特許 6012507 燃料電池モジュール

(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】6012507

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】燃料電池モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/24 20160101AFI20161011BHJP

   H01M 8/2484 20160101ALI20161011BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20161011BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20161011BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/24 R

   H01M8/24 M

   H01M8/24 Z

   H01M8/04 Z

   !H01M8/12

【請求項の数】3

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-34850(P2013-34850)

(22)【出願日】2013年2月25日

(65)【公開番号】特開2014-165008(P2014-165008A)

(43)【公開日】2014年9月8日

【審査請求日】2015年2月6日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 固体酸化物形燃料電池システム要素技術開発 実用性向上のための技術開発 超効率運転のための高圧運転技術の共同研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(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】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(72)【発明者】

【氏名】桐木平 勝仁

(72)【発明者】

【氏名】眞竹 徳久

(72)【発明者】

【氏名】椋本 陽喜

(72)【発明者】

【氏名】森 龍太郎

(72)【発明者】

【氏名】小山 智規

(72)【発明者】

【氏名】大澤 弘行

【審査官】 山内 達人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−１２３８２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−３２０７７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０６２４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３１３３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０７１７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１８７８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０８９２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１３５２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１０６３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１１３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 固体酸化物燃料電池と地球環境，株式会社 アグネ承風社，１９９８年，第１版，ｐ．２４３

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４

Ｈ０１Ｍ ８／２４８４

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状を成し、内周側に供給された炭化水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う複数のセルスタックと、
複数の前記セルスタックを含み、前記燃料ガスが通る流路を形成する流路形成部材と、
前記流路形成部材を収納する容器と、
を備え、
前記流路形成部材は、複数の前記セルスタックの一端部が挿入され、複数の前記セルスタックの内周側に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ヘッダを有し、
複数の前記セルスタックは、長手方向が鉛直方向を向き且つ前記一端部が上方に位置するよう配置され、
複数の前記セルスタックのガス入口は、前記セルスタックの内部から水平方向に向かって開口し、
前記燃料ガス供給ヘッダは、複数の前記セルスタックの前記一端部側である上側に配置され、
前記燃料ガス供給ヘッダと複数の前記セルスタックの前記一端部とで、前記燃料ガスが流入する炭素溜り部が形成され、
前記炭素溜り部には、上側を向いて前記燃料ガスから析出した炭素が堆積し得る炭素受け面と、該炭素受け面より上方に位置して前記炭素溜り部の内部から鉛直下方成分を含まない方向に向かって開口して内部に流入した該燃料ガスを流出させる溜り部出口と、が形成され、
前記燃料ガス供給ヘッダには、前記炭素受け面が形成され、複数の前記セルスタックの前記一端部には、複数の前記セルスタック毎の内周側に前記燃料ガスを導く前記ガス入口が前記溜り部出口として形成されている、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項2】

円筒状を成し、内周側に供給された炭化水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う複数のセルスタックと、
複数の前記セルスタックを含み、前記燃料ガスが通る流路を形成する流路形成部材と、
前記流路形成部材を収納する容器と、
を備え、
前記流路形成部材は、複数の前記セルスタックの一端部が挿入され、複数の前記セルスタックの内周側に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ヘッダと、複数の前記セルスタックの他端部が挿入され、複数の前記セルスタックの内周側から排出された前記燃料ガスが通る燃料ガス排出ヘッダと、該燃料ガス排出ヘッダからの前記燃料ガスを前記容器外部に排出する燃料ガス排出配管と、を有し、
前記燃料ガス排出配管に前記燃料ガスが流入する炭素溜り部が形成され、
前記炭素溜り部には、上側を向いて前記燃料ガスから析出した炭素が堆積し得る炭素受け面と、該炭素受け面より上方に位置して前記炭素溜り部の内部から鉛直下方成分を含まない方向に向かって開口して内部に流入した該燃料ガスを流出させる溜り部出口と、が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項3】

請求項２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記炭素溜り部である第一炭素溜り部の他に、前記燃料ガス供給ヘッダと複数の前記セルスタックの前記一端部とで、前記燃料ガスが流入する第二炭素溜り部が形成され、
前記第二炭素溜り部には、上側を向いて前記燃料ガスから析出した炭素が堆積し得る炭素受け面と、該炭素受け面より上方に位置して前記第二炭素溜り部の内部から鉛直下方成分を含まない方向に向かって開口して内部に流入した該燃料ガスを流出させる溜り部出口と、が形成され、
前記燃料ガス供給ヘッダには、前記第二炭素溜り部の前記炭素受け面が形成され、複数の前記セルスタックの前記一端部には、複数の前記セルスタック毎の内周側に前記燃料ガスを導くガス入口が前記第二炭素溜り部の前記溜り部出口として形成されている、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う複数のセルスタックを備えている燃料電池モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池は、一般的に、炭化水素ガスを含む燃料ガスを触媒作用により改質する燃料極と、空気等の酸化剤ガスから酸素イオンを生成する空気極と、この空気極で生成された酸素イオンを燃料極に移動させる固体電解質とを有する。燃料極と固体電解質との界面付近では、燃料極で改質された燃料ガスと固定電解質からの酸素イオンとが電気化学反応して発電が行われる。この燃料電池は、排気ガスがクリーンであることから、例えば、病院や工場等の分散電源として利用されている。

【0003】

このような燃料電池を備えた燃料電池モジュールの一例として、例えば、以下の特許文献１に開示されているものがある。

【0004】

この燃料電池モジュールは、円筒形状の圧力容器と、この圧力容器内に配置されるカートリッジと、カートリッジに燃焼ガスや酸化剤ガスを供給等するための配管と、を備えている。カートリッジは、電池セル集合体であるセルチューブ（又はセルスタック）の束を有して構成されている。セルスタックは、複数の電池セルと、円筒形状の基体管とを有している。電池セルは、前述の燃料極、固体電解質及び空気極を有して構成されている。複数の電池セルは、円筒形状の基体管の外周面に形成されている。燃料ガスは、このセルスタックの内周側を通り、酸化剤ガスは、このセルスタックの外周側を通る。

【0005】

炭化水素を含む燃料ガスは、そのガス組成や温度条件等によって炭素が析出するため、この炭素が燃料ガスの流路中に設けられている弁等の制御機器中に堆積すると、制御機器等の動作に支障をきたすことになる。

【0006】

そこで、以下の特許文献２では、石炭ガス化炉で生成された石炭ガス化ガス（燃料ガス）を用いて発電する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールに流入する石炭ガス化ガスからの炭素の析出速度を抑制するための冷却器と、を備えている設備を提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第４１１９７２４号公報

【特許文献2】特開２０００−０４８８４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上記特許文献２に記載の技術では、冷却器、さらに冷却器に水等を供給する装置等が必要であり、設備コストのみならずランニングコストがかさむという問題点がある。さらに、上記特許文献２に記載の技術では、さらに、燃料ガスの状態管理等も必要になる。

【0009】

そこで、本発明は、燃料ガスから析出する炭素による機器の動作不良等の不都合を抑えつつも、設備コスト及びランニングコストを抑えることができる燃料電池モジュール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】

【0010】

上記目的を達成するための発明の一態様としての燃料電池モジュールは、
円筒状を成し、内周側に供給された炭化水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う複数のセルスタックと、複数の前記セルスタックを含み、前記燃料ガスが通る流路を形成する流路形成部材と、前記流路形成部材を収納する容器と、を備え、前記流路形成部材は、複数の前記セルスタックの一端部が挿入され、複数の前記セルスタックの内周側に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ヘッダを有し、複数の前記セルスタックは、長手方向が鉛直方向を向き且つ前記一端部が上方に位置するよう配置され、複数の前記セルスタックのガス入口は、前記セルスタックの内部から水平方向に向かって開口し、前記燃料ガス供給ヘッダは、複数の前記セルスタックの前記一端部側である上側に配置され、前記燃料ガス供給ヘッダと複数の前記セルスタックの前記一端部とで、前記燃料ガスが流入する炭素溜り部が形成され、前記炭素溜り部には、上側を向いて前記燃料ガスから析出した炭素が堆積し得る炭素受け面と、該炭素受け面より上方に位置して前記炭素溜り部の内部から鉛直下方成分を含まない方向に向かって開口して内部に流入した該燃料ガスを流出させる溜り部出口と、が形成され、前記燃料ガス供給ヘッダには、前記炭素受け面が形成され、複数の前記セルスタックの前記一端部には、複数の前記セルスタック毎の内周側に前記燃料ガスを導く前記ガス入口が前記溜り部出口として形成されていることを特徴とする。

【0011】

当該燃料電池モジュールでは、燃料ガスの流速が低下した場合や、燃料ガスの流れが停止した場合に、燃料ガス中に浮遊する炭素が炭素受け面に堆積し、この炭素を炭素溜り部で捕集することができる。しかも、炭素溜り部の溜り部出口は、炭素受け面より上方に位置して鉛直下方成分を含まない方向に向かって開口しているため、この炭素溜り部から下流側に流出し難い。

【0012】

上記目的を達成するための発明の他の態様としての燃料電池モジュールは、
円筒状を成し、内周側に供給された炭化水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う複数のセルスタックと、複数の前記セルスタックを含み、前記燃料ガスが通る流路を形成する流路形成部材と、前記流路形成部材を収納する容器と、を備え、前記流路形成部材は、複数の前記セルスタックの一端部が挿入され、複数の前記セルスタックの内周側に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給ヘッダと、複数の前記セルスタックの他端部が挿入され、複数の前記セルスタックの内周側から排出された前記燃料ガスが通る燃料ガス排出ヘッダと、該燃料ガス排出ヘッダからの前記燃料ガスを前記容器外部に排出する燃料ガス排出配管と、を有し、前記燃料ガス排出配管に前記燃料ガスが流入する炭素溜り部が形成され、前記炭素溜り部には、上側を向いて前記燃料ガスから析出した炭素が堆積し得る炭素受け面と、該炭素受け面より上方に位置して前記炭素溜り部の内部から鉛直下方成分を含まない方向に向かって開口して内部に流入した該燃料ガスを流出させる溜り部出口と、が形成されていることを特徴とする。

【0013】

ここで、前記他の態様としての前記燃料電池モジュールにおいて、前記炭素溜り部である第一炭素溜り部の他に、前記燃料ガス供給ヘッダと複数の前記セルスタックの前記一端部とで、前記燃料ガスが流入する第二炭素溜り部が形成され、前記第二炭素溜り部には、上側を向いて前記燃料ガスから析出した炭素が堆積し得る炭素受け面と、該炭素受け面より上方に位置して前記第二炭素溜り部の内部から鉛直下方成分を含まない方向に向かって開口して内部に流入した該燃料ガスを流出させる溜り部出口と、が形成され、前記燃料ガス供給ヘッダには、前記第二炭素溜り部の前記炭素受け面が形成され、複数の前記セルスタックの前記一端部には、複数の前記セルスタック毎の内周側に前記燃料ガスを導くガス入口が前記第二炭素溜り部の前記溜り部出口として形成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明では、燃料ガスから析出した炭素を炭素溜り部で捕集することができる。しかも、本発明では、炭素溜り部で捕集した炭素の下流側への流出を抑えることができる。よって、本発明によれば、燃料ガスから析出する炭素による機器の動作不良等の不都合を抑えつつも、設備コスト及びランニングコストを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明に係る第一実施形態における燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。

【図2】本発明に係る第一実施形態におけるカートリッジの断面図である。

【図3】本発明に係る第一実施形態におけるセルスタックの要部断面図である。

【図4】本発明に係る第二実施形態におけるカートリッジの断面図である。

【図5】本発明に係る第三実施形態におけるカートリッジの断面図である。

【図6】本発明に係る第四実施形態における燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。

【図7】本発明に係る第四実施形態における燃料ガス排出配管の要部断面の模式図である。

【図8】本発明に係る第五実施形態における燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。

【図9】本発明に係る第五実施形態における燃料ガス排出配管の要部断面の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明に係る燃料電池モジュールの各種実施形態及び各種変形例について、図面を参照して詳細に説明する。

【0020】

「第一実施形態」
まず、本発明に係る燃料電池モジュールの第一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。

【0021】

本実施形態の燃料電池モジュールＭは、図１に示すように、容器中心軸Ａｖを中心として容器中心軸方向Ｄｖに延びる円筒形状の圧力容器１０と、この圧力容器１０内に配置されている複数のカートリッジ２０１及び複数の各種配管３００と、を備えている。

【0022】

配管３００としては、燃料ガス供給源１からの燃料ガスＧｆを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く燃料ガス供給配管３１０と、各カートリッジ２０１を通過した燃料ガスＧｆを圧力容器１０外に導く燃料ガス排出配管３２０と、酸化剤ガス供給源２からの酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０内の各カートリッジ２０１に導く酸化剤ガス供給配管３３０と、各カートリッジ２０１を通過した酸化剤ガスＧｏを圧力容器１０外に導く酸化剤ガス排出配管３４０とがある。なお、燃料ガス排出配管３２０の上流側や下流側（例えば、圧力容器１０の外部）には、調整弁３５０が設けられている。また、酸化剤ガス供給配管３３０の上流側や下流側（例えば、圧力容器１０の外部）にも、調整弁３６０が設けられている。

【0023】

燃料ガスＧｆとしては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られた炭化水素を含むガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスＧｏとしては、例えば、酸素を１５〜３０vol％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＧｏとしては、空気であるが、燃焼排気ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。

【0024】

圧力容器１０は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約５ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。このため、この圧力容器１０は、耐圧性を考慮して、円筒形状の成し、その容器中心軸Ａｖが上下方向に延びるよう設置されている。また、この圧力容器１０は、耐圧性と共に、酸化剤ガスＧｏ中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求されるため、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成されている。

【0025】

円柱形状の複数のカートリッジ２０１は、いずれも、カートリッジ中心軸Ａｃが圧力容器１０の容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。つまり、本実施形態では、カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖと同様、上下方向に延びている。本実施形態において、所定数のカートリッジ２０１は、容器中心軸方向Ｄｖ（上下方向）における位置が互いに同じ位置になり、且つ容器中心軸Ａｖに対して垂直な仮想面を含む方向で互いに隣接するよう配置されて、カートリッジ群２００を構成している。本実施形態の燃料電池モジュールＭは、このカートリッジ群２００を２つ備えている。２つのカートリッジ群２００（２００ａ，２００ｂ）は、圧力容器１０内で容器中心軸方向Ｄｖに並んでいる。

【0026】

カートリッジ２０１は、容器中心軸Ａｖと平行なカートリッジ中心軸Ａｃに沿う複数のセルスタックを有して構成されている。図２に示すように、電池セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、図３に示すように、燃料極１１２と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されているリード膜１１５を有する。

【0027】

本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＧｆが通り、セルスタック１０１の外周側に酸化剤ガスＧｏが通る。

【0028】

基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等のいずれかで形成されている多孔質体である。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＧｆを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。

【0029】

燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＧｆに対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＧｆ中に、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。

【0030】

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で形成されている。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＧｏ中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。

【0031】

固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極１１２に移動させる。

【0032】

前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）とが反応し、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。

【0033】

インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。

【0034】

リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する役目を担っている。

【0035】

カートリッジ２０１は、図２に示すように、複数のセルスタック１０１と、セルスタック１０１の束の下端部を覆う第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の上端部を覆う第二カートリッジヘッダ（燃料ガス排出ヘッダ）２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。

【0036】

第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ断熱体２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び断熱体２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。

【0037】

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＧｆが供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、燃料ガス供給配管３１０からの燃料ガスＧｆを燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の下端部が位置し、ここで開口している。この開口は、ガス入口１０３ａを形成している。燃料ガス供給配管３１０から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＧｆは、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＧｆは、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。

【0038】

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆが流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ燃料ガスＧｆを燃料ガス排出配管３２０に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の上端部が位置し、ここで開口している。この開口はガス出口１０３ｂを形成している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した燃料ガスＧｆは、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、燃料ガス排出配管３２０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

【0039】

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと断熱体２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、酸化剤ガス供給配管３３０からの酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス供給室２１６に導くための酸化剤ガス供給孔２３３ｂが形成されている。この酸化剤ガス供給室２１６内に導かれた酸化剤ガスＧｏは、断熱体２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。

【0040】

第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュールＭの定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が後述の内側断熱材１６で囲まれた空間である。

【0041】

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと断熱体２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った酸化剤ガスＧｏが流入する酸化剤ガス排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、酸化剤ガス排出室２１８に流れ込んだ酸化剤ガスＧｏを酸化剤ガス排出配管３４０に導くための酸化剤ガス排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏは、断熱体２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから酸化剤ガス排出室２１８内に流入した後、酸化剤ガス排出配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

【0042】

発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの断熱体２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や酸化剤ガスＧｏ中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この断熱体２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。

【0043】

前述したように、発電室２１５中の酸化剤ガスＧｏと、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＧｆとは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル１０５で発電が行われる。

【0044】

複数の燃料電池セル１０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル１０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板（不図示）を介して、カートリッジ２０１の集電棒（不図示）に流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換されて、電力負荷へと供給される。

【0045】

セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＧｆとセルスタック１０１の外周側を流れる酸化剤ガスＧｏとは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＧｆは、酸化剤ガスＧｏにより加熱され、酸化剤ガスＧｏは、逆に燃料ガスＧｆにより冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとの熱交換率が高まり、燃料ガスＧｆによる酸化剤ガスＧｏの冷却効率、及び酸化剤ガスＧｏによる燃料ガスＧｆの加熱効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスＧｏは、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＧｆは、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温される。

【0046】

本実施形態において、燃料ガスＧｆが通る流路を形成する流路形成部材は、燃料ガス供給配管３１０と、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａと、複数のセルスタック１０１と、第二カートリッジヘッダ（燃料ガス排出ヘッダ）２２０ｂと、燃料ガス排出配管３２０とで形成されている。本実施形態では、流路形成部材を構成する以上の要素のうち、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａと複数のセルスタック１０１の下端部とで炭素溜り部４０１を形成している。

【0047】

燃料ガスＧｆは炭化水素を含むことから炭素Ｃが析出する。炭素溜り部４０１において、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａの内面のうちで、上を向いている底面２２９ｃが、燃料ガスから析出した炭素Ｃが堆積し得る炭素受け面（以下、本実施形態では、「炭素受け面２２９ｃ」と示す場合がある）を成している。また、この炭素溜り部４０１において、複数のセルスタック１０１の下端部で鉛直方向に開口しているガス入口１０３ａが溜り部出口（以下、本実施形態では、「溜り部出口１０３ａ」と示す場合がある）を成している。この溜り部出口１０３ａは、第一カートリッジヘッダ２２０ａの底面である炭素受け面２２９ｃより上方に位置し、炭素溜り部４０１側からみて鉛直上方に向かって開口している。

【0048】

燃料ガスＧｆから析出した炭素Ｃは、燃料ガスＧｆの流路中を沈降する。特に、燃料ガスＧｆの流速が低下した場合や、燃料ガスＧｆの流れが停止した場合には、炭素Ｃの沈降傾向は顕著である。このような場合、このため、複数のセルスタック１０１及び第一カートリッジヘッダ２２０ａ中の炭素Ｃは、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａの底面、つまり炭素溜り部４０１の炭素受け面２２９ｃに炭素Ｃが堆積する。炭素受け面２２９ｃに堆積した炭素Ｃは、燃料ガスＧｆの流速が増加すると、一部が浮遊するものの、セルスタック１０１のガス入口である溜り部出口１０３ａが炭素受け面２２９ｃよりも上方に位置し、炭素溜り部４０１側からみて鉛直上方に向かって開口しているため、炭素溜り部４０１から下流側に流出し難い。

【0049】

よって、本実施形態では、炭素溜り部４０１の下流側に設けられている調節弁３５０（図１参照）等の制御機器に流れ込む炭素Ｃの量を抑えることができ、炭素Ｃによる制御機器等の動作不良を最小限に抑えることができる。このように、本実施形態では、燃料ガスＧｆの流路を形成する流路形成部材の要素の一部の形状や向き等を工夫したことで、炭素Ｃによる制御機器等の動作不良を最小限に抑えることができるため、設備コスト及びランニングコストを抑えることができる。

【0050】

なお、本実施形態では、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向き（下方から上方）に流れてもよい。

【0051】

「第二実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの第二実施形態について、図４に基づいて説明する。

【0052】

第一実施形態の燃料電池モジュールＭ１では、圧力容器１０の容器中心軸Ａｖ、カートリッジ２０１のカートリッジ中心軸Ａｃ、セルスタック１０１の長手方向がいずれも上下方向を向いている。これに対して、本実施形態の燃料電池モジュールＭ２では、圧力容器１０の容器中心軸Ａｖ、カートリッジ２０１のカートリッジ中心軸Ａｃ、セルスタック１０１の長手方向がいずれも水平方向を向いている。本実施形態の燃料電池モジュールＭ２は、係る点を除いて、全て第一実施形態の燃料電池モジュールと同一である。

【0053】

本実施形態の燃料電池モジュールＭ２においても、流路形成部材を構成する複数の要素のうち、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａと複数のセルスタック１０１の端部とで炭素溜り部４０２を形成している。但し、本実施形態では、セルスタック１０１の長手方向等が水平方向を向いているため、炭素溜り部４０２において、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａの内面のうちで、上を向いている底面２２９ｄが、燃料ガスから析出した炭素Ｃが堆積し得る炭素受け面（以下、本実施形態では、「炭素受け面２２９ｄ」と示す場合がある）を成している。また、この炭素溜り部４０２において、複数のセルスタック１０１の端部で水平方向に開口しているガス入口１０３ａが溜り部出口（以下、本実施形態では、「溜り部出口１０３ａ」と示す場合がある）を成している。この溜り部出口１０３ａは、第一カートリッジヘッダ２２０ａの底面である炭素受け面２２９ｄより上方に位置し、水平方向に向かって開口している。

【0054】

本実施形態では、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａ内の炭素Ｃのほとんどは、沈降する際に複数のセルスタック１０１に流れ込まずに、第一カートリッジヘッダ２２０ａの底面、つまり炭素溜り部４０２の炭素受け面２２９ｄに堆積する。しかも、炭素受け面２２９ｄに堆積した炭素Ｃは、セルスタック１０１のガス入口である溜り部出口１０３ａが炭素受け面２２９ｄよりも上方に位置し、水平方向に向かって開口しているため、炭素溜り部４０２から下流側に流出し難い。

【0055】

よって、本実施形態でも、第一実施形態と同様、炭素Ｃによる制御機器等の動作不良を最小限に抑えることができると共に、設備コスト及びランニングコストを抑えることができる。

【0056】

「第三実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの第三実施形態について、図５に基づいて説明する。

【0057】

本実施形態の燃料電池モジュールＭ３は、第一実施形態の燃料電池モジュールＭ１の上下方向を逆にしたものである。よって、本実施形態では、複数のセルスタック１０１の長手方向が第一実施形態と同様に上下方向を向いているものの、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａは、セルスタック１０１の上側に位置し、セルスタック１０１の束の上端部を覆い、第二カートリッジヘッダ（燃料ガス排出ヘッダ）２２０ｂは、セルスタック１０１の下側に位置し、セルスタック１０１の下端部を覆っている。

【0058】

また、本実施形態では、円筒状のセルスタック１０１の上端は封鎖されて、ガス入口１０３ａは水平方向に向かって開口している。

【0059】

本実施形態では、流路形成部材を構成する複数の要素のうち、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａと複数のセルスタック１０１の上端部とで炭素溜り部４０３を形成している。

【0060】

炭素溜り部４０３において、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａの管板２２５ａで上を向いている面２２５ｃが、燃料ガスＧｆから析出した炭素Ｃが堆積し得る炭素受け面（以下、本実施形態では、「炭素受け面２２５ｃ」と示す場合がある）を成している。また、この炭素溜り部４０３において、複数のセルスタック１０１の上端部で水平方向に向かって開口しているガス入口１０３ａが溜り部出口（以下、本実施形態では、「溜り部出口１０３ａ」と示す場合がある）を成している。この溜り部出口１０３ａは、第二実施形態と同様、炭素溜り部４０３の炭素受け面２２５ｃより上方に位置し、水平方向に開口している。

【0061】

したがって、本実施形態でも、第二実施形態と同様、第一カートリッジヘッダ（燃料ガス供給ヘッダ）２２０ａ内の炭素Ｃのほとんどは、沈降する際に複数のセルスタック１０１に流れ込まずに、炭素溜り部４０３の炭素受け面２２５ｃに堆積する。しかも、炭素受け面２２５ｃに堆積した炭素Ｃは、セルスタック１０１のガス入口である溜り部出口１０３ａが炭素受け面２２５ｃよりも上方に位置し、水平方向に向かって開口しているため、炭素溜り部４０３から下流側に流出し難い。

【0062】

よって、本実施形態でも、第一及び第二実施形態と同様、炭素Ｃによる制御機器等の動作不良を最小限に抑えることができると共に、設備コスト及びランニングコストを抑えることができる。

【0063】

「第四実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの第四実施形態について、図６及び図７に基づいて説明する。

【0064】

本実施形態の燃料電池モジュールＭ４のカートリッジ２０１は、図６に示すように、第一実施形態のカートリッジ２０１と同一である。また、本実施形態でも、燃料ガスＧｆが通る流路を形成する流路形成部材は、燃料ガス供給配管３１０や燃料ガス排出配管３２０を有している。但し、本実施形態では、流路形成部材を構成する複数の要素のうち、燃料ガス排出配管３２０の一部が炭素溜り部４０４を形成している。

【0065】

炭素溜り部４０４は、図７に示すように、燃料ガス排出配管３２０中で下流側に向かって鉛直下方に延びる部分から水平方向に延びる部分に形成されている。燃料ガス排出配管３２０中で水平方向に延びる部分に形成されている炭素溜り部４０４は、燃料ガス排出配管３２０中で鉛直下方に延びる部分とこの炭素溜り部４０４との境目が、溜り部入口３２１を成す。炭素溜り部４０４は、溜り部入口３２１から下方に広がっており、炭素溜り部４０４の内面のうちで上を向いている底面が炭素受け面３２３を成している。鉛直方向における溜り部入口３２１から炭素受け面３２３までの距離は、燃料ガス排出配管３２０中で水平方向に延びる部分の内径寸法よりも長い。また、炭素溜り部４０４の溜り部出口３２２は、炭素溜り部４０４の内面のうちで側方を向いている側面の上部に形成されている。この溜り部出口３２２は、水平方向に向かって開口している。

【0066】

本実施形態では、燃料ガス排出配管３２０中で下流側に向かって鉛直下方に延びる部分及び炭素溜り部４０４中の炭素Ｃは、炭素溜り部４０４の炭素受け面３２３に堆積する。しかも、この炭素溜り部４０４の溜り部出口３２２は炭素受け面３２３よりも上方に位置し、水平方向に開口しているため、炭素受け面３２３に堆積した炭素Ｃは、炭素溜り部４０４から下流側に流出し難い。

【0067】

よって、本実施形態でも、以上の各実施形態と同様、炭素Ｃによる制御機器等の動作不良を最小限に抑えることができると共に、設備コスト及びランニングコストを抑えることができる。なお、本実施形態において、溜り部出口３２２は、炭素溜り部４０４の内面のうちで下方を向いている天面に形成され、上方に向かって開口しているものであってもよい。

【0068】

「第五実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池モジュールの第五実施形態について、図８及び図９に基づいて説明する。

【0069】

本実施形態の燃料電池モジュールＭ５は、第四実施形態のカートリッジモジュールの変形例で、図８に示すように、第四実施形態と同様、燃料ガス排出配管３２０の一部が炭素溜り部４０５を形成している。

【0070】

炭素溜り部４０５は、図９に示すように、燃料ガス排出配管３２０を上下方向に蛇行させたものである。この炭素溜り部４０５の炭素受け面３２６ａは、燃料ガス排出配管３２０中で下流側に向かって水平方向に延びる部分３２５から鉛直上方に向かう折れ曲がり部分３２６中の内面で、上を向いている面である。また、この炭素溜り部４０５の溜り部出口３２８ａは、燃料ガス排出配管３２０中で鉛直上方に向かって延びる部分３２７から鉛直下方に向かう折り返し部分３２８に形成されている。この溜り部出口３２８ａは、水平方向に向かって開口している。

【0071】

本実施形態では、炭素溜り部４０５中の炭素Ｃは、炭素溜り部４０５の炭素受け面３２６ａに堆積する。しかも、この炭素溜り部４０５の溜り部出口３２８ａは炭素受け面３２６ａよりも上方に位置し、水平方向に開口しているため、炭素受け面３２６ａに堆積した炭素Ｃは、炭素溜り部４０５から下流側に流出し難い。

【0072】

よって、本実施形態でも、以上の各実施形態と同様、炭素Ｃによる制御機器等の動作不良を最小限に抑えることができると共に、設備コスト及びランニングコストを抑えることができる。

【0073】

なお、第四及び第五実施形態における炭素溜り部４０４，４０５は、いずれも、第一実施形態における燃料ガス排出配管３２０中に形成したものであるが、第二及び第三実施形態における燃料ガス排出配管３２０中に形成してもよい。また、第四及び第五実施形態における炭素溜り部４０４，４０５は、第一、第二、第三実施形態と異なり、カートリッジ２０１の向きがいかなる方向に向いていても適用可能である。

【0074】

また、以上の実施形態において、炭素溜り部の溜り部出口は、炭素受け面より上方に位置して鉛直上方又は水平方向に向かって開口しているが、斜め上方に向かって開口していてもよい。

【符号の説明】

【0075】

１：燃料ガス供給源、２：酸化剤ガス供給源、１０：圧力容器、１５：外側断熱材、ｋ１６：内側断熱材、１０１：セルスタック、１０３：基体管、１０３ａ：ガス入口（溜り部出口）、１０５：燃料電池セル、２００（２００ａ，２００ｂ）：カートリッジ群、２０１：カートリッジ、２１５：発電室、２１６：酸化剤ガス供給室、２１７：燃料ガス供給室、２１８：酸化剤ガス排出室、２１９：燃料ガス排出室、２２０ａ：第一カートリッジヘッダ（燃料供給ガスヘッダ）、２２０ｂ：第二カートリッジヘッダ（燃料排出ガスヘッダ）、２２５ｃ：炭素受け面、２２９ｃ，２２９ｄ：底面（炭素受け面）、３００：配管、３１０：燃料ガス供給配管、３２０：燃料ガス排出配管、３２３，３２６ａ：炭素受け面、３２２，３２８ａ：溜り部出口、３３０：酸化剤ガス供給配管、３４０：酸化剤ガス排出配管、３５０：圧力調整弁、３６０：圧力調整弁、４０１〜４０５：炭素溜り部、Ｃ：炭素、Ｇｆ：燃料ガス、Ｇｏ：酸化剤ガス、Ｍ１〜Ｍ５：燃料電池モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】