特許 6522359 燃料電池モジュール及びこれを有する燃料電池システム

(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】6522359

(24)【登録日】2019年5月10日

(45)【発行日】2019年5月29日

(54)【発明の名称】燃料電池モジュール及びこれを有する燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2475 20160101AFI20190520BHJP

   H01M 8/2484 20160101ALI20190520BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20190520BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20190520BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2475

   H01M8/2484

   H01M8/04 J

   !H01M8/12 101

   !H01M8/12 102B

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-28015(P2015-28015)

(22)【出願日】2015年2月16日

(65)【公開番号】特開2016-152091(P2016-152091A)

(43)【公開日】2016年8月22日

【審査請求日】2017年9月7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〜平成２６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】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】末森 重徳

(72)【発明者】

【氏名】深川 雅幸

(72)【発明者】

【氏名】森 龍太郎

(72)【発明者】

【氏名】水流 靖彦

(72)【発明者】

【氏名】眞竹 徳久

(72)【発明者】

【氏名】大澤 弘行

(72)【発明者】

【氏名】水原 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】井上 克明

【審査官】 松本 陶子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１１０１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１６４９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１８９０１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４３１８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００３／０９６４７０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０５−１０１８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５０−０１２５４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４７５

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／２４８４

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の方向が長手方向となり、前記第１の方向に直交する断面が円となる円筒部を有する圧力容器と、
前記圧力容器の内部に配置され、前記第１の方向が軸方向となる向きで、前記圧力容器の前記円筒部の一方の端部側から他方の端部側まで千鳥格子状に配置された円筒形状である複数のセルスタックを有し、前記セルスタックの円筒形状の内周面で囲われた領域に燃料ガスが供給され、前記セルスタックの円筒形状の外周面の外側に酸化剤ガスが供給されるセル集合体と、を有し、
前記セルスタックは、前記第１の方向において、前記一方の端部側および前記他方の端部側にそれぞれ配置されたリード部と、前記リード部に挟まれ、燃料電池セルが配置された発電部と、
前記圧力容器の内部であり、前記セルスタックの発電部が配置されている領域に配置され、前記セルスタックが挿入され、かつ前記セルスタックの外径よりも大きい穴が複数の前記セルスタックに対応して複数形成された座屈防止板と、を有することを特徴とする燃料電池モジュール。

【請求項2】

前記発電部は、前記第１の方向において、前記圧力容器の一方の端部から１ｍ以上６ｍ以下の領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。

【請求項3】

前記発電部は、前記第１の方向において、前記圧力容器の全長Ｌａに対して、前記圧力容器の一方の端部から０．１５Ｌａ以上０．８５Ｌａ以下の領域に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。

【請求項4】

前記圧力容器は、前記第１の方向の長さが４ｍ以上７ｍ以下であり、
前記セルスタックは、前記第１の方向の長さが３ｍ以上６ｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。

【請求項5】

前記セルスタックは、前記第１の方向に直列に配置され、前記燃料電池セルが形成された複数の基体管と、前記基体管と前記基体管とを接続する連結部と、を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。

【請求項6】

前記圧力容器の内部に配置され、前記第１の方向に延在し、前記第１の方向に直交する断面において、前記圧力容器の内部を分割する分割板を有し、
前記分割板は、前記セル集合体を複数のセルユニットに分割することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。

【請求項7】

前記圧力容器の内部に配置され、前記セルスタックのリード部が挿入され、前記第１の方向において、前記圧力容器の内部の空間を分割する管支持板を有し、
前記圧力容器は、前記第１の方向において、前記管支持板よりも端部側に燃料ガスが供給される開口が形成され、前記管支持板よりも中心側に酸化剤ガスが供給される開口が形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールと、
前記圧力容器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記セルスタックの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数のセルスタックを有する燃料電池モジュール及びこれを有する燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムに搭載された燃料電池モジュールは、燃料電池セルの集合体であるセルスタックを複数備えている。特許文献１には、円筒形状の圧力容器内に、複数のカートリッジを配置する燃料電池モジュールが記載されている。カートリッジは、複数のセルスタックと、セルスタックの周囲を覆う容器と、を有する。つまり、特許文献１に記載の燃料電池モジュールは、複数のセルスタックが容器に囲われた複数のカートリッジが、圧力容器内に配置されている。それぞれのカートリッジは、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）が別々に供給されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−４１７５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の燃料電池モジュールは、圧力容器の中心軸に直交する面において、複数のカートリッジを隣接して配置し、圧力容器内に効率よくカートリッジを配置することで、圧力容器内のセル集合体の総容積を大きくしている。しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池モジュールは、カートリッジとカートリッジの間にそれぞれのカートリッジに接続する燃料ガスの配管、空気の配管を配置する必要がある。このため、燃料ガスの配管や空気の配管が配置されセルスタックが配置できない空間が生じ、セルスタックの充填量に限界があり、単位体積当たりの発電量の向上に限界がある。ここで、燃料電池モジュールでは、単位体積当たりの発電量をさらに増加させることが望まれている。また、複数のカートリッジを設けると、カートリッジ毎に燃料ガスの供給用のヘッダ、ガスシール等の部品点数が増加する。

【0005】

そこで、本発明は、単位体積当たりの発電量をより増加させることができる燃料電池モジュール及びこれを有する燃料電池システムを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の燃料電池モジュールは、第１の方向が長手方向となり、前記第１の方向に直交する断面が円となる円筒部を有する圧力容器と、前記圧力容器の内部に配置され、前記第１の方向が軸方向となる向きで配置され、前記圧力容器の前記円筒部の一方の端部側から他方の端部側まで配置された円筒形状である複数のセルスタックを有し、前記セルスタックの円筒形状の内周面で囲われた領域に燃料ガスが供給され、前記セルスタックの円筒形状の外周面の外側に酸化剤ガスが供給されるセル集合体と、を有し、前記セルスタックは、前記第１の方向において、前記一方の端部側および前記他方の端部側にそれぞれ配置されたリード部と、前記リード部に挟まれ、燃料電池セルが配置された発電部と、を有することを特徴とする。

【0007】

ここで、前記発電部は、前記第１の方向において、前記圧力容器の全長に対して、一方の端部から１ｍ以上６ｍ以下の領域に配置されていることが好ましい。

【0008】

また、前記発電部は、前記第１の方向において、前記圧力容器の全長Ｌａに対して、前記圧力容器の一方の端部から０．１５Ｌａ以上０．８５Ｌａ以下の領域に配置されていることが好ましい。

【0009】

また、前記圧力容器は、前記第１の方向の長さが４ｍ以上７ｍ以下であり、前記セルスタックは、前記第１の方向の長さが３ｍ以上６．５ｍ以下であることが好ましい。

【0010】

また、前記セルスタックは、前記第１の方向に直列に配置され、前記燃料電池セルが形成された複数の基体管と、前記基体管と前記基体管とを接続する連結部と、を有することが好ましい。

【0011】

また、前記圧力容器の内部であり、前記セルの発電部が配置されている領域に配置され、前記セルスタックが挿入され、かつ前記セルスタックの外径よりも大きい穴が複数の前記セルスタックに対応して複数形成された座屈防止板を有することが好ましい。

【0012】

また、前記圧力容器の内部に配置され、前記第１の方向に延在し、前記第１の方向に直交する断面において、前記圧力容器の内部を分割する分割板を有し、前記分割板は、前記セル集合体を複数のセルユニットに分割することが好ましい。

【0013】

また、前記圧力容器の内部に配置され、前記セルスタックのリード部が挿入され、前記第１の方向において、前記圧力容器の内部の空間を分割する管支持板を有し、前記圧力容器は、前記第１の方向において、前記管支持板よりも端部側に燃料ガスが供給される開口が形成され、前記管支持板よりも中心側に酸化剤ガスが供給される開口が形成されることが好ましい。

【0014】

本発明の燃料電池システムは、上記のいずれかに記載の燃料電池モジュールと、前記圧力容器に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記セルスタックの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、圧力容器内において、セルスタックを配置可能な領域をより大きくすることができる。これにより、単位体積当たりの発電量をより増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１は、本実施形態の燃料電池システムを模式的に表した概略構成図である。

【図2】図２は、燃料電池モジュールを模式的に表した斜視図である。

【図3】図３は、燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。

【図4】図４は、セルスタックを模式的に表した概略構成図である。

【図5】図５は、圧力容器の内部におけるセルスタックの配置の一例を示す断面図である。

【図6】図６は、圧力容器の内部におけるセルスタックの配置の一例を示す断面図である。

【図7】図７は、他の実施形態の燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。

【図8】図８は、座屈防止板の一部を示す拡大図である。

【図9】図９は、他の実施形態の燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。

【図10】図１０は、セルスタックの連結部を示す拡大図である。

【図11】図１１は、他の実施形態の燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。

【図12】図１２は、他の実施形態の燃料電池システムを模式的に表した概略構成図である。

【図13】図１３は、燃料電池モジュールを模式的に表した斜視図である。

【図14】図１４は、燃料電池モジュールの断面図である。

【図15】図１５は、燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、添付した図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

【0018】

図１は、本実施形態の燃料電池システムを模式的に表した概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、固体酸化物型の燃料電池モジュール、いわゆる、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cell）を備えており、燃料電池モジュールを制御しながら、運転を行っている。燃料電池システムは、燃料電池モジュールを通過した燃料ガスと空気（酸化剤ガス）の一部をガスタービンの燃焼器に供給してもよい。つまり、燃料電池システム１０は、他の発電装置と連結したコンバインドシステムの一部としてもよい。

【0019】

図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２と、空気（酸化剤ガス）を供給する空気供給装置（酸化剤供給手段）１４と、燃料電池モジュール１２を通過した空気（排空気、排酸化剤ガス）が排出される空気排出管１５と、燃料ガスを供給する燃料供給装置１６と、燃料電池モジュール１２を通過した燃料ガス（排燃料ガス）が排出される燃料排出管１７と、各部の動作を制御する制御装置１８と、電圧計１９と、電流計２０と、温度計２１と、を備えている。なお、本実施形態では、酸化剤ガスとして空気を用いる例で説明するが酸素含有ガスなどの燃料ガスを酸化させる酸化剤であればよい。

【0020】

燃料電池モジュール１２は、供給される空気と燃料ガスとを反応させ発電する。燃料電池モジュールについては、後述する。

【0021】

空気供給装置１４は、燃料電池モジュール１２に空気を供給する。空気供給装置１４は、空気供給源２２と空気供給配管２４とを有する。空気供給源２２は、掃気ファン、ポンプ等の空気を送る装置である。空気供給配管２４は、空気供給源２２と燃料電池モジュール１２とを接続している。空気供給配管２４は、空気供給源２２により送られる空気を燃料電池モジュール１２に供給する。

【0022】

燃料供給装置１６は、燃料供給室８４へ向けて燃料ガスを供給する。燃料供給装置１６は、燃料供給源２６と燃料供給配管２８とを有する。燃料供給源２６は、燃料ガスを貯留するタンクと、タンクから供給する燃料ガスの流量を制御する制御弁等を備えている。燃料供給配管２８は、燃料供給源２６と燃料電池モジュール１２とを接続している。燃料供給配管２８は、燃料供給源２６により送られる燃料ガスを燃料電池モジュール１２に供給する。

【0023】

また、燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２から出力する電圧値を計測する電圧計１９と、燃料電池モジュール１２から出力する電流値を計測する電流計２０と、燃料電池モジュール１２に設けられた温度計２１とを備えている。電流計２０は、燃料電池モジュール１２の発電によって得られた電流を計測している。温度計２１は、燃料電池モジュール１２の後述する発電室８２の温度を計測する。

【0024】

制御装置１８は、燃料電池モジュール１２の起動運転時における制御を行ったり、燃料電池モジュール１２の発電運転時における制御を行ったりしている。制御装置１８は、電圧計１９、電流計２０や温度計２１の計測結果や、入力された指示に基づいて、空気供給装置１４から供給する空気の量や燃料供給装置１６から供給する燃料ガスの量、燃料電池モジュール１２から取り出す電力を制御する。

【0025】

次に、図２から図４を用いて、燃料電池モジュール１２について説明する。図２は、燃料電池モジュールを模式的に表した斜視図である。図３は、燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。図４は、セルスタックを模式的に表した概略構成図である。

【0026】

図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール１２は、圧力容器４０と、セル集合体４２と、管支持板（上側管支持板）４４と、管支持板（下側管支持板）４６と、断熱体（上側断熱体）４８と、断熱体（下側断熱体）５０と、周方向断熱体５２と、仕切り板５４と、を有する。

【0027】

圧力容器４０は、円筒部６０と、円筒部６０の両端に設けられた上半球部６２および下半球部６４と、を有する。ここで、圧力容器４０は、鉛直方向に平行な方向であるＺ軸方向（第１の方向）が長手方向となる向きで設置されている。つまり、上半球部６２が下半球部６４の鉛直方向上側に配置され、円筒部６０の中心軸がＺ軸方向と平行な向きとなる。燃料電池モジュール１２は、本実施形態のように、円筒部６０の中心軸がＺ軸方向と平行な向きとなる向きで配置することが好ましいが、これに限定されない。

【0028】

圧力容器４０は、２つの空気流入管６６と、２つの空気排出管６８と、燃料ガス流入管７０と、燃料ガス排出管７２と、が形成されている。２つの空気流入管６６は、円筒部６０の下半球部６４の近傍側に形成されている。空気流入管６６は、空気供給配管２４と接続され、空気供給配管２４から供給される空気を圧力容器４０の内部に流入させる。２つの空気排出管６８は、円筒部６０の上半球部６２の近傍側に形成されている。空気排出管６８は、空気排出管１５と接続され、圧力容器４０の内部の空気を空気排出管１５に排出させる。燃料ガス流入管７０は、上半球部６２に形成されている。燃料ガス流入管７０は、燃料供給配管２８と接続され、燃料供給配管２８から供給される燃料ガスを圧力容器４０の内部に流入させる。燃料ガス排出管７２は、下半球部６４に形成されている。燃料ガス排出管７２は、燃料排出管１７と接続され、圧力容器４０の内部の燃料ガスを燃料排出管１７に排出させる。

【0029】

ここで、圧力容器４０は、２つの空気流入管６６、２つの空気排出管６８、燃料ガス流入管７０、燃料ガス排出管７２が設けられている部分以外は密閉された容器となる。圧力容器４０は、セル集合体４２と、管支持板（上側管支持板）４４と、管支持板（下側管支持板）４６と、断熱体（上側断熱体）４８と、断熱体（下側断熱体）５０と、周方向断熱体５２と、仕切り板５４と、が内部に収容されている。

【0030】

セル集合体４２は、多数のセルスタック５６が並列で配置されている。複数のセルスタック５６は、内部が空間の円筒形状であり、中心軸がＺ軸方向となる向き、つまり、中心軸が円筒部６０の中心軸と平行となる向きで配置されている。セルスタック５６は、図３に示すように、Ｚ軸方向に複数の燃料電池セル１００が列状に配置されている。

【0031】

図４は、セルスタックを模式的に表した概略構成図である。図４に示すように、セルスタック５６は、筒形状をなす基体管１０１と、基体管１０１の外周面に設けられた発電素子となる燃料電池セル１００と、を有する。基体管１０１は、多孔質となるセラミックス製の円筒管であり、その内部、つまり円筒形状の内周面で囲われた領域を燃料ガスが流れる。そして、基体管１０１は、多孔質となっているため、内部に流れる燃料ガスを、基体管１０１の外周面側に導いている。燃料電池セル１００は、燃料極１０３と、固体電解質１０４と、空気極１０５とを積層して構成され、固体電解質１０４の両側に燃料極１０３および空気極１０５が設けられている。この空気極１０５には、活性金属が含まれており、空気極１０５は、含有する活性金属により燃焼反応に寄与する機能（触媒作用による燃焼）を有している。また、燃料電池セル１００は、燃料極１０３が基体管１０１の外周面に接しており、基体管１０１の軸方向に複数配置されている。複数の燃料電池セル１００は、隣接する一方の燃料電池セル１００の燃料極１０３と、隣接する他方の燃料電池セル１００の空気極１０５とが、インターコネクタ１０６により接続されている。このように構成された燃料電池セル１００は、燃料電池システム１０の発電運転時において、例えば８００℃から９５０℃の高温下で発電を行う。

【0032】

管支持板４４および管支持板４６とは、セルスタック５６の両端を支持する。管支持板４４は、圧力容器４０の軸方向の一方（上側）に配置された板状の部材である。

【0033】

管支持板４６は、圧力容器４０の軸方向の他方（下側）に配置された板状の部材である。管支持板４６は、圧力容器４０内に配置されたセルスタック５６の他方の端部が挿入されている。管支持板４４は、圧力容器４０内に配置されたセルスタック５６の一方の端部が挿入されている。管支持板４４、４６は、それぞれ圧力容器４０内に配置された全てのセルスタック５６が挿入されている。管支持板４４、４６は、セルスタック５６との接続部が密閉されている。また、管支持板４４、４６は、外縁が圧力容器４０または周方向断熱体５２と接しており接触部が密閉されている。これにより、管支持板４４は、圧力容器４０の内部空間を区画している。

【0034】

圧力容器４０の上半球部６２と管支持板４４とで囲われた空間（区画された空間）は、燃料ガス流入管７０と接続されており、燃料ガス流入管７０から燃料ガスが供給される燃料供給室８４となる。また、圧力容器４０の下半球部６４と管支持板４６とで区画された空間は、燃料ガス排出管７２が接続されており、燃料ガスを燃料ガス排出管７２から排出する燃料排出室８６となる。また、燃料供給室８４は、管支持板４４に挿入されたセルスタック５６の一方の開口端が接続されている。燃料排出室８６は、管支持板４４に挿入されたセルスタック５６の他方の開口端が接続されている。これにより、燃料供給室８４に供給された燃料ガスは、セルスタック５６の内部つまり円筒形状の内周面で囲われた領域を通過して燃料排出室８６に排出される。

【0035】

断熱体４８および断熱体５０は、管支持板４４と管支持板４６との間に配置されている。断熱体４８は、圧力容器４０の軸方向の一方（上側）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状に形成されている。断熱体５０は、圧力容器４０の軸方向の他方（下側）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成されている。各断熱体４８，５０には、セルスタック５６が挿通される孔５１ａ，５１ｂがそれぞれ形成されている。孔５１ａ，５１ｂは、直径がセルスタック５６の直径よりも大きい。

【0036】

断熱体４８および断熱体５０に挟まれた空間は、発電室８２となる。また、管支持板４６と下側断熱体５０との間の空間は、空気流入管６６と接続されており空気供給室８８となる。管支持板４４と上側断熱体４８との間の空間は、空気排出管６８と接続されており、空気排出室８９となる。これにより、セルスタック５６の、管支持板４６と下側断熱体５０との間の空間である発電室８２に配置されている部分は、円筒形状の外周面に空気が供給される。

【0037】

周方向断熱体５２は、圧力容器４０の円筒部６０の内周に張り付けられている。周方向断熱体５２は、圧力容器４０の内部と外部との熱の移動を抑制する。仕切り板５４は、圧力容器４０の円筒部６０の内部に配置され、セルスタック５６の延在方向に延びた板部材である。仕切り板５４は、セル集合体４２のセルスタック５６の間に挿入され、セル集合体４２を複数の領域に分けている。

【0038】

ここで、燃料電池モジュール１２のセルスタック５６は、発電室８２内にのみに燃料電池セル１００が配置されている。セルスタック５６は、燃料電池セル１００が配置されている領域を発電部９０とし、発電部９０よりもＺ軸方向の上側の燃料電池セル１００が配置されていない部分をリード部９２とし、発電部９０よりもＺ軸方向の下側の燃料電池セル１００が配置されていない部分をリード部９４とする。リード部９２は、管支持板４４と接する部分及び断熱体４８と対面する部分を含む。リード部９４は、管支持板４６と接する部分及び断熱体５０と対面する部分を含む。

【0039】

ここで、上記構成からなる燃料電池モジュール１２の動作について説明する。燃料電池モジュール１２は、燃料電池セル１００を所定の温度まで上昇させる起動運転を行った後、燃料電池セル１００において発電を行う発電運転を行っている。燃料電池モジュール１２が発電運転を行うと、燃料電池モジュール１２の空気供給室８８には空気が流入する。該空気は断熱体５０の孔５１ｂとセルスタック５６との隙間を通って、発電室８２内に供給される。一方、燃料供給室８４には燃料ガスが流入する。該燃料ガスはセルスタック５６の基体管１０１の内部を通って発電室８２内に供給される。このとき、空気と燃料ガスとは、セルスタック５６の内周面および外周面において、互いに逆向きに流れている。

【0040】

基体管１０１の内部を流れる燃料ガスは、基体管１０１の細孔を通過して燃料極１０３に達する。この燃料ガスは、燃料極１０３に含まれる活性金属を触媒にして水蒸気改質される。水蒸気改質により生成された水素は、燃料極１０３の細孔を通過して固体電解質１０４まで到達する。一方、空気は、基体管１０１（空気極１０５）の外側を流れる。空気中の酸素は、空気極１０５の細孔を通過する途中または固体電解質１０４まで到達して電子を受け取りイオン化する。イオン化した酸素は固体電解質１０４を通過し、燃料極１０３に到達する。固体電解質１０４を通過した酸素イオンは燃料ガスと反応し、燃料ガスは電子を放出し、この電子が燃料極から外部回路を経由して空気極へと移動する。このような電池反応により、燃料電池モジュール１２は発電を行う。

【0041】

そして、発電室８２において、発電に利用され高温となった燃料ガスは、空気供給室８８において、セルスタック５６を介して、発電に利用される前の空気との間で熱交換される。また、発電室８２において、発電に利用され高温となった空気は、空気排出室８９において、セルスタック５６を介して、発電に利用される前の燃料ガスとの間で熱交換される。

【0042】

上記熱交換により、冷却された後、燃料ガスは、燃料排出室８６に流入して、燃料排出室８６から燃料電池モジュール１２の外部に排出され、空気は、空気排出室８９から燃料電池モジュール１２の外部に排出される。

【0043】

燃料電池システム１０及び燃料電池モジュール１２は、Ｚ軸方向（第１の方向）に沿った向きにおいて、セルスタック５６を圧力容器４０の端部から端部まで配置する。具体的には、燃料電池システム１０及び燃料電池モジュール１２は、Ｚ軸方向において圧力容器４０に２つの管支持板４４、４６を配置し、セルスタック５６のそれぞれの端部を管支持板４４、４６で支持する。ここで、管支持板４４は、圧力容器４０の一方の端部、具体的には、円筒部６０と上半球部６２との接続部の近傍に配置される。管支持板４６は、圧力容器４０の他方の端部、具体的には、円筒部６０と下半球部６４との接続部の近傍に配置される。セルスタック５６は、両端が管支持板４４と管支持板４６のそれぞれに挿入されている。したがって、セルスタック５６は、円筒部６０のＺ軸方向の一方の端部側から他方の端部側まで配置されている。本実施形態のセルスタック５６は、Ｚ軸方向において、円筒部６０の全域に配置されており、円筒部６０よりも長く、一方の一部が円筒部６０から上半球部６２側に突出し、他方の一部が円筒部６０から下半球部６４側に突出する。燃料電池モジュール１２は、圧力容器４０のＺ軸方向において、セル集合体４２を１つ配置する。これにより、Ｚ軸方向において、発電室８２、燃料供給室８４、燃料排出室８６、空気供給室８８、空気排出室８９を１つとすることができる。また、Ｚ軸方向に１つのカートリッジとすることができ、Ｚ軸方向において、カートリッジ同士を接続する必要がない。これにより、圧力容器４０内、配線の配置効率をよくすることができ、セルスタック５４の配置密度を高くすることができる。これにより、単位体積当たりの発電効率を高くすることができる。

【0044】

ここで、発電部９０のＺ軸方向における長さをＬｂ、リード部９２のＺ軸方向における長さをＬｃ、リード部９４のＺ軸方向における長さをＬｄとした場合、１．７≦Ｌｂ／（Ｌｃ＋Ｌｄ）≦２．３とすることが好ましい。このとき、発電部９０は、圧力容器４０の全長Ｌａに対して、一方の端部から０．１５Ｌａ以上０．８５Ｌａ以下の領域に配置されていることが好ましい。また、一方の端部から一方の端部に近い側の発電部９０の端部の距離Ｌｅは、０．１０Ｌａ以上０．３０Ｌａ以下とすることが好ましい。なお、図３に示す例では、鉛直方向上側の圧力容器４０の端部からとしたが、鉛直方向下側の圧力容器４０の端部からの関係が上記関係を満たしてもよい。燃料電池モジュール１２は、セルスタック５６の配置位置が上記のいずれかの関係を満たすことで、燃料ガスと空気とで熱交換を行う範囲と発電を行う範囲とのバランスをよくすることができる。これにより、発電効率を高くすることができる。

【0045】

また、発電部９０は、Ｚ軸方向において、圧力容器４０の一方の端部から１ｍ以上６ｍ以下の領域に配置されていることが好ましく、圧力容器４０の一方の端部から１．５ｍ以上５．５ｍ以下の領域に配置されていることがより好ましい。燃料電池モジュール１２は、圧力容器４０に対するセルスタック５６の発電部９０の位置が上記範囲を満たすことで、燃料ガスと空気とで熱交換を行う範囲と発電を行う範囲とのバランスをよくすることができる。これにより、発電効率を高くすることができる。

【0046】

ここで、セルスタック５６は、Ｚ軸方向の長さＬを３ｍ以上６．５ｍ以下とすることが好ましく、Ｚ軸方向の長さＬを６ｍ以上６．５ｍ以下とすることがより好ましい。また、圧力容器４０は、Ｚ軸方向の長さＬａを４ｍ以上７ｍ以下とすることが好ましい。なお、長さＬａ＞Ｌとなる。このようにセルスタック５６や圧力容器４０がＺ軸方向に長い場合にセルスタック５６を上記配置にすることで、大型の燃料電池モジュールであっても体積出力密度を高くすることができる。

【0047】

図５は、圧力容器の内部におけるセルスタックの配置の一例を示す断面図である。燃料電池モジュール１２は、図５に示すように、セルスタック５６を千鳥格子状に配置することが好ましい。これにより、配置密度を高くすることができる。また、燃料電池モジュール１２は、セルスタック５６の配置位置に所定の間隔で、各セルスタックの電流を集電し、圧力容器外の外部回路に導くための集電棒１１０を設ける。

【0048】

図６は、圧力容器の内部におけるセルスタックの配置の一例を示す断面図である。燃料電池モジュール１２ａは、図６に示すように、圧力容器４０側のリング上の領域１２０に周方向に等角度間隔でセルスタック５６を配置し、領域１２０よりも内側の領域１２２に隣接するセルスタック５６を所定間隔にて千鳥配置することが好ましい。これにより、配置密度を高くすることができる。また、圧力容器４０の内周面である領域１２０に周方向に等角度間隔でセルスタック５６を配置する。また、圧力容器４０の内周面である領域１２０に周方向に等角度間隔で配置する節スタック５６の間隔は、領域１２２に隣接するセルスタック５６の所定間隔と同じとすることが好ましい。これにより、自重及び運転時に圧力容器面内の温度分布により生じるセルスタック５６の熱伸び差により発生する応力から管支持板４４、４６を介して圧力容器４０に伝達する応力を周方向に平均化することがで、圧力容器４０や、セルスタック５６、管支持板４４、４６の周方向の一部に応力集中が生じることを抑制できる。

【0049】

また、上記実施形態では、効率よくセルスタック５６を配置できるため、Ｚ軸に直交する断面において、円形状の圧力容器４０に、円形状にセルスタック５６を配置したがこれに限定されない。セルスタックを多角形、例えば六角形、八角形に配置してもよい。

【0050】

次に、図７及び図８を用いて、他の実施形態の燃料電池モジュールについて説明する。図７は、他の実施形態の燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。図８は、座屈防止板の一部を示す拡大図である。図７に示す燃料電池モジュール１２ｂは、座屈防止板１３０を備えている以外は、燃料電池モジュール１２と同様の構造である。以下座屈防止板１３０について説明する。座屈防止板１３０は、圧力容器４０の発電室８２、つまり、Ｚ軸方向においてセルスタック５６の発電部９０が設けられている位置に配置されている。尚、セルスタックの管径により（管径が小さい場合）、所定間隔をもって複数配置する場合してもよい。また、座屈防止板は、セルスタック５６の全長に対して、等間隔に設置することが好ましい（座屈防止板が一枚の場合は、セルスタックの長手方向の中央となる）。座屈防止板１３０は、外縁が円板形状であり、外縁が周方向断熱体５２で支持されている。座屈防止板１３０は、耐熱性の材料、例えば、セラミックを溶射等でコートした金属材料、一例としてはＴＢＣコート材を用いることが好ましい。図７及び図８に示すように、座屈防止板１３０は、複数の孔１３２が形成されている。孔１３２は、セルスタック５６の配置に対応して形成されており、セルスタック５６が挿入されている。孔１３２は、セルスタック５６の燃料電池セル１００の周囲または燃料電池セル１００の間の周囲を覆っている。孔１３２は、内径Ｄがセルスタック５６の外径Ｄａよりも大きい。これにより、孔１３２とセルスタック５６との間には隙間が形成されている。

【0051】

燃料電池モジュール１２ｂは、座屈防止板１３０を設けることで、セルスタック５６がＺ軸に直交する面内の方向に変形することを抑制することができる。つまり、セルスタック５６がＺ軸に直交する面（図８に示す面）内で、セルスタック５６が移動すると、セルスタック５６が孔１３２と接触し、その位置以上に変形することを抑制することができる。これにより、セルスタック５６の変形を抑制することができ、燃料電池モジュール１２ｂの耐久性を高くすることができる。また、座屈防止板１３０で、変形を抑制できることで、セルスタック５６の径を細くすることができ、配置密度をより高くすることができる。また、座屈防止板１３０は、圧力容器４０に支持部材を設け、支持部材に溶接等で固定してもよい。

【0052】

図９は、他の実施形態の燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。図１０は、セルスタックの連結部を示す拡大図である。図９に示す燃料電池モジュール１２ｃは、セル集合体４２ａのセルスタック５６ａ以外は、燃料電池モジュール１２と同様の構造である。以下、セルスタック５６ａについて説明する。セルスタック５６ａは、複数の基体管２０１と、接続部２０２とを有する。基体管２０１は、基体管１０１と同様にＺ軸方向に延びた管であり、外周面に発電素子となる燃料電池セル１００が設けられている。基体管２０１は、Ｚ軸方向に複数の燃料電池セル１００が配置されている。複数の基体管２０１は、Ｚ軸方向において、直列で配置されている。接続部２０２は、Ｚ軸方向において、並んでいる基体管２０１と基体管２０１とを接続している。図１０に示すように、接続部２０２は、接合部材２１０と、シール層２１２と、空気極２１４と、を有する。接合部材２１０は、基体管２０１と熱膨張係数が同程度の材料で形成されている部材である。接合部材２１０は、円筒状の部材であり、外周径が、基体管２０１の内周径とほぼ同じか小さい形状である。接合部材２１０は、接続する２つの基体管２０１の接続される側の端部に挿入されている。つまり、接合部材２１０は、基体管２０１よりも径が小さい管路であり、一方の端部が一方の基体管２０１に挿入され、他方の端部が他方の基体管２０１に挿入されている。接合部材２１０は、外周側の面と基体管２０１の内周面と向かい合う面に接着層が形成されている。接合部材２１０と基体管２０１は、間に設けられた接着層で接着されている。接着層に用いる接着剤としては、基体管と同質材料を用いることができる。接着剤は、例えば、基体管と同じ固体粒子を有し、具体的には、ＣＳＺ粉末またはＣＳＺ＋ＮｉＯ混合粉末にスキージオイルなどのビヒクルを添加し、３本ローラをより混合して調製して作成することができる。接合部材２１０は、２つの基体管２０１の両方に挿入され、接着層により２つの基体管２０１と接着することで、２つの基体管２０１を繋げている。シール層２１２は、接合部材２１０の外周側でかつ接続する２つの基体管２０１の間をシールする。シール層２１２は、固体電解質と同質材料で形成され、ガスの透過を遮断する。空気極２１４は、シール層２１２の外周と２つの基体管２０１の外周に形成されている。空気極２１４は、一方の基体管２０１の端部に形成された燃料電池セル１００のインターコネクタと接続し、かつ、他方の基体管２０１の端部に形成された燃料電池セル１００のインターコネクタと接続する。これにより、接続部２０２は、接続部２０２を挟んで隣接する２つの基体管２０１のそれぞれの燃料電池セルを電気的に接続する。

【0053】

燃料電池モジュール１２ｃは、複数の基体管２０１を接続部２０２で接続したセルスタック５６ａを用いることで、１本の基体管２０１を短くすることができる。これにより、圧力容器４０のＺ軸方向の端部から端部に配置されるセルスタック５６ａを製造しやすくすることができ、燃料電池モジュール１２ｃを製造しやすくすることができる。なお、基体管２０１を接続する接続部２０２は、本実施形態に限定されず、２つの基体管２０１を接着し、２つの基体管２０１を電気的に接続し、かつ、２つの基体管２０１の間をシールすることができればよい。

【0054】

図１１は、他の実施形態の燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。図１１に示す燃料電池モジュール１２ｄは、セルスタック５６ａが複数の基体管２０１と、接続部２０２とを有し、基体管２０１が接続部２０２で接続されている。また、燃料電池モジュール１２ｄは、座屈防止板１３０が設けられている。燃料電池モジュール１２ｄのように、複数の基体管２０１を接続部２０２で接続したセルスタック５６ａとし、さらに座屈防止板１３０を設けることで、上記の効果を得ることができる。また接続部２０２と座屈防止板１３０のＺ軸方向における配置位置、配置数は任意の数とすることができる。

【0055】

図１２は、他の実施形態の燃料電池システムを模式的に表した概略構成図である。図１３は、燃料電池モジュールを模式的に表した斜視図である。図１４は、燃料電池モジュールの断面図である。図１５は、燃料電池モジュールを模式的に表した概略構成図である。図１２に示す燃料電池システム１０ｅは、燃料電池モジュール１２ｅの圧力容器４０ａ内の領域をＺ軸に直交する面において、複数に分割しているものである。

【0056】

燃料電池モジュール１２ｅは、圧力容器４０ａの内部が空間分割板３１０で分割されている。空間分割板３１０は、Ｚ軸方向に延びた板であり、図１５に示すように、圧力容器４０ａの内部をＺ軸に直交する面において、８つに分割している。圧力容器４０ａは、内空間分割板３１０によって分割されているそれぞれの領域が、領域間で空気や燃料ガスが流れない状態に分離されている。空間分割板３１０は、圧力容器４０ａの中心軸を通り、圧力容器４０ａの内周面と接している。空間分割板３１０は、耐熱性の材料、例えば、セラミックを溶射等でコートした金属材料、一例としてはＴＢＣコート材を用いることが好ましい。

【0057】

燃料電池モジュール１２ｅは、空間分割板３１０で分割されたそれぞれの空間が発電ユニット３１１となる。発電ユニット３１１は、セル集合体４２ａと、管支持板（上側管支持板）４４ａと、管支持板（下側管支持板）４６ａと、を有する。発電ユニット３１１は、断熱体（上側断熱体）、断熱体（下側断熱体）、周方向断熱体も有する。各部は、Ｚ軸方向に直交する断面において、配置される領域が圧力容器４０ａの全体から圧力容器４０ａの空間分割板３１０で分割された領域内となった以外は、同様の構造である。

【0058】

また、圧力容器４０ａは、発電ユニット３１１のそれぞれに対して、空気流入管６６ａ、空気排出管６８ａ、燃料ガス流入管７０ａ、燃料ガス排出管７２ａが設けられている。発電ユニット３１１は、空気流入管６６ａ、空気排出管６８ａ、燃料ガス流入管７０ａ、燃料ガス排出管７２ａが接続されている位置及び管支持板４４ａ、４６ａ、断熱体により、各領域が、発電室８２ａ、燃料供給室８４ａ、燃料排出室８６ａ、空気供給室８８ａ、空気排出室８９ａに分割される。

【0059】

また、空気流入管６６ａは、分岐管３１２を介して空気供給配管２４と接続されている。分岐管３１２には、制御弁３１４が設けられている。空気排出管６８ａは、分岐管３１６を介して空気排出管１５と接続されている。分岐管３１６には、制御弁３１８が設けられている。燃料ガス流入管７０ａは、分岐管３２２を介して燃料供給配管２８と接続されている。分岐管３２２には、制御弁３２４が設けられている。燃料ガス排出管７２ａは、分岐管３２０を介して燃料排出管１７と接続されている。分岐管３２０には、制御弁３２８が設けられている。

【0060】

燃料電池システム１０ｅ及び燃料電池モジュール１２ｅは、空間分割板３１０により、Ｚ軸方向に直交する断面における領域を複数に分割することで、一部の発電ユニット３１１で発電の継続ができない場合でも他の発電ユニット３１１での発電を継続することができる。具体的には、制御弁３１４、３１８、３２４、３２８の開閉を切り換えることで、燃料ガスと空気を送る発電ユニット３１１を選択することができる。

【0061】

また、空間分割板３１０により、Ｚ軸方向に直交する断面における領域を複数に分割することで、Ｚ軸方向において、発電室８２ａ、燃料供給室８４ａ、燃料排出室８６ａ、空気供給室８８ａ、空気排出室８９ａを１つとすることができ、配線の配置効率をよくすることができる。これにより、セルスタック５６の配置密度を高くすることができる。また、本実施形態では、圧力容器４０ａの内部を８つに分割したが分割数は特に限定されず、２つでも４つでも３つでも９つ以上でもよい。また、燃料電池モジュール１２ｅは、各発電ユニットを電気的に直列で繋いでもよい。これにより、燃料電池モジュール１２ｅから取り出せる電圧値を高くすることができる。

【符号の説明】

【0062】

１０、１０ｅ 燃料電池システム
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ 燃料電池モジュール
１４ 空気供給装置
１５ 空気排出管
１６ 燃料供給装置
１７ 燃料排出管
１８ 制御装置
２０ 電流計
２１ 温度計
２２ 空気供給源
２４ 空気供給配管
２６ 燃料供給源
２８ 燃料供給配管
４０、４０ａ 圧力容器
４２ セル集合体
４４、４６ 管支持板
４８、５０ 断熱体
５１ａ、５１ｂ 孔
５２ 周方向断熱体
５４ 仕切り板
５６ セルスタック
６０ 円筒部
６２ 上半球部
６４ 下半球部
６６ 空気流入管
６８ 空気排出管
７０ 燃料ガス流入管
７２ 燃料ガス排出管
８２ 発電室
８４ 燃料供給室
８６ 燃料排出室
８８ 空気供給室
８９ 空気排出室
９０ 発電部
９２、９４ リード部
１００ 燃料電池セル
１０１、２０１ 基体管
１０３ 燃料極
１０４ 固体電解質
１０５、２１４ 空気極
１０６ インターコネクタ
１３０ 座屈防止板
１３２ 孔
２０２ 接続部
３１０ 空間分割板

【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】