JP4884598B2 - カートリッジ構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のカートリッジ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムの概略構成の一例を図６に示す。ただし、図６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６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、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料電池を構成する円筒型セルチューブである。
【０００５】
一方、図７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。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】
上述のようなシステムにおいては、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、燃料電池システム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】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池の交換が容易である燃料電池のカートリッジ構造を提供することである。
【００１０】
また、別の目的としては、燃料電池の交換を、あるまとまった単位で行なうことが可能な燃料電池のカートリッジ構造を提供することである。
【００１１】
更に、別の目的としては、燃料電池の発電電力量を容易に変更することが可能な燃料電池の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、燃料電池システムの大きさをコンパクトにまとめることが可能な燃料電池のカートリッジ構造を提供することである。
【００１３】
更に別の目的は、燃料電池システムの故障への対応が迅速かつ容易に行なうことが出来る燃料電池のカートリッジ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、本発明のカートリッジ構造は、供給される燃料ガスと供給される酸化剤ガスとにより発電を行なう燃料電池カートリッジ部（図３、４１）と、前記燃料ガスを前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）に供給し、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）から排出される排出燃料ガスにより前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）に供給される前記燃料ガスを加熱する第１熱交換器（図３、１６）と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）に供給し、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）から排出される排出酸化剤ガスにより前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）に供給される前記酸化剤ガスを加熱する第２熱交換器（図３、１７）とを具備する。
【００１６】
また、本発明のカートリッジ構造は、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）、前記第１熱交換器（図３、１６）、及び前記第２熱交換器（図３、１７）とを密閉して収容するための収容容器（図３、３０）を更に具備し、前記第２熱交換器（図３、１７）は、前記加熱された酸化剤ガスが前記収容容器（図３、３０）内に充満するように放出される。
【００１７】
また、本発明のカートリッジ構造は、定常運転時に、前記収容容器（図３、３０）内の温度が、１００℃以上である。
【００１８】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記収容容器（図３、３０）は、横置筒型形状を有し、側板（図３、３２−１：図示せず）は筒部（図３、３９）から取り外し可能であり、前記側板（図３、３２−１：図示せず）が取り外されたとき、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）、前記第１熱交換器（図３、１６）、及び前記第２熱交換器（図３、１７）のアッセンブリは、摺動して前記筒部（図３、３９）から取り出し可能である。
【００１９】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記収容容器（図３、３０）は、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）の下部に設置された支持体移動部（図３、３５／３６）と、前記支持体移動部（図３、３５／３６）の移動を補助する伸縮可能な移動補助部（図３、３８）とを更に具備し、前記移動補助部（図３、３８）を前記収容容器（図３、３０）外に伸ばし、前記支持体移動部（図３、３５／３６）を前記移動補助部（図３、３８）上で移動させることにより、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）が前記収容容器（図３、３０）から取り出し可能である。
【００２０】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）は、並べられた複数の燃料電池カートリッジ（図２、４０）からなり、前記第１熱交換器（図２、１６）と前記第２熱交換器（図２、１７）は、前記複数の燃料電池カートリッジ（図２、４０）の各々から離脱可能である。
【００２１】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記複数の燃料電池カートリッジ（図２、４０）の各々は、前記第１熱交換器（図２、１６）と前記第２熱交換器（図２、１７）から離脱されているとき、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）から取り出し可能である。
【００２２】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）は、前記燃料ガスを供給する供給室（図１、８）と、前記燃料ガスを排出する排出室（図１、９）と、前記供給室（図１、８）と前記排出室（図１、９）との間に隔離されて設けられ、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部（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管（図１、３）とを具備し、前記燃料電池セル管（図１、３）の一端部である第１端部は、前記供給室（図１、８）に開放されて接合され、前記燃料電池セル管（図１、９）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る。
【００２３】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第１熱交換器（図１／２／３、１６）は、複数に分割して取り外し可能である。
【００２４】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第１熱交換器（図３、１６）に前記燃料ガスを供給する燃料導入管（図３、１９）と、前記第１熱交換器（図３、１６）から前記排出燃料ガスを排出する燃料処分管（図３、１８）とを更に具備し、前記燃料導入管（図３、１９）及び前記燃料処分管（図３、１８）は、前記第１熱交換器（図３、１６）の分割に対応して分割して取り外し可能である。
【００２５】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第１熱交換器（図１／２、１６）の、前記燃料ガスを前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）に供給する管である第１供給管（図１／２、１６−１）の一端部である第３端部（図１／２、１６−６）は、前記燃料導入管（図１／２、１９）に接続され、前記第１供給管（図１／２、１６−１）の他端部である第４端部（図１／２、１６-２）は、前記供給室（図１／２、８）に開放されて接合され、前記第１熱交換器（図１／２、１６）の、前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）から前記排出燃料ガスを排出する管である第１排出管（図１／２、１６−４）の一端部である第５端部（図１／２、１６−３）は、前記排気室（図１／２、９）に開放されて接続され、前記第１排出管（図１／２、１６−４）の他端部である第６端部（図１／２、１６−５）は、前記燃料処分管（図１／２、１８）に接続される。
【００２６】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第２熱交換器（図１／２、１７）は、一端部である第７端部が前記酸化剤供給部（図１／２、４）に開放されて接続され、他端部である第８端部が前記第２熱交換器（図１／２、１７）の、前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）から前記排出酸化剤ガスを排出する管である第２排出管（図１／２、１７−４）の途中に接続される酸化剤排出管（図１／２、１７−２）とを更に具備し、前記第２熱交換器（図１／２、１７）の、前記酸化剤ガスを前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）に供給する管である第２供給管（図１／２、１７−１）から前記酸化剤ガスが前記酸化剤供給部（図１／２、４）へ供給されるように放出され、前記排出酸化剤ガスを前記酸化剤排出管（図１／２、１７−２）を介して、前記第２排出管（図１／２、１７−４）へ排出する。
【００２７】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第１熱交換器（図１／２、１６）は、二重管構造を有し、前記第１供給管（図１／２、１６−１）が、前記第１熱交換器の内管（図１／２、１６−１）であり、前記第１排出管（図１／２、１６−４）が、前記第１熱交換器の外管（図１／２、１６−４）である。
【００２８】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第２熱交換器（図１／２、１７）は、二重管構造を有し、前記第２排出管（図１／２、１７−４）が、前記第２熱交換器の内管（図１／２、１７−４）であり、前記第２供給管（図１／２、１７−１）が、前記第２熱交換器の外管（図１／２、１７−１）である。
【００２９】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記供給室（図１、８）は、前記燃料ガス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、前記燃料ガスを排出するガス排出口（図１、９−１）を具備し、前記燃料ガスは、前記ガス供給口（図１、８−１）から前記供給室（図１、８）に供給され、前記燃料電池セル管（図１、３）を通過し、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。
【００３０】
【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、筒型のうち円筒型の燃料電池のカートリッジ構造を有する燃料電池の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。
【００３１】
図１は、本発明であるカートリッジ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、第２支持体としての支持体Ｂ１１、下部断熱部１２、下部固定部１３、上部断熱部１４、上部固定部１５、低温燃料管１６−１と燃料供給管１６−２と燃料排出管１６−３と高温燃料管１６−４と燃料出口管１６−５と燃料入口管１６−６とを有する第１熱交換器としての燃料熱交換器１６、低温酸化剤供給管１７−１と酸化剤排出管１７−２と酸化剤供給口１７−３と高温酸化剤排出管１７−４とを有する第２熱交換器としての酸化剤熱交換器１７、収容容器３０、容器フランジ３３、容器断熱部３４、支持体移動部としての燃料電池支持部３５及び支持体車輪３６、移動補助部としての支持体レール３８、酸化剤保持室３７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。
【００３２】
また、図２は、本発明であるカートリッジ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。燃料電池は、燃料電池セル２３を複数個有する発電部２４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、支持体Ｂ１１、下部断熱部１２、下部固定部１３、上部断熱部１４、上部固定部１５、低温燃料管１６−１と燃料供給管１６−２と燃料排出管１６−３と高温燃料管１６−４と燃料出口管１６−５と燃料入口管１６−６とを有する燃料熱交換器１６、低温酸化剤供給管１７−１と酸化剤排出管１７−２と酸化剤供給口１７−３と高温酸化剤排出管１７−４とを有する酸化剤熱交換器１７、フレーム２０(フレーム２０−１〜フレーム２０−４)からなる。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。
【００３３】
なお、本発明においては、セルチューブ３と酸化剤供給室４と管板Ａ６と管板Ｂ７と供給室８と排出室９と支持体Ａ１０と支持体Ｂ１１とフレーム２０とで構成される構造及びその内部に含まれる構成（燃料電池セル２３、酸化剤ガス供給口４-１など後述のもの、集電端子等の部材など図示しない部品）を燃料電池カートリッジ４０と呼ぶことにする。また、収容容器３０（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。
【００３４】
図３は、本発明であるカートリッジ構造の一実施の形態の構成を示す図である。図２で示す料電池の他に、燃料処分管１８、燃料導入管１９、収容容器３０、容器脚部３１（容器脚部３１−１〜容器脚部３１−４）、側板としての容器外蓋３２（図３手前側は容器外蓋３２−１、奥側は容器外蓋３２−２）、容器フランジ３３、容器断熱部３４、支持体移動部としての燃料電池支持部３５及び支持体車輪３６、移動補助部としての支持体レール３８、容器筒部３９からなる。
【００３５】
燃料ガス１は、収容容器３０の外部から進入し、燃料導入管１９から燃料熱交換器１６の燃料入口管１６−６を経由して燃料熱交換器１６へ入る。そして、低温燃料管１６−１で、燃料ガス１の排ガスと熱交換を行ない高温となり、燃料供給管１６−２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１６−３を経由して高温燃料管１６−４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１６−５を経由して燃料処分管１８から収容容器３０の外部へ排出される。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。
【００３６】
また、酸化剤ガス２は、収容容器３０の外部から進入し、酸化剤熱交換器１７の低温酸化剤供給管１７−１において排ガスの酸化剤ガス２と熱交換を行ない高温となる。次に、酸化剤供給口１７−３から酸化剤保持室３７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１７−２を経由し、高温酸化剤排出管１７−４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３０の外部へ排出される。
【００３７】
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１３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及び支持体Ｂ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。
【００３８】
更に、図３において、図２に示す燃料電池カートリッジ４０の燃料電池が、収容容器３０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、燃料電池モジュールを収納している部分は支持体車輪３６がついている。従って、収容容器３０の蓋を外した後、支持体レール３８（伸縮可能）を手前に引き出すことにより、支持体レール３８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３０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。
【００３９】
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。
【００４０】
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２３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端部としての一端側を供給室８（後述）に、第２端部としての他端側を排出室９（後述）にそれぞれ嵌合され、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、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。
【００４１】
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。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、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】
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。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。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。
【００４３】
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１５（上部断熱部１４を含む）と下部固定部１３（下部断熱部１２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３７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１７−２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（管板Ａ６側）及び支持体Ｂ１１（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。
【００４４】
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と管板Ａ６とで形成された空間（隙間）又は支持体Ｂ１１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との隙間又はセルチューブ３と支持体Ｂ１１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。
【００４５】
第１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、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、薄い金属板の周囲を強固な金属製のフレーム（管板用フレーム：図示せず）で囲っている。
【００４６】
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。
【００４７】
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、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、薄い金属板の周囲を強固な金属製のフレーム（管板用フレーム：図示せず）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。
【００４８】
支持体Ａ１０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。また、セルチューブ３の発電部２４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。
【００４９】
図５（ｂ）に、支持体Ａ１０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。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。
【００５０】
また、セル支持部１０−１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１０−１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。
【００５１】
支持体Ｂ１１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。また、セルチューブ３の発電部２４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１１−１を有する支持体Ｂ１１の正面図は、支持体Ａ１０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。
【００５２】
ここで、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２１とリード膜２２と燃料電池セル２３と発電部２４と集電部２５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、支持体Ａ１０と、充填材２６とからなる。
【００５３】
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。
【００５４】
充填材２６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。
【００５５】
支持体Ａ１０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１０−１に隙間があるのは、セル支持部１０−１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、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１０−１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。
【００５６】
基体管２１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２３や、発電部２４、集電部２５、リード膜２２（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２１の外周部に形成された燃料電池セル２３に達することが可能である。
【００５７】
リード膜２２は、複数の燃料電池セル２３で発電した直流電力の一方の極を集電部２５（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２１の外周部の発電部２４のうち、最も一端部寄りの燃料電池セル２３と接続している。そして、リード膜２２は、その燃料電池セル２３から基体管２１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。
【００５８】
燃料電池セル２３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２３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。
【００５９】
発電部２４は、燃料電池セル２３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２３の発電に伴い、発熱し高温になっている。
【００６０】
集電部２５は、発電部２４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２５と排出室９側の集電部とにより行なう。例えば、集電部２５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。
【００６１】
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。
【００６２】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン等の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。
【００６３】
次に、図２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２３を含む）について、省略している。
【００６４】
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１６は、二重管構造を有し、第１供給管あるいは第１内管としての低温燃料管１６−１と、その一端部である第３端部としての燃料入口管１６−６と、その他端部である第４端部としての燃料供給管１６−２、及び、第１排出管あるいは第１外管としての高温燃料管１６−４と、その一端部である第５端部としての燃料排出管１６−３と、その他端部である第６端部としての燃料出口管１６−５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１６−１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１６−４に通すことにより、燃料熱交換器１６で燃料ガス１の熱交換を行なう。
【００６５】
燃料入口管１６−６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１９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１６−１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１６−１は、高温燃料管１６−４に含まれ（二重管構造）、その一端部を燃料入口管１６−６と接続している。また、他端部を燃料供給管１６−２に接続している。そして、燃料入口管１６−６から供給されてきた新しい燃料ガス１を燃料供給管１６−２へ供給する際、高温燃料管１６−４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とを熱交換させ、新しい燃料ガス１を高温にする。
燃料供給管１６−２は、その一端部を低温燃料管１６−１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１６−２は、低温燃料管１６−１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。
【００６６】
一方、燃料排出管１６−３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１６−４に接続している。燃料排出管１６−３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１６−４に供給する。
高温燃料管１６−４は、低温燃料管１６−１を含み（二重管構造）、その一端部を燃料排出管１６−３に接続している。また、他端部を燃料出口管１６−５に接続している。そして、燃料排出管１６−３から供給されてきた使用済み燃料ガス１を燃料出口管１６−５へ供給する際、低温燃料管１６−１内を流れる低温の新しい燃料ガス１と高温燃料管１６−４を流れる使用済み燃料ガス１とを熱交換させ、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１６−５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１６−４に接続し、その他端部は燃料処分管１８に接続している。高温燃料管１６−４から使用済み燃料ガス１が供給され、それを燃料処分管１８へ排出する。
【００６７】
本実施例では、第１熱交換器としての燃料熱交換器１６は、二重管構造を有している。しかし、必ずしも上記の二重管構造に限定されるものではなく、高温燃料管１６−４を流れる排出燃料ガス１と、低温燃料管１６−１を流れる燃料ガス１とが、熱交換を行なえる構造であれば良い。例えば、両管が並列し接触して流れる構造等がある。又、内管と外管とが本実施例と逆になった場合でもよい。
【００６８】
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１７は、二重管構造を有し、第２供給管あるいは第２外管としての低温酸化剤供給管１７−１と酸化剤排出管１７−２と酸化剤供給口１７−３と、第２排出管あるいは第２内管としての高温酸化剤排出管１７−４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１７−１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１７−４に通すことにより、酸化剤熱交換器１７で酸化剤ガス２の熱交換を行なう。
【００６９】
低温酸化剤供給管１７−１は、内部に高温酸化剤排出管１７−４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１７−３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１７−３から酸化剤保持室３７へ供給する際、低温の酸化剤ガス２と高温酸化剤排出管１７−４とを熱交換させ、高温の酸化剤ガス２に変える。
酸化剤供給口１７−３は、低温酸化剤供給管１７−１に開口した孔であり、そこから新しい酸化剤ガス２を、低温酸化剤供給管１７−１から酸化剤保持室３７へ供給する。
【００７０】
酸化剤保持室３７（図１参照）は、収容容器３０（容器断熱部３４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１３、上部固定部１５、燃料熱交換器１６、酸化剤熱交換器１７などを除いた空間である。酸化剤供給口１７−３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３０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状態を除く）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３７は、収容容器３０の容器断熱部３４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。
【００７１】
一方、酸化剤排出管１７−２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１７−４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１７−４へ排出する。
高温酸化剤排出管１７−４は、酸化剤排出管１７−２と接続し、低温酸化剤供給管１７−１の内部に含まれ（二重間構造）ている。酸化剤排出管１７−２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１７−１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。
【００７２】
本実施例では、第２熱交換器としての酸化剤熱交換器１７は、二重管構造を有している。しかし、必ずしも上記の二重管構造に限定されるものではなく、高温酸化剤排出管１７−４を流れる排出酸化剤ガス２と、低温酸化剤供給管１７−１を流れる酸化剤ガス２とが、熱交換を行なえる構造であれば良い。例えば、両管が並列し接触して流れる構造等がある。又、内管と外管とが本実施例と逆になった場合でもよい。
【００７３】
上部断熱部１４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２４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２４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１４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１４との間に入れても良い。
【００７４】
上部固定部１５は、上部断熱部１４の上部にある直方体形状の金属板である。上部断熱部１４を固定すると共に、その上部にある燃料熱交換器１６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１４よりもその両端で若干長い。奥行きは、上部断熱部１４と同じであり、高さ（厚み）は、上部断熱部１４と燃料熱交換器１６を固定するのに必要な厚みである。
【００７５】
下部断熱部１２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２４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の管板Ａ６側から支持体Ｂ１１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２４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１７−２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１２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１２との間に入れても良い。
【００７６】
下部固定部１３は、下部断熱部１２の下部にある直方体形状の金属板である。下部断熱部１２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１２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１４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１２の両端を挟むような突起部がある。奥行きは、下部断熱部１２と同じであり、高さ（厚み）は、下部断熱部１２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。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１７−２を通すための孔が開口している。
【００７７】
フレーム２０は、管板Ａ６と管板Ｂ７とを繋ぐフレームである。すなわち、管板Ａ６と管板Ｂ７とを繋ぐことにより、供給室８とセルチューブ３と排出室９と（酸化剤供給室４と）を一体化させている。フレーム２０である４本のフレーム（フレーム２０−１〜フレーム２０−４）は、管板Ａ６の周囲を囲む管板用フレーム（図示せず）の４つの角部と対向する管板Ｂ７の周囲を囲む管板用フレーム（図示せず）４つの角部とをそれそれ接合している。材質は、セルチューブ３とほぼ同一の熱膨張係数を有するものを使用する。熱膨張係数の相違により、無理な力が管板Ａ６や管板Ｂ７，セルチューブ３などにかかることを防ぐためである。安定化ジルコニアやマグネシヤスピネル（ＭｇＯ−ＭｇＡｌ２Ｏ４）、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）などである。
【００７８】
セルチューブ３は、図２では、図１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。セルチューブ３に関わるその他の構成については、図１で説明した通りなので、その説明を省略する。
【００７９】
燃料電池カートリッジ４０における、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、支持体Ｂ１１については、図１で説明した通りなので、その説明を省略する。
【００８０】
次に、図３を参照して、複数の燃料電池カートリッジ４０を有する燃料電池の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２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１２、下部固定部１３、上部断熱部１４、上部固定部１５、燃料熱交換器１６（１６−１〜１６−６を含む）については、図１で説明した通りなので、その説明を省略する。
【００８１】
燃料導入管１９は、燃料熱交換器１６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３２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３で示す燃料電池のカートリッジ構造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１６−６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１６−６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１９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１９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。
【００８２】
燃料処分管１８は、燃料熱交換器１６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３２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３で示す燃料電池のカートリッジ構造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１６−５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１６−５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１８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１８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。
【００８３】
酸化剤熱交換器１７（１７−１〜１７−４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３２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のカートリッジ構造へ導入すると共に、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を燃料電池のカートリッジ構造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１７−２との接合部、及び、酸化剤供給口１７−３の開口部に栓をしておく。その他の酸化剤熱交換器１７については、図１で説明した通りなので、その説明を省略する。
【００８４】
収容容器３０は、図３に示す燃料電池のカートリッジ構造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３９と、容器の蓋である容器外蓋３２と、容器筒部３９と側板としての容器外蓋３２とを接合ずるための容器フランジ３３と、容器を自立させるための容器脚部３１とから成る。
【００８５】
収容容器３０及び容器筒部３９は、ニッケルやステンレルなどの金属製である。
容器脚部３１（容器脚部３１−１〜容器脚部３１−４、ただし、容器客部３１−３、４は図示せず）は、収容容器３０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。
【００８６】
容器外蓋３２（図３に示す容器の手前側の蓋を容器外蓋３２−１（図示せず）とし、奥側の蓋を容器外蓋３２−２とする）は、燃料電池システムの燃料電池カートリッジ４０を取出し可能な側（容器外蓋３２−１）と反対の側（容器外蓋３２−２）の、収容容器３０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３２−２には、燃料導入管１９、燃料処分管１８及び酸化剤熱交換器１７が、外部の配管と接続するための接合部がある。燃料電池システム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３２−１（配管の接合は無し）があるが、図示していない。
【００８７】
容器フランジ３３（図３に示す容器外蓋３２−１（図示せず）に対応するフランジを容器フランジ３３−１とし、容器外蓋３２−２に対応するフランジを容器フランジ３３−２とする）は、容器筒部３９と容器外蓋３２とを接合ず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３９と容器外蓋３２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。
【００８８】
容器断熱部３４は、収容容器３０の内壁面全体を覆う断熱材である。収容容器３０内は、温度が１００℃以上に保たれているため、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。容器外蓋３２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。
【００８９】
支持体移動部の一部としての燃料電池支持部３５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）の金属製の部材である。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のそれぞれの発電部２４とは反対側の側面に接して、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３５は、セルチューブ３と直角の方向（容器筒部３９の側面と平行な方向）に延び、下部固定部１３（下部断熱部１２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。
【００９０】
支持体移動部の一部としての支持体車輪３６は、２つの燃料電池支持部３５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３５及び支持体車輪３６を収容容器３０の手前側に引き出す時に、その複数の支持体車輪３６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３８（後述）上を転がり又は滑り（摺動し）、移動することが出来る。
【００９１】
移動補助体としての支持体レール３８は、支持体車輪３６がその上を動くための、複数の支持体車輪３６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３５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３０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。
【００９２】
では、本発明であるカートリッジ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。
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１及び図３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３０の容器外蓋３２を通して、燃料導入管１９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１９を通って供給された燃料ガス１は、各燃料入口管１６−６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１６−１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１６−２をとおり、ガス供給口８−１から供給室８に供給される。
【００９３】
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、移動して行く。
【００９４】
一方、収容容器３０の容器外蓋３２を通して、酸化剤熱交換器１７の低温酸化剤供給管１７−１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１７−１を通る間に、高温酸化剤排出管１７−４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１７−３から酸化剤保持室３７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。
【００９５】
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Ｂ１１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Ｂ１１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。
【００９６】
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２４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２３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２４において、燃料電池セル２３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２３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。
【００９７】
発電の際、燃料電池セル２３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。その発熱により、燃料電池セル２３及びその近傍の温度が、燃料電池セル１３の動作温度である９００℃〜１０００℃に維持される。
【００９８】
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１６及び酸化剤熱交換器１７において、熱交換を行なう。
【００９９】
発電部２４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１６−３を経由して燃料熱交換器１６の高温燃料管１６−４に達する。そこで、低温燃料管１６−１の周囲を流れながら低温燃料管１６−１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１６−１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１６−５を介して燃料処分管１８に達する。そして、燃料処分管１８を通り、容器外蓋３２から外部へ排出される。
【０１００】
発電部２４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１７−２を経由して酸化剤熱交換器１７の高温酸化剤排出管１７−４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１７−１の内部にある高温酸化剤排出管１７−４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１７−１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１７−４から容器外蓋３２に達し、外部へ排出される。
【０１０１】
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。
【０１０２】
次に、図２及び図３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。
燃料電池システムが、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３２−２を通る酸化剤熱交換器１７、燃料処分管１８及び燃料導入管１９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３３にボルト締めされ取り付けられた前部の容器外蓋３２−１（図示せず）を開ける。
続いて、支持体レール３８を２本手前に引き出す。引き出す燃料電池カートリッジ部４１の範囲に応じて、支持体レール３８を適量伸ばす。
そして、燃料電池カートリッジ部４１を含む燃料電池のカートリッジ構造の発電本体を引き出す。その時、発電本体が支持体レール３８上を支持体車輪３６の転が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１８及び燃料導入管１９から、それぞれ燃料出口管１６−５及び燃料入口管１６−６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１８及び燃料導入管１９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１６−２及び燃料排出管１６−３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１６、上部固定部１５、上部断熱部１４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。
【０１０３】
以上の動作により、本発明のカートリッジ構造は、燃料電池システムにおいて、横置筒型形状を有する収容容器３０の側板としての容器外蓋３２−１（図示せず）を取り外したとき、燃料電池カートリッジ部４１（燃料電池カートリッジ４０を含む）、第１熱交換器としての燃料熱交換器１６、及び第２熱交換器としての酸化剤熱交換器１７の各アッセンブリ（各部や各機器の構成部品を含む一つの構成単位）は、支持体レール３８上を摺動して（滑り、転がりを含む）、収容容器３０の容器筒部３９から容易に取り出し可能である。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
以上のプロセスにより、燃料電池セル２３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燃料電池の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２４の熱的な安定性が高まり、信頼性が向上する。
【０１０７】
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３６がついている。従って、収容容器３０の蓋を外した後、支持体レール３８（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３８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３０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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池の交換が容易であり、燃料電池の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。
【０１１０】
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３】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詳細な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】従来の技術の実施の形態の構成を示す図である。
【図７】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Ａ
１１ 支持体Ｂ
１２ 下部断熱部
１３ 下部固定部
１４ 上部断熱部
１５ 上部固定部
１６ 燃料熱交換器
１６−１ 低温燃料管
１６−２ 燃料供給管
１６−３ 燃料排出管
１６−４ 高温燃料管
１６−５ 燃料出口管
１６−６ 燃料入口管
１７ 酸化剤熱交換器
１７−１ 低温酸化剤供給管
１７−２ 酸化剤排出管
１７−３ 酸化剤供給口
１７−４ 高温酸化剤排出管
１８ 燃料処分管
１９ 燃料導入管
２０ フレーム
２０−１ フレーム
２０−２ フレーム
２０−３ フレーム
（２０−４ フレーム）
２１ 基体管
２２ リード膜
２３ 燃料電池セル
２４ 発電部
２５ 集電部
２６ 充填材
３０ 収容容器
３１ 容器脚部
３１−１ 容器脚部
３１−２ 容器脚部
３１−３ 容器脚部
３１−４ 容器脚部
３２ 容器外蓋
（３２−１ 容器外蓋）
３２−２ 容器外蓋
３３ 容器フランジ
３３−１ 容器フランジ
３３−２ 容器フランジ
３４ 容器断熱部
３５ 燃料電池支持部
３６ 支持体車輪
３７ 酸化剤保持室
３８ 支持体レール
３９ 容器筒部
４０ 燃料電池カートリッジ
４１ カートリッジ部
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
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のカートリッジ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムの概略構成の一例を図６に示す。ただし、図６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６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、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料電池を構成する円筒型セルチューブである。
【０００５】
一方、図７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。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】
上述のようなシステムにおいては、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、燃料電池システム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】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池の交換が容易である燃料電池のカートリッジ構造を提供することである。
【００１０】
また、別の目的としては、燃料電池の交換を、あるまとまった単位で行なうことが可能な燃料電池のカートリッジ構造を提供することである。
【００１１】
更に、別の目的としては、燃料電池の発電電力量を容易に変更することが可能な燃料電池の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、燃料電池システムの大きさをコンパクトにまとめることが可能な燃料電池のカートリッジ構造を提供することである。
【００１３】
更に別の目的は、燃料電池システムの故障への対応が迅速かつ容易に行なうことが出来る燃料電池のカートリッジ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、本発明のカートリッジ構造は、供給される燃料ガスと供給される酸化剤ガスとにより発電を行なう燃料電池カートリッジ部（図３、４１）と、前記燃料ガスを前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）に供給し、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）から排出される排出燃料ガスにより前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）に供給される前記燃料ガスを加熱する第１熱交換器（図３、１６）と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）に供給し、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）から排出される排出酸化剤ガスにより前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）に供給される前記酸化剤ガスを加熱する第２熱交換器（図３、１７）とを具備する。
【００１６】
また、本発明のカートリッジ構造は、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）、前記第１熱交換器（図３、１６）、及び前記第２熱交換器（図３、１７）とを密閉して収容するための収容容器（図３、３０）を更に具備し、前記第２熱交換器（図３、１７）は、前記加熱された酸化剤ガスが前記収容容器（図３、３０）内に充満するように放出される。
【００１７】
また、本発明のカートリッジ構造は、定常運転時に、前記収容容器（図３、３０）内の温度が、１００℃以上である。
【００１８】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記収容容器（図３、３０）は、横置筒型形状を有し、側板（図３、３２−１：図示せず）は筒部（図３、３９）から取り外し可能であり、前記側板（図３、３２−１：図示せず）が取り外されたとき、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）、前記第１熱交換器（図３、１６）、及び前記第２熱交換器（図３、１７）のアッセンブリは、摺動して前記筒部（図３、３９）から取り出し可能である。
【００１９】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記収容容器（図３、３０）は、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）の下部に設置された支持体移動部（図３、３５／３６）と、前記支持体移動部（図３、３５／３６）の移動を補助する伸縮可能な移動補助部（図３、３８）とを更に具備し、前記移動補助部（図３、３８）を前記収容容器（図３、３０）外に伸ばし、前記支持体移動部（図３、３５／３６）を前記移動補助部（図３、３８）上で移動させることにより、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）が前記収容容器（図３、３０）から取り出し可能である。
【００２０】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）は、並べられた複数の燃料電池カートリッジ（図２、４０）からなり、前記第１熱交換器（図２、１６）と前記第２熱交換器（図２、１７）は、前記複数の燃料電池カートリッジ（図２、４０）の各々から離脱可能である。
【００２１】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記複数の燃料電池カートリッジ（図２、４０）の各々は、前記第１熱交換器（図２、１６）と前記第２熱交換器（図２、１７）から離脱されているとき、前記燃料電池カートリッジ部（図３、４１）から取り出し可能である。
【００２２】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）は、前記燃料ガスを供給する供給室（図１、８）と、前記燃料ガスを排出する排出室（図１、９）と、前記供給室（図１、８）と前記排出室（図１、９）との間に隔離されて設けられ、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部（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管（図１、３）とを具備し、前記燃料電池セル管（図１、３）の一端部である第１端部は、前記供給室（図１、８）に開放されて接合され、前記燃料電池セル管（図１、９）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る。
【００２３】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第１熱交換器（図１／２／３、１６）は、複数に分割して取り外し可能である。
【００２４】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第１熱交換器（図３、１６）に前記燃料ガスを供給する燃料導入管（図３、１９）と、前記第１熱交換器（図３、１６）から前記排出燃料ガスを排出する燃料処分管（図３、１８）とを更に具備し、前記燃料導入管（図３、１９）及び前記燃料処分管（図３、１８）は、前記第１熱交換器（図３、１６）の分割に対応して分割して取り外し可能である。
【００２５】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第１熱交換器（図１／２、１６）の、前記燃料ガスを前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）に供給する管である第１供給管（図１／２、１６−１）の一端部である第３端部（図１／２、１６−６）は、前記燃料導入管（図１／２、１９）に接続され、前記第１供給管（図１／２、１６−１）の他端部である第４端部（図１／２、１６-２）は、前記供給室（図１／２、８）に開放されて接合され、前記第１熱交換器（図１／２、１６）の、前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）から前記排出燃料ガスを排出する管である第１排出管（図１／２、１６−４）の一端部である第５端部（図１／２、１６−３）は、前記排気室（図１／２、９）に開放されて接続され、前記第１排出管（図１／２、１６−４）の他端部である第６端部（図１／２、１６−５）は、前記燃料処分管（図１／２、１８）に接続される。
【００２６】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第２熱交換器（図１／２、１７）は、一端部である第７端部が前記酸化剤供給部（図１／２、４）に開放されて接続され、他端部である第８端部が前記第２熱交換器（図１／２、１７）の、前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）から前記排出酸化剤ガスを排出する管である第２排出管（図１／２、１７−４）の途中に接続される酸化剤排出管（図１／２、１７−２）とを更に具備し、前記第２熱交換器（図１／２、１７）の、前記酸化剤ガスを前記燃料電池カートリッジ（図２、４０）に供給する管である第２供給管（図１／２、１７−１）から前記酸化剤ガスが前記酸化剤供給部（図１／２、４）へ供給されるように放出され、前記排出酸化剤ガスを前記酸化剤排出管（図１／２、１７−２）を介して、前記第２排出管（図１／２、１７−４）へ排出する。
【００２７】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第１熱交換器（図１／２、１６）は、二重管構造を有し、前記第１供給管（図１／２、１６−１）が、前記第１熱交換器の内管（図１／２、１６−１）であり、前記第１排出管（図１／２、１６−４）が、前記第１熱交換器の外管（図１／２、１６−４）である。
【００２８】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記第２熱交換器（図１／２、１７）は、二重管構造を有し、前記第２排出管（図１／２、１７−４）が、前記第２熱交換器の内管（図１／２、１７−４）であり、前記第２供給管（図１／２、１７−１）が、前記第２熱交換器の外管（図１／２、１７−１）である。
【００２９】
更に、本発明のカートリッジ構造は、前記供給室（図１、８）は、前記燃料ガス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、前記燃料ガスを排出するガス排出口（図１、９−１）を具備し、前記燃料ガスは、前記ガス供給口（図１、８−１）から前記供給室（図１、８）に供給され、前記燃料電池セル管（図１、３）を通過し、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。
【００３０】
【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、筒型のうち円筒型の燃料電池のカートリッジ構造を有する燃料電池の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。
【００３１】
図１は、本発明であるカートリッジ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、第２支持体としての支持体Ｂ１１、下部断熱部１２、下部固定部１３、上部断熱部１４、上部固定部１５、低温燃料管１６−１と燃料供給管１６−２と燃料排出管１６−３と高温燃料管１６−４と燃料出口管１６−５と燃料入口管１６−６とを有する第１熱交換器としての燃料熱交換器１６、低温酸化剤供給管１７−１と酸化剤排出管１７−２と酸化剤供給口１７−３と高温酸化剤排出管１７−４とを有する第２熱交換器としての酸化剤熱交換器１７、収容容器３０、容器フランジ３３、容器断熱部３４、支持体移動部としての燃料電池支持部３５及び支持体車輪３６、移動補助部としての支持体レール３８、酸化剤保持室３７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。
【００３２】
また、図２は、本発明であるカートリッジ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。燃料電池は、燃料電池セル２３を複数個有する発電部２４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、支持体Ｂ１１、下部断熱部１２、下部固定部１３、上部断熱部１４、上部固定部１５、低温燃料管１６−１と燃料供給管１６−２と燃料排出管１６−３と高温燃料管１６−４と燃料出口管１６−５と燃料入口管１６−６とを有する燃料熱交換器１６、低温酸化剤供給管１７−１と酸化剤排出管１７−２と酸化剤供給口１７−３と高温酸化剤排出管１７−４とを有する酸化剤熱交換器１７、フレーム２０(フレーム２０−１〜フレーム２０−４)からなる。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。
【００３３】
なお、本発明においては、セルチューブ３と酸化剤供給室４と管板Ａ６と管板Ｂ７と供給室８と排出室９と支持体Ａ１０と支持体Ｂ１１とフレーム２０とで構成される構造及びその内部に含まれる構成（燃料電池セル２３、酸化剤ガス供給口４-１など後述のもの、集電端子等の部材など図示しない部品）を燃料電池カートリッジ４０と呼ぶことにする。また、収容容器３０（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。
【００３４】
図３は、本発明であるカートリッジ構造の一実施の形態の構成を示す図である。図２で示す料電池の他に、燃料処分管１８、燃料導入管１９、収容容器３０、容器脚部３１（容器脚部３１−１〜容器脚部３１−４）、側板としての容器外蓋３２（図３手前側は容器外蓋３２−１、奥側は容器外蓋３２−２）、容器フランジ３３、容器断熱部３４、支持体移動部としての燃料電池支持部３５及び支持体車輪３６、移動補助部としての支持体レール３８、容器筒部３９からなる。
【００３５】
燃料ガス１は、収容容器３０の外部から進入し、燃料導入管１９から燃料熱交換器１６の燃料入口管１６−６を経由して燃料熱交換器１６へ入る。そして、低温燃料管１６−１で、燃料ガス１の排ガスと熱交換を行ない高温となり、燃料供給管１６−２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１６−３を経由して高温燃料管１６−４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１６−５を経由して燃料処分管１８から収容容器３０の外部へ排出される。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。
【００３６】
また、酸化剤ガス２は、収容容器３０の外部から進入し、酸化剤熱交換器１７の低温酸化剤供給管１７−１において排ガスの酸化剤ガス２と熱交換を行ない高温となる。次に、酸化剤供給口１７−３から酸化剤保持室３７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１７−２を経由し、高温酸化剤排出管１７−４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３０の外部へ排出される。
【００３７】
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１３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及び支持体Ｂ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。
【００３８】
更に、図３において、図２に示す燃料電池カートリッジ４０の燃料電池が、収容容器３０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、燃料電池モジュールを収納している部分は支持体車輪３６がついている。従って、収容容器３０の蓋を外した後、支持体レール３８（伸縮可能）を手前に引き出すことにより、支持体レール３８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３０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。
【００３９】
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。
【００４０】
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２３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端部としての一端側を供給室８（後述）に、第２端部としての他端側を排出室９（後述）にそれぞれ嵌合され、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、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。
【００４１】
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。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、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】
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。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。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。
【００４３】
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１５（上部断熱部１４を含む）と下部固定部１３（下部断熱部１２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３７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１７−２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（管板Ａ６側）及び支持体Ｂ１１（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。
【００４４】
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と管板Ａ６とで形成された空間（隙間）又は支持体Ｂ１１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との隙間又はセルチューブ３と支持体Ｂ１１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。
【００４５】
第１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、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、薄い金属板の周囲を強固な金属製のフレーム（管板用フレーム：図示せず）で囲っている。
【００４６】
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。
【００４７】
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、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、薄い金属板の周囲を強固な金属製のフレーム（管板用フレーム：図示せず）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。
【００４８】
支持体Ａ１０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。また、セルチューブ３の発電部２４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。
【００４９】
図５（ｂ）に、支持体Ａ１０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。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。
【００５０】
また、セル支持部１０−１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１０−１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。
【００５１】
支持体Ｂ１１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。また、セルチューブ３の発電部２４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１１−１を有する支持体Ｂ１１の正面図は、支持体Ａ１０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。
【００５２】
ここで、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２１とリード膜２２と燃料電池セル２３と発電部２４と集電部２５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、支持体Ａ１０と、充填材２６とからなる。
【００５３】
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。
【００５４】
充填材２６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。
【００５５】
支持体Ａ１０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１０−１に隙間があるのは、セル支持部１０−１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、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１０−１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。
【００５６】
基体管２１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２３や、発電部２４、集電部２５、リード膜２２（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２１の外周部に形成された燃料電池セル２３に達することが可能である。
【００５７】
リード膜２２は、複数の燃料電池セル２３で発電した直流電力の一方の極を集電部２５（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２１の外周部の発電部２４のうち、最も一端部寄りの燃料電池セル２３と接続している。そして、リード膜２２は、その燃料電池セル２３から基体管２１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。
【００５８】
燃料電池セル２３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２３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。
【００５９】
発電部２４は、燃料電池セル２３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２３の発電に伴い、発熱し高温になっている。
【００６０】
集電部２５は、発電部２４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２５と排出室９側の集電部とにより行なう。例えば、集電部２５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。
【００６１】
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。
【００６２】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン等の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。
【００６３】
次に、図２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２３を含む）について、省略している。
【００６４】
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１６は、二重管構造を有し、第１供給管あるいは第１内管としての低温燃料管１６−１と、その一端部である第３端部としての燃料入口管１６−６と、その他端部である第４端部としての燃料供給管１６−２、及び、第１排出管あるいは第１外管としての高温燃料管１６−４と、その一端部である第５端部としての燃料排出管１６−３と、その他端部である第６端部としての燃料出口管１６−５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１６−１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１６−４に通すことにより、燃料熱交換器１６で燃料ガス１の熱交換を行なう。
【００６５】
燃料入口管１６−６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１９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１６−１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１６−１は、高温燃料管１６−４に含まれ（二重管構造）、その一端部を燃料入口管１６−６と接続している。また、他端部を燃料供給管１６−２に接続している。そして、燃料入口管１６−６から供給されてきた新しい燃料ガス１を燃料供給管１６−２へ供給する際、高温燃料管１６−４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とを熱交換させ、新しい燃料ガス１を高温にする。
燃料供給管１６−２は、その一端部を低温燃料管１６−１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１６−２は、低温燃料管１６−１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。
【００６６】
一方、燃料排出管１６−３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１６−４に接続している。燃料排出管１６−３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１６−４に供給する。
高温燃料管１６−４は、低温燃料管１６−１を含み（二重管構造）、その一端部を燃料排出管１６−３に接続している。また、他端部を燃料出口管１６−５に接続している。そして、燃料排出管１６−３から供給されてきた使用済み燃料ガス１を燃料出口管１６−５へ供給する際、低温燃料管１６−１内を流れる低温の新しい燃料ガス１と高温燃料管１６−４を流れる使用済み燃料ガス１とを熱交換させ、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１６−５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１６−４に接続し、その他端部は燃料処分管１８に接続している。高温燃料管１６−４から使用済み燃料ガス１が供給され、それを燃料処分管１８へ排出する。
【００６７】
本実施例では、第１熱交換器としての燃料熱交換器１６は、二重管構造を有している。しかし、必ずしも上記の二重管構造に限定されるものではなく、高温燃料管１６−４を流れる排出燃料ガス１と、低温燃料管１６−１を流れる燃料ガス１とが、熱交換を行なえる構造であれば良い。例えば、両管が並列し接触して流れる構造等がある。又、内管と外管とが本実施例と逆になった場合でもよい。
【００６８】
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１７は、二重管構造を有し、第２供給管あるいは第２外管としての低温酸化剤供給管１７−１と酸化剤排出管１７−２と酸化剤供給口１７−３と、第２排出管あるいは第２内管としての高温酸化剤排出管１７−４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１７−１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１７−４に通すことにより、酸化剤熱交換器１７で酸化剤ガス２の熱交換を行なう。
【００６９】
低温酸化剤供給管１７−１は、内部に高温酸化剤排出管１７−４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１７−３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１７−３から酸化剤保持室３７へ供給する際、低温の酸化剤ガス２と高温酸化剤排出管１７−４とを熱交換させ、高温の酸化剤ガス２に変える。
酸化剤供給口１７−３は、低温酸化剤供給管１７−１に開口した孔であり、そこから新しい酸化剤ガス２を、低温酸化剤供給管１７−１から酸化剤保持室３７へ供給する。
【００７０】
酸化剤保持室３７（図１参照）は、収容容器３０（容器断熱部３４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１３、上部固定部１５、燃料熱交換器１６、酸化剤熱交換器１７などを除いた空間である。酸化剤供給口１７−３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３０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状態を除く）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３７は、収容容器３０の容器断熱部３４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。
【００７１】
一方、酸化剤排出管１７−２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１７−４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１７−４へ排出する。
高温酸化剤排出管１７−４は、酸化剤排出管１７−２と接続し、低温酸化剤供給管１７−１の内部に含まれ（二重間構造）ている。酸化剤排出管１７−２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１７−１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。
【００７２】
本実施例では、第２熱交換器としての酸化剤熱交換器１７は、二重管構造を有している。しかし、必ずしも上記の二重管構造に限定されるものではなく、高温酸化剤排出管１７−４を流れる排出酸化剤ガス２と、低温酸化剤供給管１７−１を流れる酸化剤ガス２とが、熱交換を行なえる構造であれば良い。例えば、両管が並列し接触して流れる構造等がある。又、内管と外管とが本実施例と逆になった場合でもよい。
【００７３】
上部断熱部１４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２４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２４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１４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１４との間に入れても良い。
【００７４】
上部固定部１５は、上部断熱部１４の上部にある直方体形状の金属板である。上部断熱部１４を固定すると共に、その上部にある燃料熱交換器１６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１４よりもその両端で若干長い。奥行きは、上部断熱部１４と同じであり、高さ（厚み）は、上部断熱部１４と燃料熱交換器１６を固定するのに必要な厚みである。
【００７５】
下部断熱部１２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２４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の管板Ａ６側から支持体Ｂ１１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２４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１７−２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１２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１２との間に入れても良い。
【００７６】
下部固定部１３は、下部断熱部１２の下部にある直方体形状の金属板である。下部断熱部１２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１２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１４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１２の両端を挟むような突起部がある。奥行きは、下部断熱部１２と同じであり、高さ（厚み）は、下部断熱部１２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。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１７−２を通すための孔が開口している。
【００７７】
フレーム２０は、管板Ａ６と管板Ｂ７とを繋ぐフレームである。すなわち、管板Ａ６と管板Ｂ７とを繋ぐことにより、供給室８とセルチューブ３と排出室９と（酸化剤供給室４と）を一体化させている。フレーム２０である４本のフレーム（フレーム２０−１〜フレーム２０−４）は、管板Ａ６の周囲を囲む管板用フレーム（図示せず）の４つの角部と対向する管板Ｂ７の周囲を囲む管板用フレーム（図示せず）４つの角部とをそれそれ接合している。材質は、セルチューブ３とほぼ同一の熱膨張係数を有するものを使用する。熱膨張係数の相違により、無理な力が管板Ａ６や管板Ｂ７，セルチューブ３などにかかることを防ぐためである。安定化ジルコニアやマグネシヤスピネル（ＭｇＯ−ＭｇＡｌ２Ｏ４）、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）などである。
【００７８】
セルチューブ３は、図２では、図１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。セルチューブ３に関わるその他の構成については、図１で説明した通りなので、その説明を省略する。
【００７９】
燃料電池カートリッジ４０における、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、支持体Ｂ１１については、図１で説明した通りなので、その説明を省略する。
【００８０】
次に、図３を参照して、複数の燃料電池カートリッジ４０を有する燃料電池の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２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１２、下部固定部１３、上部断熱部１４、上部固定部１５、燃料熱交換器１６（１６−１〜１６−６を含む）については、図１で説明した通りなので、その説明を省略する。
【００８１】
燃料導入管１９は、燃料熱交換器１６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３２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３で示す燃料電池のカートリッジ構造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１６−６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１６−６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１９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１９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。
【００８２】
燃料処分管１８は、燃料熱交換器１６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３２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３で示す燃料電池のカートリッジ構造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１６−５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１６−５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１８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１８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。
【００８３】
酸化剤熱交換器１７（１７−１〜１７−４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３２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のカートリッジ構造へ導入すると共に、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を燃料電池のカートリッジ構造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１７−２との接合部、及び、酸化剤供給口１７−３の開口部に栓をしておく。その他の酸化剤熱交換器１７については、図１で説明した通りなので、その説明を省略する。
【００８４】
収容容器３０は、図３に示す燃料電池のカートリッジ構造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３９と、容器の蓋である容器外蓋３２と、容器筒部３９と側板としての容器外蓋３２とを接合ずるための容器フランジ３３と、容器を自立させるための容器脚部３１とから成る。
【００８５】
収容容器３０及び容器筒部３９は、ニッケルやステンレルなどの金属製である。
容器脚部３１（容器脚部３１−１〜容器脚部３１−４、ただし、容器客部３１−３、４は図示せず）は、収容容器３０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。
【００８６】
容器外蓋３２（図３に示す容器の手前側の蓋を容器外蓋３２−１（図示せず）とし、奥側の蓋を容器外蓋３２−２とする）は、燃料電池システムの燃料電池カートリッジ４０を取出し可能な側（容器外蓋３２−１）と反対の側（容器外蓋３２−２）の、収容容器３０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３２−２には、燃料導入管１９、燃料処分管１８及び酸化剤熱交換器１７が、外部の配管と接続するための接合部がある。燃料電池システム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３２−１（配管の接合は無し）があるが、図示していない。
【００８７】
容器フランジ３３（図３に示す容器外蓋３２−１（図示せず）に対応するフランジを容器フランジ３３−１とし、容器外蓋３２−２に対応するフランジを容器フランジ３３−２とする）は、容器筒部３９と容器外蓋３２とを接合ず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３９と容器外蓋３２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。
【００８８】
容器断熱部３４は、収容容器３０の内壁面全体を覆う断熱材である。収容容器３０内は、温度が１００℃以上に保たれているため、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。容器外蓋３２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。
【００８９】
支持体移動部の一部としての燃料電池支持部３５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）の金属製の部材である。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のそれぞれの発電部２４とは反対側の側面に接して、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３５は、セルチューブ３と直角の方向（容器筒部３９の側面と平行な方向）に延び、下部固定部１３（下部断熱部１２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。
【００９０】
支持体移動部の一部としての支持体車輪３６は、２つの燃料電池支持部３５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３５及び支持体車輪３６を収容容器３０の手前側に引き出す時に、その複数の支持体車輪３６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３８（後述）上を転がり又は滑り（摺動し）、移動することが出来る。
【００９１】
移動補助体としての支持体レール３８は、支持体車輪３６がその上を動くための、複数の支持体車輪３６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３５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３０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。
【００９２】
では、本発明であるカートリッジ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。
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１及び図３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３０の容器外蓋３２を通して、燃料導入管１９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１９を通って供給された燃料ガス１は、各燃料入口管１６−６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１６−１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１６−２をとおり、ガス供給口８−１から供給室８に供給される。
【００９３】
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、移動して行く。
【００９４】
一方、収容容器３０の容器外蓋３２を通して、酸化剤熱交換器１７の低温酸化剤供給管１７−１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１７−１を通る間に、高温酸化剤排出管１７−４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１７−３から酸化剤保持室３７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。
【００９５】
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Ｂ１１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Ｂ１１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。
【００９６】
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２４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２３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２４において、燃料電池セル２３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２３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。
【００９７】
発電の際、燃料電池セル２３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。その発熱により、燃料電池セル２３及びその近傍の温度が、燃料電池セル１３の動作温度である９００℃〜１０００℃に維持される。
【００９８】
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１６及び酸化剤熱交換器１７において、熱交換を行なう。
【００９９】
発電部２４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１６−３を経由して燃料熱交換器１６の高温燃料管１６−４に達する。そこで、低温燃料管１６−１の周囲を流れながら低温燃料管１６−１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１６−１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１６−５を介して燃料処分管１８に達する。そして、燃料処分管１８を通り、容器外蓋３２から外部へ排出される。
【０１００】
発電部２４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１７−２を経由して酸化剤熱交換器１７の高温酸化剤排出管１７−４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１７−１の内部にある高温酸化剤排出管１７−４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１７−１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１７−４から容器外蓋３２に達し、外部へ排出される。
【０１０１】
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。
【０１０２】
次に、図２及び図３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。
燃料電池システムが、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３２−２を通る酸化剤熱交換器１７、燃料処分管１８及び燃料導入管１９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３３にボルト締めされ取り付けられた前部の容器外蓋３２−１（図示せず）を開ける。
続いて、支持体レール３８を２本手前に引き出す。引き出す燃料電池カートリッジ部４１の範囲に応じて、支持体レール３８を適量伸ばす。
そして、燃料電池カートリッジ部４１を含む燃料電池のカートリッジ構造の発電本体を引き出す。その時、発電本体が支持体レール３８上を支持体車輪３６の転が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１８及び燃料導入管１９から、それぞれ燃料出口管１６−５及び燃料入口管１６−６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１８及び燃料導入管１９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１６−２及び燃料排出管１６−３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１６、上部固定部１５、上部断熱部１４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。
【０１０３】
以上の動作により、本発明のカートリッジ構造は、燃料電池システムにおいて、横置筒型形状を有する収容容器３０の側板としての容器外蓋３２−１（図示せず）を取り外したとき、燃料電池カートリッジ部４１（燃料電池カートリッジ４０を含む）、第１熱交換器としての燃料熱交換器１６、及び第２熱交換器としての酸化剤熱交換器１７の各アッセンブリ（各部や各機器の構成部品を含む一つの構成単位）は、支持体レール３８上を摺動して（滑り、転がりを含む）、収容容器３０の容器筒部３９から容易に取り出し可能である。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
以上のプロセスにより、燃料電池セル２３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燃料電池の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２４の熱的な安定性が高まり、信頼性が向上する。
【０１０７】
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３６がついている。従って、収容容器３０の蓋を外した後、支持体レール３８（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３８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３０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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池の交換が容易であり、燃料電池の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。
【０１１０】
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３】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詳細な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】従来の技術の実施の形態の構成を示す図である。
【図７】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Ａ
１１ 支持体Ｂ
１２ 下部断熱部
１３ 下部固定部
１４ 上部断熱部
１５ 上部固定部
１６ 燃料熱交換器
１６−１ 低温燃料管
１６−２ 燃料供給管
１６−３ 燃料排出管
１６−４ 高温燃料管
１６−５ 燃料出口管
１６−６ 燃料入口管
１７ 酸化剤熱交換器
１７−１ 低温酸化剤供給管
１７−２ 酸化剤排出管
１７−３ 酸化剤供給口
１７−４ 高温酸化剤排出管
１８ 燃料処分管
１９ 燃料導入管
２０ フレーム
２０−１ フレーム
２０−２ フレーム
２０−３ フレーム
（２０−４ フレーム）
２１ 基体管
２２ リード膜
２３ 燃料電池セル
２４ 発電部
２５ 集電部
２６ 充填材
３０ 収容容器
３１ 容器脚部
３１−１ 容器脚部
３１−２ 容器脚部
３１−３ 容器脚部
３１−４ 容器脚部
３２ 容器外蓋
（３２−１ 容器外蓋）
３２−２ 容器外蓋
３３ 容器フランジ
３３−１ 容器フランジ
３３−２ 容器フランジ
３４ 容器断熱部
３５ 燃料電池支持部
３６ 支持体車輪
３７ 酸化剤保持室
３８ 支持体レール
３９ 容器筒部
４０ 燃料電池カートリッジ
４１ カートリッジ部
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 (12)
- 供給される燃料ガスと供給される酸化剤ガスとにより発電を行ない、並べられた複数の燃料電池カートリッジを備える燃料電池カートリッジ部と、
前記燃料ガスを前記燃料電池カートリッジ部に供給し、前記燃料電池カートリッジ部から排出される排出燃料ガスにより前記燃料電池カートリッジ部に供給される前記燃料ガスを加熱する第１熱交換器と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池カートリッジ部に供給し、前記燃料電池カートリッジ部から排出される排出酸化剤ガスにより前記燃料電池カートリッジ部に供給される前記酸化剤ガスを加熱する第２熱交換器と、
前記燃料電池カートリッジ部、前記第１熱交換器、及び前記第２熱交換器を密閉して収容するための収容容器とを具備し、
前記複数の燃料電池カートリッジの各々は、
前記燃料ガスを供給する供給室と、
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、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤供給部と、
基体管の外面に燃料電池を形成した発電部を有し、一端部が前記供給室に、他端部が前記排出室にそれぞれ開放されて接合された複数の燃料電池セル管とを備え、
前記酸化剤供給部は、
前記供給室の近傍に設けられ、前記複数の燃料電池セル管が貫通する第１断熱支持体と、
前記排出室の近傍に設けられ、前記複数の燃料電池セル管が貫通する第２断熱支持体と、
前記第１断熱支持体から前記第２断熱支持体までの上部を覆う上部断熱部と、
前記第１断熱支持体から前記第２断熱支持体までの下部を覆う下部断熱部と、
隣接する燃料電池カートリッジとの間に設けられた側壁部とを含み、
前記第２熱交換器は、
二重管構造の外管であり、前記酸化剤ガスを供給する第２供給管と、
前記二重管構造の内管であり、前記排出酸化剤ガスを排出する第２排出管と、
前記複数の燃料電池カートリッジの各々の前記酸化剤供給部から前記排出酸化剤ガスを前記第２排出管へ排出する複数の酸化剤排出管とを備え、
前記第２供給管は、加熱された前記酸化剤ガスを、前記複数の燃料電池カートリッジの外側の前記収容容器内に充満するように放出し、
前記酸化剤供給部は、充満した前記酸化剤ガスを、前記供給室と前記第１断熱支持体との間、及び、前記排出室と前記第２断熱支持体との間から、前記複数の燃料電池セル管と前記第１断熱支持体との隙間、及び、前記複数の燃料電池セル管と前記第２断熱支持体との隙間を介して、前記発電部へ供給し、前記排出酸化剤ガスを前記複数の酸化剤排出管から排出する
カートリッジ構造。 - 請求項１に記載のカートリッジ構造において、
前記複数の燃料電池カートリッジの各々は、
前記供給室と前記第１断熱支持体との間、及び、前記排出室と前記第２断熱支持体との間において前記複数の燃料電池セル管の少なくとも一部が前記収容容器内に露出している
カートリッジ構造。 - 請求項１又は２に記載のカートリッジ構造において、
定常運転時に、前記収容容器内の温度が、１００℃以上であるカートリッジ構造。 - 前記収容容器は、横置筒型形状を有し、側板は筒部から取り外し可能であり、前記側板が取り外されたとき、前記燃料電池カートリッジ部、前記第１熱交換器、及び前記第２熱交換器のアッセンブリは、摺動して前記筒部から取り出し可能である、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のカートリッジ構造。 - 前記収容容器は、
前記燃料電池カートリッジ部の下部に設置された支持体移動部と、
前記支持体移動部の移動を補助する伸縮可能な移動補助部と、
を更に具備し、
前記移動補助部を前記収容容器外に伸ばし、前記支持体移動部を前記移動補助部上で移動させることにより、前記燃料電池カートリッジ部が前記収容容器から取り出し可能な、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のカートリッジ構造。 - 前記燃料電池カートリッジ部は、並べられた複数の燃料電池カートリッジからなり、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器は、前記複数の燃料電池カートリッジの各々から離脱可能である、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のカートリッジ構造。 - 前記複数の燃料電池カートリッジの各々は、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器から離脱されているとき、前記燃料電池カートリッジ部から取り出し可能である、
請求項６に記載のカートリッジ構造。 - 前記第１熱交換器は、複数に分割して取り外し可能である、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のカートリッジ構造。 - 前記第１熱交換器に前記燃料ガスを供給する燃料導入管と、
前記第１熱交換器から前記排出燃料ガスを排出する燃料処分管と、
を更に具備し、
前記燃料導入管及び前記燃料処分管は、前記第１熱交換器の分割に対応して分割して取り外し可能である、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載のカートリッジ構造。 - 前記第１熱交換器は、
前記燃料ガスを前記燃料電池カートリッジに供給する第１供給管と、
前記燃料電池カートリッジから前記排出燃料ガスを排出する第１排出管と
を備え、
前記第１供給管は、一端部を前記燃料導入管に接続され、他端部を前記供給室に開放されて接合され、
前記第１排出管は、一端部を前記排気室に開放されて接続され、他端部を前記燃料処分管に接続される、
請求項９に記載のカートリッジ構造。 - 前記第１熱交換器は、二重管構造を有し、
前記第１供給管が、前記第１熱交換器の内管であり、
前記第１排出管が、前記第１熱交換器の外管である、
請求項１０に記載のカートリッジ構造。 - 前記供給室は、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供給室に供給され、前記燃料電池セル管を通過し、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１１のいずれか一項に記載のカートリッジ構造。
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