JP2002298873A - 固体電解質型燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 より高圧に設定された気体収容室から発電室
側へ気体が流れるおそれのない固体電解質型燃料電池モ
ジュールを提供する。 【解決手段】 モジュール本体１と、前記モジュール本
体の内部に設けられ、燃料電池セル１２ａが形成された
セルチューブ１２と、前記モジュール本体の内部に設け
られ、前記燃料電池セルが配置される発電室１１と、前
記モジュール本体の内部に前記セルチューブの開口部と
連通するように設けられ、前記発電室よりも高い圧力に
設定され、気体２２が収容される気体収容室１４と、前
記セルチューブが破損したときに前記気体収容室の前記
気体が前記セルチューブの内部および該破損部を介して
前記発電室に流れることを抑制する流れ抑制部６１とを
備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池モジュールに関し、特に、燃料排出室から発電室側
へ燃料が逆流するおそれのない円筒型固体電解質型燃料
電池モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、円筒型固体電解質型燃料電池モジ
ュールについては、特開平７−２７２７４１号公報、特
開平９−１２９２５６号公報および特開平１０−１２２
５８号公報に開示された技術が知られている。

【０００３】図１１を参照して、従来の円筒型固体電解
質型燃料電池モジュールの概略構造を説明する。

【０００４】図１１に示すように、断熱材で包囲された
モジュール本体１内には、天板２、金属製の上部管板２
０および金属製の下部管板２１が配設され、下部管板２
１の下方には、発電室１１が形成されている。発電室１
１の断熱用に断熱ボード３４が設けられている。

【０００５】モジュール本体１内の天板２と上部管板２
０との間には、燃料供給室１３が形成され、上部管板２
０と下部管板２１の間には、燃料排出室１４が形成され
ている。

【０００６】天板２には、燃料供給室１３とモジュール
本体１の外部とを連通する燃料供給管７がモジュール本
体１を貫通して連結されている。燃料供給管７から燃料
供給室１３には、燃料ガス２３が導入される。燃料供給
管７の内側には、燃料排出室１４とモジュール本体１の
外部とを連通するように上部管板２０を貫通する残燃料
排出管８が配設されている。残燃料排出管８からモジュ
ール本体１の外部には、残燃料ガス２２が排出される。

【０００７】燃料ガスが水素（Ｈ_２）ガス以外の場合に
は、モジュール本体１内部の熱を利用できる位置に、例
えばＮｉ系等の触媒を配設して、燃料ガスの改質をする
ようにしている。すなわち、燃料としての天然ガスと水
蒸気は、図示せぬプレリフォーマに供給されて、水素
（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とに改質（内部改質）さ
れ、ここで改質された改質ガスが燃料ガスとして燃料供
給室１３に供給される。

【０００８】下部管板２１には、複数のセルチューブ１
２が、それらの上端を燃料排出室１４内に位置させると
共に下方寄りを発電室１１内に位置させるようにして貫
通支持されている。セルチューブ１２の外周部には、単
電池膜（図示せず）が成膜されている。セルチューブ１
２の内側には、当該セルチューブ１２の内部下方側と燃
料供給室１３内とを連通させるように下部管板２１を貫
通する燃料注入管１６が配設されている。後述するよう
に、燃料注入管１６は、金属製の上部管板２０に支持さ
れ、セルチューブ１２は、金属製の下部管板２１に支持
されている。

【０００９】セルチューブ１２の単電池膜は、多孔質の
基体管の上に燃料極、電解質、空気極の順に形成され、
円筒管である基体管の中を燃料ガス２３が流れ、基体管
の外側を空気２４が流れる。この円筒型固体電解質燃料
電池では、発生した電流をインターコネクタを介してセ
ルチューブ１２上の隣接する単電池に流し、最終的には
集電部材５または集電キャップ（後述する）を介して集
電される。

【００１０】燃料注入管１６の内側には、その上端を燃
料供給室１３に位置させると共にその下端をセルチュー
ブ１２の下端近傍に位置させた集電棒１０が配設されて
いる。集電棒１０の下端は、上記単電池膜と電気的に接
続すると共にセルチューブ１２の下端に取付けられた集
電部材５に連結している。集電棒１０の上端は、ニッケ
ル製の集電部材５および導電棒４を介してモジュール本
体１の外部と電気的に接続されている。

【００１１】セルチューブ１２の上端には、上記単電池
膜と電気的に接続する集電コネクタ５７が取り付けられ
ており、当該セルチューブ１２は、他のセルチューブ１
２と集電コネクタ５７を介して並列に接続されている。
また、セルチューブ１２の上端および下端の装着向きが
適宜設定されることにより複数のセルチューブ１２は、
互いに直列接続されている。

【００１２】モジュール本体１の発電室１１の下部に
は、多孔質のセラミックス製の仕切板３が設けられてい
る。仕切板３の下方には、仕切板３を介して発電室１１
と連通する空気予熱（用熱交換）器１７が設けられてい
る。

【００１３】空気予熱（用熱交換）器１７には、モジュ
ール本体１の外部と連通する空気供給管１８が接続され
ている。また、モジュール本体１の発電室１１の内部に
は、空気排出管１９の一端側が位置している。この空気
排出管１９は、他端側がモジュール本体１の外側に位置
し、中間部分が空気予熱室１７の内部を通過するように
配設され、熱交換に供されている。

【００１４】次に、上記構造の円筒型固体電解質燃料電
池モジュールの作用を説明する。

【００１５】発電室１１内を作動温度（約９００〜１０
００℃）に加熱し、燃料供給管７から水素などの燃料ガ
ス２３を供給すると共に、空気供給管１８から酸化剤で
ある空気２４を供給する。燃料供給管７を介して供給さ
れた燃料ガス２３は、燃料供給室１３から燃料注入管１
６を介してセルチューブ１２の下端側まで流入する。一
方、空気予熱室１７を介して仕切板３を通過した空気２
４が発電室１１内に流入する。

【００１６】燃料ガス２３がセルチューブ１２の多孔質
性の基体管を透過して単電池膜に供給され、空気（酸
素）２４が単電池膜に接触すると、該単電池膜では水素
（燃料ガス２３）と空気（酸素）２４とが電気化学的に
反応して電力が発生する。その電力は、集電部材５、集
電コネクタ５７、導電棒４を介してモジュール本体１の
外部に取り出される。

【００１７】燃料ガス２３がセルチューブ１２に供給さ
れて発電に使用された後の残燃料ガス２２は、燃料排出
室１４に集められて、残燃料排出管８を介して外部に排
出される。一方、発電に供された後の残空気２５は、空
気排出管１９を介して外部に排出される。

【００１８】図１２に示されるように、複数のセルチュ
ーブ１２に均一に燃料ガス２３が供給されるように、燃
料ガス２３が整流された後に複数のセルチューブ１２に
分配される。符号３２は整流ヘッダ、３３は分配ヘッダ
をそれぞれ示している。燃料ガス２３は、燃料供給管７
から導入され、整流ヘッダ３２によって整流された後
に、分配ヘッダ３３によって分配されて、燃料供給室１
３に供給される。なお、図１２において、図１１と同じ
構成要素については同じ符号を付しその説明を省略す
る。

【００１９】上記の円筒型固体電解質型燃料電池モジュ
ールでは、燃料供給室１３および燃料排出室１４が、発
電室１１よりも差圧Δｐ≒＋５０〜＋１００ｍｍＡｑ
（水柱）だけ高くなるようにコントロールされて運転さ
れている。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】このとき、組み込まれ
た多数のセルチューブ１２のうち、何らかの理由により
１本でも損傷（破損）すると、図１２中Ａ部に示される
ように、燃料排出室１４内の残燃料ガス２２が上記差圧
の分だけ、発電室１１に逆流してリークしてしまう。そ
のリーク量が過大となることから、運転困難な状況とな
る。

【００２１】また、固体電解質型燃料電池の発電システ
ムでは、燃料電池の作動温度が約９００〜１０００℃と
高いことから、熱膨張が問題となる。

【００２２】上部管板２０と下部管板２１とで同一の材
料が用いられた場合であっても、発電室１１内が約９０
０℃であるのに対し、燃料供給室１３内は約７００℃で
あることから、上部管板２０と下部管板２１とに熱伸び
差が生じ、その結果、上部管板２０が支持する燃料注入
管１６と下部管板２１が支持するセルチューブ１２の軸
がずれることが考えられる。

【００２３】このように、燃料注入管１６とセルチュー
ブ１２とが偏芯していると、そのセルチューブ１２の内
部の燃料注入管１６の外側に形成される燃料ガス２３の
流路（隙間）が均一ではなくなる。その結果、隙間の狭
い箇所では圧力損失が高くなり、そのセルチューブ１２
に形成された複数の単電池膜に対して均一に燃料ガス２
３を供給することができず、発電効率が低下する。

【００２４】また、上部管板２０、下部管板２１は、そ
れぞれ、燃料注入管１６、セルチューブ１２という重量
物を支持していることから、熱膨張したときに撓むこと
が考えられる。

【００２５】ここで、セルチューブ１２、燃料注入管１
６が下部管板２１、上部管板２０に機械的に拘束された
状態で支持されているとすると、上記のように熱伸び
（差）や撓みが生じたときに、セルチューブ１２または
燃料注入管１６が損傷するおそれがある。その結果、ガ
スが逆流することが考えられる。

【００２６】本発明の目的は、気体収容室から発電室側
へ気体が流れるおそれのない固体電解質型燃料電池モジ
ュールを提供することである。本発明の他の目的は、燃
料排出室から発電室側へ燃料ガスが逆流するおそれのな
い固体電解質型燃料電池モジュールを提供することであ
る。本発明の更に他の目的は、セルチューブ、燃料注入
管を機械的に拘束された状態で支持することなく、セル
チューブ、燃料注入管の損傷を未然に防いで、燃料排出
室から発電室側へ燃料ガスが逆流するおそれのない固体
電解質型燃料電池モジュールを提供することである。

【００２７】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中の請求
項対応の技術的事項には、括弧（）つき、番号、記号等
が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応の
技術的事項と実施の複数・形態のうちの少なくとも一つ
の形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にしてい
るが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技術
的事項に限定されることを示されるためのものではな
い。

【００２８】本発明の固体電解質型燃料電池モジュール
は、モジュール本体（１）と、前記モジュール本体
（１）の内部に設けられ、燃料電池セル（１２ａ）が形
成されたセルチューブ（１２）と、前記モジュール本体
（１）の内部に設けられ、前記燃料電池セル（１２ａ）
が配置される発電室（１１）と、前記モジュール本体
（１）の内部に前記セルチューブ（１２）の開口部と連
通するように設けられ、前記発電室（１１）よりも高い
圧力に設定され、気体（２２）が収容される気体収容室
（１４）と、前記セルチューブ（１２）が破損したとき
に前記気体収容室（１４）の前記気体（２２）が前記セ
ルチューブ（１２）の内部および該破損部を介して前記
発電室（１１）に流れることを抑制する流れ抑制部（６
１）とを備えている。ここで、前記気体排出室は、図６
に示される第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給
室２１３ｂ、および燃料排出室２１４のいずれかである
ことができる。また、前記気体排出室は、図９または図
１０に示される燃料供給室１３および燃料排出室１４の
いずれかであることができる。

【００２９】本発明の固体電解質型燃料電池モジュール
は、モジュール本体（１）と、前記モジュール本体
（１）の内部に設けられ、燃料電池セル（１２ａ）が形
成されたセルチューブ（１２）と、前記モジュール本体
（１）の内部に設けられ、前記燃料電池セル（１２ａ）
による燃料電池反応の後に残った気体（２２）が前記セ
ルチューブ（１２）の内部から前記モジュール本体
（１）の外部に排出される前に前記気体（２２）が導入
される気体収容室（１４）と、前記気体収容室（１４）
の前記気体（２２）が前記セルチューブ（１２）の内部
に逆流することを抑制する流れ抑制部（６１）とを備え
ている。

【００３０】本発明の固体電解質型燃料電池モジュール
において、前記流れ抑制部（６１）は、前記気体収容室
（１４）の前記気体（２２）が前記セルチューブ（１
２）の内部に流れようとするときの圧力損失が大きくな
るように構成されている。

【００３１】本発明の固体電解質型燃料電池モジュール
において、前記流れ抑制部（６１）は、燃料注入管（１
６）との間に確保されたクリアランスを維持するように
設けられている。このクリアランスは、圧損を確保する
ためのものである。

【００３２】本発明の固体電解質型燃料電池モジュール
において、前記流れ抑制部（６１）は、前記セルチュー
ブ（１２）の開口部の近傍から前記気体収容室（１４）
の内部の上壁部の近傍まで延在するように設けられ、そ
の内部が前記気体（２２）の流路となる薄肉管（６１）
である。

【００３３】本発明の固体電解質型燃料電池モジュール
において、前記薄肉管（６１）の材質および厚さは、前
記燃料電池セル（１２ａ）による燃料電池反応時の上部
管板（２０）、下部管板（２１）の熱変形に対して前記
薄肉管（６１）が追従した変形が可能なように構成され
ている。

【００３４】本発明の固体電解質型燃料電池モジュール
において、前記流れ抑制部（６１）は、前記セルチュー
ブ（１２）の開口部の近傍から前記気体収容室（１４）
の内部の上壁部の近傍まで延在するように設けられ、そ
の内部が前記気体（２２）の流路となる絶縁繊維（７
５）である。絶縁繊維（７５）は、フィルタの機能を有
する。

【００３５】本発明の固体電解質型燃料電池モジュール
において、前記流れ抑制部（６１）は、前記モジュール
本体（１）および前記セルチューブ（１２）に対して移
動可能に設けられ、その内部が前記気体（２２）の流路
となる管（８３）である。

【００３６】

【発明の実施の形態】本発明の固体電解質型燃料電池モ
ジュールの一実施形態として、円筒型固体電解質燃料電
池モジュールについて説明する。

【００３７】図１を参照して、第１実施形態の円筒型固
体電解質燃料電池モジュールについて説明する。

【００３８】まず、本実施形態を説明する前に、図１３
を参照して、図１２に示した従来の円筒型固体電解質燃
料電池モジュールの符号Ｄで示される範囲の構成につい
て説明する。図１３において、図１１および図１２と同
じ構成要素については同じ符号を付し、その詳細な説明
を省略する。

【００３９】図１３に示されるように、上部管板２０に
は、燃料注入管１６を挿通させるための孔４０が形成さ
れている。孔４０は、大径部４１と小径部４２とを有し
ている。燃料注入管１６の上部外周部にはフランジ部１
６ｆが設けられている。フランジ部１６ｆの直径は、大
径部４１よりも小さく小径部４２よりも大きい。フラン
ジ部１６ｆは、孔４０の内面において大径部４１と小径
部４２の間に形成された支持台部４３に引掛けられて支
持される。

【００４０】フランジ部１６ｆの外周部と大径部４１と
の間および燃料注入管１６の外周部と小径部４２の間の
それぞれには、クリアランスｄ１、ｄ２が設けられ、燃
料注入管１６が孔４０内で機械的に拘束されない構造と
されている。フランジ部１６ｆの上部であって、大径部
４１の内部には、上部押えリング４４が配設される。上
部押えリング４４の外径部は、大径部４１と互いに螺合
している。フランジ部１６ｆは、上部押えリング４４に
よって支持台部４３に押し付けられて支持される。上部
押えリング４４の内径と燃料注入管１６の外周部との間
には、クリアランスｄ３が設けられ、燃料注入管１６が
孔４０内で機械的に拘束されない構造とされている。

【００４１】下部管板２１において、孔４０の真下に相
当する位置には、孔５０が形成されている。孔５０に
は、セルチューブ１２が挿通される。そのセルチューブ
１２の内部には、燃料注入管１６が収容され、二重管構
造とされている。

【００４２】孔５０は、大径部５１と小径部５２とを有
している。小径部５２は、セルチューブ１２の外周部よ
りも大径に形成されている。孔５０の内面において大径
部５１と小径部５２の間には、支持台部５３が形成され
ている。支持台部５３には、孔５０とセルチューブ１２
の外周部との間をシールするためのシールリング５４が
設けられている。

【００４３】小径部５２とシールリング５４との間に
は、クリアランスｄ４が設けられ、セルチューブ１２が
孔５０内で機械的に拘束されない構造とされている。シ
ールリング５４の上部であって、大径部５１の内部に
は、下部押えリング５５が配設される。下部押えリング
５５の外径部は、大径部５１と互いに螺合している。シ
ールリング５４は、下部押えリング５５によって支持台
部５３に押し付けられて支持される。下部押えリング５
５の内径部とセルチューブ１２の外周部との間には、ク
リアランスｄ５が設けられ、セルチューブ１２が孔５０
内で機械的に拘束されない構造とされている。

【００４４】セルチューブ１２の上端部には、導電性の
集電キャップ５６が載せられている。集電キャップ５６
の上には、複数のセルチューブ１２を互いに並列接続す
るための集電コネクタ５７が電気的に接続されている。
集電キャップ５６の上方外周部には、ねじ部が刻設され
ている。集電コネクタ押えリング５８は、集電キャップ
５６との間に集電コネクタ５７を挟んだ状態で、集電キ
ャップ５６のねじ部にねじ止めされている。

【００４５】本発明者は、図１２および図１３に示され
るように、セルチューブ１２が破損した場合に、燃料排
出室１４からのガスの逆流が起きるのは、集電キャップ
５６の部分における圧力損失が少ないからであるという
知見を得るに至った。そこで、本発明者は、燃料排出室
１４とセルチューブ１２の内部との間に、逆止弁と同様
の作用を有する構造にして逆流を防止することを考え
た。ここでは上記のように、反応温度が約９００℃程度
の高温であることから、上部管板２０、下部管板２１の
熱伸び差、撓みを考慮してセルチューブ１２および燃料
注入管１６を機械的に拘束することなく、上記逆止弁の
作用を得ることが求められる。

【００４６】次に、図１を参照して、第１実施形態の円
筒型固体電解質型燃料電池モジュールについて説明す
る。図１３と同じ構成要素については、同じ符号を付し
てその説明を省略する。

【００４７】第１実施形態では、セルチューブ１２の上
方に燃料注入管１６に沿う逆止スリーブ６１が設けられ
ている。逆止スリーブ６１は、燃料注入管１６の外周部
との間の隙間（燃料排出室１４内のガスがセルチューブ
１２内に逆流するときの流路）が狭くなるように形成さ
れる。

【００４８】ガス逆流時に入口となる逆止スリーブ６１
の上端部に比べて、逆止スリーブ６１の出口側（上端部
位置よりも下側）は、逆止スリーブ６１の内径が小さく
形成されている。逆止スリーブ６１内をガスが逆流し難
くするためである。同様の理由から、逆止スリーブ６１
は、長尺に形成されている。上部管板２０の下面と集電
コネクタ５７の上面との間が例えば３５ｍｍであるとす
ると、逆止スリーブ６１は、集電コネクタ５７の上面か
ら３０ｍｍの高さまで延在している。逆止スリーブ６１
の下端部は、ラッパ状に拡径され、その先端部は概ね水
平方向に向いている。

【００４９】図１３に示した集電キャップ５６に代え
て、集電キャップ６２が用いられる。集電キャップ６２
は、セルチューブ１２の上端部と電気的に接触してい
る。集電キャップ６２は、セルチューブ１２の外周部よ
りも若干大径に形成されている。

【００５０】集電キャップ６２は、セルチューブ１２の
内径と概ね同じに形成された最小径部６５と、最小径部
６５よりも大径に形成された小径部６６と、小径部６６
よりも大径に形成された大径部６７とを有している。最
小径部６５と小径部６６との間の段部には、支持リング
７１が配設されている。支持リング７１は、上記段部に
固定されていることができる。または、支持リング７１
は、上記段部に非固定状態（載置されているだけ）であ
ることができる。

【００５１】支持リング７１の上面には、逆止スリーブ
６１の拡径された最下端部が支持されている（図１中符
号Ｂ参照）。逆止スリーブ６１の拡径された最下端部
は、支持リング７１の上面にスポット溶接されて固定さ
れていることができる。または、逆止スリーブ６１の拡
径された最下端部は、支持リング７１の上面にスポット
溶接されることなく、非固定状態（載置されているだ
け）であることができる。

【００５２】支持リング７１の上面に支持された逆止ス
リーブ６１の拡径された最下端部の上には、押えリング
７２が配設されることができる。押えリング７２が自重
により逆止スリーブ６１を支持リング７１の上面に対し
て押すことで逆止スリーブ６１を固定する。または、逆
止スリーブ６１の拡径された最下端部は、押えリング７
２の下面にスポット溶接されることができる。これに代
えて、押えリング７２が設けられることなく、逆止スリ
ーブ６１が支持リング７１のみで支持されることができ
る。押えリング７２と大径部６７との間にはクリアラン
スが設けられている。

【００５３】集電キャップ６２の上には、集電コネクタ
５７が電気的に接続されている。集電キャップ６２の上
部外周部には、ねじ部が刻設されている。集電コネクタ
押えリング５８は、集電キャップ６２との間に集電コネ
クタ５７を挟んだ状態で、集電キャップ６２のねじ部に
ねじ止めされている。

【００５４】逆止スリーブ６１は、ニッケルまたはイン
コネルのような耐熱、高温強度に優れた材料で薄肉管と
して形成される。薄肉に形成するのは、運転時の高温下
（６５０〜８００℃、上部管板２０が６５０〜７５０
℃、下部管板２１が７００〜８００℃）で逆止スリーブ
６１が軟らかくなり変形し易くさせることで、セルチュ
ーブ１２を機械的に拘束しないようにするためである。
支持リング７１および押えリング７２もまた、ニッケル
またはインコネルのような耐熱、高温強度に優れた材料
で形成される。

【００５５】次に、図２を参照して、第１実施形態の効
果を説明する。

【００５６】図１１から図１３に示される従来の構造で
は、１本のセルチューブ１２が損傷（折損）した場合、
損傷が無いときに本来燃料排出室１４を介して残燃料排
出管８から排出されるべき残燃料ガス２２の４０〜４５
％がリークし、２本のセルチューブ１２が損傷した場合
には、その本来の残燃料ガス２２の８０〜９０％がリー
クする。これに対し、第１実施形態によれば、１本のセ
ルチューブ１２が損傷した場合のリーク量は本来の残燃
料ガス２２の１／（組み込まれたセルチューブ１２の総
数）に抑えられ、２本のセルチューブ１２が損傷した場
合のリーク量は、本来の残燃料ガス２２の２／（組み込
まれたセルチューブ１２の総数）に抑えられる。この第
１実施形態において、組み込まれたセルチューブ１２の
総数が１００本であるとすると、１本のセルチューブ１
２が損傷した場合のリーク量は本来の残燃料ガス２２の
１％に抑えられ、２本のセルチューブ１２が損傷した場
合のリーク量は本来の残燃料ガス２２の２％に抑えられ
る。

【００５７】次に、図３を参照して、第２実施形態の円
筒型固体電解質型燃料電池モジュールについて説明す
る。図１３、図１と同じ構成要素については、同じ符号
を付してその説明を省略する。

【００５８】第２実施形態では、セルチューブ１２の上
方に燃料注入管１６の周囲を覆うように、わた状繊維７
５が設けられている。わた状繊維７５は、高密度繊維で
あり、その内部に形成される、燃料排出室１４内のガス
がセルチューブ１２内に逆流するときの流路に障害を設
け、流路が狭くなるように形成される。

【００５９】フィルタ状に設けられるわた状繊維７５
は、わた状繊維７５内を残燃料ガス２２がセルチューブ
１２内に向けて逆流しようとしたときの圧力損失が大き
く逆流が抑制されるように構成される。わた状繊維７５
は、燃料排出室１４内において所定の高さまで延在する
ように設けられる。上部管板２０の下面と集電コネクタ
５７の上面との間が例えば３５ｍｍであるとすると、わ
た状繊維７５は、集電コネクタ５７の上面から３０ｍｍ
の高さまで延在している。

【００６０】図１３に示した集電キャップ５６に代え
て、集電キャップ７６が用いられる。集電キャップ７６
は、セルチューブ１２の上端部と電気的に接触してい
る。集電キャップ７６は、セルチューブ１２の外周部よ
りも若干大径に形成されている。

【００６１】集電キャップ７６は、セルチューブ１２の
内径と概ね同じに形成された小径部７８と、小径部７８
よりも大径に形成された大径部７９とを有している。小
径部７８と大径部７９との間の段部には、逆止スリーブ
８０が配設されている。逆止スリーブ８０は、アルミ
ナ、ニッケルまたはＳＵＳ等により製造されている。逆
止スリーブ８０は概ね円筒状に形成され、その下端部に
は、内側に張り出したフランジ部８１が形成されてい
る。そのフランジ部８１が、上記段部に載せられてい
る。逆止スリーブ８０は、上記段部に固定されているこ
とができる。または、逆止スリーブ８０は、上記段部に
非固定状態（載置されているだけ）であることができ
る。

【００６２】逆止スリーブ８０の内部にわた状繊維７５
が充填されている。燃料注入管１６の周囲に設けられた
わた状繊維７５は、逆止スリーブ８０により支持されて
いる。ここで、わた状繊維７５は、燃料注入管１６の表
面に接着され、逆止スリーブ８０には接着されていない
状態であることができる。または、わた状繊維７５は、
逆止スリーブ８０の内面に接着され、燃料注入管１６の
表面には接着されていない状態であることができる。い
ずれの場合であっても、燃料注入管１６は、わた状繊維
７５を介して装着されているため、燃料注入管１６は、
機械的に拘束された状態で支持されているわけではな
い。逆止スリーブ８０の大径部７９と集電キャップ７６
との間には、クリアランスが設けられている。

【００６３】第２実施形態においても、図２に示す上記
第１実施形態と同様の効果が得られる。

【００６４】次に、図４を参照して、第３実施形態の円
筒型固体電解質型燃料電池モジュールについて説明す
る。図１、図３、図１３と同じ構成要素については、同
じ符号を付してその説明を省略する。

【００６５】第３実施形態では、セルチューブ１２の上
方に燃料注入管１６の周囲を覆うように、逆止スリーブ
８３が設けられている。逆止スリーブ８３は、燃料注入
管１６の外周部との間の隙間（燃料排出室１４内のガス
がセルチューブ１２内に逆流するときの流路）が狭くな
るように形成される。逆止スリーブ８３は、アルミナ、
ニッケルまたはＳＵＳ等により製造されている。

【００６６】ガス逆流時に入口となる逆止スリーブ８３
の上部は、その上端部から下方に向けて漸次その内径が
狭くなるようにすり鉢状に形成されている。逆止スリー
ブ８３の内径は、その高さ方向途中位置から下端部まで
均一に形成されている。その内径が均一に形成された部
分の上部には、逆止スリーブ８３の内部と外部とを連通
させ水平方向に延びる細孔８４が逆止スリーブ８３の周
方向等間隔に形成されている。

【００６７】逆止スリーブ８３の下端部には、外側に張
り出したフランジ部８５が形成されている。フランジ部
８５は、集電コネクタ押えリング５８の上面に直接載せ
られている。図４中に符号Ｃで示される部分において、
フランジ部８５の下面と、集電コネクタ押えリング５８
の上面および集電キャップ８６の上面とは、面接触して
おり、これによりセルチューブ１２の内部と外部とがシ
ールされている（面タッチシール）。フランジ部８５
は、集電コネクタ押えリング５８に固定されておらず、
集電コネクタ押えリング５８に対して移動自在である。
したがって、燃料注入管１６が逆止スリーブ８３によっ
て機械的に拘束された状態で支持されていることはな
い。

【００６８】図３に示した集電キャップ７６に代えて、
集電キャップ８６が用いられる。集電キャップ８６は、
セルチューブ１２の上端部と電気的に接触している。集
電キャップ８６は、セルチューブ１２の外周部よりも若
干大径に形成されている。

【００６９】集電キャップ８６において集電コネクタ５
７よりも上に位置する上部は、図３に示した集電キャッ
プ７６に比べて、短く形成されている。集電キャップ８
６の上部外周部に刻設されたねじ部に集電コネクタ押え
リング５８がねじ止めされている。互いにねじ止めされ
たときに、集電コネクタ押えリング５８の上面と集電キ
ャップ８６の上面は概ね同一平面上に位置する。その平
面（集電コネクタ押えリング５８の上面および集電キャ
ップ８６の上面）の上に、逆止スリーブ８３のフランジ
部８５が載せられている。フランジ部８５は、逆止スリ
ーブ８３の内部と燃料注入管１６の外周部の間の僅かな
上記隙間を除いて、セルチューブ１２の内部を概ね栓す
るように形成されている。

【００７０】第３実施形態においても、図２に示した上
記第１実施形態と同様の効果が得られる。

【００７１】次に、図５から図１０を参照して、上記第
１から第３実施形態の円筒型固体電解質型燃料電池モジ
ュールの適用形態について説明する。

【００７２】図５は、図１、図３および図４を参照して
説明した第１から第３実施形態の設置形態を模式的に示
したものである。

【００７３】既に説明したように、発電室１１に設置さ
れたセルチューブ１２は下部管板２１に支持され、セル
チューブ１２の上端は燃料排出室１４に開口している。
燃料排出室１４には、残燃料ガス２２を外部に排出する
ための残燃料排出管８が設けられている。セルチューブ
１２内に収容される燃料注入管１６は、上部管板２０に
支持され、燃料注入管１６の上端は燃料供給室１３に開
口し、燃料供給管７からの燃料ガス２３が供給される。
図５において、符号１２ａは、セルチューブ１２の外周
部に設けられた上記単電池膜である。

【００７４】また、符号１００は、図１に示した逆止ス
リーブ６１、支持リング７１および押えリング７２など
を含む逆流防止構造、図３に示したわた状繊維７５およ
び逆止スリーブ８０などを含む逆流防止構造、図４に示
した逆止スリーブ８３などを含む逆流防止構造の総称
（いずれの逆流防止構造であってもよい）である。図５
は、図１、図３および図４の構造と同じく、燃料供給室
１３の下に燃料排出室１４が設けられている。また、そ
の上部に開口部を有するセルチューブ１２が下部管板２
１に吊り下げられている。

【００７５】図６は、図５と異なる設置形態を示したも
のである。図６において、図５または図１と同じ構成要
素については、同じ符号が付されてその説明が省略され
ている。

【００７６】図６に示されるように、セルチューブ１２
０は、２本のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂか
ら構成されている。１本のセルチューブ構成体１２１
ａ、１２１ｂは、Ｕ字管である。モジュール本体２００
において、天板２０１の上には、燃料供給管７に連通さ
れる燃料供給路２０５と、残燃料排出管８に連通される
残燃料排出路２０６とが設けられている。

【００７７】天板２０１と下部管板２０２との間には、
第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３
ｂ、および燃料排出室２１４が設けられている。セルチ
ューブ１２０を構成する第１および第２のセルチューブ
構成体１２１ａ、１２１ｂのうち、第１のセルチューブ
構成体１２１ａの入口側と出口側との間に設けられた第
１仕切板２２１により第１の燃料供給室２１３ａが形成
される。第２のセルチューブ構成体１２１ｂの入口側と
出口側との間に設けられた第２仕切板２２２により燃料
排出室２１４が形成される。第１仕切板２２１と第２仕
切板２２２の間に、第２の燃料供給室２１３ｂが形成さ
れる。

【００７８】第１および第２のセルチューブ構成体１２
１ａ、１２１ｂは、下部管板２０２に支持されている。
図６の構造では、図５と異なり、燃料注入管１６および
上部管板２０は用いられていない。

【００７９】燃料供給管７から供給された燃料ガス２３
は、燃料供給路２０５を介して第１の燃料供給室２１３
ａに導入され、第１のセルチューブ構成体１２１ａの入
口側から第１のセルチューブ構成体１２１ａの内部に供
給され、第１のセルチューブ構成体１２１ａに設けられ
た単電池膜による発電に供される。その発電に供された
燃料ガス２３は、第１のセルチューブ構成体１２１ａの
出口側から第２の燃料供給室２１３ｂを介して第２のセ
ルチューブ構成体１２１ｂの入口側から第２のセルチュ
ーブ構成体１２１ｂの内部に供給される。第２のセルチ
ューブ構成体１２１ｂの内部で発電に供された後の残燃
料ガス２２は、燃料排出室２１４を介して残燃料排出路
２０６を経て残燃料排出管８から排出される。

【００８０】下部管板２０２に対して第１および第２の
セルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂが支持されてい
る支持部には、逆流防止構造１００が設けられている。
第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３
ｂ、および燃料排出室２１４は、発電室１１よりも差圧
Δｐ≒＋５０〜＋１００ｍｍＡｑだけ高くなっているた
め、セルチューブ１２１ａ、１２１ｂが損傷したときに
は、第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１
３ｂ、および燃料排出室２１４のそれぞれから燃料ガス
２３または残燃料ガス２２が発電室１１に流れるおそれ
があるからである。

【００８１】図７は、図５および図６と異なり、倒立型
の設置形態を示したものである。図７において、図５お
よび図６と同じ構成要素については、同じ符号が付され
てその説明が省略されている。

【００８２】第１管板１０２の上方に設けられた発電室
１１にセルチューブ１２が設置され、セルチューブ１２
は、第１管板１０２に支持されている。セルチューブ１
２の下部に位置するセルチューブ１２の開口部は、第１
管板１０２と第２管板１０３との間に設けられた燃料排
出室１４に臨み、その燃料排出室１４とセルチューブ１
２の内部との間に、逆流防止構造１００が設けられてい
る。燃料排出室１４には、残燃料ガス２２を外部に排出
するための残燃料排出管８が下方に延在している。

【００８３】第２管板１０３と第３管板１０４との間に
は、燃料供給室１３が設けられている。燃料供給室１３
の下部には、燃料供給室１３に燃料ガス２３を導入する
ための燃料供給管７が設けられている。セルチューブ１
２の内部に収容される燃料注入管１６は、第２管板１０
３に支持されている。燃料注入管１６の下部に設けられ
た燃料注入管１６の開口部は、燃料供給室１３に臨んで
おり、燃料供給管７から燃料供給室１３に供給された燃
料ガス２３が燃料注入管１６内に導入される。

【００８４】図８は、図５および図６と異なり、ボトム
サポート型の設置形態を示したものである。図８におい
て、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符
号が付されてその説明が省略されている。

【００８５】図８の構造において、図５および図６の構
造との違いは、セルチューブ１２の下部が管板または上
記仕切板３に直接的に支持（ボトムサポート）されてい
る点である。セルチューブ１２は、下部管板２１に対し
て機械的に拘束されないようにルーズにシールされてい
る。図８に示されるように、逆流防止構造１００は、燃
料排出室１４とセルチューブ１２の内部との間に設けら
れている。

【００８６】図９は、図５および図６と異なり、吊下げ
分割ヘッダ型の設置形態を示したものである。図９にお
いて、図５および図６と同じ構成要素については、同じ
符号が付されてその説明が省略されている。

【００８７】第１管板１０５の上方に燃料供給室１３が
設けられ、燃料供給室１３の上部に燃料供給管７が設け
られている。第２管板１０６の下方に燃料排出室１４が
設けられ、燃料排出室１４の下部に残燃料排出管８が設
けられている。第１管板１０５と第２管板１０６との間
には、発電室１１が設けられている。

【００８８】セルチューブ１２の上部は第１管板１０５
に支持され、その上部開口部から燃料供給室１３内の燃
料ガス２３を導入する。セルチューブ１２の下部は第２
管板１０６に支持される。発電室１１に位置する単電池
膜１２ａで発電に供された後の残燃料ガス２２は、セル
チューブ１２の下部開口部から燃料排出室１４を介して
残燃料排出管８から外部に排出される。

【００８９】図５および図６の構造と異なり、セルチュ
ーブ１２は、無底の円筒状に形成され、その上部開口部
側に燃料供給室１３が設けられ、その下部開口部側に燃
料排出室１４が設けられている。燃料ガス２３がセルチ
ューブ１２の上部開口部から導入され、発電に供された
後の残燃料ガス２２がセルチューブ１２の下部開口部か
ら導出されるため、単一方向にのみガスが移動する。燃
料注入管１６は用いられていない。したがって、燃料注
入管１６とセルチューブ１２との間の機械的拘束の問題
がない。

【００９０】逆流防止構造１００は、セルチューブ１２
の上部開口部側と下部開口部側の双方に設けられてい
る。前述したように、燃料供給室１３および燃料排出室
１４が、発電室１１よりも差圧Δｐ≒＋５０〜＋１００
ｍｍＡｑだけ高くなっているため、セルチューブ１２が
損傷したときには、燃料供給室１３および燃料排出室１
４のそれぞれから発電室１１に燃料ガス２３または残燃
料ガス２２が流れるおそれがあるからである。

【００９１】セルチューブ１２の両端部が第１管板１０
５と第２管板１０６とにより支持されているため、第１
管板１０５と第２管板１０６の熱延び差または撓みなど
の影響により、セルチューブ１２が損傷するおそれがあ
る。そのために、機械的に拘束しない支持形態である逆
流防止構造１００が採用されている。

【００９２】図１０は、図５および図６と異なり、横置
き分割ヘッダ型の設置形態を示している。図１０におい
て、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符
号が付されてその説明が省略されている。

【００９３】図１０の構造において、図９の構造との違
いは、セルチューブ１２が水平方向に設けられ、その両
端部側に燃料供給室１３および燃料排出室１４が設けら
れている点である。図９の構造と同様に、セルチューブ
１２の両端側に逆流防止構造１００が設けられる。燃料
供給室１３を形成する第１管板１０７とセルチューブ１
２との間は、ルーズにシールされている。同様に、燃料
排出室１４を形成する第２管板１０８とセルチューブ１
２との間は、ルーズにシールされている。

【００９４】上記の実施形態におけるそれぞれの円筒型
固体電解質型燃料電池モジュールは、例えば発電レベル
が数１０ｋＷ級のものである。

【００９５】また、上記の実施形態におけるそれぞれの
円筒型固体電解質燃料電池モジュールのセルチューブ１
２の単電池膜は、基体管の上に燃料極、電解質、空気極
の順に形成され、基体管の中を燃料ガス２３が流れ、基
体管の外側を空気２４が流れる構成として説明したが、
この構成に代えて、基体管の上に空気極、電解質、燃料
極の順に形成され、基体管の中を空気２４が流れ、基体
管の外側を燃料ガス２３が流れる構成とすることができ
る。その場合には、燃料注入管１６には燃料ガス２３に
代えて空気２４が供給され、燃料排出室１４には燃料電
池反応後に残った（未反応の）空気が導入され、発電室
１１には空気２４に代えて燃料ガス２３が供給される。

【００９６】

【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池モジュー
ルによれば、より高圧の気体収容室から発電室側へ気体
が流れるおそれがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１実施形態の円筒型固体電
解質燃料電池モジュールを示す側面図である。

【図２】図２は、本発明の第１実施形態の円筒型固体電
解質燃料電池モジュールの効果を説明するための図であ
る。

【図３】図３は、本発明の第２実施形態の円筒型固体電
解質燃料電池モジュールを示す側面図である。

【図４】図４は、本発明の第３実施形態の円筒型固体電
解質燃料電池モジュールを示す側面図である。

【図５】図５は、本発明の第１から第３の実施形態の円
筒型固体電解質燃料電池モジュールの設置形態を示す側
面図である。

【図６】図６は、本発明の第１から第３の実施形態の円
筒型固体電解質燃料電池モジュールの他の設置形態を示
す側面図である。

【図７】図７は、本発明の第１から第３の実施形態の円
筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形
態を示す側面図である。

【図８】図８は、本発明の第１から第３の実施形態の円
筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形
態を示す側面図である。

【図９】図９は、本発明の第１から第３の実施形態の円
筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形
態を示す側面図である。

【図１０】図１０は、本発明の第１から第３の実施形態
の円筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設
置形態を示す側面図である。

【図１１】図１１は、従来の円筒型固体電解質燃料電池
モジュールを示す側面図である。

【図１２】図１２は、従来の他の円筒型固体電解質燃料
電池モジュールを示し、従来の問題点を示す側面図であ
る。

【図１３】図１３は、従来の円筒型固体電解質燃料電池
モジュールにおいて集電キャップおよびその近傍の構造
を示す側面図である。

【符号の説明】

８ 残燃料排出管 １２ セルチューブ １２ａ 単電池膜 １４ 燃料排出室 １６ 燃料注入管 １６ｆ フランジ部 ２０ 上部管板 ２１ 下部管板 ２２ 残燃料ガス ４０ 孔 ４１ 大径部 ４２ 小径部 ４３ 支持台部 ４４ 上部押えリング ５０ 孔 ５１ 大径部 ５２ 小径部 ５３ 支持台部 ５４ シールリング ５５ 下部押えリング ５６ 集電キャップ ５７ 集電コネクタ ５８ 集電コネクタ押えリング ６１ 逆止スリーブ ６２ 集電キャップ ６３ 大径壁部 ６４ シール部材 ６５ 最小径部 ６６ 小径部 ６７ 大径部 ７１ 支持リング ７２ 押えリング ７５ わた状繊維 ７６ 集電キャップ ７７ 大径壁部 ７８ 小径部 ７９ 大径部 ８０ 逆止スリーブ ８１ フランジ部 ８３ 逆止スリーブ ８４ 細孔 ８５ フランジ部 ８６ 集電キャップ ８７ 大径壁部 １００ 逆流防止構造 ｄ１ クリアランス ｄ２ クリアランス ｄ３ クリアランス ｄ４ クリアランス ｄ５ クリアランス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永田 勝巳 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 小阪 健一郎 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC06 CX02 CX06 HH09

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モジュール本体と、 前記モジュール本体の内部に設けられ、燃料電池セルが
   形成されたセルチューブと、 前記モジュール本体の内部に設けられ、前記燃料電池セ
   ルが配置される発電室と、 前記モジュール本体の内部に前記セルチューブの開口部
   と連通するように設けられ、前記発電室よりも高い圧力
   に設定され、気体が収容される気体収容室と、 前記セルチューブが破損したときに前記気体収容室の前
   記気体が前記セルチューブの内部および該破損部を介し
   て前記発電室に流れることを抑制する流れ抑制部とを備
   えた固体電解質型燃料電池モジュール。
2. 【請求項２】 モジュール本体と、 前記モジュール本体の内部に設けられ、燃料電池セルが
   形成されたセルチューブと、 前記モジュール本体の内部に設けられ、前記燃料電池セ
   ルによる燃料電池反応の後に残った気体が前記セルチュ
   ーブの内部から前記モジュール本体の外部に排出される
   前に前記気体が導入される気体収容室と、 前記気体収容室の前記気体が前記セルチューブの内部に
   逆流することを抑制する流れ抑制部とを備えた固体電解
   質型燃料電池モジュール。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の固体電解質型
   燃料電池モジュールにおいて、 前記流れ抑制部は、前記気体収容室の前記気体が前記セ
   ルチューブの内部に流れようとするときの圧力損失が大
   きくなるように構成されている固体電解質型燃料電池モ
   ジュール。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれか１項に記載の
   固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、 前記流れ抑制部は、燃料注入管との間に確保されたクリ
   アランスを維持するように設けられている固体電解質型
   燃料電池モジュール。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれか１項に記載の
   固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、 前記流れ抑制部は、前記セルチューブの開口部の近傍か
   ら前記気体収容室の内部の上壁部の近傍まで延在するよ
   うに設けられ、その内部が前記気体の流路となる薄肉管
   である固体電解質型燃料電池モジュール。
6. 【請求項６】 請求項５記載の固体電解質型燃料電池モ
   ジュールにおいて、 前記薄肉管の材質および厚さは、前記燃料電池セルによ
   る燃料電池反応時の上部管板、下部管板の熱変形に対し
   て前記薄肉管が追従した変形が可能なように構成されて
   いる固体電解質型燃料電池モジュール。
7. 【請求項７】 請求項１から４のいずれか１項に記載の
   固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、 前記流れ抑制部は、前記セルチューブの開口部の近傍か
   ら前記気体収容室の内部の上壁部の近傍まで延在するよ
   うに設けられ、その内部が前記気体の流路となる絶縁繊
   維である固体電解質型燃料電池モジュール。
8. 【請求項８】 請求項１から４のいずれか１項に記載の
   固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、 前記流れ抑制部は、前記燃料注入管および前記セルチュ
   ーブに対して移動可能に設けられ、その内部が前記気体
   の流路となる管である固体電解質型燃料電池モジュー
   ル。