JP5176079B2 - 固体酸化物形燃料電池サブモジュールおよび固体酸化物形燃料電池複合モジュール - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池サブモジュールおよび固体酸化物形燃料電池複合モジュールに関するものである。

近年、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ということがある。）が、盛んに開発されるようになっている。

ＳＯＦＣに用いられる単セルは、平板型と管状型とに大別することができる。平板型セルは、積層することで比較的簡単に集積することができる。これに対して、管状型セルは、そのままの構造で集積することができない。そのため、従来、いわゆる、縦縞型および横縞型と呼ばれる構造のセルが用いられることが多かった。

しかし、縦縞型および横縞型のセルを集積するには、複雑な製造工程が必要となり、小型化も困難である。そのため、例えば、特許文献１では、燃料極管の外側面に固体電解質層が積層された複数本の電解質電極接合管を、空気極材料により一体的に固めてＳＯＦＣサブモジュールとすることで、製造工程の簡略化、小型化を実現可能としている。

上記ＳＯＦＣサブモジュールは、さらに集積されて使用される。例えば、特許文献２には、上記ＳＯＦＣサブモジュールに燃料ガスマニホールド等を取り付け、これを複数配列して接続したＳＯＦＣモジュールが開示されている。このＳＯＦＣモジュールは、各ガス（燃料ガス、空気）の供給上流側に配置されたＳＯＦＣサブモジュールから下流側に配置されたＳＯＦＣサブモジュールに対して、次々に連続して各ガスが供給される構造とされている。

特開２００４−３３５２７７号公報 特開２００５−１６６４７０号公報（図１４等）

しかしながら、従来のＳＯＦＣモジュールは、以下の点で改良の余地があった。

すなわち、上記ＳＯＦＣモジュールでは、上流側ＳＯＦＣサブモジュールの空気極材料を通過した空気が、下流側ＳＯＦＣサブモジュールの空気極材料に供給される。そのため、各ＳＯＦＣサブモジュールの空気極材料に対して、均一に空気を供給することが難しい。また、上流側から下流側に向かって次々に空気を供給するためには、比較的大きな差圧が必要になる場合が多く、コンプレッサー等の余分な装置も必要になる場合がある。

一方、上記ＳＯＦＣモジュールでは、上流側ＳＯＦＣサブモジュールで燃料ガスが使用され、未使用の燃料ガスが下流側ＳＯＦＣサブモジュールに供給される。そのため、下流側になればなるほど燃料極管内に供給される燃料ガス濃度が薄くなりやすい。それ故、各ＳＯＦＣサブモジュールの燃料極管に対して、均一に燃料ガスを供給することが難しい。

このように、上記ＳＯＦＣモジュールの構造は、各ＳＯＦＣサブモジュールに対して、ほぼ同一の条件で各ガスを供給することが困難である。その結果、各ＳＯＦＣサブモジュールを同様に安定させて発電させることは技術的に難易度が高いといった問題があった。

本発明は、上記問題を鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、従来に比較して、各ＳＯＦＣサブモジュールを同様に安定させて発電させやすいＳＯＦＣ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、本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、管内に第１ガスが供給される第１電極管の外周面に、固体電解質層が積層されてなる複数本の管状体と、上記複数本の管状体を同方向に配列させて一体的に固定し、第２ガスが供給される第２電極体と、を有するＳＯＦＣサブモジュールを複数個備えたＳＯＦＣモジュールであって、上記管状体の軸方向と略垂直な方向に、間隙を設けて一対の上記サブモジュールが対向配置されており、上記間隙に供給された第２ガスは、上記間隙の両側に配置されている各サブモジュールの第２電極体内を流れて外側に排出される構造を有していることを要旨とする。

ここで、上記第２電極体の外表面のうち、上記第２ガスの流路となる面以外は、緻密質部材により覆われていることが好ましい。

また、上記一対のサブモジュールの外周は、被覆部材により覆われることにより上記間隙が一つの閉空間とされており、上記被覆部材には、上記間隙と外側とを連通させる連通孔が形成されていることが好ましい。

また、上記一対のサブモジュールは、上記複数個のサブモジュールが電気的に接続されて構成された一対のスタックの一部より構成されていても良い。

また、本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、上記第１電極管内に第１ガスを供給する第１ガス供給マニホールドを介して、上記構造が積層されていても良い。

また、上記サブモジュールは、上記第２電極体の外表面から上記管状体の両端部が突出されており、上記突出部分のうち、片側が、上記第１ガス供給マニホールド内部に配置されていることが好ましい。

また、本発明に係るＳＯＦＣモジュールでは、上記第１電極管内を流れた未使用の第１ガスと、上記第２電極体内を流れて外側に排出された第２ガスとを反応させることが好ましい。得られた反応熱は、燃料ガスを生成させる改質器の改質エネルギーとして利用すると良い。

また、本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、上記管状体の第１ガス出口側に第１ガス排出マニホールドが設けられ、上記第１電極管内を流れた未使用の第１ガスは、上記第１ガス排出マニホールドにより回収されることが好ましい。

また、上記第２電極体の外表面のうち、上記第２ガスの排出面側に第２ガス排出マニホールドが設けられ、上記第２電極体内を流れた未使用の第２ガスは、上記第２ガス排出マニホールドにより回収されることが好ましい。

本発明に係るＳＯＦＣ複合モジュールは、上記第２ガス排出マニホールドが設けられたＳＯＦＣモジュールを複数個備え、各モジュール同士は、上記第２ガス排出マニホールド内の第２ガスの流れが各モジュール間で交互向きとなるように、各第２ガス排出マニホールド同士を接触させて配置されていることを要旨とする。

本発明に係るＳＯＦＣモジュールは、管状体の軸方向と略垂直な方向に、間隙を設けて一対のＳＯＦＣサブモジュールが対向配置されており、上記間隙に供給された第２ガスは、その間隙の両側に配置されている各サブモジュールの第２電極体内を流れて外側に排出される構造とされている。

上記ＳＯＦＣモジュールでは、各サブモジュールの第２電極体の外表面のうち、間隙に面した面が第２ガスの流入面となる。そのため、各サブモジュールの第２電極体に、ほぼ同一の条件で第２ガスを供給することができる。また、各サブモジュールが備える各管状体は、軸方向に揃って並んでいるため、各管状体の何れか一方側から各第１電極体内に、ほぼ同一の条件で第１ガスを供給することができる。

そのため、上記ＳＯＦＣモジュールによれば、従来に比較して、各サブモジュールにほぼ同一の条件で各ガスを供給することが可能になる。その結果、各サブモジュールを同様に安定させて発電させること可能になる。

ここで、各サブモジュールの第２電極体の外表面のうち、第２ガスの流路となる面（間隙に面する第２ガスの流入面、この流入面に対向する第２ガスの排出面）以外が、緻密質部材により覆われている場合には、ガス密な緻密質部材により囲まれた内側にだけガス流路を形成しやすくなる。そのため、第２電極管内にだけ確実に第２ガスを流すことが可能になる。

また、一対のサブモジュールの外周が、被覆部材により覆われることによって間隙が一つの閉空間とされており、被覆部材に、間隙と外側とを連通させる連通孔が形成されている場合には、比較的簡易な構造で間隙を区画することができ、この間隙に対して外側から連通孔を介して第２ガスを供給することができる。また、間隙に供給された第２ガスを、比較的容易に第２電極体内に流入させることができる。

また、上記一対のサブモジュールが、複数個のサブモジュールが電気的に接続されて構成された一対のスタックの一部より構成されている場合には、上記ＳＯＦＣモジュールの高集積化に寄与しやすい。

また、上記第１電極管内に第１ガスを供給する第１ガス供給マニホールドを介して、上記構造が積層されている場合には、高集積化に寄与する上、上記第１ガス供給マニホールドの両側にある各第１電極管内にほぼ同一の条件で第１ガスを供給しやすくなる。

また、上記サブモジュールは、上記第２電極体の外表面から上記管状体の両端部が突出されており、上記突出部分のうち、片側が、前記第１ガス供給マニホールド内部に配置されている場合には、第１ガス供給マニホールドにより管状体のの端部が覆われるので、第１電極管内に第１ガスを供給しやすくなる。

また、上記第１電極管内を流れた未使用の第１ガスと、上記第２電極体内を流れて外側に排出された第２ガスとを反応させる場合には、得られた反応熱を熱利用することができる。

具体的な熱利用の形態としては、例えば、このＳＯＦＣモジュールを燃料電池システムに適用した際に、燃料ガスを生成させるための改質器の改質エネルギーとして上記反応熱を利用する形態などが挙げられる。

また、上記管状体の第１ガス出口側に第１ガス排出マニホールドが設けられ、上記第１電極管内を流れた未使用の第１ガスが、上記第１ガス排出マニホールドにより回収される場合には、第１ガスを再利用したり、他の装置のエネルギーとして利用したりするなど、第１ガスの有効利用を図りやすくなる。

また、上記第２電極体の外表面のうち、上記第２ガスの排出面側に第２ガス排出マニホールドが設けられ、上記第２電極管内を流れた未使用の第２ガスが、上記第２ガス排出マニホールドにより回収される場合には、第２ガスを再利用したり、他の装置のエネルギーとして利用したりするなど、第２ガスの有効利用を図りやすくなる。

一方、本発明に係るＳＯＦＣ複合モジュールは、上述した第２ガス排出マニホールドが設けられたＳＯＦＣモジュールを複数個備え、各モジュール同士は、上記第２ガス排出マニホールド内の第２ガスの流れが各モジュール間で交互向きとなるように、各第２ガス排出マニホールド同士を接触させて配置されていることを要旨とする。

上記ＳＯＦＣモジュールでは、排出される第２ガスの流れの下流側に行くほど、発電時の発熱により温度が上昇する。上記ＳＯＦＣ複合モジュールによれば、上述した配置とされているので、隣り合ったモジュールの第２ガス上流側と下流側同士で熱交換が起こる。そのため、各モジュール内の温度分布の不均衡を低減することができ、各モジュールを同様に安定させて発電させやすくなる。

以下、本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（以下、「本モジュール」ということがある。）、ＳＯＦＣ複合モジュール（以下、「本複合モジュール」ということがある。）について詳細に説明する。

１．本モジュール
本モジュールは、複数個のサブモジュールを備えている。

図１は、サブモジュールの外観の一例を模式的に示した図である。図１に示すように、サブモジュール１０は、略方形状に形成されており、複数本の管状体１２と、第２電極体１４とを有している。

図２は、図１に示したサブモジュールの断面の一部を拡大して示した図である。図２に示すように、管状体１２は、第１電極管１２ａと、固体電解質層１２ｂとを有している。

第１電極管１２ａは、第１電極材料より管状に形成された多孔質体である。第１電極管１２ａは、第１電極としての機能を有するとともに支持管としての機能も兼ね備えている。

第１電極管１２ａの管内には、第１ガスが供給される。第１電極管１２ａは、具体的には、燃料極材料より形成された燃料極管、または、空気極材料より形成された空気極管の何れか一方である。

したがって、第１電極管１２ａが燃料極管である場合には、第１ガスとして、水素、一酸化炭素、メタン、都市ガス（１３Ａ）などの燃料ガスが選択される。一方、第１電極管１２ａが空気極管である場合には、第１ガスとして、空気、酸素などの酸化剤ガスが選択される。

燃料極材料としては、例えば、Ｎｉ、ＮｉＯ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ、これら元素を２種以上含有する合金などの触媒を用いることができる。好ましくは、Ｎｉ、ＮｉＯ、Ｃｏ、Ｃｕなどである。より好ましくは、他の金属と比べ安価であり、燃料ガスとの反応性が良いなどの観点から、Ｎｉ、ＮｉＯなどである。また、触媒と固体電解質との複合材料を用いることもできる。この場合、固体電解質としては、例えば、Ｙ_２Ｏ_３、Ｓｃ_２Ｏ_３などで安定化されたジルコニア（ＹＳＺ、ＳｃＳＺなど）、ＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３などの第二元素の酸化物を含むスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＣｅＳＺ、ＳｃＹＳＺなど）、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３などの酸化物を含むＣｅＯ_２（ＳＤＣ、ＧＤＣなど）、ＬａＳｒＧａＭｇＯ_３（ＬＳＧＭ）などが挙げられる。触媒と固体電解質との混合比（重量％）は、８０：２０〜３０：７０の範囲が好ましい。より好ましくは、７０：３０〜４０：６０の範囲であると良い。

一方、空気極材料としては、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３、ＬａＣａＭｎＯ_３、ＬａＭｇＭｎＯ_３、ＬａＳｒＣｏＯ_３、ＬａＣａＣｏＯ_３、ＬａＳｒＦｅＯ_３、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３、ＬａＳｒＮｉＯ_３、ＬａＮｉＦｅＯ_３、ＳｍＳｒＣｏＯ_３などの遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることができる。また、遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質との複合材料を用いることもできる。この場合、固体電解質としては、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳｃＣｅＳＺ、ＳｃＹＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＬＳＧＭなどが挙げられる。遷移金属ペロブスカイト型酸化物と固体電解質との混合比（重量％）は、９０：１０〜５０：５０の範囲が好ましい。より好ましくは、９０：１０〜８０：２０の範囲であると良い。

第１電極管１２ａは、例えば、各種材料粉末を所定比率で混合し、これにメチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレートなどの結合剤、炭素粉末などの気孔生成剤などを加えて水で練り、得られた塑性物を押し出し成形法などを用いて、所定の管径、管長さ、管厚みの管状成形体とし、これを組成に応じた最適な温度で焼成するなどして製造することができる。

固体電解質層１２ｂは、固体電解質材料より薄膜状に形成された緻密質体であり、第１電極管１２ａの外周面に沿って積層されている。固体電解質材料としては、例えば、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳｃＣｅＳＺ、ＳｃＹＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ＬＳＧＭなどが挙げられる。

固体電解質層１２ｂは、図１、図２に示すように、第２電極体１４に固定された際に、第２電極体１４の外表面から露出するように第１電極管１２ｂ上に積層されている。これにより、第１電極管１２ａと第２電極体１４との短絡を簡易に防止可能とされている。また、固体電解質層１２ｂは、第１電極管１２ａの両端部側の外表面が露出するように第１電極管１２ｂ上に積層されている。これにより、モジュール化した際に、後述の導電性部材と接触させ、集電を容易に行うことが可能とされている。

固体電解質層１２ｂは、第１電極管１２ａ（焼結体）またはその前駆体である管状成形体（未焼成体）の所定位置に固体電解質材料を含むスラリーを付着させた後、これを組成に応じた最適な温度で焼成するなどして形成することができる。なお、管状成形体に固体電解質材料を含むスラリーを付着させて焼成（共焼結法）した場合には、電池製造コストを抑制しやすくなる。

固体電解質材料を含むスラリーを付着させる方法としては、具体的には、例えば、焼成時に消失しうる物質（ポリマーなど）を用いて、第１電極管１２ａ等の端部を密栓したり、固体電解質層１２ｂを形成しない部位にマスクを施したりした後、固体電解質材料を含むスラリー中に第１電極管１２ａ等を浸漬して引き抜くディッピング法や、スプレー法、ハケ塗り法、ロールコート法などを用いて、第１電極管１２ａ等に固体電解質材料を含むスラリーを塗布する方法などを例示することができる。

第２電極体１４は、第２電極材料より形成された通気性のある多孔質体である。第２電極体１４内には、第２ガスが供給される。

第２電極体１４は、第１電極管１２ａとは異なる電極種を構成する。つまり、第１電極管１２ａが燃料極管である場合には、第２電極体１４は、空気極材料より形成され、空気極として機能する。したがって、この場合には、第２ガスとして、空気、酸素などの酸化剤ガスが選択される。

一方、第１電極管１２ａが空気極管である場合には、第２電極体１４は、燃料極材料より形成され、燃料極として機能する。したがって、この場合には、第２ガスとして、水素、一酸化炭素、メタン、都市ガス（１３Ａ）などの燃料ガスが選択される。

空気極材料、燃料極材料としては、例えば、ともに、第１電極管１２ａで説明した材料と同様の材料を挙げることができる。

なお、本モジュールとしては、高い性能が得られる、製造が容易であるなどの観点から、第１電極管１２ａは燃料極管、第２電極体１４は空気極体であることが好ましい。

第２電極体１４は、複数本の管状体１２を同方向に配列させて一体的に固定している。すなわち、第２電極体１４中、各管状体１２は、管状体１２の軸方向と略垂直方向に、互いの軸方向が略平行となるように配列されている。また、各管状体１２同士は、互いの外表面同士が接触しないように離間されて配列されている。そして、第２電極体１４は、各管状体１２の配列を保持したまま、各管状体１２の外表面の間に形成された隙間を埋めるようにして各管状体１２同士を固めている。なお、第２電極体１４中において、後述する第２ガスＡの流れ方向と略垂直方向に各管状体１２同士が離間されておれば、第２ガスＡの流れ方向と略平行方向については各管状体１２同士は離間されていなくても良い。

また、第２電極体１４は、その外表面から、各管状体１２の両端部を突出させた状態で各管状体１２を一体的に固定している。

なお、図１では、各管状体１２が４行×２列の配列とされた場合を例示しているが、この配列に特に限定されるものではない。第２電極体１４中に各管状体１２が複数行×複数列、単数行×複数列、複数列×単数行配列されていても良い。

第２電極体１４の外形は、後述する間隙１６の形成容易性、モジュール化時の立体構造、集積性などの観点から、好ましくは、立方体、直方体などの略方形状であると良い。

以上のような構造のサブモジュールの製造方法としては、例えば、以下のような方法を採用することができる。

すなわち、管状体１２の軸方向と略垂直方向に、互いの軸方向が略平行となるように、複数本の管状体１２同士を離間させて配列固定する。配列固定は、例えば、ステンレスなどの金属やジルコニア、アルミナなどのセラミックスなどよりなる基体表面に、予め管状体１２の端部を嵌合させる嵌合穴を配列形成しておき、この基体上に管状体１２を立設するなどすれば良い。この際、形成される第２電極体１４の一方側の端面と基体表面とがほぼ一致するように、管状体１２の立設状態を適宜調節すると良い。なお、必要に応じて、管状体１２と基体との間をシールしたり、接着剤により固定したりしても良い。

次いで、配列固定された管状体１２の最外周を樹脂などよりなる容器で覆う。なお、この容器の形状により、第２電極体１４の外形を決定することができる。

次いで、上記容器内に、第２電極材料を含むスラリーを流し込み、配列された管状体１２同士の隙間に当該スラリーを充填する。当該スラリーの充填量によって、形成される第２電極体１４の一方側の端面と他方側の端面との距離を決定することができる。

次いで、容器内部に充填された当該スラリーを乾燥させて乾燥体とし、基体を取り外す。

次いで、第２電極材料の組成に応じた最適な温度で乾燥体を焼成する。この際、容器は、乾燥体とともに焼成しても良いし、取り外しても良く、特に限定されるものではない。なお、樹脂製の容器をつけたまま乾燥体を焼成した場合には、焼成時の昇温時に容器自体は消失する。

以上により、サブモジュール１０を製造することができる。

他にも例えば、以下のような方法を採用することもできる。すなわち、第２電極材料に、必要に応じてポリマー材料（例えば、ポリメチルメタクリレートなど）を添加し、これと水等とを混合して、粘土状の塑性物とする。

次いで、金型などを用いて、上記塑性物を押し出し成形することにより、管状体１２を挿入可能な挿入孔を有する成形体を形成する。

次いで、得られた成形体の挿通孔内に、管状体１２を挿通し、これを第２電極材料の組成に応じた最適な温度で焼成する。

以上によっても、サブモジュール１０を製造することができる。

ここで、本モジュールは、上述した複数個のサブモジュール１０に対して、第１ガス、第２ガスがほぼ同一の条件で供給されるように、特定の基本構造を有している。図３は、本モジュールの概念的構造を模式的に示した図である。

図３に示すように、本モジュールＭは、管状体１２の軸方向と略垂直な方向に、間隙１６を設けて少なくとも一対のサブモジュール１０が対向配置されている。上記間隙１６に供給された第２ガスＡは、間隙１６の両側に配置されている各サブモジュール１０の第２電極体１４内を流れて外側（間隙１６と反対側）に排出される。管状体１２の一端側から供給された第１ガスＦは、管内を流れて管状体１２の他端側から排出される。以下、第１実施形態としての第１モジュール、第２実施形態としての第２モジュールを用いて、本モジュールについて詳細に説明する。

なお、以下では、第１電極管１２ａが燃料極管（−）、第２電極体１４が空気極体（＋）であり、第１ガスとして燃料ガス、第２ガスとして酸化剤ガスが供給される場合を想定して説明する。

（第１実施形態）
図４〜図７は、第１モジュールＭ１を模式的に示した図である。図４は、第１モジュールの正面図、図５は、第１モジュールの平面図、図６は、図４のＸ−Ｘ断面図、図７は、図４のＹ−Ｙ断面図である。

これら図４〜図７に示すように、第１モジュールＭ１は、２つのサブモジュール１０を用いている。２つのサブモジュール１０は、管状体１２の軸方向と略垂直な方向に、所定の間隙１６を設けて対向配置されている。なお、ここでは、各サブモジュール１０間を直列に接続するため、各サブモジュール１０は、互いに交互向きになるように配置されている。

第１モジュールＭ１では、間隙１６に供給された第２ガスＡが、間隙１６の両側に配置されている各サブモジュール１０の第２電極体１４内を流れて外側に排出され、管状体１２の一端側から供給された第１ガスＦは、管内を流れて管状体１２の他端側から排出される構造になっている。

ここで、第１モジュールＭ１は、ガスリークや電気的接続などを考慮し、板状、筐体状等の形状を有する各種部材を用いて各ガスの流路が確保されている。以下、具体的に説明する。

図６に示すように、第２電極体１４の外表面のうち、間隙１６に接する面は、第２ガスＡが流入する流入面１４ａとなる。流入面１４ａに対向する面は、第２ガスＡが排出される排出面１４ｂとなる。つまり、流入面１４ａおよび排出面１４ｂは、第２ガスＡの流路上に存在する面である。

第２電極体１４の外表面のうち、第２ガスＡの流路上に存在しない面（流入面１４ａおよび排出面１４ｂ以外の面）は、図７に示すように、基本的には、ガス密な緻密質部材１８により覆われている。これにより、緻密質部材１８により囲まれた内側にだけガス流路が形成され、第２電極管１４内にだけ確実に第２ガスＡを流しやすくなる。

緻密質部材１８の材質としては、第２電極体１４の外表面に要求される導電性、絶縁性に対応させて各種の導電性材料、絶縁性材料が選択される。導電性材料としては、例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル系合金、金属箔等の金属や、導電性セラミックスなどが挙げられる。絶縁性材料としては、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等のセラミックス、耐熱ガラス等のガラスなどが挙げられる。

ここでは、第２ガスＡの流路上に存在しない外表面のうち、管状体１２と略垂直な面、管状体１２と略平行な面の一方が絶縁性の緻密質部材１８ａによりシールされている。また、管状体１２と略平行な面の他方が導電性の緻密質部材１８ｂによりシールされている。なお、緻密質部材１８ｂは、発電によりプラス側となる。

さらに、絶縁性の緻密質部材１８ａの外周面は、金属などの導電性部材２０により覆われている。また、導電性部材２０は、管状体１２の両端にて露出されている第１電極管１２ａと導通されている。そのため、この導電性部材２０は、発電によりマイナス側となる。

なお、導電性部材２０は、絶縁性の緻密質部材１８ａの段部１９を間に介在させることで、導電性の緻密質部材１８ｂと接触しないようにされている（導電性の緻密質部材１８ｂと絶縁されている）。

対向するサブモジュール１０間は、集電部材２１を介して電気的に接続されている。この際、集電部材２１としては、金属等、導電性の緻密質な部材を好適に用いることができる。これにより、各サブモジュール１０間は直列接続される。なお、各サブモジュール１０を、互いに同方向になるように配置すれば、並列接続されることになる。なお、集電は、導電性の緻密質部材１８ｂ、導電性部材２０に金属線（例えば、Ｐｔ線、Ａｕ線、Ａｇ線など）を溶接もしくは巻きつけ等により接続し、これを、第２ガスＡが排出される排出面１４ｂもしくは第２ガスＡが流入する流入面１４ａの方向に取り出すことによって、比較的容易に行うことが可能である。

このように各種部材により覆われた一対のサブモジュール１０は、その外周がさらに被覆部材２２により覆われることで、間隙１６が一つの閉空間とされている。つまり、被覆部材２２は、間隙１６を取り囲むように配置されている。但し、第２電極体１４の排出面１４ｂは、第２ガスＡの排出を可能にするため、被覆部材２２に直接接触した状態では覆われてはおらず、被覆部材２２と排出面１４ｂとの間には、所定の隙間２２ａが形成されている。

被覆部材２２によれば、簡易な構造で間隙１６を閉空間に区画することができる。また、内部に配置されるサブモジュール１０を補強する効果もあり、積層などもしやすくなる。被覆部材２２の材質としては、絶縁性材料を好適に用いることができる。具体的には、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３などのセラミックスなどが挙げられる。

また、被覆部材２２には、間隙１６と外側（外部）とを連通させる連通孔２２ｂが形成されている。連通孔２２ｂは、間隙１６と外側（外部）とを連通させることができれば、被覆部材２２の何れの位置に形成されていても良い。好ましくは、管状体１２が露出されている面以外の面に形成されていると良い。また、形成する連通孔２２ｂの大きさ、孔形状などは特に限定されるものではない。

連通孔２２ｂを形成した場合には、間隙１６に対して外側から連通孔２２ｂを介して第２ガスＡを供給することができる。また、このような被覆部材２２により一対のサブモジュール１０の外周を被覆すれば、間隙１６に供給された第２ガスＡを、比較的容易に第２電極体１４内に流入させることができる。

第１モジュールＭ１では、各サブモジュール１０が備える各管状体１２は、軸方向を揃えて並列に配列されている。また、各管状体１２の両端部は、被覆部材２２から突出されている。

第１モジュールＭ１は、各管状体１２の突出面のうち、一方面側を覆うようにして第１ガス供給マニホールド２４が設置されている。ここでは、第１ガス供給マニホールド２４として、中空の筐体から形成されたものを例示している。第１ガス供給マニホールド２４は、供給孔２４ａを介して外側（外部）から各管状体１２の管内に第１ガスＦを供給するためのものである。第１ガス供給マニホールド２４の内部には、各管状体１２の片側端部が配置されている。第１モジュールＭ１では、全ての管状体１２に第１ガスＦを簡単かつ同時に供給することができる。

図８は、図４のＺ−Ｚ断面図である。第１ガス供給マニホールド２４の各壁面のうち、管状体１２側の壁面には、各管状体１２を挿通可能な挿通孔２４ｂが各管状体１２の配置に合わせて形成されている。各管状体１２は、各挿通孔２４ｂ内に挿通されることにより、その端部が第１ガス供給マニホールド２４内に配置されている。

図９は、第１ガス供給マニホールドの変形例を示した図である。第１ガス供給マニホールド２４’は、管状体１２側の壁面に開口２４’ａが形成されており、この開口２６’ａ内に各管状体１２の端部が収まるようになっている。なお、開口２４’ａの周縁の壁面は、一対のサブモジュール１０が第１ガス供給マニホールド２４’側に入り込まないように規制する役割を担っている。

開口２４’ａ内に各管状体１２の端部が収まるようにした場合には、挿通孔２４ｂに各管状体１２を挿通させるようにした場合に比較して、わざわざ挿通孔２４ｂに各管状体１２を挿通させる必要がない。また、マニホールド構造も簡略化され、加工精度を低くすることが可能となり、実用性が高くなるなどの利点がある。

第１モジュールＭ１では、被覆部材２２と排出面１４ｂとの間に形成された隙間２２ａが、第２ガス排出マニホールド２６として使用される。もっとも、排出面１４ｂ側に被覆部材２２を設けずに、別途、例えば、開口面を有する筐体状等の第２ガス排出マニホールドを用いて、排出面１４ｂを覆うようにしても構わない。なお、この場合、被覆部材２２と第２ガス排出マニホールド２６とは、同一の材質で構成されていても良いし、異なる材質で構成されていても良い。

また、第２ガス排出マニホールド２６は、未使用の第１ガスＦが排出される管状体１２の端部周辺の壁面に、開口２６ａが形成されている。そのため、第１モジュールＭ１は、この開口２６ａを通じて、未使用の第２ガスＡを、管状体１２の端部近傍に排出することができるようになっている。

このように第２ガス排出マニホールド２６を形成した場合には、第２電極体１４内を流れた未使用の第２ガスＡを排出しやすくなる。また、未使用の第２ガスＡを第２ガス排出マニホールド２６により回収することができる。

次に、上記第１モジュールＭ１の作用について説明する。

第１ガス供給マニホールド２４の供給孔２４ａより第１ガスＦを供給すると、第１ガス供給マニホールド２４内に第１ガスＦが充満する。第１ガス供給マニホールド２４内に充満した第１ガスＦは、第１ガス供給マニホールド２４内に並んで配置された各管状体１２の端部から、ほぼ同一の条件で管内に流入する。各管状体１２の管内に流入した第１ガスＦは、発電により使用されながら下流に向かって流れ、未使用の第１ガスＦは、各管状体１２の流入側と反対側の端部から外部に排出される。

一方、被覆部材２２の連通孔２２ｂより第２ガスＡを供給すると、対向配置されたサブモジュール１０間の間隙１６内に第２ガスＡが充満する。この間隙１６は、第２ガス供給マニホールドとして機能している。間隙１６内に充満した第２ガスＡは、間隙１６の両側の配置されている第２電極体１４の流入面１４ａから、ほぼ同一の条件で第２電極体１４内に流入する。第２電極体１４内に流入した第２ガスＡは、発電により使用されながら下流に向かって流れ、未使用の第２ガスＡは、第２電極体１４の排出面１４ｂから第２ガス排出マニホールド２６内に流入する。第２ガス排出マニホールド２６内に流入した未使用の第２ガスＡは、回収され、開口２６ａより外部に排出される。なお、集電は、導電性の緻密質部材１８ｂ、導電性部材２０に金属線（例えば、Ｐｔ線、Ａｕ線、Ａｇ線など）を溶接もしくは巻きつけ等により接続し、これを、開口２６ａから取り出すことによって行うことが可能である。

ここで、上述した第１モジュールＭ１では、外部に排出された未使用の第１ガスＦと未使用の第２ガスＡとを反応（燃焼）させやすい。両ガスを反応させた場合には、得られた反応熱（燃焼熱）を熱利用することができる。具体的には、例えば、管状体１２の第１ガスＦの排出側に燃料ガスを生成させるための改質器（不図示）を設けることにより、改質器の改質エネルギー（熱源）として、上記反応熱を効率的に利用することができる。また、通常、改質器による改質反応は、吸熱反応である。そのため、改質器を併設した場合には、吸熱反応により第１モジュールＭ１を冷却することも可能になる。

また、上述した第１モジュールＭ１では、各管状体１２の第１ガス排出面側を覆うようにして第１ガス排出マニホールド（不図示）を設けても良い。第１ガス排出マニホールドとして、第１ガス供給マニホールド２４と同様な、中空の筐体から形成されたものなどを例示することができる。各管状体１２と第１ガス排出マニホールドとの接続は、上述した各管状体１２と第１ガス供給マニホールド２４との接続と同様な方法で行えば良く、詳細な説明は省略する。

第１ガス排出マニホールドを設け、未使用の第１ガスＦを回収した場合には、第１ガスＦを再利用したり、他の装置のエネルギーなどとして利用したりすることで、第１ガスの有効利用を図ることができる。

（第２実施形態）
図１０〜図１３は、第２モジュールＭ２を模式的に示した図である。図１０は、第２モジュールの正面図、図１１は、第２モジュールの平面図、図１２は、図１０のＸ−Ｘ断面図、図１３は、図１０のＹ−Ｙ断面図である。

これら図１０〜図１３に示すように、第２モジュールＭ２は、６つのサブモジュール１０を用いている。

第２モジュールＭ２は、上述した第１モジュールＭ１と比べ、一対のスタック３０を用いた点、積層構造を有する点の２点で大きく異なっている。そのため、以下、異なる部分について主に説明する。

第２モジュールＭ２では、３つのサブモジュール１０を電気的に接続することにより１つのスタック３０を構成し、間隙１６を設けて一対のスタック３０を対向配置させている。したがって、一対の対向するサブモジュール１０を３つ組み合わせた状態になっている。なお、スタック３０を構成するサブモジュール１０の数は特に限定されるものではない。また、ここでは、各スタック３０間を直列に接続するため、各スタック３０は、互いに交互向きになるように配置されている。

具体的には、図１３に示すように、スタック３０は、第２電極体１４の第２ガスＡの流入面１４ａがほぼ同一面内になるように、管状体１２の軸方向とほぼ垂直な方向に３つのサブモジュール１０が並べられている。隣接するサブモジュール１０間は、一方の導電性部材２０と他方の第２電極体１４とが接触することにより直列に接続されている。なお、この場合、導電性部材２０としては、第２電極体１４から第２ガスＡがリークするのを防止するため、緻密質な部材を好適に用いることができる。この際、第２電極体１４と導電性部材２０との電気的接触を向上させるなどの観点から、第２電極体１４と導電性部材２０との間に、緻密質となるコンタクト材を介在させても構わない。一対のスタック３０の最外周は被覆部材２２により覆われ、間隙１６が一つの閉空間とされている。

また、第２モジュールＭ２では、第１ガス供給マニホールド３２を挟んで上下に上述した特定の基本構造が積層されている。そのため、第１モジュールＭ１よりも一層の高集積化が図られている。もっとも、第１モジュールＭ１についても、第１ガス供給マニホールド２４を介して同様に積層することが可能である。

具体的には、第１ガス供給マニホールド３２は、中空の筐体から形成されている。第１ガス供給マニホールド３２の上段に配置された各スタック３０の管状体１２の一方端部と、第１ガス供給マニホールド３２の下段に配置された各スタック３０の管状体１２の一方端部とは、第１ガス供給マニホールド３２の内部に配置されている。つまり、第２モジュールＭ２では、第１ガス供給マニホールド３２を挟んで積層された特定の基本構造間で、第１ガス供給マニホールド３２を共有する構成とされている。

上記第２モジュールＭ２によれば、第１ガス供給マニホールド３２の供給孔３２ａより供給された第１ガスＦは、上下各スタック３０の管状体１２の管内にほぼ同一の条件で流入する。なお、第１ガス供給マニホールド３２の供給孔３２ａの対向位置などに他の供給孔（不図示）を形成するなど、複数の供給孔から第１ガスＦを供給する構造とすれば、上下各スタック３０の管状体１２の管内により同一の条件で第１ガスＦを流入させることができる。また、上下各スタック３０の各連通孔２２ｂより各間隙１６内に供給された第２ガスＡは、間隙１６の両側に配置されている各スタック３０の第２電極体１４の流入面１４ｂから、ほぼ同一の条件で各第２電極体１４内に流入する。以降は、第１モジュールＭ１と同様にして各ガスが流れて発電が生じ、未使用の各ガスが排出される。

２．本複合モジュール
本複合モジュールは、第２電極体内を流れた未使用の第２ガスを回収する第２ガス排出マニホールドを備えた本モジュールを複数個備えている。そして、本複合モジュールでは、第２ガス排出マニホールド内の第２ガスの流れが各モジュール間で交互向きとなるように、各第２ガス排出マニホールド同士を接触させて各モジュールが配置されている。

図１４は、複合モジュールＭＣの平面図である。複合モジュールＭＣは、上述した第２モジュールＭ２を複数個用いた場合について説明する。但し、第２ガス排出マニホールド２６の開口２６ａ（図１４では不図示）は、第２ガス排出マニホールド２６の側面に形成されている。

図１４に示すように、複合モジュールＭＣは、管状体１２の軸方向とほぼ垂直な方向に４つの第２モジュールＭ２が並べられている。各第２モジュールは、それぞれ交互向きに配置されており、隣接する各第２ガス排出マニホールド２６同士は互いに接触している。

この複合モジュールＭＣでは、間隙１６に供給された第２ガスＡは、第２電極体１４内を通過し、第２ガス排出マニホールド２６内に排出される。第２ガス排出マニホールド２６内に排出された未使用の第２ガスＡは、第２ガス排出マニホールド２６の開口２６ａより排出される。この際、隣接する第２モジュールＭ２間において、排出される第２ガスＡの流れは、各第２モジュールＭ２間で交互向きとなる。

各第２モジュールＭ２では、排出される第２ガスＡの流れの下流側に行くほど、発電時の発熱により温度が上昇する傾向にある。そのため、上記複合モジュールＭＣによれば、隣り合った第２モジュールＭ２の第２ガス上流側と下流側同士で熱交換が起こる。そのため、各第２モジュールＭ２内の温度分布の不均衡を低減することができ、各第２モジュールＭ２を同様に安定させて発電させることができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

本モジュールが備えるサブモジュールの外観の一例を模式的に示した図である。 図１に示したサブモジュールの断面の一部を拡大して示した図である。 本モジュールの概略構造を模式的に示した図である。 第１実施形態に係る第１モジュールＭ１の正面図である。 第１実施形態に係る第１モジュールＭ１の平面図である。 図４のＸ−Ｘ断面図である。 図４のＹ−Ｙ断面図である。 図４のＺ−Ｚ断面図である。 第１ガス供給マニホールドの変形例を示した図である。 第２実施形態に係る第２モジュールＭ２の正面図である。 第２実施形態に係る第２モジュールＭ２の平面図である。 図１０のＸ−Ｘ断面図である。 図１０のＹ−Ｙ断面図である。 複合モジュールＭＣの平面図である。

符号の説明

１０ サブモジュール
１２ 管状体
１２ａ 第１電極管
１２ｂ 固体電解質層
１４ 第２電極体
１４ａ 流入面
１４ｂ 排出面
１６ 間隙
１８ 緻密質部材
１８ａ 絶縁性の緻密質部材
１８ｂ 導電性の緻密質部材
１９ 段部
２０ 導電性部材
２１ 集電部材
２２ 被覆部材
２２ａ 隙間
２２ｂ 連通孔
２４ 第１ガス供給マニホールド
２４ａ 供給孔
２４ｂ 挿通孔
２４’ 第１ガス供給マニホールド
２４’ａ 開口
２６ 第２ガス排出マニホールド
２６ａ 開口
３０ スタック
３２ 第１ガス供給マニホールド
Ｍ 本モジュール
Ｍ１ 第１モジュール
Ｍ２ 第２モジュール
ＭＣ 複合モジュール
Ｆ 第１ガス
Ａ 第２ガス

Claims (11)

1. 管内に第１ガスが供給される第１電極管の外周面に、固体電解質層が積層されてなる複数本の管状体と、前記複数本の管状体を同方向に配列させて一体的に固定し、第２ガスが供給される第２電極体と、を有する固体酸化物形燃料電池サブモジュールを複数個備えた固体酸化物形燃料電池モジュールであって、
   前記管状体の軸方向と略垂直な方向に、間隙を設けて一対の前記サブモジュールが対向配置されており、
   前記間隙に供給された第２ガスは、前記間隙の両側に配置されている各サブモジュールの第２電極体内を流れて外側に排出される構造とされていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
2. 前記第２電極体の外表面のうち、前記第２ガスの流路となる面以外は、緻密質部材により覆われていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
3. 前記一対のサブモジュールの外周は、被覆部材により覆われることにより前記間隙が一つの閉空間とされており、
   前記被覆部材には、前記間隙と外側とを連通させる連通孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
4. 前記一対のサブモジュールは、
   前記複数個のサブモジュールが電気的に接続されて構成された一対のスタックの一部より構成されることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
5. 前記第１電極管内に第１ガスを供給する第１ガス供給マニホールドを介して、前記構造が積層されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
6. 前記サブモジュールは、前記第２電極体の外表面から前記管状体の両端部が突出されており、
   前記突出部分のうち、片側が、前記第１ガス供給マニホールド内部に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
7. 前記第１電極管内を流れた未使用の第１ガスと、前記第２電極体内を流れて外側に排出された第２ガスとを反応させることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
8. 燃料ガスを生成させる改質器の改質エネルギーとして前記反応熱を利用することを特徴とする請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
9. 前記管状体の第１ガス出口側に第１ガス排出マニホールドが設けられ、
   前記第１電極管内を流れた未使用の第１ガスが、前記第１ガス排出マニホールドにより回収されることを特徴とする請求項１から８の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
10. 前記第２電極体の外表面のうち、前記第２ガスの排出面側に第２ガス排出マニホールドが設けられ、
    前記第２電極体内を流れた未使用の第２ガスが、前記第２ガス排出マニホールドにより回収されることを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
11. 請求項１０に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールを複数個備え、
    各モジュール同士は、
    前記第２ガス排出マニホールド内の第２ガスの流れが各モジュール間で交互向きとなるように、各第２ガス排出マニホールド同士を接触させて配置されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池複合モジュール

Images