(57)【要約】【課題】燃料電池モジュールにおいて、カートリッジを構成する複数のセルスタックの温度差を抑制することで発電効率を均一化して信頼性の向上を図る。【解決手段】燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏを用いて発電を行う管状をなす複数のセルスタック３０が所定間隔を空けて発電室８１に並設されてなる複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと、複数のセルスタック３０に対して燃料ガスＧｆを供給する燃料ガス供給装置と、複数のセルスタック３０に対して酸化剤ガスＧｏを供給する酸化剤ガス供給装置と、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに隣接して配置されると共に複数のセルスタック３０に面する対向面がセルスタック３０の長手方向に沿って凹凸形状をなす整流部材１０１とを設ける。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う管状をなす複数のセルスタックが所定間隔を空けて発電室に並設されてなる複数のセルスタック群と、
前記複数のセルスタックに対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記複数のセルスタックに対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記複数のセルスタック群に隣接して配置されると共に前記複数のセルスタックに面する対向面が前記セルスタックの長手方向に沿って凹凸形状をなす整流部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記整流部材は、前記対向面に複数の凹部と複数の凸部が前記セルスタックの長手方向に沿って交互に設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記複数のセルスタックは、筒形状をなす基体管と、前記基体管の外面に形成される複数の発電素子と、隣り合う前記複数の発電素子の間に形成される複数のインターコネクタとを有し、前記複数の凹部は、前記発電素子に対向して設けられることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記整流部材は、前記複数のセルスタックの長手方向及び前記複数のセルスタックの配設方向に沿って設けられる断熱材と、前記断熱材における前記セルスタックに面する対向面に形成される前記複数の凸部としての複数の緩衝材とを有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記複数のセルスタックは、筒形状をなす基体管と、前記基体管の外面に形成される複数の発電素子と、隣り合う前記複数の発電素子の間に形成される複数のインターコネクタとを有し、前記複数の緩衝材は、前記発電素子に対向して設けられることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記複数のセルスタック群を取り囲むように断熱層が配置され、前記整流部材は、前記断熱層の内面に配置される第１整流部を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記整流部材は、前記複数のセルスタック群の間に配置される第２整流部を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記第２整流部は、隣接する前記複数のセルスタック群を連通する開口部が設けられることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う管状の複数のセルスタックにより構成される燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池は、一般的に、水素や炭化水素系ガス等を含む燃料ガスを触媒作用により改質する燃料極と、空気等の酸化剤ガスから酸素イオンを生成する空気極と、この空気極で生成された酸素イオンを燃料極に移動させる固体電解質とを有している。燃料極と固体電解質との界面付近では、燃料極で改質された燃料ガスと固定電解質からの酸素イオンとが電気化学反応して発電が行われる。
【０００３】
このような燃料電池を備えた燃料電池モジュールは、圧力容器と、この圧力容器内に配置される複数のカートリッジと、このカートリッジ内に配置される複数の円筒状のセルスタックと、各セルスタックに燃焼ガスや酸化剤ガスを供給及び排出するための配管とから構成されている。セルスタックは、複数の燃料電池セルを有する円筒形状のものである。燃料電池セルは、セルスタックの長手方向の中間部に設けられており、燃料極、固体電解質及び空気極を有している。
【０００４】
カートリッジは、各セルスタックで燃料電池セルが設けられている部分を各セルスタックの両端部側と隔離する発電室が区画形成されている。各セルスタックの長手方向の一端側に発電室内に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給口が設けられ、他端側に使用済みの酸化剤ガスをカートリッジ外部に排出する酸化剤ガス排出口が設けられる。
【０００５】
ところで、各カートリッジ内のセルスタック相互間での発電効率を均一化するためには、各セルスタックに供給する酸化剤ガスの流量を均一化する必要がある。そのため、例えば、下記特許文献１では、複数のセルスタックの束である複数のセルスタック群の相互間に仕切壁を設けている。そのため、各セルスタック群の一端側に供給された酸化剤ガスは、仕切り壁によりセルスタックの長手方向に沿う流れに整流され、隣接するセルスタック群側に漏れることがなく、セルスタックの一端から他端まで均一に供給することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５２８５２５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１に記載された従来の燃料電池モジュールでは、複数のセルスタック群の間に仕切壁を設けることで、酸化剤ガスが仕切り壁によりセルスタックの長手方向に沿う流れに整流され、このセルスタックの一端から他端まで均一に流すことができる。ところが、一つのセルスタック群は、複数のセルスタックが所定間隔をあけて束ねられて構成されていることから、各セルスタック間に形成される空気流路は、セルスタック群の最外列部で粗となって空気が流れやすく、逆に中央部で密になって空気が流れにくい。その結果、セルスタックの温度が上昇しやすいセルスタック群の中央部における冷却空気流量が低下し、局所的な温度差が拡大する。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、カートリッジを構成する複数のセルスタックの温度差を抑制することで発電効率を均一化して信頼性の向上を図る燃料電池モジュール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】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う管状をなす複数のセルスタックが所定間隔を空けて発電室に並設されてなる複数のセルスタック群と、前記複数のセルスタックに対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記複数のセルスタックに対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記複数のセルスタック群に隣接して配置されると共に前記複数のセルスタックに面する対向面が前記セルスタックの長手方向に沿って凹凸形状をなす整流部材と、を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
従って、整流部材がセルスタックに対向して配置されることで、整流部材とセルスタックとの隙間が小さくなり、酸化剤ガスの流速が上昇してセルスタックの冷却効率を向上することができる。そして、セルスタックに対向する整流部材の対向面がセルスタックの長手方向に沿って凹凸形状をなすことで、セルスタックと整流部材との間を流れる酸化剤ガスは、凹部に案内されてセルスタック群の中央部側に導かれて高温部への冷却ガス量が増加する一方、外部側の低温部への冷却ガス量が減少する。その結果、セルスタック群の外部側（低温部）と中央部側（高温部）での温度差が減少し、複数のセルスタックにおける温度差が抑制され、その結果、発電効率が均一化されて出力を安定することができ、信頼性の向上を図ることができる。
【００１１】
本発明の燃料電池モジュールでは、前記整流部材は、前記対向面に複数の凹部と複数の凸部が前記セルスタックの長手方向に沿って交互に設けられることを特徴としている。
【００１２】
従って、セルスタックに対向する整流部材の対向面に複数の凹部と複数の凸部をセルスタックの長手方向に沿って交互に設けることで、セルスタックと整流部材との間を流れる酸化剤ガスが凹部と凸部により波状の流れとなり、セルスタック群の中央部側に酸化剤ガスを効率的に導くことができる。
【００１３】
本発明の燃料電池モジュールでは、前記複数のセルスタックは、筒形状をなす基体管と、前記基体管の外面に形成される複数の発電素子と、隣り合う前記複数の発電素子の間に形成される複数のインターコネクタとを有し、前記複数の凹部は、前記発電素子に対向して設けられることを特徴としている。
【００１４】
従って、整流部材における複数の凹部を発電素子に対向して設けることで、セルスタックと整流部材との間を流れる酸化剤ガスは、発電素子と凹部との空間部により曲面的に流れることとなり、セルスタック群の中央部側に効率的に導くことができる。
【００１５】
本発明の燃料電池モジュールでは、前記整流部材は、前記複数のセルスタックの長手方向及び前記複数のセルスタックの配設方向に沿って設けられる断熱材と、前記断熱材における前記セルスタックに面する対向面に形成される前記複数の凸部としての複数の緩衝材とを有することを特徴としている。
【００１６】
従って、セルスタックに面する対向面に形成される複数の凸部を複数の緩衝材とすることで、セルスタックが熱変形すると緩衝材に接触するため、セルスタックと断熱材との接触を防止してセルスタックの損傷を防止して燃料電池モジュールの信頼性を向上することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池モジュールでは、前記複数のセルスタックは、筒形状をなす基体管と、前記基体管の外面に形成される複数の発電素子と、隣り合う前記複数の発電素子の間に形成される複数のインターコネクタとを有し、前記複数の緩衝材は、前記発電素子に対向して設けられることを特徴としている。
【００１８】
従って、整流部材の複数の緩衝材を発電素子に対向して設けることで、セルスタックが熱変形すると発電素子が緩衝材に接触するため、発電素子と断熱材との接触を防止して発電素子の損傷を防止して燃料電池モジュールの信頼性を向上することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池モジュールでは、前記複数のセルスタック群を取り囲むように断熱層が配置され、前記整流部材は、前記断熱層の内面に配置される第１整流部を有することを特徴としている。
【００２０】
従って、断熱層とセルスタックとの間に第１整流部を配置することで、断熱層とセルスタックとの隙間が小さくなり、酸化剤ガスの流速が上昇してセルスタックの冷却効率を向上することができると共に、第１整流部の凹部により酸化剤ガスがセルスタック群の中央部側に導かれて高温側の冷却ガス量を増加することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池モジュールでは、前記整流部材は、前記複数のセルスタック群の間に配置される第２整流部を有することを特徴としている。
【００２２】
従って、複数のセルスタック群の間に第２整流部を配置することで、隣接するセルスタック群の隙間が小さくなり、酸化剤ガスの流速が上昇してセルスタックの冷却効率を向上することができると共に、第２整流部の凹部により酸化剤ガスがセルスタック群の中央部側に導かれて高温側の冷却ガス量を増加することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池モジュールでは、前記第２整流部は、隣接する前記複数のセルスタック群を連通する開口部が設けられることを特徴としている。
【００２４】
従って、隣接するセルスタック群の間に配置される第２整流部に開口部が設けられることで、開口部を通して隣接するセルスタック群が放射伝熱で連結され、隣接セルスタック群との間でセルスタックの温度差を抑制し、発電効率を均一化することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池モジュールによれば、整流部材を複数のセルスタック群に隣接して配置すると共に、複数のセルスタックに面する対向面をセルスタックの長手方向に沿った凹凸形状とするので、セルスタック群の中央部側に導かれる酸化剤ガスの高温部への冷却ガス量を増加してセルスタック群の低温側である外部側と高温側である中央部側を均温化して発電効率を均一化して出力を安定させることで、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、燃料電池モジュールを表す概略構成図である。
【図２】図２は、燃料電池モジュールにおけるセルスタックを表す要部断面図である。
【図３】図３は、第１実施形態の燃料電池モジュールのカートリッジを表す断面図である。
【図４】図４は、整流板を表すカートリッジの要部縦断面図である。
【図５】図５は、図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】図６は、図４のVI−VI断面図である。
【図７】図７は、第１実施形態の整流板の実施変形形態を表す概略図である。
【図８】図８は、カートリッジの幅方向における空気流量を表すグラフである。
【図９】図９は、第２実施形態の燃料電池モジュールのカートリッジを表す断面図である。
【図１０】図１０は、第３実施形態の燃料電池モジュールのカートリッジを表す断面図である。
【図１１】図１１は、図１０のXI−XI断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池モジュールの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
【００２８】
［第１実施形態］
図１は、燃料電池モジュールを表す概略構成図である。
【００２９】
第１実施形態において、図１に示すように、燃料電池モジュール１０は、両端部が閉塞された円筒形状をなす圧力容器１１と、この圧力容器１１内に配置される複数のカートリッジ１２及び複数の各種配管１３とを備えている。
【００３０】
配管１３としては、燃料ガス供給源（燃料ガス供給装置）２１からの燃料ガスＧｆを圧力容器１１内の各カートリッジ１２に導く燃料ガス供給配管２２と、各カートリッジ１２を通過した燃料ガスＧｆを圧力容器１１外に導く燃料ガス排出配管２３と、酸化剤ガス供給源（酸化剤ガス供給装置）２４からの酸化剤ガスＧｏを圧力容器１１内の各カートリッジ１２に導く酸化剤ガス供給配管２５と、各カートリッジ１２を通過した酸化剤ガスＧｏを圧力容器１１外に導く酸化剤ガス排出配管２６とがある。
【００３１】
燃料ガスＧｆとしては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られたガス、または、これらの２つ以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスＧｏとしては、例えば、酸素を１５〜３０ｖｏｌ％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＧｏとしては、空気であるが、燃焼排気ガスと空気との混合ガスや酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。
【００３２】
図２は、燃料電池モジュールにおけるセルスタックを表す要部断面図である。
【００３３】
カートリッジ１２は、複数のセルスタックの束で構成されている。図２に示すように、セル集合体であるセルスタック３０は、円筒形状（または、管形状）をなす基体管３１と、基体管３１の外周面に形成されている複数の燃料電池セル３２と、隣り合う燃料電池セル３２の間に形成されているインターコネクタ３３とを有している。燃料電池セル３２は、燃料極３４と固体電解質３５と空気極３６とが積層された状態で、基体管３１の外周面に沿って環状に形成されている。セルスタック３０は、基体管３１の外周面に形成されている複数の燃料電池セル３２のうち、基体管３１の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル３２の空気極３６にインターコネクタ３３を介して電気的に接続されているリード膜３７を有している。
【００３４】
本実施形態の燃料電池モジュール１０は、この円筒形状のセルスタック３０の内周側に燃料ガスＧｆが供給され、外周側に酸化剤ガスＧｏが供給される。燃料極３４と固体電解質３５との界面付近では、改質により得られた水素及び一酸化炭素と、固体電解質３５から供給された酸素イオンとが反応し、水及び二酸化炭素が生成される。この燃料電池セル３２では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて発電が行われる。
【００３５】
図３は、第１実施形態の燃料電池モジュールのカートリッジを表す断面図である。
【００３６】
カートリッジ１２は、図３に示すように、複数のセルスタック３０と、複数のセルスタック３０の束の一方の端部を覆う第１カートリッジヘッダ４１と、複数のセルスタック１２の束の他方の端部を覆う第２カートリッジヘッダ４２とを有している。
【００３７】
カートリッジ１２は、内部に配置される複数のセルスタック３０が互いに平行で、且つ、その長手方向における互いの位置が揃っている。本実施形態にて、カートリッジ１２は、複数のセルスタック３０により、例えば、３つのセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに分割されて構成されている。但し、セルスタック群の数量は、本実施形態に限定されるものではない。
【００３８】
各タック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、複数のセルスタック３０を有している。また、複数のセルスタック３０は、各セルスタック３０の長手方向に対して交差する方向に所定間隔をあけて配置されている。また、第１カートリッジヘッダ４１及び第２カートリッジヘッダ４２は、３つのセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに所属する複数のセルスタック３０の端部を収容する形状をなしている。
【００３９】
第１カートリッジヘッダ４１は、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃのセルスタック３０の束の上端部が内部に入り込む角筒形状をなすケーシングであって、セルスタック３０の束の上端部が管板５１に貫通して支持されている。この管板５１は、貫通孔に挿通されたセルスタック３０の上端部をシール部材または接着剤を介して支持されることで、第１カートリッジヘッダ４１は、気密性の第１空間部５２が確保されている。
【００４０】
第１カートリッジヘッダ４１において、管板５１により区画された第１空間部５２は、燃料ガスＧｆが供給される燃料ガス供給室である。第１カートリッジヘッダ４１は、上部に燃料ガス供給配管５３が連結されており、この燃料ガス供給配管５３により燃料ガスＧｆが第１空間部（燃料ガス供給室）５２に導入可能となっている。第１空間部５２は、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに割り当てられた複数のセルスタック３０における基体管３１の上端部が位置し、ここに開放されている。そのため、燃料ガス供給配管５３から第１空間部５２に導かれた燃料ガスＧｆは、複数のセルスタック３０の基体管３１内に流れ込む。このとき、燃料ガスＧｆは、第１空間部５２から複数のセルスタック３０の各基体管３１に対してほぼ均等流量に配分される。
【００４１】
また、第２カートリッジヘッダ４２は、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃのセルスタック３０の束の下端部を取り囲むようにハウジング５４ａ，５４ｂ，５４ｃが配置され、管板５５ａ，５５ｂ，５５ｃが固定されている。複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃのセルスタック３０の束の下端部が内部に入り込む形状をなすケーシングであって、セルスタック３０の束の下端部が管板５５ａ，５５ｂ，５５ｃにそれぞれ貫通して支持されている。この管板５５ａ，５５ｂ，５５ｃは、貫通孔に挿通されたセルスタック３０の端部をシール部材または接着剤を介して支持されることで、第２カートリッジヘッダ４２は、気密性の第２空間部５６ａ，５６ｂ，５６ｃが確保されている。
【００４２】
第２カートリッジヘッダ４２において、ハウジング５４ａ，５４ｂ，５４ｃと管板５５ａ，５５ｂ，５５ｃにより区画された第２空間部５６ａ，５６ｂ，５６ｃは、燃料ガスＧｆが排出される燃料ガス排出室である。第２カートリッジヘッダ４２は、下部に燃料ガス排出配管５７が連結されており、第２空間部５６ａ，５６ｂ，５６ｃと燃料ガス排出配管５７が連結配管５８ａ，５８ｂ，５８ｃにより連結されている。すると、第２空間部（燃料ガス排出室）５６ａ，５６ｂ，５６ｃの燃料ガスＧｆを連結配管５８ａ，５８ｂ，５８ｃ及び燃料ガス排出配管５７により外部に排出可能となっている。第２空間部５６ａ，５６ｂ，５６ｃは、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに割り当てられた複数のセルスタック３０における基体管３１の下端部が位置し、ここに開放されている。そのため、複数のセルスタック３０の基体管３１から第２空間部５６ａ，５６ｂ，５６ｃに排出された燃料ガスＧｆは、連結配管５８ａ，５８ｂ，５８ｃから燃料ガス排出配管５７を通して外部に排出される。
【００４３】
カートリッジ１２は、３つのセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを被覆する断熱材（断熱層）６１が配置されている。この断熱材６１は、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの周囲を覆う外周部断熱材６２と、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの上部を覆う上部断熱材６３と、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの下部を覆う下部断熱材６４とから構成されている。この上部断熱材６３は、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと第１カートリッジヘッダ４１との間に位置し、下部断熱材６４は、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと第２カートリッジヘッダ４２との間に位置している。
【００４４】
第２カートリッジヘッダ４２と下部断熱材６４との間にハウジング５４ａ，５４ｂ，５４ｃと管板５５ａ，５５ｂ，５５ｃにより気密性の第３空間部７１と第４空間部７２ａ，７２ｂ，７２ｃが区画されている。第２カートリッジヘッダ４２において、第３空間部７１は、酸化剤ガスＧｏが供給される酸化剤ガス供給室である。第２カートリッジヘッダ４２は、側部に酸化剤ガス供給配管７３が連結されており、この酸化剤ガス供給配管７３により酸化剤ガスＧｏが第３空間部（酸化剤ガス供給室）７１に導入可能となっている。複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに割り当てられた複数のセルスタック３０における基体管３１は、下端部が下部断熱材６４に隙間７４ａ，７４ｂ，７４ｃをもって貫通している。また、第３空間部７１と第４空間部７２ａ，７２ｂ，７２ｃは、複数の開口７５ａ，７５ｂ，７５ｃにより連通されている。そのため、酸化剤ガス供給配管７３から第３空間部７１に導かれた酸化剤ガスＧｏは、複数の開口７５ａ，７５ｂ，７５ｃを通して第４空間部７２ａ，７２ｂ，７２ｃに至り、基体管３１と下部断熱材６４との隙間７４ａ，７４ｂ，７４ｃを通って複数のセルスタック３０の基体管３１の外側に流れ込む。
【００４５】
また、第１カートリッジヘッダ４１と上部断熱材６３との間に管板５１により気密性の第５空間部７６が区画されている。第１カートリッジヘッダ４１において、第５空間部７６は、酸化剤ガスＧｏが排出される酸化剤ガス排出室である。第１カートリッジヘッダ４１は、側部に酸化剤ガス排出配管７７が連結されており、この酸化剤ガス排出配管７７により第５空間部（酸化剤ガス排出室）７６の酸化剤ガスＧｏを外部に排出可能となっている。複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに割り当てられた複数のセルスタック３０における基体管３１は、上端部が上部断熱材６３に隙間７８ａ，７８ｂ，７８ｃをもって貫通している。また、第５空間部７６は、仕切壁７９ａ，７９ｂ，７９ｃにより各セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃごとに区画されると共に、複数の開口８０ａ，８０ｂ，８０ｃにより連通されている。そのため、複数のセルスタック３０の基体管３１から第５空間部７６に排出された酸化剤ガスＧｏは、酸化剤ガス排出配管７７を通して外部に排出される。
【００４６】
第１カートリッジヘッダ４１と第２カートリッジヘッダ４２は、その間に発電室８１が設けられており、この発電室８１は、３つのセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに割り当てられた複数のセルスタック３０の燃料電池セル３２が配置される発電室８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃに分割されている。そのため、この発電室８１（８１Ａ，８１Ｂ，８１Ｃ）は、内部で燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが電気化学的に反応し、発電が行われる。複数の燃料電池セル３２での発電により得られた直流電流は、複数の燃料電池セル３２相互間に設けられているインターコネクタ３３を経てセルスタック３０の端部側へ流れ、このセルスタック３０のリード膜３７に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜３７から集電板（図示略）を介して第１カートリッジ４１の集電棒（図示略）に流れ、第１カートリッジ４１の外部へ取り出される。
【００４７】
なお、セルスタック３０の内部を流れる燃料ガスＧｆとセルスタック３０の外部を流れる酸化剤ガスＧｏとは、このセルスタック３０を介して熱交換する。例えば、発電室８１の上部側において、燃料ガスＧｆは、酸化剤ガスＧｏにより加熱され、酸化剤ガスＧｏは、逆に燃料ガスＧｆにより冷却される。
【００４８】
図４は、整流板を表すカートリッジの要部縦断面図、図５は、図４のＶ−Ｖ断面図、図６は、図４のVI−VI断面図である。
【００４９】
第１実施形態の燃料電池モジュール１０にて、カートリッジ１２は、前述したように、複数のセルスタック３０からなる複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの上部を覆う第１カートリッジヘッダ４１と、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの下部を覆う第２カートリッジヘッダ４２と、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを被覆する断熱材６１とを有している。
【００５０】
そして、カートリッジ１２は、各セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを構成する複数のセルスタック３０に隣接して整流部材１０１が配置されている。各セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、周囲に外周部断熱材６２が配置されており、整流部材１０１は、外周部断熱材６２の内面に配置される第１整流部１０２と、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの間に配置される第２整流部１０３とから構成されている。
【００５１】
整流部材１０１の第１整流部１０２は、図４から図６に示すように、断熱材６１における外周部断熱材６２の内面に配置された断熱材であって、セルスタック群３０Ａ（３０Ｂ，３０Ｃ）の複数のセルスタック３０に隣接し、且つ、所定の隙間を空けて配置されている。そして、この第１整流部１０２は、複数のセルスタック３０に面する対向面がセルスタック３０の長手方向に沿って凹凸形状をなしている。なお、第１整流部１０２は、セルロースファイバやグラスウールなど、ブランケット状の断熱材により形成してもよい。ブランケット状の柔軟な断熱材を適用することで、外部側のセルスタックと第１整流部１０２の断熱材が接触してもセルスタックの損傷を抑制することができる。
【００５２】
即ち、第１整流部１０２は、ほぼ同一厚さの平坦板形状をなす本体部１１１と、この本体部１１１の一方の平面部に複数のセルスタック３０の長手方向に沿って所定間隔を空けて形成された凸部１１２とを有し、各凸部１１２の間に凹部１１３が設けられている。そのため、第１整流部１０２は、複数のセルスタック３０の対向面に複数の凸部１１２と複数の凹部１１３がセルスタック３０の長手方向に沿って交互に設けられることとなる。この凸部１１２と凹部１１３は、本体部１１１の平面部に水平方向に沿って形成されている。
【００５３】
各セルスタック３０は、筒形状をなす基体管３１と、基体管３１の外面に形成される複数の燃料電池セル（発電素子）３２と、隣り合う複数の燃料電池セル３２の間に形成される複数のインターコネクタ３３（図２参照）を有している。第１整流部１０２は、複数の凸部１１２が複数の燃料電池セル３２のうちの所定の燃料電池セル３２に対向して設けられると共に、複数の凹部１１３が複数の燃料電池セル３２のうちの所定の燃料電池セル３２に対向して設けられている。本実施形態では、セルスタック３０は、基体管３２の長手方向に燃料電池セル３２が所定間隔で設けられており、隣接する燃料電池セル３２ごとに凸部１１２と凹部１１３が交互に設けられている。ここで、凹部１１３におけるセルスタック３０の長手方向の長さが、凸部１１２におけるセルスタック３０の長手方向の長さより長く設定されている。
【００５４】
そして、セルスタック３０と整流部材１０１の第１整流部１０２とは、所定の隙間が確保されている。この場合、燃料電池セル３２と凸部１１２の隙間は、燃料電池セル３２と凹部１１３の隙間より小さく設定されている。
【００５５】
そのため、セルスタック３０の内部に燃料ガスＧｆが流れ、外部に酸化剤ガスＧｏが流れる時、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏとが電気化学的に反応して発電が行われる。このとき、酸化剤ガスＧｏは、隣接するセルスタック３０の間やセルスタック３０と外周部断熱材６２との間を上昇する。ところが、セルスタック群３０Ａ（３０Ｂ，３０Ｃ）におけるセルの充填密度は、高温側の中央部が密に、低温側の外部側が粗に配置される。そまため、外部側のセルスタック３０温度に比べて、中央部のセルスタック３０温度は高くなってしまう。
【００５６】
本実施形態では、セルスタック群３０Ａの外部側に配置されているセルスタック３０に対向する外周部断熱材６２に第１整流部１０２が配置されている。そのため、第１整流部１０２と各セルスタック３０との隙間が小さくなり、この隙間を上昇する酸化剤ガスＧｏの流速が上昇し、各セルスタック３０の冷却効率が向上する。また、この第１整流部１０２におけるセルスタック３０の対向面が、セルスタック３０の長手方向に沿って凹凸形状をなしている。そのため、第１整流部１０２と各セルスタック３０との隙間を上昇する酸化剤ガスＧｏは、複数の凹部１１３に案内されてセルスタック群３０Ａの中央部側に導かれる。すると、中央部側を上昇する酸化剤ガスＧｏのガス量が増加する一方、外部側を上昇する酸化剤ガスＧｏのガス量が減少する。その結果、セルスタック群３０Ａの外部側と中央部側でのセルスタック３０の温度差が減少し、複数のセルスタック３０における温度差が抑制され、セルスタック群３０Ａにおける発電効率が均一化される。
【００５７】
なお、セルスタック群３０Ａの外部側に配置されているセルスタック３０に対向して外周部断熱材６２に固定されている第１整流部１０２の形状は、上述したものに限定されるものではない。第１整流部１０２に設けた複数の凸部１１２と複数の凹部１１３を直線部で形成された矩形の凹凸形状としたが、多角形の凹凸形状としたり、複数の半円形状からなる曲線部で形成された凹凸形状としてもよい。
【００５８】
また、第１整流部１０２の凹凸形状を水平方向に沿った平面形状としたが、この形状に限定されるものではない。図７は、第１実施形態の整流板の実施変形形態を表す概略図である。
【００５９】
図７に示すように、外部側に配置されている各セルスタック３０に対向する外周部断熱材６２の平面部をセルスタック３０の配列方向に沿って曲線で形成された凹凸形状とし、この凹凸形状をなす平面部に整流部材（第１整流部）１０５が固定されている。なお、外部側に配置されている各セルスタック３０に対向する外周部断熱材６２の平面部にセルスタック３０の配列方向に沿って曲線で形成された凹凸形状を有する整流部材（第１整流部）を配置してもよい。そのため、セルスタック群３０Ａの外部側に配置されているセルスタック３０と整流部材１０５との隙間が均一化され、整流部材１０５と各セルスタック３０との隙間を上昇する酸化剤ガスＧｏの流れが安定し、各セルスタック３０を効率良く冷却することができる。なお、この場合も、整流部材１０５におけるセルスタック３０の対向面が、セルスタック３０の長手方向に沿って凹凸形状をなしている。
【００６０】
図８は、カートリッジの幅方向における空気流量を表すグラフである。ここで、一点鎖線Ａは、整流部材のない従来の燃料電池モジュール、二点鎖線Ｂは、凹凸部のない整流部材が配置された従来の燃料電池モジュール、実線Ｃは、凹凸部がある整流部材が配置された本実施形態の燃料電池モジュールである。
【００６１】
図８に示すように、一点鎖線Ａで表す整流部材のない従来の燃料電池モジュールは、中央部における空気流量（酸化剤ガス量）に対して端部（外部）側における空気流量（酸化剤ガス量）が多いものとなっている。また、二点鎖線Ｂで表す凹凸部のない整流部材が配置された従来の燃料電池モジュールも、中央部における空気流量（酸化剤ガス量）に対して端部（外部）側における空気流量（酸化剤ガス量）が多いものとなっている。一方、実線Ｃで表す凹凸部がある整流部材が配置された本実施形態の燃料電池モジュールは、従来Ａ，Ｂで生じた端部（外部）側における空気流量（酸化剤ガス量）の低下幅が第１整流部の凹凸による外部側の酸化剤ガスを内部のセルスタック群側に導く効果により減少し、中央部における空気流量と端部（外部）側における空気流量が均一化されている。
【００６２】
このように第１実施形態の燃料電池モジュールにあっては、燃料ガスＧｆと酸化剤ガスＧｏを用いて発電を行う管状をなす複数のセルスタック３０が所定間隔を空けて発電室８１に並設されてなる複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと、複数のセルスタック３０に対して燃料ガスＧｆを供給する燃料ガス供給装置と、複数のセルスタック３０に対して酸化剤ガスＧｏを供給する酸化剤ガス供給装置と、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃに隣接して配置されると共に複数のセルスタック３０に面する対向面がセルスタック３０の長手方向に沿って凹凸形状をなす整流部材１０１とを設けている。
【００６３】
従って、整流部材１０１がセルスタック３０に対向して配置されることで、整流部材１０１とセルスタック３０との隙間が小さくなり、酸化剤ガスＧｏの流速が上昇してセルスタック３０の冷却効率を向上することができる。そして、セルスタック３０に対向する整流部材１０１の対向面がセルスタック３０の長手方向に沿って凹凸形状をなすことで、セルスタック３０と整流部材１０１との間を流れる酸化剤ガスＧｏは、凹部１１３に案内されてセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの中央部側に導かれて高温部への冷却ガス量が増加すると共に、外部側の低温部への冷却ガスガス量が減少する。その結果、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの外部側（低温部）と中央部側（高温部）での温度差が減少し、複数のセルスタック３０における温度差が抑制される。その結果、燃料電池モジュール１０の発電効率が均一化されて出力を安定することができ、信頼性の向上を図ることができる。
【００６４】
第１実施形態の燃料電池モジュールでは、整流部材１０１のセルスタック３０の対向面に、複数の凹部１１３と複数の凸部１１２をセルスタック３０の長手方向に沿って交互に設けている。従って、セルスタック３０と整流部材１０１との間を流れる酸化剤ガスＧｏが凹部１１３と凸部１１２により波状の流れとなり、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの中央部側に酸化剤ガスＧｏを効率的に導くことができる。
【００６５】
第１実施形態の燃料電池モジュールでは、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを取り囲むように断熱剤の外周部断熱材６２が配置され、外周部断熱材６２の内面に第１整流部１０２を設けている。従って、外周部断熱材６２とセルスタック３０との隙間が小さくなり、酸化剤ガスＧｏの流速が上昇してセルスタック３０の冷却効率を向上することができると共に、第１整流部１０２の凹部１１３により酸化剤ガスＧｏがセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃの中央部側に導かれて高温側の冷却ガス量を増加することができる。
【００６６】
［第２実施形態］
図９は、第２実施形態の燃料電池モジュールのカートリッジを表す断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６７】
第２実施形態にて、図９に示すように、複数のセルスタック３０に隣接して整流部材１２１が配置されている。整流部材１２１は、外周部断熱材６２の内面に配置される第１整流部である。整流部材１２１は、外周部断熱材６２の内面に固定された断熱材であって、複数のセルスタック３０に隣接し、且つ、所定の隙間を空けて配置されている。そして、この整流部材１２１は、複数のセルスタック３０に面する対向面がセルスタック３０の長手方向に沿って凹凸形状をなしている。
【００６８】
即ち、整流部材１２１は、ほぼ同一厚さの平坦板形状をなす本体部１２２と、この本体部１２２の一方の平面部に複数のセルスタック３０の長手方向に沿って所定間隔を空けて形成された凸部を構成する緩衝材１２３を有し、各緩衝材１２３の間に凹部１２４が設けられている。そのため、整流部材１２１は、複数のセルスタック３０の対向面に複数の緩衝材（凸部）１２３と複数の凹部１２４がセルスタック３０の長手方向に沿って交互に設けられることとなる。
【００６９】
そして、整流部材１２１は、複数の緩衝材１２３が複数の燃料電池セル３２のうちの所定の燃料電池セル３２に対向して設けられると共に、複数の凹部１２４が複数の燃料電池セル３２のうちの所定の燃料電池セル３２に対向して設けられている。本実施形態では、セルスタック３０は、基体管３１の長手方向に燃料電池セル３２が所定間隔で設けられており、隣接する燃料電池セル３２ごとに緩衝材１２３と凹部１２４が交互に設けられている。そのため、セルスタック３０と整流部材１２１とは、所定の隙間が確保されており、燃料電池セル３２と緩衝材１２３の隙間は、燃料電池セル３２と凹部１２４の隙間より小さく設定されている。
【００７０】
そのため、整流部材１２１と各セルスタック３０との隙間を上昇する酸化剤ガスＧｏは、複数の凹部１２４に案内されてセルスタック群の中央部側に導かれる。すると、中央部側を上昇する酸化剤ガスＧｏのガス量が増加する一方、外部側を上昇する酸化剤ガスＧｏのガス量が減少する。その結果、セルスタック群の外部側と中央部側でのセルスタック３０の温度差が減少し、複数のセルスタック３０における温度差が抑制され、セルスタック群における発電効率が均一化される。
【００７１】
また、セルスタック３０は、高温となることから熱変形（熱膨張）が発生し、各燃料電池セル３２が水平方向に膨張する。この時、燃料電池セル３２に対向して緩衝材１２３が配置されることで、燃料電池セル３２が緩衝材１２３に接触して本体部１２２との接触が防止され、セルスタック３０の損傷が防止される。
【００７２】
このように第２実施形態の燃料電池モジュールにあっては、整流部材１２１として、断熱材からなる本体部１２２と、この本体部１２２の一方の平面部に複数のセルスタック３０の長手方向に沿って所定間隔を空けて形成された凸部を構成する緩衝材１２３を設け、各緩衝材１２３の間に凹部１２４を設けている。
【００７３】
従って、セルスタック３０が熱変形したとき、燃料電池セル３２が緩衝材１２３に接触するため、燃料電池セル３２と本体部１２２との接触を防止してセルスタック３０の損傷を防止し、燃料電池モジュール１０の信頼性を向上することができる。
【００７４】
［第３実施形態］
図１０は、第３実施形態の燃料電池モジュールのカートリッジを表す断面図、図１１は、図１０のXI−XI断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００７５】
第３実施形態にて、図１０及び図１１に示すように、複数のセルスタック３０からなる複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂを構成する複数のセルスタック３０に隣接して整流部材１３１が配置されている。各セルスタック群３０Ａ，３０Ｂは、周囲に外周部断熱材６２が配置されており、整流部材１３１は、外周部断熱材６２の内面に配置される第１整流部１３２と、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂの間に配置される第２整流部１３３とから構成されている。
【００７６】
整流部材１３１の第１整流部１３２は、外周部断熱材６２の内面に配置された断熱材であって、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂの複数のセルスタック３０に隣接し、且つ、所定の隙間を空けて配置されている。そして、この第１整流部１３２は、複数のセルスタック３０に面する対向面がセルスタック３０の長手方向に沿って凹凸形状をなしている。また、整流部材１３１の第２整流部１３３は、セルスタック群３０Ａの外部側の複数のセルスタック３０とセルスタック群３０Ｂの外部側の複数のセルスタック３０とが対向する位置に配置された断熱材であって、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂの複数のセルスタック３０に隣接し、且つ、所定の隙間を空けて配置されている。そして、この第２整流部１３３は、複数のセルスタック３０に面する対向面がセルスタック３０の長手方向に沿って凹凸形状をなしている。
【００７７】
即ち、第２整流部材１３３は、ほぼ同一厚さの平坦板形状をなす本体部１３４と、この本体部１３４の一方と他方の各平面部に複数のセルスタック３０の長手方向に沿って所定間隔を空けて形成された凸部を構成する緩衝材１３５を有し、各緩衝材１３５の間に凹部１３６が設けられている。そのため、第２整流部１３３は、複数のセルスタック３０の対向面に複数の緩衝材（凸部）１３５と複数の凹部１３６がセルスタック３０の長手方向に沿って交互に設けられることとなる。
【００７８】
そして、第２整流部１３３は、複数の緩衝材１３５が複数の燃料電池セル３２のうちの所定の燃料電池セル３２に対向して設けられると共に、複数の凹部１３６が複数の燃料電池セル３２のうちの所定の燃料電池セル３２に対向して設けられている。そのため、セルスタック３０と第２整流部１３３とは、所定の隙間が確保されており、燃料電池セル３２と緩衝材１３５の隙間は、燃料電池セル３２と凹部１３６の隙間より小さく設定されている。
【００７９】
また、第２整流部１３３は、隣接する複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂを連通する開口部１３７が設けられている。この開口部１３７は、第２整流部１３３における複数の凹部１３６における一部の凹部１３６の位置に水平方向に沿って貫通して形成されている。また、開口部１３７は、隣接する複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂの幅方向における中央部に形成されている。
【００８０】
各セルスタック群３０Ａ，３０Ｂが、開口部１３７を介して放射伝熱により熱的に結合される。そのため、隣接するセルスタック群３０Ａ，３０Ｂの間でセルスタック３０の温度差が抑制される。
【００８１】
このように第３実施形態の燃料電池モジュールにあっては、整流部材１３１として、複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂの間に配置される第２整流部１３３を設けている。
【００８２】
従って、隣接するセルスタック群３０Ａ，３０Ｂの外部側に配置される各セルスタック３０の隙間が小さくなり、酸化剤ガスＧｏの流速が上昇してセルスタック３０の冷却効率を向上することができると共に、第２整流部１３３の凹部１３６により酸化剤ガスＧｏがセルスタック群３０Ａ，３０Ｂの中央部側に導かれて高温側の冷却ガス量を増加することができる。
【００８３】
第３実施形態の燃料電池モジュールでは、第２整流部１３３に隣接する複数のセルスタック群３０Ａ，３０Ｂを連通する開口部１３７を設けている。従って、隣接するセルスタック群３０Ａ，３０Ｂ側が開口部１３７を介して放射伝熱により熱的に結合され、隣接するセルスタック群３０Ａ，３０Ｂとの間でセルスタック３０の温度差を抑制し、発電効率を均一化することができる。
【００８４】
なお、本実施形態にて、第２整流部１３３に形成する開口部１３７の位置は、上述したものに限定されるものではなく、セルスタック３０の長手方向の上部、中間部、下部のいずれに設けてもよく、所定間隔をあけて複数設けてもよい。第２整流部１３３に形成する開口部１３７の位置は、セルスタック群３０Ａ，３０Ｂにおける幅方向の中間位置にひとつだけでなく中間領域に複数設けたり、端部側に設けたりしてもよい。
【００８５】
また、上述した実施形態では、整流部材１０１は、複数の凸部１１２を複数の燃料電池セル３２のうちの所定の燃料電池セル３２に対向して設け、複数の凹部１１３を複数の燃料電池セル３２のうちの所定の燃料電池セル３２に対向して設けたが、凸部１１２と凹部１１３を基体管３１に対向して設けてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１０  燃料電池モジュール
１１  圧力容器
１２  カートリッジ
１３  配管
２１  燃料ガス供給源（燃料ガス供給装置）
２４  酸化剤ガス供給源（酸化剤ガス供給装置）
３０  セルスタック
３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ  セルスタック群
３１  基体管
３２  燃料電池セル（発電素子）
３３  インターコネクタ
３４  燃料極
３５  固体電解質
３６  空気極
３７  リード膜
４１  第１カートリッジヘッダ
４２  第２カートリッジヘッダ
６１  断熱材（断熱層）
６２  外周部断熱材
６３  上部断熱材
６４  下部断熱材
８１  発電室
１０１，１０５，１２１，１３１  整流部材
１０２，１３２  第１整流部
１０３，１３３  第２整流部
１１１，１２２，１３４  本体部
１１２  凸部
１１３，１２４，１３６  凹部
１２３，１３５  緩衝材（凸部）
１３７  開口部
Ｇｆ  燃料ガス
Ｇｏ  酸化剤ガス
【図１】
2017126466.tif 000003
【図２】
2017126466.tif 000004
【図３】
2017126466.tif 000005
【図４】
2017126466.tif 000006
【図５】
2017126466.tif 000007
【図６】
2017126466.tif 000008
【図７】
2017126466.tif 000009
【図８】
2017126466.tif 000010
【図９】
2017126466.tif 000011
【図１０】
2017126466.tif 000012
【図１１】
2017126466.tif 000013