(57)【要約】      （修正有）【課題】固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール内構成品の耐久性を向上する手段の提供。【解決手段】原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器２と、水添脱硫器から供給される原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器４と、改質器から供給される水素含有ガスを利用して発電する燃料電池６と、を備え、改質器および燃料電池の流路がアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成され、水添脱硫器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、
前記水添脱硫器から供給される原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器から供給される水素含有ガスを利用して発電する固体酸化物形燃料電池と、を備え、
前記改質器および前記固体酸化物形燃料電池の流路がアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成され、
前記水添脱硫器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている、
固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。
【請求項２】
前記水添脱硫器の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が前記改質器および前記固体酸化物形燃料電池の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低い、
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。
【請求項３】
前記水添脱硫器が、前記改質器と着脱可能に接続されている、
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。
【請求項４】
さらに、前記固体酸化物形燃料電池から排出される排気ガスにより前記水添脱硫器を加熱する加熱器を備え、
前記加熱器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている、
請求項１ないし３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。
【請求項５】
前記加熱器の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が前記改質器および前記固体酸化物形燃料電池の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低い、
請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。
【請求項６】
前記水添脱硫器が、前記改質器に着脱可能に取り付けられ、
前記加熱器が、前記固体酸化物形燃料電池に着脱可能に取り付けられている、
請求項４または５に記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールおよびこれを備える固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池スタックに、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させることにより発生した化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。燃料電池スタックは、燃料極、電解質、空気極から成るセルから構成される。燃料極には燃料であるメタン、改質器で改質された水素およびＣＯ、および水蒸気が供給される。空気極には空気が供給され、電解質との界面で解離し、電解質中を拡散移動し、電解質と燃料極との界面で燃料極側の水素およびＣＯと反応し、水およびＣＯ２を生成する。この反応の際に放出される電子による発電する。
【０００３】
また、高効率発電が可能であり、発電運転の際に発生する熱エネルギーを簡単に利用することができるので、高いエネルギー利用効率を実現することが可能な分散型の発電システムとして開発が進められている。
【０００４】
水素含有ガスの原料としては、天然ガスを主成分とする都市ガス、又はＬＰＧ等の化石原料が用いられる。水素生成装置は、上記原料を、例えば６００〜７００℃の温度で、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて水蒸気と反応（改質反応）させることによって水素含有ガス（改質ガス）を生成させる改質器を備えている。
【０００５】
都市ガス、又はＬＰＧ等の原料には、原料漏れを検出するため、硫黄成分を含む付臭剤が添加されている。また、原料由来の硫黄化合物も含まれることもある。これら硫黄系の付臭剤や天然由来の硫黄化合物（総称して「硫黄化合物」とする）は、改質器で用いられるＲｕ触媒やＮｉ触媒といった触媒を被毒し、改質反応を阻害したり、燃料電池スタックのアノードを被毒し、燃料電池の性能を阻害してしまう恐れがある。このため、水素生成装置には、一般に、改質器に導入する前の原料から硫黄化合物を除去するための脱硫器が設けられる。
【０００６】
特許文献１は、原燃料を昇圧する圧縮機と、前記原燃料中のイオウ分を除去する脱硫器と、前記原燃料から水蒸気改質により水素リッチガスを生成する改質器と、前記水素リッチガスの一部を脱硫用水素として前記原燃料圧縮機の吸込側に戻す手段とを具備することを特徴とする燃料電池発電プラントを開示する（請求項１）。
【０００７】
特許文献２は、原燃料を脱硫する脱硫装置と脱硫された原燃料を水素主成分の燃料ガスに改質する水蒸気改質装置とを少なくとも有する燃料電池発電システムにおいて、脱硫装置が銅−亜鉛系脱硫剤を充填した脱硫装置で構成されることを特徴とする燃料電池発電システムを開示する（請求項１）。
【０００８】
特許文献３は、水素を含む原料ガスの硫黄成分を、水添脱硫により除去する第１脱硫器２と、第１脱硫器２により硫黄成分が除去された脱硫原料ガスを受け取り、該脱硫原料ガスを改質して燃料ガスを生成する第１改質器３と、第１改質器３で生成された燃料ガスを受け取り、この燃料ガスと外部から供給される空気とを発電反応させて発電する燃料電池４と、原料ガスを部分酸化反応により部分的に改質して水素を含む部分改質原料ガスを生成し、この生成した部分改質原料ガスを、水素を含む原料ガスとして脱硫器２に供給する第２改質器１と、を備える燃料電池システムを開示する（要約）。
【０００９】
特許文献４は、脱硫器に入れる脱硫剤の形状は、通常の触媒で用いられる球状あるいはペレット状でも良く、この材料をハニカム状，円筒状，円筒中空状に成型して用いることもできる旨の開示がある（段落００１２）。
【００１０】
特許文献５は、外筒が、１枚の金属板をプレス絞り加工することによって一体的に作製された外筒上部、外筒中部および外筒下部を有する燃料処理装置が開示されている（請求項２）。ここで、金属板の材料は、オーステナイト系ステンレス鋼であることが好ましい。上述のように燃料処理装置は、運転時に高温になるので、外筒を構成する金属板の材料を、高温耐久性が高いオーステナイト系ステンレス鋼とすることで、燃料処理装置の高温耐久性が高まる。また、オーステナイト系ステンレス鋼は、他の種類のステンレス鋼（例えばフェライト系）よりも伸ばしやすい。このため、金属板の材料をオーステナイト系ステンレス鋼とすることは、成形加工性の観点からも好ましい（段落００３７）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−３２０７６１号公報
【特許文献２】特開平１１−１３９８０３号公報
【特許文献３】特開２０１３−１０１８２２号公報
【特許文献４】特許第３４５５９９１号公報
【特許文献５】特許第４９１８６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールおよびこれを備える固体酸化物形燃料電池システムの耐久性を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、前記水添脱硫器から供給される原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器から供給される水素含有ガスを利用して発電する固体酸化物形燃料電池と、を備え、前記改質器および前記固体酸化物形燃料電池の流路がアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成され、前記水添脱硫器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている。
【００１４】
本発明の固体酸化物形燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様によれば、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールおよびこれを備える固体酸化物形燃料電池システムの耐久性を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図３】図３は、第１実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。
【図４】図４は、第２実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
水添脱硫方法では、水添触媒を用いて硫黄化合物を高温で水添（水素添加）させて硫化水素とする水添反応と、その硫化水素を化学反応により除去する脱硫反応とを行う。これらの反応を合わせて水添脱硫反応と呼ぶ。水添脱硫方法では、化学反応を利用するので、例えば吸着剤を用いる吸着脱硫方法よりも、脱硫容量を大きくでき、脱硫器の小型化を実現できる。
【００１８】
固体酸化物形燃料電池は、作動温度が一般的に７００℃〜１０００℃と高温であり、高温部の構造体の強度を保つため、ステンレス鋼が使用される。ステンレス鋼には通常Ｃｒが含有されるが、高温部でＣｒを含有するステンレス鋼を使用すると、ステンレス鋼表面に形成したＣｒ酸化物が蒸発し、セル空気極表面と反応しＣｒ被毒と呼ばれる劣化が発生してしまう虞がある。
【００１９】
Ｃｒ被毒が発生する可能性を低減するために、固体酸化物形燃料電池のセルで金属材料が使用されるインターコネクタおよび集電材において、Ａｌを含有したステンレス鋼を採用することが考えられる。Ａｌを含有したステンレス鋼は、高温において材料最表面にＡｌ酸化物被覆、その下層にＣｒ酸化物被覆が形成され、母材の酸化進行を強固に保護する。このため、固体酸化物形燃料電池で懸念されるＣｒ被毒を未然に防ぐ効果が期待される。
【００２０】
また、固体酸化物形燃料電池を構成する改質器、スタック周辺構造体、および配管などにおいても、Ｃｒ酸化物の蒸発や飛散を未然に防ぐために、上記同様にＡｌを含有したステンレス鋼を使用することが考えられる。
【００２１】
そこで改質器および固体酸化物形燃料電池の流路がアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成される固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを製作して実験を行った。この際、水添脱硫器については運転時の温度がそれほど高くないため、Ｃｒ酸化物の蒸発に由来するＣｒ被毒は発生しにくいと考えられた。また、フェライト系ステンレス鋼よりもオーステナイト系ステンレス鋼の方が、製造コストも低くできる。そこで、水添脱硫器の流路については従来通り、オーステナイト系ステンレス鋼で構成した。
【００２２】
かかる構成では、触媒のＣｒ被毒は低減されたものの、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性に改善の余地があることが判明した。詳細に検討したところ、起動停止を繰り返すことにより、改質器と水添脱硫器との接続部分に劣化が特に集中することが判明した。さらに原因を検討した結果、水添脱硫器と改質器との間で流路を構成するステンレス鋼の組成が異なるために、線膨張係数に差が存在することが着目された。互いに接続された２つの部材の間で組成が異なると、膨張収縮時の応力が接続部に集中し、劣化の原因となりうるからである。
【００２３】
かかる問題を低減するには、水添脱硫器の流路についてもフェライト系ステンレス鋼で構成することが考えられる。かかる構成により、Ｃｒ被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できるという課題を同時に解決できる。
【００２４】
さらに、同じフェライト系ステンレス鋼であっても、Ａｌの含有量が低いもの（Ａｌを含有しないものを含む）は、Ａｌ含有量が高いものよりも廉価であるが、Ａｌ濃度によってフェライト系ステンレス鋼の線膨張係数はそれほど大きく変わらないことも判明した。そこで、水添脱硫器の流路についてはＡｌ含有量が相対的に低いフェライト系ステンレス鋼で構成することで、Ｃｒ被毒の低減と固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性向上と製造コストの低減という課題を一挙に解決できる。
【００２５】
さらに検討したところ、ハニカム構造の脱硫剤はハニカム状に形成された金属またはセラミックスから成る支持体表面に触媒を付着させて構成されるため、強度の観点からの耐久性が高いことから優れた構成である。しかしながら、その製造プロセスの複雑さから、製造コストが高いといった課題があり、安定して多量の製造を実現するためには、大きな課題がある。
【００２６】
一方、顆粒状の脱硫剤は、湿式または乾式成形法により製造された担持体表面に触媒を付着させることにより製造され、ハニカム構造の脱硫剤に比べて製造プロセスが簡素化され、安価に脱硫剤を量産することができる。
【００２７】
燃料電池システムは定期的な停止やエラー停止が発生するため、水添脱硫器を含む構成要素は停止状態での低温状態と運転状態の高温状態とを繰り返す。水添脱硫器においては、上記温度サイクルによって、高温状態において脱硫器を構成するステンレス鋼は熱膨張し、低温状態では高温状態と比較して収縮する。脱硫器の膨張収縮により、脱硫器に使用される顆粒状の脱硫剤は、繰り返して応力が負荷されて割れる可能性がある。顆粒状の脱硫剤が割れると、脱硫性能が低下したり、粉化した脱硫剤がガス流路を閉塞してしまい、圧力上昇の原因となる可能性がある。
【００２８】
一般に、フェライト系ステンレス鋼はオーステナイト系ステンレス鋼に比べ、線膨張係数が小さい。水添脱硫器の流路をフェライト系ステンレス鋼で構成することは、流路の温度変化に伴う膨張収縮を低減することにつながる。よって、顆粒状の水添脱硫触媒が水添脱硫器の流路内に充填された構成において、流路の膨張収縮に起因する顆粒の崩壊を低減しうることも判明した。
【００２９】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００３０】
以下で説明する実施形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本発明を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
【００３１】
（第1実施形態）
第１実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールは、原料中の硫黄化合物を除去する水添脱硫器と、水添脱硫器から供給される原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器から供給される水素含有ガスを利用して発電する固体酸化物形燃料電池と、を備え、改質器および固体酸化物形燃料電池の流路がアルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成され、水添脱硫器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている。
【００３２】
かかる構成では、Ｃｒ被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる。
【００３３】
上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールにおいて、水添脱硫器の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が改質器および固体酸化物形燃料電池の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。
【００３４】
かかる構成では、Ｃｒ被毒を低減しつつ、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できるのみならず、さらに製造コストを低減することもできる。
【００３５】
上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールにおいて、水添脱硫器が、改質器と着脱可能に接続されていてもよい。
【００３６】
かかる構成ではさらに、原料中の硫黄化合物の濃度に応じて水添脱硫器の容量（水添脱硫器を全く設けない場合を含む）を選択できることから、多様な原料組成に対応することができる。
【００３７】
第１実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを備える。
【００３８】
図１は、第１実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図１を参照しつつ、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール１００について説明する。
【００３９】
図１に示す例において、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール１００は、水添脱硫器２と、改質器４と、固体酸化物形燃料電池６とを備えている。
【００４０】
水添脱硫器２は、原料中の硫黄化合物を除去する。水添脱硫器２の流路は、フェライト系ステンレス鋼で構成されている。水添脱硫器２の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器４および固体酸化物形燃料電池６の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。ここにおいて、「改質器４および固体酸化物形燃料電池６の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低い」とは、水添脱硫器２の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量がゼロである場合を含む。
【００４１】
本明細書において、「流路が所定の材料で構成されている」と述べられているところは、より具体的に言えば、「流路のうち少なくとも該流路を流れる流体が接触する部分が所定の材料で構成されている」ことを意味しうる（以下同様）。
【００４２】
具体的には、例えば、水添脱硫器２の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上２．０重量％未満とすることができる。水添脱硫器２の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上１．０重量％未満であってもよい。水添脱硫器２の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。
【００４３】
水添脱硫器２および水添脱硫器２の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼の０℃〜４００℃の範囲における線膨張係数が１２×１０−６／℃よりも小さくてもよい。かかる構成では、ホットモジュールの起動停止による温度サイクルに伴う、膨張収縮による水添脱硫剤の粉化を抑制することが出来る。
【００４４】
水添脱硫器２は、原料中の硫黄化合物に水素を添加して除去する。水素は、例えば、改質器４および固体酸化物形燃料電池６等から排出されるガスに含まれる水素を利用しうる。具体的には例えば、改質器４から排出された水素含有ガスが、改質器４と固体酸化物形燃料電池６のアノードとを結ぶアノードガス供給流路から分岐するリサイクルガス流路と、該リサイクルガス流路に設けられてリサイクルガスの供給量を調整するリサイクルガス供給ユニットとを経由して、原料供給流路へと供給されてもよい。原料供給流路は、水添脱硫器２に原料を供給する流路である。
【００４５】
原料は、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの少なくとも炭素及び水素を構成元素とする有機化合物を含むガス、灯油、及びメタノール、エタノール等のアルコールとすることができる。都市ガスとは、ガス会社から配管を通じて各家庭などに供給されるガスをいう。
【００４６】
硫黄化合物は、付臭成分として人為的に原料へ添加されるものであってもよいし、原料自体に由来する天然の硫黄化合物であってもよい。具体的には、ターシャリブチルメルカプタン（ＴＢＭ：tertiary-butylmercaptan）、ジメチルスルフィド（ＤＭＳ：dimethyl sulfide）、テトラヒドロチオフェン（ＴＨＴ：Tetrahydrothiophene）、硫化カルボニル（ＣＯＳ：carbonyl sulfide）、硫化水素（hydrogen sulfide）等が例示される。
【００４７】
水添脱硫器２の流路には、顆粒状の水添脱硫剤が充填されていてもよい。水添脱硫剤としては、例えば、水添反応により硫黄化合物を硫化水素に変換する機能と硫化水素を吸着する機能を共に有するＣｕＺｎ系触媒（例えば、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ系触媒、及び、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｆｅ系触媒等）を用いることができる。水添脱硫剤は、本例に限定されるものではなく、原料ガス中の硫黄化合物を硫化水素に変換するＣｏＭｏ系触媒と、その下流に設けられる、硫化水素を吸着除去する硫黄吸着剤であるＺｎＯ系触媒、またはＣｕＺｎ系触媒とで構成してもよい。水添脱硫剤は、所定の温度まで加熱されて用いられる。固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの動作時における水添脱硫器２の温度（水添脱硫剤の温度）は、例えば、摂氏１５０〜３２０度、あるいは摂氏１８０〜３２０度、あるいは２５０〜３００度とすることができる。
【００４８】
顆粒状の水添脱硫剤は脱硫容器に充填される。脱硫容器は水添脱硫反応が十分に進行する温度である２００℃〜３００℃に保持され、そこに原料ガスと水素を含有するガスとを流すことで、原料ガス中に含まれる硫黄化合物の脱硫を行う。所望する脱硫性能を発揮させ、高い耐久性能を有するためには、脱硫器の温度分布が小さく、一定に保たれることが望ましい。フェライト系ステンレス鋼は、オーステナイト系ステンレス鋼と比較して、熱伝導率が高いという特徴を有する。フェライト系ステンレス鋼は、熱伝導率が高いため、温度分布の均一化が期待される。
【００４９】
水添脱硫器２が、改質器４と着脱可能に接続されていてもよい。水添脱硫器２と改質器４とを着脱可能に接続する具体的な構成としては、例えば、市販されている管継ぎ手等（例えば、ナットで締め付ける継ぎ手等）を採用することができる。原料中の硫黄化合物の濃度に応じて水添脱硫器２の容量を選択できる（水添脱硫器２を全く設けない場合を含む）ことから、多様な原料組成に対応することができる。また、水添脱硫器２の脱硫性能が低下した場合に、容易に水添脱硫器２を交換することができる。
【００５０】
この場合において、水添脱硫器２は、水添脱硫器２と改質器４との接続部に至る配管を含みうる。また、改質器４は、水添脱硫器２と改質器４との接続部に至る配管を含みうる。
【００５１】
改質器４は、水添脱硫器２から供給される原料を改質して水素含有ガスを生成する。改質器４の流路は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されている。具体的には、例えば、改質器４の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、２．０重量％以上３．０重量％以下とすることができる。
【００５２】
改質器４で進行する改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの動作時における改質器４の温度（改質触媒の温度）は、例えば、摂氏５００〜７００度、あるいは摂氏５５０〜６５０度とすることができる。
【００５３】
改質器４には、内部に改質触媒が配設されている。この改質触媒によって、改質反応が進行し、例えば原料及び水から水素含有ガスを生成することができる。改質反応に要する熱は例えば燃焼器（図示せず）から供給されてもよい。改質触媒には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ等の貴金属系触媒及びＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種が好適に用いられる。本実施の形態の水素生成装置では、Ｒｕを含む改質触媒が用いられる。
【００５４】
固体酸化物形燃料電池６は、改質器から供給される水素含有ガスを利用して発電する。固体酸化物形燃料電池６の流路は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されている。具体的には、例えば、固体酸化物形燃料電池６の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、２．０重量％以上３．０重量％以下とすることができる。
【００５５】
固体酸化物形燃料電池６は、アノードとカソードとを備える。固体酸化物形燃料電池６は、アノードに供給される水素含有ガスと、カソードに供給される酸素含有ガスと、の間で発電反応を行う。水素含有ガスは、改質器８から供給される。酸素含有ガスは、例えば、空気とすることができる。酸素含有ガスは、固体酸化物形燃料電池システムの外部から供給されてもよいし、ブロワおよびポンプ等からなる酸素含有ガス供給器（図示せず）から供給されてもよい。
【００５６】
固体酸化物形燃料電池６は、例えば、アノードとカソードとの間で発電反応を行って発電する複数の燃料電池単セルを直列に接続したスタックを含むように構成される。スタックは、アノードオフガスとカソードオフガスとがそれぞれ混合されることなく排出される密閉型であってもよいし、アノードオフガスとカソードオフガスとが混合された後に排出される開放型であってもよい。開放型スタックの場合、アノードオフガスとカソードオフガスは混合されたのち、スタック直後の燃焼器で燃焼されてもよい。
【００５７】
固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの動作時における固体酸化物形燃料電池６の温度（セル温度）は、例えば、摂氏５００〜７００度とすることができる。
【００５８】
燃料電池単セルには、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を電解質等に用いた公知の構成を採用しうる。燃料電池単セルの材料としては、イットリビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質を用いることもできる。イットリア安定化ジルコニアを用いた燃料電池単セルでは、電解質の厚みにも依存するが、例えば、摂氏６００度から摂氏１０００度程度の温度範囲で発電反応が行われる。
【００５９】
固体酸化物形燃料電池６の発電により得られた電力は、図示されない端子を介して外部負荷へと供給される。
【００６０】
表１に、各種ステンレス鋼における熱膨張係数の例を挙げる。出典は以下の通りである。
【００６１】
ステンレス協会http://www.jssa.gr.jp/contents/faq-article/q6/
NCA-1 http://products.nisshin-steel.co.jp/pdfs/stainless_fe_nca_1.pdf
NSSC http://ns-sc.co.jp/pdf/product/stainless_sheet_j_12-03.pdf
SUS405 http://nsfellowslibrary.web.fc2.com/catalog-nissin-Sus.pdf
【００６２】
【表１】
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【００６３】
表１に示す通り、一般的に、オーステナイト系ステンレス鋼（熱膨張係数：１４．４〜１８．７×１０−６［／℃］）よりもフェライト系ステンレス鋼（熱膨張係数：１０．０〜１４．２×１０−６［／℃］）の方が、熱膨張係数が小さい。かかる傾向は、表１に示す通り、フェライト系ステンレス鋼がアルミニウムを含有していても変わることがない。よって、水添脱硫器２および改質器４および固体酸化物形燃料電池６の流路をいずれもフェライト系ステンレス鋼で構成することにより、水添脱硫器２と改質器４との接続部分の強度が高められ、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール１００の耐久性が向上する。
【００６４】
また、改質器４および固体酸化物形燃料電池６の流路を、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成した場合において、水添脱硫器２の流路をフェライト系ステンレス鋼で構成すると、水添脱硫器２の流路をオーステナイト系ステンレス鋼で構成した場合に比べ、それぞれの流路の熱膨張係数の差は小さくなることが期待される。従って、Ｃｒ被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる。
【００６５】
フェライト系ステンレス鋼は、アルミニウム含量が低い方が安価である。よって、水添脱硫器２の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が、改質器４および固体酸化物形燃料電池６の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低い場合には、そうでない場合よりも固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの製造コストを低減できる。
【００６６】
（第２実施形態）
第２実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールは、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールであって、さらに、固体酸化物形燃料電池から排出される排気ガスにより水添脱硫器を加熱する加熱器を備え、加熱器の流路がフェライト系ステンレス鋼で構成されている。
【００６７】
かかる構成では、Ｃｒ被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分のみならず、固体酸化物形燃料電池と加熱器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる。
【００６８】
上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールにおいて、加熱器の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が改質器および固体酸化物形燃料電池の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。
【００６９】
かかる構成では、Ｃｒ被毒を低減しつつ、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できるのみならず、さらに製造コストを低減することもできる。
【００７０】
上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールにおいて、水添脱硫器が、改質器に着脱可能に取り付けられ、加熱器が、固体酸化物形燃料電池に着脱可能に取り付けられていてもよい。
【００７１】
かかる構成ではさらに、水添脱硫器が加熱器により加熱される構成において、原料中の硫黄化合物の濃度に応じて水添脱硫器の容量（水添脱硫器を全く設けない場合を含む）とこれに対応する加熱器とを選択できることから、多様な原料組成に対応することができる。
【００７２】
第２実施形態の固体酸化物形燃料電池システムは、上記固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを備える。
【００７３】
図２は、第２実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。以下、図２を参照しつつ、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール２００について説明する。
【００７４】
図２に示す例において、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール２００は、加熱器８を備えている。加熱器８により、水添脱硫器２の温度を好適な範囲に維持することができる。
【００７５】
加熱器８は、固体酸化物形燃料電池６から排出される排気ガスにより水添脱硫器２を加熱する。加熱器８の流路は、フェライト系ステンレス鋼で構成されている。加熱器８の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器４および固体酸化物形燃料電池６の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。ここにおいて、「改質器４および固体酸化物形燃料電池６の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低い」とは、加熱器８の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量がゼロである場合を含む。
【００７６】
具体的には、例えば、加熱器８の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上２．０重量％未満とすることができる。加熱器８の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上１．０重量％未満であってもよい。加熱器８の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。
【００７７】
その他の構成要素は、図１に示す固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール１００と同様とすることができるので、図１と図２とで共通する構成要素については、同一の符号および名称を付して説明を省略する。
【００７８】
本実施形態の構成では、Ｃｒ被毒を低減しつつ、水添脱硫器と改質器との接続部分のみならず、固体酸化物形燃料電池と加熱器との接続部分の強度を高められることから、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる。
【００７９】
加熱器８の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量が改質器４および固体酸化物形燃料電池６の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。この場合には、Ｃｒ被毒を低減しつつ、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できるのみならず、さらに製造コストを低減することもできる。
【００８０】
水添脱硫器２が、改質器４に着脱可能に取り付けられ、加熱器８が、固体酸化物形燃料電池６に着脱可能に取り付けられていてもよい。この場合には、さらに、水添脱硫器２が加熱器８により加熱される構成において、原料中の硫黄化合物の濃度に応じて水添脱硫器２の容量（水添脱硫器２を全く設けない場合を含む）とこれに対応する加熱器８とを選択できることから、多様な原料組成に対応することができる。
【００８１】
第２実施形態においても、第１実施形態と同様の変形が可能である。
【００８２】
（第１実施例）
図３は、第１実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。
【００８３】
図３に示すように、第１実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール３００は、水添脱硫器１と水添脱硫器１を加熱するために備えられた加熱器７と、原料ガスを改質する改質器３と、発電するための燃料電池スタック５と、水添脱硫器１で硫黄化合物を除去した原料ガスを改質器に送るための第１配管１１と、改質ガスを燃料電池スタック５に送るための第３配管１３と、改質ガスの一部を水添脱硫器に送るための第４配管１４と、燃料電池スタック５から排出される排気ガスを加熱器７に送るための第２配管１２と、を備える。
【００８４】
第１配管１１および第４配管１４は、水添脱硫器１の一部であってもよいし、改質器３の一部であってもよい。第１配管１１および第４配管１４は、その一部が水添脱硫器１の一部であり、他の一部が改質器３の一部であってもよい。第１配管１１および第４配管１４のうち、水添脱硫器１の一部である部分は、水添脱硫器１の流路の一部となる。第１配管１１および第４配管１４のうち、改質器３の一部である部分は、改質器３の流路の一部となる。
【００８５】
第２配管１２は、加熱器７の一部であってもよいし、燃料電池スタック５の一部であってもよい。第２配管１２は、その一部が加熱器７の一部であり、他の一部が燃料電池スタック５の一部であってもよい。第２配管１２のうち、加熱器７の一部である部分は、加熱器７の流路の一部となる。第２配管１２のうち、燃料電池スタック５の一部である部分は、燃料電池スタック５の流路の一部となる。
【００８６】
第３配管１３は、改質器３の一部であってもよいし、燃料電池スタック５の一部であってもよい。第３配管１３は、その一部が改質器３の一部であり、他の一部が燃料電池スタック５の一部であってもよい。第３配管１３のうち、改質器３の一部である部分は、改質器３の流路の一部となる。第３配管１３のうち、燃料電池スタック５の一部である部分は、燃料電池スタック５の流路の一部となる。
【００８７】
以上の点の他は、水添脱硫器１は第１実施形態の水添脱硫器２と同様の構成とすることができ、改質器３は第１実施形態の改質器４と同様の構成とすることができ、燃料電池スタック５は固体酸化物形燃料電池６と同様の構成とすることができ、加熱器７は第２実施形態の加熱器８と同様の構成とすることができる。よって詳細な説明は省略する。
【００８８】
第１実施例においても、第１実施形態および第２実施形態と同様の変形が可能である。
【００８９】
（第２実施例）
図４は、第２実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの概略構成の一例を示すブロック図である。
【００９０】
図４に示すように、第２実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール４００は、水添脱硫器１で硫黄化合物を除去した原料ガスを改質器３に送るための第１配管１１と、改質ガスの一部を水添脱硫器１に送るための第４配管１４と、燃料電池スタック５で発生する排気ガスを加熱器７に送るための第２配管１２とに、着脱可能な機構（配管を途中で切り離して上流側と下流側とを分離する機構）として、それぞれ、第１接続部２１、第２接続部２２、第３接続部２３を備えている。かかる機構としては、例えば、市販されている管継ぎ手等（例えば、ナットで締め付ける継ぎ手等）が使用できる。
【００９１】
第１配管１１のうち、第１接続部２１の上流側（水添脱硫器側）の部分は、フェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。第１配管１１のうち、第１接続部２１の上流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器３および燃料電池スタック５の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。
【００９２】
具体的には、例えば、第１配管１１のうち、第１接続部２１の上流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上２．０重量％未満とすることができる。第１配管１１のうち、第１接続部２１の上流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上１．０重量％未満であってもよい。第１配管１１のうち、第１接続部２１の上流側の部分の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。
【００９３】
第１配管１１のうち、第１接続部２１の下流側（改質器側）の部分は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。具体的には、例えば、第１配管１１のうち、第１接続部２１の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、２．０重量％以上３．０重量％以下とすることができる。
【００９４】
第２配管１２のうち、第３接続部２３の下流側（加熱器側）の部分は、フェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。第２配管１２のうち、第３接続部２３の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器４および固体酸化物形燃料電池６の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。
【００９５】
具体的には、例えば、第２配管１２のうち、第３接続部２３の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上２．０重量％未満とすることができる。第２配管１２のうち、第３接続部２３の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上１．０重量％未満であってもよい。第２配管１２のうち、第３接続部２３の下流側の部分の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。
【００９６】
第２配管１２のうち、第３接続部２３の上流側（燃料電池スタック側）の部分は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。具体的には、例えば、第１配管１１のうち、第１接続部２１の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、２．０重量％以上３．０重量％以下とすることができる。
【００９７】
第３配管１３は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されている。具体的には、例えば、第３配管１３を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、２．０重量％以上３．０重量％以下とすることができる。
【００９８】
第４配管１４のうち、第２接続部２２の下流側（水添脱硫器側）の部分は、フェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。第４配管１４のうち、第２接続部２２の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量は、改質器３および燃料電池スタック５の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウム含量よりも低くてもよい。
【００９９】
具体的には、例えば、第４配管１４のうち、第２接続部２２の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上２．０重量％未満とすることができる。第４配管１４のうち、第２接続部２２の下流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、０重量％以上１．０重量％未満であってもよい。第４配管１４のうち、第２接続部２２の下流側の部分の流路を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、不可避的不純物濃度以下であってもよい。
【０１００】
第４配管１４のうち、第２接続部２２の上流側（改質器側）の部分は、アルミニウムを含有するフェライト系ステンレス鋼で構成されていてもよい。具体的には、例えば、第４配管１４のうち、第２接続部２２の上流側の部分を構成するフェライト系ステンレス鋼のアルミニウムの含有量は、２．０重量％以上３．０重量％以下とすることができる。
【０１０１】
以上の点の他は、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール４００は、第１実施例にかかる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール３００と同様の構成とすることができる。よって、図４と図３とで共通する構成要素には同一の符号および名称を付して詳細な説明を省略する。
【０１０２】
第２実施例の構成では、水添脱硫器１の脱硫性能が低下した場合に、容易に水添脱硫器１を新しいものに交換することができ、さらには当該構成のような水添脱硫器１が必要でない水素生成装置の場合には、水添脱硫器１と加熱器７とを除いた水素生成装置および固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールを提供することができる。
【０１０３】
第２実施例においても、第１実施形態および第２実施形態および第１実施例と同様の変形が可能である。
【０１０４】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明の一態様は、固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールの耐久性を向上できる固体酸化物形燃料電池用ホットモジュールとして有用である。
【符号の説明】
【０１０６】
１  水添脱硫器
２  水添脱硫器
３  改質器
４  改質器
５  燃料電池スタック
６  固体酸化物形燃料電池
７  加熱器
８  加熱器
１１  第１配管
１２  第２配管
１３  第３配管
１４  第４配管
２１  第１接続部
２２  第２接続部
２３  第３接続部
１００  固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール
２００  固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール
３００  固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール
４００  固体酸化物形燃料電池用ホットモジュール
【図１】
2015109218.tif 000004
【図２】
2015109218.tif 000005
【図３】
2015109218.tif 000006
【図４】
2015109218.tif 000007