JP3912997B2 - 空気予熱構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の空気予熱構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムのガスに関する概略構成の一例を図７に示す。ただし、図７では、ガスの予熱と熱交換に関する部分、及び、発電された電力の集電に関わる部分は省略している。
【０００３】
図７を参照して、燃料電池発電システムは、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、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、複数本存在し、ヘッダ１１０に連結され、支持されている。ここで、セルチューブ１１１は、多孔質の基体管の外周面に燃料電池薄膜を形成された燃焼電池を構成する円筒型セルチューブである。
【０００５】
一方、図８を参照して、セルチューブ１１１の上端部には、筒状をなす集電キャップ１１３が取付けられている。集電キャップ１１３は、セルチューブ１１１の燃料電池と電気的に接続している。また、セルチューブ１１１の下端部には、シールキャップ１１４が取付けられ、セルチューブ１１１が閉塞されている。そして、案内管１１２から来たガスは、シールキャップ１１４で折り返し、案内管１１２の外部であってセルチューブ１１１の内部に流れる。
【０００６】
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を供給すると共に、セルチューブ１１１の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２を供給する。そうすると、燃料ガス１が各案内管１１２に対してばらつきの無い流量で流入して、案内管１１２の先端まで達する。しかる後、燃料ガス１は、セルチューブ１１１内のシールキャップ１１４により折り返し、セルチューブ１１１の他端側から一端側へ向かって流通する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２がセルチューブ１１１の前記燃料電池薄膜で電気化学的に反応して電力を発生し、当該電力が集電キャップ１１３などを介して外部に取出される。
【０００７】
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内に送出された後、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。
【０００８】
上述のようなシステムにおいては、外部から図７に示す燃料電池にガスを供給する際、事前にある程度予熱しておく必要が有る。予熱には、システムの効率の面から、排出ガスからの熱交換を用い、不足分をヒーターなどの熱源による加熱で賄うことが多い。熱交換においては、燃料ガス１及び酸化剤ガス２の排出ガス２排出経路中に、熱交換のための設備機器・配管を設けることで行なう。その為、その設備費がコスト増となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池のガスの供給に際して、外部の高温用の予熱器や熱交換器を使用せずにガスの温度を上げることが可能な燃料電池の空気予熱構造を提供することである。
【００１０】
また、別の目的としては、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することが可能な燃料電池の空気予熱構造を提供することである。
【００１１】
更に、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空気予熱構造を提供することである。
【００１２】
更に、別の目的としては、燃料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空気予熱構造を提供することである。
【００１３】
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空気予熱構造を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本課題を解決するための手段の項における、図番号、符号は、特許請求の範囲と発明の実施の形態との対応を示すために記したものであり、特許請求の範囲の解釈に用いてはならない。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の空気予熱構造は、容器内に設けられ、燃料ガス（図１、１）を供給する第１供給室（図１、８）と、前記容器内に前記第１供給室（図１、８）から離れて設けられ、前記燃料ガス（図１、１）を排出する排出室（図１、９）と、前記容器内に前記第１供給室（図１、８）と前記排出室（図１、９）との間に隔離されて設けられ、酸化剤ガス（図１、２）を供給する第２供給室（図１、４）と、基体管の外面に燃料電池を形成した燃料電池セルチューブ（図１、３）とを具備する。そして、前記燃料電池セルチューブ（図１、３）の一端部である第１端部は、前記第１供給室（図１、８）に開放されて接合され、前記燃料電池セルチューブ（図１、３）の他端部である第２端部は、前記排出室（図１、９）に開放されて接合されている。そして、前記第１端部の近傍において、前記燃料電池セルチューブ（図１、３）の内側の前記燃料ガス（図１、１）と前記燃料電池セルチューブ（図１、３）の外側の前記酸化剤ガス（図１、２）とが、前記燃料電池セルチューブ（図１、３）を介して熱交換を行なう。
【００１６】
また、本発明の空気予熱構造は、前記第２端部の近傍において、前記燃料電池セルチューブ（図１、３）の内側の前記燃料ガス（図１、１）と前記燃料電池セルチューブ（図１、３）の外側の前記酸化剤ガス（図１、２）とが、前記燃料電池セルチューブ（図１、３）を介して熱交換を行なう。
【００１７】
また、本発明の空気予熱構造は、前記燃料ガス（図１、１）と前記酸化剤ガス（図１、２）とが反対方向に流れる。
【００１８】
更に、本発明の空気予熱構造は、前記第２供給室（図１、４）の前記排出室（図１、９）側に、供給される前記酸化剤ガス（図１、２）の流路を制限するように設けられた第１支持体（図１、１０−２）と、前記第２供給室（図１、４）の前記第１供給室（図１、８）側に、排出される前記酸化剤ガス（図１、２）の流路を制限するように設けられた第２支持体（図１、１０−１）とを更に具備する。そして、供給された前記酸化剤ガス（図１、２）が、前記第１支持体（図１、１０−２）と前記排出室（図１、９）の前記第２供給室（図１、４）側の仕切板である第１管板（図１、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（図１、３）に沿って進み、前記第２支持体（図１、１０−１）と前記第１供給室（図１、８）の前記第２供給室（図１、４）側の仕切板である第２管板（図１、６）とで形成される空間中を移動し、排出される。
【００１９】
更に、本発明の空気予熱構造は、前記第１端部から前記第２端部へ伸びるように前記燃料電池セルチューブの内壁側に形成された前記燃料ガス（図１、１）を改質する触媒（図１、１１）を更に具備する。
【００２０】
更に、本発明の空気予熱構造は、前記第１供給室（図１、８）は、前記燃料ガス（図１、１）を供給するガス供給口（図１、８−１）を具備し、前記排出室（図１、９）は、前記燃料ガス（図１、１）を排出するガス排出口（図１、９−１）を具備する。そして、前記燃料ガス（図１、１）は、前記ガス供給口（図１、８−１）から前記第１供給室（図１、８）に供給され、前記燃料電池セルチューブ（図１、３）において、発電に寄与し、前記排出室（図１、９）に入り、前記ガス排出口（図１、９−１）から排出される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である空気予熱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の内部改質用の触媒の設置に関して例を示して説明するが、他の筒型構造を有する燃料電池にも適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００２２】
図１は、本発明である空気予熱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４−２及び酸化剤ガス排出口４−１を有する第２供給室としての酸化剤供給室４、断熱材５、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、内部改質部１１からなる。なお、図１の構成は、図示しない断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器内に設置されている。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。
【００２３】
また、図２は、本発明である空気予熱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。燃料電池セル１３と燃料電池セルを複数個有する発電領域である発電部１４とを有するセルチューブ３、断熱材５、管板Ａ６、管板Ｂ７、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０−２である支持体１０、内部改質部１１からなる。なお、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。
【００２４】
本実施例では、燃料電池が横置きである。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は横置きであり、支持体１０又は管板Ａ６及び管板Ｂ７によって、２点で支持されている。そして、供給室８側の管板Ａ６及び排出室９側の管板Ｂ７の２点でガスシールされている。すなわち、２点でセルチューブ３を支持し、シールを行なっている。
【００２５】
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４−２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４−１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。
【００２６】
つまり、横置き、２点支持（２点ガスシール）、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７、図８）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、効率的な熱交換が可能となり、熱効率が向上する。
【００２７】
以下に各構成を詳細に説明する。
まず、図１、図６を参照して、空気予熱構造の構成について説明する。
【００２８】
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基体管の外周面に燃料電池セル１３を形成された、燃料電池を構成する円筒型の管である。セルチューブ３は、第１端部としての一端部を供給室８（後述）に、第２端部としての他端部を排出室９（後述）に嵌合され、支持されている。そして、一端側が供給室８（後述）と、他端側が排出室９（後述）とガスの出入りが出来るように開放されている。内部に、従来例にある案内管を含んでいない。材質は、ジルコニアである。
セルチューブ３の長手方向の一定の幅毎に、外周面上に燃料極、電解質、空気極が順に積層（図示せず）され、燃料電池セル１３（後述）を形成している。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）で接合されている。燃料ガス１が、セルチューブ３の一端より内部改質部１１（後述）を介して、セルチューブ３の内部に供給され、基体管の厚み方向に孔中を拡散し燃料極に達し、セルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２と共に発電に寄与する。
【００２９】
内部改質部１１は、セルチューブ３の一端側の内部にあり、燃料ガス１の水蒸気改質を行なう改質部である。セルチューブ３の一端部又は管板Ａのある位置から、外側に支持体Ａ１０−１の管板Ｂ７の側の側面がある位置までのセルチューブ３の内部に、水蒸気改質用の触媒（改質触媒）がある。セルチューブ３の入口からその途中までの内部改質部１１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。
【００３０】
形状は本実施例では、セルチューブ３と同軸をなしセルチューブ３の内壁に接する円柱状である。円柱の内部は、ハニカム状（ハニカムの各壁面は多孔質）、あるいは、多孔質状であり、表面積が高い構造である。そして、それらの高表面積である担体（アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニアなど）に担持金属（Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈなど）が担持されている。外径はセルチューブ３の内径程度である。ただし、内部改質部１１の外径は、セルチューブ３と内部改質部１１の熱膨張係数の差を考慮し、内部改質部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。
なお、内部改質部１１の形状は、この形状に限定されるものではなく、例えば、多孔質の円筒型や、多孔質の粒子状の触媒を利用することも可能である。触媒の保持はニッケルなどの金属製のフエルトなどを用いる。
【００３１】
第１供給室としての供給室８は、セルチューブ３の一端部にあり、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。燃料ガス１（後述）の供給を受けるためのガス供給口８−１を有する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。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。セルチューブ３が取付けられている。セルチューブ３は、供給室８に入った燃料ガス１がセルチューブ３へ供給されるように管板Ａ６と連結、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、ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００３２】
排出室９は、セルチューブ３の他端部にあり、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。使用済みの燃料ガス１（後述）の排出を行なうためのガス排出口９−１を有する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。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。セルチューブ３が取付けられている。セルチューブ３は、セルチューブ３から排出される使用済み燃料ガス１を収集可能なように管板Ｂ７と連結、接合している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００３３】
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に酸化剤ガスを供給する室である。酸化剤ガス２（後述）の供給を受けるための酸化剤ガス供給口４−２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４−１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４−２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（断熱材５を含む）とで形成された空間（隙間）を進み、酸化剤ガス排出口４−１から排出される。
【００３４】
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と、セルチューブ３の一端部でガスの出入りが出来るように連結し、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との隙間からガスをリークさせないために、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、薄い金属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。その際、酸化雰囲気でもあることから、ステンレスや耐熱合金などの耐酸化性の部材を使用する。セルチューブ３と管板Ａ６との接合部であるセル接合部６−１では、セルチューブ３を支持する役割もある。必要に応じて、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、リークを完全に抑えるようにする。
【００３５】
図６（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６に示すように一体の部材である。図６（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の本数が、９本に限定されるものではない。
また、管板Ａ６の酸化剤供給室４側は、断熱材５（後述）を取付けている。詳細は後述する。
【００３６】
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と、セルチューブ３の他端部でガスの出入りが出来るように連結し、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との隙間からガスをリークさせないために、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、薄い金属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。その際、酸化雰囲気でもあることから、ステンレスや耐熱合金などの耐酸化性の部材を使用する。セルチューブ３と管板Ｂ７との接合部であるセル接合部７−１では、セルチューブ３を支持する役割もある。必要に応じて、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、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６（ａ）と同様であるので、省略する。
【００３７】
断熱材５は、管板Ａ６の酸化剤供給室４側に取付けられた断熱材である。セルチューブ３上の発電部１４を通過し、高温となった酸化剤ガス２から、管板Ａ６及び管板Ａ６とセルチューブ３との接合部を保護するためである。そして、管板Ａ６と支持体Ａ１０−１と共に使用済みの酸化剤ガス２を酸化剤ガス排出口４−１へ導く。
【００３８】
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、その流路を制限している。そして、セルチューブ３をその下方部分において支持している。また、セルチューブ３の発電部１４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。
【００３９】
図６（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６（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の本数が、９本に限定されるものではない。
【００４０】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン、あるいは、プロパン等の有機炭化水素のガス又はその改質ガスと水蒸気との混合ガスである。
また、酸化剤ガス２は、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００４１】
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３の１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、空気極が順に積層（図示せず）された燃料電池のセルである。それぞれの燃料電池セル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、セルチューブの外側から供給される酸化剤ガス２とにより、発電が行なわれる。
【００４２】
発電部１４は、燃料電池セル１３を複数個有するセルチューブ３上の発電領域である。本実施例では、１８個の燃料電池セル１３が直列接続したものである。燃料電池運転時には、燃料電池セル１３の発電に伴い、発熱し高温になっている。
【００４３】
断熱材５、管板Ａ６、管板Ｂ７、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０−２である支持体１０、内部改質部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。
【００４４】
次に、図４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４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、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、断熱材５と、セル接合部６−１を有する管板Ａ６と、支持体Ａ１０−１、内部改質部１１とから成る。
【００４５】
管板Ａ６は、セルチューブ３を通す孔の部分が、ガスシールを行なうガス接合部６−１を形成する。管板Ａ６のセルチューブ３を通す孔の直径を、セルチューブ３の直径より、やや小さくする。すなわち、図４で示すように管板Ａ６の孔部にセルチューブ３を通した時、管板Ａ６の孔部の内周部分が、セルチューブ３を通した方向に内側に変形し、セルチューブ３の外周部と管板Ａ６の孔部の内周部分が密着する程度である。セルチューブ３を通すに当たっては、深絞り加工などのプレスにより事前に通し易くしておく。管板Ａ６の孔部の内周部分は、セルチューブ３と密接する際、酸化剤供給室４側への湾曲に伴う管板Ａ６の孔部の内周部分の弾性力により密着し、ガスシール性を発揮する。それと同時に、管板Ａ６は、ステンレスなどの薄い金属の板を使用しているので、その弾性力により可動性、振動及び衝撃吸収性が発揮される。すなわち、管板Ａ６（薄い金属板）は、その伸縮自在性により、上下方向に可動である他、前後左右の横方向や、斜め上下方向にもある程度の範囲まで可動である。
管板Ａ６の他の部分は図１で示した管板Ａ６と同一であるのでその説明は省略する。
【００４６】
充填材１２は、セルチューブ３と管板Ａ６の孔部とが接触する付近の隙間がある可能性がある領域に充填されるガスシール材である。その隙間を埋め、供給室８の燃料ガス１と、酸化剤供給室４の酸化剤ガス２との間をガスシールする。セルチューブ３を管板Ａ６に通す時にグランドパッキンを施工しておく方法や、その周辺の最高使用温度に合わせてハンダを行なう方法、最高使用温度がそれほど高く無い場合に樹脂などを埋め込む方法などが使用できる。
【００４７】
支持体１０がセルチューブ３を支持している個所であるセル支持部１０−３に隙間があるのは、セル支持部１０−３の直径が、酸化剤ガス２を通過させる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。その場合、セルチューブ３の支持は、基本的には管板Ａ６のセル接合部６−１で行なう。そして、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、酸化剤ガス２の通過の大きな妨げにならない部材を入れる。部材の例としては、ガラスウールや石綿のような耐熱性で変形容易な（あるいは弾性体のような性質を持つ）材料をその隙間に埋め込む、気孔率の高いセラミックス多孔体や発泡体を適切な形状に成形して入れ込むなどで実施可能である。断熱材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。
【００４８】
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。
【００４９】
基体管１８は、燃料電池セルチューブの外管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。
【００５０】
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２６（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。
【００５１】
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、断熱材５、内部改質部１１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。
【００５２】
次に、図５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とから成る。
【００５３】
図５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を用いており、断熱材５を用いてない（セル接合部７−１では、それほど温度の高くない酸化剤ガス２がフローしているため）点が図４と異なるが、その他の構成は図４と同様であるので、その説明は省略する。
【００５４】
では、本発明である空気予熱構造の実施の一形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図１及び図２を参照して、このような構成をなす燃料電池において、供給室８内に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、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。セルチューブ３の一端部近傍には、内部改質部１１があり、燃料ガス１は、そこにおいて、触媒により水蒸気改質され、水素を主成分とする改質された燃料ガス１となる。そして、セルチューブ３内を排出室９側へ向けて流れる。
【００５５】
改質された燃料ガス１の、内部改質部１１の出口での組成（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（Ｈ_２）／水蒸気（Ｈ_２Ｏ）／一酸化炭素（ＣＯ）／二酸化炭素（ＣＯ_２）＝５６／３０／８／６程度である。出口ガス組成は、水蒸気／炭素、圧力、温度により、ほぼ一義的に定まる。
【００５６】
一方、酸化剤ガス２は、酸化剤ガス供給口４−２から酸化剤供給室４に供給される。そして、支持体Ｂ１０−２と管板Ｂ７とに挟まれ形成された領域を管板Ｂ７に沿って移動する。そして、各セルチューブ３に達すると、酸化剤ガス２の一部は支持体Ｂ１０−２とセルチューブ３の外周部との間の空間に入り、概ねセルチューブ３の外周部に沿って、供給室８の方向へ移動する。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。その場合、燃料ガス１及び酸化剤ガス２の温度は高温になるため、その熱を無駄にしないため、通常、燃料電池の外部で熱交換を行なうのが普通である。
【００６０】
ここで、改質された燃料ガス１を得るための水蒸気改質反応は、著しい吸熱反応である為、その反応を維持する為には熱エネルギーを供給しつづける必要がある。従って、上記の発電に伴って発生する熱を、水蒸気改質反応を維持するための熱エネルギーとして利用することにより、反応を維持しつづけることが可能となる。
【００６１】
そのガスの熱交換について、図３を参照して説明する。
まず、燃料ガス１に関して説明する。
図３（ａ）は、セルチューブ３を表している。斜線の部分は、燃料電池セル１３を表している。また、この図は、図１及び図２に対応しており、図３の右側が供給室８側であり、左側が排出室９側である。燃料ガス１は、図の右側からセルチューブ３に入り、左側から出て、酸化剤ガス２は、図の左側から右側へセルチューブ３の外周部に沿って流れる。
【００６２】
図３（ｂ）は、図３（ａ）で示すセルチューブ３における燃料ガス１の温度分布を示すグラフである。縦軸は燃料ガス１の温度であり、横軸は、図３（ａ）で示すセルチューブ３での位置である。ガス供給口８−１から入った燃料ガス１は、供給室８内のセルチューブ３の一端部に達する。供給室８の燃料ガス１は、グラフ（矢印）で示すように、セルチューブ３の一端部（右側）から少し予熱され約２００℃の温度で、セルチューブ３に入る。
【００６３】
▲１▼の領域において、燃料ガス１は、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。この時、燃料ガス１は、内部改質部１１において水蒸気改質されるが、その時の吸熱反応に必要な熱量も、酸化剤ガス２との熱交換により賄われる。改質された燃料ガス１は、水蒸気改質反応後も酸化剤ガス２と熱交換を続け、発電部１４に達するまでに、約９５０℃になっている。
【００６４】
▲２▼の領域において、改質された燃料ガス１は、発電部１４の燃料電池セル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及び及び発電により発生した水蒸気は、発電部１４の燃料ガス１にとっての終端部に達する。
【００６５】
▲３▼の領域において、使用済みの改質された燃料ガス１は、セルチューブ３の外周部を対向して流れる酸化剤ガス２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の排出室９側の他端部（左側）から約２５０℃で、排出室９へ出る。
その後、排出室９からガス排出口９−１へ達して排出する。
以上が、燃料ガス１の温度変化である。
【００６６】
次に、酸化剤ガス２に関して説明する。
図３（ｃ）は、図３（ａ）で示すセルチューブ３における酸化剤ガス２の温度分布を示すグラフである。縦軸は酸化剤ガス２の温度であり、横軸は、図３（ａ）で示すセルチューブ３での位置である。酸化剤ガス供給口４−２から酸化剤供給室４に入った酸化剤ガス２は、支持体Ｂ１０−２と管板Ｂ７とで形成される空間を進み、排出室９側のセルチューブ３に達する。排出室９側の酸化剤ガス２は、グラフ（矢印）で示すように、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）から約５０℃の温度で進む。
【００６７】
▲４▼の領域において、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３５０℃になっている。
【００６８】
▲５▼の領域において、酸化剤ガス２は、発電部１４の燃料電池セル１３に供給され、発電に寄与する。発電に寄与する酸化剤ガス２は、燃料電池セル１３の表面で９００℃に熱せられる。発電の際、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、発電部１４の酸化剤ガス２にとっての終端部に達する。その時点で、酸化剤ガス２の温度は、約９１０℃となっている。
【００６９】
▲６▼の領域において、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）から約３５０℃で排出される。
その後、支持体Ａ１０−１と管板Ａ６（断熱材５を含む）との空間を進み、酸化剤ガス排出口４−１から排出される。
以上が、酸化剤ガス２の温度変化である。
【００７０】
なお、使用済みの燃料ガス１（改質された燃料ガス１）は、セルチューブ３の他端部に達し、そこから排出室９へ移動する。そして、排出室９に入った燃料ガス１は、ガス排出口９−１か排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、セルチューブ３の概ね外周部に沿って進み、供給室８の近傍で支持体Ａ１０−１とセルチューブ３とに挟まれ形成された領域に進入する。そして、そこから支持体Ａ１０−１と管板Ａ６（断熱材５を含む）とに挟まれて形成された空間に沿って移動する。そして、酸化剤供給室４の酸化剤ガス排出口４−１から外部へ排出される。
【００７１】
以上のプロセスにより、燃料電池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。また、発電により発生する熱を効率良く逃がすため、発電部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、発電規模に合わせた熱交換部を考慮する必要が無い。
【００７２】
また、本発明により、セルチューブ３の両端部での燃料ガス１及び酸化剤ガス２の温度が、約３５０℃以下に保てるので、セルチューブ３と管板Ａ６及び管板Ｂ７との接合部でのガスシールの信頼性が向上するほか、ガスシールのための材料選択の幅を広げることが可能となる。加えて、各ガス排出口での排ガス温度を低く出来、大きな熱交換器が不要となる。
【００７３】
更に、外部改質部が無くても、内部改質部１１により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。
【００７４】
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。
【００７５】
【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、外部の高温の予熱器や熱交換器を使用せずにガスの温度を上げることでき、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することが可能となる。
【００７６】
また、本発明により、燃料電池の規模を考慮する必要のない熱交換を有し、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を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である空気予熱構造の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明である空気予熱構造の実施の形態の詳細な構成を示す図である。
【図３】（ａ）本発明である空気予熱構造の実施の形態におけるセルチューブを示す図である。
（ｂ）本発明である空気予熱構造の実施の形態におけるセルチューブの位置と燃料ガスの温度変化との関係を示す図である。
（ｃ）本発明である空気予熱構造の実施の形態におけるセルチューブの位置と酸化剤ガスの温度変化との関係を示す図である。
【図４】本発明である空気予熱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５】本発明である空気予熱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６】（ａ）本発明である空気予熱構造の実施の形態の管板の正面図を示す図である。
（ｂ）本発明である空気予熱構造の実施の形態の支持体の正面図を示す図である。
【図７】従来の技術の実施の形態の構成を示す図である。
【図８】従来の技術の実施の形態に関するセルチューブを示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
２ 酸化剤ガス
３ セルチューブ
４ 酸化剤供給室
５ 断熱材
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 内部改質部
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
１１０ ヘッダ
１１０ａ 仕切板
１１０ｂ 底板
１１０ｃ 供給室
１１０ｄ 排出室
１１１ セルチューブ
１１２ 案内管
１１３ 集電キャップ
１１４ シールキャップ
１１５ リード膜
１１６ 集電接合部

Claims (5)

1. 燃料電池を有する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、
   前記第１供給室から離れて設けられ、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
   を具備し、
   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であり前記第１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。
2. 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支持体を更に具備し、
   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に記載の固体電解質型燃料電池。
3. 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又は２に記載の固体電解質型燃料電池。
4. 前記燃料電池セルチューブ内で、前記第１端部から前記第１端部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端部へ伸びるように前記燃料電池セルチューブの内側に形成された前記燃料ガスを改質する触媒を更に具備する、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
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４のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。

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