(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部管板と、
下部管板と、
前記上部管板の上方に形成された燃料供給室と、
前記上部管板と前記下部管板との間に形成された燃料排出室と、
前記下部管板の下方に形成された発電室と、
上端部が前記下部管板に支持され、下端部が前記発電室に位置すると共に、前記上端部に、前記燃料排出室に位置する開口部を備える有底円筒状のセルチューブと、
上端部が前記上部管板に支持され、前記セルチューブに挿通されると共に、該上端部が前記燃料供給室に開口し、下端部が前記セルチューブの内部に開口する燃料注入管と、
該燃料注入管に沿って前記セルチューブの開口部の近傍から前記燃料排出室における前記上部管板の近傍まで延在して設けられ、前記燃料排出室と前記セルチューブの内部との間のガスの流路を狭める流れ抑制部と
を有することを特徴とする固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記流れ抑制部は、前記燃料注入管の外周面との間に隙間を形成するスリーブ形状を有することを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記流れ抑制部は、前記上部管板側の端部に比べて前記セルチューブ側の方が内径が小さく形成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記流れ抑制部は、
前記上部管板側の端部から前記セルチューブ側に向けて漸次内径が狭くなるようにすり鉢状に形成された上部領域と、
前記上部領域に隣接し均一な内径を有すると共に、前記流れ抑制部の内部と外部とを連通する細孔を備える下部領域と
を有することを特徴とすることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記流れ抑制部は、前記燃料注入管の外周面に備えられた綿状繊維を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項６】
第１管板と、
第２管板と、
前記第１管板の一方の面側に形成された燃料供給室と、
前記第２管板の一方の面側に形成された燃料排出室と、
前記第１管板の他方の面側と前記第２の他方の面側との間に形成された発電室と、
一方の端部が前記第１管板に支持され、他方の端部が前記第２管板に支持されると共に、前記一方の端部に前記燃料供給室に位置する燃料供給室側開口部を備え、前記他方の端部に前記燃料排出室に位置する燃料排出室側開口部を備えるセルチューブと、
前記セルチューブの前記燃料供給室開口部の近傍から前記燃料供給室の前記第１管板とは反対側の壁部の近傍まで延材して設けられ、前記燃料供給室と前記セルチューブの内部との間のガスの流路を狭める燃料供給室側流れ抑制部と、
前記セルチューブの前記燃料排出室開口部の近傍から前記燃料排出室の前記第２管板とは反対側の壁部の近傍まで延在して設けられ、前記燃料排出室と前記セルチューブの内部との間のガスの流路を狭める燃料排出室側流れ抑制部と
を有することを特徴とする固体電解質型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、固体電解質型燃料電池モジュールに関し、特に、燃料排出室から発電室側へ燃料が逆流するおそれのない円筒型固体電解質型燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、円筒型固体電解質型燃料電池モジュールについては、特開平７−２７２７４１号公報、特開平９−１２９２５６号公報および特開平１０−１２２５８号公報に開示された技術が知られている。
【０００３】
図１１を参照して、従来の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールの概略構造を説明する。
【０００４】
図１１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、金属製の上部管板２０および金属製の下部管板２１が配設され、下部管板２１の下方には、発電室１１が形成されている。発電室１１の断熱用に断熱ボード３４が設けられている。
【０００５】
モジュール本体１内の天板２と上部管板２０との間には、燃料供給室１３が形成され、上部管板２０と下部管板２１の間には、燃料排出室１４が形成されている。
【０００６】
天板２には、燃料供給室１３とモジュール本体１の外部とを連通する燃料供給管７がモジュール本体１を貫通して連結されている。燃料供給管７から燃料供給室１３には、燃料ガス２３が導入される。燃料供給管７の内側には、燃料排出室１４とモジュール本体１の外部とを連通するように上部管板２０を貫通する残燃料排出管８が配設されている。残燃料排出管８からモジュール本体１の外部には、残燃料ガス２２が排出される。
【０００７】
燃料ガスが水素（Ｈ２）ガス以外の場合には、モジュール本体１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。すなわち、燃料としての天然ガスと水蒸気は、図示せぬプレリフォーマに供給されて、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）とに改質（内部改質）され、ここで改質された改質ガスが燃料ガスとして燃料供給室１３に供給される。
【０００８】
下部管板２１には、複数のセルチューブ１２が、それらの上端を燃料排出室１４内に位置させると共に下方寄りを発電室１１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１２の外周部には、単電池膜（図示せず）が成膜されている。セルチューブ１２の内側には、当該セルチューブ１２の内部下方側と燃料供給室１３内とを連通させるように下部管板２１を貫通する燃料注入管１６が配設されている。後述するように、燃料注入管１６は、金属製の上部管板２０に支持され、セルチューブ１２は、金属製の下部管板２１に支持されている。
【０００９】
セルチューブ１２の単電池膜は、多孔質の基体管の上に燃料極、電解質、空気極の順に形成され、円筒管である基体管の中を燃料ガス２３が流れ、基体管の外側を空気２４が流れる。この円筒型固体電解質燃料電池では、発生した電流をインターコネクタを介してセルチューブ１２上の隣接する単電池に流し、最終的には集電部材５または集電キャップ（後述する）を介して集電される。
【００１０】
燃料注入管１６の内側には、その上端を燃料供給室１３に位置させると共にその下端をセルチューブ１２の下端近傍に位置させた集電棒１０が配設されている。集電棒１０の下端は、上記単電池膜と電気的に接続すると共にセルチューブ１２の下端に取付けられた集電部材５に連結している。集電棒１０の上端は、ニッケル製の集電部材５および導電棒４を介してモジュール本体１の外部と電気的に接続されている。
【００１１】
セルチューブ１２の上端には、上記単電池膜と電気的に接続する集電コネクタ５７が取り付けられており、当該セルチューブ１２は、他のセルチューブ１２と集電コネクタ５７を介して並列に接続されている。また、セルチューブ１２の上端および下端の装着向きが適宜設定されることにより複数のセルチューブ１２は、互いに直列接続されている。
【００１２】
モジュール本体１の発電室１１の下部には、多孔質のセラミックス製の仕切板３が設けられている。仕切板３の下方には、仕切板３を介して発電室１１と連通する空気予熱（用熱交換）器１７が設けられている。
【００１３】
空気予熱（用熱交換）器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が接続されている。また、モジュール本体１の発電室１１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、中間部分が空気予熱室１７の内部を通過するように配設され、熱交換に供されている。
【００１４】
次に、上記構造の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの作用を説明する。
【００１５】
発電室１１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２３を供給すると共に、空気供給管１８から酸化剤である空気２４を供給する。
燃料供給管７を介して供給された燃料ガス２３は、燃料供給室１３から燃料注入管１６を介してセルチューブ１２の下端側まで流入する。
一方、空気予熱室１７を介して仕切板３を通過した空気２４が発電室１１内に流入する。
【００１６】
燃料ガス２３がセルチューブ１２の多孔質性の基体管を透過して単電池膜に供給され、空気（酸素）２４が単電池膜に接触すると、該単電池膜では水素（燃料ガス２３）と空気（酸素）２４とが電気化学的に反応して電力が発生する。その電力は、集電部材５、集電コネクタ５７、導電棒４を介してモジュール本体１の外部に取り出される。
【００１７】
燃料ガス２３がセルチューブ１２に供給されて発電に使用された後の残燃料ガス２２は、燃料排出室１４に集められて、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２５は、空気排出管１９を介して外部に排出される。
【００１８】
図１２に示されるように、複数のセルチューブ１２に均一に燃料ガス２３が供給されるように、燃料ガス２３が整流された後に複数のセルチューブ１２に分配される。符号３２は整流ヘッダ、３３は分配ヘッダをそれぞれ示している。燃料ガス２３は、燃料供給管７から導入され、整流ヘッダ３２によって整流された後に、分配ヘッダ３３によって分配されて、燃料供給室１３に供給される。なお、図１２において、図１１と同じ構成要素については同じ符号を付しその説明を省略する。
【００１９】
上記の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールでは、燃料供給室１３および燃料排出室１４が、発電室１１よりも差圧Δｐ≒＋５０〜＋１００ｍｍＡｑ（水柱）だけ高くなるようにコントロールされて運転されている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
このとき、組み込まれた多数のセルチューブ１２のうち、何らかの理由により１本でも損傷（破損）すると、図１２中Ａ部に示されるように、燃料排出室１４内の残燃料ガス２２が上記差圧の分だけ、発電室１１に逆流してリークしてしまう。そのリーク量が過大となることから、運転困難な状況となる。
【００２１】
また、固体電解質型燃料電池の発電システムでは、燃料電池の作動温度が約９００〜１０００℃と高いことから、熱膨張が問題となる。
【００２２】
上部管板２０と下部管板２１とで同一の材料が用いられた場合であっても、発電室１１内が約９００℃であるのに対し、燃料供給室１３内は約７００℃であることから、上部管板２０と下部管板２１とに熱伸び差が生じ、その結果、上部管板２０が支持する燃料注入管１６と下部管板２１が支持するセルチューブ１２の軸がずれることが考えられる。
【００２３】
このように、燃料注入管１６とセルチューブ１２とが偏芯していると、そのセルチューブ１２の内部の燃料注入管１６の外側に形成される燃料ガス２３の流路（隙間）が均一ではなくなる。その結果、隙間の狭い箇所では圧力損失が高くなり、そのセルチューブ１２に形成された複数の単電池膜に対して均一に燃料ガス２３を供給することができず、発電効率が低下する。
【００２４】
また、上部管板２０、下部管板２１は、それぞれ、燃料注入管１６、セルチューブ１２という重量物を支持していることから、熱膨張したときに撓むことが考えられる。
【００２５】
ここで、セルチューブ１２、燃料注入管１６が下部管板２１、上部管板２０に機械的に拘束された状態で支持されているとすると、上記のように熱伸び（差）や撓みが生じたときに、セルチューブ１２または燃料注入管１６が損傷するおそれがある。その結果、ガスが逆流することが考えられる。
【００２６】
本発明の目的は、気体収容室から発電室側へ気体が流れるおそれのない固体電解質型燃料電池モジュールを提供することである。
本発明の他の目的は、燃料排出室から発電室側へ燃料ガスが逆流するおそれのない固体電解質型燃料電池モジュールを提供することである。
本発明の更に他の目的は、セルチューブ、燃料注入管を機械的に拘束された状態で支持することなく、セルチューブ、燃料注入管の損傷を未然に防いで、燃料排出室から発電室側へ燃料ガスが逆流するおそれのない固体電解質型燃料電池モジュールを提供することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中の請求項対応の技術的事項には、括弧（）つき、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応の技術的事項と実施の複数・形態のうちの少なくとも一つの形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にしているが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定されることを示されるためのものではない。
【００２８】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールは、モジュール本体（１）と、前記モジュール本体（１）の内部に設けられ、燃料電池セル（１２ａ）が形成されたセルチューブ（１２）と、前記モジュール本体（１）の内部に設けられ、前記燃料電池セル（１２ａ）が配置される発電室（１１）と、前記モジュール本体（１）の内部に前記セルチューブ（１２）の開口部と連通するように設けられ、前記発電室（１１）よりも高い圧力に設定され、気体（２２）が収容される気体収容室（１４）と、前記セルチューブ（１２）が破損したときに前記気体収容室（１４）の前記気体（２２）が前記セルチューブ（１２）の内部および該破損部を介して前記発電室（１１）に流れることを抑制する流れ抑制部（６１）とを備えている。
ここで、前記気体排出室は、図６に示される第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３ｂ、および燃料排出室２１４のいずれかであることができる。また、前記気体排出室は、図９または図１０に示される燃料供給室１３および燃料排出室１４のいずれかであることができる。
【００２９】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールは、モジュール本体（１）と、前記モジュール本体（１）の内部に設けられ、燃料電池セル（１２ａ）が形成されたセルチューブ（１２）と、前記モジュール本体（１）の内部に設けられ、前記燃料電池セル（１２ａ）による燃料電池反応の後に残った気体（２２）が前記セルチューブ（１２）の内部から前記モジュール本体（１）の外部に排出される前に前記気体（２２）が導入される気体収容室（１４）と、前記気体収容室（１４）の前記気体（２２）が前記セルチューブ（１２）の内部に逆流することを抑制する流れ抑制部（６１）とを備えている。
【００３０】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、前記気体収容室（１４）の前記気体（２２）が前記セルチューブ（１２）の内部に流れようとするときの圧力損失が大きくなるように構成されている。
【００３１】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、燃料注入管（１６）との間に確保されたクリアランスを維持するように設けられている。このクリアランスは、圧損を確保するためのものである。
【００３２】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、前記セルチューブ（１２）の開口部の近傍から前記気体収容室（１４）の内部の上壁部の近傍まで延在するように設けられ、その内部が前記気体（２２）の流路となる薄肉管（６１）である。
【００３３】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記薄肉管（６１）の材質および厚さは、前記燃料電池セル（１２ａ）による燃料電池反応時の上部管板（２０）、下部管板（２１）の熱変形に対して前記薄肉管（６１）が追従した変形が可能なように構成されている。
【００３４】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、前記セルチューブ（１２）の開口部の近傍から前記気体収容室（１４）の内部の上壁部の近傍まで延在するように設けられ、その内部が前記気体（２２）の流路となる絶縁繊維（７５）である。絶縁繊維（７５）は、フィルタの機能を有する。
【００３５】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記流れ抑制部（６１）は、前記モジュール本体（１）および前記セルチューブ（１２）に対して移動可能に設けられ、その内部が前記気体（２２）の流路となる管（８３）である。
【００３６】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールの一実施形態として、円筒型固体電解質燃料電池モジュールについて説明する。
【００３７】
図１を参照して、第１実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールについて説明する。
【００３８】
まず、本実施形態を説明する前に、図１３を参照して、図１２に示した従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの符号Ｄで示される範囲の構成について説明する。図１３において、図１１および図１２と同じ構成要素については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００３９】
図１３に示されるように、上部管板２０には、燃料注入管１６を挿通させるための孔４０が形成されている。孔４０は、大径部４１と小径部４２とを有している。燃料注入管１６の上部外周部にはフランジ部１６ｆが設けられている。フランジ部１６ｆの直径は、大径部４１よりも小さく小径部４２よりも大きい。フランジ部１６ｆは、孔４０の内面において大径部４１と小径部４２の間に形成された支持台部４３に引掛けられて支持される。
【００４０】
フランジ部１６ｆの外周部と大径部４１との間および燃料注入管１６の外周部と小径部４２の間のそれぞれには、クリアランスｄ１、ｄ２が設けられ、燃料注入管１６が孔４０内で機械的に拘束されない構造とされている。フランジ部１６ｆの上部であって、大径部４１の内部には、上部押えリング４４が配設される。上部押えリング４４の外径部は、大径部４１と互いに螺合している。フランジ部１６ｆは、上部押えリング４４によって支持台部４３に押し付けられて支持される。上部押えリング４４の内径と燃料注入管１６の外周部との間には、クリアランスｄ３が設けられ、燃料注入管１６が孔４０内で機械的に拘束されない構造とされている。
【００４１】
下部管板２１において、孔４０の真下に相当する位置には、孔５０が形成されている。孔５０には、セルチューブ１２が挿通される。そのセルチューブ１２の内部には、燃料注入管１６が収容され、二重管構造とされている。
【００４２】
孔５０は、大径部５１と小径部５２とを有している。小径部５２は、セルチューブ１２の外周部よりも大径に形成されている。孔５０の内面において大径部５１と小径部５２の間には、支持台部５３が形成されている。支持台部５３には、孔５０とセルチューブ１２の外周部との間をシールするためのシールリング５４が設けられている。
【００４３】
小径部５２とシールリング５４との間には、クリアランスｄ４が設けられ、セルチューブ１２が孔５０内で機械的に拘束されない構造とされている。シールリング５４の上部であって、大径部５１の内部には、下部押えリング５５が配設される。下部押えリング５５の外径部は、大径部５１と互いに螺合している。シールリング５４は、下部押えリング５５によって支持台部５３に押し付けられて支持される。下部押えリング５５の内径部とセルチューブ１２の外周部との間には、クリアランスｄ５が設けられ、セルチューブ１２が孔５０内で機械的に拘束されない構造とされている。
【００４４】
セルチューブ１２の上端部には、導電性の集電キャップ５６が載せられている。集電キャップ５６の上には、複数のセルチューブ１２を互いに並列接続するための集電コネクタ５７が電気的に接続されている。集電キャップ５６の上方外周部には、ねじ部が刻設されている。集電コネクタ押えリング５８は、集電キャップ５６との間に集電コネクタ５７を挟んだ状態で、集電キャップ５６のねじ部にねじ止めされている。
【００４５】
本発明者は、図１２および図１３に示されるように、セルチューブ１２が破損した場合に、燃料排出室１４からのガスの逆流が起きるのは、集電キャップ５６の部分における圧力損失が少ないからであるという知見を得るに至った。そこで、本発明者は、燃料排出室１４とセルチューブ１２の内部との間に、逆止弁と同様の作用を有する構造にして逆流を防止することを考えた。ここでは上記のように、反応温度が約９００℃程度の高温であることから、上部管板２０、下部管板２１の熱伸び差、撓みを考慮してセルチューブ１２および燃料注入管１６を機械的に拘束することなく、上記逆止弁の作用を得ることが求められる。
【００４６】
次に、図１を参照して、第１実施形態の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールについて説明する。図１３と同じ構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００４７】
第１実施形態では、セルチューブ１２の上方に燃料注入管１６に沿う逆止スリーブ６１が設けられている。逆止スリーブ６１は、燃料注入管１６の外周部との間の隙間（燃料排出室１４内のガスがセルチューブ１２内に逆流するときの流路）が狭くなるように形成される。
【００４８】
ガス逆流時に入口となる逆止スリーブ６１の上端部に比べて、逆止スリーブ６１の出口側（上端部位置よりも下側）は、逆止スリーブ６１の内径が小さく形成されている。逆止スリーブ６１内をガスが逆流し難くするためである。同様の理由から、逆止スリーブ６１は、長尺に形成されている。上部管板２０の下面と集電コネクタ５７の上面との間が例えば３５ｍｍであるとすると、逆止スリーブ６１は、集電コネクタ５７の上面から３０ｍｍの高さまで延在している。逆止スリーブ６１の下端部は、ラッパ状に拡径され、その先端部は概ね水平方向に向いている。
【００４９】
図１３に示した集電キャップ５６に代えて、集電キャップ６２が用いられる。集電キャップ６２は、セルチューブ１２の上端部と電気的に接触している。集電キャップ６２は、セルチューブ１２の外周部よりも若干大径に形成されている。
【００５０】
集電キャップ６２は、セルチューブ１２の内径と概ね同じに形成された最小径部６５と、最小径部６５よりも大径に形成された小径部６６と、小径部６６よりも大径に形成された大径部６７とを有している。最小径部６５と小径部６６との間の段部には、支持リング７１が配設されている。支持リング７１は、上記段部に固定されていることができる。または、支持リング７１は、上記段部に非固定状態（載置されているだけ）であることができる。
【００５１】
支持リング７１の上面には、逆止スリーブ６１の拡径された最下端部が支持されている（図１中符号Ｂ参照）。逆止スリーブ６１の拡径された最下端部は、支持リング７１の上面にスポット溶接されて固定されていることができる。または、逆止スリーブ６１の拡径された最下端部は、支持リング７１の上面にスポット溶接されることなく、非固定状態（載置されているだけ）であることができる。
【００５２】
支持リング７１の上面に支持された逆止スリーブ６１の拡径された最下端部の上には、押えリング７２が配設されることができる。押えリング７２が自重により逆止スリーブ６１を支持リング７１の上面に対して押すことで逆止スリーブ６１を固定する。または、逆止スリーブ６１の拡径された最下端部は、押えリング７２の下面にスポット溶接されることができる。これに代えて、押えリング７２が設けられることなく、逆止スリーブ６１が支持リング７１のみで支持されることができる。押えリング７２と大径部６７との間にはクリアランスが設けられている。
【００５３】
集電キャップ６２の上には、集電コネクタ５７が電気的に接続されている。集電キャップ６２の上部外周部には、ねじ部が刻設されている。集電コネクタ押えリング５８は、集電キャップ６２との間に集電コネクタ５７を挟んだ状態で、集電キャップ６２のねじ部にねじ止めされている。
【００５４】
逆止スリーブ６１は、ニッケルまたはインコネルのような耐熱、高温強度に優れた材料で薄肉管として形成される。薄肉に形成するのは、運転時の高温下（６５０〜８００℃、上部管板２０が６５０〜７５０℃、下部管板２１が７００〜８００℃）で逆止スリーブ６１が軟らかくなり変形し易くさせることで、セルチューブ１２を機械的に拘束しないようにするためである。
支持リング７１および押えリング７２もまた、ニッケルまたはインコネルのような耐熱、高温強度に優れた材料で形成される。
【００５５】
次に、図２を参照して、第１実施形態の効果を説明する。
【００５６】
図１１から図１３に示される従来の構造では、１本のセルチューブ１２が損傷（折損）した場合、損傷が無いときに本来燃料排出室１４を介して残燃料排出管８から排出されるべき残燃料ガス２２の４０〜４５％がリークし、２本のセルチューブ１２が損傷した場合には、その本来の残燃料ガス２２の８０〜９０％がリークする。これに対し、第１実施形態によれば、１本のセルチューブ１２が損傷した場合のリーク量は本来の残燃料ガス２２の１／（組み込まれたセルチューブ１２の総数）に抑えられ、２本のセルチューブ１２が損傷した場合のリーク量は、本来の残燃料ガス２２の２／（組み込まれたセルチューブ１２の総数）に抑えられる。この第１実施形態において、組み込まれたセルチューブ１２の総数が１００本であるとすると、１本のセルチューブ１２が損傷した場合のリーク量は本来の残燃料ガス２２の１％に抑えられ、２本のセルチューブ１２が損傷した場合のリーク量は本来の残燃料ガス２２の２％に抑えられる。
【００５７】
次に、図３を参照して、第２実施形態の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールについて説明する。図１３、図１と同じ構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００５８】
第２実施形態では、セルチューブ１２の上方に燃料注入管１６の周囲を覆うように、わた状繊維７５が設けられている。わた状繊維７５は、高密度繊維であり、その内部に形成される、燃料排出室１４内のガスがセルチューブ１２内に逆流するときの流路に障害を設け、流路が狭くなるように形成される。
【００５９】
フィルタ状に設けられるわた状繊維７５は、わた状繊維７５内を残燃料ガス２２がセルチューブ１２内に向けて逆流しようとしたときの圧力損失が大きく逆流が抑制されるように構成される。わた状繊維７５は、燃料排出室１４内において所定の高さまで延在するように設けられる。上部管板２０の下面と集電コネクタ５７の上面との間が例えば３５ｍｍであるとすると、わた状繊維７５は、集電コネクタ５７の上面から３０ｍｍの高さまで延在している。
【００６０】
図１３に示した集電キャップ５６に代えて、集電キャップ７６が用いられる。集電キャップ７６は、セルチューブ１２の上端部と電気的に接触している。集電キャップ７６は、セルチューブ１２の外周部よりも若干大径に形成されている。
【００６１】
集電キャップ７６は、セルチューブ１２の内径と概ね同じに形成された小径部７８と、小径部７８よりも大径に形成された大径部７９とを有している。小径部７８と大径部７９との間の段部には、逆止スリーブ８０が配設されている。逆止スリーブ８０は、アルミナ、ニッケルまたはＳＵＳ等により製造されている。逆止スリーブ８０は概ね円筒状に形成され、その下端部には、内側に張り出したフランジ部８１が形成されている。そのフランジ部８１が、上記段部に載せられている。逆止スリーブ８０は、上記段部に固定されていることができる。または、逆止スリーブ８０は、上記段部に非固定状態（載置されているだけ）であることができる。
【００６２】
逆止スリーブ８０の内部にわた状繊維７５が充填されている。燃料注入管１６の周囲に設けられたわた状繊維７５は、逆止スリーブ８０により支持されている。ここで、わた状繊維７５は、燃料注入管１６の表面に接着され、逆止スリーブ８０には接着されていない状態であることができる。または、わた状繊維７５は、逆止スリーブ８０の内面に接着され、燃料注入管１６の表面には接着されていない状態であることができる。いずれの場合であっても、燃料注入管１６は、わた状繊維７５を介して装着されているため、燃料注入管１６は、機械的に拘束された状態で支持されているわけではない。逆止スリーブ８０の大径部７９と集電キャップ７６との間には、クリアランスが設けられている。
【００６３】
第２実施形態においても、図２に示す上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
次に、図４を参照して、第３実施形態の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールについて説明する。図１、図３、図１３と同じ構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６５】
第３実施形態では、セルチューブ１２の上方に燃料注入管１６の周囲を覆うように、逆止スリーブ８３が設けられている。逆止スリーブ８３は、燃料注入管１６の外周部との間の隙間（燃料排出室１４内のガスがセルチューブ１２内に逆流するときの流路）が狭くなるように形成される。逆止スリーブ８３は、アルミナ、ニッケルまたはＳＵＳ等により製造されている。
【００６６】
ガス逆流時に入口となる逆止スリーブ８３の上部は、その上端部から下方に向けて漸次その内径が狭くなるようにすり鉢状に形成されている。逆止スリーブ８３の内径は、その高さ方向途中位置から下端部まで均一に形成されている。その内径が均一に形成された部分の上部には、逆止スリーブ８３の内部と外部とを連通させ水平方向に延びる細孔８４が逆止スリーブ８３の周方向等間隔に形成されている。
【００６７】
逆止スリーブ８３の下端部には、外側に張り出したフランジ部８５が形成されている。フランジ部８５は、集電コネクタ押えリング５８の上面に直接載せられている。図４中に符号Ｃで示される部分において、フランジ部８５の下面と、集電コネクタ押えリング５８の上面および集電キャップ８６の上面とは、面接触しており、これによりセルチューブ１２の内部と外部とがシールされている（面タッチシール）。フランジ部８５は、集電コネクタ押えリング５８に固定されておらず、集電コネクタ押えリング５８に対して移動自在である。したがって、燃料注入管１６が逆止スリーブ８３によって機械的に拘束された状態で支持されていることはない。
【００６８】
図３に示した集電キャップ７６に代えて、集電キャップ８６が用いられる。集電キャップ８６は、セルチューブ１２の上端部と電気的に接触している。集電キャップ８６は、セルチューブ１２の外周部よりも若干大径に形成されている。
【００６９】
集電キャップ８６において集電コネクタ５７よりも上に位置する上部は、図３に示した集電キャップ７６に比べて、短く形成されている。集電キャップ８６の上部外周部に刻設されたねじ部に集電コネクタ押えリング５８がねじ止めされている。互いにねじ止めされたときに、集電コネクタ押えリング５８の上面と集電キャップ８６の上面は概ね同一平面上に位置する。その平面（集電コネクタ押えリング５８の上面および集電キャップ８６の上面）の上に、逆止スリーブ８３のフランジ部８５が載せられている。フランジ部８５は、逆止スリーブ８３の内部と燃料注入管１６の外周部の間の僅かな上記隙間を除いて、セルチューブ１２の内部を概ね栓するように形成されている。
【００７０】
第３実施形態においても、図２に示した上記第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７１】
次に、図５から図１０を参照して、上記第１から第３実施形態の円筒型固体電解質型燃料電池モジュールの適用形態について説明する。
【００７２】
図５は、図１、図３および図４を参照して説明した第１から第３実施形態の設置形態を模式的に示したものである。
【００７３】
既に説明したように、発電室１１に設置されたセルチューブ１２は下部管板２１に支持され、セルチューブ１２の上端は燃料排出室１４に開口している。燃料排出室１４には、残燃料ガス２２を外部に排出するための残燃料排出管８が設けられている。セルチューブ１２内に収容される燃料注入管１６は、上部管板２０に支持され、燃料注入管１６の上端は燃料供給室１３に開口し、燃料供給管７からの燃料ガス２３が供給される。図５において、符号１２ａは、セルチューブ１２の外周部に設けられた上記単電池膜である。
【００７４】
また、符号１００は、図１に示した逆止スリーブ６１、支持リング７１および押えリング７２などを含む逆流防止構造、図３に示したわた状繊維７５および逆止スリーブ８０などを含む逆流防止構造、図４に示した逆止スリーブ８３などを含む逆流防止構造の総称（いずれの逆流防止構造であってもよい）である。図５は、図１、図３および図４の構造と同じく、燃料供給室１３の下に燃料排出室１４が設けられている。また、その上部に開口部を有するセルチューブ１２が下部管板２１に吊り下げられている。
【００７５】
図６は、図５と異なる設置形態を示したものである。図６において、図５または図１と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００７６】
図６に示されるように、セルチューブ１２０は、２本のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂから構成されている。１本のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂは、Ｕ字管である。モジュール本体２００において、天板２０１の上には、燃料供給管７に連通される燃料供給路２０５と、残燃料排出管８に連通される残燃料排出路２０６とが設けられている。
【００７７】
天板２０１と下部管板２０２との間には、第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３ｂ、および燃料排出室２１４が設けられている。セルチューブ１２０を構成する第１および第２のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂのうち、第１のセルチューブ構成体１２１ａの入口側と出口側との間に設けられた第１仕切板２２１により第１の燃料供給室２１３ａが形成される。第２のセルチューブ構成体１２１ｂの入口側と出口側との間に設けられた第２仕切板２２２により燃料排出室２１４が形成される。第１仕切板２２１と第２仕切板２２２の間に、第２の燃料供給室２１３ｂが形成される。
【００７８】
第１および第２のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂは、下部管板２０２に支持されている。図６の構造では、図５と異なり、燃料注入管１６および上部管板２０は用いられていない。
【００７９】
燃料供給管７から供給された燃料ガス２３は、燃料供給路２０５を介して第１の燃料供給室２１３ａに導入され、第１のセルチューブ構成体１２１ａの入口側から第１のセルチューブ構成体１２１ａの内部に供給され、第１のセルチューブ構成体１２１ａに設けられた単電池膜による発電に供される。その発電に供された燃料ガス２３は、第１のセルチューブ構成体１２１ａの出口側から第２の燃料供給室２１３ｂを介して第２のセルチューブ構成体１２１ｂの入口側から第２のセルチューブ構成体１２１ｂの内部に供給される。第２のセルチューブ構成体１２１ｂの内部で発電に供された後の残燃料ガス２２は、燃料排出室２１４を介して残燃料排出路２０６を経て残燃料排出管８から排出される。
【００８０】
下部管板２０２に対して第１および第２のセルチューブ構成体１２１ａ、１２１ｂが支持されている支持部には、逆流防止構造１００が設けられている。第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３ｂ、および燃料排出室２１４は、発電室１１よりも差圧Δｐ≒＋５０〜＋１００ｍｍＡｑだけ高くなっているため、セルチューブ１２１ａ、１２１ｂが損傷したときには、第１の燃料供給室２１３ａ、第２の燃料供給室２１３ｂ、および燃料排出室２１４のそれぞれから燃料ガス２３または残燃料ガス２２が発電室１１に流れるおそれがあるからである。
【００８１】
図７は、図５および図６と異なり、倒立型の設置形態を示したものである。図７において、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００８２】
第１管板１０２の上方に設けられた発電室１１にセルチューブ１２が設置され、セルチューブ１２は、第１管板１０２に支持されている。セルチューブ１２の下部に位置するセルチューブ１２の開口部は、第１管板１０２と第２管板１０３との間に設けられた燃料排出室１４に臨み、その燃料排出室１４とセルチューブ１２の内部との間に、逆流防止構造１００が設けられている。燃料排出室１４には、残燃料ガス２２を外部に排出するための残燃料排出管８が下方に延在している。
【００８３】
第２管板１０３と第３管板１０４との間には、燃料供給室１３が設けられている。燃料供給室１３の下部には、燃料供給室１３に燃料ガス２３を導入するための燃料供給管７が設けられている。セルチューブ１２の内部に収容される燃料注入管１６は、第２管板１０３に支持されている。燃料注入管１６の下部に設けられた燃料注入管１６の開口部は、燃料供給室１３に臨んでおり、燃料供給管７から燃料供給室１３に供給された燃料ガス２３が燃料注入管１６内に導入される。
【００８４】
図８は、図５および図６と異なり、ボトムサポート型の設置形態を示したものである。図８において、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００８５】
図８の構造において、図５および図６の構造との違いは、セルチューブ１２の下部が管板または上記仕切板３に直接的に支持（ボトムサポート）されている点である。セルチューブ１２は、下部管板２１に対して機械的に拘束されないようにルーズにシールされている。図８に示されるように、逆流防止構造１００は、燃料排出室１４とセルチューブ１２の内部との間に設けられている。
【００８６】
図９は、図５および図６と異なり、吊下げ分割ヘッダ型の設置形態を示したものである。図９において、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００８７】
第１管板１０５の上方に燃料供給室１３が設けられ、燃料供給室１３の上部に燃料供給管７が設けられている。第２管板１０６の下方に燃料排出室１４が設けられ、燃料排出室１４の下部に残燃料排出管８が設けられている。第１管板１０５と第２管板１０６との間には、発電室１１が設けられている。
【００８８】
セルチューブ１２の上部は第１管板１０５に支持され、その上部開口部から燃料供給室１３内の燃料ガス２３を導入する。セルチューブ１２の下部は第２管板１０６に支持される。発電室１１に位置する単電池膜１２ａで発電に供された後の残燃料ガス２２は、セルチューブ１２の下部開口部から燃料排出室１４を介して残燃料排出管８から外部に排出される。
【００８９】
図５および図６の構造と異なり、セルチューブ１２は、無底の円筒状に形成され、その上部開口部側に燃料供給室１３が設けられ、その下部開口部側に燃料排出室１４が設けられている。燃料ガス２３がセルチューブ１２の上部開口部から導入され、発電に供された後の残燃料ガス２２がセルチューブ１２の下部開口部から導出されるため、単一方向にのみガスが移動する。燃料注入管１６は用いられていない。したがって、燃料注入管１６とセルチューブ１２との間の機械的拘束の問題がない。
【００９０】
逆流防止構造１００は、セルチューブ１２の上部開口部側と下部開口部側の双方に設けられている。前述したように、燃料供給室１３および燃料排出室１４が、発電室１１よりも差圧Δｐ≒＋５０〜＋１００ｍｍＡｑだけ高くなっているため、セルチューブ１２が損傷したときには、燃料供給室１３および燃料排出室１４のそれぞれから発電室１１に燃料ガス２３または残燃料ガス２２が流れるおそれがあるからである。
【００９１】
セルチューブ１２の両端部が第１管板１０５と第２管板１０６とにより支持されているため、第１管板１０５と第２管板１０６の熱延び差または撓みなどの影響により、セルチューブ１２が損傷するおそれがある。そのために、機械的に拘束しない支持形態である逆流防止構造１００が採用されている。
【００９２】
図１０は、図５および図６と異なり、横置き分割ヘッダ型の設置形態を示している。図１０において、図５および図６と同じ構成要素については、同じ符号が付されてその説明が省略されている。
【００９３】
図１０の構造において、図９の構造との違いは、セルチューブ１２が水平方向に設けられ、その両端部側に燃料供給室１３および燃料排出室１４が設けられている点である。図９の構造と同様に、セルチューブ１２の両端側に逆流防止構造１００が設けられる。燃料供給室１３を形成する第１管板１０７とセルチューブ１２との間は、ルーズにシールされている。同様に、燃料排出室１４を形成する第２管板１０８とセルチューブ１２との間は、ルーズにシールされている。
【００９４】
上記の実施形態におけるそれぞれの円筒型固体電解質型燃料電池モジュールは、例えば発電レベルが数１０ｋＷ級のものである。
【００９５】
また、上記の実施形態におけるそれぞれの円筒型固体電解質燃料電池モジュールのセルチューブ１２の単電池膜は、基体管の上に燃料極、電解質、空気極の順に形成され、基体管の中を燃料ガス２３が流れ、基体管の外側を空気２４が流れる構成として説明したが、この構成に代えて、基体管の上に空気極、電解質、燃料極の順に形成され、基体管の中を空気２４が流れ、基体管の外側を燃料ガス２３が流れる構成とすることができる。その場合には、燃料注入管１６には燃料ガス２３に代えて空気２４が供給され、燃料排出室１４には燃料電池反応後に残った（未反応の）空気が導入され、発電室１１には空気２４に代えて燃料ガス２３が供給される。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールによれば、より高圧の気体収容室から発電室側へ気体が流れるおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示す側面図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの効果を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示す側面図である。
【図４】図４は、本発明の第３実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示す側面図である。
【図５】図５は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの設置形態を示す側面図である。
【図６】図６は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの他の設置形態を示す側面図である。
【図７】図７は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形態を示す側面図である。
【図８】図８は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形態を示す側面図である。
【図９】図９は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形態を示す側面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１から第３の実施形態の円筒型固体電解質燃料電池モジュールのさらに他の設置形態を示す側面図である。
【図１１】図１１は、従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示す側面図である。
【図１２】図１２は、従来の他の円筒型固体電解質燃料電池モジュールを示し、従来の問題点を示す側面図である。
【図１３】図１３は、従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールにおいて集電キャップおよびその近傍の構造を示す側面図である。
【符号の説明】
８  残燃料排出管
１２  セルチューブ
１２ａ  単電池膜
１４  燃料排出室
１６  燃料注入管
１６ｆ  フランジ部
２０  上部管板
２１  下部管板
２２  残燃料ガス
４０  孔
４１  大径部
４２  小径部
４３  支持台部
４４  上部押えリング
５０  孔
５１  大径部
５２  小径部
５３  支持台部
５４  シールリング
５５  下部押えリング
５６  集電キャップ
５７  集電コネクタ
５８  集電コネクタ押えリング
６１  逆止スリーブ
６２  集電キャップ
６３  大径壁部
６４  シール部材
６５  最小径部
６６  小径部
６７  大径部
７１  支持リング
７２  押えリング
７５  わた状繊維
７６  集電キャップ
７７  大径壁部
７８  小径部
７９  大径部
８０  逆止スリーブ
８１  フランジ部
８３  逆止スリーブ
８４  細孔
８５  フランジ部
８６  集電キャップ
８７  大径壁部
１００  逆流防止構造
ｄ１  クリアランス
ｄ２  クリアランス
ｄ３  クリアランス
ｄ４  クリアランス
ｄ５  クリアランス
【図１】
0004884595.tif 000002
【図２】
0004884595.tif 000003
【図３】
0004884595.tif 000004
【図４】
0004884595.tif 000005
【図５】
0004884595.tif 000006
【図６】
0004884595.tif 000007
【図７】
0004884595.tif 000008
【図８】
0004884595.tif 000009
【図９】
0004884595.tif 000010
【図１０】
0004884595.tif 000011
【図１１】
0004884595.tif 000012
【図１２】
0004884595.tif 000013
【図１３】
0004884595.tif 000014