JP3925171B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents
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Description
【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３−１２９６７５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６−１３０８８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とを有する固体酸化物型又は炭酸溶融塩型の燃料電池１１と、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、６５０±５０℃で作動するように構成されたところにある。
【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１１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５１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１項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１項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１項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１２ｂ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１２ｃ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 Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏ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５．４〜１１．１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，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，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）：Ｌｎ１1-x Ａx Ｇａ1-y-z-w Ｂ１y Ｂ２z Ｂ３w Ｏ3-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、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，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）：Ｃｅ1-m Ｄm Ｏ2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，Ｇｄ，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）：Ｌｎ２1-x Ｌｎ３x Ｅ1-y Ｃｏy Ｏ3+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Ｃｕのいずれか一方又は双方の元素である。またｘはＬｎ３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、Ｌａ2Ｏ3，ＳｒＣＯ3，Ｇａ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＣｏＯの各粉末をＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ2.8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（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2が体積比で６：４となるように、ＮｉＯ粉末と（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）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１２ｂを形成する。更に上記固体電解質層１２ａの他方の面に（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5）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６００、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２６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２７ａ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２２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２６ａ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２８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４４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４３、螺旋状の空気予熱管４４及び螺旋状の第２ヒータ３２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４９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（ＣＨ4））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、ＮｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、Ｖ2Ｏ3、ＮｉＡｌ2Ｏ4、ＺｒＯ2、ＳｉＣ、Ｃｒ2Ｏ3、ＴｈＯ2、Ｃｅ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、ＭｎＯ2、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４４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４１，４２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２３，２６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１２ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ2-）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１６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２２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２８、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４４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２８、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１６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、６３０）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５９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２１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２２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２２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、炭酸溶融塩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し、燃料電池が６５０±５０℃で作動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
【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３−１２９６７５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６−１３０８８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とを有する固体酸化物型又は炭酸溶融塩型の燃料電池１１と、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、６５０±５０℃で作動するように構成されたところにある。
【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１１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５１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１項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１項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１項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１２ｂ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１２ｃ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 Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏ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５．４〜１１．１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，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，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）：Ｌｎ１1-x Ａx Ｇａ1-y-z-w Ｂ１y Ｂ２z Ｂ３w Ｏ3-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、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，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）：Ｃｅ1-m Ｄm Ｏ2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，Ｇｄ，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）：Ｌｎ２1-x Ｌｎ３x Ｅ1-y Ｃｏy Ｏ3+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Ｃｕのいずれか一方又は双方の元素である。またｘはＬｎ３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、Ｌａ2Ｏ3，ＳｒＣＯ3，Ｇａ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＣｏＯの各粉末をＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ2.8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（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2が体積比で６：４となるように、ＮｉＯ粉末と（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）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１２ｂを形成する。更に上記固体電解質層１２ａの他方の面に（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5）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６００、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２６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２７ａ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２２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２６ａ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２８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４４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４３、螺旋状の空気予熱管４４及び螺旋状の第２ヒータ３２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４９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（ＣＨ4））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、ＮｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、Ｖ2Ｏ3、ＮｉＡｌ2Ｏ4、ＺｒＯ2、ＳｉＣ、Ｃｒ2Ｏ3、ＴｈＯ2、Ｃｅ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、ＭｎＯ2、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４４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４１，４２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２３，２６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１２ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ2-）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１６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２２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２８、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４４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２８、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１６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、６３０）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５９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２１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２２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２２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、炭酸溶融塩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し、燃料電池が６５０±５０℃で作動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
Claims (6)
- 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)とを有する固体酸化物型又は炭酸溶融塩型の燃料電池(11)と、
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、
６５０±５０℃で作動するように構成されたことを特徴とする燃料電池モジュール。 - 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記載の燃料電池モジュール。
- 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。
- 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１項に記載の燃料電池モジュール。
- 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１項に記載の燃料電池モジュール。
- 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１項に記載の燃料電池モジュール。
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