(57)【要約】【課題】高いエネルギー効率で安定して発電を行うことが出来るとともにコンパクトな直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】軸線方向の端部の一方を上部断熱壁で閉塞した筒状の断熱容器の内部に燃料改質反応を生じせしめながら発電を行う固体酸化物形燃料電池セルを収容する燃料電池モジュールである。かかる断熱容器は燃料電池セルを１又は複数収容するセル部空間、及び、燃料電池セルへ導入する導入ガス及び燃料電池セルからの排出ガスの間で熱交換を行うための熱交換器ユニットを収容する予熱部空間に断熱容器の内部を仕切る軸線方向に略平行な内部断熱隔壁を備える。さらに軸線方向の端部の他方においてセル部空間を閉塞する下部断熱壁と、上部断熱壁の近傍においてセル部空間及び予熱部空間を連通する内部断熱隔壁に設けられた連通口を備える。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向の端部の一方を上部断熱壁で閉塞した筒状の断熱容器の内部に固体酸化物形燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールであって、
前記燃料電池セルを１又は複数収容するセル部空間、及び、前記燃料電池セルへ導入する導入ガスと前記燃料電池セルからの排出ガスとの間で熱交換を行う熱交換器ユニットを収容する予熱部空間、に前記断熱容器の内部を仕切る前記軸線方向に略平行な内部断熱隔壁と、
前記軸線方向の前記端部の他方において前記セル部空間を閉塞する下部断熱壁と、
前記上部断熱壁の近傍において前記セル部空間及び前記予熱部空間を連通する前記内部断熱隔壁に設けられた連通口と、からなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記燃料電池セルは前記導入ガスの少なくとも一部を水素及び／又は一酸化炭素に改質せしめながら発電を行うことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記熱交換器ユニットは炭化水素系燃料をその内部に導いて前記導入ガスの少なくとも一部として排出することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記炭化水素系燃料は液体燃料であることを特徴とする請求項３記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記熱交換器ユニットは前記排出ガスを前記軸線方向と垂直方向に繰り返し流す蛇行通路を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記連通口近傍には前記導入ガスを必要に応じて加熱するための加熱器が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記断熱容器は円筒又は角筒状であることを特徴とする請求項１乃至６のうちの１つに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記上部断熱壁及び／又は前記下部断熱壁は着脱自在であることを特徴とする請求項１乃至７のうちの１つに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記セル部空間に向けた面には輻射熱反射膜が与えられていることを特徴とする請求項１乃至８のうちの１つに記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルを断熱容器の内部に収容した燃料電池モジュールに関し、特に固体酸化物形の燃料電池セルを断熱容器の内部に収容した固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は一対の電極の間に挟まれた電解質の種類によって固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体酸化物形などに分類される。これら各電解質において、燃料電池を構成するために最適なイオン伝導度を得られる温度が大きく異なっているため、各燃料電池は電解質の種類毎に所定温度に保持されながら運転されるのである。
【０００３】
ここで固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ：以下、ＳＯＦＣと称する。）は、他の電解質形の燃料電池と比較して高い温度で運転される。例えば、イットリア部分安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、サマリアドープドセリア、ガドリニウムドープドセリアなどの固体酸化物電解質を用いたＳＯＦＣが知られている。これらのＳＯＦＣでは、電解質の両側に多孔質体からなる一対の電極を設けて、更にその外側に燃料ガス（水素及び一酸化炭素）と空気等の酸化剤ガスとをそれぞれ供給して、一般的には７００℃から１０００℃で運転を行っている。詳細には、カソードで電子を受け取った酸化剤ガス中の酸素イオンは、固体酸化物電解質を通ってアノード側に移動するとともに、アノードの表面で燃料ガス（水素及び一酸化炭素）と反応して水及び二酸化炭素を生成しながらアノードに電子を放出するのである。また二酸化炭素及び未燃焼の燃料ガスは排出ガスとしてＳＯＦＣから排出される。
【０００４】
ところで上記したような高い温度で運転されているＳＯＦＣから排出される排出ガスによる排熱を、各種装置の熱源として利用してシステム全体のエネルギー効率の向上を図ったＳＯＦＣシステムが知られている。
【０００５】
例えば、ＳＯＦＣに供給される燃料ガスを灯油や天然ガスなどの炭化水素系燃料から生成する改質装置の熱源として、ＳＯＦＣからの排出ガスの排熱を利用したＳＯＦＣシステムが知られている。改質装置では、高温下で炭化水素系燃料を水蒸気とともに白金族系の改質触媒などに接触させて水蒸気改質反応を生じせしめて燃料ガス（水素及び一酸化炭素）を生成している。ここでＳＯＦＣからの排出ガスは改質装置内に導かれて熱交換器で炭化水素系燃料及び水蒸気（若しくは水）を加熱するのである。
【０００６】
例えば、特許文献１は、ＳＯＦＣと改質装置とを含みこれらを熱自立させたＳＯＦＣシステムを開示している。改質装置は改質部と酸化発熱部とを有しており、改質部における水蒸気改質反応の熱源にＳＯＦＣから発生する排熱と酸化発熱部で発生する熱とを組み合わせて利用している。これによりＳＯＦＣから発生する排熱を改質装置の水蒸気改質反応に無駄なく使用しつつ、水蒸気改質反応に要する熱量が不足する場合には改質装置内で酸化発熱反応を進行させて熱量を補うのである。
【０００７】
更に、ＳＯＦＣからの輻射熱を各種装置の熱源として利用するＳＯＦＣシステムも知られている。
【０００８】
例えば、特許文献２は、ＳＯＦＣからの輻射熱を直接、吸熱反応容器に導いて熱源とするＳＯＦＣシステムを開示している。ＳＯＦＣにおける発電反応の排熱はその外表面からの輻射熱によってＳＯＦＣに隣接する吸熱反応容器に伝熱されるとともに、断熱容器内部の未反応の空気を熱媒として吸熱反応容器に導いても熱供給するのである。
【０００９】
更に、特許文献３は、ＳＯＦＣからの輻射熱を改質装置の熱源に利用したＳＯＦＣシステムを開示している。灯油を水素や二酸化炭素、一酸化炭素などの低炭素化合物に改質するための改質装置は、ＳＯＦＣシステム内の輻射伝熱の利用可能な位置に配置されている。かかるＳＯＦＣシステムでは、改質装置のための独立した熱源を有さないためエネルギー効率を向上せしめることが出来ると述べている。
【特許文献１】特開２００７−２２７２３７号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４５５１号公報
【特許文献３】特開２００７−１７９８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したように高い温度で運転されるＳＯＦＣは、他の電解質形の燃料電池に比べてエネルギー効率において優れる。
【００１１】
そこで本発明は、より高いエネルギー効率で安定して発電を行うことが出来るとともに、コンパクトな固体酸化物形燃料電池モジュール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】
本発明は、軸線方向の端部の一方を上部断熱壁で閉塞した筒状の断熱容器の内部に固体酸化物形燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールである。前記燃料電池セルを１又は複数収容するセル部空間、及び、前記燃料電池セルへ導入する導入ガスと前記燃料電池セルからの排出ガスとの間で熱交換を行う熱交換器ユニットを収容する予熱部空間、に前記断熱容器の内部を仕切る前記軸線方向に略平行な内部断熱隔壁と、前記軸線方向の前記端部の他方において前記セル部空間を閉塞する下部断熱壁と、前記上部断熱壁の近傍において前記セル部空間及び前記予熱部空間を連通する前記内部断熱隔壁に設けられた連通口と、からなることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、高温のＳＯＦＣからの輻射熱をセル部空間に閉じこめることができて、ＳＯＦＣを安定して運転することが出来るのである。また、熱伝達媒体であるＳＯＦＣからの排出ガスはセル部空間から予熱部空間に連通口を介してより短い距離で導くことができて、エネルギー損失をより低減できるのである。また、セル部空間と内部断熱隔壁で隔てられた予熱部空間において、導入ガスは排出ガスにより予加熱された後にＳＯＦＣに導入されるからＳＯＦＣの温度変動を低減できて、ＳＯＦＣを安定して運転することが出来るのである。また、セル部空間及び予熱部空間は１つの断熱容器の内部を内部断熱隔壁で仕切って設けられるからＳＯＦＣモジュールをコンパクトにすることが出来るのである。すなわち、高いエネルギー効率を有するとともにコンパクトな固体酸化物形燃料電池モジュールを提供できるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の１つの態様において、燃料電池モジュールは、固体酸化物形燃料電池セル（以下ＳＯＦＣと称する。）を内部に収容する円筒状又は多角形断面を有する角筒状の筒状断熱容器を含む。かかる断熱容器は、その内部空間をセル部空間と予熱部空間とに仕切る内部断熱隔壁を備える。内部断熱隔壁は、断熱容器の軸線方向に略平行であって、断熱容器内部を２つの空間に仕切るのである。断熱容器の軸線方向の一端部には筒状の断熱容器の上部を閉塞するための上部断熱壁を具備し、他端部には少なくともセル部空間の下部を閉塞するための下部断熱壁を備える。すなわち、セル部空間は筒状断熱容器の内部において内部断熱隔壁及び下部断熱壁によって画定されているのである。
【００１５】
内部断熱隔壁の上部、すなわち上部断熱壁近傍にはセル部空間と予熱部空間とを連通する連通口を備える。セル部空間にはＳＯＦＣを１又は複数収容する。断熱容器内部の予熱部空間にはＳＯＦＣへ導入する導入ガスと、ＳＯＦＣから排出される排出ガスと、の間で熱交換を行うための熱交換器ユニットが収容される。つまり、ＳＯＦＣの発電反応によって生ずる熱は、排出ガスを熱媒体としてセル部空間から連通口を介して予熱部空間に導かれて、熱交換器ユニットでＳＯＦＣに導入される導入ガスを加熱するのである。なお、熱交換器ユニットの内部には、断熱容器の軸線方向、すなわち熱交換器ユニットの軸線方向に対して垂直方向に繰り返し流れる蛇行通路が設けられて、軸線方向に流れる導入ガスとの接触経路長さを長じることで熱交換効率を高めることが出来るのである。
【００１６】
上記態様によれば、セル部空間から予熱部空間への通路は内部断熱隔壁に設けられた連通口のみであるため、高温のＳＯＦＣからの輻射熱はセル部空間に効率的に閉じこめることができて、ＳＯＦＣの表面温度の変動を防ぎ、ＳＯＦＣを安定して運転出来るのである。なお、断熱容器内面、内部断熱隔壁、上部断熱壁及び下部断熱壁のセル部空間に向けた面に輻射熱反射膜を与えると、輻射熱をセル部空間により効率よく閉じこめることが出来る。これによりＳＯＦＣの表面温度の変動をより低減できるので、ＳＯＦＣからの排出ガスの温度を高温に維持することができるのである。
【００１７】
また、熱伝達媒体であるＳＯＦＣからの排出ガスは安定して高温に維持されたセル部空間から予熱部空間に連通口を介してより短い距離で導くことができるから、排出ガスの移動に伴うエネルギー損失をより低減できるのである。
【００１８】
また、セル部空間と内部断熱隔壁で隔てられた予熱部空間において、導入ガスは排出ガスにより予め加熱されてからＳＯＦＣに導入されるので、ＳＯＦＣの温度変動、すなわち温度の低下を減ずることができて、もってＳＯＦＣを安定して運転することができるのである。
【００１９】
また、セル部空間及び予熱部空間は１つの断熱容器の内部を内部断熱隔壁によって仕切るようにして設けられる簡単な構造であるから、上記したような高いエネルギー効率を達成するＳＯＦＣモジュールを家庭用に設置することも可能な程度にまでよりコンパクトにすることが出来るのである。
【００２０】
以上の如く、断熱容器の外部に漏出する熱エネルギーを非常に小さく抑えることが出来るから、発電反応により生ずる熱によって高いエネルギー効率を達成し得るとともに、コンパクトな固体酸化物形燃料電池モジュールを提供できるのである。
【００２１】
なお、ＳＯＦＣは、導入ガスの少なくとも一部を水素及び／又は一酸化炭素に改質せしめながら発電を行う直接内部改質形の燃料電池セルであっても良い。導入ガスの改質のための水蒸気改質反応は吸熱反応であるが、上記した如く、ＳＯＦＣの温度変動を低減できるような高い熱効率を達成できるので、直接内部改質形の燃料電池セルからなるＳＯＦＣであっても、これを安定して運転することができるのである。
【００２２】
また、ＳＯＦＣへ導入する導入ガスのうちの少なくとも１つは、例えば炭化水素系の燃料であって、例えばメタンなどのガスであってもよいが、ＳＯＦＣモジュール内に導入してガス化させる液体であってもよい。すなわち、液体原燃料は、該モジュール内で気化させることができるのである。かかる場合、モジュール外部に液体燃料を気化させるための気化器などを設置する必要がないから、コンパクトなＳＯＦＣシステムを提供できるのである。さらに、上記したようなエネルギー効率の高いＳＯＦＣモジュールの内部にて液体を気化させることができるから、通常の気化器を別途設ける場合に比べてもＳＯＦＣシステム全体としての熱効率を高めることができ得るのである。
【００２３】
更に、連通口近傍にはＳＯＦＣに導入される導入ガスを加熱するための加熱器が設けられてもよい。ＳＯＦＣモジュールの起動時や導入ガスの温度が低下したような場合、特に、上記した如く、液体を原燃料としてＳＯＦＣモジュールに導入する場合などにＳＯＦＣへの導入ガスの温度を上げることができて、ＳＯＦＣを安定して運転できるのである。
【００２４】
なお、上部断熱壁及び／又は下部断熱壁を断熱容器から着脱自在にできると、断熱容器内部のメンテナンスが容易になるので好ましい。
【００２５】
次に本発明による実施例の１つである燃料電池モジュールについて、図１乃至図８を参照しつつ詳細に説明する。
【００２６】
図１に示すように、燃料電池モジュール１は、略円筒状の断熱容器（２，４，５）の内部に、後述する直接内部改質型のＳＯＦＣ４０を缶体１０’内に１又は複数収容した燃料電池セルアセンブリ１０、酸化剤ガス管１６’及び混合ガス管１７’を介して燃料電池セルアセンブリ１０に導入される導入ガスと排出ガス管１９を介して燃料電池セルアセンブリ１０から排出される排出ガスとの間で熱交換を行うための熱交換器ユニット１２などを収容してなる。後述するように内部断熱隔壁３によってその内部を区切られた断熱容器（２，４，５）の内部の空間の形態は図１からわかるように、軸線を含む断面において「の」の字型となっている。
【００２７】
詳細には、断熱容器（２，４，５）の一部を構成する断熱容器本体２は、ステンレスなどの金属材料からなる二重円筒の内部を真空引きしたコア真空断熱缶２ａの内周面及び外周面に沿って断熱材２ｂを与えた三重断熱容器である。更に、断熱材２ｂの外周面に沿って外壁材２ｃが与えられている。
【００２８】
筒状の断熱容器本体２の内部空間には、円筒状の断熱容器本体２の軸線と略平行な主面を有する板状の内部断熱隔壁３が設けられている。この内部断熱隔壁３によって、断熱容器本体２の内部空間は、セル部空間６及び予熱部空間７の２つの空間に仕切られている。内部断熱隔壁３は、その内部を真空引きしたコア真空断熱缶３ａを、断熱材３ｂによって挟み込んだ三重断熱板状部材である。内部断熱隔壁３には、セル部空間６及び予熱部空間７の間を連通する小窓である連通口８が設けられている。かかる連通口８は、例えば内部断熱隔壁３の上方端部と後述する上部断熱壁４との間に設けられた間隙であっても良い。セル部空間６に収容される後述する燃料電池セルアセンブリ１０からの輻射熱をセル部空間６に効率的に閉じこめるためには、連通口８の断面積がなるべく小であることが好ましい。更に、例えば、連通口８を通過するガス通路以外の部分を断熱材によって封止しても良い。
【００２９】
上部断熱壁４は、その内部を真空引きしたコア真空断熱缶４ａを断熱材４ｂによって挟んだ円盤状の三重断熱部材である。なお、頂面にはこれに沿って外壁材４ｃが与えられている。上部断熱壁４は、断熱容器本体２の軸線方向の一方の端部である上方端部を閉塞するようにして断熱容器本体２と開閉自在に組み合わされている。すなわち、上部断熱壁４は、留め金９によって断熱容器本体２に着脱自在に係合されており、セル部空間６及び予熱部空間７の上部を開閉自在に閉塞しているのである。つまり、操作者が留め金９を操作して上部断熱壁４を断熱容器本体２から外すことができて、セル部空間６及び予熱部空間７の内部に収容されている燃料電池セルアセンブリ１０及び熱交換器ユニット１２などのメンテナンスを操作性良く、しかも容易に行うことを可能とさせるのである。
【００３０】
下部断熱壁５は、上部断熱壁４と同様に、その内部を真空引きしたコア真空断熱缶５ａを断熱材５ｂにて挟み込んだ三重断熱部材である。なお、下部断熱壁５の底面には外壁材５ｃを与えることが好ましい。下部断熱壁５は、断熱容器本体２の軸線方向の下方端部において、セル部空間６を閉塞するように断熱容器本体２と開閉自在に組み合わされている。すなわち、下部断熱壁５は、留め金９によって断熱容器本体２に着脱自在に係合されて、セル部空間６の下部を開閉自在に閉塞しているのである。つまり、上部断熱壁４と同様に、操作者が留め金９を操作して下部断熱壁５を断熱容器本体２から外すことができて、セル部空間６の内部に収容されている燃料電池セルアセンブリ１０のメンテナンスを操作性良く、しかも容易に行うことを可能とさせるのである。
【００３１】
ここで、断熱容器本体２と、上部断熱壁４及び下部断熱壁５との当接部分Ｔ１において、断熱容器本体２のコア真空断熱缶２ａはその内周及び外周を挟む断熱材２ｂよりも上下方向に突出しているのである。突出部は、上部断熱壁４の断熱材４ｂ及び下部断熱壁５の断熱材５ｂに形成された凹部に嵌合された構造となっている。好ましくはコア真空断熱缶２ａはコア真空断熱缶４ａ及び５ａにそれぞれ当接している。
【００３２】
また、内部断熱隔壁３の下部断熱壁５に当接する部分Ｔ２において、コア真空断熱缶３ａは断熱材３ｂに対して下に向けて突出しており、下部断熱壁５の断熱材５ｂに形成された凹部に嵌合されている。好ましくはコア真空断熱缶３ａはコア真空断熱缶５ａに当接している。
【００３３】
更に、図示しないが、内部断熱隔壁３と断熱容器本体２とが当接する部分（図１の紙面手前側及び奥側）においても同様のはめ込み構造となっている。
【００３４】
上記したようなコア真空断熱缶（２ａ，３ａ，４ａ，５ａ）と断熱材（２ｂ，３ｂ，４ｂ，５ｂ）の配置により、断熱容器（２，４，５）の断熱性をより高めることができるのである。すなわち、特にセル部空間６は、連通口８以外をコア真空断熱缶（２ａ，３ａ，４ａ，５ａ）によって隙間無く覆うため、断熱容器外部への熱の散逸を大幅に低減することが出来るのである。なお、セル部空間６を包囲する断熱容器本体２、内部断熱隔壁３、上部断熱壁４及び下部断熱壁５の一部を鏡面仕上げとしたり、輻射熱反射膜（２ｄ，３ｄ，４ｄ，５ｄ）が貼付け又はコーティングされたりしていることが好ましい。輻射熱反射膜（２ｄ，３ｄ，４ｄ，５ｄ）により、セル部空間６に収容される後述する燃料電池セルアセンブリ１０からの輻射熱をセル部空間６に効率的に閉じこめるのである。
【００３５】
セル部空間６に燃料電池セルアセンブリ１０からの輻射熱を閉じこめることで、セル部空間６内に存在するガス温度の変動を低減し、すなわちこれを高温に維持して燃料電池セルアセンブリ１０の熱変動を低減できるのである。
【００３６】
更に、輻射熱反射膜（２ｄ，３ｄ，４ｄ，５ｄ）により断熱材（２ｂ，３ｂ，４ｂ，５ｂ）の過熱をも防止することもできて断熱容器の寿命を向上させ得るのである。
【００３７】
また、コア真空断熱缶（２ａ，３ａ，４ａ，５ａ）の内部には、セラミック粒子等の熱伝導率の低い材料からなる充填材を充填されていることが好ましい。コア真空断熱缶（２ａ，３ａ，４ａ，５ａ）の温度が上昇して耐力が減じられても、缶のつぶれを防止できるのである。しかも缶壁と充填剤が接触していても、充填剤は熱伝導率が低いから熱損失はほとんど生じないのである。
【００３８】
なお、上部断熱壁４及び／又は下部断熱壁５は、必要に応じて断熱容器本体２と一体に設けられていても良い。また、断熱容器本体２、内部断熱隔壁３、上部断熱壁４及び／又は下部断熱壁５は、必要に応じて他の公知の断熱材を用いても良い。更に、断熱容器本体２の形状は筒状であれば適宜、角筒状、例えば四角筒状や六角筒状などの多角筒状であっても良い。
【００３９】
ここで燃料電池セルアセンブリ１０に含まれるＳＯＦＣ４０は、固体酸化物形の燃料電池セルであることが好ましく、特にその種類は限定されないが、直接内部改質型の固体酸化物形燃料電池セルであっても本発明による効果は有効である。すなわち、本発明によれば、後述するようにＳＯＦＣ４０上での改質に伴う熱量吸収による発電効率の低減などを抑制することができて、高いエネルギー効率を有するとともにコンパクトな固体酸化物形燃料電池モジュールを提供できるのである。
【００４０】
本実施例に用いられる直接内部改質形のＳＯＦＣ４０について、図１に図２及び図３を併せて説明する。直接内部改質形のＳＯＦＣ４０は、水蒸気改質反応を燃料極４１上で生じながら、生成したＣＯやＨ２からなる燃料ガスによって直ちに発電反応を行うのである。このようなＳＯＦＣ４０は、公知の固体酸化物からなる電解質４２の両側に多孔質からなる燃料極（アノード）４１及び空気極（カソード）４３を設けたサンドイッチ構造を有する。空気極４３の外側には、酸化剤ガス管１６’（特に図１参照）によって空気等の酸化剤ガスが導かれる。一方、燃料極４１の外側には、混合ガス管１７’（特に図１参照）によって炭化水素系燃料ガス及び水蒸気からなる導入ガスが導かれる。空気極４３で電子を受け取った酸化剤ガス中の酸素は、酸素イオンとなって電解質４２を通って燃料極４１に移動する。燃料極４１では、導入ガスが多孔質体からなる燃料極４１内に担持された公知の白金族系触媒（図示せず）などに接触して水蒸気改質反応により一酸化炭素や水素からなる燃料ガスを生成するのである。かかる水蒸気改質反応により生じた一酸化炭素や水素は、電解質４２を介して供給される酸素イオンと反応して水及び二酸化炭素を生じるとともに、燃料極４１に電子を放出するのである。一方、反応によって生じた水、二酸化炭素及び未燃焼の燃料ガスは熱を帯びた排出ガスとしてＳＯＦＣ４０から排出ガス管１９（特に図１参照）を通って排出されるのである。
【００４１】
更に、図１に併せて図４乃至図６を参照すると、予熱部空間７には、排出ガス管１９によって燃料電池セルアセンブリ１０のＳＯＦＣ４０から排出される排出ガスと、酸化剤ガス管１６’及び混合ガス管１７’によって燃料電池セルアセンブリ１０のＳＯＦＣ４０に供給される導入ガスとの間で熱交換を行う熱交換器ユニット１２などが収容されている。
【００４２】
熱交換器ユニット１２は、予熱部空間７の内部にほぼ隙間無く収容される金属からなる筐体３３を有する。筐体３３の下部には、酸化剤ガスを貯留するための下部酸化剤ガス室２１、水を貯留するための加熱プール２２及び灯油などの液体からなる炭化水素系の原燃料を貯留するための原燃料室２３が設けられている。
【００４３】
下部酸化剤ガス室２１は、筐体３３の外部から酸化剤ガス導入口１３を介して酸化剤ガスを導き、上方へ向けて（図４に示すＸ方向を鉛直方向とする。）複数の酸化剤ガス熱交換配管２５を伸延させて、筐体３３の上部に設けられた上部酸化剤ガス室３５に連通している。
【００４４】
加熱プール２２は、筐体３３の外部から水導入口１４を介して水を導き、Ｘ方向と平行になるように上方へ向けて複数の水蒸気熱交換配管２６を伸延させて、筐体３３の上部に設けられた水蒸気排出口２９に連通している。
【００４５】
原燃料室２３は、筐体３３の外部から原燃料導入口１５を介して原燃料を導き、Ｘ方向と平行になるように上方へ向けて複数の原燃料ガス熱交換配管２７を伸延させて、筐体３３の上部に設けられた原燃料ガス室３７に連通している。なお、原燃料にメタンなどのガス燃料を用いることもできて、かかる場合には、原燃料室２３と原燃料導入口１５との間にガス逆流防止弁を設けることが好ましい。
【００４６】
熱交換器ユニット１２の筐体３３の内部には、酸化剤ガス熱交換配管２５、水蒸気熱交換配管２６及び原燃料ガス熱交換配管２７の伸張するＸ方向に一定間隔でじゃま板３２が並んでおり、各配管（２５，２６，２７）はじゃま板３２を貫通して延在している。ここで、じゃま板３２は、Ｘ方向に対して垂直方向に繰り返し流れる蛇行通路を形成するように筐体３３とじゃま板３２の端部との間に間隙３４を形成している。すなわち、Ｘ方向に並ぶじゃま板３２における左右端部の間隙３４が交互に左右の端部に設けられて、排出ガスの流れる流路を蛇行経路Eとするのである。なお、間隙３４はじゃま板３２に貫通孔を設けることであっても良い。上記した如く、排出ガスを酸化剤ガス熱交換配管２５、水蒸気熱交換配管２６及び原燃料ガス熱交換配管２７に沿って流すのではなく、蛇行経路Ｅとすることにより両者の接触時間を増やすことが出来るので、排出ガスと各配管（２５，２６，２７）内の液体又はガスとの熱交換効率を向上できるのである。また、排出ガスは各配管（２５，２６，２７）の伸張方向に垂直にこれを包囲するようにして流れるので、各配管（２５，２６，２７）の後方で乱流を形成し、熱交換率を向上せしめるのである。
【００４７】
熱交換器ユニット１２の筐体３３の上端部には、熱交換器ユニット１２に排出ガスを導く排出ガス導入口２４を備え、排出ガス管１９と接続している。また、筐体３３の下端部は開口しており、上記した蛇行通路Ｅを通った排出ガスを排出するための排出ガス排出口２０となっている。排出ガス排出口２０の排出ガス温度は、所定温度になるようにすることが好ましく、安定運転時にかかる設定温度にほぼなるように、断熱容器（２，３，４，５）、熱交換器ユニット１２などの軸線方向長さ、及び、蛇行経路Ｅの長さを画定するじゃま板３２の配置を決定するのである。
【００４８】
熱交換器ユニット１２の上部酸化剤ガス室３５には、酸化剤ガス排出口２８が設けられており、酸化剤ガス管１６を介して、後述する加熱器１１に酸化剤ガスを導く。一方、水蒸気室３６には、水蒸気排出口２９が設けられており、水蒸気管１７を介して、加熱器１１に水又は水蒸気を導く。また、原燃料ガス室３７には、原燃料排出口３０を設け、原燃料管１８を介して加熱器１１に液体原燃料又は原燃料ガスを導く。
【００４９】
なお、水蒸気熱交換配管２６及び原燃料ガス熱交換配管２７内において、液体を気化せしめる場合、その内部に図示しない伝熱性ビーズなどを充填することが好適である。伝熱性ビーズによって各配管（２６，２７）内部を流れる液体と各配管（２６，２７）との熱交換が促進させられるのである。かかる技術は公知である故に詳述しない。
【００５０】
図１及び図６を参照すると、加熱器１１は、セル部空間６と予熱部空間７とを結ぶ連通口８の近傍に設置される。すなわち、加熱器１１は、図示したように予熱部空間７内に設置しても良いし、高温部であるセル部空間６内に設置されても良い。また、予熱部空間７及びセル部空間６にまたがって、連通口８の少なくとも一部を閉塞するように設置しても良い。加熱器１１は、酸化剤ガス管１６及び１６’の間にあって酸化剤ガスを必要に応じて加熱し得る。また、水蒸気管１７及び原燃料管１８は、加熱器１１内部若しくは外部で結合されて混合ガス管１７’に連結されている。つまり、加熱器１１は、水蒸気（若しくは、水）及び原燃料ガス（若しくは、液体原燃料）を必要に応じて加熱し得て、これらを混合して混合ガスとして排出するのである。なお、かかる位置に燃料ガスの生成を調整するためのプレ改質装置（図示せず）を設けたり、若しくは混合ガス管１７’内にプレ改質材（図示せず）を配置しても良い。上記したように直接内部改質による水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、ＳＯＦＣ４０上での燃料ガスの生成量を調整せしめることで燃料電池モジュール１の熱バランスをコントロールし得るのである。
【００５１】
詳細には、図７に示すように、加熱器１１は、酸化剤ガス管１６から導入される酸化剤ガス、水蒸気管１７から導入される水蒸気（若しくは、水）及び原燃料管１８から導入される原燃料ガス（若しくは、液体原燃料）のそれぞれを個別に加熱するための加熱手段３９ａ、３９ｂ、３９ｃを備える。加熱手段は、電気ヒーターなど公知の各種加熱手段であってもよいが、燃料電池モジュール１に導入される原燃料を用いて燃焼可能なバーナであることが好ましい。例えば、バーナ３９ａ、３９ｂ、３９ｃは、これに燃料を送出するための配管に設けられたメインバルブ３８ｅ’の開度によってその出力を調整可能である。また、各バーナ３９ａ、３９ｂ、３９ｃはバルブ３８ａ’、３８ｂ’、３８ｃ’を備えており、その開度によって各バーナの出力を更に個別に調整可能である。
【００５２】
ここで、加熱器１１の制御方法の１つについて述べる。燃料電池セルアセンブリ１０の内部の所定位置には温度を検出するための熱制御センサー３８ｅが設けられる。バルブ３８ａ’、３８ｂ’、３８ｃ’の開度はそれぞれ所定の開度に固定しておく。一方で、熱制御センサー３８ｅからの検出信号に対応してバルブ３８ｅ’の開度を調整しながら原燃料のバーナ３９ａ、３９ｂ、３９ｃへの供給量を制御すると、その出力を制御できるのである。
【００５３】
なお、加熱器１１の他の制御方法として、図８に示すように、燃料電池セルアセンブリ１０に導入される各ガスの温度を加熱器１１の出口に設けた熱制御センサー３８ａ、３８ｂ、３８ｃによって検出して行ってもよい。バーナ３９ａ、３９ｂ、３９ｃの出力は、これら熱制御センサー３８ａ、３８ｂ、３８ｃからの各検出信号に対応して、それぞれバルブ３８ａ’、３８ｂ’、３８ｃ’の開度を調整しながらその出力を個別に制御できるのである。
【００５４】
更に、図６乃至図８を参照して、加熱器１１から排出される排出ガスを加熱器排出ガス管４４から熱交換器ユニット１２に導いてＳＯＦＣ４０から排出される排出ガスとともに熱供給源として用いてもよい。詳細には、バーナ３９ａ、３９ｂ、３９ｃに供給する空気などからなる酸化剤ガスの流量はフロー制御弁３８ｄ’によって制御できる。酸化剤ガスをバーナ３９ａ、３９ｂ、３９ｃの燃焼に用いられる量よりも過剰に供給すると、過剰分の酸化剤ガスは燃焼によって生じたガスと共に排出ガスとして加熱器排出ガス管４４から熱交換器ユニット１２に送出できるのである。加熱器排出ガス管４４は、燃料電池セルアセンブリ１０からの排出ガス管１９と合流若しくはそれぞれ独立して、熱交換器ユニット１２の上端部に備えられた加熱器排出ガス導入口（図示せず）に接続されるのである。
【００５５】
なお、図１及び図６において、酸化剤ガス及び混合ガスを燃料電池セルアセンブリ１０内のＳＯＦＣ４０の燃料極４１及び空気極４３に導く管路は図示していない。
【００５６】
次に図１乃至図８を参照しつつ、上記した燃料電池モジュール１における動作について説明する。  
【００５７】
本実施例においては、液体若しくはガスからなる原燃料を使用できるが、ここでは液体原燃料を用いる場合について述べる。液体原燃料は、灯油や合成灯油、例えば、１ｐｐｍ以下の硫黄分のパラフィン系合成液体原燃料であると、特に直接内部改質形のＳＯＦＣ４０であっても高い熱効率を得ることが出来て好ましい。しかしながら原燃料はこれに限定されるものではない。
【００５８】
特に、図１、図４、図６、図７及び図８に示すように、燃料電池モジュール１の起動時にあっては、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１３から熱交換器ユニット１２へ導かれ、熱交換器ユニット１２内の酸化剤ガス熱交換配管２５を通り、酸化剤ガス排出口２８及び酸化剤ガス管１６を介して、加熱器１１に導かれる。加熱器１１ではバーナ３９ａにより酸化剤ガスを加熱して、酸化剤ガス管１６’を介して燃料電池セルアセンブリ１０内のＳＯＦＣ４０の空気極４３（図３参照）に導くのである。
【００５９】
一方、水は、水導入口１４から熱交換器ユニット１２の水蒸気熱交換配管２６を通過して、水蒸気排出口２９及び水蒸気管１７を介して加熱器１１に導かれる。また、液体原燃料は、原燃料導入口１５から熱交換器ユニット１２の原燃料ガス熱交換配管２７を通過して、原燃料排出口３０から原燃料管１８を介して加熱器１１に導かれる。加熱器１１ではバーナ３９ｂ及び３９ｃによって水及び液体原燃料をともに気化させて、これらを混合して混合ガス管１７’を介して燃料電池セルアセンブリ１０内のＳＯＦＣ４０の燃料極４１（図３参照）に導くのである。
【００６０】
図２及び図３について述べたように、燃料極４１では水蒸気改質反応によりＣＯやＨ２からなる燃料ガスを生成しながら発電反応が生じる。ここで、発熱反応である発電反応に伴う発熱量は、水蒸気改質反応に伴う吸熱量にくらべて遙かに大きいため、未反応の混合ガス及び水蒸気等は熱を帯びた排出ガスとしてセル部空間６から排出ガス管１９を通って、連通口８を介してセル部空間６と連通した予熱部空間７へと運ばれるのである。
【００６１】
この排出ガスは、熱交換器ユニット１２の上部の排出ガス導入口２４からその内部に導入され、酸化剤ガス熱交換配管２５、水蒸気熱交換配管２６及び原燃料ガス熱交換配管２７内を流れる酸化剤ガス、水及び液体原燃料と熱交換を行ってこれらを加熱するのである。ここで、熱伝達媒体である燃料電池セルアセンブリ１０からの排出ガスはセル部空間６から予熱部空間７に連通口８を介してより短い距離で導くことができるから、排出ガスのエネルギー損失をより低減できて、急速に各配管（２５，２６，２７）内の酸化剤ガス、水及び液体原燃料の温度を上昇せしめることができるのである。なお、加熱器１１からの排出ガスを排出ガス導入口２４に導いても良いことは上記した如きである。
【００６２】
さらに燃料電池セルアセンブリ１０内のＳＯＦＣ４０の表面温度が発電反応により上昇すると、セル部空間６は連通口８以外を閉じているため、急速にセル部空間６の内部温度が上昇して排出ガス温度も上昇する。蛇行経路Ｅを設けたような上記した熱交換器ユニット１２では、排出ガスの熱が効率的に各配管（２５，２６，２７）内の酸化剤ガス、水及び液体原燃料に伝達するから、水蒸気熱交換配管２６及び原燃料ガス熱交換配管２７内の水及び液体原燃料は速やかに気化して、水蒸気及び原燃料ガスとなるのである。このとき、上記した熱制御センサー３８ｅ（図７参照）、若しくは熱制御センサー３８ａ、３８ｂ、３８ｃ（図８参照）からの信号に対応して加熱器１１のバーナ３９ａ、３９ｂ、３９ｃの出力をバルブ３８ｅ’（図７参照）若しくはバルブ３８ａ’、３８ｂ’、３８ｃ’（図８参照）の開度を絞ってそれぞれ抑制するのである。
【００６３】
さらに燃料電池セルアセンブリ１０内のＳＯＦＣ４０の表面温度が上昇すると、燃料電池セルアセンブリ１０の表面から放出される輻射熱が大きくなる。ここで、連通口８以外を閉じたセル部空間６において輻射熱は効果的に閉じこめられるから、セル部空間６の内部の温度は上昇して安定するので燃料電池セルアセンブリ１０の温度も安定するのである。また閉じこめられた輻射熱がセル部空間６内で反射して燃料電池セルアセンブリ１０に再び与えられて、燃料電池セルアセンブリ１０の温度を安定化させるのである。つまりＳＯＦＣ４０を安定して運転することが出来るのである。
【００６４】
温度の上昇した排出ガスは、熱交換器ユニット１２内の各配管（２５，２６，２７）内の酸化剤ガス、水蒸気及び原燃料ガスの温度をより高めることが出来て、もはや加熱器１１によるこれらガスの加熱を必要としないのである。すなわち、上記したように熱制御センサー３８ｅ（図７参照）、若しくは熱制御センサー３８ａ、３８ｂ、３８ｃ（図８参照）からの信号に対応して加熱器１１のバーナ３９ａ、３９ｂ、３９ｃの出力を更に抑制、若しくは停止するのである。
【００６５】
バルブ３８ｅ（図７参照）、若しくはバルブ３８ａ、３８ｂ、３８ｃ（図８参照）の開閉制御は、上記したようにその開度を段階的に変動させるステップ制御としてもよいが、例えば、全開若しくは全閉のいずれかとなるＯＮ−ＯＦＦ制御としてもよい。
【００６６】
なお、排出ガスの温度が再び低下するなど、燃料電池モジュール１の熱バランスが崩れた場合にあっては、上記した熱制御センサー３８からの信号に対応して加熱器１１を稼働せしめて熱量を補給できるので、燃料電池モジュール１を安定して運転させ得るのである。
【００６７】
以上の如く、本実施例では、断熱容器（２，４，５）の外部に漏出する熱エネルギーを非常に小さく抑えることが出来るから、発電反応により生ずる熱で燃料電池モジュール１に高いエネルギー効率を与える。これとともに、家庭用として実用的な大きさの、例えば、直径１０ｃｍ程度から１ｍ程度の範囲に収容可能なコンパクトな固体酸化物形燃料電池モジュールを提供できるのである。
【００６８】
以上、本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例を述べたが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明による燃料電池モジュールの要部の断面図である。
【図２】水蒸気改質反応を示す図である。
【図３】本発明による燃料電池モジュールの要部の拡大断面図である。
【図４】本発明による燃料電池モジュールの要部の斜視図である。
【図５】本発明による燃料電池モジュールの要部の断面図である。
【図６】本発明による燃料電池モジュールの要部のブロック図である。
【図７】本発明による燃料電池モジュールの要部のブロック図である。
【図８】本発明による燃料電池モジュールの他の実施例における要部のブロック図である。
【符号の説明】
【００７０】
１  燃料電池モジュール
２  断熱容器本体
３  内部断熱隔壁
４  上部断熱壁
５  下部断熱壁
６  セル部空間
７  予熱部空間
８  連通口
１０  燃料電池セルアセンブリ
１１  加熱器
１２  熱交換器ユニット
３２  じゃま板
３４  間隙
３９ａ、３９ｂ、３９ｃ  バーナ
４０  ＳＯＦＣ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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