JP2005078859A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】
燃料ガス及び空気の予熱を行いながら、燃料電池における温度分布を低減することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】
複数の燃料電池スタック２２と冷却器７，８とを具備する燃料電池システムを用いる。複数の燃料電池スタック２２は、容器２６内に設けられている。冷却器７，８は、複数の燃料電池スタック２２のうちの隣り合う２つの間に設けられている。冷却器７，８は、複数の燃料電池スタック２２の少なくとも一つで使用される燃料ガス１及び酸化剤ガス２のいずれか一方を供給ガスとして供給される。そして、その隣り合う２つの燃料電池スタック２２の熱でその供給ガスを昇温する。冷却器７，８は、内部のその供給ガスの流路内に、ガス熱伝達率を向上させるように複数の充填部材を備えていても良い。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池の温度分布を改善する燃料電池システムに関する。

燃料ガスと酸化剤ガス（例示：空気）とを供給され、電力を発生する燃料電池セルが知られている。複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックの形で発電を行うことや、複数の燃料電池スタックをまとめた燃料電池システムの形で発電を行うことが知られている。

燃料電池の一つである固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、１０００℃程度の高温で発電される。投入された燃料ガスのエネルギーは、ＳＯＦＣ内を通過する過程において、電気と熱に変換される。この発熱により、ＳＯＦＣの構成材（例示：発電膜、インタコネクタ）及び燃料ガス、空気は、下流になるほど温度が高くなる。そして、燃料ガスや空気の入口側と出口側とで、それらの温度に差ができる。ＳＯＦＣの場合、その部材の多くはセラミックスである。そのため、入口側と出口側との温度差に起因する熱応力は、ＳＯＦＣの各部材の破損を発生させる恐れがある。

燃料電池における温度分布を低減する技術が求められる。燃料ガス及び空気の入口側と出口側との温度差を低減する技術が望まれる。燃料電池の効率を落とさずに、その温度分布を低減し、信頼性を向上する技術が望まれる。

関連する技術として、特表２００２−５１６４６５号公報（ＰＣＴ／ＤＥ９９／０１３１３）に液体冷却式燃料電池スタックと燃料電池スタックの冷却方法の技術が開示されている。この技術の液体冷却式燃料電池スタックは、少なくとも２つの燃料電池ユニットを備える。密封枠が燃料電池ユニットのセパレータ間における冷却材を収容するための中間室を気密に包囲している。

特表２０００−５０４１４０号公報（ＰＣＴ／ＤＥ９６／０２４５１）に分配通路を有する流体冷却式の燃料電池の技術が開示されている。この技術の燃料電池は、陰極、電解質及び陽極を有する流体冷却手段を備えた燃料電池である。セル面に媒体を供給する少なくとも１つの分配通路が設けられていて、該分配通路は、セル面への媒体供給が分配通路からセル面の縁部に沿って行われるように、セル面内に設けられている。

特開２００３−１０９６３７号公報に燃料電池冷却装置及び燃料電池冷却装置の制御方法の技術が開示されている。この技術の燃料電池冷却装置は、燃料電池と、冷却媒体供給手段と、冷却媒体冷却手段と、第１温度検出手段と、第２温度検出手段と、制御手段とを備える。燃料電池は、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する。冷却媒体供給手段は、上記燃料電池に冷却媒体を供給する。冷却媒体冷却手段は、上記冷却媒体を冷却する。第１温度検出手段は、上記燃料電池に流入する上記冷却媒体の温度である流入冷却媒体温度を検出する。第２温度検出手段は、上記燃料電池から排出される上記冷却媒体の温度である流入冷却媒体温度を検出する。制御手段は、上記燃料電池の発電動作の制御及び上記冷却媒体供給手段、上記冷却媒体冷却手段による上記燃料電池の冷却動作の制御をする。上記制御手段は、上記第１温度検出手段によって検出された流入冷却媒体温度と、上記第２温度検出手段によって検出された排出冷却媒体温度との温度差が所定値以上になったことに応じて、上記冷却媒体供給手段に異常が発生したことを判定する。

特表２００２-５１６４６５号公報 特表２０００−５０４１４０号公報 特開２００３−１０９６３７号公報

従って、本発明の目的は、燃料電池における温度分布を低減することが可能な燃料電池システムを提供することである。

また、本発明の他の目的は、燃料電池における燃料ガス及び空気の入口側と出口側との温度差を低減することが可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明の更に他の目的は、燃料ガス及び空気の予熱を行いながら、燃料電池における燃料ガス及び空気の入口側と出口側との温度差を低減することが可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明の別の目的は、燃料電池の効率を落とさずに、その温度分布を低減し、信頼性を向上することが可能な燃料電池システムを提供することである。

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

従って、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池スタック（２２）と冷却器（７，８）とを具備する。複数の燃料電池スタック（２２）は、容器（２６）内に設けられている。冷却器（７，８）は、複数の燃料電池スタック（２２）のうちの隣り合う２つの間に設けられている。冷却器（７，８）は、複数の燃料電池スタック（２２）の少なくとも一つで使用される燃料ガス（１）及び酸化剤ガス（２）のいずれか一方を供給ガスとして供給される。そして、その隣り合う２つの燃料電池スタック（２２）の熱でその供給ガスを昇温する。

本発明の冷却器（７，８）により、燃料電池スタック（２２）を冷却し、その温度上昇を抑制できる。加えて、燃料電池スタック（２２）の温度分布を低減することが出来る。

上記の燃料電池システムにおいて、冷却器（７，８）は、入熱面積が増加するように互いに平行に配列された複数の管（４４）を含む。

本発明により、冷却器（７，８）への入熱が増加し、より効率的に燃料電池スタック（２２）を冷却し、その温度分布を低減できる。

上記の燃料電池システムにおいて、冷却器（７，８）は、内部のその供給ガスの流路内に、ガス熱伝達率を向上させるように複数の充填部材（４９）を備える。

本発明により、流路内の供給ガスに、より効率的に熱を吸収され、より効率的に燃料電池スタック（２２）を冷却し、その温度分布を低減できる。

上記の燃料電池システムにおいて、その供給ガスが燃料ガス（１）の場合、複数の充填部材（４９）は、改質触媒を含む。

本発明により、改質反応時の吸熱により、より効率的に燃料電池スタック（２２）を冷却し、その温度分布を低減できる。

上記の燃料電池システムにおいて、冷却器（７）は、その隣り合う２つの燃料電池スタック（２２）における高温部に対応する位置から、燃料ガス（１）を供給する。

本発明により、燃料電池スタック（２２）の高温部に対応する冷却器（７）の位置に、最も吸熱の大きい箇所（燃料ガス（１）と改質触媒とが最初に接触する箇所）が来るので、より効率的に燃料電池スタック（２２）の高温部を冷却し、その温度分布を低減できる。

上記の燃料電池システムにおいて、冷却器（７，８）は、その隣り合う２つの燃料電池スタック（２２）における高温部に対応する位置の複数の充填部材（４９）の充填率が、低温部（Ｃ）に対応する位置の充填率に比較して高い。

本発明により、高温部に対応する位置の冷却器（７，８）が、より効率的に燃料電池スタック（２２）を冷却し、その温度分布をより的確に低減できる。

上記の燃料電池システムにおいて、冷却器（７，８）は、その隣り合う２つの燃料電池スタック（２２）における高温部に対応する位置及び大きさに設けられている。

本発明により、高温部に対応する位置の冷却器（７，８）が、より効率的に燃料電池スタック（２２）を冷却し、その温度分布をより的確に低減できる。

上記の燃料電池システムにおいて、冷却器（４ａ）は、隣接して設けられ熱交換を行う燃料用熱交換室（４７）と酸化剤用熱交換室（４８）とを含む。燃料用熱交換室（４７）は、複数の燃料電池スタック（２２）の少なくとも一つで使用される燃料ガス（１）を第１供給ガスとして供給される。そして、その隣り合う２つの燃料電池スタック（２２）のうちの少なくとも一方の熱でその第１供給ガスを昇温する。酸化剤用熱交換室（４８）は、複数の燃料電池スタック（２２）の少なくとも一つで使用される酸化剤ガス（２）を第２供給ガスとして供給される。そして、その隣り合う２つの燃料電池スタック（２２）のうちの少なくとも他の一方の熱でその第２供給ガスを昇温する。その際、その第１供給ガスとその第２供給ガスとが同じ温度になるように熱交換を行う。

本発明により、燃料電池スタック（２２）を冷却し、その温度分布を低減できるのに加えて、燃料ガス（１）と空気（２）との間の温度差を低減する熱交換をより効率的に行うことが出来る。

上記の燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池スタック（２２）のうちの隣り合う２つは、互いに、供給される燃料ガス（１）及び酸化剤ガス（２）の流れる方向が逆である。

本発明により、燃料電池スタック（２２）の温度分布を低減できる。

上記の燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池スタック（２２）の各々は、複数の燃料電池セル（３１）とガス流通層（５４）とを備える。複数の燃料電池セル（３１）は、積層され、その各々が平板状である。ガス流通層（５４）は、複数の燃料電池セル（３１）の隣り合う２つの間に設けられ、燃料ガス（１）及び酸化剤ガス（２）の少なくとも一方を流す。

本発明により、燃料電池スタック（２２）の温度分布を低減できる。

上記の燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池スタック（２２）の各々は、複数の燃料電池セル（３１）と２つの集電板（３２）とを備える。複数の燃料電池セル（３１）は、積層され、その各々が平板状である。２つの集電板（３２）は、複数の燃料電池セル（３１）の両端に設けられている。２つの集電板（３２）は、複数の燃料電池セル（３１）のうちの端のものと接触する側の温度分布が少なくなるように厚く設けられる。

本発明により、燃料電池スタック（２２）の温度分布を低減できる。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、容器（２６）と、容器（２６）内に設けられた複数の燃料電池スタック（２２）とを具備する。複数の燃料電池スタック（２２）のうちの隣り合う２つは、互いに、供給される燃料ガス（１）及び酸化剤ガス（２）の流れる方向が逆である。

本発明により、燃料電池スタック（２２）の温度分布を低減できる。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、容器（２６）と、容器（２６）内に設けられた複数の燃料電池スタック（２２）とを具備する。複数の燃料電池スタック（２２）の各々は、積層された平板状の複数の燃料電池セル（３１）と、複数の燃料電池セル（３１）の両端に設けられた２つの集電板（３２）とを備える。２つの集電板（３２）は、複数の燃料電池セル（３１）のうちの端のものと接触する側の温度分布が少なくなるように厚く設けられる。

本発明により、燃料電池スタック（２２）の温度分布を低減できる。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、容器（２６）と、容器（２６）内に設けられた複数の燃料電池スタック（２２）とを具備する。複数の燃料電池スタック（２２）の各々は、積層された平板状の複数の燃料電池セル（３１）と、複数の燃料電池セル（３１）の隣り合う２つの間に設けられ、燃料ガス（１）及び酸化剤ガス（２）の少なくとも一方を流すガス流通層（５４）とを備える。

本発明により、燃料電池スタック（２２）の温度分布を低減できる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタック（２２）は、固体酸化物型である。

本発明は、殆どの部材がセラミック製で、一つの部材中の温度分布や、一体化された部材中の温度分布、更に供給される燃料ガス及び酸化剤ガス（２）の温度差などで発生する熱応力の影響を極力排除すべき固体酸化物型の燃料電池スタック（２２）に特に好ましい。

本発明により、燃料ガス及び空気の予熱を行いながら、燃料電池における温度分布を低減することが可能となる。

以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。

本実施例において、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池システムを例に示して説明するが、他のタイプの燃料電池を用いる燃料電池システムに対しても適用可能である。なお、燃料電池システム本体３（後述）をもって、燃料電池システムとしても良い。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態の構成を示す図である。燃料電池システムは、ＳＯＦＣシステム本体３、熱交換器４、燃焼器５、熱交換器６、スタック冷却器７、スタック冷却器８、ファン９を具備する。図中、電力に関わる構成は省略している。

ＳＯＦＣシステム本体３は、配管１１−３から燃料ガス１を、配管１３−４から空気２をそれぞれ供給され、電力を発生する。その後、使用済みの燃料ガス１は、配管１２から排出される。使用済みの空気２は、配管１４から排出される。ＳＯＦＣシステム本体３は、ＳＯＦＣモジュール２１（後述）、スタック冷却器７及びスタック冷却器８を備える。ここで、燃料ガス１は、水蒸気を含む水素ガスや、水蒸気を含むメタンガスのような炭化水素ガスに例示される。空気２は、酸素を含む他のガスでも良い。

スタック冷却器７は、ＳＯＦＣシステム本体３へ供給される前の燃料ガス１を配管１１−１から供給され、その燃料ガス１をＳＯＦＣモジュール２１の熱により予熱する。そして、予熱された燃料ガス１を配管１１−２へ送出する。そのときの熱交換により、ＳＯＦＣモジュール２１を冷却する。

同様に、スタック冷却器８は、ＳＯＦＣシステム本体３へ供給される前の空気２を配管１３−２から供給され、その空気２をＳＯＦＣモジュール２１の熱により予熱する。そして、予熱された空気２を配管１３−３へ送出する。そのときの熱交換により、ＳＯＦＣモジュール２１を冷却する。

スタック冷却器７及びスタック冷却器８は、いずれか一方だけが設けられていても良い。

このようなスタック冷却器７及びスタック冷却器８を用いることで、燃料ガス１及び空気２の予熱ができると共に、ＳＯＦＣシステム本体３の冷却を行うことが可能となる。すなわち、熱効率が向上する。

熱交換器４は、配管１１−２から供給される燃料ガス１と、配管１３−３から供給される空気２とを熱交換する。そして、それらの間の温度差を無くすようにする。熱交換後、燃料ガス１は配管１１−３経由で、空気２は配管１３−４経由で、それぞれＳＯＦＣシステム本体３へ供給される。

燃焼器５は、ＳＯＦＣシステム本体３から送出された燃料ガス１と空気２とを、それぞれ配管１２及び配管１４経由で受ける。そして、それらを混合、燃焼して高温の排気ガスとして配管１５−１へ送出する。

熱交換器６は、配管１５−１から供給される排気ガスを用いて、配管１３−１から供給される空気２を熱交換により予熱する。そして、排気ガスは配管１５−２へ、空気２は配管１３−２へ送出する。

ファン９は、配管１２の使用済みの燃料ガス１の一部を配管１６−１を介して取り出し、リサイクル利用するために、配管１６−２を介して配管１１−１へ戻す。このリサイクルにより、燃料利用率が向上する。

次に、ＳＯＦＣモジュールについて更に説明する。

図２は、ＳＯＦＣモジュールの構成を示す斜視図である。ＳＯＦＣモジュール２１は、燃料ガス１と空気２とを供給され、電力を発生する。ＳＯＦＣスタック２２、マニホールド２３及びマニホールド２４を備える。

ＳＯＦＣスタック２２は、複数のＳＯＦＣセル（セパレータを含む）が積層され、両側に集電用の集電板を備える。燃料ガス１と空気２とを供給され、電力を発生する。図中、下側のマニホールド２３は、燃料ガス１を供給され、ＳＯＦＣスタック２２へ送出する。上側のマニホールド２３は、ＳＯＦＣスタック２２で使用された燃料ガス１を集めて、外部へ排出する。図中、ＳＯＦＣスタック２２の中に矢印で示したように、燃料ガス１と空気２とは、ＳＯＦＣセルを挟んでクロスして流れる。

続いて、ＳＯＦＣシステム本体について更に説明する。

図３は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体３の構成を示す断面図である。この図では、マニホールド２３に供給される燃料ガス１又は空気２の配管、及び電気的配線を省略している。ＳＰＦＣ本体３は、キャニスタ２６と、複数のＳＯＦＣモジュール２１と、スタック冷却器７、８を備える。

キャニスタ２６は、図２に示した複数のＳＯＦＣモジュール２１（ＳＯＦＣスタック２２を含む）と、スタック冷却器７、８その他の構成を収める断熱性の容器である。内部は、ＳＯＦＣスタック２２の発熱などにより、１０００℃程度の高温になっている。

ＳＯＦＣモジュール２１のＳＯＦＣスタック２２は、積層された平板状の複数のＳＯＦＣセル３１と、その両端に設けられた２つの集電板３２とを備える。隣り合うＳＯＦＣモジュール２１のＳＯＦＣスタック２２とは、集電板３２同士を図示されない配線で電気的に接続されている。

図は、スタック冷却器７及びスタック冷却器８のいずれの場合であっても良いので、２つの番号を併記している。スタック冷却器７は、複数のＳＯＦＣスタック２２のうちの隣り合う２つの間に設けられている。そして、配管１１−１から供給された燃料ガス１は、両側のＳＯＦＣスタック２２からの熱（特に輻射熱）により加熱され、昇温される。そして、両側のＳＯＦＣスタック２２は、熱を与えることにより冷却され、降温される。加熱、昇温された燃料ガス１は、配管１１−２へ送出される。

同様に、スタック冷却器８は、複数のＳＯＦＣスタック２２のうちの隣り合う２つの間に設けられている。そして、配管１３−２から供給された空気２は、両側のＳＯＦＣスタック２２からの熱（特に輻射熱）により加熱され、昇温される。そして、両側のＳＯＦＣスタック２２は、熱を与えることにより冷却され、降温される。加熱、昇温された空気２は、配管１３−３へ送出される。

次に、スタック冷却部について更に説明する。

図４は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるスタック冷却部７、８の構成を示す斜視図である。スタック冷却部７、８は、冷却部本体４２と付属配管４３とを含む。冷却部本体４２は、耐熱性の金属（例示：遷移金属、耐熱鋼）やセラミックス（例示：アルミナ、安定化ジルコニア）で形成された直方体の容器（ダクト構造）である。Ｄ１で示される方向から見た面の面積は、図３におけるＤ２の方向から見たＳＯＦＣスタック２２の面積と概ね等しいかやや大きい。そして、スタック冷却部７、８は、図３におけるＤ２の方向から見たとき、ＳＯＦＣスタック２２と重なり、ＳＯＦＣスタック２２がはみ出ないような位置に設置される。それにより、ＳＯＦＣスタック２２からの熱をより確実に受けることができる。

スタック冷却部７、８内には、熱交換の効率を上げるために従来用いられている構造（例示：フィン、じゃま板）を設けることも可能である。

次に、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態の動作説明する。

燃料ガス１は、配管１１−１を通り、ＳＯＦＣシステム本体３へ入る。そして、ＳＯＦＣシステム本体３において、スタック冷却部７へ入る。ＳＯＦＣスタック２２は、発電しているとき発熱し、１０００℃程度になっている。燃料ガス１は、スタック冷却部７において、ＳＯＦＣスタック２２からの熱（輻射熱を含む）を受けて、加熱され、昇温する。その後、配管１１−２経由で熱交換器４に達する。熱交換器４においては、空気２との温度差をできるだけ無くすように空気２と熱交換を行う。その後、配管１１−３経由でＳＯＦＣシステム本体３へ入る。そして、ＳＯＦＣシステム本体３のＳＯＦＣモジュール２１へ入り、ＳＯＦＣスタック２２において発電に使用される。そのとき、電力と熱を発生する。その後、使用済みの燃料ガス１は、配管１２へ送出される。配管１２において、その一部はファン９により、配管１６−１及び配管１６−２経由で配管１１−１へリサイクルされる。他は燃焼器５へ送出される。

空気２は、配管１３−１を通り、熱交換器６に達する。熱交換器６において、燃焼器５からの高温の排気ガスにより加熱され、昇温する。その後、配管１３−２経由で、ＳＯＦＣシステム本体３へ入る。そして、ＳＯＦＣシステム本体３において、スタック冷却部８へ入る。空気２は、スタック冷却部８において、ＳＯＦＣスタック２２からの熱（輻射熱を含む）を受けて、更に、加熱され、昇温する。その後、配管１３−３経由で熱交換器４に達する。熱交換器４においては、燃料ガス１との温度差をできるだけ無くすように燃料ガス１と熱交換を行う。その後、配管１３−４経由でＳＯＦＣシステム本体３へ入る。そして、ＳＯＦＣシステム本体３のＳＯＦＣモジュール２１へ入り、ＳＯＦＣスタック２２において発電に使用される。そのとき、電力と熱を発生する。その後、使用済みの空気２は、配管１４経由で燃焼器５へ送出される。

燃焼器５の燃料ガス１と空気２とは、混合、燃焼されて、高温の排気ガスとなる。高温の排気ガスは、配管１５−１経由で、熱交換器６に送出される。その排気ガスは、熱交換器６において、空気２と熱交換を行い、冷却され、降温する。その後、配管１５−２を介して排出される。

このとき、スタック冷却部７、８でＳＯＦＣスタック２２の熱を除去するので、ＳＯＦＣスタック２２が異常に高温になることを防止できる。スタック冷却部７、８とＳＯＦＣスタック２２との熱交換において、交換される熱量は温度差が大きいところほど大きい。従って、ＳＯＦＣスタックにおける図３のＤ２方向から見た面の温度分布（温度差）を、スタック冷却部との熱交換により抑制することが可能となる。このような温度差は、ＳＯＦＣスタック２２における入口側と出口側とでは温度差が大きいので、入口側と出口側との温度差を抑制するのに特に効果的である。

本発明により、燃料ガス１及び空気２の予熱を行いながら、ＳＯＦＣにおける温度分布を低減することが可能となる。

本発明において、スタック冷却器の構造は、図４に示す構造に限定されるものではない。

図５は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるスタック冷却部７、８の構成の応用例を示す斜視図である。スタック冷却部７、８は、複数の冷却部本体管４４とヘッダ配管４５とを含む。冷却部本体管４４は、耐熱性の金属（例示：遷移金属、耐熱鋼）やセラミックス（例示：アルミナ、安定化ジルコニア）で形成された管である。Ｄ１で示される方向から見た複数の冷却部本体管４４のなす面の面積は、図３におけるＤ２の方向から見たＳＯＦＣスタック２２の面積と概ね等しいかやや大きい。そして、スタック冷却部７、８は、図３におけるＤ２の方向から見たとき、ＳＯＦＣスタック２２と重なり、ＳＯＦＣスタック２２がはみ出ないような位置に設置される。それにより、ＳＯＦＣスタック２２からの熱をより確実に受けることができる。

加えて、冷却部本体管４４は、管構造を有しているので、図４の場合と比較して表面積が増加している。すなわち、ＳＯＦＣスタック２２からの入熱面積及び管内面積が増大する。それにより、より効率的に熱交換を行うことが可能となる。更に、冷却部本体管４４内部にらせん状の乱流促進体を挿入することで、管内熱伝達率を向上させることも可能である。強度的な面では、管構造を有しているので、強度が向上し、耐熱応力性が向上する。加えて、配管を配列するだけなので、加工も容易でコストも低減できる。

本発明において、スタック冷却器の内部に、充填部材を導入してもよい。

図６は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体３の構成の応用例を示す断面図である。ただし、この図では、キャニスタ２６、マニホールド２３に供給される燃料ガス１又は空気２の配管、及び電気的配線を省略している。

この図では、スタック冷却器７、８の内部に充填部材４９を挿入している点で、図３と異なる。スタック冷却器のガスの流路内は、高温（１０００℃又はその近傍）であり、熱輻射による熱伝導が支配的である。このような状況で、効率的に熱交換が可能な充填部材４９としては、表面積が大きくなるような形状（例示：球、ラシヒリング、多孔体）で、熱輻射率が大きい材料であることが好ましい。そのような例として、セラミックスボール、焼結金属、セラミックファイバが上げられる。

充填部材４９を導入することで、スタック冷却器のガスの流路内の等価ガス熱伝達率（充填部材の効果を考慮した管壁の単位面積あたりのガス熱伝達率）が向上する。それにより、ＳＯＦＣスタック２２との熱交換を効率的に行うことが出来る。従って、ＳＯＦＣスタック２２の温度上昇及び温度分布をより抑制することが可能となる。

本発明において、充填部材４９は、改質触媒を含んでいても良い。そのような改質触媒としては、燃料ガスがメタンやプロパンのような炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスの場合、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈのような担持金属とアルミナ、マグネシア、ジルコニアのような担体との組み合わせで構成される水蒸気改質触媒に例示される。

改質反応は吸熱反応であり、スタック冷却器の壁面が吸熱反応により冷却されるので、ＳＯＦＣスタック２２とスタック冷却器７との間の熱交換をより促進することができる。加えて、燃料ガス１の改質を同時に行うことが出来、外部に別に改質器を設ける必要がない。

本発明において、充填部材４９は、スタック冷却器全体に詰め込む必要はない。例えば、ＳＯＦＣスタック２２の高温部分に対応する位置に、より多く充填部材４９することで、より正確に温度分布の抑制を行うことができる。

図７は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体３の構成の他の応用例を示す断面図である。ただし、この図では、キャニスタ２６、マニホールド２３に供給される燃料ガス１又は空気２の配管、及び電気的配線を省略している。

この図では、スタック冷却器７、８の内部に充填する充填部材４９に分布を設けている点で、図６と異なる。ガス下流側の温度が高くなる温度分布を有するＳＯＦＣスタック２２に対しては、ガス下流側に当たる部分における充填部材４９の充填率を相対的に高くし、領域Ｃに当たる部分における充填部材４９の充填率を相対的に低くする。充填率が相対的に高い場合、熱交換がより多く行われる。一方、充填率が相対的に低い場合、熱交換がより少なく行われる。従って、冷却の微調整が出来、より正確に温度分布の抑制を行うことができる。

本発明において、スタック冷却器の大きさ（形状）は、図４や図５に限定されるものではない。

図８は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体３の構成の更に他の応用例を示す断面図である。ただし、この図では、キャニスタ２６、マニホールド２３に供給される燃料ガス１又は空気２の配管、及び電気的配線を省略している。

この図では、スタック冷却器７、８の大きさを変えている点で、図６と異なる。ガス下流側の温度が高くなる温度分布を有するＳＯＦＣスタック２２に対しては、例えば、ガス下流側に当たる部分に対応する位置にスタック冷却器７、８を設ける。これにより、相対的に温度が最も高い領域について熱交換を行うことができる。それにより、ＳＯＦＣスタック２２における温度分布を抑制することが可能となる。加えて、スタック冷却器７、８のコストを低減することができる。

本発明により、燃料電池における温度分布、特に、燃料ガス及び空気の入口側と出口側との温度差を低減することが可能となる。加えて、同時に燃料ガス及び空気の予熱を行いうことができる。そして、システム全体としての効率や信頼性を向上させることが可能となる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

図９は、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態の構成を示す図である。燃料電池システムは、ＳＯＦＣシステム本体３、熱交換器４ａ、燃焼器５、熱交換器６、ファン９を具備する。図中、電力に関わる構成は省略している。

本実施の形態では、スタック冷却器７、８を設ける替わりに、熱交換器４ａをＳＯＦＣシステム本体３内に設け、ＳＯＦＣスタック２２と熱交換する点で、第１の実施の形態と異なる。

ＳＯＦＣシステム本体３は、配管１１−１から燃料ガス１を、配管１３−２から空気２をそれぞれ供給される。そして、ＳＯＦＣシステム本体３内の熱交換器４ａは、配管１１−１から供給される燃料ガス１と、配管１３−２から供給される空気２とを、燃料ガス１と空気２との温度差を無くすように熱交換する。それと同時に、ＳＯＦＣスタック２２を冷却するように、燃料ガス１と空気２とＳＯＦＣスタック２２との間の熱交換を行う。その後、ＳＯＦＣシステム本体３のＳＯＦＣモジュール２１は、配管１１−２経由で燃料ガス１を、配管１３−３経由で空気２を供給され、電力を発生する。

このような熱交換器４ａを用いることで、燃料ガス１及び空気２の予熱ができると共に、ＳＯＦＣシステム本体３の冷却を行うことが可能となる。すなわち、熱効率が向上する。

その他（燃焼器５、熱交換器６、ファン９、ＳＯＦＣモジュール２１（図２）を含む）については、スタック冷却器７、８を設けないほかは、第１の実施の形態と同様である。

続いて、ＳＯＦＣシステム本体について更に説明する。

図１０は、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体３の構成を示す断面図である。この図では、キャニスタ２６、マニホールド２３に供給される燃料ガス１又は空気２の配管、及び電気的配線を省略している。ＳＰＦＣ本体３は、と、複数のＳＯＦＣスタック２２と、熱交換器４ａを備える。

ＳＯＦＣスタック２２については、第１の実施の形態と同様である。

熱交換器４ａは、複数のＳＯＦＣスタック２２のうちの隣り合う２つの間に設けられている。互いに隣接して設けられ、互いに熱交換可能な燃料用熱交換室４７と空気用熱交換室４８とを備える。一方のＳＯＦＣスタック２２側には、燃料用熱交換室４７があり、そのＳＯＦＣスタック２２と熱交換を行う。他方のＳＯＦＣスタック２２側には、空気用熱交換室４８があり、そのＳＯＦＣスタック２２と熱交換を行う。

配管１１−１から燃料用熱交換室４７へ供給された燃料ガス１は、一方のＳＯＦＣスタック２２からの熱（特に輻射熱）により加熱され、昇温される。そして、そのＳＯＦＣスタック２２は、熱を与えることにより冷却し、降温される。加熱、昇温される燃料ガス１は、同時に空気用熱交換室４８の空気２と熱交換を行い、配管１１−２へ送出される。そして、そのままＳＯＦＣシステム本体３の外に出ることなく、ＳＯＦＣモジュール２１のマニホールド２３へ供給される。

配管１３−２から空気用熱交換室４８へ供給された空気２は、他方のＳＯＦＣスタック２２からの熱（特に輻射熱）により加熱され、昇温される。そして、そのＳＯＦＣスタック２２は、熱を与えることにより冷却し、降温される。加熱、昇温される空気２は、同時に燃料用熱交換室４７の燃料ガス１と熱交換を行い、配管１３−３へ送出される。そして、そのままＳＯＦＣシステム本体３の外に出ることなく、ＳＯＦＣモジュール２１のマニホールド２４へ供給される。

熱交換器４ａは、耐熱性の金属（例示：遷移金属、耐熱鋼）やセラミックス（例示：アルミナ、安定化ジルコニア）で形成された直方体の容器（ダクト構造）である。Ｄ３で示される方向から見た面の面積は、ＳＯＦＣスタック２２の面積と概ね等しいかやや大きい。そして、熱交換器４ａは、Ｄ３の方向から見たとき、ＳＯＦＣスタック２２と重なり、ＳＯＦＣスタック２２がはみ出ないような位置に設置される。それにより、ＳＯＦＣスタック２２からの熱をより確実に受けることができる。

形状は、図１０のものに制限されるものではなく、ＳＯＦＣスタック２２を冷却し、且つ、互いに温度差を無くすように熱交換可能な燃料用熱交換室４７と空気用熱交換室４８とを備えていれば良い。

次に、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態の動作説明する。

燃料ガス１は、配管１１−１を通り、ＳＯＦＣシステム本体３へ入る。そして、ＳＯＦＣシステム本体３において、熱交換器４ａの燃料用熱交換室４７へ入る。ＳＯＦＣスタック２２は、発電しているとき発熱し、１０００℃程度になっている。燃料ガス１は、燃料用熱交換室４７において、ＳＯＦＣスタック２２からの熱（輻射熱を含む）を受けて、加熱され、昇温する。同時に、空気２との温度差をできるだけ無くすように、空気用熱交換室４８の空気２と熱交換を行う。その後、配管１１−２経由でＳＯＦＣモジュール２１にへ入り、ＳＯＦＣスタック２２において発電に使用される。そのとき、電力と熱を発生する。その後、使用済みの燃料ガス１は、配管１２へ送出される。配管１２において、その一部はファン９により、配管１６−１及び配管１６−２経由で配管１１−１へリサイクルされる。他は燃焼器５へ送出される。

空気２は、配管１３−１を通り、熱交換器６に達する。熱交換器６において、燃焼器５からの高温の排気ガスにより加熱され、昇温する。その後、配管１３−２経由で、ＳＯＦＣシステム本体３へ入る。そして、ＳＯＦＣシステム本体３において、熱交換器４ａの空気用熱交換室４８へ入る。空気２は、空気用熱交換室４８において、ＳＯＦＣスタック２２からの熱（輻射熱を含む）を受けて、更に、加熱され、昇温する。同時に、燃料ガス１との温度差をできるだけ無くすように、燃料用熱交換室４７の燃料ガス１と熱交換を行う。その後、配管１３−３経由でＳＯＦＣモジュール２１へ入り、ＳＯＦＣスタック２２において発電に使用される。そのとき、電力と熱を発生する。その後、使用済みの空気２は、配管１４経由で燃焼器５へ送出される。

燃焼器５の燃料ガス１と空気２とは、混合、燃焼されて、高温の排気ガスとなる。高温の排気ガスは、配管１５−１経由で、熱交換器６に送出される。その排気ガスは、熱交換器６において、空気２と熱交換を行い、冷却され、降温する。その後、配管１５−２を介して排出される。

このとき、熱交換器４ａでＳＯＦＣスタック２２の熱を除去するので、ＳＯＦＣスタック２２が異常に高温になることを防止できる。熱交換器４ａとＳＯＦＣスタック２２との熱交換において、交換される熱量は温度差が大きいところほど大きい。従って、ＳＯＦＣスタックにおける図１０のＤ３方向から見た面の温度分布（温度差）を、スタック冷却部との熱交換により抑制することが可能となる。このような温度差は、ＳＯＦＣスタック２２における入口側と出口側とでは温度差が大きいので、入口側と出口側との温度差を抑制するのに特に効果的である。

本発明により、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。加えて、図６、７、８で説明した第１の実施の形態の応用例についても、最終的にＳＯＦＣモジュール２１へ導入される燃料ガス１及び空気２の温度に問題が起こらない範囲で、同様に適用することが可能である。

更に、熱交換器４ａをＳＯＦＣシステム本体３内に設けるので、熱交換器４ａ後に燃料ガス１と空気２との温度差がほとんど発生しない。従って、ＳＯＦＣスタック２２の入口側における燃料ガス１と空気２との温度差による熱応力を無くすことができる。そして、第１の実施の形態の場合と比較して、装置をコンパクトにすることが可能となる。

本発明において、ＳＯＦＣモジュール２１のＳＯＦＣスタック２２の集電板３２の厚みは、より厚くしても良い。その様子を示したのが図１１である。すなわち、図１１は、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体３の構成の応用例を示す断面図である。この場合、集電板３２の熱伝導でＳＯＦＣスタック２２の温度分布を緩和し、ＳＯＦＣスタック２２を均温化することができる。これは、単独で行っても効果があるが、第１及び第２の実施の形態の少なくとも１つと併せて行うとより効果があり、より好ましい。

本発明において、複数のＳＯＦＣモジュール２１における燃料ガス１及び空気２の流れは、全て同じ方向としている。しかし、必ずしもそのようにする必要はなく、複数のＳＯＦＣモジュール２１の隣り合う２つが、燃料ガス１及び空気２の流れが逆であっても良い。その様子を示したのが図１２である。すなわち、図１２は、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体３の構成の他の応用例を示す断面図である。矢印で例示される燃料ガス１及び空気２の流れは、隣り合うＳＯＦＣモジュール２１において、逆方向になっている。この場合、隣り合うＳＯＦＣモジュール２１同士で、ＳＯＦＣスタック２２における温度分布が逆になる。すなわち、ＳＯＦＣシステム本体３の全体として温度分布を打ち消すことができる。これは、単独で行っても良いし、第１及び第２の実施の形態の少なくとも１つと併せて行ってもよい。図１１の構成を併せて持つことも可能である。その場合、温度分布を低減する効果がより大きくなる。

本発明において、ＳＯＦＣスタック２２では、複数のＳＯＦＣセル３１が積層された構造となっている。しかし、必ずしもそのようにする必要はなく、積層された複数のＳＯＦＣセル３１の途中に、単にガスだけを通過させる擬似的なＳＯＦＣセル３１＝ガス流通層５４を設けても良い。その様子を示したのが図１３である。すなわち、図１３は、発明の燃料電池システムの第２の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体３の構成の更に他の応用例を示す断面図である。ＳＯＦＣセル３１は、インターコネクタ５１と発電膜５２とを有する（この構造の詳細は、例えば、特開２００２−１４１０８１号公報や特開２００２−１４１０９７号公報に詳しい）。この場合、発電膜５２を金属膜に置き換えたガス流通層５４を、積層された複数のＳＯＦＣセル３１の途中に入れている。こうすることで、電流の通路を確保しながら、発電ではなく冷却用のガスとして燃料ガス１及び空気２を用いることが可能となる。そして、ＳＯＦＣスタック２２を直接冷却することが可能となる。図では一層分のガス流通層５４を設けているが、この数に限定されることはない。これは、単独で行っても効果があるが、第１及び第２の実施の形態の少なくとも１つと併せて行うとより効果があり、より好ましい。図１１や図１２の構成を併せて持つことも可能である。その場合、温度分布を低減する効果がより大きくなる。

本発明により、燃料電池における温度分布、特に、燃料電池における燃料ガス及び空気の入口側と出口側との温度差を低減することができる。加えて、それを、燃料ガス及び空気の予熱を行いながら実施することができる。更に、燃料電池の効率を落とさずに、その温度分布を低減し、信頼性を向上することが可能となる。

固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）は、殆どの部材がセラミック製なので、一つの部材中の温度分布や、一体化された部材中の温度分布、供給される燃料ガスと酸化剤ガス（２）との間の温度差のような各種の原因で発生する熱応力に対して、影響を受けやすい。しかし、本発明により、それらの原因が解消され、温度分布が抑制され、熱応力による信頼性の低下を排除することが可能となる。

このような技術は、燃料電池の逆反応である水電解やそれを適用した水素製造装置にも適用することが可能である。

図１は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態の構成を示す図である。 図２は、ＳＯＦＣモジュールの構成を示す斜視図である。 図３は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体の構成を示す断面図である。 図４は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるスタック冷却部の構成を示す斜視図である。 図５は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるスタック冷却部の構成の応用例を示す斜視図である。 図６は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体の構成の応用例を示す断面図である。 図７は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体の構成の他の応用例を示す断面図である。 図８は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体の構成の更に他の応用例を示す断面図である。 図９は、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態の構成を示す図である。 図１０は、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体の構成を示す断面図である。 図１１は、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体の構成の応用例を示す断面図である。 図１２は、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体の構成の他の応用例を示す断面図である。 図１３は、発明の燃料電池システムの第２の実施の形態におけるＳＯＦＣシステム本体の構成の更に他の応用例を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料ガス
２ 空気
３ ＳＯＦＣシステム本体
４、４ａ 熱交換器
５ 燃焼器
６ 熱交換器
７、８ スタック冷却器
９ ファン
１１−１〜１１−３、１２、１３−１〜１３−４、
１４、１５−１〜１５−２、１６−１〜１６−２ 配管
２１ ＳＯＦＣモジュール
２２ ＳＯＦＣスタック
２３、２４ マニホールド
２６ キャニスタ
３１ ＳＯＦＣセル
３２ 集電板
４２ 冷却部本体
４３ 付属配管
４４ 冷却部本体管
４５ ヘッダ配管
４７ 燃料用熱交換室
４８ 空気用熱交換室
４９ 充填部材
５１ インターコネクタ
５２ 発電膜
５４ ガス流通層

Claims (15)

1. 容器内に設けられた複数の燃料電池スタックと、
   前記複数の燃料電池スタックのうちの隣り合う２つの間に設けられた冷却器と
   を具備し、
   前記冷却器は、前記複数の燃料電池スタックの少なくとも一つで使用される燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれか一方を供給ガスとして供給され、前記隣り合う２つの前記燃料電池スタックの熱で前記供給ガスを昇温するとともにスタックの冷却を行う
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記冷却器は、入熱面積が増加するように互いに平行に配列された複数の管を含む
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記冷却器は、内部の前記供給ガスの流路内に、ガス熱伝達率を向上させるように複数の充填部材を備える
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記供給ガスが前記燃料ガスの場合、前記複数の充填部材は、改質触媒を含む
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記冷却器は、前記隣り合う２つの前記燃料電池スタックにおける高温部に対応する位置から、前記燃料ガスを供給する
   燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記冷却器は、前記隣り合う２つの前記燃料電池スタックにおける高温部に対応する位置の前記複数の充填部材の充填率が、低温部に対応する位置の充填率に比較して高い
   燃料電池システム。
7. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記冷却器は、前記隣り合う２つの前記燃料電池スタックにおける高温部に対応する位置及び大きさに設けられている
   燃料電池システム。
8. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記冷却器は、隣接して設けられ熱交換を行う燃料用熱交換室と酸化剤用熱交換室とを含み、
   前記燃料用熱交換室は、前記複数の燃料電池スタックの少なくとも一つで使用される前記燃料ガスを第１供給ガスとして供給され、前記隣り合う２つの前記燃料電池スタックのうちの少なくとも一方の熱で前記第１供給ガスを昇温し、
   前記酸化剤用熱交換室は、前記複数の燃料電池スタックの少なくとも一つで使用される前記酸化剤ガスを第２供給ガスとして供給され、前記隣り合う２つの前記燃料電池スタックのうちの少なくとも他の一方の熱で前記第２供給ガスを昇温し、
   前記第１供給ガスと前記第２供給ガスとが同じ温度になるように熱交換を行う
   燃料電池システム。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記複数の燃料電池スタックのうちの隣り合う２つは、互いに、供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流れる方向が逆である
   燃料電池システム。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記複数の燃料電池スタックの各々は、
    積層された平板状の複数の燃料電池セルと、
    前記複数の燃料電池セルの隣り合う２つの間に設けられ、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方を流すガス流通層と
    を備える
    燃料電池システム。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記複数の燃料電池スタックの各々は、
    積層された平板状の複数の燃料電池セルと、
    前記複数の燃料電池セルの両端に設けられた２つの集電板と
    を備え、
    前記２つの集電板は、前記複数の燃料電池セルのうちの端のものと接触する側の温度分布が少なくなるように厚く設けられる
    燃料電池システム。
12. 容器と、
    前記容器内に設けられた複数の燃料電池スタックと
    を具備し、
    前記複数の燃料電池スタックのうちの隣り合う２つは、互いに、供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流れる方向が逆である
    燃料電池システム。
13. 容器と、
    前記容器内に設けられた複数の燃料電池スタックと、
    を具備し、
    前記複数の燃料電池スタックの各々は、
    積層された平板状の複数の燃料電池セルと、
    前記複数の燃料電池セルの両端に設けられた２つの集電板と
    を備え、
    前記２つの集電板は、前記複数の燃料電池セルのうちの端のものと接触する側の温度分布が少なくなるように厚く設けられる
    燃料電池システム。
14. 容器と、
    前記容器内に設けられた複数の燃料電池スタックと、
    を具備し、
    前記複数の燃料電池スタックの各々は、
    積層された平板状の複数の燃料電池セルと、
    前記複数の燃料電池セルの隣り合う２つの間に設けられ、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方を流すガス流通層と
    を備える
    燃料電池システム。
15. 請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池スタックは、固体酸化物型である
    燃料電池システム。

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