(57)【要約】ＳＯＦＣモジュール（１００）は、燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する発電部を備えたＳＯＦＣ（２０）と、供給された流体から燃料ガスとして改質ガスを生成する改質器（４０）とを備え、ＳＯＦＣ（２０）の有する熱により加熱された流体が、改質器（４０）に供給される。
2013046582.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する発電部を備えた高温動作型燃料電池と、
改質ガスを生成するための流体が供給され、当該流体から前記燃料ガスとして改質ガスを生成する改質器と、を備え、
前記高温動作型燃料電池の有する熱により加熱された前記流体が、前記改質器に供給される高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記空気を前記発電反応に利用する前に、前記高温動作型燃料電池を冷却するとともに、該高温動作型燃料電池の熱により自身を加熱するように、該高温動作型燃料電池と該空気との間で熱交換を行なう第１熱交換部と、
前記改質器に供給される前記流体を加熱するように、前記第１熱交換部での熱交換により加熱された空気と該流体との間で熱交換を行なう第２熱交換部と、を備え、
前記第２熱交換部での熱交換により加熱された流体を前記改質器に供給する一方、該第２熱交換部での熱交換により熱が奪われた空気を前記高温動作型燃料電池の発電部に供給する請求項１に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記改質器により生成された改質ガスが、高温動作型燃料電池の発電部において燃料ガスとして利用されるとともに、該高温動作型燃料電池を冷却する冷却媒体として利用されるように構成された請求項２に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記第２熱交換部での熱交換により熱が奪われた空気によって前記高温動作型燃料電池を冷却するように、該空気と該高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第３熱交換部と、
前記第３熱交換部での熱交換により加熱された空気と前記流体との間で再度熱交換を行なう第４熱交換部と、をさらに備え、
前記第２熱交換部および前記第４熱交換部での熱交換により加熱された前記流体を前記改質器に供給し、該第４熱交換部での熱交換により熱が奪われた空気を前記高温動作型燃料電池の発電部に供給して酸化剤として利用するとともに、この高温動作型燃料電池を冷却する冷却媒体として利用するように構成された請求項２または３に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記第２熱交換部および前記第４熱交換器での空気との熱交換により加熱された流体を前記改質器に供給する前に、該流体をさらに加熱するとともに前記高温動作型燃料電池を冷却するように、この流体と高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第５熱交換部をさらに備える請求項４に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項６】
複数の前記高温動作型燃料電池と複数のインターコネクタとが交互に積層された積層平板型セルスタックと、
前記積層平板型セルスタックの一方の端部に配され、前記流体を該積層平板型セルスタックに供給する原料供給層と、
前記積層平板型セルスタックの他方の端部でかつ、該積層平板型セルスタックと前記改質器との間に配され、これらを接続する改質器接続層と、を備え、
前記原料供給層が前記第２熱交換部および第４熱交換部を有し、該第２熱交換部および該第４熱交換部での空気と流体との間での熱交換により加湿原料を生成しており、
前記改質器接続層は、積層平板型セルスタックに空気を供給するとともに、前記原料供給層において生成された加湿原料を改質器に供給するように構成されている請求項５に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記積層平板型セルスタックは、供給された空気と前記高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第１熱交換部として、該空気を流通させるための第１空気流路が外周に形成されている請求項６に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記積層平板型セルスタックは、前記第２熱交換部での熱交換により熱が奪われた空気と前記高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第３熱交換部として、該空気を流通させるための第２空気流路が外周に形成されている請求項６または７に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記積層平板型セルスタックは、前記第２熱交換部および前記第４熱交換部での熱交換により加熱された流体と前記高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第５熱交換部として、該流体を流通させる原料流路が外周に形成されている請求項６から８のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記積層平板型セルスタックは、前記発電部における発電反応により排出される燃焼排ガスを前記改質器の方へと導く排出管を備え、
前記改質器は、前記排出管を通じて導かれた燃焼排ガスを燃焼した燃焼熱を改質反応に利用する請求項６から９のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記高温動作型燃料電池は、金属基板を支持体としてアノード、電解質、およびカソードが形成されたメタルサポート形であって、
前記高温動作型燃料電池の前記金属基板には、前記積層平板型セルスタックにおける前記第１空気流路、第２空気流路、および原料流路それぞれの一部分を形成するための各貫通孔が形成される請求項１０に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項１２】
前記改質器接続層は、
前記原料供給層において生成された加湿原料を前記改質器に導く貫通孔として加湿原料供給孔と、
前記改質器により生成された改質ガスを前記積層平板型セルスタックの発電部に供給するための貫通孔として改質ガス供給孔と、
前記積層平板型セルスタックの発電部から前記排出管を通じて導かれた燃焼排ガスを前記改質器へと供給する貫通孔として燃焼排ガス供給孔と、を備え、
前記改質器は、
前記加湿原料供給孔を介して供給された加湿原料を受け入れる貫通孔として加湿原料受容孔と、
生成した前記改質ガスを前記改質器接続層に排出するための貫通孔として改質ガス排出孔と、
改質反応に必要な熱を得るために、前記燃焼排ガス供給孔を介して供給された燃焼排ガスを燃焼させる燃焼部と、を備えている請求項１０または１１に記載の高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項１３】
燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する発電部を備える高温動作型燃料電池と、
供給された流体から前記燃料ガスとなる改質ガスを生成する改質器とを備え、
前記空気を前記発電反応に利用する前に、前記高温動作型燃料電池を冷却するとともに、該高温動作物型燃料電池の熱により自身を加熱するように、該高温動作型燃料電池を通過させ、この通過時に加熱された空気と流体との間で熱交換を行なって、前記改質器に供給される流体を加熱させ、この熱交換により加熱された空気を再度、高温動作型燃料電池に向かって折り返し、該高温動作型燃料電池の冷却に利用するように構成された高温動作型燃料電池モジュール。
【請求項１４】
請求項１または１３に記載の高温動作型燃料電池モジュールと、
前記高温動作型燃料電池モジュールから排出された排ガスと外気とを熱交換させ、該排ガス中に含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成させる凝縮熱交換部と、を備え、
前記凝縮熱交換部によって生成した凝縮水を前記高温動作型燃料電池モジュールに改質水として供給する高温動作型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率でクリーンなエネルギー源の開発が求められており、それに対する一つの候補として燃料電池が注目を浴びている。特に燃料電池の中でも固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体高分子型燃料電池またはリン酸型燃料電池等の他の種類の燃料電池と比較して発電効率が高いことにより、次世代の燃料電池として注目されている。【０００３】
ＳＯＦＣは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する空気等の酸化剤ガスとを電気化学反応（発電反応）させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。ＳＯＦＣは、原料ガスと水とを用いて改質反応を行なう水蒸気改質法によって水素を主成分とする燃料ガス（改質ガス）を生成する。【０００４】
このＳＯＦＣは、上述したように高い発電効率を有するが、その代わり作動動作の温度が高い（例えば７５０℃〜１０００℃）ため、発電を維持するためには高温のＳＯＦＣに適した方式により当該ＳＯＦＣを冷却することが必要とされる。【０００５】
そこで、従来では、酸化剤ガスとしてＳＯＦＣホットモジュール内に導いた空気を、ＳＯＦＣを冷却するための冷却媒体として利用している（例えば、特許文献２、３）。特に特許文献２に開示された方法では、以下の段階を含み冷却効率を上げることによって酸素利用率（Ｕo）を高める方法が開示されている。より具体的には、特許文献２の方法では、燃料電池から化学エネルギーと電気エネルギーの変換時に発生した熱を温度平衡部材が受け取る段階と、温度平衡部材の熱を、熱交換要素を介して空気流へ放散させて予熱する段階と、温度平衡部材の熱を空気流へ直接放散させて空気を反応温度近くまで熱する段階と、熱した空気流を正極へ通す段階とを含む。【０００６】
また、ＳＯＦＣを冷却することで該ＳＯＦＣから熱を奪った空気が有する熱エネルギーを、燃料ガスまたは酸化剤ガスを予熱するためのエネルギーに活用する燃料電池も提案されている（特許文献１、５）。また、燃料ガスまたは酸化剤ガスを予熱するための予熱部や改質反応を行なうための改質部などからの熱に対する影響を低減させてセル間の温度分布を小さく抑える固体酸化物型燃料電池モジュールも提案されている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１３９９６０号公報
【特許文献２】特許第３０９８８１３号公報
【特許文献３】特開２００６−８５９８２号公報
【特許文献４】特開２００９−９３９２３号公報
【特許文献５】特開２００２−２８００２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述のような従来技術では、ＳＯＦＣホットモジュールに供給する空気の酸素利用率を効率よく向上させることができないという問題がある。特にＳＯＦＣシステム内において水収支を容易に自立させることができる程度まで、空気の酸素利用率を向上させることができないという問題がある。【０００９】
したがって、システムにおいて外気温の空気によって水自立ができる程度まで、Ｕｏの値を上げるようにする必要がある。【００１０】
しかしながら上記した従来技術の特許文献１から５は、特にＳＯＦＣシステム内において水収支を容易に自立させることができるように考慮して、空気の酸素利用率を向上させる構成となっていないという問題がある。【００１１】
本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、供給される空気の利用効率を向上させることができる高温動作型燃料電池モジュールを提供することを目的とする。特に、システム内において水収支を容易に自立させることができる程度まで、空気の利用効率を向上させることができる高温動作型燃料電池モジュール、および高温動作型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のある態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する発電部を備えた高温動作型燃料電池と、改質ガスを生成するための流体が供給され、当該流体から前記燃料ガスとして改質ガスを生成する改質器と、を備え、前記高温動作型燃料電池の有する熱により加熱された流体が、前記改質器に供給される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る高温動作型燃料電池モジュールは、供給される空気の利用効率を向上させることができる効果を奏する。また、本発明に係る高温動作型燃料電池モジュールを備えた高温動作型燃料電池システム内において水収支の自立の実現を容易とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールの改質器に供給される流体（原料および改質水）にＳＯＦＣの熱を与え予熱する仕組みの一例を示す概念図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールにおいて空気ならびに原料および改質水が流れる経路の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールの概略構成の一例を示す模式図である。
【図４】本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールにおいて空気ならびに流体（原料および改質水）が流れる経路の一例を示す模式図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールにおいて空気ならびに流体（原料および改質水）が流れる経路の一例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールにおいて空気ならびに流体（原料および改質水）が流れる経路の一例を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールの具体的な構成の一例を示す正面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールの具体的な構成の一例を示す側面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを流通する空気の流れの一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを流通する原料の流れの一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを構成する外端ヘッダーの表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを構成するカソード端インターコネクタの表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である
【図１３】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを構成するＳＯＦＣの表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを構成するインターコネクタの表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを構成するアノード端インターコネクタの表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である
【図１６】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを構成する改質器接続ヘッダーの表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを構成する改質器の表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣシステムの概略構成の一例を模式的に示す図である。
【図１９】水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を示す図である。
【図２０】水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を示す図である。
【図２１】水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を示す図である。
【図２２】本発明の前提となる構成に係るＳＯＦＣホットモジュールの概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【図２３】図２２に示すＳＯＦＣホットモジュールの外観形状の一例を示す図である。
【図２４】図２３に示すＳＯＦＣホットモジュールの外観形状においてＡ−Ａで切り出した断面形状の一例を示す図である。
【図２５】図２２に示すＳＯＦＣホットモジュールが備える円筒横縞型ＳＯＦＣ構造の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（本発明の基礎となった知見）
本発明の基礎となった知見として、ＳＯＦＣホットモジュールに供給される空気（酸化剤ガス）の酸素利用率とＳＯＦＣシステム内での水収支の自立との関係について図１９および図２０を参照して説明する。図１９および図２０は、水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を示す図である。
【００１６】
ＳＯＦＣシステム内での水収支の自立には燃料電池の空気利用率および冷却方法が密接に関係する。図１９に示す表では、改質効率８０％、燃料利用率（Ｕｆ）８０％、Ｓ／Ｃ＝２．５、酸素利用率（Ｕｏ）＝０．２としたとき、消費水素１ｍｏｌあたりの物質収支を示す。また、図２０に示す表では、改質効率８０％、燃料利用率（Ｕｆ）８０％、Ｓ／Ｃ＝２．５、酸素利用率（Ｕｏ）＝０．３としたとき、消費水素１ｍｏｌあたりの物質収支を示す。なお、燃料利用率は以下の数式（１）に示す関係を満たす値であり、酸素利用率は以下の数式（２）に示す関係を満たす値である。
【００１７】
燃料利用率（Ｕｆ）＝（消費される水素）／（投入される水素）      ・・・（１）
酸素利用率（Ｕｏ）＝（消費される酸素）／（投入される酸素）      ・・・（２）
図１９および図２０に示す表より明らかなように、メタン（ＣＨ４）を原料とし、Ｓ／Ｃ＝２．５の場合には、消費水素１ｍｏｌあたり改質水が０．９８ｍｏｌ必要となる。この改質水を電池生成水および燃焼生成水から回収して再び改質水に充当することが出来ればこのシステム内にて水収支は自立しているといえる。
【００１８】
ところで、これら生成水は燃料に含まれる水素が燃焼して生成されるものであり生成水の絶対量は燃料量に依存するが、これを効率的に回収できるかどうかは酸素利用率（Ｕｏ）に大きく依存する。
【００１９】
例えば、図２０の表に示すとおり、Ｕｏが０．３のときにＳＯＦＣホットモジュールから排出される燃焼ガス中の水蒸気量は１．４８ｍｏｌで露点は５５℃となる。ここで、燃焼ガスを外気温の３５℃まで冷却した場合には１．０２ｍｏｌ分の凝縮水を回収することができ、回収した凝縮水を改質反応に必要な改質水０．９８ｍｏｌに充当することができる。
【００２０】
一方、図１９の表に示すＵｏ＝０．２の場合、燃焼ガスの空気による希薄化が起こるため、燃焼ガス中の水蒸気量は１．４８ｍｏｌと変わらないが露点はＵｏが０．３のときと比べると４８℃まで低下してしまう。このため、これを外気温の３５℃まで冷却して凝縮しても０．７８ｍｏｌの凝縮水しか得られず、改質反応に必要な改質水０．９８ｍｏｌを賄うことができなくなる。
【００２１】
ここで、ＳＯＦＣを空冷するためには、空気の熱容量等を勘案して通常ＳＯＦＣの発電で必要な空気の５倍量（酸素利用率に換算するとＵｏ＝０．２）程度の空気が必要である。しかしながら、Ｕｏが０．２のとき外気温３５℃により冷却する凝縮法では上述したように改質反応で必要な水量だけ凝縮水を生成することができない。つまり、水収支の自立を行うことができない。以上の知見はＳＯＦＣ以外の高温動作型の燃料電池にも当てはまる。上記した知見に基づき、本発明では以下に示す態様を提供する。
【００２２】
本発明の第１の態様は、高温動作型燃料電池モジュールは、燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する発電部を備えた高温動作型燃料電池と、供給された流体から前記燃料ガスとして改質ガスを生成する改質器と、を備え、前記高温動作型燃料電池の有する熱により加熱された流体が、前記改質器に供給される。
【００２３】
ここで高温動作型燃料電池とは、動作温度が約４００度以上となる燃料電池であって、例えば、ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）またはＭＣＦＣ（溶融炭酸塩型燃料電池）などが挙げられる。また、改質ガスを生成するための流体とは、例えば、水蒸気改質の場合は水と原料、部分燃焼法（部分酸化法）の場合は酸素と原料、オートサーマル改質の場合は酸素と水と原料となる。
【００２４】
上記した構成によると、改質器に供給される流体が高温動作型燃料電池の有する熱を奪い、自身が加熱され改質器に供給される構成である。すなわち、高温動作型燃料電池から得た熱を、例えば加湿原料を生成するために必要な気化エネルギーに変換させることができる。
【００２５】
したがって、供給された流体によって高温動作型燃料電池の冷却を効率的に行なうことができ、高温動作型燃料電池を冷却するための空気を減らすことができる。このため、空気の利用効率を上げることができる。つまり本発明に係る高温動作型燃料電池モジュールは、供給される空気の利用効率を向上させることができる効果を奏する。
【００２６】
また、本発明の第２の態様は、第１の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記空気を前記発電反応に利用する前に、前記高温動作型燃料電池を冷却するとともに、該高温動作型燃料電池の熱により自身を加熱するように、該高温動作型燃料電池と該空気との間で熱交換を行なう第１熱交換部と、前記改質器に供給される前記流体を加熱するように、前記第１熱交換部での熱交換により加熱された空気と該流体との間で熱交換を行なう第２熱交換部と、を備え、前記第２熱交換部での熱交換により加熱された流体を前記改質器に供給する一方、該第２熱交換部での熱交換により熱が奪われた空気を前記高温動作型燃料電池の発電部に供給するように構成されていてもよい。
【００２７】
上記した構成によると、第１熱交換部を備えているため、供給された空気により高温動作型燃料電池から熱を奪って、この燃料電池を冷却させるとともに、空気自身を加熱させることができる。さらに第２熱交換部を備えているので、加熱された空気から熱を奪って改質器に供給する流体を加熱させるとともに、空気を冷却することができる。そして、この冷却された空気を高温動作型燃料電池の発電部に供給することができる。
【００２８】
したがって、供給された空気によって高温動作型燃料電池の冷却を効率的に複数回行なうことができ、空気の利用効率を上げることができる。つまり、高温動作型燃料電池モジュールは、供給される空気の利用効率を向上させることができる効果を奏する。
【００２９】
また、供給される空気の利用効率を上げることができるため、従来のようにＳＯＦＣの冷却を兼ね発電反応の酸化剤として過剰に空気を供給する構成と比較して、空気の供給量を低減させることができる。このため、従来の構成よりも排ガスから改質水として必要な量の凝縮水を得るための露点温度を高めることができる。このことは、本発明に係る高温動作型燃料電池を備えた高温動作型燃料電池システム内において水収支の自立の実現を容易とすることができる。
【００３０】
また、本発明の第３の態様は、第２の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記改質器により生成された改質ガスが、高温動作型燃料電池の発電部において燃料ガスとして利用されるとともに、該高温動作型燃料電池を冷却する冷却媒体として利用されるように構成されてもよい。
【００３１】
上記した構成によると、燃料ガスとして利用する改質ガスを、高温動作型燃料電池の冷却媒体としても利用できるため、高温動作型燃料電池の冷却を効率的に行なうことができる。これにより、空気の供給量を低減させることができるため、従来の構成よりも排ガスから改質水として必要な量の凝縮水を得るための露点温度を高めることができる。このことは、本発明に係る高温動作型燃料電池を備えた高温動作型燃料電池システム内において水収支の自立の実現を容易とすることができる。
【００３２】
また、本発明の第４の態様によれば、第２の態様または第３の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記第２熱交換部での熱交換により熱が奪われた空気によって前記高温動作型燃料電池を冷却するように、該空気と該高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第３熱交換部と、前記第３熱交換部での熱交換により加熱された空気と前記流体との間で再度熱交換を行なう第４熱交換部と、をさらに備え、前記第２熱交換部および前記第４熱交換部での熱交換により加熱された前記流体を前記改質器に供給し、該第４熱交換部での熱交換により熱が奪われた空気を前記高温動作型燃料電池の発電部に供給して酸化剤として利用するとともに、この高温動作型燃料電池を冷却する冷却媒体として利用するように構成されてもよい。
【００３３】
また、本発明の第５の態様によれば、第４の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記第２熱交換部および前記第４熱交換器での熱交換により加熱された流体を前記改質器に供給する前に、該流体をさらに加熱するとともに前記高温動作型燃料電池を冷却するように、この流体と高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第５熱交換部をさらに備えるように構成されてもよい。
【００３４】
上記した構成によると、第５熱交換部を備えているため、該第５熱交換部で流体と高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なうことができる。なお、高温動作型燃料電池と熱交換を行なう流体は、既に第２熱交換部および第４熱交換部での空気との熱交換により加熱されているとはいえ、流体の温度は高温動作型燃料電池での発熱温度と比較すると十分に小さい。このため、第５熱交換部での熱交換により、流体は高温動作型燃料電池から熱を奪って冷却することができる。その一方で、流体は、高温動作型燃料電池から奪った熱によりさらに加熱され、改質器に供給される。
【００３５】
ここで、高温動作型燃料電池での発熱による熱を流体に与えることは、結果的には流体が供給される改質器に熱を与えることと同じである。すなわち、高温動作型燃料電池での発熱による熱を流体に与えることで、高温動作型燃料電池での発熱による熱を改質エネルギーに転換させることができる。
【００３６】
このように、本発明の第５の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールは、高温動作型燃料電池が有する熱を改質エネルギーに転換させることでこの高温動作型燃料電池の冷却を行うことができるため、空気の供給量を低減させることができ、その結果、空気の利用効率を高めることができる。
【００３７】
また、本発明の第６の態様によれば、第５の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、複数の前記高温動作型燃料電池と複数のインターコネクタとが交互に積層された積層平板型セルスタックと、前記積層平板型セルスタックの一方の端部に配され、前記流体を該積層平板型セルスタックに供給する原料供給層と、前記積層平板型セルスタックの他方の端部でかつ、該積層平板型セルスタックと前記改質器との間に配され、これらを接続する改質器接続層と、を備え、前記原料供給層が前記第２熱交換部および第４熱交換部を有し、該第２熱交換部および該第４熱交換部での空気と流体との間での熱交換により加湿原料を生成しており、前記改質器接続層は、積層平板型セルスタックに空気を供給するとともに、前記原料供給層において生成された加湿原料を改質器に供給するように構成されていてもよい。
【００３８】
また、本発明の第７の態様によれば、第６の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記積層平板型セルスタックは、供給された空気と前記高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第１熱交換部として、該空気を流通させるための第１空気流路が外周に形成されていてもよい。
【００３９】
また、本発明の第８の態様によれば、第６の態様または第７の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記積層平板型セルスタックは、前記第２熱交換部での熱交換により熱が奪われた空気と前記高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第３熱交換部として、該空気を流通させるための第２空気流路が外周に形成されていてもよい。
【００４０】
また、本発明の第９の態様によれば、第６〜第８の態様のいずれか１つの態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記積層平板型セルスタックは、前記第２熱交換部および前記第４熱交換部での熱交換により加熱された流体と前記高温動作型燃料電池との間で熱交換を行なう第５熱交換部として、該流体を流通させる原料流路が外周に形成されていてもよい。
【００４１】
また、本発明の第１０の態様によれば、第６〜第９の態様のいずれか１つの態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記積層平板型セルスタックは、前記発電部における発電反応により排出される燃焼排ガスを前記改質器の方へと導く排出管を備え、前記改質器は、前記排出管を通じて導かれた燃焼排ガスを燃焼した燃焼熱を改質反応に利用してもよい。
【００４２】
上記した構成によると、高温動作型燃料電池モジュールは、改質器が、高温動作型燃料電池の発電部における発電反応により排出される燃焼排ガスを燃焼した燃焼熱を利用して改質反応を行なうように構成されている。
【００４３】
ここで、発電反応により排出される燃焼排ガスとは、高温動作型燃料電池で未利用の燃料および空気（酸化剤）を含むものであって、該発電反応で発生した熱を有しているガスである。
【００４４】
上記した構成によると、この燃焼排ガスを燃焼させた燃焼熱を利用して改質器の改質反応を行なう。また、この燃焼熱の一部を燃焼排ガスが有する発電反応で発生した熱で賄うことができる。このため、結果的には、高温動作型燃料電池における発電反応により生じた熱を、燃焼排ガスを媒体として改質器に与えることができる。
【００４５】
このように、高温動作型燃料電池での発熱を改質器における改質反応に利用することができるため、結果的に空気の利用効率を向上させることができる。
【００４６】
また、本発明の第１１の態様によれば、第６〜１０の態様のいずれか１つの態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記高温動作型燃料電池は、金属基板を支持体としてアノード、電解質、およびカソードが形成されたメタルサポート形セルであって、前記高温動作型燃料電池の前記金属基板には、前記積層平板型セルスタックにおける前記第１空気流路、第２空気流路、および原料流路それぞれの一部分を形成するための各貫通孔が形成されてもよい。
【００４７】
上記した構成によると、高温動作型燃料電池は金属基板を支持体としているため、例えば、従来のＳＯＦＣのように基板をセラミックとする場合と比較して、熱伝統率が良くなる。このため、積層平板型セルスタックにおける第１空気流路、第２空気流路、および原料流路を流れる空気および原料（加湿原料）の熱と高温動作型燃料電池で生じる熱とを効率よく熱交換することができる。
【００４８】
さらに、第１空気流路、第２空気流路、および原料流路それぞれの一部分を形成する貫通孔が金属基板に形成されている。ここで金属基板はセラミック製の基板と比較して微細加工等が容易である。このため、この貫通孔の開口形状を例えば、突起が複数形成されてなる櫛型形状など複雑な形状とすることもできる。例えば、この開口形状を櫛形形状とした場合、第１空気流路、第２空気流路、および原料流路を流れる空気および原料と、積層平板型セルスタックとの接触面積を大きくすることができる。よって、熱交換の効率をさらに向上させることができる。
【００４９】
また、本発明の第１２の態様によれば、第１０の態様または第１１の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールの構成において、前記改質器接続層は、前記原料供給層において生成された加湿原料を前記改質器に導く貫通孔として加湿原料供給孔と、前記改質器により生成された改質ガスを前記積層平板型セルスタックの発電部に供給するための貫通孔として改質ガス供給孔と、前記積層平板型セルスタックの発電部から前記排出管を通じて導かれた燃焼排ガスを前記改質器へと供給する貫通孔として燃焼排ガス供給孔と、を備え、前記改質器は、前記加湿原料供給孔を介して供給された加湿原料を受け入れる貫通孔として加湿原料受容孔と、生成した前記改質ガスを前記改質器接続層に排出するための貫通孔として改質ガス排出孔と、改質反応に必要な熱を得るために、前記燃焼排ガス供給孔を介して供給された燃焼排ガスを燃焼させる燃焼部と、を備えていてもよい。
【００５０】
上記構成によると、改質器接続層と改質器とにおいて、両者が積層一体化することによってガス（加湿原料、改質ガス、燃焼排ガス）の収受を行い、あわせて両者の接合面を介して熱の収受を行うことができる。
【００５１】
また、本発明の第１３の態様によれば、高温動作型燃料電池モジュールは、燃料ガスと空気とを利用して発電反応により発電する発電部を備える高温動作型燃料電池と、供給された流体から前記燃料ガスとなる改質ガスを生成する改質器とを備え、前記空気を前記発電反応に利用する前に、前記高温動作型燃料電池を冷却するとともに、該高温動作物型燃料電池の熱により自身を加熱するように、該高温動作型燃料電池を通過させ、この通過時に加熱された空気と流体との間で熱交換を行なって、前記改質器に供給される流体を加熱させ、この熱交換により加熱された空気を再度、高温動作型燃料電池に向かって折り返し、該高温動作型燃料電池の冷却に利用するように構成されてもよい。
【００５２】
また、本発明の第１４の態様によれば、高温動作型燃料電池システムは、第１の態様または第１３の態様に係る高温動作型燃料電池モジュールと、前記高温動作型燃料電池モジュールから排出された排ガスと外気とを熱交換させ、該排ガス中に含まれる水分を凝縮して凝縮水を生成させる凝縮熱交換部と、を備え、前記凝縮熱交換部によって生成した凝縮水を前記高温動作型燃料電池モジュールに改質水として供給する。
【００５３】
上記構成によると、高温動作型燃料電池モジュールは、改質器に供給される流体が高温動作型燃料電池の有する熱を奪い、自身が加熱され改質器に供給される構成である。すなわち、高温動作型燃料電池から得た熱を、例えば加湿原料を生成するために必要な気化エネルギーに変換させることができる。
【００５４】
したがって、供給された流体によって高温動作型燃料電池の冷却を効率的に行なうことができ、空気の利用効率を上げることができる。つまり本発明に係る高温動作型燃料電池モジュールは、供給される空気の利用効率を向上させることができる効果を奏する。
【００５５】
また、高温動作型燃料電池システムは、上記した高温動作型燃料電池モジュールに加え、前記凝縮熱交換器を備えているため、高温動作型燃料電池モジュールから排出された排ガスを外気との熱交換により冷却させ、排ガス中に含まれる水分を得ることができる。そして、得た水分によって固体酸化物型根料電池での発電反応に必要な改質水を賄うことができる。
【００５６】
つまり高温動作型燃料電池システムでは、供給される空気の利用効率を向上させることができる効果を奏する。
【００５７】
また、供給される空気の利用効率を上げることができるため、例えば従来のＳＯＦＣのように、発電反応の酸化剤となる空気を使って、ＳＯＦＣの冷却を行なうために過剰に空気を供給する構成と比較して、空気の供給量を低減させることができる。このため、従来の構成よりも排ガスから改質水として必要な量の凝縮水を得るための露点温度を高めることができ、特に冷水などを準備しなくても外気温で排ガス中に含まれる水分を凝縮させることができる。
【００５８】
したがって、本発明に係る高温動作型燃料電池システムは、水収支の自立の実現を容易とすることができるという効果を奏する。
【００５９】
次に本発明の実施形態に係る燃料電池システムが備える高温動作型燃料電池のホットモジュールの構成について説明する。本実施形態では、高温動作型燃料電池として、特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に挙げて説明するが、高温動作型燃料電池はこのＳＯＦＣに限定されるものではない。動作温度が４００度以上となる燃料電池であればよく、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）であってもよい。
【００６０】
まず、本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００の構成について説明する前に、前提となるＳＯＦＣホットモジュール１０００の構成（比較例に係る構成）について図２２を参照して説明する。
【００６１】
（本発明の前提となる構成例について）
図２２は、本発明の比較例に係るＳＯＦＣホットモジュール１０００の概略構成の一例を模式的に示すブロック図である。
【００６２】
図２２に示すように、ＳＯＦＣホットモジュール１０００は、カソード２１およびアノード（発電部）２２を有するＳＯＦＣ（高温動作型燃料電池）２０が積層されたＳＯＦＣスタック（高温動作型燃料電池スタック、積層平板型セルスタック）５０を備える。なお、本発明では、カソード２１およびアノード２２を備え、燃料と空気とを利用して発電反応により発電する部分を本発明の発電部とする。さらに、ＳＯＦＣホットモジュール１０００は都市ガスなどの原料を水蒸気改質するための改質器４０および水蒸気改質に用いる改質水を気化して改質器４０に供給する気化器４１を備える。
【００６３】
ＳＯＦＣ２０と改質器４０および気化器４１との間には、改質器４０で必要となる改質反応熱および気化器４１で必要になる気化熱を賄うために燃焼部３０が設けられている。この燃焼部３０において、カソード２１から排出された排空気（カソードオフガス）とアノード２２から排出された排水素（アノードオフガス）とが燃焼され、気化器４１の水蒸発エネルギーおよび改質器４０の改質反応のエネルギーとして利用されている。さらにまたＳＯＦＣの起動時には未改質の原料も燃焼部３０内で燃焼させ、ＳＯＦＣホットモジュール１０００内を予備加熱する。すなわち、ＳＯＦＣ２０のカソード２１から排出されるカソードオフガスおよびアノード２２から排出されるアノードオフガスがバーナー３１（図２２では不図示）により燃焼され、この燃焼熱によって改質器４０および気化器４１を駆動する。
【００６４】
なお、改質反応で必要な熱の温度は６５０℃程度であり、また改質反応に必要な添加水量はＳ／Ｃ（スチームカーボン比；水と原料中の炭素とのモル比率）が、最低２．０以上、概ね２．５〜３．０程度であり、これらの条件が保たれるように制御されて、原料と改質水とから水素リッチな改質ガスを生成する。
【００６５】
ＳＯＦＣ２０における発電部のアノード２２には改質器４０で生成した改質ガスが供給され、またカソード２１にはブロワー（不図示）から供給される空気が供給され、電気化学的に以下の式（３）に示す反応を行う。
【００６６】
Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ      ・・・（３）
この反応は水素の燃焼反応と同様であるが、この燃焼エネルギーに相当するエネルギーを電気化学的に取り出すのが燃料電池の基本原理である。この反応によって発電を行うと同時に発熱するが、この発熱に伴う廃熱は、従来ではカソード２１に供給される大過剰（Ｕｏ＝０．２程度）の空気によって除去されるように構成されている。そして除去された熱を含む排ガス熱が気化、改質、空気予熱等のエネルギーとして二次的に使われる。
【００６７】
結果的に、ＳＯＦＣの発電時に生じる廃熱と余剰改質ガスの燃焼熱とを以って気化器４１と改質器４０とが駆動され、また駆動された気化器４１および改質器４０によって生成された燃料ガス（改質ガス）によってＳＯＦＣが駆動されるという、一種の動力回生機構を構成する。なお、動力回生機構を実現する集合体をＳＯＦＣホットモジュール１０００と称する。なお、ＳＯＦＣホットモジュール１０００より排出される排ガスは、燃料電池生成水および燃焼生成水を水蒸気の形で含んでいる。
【００６８】
また、図示しないが、ＳＯＦＣ２０にはさらに集電部材が設けられており、この集電部材を介して外部に電力が引き出されて、利用者はこの電力を利用することができる。
【００６９】
また、ＳＯＦＣ２０において行なわれる上記した電気化学反応は１０００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で行なわれる。この電気化学反応を活性させるためには、反応用のガスとなる空気などは必要温度（数百℃程度）まで加熱（予熱）しておく必要がある。
【００７０】
そこで、ＳＯＦＣホットモジュール１０００は、ブロワー（不図示）から送出されてきた空気を、ＳＯＦＣ２０のカソード２１に供給する前に、ＳＯＦＣホットモジュール１０００内の排ガス熱によって加熱する空気予熱部１０を備えている。
【００７１】
次に比較例に係るＳＯＦＣホットにジュール１０００の具体的な構造について説明する。
【００７２】
ＳＯＦＣホットモジュール１０００の外観形状は例えば、図２３に示すような形状となる。図２３は図２２に示すＳＯＦＣホットモジュール１０００の外観形状の一例を示す図である。ＳＯＦＣホットモジュール１０００は、上述した空気予熱部１０、ＳＯＦＣスタック５０、燃焼部３０、改質器４０、および気化器４１をその内部に備え、これら各部材が略直方体形状の外装部で覆われている。この外装部は断熱材を備えており、外装内部の熱が外部に逃げないように構成されている。
【００７３】
図２３に示す外観形状の例では、ＳＯＦＣホットモジュール１０００の右側面にブロワー（不図示）から送出された空気を受け入れる空気投入口６２が設けられている。また、上面の右側には改質水と原料とを受け入れる原料投入口６１が設けられている。また、左側面の上面近傍には排ガスを排出するための排気口６３が設けられている。この図２３に示すＳＯＦＣホットモジュール１０００をＡ−Ａ面で切り出したその断面形状は、例えば、図２４に示すようになる。図２４は図２３に示すＳＯＦＣホットモジュール１０００の外観形状においてＡ−Ａで切り出した断面形状の一例を示す図である。
【００７４】
図２４に示すように、ＳＯＦＣホットモジュール１０００は、その断面における中心線上に、上から気化器４１および改質器４０が配されている。そして、気化器４１および改質器４０を一つの直線とみなした場合、これを軸に、左右対称となるように燃焼部３０、ＳＯＦＣ２０、および空気予熱部１０が備えられている。
【００７５】
また、ＳＯＦＣ２０におけるＳＯＦＣホットモジュール１０００の底面側に、燃料ガス（改質ガス）および空気の供給を受ける供給ヘッダー１３を、上面側にカソードオフガスおよびアノードオフガスが排出される排出ヘッダー１４が設けられている。
【００７６】
すなわち、原料投入口６１を介して原料と改質水とが気化器４１に供給される。気化器４１において、改質水を気化させ、水蒸気と原料との混合ガスが生成され改質器４０に供給される。改質器４０において水蒸気改質により水素が生成され、燃料ガス（改質ガス）として改質ガス供給口４５からＳＯＦＣ２０の供給ヘッダー１３に供給される。
【００７７】
一方、空気は空気投入口６２を介して空気予熱部１０に供給される。空気予熱部１０で予熱された空気は空気吐出口９からＳＯＦＣ２０に向かって吐出され、供給ヘッダー１３を通じてＳＯＦＣ２０に供給される。
【００７８】
図２４に示すように改質器４０の両側面には燃焼部３０が設けられ、ここでバーナー３１によってアノードオフガスおよびカソードオフガスなどが燃焼されるようになっている。
【００７９】
上記したＳＯＦＣ２０の形状は、例えば、図２５に示すように所謂、円筒横縞型として実現してもよい。図２５は、図２２に示すＳＯＦＣホットモジュール１０００が備える円筒横縞型ＳＯＦＣ構造の一例を示す断面図である。
【００８０】
ＳＯＦＣ２０を図２５に示すような円筒横縞型として実現する場合、多孔質の支持管である基管体２５の外側に、アノード２２、電解質２３、カソード２１の順に積み重ねられたセルを構成し、それぞれのセル同士はインターコネクタ２４を挟んで配置されている。この円筒（横縞）型の場合、燃料ガス（改質ガス）は基管体２５の内側を流れ、空気が基管体２５の外側を流れる。
【００８１】
（ＳＯＦＣホットモジュール）
次に、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００の特徴的な構成について図１を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００の改質器４０に供給される流体（原料および改質水）にＳＯＦＣ２０の熱を与え予熱する仕組みの一例を示す概念図である。なお、図１では、説明の便宜上、改質器４０に供給する流体（原料、水）の流れのみを図示し、ＳＯＦＣスタック５０を構成するＳＯＦＣ２０に供給される空気の流れについては省略している。
【００８２】
図１に示すように本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００は、原料および水（改質水）など外部から供給された流体から改質器４０が改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料ガスとしてＳＯＦＣスタック５０へと送出する構成である。図１に示すように、流体（原料、水）は、改質器４０へ供給される前にＳＯＦＣ２０（ＳＯＦＣスタック５０）で発生している熱により予熱されている。
【００８３】
すなわち、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００では、外部から供給された流体は、ＳＯＦＣ２０（ＳＯＦＣスタック５０）から熱を奪い、ＳＯＦＣ２０を冷却させる一方で、自身は加熱されるように構成されている。このためＳＯＦＣ２０（ＳＯＦＣスタック５０）から得た熱を利用して原料を予熱したり改質水を気化させたりすることができる。すなわち、ＳＯＦＣ２０から得た熱を、例えば加湿原料を生成するために必要な気化エネルギーに変換させることができる。
【００８４】
したがって、ＳＯＦＣ２０（ＳＯＦＣスタック５０）を冷却させるために、該ＳＯＦＣ２０に供給させる空気の量を低減させることができる。
【００８５】
次に、図１に示したＳＯＦＣホットモジュール１００を実現させるための具体的な構成について図２および図３を参照して説明する。図２は本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００において空気ならびに原料および改質水が流れる経路の一例を示す模式図である。図３は本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００の概略構成の一例を示す模式図である。
【００８６】
本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００は、上述した比較例に係るＳＯＦＣホットモジュール１０００の構成において、以下の特徴的な構成を有する点で異なる。なお、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００において、比較例に係るＳＯＦＣホットモジュール１０００が備える部材と同一部材には同じ符号を付しその説明は省略するものとする。
【００８７】
比較例に係るＳＯＦＣホットモジュール１０００の場合、上述したように当該ＳＯＦＣホットモジュール１０００に供給された空気は、空気予熱部１０で排ガス熱などにより加熱されＳＯＦＣ２０のカソード２１に供給されるように構成されていた。これに対して、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００では、空気は以下の経路によりカソード２１に供給される。
【００８８】
すなわち、ＳＯＦＣホットモジュール１００に供給された空気は、ＳＯＦＣスタック５０における第１熱交換部１１によりＳＯＦＣ２０との間で熱交換される。この熱交換により、ＳＯＦＣ２０が有する熱によって空気は加熱（予熱）される。換言すればＳＯＦＣ２０を冷却して空気は昇温される（予冷却）。そして、この加熱により熱を得た空気は、第２熱交換部１２へと送出される。この第２熱交換部１２には、原料および改質水のうちの少なくとも１つが供給されており、この原料および改質水のうちの少なくとも１つと熱を得た空気との間で熱交換される。
【００８９】
ＳＯＦＣ２０から熱を得た空気は、この第２熱交換部１２での熱交換により熱を捨て物質を冷却する温度余地を得る。空気はその状態でＳＯＦＣ２０に供給され、酸化剤ガスとして電池反応で消費されるとともにＳＯＦＣ２０を再度冷却（本冷却）するという流れとなる。すなわち、原料および改質水のうちの少なくとも１つと熱交換により熱量が低下した空気は、ＳＯＦＣ２０の発電部において電気化学反応を伴いながらこのＳＯＦＣ２０と熱交換を行なう。
【００９０】
一方、空気との熱交換により加熱された原料および改質水のうちの少なくとも１つは改質器４０に供給され、この改質器４０により水蒸気改質される。そして、この水蒸気改質により生成された改質ガス（燃料ガス）はＳＯＦＣ２０の発電部におけるアノード２２に供給され、燃料ガスとして電池反応で消費されるとともにＳＯＦＣ２０を冷却する。
【００９１】
以上のように、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００は、外部から供給された空気により一旦、ＳＯＦＣ２０を冷却する。さらにＳＯＦＣ２０の有する熱により加熱された空気は、改質水および原料のうちの少なくとも１つと熱交換をして、冷却される。この熱交換により熱の一部が奪われた空気は酸化剤として発電部におけるカソード２１に供給されるとともに冷却媒体としてＳＯＦＣ２０を再度冷却する（本冷却）。さらに、改質器４０により生成された改質ガスは、燃料ガスとして発電部におけるアノード２２に供給されるとともに冷却媒体としてＳＯＦＣ２０を冷却する。
【００９２】
また、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００では、ＳＯＦＣ２０における電気化学反応後に排出される燃焼排ガス（カソードオフガスおよびアノードオフガス）は、ＳＯＦＣ２０の発電部における発電発熱により加熱された状態で燃焼部３０に導かれる。そして、燃焼部３０にてこれら燃焼排ガスが燃焼され、この燃焼熱により改質器４０における改質反応を行なうように構成されている。なお、ＳＯＦＣ２０から排出される燃焼排ガスには未利用の燃料ガスおよび空気（酸素）が含まれており、燃焼部３０にてこの未利用の燃料ガスおよび空気を燃焼させることができる。
【００９３】
エネルギー的に言えば、ＳＯＦＣ２０における発電による廃熱の一部を気化エネルギーおよび改質エネルギーに移転し、その分だけセルの冷却に必要な空気量を削減することができる。
【００９４】
また、図１９に示した比較例に係るＳＯＦＣホットモジュール１０００の構成と本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００の構成とを対比してみると、気化器４１が備えられる位置が異なっている。すなわち、図３および図１９を参照して両者を対比すると、改質器４０の前段に気化器４１が配置されておりこれら両者の配置は系統的には同じとなる。しかしながら図１９に示す比較例の構成では、改質器４０と気化器４１とは隣接して配置されている。これに対して、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００では、図３に示すように改質器４０と気化器４１とは離れた位置に配置されている点で異なる。より具体的には本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００では、図３に示すように、気化器４１を内部に備えた外端ヘッダー（原料供給層）１５と改質器４０とによって、ＳＯＦＣスタック５０を挟持するように配置されている。
【００９５】
（変形例１）
次に、図２に示したＳＯＦＣホットモジュール１００の変形例１について図４を参照して説明する。図４は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００において空気ならびに流体（原料および改質水）が流れる経路の一例を示す模式図である。
【００９６】
変形例１は、図２に示すＳＯＦＣホットモジュール１００の構成において、第２熱交換部１２で流体と熱交換を行なうことで冷却された空気がＳＯＦＣスタック５０に再び導かれる。そして、第３熱交換部１７で、このＳＯＦＣスタック５０と空気との間で再度、熱交換される点で異なる。さらに、第３熱交換部１７でＳＯＦＣスタック５０との熱交換により加熱された空気が第４熱交換部１８へと送出され、この第４熱交換部１８で流体（原料および改質水のうちの少なくとも１つ）と空気との間で熱交換される点でも異なる。
【００９７】
すなわち、第１熱交換部１１および第３熱交換部１７それぞれでＳＯＦＣ２０から熱を得た空気は、第２熱交換部１２および第４熱交換部１８それぞれでの熱交換により熱を捨て物質を冷却する温度余地を得る。そして、空気は、ＳＯＦＣ２０を冷却する温度余地を得た状態で、最終的にはＳＯＦＣ２０に供給され、酸化剤ガスとして電池反応で消費されるとともにＳＯＦＣ２０を再度冷却（本冷却）するという流れとなる。
【００９８】
以上のように、本実施形態の変形例１に係るＳＯＦＣホットモジュール１００は、外部から供給された空気により一旦、ＳＯＦＣスタック５０におけるＳＯＦＣ２０を冷却する。さらにＳＯＦＣスタック５０におけるＳＯＦＣ２０の有する熱により加熱された空気は、第２熱交換部１２において流体（改質水および原料のうちの少なくとも１つ）と熱交換をして、冷却される。この第２熱交換部１２での熱交換により熱の一部が奪われた空気は、再度ＳＯＦＣスタック５０に導かれ、第３熱交換部１７で行なわれる熱交換によりＳＯＦＣスタック５０におけるＳＯＦＣ２０をさらに冷却する。このとき、ＳＯＦＣスタック５０におけるＳＯＦＣ２０の有する熱により加熱された空気は、第４熱交換部１８に導かれる。そして、空気は、第４熱交換部１８において流体（改質水および原料のうちの少なくとも１つ）と熱交換して、再び冷却される。
【００９９】
これにより熱の一部が奪われた空気は、酸化剤として発電部におけるカソード２１に供給されるとともに冷却媒体としてＳＯＦＣ２０を再度冷却する（本冷却）。
【０１００】
一方、第４熱交換部１８で空気との間で熱交換を行なった流体は、空気が有する熱を利用して改質水を気化させ加湿された原料（加湿原料）となり改質器４０に供給される。改質器４０では、この加湿原料から改質ガスが生成され、この改質ガスが燃料ガスとして発電部におけるアノード２２に供給されるとともに冷却媒体としてＳＯＦＣ２０を冷却する。
【０１０１】
このように、エネルギー的に言えば、ＳＯＦＣ２０における発電による廃熱の一部を、流体を予熱するエネルギーに移転させることができるため、その分だけＳＯＦＣ２０の冷却に必要な空気量を削減することができる。特に、ＳＯＦＣ２０と空気との間での熱交換は第１熱交換部１１および第２熱交換部１７で行なわれ、これらの熱交換で加熱された空気は、第３熱交換部１２および第４熱交換部１８での流体との熱交換によりＳＯＦＣ２０から得た熱を流体に移転させている。つまり、効率よくＳＯＦＣ２０における発電による廃熱の一部を、流体を予熱するエネルギーに移転させることができる。
【０１０２】
（変形例２）
次に、図２に示したＳＯＦＣホットモジュール１００の変形例２について図５を参照して説明する。図５は本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００において空気ならびに流体（原料および改質水）が流れる経路の一例を示す模式図である。
【０１０３】
変形例２に係るＳＯＦＣホットモジュール１００は、図２に示すＳＯＦＣホットモジュール１００の構成において、第２熱交換部１２で空気と熱交換を行ない、加熱された流体がＳＯＦＣスタック５０に導かれる点で異なる。さらにまた、このＳＯＦＣスタック５０における第５熱交換部１９で、このＳＯＦＣスタック５０に導かれた流体とＳＯＦＣスタック５０におけるＳＯＦＣ２０との間で熱交換を行なった後、改質器４０に供給される点でも異なる。
【０１０４】
すなわち、図５に示すように、変形例２に係るＳＯＦＣホットモジュール１００では、ＳＯＦＣ２０から熱を奪って加熱された空気が有する熱を利用して改質水を気化させ加湿された原料（加湿原料）を生成する。そして、変形例２に係るＳＯＦＣホットモジュール１００では、この生成した加湿原料によってさらにＳＯＦＣスタック５０におけるＳＯＦＣ２０の熱を奪うとともに、この加湿原料を予熱させる構成となる。
【０１０５】
このようにＳＯＦＣホットモジュール１００を構成することで、ＳＯＦＣ２０を直接的に冷却する流体として上述した空気に加え、加湿原料も用いることができる。
【０１０６】
以上のように、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００は、ＳＯＦＣ２０を直接的に冷却する流体としてＳＯＦＣ２０の発電部に供給する空気と加湿原料とを利用できる構成である。また、ＳＯＦＣ２０から排出される燃焼排ガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）を燃焼部３０で燃焼させその熱によって改質器４０を駆動させることができる構成である。したがって、ＳＯＦＣホットモジュール１００は、ＳＯＦＣ２０の発電廃熱を気化エネルギー、改質エネルギーに転化しながら運転できるということを意味している。したがって、ＳＯＦＣ２０の冷却用に過剰に外部から供給されている空気量を削減することができ、排気中の水蒸気分圧（露点）を高め、結果として水収支の自立を容易ならしめることができる。
【０１０７】
（変形例３）
次に、図２に示したＳＯＦＣホットモジュール１００の変形例３について図６を参照して説明する。図６は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００において、空気ならびに流体（原料および改質水）が流れる経路の一例を示す模式図である。
【０１０８】
変形例３に係るＳＯＦＣホットモジュール１００は、上述した変形例１の構成と変形例２の構成とを組み合わせたものである。すなわち、変形例１のＳＯＦＣホットモジュール１００に係る構成では、第４熱交換部１８で空気と熱交換をした流体が加湿原料となり改質器４０に供給されるが、変形例３に係るＳＯＦＣホットモジュール１００ではＳＯＦＣスタック５０に導かれる点で異なる。そして、ＳＯＦＣスタック５０では、第５熱交換部１９により、加湿原料とＳＯＦＣ２０との間で熱交換を行ない、さらに加熱された加湿原料が改質器４０に供給される点でも異なる。
【０１０９】
それ以外の点については、上述した変形例１、２と同様であるため説明は省略する。
【０１１０】
（ＳＯＦＣホットモジュールの構成例）
次に上記したＳＯＦＣホットモジュール１００の具体的な構成例について図７、図８を参照して説明する。特に、変形例３に係るＳＯＦＣホットモジュール１００を例に挙げ、ＳＯＦＣホットモジュール１００の具体的な構成例について説明する。図７は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００の具体的な構成の一例を示す正面図である。図８は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００の具体的な構成の一例を示す側面図である。
【０１１１】
なお、図７に示すＳＯＦＣホットモジュール１００において紙面手前側をＳＯＦＣホットモジュール１００の正面、その反対側の面をＳＯＦＣホットモジュール１００の背面とする。
【０１１２】
まず、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００の具体的な外観形状について図７および図８を参照して説明する。図７は、ＳＯＦＣホットモジュール１００の正面図であり、図８はその側面図である。なお、図７では、説明を簡便にするため隣接する部材同士をシールするガスケットについては図示を省略している。また、構成部材を明確に示すため、ＳＯＦＣホットモジュール１００の左半分において一部、部材をばらして記載しているが、実際は、締結部材６０によって各積層部材が相互に接するように固定される。なお、本実施形態に係るＳＯＦＣスタック５０は、方形のＳＯＦＣ２０を積層してなる平板積層型セルスタックとして説明する。したがって、平板積層型のＳＯＦＣスタック５０を備えるＳＯＦＣホットモジュール１００は、図８に示すようにその側面形状が略正方形であり、正面形状が略長方形となる直方体形状となる。なお、ＳＯＦＣスタック５０の形状はこの平板積層型に限定されるものではなく、円筒型などほかのタイプであってもよい。
【０１１３】
なお、ＳＯＦＣスタック５０は、複数のＳＯＦＣ２０および複数のインターコネクタ２４と、カソード端インターコネクタ２４１と、アノード端インターコネクタ２４２とから構成されている。すなわち、複数のＳＯＦＣ２０と複数のインターコネクタ２４とは交互に配置されカソード側の終端部にはカソード端インターコネクタ２４１が、アノード側の終端部には、アノード端インターコネクタ２４２がそれぞれ配置される。より具体的には、図７におけるカソード側（図７の左側）から、カソード端インターコネクタ２４１、ＳＯＦＣ２０、インターコネクタ２４、ＳＯＦＣ２０、インターコネクタ２４・・・ＳＯＦＣ２０、アノード端インターコネクタ２４２の順に積層される。
【０１１４】
また、外端ヘッダー１５、カソード端インターコネクタ２４１、ＳＯＦＣ２０、インターコネクタ２４、アノード端インターコネクタ２４２それぞれは、中央に配されている改質器４０を中心にして左右対称となるように垂直姿勢で配置されている。図７では、ＳＯＦＣホットモジュール１００の左右の終端部（外端部）が正極、すなわちカソード側となる。
【０１１５】
（ＳＯＦＣホットモジュールを流通する空気の流れ）
次に、図９を参照して、ＳＯＦＣホットモジュール１００を流通する空気の流れについて説明する。図９は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュールを流通する空気の流れの一例を示す図である。なお、図９では、説明を簡便にするため隣接する部材同士をシールするガスケットについては図示を省略している。また、構成部材を明確に示すため、ＳＯＦＣホットモジュール１００の左半分において一部、部材をばらして記載しているが、実際は、締結部材６０によって各積層部材が相互に接するように固定される。
【０１１６】
まず、改質器接続ヘッダー（改質器接続層）１６の背面側に設けられた空気投入口６２（図９では不図示、後述の図１６参照）を介して、改質器接続ヘッダー１６の空気予熱第１マニホールド１５１に空気が供給される。この空気はアノード端インターコネクタ２４２、ＳＯＦＣ２０・・・、インターコネクタ２４・・・、カソード端インターコネクタ２４１にそれぞれ設けられた共通位置の空気予熱第１マニホールド１５１を通過して、外端ヘッダー１５に形成された第１折り返し部１５４に達する。
【０１１７】
このとき、空気予熱第１マニホールド１５１を通過する空気によって、ＳＯＦＣ２０が有する熱を奪い、ＳＯＦＣ２０を冷却させる一方で、この空気は奪った熱により加熱される。そして、外端ヘッダー１５の第１折り返し部１５４において、空気予熱第１マニホールド１５１から空気予熱第２マニホールド１５２に導かれるように折り返される。
【０１１８】
この折り返された空気はカソード端インターコネクタ２４１、ＳＯＦＣ２０・・・、インターコネクタ２４・・・、アノード端インターコネクタ２４２それぞれに設けられた共通位置の空気予熱第２マニホールド１５２を通過して、改質器接続ヘッダー１６の第２折り返し部１５５に達する。
【０１１９】
第２折り返し部１５５に達した空気は、今度は空気予熱第３マニホールド１５３に導かれるように折り返される。そして、再びアノード端インターコネクタ２４２、ＳＯＦＣ２０・・・、インターコネクタ２４・・・、カソード端インターコネクタ２４１それぞれに設けられた共通位置の空気予熱第３マニホールド１５３を通過して、外端ヘッダー１５の第３折り返し部１５６に達する。そして、この第３折り返し部１５６でカソード入マニホールド２１１に導かれるように折り返される。
【０１２０】
カソード入マニホールド２１１に導入された空気はカソード端インターコネクタ２４１およびインターコネクタ２４（後述するカソード流路２１３ａ、２１３ｂ）それぞれに供給され、ＳＯＦＣ２０のカソード２１（図９では不図示、後述の図１３参照）において酸素が消費される。同時にこのカソード入マニホールド２１１に導入された空気によってＳＯＦＣ２０を冷却してカソード出マニホールド２１２に排出され、酸素を消費された全ての空気は最終的にアノード端インターコネクタ２４２を通過し、改質器接続ヘッダー１６のオフガス混合部２６０（図９では不図示、後述の図１６参照）に廃棄される。
【０１２１】
この一連の空気の流れにおいて、空気はＳＯＦＣスタック５０の各予熱マニホールドにおいて、当該ＳＯＦＣスタック５０を冷却しながら自らは加熱されて、その都度、外端ヘッダー１５に達する。そして、空気は、外端ヘッダー１５の折り返し部（第１折り返し部１５４、第３折り返し部１５６）に設けられた熱交換フィン等を介して外端ヘッダー１５に熱を捨て、自らは冷却されて冷却能力を回復した後に再度ＳＯＦＣスタック５０の冷却に向かうこととなる。
【０１２２】
（ＳＯＦＣホットモジュールを流通する原料および改質水の流れ）
一方、ＳＯＦＣホットモジュール１００に供給される流体（原料および改質水）は次のように流通する。以下、図１０を参照して、ＳＯＦＣホットモジュール１００を流通する流体（原料および改質水）の流れについて説明する。図１０は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００を流通する原料および改質水の流れの一例を示す図である。なお、図１０では、説明を簡便にするため隣接する部材同士をシールするガスケットについては図示を省略している。また、構成部材を明確に示すため、ＳＯＦＣホットモジュール１００の左半分において一部、部材をばらして記載しているが、実際は、締結部材６０によって各積層部材が相互に接するように固定される。
【０１２３】
まず、原料および改質水は原料投入口６１を介して外端ヘッダー１５に供給される。外端ヘッダー１５では、原料および改質水は後述する原料予熱マニホールド１５７に供給される。このうち改質水は、外端ヘッダー１５が備える気化器４１（後述の図１１参照）に滴下され、ここで外端ヘッダー１５に供給された空気から奪った熱により気化する。つまり、この改質水を気化させるための熱は、上述した各予熱マニホールドを空気が流通することでＳＯＦＣ２０から得た熱である。すなわち、第１折り返し部１５４および第３折り返し部１５６それぞれに設けられた熱交換用フィンを介して、空気によってＳＯＦＣ２０から奪った熱を得て改質水が気化される。そして、気化した改質水と原料とが混合され加湿原料となる。加湿原料は、カソード端インターコネクタ２４１、ＳＯＦＣ２０・・・、インターコネクタ２４・・・、アノード端インターコネクタ２４２にそれぞれ設けられた共通位置の原料予熱マニホールド（原料流路）１５７を流通して、改質器接続ヘッダー１６の後述する原料予熱マニホールド１５７（加湿原料受容孔）ｆ（図１０において不図示）に達する。
【０１２４】
改質器４０の後述する動作により、この加湿原料は水蒸気改質されて８０％程度の水素を含む改質ガスとなり、これは改質器接続ヘッダー１６を介してアノード入マニホールド２２１を流通しＳＯＦＣスタック５０に導入される。
【０１２５】
ＳＯＦＣスタック５０に導入された改質ガス（燃料）は、アノード端インターコネクタ２４２およびインターコネクタ２４それぞれに供給され、そこでＳＯＦＣ２０のアノード２２において水素が消費される。同時に改質ガスはＳＯＦＣ２０を冷却してアノード出マニホールド（排出管）２２２に排出され、水素を消費された改質ガスは最終的にアノード端インターコネクタ２４２のアノード出マニホールド２２２を通過して改質器接続ヘッダー１６の後述するオフガス混合部２６０（後述の図１６参照）に廃棄される。
【０１２６】
最終的にアノードオフガスとカソードオフガスはこのオフガス混合部２６０で混合されて改質混合気となり、オフガスマニホールド（燃焼排ガス供給孔）２７０より改質器４０の燃焼部３０に供給される。
【０１２７】
以上一連の流体の流れの説明から自明であるが、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００はＳＯＦＣ２０を冷却した予熱空気によって改質水の気化を行う点が特徴的な構成となる。
【０１２８】
図９および図１０に示すＳＯＦＣホットモジュール１００では、上記した第１熱交換部１１を、空気予熱第１マニホールド（第１空気流路）１５１として実現する。また、上記した第３熱交換部１７を空気予熱第２マニホールド（第２空気流路）１５２および空気予熱第３マニホールド（第２空気流路）１５３として実現する。また、上記した第２熱交換部１２を、空気との熱交換を行なう第１折り返し部１５４によって実現し、ならびに第４熱交換部１８を第３折り返し部１５６によって実現する。第２熱交換部１２および第４熱交換部１８における空気との熱交換により、該空気から伝えられた熱は気化器４１を加熱し、その結果、流体（原料と改質水）を加熱し加湿原料を生成する。
【０１２９】
すなわち、ＳＯＦＣホットモジュール１００に空気が供給されると、該空気が空気予熱第１マニホールド１５１、空気予熱第２マニホールド１５２、および空気予熱第３マニホールド１５３を通過する際に、ＳＯＦＣ２０と熱交換を行なう。この熱交換によりＳＯＦＣ２０を冷却するとともに、空気自身は加熱（予熱）される。
【０１３０】
また、この加熱された空気との熱交換により得た熱が第１折り返し部１５４及び第３折り返し部１５６を介して気化器４１に与えられる。この与えられた熱を利用して気化器４１は外部から供給された改質水を気化させ、水蒸気と原料との混合ガス（加湿原料）を生成する。なお、ＳＯＦＣホットモジュール１００では、第１折り返し部１５４（第２熱交換部１２）及び第３折り返し部１５６（第４熱交換部１８）を介して空気と気化器４１との間で熱交換を行い、気化器４１を加熱させる構成とした。しかしながら、第１折り返し部１５４（第２熱交換部１２）及び第３折り返し部１５６（第４熱交換部１８）それぞれを介して空気との間で熱交換を行なうのはこの気化器４１そのものに限定されるものではない。例えば原料を予熱することを目的として設けられた原料を流通させるためのマニホールドであってもよい。
【０１３１】
本実施形態のように第１折り返し部１５４（第２熱交換部１２）及び第３折り返し部１５６（第４熱交換部１８）を介して気化器４１を加熱させる構成の場合、原料および改質水の立場から見れば改質気化エネルギーの一部を加熱された空気から供給されて改質水を気化させる。また、空気から供給される熱エネルギーによりさらに温度上昇する余地がある場合、改質器４０に供される前に原料および改質水をさらに予熱し改質エネルギーの一部が賄われる構成としてもよい。
【０１３２】
次に、上記したＳＯＦＣホットモジュール１００を構成する各部（外端ヘッダー１５、カソード端インターコネクタ２４１、ＳＯＦＣ２０、インターコネクタ２４、アノード端インターコネクタ２４２、改質器接続ヘッダー１６、および改質器４０）の詳細な構造について説明する。
【０１３３】
つまり、図７に示すＳＯＦＣホットモジュール１００のうち、中心に位置する改質器４０から左半分の構造に焦点を当てて説明する。なお、外端ヘッダー１５、カソード端インターコネクタ２４１、ＳＯＦＣ２０、インターコネクタ２４、およびアノード端インターコネクタ２４２それぞれについて、これらの積層方向における両端部のうち図７における左端部側に配される面を表面とし、右端部側に配される面を裏面とする。また、外端ヘッダー１５、カソード端インターコネクタ２４１、ＳＯＦＣ２０、インターコネクタ２４、およびアノード端インターコネクタ２４２それぞれについて、ＳＯＦＣホットモジュール１００の正面または背面を形成する面を側面とする。
【０１３４】
（外端ヘッダーの構造）
まず、図７において左端に位置する外端ヘッダー１５の構造について図１１を参照して説明する。図１１は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００を構成する外端ヘッダー１５の表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【０１３５】
外端ヘッダー１５は、図１１の表面または裏面の図に示すように正方形の面を有する板状形状をしている。外端ヘッダー１５の上面には、改質水と原料とを受け付ける原料投入口６１が備えられている。
【０１３６】
外端ヘッダー１５の裏面では、その外周を囲むように４つの予熱マニホールドが形成されている。すなわち、外端ヘッダー１５の裏面における外周の近傍において、上面側に原料予熱マニホールド１５７ａが、ＳＯＦＣホットモジュール１００の背面側に配置された側部に空気予熱第１マニホールド１５１ａが、底面側に空気予熱第２マニホールド１５２ａが、ＳＯＦＣホットモジュール１００の正面側に配置された側部に空気予熱第３マニホールド１５３ａがそれぞれ形成されている。なお、積層部材ごとに特に区別してこれら予熱マニホールドを説明する必要がない場合、単に原料予熱マニホールド１５７、空気予熱第１マニホールド１５１、空気予熱第２マニホールド１５２、空気予熱第３マニホールド１５３というように称するものとする。
【０１３７】
上述したように、これらの予熱マニホールドを空気または流体（原料および改質水）が通過することによりＳＯＦＣスタック５０の熱を奪い、ＳＯＦＣスタック５０を冷却する。その一方、ＳＯＦＣスタック５０から空気または原料は熱を得ることになる。このため、これら予熱マニホールドの形状を例えば、次に配置される、図１２に示すカソード端インターコネクタ２４１のように、突起が複数形成されてなる開口形状（櫛型形状）とし、流体（空気または原料）との接触面積を増大させる構造とすることが好適である。つまり、このような櫛型形状として接触面積を増大させる構造は、圧力損失の著しい上昇を惹起しない限りにおいて好ましい形状である。
【０１３８】
ここで外端ヘッダー１５から改質器４０に向かって、カソード端インターコネクタ２４１、複数のＳＯＦＣ２０・・・、複数のインターコネクタ２４・・・、アノード端インターコネクタ２４２、改質器接続ヘッダー１６の順に積層される。これら４つの予熱マニホールドはそれぞれの部材の共通位置に設けられており、これらの部材が積層されることで積層方向に延伸した貫通孔を形成する。
【０１３９】
図１１に示すように、原料予熱マニホールド１５７ａの下部には、例えばスチールウールまたは発泡メタル等により構成された気化器４１が備えられている。この気化器４１により気化された改質水を含む加湿原料が、この外端ヘッダー１５から改質器４０に向かって、積層されている他の部材の原料予熱マニホールド１５７を通過する。
【０１４０】
同様に空気予熱第１マニホールド１５１、空気予熱第２マニホールド１５２、および空気予熱第３マニホールド１５３も外端ヘッダー１５から改質器４０に向かって他の部材が積層されることで積層方向に延伸した貫通孔を形成する。カソード２１に供給される前にこれらの貫通孔に空気が導かれ、ＳＯＦＣ２０の有する熱により空気が予熱されると同時に、ＳＯＦＣ２０から熱を奪って、冷却を行なう。
【０１４１】
また、図１１に示すように、空気予熱第２マニホールド１５２ａの上面側には、この空気予熱第２マニホールド１５２ａと同方向に延伸し、その一端が空気予熱第１マニホールド１５１ａの端部と連結した第１折り返し部１５４が形成されている。この第１折り返し部１５４は上述したように一端で空気予熱第１マニホールド１５１ａと連結し、底面側の側部で空気予熱第２マニホールド１５２ａと連結している。そして、第１折り返し部１５４は、空気予熱第１マニホールド１５１を流通した空気を空気予熱第２マニホールド１５２に導くことができる。この第１折り返し部１５４には、水平方向に複数の熱交換用フィンが設けられている。
【０１４２】
また、４つのマニホールドによって囲まれた領域であって外端ヘッダー１５の略中央部分の領域には第３折り返し部１５６が形成されている。第３折り返し部１５６は、空気予熱第３マニホールド１５３ａとカソード入マニホールド２１１ａとの間を連結するように形成されており、空気予熱第３マニホールド１５３ａを流通した空気を、カソード入マニホールド２１１ａへと導くことができる。また、第３折り返し部１５６には、水平方向延伸した複数の熱交換フィンが設けられている。
【０１４３】
（カソード端インターコネクタの構造）
次に外端ヘッダー１５の次に積層されるカソード端インターコネクタ２４１の構造について図１２を参照して説明する。図１２は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００を構成するカソード端インターコネクタ２４１の表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【０１４４】
図１２に示すようにカソード端インターコネクタ２４１は集電部材を兼ねており、その上面には正極の電極が設けられている。カソード端インターコネクタ２４１は、このように集電部材を兼ねるため、通常のインターコネクタ２４（例えば、図７参照）よりも側面の厚みが大きくなるように設計されている。
【０１４５】
また、カソード端インターコネクタ２４１の表面ではその外周に、外端ヘッダー１５と同様に各種マニホールド（空気予熱第１マニホールド１５１ｂ、空気予熱第２マニホールド１５２ｂ、空気予熱第３マニホールド１５３ｂ、および原料予熱マニホールド１５７ｂ）が設けられている。これらは、上述したように、外端ヘッダー１５に設けられた各種マニホールドそれぞれと積層時に対応する位置に、裏面まで貫通する同形状の貫通孔として形成されている。
【０１４６】
また、外周を取り囲む４つのマニホールドの内側に配され、空気予熱第１マニホールド１５１ｂの近傍であってそれと略平行に延伸したカソード入マニホールド２１１ｂが形成されている。このカソード入マニホールド２１１ｂはカソード端インターコネクタ２４１の表面から裏面まで貫通している。
【０１４７】
カソード端インターコネクタ２４１の裏面は表面と同様に、その外周に空気予熱第１マニホールド１５１ｂ、空気予熱第２マニホールド１５２ｂ、空気予熱第３マニホールド１５３ｂ、および原料予熱マニホールド１５７ｂが形成されている。また表面と同様にカソード入マニホールド２１１ｂも形成されている。さらに裏面では、空気予熱第３マニホールド１５３ｂの近傍であってそれと略平行に延伸したカソード出マニホールド２１２ａが形成されている。図１２に示すようにカソード出マニホールド２１２ａは、カソード入マニホールド２１１ｂと対向する位置に設けられており、これらの間に多数の細孔で形成されたカソード流路２１３ａが形成されている。
【０１４８】
（ＳＯＦＣの構造）
次に、カソード端インターコネクタ２４１の次に積層されるＳＯＦＣ２０の構造について図１３を参照して説明する。図１３は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００を構成するＳＯＦＣ２０の表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【０１４９】
図１３に示すようにＳＯＦＣ２０は、表面にカソード２１が、その裏面に電解質を挟んでアノード２２がそれぞれ形成される。そして、このカソード２１とアノード２２とによって本発明の発熱部を実現する。ＳＯＦＣ２０の表面では、その外周に、隣接するカソード端インターコネクタ２４１（図１２参照）と同様に空気予熱第１マニホールド１５１ｃ、空気予熱第２マニホールド１５２ｃ、空気予熱第３マニホールド１５３ｃ、および原料予熱マニホールド１５７ｃが設けられている。これらは、隣接するカソード端インターコネクタ２４１に設けられた各種マニホールドそれぞれと積層時に対応する位置に、裏面まで貫通する同形状の貫通孔として形成されている。
【０１５０】
また、図１３に示すように、ＳＯＦＣ２０は、カソード端インターコネクタ２４１（図１２参照）の裏面に形成されたカソード入マニホールド２１１ｂおよびカソード出マニホールド２１２ａそれぞれと積層時に対応する位置に、裏面まで貫通する同形状の貫通孔としてカソード入マニホールド２１１ｃおよびカソード出マニホールド２１２ｂが形成されている。
【０１５１】
さらに、空気予熱第２マニホールド１５２ｃの近傍であって、それと略平行に延伸したアノード入マニホールド２２１ａが形成されており、このアノード入マニホールド２２１ａは表面から裏面まで貫通している。また、原料予熱マニホールド１５７ｃの近傍であって、それと略平行に延伸したアノード出マニホールド２２２ａが形成されており、このアノード出マニホールド２２２ａは表面から裏面まで貫通している。
【０１５２】
図１３に示すように、ＳＯＦＣ２０の表面において水平方向にカソード２１を挟むようにカソード入マニホールド２１１ｃおよびカソード出マニホールド２１２ｂが対向する位置に配置される。さらに、ＳＯＦＣ２０の表面において垂直方向にカソード２１を挟むようにアノード入マニホールド２２１ａとアノード出マニホールド２２２ａとが対向する位置に配置される。
【０１５３】
したがって、供給された空気の流れは、ＳＯＦＣ２０の表面（カソード２１）上をカソード入マニホールド２１１ｃからカソード出マニホールド２１２ｂに向かって流れる。一方、原料を改質した改質ガス（水素）の流れは、ＳＯＦＣ２０の裏面においてアノード入マニホールド２２１ａからアノード出マニホールド２２２ａに向かって流れる。この時、アノード２２には、基板２５０の細孔を通じて改質ガスが供給される。
【０１５４】
すなわち、本実施形態に係るＳＯＦＣ２０は、基板２５０をポーラス金属（多孔質のフェライト系ステンレス板）によって形成したメタルサポートセル（ＭＳＣ；Metal-Support-Cell）である。例えば、ＳＯＦＣ２０を一般的なＥＳＣ（Electrolyte-Support Cell：電解質支持型）あるいは、ＡＳＣ（Anode-Support Cell：アノード支持型）とすることもできる。
【０１５５】
しかしながらこれらのタイプでは、周縁部まで非常に薄いセラミックスで構成されることになり、ＳＯＦＣ２０の外周に形成された、図１３に示すような波型形状のマニホールドを加工することは困難である。また電池運転温度までの昇温段階で周縁部が破損することが懸念される。
【０１５６】
そこで、本実施の形態に係るＳＯＦＣ２０は、上述したようにＭＳＣを採用している。ＭＳＣは、基板２５０を多孔質のフェライト系ステンレス板（例えば、Crofer22APU、Thyssenkrupp社製の粉末焼結体）で形成し、触媒、電解質を図７に示したカソード２１とアノード２２との間に積層させて集約する。上述した各種マニホールド類は基板２５０部分に設けられる、任意の形状の構造を加工性良く形成することができる。さらには、ＭＤＣは例えば基材厚み１ｍｍの中に数十ミクロンの厚みで触媒や電解質を成膜したものである。そして、全体としての熱的性質は熱伝導率のきわめて高い金属である。このため、発熱部分がＳＯＦＣ２０内部であってもＳＯＦＣ２０全体に熱が効率よく伝えることができる。またＳＯＦＣ２０の外周部のみに冷却構造（熱交換構造）があった場合であってもＳＯＦＣ２０全体を冷却することができると言う好適な特性を有している。
【０１５７】
（インターコネクタの構造）
次に、ＳＯＦＣ２０と隣接して積層されるインターコネクタ２４の構造について図１４を参照して説明する。図１４は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００を構成するインターコネクタ２４の表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【０１５８】
図１４に示すように、インターコネクタ２４は、隣接するＳＯＦＣ２０（図１３参照）と同様に空気予熱第１マニホールド１５１ｄ、空気予熱第２マニホールド１５２ｄ、空気予熱第３マニホールド１５３ｄ、および原料予熱マニホールド１５７ｄが設けられている。これらは、隣接するＳＯＦＣ２０の外周に設けられた各種マニホールドと積層時に対応する位置に、裏面まで貫通する同形状の貫通孔として形成されている。
【０１５９】
さらにまた、ＳＯＦＣ２０と同様にカソード入マニホールド２１１ｄおよびカソード出マニホールド２１２ｃ、アノード入マニホールド２２１ｂ、アノード出マニホールド２２２ｂが形成されている。
【０１６０】
また、インターコネクタ２４の表面において、これらカソード入マニホールド２１１ｄ、カソード出マニホールド２１２ｃ、アノード入マニホールド２２１ｂ、およびアノード出マニホールド２２２ｂによって囲まれた領域には、複数の細孔からなるアノード流路２２３ａが形成されている。このアノード流路２２３ａはアノード入マニホールド２２１ｂからアノード出マニホールド２２２ｂまでの間を細孔が連続するように形成されている。
【０１６１】
一方、インターコネクタ２４の裏面においては、これらカソード入マニホールド２１１ｄ、カソード出マニホールド２１２ｃ、アノード入マニホールド２２１ｂ、およびアノード出マニホールド２２２ｂによって囲まれた領域には、複数の細孔からなるカソード流路２１３ｂが形成されている。このカソード流路２１３ｂはカソード入マニホールド２１１ｃからカソード出マニホールド２１２ｃまでの間を細孔が連続するように形成されている。
【０１６２】
（アノード端インターコネクタの構造）
ＳＯＦＣスタック５０のアノード側の終端部に配置されるアノード端インターコネクタ２４２の構造について図１５を参照して説明する。図１５は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００を構成するアノード端インターコネクタ２４２の表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である
図１５に示すように、アノード端インターコネクタ２４２の上面には負極の終電端子部材が設けられている。アノード端インターコネクタ２４２は、カソード端インターコネクタ２４１と同様に集電部材を兼ねるためインターコネクタ２４よりも厚くなるように設計されている（例えば、図７参照）。
【０１６３】
また、アノード端インターコネクタ２４２の外周において裏面まで貫通するように、空気予熱第１マニホールド１５１ｅ、空気予熱第２マニホールド１５２ｅ、空気予熱第３マニホールド１５３ｅ、原料予熱マニホールド１５７ｅが設けられている。これら各種マニホールドそれぞれは、隣接するＳＯＦＣ２０（図１３参照）の空気予熱第１マニホールド１５１ｃ、空気予熱第２マニホールド１５２ｃ、空気予熱第３マニホールド１５３ｃ、原料予熱マニホールド１５７ｃそれぞれと積層時に対応する位置に、同形状の貫通孔として設けられている。
【０１６４】
また、隣接するＳＯＦＣ２０のアノード入マニホールド２２１ａおよびアノード出マニホールド２２２ａそれぞれと積層時に対応する位置にアノード入マニホールド２２１ｃおよびアノード出マニホールド２２２ｃが形成されている。これらのマニホールドは、アノード入マニホールド２２１ａおよびアノード出マニホールド２２２ａと同形状であって、アノード端インターコネクタ２４２の表面から裏面まで貫通するように形成されている。
【０１６５】
さらに、隣接するＳＯＦＣ２０のカソード出マニホールド２１２ｂと積層時に対応する位置に、これらのマニホールドと同形状のカソード出マニホールド２１２ｄが形成されている。ただし、このカソード出マニホールド２１２ｄは図１５に示すようにその略上半分の範囲は表面から裏面まで貫通しているが、略下半分は、表面から裏面まで貫通しておらず、溝を形成している（ザグリ）。これは、続いて配置される改質器接続ヘッダー１６において、この略下半分の位置と積層時に対応する位置に後述するオフガスマニホールド２７０（後述する図１６参照）が形成されるからである。したがってアノード端インターコネクタ２４２では、カソード出マニホールド２１２ｄの貫通部分のみからカソードオフガスが燃焼部３０に供給されることとなる。
【０１６６】
（改質器接続ヘッダーの構造）
次に、アノード端インターコネクタ２４２に隣接して配置される改質器接続ヘッダー１６の構造について図１６を参照して説明する。図１６は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００を構成する改質器接続ヘッダー１６の表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【０１６７】
改質器接続ヘッダー１６は、例えば、上述した図７に示すように、ＳＯＦＣスタック５０と改質器４０とを接続する積層部材である。改質器接続ヘッダー１６は、図１６に示すように、その背面側の側面には、空気投入口６２が設けられている。空気投入口６２から供給された空気は、外端ヘッダー１５に向かって貫通している空気予熱第１マニホールド１５１を流通し、この流通している間にＳＯＦＣ２０の熱により予熱される。
【０１６８】
改質器接続ヘッダー１６は、その表面の外周において空気予熱第１マニホールド１５１ｆ、空気予熱第２マニホールド１５２ｆ、第２折り返し部１５５、原料予熱マニホールド（加湿原料供給孔）１５７ｆが形成されている。
【０１６９】
隣接するアノード端インターコネクタ２４２（図１５参照）の空気予熱第１マニホールド１５１ｅと積層時に対応する位置に、同形状の空気予熱第１マニホールド１５１ｆが形成されている。また、このアノード端インターコネクタ２４２の空気予熱第２マニホールド１５２ｅと積層時に対応する位置に、略同形状の空気予熱第２マニホールド１５２ｆが形成されている。さらに、このアノード端インターコネクタ２４２の空気予熱第３マニホールド１５３ｅと積層時に対応する位置に、略同形状の第２折り返し部１５５が形成されている。なお、第２折り返し部１５５の端部と空気予熱第２マニホールド１５２ｆとの端部とは連結されている。このため、空気予熱第２マニホールド１５２ｆを流通した空気は、この第２折り返し部１５５により、隣接するアノード端インターコネクタ２４２の空気予熱第３マニホールド１５３ｅへと導かれる。
【０１７０】
また、アノード端インターコネクタ２４２の原料予熱マニホールド１５７ｅと積層時に対応する位置に同形状の原料予熱マニホールド１５７ｆが形成されている。
【０１７１】
改質器接続ヘッダー１６では、外周に設けられた各種マニホールドと第２折り返し部１５５のうち、原料予熱マニホールド１５７ｆのみが、表面から裏面まで貫通している。
【０１７２】
また、改質器接続ヘッダー１６では、アノード端インターコネクタ２４２のアノード入マニホールド２２１ｃおよびアノード出マニホールド２２２ｃと積層時に対応する位置に、同形状のアノード入マニホールド（改質ガス供給孔）２２１ｄおよびアノード出マニホールド２２２ｄがそれぞれ形成されている。そして、アノード入マニホールド２２１ｄのみが改質器４０から改質反応により生成された燃料ガスを受け入れるために裏面まで貫通している。
【０１７３】
また、アノード端インターコネクタ２４２のカソード出マニホールド２１２ｄにおける貫通部分と積層時に対応する位置に、この貫通部分形状と同形状のカソード出マニホールド２１２ｅが形成されている。また、アノード端インターコネクタ２４２のカソード出マニホールド２１２ｄにおける非貫通部分と積層時に対応する位置にオフガスマニホールド２７０が裏面まで貫通するように形成されている。
【０１７４】
アノード出マニホールド２２２ｄ、カソード出マニホールド２１２ｅ、およびオフガスマニホールド２７０それぞれは、改質器接続ヘッダー１６の中央部分に設けられたオフガス混合部２６０を介して、つながっている。そして、アノード出マニホールド２２２ｄから排出されたアノードオフガスと、カソード出マニホールド２１２ｄから排出されたカソードオフガスは、このオフガス混合部２６０で混合され、オフガスマニホールド２７０を介して燃焼部３０の方へ排出される。
【０１７５】
なお、詳細は後述するが、図１７に示す改質器４０内のイグナイタ３４で着火した火炎がＳＯＦＣスタック５０内に類焼することを防止するために、アノード出マニホールド２２２ｄとオフガス混合部２６０との間、およびオフガスマニホールド２７０とオフガス混合部２６０との間それぞれに逆火防止部材２６１、２６２が設けられている。逆火防止部材２６１は、例えば金属網、パンチングメタル等の逆火防止網によって実現することができる。
【０１７６】
（改質器の構造）
次に、改質器接続ヘッダー１６に隣接して配置される改質器４０の構造について図１７を参照して説明する。図１７は、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００を構成する改質器４０の表面、側面、ならびに裏面の一例を示す図である。
【０１７７】
図１７に示すように改質器４０の正面側の側面のカソード側に、バーナー３１の代わりに電子制御式点火装置であるイグナイタ３４が備えられている。また、背面側の側面のカソード側にはＳＯＦＣホットモジュール１００内の排ガスを外部に送出するための排気口６３が備えられている。
【０１７８】
改質器４０の表面側には、燃焼部３０が形成され、ここの燃焼熱により改質器４０の裏面側で改質反応が行なわれるように構成されている。図１７に示すように改質器４０の表面には、その上面側の外周部分、すなわち、隣接する改質器接続ヘッダー１６の原料予熱マニホールド１５７ｆ（図１６参照）と積層時において対応する位置に、原料予熱マニホールド１５７ｇが裏面まで貫通するように形成されている。また、改質器４０の表面における下部側外周部分、すなわち改質器接続ヘッダー１６のアノード入マニホールド２２１ｄと積層時に対応する位置に、アノード入マニホールド（改質ガス排出孔）２２１ｅが裏面まで貫通するように形成されている。
【０１７９】
図１７に示すように原料予熱マニホールド１５７ｇとアノード入マニホールド（改質ガス排出孔）２２１ｅとは、互いに平行するように改質器４０の正面側と背面側との間で水平方向に延伸しており、これらの間に複数の燃焼触媒３３が表面から見て逆Ｓの字の形状に配列されている。そして、これら燃焼触媒３３が配置されている部分の図１７における右端部（正面側）には、これら燃焼触媒３３を固定するための燃焼触媒保持部材３２が設けられている。
【０１８０】
燃焼部３０では、隣接する改質器接続ヘッダー１６のオフガスマニホールド２７０（図１６参照）から排出された改質混合気（アノードオフガスおよびカソードオフガス）をイグナイタ３４で点火し、燃焼触媒３３を加熱するように構成されている。
【０１８１】
一方、改質器４０の裏面には、原料予熱マニホールド１５７ｇからアノード入マニホールド２２１ｅまでの間を略Ｓの字形状に改質触媒４３が配置され、改質部４４を形成している。また、改質部４４とアノード入マニホールド２２１ｅとの境界部分には、改質触媒４３が移動してアノード入マニホールド２２１ｅを閉塞するのを防止するために改質触媒保持部材４２が設けられている。改質触媒保持部材４２は、例えば、パンチングメタル等により実現できる。
【０１８２】
つまり、原料予熱マニホールド１５７ｇを通じて供給された原料は加熱された改質部４４における改質反応により水素が生成され、改質ガスとしてアノード入マニホールド２２１ｅを介してＳＯＦＣスタック５０のＳＯＦＣ２０のアノード２２に導かれる。
【０１８３】
ここで、通常は、これらマニホールドとしてカソード入マニホールド２１１、カソード出マニホールド２１２、アノード入マニホールド２２１、およびアノード出マニホールド２２２などの反応ガスの流路（マニホールド）のみがＳＯＦＣスタック５０内部に設けられる。しかしながら、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００では、上記したように、これらマニホールドのさらに外周に、複数の空気予熱用マニホールド（空気予熱第１マニホールド１５１、空気予熱第２マニホールド１５２、空気予熱第３マニホールド１５３）、および原料予熱マニホールド１５７が設けられている。これらさらに形成された予熱マニホールドはこれらの中を空気もしくは原料が通過することにより、ＳＯＦＣスタック５０から熱を奪うことができる。一方、空気もしくは原料は、ＳＯＦＣスタック５０が有する熱により加熱される。
【０１８４】
（改質反応に係る動作）
次いで、改質器４０における改質反応に係る動作についてより詳細に説明する。隣接し合う改質器接続ヘッダー１６と改質器４０とは、締結部材６０の締め付けにより機械的に接続されている。そして、上述したように、改質器接続ヘッダー１６のオフガスマニホールド２７０から排出された改質混合気（カソードオフガスおよびアノードオフガス）は改質器４０の燃焼部３０に供給される。また、改質器接続ヘッダー１６の原料予熱マニホールド１５７ｆから排出された加湿原料は改質器４０の原料予熱マニホールド１５７ｇを介して改質部４４に供される（図１７参照）。
【０１８５】
図１７に示すように、改質器４０は全体として燃焼部３０と改質部４４とが薄い隔壁を介した一種の熱交換器であり、燃焼部３０で燃焼した改質混合気の燃焼エネルギーを以って対面の改質部４４で改質を行う構成となっている。
【０１８６】
燃焼部３０の下端から導入された改質混合気は、ＳＯＦＣの運転開始時にはイグナイタ３４により着火されて燃焼部内の燃焼触媒３３に導入される。ただし、この着火動作は改質器温度が安定し自動的に触媒燃焼が起こるようになったら不要となる。
【０１８７】
改質混合気は燃焼部３０において逐次燃焼されながら、この燃焼熱を対面（裏面）の改質部４４に供給し、改質混合気の排ガスは燃焼部３０上端部分と対応する位置であり、ＳＯＦＣホットモジュール１００の背面側に設けられた排気口６３から廃棄される。
【０１８８】
一方、原料予熱マニホールド１５７ｇを介して改質部４４の上端側に導入された加湿原料は、改質触媒４３上で逐次、水蒸気改質され水素が生成される。生成された水素は改質ガスとしてアノード入マニホールド２２１ｅから改質器接続ヘッダー１６に供給され、その後の流れは既に記載した通りである。
【０１８９】
なお、図１６および図１７に示した改質器接続ヘッダー１６および改質器４０は金属ブロックを研削加工することで容易に製作することができる。あるいは、金属粉末を加圧および焼結する粉末冶金技術によっても容易に製作することができる。なお、製造コストを考慮し量産する場合、後者の製作方法の方が好ましい。その他の積層部材である外端ヘッダー１５、カソード端インターコネクタ２４１、インターコネクタ２４、およびアノード端インターコネクタ２４２の製作についても改質器接続ヘッダー１６および改質器４０と同様である。
【０１９０】
また、図１６および図１７示した改質器接続ヘッダー１６および改質器４０は比較的広い接触面を有しており、これによって改質器接続ヘッダー１６から改質器４０への直接的な伝熱が可能となっている。これはＳＯＦＣ２０における発電廃熱を改質エネルギーに転化することにつながり、より一層の過剰空気の削減に繋がり、水自立の容易化の一助となる。
【０１９１】
以下において、本実施の形態に係るＳＯＦＣホットモジュール１００により水収支の自立が実現できる原理を説明する。
【０１９２】
（水収支の自立）
まず、水の収支の自立ができる原理について説明する前に、ＳＯＦＣホットモジュール１００を備え、排ガスから生成した凝縮水を改質水として利用できるＳＯＦＣシステム２００の構成について図１８を参照して説明する。図１８は、本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム２００の概略構成の一例を模式的に示す図である。
【０１９３】
図１８に示すように、本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム２００は、上記したＳＯＦＣホットモジュール１００に加えて、凝縮熱交換器７０およびドレインタンク７１をさらに備えてなる構成である。ＳＯＦＣシステム２００は、ＳＯＦＣホットモジュール１００から排出された排ガスを凝縮熱交換器７０によって空気と熱交換し、この排ガスを冷やして凝縮水を生成しドレインタンク７１に貯留できるように構成されている。そして、ドレインタンク７１に貯留された凝縮水を、ＳＯＦＣホットモジュール１００に改質水として利用するように構成されている。
【０１９４】
本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム２００では、下記に説明する原理によりこの凝縮熱交換器７０による熱交換で冷やされた排ガスから改質水として必要な量の凝縮水を得ることができる。
【０１９５】
以下において、図１９〜図２１に示す物質収支を参照して水の収支が自立できる原理について説明する。図１９〜図２１は、水素１ｍｏｌ、酸素０．５ｍｏｌから１ｍｏｌの水を生成する電池反応における、改質効率、燃料／酸素利用率における物質収支の一例を示す図である。なお、図１９では酸素利用率がＵｏ＝０．２の場合、図２０では酸素利用率がＵｏ＝０．３の場合、図２１では酸素利用率がＵｏ＝０．３３の場合についてそれぞれ物質収支の関係を示している。
【０１９６】
まず、流量１．０ｍｏｌ／ｍｉｎの水素の燃焼エネルギーを仕事量換算すると４１２９Ｗとなる。したがって流量が１．０ｍｏｌ／ｍｉｎの水素と流量が０．５ｍｏｌ／ｍｉｎの酸素とを消費して、発電効率６０％で運転される燃料電池の発電量は４１２９×０．６＝２４７７Ｗであり、このときの発熱量は４１２９×０．４＝１６５１Ｗである。つまり、電池温度を一定に保つために１６５１Ｗの熱を除去しながら運転しなければならない。
【０１９７】
ここで図１９より明らかなように、メタン（ＣＨ４）を原料とし、Ｓ／Ｃ＝２．５の場合には、消費水素１ｍｏｌあたり改質水が０．９８ｍｏｌ必要である。ここで、この０．９８ｍｏｌ／ｍｉｎの水の気化熱を仕事量換算すると６６４Ｗとなる。
【０１９８】
上述の通り、この１６５１Ｗの熱を除去するために従来の構成では量論の５倍（Ｕｏ＝０．２）の空気でＳＯＦＣを空冷しながら燃料電池装置の運転が行なわれていた。この従来の構成の場合、排ガスを、通常想定される夏季の外気温度３５℃で放冷しても得られる凝縮水は０．７８ｍｏｌ／ｍｉｎである。このため、必要な改質水０．９８ｍｏｌ／ｍｉｎを賄うことができない。
【０１９９】
これに対して本実施の形態に係る燃料電池では、この１６５１Ｗのうち６６４Ｗ（４０％）を、水の気化熱に消費することができ、空気によって冷却が必要な熱量は上記の６０％、量論の３倍（Ｕｏ＝０．３３）となる。このときの物質収支は図２１に示すとおりとなり、通常想定される夏季の外気温度３５℃で放冷すれば凝縮水１．０７ｍｏｌ／ｍｉｎを生成することができる。つまり、生成した凝縮水により、改質水として必要な量である０．９８ｍｏｌ／ｍｉｎを賄うことができる。結果として、本実施の形態に係る燃料電池装置は、通常想定される外気温の範囲内の空気で排ガスを冷却して、改質水として必要な量の凝縮水を得ることができる。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池装置は水の収支を自立させることができる。
【０２００】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０２０１】
本発明の高温動作型燃料電池モジュールおよび高温動作型燃料電池システムは、供給される空気の利用効率を向上させることができる高温動作型燃料電池モジュール等として有用である。
【符号の説明】
【０２０２】
９    空気吐出口
１０    空気予熱部
１１    第１熱交換部
１２    第２熱交換部
１３    供給ヘッダー
１４    排出ヘッダー
１５    外端ヘッダー
１６    改質器接続ヘッダー
１７    第３熱交換部
１８    第４熱交換部
１９    第５熱交換部
２０    ＳＯＦＣ
２１    カソード
２２    アノード
２３    電解質
２４    インターコネクタ
２５    基管体
３０    燃焼部
３１    バーナー
３２    燃焼触媒保持部材
３３    燃焼触媒
３４    イグナイタ
４０    改質器
４１    気化器
４２    改質触媒保持部材
４３    改質触媒
４４    改質部
４５    改質ガス供給口
５０    ＳＯＦＣスタック
６０    締結部材
６１    原料投入口
６２    空気投入口
６３    排気口
７０    凝縮水熱交換器
７１    ドレインタンク
１００  ＳＯＦＣホットモジュール
１５１  空気予熱第１マニホールド
１５１ａ  空気予熱第１マニホールド
１５１ｂ  空気予熱第１マニホールド
１５１ｃ  空気予熱第１マニホールド
１５１ｄ  空気予熱第１マニホールド
１５１ｅ  空気予熱第１マニホールド
１５１ｆ  空気予熱第１マニホールド
１５２  空気予熱第２マニホールド
１５２ａ  空気予熱第２マニホールド
１５２ｂ  空気予熱第２マニホールド
１５２ｃ  空気予熱第２マニホールド
１５２ｄ  空気予熱第２マニホールド
１５２ｅ  空気予熱第２マニホールド
１５２ｆ  空気予熱第２マニホールド
１５３  空気予熱第３マニホールド
１５３ａ  空気予熱第３マニホールド
１５３ｂ  空気予熱第３マニホールド
１５３ｃ  空気予熱第３マニホールド
１５３ｄ  空気予熱第３マニホールド
１５３ｅ  空気予熱第３マニホールド
１５４  第１折り返し部
１５５  第２折り返し部
１５６  第３折り返し部
１５７  原料予熱マニホールド
１５７ａ  原料予熱マニホールド
１５７ｂ  原料予熱マニホールド
１５７ｃ  原料予熱マニホールド
１５７ｄ  原料予熱マニホールド
１５７ｅ  原料予熱マニホールド
１５７ｆ  原料予熱マニホールド
１５７ｇ  原料予熱マニホールド
２００  ＳＯＦＣシステム
２１１  カソード入マニホールド
２１１ａ  カソード入マニホールド
２１１ｂ  カソード入マニホールド
２１１ｃ  カソード入マニホールド
２１２  カソード出マニホールド
２１２ａ  カソード出マニホールド
２１２ｂ  カソード出マニホールド
２１２ｃ  カソード出マニホールド
２１２ｄ  カソード出マニホールド
２１２ｅ  カソード出マニホールド
２１３ａ  カソード流路
２１３ｂ  カソード流路
２２１  アノード入マニホールド
２２１ａ  アノード入マニホールド
２２１ｂ  アノード入マニホールド
２２１ｃ  アノード入マニホールド
２２１ｄ  アノード入マニホールド
２２１ｅ  アノード入マニホールド
２２２  アノード出マニホールド
２２２ａ  アノード出マニホールド
２２２ｂ  アノード出マニホールド
２２２ｃ  アノード出マニホールド
２２２ｄ  アノード出マニホールド
２２３ａ  アノード流路
２２３ｂ  アノード流路
２４１  カソード端インターコネクタ
２４２  アノード端インターコネクタ
２５０  基板
２６０  オフガス混合部
２６１  逆火防止部材
２７０  オフガスマニホールド
１０００  ＳＯＦＣホットモジュール
【図１】
2013046582.tif 000003
【図２】
2013046582.tif 000004
【図３】
2013046582.tif 000005
【図４】
2013046582.tif 000006
【図５】
2013046582.tif 000007
【図６】
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【図７】
2013046582.tif 000009
【図８】
2013046582.tif 000010
【図９】
2013046582.tif 000011
【図１０】
2013046582.tif 000012
【図１１】
2013046582.tif 000013
【図１２】
2013046582.tif 000014
【図１３】
2013046582.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2013046582.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2013046582.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2013046582.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2013046582.tif 000027
【国際調査報告】
2013046582.tif 000028
2013046582.tif 000029
2013046582.tif 000030
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