特開 2022-176476 ホットモジュール及び固体酸化物形燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022176476

(43)【公開日】2022-11-30

(54)【発明の名称】ホットモジュール及び固体酸化物形燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20221122BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20221122BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20221122BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20221122BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/2475

H01M8/2465

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

H01M8/12 102C

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021082937

(22)【出願日】2021-05-17

(71)【出願人】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】村本 知哉

(72)【発明者】

【氏名】大原 宏明

(72)【発明者】

【氏名】富樫 和沙

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AC15

5H127BA01

5H127BA02

5H127BA11

5H127BA21

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB25

5H127BB37

5H127BB39

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

5H127EE30

(57)【要約】

【課題】平板状の固体酸化物形燃料電池のセルスタックを用いた場合に、固体酸化物形燃料電池の温度分布を均一にすることが可能なホットモジュール及び固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ホットモジュール１０は、複数の平板状の固体酸化物形燃料電池１２０を含む複数のスタックユニット１１０と、複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々の長軸方向Ｘにおいて、異なる位置に設けられた複数の空気導入口１５４を有し、複数の空気導入口１５４を介して空気を空気極１２３に供給する空気導入部１５０とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の平板状の固体酸化物形燃料電池を含み、前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々は、燃料極と、前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々における周囲の空気と接するように設けられた空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に配置された電解質とを含み、前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々が厚さ方向に配列した少なくとも１つのセルスタックを含む複数のスタックユニットと、
前記複数のスタックユニットを収容する筐体と、
前記筐体の内側に配置され、前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々の前記厚さ方向に垂直な長軸方向において異なる位置に設けられた複数の空気導入口を有し、前記複数の空気導入口を介して前記筐体の外側の空気を前記空気極に供給する空気導入部と、
前記少なくとも１つのセルスタックの周囲を被覆し、前記空気極に供給される空気が通過する空気流路を形成する被覆材と、
を備える、ホットモジュール。

【請求項2】

前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々の内部には前記燃料極に供給される燃料が通過する燃料流路が設けられ、前記空気極は前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々の表面に露出するように配置されている、請求項１に記載のホットモジュール。

【請求項3】

前記複数のスタックユニットの各々は前記厚さ方向に垂直な前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々の短軸方向に配列しており、
前記複数の空気導入口は隣接するセルスタックの間に配置されている、請求項１又は２に記載のホットモジュール。

【請求項4】

前記空気導入部は前記長軸方向に延びる空気導入流路を含み、
前記複数の空気導入口の各々は前記長軸方向に沿って前記空気導入流路に設けられている、請求項３に記載のホットモジュール。

【請求項5】

前記空気導入部は前記少なくとも１つのセルスタックに沿って前記厚さ方向に延びる複数の配管を含み、
前記複数の空気導入口は前記厚さ方向に沿って連続的に延びて又は断続的に前記複数の配管にそれぞれ設けられている、請求項３に記載のホットモジュール。

【請求項6】

前記筐体は、前記複数のスタックユニットが載置された基部と、前記基部を覆うカバーとを含み、
前記基部には前記空気極で空気と反応して生成されたカソードオフガスを含む排出ガスが通過するガス排出口が設けられている、請求項１～５のいずれか一項に記載のホットモジュール。

【請求項7】

前記排出ガスは前記燃料極で燃料が反応して生成されたアノードオフガス及びアノードオフガスの燃焼ガスの少なくともいずれか一方をさらに含む、請求項６に記載のホットモジュール。

【請求項8】

前記被覆材は、前記筐体内の空間を、前記基部に設けられた空気供給口を介して空気が供給される第１空間と、前記排出ガスが供給される第２空間とを含む空間に区画する、請求項６又は７に記載のホットモジュール。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか一項に記載のホットモジュールを備える、固体酸化物形燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ホットモジュール及び固体酸化物形燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形燃料電池は、水素などの燃料を化学反応させることによって電気エネルギーを生成することができ、副生成物が水のみである。そのため、クリーンなエネルギー供給源として様々な分野で期待されている。

【0003】

特許文献１には、固体酸化物形燃料電池を配列したセルスタックを備える燃料電池モジュールが開示されている。セルスタックの近傍には、セルスタックの側面側より空気が排出されることを抑制し、固体酸化物形燃料電池間の空気の流れを促進するため、断熱部材が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１４／１８９１３５号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

固体酸化物形燃料電池は反応によって温度が上昇するため、セルスタックに供給される空気は、固体酸化物形燃料電池の反応に用いられるだけでなく、固体酸化物形燃料電池の発電効率を向上させるため、固体酸化物形燃料電池の冷却にも用いることができる。しかしながら、従来のモジュールでは、固体酸化物形燃料電池の下端からしか空気が供給されていない。固体酸化物形燃料電池の下端から供給された空気は、固体酸化物形燃料電池によって加温されながら固体酸化物形燃料電池間を上昇していく。

【0006】

そのため、固体酸化物形燃料電池の下側は空冷されるが、上側は冷却されないために高温のままになり、固体酸化物形燃料電池の長軸方向で温度分布が生じるおそれがある。このような温度分布が生じると、固体酸化物形燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。

【0007】

そこで、本開示は、平板状の固体酸化物形燃料電池のセルスタックを用いた場合に、固体酸化物形燃料電池の温度分布を均一にすることが可能なホットモジュール及び燃料電池システム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】

【0008】

本開示に係るホットモジュールは、複数のスタックユニットと、筐体と、空気導入部と、被覆材とを備えている。複数のスタックユニットは、少なくとも１つのセルスタックを含んでいる。少なくとも１つのセルスタックは、複数の平板状の固体酸化物形燃料電池を含んでおり、複数の固体酸化物形燃料電池の各々が厚さ方向に配列している。複数の固体酸化物形燃料電池の各々は、燃料極と、複数の固体酸化物形燃料電池の各々における周囲の空気と接するように設けられた空気極と、燃料極と空気極との間に配置された電解質とを含んでいる。筐体は、複数のスタックユニットを収容している。空気導入部は、筐体の内側に配置されている。空気導入部は、複数の固体酸化物形燃料電池の各々の厚さ方向に垂直な長軸方向において異なる位置に設けられた複数の空気導入口を有し、複数の空気導入口を介して筐体の外側の空気を空気極に供給する。被覆材は、少なくとも１つのセルスタックの周囲を被覆し、空気極に供給される空気が通過する空気流路を形成している。

【0009】

複数の固体酸化物形燃料電池の各々の内部には燃料極に供給される燃料が通過する燃料流路が設けられてもよい。空気極は複数の固体酸化物形燃料電池の各々の表面に露出するように配置されてもよい。

【0010】

複数のスタックユニットの各々は厚さ方向に垂直な複数の固体酸化物形燃料電池の各々の短軸方向に配列していてもよい。複数の空気導入口は隣接するセルスタックの間に配置されていてもよい。

【0011】

空気導入部は長軸方向に延びる空気導入流路を含んでいてもよい。複数の空気導入口の各々は長軸方向に沿って空気導入流路に設けられていてもよい。

【0012】

空気導入部は少なくとも１つのセルスタックに沿って厚さ方向に延びる複数の配管を含んでいてもよい。複数の空気導入口は厚さ方向に沿って連続的に延びて又は断続的に複数の配管にそれぞれ設けられていてもよい。

【0013】

筐体は、複数のスタックユニットが載置された基部と、基部を覆うカバーとを含んでいてもよい。基部には空気極で空気と反応して生成されたカソードオフガスを含む排出ガスが通過するガス排出口が設けられていてもよい。

【0014】

上記排出ガスは燃料極で燃料が反応して生成されたアノードオフガス及びアノードオフガスの燃焼ガスの少なくともいずれか一方をさらに含んでいてもよい。

【0015】

被覆材は、筐体内の空間を、基部に設けられた空気供給口を介して空気が供給される第１空間と、上記排出ガスが供給される第２空間とを含む空間に区画してもよい。

【0016】

本開示に係る固体酸化物形燃料電池システムはホットモジュールを備えていてもよい。

【発明の効果】

【0017】

本開示によれば、平板状の固体酸化物形燃料電池のセルスタックを用いた場合に、固体酸化物形燃料電池の温度分布を均一にすることが可能なホットモジュール及び固体酸化物形燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムを示す模式図である。

【図2】一実施形態に係るホットモジュールを示す断面図である。

【図3】図２のホットモジュールをＩＩＩ－ＩＩＩ線で切断した断面図である。

【図4】図３のホットモジュールをＩＶ－ＩＶ線で切断した断面図である。

【図5】図３のホットモジュールをＶ－Ｖ線で切断した断面図である。

【図6】一実施形態に係るスタックユニットを模式的に示す斜視図である。

【図7】一実施形態に係るスタックユニットを模式的に示す拡大平面図である。

【図8】一実施形態に係るホットモジュールを示す断面図である。

【図9】図８のホットモジュールをＩＸ－ＩＸ線で切断した断面図である。

【図10】図９のホットモジュールをＸ－Ｘ線で切断した断面図である。

【図11】図９のホットモジュールをＸＩ－ＸＩ線で切断した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

【0020】

また、以下の実施形態では、平板状の固体酸化物形燃料電池の厚さ方向を厚さ方向Ｚとして説明する。厚さ方向Ｚに直交し、平板状の固体酸化物形燃料電池の平面方向における長軸が延在する方向を長軸方向Ｘとして説明する。長軸方向Ｘ及び厚さ方向Ｚに直交し、平板状の固体酸化物形燃料電池の平面方向における長軸より短い短軸が延在する方向を短軸方向Ｙとして説明する。そして、長軸方向Ｘにおいて、固体酸化物形燃料電池に対して基部側を長軸方向Ｘの下側、基部とは反対側を長軸方向Ｘの上側として説明する。

【0021】

［第１実施形態］
まず、第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１（ＳＯＦＣシステム１）及びホットモジュール１０について図１～図７を用いて説明する。

【0022】

図１に示すように、本実施形態に係るＳＯＦＣシステム１は、ホットモジュール１０を備えている。また、ＳＯＦＣシステム１は、燃料供給部２０と、空気供給部３０と、排出ガス燃焼部４０とを備えている。ホットモジュール１０には、燃料供給部２０と、空気供給部３０と、排出ガス燃焼部４０とが接続されている。

【0023】

燃料供給部２０は、燃料をホットモジュール１０内に供給する。燃料供給部２０は、燃料供給管２１と、アンモニア供給源２２と、流量調整機構２３と、第１水素生成部２４とを含んでいる。燃料供給管２１は、アンモニア供給源２２と、ホットモジュール１０とを接続している。燃料供給管２１には、アンモニア供給源２２と、流量調整機構２３と、第１水素生成部２４とが設けられている。アンモニア供給源２２は、例えば、アンモニアを貯留するボンベなどの圧力容器である。流量調整機構２３は、燃料供給管２１内を流れるアンモニアの流量を調整する。流量調整機構２３は、マスフローコントローラ、又はダイヤフラムポンプ若しくは回転翼式ポンプのようなポンプであってもよい。第１水素生成部２４は、アンモニアを加熱することによってアンモニアから水素を生成する。

【0024】

なお、本実施形態では、アンモニアを原料として水素を生成したが、炭化水素のような有機化合物を原料として水素を生成してもよい。また、アンモニアを貯留するボンベを使用したが、アンモニアでなく、水素を貯留するボンベを使用し、水素をホットモジュール１０に供給してもよい。また、第１水素生成部２４でアンモニアから水素を生成したが、アンモニアをホットモジュール１０に直接供給してもよい。

【0025】

空気供給部３０は、ホットモジュール１０に酸素を含む空気を供給する。空気供給部３０は、空気供給管３１と、フィルタ３２と、ブロワ３３と、流量調整弁３４と、熱交換器３５とを含んでいる。空気供給管３１は、一端がホットモジュール１０に接続されている。空気供給管３１には、フィルタ３２、ブロワ３３、流量調整弁３４及び熱交換器３５が設けられている。フィルタ３２は、空気供給管３１内に導入される空気を除塵する。ブロワ３３は、空気供給管３１におけるフィルタ３２の下流側に設けられ、例えば１０ｋＰａＧ以上の圧力で空気をホットモジュール１０に供給する。流量調整弁３４は、ホットモジュール１０に供給される空気の流量を調整する。熱交換器３５は、空気供給管３１を通過する空気が有する熱と、排気管４１を通過する排出ガスが有する熱とを熱交換し、ホットモジュール１０に供給される空気を加熱するとともにホットモジュール１０から排出される排出ガスを冷却する。

【0026】

排出ガス燃焼部４０は、ホットモジュール１０内から排気されたアノードオフガスとカソードオフガスとを含む排出ガスを燃焼する。これにより、排出ガスに残存する未反応の水素を燃焼させることができる。排出ガス燃焼部４０は、排気管４１と、排出ガス燃焼器４２と、熱回収器４３と、気液分離部４４とを含んでいる。排気管４１は、一端がホットモジュール１０に接続されている。排出ガス燃焼器４２は電気式ヒータ又はガスバーナーなどの加熱器を含んでおり、排出ガスを加熱によって燃焼させる。熱回収器４３は、水冷式又は空冷式のラジエータであり、排出ガス燃焼器４２から排出される排気ガスの熱を回収し、排気ガスを冷却する。気液分離部４４は、熱回収器４３で冷却されて得られたガスと水とを分離する。

【0027】

ホットモジュール１０は、図２～図５に示すように、複数のスタックユニット１１０と、第２水素生成部１１３と、筐体１３０と、被覆材１４０と、空気導入部１５０とを備えている。筐体１３０は、複数のスタックユニット１１０及び被覆材１４０を収容している。筐体１３０は、基部１３１と、基部１３１を覆うカバー１３２とを含んでいる。そして、基部１３１とカバー１３２とによって、筐体１３０内に複数のスタックユニット１１０を収容する空間が形成されている。

【0028】

基部１３１には、６つのスタックユニット１１０が載置されている。３つのスタックユニット１１０が短軸方向Ｙに配列しており、２つのスタックユニット１１０が厚さ方向Ｚに配列している。ただし、短軸方向Ｙには２つ又は４つ以上の複数のスタックユニット１１０の各々が配列していてもよい。また、厚さ方向Ｚには１つだけのスタックユニット１１０が配置されていてもよく、３つ以上の複数のスタックユニット１１０が配列していてもよい。

【0029】

基部１３１には、空気供給口１３３とガス排出口１３４とが設けられている。空気供給口１３３は基部１３１を貫通する開口部であり、空気供給部３０によって供給された筐体１３０の外側の空気は、空気供給口１３３を通過して固体酸化物形燃料電池１２０（ＳＯＦＣ１２０）の空気極１２３に供給される。ガス排出口１３４は基部１３１を貫通する開口部であり、空気極１２３で空気と反応して生成されたカソードオフガスを含む排出ガスは、ガス排出口１３４を通過して筐体１３０の外側に排出される。排出ガスは燃料極１２２で燃料が反応して生成されたアノードオフガス及びアノードオフガスの燃焼ガスの少なくともいずれか一方を含んでいる。ガス排出口１３４を通過したオフガスは、排出ガス燃焼部４０で燃焼される。

【0030】

基部１３１は、基材１３５と、基材１３５の表面に設けられた断熱材１３６とを含んでいてもよい。そして、複数のスタックユニット１１０は、断熱材１３６に載置されてもよい。これにより、ＳＯＦＣ１２０の反応によって生成された熱が基材１３５に直接伝わるのを抑制することができる。基材１３５は、金属によって形成されていてもよい。断熱材１３６は、セラミックスを含んでいてもよく、多孔質であってもよい。

【0031】

カバー１３２は、基材１３７と、基材１３７の内側に配置された断熱材１３８とを含んでいてもよい。これにより、筐体１３０内の空間の熱が筐体１３０の外側に逃げるのを抑制することができる。基材１３７は、金属によって形成されていてもよい。断熱材１３８は、セラミックスを含んでいてもよく、多孔質であってもよい。

【0032】

基部１３１の剛性はカバー１３２の剛性よりも高くてもよい。これにより、基部１３１で複数のスタックユニット１１０を強固に支持すると共に、カバー１３２の重量を低減することができる。基材１３５は、基材１３７の剛性よりも高くてもよい。なお、本明細書において、剛性は、室温（約２０℃）におけるヤング率と断面二次モーメントとの積で表される曲げ剛性を意味する。

【0033】

図２～図６に示すように、複数のスタックユニット１１０の各々は、２つのセルスタック１１１と、燃料マニホールド１１２とを含んでいる。燃料マニホールド１１２には２つのセルスタック１１１が設けられており、燃料マニホールド１１２は基部１３１上に載置されている。

【0034】

第２水素生成部１１３は、燃料供給部２０によって供給されたアンモニアなどの燃料から水素を生成する。第２水素生成部１１３は燃料マニホールド１１２に接続されており、第２水素生成部１１３で生成された水素が燃料マニホールド１１２を介してセルスタック１１１に供給される。第２水素生成部１１３は、長軸方向Ｘにおいて、ＳＯＦＣ１２０とカバー１３２との間に配置されている。具体的には、第２水素生成部１１３は、長軸方向Ｘにおいて、セルスタック１１１の燃料マニホールド１１２とは反対側に空間を空けて配置されている。なお、アンモニア及び水素などの燃料は、第２水素生成部１１３を介さずに燃料供給部２０からセルスタック１１１に直接供給されてもよい。

【0035】

スタックユニット１１０における２つのセルスタック１１１の各々は、短軸方向Ｙに配列している。なお、スタックユニット１１０は、少なくとも１つのセルスタック１１１を含んでいればよい。そのため、スタックユニット１１０は、１つだけのセルスタック１１１を含んでいてもよく、３つ以上の複数のセルスタック１１１を含んでいてもよい。

【0036】

複数のセルスタック１１１の各々は、複数のＳＯＦＣ１２０を含んでいる。複数のＳＯＦＣ１２０の各々は、厚さ方向Ｚに配列している。図７に示すように、複数のＳＯＦＣ１２０のうち隣接するＳＯＦＣ１２０間には空気が通過可能な空気流路１４１が設けられている。複数のＳＯＦＣ１２０の各々は、一端が燃料マニホールド１１２と接続されており、もう一端が自由端となっている。これにより、ＳＯＦＣ１２０が温度変動によって膨張収縮した場合であっても、内部応力が高くなるのを抑制することができる。

【0037】

図７に示すように、ＳＯＦＣ１２０は平板状をしている。これにより、略真円状の円筒型ＳＯＦＣと比較してセルスタック１１１の出力密度を高くすることができる。ＳＯＦＣ１２０は、具体的には、円筒平板型固体酸化物形燃料電池であり、扁平した円筒形状をしている。複数のＳＯＦＣ１２０の各々は、支持部１２１と、燃料極１２２と、空気極１２３と、電解質１２４と、インターコネクタ１２５とを含んでいる。複数のＳＯＦＣ１２０の各々の内部には燃料極１２２に供給される燃料が通過する燃料流路１２６が設けられている。

【0038】

支持部１２１には、複数の燃料流路１２６が設けられている。複数の燃料流路１２６の各々は短軸方向Ｙに配列しており、長軸方向Ｘに沿って延在している。燃料流路１２６の一端は燃料マニホールド１１２と接続されている。燃料流路１２６の燃料マニホールド１１２とは反対側の一端は開放されており、燃料が排出される出口となっている。

【0039】

支持部１２１は、扁平した円筒形状をしている。支持部１２１の表面には燃料極１２２が配置されている。支持部１２１は、燃料流路１２６を流れる燃料が燃料極１２２に透過可能な多孔質体を含んでいる。支持部１２１の外表面は、燃料流路１２６を通過した燃料が漏洩しないように、燃料極１２２及びインターコネクタ１２５によって囲われている。そして、支持部１２１、燃料極１２２及びインターコネクタ１２５はＳＯＦＣ１２０の燃料マニホールド１１２に固定された固定端から自由端に向かって延在している。なお、本実施形態では、支持部１２１と燃料極１２２とを異なる部材としているが、燃料極１２２が支持部１２１を含んでいてもよい。すなわち、燃料極１２２と支持部１２１とが同じであり、燃料極１２２の内部に燃料流路１２６が設けられていてもよい。

【0040】

空気極１２３は複数のＳＯＦＣ１２０の各々における周囲の空気と接するように設けられている。具体的には、空気極１２３は複数のＳＯＦＣ１２０の各々の表面に露出するように配置されている。電解質１２４は、燃料極１２２と空気極１２３との間に配置されている。

【0041】

燃料極１２２では、以下の反応式（１）に示されるように、水素が酸化され、水及び未反応の燃料を含むアノードオフガスが生成される。
Ｈ_２＋Ｏ^２－→２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ （１）

【0042】

空気極１２３では、下記反応式（２）に示されるように、酸素が還元され、未反応の酸素を含むカソードオフガスが生成される。
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｏ^２－ （２）

【0043】

電解質１２４では、上記反応式（２）で生成された酸素イオン（Ｏ^２－）が空気極１２３から燃料極１２２へ移動する。上記反応式（１）で生成された電子（ｅ^－）は、インターコネクタ１２５及び空気流路１４１内に設けられた図示しない導電部材を介して集電される。

【0044】

支持部１２１は、導電性を有している。支持部１２１は、ニッケル及びニッケル化合物の少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。ニッケル化合物は、ニッケルオキサイド（ＮｉＯ）を含んでいてもよい。また、支持部１２１は、希土類酸化物を含んでいてもよい。希土類としては、イットリウムなどが挙げられる。

【0045】

燃料極１２２は、ニッケル及びニッケル化合物の少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。ニッケル化合物は、ニッケルオキサイド（ＮｉＯ）を含んでいてもよい。燃料極１２２は、イットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物をさらに含んでいてもよい。

【0046】

空気極１２３は、ＬＳＭ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３）、ＬＳＣ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３）、又は、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３）などの電子伝導性を示す酸化物を含んでいてもよい。

【0047】

電解質１２４は、イットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含んでいてもよい。

【0048】

アノードオフガスには、通常、未反応の水素も含まれる。この未反応の燃料は、ＳＯＦＣ１２０の自由端から排出される。ＳＯＦＣシステム１の運転時にはホットモジュール１０内は高温になるため、未反応の水素が燃焼する。この燃焼熱によってセルスタック１１１の上方に配置された第２水素生成部１１３が加熱される。

【0049】

被覆材１４０は、複数のスタックユニット１１０の各々におけるセルスタック１１１の周囲を被覆している。そして、被覆材１４０には、空気極１２３に供給される空気が通過する空気流路１４１が形成されている。空気流路１４１は、厚さ方向Ｚにおいて隣接するＳＯＦＣ１２０間に設けられている。そのため、空気流路１４１はＳＯＦＣ１２０と被覆材１４０によって囲われて形成されている。ＳＯＦＣ１２０は厚さ方向Ｚに配列しており、セルスタック１１１内におけるＳＯＦＣ１２０間の隙間は狭くなっている。しかしながら、本実施形態では、セルスタック１１１の周囲を被覆材１４０で被覆しているため、空気の流れが規制される。そのため、隣接するＳＯＦＣ１２０間に設けられた狭い空気流路１４１に空気を強制的に送り込むことができる。

【0050】

被覆材１４０は筐体１３０内の空間を第１空間１４２と、第２空間１４３とを含む空間に区画している。第１空間１４２には空気供給口１３３を介して空気が供給される。第２空間１４３には排出ガスが供給される。これにより、空気供給口１３３を介して供給された空気が、空気流路１４１内を上昇して空気極１２３で反応する。そして、空気極１２３で生成されたアノードオフガス及びアノードオフガスの燃焼ガスの少なくともいずれか一方を含む排出ガスが、ガス排出口１３４を介してホットモジュール１０の外側へ排出される。したがって、被覆材１４０によって供給ガス及び排出ガスの流路を形成することができるため、ホットモジュール１０の構成を簡素にすることができる。

【0051】

第１空間１４２内には空気導入部１５０が配置されている。具体的には、第１空間１４２内には空気導入部１５０の空気導入口１５４が配置されており、空気導入部１５０によって第１空間１４２内に空気供給口１３３を介して空気が供給される。第１空間１４２は、被覆材１４０により、長軸方向Ｘにおいて複数の空間に分割されている。具体的には、第１空間１４２は、被覆材１４０によって空間１４２ａと空間１４２ｂとに区画されている。空間１４２ａは基部１３１及び被覆材１４０によって囲われて形成されている。空間１４２ａは基部１３１と被覆材１４０とカバー１３２とによって囲われて形成されていてもよい。空間１４２ｂは空間１４２ａと第２空間１４３との間に配置されており、被覆材１４０によって囲われて形成されている。

【0052】

第２空間１４３はガス排出口１３４と連通しており、第２空間１４３に供給された排出ガスは、ガス排出口１３４を介して排出ガス燃焼部４０へ供給される。第２空間１４３内には第２水素生成部１１３が配置されていてもよい。第２空間１４３は基部１３１とカバー１３２と被覆材１４０とによって囲われて形成されている。

【0053】

被覆材１４０は、耐熱性を有していることが好ましい。そのため、被覆材１４０は、セラミックスを含んでいてもよい。また、被覆材１４０は断熱性を有していることが好ましい。被覆材１４０が断熱性を有していることにより、ＳＯＦＣ１２０から熱が放散されるのを抑制することができる。被覆材１４０は、多孔質であってもよい。

【0054】

空気導入部１５０は、筐体１３０の内側に配置され、筐体１３０の外側の空気を空気極１２３に供給する。空気導入部１５０は長軸方向Ｘにおいて異なる位置に設けられた複数の空気導入口１５４を有しており、複数の空気導入口１５４を介して筐体１３０の外側の空気を空気極１２３に供給する。これにより、空気極１２３に空気中の酸素を供給し続け、ＳＯＦＣ１２０の反応を継続させることができる。

【0055】

空気導入部１５０は空気導入流路１５５である配管１５１を含んでおり、配管１５１は空気供給口１３３に接続されている。また、空気導入部１５０は第１空間１４２内に配置されている。筐体１３０の外側から空気極１２３に供給される空気は、空気供給口１３３を通過し、空気導入部１５０は空気供給口１３３を通過した空気を空気極１２３に導く。

【0056】

配管１５１は、主配管１５２と、分岐配管１５３とを含んでいる。主配管１５２及び分岐配管１５３は、空間１４２ａ及び空間１４２ｂ内に配置されている。主配管１５２は、空気供給口１３３に接続されている。主配管１５２は、筐体１３０内で分岐し、空間１４２ａ及び空間１４２ｂ内で延在している。主配管１５２は、空間１４２ａ及び空間１４２ｂ内において、厚さ方向Ｚにおいて隣接するスタックユニット１１０の間に配置され、短軸方向Ｙに延在している。

【0057】

複数の分岐配管１５３の各々は、主配管１５２から分岐し、複数のセルスタック１１１の各々に沿って厚さ方向Ｚに延びている。分岐配管１５３は、短軸方向Ｙにおいて、複数のスタックユニット１１０の両側であって、スタックユニット１１０とカバー１３２との間に配置されている。また、分岐配管１５３は、短軸方向Ｙにおいて、隣接するスタックユニット１１０間に配置されている。ただし、分岐配管１５３は、短軸方向Ｙにおいて、隣接するスタックユニット１１０間、及び、スタックユニット１１０内における隣接するセルスタック１１１間の少なくともいずれか一方に配置されていてもよい。複数の分岐配管１５３の各々には、少なくとも１つの空気導入口１５４が設けられている。

【0058】

複数の空気導入口１５４は隣接するセルスタック１１１の間に配置されている。そのため、空気供給口１３３を通過した空気は少なくとも１つの空気導入口１５４から筐体１３０内に供給される。空気導入口１５４は、短軸方向Ｙにおいて、隣接するスタックユニット１１０間、及び、スタックユニット１１０内における隣接するセルスタック１１１間の少なくともいずれか一方に配置されていてもよい。

【0059】

複数の空気導入口１５４は、厚さ方向Ｚに沿って連続的に延びて複数の分岐配管１５３にそれぞれ設けられている。ただし、分岐配管１５３に設けられる空気導入口１５４の位置、大きさ及び形状などは特に限定されない。複数の空気導入口１５４は、厚さ方向Ｚに沿って断続的に複数の分岐配管１５３にそれぞれ設けられていてもよい。

【0060】

本実施形態においては、空間１４２ａ及び空間１４２ｂ内に主配管１５２及び分岐配管１５３を含む配管１５１が配置されている。そのため、複数の空気導入口１５４の各々は、長軸方向Ｘにおいて異なる位置に設けられている。これにより、長軸方向Ｘにおいて、ＳＯＦＣ１２０の複数個所に空気導入口１５４から空気を供給することができる。そのため、ＳＯＦＣ１２０に反応原料としての空気を供給するだけでなく、ＳＯＦＣ１２０の温度分布を均一にすることができる。

【0061】

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係るＳＯＦＣシステム１及びホットモジュール１０について図８～図１１を用いて説明する。なお、第２実施形態に係るホットモジュール１０では、空気導入部１５０の形態を変更している。これ以外の点については、特段の記載がなければ第１実施形態に係るＳＯＦＣシステム１及びホットモジュール１０と同様であるため、説明を省略する。

【0062】

空気導入部１５０は複数の空気導入流路１５５を含んでいる。複数の空気導入流路１５５の各々は、一端が筐体１３０のカバー１３２と接続されている。空気導入流路１５５は、短軸方向Ｙにおいて、複数のスタックユニット１１０の両側であって、スタックユニット１１０とカバー１３２との間に配置されている。ただし、空気導入流路１５５は、隣接するスタックユニット１１０間、及び、スタックユニット１１０内における隣接するセルスタック１１１間の少なくともいずれか一方に配置されていてもよい。

【0063】

空気導入流路１５５は内部に空気が通過するための空間を有する矩形状の箱体である。空気導入流路１５５は、セルスタック１１１の側面に沿うように、長軸方向Ｘ及び厚さ方向Ｚに延びて広がっている。空気導入流路１５５は、筐体１３０の天井から被覆材１４０を貫通して設けられており、第１空間１４２及び第２空間１４３に配置されている。空気導入流路１５５には複数の空気導入口１５４が設けられている。

【0064】

空気導入口１５４は、第１空間１４２に配置されている。具体的には、空気導入口１５４は、空間１４２ａ及び空間１４２ｂに配置されており、複数の空気導入口１５４の各々は、長軸方向Ｘに沿って断続的に空気導入流路１５５に設けられている。また、複数の空気導入口１５４の各々は、厚さ方向Ｚに沿って連続的に延びて空気導入流路１５５に設けられている。ただし、複数の空気導入口１５４は断続的に空気導入流路１５５にそれぞれ設けられていてもよい。

【0065】

空気供給部３０によって空気導入部１５０に供給された空気は、筐体１３０の天井から空気導入口１５４に向かって流れ、空気導入口１５４を介して筐体１３０の内部に導入される。筐体１３０の内部に導入された空気は、空気流路１４１を通って空気極１２３に供給される。

【0066】

なお、筐体１３０のカバー１３２が外壁と内壁とを含んでおり、空気導入部１５０はカバー１３２の内壁に設けられていてもよい。そして、筐体１３０の外側の空気が外壁と内壁との間の空間である流路を通って空気導入部１５０の空気導入流路１５５に供給されてもよい。

【0067】

本実施形態に係るホットモジュール１０によっても、上記実施形態に係るホットモジュール１０と同様に、ＳＯＦＣ１２０の温度分布を均一にすることができる。

【0068】

以上説明した通り、本実施形態に係るホットモジュール１０は、複数のスタックユニット１１０と、筐体１３０と、空気導入部１５０と、被覆材１４０とを備えている。複数のスタックユニット１１０は、少なくとも１つのセルスタック１１１を含んでいる。少なくとも１つのセルスタック１１１は、複数の平板状の固体酸化物形燃料電池１２０を含んでおり、複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々が厚さ方向Ｚに配列している。複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々は、燃料極１２２と、複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々における周囲の空気と接するように設けられた空気極１２３と、燃料極１２２と空気極１２３との間に配置された電解質１２４とを含んでいる。筐体１３０は、複数のスタックユニット１１０を収容している。空気導入部１５０は、筐体１３０の内側に配置されている。空気導入部１５０は、複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々の厚さ方向Ｚに垂直な長軸方向Ｘにおいて異なる位置に設けられた複数の空気導入口１５４を有し、複数の空気導入口１５４を介して筐体１３０の外側の空気を空気極１２３に供給する。被覆材１４０は、少なくとも１つのセルスタック１１１の周囲を被覆し、空気極１２３に供給される空気が通過する空気流路１４１を形成している。

【0069】

このように、長軸方向Ｘにおいて異なる位置に設けられた複数の空気導入口１５４を介して筐体１３０の外側の空気が空気極１２３に供給される。これにより、筐体１３０の外側の空気が、長軸方向ＸにおいてＳＯＦＣ１２０の異なる位置に供給される。そのため、固体酸化物形燃料電池１２０の温度分布を均一にすることができる。

【0070】

複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々の内部には燃料極１２２に供給される燃料が通過する燃料流路１２６が設けられてもよい。空気極１２３は複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々の表面に露出するように配置されてもよい。

【0071】

これにより、複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々の表面を空気導入部１５０によって効果的に冷却することができる。

【0072】

複数のスタックユニット１１０の各々は厚さ方向Ｚに垂直な複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々の短軸方向Ｙに配列していてもよい。複数の空気導入口１５４は隣接するセルスタック１１１の間に配置されていてもよい。

【0073】

これにより、セルスタック１１１の側面に空気導入口１５４を介して空気が供給される。そのため、セルスタック１１１の固体酸化物形燃料電池１２０を効率的に冷却することができる。

【0074】

空気導入部１５０は長軸方向Ｘに延びる空気導入流路１５５を含んでいてもよい。複数の空気導入口１５４の各々は長軸方向Ｘに沿って空気導入流路１５５に設けられていてもよい。

【0075】

これにより、筐体１３０の外側の空気を、長軸方向ＸにおいてＳＯＦＣ１２０の異なる位置に簡易に供給することができる。

【0076】

空気導入部１５０は少なくとも１つのセルスタック１１１に沿って厚さ方向Ｚに延びる複数の配管１５１を含んでいてもよい。複数の空気導入口１５４は厚さ方向Ｚに沿って連続的に延びて又は断続的に複数の配管１５１にそれぞれ設けられていてもよい。

【0077】

これにより、筐体１３０の外側の空気を、セルスタック１１１に簡易に供給することができる。

【0078】

筐体１３０は、複数のスタックユニット１１０が載置された基部１３１と、基部１３１を覆うカバー１３２とを含んでいてもよい。基部１３１には空気極１２３で空気と反応して生成されたカソードオフガスを含む排出ガスが通過するガス排出口１３４が設けられていてもよい。

【0079】

ガス排出口１３４がカバー１３２でなく、基部１３１に設けられており、カバー１３２にかかる負荷を低減することができるため、ホットモジュール１０の構成を簡素にすることができる。

【0080】

上記排出ガスは燃料極１２２で燃料が反応して生成されたアノードオフガス及びアノードオフガスの燃焼ガスの少なくともいずれか一方をさらに含んでいてもよい。

【0081】

これにより、カソードオフガスとアノードオフガスとを専用の配管を用いて排出する必要がなくなるため、ホットモジュール１０の構成を簡素にすることができる。

【0082】

被覆材１４０は、筐体１３０内の空間を、基部１３１に設けられた空気供給口１３３を介して空気が供給される第１空間１４２と、上記排出ガスが供給される第２空間１４３とを含む空間に区画してもよい。

【0083】

これにより、空気供給口１３３を介して供給された空気が、空気極１２３で反応し、生成されたアノードオフガス及びアノードオフガスの燃焼ガスの少なくともいずれか一方を含む排出ガスが、ガス排出口１３４を介してホットモジュール１０の外側へ排出される。したがって、被覆材１４０によって供給ガス及び排出ガスの流路を形成することができるため、ホットモジュール１０の構成を簡素にすることができる。

【0084】

固体酸化物形燃料電池システム１はホットモジュール１０を備えていてもよい。

【0085】

ホットモジュール１０は、上述したように、固体酸化物形燃料電池１２０の温度分布を均一にすることができる。そのため、ホットモジュール１０を備える固体酸化物形燃料電池システム１も、固体酸化物形燃料電池１２０の温度分布を均一にすることができる。

【0086】

いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。

【0087】

本開示は、例えば、国際連合が主導する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７『すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する』に貢献することができる。

【符号の説明】

【0088】

１ 固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）
１０ ホットモジュール
１１０ スタックユニット
１１１ セルスタック
１２０ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
１２２ 燃料極
１２３ 空気極
１２４ 電解質
１２６ 燃料流路
１３０ 筐体
１３１ 基部
１３２ カバー
１３３ 空気供給口
１３４ ガス排出口
１４０ 被覆材
１４１ 空気流路
１４２ 第１空間
１４３ 第２空間
１５０ 空気導入部
１５１ 配管
１５２ 主配管（配管）
１５３ 分岐配管（配管）
１５４ 空気導入口
１５５ 空気導入流路
Ｘ 長軸方向
Ｙ 短軸方向
Ｚ 厚さ方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】