JP2023097741A - ホットモジュール及び固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＦＣと空気との接触効率が高く、被覆材の成分がＳＯＦＣへ移動するのを抑制することが可能なホットモジュールを提供する。【解決手段】ホットモジュール１０は、空気導入口１５４を介して筐体１３０の外側の空気を空気極１２３に供給する空気導入部１５０と、複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々の長さ方向Ｘに垂直な方向において隙間を空けてセルスタック１１１の周囲全体を被覆し、複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々の長さ方向Ｘにおいて空気導入口１５４から複数の固体酸化物形燃料電池１２０の各々の端部まで連続して延在し、空気極１２３に供給される空気が通過する空気流路１４１を形成する被覆材１４０とを備える。【選択図】図７

Description

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。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）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。

特許文献１には、ＳＯＦＣを配列したセルスタックと、セルスタックの下方に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入部材とを備える燃料電池モジュールが開示されている。燃料電池モジュールは第一スペーサと第二スペーサとを備えている。特許文献１では、第一スペーサと第二スペーサにより、各ＳＯＦＣ間を流れる酸素含有ガスが、セルスタックと酸素含有ガス導入部材との間へ流れるのを促し、酸素含有ガス導入部材の内部を流れる酸素含有ガスを加熱している。

特開２０１９－１４５２３８号公報

従来のモジュールでは、上述したように、セルスタックと酸素含有ガス導入部材との間へ各ＳＯＦＣ間を流れる酸素含有ガスが流れる。そのため、セルスタックと酸素含有ガス導入部材との間に一時的に逃げた空気は、ＳＯＦＣと接触する時間が短くなり、ＳＯＦＣと空気との接触効率が低下するおそれがある。

また、従来のモジュールでは、第一スペーサ及び第二スペーサ（被覆材）をＳＯＦＣに密着させている。そのため、従来のモジュールを長時間運転してモジュール内が高温になると、第一スペーサ又は第二スペーサに含まれる成分がＳＯＦＣに移動することにより、ＳＯＦＣの性能が低下するおそれがある。

そこで、本開示は、ＳＯＦＣと空気との接触効率が高く、被覆材の成分がＳＯＦＣへ移動するのを抑制することが可能なホットモジュール及びこれを備えた固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。

本開示に係るホットモジュールは、複数の平板状の固体酸化物形燃料電池を含み、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み、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セルスタックを含むスタックユニットと、スタックユニットを収容する筐体と、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空気導入部と、複数の固体酸化物形燃料電池の各々の長さ方向に垂直な方向において隙間を空けてセルスタックの周囲全体を被覆し、長さ方向において空気導入口から複数の固体酸化物形燃料電池の各々の端部まで連続して延在し、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。

複数の固体酸化物形燃料電池は、第１固体酸化物形燃料電池と、厚さ方向において第１固体酸化物形燃料電池に隣接する第２固体酸化物形燃料電池とを含んでいてもよい。空気流路は厚さ方向において第１固体酸化物形燃料電池と第２固体酸化物形燃料電池との間に設けられたセル間流路と、複数の固体酸化物形燃料電池の各々の幅方向において第１固体酸化物形燃料電池及び第２固体酸化物形燃料電池と被覆材との間に設けられたセル外側流路とを含んでいてもよい。第１積に対する第２積の比は０．３以下であってもよい。第１積は厚さ方向におけるセル間流路の長さと第１固体酸化物形燃料電池の幅方向の長さとの積であり、第２積はセル外側流路の幅方向の合計長さと、厚さ方向における第１固体酸化物形燃料電池の長さと厚さ方向におけるセル間流路の長さとの合計長さとの積であってもよい。

第１積に対する第２積の比は０．２以下であってもよい。

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。

本開示によれば、ＳＯＦＣと空気との接触効率が高く、被覆材の成分がＳＯＦＣへ移動するのを抑制することが可能なホットモジュール及びこれを備えた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。

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。 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。 空気導入部の配置状態を示す模式的な平面図である。 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。 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。 一実施形態に係るスタックユニットの被覆状態を模式的に示す拡大断面図である。 シミュレーションに用いたスタックユニットを示す模式図である。 第１積に対する第２積の比とＳＯＦＣ外への逃げ割合との関係を示すグラフである。

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。

また、以下の実施形態では、平板状のＳＯＦＣの厚さ方向を厚さ方向Ｚとして説明する。厚さ方向Ｚに直交する、平板状のＳＯＦＣの長さ方向を長さ方向Ｘとして説明する。長さ方向Ｘ及び厚さ方向Ｚに直交する、平板状のＳＯＦＣの幅方向を幅方向Ｙとして説明する。そして、長さ方向Ｘにおいて、ＳＯＦＣに対して基部１３１側を長さ方向Ｘの下側、基部１３１とは反対側を長さ方向Ｘの上側として説明する。

本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。

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。

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、燃料供給源２２と、流量調整機構２３とを含んでいる。燃料供給管２１は、燃料供給源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、燃料供給源２２と、流量調整機構２３とが設けられている。燃料供給源２２は、例えば、燃料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内を流れる燃料の流量を調整する。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。なお、本実施形態では、燃料として水素を用いたが、アンモニア及び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。

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。

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から排出されるガスの熱を回収して冷却する。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。

ホットモジュール１０は、図２～図５に示すように、スタックユニット１１０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、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内にスタックユニット１１０を収容する空間が形成されている。基部１３１には、１つのスタックユニット１１０が載置されているが、複数のスタックユニット１１０が載置されていてもよい。

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。

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、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。

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。

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。

図２～図６に示すように、スタックユニット１１０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。燃料は燃料マニホールド１１２を介して燃料供給部２０からセルスタック１１１に供給される。

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、幅方向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。

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セル間流路１４２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。

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。

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の各々は幅方向Ｙに配列しており、長さ方向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。

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。

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。

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）

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）

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及びセル間流路１４２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。

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。

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。

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。

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。

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。

被覆材１４０は、スタックユニット１１０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は、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。本実施形態に係るホットモジュール１０では、空気供給口１３３が基部１３１に設けられている。そのため、空気が空気供給口１３３及び空気流路１４１を通過して空気極１２３に供給される。したがって、被覆材１４０を複数の部品に断片化しなくても、セルスタック１１１の周囲を被覆材１４０で被覆することができる。

空気流路１４１は、図７に示すように、セル間流路１４２と、セル外側流路１４３とを含んでいる。複数のＳＯＦＣ１２０は、第１固体酸化物形燃料電池１２０ａ（第１ＳＯＦＣ１２０ａ）と、厚さ方向Ｚにおいて第１ＳＯＦＣ１２０ａに隣接する第２固体酸化物形燃料電池１２０ｂ（第２ＳＯＦＣ１２０ｂ）とを含んでいる。そして、セル間流路１４２は厚さ方向Ｚにおいて隣接するＳＯＦＣ１２０間にそれぞれ設けられている。例えば、セル間流路１４２は厚さ方向Ｚにおいて第１ＳＯＦＣ１２０ａと第２ＳＯＦＣ１２０ｂとの間に設けられている。セル外側流路１４３は、幅方向Ｙにおいて第１ＳＯＦＣ１２０ａ及び第２ＳＯＦＣ１２０ｂと被覆材１４０との間に設けられている。

本実施形態においては、セルスタック１１１と被覆材１４０との間に２つのセル外側流路１４３が設けられている。セル外側流路１４３は、幅方向Ｙにおいて、第１ＳＯＦＣ１２０ａの一端である第１端側に配置されたセル外側流路１４３ａと、第１ＳＯＦＣ１２０ａのもう一端である第２端側に配置されたセル外側流路１４３ｂとを含んでいる。セル外側流路１４３ａは複数のＳＯＦＣ１２０の各々の幅方向Ｙの第１端同士を結ぶ直線と被覆材１４０とで囲われた空間である。セル外側流路１４３ｂは複数のＳＯＦＣ１２０の各々の幅方向Ｙの第１端とは反対側の第２端同士を結ぶ直線と被覆材１４０とで囲われた空間である。セル間流路１４２は、複数のＳＯＦＣ１２０の各々とセル外側流路１４３ａとセル外側流路１４３ｂとで挟まれた隣接する空間である。

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セル間流路１４２に空気を強制的に送り込むことができる。

被覆材１４０は複数のＳＯＦＣ１２０の各々の長さ方向Ｘに垂直な方向において隙間を空けてセルスタック１１１の周囲全体を被覆している。当該隙間は、セル外側流路１４３を含んでいる。被覆材１４０の表面のうち、幅方向ＹにおけるＳＯＦＣ１２０の側面と対向する領域は、長さ方向ＸにおいてＳＯＦＣ１２０の上端位置から下端位置にかけて、ＳＯＦＣ１２０の側面に対して非接触で近接して配置されている。被覆材１４０は、セルスタック１１１の周囲全体を、隙間を空けて被覆しており、接触していないため、ＳＯＦＣ１２０が高温になった場合であっても、被覆材１４０の成分がＳＯＦＣ１２０に移動しにくい。したがって、セルの性能が低下するのを抑制することができる。

被覆材１４０は筐体１３０内の空間を第１空間１４４と、第２空間１４５とを含む空間に区画している。第１空間１４４には空気供給口１３３を介して空気が供給される。第２空間１４５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。

第１空間１４４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１４４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１４４内に空気供給口１３３を介して空気が供給される。第１空間１４４は基部１３１と被覆材１４０とによって囲われて形成されている。

第２空間１４５はガス排出口１３４と連通しており、第２空間１４５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１４５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。

被覆材１４０は、複数のＳＯＦＣ１２０の各々の長さ方向Ｘにおいて、空気導入口１５４から複数のＳＯＦＣ１２０の各々の端部まで連続して延在している。ここでいうＳＯＦＣ１２０の端部とは、ＳＯＦＣ１２０の自由端である。空気導入口１５４はＳＯＦＣ１２０の燃料マニホールド１１２付近に配置されている。被覆材１４０が長さ方向Ｘに断続的に配置されている場合、被覆材１４０間のスペースに空気が逃げてＳＯＦＣ１２０と空気との接触効率が低下するおそれがある。しかしながら、本実施形態では、被覆材１４０が長さ方向Ｘに連続して延在しているため、このような空気の逃げるスペースが少ない。そのため、ＳＯＦＣ１２０と空気との接触効率が高くなるため、空気の利用効率を向上させることができる。

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。

本実施形態に係るホットモジュール１０において、第１積に対する第２積の比（第２積／第１積）は０．３以下である。

第１積は、厚さ方向Ｚにおけるセル間流路１４２の長さＬ１と、第１ＳＯＦＣ１２０ａの幅方向Ｙの長さＬ２との積である。長さＬ１は、本実施形態において、第１ＳＯＦＣ１２０ａの空気極１２３の露出面から第２ＳＯＦＣ１２０ｂのインターコネクタ１２５の露出面までの距離である。長さＬ２は、本実施形態において、幅方向Ｙにおける第１ＳＯＦＣ１２０ａの一端である第１端から第１ＳＯＦＣ１２０ａのもう一端である第２端までの距離である。

第２積は、セル外側流路１４３の幅方向Ｙの合計長さＬ３と、厚さ方向Ｚにおける第１ＳＯＦＣ１２０ａの長さＬ４と厚さ方向Ｚにおけるセル間流路１４２の長さＬ１との合計長さＬ５との積である。長さＬ３は、本実施形態において、セル外側流路１４３ａの幅方向Ｙの長さＬ３ａと、セル外側流路１４３ｂの幅方向Ｙの長さＬ３ｂとの合計長さである。長さＬ３ａは、第１ＳＯＦＣ１２０ａの第１端から被覆材１４０の表面までの距離である。長さＬ３ｂは、第１ＳＯＦＣ１２０ａの第２端から被覆材１４０の表面までの距離である。長さＬ３ａと長さＬ３ｂとは、本実施形態では同じ長さである。長さＬ４は、本実施形態において、空気極１２３の露出面からインターコネクタ１２５の露出面までの距離である。長さＬ５は、本実施形態において、第１ＳＯＦＣ１２０ａの空気極１２３の露出面から第２ＳＯＦＣ１２０ｂの空気極１２３の露出面までの長さである。

長さＬ１は、長さＬ４の０．８倍～３．２倍であってもよい。長さＬ１は、１．６ｍｍ～６．４ｍｍであってもよい。Ｌ２は、１４ｍｍ～５６ｍｍであってもよい。長さＬ３は、２ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。長さＬ３ａ及び長さＬ３ｂはそれぞれ１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であってもよい。

第１積に対する第２積の比は、セル間流路１４２の断面積に対するセル外側流路１４３の断面積の一部の比（流路断面積比）に相当する。第１積に対する第２積の比を０．３以下とすることにより、セル外側流路１４３への空気の逃げ割合を３０％以下、より具体的には２５％以下とすることができる。空気の逃げ割合は、セル間流路１４２及びセル外側流路１４３へ流れた空気流量の合計に対するセル外側流路１４３へ流れた空気流量の割合を意味する。そのため、第１積に対する第２積の比を０．３以下とすることにより、空気がＳＯＦＣ１２０の空気極１２３と十分に接触するため、空気利用率が向上し、ＳＯＦＣ１２０への空気供給量を低減することができる。空気供給量が低減することにより、ブロア動力が低減し、ＳＯＦＣシステム１のエネルギー効率が向上するため、稼働コストを低減することができる。

第１積に対する第２積の比は０．２以下であってもよい。第１積に対する第２積の比を０．２以下とすることにより、セル外側流路１４３への逃げ割合を１２．５％以下とすることができる。第１積に対する第２積の比の下限は特に限定されないが、被覆材１４０の加工を容易にする観点から、０．０１であってもよい。第１積に対する第２積の比は０．０５以上であってもよく、０．１以上であってもよい。

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は複数の空気導入口１５４を有しており、空気導入部１５０は空気導入口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。

空気導入部１５０は空気導入流路である配管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１４４内に配置されている。筐体１３０の外側から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。

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、第１空間１４４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、第１空間１４４内において、幅方向Ｙに延在している。

分岐配管１５３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、幅方向Ｙにおいて、スタックユニット１１０における隣接するセルスタック１１１間に配置されている。分岐配管１５３には、少なくとも１つの空気導入口１５４が設けられている。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。

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分岐配管１５３に設けられている。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に沿って断続的に分岐配管１５３にそれぞれ設けられていてもよい。

なお、本実施形態では、空気導入部１５０が被覆材１４０を貫通せずに設けられている例について説明した。しかしながら、空気導入部１５０は、図８に示すように、被覆材１４０を貫通して設けられていてもよい。具体的には、空気導入部１５０は、筐体１３０の天井に接続されている。そして、空気導入部１５０は、第２空間１４５から第１空間１４４にわたって被覆材１４０を貫通して設けられている。また、筐体１３０の天井とは反対側における空気導入部１５０の端部には空気導入口１５４が設けられている。そのため、空気導入口１５４から供給された空気は、被覆材１４０によって形成された空気流路１４１内をＳＯＦＣ１２０の自由端に向かってＳＯＦＣ１２０と接触しながら通過することができる。

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、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。スタックユニット１１０は、複数の平板状のＳＯＦＣ１２０を含み、複数のＳＯＦＣ１２０の各々が厚さ方向Ｚに配列したセルスタック１１１を含む。複数のＳＯＦＣ１２０の各々は、燃料極１２２と、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とを含む。筐体１３０は、スタックユニット１１０を収容する。空気導入部１５０は、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、複数のＳＯＦＣ１２０の各々の長さ方向Ｘに垂直な方向において隙間を空けてセルスタック１１１の周囲全体を被覆する。被覆材１４０は、長さ方向Ｘにおいて空気導入口１５４から複数のＳＯＦＣ１２０の各々の端部まで連続して延在し、空気極１２３に供給される空気が通過する空気流路１４１を形成する。

また、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。

被覆材１４０は隙間を空けてセルスタック１１１の周囲全体を被覆しているため、被覆材１４０の成分がＳＯＦＣ１２０へ移動するのを抑制することができる。そのため、このような成分により、ＳＯＦＣ１２０の性能が低下するのを抑制することができる。また、被覆材１４０は、空気導入口１５４から複数のＳＯＦＣ１２０の各々の端部まで連続して延在している。そのため、被覆材１４０が長さ方向Ｘに断続的に配置されている場合と比較し、空気の逃げるスペースが少ないため、ＳＯＦＣ１２０と空気との接触効率を高くすることができる。

したがって、本実施形態に係るホットモジュール１０及びＳＯＦＣシステム１によれば、ＳＯＦＣ１２０と空気との接触効率が高く、被覆材１４０の成分がＳＯＦＣ１２０へ移動するのを抑制することができる。

流路断面積比（第２積／第１積）と逃げ割合との関係を評価するため、シミュレーションにより分析した。図９に示すように、シミュレーションでは、直方体形状のＳＯＦＣ１２０が３枚積層されたセルスタック１１１を用い、セルスタック１１１の周囲は隙間（セル外側流路１４３）を空けて被覆材１４０で被覆した。また、長さＬ１を３．２ｍｍ、長さＬ２を２８ｍｍ、長さＬ４を２ｍｍ、長さＬ５を５．２ｍｍに設定した。また、長さＬ３ａ及び長さＬ３ｂをそれぞれ１ｍｍ、２ｍｍ又は３ｍｍに設定した。そして、セルスタック１１１への空気の導入流量を４０ＮＬ／分とした場合において、セル間流路１４２及びセル外側流路１４３の流路断面を通過する空気の流量を求めた。次に、得られた空気流量から、空気の逃げ割合を求めた。空気の逃げ割合は、セル間流路１４２及びセル外側流路１４３の流路断面を通過する空気の流量に対するセル間流路１４２の流路断面を通過する空気の流量の割合を算出して求めた。これらの結果を、表１及び図１０に示す。

表１及び図１０に示すように、第１積に対する第２積の比を０．３以下とすることにより、逃げ割合を３０％以下とすることができた。また、第１積に対する第２積の比を０．２以下とすることにより、逃げ割合を１２．５％以下とすることができた。

なお、本例では、セルスタック１１１への空気の導入流量を４０ＮＬ／分としたが、空気の導入流量を１００ＮＬ／分にした場合であっても、逃げ割合は同様の傾向を示すことが確認できている。そのため、流路断面積と空気の逃げ割合との関係は、空気の導入流量によって影響を受けにくいと考えられる。また、本例では、３枚のＳＯＦＣ１２０を用いた場合について逃げ割合を評価したが、２枚のＳＯＦＣ１２０を用いた場合であっても、逃げ割合は同様の傾向を示すことが確認できている。したがって、４枚以上のＳＯＦＣ１２０を用いた場合についても、逃げ割合は同様の傾向を示すと考えられる。

また、本例では、直方体形状のＳＯＦＣ１２０を用いて逃げ割合を評価した。しかしながら、セル間流路１４２とセル外側流路１４３との空気流量比は、ＳＯＦＣ１２０表面及び被覆材１４０を含む流路壁との粘性摩擦により決まる。粘性摩擦は流路の等価直径に影響される。等価直径とは、以下の数式に示す通り、流路断面積と濡れ縁長さにより決まる、流れ場を代表する長さであることが知られている。

等価直径＝４×流路断面積／濡れ縁長さ

ＳＯＦＣ１２０を直方体から円筒平板形に変更した場合、流路断面積が大きくなり、濡れ縁長さが長くなることから、等価直径は大きく変化しない。等価直径が同じであれば、粘性摩擦も実質的に同じであり、セル間流路１４２とセル外側流路１４３との空気流量比も実質的に同じになる。したがって、円筒平板形のＳＯＦＣ１２０を用いた場合であっても、断面積比を０．３以下とすることにより、逃げ割合を３０％以下とすることができると考えられる。

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。

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。

１ 固体酸化物形燃料電池システム
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
１２０ａ 第１固体酸化物形燃料電池
１２０ｂ 第２固体酸化物形燃料電池
１２２ 燃料極
１２３ 空気極
１２４ 電解質
１３０ 筐体
１３３ 空気供給口
１４０ 被覆材
１４１ 空気流路
１４２ セル間流路
１４３ セル外側流路
１５０ 空気導入部
１５４ 空気導入口
Ｘ 長さ方向
Ｙ 幅方向
Ｚ 厚さ方向
Ｌ１ 厚さ方向におけるセル間流路の長さ
Ｌ２ 第１固体酸化物形燃料電池の幅方向の長さ
Ｌ３ セル外側流路の幅方向の合計長さ
Ｌ４ 厚さ方向における第１固体酸化物形燃料電池の長さ
Ｌ５ 長さＬ４と長さＬ１との合計長さ

Claims (4)

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セルスタックを含むスタックユニットと、
   前記スタックユニットを収容する筐体と、
   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、
   前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々の長さ方向に垂直な方向において隙間を空けて前記セルスタックの周囲全体を被覆し、前記長さ方向において前記空気導入口から前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々の端部まで連続して延在し、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。
2. 前記複数の固体酸化物形燃料電池は、第１固体酸化物形燃料電池と、前記厚さ方向において前記第１固体酸化物形燃料電池に隣接する第２固体酸化物形燃料電池とを含み、
   前記空気流路は前記厚さ方向において前記第１固体酸化物形燃料電池と前記第２固体酸化物形燃料電池との間に設けられたセル間流路と、前記複数の固体酸化物形燃料電池の各々の幅方向において前記第１固体酸化物形燃料電池及び前記第２固体酸化物形燃料電池と前記被覆材との間に設けられたセル外側流路とを含み、
   第１積に対する第２積の比は０．３以下であり、
   前記第１積は前記厚さ方向における前記セル間流路の長さと前記第１固体酸化物形燃料電池の前記幅方向の長さとの積であり、
   前記第２積は前記セル外側流路の前記幅方向の合計長さと、前記厚さ方向における前記第１固体酸化物形燃料電池の長さと前記厚さ方向における前記セル間流路の長さとの合計長さとの積である、請求項１に記載のホットモジュール。
3. 前記第１積に対する前記第２積の比は０．２以下である、請求項２に記載のホットモジュール。
4. 請求項１～３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。

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