(57)【要約】【課題】エネルギー効率の向上と発電出力の安定を図った燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、これを函体に収容してモジュール化する。この燃料電池モジュールは、燃料電池スタックからの排ガスを外部に排出するための排気管２７ａ〜２７ｅを独立して少なくとも２個以上備えており、その内の１個（排気管２７ａ）は排ガスを直接外部に排出する構成とし、残りの排気管２７２７ｂ〜２７ｅは管内を通る排ガスにより前記供給ガスを個々に予熱する予熱用とする。本構成では、これら供給ガスをそれぞれを独立に予熱することができる。また、排気専用の排気管２７ａにより所定量の高温ガスを排出させることにより、予熱温度の過度な上昇を防止している。各排気管は排ガスの排出量を調整するための開閉バルブ２８を備えている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の一方に燃料極層を、他方に酸化剤極層を配して発電セルを構成し、当該発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタックを函体に収容すると共に、ガス供給管を介して各発電セルに外部より反応用のガスを供給するように構成した燃料電池モジュールにおいて、
前記燃料電池スタックからの排ガスを外部に排出するための排気管を独立して少なくとも２個以上備えており、その内の１個以上は前記排ガスを直接外部に排出する構成とし、残りの１個以上の排気管は管内を通る排ガスにより前記供給ガスを個々に予熱する予熱用とすることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記予熱用の排気管は、それぞれ管内の排ガスの熱により前記供給ガスを加熱する熱交換機構を備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記排気管は、それぞれ排ガスの外部排出量を調整する開閉バルブを備えて成ることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池モジュールに関し、特に発電セルに供給する反応用のガスの予熱制御機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルが、間に燃料極集電体と空気極集電体を挟みセパレータと交互に積層されることにより燃料電池スタックが構成される。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、反応用のガスとして空気極側に酸化剤ガスとして酸素  （空気）  が、燃料極側に燃料ガス  （Ｈ２  、ＣＯ、ＣＨ４  等）  が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極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、燃料極に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２  Ｏ、ＣＯ２  等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を別ルートの外部回路にて起電力として取り出すことができる。
【０００４】
ところで、固体酸化物形燃料電池では、発電セルにおける電気化学反応が１０００℃前後の高温酸化性雰囲気中で行われることから、起動時の電池反応を活性化するため、反応用のガスとして外部より導入される酸素（空気）、燃料ガス、水蒸気等の供給ガスを予め必要温度に加熱（予熱）しておく必要がある。尚、このような予熱制御技術として、例えば、特許文献１に原燃料蒸発器の蒸気温度制御技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３１２７９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記開示技術は、原燃料と水の混合蒸気を所定温度に、且つ安定に制御するというものであるが、原燃料蒸発器の出口の蒸気温度を制御する蒸発器出口蒸気温度制御器や入口フィン温度を制御する蒸発器入口フィン温度制御器等、複雑な制御機構を必要としており、燃料電池発電システムが複雑化する傾向にある。
また、比較的構造が簡単な予熱機構として、二重管構造の予熱管を用いて、外部より供給される空気や燃料ガスを二重管の内管（もしくは外管）より導入すると共に、外管（もしくは内管）に排ガスを通過させて、その排熱で供給ガスを予熱（熱交換）する構造も知られているが、こういった予熱構造は熱交換効率や予熱温度の安定性等に問題があった。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みて成されたもので、燃料電池スタックから排出される排ガスを供給ガスの予熱エネルギーとして再利用することで発電システムのエネルギー効率を向上すると共に、各供給ガスの予熱温度を個々に制御可能として発電出力の安定化を図った安価な燃料電池モジュールを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、電解質層の一方に燃料極層を、他方に酸化剤極層を配して発電セルを構成し、当該発電セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタックを函体に収容すると共に、ガス供給管を介して各発電セルに外部より反応用のガスを供給するように構成した燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池スタックからの排ガスを外部に排出するための排気管を独立して少なくとも２個以上備えており、その内の１個以上は前記排ガスを直接外部に排出する構成とし、残りの１個以上の排気管は管内を通る排ガスにより前記供給ガスを個々に予熱する予熱用とした。
【０００９】
ここで、前記供給ガス（反応用のガス）とは、燃料ガス（水素、炭化水素）、水蒸気、酸化剤ガス（空気）等であり、本構成では、これら供給ガスをそれぞれを独立に予熱することができる。また、排気専用の排気管により余分な高温ガスを排出させることにより、予熱温度の過度な上昇を防止している。
【００１０】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記予熱用の排気管は、それぞれ管内の排ガスの熱により前記供給ガスを加熱する熱交換機構を備えている。
【００１１】
本構成では、従来、不要に排出していた排ガスを熱交換機構の熱エネルギーとして利用するため、発電システムとしての熱エネルギー効率を向上できる。
【００１２】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池モジュールにおいて、前記排気管は、それぞれ排ガスの外部排出量を調整する開閉バルブを備えている。
【００１３】
本構成では、開閉バルブの開度を調整することにより、各々供給ガスに応じて好適温度に予熱できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２に基づいて本発明に係る燃料電池モジュールの実施形態を説明する。尚、図１は本実施形態の燃料電池モジュールの縦断面図、図２は供給ガスの予熱機構を示す平面図である。
【００１５】
図１において、符号１は平板積層型の固体酸化物形燃料電池のスタックを示している。この燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セル５と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層の外側に配した空気極層集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セルを構成すると共に、これを多数積層してスタック化した筒状体を成す発電装置である。
【００１６】
前記セパレータ８は、厚さ数ｍｍ程の四角状ステンレス薄板で構成されており、薄板の内部には、燃料ガス供給管１３から供給される燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入して中央のガス吐出孔１１から吐出させる燃料ガス通路９と、酸化剤ガス供給管１４から供給される酸化剤ガスをセパレータ８の対向外周面から導入して中央のガス吐出孔１２から吐出させる酸化剤ガス通路１０が形成されている。
また、各セパレータ８の外周部には、前記燃料ガス通路９と連通する燃料ガス用連結部１９と、前記酸化剤ガス通路１０と連通する酸化剤ガス用連結部２０が外側に向けて水平に突設されており、これら連結部１９、２０を介して、各々燃料ガス供給管１３と酸化剤ガス供給管１４が溶接等によりほぼ垂直状態に固着・接続され、筒状体を成す燃料電池スタック１の側部近傍を積層方向（上方）に延長されている。
【００１７】
上記構成の燃料電池スタック１は、断熱材、耐熱金属、或いはセラミックス等で構成される函体２１に収納されており、この函体２１の上部に仕切板１８にて区画されて、当燃料電池スタック１と熱的に隔離された外部予熱室２２を配設して燃料電池モジュールを構成している。尚、この外部予熱室２２の内部に筒状の燃料用ディストリビュータ１５と酸化剤用ディストリビュータ１６が設置されている。
そして、前記各セパレータ８の連結部１９、２０より延長された複数のガス供給管１３、１４が、この仕切板１８に設けた複数の通孔３１、３２（図２（ｂ）参照）を挿通して外部予熱室２２の内部に導入され、それぞれの端部が室内に配設された燃料用ディストリビュータ１５と酸化剤用ディストリビュータ１６の底壁に各２列配置にて固着・接続されている。
【００１８】
図２に示すように、この外部予熱室内には、外部より燃料ガスであるメタンガス（炭化水素）を導入するための燃料ガス導入管２３と、酸化剤ガス（空気）を導入するための酸化剤ガス導入管２４と、水（水蒸気）を導入するための水蒸気導入管２５と、外部予熱室内に予熱空気を導入するための予熱空気導入管２６の計４本のガス導入管が配設されており、この内、前記酸化剤ガス導入管２４は酸化剤用ディストリビュータ１６に接続され、前記燃料ガス導入管２３と前記水蒸気導入管２５はガスミキサー３０を介して１本化されて、その出口側が燃料用ディストリビュータ１５に配管されている。
【００１９】
また、図２（ｂ）に示すように、前記仕切板１８には、上記した複数の通孔３１、３２の他に下方に位置する燃料電池スタック１から発生した排ガスが噴出する排ガス導入孔２９が、その前縁部に３個、後縁部に２個それぞれ並設されており、これら５個の排ガス導入孔２９の各々より噴出する高温の排ガスが各導入孔２９に接続された排気管２７ａ〜２７ｅより外部予熱室２２を通過して外部に排出されるようになっている。因みに、燃料電池スタック１から発生する排ガスの温度は７００℃程度である。
【００２０】
ここで、上記した５本の排気管２７ａ〜２７ｅの内、前部中央の排気管２７ａは燃料電池スタックで発生した排ガスを直接外部に排出するだけの単管構造とされているが、残り４本の排気管２７ｂ〜２７ｅは管内に前記導入管２３〜２６が配設された２重管構造とされて、各導入管２３〜２６内の供給ガスを予熱するための熱交換機構を構成している。
【００２１】
即ち、本実施形態では、前部左側の排気管２７ｂの管内には前記酸化剤ガス導入管２４が配設され、前部右側の排気管２７ｃの管内には前記予熱空気導入管２６が配設され、また、後部左側の排気管２７ｄの管内には前記水蒸気導入管２５が配設され、後部右側の排気管２７ｅの管内には前記燃料ガス導入管２３が配設されており、仕切板１８の排ガス導入孔２９より取り入れた排ガスを２重管構造の外管となるこれら排気管２７ｂ〜２７ｅを通して外部に放出することにより、各導入管２３〜２６を通過する各供給ガスをこの高温の排気ガスで加熱（熱交換）するものである。
【００２２】
これら排気管２７ａ〜２７ｅの外部開放端付近には、外部へ排出する排ガスの量を調整するための開閉バルブ２８がそれぞれ付設されており、これら開閉バルブ２８の開度により外部に放出される排ガス量を個々に調整することで、昇温時の各供給ガスの予熱温度を個々に制御することができるようになっている。
また、排気管２７ａにあっては、熱交換に与らない適切な量の高温排ガスを直接外部に排出させることにより、各熱交換機構における熱交換温度の過度な上昇を防止して、排ガスによる予熱温度制御を可能にしており、発電負荷（出力）に係わらず燃料電池モジュール全体の温度コントロールも可能にしている。
【００２３】
尚、排ガスによる供給ガスの予熱温度制御は、例えば、図示しないが、各供給ガスの熱交換機構内に温度センサを付設しておいて、その検知データに基づいて各供給ガスの予熱温度が所定の値になるように、各々排気管２７ａ〜２７ｅの開閉バルブ２８の開度をマイコン制御するといった周知の技術で実現可能である。即ち、予熱温度が規定値以下であれば、開閉バルブ２８の開度を大きくして排ガスの通過量を多くすることにより熱交換エネルギーを増大し、逆に予熱温度が規定値以上であれば、開閉バルブ２８の開度を狭くして排ガスの通過量を少なくすることにより熱交換エネルギーを減少するように制御すれば良い。
【００２４】
上記構成の燃料電池モジュールでは、予熱空気導入管２６より導入される外部空気は、排気管２７ｃ（外管）を通過する排気ガスで熱交換されて、その予熱空気が先端部の噴出口２６ａより室内に噴出して外部予熱室２２を予熱する。
【００２５】
また、酸化剤ガス導入管２４を通して導入される外部からの酸化剤ガス（空気）は、排気管２７ｂを通過する排気ガスで所定温度に熱交換されながら酸化剤用ディストリビュータ１６に導入される。
予熱された酸化剤ガスは、この酸化剤用ディストリビュータ１６から複数の酸化剤ガス供給管１４にて分配されて燃料電池スタック１に誘導され、各セパレータ８の酸化剤ガス用連結部２０より酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端部の酸化剤ガスの吐出孔１２より吐出して対面する空気極集電体７に供給される。
【００２６】
一方、燃料ガス導入管２３を通して導入される外部からの燃料ガス（メタンガス）は、排気管２７ｅを通過する排気ガスで所定温度に熱交換され、また、水蒸気導入管２５を通して導入される水（水蒸気）は排気管２７ｄを通過する排気ガスで所定温度に熱交換されながら前記燃料ガスと共にガスミキサー３０に導入される。この水蒸気は排気管２７ｄによる熱交換と外部予熱室２２の予熱室温によって完全に気化した状態となって凝集することなくガスミキサー３０にてメタンガスと混合されて、燃料用ディストリビュータ１５に導入されることになる。水蒸気を気化状態にすることにより、燃料電池スタック１において、燃料ガスが高温に加熱される際の炭素の析出を防止できる。
水蒸気混合の燃料ガスは、この燃料用ディストリビュータ１５から複数の燃料ガス供給管１３にて分配されて、前記酸化剤ガスと共に燃料電池スタック１に誘導され、各セパレータ８の燃料ガス用連結部１９より燃料ガス通路９に導入され、通路末端部の燃料ガスの吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給される。
【００２７】
以降の燃料電池スタック１における電気化学反応は従来技術の欄で述べた通りであり、ここでは説明を省略するが、適温に予熱された各供給ガスの導入により、各発電セルでの電気化学反応を活性化して安定した出力を得ることができる。一方、この電気化学反応で生じた高温の排ガスはモジュール内を上昇し、仕切板１８の排ガス導入孔２９から各々排気管２７ｂ〜２７ｅに導入されて各供給ガスと熱交換されながら外部に排出される。尚、排気管２７ａの排ガスは熱交換に与らずそのまま排出され、モジュール内温度を適切な温度に維持する。
【００２８】
このように、本発明は、従来、不要に排出していた排ガスの熱を予熱エネルギーとして再利用するように構成されているため、熱回収率を向上し、発電システムとしてのエネルギー効率を向上できる。また、開閉バルブの開度により排ガスの外部排出量を調整することにより、発電出力に係わらず、燃料電池モジュール内の温度を常に安定に維持・制御することができ、発電能力を十分に発揮することができるようになる。
【００２９】
以上、説明した実施形態では、外部からの供給ガス（燃料ガス、水蒸気、酸化剤ガス）全てを熱交換機構（排気管）により予熱する構成を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、酸化剤ガスのように敢えて予熱する必要が無いか、或いは、外部予熱室２２での予熱で十分な供給ガスについては排気管を設ける必要はなく、直接ガス導入管を配設すれば良い。但し、既述したように、各熱交換機構における熱交換温度の過度な上昇を防止して好適な予熱温度制御を行うため、熱交換に与らない排気専用の排気管２７ａは必要である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来、不要に放出していた排ガスの熱を予熱エネルギーとして再利用することができるため、熱回収率を向上し、発電システムとしてのエネルギー効率を向上できる。
【００３１】
また、各排気管の開閉バルブの開度を調整することにより、外部より供給される各供給ガスの予熱温度を個々に調整することが可能となり、発電セルの電気化学反応を活性化して安定出力が得られると共に、発電負荷に係わらず燃料電池モジュール全体の温度制御も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池モジュールの縦断面図。
【図２】（ａ）は供給ガスの予熱機構を示す平面図、（ｂ）は仕切板の平面図。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
５  発電セル
８  セパレータ
２１  函体
２７ａ〜２７ｅ  排気管
２８  開閉バルブ
【図１】
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【図２】
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