(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に単電池膜を成膜してなるセルチューブに酸化剤ガスと燃料ガスとを供給することにより、前記酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて、
断熱材で包囲されたモジュール本体と、
該モジュール本体内に配された天板、上部管板及び下部管板と、
前記天板と上部管板との間に形成してなり、外部から供給する燃料をセルチューブ内へ供給する燃料供給室と、
前記上部管板と下部管板の間に形成してなり、セルチューブからの残燃料ガスを排出する燃料排出室と、
前記燃料供給室と連通する燃料ガスの燃料供給管の内部に、燃料排出室と連通する略同芯円状の残燃料ガスを排出する残燃料排出管とを配してなり、
前記燃料供給室内に、燃料ガスの流れを少なくとも２段階の整流化手段により整流化する整流ヘッダ室を設け、前記整流化手段により、少なくとも２段階に燃料ガスの流れ方向を変化させつつ供給燃料のガス流れを整流化することを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１において、
前記整流ヘッダ室が、前記燃料供給室へ開口した燃料供給管の開口部を所定間隔を有して同芯円状に覆うように設けた有底の円筒状ダンパ室と、該ダンパ室を覆うように設けた有底の円筒状分配ヘッダ室とからなり、
前記ダンパ室の円筒壁面に燃料整流孔を所定間隔に配してなると共に、前記分配ヘッダ室の燃料供給室側に燃料分配孔を所定間隔に配してなることを特徴とする円筒型固体電解質燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１において、
前記整流ヘッダ室が、前記燃料供給室へ開口した燃料供給管の開口部を所定間隔を有して同芯円状に覆うように設けた有底の円筒状ダンパ室と、該ダンパ室を覆うように設けた円筒状分配ヘッダ室とからなり、
前記ダンパ室の円筒壁面に燃料整流孔を所定間隔に配してなると共に、前記分配ヘッダ室の燃料供給室側開口部に多孔質板を配してなることを特徴とする円筒型固体電解質燃料電池モジュール。
【請求項４】
請求項１において、
前記整流ヘッダ室が、
前記燃料供給室へ開口した燃料供給管の開口近傍であって、残燃料排出管の周囲に下向きに周接し、燃料ガスの流れを減衰するスカート状整流板と、供給された燃料を多孔質板を介して排出する円筒状分配ヘッダ室とからなることを特徴とする円筒型固体電解質燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円筒型の燃料電池の複数のセルチューブ内へ均一な燃料供給が可能な円筒型固体電解質燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの概略構造を図６に示す。
【０００３】
図６に示すように、断熱材で包囲されたモジュール本体１内には、天板２，上部管板３及び下部管板４が配設され、下部管板４の下方には、電池室１ａが形成されている。
一方、モジュール本体１内の天板２と上部管板３との間には、燃料供給室５が形成されていると共に、上部管板３と下部管板４の間には、燃料排出室６が形成されている。
前記燃料供給室５の天板２には、当該燃料供給室５とモジュール本体１の外部とを連通する燃料供給管７が当該モジュール本体１を貫通して連結され、燃料ガス２０を導入していると共に、該燃料供給管７の内側には、前記燃料排出室６と当該モジュール本体１の外部とを連通するように下部管板４を貫通する残燃料排出管８が配設され、残燃料ガス２２を排出している。
なお、燃料ガスをＨ２  ガス以外の場合には、モジュール本体内部の熱を利用できる位置に、例えばＮｉ系等の触媒を配設して、燃料ガスの改質をするようにしている。
【０００４】
前記下部管板４には、外周面に単電池膜（図示せず）を成膜してなるセルチューブ１０が、上端を燃料排出室６内に位置させると共に下方寄りをモジュール本体１の電池室１ａ内に位置させるようにして貫通支持されている。
セルチューブ１０の内側には、当該セルチューブ１０の内部下方側と燃料供給室５内とを連通させるように上部管板３を貫通する燃料注入管１１が配設されている。
【０００５】
前記案内管１１の内側には、上端を燃料供給室５に位置させると共に下端をセルチューブ１０の下端近傍に位置させた集電棒１２が配設されている。該集電棒１２の下端は、前記単電池膜と電気的に接続すると共にセルチューブ１０の下端を閉塞する集電部材１３に連結している。該集電棒１２の上端は、ニッケル製の集電部材１３および導電棒１４を介してモジュール本体１の外部へ電気的に接続されている。
一方、セルチューブ１０の上端には、前記単電池膜と電気的に接続する集電コネクタ１５が取り付けられており、当該集電コネクタ１５は、他のセルチューブ１と当該集電コネクタ１５を介して並列に接続されている。また、セルチューブの上端及び下端の装着向きにより直列つなぎとしている。
【０００６】
前記モジュール本体１の電池室１ａの下部には、多孔質のセラミックス製の仕切板１６が設けられている。該仕切板１６の下方には、当該仕切板１６を介して前記電池室１ａと連通する空気予熱室１７が設けられている。
該空気予熱室１７には、モジュール本体１の外部と連通する空気供給管１８が接続している。また、モジュール本体１の電池室１ａの内部には、空気排出管１９の一端側が位置している。この空気排出管１９は、他端側がモジュール本体１の外側に位置し、中程部分が前記空気予熱室１７の内部を通過するように配設されて、熱交換されている。
【０００７】
このような構造をなす円筒型固体電解質燃料電池モジュールの作用を次に説明する。
【０００８】
モジュール本体１の電池室１ａ内を作動温度（約９００〜１０００℃）に加熱し、燃料供給管７から水素などの燃料ガス２０を供給すると共に、空気供給管１８から酸化剤ガスである空気２１を供給する。
燃料供給管７を介して供給された燃料ガス２０は、燃料供給室５から注入管１１を介してセルチューブ１０下端側までに流入する。
一方、空気予熱室１７を介して仕切板１６を通過した空気２１が電池室１ａ内に流入する。
【０００９】
前記燃料２０がセルチューブ１０の多孔質性の基体管を透過して図示しない単電池膜に供給され、前記空気（酸素）２１が単電池膜に接触すると、該単電池膜が水素と空気（酸素）とを電気化学的に反応させて電力を発生させ、当該電力が集電部材１３，導電棒１４を介して外部へ送り出されるようになっている。
【００１０】
なお、発電に供された後の残燃料ガス２２は、セルチューブ１０の上端から燃料排出室６内に流入し、残燃料排出管８を介して外部に排出される一方、発電に供された後の残空気２３は、空気排出管１９を介して外部に排出される。
【００１１】
前述したような円筒型固体電解質燃料電池モジュールでは、燃料供給室５から燃料ガス２０がセルチューブ１０の注入管１１内に注入されているが、該燃料ガスは外部から燃料供給管７を介して導入されている。この燃料供給管７は金属製であり、天板２に燃料供給室５に開口を有するように接続されているが、一方の残燃料排出管８は上部管板３に接続しているので、両者の接続が正確でない場合には、残燃料排出管と燃料供給管７とを同芯状に配置できない場合がある。
【００１２】
よって、残燃料排出管８と燃料供給管７とが偏芯する結果、燃料供給管８内部に形成されるガス流路である隙間が均一でなくなり、隙間の狭い箇所では圧損が高くなり、ガス流れが早くなり、燃料ガスの供給の不均一が生じ、均質な燃料ガスの供給ができないという問題がある。
【００１３】
このため、従来においては、図７に示すような有底の円筒状の分配ヘッダ３０を天板２の下側に設け、該分配ヘッダ３０の底部３１に複数の燃料供給孔３２を同心円状に複数個形成させることで、燃料ガス２０の整流化を図っていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示すような分配ヘッダ３０を設けた場合においても、燃料ガス２０の供給を受けるセルチューブ１０が数十〜数百個と多量にある場合には、燃料供給管７等の偏芯等による燃料ガスの流れの影響をうけ、供給孔３２の近傍に配したセルチューブ１０と供給孔３２から離れたセルチューブへのガス流れとに差異が生じる、という問題がある。
この結果、セルチューブ毎に燃料供給のアンバランスが生じることになり、燃料利用率（燃料極に供給された燃料の内、燃料極で消費された燃料の割合指標）の向上を図るために、更なるヘッダ内の整流化が望まれている。
【００１５】
そこで、本発明は、前記問題に鑑み、円筒型の燃料電池の複数のセルチューブ内へ均一な燃料供給が可能な円筒型固体電解質燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する［請求項１］の発明は、
外周面に単電池膜を成膜してなるセルチューブに酸化剤ガスと燃料ガスとを供給することにより、前記酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて、
断熱材で包囲されたモジュール本体と、
該モジュール本体内に配された天板、上部管板及び下部管板と、
前記天板と上部管板との間に形成してなり、外部から供給する燃料をセルチューブ内へ供給する燃料供給室と、
前記上部管板と下部管板の間に形成してなり、セルチューブからの残燃料ガスを排出する燃料排出室と、
前記燃料供給室と連通する燃料ガスの燃料供給管の内部に、燃料排出室と連通する略同芯円状の残燃料ガスを排出する残燃料排出管とを配してなり、
前記燃料供給室内に、燃料ガスの流れを少なくとも２段階の整流化手段により整流化する整流ヘッダ室を設け、前記整流化手段により、少なくとも２段階に燃料ガスの流れ方向を変化させつつ供給燃料のガス流れを整流化することを特徴とする。
【００１７】
［請求項２］の発明は、請求項１において、前記整流ヘッダ室が、前記燃料供給室へ開口した燃料供給管の開口部を所定間隔を有して同芯円状に覆うように設けた有底の円筒状ダンパ室と、該ダンパ室を覆うように設けた有底の円筒状分配ヘッダ室とからなり、前記ダンパ室の円筒壁面に燃料整流孔を所定間隔に配してなると共に、前記分配ヘッダ室の燃料供給室側に燃料分配孔を所定間隔に配してなることを特徴とする。
【００１８】
［請求項３］の発明は、請求項１において、
前記整流ヘッダ室が、前記燃料供給室へ開口した燃料供給管の開口部を所定間隔を有して同芯円状に覆うように設けた有底の円筒状ダンパ室と、該ダンパ室を覆うように設けた円筒状分配ヘッダ室とからなり、
前記ダンパ室の円筒壁面に燃料整流孔を所定間隔に配してなると共に、前記分配ヘッダ室の燃料供給室側開口部に多孔質板を配してなることを特徴とする。
【００１９】
［請求項４］の発明は、請求項１において、前記整流ヘッダ室が、前記燃料供給室へ開口した燃料供給管の開口近傍であって、残燃料排出管の周囲に下向きに周接し、燃料ガスの流れを減衰するスカート状整流板と、供給された燃料を多孔質板を介して排出する円筒状分配ヘッダ室とからなることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明による燃料電池モジュールの実施の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２１】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態を図１及び図２を用いて説明する。
なお、モジュール本体の構成は前述した図６のモジュールと同一の構成であるので、以下の説明においては、燃料供給部分について説明する。
図１は燃料電池モジュールの要部概略図であり、図２はその要部断面図である。
図１に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池モジュールは、作動温度環境下の電池室内において、外周面に単電池膜を成膜してなるセルチューブに燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）とを供給することにより、前記酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて、断熱材で包囲されたモジュール本体１と、該モジュール本体１内に配された天板２、上部管板３及び下部管板４と、
前記天板２と上部管板３との間に形成してなり、外部から供給する燃料ガス２０を注入管１１内へ供給する燃料供給室５と、前記上部管板３と下部管板４の間に形成してなり、セルチューブ１０からの残燃料ガス２２を排出する燃料排出室６と、前記燃料供給室５へ供給する燃料ガス２０の燃料供給管７の内部に略同芯円状に配され、残燃料ガス２２を排出する残燃料排出管８とを有してなり、前記燃料供給室５内に、燃料供給管７の開口部を所定間隔を有して同芯円状に覆うように設けた有底の円筒状ダンパ室５１と、該ダンパ室５１の外周側に設けた有底の円筒状分配ヘッダ室５２とからなる２段階の整流化手段により燃料ガス２０を整流化する整流ヘッダ室５３を設け、外部から供給する燃料ガス２０のガス流れを整流化するものである。
【００２２】
前記ダンパ室５１の円筒壁５４には、燃料整流孔５５を周方向に所定間隔に配してなると共に、前記分配ヘッダ室５２の燃料供給室側には燃料分配孔５６を所定間隔に配しており、ダンパ室５１内で燃料ガス流れが減衰した後、整流孔５５より流れ出た整流化された燃料ガス２０を燃料供給室５へ燃料分配をするために分配孔５６を介して均一な流れの燃料ガスを供給するようにしている。
【００２３】
なお、図１においては、説明のために、セルチューブ１０は１本としているが、所定の発電レベルまで達するように、モジュール本体１１内に複数のセルチューブを数十〜数百個と多量に適宜配している。
【００２４】
このようにガス流れに偏流があった場合でも燃料供給室５内へ供給するガス流れは、一度ダンパ室５１内で減衰され、その後分配ヘッダ室５２内で整流化され、２段階の減衰による整流化手段により注入管１１へ供給する燃料供給のアンバランスが生じることなくなる。
この結果、燃料利用率（燃料極に供給された燃料の内、燃料極で消費された燃料の割合指標）の向上を図ることができ、その結果供給する燃料ガス量の低減を図ることができる。
【００２５】
図３は燃料利用率（％）とセル電圧（Ｖ）との関係を示す図である。
本実施の形態によれば、図３に示すように、セルの評価を行う単セル試験品と同程度の燃料利用率となり、従来のような燃料利用率が低下することがなくなる。よって、本発明によれば、高い燃料利用率での運転が可能となる。
【００２６】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態を図４を用いて説明する。
図４は燃料電池モジュールの要部概略図である。なお、第１の実施の形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明は省略する。
上述した図１に示す第１の実施の形態ではダンパ室５１と分配ヘッダ室５２とから、２段階で整流化を図るようにしたが、本実施の形態では、図４に示すように、ダンパ室５１の外周を覆う分配ヘッダ室５２の下部開口部に多孔質板６１を配し、該多孔質板６１から整流化した燃料ガス２０を燃料供給室５へ供給するようにしている。
【００２７】
本実施の形態では、ダンパ室５１で減衰された燃料ガスは、多孔質板６１を通過する際に、さらに減衰されると共に整流化がなされ、均質なガス流となって、燃料供給室５内にガスが供給されることになる。
このようにダンパ室５１と多孔質板６１とを経由することによる２段階の減衰による整流化手段によりガス流れに偏流があった場合でも燃料供給室５内へ供給するガス流れは整流化され、注入管１１毎に燃料供給のアンバランスが生じることなくなる。
この結果、燃料利用率（燃料極に供給された燃料の内、燃料極で消費された燃料の割合指標）の向上を図ることができる。
また、本実施の形態では、多孔質板６１を介して燃料ガスを通過するので、いずれの場所においても均質なガスを燃料供給室内へ供給することができ、第１の実施の形態よりもさらに整流化した燃料ガスの供給が可能となる。
また、第１の実施の形態では、燃料分配孔５６の真下に注入管１１を設置すると直下のものとそうでないものとに差異が生じるので、注入管の真下には配置することを避けていたが、本実施の形態では多孔質板５６を介して供給するので、燃料供給室５内のいずれの場所においても均一な整流ガスが供給されるので、注入管１１を有するセルチューブ１０の配置の自由度が向上する。
【００２８】
［第３の実施の形態］
本発明の第３の実施の形態を図５を用いて説明する。なお、第１の実施の形態と同一の部材には同一の符号を付してその説明は省略する。
図５は燃料電池モジュールの要部概略図である。
上述した図４に示す第２の実施の形態ではダンパ室５１と多孔質板６１を設けた分配ヘッダ室５２とからなる整流ヘッダ５３において、２段階で整流化を図るようにしたが、本実施の形態では、図５に示すように、ダンパ室５１を設ける代わりに、残燃料排出管８の周囲にスカート状整流板７１を周設してなり、燃料ガスの流れを減衰すると共に、分配ヘッダ室５２の下部開口部に多孔質板６１を配し、該多孔質板６１から整流化した燃料ガスを燃料供給室へ供給するようにしている。
【００２９】
本実施の形態では、スカート状整流板７１を設けてなるので、多孔質板６１に直接燃料ガス２０が衝突することがなくなり、多孔質板６１からは、整流化された均質なガス流が燃料供給室５内に供給されることになる。
このようにスカート状整流板７１と多孔質板６１とを経由することによる２段階の減衰による整流化手段とすることで、供給ガスのガス流れに偏流があった場合でも、燃料供給室５内へ供給するガス流れは整流化され、注入管１１毎に燃料供給のアンバランスが生じることなくなる。
この結果、燃料利用率（燃料極に供給された燃料の内、燃料極で消費された燃料の割合指標）の向上を図ることができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、燃料供給をセルチューブ内にし、空気の供給をセルチューブ外としたが、本発明はこれに限定されず、空気供給をセルチューブ内にし、燃料の供給をセルチューブ外とする逆の構成としてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、［請求項１］の発明のよれば、
外周面に単電池膜を成膜してなるセルチューブに酸化剤ガスと燃料ガスとを供給することにより、前記酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて、
断熱材で包囲されたモジュール本体と、
該モジュール本体内に配された天板、上部管板及び下部管板と、
前記天板と上部管板との間に形成してなり、外部から供給する燃料をセルチューブ内へ供給する燃料供給室と、
前記上部管板と下部管板の間に形成してなり、セルチューブからの残燃料ガスを排出する燃料排出室と、
前記燃料供給室と連通する燃料ガスの燃料供給管の内部に、燃料排出室と連通する略同芯円状の残燃料ガスを排出する残燃料排出管とを配してなり、
前記燃料供給室内に、燃料ガスの流れを少なくとも２段階の整流化手段により整流化する整流ヘッダ室を設け、前記整流化手段により、少なくとも２段階に燃料ガスの流れ方向を変化させつつ供給燃料のガス流れを整流化するので、
供給燃料のガス流れを整流化することができる。
【００３２】
［請求項２］の発明は、請求項１において、前記整流ヘッダ室が、前記燃料供給室へ開口した燃料供給管の開口部を所定間隔を有して同芯円状に覆うように設けた有底の円筒状ダンパ室と、該ダンパ室を覆うように設けた有底の円筒状分配ヘッダ室とからなり、前記ダンパ室の円筒壁面に燃料整流孔を所定間隔に配してなると共に、前記分配ヘッダ室の燃料供給室側に燃料分配孔を所定間隔に配してなるので、ガス流れに偏流があった場合でも燃料供給室内へ供給するガス流れは、一度ダンパ室内で減衰され、その後分配ヘッダ室内で整流化され、２段階の減衰による整流化手段により注入管へ供給する燃料供給のアンバランスが生じることなくなる。
この結果、燃料利用率の向上を図ることができ、その結果供給する燃料ガス量の低減を図ることができる。
【００３３】
［請求項３］の発明は、請求項１において、
前記整流ヘッダ室が、前記燃料供給室へ開口した燃料供給管の開口部を所定間隔を有して同芯円状に覆うように設けた有底の円筒状ダンパ室と、該ダンパ室を覆うように設けた円筒状分配ヘッダ室とからなり、
前記ダンパ室の円筒壁面に燃料整流孔を所定間隔に配してなると共に、前記分配ヘッダ室の燃料供給室側開口部に多孔質板を配してなるので、
ダンパ室と多孔質板とを経由することによる２段階の減衰による整流化手段によりガス流れに偏流があった場合でも燃料供給室内へ供給するガス流れは整流化され、注入管毎に燃料供給のアンバランスが生じることなくなる。
【００３４】
［請求項４］の発明は、請求項１において、前記整流ヘッダ室が、前記燃料供給室へ開口した燃料供給管の開口近傍であって、残燃料排出管の周囲に下向きに周接し、燃料ガスの流れを減衰するスカート状整流板と、供給された燃料を多孔質板を介して排出する円筒状分配ヘッダ室とからなるので、スカート状整流板と多孔質板とを経由することによる２段階の減衰による整流化手段とすることで、供給ガスのガス流れに偏流があった場合でも、燃料供給室内へ供給するガス流れは整流化され、注入管毎に燃料供給のアンバランスが生じることなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる燃料電池モジュールの要部概略図である。
【図２】その要部断面である。
【図３】燃料利用率（％）とセル電圧（Ｖ）との関係図である。
【図４】第２の実施の形態にかかる燃料電池モジュールの要部概略図である。
【図５】第３の実施の形態にかかる燃料電池モジュールの要部概略図である。
【図６】燃料電池モジュールの概略図である。
【図７】従来技術の燃料供給の概略図である。
【符号の説明】
１  モジュール本体
２  天板
３  上部管板
４  下部管板
５  燃料供給室
６  燃料排出室
７  燃料供給管
８  残燃料排出管
１０  セルチューブ
１１  燃料注入管
１２  集電棒
１３  集電部材
１４  導電棒
１５  集電コネクタ
１６  仕切板
１７  空気予熱室
１８  空気供給管
１９  空気排出管
２０  燃料ガス
２１  空気
２２  残燃料ガス
２３  残空気
５１  円筒状ダンパ室
５２  円筒状分配ヘッダ室
５３  整流ヘッダ室
５４  円筒壁
５５  燃料整流孔
５６  分配孔
６１  多孔質板
７１  スカート状整流板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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