(57)【要約】【課題】燃料電池モジュールに供給される燃料ガスの原料として通常のガソリンスタンドで給油可能なガソリンや軽油等を用いる。【解決手段】炭化水素を気化した燃料ガスと空気の混合気をエンジン１１内で燃焼させて機械的動力を発生する。固体電解質層とこの両面に配設された燃料極層及び空気極層とからなる発電セルを複数積層した燃料電池モジュール１３の燃料極層に上記炭化水素を改質した燃料ガスを供給しかつ空気極層に上記空気又は酸素を供給することにより、燃料電池モジュールは９３０℃以下で発電可能に構成される。エンジンがレシプロエンジン又はロータリエンジンであり、このエンジンの発生する機械的動力又は燃料電池モジュールの発生する電力のいずれか一方又は双方が出力されるように構成され、エンジンから排出された排ガスにより、燃料電池モジュールが加熱されて起動されるように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を気化した燃料ガスと空気の混合気の燃焼にて機械的動力を発生するエンジン(11)と、
固体電解質層(29)とこの固体電解質層(29)の両面に配設された燃料極層(31)及び空気極層(32)とからなる発電セル(24)が複数積層され前記燃料極層(31)に前記炭化水素を改質した燃料ガスを供給しかつ前記空気極層(32)に前記空気又は酸素を供給することにより９３０℃以下で発電して電力を発生する燃料電池モジュール(13)と
を備えたハイブリッド動力システムであって、
前記エンジン(11)がレシプロエンジン又はロータリエンジンであり、
前記エンジン(11)の発生する機械的動力又は前記燃料電池モジュール(13)の発生する電力のいずれか一方又は双方を出力するように構成され、
前記エンジン(11)から排出された排ガスにより、前記燃料電池モジュール(13)が加熱されて起動可能に構成された
ことを特徴とするハイブリッド動力システム。
【請求項２】
エンジン(11)の発生する機械的動力が発電機(12)により電力に変換されて出力されるように構成された請求項１記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３】
燃料電池モジュール(13)又は発電機(12)のいずれか一方又は双方が発生する電力を蓄える二次電池(14)を更に備えた請求項１又は２記載のハイブリッド動力システム。
【請求項４】
燃料電池モジュール(13)、発電機(12)及び二次電池(14)からなる群より選ばれた１種又は２種以上の発生する電力が電気機器(16)に出力され、前記電気機器(16)が前記電力により駆動されるように構成された請求項１ないし３いずれか１項に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項５】
電気機器(16)が電動モータである請求項４記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６】
エンジン(11)から排出された排ガスにより、発電セル(24)に供給される炭化水素が改質されるように構成された請求項１ないし５いずれか１項に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項７】
燃料ガスを予熱して燃料極層(31)に供給するための燃料予熱管(61)が燃料電池モジュール(13)内に設けられ、
空気又は酸素を予熱して空気極層(32)に供給するために空気予熱管(62)が前記燃料電池モジュール(13)内に設けられ、
エンジン(11)から排出された排ガスにより前記空気予熱管(62)が予熱され、
前記エンジン(11)から排出された排ガスにより前記燃料予熱管(61)が予熱されて前記燃料予熱管(61)内を通る水蒸気を含む炭化水素が改質されるように構成された
請求項１ないし６いずれか１項に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項８】
燃料予熱管(61)内に炭化水素が流通可能な密度で改質粒子が充填された請求項６又は７記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９】
燃料電池モジュール(13)に改質器(64)が設けられ、
前記改質器(64)がエンジン(11)の排ガスが導入される改質用ケース(66)と、前記改質用ケース(66)に収容されかつ炭化水素が流通可能な密度で改質粒子が充填された改質管(67)とを有し、
前記炭化水素が改質管(67)を通過することにより前記炭化水素が低炭化水素族の燃料ガス、或いはＣＯ又はＨ2の燃料ガスに改質されて前記燃料電池モジュール(13)に供給されるように構成された請求項１ないし８いずれか１項に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１０】
改質器(64)内の改質管(67)を加熱する第１補助加熱器(81)が設けられた請求項９記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１１】
燃料予熱管(61)及び空気予熱管(62)を加熱する第２補助加熱器(82)が燃料電池モジュール(13)内に設けられた請求項６ないし１０いずれか１項に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１２】
燃料予熱管(61)の基端に燃料供給パイプ(68)が接続され、炭化水素のうち常温で液体である高融点の炭化水素を霧状に噴射して前記燃料予熱管(61)に供給する燃料噴射器(73)が前記燃料供給パイプ(68)に設けられた請求項６ないし１１いずれか１項に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１３】
燃料供給パイプ(68)に水供給パイプ(74)が接続され、水を霧状に噴射して前記燃料供給パイプ(73)に供給する水噴射器(76)が前記水供給パイプ(73)に設けられた請求項１２記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１４】
燃料電池モジュール(13)にこの燃料電池モジュール(13)の温度を検出するモジュール温度センサ(72)が挿入され、
前記燃料電池モジュール(13)がエンジン(11)の排ガスにより加熱されて前記燃料電池モジュール(13)の発電可能な温度に達したことを前記モジュール温度センサ(72)が検出したときにコントローラ(77)が前記燃料電池モジュール(13)を制御して発電運転を開始するように構成された請求項１ないし１３いずれか１項に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１５】
電気機器(16)の負荷に基づいてコントローラ(77)がエンジン(11)、燃料電池モジュール(13)及び二次電池(14)からなる群より選ばれた１種又は２種以上を制御するように構成された請求項１４記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１６】
空気予熱管(62)の基端に設けられた空気供給パイプ(69)に空気流量調整弁(71)が設けられ、
改質器(64)の温度を改質器温度センサが検出し、
コントローラ(77)がモジュール温度センサ(72)及び改質器温度センサの各検出出力に基づいて燃料噴射器(73)、水噴射器(76)、空気流量調整弁(71)、第１補助加熱器(81)及び第２補助加熱器(82)を制御するように構成された請求項１４又は１５記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１７】
燃料電池モジュール(13)を収容する電池ケース(63)の内側室(63d)及び外側室(63e)を連通する連通管(63f)にこの連通管(63f)を開閉する第１モータバルブ(91)が設けられ、
エンジン(11)と前記燃料電池モジュール(13)とを連通する上流側排気管(21a)にこの上流側排気管(21a)を開閉する第２モータバルブ(92)が設けられ、
前記上流側排気管(21a)と改質器(64)とを連通する上流側分岐管(21c)にこの上流側分岐管(21c)を開閉する第３モータバルブ(93)が設けられ、
コントローラ(77)がモジュール温度センサ(72)及び改質器温度センサの各検出出力に基づいて前記第１〜第３モータバルブ(91〜93)を制御するように構成された請求項１４ないし１６いずれか１項に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１８】
電気機器(16)又はエンジン(11)の発生する機械的動力のいずれか一方又は双方により自動車、船、電車、飛行機、モータサイクル又は建設機械が駆動されるように構成された請求項１ないし１７いずれか１項に記載のハイブリッド動力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型の燃料電池モジュールを用いたハイブリッド動力システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液体燃料及び水を主成分とする原料を改質器のバーナで加熱・分解して水素ガスを生成し、電解質層の両面に燃料電極及び酸素電極が配設された燃料電池が改質器で生成された水素ガスを燃料電極に取込んで発電するとともに所定の負荷に定常的な電力を供給し、二次電池が負荷に少なくとも負荷始動時若しくは負荷変動時に所要の電力を供給し、更に電力供給切替え手段が燃料電池及び二次電池からの電力供給を切替え可能に構成された燃料電池発電システムが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この燃料電池発電システムでは、改質器のバーナが噴射した燃焼ガスを燃料電池に導く燃料電池加熱手段が設けられ、この燃料電池加熱手段により燃料電池が始動可能（発電可能）な温度に加熱されるように構成される。また電解質層がイオン導電性を有する高分子膜系で形成され、液体燃料としてはメタノールが用いられる。
【０００３】
このように構成された燃料電池発電システムでは、改質器で水素生成時に使用するバーナの燃焼ガスによって燃料電池を所定の温度に達するまで加熱することにより、燃料電池の発電開始までの時間を大幅に短縮することができるので、燃料電池の発電効率の向上を図ることができる。またこれにより二次電池からの電力供給を低減することができるので、二次電池の数を減らすことができ、コンパクトで軽量な燃料電池発電システムが得られるようになっている。
【特許文献１】特開平６−１４００６５号公報（請求項１及び２、段落［００１９］、段落［００６７］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記従来の特許文献１に示された燃料電池発電システムでは、燃料電池に供給される燃料ガスの原料がメタノールであるため、このシステムを自動車に搭載した場合、通常のガソリンスタンドでは給油できない不具合があった。
また、上記従来の特許文献１に示された燃料電池発電システムでは、燃料電池の作動温度が比較的低いため、メタノールを改質器でＨ2（水素ガス）に完全に改質した後に燃料電池に供給しないと燃料電池の発電効率が低下する問題点があった。
更に、上記従来の特許文献１に示された燃料電池発電システムでは、電解質層が高分子膜系により形成されているため、発電セルからＣＯ（一酸化炭素）が排出されるおそれがあり、この一酸化炭素の処理が煩わしい問題点もあった。
【０００５】
本発明の第１の目的は、燃料電池モジュールに供給される燃料ガスの原料として通常のガソリンスタンドで給油可能なガソリンや軽油等を用いることができる、ハイブリッド動力システムを提供することにある。
本発明の第２の目的は、燃料電池の作動温度が比較的高いため、Ｈ2の他にＣＯやＣＨ4（メタンガス）を直接燃料電池に供給しても、燃料電池モジュールが効率良く発電できる、ハイブリッド動力システムを提供することにある。
本発明の第３の目的は、燃料電池の作動温度が比較的高いため、エンジン又は燃料電池の廃熱を利用することにより、ガソリンや軽油等の炭化水素を低炭化水素、ＣＯ又はＨ2に速やかに改質することができる、ハイブリッド動力システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、図１及び図２に示すように、炭化水素を気化した燃料ガスと空気の混合気の燃焼にて機械的動力を発生するエンジン１１と、固体電解質層２９とこの固体電解質層２９の両面に配設された燃料極層３１及び空気極層３２とからなる発電セル２４が複数積層され燃料極層３１に上記炭化水素を改質した燃料ガスを供給しかつ空気極層３２に上記空気又は酸素を供給することにより９３０℃以下で発電可能な燃料電池モジュール１３とを備えたハイブリッド動力システムであって、エンジン１１がレシプロエンジン又はロータリエンジンであり、このエンジン１１の発生する機械的動力又は燃料電池モジュール１３の発生する電力のいずれか一方又は双方を出力するように構成され、エンジン１１から排出された排ガスにより、燃料電池モジュール１３が加熱されて起動可能に構成されたことを特徴とする。
【０００７】
この請求項１に記載されたハイブリッド動力システムでは、エンジン１１を始動すると、エンジン１１が機械的動力を発生する。また燃料電池モジュール１３が発電可能な温度に達すると、炭化水素を改質した燃料ガスが空気又は酸素とともに燃料電池モジュール１３に供給され、燃料電池モジュール１３が発電を開始して電力を発生する。燃料電池モジュール１３の発生する電力が十分であるときには、エンジン１１を停止し、燃料電池モジュール１３の発生する電力が不足しているときには、エンジン１１を始動して、エンジン１１の発生する機械的動力を出力する。またエンジン１１から排出された排ガスの熱により、燃料電池モジュール１３が加熱されて起動可能な温度まで上昇するので、燃料電池モジュール１３が発電可能になる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図１に示すように、エンジン１１の発生する機械的動力が発電機１２により電力に変換されて出力されるように構成されたことを特徴とする。
この請求項２に記載されたハイブリッド動力システムでは、エンジン１１を始動すると、エンジン１１により発電機１２が駆動されて電力を発生する。燃料電池モジュール１３が発電可能な温度に達すると、炭化水素を改質した燃料ガスが空気又は酸素とともに燃料電池モジュール１３に供給され、燃料電池モジュール１３が発電を開始して電力を発生する。燃料電池モジュール１３の発生する電力が十分であるときには、エンジン１１を停止し、燃料電池モジュール１３の発生する電力が不足しているときには、エンジン１１を始動して、エンジン１１の発生する機械的動力を発電機１２により電力に変換して出力する。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、更に図１に示すように、燃料電池モジュール１３又は発電機１２のいずれか一方又は双方が発生する電力を蓄える二次電池１４を更に備えたことを特徴とする。
この請求項３に記載されたハイブリッド動力システムでは、出力が不足しているときに、二次電池１４に蓄えられた電力が出力され、燃料電池モジュール１３又は発電機１２の発生する電力が余っているときに、燃料電池モジュール１３又は発電機１２の発生する電力が二次電池１４に蓄えられる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項に係る発明であって、更に図１に示すように、燃料電池モジュール１３、発電機１２及び二次電池１４からなる群より選ばれた１種又は２種以上の発生する電力が電気機器１６に出力され、この電気機器１６が上記電力により駆動されるように構成されたことを特徴とする。
この請求項４に記載されたハイブリッド動力システムでは、エンジン１１を始動すると、エンジン１１により発電機１２が駆動されて電力を発生し、この電力は電気機器１６に出力される。燃料電池モジュール１３が発電可能な温度に達すると、炭化水素を改質した燃料ガスが空気又は酸素とともに燃料電池モジュール１３に供給され、燃料電池モジュール１３が発電を開始して電力を発生し、この電力は電気機器１６に供給される。燃料電池モジュール１３から電気機器１６に出力される電力が十分であるときには、エンジン１１を停止する。また電気機器１６に出力される電力が不足しているときには、エンジン１１を始動して、エンジン１１の発生する機械的動力を発電機１２により電力に変換して電気機器１６に出力する。
また上記電気機器１６が電動モータであることが好ましい。
【００１１】
請求項６に係る発明は、請求項１ないし５いずれか１項に係る発明であって、更に図１及び図２に示すように、エンジン１１から排出された排ガスにより、発電セル２４に供給される炭化水素が改質されるように構成されたことを特徴とする。
この請求項６に記載されたハイブリッド動力システムでは、エンジン１１から排出された排ガスの熱により、発電セル２４に供給される前の炭化水素が改質可能な温度まで上昇するので、炭化水素は改質されて発電運転に最適な低炭化水素族になる。
【００１２】
請求項７に係る発明は、請求項１ないし６いずれか１項に係る発明であって、更に図１及び図２に示すように、燃料ガスを予熱して燃料極層３１に供給するための燃料予熱管６１が燃料電池モジュール１３内に設けられ、空気又は酸素を予熱して空気極層３２に供給するために空気予熱管６２が燃料電池モジュール１３内に設けられ、エンジン１１から排出された排ガスにより空気予熱管６２が予熱され、エンジン１１から排出された排ガスにより燃料予熱管６１が予熱されて燃料予熱管６１内を通る水蒸気を含む炭化水素が改質されるように構成されたことを特徴とする。
この請求項７に記載されたハイブリッド動力システムでは、燃料予熱管６１内の燃料ガス及び空気予熱管６２内の空気等がエンジン１１の排ガスにより加熱された後に、発電セル２４に供給されるので、発電セル２４は速やかに最適な温度に上昇して発電可能となる。
【００１３】
請求項８に係る発明は、請求項６又は７に係る発明であって、更に図２に示すように、燃料予熱管６１内に炭化水素が流通可能な密度で改質粒子が充填されたことを特徴とする。
この請求項８に記載されたハイブリッド動力システムでは、水蒸気を含む燃料ガスが燃料予熱管６１内で改質粒子に接触し低炭化水素族の燃料ガス等に改質されて発電セル２４に供給される。
【００１４】
請求項９に係る発明は、請求項１ないし８いずれか１項に係る発明であって、更に図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１３に改質器６４が設けられ、改質器６４がエンジン１１の排ガスが導入される改質用ケース６６と、改質用ケース６６に収容されかつ炭化水素が流通可能な密度で改質粒子が充填された改質管６７とを有し、炭化水素が改質管６７を通過することにより炭化水素が低炭化水素族の燃料ガス、或いはＣＯ又はＨ2の燃料ガスに改質されて燃料電池モジュール１３に供給されるように構成されたことを特徴とする。
この請求項９に記載されたハイブリッド動力システムでは、炭化水素が水とともに改質器６４の改質管６７に流入すると、この炭化水素及び水は改質用ケース６６内を通過する排ガスにて加熱されて気化し、水蒸気を含む燃料ガスになる。この水蒸気を含む燃料ガスは改質管６７内で改質粒子に接触し低炭化水素族の燃料ガス等に改質されて燃料電池モジュール１３に供給される。また改質器６４が燃料モジュール１３近傍に設けられているので、改質器６４が燃料モジュール１３から発電時に発生する熱を吸収して、水蒸気を含む燃料ガスが改質管６７内で改質粒子により更に効率良く低炭化水素族の燃料ガス等に改質される。
【００１５】
請求項１０に係る発明は、請求項９に係る発明であって、更に図２に示すように、改質器６４内の改質管６７を加熱する第１補助加熱器８１が設けられたことを特徴とする。
この請求項１０に記載されたハイブリッド動力システムでは、炭化水素が水とともに改質器６４の改質管６７に流入すると、この炭化水素及び水は改質用ケース６６内を通過するエンジン１１の排ガスのみならず、第１補助加熱器８１により加熱されるので、速やかに気化して水蒸気を含む燃料ガスになる。この水蒸気を含む燃料ガスは改質管６７内で改質粒子に接触し、速やかに低炭化水素族の燃料ガス、或いはＣＯ又はＨ2の燃料ガスに改質される。
【００１６】
請求項１１に係る発明は、請求項６ないし１０いずれかに係る発明であって、更に図２に示すように、燃料電池モジュール１３内の燃料予熱管６１及び空気予熱管６２を加熱する第２補助加熱器８２が設けられたことを特徴とする。
この請求項１１に記載されたハイブリッド動力システムでは、低炭化水素族の燃料ガス、或いはＣＯ又はＨ2の燃料ガスが燃料電池モジュール１３内の燃料予熱管６１に流入し、空気又は酸素が空気予熱管６２に流入すると、燃料ガス及び空気等は燃料電池モジュール１３内を通過するエンジン１１の排ガスのみならず、第２補助加熱器８２により加熱され、発電に最適な比較的高温に加熱された後に発電セル２４に供給される。
【００１７】
請求項１２に係る発明は、請求項６ないし１１いずれかに係る発明であって、更に図１及び図２に示すように、燃料予熱管６１の基端に燃料供給パイプ６８が接続され、炭化水素のうち常温で液体である高融点の炭化水素を霧状に噴射して燃料予熱管６１に供給する燃料噴射器７３が燃料供給パイプ６８に設けられたことを特徴とする。
請求項１３に係る発明は、請求項１２に係る発明であって、更に図１及び図２に示すように、燃料供給パイプ６８に水供給パイプ７４が接続され、水を霧状に噴射して燃料供給パイプ７３に供給する水噴射器７６が水供給パイプ７３に設けられたことを特徴とする。
これら請求項１２又は１３に記載されたハイブリッド動力システムでは、液体の燃料又は水を速やかに気化することができる。
【００１８】
請求項１４に係る発明は、請求項１ないし１３いずれか１項に係る発明であって、更に図１に示すように、燃料電池モジュール１３にこの燃料電池モジュール１３の温度を検出するモジュール温度センサ７２が挿入され、燃料電池モジュール１３がエンジン１１の排ガスにより加熱されて燃料モジュール１３の発電可能な温度に達したことをモジュール温度センサ７２が検出したときにコントローラ７７が燃料電池モジュール１３を制御して発電運転を開始するように構成されたことを特徴とする。
この請求項１４に記載されたハイブリッド動力システムでは、エンジン１１始動直後のように燃料電池モジュール１３が低温であるときには、燃料電池モジュール１３による発電を停止した状態に保ち、燃料電池モジュール１３がエンジン１１の排ガスにより加熱されて発電可能な温度に達したことを温度センサ７２が検出すると、燃料電池モジュール７２による発電を開始させるので、燃料電池モジュール１３による効率の良い発電が可能となる。
【００１９】
また電気機器１６の負荷に基づいてコントローラ７７がエンジン１１、燃料電池モジュール１３及び二次電池１４からなる群より選ばれた１種又は２種以上を制御するように構成されることが好ましい。
また空気予熱管６２の基端に設けられた空気供給パイプ６９に空気流量調整弁７１が設けられ、改質器６４の温度を改質器温度センサが検出し、コントローラ７７がモジュール温度センサ７２及び改質器温度センサの各検出出力に基づいて燃料噴射器７３、水噴射器７６、空気流量調整弁７１、第１補助加熱器８１及び第２補助加熱器８２を制御するように構成することができる。
【００２０】
また燃料電池モジュール１３を収容する電池ケース６３の内側室６３ｄ及び外側室６３ｅを連通する連通管６３ｆにこの連通管６３ｆを開閉する第１モータバルブ９１が設けられ、エンジン１１と燃料電池モジュール１３とを連通する上流側排気管２１ａにこの上流側排気管２１ａを開閉する第２モータバルブ９２が設けられ、上流側排気管２１ａと改質器６４とを連通する上流側分岐管２１ｃにこの上流側分岐管２１ｃを開閉する第３モータバルブ９３が設けられ、コントローラ７７がモジュール温度センサ７２及び改質器温度センサの各検出出力に基づいて第１〜第３モータバルブ９１〜９３を制御するように構成されることもできる。
なお、電気機器１６又はエンジン１１の発生する機械的動力のいずれか一方又は双方により自動車、船、電車、飛行機、モータサイクル又は建設機械が駆動されるように構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、炭化水素を気化した燃料ガスと空気の混合気の燃焼にて動力を発生し、固体電解質層とこの両面に配設された燃料極層及び空気極層とからなる発電セルを複数積層した燃料電池モジュールの燃料極層に上記炭化水素を改質した燃料ガスを供給しかつ空気極層に空気又は酸素を供給することにより９３０℃以下で発電し、レシプロエンジン等の発生する機械的動力又は燃料電池モジュールの発生する電力のいずれか一方又は双方を出力するように構成し、更にこのエンジンから排出された排ガスにより、燃料電池モジュールを加熱して起動可能に構成したので、エンジンを始動すると、エンジンが機械的動力を発生し、燃料電池モジュールが所定の温度に達すると、炭化水素を改質した燃料ガスが空気又は酸素とともに燃料電池モジュールに供給され、燃料電池モジュールが発電を開始して電力を発生する。燃料電池モジュールの発生する電力が十分であるときには、エンジンを停止し、燃料電池モジュールの発生する出力が不足しているときには、エンジンを始動してこのエンジンの発生する機械的動力を出力する。
また燃料電池モジュールに供給される燃料ガスの原料として通常のガソリンスタンドでは給油できないメタノールを用いる従来の燃料電池発電システムと比較して、本発明では通常のガソリンスタンドで給油可能なガソリンを用いることができる。またエンジンの排ガスの熱により、燃料電池モジュールが起動可能な温度まで上昇するので、燃料電池モジュールが発電可能になる。
【００２２】
またエンジンの発生する機械的動力を発電機により電力に変換して出力するように構成すれば、エンジンを始動すると、エンジンにより発電機が駆動されて電力を発生する。この結果、燃料電池モジュールの発生する電力が十分であるときには、エンジンを停止し、燃料電池モジュールの発生する電力が不足しているときには、エンジンを始動して、エンジンの発生する機械的動力を発電機により電力に変換して出力する。
また燃料電池モジュール又は発電機のいずれか一方又は双方が発生する電力を二次電池に蓄えるように構成すれば、出力が不足しているときには、二次電池に蓄えられた電力が出力され、燃料電池モジュール又は発電機の発生する電力が余っているときには、燃料電池モジュール又は発電機の発生する電力が二次電池に蓄えられる。
また燃料電池モジュール、発電機及び二次電池からなる群より選ばれた１種又は２種以上の発生する電力を電気機器に出力し、この電気機器を上記電力により駆動するように構成すれば、燃料電池モジュールから電気機器に出力される電力が十分であるときには、エンジンを停止し、電気機器に出力される電力が不足しているときには、エンジンを始動して、エンジンの発生する機械的動力を発電機により電力に変換して電気機器に出力する。
【００２３】
またエンジンから排出された排ガスにより、発電セルに供給される燃料ガスを改質すれば、燃料ガスは発電運転に最適な低炭化水素族になる。
また燃料予熱管及び空気予熱管を燃料電池モジュール内に設け、エンジンから排出された排ガスにより空気予熱管が予熱されて空気予熱管を通る空気又は酸素が加熱され、エンジンから排出された排ガスにより燃料予熱管が予熱されて燃料予熱管内を通る水蒸気を含む炭化水素が改質されるので、上記燃料ガス及び空気等が発電セルに供給されることにより、燃料電池モジュール全体が速やかに最適な温度に上昇して発電可能になる。
また燃料予熱管内に炭化水素が流通可能な密度で改質粒子を充填すれば、水蒸気を含む燃料ガスが燃料予熱管内で改質粒子に接触し低炭化水素族の燃料ガス等に改質されて発電セルに供給される。
【００２４】
また改質器の改質用ケースにエンジンの排ガスを導入し、この改質用ケースに収容された改質管に改質粒子を充填すれば、炭化水素が水とともに改質管に流入すると、この炭化水素及び水は上記エンジンの排ガスにて加熱されて気化し、水蒸気を含む燃料ガスになる。この結果、上記水蒸気を含む燃料ガスは改質器で効率良く低炭化水素族の燃料ガス等に改質される。
また改質器が燃料モジュール近傍に設けられているので、改質器が燃料モジュールから発電時に発生する熱を吸収して、水蒸気を含む燃料ガスが改質管内で改質粒子により更に効率良く低炭化水素族の燃料ガス等に改質される。
【００２５】
また第１補助加熱器により改質器内の改質管を加熱すれば、改質器の改質管内の炭化水素及び水はエンジンの排ガスのみならず、第１補助加熱器により加熱されるので、速やかに気化して水蒸気を含む燃料ガスになるとともに、この水蒸気を含む燃料ガスは改質管内で改質粒子に接触し、速やかに低炭化水素族の燃料ガス等に改質される。
また第２補助加熱器により燃料電池モジュール内の燃料予熱管及び空気予熱管を加熱すれば、燃料ガス及び空気等はエンジンの排ガスのみならず、第２補助加熱器により加熱されるので、発電に最適な比較的高温に加熱された後に発電セルに供給される。
【００２６】
また炭化水素のうち常温で液体である高融点の炭化水素を燃料噴射器により霧状に噴射して燃料予熱管に供給したり、或いは水を水噴射器により霧状に噴射して燃料供給パイプに供給すれば、液体の燃料又は水を速やかに気化することができる。
更に燃料電池モジュールにこの燃料電池モジュールの温度を検出するモジュール温度センサを挿入し、燃料電池モジュールがエンジンの排ガスにより加熱されて発電可能な温度に達したことをモジュール温度センサが検出したときに、コントローラが燃料電池モジュールを制御して発電運転を開始すれば、燃料電池モジュールにより効率良く発電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本発明のハイブリッド動力システムは自動車に搭載される。このハイブリッド動力システムはガソリンを燃料とするエンジン１１と、このエンジン１１のクランク軸１１ａに入力軸１２ａが連結された発電機１２と、９３０℃以下で発電可能な燃料電池モジュール１３と、二次電池１４と、電動モータ１６とを備える。エンジン１１の吸気ポートには吸気マニホルド１７を介して吸気管１８が接続され、エンジン１１の排気ポートには排気マニホルド１９を介して排気管２１の上流側排気管２１ａが接続される。吸気管１８の途中にはガソリンを気化させて吸気管１８に供給する気化器２２が設けられ、この気化器２２には基端が燃料タンク（ガソリンが貯留される。）に接続された給油管２３の先端が接続される。気化器２２で気化されたガソリンは空気と混合され吸気管１８及び吸気マニホルド１７を通ってエンジン１１のシリンダ（図示せず）に供給され、このシリンダ内で爆発的に燃焼してピストン（図示せず）を駆動することにより、クランク軸１１ａを回転させるように構成される。また発電機１２は上記クランク軸１１ａの回転力が入力軸１２ａに伝達されることにより電力を発生するように構成される。なお、本発明は円筒状のピストン及びクランク軸を有するレシプロエンジンではなく、三角形のロータ及び偏心軸を有するロータリエンジンにも適用できる。
【００２８】
燃料電池モジュール１３は３００〜９００℃の範囲で発電可能であることが好ましく、図２に示すように、積層された（ｎ＋１）個の発電セル２４を有する燃料電池２６と、この燃料電池２６の近傍にそれぞれ設けられた燃料用ディストリビュータ２７及び空気用ディストリビュータ２８とを備える。ここで、ｎは正の整数である。発電セル２４は円板状の固体電解質層２９と、この固体電解質層２９の両面に配設された円板状の燃料極層３１及び空気極層３２とからなる。ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル２４の燃料極層３１とこの燃料極層３１に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル２４の空気極層３２との間には導電性材料により正方形板状に形成されたセパレータ３３がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装される。またｉ番目の発電セル２４の燃料極層３１とｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ３３との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の燃料極集電体３４が介装され、（ｉ＋１）番目の発電セル２４の空気極層３２とｊ番目のセパレータ３３との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の空気極集電体３６が介装される。更に１番目の発電セル２４の空気極層３２には空気極集電体３６を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第１端板４１が積層され、（ｎ＋１）番目の発電セル２４の燃料極層３１には燃料極集電体３４を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第２端板４２が積層される。なお、固体電解質層、燃料極層、空気極層、燃料極集電体及び空気極集電体は円板状ではなく、四角形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。また、セパレータ、第１端板及び第２端板は正方形板状ではなく、円板状、或いは長方形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。
【００２９】
固体電解質層２９は酸化物イオン伝導体により形成される。具体的には、一般式（１）：Ｌｎ１ Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏで示される酸化物イオン伝導体である。但し、上記一般式（１）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって４３．６〜５１．２重量％含まれ、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって５．４〜１１．１重量％含まれ、Ｇａは２０．０〜２３．９重量％含まれ、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素でないとき、Ｂ１は１．２１〜１．７６重量％含まれ、Ｂ２は０．８４〜１．２６重量％含まれ、Ｂ３は０．２３〜３．０８重量％含まれ、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素であるとき、Ｂ１の含有量とＢ３の含有量の合計が１．４１〜２．７０重量％であり、Ｂ２の含有量とＢ３の含有量の合計が１．０７〜２．１０重量％である。
【００３０】
また固体電解質層２９を一般式（２）：Ｌｎ１1-x Ａx Ｇａ1-y-z-w Ｂ１y Ｂ２z Ｂ３w Ｏ3-dで示される酸化物イオン伝導体により形成してもよい。但し、上記一般式（２）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ｘは０．０５〜０．３、ｙは０．０２５〜０．２９、ｚは０．０１〜０．１５、ｗは０．０１〜０．１５、ｙ＋ｚ＋ｗは０．０３５〜０．３及びｄは０．０４〜０．３である。上記のような酸化物イオン伝導体にて固体電解質層２９を形成することにより、燃料電池２６の発電効率を低下させずに、発電運転を６５０±５０℃と比較的低温で行うことが可能となる。
【００３１】
燃料極層３１はＮｉ等の金属により構成されたり、又はＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットにより構成されたり、或いはＮｉと一般式（３）：Ｃｅ1-m Ｄm Ｏ2で表される化合物との混合体により多孔質に形成される。但し、上記一般式（３）において、ＤはＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、ｍはＤ元素の原子比であり、０．０５〜０．４、好ましくは０．１〜０．３の範囲に設定される。
【００３２】
空気極層３２は一般式（４）：Ｌｎ２1-x Ｌｎ３x Ｅ1-y Ｃｏy Ｏ3+dで示される酸化物イオン伝導体により多孔質に形成される。  但し、上記一般式（４）において、Ｌｎ２はＬａ又はＳｍのいずれか一方又は双方の元素であり、Ｌｎ３はＢａ，Ｃａ又はＳｒのいずれか一方又は双方の元素であり、ＥはＦｅ又はＣｕのいずれか一方又は双方の元素である。またｘはＬｎ３の原子比であり、０．５を越え１．０未満の範囲に設定される。ｙはＣｏ元素の原子比であり、０を越え１．０以下、好ましくは０．５以上１．０以下の範囲に設定される。ｄは−０．５以上０．５以下の範囲に設定される。
【００３３】
上記発電セル２４の製造方法の一例を下記に示す。先ず原料粉末として、Ｌａ2Ｏ3，ＳｒＣＯ3，Ｇａ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＣｏＯの各粉末をＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ2.8となるように秤量して混合した後に、１１００℃で予備焼成して仮焼体を作製する。次いでこの仮焼体を粉砕した後に、所定のバインダ、溶剤などを加えて混合することによりスラリーを調製し、このスラリーをドクタブレード法によりグリーンシートを作製する。次にこのグリーンシートを空気中で十分に乾燥し、所定の寸法に切出した後に、１４５０℃で焼結することにより固体電解質層２９を得る。この固体電解質層２９の一方の面に、Ｎｉと（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2が体積比で６：４となるように、ＮｉＯ粉末と（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2粉末とを混合した後に、この混合粉末を１１００℃で焼付けることにより燃料極層３１を形成する。更に上記固体電解質層２９の他方の面に（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5）ＣｏＯ3を１０００℃で焼付けることにより空気極層３２を形成する。このようにして発電セル２４が作製される。
【００３４】
セパレータ３３はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成されることが好ましい。例えば、ＳＵＳ３１６、インコネル６００、ハステロイＸ（Haynes Stellite社の商品名）、ヘインズアロイ２１４などが挙げられる。またセパレータ３３には燃料供給通路４３と、空気供給通路４４と、複数の挿入穴３３ａが形成される（図３及び図４）。燃料供給通路４３はセパレータ３３の外周面から略中心に向う第１燃料穴４３ａと、第１燃料穴４３ａに連通しセパレータ３３の略中心から燃料極集電体３４に臨む第２燃料穴４３ｂとを有する。また空気供給通路４４はセパレータ３３の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端がセパレータ３３外周面に開口しかつ先端が閉止された単一の第１空気穴４４ａと、セパレータ３３の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され単一の第１空気穴４４ａに連通し更に両端が閉止された複数の第２空気穴４４ｂと、セパレータ３３の空気極集電体３６に対向する面に所定の間隔をあけかつ第２空気穴４４ｂに連通するように形成された多数の第３空気穴４４ｃとを有する。
【００３５】
上記複数の第２空気穴４４ｂは、第１空気穴４４ａの基端が形成されたセパレータ３３の一方の側面に隣接する側面から互いに平行に形成した後に、この隣接する側面に閉止板４５を接合することにより両端が閉止された長穴となる。複数の挿入穴３３ａは燃料供給通路４３及び空気供給通路４４のいずれにも連通しないように第１燃料穴４３ａ及び第２空気穴４４ｂに平行に形成され、これらの挿入穴３３ａには第１ヒータ３１がそれぞれ挿入される（図４）。またセパレータ３３の燃料極集電体３４に対向する面には３本のスリット３３ｂがセパレータ３３の略中心から渦巻き状にそれぞれ形成され（図５）、これらのスリット３３ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは３本ではなく、２本又は４本以上であってもよい。また、スリットの深さをセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００３６】
図３に戻って、燃料極集電体３４はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀、銀合金又は銅により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、ニッケルめっき、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは銅めっきを施すことが好ましい。空気極集電体３６はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀、銀合金又は白金により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは白金めっきを施すことが好ましい。なお、改質された燃料ガスとしてＣＨ4などの低炭化水素族の燃料ガスを用いた場合には、燃料極集電体はニッケルめっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケルにより形成され、燃料ガスとしてＣＯ又はＨ2を用いた場合には、燃料極集電体は銀めっき、ニッケル下地めっきを介する銀めっき若しくは銅めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀、銀合金又は銅により形成される。上記燃料極集電体３４の製造方法の一例を下記に示す。先ずステンレス鋼などのアトマイズ粉末とＨＰＭＣ（水溶性樹脂結合剤）を混練した後に、蒸留水及び添加剤（ｎ−ヘキサン（有機溶剤）、ＤＢＳ（界面活性剤）、グリセリン（可塑剤）など）を加えて混練して混合スラリーを調製する。次にこの混合スラリーをドクタブレード法により成形体を作製した後に、所定の条件で発泡、脱脂及び焼結して多孔質板を得る。更にこの多孔質板を所定の寸法に切出して燃料極集電体３４を作製する。なお、ステンレス鋼のアトマイズ粉末を用いた場合には、表面にニッケルめっき、クロムめっき又は銀めっきが施される。また上記空気極集電体３６も上記燃料極集電体３４とほぼ同様にして作製される。
【００３７】
第１端板４１及び第２端板４２はセパレータ３３と同一材料により同一形状（正方形板状）に形成される。第１端板４１には空気供給通路４８及び複数の挿入穴（図示せず）が形成され、第２端板４２には燃料供給通路４７及び複数の挿入穴（図示せず）が形成される。空気供給通路４８は空気供給通路４３と同様に形成され、第１端板４１の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端が第１端板４１外周面に開口しかつ先端が閉止された単一の第１空気穴（図示せず）と、第１端板４１の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され単一の第１空気穴に連通し更に両端が閉止された複数の第２空気穴４８ｂと、第１端板４１の空気極集電体３６に対向する面に所定の間隔をあけかつ第２空気穴４８ｂに連通するように形成された多数の第３空気穴（図示せず）とを有する。また燃料供給通路４７は燃料供給通路４３と同様に形成され、第２端板４２の外周面から略中心に向う第１燃料穴４７ａと、第１燃料穴４７ａに連通し第２端板４２の略中心から燃料極集電体３４に臨む第２燃料穴４７ｂとを有する。
【００３８】
第１端板４１に形成された複数の第２空気穴４８ｂは、第１空気穴の基端が形成された第１端板４１の一方の側面に隣接する側面から互いに平行に形成した後に、この隣接する側面に閉止板４５を接合することにより両端が閉止された長穴となる。また第１端板４１の複数の挿入穴は空気供給通路４８に連通しないように第２空気穴４８ｂに平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。第２端板４２の複数の挿入穴は燃料供給通路４７に連通しないように第１燃料穴４７ａに平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。第２端板４２の上面、即ち第２端板４２の燃料極集電体４６への対向面には３本のスリット４２ｂが第２端板２２の略中心から渦巻き状に形成される（図３）。これらのスリット４２ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは３本ではなく、２本又は４本以上であってもよい。また、スリットの深さをセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００３９】
更にセパレータ３３、第１端板４１及び第２端板４２の四隅にはボルト（図示せず）を挿通可能な通孔３３ｃが形成される（図４及び図５）。（ｎ＋１）個の発電セル２４と、ｎ枚のセパレータ３３と、（ｎ＋１）個の燃料極集電体３４と、（ｎ＋１）個の空気極集電体３６と、単一の第１端板４１と、単一の第２端板４２とを積層したときに、上記セパレータ３３、第１端板４１及び第２端板４２の四隅に形成された通孔３３ｃにボルトをそれぞれ挿通した後に、これらのボルトの先端にナットをそれぞれ螺合することにより、燃料電池２６が上記積層した状態で固定されるようになっている。
【００４０】
図２に戻って、燃料用ディストリビュータ２７及び空気用ディストリビュータ２８は発電セル２４の積層方向に延びてそれぞれ設けられ、両端が閉止された筒状に形成される。燃料用ディストリビュータ２７は（ｎ＋１）本の燃料用短管５１を介してｎ枚のセパレータ３３の燃料供給通路４３の第１燃料穴４３ａ及び単一の第２端板４２の燃料供給通路４７の第１燃料穴４７ａにそれぞれ連通接続され、空気用ディストリビュータ２８は（ｎ＋１）本の空気用短管５２を介してｎ枚のセパレータ３３の空気供給通路４４の第１空気穴４４ａ及び単一の第１端板４１の空気供給通路４８の第１空気穴（図示せず）にそれぞれ連通接続される。この実施の形態では、燃料用ディストリビュータ２７、空気用ディストリビュータ２８、燃料用短管５１及び空気用短管５２はステンレス鋼などの導電性材料により形成される。
【００４１】
燃料用短管５１と燃料用ディストリビュータ２７との間には、燃料用短管５１と燃料用ディストリビュータ２７との電気的絶縁を確保するために、アルミナ等の電気絶縁性材料により形成された燃料用絶縁管（図示せず）が介装され、これらの隙間はガラス等の燃料用封止部材（図示せず）により封止される。また空気用短管５２と空気用ディストリビュータ２８との間には、空気用短管５２と空気用ディストリビュータ２８との電気的絶縁を確保するために、アルミナ等の電気絶縁性材料により形成された空気用絶縁管（図示せず）が介装され、これらの隙間はガラス等の空気用封止部材（図示せず）により封止される。
【００４２】
第１端板４１の上面中央及び第２端板４２の下面中央には一対の電極端子５８，５８（この実施の形態では電極棒）が電気的にそれぞれ接続される。燃料用ディストリビュータ２７の上部外周面には燃料予熱管６１が接続され、この燃料予熱管６１は燃料電池２６の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電極端子５８，５８の軸線を中心とする螺旋状に巻回される。また空気用ディストリビュータ２８の上部外周面には空気予熱管６２が接続され、この空気予熱管６２は燃料電池２６の外周面から所定の間隔をあけかつ一対の電極端子５８，５８の軸線を中心とする螺旋状に巻回される。上記燃料予熱管６１の螺旋半径は上記空気予熱管６２の螺旋半径より小さく形成される。
【００４３】
上記燃料電池２６は燃料用ディストリビュータ２７、空気用ディストリビュータ２８、燃料予熱管６１及び空気予熱管６２とともに電池ケース６３に収容される。燃料電池２６、燃料用ディストリビュータ２７及び空気用ディストリビュータ２８と、燃料予熱管６１及び空気予熱管６２とは、円筒状の仕切り板６３ｃにより区画された内側室６３ｄと外側室６３ｅとにそれぞれ収容される。この内側室６３ｄと外側室６３ｅは連通管６３ｆにより連通される。また電池ケース６３の外周面上部にはこのケース６３内にエンジン１１の排ガスを導入するための排ガス導入口６３ａが形成され、電池ケース６３の外周面下部にはこのケース６３に導入された排ガスを燃料電池２６から排出された燃料ガス及び空気とともにケース６３外に排出するための排ガス排出口６３ｂが形成される。上記排ガス導入口６３ａには上流側排気管２１ａが接続され、上記排ガス排出口６３ｂには下流側排気管２１ｂが接続される。また電池ケース６３の外周面には改質器６４が設けられる。この改質器６４はエンジン１１の排ガスが導入される改質用ケース６６と、改質用ケース６６に収容されかつエンジン１１の排ガスにより加熱される改質管６７とを有する。改質用ケース６６にはエンジン１１の排ガスを導入する排ガス入口６６ａと、エンジン１１の排ガスを排出する排ガス出口６６ｂとが設けられる。上記排ガス入口６６ａには上流側排気管２１ａから分岐した上流側分岐管２１ｃが接続され、上記排ガス出口６６ｂには下流側分岐管２１ｄが接続される。また燃料予熱管５１の基端には給油管２３から分岐したガソリン供給パイプ６８が改質管６７を介して接続される。更に上記改質管６７にはガソリン、軽油、ＣＨ4等の低炭化水素族の燃料ガスが流通可能な密度で改質粒子（図示せず）が充填される。この改質粒子はＮｉ、ＮｉＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｆｅ2Ｏ3、Ｆｅ3Ｏ4、Ｖ2Ｏ3、ＮｉＡｌ2Ｏ4、ＺｒＯ2、ＳｉＣ、Ｃｒ2Ｏ3、ＴｈＯ2、Ｃｅ2Ｏ3、Ｂ2Ｏ3、ＭｎＯ2、ＺｎＯ、Ｃｕ、ＢａＯ及びＴｉＯ2からなる群より選ばれた１種又は２種以上を含む元素又は酸化物により形成されることが好ましい。
【００４４】
図１及び図２の符号６９は電池ケース６３内の空気予熱管５２の基端に接続されかつ空気予熱管５２に空気（酸素でもよい。）を供給するための空気供給パイプであり、このパイプ６９には空気流量調整弁７１が設けられる（図１）。燃料電池モジュール１３にはこの燃料電池モジュール１３の温度を検出するモジュール温度センサ７２が挿入され（図１及び図２）、ガソリン供給パイプ６８にはガソリン噴射器７３が設けられる（図１）。またガソリン噴射器７３の下流側のガソリン供給パイプ６８には水供給パイプ７４が接続され、この水供給パイプ７４には水噴射器７６が設けられる。ガソリン噴射器７３は常温で液体である高融点の炭化水素（軽油など）を霧状に噴射して改質管６７に供給するように構成され、水噴射器７６は水を霧状に噴射してガソリン供給パイプ６８に供給するように構成される。
【００４５】
改質器６４には改質管６７を加熱するための第１補助加熱器８１が設けられ、電池ケース６３には外側室６３ｅ内の燃料予熱管６１及び空気予熱管６２を加熱するための第２補助加熱器８２が設けられる。また改質器６４にこの改質器６４の温度を検出する改質器温度センサ（図示せず）が設けられる。第１補助加熱器８１は改質用ケース６６の下面に取付けられた第１ケース８１ａと、この第１ケース８１ａに挿入された第１バーナ８１ｂとを有する。第２補助加熱器８２は電池ケース６３の下面に取付けられた第２ケース８２ａと、この第２ケース８２ａに挿入された第２バーナ８２ｂとを有する。第１及び第２バーナ８１ｂ，８２ｂには軽油が供給されるように構成される。更に上流側排気管２１ａ、上流側分岐管２１ｃ及び連通管６３ｆには第１〜第３モータバルブ９１〜９３がそれぞれ設けられる。第１〜第３モータバルブ９１〜９３は上記管２１ａ，２１ｃ，６３ｆを開閉するバルブ本体９１ａ〜９３ａと、これらのバルブ本体９１ａ〜９３ａを駆動する第１〜第３モータ９１ｂ，９３ｂとを有する。
【００４６】
上記モジュール温度センサ７２及び改質器温度センサの各検出出力はコントローラ７７の制御入力にそれぞれ接続され、コントローラ７７の制御出力は空気流量調整弁７１、ガソリン噴射器７３、水噴射器７６、電力需給切換器７８、ヒータ４６、第１補助加熱器８１、第２補助加熱器８２、第１〜第３モータ９１ｂ〜９３ｂ及び気化器２２にそれぞれ接続される。電力需給切換器７８には発電機１２、燃料電池モジュール１３、二次電池１４及び電動モータ１６が電気的にそれぞれ接続される。またエンジン１１にはこのエンジン１１を自動的に始動又は停止するエンジン自動オンオフ装置（図示せず）が設けられ、この装置はコントローラ７７に制御出力に接続される。更に二次電池１４には電力需給切換器７８により発電機１２及び燃料電池モジュール１３のいずれか一方又は双方から供給された電力を蓄えるように構成され、電動モータ１６には電力需給切換器７８により発電機１２、燃料電池モジュール１３及び二次電池１４からなる群より選ばれた１種又は２種以上から電力が供給されるように構成される。なお、図２の符号７９は電池ケース６３を一対の電極端子５８，５８から電気的に絶縁するための絶縁リングである。
【００４７】
このように構成されたハイブリッド動力システムの動作を説明する。
エンジン１１を始動すると、エンジン１１が機械的動力を発生し、この機械的動力がクランク軸１１ａから発電機１２の入力軸１２ａに伝達されることにより、発電機１２が駆動されて電力を発生する。エンジン１１始動直後は、燃料電池モジュール１３の温度が発電可能な温度（例えば６５０℃）に達していないので、コントローラ７７はモジュール温度センサ７２及び改質器温度センサ（図示せず）の各検出出力に基づいて、ガソリン噴射器７３、水噴射器７６及び第１モータバルブ９１を閉じた状態に保ち、空気流量調整弁７１、第２モータバルブ９２及び第３モータバルブ９３を開いた状態に保ち、更に電力需給切換器７８を制御して発電機１２で発生する電力及び二次電池１４に蓄えられた電力を電動モータ１６に供給し自動車を走行させる。ここで、エンジン１１始動直後から燃料電池モジュール１３に空気を流すのは、空気予熱管６２で加熱された空気がセパレータ３３及び第２端板４２から発電セル２４全面に均一に吹出されるため、燃料電池２６の内側からも加熱でき、燃料電池２６の温度を均一に保ちながら、迅速に加熱できるためである。更に急速な燃料電池モジュール１３の発電運転が必要な場合には、ヒータ４６に通電する。
【００４８】
一方、エンジン１１を始動すると、エンジン１１から高温の排ガスが排出される。この排ガスの約半分は排気マニホルド１９及び上流側排気管２１ａを通って電池ケース６３内の外側室６３ｅに供給され、残りの半分は上流側排気管２１ａから分岐する上流側分岐管２１ｃを通って改質用ケース６６内に供給される。電池ケース６３内の燃料電池２６がエンジン１１の排ガス、或いはエンジン１１の排ガス及びヒータ４６により加熱されて発電可能な温度に達したことをモジュール温度センサ７２が検出すると、コントローラ７７はこのモジュール温度センサ７２の検出出力に基づいて、ガソリン噴射器７３、水噴射器７６及び第１モータバルブ９１を所定の開度でそれぞれ開き、ヒータ４６に通電している場合にはヒータ４６への通電を停止する。ガソリン噴射器７３及び水噴射器７６を開くと、ガソリンと水が改質器６４の改質管６７に流入し、改質用ケース６６内を通過する排ガスにより加熱されて気化し、水蒸気を含む燃料ガスになる。
【００４９】
この水蒸気を含む燃料ガスは改質管６７内で改質粒子に接触し低炭化水素族に改質されて、電池ケース６３内の燃料予熱管６１に流入する。この改質された燃料ガスは燃料予熱管６１内で燃料電池２６の外周面を螺旋状に回りながら高温の排ガスと熱交換することにより更に加熱された後に燃料用ディストリビュータ２７に供給され、空気供給パイプ６９から空気予熱管６２に流入した空気は空気予熱管６２内で燃料電池２６の外周面を螺旋状に回りながら高温の排ガスと熱交換することにより加熱された後に空気用ディストリビュータ２８に供給される。なお、電池ケース６３内の燃料電池２６がエンジン１１の排ガスとヒータ４６による加熱だけでは発電可能な温度に達するまでに多くの時間を要するときには、コントローラ７７は第１及び第２補助加熱器８１，８２を作動させる。
【００５０】
発電に最適な温度に加熱されかつ改質された燃料ガスを燃料用ディストリビュータ２７に導入すると、この燃料ガスは燃料用短管５１及び燃料供給通路４３，４７を通り、セパレータ３３及び第２端板４２の略中心から燃料極集電体３４の中心に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃料極集電体３４内の気孔を通過して燃料極層３１の略中心に速やかに供給され、更にセパレータ３３のスリット３３ｂ及び第２端板４２のスリット４２ｂにより案内されて燃料極層３１の略中心から外周縁に向って渦巻き状に流れる。同時に発電に最適な温度に加熱された空気を空気用ディストリビュータ２８に導入すると、この空気は空気用短管５２及び空気供給通路４４，４８を通り、セパレータ３３の多数の第３空気穴４４ｃ及び第１端板４１の多数の第３空気穴（図示せず）からシャワー状に空気極集電体３６に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体３６内の気孔を通過して空気極層３２に略均一に供給される。
【００５１】
空気極層３２に供給された空気は空気極層３２内の気孔を通って固体電解質層２９との界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層３２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層３１の方向に向って固体電解質層２９内を拡散移動し、燃料極層３１との界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（例えば、Ｈ2Ｏ）を生じ、燃料極層３１に電子を放出する。この電子を燃料極集電体３４により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。
【００５２】
上記のように燃料ガスがセパレータ３３の略中央及び第２端板４２の略中央から吐出され、かつスリット３３ｂ，４２ｂにより案内されるので、燃料ガスの反応経路が長くなる。この結果、燃料ガスがセパレータ３３及び第２端板４２の外周縁に到達するまでに、燃料ガスが燃料極層３１と極めて多く衝突するので、上記反応回数が増え、燃料電池２６の性能向上を図ることができる。従って、セパレータ３３及び第２端板４２の外径が大きくなればなるほど、燃料ガスの反応経路が長くなり、これに伴って反応回数が増え、燃料電池２６の出力向上に繋がる。なお、（ｎ＋１）個の発電セル２４は導電性材料により形成されたセパレータ３３、燃料極集電体３４及び空気極集電体３６を介して直列に接続され、かつ燃料電池２６の両端の第１端板４１及び第２端板４２には一対の電極端子５８，５８が設けられているため、これらの電極端子５８，５８から大きな電力を取出すことができる。
【００５３】
また燃料極層３１の外周面からは高温の燃料ガスが排出され、空気極層３２の外周面からは高温の空気が排出されるので、これらの混合ガスは連通管６３ｆを通って外側室６３ｅに流入し、燃料予熱管６１内の燃料ガス及び空気予熱管６２内の空気が加熱される。この結果、コントローラ７７は燃料電池２６が発電を開始してから所定時間経過後に、第２モータバルブ９１を閉じて電池ケース６３内へのエンジン１１の排ガスの導入を停止する。一方、コントローラ７７は燃料電池モジュール１３が電力を発生すると、電力需給切換器７８を制御して燃料電池モジュール１３からの電力を電動モータ１６に供給するとともに、気化器を制御することにより吸気管１８へのガソリンの供給を停止して、エンジン１１を停止させる。また電動モータ１６の出力が不足しているとき、或いは二次電池１４の充電量が不足しているときには、コントローラ７７はエンジン１１を始動して、発電機１２から電動モータ１６或いは二次電池１４に電力を供給する。
【００５４】
なお、上記実施の形態では、固体電解質層を一般式（１）：Ｌｎ１ Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏ、又は一般式（２）：Ｌｎ１1-x Ａx Ｇａ1-y-z-w Ｂ１y Ｂ２z Ｂ３w Ｏ3-dで示される酸化物イオン伝導体により形成したが、ＹＳＺ（イットリアを添加した安定化ジルコニア）からなる酸化物イオン伝導体により形成してもよく、或いはプロトン伝導体（セリア系など）により形成してもよい。
また、上記実施の形態では、電気機器として電動モータを挙げたが、コンピュータ、ランプ（照明灯）、電気ヒータ等の電気機器でもよい。
【００５５】
また、上記実施の形態では、エンジンの発生する機械的動力を発電機にて電力に変換し、この電力又は燃料電池モジュールの発生する電力のいずれか一方又は双方により電動モータを駆動し、この電動モータの発生する機械的動力により自動車を走行させたが、船、電車、飛行機（プロペラタイプ）、モータサイクル又は建設機械などを駆動してもよい。またエンジンのクランク軸に第１クラッチを接続し、燃料電池モジュールの発生する電力により駆動される電動モータの出力軸に第２クラッチを接続し、電動モータ又はエンジンの発生する機械的動力のいずれか一方又は双方により自動車、船、電車、飛行機（プロペラタイプ）、モータサイクル又は建設機械などを駆動してもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態では、エンジン及び改質器にガソリンを供給したが、軽油又はプロパンを供給してもよい。
また、上記実施の形態では、改質器の改質管にガソリン等が流通可能な密度で改質粒子を充填し、この改質粒子によりガソリン等を低炭化水素族の燃料ガス等に改質したが、燃料予熱管内にガソリン等が流通可能な密度で改質粒子が充填し、この改質粒子によりガソリン等を低炭化水素族の燃料ガス等に改質できれば、改質器は不要になる。
更に、上記実施の形態では、セパレータをステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成したが、ランタンクロマイト（Ｌａ0.9Ｓｒ0.1ＣｒＯ3）等の導電性を有するセラミックにより形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明実施形態のハイブリッド動力システムを示す構成図である。
【図２】その燃料電池モジュールの縦断面図である。
【図３】その燃料電池の図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図３のＣ−Ｃ線断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１  エンジン
１２  発電機
１３  燃料電池モジュール
１４  二次電池
１６  電動モータ（電気機器）
２１ａ  上流側排気管
２１ｃ  上流側分岐管
２４  発電セル
２９  固体電解質層
３１  燃料極層
３２  空気極層
６１  燃料予熱管
６２  空気予熱管
６３ｄ  内側室
６３ｅ  外側室
６３ｆ  連通管
６４  改質器
６６  改質用ケース
６７  改質管
６８  ガソリン供給パイプ（燃料供給パイプ）
６９  空気供給パイプ
７１  空気流量調整弁
７２  モジュール温度センサ
７３  ガソリン噴射器（燃料噴射器）
７４  水供給パイプ
７６  水噴射器
７７  コントローラ
８１  第１補助加熱器
８２  第２補助加熱器
９１  第１モータバルブ
９２  第２モータバルブ
９３  第３モータバルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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