JP2016096026A

JP2016096026A - 燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュール

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Publication number: JP2016096026A
Application number: JP2014231563A
Authority: JP
Inventors: 後藤　征司; Seiji Goto; 征司後藤; 眞竹　徳久; Norihisa Matake; 徳久眞竹; 冨田　和男; Kazuo Tomita; 和男冨田
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-26
Anticipated expiration: 2034-11-14
Also published as: JP6272208B2

Abstract

【課題】複数のセルスタックに温度差が発生した場合でも複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することを抑制する。【解決手段】基体管１０３の表面に複数の燃料電池セルを積層して固体酸化物形燃料電池を形成する筒状の複数のセルスタック１０１の各々は、基体管１０３の内部に配置される中子１と、基体管１０３と中子１との間に形成される燃料ガス流路８に配置されて基体管１０３の温度が高いほど燃料ガス流路８の圧力損失を低下させるように変形する抵抗体１１とを有している。このような燃料電池モジュールは、高温のセルスタックほど燃料ガスが流れるようにすることができ、高温のセルスタックほど吸熱反応である改質反応を促進させ、複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することを抑制することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュールに関する。

電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの燃料を改質して生成される水素を用いて発電する。固体酸化物形燃料電池としては、例えば、中空円筒形状とされた複数のセルスタックを並列に並べたセルスタック群をカートリッジ内に設置する方式が採用される。固体酸化物形燃料電池は、高効率に発電することが望まれている。

特許文献１には、発電室に配置される複数のセルスタックの周囲に供給され上昇する空気流れの不均一を解消し、発電室内部の温度分布を均一にして効率よく発電することができる燃料電池モジュールが開示されている。この燃料電池モジュールでは、複数のセルスタックに供給される燃料分配も当然均一になるように設計されている。

特開２００９−７０７３０号公報

しかしながら、複数のセルスタックから構成されるカートリッジ構造を考えれば、カートリッジ内の中心部のセルスタックは、カートリッジ外周部のセルスタックからなる発熱体で囲まれた断熱環境にあるが、カートリッジ外周部のセルスタックは、カートリッジを囲む断熱材を介して放熱されるため、温度が中央部より下がることは避けられない。

セルスタックの温度が上昇すると、セルスタックに供給された燃料ガスは加熱されて膨張し、密度が低減する。燃料ガスは、密度が低減することにより、セルスタック内部を流れる流速が増加する。燃料ガスが流れる流速が増加することにより、セルスタック内部の圧力損失が増加し、セルスタックに供給される燃料ガスの流量が低減する。セルスタックに供給される燃料ガスの流量が低減することにより、セルスタックの内部で進行する改質反応の反応量が低減し、この改質反応が吸熱反応であることから、セルスタックがさらに昇温する。このため、複数のセルスタック同士の間に温度差が発生すると、高温のセルスタックはさらに昇温することになるので、燃料ガスがセルスタックにさらに不均一分配され、温度分布のばらつきが拡大し、発電の効率が低下するという問題があった。

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、その目的とするところは、複数のセルスタックに温度差が発生した場合でも複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することを抑制する燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュールは以下の手段を採用する。
本発明による燃料電池カートリッジは、基体管の表面に複数の燃料電池セルを積層して固体酸化物形燃料電池を形成する筒状の複数のセルスタックと、前記複数の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室と、前記複数のセルスタックの外部に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給室とを備えている。各前記セルスタックは、前記基体管の内部に配置される中子と、前記基体管と前記中子との間に形成される燃料ガス流路に配置されて、前記基体管の温度が高いほど前記燃料ガス流路の圧力損失を低下させるように変形する抵抗体とを有している。

このような燃料電池カートリッジは、セルスタックの温度が高くなるほど基体管と中子との間に形成される燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量が増加するように抵抗体が変形することにより、高温のセルスタックほど燃料ガスが流れるようにすることができ、高温のセルスタックほど吸熱反応である改質反応を促進させることができる。このような燃料電池カートリッジは、高温のセルスタックほど吸熱反応を促進させることにより、高温のセルスタックほど昇温して低温のセルスタックほど温度が低下する悪循環を断ち切り、複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することを抑制することができる。

前記抵抗体は、熱膨張率が正である連続多孔質材料から形成され、前記燃料ガス流路の断面を閉塞している。

このような抵抗体は、熱膨張率が正であることにより、昇温すると孔が拡大し、通過する圧力損失が低減する。このため、このような燃料電池カートリッジは、セルスタックの温度が高くなると、抵抗体が燃料ガス流路の圧力損失を低下させるように変形することにより、高温のセルスタックを流れる燃料ガスの流量を増加させることができる。

前記抵抗体は、熱膨張率が負である中実材料から形成されて、前記燃料ガス流路の断面の一部を閉塞している。

このような抵抗体は、熱膨張率が負であることにより、セルスタックの温度が高くなるほど体積が小さくなる。このため、このような燃料電池カートリッジは、セルスタックの温度が高くなるほど、燃料ガス流路の一部を遮る抵抗体の体積が小さくなることにより、燃料ガス流路の圧力損失が低減し、高温のセルスタックを流れる燃料ガスの流量を増加させることができる。

前記中子は、前記基体管の内部の上流端に配置されている。前記抵抗体は、前記中子の下流端に接合されている。

複数のセルスタックは、上流端から所定の温度の燃料ガスが供給されることから上流端で温度差が発生しにくい。一方、吸熱反応と発熱反応とによる熱および周辺のセルスタックの輻射熱によりセルスタックの長手方向の中央で温度差が拡大しやすい。このような燃料電池カートリッジは、抵抗体が中子の下流端に配置されることにより、抵抗体をより高温の基体管の中央の近傍に配置することができ、抵抗体の熱変形の程度を大きくすることができる。これにより、複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することをより抑制することができる。

前記中子は、大径円筒部分と、前記大径円筒部分より外径が小さい小径円筒部分とを有している。前記抵抗体は、前記小径円筒部分に接合されている。

このような燃料電池カートリッジは、小径円筒部分の外周と基体管の内周との隙間が大径円筒部分の外周と基体管の内周との隙間より大きいので、より大きな設置空間を確保することができる。このため、このような燃料電池カートリッジは、基体管の内周と中子の小径円筒部分の外周との間に抵抗体を容易に配置することができ、容易に作製することができる。このような燃料電池カートリッジは、中子の外径が長手方向で一定である場合に比較して、より大きい抵抗体を利用して大きな変形量を得ることができる。

本発明による燃料電池モジュールは、本発明による燃料電池カートリッジを備えている。
このような燃料電池モジュールは、燃料電池カートリッジが複数のセルスタックの温度分布のばらつきの拡大を抑制することができることにより、高効率に発電することができる。

本発明による燃料電池カートリッジおよび燃料電池モジュールは、複数のセルスタックのうちの高温のセルスタックほど燃料ガスが流れるようにすることにより、高温のセルスタックで吸熱反応である改質反応を促進させ、複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することを抑制することができる。

燃料電池モジュールを示す分解斜視図である。ＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。セルスタックを示す断面図である。セルスタックと中子とを示す平面図である。第１実施形態の燃料電池カートリッジにおける抵抗体を示す縦断面図である。第２実施形態の燃料電池カートリッジにおける抵抗体を示す縦断面図である。

以下に、本発明の実施形態にかかる燃料電池カートリッジについて図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態の燃料電池カートリッジ（以下、「ＳＯＦＣカートリッジ」と記載される）は、燃料電池モジュール２０１に設けられている。燃料電池モジュール２０１は、図１に示すように、例えば、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。また、燃料電池モジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。また燃料電池モジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、燃料電池モジュール２０１は、さらに、図示されていない酸化性ガス供給管と複数の酸化性ガス供給枝管と酸化性ガス排出管と複数の酸化性ガス排出枝管とを備える。

燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、燃料電池モジュール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部（図示しない）に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数の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する。

燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続される。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導く。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置される。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導く。

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。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図２に示されているように、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。

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、複数のセルスタック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。また、この発電室２１５の複数のセルスタック１０１の長手方向の中央部付近での温度は、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。

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に形成された燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通される。また、燃料ガス供給室２１７には、複数のセルスタック１０１の一方の端部が配置され、セルスタック１０１の一方の端部を介して基体管１０３の内部が燃料ガス供給室２１７に対して開放されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａ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１０３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。

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。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに形成された燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通される。また、燃料ガス排出室２１９には、複数のセルスタック１０１の他方の端部が配置され、複数のセルスタック１０１の他方の端部を介して基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放されている。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１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に排出される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導く。

酸化性ガス供給管には、外部から酸化性ガスが供給され、燃料電池モジュール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複数の酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。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と下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、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、複数の酸化性ガス供給枝管と連通される。この酸化性ガス供給室２２１は、複数の酸化性ガス供給枝管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、酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導く。

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。また、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、複数の酸化性ガス排出枝管と連通される。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を介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して複数の酸化性ガス排出枝管に導く。複数の酸化性ガス排出枝管は、酸化性ガス排出管に連通している。酸化性ガス排出管は、複数の酸化性ガス排出枝管から排出される排酸化性ガスを外部に排気する。

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の側板に固定される。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔には複数のセルスタック１０１が挿入される。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。

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の側板に固定される。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔には複数のセルスタック１０１が挿入される。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。

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２２９ａの側板に固定される。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられる。この孔の直径は複数のセルスタック１０１の外径よりも大きく設定される。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通された複数のセルスタック１０１の外周面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。

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が高温化することによる強度低下を抑制し、上部管板２２５ａが高温化することにより酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が上部管板２２５ａに発生しやすくなることを抑制する。

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、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定される。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられる。この孔の直径は複数のセルスタック１０１の外径よりも大きく設定される。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通された複数のセルスタック１０１の外周面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。

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が高温化することによる強度低下を抑制し、下部管板２２５ｂが高温化することにより酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が下部管板２２５ｂに発生しやすくなることを抑制する。

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複数のセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる。このことにより、基体管１０３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、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に供給できる。

複数のセルスタック１０１は、図３に示されるように、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とを積層して形成される。また、複数のセルスタック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。

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。

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。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。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。

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。

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。

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の固体電解質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。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及び複数のセルスタック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複数のセルスタック１０１の端部付近まで導く。

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により複数のセルスタック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。前記集電棒によって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、燃料電池モジュール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。インバータは、燃料電池モジュール２０１から外部に流れる電流を所定の電流に、出力制御する。

複数のセルスタック１０１の各々は、図４に示されるように、中子１と複数の爪２とを備えている。中子１は、円筒状に形成され、基体管１０３の内部に基体管１０３と同軸に配置されている。複数の爪２は、中子１の上端に取り付けられ、中子１から半径方向外側に突出している。

中子１は、図５に示されているように、大径円筒部分５と小径円筒部分６と蓋部７とを備えている。大径円筒部分５は、ステンレス鋼に例示される金属材料から形成され、筒状に形成されている。小径円筒部分６は、大径円筒部分５と同様の金属材料から形成され、大径円筒部分５より外径が小さい筒状に形成されている。小径円筒部分６は、小径円筒部分６の軸が大径円筒部分５の軸に一致するように、大径円筒部分５の一端に接合されている。蓋部７は、大径円筒部分５と同様の金属材料から形成され、円盤状に形成される。蓋部７は、大径円筒部分５の上端を閉鎖するように、大径円筒部分５の上端に接合されている。

中子１は、基体管１０３の軸線に大径円筒部分５の軸線が重なるように、かつ、大径円筒部分５の側の端が燃料ガス供給室２１７に近い上流側に配置されるように、基体管１０３の内部の上流端に配置されている。中子１は、複数の爪２が基体管１０３の上端に引っ掛かることにより、基体管１０３に支持されている。複数のセルスタック１０１の各々は、基体管１０３の内部に中子１が配置されることにより、中子１の外周面と基体管１０３の内周面との間に、環状の流路断面を有する燃料ガス流路８が形成されている。

複数のセルスタック１０１の各々は、さらに、抵抗体１１を備えている。抵抗体１１は、連続気孔構造を備える連続多孔質体である金属材料から形成され、環状に形成されている。抵抗体１１は、燃料ガス流路８のうちの基体管１０３の長手方向の中央の近傍に配置され、燃料ガス流路８の断面の全部を閉塞するように、中子１の小径円筒部分６の下流端の外周面と基体管１０３の内周面との間の隙間に配置され、小径円筒部分６の下流端に接合されている。

このとき、中子１の大径円筒部分５の外周面と基体管１０３の内周面との隙間は、燃料ガスと酸化性ガスとの熱伝達を向上するため狭い方が望ましく、大径円筒部分５は、基体管１０３の内周面との隙間が概ね１ｍｍとなるように、形成され、燃料ガスにより酸化性ガスが十分に温度低下するような長さに形成されている。小径円筒部分６は、小径円筒部分６の外周面と基体管１０３の内周面との間の隙間が例えば２〜３ｍｍとなるように、形成されている。

セルスタック１０１は、中子１のうちの抵抗体１１が接合されている小径円筒部分６の外径が中子１のうちの小径円筒部分６の上流側の大径円筒部分５の外径より小さいことにより、小径円筒部分６の外周と基体管１０３の内周との隙間が大径円筒部分５の外周と基体管１０３の内周との隙間より大きく形成されている。セルスタック１０１は、小径円筒部分６の外周と基体管１０３の内周との隙間が大きく形成されていることにより、抵抗体１１が設置される設置空間を大きく確保することができる。このため、セルスタック１０１は、中子１の小径円筒部分６の外周と基体管１０３の内周との間に抵抗体１１を容易に配置することができ、容易に作製することができる。また、セルスタック１０１は、抵抗体１１が設置される設置空間が大きく確保されていることにより、より大きい抵抗体１１を設置することができる。なお、小径円筒部分６は、抵抗体１１が接合されていない部分が形成されているが、必ずしも抵抗体１１が接合されていない部分を設ける必要がなく、抵抗体１１が小径円筒部分６の長手方向の全体に渡って設置されるように形成されることもできる。

次いで、燃料電池モジュール２０１の動作を説明する。
燃料電池モジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを介して燃料ガスと水蒸気との混合ガスを燃料ガス供給室２１７に供給することにより、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内側の流路に混合ガスを供給する。燃料電池モジュール２０１は、さらに、酸化性ガス供給管と複数の酸化性ガス供給枝管とを介して酸化性ガス供給室２２１に酸化性ガスを供給することにより、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の外側の発電室２１５に酸化性ガスを供給する。

複数のセルスタック１０１は、燃料ガスと水蒸気との混合ガスを基体管１０３の内部に供給することにより、基体管１０３の中子１が配置されている上部部分で、次の化学反応式：
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ
により表現される改質反応を主に進行させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを生成する。この改質反応は、吸熱反応であるので、基体管１０３の上部部分の温度上昇が抑制される。

複数のセルスタック１０１は、改質反応により得られる水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、発電室２１５に供給される酸素イオン（Ｏ^２−）を電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成し、発電する。基体管１０３は、この反応が発熱反応であることにより温度上昇する。基体管１０３から排出された排燃料ガスは、燃料ガス排出室２１９に供給され、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａと燃料ガス排出管２０９とを介して燃料ガス排出室２１９から排出される。

発電室２１５を流れた排酸化性ガスは、複数のセルスタック１０１の基体管１０３のうちの中子１の大径円筒部分５が配置される上部部分において、基体管１０３を介して混合ガスと熱交換し、排酸化性ガスの顕熱低下は、混合ガスの改質吸熱と顕熱上昇に変換される。基体管１０３の上部部分で温度低下した排酸化性ガスは、酸化性ガス排出室２２３に供給される。酸化性ガス排出室２２３に供給された排酸化性ガスは、複数の酸化性ガス排出枝管と酸化性ガス排出管とを介して排出される。

基体管１０３は、温度上昇することにより、輻射熱により隣接する他の基体管１０３を加熱する。このため、複数のセルスタック１０１のうちの発電室２１５の中央に配置されるセルスタックの基体管１０３は、周辺の他のセルスタックから輻射加熱されるので、発電室２１５の端部に配置されるセルスタックの基体管１０３より温度上昇する。

セルスタックに供給された燃料ガスは、基体管１０３が高温であるほど、膨張し、密度が低減する。燃料ガスは、密度が低減することにより、燃料ガス流路８を流れる流速が増加する。燃料ガス流路８は、燃料ガスが流れる流速が増加することにより、圧力損失が増加し、供給される燃料ガスの流量が低減する。基体管１０３は、供給される燃料ガスの流量が低減することにより、基体管１０３の内部で進行する改質反応の反応量が低減し、さらに温度上昇することになる。このため、複数のセルスタックに温度分布が発生すると、燃料の不均一分配が起こり、温度分布は拡大傾向になる。

抵抗体１１は、基体管１０３が温度上昇すると、基体管１０３により加熱され、膨張する。抵抗体１１は、膨張することにより、多孔質を形成する孔が拡大し、抵抗体１１を通過する圧力損失が低減する。抵抗体１１は、燃料ガス流路８を閉塞するように配置されていることにより、基体管１０３が高温であるほど燃料ガス流路８の圧力損失を低減する。抵抗体１１は、高温の基体管１０３の燃料ガス流路８の圧力損失を低減させることにより、高温の基体管１０３の燃料ガス流路８に流れる混合ガスの流量を増加させる。

複数のセルスタック１０１は、抵抗体１１が高温の基体管１０３の燃料ガス流路８に流れる混合ガスの流量を増加させることにより、基体管１０３が高温であるほど改質反応が促進され、温度分布のばらつきが拡大することが抑制される。このため、燃料電池モジュール２０１は、複数のセルスタック１０１の温度分布のばらつきが拡大することが抑制されることにより、高効率に発電することができる。

各セルスタック１０１は、上流端から所定の温度の燃料ガスが供給されることにより、上流端では温度差が生じにくい。一方、周辺のセルスタックの輻射熱によりセルスタックの長手方向の中央では大きな温度差が生じやすい。このため、抵抗体１１は、基体管１０３の長手方向の中央の近傍に配置されることにより、基体管１０３を流れる燃料ガスの流量を大きく変化させることができる。この結果、燃料電池モジュール２０１は、抵抗体１１が基体管１０３の長手方向の中央の近傍に配置されることにより、基体管１０３を流れる燃料ガスの流量を大きく変化させることができ、複数のセルスタック１０１の温度分布のばらつきが拡大することを効果的に抑制することができる。

第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、中子１が小径円筒部分６を備えていることにより、より大きい抵抗体１１を設置することができる。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、より大きい抵抗体１１を設置することにより、基体管１０３の温度変化に応じて燃料ガス流路８の圧力損失を大きく増減させることができ、複数のセルスタック１０１の温度分布のばらつきが拡大することをより効果的に抑制することができる。

なお、中子１は、十分な大きさの抵抗体１１が設置可能であるときに、大径円筒部分５と小径円筒部分６との組み合わせでなく、長手方向で外径が一定である他の中子に置換されることができる。長手方向で外径が一定である中子が設けられたＳＯＦＣカートリッジも、既述の第１実施形態におけるＳＯＦＣカートリッジ２０３と同様にして、複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することを抑制することができる。

また、抵抗体１１は、必ずしも基体管１０３の長手方向の中央近傍に配置される必要がなく、中子１の下流端以外の部分に接合されることもできる。このような場合でも、ＳＯＦＣカートリッジは、抵抗体１１が基体管１０３の温度で熱変形することにより、既述の第１実施形態におけるＳＯＦＣカートリッジ２０３と同様にして、基体管１０３を流れる燃料ガスの流量を調整することができ、複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することを抑制することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態のＳＯＦＣカートリッジは、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３における抵抗体１１が他の抵抗体に置換されており、それ以外は、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３と同様に形成されている。その抵抗体２１は、熱膨張率が負である材料から中実に形成され、図６に示されるように、環状に形成されている。熱膨張率が負である材料としては、ＺｒＷ_２Ｏ_８、ビスマス・ランタノイド・ニッケル酸化物Ｂｉ_１−ｘＬｎ_ｘＮｉＯ_３、マンガン窒化物Ｍｎ_３ＸＮ（Ｘ＝Ｃｕ−Ｓｎ，Ｚｎ−Ｓｎ等）、Ａサイト秩序型ペロブスカイト構造酸化物ＬａＣｕ_３Ｆｅ_４Ｏ_１２、ＢｉＣｕ_３Ｆｅ_４Ｏ_１２が例示される。抵抗体２１は、燃料ガス流路８の断面の一部を閉塞して抵抗体２１と基体管１０３の内周面との間の隙間が形成されるように、中子１の小径円筒部分６の下流端の外周面と基体管１０３の内周面との間の隙間に配置され、小径円筒部分６の下流端に接合されている。

抵抗体２１は、基体管１０３が温度上昇すると、基体管１０３により加熱され、収縮する。抵抗体２１は、収縮することにより、抵抗体２１と基体管１０３の内周面との間の隙間を拡大し、燃料ガス流路８の流路断面積を拡大し、燃料ガス流路８に燃料ガスが流れる圧力損失を低減する。抵抗体２１は、高温の基体管１０３の燃料ガス流路８の圧力損失を低減させることにより、高温の基体管１０３の燃料ガス流路８に流れる混合ガスの流量を増加させる。第２実施形態のＳＯＦＣカートリッジは、抵抗体２１が高温の基体管１０３の燃料ガス流路８に流れる混合ガスの流量を増加させることにより、既述の第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３と同様にして、複数のセルスタック１０１の温度分布のばらつきが拡大することを抑制することができる。

また、中子１は、十分に大きい抵抗体２１が設置可能であるときに、大径円筒部分５と小径円筒部分６との組み合わせでなく、長手方向で外径が一定である他の中子に置換されることができる。長手方向で外径が一定である中子が設けられたＳＯＦＣカートリッジも、既述の実施形態におけるＳＯＦＣカートリッジと同様にして、複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することを抑制することができる。

また、抵抗体２１は、必ずしも基体管１０３の長手方向の中央近傍に配置される必要がなく、中子１の下流端以外の部分に接合されることもできる。このような場合でも、ＳＯＦＣカートリッジは、抵抗体２１が基体管１０３の温度で熱変形することにより、既述の実施形態におけるＳＯＦＣカートリッジと同様にして、基体管１０３を流れる燃料ガスの流量を調整することができ、複数のセルスタックの温度分布のばらつきが拡大することを抑制ＳＯＦＣカートリッジすることができる。

１：中子
５：大径円筒部分
６：小径円筒部分
８：燃料ガス流路
１１：抵抗体
２１：抵抗体
１０１：セルスタック
１０３：基体管
２０１：燃料電池モジュール
２０３：ＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）
２１５：発電室

Claims

基体管の表面に複数の燃料電池セルを積層して固体酸化物形燃料電池を形成する筒状の複数のセルスタックと、
前記複数の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室と、
前記複数のセルスタックの外部に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給室とを備え、
各前記セルスタックは、
前記基体管の内部に配置される中子と、
前記基体管と前記中子との間に形成される燃料ガス流路に配置されて、前記基体管の温度が高いほど前記燃料ガス流路の圧力損失を低下させるように変形する抵抗体とを有する燃料電池カートリッジ。
前記抵抗体は、熱膨張率が正である連続多孔質材料から形成され、前記燃料ガス流路の断面を閉塞する請求項１に記載される燃料電池カートリッジ。
前記抵抗体は、熱膨張率が負である中実材料から形成されて、前記燃料ガス流路の断面の一部を閉塞する請求項１に記載される燃料電池カートリッジ。
前記中子は、前記基体管の内部の上流端に配置され、
前記抵抗体は、前記中子の下流端に接合される請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載される燃料電池カートリッジ。
前記中子は、
大径円筒部分と、
前記大径円筒部分より外径が小さい小径円筒部分とを有し、
前記抵抗体は、前記小径円筒部分に接合される請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載される燃料電池カートリッジ。
請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載される燃料電池カートリッジを備える燃料電池モジュール。