特許 5848144 固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5848144

(24)【登録日】2015年12月4日

(45)【発行日】2016年1月27日

(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/02 20160101AFI20160107BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20160107BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 R

   H01M8/12

【請求項の数】11

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-22238(P2012-22238)

(22)【出願日】2012年2月3日

(65)【公開番号】特開2013-161637(P2013-161637A)

(43)【公開日】2013年8月19日

【審査請求日】2014年9月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(72)【発明者】

【氏名】荒木 研太

【審査官】 小森 重樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−２３８７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２７２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１１５６２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１６２４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１９０３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２３８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１２３８２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に第１ガスが流通し、外面に第２ガスが供給されて、前記第１ガスと前記第２ガスとが熱交換する筒形状の基体管と、
前記基体管の外面に設けられ、前記第１ガスと前記第２ガスとが電気化学反応して発電する燃料電池セルと、
を備え、
前記基体管の一端から前記燃料電池セルが設けられるまでの所定長さの間の端部は、軸線を含む部分が中空であり、
前記端部における前記第１ガスの流通路の断面積は、前記端部以外の中間部分の流通路の断面積よりも小さく、前記端部における前記第１ガスの流通路の断面積は一定である固体酸化物形燃料電池。

【請求項2】

内部に第１ガスが流通し、外面に第２ガスが供給されて、前記第１ガスと前記第２ガスとが熱交換する筒形状の基体管と、
前記基体管の外面に設けられ、前記第１ガスと前記第２ガスとが電気化学反応して発電する燃料電池セルと、
を備え、
前記基体管の一端から前記燃料電池セルが設けられるまでの所定長さの間の端部のみが、複数の流通路の集合体であり、前記流通路それぞれの断面積は、一の前記基体管の断面積に比べ小さい固体酸化物形燃料電池。

【請求項3】

前記端部における前記第１ガスの流通路の総断面積は、前記端部以外の中間部分の流通路の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。

【請求項4】

前記基体管の一端から所定長さの間の前記端部における前記第１ガスの流通路の総断面積は一定である請求項２又は３に記載の固体酸化物形燃料電池。

【請求項5】

前記基体管の一端から中間部分に向けて、前記端部における前記第１ガスの流通路の総断面積は次第に大きくなることを特徴とする請求項２又は３に記載の固体酸化物形燃料電池。

【請求項6】

成形型を用いて、管状部材であって、一端から燃料電池セルが設けられるまでの所定長さの間の端部における流通路の断面積は、前記端部以外の中間部分よりも狭くなるように、セラミック材料を成形するステップと、
燃料電池セル材料を前記成形されたセラミック材料の前記中間部分の外周面に積層するステップと、
前記成形されたセラミック材料と前記燃料電池セル材料を焼成するステップと、
を備え、
前記セラミック材料を成形するステップは、鋳込み成形による固体酸化物形燃料電池の製造方法。

【請求項7】

成形型を用いて、管状部材であって、一端から燃料電池セルが設けられるまでの所定長さの間の端部における流通路の断面積は、前記端部以外の中間部分よりも狭くなるように、セラミック材料を成形するステップと、
燃料電池セル材料を前記成形されたセラミック材料の前記中間部分の外周面に積層するステップと、
前記成形されたセラミック材料と前記燃料電池セル材料を焼成するステップと、
を備え、
前記セラミック材料を成形するステップは、前記端部の外径が前記中間部分よりも細くなるような金型を用いた成形による固体酸化物形燃料電池の製造方法。

【請求項8】

前記セラミック材料を成形するステップは、
前記端部に該当する部位と前記中間部分に該当する部位とを別々に成形するステップと、
前記成形された端部に該当する部位と、前記成形された中間部分に該当する部位とを接合するステップと、
を有する請求項６又は７に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。

【請求項9】

成形型を用いて、管状部材であって、一端から燃料電池セルが設けられるまでの所定長さの間の端部における流通路の断面積は、前記端部以外の中間部分よりも狭くなるように、セラミック材料を成形するステップと、
燃料電池セル材料を前記成形されたセラミック材料の前記中間部分の外周面に積層するステップと、
前記成形されたセラミック材料と前記燃料電池セル材料を焼成するステップと、
を備え、
前記セラミック材料を成形するステップは、
前記端部に該当する部位と前記中間部分に該当する部位とを別々に成形するステップと、
前記成形された端部に該当する部位と、前記成形された中間部分に該当する部位とを接合するステップと、
を有する固体酸化物形燃料電池の製造方法。

【請求項10】

成形型を用いて、管状部材であって、一端から燃料電池セルが設けられるまでの所定長さの間の端部における流通路の断面積は、前記端部以外の中間部分よりも狭く、前記端部における前記流通路の断面積は一定であるように、セラミック材料を成形するステップと、
燃料電池セル材料を前記成形されたセラミック材料の前記中間部分の外周面に積層するステップと、
前記成形されたセラミック材料と前記燃料電池セル材料を焼成するステップと、
を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法。

【請求項11】

成形型を用いて、管状部材であって、一端から燃料電池セルが設けられるまでの所定長さの間の端部のみが、複数の流通路の集合体であり、前記流通路それぞれの断面積は、一の前記管状部材の断面積に比べ狭くなるように、セラミック材料を成形するステップと、
燃料電池セル材料を前記成形されたセラミック材料の前記端部以外の中間部分の外周面に積層するステップと、
前記成形されたセラミック材料と前記燃料電池セル材料を焼成するステップと、
を備える固体酸化物形燃料電池の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）は、燃料極に燃料ガスを、空気極に酸素を含む流体（空気）を供給することで発電がなされる電池である。ＳＯＦＣの一態様として、円筒横縞型ＳＯＦＣが挙げられる。円筒横縞型ＳＯＦＣは、円筒状の複数のセルスタックが平行に並べられ、各セルスタックの両端部が金属部材で支持されたカートリッジ構造をとる。

【0003】

円筒横縞型ＳＯＦＣのセルスタックは、多孔質の基体管を有し、該基体管の外周面上に、燃料極、固体電解質及び空気極が順に積層された発電セルを備える。発電セルは、基体管の長手方向の中間部分に、長手方向に沿って複数形成され、隣接する発電セル同士は、インターコネクタを介して電気的に接続されている。

【0004】

燃料ガスは、基体管の一端から基体管の内部に導入されて基体管の他端から外部へ排出される。一方、酸素を含む酸化剤ガス（例えば空気）は、燃料ガスの流れ方向に対して対向流となるように、基体管の外部にて基体管の他端から一端へ供給される。

【0005】

ＳＯＦＣの支持体（基体管）として、支持体の酸化による破損を防止するための構造として、支持体の端部の内径を小さくして流速を早める構造（特許文献１）や反応面積を高める為、支持体に複数の流路を形成する構造が検討されている（特許文献２及び特許文献３）。

【0006】

ＳＯＦＣは、約800℃から約1000℃といった高温状態で発電するため、燃料ガスや酸化剤ガスを供給する際に、ガスを予熱する必要がある。この予熱は、効率の面から基体管内部に設置した中子により、高温の排出ガスを利用することが検討されている（特許文献４）。例えば、高温の排出燃料ガスは、燃料電池セルに供給される酸化剤ガスと熱交換し、酸化剤ガスを加熱する。また、高温の排出酸化剤ガスは、燃料電池に供給される燃料ガスと熱交換し、燃料ガスを加熱する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００７−２２７２２６号公報

【特許文献2】特開２００７−１１５６２１号公報

【特許文献3】特開２０１１−３４９４５号公報

【特許文献4】特許第３８８６７６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記熱交換の効率を促進するため、基体管端部の内部に、ガスの流通路を狭くするための構造物として中子が設けられる場合がある。中子は、例えば基体管の燃料ガス入口及び出口の少なくともいずれか一方であって、発電素子が形成されていないリード部分に設置される。

【0009】

しかし、中子を基体管内部に設置するため中子を固定する部材が必要であるから、燃料電池の部品点数が増加する。また、高温かつ還元雰囲気に晒されるため、中子には安定性の高い材料を選定する必要があり、高コスト化の要因となる。更に、基体管内部のガスの流れを均等にするために、中子を中心位置にずれることなく設置するためには、複雑な構造や中子を高精度で設置する作業が必要であり、製造上において手間が掛かる。

【0010】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、部品点数を減らし、簡易な構成で効率良く熱交換することが可能な固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明の固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池の製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、内部に第１ガスが流通し、外面に第２ガスが供給されて、前記第１ガスと前記第２ガスとが熱交換する筒形状の基体管と、前記基体管の外面に設けられ、前記第１ガスと前記第２ガスとが電気化学反応して発電する燃料電池セルとを備え、前記基体管の端部は、軸線を含む部分が中空であり、前記端部における前記第１ガスの流通路の断面積は、前記端部以外の中間部分の流通路の断面積よりも小さい。

【0012】

この発明によれば、基体管を介して第１ガスと第２ガスが熱交換することから、燃料電池セルにおける温度を上昇させることができ、電気化学反応を促進できる。また、基体管の端部では、端部以外の中間部分よりも断面積が狭いことから、中間部分よりも流速が速くなり、基体管の端部における第１ガスと第２ガスとの間の熱交換効率を向上させることができる。また、基体管の端部は、軸線を含む部分が中空でありながら、第１ガスの流通路の断面積は、端部以外の中間部分よりも狭いことから、例えば基体管の内部の軸線を含む部分に中子を設ける場合に比べて、部品点数を少なくすることができ、かつ簡易な構成とすることができる。

【0013】

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、内部に第１ガスが流通し、外面に第２ガスが供給されて、前記第１ガスと前記第２ガスとが熱交換する筒形状の基体管と、前記基体管の外面に設けられ、前記第１ガスと前記第２ガスとが電気化学反応して発電する燃料電池セルとを備え、前記基体管の端部は、複数の流通路の集合体である。

【0014】

この発明によれば、基体管を介して第１ガスと第２ガスが熱交換することから、燃料電池セルにおける温度を上昇させることができ、電気化学反応を促進できる。また、基体管の端部では、端部以外の中間部分よりも断面積が狭いことから、中間部分よりも流速が速くなり、基体管の端部における第１ガスと第２ガスとの間の熱交換効率を向上させることができる。また、基体管の端部は、複数の流通路の集合体であることから、中間部分に比べて流通路の表面積が増加し、熱伝導性を向上させることができる。その結果、更に電気化学反応を促進できる。

【0015】

上記発明において、前記端部における前記第１ガスの流通路の断面積は、前記端部以外の中間部分の流通路の断面積よりも小さくてもよい。

【0016】

この発明によれば、基体管の端部では、端部以外の中間部分よりも断面積が狭いことから、中間部分よりも流速が速くなり、基体管の端部における第１ガスと第２ガスとの間の熱交換効率を向上させることができる。

【0017】

上記発明において、前記基体管の一端から所定長さの間の前記端部における前記第１ガスの流通路の断面積は一定でもよい。

【0018】

この発明によれば、基体管の端部と中間部分の境界において、第１ガスの流通路の断面積が急激に変化する形状になる。

【0019】

上記発明において、前記基体管の一端から前記中間部分に向けて、前記端部における前記第１ガスの流通路の断面積は次第に大きくなるようにしてもよい。

【0020】

この発明によれば、基体管の端部と中間部分の境界において、流通路断面積は緩やかに変化する。

【0021】

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法は、成形型を用いて、管状部材であって、前記端部における流通路の断面積は、前記端部以外の中間部分よりも狭くなるように、セラミック材料を成形するステップと、燃料電池セル材料を前記成形されたセラミック材料の外周面に積層するステップと、前記成形されたセラミック材料と前記燃料電池セル材料を焼成するステップとを備える。

【0022】

この発明によれば、外周面に燃料電池が形成された管状の基体管が生成される。そして、この基体管の端部では、端部以外の中間部分よりも断面積が狭いことから、中間部分よりも流速が速くなり、基体管の端部における第１ガスと第２ガスとの間の熱交換効率を向上させることができる。また、基体管の端部における第１ガスの流通路の断面積は、端部以外の中間部分よりも狭いことから、例えば基体管の内部の軸線を含む部分に中子を設ける場合に比べて、部品点数を少なくすることができ、かつ簡易な構成とすることができる。

【0023】

上記発明において、前記セラミック材料を成形するステップは、鋳込み成形によって行ってもよい。

【0024】

この発明によれば、中間部分に比べて端部の断面積が狭い形状を有する基体管の成形体を容易に得ることができる。

【0025】

上記発明において、前記セラミック材料を成形するステップは、前記端部の外径が前記中間部分よりも細くなるような金型を用いた成形によって行ってもよい。

【0026】

この発明によれば、中間部分に比べて端部の外径が細い形状を有する基体管の成形体を容易に得ることができる。

【0027】

上記発明において、前記セラミック材料を成形するステップは、前記端部に該当する部位と前記中間部分に該当する部位とを別々に成形するステップと、前記成形された端部に該当する部位と、前記成形された中間部分に該当する部位とを接合するステップとを有してもよい。

【0028】

この発明によれば、断面積や外径が長さ方向にしない中間部分に該当する部位については、簡易に成形できる。また、端部に該当する部位についても、中間部分に比べて端部の断面積が狭い形状や、中間部分に比べて端部の外径が細い形状を容易に成形できる。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、基体管材料を用いて基体管の端部の流通路断面積を基体管の端部以外の中間部分よりも小さくすることで、基体管内外に流れる第１ガスと第２ガスの熱交換を可能とすると共に、基体管の端部を短くでき、部品点数を減らし、簡易な構成で効率良く熱交換する構造が実現できる。また、本発明によれば、基体管材料を用いて基体管のリード部分を複数の流通路の集合体とすることで、基体管内外に流れる第１ガスと第２ガスの熱交換を可能とすると共に、基体管の端部を短くでき、部品点数を減らし、簡易な構成で効率良く熱交換する構造が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す概略構成図である。

【図2】同実施形態に係る燃料電池の基体管と長さ方向の温度分布の関係を示す説明図である。

【図3】同実施形態に係る基体管を示す部分縦断面図である。

【図4】同実施形態に係る基体管を示す部分縦断面図である。

【図5】同実施形態に係る基体管を示す部分縦断面図である。

【図6】同実施形態に係る基体管を示す部分縦断面図である。

【図7】同実施形態に係る基体管の端部を示す端面図である。

【図8】同実施形態に係る基体管の端部を示す端面図である。

【図9】同実施形態に係る燃料電池の基体管の第１の製造方法を示すフローチャートである。

【図10】同製造方法における成形工程の基体管及び成形型を示す縦断面図である。

【図11】同実施形態に係る燃料電池の基体管の第２の製造方法を示すフローチャートである。

【図12】同製造方法における成形工程の基体管を示す縦断面図である。

【図13】同製造方法における成形工程の基体管及び金型を示す縦断面図である。

【図14】同製造方法における成形工程の基体管及び金型を示す縦断面図である。

【図15】同実施形態に係る燃料電池の基体管の第３の製造方法を示すフローチャートである。

【図16】同製造方法における接合工程前の基体管を示す縦断面図である。

【図17】同製造方法における接合工程の基体管を示す縦断面図である。

【図18】同製造方法における接合工程前の基体管を示す縦断面図である。

【図19】同製造方法における接合工程の基体管を示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本発明の一実施形態に係る円筒形燃料電池の構成について説明する。
図１は、本実施形態に係る基体管２を取り付けた燃料電池１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。

【0032】

燃料電池１は、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、基体管２の内部に上部から供給される燃料ガス４と基体管２の外部に下部から供給される酸素とが燃料電池セル８において電気化学的反応をして発電する。燃料ガス４は、例えば天然ガスなどを水蒸気と反応させて改質して生成された水素やメタンなどである。酸素は、酸化剤ガス６（例えば空気）によって燃料電池１に供給される。

【0033】

燃料電池１は、図１に示すように、基体管２の外表面に複数の燃料電池セル８を設けて、隣り合う燃料電池セル８同士をインターコネクタ（図示せず。）によって電気的に直列に接続されている。基体管２の外表面は燃料電池セル８が形成されている部分と、燃料電池が形成されていないリード部１３を有している。

【0034】

燃料電池１は、複数の円筒形状の基体管２（図１の例では３本）と、基体管２に燃料ガス４を供給する供給室３ａと、排出燃料ガス５を外部へ排出する排出室３ｂと、酸化剤ガス６が供給される酸化剤供給室２５などからなる。

【0035】

上部管板２１及び下部管板２２には、基体管２を通す穴が設けられ、この穴に基体管２を通すことにより、基体管２を気密に支持すると共に、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、基体管２を補助的に支持する。

【0036】

なお、本発明は、複数の燃料電池セル８が基体管２の外表面に設けられた場合に限定されない。燃料電池１は、例えば、基体管２の外表面に、燃料電池セル８を１素子のみ設けた単素子タイプの燃料電池でもよい。

【0037】

基体管２は、例えばセラミックス製の多孔質材料であり、円筒形状を有する。燃料電池セル２は、空気極（図示せず。）と、電解質膜（図示せず。）と、燃料極（図示せず。）からなる。

【0038】

空気極には酸素が供給され、燃料極には燃料ガス４が供給される。空気極に供給された酸素は、イオン化されて電解質膜を透過し、燃料極に到達する。そして、燃料極に到達した酸素と燃料ガス４との電気化学的反応によって燃料極と空気極との間に生じる電位差が外部に取り出されることにより発電が行われる。

【0039】

図２に示すように、約400℃の燃料ガス４は、供給室３ａから基体管２の一端を介して内部に導入されて、約600℃から約950℃まで昇温されて、基体管２の他端から排出室３ｂへ排出される。一方、酸素を含む酸化剤ガス６は、燃料ガス４の流れ方向に対して対向流となるように、基体管２の外部にて基体管２の他端から一端へ供給される。

【0040】

燃料電池１による発電は、高温の電気化学反応を利用するため、燃料電池１を約800℃から約1000℃といった高温に保持する必要がある。また、燃料電池１を高温に保持するため、燃料ガス４や酸化剤ガス６を供給する際に、それぞれのガスを予熱する必要がある。この予熱として、高温の排出ガスの熱を回収し、供給ガスを予熱することで、燃料電池１をヒーター等による熱源を使用しなくても燃料電池１を高温に保持することが可能であり、結果として、安定した発電状態を維持することできる。

【0041】

基体管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、基体管２の内部に酸化剤ガスを供給し、基体管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】

本実施形態においては、基体管２の端部にリード部１３を設けることによって、ガスの予熱を行っている。以下、リード部１３におけるガスの予熱について詳細に説明する。

【0043】

リード部１３は、基体管２の端面から所定長さの間に形成され、基体管２の中間部分１４と同様に中空である。すなわち、リード部１３は、基体管２の軸線を含む部分が中空であり、この中空部分がガスの流通路となる。基体管２におけるリード部１３の流通路断面積をリード部１３以外の中間部分１４における流通路断面積よりも小さくすることで、リード部１３の内部を流通するガスの流速を速めている。これにより、基体管２の内外を流れるガスの熱交換が促進される。また、リード部１３の長さを短くすることができる。従来例と異なり、リード部１３には、リード部１３の内周面から離隔して設けられる円筒状の中子が設置されることはなく、リード部１３の内周面と中子の外周面を流通路とする構成を有さない。

【0044】

リード部１３の流通路の断面積は、基体管２の中間部分１４よりも小さくしている。その結果、リード部１３の流通路にガスが流れるとき、中間部分１４に比べて流速が速くなり、リード部１３、すなわち基体管２の端部における燃焼ガス４と酸化剤ガス６との間の熱交換効率が向上する。

【0045】

以下、図３から図６を参照して、リード部１３の形状について説明する。
例えば、図３及び図４の例では、基体管２の端面から所定長さの間に形成されるリード部１３において、流通路の断面積が一定である。リード部１３の外径は、図３に示すように中間部分１４と同一でもよいし、図４に示すように中間部分１４よりも細くてもよい。これにより、基体管２のリード部１３と中間部分１４の境界において、流通路断面積が急激に変化する形状になる。

【0046】

また、図５及び図６の例では、基体管２の端面から所定長さの間に形成されるリード部１３において、基体管２の一端から中間部分１４に向けて、リード部１３におけるガスの流通路の断面積は次第に大きくなる。そして、基体管２のリード部１３と中間部分１４の境界において、流通路断面積は緩やかに変化する。流通路の形状は、図５に示すように、テーパ形状でもよいし、図６に示すように曲面形状を有してもよい。

【0047】

次に、本実施形態に係る基体管２のリード部１３の変形例について説明する。
上記実施形態では、リード部１３の流通路の断面形状が中空である場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。リード部１３は、例えば、断面積が基体管２の断面積に比べて小さい複数の流通路の集合体でもよい。

【0048】

複数の流通路の集合体は、図７に示すように例えばハニカム構造によって形成されてもよいし、図８に示すようにブロック状の部材に断面が円形の多数の開口を設けることによって形成されてもよい。

【0049】

リード部１３の外径は、中間部分１４と同一でもよいし、上述の図３から図６に示す例と同様に中間部分１４に比べて細くてもよい。これにより、リード部１３の流通路の総断面積は、中間部分１４に比べて狭くなる。また、複数の流通路が集合した形状であるため、リード部１３内面の表面積が増加することから、熱伝導性が向上する。

【0050】

本実施形態に係る熱交換構造は、上述のとおり、リード部１３が基体管２の端部に設けられたものである。熱交換構造では、基体管２の内部を通過する燃料ガス４の熱を基体管２の外部を通過する酸化剤ガス６に基体管２を介して伝導することで熱交換を行う。すなわち、燃料ガス４は、供給室３ａから基体管２を通過する間に燃料電池１内部の熱によって加熱され、基体管２の中間部分においては約600℃から約950℃のガスとなる。

【0051】

ここで、基体管２の上端部では、リード部１３が設けられ、基体管２の中間部分１４よりも燃料ガス４の流通路が狭くなっている。このため、酸化剤供給室２５を通過して加熱された酸化剤ガス６の熱は、高い熱伝導率で基体管２を介して燃料ガス４に伝導する。これにより、酸化剤ガス６の熱を外部から基体管２に供給された直後の燃料ガス４に効率良く伝導することができる。

【0052】

また、基体管２の下端部では、リード部１３が設けられ、基体管２の中間部分１４よりも燃料ガス４の流通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２を介して酸化剤ガス６に伝導する。これにより、燃料ガス４の残熱を効率良く酸化剤ガス６に伝導することができる。

【0053】

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。

【0054】

一方、反応によって高温となった燃料ガス４や酸化剤ガス６が、リード部１３における熱交換によって冷却されて外部へ排出される。その結果、下部管板２２及び上部管板２１が高温雰囲気に晒されることを抑制できる。

【0055】

基体管２を通過した燃料ガス４は、リード部１３の一端（下端）を通過し、排出燃料ガス５として排気室３ｂに排気される。

【0056】

なお、燃料ガス４及び酸化剤ガス６の流動方向を逆とし、燃料ガス４を基体管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、基体管２の上端部及び下端部に取り付けられたリード部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。

【0057】

次に、図９を参照して、本実施形態に係る基体管２の第１の製造方法について説明する。
まず、図１０に示すように、セラミック材料を成形型３２内部に充填する。基体管２の中空部分に該当する部分には可燃性の成形型３１が設置される。そして、セラミック材料が充填された成形型３１，３２を加圧し成形する（ステップＳ１）。成形方法としては、例えば鋳込み成形を利用できる。これにより、中間部分１４に比べて両端部の断面積が狭い形状を有する基体管２の成形体を得ることができる。

【0058】

そして、印刷等の方法によって、基体管２の成形体の外表面に燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料を所定領域に積層する（ステップＳ２）。燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料は、スラリーであり、例えば燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料の順に重ねて印刷される。

【0059】

その後、燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料が外表面に形成された基体管２の成形体を一体に焼成する（ステップＳ３）。次に、焼成された基体管２の外表面に空気極材料を所定領域に印刷し積層する（ステップＳ４）。そして、空気極が積層された基体管２の成形体を焼成する（ステップＳ５）。

【0060】

なお、空気極材料を燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料の後に重ねて印刷し、燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料、空気極材料が外表面に形成された基体管２の成形体を一体に焼成する場合もある。

【0061】

次に、図１１を参照して、本実施形態に係る基体管２の第２の製造方法について説明する。
まず、押し出し成形方法によって、セラミック材料を、図１２に示すように一端部から他端部にかけて外径及び内径が一定の円筒形状に成形する（ステップＳ１１）。

【0062】

次に、図１３及び図１４に示すように、円筒形状に成形された成形体のうちリード部１３に該当する端部のみを金型３３を用いて加圧し成形する（ステップＳ１２）。基体管２の中空部分に該当する部分には可燃性の成形型３４が設置される。これにより、リード部１３の外径が中間部分１４よりも細い成形体を得ることができる。

【0063】

その後は、上述した第１の製造方法のステップＳ２からＳ５と同様の工程を経ることによって、燃料極、電解質、インターコネクタ、空気極が外表面に形成された基体管２を生成する。すなわち、印刷等の方法によって、基体管２の成形体の外表面に燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料を所定領域に積層し（ステップＳ２）、一体焼成する（ステップＳ３）。そして、焼成された基体管２の外表面に空気極材料を所定領域に印刷し積層し（ステップＳ４）、焼成する（ステップＳ５）。

【0064】

次に、図１５に示すように、本実施形態に係る基体管２の第３の製造方法について説明する。
上記第１及び第２の製造方法では、リード部１３と中間部分１４の両方を同時に成形する場合について説明した。第３の製造方法は、リード部１３に該当する部分と中間部分１４に該当する部分とを別々に成形し、その後両者を接合する。

【0065】

すなわち、まず、押し出し成形方法によって、セラミック材料を、図１６の左側の部材に示すように一端部から他端部にかけて外径及び内径が一定の円筒形状に成形する（ステップＳ２１）。

【0066】

一方で、図１６の右側に示すように、リード部１３に該当する部分について、セラミック材料を成形型３５内部に充填する。そして、セラミック材料が充填された成形型３５を加圧し成形する（ステップＳ２２）。成形方法としては、例えば鋳込み成形を利用できる。これにより、中間部分１４に比べて両端部の断面積が狭い形状を有する基体管２のリード部１３の成形体を得ることができる。なお、リード部１３の形状に応じて、押し出し成形によってリード部１３の成形体を得てもよい。

【0067】

その後、図１７に示すように円筒形状に成形された成形体と、リード部１３に該当する部分の成形型３５又はリード部１３の成形体とを接合する（ステップＳ２３）。例えば、円筒形状に成形された成形体の両端面にリード部１３の成形体を突き合わせて接合する。または、上述の図３に示すような形状の場合、図１８及び図１９に示すように、円筒形状に成形された基体管２の成形体の両端部分の内部にリード部１３の成形体を挿入して両者を接合してもよい。これにより、断面積や外径が長さ方向にしない中間部分１４に該当する部位については、簡易に成形できる。また、端部に該当する部位についても、中間部分１４に比べて端部の断面積が狭い形状や、中間部分１４に比べて端部の外径が細い形状を容易に成形できる。

【0068】

その後は、上述した第１の製造方法のステップＳ２からＳ５と同様の工程を経ることによって、燃料極、電解質、インターコネクタ、空気極が外表面に形成された基体管２を生成する。すなわち、印刷等の方法によって、基体管２の成形体の外表面に燃料極材料、電解質材料、インターコネクタ材料を所定領域に積層し（ステップＳ２）、一体焼成する（ステップＳ３）。そして、焼成された基体管２の外表面に空気極材料を所定領域に印刷し積層し（ステップＳ４）、焼成する（ステップＳ５）。

【符号の説明】

【0069】

１ 燃料電池
２ 基体管
４ 燃料ガス（第１ガス）
６ 酸化剤ガス（第２ガス）
８ 燃料電池セル
１３ リード部（端部）
１４ 中間部分

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】