JP6599093B2 - 燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システムおよび燃料電池発電部の温度制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システムおよび燃料電池発電部の温度制御方法に関する。

燃料ガスと酸化性ガス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：ＳＯＦＣ）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、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている（特許文献１および２参照）。このようなＳＯＦＣは、例えばマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが構成されており、圧縮機から吐出される圧縮空気をＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ブロワを介してＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスでタービンを回転させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。

特開平１−３２０７７３号公報 特開２０１４−１６４９０３号公報

燃料電池モジュールにあるＳＯＦＣの発電時における発電部の温度は、性能、耐久性の観点から一般的には７００〜１０００℃程度のうち、ＳＯＦＣの運転条件や使用材料に応じた最適な温度範囲に制御することが好ましい。また、ＳＯＦＣは、発電とともに発熱することから、燃料電池モジュール内部を通過するガス（酸化剤としての空気や燃料ガス）により主として冷却が行われて所定の温度が維持される。このため、ＳＯＦＣの発電部の温度を調整にあたって冷却量を調整するためには、燃料電池モジュール内部を通過するガスの流量もしくはガスの温度が調整される。

酸化剤としての空気および燃料の流量を制御することによりＳＯＦＣを冷却する場合は、例えばＳＯＦＣと組み合わせて運用されるガスタービンの容量により供給可能量な空気流量が制限されるが、燃料および空気の再循環流量と熱交換量を制御することで、ＳＯＦＣの発電部の温度調整が可能となるが、ブロワの動力と容量の増加が必要となる。

また、燃料電池モジュールに供給する空気温度を制御することによりＳＯＦＣを冷却する場合には、例えばガスタービンの仕様（圧力比）によりガスタービン出口から供給される空気温度の下限温度が決まる（たとえば、ガスタービン圧力比に応じて、ガスタービン出口の空気温度に制限がある）。このため燃料電池モジュールに供給する空気温度を大きく調整するには、十分な伝熱面積を持つ大型の熱交換器が必要となるといった問題がある。

また、ＳＯＦＣの発熱自体を、冷却媒体を用いて蒸気や温水等として熱回収することで冷却することも考えられるが、通電部位近傍に熱回収部を設置することで、熱回収部と通電部位が接触することによる漏電や冷却媒体停止時の伝熱部焼損、冷却媒体漏洩時のセルスタック損傷等の新たな問題が生じる可能性がある。

さらに、セルスタックは、作動温度により発電性能の変動が生じ、セルスタックの温度分布のばらつきが大きいときに、燃料電池モジュール全体の発電性能が低減するといった問題がある。

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、その目的とするところは、低コストで、セルスタック損傷等の重大な問題が生じることがなく、セルスタックが適切に温度調節される温度調整手段を備えた燃料電池モジュール、これを用いた複合発電システムおよび燃料電池発電部の温度制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システムおよび燃料電池発電部の温度制御方法は以下の手段を採用する。
本発明による燃料電池モジュールは、気体が存在する内部空間を形成する圧力容器と、前記内部空間を外側空間と内側空間とに仕切る板材と、前記内側空間に配置される複数のセルスタックと、対流流量調整装置とを備えている。前記板材により、前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部とを接続する下部流路と、前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部とを接続する上部流路とが形成されている。前記対流流量調整装置は、前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整するとともに、前記下部流路を通過する気体の流量を調整する下部ダンパを含み、前記下部流路は、互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置される複数の下部流路を含み、前記下部ダンパは、前記複数の下部流路をそれぞれ通過する前記気体の流量を別個に調整する。

このような燃料電池モジュールは、複数のセルスタックを囲む板材により隔てられる外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を調整することにより、複数のセルスタックを温度調節することができる。
またこのような燃料電池モジュールは、複数のセルスタックを囲む板材の下部に形成される下部流路を通過する気体の流量を調整することにより、外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を調整することができ、複数のセルスタックを温度調節することができる。
またこのような燃料電池モジュールは、互いに異なる複数の位置に配置される複数のセルスタックを異なる流量の気体で温度調節することにより、複数のセルスタックの温度分布が小さくなるように、複数のセルスタックを適切に温度調節することができる。

前記対流流量調整装置は、前記複数のセルスタックの温度が所定の温度範囲より高温または低温となった際に、前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて、前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整する。

このような燃料電池モジュールは、外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を複数のセルスタックの温度に基づいて調整することにより、複数のセルスタックの温度が所定の温度範囲に含まれるように、複数のセルスタックを温度調節することができる。

前記下部ダンパは、前記下部流路を閉鎖するときに、前記下部流路のうちの前記外側空間の側の口に密着するように弾性変形する部材を有している。

このような燃料電池モジュールは、下部流路を閉鎖するシール性を向上させることができ、外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を高精度に調整することができる。

前記対流流量調整装置は、前記上部流路を通過する前記気体の流量を調整する上部ダンパをさらに含んでいる。

このような燃料電池モジュールは、複数のセルスタックを囲む板材の上部に形成される上部流路を通過する気体の流量をさらに調整することにより、外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を高精度に調整することができ、複数のセルスタックを適切に温度調節することができる。

前記上部ダンパは、前記上部流路を閉鎖するときに、前記上部流路のうちの前記外側空間の側の口に密着するように弾性変形する部材を有している。

このような燃料電池モジュールは、上部流路を閉鎖するシール性を向上させることができ、外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を高精度に調整することができる。

前記上部ダンパのうちの前記上部流路を開閉する羽根は、前記下部ダンパのうちの前記下部流路を開閉する羽根より耐熱性が高くなるように形成されている。

このような燃料電池モジュールは、上部ダンパの羽根の耐熱性が下部ダンパの羽根の耐熱性と等しい燃料電池モジュールに比較して、周囲温度が低く耐熱性が低い材料を使用出来る下部ダンパと上部ダンパとをより低コストで製造することができる。

前記上部ダンパは、前記上部流路を開閉する羽根を被覆する断熱部材を有している。

このような燃料電池モジュールは、上部流路を介して複数のセルスタックの輻射熱による上部ダンパの羽根の温度上昇を防止し、上部ダンパの羽根の焼損を防止することができる。

前記対流流量調整装置は、前記板材の前記上部流路と前記下部流路との間に形成される中間流路を通過する前記気体の流量を調整する中間ダンパをさらに有している。

このような燃料電池モジュールは、複数のセルスタックを囲む板材の中間に形成される中間流路を通過する気体の流量をさらに調整することにより、内側空間を対流する気体の流量の上下方向の分布をさらに調整することができ、セルスタックの上下方向の温度分布を適切に調節することができる。

前記下部流路または前記上部流路または前記中間流路は、前記複数のセルスタックの輻射熱が前記内側空間から前記外側空間に直に放射されないように、屈曲している。

このような燃料電池モジュールは、下部流路または上部流路または中間流路が屈曲していることにより、下部流路または上部流路または中間流路を開閉する羽根に伝わる複数のセルスタックの輻射熱を低減することができ、羽根の焼損を防止することができる。

本発明による燃料電池モジュールは、前記板材のうちの前記下部流路と前記上部流路と前記中間流路とが形成されていない部分を被覆するシールプレートをさらに備えている。

このような燃料電池モジュールは、シールプレートが板材のうちの下部流路と上部流路と前記中間流路とが形成されていない部分を気体が通気することを防止することにより、外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を高精度に調整することができ、複数のセルスタックを適切に温度調節することができる。

前記対流流量調整装置は、前記下部流路を介して前記気体を前記外側空間から前記内側空間に供給するファンを含んでいる。

このような燃料電池モジュールは、下部流路を介して外側空間の空気を内側空間に強制的に供給することにより、外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を高精度に調整することができ、複数のセルスタックを適切に温度調節することができる。

本発明による燃料電池モジュールは、前記外側空間に流れる気体を冷却する冷却装置をさらに備えている。

このような燃料電池モジュールは、圧力容器と別個に設けられた冷却装置を用いて気体をさらに冷却することにより、複数のセルスタックを効果的に冷却することができ、複数のセルスタックを適切に温度調節することができる。

本発明による複合発電システムは、本発明による燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を生成するガスタービンとを備えている。前記燃料電池モジュールは、前記回転動力を用いて圧縮された酸化性ガスが前記気体として供給され、前記複数のセルスタックは、燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて発電する。

このような複合発電システムは、本発明による燃料電池モジュールが複数のセルスタックを適切に温度調節することができることにより、燃料電池モジュールにより多くの酸化性ガスを供給しなくても、燃料電池モジュールを十分に冷却することができ、ガスタービン当たりの燃料電池モジュールの設置台数を多くすることができる。または、このような複合発電システムは、本発明による燃料電池モジュールが複数のセルスタックを適切に温度調節することができることにより、高温の排空気を再循環させる排空気再循環ブロワおよび酸化性ガスを冷却する設備を追加しなくても、燃料電池モジュールを十分に冷却することができ、製造コストを低減することができる。

本発明による燃料電池発電部の温度制御方法は、燃料電池モジュールを用いて実行される。燃料電池モジュールは、内部空間を形成する圧力容器と、前記内部空間を外側空間と内側空間とに仕切る板材と、前記内側空間に配置される複数のセルスタックと、前記複数のセルスタックの温度計測手段とを備えている。前記板材により、前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部とを接続する下部流路と、前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部とを接続する上部流路とが形成されている。本発明による燃料電池発電部の温度制御方法は、前記複数のセルスタックの温度が所定の温度範囲になるように、前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整する対流流量調整工程と、互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置される複数の下部流路をそれぞれ通過する前記気体の流量を別個に調整する工程と、を備えている。

このような燃料電池発電部の温度制御方法によれば、燃料電池モジュールは、複数のセルスタックを囲む板材により仕切られる外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を調整することにより、複数のセルスタックを温度調節することができる。

本発明による燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システムおよび燃料電池発電部の温度制御方法は、複数のセルスタックを囲む板材により仕切られる外側空間と内側空間とを対流する気体の流量を調整することにより、複数のセルスタックを適切に温度調節することができる。

燃料電池モジュールを示す分解斜視図である。 ＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。 セルスタックを示す断面図である。 第１実施形態における対流流量調整装置を示す縦断面図である。 図４の対流流量調整装置を示す横断面図である。 下部ダンパを示す斜視図である。 下部ダンパの羽根を示す側面図である。 下部ダンパの他の羽根を示す側面図である。 第２実施形態における対流流量調整装置を示す横断面図である。 第３実施形態における対流流量調整装置を示す横断面図である。 第４実施形態における対流流量調整装置を示す横断面図である。

以下に、本発明の実施形態にかかる燃料電池モジュールについて図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態の燃料電池モジュール２０１は、燃料電池システムに設けられており、図１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（容器）とを有する。また、燃料電池モジュール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。また燃料電池モジュール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、燃料電池モジュール２０１は、さらに、図４および図５を用いて後述される酸化性ガス供給管２１１と酸化性ガス供給枝管２１２と酸化性ガス排出管２１３と複数の酸化性ガス排出枝管２１４とを備えている。

ここで、燃料ガスは、例えば水素および一酸化炭素、メタンなどの炭化水素系ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガス、都市ガス、天然ガス、あるいはこれらのうち複数の成分を含む混合ガス等が利用される。酸化性ガスには酸素を略１５％〜３０％含むガスが用いられることが多く、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなども使用可能である。

燃料電池システムは、燃料電池モジュール２０１の他に、図示されない燃料電池モジュール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と酸化性ガス供給部とを圧力容器２０５の外部に設けられている。燃料ガス供給管２０７は、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。

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。

圧力容器２０５は、内部の圧力が０.２ＭＰａ〜約２ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、圧力容器の材料は、耐圧部の強度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。なお、内面に圧力容器側断熱材１を施工することにより耐圧部材の温度を低下させることで、酸化性ガスによる腐食性の低下、および材料の強度が高い条件で使用することが一般的である。例えば容器内面に断熱材を施工しない場合はＳＵＳ３０４などのステンレス系材が必要となるが、断熱材を施工することにより、炭素鋼や高強度鋼が使用出来る。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図２に示されているように、円筒形状である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２のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとが複数のセルスタック１０１の円筒管内部と外部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、複数のセルスタック１０１の円筒管内部と外部とを平行して流れる、または酸化性ガスが複数のセルスタック１０１の軸方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。図２に記載した上下方向の状態が鉛直上下方向とすれば、セルスタックを図２に記載した状態から９０°回転して横方向（水平方向）に設置し、燃料ガスがセルスタック１０１の軸方向に流れるようにしても良い。また、図１では圧力容器を横方向（水平方法）に設置した図となっているが、圧力容器が縦方向（鉛直方向）となっていても良い。

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、複数のセルスタック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の複数のセルスタック１０１の軸方向の中央部付近での温度は、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の燃料ガス供給室ケーシング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、燃料ガス供給室ケーシング２２９ａに形成さ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、複数のセルスタック１０１の一方の端部が燃料ガス供給室２１７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の円筒管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。

燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の燃料ガス排出室ケーシング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、燃料ガス排出室ケーシング２２９ｂに形成さ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、複数のセルスタック１０１の他方の端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。

酸化性ガス供給管２１１は、上述の酸化性ガス供給部から所定流量の酸化性ガス（空気など）が供給され、燃料電池モジュール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複数の酸化性ガス供給枝管２１２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の酸化性ガス供給室ケーシング２３０ａ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、酸化性ガス供給室ケーシング２３０ａに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、複数の酸化性ガス供給枝管２１２と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、複数の酸化性ガス供給枝管２１２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、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。

酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の酸化性ガス排出室ケーシング２３０ｂ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、酸化性ガス排出室ケーシング２３０ｂに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、後述する酸化性ガス排出枝管２１４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を介して酸化性ガス排出枝管２１４に導くものである。酸化性ガス排出枝管２１４は、後述する酸化性ガス排出管２１３に連通している。酸化性ガス排出管２１３は、酸化性ガス排出枝管２１４から供給される排酸化性ガスを燃料電池モジュール外部に排気する。

上部管板２２５ａは、燃料ガス供給室ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと燃料ガス供給室ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、燃料ガス供給室ケーシング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に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔には複数のセルスタック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ガスの気密性を確保するものである。

下部管板２２５ｂは、燃料ガス排出室ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと燃料ガス排出室ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように燃料ガス排出室ケーシング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に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔には複数のセルスタック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ガスの気密性を確保するものである。

上部断熱体２２７ａは、酸化性ガス排出室ケーシング２３０ｂの下端部に、上部断熱体２２７ａと酸化性ガス排出室ケーシング２３０ｂの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、酸化性ガス排出室ケーシング２３０ｂ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に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径は複数のセルスタック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に挿通された複数のセルスタック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。

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（酸素など）による腐食が増加することを抑制する。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。

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複数のセルスタック１０１の円筒管内部と外部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等が信頼性を確保出来る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。

下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室ケーシング２３０ａの上端部に、下部断熱体２２７ｂと酸化性ガス供給室ケーシング２３０ａの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、酸化性ガス供給室ケーシング２３０ａ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に備えられる複数のセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径は複数のセルスタック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に挿通された複数のセルスタック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。

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。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。

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複数のセルスタック１０１の円筒管内部と外部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の円筒管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等が信頼性を確保出来る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。

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により複数のセルスタック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および並列数へと相互に接続され、燃料電池モジュール２０１の外部へと導出されて、図示しない電力変換装置（パワーコンディショナ）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。その電力変換装置（パワーコンディショナ）は、制御装置に制御されることにより、燃料電池モジュール２０１から外部に流れる電流が所定の電流に等しくなるように、制御する。

複数のセルスタック１０１は、図３に示されるように、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、複数のセルスタック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。

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４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。

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（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）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（Ｈ_２）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（Ｏ^２−）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（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）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。

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（Ｏ^２−）を燃料極に移動させるものである。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３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（Ｏ^２−）を生成するものである。

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（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の固体電解質１１１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、及び複数のセルスタック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複数のセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。

燃料電池モジュール２０１は、図４に示されているように、前述の酸化性ガス供給管２１１と酸化性ガス排出管２１３とを備えている。また、燃料電池モジュール２０１は、図５に示されているように、前述の複数の酸化性ガス供給枝管２１２と複数の酸化性ガス排出枝管２１４とを備えている。

燃料電池モジュール２０１は、さらに、圧力容器側断熱材１と電池側断熱材２（板材）とを備えている。圧力容器側断熱材１は、圧力容器２０５の内周壁を覆うように配置されている。電池側断熱材２は、断熱材から形成された複数のボード（もしくは板）が積層され、接合されて形成されている。電池側断熱材２は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を囲むように、圧力容器２０５の内部に配置されている。このとき、電池側断熱材２は、圧力容器２０５の内部を外側空間５と内側空間６とに仕切り、外側空間５と内側空間６とを隔てている。すなわち、外側空間５は、圧力容器２０５と電池側断熱材２との間に形成されている。内側空間６は、電池側断熱材２に囲まれ、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が配置されている。このため、内側空間６は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電室２１５に繋がっている。

電池側断熱材２は、複数の下部流路７と複数の上部流路８とが形成されている。複数の下部流路７は、電池側断熱材２を作製するときに不可避的に形成される複数の層の隙間から形成される場合と、本目的のために積極的に形成される場合とがある。複数の下部流路７は、電池側断熱材２のうちの複数のセルスタック１０１より鉛直下側に水平面に沿って配置される断熱材に形成されている。複数の下部流路７は、外側空間５のうちの複数のセルスタック１０１より鉛直下側の領域を、内側空間６のうちの複数のセルスタック１０１より鉛直下側の領域に接続している。複数の下部流路７は、さらに、複数のセルスタック１０１から輻射される熱輻射が内側空間６から直に外側空間５に放射されないように、屈曲している。

複数の上部流路８は、複数の下部流路７と同様にして、電池側断熱材２を作製するときに不可避的に形成される複数の層の隙間から形成される場合と、本目的のために積極的に形成される場合とがある。複数の上部流路８は、電池側断熱材２のうちの複数のセルスタック１０１より鉛直上側に水平面に沿って配置される断熱材に形成されている。複数の上部流路８は、内側空間６のうちの複数のセルスタック１０１より鉛直上側の領域を、外側空間５のうちの複数のセルスタック１０１より鉛直上側の領域に接続している。複数の上部流路８は、さらに、複数のセルスタック１０１から輻射される熱輻射が直に外側空間５に放射されないように、屈曲している。

燃料電池モジュール２０１は、さらに、対流流量調整装置を備えている。対流流量調整装置は、図５に示されているように、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２と２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２とを備えている。２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の各下部ダンパ１１−ｉ（ｉ＝１，２）は、複数の羽根１４−１〜１４−ｎ（ｎ＝２，３，４，…）と複数のモータ１５とを備えている。複数の羽根１４−１〜１４−ｎは、図６に示されているように、それぞれ、長方形状の板に形成されている。ここで、内側空間６は、圧力容器２０５の水平方向の長手方向に並ぶ複数の領域に分割されている。複数の羽根１４−１〜１４−ｎは、内側空間６が分割された複数の領域に対応し、内側空間６の複数の領域が並ぶ方向に並んで配置され、この方向に平行である回転軸線１６を中心に回転可能に支持されている。複数の羽根１４−１〜１４−ｎのうちの内側空間６の１つの領域に対応する羽根１４−ｊ（ｊ＝１，２，３，…，ｎ）は、回転軸線１６を中心に回転することにより、複数の下部流路７のうちのこの１つの領域に繋がる一部の下部流路を開閉する。複数のモータ１５は、複数の羽根１４−１〜１４−ｎに対応している。複数のモータ１５のうちの羽根１４−ｊに対応するモータは、回転軸線１６を中心に羽根１４−ｊを回転させ、羽根１４−ｊが所定の角度に向くように羽根１４−ｊを配置する。

２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の各々は、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の各々と同様にして、図５に示されるように、複数の羽根１７−１〜１７−ｎと複数のモータ１８とを備えている。複数の羽根１７−１〜１７−ｎは、複数の羽根１４−１〜１４−ｎと同様にして、長方形状の板に形成され、圧力容器２０５の水平方向の長手方向に並んで配置され、この方向に平行である回転軸線１９を中心に回転可能に支持されている。複数の羽根１７−１〜１７−ｎのうちの内側空間６の１つの領域に対応する羽根１７−ｊは、回転軸線１９を中心に回転することにより、複数の上部流路８のうちのこの１つの領域に繋がる一部の上部流路を開閉する。複数のモータ１８は、複数の羽根１７−１〜１７−ｎに対応している。複数のモータ１８のうちの羽根１７−ｊに対応するモータは、回転軸線１９を中心に羽根１７−ｊを回転させ、羽根１７−ｊが所定の角度に向くように羽根１７−ｊを配置する。

燃料電池モジュール２０１は、複数の温度計測装置２０をさらに備え、図示されていない制御装置をさらに備えている。複数の温度計測装置２０は、内側空間６が分割された複数の領域に対応し、制御装置に情報伝達可能に接続されている。複数の温度計測装置２０のうちの１つの領域に対応する温度計測装置は、複数のセルスタック１０１のうちのこの１つの領域に配置されるセルスタックの温度を測定する。

制御装置は、温度計測装置により温度計測されるセルスタックの温度が所定の温度範囲より高温となった際に、複数の下部流路７のうちのその高温のセルスタックの近傍の一部の下部流路を流れる酸化性ガスの流量が大きくなるように、複数のモータ１５を制御し、複数の上部流路８のうちのその高温のセルスタックの近傍の一部の上部流路を流れる酸化性ガスの流量が大きくなるように、複数のモータ１８を制御する。制御装置は、さらに、温度計測装置により温度計測されるセルスタックの温度が所定の温度範囲より低温となった際に、複数の下部流路７のうちのその低温のセルスタックの近傍の一部の下部流路を流れる酸化性ガスの流量が小さくなるように、複数のモータ１５を制御し、複数の上部流路８のうちのその低温のセルスタックの近傍の一部の上部流路を流れる酸化性ガスの流量が小さくなるように、複数のモータ１８を制御する。

なお、上記では圧力容器２０５の長手方向に複数の対流流量調整装置を分割配置し、それぞれで開度を調整することとしているが、長手方向での温度分布が小さい場合には、一つの駆動部として一体で動かしても良い。
また、下部の対流流量調整装置にて流入量を調整するのみで温度調整が十分な場合には、上部の対流流量調整装置を設置しないことも考えられる。

以上に説明の構成により、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
燃料電池モジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７を介して供給される燃料ガスと酸化性ガス供給管２１１を介して供給される酸化性ガスとを化学反応させることにより発電し、燃料ガス排出管２０９を介して排燃料ガスを排気し、酸化性ガス排出管２１３を介して排酸化性ガスを排気する。燃料電池モジュール２０１は、発電することにより複数のセルスタック１０１が発熱し、内側空間６の発電室２１５内にある酸化性ガスを加熱し、内側空間６の発電室２１５内に酸化性ガスの上昇気流を生成する。

複数のセルスタック１０１により加熱された酸化性ガスは、さらに内側空間６を上昇し、内側空間６に酸化性ガスの上昇気流を生成する。内側空間６を上昇した酸化性ガスの一部は、複数の上部流路８を通過して、内側空間６から外側空間５に流れる。複数の上部流路８を介して外側空間５に流れた酸化性ガスの一部は、圧力容器２０５と圧力容器側断熱材１とを介して圧力容器２０５の外側の外気へと熱が伝熱され、冷却され温度が低下する。外側空間５では、冷却され温度が低下した酸化性ガスは、内側空間６内の酸化性ガスよりも温度が低く、密度が高いため、ガス密度差による自然循環力により、外側空間５を下降する。内側空間６では酸化性ガスの一部を複数の上部流路８から外側空間５へと放出して若干の圧力低下が生じているので、外側空間５を下降した酸化性ガスは、複数の下部流路７を通過して、外側空間５から内側空間６へと流れる。すなわち、圧力容器２０５の内部には、複数のセルスタック１０１が発電することにより、内側空間６を上昇して外側空間５を下降する酸化性ガスの流れである自然対流が生成される。

対流流量調整装置は、複数のセルスタック１０１が発電しているときに、複数のセルスタック１０１が適切な温度に温度調節されるように、外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量を調整する。すなわち、対流流量調整装置は、複数のセルスタック１０１のうちの、任意のセルスタックが所定温度範囲より高温となったときに、複数の下部流路７のうちのその高温のセルスタックの近傍の下部流路を通過する酸化性ガスの流量が増加するように、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の複数の羽根１４−１〜１４−ｎの角度が調整され、複数の上部流路８のうちのその高温のセルスタックの近傍の上部流路を通過する酸化性ガスの流量が増加するように、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の複数の羽根１７−１〜１７−ｎの角度が調整される。

外側空間５を流れる酸化性ガスは、複数の上部流路８を介して内側空間６から外側空間５に流れる酸化性ガスが増加することにより、昇温する。外側空間５を流れる酸化性ガスは、昇温することにより、圧力容器２０５と圧力容器側断熱材１とを介して圧力容器２０５の外側の外気との温度差が拡大することにより外気へと伝熱する熱交換量が増加することで、冷却量が増加する。外側空間５で冷却された酸化性ガスは、外側空間５を下降し、複数の下部流路７を通過して外側空間５から内側空間６に流れ、発電室２１５に流入する。外側空間５で冷却された酸化性ガスは、発電室２１５に流入することにより、燃料電池モジュール２０１の複数のセルスタック１０１を冷却する。その結果、対流流量調整装置は、所定温度範囲より高温となった該セルスタックを高効率に冷却して、該セルスタックを所定温度範囲内に戻すことができる。 燃料電池モジュール２０１は、全体としてセルスタックの温度が所定温度以内となって均一化するため、発電性能が向上する。

対流流量調整装置は、複数のセルスタック１０１のうちの、任意のセルスタックが所定温度範囲より低温となったときに、複数の下部流路７のうちのその低温のセルスタックの近傍の下部流路を通過する酸化性ガスの流量が低減するように、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の複数の羽根１４−１〜１４−ｎの角度が調整（流路を小さくするために閉方向に動作）され、複数の上部流路８のうちのその低温のセルスタックの近傍の上部流路を通過する酸化性ガスの流量が低減するように、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の複数の羽根１７−１〜１７−ｎの角度が調整（流路を小さくするために閉方向に動作）される。

外側空間５を流れる酸化性ガスは、複数の上部流路８を介して内側空間６から外側空間５に流れる酸化性ガスが低減することにより、温度が低下する。外側空間５を流れる酸化性ガスは、温度が低下することにより、圧力容器２０５の外側の外気へと伝熱する熱交換量が低下する。外側空間５で冷却された酸化性ガスは、外側空間５を下降し、複数の下部流路７を通過して外側空間５から内側空間６に流れ、燃料電池モジュール２０１の複数のセルスタック１０１を冷却するが、外側空間５からの温度が低下した酸化性ガスの流入量が減少することにより、冷却効果は小さくなり、所定温度範囲より低温となったセルスタック１０１の温度が上昇する。その結果、対流流量調整装置は、外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスにより所定温度範囲より低温となったセルスタックの冷却熱量を低下させ、該低温となったセルスタックを冷却し過ぎることを防止し、該セルスタックを所定温度範囲内に戻すことができる。
燃料電池モジュール２０１は、全体としてセルスタックの温度が所定温度以内となって均一化するため、発電性能が向上する。

このため、燃料電池モジュール２０１は、対流流量調整装置がこのように動作することにより、複数のセルスタック１０１が適切に所定温度範囲内に温度調節され、燃料電池モジュール２０１全体でセルスタックの温度が所定温度以内となって均一化する。複数のセルスタック１０１を作動温度による発電性能の変動を生じることなく適切に発電させて、発電性能を向上させることができる。

燃料電池モジュール２０１は、さらに、電池側断熱材２のうちの鉛直面に沿って配置される断熱材に形成される隙間を介して内側空間６と外側空間５との間を通気することを、板状に形成された複数のシールプレート２１０により防止することで、外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量を高精度に調整することができ、複数のセルスタック１０１を適切に温度調節することができる。
なお、燃料電池モジュール２０１は、シールプレート２１が無くても外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量に悪影響を及ぼさないで必要な温度調整が可能な場合には、シールプレート２１を設置しないことも考えられる。

燃料電池モジュール２０１は、ＧＴＣＣ(Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：ガスタービンコンバインドサイクル発電)またはＭＧＴ（Ｍｉｃｒｏ Ｇａｓ Ｔｕｒｂｉｎｅ：マイクロガスタービン）と組み合わされて利用される複合発電システムに適用されることがある。このような複合発電システムでは、燃料電池モジュール２０１から排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとがガスタービンに供給され、ガスタービンにより生成される動力により圧縮された圧縮ガスが酸化性ガスとして燃料電池モジュール２０１に供給される。

このような複合発電システムでは、燃料電池モジュール２０１をさらに冷却しようとする場合に、燃料電池モジュール２０１により多くの酸化性ガスを供給する方法や、排空気再循環ブロワにより、燃料電池モジュール２０１から排出された排酸化性ガスを再循環し、冷却した後に燃料電池モジュール２０１に供給する方法が考えられる。

ガスタービンからの酸化性ガスの最大流量により、ガスタービン当たりの燃料電池モジュール２０１の設置することができる台数が決まる。本発明の冷却方法を採用した燃料電池モジュール２０１によれば、複合発電システムは、燃料電池モジュール２０１に従来より少量の酸化性ガス供給でも、燃料電池モジュール２０１を十分に冷却することが可能となる為、ガスタービン当たりの燃料電池モジュール２０１の設置台数を多くすることができる。

排空気再循環ブロワにより、燃料電池モジュール２０１から排出された排酸化性ガスを再循環し、冷却した後に燃料電池モジュール２０１に供給する方法によれば、複合発電システムでは、高温の排空気を再循環させる排空気再循環ブロワおよび酸化性ガスを冷却する設備を追加する必要があるとともにブロワ動力が必要となる。燃料電池モジュール２０１によれば、複合発電システムは、これらを追加しなくても、燃料電池モジュール２０１を十分に冷却することができ、製造コストを低減することができる。

なお、複数のモータ１５、１８は、複数の羽根１４−１〜１４−ｎ、１７−１〜１７−ｎを回転移動させる他の複数のアクチュエータに置換されることができる。アクチュエータとしては、エアシリンダ等の動力シリンダが例示される。対流流量調整装置は、このようなアクチュエータを備える場合でも、同様にして、外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量を高精度に調整することができ、複数のセルスタック１０１を適切に温度調節することができる。

複数のセルスタック１０１から輻射される熱輻射は、複数の下部流路７が屈曲していることにより、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の複数の羽根１４−１〜１４−ｎに直に照射されない。このため、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の複数の羽根１４−１〜１４−ｎは、複数のセルスタック１０１から輻射される熱輻射により加熱されることが防止され、このような熱輻射により焼損することが防止される。さらに、複数のセルスタック１０１から輻射される熱輻射は、複数の上部流路８が屈曲していることにより、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の複数の羽根１７−１〜１７−ｎに直に照射されない。このため、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の複数の羽根１７−１〜１７−ｎは、複数のセルスタック１０１から輻射される熱輻射により加熱されることが防止され、このような熱輻射により焼損することが防止される。

２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の複数の羽根１４−１〜１４−ｎは、複数のセルスタック１０１の熱輻射による加熱が無い環境に設置されるので、その使用材料の制限が軽減されるため、高耐熱合金材料やセラミックス材を使用する必要性が無くなり、一般的なＳＵＳ３０４等のステンレス材、防錆メッキを施したＳＳ４００等の圧延鋼板板など、材料の選択肢が広くなるので好ましい。

複数の上部流路８は、複数のセルスタック１０１の輻射熱に対する対策が複数の羽根１７−１〜１７−ｎに実施されている場合に、または、複数のセルスタック１０１からの熱輻射により複数の羽根１７−１〜１７−ｎに不具合が発生しないときに、屈曲するように形成される必要がなく、直線状に形成されることができる。また、複数の下部流路７は、複数のセルスタック１０１の輻射熱に対する対策が複数の羽根１４−１〜１４−ｎに実施されている場合に、または、複数のセルスタック１０１からの熱輻射により複数の羽根１４−１〜１４−ｎに不具合が発生しないときに、屈曲するように形成される必要がなく、直線状に形成されることができる。複数の下部流路７または複数の上部流路８が直線状に形成された場合でも、燃料電池モジュール２０１は、外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量を調整することにより、複数のセルスタック１０１の温度を調節することができる。

なお、複数の下部流路７は、電池側断熱材２のうちの鉛直面に沿って配置される断熱材の、複数のセルスタック１０１の軸方向の中央より鉛直下側に形成されることもできる。また、複数の上部流路８は、電池側断熱材２のうちの鉛直面に沿って配置される断熱材の、複数のセルスタック１０１の軸方向の中央より鉛直上側に形成されることもできる。圧力容器２０５が形成する内側空間６に存在する酸化性ガスは、複数の下部流路７と複数の上部流路８とがこのように配置された場合でも、外側空間５と内側空間６とを対流する。このため、燃料電池モジュール２０１は、複数の下部流路７と複数の上部流路８とがこのように配置された場合でも、外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量を調整することができ、複数のセルスタック１０１を適切に温度調節することができる。

なお、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の複数の羽根１７−１〜１７−ｎは、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の複数の羽根１４−１〜１４−ｎと同一の材料を使用しても良いが、複数の上部流路８に向いている面が内側空間６からの酸化性ガスが直接接触して温度が高くなりやすいので、断熱部材で被覆されることもできる。複数の上部流路８を内側空間６から外側空間５に通過する酸化性ガスは、複数の下部流路７を外側空間５から内側空間６に通過する酸化性ガスより高温である。このため、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の複数の羽根１７−１〜１７−ｎは、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の複数の羽根１４−１〜１４−ｎに比較して、より高温の酸化性ガスに曝される。特に２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の複数の羽根１７−１〜１７−ｎの使用材料に耐熱性が十分な材料を用いることができない場合は、羽根自体には安価な材料を使用しながら耐熱性が必要な部分を断熱部材で被覆されることにより、複数の上部流路８を内側空間６から外側空間５に通過する酸化性ガスにより焼損されることが適切に防止される。

また、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の複数の羽根１７−１〜１７−ｎは、断熱部材で被覆されること以外の手段により耐熱性を向上させてもよい。たとえば、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２の複数の羽根１７−１〜１７−ｎは、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２の複数の羽根１４−１〜１４−ｎが形成される材料より耐熱性が高い高耐熱材料から形成されることができる。高耐熱材料としては、ハステロイ（登録商標）が例示される。対流流量調整装置は、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２を２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２より耐熱性を向上させることにより、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２が２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２と同等の高耐熱材料を使用する他の対流流量調整装置に比較して、製造コストを低減することができる。

なお、下部ダンパ１１−ｉおよびは、図７に示されているように、複数の羽根１４−１〜１４−ｎの先端に薄板シールプレート２２を追加することができる。薄板シールプレート２２は、複数の羽根１４−１〜１４−ｎが複数の下部流路７を閉鎖するときに、電池側断熱材２に接触することにより弾性変形し、電池側断熱材２に密着する。下部ダンパ１１−ｉは、薄板シールプレート２２が電池側断熱材２に密着することにより、ガス通過を阻害するシール性が向上し、複数の下部流路７を確実に閉鎖することができる。対流流量調整装置は、下部ダンパ１１−ｉが複数の下部流路７を確実に閉鎖することにより、外側空間５と内側空間６とを循環する酸化性ガスの自然対流を停止するので、複数のセルスタック１０１の温度調節を適切に制御することができる。

さらに、下部ダンパ１１−ｉは、図８に示されているように、複数の羽根１４−１〜１４−ｎのうちの複数の下部流路７に面する面にクッション２４を追加することができる。クッション２４は、断熱材や金属細線から形成される繊維が圧密されることにより形成されるシートから形成されている。クッション２４は、複数の羽根１４−１〜１４−ｎが複数の下部流路７を閉鎖するときに、電池側断熱材２に接触することにより変形し、電池側断熱材２に密着する。下部ダンパ１１−ｉは、クッション２４が複数の下部流路７の外側空間５の側の口に密着することにより、ガス通過を阻害するシール性が向上し、複数の下部流路７を確実に閉鎖することができる。対流流量調整装置は、下部ダンパ１１−ｉが複数の下部流路７を確実に閉鎖することにより、外側空間５と内側空間６とを循環する酸化性ガスの自然対流を停止することにより複数のセルスタック１０１の温度調節を適切に制御することができる。

なお、複数の羽根１４−１〜１４−ｎは、下部ダンパ１１−ｉが複数の下部流路７を閉鎖するときに、可撓性を有する材料で形成されることができる。この材料としては、カーボン樹脂が例示される。このとき、複数の羽根１４−１〜１４−ｎは、複数の羽根１４−１〜１４−ｎが複数の下部流路７を閉鎖するときに、電池側断熱材２に接触することにより変形し、電池側断熱材２に密着する。下部ダンパ１１−ｉは、複数の羽根１４−１〜１４−ｎが複数の下部流路７の外側空間５の側の口に密着することにより、ガス通過を阻害するシール性が向上し、複数の下部流路７を確実に閉鎖することができる。対流流量調整装置は、下部ダンパ１１−ｉが複数の下部流路７を確実に閉鎖することにより、外側空間５と内側空間６とを循環する酸化性ガスの自然対流を停止することにより複数のセルスタック１０１の温度調節を適切に制御することができる。

２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２は、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２と同様にして、薄板シールプレート２２およびクッション２４を追加することもできる。このとき、対流流量調整装置は、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２のみが薄板シールプレート２２またはクッション２４を追加しているものより、外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量をさらに確実に調整することができ、複数のセルスタック１０１の温度調節をより適切に制御することができる。

なお、複数の羽根１４−１〜１４−ｎは、必ずしも１つの回転軸線１６を中心に回転する必要がなく、たとえば、互いに異なる複数の回転軸線を中心にそれぞれ回転可能に支持されることができる。複数の羽根１７−１〜１７−ｎも、必ずしも１つの回転軸線１９を中心に回転する必要がなく、たとえば、互いに異なる複数の回転軸線を中心にそれぞれ回転可能に支持されることができる。このような場合も、燃料電池モジュール２０１は、複数の羽根１４−１〜１４−ｎが複数の下部流路７をそれぞれ通過する気体の流量を別個に調整することにより、または、複数の羽根１７−１〜１７−ｎが複数の上部流路８をそれぞれ通過する気体の流量を別個に調整することにより、発電室２１５の水平方向での温度分布が小さくなるように、複数のセルスタック１０１の温度を適切に調節することができる。

なお、複数の羽根１４−１〜１４−ｎは、発電室２１５の水平方向の温度分布が小さいときに、互いに異なる角度に配置させる必要がなく、同体に動かすこともでき、または、１つの羽根に置換されることもできる。また、複数の羽根１７−１〜１７−ｎも、発電室２１５の水平方向の温度分布が小さいときに、互いに異なる角度に配置させる必要がなく、同体に動かすこともでき、または、１つの羽根に置換されることもできる。燃料電池モジュール２０１は、複数の羽根１４−１〜１４−ｎ、１７−１〜１７−ｎが胴体に動かされる場合でも、または、複数の羽根１４−１〜１４−ｎ、１７−１〜１７−ｎが１つの羽根から形成される場合でも、外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量を調整することにより、複数のセルスタック１０１の温度を調節することができる。

なお、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２は、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２のみにより外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量を十分に調整することができるときに、省略されることができる。燃料電池モジュール２０１は、２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２が省略された場合でも、２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２により外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量を調整することにより、複数のセルスタック１０１の温度を調節することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態の燃料電池モジュール３１は、図９に示されているように、中間ダンパ３２をさらに備えている。このとき、電池側断熱材２は、複数の中間流路３３が形成されている。複数の中間流路３３は、電池側断熱材２を作製するときに不可避的に形成される隙間から形成され、もしくは本目的に応じた形状に成形され、電池側断熱材２のうちの複数の下部流路７と複数の上部流路８との間の位置に形成され、外側空間５の中間位置を内側空間６の中間位置に接続している。また、複数の中間流路３３を除き、第１実施形態と同様にシールプレート２１を設置して、電池側断熱材２のうちの鉛直面に沿って配置される断熱材に形成される隙間を塞ぐことにより、その隙間を介して内側空間６と外側空間５との間を通気することを防止してもよい。

中間ダンパ３２は、複数の羽根３４−１〜３４−ｎと複数のモータ３５とを備えている。複数の羽根３４−１〜３４−ｎは、複数の羽根１４−１〜１４−ｎと同様にして、長方形状の板に形成され、圧力容器２０５の水平方向の長手方向に並んで配置され、圧力容器２０５の水平方向の長手方向に平行である回転軸線３６を中心に回転可能に支持されている。
複数の羽根３４−１〜３４−ｎのうちの内側空間６の１つの領域に対応する羽根３４−ｊは、回転軸線３６を中心に回転することにより、複数の中間流路３３のうちのこの１つの領域に繋がる一部の中間流路を開閉する。複数のモータ３５は、複数の羽根３４−１〜３４−ｎに対応している。複数のモータ３５のうちの羽根３４−ｊに対応するモータは、回転軸線３６を中心に羽根３４−ｊを回転させ、羽根３４−ｊが所定の角度に向くように配置する。

中間ダンパ３２は、複数のセルスタック１０１のうちの、任意のセルスタックの上部が所定温度範囲より高温となったときに、複数の中間流路３３のうちのその高温となったセルスタックの近傍の中間流路を通過する酸化性ガスの流量が増加するように、制御される。このような制御によれば、第２実施形態の燃料電池モジュール３１は、複数のセルスタック１０１の高さ方向に温度差がある場合でも、複数のセルスタック１０１の高さ方向に温度差が低減するように、複数のセルスタック１０１を適切に温度調節することができる。

第２実施形態における燃料電池モジュール３１は、さらに、ＧＴＣＣまたはＭＧＴと組み合わされるときに、複合のセルスタック１０１を適切に温度調節することができることにより、既述の第１実施形態における燃料電池モジュール２０１と同様にして、ガスタービン当たりの燃料電池モジュールの台数を多くすることができ、または、排酸化性ガスを循環させるブロワと高温の排酸化性ガスを冷却する冷却装置とを設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。

［第３実施形態］
第３実施形態の燃料電池モジュール４１は、図１０に示されているように、既述の第１の実施形態における２つの下部ダンパ１１−１〜１１−２と２つの上部ダンパ１２−１〜１２−２とが省略され、複数のファン４２を備えている。複数のファン４２は、複数の下部流路７を介して外側空間５から内側空間に酸化性ガスを流入させ、内側空間６を上昇して外側空間５を下降する酸化性ガスの流れである対流を強制的に生成する。

複数のファン４２は、さらに、複数のセルスタック１０１のうちの、任意のセルスタックが所定温度範囲より高温であるときに、発電室２１５のうちの高温となったセルスタックの近傍を流れる酸化性ガスの流量が増加するように、複数の下部流路７のうちの高温となった該セルスタックの近傍の下部流路を通過する酸化性ガスの流量を増加させる。このため、高温となった該セルスタックは、外側空間５で冷却された酸化性ガスにより所定温度範囲より高温となった該セルスタックを高効率に冷却して、該セルスタックを所定温度範囲内に戻すことができる。
燃料電池モジュール４１は、全体としてセルスタックの温度が所定温度以内となって均一化するため、発電性能が向上する。

複数のファン４２は、複数のセルスタック１０１のうちの、任意のセルスタックが所定温度範囲より低温であるときに、内側空間６のうちの低温となったセルスタックの近傍を流れる酸化性ガスの流量が低減するように、複数の下部流路７のうちの低温となった該セルスタックの近傍の下部流路を通過する酸化性ガスの流量を低減させる。このため、低温となった該セルスタックは、外側空間５で冷却された酸化性ガスにより冷却され過ぎることが防止され該セルスタックを所定温度範囲内に戻すことができる。
燃料電池モジュール４１は、全体としてセルスタックの温度が所定温度以内となって均一化するため、発電性能が向上する。

すなわち、第３実施形態の燃料電池モジュール４１は、内側空間６を上昇して外側空間５を下降する酸化性ガスの流量を、複数のファン４２を用いて調整することにより、既述の実施形態の燃料電池モジュールと同様にして、複数のセルスタック１０１を確実に温度調節することができる。その結果、第３実施形態の燃料電池モジュール４１は、燃料電池モジュール全体としてセルスタックの温度が所定温度以内となって均一化するため、発電性能が向上し、複数のセルスタック１０１に適切に発電させることができる。

燃料電池モジュール４１は、複数のファン４２を用いて内側空間６を上昇して外側空間５を下降する酸化性ガスの流量を強制的に調整することにより、複数のセルスタック１０１の発熱により内側空間６と外側空間５を循環する自然対流より大きい流量で酸化性ガスを内側空間６と外側空間５に循環させることができる。このため、燃料電池モジュール４１は、既述の第１、２実施形態における燃料電池モジュール２０１、３１に比較して、より高効率に冷却して該セルスタックを所定温度範囲内に戻すことができる。

第３実施形態における燃料電池モジュール４１は、ＧＴＣＣまたはＭＧＴと組み合わされるときに、複合のセルスタック１０１を適切に温度調節することができることにより、既述の第１実施形態における燃料電池モジュール２０１と同様にして、ガスタービン当たりの燃料電池モジュールの台数を多くすることができ、または、排酸化性ガスを循環させるブロワと高温の排酸化性ガスを冷却する冷却装置とを設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。

［第４実施形態］
第４実施形態の燃料電池モジュール５１は、図１１に示されているように、既述の第１の実施形態における燃料電池モジュール２０１が複数の熱交換器５２をさらに備えている。複数の熱交換器５２は、外側空間５に配置され、圧力容器２０５の外部から供給される冷媒と外側空間５を流れる酸化性ガスとを熱交換することより、外側空間５を流れる酸化性ガスを冷却する。
熱交換器を通過する冷媒は給水、蒸気等が考えられ、熱交換した熱を有効活用することが出来る。

第４実施形態の燃料電池モジュール５１は、外側空間５を流れる酸化性ガスを複数の熱交換器５２がさらに冷却することにより、外側空間５を流れる酸化性ガスを圧力容器２０５による外気との熱交換のみにより冷却する第１実施形態から第三実施形態の燃料電池モジュールに比較して、外側空間５を流れる酸化性ガスをより低温に冷却することができ、より低温の酸化性ガスを用いて複数のセルスタック１０１を高効率に冷却することができる。
また、熱交換器を蒸発器とした場合、蒸発器内の冷媒の温度は運転圧力の沸点となることから、外側空間５を流れる酸化性ガスの均温化を図ることで、内部空間温度の均温化を図ることも出来る。

第４実施形態の燃料電池モジュール５１が適用される複合発電システムは、複数のセルスタック１０１を高効率に冷却することができることにより、既述の実施形態の燃料電池モジュールと同様にして、ガスタービン当たりの燃料電池モジュールの設置台数を多くすることができ、または、製造コストを低減することができる。

複数の熱交換器５２は、外側空間５に配置されて電池側断熱材２を介して複数のセルスタック１０１と隔てられていることにより、破損した場合でも、冷媒が複数のセルスタック１０１に接触することが防止され、複数のセルスタック１０１の損傷を防止することができる。このため、燃料電池モジュール５１は、内側空間６に配置されて複数のセルスタック１０１を冷却する他の熱交換器を備える燃料電池モジュールに比較して、複数のセルスタック１０１の損傷を防止して、複数のセルスタック１０１を適切に温度調節することができる。

第４実施形態における燃料電池モジュール５１は、さらに、ＧＴＣＣまたはＭＧＴと組み合わされるときに、複合のセルスタック１０１を高効率に冷却することができることにより、既述の第１実施形態における燃料電池モジュール２０１と同様にして、ガスタービン当たりの燃料電池モジュールの台数を多くすることができ、または、排酸化性ガスを循環させるブロワと高温の排酸化性ガスを冷却する冷却装置とを設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。

なお、複数の熱交換器５２は、外側空間５を流れる酸化性ガスを冷媒と熱交換すること以外の方法で酸化性ガスを冷却する他の冷却装置に置換することができる。冷却装置としては、外側空間５に水滴を噴霧して、外側空間５を流れる酸化性ガスを水滴の気化熱により冷却するものが例示される。このような冷却装置を備える燃料電池モジュールも、既述の第４実施形態の燃料電池モジュール５１と同様にして、複数のセルスタック１０１を高効率に冷却することができ、適用される複合発電システムにおいて、ガスタービン当たりの燃料電池モジュール４１の設置台数を多くすることができ、または、製造コストを低減することができる。

なお、複数のセルスタック１０１は、基体管１０３から形成される円筒横縞型ＳＯＦＣと異なる複数のセルスタックに置換されることができる。このようなセルスタックとしては、平板型のセルスタックが例示される。燃料電池モジュールは、このようなセルスタックが適用された場合でも、外側空間５と内側空間６とを対流する酸化性ガスの流量を調整することにより、複数のセルスタックを温度調節することができ、適切に発電することができる。

１ ：圧力容器側断熱材
２ ：電池側断熱材（板材）
５ ：外側空間
６ ：内側空間
７ ：複数の下部流路
８ ：複数の上部流路
１１−１〜１１−２：２つの下部ダンパ
１２−１〜１２−２：２つの上部ダンパ
１４−１〜１４−ｎ：複数の羽根
１７−１〜１７−ｎ：複数の羽根
２０：複数の温度計測装置（温度計測手段）
２１：シールプレート
２２：薄板シールプレート
２４：クッション
３１：燃料電池モジュール
３２：中間ダンパ
３３：複数の中間流路
４１：燃料電池モジュール
４２：複数のファン
５１：燃料電池モジュール
５２：複数の熱交換器（冷却装置）
１０１：複数のセルスタック
２０１：燃料電池モジュール
２０５：圧力容器（容器）
２１５：発電室

Claims (14)

1. 気体が存在する内部空間を形成する容器と、
   前記内部空間を外側空間と内側空間とに仕切る板材と、
   前記内側空間に配置される複数のセルスタックと、
   対流流量調整装置とを備え、
   前記板材により、
   前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部とを接続する下部流路と、
   前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部とを接続する上部流路とが形成され、
   前記対流流量調整装置は、前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて、前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整するとともに、前記下部流路を通過する気体の流量を調整する下部ダンパを含み、
   前記下部流路は、互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置される複数の下部流路を含み、
   前記下部ダンパは、前記複数の下部流路をそれぞれ通過する前記気体の流量を別個に調整する燃料電池モジュール。
2. 前記対流流量調整装置は、前記複数のセルスタックの温度が所定の温度範囲より高温または低温となった際に、前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて、前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整する請求項１に記載される燃料電池モジュール。
3. 前記下部ダンパは、前記下部流路を閉鎖するときに、前記下部流路のうちの前記外側空間の側の口に密着するように弾性変形する部材を有する請求項１または請求項２に記載される燃料電池モジュール。
4. 前記対流流量調整装置は、前記上部流路を通過する前記気体の流量を調整する上部ダンパをさらに含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載される燃料電池モジュール。
5. 前記上部ダンパは、前記上部流路を閉鎖するときに、前記上部流路のうちの前記外側空間の側の口に密着するように弾性変形する部材を有する請求項４に記載される燃料電池モジュール。
6. 前記上部ダンパのうちの前記上部流路を開閉する羽根は、前記下部ダンパのうちの前記下部流路を開閉する羽根より耐熱性が高い請求項４に記載される燃料電池モジュール。
7. 前記上部ダンパは、前記上部流路を開閉する羽根を被覆する断熱部材を有する請求項４または請求項５に記載される燃料電池モジュール。
8. 前記対流流量調整装置は、前記板材の前記上部流路と前記下部流路との間に形成される中間流路を通過する前記気体の流量を調整する中間ダンパをさらに有する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載される燃料電池モジュール。
9. 前記下部流路または前記上部流路または前記中間流路は、前記複数のセルスタックの輻射熱が前記内側空間から前記外側空間に直に放射されないように、屈曲している請求項８に記載される燃料電池モジュール。
10. 前記板材のうちの前記下部流路と前記上部流路と前記中間流路とが形成されていない部分を被覆するシールプレートをさらに備える請求項８または請求項９に記載される燃料電池モジュール。
11. 前記対流流量調整装置は、前記下部流路を介して前記気体を前記外側空間から前記内側空間に供給するファンを含む請求項１から請求項１０のうちのいずれか一項に記載される燃料電池モジュール。
12. 前記外側空間に流れる前記気体を冷却する冷却装置をさらに備える請求項１から請求項１１のうちのいずれか一項に記載される燃料電池モジュール。
13. 請求項１から請求項１２のうちのいずれか一項に記載される燃料電池モジュールと、
    前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスとを用いて回転動力を生成するガスタービンとを備え、
    前記燃料電池モジュールは、前記回転動力を用いて圧縮された酸化性ガスが前記気体として供給され、
    前記複数のセルスタックは、燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて発電する複合発電システム。
14. 気体が存在する内部空間を形成する容器と、
    前記内部空間を外側空間と内側空間とに仕切る板材と、
    前記内側空間に配置される複数のセルスタックと、
    前記複数のセルスタックの温度計測手段と
    を備え、
    前記板材により、
    前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向下側の下部とを接続する下部流路と、
    前記外側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部と前記内側空間のうちの前記複数のセルスタックより鉛直方向上側の上部とを接続する上部流路とが形成され、
    前記複数のセルスタックの温度が所定の温度範囲になるように、
    前記気体の少なくとも一部が前記下部流路を介して前記外側空間から前記内側空間に流れて前記上部流路を介して前記内側空間から前記外側空間に流れる流量を調整する対流流量調整工程と、
    互いに異なる複数の位置にそれぞれ配置される複数の下部流路をそれぞれ通過する前記気体の流量を別個に調整する工程と、を備える燃料電池発電部の温度制御方法。

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