JP2002260697A

JP2002260697A - 燃料電池モジュール

Info

Publication number: JP2002260697A
Application number: JP2001360332A
Authority: JP
Inventors: Jun Akikusa; 順秋草; Koji Hoshino; 孝二星野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2002-09-13
Anticipated expiration: 2021-11-27
Also published as: JP3925171B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度を下
げることにより、燃料電池の過熱を防止する。【解決手段】燃料電池１１の酸化剤供給通路に酸化剤
用短管２９を通して酸化剤ガスを供給する酸化剤用ディ
ストリビュータ１４が燃料電池の近傍に設けられ、酸化
剤用ディストリビュータに酸化剤予熱管４４から酸化剤
ガスが供給される。酸化剤予熱管に冷却酸化剤ガスを供
給可能な冷却管５６が酸化剤予熱管に接続され、冷却酸
化剤ガスの流量を調整する流量調整弁５９が冷却管５６
に設けられる。コントローラは燃料電池の温度を検出す
る温度センサ５８の検出出力に基づいて流量調整弁を制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電セルでの発電
にて発生する熱により、燃料電池の温度上昇を制御可能
な燃料電池モジュールに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、発電セルがアノード、固体電解質
及びカソードからなり、セパレート板が上記発電セルに
交互に積層され、セパレート板のうちのリブ付多孔質基
材に形成されたリブが燃料ガス及び酸化剤ガスを上記ア
ノード及びカソードに個別に分配するように構成された
固体電解質型燃料電池が開示されている（特開平３−１
２９６７５号）。この燃料電池では、上記リブが反応ガ
スをリブ付多孔質基材の中央部から周縁部の反応ガス排
出口に向って放射状に流すように構成される。また反応
ガス排出口はセパレート板と発電セルの積層体であるス
タックの周縁部に均一に分布するように配置される。更
にスタックの中央部には燃料ガス導入管及び酸化剤ガス
導入管が積層方向に貫通して設けられ、これらの導入管
から反応ガスがセパレート板に供給されるように構成さ
れる。このように構成された固体電解質型燃料電池で
は、反応ガスがスタックの中央部から周縁部に向って流
れるので、発電セルとセパレート板との間のガスシール
が不要になる。また反応ガス排出口から出た反応ガスは
燃料電池の周囲で燃焼するけれども、上記排出口の分布
が均一であるため、燃料電池の周囲の温度は均一に保た
れる。更に燃料電池の周縁部に達した燃料ガス及び酸化
剤ガスの燃焼により、燃料電池の温度を所定の高温度に
維持できるとともに、反応ガスの予熱用熱源として利用
できるようになっている。

【０００３】一方、アノード、固体電解質体及びカソー
ドの積層体からなる集合体と、反応ガス供給管が配され
たセパレータとが交互に積層され、セパレータの一方の
面に燃料ガスが通流する溝が形成され、セパレータの他
方の面に酸化剤ガスが通流する溝が形成された固体電解
質型燃料電池が開示されている（特開平６−１３０８８
号）。この燃料電池では、セパレータから燃料ガス及び
酸化剤ガスを排出する反応ガス排出管がそれぞれ接続さ
れる。このように構成された固体酸化物型燃料電池で
は、反応ガス供給管が各セパレータに個別に接続される
ため、従来、集合体及びセパレータに形成された円形の
ガスマニホルドをシールする円形のガラスリングを不要
にできるとともに、従来、集合体及びセパレータ間の外
形をガスシールしていた方形のガラスリングを不要にで
きる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の特
開平３−１２９６７５号に記載された固体電解質型燃料
電池では、燃料電池の周縁部に達した燃料ガス及び酸化
剤ガスの燃焼により、燃料電池の周縁部の温度が上昇
し、発電にて燃料電池内部に流れる電流により、ジュー
ル熱が発生する。このため、燃料電池の中心部の温度が
最も高くなって、燃料電池の温度分布が不均一になるた
め、発電セルに熱応力が作用して、発電セルが損傷する
おそれがあった。また、上記従来の特開平６−１３０８
８号公報に示された固体電解質型燃料電池では、各発電
セルでの電池反応により、燃料電池の温度が次第に上昇
し、燃料電池の発電に適した温度を越えてしまい、発電
効率が低下する不具合があった。

【０００５】本発明の目的は、燃料電池に供給される酸
化剤ガスの温度を制御することにより、燃料電池を発電
に適した温度に保ち、燃料電池の過熱を防止できる、燃
料電池モジュールを提供することにある。本発明の別の
目的は、燃料用ディストリビュータ及び燃料用短管内の
蒸気による酸化スケールの発生を抑制でき、また燃料予
熱管に水蒸気を供給するための気化器を不要にできると
ともに、発電セルの損傷を防止できる、燃料電池モジュ
ールを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１及び図２に示すように、発電セル１２とこの発電セ
ル１２に燃料ガスを供給可能な燃料供給通路２３，２６
と発電セル１２に酸化剤ガスを供給可能な酸化剤供給通
路２４，２７とを有する燃料電池１１と、燃料電池１１
の近傍に設けられ酸化剤供給通路２４，２７に酸化剤用
短管２９を通して酸化剤ガスを供給する酸化剤用ディス
トリビュータ１４とを備えた燃料電池モジュールの改良
である。その特徴ある構成は、酸化剤用ディストリビュ
ータ１４に酸化剤ガスを供給する酸化剤予熱管４４と、
酸化剤予熱管４４に接続され酸化剤予熱管４４に冷却酸
化剤ガスを供給可能な冷却管５６と、燃料電池１１に挿
入され燃料電池１１の温度を検出する温度センサ５８
と、冷却管５６に設けられ冷却酸化剤ガスの流量を調整
する流量調整弁５９と、温度センサ５８の検出出力に基
づいて流量調整弁５９を制御するコントローラとを備え
たところにある。

【０００７】この請求項１に記載された燃料電池モジュ
ールでは、燃料電池１１の運転中に燃料電池１１が設定
温度を越えたことを温度センサ５８が検出すると、コン
トローラは温度センサ５８の検出出力に基づいて流量調
整弁５９を制御し、酸化剤予熱管４４を通る酸化剤ガス
に冷却管５６を通る冷却酸化剤ガスを混ぜ、設定温度よ
り低い温度の酸化剤ガスを燃料電池１１に供給する。こ
れにより燃料電池１１が過熱されるのを防止できる。

【０００８】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、更に図１及び図２に示すように、燃料電池
１１の近傍に設けられ燃料供給通路２３，２６に燃料用
短管２８を通して燃料ガスを供給する燃料用ディストリ
ビュータ１３と、燃料用ディストリビュータ１３に燃料
ガスを供給する燃料予熱管４３とを更に備え、燃料予熱
管４３が燃料電池１１の外周面に巻回され、酸化剤予熱
管４４が燃料電池１１の外周面に巻回され、燃料電池１
１が燃料予熱管４３及び酸化剤予熱管４４とともにイン
ナケース４６に収容され、発電セル１２から排出された
燃料ガス及び酸化剤ガスをインナケース４６外に導く排
気管５１がインナケース４６に接続されたことを特徴と
する。この請求項２に記載された燃料電池モジュールで
は、燃料予熱管４３内を通る燃料ガスが発電セル１２か
ら排出される高温の排ガス（燃料ガス及び酸化剤ガスよ
り生成された水蒸気やＣＯ₂）により、速やかに加熱さ
れて燃料用ディストリビュータ１３に供給され、酸化剤
予熱管４４内を通る酸化剤ガスも発電セル１２から排出
される上記高温の排ガスにより、速やかに加熱されて酸
化剤用ディストリビュータ４４に供給される。このため
燃料ガス及び酸化剤ガスが発電に適した温度で各発電セ
ル１２に供給されるので、発電効率を向上できる。

【０００９】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
係る発明であって、更に図１に示すように、インナケー
ス４６の外面が断熱材４７により被覆されるとともに、
インナケース４６の外周面に燃料予熱管４３、酸化剤予
熱管４４及び排気管５１が巻回され、更にインナケース
４６が燃料予熱管４３、酸化剤予熱管４４及び排気管５
１とともにアウタケース４８に収容されたことを特徴と
する。この請求項３に記載された燃料電池モジュールで
は、燃料予熱管４３内の燃料ガス及び酸化剤予熱管４４
内の酸化剤ガスがインナケース４６内に導入される前
に、インナケース４６の外周面に巻回された排気管５１
内を通る高温の排ガスにより加熱される。このため、燃
料ガス及び酸化剤ガスがインナケース４６内で予熱され
る前にも予熱されるため、発電効率を更に向上できる。

【００１０】請求項４に係る発明は、請求項１ないし３
いずれかに係る発明であって、更に燃料予熱管の上部に
水供給管の先端が挿入され、この水供給管の基端に噴霧
器又はポンプが接続されたことを特徴とする。この請求
項４に記載された燃料電池モジュールでは、燃料予熱管
に供給された水が燃料予熱管を下るに従って気化され
る。この結果、燃料予熱管に水蒸気を供給するための気
化器が不要になる。

【００１１】請求項５に係る発明は、請求項１ないし４
いずれかに係る発明であって、更に図１に示すように、
燃料予熱管４３の最下端に水分離器５３が接続されたこ
とを特徴とする。この請求項５に記載された燃料電池モ
ジュールでは、燃料電池モジュール１０が停止して温度
が低下し、水蒸気が液化して水になったときに、この水
は水分離器５３に溜る。この結果、燃料電池モジュール
１０を再始動しても、水が液体のまま発電セル１２に供
給されないので、発電セル１２の性能は低下せず、発電
セル１２が破損することはない。

【００１２】請求項６に係る発明は、請求項１ないし５
いずれかに係る発明であって、更に図１に示すように、
発電セル１２から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスを
インナケース４６及びアウタケース４８外に導く排気管
５１，５２が水蒸気タービンに接続されたことを特徴と
する。この請求項６に記載された燃料電池モジュールで
は、燃料電池モジュール１０から排出された高温の排ガ
スを利用して水を加熱し、圧縮水蒸気を発生させ、この
圧縮水蒸気をタービンに噴射して回転させることによ
り、発電機を回転させて熱エネルギを電気エネルギに変
換する。この燃料電池−水蒸気タービンのシステムは燃
料電池単体より発電効率が高い。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図１に示すように、燃料電池モジュ
ール１０は積層された（ｎ＋１）個の発電セル１２を有
する燃料電池１１と、この燃料電池１１の近傍にそれぞ
れ設けられた燃料用ディストリビュータ１３及び空気用
ディストリビュータ１４（酸化剤用ディストリビュー
タ）とを備える。ここで、ｎは正の整数である。発電セ
ル１２は円板状の固体電解質層１２ａと、この固体電解
質層１２ａの両面に配設された円板状の燃料極層１２ｂ
及び空気極層１２ｃ（酸化剤極層）とからなる。ｉ番目
（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１２の燃料極層１２
ｂとこの燃料極層１２ｂに隣接する（ｉ＋１）番目の発
電セル１２の空気極層１２ｃとの間には導電性材料によ
り正方形板状に形成されたセパレータ１６がそれぞれ１
枚ずつ合計ｎ枚介装される。またｉ番目の発電セル１２
の燃料極層１２ｂとｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセ
パレータ１６との間には円板状に形成されかつ導電性を
有する多孔質の燃料極集電体１７が介装され、（ｉ＋
１）番目の発電セル１２の空気極層１２ｃとｊ番目のセ
パレータ１６との間には円板状に形成されかつ導電性を
有する多孔質の空気極集電体１８（酸化剤極集電体）が
介装される。更に１番目の発電セル１２の空気極層１２
ｃには空気極集電体１８を介して導電性材料により正方
形板状に形成された単一の第１端板２１が積層され、
（ｎ＋１）番目の発電セル１２の燃料極層１２ｂには燃
料極集電体１７を介して導電性材料により正方形板状に
形成された単一の第２端板２２が積層される。なお、固
体電解質層、燃料極層、空気極層、燃料極集電体及び空
気極集電体は円板状ではなく、四角形板状、六角形板
状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。ま
た、セパレータ、第１端板及び第２端板は正方形板状で
はなく、円板状、或いは長方形板状、六角形板状、八角
形板状等の多角形板状に形成してもよい。

【００１４】固体電解質層１２ａは酸化物イオン伝導体
により形成される。具体的には、一般式（１）：Ｌｎ１
ＡＧａＢ１Ｂ２Ｂ３Ｏで示される酸化物イオン伝
導体である。但し、上記一般式（１）において、Ｌｎ１
はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ば
れた１種又は２種以上の元素であって４３．６〜５１．
２重量％含まれ、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群よ
り選ばれた１種又は２種以上の元素であって５．４〜１
１．１重量％含まれ、Ｇａは２０．０〜２３．９重量％
含まれ、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ば
れた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ２はＣｏ，Ｆ
ｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種
以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆ
ｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた
１種又は２種以上の元素であり、Ｂ１とＢ３又はＢ２と
Ｂ３がそれぞれ同一の元素でないとき、Ｂ１は１．２１
〜１．７６重量％含まれ、Ｂ２は０．８４〜１．２６重
量％含まれ、Ｂ３は０．２３〜３．０８重量％含まれ、
Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素である
とき、Ｂ１の含有量とＢ３の含有量の合計が１．４１〜
２．７０重量％であり、Ｂ２の含有量とＢ３の含有量の
合計が１．０７〜２．１０重量％である。

【００１５】また固体電解質層１２ａを一般式（２）：
Ｌｎ１_1-xＡ_xＧａ_1-y-z-wＢ１_yＢ２_zＢ３_wＯ_3-dで
示される酸化物イオン伝導体により形成してもよい。但
し、上記一般式（２）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，
Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２
種以上の元素であって、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからな
る群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ
１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又
は２種以上の元素であって、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及
びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素
であって、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又
は２種以上の元素であって、ｘは０．０５〜０．３、ｙ
は０．０２５〜０．２９、ｚは０．０１〜０．１５、ｗ
は０．０１〜０．１５、ｙ＋ｚ＋ｗは０．０３５〜０．
３及びｄは０．０４〜０．３である。上記のような酸化
物イオン伝導体にて固体電解質層１２ａを形成すること
により、燃料電池１１の発電効率を低下させずに、発電
運転を６５０±５０℃と比較的低温で行うことが可能と
なる。

【００１６】燃料極層１２ｂはＮｉ等の金属により構成
されたり、又はＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットにより構成
されたり、或いはＮｉと一般式（３）：Ｃｅ_1-m Ｄ_m Ｏ
₂で表される化合物との混合体により多孔質に形成され
る。但し、上記一般式（３）において、ＤはＳｍ，Ｇ
ｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以
上の元素であり、ｍはＤ元素の原子比であり、０．０５
〜０．４、好ましくは０．１〜０．３の範囲に設定され
る。

【００１７】空気極層１２ｃは一般式（４）：Ｌｎ２
_1-x Ｌｎ３_x Ｅ_1-y Ｃｏ_y Ｏ_3+dで示される酸化物イオ
ン伝導体により多孔質に形成される。但し、上記一般
式（４）において、Ｌｎ２はＬａ又はＳｍのいずれか一
方又は双方の元素であり、Ｌｎ３はＢａ，Ｃａ又はＳｒ
のいずれか一方又は双方の元素であり、ＥはＦｅ又はＣ
ｕのいずれか一方又は双方の元素である。またｘはＬｎ
３の原子比であり、０．５を越え１．０未満の範囲に設
定される。ｙはＣｏ元素の原子比であり、０を越え１．
０以下、好ましくは０．５以上１．０以下の範囲に設定
される。ｄは−０．５以上０．５以下の範囲に設定され
る。

【００１８】上記発電セル１２の製造方法の一例を下記
に示す。先ず原料粉末として、Ｌａ ₂Ｏ₃，ＳｒＣＯ₃，
Ｇａ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＣｏＯの各粉末をＬａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｇ
ａ_0.8Ｍｇ_0.15Ｃｏ_0.05Ｏ_2.8となるように秤量して混合
した後に、１１００℃で予備焼成して仮焼体を作製す
る。次いでこの仮焼体を粉砕した後に、所定のバイン
ダ、溶剤などを加えて混合することによりスラリーを調
製し、このスラリーをドクタブレード法によりグリーン
シートを作製する。次にこのグリーンシートを空気中で
十分に乾燥し、所定の寸法に切出した後に、１４５０℃
で焼結することにより固体電解質層１２ａを得る。この
固体電解質層１２ａの一方の面に、Ｎｉと（Ｃｅ_0.8Ｓ
ｍ_0.2）Ｏ₂が体積比で６：４となるように、ＮｉＯ粉末
と（Ｃｅ_0.8Ｓｍ_0.2）Ｏ₂粉末とを混合した後に、この
混合粉末を１１００℃で焼付けることにより燃料極層１
２ｂを形成する。更に上記固体電解質層１２ａの他方の
面に（Ｓｍ_0.5Ｓｒ_0.5）ＣｏＯ₃を１０００℃で焼付け
ることにより空気極層１２ｃを形成する。このようにし
て発電セル１２が作製される。

【００１９】セパレータ１６はステンレス鋼、ニッケル
基合金又はクロム基合金のいずれかにより形成されるこ
とが好ましい。例えば、ＳＵＳ３１６、インコネル６０
０、ハステロイＸ（Haynes Stellite社の商品名）、ヘ
インズアロイ２１４などが挙げられる。またセパレータ
１６には燃料供給通路２３と、空気供給通路２４（酸化
剤供給通路）と、複数の挿入穴１６ａが形成される（図
２及び図３）。燃料供給通路２３はセパレータ１６の外
周面から略中心に向う第１燃料穴２３ａと、第１燃料穴
２３ａに連通しセパレータ１６の略中心から燃料極集電
体１７に臨む第２燃料穴２３ｂとを有する。また空気供
給通路２４はセパレータ１６の厚さ方向に直交する方向
に延びて形成され基端がセパレータ１６外周面に開口し
かつ先端が閉止された略Ｔ字状の第１空気穴２４ａと、
セパレータ１６の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互
いに所定の間隔をあけて形成され第１空気穴２４ａに連
通し更に両端が閉止された複数の第２空気穴２４ｂと、
セパレータ１６の空気極集電体１８に対向する面に所定
の間隔をあけかつ第２空気穴２４ｂに連通するように形
成された多数の第３空気穴２４ｃとを有する。

【００２０】第１空気穴２４ａは第１燃料穴２３ａと穴
芯が同一のベース穴２４ｄと、このベース穴２４ｄに連
通するとともに複数の第２空気穴２４ｂに連通し両端が
閉止された分配穴２４ｅからなる。分配穴２４ｅはベー
ス穴２４ｄの基端が形成されたセパレータ１６の一方の
側面に隣接する側面からベース穴２４ｄに直交するよう
に形成した後に、この隣接する側面に閉止板２５を接合
することにより両端が閉止された長穴となる。また複数
の第２空気穴２４ｂはベース穴２４ｄの基端が形成され
たセパレータ１６の一方の側面からベース穴２４ｄに平
行に形成した後に、この側面に閉止板２５を接合するこ
とにより両端が閉止された複数の長穴となる。複数の挿
入穴１６ａは燃料供給通路２３及び空気供給通路２４の
いずれにも連通しないように第１燃料穴２３ａ及び第２
空気穴２４ｂに平行に形成され、これらの挿入穴１６ａ
には第１ヒータ３１がそれぞれ挿入される（図３）。ま
たセパレータ１６の燃料極集電体１７に対向する面には
３本のスリット１６ｂがセパレータ１６の略中心から渦
巻き状にそれぞれ形成され（図４）、これらのスリット
１６ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成さ
れる。なお、上記スリットは３本ではなく、２本又は４
本以上であってもよい。また、スリットの深さはセパレ
ータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅く
なるように形成してもよい。

【００２１】図２に戻って、燃料極集電体１７はステン
レス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッ
ケル、銀、銀合金、白金又は銅により多孔質に形成さ
れ、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金に
より形成した場合、ニッケルめっき、銀めっき、ニッケ
ル下地めっき上への銀めっき若しくは銅めっきを施すこ
とが好ましい。空気極集電体１８は銀めっき、ニッケル
下地めっき上への銀めっき又は白金めっきされたステン
レス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀、
銀合金又は白金により多孔質に形成され、ステンレス
鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場
合、銀めっき、ニッケル下地めっき上への銀めっき若し
くは白金めっきを施すことが好ましい。なお、燃料ガス
として炭化水素を用いた場合には、燃料極集電体はニッ
ケルめっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はク
ロム基合金、或いはニッケルにより形成され、燃料ガス
として水素を用いた場合には、燃料極集電体は銀めっ
き、ニッケル下地めっき上への銀めっき若しくは銅めっ
きされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合
金、或いは銀、銀合金、白金又は銅により形成される。
上記燃料極集電体１３の製造方法の一例を下記に示す。
先ずステンレス鋼などのアトマイズ粉末とＨＰＭＣ（水
溶性樹脂結合剤）を混練した後に、蒸留水及び添加剤
（ｎ−ヘキサン（有機溶剤）、ＤＢＳ（界面活性剤）、
グリセリン（可塑剤）など）を加えて混練して混合スラ
リーを調製する。次にこの混合スラリーをドクタブレー
ド法により成形体を作製した後に、所定の条件で発泡、
脱脂及び焼結して多孔質板を得る。更にこの多孔質板を
所定の寸法に切出して燃料極集電体１７を作製する。な
お、ステンレス鋼のアトマイズ粉末を用いた場合には、
表面にニッケルめっき、クロムめっき、銀めっき、ニッ
ケル下地めっき上への銀めっきが施される。また上記空
気極集電体１８も上記燃料極集電体１７とほぼ同様にし
て作製される。

【００２２】第１端板２１及び第２端板２２はセパレー
タ１６と同一材料により同一形状（正方形板状）に形成
される。第１端板２１には空気供給通路２７及び複数の
挿入穴（図示せず）が形成され、第２端板２２には燃料
供給通路２６及び複数の挿入穴（図示せず）が形成され
る。空気供給通路２７は空気供給通路２３と同様に形成
され、第１端板２１の厚さ方向に直交する方向に延びて
形成され基端が第１端板２１外周面に開口しかつ先端が
閉止されたＴ字状の第１空気穴２７ａと、第１端板２１
の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔
をあけて形成され第１空気穴２７ａに連通し更に両端が
閉止された複数の第２空気穴（図示せず）と、第１端板
２１の空気極集電体１４に対向する面に所定の間隔をあ
けかつ第２空気穴に連通するように形成された多数の第
３空気穴（図示せず）とを有する。また燃料供給通路２
６は燃料供給通路２３と同様に形成され、第２端板２２
の外周面から略中心に向う第１燃料穴２６ａと、第１燃
料穴２６ａに連通し第２端板２２の略中心から燃料極集
電体１３に臨む第２燃料穴２６ｂとを有する。

【００２３】第１端板２１に形成された第１空気穴２７
ａはベース穴２７ｄと、このベース穴２７ｄに連通する
とともに複数の第２空気穴に連通し両端が閉止された分
配穴２７ｅからなる。分配穴２７ｅはベース穴２７ｄの
基端が形成された第１端板２１の一方の側面に隣接する
側面からベース穴２４ｄに直交するように形成した後
に、この隣接する側面に閉止板２５を接合することによ
り両端が閉止された長穴となる。複数の第２空気穴はベ
ース穴２４ｄの基端が形成された第１端板２１の一方の
側面からベース穴２７ｄに平行に形成した後に、この側
面に閉止板を接合することにより両端が閉止された複数
の長穴となる。また第１端板２１の複数の挿入穴は空気
供給通路２７に連通しないように第２空気穴に平行に形
成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれ
ぞれ挿入される。第２端板２２の複数の挿入穴は燃料供
給通路２６に連通しないように第１燃料穴２６ａに平行
に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）が
それぞれ挿入される。第２端板２２の上面、即ち第２端
板２２の燃料極集電体１３への対向面には３本のスリッ
ト２２ｂが第２端板２２の略中心から渦巻き状に形成さ
れる（図２）。これらのスリット２２ｂの深さは全長に
わたって同一となるように形成される。なお、上記スリ
ットは３本ではなく、２本又は４本以上であってもよ
い。また、スリットの深さはセパレータの中心から離れ
るに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成して
もよい。

【００２４】更にセパレータ１６、第１端板２１及び第
２端板２２の四隅にはボルト（図示せず）を挿通可能な
通孔１６ｃが形成される（図３及び図４）。（ｎ＋１）
個の発電セル１２と、ｎ枚のセパレータ１６と、（ｎ＋
１）個の燃料極集電体１７と、（ｎ＋１）個の空気極集
電体１８と、単一の第１端板２１と、単一の第２端板２
２とを積層したときに、上記セパレータ１６、第１端板
２１及び第２端板２２の四隅に形成された通孔１６ｃに
ボルトをそれぞれ挿通した後に、これらのボルトの先端
にナットをそれぞれ螺合することにより、燃料電池１１
が上記積層した状態で固定されるようになっている。

【００２５】図１に戻って、燃料用ディストリビュータ
１３及び空気用ディストリビュータ１４は発電セル１２
の積層方向に延びてそれぞれ設けられ、両端が閉止され
た筒状に形成される。燃料用ディストリビュータ１３は
（ｎ＋１）本の燃料用短管２８を通ってｎ枚のセパレー
タ１６の燃料供給通路２３の第１燃料穴２３ａ及び単一
の第２端板２２の燃料供給通路２６ａの第１燃料穴２６
ａにそれぞれ連通接続され、空気用ディストリビュータ
１４は（ｎ＋１）本の空気用短管２９を通ってｎ枚のセ
パレータ１６の空気供給通路２４の第１空気穴２４ａ及
び単一の第１端板２１の空気供給通路２７の第１空気穴
２７ａにそれぞれ連通接続される。この実施の形態で
は、燃料用ディストリビュータ１３、空気用ディストリ
ビュータ１４、燃料用短管２８及び空気用短管２９はス
テンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金などの導
電性材料により形成される。

【００２６】燃料用短管２８と燃料用ディストリビュー
タ１３との電気的絶縁を確保するために、燃料用短管２
８と燃料用ディストリビュータ１３との間にはアルミナ
等の電気絶縁性材料により形成された燃料用絶縁管３６
が介装され、これらの隙間はガラスやセメント等の電気
絶縁性を有する燃料用封止部材３７により封止される。
また空気用短管２９と空気用ディストリビュータ１４と
の電気的絶縁を確保するために、空気用短管２９と空気
用ディストリビュータ１４との間にはアルミナ等の電気
絶縁性材料により形成された空気用絶縁管３８が介装さ
れ、これらの隙間はガラスやセメント等の電気絶縁性を
有する空気用封止部材３９により封止される。

【００２７】第１端板２１の上面中央及び第２端板２２
の下面中央には一対の電極端子４１，４２（この実施の
形態では電極棒）が電気的にそれぞれ接続される。燃料
用ディストリビュータ１３の上部外周面には燃料予熱管
４３が接続され、この燃料予熱管４３は燃料電池１１の
外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電極端子４１，
４２の軸線を中心とする螺旋状に巻回される。また空気
用ディストリビュータ１４の外周面には空気予熱管４４
（酸化剤予熱管）が接続され、この空気予熱管４４は燃
料電池１１の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電
極端子４１，４２の軸線を中心とする螺旋状に巻回され
る。更に燃料電池１１の外周面には第２ヒータ３２が燃
料電池１１の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電
極端子４１，４２の軸線を中心とする螺旋状に巻回され
る。上記燃料予熱管４３の螺旋半径は上記空気予熱管４
４の螺旋半径より小さく形成され、第２ヒータ３２の螺
旋半径は燃料予熱管４３の螺旋半径と空気予熱管４４の
螺旋半径の中間の値になるように形成される。

【００２８】この実施の形態では、燃料予熱管４３及び
空気予熱管４４はステンレス鋼、ニッケル基合金又はク
ロム基合金などにより形成される。また空気予熱管４４
は空気用ディストリビュータ１４の長手方向の略中央に
接続される。これは、発電中に燃料電池１１の内部抵抗
によりジュール熱を発生し、燃料電池１１の積層方向の
中央部分が最も熱くなり、この部分に空気予熱管４４及
び空気用ディストリビュータ１４を通って比較的低い温
度の酸化剤ガスを供給することにより、発電セル１２の
均熱を保つためである。

【００２９】上記燃料電池１１は螺旋状の燃料予熱管４
３、螺旋状の空気予熱管４４及び螺旋状の第２ヒータ３
２とともにインナケース４６に収容される。このインナ
ケース４６の下部外周面及び上面には発電セル１２から
排出された燃料ガス及び空気をインナケース４６外に導
く第１排気管５１及び第２排気管５２がそれぞれ接続さ
れる。またインナケース４６の外面は断熱材４７により
被覆されるとともに、インナケース４６の外周面には燃
料予熱管４３、空気予熱管４４及び第１排気管５１がそ
れぞれ螺旋状に巻回される。この実施の形態では、第１
排気管５１は燃料予熱管４３及び空気予熱管４４より大
径に形成され、燃料予熱管４３及び空気予熱管４４を内
部に遊挿した状態でインナケース４６の外周面から所定
の間隔をあけて螺旋状に巻回される。

【００３０】また燃料予熱管４３及び空気予熱管４４
は、インナケース４６の内側及び外側の双方にそれぞれ
螺旋状に巻回されており、２段階で予熱できるとともに
非常にコンパクトな構造になっているけれども、燃料予
熱管及び空気予熱管をインナケースの外側のみで螺旋状
に巻回し、インナケースの外側のみで予熱を行ってもよ
い。この場合、インナケースの内側に螺旋状の燃料予熱
管及び空気予熱管がないため、インナケースの外側に巻
回した螺旋状の燃料予熱管及び空気予熱管の長さを長く
する必要があり、燃料電池モジュール全体の体積が多少
大きくなるけれども、構造上の面からは簡素になるた
め、組立工数を簡略化できる。なお、インナケースの外
側の燃料予熱管及び空気予熱管の構造については、燃料
予熱管及び空気予熱管を第１排気管の内部に遊挿するの
ではなく、第１排気管の外周面に密着させた状態でイン
ナケースの外周面に螺旋状に巻回してもよい。

【００３１】上記インナケース４６は螺旋状の第１排気
管５１と、この第１排気管５１に遊挿された燃料予熱管
４３及び空気予熱管４４と、断熱材４７とともにアウタ
ケース４８に収容される。上記第１排気管５１はこの第
１排気管５１に遊挿された燃料予熱管４３及び空気予熱
管４４とともに、アウタケース４８の上部外周面からア
ウタケース４８外に突出し、燃料予熱管４３及び空気予
熱管４４はこの突出した部分から第１排気管５１外に突
出する。第１排気管５１から突出した燃料予熱管４３に
はこの燃料予熱管４３内の燃料ガスに水蒸気を混合する
ための水供給管４９の先端が挿入され、この水供給管４
９には噴霧器（図示せず）が接続される。上記水供給管
の４９先端はアウタケース４８内に位置することが好ま
しい。なお、燃料ガスとしては、例えばメタンガス（Ｃ
Ｈ₄））が挙げられる。また図示しないが上記噴霧器か
ら噴射された霧状の水は第２排気管５２内を通る排ガス
の熱により気化されて水蒸気になるように構成される。
燃料予熱管４３には燃料ガスが流通可能な密度で改質粒
子（図示せず）が充填される。この改質粒子はＮｉ、Ｎ
ｉＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｆｅ
₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄、Ｖ₂Ｏ₃、ＮｉＡｌ₂Ｏ₄、ＺｒＯ₂、Ｓ
ｉＣ、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＴｈＯ₂、Ｃｅ₂Ｏ₃、Ｂ₂Ｏ₃、Ｍｎ
Ｏ₂、ＺｎＯ、Ｃｕ、ＢａＯ及びＴｉＯ₂からなる群より
選ばれた１種又は２種以上を含む元素又は酸化物により
形成されることが好ましい。

【００３２】燃料電池１１に螺旋状に巻回された燃料予
熱管４３のうちインナケース４６内に位置する最下端に
は、水分離器５３が接続される。これは、燃料電池モジ
ュール１０が停止して温度が低下し、水蒸気が液化して
水になったときに、この水は水分離器５３に溜るように
構成される。この結果、燃料電池モジュール１０を再始
動しても、水が液体のまま発電セル１２に供給されない
ので、発電セル１２の性能は低下せず、発電セル１２は
破損しないようになっている。なお、上記水分離器はイ
ンナケース外の燃料予熱管に接続してもよい。

【００３３】また燃料電池１１に螺旋状に巻回された空
気予熱管４４のうちインナケース４６内に位置する上端
には、冷却空気（冷却酸化剤ガス）を空気予熱管４４に
供給可能な冷却管５６が接続される。また空気予熱管４
４のうち冷却管５６の接続部と空気用ディストリビュー
タ１４の接続部との間には、空気予熱管４４内の空気と
冷却管５６内の冷却空気とを混合する混合部が接続され
る。この混合部には図示しないが上記空気及び冷却空気
を混合するためにバッフル板や撹拌機等が内蔵される。
また燃料電池１１にはこの燃料電池１１の温度を検出す
る温度センサ５８が挿入され、冷却管５６には冷却空気
の流量を調整する流量調整弁５９が設けられる。温度セ
ンサ５８の検出出力はコントローラ（図示せず）の制御
入力に接続され、コントローラの制御出力は流量調整弁
５９に接続される。なお、図１の符号５４はインナケー
ス４６及びアウタケース４８を一対の電極端子４１，４
２から電気的に絶縁するための絶縁リングである。

【００３４】このように構成された燃料電池モジュール
１０の動作を説明する。燃料ガス（例えば、メタンガス
（ＣＨ₄））を燃料予熱管４３に供給し、水（Ｈ₂Ｏ）を
水供給管４９から上記燃料予熱管４３に供給して水蒸気
にし、この水蒸気を上記燃料ガスに混合する。一方、空
気（酸化剤ガス）を空気予熱管４４に供給する。上記水
蒸気を含む燃料ガスは第１排気管５１に挿入された燃料
予熱管４３内でインナケース４６の外周面を螺旋状に回
りながら高温の排ガス（発電セル１２から排出された燃
料ガス及び酸化剤ガスの混合ガス）と熱交換することに
より加熱され、上記空気は第１排気管５１に挿入された
空気予熱管４４内でインナケース４６の外周面を螺旋状
に回りながら高温の排ガスと熱交換することにより加熱
される。また燃料予熱管４３及び空気予熱管４４が遊挿
された第１排気管５１は断熱材４７により覆われている
ため、上記第１排気管５１内を通る排ガスは冷え難い。

【００３５】インナケース４６の外周面を螺旋状に回り
ながら加熱された燃料ガス及び空気はインナケース４６
内に入るときに第１排気管５１から出て燃料電池１１の
外周面を螺旋状に回る。このとき燃料予熱管４３内を通
る燃料ガスは発電セル１２から排出される高温の排ガス
及び第２ヒータ３２により加熱される。上記燃料予熱管
４３内には改質粒子が充填されているため、水蒸気を含
む燃料ガスを上述のように加熱することにより、この水
蒸気を含む燃料ガスは改質粒子により改質されて（例え
ば、水素ガス（Ｈ₂）に改質される。）て、燃料用ディ
ストリビュータ１３に供給される。また空気予熱管４４
内を通る空気も上記高温の排ガス及び第２ヒータ３２に
より加熱されて空気用ディストリビュータ１４に供給さ
れる。

【００３６】発電に最適な温度に加熱されかつ改質され
た燃料ガスを燃料用ディストリビュータ１３に導入する
と、この燃料ガスは燃料用短管２８及び燃料供給通路２
３，２６を通り、セパレータ１６及び第２端板２２の略
中心から燃料極集電体１７の中心に向って吐出する。こ
れにより燃料ガスは燃料極集電体１７内の気孔を通過し
て燃料極層１２ｂの略中心に速やかに供給され、更にス
リット１６ｂ，２２ｂにより案内されて燃料極層１２ｂ
の略中心から外周縁に向って渦巻き状に流れる。同時に
発電に最適な温度に加熱された空気を空気用ディストリ
ビュータ１４に導入すると、この空気は空気用短管２９
及び空気供給通路２４，２７を通り、セパレータ１６の
多数の第３空気穴２４ｃ及び第１端板２１の多数の第３
空気穴からシャワー状に空気極集電体１８に向って吐出
する。これにより空気は空気極集電体１８内の気孔を通
過して空気極層１１ｃに略均一に供給される。

【００３７】空気極層１２ｃに供給された空気は空気極
層１２ｃ内の気孔を通って固体電解質層１２ａとの界面
近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１２
ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオ
ン化される。この酸化物イオンは燃料極層１２ｂの方向
に向って固体電解質層１２ａ内を拡散移動し、燃料極層
１２ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガス
と反応して反応生成物（例えば、Ｈ₂Ｏ）を生じ、燃料
極層１２ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体
１７により取り出すことにより電流が発生し、電力が得
られる。上記のように燃料ガスがセパレータ１６の略中
央及び第２端板２２の略中央から吐出され、かつスリッ
ト１６ｂ，２２ｂにより案内されるので、燃料ガスの反
応経路が長くなる。この結果、燃料ガスがセパレータ１
６及び第２端板２２の外周縁に到達するまでに、燃料ガ
スが燃料極層１２ｂと極めて多く衝突するので、上記反
応回数が増え、燃料電池１１の性能向上を図ることがで
きる。従って、セパレータ１６及び第２端板２２の外径
が大きくなればなるほど、燃料ガスの反応経路が長くな
り、これに伴って反応回数が増え、燃料電池１１の出力
向上に繋がる。なお、（ｎ＋１）個の発電セル１２は導
電性材料により形成されたセパレータ１６、燃料極集電
体１７及び空気極集電体１８を介して直列に接続され、
かつ燃料電池１１の両端の第１端板２１及び第２端板２
２には一対の電極端子４１，４２が設けられているた
め、これらの電極端子４１，４２から大きな電力を取出
すことができる。

【００３８】また従来の燃料電池、即ち発電セルの略中
心に燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管の挿通用の２
個の孔が形成されるため、反応面積が小さくなるととも
に反応前に燃料ガスが空気に混ざって、発電効率が低下
する燃料電池と比較して、本発明の燃料電池モジュール
１０は発電セル１２の表面の全てが発電に寄与するとと
もに、反応前に燃料ガスが空気と混ざることがないた
め、発電効率が向上する。また燃料電池モジュール１０
の起動時には、第１ヒータ３１に通電することにより発
電セル１２を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮
できるとともに、発電セル１２が均一に昇温し、発電セ
ル１２の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱
膨張するため、発電セル１２の損傷を防止できる。な
お、挿入穴にヒータを挿入しない場合、即ち挿入穴を軽
量化穴とした場合には、セパレータ、第１端板及び第２
端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図
ることができる。

【００３９】またインナケース４６の両面及びアウタケ
ース４８の内面には銀めっき、ニッケル下地めっき上へ
の銀めっき又は白金めっきが施され、更に燃料用短管２
８、燃料用ディストリビュータ１３、燃料予熱管４３、
空気用短管２９、空気用ディストリビュータ１４及び空
気予熱管４４の外面には銀めっき、ニッケル下地めっき
上への銀めっき又は白金めっきが施されることが好まし
い。これにより燃料電池１１の運転中に発電セル１２が
発生する輻射熱を、燃料予熱管４３及び酸化剤予熱管４
４の保温のために利用でき、発電セル１２及びセパレー
タ１６の保温効果を高めることができる。また燃料予熱
管４３、燃料用ディストリビュータ１３、燃料用短管２
８、酸化剤予熱管４４、酸化剤用ディストリビュータ１
４及び酸化剤用短管２７がステンレス鋼、ニッケル基合
金又はクロム基合金のいずれかにより形成されかつ内面
に銀めっき、ニッケル下地めっき上への銀めっき又は白
金めっきされることが好ましい。これにより酸化剤予熱
管４４、酸化剤用ディストリビュータ１４及び酸化剤用
短管２７の内部が酸化されず、酸化スケール（粉状の酸
化物）の生成を抑制できる。一方、還元雰囲気である燃
料予熱管４３、燃料用ディストリビュータ１３及び燃料
用短管２８の内部には水蒸気が存在するけれども、この
水蒸気による酸化スケールの発生を抑制できる。また燃
料予熱管４３、燃料用ディストリビュータ１３及び燃料
用短管２８の内面にニッケルめっきされることが好まし
い。これにより燃料予熱管４３、燃料用ディストリビュ
ータ１３及び燃料用短管２８の内部で炭化水素の改質反
応が可能となる。

【００４０】一方、セパレータ１６の下面及び第１端板
２１の下面には多数の第３空気穴２４ｃが所定の間隔を
あけて並んで形成されているため、空気がセパレータ１
６の下面及び第１端板２１の下面から略均一に吐出され
る。この結果、空気により発電セル１２を均一に加熱・
冷却できる。特に、燃料電池モジュール１０の発電中に
おけるジュール熱の発生により、発電セル１２が加熱さ
れて設定温度（例えば、６５０℃）より上昇したとき
に、この設定温度より僅かに低い温度（例えば、６３
０）の空気を上記空気供給通路２４，２７から吐出させ
ることにより、発電セル１２を均一に冷却できるので、
発電セル１２の局所的な加熱又は冷却による損傷を防止
できる。また上述の燃料電池１１の温度制御は温度セン
サ５８の検出出力に基づくコントローラの流量調整弁５
９の制御により行うことができる。即ち、燃料電池１１
の運転中に燃料電池１１が設定温度（例えば、６５０
℃）を越えたことを温度センサ５８が検出すると、コン
トローラが温度センサ５８の検出出力に基づいて流量調
整弁５９の開度を変え、空気予熱管４４を通る空気に冷
却管５６を通る冷却空気を混ぜ、設定温度より低い温度
（例えば、６３０℃）の空気を燃料電池１１に供給す
る。

【００４１】更にステンレス鋼、ニッケル基合金又はク
ロム基合金製のセパレータ１６及び第２端板２２の上面
に、ニッケルめっき、銀めっき、ニッケル下地めっき上
への銀めっき若しくは銅めっきされたステンレス鋼、ニ
ッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀、
銀合金、白金又は銅製の燃料極集電体１７をそれぞれ接
合し、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金
製のセパレータ１６及び第２端板２２の下面に、銀めっ
き、ニッケル下地めっき上への銀めっき若しくは白金め
っきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基
合金、或いは銀、銀合金又は白金製の空気極集電体１８
をそれぞれ接合すれば、セパレータ１６及び第１端板２
１が高温で空気に曝されても、即ちセパレータ１６及び
第１端板２１が高温酸化雰囲気に曝されても、セパレー
タ１６及び空気極集電体１８の接合部分と、第１端板２
２及び空気極集電体１８の溶着された接合部分が溶着さ
れているため、これらの接合部分の酸化を防止できる。
この結果、セパレータ１６及び燃料極集電体１７の電気
的導通と、第２端板２２及び燃料極集電体１７の電気的
導通のみならず、セパレータ１６及び空気極集電体１８
の電気的導通と、第１端板２１及び空気極集電体１８の
電気的導通を上記接合部分を通して長期間保持できると
ともに、上記接合により燃料電池モジュール１０の組立
作業時間を短縮し、組立作業性を向上できる。なお、上
記接合方法としては銀ろう付け、スポット溶接又はレー
ザ溶接等が挙げられる。またステンレス鋼、ニッケル基
合金又はクロム基合金製の上記セパレータ１６、第１端
板２１及び第２端板２２にニッケルめっき、クロムめっ
き、銀めっき又はニッケル下地めっき上への銀めっきを
施せば、セパレータ１６、第１端板２１及び第２端板２
２と、燃料極集電体１７及び空気極集電体１８との電気
的導通を更に長期間保持できる。

【００４２】なお、上記実施の形態では、酸化剤ガスと
して空気を用いたが、酸素又はその他の酸化剤ガスを用
いてもよい。また、上記実施の形態では、燃料電池とし
て、発電セルが燃料極層及び空気極層（酸化剤極層）に
て固体電解質層を挟持して構成された固体酸化物型の燃
料電池を挙げたが、固体高分子型燃料電池や炭酸溶融塩
型燃料電池や燐酸型燃料電池などでもよい。また、上記
実施の形態では、燃料予熱管に水供給管の先端を挿入
し、この水供給管に噴霧器を接続したが、燃料予熱管の
上部に水供給管の先端を挿入し、この水供給管の基端に
ポンプを接続してもよい。この場合、燃料予熱管に供給
された水は第２排気管内を通る排ガスの熱により、燃料
予熱管を下るに従って気化される。更に、発電セル１２
から排出された燃料ガス及び酸化剤ガスをインナケース
４６及びアウタケース４８外に導く排気管５１，５２を
水蒸気タービンに接続してもよい。この場合、燃料電池
モジュール１０から排出された高温の排ガスを利用して
水を加熱し、圧縮水蒸気を発生させ、この圧縮水蒸気を
タービンに噴射して回転させることにより、発電機を回
転させて熱エネルギを電気エネルギに変換することがで
きる。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、酸
化剤用ディストリビュータに酸化剤ガスを供給可能な酸
化剤予熱管を接続し、酸化剤予熱管に冷却酸化剤ガスを
供給可能な冷却管を酸化剤予熱管に接続し、冷却管に冷
却酸化剤ガスの流量を調整する流量調整弁を設け、更に
コントローラが燃料電池の温度を検出する温度センサの
検出出力に基づいて流量調整弁を制御するように構成し
たので、燃料電池の運転中に燃料電池が設定温度を越え
ると、酸化剤予熱管を通る酸化剤ガスに冷却管を通る冷
却酸化剤ガスが混合される。この結果、燃料電池に設定
温度より低い温度の酸化剤ガスが供給されるので、燃料
電池が設定温度に保たれ、燃料電池の過熱を防止でき
る。

【００４４】また燃料用ディストリビュータに燃料ガス
を供給する燃料予熱管を燃料電池の外周面に巻回し、酸
化剤用ディストリビュータに酸化剤ガスを供給する酸化
剤予熱管を燃料電池の外周面に巻回し、燃料電池を燃料
予熱管及び酸化剤予熱管とともにインナケースに収容
し、発電セルから排出された燃料ガス及び酸化剤ガスを
インナケース外に導く排気管をインナケースに接続すれ
ば、燃料予熱管内を通る燃料ガスが発電セルから排出さ
れる高温の排ガスにより加熱されて燃料用ディストリビ
ュータに供給され、酸化剤予熱管内を通る酸化剤ガスも
発電セルから排出される上記高温の排ガスにより加熱さ
れて酸化剤用ディストリビュータに供給される。この結
果、燃料ガス及び酸化剤ガスが発電に適した温度で各発
電セルに供給されるので、発電効率を向上できる。

【００４５】またインナケースの外面を断熱材により被
覆するとともに、インナケースの外周面に燃料予熱管、
酸化剤予熱管及び排気管を巻回し、インナケースを燃料
予熱管、酸化剤予熱管及び排気管とともにアウタケース
に収容すれば、燃料予熱管内の燃料ガス及び酸化剤予熱
管内の酸化剤ガスがインナケース内に導入される前に、
インナケースの外周面に巻回された排気管内を通る高温
の排ガスにより加熱される。この結果、燃料ガス及び酸
化剤ガスがインナケース内で予熱される前に更に予熱さ
れるため、発電効率を更に向上できる。また燃料予熱管
の上部に水供給管の先端を挿入し、水供給管の基端に噴
霧器又はポンプを接続すれば、燃料予熱管に供給された
水が燃料予熱管を下るに従って気化される。この結果、
燃料予熱管に水蒸気を供給するための気化器が不要にな
る。

【００４６】また燃料予熱管の最下端に水分離器を接続
すれば、燃料電池モジュールが停止して温度が低下し、
水蒸気が液化して水になったときに、この水は水分離器
に溜る。この結果、燃料電池モジュールを再始動して
も、水が液体のまま発電セルに供給されないので、発電
セルの性能は低下せず、発電セルが破損することはな
い。更に発電セルから排出された燃料ガス及び酸化剤ガ
スをインナケース及びアウタケース外に導く排気管を水
蒸気タービンに接続すれば、燃料電池モジュールから排
出された高温の排ガスを利用して水を加熱し、圧縮水蒸
気を発生させ、この圧縮水蒸気をタービンに噴射して回
転させることにより、発電機を回転させて熱エネルギを
電気エネルギに変換することができる。この結果、上記
燃料電池−水蒸気タービンのシステムは燃料電池単体よ
り発電効率が高くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施形態の燃料電池モジュールの縦断面
図。

【図２】その燃料電池の図３のＡ−Ａ線断面図。

【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図。

【図４】図２のＣ−Ｃ線断面図。

【符号の説明】

１０燃料電池モジュール１１燃料電池１２発電セル１３燃料用ディストリビュータ１４空気用ディストリビュータ（酸化剤用ディストリ
ビュータ）２３，２６燃料供給通路２４，２７空気供給通路（酸化剤供給通路）２８燃料用短管２９空気用短管（酸化剤用短管）４３燃料予熱管４４空気予熱管（酸化剤予熱管）４６インナケース４７断熱材４８アウタケース５１第１排気管５２第２排気管５３水分離器５８温度センサ５９流量調整弁

フロントページの続きＦターム(参考） 5H027 AA06 BA02 CC04 DD02 KK46 MM04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発電セル(12)と前記発電セル(12)に燃料
ガスを供給可能な燃料供給通路(23,26)と前記発電セル
(12)に酸化剤ガスを供給可能な酸化剤供給通路(24,27)
とを有する燃料電池(11)と、前記燃料電池(11)の近傍に設けられ前記酸化剤供給通路
(24,27)に酸化剤用短管(29)を通して酸化剤ガスを供給
する酸化剤用ディストリビュータ(14)とを備えた燃料電
池モジュールにおいて、前記酸化剤用ディストリビュータ(14)に前記酸化剤ガス
を供給する酸化剤予熱管(44)と、前記酸化剤予熱管(44)に接続され前記酸化剤予熱管(44)
に冷却酸化剤ガスを供給可能な冷却管(56)と、前記燃料電池(11)に挿入され前記燃料電池(11)の温度を
検出する温度センサ(58)と、前記冷却管(56)に設けられ前記冷却酸化剤ガスの流量を
調整する流量調整弁(59)と、前記温度センサ(58)の検出出力に基づいて前記流量調整
弁(59)を制御するコントローラとを備えたことを特徴と
する燃料電池モジュール。
【請求項２】燃料電池(11)の近傍に設けられ燃料供給
通路(23,26)に燃料用短管(28)を通して燃料ガスを供給
する燃料用ディストリビュータ(13)と、前記燃料用ディ
ストリビュータ(13)に前記燃料ガスを供給する燃料予熱
管(43)とを更に備え、前記燃料予熱管(43)が前記燃料電
池(11)の外周面に巻回され、酸化剤予熱管(44)が前記燃
料電池(11)の外周面に巻回され、前記燃料電池(11)が前
記燃料予熱管(43)及び前記酸化剤予熱管(44)とともにイ
ンナケース(46)に収容され、発電セル(12)から排出され
た燃料ガス及び酸化剤ガスを前記インナケース(46)外に
導く排気管(51)が前記インナケース(46)に接続された請
求項１又は２記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】インナケース(46)の外面が断熱材(47)に
より被覆されるとともに、前記インナケース(46)の外周
面に燃料予熱管(43)、酸化剤予熱管(44)及び排気管(51)
が巻回され、更に前記インナケース(46)が前記燃料予熱
管(43)、前記酸化剤予熱管(44)及び前記排気管(51)とと
もにアウタケース(48)に収容された請求項１又は２記載
の燃料電池モジュール。
【請求項４】燃料予熱管の上部に水供給管の先端が挿
入され、前記水供給管の基端に噴霧器又はポンプが接続
された請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池モジュ
ール。
【請求項５】燃料予熱管(43)の最下端に水分離器(53)
が接続された請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池
モジュール。
【請求項６】発電セル(12)から排出された燃料ガス及
び酸化剤ガスをインナケース(46)及びアウタケース(48)
外に導く排気管(51,52)が水蒸気タービンに接続された
請求項１ないし５いずれか記載の燃料電池モジュール。