以下、本発明に係わる燃料電池モジュー� ��の好適な実施形態について、図面を参照し� ��詳細に説明する。

 図1は、本発明に係わる燃料電池モジュー ルの第1実施形態を備えた燃料電池システム� �示すシステム構成図である。同図において� �本実施形態の燃料電池モジュール1は、改質� ��料(原燃料)を改質して改質ガスを生成する� �質器2と、この改質器2で得られた改質ガスと 空気とを用いて発電を行う平板型の固体酸化 物形燃料電池(SOFC)スタック3と、改質器2及びS OFCスタック3を収容するモジュール容器4とを� ��えている。

 改質器2は、原燃料及び水蒸気が混合され た改質原料を改質触媒で水蒸気改質反応させ て、水素及び一酸化炭素を含有する改質ガス を生成する。水蒸気改質反応は非常に大きな 吸熱反応であり、反応温度が550~750℃程度と� �較的高いので、高温の熱源が必要となる。� �のため、改質器2は、SOFCスタック3の近傍に� �置されており、SOFCスタック3からの輻射熱及 びオフガス燃焼熱を利用して水蒸気改質反応 を行う。なお、SOFCスタック3は、通常550~1000� �程度の高温で作動する。

 改質器2には、改質原料を改質器2に供給� �るための原料供給系5が接続されている。原� ��料としては、例えば灯油や都市ガス等の炭� ��水素燃料が用いられる。原料供給系5は、例 えば水気化器(図示せず)で得られた水蒸気に� ��料気化器(図示せず)で得られた原燃料ガス� �混合させて改質原料ガスを生成する。そし� �、その改質原料ガスが原料導入管6内を通っ� ��改質器2に導入される。なお、原料供給系5� �、原燃料の供給量を調整する電磁バルブ7と� ��水蒸気の供給量を調整する電磁バルブ8とを 有している。

 SOFCスタック3は、改質ガス供給管9を介し� ��改質器2と接続されている。また、SOFCスタ� �ク3には、空気ブロア10からの空気を導入す� �ための空気導入管11が接続されている。空気 導入管11には、空気の導入量を調整する電磁� ��ルブ12が設けられている。

 SOFCスタック3は、複数の単セルスタック13 が積層されてなるスタック本体14と、このス� ��ック本体14を積層方向に対して挟み込むよ� �に配置された1対のエンドプレート15と、ス� �ック本体14と各エンドプレート15との間にそ� ��ぞれ介在された絶縁シート16とを有してい� �。

 単セルスタック13は、図2に示すように、� ��ノード(燃料極)17と、カソード(空気極)18と� �アノード17とカソード18との間に配置された� ��解質19と、アノード17及びカソード18の外側� ��それぞれ配置されたセパレータ20とを有し� �いる。アノード17には、改質器2からの改質� �スが導入され、カソード18には、空気ブロア 10からの空気が導入される。これにより、各� ��セルスタック13において電気化学的な発電� �応が行われることになる。

 エンドプレート15は、例えばステンレス� �(SUS)等の金属で形成されている。エンドプレ ート15の厚みは、セパレータ20の厚みに比べ� �十分大きくなっている。絶縁シート16は、電 気絶縁性を有する材料(例えばアルミナ等)で� ��成されたシートであり、エンドプレート15� �セパレータ20との間に介在されている。

 SOFCスタック3の各エンドプレート15と改質 器2の筐体2aとは、SOFCスタック3の熱を改質器2 に伝導させる熱伝導部材21を介してそれぞれ� ��合されている。一方の熱伝導部材21は、改� �器2における改質ガス供給管9との接続部(改� �ガスの出口)の近傍に結合されている。熱伝� ��部材21は、例えばSUSやインコネル(クロム及� ��鉄を含むニッケル系合金の商標名)、ニッケ ルといった金属など、熱伝導率及び耐熱温度 の高い材料で形成されている。

 ここで、SOFCスタック3におけるスタック� �体14とエンドプレート15との間には絶縁シー� ��16が介在されているので、改質器2の筐体2a� �導電金属で形成されている場合でも、SOFCス� ��ック3から改質器2へ電気が流れて改質器2に� ��影響を与えることは無い。

 また、熱伝導部材21の断面積が大きくな� �ほど熱抵抗が小さくなるため、熱伝導部材21 は、熱の流れる方向、ここではSOFCスタック3� ��ら改質器2に向かって断面積が大きくなるよ うな形状を有しているのが好ましい。

 さらに、熱伝導部材21としては、熱膨張� �熱収縮による熱応力を緩和するために、ポ� �ラスメタルやメタルフォーム等と称される� �属多孔体といった弾性率の低いものを使用� �るのが好ましい。

 以上のような燃料電池モジュール1の運転 時には、改質器2に水蒸気及び原燃料を供給� �ることで、改質器2により改質ガスが生成さ� ��、この改質ガスが改質ガス供給管9を介して SOFCスタック3のアノード3aに供給される。ま� �、空気ブロア10からの空気がSOFCスタック3の� ��ソード3bに供給される。そして、SOFCスタッ� ��3が所定の温度まで昇温されると、SOFCスタ� �ク3から電流を取り出すことにより、SOFCスタ ック3による発電が開始される。

 このとき、改質器2の温度が高くなるほど、 改質器2で生成される改質ガス中に含まれる� �素の濃度が高くなるため、SOFCスタック3で発 生する電圧が高くなり、これに伴って発電効 率が高くなる。このため、下記式で表される 空気利用率を上げる等の方法により、SOFCス� �ック3の温度を高くすることで、SOFCスタック 3から改質器2に伝わる熱輻射量が増えるよう� ��運転を行う必要がある。

 しかし、SOFCスタック3の構成材料には決� �った耐熱温度があるため、SOFCスタック3の温 度を上げることには限界があり、SOFCスタッ� �3から改質器2への熱輻射量を十分に増やすこ とは困難である。このため、SOFCスタック3か� ��の輻射熱及びオフガス燃焼熱だけでは、改� ��器2の温度を十分に高くすることはできない 。また、改質器2を加熱するためのヒータや� �ーナ等をモジュール容器4内に配置すると、� ��料電池モジュールの構造が複雑になり、コ� ��トアップにつながる。

 これに対し本実施形態では、SOFCスタック 3の各エンドプレート15と改質器2の筐体2aとを 熱伝導部材21で結合したので、SOFCスタック3� �らの輻射熱及びオフガス燃焼熱が改質器2に� ��わることに加え、SOFCスタック3で発生した� �がエンドプレート15から熱伝導部材21を介し� ��改質器2に伝導熱として伝わるようになる。 このため、SOFCスタック3から改質器2に伝わる 総熱量が増大するため、改質器2の温度が十� �に高くなる。このとき、熱伝導部材21を改質 器2の改質ガス出口の近傍に結合することに� �り、改質器2の改質ガス出口付近の温度上昇� ��顕著となるため、改質器2で生成される改質 ガス中に含まれる水素の濃度が十分に高くな る。これにより、SOFCスタック3で発生するス� ��ック電圧が十分高くなるため、燃料電池モ� ��ュール1の発電効率が向上するようになる。

 ただし、上記のようにSOFCスタック3から� �質器2への伝熱量が増加すると、そのままで� ��SOFCスタック3の温度が低下してしまう。そ� �で、SOFCスタック3へ供給される空気流量を減 らして、空気利用率を上げる(上記(A)式参照)� ��とにより、SOFCスタック3の温度を上昇させ� �ことができる。このように空気の供給量を� �らすことは、空気ブロア10の消費電力の低下 につながるため、結果的に燃料電池モジュー ル1の発電効率の向上に一層寄与することと� �る。

 また、SOFCスタック3と改質器2とを熱伝導� ��材21で連結することにより、SOFCスタック3か ら改質器2への熱伝導が効率良く行われるた� �、改質器2を加熱するためのヒータやバーナ� ��を特に設けなくても、簡易な構造でもって� ��質器2の温度を十分に高くすることができる 。これにより、コスト増大やモジュールの大 型化を防止することが可能となる。

 図3は、本発明に係わる燃料電池モジュー ルの第2実施形態を備えた燃料電池システム� �示すシステム構成図である。図中、第1実施� ��態と同一または同等の部材及び要素には同� ��符号を付し、その説明を省略する。

 同図において、本実施形態の燃料電池モ� ��ュール30は、第1実施形態と同様の改質器2、 SOFCスタック3及びモジュール容器4を備え、SOF Cスタック3の各エンドプレート15が改質器2の� ��体2aに直接結合されている。その他の構成� �、第1実施形態と同様と同様である。

 このような本実施形態では、SOFCスタック 3で発生した熱がエンドプレート15から改質器 2に伝導熱として伝わるようになる。この場� �にも、燃料電池スタック3から改質器2に伝わ る総熱量が増大するため、改質器2の温度が� �分に高くなる。これにより、第1実施形態と� ��様に、燃料電池モジュール30の発電効率を� �上させることができる。

 なお、本発明は、上記実施形態に限定さ� ��るものではない。例えば、上記実施形態で� ��、SOFCスタック3におけるスタック本体14と各 エンドプレート15との間に絶縁シート16を介� �させる構成としたが、改質器2の筐体2aや熱� �導部材21が電気絶縁性を有する材料で形成さ れている場合には、絶縁シート16は特に設け� ��くても良い。

 また、上記実施形態では、SOFCスタック3� �平板型構造としたが、本発明は、円筒型のSO FCバンドル(スタック)を備えた燃料電池モジ� �ールにも適用可能である。なお、円筒型のSO FCバンドルでは、各単セルスタック同士がイ� ��ターコネクタを介して接続されている。こ� ��タイプの場合には、例えば円筒状バンドル� ��収納容器と改質器2の筐体2aとを熱伝導部材� ��結合したり直接結合すれば良い。

 さらに、上記実施形態は、固体酸化物形� ��料電池(SOFC)についてであるが、本発明は、� ��えばSOFCと同じ高温型燃料電池である溶融炭 酸塩形燃料電池(MCFC)等にも適用可能である。