WO2020175202A1 - 燃料電池カートリッジ、燃料電池モジュール及び複合発電システム - Google Patents

燃料電池カートリッジ、燃料電池モジュール及び複合発電システム Download PDF

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昌弘 水原
大悟 小林
久留　長生
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a fuel cell power cartridge for a solid oxide fuel cell, a fuel cell module, and a combined power generation system.
  • a fuel cell that is a power generation device that uses a power generation method based on an electrochemical reaction, and that has characteristics such as excellent power generation efficiency and environmental friendliness is known.
  • solid oxide fuel cells (3 ⁇ : 3 ⁇ 1 1 1 0 father 1 6 l 6 106 6 II) use ceramics such as zirconia ceramics as the electrolyte, and use city gas, natural gas, coal gas. Electricity is generated using hydrogen and carbon oxide produced by reforming fuel such as gasification.
  • the solid oxide fuel cell has a high operating temperature of approximately 700 to 110°° to increase the ion conductivity, and is known as a highly efficient high-temperature fuel cell with a wide range of applications. ..
  • a solid oxide fuel cell can generate electric power by reacting a fuel gas supplied to the inside and outside of a cylindrical cell stack (cell tube) having an air electrode and a fuel electrode with an oxidant gas, for example. generate.
  • the 300 is capable of more efficient power generation by increasing operating pressure by combining it with rotating equipment such as gas turbines, micro gas turbines, and turbochargers.
  • rotating equipment such as gas turbines, micro gas turbines, and turbochargers.
  • compressed air discharged from the compressor is supplied as oxidizing gas to the air electrode of 300, and hot exhaust fuel gas discharged from 30 (3 is rotated.
  • Power can be recovered by supplying it to the combustor at the equipment inlet for combustion and rotating the rotating equipment with the high-temperature combustion gas generated in the combustor.
  • Patent Document 1 discloses a fuel cell device in which wiring work is facilitated by electrically connecting a plurality of cell stacks forming a fuel cell with a conductive current collecting member. ⁇ 02020/175202 2 (:171?2020/005963
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2 0 1 6-8 1 6 4 7
  • Patent Document 1 a plurality of cell stacks are classified so as to correspond to the high temperature region and the low temperature region determined based on the temperature distribution, and each of them is electrically connected by a divided current collecting member. There is. However, depending on the number of cell stacks connected by each current collecting member, the number of cell stacks in the high temperature region becomes less than or equal to the number of cell stacks in the low temperature region, so that the current density in the high temperature region is low. It may be higher than the current density. This means that the amount of heat generated in the high temperature region becomes larger than the amount of heat generated in the low temperature region, which acts in the direction of promoting the bias in the temperature distribution. Therefore, in Patent Document 1, there is a possibility that the temperature distribution among a plurality of cell stacks, which causes a current imbalance, may not be sufficiently leveled.
  • At least one embodiment of the present invention has been made in view of the above circumstances, and includes a fuel cell power bridge, a fuel cell module, and a composite that can equalize the temperature distribution among a plurality of cell stacks. Aiming to provide a power generation system ⁇ 02020/175202 3 (:171?2020/005963
  • a fuel cell power cartridge comprising a plurality of cell stacks including a plurality of cells forming a solid oxide fuel cell, comprising:
  • a cell stack group composed of the plurality of cell stacks
  • An inner cell stack that is arranged in an inner area of the cell arrangement area in which the plurality of cell stacks are arranged,
  • An outer cell stack group disposed in an outer region located outside the inner region in the cell placement region
  • the inner cell stack group and the outer cell stack group are connected to each other in series with respect to an external load
  • the current density of the outer cell stack group is higher than the current density of the inner cell stack group.
  • the cell stack group composed of a plurality of cell stacks included in the fuel cell power bridge includes an inner cell stack group and an outer cell arranged outside the inner cell stack. And a stack group.
  • the inner cell stack group and the outer cell stack group are connected to each other in series with an external load, and the current density of the outer cell stack group is higher than that of the inner cell stack group when energized. To be done. Therefore, compared with the case where the inner cell stack group and the outer cell stack group have the same current density, the heat generation amount in the outer cell stack group increases relative to the inner cell stack group. As a result, it is possible to equalize the temperature distribution between the outer cell stack group, which has a larger heat radiation amount than the inner cell stack group, and the inner cell stack group, which has a smaller heat radiation amount than the outer cell stack group.
  • the plurality of cell stacks have equal conductive areas, and the outer cell stack group includes a smaller number of the cell stacks than the inner cell stack group.
  • the cell stacks forming the fuel cell bridge have the same conductive area.
  • the inner cell stack group and the outer cell stack group are connected to each other in series against an external load when energized. Then, the current density of the outer cell stack group can be made larger than that of the inner cell stack group.
  • the cell stacks forming the inner cell stack group and the cell stacks forming the outer cell stack group are electrically connected to each other by current collecting members independent from each other.
  • the cell stacks forming the inner cell stack group and the outer cell stack group are electrically connected to each other by current collecting members that are independent of each other.
  • the above configuration can be realized with an efficient layout without significantly changing the configuration of the conventional fuel cell power bridge configured by arranging a large number of cell stacks.
  • the outer cell stack group surrounds the inner cell stack group all around.
  • the amount of heat radiation tends to be smaller than that of the outer cell stack group, and the temperature tends to rise.
  • the temperature distribution can be leveled by increasing the current density of the outer cell stack group compared to the inner cell stack group.
  • the outer cell stack group is arranged on both sides of the inner cell stack group.
  • the inner cell stack group includes an adjacent first inner cell stack group and second inner cell stack group,
  • the first inner cell stack group and the second inner cell stack group are connected to each other in series.
  • the inner cell stack group is further subdivided into a first inner cell stack group and a second inner cell stack group which are adjacent to each other.
  • the temperature distribution in the inner cell stack group can be further equalized.
  • the cell stack has a cylindrical horizontal stripe shape in which a plurality of fuel cells are electrically connected in series.
  • the above configuration can be suitably applied to a fuel cell power cartridge including a cell stack having a cylindrical horizontal stripe shape.
  • the cell stack has a flat cylindrical horizontal stripe shape.
  • the above configuration can be suitably applied to the fuel cell power cartridge including a cell stack having a flat cylindrical horizontal stripe shape.
  • the fuel cell module according to at least one embodiment of the present invention has the above (1)
  • the temperature distribution in the plurality of cell stacks forming the fuel cell power bridge is leveled, and thus a fuel cell module capable of more efficient power generation can be realized. ..
  • the fuel cell module is provided with the fuel cell module having the configuration of (9) above, and a gas turbine or a turbocharger that generates rotational power using the exhausted fuel gas exhausted from the fuel cell and the exhausted oxidizing gas. Is supplied with the oxidizing gas compressed using the rotational power, and the plurality of cell stacks generate electricity using the fuel gas and the oxidizing gas.
  • a fuel cell power cartridge capable of leveling the temperature distribution among a plurality of cell stacks.
  • FIG. 1 A perspective view showing an overall configuration of a fuel cell module according to at least one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the internal structure of the fuel cell power cartridge shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the cell stack of FIG.
  • FIG. 4 is a plan view of the fuel cell power cartridge as viewed from above in the vertical direction.
  • FIG. 7 is a first modification of FIG.
  • FIG. 9 This is an example of expansion of the fuel cell power cartridge of the first modification.
  • FIG. 10 is a second modification of FIG. ⁇ 02020/175202 7 ⁇ (: 171?2020/005963
  • Fig. 11 is a cross-sectional perspective view of the fuel cell power cartridge shown in Fig. 10, taken along line 10--10.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a fuel cell power cartridge having a flat cylindrical cell stack.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the overall structure of a fuel cell module 20 1 according to at least one embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows the internal structure of the fuel cell power storage module 203 of FIG. FIG.
  • the fuel cell module 201 includes a plurality of fuel cell power bridges 203 and a pressure vessel 205 for housing the plurality of fuel cell power bridges 203. Further, the fuel cell module 201 has a fuel gas supply pipe 207 and a plurality of fuel gas supply branch pipes 207.
  • the fuel cells module 2 0 1 includes a fuel gas discharge pipe 2 0 9, a plurality of fuel gas discharge branch pipes 2 0 9 3.
  • the fuel cell module 201 has an oxidizing gas supply pipe (not shown) and an oxidizing gas supply branch pipe (not shown). Further, the fuel cell module 201 has an oxidizing gas discharge pipe (not shown) and a plurality of oxidizing gas discharge branch pipes (not shown).
  • the fuel gas supply pipe 207 is provided inside the pressure vessel 205 and supplies a predetermined gas composition and a predetermined flow rate of the fuel gas ⁇ in accordance with the power generation amount of the fuel cell module 201. is connected to a fuel supply system (not shown), it is connected to the branch plurality of fuel gas supply pipe 2 0 7 3.
  • the fuel gas supply pipe 207 branches and guides a predetermined flow rate of fuel gas supplied from a fuel supply system (not shown) to a plurality of fuel gas supply branch pipes 207.
  • the fuel gas supply branch pipes 2 0 7 3 is connected to the fuel gas supply pipe 2 0 7, and is connected to a plurality of fuel cells power one cartridge 2 0 3.
  • the fuel cell power storage unit 203 is introduced into the fuel cell power storage unit 203 at a substantially uniform flow rate so that the power generation performance of a plurality of fuel cell power storage units 203 is made substantially uniform.
  • fuel gas discharge branch pipes 2 0 9 3 is connected to a plurality of fuel cell power cartridges 2 0 3, and is connected to the fuel gas discharge pipe 2 0 9.
  • the fuel gas discharge branch pipes 2 0 9 guides the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell power cartridges 2 0 3 to the fuel gas discharge pipe 2 0 9.
  • the fuel gas discharge pipe 2 0 9 is connected to a plurality of fuel gas discharge branch pipes 2 0 9 3, part of which is disposed in the interior of the pressure vessel 2 0 5.
  • the fuel gas discharge pipe 2 0 9, the fuel gas discharge branch pipes 2 0 9 3 pressure exhaust fuel gas derived at a flow rate of substantially uniform from the container 2 0 5 of the outer portion of the fuel gas exhaust system (not shown) Lead.
  • the pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0. 1 IV! 3 to about 1 IV! 3 and an internal temperature of from ambient temperature to about 5500 ° O.
  • a material having corrosion resistance to an oxidant such as oxygen contained therein is used.
  • stainless steel-based materials such as 3 II 3 304 are suitable.
  • the fuel cell power cartridge 203 has a plurality of cell stacks.
  • the fuel cell power tank 203 has an upper tube sheet 2 25 3 , a lower tube sheet 2 25 3 , an upper heat insulator 2 2 7 3 and a lower heat insulator 2 2 7 3 .
  • the fuel cell power cartridge 203 is provided in the fuel gas supply chamber 2
  • the structure is such that the inside and the outside of the stack 101 flow opposite to each other, other structures may be used.
  • the inside and the outside of the cell stack 10 1 may flow in parallel, or the oxidizing gas may flow in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the cell stack 10 1.
  • the power generation chamber 2 15 is an area formed between the upper heat insulator 2 2 7 3 and the lower heat insulator 2 27 7.
  • This power generation room 211 is a fuel cell unit of the cell stack 101. ⁇ 02020/175202 9 ((171?2020/005963
  • the temperature in the vicinity of the central portion of the cell stack 1 0 1 in the power generation chamber 2 15 is approximately 7 00 ° ⁇ to 1 1 0 0 ° during normal operation of the fuel cell module 201. It becomes a high temperature atmosphere.
  • the fuel gas supply chamber 2 17 is an upper casing of the fuel cell power storage unit 2 03.
  • the fuel gas supply chamber 2 17 is connected to a fuel gas supply branch pipe 2 0 7 3 (not shown) through a fuel gas supply hole 2 3 1 3 provided in the upper casing 2 2 9 3 . Further, one end of the cell stack 10 1 is open to the fuel gas supply chamber 2 17 and the inside of the base tube 10 3 of the cell stack 10 1 is open to the fuel gas supply chamber 2 17. And it is arranged.
  • the fuel gas supply chamber 2 17 is provided with a plurality of cell stacks 1 0 1 1 for supplying the fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 2 0 7 3 (not shown) through the fuel gas supply holes 2 3 1 3. It is introduced into the inside of the base tube 10 3 at a substantially uniform flow rate to make the power generation performance of the plurality of cell stacks 10 1 substantially uniform.
  • the fuel gas discharge chamber 2 19 is the lower casing of the fuel cell power cartridge 2 03.
  • a predetermined gas composition and a predetermined flow rate of the oxidizing gas are branched into an oxidizing gas supply branch pipe, so that a plurality of fuel cell power thresholds 203.
  • the oxidizing gas supply chamber 2 2 1 includes a lower casing 2 2 9 b of the fuel cell power cartridge 2 0 3, a lower tube sheet 2 2 5 c and a lower heat insulator 2 2 7 c. ⁇ 02020/175202 10 ((171?2020/005963
  • the oxidizing gas supply chamber 2 21 is connected to an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through an oxidizing gas supply hole 2 3 3 3 provided in the lower casing 2 29.
  • the oxidizing gas supply chamber 2 21 is provided with an oxidizing gas at a predetermined flow rate, which is supplied from an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through the oxidizing gas supply holes 2 3 3 3. It is led to the power generation room 2 15 via the supply gap 2 3 5 3.
  • the oxidizing gas discharge chamber 2 23 is surrounded by the upper casing 2 2 9 3 of the fuel cell power storage unit 2 03, the upper tube sheet 2 2 5 3 and the upper heat insulator 2 2 7 3. Area. Further, the oxidizing gas discharge chamber 2 23 is connected to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) through an oxidizing gas discharge hole 2 3 3 3 provided in the upper casing 2 2 9 3 . The oxidizing gas discharge chamber 2 23 collects the oxidizing gas discharged from the power generation chamber 2 15 and is supplied to the oxidizing gas discharge chamber 2 23 via the oxidizing gas discharge gap 2 3 5 described later. , Through the oxidant gas discharge hole 2 3 3 to the oxidant gas discharge branch pipe (not shown).
  • the upper tube sheet 2 2 5 3 is the top plate of the upper casing 2 2 9 3 and the upper heat insulator 2 2 7 3.
  • the upper tube sheet 2 2 5 3 has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 10 1 provided in the fuel cell power storage unit 2 03, and the cell stacks 10 1 are respectively provided in the holes. It is included.
  • the upper tube sheet 2 2 5 3 hermetically supports one end of each of the plurality of cell stacks 1 0 1 through one or both of the seal member and the adhesive member, and the fuel gas supply chamber 2 1 7 and the oxidizing gas discharge chamber 2 2 3 are isolated.
  • the lower tube sheet 2 25 is between the bottom plate of the lower casing 2 29 and the lower heat insulator 2 2 7 and the lower tube sheet 2 25 5 and the bottom plate of the lower casing 2 2 9 It is fixed to the side plate of the lower casing 2 2 9 so that the lower heat insulator 2 2 7 is almost parallel to it. Further, the lower tube sheet 2 2 5 has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 10 1 provided in the fuel cell power storage unit 2 03, and the cells are provided in the holes. ⁇ 0 2020/175 202 1 1 ⁇ (: 171? 2020 /005963
  • the lower tube sheet 2 25 supports the other end of the plurality of cell stacks 10 1 in an airtight manner through one or both of the seal member and the adhesive member, and the fuel gas discharge chamber 2 1 9 And the oxidizing gas supply room 2 2 1 are isolated.
  • the upper heat insulator 2 2 7 3 is attached to the lower end of the upper casing 2 2 9 3 by the upper heat insulator.
  • the top plate of 2 2 7 3 and the upper casing 2 2 9 3 and the upper tube plate 2 2 5 3 are arranged so as to be substantially parallel to each other, and are fixed to the side plates of the upper casing 2 2 9 3.
  • the upper heat insulator 2 2 7 3 corresponding to the number of cell Rusutakku 1 0 1 provided in the fuel cell power one cartridge 2 0 3, a plurality of holes are formed. The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 10 1.
  • the upper heat insulating body 2 2 7 3 has an oxidative gas discharge gap formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 1 0 1 that is penetrated by the upper heat insulating body 2 2 7 3. Have.
  • This upper heat insulator 2 2 7 3 separates the power generation chamber 2 15 and the oxidizing gas discharge chamber 2 23, and the atmosphere around the upper tube sheet 2 2 5 3 is heated to lower the strength. Suppresses an increase in corrosion caused by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas.
  • the upper tube sheet 2 2 5 3 etc. are made of metal material with high temperature durability such as Inconel, but the upper tube sheet 2 2 5 3 etc. are exposed to the high temperature in the power generation room 2 15 and the upper casing 2 2 9 3 It prevents thermal deformation due to an increase in the temperature difference between and.
  • the upper heat insulator 2 2 7 3 passes exhaust gas that has passed through the power generation chamber 2 15 and is exposed to high temperature through the oxidizing gas exhaust gap 2 3 5 and passes through the oxidizing gas exhaust chamber. It leads to 2 2 3.
  • the structure of the fuel cell power cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow inside and outside the cell stack 10 1 so as to face each other. There is.
  • the exhausted oxidizing gas exchanges heat with the fuel gas supplied to the power generation chamber 2 15 through the inside of the base tube 10 3, and the upper tube sheet 2 2 5 3 etc. are cooled to a temperature that does not cause deformation such as buckling and are supplied to the oxidizing gas discharge chamber 2 2 3.
  • the fuel gas is heated by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 211, ⁇ 02020/175202 12 ((171?2020/005963
  • the fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 2 15 without using a heater or the like.
  • the lower heat insulator 2 2 7 is attached to the upper end of the lower casing 2 2 9
  • the bottom plate of the bottom casing 2 2 9 and the bottom casing of the bottom casing 2 2 9 and the bottom plate of the bottom casing 2 25 are arranged so as to be substantially parallel to each other, and are fixed to the side plates of the top casing 2 2 9 3.
  • the lower heat insulating body 2 27 7 is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 10 1 provided in the fuel cell power storage device 20 3. The diameter of this hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 10 1.
  • the lower heat insulator 2 2 7 is the oxidizing gas supply gap 2 3 5 3 formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 1 0 1 which is passed through the lower heat insulator 2 27. Have.
  • the lower heat insulator 2 27 is to separate the power generation chamber 2 15 and the oxidizing gas supply chamber 2 21 from each other, and the temperature of the atmosphere around the lower tube sheet 2 25 is increased to lower the strength. Suppresses an increase in corrosion caused by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas.
  • the lower tube sheet 2 2 5 ⁇ etc. is made of a metal material with high temperature durability such as Inconel. It prevents it from being deformed.
  • the lower heat insulator 2 2 7 is a unit for guiding the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply chamber 2 3 3 to the power generation chamber 2 15 through the oxidizing gas supply gap 2 3 5 3. is there.
  • the structure of the fuel cell power cartridge 203 described above allows the fuel gas and the oxidizing gas to flow inside and outside the cell stack 10 1 so as to face each other. There is.
  • the exhaust fuel gas that has passed through the inside of the base tube 103 and passed through the power generation chamber 2 15 undergoes heat exchange with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 2 15 and the metal
  • the lower tube sheet 2 2 5 made of material is cooled to a temperature at which it does not deform such as buckling and is discharged to the fuel gas discharge chamber 2 19.
  • the oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas and is supplied to the power generation chamber 2 15.
  • the oxidizing gas heated to the temperature required for power generation can be supplied to the power generation chamber 2 15 without using a heater or the like.
  • the DC power generated in the power generation chamber 2 15 is provided to a plurality of fuel battery cells 105. ⁇ 02020/175202 13 ⁇ (: 171?2020/005963
  • FIG. 3 is a sectional view showing the cell stack 10 1 of FIG.
  • the cell stack 10 1 includes a cylindrical base tube 10 3, a plurality of fuel battery cells 10 5 formed on the outer peripheral surface of the base tube 10 3, and adjacent fuel battery cells 10 5. And an interconnector 107 formed between them.
  • the fuel battery cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte 1 11 and an air electrode 1 13. Further, the cell stack 10 1 is the fuel cell formed at the end in the axial direction of the base tube 10 3 among the plurality of fuel battery cells 10 5 formed on the outer peripheral surface of the base tube 10 3.
  • the air electrode 1 13 of 10 5 has a lead film 1 15 electrically connected to it through an interconnector 10 7.
  • the base tube 103 is made of a porous material, for example, Stabilization ( ⁇
  • Substrate tube 1 0 3 This is the fuel cell 1 0 5, inter While supporting the connector 107 and the lead film 115, the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the substrate tube 103 is passed through the pores of the substrate tube 103 to the outer periphery of the substrate tube 103. It is diffused to the fuel electrode 109 formed on the surface.
  • the fuel electrode 109 is composed of an oxide of a composite material of 1 ⁇ 1 and a zirconia-based electrolyte material, and, for example, ⁇ / ⁇ 3 is used.
  • ! ⁇ 1 which is a component of the fuel electrode 109 has a catalytic action on the fuel gas. This catalytic action is achieved by the fuel gas supplied through the base tube 103, for example, methane ( ⁇ 02020/175202 14 ((171?2020/005963
  • Rei_1 ⁇ 1 is reacted with mixed gas of water vapor, it is to reformed hydrogen (1 ⁇ 1 2) and carbon monoxide (hundred). Further, the fuel electrode 1 0 9, hydrogen obtained by reforming (1-1 2) and carbon monoxide ( ⁇ 3_Rei), the solid electrolyte 1 1 1 is supplied via the acid-containing ion ( ⁇ 2 _ ) and a and generates a near the interface by electrochemically reacting water (1 to 1 2 ⁇ ) and carbon dioxide ( ⁇ 3_Rei 2) between the solid electrolyte 1 1 1. At this time, the fuel cell unit 105 generates electricity by the electrons released from oxygen ions.
  • the solid electrolyte 11 is mainly composed of a gas-tight resin that has gas-tightness that makes it difficult for gas to pass therethrough and has high oxygen ion conductivity at high temperatures.
  • This solid electrolyte 1 1 1 moves oxygen ions ( ⁇ 2 _) generated at the air electrode to the fuel electrode.
  • the air electrode 1 13 is composed of, for example, a 1-33 r M n O 3 -based oxide or a 1_3 OOO 3 Oxide.
  • the air electrode 1 13 dissociates oxygen in the oxidizing gas such as supplied air near the interface with the solid electrolyte 1 1 1 to generate oxygen ion ( ⁇ 2 -).
  • the interconnector 10 7 is a 3" 1 //1 1 _ ; ⁇ 1_ ; ⁇ Ding ⁇ 3 (such as the _ _ _ _ 3 system, etc. (IV! is an alkaline earth metal element, 1_ is a lanthanide element. ) Is composed of a conductive velopskite-type oxide, and is a dense film so that the fuel gas and the oxidizing gas do not mix with each other. It has stable electric conductivity in both atmospheres such as the restoration atmosphere.
  • This interconnector 107 has an air electrode 1 1 3 of one of the fuel cells 1 0 5 in adjacent fuel cells 1 0 5. And the fuel electrode 109 of the other fuel battery cell 105 is electrically connected, and the adjacent fuel battery cells 105 are connected in series.
  • the lead film 115 needs to have electronic conductivity and have a thermal expansion coefficient close to that of the other materials forming the cell stack 1101, ⁇ ! ⁇ / ⁇ 3 etc. 1 ⁇ 1 It is composed of a composite material of zirconia-based electrolyte material.
  • the lead film 115 is to lead the DC power generated by the plurality of fuel battery cells 105 connected in series by the interconnector to the vicinity of the end of the cell stack 110. ⁇ 02020/175202 15 ((171?2020/005963
  • FIG. 4 is a plan view of the fuel cell power cartridge 20 3 as seen from above in the vertical direction (in Fig. 4, the upper casing 2 2 9 3 is omitted).
  • Figure 5 shows the fuel cell power cartridge shown in Figure 4. It is a line sectional perspective view. The above-mentioned FIG. 2 corresponds to the sectional view taken along the line IV!_IV! of FIG.
  • the fuel cell power cartridge 203 is provided with a plurality of cylindrical cell stacks 1011 that constitute the fuel cell (in the present embodiment, the fuel cell power cartridge 2033 has a total of 56 cells). Equipped with a cell stack of 101).
  • Each cell stack 10 1 has an air electrode 1 13 (positive electrode) and a fuel electrode 10 9 (negative electrode) as described with reference to FIG.
  • the cell stacks 10 1 are arranged so that the central axes of the cell stacks 10 1 extend vertically and are adjacent to each other in a horizontal plane orthogonal to the central axis. It is supported by the upper casing 2293 (housing) and the lower casing 2229 (housing).
  • the cell stack group composed of the plurality of cell stacks 10 1 is composed of the inner area 8 in the cell arrangement area in which the plurality of cell stacks 10 1 are arranged.
  • the inner cell stack group 1 0 1 8 arranged in 1 and the outer cell stack group 1 0 1 Min arranged in the outer area 2 located outside the inner area 1 of the cell arrangement area are included. being classified.
  • the fuel cell power trig 20 3 includes a current collector 11 (first positive electrode current collector), a current collector 1 2 (second positive electrode current collector), and a current collector 2 1 (first current collector). 1 negative electrode current collector) and a current collector plate 2 2 (second negative electrode current collector).
  • the current collector plate 1 1 (first positive electrode current collector) is a conductive plate member that electrically connects the positive electrodes of the outer cell stack group 10 1 to each other, and is arranged in the outer region 82.
  • the current collector plate 1 2 (second positive electrode current collector) is a conductive plate member that electrically connects the positive electrodes of the inner cell stack group 10 18 to each other and is arranged in the inner region 8 1. ..
  • the current collector plate 2 1 (first negative electrode current collector) is a conductive plate-like member that electrically connects the negative electrodes of the inner cell stack group 10 18 to each other, and is arranged in the inner region 1.
  • the current collector plate 2 2 (second negative electrode current collector) electrically connects the negative electrodes of the outer cell stack group 10 1 ⁇ 02020/175202 16 box (: 171?2020/005963
  • It is a conductive plate-like member and is arranged in the outer region 2.
  • the path through which the current flows in the fuel cell power bridge 2 03 is such that the current collector 2 1 and the current collector 2 2 are electrically separated from each other. It is formed by electrically connecting 1 and the collector plate 11.
  • This route is a route in which the inner cell stack group 10 18 in the inner area 8 1 and the outer cell stack group 10 1 in the outer area 8 2 are connected in series to an external load (not shown). is there.
  • the arrow shown in the route indicates the flow direction of the current flowing through the route. Also in each of the following figures, the arrow in the route indicates the direction of current flow through the route.
  • the cell stacks 1 0 1 provided in the fuel cell power cartridge 20 3 have the same conductive areas, and the outer cell stack group 1 0 1 and the inner cell stack group 1 0 It includes a smaller number of the cell stacks 10 1 than 18 1. Therefore, when the inner cell stack group 10 18 and the outer cell stack group 10 1 connected in series to an external load are energized, the outer cell stack group 1 0 1 The current density is configured to be higher than the current density of the inner cell stack group 1018 having a large total conductive area.
  • Fig. 6 shows the temperature distribution during the period shown in Fig. 4.
  • the temperature distributions corresponding to the case where the inner cell stack group 10 18 and the outer cell stack group 10 1 have the same current density are shown by broken lines. There is.
  • a temperature distribution curve is shown in which the temperature is low in the outer cell stack group 1 0 1 where the heat radiation to the outside is large and the temperature is low in the inner cell stack group 1 0 1 where the heat radiation to the outside is small.
  • the temperature distribution knife has a maximum temperature of 0 18 X.
  • the outer cell stack group 10 1 is configured such that the current density of the outer cell stack group 10 1 is higher than the current density of the inner cell stack group 1 10 18
  • the calorific value in the stack group 1 0 1 increases relative to the inner cell stack group 1 0 1, and as a result, a more uniform temperature distribution is obtained compared to the comparative example. ⁇ 02020/175202 17 ((171?2020/005963
  • the outer cell stack group 10 1 is configured to surround the inner cell stack group 10 18 over the entire circumference, the inner cell stack group 1 0 18 is less likely to radiate less heat than the outer cell stack group 1 0 1 and tends to reach high temperature, but the current density of the outer cell stack group 1 0 1 By making it larger than Hachi, the temperature distribution can be effectively leveled.
  • the highest temperature value 01 3 X is the highest temperature value of the comparative example.
  • the output of the fuel cell power storage 203 can be improved while keeping the maximum temperature equivalent to the maximum temperature 3 X of the comparative example as the upper limit.
  • a fuel cell power cartridge 203 with higher efficiency can be realized.
  • Such a configuration is obtained by using the above-mentioned current collectors (current collector 11 (first positive electrode current collector), current collector 12 (second positive electrode current collector), current collector 2 1 ( (First negative electrode current collector) and current collector plate 2 2 (second negative electrode current collector) ), the inner cell stack group 10 18 and the outer cell stack group 1 0 1 M It can be constructed by being electrically connected by members. As a result, the above-mentioned configuration can be realized with an efficient layout without significantly changing the configuration of the conventional fuel cell power storage unit configured by arranging a large number of cell stacks.
  • FIG. 7 is a first modification of FIG. 4, and FIG. 8 is a fuel cell power storage unit shown in FIG.
  • FIG. 20 is a cross-sectional perspective view of the _ 1 ⁇ ! line of 203.
  • the flow path for the current to flow in the fuel cell power bridge 2 0 3 is such that the outer cell stack group 1 0 1 s 1 and the inner cell stack group 1 0 1 8 shown on the left side in FIG. (Shown in the figure), and the outer cell stack group 10 1 2 and the inner cell stack group 10 18 shown on the right side in FIG. 8 are connected in series to an external load (not shown). Combined with each other in parallel ⁇ 0 2020/175 202 18 ⁇ (: 171? 2020 /005963
  • the outer cell stack group 101 is provided separately on both sides of the inner cell stack group 101, the current density of the outer cell stack group 101 The temperature distribution can be effectively leveled by making it larger than the stack group 108.
  • FIG. 9 is an expanded example of the fuel cell power storage unit 203 of the first modification.
  • the fuel cell force bridges 2030, 2033, and 2030 according to the first modification are arranged along a predetermined direction, and the fuel cell bridges adjacent to each other are arranged.
  • the inner region 1 and the outer region 2 of 20 3 are arranged so as to be continuous with each other. Even when expanded by arranging a plurality of fuel cell power storage units 20 3 adjacent to each other in this way, the heat radiation amount is compared with the current density of the outer cell stack group 1 0 1 which has a relatively large heat radiation amount.
  • the temperature distribution over a plurality of fuel cell power cartridges 203 can be effectively leveled.
  • the 1 0 1 s 1 and 1 0 1 s 2 may include the same number of cell stacks 1 0 1, but may include a different number of cell stacks 1 0 1 in consideration of the balance of the temperature distribution.
  • FIG. 10 is a second modification of FIG. 4, and FIG. 11 is a cross-sectional perspective view taken along the line XX of the fuel cell power unit ridge 203 shown in FIG.
  • the inner cell stack group 1 0 1 8 is arranged between the outer cell stack groups 1 0 1 and 1 0 1 2 and the inner cell stack group 1 0 1 8 is It is further subdivided into 1 inner cell stack group 1 0 1 8 1 and 2nd inner cell stack group 1 0 1 8 2.
  • ⁇ 02020/175202 19 (: 171?2020/005963
  • the path for passing the current in the fuel cell power bridge 2 0 3 is defined by the current collecting plate 3 0 of the outer cell stack group 1 0 1 (1) (first positive electrode current collector). ) Is electrically connected to the current collector plate 3 1 (first negative electrode current collector) of the first inner cell stack group 1 0 1 8 1.
  • the current collector plate 3 2 (second positive electrode current collector) of the first inner cell stack group 1 0 1 8 1 is the current collector plate 3 3 of the second inner cell stack group 1 0 1 8 2 (second negative electrode current collector). Part).
  • the collector plate 3 4 (third positive electrode current collector part) of the second inner cell stack group 1 0 1 82 is connected to the current collector plate 3 5 (third negative electrode current collector part) of the outer cell stack group 1 0 1 m 2. It is electrically connected.
  • the current collector plate 3 6 (4th negative electrode current collector) of the outer cell stack group 1 0 1 and 1 and the current collector plate 3 7 (4th positive electrode current collector) of the outer cell stack group 1 0 1 and 2 are external. Connected to the load. This electrically separates the inner cell stack group (1 0 1 8 1, 1 0 1 8 2) and the outer cell stack group (1 0 1 M 1, 1, 0 1 6 2) into each stack group. It is formed by electrically connecting. This route is shown in Fig. 11 and is connected in series to an external load (not shown).
  • the inner cell stack group 10 18 is further subdivided, and the number of cell stacks included in each cell stack group is changed.
  • the temperature distribution can be leveled by making finer temperature adjustments.
  • a plurality of fuel cell power tanks 203 may be arranged adjacent to each other to expand.
  • the fuel cell power cartridge 203 is a cylindrical cell stack.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a fuel cell power storage unit 30 3 having a flat-cylindrical cell stack 10 1.
  • a fuel cell power storage unit cartridge 3 03 a plurality of cell stacks 10 1 that extend horizontally along the vertical direction are arrayed, and the inside of the stack is contacted with outside air on the upper side and the lower side (outside).
  • the cell stack 10 1 has a lower temperature distribution than that of
  • a plurality of cell stacks 101 is categorized into inner cell stack group 1 01 A that defines inner area A 1 and outer area A 2 and is located in inner area A 1, and outer cell stack group 1 01 B that is located in outer area A 2. To do.
  • the inner cell stack group 101A and the outer cell stack group 101M are connected to an external load (not shown) in series via a predetermined current collecting system.
  • the cell stacks 101 included in the fuel cell power trig 303 have the same conductive areas, and the outer cell stack group 101 and the inner cell stack group 101 A are compared with the inner cell stack group 101 A. It contains a small number of the cell stacks 101. Therefore, when the inner cell stack group 101 A and the outer cell stack group 101 B connected in series to an external load are energized, the current of the outer cell stack group 101 B with a small total conductive area is generated.
  • the density is configured to be greater than the current density of the inner cell stack group 101 A with a large total conductive area.
  • the current density of the outer cell stack is configured to be higher than the current density of the inner cell stack, so that the heat radiation amount is larger than that of the inner cell stack.
  • the temperature distribution between the outer cell stack and the inner cell stack, which emits less heat than the outer cell stack, can be leveled.
  • the fuel cell module 201 is combined with GTCC (G as Turbin eCombined Cycle: gas turbine combined cycle power generation), MGT (Micr ⁇ G as Turbine: micro gas turbine), or a turbocharger. It may be applied to the combined power generation system used.
  • GTCC Turbin eCombined Cycle: gas turbine combined cycle power generation
  • MGT Mericr ⁇ G as Turbine: micro gas turbine
  • turbocharger a turbocharger
  • the exhaust fuel gas and exhaust oxidizing gas exhausted from the FC module are supplied to the combustor (not shown) of the gas turbine to generate high-temperature combustion gas.
  • the rotary power generated by adiabatic expansion of the gas turbine drives the compressor to compress the compressed gas as oxidizing gas, and the oxidizing gas supply main pipe 2 of the fuel cell module 10 ⁇ 02020/175202 21 ⁇ (: 171? 2020 /005963
  • the oxidizing gas is a gas containing approximately 15% to 30% of oxygen, and air is typically suitable, but in addition to air, a mixed gas of combustion exhaust gas and air, and oxygen and air.
  • a mixed gas can be used.
  • At least one embodiment of the present invention can be applied to a fuel cell power cartridge for a solid oxide fuel cell, a fuel cell module, and a combined power generation system.

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Abstract

燃料電池カートリッジは、固体酸化物形燃料電池を形成する複数のセルを含む複数のセルスタックを備える。複数のセルスタックから構成されるセルスタック群は、セル配置領域の内側領域に配置される内側セルスタック群と、外側領域に配置される外側セルスタック群と、を含む。内側セルスタック群及び外側セルスタック群は互いに直列に接続されて、外側セルスタック群の電流密度が、内側セルスタック群の電流密度より大きくなるように構成される。

Description

\¥0 2020/175202 1 ?01/^2020/005963 明 細 書
発明の名称 ：
燃料電池力ートリッジ、 燃料電池モジュール及び複合発電システム
技術分野
[0001 ] 本開示は、 固体酸化物形燃料電池の燃料電池力一トリッジ、 燃料電池モジ ュール及び複合発電システムに関する。
背景技術
[0002] 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燃料電池が知られている。 このうち、 固体酸 化物形燃料電池 （3〇 〇 ： 3〇 1 1 〇父 1 6 リ 6 1 0 6 I I ） 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、 石炭ガス化ガスなどの燃料を改質して生成される水 素及び—酸化炭素を用いて発電する。 固体酸化物形燃料電池では、 イオン伝 導率を高めるために作動温度が約 7 0 0〜 1 1 0 0 °〇程度と高く、 用途の広 い高効率な高温型燃料電池として知られている。 固体酸化物形燃料電池は、 例えば、 空気極と燃料極とを有する筒状のセルスタック （セルチューブ） の 内部と外部に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより電 力を発生させる。
3〇 〇は、 例えばガスタービンやマイクロガスタービンおよび夕ーボチ ャージャ等の回転機器と組み合わせ運転圧力を高めることでより高効率の発 電が可能となる。 また、 このような加圧システムにおいては圧縮機から吐出 される圧縮空気を酸化性ガスとして 3〇 0の空気極に供給するとともに、 3 0 （3から排出される高温の排燃料ガスを、 回転機器入口の燃焼器に供給 して燃焼させ、 燃焼器で発生した高温の燃焼ガスで回転機器を回転させるこ とで、 動力の回収を図ることができる。
[0003] 特許文献 1 には、 燃料電池を構成する複数のセルスタックを導電性の集電 部材により電気的に接続することで、 配線作業を容易にした燃料電池装置が \¥02020/175202 2 卩（：171?2020/005963
開示されている。 このような複数のセルスタックには、 運用時に少なからず 温度分布が生じ、 各セルスタックの内部抵抗は温度に依存することとなる。 すなわち、 温度が高いセルスタックほど内部抵抗が小さくなり、 電流が流れ やすくなるため、 並列接続の各セルスタックの電圧が等しくなるように各セ ルスタックに電流を分配すると、 各セルスタックに流れる電流のアンバラン スが発生する。 特許文献 1では、 このような電流のアンバランスを抑制する ために、 複数のセルスタックを高温領域と低温領域とに分類し、 それぞれを 分割された集電部材により電気的に接続したものを互いに直列接続する構成 が提案されている。
先行技術文献
特許文献
[0004] 特許文献 1 :特開 2 0 1 6 - 8 1 6 4 7号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0005] 特許文献 1では、 温度分布に基づいて判断された高温領域及び低温領域に 対応するように複数のセルスタックを分類し、 それぞれを分割された集電部 材で電気的に接続している。 しかしながら、 各集電部材で接続されるセルス タックの数によっては、 高温領域におけるセルスタックの数が、 低温領域に おけるセルスタックの数以下になることで、 高温領域における電流密度が低 温領域における電流密度より大きくなってしまうことがある。 これは、 高温 領域における発熱量が低温領域における発熱量より大きくなり、 温度分布の 偏りを促進してしまう方向に作用することを意味する。 そのため特許文献 1 では、 電流のアンバランスの要因となる複数のセルスタック間の温度分布を 十分に平準化できていない可能性がある。
[0006] 本発明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、 複数のセルスタック間の温度分布を平準化することが可能な燃料電池力一卜 リッジ、 燃料電池モジュール及び複合発電システムを提供することを目的と \¥02020/175202 3 卩（：171?2020/005963
する。
課題を解決するための手段
[0007] ( 1 ) 本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池力ートリッジは上記課 題を解決するために、
固体酸化物形燃料電池を形成する複数のセルを含む複数のセルスタックを 備える燃料電池力ートリッジであって、
前記複数のセルスタックから構成されるセルスタック群は、
前記複数のセルスタックが配置されるセル配置領域のうち内側領域に配置 される内側セルスタック君羊と、
前記セル配置領域のうち前記内側領域より外側に位置する外側領域に配置 される外側セルスタック群と、
を含み、
前記内側セルスタック群及び前記外側セルスタック群は、 外部負荷に対し て互いに直列に接続されており、
前記外側セルスタック群の電流密度が、 前記内側セルスタック群の電流密 度より大きくなるように構成される。
[0008] 上記 ( 1 ) の構成によれば、 燃料電池力一トリッジが備える複数のセルス タックから構成されるセルスタック群は、 内側セルスタック群と、 内側セル スタックより外側に配置される外側セルスタック群とを含む。 内側セルスタ ック群及び外側セルスタック群は、 外部負荷に対して互いに直列に接続され ており、 通電時には、 外側セルスタック群の電流密度が、 内側セルスタック 群の電流密度より大きくなるように構成される。 そのため、 内側セルスタッ 群クと外側セルスタック群の電流密度が同等である場合に比べて、 外側セル スタック群では内側セルスタック群に対して相対的に発熱量が増える。 その 結果、 内側セルスタック群に比べて放熱量が大きい外側セルスタック群と、 外側セルスタック群に比べて放熱量が小さい内側セルスタック群との間にお ける温度分布を平準化できる。
[0009] ( 2 ) 幾つかの実施形態では上記 ( 1 ) の構成において、 \¥02020/175202 4 卩（：171?2020/005963
前記複数のセルスタックは、 互いに等しい導電面積をそれぞれ有し、 前記外側セルスタック群は、 前記内側セルスタック群に比べて少ない数の 前記セルスタックを含む。
[0010] 上記 （2） の構成によれば、 燃料電池力一トリッジを構成する各セルスタ ックは互いに等しい導電面積を有する。 外側セルスタック群に含まれるセル スタック数を、 内側セルスタック群に含まれるセルスタック数より少なくす ることで、 通電時に内側セルスタック群及び外側セルスタック群が外部負荷 に対して互いに直列に接続された際に、 外側セルスタック群の電流密度を、 内側セルスタック群の電流密度より大きく構成できる。
[001 1 ] （3） 幾つかの実施形態では上記 （ 1） 又は （2） の構成において、
前記内側セルスタック群を構成する前記セルスタックと前記外側セルスタ ック群を構成する前記セルスタックとは、 互いに独立した集電部材によって 電気的に接続される。
[0012] 上記 （3） の構成によれば、 内側セルスタック群及び外側セルスタック群 を構成するセルスタックは、 それぞれ互いに独立した集電部材によって電気 的に接続される。 これにより、 多数のセルスタックが配列されて構成される 従来の燃料電池力一トリッジの構成を大きく変更することなく、 効率的なレ イアウトで上記構成を実現できる。
[0013] （4） 幾つかの実施形態では上記 （1） から （3） のいずれか一構成におい て、
前記外側セルスタック群は、 前記内側セルスタック群を全周にわたって囲 む。
[0014] 上記 （4） の構成によれば、 内側セルスタック群は外側セルスタック群に よって全周にわたって囲まれるため、 外側セルスタック群に比べて放熱量が 小さくなりやすく、 高温になりやすいが、 外側セルスタック群の電流密度を 内側セルスタック群に比べて大きくすることで、 温度分布を平準化できる。
[0015] （5） 幾つかの実施形態では上記 （1） から （3） のいずれか一構成におい て、 \¥02020/175202 5 卩（：171?2020/005963
前記外側セルスタック群は、 前記内側セルスタック群の両側にそれぞれ配 置される。
[0016] 上記 （5） の構成によれば、 内側セルスタック群の両側に外側セルスタッ ク群を配置した構成を採用することで、 当該燃料電池力ートリッジを複数配 列して拡張した際においても、 温度分布の平準化が可能となる。
[0017] （6） 幾つかの実施形態では上記 （1） から （5） のいずれか一構成におい て、
前記内側セルスタック群は、 隣接する第 1内側セルスタック群及び第 2内 側セルスタック群を含み、
前記第 1内側セルスタック群及び第 2内側セルスタック群は互いに直列に 接続される。
[0018] 上記 （6） の構成によれば、 内側セルスタック群は、 互いに隣接する第 1 内側セルスタック群及び第 2内側セルスタック群に更に細分化される。 第 1 内側セルスタック群及び内側セルスタック群は互いに直列に接続されること で、 内側セルスタック群内における温度分布を更に平準化できる。
[0019] （7） 幾つかの実施形態では上記 （1） から （6） のいずれか一構成におい て、
前記セルスタックは複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続した円筒横 縞形状を有する。
[0020] 上記 （7） の構成によれば、 上述の構成は円筒横縞形状を有するセルスタ ックから構成される燃料電池力ートリッジに好適に適用可能である。
[0021 ] （8） 幾つかの実施形態では上記 （1） から （6） のいずれか一構成におい て、
前記セルスタックは扁平円筒横縞形状を有する。
[0022] 上記 （8） の構成によれば、 上述の構成は扁平円筒横縞形状を有するセル スタックから構成される燃料電池力ートリッジに好適に適用可能である。
[0023] （9） 本発明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 （8） のいずれか一構成の燃料電池力一トリッジを備える。 \¥02020/175202 6 卩（：171?2020/005963
［0024］ 上記 （9） の構成によれば、 燃料電池力一トリッジを構成する複数のセル スタックにおける温度分布が平準化されることで、 より高効率な発電が可能 な燃料電池モジュールを実現できる。
［0025］ （1 0） 本発明の少なくとも一実施形態に係る複合発電システムは上記課題 を解決するために、
上記 （9） の構成の燃料電池モジュールと前記燃料電池から排気される排 燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を生成するガスタービン又は夕 —ボチャージャとを備え、 前記燃料電池モジュールには、 前記回転動力を用 いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、 複数の前記セルスタックは、 前 記燃料ガスと前記酸化性ガスを用いて発電する。
［0026］ 上記 （1 0） の構成によれば、 より高効率な発電が可能な複合発電システ ムを実現できる。
発明の効果
［0027］ 本発明の少なくとも一実施形態によれば、 複数のセルスタック間の温度分 布を平準化することが可能な燃料電池力ートリッジ、 燃料電池モジュール及 び複合発電システムを提供できる。
図面の簡単な説明
［0028］ ［図 1］本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池モジュールの全体構成を 示す斜視図である。
［図 2］図 1の燃料電池力ートリッジの内部構成を示す断面図である。
［図 3］図 2のセルスタックを示す断面図である。
［図 4］燃料電池力ートリッジを鉛直方向上方からみた平面図である。
線断面斜視図である。
Figure imgf000008_0001
である。
［図 7］図 4の第 1変形例である。
Figure imgf000008_0002
線断面斜視図である。
［図 9］第 1変形例の燃料電池力ートリッジの拡張例である。
［図 10］図 4の第 2変形例である。 \¥02020/175202 7 卩（：171?2020/005963
［図 1 1］図 1 0に示す燃料電池力ートリッジの〇一〇線断面斜視図である。
［図 12］扁平円筒型のセルスタックを有する燃料電池力ートリッジを示す模式 図である。
発明を実施するための形態
［0029］ 以下、 添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。
ただし、 実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の 寸法、 材質、 形状、 その相対的配置等は、 本発明の範囲をこれに限定する趣 旨ではなく、 単なる説明例にすぎない。
［0030］ 図 1は本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池モジュール 2 0 1の 全体構成を示す斜視図であり、 図 2は図 1の燃料電池力一トリッジ 2 0 3の 内部構成を示す断面図である。 燃料電池モジュール 2 0 1は、 複数の燃料電 池力一トリッジ 2 0 3と、 複数の燃料電池力一トリッジ 2 0 3を収納する圧 力容器 2 0 5と、 を備える。 また燃料電池モジュール 2 0 1は、 燃料ガス供 給管 2 0 7と、 複数の燃料ガス供給枝管 2 0 7 3と、 を有する。 また燃料電 池モジュール 2 0 1は、 燃料ガス排出管 2 0 9と、 複数の燃料ガス排出枝管 2 0 9 3と、 を有する。 また燃料電池モジュール 2 0 1は、 酸化性ガス供給 管 （図示略） と、 酸化性ガス供給枝管 （図示略） と、 を有する。 また燃料電 池モジュール 2 0 1は、 酸化性ガス排出管 （図示略） と、 複数の酸化性ガス 排出枝管 （図示略） と、 を有する。
［0031］ 燃料ガス供給管 2 0 7は、 圧力容器 2 0 5の内部に設けられ、 燃料電池モ ジュール 2 0 1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〇を 供給する燃料供給系 （図示略） に接続されると共に、 複数の燃料ガス供給枝 管 2 0 7 3に接続されている。 この燃料ガス供給管 2 0 7は、 燃料供給系 （ 図示略） 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 2 0 7 3に分岐して導く。
［0032］ 燃料ガス供給枝管 2 0 7 3は、 燃料ガス供給管 2 0 7に接続されると共に 、 複数の燃料電池力一トリッジ 2 0 3に接続されている。 この燃料ガス供給 枝管 2 0 7 3は、 燃料ガス供給管 2 0 7から供給される燃料ガスを複数の燃 \¥02020/175202 8 卩（：171?2020/005963
料電池力ートリッジ 2 0 3に略均等の流量で導き、 複数の燃料電池力ートリ ッジ 2 0 3の発電性能を略均一化させるものである。
[0033] 燃料ガス排出枝管 2 0 9 3は、 複数の燃料電池力ートリッジ 2 0 3に接続 されると共に、 燃料ガス排出管 2 0 9に接続されている。 この燃料ガス排出 枝管 2 0 9 3は、 燃料電池力ートリッジ 2 0 3から排出される排燃料ガスを 燃料ガス排出管 2 0 9に導くものである。 また、 燃料ガス排出管 2 0 9は、 複数の燃料ガス排出枝管 2 0 9 3に接続されると共に、 一部が圧力容器 2 0 5の内部に配置されている。 この燃料ガス排出管 2 0 9は、 燃料ガス排出枝 管 2 0 9 3から略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器 2 0 5の外 部の燃料ガス排出系 （図示略） に導く。
[0034] 圧力容器 2 0 5は、 内部の圧力が〇. 1 IV! 3〜約 1 IV! 3、 内部の温度 が大気温度〜約 5 5 0 °〇で運用され、 耐圧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 3 II 3 3 0 4などのステンレス系材が好適である。
[0035] 燃料電池力一トリッジ 2 0 3は、 図 2に示すように、 複数のセルスタック
1 〇 1 と、 発電室 2 1 5と、 燃料ガス供給室 2 1 7と、 燃料ガス排出室 2 1 9と、 酸化性ガス供給室 2 2 1 と、 酸化性ガス排出室 2 2 3とを有する。 ま た燃料電池力一トリッジ 2 0 3は、 上部管板 2 2 5 3と、 下部管板 2 2 5匕 と、 上部断熱体 2 2 7 3と、 下部断熱体 2 2 7匕とを有する。
[0036] 尚、 本実施形態では、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3は、 燃料ガス供給室 2
1 7と燃料ガス排出室 2 1 9と酸化性ガス供給室 2 2 1 と酸化性ガス排出室 2 2 3とが図 2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 1 0 1の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、 他の 構造であってもよい。 例えば、 セルスタック 1 0 1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 1 0 1の長手方向と直交する方 向へ流れるようにしてもよい。
[0037] 発電室 2 1 5は、 上部断熱体 2 2 7 3と下部断熱体 2 2 7匕との間に形成 された領域である。 この発電室 2 1 5は、 セルスタック 1 0 1の燃料電池セ \¥02020/175202 9 卩（：171?2020/005963
ル 1 0 5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 2 1 5のセルスタック 1 0 1長手方 向の中央部付近での温度は、 燃料電池モジュール 2 0 1の定常運転時に、 お よそ 7 0 0 °〇~ 1 1 0 0 °〇の高温雰囲気となる。
[0038] 燃料ガス供給室 2 1 7は、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3の上部ケーシング
2 2 9 3と上部管板 2 2 5 3とに囲まれた領域である。 また、 燃料ガス供給 室 2 1 7は、 上部ケーシング 2 2 9 3に備えられた燃料ガス供給孔 2 3 1 3 によって、 燃料ガス供給枝管 2 0 7 3 （図示略） と連通されている。 また、 燃料ガス供給室 2 1 7には、 セルスタック 1 0 1の一方の端部が、 セルスタ ック 1 0 1の基体管1 0 3の内部が燃料ガス供給室 2 1 7に対して開放して 配置されている。 この燃料ガス供給室 2 1 7は、 燃料ガス供給枝管 2 0 7 3 （図示略） から燃料ガス供給孔 2 3 1 3を介して供給される燃料ガスを、 複 数のセルスタック 1 0 1の基体管 1 0 3の内部に略均一流量で導き、 複数の セルスタック 1 0 1の発電性能を略均一化させる。
[0039] 燃料ガス排出室 2 1 9は、 燃料電池力ートリッジ 2 0 3の下部ケーシング
2 2 9匕と下部管板 2 2 5匕とに囲まれた領域である。 また、 燃料ガス排出 室 2 1 9は、 下部ケーシング 2 2 9匕に備えられた燃料ガス排出孔 2 3 1 匕 によって、 燃料ガス排出枝管 2 0 9 3 （図示略） と連通されている。 また、 燃料ガス排出室 2 1 9には、 セルスタック 1 0 1の他方の端部が、 セルスタ ック 1 0 1の基体管1 0 3の内部が燃料ガス排出室 2 1 9に対して開放して 配置されている。 この燃料ガス排出室 2 1 9は、 複数のセルスタック 1 0 1 の基体管 1 〇 3の内部を通過して燃料ガス排出室 2 1 9に供給される排燃料 ガスを集約して、 燃料ガス排出孔 2 3 1 匕を介して燃料ガス排出枝管 2 0 9
3 （図示略） に導く。
[0040] 燃料電池モジュール 2 0 1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、 複数の燃料電池力一トリッ ジ 2〇 3へ供給する。 酸化性ガス供給室 2 2 1は、 燃料電池力ートリッジ 2 0 3の下部ケーシング 2 2 9 bと下部管板 2 2 5匕と下部断熱体 2 2 7匕と \¥02020/175202 10 卩（：171?2020/005963
に囲まれた領域である。 また、 酸化性ガス供給室 2 2 1は、 下部ケーシング 2 2 9匕に備えられた酸化性ガス供給孔 2 3 3 3によって、 酸化性ガス供給 枝管 （図示略） と連通されている。 この酸化性ガス供給室 2 2 1は、 酸化性 ガス供給枝管 （図示略） から酸化性ガス供給孔 2 3 3 3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 2 3 5 3を介して発 電室 2 1 5に導く。
[0041 ] 酸化性ガス排出室 2 2 3は、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3の上部ケーシン グ 2 2 9 3と上部管板 2 2 5 3と上部断熱体 2 2 7 3とに囲まれた領域であ る。 また、 酸化性ガス排出室 2 2 3は、 上部ケーシング 2 2 9 3に備えられ た酸化性ガス排出孔 2 3 3匕によって、 酸化性ガス排出枝管 （図示略） と連 通されている。 この酸化性ガス排出室 2 2 3は、 発電室 2 1 5から、 後述す る酸化性ガス排出隙間 2 3 5匕を介して酸化性ガス排出室 2 2 3に供給され る排酸化性ガスを、 酸化性ガス排出孔 2 3 3匕を介して酸化性ガス排出枝管 （図示略） に導く。
[0042] 上部管板 2 2 5 3は、 上部ケーシング 2 2 9 3の天板と上部断熱体 2 2 7
3との間に、 上部管板 2 2 5 3と上部ケーシング 2 2 9 3の天板と上部断熱 体 2 2 7 3とが略平行になるように、 上部ケーシング 2 2 9 3の側板に固定 されている。 また上部管板 2 2 5 3は、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3に備え られるセルスタック 1 0 1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 1 0 1が夫々揷入されている。 この上部管板 2 2 5 3は、 複数のセ ルスタック 1 0 1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 2 1 7と酸化性ガス 排出室 2 2 3とを隔離する。
[0043] 下部管板 2 2 5匕は、 下部ケーシング 2 2 9匕の底板と下部断熱体 2 2 7 匕との間に、 下部管板 2 2 5匕と下部ケーシング 2 2 9匕の底板と下部断熱 体 2 2 7匕とが略平行になるように下部ケーシング 2 2 9匕の側板に固定さ れている。 また下部管板 2 2 5匕は、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3に備えら れるセルスタック 1 0 1の本数に対応した複数の孔を有し、 該孔にはセルス \¥0 2020/175202 1 1 卩（：171? 2020 /005963
タック 1 0 1が夫々揷入されている。 この下部管板 2 2 5匕は、 複数のセル スタック 1 0 1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 2 1 9と酸化性ガス供 給室 2 2 1 とを隔離する。
[0044] 上部断熱体 2 2 7 3は、 上部ケーシング 2 2 9 3の下端部に、 上部断熱体
2 2 7 3と上部ケーシング 2 2 9 3の天板と上部管板 2 2 5 3とが略平行に なるように配置され、 上部ケーシング 2 2 9 3の側板に固定されている。 ま た、 上部断熱体 2 2 7 3には、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3に備えられるセ ルスタック 1 0 1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 1 0 1の外径よりも大きく設定されている。 上部断熱体 2 2 7 3は、 この孔の内面と、 上部断熱体 2 2 7 3に揷通されたセルスタッ ク 1 0 1の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間 2 3 5匕を有する。
[0045] この上部断熱体 2 2 7 3は、 発電室 2 1 5と酸化性ガス排出室 2 2 3とを 仕切るものであり、 上部管板 2 2 5 3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 2 2 5 3等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料からなるが、 上部管板 2 2 5 3等が発電室 2 1 5内の高温に晒されて上部ケーシング 2 2 9 3と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 2 2 7 3は、 発電室 2 1 5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 2 3 5匕を通過させて酸化性ガス排出室 2 2 3に 導くものである。
[0046] 本実施形態によれば、 上述した燃料電池力ートリッジ 2 0 3の構造により 、 燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック 1 0 1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 1 0 3 の内部を通って発電室 2 1 5に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ 、 金属材料からなる上部管板 2 2 5 3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 2 2 3に供給される。 また、 燃料ガスは、 発電室 2 1 5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 2 1 \¥02020/175202 12 卩（：171?2020/005963
5に供給される。 その結果、 ヒータ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 2 1 5に供給することができる。
[0047] 下部断熱体 2 2 7匕は、 下部ケーシング 2 2 9匕の上端部に、 下部断熱体
2 2 7 bと下部ケーシング 2 2 9匕の底板と下部管板 2 2 5匕とが略平行に なるように配置され、 上部ケーシング 2 2 9 3の側板に固定されている。 ま た、 下部断熱体 2 2 7匕には、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3に備えられるセ ルスタック 1 0 1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 1 0 1の外径よりも大きく設定されている。 下部断熱体 2 2 7匕は、 この孔の内面と、 下部断熱体 2 2 7匕に揷通されたセルスタッ ク 1 0 1の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間 2 3 5 3を有する。
[0048] この下部断熱体 2 2 7匕は、 発電室 2 1 5と酸化性ガス供給室 2 2 1 とを 仕切るものであり、 下部管板 2 2 5匕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 2 2 5匕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 2 2 5匕等が高温に晒されて下部ケーシング 2 2 9匕との温度差が 大きくなることで変形することを防ぐものである。 また、 下部断熱体 2 2 7 匕は、 酸化性ガス供給室 2 3 3に供給される酸化性ガスを、 酸化性ガス供給 隙間 2 3 5 3を通過させて発電室 2 1 5に導くものである。
[0049] 本実施形態によれば、 上述した燃料電池力ートリッジ 2 0 3の構造により 、 燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック 1 0 1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 1 0 3の内部を通って発 電室 2 1 5を通過した排燃料ガスは、 発電室 2 1 5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 2 2 5匕等が座屈など の変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室 2 1 9に排出される。 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 2 1 5に供給 される。 その結果、 ヒータ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 2 1 5に供給することができる。
[0050] 発電室 2 1 5で発電された直流電力は、 複数の燃料電池セル 1 0 5に設け \¥02020/175202 13 卩（：171?2020/005963
た 1\1 丨 /丫 3 等からなるリード膜 1 1 5によりセルスタック 1 0 1の端部 付近まで導出した後に、 燃料電池力ートリッジ 2 0 3の集電機構を介して集 電して、 各燃料電池力一トリッジ 2 0 3の外部へと取り出される。 集電機構 によって燃料電池力ートリッジ 2 0 3の外部に導出された電力は、 各燃料電 池力ートリッジ 2 0 3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 2 0 1の外部へと導出されて、 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。 直流電力 を集電する集電機構の詳細については後述する。
[0051 ] 次に、 図 3を参照して本実施形態の円筒形セルスタックについて説明する 。 図 3は図 2のセルスタック 1 0 1 を示す断面図である。
[0052] セルスタック 1 0 1は、 円筒形状の基体管 1 0 3と、 基体管 1 0 3の外周 面に複数形成された燃料電池セル 1 0 5と、 隣り合う燃料電池セル 1 0 5の 間に形成されたインターコネクタ 1 0 7とを有する。 燃料電池セル 1 0 5は 、 燃料極 1 0 9と固体電解質 1 1 1 と空気極 1 1 3とが積層して形成されて いる。 またセルスタック 1 0 1は、 基体管 1 0 3の外周面に形成された複数 の燃料電池セル 1 0 5の内、 基体管 1 0 3の軸方向において最も端に形成さ れた燃料電池セル 1 0 5の空気極 1 1 3に、 インターコネクタ 1 0 7を介し て電気的に接続されたリード膜 1 1 5を有する。
[0053] 基体管 1 0 3は、 多孔質材料からなり、 例えば、
Figure imgf000015_0001
安定化
Figure imgf000015_0002
（〇
3 å） , 又は丫2〇3安定化 「〇2 （丫3 ） 、 又は 1\/1 9八 丨 2〇4を含む。 こ の基体管 1 0 3は、 燃料電池セル 1 0 5、 インターコネクタ 1 0 7及びリー ド膜 1 1 5を支持すると共に、 基体管 1 0 3の内周面に供給される燃料ガス を基体管 1 〇 3の細孔を介して基体管 1 0 3の外周面に形成される燃料極 1 0 9に拡散させる。
[0054] 燃料極 1 0 9は、 1\1 丨 とジルコニァ系電解質材料との複合材の酸化物で構 成され、 例えば、 丨 /丫 3 が用いられる。 この場合、 燃料極 1 0 9は、 燃料極 1 0 9の成分である !\1 丨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 1 0 3を介して供給された燃料ガス、 例えば、 メタン （ \¥02020/175202 14 卩（：171?2020/005963
〇1~1 4） と水蒸気との混合ガスを反応させ、 水素 （1~1 2） と一酸化炭素 （〇〇 ） に改質するものである。 また、 燃料極 1 0 9は、 改質により得られる水素 （1~1 2） 及び一酸化炭素 （＜3〇） と、 固体電解質 1 1 1 を介して供給される酸 素イオン （〇2 _） とを固体電解質 1 1 1 との界面付近において電気化学的に 反応させて水 （1~1 2〇） 及び二酸化炭素 （＜3〇2） を生成するものである。 な お、 燃料電池セル 1 0 5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。
[0055] 固体電解質 1 1 1は、 ガスを通しにくい気密性と、 高温で高い酸素イオン 導電性とを有する丫 3 が主として用いられる。 この固体電解質 1 1 1は、 空気極で生成される酸素イオン （〇2 _） を燃料極に移動させるものである。
[0056] 空気極 1 1 3は、 例えば、 1- 3 3 r M n〇 3系酸化物、 又は 1_ 3〇〇〇 3系 酸化物で構成される。 この空気極 1 1 3は、 固体電解質 1 1 1 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 （〇2 -） を生成するものである。
[0057] インターコネクタ 1 0 7は、 3 「丁 丨 〇3系などの 1\/1 1 _ ;＜1_ ;＜丁 丨 〇3 （IV!は アルカリ土類金属元素、 1_はランタノイ ド元素） で表される導電性べロプス 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 1 0 7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 1 0 7は、 隣り合う燃料電池セル 1 0 5において、 一方の燃料電池セル 1 0 5の空気極 1 1 3と他方の燃料電池セル 1 0 5の燃料極 1 0 9とを電気 的に接続し、 隣り合う燃料電池セル 1 0 5を直列に接続するものである。
[0058] リード膜 1 1 5は、 電子伝導性を有すること、 及びセルスタック 1 0 1 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、 ！\! 丨 / 丫3 等の 1\1 丨 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 1 1 5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 1 0 5で発電された直流電力をセルスタック 1 0 1の端部付近まで 導出すものである。 \¥02020/175202 15 卩（：171?2020/005963
[0059] 次に燃料電池力ートリッジ 2 0 3の集電機構について説明する。 図 4は燃 料電池力ートリッジ 2 0 3を鉛直方向上方からみた平面図である （図 4では 、 上部ケーシング 2 2 9 3は省略されている） 。 図 5は図 4に示す燃料電池 力一トリッジ
Figure imgf000017_0001
線断面斜視図である。 尚、 前述の図 2は、 図 4 の IV! _ IV!線断面図に対応するものである。
[0060] 燃料電池力ートリッジ 2 0 3は、 燃料電池を構成する円筒状の複数のセル スタック 1 0 1 を備える （本実施形態では、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3に は、 合計 5 6本のセルスタック 1 0 1が備えられている） 。 各セルスタック 1 0 1は、 図 3を用いて説明したように空気極 1 1 3 （正極） と燃料極 1 0 9 （負極） とを有する。 各セルスタック 1 0 1は、 図 2を参照して前述した ように、 セルスタック 1 0 1の中心軸が鉛直方向に延びかつ中心軸に直交す る水平面内で隣接した状態で配置されるように、 上部ケーシング 2 2 9 3 （ 筐体） と下部ケーシング 2 2 9匕 （筐体） によって支持されている。
[0061 ] 図 4及び図 5に示すように、 これら複数のセルスタック 1 0 1から構成さ れるセルスタック群は、 複数のセルスタック 1 0 1が配置されるセル配置領 域のうち内側領域八 1 に配置される内側セルスタック群 1 0 1 八と、 セル配 置領域 のうち内側領域 1 より外側に位置する外側領域 2に配置される 外側セルスタック群 1 0 1 巳と、 を含むように分類される。
[0062] 燃料電池力一トリッジ 2 0 3は、 集電板 1 1 （第 1正極集電部） と、 集電 板 1 2 （第 2正極集電部） と、 集電板 2 1 （第 1負極集電部） と、 集電板 2 2 （第 2負極集電部） と、 を備える。 集電板 1 1 （第 1正極集電部） は外側 セルスタック群 1 0 1 巳の正極同士を電気的に接続する導電性の板状部材で あり、 外側領域八 2に配置されている。 また集電板 1 2 （第 2正極集電部） は内側セルスタック群 1 0 1 八の正極同士を電気的に接続する導電性の板状 部材であり、 内側領域八 1 に配置されている。 また集電板 2 1 （第 1負極集 電部） は内側セルスタック群 1 0 1 八の負極同士を電気的に接続する導電性 の板状部材であり、 内側領域 1 に配置されている。 また集電板 2 2 （第 2 負極集電部） は外側セルスタック群 1 0 1 巳の負極同士を電気的に接続する \¥02020/175202 16 卩（：171?2020/005963
導電性の板状部材であり、 外側領域 2に配置されている。
[0063] 図 5に示すように、 燃料電池力ートリッジ 2 0 3内で電流を流通させる経 路は、 集電板 2 1 と集電板 2 2とを電気的に分離して集電板 2 1 と集電板 1 1 とを電気的に接続することにより形成されている。 この経路は、 内側領域 八 1の内側セルスタック群 1 0 1 八と、 外側領域八 2の外側セルスタック群 1 0 1 巳とが、 外部負荷 （不図示） に対して直列接続された経路である。 尚、 経路中に示す矢印は、 経路を流れる電流の流通方向を示している。 以 下の各図においても、 経路中に示す矢印は経路を流れる電流の流通方向を示 すものとする。
[0064] ここで燃料電池力一トリッジ 2 0 3が備える各セルスタック 1 0 1は互い に等しい導電面積をそれぞれ有しており、 外側セルスタック群 1 0 1 巳は、 内側セルスタック群 1 0 1 八に比べて少ない数の前記セルスタック 1 0 1 を 含む。 そのため、 外部負荷に対して直列接続された内側セルスタック群 1 0 1 八及び外側セルスタック群 1 0 1 巳が通電された際に、 総導電面積が小さ い外側セルスタック群 1 〇 1 巳の電流密度が、 総導電面積が大きな内側セル スタック群 1 0 1 八の電流密度より大きくなるように構成される。
[0065] 図 6は図 4の 間における温度分布丁を示している。 図 6では、 比較 例として内側セルスタック群 1 0 1 八及び外側セルスタック群 1 0 1 巳が同 数であることにより両者の電流密度が等しい場合に対応する温度分布丁 が 破線で示されている。 この比較例では、 外部への放熱量が大きい外側セルス タック群 1 0 1 巳では温度が低く、 外部への放熱量が小さい内側セルスタッ ク群 1 0 1 では温度が低くなる温度分布丁 が示されている。 また温度分 布丁 は最高温度丁 01 8 X を有している。
[0066] 一方の本実施形態では、 上述のように外側セルスタック群 1 0 1 巳の電流 密度が内側セルスタック群 1 〇 1 八の電流密度より大きくなるように構成さ れることで、 外側セルスタック群 1 0 1 巳における発熱量が内側セルスタッ ク群 1 0 1 に対して相対的に増え、 その結果、 比較例に比べて平準化され た温度分布丁が得られる。 \¥02020/175202 17 卩（：171?2020/005963
[0067] 本実施形態では、 図 4に示すように、 外側セルスタック群 1 0 1 巳は内側 セルスタック群 1 0 1 八を全周にわたって囲むように構成されているため、 内側セルスタック群 1 0 1 八は外側セルスタック群 1 0 1 巳に比べて放熱量 が小さくなりやすく、 高温になりやすいが、 このように外側セルスタック群 1 0 1 巳の電流密度を内側セルスタック群 1 0 1 八に比べて大きくすること で、 温度分布を効果的に平準化できる。
[0068] また、 この温度分布丁では、 最高温度丁 01 3 Xは比較例の最高温度丁 01 3
X に比べて抑制しつつ平準化されている。 そのため、 図 6で温度分布丁 3 として示すように、 比較例の最高温度丁 3 X と同等の最高温度を上限と しながらも、 燃料電池力ートリッジ 2 0 3の出力を向上させることができ、 より高効率な燃料電池力ートリッジ 2 0 3を実現できる。
[0069] このような構成は、 上述の各集電板 （集電板 1 1 （第 1正極集電部） 、 集 電板 1 2 （第 2正極集電部） 、 集電板 2 1 （第 1負極集電部） 及び集電板 2 2 （第 2負極集電部） ） のように、 内側セルスタック群 1 0 1 八と外側セル スタック群 1 0 1 巳とを互いに独立した集電部材によって電気的に接続され ることで構築できる。 これにより、 多数のセルスタックが配列されて構成さ れる従来の燃料電池力一トリッジの構成を大きく変更することなく、 効率的 なレイアウトで上記構成を実現できる。
[0070] 図 7は図 4の第 1変形例であり、 図 8は図 7に示す燃料電池力一トリッジ
2 0 3の _ 1\!線断面斜視図である。 この第 1変形例では、 内側領域 1の 両側に 2つの外側領域 2がそれぞれ規定されることで、 外側セルスタック 群 1 0 1 巳 1及び 1 0 1 巳 2が、 内側セルスタック群 1 0 1 八の両側にそれ ぞれ配置される。
[0071 ] 燃料電池力一トリッジ 2 0 3内で電流を流通させる経路は、 図 8において 左側に示す外側セルスタック群 1 0 1 巳 1 と内側セルスタック群 1 0 1 八と が外部負荷 （不図示） に対して直列接続された経路と、 図 8において右側に 示す外側セルスタック群 1 〇 1 巳 2と内側セルスタック群 1 0 1 八とが外部 負荷 （不図示） に対して直列接続された経路とが、 互いに並列に組み合わさ \¥0 2020/175202 18 卩（：171? 2020 /005963
れたものとなる。
[0072] このように外側セルスタック群 1 0 1 巳が、 内側セルスタック群 1 0 1 八 の両側に分離して設けられる場合においても、 外側セルスタック群 1 0 1 巳 の電流密度を内側セルスタック群 1 〇 1 八に比べて大きくすることで、 温度 分布を効果的に平準化できる。
[0073] 図 9は第 1変形例の燃料電池力一トリッジ 2 0 3の拡張例である。 図 9で は、 第 1変形例に係る燃料電池力一トリッジ 2 0 3八、 2 0 3巳、 2 0 3 0 - が所定方向に沿って配列されており、 互いに隣接する燃料力一トリッ ジ 2 0 3の内側領域 1及び外側領域 2がそれぞれ連続するように配置さ れている。 このように複数の燃料電池力ートリッジ 2 0 3を隣接配置するこ とで拡張した場合であっても、 放熱量が比較的大きい外側セルスタック群 1 0 1 巳の電流密度を、 放熱量が比較的小さい内側セルスタック群 1 0 1 八に 比べて大きくすることで、 複数の燃料電池力ートリッジ 2 0 3にわたる温度 分布を効果的に平準化できる。
[0074] また複数の燃料電池力ートリッジ 2 0 3を拡張配置した場合には、 互いに 隣接する燃料電池力ートリッジ 2 0 3間の接面は断熱状態に近く温度勾配も 生じにくいため、 温度分布を平準化するニーズが小さい。 このような場合に は、 図 9に示すように、 列単位で各集電板を構成することで効率的なレイァ ウトで、 配列方向とは直角方向における温度分布の標準化ができる。
[0075] 尚、 内側セルスタック群 1 0 1 八の両側に配置された外側セルスタック群
1 0 1 巳 1及び 1 0 1 巳 2は、 互いに同じ数のセルスタック 1 0 1 を含んで もよいが、 温度分布のバランスを考慮して異なる数のセルスタック 1 0 1 を 含んでもよい。
[0076] 図 1 0は図 4の第 2変形例であり、 図 1 1は図 1 0に示す燃料電池力一卜 リッジ 2 0 3の〇 _〇線断面斜視図である。 第 2変形例では、 外側セルスタ ック群 1 0 1 巳 1及び 1 0 1 巳 2の間に内側セルスタック群 1 0 1 八が配置 されており、 当該内側セルスタック群 1 0 1 八は第 1内側セルスタック群 1 0 1 八 1及び第 2内側セルスタック群 1 0 1 八 2に更に細分化されている。 \¥02020/175202 19 卩（：171?2020/005963
[0077] 図 1 1 に示すように、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3内で電流を流通させる 経路は、 外側セルスタック群 1 0 1 巳 1の集電板 3 0 （第 1正極集電部） は 第 1内側セルスタック群 1 0 1 八 1の集電板 3 1 （第 1負極集電部） に電気 的に接続される。 第 1内側セルスタック群 1 〇 1 八 1の集電板 3 2 （第 2正 極集電部） は第 2内側セルスタック群 1 0 1 八2の集電板 3 3 （第 2負極集 電部） に電気的に接続される。 第 2内側セルスタック群 1 0 1 八 2の集電板 3 4 （第 3正極集電部） は外側セルスタック群 1 0 1 巳 2の集電板 3 5 （第 3負極集電部） に電気的に接続される。 また外側セルスタック群 1 0 1 巳 1 の集電板 3 6 （第 4負極集電部） 及び外側セルスタック群 1 0 1 巳 2の集電 板 3 7 （第 4正極集電部） は外部負荷に接続される。 これにより、 内側セル スタック群 （ 1 0 1 八 1、 1 0 1 八 2） 及び外側セルスタック群 （ 1 0 1 巳 1、 1 0 1 6 2） とを電気的に分離して各スタック群を電気的に接続するこ とにより形成されている。 この経路は、 図 1 1 に示す経路で、 外部負荷 （不 図示） に対して直列接続される。
[0078] このように第 2変形例では、 内側セルスタック群 1 0 1 八をより細分化し 、 それぞれのセルスタック群に含まれるセルスタック数を変えることによっ て、 第 1変形例に比べて、 より細かい温度調整を行うことで温度分布の平準 化が可能となる。 この場合も第 1変形例の図 9と同様に、 複数の燃料電池力 —トリッジ 2 0 3を隣接配置することで拡張してもよい。
[0079] 前述の実施形態では燃料電池力一トリッジ 2 0 3が円筒型のセルスタック
1 〇 1 を有する場合について説明したが、 燃料電池力一トリッジ 2 0 3が有 するセルスタック 1 0 1は他の形式であってもよい。 図 1 2は、 扁平円筒型 のセルスタック 1 0 1 を有する燃料電池力ートリッジ 3 0 3を示す模式図で ある。 この燃料電池力一トリッジ 3 0 3では、 鉛直方向に沿って水平方向に 延在する複数のセルスタック 1 0 1が配列されており、 上方側及び下方側 （ 外側） において外気と接することで内側に比べてセルスタック 1 0 1の温度 が低くなる温度分布を有する。
[0080] このような燃料電池力一トリッジ 3 0 3においても、 複数のセルスタック 1 01 を、 内側領域 A 1及び外側領域 A 2を規定し、 内側領域 A 1 に位置す る内側セルスタック群 1 01 Aと、 外側領域 A 2に位置する外側セルスタッ ク群 1 01 Bに分類する。 内側セルスタック群 1 01 A及び外側セルスタッ ク群 1 01 巳は、 不図示の外部負荷に対して所定の集電系統を介して直列に 接続されている。
[0081] ここで燃料電池力一トリッジ 303が備える各セルスタック 1 01は互い に等しい導電面積をそれぞれ有しており、 外側セルスタック群 1 01 巳は、 内側セルスタック群 1 01 Aに比べて少ない数の前記セルスタック 1 01 を 含む。 そのため、 外部負荷に対して直列接続された内側セルスタック群 1 0 1 A及び外側セルスタック群 1 01 Bが通電された際に、 総導電面積が小さ い外側セルスタック群 1 〇 1 Bの電流密度が、 総導電面積が大きな内側セル スタック群 1 01 Aの電流密度より大きくなるように構成される。 このよう に外側セルスタック群 1 01 Bの電流密度を内側セルスタック群 1 01 Aに 比べて大きくすることで、 温度分布を効果的に平準化できる。
[0082] 以上説明したように上記実施形態によれば、 外側セルスタックの電流密度 が、 内側セルスタックの電流密度より大きくなるように構成されることで、 内側セルスタックに比べて放熱量が大きい外側セルスタックと、 外側セルス タックに比べて放熱量が小さい内側セルスタックとの間における温度分布を 平準化できる。
[0083] 燃料電池モジュール 201は、 GTCC（G a s T u r b i n eCom b i n e d C y c l e :ガスタービンコンバインドサイクル発電）、 MGT （M i c r〇 G a s T u r b i n e :マイクロガスタービン） または夕ーボ チヤージヤと組み合わされて利用される複合発電システムに適用されること がある。 このような複合発電システムでは、 S〇 F Cモジュールから排気さ れる排燃料ガスと排酸化性ガスとがガスタービンの燃焼器 （不図示） に供給 されて高温の燃焼ガスを生成し、 この燃焼ガスをガスタービンで断熱膨張さ せることにより生成される回転動力により、 圧縮機を駆動して圧縮された圧 縮ガスが酸化性ガスとして燃料電池モジュール 1 〇の酸化性ガス供給主管 2 \¥02020/175202 21 卩（：171? 2020 /005963
1 に供給される。 なお、 酸化性ガスとは、 酸素を略 1 5%〜 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できる。
産業上の利用可能性
[0084] 本発明の少なくとも一実施形態は、 固体酸化物形燃料電池の燃料電池力一 トリッジ、 燃料電池モジュール及び複合発電システムに利用可能である。 符号の説明
[0085] 1 01 セルスタック
1 01 八 内側セルスタック群
1 01 巳 外側セルスタック群
1 03 基体管
1 05 燃料電池セル
1 07 インターコネクタ
1 09 燃料極
1 1 1 固体電解質
1 1 3 空気極
1 1 5 リード膜
201 燃料電池モジュール
203 燃料電池力一トリッジ
205 圧力容器
207 燃料ガス供給管
209 燃料ガス排出管
2 1 5 発電室
2 1 7 燃料ガス供給室
2 1 9 燃料ガス排出室
22 1 酸化性ガス供給室
223 酸化性ガス排出室
2253 上部管板 \¥02020/175202 22 卩（：171? 2020 /005963
225匕 下部管板
2273 上部断熱体
2.21 '〇 下部断熱体
2293 上部ケーシング
229匕 下部ケーシング
23 1 3 燃料ガス供給孔
23 1 匕 燃料ガス排出孔
2333 酸化性ガス供給孔
233匕 酸化性ガス排出孔
2353 酸化性ガス供給隙間
235匕 酸化性ガス排出隙間
303 扁平円筒型燃料電池力一トリッジ
八 1 内側領域
八 2 外側領域

Claims

\¥02020/175202 23 卩（：171?2020/005963 請求の範囲
[請求項 1 ] 固体酸化物形燃料電池を形成する複数のセルを含む複数のセルスタ ックを備える燃料電池力一トリッジであって、
前記複数のセルスタックから構成されるセルスタック群は、 前記複数のセルスタックが配置されるセル配置領域のうち内側領域 に配置される内側セルスタック群と、
前記セル配置領域のうち前記内側領域より外側に位置する外側領域 に配置される外側セルスタック群と、
を含み、
前記内側セルスタック群及び前記外側セルスタック群は、 外部負荷 に対して互いに直列に接続されており、
前記外側セルスタック群の電流密度が、 前記内側セルスタック群の 電流密度より大きくなるように構成される、 燃料電池力一トリッジ。
[請求項 2] 前記複数のセルスタックは、 互いに等しい導電面積をそれぞれ有し 前記外側セルスタック群は、 前記内側セルスタック群に比べて少な い数の前記セルスタックを含む、 請求項 1 に記載の燃料電池力ートリ ッジ。
[請求項 3] 前記内側セルスタック群を構成する前記セルスタックと前記外側セ ルスタック群を構成する前記セルスタックとは、 互いに独立した集電 部材によって電気的に接続される、 請求項 1又は 2に記載の燃料電池 力一トリッジ。
[請求項 4] 前記外側セルスタック群は、 前記内側セルスタック群を全周にわた って囲む、 請求項 1から 3のいずれか一項に記載の燃料電池力ートリ ッジ。
[請求項 5] 前記外側セルスタック群は、 前記内側セルスタック群の両側にそれ それ配置される、 請求項 1から 3のいずれか一項に記載の燃料電池力 -トリッジ。 \¥0 2020/175202 24 卩（：171? 2020 /005963
[請求項 6] 前記内側セルスタック群は、 隣接する第 1内側セルスタック群及び 第 2内側セルスタック群を含み、
前記第 1内側セルスタック群及び第 2内側セルスタック群は互いに 直列に接続される、 請求項 1から 5のいずれか一項に記載の燃料電池 力一トリッジ。
[請求項 7] 前記セルスタックは複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続した 円筒横縞形状を有する、 請求項 1から 6のいずれか一項に記載の燃料 電池力一トリッジ。
[請求項 8] 前記セルスタックは扁平円筒横縞形状を有する、 請求項 1から 6の いずれか一項に記載の燃料電池力ートリッジ。
[請求項 9] 請求項 1から 8のいずれか一項に記載の燃料電池力ートリッジを備 える、 燃料電池モジュール。
[請求項 10] 請求項 9に記載の燃料電池モジュールと前記燃料電池から排気され る排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を生成するガスター ビン又は夕ーボチヤージヤとを備え、 前記燃料電池モジュールには、 前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、 複数の 前記セルスタックは、 前記燃料ガスと前記酸化性ガスを用いて発電す る複合発電システム。
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