(57)【要約】【課題】セルスタックの集合体であるＳＯＦＣカートリッジの輸送時における耐振動性及び耐衝撃性を向上させた燃料電池を提供する。【解決手段】円筒型のセルスタック４０内を流れる流体流速を加速するため、セルスタック４０内に中子５０Ａが挿入されている燃料電池において、中子５０Ａは、セルスタック４０の上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する３本の板状爪部５２Ａによってスタック上端面４０ｃに載置され、板状爪部５２Ａに、セルスタック内壁面４０ａの位置から軸中心方向を下向きに傾斜させる折曲部５３を設けた。【選択図】図１
2015115262.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒型のセルスタック内を流れる流体流速を加速するため、前記セルスタック内に中子が挿入されている燃料電池において、
前記中子は、前記セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置され、
前記板状爪部に、前記セルスタックの内壁面位置から軸中心方向を下向きに傾斜させる折曲部を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
円筒型のセルスタック内を流れる流体流速を加速するため、前記セルスタック内に中子が挿入されている燃料電池において、
前記中子は、前記セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置され、
前記板状爪部が、周方向へ等ピッチに配置された４枚以上を備えていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
円筒型のセルスタック内を流れる流体流速を加速する中子が前記セルスタック内に挿入され、前記中子が前記セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置されている燃料電池の円筒セルの中子固定方法であって、
前記板状爪部に前記セルスタックの内壁面位置から軸中心方向を下向きに傾斜させる折曲部を設けて調芯することを特徴とする円筒セルの中子固定方法。
【請求項４】
円筒型のセルスタック内を流れる流体流速を加速する中子が前記セルスタック内に挿入され、前記中子が前記セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置されている燃料電池の円筒セルの中子固定方法であって、
前記板状爪部を周方向へ等ピッチに４枚以上配置して得られる摩擦力で回転抑制することを特徴とする円筒セルの中子固定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び円筒セルの中子固定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｃｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）のような燃料電池は、酸素と水素の反応を利用して電気を作り出すシステムであり、具体的には、固体酸化物（以下、「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）の内側と外側に流体（酸化性ガス及び燃料ガス）を流して反応させることで電気を作り出す。
図６に示すＳＯＦＣカートリッジ１０は、円筒型ＳＯＦＣのセルスタック（円筒型のセルチューブ；円筒セル）４０を複数集めて構成される。複数のセルスタック４０は、上端及び下端をヘッダ部Ｈａ，Ｈｂに支持された構造となっており、セルスタック４０の内側及び外側を流体が流れる構造となっている。なお、ヘッダ部Ｈａ，Ｈｂは、例えば燃料ガス供給室や燃料ガス排出室等を構成する部分でもある。
【０００３】
セルスタック４０の上端及び下端には、図７及び図８に示すような中子５０が挿入されている。この中子５０は、セルスタック４０の内部を流れる流体の流速を加速して熱交換効率を上げることを目的としており、流体流路となるセルスタック４０内の空間を狭めるために、セルスタック４０の流体入口及び流体出口に挿入された棒状の部品である。
そして、流体を均等に加速させるためには、中子５０がセルスタック４０の軸中心に配置されている必要がある。
【０００４】
このため、円柱形状とした中子５０の上部と下部には、図８（ａ）に示すように、円周方向に均等配置した各々３つの突起部５１が設けられており、突起部５１とセルスタック内壁面４０ａとの隙間を狭くすることで偏心量を小さくしている。
このうち、セルスタック４０の下端側に設置されている中子（不図示）は、固定に近い状態で支持されている。しかし、上端側の中子５０は、作業効率及び製造コスト等の観点から、セルスタック４０の上端部に３本の板状爪部５２が引っ掛かるように載置されている。
【０００５】
また、下記の特許文献１には、セルチューブ内の流路を狭くするように設けられた中子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８８６７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、セルスタック４０の上端部に載置された中子５０は、３本の板状爪部５２がセルスタック４０の上端面に載せられているだけであるから、中子５０は、セルスタック内壁面４０ａと突起部５１との間に存在する隙間分だけ動くことができる。
一方、ＳＯＦＣカートリッジ１０は、工場から使用場所まで陸送する際、カートリッジ全体が路面の凹凸や段差からの振動を受け、その振動がセルスタック４０と中子５０に伝播する。
【０００８】
この振動により中子５０が移動するのでして、突起部５１の先端部がセルスタック内壁面４０ａと衝突する。また、このような衝突をした際には、接戦方向の力が発生して中子５０が回転する。
そして、セルスタック内壁面４０ａに突起部５１が接触した状態で中子５０が回転すると、セルスタック内壁面４０ａが突起部５１によって徐々に削られ、凹溝部４０ｂが形成される。
【０００９】
このような凹溝部４０ｂは、セルスタック４０の肉厚が部分的に薄くなることを意味するので、強度上の信頼性低下が懸念される。さらに、凹溝部４０ｂの形成は、最悪の場合、セルスタック４０が折損する原因になることも懸念される。このような背景から、セルスタック４０の集合体であるＳＯＦＣカートリッジ１０においては、輸送時の耐振動・耐衝撃性に関する対策が必要になる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、セルスタックの集合体であるＳＯＦＣカートリッジを輸送する際において、耐振動性及び耐衝撃性を向上させた燃料電池及び円筒セルの中子固定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の第１態様に係る燃料電池は、円筒型のセルスタック内を流れる流体流速を加速するため、前記セルスタック内に中子が挿入されている燃料電池において、前記中子は、前記セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置され、前記板状爪部に、前記セルスタックの内壁面位置から軸中心方向を下向きに傾斜させる折曲部を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
このような第１態様の燃料電池によれば、中子は、セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置されており、そして、板状爪部に、セルスタックの内壁面位置から軸中心方向を下向きに傾斜させる折曲部を設けたので、自動的にセルスタックの軸中心に位置する自動調芯機能を備えた中子となる。この場合、従来の突起部は不要となる。
【００１２】
本発明の第２態様に係る燃料電池は、円筒型のセルスタック内を流れる流体流速を加速するため、前記セルスタック内に中子が挿入されている燃料電池において、前記中子は、前記セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置され、前記板状爪部が、周方向へ等ピッチに配置された４枚以上を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
このような第２態様の燃料電池によれば、中子は、セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置され、板状爪部が、周方向へ等ピッチに配置された４枚以上を備えているので、従来の３つの爪部と比較して、板状爪部とセルスタック上端面との接触面積（摩擦面）が増加する分だけ、中子の回転抑制に貢献する大きな摩擦力を生じる。また、板状爪部の数を増すことにより、１本の板状爪部でのみ接触している回数（時間）が少なくなるので、すなわち、回転により次の板状爪部が接触するまでの時間が短縮されるので、これによっても中子の回転が抑制される。
【００１４】
次に、本発明の第３態様に係る円筒セルの中子固定方法は、円筒型のセルスタック内を流れる流体流速を加速する中子が前記セルスタック内に挿入され、前記中子が前記セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置されている燃料電池の円筒セルの中子固定方法であって、前記板状爪部に前記セルスタックの内壁面位置から軸中心方向を下向きに傾斜させる折曲部を設けて調芯することを特徴とするものである。
【００１５】
このような第３態様の円筒セルの中子固定方法によれば、板状爪部にセルスタックの内壁面位置から軸中心方向を下向きに傾斜させる折曲部を設けて調芯するので、中子は、自動的にセルスタックの軸中心に位置するよう自動調芯される。この場合、従来の突起部は不要となる。
【００１６】
また、本発明の第４態様に係る円筒セルの中子固定方法は、円筒型のセルスタック内を流れる流体流速を加速する中子が前記セルスタック内に挿入され、前記中子が前記セルスタックの上端部開口から挿入されるとともに、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する複数の板状爪部によってスタック上端面に載置されている燃料電池の円筒セルの中子固定方法であって、前記板状爪部を周方向へ等ピッチに４枚以上配置して得られる摩擦力で回転抑制することを特徴とするものである。
【００１７】
このような第４態様の円筒セルの中子固定方法によれば、板状爪部を周方向へ等ピッチに４枚以上配置して得られる摩擦力で回転抑制するので、大きな摩擦力を利用した中子の回転抑制が可能になる。また、板状爪部の数が増すと周方向ピッチ（角度）が小さくなるので、１本の板状爪部でのみ接触している回数（時間）が少なくなり、すなわち、回転により次の板状爪部が接触するまでの時間が短縮されるので、これによっても中子の回転が抑制される。
【発明の効果】
【００１８】
上述した本発明によれば、円筒型のセルスタック集合体であるＳＯＦＣカートリッジを輸送する際、振動に起因する中子の移動・回転が抑制されるので、内壁面が削られることを防止でき、この結果、セルスタックの耐振動性及び耐衝撃性を向上させた燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る「燃料電池及び円筒セルの中子固定方法」の第１実施形態を示す図であり、（ａ）はセルスタック（円筒セル）の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】第１実施形態のセルスタック（円筒セル）に係る第１変形例を示す平面図である。
【図３】本発明に係る「燃料電池及び円筒セルの中子固定方法」の第２実施形態を示すセルスタック（円筒セル）の平面図である。
【図４】固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣモジュール）の概要を示す斜視図である。
【図５】図４に示したＳＯＦＣカートリッジの構成例を示す縦断面図である。
【図６】ＳＯＦＣカートリッジの概要を示す正面図である。
【図７】セルスタック（円筒セル）の上端部側に挿入された従来の中子を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】従来の中子が振動等により回転することを示す説明図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る燃料電池及び円筒セルの中子固定方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。
以下の説明においては、便宜上紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
【００２１】
以下では、本実施例に係る燃料電池の一例として、固体酸化物型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）のＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて、図４及び図５を参照して説明する。なお、図４は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール１の一態様を示す斜視図であり、図５は、ＳＯＦＣカートリッジ１０の一態様を示す断面図である。
【００２２】
ＳＯＦＣモジュール１は、例えば図４に示すように、複数のＳＯＦＣカートリッジ１０と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ１０を収納する圧力容器２とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール１は、燃料ガス供給管３と複数の燃料ガス供給枝管３ａとを有する。さらに、ＳＯＦＣモジュール１は、燃料ガス排出管４と複数の燃料ガス排出枝管４ａとを有する。
また、ＳＯＦＣモジュール１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール１は、酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。
【００２３】
燃料ガス供給管３は、圧力容器２の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール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Ｇを供給する燃料ガス供給部（不図示）に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管３ａに接続されている。この燃料ガス供給管３は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスＧを、複数の燃料ガス供給枝管３ａに分岐して導くものである。
このような燃料ガス供給枝管３ａは、燃料ガス供給管３に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ１０に接続されている。この燃料ガス供給枝管３ａは、燃料ガス供給管３から供給される燃料ガスＧを複数のＳＯＦＣカートリッジ１０に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ１０の発電性能を略均一化させるものである。
【００２４】
燃料ガス排出枝管４ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ１０に接続されると共に、燃料ガス排出管４に接続されている。この燃料ガス排出枝管４ａは、ＳＯＦＣカートリッジ１０から排出される排燃料ガスＧｅを燃料ガス排出管４に導くものである。
また、燃料ガス排出管４は、複数の燃料ガス供給枝管３ａに接続されると共に、一部が圧力容器２の外部に配置されている。この燃料ガス排出管４は、燃料ガス排出枝管４ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスＧｅを圧力容器２の外部に導くものである。
【００２５】
圧力容器２は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。圧力容器２に好適な材料としては、例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材を例示できる。
【００２６】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ１０が集合化されて圧力容器２に収納される態様を説明しているが、これに限定されることはなく、例えばＳＯＦＣカートリッジ１０が集合化されずに圧力容器２内に収納される態様としてもよい。
【００２７】
ＳＯＦＣカートリッジ１０は、図５に示す通り、複数のセルスタック（円筒セル）４０と、発電室１１と、燃料ガス供給室１２と、燃料ガス排出室１３と、酸化性ガス供給室１４と、酸化性ガス排出室１５とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ１０は、上部管板１６ａと、下部管板１６ｂと、上部断熱体１７ａと、下部断熱体１７ｂとを有する。
なお、本実施形態において、ＳＯＦＣカートリッジ１０は、燃料ガス供給室１２と、燃料ガス排出室１３と、酸化性ガス供給室１４と、酸化性ガス排出室１５とが図示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４０の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる構造、または、酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れる構造としてもよい。
【００２８】
発電室１１は、上部断熱体１７ａと下部断熱体１７ｂとの間に形成された領域である。この発電室１１は、セルスタック４０の燃料電池セル４１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１１は、セルスタック４０の長手方向中央部付近の温度が、ＳＯＦＣモジュール１の定常運転時に高温雰囲気（例えば７００℃〜１１００℃程度）となる。
【００２９】
燃料ガス供給室１２は、ＳＯＦＣカートリッジ１０の上部ケーシング１８ａと上部管板１６ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室１２は、上部ケーシング１８ａに備えられた燃料ガス供給孔１９ａによって、図示しない燃料ガス供給枝管３ａと連通されている。また、燃料ガス供給室１２には、セルスタック４０の一方の端部が、セルスタック４０の基体管４２の内部が燃料ガス供給室１２に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室１２は、図示しない燃料ガス供給管枝３ａから燃料ガス供給孔１９ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック４０の基体管４２の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック４０の発電性能を略均一化させるものである。
【００３０】
燃料ガス排出室１３は、ＳＯＦＣカートリッジ４０の下部ケーシング１８ｂと下部管板１６ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室１３は、下部ケーシング１８ｂに備えられた燃料ガス排出孔１９ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管４ａと連通されている。また、燃料ガス排出室１３には、セルスタック４０の他方の端部が、セルスタック４０の基体管４２の内部が燃料ガス排出室１３に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室１３は、複数のセルスタック４０の基体管４２の内部を通過して燃料ガス排出室１３に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔１９ｂを介して図示しない燃料ガス排出枝管４ａに導くものである。
【００３１】
ＳＯＦＣモジュール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ＳＯＦＣカートリッジ１０へ供給する。酸化性ガス供給室１４は、ＳＯＦＣカートリッジ１０の下部ケーシング１８ｂと下部管板１６ｂと下部断熱体１７ｂとに囲まれた領域である。
また、酸化性ガス供給室１４は、下部ケーシング１８ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２０ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室１４は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２０ａ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２１ａを介して発電室１１に導くものである。
【００３２】
酸化性ガス排出室１５は、ＳＯＦＣカートリッジ１０の上部ケーシング１８ａと上部管板１６ａと上部断熱体１７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室１５は、上部ケーシング１８ａに備えられた酸化性ガス排出孔２０ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室１５は、発電室１１から、後述する酸化性ガス排出隙間２１ｂを介して燃料ガス排出室１５に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２０ｂを介して図示しない第３酸化性ガス排出枝管に導くものである。
【００３３】
上部管板１６ａは、上部ケーシング１８ａの天板と上部断熱体１７ａとの間に、上部管板１６ａと上部ケーシング１８ａの天板と上部断熱体１７ａとが略平行になるように、上部ケーシング１８ａの側板に固定されている。
また、上部管板１６ａは、ＳＯＦＣカートリッジ１０に備えられるセルスタック４０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４０がそれぞれ挿入されている。この上部管板１６ａは、複数のセルスタック４０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１２と酸化性ガス排出室１５とを隔離するものである。
【００３４】
下部管板１６ｂは、下部ケーシング１８ｂの底板と下部断熱体１７ｂとの間に、下部管板１６ｂと下部ケーシング１８ｂの底板と下部断熱体１７ｂとが略平行になるように下部ケーシング１８ｂの側板に固定されている。また、下部管板１６ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ１０に備えられるセルスタック４０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４０がそれぞれ挿入されている。この下部管板１６ｂは、複数のセルスタック４０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１３と酸化性ガス供給室１４とを隔離するものである。
【００３５】
上部断熱体１７ａは、上部ケーシング１８ａの下端部に、上部断熱体１７ａと上部ケーシング１８ａの天板と上部管板１６ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング１８ａの側板に固定されている。また、上部断熱体１７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ１０に備えられるセルスタック４０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４０の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体１７ａは、この孔の内面と、上部断熱体１７ａに挿通されたセルスタック４０の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２１ｂを有する。
【００３６】
この上部断熱体１７ａは、発電室１１と酸化性ガス排出室１５とを仕切るものであり、上部管板１６ａ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１６ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板１６ａ等が発電室１１内の高温に晒されて、上部管板１６ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体１７ａは、発電室１１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２１ｂを通過させて酸化性ガス排出室１５に導くものである。
【００３７】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ１０の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック４０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４２の内部を通って発電室１１に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板１６ａ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１５に供給される。また、燃料ガスは、発電室１１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１１に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく、発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室１１に供給することができる。
【００３８】
下部断熱体１７ｂは、下部ケーシング１８ｂの上端部に、下部断熱体１７ｂと下部ケーシング１８ｂの底板と下部管板１６ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング１８ａの側板に固定されている。また、下部断熱体１７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ１０に備えられるセルスタック４０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４０の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体１７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体１７ｂに挿通されたセルスタック４０の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２１ａを有する。
【００３９】
この下部断熱体１７ｂは、発電室１１と酸化性ガス供給室１４とを仕切るものであり、下部管板１６ｂ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１６ｂ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１６ｂ等が高温に晒されて下部管板１６ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体１７ｂは、酸化性ガス供給室１４に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２１ａを通過させて発電室１１に導くものである。
【００４０】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ１０の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック４０の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。この結果、基体管４２の内部を通って発電室１１を通過した排燃料ガスは、発電室１１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１６ｂ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１３に供給される。また、酸化性ガスは、排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室１１に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく、発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室１１に供給することができる。
【００４１】
発電室１１で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル４１に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜によりセルスタック４０の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ１０の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ１０の外部へと取り出される。なお、集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ１０の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ１０の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
【００４２】
＜第１実施形態＞
さて、上述したセルスタック４０の円筒内部には、円筒内部を流れる流体流速を加速して熱交換効率を上げるため、例えば図１に示すように構成された中子５０Ａが挿入されている。中子５０Ａは、セルスタック４０の流体流路（流路断面積）を狭める（絞る）ことによって流速を増すもので、セルスタック４０の上端部側及び下端部側に、すなわち、セルスタック４０の流体入口及び流体出口に挿入された円柱形状の棒状部品である。この中子５０Ａは、流体を均等に加速させるためには、セルスタック４０の軸中心と同軸に配置されていることが望ましい。
【００４３】
本実施形態の中子５０Ａは、特にセルスタック４０の上端部開口から挿入されるものであり、上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する３本の板状爪部５２Ａによってスタック上端面４０ｃに載置されている。この場合、３本の板状爪部５２Ａは、１２０度のピッチで円周方向へ均等に配置されている。
そして、板状爪部５２Ａには、セルスタック４０の内壁面位置から軸中心方向を下向きに傾斜させる折曲部５３が設けられている。この結果、板状爪部５２Ａは、折曲部５３を境にして外周側の水平部５２ａと内周側の傾斜部５２ｂとに分かれ、水平部５２ａがスタック上端面４０ｃに載置される。この場合、水平部５２ａの周方向長さは、スタック上端面４０ｃの肉厚と略一致し、傾斜部５２ｂは、折曲部５３より低い中子５０Ａの上端面へ向けて下る傾斜面となる。
【００４４】
このような構造の中子５０Ａを採用すれば、板状爪部５２Ａに折曲部５３を設けたことにより、振動を受けると自動的にセルスタック４０の軸中心に位置する自動調芯機能を備えたものとなる。すなわち、板状爪部５２Ａの折曲部５３は、正常な状態（正常位置）においてセルスタック４０の上端で内壁面４０ａ側の角部と一致する位置になるため、振動等により位置ずれした中子５０Ａには、傾斜部５２の傾斜面に導かれて正常位置に戻る自動調芯機能が作用する。
【００４５】
このような自動調芯機能を備えている中子５０Ａは、従来構造において必要だったセルスタック４０の軸中心に配置するための突起部５１が不要となる。
この結果、突起部５１のない中子５０Ａは、セルスタック４０の内壁面４０ａが削られることはないので、セルスタック４０が折損するなど強度上の信頼性が低下することを防止できる。
ところで、図示の実施形態では板状爪部５２Ａを３本としたが、例えば図２に示す中子５０Ｂのように、４本の板状爪部５２Ａを設けてもよい。すなわち、板状爪部５２Ａは、安定した載置や調芯機能を確保できる複数本を有していればよく、本数が特に限定されることはない。しかし、板状爪部５２Ａの数が多くなりすぎると、セルスタック４０の入口開口においては、流路として有効な面積が狭められるため、圧力損失が増加するなどして好ましくない。
【００４６】
また、上述した中子５０Ａは、板状爪部５２Ａに折曲部５３を設けて、セルスタック４０の内壁面４０ａと一致する位置から軸中心方向を下向きに傾斜させているので、こうして形成された傾斜面５２ｂの調芯機能を利用して調芯する方法により、中子５０Ａをセルスタック４０の所定位置である軸中心に位置決めする中子固定方法が可能になる。このような中子固定方法により、中子５０Ａは、自動的にセルスタック４０の軸中心に位置するよう自動調芯されるため、従来の突起部５１は不要となる。
この結果、突起部５１のない中子５０Ａは、セルスタック４０の内壁面４０ａが削られることはなく、従って、セルスタック４０が折損するなど強度上の信頼性が低下することを防止できる。
【００４７】
＜第２実施形態＞
続いて、本発明の第２実施形態を図３に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、中子５０Ｃが上端面中心部から水平方向へ放射状に延在する板状爪部５２によってスタック上端面に載置されている。図示の実施形態では、周方向へ９０度で等ピッチに配置された４枚の板状爪部５２を備えている。すなわち、図７に示した従来構造の板状爪部５２を３枚から４枚に増加することで、板状爪部５２とセルスタック４０の上端面との接触面積を増している。この場合、突起部５１については、不要とすることも可能であるが、従来構造と同様に設けてもよい。
【００４８】
このような構造の中子５０Ｃを採用すれば、従来の３枚と比較して、板状爪部５２がセルスタック４０の上端面に載置された状態での接触面積（摩擦面）が増加する。従って、接触面積の増加分だけ、中子５０Ｃの回転抑制に貢献する摩擦力も増加することとなる。こうして従来よりも大きな摩擦力が生じると、中子５０Ｃは、振動による回転移動が抑制される。この結果、突起部５１との接触により内壁面４０ａが削られることを抑制できるようになり、従って、セルスタック４０が折損するなど強度上の信頼性が低下することを防止できる。
【００４９】
また、板状爪部５２の数を増すことにより、振動等の影響により中子５０Ｃが傾斜し、１本の板状爪部５２でのみセルスタック４０の上端面に接触している回数（時間）が少なくなる。すなわち、隣接する板状爪部５２の距離が近くなるので、１本の板状爪部５２のみで接触するのは、板状爪部５２から周方向の両側に４５度（合計９０度）の範囲であるが、図７に示す従来構造では、周方向の両側に６０度（合計１２０度）の範囲と広くなっている。
このため、中子５０Ｃの回転により次の板状爪部５２が接触するまでの時間を短縮できるので、これによっても中子５０Ｃの回転が抑制される。
【００５０】
このように、板状爪部５２を周方向へ等ピッチに４枚以上配置し、従来との比較において得られる摩擦力を増加させ、大きな摩擦力を確保して回転抑制する方法を採用しても、摩擦力を利用した中子５２Ｃの回転抑制が可能になる。
また、板状爪部５２の数を増して大きな摩擦量を得る中子固定方法は、板状爪部５２の周方向ピッチ（角度）を小さくすることができるので、１本の板状爪部５２でのみ接触している回数（時間）が少なくなり、従って、回転により次の板状爪部５２が接触するまでの時間が短縮されるので、これによっても中子５０Ｃの回転が抑制される。
なお、板状爪部５２の数については、４枚以上に増加すればするほど摩擦力も増加するが、板状爪部５２の数が多くなりすぎると、セルスタック４０の入口開口における有効な流路面積が狭められて圧力損失増加の原因となるため、適切な上限設定が必要となる。
【００５１】
このように、上述した実施形態によれば、セルスタック４０の集合体であるＳＯＦＣカートリッジ１０を輸送する際に懸念されていた問題、すなわち、中子５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃが輸送時の振動に起因して移動・回転することを抑制できるので、セルスタック４０の内壁面４０ａが削られることを防止でき、この結果、セルスタック４０の耐振動性及び耐衝撃性を向上させたＳＯＦＣモジュール１を提供できる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえばＳＯＦＣに限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１    固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣモジュール）
２    圧力容器
３    燃料ガス供給管
３ａ    燃料ガス供給枝管
４    燃料ガス排出管
４ａ    燃料ガス排出枝管
１０    ＳＯＦＣカートリッジ
１１    発電室
１２    燃料ガス供給室
１３    燃料ガス排出室
１４    酸化性ガス供給室
１５    酸化性ガス排出室
１６ａ    上部管板
１６ｂ    下部管板
１７ａ    上部断熱体
１７ｂ    下部断熱体
１８ａ    上部ケーシング
１８ｂ    下部ケーシング
１９ａ    ガス燃料供給孔
１９ｂ    燃料ガス排出孔
２０ａ    酸化性ガス供給孔
２０ｂ    酸化性ガス排出孔
２１ａ    酸化性ガス供給隙間
２１ｂ    酸化性ガス排出隙間
４０    セルスタック（円筒セル）
４０ａ    セルスタック内壁面
４０ｃ    スタック上端面
４１    燃料電池セル
４２    基体管
５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ    中子
５１    突起部
５２，５２Ａ    板状爪部
５２ａ    水平部
５２ｂ    傾斜部
５３    折曲部
【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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【図８】
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