JP5122064B2 - 横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドル及びユニット - Google Patents

Description

本発明は、横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドル及びユニットに関し、より具体的には一端から他端に燃料が流通する燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体の外面に複数個のセルを横縞状に配置した横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの複数個を面平行に併置してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドル及びこれを用いた横縞方式の固体酸化物形燃料電池ユニットに関する。

固体酸化物形燃料電池〔ＳＯＦＣ（＝Solid Oxide Fuel Cell）、以下適宜ＳＯＦＣと略称する〕は、一般的には、作動温度が８５０〜１０００℃程度と高いが、最近ではそれ以下、６５０〜８５０℃程度の作動温度のものも開発されつつある。ＳＯＦＣでは、電解質材料を挟んで燃料極と空気極（酸化剤として酸素が用いられる場合は酸素極）が配置され、燃料極／電解質／空気極の三層ユニットで単電池すなわちセルが構成される。

ＳＯＦＣの運転時には、セルの燃料極側に燃料を通し、空気極側に酸化剤として空気を通して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、セル一つでは高々０．７〜０．８Ｖ程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためにセルスタックとして、すなわち複数のセルを電気的に直列に接続してスタック化して構成される。

空気極側に導入される空気中の酸素は空気極で酸化物イオン（Ｏ^2-）となり、電解質を通って燃料極に至る。ここで、燃料極側に導入される燃料（Ｈ₂、ＣＯ）と反応して電子を放出し、電気と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）等の反応生成物を生成する。空気極での利用済み空気は空気極オフガスとして排出され、それら反応生成物を含む利用済み燃料は燃料極オフガスとして排出される。

ところで、ＳＯＦＣにおいては、供給燃料のうち約１０〜２０％は未利用で排出される。発電に使用されなかった利用済み燃料中の未利用燃料については、従来、燃焼させることでＳＯＦＣの運転温度を保つエネルギーなどとして使用されている。また、セルスタックの運転時においては、各セルでの温度の高低により、その性能が大きく変化する。温度分布が大きいと、一部のセルにおいては低い温度で発電することが強いられるため、セルスタック全体としての平均的な運転温度が低下し、電池性能が低下する。また、セルスタック内の温度差は、セルやセルスタック構成部材に熱膨張の差を生じ、それら構成部材の破損につながる。

図２５は特開２００３−２４９２５６号公報や特開２００４−３９４２８号公報に記載されたセルスタックを示す図で、図２５（ａ）は全体の縦断面図、図２５（ｂ）はそのうちセルスタックを含む部分を取り出し、拡大して示した図である。図２５において、１０１は発電装置、１０５はセルスタックであり、セルスタック１０５は断熱容器１０２内の下部に配置されている。セルスタック１０５は間隔を置いた複数のセル１０４で構成され、各セル１０４の燃料流路には燃料供給管１０３が連結されている。

特開２００３−２４９２５６号公報 特開２００４−３９４２８号公報

その運転時において、空気が供給管１０６から導入され、熱交換器１０７で予熱される。予熱空気は分配管１０８を経て、その先端からセルスタック１０５の各セル間に供給される。矢印１０９は空気の折り返し流れ方向である。セルの一端部より排出された利用済み燃料中の未利用の燃料は空気極オフガスにより燃焼域で燃焼する。その燃焼熱は、空気供給管１０６から導入される空気の予熱やセルスタックの温度を保持するために利用される。したがって、セルスタック１０５の燃料導入部近傍のセルの温度と燃料排出端部のセルの温度では、温度差すなわち温度勾配が大きくなり、セルスタック１０５全体を均等な温度とすることができない。

本発明は、従来の固体酸化物形燃料電池において生じるそれらの問題を横縞方式の固体酸化物形燃料電池において解決すためになされたもので、セルスタック、複数のセルスタックで構成したバンドル内の温度勾配を低減して、発電効率を改善し、セルやセルスタックやバンドルの構成部材の破損を防止することができる横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドル及びこれを用いた固体酸化物形燃料電池ユニットを提供することを目的とするものである。

本発明（１）は、横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルであって、一端から他端に燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体の外面に複数個のセルを横縞状に配置した固体酸化物形燃料電池スタックの複数個を面平行に併置してなる固体酸化物形燃料電池バンドルの一対を、該燃料流路の燃料導入孔側を中心にし、且つ、利用済み燃料排出端を一方の横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルの燃料排出孔側と他方の横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルの燃料排出孔側の二面に設けてなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルである。

本発明（２）は、横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルであって、一端から他端に燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体に、その長手方向の中央部に開口を設けるとともに、その外面に該開口から長手方向の両端部に向けて複数個のセルを横縞状に配置した固体酸化物形燃料電池スタックの複数個を面平行に併置してなる固体酸化物形燃料電池バンドルを、該開口間で連結し、利用済み燃料排出端を一方の利用済み燃料排出孔側と他方の利用済み燃料排出孔側の二面に設けてなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルである。

本発明によれば、横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルにおいて、オフガス燃焼域が二面になるように構成することにより、セルスタック内の温度差、温度勾配を低減し、発電効率を改善することができる。セルスタック内の温度差は、セルやセルスタックやバンドルの構成部材に熱膨張の差を生じるが、本発明によればその温度差を低減できることから、それら構成部材の破損を防止することができる。また、横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルを垂直方向に複数個、すなわち上下に複数個配置したユニットにおいて、利用済み燃料排出孔側に改質器を設ける場合、改質器を均一に加熱することができる。

本発明（１）は横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルである。そして、一端から他端に燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体の外面に複数個のセルを横縞状に配置した固体酸化物形燃料電池スタックの複数個を面平行に併置してなる固体酸化物形燃料電池バンドルの一対を、該燃料流路の燃料導入孔側を中心にし、且つ、利用済み燃料排出端を一方の横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルの燃料排出孔側と他方の横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルの燃料排出孔側の二面に設けてなることを特徴とする。

本発明（２）は、横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルである。そして、一端から他端に燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体に、その長手方向の中央部に開口を設けるとともに、その外面に該開口から長手方向の両端部に向けて複数個のセルを横縞状に配置した固体酸化物形燃料電池スタックの複数個を面平行に併置してなる固体酸化物形燃料電池バンドルを、該開口間で連結し、利用済み燃料排出端を一方の利用済み燃料排出孔側と他方の利用済み燃料排出孔側の二面に設けてなることを特徴とする。

本発明で用いるＳＯＦＣセルスタックは、中空部を有する多孔質絶縁性の支持基体の外面に燃料極、電解質及び空気極からなるセルの複数個を横縞状に配置することで構成される。その中空部が燃料流路となり、その一端から他端に燃料が流通する。燃料流路は一個または複数の燃料流路とすることができる。また、その燃料流路は、その断面を長方形状、四角形状、円形状、楕円形状その他適宜の形状とすることができる。

多孔質絶縁性の支持基体の構成材料の例としては下記（１）〜（４）の材料が挙げられるが、これら例示の材料に限定されない。（１）Ｎｉ若しくはＮｉ酸化物（ＮｉＯ）と希土類元素の酸化物が固溶したＺｒＯ₂とからなる材料。その酸化物を構成する希土類元素の例としては、Ｙ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒなどが挙げられる。そのうち、特にＹが好ましく、その酸化物のうち特にＹ₂Ｏ₃がより好ましい。（２）スピネル。（３）フォルステライト。（４）ジルコン酸カルシウム。

《横縞方式のＳＯＦＣセルスタックによるＳＯＦＣバンドルの構成態様１》
本発明のＳＯＦＣバンドルの構成態様１は、横縞方式のＳＯＦＣセルスタックを用いて構成される。図１はその構成例を説明する図である。図１（ａ）は正面図（平面図）、図１（ｂ）は裏面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）中Ａ−Ａ線断面図であり、図１（ｄ）は図１（ｂ）中Ｂ−Ｂ線断面図である。

図１中、２は扁平状で中空部３を有する支持基体で、その中空部３が燃料流路４となる。図１には中空部３が９個の場合を示しているが、その数は適宜選定される。中空部３は、その一端に燃料導入用の開孔５を有し、その他端に利用済み燃料排出用の開孔６を有し、開孔６が利用済み燃料の排出孔となる。支持基体２の表裏両面に燃料極、電解質及び空気極からなるセル７の複数個が横縞状に配置される。図１には、セル７が支持基体２の表裏両面に合計１８個の配置された場合を示しているが、その数は適宜選定される。隣接するセル７間はインターコネクタにより電気的に直列に接続されているが、図示は省略している。こうして横縞方式のＳＯＦＣセルスタック１が構成される。

このように、本構成態様１での横縞方式のＳＯＦＣセルスタック１は、燃料導入孔５側から、利用済み燃料排出孔６側に燃料が流通する燃料流路４を有する多孔質の絶縁性支持基体２の表裏両面に複数個のセルを有している。なお、図１には、支持基体２の横断面が両端に丸みをもつ矩形状の態様を示しているが、そのような断面矩形状とは限らず、横断面四角形状、横断面楕円形状その他各種形状に構成される。

そのように構成した横縞方式のＳＯＦＣセルスタック１の複数個によりＳＯＦＣバンドルを構成する。図２は、そのＳＯＦＣバンドルにおける横縞方式のＳＯＦＣセルスタック、各部材の配置関係を説明する図である。図２（ｂ）は平面図、図２（ａ）はその左側面図〔図２（ｂ）を左から見た図〕、図２（ｃ）はその右側面図〔図２（ｂ）を右側から見た図〕である。なお、図２（ｂ）ではセル７の記載は省略している。

図２のとおり、図１に示すような横縞方式のＳＯＦＣセルスタック１の複数個を燃料流路４の燃料導入用開孔５の位置を一端で揃え、且つ、他端の利用済み燃料排出用開孔６を反対側に向けて配置する。各ＳＯＦＣセルスタック１を固定し、且つ、燃料を分配するマニホールド８を中心にし、マニホールド８からその上下両側に、それぞれ複数個の横縞方式のＳＯＦＣセルスタック１からなるセルスタック群を配置する。マニホールド８の左右両端のうちの一方の端に燃料供給管９が配置され、相対する他方の端は塞がれている。

各セルスタック群を形成する横縞方式のＳＯＦＣセルスタック１は、面平行に等間隔ないしほぼ等間隔に配置され、マニホールド８に固定される。図２では、各セルスタック群を形成する横縞方式のＳＯＦＣセルスタック１の数が合計４０個の場合を示しているが、その数は適宜設定することができる。以下、図３〜５を用いて本構成態様１のＳＯＦＣバンドルの作製例を説明するが、その作製法はここで説明する方法に限定されない。

図３（ａ）はセルスタック群を形成する複数個の横縞方式のＳＯＦＣセルスタック１を示す図、図３（ｂ）はセルスタック群の支持体１１を示す図、図３（ｃ）は支持体１１に対してセルスタック群１０を配置した図である。図３にはセルスタック１が２０個の場合を示しているが、その数は適宜選定される。セルスタック群の支持体１１には、セルスタック群を構成するセルスタックの数に対応した数の開口１２を備えている。各開口１２は、各セルスタック１の横断面の外周の形状〔図１（ｄ）参照〕に対応した形状を有し、それぞれ支持体１１中を上下に貫通している。

各開口１２に対して各セルスタック１を嵌挿し、接合固定する。その接合固定は、開口１２の内周面及びセルスタック１の外周面（すなわち開口１２に嵌挿された分の外周面）間をガラス接合材やセラミックス系耐熱接合材などを用いて接合、固定し且つガスシールすることで行うことができる。図３（ｃ）はこうして構成した横縞方式のＳＯＦＣバンドルの斜視図である。図３（ｃ）のとおり、横縞方式のＳＯＦＣセルスタック１の各々が支持体１１の各開口１２に植設された状態となっている。

図４はこうして構成した横縞方式のＳＯＦＣバンドルを説明する図である。図４（ａ）は正面図〔図３（ｃ）を、そこに示す矢印（←）の方向から見た図〕、図４（ｂ）は側面図〔図３（ｃ）を上方から見た図〕、図４（ｃ）は図４（ｂ）中Ａ−Ａ線断面図である。図４（ｃ）中、矢印（↑）は運転時における燃料の流通方向である。なお、図４ではセル７の記載は省略している。

図４（ａ）〜（ｃ）のとおり、本横縞方式のＳＯＦＣバンドルは、各横縞方式のセルスタック１が支持体１１から一方向に面平行に延びている。そして、各横縞方式のセルスタック１について、その支持体１１側が燃料導入孔５側となり、支持体１１側と相対する側が燃料排出孔６側となる。図４（ｂ）のとおり、本ＳＯＦＣバンドルを上から見ると、支持体１１と、各セルスタック１の端面と、端面における利用済み燃料排出用の開孔６が見える。そして、図４（ｃ）のとおり、燃料は、支持体１１側の各セルスタック１の燃料導入孔５から供給され、各セルスタック１の燃料流路４を通り、各セルスタック１の利用済み燃料排出孔６から排出される。

このようして、一端から他端に燃料流路を有する多孔質の絶縁性支持基体の外面に複数個のセルを横縞状に配置したＳＯＦＣスタックの複数個を面平行に併置してなる横縞方式のＳＯＦＣバンドルが構成される。

〈本発明のＳＯＦＣバンドルの構成例〉
本発明においては、上記のように構成した横縞方式のＳＯＦＣバンドルの二つ、すなわち一対を、燃料流路の燃料導入孔側を中心にし、且つ、一方のＳＯＦＣバンドル（二つのうちの一つ）の利用済み燃料排出孔側と他方のＳＯＦＣバンドル（二つのうちの他の一つ）の利用済み燃料排出孔側とを反対側に向けることで、利用済み燃料排出端を二面に設けて構成する。図５〜６はその作製例を説明する図である。

図５（ａ）は図３のようにして構成したＳＯＦＣバンドルであり、図３（ｃ）及び図４に示すものに相当している。図５（ｃ）は図３のようにして構成したもう一つのＳＯＦＣバンドルであり、図５（ａ）のＳＯＦＣバンドルに対して上下を逆に示している。図５（ｂ）は、両ＳＯＦＣバンドルの支持体１１の間に介在させ、上下両ＳＯＦＣバンドルを接合、固定して連結する部材１３を示す図である。図５（ｂ）のとおり、連結部材１３は空間Ｓを有する矩形状で、その周縁の上下の面１４が支持体１１に対する当接面となる。連結部材１３には、その長手方向両端の一方の端の側壁１５に燃料供給管９を備えている。

図５（ａ）のＳＯＦＣバンドルの支持体１１の周縁下面と、図５（ｂ）の連結部材１３の周縁上面とを当接、接合、固定し、また、図５（ｃ）のＳＯＦＣバンドルの支持体１１の周縁上面と、図６（ｂ）の連結部材１３の周縁下面とを当接、接合、固定して、両ＳＯＦＣバンドルを連結部材１３を介して一体化する。その接合固定は、各当接面間をガラス接合材やセラミックス系耐熱接合材などを用いて直接接合し且つガスシールすることで行うことができる。

図６は、こうして一対のＳＯＦＣバンドルを一体化したＳＯＦＣバンドルを示す図である。図６のとおり、連結部材１３の上下に各ＳＯＦＣバンドルの支持体１１が当接、固定され、当該連結部材１３を介して、ＳＯＦＣバンドルの一対（二つ）が連結されている。上部のＳＯＦＣバンドルの支持体１１と連結部材１３と下部のＳＯＦＣバンドルの支持体１１とによりマニホールド８（図２参照）が構成される。

このようして、燃料流路の燃料導入孔側を中心にし、且つ、利用済み燃料排出端を、一方の横縞方式のＳＯＦＣバンドルの利用済み燃料排出孔側と他方の横縞方式のＳＯＦＣバンドルの利用済み燃料排出孔側の二面に設けてなる横縞方式のＳＯＦＣバンドルが構成される。すなわち、両利用済み燃料排出端は、燃料流路の燃料導入孔側を中心に、反対側に向いている。

図７は図６中Ａ−Ａ線断面図であり、図７中燃料の流れ方向を矢印で示している。燃料供給管９から供給される燃料は、マニホールド８中の空間〔これは連結部材１３の空間Ｓに相当する。図５（ｂ）参照〕を流れながら、相対するＳＯＦＣバンドルの各セルスタック１の各燃料導入孔５に導入される。導入燃料は、燃料流路４を流通しながら発電に寄与し、未利用燃料を含む利用済み燃料は、各セルスタック１の各燃料排出孔６から排出される。すなわち、未利用燃料を含む利用済み燃料は相対する二面の（図７では上下端の）利用済み燃料排出端部から排出される。

《横縞方式のＳＯＦＣセルスタックによるＳＯＦＣバンドルの構成態様２》
本発明のＳＯＦＣバンドルの構成態様２は、構成態様１と同じく、支持基体に燃料流路を有する横縞方式のＳＯＦＣセルスタックを用いて構成されるが、これに用いる横縞方式のＳＯＦＣセルスタックとして、支持基体の長手方向の中央部に開口を有し、その開口部間を連結部材で連結して構成する態様である。

〈構成態様２で用いる横縞方式のＳＯＦＣセルスタックの構成例〉
図８はその横縞方式のＳＯＦＣセルスタック２１の構成例を説明する図である。図８（ａ）は正面図（平面図）、図８（ｂ）は裏面図、図８（ｃ）は図８（ａ）中Ａ−Ａ線断面図、図８（ｄ）は図８（ｂ）中Ｂ−Ｂ線断面図である。図８中、２２は扁平状で中空部を有する支持基体で、支持基体２２にはその長手方向の中央部に開口２３を有する。なお、図８には、支持基体２２の横断面が両端に丸みをもつ矩形状の態様を示しているが、そのような横断面矩形状とは限らず、横断面四角形状、横断面楕円形状その他各種形状に構成される。

支持基体２２にはその内部に中空部２４、２４′を有し、その中空部２４、２４′が燃料流路２５、２５′となる。本例では中空部２４、２４′がそれぞれ９個の場合を示しているが、その数は適宜選定される。燃料流路２５、２５′は開口２３側に燃料導入用の開孔２６、２６′を有し、その両他端すなわち図８（ａ）〜（ｃ）中、上下の端部に燃料排出用の開孔２７、２７′を有している。支持基体２２の表裏両面には、燃料極、電解質及び空気極からなるセル２８が間隔を置いて横縞状に配置される。図８にはセル２８が合計３６個配置された場合を示しているが、その数は適宜選定される。隣接するセル２８間はインターコネクタにより電気的に直列に連結されるが、図示は省略している。こうして横縞方式のＳＯＦＣセルスタック２１が構成される。

このように、本構成態様２での横縞方式のＳＯＦＣセルスタック２１は、支持基体２２の中央部に開口２３を有し、該開口２３に燃料導入用の開孔２６、２６′が位置している。そして、開孔２６、２６′から、それぞれ、両他端すなわち利用済み燃料排出孔２７、２７′側に向けて燃料流路２５、２５′を有している。燃料は、開口２３から開孔２６、２６′を経て燃料流路２５、２５′に流入し、利用済み燃料排出孔２７、２７′から排出される。

〈本発明のＳＯＦＣバンドルの構成例〉
そのように構成した横縞方式のＳＯＦＣセルスタック２１の複数個によりＳＯＦＣバンドルを構成する。図９〜１０はＳＯＦＣセルスタック、各部材の配置関係、その作製の態様例を説明する図である。図９は複数のＳＯＦＣセルスタック２１の配置を示す図である。図９のとおり、隣接するＳＯＦＣセルスタック２１の複数個を面平行に配置し、隣接するＳＯＦＣセルスタック２１の各開口２３間に各連結部材２９が配置される。

図９中、３０は左端すなわち一方の端のＳＯＦＣセルスタックの開口２３に当接、固定される燃料供給用の部材である。図９中、３１は右端、すなわち燃料供給用部材３０と相対する他方の端のＳＯＦＣセルスタック２１の開口２３に当接、固定される閉塞部材であり、該開口２３は部材３１により塞がれる。図１０（ａ）は連結部材２９の斜視図、図１０（ｂ）は燃料供給用部材３０の斜視図、図１０（ｃ）は右端の開口２３に当接される閉塞部材３１の斜視図である。連結部材２９、燃料供給用部材３０には空間Ｓを有する。

図１１はその工作過程を説明する図である。図１１（ａ）は、図９を上方から見た図で、各セルスタック２１の端部の利用済み燃料排出用の開孔２７が見える。隣接するセルスタック２１の長手方向中央部の開口２３（図８〜９参照）間に各連結部材２９が配置される。そして、各開口２３の周縁面と各連結部材２９を当接、接合、固定し、ＳＯＦＣバンドルとして一体化する。図１１（ｂ）はその一体化過程を説明する図で、各開口２３の周縁面と各連結部材２９間に接合材３２を配して当接、接合、固定し、ガスシールする。その接合材としてはガラス接合材やセラミックス系耐熱接合材などを用いる。こうして構成したＳＯＦＣバンドルを図１１（ｃ）に示している。

図１２は、上記のように構成した横縞方式のＳＯＦＣバンドルを示す図である。図１２（ｂ）は平面図で、図１１（ｃ）に示す矢印（↑）の方向から見た図に相当している。図１２（ａ）はその左側面図〔図１２（ｂ）を左側から見た図〕、図１２（ｃ）はその右側面図〔図１２（ｂ）を右側から見た図〕である。なお、図１２（ｂ）ではセル２８の記載は省略している。

図１２のとおり、横縞方式のＳＯＦＣセルスタック２１の複数個が面平行に等間隔ないしほぼ等間隔に配置され、各開口２３の箇所を中心にし、その各開口２３の間に各連結部材２９が配置されて連結されている。最左端のＳＯＦＣセルスタック２１の開口２３に燃料供給用部材３０が当接固定され、最右端のＳＯＦＣセルスタック２１の開口２３は閉塞部材３１が当接固定され、その開口２３は塞がれている。

燃料供給用部材３０から供給される燃料は、各開口２３、その間の各連結部材２９の空間Ｓ〔図１０（ａ）参照〕で形成された空隙、すなわちマニホールドを流れながら、各ＳＯＦＣセルスタック２１の燃料導入用の開孔２６、２６′に導入される。導入燃料は、燃料流路２５、２５′を流通しながら発電に寄与し、未利用燃料を含む利用済み燃料は、各セルスタック２１の各燃料排出孔２７、２７′から排出される。すなわち、未利用燃料を含む利用済み燃料は相対する二面（図１２では上下の端面）の利用済み燃料排出端部から排出される。

《横縞方式のＳＯＦＣセルスタックによるＳＯＦＣバンドルの構成態様３》
本ＳＯＦＣバンドルの構成態様３は、基本的には《横縞方式のＳＯＦＣセルスタックによるＳＯＦＣバンドルの構成態様２》と同様であるが、横縞方式のＳＯＦＣセルスタックの横幅を小さくした場合である。図１３はその横縞方式のＳＯＦＣセルスタックの構成例を説明する図である。

〈構成態様３で用いる横縞方式のＳＯＦＣセルスタックの構成例〉
図１３（ａ）は正面図（平面図）、図１３（ｂ）は裏面図、図１３（ｃ）は図１３（ａ）中Ａ−Ａ線断面図、図１３（ｄ）は図１３（ｂ）中Ｂ−Ｂ線断面図である。図１３中、４２は扁平状で中空部を有する支持基体で、支持基体４２にはその長手方向の中央部に開口４３を有する。なお、図１３には、支持基体４２の横断面が両端に丸みをもつ矩形状の態様を示しているが、そのような横断面矩形状とは限らず、横断面四角形状、横断面楕円形状その他各種形状に構成される。

また、支持基体４２には、その内部に中空部４４、４４′を有し、その中空部４４、４４′が燃料流路４５、４５′となる。本例では中空部４４、４４′がそれぞれ４個の場合を示しているが、その数は適宜選定される。燃料流路４５、４５′は、開口４３側に燃料導入用の開孔４６、４６′を有し、その両他端すなわち図１３（ａ）〜（ｃ）中、上下の端に燃料排出用の開孔４７、４７′を有している。支持基体４２の表裏両面には、燃料極、電解質及び空気極からなるセル４８の複数個が間隔を置いて横縞状に配置される。図１３にはセル２８が合計３６個配置された場合を示しているが、その数は適宜選定される。なお、隣接するセル４８間はインターコネクタにより電気的に直列に連結されるが、図示は省略している。

こうして横縞方式のＳＯＦＣセルスタック４１が構成される。このように、本横縞方式のＳＯＦＣセルスタック４１は、支持基体４２の中央部に開口４３を有し、該開口４３に燃料導入用の開孔４６、４６′が位置している。開孔４６、４６′から、それぞれ、両他端すなわち利用済み燃料排出孔４７、４７′側に向けて燃料流路４５、４５′を有している。燃料は、開口４３から開孔４６、４６′を経て燃料流路４５、４５′に流入し、利用済み燃料排出孔４７、４７′から排出される。

〈本発明のＳＯＦＣバンドルの構成例〉
そのように構成した横縞方式のＳＯＦＣセルスタック４１の複数個によりＳＯＦＣバンドルを構成する。図１４〜１５はその工作過程を説明する図である。

図１４のとおり、隣接するセルスタック４１の長手方向中央部の各開口４３（図１３参照）間に各連結部材４９が配置される。５０は左端のＳＯＦＣセルスタックの開口４３に当接される燃料供給用の部材（燃料供給管）である。また、５１は右端、すなわち燃料供給用部材５０と相対する他方の端のＳＯＦＣセルスタック４１の開口４３に当接される閉塞部材である。図１５（ａ）は連結部材４９の斜視図、図１５（ｂ）は燃料供給用部材５０の斜視図、図１５（ｃ）は右端の開口４３に当接される閉塞部材５１の斜視図である。連結部材４９、燃料供給用部材５０には空間Ｓを有する。

そして、各開口４３の周縁面と各連結部材４９を当接、固定し、ＳＯＦＣバンドルとして一体化する。その際、各開口４３の周縁面と各連結部材４９間に接合材を配して接合、固定し、ガスシールする。また、最左端のＳＯＦＣセルスタック４１の開口４３の箇所に燃料供給用部材５０が接合材を介して接合、固定され、最右端のＳＯＦＣセルスタック４１の開口４３は閉塞部材５１が接合材を介して接合、固定され、その開口４３は部材５１で塞がれる。それらの接合材としてはガラス接合材やセラミックス系耐熱接合材などが用いられる。こうして構成されたＳＯＦＣバンドルを図１６〜１７に示している。

図１６（ｂ）は平面図、図１６（ａ）はその左側面図〔図１６（ｂ）を左側から見た図〕、図１６（ｃ）はその右側面図〔図１６（ｂ）を右側から見た図〕である。なお、図１６（ｂ）中、セル４８の記載は省略している。図１６のとおり、図１３に示すような横縞方式のＳＯＦＣセルスタック４１の複数個が面平行に等間隔ないしほぼ等間隔に配置され、各開口４３（図１３、図１４参照）の箇所を中心にし、その各開口４３間に各連結部材４９が配置されて連結されている。

最左端のＳＯＦＣセルスタック４１の開口４３に燃料供給用部材５０が当接固定される。また、最右端のＳＯＦＣセルスタック４１の開口４３は閉塞部材５１が当接固定され、その開口４３は塞がれている。図１７はそのＳＯＦＣバンドルを水平ないしほぼ水平に配置した場合の斜視図である。図１７中、５２として示すように、バンドル全体をその中央部その他適宜の箇所で補強部材５２等で補強してもよい。図１６〜１７の構成例では、最右端の開口４３（図１３、図１４参照）が部材５１で塞がれているが、部材５１に代えて燃料供給用部材５０を接続し、両方から燃料を供給する構造としてもよい。この場合には、図１７において、そこに示す燃料供給用部材５０は、これと相対する側にも配置される。

燃料供給用部材５０から供給される燃料は、各開口４３、その間の各連結部材４９の空間Ｓ〔図１５（ａ）参照〕で形成された空隙（すなわちマニホールド）を流れながら、各ＳＯＦＣセルスタック４１の燃料導入用の開孔４６、４６′に導入される。導入燃料は、燃料流路４５、４５′を流通しながら発電に寄与し、未利用燃料を含む利用済み燃料は、各セルスタック４１の各燃料排出孔４７、４７′から排出される。

《ＳＯＦＣバンドルの使用態様：ＳＯＦＣユニット》
以上のように構成した各構成態様の横縞方式のＳＯＦＣバンドルは、その一個または複数個と、そのそれぞれに空気等の酸化剤ガス供給機構を併置することで、それらのユニットを含む発電装置として構成される。以下、《横縞方式のＳＯＦＣセルスタックによるＳＯＦＣバンドルの構成態様３》のバンドルを例に説明するが、構成態様１〜２の態様についても同様である。

図１８はその態様を斜視図として示す図で、図１６〜１７に示すようなＳＯＦＣバンドルを用いる場合を示している。図１８のとおり、ＳＯＦＣバンドルの下面に平行に空気等の酸化剤ガスの分配機構５４が配置される。酸化剤ガス分配機構５４には酸化剤ガス供給管５３が配置され、また、酸化剤ガス分配機構５４にはＳＯＦＣバンドルの下面の全域に対応し、その面に向けて酸化剤ガスを分配する複数の酸化剤ガス放出孔５５が設けられている。図１９は、ＳＯＦＣバンドル及び酸化剤ガス分配機構５４を断熱容器等に収容した態様を示す図で、断面図として示している。なお、燃焼排ガスは、断熱容器５６に設けた排出管（図示省略）から排出される。

図２０は、そのＳＯＦＣバンドル及び酸化剤ガス分配機構５４を含むユニットにおける、運転時における酸化剤ガス等の流通方向を説明する図である。図２０のとおり、酸化剤ガス供給管５３から供給され、酸化剤ガス放出孔５５から放出される酸化剤ガスは、図２０中、矢印のように流通する。すなわち、酸化剤ガスは、ＳＯＦＣバンドルで面平行に配置された各セルスタック４１間を通りながら発電に寄与した後、各セルスタック４１の左右両端に向けて流れる。また、各セルスタック４１の左右両端部面からは未利用燃料を含む利用済み燃料が排出される。

各セルスタック４１の各燃料排出孔４７、４７′から排出された未利用燃料を含む利用済み燃料と利用済み酸化剤ガスは、その各端部面の空間、すなわち図２０中オフガス燃焼域として示す領域で燃焼する。この燃焼は各セルスタック４１の左右両端部の領域で起こるので、その輻射熱により各セルスタック４１の全域、すなわち各セルスタック４１の両端部面側から燃料供給側（各セルスタック４１の開口４３、連結部材４９側、図１３〜１６参照）までの全域が加熱される。これにより、バンドルを構成する各セルスタック４１の全域及び各セルスタック４１間における温度勾配を低減することができる。

図２１は、図１６〜１７のようなＳＯＦＣバンドルの複数個を用いる態様例を示している。図２１のとおり、ＳＯＦＣバンドルと酸化剤ガス分配機構５４を順次上下に配置し、断熱容器５６に収容する。各セルスタックの左右両端面から未利用燃料を含む利用済み燃料が排出され、その各端部面のオフガス燃焼域で利用済み酸化剤ガスにより燃焼する。この燃焼は各セルスタックの左右両端部面の領域で起こり、その輻射熱により各セルスタック４１の全面、すなわち両端部面側から燃料供給側までの全域が加熱され、上下のセルスタック４１も均等に加熱されるので、バンドルを構成する各セルスタック４１の全体としても温度勾配を低減することができる。なお、燃焼排ガスは、断熱容器５６に設けた排出管（図示省略）から排出される。

〈性能試験〉
本発明に係るＳＯＦＣバンドルについて性能試験を実施した。図２に示すＳＯＦＣバンドル（以下バンドルＡとする）、図１２に示すＳＯＦＣバンドル（以下バンドルＢとする）を、それぞれ、酸化剤ガス分配機構５４とともに図１９のように断熱容器に収容し、各バンドルの中央部のセルスタックに対し、その一端部面側（すなわち一方の利用済み燃料排出端）から他端部面側（すなわち他方の利用済み燃料排出端）までに複数個の温度センサを配置した。そして、電気的に開回路で、燃料供給管５０から水素を供給し、酸化剤ガス供給管５３から空気を供給しながら７５０℃に昇温した後、電気的に閉回路に切り替えて電池として作動させ、定常運転状態となった時点で温度センサにより各箇所の温度を測定した。

また、比較例として、図２２に示すＳＯＦＣバンドル（以下バンドルＣとする）を上記と同様に断熱容器中にセットし、上記と同様にして電池として作動させ、定常運転状態となった時点で温度センサにより各箇所の温度を測定した。バンドルＣは、前述図３（ｃ）及び図４に示すような段階のものに対し、その下部に燃料供給管９を有するマニホールド５７を配置したものである。バンドルを構成する各セルスタックにおけるセル数は表裏合計３６個（バンドルＡ、Ｂと同じ）である。マニホールド５７は、図５（ａ）に示すような支持体１１を有し、その支持体１１の下部に図５（ｂ）に示すような閉塞部材１３を備え、その下部を塞いで構成している。利用済み燃料は、図２２（ｂ）中“利用済み燃料排出端部”として示すように、一端面だけから放出される。温度センサはバンドルＣにおける中央部セルスタックのマニホールド５７側から利用済み燃料排出端までの間に複数個配置した。

図２３に各バンドルＡ、Ｂ、Ｃにおける中央部のセルスタックに配置した温度センサの配置箇所を示している。図２３（ａ）〜（ｃ）中、点“・”で示す箇所である。図２３（ａ）〜（ｃ）には各バンドル中央部のセルスタックの長手方向の寸法を併記している。

図２４は本試験の結果を示す図である。図２４のとおり、比較例であるバンドルＣの場合は、燃料供給管９に連なるマニホールド５７側端部の温度は６５０℃と低い。そして、利用済み燃料排出端側へ向かうに従い漸次高温となり、利用済み燃料排出端部では８００℃という高温になっている。

これに対して、本発明に係るバンドルＡでは、セルスタックの一方の端部すなわち一方の利用済み燃料排出端側の温度は７６０℃であり、セルスタックへの燃料供給管側へ向かうに従い徐々に低下はするが、中央部のマニホールドの箇所でも７２５℃であり、さらに、他端すなわち他方の利用済み燃料側へ向かうに従い徐々に高温になるが、当該他端部でも７６０℃である。この点、本発明に係るバンドルＢでも、バンドルＡとほぼ同様の温度分布を示している。このように、本発明によれば、ＳＯＦＣバンドルの温度を全体として均一ないしほぼ均一にすることができる。

構成態様１で用いる横縞方式のＳＯＦＣセルスタックの構成例を説明する図 構成態様１のＳＯＦＣセルスタックによるＳＯＦＣバンドルの態様例１を説明する図 図２のＯＦＣバンドルの作製例を説明する図 構成態様１の横縞方式のＳＯＦＣバンドルを説明する図 ＳＯＦＣバンドルの構成態様１の作製例を説明する図 一対のＳＯＦＣバンドルを一体化したＳＯＦＣバンドルを示す図 図６中Ａ−Ａ線断面図 構成態様２で用いるＳＯＦＣセルスタックの構成例を説明する図 構成態様２のＳＯＦＣセルスタックによるＳＯＦＣバンドルの態様例を説明する図 構成態様２で用いる各部材の斜視図 構成態様２のＳＯＦＣバンドルの工作過程を説明する図 構成態様２の横縞方式のＳＯＦＣバンドルを示す図 構成態様３で用いるＳＯＦＣセルスタックの構成例を説明する図 構成態様３のＳＯＦＣバンドルを構成する工作過程を説明する図 構成態様３で用いる各部材の斜視図 構成態様３の横縞方式のＳＯＦＣバンドルを示す図 構成態様３のＳＯＦＣバンドルの使用態様例を説明する図 構成態様３のＳＯＦＣバンドルの使用態様例を説明する図 構成態様３のＳＯＦＣバンドルの使用態様例を説明する図 構成態様３のＳＯＦＣバンドルの使用態様例を説明する図 構成態様３のＳＯＦＣバンドルの使用態様例を説明する図 〈性能試験〉での比較例で用いたＳＯＦＣバンドルを示す図 〈性能試験〉での各バンドルＡ〜Ｃにおける温度センサの配置位置を示す図 〈性能試験〉の結果を示す図 先行技術のセルスタックを示す図

符号の説明

１０１ 発電装置
１０２ 断熱容器
１０３ 燃料供給管
１０４ 複数のセル
１０５ セルスタック
１０６ 空気供給管
１０７ 熱交換器
１０８ 予熱空気分配管
１０９ 空気の折り返し流れ方向
１ ＳＯＦＣバンドルの構成態様１で用いる横縞方式のＳＯＦＣセルスタック
２、２２、４２ 扁平状で中空部を有する支持基体
３ 支持基体の中空部
４ 燃料流路
５ 燃料導入用の開孔
６ 利用済み燃料排出用の開孔
７、２８、４８ セル
８ 燃料を分配するマニホールド
９ 燃料供給管
１０ セルスタック群
１１ セルスタック群の支持体
１２ 開口
１３、２９、４９ 連結部材
Ｓ 連結部材１３、２９、４９、燃料供給用部材３０、５０の空間
１４ 連結部材１３の周縁の上下の面
１５ 連結部材１３の長手方向両端の一方の端の側壁
２１ ＳＯＦＣバンドルの構成態様２で用いる横縞方式のＳＯＦＣセルスタック
２３ 支持基体２２の長手方向の中央部の開口
２４、２４′ 支持基体の中空部
２５、２５′ 燃料流路
２６、２６′ 燃料導入用の開孔
２７、２７′ 利用済み燃料排出用の開孔
３０ 左端のＳＯＦＣセルスタックの開口２３に固定される燃料供給用部材
３１ 右端のＳＯＦＣセルスタックの開口２３に固定される部材
３２ 接合材
４１ ＳＯＦＣバンドルの構成態様３で用いる横縞方式のＳＯＦＣセルスタック
４３ 支持基体４２の長手方向の中央部の開口
４４、４４′ 支持基体の中空部
４５、４５′ 燃料流路
４６、４６′ 燃料導入用の開孔
４７、４７′ 利用済み燃料排出用の開孔
５０ 左端のＳＯＦＣセルスタックの開口４３に固定される燃料供給用部材
５１ 右端のＳＯＦＣセルスタックの開口４３に固定される閉塞部材
５２ 補強部材
５３ 酸化剤ガス供給管
５４ 酸化剤ガス分配機構
５５ 酸化剤ガス放出孔
５６ 断熱容器
５７ マニホールド
・ 温度センサの配置個所

Claims (5)

1. 横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルであって、
   （Ａ）燃料導入孔側である一端から利用済み燃料排出端である他端に向けて燃料が流通する複数の燃料流路を有するとともに、その横断面が矩形状である多孔質の絶縁性支持基体に対し、
   （Ｂ）その外面に複数個のセルを横縞状に配置してなる固体酸化物形燃料電池スタックを構成し、
   （Ｃ）当該固体酸化物形燃料電池スタックの複数個をそれらの燃料導入孔側に配した支持体の開口を介して面平行に併置して固体酸化物形燃料電池バンドルを構成し、
   （Ｄ）当該固体酸化物形燃料電池バンドルの一対を、該燃料流路の前記燃料導入孔側である支持体側を中心に連結部材を介して連結し、且つ、
   （Ｅ）前記利用済み燃料排出端を、一方の前記横縞方式の前記固体酸化物形燃料電池バンドルの前記燃料排出孔側と他方の前記横縞方式の前記固体酸化物形燃料電池バンドルの前記燃料排出孔側との二面に設けてなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドル。
2. 横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルであって、
   （Ａ）横断面矩形状で、内部に複数の燃料流路を有し、その長手方向の中央部に開口を設けた多孔質の絶縁性支持基体に対し、
   （Ｂ）その外面に中央部開口から長手方向の両端部に向けて複数個のセルを横縞状に配置してなる固体酸化物形燃料電池スタックの複数個を面平行に併置して、前記中央部開口間を連結部材で連結し、且つ、
   （Ｃ）前記中央部開口側を燃料導入孔側とするとともに、利用済み燃料排出端を、前記中央部開口を中心に相対する一方の前記利用済み燃料排出孔側と他方の前記利用済み燃料排出孔側との二面に設けてなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドル。
3. 前記横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルが、水平ないしほぼ水平に配置され、前記二面に設けた利用済み燃料排出端の各排出孔から利用済み燃料が水平ないしほぼ水平に排出される横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルであることを特徴とする請求項１または２に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドル。
4. 前記燃料流路の断面が矩形状、四角形状、円形状または楕円形状の燃料流路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドル。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の横縞方式の固体酸化物形燃料電池バンドルの一個または複数個を水平ないしほぼ水平に配置し、それら一個または複数個の各バンドルの下部にそれぞれ酸化剤ガスの分配機構を配置してなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池ユニット。
   

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