JP4467831B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池のスタック（燃料電池のセル及びそれに付属したガスの供給及び排気を行なう構成を、ここではスタックと呼ぶ）の概略構成の一例を図１０に示す。ただし、図１０では、ガスの予熱と熱交換に関する部分、及び、発電された電力の集電に関わる部分は省略している。
【０００３】
図１０を参照して、燃料電池は、ガス供給部であるヘッダ１１０と、発電部であるセルチューブ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１１１は、案内管１１２を有する。
【０００４】
ヘッダ１１０の内部は、仕切板１１０ａにより上下方向に区分けされ、上方が供給室１１０ｃ、下方が排出室１１０ｄとして構成されている。ヘッダ１１０の底板１１０ｂには、セルチューブ１１１の上端部（一端部）が排出室１１０ｄとガスの出入りが出来るように連結され、支持されている。セルチューブ１１１の下端部（他端部）は、閉塞されている。セルチューブ１１１の内部には、案内管１１２が、同軸をなして挿入されている。案内管１１２は、その一端部（上端部）が、上記供給室１１０ｃとガスの出入りが出来るように、上記仕切板１１０ａに連結され、支持されている。このようなセルチューブ１１１及び案内管１１２は、複数本存在し、ヘッダ１１０に連結され、支持されている。ここで、セルチューブ１１１は、多孔質の基体管の外周面に燃料電池セルを形成された燃焼電池を構成する円筒型セルチューブである。
【０００５】
一方、図９を参照して、セルチューブ１１１に関する概略構成図である。セルチューブ１１１の上端部（一端部）及び下端部（他端部）を除く中間部の外周部には、燃料電池セルが形成されている（図示せず）。セルチューブ１１１の下端部には、シールキャップ１１４が取付けられ、セルチューブ１１１が閉塞されている。
【０００６】
また、燃料電池セルで発電された電力の集電は以下のようになる。最上部にある燃料電池セル（図示せず）からリード線の役割を果たすリード膜１１５が、外周部において、上端部（一端部）へ向けて延び、上端部で内周部側へ折り返している。そして、そのリード膜１１５と接触した円筒状の集電接合部１１６の外周部と、円筒状の集電キャップ１１３の外周部とが接している。そして、集電キャップ１１３が、外部のリード線に接続され、そこから発電された電力が集電されている。
【０００７】
このような構成をなすスタックでは、供給室１１０ｃ内に水素やメタンのような燃料ガス１を供給すると共に、セルチューブ１１１の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２を供給する。そうすると、燃料ガス１が各案内管１１２に対してばらつきの無い流量で流入して、案内管１１２の先端まで達する。しかる後、燃料ガス１は、セルチューブ１１１内のシールキャップ１１４により折り返し、セルチューブ１１１の他端側から一端側へ向かって流通する。一方、酸化剤ガス２は、外部から進入し、セルチューブ１１１の外周部に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２がセルチューブ１１１の前記燃料電池セルで電気化学的に反応して電力を発生し、当該電力が集電キャップ１１３などを介して外部に取出される。
【０００８】
上述のようなスタックにおいては、セルチューブ１１１の交換は、燃料電池が収容された容器の上部の蓋を開放し、ヘッダ１１０の供給室１１０ｃを外す必要がある。ヘッダ１１０は、燃料電池全体に使用しているものであり、一部のセルチューブ１１１の交換のために、ヘッダ１１０を取り外すのは、手間と労力がかかる。また、発電規模を変更するには、１本１本セルチューブ１１１を取り外す（あるいは加える）必要がある。
【０００９】
また、高温で作動する燃料電池では、各部品の熱による膨張が大きい。各部品間の熱膨張係数の差による熱応力の発生や、ガスシールの損傷によるガスリークの発生などの問題が起きやすい。従って、部品の選択や構造設計においては、熱膨張係数の関係を充分に考慮する必要がある。
ここで、円筒型の燃料電池は、支持部分が一点（セルチューブ１１１と底板１１０ｂの連結部分）だけである。従って、拘束点が一点だけなので、熱応力が発生し難く、また、ガスシールについてもその部分だけの問題となり、対処し易く、作動時における信頼性が高い。しかし、その反面、振動や衝撃が発生した場合、その一点に全ての力がかかることになるため、その部分が他の部分に比較して劣化し易く（破損し易く）なる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、運転時の温度変化に適切に対応可能な構造を有する燃料電池におけるカートリッジ構造を提供することである。
【００１１】
また、別の目的としては、燃料電池セル管の熱応力を少なくすることが可能な燃料電池におけるカートリッジ構造を提供することである。
【００１２】
更に、別の目的としては、燃料電池の脱着を、あるまとまった単位で行ない、燃料電池の交換が容易である燃料電池におけるカートリッジ構造を提供することである。
【００１３】
更に、別の目的としては、燃料電池の交換が容易である燃料電池におけるカートリッジ構造を提供することである。
【００１４】
更に、別の目的としては、燃料電池の発電電力量を容易に変更することが可能な燃料電池におけるカートリッジ構造を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本課題を解決するための手段の項における、図番号、符号は、特許請求の範囲と発明の実施の形態との対応を示すために記したものであり、特許請求の範囲の解釈に用いてはならない。
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明のカートリッジ構造は、燃料ガス（図１、１）を供給する供給室（図１、８）と、前記供給室（図１、８）から離れて設けられ、前記燃料ガス（図１、１）を排出する排出室（図１、９）と、前記供給室（図１、８）と前記排出室（図１、９）との間に設けられ、酸化剤ガス（図１、２）を供給する酸化剤供給部（図１、４）と、一端部である第１端部で前記供給室（図１、８）に開放されて接合され、他端部である第２端部で前記排出室（図１、９）に開放されて接合され、基体管の外面に燃料電池を形成された燃料電池セル管（図１、３）と、一端部である第３端部で前記供給室（図１、８）に接合され、他端部である第４端部で前記排出室（図１、９）に接合されたフレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１６）とを具備する。
【００１７】
また、本発明のカートリッジ構造は、前記フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１６）の熱膨張係数が、前記燃料電池セル管（図１、３）の熱膨張係数と概ね等しい。
【００１８】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記基体管（図４、２０）と前記フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１６）が、ジルコニアで形成されている。
【００１９】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記基体管が（図４、２０）、ジルコニアで形成され、前記フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１６）が、マグネシアスピネルである。
【００２０】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記基体管（図４、２０）が、ジルコニアで形成され、前記フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１６）が、コバールである。
【００２１】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記供給室（図１、８）が、前記第１端部が接合された第１管板（図３、６）と、前記第１管板（図３、６）の強度を補強するフレームである第１フレーム（図３、１１）とを具備し、前記排出室（図１、９）が、前記第２端部が接合された側面である第２管板（図３、７）と、前記第２管板（図３、７）の強度を補強するフレームである第２フレーム（図３、１２）とを具備している。そして、前記フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１６）は、前記第３端部が前記第１フレーム（図３、１１）において前記供給室（図１、８）と接合し、前記第４端部が前記第２フレーム（図３、１２）で前記排出室（図１、９）と接合する。
【００２２】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第１フレーム（図３、１１）及び前記第２フレーム（図３、１２）が多角形である。
【００２３】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１６）が、前記第１及び第２フレーム（図３、１１／１２）と直角をなして接合する。
【００２４】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記フレーム支持体（図１、１３・１５／図３、１３〜１６）が、前記第１及び第２フレーム（図３、１１／１２）の角部において接合する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明であるカートリッジ構造の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、燃料電池の円筒型の燃料電池のスタック（燃料電池のセル及びそれに付属したガスの供給及び排気を行なう構成をここではスタックと呼ぶ）に適用したカートリッジ構造に関して例を示して説明するが、他の筒型構造を有する燃料電池にも適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００２６】
（実施例１）
本発明であるカートリッジ構造の第一の実施の形態の構成について、図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は、本発明であるカートリッジ構造の第一の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃料電池セル管としてのセルチューブ３、酸化剤供給部としての酸化剤供給室４、セル接合部６−１を有する第１管板としての管板Ａ６、セル接合部７−１を有する第２管板としての管板Ｂ７、ガス供給口８−１を有する供給室８、ガス排出口９−１を有する排出室９、第１支持体としての支持体Ａ１０-１、第２支持体としての支持体Ｂ１０-２、第１フレームとしてのフレームＡ１１（１１-１〜１１−４）、第２フレームとしてのフレームＢ１２（１２-１〜１２−４）、フレーム支持体Ａ１３、フレーム支持体Ｂ１４（図１に図示せず）、フレーム支持体Ｃ１５、フレーム支持体Ｄ１６（図１に図示せず）、供給室収容部１７、排出室収容部１８、接合部Ａ２５（２５-１〜２５-４）、接合部Ｂ２６（２６-１〜２６-２）とからなる。なお、図１の構成は、集電に関する構成について、省略している。
【００２８】
また、図２は、本発明であるカートリッジ構造の第一の実施の形態の構成に関わる図１の構成を模式的に示す図である。図１に示す構成に加えて、セルチューブ３の詳しい構造として、基体管２０上に燃料電池セル２１を複数個有する発電部２７を具備することが示されている。なお、図２の構成は、集電に関する構成について、省略している。
【００２９】
なお、本発明においては、図１又は図２に示す燃料電池スタックにおける構造（図示しないが、内部に含まれるものも含む、例えば、集電端子等の部材など）を燃料電池カートリッジ４０と呼ぶことにする。
【００３０】
図３は、本発明であるカートリッジ構造の第一の実施の形態の構成の内、フレーム構造を示す図である。
フレーム構造は、セル接合部６−１を有する第１管板としての管板Ａ６とガス供給口８−１を有する供給室収容部１７とを備える供給室８、セル接合部７−１を有する第２管板としての管板Ｂ７とガス排出口９−１を有する排出室収容部１８とを備える排出室９、供給室８側のフレームＡ１１（１１-１〜１１−４）、排出室９側のフレームＢ１２、フレーム支持体Ａ１３、フレーム支持体Ｂ１４、フレーム支持体Ｃ１５、フレーム支持体Ｄ１６、接合部Ａ２５（２５-１〜２５-４）、接合部Ｂ２６（２６-１〜２６-２）とからなる。なお、図３の構成は、集電に関する構成について、省略している。
【００３１】
燃料ガス１は、ガス供給口８−１から供給室８に供給される。次に、そこからセルチューブ３に進入し、セルチューブ３の内側を一方向へ進み、発電に寄与する。その後、排出燃料ガスとしての使用済みの燃料ガスは、排出室９に達し、外部へ排出される。燃料ガス１の流れは、セルチューブ３に沿った一方向（ワンスルー）であり、案内管は必要ない。
また、酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４へ進入する。そして、セルチューブ３の外側を進み、発電に寄与する。その後、排出酸化剤ガスとしての使用済み酸化剤ガス２は、セルチューブ３から離れ、酸化剤供給室４から排出される。
【００３２】
本発明では、まず図１及び図２において、燃料電池が横置きである。すなわち、燃料電池セル２１が形成された燃料電池セル管としてのセルチューブ３は横置きであり、支持体Ａ１０-１及び支持体Ｂ１０-２又は管板Ａ６及び管板Ｂ７によって、２点で支持されている。そして、供給室８側の管板Ａ６及び排出室９側の管板Ｂ７の２点でガスシールされている。すなわち、２点でセルチューブ３を支持し、シールを行なっている。また、供給室８と排気室９とが、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６（図３参照）により、一体化されている。そして、図１及び図２に示す燃料電池カートリッジ４０は、それら、供給室８、排気室９、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６、セルチューブ３、支持体Ａ１０-１、支持体Ｂ１０-２により、燃料電池で発電を行なう一つのユニットを構成している（ただし、集電部品を除く）。
【００３３】
更に、図３において、図１及び図２に示す燃料電池カートリッジ４０を構成するフレーム構造は、フレームＡ１１（１１-１〜１１−４）及びフレームＢ１２（１２-１〜１２−４）とフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６とが構成する直方体形状の骨組みで示される。この内、セルチューブ３の長手方向と平行に設置されたフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６は、セルチューブ３と同じ熱膨張係数である。従って、熱によるセルチューブ３の伸縮に対応して、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６が同様の大きさの伸縮をするため、セルチューブ３に無理な熱応力がかからない。そのため、セルチューブ３やその周辺部における損傷が起こり難く、燃料電池カートリッジ４０の信頼性が向上する。
【００３４】
また、燃料電池を、燃料電池カートリッジ４０の集合体として構成すれば（例えば、燃料電池カートリッジ４０を、収容容器に複数重ねて並べて収納する）、複数ある燃料電池カートリッジ４０単位で、燃料電池の脱着を行なうことが可能となる。そして、燃料電池カートリッジ４０を出し入れすることにより容易に燃料電池の発電電力量を増減することや、故障した燃料電池の属する燃料電池カートリッジ４０を交換又は取り外すことにより容易に修理を完了することができ、残りの燃料電池を安全に運転できる。
【００３５】
以下に各構成を詳細に説明する。
まず、図１、図５を参照して、燃料電池の１つのカートリッジ構造（燃料電池カートリッジ４０）の構成について説明する。
【００３６】
燃料電池セル管としてのセルチューブ３は、多孔質セラミックスの基体管の外周面に燃料電池セル２１を形成された、燃料電池を構成する円筒型の管である。セルチューブ３は、第１端部としての一端部を供給室８（後述）に、第２端部としての他端部を排出室９（後述）にそれぞれ接合（嵌合）され、支持されている。そして、一端部が供給室８（後述）と、他端部が排出室９（後述）とガスの出入りが出来るように開放されている。内部に、従来の技術の例にある案内管を含まず、構造が簡略化して部品点数が減少している。材質は、安定化ジルコニアである。
基体管の長手方向の一定の幅毎に、外周面上に燃料極、電解質、空気極が順に積層（図示せず）され、燃料電池セル２１（後述）を形成している。それぞれの燃料電池セル２１同士は、インタコネクタ膜（図示せず）で接合されている。燃料ガス１が、セルチューブ３の一端よりセルチューブ３の内部に供給され、基体管の厚み方向に孔中を拡散し燃料極に達することが可能であり、セルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２と共に発電に寄与する。
【００３７】
供給室８は、セルチューブ３の一端部にあり、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。燃料ガス１（後述）の供給を受けるためのガス供給口８−１を有する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合もある。一方の面は管板Ａ６（後述）であり、セルチューブ３が取付けられている。残りは、供給室収容部１７である。また、セルチューブ３は、供給室８に入った燃料ガス１がセルチューブ３へ供給されるように管板Ａ６に連結され、開放され接合されている。複数存在する各セルチューブ３へ、均等に燃料ガス１を供給する、ニッケル、ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００３８】
第１管板としての管板Ａ６は、供給室８の一方の側面の板であり、セルチューブ３を接合するための孔が（セルチューブ３の数だけ）開口している。セルチューブ３に、セルチューブ３の一端部でガスの出入りが出来るように連結され、開放されて接合されている。接合部分は、管板Ａ６とセルチューブ３との隙間からガスをリークさせないために、かつ、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、薄い金属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。その際、片側が酸化雰囲気でもあることから、ステンレスや耐熱合金などの耐酸化性の部材を使用する。セルチューブ３と管板Ａ６との接合部であるセル接合部６−１では、セルチューブ３を支持する役割もある。必要に応じて、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、セル接合部６−１でのリークを完全に抑えるようにする。なお、薄い金属板の形状を長期間安定的に維持する為に、薄い金属板の周囲（縁部）を強固な金属製のフレームＡ１１（１１-１〜１１−４）（後述）で囲っている。
【００３９】
図５（ａ）に、管板Ａ６の正面図（図１において供給室８側又は排出室９側から見た図）を示す。図１は、断面図であるので、管板Ａ６が小さく区切られて見えるが、図５（ａ）に示すように一体の部材である。図５（ａ）では、例として、管板Ａ６は縦３個×横３個の合計９個のセルチューブ３用の孔（セル接合部６−１）が開口した、縦３本×横３本の合計９本のセルチューブ３を有する燃料電池カートリッジ４０用の管板Ａ６を示している。ただし、本発明が、９本のセルチューブ３による燃料電池カートリッジ４０に限られるものではない。
【００４０】
供給室収容部１７は、供給室８における一側面である管板Ａ６を除く部分である。本実施例では、直方体形状の供給室８の一側面を除いた他の五つの側面を有する部材である。ただし、それに加えて管板Ａ６との接合を行うための糊しろの部分（接着、ねじ止め、溶接などを行なう部分、以下同じ）を有する。管板Ａ６とそのフレームＡ１１（１１-１〜１１−４）（後述）において、ガスがリークしないように接合している。また、一側面にガス供給口８−１を有する。ニッケル、ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００４１】
排出室９は、セルチューブ３の他端部にあり、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。排出燃料ガスとしての使用済み燃料ガス１（後述）の排出を行なうためのガス排出口９−１を有する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合もある。一方の面は管板Ｂ７（後述）であり、セルチューブ３が取付けられている。残りは、排出室収容部１８である。セルチューブ３は、セルチューブ３から排出される使用済み燃料ガス１を収集可能なように管板Ｂ７に連結され、開放され接合されている。ニッケル、ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００４２】
第２管板としての管板Ｂ７は、排出室９の一方の面の板であり、セルチューブ３を接続するための孔が（セルチューブ３の数だけ）開口している。セルチューブ３に、セルチューブ３の他端部でガスの出入りが出来るように連結され、開放されて接合されている。接合部分は、管板Ｂ７とセルチューブ３との隙間からガスをリークさせないために、かつ、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、薄い金属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。その際、片側が酸化雰囲気でもあることから、ステンレスや耐熱合金などの耐酸化性の部材を使用する。セルチューブ３と管板Ｂ７との接合部であるセル接合部７−１では、セルチューブ３を支持する役割もある。必要に応じて、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、セル接合部７−１でのリークを完全に抑えるようにする。なお、薄い金属板の形状を長期間安定的に維持する為に、薄い金属板の周囲（縁部）を強固な金属製のフレームＢ１２（１２-１〜１２−４）（後述）で囲っている。
また、管板Ｂ７の正面図は、管板Ａ６の図５（ａ）と同様であるので、省略する。
【００４３】
排出室収容部１８は、排出室９における一側面である管板Ｂ７を除く部分である。本実施例では、直方体形状の排出室９の一側面を除いた他の五つの側面を有する部材である。ただし、それに加えて管板Ｂ７との接合を行うための糊しろの部分を有する。管板Ｂ７とそのフレームＢ１２（１２-１〜１２−４）（後述）において、ガスがリークしないように接合している。また、一側面にガス排出口９−１を有する。ニッケル、ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００４４】
酸化剤供給部としての酸化剤供給室４は、管板Ａ６（フレームＡ１１を含む）と管板Ｂ７（フレームＢ１２を含む）とフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６とが構成する直方体形状の領域である。この領域の管板Ａ６及び管板Ｂ７を除く直方体形状の側面部分を、金属やセラミックスの板により覆っている場合もある。供給室８（の管板Ａ６）と排出室９（の管板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。そして、セルチューブ３に酸化剤ガス２を供給する室である。酸化剤ガス２（後述）の供給を受けるための酸化剤ガス供給口及び排出酸化剤ガスとしての使用済み酸化剤ガス２の排出を行なうための酸化剤ガス排出口を有する場合もある。内部の管板Ａ６及び管板Ｂ７の近傍に、支持体Ａ１０−１（管板Ａ６側）及び支持体Ｂ１０−２（管板Ｂ７側）を、主にフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６により固定している。
【００４５】
支持体１０は、供給室８側の支持体Ａ１０−１及び排出室９側の支持体Ｂ１０−１がある。
支持体Ａ１０−１は、管板Ａ６の近傍であって、供給室８の外側の酸化剤供給室４内に、主にフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６により固定されている。そして、セルチューブ３をその下方部分において支持している。また、セルチューブ３の発電部２７側の熱を遮断し、管板Ａ６あるいはセルチューブ３と管板Ａ６との接合部であるセル接合部６−１について、熱的に保護する。材料としては、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする多孔体などである。
【００４６】
図５（ｂ）に、支持体Ａ１０−１の正面図（図１において供給室８側又は排出室９側から見た図）を示す。図１は、断面図であるので、支持体Ａ１０−１が小さく区切られて見えるが、図５（ｂ）に示すように一体の部材である。図５（ｂ）では、例として、支持体Ａ１０は、縦３個×横３個の合計９個のセルチューブ３用の孔が開口した、縦３本×横３本の合計９本のセルチューブ３を有する燃料電池カートリッジ４０用の支持体Ａ１０を示している。
また、セル支持部１０−３の直径は、セルチューブ３、セル接合部６−１の直径よりもやや大きい。セルチューブ３とセル支持部１０−３との隙間を酸化剤ガス２が通過できるようにするためである。それと同時に、熱などによるセルチューブ３のずれ、セルチューブ３の受ける振動及び衝撃に関する予測に基づいて、セルチューブ３に無理な力がかからないためでもある。
【００４７】
支持体Ｂ１０−２は、管板Ｂ７の近傍であって、排出室９の外側の酸化剤供給室４内に、主にフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６により固定されている。そして、セルチューブ３をその下方部分において支持している。また、セルチューブ３の発電部２７側の熱を遮断し、管板Ｂ７あるいはセルチューブ３と管板Ｂ７との接合部であるセル接合部７−１について、熱的に保護する。材料としては、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする多孔体などである。なお、セル支持部１０−４を有する支持体Ｂ１０−２の正面図は、支持体Ａ１０−１の図５（ｂ）と同様であるので、図示及びその説明を省略する。
【００４８】
なお、フレームＡ１１（１１-１〜１１−４）、フレームＢ１２（１２-１〜１２−４）、フレーム支持体Ａ１３、フレーム支持体Ｂ１４（図１に図示せず）、フレーム支持体Ｃ１５、フレーム支持体Ｄ１６（図１に図示せず）、接合部Ａ２５（２５-１〜２５-４）、接合部Ｂ２６（２６-１〜２６-２）については、後述（図３において説明）する。
【００４９】
次に、図３を参照して、図１及び図２に示す燃料電池カートリッジ４０を構成するフレーム構造について説明する。
第１フレームとしてのフレームＡ１１は、フレームＡ１１-１〜フレームＡ１１−４の４つの部分からなる。長方形形状の管板Ａ６の強度を、管板Ａ６の縁部において補強する、金属又はセラミックス製のフレームである。管板Ａ６の縁部において、管板Ａ６と溶接、ボルト締めなどにより接合されている。そして、供給室収容部１７と、一緒になって直方体形状の供給室８を形成するように接合されている。
【００５０】
フレームＡ１１−１は、その一端部でフレームＡ１１−２の一端部と直角に接合している。フレームＡ１１−２は、その他端部でフレームＡ１１−３の一端部と直角に接合している。フレームＡ１１−３は、その他端部でフレームＡ１１−４の一端部と直角に接合している。フレームＡ１１−４は、その他端部でフレームＡ１１−１の他端部と直角に接合している。そして、全体が長方形の額縁のような形状をなしている。
【００５１】
フレームＡ１１−１とフレームＡ１１−２とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ａ１３が両フレームＡ１１と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−１（後述）である。フレームＡ１１−２とフレームＡ１１−３とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ｃ１５が両フレームＡ１１と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−２（後述）である。フレームＡ１１−３とフレームＡ１１−４とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ｄ１６が両フレームＡ１１と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−３（後述）である。フレームＡ１１−４とフレームＡ１１−１とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ｂ１４が両フレームＡ１１と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−４（後述）である。
【００５２】
第２フレームとしてのフレームＢ１２は、フレームＢ１２-１〜フレームＢ１２−４の４つの部分からなる。長方形形状の管板Ｂ７の強度を、管板Ｂ７の縁部において補強する、金属又はセラミックス製のフレームである。管板Ｂ７の縁部において、管板Ｂ７と溶接、ボルト締めなどにより接合されている。そして、排出室収容部１８と、一緒になって直方体形状の排出室９を形成するように接合されている。
【００５３】
フレームＢ１２−１は、その一端部でフレームＢ１２−２の一端部と直角に接合している。フレームＢ１２−２は、その他端部でフレームＢ１２−３の一端部と直角に接合している。フレームＢ１２−３は、その他端部でフレームＢ１２−４の一端部と直角に接合している。フレームＢ１２−４は、その他端部でフレームＢ１２−１の他端部と直角に接合している。そして、全体が長方形の額縁のような形状をなしている。
【００５４】
フレームＢ１２−１とフレームＢ１２−２とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ａ１３が両フレームＢ１２と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−１（後述）である。フレームＢ１２−２とフレームＢ１２−３とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ｃ１５が両フレームＢ１２と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−２（後述）である。フレームＢ１２−３とフレームＢ１２−４とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ｄ１６が両フレームＢ１２と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−３（後述）である。フレームＢ１２−４とフレームＢ１２−１とが形成する直角部分には、フレーム支持体Ｂ１４が両フレームＢ１２と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−４（後述）である。
【００５５】
フレーム支持体Ａ１３は、フレームＡ１１とフレームＢ１２と接合している、両フレームを支持するセラミックス又は金属製の棒である。その熱膨張係数は、セルチューブ３（あるいは後述の基体管）の熱膨張係数と同一あるいはほぼ同一である。フレーム支持体Ａ１３は、その第３端部としての一端部を、フレームＡ１１−１とフレームＡ１１−２とが形成する直角部分において、両フレームＡ１１と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−１（後述）である。一方、フレーム支持体Ａ１３は、その第４端部としての他端部を、フレームＢ１２−１とフレームＢ１２−２とが形成する直角部分において、両フレームＢ１２と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−１（後述）である。
【００５６】
フレーム支持体Ｂ１４は、フレームＡ１１とフレームＢ１２と接合している、両フレームを支持するセラミックス又は金属製の棒である。その熱膨張係数は、セルチューブ３（あるいは後述の基体管）の熱膨張係数と同一あるいはほぼ同一である。フレーム支持体Ｂ１４は、その第３端部としての一端部を、フレームＡ１１−４とフレームＡ１１−１とが形成する直角部分において、両フレームＡ１１と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−４（後述）である。一方、フレーム支持体Ｂ１４は、その第４端部としての他端部を、フレームＢ１２−４とフレームＢ１２−１とが形成する直角部分において、両フレームＢ１２と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−４（後述）である。
【００５７】
フレーム支持体Ｃ１５は、フレームＡ１１とフレームＢ１２と接合している、両フレームを支持するセラミックス又は金属製の棒である。その熱膨張係数は、セルチューブ３（あるいは後述の基体管）の熱膨張係数と同一あるいはほぼ同一である。フレーム支持体Ｃ１５は、その第３端部としての一端部を、フレームＡ１１−２とフレームＡ１１−３とが形成する直角部分において、両フレームＡ１１と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−２（後述）である。一方、フレーム支持体Ｃ１５は、その第４端部としての他端部を、フレームＢ１２−２とフレームＢ１２−３とが形成する直角部分において、両フレームＢ１２と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−２（後述）である。
【００５８】
フレーム支持体Ｄ１６は、フレームＡ１１とフレームＢ１２と接合している、両フレームを支持するセラミックス又は金属製の棒である。その熱膨張係数は、セルチューブ３（あるいは後述の基体管）の熱膨張係数と同一あるいはほぼ同一である。フレーム支持体Ｄ１６は、その第３端部としての一端部を、フレームＡ１１−３とフレームＡ１１−４とが形成する直角部分において、両フレームＡ１１と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ａ２５−３（後述）である。一方、フレーム支持体Ｄ１６は、その第４端部としての他端部を、フレームＢ１２−３とフレームＢ１２−４とが形成する直角部分において、両フレームＢ１２と直角をなすように接合している。接合部は、接合部Ｂ２６−３（後述）である。
【００５９】
フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６は、同一の熱膨張係数を有し、その値は、セルチューブ３（あるいは基体管２０（後述））の熱膨張係数と同一（あるいはほぼ同一）である。本実施例のセルチューブ３では、熱膨張係数（線膨張係数）＝約１．０×１０^−５／Ｋである。材質としては、セルチューブ３の基体管２０（後述）と同一の材料である安定化ジルコニア、ＭｇＯ−ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアスピネル）、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）などが適用できる。より好ましくは、安定化ジルコニアである。
【００６０】
フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６は、フレームＡ１１とフレームＢ１２と共に、直方体形状のフレームを構成する。そして、温度変化に伴い伸縮するが、全体が同じ温度であれば、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６は、同じ長さを保って伸縮する。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６は、フレームＡ１１及びフレームＢ１２に接合し、フレームＡ１１及びフレームＢ１２は、管板Ａ６及び管板Ｂ７と接合し、管板Ａ６及び管板Ｂ７は、セルチューブ３に接合し、それを保持している。従って、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６の伸縮は、セルチューブ３に影響を与える。しかし、どちらの熱膨張係数も同一（又はほぼ同一、概ね同一）であるので、相互に無理な応力が発生するような影響を及ぼし合うことはない。
【００６１】
ここで、熱膨張係数が、「ほぼ同一」、あるいは、「概ね同一（概ね等しい）」とは、全く同一でない（少しの相違がある）場合でも、使用する温度範囲（ここでは、常温〜１０００℃の範囲）において、熱膨張係数の相違が僅かである場合をいう。すなわち、温度変化に熱膨張係数を掛けて求まる熱による部材の伸縮変化の大きさが小さいので、それに伴い各部材において発生する応力も僅かであるような場合である。その場合には、本発明における技術的思想の範囲である。そして、実際の装置の運用上、信頼性の問題は発生しない。
【００６２】
接合部Ａ２５は、フレームＡ１１とフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６とを接合する接合部である。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６に対応して、接合部Ａ２５−１〜接合部Ａ２５−４がある。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６の端部にねじ（おねじ）を切っておき、フレームＡ１１の角部に孔を開口し、そこにねじを切ったフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６の端部を入れ、フレームＡ１１の両側からナット（めねじ）で締めつける。
【００６３】
接合部Ｂ２６は、フレームＢ１２とフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６とを接合する接合部である。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６に対応して、接合部Ｂ２６−１〜接合部Ｂ２６−４がある。フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６の端部にねじ（おねじ）を切っておき、フレームＢ１２の角部に孔を開口し、そこにねじを切ったフレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６端部を入れ、フレームＢ１２の両側からナット（めねじ）で締めつける。
【００６４】
次に、図４を参照して、管板Ａ６とセルチューブ３との接合部分について説明する。
基体管２０とリード膜２２と燃料電池セル２１と発電部２７と集電部２４を有するセルチューブ３と、セル接合部６−１を有する管板Ａ６と、セル支持部１０−３を有する支持体Ａ１０-１と、充填材２３とからなる。
【００６５】
管板Ａ６は、セルチューブ３を通す孔の部分が、ガスシールを行なうガス接合部６−１を形成する。管板Ａ６のセルチューブ３を通す孔の直径を、セルチューブ３の直径より、やや小さくする。すなわち、図４で示すように管板Ａ６の孔部にセルチューブ３を通した時、管板Ａ６の孔部の内周部分が、セルチューブ３を通した方向に内側に変形し、セルチューブ３の外周部と管板Ａ６の孔部の内周部分が密着する程度である。セルチューブ３を通すに当たっては、深絞り加工などのプレスにより事前に通し易くしておく。管板Ａ６の孔部の内周部分は、セルチューブ３と密接する際、酸化剤供給室４側への湾曲に伴う管板Ａ６の孔部の内周部分の弾性力により密着し、ガスシール性を発揮する。それと同時に、管板Ａ６は、ステンレスなどの薄い金属の板を使用しているので、その弾性力により可動性、振動及び衝撃吸収性が発揮される。すなわち、管板Ａ６（薄い金属板）は、その伸縮自在性により、上下方向に可動である他、前後左右の横方向や、斜め上下方向にもある程度の範囲まで可動である。
管板Ａ６の他の部分は図１で説明した管板Ａ６と同一であるのでその説明は省略する。
【００６６】
充填材２３は、セルチューブ３と管板Ａ６の孔部とが接触する付近の隙間がある可能性がある領域に充填されるガスシール材である。その隙間を埋め、供給室８の燃料ガス１と、酸化剤供給室４の酸化剤ガス２との間をガスシールする。セルチューブ３を管板Ａ６に通す時にグランドパッキンを施工しておく方法や、その周辺の最高使用温度に合わせてハンダを行なう方法、最高使用温度がそれほど高く無い場合に樹脂などを埋め込む方法などが使用できる。
【００６７】
支持体Ａ１０−１がセルチューブ３を支持している個所であるセル支持部１０−３に隙間があるのは、セル支持部１０−３の直径が、酸化剤ガス２を通過させる場合を考えていること及びセルチューブ３の位置のずれを許容できるようにするためである。その場合、セルチューブ３の支持は、基本的には管板Ａ６のセル接合部６−１で行なう。そして、補助的に、支持体１０において、支持する。例えば、セルチューブ３から見て下側のセル支持部１０−３の面に、酸化剤ガス２の通過の大きな妨げにならない部材を入れる。部材の例としては、ガラスウールや石綿のような耐熱性で変形容易な（あるいは弾性体のような性質を持つ）材料をその隙間に埋め込む、気孔率の高いセラミックス多孔体の小片を入れ込むなどで実施可能である。支持体Ａ１０−１のその他の詳細は図１における説明の通りであるので省略する。
【００６８】
基体管２０は、燃料電池セル管としてのセルチューブ３の燃料電池セル２１や、発電部２７、リード膜２２、集電部２４（全て後述）などが形成される際の基板となる基体管である。セラミックス製の多孔質である筒型の管である。内部を流れる燃料ガスが、側面（壁面）を径方向に拡散し、基体管２０の外周部に形成された燃料電池セル２１に達することが可能である。
【００６９】
リード膜２２は、複数の燃料電池セル２１で発電した直流電力の一方の極を集電部２４（又は排出室９側の集電部）へ引き出すための引き出し線の役割をする膜である。膜保護のため、上部に保護膜（金属の酸化物などの気密絶縁膜）が積層されている。基体管２０の外周部の発電部２７のうち、最も一端部寄りの燃料電池セル２１と接続している。そして、リード膜２２は、その燃料電池セル２１から基体管２０の外周部をその一端部まで延びている。周方向の幅は、発電する電力の大きさとそのリード膜２２の厚みにより、抵抗が十分低くなるように設定する。発電基体管全面であっても、ある特定の幅であってもよい。
【００７０】
燃料電池セル２１は、セルチューブ３の外周面上に燃料極、電解質、空気極が順に積層（図示せず）された燃料電池のセルである。それぞれの燃料電池セル２１同士は、インタコネクタ膜（図示せず）で直列に接合されている。セルチューブ３の内側から拡散してくる燃料ガス１と、セルチューブ３の外側から供給される酸化剤ガス２とにより、発電が行なわれる。
【００７１】
発電部２７は、燃料電池セル２１を複数個有し、それらが直列接続しているセルチューブ３上の発電領域である。燃料電池運転時には、燃料電池セル２１の発電に伴い、発熱し高温になっている。
【００７２】
集電部２４は、発電部２７で発電された電力を取り出すための端子を取付ける部分である。本実施例（図面中）では、省略している。電力の取出しは、この集電部２４と排出室９側の集電部とにより行なう。例えば、集電部２４については、そこに金属線を取り付けて引き出し、供給室８の壁面から絶縁体を介して（供給室８と接触しないようにして）外部へ延ばす。そして、そこから電力を取出す。
【００７３】
なお、排出室９側のセルチューブ３と管板Ｂ７との接合部周辺については、管板が管板Ｂ７を用いている点が図４と異なるが、その他の構成は図４と同様であるので、その説明は省略する。
【００７４】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン等を含むガスと水蒸気との混合ガスである。
また、酸化剤ガス２は、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００７５】
では、本発明であるカートリッジ構造の第一の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図１及び図２を参照して、このような構成をなす燃料電池において、供給室８内に水蒸気を含む水素やメタンなどの燃料ガス１がガス供給口８−１から供給される。燃料ガス１は、セルチューブ３の一端部から、ばらつきの無い流量で流入する。そして、セルチューブ３内を排出室９側へ向けて流れる。
【００７６】
一方、酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４に供給される。そして、支持体Ａ１０−１と支持体Ｂ１０−２とに挟まれ形成された領域（セルチューブ３の発電部２７のある領域）を移動する。そして、概ね各セルチューブ３の外周部に沿って移動する。
【００７７】
燃料ガス１は、セルチューブ３を進み、セルチューブ３の発電部２７において、その壁面（側面）内部へ壁面の外側に向かって拡散し、燃料電池セル２１の燃料極であるアノードに達する。一方、酸化剤ガス２は、セルチューブ３の外周面に沿って進み、セルチューブ３の発電部２７において、燃料電池セル２１の空気極であるカソード側に達する。そして、燃料電池セル２１において、燃料ガス１と酸化剤ガス２との電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【００７８】
発電の際、燃料電池セル２１では、その特性に基づいた、ある大きさの電力が発生すると共に、電気エネルギーに変換されなかったエネルギーが熱エネルギーとなって放出される。熱エネルギーの原因としては、抵抗分極（電極、電解質、インタコネクタ等に関する電気抵抗損）、活性化分極（電極反応に関わる活性化エネルギー）、拡散分極（発電時のガス濃度分布によるポテンシャルロス）等である。その発熱のエネルギーは、燃料電池セル２１及びその近傍の温度を、燃料電池セル２１の動作温度である９００℃〜１０００℃に維持するのに用いられる。
【００７９】
発熱により温度変化しているセルチューブ３は、常温での長さに比べて長く延びる。例えば、常温で１ｍの長さのセルチューブ３（熱膨張係数１．０×１０^{− ５}／Ｋ）は、９００℃では、１×９００×１．０×１０^−５＝９×１０^{− 3}ｍ＝９ｍｍ 程度延びる。従って、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６も同程度に延びないと、接合部Ａ２５及び接合部Ｂ２６や、フレームＡ１１及びフレームＢ１２、管板Ａ６及び管板Ｂ７、セル接合部６−１及びセル接合部７−１に無理な力がかかり、セラミックス部品の破損、ガスリーク、などにより発電に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００８０】
しかし、本発明により、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６はセルチューブ３と同様の熱膨張係数を有している。従って、各温度域において、同一の熱膨張を起こすので、温度に依らず、上述の各部に無理な力がかからない。すなわち、部品の破損やガスリーク、などが起きることは無く、燃料電池の運転の信頼性が向上する。特に、セルチューブ３と同一の安定化ジルコニアを用いた場合には、全く同一の熱膨張となる。
【００８１】
なお、使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３の他端部に達し、そこから排出室９へ移動する。そして、排出室９に入った燃料ガス１は、ガス排出口９−１か排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４から外部へ排出される。
【００８２】
以上のプロセスにより、燃料電池における発電が行なわれるセルチューブ３の発電部２７の温度が変化しても、フレーム支持体Ａ１３〜フレーム支持体Ｄ１６がセルチューブ３と同じ熱膨張係数なので、セルチューブ３に無理な力がかからない。従って、機械的、構造的な安定性が高まり、燃料電池としての信頼性が向上する。
【００８３】
また、ガスは、一方向に流れるだけで良いので、案内管１２を用いる必要が無く、セルチューブ３及びその周辺部分の構造を簡単にすることが出来る。すなわち、部品点数を減らすことが出来、コストの削減につながる。加えて、部品点数が減ることにより、部品相互で拘束し合う関係が減少する為、設計の自由度の向上や部品の破損等の問題が減り、全体としての信頼性の向上にもつながる。
【００８４】
（実施例２）
以下、本発明であるカートリッジ構造の第二の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００８５】
図６は、本発明であるカートリッジ構造の第二の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃料電池は、燃料電池セル管としてのセルチューブ３、酸化剤ガス供給口４−１及び酸化剤ガス排出口４−２を有する酸化剤供給部としての酸化剤供給室４、セル接合部６−１を有する第１管板としての管板Ａ６、セル接合部７−１を有する第２管板としての管板Ｂ７、ガス供給口８−１を有する供給室８、ガス排出口９−１を有する排出室９、第１支持体としての支持体Ａ１０−１、第２支持体としての支持体Ｂ１０−２、供給室収容部１７、排出室収容部１８、下部断熱部３２、下部固定部３３、上部断熱部３４、上部固定部３５、低温燃料管３６−１と燃料供給管３６−２と燃料排出管３６−３と高温燃料管３６−４と燃料出口管３６−５と燃料入口管３６−６とを有する第１熱交換器としての燃料熱交換器３６、低温酸化剤供給管３７−１と酸化剤排出管３７−２と酸化剤供給口３７−３と高温酸化剤排出管３７−４とを有する第２熱交換器としての酸化剤熱交換器３７、容器フランジ４３、容器断熱部４４、支持体移動部としての燃料電池支持部４５及び支持体車輪４６、移動補助部としての支持体レール４８、酸化剤保持室４７からなる。なお、図６の構成は、集電に関する構成について、省略している。
【００８６】
また、図７は、本発明であるカートリッジ構造の第二の実施の形態の構成に関わる燃料電池部分の詳細を示す図である。燃料電池は、燃料電池セル２１を複数個有する発電部２７を具備するセルチューブ３、酸化剤ガス供給口４−１及び酸化剤ガス排出口４−２を有する酸化剤供給室４、管板Ａ６、管板Ｂ７、ガス供給口８−１を有する供給室８、ガス排出口９−１を有する排出室９、支持体Ａ１０−１、支持体Ｂ１０−２、供給室収容部１７、排出室収容部１８、下部断熱部３２、下部固定部３３、上部断熱部３４、上部固定部３５、低温燃料管３６−１と燃料供給管３６−２と燃料排出管３６−３と高温燃料管３６−４と燃料出口管３６−５と燃料入口管３６−６とを有する燃料熱交換器３６、低温酸化剤供給管３７−１と酸化剤排出管３７−２と酸化剤供給口３７−３と高温酸化剤排出管３７−４とを有する酸化剤熱交換器３７、フレーム支持体Ａ１３、フレーム支持体Ｂ１４、フレーム支持体Ｃ１５（図１に図示せず）、フレーム支持体Ｄ１６からなる。なお、図７の構成は、集電に関する構成について、省略している。
【００８７】
なお、本発明においては、収容容器５０（後述）内に、燃料電池カートリッジ４０を複数集めて収納した構成を燃料電池カートリッジ部４１と呼ぶこととする。
【００８８】
図８は、本発明であるカートリッジ構造の第二の実施の形態の構成を示す図である。図７で示す料電池の他に、燃料処分管３８、燃料導入管３９、収容容器５０、容器脚部５１（容器脚部５１−１〜容器脚部５１−４、ただし図面上では容器脚部５１−１及び容器脚部５１−２のみ表示されている）、側板としての容器外蓋４２（図３手前側は容器外蓋４２−１、奥側は容器外蓋４２−２、ただし図面上では容器外蓋４２−２のみ表示されている）、容器フランジ４３（図８手前側は容器フランジ４３−１、奥側は容器フランジ４３−２）、容器断熱部４４、支持体移動部としての燃料電池支持部４５及び支持体車輪４６、移動補助部としての支持体レール４８、容器筒部４９からなる。
【００８９】
燃料ガス１は、収容容器５０の外部から進入し、燃料導入管３９から燃料熱交換器３６の燃料入口管３６−６を経由して燃料熱交換器３６へ入る。そして、低温燃料管３６−１で、使用済みの燃料ガス１の排出ガスと熱交換を行ない高温となり、燃料供給管３６−２を経由してガス供給口８−１から供給室８に供給される。次に、そこからセルチューブ３に進入し、セルチューブ３の内側を一方向へ進み、発電に寄与する。その後、排出燃料ガスとしての使用済みの燃料ガスは、排出室９に達し、ガス排出口９−１から燃料排出管３６−３を経由して高温燃料管３６−４に入る。そして、そこで新しい燃料ガス１と熱交換をして低温となり、燃料出口管３６−５を経由して燃料処分管３８から収容容器５０の外部へ排出される。燃料ガス１の流れは、セルチューブ３に沿った一方向（ワンスルー）であり、案内管は必要ない。
【００９０】
また、酸化剤ガス２は、収容容器５０の外部から進入し、酸化剤熱交換器３７の低温酸化剤供給管３７−１において使用済みの酸化剤ガス２の排出ガスと熱交換を行ない高温となる。次に、酸化剤供給口３７−３から酸化剤保持室４７に入り、酸化剤ガス供給口４−１より酸化剤供給室４へ進入する。そして、セルチューブ３の外側をセルチューブ３に沿ってへ進み、セルチューブ３の中心付近から、セルチューブ３から離れ、酸化剤ガス排出口４−２より酸化剤供給室４から排出される。排出酸化剤ガスとしての使用済み酸化剤ガス２は、酸化剤排出管３７−２を経由し、高温酸化剤排出管３７−４において新しい酸化剤ガス２と熱交換を行ない、低温となり、収容容器５０の外部へ排出される。
【００９１】
本発明では、まず図６及び図７において、燃料電池が横置きである。すなわち、燃料電池セルが形成された燃料電池セル管としてのセルチューブ３は横置きであり、支持体Ａ１０−１及び支持体Ｂ１０−２又は管板Ａ６及び管板Ｂ７によって、２点で支持されている。そして、供給室８側の管板Ａ６及び排出室９側の管板Ｂ７の２点でガスシールされている。すなわち、２点でセルチューブ３を支持し、シールを行なっている。
【００９２】
更に、図８において、図７に示す燃料電池カートリッジ４０が、収容容器５０の長手方向に複数重ねて並べられて収納されている。そして、燃料電池カートリッジ４０を収納している部分は支持体車輪４６がついている。従って、収容容器５０の蓋を外した後、支持体レール４８（伸縮可能）を手前に引き出すことにより、支持体レール４８上を手前に容易に引き出すことが可能である。そして、複数ある燃料電池カートリッジ４０のどれか一つあるいは複数をきわめて容易に取り出すことが可能となる。
また、収容容器５０の大きさの範囲内において、燃料電池カートリッジ４０を出し入れすることにより、容易に燃料電池の発電電力量を増減することが可能となる。また、故障した燃料電池の属する燃料電池カートリッジ４０を交換又は取り外すことにより、容易に修理を完了することができ、残りの燃料電池を安全に運転できる。
【００９３】
以下に各構成を詳細に説明する。
まず、図６、図５を参照して、燃料電池の１つのカートリッジ構造（燃料電池カートリッジ４０）の構成について説明する。
【００９４】
酸化剤供給部としての酸化剤供給室４は、管板Ａ６と管板Ｂ７と上部固定部３５（上部断熱部３４を含む）と下部固定部３３（下部断熱部３２を含む）と隣接する手前側と奥側の他の燃料電池カートリッジ４０の側壁部（図示せず、２枚の金属又はセラミックスの板）とで囲まれた領域である。ただし、側壁部は無くても良い。供給室８（の管板Ａ６）と排出室９（の管板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。すなわち、セルチューブ３に酸化剤ガス２を供給する室である。酸化剤ガス２（後述）の供給を受けるための酸化剤ガス供給口４−１及び排出酸化剤ガスとしての使用済み酸化剤ガス２の排出を行なうための酸化剤ガス排出口４−２を有する。酸化剤ガス供給口４−１は、酸化剤供給室４の管板Ａ６と接する側と、管板Ｂ７と接する側とに、それぞれ２箇所づつあり、酸化剤保持室４７に接続している。酸化剤ガス排出口４−２は、酸化剤供給室４の下部中央にあり、酸化剤排出管３７−２に接続している。内部の管板Ａ６及び管板Ｂ７の近傍に、支持体Ａ１０−１（管板Ａ６側）及び支持体Ｂ１０−２（管板Ｂ７側）を固定している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００９５】
酸化剤ガス２は、４箇所の酸化剤ガス供給口４−１から酸化剤供給室４に入り、支持体Ａ１０−１と管板Ａ６とで形成された空間（隙間）又は支持体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Ａ１０−１との隙間又はセルチューブ３と支持体Ｂ１０−２との隙間から、セルチューブ３の外周面に沿って、セルチューブ３の中央（酸化剤供給室４の中央）側へ進む。そして、セルチューブ３の中央（酸化剤供給室４の中央）部付近から、その流れを下向き（酸化剤ガス排出口４−２の向き）に変え、酸化剤ガス排出口４−２から排出される。
【００９６】
支持体Ａ１０−１は、管板Ａ６の近傍であって、供給室８の外側の酸化剤供給室４内に固定されている。そして、セルチューブ３上の端部の近傍において、管板と共に酸化剤ガス２の流路を形成している。そして、セルチューブ３をその下方部分において支持している。その他の支持体Ａ１０−１の構成及び機能は、実施例１と同じなのでその説明を省略する。
【００９７】
支持体Ｂ１０−２は、管板Ｂ７の近傍であって、排出室９の外側の酸化剤供給室４内に固定されている。そして、セルチューブ３上の端部の近傍において、管板と共に酸化剤ガス２の流路を形成している。そして、セルチューブ３をその下方部分において支持している。その他の支持体Ａ１０−１の構成及び機能は、実施例１と同じなのでその説明を省略する。
【００９８】
燃料電池セル管としてのセルチューブ３、第１管板としての管板Ａ６、第２管板としての管板Ｂ７、供給室８、排出室９は、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００９９】
管板Ａ６とセルチューブ３との接合部分は、図４に示した通りである。これら管板Ａ６、支持体Ａ１０−１、基体管２０、リード膜２２、燃料電池セル２１、発電部２７及び集電部２５は、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【０１００】
なお、排出室９側のセルチューブ３と管板Ｂ７との接合部周辺については、管板が管板Ｂ７を用いている点が図４と異なるが、その他の構成は図４と同様であるので、その説明は省略する。
【０１０１】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン等を含むガスと水蒸気との混合ガスである。
また、酸化剤ガスは、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【０１０２】
次に、図７を参照して、燃料電池の１つの燃料電池カートリッジ４０の構造に関わる燃料ガス１及び酸化剤ガス２の流路の構成について説明する。本図面においては、集電に関する構成（燃料電池セル２１を含む）について、省略している。
【０１０３】
まず、燃料ガス１の流路に関わる構成について説明する。
第１熱交換器としての燃料熱交換器３６は、二重管構造を有し、第１内管としての低温燃料管３６−１と、その一端部である第３端部としての燃料入口管３６−６と、その他端部である第４端部としての燃料供給管３６−２、及び、第１外管としての高温燃料管３６−４と、その一端部である第５端部としての燃料排出管３６−３と、その他端部である第６端部としての燃料出口管３６−５とを有する。燃料電池カートリッジ４０の１個につき、その上部に１個設置されている。新しく供給された低温の燃料ガス１を低温燃料管３６−１に通し、それと同時に、使用済みの高温の燃料ガス１を高温燃料管３６−４に通すことにより、燃料熱交換器３６で燃料ガス１の熱交換を行なう。
【０１０４】
燃料入口管３６−６は、新しい燃料ガス１の入口の管であり、その一端部は、燃料導入管３９（図８参照）に接続し、そこから新しい燃料ガス１を受ける。その他端部は低温燃料管３６−１の一端部に接続し、そこへ新しい燃料ガス１を供給する。
低温燃料管３６−１は、高温燃料管３６−４に含まれ（二重管構造）、その一端部を燃料入口管３６−６と接続している。また、他端部を燃料供給管３６−２に接続している。そして、燃料入口管３６−６から供給されてきた新しい燃料ガス１を燃料供給管３６−２へ供給する際、高温燃料管３６−４内を流れる高温の使用済みの燃料ガス１と新しい燃料ガス１とが熱交換し、新しい燃料ガス１を高温にする。
燃料供給管３６−２は、その一端部を低温燃料管３６−１と接続し、他端部を供給室８のガス供給口８−１に接続している。燃料供給管３６−２は、低温燃料管３６−１から供給された高温の新しい燃料ガス１を供給室８のガス供給口８−１に供給する。
【０１０５】
一方、燃料排出管３６−３は、その一端部を排出室９のガス排出口９−１と接続し、他端部を高温燃料管３６−４に接続している。燃料排出管３６−３は、排出室９のガス排出口９−１から供給された高温の使用済み燃料ガス１を高温燃料管３６−４に供給する。
高温燃料管３６−４は、低温燃料管３６−１を含み（二重管構造）、その一端部を燃料排出管３６−３に接続している。また、他端部を燃料出口管３６−５に接続している。そして、燃料排出管３６−３から供給されてきた使用済み燃料ガス１を燃料出口管３６−５へ供給する際、低温燃料管３６−１内を流れる低温の新しい燃料ガス１と高温燃料管３６−４を流れる使用済み燃料ガス１とが熱交換し、新しい燃料ガス１を高温にする。それと共に、使用済みの燃料ガス１が低温になる。
燃料出口管３６−５は、使用済み燃料ガス１の出口の管であり、その一端部は、高温燃料管３６−４に接続し、その他端部は燃料処分管３８（図８参照）に接続している。高温燃料管３６−４から使用済み燃料ガス１が供給され、それを燃料処分管３８へ排出する。
【０１０６】
次に、酸化剤ガス２の流路に関わる構成について説明する。
第２熱交換器としての酸化剤熱交換器３７は、二重管構造を有し、第２外管としての低温酸化剤供給管３７−１と酸化剤排出管３７−２と酸化剤供給口３７−３と第２内管としての高温酸化剤排出管３７−４とを有する。燃料電池カートリッジ４０の１個毎に対応して、その下部に設置されている。新しく供給された低温の酸化剤ガス１を低温酸化剤供給管３７−１に通し、それと同時に、使用済みの高温の酸化剤ガス２を高温酸化剤排出管３７−４に通すことにより、酸化剤熱交換器３７で酸化剤ガス２の熱交換を行なう。
【０１０７】
低温酸化剤供給管３７−１は、内部に高温酸化剤排出管３７−４を含み（二重管構造）、燃料電池カートリッジ４０のある位置の下方の位置に、酸化剤供給口３７−３を有する。内部を流れる新しい低温の酸化剤ガス２を酸化剤供給口３７−３から酸化剤保持室４７へ供給する際、低温の酸化剤ガス２と高温酸化剤排出管３７−４とが熱交換し、高温の酸化剤ガス２に変える。
酸化剤供給口３７−３は、低温酸化剤供給管３７−１に開口した孔であり、そこから新しい酸化剤ガス２が、低温酸化剤供給管３７−１から酸化剤保持室４７へ供給される。
酸化剤保持室４７（図６参照）は、収容容器５０（容器断熱部４４を含む）内における、燃料電池カートリッジ４０（供給室８、酸化剤供給室4及び排出室９など）、下部固定部３３、上部固定部３５、燃料熱交換器３６、酸化剤熱交換器３７などを除いた空間である。酸化剤供給口３７−３から供給８（放出）された新しい酸化剤ガス２は、熱交換により高温化され、収容容器５０内に充満し、定常運転（立上げや停止のような一時的な運転を除く）時に容器全体を１００℃以上の温度に保つ。１００℃以上にするのは、燃料ガス１中の水蒸気を水に戻さない為である。酸化剤供給室４の酸化剤ガス供給口４−１（供給室８側及び排出室９側）へ供給される。なお、酸化剤保持室４７は、収容容器５０の容器断熱部４４の内側における温度を１００℃以上に保つ（配管の水を水蒸気の状態に保つ）働きもある。
【０１０８】
一方、酸化剤排出管３７−２は、その第７端部としての一端部を酸化剤ガス排出口４−２と（開放して）接続し、第８端部としての他端部を高温酸化剤排出管３７−４に接続している。酸化剤ガス排出口４−２から排出された高温の使用済み酸化剤ガス２を、高温酸化剤排出管３７−４へ排出する。
高温酸化剤排出管３７−４は、酸化剤排出管３７−２と接続し、低温酸化剤供給管３７−１の内部に含まれ（二重管構造）ている。酸化剤排出管３７−２から排出された高温の使用済み酸化剤ガス２が外部に排出される際、低温酸化剤供給管３７−１を流れる低温の新しい酸化剤ガス２と熱交換し、低温となる。新しい酸化剤ガス２は、熱交換により高温となる。
【０１０９】
上部断熱部３４は、燃料電池カートリッジ４０の部分の上部にある直方体形状の断熱材である。アルミナや、シリカ、マグネシアのような多孔質のセラミックスである。酸化剤供給室４内のセルチューブ３の発電部２７で発生する熱に対する断熱用である。セルチューブ３の長手方向の幅は、支持体Ａ１０−１の管板Ａ６側から支持体Ｂ１０−２の管板Ｂ７側までと同じ長さである。その幅と直角の方向の奥行きは、供給室８の奥行き（＝排出室９の奥行き）と同じである。高さ（厚み）は、断熱材の上部（発電部２７と反対の側）において、温度を何度にするかにより決定される。燃料電池カートリッジ４０上に直接取り付ける。断熱材がセルチューブ３に影響することを避けたい場合には、セラミックスや金属などの板（上部断熱部３４と同じ平面サイズ）を、燃料電池カートリッジ４０と上部断熱部３４との間に入れても良い。
【０１１０】
上部固定部３５は、上部断熱部３４の上部にある直方体形状の金属板である。上部断熱部３４を固定すると共に、その上部にある燃料熱交換器３６を固定する。ニッケルやステンレスなどの金属である。幅は、上部断熱部３４よりもその両端で若干長い。奥行きは、上部断熱部３４と同じであり、高さ（厚み）は、上部断熱部３４と燃料熱交換器３６を固定するのに必要な厚みである。
【０１１１】
下部断熱部３２は、燃料電池カートリッジ４０の部分の下部にある直方体形状の断熱材である。アルミナや、シリカ、マグネシアのような多孔質のセラミックスである。酸化剤供給室４内のセルチューブ３の発電部２７で発生する熱に対する断熱用である。セルチューブ３の長手方向の幅は、支持体Ａ１０−１の管板Ａ６側から支持体Ｂ１０−２の管板Ｂ７側までと同じ長さである。その幅と直角の方向の奥行きは、供給室８の奥行き（＝排出室９の奥行き）と同じである。高さ（厚み）は、断熱材の下部（発電部２７と反対の側）において、温度を何度にするかにより決定される。幅及び奥行きにおいて、その中央部分に高さ方向に酸化剤排出管３７−２を通すための孔が開口している。燃料電池カートリッジ４０下に直接取り付ける。断熱材がセルチューブ３に影響することを避けたい場合には、セラミックスや金属などの板（下部断熱部３２と同じ平面サイズで孔が開口）を、燃料電池カートリッジ４０と下部断熱部３２との間に入れても良い。
【０１１２】
下部固定部３３は、下部断熱部３２の下部にある直方体形状の金属板である。下部断熱部３２を固定すると共に、その上部にある燃料電池カートリッジ４０を下部断熱部３２を介して支持する。ニッケルやステンレスなどの金属である。幅は、上部断熱部３４よりもその両端で若干長い。そして、その両端部において、下部断熱材３２の両端を挟むような突起部がある。奥行きは、下部断熱部３２と同じであり、高さ（厚み）は、下部断熱部３２と燃料電池カートリッジ４０を固定するのに必要な厚みである。
【０１１３】
フレーム支持体Ａ１３、フレーム支持体Ｂ１４、フレーム支持体Ｃ１５（図７に図示せず）及びフレーム支持体Ｄ１６については、実施例１で説明（図３参照）した通りであるので、その説明は省略する。
ただし、セルチューブ３は、図７では、図３、図６及び図５の例と異なり、縦１０本×横３本＝合計３０本 を例示している。しかし、セルチューブの本数は、これらの例に限定されるものではない。設計変更により変更可能である。
【０１１４】
燃料電池カートリッジ４０における、セルチューブ３に関わるその他の構成、酸化剤ガス供給口４−１及び酸化剤ガス排出口４−２を有する酸化剤供給室４、管板Ａ６、管板Ｂ７、ガス供給口８−１を有する供給室８、ガス排出口９−１を有する排出室９、支持体Ａ１０−１、支持体Ｂ１０−２については、図６で説明した通りなので、その説明を省略する。
【０１１５】
次に、図８を参照して、複数の燃料電池カートリッジ４０を有する燃料電池（図８に示す構造）におけるカートリッジ構造について説明する。本図面においては、集電に関する構成（燃料電池セル２３を含む）について、省略している。
図７で示す燃料電池カートリッジ４０（セルチューブ３、酸化剤供給室４及びその関連部分、管板Ａ６、管板Ｂ７、供給室８、排出室９、支持体Ａ１０、支持体Ｂ１１、フレーム２０など）及び、下部断熱部３２、下部固定部３３、上部断熱部３４、上部固定部３５、燃料熱交換器３６（３６−１〜３６−６を含む）については、図６で説明した通りなので、その説明を省略する。
【０１１６】
燃料導入管３９は、燃料熱交換器３６の上部にあり、燃料電池カートリッジ４０の長手方向（セルチューブ３の方向）と直角の方向に延び、容器外蓋４２を通って、外部の配管と接合している。外部から供給される燃料ガス１を、図８で示す燃料電池へ導入する金属製の配管である。各燃料電池カートリッジ４０の燃料入口管３６−６に接合され、そこを通して各燃料電池カートリッジ４０に燃料ガス１を供給する。燃料電池カートリッジ４０が無い部分については、燃料入口管３６−６との接合部に栓をしておく。また、燃料電池カートリッジ４０を取り外す場合、燃料導入管３９は、その燃料電池カートリッジ４０部分のみの取り外しが可能である。すなわち、燃料導入管３９は、燃料電池カートリッジ４０の幅分の配管を細かく接合したものである。
【０１１７】
燃料処分管３８は、燃料熱交換器３６の上部にあり、燃料電池カートリッジ４０の長手方向（セルチューブ３の方向）と直角の方向に延び、容器外蓋４２を通って、外部の配管と接合している。各燃料電池カートリッジ４０で使用された使用済み燃料ガス１を、図８で示す燃料電池の外部へ排出する金属製の配管である。各燃料電池カートリッジ４０の燃料出口管３６−５に接合され、そこから各燃料電池カートリッジ４０の使用済み燃料ガス１を受け取る。燃料電池カートリッジ４０が無い部分については、燃料出口管３６−５との接合部に栓をしておく。また、燃料電池カートリッジ４０を取り外す場合、燃料処分管３８は、その燃料電池カートリッジ４０部分のみの取り外しが可能である。すなわち、燃料処分管３８は、燃料電池カートリッジ４０の幅分の配管を細かく接合したものである。
【０１１８】
酸化剤熱交換器３７（３７−１〜１７−４を含む）は、燃料電池カートリッジ４０の下部にあり、燃料電池カートリッジ４０の長手方向（セルチューブ３の方向）と直角の方向に延び、容器外蓋４２を通って、外部の配管と接合している。新しい酸化剤ガス２を外部から燃料電池へ導入すると共に、各燃料電池カートリッジ４０で使用された使用済み酸化剤ガス２を燃料電池の外部へ排出する金属製の配管である。各燃料電池カートリッジ４０の酸化剤ガス排出口４−２に接合され、そこから各燃料電池カートリッジ４０の使用済み酸化剤ガス２を受け取る。燃料電池カートリッジ４０が無い部分については、酸化剤ガス排出口４−２と酸化剤排出管３７−２との接合部、及び、酸化剤供給口３７−３の開口部に栓をしておく。その他の酸化剤熱交換器３７については、図６で説明した通りなので、その説明を省略する。
【０１１９】
収容容器５０は、図８に示す燃料電池を内包する円筒形の容器である。円筒形の筒部である容器筒部４９と、容器の蓋である容器外蓋４２と、容器筒部４９と容器外蓋４２とを接合するための容器フランジ４３と、容器を自立させるための容器脚部５１とから成る。
【０１２０】
収容容器５０及び容器筒部４９は、ニッケルやステンレルなどの金属製である。
容器脚部５１（容器脚部５１−１〜容器脚部５１−４、ただし、容器客部５１−３、４は図示せず）は、収容容器５０を支える４脚ある脚部である。ニッケルやステンレルなどの金属製である。
容器外蓋４２（図３に示す容器の手前側の蓋を容器外蓋４２−１（図示せず）とし、奥側の蓋を容器外蓋４２−２とする）は、燃料電池の燃料電池カートリッジ４０を取出し可能な側（容器外蓋４２−１）と反対の側（容器外蓋４２−２）の、収容容器５０の蓋である。ニッケルやステンレルなどの金属製である。奥側の蓋である容器外蓋４２−２には、燃料導入管３９、燃料処分管３８及び酸化剤熱交換器３７が、外部の配管と接続するための接合部がある。容器断熱部４４、燃料電池支持部４５、支持体車輪４６、支持体レール４８、からなる。燃料電池の燃料電池カートリッジ４０を取出し可能な側にも容器外蓋４２−１（配管の接合は無し）があるが、図示していない。
容器フランジ４３（図３に示す容器外蓋４２−１（図示せず）に対応するフランジを容器フランジ４３−１とし、容器外蓋４２−２に対応するフランジを容器フランジ４３−２とする）は、容器筒部４９と容器外蓋４２とを接合するためのフランジであり、通常ボルトナットで締める。ニッケルやステンレルなどの金属製である。容器筒部４９と容器外蓋４２との接合面は、内部のガスがリークしないように、シール用のＯリング（温度により銅やアルミニウムのような金属又はシリコーン製のゴムのような樹脂）を使用する。
【０１２１】
容器断熱部４４は、収容容器５０の内壁面全体を覆う断熱材である。収容容器５０内は、温度が１００℃以上に保たれて入るため、外部にその温度が伝わらないように、内壁面を断熱している。容器の外蓋（容器外蓋４２を含む）の内壁面についても同様である。アルミナやシリカ、マグネシアの多孔質材料や、ガラスウール、石綿などが用いられる。
【０１２２】
支持体移動部の一部としての燃料電池支持部４５は、各燃料電池カートリッジ４０を、それぞれの供給室８及び排気室９の下部の２箇所において支持する２つ（供給室８側及び排気室９側）の金属製の部剤である。断面はＬ字型であり、Ｌ字の縦の辺が、供給室８及び排気室９それぞれの発電部２７とは反対側に接して、それらを支持する。また、Ｌ字の横の辺が、供給室８及び排気室９それぞれの下側に接して、それらを支持する。そして、燃料電池支持部４５は、セルチューブ３と直角の方向（容器筒部４９の側面と平行な方向）に延び、下部固定部４３（下部断熱部４２を含む）と共に、各燃料電池カートリッジ４０を支持している。
【０１２３】
支持体移動部の一部としての支持体車輪４６は、２つの燃料電池支持部４５の下部にそれぞれ取り付けられた複数の車輪である。そして、燃料電池カートリッジ部４１、燃料電池支持部４５及び支持体車輪４６を収容容器５０の手前側に引き出す時に、その複数の支持体車輪４６により、燃料電池カートリッジ４０の集合体が支持体レール４８（後述）上を転がり又は滑り（摺動し）、移動することが出来る。
【０１２４】
移動補助体としての支持体レール４８は、支持体車輪４６がその上を動くための、複数の支持体車輪４６の下部に取り付けられたレールである。２つ（供給室８側及び排気室９側）の支持体移動部としての燃料電池支持部４５に対応して、供給室８側及び排気室９側に１個所づつ、合計２つある。燃料電池カートリッジ４０の集合体を収容容器５０の手前側に引き出す時に、手前側に延びる（例えば、支持体レール４８の中に長さが同じで断面の大きさがやや小さい支持体レールを入れておき、それを手前に出す）構造をしている。
【０１２５】
では、本発明であるカートリッジ構造の第二の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
まず、通常の発電に関わる燃料ガス１及び酸化剤ガス２に関わる動作について説明する。
図６及び図８を参照して、このような構成をなす燃料電池において、収容容器５０の容器外蓋４２を通して、燃料導入管３９へ低温（ただし、１００℃以上）の燃料ガス１が供給される。燃料導入管３９を通って供給された燃料ガス１は、各燃料入口管３６−６から各燃料電池カートリッジ４０へ分配、供給される。燃料ガス１は、低温燃料管３６−１において、その周囲を流れる高温の使用済みの燃料ガス１と熱交換を行ない、高温となる。そして、燃料供給管３６−２をとおり、ガス供給口８−１から供給室８に供給される。
【０１２６】
供給室８内に供給された燃料ガス１は、セルチューブ３の一端部から、ばらつきの無い流量で流入する。そして、供給室８から排出室９へ向かう方向へ、移動していく。移動していく過程で燃料ガス１は、９００℃以上の温度に達する。
【０１２７】
一方、収容容器５０の容器外蓋４２を通して、酸化剤熱交換器３７の低温酸化剤供給管３７−１へ低温（ただし、１００℃以上）の酸化剤ガス２が供給される。酸化剤ガス２は、低温酸化剤供給管３７−１を通る間に、高温酸化剤排出管３７−４を流れる高温の使用済み酸化剤ガス２と熱交換を行ない、高温となる。そして、各酸化剤供給口３７−３から酸化剤保持室４７へ入り、その後、各燃料電池カートリッジ４０へ分配、供給される。すなわち、４箇所の酸化剤ガス供給口４−１から酸化剤供給室４に供給される。
【０１２８】
酸化剤ガス供給口４−１から酸化剤供給室４に供給された酸化剤ガス２は、供給室８側では、支持体Ａ１０−１と管板Ａ６とに挟まれ形成された領域を管板Ａ６に沿って移動する。そして、各セルチューブ３に達すると、支持体Ａ１０−１とセルチューブ３の外周部との間の空間を通り、概ねセルチューブ３の外周部に沿って、移動する。また、同様に、酸化剤ガス２は、排出室９側では、支持体Ｂ１０−２と管板Ｂ７とに挟まれ形成された領域を管板Ｂ７に沿って移動する。そして、各セルチューブ３に達すると、支持体Ｂ１０−２とセルチューブ３の外周部との間の空間を通り、概ねセルチューブ３の外周部に沿って、移動する。
【０１２９】
燃料ガス１は、出口ガス組成でセルチューブ３を進み、セルチューブ３の発電部２７において、その壁面（側面）内部へ壁面の外側に向かって拡散し、燃料電池セル２１の燃料極であるアノードに達する。一方、酸化剤ガス２は、セルチューブ３の外周面に沿って進み、セルチューブ３の発電部２７において、燃料電池セル２１の空気極であるのカソード側に達する。そして、燃料電池セル２１において、燃料ガス１と酸化剤ガス２との電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【０１３０】
発電の際、燃料電池セル２１では、その特性に基づいた、ある大きさの電力が発生すると共に、電気エネルギーに変換されなかったエネルギーが熱エネルギーとなって放出される。熱エネルギーの原因としては、抵抗分極（電極、電解質、インタコネクタ等に関する電気抵抗損）、活性化分極（電極反応に関わる活性化エネルギー）、拡散分極（発電時のガス濃度分布によるポテンシャルロス）等である。その発熱により、燃料電池セル２１及びその近傍の温度が、燃料電池セル２１の動作温度である９００℃〜１０００℃に維持される。
【０１３１】
また、発電が続けば発熱により温度が更に高温になるが、供給する燃料ガス１及び酸化剤ガス２が熱量を持ち去る。従って、燃料ガス１及び酸化剤ガス２の流量、発電量を適切にすることで、動作温度を一定の範囲に抑えることが可能である。その場合、燃料ガス１及び酸化剤ガス２の温度は高温になるため、その熱を無駄にしないため、本発明においては、燃料熱交換器３６及び酸化剤熱交換器３７において、熱交換を行なう。
【０１３２】
発電部２７を通過した高温の使用済み燃料ガス１（発電により生じた水蒸気を含む）は、排出室９に達し、そこで集められて排出口９−１から排出される。そして、その使用済み燃料ガス１は、燃料排出管３６−３を経由して燃料熱交換器３６の高温燃料管３６−４に達する。そこで、低温燃料管３６−１の周囲を流れながら低温燃料管３６−１を流れる新しい燃料ガス１と熱交換を行ない、低温の使用済み燃料ガス１（ただし１００℃以上）となる（低温燃料管３６−１を流れる新しい燃料ガス１は、高温となる）。低温となった使用済み燃料ガス１は、燃料出口管３６−５を介して燃料処分管３８に達する。そして、燃料処分管３８を通り、容器外蓋４２から外部へ排出される。
【０１３３】
発電部２７を通過した高温の使用済み酸化剤ガス２は、セルチューブ３の中心付近から酸化剤ガス供給室４の下部の中心付近にある酸化剤ガス排出口４−２に達し、そこで集められて排出される。そして、酸化剤排出管３７−２を経由して酸化剤熱交換器３７の高温酸化剤排出管３７−４に達する。その使用済み酸化剤ガス２は、低温酸化剤供給管３７−１の内部にある高温酸化剤排出管３７−４を流れながら、その周囲を流れる新しい酸化剤ガス２と熱交換を行ない、低温の使用済み酸化剤ガス２となる（低温酸化剤供給管３７−１を流れる新しい酸化剤ガス２は、高温となる）。低温となった使用済み酸化剤ガス２は、高温酸化剤排出管３７−４から容器外蓋３２に達し、外部へ排出される。
【０１３４】
以上の動作により、本発明のカートリッジ構造は、燃料ガス１及び酸化剤ガス２が、内部で熱交換を行ない、効率的な発電を行なうことが可能となる。
【０１３５】
次に、図７及び図８を参照して、燃料電池カートリッジ４０の取り外しについて、説明する。
燃料電池が、完全に静止し、内部のガスが付活性ガスに置換された状態において、容器外蓋４２−２を通る酸化剤熱交換器３７、燃料処分管３８及び燃料導入管３９に続く配管の接合を外す。この時、集電に関する配線も取り外す。
次に、容器フランジ４３−１にボルト締めされ取り付けられた前部の容器外蓋４２−１（図示せず）を開ける。
続いて、支持体レール４８を２本手前に引き出す。
そして、燃料電池カートリッジ部４１を含む燃料電池の発電本体を引き出す。その時、発電本体が支持体レール４８上を支持体車輪４６の転がり（又は滑り）により引き出されるようにする。
一方、所望の燃料電池カートリッジ４０について、まず燃料処分管３８及び燃料導入管３９から、それぞれ燃料出口管３６−５及び燃料入口管３６−６を取り外す。
次に、燃料電池カートリッジ４０毎に分割可能な燃料処分管３８及び燃料導入管３９における、所望の燃料電池カートリッジ４０に対応する部分を取り外す。
続いて、燃料供給管３６−２及び燃料排出管３６−３をそれぞれガス供給口８−１及びガス排出口９−１から取り外す。
そして、燃料熱交換器３６、上部固定部３５、上部断熱部３４を、この順番に取り外す。また、集電に関する配線も取り外す。
【０１３６】
以上の動作により、本発明のカートリッジ構造は、燃料電池カートリッジ４０を容易に取出すことが可能となる。ある燃料電池カートリッジ４０の燃料電池が故障した場合や、燃料電池の発電規模を変更したい場合などにおいて、燃料電池カートリッジ４０を機動的に着脱、交換することが出来る。燃料ガス１及び酸化剤ガス２が、内部で熱交換を行ない、効率的な発電を行なうことが可能となる。なお、燃料電池カートリッジ４０を取出した後、予備の燃料電池カートリッジ４０がない場合には、ダミーの燃料電池カートリッジ４０を入れることにより対応する。
【０１３７】
なお、取り付けは、上記取り外しプロセスの逆を行なえば良いので、その説明を省略する。
【０１３８】
以上のプロセスにより、燃料電池セル２１で発電の際に発生する熱量を有効利用して、高温用の熱交換器を用いることなく燃料ガス１及び酸化剤ガス２を予熱することが可能となる。すなわち、発電に伴い発生している熱をカートリッジ構造内で利用するので、熱効率が高く、熱エネルギーのロスを少なくすることができる。また、発電により発生する熱を効率良く逃がすため、発電部２７の熱的な安定性が高まり、信頼性が向上する。
【０１３９】
また、燃料電池カートリッジ４０を収納している部分は支持体車輪４６がついている。従って、収容容器５０の蓋を外した後、支持体レール４８（伸縮可能）を手前に引き出すことにより、複数重ねて収納されている燃料電池カートリッジ４０を支持体レール４８上を手前に容易に引き出すことが可能である。そして、複数ある燃料電池カートリッジ４０のどれか一つあるいは複数をきわめて容易に取り出すことが可能となる。
また、収容容器５０の大きさの範囲内において、燃料電池カートリッジ４０を出し入れすることにより、容易に燃料電池の発電電力量を増減することが可能となる。また、故障した燃料電池の属する燃料電池カートリッジ４０を交換又は取り出すことにより、容易に修理を完了することができ、残りの燃料電池を安全に運転できる。
【０１４０】
加えて、ガスは、横置き、２点で支持及び２点シールである。従って、一方向に流れるだけで良いので、案内管１１２を用いる必要が無く、セルチューブ３及びその周辺部分の構造を簡単にすることが出来る。すなわち、部品点数を減らすことが出来、コストの削減につながる。加えて、部品点数が減ることにより、部品相互で拘束し合う関係が減少する為、設計の自由度の向上や部品の破損等の問題が減り、全体としての信頼性の向上にもつながる。
【０１４１】
本発明において、フレームＡ１１及びフレームＢ１２は、長方形の額縁のような形状である。しかし、三角形や正方形、六角形であっても、本発明を実施することは可能である。それぞれの場合、フレーム支持体は、フレームの角に接合する。従って、それぞれ３本、４本、６本のフレーム支持体を用いる。供給室及び排出室の形状は、本発明にあるような直方体形状でも良いし、フレームの形状に合わせた三角柱、直方体、六角柱（但し底面をフレームに合わせる）でも良い。三角形、正方形、長方形、六角形あるいはそれに近い形状の供給室及び排気室を持った燃料電池カートリッジは、複数の燃料電池カートリッジを充填する（燃料電池カートリッジ部を構成する）場合、充填し易い構造であり、燃料電池カートリッジ部をコンパクトにするのに有用である。
【０１４２】
【発明の効果】
本発明により、カートリッジ構造において、燃料電池セル管の熱応力を少なくし、運転時の温度変化に適切に対応可能となる。
【０１４３】
本発明により、燃料電池の交換が容易であり、カートリッジ構造の故障への対応を迅速かつ容易に行なうことが可能となる。
【０１４４】
また、本発明により、燃料電池の交換を、あるまとまった単位で行なうことができ、燃料電池の発電電力量を容易に変更することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明であるカートリッジ構造の第一の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明であるカートリッジ構造の第一の実施の形態の構成に関わる図１の構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明であるカートリッジ構造の実施の形態の構成のに関わるフレームの構造を示す図である。
【図４】本発明であるカートリッジ構造の実施の形態におけるセルチューブの一端側の構成を示す図である。
【図５】（ａ）本発明であるカートリッジ構造の実施の形態の管板の正面図を示す図である。
（ｂ）本発明であるカートリッジ構造の実施の形態の支持体の正面図を示す図である。
【図６】本発明であるカートリッジ構造の第二の実施の形態の構成を示す図である。
【図７】本発明であるカートリッジ構造の第二の実施の形態における燃料電池カートリッジ及びその周辺の構成を示す図である。
【図８】本発明であるカートリッジ構造の実施の形態における全体の構成を示す図である。
【図９】従来の技術の実施の形態の構成を示す図である。
【図１０】従来の技術の実施の形態に関するセルチューブを示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
２ 酸化剤ガス
３ セルチューブ
４ 酸化剤供給室
４−１ 酸化剤ガス供給口
４−２ 酸化剤ガス排出口
６ 管板Ａ
６−１ セル接合部
７ 管板Ｂ
７−１ セル接合部
８ 供給室
８−１ ガス供給口
９ 排出室
９−１ ガス排出口
１０ 支持体
１０−１ 支持体Ａ
１０−２ 支持体Ｂ
１１ フレームＡ
１１−１ フレームＡ
１１−２ フレームＡ
１１−３ フレームＡ
１１−４ フレームＡ
１２ フレームＢ
１２−１ フレームＢ
１２−２ フレームＢ
１２−３ フレームＢ
１２−４ フレームＢ
１３ フレーム支持体Ａ
１４ フレーム支持体Ｂ
１５ フレーム支持体Ｃ
１６ フレーム支持体Ｄ
１７ 供給室収容部
１８ 排出室収容部
２１ 燃料電池セル
２２ リード膜
２３ 充填材
２４ 集電部
２５ 接合部Ａ
２５−１ 接合部Ａ
２５−２ 接合部Ａ
２５−３ 接合部Ａ
２５−４ 接合部Ａ
２６ 接合部Ｂ
２６−１ 接合部Ｂ
２６−２ 接合部Ｂ
２６−３ 接合部Ｂ
２６−４ 接合部Ｂ
２７ 発電部
３２ 下部断熱部
３３ 下部固定部
３４ 上部断熱部
３５ 上部固定部
３６ 燃料熱交換器
３６−１ 低温燃料管
３６−２ 燃料供給管
３６−３ 燃料排出管
３６−４ 高温燃料管
３６−５ 燃料出口管
３６−６ 燃料入口管
３７ 酸化剤熱交換器
３７−１ 低温酸化剤供給管
３７−２ 酸化剤排出管
３７−３ 酸化剤供給口
３７−４ 高温酸化剤排出管
３８ 燃料処分管
３９ 燃料導入管
４０ 燃料電池カートリッジ
４１ 燃料電池カートリッジ部
４２ 容器外蓋
４２−２ 容器外蓋
４３ 容器フランジ
４３−１ 容器フランジ
４３−２ 容器フランジ
４４ 容器断熱部
４５ 燃料電池支持部
４６ 支持体車輪
４７ 酸化剤保持室
４８ 支持体レール
４９ 容器筒部
５０ 収容容器
５１ 容器脚部
５１−１ 容器脚部
５１−２ 容器脚部
１１０ ヘッダ
１１０ａ 仕切板
１１０ｂ 底板
１１０ｃ 供給室
１１０ｄ 排出室
１１１ セルチューブ
１１２ 案内管
１１３ 集電キャップ
１１４ シールキャップ
１１５ リード膜
１１６ 集電接合部

Claims (8)

1. 燃料ガスを供給する供給室と、
   前記供給室から離れて設けられ、前記燃料ガスを排出する排出室と、
   前記供給室と前記排出室との間に設けられ、酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、
   一端部である第１端部で前記供給室に開放されて接合され、他端部である第２端部で前記排出室に開放されて接合され、基体管の外面に発電部が形成された燃料電池セル管と、
   一端部である第３端部で前記供給室に接合され、他端部である第４端部で前記排出室に接合されたフレーム支持体と、
   を具備する、
   カートリッジ構造を有する燃料電池であって、
   前記フレーム支持体の熱膨張係数と、前記燃料電池セル管の熱膨張係数とを概ね等しくしたことにより、前記燃料電池の温度が変化しても前記燃料電池セル管に無理な力がかからない
   燃料電池。
2. 前記基体管と前記フレーム支持体は、ジルコニアで形成されている、
   請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記基体管は、ジルコニアで形成され、
   前記フレーム支持体は、マグネシアスピネルである、
   請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記基体管は、ジルコニアで形成され、
   前記フレーム支持体は、コバールである、
   請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記供給室は、前記第１端部が接合された第１管板と、前記第１管板の強度を補強するフレームである第１フレームとを具備し、
   前記排出室は、前記第２端部が接合された側面である第２管板と、前記第２管板の強度を補強するフレームである第２フレームとを具備し、
   前記フレーム支持体は、前記第３端部が前記第１フレームにおいて前記供給室と接合し、前記第４端部が前記第２フレームで前記排出室と接合する、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池。
6. 前記第１フレーム及び前記第２フレームは多角形である、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記フレーム支持体は、前記第１及び第２フレームと直角をなして接合する、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池。
8. 前記フレーム支持体は、前記第１及び第２フレームの角部において接合する、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池。

Images