JP3886763B2 - Fuel cell heat exchange structure - Google Patents

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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

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１０に示す。ただし、図１０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は、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】
この場合、熱交換を燃料電池セルの近傍ではなく、燃料電池の外部において行なっている。その為、途中の配管などで熱エネルギーが一部散逸するため、効率が低下する。また、燃料電池を出て直ぐの排出ガスは非常に高温なので、耐熱配管や耐熱材料を使用する必要がある。加えて、それらの材料や設備費がコスト増となる。
外部加熱が少なく、より効率的な熱交換方法が望まれている。また、配管や設備の低コスト化が望まれている。
【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、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。
【００１１】
更に他の目的としては、燃料電池の大きさをコンパクトにし、省スペース化を行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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
更に、別の目的としては、燃料ガスの内部改質を行なう際の熱供給を、燃料電池内部での熱交換により賄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。
【００１５】
更に別の目的は、ガスシール部分の温度低下により、シール部及びその周辺において材料選択の幅を広げ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。
【００１６】
【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。
【００１７】
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、前記燃料電池セルチューブ（３）内で、前記第１端部から前記第２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た中子（１１）とを具備する。そして、前記燃料電池セルチューブ（３）の内側であり前記中子（１１）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。
【００１８】
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。
【００１９】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記中子（１１）が、前記燃料電池セルチューブ（３）の内径よりも小さい外径を有する円柱である中子本体（１１-１）と、前記中子本体（１１−１）の表面に設けられ、前記中子本体（１１−１）の軸と、前記燃料電池セルチューブ（３）の軸とが重なるように前記中子（１１）をセンタリングする凸部であるセンタリング部（１１−２〜５）とを具備する。
【００２０】
また、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記センタリング部（１１−２〜５）が、前記中子本体（１１−１）の一端部から他端部の方向へ直線状に延びる。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記センタリング部（１１−２〜５）が、前記中子本体（１１−１）の一端部から他端部の方向へ、前記中子本体（１１−１）の軸方向のらせん状に延びる。
【００２２】
更に、本発明の燃料電池の熱交換構造は、前記中子（１１）が前記燃料ガス（１）を改質する触媒を具備する。
【００２３】
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）が、前記燃料ガス（１）を供給するガス供給口（８−１）を具備する。そして、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。
【００２４】
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）とが行なう熱交換における熱伝達率が高くなるように、前記基体管（１８）の内側の前記燃料ガス（１）の経路を変更している。
【００２５】
【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。
【００２６】
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、管板Ａ６、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、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０−２である支持体１０、中子１１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。
【００２７】
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、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。
【００２８】
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が形成された燃料電池セルチューブとしてのセルチューブ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、支持体１０又は管板Ａ６及び管板Ｂ７により支持されている。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、両端でセルチューブ３を支持し、シールを行なっている。
【００２９】
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。燃料ガス１の流れは、セルチューブに沿った一方向（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の外側をセルチューブに沿って一方向（ただし燃料ガス１とは正反対の方向）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、流れの方向が互いに向い合った対向流である。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の中子１１のある部分（熱交換部）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。
【００３０】
つまり、両端支持（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１０）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の中子１１のある部分では、熱交換に必要な伝熱面積が低減できるので、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。
【００３１】
以下に各構成を詳細に説明する。
まず、図１、図９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。
【００３２】
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。
【００３３】
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され、水素を主成分とする改質された燃料ガス１となる。
【００３４】
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。
【００３５】
ここで、図３を参照して、中子１１について更に説明する。
図３（ａ）は中子１１の側面図であり、図３（ｂ）は中子１１の斜投影図である。中子本体１１−１とセンタリング部Ａ１１−２とを有する。
【００３６】
中子本体１１−１は、円柱形状を有する。そ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】
センタリング部Ａ１１−２は、円柱形状の中子本体１１−１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１１−１の位置を保持する。中子本体１１−１の側面に、その軸に平行に、長手方向に延びる細長い四角柱状の凸部である。図３では、互いに１２０度の位置に３つのセンタリング部Ａ１１−２があるが、この数及びこの形状に制限されるものではなく、中子本体１１−１を円柱形状の中子本体１１−１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１１−１及びセンタリング部Ａ１１−２は、金属又はセラミックス製である。例えば、ニッケル基合金、コバルト基合金、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１１−１とセンタリング部Ａ１１−２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】
中子１１のその他のバリエーションについて、図４〜図６を参照して説明する。
図４は、中子１１の他の形状を示す図である。図４（ａ）は中子１１の側面図であり、図４（ｂ）は中子１１の斜投影図である。中子本体１１−１とセンタリング部Ｂ１１−３とを有する。
センタリング部Ｂ１１−３は、図３におけるセンタリング部Ａ１１−２と比較して、その数が８つとなり、且つ（中子１１の）直径方向の長さが長い点が異なる。そのため、中子本体１１−１の直径が若干小さくなっている。この場合、センタリング部Ｂ１１−３の側面も改質触媒で覆われている。
センタリング部Ｂ１１−３の数が増え、大きさが少し大きくなった分、中子１１としての表面積が、図３の場合に比較して大きくなっている。従って、燃料ガス１と酸化剤ガス２との熱交換及び燃料ガス１の水蒸気改質反応がより促進される。また、流路が狭くなり乱流が促進される。従って、燃料ガス１と酸化剤ガス２との熱伝達が促進される。
その他は、図３の中子１１と同様である。
【００４０】
図５は、中子１１の更に他の形状を示す図である。図５（ａ）は中子１１の側面図であり、図５（ｂ）は中子１１の斜投影図である。中子本体１１−１とセンタリング部Ｃ１１−４とを有する。
センタリング部Ｃ１１−４は、図４におけるセンタリング部Ｂ１１−３と比較して、各センタリング部Ｃ１１−４が、中子本体１１−１にらせん状に巻き付いた形状である点が異なる。この場合、センタリング部Ｃ１１−４の側面も改質触媒で覆われている。
センタリング部Ｃ１１−４がらせん状になった分、中子１１としての表面積が、図４の場合に比較して更に大きくなっている。また、流路が曲がっており乱流が促進される。加えて、燃料ガス１の流路の長さも長くなっている。従って、燃料ガス１と酸化剤ガス２との熱交換及び燃料ガス１の水蒸気改質反応が更に促進される。
その他は、図４の中子１１と同様である。
【００４１】
図６は、中子１１の別の形状を示す図である。図６（ａ）は中子１１の側面図であり、図６（ｂ）は中子１１の斜投影図である。中子本体１１−１とセンタリング部Ｄ１１−５とを有する。
センタリング部Ｄ１１−５は、図５におけるセンタリング部Ｃ１１−４と比較して、センタリング部Ｄ１１−５が、１つである点と、その厚みが厚くなった点が異なる。
センタリング部Ｄ１１−５がらせん状になった分、中子１１での燃料ガス１の流路の長さが、図３の場合に比較して、長くなっている。また、流路が狭くなり乱流が促進される。従って、燃料ガス１と酸化剤ガス２との熱交換及び燃料ガス１の水蒸気改質反応が促進される。
その他は、図５の中子１１と同様である。
【００４２】
次に、図１を参照して、第１供給室としての供給室８は、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。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。
【００４３】
排出室９は、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。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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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（セル接合部６−１：後述）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。また、接合部分は、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。
【００４７】
図９（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9に示すように一体の部材である。図９（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９（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。
【００４８】
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（セル接合部７−１：後述）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。また、接合部分は、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９（ａ）と同様であるので、省略する。
【００４９】
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、支持体Ａ１０−１であり、管板Ｂ７側が、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。
【００５０】
図９（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６に示すように一体の部材である。図９（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９（ｂ）に示すような配置の９本に限定されるものではない。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。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。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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
図７は、図２のセルチューブ３の供給室８との接合部付近を拡大した図であり、発電部１４と供給側リード部２０を有するセルチューブ３、充填材１２、セル接合部６−１を有する管板Ａ６、支持体Ａ１０−１、中子１１、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６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Ａ１５ａ、リード膜１７及び基体管１８を含む。
【００５８】
管板Ａ６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６−１を形成する。管板Ａ６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７で示すように管板Ａ６の孔部にチューブ支持リング２５を通した時、管板Ａ６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Ａ６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７に示す方向だけでなく、その逆方向（供給室８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Ａ６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のその他については、図１において説明した通りである。
【００５９】
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。図７に示す供給室８側だけでなく、その反対側の排出室９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。
【００６０】
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。
【００６１】
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（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。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。
【００６２】
集電部Ａ１５ａ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Ａ１５ａと排出室９側の集電部Ｂ１５ｂ（後述）とにより行なう。例えば、集電部Ａ１５ａ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、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、集電部Ｂ１５ｂ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。
【００６３】
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Ａ１５ａ、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。
【００６４】
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Ａ１５ａ（又は集電部Ｂ１５ｂ）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の空気極（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。
【００６５】
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、中子１１、供給側リード部２０、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。
【００６６】
次に、図８を参照して、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Ｂ１５ｂ、リード膜１７及び基体管１８を有するセルチューブ３、充填材１２、セル接合部７−１を有する管板Ｂ７、支持体Ｂ１０−２、チューブ支持リング２５及びリング充填材２６を具備する。
【００６７】
図８に関わる各部の構成に付いては、管板が第１管板としての管板Ｂ７を用いている点と、中子１１を用いていない点が図７と異なるが、その他の構成は図７と同様であるので、その説明は省略する。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
図８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、発電部１４に達するまでに、約８００℃になっている。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。それは、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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
燃料ガス１及び酸化剤ガス２の温度は、発電により高温になるが、セルチューブ３の両端部において、熱交換を行ない低温となる。すなわち、供給室８側では、セルチューブ３の外周面上を流通する高温の酸化剤ガス２と、セルチューブ３の内部（中子１１の外周面上）を流通する低温の燃料ガス１とが熱交換を行なう。また、セルチューブ３の外周面上を流通する低温の酸化剤ガス２と、セルチューブ３の内部を流通する高温の燃料ガス１とが熱交換を行なう。
【００８５】
従って、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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
更に、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。
【００９１】
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。
【００９２】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池のガスの供給に際して、燃料電池の内部において発生する熱を、燃料電池内部での効率的な熱交換により有効に利用でき、セルチューブでの発電領域以外の長さを短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】（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中子の構成を示す側面図である。
（ｂ）本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態に関わる中子の構成を示す斜投影図である。
【図４】（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他の中子の構成を示す側面図である。
（ｂ）本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態に関わる他の中子の構成を示す斜投影図である。
【図５】（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更に他の中子の構成を示す側面図である。
（ｂ）本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態に関わる更に他の中子の構成を示す斜投影図である。
【図６】（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別の中子の構成を示す側面図である。
（ｂ）本発明である燃料電池の熱交換構造の実施の形態に関わる別の中子の構成を示す斜投影図である。
【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一端側の詳細な構成を示す図である。
【図８】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９】（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１０】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
１０−３ 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
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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to heat exchange of a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
An example of a schematic configuration related to the gas of a conventional fuel cell is shown in FIG. However, in FIG. 10, the part related to collecting the generated power is omitted.
[0003]
Referring to FIG. 10, the fuel cell includes a header 110 that is a gas supply unit and a cell tube 111 that is a power generation unit. The header 110 has a partition plate 110a, a bottom plate 110b, a supply chamber 110c, and a discharge chamber 110d. The cell tube has a guide tube 112.
[0004]
The inside of the header 110 is divided in the vertical direction by a partition plate 110a. The upper side is configured as a supply chamber 110c, and the lower side is configured as a discharge chamber 110d. An upper end side (one end side) of the cell tube 111 is connected to and supported by the bottom plate 110b of the header 110 so that gas can enter and exit from the discharge chamber 110d. The lower end side (the other end side) of the cell tube 111 is closed. A guide tube 112 is coaxially inserted into the cell tube 111. One end (upper end) of the guide tube 112 is connected to and supported by the partition plate 110a so that gas can enter and exit from the supply chamber 110c. There are a plurality of such cell tubes 111 and guide tubes 112. The header 110 is connected to and supported by the header 110. Here, in the cell tube 111, fuel cells are formed on the outer peripheral surface of the porous base tube. It is a cylindrical cell tube which comprises a fuel cell.
[0005]
In the fuel cell having such a configuration, the fuel gas 1 such as hydrogen or methane is supplied into the supply chamber 110c. At the same time, an oxidant gas 2 such as oxygen or air is supplied along the outer peripheral surface of the cell tube 111. As a result, the fuel gas 1 flows into each guide pipe 112 at a uniform flow rate. Then, it reaches the tip of the guide tube 112. Thereafter, the fuel gas 1 is folded back from the tip in the cell tube 111. And it distribute | circulates from the other end side of the cell tube 111 toward one end side. The fuel gas 1 and the oxidant gas 2 react electrochemically in the fuel cell of the cell tube 111 to generate electric power. The generated electric power is taken out via a current collecting member (not shown).
[0006]
Of the fuel gas 1 used for power generation, the spent fuel gas 1 that is a surplus fuel gas is sent into the discharge chamber 110d through the gap between the upper end of the cell tube 111 and the guide tube 112. Then, it is discharged outside the fuel cell. On the other hand, the used oxidant gas 2 used for power generation is sent to the outside through a discharge pipe (not shown). Each exhaust gas discharged to the outside is processed by an exhaust gas processing device and exhausted outside the system.
[0007]
In the fuel cell as described above, it is necessary to preheat to some extent in advance when supplying gas from the outside. Preheating is performed by exchanging heat with the spent fuel gas 1 and the oxidant gas 2 which are exhaust gases from the viewpoint of efficiency. Equipment and piping for heat exchange will be installed in the exhaust gas discharge route. The shortage of preheating is covered by heating with a heat source such as a heater.
[0008]
In this case, heat exchange is performed not outside the fuel cell but outside the fuel cell. For this reason, the heat energy is partially dissipated through the piping on the way, and the efficiency is lowered. Moreover, since the exhaust gas immediately after leaving the fuel cell is very hot, it is necessary to use heat-resistant piping and heat-resistant materials. In addition, these materials and equipment costs increase.
A more efficient heat exchange method with less external heating is desired. Moreover, cost reduction of piping and equipment is desired.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat exchange structure for a fuel cell that can preheat the gas without using an external high-temperature preheater or heat exchanger when preheating the fuel cell gas. Is to provide.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a heat exchange structure for a fuel cell that can efficiently exchange heat inside the fuel cell and effectively use the heat generated inside the fuel cell.
[0011]
Still another object is to provide a heat exchange structure for a fuel cell that can reduce the size of the fuel cell and save space.
[0012]
Yet another object is to provide a heat exchange structure for a fuel cell that can improve the efficiency of the fuel cell.
[0013]
Another object is to provide a heat exchange structure for a fuel cell having a heat exchange part that does not require consideration of the scale of the fuel cell.
[0014]
Another object of the present invention is to provide a heat exchange structure for a fuel cell that can provide heat supply for internal reforming of the fuel gas by heat exchange inside the fuel cell.
[0015]
Yet another object is to provide a heat exchange structure for a fuel cell that can expand the range of material selection in and around the seal portion by lowering the temperature of the gas seal portion.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the embodiments of the present invention. These numbers and symbols are added to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Embodiments of the Invention]. However, these numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
[0017]
In order to solve the above problems, a fuel cell heat exchange structure according to the present invention includes a fuel cell tube (3) in which a fuel cell (13) is formed on the outer surface of a base tube (18), and the fuel cell tube. A first supply chamber (8) for supplying a fuel gas (1) into the fuel battery cell tube (3) by opening and joining a first end which is one end of (3), and the fuel battery cell The second end, which is the other end of the tube (3), is opened and joined, and is provided apart from the first supply chamber (8), and the fuel gas (1 ) Is discharged between the discharge chamber (9), the first supply chamber (8), and the discharge chamber (9), and includes the fuel cell tube (3). Second supply chamber (4) for supplying the oxidant gas (2) to the battery cell tube (3) In the fuel cell tube (3), the flow path in the fuel cell tube (3) is narrowed so as to extend from the first end toward the second end. A core (11). The fuel gas (1) passing through the flow path inside the fuel cell tube (3) and outside the core (11), and the oxidant gas outside the fuel cell tube (3) (2) performs heat exchange via the fuel cell tube (3).
[0018]
In the fuel cell heat exchange structure of the present invention, the fuel gas (1) and the oxidant gas (2) flow in opposite directions.
[0019]
The fuel cell heat exchange structure according to the present invention includes a core body (11-1) in which the core (11) is a cylinder having an outer diameter smaller than the inner diameter of the fuel cell tube (3). The core (11) is provided on the surface of the core body (11-1) so that the axis of the core body (11-1) and the axis of the fuel cell tube (3) overlap. And centering portions (11-2 to 5-5) which are convex portions for centering.
[0020]
In the fuel cell heat exchange structure of the present invention, the centering portion (11-2 to 5) extends linearly from one end portion of the core body (11-1) to the other end portion.
[0021]
Furthermore, in the heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention, the centering portion (11-2 to 5) is arranged such that the core body (11-2) extends from one end of the core body (11-1) to the other end. 11-1) It extends in a spiral shape in the axial direction.
[0022]
Furthermore, the fuel cell heat exchange structure of the present invention includes a catalyst in which the core (11) reforms the fuel gas (1).
[0023]
In the fuel cell heat exchange structure of the present invention, the first supply chamber (8) includes a gas supply port (8-1) for supplying the fuel gas (1). The discharge chamber (9) includes a gas discharge port (9-1) for discharging the fuel gas (1), and the fuel gas (1) is supplied from the gas supply port (8-1) to the above-described gas discharge port (9-1). It is supplied to the first supply chamber (8), contributes to power generation in the fuel cell tube (3), enters the discharge chamber (9), and is discharged from the gas discharge port (9-1).
[0024]
In order to solve the above problems, a fuel cell of the present invention comprises an oxidant gas (2) flowing outside the base tube (18) in which the fuel cell (13) is formed, and an inside of the base tube (18). The path of the fuel gas (1) inside the base pipe (18) is changed so that the heat transfer coefficient in heat exchange performed with the flowing fuel gas (1) is increased.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
In this embodiment, an example in which a core is installed in a cylindrical fuel cell among the cylindrical types will be described and described, but the present invention can also be applied to fuel cells having other cylindrical structures. In each embodiment, the same or equivalent parts will be described with the same reference numerals.
[0026]
FIG. 1 is a diagram (sectional view) showing a configuration of an embodiment of a heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention. The fuel cell includes a cell tube 3 as a fuel cell tube, an oxidant gas supply port 4-1 and an oxidant gas discharge port 4-2 as a second supply chamber, an oxidant supply chamber 4, a tube plate A 6, a tube. Plate B7, supply chamber 8 as a first supply chamber having a gas supply port 8-1, discharge chamber 9 having a gas discharge port 9-1, support 10 which is support A10-1 and support B10-2, A core 11 is provided. In addition, the structure of FIG. 1 is installed in the container (not shown) which considered the safety | security of heat insulation and gas leak. Further, in this drawing, the configuration relating to current collection is omitted.
[0027]
FIG. 2 is a diagram showing details of the fuel cell portion related to the configuration of the embodiment of the heat exchange structure of the fuel cell according to the present invention. A cell tube 3, a tube plate A6, a tube plate B7, a support body 10 which is a support body A10-1 and a support body B10-2, a core 11, a filler 12, a tube support ring 25, and a ring filler 26 are provided. The cell tube 3 includes a fuel cell 13, a power generation unit 14 that is a power generation region including a plurality of fuel cells 13, a supply-side lead unit 20, and a discharge-side lead unit 21. In this drawing, the configuration related to current collection is omitted.
[0028]
In this embodiment, as shown in FIG. 1 or FIG. 2, the fuel cell is supported at both ends thereof. That is, the cell tube 3 as a fuel cell tube in which the fuel cell 13 is formed is supported by the support 10 or the tube plate A6 and the tube plate B7 via the tube support ring 25 and the ring filler 26. . And gas sealing is carried out at two points, a tube plate A6 on the supply chamber 8 side and a tube plate B7 on the discharge chamber 9 side. That is, the cell tube 3 is supported at both ends, and sealing is performed.
[0029]
The fuel gas 1 is supplied from the gas supply port 8-1 to the supply chamber 8 and enters the cell tube 3 therefrom. Then, reforming is performed on the core 11 having the reforming catalyst at the inlet of the cell tube 3. Thereafter, the inside of the cell tube 3 proceeds in one direction, reaches the discharge chamber 9, and is discharged from the gas discharge port 9-1. The flow of the fuel gas 1 is in one direction (one-through) along the cell tube, and no guide tube is required.
In addition, the oxidant gas 2 enters the oxidant supply chamber 4 from the oxidant gas supply port 4-1, and then travels outside the cell tube 3 along the cell tube in one direction (the direction opposite to the fuel gas 1). , And is discharged from the oxidant supply chamber 4 through the oxidant gas discharge port 4-2.
Both the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 flow in one direction along the cell tube, but are counterflows in which the flow directions face each other. At that time, the fuel cell 13 on the cell tube 3 generates power using the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 via the cell tube 3. At the same time, the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 exchange heat through the cell tube 3. In particular, in the portion where the core 11 of the cell tube 3 is located (heat exchanging portion), the equivalent diameter of the fuel gas flow rate in the cell is reduced to improve the heat transfer coefficient, and heat exchange can be performed with high efficiency. Is possible.
[0030]
That is, it differs from the conventional example (FIG. 10) in that both ends are supported (both ends gas seal), the guide tube is unnecessary, the flow of fuel gas and oxidant gas is unidirectional, and the fuel gas and oxidant gas are counterflowing. .
Therefore, it is resistant to vibration and impact, and the number of parts can be reduced, thereby improving the structural stability. In addition, the gas is counterflow, and efficient heat exchange is possible at both ends of the cell tube 3, thereby improving the thermal efficiency. In particular, in the portion where the core 11 of the cell tube 3 is located, the heat transfer area necessary for heat exchange can be reduced, so that the lead portion can be shortened. In addition, the capacity, scale, and space of external gas preheaters and heaters, fuel cells, etc., can be reduced, and materials for high temperatures can be eliminated, greatly reducing costs.
[0031]
Each configuration will be described in detail below.
First, the configuration of the heat exchange structure of the fuel cell will be described with reference to FIGS.
[0032]
The cell tube 3 as a fuel cell tube is a cylindrical base tube made of porous ceramics. On the outer peripheral surface, there is a fuel battery cell 13 (described later) for generating power. The cell tube 3 is supported by fitting one end portion as a first end portion into a supply chamber 8 (described later) and the other end portion as a second end portion into a discharge chamber 9 (described later). One end side is in a supply chamber 8 (described later), and the other end side is in a discharge chamber 9 (described later) via a tube support ring 25 and a ring filler 26 (see FIG. 2 and the like). It is open as possible. The material is stabilized zirconia. In this embodiment, the outer diameter is 22 mmφ and the inner diameter is 16 mmφ.
In this embodiment, the tube support ring 25 and the ring filler 26 are used, but the cell tube 3 may be directly connected to the supply chamber 8 and the exhaust chamber 9.
[0033]
The core 11 is a member having a substantially cylindrical shape. The surface has a steam reforming catalyst (reforming catalyst) that performs steam reforming of the fuel gas 1. It is installed inside the cell tube 3 from one end of the cell tube 3 to a position where the side surface on the tube plate B7 side of the support A10-1 is on the outside. On the outer peripheral surface of the core 11, the fuel gas 1 is subjected to a steam reforming reaction together with water vapor to become a reformed fuel gas 1 mainly composed of hydrogen.
[0034]
The core 11 is on the side of the cell tube 3 to which the fuel gas 1 is supplied, and restricts the flow path of the supplied fuel gas 1. That is, since the fuel gas 1 cannot pass through the core 11, the fuel gas 1 moves through the gap between the outer surface of the core 11 and the inner surface of the cell tube 3. Therefore, by using the core 11, heat exchange between the oxidant gas 2 flowing outside the cell tube 3 and the fuel gas 1 flowing inside the cell tube 3 (and outside the core 11) can be performed more efficiently. Is possible.
[0035]
Here, the core 11 will be further described with reference to FIG.
FIG. 3A is a side view of the core 11, and FIG. 3B is an oblique projection of the core 11. It has a core body 11-1 and a centering part A11-2.
[0036]
The core body 11-1 has a cylindrical shape. Its outer diameter is smaller than the inner diameter of the cell tube 3. The surface is covered with a reforming catalyst. In the reforming catalyst, a metal (Ni, Ru, Rh, etc.) is supported on a porous, high surface area carrier (alumina, silica, magnesia, zirconia, etc.). In this example, it is 10 mmφ and is covered with a Ni / alumina catalyst. Due to the reforming catalyst, the surface has fine irregularities and is in a low reflectance state.
[0037]
The centering portion A11-2 holds the position of the core body 11-1 so that the axis of the cylindrical core body 11-1 and the axis of the cell tube 3 are substantially aligned. On the side surface of the core body 11-1, there are elongated rectangular columnar convex portions extending in the longitudinal direction in parallel to the axis. In FIG. 3, there are three centering portions A <b> 11-2 at 120 degrees from each other. However, the number and the shape are not limited to this, and the core body 11-1 is replaced with the cylindrical core body 11-1. As long as the axis of the cell tube 3 and the axis of the cell tube 3 can substantially coincide with each other.
[0038]
The core body 11-1 and the centering part A11-2 are made of metal or ceramics. For example, nickel base alloy, cobalt base alloy, alumina, stabilized zirconia, silica, magnesia and the like. The outer diameter of the core body 11-1 and the centering part A 11-2 is about the inner diameter of the cell tube 3. However, considering the difference in thermal expansion coefficient between the cell tube 3 and the core 11, the outer diameter is such that an excessive force is not applied to the cell tube 3 even at the highest temperature at which the core 11 is exposed. In this embodiment, the outer diameter is 16 mm.
[0039]
Other variations of the core 11 will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a view showing another shape of the core 11. 4A is a side view of the core 11, and FIG. 4B is an oblique projection view of the core 11. It has a core body 11-1 and a centering part B11-3.
The centering part B11-3 is different from the centering part A11-2 in FIG. 3 in that the number is eight and the length in the diameter direction (of the core 11) is long. Therefore, the diameter of the core body 11-1 is slightly smaller. In this case, the side surface of the centering part B11-3 is also covered with the reforming catalyst.
As the number of centering portions B11-3 is increased and the size is slightly increased, the surface area of the core 11 is larger than that in the case of FIG. Therefore, the heat exchange between the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 and the steam reforming reaction of the fuel gas 1 are further promoted. In addition, the flow path becomes narrow and turbulent flow is promoted. Therefore, heat transfer between the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 is promoted.
Others are the same as the core 11 of FIG.
[0040]
FIG. 5 is a view showing still another shape of the core 11. FIG. 5A is a side view of the core 11 and FIG. 5B is an oblique projection view of the core 11. It has a core body 11-1 and a centering part C11-4.
The centering part C11-4 is different from the centering part B11-3 in FIG. 4 in that each centering part C11-4 is spirally wound around the core body 11-1. In this case, the side surface of the centering part C11-4 is also covered with the reforming catalyst.
Since the centering portion C11-4 is spiral, the surface area of the core 11 is further increased compared to the case of FIG. In addition, the flow path is bent to promote turbulent flow. In addition, the length of the flow path of the fuel gas 1 is increased. Accordingly, the heat exchange between the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 and the steam reforming reaction of the fuel gas 1 are further promoted.
Others are the same as the core 11 of FIG.
[0041]
FIG. 6 is a view showing another shape of the core 11. 6A is a side view of the core 11, and FIG. 6B is an oblique projection view of the core 11. It has a core body 11-1 and a centering part D11-5.
The centering part D11-5 is different from the centering part C11-4 in FIG. 5 in that the number of the centering part D11-5 is one and the thickness thereof is increased.
The length of the flow path of the fuel gas 1 in the core 11 is longer than that in the case of FIG. 3 because the centering portion D11-5 is spiral. In addition, the flow path becomes narrow and turbulent flow is promoted. Therefore, the heat exchange between the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 and the steam reforming reaction of the fuel gas 1 are promoted.
Others are the same as the core 11 of FIG.
[0042]
Next, referring to FIG. 1, a supply chamber 8 as a first supply chamber is a gas distribution chamber having a hollow rectangular parallelepiped shape or a cylindrical shape. It is made of metal such as stainless steel or heat-resistant alloy. A gas supply port 8-1 for receiving the supply of the fuel gas 1 is provided. One surface is a tube plate A6 (described later), which separates the supply chamber 8 and the oxidant supply chamber 4. One end of the cell tube 3 is connected to the tube plate A6 via a tube support ring 25 and a ring filler 26 so that the fuel gas 1 having entered the supply chamber 8 is supplied to the cell tube 3. is doing. The fuel gas 1 is uniformly supplied to each of the plurality of cell tubes 3. In some cases, a mechanism such as a baffle plate that regulates the gas flow is attached inside. In this embodiment, it has a rectangular parallelepiped shape made of stainless steel.
[0043]
The discharge chamber 9 is a gas distribution chamber having a hollow rectangular parallelepiped shape or a cylindrical shape. It is a chamber made of metal such as stainless steel or heat-resistant alloy. A gas discharge port 9-1 for discharging the spent fuel gas 1 is provided. One surface is a tube sheet B7 (described later), and separates the discharge chamber 9 and the oxidant supply chamber 4. The other end of the cell tube 3 is connected to the tube plate B7 via a tube support ring 25 and a ring filler 26 so that the spent fuel gas 1 discharged from the cell tube 3 can be collected. is doing. In some cases, a mechanism such as a baffle plate that regulates the gas flow is attached inside. In this embodiment, it has a rectangular parallelepiped shape made of stainless steel.
[0044]
The oxidant supply chamber 4 as the second supply chamber is between the supply chamber 8 (the tube plate A6) and the discharge chamber 9 (the tube plate B7), is isolated from them, and includes the cell tube 3. . This is a chamber for supplying the oxidant gas 2 to the cell tube 3. An oxidant gas supply port 4-1 for receiving the supply of the oxidant gas 2 and an oxidant gas discharge port 4-2 for discharging the used oxidant gas 2 are provided. The support body 10 (support body A10-1 and support body B10-2) is being fixed inside the vicinity of tube sheet A6 and tube sheet B7. It is a chamber made of metal such as stainless steel or heat-resistant alloy.
[0045]
The oxidant gas 2 enters the oxidant supply chamber 4 from the oxidant gas supply port 4-1, and advances through the space (gap) formed by the support B10-2 and the tube plate B7. And it progresses toward the support body A10-1 side along the outer peripheral surface of the cell tube 3 from the clearance gap between the cell tube 3 and support body B10-2. And it progresses through the space (gap) formed by the support A10-1 and the tube sheet A6 from the gap between the cell tube 3 and the support A10-1, and is discharged from the oxidant gas discharge port 4-2.
[0046]
The tube plate A6 is a plate on one surface of the supply chamber 8, and holes for connecting the cell tubes 3 are opened (by the number of the cell tubes 3). It connects with the one end part of the cell tube 3 via the tube support ring 25 and the ring filler 26 so that gas can enter and exit, and it is opened and joined. The joining portion (cell joining portion 6-1: described later) is positioned so as not to leak gas from the gap between the tube plate A6 and the cell tube 3 (the tube support ring 25 and the ring filler 26) and due to stress or the like. An elastic member such as a thin metal plate is used so as to be able to absorb displacement, vibration and shock. At that time, since it is also an oxidizing atmosphere, an oxidation resistant member such as stainless steel or a heat resistant alloy is used. Further, the joint portion also has a role of supporting the cell tube 3. If necessary, in order to ensure gas tightness, a filler 12 (described later) is used to completely suppress leakage.
[0047]
FIG. 9A shows a front view of the tube sheet A6 (a view seen from the supply chamber 8 side or the discharge chamber 9 side in FIG. 1). Since FIG. 1 is a cross-sectional view, the tube sheet A6 appears to be divided into small parts, but is an integral member as shown in FIG. As shown in FIG. 9A, the tube plate A6 has a total of nine holes (cell joints 6-1) for the three cell tubes 3, which are 3 vertical by 3 horizontal. That is, the fuel cell of the present embodiment has a total of nine cell tubes 3 of 3 vertical × 3 horizontal. However, the arrangement and number of cell tubes 3 of the fuel cell in the present invention are not limited to nine arrangements as shown in FIG. Examples of other arrangements include a houndstooth shape and a honeycomb shape.
[0048]
The tube plate B7 is a plate on one surface of the discharge chamber 9, and holes for connecting the cell tubes 3 are opened (by the number of the cell tubes 3). It connects with the other end part of the cell tube 3 via the tube support ring 25 and the ring filler 26 so that gas can enter and exit, and it is opened and joined. The joining portion (cell joining portion 7-1: described later) is positioned so as not to leak gas from the gap between the tube plate B7 and the cell tube 3 (the tube support ring 25 and the ring filler 26 thereof) and due to stress or the like. An elastic member such as a thin metal plate is used so as to be able to absorb displacement, vibration and shock. At that time, since it is also an oxidizing atmosphere, an oxidation resistant member such as stainless steel or a heat resistant alloy is used. Further, the joint portion also has a role of supporting the cell tube 3. If necessary, in order to ensure gas tightness, a filler 12 (described later) is used to completely suppress leakage. Note that the front view of the tube sheet B7 is the same as FIG.
[0049]
The support 10 is fixed in the oxidant supply chamber 4 in the vicinity of the tube plate A6 and the tube plate B7 and outside the supply chamber 8 and the discharge chamber 9. The tube plate A6 side is the support A10-1, and the tube plate B7 side is the support B10-2. And in the vicinity of the both ends on the cell tube 3, the flow path of the oxidant gas 2 is formed with the tube plate, and the circulation is restricted. Moreover, about the gas seal part which interrupts | blocks the heat | fever on the electric power generation part 14 (after-mentioned) side of the cell tube 3, and is a junction part of the tube sheet A6 and the tube sheet B7 or the cell tube 3 and the tube sheet A6 or the tube sheet B7. , Protect thermally. Examples of the material include porous bodies mainly composed of porous silica, porous alumina, silica, alumina, magnesia, and the like.
[0050]
FIG. 9B is a front view of the support 10 (support A10-1 and support B10-2) (viewed from the supply chamber 8 side or the discharge chamber 9 side in FIG. 1). Since FIG. 1 is a cross-sectional view, the support 10 appears to be divided into small parts, but is an integral member as shown in FIG. As shown in FIG. 9B, the support 10 has a total of nine holes (cell support portion 10-3) for the three cell tubes 3 in the vertical 3 × horizontal.
Moreover, the diameter of the cell support part 10-3 is a little larger than the diameter of the cell tube 3, the cell junction part 6-1, and the cell junction part 7-1. This is because the oxidant gas 2 passes through the gap between the cell tube 3 and the cell support portion 10-3. At the same time, it is because an excessive force is not applied to the cell tube 3 based on the prediction about the displacement of the cell tube 3 due to heat or the like, the vibration and the impact received by the cell tube 3. However, the arrangement and number of cell tubes 3 of the fuel cell in the present invention are not limited to nine arrangements as shown in FIG.
[0051]
The fuel gas 1 is a mixed gas of organic hydrocarbons such as methane and propane and water vapor up to the supply chamber 8. Thereafter, the fuel gas 1 becomes a reformed gas (described later) mainly composed of hydrogen and steam by steam reforming in the core 11 on the supply chamber 8 side of the cell tube 3.
The oxidant gas 2 is oxygen, air, or a mixed gas containing them.
[0052]
Next, the peripheral part of the cell tube 3 is demonstrated with reference to FIG. FIG. 2 is an enlarged view of 31 cell tubes in FIG. In this drawing, the configuration related to current collection is omitted.
The fuel cell 13 is a cell of a fuel cell in which a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are sequentially shifted on the outer peripheral surface of the cell tube 3 in order (not shown). The respective fuel cells 13 are joined in series with an interconnector membrane (not shown). Electricity is generated by the reformed fuel gas 1 diffusing from the inside of the cell tube 3 and the oxidant gas 2 supplied from the outside of the cell tube 3.
The power generation unit 14 is an area where there are a plurality of fuel cells 13 on the cell tube 3. Here, power is generated, and at the same time, heat is generated due to resistance loss of the cell and the like, resulting in a high temperature. In this embodiment, 16 fuel cells 13 are connected in series.
[0053]
The supply-side lead portion 20 is a region on the supply chamber 8 side other than the power generation unit 14 on the cell tube 3. It has a core 11 inside. The low-temperature fuel gas 1 flows through the inside of the cell tube 3 and the outside of the core 11, and the high-temperature oxidant gas 2 flows through the outside, and heat exchange is performed between them. Thereby, the oxidant gas 2 is discharged at a low temperature. Further, the fuel gas 1 becomes high temperature and is supplied to the power generation unit 14.
The discharge-side lead portion 21 is a region on the discharge chamber 9 side other than the power generation unit 14 on the cell tube 3. A high-temperature fuel gas 1 flows through the inside and a low-temperature oxidant gas 2 flows through the outside, and heat exchange is performed between them. Thereby, the oxidant gas 2 becomes a high temperature and is supplied to the power generation unit 14. Further, the fuel gas 1 is discharged at a low temperature.
[0054]
The tube support ring 25 is a cylindrical ring whose inner diameter is slightly larger than that of the cell tube 3. The tube support ring 25 and the ring filler 26 (described later) act as a buffer material to absorb a slight shift in the size of the cell tube 3. The tube support ring 25 on the supply chamber 8 side has an outer peripheral surface joined to the tube plate A6 on the supply chamber 8 side by a cell joint 6-1. Further, the tube support ring 25 on the discharge chamber 9 side has its outer peripheral surface joined to the tube plate B7 on the discharge chamber 9 side by the cell joint portion 7-1.
[0055]
The ring filler 26 is a gas seal material that fills a region between the inner peripheral surface side of the tube support ring 25 and the outer peripheral surface sides of both ends of the cell tube 3. The gap is filled and a gas seal is provided between the fuel gas 1 in the supply chamber 8 and the discharge chamber 9 and the oxidant gas 2 in the oxidant supply chamber 4. Further, a slight shift in the dimensions of the cell tube 3 is absorbed by the deformation. A method of soldering in accordance with the maximum operating temperature in the surrounding area, a method of embedding an adhesive, a resin, or the like can be used.
[0056]
Since the tube plate A6, the tube plate B7, the support body A10-1 and the support body 10 serving as the support body B10-2, and the core 11 are as described in FIG. 1 above, the description thereof is omitted. The filler 12 will be described later.
[0057]
Next, with reference to FIG. 7, the periphery of the joint between the cell tube 3 on the supply chamber 8 side and the tube sheet A6 will be described.
FIG. 7 is an enlarged view of the vicinity of the joint between the cell tube 3 and the supply chamber 8 of FIG. 2, and the cell tube 3 having the power generation unit 14 and the supply-side lead 20, the filler 12, and the cell joint 6-. 1 includes a tube plate A6, a support A10-1, a core 11, a tube support ring 25, and a ring filler 26. Here, the cell tube 3 includes a fuel cell 13, a current collector A 15 a, a lead film 17, and a base tube 18.
[0058]
In the tube sheet A6, a portion of a hole through which the cell tube 3 and the tube support ring 25 pass forms a gas joint portion 6-1 that performs gas sealing. The diameter of the hole through which the cell tube 3 and the tube support ring 25 of the tube plate A6 pass is made slightly smaller than the diameter of the tube support ring 25. That is, as shown in FIG. 7, when the tube support ring 25 is passed through the hole of the tube plate A6, the inner peripheral portion of the hole of the tube plate A6 is deformed inward in the direction through the tube support ring 25, The outer peripheral portion of the tube support ring 25 and the inner peripheral portion of the hole portion of the tube plate A6 are in close contact with each other. The direction in which the tube support ring 25 is passed may be not only the direction shown in FIG. 7 but also the opposite direction (the direction of the supply chamber 8).
When passing the tube support ring 25, it is easy to pass in advance by a press such as deep drawing. When the inner peripheral portion of the hole portion of the tube plate A6 is in close contact with the tube support ring 25, the inner peripheral portion of the tube plate A6 is brought into close contact with the elastic force of the inner peripheral portion of the hole portion of the tube plate A6 accompanying the bending toward the oxidant supply chamber 4 side. Demonstrates sealing properties. At the same time, since the tube plate A6 uses a thin metal plate such as stainless steel, its elastic force exerts its mobility, vibration and shock absorption. That is, the tube plate A6 (thin metal plate) is movable up and down due to its stretchability, and is also movable to a certain extent in the front and rear, left and right lateral directions, and also in the diagonally up and down directions.
The rest of the tube sheet A6 is as described in FIG.
[0059]
The filler 12 is a gas seal material that is filled in a region where there is a possibility that there is a gap in the vicinity where the tube support ring 25 at the end of the cell tube 3 and the hole of the tube plate A6 are in contact with each other. The gap is filled and a gas seal is provided between the fuel gas 1 in the supply chamber 8 and the oxidant gas 2 in the oxidant supply chamber 4. You may fill not only the supply chamber 8 side shown in FIG. 7, but the discharge chamber 9 side of the opposite side. When the tube support ring 25 at the end of the cell tube 3 is passed through the tube sheet A6, a gland packing is applied, soldering is performed according to the maximum operating temperature in the vicinity, and the maximum operating temperature is not so high It is possible to use a method of embedding resin or the like.
[0060]
The support 10 has a thickness b, and the cell support 10-3 has a diameter a. The gap between the cell tube 3 and the cell support portion 10-3 is that the diameter of the cell support portion 10-3 allows the oxidant gas 2 to pass through and allows the displacement of the position of the cell tube 3 to be allowed. It is to do. The other details of the support 10 are the same as those described with reference to FIGS.
[0061]
The cell tube 3 is basically supported by the cell joint portion 6-1 (including the tube support ring 25 and the ring filler 26) of the tube plate A6. And it is also possible to support in the support body 10 as the assistance. For example, a member is put on the surface of the cell support portion 10-3 on the vertically lower side when viewed from the cell tube 3. By this member, the oxidant gas 2 is moderated, so that the distribution of air to the cell tubes 3 can be made more uniform. As an example of the member, it can be implemented by embedding a heat-resistant and easily deformable material (or an elastic body property) such as glass wool or asbestos in the gap.
[0062]
The current collector A15a is a portion to which a terminal for taking out the electric power generated by the power generator 14 is attached. In this embodiment (in the drawing), it is omitted. The electric power is taken out by the current collector A15a and the current collector B15b (described later) on the discharge chamber 9 side. For example, for the current collector A15a, a metal wire is attached and pulled out from a terminal attached to the current collector A15a, and is extended from the wall surface of the supply chamber 8 to the outside via an insulator (not to contact the supply chamber 8). And it carries out similarly about current collection part B15b, and takes out electric power from them.
[0063]
The base tube 18 is a base tube serving as a substrate before the fuel cell 13 of the cell tube 3 as the fuel cell tube, the power generation unit 14, the current collector A15a, the lead film 17 (described later), and the like are formed. . This is a cylindrical tube made of ceramic. The fuel gas 1 flowing through the inside diffuses in the radial direction on the side surface (wall surface), and can reach the fuel cell 13 formed on the outer peripheral portion of the base tube 18.
[0064]
The lead film 17 is a film that serves as a lead wire for drawing one pole of DC power generated by the plurality of fuel cells 13 to the current collector A15a (or current collector B15b). In order to protect the film, a protective film (an airtight insulating film such as a metal oxide) is laminated on the top. Of the fuel cells 13 on the outer periphery of the base tube 18, the fuel cell 13 is connected to the air electrode (not shown) of the fuel cell 13 closest to one end. The lead film 17 extends from the fuel cell 13 to the one end of the outer periphery of the base tube 18. The circumferential width may be the entire surface of the power generation substrate tube or a specific width so that the resistance is sufficiently low depending on the magnitude of the power to be generated and the thickness of the lead film 17.
[0065]
The fuel cell 13, the power generation unit 14 that is an assembly thereof, the cell tube 3, the core 11, the supply-side lead unit 20, the tube support ring 25, and the ring filler 26 are as described in FIGS. 1 and 2. Since there is, it abbreviate | omits the description.
[0066]
Next, with reference to FIG. 8, the periphery of the joint between the cell tube 3 on the discharge chamber 9 side and the tube sheet B7 will be described.
Fuel cell 13, power generation unit 14 that is an assembly thereof, current collector B 15 b, cell tube 3 having lead film 17 and base tube 18, filler 12, tube plate B 7 having cell joint 7-1, support body B10-2, tube support ring 25 and ring filler 26 are provided.
[0067]
8 is different from FIG. 7 in that the tube plate uses the tube plate B7 as the first tube plate and the core 11 is not used, but the other configurations are as follows. Since it is the same as that of FIG. 7, the description is abbreviate | omitted.
[0068]
Next, the operation of the embodiment of the heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 7 and FIG.
[0069]
The fuel gas 1 will be described.
In FIG. 1, an organic fuel gas 1 such as methane or propane is supplied into a supply chamber 8 from a gas supply port 8-1 together with water vapor. The fuel gas 1 is preheated (for example, about 250 ° C.). Thereafter, the fuel gas 1 flows from one end of the cell tube 3 at a uniform flow rate.
[0070]
Referring to FIG. 7, fuel gas 1 flows from point C in cell tube 3 in supply-side lead portion 20. The temperature at that time is 250 ° C. The fuel gas 1 is gradually heated by the heat of the cell tube 3 and the core 11. Then, heat exchange is performed between the oxidizing gas 2 flowing on the outer peripheral surface of the cell tube 3 and the fuel gas 1 flowing on the outer peripheral surface of the core 11 from the vicinity of the point A in the cell tube 3 via the cell tube 3. To start. By the heat exchange, the fuel gas 1 obtains thermal energy, is steam reformed on the reforming catalyst, and becomes a reformed fuel gas 1 (reformed gas) mainly containing hydrogen. At the same time, the temperature of the fuel gas 1 rises due to thermal energy. At the point B in the cell tube 3 where the core 11 disappears, the temperature of the fuel gas 1 is about 700 ° C. After that, heat exchange with the oxidant gas 2 is continued, and the temperature reaches about 900 ° C. before reaching the power generation unit 14.
[0071]
The composition (exit gas composition) of the reformed fuel gas 1 at the end of the core 11 (point B in the cell tube 3) is, for example, steam / carbon-4, pressure-1 atm as reforming conditions. When the temperature is ˜750 ° C., approximately hydrogen (H 2 ) / water vapor (H 2 O) / carbon monoxide (CO) / carbon dioxide (CO 2 ) = 56/30/8/6. The outlet gas composition is determined almost uniquely by the water vapor / carbon, pressure, and temperature of the supply gas.
[0072]
Referring to FIG. 2, in the power generation unit 14, the reformed fuel gas 1 is supplied to the fuel battery cell 13 and contributes to power generation. At that time, the fuel cell 13 generates heat, but the heat is carried away by the oxidant gas 2 flowing around the outer periphery of the cell tube 3, so that the temperature of the fuel cell 13 is maintained at 900 ° C. to 1000 ° C. Also, the temperature of the fuel gas 1 does not increase. Of the reformed fuel gas 1, the fuel gas 1 that was not used for power generation and the water vapor generated by the power generation reach the discharge-side lead portion 21. The temperature of the fuel gas 1 at that time is about 900 ° C.
[0073]
In the discharge-side lead portion 21, the used modified fuel gas 1 releases heat to the oxidant gas 2 that flows through the side surface (wall surface) of the cell tube 3 to face the outer peripheral portion of the cell tube 3. , Lower the temperature. And it goes out to the discharge chamber 9 at about 600 ° C. from the other end (left side) of the cell tube 3 on the discharge chamber 9 side.
[0074]
Next, the oxidant gas 2 will be described.
In FIG. 1, the oxidant gas 2 containing oxygen enters the oxidant supply chamber 4 from the gas supply port 4-1. Then, a space formed between the support B10-2 and the tube plate B7 is moved along the tube plate B7. The oxidant gas 2 that has reached the cell tube 3 on the discharge chamber 9 side enters the space between the support B10-2 and the outer periphery of the cell tube 3 (temperature of about 450 ° C.). Then, the outer periphery of the cell tube 3 is advanced from the other end (left side) on the discharge chamber 9 side toward the supply chamber 8.
[0075]
In the region near the discharge-side lead portion 21 in FIG. 8, the oxidant gas 2 receives the amount of heat of the fuel gas 1 that flows in the cell tube 3 so as to face the inside through the side surface (wall surface) of the cell tube 3. Will rise. The oxidant gas 2 continues to exchange heat with the fuel gas 1 and reaches about 800 ° C. before reaching the power generation unit 14.
[0076]
Referring to FIG. 2, in the power generation unit 14, the oxidant gas 2 is supplied to the fuel cell 13 and contributes to power generation. At this time, the fuel cell 13 generates heat, but the heat is carried away by the oxidant gas 2, so that the temperature of the fuel cell 13 is maintained at 900 ° C. to 1000 ° C. Further, the oxidant gas 2 raises the temperature while taking away the amount of heat generated by the power generation from the fuel battery cell 13. Then, the oxidant gas 2 that has not been used for power generation reaches the supply-side lead unit 20. The temperature of the oxidant gas 2 at that time is about 900 ° C.
[0077]
In the region near the supply side lead portion 20, the oxidant gas 2 releases the amount of heat to the fuel gas 1 that flows facing the inside of the cell tube 3 through the side surface (wall surface) of the cell tube 3, and the temperature decreases. I will let you. And it reaches at about 600 ° C. to one end (right side) of the outer periphery of the cell tube 3 on the supply chamber 8 side. Then, the space between the support A10-1 and the tube sheet A6 (including the heat insulating material 5) is advanced.
[0078]
Referring to FIG. 1, spent fuel gas 1 (reformed fuel gas 1) enters discharge chamber 9 and is discharged from gas discharge port 9-1. On the other hand, the used oxidant gas 2 moves along a space formed between the support A10-1 and the tube plate A6, and passes through the oxidant gas discharge port 4-2 in the oxidant supply chamber 4. It is discharged outside.
[0079]
In the fuel cell heat exchange structure of the present invention, since the core 11 is provided, the heat transfer coefficient in the supply-side lead portion 20 is improved. Therefore, the heat transfer area required for heat exchange is reduced, and the efficiency of heat exchange is improved. Therefore, the thickness b of the support A10-1 can be halved as compared with the case where the core 11 is not provided. This is because the distance between points A and B where heat exchange is performed can be shortened, and therefore the length of b can be shortened. Therefore, the length of the supply-side lead portion 20 that does not contribute to power generation in the cell tube 3 can be shortened to about half. This not only saves material costs but also improves the manufacturing yield of the cell tubes 3. Furthermore, it is useful for space saving of the fuel cell.
[0080]
Power generation will be described.
In FIG. 2, the reformed fuel gas 1 travels through the cell tube 3 with the outlet gas composition, and diffuses toward the outside of the wall surface inside the wall surface (side surface) in the power generation unit 14 of the cell tube 3. It reaches the anode which is the fuel electrode of the cell 13. On the other hand, the oxidant gas 2 travels along the outer peripheral surface of the cell tube 3 and reaches the cathode side which is the air electrode of the fuel cell 13 in the power generation unit 14 of the cell tube 3. Then, in the fuel battery cell 13, electric power is generated by an electrochemical reaction between the reformed fuel gas 1 and the oxidant gas 2, and electric power is generated.
[0081]
At the time of power generation, the fuel battery cell 13 generates a certain amount of electric power based on its characteristics, and energy that has not been converted into electric energy is released as thermal energy. Causes of thermal energy include resistance polarization (electrical resistance loss related to electrodes, electrolytes, separators, etc.), activation polarization (activation energy related to electrode reaction), diffusion polarization (diffusion energy related to gas concentration distribution), etc. . The heat generated energy is used to maintain the temperature of the fuel cell 13 and the vicinity thereof at 900 ° C. to 1000 ° C., which is the operating temperature of the fuel cell 13.
[0082]
Further, if the power generation continues, the temperature becomes higher due to heat generation, but the supplied fuel gas 1 and oxidant gas 2 efficiently carry away the amount of heat (heat energy). Therefore, it is possible to keep the operating temperature within a certain range by making the flow rates of the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 and the power generation amount appropriate.
[0083]
Therefore, the thermal stability of the power generation unit 14 is increased and the reliability is improved. In addition, since heat exchange is performed for each cell tube, it is not necessary to consider a high-temperature heat exchanger that matches the power generation scale (number of fuel cells).
[0084]
The temperatures of the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 become high due to power generation, but heat exchange is performed at both ends of the cell tube 3 and the temperature becomes low. That is, on the supply chamber 8 side, a high-temperature oxidant gas 2 that circulates on the outer peripheral surface of the cell tube 3 and a low-temperature fuel gas 1 that circulates inside the cell tube 3 (on the outer peripheral surface of the core 11). Perform heat exchange. Further, the low temperature oxidant gas 2 flowing on the outer peripheral surface of the cell tube 3 and the high temperature fuel gas 1 flowing inside the cell tube 3 exchange heat.
[0085]
Therefore, it is possible to preheat the fuel gas 1 and the oxidant gas 2 without using a high-temperature heat exchanger by effectively using the amount of heat generated during power generation in the fuel cell 13. That is, it is not necessary to install a high-temperature heat exchanger. And since the heat | fever generate | occur | produced with electric power generation is utilized in the vicinity immediately after generation | occurrence | production, it is extremely high in heat efficiency and can reduce the loss of heat energy.
[0086]
Further, the temperature of the gas discharged from the oxidant supply chamber 4 and the discharge chamber 9 is lowered by heat exchange, and thereafter, a low temperature pipe and a heat exchanger are sufficient. That is, the equipment cost of piping and a heat exchanger can be reduced.
[0087]
By installing the core 11 in the present invention, even when the cell tube 3 is damaged (cracked or the like) in the power generation unit 14, the outflow of the fuel gas 1 from the cell tube 3 to the oxidant supply chamber 4 is suppressed. I can do it. This is because the core 11 narrows the flow path of the fuel gas 1 and suppresses an increase in the flow rate.
[0088]
Further, the installation of the core 11 in the present invention makes it possible to more uniformly distribute the fuel gas 1 from the supply chamber 8 to each cell tube 3. This is because the core 11 narrows the flow path of the fuel gas 1, so that the fuel gas 1 does not solidify in one place but spreads over the entire supply chamber 8 and enters each cell tube 3.
[0089]
In this embodiment, the core 11 is installed in the supply side lead portion 20 (fuel gas inlet side). However, it can be similarly installed on the discharge-side lead portion 21 (fuel gas outlet side). Thereby, it is possible to improve the efficiency of heat exchange between the fuel gas 1 (inside the cell tube 3) and the oxidant gas (outside of the cell tube 3) at the discharge-side lead portion 21 (fuel gas outlet side). Become. In that case, also in the discharge side lead part 21, it becomes possible to reduce the heat transfer area required for heat exchange, and to reduce the length of the discharge side lead part 21. As a fuel cell, the volume can be reduced and the space can be saved.
[0090]
Furthermore, even if there is no external reforming section, the fuel gas 1 can be reformed by the core 11 and the fuel cell can be operated satisfactorily. That is, since the reforming reaction is carried out by effectively utilizing the heat generated by the power generation, the thermal efficiency is very low and the loss of thermal energy is small, and the reforming section is provided because a reforming section is provided for each cell tube. There is no need to consider it, and coking does not occur because it is treated with a catalyst in the process of increasing the temperature of the fuel gas.
[0091]
In addition, since the gas only needs to flow in one direction, it is not necessary to use the guide tube 12, and the structure of the cell tube 3 and its peripheral portion can be simplified. That is, the number of parts can be reduced, leading to cost reduction. In addition, since the number of parts is reduced, the relationship of restraint between parts is reduced, so that problems such as improvement in design freedom and damage to parts are reduced, leading to improvement in overall reliability.
[0092]
【The invention's effect】
According to the present invention, when the fuel cell gas is supplied, the heat generated inside the fuel cell can be effectively used by efficient heat exchange inside the fuel cell, and the length outside the power generation region in the cell tube is shortened. It becomes possible to do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of an embodiment of a heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention.
FIG. 3 (a) is a side view showing the configuration of the core according to the embodiment of the heat exchange structure of the fuel cell of the present invention.
(B) It is an oblique projection figure which shows the structure of the core in connection with embodiment of the heat exchange structure of the fuel cell which is this invention.
FIG. 4 (a) is a side view showing the configuration of another core relating to the embodiment of the heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention.
(B) It is an oblique projection figure which shows the structure of the other core in connection with embodiment of the heat exchange structure of the fuel cell which is this invention.
FIG. 5 (a) is a side view showing the configuration of still another core according to the embodiment of the heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention.
(B) It is an oblique projection figure which shows the structure of the other core in connection with embodiment of the heat exchange structure of the fuel cell which is this invention.
FIG. 6A is a side view showing the configuration of another core related to the embodiment of the heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention.
(B) It is an oblique projection figure which shows the structure of another core in connection with embodiment of the heat exchange structure of the fuel cell which is this invention.
FIG. 7 is a diagram showing a detailed configuration of one end side of a cell tube of an embodiment of a heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention.
FIG. 8 is a view showing a detailed configuration of the other end side of the cell tube in the embodiment of the heat exchange structure of the fuel cell according to the present invention.
FIG. 9A is a view showing a front view of a tube sheet according to an embodiment of a heat exchange structure for a fuel cell according to the present invention.
(B) It is a figure which shows the front view of the support body in connection with embodiment of the heat exchange structure of the fuel cell which is this invention.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a conventional technique.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel gas 2 Oxidant gas 3 Cell tube 4 Oxidant supply chamber 4-1 Oxidant gas supply port 4-2 Oxidant gas discharge port 6 Tube plate A
6-1 Cell junction 7 Tube sheet B
7-1 Cell junction 8 Supply chamber 8-1 Gas supply port 9 Discharge chamber 9-1 Gas exhaust port 10 Support body 10-1 Support body A
10-2 Support B
10-3 Cell support part 11 Core 11-1 Core body 11-1 Centering part A
11-2 Centering part B
11-3 Centering part C
11-4 Centering part D
12 Filler 13 Fuel Battery Cell 14 Power Generation Unit 15a Current Collection Unit A
15b Current collector B
17 Lead film 18 Base tube 20 Supply side lead portion 21 Discharge side lead portion 25 Tube support ring 26 Ring filler 110 Header 110a Partition plate 110b Discharge chamber 110c Supply chamber 110d Bottom plate 111 Cell tube 112 Guide tube

Claims (8)

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、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孔を有する支持体と、
前記燃料電池セルチューブ内で、前記第１端部から前記孔に最も近い前記燃料電池セルの端部に対応する位置までの範囲内で、前記第１端部から前記第２端部の方向へ延びるように、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、内部を前記燃料ガスが通過不可能な中子と、
を具備し、
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であり前記孔を通る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、
固体電解質型燃料電池。A fuel cell tube in which a fuel cell is formed on the outer surface of the base tube;
A first supply for supplying fuel gas into the fuel cell tube having a second tube sheet, a first end which is one end of the fuel cell tube being open and joined to the second tube sheet Room,
The fuel cell has a first tube plate, and a second end, which is the other end of the fuel cell tube, is opened and joined to the first tube plate, and is provided apart from the first supply chamber. A discharge chamber through which the fuel gas is discharged from within the cell tube;
A second supply chamber that is provided separately from the first supply chamber and the discharge chamber, includes the fuel cell tube, and supplies an oxidant gas to the fuel cell tube;
In the second supply chamber, a support body provided along the second tube plate so as to restrict a flow path of the oxidant gas discharged, and having a hole through which the fuel cell tube passes,
Within the fuel cell tube, in the range from the first end to the position corresponding to the end of the fuel cell closest to the hole, from the first end to the second end. A core provided so as to narrow the flow path in the fuel cell tube so as to extend, and a core through which the fuel gas cannot pass ;
Comprising
The fuel gas that passes through the flow path inside the fuel cell tube and outside the core, and the oxidant gas that is outside the fuel cell tube and passes through the hole form the fuel cell tube. Heat exchange via
Solid electrolyte fuel cell. 前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが反対方向に流れる、
請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。The fuel gas and the oxidant gas flow in opposite directions;
The solid oxide fuel cell according to claim 1. 前記中子は、前記燃料電池セルチューブの内径よりも小さい外径を有する円柱である中子本体と、
前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体の軸と、前記燃料電池セルチューブの軸とが重なるように前記中子をセンタリングする凸部であるセンタリング部と、
を具備する、
請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池。The core is a core body that is a cylinder having an outer diameter smaller than the inner diameter of the fuel cell tube;
A centering portion which is provided on the surface of the core body and is a convex portion for centering the core so that an axis of the core body and an axis of the fuel cell tube overlap each other;
Comprising
The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2. 前記センタリング部は、前記中子本体の一端部から他端部の方向へ直線状に延びる、
請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。The centering portion extends linearly from one end of the core body toward the other end.
The solid oxide fuel cell according to claim 3 . 前記センタリング部は、前記中子本体の一端部から他端部の方向へ、前記中子本体の軸方向へらせん状に延びる、
請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。The centering portion extends in a spiral shape in the axial direction of the core body from one end of the core body to the other end.
The solid oxide fuel cell according to claim 3 . 前記中子は、表面に前記燃料ガスを改質する触媒を具備する、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。The core includes a catalyst for reforming the fuel gas on the surface .
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5. 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６のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。The first supply chamber includes a gas supply port for supplying the fuel gas,
The discharge chamber has a gas discharge port for discharging the fuel gas,
The fuel gas is supplied from the gas supply port to the first supply chamber, contributes to power generation in the fuel battery cell tube, enters the discharge chamber, and is discharged from the gas discharge port.
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6. 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２孔に最も近い前記燃料電池セルの端部に対応する位置までの範囲内で、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内の流路を狭くするように設けられた、内部を前記燃料ガスが通過不可能な第２中子と、
を具備し、
前記燃料電池セルチューブの内側であり前記第２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であり前記第２孔を通る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
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。A second support provided in the second supply chamber along the first tube plate so as to restrict a flow path of the supplied oxidant gas, and having a second hole through which the fuel cell tube passes. ,
Within the fuel cell tube, within the range from the second end to the position corresponding to the end of the fuel cell closest to the second hole, the second end to the first end A second core that is provided so as to narrow a flow path in the fuel cell tube so as to extend in a direction, and through which the fuel gas cannot pass ,
Comprising
The fuel gas passing through the flow path inside the fuel cell tube and outside the second core, and the oxidant gas outside the fuel cell tube and passing through the second hole are the fuel. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein heat exchange is performed via a battery cell tube .
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