(57)【要約】【課題】燃料電池の内部で効率的に熱交換を行う熱交換構造を提供する。【解決手段】筒状のセルチューブ２の内部に燃料ガス４を供給すると共に、セルチューブ２の外面に設けられた燃料電池セル８に酸化剤ガス６を供給すると共に、燃料電池の内部を８００℃〜１０００℃の高温環境とすることにより、燃料電池セル８において燃料ガス４と酸化剤ガス６とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池１において、セルチューブ２の内部に中子１３を集電キャップ（図示せず）により固定し、燃料ガス４の流路を狭くすることで、燃料ガス４の熱を、高い熱伝導率で基体管１０を介して酸化剤ガス６に伝導し、酸化剤ガス６を十分に予熱する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第１ガスと、前記基体管の外側を通る前記第２ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池の熱交換構造において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第１ガスの流路を狭くする中子と、
前記中子を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、
前記中子を前記基体管に支持する中子支持手段とを有することを特徴とする燃料電池の熱交換構造。
【請求項２】
筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第１ガスと、前記基体管の外側を通る前記第２ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池の熱交換構造において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第１ガスの流路を狭くする中子本体と、
前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、
前記中子本体の一端に設けられ、前記中子本体を前記基体管に支持する中子支持手段とからなる中子を有することを特徴とする燃料電池の熱交換構造。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池の熱交換構造において、
前記中子支持手段が前記基体管の端部に引っ掛かることにより、前記中子が前記基体管に懸架されることを特徴とする燃料電池の熱交換構造。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池の熱交換構造において、
更に前記基体管の端部に設けられるキャップを有し、
前記キャップと前記基体管の端部との間に、前記中子支持手段が挟み込まれることにより、前記中子が前記基体管に支持されることを特徴とする燃料電池の熱交換構造。
【請求項５】
筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第１ガスと、前記基体管の外側を通る前記第２ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池の熱交換構造において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第１ガスの流路を狭くする中子本体と、
前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対してセンタリングするセンタリング手段とからなる中子を有すると共に、
前記基体管の下端に設けられるキャップを有し、
前記中子本体の下端には、前記第１ガスの流路を前記中子の外側と内側とで流路変更する流路変更部が更に設けられ、
前記中子が鉛直方向へ移動しないように前記キャップで支持されることにより、前記中子が前記基体管に支持されることを特徴とする燃料電池の熱交換構造。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池の熱交換構造において、
前記中子は前記第１ガスを改質する触媒を具備することを特徴とする燃料電池の熱交換構造。
【請求項７】
請求項４または５に記載の燃料電池の熱交換構造において、
前記キャップは、
前記基体管に設置された導電性のリード膜に密接して、前記燃料電池セルが発電した電力を外部に集電する集電キャップであることを特徴とする燃料電池の熱交換構造。
【請求項８】
筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池において、
請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料電池の熱交換構造を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池において、
前記基体管の一端から前記第１ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第１ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項８または９のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１ガスは燃料ガスであり、前記第２ガスは酸化剤ガスであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項８または９のいずれかに記載の燃料電池において、前記第１ガスは酸化剤ガスであり、前記第２ガスは燃料ガスであることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の熱交換構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有する。このため、２１世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。
【０００３】
図８は、従来の燃料電池の一例であるワンスルータイプの燃料電池を示した概略構成図である。なお、図８では、燃料電池の作動に使用される各種ガスの予熱と熱交換に関する構造、及び発電された電力の集電に関する構造は省略してある。ワンスルータイプの燃料電池とは、燃料ガスの流動方法について、セルチューブの一端から供給された燃料ガスがセルチューブの他端から排出されるタイプの燃料電池である。
【０００４】
同図に示すように、燃料電池１は、複数の円筒形状のセルチューブ２（図には３本を図示）と、セルチューブ２に燃料ガス４を供給する供給室３ａと、セルチューブ２から排出燃料ガス５を排出する排出室３ｂと、酸化剤ガス６が供給される酸化剤供給室２５とからなる。
【０００５】
上部管板２１及び下部管板２２には、セルチューブ２を通す穴が設けられ、この穴にセルチューブ２を通すことにより、セルチューブ２を支持すると共に、供給室３ａ及び排出室３ｂと酸化剤供給室２５とを隔離している。また、上部支持体２３及び下部支持体２４はセルチューブ２を補助的に支持するものである。円筒形状のセルチューブ２は多孔質の材料からなり、その外周面に複数の燃料電池セル８が形成されている。なお、セルチューブ２の外表面に、燃料電池セル８を一素子のみ設けて燃料電池を構成してもよく、このタイプの燃料電池を単素子タイプの燃料電池という。
【０００６】
燃料電池１により発電する場合には、供給室３ａからセルチューブ２の内部に燃料ガス４として水素やメタン等を供給すると共に、セルチューブ２の外周面に酸化剤ガス６として酸素や空気等を供給する。更に、燃料電池１の内部を約８００℃から１０００℃の高温環境とすることにより、燃料ガス４と酸化剤ガス６とが燃料電池セル８において電気化学的に反応して発電が行われる。
【０００７】
セルチューブ２を通過した燃料ガス４（未反応の燃料ガス等）は、排出室３ｂから排出燃料ガス５として燃料電池１の外部に排出される。また、酸化剤供給室２５を通過した酸化剤ガス６（未反応の酸化剤ガス等）は、排出酸化剤ガス７として燃料電池１の外部に排出される。なお、セルチューブ２に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ２の外周面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル８を構成する燃料極（図示せず）及び空気極（図示せず）の配置を逆にすればよい。
【０００８】
前述するように、発電を行うためには、約８００℃から１０００℃の高温環境における化学反応を利用するため、外部から燃料ガス４及び酸化剤ガス６を供給する際に、予めガスを予熱しておく必要がある。これは、供給するガスの予熱を行わないと、燃料電池セル８の温度を低下させる結果、発電効率の低下及び発電自体の不安定化を招く危険性があるからである。
【０００９】
予熱は、効率の面から高温の排出ガスを利用して行われる。すなわち、排出室３ｂから排出された高温の排出燃料ガス５と燃料電池１に供給される酸化剤ガス６とを熱交換し、酸化剤ガス６を予熱する。また、高温の排出酸化剤ガス７と燃料電池１に供給される燃料ガス４とを熱交換し、燃料ガス４を予熱する。このため、排出ガスの排出経路内には、熱交換のための設備機器や配管が設置されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−６３９１６号公報
【００１１】
上記特許文献１に記載された燃料電池では、セルチューブ（文献では基体管に相当）に供給される燃料ガスの予熱については、特に記載されていない。しかしながら、予熱をしない燃料ガスを使用する場合には、発電効率は低く、文献に記載された燃料電池において、発電効率を向上させるためには、前述する熱交換設備等が必要である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池の作動環境は８００℃〜１０００℃という極めて高温の環境であり、予熱の不足分を補うため、ヒーターなどの熱源による加熱や、排出経路内に設置された熱交換設備等を大型化する必要があった。
【００１３】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池の内部で効率的に熱交換を行い、燃料電池の内部において発生する熱を有効に利用することが可能な燃料電池の熱交換構造を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する［第１の発明］は、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第１ガスと、前記基体管の外側を通る前記第２ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池の熱交換構造において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第１ガスの流路を狭くする中子と、
前記中子を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、
前記中子を前記基体管に支持する中子支持手段とを有することを特徴とする燃料電池の熱交換構造である。
【００１５】
中子支持手段により中子を基体管の内部に支持し、中子を設置することにより形成された基体管と中子との隙間を第１ガスが流動することにより、第１ガスと基体管の外部を流動する第２ガスとの熱伝導を効率よく行う。中子支持手段は、中子に設けられていても、基体管側に設けられていてもよい。また、中子は、基体管の内部に入るものであれば、形状、大きさはどの様なものでもよい。中子の形状としては、例えば、円柱形状（断面が円形）、角柱形状（断面が多角形）、断面が星型や楕円である柱形状等がある。
【００１６】
前述した課題を解決する［第２の発明］は、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第１ガスと、前記基体管の外側を通る前記第２ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池の熱交換構造において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第１ガスの流路を狭くする中子本体と、
前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、
前記中子本体の一端に設けられ、前記中子本体を前記基体管に支持する中子支持手段とからなる中子を有することを特徴とする燃料電池の熱交換構造である。
【００１７】
中子本体に設置された中子支持手段により、中子を基体管の内部に支持し、中子を設置することにより形成された基体管と中子との隙間を第１ガスが流動することにより、第１ガスと基体管の外部を流動する第２ガスとの熱伝導を効率よく行う。中子本体は、基体管の内部に入るものであれば、形状、大きさはどの様なものでもよい。中子の形状としては、例えば、円柱形状（断面が円形）、角柱形状（断面が多角形）、断面が星型や楕円である柱形状等がある。
【００１８】
前述した課題を解決する［第３の発明］は、［第２の発明］に係る燃料電池の熱交換構造において、
前記中子支持手段が前記基体管の端部に引っ掛かることにより、前記中子が前記基体管に懸架されることを特徴とする燃料電池の熱交換構造である。
【００１９】
前述した課題を解決する［第４の発明］は、［第２の発明］に係る燃料電池の熱交換構造において、
更に前記基体管の端部に設けられるキャップを有し、
前記キャップと前記基体管の端部との間に、前記中子支持手段が挟み込まれることにより、前記中子が前記基体管に支持されることを特徴とする燃料電池の熱交換構造である。
【００２０】
中子支持手段は、中子（中子本体）に設置されており、中子支持手段が基体管の端部に挟み込まれることで、中子（中子本体）が基体管に支持される。
【００２１】
前述した課題を解決する［第５の発明］は、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第１ガスと、前記基体管の外側を通る前記第２ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池の熱交換構造において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第１ガスの流路を狭くする中子本体と、
前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対してセンタリングするセンタリング手段とからなる中子を有すると共に、
前記基体管の下端に設けられるキャップを有し、
前記中子本体の下端には、前記第１ガスの流路を前記中子の外側と内側とで流路変更する流路変更部が更に設けられ、
前記中子が鉛直方向へ移動しないように前記キャップで支持されることにより、前記中子が前記基体管に支持されることを特徴とする燃料電池の熱交換構造である。
【００２２】
流路変更部とは、第１ガスを中子本体の外面から内側へ導き、中子の中央から第１ガスを排出するように流路変更する機能を有する構造部である。また、逆に第１ガスを中子の中央から供給し、中子本体の外側へ導くように流路変更する機能を有する構造部である。流路変更部は、第１ガスの流動方向により、前記２つのいずれかの機能を有する。
【００２３】
中子本体は、基体管の内部に入るものであれば、形状、大きさはどの様なものでもよい。中子の形状としては、例えば、円柱形状（断面が円形）、角柱形状（断面が多角形）、断面が星型や楕円である柱形状等がある。
【００２４】
前述した課題を解決する［第６の発明］は、［第１の発明］ないし［第５の発明］のいずれかに係る燃料電池の熱交換構造において、
前記中子は前記第１ガスを改質する触媒を具備することを特徴とする燃料電池の熱交換構造である。
【００２５】
基体管の内部を通過する第１ガスに対して、基体管の上流側に設けた触媒を具備する中子は、次の二つの役割を果たす。１つ目の役割は、第１ガスを燃料電池で使用可能なガスに改質することである。この改質の際に必要な熱は、燃料電池の発熱を利用するため、別途改質器がいらず、効率が向上する。２つ目の役割は、セルに有害な硫黄分等の除去など、供給ガスを浄化することである。逆に、基体管の下流側に触媒を具備する中子を設けた場合には、燃料電池から排出される第１ガスの熱を利用して供給空気の予熱を促進するとともに、燃料電池から排出される第１ガスを浄化させる等することができる。
【００２６】
前述した課題を解決する［第７の発明］は、［第４の発明］または［第５の発明］に係る燃料電池の熱交換構造において、
前記キャップは、
前記基体管に設置された導電性のリード膜に密接して、前記燃料電池セルが発電した電力を外部に集電する集電キャップであることを特徴とする燃料電池の熱交換構造である。
【００２７】
集電方法としては、外面集電と内面集電とがある。よって、集電キャップとしては、外面集電型の集電キャップであっても、内面集電型の集電キャップであってもよい。外面集電型とは、リード膜が基体管の外面の端部まで形成され、燃料電池セルにおいて発電された電力を基体管の外面から集電する方法である。一方、リード膜が基体管の端部において内側にまで折り返して設けられ、基体管の内側に集電キャップを嵌め込むことで集電する方法を内面集電という。
【００２８】
前述した課題を解決する［第８の発明］は、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池において、
［第１の発明］ないし［第７の発明］のいずれかに係る燃料電池の熱交換構造を備えたことを特徴とする燃料電池である。
【００２９】
燃料電池セルに供給される第１又は第２のガスを十分に予熱しておくことで、燃料電池の発電効率を向上させる。
【００３０】
前述した課題を解決する［第９の発明］は、［第８の発明］に係る燃料電池において、
前記基体管の一端から前記第１ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第１ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池であることを特徴とする燃料電池である。
【００３１】
ワンスルータイプの燃料電池とは、燃料ガスの流動方法について、セルチューブの一端から供給された燃料ガスがセルチューブの他端から排出されるタイプの燃料電池である。
【００３２】
前述した課題を解決する［第１０の発明］は、［第８の発明］または［第９の発明］に係る燃料電池において、
前記第１ガスは燃料ガスであり、前記第２ガスは酸化剤ガスであることを特徴とする燃料電池である。
【００３３】
前述した課題を解決する［第１１の発明］は、［第８の発明］または［第９の発明］に係る燃料電池において、
前記第１ガスは酸化剤ガスであり、前記第２ガスは燃料ガスであることを特徴とする燃料電池である。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態に基づいて本発明を更に具体的に説明するが、以下の実施形態は本発明を限定するものではない。
【００３５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の熱交換構造を取り付けた燃料電池の概略構成図である。なお、図１では、発電された電力の集電に関する構造は省略してある。
【００３６】
同図に示すように、燃料電池１は、複数の円筒形状のセルチューブ２（図には３本を図示）と、セルチューブ２に燃料ガス４を供給する供給室３ａと、セルチューブ２から排出燃料ガス５を排出する排出室３ｂと、酸化剤ガス６が供給される酸化剤供給室２５とからなる。
【００３７】
上部管板２１及び下部管板２２には、セルチューブ２を通す穴が設けられ、この穴にセルチューブ２を通すことにより、セルチューブ２を支持すると共に、供給室３ａ及び排出室３ｂと酸化剤供給室２５とを隔離している。また、上部支持体２３及び下部支持体２４はセルチューブ２を補助的に支持するものである。
【００３８】
中子１３は、セルチューブ２の内径よりもやや小さい直径の円柱形状に成形されると共に、後述する方法によりセルチューブ２の内部における下端に取り付けられた部材であり、セルチューブ２内における燃料ガス４の流路を狭くするために設けられる。
【００３９】
円筒形状のセルチューブ２は多孔質の材料からなり、その外周面に複数の燃料電池セル８が形成されている。なお、セルチューブ２の外表面に、燃料電池セル８を一素子のみ設けて燃料電池を構成してもよく、このタイプの燃料電池を単素子タイプの燃料電池という。
【００４０】
燃料電池１により発電する場合には、供給室３ａからセルチューブ２の内部に燃料ガス４として水素やメタン等を供給すると共に、セルチューブ２の外周面に酸化剤ガス６として酸素や空気等を供給する。更に、燃料電池１の内部を約８００℃から１０００℃の高温環境とすることにより、燃料ガス４と酸化剤ガス６とが燃料電池セル８において電気化学的に反応して発電が行われる。
【００４１】
セルチューブ２を通過した燃料ガス４（未反応の燃料ガス等）は、排出室３ｂから排出燃料ガス５として燃料電池１の外部に排出される。また、酸化剤供給室２５を通過した酸化剤ガス６（未反応の酸化剤ガス等）は、排出酸化剤ガス７として燃料電池１の外部に排出される。なお、セルチューブ２に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ２の外周面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル８を構成する燃料極（図示せず）及び空気極（図示せず）の配置を逆にすればよい。
【００４２】
前述するように、発電を行うためには、約８００℃から１０００℃の高温環境における化学反応を利用するため、外部から燃料ガス４及び酸化剤ガス６を供給する際に、予めガスを予熱しておく必要がある。これは、供給するガスの予熱を行わないと、燃料電池セル８の温度を低下させる結果、発電効率の低下及び発電自体の不安定化を招くおそれがあるからである。
【００４３】
本実施形態においては、セルチューブ２の内部に中子１３を設けることによりガスの予熱を行っている。以下、中子１３がガスの予熱を行う仕組みを詳細に説明する。
【００４４】
図２は、図１におけるセルチューブ２の下端の部分を拡大した図であり、第１の実施形態に係る熱交換構造の概略構成図である。また、図３は、中子１３の概略を示した外観図であり、同図（ａ）は中子１３の概略側面図、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＢ矢視方向の概略図、同図（ｃ）は同図（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図である。また、図４は、図２における集電キャップ２０の概略外観図（ａ）と側断面図（ｂ）である。
【００４５】
図３に示すように、中子１３は、円柱形状の中子本体１５と、中子本体１５の表面に設けられた凸部であるセンタリング部１４（センタリング手段）と、中子本体１５の一端に設けられた凹部１６−１と、中子本体１５の側面に設けられ、中子本体１５の外面から凹部１６−１に通じるガス流動口１６−２とからなる。中子本体１５の直径は、基体管１０の内径よりも小さく、中子１３が基体管１０の内部に設置された場合には、センタリング部１４が基体管１０の内面に接するようになっている。
【００４６】
図４に示すように、集電キャップ２０は、ニッケル等の導電性材料で成形された円筒形状の部材の上部にガス穴３０が設けられると共に、円筒の内側には弾性部３１が設けられてなる。弾性部３１は、円筒形状の集電キャップ２０の内部において、円筒の中心及び径方向外側へ向かう方向に弾性的に動くことができるようになっている。
【００４７】
図２に示すように、基体管１０の外周面には、リード線の役割を果たすリード膜１１が、最下部の燃料電池セル（図示せず）から基体管１０の下端部まで形成されている。リード膜１１の下部付近には保護膜１２を形成せず、剥き出しの状態となっており、この剥き出しとなったリード膜１１に集電キャップ２０の弾性部３１が付勢され密接することにより、集電キャップ２０が取り付けられる。
【００４８】
集電キャップ２０には導線３５が接続され、発電された電力が燃料電池の外部に取り出される。このように、燃料電池セルにおいて発電された電力を基体管１０の外面から集電する方法を外面集電といい、集電キャップ２０は外面集電型の集電キャップである。一方、リード膜１１が基体管１０の下端部において内側にまで設けられ、基体管１０の内側に集電キャップを嵌め込むことで集電する方法を内面集電という。
【００４９】
集電キャップ２０に設けられたガス穴３０は、中子１３の直径よりもやや小さめに形成されている。このため、基体管１０の下端部に取り付けられた集電キャップ２０により、基体管１０の内部に挿入された中子１３が鉛直方向へずれないように支持されている。すなわち、集電キャップ２０は中子１３を支持する「中子支持手段」としても機能する部材である。
【００５０】
また、中子１３はセンタリング手段であるセンタリング部１４を有する。このため、センタリング部１４が中子本体１５の中心軸と基体管１０の中心軸とが重なるように中子１３をセンタリングし、基体管１０と中子本体１５との間に一定の隙間が形成される。
【００５１】
本実施形態に係る熱交換構造２６では、中子１３が「中子支持手段」である集電キャップ２０により支持され、基体管１０の内部に取り付けられており、基体管１０の内部を通過する燃料ガス４の熱を基体管１０の外部を通過する酸化剤ガス６に基体管１０を介して伝導することで熱交換を行う。
【００５２】
すなわち、燃料ガス４は、供給室３ａから基体管１０を通過する間に燃料電池内部の熱により加熱され、基体管１０の下端部をにおいては８００℃から１０００℃のガスとなっている。一方、燃料電池の外部から供給された酸化剤ガス６は、燃料電池に供給された直後である基体管１０の下部においては十分に加熱されていない。
【００５３】
ここで、基体管１０の下端部では、中子１３が取り付けられ、基体管１０と中子本体１５との間に一定の隙間が形成されていることにより、燃料ガス４の流路が狭くなっている。このため、燃料ガス４の熱は、高い熱伝導率で基体管１０を介して酸化剤ガス６に伝導する。基体管１０と中子本体１５との間の隙間を通過した燃料ガス４は、中子１３の一端（下端）に設けられた流路変更路であるガス流動口１６−２と凹部１６−１とを通過し、排出燃料ガス５として排気室３ｂに排気される。
【００５４】
これにより、燃料ガス４の残熱を効率よく酸化剤ガス６に伝導することができる。すなわち、予熱の不十分な酸化剤ガス６が供給されることによる発電効率の低下及び発電自体の不安定化を防止することができる。また、酸化剤ガス６の予熱の不足分を補うために、外部の熱交換設備またはヒーター等を大型化する必要がなくなる。
【００５５】
なお、本実施形態では、燃料ガス４をセルチューブ２に供給すると共に、酸化剤ガスをセルチューブ２の外面に供給することとしたが、逆に、セルチューブ２に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ２の外面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル８を構成する燃料極（図示せず）及び空気極（図示せず）の配置を逆にすればよい。
【００５６】
また、集電キャップ２０は、内面集電タイプの集電キャップまたは、集電機能を持たないキャップであってもよい。
【００５７】
更に、燃料ガス４および酸化剤ガス６の流動方向を逆とし、燃料ガス４をセルチューブ２の下端部から供給し、酸化剤ガス６を上部支持体２３側から下部支持体２４側へ流動させるようにしてもよい。この場合、セルチューブ２の下端部に取り付けられた中子１３は、前述した熱交換とは逆の熱伝導に基づく熱交換を行う。すなわち、酸化剤供給室２５を通過して８００℃から１０００℃に加熱された酸化剤ガスの熱が基体管１０を介して、外部から基体管１０に供給された直後の燃料ガスに伝導することにより、燃料ガスを予熱する。
【００５８】
燃料ガス４をセルチューブ２の下端部から供給する場合には、中子１３の表面を改質触媒で覆うことで、基体管１０に供給される燃料ガス４を予め改質して、燃料電池セルにおける反応効率を向上させることができる。改質触媒としては、多孔質で高表面積の担体（アルミナ、シリカ、マグネシア、ジルコニア等）に金属（Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ等）が担持された触媒等を使用することができる。
【００５９】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の熱交換構造の概略構成図である。本実施形態に係る燃料電池の熱交換構造は、図８に示したワンスルータイプの燃料電池に取り付けられており（更に、セルチューブ２の上端部に取り付けられている）、燃料電池全体の構成に関する説明は前述した通りである。また、図６は、本実施形態に係る中子１３の概略を示した外観図であり、同図（ａ）は中子１３の概略側面図、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＢ矢視方向の概略図、同図（ｃ）は同図（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図である。
【００６０】
図６に示すように、中子１３は、円柱形状の中子本体１５と、中子本体１５の表面に設けられた凸部であるセンタリング部１４（センタリング手段）と、中子本体１５の一端に設けられ、中子本体１５の直径よりもやや大きい円盤部材のつば部１７（中子支持手段）とからなる。つば部１７には３つの切欠部１８が設けられており、切欠部１８は、つば部１７の一部が、中子本体１５の直径に達するまで欠損した構造となっている。中子本体１５の直径は、基体管１０の内径よりも小さくなっており、基体管１０の内部においては、センタリング部１４が基体管１０の内面に接するようになっている。
【００６１】
図５に示すように、基体管１０の外周面には、リード線の役割を果たすリード膜１１が、最上部の燃料電池セル（図示せず）から基体管１０の上端部まで形成されている。リード膜１１の上部付近には保護膜１２を形成せず、剥き出しの状態となっており、この剥き出しとなったリード膜１１に集電キャップ２０の弾性部３１が付勢され密接することにより、集電キャップ２０が取り付けられる。集電キャップ２０には導線３５が接続され、発電された電力が燃料電池の外部に取り出される。
【００６２】
なお、集電キャップ２０の基本的な構造は、第１の実施形態で説明した集電キャップ（図４参照）と同様であるが、ガス穴３０が第１の実施形態のときに比べてやや大きく成形されている。すなわち、本実施例に係る集電キャップ２０のガス穴３０の直径は、基体管１０の内径と同じ大きさである。
【００６３】
中子１３の一端に設けられたつば部１７の直径は、基体管１０の外径とほぼ同じ大きさである。このため、基体管１０の上端部につば部１７が引っ掛かり、中子１３は基体管１０の内部に懸架されている。すなわち、つば部１７は「中子支持手段」としての機能を有する。さらに、基体管１０の上端部に取り付けられた集電キャップ２０により、中子１３のつば部１７は、基体管１０の上端部と集電キャップ２０とに挟まれている。よって、集電キャップ２０も中子支持手段としての機能を有する。この結果、中子１３は、基体管１０の内部に支持されている。
【００６４】
また、中子１３はセンタリング手段であるセンタリング部１４を有する。このため、センタリング部１４が中子本体１５の中心軸と基体管１０の中心軸とが重なるように中子１５をセンタリングし、基体管１０と中子本体１５との間に一定の隙間が形成される。
【００６５】
本実施形態に係る熱交換構造２６では、中子１３が基体管１０の内部に取り付けられており、基体管１０の外部を通過する排出酸化剤ガス７の熱を基体管１０を介して基体管１０の内部を通過する燃料ガス４に伝導することで熱交換を行う。
【００６６】
すなわち、酸化剤ガス６は、酸化剤供給室２５を通過する間に燃料電池内部の熱により加熱され、基体管１０の上部においては８００℃から１０００℃の排出酸化剤ガス７となっている。一方、燃料電池の外部から供給された燃料ガス４は、燃料電池に供給された直後である基体管１０の上端部（供給室３ａ付近）においては十分に加熱されていない。
【００６７】
ここで、基体管１０の上端部では、中子１３が取り付けられ、基体管１０と中子本体１５との間に一定の隙間が形成されていることにより、燃料ガス４の流路が狭くなっている。このため、排出酸化剤ガス７の熱は、高い熱伝導率で基体管１０を介して燃料ガス４に伝導する。なお、つば部１７には切欠部１８が設けられており、酸化剤ガス４は切欠部１８から基体管１０の内部（基体管１０と中子本体１５との隙間）に供給される。
【００６８】
これにより、排出酸化剤ガス７の残熱を効率よく燃料ガス４に伝導することができ、予熱が不十分な燃料ガス４が供給されることによる発電効率の低下及び発電自体の不安定化を防止することができる。また、燃料ガス４の予熱の不足分を補うために、外部の熱交換設備またはヒーター等を大型化する必要がなくなる。なお、燃料ガス４の予熱がセルの発電部から熱伝導のみで十分な場合には、排出酸化剤ガス７は、上部支持体２３と上部管板２１との間の空間を通過させ燃料電池の外部へ排出するのではなく、酸化剤供給室２５からそのまま排出してもよい。
【００６９】
なお、本実施形態においても、セルチューブ２に酸化剤ガスを供給し、セルチューブ２の外面に燃料ガスを供給してもよく、この場合には燃料電池セル８を構成する燃料極（図示せず）及び空気極（図示せず）の配置を逆にすればよい。
【００７０】
また、集電キャップ２０は、内面集電タイプの集電キャップまたは、集電機能を持たないキャップであってもよい。
【００７１】
更に、本実施形態に係る中子１３は、つば部１７が基体管１０の上端部に引っ掛かることにより、ある程度支持することができる。また、中子１３の表面を改質触媒で覆うことで、基体管１０に供給される燃料ガス４を改質して、燃料電池セルにおける反応効率を向上させることができる。
【００７２】
また、本実施形態に係る中子１３は、つば部１７を有しているため、セルチューブ２の下端部に設置することができる。この場合には、集電キャップ２０でつば部１７を基体管の下端部に挟むことで中子１３を支持する。
【００７３】
更に、燃料ガス４および酸化剤ガス６の流動方向を逆とし、燃料ガス４をセルチューブ２の下端部から供給し、酸化剤ガス６を上部支持体２３側から下部支持体２４側へ流動させるようにしてもよい。この場合、セルチューブ２の上端部に取り付けられた中子１３は、前述した熱交換とは逆の熱伝導に基づく熱交換を行う。すなわち、基体管１０内を通過して８００℃から１０００℃に加熱された燃料ガスの熱が基体管１０を介して、外部から酸化剤供給室２５に供給された直後の燃料ガスに伝導することにより、酸化剤ガスを予熱する。
【００７４】
［第３の実施形態］
図７は、本発明の第３の実施形態に係る中子１３の概略を示した外観図であり、同図（ａ）は中子１３の概略側面図、同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＢ矢視方向の概略図、同図（ｃ）は同図（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図である。
【００７５】
図７に示すように、中子１３は、円柱形状の中子本体１５と、中子本体１５の表面に設けられた凸部であるセンタリング部１４（センタリング手段）と、中子本体１５の一端に設けられ、中子本体１５の直径よりもやや大きく突き出た突起部１９（中子支持手段）とからなる。突起部１９は、中子本体１５の一端に２つ設けられている。中子本体１５の直径は、基体管１０の内径よりも小さく、基体管１０の内部に中子１３を設置する場合には、センタリング部１４が基体管１０の内面に接するようになっている。
【００７６】
本実施形態に係る中子１３を、熱交換構造として使用する場合には、第２の実施形態と同じ態様にして使用することができる。すなわち、突起部１９が第２の実施形態に係る中子１３のつば部１７（中子支持手段）に相当する。このため、中子支持手段である突起部１９が基体管１０の上端部に引っ掛かることで、中子１３が基体管１０の内部に支持される。さらに、集電キャップ２０により基体管１０の端部との間に挟んで固定してもよい。これ以外にも、本実施形態に係る中子１３を、第２の実施形態の欄で説明した態様で使用することができることはいうまでもない。
【００７７】
【発明の効果】
［請求項１］に係る発明では、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第１ガスと、前記基体管の外側を通る前記第２ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池の熱交換構造において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第１ガスの流路を狭くする中子と、
前記中子を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、
前記中子を前記基体管に支持する中子支持手段と備えたので、
中子支持手段により中子を基体管の内部に支持し、中子を設置することで形成された基体管と中子との隙間を第１ガスが流動することにより、第１ガスと基体管の外部を流動する第２ガスとの熱伝導を効率よく行うことができる。これにより、予熱の不十分な第１ガスまたは第２ガスが供給されることによる発電効率の低下及び発電自体の不安定化を防止することができる。また、供給ガスの予熱の不足分を補うために、外部の熱交換設備またはヒーター等を大型化する必要がなくなる。
【００７８】
［請求項２］に係る発明では、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第１ガスと、前記基体管の外側を通る前記第２ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池の熱交換構造において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第１ガスの流路を狭くする中子本体と、前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対しセンタリングするセンタリング手段と、前記中子本体の一端に設けられ、前記中子本体を前記基体管に支持する中子支持手段とからなる中子を備えたので、
請求項１に係る発明の奏する効果に加え、中子支持手段を有する中子として、中子を一体製造することができる。
【００７９】
［請求項３］に係る発明では、［請求項２］に係る燃料電池の熱交換構造において、
前記中子支持手段が前記基体管の端部に引っ掛かることにより、前記中子が前記基体管に懸架されるようにしたので、簡便な方法で中子を基体管に固定することができる。
【００８０】
［請求項４］に係る発明では、［請求項２］に係る燃料電池の熱交換構造において、
更に前記基体管の端部に設けられるキャップを有し、
前記キャップと前記基体管の端部との間に、前記中子支持手段が挟み込まれることにより、前記中子が前記基体管に支持されるようにしたので、
簡便な方法で中子を基体管に支持すると共に、キャップにより確実に中子を支持することができる。
【００８１】
［請求項５］に係る発明では、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する際に、前記基体管の内側を通る前記第１ガスと、前記基体管の外側を通る前記第２ガスとが前記基体管を介して熱交換を行う燃料電池の熱交換構造において、
前記基体管の内部に設けられ、前記基体管内の前記第１ガスの流路を狭くする中子本体と、前記中子本体の表面に設けられ、前記中子本体を前記基体管に対してセンタリングするセンタリング手段とからなる中子を有すると共に、
前記基体管の下端に設けられるキャップを有し、
前記中子本体の下端には、前記第１ガスの流路を前記中子の外側と内側とで流路変更する流路変更部が更に設けられ、
前記中子が鉛直方向へ移動しないように前記キャップで支持されることにより、前記中子が前記基体管に支持されるようにしたので、
簡便な方法により中子を固定することができる。
【００８２】
［請求項６］に係る発明では、［請求項１］ないし［請求項５］のいずれかに係る燃料電池の熱交換構造において、
前記中子は前記第１ガスを改質する触媒を具備することとしたので、
基体管の内部を通過する第１ガスに対して、基体管の上流側に触媒を具備する中子を設けた場合には、燃料電池セルにおける発電反応の効率を向上させるガスに改質し、発電効率を向上させることができる。逆に、基体管の下流側に触媒を具備する中子を設けた場合には、燃料電池から排出される第１ガスを浄化させる等することができる。
【００８３】
［請求項７］に係る発明では、［請求項４］または［請求項５］に係る燃料電池の熱交換構造において、
前記キャップは、前記基体管に設置された導電性のリード膜に密接して、前記燃料電池セルが発電した電力を電池外部に集電する集電キャップであることとしたので、
集電キャップを利用するという簡便な方法で中子を固定することができる。
【００８４】
［請求項８］に係る発明では、筒状の基体管の内部に第１ガスを供給すると共に、前記基体管の外面に設けられた燃料電池セルに第２ガスを供給することにより、前記燃料電池セルにおいて前記第１ガスと前記第２ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池において、
［請求項１］ないし［請求項７］のいずれかに係る燃料電池の熱交換構造を備えたので、
燃料電池の予熱設備をコンパクトにすると共に、供給ガスを十分に予熱することができ、発電効率を向上させることができる。
【００８５】
［請求項９］に係る発明では、［請求項８］に係る燃料電池において、
前記基体管の一端から前記第１ガスが供給されると共に、前記基体管の他端から前記第１ガスが排出されるワンスルータイプの燃料電池としたので、
構造の簡単なワンスルータイプの燃料電池において、電池スケール及び発電効率を向上させることができる。
【００８６】
［請求項１０］に係る発明では、［請求項８］または［請求項９］に係る燃料電池において、
前記第１ガスを燃料ガスとし、前記第２ガスを酸化剤ガスとしたので、
一般的な燃料電池に適用することができる。
【００８７】
［請求項１１］に係る発明では、［請求項８］または［請求項９］に係る燃料電池において、
前記第１ガスを酸化剤ガスとし、前記第２ガスを燃料ガスとしたので、
一般的な燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池の熱交換構造を取り付けた燃料電池の概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に係る熱交換構造の概略構成図である。
【図３】第１の実施形態に係る中子の概略図であり、（ａ）は概略側面図、（ｂ）は同図（ａ）におけるＢ矢視方向の概略図、（ｃ）は同図（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図４】図２における集電キャップの概略外観図（ａ）と側断面図（ｂ）である。
【図５】第２の実施形態に係る燃料電池の熱交換構造の概略構成図である。
【図６】第２の実施形態に係る中子の概略図であり、（ａ）は概略側面図、（ｂ）は同図（ａ）におけるＢ矢視方向の概略図、（ｃ）は同図（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図７】第３の実施形態に係る中子の概略図であり、（ａ）は概略側面図、（ｂ）は同図（ａ）におけるＢ矢視方向の概略図、（ｃ）は同図（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視断面図である。
【図８】従来の燃料電池の一例であるワンスルータイプの燃料電池の概略構成図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
２　セルチューブ
３ａ　供給室
３ｂ　排出室
４　燃料ガス
５　排出燃料ガス
６　酸化剤ガス
７　排出酸化剤ガス
８　燃料電池セル
１０　基体管
１１　リード膜
１２　保護膜
１３　中子
１４　センタリング部
１５　中子本体
１６−１　凹部
１６−２　ガス流動口
１７　つば部
１８　切欠部
１９　突起部
２０　集電キャップ
２１　上部管板
２２　下部管板
２３　上部支持体
２４　下部支持体
２５　酸化剤供給室
２６　熱交換構造
３０　ガス穴
３１　弾性部
３５　導線
【図１】
2004127640.tif 000003
【図２】
2004127640.tif 000004
【図３】
2004127640.tif 000005
【図４】
2004127640.tif 000006
【図５】
2004127640.tif 000007
【図６】
2004127640.tif 000008
【図７】
2004127640.tif 000009
【図８】
2004127640.tif 000010