(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
始動用補助加熱装置（５）を内蔵する燃料電池モジュール（１）であって、直列に接続されてその側面に電池（２０）の空気供給部（２１）を有してなる円筒状積層体（２）を構成する平板型燃料電池（２０）と、電池積層体（２）の周囲に配置されて半径方向に空気を透過しうる動的断熱材として機能する外筒（３）と、電池から放出されるガスの再燃焼のため並びに排ガス（９３）の導出のために電池積層体と外筒との間に設けられた空間（４）とからなる燃料電池モジュールにおいて、補助加熱装置（５）が外筒（３）の内側表面に配された複数の熱源（５０）からなることと、熱源が放出する熱の少なくとも一部が半径方向の空気の流れ（９１）により燃料電池（２０）内へ伝熱されることと、電池積層体（２）の上方及び下方にはそれぞれ空気の透過を許容しない断熱材（３０２，３０１）を設けたこととを特徴とする燃料電池モジュール（１）。
【請求項２】
補助加熱装置の熱源（５０）が電熱線（５１）により構成され、該電熱線が螺旋形状又は伸張形状であ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】
補助加熱装置の熱源（５０）が通路（５１’）として構成され、該通路が、ガスと空気との混合物の供給、並びに、該通路の有孔側壁又は多孔質側壁における該混合物の燃焼のために設けてあ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４】
補助加熱装置の構成要素すなわち電熱線（５１）又は通路（５１’）が外筒（３）の内側表面の溝（３２）内に配されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
外筒（３）において空気を透過する少なくとも一部分が、多孔質材料により構成されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
空気（９１）の流れの少なくとも一部を燃料電池（２０）内に供給するための半径方向に延びる通路（３３）が設けてあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
電池積層体（２）と外筒（３）との間において、再燃焼室（４２）並びに空気供給部（２１）と係合する空気誘導室（４１）が隔壁（４０）により仕切られてなり、該再燃焼室（４２）が隔壁内側で拡幅するに相応じて該空気誘導室（４１）が縮幅してなることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
電池積層体（２）と外筒（３）との間において、再燃焼室（４２）が隔壁（４０’）により、外筒（３）における空気透過部（３０）である多孔質材料から仕切られてなることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール（１）を含んでなる、電気エネルギー及び加熱暖房用の熱を同時に発生させるプラントにおいて、電池積層体（２）の電極（８１、８１’）と接続し、発生する直流を交流に変換する装置（８）並びにバーナー（６１）及び熱交換器を含む熱交換システム（７）を有してなる補助加熱装置（６）を含んでなり、該熱交換系が伝熱媒体へエネルギーを伝えるものであって、モジュール（１）からの排ガスの流れ（９３）及びバーナー（６１）と有効に連係するものであることを特徴とするプラント（９）。
【請求項１０】
モジュール（１）から加熱装置（６）へ至る排ガス配管（２６）がバーナー（６１）の空気供給部と接続してなることを特徴とする請求項９に記載のプラント。
【請求項１１】
排ガス配管がバーナー（６１）の空気供給部の手前で分岐してなり、該排ガス配管の第二の分岐部（２７）が別の熱交換器へ接続してなることを特徴とする請求項１０に記載のプラント。
【請求項１２】
バーナー（６１）を具備する加熱装置（６）が熱交換システム（７）のみを具備する装置により置換されてなることを特徴とする請求項９に記載のプラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、始動用補助加熱装置を内蔵し、直列に接続されてその側面に電池の空気供給部を有してなる円筒状積層体を構成する平板型燃料電池と、電池積層体の周囲に配置されて半径方向に空気を透過しうる動的断熱材として機能する外筒と、電池から放出されるガスの後燃え及び排ガスの導出のために電池積層体と外筒との間に設けられた空間とを内蔵してなる燃料電池モジュールに関し、この種の燃料電池モジュールを具備するプラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
補助加熱装置を内蔵する燃料電池を具備する装置において、装置起動時、前記加熱装置により予改質装置を所望の運転温度まで昇温する燃料電池を具備する装置は、欧州特許出願公開第０６５４８３８号及び欧州特許出願公開第０７８０９１７号に記載されている。後者の明細書は、前者の明細書において開示された装置の更なる改良について記載している。この更なる改良においては、補助加熱装置は二つの新規な機能を有している。すなわち、ａ）空気を加熱することにより起動時の電池を予熱する点、ｂ）燃料電池が電気エネルギー並びに加熱暖房用の熱を発生させるので、装置運転時に加熱暖房用の熱を付加的に得ることができる点である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、燃料電池及び該電池に一体に組み込まれた補助加熱装置を具備してなり、必要に応じて異なるユニットを組み合わせることが可能なプラント用モジュールとして特に好適な新規な装置を提供することにある。本発明において、これらのプラントは、電気エネルギー及び加熱暖房用の熱を同時に発生させるためのものであり、加熱暖房用の熱に対する各種需要は、燃料電池モジュールに加えて付加ユニットとしてプラント内に所望に組み込まれる独立したバーナーにより賄われる。本発明の目的は、請求項１で特徴づけられるモジュールにより達成される。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池モジュールは、始動用補助加熱装置を一体に組み込んでなり、更に、次の構成要素を含んでなる。すなわち、直列に接続して円筒状積層体を形成し、その側面に電池の空気供給部を設けてなる平板型燃料電池、電池積層体の周囲に配置され、半径方向に空気を透過しうる動的断熱材として形成された外筒、電池から放出されるガスの後燃え及び排ガスの導出のために電池積層体と外筒との間に設けられた空間である。補助加熱装置の熱源は外筒の内側（電池側）表面に配される。始動時、補助加熱装置が放出する熱の少なくとも一部が半径方向の空気の流れにより燃料電池内へ伝熱される。また、電池積層体（２）の上方及び下方にはそれぞれ空気の透過を許容しない断熱材（３０２，３０１）が配置されている。
【０００５】
この燃料電池モジュールにおいては、始動に必要な熱は内蔵された補助加熱装置により伝熱される点が新規な点である。公知の装置における場合と同様に、昇温に必要な熱はガス燃焼により得ることが可能である。一般的にそうであるように、電力本線への接続が可能であれば、補助加熱装置を電気加熱装置として構成することも実用的である。
【０００６】
従属請求項２乃至８は、本発明に係るモジュールの好適な態様例に係るものである。請求項９乃至１２は、本発明に係るモジュールを包含するプラントに係るものである。
【０００７】
本発明を、図面と共に以下に説明する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に示される燃料電池モジュールは、平板型燃料電池２０を含んでなり、該燃料電池２０は直列に接続して積層体２を構成するものであり、その側面に電池２０の空気供給部２１が設けられるものである。外筒３は、電池積層体２の周囲に設けられ、半径方向に空気を透過しうるものであり、実際、動的断熱材として機能するように設けられるものである。運転時、電池積層体２の高温表面から外部へ放射される熱は、外筒３における多孔質材料からなる構造物３０内に吸収された後、内向きに流れ込む空気の流れにより電池積層体２内へ再伝熱される。
【０００９】
電池積層体２と外筒３との間の空間４において、運転中、電気化学反応に完全に使用されなかったガスが燃焼する。このガスは、排ガスと共に電池から流出するものであり、この過剰ガスの流出と平行して、隔壁４０によって空気室４１から仕切られた再燃焼室４２内へ進入するものである。再燃焼による燃焼生成物を含む排ガス９３は、再燃焼室４２から予改質装置２２０へ導入される。この予改質装置２２０は、生ガス９２の改質に必要なプロセス熱を放出するものである。生ガス９２は、導入連結部２２’を介して供給され、改質後、反応物質である一酸化炭素及び水素を含むものであり、中央通路２２を介して燃料電池２０内へ導入されるものである。一部冷却された排ガス９３は、最終的に、排出連結部９３を介してモジュール１から排出されるものである。排ガス９３の熱は、更に加熱暖房需要を賄うものとして利用されるものである。
【００１０】
モジュール１の外壁１０は、外筒３の外側を封鎖するものである。空気９１は連結部２１’を介して、壁１０と断熱構造物３０との間の中空部３１内へ供給され、構造物３０の表面全域にわたって、電池積層体２へ向かって半径方向に、均一に流れるように分散するものである。電池積層体２の上方及び下方には、断熱材３０２、３０１がそれぞれ設けられ、これら断熱材は、空気を透過しないものであり、従って、動的断熱材としては機能しないものである。
【００１１】
外壁１０は、中空部が排気された状態で断熱材として機能するものである。供給された空気９１は、続いて、外壁１０と構造物３０との間の空間３１内へ好適に導入され予熱されるものである。例えば、高温の排ガス９３により４００℃まで予熱される。しかしながら、外壁１０及び外筒３の他の態様として、空気９１の予熱をより好適に行なうものも挙げることができる（欧州特許出願公開第０８１４５２６号に開示された燃料電池モジュールの構成を参照のこと）。
【００１２】
補助加熱装置５は、線状に構成された熱源５０、すなわち、電熱線５１により構成され、これら熱源すなわち電熱線は、外筒３の内側表面において断熱構造物３０に設けられた溝内に均一に配設されたものである。電熱線５１が放出する熱の一部は、半径方向の空気の流れにより燃料電池内へ伝熱する。また加熱暖房用の熱の一部は放射により隔壁４０へ伝熱し、隔壁から電池２０表面へ伝熱する。電熱線５１は例えば伸張されたもの、すなわち、溝３２の湾曲に沿って曲げられたものであってもよく、あるいは螺旋形状を持つものでもよい。また、電熱線５１は他の配向性を持っていてもよく、例えば、積層軸方向にその配向性を持つものでもよい。
【００１３】
燃料電池２０内で生成する電気エネルギーは、線８０、８０’を介して電池積層体２へ接続する二つの電極８１、８１’により引き出される。
また、補助加熱装置５の熱源５０は、ガス加熱装置の通路５１’により構成することもできる。図２はモジュール１の部分断面図であり、軸方向すなわち図面に対して垂直方向に配置された、この種の通路５１’を示している。ガスと空気との混合物は、通路５１’を介して供給され、有穴側壁５２上で開炎５２０の形状で燃焼する。
【００１４】
開炎５２０が電池積層体２の温度を上昇させすぎないように、図２において一点鎖線で示される板４５によりその直接放射を遮断する。
補助加熱装置５の燃焼室４２は、運転時に電池から放出されるガスの再燃消室でもある。空気室４１と再燃焼室４２との間の隔壁４０は、補助加熱装置５の構成要素となるように設けられる。空気室４１は、構造物３０を通過した空気９１を空気供給部２１へ誘導する空気誘導室として構成されるものである。再燃焼室４２が、隔壁より内側（電池側）で拡幅するとき、その広がりに相応じて、空気導入室４１は縮幅するものである。流入空気９１は初めに断熱外筒３の多孔質構造物３０内で予熱され、続いて、高温隔壁４０において更に加熱される。起動時、加熱された空気により電池積層体２への伝熱が生じ、その結果電池積層体２が所望の運転温度まで加熱される。その後、空気が再燃焼室４２へ進入し、そこから補助加熱装置５の排ガスと共に予改質装置２２０（図１参照）内へ流動する。この予改質装置は、このガス混合物により運転温度まで同様に加熱されるものである。
【００１５】
図３は、図２に係るガス式補助加熱装置の一変体を示す斜視図である。この場合、外筒３の断熱材は、空気不透性材料により構成された要素３０’からなる。空気９１は、多数の通路３３及び溝３４を介して半径方向へ供給されるものであり、この溝３４は、隣接する要素３０’間の接合部に位置するものである。（また要素３０’は放射状溝３４を持たず通路３３のみを有する閉円筒環で形成されてもよい。）板金層４６が空気室４１内に、放射状通路３３に対して垂直に設けられ、この層は、一方では流入空気９１に対する偏向バッフルとして機能するものであり、他方では隔壁４０から外部へ向かう熱放射を遮断するものである。要素３０’及び遮断層４６に係るこの配置は動的断熱効果を有するものでもある。
【００１６】
有穴側壁の代わりに、ガスと空気との混合物の通路５１’は、多孔質材料で形成された側壁５２’を有している。隔壁４０は多数の構成部材４０’、４０’’の組み合わせにより構成される。空気供給部２１（図２参照）の小管用の開口部２１０が、図面に示されている。
【００１７】
図４に係る態様例は、図２で示される装置を更に改良したものである。基本的な相違点は、金属製の隔壁４０の代わりにセラミック材料製の隔壁４０’が使用されている点である。この変体は比較的容易に作製することができ、その方法は、多孔質セラミック構造物３０が空気室４１を充填するように、該構造物を好適に形成することにあり、更にその方法は、構造物３０の内側（電池側）表面上の孔をセラミック粒子で封鎖することにあり、このセラミック粒子は、スラリーとして塗布された後、焼成されるものである。セラミックフェルト製の閉鎖円筒環３５が空気供給部２１との接合部に設けられるが、実際には金属環の形をしたマウント３６内に設けられることが好ましい。通路５１’の内壁も、セラミック材料により被覆されている。図３に係る態様例のような多孔質材料製の壁５２’が、供給される加熱手段の燃焼（炎５２０）のために設けられる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池モジュール１を備えた、電気エネルギー及び加熱暖房用の熱を同時に発生させるためのプラント９が図５に示されている。このプラント９は更に次のものを含んでなる。すなわち、モジュール１の電極８１及び８１’に接続された装置８であり、電池が発生する直流がこの装置により交流に変換されるものであり、更にこの装置は線８２を介して電力本線に接続している。更にプラントは補助加熱装置６を含み、この加熱装置はバーナー６１を備え、更に伝熱媒体へエネルギーを与える熱交換システム７を有している。熱は用水加熱装置７５及び／又は部屋暖房システム７６へ伝熱される。加熱装置６は、モジュール１の排ガス連結部２３と接続している。空気９１は送風機２１１によりモジュール１内へ供給される。ガス９２及び９２’の供給は、配管２２’’を介してモジュール１内へ、配管６２を介してバーナー６１内へ各々なされる。燃料電池２０から発生する排ガス及びバーナー６１から発生する排ガスは、配管２４を介して非図示の煙突へ誘導される。
【００１９】
モジュール１から加熱装置６まで至る排ガス配管２６は、バーナー６１の空気供給部と接続している。この配管は、バーナー６１の空気供給部の手前で連結部２３と接続するとき、分岐するものである。排ガス配管の第二の分岐部２７は、例えば別の熱交換器（非図示）へ誘導されてもよく、またこの熱交換器は熱交換システム７の一部であってもよい。バーナー６１は、熱交換システム７の熱交換器を加熱するものである。種々の遮断要素６０を使用することにより、プラント９の多様な使用法を実現できる。プラント９について実現可能な多様な代替態様は欧州特許明細書第９６８１０４４８−９号に記載されている。
【００２０】
また、ガス９２’の代わりに石油をバーナー６１内で燃焼させるようにプラント９を設計してもよい。
同様に、本発明に係る燃料電池モジュール１の燃料として液体物質を適宜利用することも可能である。このことは、液体燃料のガス化と改質とが同時あるいは二つの連続する工程により行われるように予改質装置２２０（図１）を設計することにより可能となる。
【００２１】
加熱暖房用の熱需要が低い場合は、バーナー６１を伴う加熱装置６を設けずに熱交換システム７のみを設けてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、燃料電池及び該電池に一体に組み込まれた補助加熱装置を具備してなり、必要に応じて異なるユニットを組み合わせることが可能なプラント用モジュールとして特に好適な新規な装置が提供される。
さらに、本発明によれば、電気エネルギーを発生させると同時に、電池モジュールから放出される熱を加熱暖房用途に利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  補助電熱装置を備えた本発明に係る燃料電池モジュールを示す断面図。
【図２】  ガスを燃焼させる補助加熱装置を備えた本発明に係るモジュールの詳細を示す断面図。
【図３】  別の好適な態様例の詳細を示す斜視図。
【図４】  ガス式補助加熱装置の第３の態様例を示す断面図。
【図５】  本発明に係るモジュールを具備するプラントを示す回路図。
【符号の説明】
１…燃料電池モジュール、２…円筒状積層体としての電池積層体、３…外筒、４…空間、５…補助加熱装置、２０…電池、２１…空気供給部、５０…熱源、９１…空気の流れ、９３…排ガス。
【図１】
0004557323.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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