、中子１１、輻射変換体２２を具備する。なお、図１の構成は、断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器（図示せず）内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００２６】
また、図２は、本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の一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。セルチューブ３、管板Ａ６、管板Ｂ７、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０−２である支持体１０、中子１１、充填材１２、輻射変換体２２、チューブ支持リング２５、リング充填材２６を具備する。セルチューブ３は、燃料電池セル１３と、燃料電池セル１３を複数有する発電領域である発電部１４と、供給側リード部２０と、排出側リード部２１とを有する。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００２７】
本実施例では、図１或いは図２にあるように、燃料電池は、その両端で支持される。すなわち、燃料電池セル１３が形成されたセルチューブ３は、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して、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、管板Ａ６及び管板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。
【００２８】
燃料ガス１は、ガス供給口８−１から供給室８に供給され、そこからセルチューブ３に進入する。そして、セルチューブ３の入口にある改質触媒を有する中子１１上で改質される。その後、セルチューブ３の内側を一方向へ進み、排出室９に達し、ガス排出口９−１から排出される。
また、酸化剤ガス２は、酸化剤ガス供給口４−１より酸化剤供給室４へ進入後、セルチューブ３に達する。そして、輻射変換体２２の熱を奪いながら、セルチューブ３の外側をセルチューブに沿って一方向（燃料ガス１とは反対の方向）へ進み、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。
燃料ガス１及び酸化剤ガス２は、共にセルチューブに沿って一方向に流れるが、対向流である。そして、その際、セルチューブ３を介して、燃料ガス１と酸化剤ガス２を利用してセルチューブ３上の燃料電池セル１３が発電を行なう。それと共に、燃料ガス１と酸化剤ガス２とがセルチューブ３を介して熱交換を行なう。特に、セルチューブ３の輻射変換体２２は、温度が充分上がりきっていない酸化剤ガス２が、そのまま発電部１４へ向かうことを防止する。そして、酸化剤ガス２へ熱を供給し、酸化剤ガス２を効率的に昇温させることが可能である。中子１１のある部分では、セル内燃料ガス流量の相当径を小さくし、熱伝達率の向上を図っており、熱交換を高効率で行うことが可能である。
【００２９】
つまり、両端支持（縦置きでも良い）、両端ガスシール、案内管が不用、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが一方向、燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流、という点が、従来例（図９）と異なる。
従って、振動や衝撃に強く、部品点数も減らすことが可能となり、構造的な安定性が向上する。また、ガスが対向流で、セルチューブ３の両端部において効率的な熱交換が可能となり、熱効率が向上する。特に、セルチューブ３の輻射変換体２２のある部分では、酸化剤ガス２を効率的に昇温でき、発電部１４での温度分布を緩和することが出来る。中子１１のある部分では、熱交換に必要な伝熱面積が低減され、リード部を短縮できる。加えて、外部のガスの予熱器及び加熱器、燃料電池などの容量や規模、スペースが小さくて済み、材料も高温用のものを用いなくて済み、コストを大幅に低減することが出来る。
【００３０】
以下に各構成を詳細に説明する。
まず、図１、図８を参照して、燃料電池の熱交換構造の構成について説明する。
【００３１】
燃料電池セルチューブとしてのセルチューブ３は、多孔質セラミックスの円筒型の基体管である。外周面上には、発電を行なう燃料電池セル１３（後述）を有する。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）に嵌合され、支持されている。そして、一端側は供給室８（後述）に、他端側は排出室９（後述）に、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して（図２等参照、後述）、ガスの出入りが出来るように開放されている。材質は、安定化ジルコニアである。本実施例では、外径２２ｍｍφ、内径１６ｍｍφである。
なお、本実施例では、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を用いるが、セルチューブ３を直接、供給室8及び排気室９に接続していても良い。
【００３２】
輻射変換体２２は、多孔質のセラミックスの円環（リング）又は円筒である。中心の孔にセルチューブ３が貫通しており、セルチューブ３の支持体Ｂ１０−２の位置と発電部１４（後述）との間にある。内径は、セルチューブ３の外径とほぼ同じであり、外径は、最高で内径の２倍程度である。発電部１４からの熱輻射により高温となり、内部に熱エネルギーを蓄積している。多孔質なので、気体は内部を透過することが出来る。材質は、アルミナ、ジルコニア、マグネシアなどである。
【００３３】
排出室９側から発電部１４へ向けて供給されるセルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２は、温度が充分上がりきっていない。従って、そのまま発電部１４へ向かうと、発電部１４の燃料電池セル１３（後述）の温度が低くなり、発電効率が低下する。従って、輻射変換体２２は、酸化剤ガス２の流れを抑えて、温度が充分上がりきっていない酸化剤ガス２がそのまま発電部１４へ向かうことを防止する。その時、輻射変換体２２の手前において、酸化剤ガス２の流れが遅くなり、その領域での熱交換が進む。それと共に、酸化剤ガス２を、輻射変換体２２の内部を透過させることにより、内部に有する熱エネルギーにより加熱し昇温して、発電部１４へ流すのに十分な温度にする。その後、酸化剤ガス２は、発電部１４へ向かう。
【００３４】
中子１１は、概ね円柱の形状をした部材である。表面には、燃料ガス１の水蒸気改質を行なう水蒸気改質用の触媒（改質触媒）を有する。セルチューブ３の一端部から、外側に支持体Ａ１０−１の管板Ｂ７側の側面がある位置までのセルチューブ３の内部に設置されている。中子１１の外周面上において、燃料ガス１が水蒸気と共に水蒸気改質反応し、水素を主成分とする改質された燃料ガス１となる。
【００３５】
また、中子１１は、セルチューブ３の燃料ガス１の供給される側にあって、供給される燃料ガス１の流路を制限している。すなわち、燃料ガス１は、中子１１の内部を通過不可能なので、中子１１の外表面とセルチューブ３の内表面との間の隙間を移動することになる。従って、中子１１の使用により、セルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２とセルチューブ３の内側（且つ中子１１の外側）を流れる燃料ガス１との熱交換を、より効率良く行うことが可能となる。
【００３６】
中子１１の形状について説明する。
中子１１は、円柱形状を有する中子本体と、中子本体の軸とセルチューブ３の軸とが概ね一致するように中子本体の位置を保持する凸部とからなる。中子本体の外径はセルチューブ３の内径よりも小さい。その表面は、改質触媒で覆われている。改質触媒は、多孔質で高表面積の担体（アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニアなど）に金属（Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈなど）が担持されている。本実施例では、１０ｍｍφであり、Ｎｉ／アルミナ触媒で覆われている。改質触媒により、表面は細かい凹凸を有し、低反射率の状態である。
【００３７】
凸部は、例えば、中子本体の側面に、その軸に平行に長手方向に延びる四角柱状である。それを、中子本体を囲むように、互いに１２０度の位置に３個取りつける。
中子１１の凸部のその他のバリエーションとしては、既述の凸部の数を８つとする（互いに４５℃の位置）ものや、その８つの凸部を中子本体にらせん状に巻きつけた形状としたものなどがある。
ただし、この数及びこの形状に制限されるものではなく、円柱形状の中子本体の軸とセルチューブ３の軸とが、概ね一致することが可能な形状であれば良い。
【００３８】
中子本体及び凸部は、セラミックス又は金属製である。例えば、アルミナ、安定化ジルコニア、シリカ、マグネシアなどである。中子本体と凸部を併せた外径は、セルチューブ３の内径程度である。ただし、セルチューブ３と中子１１の熱膨張係数の差を考慮し、中子１１の曝される最高温度においても、セルチューブ３に無理な力がかからない外径とする。本実施例では、外径１６ｍｍφとする。
【００３９】
第１供給室としての供給室８は、中空の直方体や円柱等の形をしているガス分配室である。ステンレスや耐熱合金などの金属製である。燃料ガス１の供給を受けるためのガス供給口８−１を有する。一方の面は管板Ａ６（後述）であり、供給室８と酸化剤供給室４とを隔てている。管板Ａ６には、セルチューブ３の一端部が、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、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して連結し、接合している。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。内部にガスの流れを整える整流板のような機構が付属している場合も有る。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００４０】
排出室９は、中空の直方体や円柱等の形をしているガス分配室である。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。使用済みの燃料ガス１の排出を行なうためのガス排出口９−１を有する。一方の面は管板Ｂ７（後述）であり、排出室９と酸化剤供給室４とを隔てている。管板Ｂ７には、セルチューブ３の他端部が、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、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して連結し、接合している。内部にガスの流れを整える整流板のような機構が付属している場合も有る。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００４１】
第２供給室としての酸化剤供給室４は、供給室８（の管板Ａ６）と排出室９（の管板Ｂ７）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を供給する室である。酸化剤ガス２の供給を受けるための酸化剤ガス供給口４−１及び使用済みの酸化剤ガス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。管板Ａ６及び管板Ｂ７の近傍の内部に、支持体１０（支持体Ａ１０−１及び支持体Ｂ１０−２）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。
酸化剤ガス２は、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Ｂ１０−２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Ｂ１０−２との隙間から、セルチューブ３の外周面に沿って、支持体Ａ１０−１側へ向かって進む。そして、セルチューブ３と支持体Ａ１０−１との隙間から、支持体Ａ１０−１と管板Ａ６とで形成された空間（隙間）を進み、酸化剤ガス排出口４−２から排出される。
【００４２】
第２管板としての管板Ａ６は、供給室８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の一端部と、ガスの出入りが出来るように、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して連結し、開放されて接合している。接合部分は、管板Ａ６とセルチューブ３（のチューブ支持リング２５及びリング充填材２６）との隙間からガスをリークさせないように、且つ、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弾性のある部材を使用する。その際、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（後述）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１２（後述）を用いて、リークを完全に抑えるようにする。
【００４３】
図８（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８に示すように一体の部材である。図８（ａ）にあるように、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）が開口している。すなわち、本実施例の燃料電池は、縦３本×横３本の合計９本のセルチューブ３を有する。ただし、本発明における燃料電池のセルチューブ３の配置及びその本数が、図８（ａ）に示すような配置の９本に限定されるものではない。その他の配置の例としては、千鳥格子状、蜂の巣状などがある。
【００４４】
第１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の他端部とガスの出入りが出来るように、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を介して連結し、開放されて接合している。接合部分は、管板Ｂ７とセルチューブ３（のチューブ支持リング２５及びリング充填材２６）との隙間からガスをリークさせないように、且つ、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弾性のある部材を使用する。その際、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（後述）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１２（後述）を用いて、リークを完全に抑えるようにする。なお、管板Ｂ７の正面図は、管板Ａ６の図８（ａ）と同様であるので、省略する。
【００４５】
支持体１０は、管板Ａ６及び管板Ｂ７の近傍であって、供給室８及び排出室９の外側の酸化剤供給室４内に固定されている。管板Ａ６側が、第２支持体としての支持体Ａ１０−１であり、管板Ｂ７側が、第１支持体としての支持体Ｂ１０−２である。そして、セルチューブ３上の両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、その流通を制限している。また、セルチューブ３の発電部１４（後述）側の熱を遮断し、管板Ａ６及び管板Ｂ７、あるいは、セルチューブ３と管板Ａ６又は管板Ｂ７との接合部であるガスシール部分について、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８（ｂ）に、支持体１０（支持体Ａ１０−１及び支持体Ｂ１０−２）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１０が小さく区切られて見えるが、図８に示すように一体の部材である。図８（ｂ）にあるように、支持体１０は縦３個×横３個の合計９個のセルチューブ３用の孔（セル支持部１０−３）が開口している。
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及びセル接合部７−１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。ただし、本発明における燃料電池のセルチューブ３の配置及びその本数が、図８（ｂ）に示すような配置の９本に限定されるものではない。
【００４７】
なお、燃料ガス１は、供給室８までは、メタン、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。その後、燃料ガス１は、セルチューブ３の供給室８側の中子１１において、水蒸気改質により水素と水蒸気を主成分とする改質ガス（後述）となる。
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。
【００４８】
次に、図２を参照して、セルチューブ３の周辺部分について説明する。図２は、図１のセルチューブ３１本分について拡大した図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
燃料電池セル１３は、セルチューブ３の外周面上に、燃料極、電解質、空気極を順に少しずつずらして積層（図示せず）した燃料電池のセルである。それぞれの燃料電池セル１３同士は、インターコネクタ膜（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改質された燃料ガス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、発電を行なう。
発電部１４は、セルチューブ３上の燃料電池セル１３が複数ある領域である。ここで、発電がなされ、それと同時に、セルの抵抗損などにより熱が発生し高温になっている。本実施例では、１６個の燃料電池セル１３が直列接続したものである。
【００４９】
供給側リード部２０は、セルチューブ３上の発電部１４以外の供給室８側の領域である。内部に中子１１を有する。セルチューブ３の内側、且つ中子１１の外側を低温の燃料ガス１が流通し、外側を高温の酸化剤ガス２が流通し、両者の間で熱交換が行なわれる。それにより、酸化剤ガス２は、低温となり排出される。また、燃料ガス１は、高温となり発電部１４へ供給される。
排出側リード部２１は、セルチューブ３上の発電部１４以外の排出室９側の領域である。支持体Ｂ１０−２の位置よりも発電部１４側に輻射変換体２２を有する。その内側を高温の燃料ガス１が流通し、外側を低温の酸化剤ガス２が流通し、両者の間で熱交換が行なわれる。また、酸化剤ガス２は、輻射変換体２２とも熱交換を行ない更に昇温される。それにより、酸化剤ガス２は、高温となり発電部１４へ供給される。また、燃料ガス１は、低温となり排出される。
【００５０】
チューブ支持リング２５は、その内径がセルチューブ３よりもやや大きい円筒状のリングである。セルチューブ３の寸法の多少のずれを、このチューブ支持リング２５とリング充填材２６（後述）とが緩衝材として働き、吸収する。供給室８側のチューブ支持リング２５は、外周面を、供給室８側の管板Ａ６と、セル接合部６−１で接合している。また、排出室９側のチューブ支持リング２５は、外周面を、排出室９側の管板Ｂ７と、セル接合部７−１で接合している。
【００５１】
リング充填材２６は、チューブ支持リング２５の内周面側とセルチューブ３の両端の外周面側と間の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及び排出室９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。また、セルチューブ３の寸法の多少のずれを、その変形で吸収する。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、接着剤や樹脂などを埋め込む方法などが使用できる。
【００５２】
管板Ａ６、管板Ｂ７、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０−２である支持体１０、中子１１、輻射変換体２２については、上述の図１における説明の通りなので、その説明を省略する。なお、充填材１２については、後述する。
【００５３】
次に、図３を参照して、排気室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説明する。
図３は、図２のセルチューブ３の排気室９との接合部付近を拡大した図であり、発電部１４と排気側リード部２１を有するセルチューブ３と、充填材１２と、セル接合部７−１を有する管板Ｂ７と、支持体Ｂ１０−２、輻射変換体２２、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６とから成る。ここで、セルチューブ３は、燃料電池セル１３、集電部Ｂ１５ｂ、リード膜１７及び基体管１８を含む。
【００５４】
管板Ｂ７は、セルチューブ３及びチューブ支持リング２５を通す孔の部分が、ガスシールを行なうガス接合部７−１を形成する。管板Ｂ７のセルチューブ３及びチューブ支持リング２５を通す孔の直径を、チューブ支持リング２５の直径より、やや小さくする。すなわち、図３で示すように管板Ｂ７の孔部にチューブ支持リング２５を通した時、管板Ｂ７の孔部の内周部分が、チューブ支持リング２５を通した方向に内側に変形し、チューブ支持リング２５の外周部と管板Ｂ７の孔部の内周部分が密着する。チューブ支持リング２５を通す方向は、図３に示す方向だけでなく、その逆方向（排出室９の方向）でも良い。
チューブ支持リング２５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Ｂ７の孔部の内周部分は、チューブ支持リング２５と密接する際、酸化剤供給室４側への湾曲に伴う管板Ｂ７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Ｂ７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Ｂ７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Ｂ７のその他については、図１において説明した通りである。
【００５５】
充填材１２は、セルチューブ３の端部のチューブ支持リング２５と管板Ｂ７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、排気室９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。図３に示す排出室９側だけでなく、その反対側の供給室８側において充填しても良い。セルチューブ３の端部のチューブ支持リング２５を管板Ｂ７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。
【００５６】
支持体１０は、厚みがｂであり、セル支持部１０−３の直径はａである。セルチューブ３とセル支持部１０−３とに隙間があるのは、セル支持部１０−３の直径が、酸化剤ガス２を通過させるため、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。支持体１０のその他の詳細は図１及び図２における説明の通りであるので省略する。
【００５７】
セルチューブ３の支持は、基本的には管板Ｂ７のセル接合部７−１（チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を含む）で行なう。そして、その補助として、支持体１０において、支持することも可能である。例えば、セルチューブ３から見て鉛直下側のセル支持部１０−３の面に部材を入れる。この部材により、酸化剤ガス２を緩やかにすることで、空気の各セルチューブ３への分配をより均一化することが可能である。また、発電部へ酸化剤ガス２が入る前に、出来るだけ酸化剤ガスの温度を上げることが可能である。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ことなどで実施可能である。
【００５８】
集電部Ｂ１５ｂは、発電部１４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Ｂ１５ｂと供給室８側の集電部Ａ１５ａ（後述）とにより行なう。例えば、集電部Ｂ１５ｂについては、そこに取り付けた端子から金属線を取り付けて引き出し、排出室９の壁面から絶縁体を介して（排出室９と接触しないようにして）外部へ延ばす。そして、集電部Ａ１５ａについても同様にすることにより、それらから電力を取出す。
【００５９】
基体管１８は、燃料電池セルチューブとしてのセルチューブ３の燃料電池セル１３や、発電部１４、集電部Ｂ１５ｂ、リード膜１７（後述）などが形成される前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１８の外周部に形成された燃料電池セル１３に達することが可能である。
【００６０】
リード膜１７は、複数の燃料電池セル１３で発電した直流電力の一方の極を集電部Ｂ１５ｂ（又は集電部Ａ１５ａ）へ引き出すためのリード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１８の外周部の燃料電池セル１３のうち、最も一端部寄りの燃料電池セル１３の燃料極（図示せず）と接続している。そして、リード膜１７は、その燃料電池セル１３から基体管１８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１７の厚みにより、抵抗が充分低くなるように、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。
【００６１】
輻射変換体２２（及び排出側リード部２１）については、図１及び図２に記した通りである。しかし、その他に以下に例示するようなバリエーションがある。輻射変換体２２を板状のものとすることも可能である。すなわち、管板Ｂ７の側から支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３の開口部を通り、セルチューブ３の外周面上を流れる酸化剤ガス２について、その流速を板状のリングにより抑えるようにする。これにより、発電室（酸化剤供給室４の発電部１４のある領域）へ入る酸化剤ガス２の流速を抑え、熱伝達率を下げ、燃料電池セル１３の温度を極力高温に保つことが出来る。
【００６２】
また、輻射変換体の位置を、支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３の開口部に持ってくることも可能である。それを示したのが、図４である。図３の内、この場合の輻射変換体２４も、既述のように、セルチューブ３を囲むリング状の多孔質セラミックスである。ただし、固定形状のセルチューブ３とセル支持部１０−３の開口部とに挟まれていることから、内径（セルチューブ３の外径程度）及び外径（セル支持部１０−３の開口部の内径程度）に余裕を持たせる。あるいは、柔軟性のあるセラミックス材料を用いる。例えば、シリカをもちいたガラスウールのようなものである。
この場合、輻射変換体の２４の輻射熱による熱エネルギーで酸化剤ガス２を加熱する効果のほかに、発電室へ入る流速を抑えることにより、発電室の入口部（支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３の発電室側付近）酸化剤ガス２の熱伝達率を下げ、その部分での燃料電池セル１３の温度を極力高温に保つことが出来る。
【００６３】
燃料電池セル１３、その集合体である発電部１４、セルチューブ３、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６については、図１及び図２に記した通りであるのでその説明を省略する。
【００６４】
次に、図７を参照して、供給室８側のセルチューブ３と管板Ａ６との接合部周辺について説明する。
燃料電池セル１３、その集合体である発電部１４、集電部Ａ１５ａ、リード膜１７及び基体管１８を有するセルチューブ３と、充填材１２と、セル接合部６−１を有する管板Ａ６と、支持体Ａ１０−１、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を具備する。
【００６５】
図７に関わる各部の構成に付いては、管板が第２管板としての管板Ａ６と中子１１を用いている点と、輻射変換体２２を用いていない点が図３と異なるが、その他の構成は図３と同様であるので、その説明は省略する。
【００６６】
次に、本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の一形態の動作に関して、図１、図２、図７及び図８を参照してを参照して説明する。
【００６７】
燃料ガス１について説明する。
図１において、供給室８内にメタンやプロパンのような有機系の燃料ガス１が、水蒸気と共にガス供給口８−１から供給される。燃料ガス１は、予熱されている（例えば、２５０℃程度）。その後、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。
【００６８】
図７を参照して、供給側リード部２０において、燃料ガス１は、セルチューブ３内のＣ点から流入する。そのときの温度を２５０℃とする。セルチューブ３と中子１１の有する熱により、燃料ガス１は除々に加熱される。そして、セルチューブ３内のＡ点近傍から、セルチューブ３を介して、セルチューブ３の外周面上を流れる酸化剤ガス２と、中子１１の外周面上を流れる燃料ガス１とが熱交換を開始する。熱交換により、燃料ガス１は、熱エネルギーを得て、改質触媒上で水蒸気改質され、水素を主成分とする改質された燃料ガス１（改質ガス）となる。それと共に、燃料ガス１は、熱エネルギーにより温度が上昇する。中子１１の無くなるセルチューブ３内のＢ点において、燃料ガス１の温度は、７００℃程度となる。その後も酸化剤ガス２と熱交換を続け、発電部１４に達するまでに、約９００℃になっている。
【００６９】
改質された燃料ガス１の、中子１１の端部（セルチューブ３内のＢ点）での組成（出口ガス組成）は、例えば、改質条件として水蒸気／炭素〜４、圧力〜１気圧、温度〜７５０℃のとき、およそ水素（Ｈ２）／水蒸気（Ｈ２Ｏ）／一酸化炭素（ＣＯ）／二酸化炭素（ＣＯ２）＝５６／３０／８／６程度である。出口ガス組成は、供給ガスの水蒸気／炭素、圧力、温度により、ほぼ一義的に定まる。
【００７０】
図２を参照して発電部１４において、改質された燃料ガス１は、燃料電池セル１３に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル１３は発熱するが、その熱は、セルチューブ３の外周部を流れる酸化剤ガス２により持ち去られるので、燃料電池セル１３の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。そして、燃料ガス１も、温度が上昇しない。改質された燃料ガス１のうち、発電に用いられなかった燃料ガス１及び発電により発生した水蒸気は、排出側リード部２１に達する。その時点での燃料ガス１の温度は、約９００℃である。
【００７１】
排出側リード部２１において、使用済みの改質された燃料ガス１は、セルチューブ３の側面（壁面）を介してセルチューブ３の外周部を対向して流れる酸化剤ガス２へ熱量を放出し、温度を下降させていく。そして、セルチューブ３の排出室９側の他端部（左側）から約６００℃で排出室９へ出る。
【００７２】
次に、酸化剤ガス２について説明する。
図１において、酸素を含む酸化剤ガス２が、ガス供給口４−１から酸化剤供給室４に入る。そして、支持体Ｂ１０−２と管板Ｂ７とに挟まれ形成される空間を、管板Ｂ７に沿って移動する。排出室９側のセルチューブ３に達した酸化剤ガス２は、支持体Ｂ１０−２とセルチューブ３の外周部との間の空間に入る（約４５０℃の温度）。そして、概ねセルチューブ３の外周部を、その排出室９側の他端部（左側）から供給室８の方向へ進む。
【００７３】
図３の排出側リード部２１の近傍領域において、酸化剤ガス２は、セルチューブ３の内部を対向して流れる燃料ガス１の熱量を、セルチューブ３の側面（壁面）を介して受け取り、温度を上昇させていく。酸化剤ガス２は、燃料ガス１と熱交換を続けるが、支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３の開口部を出たところでは、まだ十分な温度に達していない。そのまま発電部１４に達すると、発電部１４の燃料電池セル１３の一部の温度が低下し、発電効率が低下してしまう。
そこで、輻射変換体２２で、酸化剤ガス２の流れを遅くする。それと同時に、酸化剤ガス２と輻射変換体２２とが熱交換を行ない、酸化剤ガス２を充分な温度に昇温する。輻射変換体２２との熱交換により、酸化剤ガス２は、発電部１４に達するまでに約８００℃になっている。
【００７４】
図２を参照して、発電部１４において、酸化剤ガス２は、燃料電池セル１３に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル１３は発熱するが、その熱は、酸化剤ガス２により持ち去られるので、燃料電池セル１３の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。また、酸化剤ガス２は、燃料電池セル１３から発電によって生じた熱量を奪いながら温度を上昇させていく。そして、発電に用いられなかった酸化剤ガス２は、供給側リード部２０に達する。その時点での酸化剤ガス２の温度は、約９００℃である。
【００７５】
供給側リード部２０の近傍領域において、酸化剤ガス２は、セルチューブ３の内側を対向して流れる燃料ガス１へ熱量を、セルチューブ３の側面（壁面）を介して放出し、温度を下降させていく。そして、セルチューブ３の外周部の供給室８側の一端部（右側）へ約６００℃で達する。その後、支持体Ａ１０−１と管板Ａ６（断熱材５を含む）との空間を進む。
【００７６】
図１を参照して、使用済みの燃料ガス１（改質された燃料ガス１）は、排出室９に入り、ガス排出口９−１から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、支持体Ａ１０−１と管板Ａ６とに挟まれて形成された空間に沿って移動し、酸化剤供給室４の酸化剤ガス排出口４−２から外部へ排出される。
【００７７】
本発明の燃料電池の熱交換構造では、輻射変換体２２を有しているので、排出側リード部２１全体として、熱伝達率が向上している。すなわち、輻射変換体２２は、温度が充分上がりきっていない酸化剤ガス２が、発電部１４へ向かうことを防止し、酸化剤ガス２を効率的に昇温させる。それより、排出側リード部２１での酸化剤ガス２への熱交換を充分に行うことが出来る。
従って、発電部１４へ温度の低すぎる酸化剤ガス２が供給されることを防ぎ、発電部１４周辺での温度分布を緩和することが可能となる。また、温度分布が緩和され、高い温度が維持されるので、燃料電池セル１３での発電効率を向上させることが出来る。
【００７８】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造では、中子１１を有しているので、供給側リード部２０での熱伝達率が向上している。そのため、熱交換に必要な伝熱面積が低減され、熱交換の効率が向上している。従って、中子１１の無い場合に比較して、支持体Ａ１０−１の厚みｂは、１／２にすることが出来る。すなわち、熱交換を行なうＡ−Ｂ点間の距離が短くて済むので、ｂの長さが短くて済むからである。
従って、セルチューブ３の内、発電に寄与しない供給側リード部２０の長さも、概ね半分程度に短くすることが可能となる。これは、材料費の節約になる他、セルチューブ３の製造歩留まりの向上につながる。さらに、燃料電池の省スペース化にも有用である。
【００７９】
発電について説明する。
図２において、改質された燃料ガス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１４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１３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１４において、燃料電池セル１３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１３において、改質された燃料ガス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。
【００８０】
発電の際、燃料電池セル１３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、セパレー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（ガス濃度分布に関わる拡散のエネルギー）等である。その発熱のエネルギーは、燃料電池セル１３及びその近傍の温度を、燃料電池セル１３の動作温度である９００℃〜１０００℃に維持するのに用いられる。
【００８１】
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（熱エネルギー）を効率良く持ち去る。従って、燃料ガス１及び酸化剤ガス２の流量及び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。
従って、発電部１４の熱的な安定性が高まり、信頼性が向上する。加えて、セルチューブ１本毎に熱交換を行なっているので、発電規模（燃料電池の本数）に合わせた高温用の熱交換器を考慮する必要が無い。
【００８２】
本実施例では、輻射変換体２２により、温度が充分に高温でない酸化剤ガス２を昇温している。しかし、輻射変換体を用いず、セルチューブ３内の排出室９側の端部近傍（排出側リード部２１）に、中子２３を挿入することも可能である。それを示したのが図５である。図５は、図２のセルチューブ３の排気室９との接合部付近を拡大した図であり、発電部１４と排気側リード部２１を有するセルチューブ３、セル支持部１０−３を有する支持体Ｂ１０−２、中子２３とから成る。ここで、セルチューブ３は、燃料電池セル１３、リード膜１７及び基体管１８を含む。
【００８３】
中子２３の形状及び種類については、中子１１と同様である。ただし、表面を覆う触媒は、メタネーション反応（一酸化炭素及び二酸化炭素と水素とからメタンと水蒸気を得る反応）用の触媒を用いる。例えば酸化ニッケルである。すなわち、発電後の使用済みの燃料ガス１の成分のうち、一酸化炭素及び二酸化炭素と水素とを用いて、メタンと水蒸気を得る。この反応は発熱反応である。従って、燃料ガス１と酸化剤ガス２との間の熱交換の際、燃料ガス１を加熱し、より多くの熱を酸化剤ガス２へ供給することが可能となる。その熱により、酸化剤ガス２は、充分に高い温度となり、発電部１４へ供給されることになる。
【００８４】
また、酸化剤ガス２の流速を落とす方法として、既述のように、輻射変換体２２を設置し、排気側リード部２１での滞留時間を長くすることが挙げられている。その他の酸化剤ガス２の流速を落とす方法として、支持体Ｂ１０−２のセル支持部１０−３をラッパ状に開口する方法がある。それを示したのが図６である。図６は、図２のセルチューブ３の排気室９との接合部付近を拡大した図であり、発電部１４と排気側リード部２１を有するセルチューブ３、セル支持部１０−３’を有する支持体Ｂ１０−２’から成る。ここで、セルチューブ３は、燃料電池セル１３、リード膜１７及び基体管１８を含む。セル支持部Ｂ１０−３’は排出室９側から供給室８側へ向かってラッパ状に開いている。従って、酸化剤ガス２は、ラッパの口から送出される段階で、流速が減速する。この場合には、周辺部の高温の酸化剤ガス２との熱交換も行なわれて、温度が上昇する。
【００８５】
また、図３、図４、図５及び図６に示される酸化剤ガス２の予熱方法については、一つを単独で行なっても良いし、複数を組み合わせて行なうことも可能である。それにより、予熱の効果及び発電部１４での温度分布の緩和効果を向上させることが可能となる。
【００８６】
本発明の燃料電池の熱交換構造により、燃料電池セル１３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、高温用熱交換器を設置する必要がなくなる。そして、発電に伴い発生している熱を発生直後にその近傍で利用するので、極めて熱効率が高く、熱エネルギーのロスを少なくすることができる。
【００８７】
また、酸化剤供給室４及び排出室９から排出されるガスは、熱交換により温度が下がっており、その後は低い温度用の配管及び熱交換器で充分となる。すなわち、配管や熱交換器の設備費用を低減することが出来る。
【００８８】
本発明における中子１１の設置により、発電部１４において、セルチューブ３の破損（亀裂など）があった場合でも、燃料ガス１のセルチューブ３から酸化剤供給室４への流出を抑制することが出来る。それは、中子１１が燃料ガス１の流路を狭くし、流量の増加を抑制するからである。
【００８９】
また、本発明における中子１１の設置により、供給室８から各セルチューブ３への燃料ガス１の分配を、より均一に行うことが可能となる。それは、中子１１が燃料ガス１の流路を狭くするため、燃料ガス１が一個所に固まらず、供給室８全体に広がり、各セルチューブ３へ入るからである。
【００９０】
本実施例では、供給側リード部２０（燃料ガス入口側）において、中子１１を設置した。しかし、同様に排出側リード部２１（燃料ガス出口側）に中子１１（ただし、改質触媒無し）を設置することも可能である。それにより、排出側リード部２１（燃料ガス出口側）での燃料ガス１（セルチューブ３の内側）と酸化剤ガス（セルチューブ３の外側）との熱交換の効率を向上することが可能となる。その場合、排出側リード部２１においても、熱交換に必要な伝熱面積を低減し、排出側リード部２１の長さを低減することが可能となる。そして、燃料電池として容積の低減と省スペース化を図ることが出来る。
【００９１】
本発明により、外部改質部が無くても、中子１１により燃料ガス１の改質が出来、燃料電池の良好な運転が可能となる。すなわち、発電に伴い発生している熱を有効利用して改質反応を行なうので極めて熱効率が良く熱エネルギーのロスが少なく、また、セルチューブ１本毎に改質部を設けるため改質部について考慮する必要が無い、燃料ガスの温度が上昇する過程で触媒で処理されるためコーキングが起こらない、というような効果をもたらす。
【００９２】
加えて、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。
【００９３】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池のガスの予熱を行なう際、燃料電池セルの発電に影響を与えず、燃料電池の発電を行なう領域での温度分布を少なく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熱交換構造の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熱交換構造の実施の形態の詳細な構成を示す図である。
【図３】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの一端側の詳細な構成を示す図である。
【図４】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの一端側の他の詳細な構成を示す図である。
【図５】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの一端側の更に他の詳細な構成を示す図である。
【図６】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの一端側の別の詳細な構成を示す図である。
【図７】本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のセルチューブの他端側の詳細な構成を示す図である。
【図８】（ａ）本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態に関わる管板の正面図を示す図である。
（ｂ）本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態のに関わる支持体の正面図を示す図である。
【図９】従来の技術の実施の形態の構成を示す図である。
【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
１０−２’ 支持体Ｂ
１０−３ セル支持部
１０−３’ セル支持部
１１ 中子
１１−１ 中子本体
１１−１ センタリング部Ａ
１１−２ センタリング部Ｂ
１１−３ センタリング部Ｃ
１１−４ センタリング部Ｄ
１２ 充填材
１３ 燃料電池セル
１４ 発電部
１５ａ 集電部Ａ
１５ｂ 集電部Ｂ
１７ リード膜
１８ 基体管
２０ 供給側リード部
２１ 排出側リード部
２２ 輻射変換体
２３ 中子
２４ 輻射変換体
２５ チューブ支持リング
２６ リング充填材
１１０ ヘッダ
１１０ａ 仕切板
１１０ｂ 排出室
１１０ｃ 供給室
１１０ｄ 底板
１１１ セルチューブ
１１２ 案内管
Claims (5)
- 基体管の外面に燃料電池セルを形成した燃料電池セルチューブと、
第２管板を有し、前記燃料電池セルチューブの一端部である第１端部が前記第２管板に開放されて接合され、前記燃料電池セルチューブ内に燃料ガスを供給する第１供給室と、
第１管板を有し、前記燃料電池セルチューブの他端部である第２端部が前記第１管板に開放されて接合され、前記第１供給室から離れて設けられ、前記燃料電池セルチューブ内から前記燃料ガスを排出される排出室と、
前記第１供給室と前記排出室との間に隔離されて設けられ、前記燃料電池セルチューブを含み、前記燃料電池セルチューブに酸化剤ガスを供給する第２供給室と、
前記第２供給室において、供給される前記酸化剤ガスの流路を制限するように前記第１管板に沿って設けられ、前記燃料電池セルチューブを通す第１孔を有する第１支持体と、
前記第２供給室において、排出される前記酸化剤ガスの流路を制限するように前記第２管板に沿って設けられ、前記燃料電池セルチューブを通す第２孔を有する第２支持体と、
前記第１孔における前記第１管板側の開口部に対応する前記外面の第１位置と、前記燃料電池セルにおける前記第１孔に最も近い端部である第２位置との間に、前記外面を囲むように前記外面に接して設けられたリング形状の輻射変換体と
を具備し、
供給された前記酸化剤ガスが、前記第１支持体と前記第１管板とで形成される空間中を移動し、前記第１孔を介して、前記輻射変換体で昇温されて前記燃料電池セルへ供給されながら、前記燃料電池セルチューブに沿って進み、前記第２支持体と前記第２管板とで形成される空間中を移動し、排出され、
前記燃料電池セルチューブの内側を通る前記燃料ガスと、前記燃料電池セルチューブの外側の前記酸化剤ガスとが、前記燃料電池セルチューブを介して熱交換を行なう、
燃料電池の熱交換構造。 - 基体管の外面に燃料電池セルを形成した燃料電池セルチューブと、
第２管板を有し、前記燃料電池セルチューブの一端部である第１端部が前記第２管板に開放されて接合され、前記燃料電池セルチューブ内に燃料ガスを供給する第１供給室と、
第１管板を有し、前記燃料電池セルチューブの他端部である第２端部が前記第１管板に開放されて接合され、前記第１供給室から離れて設けられ、前記燃料電池セルチューブ内から前記燃料ガスを排出される排出室と、
前記第１供給室と前記排出室との間に隔離されて設けられ、前記燃料電池セルチューブを含み、前記燃料電池セルチューブに酸化剤ガスを供給する第２供給室と、
前記第２供給室において、供給される前記酸化剤ガスの流路を制限するように前記第１管板に沿って設けられ、前記燃料電池セルチューブを通す第１孔を有する第１支持体と、
前記第２供給室において、排出される前記酸化剤ガスの流路を制限するように前記第２管板に沿って設けられ前記燃料電池セルチューブを通す第２孔を有する第２支持体と、
前記燃料電池セルチューブ内で、前記第２端部から、前記第１孔における前記第２管板側の開口部に対応する前記燃料電池セルチューブ内の第３位置までの間に、前記燃料電池セルチューブ内の流路を狭くするように設けられた中子と
を具備し、
供給された前記酸化剤ガスが、前記第１支持体と前記第１管板とで形成される空間中を移動し、前記第１孔を介して、前記燃料電池セルチューブに沿って進み、前記第２支持体と前記第２管板とで形成される空間中を移動し、排出され、
前記燃料電池セルチューブの内側であり前記中子の外側の流路を通る前記燃料ガスと、前記燃料電池セルチューブの外側の前記酸化剤ガスとが、前記燃料電池セルチューブを介して熱交換を行なう、
燃料電池の熱交換構造。 - 前記中子は、表面にメタネーション反応用の触媒を有する、
請求項２に記載の燃料電池の熱交換構造。 - 基体管の外面に燃料電池セルを形成した燃料電池セルチューブと、
第２管板を有し、前記燃料電池セルチューブの一端部である第１端部が前記第２管板に開放されて接合され、前記燃料電池セルチューブ内に燃料ガスを供給する第１供給室と、
第１管板を有し、前記燃料電池セルチューブの他端部である第２端部が前記第１管板に開放されて接合され、前記第１供給室から離れて設けられ、前記燃料電池セルチューブ内から前記燃料ガスを排出される排出室と、
前記第１供給室と前記排出室との間に隔離されて設けられ、前記燃料電池セルチューブを含み、前記燃料電池セルチューブに酸化剤ガスを供給する第２供給室と、
前記第２供給室において、供給される前記酸化剤ガスの流路を制限するように前記第１管板に沿って設けられ、前記燃料電池セルチューブを通す第１孔を有する第１支持体と、
前記第２供給室において、排出される前記酸化剤ガスの流路を制限するように前記第２管板に沿って設けられ、前記燃料電池セルチューブを通す第２孔を有する第２支持体と、
を具備し、
前記第１孔の開口面積は、前記排出室の側から前記第１供給室の側へ向かって増加し、
供給された前記酸化剤ガスが、前記第１支持体と前記第１管板とで形成される空間中を移動し、前記第１孔を介して、前記燃料電池セルチューブに沿って進み、前記第２支持体と前記第２管板とで形成される空間中を移動し、排出され、
前記燃料電池セルチューブの内側を通る前記燃料ガスと、前記燃料電池セルチューブの外側の前記酸化剤ガスとが、前記燃料電池セルチューブを介して熱交換を行なう
燃料電池の熱交換構造。 - 前記第１供給室は、前記燃料ガスを供給するガス供給口を具備し、
前記排出室は、前記燃料ガスを排出するガス排出口を具備し、
前記燃料ガスは、前記ガス供給口から前記第１供給室に供給され、前記燃料電池セルチューブにおいて、発電に寄与し、前記排出室に入り、前記ガス排出口から排出される
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池の熱交換構造。
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