JP6509552B2 - 燃料電池カートリッジおよびその製造方法、並びに燃料電池モジュールおよび燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池カートリッジおよびその製造方法、並びに燃料電池モジュールおよび燃料電池システムに関するものである。本発明は、特に、円筒形で多孔質の基体管上に燃料電池セルが形成されたセルスタックを備えた燃料電池カートリッジおよびその製造方法、並びに燃料電池モジュールおよび燃料電池システムに関するものである。

燃料電池は、燃料極に燃料ガスを、空気極に酸素を含む流体（空気）を供給し、電気化学反応によって電力が取り出される発電装置である。燃料電池の１つとして、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）がある（参照：特許文献１から特許文献４）。

円筒状のセルスタックを用いたＳＯＦＣでは、複数のセルスタックが略平行に並べられ、各セルスタックの両端部が集電部材などで支持されたカートリッジ構造をとる。

セルスタックは、多孔質の基体管を有し、該基体管の外周面上に、燃料極、固体電解質及び空気極が順に積層された燃料電池セルを備えている。燃料電池セルは、基体管の長手方向（軸方向）の中間部分に、軸方向に沿って複数形成され、隣接する燃料電池セル同士は、インターコネクタを介して電気的に直列接続されている。

燃料ガスは、基体管の一端から基体管の内部に導入されて基体管の他端から外部へ排出される。一方、酸素を含む酸化剤ガス（例えば空気）は、基体管の外部に供給される。

特開２００８−７１７１０号公報（請求項１、段落［０００１］） 特開２０１４−１１６１９９号公報（請求項１、段落［００１９］−［００２１］） 特許第５１０６８８４号公報（請求項１、図２） 特許第５５３９４１７号公報（請求項１）

セルスタックにおいて複数の燃料電池セルは直列接続されているため、各燃料電池セルを流れる電流量（発電反応）は等しく、各燃料電池セルの電圧は異なる。各燃料電池セルを流れる電流量は基体管の長手方向（軸方向）で等しいため、電流量は燃料供給側の燃料電池セルに比べ、発電反応のポテンシャルが低い燃料排出側の燃料電池セルで律速する。

基体管の一端より供給された燃料ガスは、基体管の内部を通り、他端側より排出される。セルスタックの発電部（燃料電池セル）にて燃料ガス中の反応寄与成分（Ｈ_２、ＣＯ）が消費されるため、燃料ガスが排出される側に近いほど、反応寄与成分の濃度は薄くなる。このため、燃料ガスが供給される側の燃料電池セルに比べ、燃料ガスが排出される側の燃料電池セルは性能（電圧）が低くなる。また、基体管の燃料ガスが排出される側では、燃料ガスが供給される側よりも基体管内部を流通した分、圧力損失が生じる。そのため、基体管の燃料ガスが排出される側では、燃料ガスが供給される側よりも燃料ガスの分圧が低く、発電反応が起こりにくい。したがって、セルスタックの電流量は、燃料ガスが排出される側にある燃料電池セルの電流量にて律速する。

燃料ガスが排出される側の燃料電池セルは性能（電圧）が低くなる、または、電流量が発電反応のポテンシャルが低い燃料電池セルで律速されると、燃料電池セルが直列接続されたセルスタックの発電量も低く抑えられてしまい、仮に発電反応のポテンシャルが高い燃料電池セルがあったとしても燃料電池カートリッジの発電効率を上げられない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池セルの発電反応を促進させ、燃料電池カートリッジの発電効率を向上させること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、本発明の燃料電池カートリッジおよびその製造方法、並びに燃料電池モジュールおよび燃料電池システムは以下の手段を採用する。

本発明は、両端開放型であり、軸方向において一端部側に対して他端部側の気孔率が大きい多孔質の基体管を基材とし該基材上に電気的に直列接続されている複数の燃料電池セルを備えたすべてのセルスタックを、前記基体管の前記一端部側と前記他端部側に対して、前記複数の燃料電池セルの所定の方向で電気的な直列接続を規定し、前記基体管の前記一端部側が燃料ガスの流れ方向の上流側に向き、前記基体管の前記他端部側が燃料ガスの流れ方向の下流側に向くよう配置する燃料電池カートリッジの製造方法を提供する。

本発明において、基体管の気孔率は一端部側よりも他端部側の方が大きい。基体管の気孔率の大きい方（他端部側）を燃料ガスが排出される側（下流側）に配置することで、下流側での発電反応を促進できる。それにより、セルスタックの電流を律速していた下流側での発電反応量が増加するため、セルスタック全体の発電能力を上げることができる。そして、本発明では、一端部側から他端部側に向けて気孔率が大きくなっている基体管に着目し、燃料電池カートリッジに配置されるすべてのセルスタックを基体管の他端側が燃料ガスの流れ方向の下流側に向くように配置することとした。それにより、燃料電池カートリッジ全体の発電能力を上げることができる。

上記発明の一態様では、前記セルスタックがＡタイプセルスタックおよびＢタイプセルスタックを含み、前記一端部側が正極であり前記他端部側が負極である前記Ａタイプセルスタックを形成し、前記一端部側が負極であり前記他端部側が正極である前記Ｂタイプセルスタックを形成し、前記Ａタイプセルスタックおよび前記Ｂタイプセルスタックを電気的に直列に接続してもよい。

上記発明の一態様によれば、ＡタイプセルスタックおよびＢタイプセルスタックは気孔率の分布傾向は同じであり、極性のみを反転したセルスタックである。極性を反転させてセルスタックを並べられるため、カートリッジの直列配線が容易となる。例えばＡタイプセルスタックだけを形成し、上下を反転させて極性の異なるＢタイプセルスタックとした場合には、気孔率の分布傾向も反転してしまう。そのようなＡタイプセルスタックとＢタイプセルスタックとを並べると、気孔率の小さい箇所が燃料ガスの下流側に配置され、発電反応が促進されずに下流側セルスタックでの電流が低下する。それにより、セルスタックの発電量が低下する。

上記発明の一態様において、前記Ａタイプセルスタックは、負極側を上にして吊り下げ焼成することにより形成し、前記Ｂタイプセルスタックは、正極側を上にして吊り下げ焼成することにより形成することができる。

吊り下げて焼成した基体管は、吊り下げたときに上側にある方の気孔率が高くなり、下側にあるほうの気孔率が低くなる。

上記発明の一態様において、直列接続されている複数の前記燃料電池セルの最端部に電気的に接続され、前記燃料電池セルで発電された電力を導くリード部を前記基体管の前記一端部側および前記他端部側に形成する工程と、前記Ａタイプセルスタックおよび前記Ｂタイプセルスタックの少なくとも一方のセルスタックの前記リード部上に識別部を形成する工程と、を含み、焼成前の基体管上にリード部材料および識別部材料を成膜した後に一体焼成して、前記リード部および前記識別部を形成するとよい。

カートリッジの構造上、燃料ガスが供給される側（上流側）では長いリード部が必要とされる。上記発明によれば、基体管の気孔率が小さい一端部側はリード部が長く、燃料ガスが供給される側に配置されるため、発電効率への影響は少ない。

基体管に気孔率分布が生じる前に識別部材料を成膜し、基体管と一体焼成することで、ＡタイプセルスタックおよびＢタイプセルスタックを識別できるようになる。それにより気孔率の分布を間違えることなく、ＡタイプセルスタックおよびＢタイプセルスタックを適切に配置できる。

上記発明の一態様において、前記基体管の軸方向の対応する任意の位置における前記気孔率を測定し、該測定した気孔率に基づき、相対的に前記気孔率の値が小さいセルスタックを前記燃料電池カートリッジ内の中央領域に配置し、相対的に前記気孔率の値が大きいセルスタックを前記燃料電池カートリッジ内において前記中央領域の外側周辺となる外側周辺領域に配置することが好ましい。

上記発明の一態様によれば、燃料電池カートリッジの中央領域に相対的に気孔率の小さいセルスタックを配置することで、燃料電池カートリッジの中央領域よりも該中央領域の外側周辺となる外側周辺領域にあるセルスタックでの発電反応が促進される。発電反応による発熱に伴って中央領域の温度が上がりやすい構造の燃料電池カートリッジでは、セルスタック間の発電能力の違いが、発電反応による発熱量の違いを相殺し、燃料電池カートリッジ内の温度分布差が生じにくくなる。これにより、カートリッジの発電効率を上げることができる。「中央領域」および「外側周辺領域」は燃料電池カートリッジの横断面を２つの領域に分けたときの呼称であり、「中央領域」は燃料電池カートリッジの横断面の中心を含む領域である。「外側周辺領域」は「中央領域」の外側周辺の領域であり、燃料電池カートリッジの横断面の縁部側にある。

また本発明は、両端開放型である多孔質の基体管および前記基体管上に形成され電気的に接続されている複数の燃料電池セルを備えた複数のセルスタックと、複数の前記セルスタックの一端部が配置され、前記セルスタックに燃料ガスが供給される燃料ガス供給部と、複数の前記セルスタックの他端部が配置され、セルスタックに供給された前記燃料ガスが排出される燃料ガス排出部と、を備え、前記セルスタックの前記一端部側と前記他端部側に対して、前記複数の燃料電池セルが所定の方向で電気的に直列接続され、すべての前記セルスタックにおける前記基体管の気孔率が、前記一端部側は前記他端部側に対して大きくされた燃料電池カートリッジを提供する。

本発明において、基体管の気孔率は一端部側よりも他端部側の方が大きい。基体管の気孔率の大きい方（他端部側）を燃料ガスが排出される側（下流側）に配置することで、下流側での発電反応を促進できる。それにより、セルスタックの電流を律速していた下流側での発電反応量が増加するため、セルスタック全体の発電能力を上げることができる。また本発明では、一端部側に対して他端部側の気孔率が大きくなっている基体管に着目し、燃料電池カートリッジに配置されるすべてのセルスタックを基体管の他端部側が燃料ガスの流れ方向の下流側に向くように配置することとした。それにより、燃料電池カートリッジ全体の発電能力を上げることができる。

上記発明の一態様では、複数の前記セルスタックが、前記一端部側が正極であり前記他端部側が負極であるＡタイプセルスタックと、前記一端部側が負極であり前記他端部側が正極であるＢタイプセルスタックと、を含んでいてもよい。

上記発明の一態様において、前記一端部側および前記他端部側の前記基体管上に形成され、直列接続されている複数の前記燃料電池セルの最端部に電気的に接続されて前記燃料電池セルで発電された電力を導くリード部と、前記Ａタイプセルスタックおよび前記Ｂタイプセルスタックの少なくとも一方のセルスタックの前記リード部上に形成された識別部と、を備えていることが好ましい。

複数の前記セルスタックが、各基体管の軸方向の対応する任意の位置において前記気孔率の値が異なるセルスタックを含み、相対的に前記気孔率の値が小さいセルスタックが前記燃料電池カートリッジ内の中央領域に配置され、相対的に前記気孔率の値が大きいセルスタックが前記燃料電池カートリッジ内において前記中央領域の外側周辺となる外側周辺領域に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、基体管の軸方向にある気孔率分布を考慮して燃料電池カートリッジ内にセルスタックを配置することで、律速となる部分での燃料電池セルの発電反応量を増加させることができる。それによりセルスタック全体の発電量が増加し、燃料電池カートリッジの発電効率を向上させられる。そのような燃料電池カートリッジを備えた燃料電池モジュールや、該燃料電池モジュールを備えた燃料電池システムは発電性に優れたものとなる。

第１実施形態に係るセルスタックの側面図である。 図１のＸ−Ｘの矢視断面図である。 図１のＹ−Ｙの矢視断面図である。 第１実施形態に係る燃料電池モジュールの概要を示す斜視図である。 第１実施形態に係る燃料電池カートリッジの縦断面図である。 第２実施形態に係るセルスタックの側面図である。 図６（Ａ）のＸ−Ｘの矢視断面図である。 図６（Ａ）のＹ−Ｙの矢視断面図である。 図６（Ｂ）のＸ−Ｘの矢視断面図である。 図６（Ｂ）のＹ−Ｙの矢視断面図である。 焼成時のＡタイプセルスタックおよびＢタイプセルスタックの概略側面図である。 第２実施形態に係る燃料電池カートリッジの概略構成図である。 第３実施形態に係る燃料電池カートリッジの概略横断面図である。 吊り下げ下部からの距離と基体管の気孔率との関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る燃料電池カートリッジおよびその製造方法、並びに燃料電池モジュールおよび燃料電池システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。以下においては、基体管の長手方向（軸方向）の距離を「長さ」と呼ぶ。

〔第１実施形態〕
本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する複数のセルスタックを備えた複数の燃料電池カートリッジにより構成される燃料電池モジュールを備えている。

まず、図１から図３を参照して本実施形態に係るセルスタックについて説明する。ここで、図１は、本実施形態に係るセルスタックの側面図である。図２は、図１のＸ−Ｘの矢視断面図である。図３は、図１のＹ−Ｙの矢視断面図である。

セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面上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とが積層して形成されている。

セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面上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に電気的に接続されたリード部１１４を有する。リード部１１４は、電気的に接続された複数の燃料電池セル１０５の両端部にある。基体管の一端部側にあるリード部１１４ａの長さは、他端部側にあるリード部１１４ｂよりも長い。リード部１１４は、燃料電池セル１０５に電気的に接続されたリード膜１１５（１１５ａ，１１５ｂ）と、リード膜１１５上に形成された保護膜１１７とを含んでいる。リード膜１１５は、基体管上に形成されており、一端が燃料電池セル１０５に電気的に接続され、他端は基体管１０３の端部に向けて延びている。リード膜１１５は、基体管１０３の端部側で上面が露出されている。リード膜１１５を覆う保護膜１１７の上には、適宜シール接合膜１１９が積層されていてもよい。リード膜１１５（１１５ａ，１１５ｂ）は、リード部１１４ａのリード膜１１５ａの長さ（Ｌａ）が、リード部１１４ｂのリード膜１１５ｂの長さ（Ｌｂ）よりも長い。

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に拡散させるものである。

基体管は円筒型の長尺部材である。基体管は軸方向（長手方向）に向けて気孔率分布を有している。基体管の気孔率は、基体管の一端部側に対して他端部側が大きくなる。

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）に改質するものである。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）を生成するものである。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。また、燃料極１０９は所定膜厚を得るために複数に分けて形成しても良い。

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ものである。また、固体電解質１１１は所定機能を得るために複数に分けて形成しても良い。

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−）を生成するものである。

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の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を所定の方向へと直列に接続して、セルスタック１０１としての正極と負極を規定するものである。また、インターコネクタ１０７は所定機能を得るために複数に分けて形成しても良い。

リード膜１１５（１１５ａ，１１５ｂ）は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック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。リード膜の材料は燃料極の材料を同じであってよい。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セルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。

保護膜１１７は、固体電解質１１１と同じ材料で構成されている。保護膜１１７は、燃料ガスおよび酸化性ガスのリークを防止する役割と、リード膜１１５が酸化性ガスに曝されるのを防ぐ役割を果たす。

シール接合膜１１９は、セルスタック１０１と接着剤との接着強度を向上させるために表面粗度を高くするという役割を果たす膜である。シール接合膜１１９の材料は例えばＣａＴｉＯ_３とＹＳＺの混合物である。シール接合膜１１９は、ローラー印刷で形成されるとよい。

セルスタック１０１は以下のように製造することができる。
まず、カルシウム安定化ジルコニア（ＣＳＺ）などの材料を、押し出し成形法により基体管１０３の形状に成形する（以降「成形した基体管」と呼ぶ）。次に、燃料極材料、固体電解質材料、インターコネクタ材料、リード膜材料、保護膜材料にそれぞれ水系ビヒクルなどを混合し、スラリーを作製する。スクリーン印刷法を用いて、燃料極用スラリー、リード膜用スラリー、固体電解質用スラリー、保護膜用スラリー、およびインターコネクタ用スラリーを、成形した基体管上に順に成膜する。

本実施形態では、燃料極１０９およびリード膜１１５（１１５ａ，１１５ｂ）、固体電解質１１１および保護膜１１７を同じ材料で構成する。よって、燃料極用スラリーおよびリード膜用スラリーを作製・印刷する工程は実質的に同じ工程である。また、固体電解質用スラリーおよび保護膜用スラリーを作製・印刷する工程も実質的に同じ工程である。リード膜用スラリーは燃料電池セルの両端に印刷するが、成形した基体管の一端部側のリード膜１１５ａの長さが他端部側のリード膜１１５ｂよりも長くなるように印刷する。保護膜用スラリーは、リード膜１１５の上面が基体管１０３の端部で露出するよう、リード膜用スラリーの上に印刷する。

他端部側（リード膜が短い方（リード膜１１５ｂ））が鉛直方向上に向くよう成形した基体管を吊り下げ、大気中にて１３５０℃〜１５００℃、３時間〜５時間、一体焼成して、基体管１０３、燃料極１０９、リード膜１１５、固体電解質１１１、インターコネクタ１０７、および保護膜１１７を形成する。

次に、空気極材料に水系ビヒクルを混合して空気極用スラリーを作製する。焼成後のインターコネクタ１０７上に空気極用スラリーをスクリーン印刷する。また、シール接合膜材料に水系ビヒクルなどを混合し、シール接合膜用スラリーを作製する。焼結後の保護膜１１７の上にシール接合膜用スラリーをローラー印刷する。その後、他端部側（リード膜が短い方（リード膜１１５ｂ））が鉛直方向上に向くよう基体管１０３を吊り下げ、大気中にて１１００℃〜１４００℃、１時間〜４時間で焼成し、空気極１１３およびシール接合膜１１９を形成する。

吊り下げ焼成すると、鉛直方向下側（下側）では基体管が収縮されるが、鉛直方向上側（上側）では自重がかかり基体管が下側ほど収縮しない。そのため、焼成後の基体管では上側にあった方の気孔率が大きくなり、下側にあった方の気孔率が小さくなる。

また成形した基体管、燃料極材料、固体電解質材料などを吊り下げて一体焼成すると基体管の軸方向に重力がかかり、各素子（燃料極１０９、固体電解質１１１、インターコネクタ１０７などによる燃料電池セル）は基体管の軸方向で長さに違いが生じる。吊り下げた際に鉛直方向上側に配置された各素子は、鉛直方向下側に配置された各素子よりも長くなる。たとえば、鉛直方向上側に配置された素子は、鉛直方向下側に配置された素子に比べて素子長さが約８％長くなる。

次に、図４と図５とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール２０１及びＳＯＦＣカートリッジ２０３について説明する。ここで、図４は、ＳＯＦＣモジュール２０１の一態様を示すものである。また、図５は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の一態様の断面図を示すものである。

ＳＯＦＣモジュール２０１は、図４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、ＳＯＦＣ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ＳＯＦＣ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、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。

燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣ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（不図示）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させるものである。

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に接続されている。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に導くものである。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の外部に配置されている。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の外部に導くものである。

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が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図５に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室（燃料ガス供給部）２１７と、燃料ガス排出室（燃料ガス排出部）２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。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。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、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とが図５のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。

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、セルスタック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のセルスタック１０１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に備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、円筒形状であるセルスタック１０１の一方の端部が、燃料ガス供給室２１７に対して開放して配置されている。セルスタック１０１の一方の端部とは、基体管の気孔率が小さい方（基体管の一端部側、吊り下げ焼成時に鉛直方向下を向いていた方）の端部であり、全てのセルスタック１０１について同様な方向で気孔率の小さい方が配置される。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、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。

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に備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、円筒形状であるセルスタック１０１の他方の端部が、燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。セルスタック１０１の他方の端部とは、基体管の気孔率が大きくなる方（基体管の他端部側、吊り下げ焼成時に鉛直方向上を向いていた方）の端部であり、全てのセルスタック１０１について同様な方向で気孔率の大きい方が配置される。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給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に導くものである。

ＳＯＦＣ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、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない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、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。

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、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。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を介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。

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の側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック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とを隔離するものである。

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の側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック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とを隔離するものである。

セルスタック１０１には、上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂとのシール部分にはシール接合膜１１９を設けて表面粗度を高くしてあり、セルスタック１０１とシール部材及び接着部材との接着強度を向上させてある。

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の側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック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の周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。

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セルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。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がなされ、金属材料から成る上部管板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に供給される。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、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。

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、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック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の周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２３３に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。

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セルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。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、金属材料から成る下部管板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に供給することができる。

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によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、保護膜１１７に覆われなく、リード膜１１５の上面が露出している基体管１０３の端部で集電板（不図示）と電気的に接続される。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、ＳＯＦＣ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。

本実施形態によれば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３において、複数のセルスタック１０１は、基体管１０３の気孔率が大きくなる方（吊り下げ焼成時に鉛直方向上側を向いていた方）を燃料ガスの排出側（燃料ガスの流れ方向下流側）に向けて配置されている。基体管１０３の気孔率が大きいと発電反応が促進される。したがって、本実施形態によれば、セルスタック１０１に流れる電流を律速していた燃料ガスの流れ方向下流側での発電反応量を増加させ、セルスタック全体の発電能力を上げることができる。

またセルスタック１０１において、基体管１０３の気孔率が大きくなる方（吊り下げ焼成時に鉛直方向上側を向いていた方）では、基体管１０３の気孔率が小さくなる方よりも各素子の長さが長くなっている。各燃料電池セルに流れる電流量は等しい。燃料電池セルが長いと電流の流れる面積が広くなり、単位面積当たりの電流量が小さくなる（電流密度が低下する）。そのため、長い燃料電池セルでは、短い燃料電池セルよりも実質的に電圧が高くなり、結果として燃料電池の性能が向上する。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３において、基体管１０３の気孔率が小さい方において、特に気孔率が小さくなる基体管１０３の端部付近の領域は、燃料ガスの流れ方向上流側のカートリッジ構造上長いリード部１１４ａが必要な領域に配置されている。このため、セルスタック１０１では、燃料ガスの流れ方向上流側のリード部１１４ａのリード膜１１５ａの長さ（Ｌａ）が、燃料ガスの流れ方向下流側リード部１１４ｂのリード膜１１５ｂの長さ（Ｌｂ）よりも長い。リード部（１１４ａ、１１４ｂ）では、発電がおこなわれないため、燃料ガスの流れ方向上流側のリード部１１４ａはリード膜１１５ｂより長い構造であっても、基体管１０３の気孔率が小さいことによる発電効率への影響は少ない。

〔第２実施形態〕
第２実施形態は、電流の流れる方向が異なる２種類のセルスタックを作製し、同一カートリッジ内に配置することを特徴とする。特に説明のない構成については、第１実施形態と同様とする。

本実施形態について、図面を用いて説明する。図６は、本実施形態に係るセルスタックの側面図である。同図において（Ａ）はＡタイプセルスタックの側面図、（Ｂ）はＢタイプセルスタックの側面図である。図７は、図６（Ａ）の正極側のＸ−Ｘの矢視断面図である。図８は、図６（Ａ）の負極側のＹ−Ｙの矢視断面図である。図９は、図６（Ｂ）の負極側のＸ−Ｘの矢視断面図である。図１０は、図６（Ｂ）の正極側のＹ−Ｙの矢視断面図である。

本実施形態において、セルスタックはＡタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂを含んでいる。Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂはそれぞれ、第１実施形態と同様に、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面上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。セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）は、燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。

Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂは、基体管１０３の外周面上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に電気的に接続されたリード部１１４（１１４ａ，１１４ｂ）を有する。リード部１１４はリード膜１１５（１１５ａ，１１５ｂ）とリード膜上に形成された保護膜１１７とを備えている。リード膜１１５は、一端が燃料電池セル１０５に電気的に接続され、他端は基体管１０３の端部に向けて延びている。リード膜１１５は、基体管１０３の端部側で上面が露出されている。リード膜１１５を覆う保護膜１１７の上には、適宜シール接合膜１１９が積層されていてもよい。Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂにおいて、正極側に設けられたリード膜１１５ａはインターコネクタ１０７を介して最端部の燃料電池セル１０５の空気極１１３に電気的に接続されている。負極側に設けられたリード膜１１５ｂは最端部の燃料電池セル１０５の燃料極１０９と電気的に接続されている。

基体管１０３、燃料電池セル１０５の各構成、インターコネクタ１０７、リード膜１１５、シール接合膜１１９および保護膜１１７の材料などは第１実施形態と同様である。

Ａタイプセルスタック１０１ａは、正極側に比べて負極側の基体管１０３の気孔率が大きくなるセルスタックである。Ａタイプセルスタック１０１ａにおいて、正極側に設けられたリード部１１４ａおよびリード膜１１５ａ（Ｌａ）が、負極側に設けられたリード部１１４ｂおよびリード膜１１５ｂ（Ｌｂ）よりも長い。Ａタイプセルスタック１０１ａにおいて、負極側にある燃料電池セル１０５ｂは正極側にある燃料電池セル１０５ａよりも長い。

Ｂタイプセルスタック１０１ｂは、負極側に比べ正極側の基体管１０３の気孔率が大きくなるセルスタックである。Ｂタイプセルスタックにおいて、負極側に設けられたリード部１１４ａおよびリード膜１１５ａ（Ｌａ）が、正極側に設けられたリード部１１４ｂおよびリード膜１１５ｂ（Ｌｂ）よりも長い。Ｂタイプセルスタック１０１ｂにおいて、正極側にある燃料電池セル１０５ｂは負極側にある燃料電池セル１０５ａよりも長い。

Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂの少なくとも一方のセルスタックには、リード部上に識別部１２１が設けられているとよい。識別部１２１は、リード部上の形成される箇所に応じて各層の形成膜と同一の材料を用いて設置する。例えば図９に示すようにリード膜１１５ａに接するよう形成される識別部１２１（ｌ）は、保護膜１１７と同一の材料を用いて、保護膜１１７の形成に併せて容易に設置することができる。また、図９で保護膜１１７の直上に形成されている識別部１２１（ｐ）は、シール接合膜１１９と同一の材料を用いて設置する。識別部１２１（ｌ）および識別部１２１（ｐ）はどちらか一方だけ設置されてもよい。

識別部１２１はＡタイプセルスタック１０１ａとＢタイプセルスタック１０１ｂとを外観で識別できるよう形成されたものである。例えば、Ｂタイプセルスタック１０１ｂの正極側のリード部１１４ｂ上に環状ラインの識別部１２１が設けられるとよい。なお、Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂの両方に識別部１２１を設ける場合には、識別部１２１の位置、形状などをパターン分けする。

識別部１２１は上記の環状ラインに限定されるものでなく、製造工程の中で併せて設けることができ、外観識別ができれば形状を適宜変更が可能である。

Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂは以下のように製造することができる。図１１に、吊り下げ焼成する際のＡタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂの概略側面図を示す。同図において（Ａ）は吊り下げ焼成する際のＡタイプセルスタック１０１ａ、（Ｂ）は吊り下げ焼成する際のＢタイプセルスタック１０１ｂ、紙面上側が鉛直方向上である。簡略化のため図１１では、未焼成の燃料電池セル１０５’、未焼成のリード部１１４ａ’，１１４ｂ’、および未焼成の識別部１２１（ｌ）’，１２１（ｐ）を表示している。

第１実施形態と同様に、成形した基体管上に、燃料極用スラリー、リード膜用スラリー、固体電解質用スラリー、保護膜用スラリー、およびインターコネクタ用スラリーを順に成膜する。リード膜用スラリーは、Ａタイプセルスタック１０１ａの正極側およびＢタイプセルスタック１０１ｂの負極側の方のリード膜１１５ａが、Ａタイプセルスタック１０１ａの負極側およびＢタイプセルスタック１０１ｂの正極側の方のリード膜１１５ｂよりも長くなるように印刷する。識別部１２１（ｌ）を形成するための識別部（ｌ）用スラリーには、保護膜用スラリーを転用する。識別部（ｌ）用スラリーは、成膜した保護膜用スラリーの端部と間隔をあけるよう成膜したリード膜用スラリー上にスクリーン印刷する。識別部用スラリーは、基体管１０３の周方向を一周するよう環状に成膜するとよい。

その後、リード膜の短い方が鉛直方向上に向くよう成形した基体管を吊り下げる。Ａタイプセルスタック１０１ａは負極側、Ｂタイプセルスタック１０１ｂは正極側が鉛直方向上に向ける。Ａタイプセルスタック１０１ａは正極側、Ｂタイプセルスタック１０１ｂは負極側が鉛直方向下に向ける。大気中にて１３５０℃〜１５００℃、３時間〜５時間、一体焼成して、燃料極１０９、リード膜１１５、固体電解質１１１、インターコネクタ１０７、保護膜１１７、シール接合膜１１９、識別部１２１を形成する。

次に、空気極材料に水系ビヒクルを混合して空気極用スラリーを作製する。焼成後のインターコネクタ上に空気極用スラリーをスクリーン印刷する。また、シール接合膜材料に水系ビヒクルを混合してシール接合膜用スラリーを作製する。焼結後の保護膜１１７の上にシール接合膜用スラリーをローラー印刷する。識別部１２１（ｐ）を形成するための識別部（ｐ）用スラリーには、シール接合膜用スラリーを転用する。識別部（ｐ）用スラリーは、成膜したシール接合膜用スラリーの端部と間隔をあけるよう成膜した保護膜用スラリー上にスクリーン印刷する。その後、リード膜の短い方（リード膜１１５ｂ）が鉛直方向上に向くよう基体管を吊り下げ、大気中にて１１００℃〜１４００℃、１時間〜４時間で焼成し、空気極１１３を形成する。

上記のように製造したＡタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂは、極性のみが反転したセルスタックとなる。第１実施形態と同様に焼成後の基体管では上側にあった方の気孔率が大きくなり、下側にあった方の気孔率が小さくなる。また、吊り下げた際に鉛直方向上側に配置された各素子は、鉛直方向下側に配置された各素子よりも長くなる。

識別部（ｌ）用スラリーおよび識別部（ｐ）用スラリーは、成形した基体管を焼成する前に成膜されているため、一体焼成の際にセルスタックの吊り下げる向きを間違えにくくなる。リード部１１４ａおよびリード部１１４ｂの長さで吊り下げる向きを確認できるとともに、識別部１２１を設けることで、Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂを外観で識別できる。

図１２に、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの概略構成図を示す。図１２では、説明に必要な構成のみを記載しているが、基本的な構成は第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジと同様である。

図１２において、ＳＯＦＣカートリッジ３０３は、ケーシング３２９と、複数のセルスタック１０１（Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂ）と、発電室３１５と、燃料ガス供給室３１７と燃料ガス排出室３１９とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジは、上部管板３２５ａと下部管板３２５ｂとを有する。酸化性ガスはセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるようにしても良い。

発電室３１５は、ケーシング３２９と上部管板３２５ａと下部管板３２５ｂとの間に形成された領域である。セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）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。

燃料ガス供給室３１７は、ケーシング３２９の上部と上部管板３２５ａとで囲まれた領域である。燃料ガス供給室３１７は、ケーシング３２９の上部に備えられた燃料ガス供給孔３３１ａによって、図示しない燃料ガス供給枝管と連通されている。また、燃料ガス供給室３１７には、円筒形のセルスタック１０１の一方の端部が、燃料ガス供給室３１７に対して開放して配置されている。セルスタック１０１の一方の端部とは、基体管の気孔率が小さい方（吊り下げ焼成時に鉛直方向下を向いていた方）の端部であり、全てのセルスタック１０１について同様な方向で気孔率の小さい方が配置される。

燃料ガス排出室３１９は、ケーシング３２９の下部と下部管板３２５ｂとで囲まれた領域である。燃料ガス排出室３１９は、ケーシング３２９の下部に備えられた燃料ガス排出孔３３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管と連通されている。また、燃料ガス排出室３１９には、円筒形のセルスタック１０１の他方の端部が、燃料ガス排出室３１９に対して開放して配置されている。セルスタック（１０１ａ，１０１ｂ）の他方の端部とは、基体管の気孔率が大きくなる方（吊り下げ焼成時に鉛直方向上を向いていた方）の端部であり、全てのセルスタック１０１について同様な方向で気孔率の大きい方が配置される。

上部管板３２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部（上端部）を支持している。下部管板３２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部（下端部）を支持している。

複数のセルスタック１０１は、複数のＡタイプセルスタック１０１ａおよび複数のＢタイプセルスタック１０１ｂを含む。

複数のＡタイプセルスタック１０１ａは集電部材により電気的に並列接続されてＡタイプセルスタック群３１３ａを構成する。Ａタイプセルスタック群３１３ａにおいて、複数のＡタイプセルスタック１０１ａは、すべて正極を燃料ガス供給室側（鉛直方向上側）に向け、負極を燃料ガス排出室側（鉛直方向下側）に向けて横に並べて配置されている。複数のＡタイプセルスタック１０１ａの正極側端部は、上部集電部材３１１で集合化されている。複数のＡタイプセルスタック１０１ａの負極側端部は、下部集電部材３１２によって集合化されている。上部集電部材３１１および下部集電部材３１２はそれぞれ導電性を有する。

複数のＢタイプセルスタック１０１ｂは集電部材により電気的に並列接続されてＢタイプセルスタック群３１３ｂを構成する。Ｂタイプセルスタック群３１３ｂにおいて、複数のＢタイプセルスタック１０１ｂは、すべて負極を燃料ガス供給室側（鉛直方向上側）に向け、正極を燃料ガス排出室側（鉛直方向下側）に向けて横に並べて配置されている。複数のＢタイプセルスタック１０１ｂの負極側端部は、上部集電部材３１１で集合化されている。複数のＢタイプセルスタック１０１ｂの正極側端部は、下部集電部材３１２によって集合化されている。

Ａタイプセルスタック群３１３ａおよびＢタイプセルスタック群３１３ｂはＳＯＦＣカートリッジ内に並べて配置されている。隣り合うＡタイプセルスタック群３１３ａおよびＢタイプセルスタック群３１３ｂは、上部集電部材３１１または下部集電部材３１２のいずれか一方が電気的に接続されている。接続されていない側の集電部材３１１にはそれぞれ集電棒３１４などがつながれ、該集電棒３１４を介して電力をＳＯＦＣカートリッジ外部へと導出できる。

本実施形態によれば、ＳＯＦＣカートリッジ内に極性を反転させたＡタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂを配置することで、カートリッジ内の配線をセルスタックの一方の端部側および他方の端部側において、一方向にまとめられる。それにより集電をセルスタックの一方の端部側から他方の端部側へと接続するための取り回しが不要となり、Ａタイプセルスタック１０１ａとＢタイプセルスタック１０１ｂとの接続配線部材を短くでき、直列配線が容易となる。

従来のようにセルスタック間の直列接続にあたり、同一極性のセルスタックを上下で反転させて並べる前述のような効率的な直列配線を得ることが出来るが、基体管の軸方向の気孔率分布も上下で反転してしまうことで、上下反転したセルスタックの発電電流が異なるために、そのまま直列接続するとセルスタック全体の発電性能が低下する課題がある。本実施形態では、Ａタイプセルスタック１０１ａとＢタイプセルスタック１０１ｂとは極性を反転させて並べた場合に、基体管の軸方向の気孔率分布は全てのセルスタックで同じ傾向を示すよう製造している。本実施形態によれば、気孔率の大きい方を同じ向きに配置して燃料ガス排出側に配置することができるため、燃料ガスの流れ方向下流側での発電反応を促進させ、セルスタック全体の発電能力を上げることができる。

またセルスタック１０１（Ａタイプセルスタック１０１ａおよびＢタイプセルスタック１０１ｂ）において、基体管の気孔率が大きくなる方（吊り下げ焼成時に鉛直方向上側を向いていた方）では、基体管の気孔率が小さくなる方よりも各素子（燃料電池セル）の長さが長くなっている。セルスタックの上側と下側において流れる電流量は同じである。燃料電池セルが長いと電流の流れる面積が広くなり、単位面積当たりの電流が低くなる（電流密度が低下する）。そのため、長い燃料電池セルでは、短い燃料電池セルよりも実質的に電圧が高くなり、結果として燃料電池の性能が向上する。

ＳＯＦＣカートリッジ３０３において、基体管１０３の気孔率が小さい方は、燃料ガスの流れ方向上流側であり、特に気孔率が小さくなる基体管１０３の端部付近の領域は、カートリッジ構造上長いリード膜が必要な領域に配置されている。リード部では、発電がおこなわれないため、発電効率への影響は少ない。

〔第３実施形態〕
第３実施形態では、吊り下げ焼成により製造したセルスタックの基体管１０３において気孔率に個体差が生じた際の態様について説明する。特に説明のない構成については、第１実施形態と同様とする。本実施形態について、図面を用いて説明する。図１３は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの横断面図である。図１３では、複数のセルスタック（１０１Ｈ，１０１Ｌ）が上部管板２２５ａに支持されている。

吊り下げ焼成により製造した複数のセルスタック１０１は、焼成時の炉内での位置やロット間差などにより任意の位置における気孔率の値に個体差が生じる場合がある。そのような場合であっても吊り下げて焼成しているため、基体管の軸方向における気孔率分布の傾向は各セルスタック間で共通している。すなわち、複数のセルスタック１０１において、基体管の気孔率は一端部側（吊り下げ焼成の際鉛直方向下側に向けて配置される側）に対して他端部側（吊り下げ焼成の際鉛直方向上側に向けて配置される側）が大きくなっている。

図１４に、燃料極材料などと一体焼成した基体管（空気極印刷前）の気孔率を示す。同図において、横軸が基体管の気孔率、縦軸が吊り下げ下端からの位置（ｍｍ）、◆が基体管１、△が基体管２である。基体管１および基体管２は同じ炉内で吊り下げ焼成したものである。図１４によれば、基体管１および基体管２は軸方向における気孔率分布の傾向は同じであるが、任意の位置の気孔率の値に１％から２％程度の個体差があることがわかる。なお、空気極を成膜して焼成した後、基体管に高温で水素を通してＮｉＯをＮｉに還元処理をすると、基体管の気孔率は図１４よりも更に高くなる。例えば、図１４の基体管の気孔率は２３％〜２６％程度であるが、還元処理後は３０％〜５０％程度に高くなる。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３では、基体管の軸方向の対応する任意の位置における気孔率の値が相対的に大きいセルスタック１０１Ｈが、基体管の軸方向の対応する任意の位置における気孔率の値が相対的に小さいセルスタック１０１Ｌよりも外側に配置されている。「基体管の軸方向の対応する任意の位置」とは、例えば気孔率分布の方向を揃えて基体管を並べたときの基体管の一端部からの距離が同じである位置である。「外側」とは、ＳＯＦＣカートリッジ内において、よりＳＯＦＣカートリッジの縁部に近い側である。図１３では、上部管板２２５ａの外縁により近い側が「外側」である。

本実施形態では、各セルスタック（セルスタック１０１Ｈおよびセルスタック１０１Ｌ）の軸方向の任意の位置における基体管の気孔率の個体差を管理する。具体的には、セルスタック１０１を製造する際、基体管の両端に余剰部ができるよう基体管材料を製品規格よりも長めに成形する。基体管を吊り下げて一体焼成した後、余剰部を切り取って基体管の気孔率を計測する。余剰部は、吊り下げた際に上側にくる余剰部（上）と、下側にくる余剰部（下）とがある。余剰部（上）および余剰部（下）の気孔率の値はそれぞれ分けて管理する。計測した任意の位置における基体管の気孔率の値に基づいて、各セルスタック（セルスタック１０１Ｈおよびセルスタック１０１Ｌ）のＳＯＦＣカートリッジ内での配置を決定する。複数のセルスタックの余剰部（上）同士の気孔率、および余剰部（下）同士の気孔率を比較し、相対的に気孔率が小さいセルスタック１０１Ｌは、ＳＯＦＣカートリッジの中央領域Ｃに配置する。相対的に気孔率が大きいセルスタック１０１Ｈは、中央領域Ｃの外側の周辺となる外側周辺領域（外側周辺領域Ｄ）に配置する。

各セルスタック（セルスタック１０１Ｌおよびセルスタック１０１Ｈ）をカートリッジ内に配置する際には、軸方向において基体管の気孔率が大きい方の端部が燃料ガスの流れ方向下流側に向くようにする。

ＳＯＦＣカートリッジでは、周囲構造物との熱伝達の影響から、中央領域（Ｃ）の温度が高くなる傾向がある。セルスタックは周辺温度が高いと発電反応が促進されるため、ＳＯＦＣカートリッジの中央領域の温度が高くなっても、温度の低いＳＯＦＣカートリッジの外側周辺領域の発電反応が制限されるので、セルスタック全体としては電流が流れにくくなる。本実施形態によれば、相対的に気孔率の小さい基体管をＳＯＦＣカートリッジの中央領域に配置し、相対的に気孔率の大きな基体管をＳＯＦＣカートリッジの外側周辺領域に配置することで、カートリッジ内の温度分布と、各カートリッジの発電反応による発熱とを相殺させることができる。また、気孔率の大きな基体管が配置された外側周辺領域では温度を上げることができる。それにより、発電室内の温度分布に差が生じにくくなり、燃料電池の発電効率を上げることができる。

また、上記では基体管の気孔率を相対的に比較し、基体管のカートリッジ内における配置を決定したが、気孔率の気孔率に閾値を設け、閾値より大きい気孔率の基体管はＳＯＦＣカートリッジの中央領域に配置し、閾値より小さい気孔率の基体管はＳＯＦＣカートリッジの外側周辺領域に配置することとしてもよい。閾値の設定は、例えば、事前に製造工程で計測した検査データから投入する基体管についてデータを統計処理し、バラツキの平均値を閾値としてカートリッジ内における基体管の配置を決定する。

第３実施形態は、第２実施形態と組み合わせて実施することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。

１０１ セルスタック
１０１ａ Ａタイプセルスタック
１０１ｂ Ｂタイプセルスタック
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質
１１３ 空気極
１１４，１１４ａ，１１４ｂ リード部
１１４ａ’，１１４ｂ’ リード部（未焼成）
１１５，１１５ａ，１１５ｂ リード膜
１１７ 保護膜
１１９ シール接合膜
１２１（ｌ），１２１（ｐ） 識別部
１２１（ｌ）’，１２１（ｐ）’ 識別部（未焼成）
２０１ 燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）
２０３，３０３ ＳＯＦＣカートリッジ
２０５ 圧力容器
２０７ 燃料ガス供給管
２０７ａ 燃料ガス供給枝管
２０９ 燃料ガス排出管
２０９ａ 燃料ガス排出枝管
２１５，３１５ 発電室
２１７，３１７ 燃料ガス供給室（燃料ガス供給部）
２１９，３１９ 燃料ガス排出室（燃料ガス排出部）
２２１ 酸化性ガス供給室
２２３ 酸化性ガス排出室
２２５ａ，３２５ａ 上部管板
２２５ｂ，３２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ，３３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ，３３１ｂ 燃料ガス排出孔
２３３ａ 酸化性ガス供給孔
２３３ｂ 酸化性ガス排出孔
２３５ａ 酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ 酸化性ガス排出隙間
３１１ 上部集電部材
３１２ 下部集電部材
３１３ａ Ａタイプセルスタック群
３１３ｂ Ｂタイプセルスタック群
３１４ 集電棒
３２９ ケーシング

Claims (11)

1. 両端開放型であり、軸方向において一端部側に対して他端部側の気孔率が大きい多孔質の基体管を基材とし該基材上に電気的に直列接続されている複数の燃料電池セルを備えたすべてのセルスタックを、
   前記基体管の前記一端部側と前記他端部側に対して、前記複数の燃料電池セルの所定の方向で電気的な直列接続を規定し、
   前記基体管の前記一端部側が燃料ガスの流れ方向の上流側に向き、前記基体管の前記他端部側が燃料ガスの流れ方向の下流側に向くよう配置する燃料電池カートリッジの製造方法。
2. 前記セルスタックがＡタイプセルスタックおよびＢタイプセルスタックを含み、
   前記一端部側が正極であり前記他端部側が負極である前記Ａタイプセルスタックを形成し、
   前記一端部側が負極であり前記他端部側が正極である前記Ｂタイプセルスタックを形成し、
   前記Ａタイプセルスタックおよび前記Ｂタイプセルスタックを電気的に直列に接続する請求項１に記載の燃料電池カートリッジの製造方法。
3. 前記Ａタイプセルスタックは、負極側を上にして吊り下げ焼成することにより形成し、
   前記Ｂタイプセルスタックは、正極側を上にして吊り下げ焼成することにより形成する請求項２に記載の燃料電池カートリッジの製造方法。
4. 直列接続されている複数の前記燃料電池セルの最端部に電気的に接続され、前記燃料電池セルで発電された電力を導くリード部を前記基体管の前記一端部側および前記他端部側に形成する工程と、
   前記Ａタイプセルスタックおよび前記Ｂタイプセルスタックの少なくとも一方のセルスタックの前記リード部上に識別部を形成する工程と、
   を含み、
   焼成前の基体管上にリード部材料および識別部材料を成膜した後に一体焼成して前記リード部および前記識別部を形成する請求項２または請求項３に記載の燃料電池カートリッジの製造方法。
5. 前記基体管の軸方向の対応する任意の位置における前記気孔率を測定し、
   該測定した気孔率に基づき、相対的に前記気孔率の値が小さいセルスタックを前記燃料電池カートリッジ内の中央領域に配置し、相対的に前記気孔率の値が大きいセルスタックを前記燃料電池カートリッジ内において前記中央領域の外側周辺となる外側周辺領域に配置する請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池カートリッジの製造方法。
6. 両端開放型である多孔質の基体管および前記基体管上に形成され電気的に接続されている複数の燃料電池セルを備えた複数のセルスタックと、
   複数の前記セルスタックの一端部が配置され、前記セルスタックに燃料ガスが供給される燃料ガス供給部と、
   複数の前記セルスタックの他端部が配置され、前記セルスタックに供給された前記燃料ガスが排出される燃料ガス排出部と、
   を備え、
   前記セルスタックの前記一端部側と前記他端部側に対して、前記複数の燃料電池セルが所定の方向で電気的に直列接続され、
   すべての前記セルスタックにおける前記基体管の気孔率が、前記一端部側は前記他端部側に対して大きくされた燃料電池カートリッジ。
7. 複数の前記セルスタックが、
   前記一端部側が正極であり前記他端部側が負極であるＡタイプセルスタックと、
   前記一端部側が負極であり前記他端部側が正極であるＢタイプセルスタックと、
   を含む請求項６に記載の燃料電池カートリッジ。
8. 前記一端部側および前記他端部側の前記基体管上に形成され、直列接続されている複数の前記燃料電池セルの最端部に電気的に接続されて前記燃料電池セルで発電された電力を導くリード部と、
   前記Ａタイプセルスタックおよび前記Ｂタイプセルスタックの少なくとも一方のセルスタックの前記リード部上に形成された識別部と、
   を備えている請求項７に記載の燃料電池カートリッジ。
9. 複数の前記セルスタックが、各基体管の軸方向の対応する任意の位置において前記気孔率の値が異なるセルスタックを含み、相対的に前記気孔率の値が小さいセルスタックが前記燃料電池カートリッジ内の中央領域に配置され、相対的に前記気孔率の値が大きいセルスタックが前記燃料電池カートリッジ内において前記中央領域の外側周辺となる外側周辺領域に配置されている請求項６から請求項８のいずれかに記載の燃料電池カートリッジ。
10. 請求項６から請求項９のいずれかに記載の燃料電池カートリッジを備えた燃料電池モジュール。
11. 請求項１０に記載の燃料電池モジュールを備えた燃料電池システム。

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