(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】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。【選択図】図４
2020140781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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カートリッジであって、
前記複数のセルスタックは、
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、燃料電池カートリッジ。
【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に記載の燃料電池カートリッジ。
【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に記載の燃料電池カートリッジ。
【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カートリッジ。
【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ぞれ配置される、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池カートリッジ。
【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カートリッジ。
【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カートリッジ。
【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カートリッジ。
【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カ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ター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複合発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体酸化物形燃料電池の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（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）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一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７００〜１１００℃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。
ＳＯＦＣは、例えばガスタービンやマイクロガスタービンおよびタ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ＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣ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２０１６−８１６４７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を提供することを目的とする。
【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カ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カートリッジであって、
前記複数のセルスタックは、
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。
【０００８】
上記（１）の構成によれば、燃料電池カートリッジが備える複数のセルスタックは、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、
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、燃料電池カー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。
【００１１】
（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カー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、
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、当該燃料電池カ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カ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カ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カートリッジを備える。
【００２４】
上記（９）の構成によれば、燃料電池カー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】
（１０）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ター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（１０）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の燃料電池カ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】燃料電池カートリッジを鉛直方向上方からみた平面図である。
【図５】図４に示す燃料電池カートリッジのＬ−Ｌ線断面斜視図である。
【図６】図４のＬ−Ｌ間における温度分布を示す図である。
【図７】図４の第１変形例である。
【図８】図７に示す燃料電池カートリッジのＮ−Ｎ線断面斜視図である。
【図９】第１変形例の燃料電池カ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。
【図１１】図１０に示す燃料電池カートリッジのＯ−Ｏ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カ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２０１の全体構成を示す斜視図であり、図２は図１の燃料電池カートリッジ２０３の内部構成を示す断面図である。燃料電池モジュール２０１は、複数の燃料電池カートリッジ２０３と、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。また燃料電池モジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａと、を有する。また燃料電池モジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａと、を有する。また燃料電池モジュール２０１は、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２０１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２０７は、圧力容器２０５の内部に設けられ、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Ｇ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２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７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２０７ａに分岐して導く。
【００３２】
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。
【００３３】
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の内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の外部の燃料ガス排出系（図示略）に導く。
【００３４】
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、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ＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
【００３５】
燃料電池カートリッジ２０３は、図２に示すように、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また燃料電池カートリッジ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。
【００３６】
尚、本実施形態では、燃料電池カートリッジ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、他の構造であってもよい。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よい。
【００３７】
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℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。
【００３８】
燃料ガス供給室２１７は、燃料電池カートリッジ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（図示略）と連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス供給室２１７に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａ（図示略）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。
【００３９】
燃料ガス排出室２１９は、燃料電池カートリッジ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（図示略）と連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。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（図示略）に導く。
【００４０】
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。酸化性ガス供給室２２１は、燃料電池カートリッジ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、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２２１は、酸化性ガス供給枝管（図示略）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。
【００４１】
酸化性ガス排出室２２３は、燃料電池カートリッジ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、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を介して酸化性ガス排出枝管（図示略）に導く。
【００４２】
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、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。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。
【００４３】
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、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。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。
【００４４】
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、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。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。
【００４５】
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なるが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部ケーシング２２９a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。
【００４６】
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、金属材料からなる上部管板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。
【００４７】
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、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。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。
【００４８】
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ケーシング２２９ｂ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。
【００４９】
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、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２１５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２１５に供給することができる。
【００５０】
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、燃料電池カートリッジ２０３の集電機構を介して集電して、各燃料電池カートリッジ２０３の外部へと取り出される。集電機構によって燃料電池カートリッジ２０３の外部に導出された電力は、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、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１０１を示す断面図である。
【００５２】
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。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に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。
【００５３】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４を含む。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５、インターコネクタ１０７及びリード膜１１５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。
【００５４】
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（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１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）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（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。
【００５５】
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（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。
【００５６】
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（Ｏ２−）を生成するものである。
【００５７】
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、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を直列に接続するものである。
【００５８】
リード膜１１５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。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。
【００５９】
次に燃料電池カートリッジ２０３の集電機構について説明する。図４は燃料電池カートリッジ２０３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２２９ａは省略されている）。図５は図４に示す燃料電池カートリッジ２０３のＬ−Ｌ線断面斜視図である。尚、前述の図２は、図４のＭ−Ｍ線断面図に対応するものである。
【００６０】
燃料電池カートリッジ２０３は、燃料電池を構成する円筒状の複数のセルスタック１０１を備える（本実施形態では、燃料電池カートリッジ２０３には、合計５６本のセルスタック１０１が備えられている）。各セルスタック１０１は、図３を用いて説明したように空気極１１３（正極）と燃料極１０９（負極）とを有する。各セルスタック１０１は、図２を参照して前述したように、セルスタック１０１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２２９ａ（筐体）と下部ケーシング２２９ｂ（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１０１は、複数のセルスタック１０１が配置されるセル配置領域のうち内側領域Ａ１に配置される内側セルスタック群１０１Ａと、セル配置領域Ａのうち内側領域Ａ１より外側に位置する外側領域Ａ２に配置される外側セルスタック群１０１Ｂと、を含むように分類される。
【００６２】
燃料電池カートリッジ２０３は、集電板１１（第１正極集電部）と、集電板１２（第２正極集電部）と、集電板２１（第１負極集電部）と、集電板２２（第２負極集電部）と、を備える。集電板１１（第１正極集電部）は外側セルスタック群１０１Ｂ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Ａ２に配置されている。また集電板１２（第２正極集電部）は内側セルスタック群１０１Ａ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Ａ１に配置されている。また集電板２１（第１負極集電部）は内側セルスタック群１０１Ａ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Ａ１に配置されている。また集電板２２（第２負極集電部）は外側セルスタック群１０１Ｂ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、外側領域Ａ２に配置されている。
【００６３】
図５に示すように、燃料電池カートリッジ２０３内で電流を流通させる経路は、集電板２１と集電板２２とを電気的に分離して集電板２１と集電板１１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Ａ１の内側セルスタック群１０１Ａと、外側領域Ａ２の外側セルスタック群１０１Ｂ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】
ここで燃料電池カートリッジ２０３が備える各セルスタック１０１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１０１Ｂは、内側セルスタック群１０１Ａに比べて少ない数の前記セルスタック１０１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１０１Ａ及び外側セルスタック群１０１Ｂ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１０１Ｂの電流密度が、総導電面積が大きな内側セルスタック群１０１Ａ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Ｌ−Ｌ間における温度分布Ｔ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１０１Ａ及び外側セルスタック群１０１Ｂ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Ｔ´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１０１Ｂ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１０１Ａでは温度が低くなる温度分布Ｔ´が示されている。また温度分布Ｔ´は最高温度Ｔｍａｘ´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１０１Ｂの電流密度が内側セルスタック群１０１Ａ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１０１Ｂにおける発熱量が内側セルスタック群１０１Ａ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Ｔが得られる。
【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１０１Ｂは内側セルスタック群１０１Ａ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１０１Ａは外側セルスタック群１０１Ｂ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１０１Ｂの電流密度を内側セルスタック群１０１Ａ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Ｔでは、最高温度Ｔｍａｘは比較例の最高温度Ｔｍａｘ´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Ｔａとして示すように、比較例の最高温度Ｔｍａｘ´と同等の最高温度を上限としながらも、燃料電池カートリッジ２０３の出力を向上させることができ、より高効率な燃料電池カートリッジ２０３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１１（第１正極集電部）、集電板１２（第２正極集電部）、集電板２１（第１負極集電部）及び集電板２２（第２負極集電部））のように、内側セルスタック群１０１Ａと外側セルスタック群１０１Ｂ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カー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に示す燃料電池カートリッジ２０３のＮ−Ｎ線断面斜視図である。この第１変形例では、内側領域Ａ１の両側に２つの外側領域Ａ２がそれぞれ規定されることで、外側セルスタック群１０１Ｂ１及び１０１Ｂ２が、内側セルスタック群１０１Ａの両側にそれぞれ配置される。
【００７１】
燃料電池カートリッジ２０３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１０１Ｂ１と内側セルスタック群１０１Ａ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１０１Ｂ２と内側セルスタック群１０１Ａ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れたものとなる。
【００７２】
このように外側セルスタック群１０１Ｂが、内側セルスタック群１０１Ａ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１０１Ｂの電流密度を内側セルスタック群１０１Ａ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変形例の燃料電池カートリッジ２０３の拡張例である。図９では、第１変形例に係る燃料電池カートリッジ２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃ・・・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カートリッジ２０３の内側領域Ａ１及び外側領域Ａ２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カートリッジ２０３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１０１Ｂ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１０１Ａに比べて大きくすることで、複数の燃料電池カートリッジ２０３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カートリッジ２０３を拡張配置した場合には、互いに隣接する燃料電池カートリッジ２０３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アウトで、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１０１Ａの両側に配置された外側セルスタック群１０１Ｂ１及び１０１Ｂ２は、互いに同じ数のセルスタック１０１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１０１を含んでもよい。
【００７６】
図１０は図４の第２変形例であり、図１１は図１０に示す燃料電池カートリッジ２０３のＯ−Ｏ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１０１Ｂ１及び１０１Ｂ２の間に内側セルスタック群１０１Ａが配置されており、当該内側セルスタック群１０１Ａは第１内側セルスタック群１０１Ａ１及び第２内側セルスタック群１０１Ａ２に更に細分化されている。
【００７７】
図１１に示すように、燃料電池カートリッジ２０３内で電流を流通させる経路は、外側セルスタック群１０１Ｂ１の集電板３０（第１正極集電部）は第１内側セルスタック群１０１Ａ１の集電板３１（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１０１Ａ１の集電板３２（第２正極集電部）は第２内側セルスタック群１０１Ａ２の集電板３３（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１０１Ａ２の集電板３４（第３正極集電部）は外側セルスタック群１０１Ｂ２の集電板３５（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１０１Ｂ１の集電板３６（第４負極集電部）及び外側セルスタック群１０１Ｂ２の集電板３７（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（１０１Ａ１、１０１Ａ２）及び外側セルスタック群（１０１Ｂ１、１０１Ｂ２）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１１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１０１Ａ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、複数の燃料電池カートリッジ２０３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カートリッジ２０３が円筒型のセルスタック１０１を有する場合について説明したが、燃料電池カートリッジ２０３が有するセルスタック１０１は他の形式であってもよい。図１２は、扁平円筒型のセルスタック１０１を有する燃料電池カートリッジ３０３を示す模式図である。この燃料電池カートリッジ３０３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１０１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１０１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カートリッジ３０３においても、複数のセルスタック１０１を、内側領域Ａ１及び外側領域Ａ２を規定し、内側領域Ａ１に位置する内側セルスタック群１０１Ａと、外側領域Ａ２に位置する外側セルスタック群１０１Ｂに分類する。内側セルスタック群１０１Ａ及び外側セルスタック群１０１Ｂ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】
ここで燃料電池カートリッジ３０３が備える各セルスタック１０１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１０１Ｂは、内側セルスタック群１０１Ａに比べて少ない数の前記セルスタック１０１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１０１Ａ及び外側セルスタック群１０１Ｂ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１０１Ｂの電流密度が、総導電面積が大きな内側セルスタック群１０１Ａ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１０１Ｂの電流密度を内側セルスタック群１０１Ａ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(ＧａｓＴｕｒｂｉｎｅＣｏｍｂｉｎｅｄ
Ｃｙｃｌｅ：ガスタービンコンバインドサイクル発電)、ＭＧＴ（Ｍｉｃｒｏ  Ｇａｓ
Ｔｕｒｂｉｎｅ：マイクロガスタービン）またはターボチャージャ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、ＳＯＦＣ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１０の酸化性ガス供給主管２１に供給される。なお、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に利用可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１０１  セルスタック
１０１Ａ  内側セルスタック群
１０１Ｂ  外側セルスタック群
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
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
２０９  燃料ガス排出管
２１５  発電室
２１７  燃料ガス供給室
２１９  燃料ガス排出室
２２１  酸化性ガス供給室
２２３  酸化性ガス排出室
２２５ａ  上部管板
２２５ｂ  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  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
３０３  扁平円筒型燃料電池カートリッジ
Ａ１  内側領域
Ａ２  外側領域
【図１】
2020140781.tif 000003
【図２】
2020140781.tif 000004
【図３】
2020140781.tif 000005
【図４】
2020140781.tif 000006
【図５】
2020140781.tif 000007
【図６】
2020140781.tif 000008
【図７】
2020140781.tif 000009
【図８】
2020140781.tif 000010
【図９】
2020140781.tif 000011
【図１０】
2020140781.tif 000012
【図１１】
2020140781.tif 000013
【図１２】
2020140781.tif 000014