JP6466136B2

JP6466136B2 - 燃料電池モジュール

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Publication number: JP6466136B2
Application number: JP2014219568A
Authority: JP
Inventors: 松尾　毅; 毅松尾; 森　龍太郎; 龍太郎森; 昌弘水原; 眞竹　徳久; 徳久眞竹
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: JP2016085919A

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

燃料電池は、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。このため、２１世紀を担う都市ガス型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。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を燃料として運転される燃料電池である。

図８は、従来の燃料電池の一例であるワンスルータイプの燃料電池カートリッジを示した概略構成図である。なお、図８では、燃料電池の作動に使用される各種ガスの予熱と熱交換に関する構造、及び発電された電力の集電に関する構造は省略してある。ワンスルータイプの燃料電池とは、燃料ガスの流動方法について、セルチューブの一端から供給された燃料ガスがセルの他端から排出されるタイプの燃料電池である。

同図に示すように、燃料電池３０１は、複数の円筒形状のセル３０２（図には３本を図示）と、セル３０２には燃料ガス３０４を供給する供給室３０３ａと、セル３０２から排出燃料ガス３０５を排出する排出室３０３ｂと、酸化性ガス３０６が供給される酸化剤供給室３２５とからなる。

上部管板３２１及び下部管板３２２には、セル３０２を通す穴が設けられ、この穴にセル３０２を通すことにより、セル３０２を支持すると共に、供給室３０３ａ及び排出室３０３ｂと酸化剤供給室３２５とを隔離している。また、上部支持体３２３及び下部支持体３２４はセル３０２を補助的に支持するものである。円筒形状のセル３０２は多孔質の材料からなり、その外周面に複数の燃料電池セル３０８が形成されている。なお、セル３０２の外表面に、燃料電池セル３０８を一素子のみ設けて燃料電池を構成してもよく、このタイプの燃料電池を単素子タイプの燃料電池という。

燃料電池３０１により発電する場合には、供給室３０３ａからセル３０２の内部に燃料ガス３０４として水素やメタン等を供給すると共に、セル３０２の外周面に酸化剤ガス３０６として酸素や空気等を供給する。更に、燃料電池３０１の内部を約８００℃から１０００℃の高温環境とすることにより、燃料ガス３０４と酸化剤ガス３０６とが燃料電池セル３０８において電気化学的に反応して発電が行われる。

燃料電池の作動温度は８００℃〜１０００℃という極めて高温の環境である。この熱源を燃料電池３０１内部で効果的に熱交換を行い、燃料電池３０１の内部において発生する熱を有効に利用するため、セル３０２の両端に中子３１３が設置される。
セル３０２の上部側に設置される中子３１３は、燃料ガス３０４と排出酸化性ガス３０７の熱交換を促進するために設置される。つまり、燃料ガス３０４はセル内において層流であり、流路が狭いほど、単位面積あたりの熱伝達が向上するため、かつ伝熱面積を増大するために、設置される。セル３０２の上部側において、燃料ガス３０４は水蒸気改質され、発電室に水素リッチガスを供給する。水蒸気改質反応は、吸熱反応であり、排出酸化性ガス３０７の持つ熱量が、燃料ガス３０４の改質吸熱と燃料ガス３０４の昇温に利用される。
セル３０２の下部側に設置される中子３１３は、排出燃料ガス３０５と酸化性ガス３０６の熱交換を促進するために設置される。つまり、排出燃料ガス３０５はセル内において層流であり、流路が狭いほど、単位面積あたりの熱伝達が向上するため、かつ伝熱面積を増大するために、設置される。セル３０２の下部側において、排出燃料ガス３０５の持つ熱量が、酸化性ガス３０６の昇温に利用される。

特開２００４−１２７６４０号公報

ＳＯＦＣモジュールの起動時や、部分負荷運転など、ＳＯＦＣモジュール出力を時間的に変化させる際に、各セルの温度が局所的に不均一になる。モジュール温度の不均一化が生じると、温度が低下したセルは出力が低下するため、並列回路上にある他セルが高出力に発電する。この結果、低出力セルは発熱量が低下するため、モジュール内の局所的な低温域を拡大させる。逆に、高出力セルは、発熱量が増大するため、モジュール内の局所的な高温域を拡大させる。このようなＳＯＦＣモジュール温度不安定が生じると、ＳＯＦＣモジュール内の局所的な温度差が拡大する方向に進行するため、最終的にセルの過昇温、燃料欠乏、酸素欠乏が生じ、セルを損傷する可能性があり、ＳＯＦＣモジュールを安定して運転できず、機器の信頼性が低下する。特許文献１では、上述のようなセルチューブの内部に設けられる中子を用いて燃料電池の内部において発生する熱を有効に利用することに関して記載されているものの、ＳＯＦＣモジュール温度の安定化方法や安定化構造について明らかでない。

本発明は、ＳＯＦＣモジュールの信頼性を向上すべく、モジュール内を均温化する、モジュール構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の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モジュールは、燃料ガス流路が内部に形成されるセルと、前記流路に配置される中子を備える。前記セルは、端部側セルと、端部側セルに囲まれるように配置される中央側セルで構成される。端部側セルでは、中央側セルより燃料の改質が進むように、中央側セルと端部側セルの中子が構成される。

中央側セルは、端部側セルに囲まれているので、端部側セルの輻射熱により加熱され、中央セルが最も高温化する。セル上部側の中央セルの中子構造を、端部側セルより改質速度を低下させることにより、セルが最高温度を示す場所で燃料の改質吸熱により、最高温度を抑制し、燃料電池モジュールの温度分布を均一化することができる。この結果、燃料電池モジュールの発電室内温度分布を均一化し、安定した発電が可能となり、機器の信頼性を向上することができる。

複数の中央側セルの流路のうちの中子が配置される領域の長さが複数の端部側セルの流路のうちの中子が配置される領域の長さより短くなるように、前記中央側セルの中子は、前記端部側セルの中子より前記流路の長手方向の長さが短い。

このような燃料電池モジュールは、中央側セルの中子が端部側セルの中子より短いことにより、端部側セルの中子が配置される領域での燃料改質量に比べて、中央側セルの中子が配置される領域での燃料改質量を低減させる。この結果、このような燃料電池モジュールは、中央側セルの燃料改質域を、端部側セルの燃料改質域より、燃料流れの下流側に延長することにより、中央側セルの昇温を抑制し、発電室内の温度分布を均一化することができる。

複数の中央側セルの流路のうちの中子が配置される領域のセルと中子間の隙間が、複数の端部側セルの流路のうちの中子が配置される領域の隙間より大きい、即ち、中央側セルの中子は、端部側セルの中子と比べて外径が小さい。

このような燃料電池モジュールの中子外径は、中央側セルの方が、端部側セルより小さいので、セル上部側の排酸化性ガスから燃料ガスへの熱伝達は、中央側セルで抑制、端部側セルで促進される。この結果、端部側セルでは、中央側セルより燃料の改質が進み、セルが最高温度となる中央側セル部位で吸熱するので、中央側セルの昇温を抑制し、発電室内の温度分布を均一化できる。

端部側セルの中子は、セルの内面に対向する中子外周面に、複数もしくは一体のフィンを持つ。

このような燃料電池モジュールは、端部側セルの中子の外周面にフィンを持つので、端部側セルの排酸化性ガスから燃料ガスへの伝熱面積を拡大する。即ち、排酸化性ガスから燃料ガスへの熱伝達は、中央側セルで抑制、端部側セルで促進される。この結果、端部側セルの中子の筒部の外周面にフィンを設けることにより、中子が配置される領域での燃料の改質反応を促進し、端部側セルの中子より下流側の領域を高温化し、燃料電池モジュールを均温化することで、ＳＯＦＣモジュール機器の信頼性を向上できる。

端部側セルの中子は、セルの内周面に対向する外周面に、改質反応の触媒が配置される。

このような燃料電池モジュールは、端部側セルの中子の外周面に改質反応の触媒が塗布されていることにより、端部側セルと中子の隙間を流れる燃料ガスを効果的に改質する。この結果、端部側セルでは、中央側セルより燃料の改質が進み、燃料電池モジュールの端部側セルを高温化し、燃料電池モジュールを均温化することで、ＳＯＦＣモジュール機器の信頼性を向上できる。

本発明による燃料電池モジュールは、燃料電池モジュールの発電室内の温度分布を均一化し、ＳＯＦＣモジュール機器の信頼性を向上できる。

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。セルを示す断面図である。セルと上部側中子とを示す縦断面図である。セルと上部側中子とを示す平面図である。第１実施形態におけるＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。第２実施形態におけるＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。従来の燃料電池の一例を示す断面図である。

以下に、本発明の実施形態にかかる燃料電池モジュール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モジュールは、図６に示すように、複数の中央側セル７の基体管１０３に挿入される上部側中子の長さが、複数の端部側セル６の基体管１０３に挿入される上部側中子の長さより短くなるように形成されることを特徴とする。
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。

ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を集合化して圧力容器２０５に収納する態様について説明しているが、これに限らず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３を集合化せずに圧力容器２０５内に収納する態様としてもよい。

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１０１の一方の端部が、複数のセル１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス供給室２１７に対して開放して配置される。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１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセル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１０１の他方の端部が、複数のセル１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置される。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセル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１０１が挿入される。この上部管板２２５ａは、複数のセル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１０１が挿入される。この下部管板２２５ｂは、複数のセル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１０１の外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や、酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食を抑制する。

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１０１の内側と外側とを対向して流れる。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換され、上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に排出される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性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、ヒーター等を用いず、発電に適した温度に昇温した燃料ガスを発電室２１５に供給できる。

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１０１の外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や、酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食を抑制する。

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。

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１０１の端部付近まで導く。

燃料電池モジュール２０１は、さらに、複数のセル１０１に対応する複数の上部側中子をさらに備える。複数の上部側中子の各々の上部側中子１は、図４に示されているように、筒部２と蓋部３とを備える。筒部２はメタル等から筒状に形成され、蓋部３はメタル等から円盤状に形成される。メタルとしては、ステンレス鋼が例示される。蓋部３は、筒部２の一端を閉鎖するように、筒部２の一端に接合される。上部側中子１は、さらに、複数の爪５を備える。複数の爪５は、図５に示すように、筒部２から半径方向外側に突出しており、筒部２の蓋部３が接合された端に取り付けられる。

上部側中子１は、図４に示すように、複数のセル１０１のうちの上部側中子１に対応する１つのセルの基体管１０３の内部に配置され、基体管１０３の内部のうちの燃料ガス供給室２１７に近い上流側の端の領域に配置される。上部側中子１は、さらに、基体管１０３の軸線に筒部２の軸線が重なるように、かつ、筒部２の蓋部３が接合されている端が上方に、配置される。上部側中子１の外周面と、基体管１０３の内周面との隙間は、燃料ガスとの熱伝達を向上するため狭い方が望ましく、例えば２〜３ｍｍの隙間となるように、基体管１０３の内部に配置される。上部側中子１は、例えば、複数の爪５が基体管１０３の燃料ガス供給室２１７の側の端に引っ掛かることにより、基体管１０３に支持される。上部側中子１は、基体管１０３の内部に配置されることにより、複数のセル１０１の基体管１０３のうちの上部側中子１が配置される部分に上部リード部８を形成する。

複数のセル１０１は、図６に示されているように、複数の端部側セル６と複数の中央側セル７とを含む。複数の端部側セル６は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３のうちの端に配置される。複数の中央側セル７は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３のうちの中央側に配置され、複数の端部側セル６に囲まれるように配置される。

複数の中央側セル７の基体管１０３の内部に配置される上部側中子１は、複数の端部側セル６の内部に配置される上部側中子１に比較して、短くなるように形成される。すなわち、複数の中央側セル７の上部リード部８は、複数の端部側セル６の上部リード部８より短くなるように形成される。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を有する。
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の上部リード部８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進行させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを生成する。基体管１０３は、上部リード部８より下流側に、上部リード部８で改質反応しなかった燃料ガスを改質反応させる領域１１が形成される。改質反応は吸熱反応であるので、発電室２１５で温度上昇が抑制される。

複数のセル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は、温度上昇した後に、放射熱により隣接する他の基体管１０３を加熱する。このため、複数の端部側セル６に囲まれる複数の中央側セル７は、全面を放射加熱されるので、複数の端部側セル６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１０１の基体管１０３のうちの上部側中子１が配置される上部リード部８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の上部リード部８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、内部に上部側中子１が配置されるので、上部リード部８に形成される燃料ガスの流路の代表径は、発電室２１５の代表径より小さい（上部リード部８の代表径は、基体管１０３内径と、上部側中子１外径の差で定義される。発電室の代表径は基体管１０３内径と等しい）。基体管１０３は、上部リード部８の流路の代表径が小さいことにより、基体管１０３の上部リード部８の単位面積あたりの熱伝達が向上し、基体管１０３の上部リード部８の伝熱が向上する。基体管１０３は、上部リード部８の伝熱が向上することにより、上部リード部８の流路を流れる燃料ガスと上部リード部８の外部を流れる酸化性ガスとの熱交換が向上し、発電室２１５から酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを効果的に温度低下できる。

複数の中央側セル７は、複数の端部側セル６に比較して基体管１０３の内部に配置される上部側中子１が短いことにより、上部リード部８が複数の端部側セル６の上部リード部８より短い。複数の中央側セル７は上部リード部８が短いことにより、複数の端部側セル６の上部リード部８での改質反応量より、上部リード部８での改質反応量が抑制される。上部リード部８での改質反応量が抑制されることにより、複数の中央側セル７は、上部リード部８の下流側の改質領域１１が複数の端部側セル６の改質領域１１より発電室２１５の内部側に延長される。複数の中央側セル７の鉛直方向中央部は、複数の中央側セル７の改質領域１１が複数の端部側セル６の改質領域１１より発電室２１５の内部側まで延長されることにより、複数の端部側セル６の鉛直方向中央部に比較して、改質領域１１での改質反応による吸熱により、最高温度を示す領域を効果的に温度抑制できる。このため、複数の中央側セル７の鉛直方向中央部は、複数の端部側セル６の鉛直方向中央部に比較して、より温度上昇を抑制する。

複数のセル１０１は、最高温度を示す複数の中央側セル７の発電室２１５の鉛直方向中央部の温度上昇を抑制することにより、複数のセル１０１の温度分布のばらつきを低減し、複数のセル１０１の温度を均一化することができる。このように燃料電池モジュール２０１の温度を均一化することで、ＳＯＦＣモジュール機器の信頼性を向上できる。

［第２実施形態］
第２実施形態の燃料電池モジュールは、図７に示すように、複数の中央側セル７の基体管１０３に挿入される上部側中子は、複数の端部側セル６の基体管１０３に挿入される上部側中子より外径が小さくなるように形成されることを特徴とする。複数の上部側中子は、複数の中央側セル７の基体管１０３に挿入される上部側中子の長さが、複数の端部側セル６の基体管１０３に挿入される上部側中子の長さと等しくなるように形成される。

複数の中央側セル７は、基体管１０３の内部に配置される上部側中子１の外径が複数の端部側セル６より小さいことにより、上部リード部８に形成される燃料ガスの伝熱面積が複数の端部側セル６の上部リード部８に形成される燃料ガスの伝熱面積より小さい。複数の中央側セル７は、上部リード部８に形成される燃料ガスの伝熱面積が小さいことにより、上部リード部８での改質反応量が複数の端部側セル６の上部リード部８での改質反応量より抑制される。複数の中央側セル７は、上部リード部８での改質反応量が抑制されることにより、改質領域１１が発電室の内部側に延長され、複数の中央側セル７の鉛直方向中央部は、複数の端部側セル６の鉛直方向中央部より温度上昇を効果的に抑制する。

複数のセル１０１は、最高温度となる中央側セル７の温度上昇を抑制することにより、燃料電池モジュール２０１の温度を均一化することで、ＳＯＦＣモジュール機器の信頼性を向上できる。

なお、複数の上部側中子は、複数の端部側セル６と複数の中央側セル７で長さまたは外径の一方のみが異なるようにせずに、燃料ガスの改質反応量が、複数の端部側セル６と複数の中央側セル７で異なるようにしてもよい。例えば、複数の上部側中子は、複数の端部側セル６と複数の中央側セル７で、端部側セルで燃料改質が促進し、中央側セルで燃料改質が遅れるように、上部側中子の長さと外径との両方が異なるようにしてもよい。この結果、最高温度となる中央側セル７の温度上昇を抑制することにより、燃料電池モジュール内の温度を均一化することで、ＳＯＦＣモジュール機器の信頼性を向上できる。

また、上部側中子１は、メタルと異なる他の材料としてもよい。その材料としては、セラミックが例示される。例えば上部側中子１をセラミックとすることで、材料の熱伝導率が低下し、その結果、燃料電池モジュールの放熱を抑制し、ＳＯＦＣ全体のシステム効率を向上できる。

端部側セルの上部側中子１は、筒部２の外周面にフィンを設けてもよい。フィンとして、複数の突起、らせん状に形成される溝が例示される。端部側セルの上部側中子１の筒部２の外周面にフィンを設けることにより、燃料の改質反応を促進し、燃料電池モジュールの端部側セルを高温化し、燃料電池モジュール内の温度を均一化することで、ＳＯＦＣモジュール機器の信頼性を向上できる。

端部側セルの上部側中子１には、筒部２の外周面に改質反応の触媒を塗布してもよい。触媒としては、金属ニッケルが例示される。端部側セル１０１の上部側中子１の外周部に触媒を塗布することで、燃料の改質反応を促進し、燃料電池モジュールの端部側セルを高温化し、燃料電池モジュール内の温度を均一化することで、ＳＯＦＣモジュール機器の信頼性を向上できる。

以上の実施例において、下部側中子について説明していないが、排燃料ガスと酸化性ガスの熱交換を促進するため、上部側と同様に代表径を小さくすることが望ましい。この結果、発電室に供給される酸化性ガスを高温化し、燃料電池モジュール内の温度を均一化することで、ＳＯＦＣモジュール機器の信頼性を向上できる。

１：上部側中子（中子）
２：筒部
３：蓋部
５：複数の爪
６：複数の端部側セル
７：複数の中央側セル
８：上部リード部
１１：改質領域
１０１：複数のセル
１０３：基体管
２０１：燃料電池モジュール
２１５：発電室

Claims

燃料ガスが流れる一つの流路がそれぞれ内部に形成される複数のセルと、
前記複数のセルのそれぞれの前記流路の上流側の領域にそれぞれ配置される複数の中子とを備え、
前記複数のセルは、
複数の端部側セルと、
前記複数の端部側セルに囲まれるように配置される複数の中央側セルを含み、
前記複数の端部側セルの中子が配置される領域で前記燃料ガスの改質反応量に比較して、前記複数の中央側セルの中子が配置される領域で前記燃料ガスの改質反応量が小さくなるように、前記複数の中子が構成される燃料電池モジュール。
前記複数の中央側セルの中子は、前記複数の端部側セルの中子より、前記流路の長手方向の長さが短い請求項１に記載される燃料電池モジュール。
前記複数の中央側セルの中子の外径は、前記複数の端部側セルの中子の外径に比較して小さい請求項１または請求項２に記載される燃料電池モジュール。
前記複数の端部側セルの中子は、前記複数のセルの内周面に対向する外周面に複数のフィンが設けられた請求項３に記載される燃料電池モジュール。
前記複数の中子は、前記複数のセルの内周面に対向する外周面に前記改質反応の触媒が配置される請求項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モジュール。