JP3727899B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のモジュールに関し、特に、熱の有効利用を考慮した燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュール１００の概略構成の一例を図１１に示す。図１１では、発電された電力の集電に関わる部分は省略している。
【０００３】
図１１を参照して、燃料電池モジュール１００は、燃料ガス供給部１１０と、酸化剤ガス供給室１０７と、発電部である燃料電池セル管１０３とを具備する。燃料ガス供給部１１０は、供給室１０８と排出室１０９とを有する。また、燃料電池セル管１０３は、外管１０４及び内管１０５を有する。そして、酸化剤ガス供給室１０７は、断熱体１２０、側板１２１及び底面板１２２を有する。
【０００４】
上面板１１２、側板１１３及び管板１１４で構成される供給室１０８は、燃料電池セル管１０３に燃料ガス１０１を供給する。また、管板１１４、側板１１６及び管板１１７で構成される排出室１０９は、燃料電池セル管１０３で未使用の燃料ガス１０１を排出する。
【０００５】
管板１１７、側板１２１と底面板１２２で構成される酸化剤ガス供給室１０７は、管板１１７を熱的に保護する断熱体１２０と燃料電池セル管１０３とを含み、燃料電池セル管１０３へ酸化剤ガス1０２を供給する。
【０００６】
燃料電池セル管１０３の外管１０４は、一端部を管板１１７に開放されて接続され、他端部を酸化剤ガス供給室１０７へ延ばし閉止している。外管１０４は、固定冶具により管板１１７に固定され、支持されている。内管１０５は、一端部を管板１１４に開放されて接続され、他端部を外管１０５の他端部近傍へ延ばし開放されている。内管１０５は、固定冶具により管板１１４に固定され、支持されている。
【０００７】
排出室１０９の管板１１７は、燃料電池セル管１０３の燃料電池セルのある側が、断熱体１２０により、熱的に保護されている。一方、管板１１７の排出室１０９の中側や管板１１４は、熱的な保護はなされていない。そのため、供給される燃料ガス１０１及び使用済みの燃料ガス１０１の温度が高温である場合には、管板１１４及び管板１１７の材料を耐熱性の材料とする必要がある。しかし、燃料電池セル管１０３の発電領域（酸化剤ガス供給室１０７内）直前で燃料ガス１０１を十分に昇温できる方法があれば、供給室１０８内の燃料ガス１０１の温度をそれほど高くする必要が無くなる。それに加えて、発電領域直後に使用済みの燃料ガス１０１の温度を十分に降温できる方法があれば、排出室１０９内の使用済みの燃料ガス１０１の温度が低くなる。すなわち、管板１１４及び管板１１７の材料を高い耐熱性を有するのものにする必要が無く、低コスト化が図れる。
【０００８】
そのような方法として、管板１１４の燃料電池セル管１０３の断熱体１２０付近の内管１０５と外管１０４との間での効果的な熱交換がある。その熱交換により、供給室１０８及び排出室１０９での燃料ガス１０１を低温にすることが出来る。
【０００９】
ここで、燃料ガス１０１は、炭化水素系のガスを改質して用いる。改質された燃料ガス１０１の（平衡）組成は、改質温度で決まる。燃料電池セルでの発電に用いられる水素や一酸化炭素を多くするためには、改質温度を高くすることが望ましい。
【００１０】
一方、高い改質温度を得るために多くのエネルギーを投入すれば、エネルギーのロスが増え、エネルギー効率が下がることが考えられる。従って、改質に投入するエネルギーと改質された燃料ガスの組成などにより、改質温度が決定される。
【００１１】
しかし、その温度は、通常高い温度であり、その改質された燃料ガスをそのまま供給室１０８に供給するには、管板１１４等に高い耐熱性を有する材料を用いる必要がある。
【００１２】
高い温度で改質された燃料ガス１０１を、高い耐熱性を有する材料を用いないで作製された供給室１０８に供給可能にする技術が望まれている。改質された高温の燃料ガス１０１を、その熱エネルギーを無駄にすることなく低温にする技術が望まれている。供給室１０８の管板１１４等の温度を低くすることが可能な技術が求められている。
【００１３】
固体電解質型の燃料電池セルでは、９００℃〜１０００℃で運転されるため、その排熱（使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスの有する熱）を熱交換等の手法により有効利用することが考えられる。ただし、熱は、燃料電池セルから離れるほど外部に散逸しやすくなる。
【００１４】
また、ガスタービンや排熱回収ボイラなどと組み合わせた複合発電システムの場合、燃料電池モジュールに外から接続する配線や配管が少ないほど、全体の設計がし易く、施工も容易となると考えられる。例えば、熱交換用の配管などは、出来るだけ少ないほうが良い。
【００１５】
燃料電池セルで発生した熱を、燃料電池モジュール内で有効利用する技術が求められている。燃料電池モジュールに外部との熱交換を行う配管のような設備を付加することなく、燃料電池セルで発生した熱を、有効利用する技術が求められている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、供給室の管板等の壁面の温度を低くすることが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、高い温度で改質された燃料ガスを、高い耐熱性を有する材料を用いないで作製された供給室に供給することが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【００１８】
本発明の更に他の目的は、改質された高温の燃料ガスを、その熱エネルギーを有効に利用しながら低温にすることが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、燃料電池セルで発生した熱を、燃料電池モジュール内で有効利用することが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【００２０】
本発明の別の目的は、改質された高温の燃料ガスの熱エネルギーを有効に利用して、燃料ガスの改質を行うことが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００２２】
従って、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は、改質器（２２）と、燃料電池モジュール本体（２１）とを具備する。改質器（２２）は、燃料ガス（５１）の改質を行う。燃料電池モジュール本体（２１）は、その改質された燃料ガス（５１）と酸化剤ガス（５２）とを用いて発電を行う。そして、改質器（２２）は、燃料電池モジュール本体（２１）から送出された酸化剤ガス（５２）の熱としての酸化剤熱を利用してその改質を行う。
【００２３】
また、本発明の燃料電池モジュールは、改質器（２２）が、第１改質部（２２−１）と、第２改質部（２２−２）とを具備する。第１改質部（２２−１）は、燃料ガス（５１）を、第１温度で第１改質を行う。第２改質部（２２−２）は、第１改質部（２２−１）の後段に接続され、その第１改質をされた燃料ガス（５１）を、その第１温度よりも高い第２温度で第２改質を行う。そして、第２改質部（２２−２）は、その酸化剤熱を利用してその第２改質を行う。第１改質部（２２−１）は、その第２改質をされた燃料ガス（５１）の熱としての燃料熱を利用してその第１改質を行う。
【００２４】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、改質器（２２）から排出された酸化剤ガス（５２）と燃料電池モジュール本体（２１）に供給される前の酸化剤ガス（５２）との熱交換を行う空気予熱器を（２３）更に具備する。
【００２５】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、その改質された燃料ガス（５１）と、燃料電池モジュール本体（２１）に供給される前の酸化剤ガス（５２）との熱交換を行う燃料冷却器（５５）を更に具備する。
【００２６】
上記課題を解決するために、本発明の改質器は、第１配管（１２−３）と、第１改質部（２２−１ａ）と、第２配管（２７−１）と、第２改質部（２２−２）と、第３配管（２２−１ｂ、２７−２）とを具備する。第１配管（１２−３）は、第１燃料ガス（５１）を供給する。第１改質部（２２−１ａ）は、第１配管（１２−３）に接続され、第１燃料ガス（５１）を第２燃料ガス（５１）に改質する。第２配管（２７−１）は、第１改質部（２２−１ａ）から第２燃料ガス（５１）を送出する。第２改質部（２２−２）は、第２配管（２７−１）に接続され、第２燃料ガス（５１）を第３燃料ガス（５１）に改質する。第３配管（２２−１ｂ、２７−２）は、第１改質部（２２−１ａ）を含み、第２改質部（２２−２）から第３燃料ガス（５１）を送出する。そして、第１改質部（２２−１ａ）は、第３燃料ガス（５１）の熱を利用して第１燃料ガス（５１）のその改質を行う。
【００２７】
また、本発明の改質器は、第２改質部（２２−２）が、内管（２２−２ａ）と内管（２２−２ａ）を含む外管とを有する二重管と、内管（２２−２ａ）の外面とその外管の内面との間に設置された改質触媒部（２２−２ｂ）とを備える。そして、その外管は、一端部としての第１端部が第３配管（２２−１ｂ、２７−２）に接続され、他端部としての第２端部が閉塞されている。内管（２２−２ａ）は、一端部としての第３端部が第２配管（２７−１）に接続され、他端部としての第４端部が第２端部の手前まで延びて開放されている。
【００２８】
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は、改質器（２２）と、第４配管（２５−１）と、燃料電池モジュール本体（２１）とを具備する。改質器（２２）は、前２項に記載している。第４配管（２５−１）は、第３配管（２２−１ｂ、２７−２）に接続され、第３燃料ガス（５１）を供給する。燃料電池モジュール本体（２１）は、第４配管（２５−１）と、酸化剤ガス（５２）を供給する第５配管（２６−１）とに接続され、第３燃料ガス（５１）と酸化剤ガス（５２）とを用いて発電を行う。改質器（２２）は、燃料電池モジュール本体（２１）近傍に設置されている。改質器（２２）の第２改質部（２２−２）は、その外管を覆うように設けられたガス流通部（２２−２ｃ）を更に備えている。そして、燃料電池モジュール本体（２１）からガス流通部（２２−２ｃ）に供給された酸化剤ガス（５２）の熱を利用して、第２燃料ガス（５１）を第３燃料ガス（５１）に改質する。
【００２９】
また、本発明の燃料電池モジュールは、第６配管（２６−３）と、空気予熱器（２３）とを更に具備する。第６配管（２６−３）は、改質器（２２）から酸化剤ガス（５２）を送出する。空気予熱器（２３）は、燃料電池モジュール本体（２１）近傍に設置され、改質器（２２）から送出された酸化剤ガス（５２）と、燃料電池モジュール本体（２１）に供給される前の酸化剤ガス（５２）との熱交換を行う。
【００３０】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、燃料電池モジュール本体（２１）が、複数の燃料電池セル管（３３）と、第１燃料室（３８）と、第２燃料室（３９）と、空気室（３７）とを具備する。複数の燃料電池セル管（３３）は、表面に燃料電池セル（４１）を形成されている。第１燃料室（３８）は、第４配管（２５−１）が接続され、複数の燃料電池セル管（３３）内に第３燃料ガス（５１）を供給する。第２燃料室（３９）は、第３燃料ガス（５１）の内、複数の燃料電池セル管（３３）で使用済みのものを排出する。空気室（３７）は、第５配管（２６−１）が接続され、第１燃料室（３８）と第２燃料室（３９）との間に設置され、複数の燃料電池セル管（３３）を含み、燃料電池セル（４１）に酸化剤ガス（５２）を供給する。そして、第１燃料室（３８）は、複数の燃料電池セル管（３３）の一端部が第１燃料室（３８）の一側面としての第１管板（３４）に開放され、嵌合された複数の第１嵌合部（３８−２）を含む。第２燃料室（３９）は、複数の燃料電池セル管（３３）の他端部が第２燃料室（３９）の一側面としての第２管板（３５）に開放され、嵌合された複数の第２嵌合部（３９−２）を含む。
【００３１】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、改質器（２２）と、燃料冷却器（５５）と、燃料電池モジュール本体（２１）とを具備する。改質器（２２）は、燃料ガス（５１）を供給する配管（１２−３）に接続され、燃料ガス（５１）を改質する。燃料冷却器（５５）は、改質器（２２）から改質された燃料ガス（５１）を送出する配管（２５−１）と、酸化剤ガス（５２）を供給する配管（１１−４）とに接続され、その改質された燃料ガス（５１）と酸化剤ガス（５２）との熱交換を行う。燃料電池モジュール本体（２１）は、燃料冷却器（５５）からその熱交換した燃料ガス（５１）を送出する配管（２５−３）と、その熱交換した酸化剤ガス（５２）を送出する配管（２６−４（−１））とに接続され、その熱交換した燃料ガス（５１）とその熱交換した酸化剤ガス（５２）とを用いて発電を行う。改質器（２２）と燃料冷却器（５５）とは、燃料電池モジュール本体（２１）近傍に設置されている。改質器（２２）は、燃料電池モジュール本体（２１）から送出された酸化剤ガス（５２）の熱を用いて、燃料ガス（５１）を改質する。
【００３２】
上記課題を解決するために、本発明の複合発電システムは、ガスタービン（２）と、燃料電池モジュール（１）と、燃焼器（８）とを備える。ガスタービン（２）は、発電機を有し、酸化剤ガス（５２）を圧縮を行う。燃料電池モジュール（１）は、その圧縮された酸化剤ガス（５２）と、燃料ガス（５１）とにより発電を行う、上述の各項のいずれか一項に記載している。燃焼器（８）は、燃料電池モジュール（１）で使用済みの燃料ガス（５１）と酸化剤ガス（５２）とを燃焼する。そして、ガスタービン（２）は、燃焼器（８）により発生した燃焼ガス（５３）を用いてその圧縮を行い、その発電機を駆動する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
【００３４】
本実施例において、筒型のうち円筒型の燃料電池モジュールについて例を示して説明するが、他の筒型構造を有する燃料電池にも適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００３５】
（実施例１）
図１は、本発明である燃料電池モジュールを適用した複合発電システムの第１の実施の形態を示す構成図である。複合発電システムは、燃料電池モジュール１、ガスタービン２、三方弁３、空気圧縮機４、１次燃料予熱器５、ポンプ６、三方弁７、燃焼器８、三方弁９及び煙突１０を備える。
そして、それらは図示しない制御部により制御され、酸化剤ガス配管１１−１〜１１−７、燃料ガス配管１２−１〜１２−９及び燃焼ガス配管１３−１〜１３−３で接続されている。
【００３６】
ガスタービン２は、タービンとコンプレッサと発電機を有する。ガスタービン２は、燃焼ガス配管１３−１を介して供給される燃焼ガス５３（図示せず）により、タービンを回転させる。そして、その回転により発電機を動作させる。同時に、その回転によりコンプレッサを駆動し、酸化剤ガス配管１１−１を介して供給される酸化剤ガス５２（本実施例では空気）を圧縮する。その後、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管１１−２へ排出される。
【００３７】
三方弁３は、酸化剤ガス配管１１−２を介して供給される酸化剤ガス５２を、酸化剤ガス配管１１−３（燃料電池モジュール用）及び酸化剤ガス配管１１−６（燃焼器８用、酸化剤ガス配管１１−５へ接続）へ分岐する。制御部（図示せず）により、ガスタービン２及び燃料電池モジュール１の運転条件に基づいて制御される。
【００３８】
空気圧縮機４は、酸化剤ガス配管１１−３を介して供給される酸化剤ガス５２を、燃料電池モジュール１の運転圧力まで、更に圧縮する。その後、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管１１−４へ排出される。
【００３９】
三方弁９は、燃料ガス配管１２−１を介して供給される燃料ガス５１を、燃料ガス配管１２−２（燃料電池モジュール用）及び燃料ガス配管１２−８（燃焼器８用、燃料ガス配管１２−７へ接続）へ分岐する。制御部（図示せず）により、ガスタービン２及び燃料電池モジュール１の運転条件に基づいて制御される。
【００４０】
１次燃料予熱器５は、燃料ガス配管１２−２を介して供給される燃料ガス５１（低温側）と、燃料ガス配管１２−４を介して燃料電池モジュール１から供給される使用済みの燃料ガス５１（高温側）とを熱交換させる。低温側の燃料ガス５１は、昇温され燃料ガス配管１２−３へ送出される。高温側の燃料ガス５１は、降温され燃料ガス配管１２−５へ送出される。
【００４１】
ポンプ６は、燃料ガス配管１２−５を介して供給される燃料ガス５１を、燃料ガス配管１２−６へ送り出すポンプである。
【００４２】
三方弁７は、燃料ガス配管１２−６を介して供給される燃料ガス５１を、燃料ガス配管１２−９（燃料電池モジュール用、燃料ガス配管１２−３へ接続）及び燃料ガス配管１２−７（燃焼器８用）へ分岐する。制御部（図示せず）により、ガスタービン２及び燃料電池モジュール１の運転条件に基づいて制御される。
【００４３】
燃料電池モジュール１は、酸化剤ガス配管１１−４を介して供給される酸化剤ガス５２と、燃料ガス配管１２−３を介して供給される燃料ガス５１とを用いて発電を行う。燃料電池モジュール１で使用済みの燃料ガス５１（生成した水蒸気を含む）は、燃料ガス配管１２−４へ送出される。燃料電池モジュール１で使用済みの酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管１１−５へ送出される。
【００４４】
燃焼器８は、酸化剤ガス配管１１−５を介して供給される酸化剤ガス５２と、燃料ガス配管１２−７を介して供給される燃料ガス５１とを燃焼し、燃焼ガス５３を生成する。燃焼ガス５３は、燃焼ガス配管１３−１へ送出される。
【００４５】
煙突１０は、ガスタービン２から燃焼ガス配管１３−２及び燃焼ガス配管１３−３を介して供給される燃焼ガス５３と、酸化剤ガス配管１１−７及び燃焼ガス配管１３−３を介して供給される酸化剤ガス５２とを混合し、外部に排出する。
【００４６】
ここで、燃料ガス５１は、燃料電池モジュール１の改質器までは、炭化水素のガスと水蒸気との混合ガスである。炭化水素のガスは、メタン、プロパン、ガソリン、灯油、軽油、メタノールに例示される。改質器で改質後は、水素及び一酸化炭素を主成分とする燃料ガス５１となる。なお、燃料電池モジュール１で使用済みの燃料ガス５１は、燃料電池モジュール１で必要量の燃料ガス５１が消費された残りの燃料ガス５１である。
酸化剤ガス５２は、酸素を含むガスである。酸化剤ガス５２は、空気に例示される。
【００４７】
また、燃料電池モジュール１で使用済みの酸化剤ガス５２は、燃料電池モジュール１で必要量の酸化剤ガス５２が消費された残りの酸化剤ガス５２である。
【００４８】
次に、燃料電池モジュール１について説明する。
【００４９】
図２は、本発明である燃料電池モジュールの第１の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃料電池モジュール１は、燃料電池モジュール本体２１、改質器２２、空気予熱器２３及び三方弁２４を具備する。
そして、それらは燃料ガス配管２５−１〜２５−２、酸化剤ガス配管２６−１〜２６−３及び改質配管２７−１〜２７−２で接続されている。
【００５０】
改質器２２は、燃料ガス配管１２−３を介して供給される燃料ガス５１を改質して、燃料ガス配管２５−１へ送出する。第１改質部２２−１、第２改質部２２−２、改質配管２７−１及び改質配管２７−２を含む。
【００５１】
第１改質部２２−１は、燃料ガス配管１２−３を介して供給される燃料ガス５１を、第２改質部２２−２に比較して低温で、水蒸気改質を行う。第１改質部２２−１に投入されるエネルギーには、第２改質部２２−２で改質された燃料ガス５１の有する内部エネルギーを用いる。燃料ガス５１は、水蒸気改質により、水素と一酸化炭素とを主成分とする燃料ガス５１となり、改質配管２７−１へ送出される。
【００５２】
第２改質部２２−２は、改質配管２７−１を介して供給される燃料ガス５１を、第１改質部２２−１に比較して高温で、水蒸気改質を行う。第２改質部２２−２に投入されるエネルギーには、燃料電池モジュール１から酸化剤ガス配管２６−２を介して送出される酸化剤ガス５２の有する内部エネルギーを用いる。ここで、（第１改質部２２−１で改質された燃料ガス５１の温度）＜（酸化剤ガス配管２６−２を介して送出される酸化剤ガス５２の温度）なので、燃料ガス５１の水蒸気改質後の組成は、第１改質部２２−１での燃料ガス５１よりも水素と一酸化炭素の割合が高くなる。その後、燃料ガス５１は、改質配管２７−２へ送出される。
【００５３】
空気予熱器２３は、酸化剤ガス配管１１−４を介して供給される酸化剤ガス５２（低温側）と、酸化剤ガス配管２６−３を介して改質器２２から供給される酸化剤ガス５２（高温側）とを熱交換させる。低温側の酸化剤ガス５２は、昇温され酸化剤ガス配管２６−１へ送出される。高温側の酸化剤ガス５２は、降温され酸化剤ガス配管１１−５へ送出される。
【００５４】
燃料電池モジュール本体２１は、酸化剤ガス配管２６−１を介して供給される酸化剤ガス５２と、燃料ガス配管２５−１を介して供給される燃料ガス５１とを用いて発電を行う。燃料電池モジュール本体２１で使用済みの燃料ガス５１（生成した水蒸気を含む）は、燃料ガス配管２５−２へ送出される。燃料電池モジュール本体２１で使用済みの酸化剤ガス５２（生成した水蒸気を含む）は、酸化剤ガス配管２６−２へ送出される。
【００５５】
三方弁２４は、燃料ガス配管２５−２を介して供給される燃料ガス５１を、燃料ガス配管２５−３（燃料電池モジュール２１用、燃料ガス配管１２−３へ接続）及び燃料ガス配管１２−４（１次燃料予熱器５用）へ分岐する。制御部（図示せず）により、燃料電池モジュール１の運転条件に基づいて制御される。
【００５６】
次に、燃料電池モジュール１について更に説明する。
【００５７】
図３は、図２に示す本発明である燃料電池モジュールの第１の実施の形態の構成をより詳細に示す断面図である。燃料電池モジュール１は、燃料電池モジュール本体２１、改質器２２、及び空気予熱器２３（三方弁２４は省略）を備える。それらは燃料ガス配管２５−１〜２５−２、酸化剤ガス配管２６−１〜２６−３及び改質配管２７−１〜２７−２で接続されている。
【００５８】
改質器２２は、第１改質部２２−１及び第２改質部２２−２を備え、燃料電池モジュール本体２１に隣接して設置される。第１改質部２２−１は、内側から順に触媒部２２−１ａとガス流通部２２−１ｂとを含む２重管構造である。また、改質配管２７−１と改質配管２７−２は、改質配管２７−１が内側の２重管構造である。第２改質部２２−２は、内側から順にガス流通部２２−２ａと触媒部２２−２ｂとを含む２重管構造に、更に、その２重管構造を囲むように形成されたガス流通部２２−２ｃを含む３重管構造である。
【００５９】
２重管構造の内の内側には、一方の側を燃料ガス配管１２−３に接続された触媒部２２−１ａ、触媒部２２−１ａに接続された改質配管２７−１、改質配管２７−１に接続されたガス流通部２２−２ａが連続的に配置されている。ガス流通部２２−２ａの先は改質器２２の内部で開放されている。
２重管構造の内の外側には、一方の側を燃料ガス配管１２−３を一部含んだ燃料ガス配管２５−１に接続されたガス流通部２２−１ｂ、ガス流通部２２−１ｂに接続された改質配管２７−２、改質配管２７−２に接続された触媒部２２−２ｂが連続的に配置されている。触媒部２２−２ｂの先は閉塞されている。
【００６０】
更に、第２改質部２２−２は、３重管目として、酸化剤ガス配管２６−２及び酸化剤ガス配管２６−３を接続され、触媒部２２−２ｂを囲むように設けられたガス流通部２２−２を備える。
【００６１】
触媒部２２−１ａは、燃料ガス配管１２−３を介して供給される燃料ガス５１を、触媒部２２−１ａ内の触媒により水蒸気改質する。太さは燃料ガス配管１２−３よりも大きい。触媒は従来用いられる水蒸気改質触媒（例示：ニッケル／アルミナ）を利用できる。水蒸気改質による水素と一酸化炭素とを主成分とする燃料ガス５１を、改質配管２７−１を介して、第２改質部２２−２へ送出する。
触媒部２２−１ａの外側のガス流通部２２−１ｂは、第２改質部２２−２で改質された（高温の）燃料ガス５１を、触媒部２２−１ａの周りに流通させる。その際、（高温の）燃料ガス５１は、触媒部２２−１ａと熱交換することにより、内部エネルギーの一部を触媒部２２−１ａへ放出する（熱交換する）。そのエネルギーが、第１改質部２２−１の改質に用いられる。
【００６２】
ガス流通部２２−２ａは、改質配管２７−１を介して供給される燃料ガス５１を流通し、２重管構造の閉塞した先端部へ輸送する。燃料ガス５１は、そこで折り返して２重管構造の外側の触媒部２２−２ｂへ流入する。
【００６３】
触媒部２２−２ｂは、内部に有する触媒により燃料ガス５１を更に水蒸気改質する。触媒は従来用いられる水蒸気改質触媒（例示：ニッケル／アルミナ）を利用できる。改質の温度は、第１改質部２２−１よりも高温である。従って、水蒸気改質により、触媒部２２−１ａでの改質よりも水素と一酸化炭素とを合わせた割合が多い（高温の）燃料ガス５１となる。その後、（高温の）燃料ガス５１は、改質配管２７−２を介して、第１改質部２２−２のガス流通部２２−１ｂへ送出する。
【００６４】
触媒部２２−２ｂの外側のガス流通部２２−２ｃは、燃料電池モジュール本体２１で使用済みの酸化剤ガス５２を、触媒部２２−２ｂの周りに流通させる。酸化剤ガス５２は、非常に温度が高く、触媒部２２−２ｂと熱交換することにより、内部エネルギーの一部を触媒部２２−２ｂへ放出する。そのエネルギーが、第２改質部２２−２の改質に用いられる。その後、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管２６−３へ送出される。
【００６５】
触媒部２２−２ｂで改質された燃料ガス５１は、改質配管２７−２を介して第１改質部２２−２のガス流通部２２−１ｂに達する。そこで内部に有する内部エネルギーの一部を触媒部２２−１ｂへ放出し、温度が低下する。そして、温度が低下した燃料ガス５１は、燃料ガス配管２５−１を介して、燃料電池モジュール本体２１へ供給される。
【００６６】
なお、改質器２２は、熱交換の熱を利用して改質を行うが、バーナーや電気ヒータなどの補助の加熱装置を有していても良い。立ち上げ時の熱交換用の熱が少ない場合や、急激に燃料供給量を増加する場合等で、有用である。
【００６７】
また、改質器２２は、２段階で改質を行っているが、更に多段階の改質を行うことも可能である。その場合も、本実施例と同様に、熱交換を利用して実施することが可能である。例えば３段の場合、記述の第１改質部２２−１を２つに分けることで実施できる。
【００６８】
水蒸気改質は、特に最初の改質部（本実施例では第１改質部２２−１の燃料ガス配管１２−３に近い側）での触媒劣化が大きい。そのため、最初の改質部分を別にして、触媒交換容易に設計すれば、メインテナンスも容易となる。
【００６９】
空気予熱器２３は、内管と外管との間での熱交換を行う。内管（高温側）には、酸化剤ガス配管２６−３に接続され、第２改質部２２−２で熱交換した酸化剤ガス５２が流通する。外管（低温側）には、酸化剤ガス配管１１−４に接続され、燃料電池モジュール本体２１へ供給される酸化剤ガス５２が流通する。それにより、燃料電池モジュール本体２１へ供給される酸化剤ガス５２を予熱する。内管の酸化剤ガス５２は、降温され酸化剤ガス配管１１−５から送出される。外管の酸化剤ガス５２は、昇温され酸化剤ガス配管２６−１から燃料電池モジュール本体２１へ送出される。
【００７０】
燃料電池モジュール本体２１は、複数の燃料電池セル管３３、酸化剤ガス供給室３７、供給室３８、排出室３９、断熱体４０（−１〜２）を備える。
供給室３８は、管板Ａ３４、燃料ガス供給口３８−１及び（複数の）第１嵌合部３８−２を有する。
排出室３９は、管板Ｂ３５、燃料ガス排出口３９−１及び（複数の）第２嵌合部３９−２を有する。
酸化剤ガス供給室３７は、管板Ａ３４、管板Ｂ３５、酸化剤ガス供給口３７−１及び酸化剤ガス排出口３７−２を有する。
なお、図１の構成は、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００７１】
以下に各構成を詳細に説明する。
【００７２】
燃料電池セル管３３は、多孔質セラミックスの円筒型の基体管である。外面上には、発電を行う燃料電池セル４１とリード膜４３（後述）を有する。燃料電池セル管３３は、一端部を供給室３８の管板Ａ３４に、開放されて嵌合されている。同様に、他端部は排出室３９の管板Ｂ３５に、開放されて嵌合されている。
【００７３】
第１燃料室としての供給室３８は、燃料ガス配管２５−１から燃料ガス供給口３８−１を介して燃料ガス５１を供給され、複数の各燃料電池セル管３３の各々へ均等に燃料ガス５１を供給する。中空の直方体や円柱等の形状を有する。供給室３８を構成する管板Ａ３４を含む各板は、金属製である。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００７４】
第２燃料室としての排出室３９は、燃料電池セル管３３から排出される使用済み燃料ガス５１を収集し、燃料ガス排出口３９−１を介して燃料ガス配管２５−２へ燃料ガス５１を送出する。中空の直方体や円柱等の形状を有する。排出室３９を構成する管板Ｂ３５を含む各板は、金属製である。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００７５】
空気室としての酸化剤ガス供給室３７は、酸化剤ガス配管２６−１から酸化剤ガス供給口３７−１を介して酸化剤ガス５２の供給を受け、燃料電池セル管３３に供給する。そして、使用済みの酸化剤ガス５２を酸化剤ガス排出口３７−２を介して酸化剤ガス配管２６−２から送出する。供給室３８（の管板Ａ３４）と排出室３９（の管板Ｂ３５）との間にあり、それらと隔離され、燃料電池セル管３３を含んでいる。管板Ａ３４及び管板Ｂ３５の近傍の内部に、断熱体４０（断熱体Ａ４０−１及び断熱体Ｂ４０−２）を固定している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００７６】
供給室３８（第１燃料室）の一側面としての第１管板である管板Ａ３４は、燃料電池セル管３３を接続するための孔が（その数だけ）開口している。そして、燃料電池セル管３３の一端部と、ガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。供給室３８と酸化剤ガス供給室３７とを隔てている。
【００７７】
排出室３９（第２燃料室）の一側面としての第２管板である管板Ｂ３５は、燃料電池セル管３３を接続するための孔が（その数だけ）開口している。燃料電池セル管３３の他端部とガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。排出室３９と酸化剤ガス供給室３７とを隔てている。
【００７８】
断熱体４０は、管板Ａ３４及び管板Ｂ３５の近傍であって、供給室３８及び排出室３９の外側の酸化剤ガス供給室３７内に固定されている。管板Ａ３４側が、断熱体Ａ４０−１であり、管板Ｂ３５側が、断熱体Ｂ４０−２である。断熱体Ｂ４０−２は、燃料電池セル管３３上の端部近傍において、管板Ｂ３５と共に酸化剤ガス５２の流路を形成し、その流通を制限している。また、断熱体４０は、燃料電池セル管３３の発電部４１（後述）側の熱を遮断し、管板Ａ３４及び管板Ｂ３５、あるいは、第１嵌合部３８−２及び第２嵌合部３９−２を、熱的に保護する。断熱体４０は、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする断熱材に例示される。
【００７９】
図６（ｂ）に、断熱体４０（断熱体Ａ４０−１及び断熱体Ｂ４０−２）の正面図示す。断熱体４０は千鳥格子状に燃料電池セル管３３用の孔４０−３が開口している。断熱体Ｂ４０−２の孔４０−３の直径は、燃料電池セル管３３の直径よりもやや大きい。燃料電池セル管３３と断熱体４０の孔との隙間を酸化剤ガス５２が通過するためである。断熱体Ａ４０−１の孔４０−３’の直径は、燃料電池セル管３３の直径と実質的に等しい。隙間を酸化剤ガス５２が通過する必要がないからである。
【００８０】
ただし、本発明での燃料電池セル管３３の配置等が、図６（ｂ）に限定されるものではない。
【００８１】
次に、図４を参照して、燃料電池セル管３３の第２嵌合部３９−２及びその周辺について説明する。
【００８２】
図４は、図３の燃料電池セル管３３の１本分の第２嵌合部３９−２及びその周辺について拡大した断面図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００８３】
第２嵌合部３９−２は、燃料電池セル４１と発電部４２とリード膜４３’とを含む燃料電池セル管３３、管板Ｂ３５、シール剤４４’、第２嵌合リング４６’及び充填材４７’を備える。その周辺の酸化剤ガス５２の流れを断熱体Ｂ４０−２が制限している。
【００８４】
燃料電池セル４１は、燃料電池セル管３３の外面上に、形成された燃料電池のセルである。燃料電池セル４１同士は、インターコネクタ膜（図示せず）で接合されている。燃料電池セル管３３の内側から拡散する燃料ガス５１と、外側から供給される酸化剤ガス５２とにより発電を行う。
【００８５】
発電部４２は、燃料電池セル管３３上の燃料電池セル４１が複数ある領域である。
【００８６】
リード膜４３’は、発電部４２で発電された電力を導く一方の極としての導電性の膜である。供給室３８側にも同様にあり、両膜から引き出した電極から電力を取り出す。
【００８７】
シール剤４４’は、第２嵌合リング４６’の外面と管板Ｂ３５の第２嵌合部３９−２の内面と間の領域に充填されるガスシール剤である。排出室３９の燃料ガス５１と、酸化剤ガス供給室３７の酸化剤ガス５２との間をガスシールする。その周辺の最高使用温度に合わせたシール剤を用いる。
【００８８】
なお、第２嵌合リング４６’の表面と管板Ｂ３５の第２嵌合部３９−２の内面とのすり合わせが非常に高精度の場合には、シール剤を用いない場合もある。
【００８９】
第２嵌合リング４６’は、その内径が燃料電池セル管３３よりもやや大きい円筒状のリングである。その外面と管板Ｂ３５の第２嵌合部３９−２の内面とが密接している。燃料電池セル管３３の寸法ずれ、表面凹凸を、第２嵌合リング４６’と充填材４７’とが緩衝材として働き吸収する。
【００９０】
充填材４７’は、第２嵌合リング４６’の内面と燃料電池セル管３３の外面との間の領域に充填されるガスシール剤かつ接着材である。排出室３９の燃料ガス５１と、酸化剤ガス供給室３７の酸化剤ガス５２との間をガスシールする。また、燃料電池セル管３３の寸法ずれを、その変形で吸収する。その周辺の最高使用温度に合わせてハンダ、接着剤や樹脂などを埋め込む方法などが使用できる。
【００９１】
断熱体Ｂ４０−２については既述の通りなのでその説明を省略する。
【００９２】
管板Ｂ３５は、第２嵌合リング４６’（及び燃料電池セル管３３）を通す孔が、開口している。第２嵌合部３８−２の孔の直径は、第２嵌合リング４６’の直径より、やや小さい。このようにすることにより、図４で示すように、その孔に第２嵌合リング４６’を通した時、管板Ｂ３５の孔部の内周部分が、第２嵌合リング４６’を通した方向に内側に変形し、第２嵌合リング４６’の外周部と管板Ｂ３５の孔部の内周部分が密着する。
【００９３】
ここで、管板Ｂ３５について更に説明する。
【００９４】
図６（ａ）に、管板Ｂ３５の正面図を示す。図６（ａ）にあるように、管板Ｂ３５は千鳥格子状に第２嵌合リング４６’（及び燃料電池セル管３３）用の孔４９が開口している。各孔４９の直径は、第２嵌合リング４６’の外径よりも小さい。
【００９５】
ただし、本発明での燃料電池セル管３３の配置等が、図６（ａ）に限定されるものではない。
【００９６】
管板Ｂ３５に第２嵌合リング４６’を通して密着させる方法として、深絞り加工や、焼嵌め加工などの締り嵌め加工がある。孔４９は、締り嵌め加工を実施できるように、その直径が第２嵌合リング４６’の外径よりも小さい。ただし、第２嵌合リング４６’を用いず、直接燃料電池セル管３３を通す場合には、燃料電池セル管３３の外径よりも小さくする。
【００９７】
管板Ｂ３５の孔４９の内周部分は、第２嵌合リング４６’と密接する際、締り嵌めによる弾性力により、強く密着し、ガスシール性を発揮する。それと同時に、第２嵌合リング４６’（及びそれに接続している燃料電池セル管３３）を強力に保持する。
【００９８】
管板Ｂ３５は、第２嵌合部３９−２が、燃料電池セル管３３を支持する役割があるので、ある程度の強度を有する材料であることが好ましい。また、接合部分（第２嵌合部３９−２）が、燃料電池セル管３３と管板Ｂ３５との隙間からガスをリークさせないように、且つ、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、金属製の板のような弾性のある部材であることが好ましい。その際、約６００℃前後の酸化雰囲気で使用することから、その雰囲気に耐えられる部材であることがより好ましい。そのような材料として、ステンレス系の金属材料が好ましい。より好ましくは、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６のようなオーステナイト系ステンレス鋼である。
【００９９】
また、その厚みの上限は、締り嵌め加工が可能な厚みであることから、また、下限は、燃料電池セル管３３を支持することが可能な厚みであることから、それぞれ実験的に決定される。板の材料の種類により異なる。例えば、オーステナイト系ステンレスでは、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは０．２以上、１ｍｍ以下である。
【０１００】
第２嵌合リング４６’の表面を滑らかにする、あるいは、シール剤４４’を潤滑性（固体）のあるものにすれば、管板Ｂ３５の孔の内周面と第２嵌合リング４６’の外周面とを、ある大きさ以上の力で、互いに滑らせる（摺動する）ようにすることも可能である。力の大きさ及び滑り具合は、第２嵌合リング４６’の表面状態、シール剤４４’の種類等に基づいて、実験的に決定する。
摺動可動になると、熱膨張係数の違いにより、熱による伸びの相違が発生した場合でも、滑りで吸収することが可能となる。
【０１０１】
次に、図５を参照して、燃料電池セル管３３の第１嵌合部３８−２及びその周辺について説明する。図５は、図３の燃料電池セル管３３の１本分の第１嵌合部３８−２及びその周辺について拡大した断面図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【０１０２】
第１嵌合部３８−２は、燃料電池セル４１と発電部４２とリード膜４３とを含む燃料電池セル管３３、管板Ａ３４、シール剤４４、第１嵌合リング４６及び充填材４７を備える。その周辺の酸化剤ガス５２は、断熱体Ａ４０−１に制限され管板Ａ３４に達しない。
【０１０３】
図５で示す燃料電池セル管３３の第１嵌合部３８−２及びその周辺については、図４の第２嵌合部３９−２及びその周辺と同様であり、その説明を省略する。
断熱体Ａ４０−１は、図３での説明のとおりなのでその説明を省略する。
燃料電池セル４１と発電部４２とを含む燃料電池セル管３３は、図４の説明の通りなのでその説明を省略する。、管板Ａ３４、リード膜４３、シール剤４４、第１嵌合リング４６及び充填材４７は、図４の管板Ｂ３５、リード膜４３’、シール剤４４’、第２嵌合リング４６’及び充填材４７’と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０４】
本実施例では、上記図４のように、第２嵌合リング４６’と充填材４７’を用いている。ただし、燃料電池セル管３３の寸法精度及び表面仕上げの状態によって、それらを用いず、直接、管板Ｂ３５と燃料電池セル管３３とを第２嵌合部３９−２で嵌合することも可能である。その場合、部材の点数が減称するので部品コストや製造コストを低減できる。
【０１０５】
図７に、嵌合リングを用いない場合の第２嵌合部３９−２及びその周辺の拡大した断面図を示す。各符号の意味は図４と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０６】
同様に、本実施例では、上記図５のように、第１嵌合リング４６と充填材４７を用いている。ただし、それらを用いず、直接、管板Ａ３４と燃料電池セル管３３とを第１嵌合部３８−２で嵌合することも可能である。
【０１０７】
図８に、嵌合リングを用いない場合の第１嵌合部３８−１及びその周辺の拡大した断面図を示す。各符号の意味は図４と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０８】
次に、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態の動作に関して、図１、（図２）、図３を参照して説明する。
【０１０９】
酸化剤ガス５２について説明する。
【０１１０】
酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管１１−１を経由してガスタービン２に供給され、コンプレッサにより圧縮される。その後、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管１１−２を経由して三方弁３へ供給される。
三方弁３において、酸化剤ガス５２の一部は、制御部（図示せず）の制御により、燃焼器８における燃焼用として酸化剤ガス配管１１−６へ送出される。そして、残りの酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管１１−３へ送出される。
酸化剤ガス配管１１−３を経由した酸化剤ガス５２は、空気圧縮機４に供給され、更に圧縮される。その後、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管１１−４経由で燃料電池モジュール１へ供給される。
【０１１１】
燃料電池モジュール１へ供給された酸化剤ガス５２は、空気予熱器２３の外管を流通する。その時、内管を流通する高温の酸化剤ガス５２と熱交換を行い予熱される（例えば５５０℃程度）。予熱された酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管２６−１から燃料電池モジュール本体２１へ送出される。
【０１１２】
燃料電池モジュール本体２１へ供給された酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス供給口３７−１から酸化剤ガス供給室３７に入る。そして、断熱体Ｂ４０−２と管板Ｂ３５とに挟まれ形成される流路を、管板Ｂ３５に沿って移動する。
このときの、酸化剤ガス５２の温度は、５５０℃程度であり、燃料電池セル４１の運転温度（９００〜１０００℃）に比較して、非常に低い温度である。また、管板Ｂ３５は、発電部４２の熱に対して断熱体Ｂ４０−２により保護されている。従って、管板Ｂ３５に用いる材料の耐熱性（耐酸化性）のレベルを低くすることが出来る。
【０１１３】
排出室３９側の複数の燃料電池セル管３３のいずれかに達した酸化剤ガス５２は、第２嵌合部３９−２近傍において、断熱体Ｂ４０−２の内面と燃料電池セル管３３の外面との間の孔４０−３に入る。孔４０−３を通る酸化剤ガス５２は、燃料電池セル管３３の内部を通る燃料ガス５１との間で、燃料電池セル管３３の基体管を介して熱交換を行う。そして、酸化剤ガス５２は、孔４０−３から出る時点で、発電に必要な温度（例えば、８５０℃程度）に昇温される。更に、そこから発電部４２に達するまでに更に昇温される。
【０１１４】
発電部４２において、酸化剤ガス５２は、燃料電池セル４１に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル４１は発熱するが、その熱は、酸化剤ガス５２により持ち去られるので、燃料電池セル４１の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。また、酸化剤ガス５２は、燃料電池セル４１から発電によって生じた熱を奪いながら温度を上昇させていく。そして、使用済みの酸化剤ガス５２は、高温（例えば、９５０℃）となり断熱体Ａ４０−１付近に達する。
酸化剤ガス５２は、概ね断熱体Ａ４０−１の発電部４２側の面に沿って移動し、酸化剤ガス排出口３７−２に達する。そして、そこから酸化剤ガス配管２６−２へ送出される。
【０１１５】
酸化剤ガス配管２６−２経由で第２改質部２２−２に供給された酸化剤ガス５２は、ガス流通部２２−２ｃ（高温側）を通過する。その際、触媒部２２−２ｂ（低温側）を流通する燃料ガス５１と熱交換を行い、降温され（例えば、７００℃程度）、酸化剤ガス配管２６−３から送出される。
【０１１６】
酸化剤ガス配管２６−３経由で空気予熱器２３に供給された酸化剤ガス５２は、その内管（高温側）を通過する。その際、外管（低温側）を通過する酸化剤ガス５２と熱交換を行い、降温され（例えば、５５０℃程度）、酸化剤ガス配管１１−５から送出される。
送出された酸化剤ガス５２は、燃焼器８へ供給される。
【０１１７】
次に、燃料ガス５１について説明する。
【０１１８】
燃料ガス５１は、三方弁９へ供給される。
三方弁９において、燃料ガス５１の一部は、制御部（図示せず）の制御により、燃焼器８における燃焼用として燃料ガス配管１２−８へ送出される。そして、残りの燃料ガス５１は、燃料ガス配管１２−２へ送出される。
燃料ガス配管１２−２を経由した燃料ガス５１は、１次燃料予熱器５へ供給される。そして、１次燃料予熱器５において、燃料ガス配管１２−２を介して供給される燃料ガス５１（低温側）と、燃料ガス配管１２−４を介して燃料電池モジュール１から供給される使用済みの燃料ガス５１（高温側）とが熱交換を行う。昇温（例えば、５５０℃程度）された燃料ガス５１は、燃料ガス配管１２−３経由で燃料電池モジュール１へ送出される。
【０１１９】
燃料ガス配管１２−３経由で燃料電池モジュール１へ供給された燃料ガス５１は、第１改質部２２−１の触媒部２１−１ａで水蒸気改質される。改質に使用されるエネルギーは、ガス流通部２２−１ｂを通過する第２改質部２２−２で改質された燃料ガス５１との熱交換（触媒部２１−１ａが低温側、ガス流通部２２−１ｂが高温側）により得る。改質された燃料ガス５１（例えば、温度７００℃程度）は、改質配管２７−１へ送出される。
改質配管２７−１経由で第２改質部２２−２へ供給された燃料ガス５１は、ガス流通路２２−２ａを経由して、触媒部２２−２ｂに供給される。そして、触媒部２２−２ｂにおいて、改質部２２−１ａよりも高い温度で水蒸気改質される。改質に使用されるエネルギーは、ガス流通路２２−２ｃを通過する燃料電池モジュール本体２１で使用された酸化剤ガス５２との熱交換（触媒部２２−２ｂが低温側、ガス流通部２２−２ｃが高温側）により得る。改質された燃料ガス５１（例えば、温度７５０℃程度）は、改質配管２７−２へ送出される。
改質配管２７−２経由で第１改質部２２−１へ供給された燃料ガス５１は、ガス流通路２２−１ｂにおいて、触媒部２２−１ａと熱交換（触媒部２１−１ａが低温側、ガス流通部２２−１ｂが高温側）を行い、降温される。降温された燃料ガス５１（例えば、温度５５０℃程度）は、燃料ガス配管２５−１へ送出される。
【０１２０】
燃料ガス配管２５−１経由で燃料電池モジュール本体２１へ供給された燃料ガス５１は、燃料ガス供給口３８−１から供給室３８へ入り、供給室３８に全体に広がる。このときの、燃料ガス５１の温度は、５５０℃以下であり、燃料電池セル４１の運転温度（９００〜１０００℃）に比較して、非常に低い温度である。また、管板Ａ３４は、発電部４２の熱に対して断熱体Ａ４０−１により保護されている。従って、管板Ａ３４に用いる材料の耐熱性（耐酸化性）のレベルを低くすることが出来る。
【０１２１】
供給室３８に広がった燃料ガス５１は、燃料電池セル管３３の一端部から、燃料電池セル管３３内へばらつきの無い流量で流入する。
燃料ガス５１は、断熱体Ａ１０−１付近から発電部４２付近で、燃料電池セル管３３の基体管を介して、燃料電池セル管３３の外面に沿って流れる酸化剤ガス５２と熱交換を行う。そして、温度を上げて行き、発電部４２付近に達する（例えば、温度７００℃程度）。そして、そこから燃料電池セル４１に達するまでに更に昇温される。
【０１２２】
発電部４２において、燃料ガス５１は、燃料電池セル４１に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル４１は発熱するが、その熱は、燃料電池セル管３３の外面を流れる酸化剤ガス５２により持ち去られるので、燃料電池セル４１の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。そして、燃料ガス５１も、温度が上昇しない。燃料ガス５１のうち、使用済みの燃料ガス５１及び発電により発生した水蒸気は、断熱体Ｂ４０−２付近に達する。
【０１２３】
燃料ガス５１は、断熱体Ｂ４０−２付近から第２嵌合部３９−２付近で、燃料電池セル管３３の基体管を介して、燃料電池セル管３３の外面に沿って流れる低温の酸化剤ガス５２と熱交換を行う。そして、温度を下げて行き、燃料電池セル管３３の他端部に達する（例えば、６００℃程度）。そして、他端部から排出室３９へ送出される。
【０１２４】
送出された使用済みの燃料ガス５１は、排出室３９で混合される。このときの、燃料ガス５１の温度は、６００℃以下であり、燃料電池セル４１の運転温度（９００〜１０００℃）に比較して、非常に低い温度である。また、管板Ｂ３５は、発電部４２の熱に対して断熱体Ｂ４０−２により保護されている。従って、管板Ｂ３５に用いる材料の耐熱性（耐酸化性）のレベルを低くすることが出来る。排出室３９の燃料ガス５１は、燃料ガス排出口３９−１から燃料ガス配管２５−２へ送出される。
【０１２５】
燃料ガス配管２５−２へ送出された燃料ガス５１は、制御部（図示せず）に制御された三方弁２４により、その一部が燃料ガス配管１２−３へ供給される。使用済みの燃料ガス５１の再循環により、燃料利用率を向上させることが出来る。残りの燃料ガス５１は、燃料ガス配管１２−４へ送出される。
【０１２６】
燃料ガス配管１２−４を経由した燃料ガス５１は、１次燃料予熱器５へ供給される。そして、１次燃料予熱器５において、燃料ガス配管１２−２を介して供給される燃料ガス５１（低温側）と、燃料ガス配管１２−４を介して燃料電池モジュール１から供給される使用済みの燃料ガス５１（高温側）とが熱交換を行う。降温（例えば、５５０℃程度）された燃料ガス５１は、燃料ガス配管１２−５−ポンプ６−燃料ガス配管１２−６経由で三方弁７へ送出される。
三方弁７において、燃料ガス５１の一部は、制御部（図示せず）の制御により、燃料電池モジュール１用として燃料ガス配管１２−３へ送出される。そして、残りの燃料ガス５１は、燃料ガス配管１２−７へ送出される。
燃料ガス配管１２−７の燃料ガス５１は、燃焼器８へ供給される。
【０１２７】
次に、燃焼ガス５３について説明する。
【０１２８】
酸化剤ガス配管１１−５から供給された酸化剤ガス５２と、燃料ガス配管１２−７から供給された燃料ガス５１は、燃焼器８において混合され燃焼し、燃焼ガス５３を生成する。燃焼ガス５３は、燃焼ガス配管１３−１を経由してガスタービン２へ供給される。
燃焼ガス配管１３−１を経由した燃焼ガス５３は、ガスタービン２のタービンを回転させる。この回転により、発電機が動作する。同時に、その回転によりコンプレッサが駆動し、酸化剤ガス配管１１−１を介して供給される酸化剤ガス５２（本実施例では空気）が圧縮される。使用済みの燃焼ガス５３は、燃焼ガス配管１３−２から排出される。
【０１２９】
燃焼ガス配管１３−２から排出された燃焼ガス５３は、酸化剤ガス配管１１−７を介したガスタービン２のコンプレッサからの酸化剤ガス５２と共に燃焼ガス配管１３−３を経由して煙突１０へ送出される。そして、そこから外部へ排出される。
【０１３０】
本発明により、燃料電池セル４１で発生した熱を、燃料電池モジュール１内での熱交換、改質等に有効利用することが出来る。すなわち、発生した熱を燃料電池モジュール１の外部へ取り出し、有効利用を行うために、給湯用の水に例示される熱媒体を導入する等を行う必要がない。そのため、燃料電池モジュール１に燃料ガス５１及び酸化剤ガス５２用の配管以外の配管を接続する必要がなくなる。従って、燃料電池モジュール１の構造をより簡略に出来、製造コストや製造納期の低減を図ることが可能となる。
【０１３１】
また、本発明により、供給室３８及び排出室３９に供給される燃料ガス５１の温度を低く抑えることが可能となる。すなわち、供給室３８の管板Ａ３４及び排出室３９の管板Ｂ３５の耐熱性（耐酸化性）のレベルを低減することが可能となる。すなわち、より低級の材料を用いることが出来、材料費や製造コストを低減することが可能となる。
【０１３２】
（実施例２）
図１は、本発明である燃料電池モジュールを適用した複合発電システムの第２の実施の形態を示す構成図である。複合発電システムは、燃料電池モジュール１、ガスタービン２、三方弁３、空気圧縮機４、１次燃料予熱器５、ポンプ６、三方弁７、燃焼器８、三方弁９及び煙突１０を備える。
【０１３３】
そして、それらは酸化剤ガス配管１１−１〜１１−７、燃料ガス配管１２−１〜１２−９及び燃焼ガス配管１３−１〜１３−３で接続されている。
【０１３４】
図１の各構成は、実施例１と同様であるのでその説明を省略する。
【０１３５】
次に、燃料電池モジュール１について説明する。
【０１３６】
図９は、本発明である燃料電池モジュールの第２の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃料電池モジュール１は、燃料電池モジュール本体２１、改質器２２、空気予熱器２３及び燃料冷却器５５を具備する。
そして、それらは燃料ガス配管２５−１、２５−３及び酸化剤ガス配管２６−１〜２６−４で接続されている。
【０１３７】
改質器２２は、燃料ガス配管１２−３を介して供給される燃料ガス５１について水蒸気改質を行う。改質器２２に投入されるエネルギーには、燃料電池モジュール１から酸化剤ガス配管２６−２を介して送出される酸化剤ガス５２の有する内部エネルギーを用いる。ここで、水蒸気改質後、燃料ガス５１は、水素と一酸化炭素とを主成分とするガスとなる。改質された燃料ガス５１は、燃料ガス配管２５−１へ送出する。
【０１３８】
燃料冷却器５５は、酸化剤ガス配管１１−４を介して供給される酸化剤ガス５２（低温側）と、燃料ガス配管２５−１を介して改質器２２から供給される燃料ガス５１（高温側）とを熱交換させる。低温側の酸化剤ガス５２は、昇温され酸化剤ガス配管２６−４へ送出される。高温側の燃料ガス５１は、降温され燃料ガス配管２５−３へ送出される。
【０１３９】
空気予熱器２３は、酸化剤ガス配管２６−４を介して供給される酸化剤ガス５２（低温側）と、酸化剤ガス配管２６−３を介して改質器２２から供給される酸化剤ガス５２（高温側）とを熱交換させる。低温側の酸化剤ガス５２は、昇温され酸化剤ガス配管２６−１へ送出される。高温側の酸化剤ガス５２は、降温され酸化剤ガス配管１１−５へ送出される。
【０１４０】
なお、燃料冷却器５５により、酸化剤ガス５２の予熱が十分である場合には、空気予熱器２３を設置しなくても良い。その場合、配管が簡単となり、設備及び製造コストも低減する。
【０１４１】
燃料電池モジュール本体２１は、酸化剤ガス配管２６−１を介して供給される酸化剤ガス５２と、燃料ガス配管２５−３を介して供給される燃料ガス５１とを用いて発電を行う。燃料電池モジュール本体２１で使用済みの燃料ガス５１（生成した水蒸気を含む）は、燃料ガス配管１２−４へ送出される。燃料電池モジュール本体２１で使用されなかった酸化剤ガス５２（生成した水蒸気を含む）は、酸化剤ガス配管２６−２へ送出される。
【０１４２】
次に、燃料電池モジュール１について更に説明する。
【０１４３】
図１０は、図９に示す本発明である燃料電池モジュールの第２の実施の形態の構成をより詳細に示す断面図である。燃料電池モジュール１は、燃料電池モジュール本体２１、改質器２２及び燃料冷却器５５を備える。それらは燃料ガス配管２５−１〜２５−２、及び酸化剤ガス配管２６−１〜２６−３で接続されている。
なお、ここでは空気予熱器２３を設置していない。
【０１４４】
改質器２２は、燃料電池モジュール本体２１に隣接して設置される。改質器２２は、内管にガス流通部２２−ａ、中管に触媒部２２−ｂ、外管にガス流通部２２−ｃを含む３重管構造である。
【０１４５】
中管の触媒部２２−ｂは、燃料ガス配管１２−３を介して供給される燃料ガス５１を、内部の触媒により水蒸気改質する。触媒は従来用いられる水蒸気改質触媒（例示：ニッケル／アルミナ）を利用できる。そして、水蒸気改質による水素と一酸化炭素とを主成分とする燃料ガス５１を、外管の先端へ送出する。外管の先端は閉塞され、その内側に内管の先端が開放されている。
【０１４６】
外管のガス流通部２２−ｃは、燃料電池モジュール本体２１で使用済みの酸化剤ガス５２を、触媒部２２−ｂの周りに流通させる。酸化剤ガス５２は、非常に温度が高く、触媒部２２−ｂと熱交換することにより、内部エネルギーの一部を触媒部２２−ｂへ放出する。そのエネルギーが、改質２２の改質に用いられる。その後、酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管２６−３へ送出される。
【０１４７】
内管のガス流通部２２−ａは、触媒部２２−ｂで改質された燃料ガス５１を燃料ガス配管２５−１へ送出する。
【０１４８】
燃料冷却器５５は、内管と外管との間での熱交換を行う。内管（高温側）には、燃料ガス配管２５−１に接続され、改質器２２で改質した燃料ガス５１が流通する。外管（低温側）には、酸化剤ガス配管１１−４に接続され、燃料電池モジュール本体２１へ供給される酸化剤ガス５２が流通する。それにより、燃料電池モジュール本体２１へ供給される燃料ガス５１を冷却する。それと同時に、酸化剤ガス５２を予熱する。内管の燃料ガス５１は、降温され燃料ガス配管２５−３から送出される。外管の酸化剤ガス５２は、昇温され酸化剤ガス配管２６−４から燃料電池モジュール本体２１へ送出される。
【０１４９】
燃料電池モジュール本体２１については、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【０１５０】
次に、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態の動作に関して、図１、（図９）、図１０を参照して説明する。
【０１５１】
ここで、燃料電池モジュール１以外の部分については、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【０１５２】
酸化剤ガス５２について説明する。
【０１５３】
酸化剤ガス配管１１−４経由で燃料電池モジュール１へ供給された酸化剤ガス５２は、燃料冷却器５５の外管を流通する。その時、内管を流通する高温の燃料ガス５１と熱交換を行い予熱される（例えば５５０℃程度）。予熱された酸化剤ガス５２は、酸化剤ガス配管２６−４（２６−１）から燃料電池モジュール本体２１へ送出される。
【０１５４】
燃料電池モジュール本体２１及びそこでの酸化剤ガス５２については、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【０１５５】
酸化剤ガス配管２６−２経由で改質器２２に供給された酸化剤ガス５２は、ガス流通部２２−ｃ（高温側）を通過する。その際、触媒部２２−ｂ（低温側）を流通する燃料ガス５１と熱交換を行い、降温され（例えば、６００℃程度）、酸化剤ガス配管２６−３（１１−５）から送出される。
送出された酸化剤ガス５２は、燃焼器８へ供給される。
【０１５６】
次に、燃料ガス５１について説明する。
【０１５７】
燃料ガス配管１２−３経由で燃料電池モジュール１へ供給された燃料ガス５１は、改質器２２の触媒部２２−ｂで水蒸気改質される。改質に使用されるエネルギーは、ガス流通路２２−ｃを通過する燃料電池モジュール本体２１で使用された酸化剤ガス５２との熱交換（触媒部２２−ｂが低温側、ガス流通部２２−ｃが高温側）により得る。改質された燃料ガス５１（例えば、温度７５０℃程度）は、ガス流通路２２−ａ経由で燃料ガス配管２５−１へ送出される。
【０１５８】
燃料ガス配管２５−１経由で燃料冷却器５５へ供給された燃料ガス５１は、燃料冷却器５５の内管を流通する。その時、外管を流通する低温の酸化剤ガス５２と熱交換を行い降温される（例えば６００℃程度）。降温された燃料ガス５１は、燃料ガス配管２５−３から燃料電池モジュール本体２１へ送出される。
【０１５９】
燃料電池モジュール本体２１及びそこでの燃料ガス５１については、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【０１６０】
実施例２についても、実施例１と同様に、燃料電池セル４１で発生した熱を、燃料電池モジュール１内での熱交換、改質等に有効利用することが出来る。すなわち、発生した熱を燃料電池モジュール１の外部へ取り出し、有効利用を行うために、給湯用の水に例示される熱媒体を導入する等を行う必要がない。そのため、燃料電池モジュール１に燃料ガス５１及び酸化剤ガス５２用の配管以外の配管を接続する必要がなくなる。従って、燃料電池モジュール１の構造をより簡略に出来、製造コストや製造納期の低減を図ることが可能となる。
【０１６１】
また、本発明により、供給室３８及び排出室３９に供給される燃料ガス５１の温度を低く抑えることが可能となる。すなわち、供給室３８の管板Ａ３４及び排出室３９の管板Ｂ３５の耐熱性（耐酸化性）のレベルを低減することが可能となる。すなわち、より低級の材料を用いることが出来、材料費や製造コストを低減することが可能となる。
【０１６２】
本発明においては、図３や図１０に示すような燃料電池セル管３３を竪置きした場合だけでなく、横置きした場合（図３や図１０の燃料電池モジュール３３を横に９０度倒した形）でも実施可能である。
【０１６３】
また、燃料電池セル管３３を両端で支持している。そのため、燃料電池セル管３３の構造が簡単となりメンテナンスがし易く、コストも低減する。
【０１６４】
【発明の効果】
燃料電池モジュール内の供給室の管板等の壁面の温度を低く抑えながら、燃料電池セルで発生した熱を、燃料電池モジュール内と空気予熱器での空気加熱用として有効利用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池モジュールを適用した複合発電システムの実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明である燃料電池モジュールの第１の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。
【図３】燃料電池モジュールの構成をより詳細に示す断面図である。
【図４】燃料電池セル管の１本分の第２嵌合部及びその周辺の拡大した断面図である。
【図５】燃料電池セル管の１本分の第１嵌合部及びその周辺の拡大した断面図である。
【図６】（ａ）本発明である燃料電池モジュールの実施の形態における管板の正面図である。
（ｂ）本発明である燃料電池モジュールの実施の形態における断熱体の正面図である。
【図７】嵌合リングを用いない場合の第２嵌合部及びその周辺の拡大した断面図である。
【図８】嵌合リングを用いない場合の第１嵌合部及びその周辺の拡大した断面図である。
【図９】本発明である燃料電池モジュールの第２の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。
【図１０】燃料電池モジュールの構成をより詳細に示す断面図である。
【図１１】従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの概略構成の一例をに示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池モジュール
２ ガスタービン
３ 三方弁
４ 空気圧縮機
５ １次燃料予熱器
６ ポンプ
７ 三方弁
８ 燃焼器
９ 三方弁
１０ 煙突
１１−１〜１１−７ 酸化剤ガス配管
１２−１〜１２−９ 燃料ガス配管
１３−１〜１３−３ 燃焼ガス配管
２１ 燃料電池モジュール本体
２２ 改質器
２２−ａ ガス流通部
２２−ｂ 触媒部
２２−ｃ ガス流通部
２２−１ 第１改質部
２２−２ 第２改質部
２２−１ａ 触媒部
２２−１ｂ ガス流通部
２２−２ａ ガス流通部
２２−２ｂ 触媒部
２２−２ｃ ガス流通部
２３ 空気予熱器
２４ 三方弁
２５−１〜２５−３ 燃料ガス配管
２６−１〜２６−４ 酸化剤ガス配管
２７−１〜２７−２ 改質配管
３３ 燃料電池セル管
３４ 管板Ａ
３５ 管板Ｂ
３７ 酸化剤ガス供給室
３７−１ 酸化剤ガス供給口
３７−２ 酸化剤ガス排出口
３８ 供給室
３８−１ 燃料ガス供給口
３８−２ 第１嵌合部
３９ 排出室
３９−１ 燃料ガス排出口
３９−２ 第２嵌合部
４０ 断熱体
４０−１ 断熱体Ａ
４０−２ 断熱体Ｂ
４０−３ 孔
４１ 燃料電池セル
４２ 発電部
４３（’） リード膜
４４（’） シール剤
４６ 第１嵌合リング
４６’ 第２嵌合リング
４７（’） 充填材
４９ 孔
５１ 燃料ガス
５２ 酸化剤ガス
５３ 燃焼ガス
５５ 燃料冷却器
１００ 燃料電池モジュール
１０１ 燃料ガス
１０２ 酸化剤ガス
１０３ 燃料電池セル管
１０４ 外管
１０５ 内管
１０７ 酸化剤ガス供給室
１０８ 供給室
１０９ 排出室
１１０ 燃料ガス供給部
１１２ 上面板
１１３ 側板
１１４ 管板
１１６ 側板
１１７ 管板
１２０ 断熱体
１２１ 側板
１２２ 底面板

Claims (9)

1. 燃料ガスの改質を行う改質器と、
   前記改質された前記燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池モジュール本体と、
   を具備し、
   前記改質器は、
   前記燃料ガスについて、第１温度で第１改質を行う第１改質部と、
   前記第１改質部の後段に接続され、前記第１改質をされた前記燃料ガスについて、前記第１温度よりも高い第２温度で第２改質を行う第２改質部と
   を備え、
   前記第２改質部は、前記燃料電池モジュール本体から送出された前記酸化剤ガスの熱としての酸化剤熱を利用して前記第２改質を行い、
   前記第１改質部は、前記第２改質をされた前記燃料ガスの熱としての燃料熱を利用して前記第１改質を行う
   燃料電池モジュール。
2. 前記改質器から排出された前記酸化剤ガスと前記燃料電池モジュール本体に供給される前の前記酸化剤ガスとの熱交換を行う空気予熱器を更に具備する
   請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記改質された前記燃料ガスと、前記燃料電池モジュール本体に供給される前の前記酸化剤ガスとの熱交換を行う燃料冷却器を更に具備する
   請求項１に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記改質器は、
   前記第１改質部に接続され、前記燃料ガスを前記第１改質部へ供給する第１配管と、
   前記第１改質部と前記第２改質部とに接続され、前記第１改質をされた前記燃料ガスを前記第２改質部へ供給する第２配管と、
   前記第２改質部に接続され、前記第１改質部を含み、前記第２改質をされた前記燃料ガスを送出する第３配管と
   を更に備え、
   前記第１改質部は、前記第３配管を流れる前記第２改質をされた前記燃料ガスの熱を利用して、前記燃料ガスの前記第１改質を行う
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記第２改質部は、
   内管と前記内管を含む外管とを有する二重管と、
   前記内管の外面と前記外管の内面との間に設置された改質触媒部と
   前記二重管を含み、前記燃料電池モジュール本体から送出された前記酸化剤ガスを前記外管の外面に沿って流通させるガス流通部と
   を備え、
   前記外管は、一端部としての第１端部が前記第３配管に接続され、他端部としての第２端部が閉塞され、
   前記内管は、一端部としての第３端部が前記第２配管に接続され、他端部としての第４端部が第２端部の手前まで延びて開放されている
   請求項４に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記燃料電池モジュール本体は、
   表面に燃料電池セルを形成された複数の燃料電池セル管と、
   前記第３配管及び前記複数の燃料電池セル管の一方の端部が接続され、前記複数の燃料電池セル管内に前記第３燃料ガスを供給する第１燃料室と、
   前記複数の燃料電池セル管の他方の端部が接続され、前記複数の燃料電池セル管内を流通した前記第３燃料ガスが流入する第２燃料室と、
   前記酸化剤ガスの流通する第４配管が接続され、前記第１燃料室と前記第２燃料室との間に設置され、前記複数の燃料電池セル管を含み、前記燃料電池セルに前記酸化剤ガスを供給する空気室と
   を備える
   請求項５に記載の燃料電池モジュール。
7. 燃料電池モジュール内に設けられる改質器であって、
   前記燃料電池モジュール内に第１燃料ガスを供給する第１配管と、
   前記第１配管に接続され、前記第１燃料ガスを第２燃料ガスに改質する第１改質部と、
   前記第１改質部に接続され、前記第１改質部から前記第２燃料ガスを送出する第２配管と、
   前記第２配管に接続され、前記第２燃料ガスを第３燃料ガスに改質する第２改質部と、
   前記第２改質部に接続され、前記第１改質部を含み、前記第２改質部から前記第３燃料ガスを、前記第３燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池モジュール本体へ送出する第３配管と
   を具備し、
   前記第２改質部は、前記燃料電池モジュール本体から送出された前記酸化剤ガスの熱としての酸化剤熱を利用して前記第２燃料ガスを前記第３燃料ガスに改質し、
   前記第１改質部は、前記第３燃料ガスの熱を利用して前記第１燃料ガスの前記改質を行う
   改質器。
8. 前記第２改質部は、
   内管と前記内管を含む外管とを有する二重管と、
   前記内管の外面と前記外管の内面との間に設置された改質触媒部と、
   前記二重管を含み、前記燃料電池モジュール本体から送出された前記酸化剤ガスを前記外管の外面に沿って流通させるガス流通部と
   を備え、
   前記外管は、一端部としての第１端部が前記第３配管に接続され、他端部としての第２端部が閉塞され、
   前記内管は、一端部としての第３端部が前記第２配管に接続され、他端部としての第４端部が第２端部の手前まで延びて開放されている
   請求項７に記載の改質器。
9. 発電機を有し、酸化剤ガスの圧縮を行うガスタービンと、
   前記圧縮された前記酸化剤ガスと、燃料ガスとにより発電を行う請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールで使用済みの前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃焼する燃焼器と
   を備え、
   前記ガスタービンは、前記燃焼器により発生した燃焼ガスを用いて前記圧縮を行い、前記発電機を駆動する
   複合発電システム。

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