JP7382842B2 - 燃料電池カートリッジ、及び、燃料電池モジュール - Google Patents
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Description
本開示は、燃料電池カートリッジ、及び、燃料電池モジュールに関する。
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：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、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている。
例えば特許文献１には、固体酸化物形燃料電池の一例が開示されている。この文献では、内部が高温雰囲気となる発電室が断熱部材によって囲まれるように画定されており、その外側を金属などの導電性材料からなるケーシングによって囲まれた構成が示されている。
上記特許文献１では、発電室を画定する断熱部材の外側に導電性材料を含むケーシングが配置されており、断熱部材とケーシングとが互いに接触する構成を有している。断熱部材は例えばシリカ（ＳｉＯ２）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁性材料から構成されるが、このような断熱部材は常温（例えば０℃～４０℃程度の温度域）では良好な絶縁性を示すものの、温度が上昇すると絶縁性が低下することがある。
ここで特許文献１では、発電室で発電した電力を外部に取り出すために、燃料電池セルを含むセルスタックのリード部が発電室から断熱部材の外側に至るまで延在している。リード部は断熱部材にリード部より大径に設けられた孔に挿通されることで、常温域では、リード部が断熱部材に接触しないように設計されるが、温度が上昇して高温域に達すると、熱変形等の影響によってリード部が断熱部材に接触することがある。このとき、断熱部材の絶縁性が低下していると、リード部とケーシングとの電位差によって、両者間に地絡電流が発生してしまうことがある。このような地絡電流の発生を防止するためにはセルスタックからの出力電圧を抑える必要があり、高出力の燃料電池カートリッジを実現することが難しかった。
本開示の少なくとも一実施形態は上述の事情に鑑みなされたものであり、高温域における地絡電流の発生を抑制することにより、高出力な燃料電池カートリッジ、及び、燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池カートリッジは上記課題を解決するために、
セルスタックを構成する燃料電池セルを含む発電室と、
前記発電室を少なくとも部分的に画定する断熱部材と、
前記発電室から見て前記断熱部材の外側に設けられる導電部材と、
常温より高温域において前記断熱部材より高い絶縁性を有し、前記セルスタックのリード部が前記断熱部材に接触した際に、前記リード部と前記導電部材との間に形成される導電経路を少なくとも部分的に遮断するように構成された絶縁部材と、
を備える。
セルスタックを構成する燃料電池セルを含む発電室と、
前記発電室を少なくとも部分的に画定する断熱部材と、
前記発電室から見て前記断熱部材の外側に設けられる導電部材と、
常温より高温域において前記断熱部材より高い絶縁性を有し、前記セルスタックのリード部が前記断熱部材に接触した際に、前記リード部と前記導電部材との間に形成される導電経路を少なくとも部分的に遮断するように構成された絶縁部材と、
を備える。
本開示の少なくとも一実施形態によれば、高温域における地絡電流の発生を抑制することにより、高出力な燃料電池カートリッジ、及び、燃料電池モジュールを提供できる。
以下に、本開示に係る燃料電池カートリッジ及び燃料電池モジュール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」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形（筒状）を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。
まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。ここで、図１は、実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管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とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質膜１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック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の一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を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える（セルスタック１０１のリード部２５２（図３等を参照）は、リード膜１１５を含んで構成される）。
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。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。
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。燃料極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。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備える。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（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）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（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２－）とを固体電解質膜１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）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。
固体酸化物形燃料電池の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
固体酸化物形燃料電池の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
固体電解質膜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備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を燃料極に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ～１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質膜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（Ｏ２－）を生成するものである。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは，酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは，酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（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、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、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耐久性と電気導電性を備える。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同士を直列に接続するものである。
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、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やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７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の端部付近にあるリード部２５２（図３等を参照）まで導出するものである。
次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係る燃料電池モジュール及び燃料電池カートリッジについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの一態様を示すものである。また、図３は、本実施形態に係る燃料電池カートリッジの一態様の断面図を示すものである。
尚、図２では燃料電池モジュールの内部構成をわかりやすく示すために、図３に示す断熱部材の一部が部分的に省略して示されている。
尚、図２では燃料電池モジュールの内部構成をわかりやすく示すために、図３に示す断熱部材の一部が部分的に省略して示されている。
燃料電池モジュール２０１は、図２に示すように、例えば、複数の燃料電池カートリッジ２０３と、これら複数の燃料電池カートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。なお、図２には円筒形の燃料電池のセルスタック１０１を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。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及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、燃料電池モジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管２１１ａ（図３を参照）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管２１１ｂ（図３を参照）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燃料電池カートリッジ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燃料電池カートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数の燃料電池カートリッジ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、複数の燃料電池カートリッジ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、燃料電池カートリッジ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３ＭＰａ、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、複数の燃料電池カートリッジ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、燃料電池カートリッジ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。
燃料電池カートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。
尚、本実施形態においては、燃料電池カートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図３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１０１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１０１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、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、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、不図示の温度計測部（温度センサや熱電対など）で監視され、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。
燃料ガス供給ヘッダ２１７は、中空状の上部ケーシング２２９ａによって規定される領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａにおいて、燃料ガス供給枝管２０７ａに連通されている。また、上部ケーシング２２９ａは、下方面にセルスタック１０１の端部が挿通する孔部を有しており、セルスタック１０１の端部との間がシール部材２３７ａを介して密に接合されている。当該孔部は、燃料電池カートリッジ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。燃料ガス供給ヘッダ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の端部から基体管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。
燃料ガス排出ヘッダ２１９は、中空状の下部ケーシング２２９ｂによって規定される領域であり、下部ケーシング２２９ｂの下部に設けられた燃料ガス排出孔２３１ｂにおいて、燃料ガス排出枝管２０９ａに連通されている。また下部ケーシング２２９は、上方面にセルスタック１０１の端部が挿通する孔部を有しており、セルスタック１０１の端部との間がシール部材２３７ｂを介して密に接合されている。当該孔部は燃料電池カートリッジ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。燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して端部から燃料ガス排出ヘッダ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。
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酸化性ガス供給枝管２１１ａへと分岐して、複数の燃料電池カートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、下部ケーシング２２９ｂの上方面と発電室２１５の下方側を規定する第１下部断熱体２２７ｃとに囲まれた領域であり、側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａにおいて酸化性ガス供給枝管２１１ａに連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、酸化性ガス供給枝管２１１ａ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。
酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、上部ケーシング２２９ａの下方面と発電室２１５の上方側を規定する第１上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂにおいて酸化性ガス排出枝管２１１ｂに連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ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ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して酸化性ガス排出枝管２１１ｂに導くものである。
断熱部材は、発電室２１５を少なくとも部分的に画定し、第１上部断熱体２２７ａと、第２上部断熱体２２７ｂと、第１下部断熱体２２７ｃと、第２下部断熱体２２７ｄと、第１側方断熱体２２７ｅと、第２側方断熱体２２７ｆと、を含む。尚、図３では断熱部材２２７を構成する各断熱体のレイアウトの一例を示しているが、必ずしもこの限りである必要はない。また、以下の説明では、第１上部断熱体２２７ａ、第２上部断熱体２２７ｂ、第１下部断熱体２２７ｃ、第２下部断熱体２２７ｄ、第１側方断熱体２２７ｅ及び第２側方断熱体２２７ｆを総称する場合には、「断熱部材２２７」と示すこととする。
第１上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下方側に配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定された第１側方断熱体２２７ｅに固定されている。また、第１上部断熱体２２７ａには、燃料電池カートリッジ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。第１上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、第１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を備える。
また第１上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るように配置される。また、第１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ヘッダ２２３に導くものである。
本実施形態によれば、上述した燃料電池カートリッジ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ケーシング２２９ａ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ヘッダ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。
第２上部断熱体２２７ｂは、上部ケーシング２２９ａの上方側に、上部ケーシング２２９ａの天板と略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定された第１側方断熱体２２７ｅに固定されている。また、第２上部断熱体２２７ｂには、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａに接続される燃料ガス供給枝管２０７ａが連通するための開口が設けられている。
第１下部断熱体２２７ｃは、下部ケーシング２２９ｂの上方側に配置され、下部ケーシング２２９ｂの底板と略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定された第１側方断熱体２２７ｅに固定されている。また、第１下部断熱体２２７ｃには、燃料電池カートリッジ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。第１下部断熱体２２７ｃは、この孔の内面と、第１下部断熱体２２７ｃ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を備える。
また第１下部断熱体２２７ｃは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るように配置されている。また、第１下部断熱体２２７ｃは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１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。
第２下部断熱体２２７ｄは、下部ケーシング２２９ｂの下方側に、下部ケーシング２２９ｂの底板と略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定された第１側方断熱体２２７ｅに固定されている。また、第２下部断熱体２２７ｄには、下部ケーシング２２９ｂの下部に設けられた燃料ガス排出孔２３１ｂに接続される燃料ガス排出枝管２０９ａが連通するための開口が設けられている。
第１側方断熱体２２７ｅは、セルスタック１０１の延在方向に対して発電室２１５の側方に設けられる。また第１側方断熱体２２７ｅは、上部ケーシング２２９ａ及び下部ケーシング２２９ｂの間に設けられ、その両端はそれぞれ第１上部断熱体２２７ａ及び第１下部断熱体２２７ｃに固定されるとともに、上部ケーシング２２９ａ及び下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また第１側方断熱体２２７ｅは発電室２１５を全周にわたって囲むように、セルスタック１０１の延在方向に対する垂直面において閉断面形状を有する。
第２側方断熱体２２７ｆは、発電室２１５から見て第１側方断熱体２２７ｅより外側に設けられる。また第２側方断熱体２２７ｆは、第２上部断熱体２２７ｂ及び第２下部断熱体２２７ｄの間に設けられ、その両端はそれぞれ第２上部断熱体２２７ｂ及び第２下部断熱体２２７ｄに固定されている。また第２側方断熱体２２７ｆは第１側方断熱体２２７ｅを全周にわたって囲むように、セルスタック１０１の延在方向に対する垂直面において閉断面形状を有する。
また第２下部断熱体２２７ｄ及び第２側方断熱体２２７ｆの外側には、燃料電池カートリッジ２０３の外殻を規定するための外殻ケーシング２５０が設けられている。外殻ケーシング２５０は、金属などの導電性材料を含んで構成されている。また外殻ケーシング２５０は、第２下部断熱体２２７ｄの外側に位置し、接地された架台２７０に設置された際に、架台２７０に対向するように配置される下面２５１を有する。
尚、本実施形態の外殻ケーシング２５０は第２上部断熱体２２７ｂの外側が上方に向けて開口した有底形状を有するが、第２上部断熱体２２７ｂの外側に至るまで延びることで、燃料電池カートリッジ２０３の全体を囲むように構成されていてもよい。
本実施形態によれば、上述した燃料電池カートリッジ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、燃料ガス排出ヘッダ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の端部付近にあるリード部２５２まで導出した後に、燃料電池カートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各燃料電池カートリッジ２０３の外部へと取り出される。集電棒によって燃料電池カートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各燃料電池カートリッジ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、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
ここで発電室２１５を少なくとも部分的に画定する各断熱部材２２７の外側には外殻ケーシング２５０が配置されており、断熱部材２２７と外殻ケーシング２５０とが互いに接触する構成を有している。断熱部材２２７は例えばシリカ（ＳｉＯ２）やアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁性材料から構成されるが、このような断熱部材２２７は常温（例えば０℃～４０℃程度の温度域）では良好な絶縁性を示すものの、温度が上昇すると絶縁性が低下することがある。
一方で、発電室２１５で発電した電力を外部に取り出すために、セルスタック１０１のリード膜１１５を含むリード部２５２が発電室２１５から第１上部断熱体２２７ａ及び第１下部断熱体２２７ｃの外側に至るまで延在している。リード部２５２は、第１上部断熱体２２７ａに設けられた酸化性ガス排出隙間２３５ｂ、及び、第１下部断熱体２２７ｃに設けられた酸化性ガス供給隙間２３５ａに挿通されることで、常温域では、リード部２５２が第１上部断熱体２２７ａ及び第１下部断熱体２２７ｃに接触しないように設計されるが、温度が上昇して高温域に達すると、熱変形等の影響によってリード部２５２が第１上部断熱体２２７ａ及び第１下部断熱体２２７ｃに接触することがある。このとき、断熱部材２２７の絶縁性が低下していると、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との電位差によって、両者間に地絡電流が発生してしまうことがある。
このような課題を解決するために本実施形態では、リード部２５２が断熱部材２２７に接触した際にリード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に形成される導電経路を少なくとも部分的に遮断可能に構成された絶縁部材２６０を備える。絶縁部材２６０は、常温より高温域において断熱部材２２７より高い絶縁性を有する絶縁性材料、例えば高純度のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やマイカなどを含んで構成される。このような絶縁部材２６０によって、導電経路２５４が少なくとも部分的に遮断されることで、地絡電流を効果的に抑制することができる。
尚、以下の説明では、リード部２５２が断熱部材２２７に接触した際に、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に形成される導電経路を少なくとも部分的に遮断可能に構成された絶縁部材２６０について説明するが、絶縁部材２６０は、リード部２５２と他の導電部材との間に形成される任意の導電経路を少なくとも部分的に遮断可能に構成してもよい。例えば、上部ケーシング２２９ａや下部ケーシング２２９ｂもまた導電性材料から構成されるため、これらの導電部材とリード部２５２との間に形成される導電経路を少なくとも部分的に遮断するように絶縁部材２６０を設けてもよい。
幾つかの実施形態では、絶縁部材２６０は、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に設けられる（言い換えると、少なくともリード部２５２と外殻ケーシング２５０とを結ぶ直線上に絶縁部材２６０の少なくとも一部が交差するように配置される）。このように絶縁部材２６０を配置することで導電経路を効果的に遮断できる。
図３に示す実施形態では、絶縁部材２６０は、外殻ケーシング２５０と断熱部材との間に設けられる。より具体的には、外殻ケーシング２５０の内壁面と第２側方断熱体２２７ｆとの境界に沿って絶縁部材２６０が設けられる。このように互いに隣接する外殻ケーシング２５０と第２側方断熱体２２７ｆとの間に絶縁部材２６０を配置することで導電経路を効果的に遮断できる。
また図３の絶縁部材２６０は、第２側方断熱体２２７ｆのうち酸化性ガス供給枝管２２１ａ及び酸化性ガス排出枝管２２１ｂが挿通するための開口部近傍におけるコーナー部Ｃ１及びＣ２を覆うように形成されてもよい。これにより、第２側方断熱体２２７ｆが酸化性ガス供給枝管２２１ａ及び酸化性ガス排出枝管２２１ｂと接触する面上に至るまで絶縁部材２６０を介在させることができ、より効果的に導電経路を遮断することができる。
図４は図３の第１変形例である。図５は図３の第２変形例である。図６は図３の第３変形例である。第１変形例乃至第３変形例では、絶縁部材２６０は、断熱部材２２７を構成する複数の断熱体の間に設けられる。このように断熱部材２２７を構成する複数の断熱体の間に絶縁部材２６０を介在させることで、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
図４に示す第１変形例では、絶縁部材２６０は、第１側方断熱体２２７ｅと第２側方断熱体２２７ｆとの間に設けられている。このように第１変形例では、発電室２１５から見て内外方向に沿って積層される複数の断熱体の間に絶縁部材２６０を介在させることで、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
また図４の絶縁部材２６０は、第１側方断熱体２２７ｅの上端部及び下端部において、第１側方断熱体２２７ｅのコーナー部Ｃ３及びＣ４を覆うように形成されてもよい。これにより、第１側方断熱体２２７ｅが酸化性ガス供給孔２３３ａ及び酸化性ガス排出孔２３３ｂの構成部材と接触する面上に絶縁部材２６０を介在させることができ、より効果的に導電経路を遮断することができる。
図５に示す第２変形例では、絶縁部材２６０は、第１上部断熱体２２７ａと第１側方断熱体２２７ｅとの間、及び、第１下部断熱体２２７ｃと第１側方断熱体２２７ｅとの間にそれぞれ設けられている。すなわち第１上部断熱体２２７ａと第１側方断熱体２２７ｅとが互いに固定される上部連結部２７２ａ、及び、第１下部断熱体２２７ｃと第１側方断熱体２２７ｅとが互いに固定される下部連結部２７２ｂにおいて、それぞれ絶縁部材２６０が介在するように配置される。このように第２変形例では、上部連結部２７２ａ及び下部連結部２７２ｂに絶縁部材２６０が配置されることで、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
図６に示す第３変形例では、図５と同様に、上部連結部２７２ａ及び下部連結部２７２ｂに絶縁部材２６０が配置される。その一方で図６では、上部連結部２７２ａはセルスタック１０１の軸方向に沿った発電室２１５の中心軸を通る断面において略Ｌ字形状を有し、絶縁部材２６０はこのような上部連結部２７２ａに沿って設けられる。このように上部連結部２７２ａは略Ｌ字形状に形成されることで、上部連結部２７２ａにおける第１上部断熱体２２７ａと第１側方断熱体２２７ｅとの間の対向面積が増える。このように対向面積が増えた上部連結部２７２ａに沿って絶縁部材２６０を設けることで、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
また下部連結部２７２ｂはセルスタック１０１の軸方向に沿った発電室２１５の中心軸を通る断面において略Ｌ字形状を有し、絶縁部材２６０はこのような下部連結部２７２ｂに沿って設けられる。このように下部連結部２７２ｂは略Ｌ字形状に形成されることで、下部連結部２７２ｂにおける第１下部断熱体２２７ｃと第１側方断熱体２２７ｅとの間の対向面積が増える。このように対向面積が増えた下部連結部２７２ｂに沿って絶縁部材２６０を設けることで、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
図７は図３の第４変形例である。第４変形例では、絶縁部材２６０は外殻ケーシング２５０の下面２５１を覆うように形成される。これにより、燃料電池カートリッジが架台２７０上に設置された際に、外殻ケーシング２５０の下面２５１と架台２７０との間に絶縁部材２６０を介在させることで、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
また図７では、燃料ガス供給孔２３１ａに接続される燃料ガス供給枝管２０７ａの途中に、絶縁部材２６０ａが介在するように設けられる。また燃料ガス排出孔２３１ｂに接続される燃料ガス排出枝管２０９ａの途中に、絶縁部材２６０ｂが介在するように設けられる。また酸化性ガス供給孔２３３ａに接続される酸化性ガス供給枝管２１１ａの途中に、絶縁部材２６０ｃが介在するように設けられる。また酸化性ガス排出孔２３３ｂに接続される酸化性ガス排出枝管２１１ｂの途中に、絶縁部材２６０ｄが介在するように設けられる。このように絶縁部材２６０ａ～２６０ｄを配置することで、リード部２５２と外殻ケーシング２５０との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
以上説明したように上述の実施形態によれば、常温より高温域において燃料電池セルに電気的に接続されるリード部２５２が断熱部材２２７に接触した際に、リード部２５２と導電部材との間に形成される導電経路が、絶縁部材２６０によって少なくとも部分的に遮断される。これにより、リード部２５２と断熱部材２２７との間に形成される導電経路を流れる地絡電流が抑制されるため、燃料電池カートリッジの出力電圧を向上させることができる。その結果、高出力な燃料電池モジュールを実現することができる。
その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態を適宜組み合わせてもよい。
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池カートリッジは、
セルスタック（例えば上記実施形態のセルスタック１０１）を構成する燃料電池セルを含む発電室（例えば上記実施形態の発電室２１５）と、
前記発電室を少なくとも部分的に画定する断熱部材（例えば上記実施形態の断熱部材２２７）と、
前記発電室から見て前記断熱部材の外側に設けられる導電部材（例えば上記実施形態の外殻ケーシング２５０）と、
常温より高温域において前記断熱部材より高い絶縁性を有し、前記セルスタックのリード部（例えば上記実施形態のリード部２５２）が該高温域にあるときに前記断熱部材に接触すると、前記リード部と前記導電部材との間に形成される導電経路を少なくとも部分的に遮断するように構成された絶縁部材（例えば上記実施形態の絶縁部材２６０）と、
を備える。
セルスタック（例えば上記実施形態のセルスタック１０１）を構成する燃料電池セルを含む発電室（例えば上記実施形態の発電室２１５）と、
前記発電室を少なくとも部分的に画定する断熱部材（例えば上記実施形態の断熱部材２２７）と、
前記発電室から見て前記断熱部材の外側に設けられる導電部材（例えば上記実施形態の外殻ケーシング２５０）と、
常温より高温域において前記断熱部材より高い絶縁性を有し、前記セルスタックのリード部（例えば上記実施形態のリード部２５２）が該高温域にあるときに前記断熱部材に接触すると、前記リード部と前記導電部材との間に形成される導電経路を少なくとも部分的に遮断するように構成された絶縁部材（例えば上記実施形態の絶縁部材２６０）と、
を備える。
上記（１）の態様によれば、常温より高温域において燃料電池セルに電気的に接続されるリード部が断熱部材に接触した際に、リード部と導電部材との間に形成される導電経路が、絶縁部材によって少なくとも部分的に遮断される。これにより、リード部と断熱部材との間に形成される導電経路を流れる地絡電流が抑制されるため、燃料電池カートリッジの出力電圧を向上させることができる。
（２）一態様では上記（１）の態様において、
前記絶縁部材は、前記リード部が前記断熱部材に接触した際に、前記リード部と前記導電部材との間に設けられる。
前記絶縁部材は、前記リード部が前記断熱部材に接触した際に、前記リード部と前記導電部材との間に設けられる。
上記（２）の態様によれば、断熱部材と導電部材との間に絶縁部材を配置することで、リード部と導電部材との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
（３）一態様では上記（１）又は（２）の態様において、
前記絶縁部材は、前記導電部材と前記断熱部材との間に設けられる。
前記絶縁部材は、前記導電部材と前記断熱部材との間に設けられる。
上記（３）の態様によれば、互いに隣接する導電部材と断熱部材との間に絶縁部材を配置することで、リード部と導電部材との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
（４）一態様では上記（３）の態様において、
前記導電部材は、前記燃料電池カートリッジの外殻を規定する外殻ケーシングであり、
前記絶縁部材は前記外殻ケーシングの内壁面に沿って形成される。
前記導電部材は、前記燃料電池カートリッジの外殻を規定する外殻ケーシングであり、
前記絶縁部材は前記外殻ケーシングの内壁面に沿って形成される。
上記（４）の態様によれば、外殻ケーシングの内壁面に沿って絶縁部材を設けることで、リード部と外殻ケーシングとの間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
（５）一態様では上記（１）又は（２）の態様において、
前記絶縁部材は、前記断熱部材を構成する複数の断熱体の間に設けられる。
前記絶縁部材は、前記断熱部材を構成する複数の断熱体の間に設けられる。
上記（５）の態様によれば、断熱部材を構成する複数の断熱体の間に絶縁部材を介在させることで、リード部と導電部材との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
（６）一態様では上記（５）の態様において、
前記複数の断熱体は、
前記セルスタックの延在方向に対して前記発電室の側方に設けられる第１側方断熱体（例えば上記実施形態の第１側方断熱体２２７ｅ）と、
前記発電室から見て前記第１側方断熱体より外側に配置された第２側方断熱体（例えば上記実施形態の第２側方断熱体２２７ｆ）と、
を含み、
前記絶縁部材は、前記第１側方断熱体と前記第２側方断熱体との間に設けられる。
前記複数の断熱体は、
前記セルスタックの延在方向に対して前記発電室の側方に設けられる第１側方断熱体（例えば上記実施形態の第１側方断熱体２２７ｅ）と、
前記発電室から見て前記第１側方断熱体より外側に配置された第２側方断熱体（例えば上記実施形態の第２側方断熱体２２７ｆ）と、
を含み、
前記絶縁部材は、前記第１側方断熱体と前記第２側方断熱体との間に設けられる。
上記（６）の態様によれば、発電室から見て内外方向に沿って積層される第１側方断熱体及び第２側方断熱体の間に絶縁部材を介在させることで、リード部と導電部材との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
（７）一態様では上記（５）の態様において、
前記複数の断熱体は、
前記セルスタックの延在方向に対して前記発電室の側方に設けられる第１側方断熱体（例えば上記実施形態の第１側方断熱体２２７ｅ）と、
前記セルスタックの延在方向に交差するように前記発電室の上方に設けられる第１上部断熱体（例えば上記実施形態の第１上部断熱体２２７ａ）と、
前記セルスタックの延在方向に交差するように前記発電室の下方に設けられる第１下部断熱体（例えば上記実施形態の第１下部断熱体２２７ｃ）と、
を含み、
前記絶縁部材は、前記第１側方断熱体と前記第１上部断熱体又は前記第１下部断熱体との間に設けられる。
前記複数の断熱体は、
前記セルスタックの延在方向に対して前記発電室の側方に設けられる第１側方断熱体（例えば上記実施形態の第１側方断熱体２２７ｅ）と、
前記セルスタックの延在方向に交差するように前記発電室の上方に設けられる第１上部断熱体（例えば上記実施形態の第１上部断熱体２２７ａ）と、
前記セルスタックの延在方向に交差するように前記発電室の下方に設けられる第１下部断熱体（例えば上記実施形態の第１下部断熱体２２７ｃ）と、
を含み、
前記絶縁部材は、前記第１側方断熱体と前記第１上部断熱体又は前記第１下部断熱体との間に設けられる。
上記（７）の態様によれば、第１側方断熱体と第１上部断熱体又は第１下部断熱体との間に絶縁部材を設けることにより、リード部と導電部材との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
（８）一態様では上記（７）の態様において、
前記第１側方断熱体と前記第１上部断熱体又は前記第１下部断熱体との連結部（例えば上記実施形態の上部連結部２７２ａ又は下部連結部２７２ｂ）は、前記セルスタックの延在方向に沿った前記発電室の中心軸を通る断面において略Ｌ字形状を有し、
前記絶縁部材は前記連結部に沿って設けられる。
前記第１側方断熱体と前記第１上部断熱体又は前記第１下部断熱体との連結部（例えば上記実施形態の上部連結部２７２ａ又は下部連結部２７２ｂ）は、前記セルスタックの延在方向に沿った前記発電室の中心軸を通る断面において略Ｌ字形状を有し、
前記絶縁部材は前記連結部に沿って設けられる。
上記（８）の態様によれば、第１側方断熱体と第１上部断熱体又は第１下部断熱体との連結部を略Ｌ字形状に形成し、当該連結部に沿って絶縁部材が設けられる。このように連結部を略Ｌ字形状に構成することで連結部における両者の接触面積が増える。そして、このように面積が増えた連結部に沿って絶縁部材を設けることで、リード部と導電部材との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
（９）一態様では上記（１）から（８）のいずれか一態様において、
前記導電部材は、前記燃料電池カートリッジの外殻を規定するケーシング（例えば上記実施形態の外殻ケーシング２５０）であり、
前記絶縁部材は、前記ケーシングの下面（例えば上記実施形態の下面２５１）を覆うように形成される。
前記導電部材は、前記燃料電池カートリッジの外殻を規定するケーシング（例えば上記実施形態の外殻ケーシング２５０）であり、
前記絶縁部材は、前記ケーシングの下面（例えば上記実施形態の下面２５１）を覆うように形成される。
上記（９）の態様によれば、燃料電池カートリッジの外殻を規定する外殻ケーシングの下面を覆うように絶縁部材が設けられる。これにより、燃料電池カートリッジが架台上に設置された際に、ケーシングの下面と架台との間に絶縁部材を介在させることで、リード部と導電部材との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
（１０）一態様では上記（１）から（９）のいずれか一態様において、
前記絶縁部材は、前記セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔に接続される燃料ガス供給枝管（例えば上記実施形態の燃料ガス供給枝管２０７ａ）、前記セルスタックから前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出孔に接続される燃料ガス排出枝管（例えば上記実施形態の燃料ガス排出枝管２０９ａ）、前記セルスタクに酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給孔に接続される酸化性ガス供給枝管（例えば上記実施形態の酸化性ガス供給枝管２１１ａ）、又は、前記セルスタックから前記酸化性ガスを排出するための酸化性ガス排出孔に接続される酸化性ガス排出枝管（例えば上記実施形態の酸化性ガス排出枝管２１１ｂ）の少なくとも一つに設けられる。
前記絶縁部材は、前記セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔に接続される燃料ガス供給枝管（例えば上記実施形態の燃料ガス供給枝管２０７ａ）、前記セルスタックから前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出孔に接続される燃料ガス排出枝管（例えば上記実施形態の燃料ガス排出枝管２０９ａ）、前記セルスタクに酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給孔に接続される酸化性ガス供給枝管（例えば上記実施形態の酸化性ガス供給枝管２１１ａ）、又は、前記セルスタックから前記酸化性ガスを排出するための酸化性ガス排出孔に接続される酸化性ガス排出枝管（例えば上記実施形態の酸化性ガス排出枝管２１１ｂ）の少なくとも一つに設けられる。
上記（１０）の態様によれば、燃料ガス供給枝管、燃料ガス排出枝管、酸化性ガス供給枝管、又は、酸化性ガス排出枝管の少なくとも一つに絶縁部材を配置することで、リード部と導電部材との間に形成される導電経路を効果的に遮断できる。
（１１）本開示の少なくとも一実施形態に係る燃料電池モジュールは、
上記（１）から（１０）のいずれか一態様の燃料電池カートリッジを少なくとも一つ備える。
上記（１）から（１０）のいずれか一態様の燃料電池カートリッジを少なくとも一つ備える。
上記（１１）の態様によれば、高い出力電圧の燃料電池カートリッジを備えることで、高出力な燃料電池モジュールを実現できる。
１０１ 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 固体電解質膜
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０１ 燃料電池モジュール
２０３ 燃料電池カートリッジ
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
２１１ａ 酸化性ガス供給枝管
２１１ｂ 酸化性ガス排出枝管
２１５ 発電室
２１７ 燃料ガス供給ヘッダ
２１９ 燃料ガス排出ヘッダ
２２１ 酸化性ガス供給ヘッダ
２２１ 供給ヘッダ
２２３ 酸化性ガス排出ヘッダ
２２７ 断熱部材
２２７ａ 第１上部断熱体
２２７ｂ 第２上部断熱体
２２７ｃ 第１下部断熱体
２２７ｄ 第２下部断熱体
２２７ｅ 第１側方断熱体
２２７ｆ 第２側方断熱体
２２９ｂ 下部ケーシング
２２９ａ 上部ケーシング
２３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ 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
２３７ａ，２３７ｂ シール部材
２５０ 外殻ケーシング
２５１ 下面
２５２ リード部
２５４ 導電経路
２６０ 絶縁部材
２７０ 架台
２７２ａ 上部連結部
２７２ｂ 下部連結部
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 固体電解質膜
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０１ 燃料電池モジュール
２０３ 燃料電池カートリッジ
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
２１１ａ 酸化性ガス供給枝管
２１１ｂ 酸化性ガス排出枝管
２１５ 発電室
２１７ 燃料ガス供給ヘッダ
２１９ 燃料ガス排出ヘッダ
２２１ 酸化性ガス供給ヘッダ
２２１ 供給ヘッダ
２２３ 酸化性ガス排出ヘッダ
２２７ 断熱部材
２２７ａ 第１上部断熱体
２２７ｂ 第２上部断熱体
２２７ｃ 第１下部断熱体
２２７ｄ 第２下部断熱体
２２７ｅ 第１側方断熱体
２２７ｆ 第２側方断熱体
２２９ｂ 下部ケーシング
２２９ａ 上部ケーシング
２３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ 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
２３７ａ，２３７ｂ シール部材
２５０ 外殻ケーシング
２５１ 下面
２５２ リード部
２５４ 導電経路
２６０ 絶縁部材
２７０ 架台
２７２ａ 上部連結部
２７２ｂ 下部連結部
Claims (11)
- セルスタックを構成する燃料電池セルを含む発電室と、
前記発電室を少なくとも部分的に囲み、前記セルスタックのリード部と隙間を介して対向するように配置された断熱部材と、
前記発電室から見て前記断熱部材の外側に設けられる導電部材と、
常温より高温域において前記断熱部材より高い絶縁性を有し、前記リード部と前記導電部材とを結ぶ直線上に少なくとも一部が交差するように配置されることにより、前記セルスタックのリード部が該高温域にあるときに前記隙間が縮小して前記断熱部材に接触した場合に前記リード部と前記導電部材との間に形成される導電経路を少なくとも部分的に遮断するように構成された絶縁部材と、
を備える、燃料電池カートリッジ。 - 前記絶縁部材は、前記リード部が前記断熱部材に接触した際に、前記リード部と前記導電部材との間に設けられる、請求項１に記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記絶縁部材は、前記導電部材と前記断熱部材との間に設けられる、請求項１又は２に記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記導電部材は、前記燃料電池カートリッジの外殻を規定する外殻ケーシングであり、
前記絶縁部材は前記外殻ケーシングの内壁面に沿って形成される、請求項３に記載の燃料電池カートリッジ。 - 前記絶縁部材は、前記断熱部材を構成する複数の断熱体の間に設けられる、請求項１又は２に記載の燃料電池カートリッジ。
- 前記複数の断熱体は、
前記セルスタックの延在方向に対して前記発電室の側方に設けられる第１側方断熱体と、
前記発電室から見て前記第１側方断熱体より外側に配置された第２側方断熱体と、
を含み、
前記絶縁部材は、前記第１側方断熱体と前記第２側方断熱体との間に設けられる、請求項５に記載の燃料電池カートリッジ。 - 前記複数の断熱体は、
前記セルスタックの延在方向に対して前記発電室の側方に設けられる第１側方断熱体と、
前記セルスタックの延在方向に交差するように前記発電室の上方に設けられる第１上部断熱体と、
前記セルスタックの延在方向に交差するように前記発電室の下方に設けられる第１下部断熱体と、
を含み、
前記絶縁部材は、前記第１側方断熱体と前記第１上部断熱体又は前記第１下部断熱体との間に設けられる、請求項５に記載の燃料電池カートリッジ。 - 前記第１側方断熱体と前記第１上部断熱体又は前記第１下部断熱体との連結部は、前記セルスタックの延在方向に沿った前記発電室の中心軸を通る断面において略Ｌ字形状を有し、
前記絶縁部材は前記連結部に沿って設けられる、請求項７に記載の燃料電池カートリッジ。 - 前記導電部材は、前記燃料電池カートリッジの外殻を規定するケーシングであり、
前記絶縁部材は、前記ケーシングの下面を覆うように形成される、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池カートリッジ。 - 前記絶縁部材は、前記セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔に接続される燃料ガス供給枝管、前記セルスタックから前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排出孔に接続される燃料ガス排出枝管、前記セルスタクに酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給孔に接続される酸化性ガス供給枝管、又は、前記セルスタックから前記酸化性ガスを排出するための酸化性ガス排出孔に接続される酸化性ガス排出枝管の少なくとも一つに設けられる、請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池カートリッジ。
- 請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池カートリッジを少なくとも一つ備える、燃料電池モジュール。
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|---|---|---|---|
| JP2020009670A JP7382842B2 (ja) | 2020-01-24 | 2020-01-24 | 燃料電池カートリッジ、及び、燃料電池モジュール |
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|---|---|---|---|
| JP2020009670A JP7382842B2 (ja) | 2020-01-24 | 2020-01-24 | 燃料電池カートリッジ、及び、燃料電池モジュール |
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|---|---|
| JP2021118067A JP2021118067A (ja) | 2021-08-10 |
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| JP2020009670A Active JP7382842B2 (ja) | 2020-01-24 | 2020-01-24 | 燃料電池カートリッジ、及び、燃料電池モジュール |
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|---|---|---|---|---|
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| JP2015064980A (ja) | 2013-09-24 | 2015-04-09 | 三菱重工業株式会社 | 燃料電池カートリッジの監視装置、及びこれを備える燃料電池システム、燃料電池カートリッジの監視方法 |
| US20180115008A1 (en) | 2016-10-21 | 2018-04-26 | Institute of Nuclear Energy Research, Atomic Energy Council, Executive Yuan, R.O.C. | Portable flame electric generation device, metal-supported solid oxide fuel cell and manufacturing methods thereof |
| JP2018139193A (ja) | 2017-02-24 | 2018-09-06 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールを備えた複合発電システム並びにサブモジュールの組み立て方法 |
| US20200020964A1 (en) | 2018-07-11 | 2020-01-16 | Bloom Energy Corporation | Fuel cell stack grounding through an impedance creating element |
-
2020
- 2020-01-24 JP JP2020009670A patent/JP7382842B2/ja active Active
-
2021
- 2021-01-19 WO PCT/JP2021/001576 patent/WO2021149655A1/ja active Application Filing
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003086206A (ja) | 2001-09-12 | 2003-03-20 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池システム |
| JP2003288913A (ja) | 2002-03-27 | 2003-10-10 | Toto Ltd | 固体酸化物燃料電池 |
| JP2015064980A (ja) | 2013-09-24 | 2015-04-09 | 三菱重工業株式会社 | 燃料電池カートリッジの監視装置、及びこれを備える燃料電池システム、燃料電池カートリッジの監視方法 |
| US20180115008A1 (en) | 2016-10-21 | 2018-04-26 | Institute of Nuclear Energy Research, Atomic Energy Council, Executive Yuan, R.O.C. | Portable flame electric generation device, metal-supported solid oxide fuel cell and manufacturing methods thereof |
| JP2018139193A (ja) | 2017-02-24 | 2018-09-06 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 燃料電池モジュール及び燃料電池モジュールを備えた複合発電システム並びにサブモジュールの組み立て方法 |
| US20200020964A1 (en) | 2018-07-11 | 2020-01-16 | Bloom Energy Corporation | Fuel cell stack grounding through an impedance creating element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2021118067A (ja) | 2021-08-10 |
| WO2021149655A1 (ja) | 2021-07-29 |
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