具体实施方式

以下，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。但是，作为实施方式而记载的或附图所示的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对的配置等并非旨在将本发明的范围限定于此，只不过是单纯的说明例。

图1是表示本发明的至少一个实施方式的燃料电池模块201的整体构成的立体图，图2是表示图1的燃料电池套管203的内部构成的截面图。燃料电池模块201具备多个燃料电池套管203和收纳多个燃料电池套管203的压力容器205。另外，燃料电池模块201具有燃料气体供给管207和多个燃料气体供给支管207a。另外，燃料电池模块201具有燃料气体排出管209和多个燃料气体排出支管209a。另外，燃料电池模块201具有氧化性气体供给管(省略图示)和氧化性气体供给支管(省略图示)。另外，燃料电池模块201具有氧化性气体排出管(省略图示)和多个氧化性气体排出支管(省略图示)。

燃料气体供给管207设置于压力容器205的内部，与对应于燃料电池模块201的发电量而供给规定气体组成和规定流量的燃料气体G的燃料供给系统(省略图示)连接，并且与多个燃料气体供给支管207a连接。该燃料气体供给管207将从燃料供给系统(省略图示)供给的规定流量的燃料气体分支并引导至多个燃料气体供给支管207a中。

燃料气体供给支管207a与燃料气体供给管207连接，并且与多个燃料电池套管203连接。该燃料气体供给支管207a将从燃料气体供给管207供给的燃料气体以大致均等的流量引导至多个燃料电池套管203中，使多个燃料电池套管203的发电性能大致均匀化。

燃料气体排出支管209a与多个燃料电池套管203连接，并且与燃料气体排出管209连接。该燃料气体排出支管209a将从燃料电池套管203排出的排放燃料气体引导至燃料气体排出管209中。另外，燃料气体排出管209与多个燃料气体排出支管209a连接，并且一部分配置于压力容器205的内部。该燃料气体排出管209将从燃料气体排出支管209a以大致均等的流量导出的排放燃料气体引导至压力容器205的外部的燃料气体排出系统(省略图示)中。

压力容器205在内部的压力为0.1MPa～约1MPa、内部的温度为大气温度～约550℃下被运用，利用具有耐压性和对于氧化性气体中所含的氧等氧化剂具有耐腐蚀性的材质。例如SUS304等不锈钢系材料是适合的。

如图2所示，燃料电池套管203具有多个电池组101、发电室215、燃料气体供给室217、燃料气体排出室219、氧化性气体供给室221和氧化性气体排出室223。另外，燃料电池套管203具有上部管板225a、下部管板225b、上部绝热体227a和下部绝热体227b。

需要说明的是，在本实施方式中，燃料电池套管203通过如图2那样配置燃料气体供给室217、燃料气体排出室219、氧化性气体供给室221和氧化性气体排出室223，从而成为燃料气体和氧化性气体在电池组101的内侧和外侧对向流动的结构，但也可以是其他结构。例如，也可以在电池组101的内侧和外侧平行地流动，或者氧化性气体向与电池组101的长度方向正交的方向流动。

发电室215是形成于上部绝热体227a与下部绝热体227b之间的区域。该发电室215是配置有电池组101的燃料电池电池单元105，使燃料气体与氧化性气体发生电化学反应而进行发电的区域。另外，该发电室215的电池组101长度方向的中央部附近的温度在燃料电池模块201的稳定运转时成为大约700℃～1100℃的高温气氛。

燃料气体供给室217是被燃料电池套管203的上部壳体229a和上部管板225a包围的区域。另外，燃料气体供给室217通过上部壳体229a所具备的燃料气体供给孔231a而与燃料气体供给支管207a(省略图示)连通。另外，在燃料气体供给室217中，电池组101的一个端部以电池组101的基体管103的内部相对于燃料气体供给室217开放而配置。该燃料气体供给室217将从燃料气体供给支管207a(省略图示)经由燃料气体供给孔231a供给的燃料气体以大致均匀的流量引导至多个电池组101的基体管103的内部中，使多个电池组101的发电性能大致均匀化。

燃料气体排出室219是被燃料电池套管203的下部壳体229b和下部管板225b包围的区域。另外，燃料气体排出室219通过下部壳体229b所具备的燃料气体排出孔231b而与燃料气体排出支管209a(省略图示)连通。另外，在燃料气体排出室219中，电池组101的另一个端部以电池组101的基体管103的内部相对于燃料气体排出室219开放而配置。该燃料气体排出室219将通过多个电池组101的基体管103的内部而向燃料气体排出室219供给的排放燃料气体汇集，并经由燃料气体排出孔231b引导至燃料气体排出支管209a(省略图示)中。

与燃料电池模块201的发电量对应地将规定气体组成和规定流量的氧化性气体向氧化性气体供给支管分支，向多个燃料电池套管203供给。氧化性气体供给室221是被燃料电池套管203的下部壳体229b、下部管板225b和下部绝热体227b包围的区域。另外，氧化性气体供给室221通过下部壳体229b所具备的氧化性气体供给孔233a而与氧化性气体供给支管(省略图示)连通。该氧化性气体供给室221将从氧化性气体供给支管(省略图示)经由氧化性气体供给孔233a供给的规定流量的氧化性气体经由后述的氧化性气体供给间隙235a引导至发电室215。

氧化性气体排出室223是被燃料电池套管203的上部壳体229a、上部管板225a和上部绝热体227a包围的区域。另外，氧化性气体排出室223通过上部壳体229a所具备的氧化性气体排出孔233b而与氧化性气体排出支管(省略图示)连通。该氧化性气体排出室223将从发电室215经由后述氧化性气体排出间隙235b供给至氧化性气体排出室223的排放氧化性气体经由氧化性气体排出孔233b引导至氧化性气体排出支管(省略图示)中。

上部管板225a在上部壳体229a的顶板与上部绝热体227a之间，以上部管板225a、上部壳体229a的顶板和上部绝热体227a大致平行的方式固定于上部壳体229a的侧板。另外，上部管板225a具有与燃料电池套管203所具备的电池组101的根数对应的多个孔，在该孔中分别插入有电池组101。该上部管板225a经由密封构件和粘接构件中的任一者或两者气密地支承多个电池组101的一个端部，并且将燃料气体供给室217与氧化性气体排出室223隔离。

下部管板225b在下部壳体229b的底板与下部绝热体227b之间以下部管板225b、下部壳体229b的底板与下部绝热体227b大致平行的方式固定于下部壳体229b的侧板。另外，下部管板225b具有与燃料电池套管203所具备和电池组101的根数对应的多个孔，在该孔中分别插入有电池组101。该下部管板225b经由密封构件和粘接构件中的任一者或两者气密地支承多个电池组101的另一个端部，并且将燃料气体排出室219与氧化性气体供给室221隔离。

上部绝热体227a以上部绝热体227a、上部壳体229a的顶板和上部管板225a大致平行的方式配置于上部壳体229a的下端部，并固定于上部壳体229a的侧板。另外，在上部绝热体227a中，与燃料电池套管203所具备的电池组101的根数对应地设置有多个孔。该孔的直径被设定为大于电池组101的外径。上部绝热体227a具有在该孔的内表面与插通到上部绝热体227a中的电池组101的外表面之间形成的氧化性气体排出间隙235b。

该上部绝热体227a将发电室215与氧化性气体排出室223分隔，抑制上部管板225a的周围的气氛高温化而导致强度降低、由氧化性气体中所含的氧化剂引起的腐蚀增加。上部管板225a等由铬镍铁合金等具有高温耐久性的金属材料构成，防止上部管板225a等暴露于发电室215内的高温而导致与上部壳体229a的温度差变大从而发生热变形。另外，上部绝热体227a使通过发电室215而暴露于高温的排放氧化性气体通过氧化性气体排出间隙235b引导至氧化性气体排出室223中。

根据本实施方式，通过上述的燃料电池套管203的结构，成为燃料气体和氧化性气体在电池组101的内侧和外侧对向而流动。由此，排放氧化性气体与通过基体管103的内部而供给至发电室215的燃料气体之间进行热交换，被冷却至由金属材料构成的上部管板225a等不发生压曲等变形的温度而供给至氧化性气体排出室223。另外，燃料气体通过与从发电室215排出的排放氧化性气体的热交换而升温，向发电室215供给。其结果是，能够在不使用加热器等的情况下将预热升温至适于发电的温度的燃料气体供给至发电室215中。

下部绝热体227b以下部绝热体227b、下部壳体229b的底板和下部管板225b大致平行的方式配置于下部壳体229b的上端部，并固定于上部壳体229a的侧板。另外，在下部绝热体227b中，与燃料电池套管203所具备的电池组101的根数对应地设置有多个孔。该孔的直径被设定为大于电池组101的外径。下部绝热体227b具有在该孔的内表面与插通到下部绝热体227b中的电池组101的外表面之间形成的氧化性气体供给间隙235a。

该下部绝热体227b将发电室215与氧化性气体供给室221分隔，抑制下部管板225b周围的气氛高温化而导致强度降低、由氧化性气体中所含的氧化剂引起的腐蚀增加。下部管板225b等由铬镍铁合金等具有高温耐久性的金属材料构成，防止下部管板225b等暴露于高温而导致与下部壳体229b的温度差变大从而发生变形。另外，下部绝热体227b使供给至氧化性气体供给室233中的氧化性气体通过氧化性气体供给间隙235a引导至发电室215中。

根据本实施方式，通过上述的燃料电池套管203的结构，成为燃料气体和氧化性气体在电池组101的内侧和外侧对向而流动。由此，通过基体管103的内部并通过发电室215后的排放燃料气体与向发电室215供给的氧化性气体之间进行热交换，被冷却至由金属材料构成的下部管板225b等不发生压曲等变形的温度并向燃料气体排出室219排出。另外，氧化性气体通过与排放燃料气体的热交换而升温，向发电室215供给。其结果是，能够在不使用加热器等的情况下将升温至发电所需的温度的氧化性气体供给至发电室215中。

发电室215中发出的直流电力通过设置于多个燃料电池电池单元105的由Ni/YSZ等构成的引线膜115导出至电池组101的端部附近之后，经由燃料电池套管203的集电机构进行集电，向各燃料电池套管203的外部被取出。通过集电机构导出到燃料电池套管203的外部的电力为，将各燃料电池套管203的发电电力相互连接为规定的串联数和并联数，导出至燃料电池模块201的外部，通过逆变器等变换为规定的交流电力，供给至电力负载。后面对收集直流电力的集电机构的详细情况进行叙述。

接下来，参照图3对本实施方式的圆筒形电池组进行说明。图3是表示图2的电池组101的截面图。

电池组101具有圆筒形状的基体管103、形成于基体管103的外周面的多个燃料电池电池单元105、以及形成于相邻的燃料电池电池单元105之间的互连器107。燃料电池电池单元105层叠燃料极109、固体电解质111与空气极113而形成。另外，电池组101具有引线膜115，该引线膜115经由互连器107与形成于基体管103的外周面的多个燃料电池电池单元105中的、在基体管103的轴向上形成于最端部的燃料电池电池单元105的空气极113电连接。

基体管103由多孔质材料构成，例如包含CaO稳定的ZrO₂(CSZ)、或Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)、或MgAl₂O₄。该基体管103支承燃料电池电池单元105、互连器107和引线膜115，并且使向基体管103的内周面供给的燃料气体经由基体管103的细孔向形成于基体管103的外周面的燃料极109扩散。

燃料极109由Ni和氧化锆系电解质材料的复合材料的氧化物构成，例如使用Ni/YSZ。在该情况下，在燃料极109中，作为燃料极109的成分的Ni对燃料气体具有催化作用。该催化作用是使经由基体管103供给的燃料气体，例如甲烷(CH₄)与水蒸气的混合气体反应而改性为氢(H₂)和一氧化碳(CO)的作用。另外，燃料极109使通过改性得到的氢(H₂)和一氧化碳(CO)与经由固体电解质111供给的氧离子(O^2-)在与固体电解质111的界面附近进行电化学反应而生成水(H₂O)和二氧化碳(CO₂)。需要说明的是，此时，燃料电池电池单元105通过从氧离子释放的电子而发电。

固体电解质111主要使用YSZ，该YSZ具有气体难以通过的气密性和高温下的高氧离子导电性。该固体电解质111使在空气极生成的氧离子(O^2-)向燃料极移动。

空气极113例如由LaSrMnO₃系氧化物或LaCoO₃系氧化物构成。该空气极113在与固体电解质111的界面附近使所供给的空气等氧化性气体中的氧解离而生成氧离子(O^2-)。

互连器107由SrTiO₃系等M_1-xL_xTiO₃(M为碱土类金属元素，L为镧元素)所示的导电性钙钛矿型氧化物构成，以燃料气体和氧化性气体不混合的方式成为致密的膜。另外，互连器107在氧化气氛和还原气氛这两种气氛下具有稳定的导电性。该互连器107在相邻的燃料电池电池单元105中将一方的燃料电池电池单元105的空气极113与另一方的燃料电池电池单元105的燃料极109电连接，将相邻的燃料电池电池单元105串联连接。

引线膜115需要具有电子传导性，并且与构成电池组101的其他材料的热膨胀系数接近，因此由Ni/YSZ等Ni与氧化锆系电解质材料的复合材料构成。该引线膜115将由通过互连器串联连接的多个燃料电池电池单元105发出的直流电力导出至电池组101的端部附近。

接下来，对燃料电池套管203的集电机构进行说明。图4是从垂直方向上方观察燃料电池套管203的俯视图(在图4中，省略了上部壳体229a)。图5是图4所示的燃料电池套管203的L-L线截面立体图。需要说明的是，上述的图2与图4的M-M线截面图相对应。

燃料电池套管203具备构成燃料电池的圆筒状的多个电池组101(在本实施方式中，燃料电池套管203具备合计56根的电池组101)。如使用图3说明的那样，各电池组101具有空气极113(正极)和燃料极109(负极)。如参照图2所述，各电池组101以电池组101的中心轴在垂直方向上延伸且在与中心轴正交的水平面内相邻的状态配置的方式被上部壳体229a(框体)和下部壳体229b(框体)支承。

如图4和图5所示，由这些多个电池组101构成的电池组群被分类为包括内侧电池组群101A和外侧电池组群101B，所述内侧电池组群101A配置于配置有多个电池组101的电池单元配置区域中的内侧区域A1，所述外侧电池组群101B配置于与电池单元配置区域A中的内侧区域A1相比位于外侧的外侧区域A2。

燃料电池套管203具备集电板11(第一正极集电部)、集电板12(第二正极集电部)、集电板21(第一负极集电部)和集电板22(第二负极集电部)。集电板11(第一正极集电部)是将外侧电池组群101B的正极彼此电连接的导电性的板状构件，配置于外侧区域A2。另外，集电板12(第二正极集电部)是将内侧电池组群101A的正极彼此电连接的导电性的板状构件，配置于内侧区域A1。另外，集电板21(第一负极集电部)是将内侧电池组群101A的负极彼此电连接的导电性的板状构件，配置于内侧区域A1。另外，集电板22(第二负极集电部)是将外侧电池组群101B的负极彼此电连接的导电性的板状构件，配置于外侧区域A2。

如图5所示，使电流在燃料电池套管203内流通的路径是通过将集电板21与集电板22电分离并将集电板21与集电板11电连接而形成的。该路径是内侧区域A1的内侧电池组群101A与外侧区域A2的外侧电池组群101B相对于外部负载(未图示)串联连接的路径。

需要说明的是，路径中所示的箭头表示在路径中流通的电流的流通方向。在以下的各图中，路径中所示的箭头也表示在路径中流通的电流的流通方向。

在此，燃料电池套管203所具备的各电池组101分别具有彼此相等的导电面积，外侧电池组群101B包括数量比内侧电池组群101A少的上述电池组101。因此，在相对于外部负载串联连接的内侧电池组群101A和外侧电池组群101B被通电时，构成为：总导电面积小的外侧电池组群101B的电流密度大于总导电面积大的内侧电池组群101A的电流密度。

图6表示图4的L-L间的温度分布T。在图6中，作为比较例，用虚线表示与由于内侧电池组群101A和外侧电池组群101B的数量相同而导致两者的电流密度相等的情况相对应的温度分布T’。在该比较例中，示出了向外部的散热量大的外侧电池组群101B中温度低、向外部的散热量小的内侧电池组群101A中温度低的温度分布T’。另外，温度分布T’具有最高温度Tmax’。

在一个实施方式中，如上所述，通过构成为外侧电池组群101B的电流密度大于内侧电池组群101A的电流密度，从而使外侧电池组群101B中的发热量相对于内侧电池组群101A增加，其结果是，与比较例相比，得到了均衡化的温度分布T。

在本实施方式中，如图4所示，由于外侧电池组群101B构成为在全周范围包围内侧电池组群101A，所以内侧电池组群101A的散热量容易比外侧电池组群101B小，并且内侧电池组群101A容易变得高温，但是通过像这样使外侧电池组群101B的电流密度比内侧电池组群101A大，能够有效地使温度分布均衡化。

另外，在该温度分布T中，最高温度Tmax与比较例的最高温度Tmax’相比被抑制，并且被均衡化。因此，如图6中作为温度分布Ta所示，即使将与比较例的最高温度Tmax’同等的最高温度设为上限，也能够提高燃料电池套管203的输出，能够实现更高效率的燃料电池套管203。

这样的构成可以像上述的各集电板(集电板11(第一正极集电部)、集电板12(第二正极集电部)、集电板21(第一负极集电部)和集电板22(第二负极集电部))那样，利用彼此独立的集电构件将内侧电池组群101A与外侧电池组群101B电连接来构建。由此，无需对排列多个电池组而构成的以往的燃料电池套管的构成进行大幅变更，就能够以有效的布局来实现上述构成。

图7是图4的第一变形例，图8是表示图7所示的燃料电池套管203的N-N线截面的立体图。在该第一变形例中，2个外侧区域A2分别被限定在内侧区域A1的两侧，从而使外侧电池组群101B 1和101B2分别配置于内侧电池组群101A的两侧。

使电流在燃料电池套管203内流通的路径是将图8中左侧所示的外侧电池组群101B 1和内侧电池组群101A相对于外部负载(未图示)串联连接的路径与图8中右侧所示的外侧电池组群101B2与内侧电池组群101A相对于外部负载(未图示)串联连接的路径相互并联组合而成的路径。

即使在这样外侧电池组群101B被分离地设置于内侧电池组群101A的两侧的情况下，通过使外侧电池组群101B的电流密度比内侧电池组群101A大，也能够有效地使温度分布均衡化。

图9是第一变形例的燃料电池套管203的扩展例。在图9中，第一变形例的燃料电池套管203A、203B、203C···沿着规定方向排列，彼此相邻的燃料电池套管203的内侧区域A1和外侧区域A2以分别连续的方式配置。即使如此通过相邻配置多个燃料电池套管203而扩展的情况下，通过使散热量比较大的外侧电池组群101B的电流密度大于散热量比较小的内侧电池组群101A，也能够有效地使多个燃料电池套管203上的温度分布均衡化。

另外，在将多个燃料电池套管203扩展配置的情况下，彼此相邻的燃料电池套管203间的接触面接近于绝热状态，也不易产生温度梯度，因此使温度分布均衡化的需求小。在这样的情况下，如图9所示，通过以列单位构成各集电板，能够以有效的布局进行与排列方向成直角的方向上的温度分布的标准化。

需要说明的是，配置于内侧电池组群101A的两侧的外侧电池组群101B 1和101B2彼此可以包括相同数量的电池组101，但是考虑到温度分布的平衡，外侧电池组群101B 1和101B2可以包括不同数量的电池组101。

图10是图4的第二变形例，图11是图10所示的燃料电池套管203的O-O线截面立体图。在第二变形例中，内侧电池组群101A被配置于外侧电池组群101B1和101B2之间，该内侧电池组群101A被进一步细分为第一内侧电池组群101A1和第二内侧电池组群101A2。

如图11所示，在燃料电池套管203内使电流流通的路径中，外侧电池组群101B 1的集电板30(第一正极集电部)与第一内侧电池组群101A1的集电板31(第一负极集电部)电连接。第一内侧电池组群101A1的集电板32(第二正极集电部)与第二内侧电池组群101A2的集电板33(第二负极集电部)电连接。第二内侧电池组群101A2的集电板34(第三正极集电部)与外侧电池组群101B2的集电板35(第三负极集电部)电连接。另外，外侧电池组群101B 1的集电板36(第四负极集电部)和外侧电池组群101B2的集电板37(第四正极集电部)与外部负载连接。这样，通过将内侧电池组群(101A1、101A2)和外侧电池组群(101B 1、101B2)电分离，并且将各堆组电连接来形成。该路径是图11所示的路径，相对于外部负载(未图示)被串联连接。

这样，在第二变形例中，通过进一步细分内侧电池组群101A并改变各个电池组群中所含的电池组数，从而与第一变形例相比，能够通过更精细的温度调整而使温度分布均衡化。在该情况下，也可以与第一变形例的图9同样地，通过相邻地配置多个燃料电池套管203来进行扩展。

在上述实施方式中，对燃料电池套管203具有圆筒型的电池组101情况进行了说明，但燃料电池套管203所具有的电池组101可以为其他形式。图12是表示具有扁平圆筒型的电池组101的燃料电池套管303的示意图。在该燃料电池套管303中，沿着垂直方向排列有在水平方向上延伸的多个电池组101，具有在上方侧和下方侧(外侧)与外部空气接触而电池组101的温度比内侧低的温度分布。

在这样的燃料电池套管303中，对于多个电池组101也限定内侧区域A1和外侧区域A2，并且被分类成位于内侧区域A1的内侧电池组群101A和位于外侧区域A2的外侧电池组群101B。内侧电池组群101A和外侧电池组群101B经由规定的集电系统相对于未图示的外部负载被串联连接。

这里，燃料电池套管303所具备的各电池组101分别具有彼此相等的导电面积，外侧电池组群101B包括数量比内侧电池组群101A少的上述电池组101。因此，在相对于外部负载串联连接的内侧电池组群101A和外侧电池组群101B被通电时，构成为总导电面积小的外侧电池组群101B的电流密度大于总导电面积大的内侧电池组群101A的电流密度。这样，通过使外侧电池组群101B的电流密度大于内侧电池组群101A，能够有效地使温度分布均衡化。

如上所述，根据上述实施方式，通过构成为外侧电池组的电流密度大于内侧电池组的电流密度，能够使散热量比内侧电池组大的外侧电池组与散热量比外侧电池组小的内侧电池组之间的温度分布均衡化。

燃料电池模块201有时应用于与GTCC(GasTurbineCombined Cycle：燃气轮机联合循环发电)、MGT(Micro Gas Turbine：微型燃气轮机)或涡轮增压器组合利用的复合发电系统。在这样的复合发电系统中，从SOFC模块排出的排放燃料气体和排放氧化性气体被供给至燃气轮机的燃烧器(未图示)而生成高温的燃烧气体，通过利用燃气轮机使该燃烧气体绝热膨胀而生成的旋转动力，驱动压缩机而被压缩的压缩气体作为氧化性气体被供给至燃料电池模块10的氧化性气体供给主管21。需要说明的是，氧化性气体是指包含大致15％～30％的氧的气体，代表性地优选空气，但除了空气以外，也可以使用燃烧排气与空气的混合气体、氧与空气的混合气体等。

产业上的可利用性

本发明的至少一个实施方式能够利用于固体氧化物燃料电池的燃料电池套管、燃料电池模块及复合发电系统。

附图标记说明

101：电池组

101A：内侧电池组群

101B：外侧电池组群

103：基体管

105：燃料电池电池单元

107：互连器

109：燃料极

111：固体电解质

113：空气极

115：引线膜

201：燃料电池模块

203：燃料电池套管

205：压力容器

207：燃料气体供给管

209：燃料气体排出管

215：发电室

217：燃料气体供给室

219：燃料气体排出室

221：氧化性气体供给室

223：氧化性气体排出室

225a：上部管板

225b：下部管板

227a：上部绝热体

227b：下部绝热体

229a：上部壳体

229b：下部壳体

231a：燃料气体供给孔

231b：燃料气体排出孔

233a：氧化性气体供给孔

233b：氧化性气体排出孔

235a：氧化性气体供给间隙

235b：氧化性气体排出间隙

303：扁平圆筒型燃料电池套管

A1：内侧区域

A2：外侧区域