(57)【要約】燃料ガス入口（５ｄ）と、空気流入口（５ｆ）と、排気ガス流出口（５ｇ）と、を有する燃料電池（５）を含み、燃料流路（３ｆ）を有する熱交換器（３）を含み、熱交換器（３）は、空気供給源に接続された入口（３ｐ）と、空気流入口（５ｆ）に接続された空気流出口（３ｌ）とを有する第一液路（３ａ）を含み、熱交換器（３）は、出口（３ｑ）と、排気ガス流出口（５ｇ）に接続された排気ガス流入口（３ｎ）と、を有する第二液路（３ｃ）を含み、燃料流路（３ｆ）は、燃料供給源と、燃料ガス入口（５ｄ）に接続された燃料ガス出口（３ｍ）とを含み、熱交換器（３）は、燃料電池（５）とは別個のユニットであって、セラミックスからなり、熱交換器（３）は燃料電池（５）が配置されている基板（３ｋ）を含むＳＯＦＣシステム（１）。
2008519390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と燃料ガス流（Ｒ）との組み合わせにより発電を行うＳＯＦＣシステム（１）であって、燃料ガス入口（５ｄ）と、空気流入口（５ｆ）と、排気ガス流出口（５ｇ）と、を有する燃料電池（５）を含み、燃料流路（３ｆ）を有する熱交換器（３）を含み、前記熱交換器（３）は、空気供給源に接続された入口（３ｐ）と、前記空気流入口（５ｆ）に接続された空気流出口（３ｌ）と、を有する第一液路（３ａ）を含み、前記熱交換器（３）は、出口（３ｑ）と、前記排気ガス流出口（５ｇ）に接続された排気ガス流入口（３ｎ）と、を有する第二液路（３ｃ）を含み、前記燃料流路（３ｆ）は、燃料供給源と、前記燃料ガス入口（５ｄ）に接続された燃料ガス出口（３ｍ）と、を含み、前記熱交換器（３）は、前記燃料電池（５）とは別個のユニットであってセラミックスからなり、前記熱交換器（３）は燃料電池（５）が配置されている基板（３ｋ）を含むＳＯＦＣシステム（１）。
【請求項２】
前記燃料電池（５）は前記基板（３ｋ）の上に配置され、基板（３ｋ）は前記燃料電池（５）を乗せている請求項１に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項３】
前記空気流出口（３ｌ）、前記排気ガス流入口（３ｎ）、および前記燃料ガス出口（３ｍ）の少なくとも一つは、前記基板（３ｋ）を通じて延びる請求項１に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項４】
前記熱交換器（３）はモノリシック型熱交換器（３）である請求項１乃至３のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項５】
前記基板（３ｋ）は前記モノリシック型熱交換器（３）の一部である請求項４に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項６】
前記空気流出口（３ｌ）と、前記燃料ガス出口（３ｍ）と、前記排気ガス流入口（３ｎ）とは、前記熱交換器（３）の共通前面（３ｒ）に配置される請求項１乃至５のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項７】
前記空気供給源に接続された前記入口（３ｐ）と、前記排気ガス流の前記出口（３ｑ）と、前記燃料供給源に接続された前記燃料流路（３ｆ）とは、前記熱交換器（３）の前記前面（３ｒ）とは反対の側面に配置される請求項６に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項８】
前記燃料ガス入口（５ｄ）と、前記空気流入口（５ｆ）と、前記排気ガス流出口（５ｇ）とは、前記燃料電池（５）の共通前面（５ｋ）に配置される請求項１乃至７のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項９】
前記燃料電池（５）は前記熱交換器（３）の上に配置され、前記燃料電池（５）と前記熱交換器（３）との間のガス流の流れを可能とする、対応する前記入口（５ｆ、３ｎ、５ｄ）と出口（３ｌ、５ｇ、３ｍ）とは、前記燃料電池（５）と前記熱交換器（３）との間の流れの直接的な移行を可能とするために、互いに対向して配置される請求項１乃至８のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１０】
前記第一および第二液路（３ａ、３ｃ）のそれぞれは、薄壁で分離された第一および第二流路（３ｂ、３ｄ）を含み、前記第二流路（３ｄ）に流れる前記排気ガス流と、前記第一流路（３ｂ）に流れる前記空気流との間の熱交換を可能とする請求項１乃至９のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１１】
複数の前記第一および第二流路（３ｂ、３ｄ）が存在する請求項１０に記載のＳＯＦＣシ
ステム。
【請求項１２】
前記第一および第二流路（３ｂ、３ｄ）は、前記第一および第二液路（３ａ、３ｃ）の間に、対向する直交流を形成するように配置される請求項１０または１１に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１３】
前記熱交換器（３）は、前記第二液路（３ｃ）内に配置されるアフターバーナ（３ｏ）を含む請求項１乃至１２のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１４】
前記燃料流路（３ｆ）は、触媒燃料処理部（３ｅ）、特に触媒物質の層を含む請求項１乃至１３のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１５】
前記熱交換器（３）は、空気供給源に接続された入口（２ｃ）を有する空気流バイパス（３ｈ）と、前記空気流出口（３ｌ）に流体連通して配置される空気流バイパス出口（３ｔ）とを含む請求項１乃至１４のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１６】
前記第一液路（３ａ）内の前記空気流の少なくとも一つと前記空気流バイパス（３ｈ）とを制御するために、少なくとも一つの弁（２ｆ）が配置される請求項１乃至１５のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１７】
前記弁（２ｆ）は熱交換器（３）の下に配置される請求項１６に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１８】
接合基部（２）は前記熱交換器（３）の下に配置され、前記接合基部（２）は、燃料ガス流入口（２ａ）と、空気流入口（２ｂ、２ｃ）と、排気ガス流出口（２ｄ）と、を含み、これらは、対応する前記熱交換器（３）の前記第一および第二液路（３ａ、３ｃ）と、前記燃料ガス流流路（３ｆ）と、前記排気ガス流出口（３ｑ）とに、流体接続される請求項１乃至１７のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１９】
前記燃料ガス流入口（２ａ）と、前記空気流入口（２ｂ、２ｃ）と、前記排気ガス流出口（２ｄ）とは、前記接合基部（２）の底に配置される請求項１８に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２０】
前記接合基部（２）が前記熱交換器（３）に結合されることにより、前記接合基部（２）から前記熱交換器（３）への流れの直接的な移行が存在することとなり、前記熱交換器（３）は前記接合基部（２）の上に設置され、前記燃料電池（５）は前記熱交換器（３）の上に設置される請求項１８または１９に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２１】
前記接合基部（２）と、前記燃料電池（５）とは、前記熱交換器（３）を通じて延びる圧縮手段（１８）によって接続される請求項２０に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２２】
前記第一および第二液路（３ａ、３ｃ）の少なくとも一つは、表面が粗い流路を含む請求項１乃至２１のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２３】
前記燃料電池（５）は断熱材（６）内に配置され、前記断熱材は、室内に真空を作成するためおよび室を加圧するため、もしくは室内に真空を作成するためまたは室を加圧するために、流体入口および出口を有する液密室を含む請求項１乃至２２のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２４】
制御部（１１）およびセンサ（１５ａ〜１５ｅ）と、前記制御部（１１）に接続されてい
る弁（２ｆ）とを含み、前記弁（２ｆ）は空気流（Ａ１）とバイパス空気流（Ａ２）との流れを決定し、前記空気流（Ａ１）と前記バイパス空気流（Ａ２）とは、前記燃料電池（５）に供給される燃料電池空気流（Ａ）を形成し、前記燃料電池空気流（Ａ）の温度および量もしくは温度または量は、前記センサ（１５ａ〜１５ｅ）が検知した値に依存し、前記制御部（１１）により制御されている請求項１乃至２３のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２５】
ＳＯＦＣシステム（１）用の熱交換器（３）であって、燃料ガス出口（３ｍ）を有する燃料流路（３ｆ）と、空気流出口（３ｌ）を有する第一液路（３ａ）と、排気ガス流入口（３ｎ）を有する第二液路（３ｃ）と、を含み、前記熱交換器（３）はセラミックスからなり、前記熱交換器（３）は基板（３ｋ）を含み、前記空気流出口（３ｌ）、前記排気ガス流入口（３ｎ）、および前記燃料ガス出口（３ｍ）の少なくとも一つは、前記基板（３ｋ）を通じて延び、前記熱交換器（３）は、モノリシック型の熱交換器である、熱交換器。
【請求項２６】
前記基板（３ｋ）は、前記モノリシック型熱交換器（３）の一部である請求項２５に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素と燃料ガス流との組み合わせにより発電を行う、固体酸化物形燃料電池と熱交換器とを含む固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素の電気化学的組み合わせにより発電する燃料電池はよく知られている。このような燃料電池の一形態では、セラミックの固体酸化物で形成される電解質により、陽極層と陰極層とが分離されている。このような燃料電池は、当技術分野において「固体酸化物形燃料電池」（ＳＯＦＣ）として知られている。水素（純粋な、または炭化水素から改質された）と、酸素（通常は空気）とを含む燃料ガス流が燃料電池内に運び込まれる。完全なＳＯＦＣシステムは、通常、例えば以下の必要条件を満たすための補助的サブシステムを有する。すなわち、炭化水素を一酸化炭素と水素とに処理することにより燃料ガス流を発生し、燃料電池に入った改質燃料と空気とを調整し、燃料電池内の水素と反応させるための空気を陰極に提供し、燃料電池スタックを冷却するための空気を提供し、アフターバーナ内で未使用の燃料を燃焼する、等の条件である。このような補助的なサブシステムは、燃料電池の複雑性に匹敵する複雑性に達することもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、システム全体を簡略化することができるような方法で、この種のＳＯＦＣシステムを改良することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的は、請求項１の特徴を含むＳＯＦＣシステムにより解決される。サブクレーム２から２４は、より有利な実施形態に関する。
したがって、燃料流路を熱交換器に一体化し、熱的に結合させることが発明の概念であり、ここで、熱交換器は、燃料電池とは別個のユニットであり、セラミックスからなる。好適な一実施形態では、熱交換器と燃料電池とが互いに結合され、これは、熱交換器が直接燃料電池に設置されるような方法で結合され、さらに、燃料電池と熱交換器との間のガス流の流れを可能とする、燃料電池および熱交換器の対応する入口と出口とが、互いに対向するように配置されるような方法で結合される。この配置により、熱交換器から燃料電池への流れの直接的な移行を達成することができる。熱交換器は様々な搬送手段を含み、これらは別個のいわゆるマニホールドを省略することができるような形で配置される。言い換えれば、熱交換器自体が様々な搬送手段を形成し、したがって、マニホールドのような構成となる。熱伝導性が乏しいセラミックスからなる熱交換器は、高いガス温度を有する燃料電池側に導かれる側面と、低いガス温度を有する逆側との間に、断熱素子をさらに形成する。この結合の結果、追加的な収納部および配管系を省略することができるために空間が節約され、熱伝導性に乏しいことから、低温側から高温側を分離するにおいては、小型の熱交換器で十分である。また、熱交換器の製造コストが低いことから、空間とコストが節約された燃料電池システムが導かれる。さらに、熱交換器内の燃料流路は、触媒燃料処理部を含んでいてもよい。また、空気の予熱を増加させるために、熱交換器は、燃料電池からの残留ガスがアフターバーニング処理を受けることを可能とするチャンバを含んでいてもよい。熱交換器内での燃焼の成功により、この残留エネルギーの少なくとも一部は、次に、加熱される反応物にも供給される。この目的のためには、空気または酸素の使用が好ましい。さらに、反応物の温度および量もしくは反応物の温度または量の制御を向上させるために、熱交換器は、燃料電池に入る前に予熱された空気流に合流する、別個の空気流バイパスを含んでいてもよい。温度センサ、制御システム、および弁が、燃料電池
内に供給される空気流の温度および量もしくは空気流の温度または量を制御するのに好適であるかもしれない。また、燃料電池システムの全体を非常に小型に構築することもでき、好ましくは積み重ねた形態であって、燃料電池は熱交換器の上に配置される。さらに、燃料電池と熱交換器との間の全ての搬送手段が、熱交換器および燃料電池と共通する領域内に配置されてもよく、これは、燃料電池と熱交換器との間に、外部から見ることが可能な接続部を全く用いずにスタックを構築することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１は、接合基部２と、熱交換器３と、ＳＯＦＣ燃料電池５と断熱材６とを含む高熱部４と、を含むＳＯＦＣシステム１を示す。接合基部２と、熱交換器３と、燃料電池５とは、重ねて配置され、積み重ねたような配置を形成する。この積み重ねは別の形態で構成されてもよく、例えば図１に示したものとは逆に、燃料電池５が下端で、接合基部２が上端であってもよい。燃料電池５は、空気流Ａと、燃料ガス流Ｒ１とで補充される。燃料電池スタック内で電気化学反応５ａが起こる。陰極排気Ａ３と陽極排気Ｒ２とが、燃料電池スタックから出て行く。陰極排気Ａ３は、通常主として空気である（酸素欠損）。陽極排気Ｒ２は、一酸化炭素、いくらかの残留炭化水素を含有する水素等の、未酸化の燃料種を含有する。
【０００６】
熱交換器３は、第一液路３ａと、第二液路３ｃと、燃料流路３ｆと、を有し、燃料流路３ｆは触媒燃料処理部でもよく、これらの全てが熱的に結合される。熱交換器３はセラミックスからなり、様々なガス流搬送手段を有する。接合基部２は、反応ガス供給源７と、排気ガス出口９と、駆動部１４により電気的に操作される弁２ｆに通じる空気供給源８と、に接続される。弁２ｆの位置次第で、空気流Ａ１とバイパス空気流Ａ２との比率が変化する。空気流Ａ１は、熱交換器３の第一液路３ａを通過することにより予熱される。陽極排気Ｒ２と陰極排気Ａ３とは、熱交換器３の一部であるアフターバーナ３ｏ内に導かれる。アフターバーナ３ｏは、ＳＯＦＣスタック排気内の未使用の燃料を燃焼する。アフターバーナ３ｏは、熱交換器３内の分離されたチャンバであってもよく、また、例えば第二液路３ｃ内に配置されてもよい。アフターバーナ３ｏは、例えば壁の触媒コーティング等の触媒材料を有していてもよい。排気ガスＥが第二液路３ｃを通じて供給され、アフターバーナ３ｏが発生した熱は、第一液路３ａと燃料通路３ｆとに交換されて、空気流Ａ１を予熱し、必要な場合は燃料ガス流Ｒをも予熱する。アフターバーナ３ｏ内の残留燃料の完全な燃焼を可能とするには、アフターバーナ３ｏ内の陰極排気Ａ３を使用することが好ましく、さらに別の酸素含有気流が加えられてもよく、燃料電池５内でこの酸素含有気流Ａ３が加熱される。
【０００７】
ＳＯＦＣシステム１は制御部１１を含み、制御部１１は様々なセンサ１５ａ〜１５ｅ、具体的には温度センサに接続され、さらに駆動手段１４にも接続されて、弁２ｆを動かし、ＳＯＦＣシステム１内の様々な温度を制御する。制御部１１は電気出力１０をさらに含み、電気出力１０は陰極および陽極集電体１０ａ、１０ｂに接続され、さらに電子スイッチ１２にも接続される。
【０００８】
熱交換器３はセラミックスからなる。これは熱交換器３が、非金属鉱物を高温で焼成することにより生成される硬脆材料で作られていることを意味する。これらの材料には、セラミックス、リン酸ジルコニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、二珪化モリブデン、ジルコニア強化酸化アルミニウム、リン酸アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化チタン、酸化アルミニウム、炭化ジルコニウム、二珪化ジルコニウム、アルミノ珪酸塩、炭化珪素が含まれるが、これに限られない。熱伝導率が低く、熱膨張係数が低いことから、熱交換器３にはセラミックスが優れている。
【０００９】
図２におけるＳＯＦＣシステム１は、燃料ガス入口５ｄと、空気流入口５ｆと、排気ガ
ス流出口５ｇと、を有する燃料電池５を含み、触媒燃料処理部３ｅを含む燃料流路３ｆを有する熱交換器３を含む。熱交換器３は、空気供給源７に接続された入口３ｐと、空気流入口５ｆに接続された空気流出口３ｌと、を有する第一液路３ａを含む。熱交換器３は、排気ガス出口９に接続された出口３ｑと、排気ガス流出口５ｇに接続された排気ガス流入口３ｎと、を有する第二液路３ｃを含む。触媒燃料処理部３ｅは、燃料供給源７に接続された入口２ｉと、燃料ガス入口５ｄに接続された燃料ガス出口３ｍと、を有する。触媒燃料処理部３ｅは、第一および第二液路３ａ、３ｃの少なくとも一つに熱的に接合される。熱交換器３は、燃料電池５とは別のユニットであり、セラミックスからなる。燃料電池５は、下板５ｂと、上板５ｃと、を含み、これらの間にめっきされたスタック５ｅを含む。陰極排気流Ａ３と陽極排気流Ｒ２とが交わる位置に、アフターバーナ３ｏが形成される。
【００１０】
熱交換器３はモノリシック型セラミックである。熱交換器３を様々なセラミック部品の結合により構成して熱交換器３を形成してもよい。熱交換器３は、燃料電池５に接続するのに好適な基板３ｋを含む。好適な一実施形態では、基板３ｋは基板３ｋの下の熱交換器３の一部に焼結され、単一のセラミック製のモノリシック部品を形成する。好適な一実施形態では、燃料電池５は基板３ｋの上に配置され、基板３ｋは燃料電池５を乗せることが可能な厚さを有する。好適な一実施形態では、空気流出口３ｌと、燃料ガス出口３ｍと、排気ガス流入口３ｎとが、基板３ｋの共通前面３ｒに配置される。好適な一実施形態では、空気供給源に接続された入口３ｐと、排気ガス流Ｅの出口３ｑと、燃料供給源Ｒに接続された入口２ｉとが、前面３ｒとは反対の熱交換器３の側面３ｓに配置される。
【００１１】
好適な一実施形態では、燃料ガス入口５ｄと、空気流入口５ｆと、排気ガス流出口５ｇとが、燃料電池５の共通前面５ｋに配置される。最も好適な実施形態では、燃料電池５が熱交換器３の上に配置され、燃料電池５と熱交換器３との間のガス流の流れを可能とする、対応する入口５ｆ、３ｎ、５ｄ、と出口３ｌ、５ｇ、３ｍとが対向して配置され、図２に示すように、燃料電池５と熱交換器３との間の流れの直接的な移行を可能とする。図示のように、この配置は非常にコンパクトなＳＯＦＣシステム１の構築を可能とする。接合基部２はＳＯＦＣシステム１のコールド側であり、燃料電池５はホット側であって、接合基部２と燃料電池５とは、セラミックの熱交換器３により分離される。燃料電池５から接合基部２への、熱交換器３の熱伝導性は乏しい。熱交換器３は、さらに燃料電池５と接合基部２との間に全ての流体導接続部を含み、これによりセラミックスのマニホールドを形成する。全ての流体導接続部が、熱交換器３内に配置される。このセラミック製の熱交換器３は、非常にコンパクトで、安価で信頼できるＳＯＦＣシステム１の構築を可能とする。
【００１２】
好適な実施形態では、第一および第二液路３ａ、３ｃのそれぞれは、薄壁により分離された複数の第一および第二流路３ｂ、３ｄを含み、第二流路３ｄに流れる排気ガス流Ｅと第一流路３ｂに流れる空気流Ａ１との間の熱交換を可能とする。図４は、図２における熱交換器３を詳細に示し、複数の第一および第二流路３ｂ、３ｄを伴っている。図５ａは、図４の線Ａ−Ａにおける熱交換器３の断面図であり、図５ｂは、図４の線Ｂ−Ｂにおける断面図である。複数の第一および第二流路３ｂ、３ｄは、第一および第二液路３ａ、３ｃの間に対向する直交流を形成するように配置され、このことは図５ａ、５ｂにおいて、空気流Ａ１と排気ガス流Ｅとの直交流として示している。
【００１３】
アフターバーナ３ｏは、第二液路３ｃ内に配置されてもよく、そこでは、陰極排気流Ａ３と陽極排気流Ｒ２とが、別個に導かれ、あるいは図２に示すように熱交換器３内に導かれ、その中にアフターバーナ３ｏを形成する。
【００１４】
図２に示す触媒燃料処理部３ｅは、流路３ｆ内に配置され、その中ではセラミックのセル構造が流れの方向へ流路を形成する。このセル構造の壁は触媒物質を有し、触媒燃料処
理部を形成する。これらの触媒物質は、熱交換器のセラミック材料の上に配置されることが好ましい。前処理された燃料または純粋な水素との組み合わせにおいては、内部に追加的な構造を有さない流路３ｆのみによって触媒燃料処理部３ｅを置き換えることが可能である。
【００１５】
好適な実施形態では、熱交換器３は、空気供給源８に接続された入口２ｃを有する空気流バイパス３ｈと、空気流出口３ｌと流体連通して配置される空気流バイパス出口３ｔと、を含む。弁座２ｅと、駆動部１４により２ｇ方向に移動可能な板２ｆと、を有する少なくとも一つの弁２ｆが、第一液路３ａおよび空気流バイパス３ｈ内の空気流Ａ１、Ａ２の少なくとも一つを制御するために配置される。これは、空気流入口５ｆに入って行く空気流Ａの温度の制御を可能とする。弁２ｆは接合基部２の一部である。好適な実施形態では、接合基部２は、二つまたは四つの弁２ｆを有し、各空気流Ａ１、Ａ２に対し一つである。各弁２ｆは独立して作動できるものであり、各空気流Ａ１、Ａ２および空気流Ａの総量を制御する。接合基部２は、熱交換器３の下に設置され、接合基部２は、燃料ガス流入口２ａと、空気流入口２ｂ、２ｃと、排気ガス流出口２ｄと、を含み、これらは対応する熱交換器３の第一および第二液路３ａ、３ｃと、燃料ガス流流路３ｆと、排気ガス流出口３ｑと、に流体接続される。燃料ガス流入口２ａと、空気流入口２ｂ、２ｃと、排気ガス流出口２ｄとは、接合基部２の底に配置される。接合基部２は熱交換器３に結合され、これにより、接合基部２から熱交換器３への流れの直接的な移行が生じる。熱交換器３は接合基部２の上に設置されており、燃料電池５は熱交換器３の上に設置されている。好適な実施形態では、接合基部２と燃料電池５とは、熱交換器３を通じて孔３ｉ内またはバイパス３ｈ内に延びる圧縮手段１８により接続される。図２に示す圧縮手段１８は、セラミック盤１８ａと、ナット１８ｂと、バネ１８ｃとを含む。
【００１６】
熱交換を向上させるには、第一および第二液路３ａ、３ｃおよび触媒燃料処理部３ｅを形成する熱交換器３の壁が、構造化され、あるいは粗くてもよい。図２においては、接合基部２は金属製であり、セラミックスの排気ガス断熱材２ｊを含み、薄い封止材１６により覆われている。熱交換器３の外壁３ｇが封止材１６の上に配置されて、好ましい気密接続が実施され、第一および第二液路３ａ、３ｃがＳＯＦＣシステム１の外部に対して気密となる。
【００１７】
図３は、別のＳＯＦＣシステム１を示し、接合基部２と、熱交換器３と、高熱部４と、を含むスタックの形で構築されている。高熱部４は、内側および外側金属シェル６ａ、６ｂを有する断熱材６内に配置された燃料電池５を含む。セラミックの熱交換器３の熱伝導性が低いことから、熱交換器３の高さは非常に低くてもよく、例えば５ｃｍから３０ｃｍの範囲である。これは、図６に示すように、小型でコンパクトなＳＯＦＣシステム１の構築を可能とする。好適な実施形態では、全てのガス流入口および出口と、燃料ガス流入口２ａと、排気ガス流出口２ｄと、空気流入口２ｋと、その他の入出口および電気コネクタとが、接合基部２の底面に配置される。一実施形態では、内側および外側金属シェル６ａ、６ｂは、液密室、特に気密室を含みあるいは形成してもよい。この室は、断熱性を向上させるための真空を含んでいてもよい。この室は、真空を作成するため、または空気のような特定の物質で室を加圧するための、流体入口および出口を含んでいてもよい。この断熱材６の断熱性は、圧力および使用される物質により異なり得るものであり、ポンプおよびセンサのような手段で断熱材６内の圧力または真空を増加させることにより、ＳＯＦＣシステム１の稼働中の断熱性を修正することが可能となる（これらは図３に示さない）。
【００１８】
図７は、バイパス空気流Ａ２を有さない熱交換器３を示し、これは、空気流Ａの全体が第一液路３ａに誘導されることを意味する。
図８から１１は、熱交換器３に接続された燃料電池スタック５ｅの異なる実施形態の概略図を示し、熱交換器３は図示しないものの燃料電池スタック５ｅの下に広がり得る。図
８から１１に示すような燃料電池スタック５ｅを収容するのに好適な熱交換器３の全てが、図２または３に示すように構築され得る。図１０における実施形態では、燃料電池スタック５ｅは熱交換器３の上に配置され、燃料ガス流Ｒ１と陽極排気流Ｒ２とに関しては、両者間に流れの直接的な移行が存在している。一方、空気流Ａは底から供給されるのではなく、燃料電池スタック５ｅの側面から供給され、陰極排気流Ａ３も燃料電池スタック５ｅの側面から流出するが、ＡおよびＡ３の双方の流れは燃料電池５内で熱交換器３に流出する。この実施形態は、熱交換部３と燃料電池スタック５ｅとの間に、流れＡおよびＡ３用のガス接続手段を提供するための、導管のようなマニホールド部を必要とする。図２に示す実施形態は、図１０に示すような燃料電池スタック５ｅを含み、一方で、流れＡおよびＡ３用のマニホールド部は、燃料電池スタック５ｅと燃料電池スタック５ｅを囲む薄い金属５ｌとの間に形成される。この金属５ｌは、下板５ｂと上板５ｃとに気密に接続される。
【００１９】
図８は別の実施形態を示し、燃料電池スタック５ｅが、底部において流入する空気流Ａと燃料ガス流Ｒ１とを有し、燃料電池スタック５ｅの底部の同じ側面において流出する陽極排気流Ｒ２と陰極排気流Ａ３とを有する。燃料電池スタック５ｅと熱交換器３とは、マニホールド全体をも含むように構築される。熱交換器３と燃料電池５との間には、追加的な導管が配置されてもよく、熱交換器３と燃料電池５または断熱材６との間の追加的なガスの流れが可能となる。
【００２０】
図９における実施形態では、燃料電池スタック５ｅは熱交換器３の上に配置され、燃料ガス流Ｒ１、陽極排気流Ｒ２、および空気流Ａに関しては、これらの間に流れの直接的な移行が存在する。一方、陰極排気流Ａ３は、底部から流出するのではなく、燃料電池スタック５ｅの側面から流出する。この実施形態は、熱交換器３と燃料スタック５ｅとの間に、流れＡ３用のガス接続手段を提供するための導管のような追加的なマニホールド部を必要とすることもある。しかし、燃料電池５を囲む気密な断熱材５ｌの場合は、熱交換器３への追加的な導管無しで陰極排気を導くこともできる。
【００２１】
図１１における実施形態では、燃料電池スタック５ｅを含む燃料電池５は、熱交換器３から分離して配置され得る。この実施形態は、熱交換器３と燃料電池５との間に、流れＡ、Ａ３、Ｒ１、およびＲ２用のガス接続手段を提供するための、導管のような追加的なマニホールド部を必要とする。
【００２２】
図１２は、スタックの形で構築された別のＳＯＦＣシステム１を示し、熱交換器３と燃料電池５とを含み、全てが内側および外側金属シェル６ａ、６ｂを有する断熱材６内に配置される。図１２には示さないものの、接合基部２が熱交換器３の下に有利に配置される。図示の熱交換器３は、基板３ｋと、第二基板３ｋ’とをさらに含む。必要な場合は、接続基部２が第二基板３ｋ’の下に配置される。内側空間１９が燃料電池５と断熱材６との間にあり、これは、陽極排気ガス流出口５ｈ、排気ガス出口５ｇ、さらに排気ガス流入口３ｎによって、燃料電池５に流体接続される。燃料電池５が基板３ｋ上に配置されるため、排気ガス流入口３ｎは燃料電池５内に直接接続されるのではなく、内側空間１９に導かれる。したがって、出口５ｈ、５ｇから流出する排気ガスは、内側空間１９に流入し、その後入口３ｎにおいて内側空間１９から出て行くことになる。
【００２３】
図１３は、熱交換器３の別の実施形態である。基板３ｋに加え第二基板３ｋ’もセラミックスからなり、その内の少なくとも一つが、例えば焼結または接着剤で熱交換器３の他の部分に接続され、単一のモノリシックな熱交換器３を形成する。この熱交換器３はいくつかの利点を有する。この熱交換器３は、非常にコンパクトであり、必要な全ての流路を有し、容易に安価に製造でき、非常に小型であり、さらに非常に信頼性が高い。この熱交換器３は、図１２に示すようなＳＯＦＣシステム１に用いることが可能である。有利な実
施形態では、熱交換器３は、図１２に示すように、燃料電池５の下部をさらに含み、この下部は、流路、空気流入口５ｆに加え、反応ガス流入口５ｄを含む。これにより、熱交換器３の流路の燃料電池５への接続をさらに向上させることが可能になる。有利な実施形態では、図１３に示すように、空気流入口５ｆと反応ガス流入口５ｄとが、同じ側面から燃料電池５に入るため、燃料電池５内で、空気流Ａと反応ガス流Ｒ１との略平行な流れが可能となる。図１２の燃料電池システム１内の図１３に示すような熱交換器３の採用が意味することは、図１２によれば、空気流Ａと反応ガス流Ｒ１の双方が左側から燃料電池５内に流入し、反応ガス排気流Ｒ２が出口５ｈにおいて、また、空気流Ａ３が出口５ｇにおいて、燃料電池５の右側から流出し、Ｒ２およびＡ３の双方が入口３ｎにおいて熱交換器３内に流入して、出口３ｑから排気ガスＥとして熱交換器３から出て行く、ということである。
【００２４】
好適な実施形態における熱交換器３は、燃料電池５に接続するのに好適な基板３ｋを含む。この基板３ｋは、燃料電池５が圧縮ロッド１８によって熱交換器３に固定された場合にも、燃料電池５を乗せることができることが好ましく、ここで、圧縮ロッド１８により生じる圧力負荷は、燃料電池５の総重量以上となる。燃料電池５と熱交換器３とが互いに固定されていることから、このような燃料電池１はあらゆる方向に配置され得る。
【００２５】
ここで使用される用語「モノリシック型熱交換器」または「モノリシックな熱交換器」とは、熱交換器が単一のピースからなることを意味する。例えば、図４に示す熱交換器３では、５ａおよび５ｂはモノリシックな熱交換器であり、そこでは、熱交換器３は、非金属鉱物を高温で焼成することにより生成される硬脆材料で作られ、単一のピースとなっている。ここで使用される用語「モノリシック型熱交換器」または「モノリシックな熱交換器」は、図１２に示すような熱交換器をも意味し、これは、図４に示した部品３に加え、例えば焼結または先着剤で付着される、基板３ｋおよび第二基板３ｋ’の一方または双方をさらに含んで熱交換器３を形成する。図１２に示すように、基板３ｋ、３ｋ’の材料は、熱交換器３の他の部分の材料と異なっていてもよい。図１３に示すように、基板３ｋ、３ｋ’を含む熱交換器３の全体が同じ材料で構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ＳＯＦＣシステムの概略図。
【図２】ＳＯＦＣシステムの等角断面図。
【図３】別のＳＯＦＣシステムの等角断面図。
【図４】熱交換器の等角図。
【図５ａ】図４の線Ａ−Ａにおける熱交換器の断面図。
【図５ｂ】図４の線Ｂ−Ｂにおける熱交換器の断面図。
【図６】ＳＯＦＣシステムの下からの等角図。
【図７】空気流バイパスを有さない別のＳＯＦＣシステムの概略図。
【図８】内部マニホールドを有する燃料電池スタックの概略図。
【図９】内部燃料ガスおよび空気マニホールドを有し、外部排気マニホールドを有さない、燃料電池スタックの概略図。
【図１０】結合された外部空気および内部燃料ガス・マニホールドを有する燃料電池スタックの概略図。
【図１１】外部マニホールドを有する燃料電池スタックの概略図。
【図１２】別のＳＯＦＣシステムの等角断面図。
【図１３】別の熱交換器の等角断面図。
【図１】
2008519390.tif 000003
【図２】
2008519390.tif 000004
【図３】
2008519390.tif 000005
【図４】
2008519390.tif 000006
【図５ａ】
2008519390.tif 000007
【図５ｂ】
2008519390.tif 000008
【図６】
2008519390.tif 000009
【図７】
2008519390.tif 000010
【図８】
2008519390.tif 000011
【図９】
2008519390.tif 000012
【図１０】
2008519390.tif 000013
【図１１】
2008519390.tif 000014
【図１２】
2008519390.tif 000015
【図１３】
2008519390.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成18年8月31日(2006.8.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素と燃料ガス流（Ｒ）との組み合わせにより発電を行うＳＯＦＣシステム（１）であって、燃料ガス入口（５ｄ）と、空気流入口（５ｆ）と、排気ガス流出口（５ｇ）と、を有する燃料電池（５）を含み、燃料流路（３ｆ）を有する熱交換器（３）を含み、前記熱交換器（３）は、空気供給源に接続された入口（３ｐ）と、前記空気流入口（５ｆ）に接続された空気流出口（３ｌ）と、を有する第一液路（３ａ）を含み、前記熱交換器（３）は、出口（３ｑ）と、前記排気ガス流出口（５ｇ）に接続された排気ガス流入口（３ｎ）と、を有する第二液路（３ｃ）を含み、前記燃料流路（３ｆ）は、燃料供給源と、前記燃料ガス入口（５ｄ）に接続された燃料ガス出口（３ｍ）と、を含み、前記熱交換器（３）は、前記燃料電池（５）とは別個のユニットであって、前記熱交換器（３）は、セラミックスからなることを特徴とし、前記熱交換器（３）は、前記燃料電池（５）が配置されている基板（３ｋ）を含むことを特徴とし、前記基板（３ｋ）は異なる材料からなることもあることを特徴とし、空気流出口（３ｌ）、排気ガス流入口（３ｎ）、および燃料ガス出口（３ｍ）の少なくとも一つが、前記基板（３ｋ）を通じて伸びることを特徴とするＳＯＦＣシステム（１）。
【請求項２】
前記燃料電池（５）は前記基板（３ｋ）の上に配置され、前記基板（３ｋ）は前記燃料電池（５）を乗せている、請求項１に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項３】
前記熱交換器（３）はモノリシック型熱交換器（３）である請求項１または２に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項４】
前記基板（３ｋ）はセラミックス材料で構成される請求項３に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項５】
前記基板（３ｋ）は前記モノリシック型熱交換器（３）の一部である請求項４に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項６】
前記空気流出口（３ｌ）と、前記燃料ガス出口（３ｍ）と、前記排気ガス流入口（３ｎ）
とは、前記熱交換器（３）の共通前面（３ｒ）に配置される請求項１乃至５のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項７】
前記空気供給源に接続された前記入口（３ｐ）と、前記排気ガス流の前記出口（３ｑ）と、前記燃料供給源に接続された前記燃料流路（３ｆ）とは、前記熱交換器（３）の前記前面（３ｒ）とは反対の側面に配置される請求項６に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項８】
前記燃料ガス入口（５ｄ）と、前記空気流入口（５ｆ）と、前記排気ガス流出口（５ｇ）とは、前記燃料電池（５）の共通前面（５ｋ）に配置される請求項１乃至７のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項９】
前記燃料電池（５）は前記熱交換器（３）の上に配置され、前記燃料電池（５）と前記熱交換器（３）との間のガス流の流れを可能とする、対応する前記入口（５ｆ、３ｎ、５ｄ）と出口（３ｌ、５ｇ、３ｍ）とは、前記燃料電池（５）と前記熱交換器（３）との間の流れの直接的な移行を可能とするために、互いに対向して配置される請求項１乃至８のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１０】
前記第一および第二液路（３ａ、３ｃ）のそれぞれは、薄壁で分離された第一および第二流路（３ｂ、３ｄ）を含み、前記第二流路（３ｄ）に流れる前記排気ガス流と、前記第一流路（３ｂ）に流れる前記空気流との間の熱交換を可能とする請求項１乃至９のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１１】
複数の前記第一および第二流路（３ｂ、３ｄ）が存在する請求項１０に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１２】
前記第一および第二流路（３ｂ、３ｄ）は、前記第一および第二液路（３ａ、３ｃ）の間に、対向する直交流を形成するように配置される請求項１０または１１に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１３】
前記熱交換器（３）は、前記第二液路（３ｃ）内に配置されるアフターバーナ（３ｏ）を含む請求項１乃至１２のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１４】
前記燃料流路（３ｆ）は、触媒燃料処理部（３ｅ）、特に触媒物質の層、を含む請求項１乃至１３のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１５】
前記熱交換器（３）は、空気供給源に接続された入口（２ｃ）を有する空気流バイパス（３ｈ）と、前記空気流出口（３ｌ）に流体連通して配置される空気流バイパス出口（３ｔ）と、を含む請求項１乃至１４のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１６】
前記第一液路（３ａ）内の前記空気流の少なくとも一つと前記空気流バイパス（３ｈ）とを制御するために、少なくとも一つの弁（２ｆ）が配置される請求項１乃至１５のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１７】
前記弁（２ｆ）は熱交換器（３）の下に配置される請求項１６に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１８】
接合基部（２）は前記熱交換器（３）の下に配置され、前記接合基部（２）は、燃料ガス流入口（２ａ）と、空気流入口（２ｂ、２ｃ）と、排気ガス流出口（２ｄ）と、を含み、これらは、対応する前記熱交換器（３）の前記第一および第二液路（３ａ、３ｃ）と、前記燃料ガス流流路（３ｆ）と、前記排気ガス流出口（３ｑ）とに、流体接続される請求項
１乃至１７のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項１９】
前記燃料ガス流入口（２ａ）と、前記空気流入口（２ｂ、２ｃ）と、前記排気ガス流出口（２ｄ）とは、前記接合基部（２）の底に配置される請求項１８に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２０】
前記接合基部（２）が前記熱交換器（３）に結合されることにより、前記接合基部（２）から前記熱交換器（３）への流れの直接的な移行が存在することとなり、前記熱交換器（３）は前記接合基部（２）の上に設置され、前記燃料電池（５）は前記熱交換器（３）の上に設置される請求項１８または１９に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２１】
前記接合基部（２）と、前記燃料電池（５）とは、前記熱交換器（３）を通じて延びる圧縮手段（１８）によって接続される請求項２０に記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２２】
前記第一および第二液路（３ａ、３ｃ）の少なくとも一つは、表面が粗い流路を含む請求項１乃至２１のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２３】
前記燃料電池（５）は断熱材（６）内に配置され、前記断熱材は、室内に真空を作成するためおよび室を加圧するため、もしくは室内に真空を作成するためまたは室を加圧するために、流体入口および出口を有する液密室を含む請求項１乃至２２のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２４】
制御部（１１）およびセンサ（１５ａ〜１５ｅ）と、前記制御部（１１）に接続されている弁（２ｆ）とを含み、前記弁（２ｆ）は空気流（Ａ１）とバイパス空気流（Ａ２）との流れを決定し、前記空気流（Ａ１）と前記バイパス空気流（Ａ２）とは、前記燃料電池（５）に供給される燃料電池空気流（Ａ）を形成し、前記燃料電池空気流（Ａ）の温度および量もしくは温度または量は、前記センサ（１５ａ〜１５ｅ）が検知した値に依存し、前記制御部（１１）により制御されている請求項１乃至２３のいずれかに記載のＳＯＦＣシステム。
【請求項２５】
ＳＯＦＣシステム（１）用の熱交換器（３）であって、燃料ガス出口（３ｍ）を有する燃料流路（３ｆ）と、空気流出口（３ｌ）を有する第一液路（３ａ）と、排気ガス流入口（３ｎ）を有する第二液路（３ｃ）と、を含み、前記熱交換器（３）はセラミックスからなり、前記熱交換器（３）は基板（３ｋ）を含み、前記空気流出口（３ｌ）、前記排気ガス流入口（３ｎ）、および前記燃料ガス出口（３ｍ）の少なくとも一つは、前記基板（３ｋ）を通じて延び、前記熱交換器（３）は、前記基板（３ｋ）を除き、モノリシック型の熱交換器（３）である熱交換器（３）。
【請求項２６】
前記基板（３ｋ）は、前記モノリシック型熱交換器（３）の一部である、請求項２５に記載の熱交換器（３）。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
水素と酸素の電気化学的組み合わせにより発電する燃料電池はよく知られている。このような燃料電池の一形態では、セラミックの固体酸化物で形成される電解質により、陽極層と陰極層とが分離されている。このような燃料電池は、当技術分野において「固体酸化
物形燃料電池」（ＳＯＦＣ）として知られている。水素（純粋な、または炭化水素から改質された）と、酸素（通常は空気）とを含む燃料ガス流が燃料電池内に運び込まれる。完全なＳＯＦＣシステムは、通常、例えば以下の必要条件を満たすための補助的サブシステムを有する。すなわち、炭化水素を一酸化炭素と水素とに処理することにより燃料ガス流を発生し、燃料電池に入った改質燃料と空気とを調整し、燃料電池内の水素と反応させるための空気を陰極に提供し、燃料電池スタックを冷却するための空気を提供し、アフターバーナ内で未使用の燃料を燃焼する、等の条件である。このような補助的なサブシステムは、燃料電池の複雑性に匹敵する複雑性に達することもある。特許文献１は、例えば複数の流路とガス入出口とを有する別個の熱交換器を含む、このようなＳＯＦＣシステムを開示している。この熱交換器は、数百もの金属シートを有する一連の連結した板構造を含んでいる。このシステムは非常に高価であり、信頼性に欠ける。
【特許文献１】米国特許第２００１／０４９０３９号明細書
【国際調査報告】
2008519390.tif 000017
2008519390.tif 000018