JP4848177B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に係り、特に周面に燃料電池セルが形成された複数の燃料電池セルチューブと、前記複数の燃料電池セルチューブ内に燃料ガスを供給するための第１ガス室と、前記燃料電池セルで発電反応済みの燃料ガスを排出するための第２ガス室とが前記燃料電池セルに酸化剤ガスを供給する第３ガス室を介して隔離して配置してなる固体酸化物形燃料電池に関する。

従来から、発電体を多孔性の基体管の表面に形成した固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、以下ＳＯＦＣという）は周知であり、発電反応は以下のようにして生じる。例えば、１０００℃の温度に保持された基体管の表面に、燃料極、固体電解質、空気極等の各層が形成された燃料電池セルが設けられたセルチューブの内側に燃料ガスを流し、外側に酸化剤としての空気を流すと、電池セル内ではO^2-イオンが移動して電気化学反応が起り空気極と燃料極電位差が生じ発電が行なわれる。なお、セルチューブの内側に空気を流し外側に燃料ガスを流すように構成してもよい。

近年、このようなＳＯＦＣは電池セルでの動作温度が約１０００℃と高温であるため発電効率が高く、第３世代の発電システムとして期待されている。
一般に、ＳＯＦＣのセル構造には平板型と円筒型があり、円筒型には円筒縦縞型と円筒横縞型がある。平板型は単位体積当たりの出力が高いという特徴があるが、実用化においてはセル側面のガスシール性やセル内の温度分布の不均一性の問題がある。一方、円筒型は出力密度においては平板型に劣るものの、その形状から機械的強度が高いという特徴がある。
また、円筒型固体酸化物形燃料電池の基体管は開気通気孔率が３０％程度のCaO安定化ZrO₂等の多孔質セラミックからなり、その外側にLaMnO₃系材料からなる多通気孔性の空気極、Y₂O₃安定化ZrO₂等からなる固体電解質、多通気孔性のNi/ZrO₂等の燃料極が順次設けられている。

このような構成になる円筒横縞型の燃料電池の例として、円板状の基体部と該基体部に接合された複数の基体管（燃料セル支持管）を有する燃料電池が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、複数の燃料電池セル管とそれに支持される管板を備えた燃料電池が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−３０８８５４号公報 特開２００４−２２３６８号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたものは、基体部と燃料セル支持管の接合部分をガスの不透過膜である電解質で被覆したことを特徴としており、基体部によるセル支持管の支持構造に関しては何らの開示もなされていない。また、特許文献２に開示されたものは、燃料電池セル支持管（セルチューブ）と管板とを締り嵌めにより接合した構造であり、本願はこの特許文献２に記載の燃料電池の改良に関するものである。

特許文献２に記載の燃料電池モジュールを断熱壁で覆った状態の概略構成を図８に示す。このような断熱壁で覆ったモジュールを複数個連ねて大容量の燃料電池が構成される。同図において、１はセルチューブ、２は上部ヘッダーで、該上部ヘッダー２は管板５と該管板５を固定支持する額縁部材３、４を含む。２’は下部ヘッダーで、該下部ヘッダー２’は管板５’と該管板５’を固定支持する額縁部材３’、４’を含み、これらは図示しない手段で結合されている。下部ヘッダー２’は支持台８に支持されている。９は断熱材よりなる壁であり、１０は上部ヘッダー２を覆うカバーである。前記断熱壁９と額縁部材３、４、３’、４’の間はシールされて複数の燃料電池セルチューブ１が存在する空間が形成されている。燃料電池セルチューブ１は管板５、５’を貫通し、該貫通部で締り嵌めされており、該締り嵌めによる接合によりシール効果と接着効果が保持されている。セルチューブ１の該締り嵌め嵌合部には、例えば酸化アルミニューム等の耐熱性の電気絶縁層が形成されている。断熱壁９及びカバー１０を取り除いた内部モジュールの斜視図を図９に示し、図８と同じ構成部材には同じ符号を付してある。２１は図８においては省略した断熱部材である。また、３１は燃料電池セルである。この燃料電池は各セル３１が直列に連結された横縞型の円筒型固体酸化物形燃料電池である。図１０は図８におけるＸ矢視に相当する図で、多数のセルチューブが配列されている状況を示したものである。

図８に戻って、燃料ガスが、図示しない通路を介して上部ヘッダー２内に供給され、セルチューブ内を通って下部ヘッダーに流され、下部ヘッダーから図示しない通路を介して外部の装置に排出される。一方酸化剤としての空気が図示しない通路を介して管板５、５’と断熱壁９で囲まれた空間に供給され図示しない通路を介して外部の装置に排出される。セルチューブ１は、基体管の外周に燃料極、電解質、空気極の層が順次に形成された燃料電池セル３１を含む。供給された空気中の酸素はチューブ外面の空気極（カソード）で電子を受け取ってO^2-イオンとなり、電解質層を通過する。一方、セルチューブ１の空洞を通る燃料ガスは多孔質の基体管を通過して燃料極（アノード）で電解質を移動してきたO^2-イオンと反応して水と二酸化炭素に変わる。このとき電子が放出され、電流となってセルチューブ先端部で取り出されるが、集電部については図示省略してある。燃料電池セル３１は発電中は温度９００℃〜１０００℃に保持される。未反応の燃料ガスを含んだ排気ガスは下部ヘッダーから図示しない外部装置に送られる。酸素が消費されて未消費の残存酸素を含んだガスも図示しない外部装置に送られる。これらのガスは外部装置で再燃焼されて燃料や空気の予熱や燃料の改質などに利用された後に大気中に排出される。

しかしながら、特許文献２の燃料電池の構成では、上部ヘッダー２及び下部ヘッダー２’の管板５、５’にセルチューブ１が締り嵌めにより接合され、上部ヘッダーはセルチューブにより支持され、上部ヘッダーとセルチューブは下部ヘッダーの管板に支持され、これらが下部ヘッダーを介して支持台８に支持される構成であり、管板の熱変形やヘッダーの重量による変形のためにセルチューブと管板の接合部に曲げモーメントが掛かってセルチューブが折損することがあり、セルチューブに対する荷重を軽減する支持構造が求められている。また、セルチューブが破損に至らなくてもセルチューブと管板との嵌合部の変形により燃料ガス側と空気側の気密が損なわれることがある。

従って、本発明は、セルチューブに対する荷重を軽減して燃料ガス側と空気側の気密が損なわれるのを防止し、さらにはセルチューブの破損を防止する支持構造の円筒型固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、周面に燃料電池セルが形成された複数の燃料電池セルチューブと、前記複数の燃料電池セルチューブ内に燃料ガスを供給するための第１ガス室と、前記燃料電池セルで発電反応済みの燃料ガスを排出するための第２ガス室とが前記燃料電池セルに酸化剤ガスを供給する第３ガス室を介して隔離して配置してなる固体酸化物形燃料電池において、前記第１若しくは第２ガス室（以下燃料ガス室という）と前記第３ガス室とを区画する管板を少なくとも２枚の管板からなり、その各々が前記燃料ガス室に固定された額縁部材により挟まれて支持された多重管板で形成するとともに、該多重管板より燃料ガス室側に挿設されてなる燃料電池セルチューブの両端部の前記管板嵌合部において、燃料ガス室側に位置する１の管板側に気密機能を持たせ、第３ガス室側に位置する他の管板にセル支持機能を持たせるように、前記嵌合部形状若しくは管板肉厚を異ならせ、前記燃料ガス室側に位置する１の管板周縁部を固定する固定支持端から該固定支持端に最も隣接する燃料電池セルチューブの嵌合部までの距離を、前記第３ガス室側に位置する他の管板周縁部を固定する固定支持端から該固定支持端に最も隣接する燃料電池セルチューブの嵌合部までの距離よりも長くしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池を提案する。

例えば、前記第１ガス室を上部に、第２ガス室を下部に配置すれば、前記第１ガス室は第１管板と燃料電池セルチューブとの接合部で該セルチューブに支持されることになり、第１ガス室とセルチューブの接合体が第２ガスの管板である第２管板とセルチューブとの接合部で該第２管板に支持されることになる。この場合、下部に配置された第２ガス室は支持台に支持される。発電中は燃料電池セルは９００〜１０００℃の高温に保たれるので、セルチューブと管板との接合部には第１ガス室の重量や第１ガス室とセルチューブの合計重量による垂直荷重に加えて管板等の熱膨張に起因する荷重が掛かることになる。そしてこれらの荷重はセルチューブに対してその軸方向に沿う力に加え曲げモーメントとして作用し、第１及び第２管板の周縁部がそれぞれの燃料ガス室の側壁に固定支持された固定支持端に隣接する位置で管板に接合されたセルチューブと管板との接合部で最も大きくなる。

第１管板とセルチューブの接合部においては第１ガス室の重量による垂直荷重が掛かり、第２管板とセルチューブの接合部においては第１ガス室とセルチューブの合計重量による垂直荷重がかかるので、第２管板とセルチューブとの接合部に掛かる垂直荷重の第１管板とセルチューブとの接合部にかかる垂直荷重よりも大きくなる。従って、少なくとも下部に配置された第２ガス室の管板である第２管板は２重以上の多重管板とするのがよい。そして、前記多重管板のうち、第２ガス室に面する管板以外には穴を設けて管板間に形成される空間を第３ガス室に連通させ、それらの空間が密閉空間とならないようにする。これにより、密閉空間とされた場合には該密閉空間内に閉じ込められたガスの温度上昇による密閉空間内の圧力上昇により管板とセルチューブとの接合部に掛かる力を排除することができる。

また、前記燃料ガス室側に位置する１の管板周縁部を固定する固定支持端から該固定支持端に最も隣接する燃料電池セルチューブの嵌合部までの距離を、前記第３ガス室側に位置する他の管板周縁部を固定する固定支持端から該固定支持端に最も隣接する燃料電池セルチューブの嵌合部までの距離よりも長くしている。

固体酸化物形燃料電池を、例えば第２ガス室が支持台に支持され、該第２ガス室の管板（第２管板）にセルチューブ下端部が接合され、セルチューブ上端部に第１ガス室の管板（第１管板）が接合された構成とすると、第１管板とセルチューブとの接合部には第１ガス室の重量が、第２管板とセルチューブとの接合部には第１ガス室とセルチューブの合計重量が垂直荷重として掛かる。垂直荷重により、特に管板周辺の固定支持端の隣に位置するセルチューブと管板との接合部と前記固定支持端との間に撓みが生じ、セルチューブは管板との接合部においてセルチューブの軸方向に沿う力の他にモーメントが生じる。また、燃料電池の発電中はヘッダーの管板の温度はヘッダーの他の部分の温度よりも高くなる。管板がその周縁部において固定支持されているため、管板が伸びようとしても前記固定支持端で拘束されるので管板には圧縮応力が生じ、セルチューブは管板に押され、前記固定支持端と前記接合部の間で管板に上下方向の変形が生じる、つまり管板が撓みセルチューブには曲げモーメントが掛かる。これらのセルチューブに掛かる垂直荷重及び前記温度差により生じる曲げモーメントは、固定支持端に隣接するセルチューブ、即ち固定支持端の隣に位置するセルチューブにおいて最も大きく、固定支持端から離れた所に位置するセルチューブでは小さくなる。したがって、セルチューブへの荷重が過大となって破損するのは、先ず管板の固定支持端の隣に位置するセルチューブである。

多重管板構造において、燃料ガス室に面する管板には気密機能を持たせ、その他の管板にはセルチューブ支持機能を持たせるのがよい。このため、燃料ガス室に面する管板の周縁部を固定する固定支持端から該固定支持端に隣接する位置で管板に接合されたセルチューブへの接合部までの間の距離を他の管板のそれよりも長くしておくと、垂直荷重による管板の撓みは前記距離が短い方の管板によって略決まり、前記距離が短い方の管板と前記距離が長い方の管板の撓みは同じになるから、前記接合部における管板の撓み角度は前記距離が長い方の管板が前記距離が短い方の管板のそれよりも小さくなる。従って前記距離が長い方の管板からセルチューブとの接合部に掛かる曲げモーメントは小さくなる。該接合部は後述のように管板のフジツボ状の穴とセルチューブとの締り嵌めにより接合する場合、該接合部における曲げモーメントが小さい程フジツボ状の穴部の変形が小さくなり、フジツボ状の穴における変形により接合部のシール機能が低下してガスの漏洩が生じるような不具合を防止することができる。即ち、本発明の多重管板構造によれば、前記距離が短い方の管板、即ち燃料ガス室に面する管板以外をセルチューブとの接合部で荷重を担う耐荷管板とし、燃料ガス室に面する前記距離が長い方の管板をセルチューブとの接合部でシール機能を受け持つシール管板として役割分担をすることができる。

そして、燃料ガス室に面する１の管板は第３ガス室に面する他の管板よりも肉薄に形成するのがよく、特に燃料ガス室に面する管板周縁部を固定する固定支持端から該固定支持端に隣接する位置で管板に接合されたセルチューブへの接合部までの間の距離を長くした管板を距離が短い管板よりも薄くするのがよい。ガスシール機能を持たせるシール管板は、できるだけシール機能保持に可能な限り薄くし、また前記の距離を長くすることによって、温度差や垂直荷重によるセルチューブと管板の締り嵌め嵌合部における前記したような温度差による荷重を低減することができる。この締り嵌めによる接合部、即ちフジツボ状の穴部における荷重が大きい程フジツボ状の穴部の変形が大きくなり、極端な場合には嵌合部に部分的隙間が生じてシール機能が損なわれる虞があるが、この嵌合部の荷重を軽減することによりそのような危惧を排除することができる。

次に、管板とセルチューブの接合については、セルチューブが管板のフジツボ（富士壷）状に形成された穴に嵌入されて締り嵌めにより管板に接合するのがよい。このように、管板のフジツボ状に形成された穴にセルチューブを圧入して締り嵌めで接合すること自体は特許文献２における図に教示されている。本発明では、前記フジツボ（富士壷）状の穴はセルチューブの先端側に向かって窄む形状に形成する。これによりセルチューブの嵌入が容易になる。即ち、フジツボ（富士壷）状の穴のアール面側からセルチューブ先端側を容易に圧入できる。

セルチューブは多孔質のセラミック材からなり、セルチューブの管板に嵌入される部位の最外周表面には電気絶縁層が形成されるのであるが、その外周の真円度を保証することは必ずしも容易ではない。セルチューブには外周の真円度が保証されたリング部材を固着し、該リング部材の外周を管板のフジツボ状穴に嵌入して管板と接合することにより、接合部におけるガス漏洩をより完全に防止することができる。このことも前記特許文献２に教示されている。前記リング部材のセルチューブへの固着は適切な耐熱性と接着強度を有する無機系接着剤或はその他の手段で行なわれてガスシールされる。

前記セルチューブ先端部にリング部材を固着し、該リング部材を前記管板のフジツボ（富士壺）状に形成された穴に嵌入して溶接により管板に気密接合してもよい。

前記管板の周縁部を固定支持する部材の固定支持端の形状を該固定支持端に隣接する位置で管板に接合されたセルチューブの前記固定支持端に対面する側の外周に一定の距離をおいて沿う形状としてもよい。管板が垂直方向にある量撓んだ際に管板のセルチューブとの接合部に生じる応力は、先に述べたように、固定支持端からセルチューブと管板の接合部位までの距離により異なり、該距離が大きい程小さくなる。従って、この距離がセルチューブとの接合部位（円周上の部位）によって異なれば、異なる接合部位における管板の応力、つまりセルチューブが管板から受ける力も異なり不均一となる、即ち円筒セルの前記管板固定支持端側の外周に掛かる荷重が不均一になる。上記のように、固定支持端の形状を該固定支持端の隣に位置して管板に接合されたセルチューブの外径と一定の距離をおいて該外径に沿う形状とすることにより、管板から受ける荷重が最も過酷になる固定支持端の隣に位置して管板に接合されたセルチューブの前記固定支持端側の円周に掛かる荷重が均等化される。荷重そのものは同じ大きさであるので、均等化されれば特に大きな荷重が掛かる円周上の部位がなくなり、信頼性が向上する。

前記第１、第２管板を共に２枚の管板からなる２重管板とするとともに、前記燃料電池セルチューブの両端部に直径段差部を設け、前記第３ガス室に面する管板の貫通穴周縁面を前記セルチューブの直径段差部の肩に当接させることによりセルチューブ支持機能を持たせるように構成することもよい。

このような構成では、セルチューブに掛かる垂直荷重を前記セルチューブに設けた直径段差部に第３ガス室に面する管板を当接させて担持するので、締り嵌めの場合に生じる嵌合部の緩みによる支持力低下の虞はなくなる。前記直径段差部における管板の貫通穴をセルチューブとの嵌合部に隙間を設けておけば、該管板の熱膨張に起因する変形に伴う荷重は排除することができる。

また、前記第３ガス室に面する管板は、前記燃料電池セルチューブに直径段差部を設けたリング部材を固着し該リング部材の直径段差部に当接させてセルチューブ支持機能を持たせるのもよい。このような構成では、セルチューブを小径部と大径部を有する段付き形状に形成する代わりにリング部材を段付き形状にしてセルチューブに固着するので、セルチューブの製作が容易になる。

さらに、第３ガス室に面する管板が特定のセルチューブ、特に管板の固定支持端に隣接するセルチューブの直径段差部或はセルチューブに固着されたリング部材の直径段差部で管板に当接してセルチューブ支持機能を持たせるようにしてもよい。

周面に燃料電池セルが形成された複数の燃料電池セルチューブと、前記複数の燃料電池セルチューブ内に燃料ガスを供給するための第１ガス室と、前記燃料電池セルで発電反応済みの燃料ガスを排出するための第２ガス室とが前記燃料電池セルに酸化剤ガスを供給する第３ガス室を介して隔離して配置してなる固体酸化物形燃料電池において、燃料ガス室やセルチューブの重力及び各部温度差による熱変形により管板からセルチューブに掛かる荷重を軽減でき、セルチューブの破損やセルチューブと管板との接合部におけるガス漏洩の発生を防止できる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明の円筒型固体酸化物形燃料電池の第１の実施形態の概略構成を示す図である。燃料電池としてのとしての全体的構成は図７、９の従来構成で説明したのと同じであり、説明は省略する。図１は内部モジュールの概略構成のみを示したものである。図１においては、管板を２重にし、1枚を主として荷重を支える耐荷管板とし、他の1枚は板厚を薄くして主としてセルチューブと管板との接合部のガスシール機能を確実にするシール管板となるように構成してある。同図において、符号１は燃料電池セルチューブ、２は上部ヘッダー（第１ガス室）で、該上部ヘッダー２は上部第１管板５、上部第２管板６、上部額縁部材３、４、７を含み、これらは図示しない手段で結合されている。２’は下部ヘッダー（第２ガス室）で前記上部ヘッダーと同様な構成であり、同じ構成には’を付してある。セルチューブ１は後述するように管板５、６、５’、６’に締り嵌めにより接合され、セルチューブ１の該接合部には例えは酸化アルミニュームなどの耐熱性の電気絶縁層が形成されている。前記上部第１管板５は上部額縁部材３、４に挟まれて固定支持され、上部第２管板６は上部額縁部材４、７に挟まれて固定支持される。下部ヘッダー（第２ガス室）についても同様である。上部第２管板６を固定支持する額縁部材の固定支持端と該固定支持端の隣に位置するセルチューブ１との間の距離L_２は上部第１管板５を固定支持する額縁部材の固定支持端と該固定支持端の隣に位置するセルチューブ１との間の距離L_１よりも長くしてある。

上部ヘッダー２の重量による垂直荷重やヘッダーの管板とヘッダーの他の部分との温度差による熱膨張差により管板とセルチューブとの接合部には荷重が掛かるが、その荷重は先に説明したように前記距離L₂が長い第２管板６の方が距離L₁の短い第１管板よりも小さくなる。しかしながら、距離Lが長いと、垂直荷重による撓みが大きくなり、上部ヘッダー２の管板５、６がセルチューブ１に、また上部ヘッダー２とセルチューブ１の接合体が下部ヘッダー２’の管板５’、６’に安定的に支持できなくなるので、この撓みは第１管板５、５’で小さく抑えるようにしてある。従って、第２管板6、６’から該管板とセルチューブとの接合部に掛かる力は小さくなり、該接合部においてはガス漏洩が生じることがなくなる。即ち、第１管板５、５’は主として荷重を担う耐荷管板として、第２管板６、６’はシール管板として機能する。

図３に示すように管板５の穴をフジツボ（富士壷）状の穴に形成して該穴にセルチューブを締り嵌めした場合で、板厚0.5mmの管板1枚の場合と、0.5mmと0.3mmの２重管板の場合について、管板からセルチューブに掛かる力の指標となる前記フジツボ状穴のアール部５ｂの応力を、垂直荷重を掛けた場合とヘッダーと管板間に温度差を与えた場合につき測定した。その結果、垂直荷重に対しては２重管板構成の0.5mm管板の応力は1枚管板の場合より若干低下し、0.３mm管板の応力は1/7〜1/10になり、温度差に対しては同じ温度差で２重管板構成の0.5mm管板の応力は1枚管板の場合より若干低下し、0.３mm管板の応力は1/２〜1/３になった。上記応力が小さい程、セルチューブと管板の接合部のへたり等によるガス漏洩発生の虞も小さくなる。従って、管板を２重管板に構成し、一方の管板は薄くするとともに同じ変位に対する撓みの傾斜角が小さくなるように支持してシール機能に優れた管板にし、他方の管板に荷重を支える機能を持たせるようにすることにより、セルチューブと管板の接合部におけるガス漏洩の発生を完全に防止することができる。

２重管板は図１に示すように、ヘッダー内空間に面する方の管板を第２管板（シール管板）６、６’に、燃料電池セル側（セルチューブ１の中央側）の空間に面する管板を第１管板（耐荷管板）５、５’に構成し、耐荷管板５、５’に穴５ａ、５ａ’を設けるのが好ましい。これにより、ヘッダー内の空間（燃料ガス室）と燃料電池セル側空間（第３ガス室）とがシール機能が優れたシール管板でシールされる。

図１の実施例は２枚の管板の厚さと固定支持の支点距離（L₁、L_２）が異なる構成であるが、２枚の管板を同じ構成としても荷重が分散されるので、セルチューブに掛かる荷重は軽減される。セルチューブと管板の接合部に掛かる垂直荷重は下部ヘッダーの管板においてはセルチューブの重力による垂直荷重が追加されるので、下部ヘッダーの管板における方が上部ヘッダーの管板におけるよりも大きくなる。このことから、下部ヘッダーの管板のみを２重管板とし上部ヘッダーの管板は1枚の管板としてもよい。

図２は第２の実施形態の概略構成を示す図で、第２管板（シール管板）6、６’の額縁部材４、７及び４’、７’への固定支持端と該固定支持端に隣接する位置で管板に接合されたセルチューブ１までの間を波状６ａ、６’ａに形成して熱膨張による管板の変形に柔軟性をもたせたもので、図１と同じ構成については同じ符号を付し、説明は省略する。この第２管板（シール管板）の柔軟性により、垂直荷重及び管板の熱膨張に起因して掛かる荷重が軽減されるので、セルチューブの圧入部における前記シール管板の変形によってセルチューブに掛かる荷重が小さくなって嵌合部に局部的な隙間が生じるような事態が防止され、シール機能が向上する。そして、垂直荷重は殆どが第１管板によって担われる。

図３及び図４はセルチューブと管板との接合部を説明するための図で、このような接合方法は本発明と同一出願人の出願になる前記特許文献２に開示されているが簡単に説明する。図３において、管板５のセルチューブを圧入して締り嵌めする穴はセルチューブの先端側に向かって窄む形状フジツボ（富士壷）状に形成されていて、このフジツボ（富士壷）状の穴の縁がセルチューブ１を締め付けることによりセルチューブ１が管板５に接合されている。

図４ではリング部材３１が接着材３２によりセルチューブ１に接着され、前記リング部材３１が管板１のフジツボ（富士壷）状穴の縁での締り嵌めによりセルチューブ１に接合されている。接着剤３２としては適切な耐熱性と接着強度を有する無機系接着剤などが用いられる。前記リング内径にはショットピーニングを施すと接着剤の接着力が向上する。図３、４に示すように、前記フジツボ（富士壷）状の穴はセルチューブの先端側に向かって窄む形状に形成することによりセルチューブの嵌入が容易になる。即ち、フジツボ（富士壷）状の穴のアール面側からセルチューブ先端側を容易に圧入できる。

図５は本発明の第３実施形態に係るセルチューブを介してのヘッダー支持構造を示す局部断面図である。同図において、２は上部ヘッダーで、該上部ヘッダー２は上部第１管板１２、上部第２管板６、額縁部材（符号省略）を含む。２’は下部ヘッダーで、該下部ヘッダー２’は下部第１管板１３、下部第２管板６’、額縁部材（符号省略）を含む。１１はセルチューブである。この実施例では、セルチューブ１１は上下の先端部が小径１１ａ、１１ｂに形成されており、上部の小径部１１ａが上部第１管板１２の穴を貫通して該上部第１管板の嵌合穴周縁面が前記セルチューブの上端部が小径となる直径段差部の肩に当接し、下部の小径部１１ｂが下部第１管板１３の穴を貫通して前記セルチューブの下端部が小径となる直径段差部の肩が下部第１管板１３の嵌合穴周縁面に当接している。

図５では上部第１管板１２及び下部第１管板１３のセルチューブ１１の小径部１１ａ、１１ｂが貫通する穴はそれぞれセルチューブ１１の中央側方向へ窄むフジツボ（富士壷）状に形成されているが、単なる穴に形成してもよい。管板は薄板で形成する場合、各穴をフジツボ（富士壷）状に形成することにより管板の剛性を増大することができる。上部第１管板１２及び下部第１管板１３の穴とセルチューブの小径部１１ａ、１１ｂの間に適当な間隙を設けてはおけば、管板１２、１３の嵌合穴周縁面はセルチューブ１１の前記直径段差部の肩に当接するのみで、該セルチューブ１１に拘束されることはない。従って、管板１２、１３が熱変形してもセルチューブに力を及ぼすことはない。

上部第２管板６及び下部第２管板６’のセルチューブ１１の小径部１１ａ、１１ｂが貫通する穴はフジツボ（富士壷）状に形成され、該穴とセルチューブ１１の小径部１１ａ、１１ｂは締り嵌めとされて該締り嵌め部でシール機能を果たす。
このような構成によれば、前記セルチューブ１１の肩部を介して垂直荷重が管板の熱膨張に起因する力を受けることなく担持され、シール機能は熱膨張に起因してセルチューブに掛かる力が低減されるように構成された第２管板６、６’により保持される。

第１管板の穴部の全てが多数のセルチューブの直径段差部の肩に当接するようにすることは精度上の困難を伴うので、特定のセルチューブ、特に第１管板が額縁部材に固定される固定支持端に最も近接する位置に配置されたセルチューブを前記直径段差部を有するように形成して該段差部の肩を介して垂直荷重を担持するようにしてもよい。

図６は本発明の第３実施形態に係るセルチューブを介してのヘッダー支持構造を示す局部断面図である。この実施例はセルチューブ１１にリング部材３３、３４を固着し、該リング部材３３、３４の外径は大径部と小径部からなる段付きに形成されており、該直径段差部の肩部を介して垂直荷重を担持するもので、その他は図５の第４実施例と同様であり、説明は省略する。セルチューブは多孔性のセラミックで作製されるので、前記肩の位置を精度よく製作するのは必ずしも容易ではなく、また、セルチューブの外周に形成された燃料電池セルで発電された電流を前記肩部を通過してセルチューブの先端側に導く構造も複雑にならざるを得ないが、これらの点でこの第４の実施例によればセルチューブの製作がより容易になる。この場合も、特定のセルチューブのみ直径段差部を有するリング部材を固着して支持機能を受け持つようにしてもよい。なお、リング部材３３、３４のセルチューブ１への固着は適切な耐熱性と接着強度を有する無機系接着剤などが用いられる。

図７は本発明の実施形態に係る管板の周縁部を固定する額縁部材の固定端部形状を示す平面図で、1はセルチューブ、４は額縁部材、５は管板である。同図はセルチューブの配列が５列でチューブ１０４本の場合を示すが、管板５を固定支持する額縁部材４固定支持端４cの形状は、該固定支持端に隣接する位置で管板に接合されたセルチューブの前記固定支持端に対面する側の外周に一定の距離をおいて沿う形状としてある。従来技術の場合の平面図である図１０では、額縁部材４固定支持端４ａの形状は直線に形成されている。この場合、直線状の固定支持端から該固定支持端の隣に位置するセルチューブの前記固定支持端に面する側の外周までの距離はセルチューブと管板の接合部位、つまり接合部の前記セルチューブ中心からの方向によって異なる。前述したように、管板が垂直方向にある量撓んだ際に管板のセルチューブとの接合部に生じる応力は固定支持端からセルチューブと管板の接合部位までの距離によって異なり、該距離が大きい程小さくなる。従って、この距離が接合部位によって異なれば、セルチューブとの接合部における管板の応力、つまりセルチューブが管板から受ける力も接合部位によって異なり不均一となる。

この実施例では、図７に示すように、額縁部材４の管板の周縁部を固定支持する支持部材の固定支持端４cの形状を該固定支持端の隣に位置するセルチューブの前記固定支持端に面する側の外周に一定の距離をおいて沿う形状とした。これにより、垂直荷重により管板から管板とセルチューブの接合部の前記固定支持端側部位に掛かる力が均一化され、一方垂直荷重そのものは同じであるので、特に大きな力を受ける部位がなくなる。そして、管板のセルチューブとの接合穴部の変形も均一化され、不均一な変形による締り嵌め力の不均一化が接合部からのガス漏洩を惹起することもなくなる。なお、額縁部材の前記固定支持端はセルチューブの前記固定支持端に面する側の外周においてセルチューブ中心角で大体１２０°に亘って沿うように形成される。

円筒型固体酸化物形燃料電池のセルチューブを上部ヘッダーの及び下部ヘッダーに対する支持部材として利用する構成の燃料電池において、セルチューブと管板の接合部に掛かる垂直力による荷重及びヘッダーと管板の温度差による膨張の差異に起因する荷重を軽減することができ、また、垂直荷重を担う耐荷管板とシール機能を果たすシール管板を設けることにより、セルチューブの折損やセルチューブと管板の接合部におけるガス漏洩の発生を防止することができるので、信頼性の高い円筒型固体酸化物形燃料電池を提供できる。

本発明の第１の実施例に係る固体酸化物形燃料電池のモジュールの概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る固体酸化物形燃料電池のモジュールの概略構成を示す図である。 固体酸化物形燃料電池におけるセルチューブと管板との接合形態を示す一実施例の局部断面図である。 固体酸化物形燃料電池におけるセルチューブと管板との接合形態を示す他の実施例の局部断面図である。 本発明の第３の実施例に係るセルチューブを介してのヘッダー支持構造を示す局部断面図である。 本発明の第４の実施例に係るセルチューブを介してのヘッダー支持構造を示す局部断面図である。 本発明の実施例に係る管板の周縁部を固定支持する額縁部材の固定端部形状を示す平面図である。 本発明が適用される従来の円筒型固体酸化物形燃料電池の概略構成を示す図である。 本発明が適用される従来の円筒型固体酸化物形燃料電池の内部モジュールの斜視図である。 図８におけるＸ矢視に相当する平面図である。

符号の説明

１、１１ セルチューブ
２ 上部ヘッダー
２’ 下部ヘッダー
３、４、７ 額縁部材
５、１２、１３ 管板（耐荷管板）
６、 管板（シール管板）
８ 支持台
９ 断熱壁
１０ カバー
２１ 断熱部材
３１ リング部材
３２ 接着剤
３３、３４ リング部材

Claims (7)

1. 周面に燃料電池セルが形成された複数の燃料電池セルチューブと、
   前記複数の燃料電池セルチューブ内に燃料ガスを供給するための第１ガス室と、前記燃料電池セルで発電反応済みの燃料ガスを排出するための第２ガス室とが前記燃料電池セルに酸化剤ガスを供給する第３ガス室を介して隔離して配置してなる固体酸化物形燃料電池において、
   前記第１若しくは第２ガス室（以下燃料ガス室という）と前記第３ガス室とを区画する管板を少なくとも２枚の管板からなり、その各々が前記燃料ガス室に固定された額縁部材により挟まれて支持された多重管板で形成するとともに、該多重管板より燃料ガス室側に挿設されてなる燃料電池セルチューブの両端部の前記管板嵌合部において、燃料ガス室側に位置する１の管板側に気密機能を持たせ、第３ガス室側に位置する他の管板にセル支持機能を持たせるように、前記嵌合部形状若しくは管板肉厚を異ならせ、
   前記燃料ガス室側に位置する１の管板周縁部を固定する固定支持端から該固定支持端に最も隣接する燃料電池セルチューブの嵌合部までの距離を、前記第３ガス室側に位置する他の管板周縁部を固定する固定支持端から該固定支持端に最も隣接する燃料電池セルチューブの嵌合部までの距離よりも長くしたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記燃料ガス室に面する１の管板の厚さを前記第３ガス室に面する他の管板よりも薄肉に形成したことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 前記管板嵌合部の気密機能部が、管板に形成された穴に、前記セルチューブが嵌入され締り嵌めにより管板に接合されて構成されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記管板嵌合部の支持機能部が、セルチューブに固着されたリング部材と、該リング部材外周が管板の穴に嵌入されてなる締り嵌め部とにより構成されてなることを特徴とする請求項３記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記管板嵌合部の支持機能部が、前記燃料電池セルチューブ側に直径段差部を設け、前記管板の嵌合穴周縁面を前記セルチューブの直径段差部の肩に当接させるころによりセルチューブを支持させてなることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記管板嵌合部の支持機能が、前記燃料電池セルチューブの両端部に直径段差部を設けたリング部材を固着し、前記管板の嵌合穴周縁面を前記リング部材の直径段差部の肩に当接させるころによりセルチューブを支持させてなることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
7. 前記管板を周縁部を固定支持する支持部材の固定支持端の形状を該固定支持端に隣接する位置で管板に接合された燃料電池セルチューブの前記固定支持端に対面する側の外周に一定の距離をおいて沿う形状としたことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。

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