JP2014067669A

JP2014067669A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2014067669A
Application number: JP2012213798A
Authority: JP
Inventors: Seiji Goto; 征司後藤; Norihisa Matake; 徳久眞竹; Naohiko Matsuda; 直彦松田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2032-09-27
Also published as: JP6037749B2

Abstract

【課題】複数のセルスタックの温度均一化を図りつつも、製造コストを抑える。
【解決手段】燃料電池モジュール内の上流域における酸化剤ガス流路を形成する隙間２３５ｂは、外側のセルスタック１０１ｃに対する隙間２３５ｂの方が内側のセルスタック１０１ａに対する隙間２３５ｂより広い。このため、上流域では、外側のセルスタック１０１ｃに対する酸化剤ガス流路の断面積が内側のセルスタック１０１ａに対する酸化剤ガス流路の断面積よりも大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は、電池セルを有する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。

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、水素や炭化水素系ガス等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。

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。

この燃料電池モジュールは、前述の燃料極と固定電解質と空気極とを有する電池セルを複数有している複数のセルスタックを備えている。セルスタックは、セルスタック自体の温度に応じて発電量が変化する。また、複数のセルスタックを備えている燃料電池モジュールでは、内側のセルスタックの温度が外側のセルスタックよりも高くなる。そこで、この燃料電池モジュールでは、複数のセルスタック毎にセルスタックの温度を計測し、複数のセルスタック毎に当該セルスタックの温度に応じて空気流量を調節している。

特開２００７−５９３５９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池モジュールでは、複数のセルスタック毎に温度計及び空気流量を調節する流量調節弁が必要であり、製造コストがかさむ、という問題点がある。

そこで、本発明は、複数のセルスタックの温度均一化を図りつつも、製造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。

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、
空気極と燃料極とが積層されて形成されている燃料電池セルを有する複数のセルスタックと、複数のセルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスの流路を形成する酸化剤ガス流路形成部材と、を備え、
酸化剤ガス流路における流れ方向の少なくとも一部で、複数の前記セルスタックのうちの外側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積と内側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積とが異なっていることを特徴とする。

当該燃料電池モジュールでは、外側のセルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスの流速及び流量と、内側のセルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスの流量及び流量とが異なることになる。このため、外側のセルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスとこの外側セルスタックの燃料極側を流れる燃料ガスとの間の熱交換率と、内側のセルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスとこの内側セルスタックの燃料極側を流れる燃料ガスとの間の熱交換率が異なってくる。

ところで、複数のセルスタックが束になっている場合、放熱し易い外側のセルスタックの温度よりも放熱しずらい内側のセルスタックの温度の方が高くなる。当該燃料電池モジュールでは、外側のセルスタックにおける酸化剤ガスと燃料ガスとの間の熱交換率と、内側のセルスタックにおける酸化剤ガスと燃料ガスとの間の熱交換率とが異なっているため、外側のセルスタックの温度を相対的に高め、内側のセルスタックの温度を下げることができる。すなわち、当該燃料電池モジュールでは、内外のセルスタックの温度の均一化を図ることができる。

よって、当該燃料電池モジュールでは、セルスタック毎に温度計及び流量調節弁を設けなくても、複数のセルスタックの温度均一化を図れるので、製造コストを抑えることができる。

ここで、前記燃料電池モジュールにおいて、前記セルスタックの燃料極側を流れる燃料ガスの流れの向きと、前記セルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスの流れの向きとは、逆向きであり、前記酸化剤ガス流路における上流域では、複数の前記セルスタックのうちの前記内側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積が前記外側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積よりも小さくてもよい。

この場合、複数の前記セルスタックには、前記酸化剤ガス流路の前記流れ方向の両端部に前記燃料電池セルが設けられていない非発電領域と、該流れ方向の中間部に該燃料電池セルが設けられている発電領域とが形成されており、複数の前記セルスタックが挿通され、複数の該セルスタックにおける前記発電領域側と前記流れ方向の上流側端部における前記非発電領域である上流非発電領域側とに、複数の該セルスタックの前記空気極側の空間を仕切る上流仕切板を備え、前記上流仕切板には、複数の前記セルスタックの前記空気極側との間に隙間が形成されており、該上流仕切板が前記酸化剤ガス流路形成部材の一部を成し、該隙間が前記上流域の酸化剤ガス流路を形成してもよい。

当該燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス流路の上流域において、比較的温度の低い酸化剤ガスと比較的温度の高い燃料ガスとの間の熱交換率は、内側のセルスタックよりも外側のセルスタックの方が高くなる。よって、酸化剤ガス流路の中流域において、外側のセルスタック周りの酸化剤ガスの温度が相対的に高まり、内側のセルスタック周りの酸化剤ガスの温度が相対的に低下する。よって、当該燃料電池モジュールでは、外側のセルスタックの温度が相対的に高まり、内側のセルスタックの温度が相対的に下がって、内外のセルスタックの温度の均一化を図ることができる。

また、以上のいずれかの燃料電池モジュールにおいて、前記セルスタックの燃料極側を流れる燃料ガスの流れの向きと、前記セルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスの流れの向きとは、逆向きであり、前記酸化剤ガス流路における下流域では、複数の前記セルスタックのうちの前記内側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積が前記外側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積より小さくてもよい。

この場合、複数の前記セルスタックには、前記酸化剤ガス流路の前記流れ方向の両端部に前記燃料電池セルが設けられていない非発電領域と、該流れ方向の中間部に該燃料電池セルが設けられている発電領域とが形成されており、複数の前記セルスタックが挿通され、複数の該セルスタックにおける前記発電領域側と前記流れ方向の下流側端部における前記非発電領域である下流非発電領域側とに、複数の該セルスタックの前記空気極側の空間を仕切る下流仕切板を備え、前記下流仕切板には、複数の前記セルスタックの前記空気極側との間に隙間が形成されており、該下流仕切板が前記酸化剤ガス流路形成部材の一部を成し、該隙間が前記下流域の酸化剤ガス流路を形成してもよい。

当該燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス流路の下流域において、比較的温度の高い酸化剤ガスと比較的温度の低い燃料ガスとの間の熱交換率は、内側のセルスタックよりも外側のセルスタックの方が高くなる。このため、酸化剤ガス流路の中流域において、外側のセルスタックの燃料極側の燃料ガス温度が相対的に高まり、内側のセルスタックの燃料極側の燃料ガス温度が相対的に低下する。よって、当該燃料電池モジュールでは、外側のセルスタックの温度が相対的に高まり、内側のセルスタックの温度が相対的に下がって、内外のセルスタックの温度の均一化を図ることができる。

また、以上のいずれかの燃料電池モジュールにおいて、複数の前記セルスタックには、前記酸化剤ガス流路の前記流れ方向の両端部に前記燃料電池セルが設けられていない非発電領域と、該流れ方向の中間部に該燃料電池セルが設けられている発電領域とが形成されており、前記酸化剤ガス流路中で、複数の前記セルスタックの前記発電領域と対向する中流域では、複数の前記セルスタックのうちの前記外側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積が、前記内側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積よりも小さくてもよい。

この場合、複数の前記セルスタックの前記発電領域と対向する位置であって、該セルスタックの前記空気極側に、該セルスタックと隙間をあけて配置されている中間流路形成部材を備え、前記中間流路形成部材が前記酸化剤ガス流路形成部材の一部を成し、該隙間が前記中流域の酸化剤ガス流路を形成してもよい。

当該燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス流路の中流域において、酸化剤ガスと燃料ガスとの間の熱交換率は、外側のセルスタックよりも内側のセルスタックの方が高くなる。よって、当該燃料電池モジュールでは、外側のセルスタックの温度が相対的に高まり、内側のセルスタックの温度が相対的に下がって、内外のセルスタックの温度の均一化を図ることができる。

また、以上のいずれかの燃料電池モジュールにおいて、前記酸化剤ガス流路形成部材は、断熱材であることが好ましい。

本発明によれば、セルスタック毎に温度計及び流量調節弁を設けなくても、複数のセルスタックの温度均一化を図れるので、製造コストを抑えることができる。

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。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。本発明に係る第一実施形態におけるカートリッジの縦断面図である。本発明に係る第一実施形態におけるカートリッジの斜視図である。図３におけるＶ‐Ｖ線断面図である。本発明に係る第二実施形態におけるカートリッジの縦断面図である。図６におけるＶII‐ＶII線断面図ある。本発明に係る第三実施形態におけるカートリッジの縦断面図である。図８におけるIＸ‐IＸ線断面図ある。本発明に係る各実施形態の変形例における燃料電池モジュールの展開斜視図である。図８におけるＸI‐ＸI線断面図ある。

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。

「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５を参照して説明する。

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。

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。

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。

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、円筒形状の胴部１１と、胴部１１の中心軸方向における両端部に形成されている半球状の鏡部１２とを有している。この圧力容器１０は、全体として円筒形状を成し、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。

カートリッジ２０１は、複数のセルスタックの束で構成されている。図２に示すように、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、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。すなわち、基体管１０３の軸方向の両端部は、燃料電池セル１０５の替りにリード膜１１５が設けられている非発電領域１２１を成し、この基体管１０３の軸方向の中間部は燃料電池セル１０５が形成されている発電領域１２２を成す。

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（燃料極側）に燃料ガスＧｆが通り、外周側（空気極側）に酸化剤ガスＧｏが通る。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

カートリッジ２０１は、図３及び図４に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ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。

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を塞ぐ仕切板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、インコネル（ニッケル基合金に対するスペシャルメタルズ社の登録商標）等の高温耐久性のある金属材料で形成されている。また、仕切板２２７ａ，２２７ｂは、例えば、アルミナシリカ系の断熱材で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び仕切板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。仕切板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、仕切板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。

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の端部が位置し、ここで開放している。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。

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の端部が位置し、ここで開放している。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。

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと仕切板（以下、上流仕切板という場合がある）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、上流仕切板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。すなわち、上流仕切板２２７ｂは、酸化剤ガス流路形成部材の一部を成し、上流仕切板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は、酸化剤ガス流路の上流域を形成する。

図５に示すように、上流仕切板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寸法ｄ１，ｄ２，ｄ３は、複数のセルスタック１０１のうちで外側のものほど大きくなっている。具体的には、最も内側のセルスタック１０１ａに対する隙間寸法ｄ１よりも、それより外側のセルスタック１０１ｂに対する隙間寸法ｄ２の方が大きく、このセルスタック１０１ｂに対する隙間寸法ｄ２よりもさらに外側のセルスタック１０１ｃに対する隙間寸法ｄ３の方が大きい。言い換えると、酸化剤ガス流路形成部材である上流仕切板２２７ｂが形成する酸化剤ガス流路の断面積、つまり、上流域における酸化剤ガス流路の断面積は、複数のセルスタック１０１のうちで外側のものほど大きくなっている。

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、図３に示すように、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。言い換えると、発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の発電領域１２２が位置している。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、外周側が内側断熱材１６で囲まれた空間である。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと仕切板（以下、下流仕切板という場合がある）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、下流仕切板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。

発電室２１５での発電による高温化に伴って、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の仕切板２２７ａ，２２７ｂは、前述したように断熱材で形成され、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、この仕切板２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。

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。

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。

円柱形状の複数のカートリッジ２０１は、図１に示すように、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は、圧力容器１０内で容器中心軸方向Ｄｖに並んでいる。

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。第一カートリッジヘッダ２２０ａの燃料ガス供給室２１７に供給された燃料ガスＧｆは、セルスタック１０１の内周側を第二カートリッジヘッダ２２０ｂの燃料ガス排出室２１９側へ向かうに連れて、その温度が、発電による熱と、発電室２１５内で加熱された酸化剤ガスとの熱交換とで次第に上昇し、セルスタック１０１の軸方向における中央部分で最高温度になる。この燃料ガスＧｆは、セルスタック１０１の軸方向における中央部分よりも第二カートリッジヘッダ２２０ｂの燃料ガス排出室２１９側に至ると、発電室２１５内であまり加熱されていない酸化剤ガスＧｏとの熱交換で次第に冷却されて、第二カートリッジヘッダ２２０ｂの燃料ガス排出室２１９内に至る。

また、第二カートリッジヘッダ２２０ｂの酸化剤ガス供給室２１６に供給された酸化剤ガスＧｏは、セルスタック１０１の外周側を第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８側へ向かうに連れて、その温度が、発電による熱と、発電室２１５を通過する過程で加熱された燃料ガスＧｆとの熱交換とで次第に上昇し、セルスタック１０１の軸方向における中央部分で最高温度になる。この酸化剤ガスＧｏは、セルスタック１０１の軸方向における中央部分よりも第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８側に至ると、あまり加熱されていない燃料ガスガスＧｆとの熱交換で次第に冷却されて、第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８内に至る。

具体的に、第一カートリッジヘッダ２２０ａの燃料ガス供給室２１７に供給される燃料ガスＧｆの温度は、例えば、４００〜５００℃程度である。この燃料ガスＧｆは、セルスタック１０１の軸方向における中央部分で、例えば、８００〜１０００℃程度になる。そして、この燃料ガスＧｆの温度は、前述したように、次第に低下し、第二カートリッジヘッダ２２０ｂの燃料ガス排出室２１９から排出された直後で、例えば、４００〜５００℃程度になる。すなわち、燃料ガスＧｆは、第一カートリッジヘッダ２２０ａの燃料ガス供給室２１７内に供給されたときの温度にほぼ戻る。

また、第二カートリッジヘッダ２２０ｂの酸化剤ガス供給室２１６に供給される酸化剤ガスＧｏの温度も、例えば、４００〜５００℃程度である。この酸化剤ガスＧｏは、セルスタック１０１の軸方向における中央部分で、例えば、８００〜１０００℃程度になる。そして、この酸化剤ガスＧｏの温度は、前述したように、次第に低下し、第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８から排出された直後で、例えば、４００〜５００℃程度になる。すなわち、酸化剤ガスＧｏも、燃料ガスＧｆと同様、第二カートリッジヘッダ２２０ｂの酸化剤ガス供給室２１６内に供給されたときの温度にほぼ戻る。

以上のように、酸化剤ガスＧｏと燃料ガスＧｆとが、セルスタック１０１の内外周側において、セルスタック１０１の軸方向で互いに逆向きに流れる場合、セルスタック１０１は、その軸方向における中央部分の温度が高くなる。また、複数のセルスタック１０１を束ねた場合、放熱し易い外側のセルスタック１０１ｃ（図５参照）の温度よりも放熱しずらい内側のセルスタック１０１ａの温度の方が高くなる。

セルスタック１０１に設けられている燃料電池セル１０５は、基本的に温度が高い方が発電効率が高い。しかしながら、セルスタック１０１は、温度が極めて高くなると損傷する可能性が生じる。そこで、本実施形態では、放熱し易い外側のセルスタック１０１ｃの温度を相対的に高めて外側のセルスタック１０１ｃでの発電効率を高め、放熱しずらい内側のセルスタック１０１ａの温度を相対的に低くして、内側のセルスタック１０１ａの損傷を防いでいる。つまり、本実施形態では、カートリッジ２０１を構成する各セルスタック１０１による発電効率の向上と各セルスタック１０１の損傷防止との両立を図るために、カートリッジ２０１を構成する複数のセルスタック１０１の温度均一化を図っている。

本実施形態では、カートリッジ２０１を構成する複数のセルスタック１０１の温度均一化を図るため、前述したように、上流仕切板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寸法ｄ１，ｄ２，ｄ３を、複数のセルスタック１０１のうちで外側のものほど大きくしている。

繰り返すことになるが、外側のセルスタック１０１ｃ（図５参照）と、このセルスタック１０１ｃが挿通される上流仕切板２２７ｂの貫通孔との間の隙間寸法ｄ３は、内側のセルスタック１０１ａと、このセルスタック１０１ａが挿通される上流仕切板２２７ｂの貫通孔との間の隙間寸法ｄ１より大きい。このため、外側のセルスタック１０１ｃに対する上流仕切板２２７ｂの隙間２３５ｂを通る酸化剤ガスＧｏは、内側のセルスタック１０１ａに対する上流仕切板２２７ｂの隙間２３５ｂを通る酸化剤ガスＧｏよりも、抵抗が少ないことから流速が高くなる上に流量も多くなる。よって、外側のセルスタック１０１ｃに対する上流仕切板２２７ｂの隙間２３５ｂを通る酸化剤ガスＧｏは、この外側のセルスタック１０１ｃの内周側を通る燃料ガスＧｆとの熱交換率が高まり、発電室２１５に流れ込んだ時点の温度が高くなる。逆に、内側のセルスタック１０１ａに対する上流仕切板２２７ｂの隙間２３５ｂを通る酸化剤ガスＧｏは、この内側のセルスタック１０１ａの内周側を通る燃料ガスＧｆとの熱交換率が低くなり、発電室２１５に流れ込んだ時点の温度があまり高くならない。このため、発電室２１５内での外側のセルスタック１０１ｃの温度が相対的に高くなり、発電室２１５内での内側のセルスタック１０１ａの温度が相対的に低くなって、カートリッジ２０１を構成する複数のセルスタック１０１の温度が均一化される。

したがって、本実施形態では、セルスタック１０１毎に温度計及び流量調節弁を設けなくても、複数のセルスタック１０１の温度均一化を図れるので、製造コストを抑えることができる。

「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６及び図７を参照して説明する。

本実施形態の燃料電池モジュールの基本構成は、第一実施形態の燃料電池モジュールと同じである。但し、本実施形態の燃料電池モジュールは、図６及び図７に示すように、第一カートリッジヘッダ２２０ａにおける下流仕切板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寸法ｄ５，ｄ６，ｄ７が、複数のセルスタック１０１のうちで外側のものほど大きくなっている。具体的には、最も内側のセルスタック１０１ａに対する隙間寸法ｄ５よりも、それより外側のセルスタック１０１ｂに対する隙間寸法ｄ６の方が大きく、このセルスタック１０１ｂに対する隙間寸法ｄ６よりもさらに外側のセルスタック１０１ｃに対する隙間寸法ｄ７の方が大きい。言い換えると、本実施形態では、下流仕切板２２７ａが形成する酸化剤ガス流路の断面積、つまり、下流域における酸化剤ガス流路の断面積は、複数のセルスタック１０１のうちで外側のものほど大きくなっている。すなわち、本実施形態において、下流仕切板２２７ａは酸化剤ガス流路形成部材の一部を成している。

前述したように、外側のセルスタック１０１ｃと、このセルスタック１０１ｃが挿通される下流仕切板２２７ａの貫通孔との間の隙間寸法ｄ７は、内側のセルスタック１０１ａと、このセルスタック１０１ａが挿通される下流仕切板２２７ａの貫通孔との間の隙間寸法ｄ５より大きい。このため、外側のセルスタック１０１ｃに対する下流仕切板２２７ａの隙間２３５ａを通る酸化剤ガスＧｏは、内側のセルスタック１０１ａに対する下流仕切板２２７ａの隙間２３５ａを通る酸化剤ガスＧｏよりも、抵抗が少ないことから流速が高くなる上に流量も多くなる。よって、外側のセルスタック１０１ｃに対する下流仕切板２２７ａの隙間２３５ａを通る酸化剤ガスＧｏは、この外側のセルスタック１０１ｃの内周側を通る燃料ガスＧｆとの熱交換率が高まり、燃料ガスＧｆが発電室２１５側に流れ込んだ時点の温度が高くなる。逆に、内側のセルスタック１０１ａに対する下流仕切板２２７ａの隙間２３５ａを通る酸化剤ガスＧｏは、この内側のセルスタック１０１ａの内周側を通る燃料ガスＧｆとの熱交換率が低くなり、燃料ガスＧｆが発電室２１５側に流れ込んだ時点の温度があまり高くならない。このため、発電室２１５内での外側のセルスタック１０１ｃの温度が相対的に高くなり、発電室２１５内での内側のセルスタック１０１ａの温度が相対的に低くなって、カートリッジ２０１を構成する複数のセルスタック１０１の温度が均一化される。

したがって、本実施形態でも、第一実施形態と同様、セルスタック１０１毎に温度計及び流量調節弁を設けなくても、複数のセルスタック１０１の温度均一化を図れるので、製造コストを抑えることができる。

「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８及び図９を参照して説明する。

本実施形態の燃料電池モジュールの基本構成は、第一実施形態及び第二実施形態の燃料電池モジュールと同じである。但し、本実施形態の燃料電池モジュールは、図８及び図９に示すように、発電室２１５内に配置されている中間流路形成部材１３０ｂ，１３０ｃを備えている。この中間流路形成部材１３０ｂ，１３０ｃは、例えば、アルミナシリカ系の断熱材で形成されている。この中間流路形成部材１３０ｂ，１３０ｃは、酸化剤ガス流路形成部材の一部を成す。

中間流路形成部材１３０ｂ，１３０ｃは、発電室２１５内において、外側のセルスタック１０１ｃの周りに間隔をあけて配置され、内側のセルスタック１０１ａの周りには配置されていない。すなわち、発電室２１５内では、酸化剤ガス流路の断面積が、内側のセルスタック１０１ａに対する酸化剤ガス流路の断面積よりも小さくなっている。このため、発電室２１５内において、内側のセルスタック１０１ａの周りを通る酸化剤ガスＧｏは、外側のセルスタック１０１ｃの周りを通る酸化剤ガスＧｏよりも、抵抗が少ないことから流速が高くなる上に流量も多くなる。よって、発電室２１５内において、内側のセルスタック１０１ａの周りを通る酸化剤ガスＧｏは、この内側のセルスタック１０１ａの内周側を通る燃料ガスＧｆとの熱交換率が高まる。逆に、発電室２１５内において、外側のセルスタック１０１ｃの周りを通る酸化剤ガスＧｏは、この外側のセルスタック１０１ｃの内周側を通る燃料ガスＧｆとの熱交換率が低くなる。よって、発電室２１５内での外側のセルスタック１０１ｃの温度が相対的に高くなり、発電室２１５内での内側のセルスタック１０１ａの温度が相対的に低くなって、カートリッジ２０１を構成する複数のセルスタック１０１の温度が均一化される。

したがって、本実施形態でも、第一及び第二実施形態と同様、セルスタック１０１毎に温度計及び流量調節弁を設けなくても、複数のセルスタック１０１の温度均一化を図れるので、製造コストを抑えることができる。

「変形例」
以上の実施形態では、最も内側のセルスタック１０１ａ周りの酸化剤流路の断面積、それより外側のセルスタック１０１ｂ周りの酸化剤ガス流路の断面積、さらに外側のセルスタック１０１ｃ周りの酸化剤ガス流路の断面積を相互に異ならせている。つまり、以上の実施形態では、酸化剤ガス流路の断面積を３段階に変えている。しかしながら、酸化剤ガス流路の断面積を２段階に変えても、また、４段階以上に変えてもよい。

また、第一実施形態、第二実施形態、第三実施形態とのうちの、いずれか、二つの実施形態を適宜組み合わせてもよいし、また、以上の三つの実施形態を全て組み合わせてもよい。

また、以上の実施形態における燃料電池モジュールＭでは、いずれも、圧力容器１０の容器中心軸Ａｖに対して、各カートリッジ２０１の複数のセルスタック１０１が平行である。しかしながら、例えば、図１０に示すように、圧力容器１０の容器中心軸Ａｖに対して、各カートリッジ２０１ａの複数のセルスタック１０１が垂直であってもよい。また、以上の実施形態におけるカートリッジ２０１は、いずれも、円柱形状を成すものであるが、例えば、図１０に示すように、カートリッジ２０１ａは角柱形状であってもよい。すなわち、角柱形状のカートリッジ２０１ａに対して、以上のいずれかの実施形態で示した酸化剤ガス流路形成部材を設けてもよい。例えば、角柱形状のカートリッジ２０１ａに対して、第一実施形態で示した酸化剤ガス流路形成部材を設ける場合も、図１１に示すように、酸化剤ガス流路形成部材を形成する上流仕切板２２７ｂの複数の貫通孔の内周面と、これら貫通孔に挿通されるセルスタック１０１の外周面との間の隙間寸法ｄ１，ｄ２，ｄ３を、セルスタック１０１の位置に応じて変えてもよい。

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、１０５：燃料電池セル、１２１：非発電領域、１２２：発電領域、１３０ｂ，１３０ｃ：中間流路形成部材、２００：カートリッジ群、２０１，２０１ａ：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、２２０ｂ：第二カートリッジヘッダ、２２７ａ：仕切板（又は下流仕切板）、２２７ｂ：仕切板（又は上流仕切板）、２３５ａ，２３５ｂ：隙間、３００：配管、３１０：燃料ガス供給配管、３２０：燃料ガス排出配管、３３０：酸化剤ガス供給配管、３４０：酸化剤ガス排出配管

Claims

空気極と燃料極とが積層されて形成されている燃料電池セルを有する複数のセルスタックと、
複数のセルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスの流路を形成する酸化剤ガス流路形成部材と、
を備え、
酸化剤ガス流路における流れ方向の少なくとも一部で、複数の前記セルスタックのうちの外側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積と内側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積とが異なっている、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記セルスタックの燃料極側を流れる燃料ガスの流れの向きと、前記セルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスの流れの向きとは、逆向きであり、
前記酸化剤ガス流路における上流域では、複数の前記セルスタックのうちの前記内側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積が前記外側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積よりも小さい、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
複数の前記セルスタックには、前記酸化剤ガス流路の前記流れ方向の両端部に前記燃料電池セルが設けられていない非発電領域と、該流れ方向の中間部に該燃料電池セルが設けられている発電領域とが形成されており、
複数の前記セルスタックが挿通され、複数の該セルスタックにおける前記発電領域側と前記流れ方向の上流側端部における前記非発電領域である上流非発電領域側とに、複数の該セルスタックの前記空気極側の空間を仕切る上流仕切板を備え、
前記上流仕切板には、複数の前記セルスタックの前記空気極側との間に隙間が形成されており、該上流仕切板が前記酸化剤ガス流路形成部材の一部を成し、該隙間が前記上流域の酸化剤ガス流路を形成する、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１又は２に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記セルスタックの燃料極側を流れる燃料ガスの流れの向きと、前記セルスタックの空気極側を流れる酸化剤ガスの流れの向きとは、逆向きであり、
前記酸化剤ガス流路における下流域では、複数の前記セルスタックのうちの前記内側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積が前記外側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積より小さい、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項４に記載の燃料電池モジュールにおいて、
複数の前記セルスタックには、前記酸化剤ガス流路の前記流れ方向の両端部に前記燃料電池セルが設けられていない非発電領域と、該流れ方向の中間部に該燃料電池セルが設けられている発電領域とが形成されており、
複数の前記セルスタックが挿通され、複数の該セルスタックにおける前記発電領域側と前記流れ方向の下流側端部における前記非発電領域である下流非発電領域側とに、複数の該セルスタックの前記空気極側の空間を仕切る下流仕切板を備え、
前記下流仕切板には、複数の前記セルスタックの前記空気極側との間に隙間が形成されており、該下流仕切板が前記酸化剤ガス流路形成部材の一部を成し、該隙間が前記下流域の酸化剤ガス流路を形成する、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項１、２、４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
複数の前記セルスタックには、前記酸化剤ガス流路の前記流れ方向の両端部に前記燃料電池セルが設けられていない非発電領域と、該流れ方向の中間部に該燃料電池セルが設けられている発電領域とが形成されており、
前記酸化剤ガス流路中で、複数の前記セルスタックの前記発電領域と対向する中流域では、複数の前記セルスタックのうちの前記外側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積が、前記内側のセルスタックに対する酸化剤ガス流路の断面積よりも小さい、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項６に記載の燃料電池モジュールにおいて、
複数の前記セルスタックの前記発電領域と対向する位置であって、該セルスタックの前記空気極側に、該セルスタックと隙間をあけて配置されている中間流路形成部材を備え、
前記中間流路形成部材が前記酸化剤ガス流路形成部材の一部を成し、該隙間が前記中流域の酸化剤ガス流路を形成する、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。
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において、
前記酸化剤ガス流路形成部材は、断熱材である、
ことを特徴とする燃料電池モジュール。