特許 6165609 燃料電池およびその運転方法

(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】6165609

(24)【登録日】2017年6月30日

(45)【発行日】2017年7月19日

(54)【発明の名称】燃料電池およびその運転方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20170710BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20170710BHJP

   H01M 8/24 20160101ALI20170710BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20170710BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 J

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 N

   H01M8/04 G

   H01M8/24 Z

   !H01M8/12

【請求項の数】10

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2013-252264(P2013-252264)

(22)【出願日】2013年12月5日

(65)【公開番号】特開2015-109240(P2015-109240A)

(43)【公開日】2015年6月11日

【審査請求日】2015年11月9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）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２５年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「固体酸化物型燃料電池を用いた事業用発電システム要素技術開発」委託研究、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】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】椋本 陽喜

(72)【発明者】

【氏名】森 龍太郎

(72)【発明者】

【氏名】眞竹 徳久

(72)【発明者】

【氏名】桐木平 勝仁

(72)【発明者】

【氏名】大澤 弘行

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００５−５０３６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５３５１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３３２０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０８７４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１５８２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３４０４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００− ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧力容器と、
前記圧力容器の内部に収納され、燃料ガスおよび酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有するカートリッジと、
前記カートリッジの周囲を囲む断熱部材と、
前記断熱部材の前記圧力容器側の外周を囲み、前記酸化性ガスが前記断熱部材を介して前記圧力容器に流入するのを防止する流入防止壁と、
前記カートリッジに前記酸化性ガスを通気可能な酸化性ガス流路と、
を備え、
前記酸化性ガス流路が、
圧力容器内に酸化性ガスを流出させる流出口と、
酸化性ガス供給源から前記圧力容器内に酸化性ガスを供給する供給経路と、
前記圧力容器内に供給された酸化性ガスを、前記カートリッジに導入する導入経路と、
を有し、
前記供給経路と前記導入経路との間で熱交換を行い、前記供給経路から前記圧力容器内に供給する酸化性ガスの温度を下げる熱交換器が設けられている燃料電池。

【請求項2】

前記導入経路に、異物分離部が設けられている請求項１に記載の燃料電池。

【請求項3】

前記熱交換器が、前記圧力容器内に配置されている請求項１に記載の燃料電池。

【請求項4】

前記圧力容器内を昇温する圧力容器昇温手段を備えている請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池。

【請求項5】

前記流出口が、前記圧力容器内に位置する前記供給経路に設けられ、
前記導入経路が、前記圧力容器内で開口する導入口を有している請求項１または請求項２に記載の燃料電池。

【請求項6】

圧力容器と、
前記圧力容器の内部に収納され、燃料ガスおよび酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有するカートリッジと、
前記カートリッジの周囲を囲む断熱部材と、
前記断熱部材の前記圧力容器側の外周を囲み、前記酸化性ガスが前記断熱部材を介して前記圧力容器に流入するのを防止する流入防止壁と、
前記カートリッジに前記酸化性ガスを通気可能な酸化性ガス流路と、
を備え、
前記酸化性ガス流路が、
圧力容器内に酸化性ガスを流出させる流出口と、
酸化性ガス供給源から前記カートリッジに酸化性ガスを導入する導入経路と、
前記カートリッジに通気された酸化性ガスを前記圧力容器の外へ排出する排出経路と、
を備え、
前記排出経路が、前記圧力容器内に位置する前記流出口を有し、
前記流出口よりも上流側の前記排出経路と前記導入経路との間で熱交換を行う熱交換器が設けられている燃料電池。

【請求項7】

圧力容器と、
前記圧力容器の内部に収納され、燃料ガスおよび酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有するカートリッジと、
前記カートリッジの周囲を囲む断熱部材と、
を備えた燃料電池の運転方法であって、
前記断熱部材の周囲を囲み、前記酸化性ガスが前記断熱部材を介して前記圧力容器に流入するのを防止する流入防止壁を設ける工程と、
前記カートリッジに前記酸化性ガスを通気させる工程と、
前記カートリッジに導入される前、または前記カートリッジから排出された後の前記酸化性ガスを、圧力容器内に流出させる工程と、
熱交換器を介して温度を下げた前記酸化性ガスを前記圧力容器内へと流出させる工程と、
前記圧力容器内に流出させた前記酸化性ガスを、前記熱交換器を介して昇温させた後、前記カートリッジに導く工程と、
を備えている燃料電池の運転方法。

【請求項8】

前記圧力容器内に流出させた酸化性ガスを、異物を除去可能な異物分離部を経由させた後、前記熱交換器を介してカートリッジに導く工程を含む請求項７に記載の燃料電池の運転方法。

【請求項9】

前記熱交換器を介さずに、前記酸化性ガスを、前記圧力容器内へと流出させて前記圧力容器内の温度を上げる工程を含む請求項７に記載の燃料電池の運転方法。

【請求項10】

圧力容器と、
前記圧力容器の内部に収納され、燃料ガスおよび酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有するカートリッジと、
前記カートリッジの周囲を囲む断熱部材と、
を備えた燃料電池の運転方法であって、
前記断熱部材の周囲を囲み、前記酸化性ガスが前記断熱部材を介して前記圧力容器に流入するのを防止する流入防止壁を設ける工程と、
前記カートリッジに前記酸化性ガスを通気させる工程と、
前記カートリッジに導入される前、または前記カートリッジから排出された後の前記酸化性ガスを、圧力容器内に流出させる工程と、
前記酸化性ガスを、熱交換器を介して前記カートリッジに導入する工程と、
前記カートリッジを通過した後の前記酸化性ガスを、前記熱交換器を介して前記圧力容器に流出させる工程と、
を含む燃料電池の運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池およびその運転方法、特に固体酸化物形燃料電池およびその運転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供給するとともに、空気極に酸化性ガスを供給し、燃料ガスに含まれる燃料と酸化性ガスに含まれる酸素とを固体電解質を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。一般に、燃料ガスには、天然ガス、ＬＰＧ、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどが使用され、酸化性ガスには空気が使用される。

【0003】

ＳＯＦＣは、ガス化プラントと組み合わせて複合発電システムとして利用されうる。特許文献１には、石炭ガス化炉、燃料電池、ガスタービン、および蒸気タービンを組み合わせた燃料電池複合発電設備が開示されている。

【0004】

図１４に、従来のＳＯＦＣ１を備えた複合発電設備の概略構成図を示す。複合発電設備は、燃焼器２、ＳＯＦＣ１、ガスタービン４、および排熱回収ボイラ６が組み合わせられている。ＳＯＦＣ１における発電の最小単位は、燃料極、空気極および固体電解質からなる燃料電池セルである。ＳＯＦＣ１では、複数の燃料電池セルを有するセルスタックが集合化されてなるＳＯＦＣカートリッジ３が、圧力容器内に設置される。

【0005】

ＳＯＦＣカートリッジ３には、セルスタックの燃料極側に燃料ガスを供給する供給管７、燃料ガスを排出する排出管９、セルスタックの空気極側に酸化性ガスを供給する供給管８、および酸化性ガスを排出する排出管１１が接続されている。

【0006】

ＳＯＦＣは、一般に、高温で高い酸素イオン透過性を示す固体電解質を備えるため、作動温度は７００℃〜１１００℃程度となる。一方、圧力容器５は、耐圧性が求められるため、一般に金属部材からなる。金属部材を高温にしすぎると、酸化して寿命が低下する。上記のような理由から、圧力容器５が高温になりすぎないよう、ＳＯＦＣカートリッジ３の周りは断熱材で仕切られた構造とされる。

【0007】

断熱材（不図示）は、断熱性を有する多孔質部材のブロックで構成される。そのため、ＳＯＦＣカートリッジ３と圧力容器５との間では、断熱材およびその隙間などを介してのガスの移動（図中白抜き矢印）が可能である。ＳＯＦＣ１を加圧状態で運転する場合には、ＳＯＦＣカートリッジ３に供給された酸化性ガスが圧力容器内に流入し、圧力容器５が加圧される。ＳＯＦＣ１を減圧状態とした場合には、圧力容器側から断熱材を介してＳＯＦＣカートリッジ側に酸化性ガスが流入する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平４−３２１７０４号公報（請求項１、図１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

図１４の複合発電設備では、ガスタービン４のコンプレッサ１０から排出された空気がＳＯＦＣ１へと供給される。ガスタービン４では、負荷に応じた運転状態の変化にともない、排出される空気の圧力も変動する。事業用のガスタービンにおいて、排出される空気の圧力の変動幅は、１ＭＰａ〜２ＭＰａ程度である。

【0010】

ガスタービン４から排出される空気の圧力が変動することは、ＳＯＦＣカートリッジ３に供給される空気の圧力が変動することを意味する。ＳＯＦＣカートリッジ３に供給される空気の圧力が運転中に変動すると、ＳＯＦＣカートリッジ３を囲う断熱材の内外で酸化性ガスの移動が生じる。それにより、ＳＯＦＣカートリッジ３に供給されるときの酸化性ガスの流量と、ＳＯＦＣカートリッジ３から排出されたときの酸化性ガスの流量とに違いが生じる。しかも、断熱材およびその隙間は、断熱材全体で均一ではないため、ＳＯＦＣカートリッジ３を通過する過程での部分的な酸化性ガスの流量予測は困難である。

【0011】

ＳＯＦＣカートリッジ３に供給する酸化性ガスの供給流量は、発電時の温度管理や、発電に必要な酸素量を考慮して設定される。しかしながら、ＳＯＦＣカートリッジ３を通過する過程で、酸化性ガスの流量が変化すると、温度分布や発電時の負荷設定が困難となる。

【0012】

ＳＯＦＣの運転中に、酸化性ガスの供給流量が少ない部分が生じると、セルスタックを破損させる危険がある。これを防止するために酸化性ガスの供給流量を上げると、発電効率が低下する。また、ＳＯＦＣカートリッジでは、発電によって発生した熱と、外部から加えた熱とのバランスを考慮して温度管理が行われる。供給される酸化性ガスの温度は、発電中の燃料電池セルの温度よりも低い。そのため、酸化性ガスが過剰となる部分では、温度が部分的に低下するなど、温度管理が難しくなる。

【0013】

運転圧力が１ＭＰａ以上に高いＳＯＦＣでは、内封されるガス量が多くなる。それにともなって、加圧減圧に要する時間が長くなるため、高圧のＳＯＦＣでは、断熱材を介した酸化性ガスの移動の影響が大きくなる。

【0014】

上記のような問題は、供給する酸化性ガスの圧力をゆっくりと変化させることで、緩和できる。しかしながら、負荷応答性がよいというのはガスタービンの利点である。圧力変化を遅くさせることは、ガスタービンの利点が生かされなくなってしまうため好ましくない。

【0015】

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、圧力変化をともなう酸化性ガス供給源と接続された場合であっても、酸化性ガスの供給流量の制御がしやすい燃料電池及びその運転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】

【0016】

本発明は、圧力容器と、前記圧力容器の内部に収納され、燃料ガスおよび酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有するカートリッジと、前記カートリッジの周囲を囲む断熱部材と、前記断熱部材の前記圧力容器側の外周を囲み、前記酸化性ガスが前記断熱部材を介して前記圧力容器に流入するのを防止する流入防止壁と、前記カートリッジに前記酸化性ガスを通気可能な酸化性ガス流路と、を備え、前記酸化性ガス流路が、圧力容器内に酸化性ガスを流出させる流出口を有している燃料電池を提供する。

【0017】

断熱部材の周りを流入防止壁で囲うことで、カートリッジに供給された酸化性ガスが圧力容器へ流入するのを防止できる。それにより、カートリッジの酸化性ガスの出入口における酸化性ガス流量の差を小さくできるとともに、カートリッジにおける部分的な流量変動を抑制できる。

【0018】

酸化性ガス流路は流出口を有しているため、圧力容器内とカートリッジとの圧力を同圧にできる。圧力容器内と、カートリッジとが同圧であることから、流入防止壁に耐圧性を持たせなくてもよい。

【0019】

本発明によれば、燃料電池が、圧力変化をともなう酸化性供給源に接続された場合あっても、酸化性ガスの供給流量を制御しやすいため、温度調整および負荷設定が容易となる。

【0020】

上記発明の一態様において、前記酸化性ガス流路が、酸化性ガス供給源から前記圧力容器内に酸化性ガスを供給する供給経路と、前記圧力容器内に供給された酸化性ガスを、前記カートリッジに導入する導入経路と、を備えている。

【0021】

酸化性ガスは、圧力容器内を経由してカートリッジへと供給される。それにより、流入防止壁の内外の圧力、すなわち、圧力容器内とカートリッジとの圧力を略同圧にできる。

【0022】

上記発明の一態様において、前記導入経路に、異物分離部が設けられていることが好ましい。

【0023】

酸化性ガスが、圧力容器を介してカートリッジへ導入される場合、圧力容器内にある異物がカートリッジに入る可能性がある。異物分離部を設けることで、圧力容器内の異物がカートリッジに混入することを防止できる。

【0024】

上記発明の一態様において、前記供給経路と前記導入経路との間で熱交換を行い、前記供給経路から前記圧力容器内に供給する酸化性ガスの温度を下げる熱交換器が設けられている。

【0025】

酸化性ガス供給源によって供給される酸化性ガスは、高温である場合がある。供給経路に熱交換器を設けることで、酸化性ガスの温度を圧力容器の耐熱温度以下にし、圧力容器内の温度上昇を抑えることができる。一方、導入経路に設けられた熱交換器では、回収した熱を利用して酸化性ガスを昇温させることができる。そのため、発電に適した温度の酸化性ガスをカートリッジに供給できる。

【0026】

上記発明の一態様において、燃料電池は、圧力容器内を昇温させる圧力容器昇温手段を備えていてもよい。

【0027】

燃料電池の運転前など、圧力容器内の温度が低いことがある。圧力容器昇温手段を備えることで、高い温度の酸化性ガスを圧力容器内に供給できる。それにより、圧力容器全体を早く昇温させることができる。

【0028】

上記発明の一態様において、前記熱交換器は、前記圧力容器内に配置されていてもよい。

【0029】

熱交換器を圧力容器内に配置することで、熱交換器の内外の圧力が略同圧となるため、熱交換器に耐圧性をもたせなくてよくなる。

【0030】

上記発明の一態様において、前記流出口が、前記圧力容器内に位置する前記供給経路に設けられ、前記導入経路が、前記圧力容器内で開口する導入口を有していてもよい。

【0031】

流出口が供給経路の一端部に設けられるため、酸化性ガスは、まず圧力容器内に供給される。圧力容器内に供給された酸化性ガスは、導入口からカートリッジに導かれる。上記構成とすることで、燃料電池の構造をシンプルにできる。

【0032】

上記発明の一態様において、前記酸化性ガス流路が、酸化性ガス供給源から前記カートリッジに酸化性ガスを導入する導入経路と、前記カートリッジに通気された酸化性ガスを前記圧力容器の外へ排出する排出経路と、を備え、前記排出経路が、前記圧力容器内に位置する前記流出口を有し、前記流出口よりも上流側の前記排出経路と前記導入経路との間で熱交換を行う熱交換器が設けられている。

【0033】

供給経路に熱交換器を設けることで、酸化性供給源からの酸化性ガスが高温であった場合でも、熱を回収することができる。

【0034】

燃料電池では、一般的に、カートリッジへ供給される酸化性ガスの温度より、カートリッジから排出される酸化性ガスの温度の方が高い。そのため、圧力容器内にある排気経路に流出口を設けると、圧力容器内の温度が圧力容器の耐熱温度を超えてしまう可能性がある。上記発明の一態様によれば、カートリッジから排出された酸化性ガスは、熱交換器で降温された後に流出口から圧力容器内へ流出する。そのため、圧力容器内の温度上昇を抑制できる。

【0035】

また、本発明は、圧力容器と、前記圧力容器の内部に収納され、燃料ガスおよび酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池セルを有するカートリッジと、前記カートリッジの周囲を囲む断熱部材と、を備えた燃料電池の運転方法であって、前記断熱部材の周囲を囲み、前記酸化性ガスが前記断熱部材を介して前記圧力容器に流入するのを防止する流入防止壁を設ける工程と、前記カートリッジに前記酸化性ガスを通気させる工程と、前記カートリッジに導入される前、または前記カートリッジから排出された後の前記酸化性ガスを、圧力容器内に流出させる工程と、を備えている燃料電池の運転方法を提供する。

【0036】

断熱部材の周りを流入防止壁で囲うことで、カートリッジに供給された酸化性ガスが圧力容器へ流入するのを防止できる。それにより、カートリッジの酸化性ガスの出入口における酸化性ガス流量の差を小さくできるとともに、カートリッジにおける部分的な流量変動を抑制できる。

【0037】

酸化性ガスは、カートリッジを通過する前後いずれかのタイミングで圧力容器内に流出する。それにより圧力容器内とカートリッジとの圧力を略同圧にできる。流入防止壁の内外で圧力が略同圧であることから、流入防止壁に耐圧性を持たせなくてもよい。

【0038】

本発明によれば、燃料電池が、圧力変化をともなう酸化性供給源に接続された場合あっても、酸化性ガスの供給流量を制御しやすいため、温度調整および負荷設定が容易となる。

【0039】

上記発明の一態様において、燃料電池の運転方法は、前記カートリッジに導入される前の前記酸化性ガスを圧力容器内に流出させる工程と、前記圧力容器に流出させた酸化性ガスを前記カートリッジに導く工程と、を含むことができる。

【0040】

酸化性ガスは、圧力容器内を経由してカートリッジへと供給される。それにより、圧力容器内とカートリッジとの圧力を略同圧にできる。

【0041】

上記発明の一態様において、燃料電池の運転方法は、前記圧力容器内に流出させた酸化性ガスを、異物を除去可能な異物分離部を経由させた後、前記カートリッジに導く工程を含むことができる。

【0042】

異物分離部を介して酸化性ガスをカートリッジに導入することで、圧力容器内の異物がカートリッジに混入することを防止できる。

【0043】

上記発明の一態様において、燃料電池の運転方法は、熱交換器を介して温度を下げた前記酸化性ガスを前記圧力容器内へと流出させる工程と、前記圧力容器内に流出させた前記酸化性ガスを、前記熱交換器を介して昇温させた後、前記カートリッジに導く工程と、を含む。

【0044】

熱交換器を介することで酸化性ガスの温度を下げることができる。それにより、圧力容器内の温度を耐熱温度以下に維持できる。熱交換器で回収された熱は、カートリッジに導入される前の酸化性ガスを昇温させるのに利用できる。それにより、発電に適した温度の酸化性ガスをカートリッジに導入できる。

【0045】

上記発明の一態様において、燃料電池の運転方法は、前記熱交換器を介さずに、前記酸化性ガスを、前記圧力容器内へと流出させて前記圧力容器内の温度を上げる工程を含むことができる。

【0046】

酸化性ガス供給源から送られる酸化性ガスの温度が、圧力容器内の温度より高い場合、熱交換器を介さずに圧力容器内に流出させることで、圧力容器内を早く昇温させることができる。

【0047】

上記発明の一態様において、燃料電池の運転方法は、前記酸化性ガスを、熱交換器を介してカートリッジに導入する工程と、前記カートリッジを通過した後の前記酸化性ガスを、前記熱交換器を介して前記圧力容器に流出させる工程と、を含む。

【0048】

カートリッジを通過した後の酸化性ガスは、熱交換器を経由させることで、降温させることができる。それにより、圧力容器内の温度上昇を抑制できる。熱交換器で回収された熱は、カートリッジに導入する酸化性ガスの加熱に利用できる。

【発明の効果】

【0049】

本発明は、カートリッジを囲む断熱部材の圧力容器側に流入防止壁を設け、かつ、圧力容器およびカートリッジの圧力を略同じにすることで、圧力変化をともなう酸化性ガス供給源と接続された場合であっても、酸化性ガスの供給流量の制御がしやすい燃料電池及びその運転方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0050】

【図1】第１実施形態に係るセルスタックの縦断面図である。

【図2】第１実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの概略構成図である。

【図3】第１実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの縦断面図である。

【図4】断熱部材を囲う流入防止壁の横断面図である。

【図5】流入防止壁の設置例を示す図である。

【図6】流入防止壁の設置例を示す図である。

【図7】流入防止壁の設置例を示す図である。

【図8】流入防止壁の設置例を示す図である。

【図9】第２実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの概略構成図である。

【図10】第２実施形態の変形例に係るＳＯＦＣモジュールの概略構成図である。

【図11】第３実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの概略構成図である。

【図12】第３実施形態の変形例に係るＳＯＦＣモジュールの概略構成図である。

【図13】第４実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの概略構成図である。

【図14】従来のＳＯＦＣを備えた複合発電設備の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0051】

以下に、本発明に係る燃料電池およびその運転方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

【0052】

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。

【0053】

以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。

【0054】

本発明は以降で説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

【0055】

酸化剤ガスとは、酸素を略１５％〜３０％含むガスである。酸化剤ガスとしては、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃料排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用されてもよい。

【0056】

〔第１実施形態〕
まず、図１を参照して本実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図１は、第１実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９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。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル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たリード膜１１５を有する。

【0057】

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４とされる。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とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。

【0058】

燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。

【0059】

固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極に移動させるものである。

【0060】

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成するものである。

【0061】

インターコネクタ１０７は、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から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、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１１１とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。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、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続され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ものである。

【0062】

次に、図２および図３を参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池）及びＳＯＦＣカートリッジ（カートリッジ）について説明する。ここで、図２は、第１実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示す概略構成図である。図３は、第１実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の縦断面図である。

【0063】

ＳＯＦＣモジュール２０１は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。ＳＯＦＣモジュール２０３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の周囲を囲む断熱部材２０２と、該断熱部材２０２の圧力容器側の外周を囲む流入防止壁２０４とを有する。ＳＯＦＣモジュール２０１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に燃料ガスを通気できる燃料ガス流路と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に酸化性ガスを通気できる酸化性ガス流路とを有する。

【0064】

燃料ガス流路は、ＳＯＦＣカートリッジに燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路２０７と、ＳＯＦＣカートリッジから燃料ガスを排出する燃料ガス排出経路２０９とを有する。燃料ガス供給経路２０７および燃料ガス排出経路２０９は、それぞれ複数の副経路を有する（不図示）。

【0065】

燃料ガス供給経路２０７の一端部は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給源に接続される。

【0066】

燃料ガス供給経路２０７の他端部は、分岐されて副経路となっている。複数の副経路は、それぞれ複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。燃料ガス供給経路２０７は、上述の図示しない燃料ガス供給源から供給される所定流量の燃料ガスを、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に導くものである。燃料ガス供給経路２０７は、燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させることができる。

【0067】

燃料ガス排出経路２０９の一端部は、分岐されて副経路となっている。複数の副経路は、それぞれ複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。

【0068】

燃料ガス排出経路２０９の他端部は、圧力容器２０５の外部に配置されている。燃料ガス排出経路２０８は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から略均等の流量で排出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。

【0069】

酸化性ガス流路は、酸化性ガス供給源から送り出された酸化性ガスを圧力容器内に供給する供給経路２０８、圧力容器内に供給された酸化性ガスをカートリッジに導入する導入経路２１０、および、カートリッジに通気された酸化性ガスを圧力容器内に排出する排出経路２１１を備えている。導入経路２１０および排気経路２１１は、それぞれ複数の副経路を有する（不図示）。

【0070】

供給経路２０８の一端部は、圧力容器２０５の外部に設けられ、酸化性ガスを供給できる酸化性ガス供給源（不図示）に接続される。本実施形態において、酸化性ガス供給源は、ガスタービンのコンプレッサとされる。

【0071】

供給経路２０８の他端部は、圧力容器２０５の側面に接続されている。供給経路２０８の他端部は、流出口２１２となっている。流出口２１２は、酸化性ガス供給源から送られた酸化性ガスを圧力容器内に流出させることができる。流出口２１２は、小口径よりは大口径とされることが望ましい。それにより、流出口２１２における圧損を低く抑えることができる。流出口２１２は、圧力容器２０５の内部に配置することが望ましい。それにより、圧力容器本体と離れた位置で酸化性ガスを流出できるため、圧力容器本体の温度が上昇するのを抑制できる。流出口２１２は、圧力容器内の空間に向けて酸化性ガスを噴出せる向きとすることが好ましい。酸化性ガスを圧力容器内面に向けて流出させると、断熱部材の粉を巻き上げる可能性がある。酸化性ガスをＳＯＦＣカートリッジ２０３に向けて流出させると、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に局所的な温度分布をつくる可能性がある。

【0072】

導入経路２１０の一端部は、圧力容器２０５の側面（供給経路の他端部が接続された側面と対向する側面）に接続されている。導入経路２１０の一端部は、導入口２１３を有する。導入口２１３は、圧力容器内に流出させた酸化性ガスを、導入経路内に導くことができる。導入口２１３は、小口径よりは大口径とされることが望ましい。それにより、導入口２１３における圧損を低く抑えることができる。導入口２１３は、圧力容器２０５の内部に配置することが望ましい。それにより、圧力容器本体と離れた位置で酸化性ガスを導入経路内に導けるため、圧力容器本体の温度が上昇するのを抑制できる。導入口２１３は、圧力容器２０５の底部、または上部に設けられてもよい。導入口２１３は、圧力容器２０５の側部（側面）または上部に設けられることが望ましい。それにより、導入経路２１０に異物が流入するのを避けることができる。

【0073】

導入経路２１０の他端部は、分岐されて副経路となっている（不図示）。複数の副経路は、それぞれ複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。

【0074】

導入経路２１０の一部は、圧力容器２０５の外に設けられている。圧力容器２０５の外に配置される導入経路２１０には、異物分離部２１４が設けられている。異物分離部２１４は、フィルターなどとされる。該フィルターは、圧力容器内の異物、断熱部材２０２の欠片などを酸化性ガスから分離できる。異物分離部２１４は、圧力容器２０５の外部にあるため、メンテナンスが容易である。

【0075】

排出経路２１１の一端部は、分岐されて副経路（不図示）となっている。複数の副経路は、それぞれ複数のＳＯＦＣカートリッジに接続されている。

【0076】

排出経路２１１の他端部は、圧力容器２０５の外部に配置されている。排出経路２１１の他端部は、圧力容器外で燃焼器（不図示）などに接続されてもよい。排出経路２１１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排酸化性ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。

【0077】

圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。

【0078】

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、断熱部材２０２で囲まれている。断熱部材２０２は、カートリッジに流れる空気の流路の一部を形成するものである。断熱部材２０２は、断熱性を有する多孔質部材などで構成されうる。断熱部材２０２の厚さは、５０ｍｍ以上５００ｍｍ以下とされることが好ましい。

【0079】

断熱部材２０２の圧力容器側の外周は、流入防止壁２０４で囲まれている。図４に、断熱部材を囲う流入防止壁の横断面図を示す。
流入防止壁２０４は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に導入された酸化性ガスが断熱部材２０２を介して圧力容器２０５に流入するのを防止できるものである。流入防止壁２０４は、圧力容器２０５にある酸化性ガスが断熱部材２０２を介してＳＯＦＣカートリッジ内に流入するのを防止できる。流入防止壁２０４は、酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化性に対する耐食性を保有する。流入防止壁２０４は、ガスの透過性を略防止できる材料からなる。流入防止壁２０４の材料は、限定されるものではないが、ステンレス材、炭素鋼、アルミ合金材、緻密性のあるセラミックス板およびタイル等などとされる。流入防止壁２０４が耐食性の低い材料からなる場合には、表面を防食塗料などで被覆してもよい。流入防止壁２０４の厚さは、施工性を考慮して数十ミクロンから１０ｍｍ程度とすると良い。流入防止壁２０４は、断熱部材２０２と接するよう設けられることが好ましい。流入防止壁２０２は、断熱部材の表面に塗布されたコーキング材であってもよい。

【0080】

図５〜８に、流入防止壁２０４の設置例を示す。図５は、説明の簡略化のため、断熱部材２０２の上面の流入防止壁２０４の記載を省略している。図６は、断熱部材２０２と流入防止壁２０４の一部を抜き出した図である。

【0081】

流入防止壁２０４は、断熱部材２０２に密着するように設置されることが好ましい。厚さの薄い流入防止壁２０４は、接着剤を用いて断熱部材２０２に接着させることができる。厚さの薄い流入防止壁２０４は、帯状としたものを断熱部材２０２の外周に巻き付け、帯の重なった面Ｆで接着または圧着させてもよい（図５）。

【0082】

厚さの厚い流入防止壁２０４は、ピンやボルトなどの固定具２０６を用いて断熱部材２０２に固定することができる（図６）。

【0083】

流入防止壁２０４は、断熱部材２０２の大きさに合わせて箱状に形成したものを、断熱部材２０２に被せてもよい（図７）。

【0084】

断熱部材２０２に囲まれたＳＯＦＣカートリッジが、支柱２１６によって支えられている場合、流入防止壁２０４は、支柱２１６に固定されてもよい（図８）。

【0085】

ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。

【0086】

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。なお、本実施形態において、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。

【0087】

発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。

【0088】

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、図示しない燃料ガス供給経路と連通されている。燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０５の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、図示しない燃料ガス供給経路から燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０５の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。

【0089】

燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出経路と連通されている。燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０５の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０５の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して図示しない燃料ガス排出経路に導くものである。

【0090】

ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガスの導入経路を介して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ導入する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部支持体２２７ｂとに囲まれた領域である。酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガスの導入経路と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガスの導入経路から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。

【0091】

酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域である。酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガスの排出経路と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して燃料ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガスの排出経路に導くものである。

【0092】

上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。

【0093】

下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。

【0094】

上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２７ａの側板に固定されている。上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。

【0095】

この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。

【0096】

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０５の内部を通って発電室１０５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、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た燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。

【0097】

下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２７ａの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。

【0098】

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２３３に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。

【0099】

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０５の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。

【0100】

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。上記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。

【0101】

次に、本実施形態に係る燃料電池の運転方法を説明する。
まず、ＳＯＦＣカートリッジ２０３を囲む断熱部材２０２の外周側（圧力容器側）に、流入防止壁２０４を設ける。流入防止壁２０４は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に供給された酸化性ガスが、断熱部材２０２を介して圧力容器内に流入するのを防止できる。それにより、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に供給された酸化性ガスが、圧力容器内の圧力調整に費やされずにすむ。結果として、加圧および減圧時に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に供給される酸化性ガスの流量と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３を通過して排出される酸化性ガスの流量とを揃えることが可能となり、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の温度調整および負荷設定が容易となる。

【0102】

次に、ガスタービンのコンプレッサからの空気（酸化性ガス）を、流出口２１２を介して圧力容器内に流出させる（供給する）。圧力容器内に流出させた酸化性ガスは、導入経路２１０に導き、異物分離部２１４を経由させて異物を分離した後、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に通気させる。

【0103】

一旦、空気を圧力容器内に入れた後、ＳＯＦＣカートリッジ２０３へと導くことで、導入経路２１０の両端における圧力が略同圧となる。すなわち、圧力容器２０５およびＳＯＦＣカートリッジ２０３の圧力が略同圧となり、流入防止壁２０４にかかる圧力を低くすることができる。流入防止壁２０４は圧力容器２０５ほどの耐圧性を要しないため、簡易な装置にできる。

【0104】

圧力容器内に入った酸化性ガスは、圧力容器内にある異物を巻き込んで導入経路内へと導かれる可能性がある。本実施形態では、異物分離部２１４を経由させることで、酸化性ガスから異物を分離できる。

【0105】

ＳＯＦＣカートリッジ２０３に導入された酸化性ガスは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３を通過する過程で、燃料電池セル１０５で発電に利用される。

【0106】

ＳＯＦＣカートリッジ２０３を通過した酸化性ガスは、排出経路２１１から圧力容器外へと排出される。排気は、燃焼器などで再利用される。

【0107】

〔第２実施形態〕
本実施形態に係る燃料電池について、図９を参照して説明する。図９は、本実施形態に係る燃料電池（ＳＯＦＣモジュール３０１）の一態様を示す概略構成図である。本実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

【0108】

酸化性ガスの供給経路３０８の一端部は、圧力容器３０５の外部に設けられている。供給経路３０８の一端部は、バルブ３１５を介して酸化性ガス供給源に接続される。本実施形態において、酸化性ガス供給源は、高温の空気を排出するガスタービンのコンプレッサとされる。ここで高温の空気とは、３００℃〜５００℃程度の空気を指す。

【0109】

供給経路３０８の他端部は、圧力容器３０５の底面に接続されている。供給経路３０８の他端部は、流出口３１２となっている。流出口３１２は、酸化性ガス供給源から送られた酸化性ガスを圧力容器内に流出させることができる。

【0110】

ＳＯＦＣモジュール３０１の酸化性ガスの供給経路３０８および導入経路３１０には、熱交換器３１６が設けられている。熱交換器３１６は、供給経路３０８と導入経路３１０との間で熱交換を行うことができる。熱交換器３１６は、供給経路３０８を流れる酸化性ガスから熱を回収できる。回収した熱は、導入経路３１０を流れる酸化性ガスを加熱するのに利用される。熱交換器３１６は、圧力容器３０５の外部に配置されている。熱交換器３１６は、熱交換器内外の圧力差に耐えうる耐圧性を有する。

【0111】

熱交換器３１６で熱を回収して、圧力容器内に流出させる酸化性ガスの温度を下げることで、圧力容器内の温度の上昇を抑えることができる。圧力容器内の温度は、圧力容器３０５の耐熱温度以下に維持することが好ましい。
一方、導入経路３１０を流れる酸化性ガスは、回収された熱で昇温させることができる。それにより、発電に適した温度の酸化性ガスをＳＯＦＣカートリッジ３０３へと導入できる。

【0112】

本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールは、圧力容器昇温手段３１７を備えている。圧力容器昇温手段３１７は、バルブ３１８を介して酸化性ガス供給源に接続されている。圧力容器昇温手段３１７は、高温の空気を圧力容器内に供給することができる。
圧力容器昇温手段３１７および酸化性ガスの供給経路３０８は、バルブにより切り替えることができる。圧力容器内の温度を早く昇温させたい場合には、バルブ３１５を閉じてバルブ３１８を開放する。ＳＯＦＣモジュールを発電させる際には、バルブ３１５を開放してバルブ３１８を閉じる。

【0113】

図１０に、本実施形態の変形例を示す。図１０に示すように、熱交換器３１９は、圧力容器３０５の内部に配置されてもよい。そうすることで、熱交換器３１９の内外での圧力差がなくなるため、熱交換器３１９に耐圧性を持たせなくてすむ。

【0114】

〔第３実施形態〕
本実施形態に係る燃料電池について、図１１を参照して説明する。図１１は、本実施形態に係る燃料電池（ＳＯＦＣモジュール４０１）の一態様を示す概略構成図である。本実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

【0115】

本実施形態において、酸化性ガスを圧力容器内に供給する供給経路４０８の一端部は、圧力容器４０５の外部に設けられ、酸化性ガスを供給できる酸化性ガス供給源に接続される。供給経路４０８の他端部は、圧力容器内に延びている。供給経路４０８の他端部は、開口した流出口４１２となっている。流出口４１２は、酸化性ガス供給源から送られた酸化性ガスを圧力容器内に流出させることができる。

【0116】

圧力容器内に供給された酸化性ガスをＳＯＦＣカートリッジ４０３に導入する導入経路４１０の一端部は、開口した導入口４１３を有する。導入口４１３は、圧力容器内の流出口４１２と対向する位置に、該流出口４１２と間隔をあけて配置されている。導入口４１３は、流出口４１２から圧力容器内に流出させた酸化性ガスを、導入経路内に導くことができる。導入口４１３は、ＳＯＦＣカートリッジ４０３の近傍、および圧力容器内面近傍から離れた位置に設けられるとよい。それにより、異物の吸い込みを避けることができる。導入口４１３は、圧力容器４０５の上部に、開口を下向きにして設置されてもよい。

【0117】

導入経路４１０の他端部は、分岐されて副経路となっている（不図示）。複数の副経路は、それぞれ複数のＳＯＦＣカートリッジ４０３に接続されている。

【0118】

本実施形態において、導入経路４１０はすべて圧力容器４０５の内部に収まっている。そのため、ＳＯＦＣモジュール４０１を単純な構造にできる。

【0119】

酸化性ガスは、一旦圧力容器内に流出させた後、ＳＯＦＣカートリッジ４０３へと導くため、圧力容器４０５とＳＯＦＣカートリッジ４０３との圧力を略同圧にできる。

【0120】

図１２に、本実施形態の変形例を示す。図１２に示すように、導入経路４１０の一端部が、供給経路４０８の途中に接続されてもよい。本変形例によれば、供給経路４０８を流れる酸化性ガスは、一部が導入経路４１０に導かれ、一部が流出口４１４から圧力容器内に流出する。圧力容器４０５とＳＯＦＣカートリッジ４０３との圧力が略同圧となる。

【0121】

〔第４実施形態〕
本実施形態に係る燃料電池について、図１３を参照して説明する。図１３は、本実施形態に係る燃料電池（ＳＯＦＣモジュール５０１）の一態様を示す概略構成図である。本実施形態において、第１実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

【0122】

本実施形態において、酸化性ガス流路は、酸化性ガス供給源から送り出された酸化性ガスをＳＯＦＣカートリッジに導入する導入経路５１０と、ＳＯＦＣカートリッジに通気された酸化性ガスを圧力容器内に排出する排出経路５１１とを備えている。導入経路５１０および排気経路５１１は、それぞれ複数の副経路を有する（不図示）。

【0123】

導入経路５１０の一端部は、圧力容器５０５の外部に設けられ、酸化性ガス供給源に接続される。

【0124】

導入経路５１０の他端部は、分岐されて副経路となっている（不図示）。複数の副経路は、それぞれ複数のＳＯＦＣカートリッジに接続されている。

【0125】

排出経路５１１の一端部は、分岐されて副経路となっている（不図示）。複数の副経路は、それぞれ複数のＳＯＦＣカートリッジ５０３に接続されている。

【0126】

排出経路５１１の他端部は、圧力容器５０５の外部に配置されている。排出経路５１１の他端部は、圧力容器外で燃焼器などに接続されてもよい。排出経路５１１は、ＳＯＦＣカートリッジ５０３から排出される排酸化性ガスを圧力容器５０５の外部に導くものである。

【0127】

排出経路５１１は、圧力容器内で分岐された分岐路５１３を有する。分岐路５１３の端部は開口され、流出口５１２となる。流出口５１２は、ＳＯＦＣカートリッジ５０３から排出された酸化剤ガスを圧力容器内へと流出できる。それにより、圧力容器５０５とＳＯＦＣカートリッジ５０３の圧力を略同圧にできる。

【0128】

本実施形態において、導入経路５１０および排出経路５１１には、熱交換器５１６が設けられている。熱交換器５１６は、導入経路５１０と排出経路５１１との間で熱交換を行うことができる。熱交換器５１６は、排出経路５１１を流れる酸化性ガスから熱を回収できる。回収した熱は、導入経路５１０を流れる酸化性ガスを加熱するのに利用される。熱交換器５１６は、圧力容器５０５の内部に配置されるとよい。

【0129】

ＳＯＦＣモジュール５０１は、定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。そのため、ＳＯＦＣカートリッジ５０３から排出された酸化性ガスをそのまま圧力容器５０５へと流出させると、圧力容器内の温度が耐熱温度を超えてしまうおそれがある。本実施形態では、ＳＯＦＣカートリッジ５０３から排出された酸化性ガスの熱を熱交換器５１６で回収できる。それにより、圧力容器内の温度の上昇を抑えることができる。

【0130】

一方、導入経路５１０を流れる酸化性ガスは、回収された熱で昇温させることができる。それにより、発電に適した温度の酸化性ガスをＳＯＦＣカートリッジ５０３へと導入できる。

【符号の説明】

【0131】

１ ＳＯＦＣ
２ 燃焼器
４ ガスタービン
６ 排熱回収ボイラ
７ 供給管（燃料ガス用）
８ 供給管（酸化性ガス用）
９ 排出管（燃料ガス用）
１０ コンプレッサ
１１ 排出管（酸化性ガス用）
１０１ セルスタック
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０１，３０１，３０１’，４０１，４０１’，５０１ ＳＯＦＣモジュール（燃料電池）
２０２，３０２，４０２，５０２ 断熱部材
３，２０３，３０３，４０３，５０３ ＳＯＦＣカートリッジ
２０４，３０４，４０４，５０４ 流入防止壁
５，２０５，３０５，４０５，５０５ 圧力容器
２０６ 固定具
２０７，３０７，４０７，５０７ 燃料ガス供給経路
２０８，３０８，４０８ （酸化性ガス）供給経路
２０９，３０９，４０９，５０９ 燃料ガス排出経路
２１０，３１０，４１０，５１０ 導入経路
２１１，３１１，４１１，５１１ （酸化性ガス）排出経路
２１２，３１２，４１２，５１２ 流出口
２１３，３１３，４１３ 導入口
２１４ 異物分離部
２１５ 発電室
２１６ 支柱
２１７ 燃料ガス供給室
２１９ 燃料ガス排出室
２２１ 酸化性ガス供給室
２２３ 酸化性ガス排出室
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ 燃料ガス排出孔
２３３ａ 酸化性ガス供給孔
２３３ｂ 酸化性ガス排出孔
２３５ａ 酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ 酸化性ガス排出隙間
３１５，３１８ バルブ
３１６，３１９，５１６ 熱交換器
３１７ 圧力容器昇温手段
５１３ 分岐路

【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】