JP5244292B2 - 燃料電池モジュールおよび燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池の燃料電池モジュールおよび燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料の化学エネルギを直接電気エネルギに変換して発電を行うものである。この燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。
このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ
Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミクッスなどのセラミックスが用いられ、天然ガス，石油，メタノール，石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約９００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。

上述のＳＯＦＣは、定格運転時には自らの発熱により上記作動温度を維持し、定格運転を継続する（熱自立する）ことができる。しかし、ＳＯＦＣの起動の際には、外部から高温熱源で加熱する必要があり、起動時におけるＳＯＦＣの加熱方法に関するさまざまな技術等が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１１９２９８号公報

上述の特許文献１においては、有底円筒形状の燃料電池セル内に空気を導く空気導入管に燃焼触媒層を配置し、各燃料電池セル内で昇温用燃料ガスを燃焼させる技術が公開されている。
しかしながら、各燃料電池セル内に空気導入管を挿入配置させたり、燃料電池空気極に触媒層を形成したりするため、燃料電池セルの構成が複雑となり、その製造が困難になるという問題があった。
また、各燃料電池セル内でそれぞれ燃焼を行う場合、各燃料電池セル内での燃焼状態や分布を均一に制御することは困難であり、各燃料電池セルの各部分における昇温速度が異なっていた。そのため、温度分布が不均一になるというセルにとっては大きな問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、燃料電池モジュールの温度均一性を向上させるとともに、その構造を簡素化することができる燃料電池モジュールおよび燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の燃料電池モジュールは、容器と、該容器内の空間を気密に仕切ることにより第１空間及び第２空間を形成する第１仕切り部材と、前記第１空間を流体が流通可能に仕切ることにより、前記第１仕切り部材との間に第３空間を形成する第２仕切り部材と、表面に燃料電池セルが形成された略円筒状の燃料電池セル管と、を有し、前記燃料電池セルは前記第１空間内に位置し、前記燃料電池セル管の開口端は前記第２空間に開放され、前記燃料電池セル管は、前記第２仕切り部材に形成された孔に挿通され、前記燃料電池セル管の内側には、前記第２空間および前記開口端を介して燃料ガスが導入され、前記燃料電池セル管の外側には、少なくとも、前記第３空間および前記第２仕切り部材を介して、予混合された酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとの燃焼ガスが導入され、前記第２仕切り部材には、前記予混合された前記酸化剤ガスと前記昇温用燃料ガスとを反応させる触媒が設けられ、前記触媒によって前記酸化剤ガスと前記昇温用燃料ガスとが反応し、生成した前記燃焼ガスが前記第１空間へ流入していることを特徴とする。

本発明によれば、触媒で反応させた燃焼ガスを燃料電池セル管の外側に導入しているため、燃焼ガスの熱により燃料電池セルを昇温させることができる。
例えば、複数の燃料電池セル管を備えた燃料電池モジュールにおいては、第２仕切り部材に設けた触媒で反応させた燃焼ガスを、各燃料電池セル管の外側に導入するため、各燃料電池セル管の燃料電池セルの温度上昇を揃えることができる。特許文献１に記載された発明と比較して、熱の損失が少ないため燃料電池セルの起動用（昇温用）燃料の使用量を削減できる。また、燃料電池セルの健全性を保つこと（破損防止）が容易となる。

また、第３空間に供給された酸化剤ガスと昇温用燃料ガスが、第２仕切り部材に設けられた触媒において反応して燃焼ガスとなる。生成された燃焼ガスは第３空間から第１空間に流入して燃料電池セル管の外側に導入されている。燃焼ガスは生成されてから直接第１空間に流入するため、温度低下を最小限にした状態で燃料電池セル管の外側に導入される。
そのため、燃焼ガスは燃料電池セルを効率的に加熱することができ、燃料電池モジュールの起動時における燃料消費量低減と起動に要する時間短縮とを図ることができる。
第１仕切り部材などは燃焼ガスと長時間接触しないため、燃焼ガスなどの高温ガスを燃料電池モジュール外部から導入して燃料電池セル温度を上昇させる方法と比較して、第１仕切り部材などの耐熱性に余裕を持たせることができる。

また、特許文献１に記載された発明のように燃焼ガスを燃料電池セル管の内周面側へ導く配管を設ける必要がなく、燃料電池モジュールの構成をより簡素化することができる。

触媒を用いているので、酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとの混合比率が燃焼限界より低くても、酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとを燃焼させることができる。
そのため、燃焼限界よりも混合比率の低い混合ガスを触媒で反応させる場合には、容器の外部で酸化剤ガスと昇温用燃料とを予混合させても、この予混合ガスが燃料電池モジュールの外部で燃焼、自着火することがない。また、容器の内部においても、触媒以外の領域における予混合ガスの燃焼、自着火を考慮する必要がない。さらに、容器の内部における燃焼器構造を考慮する必要がない。

一方、予混合ガスにおける昇温用燃料ガスの混合比率を制御することにより、予混合ガスの燃焼により生成される燃焼ガス温度を制御することができ、燃料電池セルの昇温速度を制御することができる。
上述のように酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとの混合比率の範囲を広く取ることができるため、燃焼ガス温度の制御可能範囲を広くすることができる。

上記発明においては、前記第２仕切り部材が、流体透過性を有する材料から形成さていることが望ましい。
本発明によれば、第２仕切り部材が流体透過性を有する材料から形成されているため、触媒において生成された燃焼ガスを第１空間に流入させることができる。
流体透過性を有する材料としては、例えば、多孔質体やハニカム構造体などを例示することができる。

上記発明においては、前記第２仕切り部材が、断熱性を有する材料から形成され、前記燃料電池セル管と前記第２仕切り部材との間には、所定間隔の隙間が設けられていることが望ましい。
本発明によれば、燃料電池セル管と第２仕切り部材との間には、所定間隔の隙間が設けられているため、触媒において生成された燃焼ガスは上記隙間を通って第１空間に流入することができる。
また、第２仕切り部材が断熱性を有する材料から形成されているため、第１空間内の熱が外部に逃げることを防止できる。そのため、燃料電池セルの昇温速度の低下を防止できる。

上記発明においては、前記触媒に前記昇温用燃料ガスを導入する供給部が設けられていることが望ましい。
上記発明においては、供給部により触媒に昇温用燃料ガスを導入するため、昇温用燃料ガスと酸化剤ガスとは、触媒が設けられている領域において混合される。そのため、触媒が設けられていない領域には、昇温用燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが存在せず、当該領域における混合ガスの燃焼、自着火を防止することができる。

本発明の燃料電池システムは、上記本発明の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを改質する改質器と、前記燃料電池モジュールに供給する空気を加熱する予熱部と、前記燃料電池モジュールに昇温用燃料ガスを供給する供給部と、を備えることを特徴とする。

上記発明においては、上記本発明の燃料電池モジュールを用いることにより、燃料電池セル管の外側に燃焼ガスを導入するため、各燃料電池セルを同一の燃焼ガスで昇温させることができる。
特許文献１のように高温ガスを燃料電池セル内へ導く配管を設ける必要がないため、燃料電池モジュールの構成をより簡素化することができる。
上記発明においては、前記第２仕切り部材が、光エネルギと熱エネルギとを変換する輻射変換体である。
上記発明においては、前記燃料電池セル管の内側に導入される前記燃料ガスと前記燃料電池セル管の外側に導入される燃焼ガスは、各々対向する方向に流通する。

本発明の燃料電池モジュールおよび燃料電池システムによれば、燃料電池セル管の外側に燃焼ガスを導入するため、各燃料電池セルを同一の燃焼ガスで昇温させることができる。各燃料電池セルの昇温のばらつきを抑えることにより、燃料電池モジュールの温度均一性を向上させることができるという効果を奏する。
この効果により、燃料電池モジュールの昇温用（起動用）燃料の使用量を削減できるという効果を奏する。
また、特許文献１のように高温ガスを燃料電池セル内へ導く配管を設ける必要がないため、燃料電池モジュールの構成をより簡素化することができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明に係るＳＯＦＣシステムの第１の実施形態について図１から図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。図２は、図１のＳＯＦＣモジュールの構成を説明する模式図である。

ＳＯＦＣシステム（燃料電池システム）１には、図１に示すように、発電を行なうＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）３１と、燃料ガス（例えば都市ガスや天然ガスなど）を改質する改質器３と、空気（酸化剤ガス）を予熱する空気予熱器５と、ＳＯＦＣモジュール３１から排出された排ガス中に含まれる未燃の燃料ガスを燃焼させる燃焼器２１と、が備えられている。

また、ＳＯＦＣシステム１には、起動時においてＳＯＦＣモジュール３１に供給される空気に対して後述する昇温用燃料ガス（例えばメタンなど）を供給する昇温用燃料供給部（供給部）１３と、起動時において空気を所定温度にまで加熱する予熱ヒータ１５と、が備えられている。
予熱ヒータ１５は、電力の供給を受けて熱を発生させるヒータであり、後述する燃焼触媒において空気と昇温用燃料とが反応を起こす所定温度にまで加熱するものである。

改質器３は、後述する空気排出室４９から排出された高温の空気が内部を通過するように構成されており、これにより、外部から供給された燃料ガスが加熱されるようになっている。
燃焼器２１は燃料排出室４５と接続されるとともに、空気予熱器５を介して空気排出室４９と接続されている。

ＳＯＦＣモジュール３１は、図２に示すように、容器３３と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ（燃料電池セル筒）３５と、セルチューブ３５の両端を支持する上下の管板（第１仕切り部材）３７ａ，３７ｂと、これら上下の管板３７ａ，３７ｂの間に配置された上下の断熱体（第２仕切り部材）３９ａ，３９ｂと、から概略構成されている。

容器３３と上下の断熱体３９ａ，３９ｂとの間には、発電室（第１空間）４１が形成されている。容器３３と上管板３７ａとの間には燃料供給室（第２空間）４３が形成されている。容器３３と下管板３７ｂとの間には燃料排出室（第２空間）４５が形成されている。管板３７ｂと下断熱体３９ｂとの間には空気供給室（第３空間）４７が形成されている。上管板３７ａと上断熱体３９ａとの間には空気排出室（第３空間）４９が形成されている。

上管板３７ａは容器３３の長手方向の上側（図２の上方）に配置された板状の部材であり、下管板３７ｂは容器３３の長手方向の下側（図２の下方）に配置された板状の部材である。
セルチューブ３５は多孔質セラミックスから形成された略円筒状の管であり、長手方向における中央部には発電を行なう燃料電池セル５１が設けられている。
セルチューブ３５は、一方の開口端が燃料供給室４３に開口するとともに、他方の開口端が燃料排出室４５に開口するように上下の管板３７ａ，３７ｂに支持されている。また、セルチューブ３５は、燃料電池セル５１が発電室４１内にのみ位置するように配置されている。

上断熱体３９ａは容器３３の長手方向の上側（図２の上方）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。下断熱材３９ｂは容器３３の長手方向の下側（図２の下方）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。
各断熱体３９ａ，３９ｂには、セルチューブ３５が挿通される孔５３が形成され、孔５３の直径はセルチューブ３５の直径よりも大きく形成されている。
なお、孔５３の内周面は、略円筒状に形成されていてもよいし、螺旋状または直線状の凹部（溝）または凸部（畝状突起）が形成されていてもよく、特に限定するものではない。このような構成にすることで、セルチューブ３５と孔５３との間を通って発電室４１に流入する空気に下断熱体３９ｂの熱が伝達されやすくなり、発電室４１の温度を高温に保ちやすくすることができる。

下断熱体３９ｂの空気供給室４７を形成する面（図２における下方の面）には、空気と昇温用燃料ガスとを反応（燃焼）させる燃焼触媒（触媒）５５が担持されている。
燃焼触媒５５としては、空気と昇温用燃料ガスとの燃焼を促進するものが望ましく、例えば、白金や、パラジウム等を挙げることができる。
なお、上述のように、燃焼触媒５５を下断熱体３９ｂに担持させてもよいし、粒状やボール状、筒状、ペレット状などのさまざまな形状の燃焼触媒５５を断熱体３９ｂ内部や表層等に配置してもよい。

本実施形態においては、昇温用燃料供給部１３および予熱ヒータ１５を空気予熱器５と起動用燃焼器７との間に配置する例に適用して説明する。

次に、上記の構成からなるＳＯＦＣシステム１の起動時における作用について説明する。
ＳＯＦＣシステム１の起動時においては、図１に示すように、外部から供給された空気は空気予熱器５を介してＳＯＦＣモジュール３１の空気供給室４７に供給される。
起動時には、空気予熱器５にＳＯＦＣモジュール３１から高温の空気が供給されていないため、空気予熱器５において外部から供給された空気は加熱されない。空気予熱器５を通過した空気は、予熱ヒータ１５により所定温度、例えば２００℃から５００℃にまで加熱されるとともに、空気には昇温用燃料供給部１３から昇温用燃料ガスが混合される。

本実施形態においては、空気と昇温用燃料ガスとの混合濃度は、昇温用燃料ガスの燃焼限界濃度以下の濃度であれば特に限定されるものではない。空気と昇温用燃料ガスとの混合濃度を制御することにより、生成される高温ガスの温度上昇を制御することができる。
例えば、昇温用燃料ガスとしてメタンを用いた場合には、燃焼限界濃度が約５％であるので、空気と昇温用燃料ガスとの混合濃度は５％以下とされている。

空気と昇温用燃料ガスの混合ガスが流入した空気供給室４７では、燃焼触媒５５において空気の一部と昇温用燃料ガスとが反応・燃焼し、高温の燃焼ガスが生成される。残りの空気は昇温用燃料ガスの燃焼熱により加熱される。
高温ガスは、孔５３とセルチューブ３５との隙間を通って発電室４１に流入する。高温ガスはセルチューブ３５を加熱した後、孔５３とセルチューブ３５との隙間を通って空気排出室４９に流入する。高温ガスは空気排出室４９から改質器３に流入して改質器３を加熱する。その後、高温ガスは空気予熱器５に流入して空気予熱器５を加熱する。

例えば、昇温用燃料ガスとしてメタンを用いた場合であって、空気比を４とした場合には、空気供給室４７から発電室４１へ供給される高温ガスの温度は約６００℃となる。
この場合のメタン濃度は約４．５％ととなり、上述のようにメタンの燃焼限界濃度である５％を下回る。そのため、燃焼触媒５５が存在しない所でメタンが自着火、燃焼することを防止できる。

その後、燃料電池セル５１が高温ガスにより自己発電可能な温度（例えば６００℃）にまで加熱されると、燃料ガスが改質器３を介して燃料供給室４３へ供給され、燃料電池セル５１による発電が開始される。燃料電池セル５１は発電するとともに発熱（自己発電発熱）し、燃料電池セル５１は、高温ガスの熱と自己発熱とにより加熱される。
昇温用燃料供給部１３からの昇温用燃料ガスの供給量は、燃料電池セル５１の温度が上昇するにともない徐々に減らされ、燃料電池セル５１の温度が定格運転温度（例えば、約１０００℃）に到達するまでには昇温用燃料ガスの供給が停止される。

燃料電池セル５１による発電の開始後に燃料供給室４３に供給される燃料ガスは、改質器３において、空気排出室４９から排出された高温ガスまたは高温空気の熱により、水素および一酸化炭素に改質されてから燃料供給室４３へ供給される。燃料供給室４３に供給された燃料ガスは、燃料供給室４３から開口端を通じてセルチューブ３５の内側に流入して、燃料電池セル５１に供給される。

また、空気供給室４７に供給される空気は、空気予熱器５において、空気排出室４９から排出された高温ガスまたは高温の排出空気の熱により加熱される。加熱された空気は空気供給室４７から孔５３とセルチューブ３５との隙間から発電室４１に流入して、燃料電池セル５１における発電に用いられる。

発電室１１から燃料排出室４５に流入した燃料ガス（以降、排出燃料ガスと表記する。）中には、燃料電池セル５１において発電に用いられた排ガスとともに、発電に用いられなかった未燃の燃料ガスが含まれている。そのため、排出燃料ガスは燃料排出室４５から燃焼器２１に導かれ、空気予熱器５において空気を予熱した高温の排出空気と混合されて燃焼される。

上記の構成によれば、燃焼触媒５５で燃焼させた燃焼ガスを含む高温ガスをセルチューブ３５の外側に導入しているため、高温ガスの熱により燃料電池セル５１を昇温させることができる。
また、断熱体３９ｂの空気供給室４７と接する面に設けた燃焼触媒５５で燃焼させた燃焼ガスを各セルチューブ３５が配置された発電室４１に導入するため、各セルチューブ３５の燃料電池セル５１の温度上昇を揃えることができ、特許文献１に記載された発明と比較して、熱の損失が少ないため燃料電池セル５１の起動用（昇温用）燃料の使用量を削減できる。また、燃料電池セル５１の健全性を保つこと（破損防止）が容易となる。

空気供給室４７において、生成された高温ガスが直接発電室４１に流入してセルチューブ３５の外側に導入されているため、温度低下を最小限とした状態でセルチューブ３５の外側に導入される。
そのため、高温ガスは燃料電池セルを効率的に加熱することができ、ＳＯＦＣモジュール３１の起動時における燃料消費量低減と起動に要する時間短縮とを図ることができる。
管板３７ａ，３７ｂなどは高温ガスと長時間接触しないため、高温ガスを燃料電池モジュール外部から導入して燃料電池セル温度を上昇させる方法と比較して、上下の管板３７ａ，３７ｂなどの耐熱性に余裕を持たせることができる。

また、特許文献１に記載された発明のように燃焼ガスをセルチューブ３５の内側へ導く配管を設ける必要がなく、ＳＯＦＣモジュール３１の構成をより簡素化することができる。

燃焼触媒５５を用いているので、空気と昇温用燃料ガスとの混合比率が燃焼限界より低くても、空気と昇温用燃料ガスとを燃焼させることができる。
そのため、燃焼限界よりも混合比率の低い混合ガスを燃焼触媒５５で反応させる場合には、容器３３の外部で空気と昇温用燃料ガスとを予混合させても、混合ガスがＳＯＦＣモジュール３１の外部で燃焼、自着火することがない。また、容器３３の内部においても、燃焼触媒５５以外の領域における混合ガスの燃焼、自着火を考慮する必要がない。さらに、容器３３の内部における燃焼器構造を考慮する必要がない。

混合ガスにおける昇温用燃料ガスの混合比率を制御することにより、混合ガスの燃焼により生成される高温ガスの温度を制御することができ、燃料電池セル５１の昇温速度を制御することができる。

断熱体３９ａ，３９ｂが断熱性を有する材料から形成されているため、発電室４１内の熱が外部に逃げることを防止できる。そのため、燃料電池セル５１の昇温速度の低下を防止でき、ＳＯＦＣモジュール３１の起動時における燃料消費量低減と起動に要する時間短縮とを図ることができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照して説明する。
本実施形態のＳＯＦＣシステムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、昇温用燃料供給部の配置位置が異なっている。よって、本実施形態においては、図３を用いて昇温用燃料供給部の配置等のみを説明し、その他構成要素の説明を省略する。
図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略している。

ＳＯＦＣシステム（燃料電池システム）１０１には、図３に示すように、発電を行なうＳＯＦＣモジュール３１と、燃料ガス（例えば都市ガスや天然ガスなど）を改質する改質器３と、空気（酸化剤ガス）を予熱する空気予熱器５と、ＳＯＦＣモジュール３１から排出された排ガス中に含まれる未燃の燃料ガスを燃焼させる燃焼器２１と、が備えられている。

また、ＳＯＦＣシステム１０１には、昇温用燃料ガスを供給する昇温用燃料供給部（供給部）１１３と、起動時において空気を加熱する予熱ヒータ１５と、が備えられている。
昇温用燃料供給部１１３は、昇温用燃料ガスをＳＯＦＣモジュール３１の空気供給室４７に直接供給している。

次に、上記の構成からなるＳＯＦＣシステム１０１の起動時における作用について説明する。
ＳＯＦＣシステム１０１の起動方法は、第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と異なる部分のみ説明する。

起動時には、空気予熱器５を通過した空気は、予熱ヒータ１５により所定温度、例えば２００℃から５００℃にまで加熱されてから空気供給室４７に流入する。一方、昇温用燃料ガスは、昇温用燃料供給部１１３から空気供給室４７における燃焼触媒５５の近傍領域、あるいは、燃焼触媒５５の配置領域に供給される。
本実施形態においては、空気と昇温用燃料ガスとの混合は、空気供給室４７における燃焼触媒５５の近傍領域、あるいは、燃焼触媒５５の配置領域で行われる。また、空気と昇温用燃料ガスとの混合濃度は、昇温用燃料ガスの燃焼限界濃度と関係なく、特に限定されるものではない。

上記の構成によれば、空気と昇温用燃料ガスとの混合が空気供給室４７においてされるため、昇温用燃料ガスの混合濃度が燃焼限界濃度よりも高くすることができる。昇温用燃料ガスの混合濃度を高くすることにより、生成される高温ガスの温度を高くすることができ、燃料電池セル５１の昇温速度を早くすることができる。
一方、燃焼触媒５５の近傍等で空気と昇温用燃料ガスとを混合させているため、昇温用燃焼ガスの混合濃度が、第１の実施形態と同様に燃焼限界濃度よりも低くても、燃焼触媒５５において昇温用燃料ガスを燃焼させることができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図４を参照して説明する。
本実施形態のＳＯＦＣシステムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、容器内の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図４を用いて容器内の構成等のみを説明し、その他構成要素の説明を省略する。
図４は、本実施形態に係るＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣモジュールの構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略している。

ＳＯＦＣシステム（燃料電池システム）２０１のＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）２３１は、容器３３と、複数のセルチューブ３５と、セルチューブ３５の両端を支持する上下の管板３７ａ，３７ｂと、これら上下の管板３７ａ，３７ｂの間に配置された上下の輻射変換体（第２仕切り部材）２３９ａ，２３９ｂと、から概略構成されている。

上輻射変換体２３９ａは、容器３３の長手方向の上側（図２の上方）に配置され、例えば、多孔体やハニカム構造体などを用いて板状に形成された部材である。下輻射変換体２３９ｂは容器３３の長手方向の下側（図２の下方）に配置され、、例えば、多孔体やハニカム構造体であって、などを用いて板状に形成された部材である。上下の輻射変換体２３９ａ，２３９ｂは、空気が空気供給室４７から発電室４１へ、発電室４１から空気排出室４９へ透過するように構成されている。
上下の輻射変換体２３９ａ，２３９ｂには、孔２５３が形成され、孔２５３にはセルチューブ３５が挿通されている。そのため、セルチューブ３５は上下の輻射変換体２３９ａ，２３９ｂにも支持されている。

次に、上記の構成からなるＳＯＦＣシステム２０１の作用について、図４を参照しながら説明する。
ＳＯＦＣシステム２０１の起動方法は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

ＳＯＦＣシステム２０１が定格運転されているときには、セルチューブ３５の燃料電池セル５１の温度は、例えば約１０００℃の高温となる。そのため、燃料電池セル５１は白熱して光を発する。
燃料電池セル５１から発電室４１内に発せられた光の一部は、上下の輻射変換体２３９ａ，２３９ｂに入射する。上下の輻射変換体２３９ａ，２３９ｂに入射した光は、その光エネルギが熱エネルギに変換され、上下の輻射変換体２３９ａ，２３９ｂの温度が上昇する。
そのため、空気供給室４７から発電室４１に流入する空気は、下輻射変換体２３９ｂを通過する際に、輻射変換体２３９ｂの熱が与えられ、温度が上昇する。

上記の構成によれば、燃料電池セル５１から発せられる光の一部を、上下の輻射変換体２３９ａ，２３９ｂにより、熱として発電室４７に回収することができる。そのため、ＳＯＦＣシステム２０１の定格運転時における燃料消費量を低減することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明をＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）に適応して説明したが、この発明はＳＯＦＣに限られることなく、その他各種の高温型燃料電池に適応できるものである。
また、上記の実施の形態においては、燃料ガスが直接供給されるＳＯＦＣコンバインド発電システムに適応して説明したが、この発明は燃料ガスが直接供給されるＳＯＦＣコンバインド発電システムに限られることなく、石炭ガス化燃料電池複合発電（ＩＧＦＣ）など、その他各種の燃料電池を用いたコンバインド発電システムに適応できるものである。

本発明の第１の実施形態に係るＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。 図１のＳＯＦＣモジュールの構成を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係るＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係るＳＯＦＣシステムにおけるＳＯＦＣモジュールの構成を説明する模式図である。

符号の説明

１，１０１，２０１ ＳＯＦＣシステム（燃料電池システム）
３ 改質器
５ 空気予熱器
１３ 昇温用燃料供給部（供給部）
３１，２３１ ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）
３３ 容器
３５ セルチューブ（燃料電池セル筒）
３７ａ 上管板（第１仕切り部材）
３７ｂ 下管板（第１仕切り部材）
３９ａ 上断熱体（第２仕切り部材）
３９ｂ 下断熱体（第２仕切り部材）
４１ 発電室（第１空間）
４３ 燃料供給室（第２空間）
４５ 燃料排出室（第２空間）
４７ 空気供給室（第３空間）
４９ 空気排出室（第３空間）
５１ 燃料電池セル
５５ 燃焼触媒（触媒）
１１３ 昇温用燃料供給部（供給部）
２３９ａ 上輻射変換体（第２仕切り部材）
２３９ｂ 下輻射変換体（第２仕切り部材）

Claims (7)

1. 容器と、
   該容器内の空間を気密に仕切ることにより第１空間及び第２空間を形成する第１仕切り部材と、
   前記第１空間を流体が流通可能に仕切ることにより、前記第１仕切り部材との間に第３空間を形成する第２仕切り部材と、
   表面に燃料電池セルが形成された略円筒状の燃料電池セル管と、を有し、
   前記燃料電池セルは前記第１空間内に位置し、前記燃料電池セル管の開口端は前記第２空間に開放され、
   前記燃料電池セル管は、前記第２仕切り部材に形成された孔に挿通され、
   前記燃料電池セル管の内側には、前記第２空間および前記開口端を介して燃料ガスが導入され、
   前記燃料電池セル管の外側には、少なくとも、前記第３空間および前記第２仕切り部材を介して、予混合された酸化剤ガスと昇温用燃料ガスとの燃焼ガスが導入され、
   前記第２仕切り部材には、前記予混合された前記酸化剤ガスと前記昇温用燃料ガスとを反応させる触媒が設けられ、前記触媒によって前記酸化剤ガスと前記昇温用燃料ガスとが反応し、生成した前記燃焼ガスが前記第１空間へ流入していることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記第２仕切り部材が、流体透過性を有する材料から形成さていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記第２仕切り部材が、断熱性を有する材料から形成され、
   前記燃料電池セル管と前記第２仕切り部材との間には、所定間隔の隙間が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
4. 前記触媒に前記昇温用燃料ガスを導入する供給部が設けられている請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
5. 前記第２仕切り部材は、光エネルギと熱エネルギとを変換する輻射変換体である請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
6. 前記燃料電池セル管の内側に導入される前記燃料ガスと前記燃料電池セル管の外側に導入される燃焼ガスは、各々対向する方向に流通する請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池モジュールと、
   該燃料電池モジュールに供給する燃料ガスを改質する改質器と、
   前記燃料電池モジュールに供給する空気を加熱する空気予熱器と、
   前記燃料電池モジュールに昇温用燃料ガスを供給する供給部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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