(57)【要約】【課題】焼成時に基体管が吊り下げ支持されるとき、成形体の揺れのために生じる吊り下げ支持点での破損を生じにくくさせ、かつ、焼結後の成形体の長手方向の収縮率をほぼ同一にすることを目的とする。【解決手段】基体管下部支持装置１は、一端部が吊り下げ支持された円筒状の基体管１０の他端部側に設けられる振れ止め部２を備え、振れ止め部２は、基体管１０の他端部にて、基体管１０の円筒中空部分に当接する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部が吊り下げ支持された円筒状の成形体の他端部側に設けられる振れ止め部を備え、
前記振れ止め部は、前記成形体の前記他端部にて、前記成形体の円筒中空部分若しくは前記成形体の外周面に当接する、又は、前記成形体の端面に接触する成形体下部支持装置。
【請求項２】
一端部が吊り下げ支持され、円筒状の成形体の長手方向に沿って、前記成形体の中空部分に挿入される棒状の中子と、
前記中子の他端部側に設けられ、前記中子の円筒中空部分若しくは前記中子の外周面に当接する、又は、前記成形体の端面に接触する振れ止め部と、
を備え、
前記成形体は、前記成形体の一端部が前記中子から吊り下げ支持される成形体下部支持装置。
【請求項３】
前記端面に接触する前記振れ止め部は、緩衝部である請求項１又は２に記載の成形体下部支持装置。
【請求項４】
前記成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の前記他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与する押し上げ部を更に備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の成形体下部支持装置。
【請求項５】
一端部が吊り下げ支持された円筒状の成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与する押し上げ部を備え、
前記押し上げ部は、前記成形体の前記収縮する前、又は、所定の収縮量までにおいて、前記押圧力として第１の押圧力を前記成形体に対して付与し、前記成形体が前記収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となった後において、前記押圧力として前記第１の押圧力よりも強い第２の押圧力を前記成形体に付与する成形体下部支持装置。
【請求項６】
前記押し上げ部は、弾性体である第１弾性部と第２弾性部を有し、
前記成形体の前記収縮する前、又は、所定の収縮量までにおいて、前記第１弾性部と前記第２弾性部が直列接続されて前記第１の押圧力を前記成形体に対して付与し、
前記成形体が前記収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となった後において、前記第１弾性部のみで前記第２の押圧力を前記成形体に付与する請求項５に記載の成形体下部支持装置。
【請求項７】
一端部が吊り下げ支持された円筒状の成形体の他端部側に設けられる振れ止め部を備える成形体下部支持装置を用いた成形体下部支持方法であって、
前記振れ止め部が、前記成形体の前記他端部にて、前記成形体の円筒中空部分若しくは前記成形体の外周面に当接する、又は、前記成形体の端面に接触するステップと、
押し上げ部が、前記成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の前記他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与するステップと、
を有する成形体下部支持方法。
【請求項８】
一端部が吊り下げ支持され、円筒状の成形体の長手方向に沿って、前記成形体の中空部分に挿入される棒状の中子と、前記中子の他端部側に設けられる振れ止め部とを備え、前記成形体は、前記成形体の一端部が前記中子から吊り下げ支持される成形体下部支持装置を用いた成形体下部支持方法であって、
前記振れ止め部が、前記中子の前記他端部にて、前記中子の円筒中空部分若しくは前記中子の外周面に当接する、又は、前記成形体の端面に接触するステップと、
押し上げ部が、前記成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の前記他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与するステップと、
を有する成形体下部支持方法。
【請求項９】
前記押圧力を付与するステップは、
前記成形体の前記収縮する前、又は、所定の収縮量までにおいて、前記押し上げ部が、前記押圧力として第１の押圧力を前記成形体に対して付与するステップと、
前記成形体が前記収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となった後において、前記押し上げ部が、前記押圧力として前記第１の押圧力よりも強い第２の押圧力を前記成形体に付与するステップと、
を有する請求項７又は請求項８に記載の成形体下部支持方法。
【請求項１０】
押し上げ部が、一端部が吊り下げ支持された円筒状の成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与するステップと、
前記成形体の前記収縮する前、又は、所定の収縮量までにおいて、前記押し上げ部が、前記押圧力として第１の押圧力を前記成形体に対して付与するステップと、
前記成形体が前記収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となった後において、前記押し上げ部が、前記押圧力として前記第１の押圧力よりも強い第２の押圧力を前記成形体に付与するステップと、
を有する成形体下部支持方法。
【請求項１１】
請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載された成形体下部支持方法を用いて支持された前記成形体を焼成し、前記成形体の表面に燃料電池セル及びインターコネクタが形成された燃料電池セルスタックを製造するステップを有する燃料電池セルスタックの製造方法。
【請求項１２】
請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載された成形体下部支持方法を用いて支持された前記成形体を焼成し、前記成形体の表面に燃料電池セル及びインターコネクタが形成された燃料電池セルスタックを製造するステップと、
前記燃料電池セルスタックを備える燃料電池カートリッジを製造するステップと、
を有する燃料電池カートリッジの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形体下部支持装置、成形体下部支持方法、燃料電池セルスタックの製造方法及び燃料電池カートリッジの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸素とを化学反応させることにより発電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（Solid  Oxide  Fuel  Cell、以下「ＳＯＦＣ」という。）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た運転される燃料電池である。ＳＯＦＣで用いられる燃料ガスは、例えば、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガスからなる都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭などの炭素質原料からガス化設備によって製造されたガスである。
【０００３】
ＳＯＦＣには、複数の円筒形セルスタックを備えるタイプがあり、円筒形セルスタックは、円筒形状の基体管と、基体管の外周面に複数形成された燃料電池セルと、隣り合う燃料電池セル間に形成されたインターコネクタとを有する。燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と空気極とが積層して形成される。
【０００４】
基体管は、長尺のセラミックス製であり、基体管を製造する際、まず、セラミックス材料の組成と粉体サイズを調整し、セラミックス材料と溶剤から坏土を生成する。そして、坏土が押出成形されることによって成形体が形成される。そして、成形体を運搬可能な硬さとするため、軟体状の成形体が乾燥される。乾燥した成形体に対して燃料極、固体電解質及びインターコネクタがスクリーン印刷によって成膜され、その後、成膜された成形体が一体焼成される。また、燃料極等が一体焼成された成形体に対して、ジェットディスペンサーによって空気極が成膜され、その後、空気極が成膜された成形体が焼成される。これにより、燃料電池セル及びインターコネクタが基体管の表面に形成された円筒形セルスタックが形成される。
以降で記載する基体管は、円筒型固体電解質燃料電池の支持体としての成形体である場合、支持する成形体に燃料極、固体電解質及びインターコネクタがスクリーン印刷によって成膜された成形体である場合、さらには、その後、空気極が成膜された成形体である場合を全て含むものである。
【０００５】
下記の特許文献１では、セラミックス原材料を含む筒状体を焼成する際に、筒状体の破断や座屈を引き起こすことなく筒状体を支持するため、筒状体の一端部と係合された吊下ステージと、筒状体の他端部に対し下方から接近可能な押上ステージと、筒状体から作用する荷重を測定する荷重センサと、を備え、荷重センサの測定結果に基づいて吊下ステージ又は押上ステージの上下方向位置を調整することが記載されている。
【０００６】
また、下記の特許文献２では、長尺の円筒型固体電解質燃料電池を焼成する際、横置きや自立させるのではなく、燃料電池の端部に開孔部を設けて、管又は棒を開孔部に挿入し支持台に管又は棒を乗せることで、燃料電池を吊るして支持することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−９０２２４号公報
【特許文献２】特開平１０−９２４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、基体管の焼結工程では、複数本の基体管１０を焼成炉に収容して、基体管１０を焼結させている。焼成炉には、図１０に示すように、複数本の基体管１０を外側から囲う焼成室１１が設けられ、焼成室１１に対して高温の燃焼ガスが供給される。基体管１０は長尺であるため、焼成室１１において吊り下げられる際、基体管１０の鉛直上方向の上端部で吊り下げ支持される。
【０００９】
長尺の基体管１０が上端部で吊り下げ支持されている場合、焼成室１１を移動させる運搬時等に支持点を中心にして揺れて、基体管１０の他端部が隣の基体管１０や焼成室１１の壁に接触し、支持点に応力がかかることで、基体管１０の上端部付近が損傷するおそれがあった。例えば、基体管１０の鉛直方向の上端部付近である上部において、軸線方向に対して垂直方向に貫通孔を形成して、貫通孔に吊り下げ用ピン１２を挿入する場合、貫通孔を起点に破損して基体管１０が脱落する可能性がある。なお、吊り下げ用ピン１２は、焼成室１１の上部に設置された支持台１３上に載置される。
【００１０】
また、基体管１０が吊り下げ支持されているとき、基体管１０には自重による引張り力が作用するため、焼結後の基体管１０は、大きく分けると鉛直方向上側と下側に対して吊り下げ時の上半部Ａと下半部Ｂとで収縮率が異なる。焼成前に燃料極、固体電解質等の燃料電池セルが同じ長さで等間隔に成膜された場合、焼結後の燃料電池セルの長さや間隔は、基体管１０の長手方向の位置によって異なってしまう。すなわち、基体管１０の上半部Ａでは、自重による引張りが生じ、焼結後の燃料電池セルの長さや間隔が下半部Ｂに比べて長くなる。このため、例えば後工程である空気極成膜では、セル長さやその位置に対応するように空気極を成膜する必要が生じて製作に手間がかかることになる。また、セルスタックではセル長の短いものに電流量が制限されて出力が低下したり、カートリッジではセルスタック端部の集電部位置がずれて絶縁不良となるなどの不適切課題の発生要因となる場合がある。
さらに、焼成時の最大温度や基体管の材料そのもののばらつきによって、収縮の際に、変形や反りが発生することがあり、焼成後に基体管を全数検査する必要がある。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、焼成時に成形体が吊り下げ支持されるとき、成形体の揺れのために生じる吊り下げ支持点での破損を生じにくくさせ、かつ、焼結後の成形体の長手方向の収縮率をほぼ同一にすることが可能な成形体下部支持装置、成形体下部支持方法、燃料電池セルスタックの製造方法及び燃料電池カートリッジの製造方法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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の成形体下部支持装置、成形体下部支持方法、燃料電池セルスタックの製造方法及び燃料電池カートリッジの製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る成形体下部支持装置は、一端部が吊り下げ支持された円筒状の成形体の他端部側に設けられる振れ止め部を備え、前記振れ止め部は、前記成形体の前記他端部にて、前記成形体の円筒中空部分若しくは前記成形体の外周面に当接する、又は、前記成形体の端面に接触する。
【００１３】
この構成によれば、振れ止め部は、成形体の他端部にて、成形体の円筒中空部分若しくは成形体の外周面に当接する、又は、成形体の端面に接触することから、例えば、成形体が焼結して長さ方向に収縮した場合でも、成形体の端部で、成形体の円筒中空部分又は外周部分と当接することが可能である。したがって、成形体が揺動することを防止できる。
【００１４】
本発明に係る成形体下部支持装置は、一端部が吊り下げ支持され、円筒状の成形体の長手方向に沿って、前記成形体の中空部分に挿入される棒状の中子と、前記中子の他端部側に設けられ、前記中子の円筒中空部分若しくは前記中子の外周面に当接する、又は、前記成形体の端面に接触する振れ止め部とを備え、前記成形体は、前記成形体の一端部が前記中子から吊り下げ支持される。
【００１５】
この構成によれば、振れ止め部は、成形体に挿入された中子の他端部で、中子の円筒中空部分又は外周部分と当接する、又は、成形体の端面に接触することが可能である。したがって、中子が揺動することを防止でき、その結果、成形体が揺動することを防止できる。また、成形体の中空部分に中子が挿入されていることから、中子は成形体の反り等の変形を防止できる。
【００１６】
上記発明において、前記端面に接触する前記振れ止め部は、緩衝部である。
【００１７】
この構成によれば、成形体は、端面で緩衝部と当接することが可能であり、成形体が揺動することを防止できる。
【００１８】
上記発明において、前記成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の前記他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与する押し上げ部を更に備える。
【００１９】
この構成によれば、成形体は、自重に対抗する押圧力が他端部側から付与されるため、成形体が吊り下げ支持され焼結されるときに作用する自重による引張り力が低減し、焼結後の成形体における、吊り下げ時の上半部と下半部とで収縮率の差を減らすことができる。また、押し上げ部は、成形体が長手方向に収縮した場合でも、押圧力を付与し続けることができる。
【００２０】
本発明に係る成形体下部支持装置は、一端部が吊り下げ支持された円筒状の成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与する押し上げ部を備え、前記押し上げ部は、前記成形体の前記収縮する前、又は、所定の収縮量までにおいて、前記押圧力として第１の押圧力を前記成形体に対して付与し、前記成形体が前記収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となった後において、前記押圧力として前記第１の押圧力よりも強い第２の押圧力を前記成形体に付与する。
【００２１】
この構成によれば、成形体は、自重に対抗する押圧力が端部側から付与されるため、成形体が吊り下げ支持され焼結されるときに作用する自重による引張り力が低減し、焼結後の成形体における、吊り下げ時の上半部と下半部とで収縮率の差を減らすことができる。また、成形体が長手方向に収縮する前は、比較的弱い第１押圧力を成形体に付与することから、成形体に座屈を生じさせる可能性を低減できる。更に、成形体が焼結して強度が上昇しながら、成形体が長手方向に収縮した場合でも、第１の押圧力よりも強い第２の押圧力を成形体に付与することから、継続して成形体の自重による引張り力を低減できる。
【００２２】
上記発明において、前記押し上げ部は、弾性体である第１弾性部と第２弾性部を有し、前記成形体の前記収縮する前、又は、所定の収縮量までにおいて、前記第１弾性部と前記第２弾性部が直列接続されて前記第１の押圧力を前記成形体に対して付与し、前記成形体が前記収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となった後において、前記第１弾性部のみで前記第２の押圧力を前記成形体に付与する。
【００２３】
この構成によれば、成形体が長手方向に収縮する前は、第１弾性部と第２弾性部が直列接続されて比較的弱い第１押圧力を成形体に付与することから、成形体に座屈を生じさせる可能性を低減できる。更に、成形体が焼結して強度が上昇しながら、成形体が長手方向に収縮した場合でも、第１弾性部と第２弾性部が直列接続される場合よりも強い第２の押圧力を、第１弾性部のみで成形体に付与することから、継続して成形体の自重による引張り力を低減できる。
【００２４】
本発明に係る成形体下部支持方法は、一端部が吊り下げ支持された円筒状の成形体の他端部側に設けられる振れ止め部を備える成形体下部支持装置を用いた成形体下部支持方法であって、前記振れ止め部が、前記成形体の前記他端部にて、前記成形体の円筒中空部分若しくは前記成形体の外周面に当接する、又は、前記成形体の端面に接触するステップと、押し上げ部が、前記成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の前記他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与するステップとを有する。
【００２５】
本発明に係る成形体下部支持方法は、一端部が吊り下げ支持され、円筒状の成形体の長手方向に沿って、前記成形体の中空部分に挿入される棒状の中子と、前記中子の他端部側に設けられる振れ止め部とを備え、前記成形体は、前記成形体の一端部が前記中子から吊り下げ支持される成形体下部支持装置を用いた成形体下部支持方法であって、前記振れ止め部が、前記中子の前記他端部にて、前記中子の円筒中空部分若しくは前記中子の外周面に当接する、又は、前記成形体の端面に接触するステップと、前記成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の前記他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与するステップとを有する。
【００２６】
上記発明において、前記押圧力を付与するステップは、前記成形体の前記収縮する前、又は、所定の収縮量までにおいて、前記押し上げ部が、前記押圧力として第１の押圧力を前記成形体に対して付与するステップと、前記成形体が前記収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となった後において、前記押し上げ部が、前記押圧力として前記第１の押圧力よりも強い第２の押圧力を前記成形体に付与するステップとを有する。
【００２７】
本発明に係る成形体下部支持方法は、押し上げ部が、一端部が吊り下げ支持された円筒状の成形体の焼成による長手方向の収縮に追従して、前記成形体の他端部側から前記成形体の重量の一部に対抗する押圧力を、前記成形体に対して付与するステップと、前記成形体の前記収縮する前、又は、所定の収縮量までにおいて、前記押し上げ部が、前記押圧力として第１の押圧力を前記成形体に対して付与するステップと、前記成形体が前記収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となった後において、前記押し上げ部が、前記押圧力として前記第１の押圧力よりも強い第２の押圧力を前記成形体に付与するステップとを有する。
【００２８】
本発明に係る燃料電池セルスタックの製造方法は、上記の成形体下部支持方法を用いて支持された前記成形体を焼成し、前記成形体の表面に燃料電池セル及びインターコネクタが形成された燃料電池セルスタックを製造するステップを有する。
【００２９】
本発明に係る燃料電池カートリッジの製造方法は、上記の成形体下部支持方法を用いて支持された前記成形体を焼成し、前記成形体の表面に燃料電池セル及びインターコネクタが形成された燃料電池セルスタックを製造するステップと、前記燃料電池セルスタックを備える燃料電池カートリッジを製造するステップとを有する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、焼成時に成形体の長手方向の一端で吊り下げ支持されるとき、成形体の揺動の発生を低減して、吊り下げ支持点で破損を生じにくくさせ、かつ、成形体の荷重の一部を他端側から支持することから、焼結後の成形体の長手方向の収縮率をほぼ同一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る基体管下部支持装置を示す正面図であり、振れ止め部の第１実施例を示す。
【図２】本発明の第１実施形態に係る基体管下部支持装置を示す正面図であり、振れ止め部の第２実施例を示す。
【図３】本発明の第１実施形態に係る基体管下部支持装置を示す正面図であり、振れ止め部の第３実施例を示す。
【図４】本発明の第１実施形態に係る基体管下部支持装置を示す正面図であり、振れ止め部の第４実施例を示す。
【図５】本発明の第２実施形態に係る基体管下部支持装置を示す正面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る基体管下部支持装置を示す正面図であり、第２炉床板がストッパー部に当接した状態を示す。
【図７】本発明の一実施形態に係るセルスタックを示す部分拡大断面図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを示す斜視図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。
【図１０】従来の焼成室を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る基体管下部支持装置１について、図１から図４を用いて説明する。
本発明の第１実施形態に係る基体管下部支持装置１は、長尺の基体管（成形体）１０を焼成炉内で焼結する際、基体管１０の一端を吊り下げ支持する場合に用いられる。基体管１０は、例えば、乾燥した成形体に対して燃料極、固体電解質及びインターコネクタがスクリーン印刷によって成膜されたものである。基体管１０の長手軸方向は、軸線方向と称する。図１から図４において、基体管１０の軸線方向は鉛直上下方向に沿って配設される。また、軸線方向に沿って、鉛直上側を上又は上方向とし、鉛直下側を下又は下方向とする。
【００３３】
なお、基体管１０は、図１０に示した従来例と同様に、基体管１０の上端部付近において、軸線方向に対して垂直方向に貫通孔が形成されて、貫通孔に吊り下げ用ピン１２が挿入されたものがある。吊り下げ用ピン１２は、焼成室１１の上部に設置された支持台１３上に載置される。但し、基体管１０の上部支持構造は、この例に限定されない。
【００３４】
本実施形態に係る基体管下部支持装置１は、図１に示すように、振れ止め部２と、押し上げ部３を備える。
【００３５】
振れ止め部２は、基体管１０の下端部付近に設けられ、基体管１０における振れ（揺動）を防止する。
【００３６】
以下、本実施形態における第１実施例に係る振れ止め部２について説明する。
振れ止め部２は、例えば、図１に示すように、先細り形状を有する先細り部４であり、その軸方向が基体管１０の軸線方向である。先細り部４は、例えば円錐形状であり、底部が第１炉床板５に設置され、例えばセラミックス製である。先細り部４の底部の外径は、基体管１０の円筒内径よりも小さい。基体管１０の一端部が吊り下げ支持されるとき、先細り部４は、基体管１０の他端部の円筒中空部分に挿入される。これにより、運搬時等において、支持点を中心にして基体管１０が揺れた場合でも、基体管１０の円筒内壁が先細り部４に当接することで、基体管１０の余計な振れ（揺動）を防止できる。
【００３７】
振れ止め部２が、基体管１０の中空部分に完全に挿入され、第１炉床板５の上面が基体管１０の下端部に当接することで、押し上げ部３の押し上げ力が基体管１０に伝達される。押し上げ部３は、第１炉床板５をスライド部９で鉛直方向に移動するようガイドし、第１弾性部８によって、鉛直上方向へ押し上げ力を発生するものである。押し上げ力を、基体管１０の軸線方向への収縮量以上に押し上げ可能な力とすることで、押し上げ部３は、基体管１０の焼成処理が終了するまで、先細り部４全体を基体管１０の円筒中空部に挿入し続けることができる。
【００３８】
先細り部４は、基体管１０の軸線方向に沿って、所定高さを有する。これにより、基体管１０が長さ方向に収縮した場合において、押し上げ部３による第１炉床板５の押し上げ量が足らずに、基体管１０の下端部と第１炉床板５とが離隔したとしても、先細り部４は、基体管１０の円筒内壁に当接することが可能である。
【００３９】
先細り部４は、基体管１０の径方向の縮み量と位置決め誤差を考慮した所定の外径を有することで、基体管１０が径方向に収縮したときも、基体管１０の円筒内壁が先細り部４に圧接とならないで振れ止めを行うことができる。先細り部４は先端部の外径が底部よりも小さいため、基体管１０の軸線と先細り部４の軸心の厳密な一致は不要となり、振れ止め部２の設置が容易である。
【００４０】
以下、本実施形態における第２実施例に係る振れ止め部２について説明する。
振れ止め部２は、例えば、図２に示すように、第１炉床板５上に設けられる緩衝部６であり、基体管１０の重量などの荷重を分散させたり、接触時の衝撃力を低減できる部材である。緩衝部６は、例えばセラミックスウールなどの緩衝材である。緩衝部６が基体管１０の下端部に押し当てられることで、運搬時等において、基体管１０の余計な振れ（揺動）を防止できる。セラミックスウールは、広い面積を簡易にカバーできるため、複数の基体管１０の振れ止め構造を容易に実現できる。また、基体管１０が径方向に収縮したときも振れ止めを行うことができる。
【００４１】
緩衝部６の上面が基体管１０の下端部に当接することで、押し上げ部３の押し上げ力が基体管１０に伝達される。押し上げ部３は、第１炉床板５をスライド部９で鉛直方向に移動するようガイドし、第１弾性部８によって、鉛直上方向へ押し上げ力を発生するものである。押し上げ力を、基体管１０の軸線方向への収縮量以上に押し上げ可能な力とすることで、押し上げ部３は、基体管１０の焼成処理が終了するまで、緩衝部６の上面を基体管１０の下端部に当接し続けることができる。
【００４２】
以下、本実施形態における第３実施例に係る振れ止め部２について説明する。
振れ止め部２は、例えば、図３に示すように、椀形形状を有する椀部７である。椀部７は、軸線に沿った断面が中空である、例えば円筒形状を有し、底部が第１炉床板５に設置され、例えばセラミックス製である。椀部７の内面の内径は、基体管１０の外径よりも大きい。基体管１０の一端が吊り下げ支持されるとき、基体管１０の下端部は、椀部７の中空部分に挿入される。これにより、運搬時等において、支持点を中心にして基体管１０が揺れた場合でも、基体管１０の下端部の外面が椀部７の内壁に当接することで、基体管１０の余計な振れ（揺動）を防止できる。
【００４３】
椀部７の底面が基体管１０の下端部に当接することで、押し上げ部３の押し上げ力が基体管１０に伝達される。押し上げ部３は、第１炉床板５をスライド部９で鉛直方向に移動するようガイドし、第１弾性部８によって、鉛直上方向へ押し上げ力を発生するものである。押し上げ力を、基体管１０の軸線方向への収縮量以上に押し上げ可能な力とすることで、押し上げ部３は、基体管１０の焼成処理が終了するまで、基体管１０の下端部を椀部７の底面に当接し続けることができる。
【００４４】
椀部７は、基体管１０の軸線方向に沿って、所定高さを有する。これにより、基体管１０が長さ方向に収縮した場合において、押し上げ部３による第１炉床板５の押し上げ量が足らずに、基体管１０の下端部と椀部７の底面とが離隔したとしても、椀部７の内壁は、基体管１０の外面に当接することが可能である。
【００４５】
椀部７の軸線方向上部の内面の内径を、底面の内面内径より大きくして、内径差について、椀部７の内面と基体管１０の外面との位置決め誤差を考慮すると、さらに好ましい。基体管１０の軸心と椀部７の軸心の厳密な一致は不要となり、振れ止め部２の設置が容易である。椀部７は、基体管１０の外側を囲っているため、基体管１０が径方向に収縮したときも振れ止めを行うことができる。
【００４６】
以下、本実施形態における第４実施例に係る振れ止め部２について説明する。
振れ止め部２は、例えば、図４に示すように、基体管１０の内部に挿入される中子１４と、中子１４が挿入される椀形形状を有する椀部１５などである。
【００４７】
中子１４の外径は、基体管１０の円筒内径よりも小さく、中子１４の軸線方向長さは、基体管１０よりも長く、例えばセラミックス製である。図４に示す例では、中子１４の上端部には、軸線方向に対して垂直方向に二つの貫通孔１６，１７が設けられる。上端側の貫通孔１６は、中子１４のみを貫通する吊り下げ用ピン１８が挿入される。吊り下げ用ピン１８は焼成室１１の上部に設置された支持台１３に載置される。また、上端側よりも下方側に形成される貫通孔１７は、基体管１０に設けられた貫通孔１９に対しても挿入される吊り下げ用ピン２０が挿入される。これにより、まず、中子１４の一端が吊り下げ用ピン１８を介して吊り下げ支持され、基体管１０の一端は、中子１４に対して吊り下げ用ピン２０を介して吊り下げ支持される。
【００４８】
椀部１５は、軸線に沿った断面が中空である、例えば円筒形状を有し、底部が第１炉床板５に設置され、例えばセラミックス製である。椀部１５の内面の内径は、中子１４の外径よりも大きい。基体管１０の一端及び中子１４の一端が吊り下げ支持されるとき、中子１４の下端部は、椀部１５の中空部分に挿入される。これにより、運搬時等において、支持点を中心にして中子１４が揺れた場合でも、中子１４の下端部の外面が椀部１５の内壁に当接することで、中子１４の余計な振れ（揺動）を防止でき、その結果、基体管１０の余計な振れ（揺動）を防止できる。また、中子１４が基体管１０の円筒中空部に挿入されていることから、中子１４は基体管１０の焼成工程での反り等の変形を一層に防止できる。
【００４９】
椀部１５の上面が基体管１０の下端部に当接することで、押し上げ部３の押し上げ力を基体管１０に伝達できる。押し上げ部３は、第１炉床板５をスライド部９で鉛直方向に移動するようガイドし、第１弾性部８によって、鉛直上方向へ押し上げ力を発生するものである。押し上げ力を、基体管１０の軸線方向への収縮量以上を押し上げ可能とすることで、基体管１０の焼成処理が終了するまで、基体管１０の下端部を椀部１５の上面に当接し続けることができる。
【００５０】
椀部１５は、中子１４の軸線方向に沿って、所定高さを有する。これにより、基体管１０が軸線方向に収縮した場合において、押し上げ部３による第１炉床板５の押し上げ量が足らずに、基体管１０の下端部と椀部１５の上面とが離隔したとしても、椀部１５の内壁は、中子１４の外面に当接することが可能である。
【００５１】
なお、椀部１５の軸線方向上部の内面の内径を、底面の内面内径より大きくして、内径差について、椀部１５の内面と中子１４の外面との位置決め誤差を考慮すると、さらに好ましい。中子１４及び基体管１０の軸心と椀部１５の軸心の厳密な一致は不要となり、振れ止め部２の設置が容易である。椀部１５は、中子１４の外側を囲っているため、基体管１０が径方向に収縮したときも振れ止めを行うことができる。
【００５２】
また、第４実施例では、椀部１５が中子１４の下端部に設けられる場合について説明したが、椀部１５の代わりに、第１実施例で説明したような先細り部が設けられてもよい。この場合、先細り部は、中子が円筒状部材であるとき、中子の円筒中空部分に挿入される。
【００５３】
さらにまた、第４実施例では、椀部１５の代わりに、第２実施例で説明したような、第１炉床板５上に設けられる緩衝部６が設けられてもよい。この場合、椀部１５の形状を保有する緩衝部６であってもよいし、椀部１５の内底面における中子１４の他端部端面との接触部分や、椀部１５の上面における基体管１０の他端部端面との接触部分に緩衝部６を設けてもよい。
【００５４】
次に、図１から図３を参照して、押し上げ部３について説明する。
押し上げ部３は、例えば、第１弾性部８と、第１炉床板５と、スライド部９と、底板２２などを有する。
【００５５】
第１弾性部８は、例えば、セラミックス製の圧縮ばね２１を備え、圧縮ばね２１は、焼成時の高温条件に耐えられる材料からなる。圧縮ばね２１は、並列に複数本設置されてもよい。
【００５６】
第１弾性部８は、底板２２（又は焼成室の底部）と第１炉床板５の間に設けられ、上端が第１炉床板５に接続され、下端が底板２２に接続される。第１弾性部８は、複数本の基体管１０の重量の一部及び第１炉床板５の重量を支持できる弾性力を有する。第１弾性部８は、基体管１０が軸線方向に収縮する際、第１炉床板５をスライド部９で鉛直方向にガイドして、基体管１０に対して押し付けを維持しながら、第１炉床板５を上昇させる。
【００５７】
第１炉床板５は、第１弾性部８の圧縮ばね２１の上端に設置される。第１炉床板５の上面には、複数本の基体管１０が設置される。第１炉床板５は、複数の圧縮ばね２１と、複数本の基体管１０を網羅する広さを有する。
【００５８】
第１炉床板５には、貫通孔が形成されており、貫通孔にはスライド部９が挿入される。これにより、第１弾性部８が第１炉床板５を押し上げる際、第１炉床板５はスライド部９に沿ってガイドされて安定して鉛直方向に上昇できる。
【００５９】
押し上げ部３は、一端を吊り下げられた基体管１０の他端を下方から支持する。押し上げ部３は、基体管１０が焼成されている間、所定の弾性力を基体管１０に対して軸線方向に作用させる。これにより、焼成時、基体管１０が軸線方向に収縮した場合でも、振れ止め部２による基体管１０の振れ（揺動）防止を継続できる。
【００６０】
また、押し上げ部３は、基体管１０が有する重量の一部を基体管１０の下端部で支持するため、基体管１０に作用する自重による引張り力を低減又は解消できる。その結果、焼成時に生じる基体管１０について大きく分けると鉛直方向の上半部と下半部に対して、その収縮率の差を減少させることができ、焼結後の燃料電池セルの長さや間隔を、基体管１０の長さ方向の位置によらず略一定にすることができる。
【００６１】
押し上げ部３に用いられる第１弾性部８のばね定数ｋ１は、下記の二つの式（１）及び（２）を満たすように決定される。
αＭ１＋ａ＝ｋ１ｘ１（＝Ｆ１）      ……（１）
αＭ２＋ａ＝ｋ１ｘ３（＝Ｆ１’）      ……（２）
ここで、α：定数、Ｍ１：焼結前の基体管１０の重量、ａ：第１炉床板５の重量、ｋ１：第１弾性部８のばね定数、ｘ１：焼結前の第１弾性部８の縮み長さ、Ｆ１：焼結前の第１弾性部８の弾性力、Ｍ２：焼結後の基体管１０の重量、ｘ３：焼結後の第１弾性部８の縮み長さ、Ｆ１’：焼結後の第１弾性部８の弾性力である。
【００６２】
なお、定数αは、基体管１０の重量のうちどの程度を押し上げ部３により支持して軽減するかを設定するものである。実際に基体管１０を焼成して得られる経験値であり、例えば０．５である。αが大きすぎると、第１弾性部８の弾性力が強くなりすぎてしまい、基体管１０の上部における吊り下げ支持が外れてしまい、基体管１０が転倒するおそれがある。また、αが大きい場合、基体管１０に座屈が生じる可能性がある。一方、αが小さい場合は、上述した押し上げ部３による基体管１０に対する押し上げ効果が得られない。
【００６３】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る基体管下部支持装置１について、図５及び図６を用いて説明する。
上述した第１実施形態における押し上げ部３は、弾性体が１段のみ設置される場合について説明したが、弾性体が直列２段に設けられてもよい。以下では、第１弾性部８が上段に設置され、第２弾性部２３が下段に設置される場合について説明する。下段の第２弾性部２３による押し上げ距離を規制することで、基体管１０の焼成による収縮前又は収縮量が一定以下では、第１弾性部８と第２弾性部２３が直列接続による弾性体であり、その合成ばね定数は小さくなり弾性力は小さくなる。基体管１０の収縮量が一定以上になったとき、第１弾性部８のみによる弾性力となり押し上げ部３による弾性力を上昇させることができる。
【００６４】
なお、図５及び図６では、第１実施形態で説明した振れ止め部２について図示していないが、第１実施形態と同様の振れ止め部２が設置されてもよいし、省略されてもよい。
【００６５】
押し上げ部３は、例えば、第１弾性部８と、第１炉床板５と、第２弾性部２３と、第２炉床板２４と、スライド部９と、ストッパー部２５と、底板２２などを有する。
【００６６】
第１弾性部８及び第２弾性部２３は、例えば、セラミックス製の圧縮ばね２１，２６を備え、圧縮ばね２１，２６は、焼成時の高温条件に耐えられる材料からなる。圧縮ばね２１，２６は、並列に複数本設置されてもよい。
【００６７】
第１弾性部８は、第１炉床板５と第２炉床板２４の間に設けられ、上端が第１炉床板５の下面に接続され、下端が第２炉床板２４の上面に接続される。第２弾性部２３は、底板２２（又は焼成室の底部）と第２炉床板２４の間に設けられ、上端が第２炉床板２４の下面に接続され、下端が底板２２に接続される。
【００６８】
第１弾性部８は、第２弾性部２３と直列に作用するとき、基体管１０の焼成による収縮が開始する前、又は、基体管１０が所定の収縮量になるまでの複数本の基体管１０の重量の一部、及び、第１炉床板５の重量を支持できる比較的に低い弾性力を有する。基体管１０は焼成収縮開始までは強度が低い状態にあり、押し上げ部３による弾性力を比較的低くしておくことが好ましい。所定の収縮量とは、焼成収縮が開始されたことが確認できる収縮量であり、基体管１０の焼成完了時の収縮量の５％〜２０％程度が好ましい。
【００６９】
第１弾性部８は、基体管１０が焼成収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となった後は、基体管１０の焼成収縮開始後は強度が高くなった状態になるので、押し上げ部３による弾性力を比較的に高くして、基体管１０の重量を極力支持できるようにすることが好ましい。このため、基体管１０が焼成による収縮を開始した後は、第１弾性部８による弾性力のみで支持されるよう、後述するスライド部９にストッパー部２５があり、第２弾性部２３が固定される。第１弾性部８は、基体管１０が焼成による収縮を開始した後、又は、基体管１０が所定の収縮量となった後、第１実施形態と同様に焼成収縮が開始された後の複数本の基体管１０の重量の一部、及び、第１炉床板５の重量を支持できる弾性力を有する。第１弾性部８は、下端が第２炉床板２４に接しているため、基体管１０が軸線方向に収縮する際、第１炉床板５を基体管１０に対して押し付けながら、第１炉床板５を上昇させる。
【００７０】
第２弾性部２３は、第１弾性部８と直列に作用するとき、基体管１０が焼成による収縮を開始前、又は、所定の収縮量となるまでの複数本の基体管１０の重量の一部、及び、第１弾性部８と第１炉床板５と第２炉床板２４の重量を支持できる比較的に低い弾性力を有する。
第２弾性部２３は、基体管１０が焼成収縮を開始した後、又は、所定の収縮量となるまでは、基体管１０が軸線方向に収縮していくことに追従して、第２炉床板２４をストッパー部２５まで押し上げることができ、かつ、焼成収縮を開始後は、前述のように第１弾性部８は複数本の基体管１０の重量の一部、及び、第１弾性部８と第１炉床板５と第２炉床板２４の重量を支持するにあたり、これに反作用として発生する力を支持して第２炉床板２４をストッパー部２５で押し上げを維持することができる弾性力を有する。このため、第２弾性部２３のばね定数は、第１弾性部８のばね定数よりも大きい。
【００７１】
第１炉床板５は、第１弾性部８の圧縮ばね２１の上端に設置される。第１炉床板５の上面には、複数本の基体管１０が設置される。第１炉床板５は、複数の圧縮ばね２１と、複数本の基体管１０を網羅する広さを有する。第２炉床板２４は、第２弾性部２３の圧縮ばね２６の上端に設置される。第２炉床板２４の上面には、第１弾性部８の圧縮ばね２１が設置される。第２炉床板２４は、第１弾性部８の圧縮ばね２１と第２弾性部２３の圧縮ばね２６を網羅する広さを有する。
【００７２】
第１炉床板５及び第２炉床板２４には、貫通孔が形成されており、貫通孔にはスライド部９が挿入される。これにより、圧縮ばね２１，２６が第１炉床板５及び第２炉床板２４を押し上げる際、第１炉床板５及び第２炉床板２４はスライド部９に沿って安定して鉛直方向へ上昇できる。
【００７３】
ストッパー部２５は、例えばストッパーピンであり、スライド部９において、第１炉床板５と第２炉床板２４の間に設けられる。第２炉床板２４がストッパー部２５に当接することにより、第２炉床板２４が上昇できる高さが規制され、第２弾性部２３による押し上げが所定高さまでとなる。
【００７４】
基体管１０に対して、第１弾性部８と第２弾性部２３の両方が作用する場合、両者は直列であるため、直列状態に合成されたばね定数は一方のみ作用する場合に比べて低く、得られる弾性力も比較的低い。一方、ストッパー部２５によって、第２弾性部２３の押し上げ量が規制されると、第１弾性部８のみが基体管１０に対して作用する。この場合、押し上げ部３のばね定数が高くなり、高い弾性力を得られる。ここで、第２弾性部２３は、第２炉床板２４をストッパー部２５で押し上げを維持することができる弾性力を有するためには、第２弾性部２３のばね定数は第１弾性部８のばね定数より大きいことが必要である。
【００７５】
基体管１０を焼成炉内に設置するときから、焼成を開始して基体管１０が焼結による焼成収縮を開始するまでの間は、基体管１０は、外力に対して強度が低い状態にある。しかし、上述したとおり、基体管１０に対して、第１弾性部８と第２弾性部２３の両方が直列で作用していることから、押し上げ部３による基体管１０に対する押し上げ力も弱い状態としている。したがって、基体管１０が外力に対する強度が低い状態に座屈を生じさせる可能性を低減できる。
【００７６】
基体管１０が焼結による焼成収縮を開始した後は、基体管１０の外力に対する強度も上昇する。基体管１０の所定の収縮量に合わせて、第２弾性部２３は、ストッパー部２５によって押し上げ量が規制される。その後、第１弾性部８のみが基体管１０に対する押し上げに寄与するため、押し上げ部３による基体管１０に対する押し上げ力が増加する。その結果、押し上げ部３は、基体管１０の重量をより強い力で支持することができ、基体管１０の自重により基体管１０を軸線方向へ引き伸ばす引張り力を低減又は解消する。したがって、弾性体が１段のみ設けられる場合に比べて、基体管１０について大きく分けると鉛直方向の上半部と下半部とに対する収縮率の差が発生することを抑制でき、より一層、燃料電池セルの長さや間隔を略均一にできる。
【００７７】
押し上げ部３に用いられる第１弾性部８のばね定数ｋ１と、第２弾性部２３のばね定数ｋ２は、下記の四つの式（３）から（６）を満たすように決定される。
αＭ１＋ａ＝ｋ１ｘ１（＝Ｆ１）      ……（３）
αＭ１＋ａ＋ｆ１＋ｂ＝ｋ２ｘ２（＝Ｆ２）      ……（４）
αＭ２＋ａ＝ｋ１ｘ３（＝Ｆ１’）      ……（５）
αＭ２＋ａ＋ｆ１＋ｂ＜ｋ２ｘ４（＝Ｆ２’）      ……（６）
ここで、α：定数、Ｍ１：焼結前の基体管１０の重量、ａ：第１炉床板５の重量、ｋ１：第１弾性部８のばね定数、ｘ１：焼結前の第１弾性部８の縮み長さ、Ｆ１：焼結前の第１弾性部８の弾性力、ｆ１：第１弾性部８の重量、ｂ：第２炉床板２４の重量、ｋ２：第２弾性部２３のばね定数、ｘ２：焼結前の第２弾性部２３の縮み長さ、Ｆ２：焼結前の第２弾性部２３の弾性力であり、第１実施形態と同様に定数αは、基体管１０の重量のうちどの程度を押し上げ部３により支持して軽減するかを設定するものである。
Ｍ２：焼結後の基体管１０の重量、ｘ３：焼結後の第１弾性部８の縮み長さ、Ｆ１’：焼結後の第１弾性部８の弾性力、ｘ４：焼結後の第２弾性部２３の縮み長さ、Ｆ２’：焼結後の第２弾性部２３の弾性力である。
【００７８】
式（６）において、（左辺）≧（右辺）となると、第２炉床板２４がストッパー部２５に到達しないことになるため、（左辺）＜（右辺）を満たす必要がある。
また、このとき、ｋ１：第１弾性部８のばね定数＜ｋ２：第２弾性部２３のばね定数であることも必要である。
【００７９】
以下、本実施形態に係るＳＯＦＣの一例について説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて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。
【００８０】
（円筒形セルスタックの構造）
まず、図７を参照して本実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図７は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、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。
【００８１】
（セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明）
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とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、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。
【００８６】
（ＳＯＦＣモジュールの構造と各要素の機能の説明）
次に、図８と図９とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図８は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図９は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
【００８７】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図８に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣ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ＳＯＦＣ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、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１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。
【００８８】
燃料ガス供給管２０７は、図示しない圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣ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ＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣ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。
【００８９】
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣ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、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
【００９０】
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℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
【００９１】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【００９２】
（ＳＯＦＣカートリッジの構造と各要素の機能の説明）
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図９に示すとおり、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、ＳＯＦＣ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。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣ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９のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、又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ようにしても良い。
【００９３】
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、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
【００９４】
燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣ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。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。
【００９５】
燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣ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に導くものである。
【００９６】
ＳＯＦＣ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ＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣ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、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２２１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２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。
【００９７】
酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣ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、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を介して図示しない第３酸化性ガス排出枝管に導くものである。
【００９８】
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、ＳＯＦＣ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とを隔離するものである。
【００９９】
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、ＳＯＦＣ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とを隔離するものである。
【０１００】
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、ＳＯＦＣ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。
【０１０１】
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成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ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。
【０１０２】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板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、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
【０１０３】
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、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣ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。
【０１０４】
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管板２２５ｂ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２２７ｂは、酸化性ガス供給室２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
【０１０５】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣ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に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
【０１０６】
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、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数及び並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１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。
【符号の説明】
【０１０７】
１    ：基体管下部支持装置
２    ：振れ止め部
３    ：押し上げ部
４    ：先細り部
５    ：第１炉床板
６    ：緩衝部
７    ：椀部
８    ：第１弾性部
９    ：スライド部
１０  ：基体管（成形体）
１１  ：焼成室
１２  ：吊り下げ用ピン
１３  ：支持台
１４  ：中子
１５  ：椀部
１６  ：貫通孔
１７  ：貫通孔
１８  ：吊り下げ用ピン
１９  ：貫通孔
２０  ：吊り下げ用ピン
２１  ：圧縮ばね
２２  ：底板
２３  ：第２弾性部
２４  ：第２炉床板
２５  ：ストッパー部
２６  ：圧縮ばね
【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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【図９】
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【図１０】
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