(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料改質モジュールであって、
燃料反応器本体であって、外周壁によって囲まれており、中心長手方向軸に沿って配置されている中空燃料チャンバと、前記外周壁に接続し、前記燃料チャンバの上部端を内包するように配置されたキャップ壁面と、前記外周壁に接続し、前記燃料チャンバの底部端を内包するように配置された反応器遮断底壁とを内包し、
前記反応器遮断底壁が、前記中空燃料チャンバの内側に面する底壁の上面と、前記中空燃料チャンバから離れる方向に面する、略平行であり、対向する底壁の底面とを有し、複数の底壁燃料経路は、おのおの、反応器遮断底壁を通り、底壁の上面から底壁の底面まで延びており、
それぞれの底壁燃料経路は、前記中心長手方向軸と略平行の経路長手方向軸を有し、該経路長手方向軸に沿って実質的に一定の断面積を有する、燃料反応器本体と、
触媒本体の上面と、略平行であり、対向する触媒本体の底面とによって囲まれる固体の非多孔質基材を含む、触媒本体であって、
前記触媒本体の上面は、界面を横切って底壁の底面に対向して、近接して配置され、
前記触媒本体は、複数の触媒燃料経路を有しており、それぞれの触媒燃料経路は、触媒本体の上面から触媒本体の底面まで延びており、複数の触媒燃料経路は、それぞれ、その長手方向の長さに沿って同じ断面積を有して形成され、触媒層が内側表面にコーティングされ、
複数の底壁燃料経路は、それぞれ、複数の触媒燃料経路の１つと長手方向に整列している、触媒本体と
を備える燃料改質モジュール。
【請求項２】
前記複数の触媒燃料経路のそれぞれの断面積に対する、前記複数の底壁燃料経路のそれぞれの断面積の比率が、０．９未満である、請求項１に記載の燃料改質モジュール。
【請求項３】
前記複数の底壁燃料経路のそれぞれが、直径が０．６５〜２．６ｍｍの範囲の円形の断面を有し、前記複数の触媒燃料経路のそれぞれが、前記底壁燃料経路の直径に等しい値から前記底壁燃料経路の直径の１．２６倍までの範囲の辺の寸法を有する四角形の断面を有する、請求項１に記載の燃料改質モジュール。
【請求項４】
前記複数の触媒燃料経路のそれぞれが、辺の寸法が０．６５〜２．６ｍｍの範囲であり、長手方向の長さが辺の寸法の５〜４０倍の範囲である四角形の断面を有する、請求項１に記載の燃料改質モジュール。
【請求項５】
前記複数の底壁燃料経路は、アレイパターンで整列しており、アレイパターンは、中実材料領域と穴パターン領域とを有し、穴パターン領域に対する中実材料領域の比率は、０．７５〜０．９の範囲である、請求項１に記載の燃料改質モジュール。
【請求項６】
前記燃料反応器本体の一部が、外気にさらされており、
前記燃料反応器本体が、熱伝導係数が１００Ｗ／ｍ°Ｋより大きな材料から作られ、
前記燃料反応器本体が、前記反応器遮断底壁の底面から、前記燃料反応器本体のうち外気にさらされる部分まで延びる実質的に連続した熱伝導路を与えるように作られる、請求項１に記載の燃料改質モジュール。
【請求項７】
前記燃料反応器本体のうち外気にさらされる部分は、外周壁から半径方向外側に延びる放熱フランジを備えている、請求項６に記載の燃料改質モジュール。
【請求項８】
放熱フランジの表面に設けられる、システム制御部と連通する温度検知要素をさらに備える、請求項７に記載の燃料改質モジュール。
【請求項９】
放熱フランジの表面上に外気を流すことによって、放熱フランジを冷却するように操作可能な空気移動デバイスをさらに備える、請求項８に記載の燃料改質モジュール。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料改質モジュールであって、該燃料改質モジュールは、燃料投入モジュールを備え、
前記燃料投入モジュールは炭化水素化合物を含む燃料を、中空燃料チャンバに運び、燃料は複数の底壁燃料経路を通って前記中空燃料チャンバから出て、接合部を超えて、複数の触媒燃料経路へ入るようになっており、
前記複数の触媒燃料経路のそれぞれの内側表面に被覆された触媒層が、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）によって炭化水素化合物を改質して水素を抽出するのに適しており、ＣＰＯＸ反応は、熱放射を発生させ、
前記燃料反応器本体が、熱伝導係数が１００Ｗ／ｍ°Ｋより大きな材料から作られ、反応器遮断底壁の底面から、側壁およびキャップ壁の各々の外面まで延びる実質的に連続した熱伝導路として形成されている、燃料改質モジュール。
【請求項１１】
前記燃料改質モジュールが電子制御部および温度センサをさらに備え、
前記燃料投入モジュールが、前記電子制御部により作動可能にされる燃料投入制御弁を備えて、投入燃料の質量流量を変化可能に調整し、前記中空燃料チャンバへ投入燃料が入ることを停止させるようになっており、
前記温度センサは、前記燃料反応器本体の外面に配置され、温度信号を前記電子制御部に伝えるように作動し、前記電子制御部は、前記温度信号に基づいて、前記温度センサの近傍の前記燃料反応器本体の外面のその瞬間の温度を決定し、前記瞬間の温度を前記電子制御部に保存された安全作動温度と比較するように作動し、
前記電子制御部が、前記温度センサの近傍の前記燃料反応器本体の外面の前記瞬間の温度が、前記電子制御部に保存された安全作動温度を超えたことを検知すると、前記電子制御部は、前記燃料投入制御弁を作動させて、前記中空燃料チャンバへ投入燃料が入ることを停止させるようになっている、請求項１０に記載の燃料改質モジュール。
【請求項１２】
前記燃料反応器本体の少なくとも一部が周囲大気にさらされており、
外気の流れを、周囲大気にさらさた前記燃料反応器本体の一部の表面を横切って流れさせるように前記電子制御部により作動可能な空気移動デバイスをさらに備える、請求項１１に記載の燃料改質モジュール。
【請求項１３】
前記実質的に連続した熱伝導路が、前記温度センサの近傍の前記燃料反応器本体の外面の前記瞬間の温度を、９００〜１０００℃のＣＰＯＸ反応温度範囲にとって定常状態での操作温度である２５０℃未満に維持するために、十分な熱質量を有するように構成される、請求項１１に記載の燃料改質モジュール。
【請求項１４】
前記複数の触媒燃料経路の各々の内面に被覆された前記触媒層が、炭化水素化合物を改質して、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）により水素を抽出するのに好適であり、
前記複数の触媒燃料経路の内部のＣＰＯＸ反応温度は９００〜１０００℃であり、
前記燃料反応器本体の要素が、銅及び／又はアルミニウムを含む材料からできている、請求項１に記載の燃料改質モジュール。
【請求項１５】
前記燃料反応器本体の表面がニッケル被覆されている、請求項１４に記載の燃料改質モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載される例示的で具体的な技術は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムに関し、特に、部分酸化または触媒部分酸化によって炭化水素燃料を改質するのに使用可能な燃料処理反応器の構造的特徴および操作方法に関する。
【０００２】
より具体的には、この技術は、燃料処理装置の性能を向上させる手段としての熱エネルギー管理に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気化学プロセスによって電気エネルギーを生成するために使用される固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムは、典型的には、任意の種々の流入してくる炭化水素燃料（例えば、プロパン、メタン、灯油）を、電流を作り出す電気化学反応において固体酸化物形燃料電池の電極ともっと容易に反応する燃料成分に変換するような構成の燃料処理装置を備えている。理想的には、燃料処理装置は、無炎燃焼、または好ましくは無炎触媒燃焼を用い、種々の炭化水素燃料空気混合物を、水素と一酸化炭素の混合物に変換するように操作可能である。無炎燃焼技術の利点としては、多種多様な燃料を改質することができること、燃料処理装置内の均一な温度分布、燃料改質器の構造内の熱ストレスの減少、改質器および気密部の寿命が長くなること、排出ガスへの望ましくない亜酸化窒素（ＮＯＸ）の放出が減ることが挙げられる。
【０００４】
従来の燃料処理反応器の例は、部分酸化（ＰＯＸ）および触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）の反応器を含み、これらをそれぞれ使用し、無炎燃焼の発熱プロセスによって、炭化水素燃料と空気の混合物を、適切なＳＯＦＣ燃料に改質する。ＣＰＯＸ反応器は、典型的には、担持基材上に取り付けられた触媒を含む。従来のＣＰＯＸ反応器では、担持基材は、一般的に、内部経路を形成した多孔性セラミック材料であり、この内部経路を通り、燃料空気混合物が、多孔性材料の一方の外側表面から対向する外側表面へと通る。内部経路の内側表面には、触媒層が形成されている。処理される燃料空気混合物が多孔性材料を通って流れるにつれて、燃料空気混合物が触媒層と接触し、多孔性材料の内側で無炎燃焼が起こる。無炎燃焼の結果、燃料は、水素と一酸化炭素の所望な混合物に変換され（例えば、合成ガス）、主な副生成物は、無炎燃焼中に発せられる熱エネルギーである。
【０００５】
別の例の触媒担持構造は、ワイヤ、または複数の個々の互いに積み重ねられたスクリーン要素によって作られる織られたメッシュ構造を含み、単一の多孔性基材を形成する。ワイヤまたは織られたメッシュ要素の場合、各スクリーンまたは要素の表面は、触媒層でコーティングされている。燃料が、積み重ねられたスクリーン要素を通って流れるにつれて、燃料が触媒層と相互作用し、無炎燃焼が開始し、燃料は、水素と一酸化炭素の所望な混合物に変換され、主な副生成物は、無炎燃焼中に発せられる熱エネルギーである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料改質器のもつ典型的な問題は、多孔性基材の内側で起こる発熱反応（無炎燃焼）によって生成する熱エネルギーが、流入してくる未処理の燃料の温度を、その自己発火温度まで上げてしまい、触媒に達する前、または触媒担持構造の経路の内側で燃料が発火してしまいかねないことである。この現象が起こると、発火した燃料は、二酸化炭素（ＣＯ２）に部分的に変換され、この二酸化炭素が多孔性基材の内側に形成された触媒層と反応し、触媒層を破損し、最終的には燃料改質器の効率を下げ、究極的には触媒層を使用不可能な状態にしてしまう。流入してくる未処理の燃料空気混合物の着火を抑制するために、ＣＰＯＸ反応器の入口に近い場所に火炎防止器を配置することが知られているが、火炎防止器は、燃料を改質する利益に実際に寄与することなく、費用が上乗せされ、流体抵抗が増加してしまう。
【０００７】
従来のＣＰＯＸ反応器がもつさらなる問題は、触媒層が不均一に過熱されると、局所的なホットスポット（例えば、触媒担持構造の投入末端に近い場所）で触媒層が損傷を受けることであり、ホットスポットは、最終的には、触媒層の中で燃えてしまい、改質器の効率を下げてしまう場合がある。しかし、触媒層の加熱が不十分であっても、触媒担持構造の内部での燃料空気混合物の不十分な加熱または不完全な燃焼によって、触媒層上に粉末炭素が生成するため、触媒は損傷を受け、改質器の効率が下がる。いずれの場合も、過熱および不十分な加熱、特に、不均一な過熱および不十分な加熱は、触媒層を破損し、最終的には燃料改質器の効率を下げ、究極的には触媒層を使用不可能な状態にしてしまう。
【０００８】
なおさらなる問題は、多孔性の触媒担持構造の内側で起こる発熱反応（無炎燃焼）によって生成する熱エネルギーが、燃料改質器から出た改質済み燃料の温度を、その自己発火温度まで上げてしまい、燃料電池スタックに達する前に燃料が発火してしまいかねないことである。この問題の結果、燃料電池スタックに達する前に燃焼する燃料は、ＳＯＦＣ反応器内で使用して電力を作り出すことができないため、電力出力および全体的なシステム効率が下がる。
【０００９】
多孔性セラミック材料基板によって形成される従来のＣＰＯＸ反応器の基材がもつ１つの問題は、セラミック材料が貧弱な熱伝導体であることであり、大部分のセラミック材料は、熱伝導係数が約４０Ｗ／ｍ°Ｋ未満であり、より一般的には、２０Ｗ／ｍ°Ｋ未満である。従って、２００Ｗ／ｍ°Ｋを超える熱伝導係数を有する熱伝導性金属（例えば、アルミニウム）と比較すると、セラミック材料およびステンレス鋼のメッシュは、良好な熱伝導体ではない。従って、熱伝導によってＣＰＯＸ反応器の多孔性セラミック材料基板からの迅速な熱エネルギーの除去は遅すぎて、燃料改質プロセス中の積極的な冷却を行うために、熱伝導によって基材から十分な熱エネルギーを効果的に除去することができない。同じ理由のために、セラミックＣＰＯＸ反応器の基材の一領域から別の領域への熱伝導は遅すぎて、基材の体積全体に均一な温度を効果的に与えることができず、このことは、通常の燃料処理中になぜ高温領域と定温領域が持続するのかの理由の一部である。
【００１０】
金属性スクリーンが、一般的に、オーステナイト系ステンレス鋼などの高温金属アロイ、またはハステロイ、モネルまたはインコネルなどの他の高温金属アロイから作られ、これらの金属アロイが、約８００℃を超える温度での連続的な操作に適しているため、従来の触媒基材に使用される織られた金属性スクリーンに関し、これらの金属性スクリーンには、同じ欠点がある。しかし、特殊な高温金属アロイは、実際には、大部分のセラミック材料の熱伝導係数よりも低い熱伝導係数を与える。特に、オーステナイト系ステンレス鋼、ハステロイ、モネルおよびインコネルの熱伝導係数は、全て約２５Ｗ／ｍ°Ｋ未満である。
【００１１】
操作中、いかなる形態の積極的な冷却または熱エネルギーの管理も行わないと、従来の触媒担持構造の温度と、従来の触媒担持構造を通る燃料空気混合物の温度は、最終的には、定常状態のＣＰＯＸ反応温度まで上がり、その温度は、８００〜１２００℃であると概算される。しかし、この温度は、自己発火温度がそれぞれおおよそ４７０℃、５８０℃および２９５℃であるプロパン、メタンまたは灯油などの所望な燃料の自己発火温度または自己燃焼温度よりも高いため、この問題は、従来、発火を防ぐために、触媒担持基材の投入側に配置された火炎防止器を用いて解決されている。しかし、この解決策は、従来の触媒基材の流出側の内側またはこれに近い位置での自己発火を防ぐことができない。従って、当該技術分野では、燃料空気混合物が約２９５℃より高く、約５８０℃までの温度で自己発火するのを防ぎ、具体的には、触媒担持基材の内側の投入側および流出側に近い位置での燃料の自己発火を防ぐ様式で、ＣＰＯＸ反応器の基材の中および周囲で熱エネルギーをさらに効果的に管理する必要がある。
【００１２】
さらに、当該技術分野では、触媒層の損傷を回避し、発電効率を高めるために、ＳＯＦＣ系で操作する従来のＣＰＯＸ燃料反応器の操作温度範囲をさらに積極的に、信頼性高く制御する必要がある。さらに、当該技術分野では、ＣＰＯＸ燃料反応器に入る未処理の燃料の自己発火を回避し、ＣＰＯＸ反応器を通り、出ていく処理燃料の自己発火も回避するために、従来のＣＰＯＸ燃料反応器の操作温度範囲をさらに積極的に、信頼性高く制御する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本技術は、炭化水素化合物を、水素ガス（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を含む燃料に変換するために発熱化学反応を利用する従来の燃料改質システムおよび方法を用いて上述の問題を解決する。特に、本技術は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムに組み込まれた、改良された燃料改質モジュールを提供する。
【００１４】
燃料改質モジュールは、中空燃料チャンバを内包する燃料反応器本体を備えている。中空燃料チャンバは、チャンバ長手方向軸を取り囲むように配置された外周壁によって囲まれる。キャップ壁面は、外周壁に接続し、燃料チャンバの上部端を内包するように配置される。反応器遮断底壁は、外周壁に接続し、燃料チャンバの底部端を内包するように配置される。反応器遮断底壁および許容される壁は、好ましくは、単一の要素、例えば、金属鋳物である。
【００１５】
反応器遮断底壁は、中空燃料チャンバの内側に面する底壁の上面と、中空燃料チャンバから離れる方向に面する、実質的に平行であり、対向する底壁の底面とを有する。複数の実質的に同一の底壁燃料経路は、反応器遮断底壁を通り、底壁の上面から底壁の底面まで延びており、底壁燃料経路は、唯一の出口を与え、この出口を通り、燃料が中空燃料チャンバから外に流れ出ることができる。
【００１６】
それぞれの底壁燃料経路は、その長手方向の長さに沿って実質的に一定の断面積を有し、チャンバ長手方向軸とは実質的に平行の経路長手方向軸によって、軸方向に中央にある。固体の非多孔質セラミック基材から作られた触媒本体は、触媒本体の上面と、実質的に平行であり、対向する触媒本体の底面と、円筒形の側壁とを有する。触媒本体の上面は、界面を横切って底壁の底面に対向して、近接して配置される。この界面は、それぞれの底壁燃料経路の流出口と、それぞれの触媒燃料経路の投入口との間の分離を規定する。この界面を横切る分離は、例えば、反応器遮断底壁の底面が、触媒本体の上面と接触して噛み合う場合に、非常に小さくてもよく、または界面は、反応器遮断底壁の底面を触媒本体の上面から分離するエアギャップを有していてもよい。それぞれの底壁燃料経路の流出口を、それぞれの触媒燃料経路の投入口から分離することに加えて、この界面は、それぞれの触媒燃料経路の内側で起こる発熱化学反応を、流入燃料から分離する。より具体的には、発熱化学反応によって発せられる熱エネルギーは、この界面を横切って、反応器遮断底壁の底面と、複数の底壁燃料経路の内側表面に達し、これらの面によって少なくとも部分的に吸収される。
【００１７】
触媒本体は、複数の実質的に同一の触媒燃料経路を有しており、それぞれの触媒燃料経路は、触媒本体の上面から触媒本体の底面まで延びている。複数の触媒燃料経路は、それぞれ、その長手方向の長さに沿って同じ断面積を有して形成され、触媒層は、それぞれの触媒燃料経路の内側表面にコーティングされる。複数の底壁燃料経路は、それぞれ、複数の触媒燃料経路の１つと長手方向に整列している。従って、それぞれの底壁燃料経路と、対応する触媒燃料経路との関係は、１対１の関係になっており、複数の底壁燃料経路は、それぞれ、その対応する触媒燃料経路と、実質的に同軸の長手方向軸を共有している。
【００１８】
それぞれの複数の底壁燃料経路の断面積は、実質的に同じであり、それぞれの複数の触媒燃料経路の断面積は、実質的に同じであるが、反応器遮断底壁の底面の領域を、それぞれの触媒燃料経路にさらすために、底壁燃料経路の断面積は、触媒燃料経路の断面積より小さい。このことにより、それぞれの触媒燃料経路の内側から発せられる熱放射を、吸収のために反応器遮断底壁の底面に衝突させることができる。非限定的な実施形態の例では、触媒燃料経路の断面積に対する底壁燃料経路の断面積の比率は、０．９未満、または０．６〜０．９である。非限定的な実施形態の例では、複数の底壁燃料経路は、それぞれ、直径が０．６５〜２．６ｍｍの範囲の円形の断面を有し、複数の触媒燃料経路は、それぞれ、底壁燃料経路の直径に等しい直径から、底壁燃料経路の直径の約１．２６倍までの範囲の辺の寸法を有する四角形の断面を有する。さらなる非限定的な実施形態では、円形の底壁燃料経路の直径は、０．６５〜２．６ｍｍの範囲にあり、その長手方向の長さは、直径の１０〜２０倍であり、四角形の燃料経路の辺の寸法は、０．６５〜２．６ｍｍの範囲にあり、その長手方向長さは、辺の寸法の５〜４０倍である。
【００１９】
底壁燃料経路は、アレイパターンに整列している。アレイパターンは、穴が存在しない中実材料領域と、穴が存在する穴パターン領域とを有する。非限定的な実施形態の例では、穴パターン領域に対する中実材料領域の比率は、０．７５〜０．９である。
【００２０】
外気にさらされ、その場所から熱エネルギーを放散させる表面領域を与えるために、燃料反応器本体の一部は、外気にさらされている。燃料反応器本体を通る迅速な熱伝導率を付与するために、燃料反応器本体全体は、熱伝導係数が１００Ｗ／ｍ°Ｋより大きな材料から作られ、燃料反応器本体は、反応器遮断底壁の底面から、燃料反応器本体のうち外気にさらされる部分まで延びている、実質的に連続した熱伝導路を与えるように作られる。燃料反応器本体のうち外気にさらされる部分は、外周壁から半径方向外側に延びる円板形状の放熱フランジを備えている。システム制御部と連通する温度検知要素は、放熱フランジの表面に設けられ、空気移動デバイスは、放熱フランジの表面上に外気を流すことによって、放熱フランジを冷却するために与えられる。
【００２１】
本技術は、さらに、燃料改質方法を含む。この方法は、気体状の炭化水素化合物の流れを、燃料反応器本体によって内包される中空燃料チャンバへと運ぶことと、次いで、気体状の炭化水素化合物の流れを、反応器遮断底壁を通って中空燃料チャンバから出るように運ぶこととを含む。反応器遮断底壁は、燃料反応器本体によって作られ、複数の実質的に同一の底壁燃料経路を有しており、流出口として作用するそれぞれの底壁燃料経路を通って流れていく。
【００２２】
この方法は、複数の底壁燃料経路のそれぞれ１つから出た気体状の炭化水素化合物の流れを、複数の対応する触媒燃料経路に受け入れることを含む。それぞれの触媒燃料経路は、非多孔性の触媒本体（例えば、セラミック構造）を通る。複数の底壁燃料経路は、それぞれ、その対応する触媒燃料経路と、実質的に同軸の長手方向軸を共有する。複数の触媒燃料経路は、それぞれ、その１つ以上の内側表面を触媒層でコーティングされている。触媒層は、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）によって気体状の炭化水素化合物を改質するのに適しており、ＣＰＯＸ反応は、熱放射を発生させる。
【００２３】
反応器遮断底壁は、中空燃料チャンバの内側に面する上面と、中空燃料チャンバから離れる方向に面する、実質的に平行であり、対向する底面とを有する。触媒本体は、界面を横切って、反応器遮断底壁の底面に対抗して配置される上面を有する。
【００２４】
燃料反応器本体の一部が、外気にさらされており、燃料反応器本体が、熱伝導係数が１００Ｗ／ｍ°Ｋより大きな材料から作られ、反応器遮断底壁の底面から、燃料反応器本体のうち外気にさらされる部分まで延びる実質的に連続した熱伝導路を与える。
【００２５】
この方法は、さらに、ＣＰＯＸ反応によって、それぞれの触媒燃料経路内で気体状の炭化水素化合物を改質することを含む。熱エネルギーが、触媒燃料経路内から発せられると、熱エネルギーは、反応器遮断底壁の底面と、複数の底壁燃料経路のいずれか１つの内側表面とによって吸収される。熱エネルギーが、反応器遮断底壁の表面によって吸収されると、熱エネルギーは、燃料反応器本体を通り、燃料反応器本体のうち外気にさらされた部分に、熱伝導される。この方法は、さらに、燃料反応器本体のうち周囲大気にさらされた部分の温度を監視することと、放熱フランジの表面を横切って外気の流れを向かわせるように空気移動デバイスを操作することとを含む。この方法は、さらに、燃料反応器本体を２５０℃未満の定常状態での操作温度に維持するために、十分な熱質量および十分な熱エネルギーを放散する表面領域を有する燃料反応器本体を構築することを含む。
【００２６】
本技術の特徴は、例示のために選択され、添付の図面に示されている例示的な実施形態の詳細な説明から最もよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本技術の非限定的で例示的なＳＯＦＣシステムの実施形態の概略図を示す。
【図２】本技術の非限定的で例示的な固体酸化物形燃料電池スタックアセンブリを切断した模式的な断面図を示す。
【図３】本技術の非限定的で例示的な燃料改質モジュールを切断した模式的な断面図を示す。
【図４】本技術のＳＯＦＣシステムの非限定的で例示的な触媒本体の実施形態の模式的な断面図を示す。
【図４Ａ】本技術の触媒燃料経路から放射される熱エネルギーを吸収するために利用可能な反応器の底壁の表面領域を示す模式図である。
【図５】本技術の非限定的で例示的なカソードチャンバを切断した模式的な上面断面図を示す。
【図６】本技術の非限定的で例示的な燃料改質モジュールを切断した模式的な下面断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
特に明記しない限り、以下の定義を全体で使用する。
【００２９】
【表１】
0006606606.tif 000002
【００３０】
特に断りのない限り、全体で以下の項目番号を使用する。
【００３１】
【表２−１】
0006606606.tif 000003
【表２−２】
0006606606.tif 000004
【００３２】
固体酸化物形燃料電池システム
図１を参照すると、本技術の第１の例示的な非限定的な実施形態の模式図は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム（１００）を示す。システム（１００）は、高温ゾーン内包壁（１１５）の中に内包された高温ゾーン（１０５）を有しており、この実施形態では、高温ゾーン内包壁（１１５）は、円筒形の高温ゾーン空洞部（１２０）を内包している。高温ゾーン内包壁（１１５）は、さらに、断熱層（１３０）に内包されており、断熱層（１３０）は、さらに、外側内包壁（１３２）に内包されている。高温ゾーン内包壁（１１５）および外側内包壁（１３２）は、それぞれ、別個の円筒形の側壁を有しており、それぞれの側壁は、以下にさらに記載する異なる一対の対向する円板形状の末端壁と機械的に接続している。
【００３３】
高温ゾーン内包壁（１１５）は、燃料電池スタック（１３５）を内包している。燃料電池スタック（１３５）は、少なくとも１個のＳＯＦＣ燃料電池を含むが、好ましくは、複数個のＳＯＦＣ燃料電池を含み、それぞれが、ＤＣ電力出力モジュール（１４０）と直列または並列に電気的に相互接続している。ＤＣ電力出力モジュールは、燃料電池スタックによって発生した電力を受け取り、外部電源負荷（図示せず）に出力電力を運ぶ。各燃料電池は、固体酸化物カソード電極（１５５）を備えており、固体酸化物カソード電極（１５５）は、高温ゾーン空洞部（１２０）の内側に存在するカソードガスにさらされる方向を向いている。高温ゾーン空洞部（１２０）は、操作中はカソードガス（空気）１２６で満たされており、高温ゾーン空洞部（１２０）中のカソードガスは、固体酸化物カソード電極（１５５）の表面と化学的に反応する。各燃料電池は、さらに、固体酸化物アノード電極（１５０）を備えており、固体酸化物アノード電極（１５０）は、高温ゾーン空洞部（１２０）またはその中に含まれるカソードガスにさらされないが、その代わりに、固体酸化物アノード電極（１５０）と化学的に反応するために操作中にアノードガスが固体酸化物アノード電極（１５０）の上を通過するように、アノードガス（改質済み燃料）（１２５）にさらされる方向を向いている。ＳＯＦＣ燃料電池は、さらに、固体酸化物アノード電極（１５０）から固体酸化物カソード電極（１５５）を分離するように配置された固体電解質層（１４５）を備えている。固体電解質層（１４５）は、固体酸化物アノード電極（１５０）と固体酸化物カソード電極（１５５）との間のイオン交換のためのイオン交換媒体として与えられる酸素イオン伝導層である。
【００３４】
燃料電池スタック（１３５）は、燃料電池スタックの固体材料層の組成と、アノードガスとカソードガスの特徴に応じて、高い操作温度（例えば、３５０〜１２００℃の範囲）に維持される。好ましい操作温度は、効率的な電気化学エネルギー生成を補助するように選択される。水素を含むアノードガス（１２５）が固体酸化物アノード電極（１５０）と反応し、酸素を含むカソードガス（１２６）が固体酸化物カソード電極（１５５）と反応するとき、燃料電池スタック（１３５）によって電気エネルギーが生成する。
【００３５】
高温ゾーン（１０５）は、さらに、燃焼モジュール（１８０）または排ガス燃焼器を内包しており、燃焼モジュール（１８０）または排ガス燃焼器は、使用済みアノードガスおよび使用済みカソードガスがそれぞれ対応する固体酸化物アノード電極（１５０）および固体酸化物カソード電極（１５５）と反応した後に、使用済みアノードガス（１２５ａ）および使用済みカソードガス（１２６ａ）を受け取るような構成の燃焼チャンバを備えている。燃焼モジュール（１８０）中で混合すると、使用済みアノードガス（１２５ａ）および使用済みカソードガス（１２６ａ）が燃焼する。燃焼モジュール（１８０）の内側で行われる燃焼によって生成する熱エネルギーを使用し、高温ゾーン内包壁（１１５）と高温ゾーン空洞部（１２０）を加熱する。
【００３６】
高温ゾーン空洞部（１２０）は、さらに、レキュペレータモジュール（１７５）を内包している。レキュペレータモジュール（１７５）は、燃焼モジュール（１８０）と流体連通状態であり、そこから出ていく燃焼排出ガス（１２７）を受け取る。燃焼排出ガス（１２７）および流入空気（１７０）がそれぞれ、ガス向流熱交換器（図示せず）の別個のガス導路を通って流れるとき、燃焼排出ガス（１２７）は、レキュペレータモジュール（１７５）を通って流れ、そこから流入空気（１７０）へと熱エネルギーを移動する。その後、使用済み燃焼排出ガス（１２７ａ）は、レキュペレータモジュール（１７５）を出て、排出口（１８５）を通って高温ゾーンの外へと運ばれる。レキュペレータモジュール（１７５）から出た後の流入空気（１７０）は、高温ゾーン空洞部（１２０）の内側に運ばれるカソードガス（１２６）を含む。
【００３７】
システム冷温ゾーン（１１０）は、燃料投入モジュール（１９７）を備えている。プロパン、メタンまたは灯油などの種々の炭化水素燃料および他の適切な燃料が、種々の燃料源（図示せず）から燃料投入モジュール（１９７）中に受け入れられる。燃料投入モジュール（１９７）は、燃料源から運ばれる流入燃料（１６０）を調節し、所望の容積または質量流量の流入燃料（１６０）を燃料改質モジュール（１６５）に運ぶように操作可能である。燃料改質器（１６５）は、流入燃料を固体酸化物アノード電極（１５０）との所望な化学反応にもっと適した状態にする様式で、燃料を改質するように操作可能である。
【００３８】
流入燃料（１６０）は、液体または気体状の炭化水素化合物を含み、この化合物から水素を抽出することができる。流入燃料（１６０）は、空気と混合されてもよく、噴霧されてもよく、または他の方法で気化されてもよい。本技術の燃料改質モジュール（１６５）は、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）反応器を備えており、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）反応器は、以下に記載される、その表面の一部が触媒層によってコーティングされた触媒担持層（１６７）を与える。流入燃料が触媒層の上を通過すると、燃料は、触媒担持層（１６７）の内側で燃焼するか、または部分的に燃焼する。燃焼によって発生した熱は、流入燃料（１６０）を水素ガス（Ｈ２）と一酸化炭素ガス（ＣＯ）へと改質する。改質済み燃料は、アノードガス（１２５）として燃料改質モジュール（１６５）を出て、このガスが、ＳＯＦＣ燃料電池スタック（１３５）中のそれぞれの燃料電池の固体酸化物アノード電極（１５０）と反応する。
【００３９】
システム冷温ゾーン（１１０）は、レキュペレータモジュール（１７５）に入る流入空気（１７０）または別の酸素を豊富に含む原料ガスのための空気投入モジュール（１９８）を備えている。空気または任意の他の酸素を豊富に含む原料ガスは、種々の空気源（図示せず）から空気投入モジュール（１９８）へと受け入れられるか、または空気は、ファンによってレキュペレータモジュール（１７５）へと圧送される室内の空気を含む。空気投入モジュール（１９８）は、レキュペレータモジュール（１７５）への空気流を調節するように操作可能である。レキュペレータモジュール（１７５）は、燃焼排出ガスがガス向流熱交換器（図示せず）を通って流れることによって、燃焼排出ガス（１２７）を用いて流入空気（１７０）を加熱する。加熱済み空気は、カソードガス（１２６）としてレキュペレータを出る。
【００４０】
システム冷温ゾーン（１１０）は、燃料投入モジュール（１９７）および空気投入モジュール（１９８）と電気通信状態にある電子制御部（１９０）を備えている。電子制御部（１９０）は、デジタルデータ処理部、種々のオペレーティングプログラムを含む関連するデジタルデータメモリ、および／またはその上で操作され、ＳＯＦＣシステム（１００）の操作を管理するデジタル論理制御要素を備えている。電子制御部（１９０）は、ＤＣ電力出力モジュール（１４０）と電気通信状態にあり、負荷に対するＤＣ電力出力を管理し、調整する。電子制御部は、燃料投入モジュール（１９７）とも電気通信状態にあり、流入燃料（１６０）を監視し、調整し、さらに、空気投入モジュール（１９８）と電気通信状態にあり、流入空気（１７０）を監視し、調整し、さらに、少なくとも１つの温度センサ（１５７）と電気通信状態にあり、高温ゾーン内包壁（１１５）、外側内包壁（１３２）、燃料改質モジュール（１６５）の１つ以上の表面および必要な場合には他の表面の温度を監視し、ＳＯＦＣシステム（１００）の種々の表面の温度を監視する。
【００４１】
燃料投入モジュール（１９７）および空気投入モジュール（１９８）は、それぞれ、１つ以上のガス圧制御部、ガス流アクチュエーター弁、質量または体積によるガス流速制御部および／または質量流量センサなど、ガス圧センサなど、温度センサなどを備えていてもよく、それぞれ、電子制御部（１９０）によって、またはその中の他の様式で電気通信状態で操作可能であり、燃料改質モジュール（１６５）中の流入燃料（１６０）またはレキュペレータモジュール（１７５）中の流入空気（１７０）を調整してもよい。より具体的には、燃料投入モジュール（１９７）は、電子制御部（１９０）と協働し、投入燃料の圧力を制御し、流入燃料の質量または体積流量を変動可能に制御し、所望な場合、流入燃料（１６０）がＳＯＦＣシステム（１００）に入ってくるのを止めるように操作可能である。同様に、空気投入モジュール（１９８）は、さらに、電子制御部（１９０）と協働し、投入空気の圧力を制御し、流入空気の質量または体積流量を変動可能に制御し、所望な場合、流入空気（１７０）がＳＯＦＣシステム（１００）に入ってくるのを止めるように操作可能であってもよい。いくつかの操作環境では、空気投入モジュール（１９８）は、さらなる空気投入制御センサまたは要素を用いることなく、一定の角速度で単純なファンを備えていてもよい。
【００４２】
本技術によれば、燃料改質モジュール（１６５）は、燃料を水素ガス（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するために、流入燃料（１６０）と、セラミック触媒担持構造（１６７）の表面に与えられた触媒層との間の発熱反応を起こさせるような構成である。さらに、本技術によれば、改良された燃料改質モジュール（１６５）は、以下に記載される、複数の長手方向の燃料流路を有するセラミック触媒担持構造（１６７）を備えており、それぞれの長手方向の燃料流路は、その内側表面が触媒層でコーティングされている。これに加えて、燃料改質モジュール（１６５）は、一部には、セラミック触媒担持構造（１６７）内で起こる発熱反応によって発せられる熱エネルギーを、流入燃料に向かって長手方向の経路に沿ってセラミック触媒担持構造（１６７）の外に移動する手段として、長手方向の燃料流路を与えることによって、セラミック触媒担持構造（１６７）に入ってくる未処理の燃料の自己発火を防ぐような構成である。図１からわかるだろうが、燃料改質モジュール（１６５）は、一部は外側内包壁（１３２）の間に、一部は外側内包壁（１３２）の外側に配置され、さらに、外側内包壁（１３２）を通って流れる熱伝導路を与えるような構成である。これに加えて、ＳＯＦＣシステム（１００）は、場合により、外側内包壁（１３２）の外側に配置される燃料改質モジュール（１６５）の部分を冷却するために、１つ以上の冷却デバイス（例えば、空気ファン、水圧ポンプなど）を備えている。
【００４３】
ＳＯＦＣシステム（１００）は、場合により、低温始動モジュール（１９５）を備えていてもよい。低温始動モジュール（１９５）は、低温始動モジュール（１９５）へと再び向かう流入燃料（１６０）の一部を受け取り、燃焼させるような構成である。流入燃料（１６０）の温度または高温ゾーン内包壁（１１５）の温度または燃料電池スタック（１３５）の温度が、所望の操作温度または反応温度より低くなったら、低温始動モジュール（１９５）の操作が、電子制御部（１９０）によって開始される。操作中、流入燃料（１６０）の一部は、低温始動モジュール（１９５）に関連して燃焼チャンバに分流される。制御可能な燃料点火装置が、低温始動モジュール（１９５）の燃焼チャンバの内側に与えられ、燃焼チャンバ内の燃料が点火され、燃焼し、低温始動中に、流入燃料（１６０）、燃料改質モジュール（１６５）および高温ゾーン内包壁（１１５）を加熱する。ＳＯＦＣシステム（１００）が、その所望な操作温度に達したら、低温始動モジュール（１９５）の操作を停止する。
【００４４】
操作中、電子制御部（１９０）は、燃料投入モジュール（１９７）、空気投入モジュール（１９８）および電力出力検出器などと関連して、他の電子要素（例えば、１つ以上の冷却ファン、１つ以上の電気的に操作可能なガス流弁、ガス流量検出器、および／またはガス制御器、およびＳＯＦＣ（１００）の種々の操作パラメータを制御することが必要な場合には、他の要素と連通している。電子制御部（１９０）は、ＤＣ電流／電力出力および１つ以上の熱電対などによって測定される温度を監視し、さらに、ＤＣ電流／電力出力を増加または減少させる手段として、流入燃料の質量流量と、場合により流入空気の質量流量を変えるように操作される。
【００４５】
固体酸化物形燃料電池スタックの側面断面図
ここで図２を参照すると、本技術の改良されたＳＯＦＣ燃料電池スタックアセンブリ（２０００）の第２の非限定的で例示的な実施形態が側面断面図で示されている。特に、ＳＯＦＣ燃料電池スタックアセンブリ（２０００）は、ＳＯＦＣ燃料電池スタック（２００５）を備えており、ＳＯＦＣ燃料電池スタック（２００５）は、管状燃料電池（２０８０）を含み、実質的に円筒形の高温ゾーン空洞部またはカソードチャンバ（２０１０）に沿って、それぞれ長手方向に延びている。
【００４６】
円筒形のカソードチャンバ（２０１０）は、円筒形の高温ゾーン内包壁によって囲まれ、円筒形の高温ゾーン内包壁は、開口端を有する長手方向の円筒形の側壁（２０１５）を有し、この側壁は、円板形状の底部端壁（２０１６）および対向する円板形状の上部端壁（２０１７）と機械的に接続している。円筒形のカソードチャンバ（２０１０）は、気密チャンバとして作られ、そのそれぞれの壁は、熱伝導係数が高い（例えば、１００〜３００Ｗ／（ｍ°Ｋ）、好ましくは２００Ｗ／（ｍ°Ｋ）より高い）材料を含む。従って、長手方向の円筒形の側壁（２０１５）、円板形状の底部端壁（２０１６）および円板形状の上部端壁（２０１７）は、銅、モリブデン、アルミニウム銅、銅ニッケルアロイ、またはこれらの組み合わせのうち１つ以上から製造され、それぞれの壁は、好ましくは、カソードチャンバ（２０１０）に面する表面、または酸素が豊富な環境にさらされ得る任意の表面がニッケルコーティングされている。ニッケルコーティングは、酸素を豊富に含むガスとの接触に起因する表面酸化を防ぐために与えられる。具体的には、それぞれの高温ゾーン内包壁（２０１５、２０１６、２０１７）は、温度勾配をさらに迅速に減らし、高温ゾーン内包壁の構造全体を実質的に同じ温度に維持するために、高温ゾーンのある領域から別の領域まで熱伝導によって熱エネルギーを迅速に伝導するための熱伝導路を与えるような構成である。さらに、円板形状の底部端壁（２０１６）および円板形状の上部端壁（２０１７）はそれぞれ、好ましくは、低温始動燃焼チャンバ（２３００）および燃焼チャンバ（２１３５）から熱エネルギーを迅速に吸収し、吸収した熱エネルギーを熱伝導によって側壁（２０１５）に迅速に分配するために十分な熱質量を有する銅コアを有して形成される。
【００４７】
この実施形態の例では、円板形状の底部端壁（２０１６）も、レキュペレータチャンバ（２２１０）の底壁を形成する。上述のように、レキュペレータチャンバ（２２１０）は、カソード供給管（２１４５）を通って燃料電池スタックアセンブリに入る流入空気（２２００）を加熱するために設けられる。流入空気（２２００）、すなわちカソードガスは、レキュペレータ投入口（２２３０）を通ってレキュペレータチャンバ（２２１０）に流れ、レキュペレータチャンバ（２０１０）を出て、レキュペレータ流出口（２２３５）を通り、カソード供給管（２１４５）に戻る。１つまたは複数のレキュペレータ投入口（２２３０）およびレキュペレータ流出口（２２３５）が、カソード供給管（２１４５）の周囲に配置されてもよい。フロー障壁（２２１２）は、空気の流れをレキュペレータチャンバ（２２１０）の周囲の壁に向かわせ、それによって、レキュペレータチャンバを通って流れる空気と、その周囲の壁との間の熱エネルギー交換を増加させる。レキュペレータチャンバ（２２１０）は、燃焼チャンバ（２１３５）とレキュペレータチャンバ（２２１０）との間に配置される円板形状の隔壁（２２１４）によって、その上側に接する。円板形状の隔壁（２２１４）は、使用済みアノードガスと使用済みカソードガスが、燃焼チャンバ（２１３５）内で燃焼するときに、熱エネルギーを吸収するような構成であり、吸収された熱エネルギーは、レキュペレータチャンバ（２２１０）に再び放出される。
【００４８】
中間の円筒形内包部は、高温ゾーン内包壁を取り囲んでいる。中間の円筒形内包部は、開口端を有する長手方向の中間の円筒形の側壁（２５１０）によって囲まれ、円板形状の中間底部端壁（２５１１）および対向する円板形状の中間上部端壁（２５１３）と機械的に接続する。中間の円筒形内包部は、長手方向の円筒形の側壁（２０１５）および円板形状の上部端壁（２０１７）を実質的に取り囲むエアギャップ（２１５５）を形成するような大きさである。エアギャップ（２１５５）は、高温ゾーン内包壁の一部に近接する流体流の経路を与え、この流体の経路は、システム流出口（２１６５）と流体連通状態である。エアギャップ（２１５５）は、さらに、１つ以上の燃焼器流出口（２１５０）を介し、燃焼チャンバ（２１３５）と流体連通状態であり、１つ以上の低温始動流出口（２３０２）を介し、低温始動燃焼チャンバ（２３００）と流体連通状態である。従って、それぞれの燃焼チャンバ（２１３５）および低温始動燃焼チャンバ（２３００）を出る排出ガスは、システム流出口（２１６５）を介して燃料電池スタックアセンブリ（２０００）を出る前に、高温ゾーン内包壁の外側表面の上を流れる。非限定的な実施形態の一例では、壁の外側表面（２０１５）から壁の内側表面（２５１０）までのエアギャップ（２１５５）の寸法は、１〜４ｍｍの範囲である。
【００４９】
外側の円筒形内包部は、中間の円筒形内包部を取り囲んでいる。外側内包部は、開口端を有する外側の円筒形の側壁（２５１４）によって囲まれており、円板形状の外側底壁（２５１８）および対向する円板形状の外側上壁（２５１６）と機械的に接続する。壁（２５１４）、（２５１８）および（２５１６）は、それぞれ、操作中に外側の円筒形内包部の実質的に均一な温度を与えるために、熱エネルギーの迅速な伝導を補助するために、好ましくは、アルミニウムまたはアルミニウムアロイを含み、好ましくは、熱伝導係数が１４０Ｗ／ｍ°Ｋを超えるアルミニウムまたはアルミニウムアロイを含む。断熱層（２５１２）は、中間包囲壁の外側表面と外側内包壁の内側表面との間に配置され、断熱層（２５１２）は、エアギャップ（２１５５）を横切って放射される熱エネルギー、またはＳＯＦＣシステムを出る排出ガスによってエアギャップを通って運ばれる熱エネルギーが、外側の円筒形の側壁（２５１４）および円板形状の外側底壁（２５１８）の表面に到達するのを防ぐ。好ましくは、断熱層（２５１２）は、外側の円筒形の側壁（２５１４）および円板形状の外側底壁（２５１８）の表面が、確実に操作パラメータの範囲内に維持されるように構築される。例えば、断熱層（２５１２）は、外側の円筒形の側壁（２５１４）および円板形状の外側底壁（２５１８）の温度が約１１０℃よりも高い温度に達するのを防ぐような構成である。
【００５０】
燃料ロッドまたはロッドとしても知られる複数の管状燃料電池（２０８０）は、カソードチャンバ（２０１０）の内側に、円板形状の上部管支持壁（２０８２）と対向する円板形状の底部管支持壁（２０８４）との間に長手方向に支持される。それぞれの管状燃料電池（２０８０）は、管の内径を形成する固体酸化物アノード電極支持構造を備えている。固体セラミック電解質層は、固体酸化物アノード電極支持層の外径の上に形成され、固体酸化物カソード電極層は、固体電解質層の外径の上に形成される。それぞれの管状燃料電池（２０８０）は、その両端が開口しており、アノードガス（本明細書では改質済み燃料または合成ガスとも呼ばれる）が流れるための円筒形流体導路を与える。複数の管保持フランジ（２０８６）は、場合により、上部管支持壁（２０８２）および底部管支持壁（２０８４）に対し、管末端を支持するために設けられる。それぞれの管保持フランジ（２０８６）は、ＤＣ電力出力モジュール（１４０）に電気的に接続した導電性端子も備えている。
【００５１】
それぞれの管状燃料電池（２０８０）の支持層を形成するために使用される固体アノード電極は、サーメット材料（例えば、ニッケルおよびドープされたジルコニア、ニッケルおよびドープされたセリア、または銅とセリア）を含んでいてもよい。または固体アノード電極は、ペロブスカイト、例えば、Ｓｒ２Ｍｇ１−ｘＭｎｘＭｏＯ６−δまたはＬａ０．７５Ｓｒ０．２５Ｃｒ０．５Ｍｎ０．５Ｏ３−δを含んでいてもよい。いずれの場合でも、それぞれの管状燃料電池（２０８０）の内側表面は、固体酸化物アノード電極を含み、アノードガス流（２１１５）のみが燃料投入マニホールド（２０５５）を通ってそれぞれの管状燃料電池（２０８０）に入り、固体アノード電極と反応するように、アノードガス流（２１１５）は、それぞれの円板形状の上部管支持壁（２０８２）を通って流れる。
【００５２】
固体酸化物カソード電極は、ランタンストロンチウムコバルト酸化物（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）またはランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）のいずれか１つを含んでいてもよい。固体酸化物カソード電極は、それぞれの管状燃料電池（２０８０）の外側表面を形成する。カソードチャンバ（２０１０）が流入空気（２２００）（すなわち、カソードガス）で満たされると、カソードガスは、それぞれの管状燃料電池（２０８０）の外側表面に形成された固体酸化物カソード電極と反応する。
【００５３】
電解質層は、アノード層とカソード層との間に配置される。好ましい電解質層は、イオン伝導性セラミック媒体を含み、好ましくは、イットリアがドープされたジルコニアまたはガドリニウムがドープされたセリアなどの酸素イオン伝導体を含む。または、電解質層は、セリウム酸バリウムまたはジルコン酸バリウムなどのプロトン伝導性セラミックである。理想的には、電解質層は、アノードガスとカソードガスが電解質層を横切るのを防ぐために、アノード電極とカソード電極の間にほぼ密封状態の障壁を与えるように、十分な厚さを有して形成される。
【００５４】
改良されたＳＯＦＣ燃料電池スタックアセンブリ（２０００）は、場合により、低温始動燃焼チャンバ（２３００）を備えている。低温始動燃焼チャンバ（２３００）は、中間チャンバ壁の中に収容され、中間の長手方向の円筒形の側壁（２５１０）、中間上壁（２５１３）およびカソードチャンバの円板形状の上部端壁（２０１７）によって囲まれる。低温始動燃焼チャンバ（２３００）は、環状のチャンバ体積を形成し、燃料改質モジュール（２０２０）を部分的に取り囲む。低温始動からＳＯＦＣシステムを始動するとき、流入燃料空気混合物（２０２５）の一部が、燃料入口（２３０４）を通って低温始動チャンバ（２３００）に分流され、点火装置（２３０６）によって点火される。従って、低温始動の間に、流入燃料空気混合物（２０２５）の一部は、低温始動燃焼チャンバ（２３００）内で燃焼する。低温始動燃焼チャンバ（２３００）内の燃焼によって発生する熱エネルギーは、具体的には熱エネルギーを迅速に吸収するために設けられた銅コアと共に構成される周囲の壁（円板形状の上部端壁（２０１７）を含む）に放射する。円板形状の上部端壁（２０１７）によって吸収されると、熱エネルギーは、全て高熱伝導性材料を含む高温ゾーン内包壁を通って迅速に伝導される。低温始動チャンバ（２３００）内で起こる燃焼からの排出物は、排出口（２３０２）を通ってチャンバを出て、エアギャップ（２１５５）を通り、システム流出口（２１６５）まで流れる。エアギャップ（２１５５）を通る経路の間、燃焼排出物は、放射および対流によって、熱エネルギーを高温ゾーン内包壁（２０１５）および（２０１６）に移動し、これにより、所望な定常状態の操作温度にシステムを加熱するのをさらに助ける。
【００５５】
流入燃料空気混合物（２０２５）は、燃料改質モジュール（２０２０）を通り、改良されたＳＯＦＣ燃料電池スタックアセンブリ（２０００）に入る。この好ましい実施形態では、燃料改質器は、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）反応器である。燃料改質モジュール（２０２０）は、燃料投入導路（２０４５）を通って流入燃料空気混合物（２０２５）を受け取り、流入燃料空気混合物（２０２５）を改質し、改質済み燃料または合成ガス（２０２７）を与え、これをアノードガスとして使用し、それぞれの管状燃料電池（２０８０）の内壁に形成される固体酸化物アノード電極と反応させる。改質済み燃料または合成ガス（２０２７）は、燃料改質モジュール（２０２０）から出て、燃料投入マニホールド（２０５５）に入る。燃料投入マニホールド（２０５５）は、それぞれの複数の管状燃料電池（２０８０）の上端または投入端にアノードガスを分配するような構成である。それぞれの管状燃料電池（２０８０）の底端または流出端で、水素が欠乏したアノードガスを含む使用済み燃料（２０２８）は、管状燃料電池を出て燃焼チャンバ（２１３５）に向かい、この場所で、使用済みカソードガス（２０２６）または酸素が欠乏した空気と混合し、燃焼する。
【００５６】
流入空気（２２００）、すなわち、カソードガスは、点線で示されており、カソード供給管（２１４５）を通り、改良されたＳＯＦＣ燃料電池スタックアセンブリ（２０００）に入り、レキュペレータチャンバ（２２１０）を流れ、この場所で、その表面によって加熱され、次いで、レキュペレータ流出口（２２３５）を通り、カソード供給管に再び入る。その後、加熱済み空気は、カソード供給管（２１４５）を流れつつ、燃焼チャンバ（２１３５）を通って流れ、その場所で、空気は、燃焼によって発生し、カソード供給管（２１４５）の壁に移動し、これを通って移動する熱エネルギーによってさらに加熱された後に、カソードチャンバ（２０１０）に入る。複数の空気流出口（２２４０）は、カソード供給管（２１４５）を通り、カソードチャンバ（２０１０）の内側にあり、加熱済み空気は、空気流出口（２２４０）を通り、カソードチャンバ（２０１０）に入る。カソードチャンバに入ると、加熱済み空気またはカソードガスは、それぞれの管状燃料電池（２０８０）の外側表面に形成された固体酸化物カソード電極と反応する。使用済みカソードガス（２０２６）は、カソードチャンバ流出口（２２４５）を通ってカソードチャンバを出て、燃焼チャンバ（２１３５）に向かい、その場所で、使用済みアノードガス（２０２８）と混合され、燃焼する。排出ガスは、燃焼器流出口（２１５０）を通り、燃焼チャンバ（２１３５）からエアギャップ（２１５５）へと出て、排出ガスがシステム流出口（２１６５）に向かって流れるにつれて、レキュペレータチャンバ（２２１０）の壁を加熱する。
【００５７】
固体酸化物形燃料電池スタックの上面断面図
図２の模式図は、説明を単純化するために、たった２つの管状燃料電池（２０８０）を示す、改良されたＳＯＦＣ燃料電池スタックアセンブリ（２０００）の模式的な側面断面図を示す。しかし、好ましいスタックは、２つより多い管状燃料電池（２０８０）を備えており、十分な使用空間を与える様式で燃料電池がカソードチャンバ（２００５）内で整列しており、効率的なガス流パターンを促進し、所望な電圧で所望な電力出力を与える。
【００５８】
ここで図５を参照すると、この図は、本技術の一例の改良されたＳＯＦＣスタック（５０００）の非限定的で例示的なカソードチャンバを切断した、非限定的で例示的な模式的な上面断面図を示す。カソードチャンバ（５００２）は、開口端を有する長手方向の円筒形の側壁（例えば、図２に示され、円周縁部（５０１０）を規定する長手方向の円筒形の側壁（２０１５））によって囲まれている。内側の網掛け領域（５０１５）は、図２に示される長手方向の中間の円筒形の側壁（２５１０）およびエアギャップ（２１５５）を表す。外側の網掛け領域（５０２０）は、図２に示す断熱層（２５１２）および外側の円筒形の側壁（２５１４）を表す。
【００５９】
カソード供給管（５０２５）は、カソードチャンバ（５００２）の中央に配置され、複数の放射状に配置された空気流出口（例えば、図２に示す（２２４０））を通り、カソードガスがカソードチャンバに分配される。長手方向中心軸（５０３０）は、カソード供給管（５０２５）と円周縁部（５０１０）の中心を合わせる。
【００６０】
改良されたＳＯＦＣスタック（５０００）は、複数の実質的に同一の管状燃料電池（５０４０）を備えており、それぞれが、それぞれの管状燃料電池（５０４０）の内径を構造的に形成する固体酸化物アノード電極と、それぞれの管状燃料電池（５０４０）の外径に形成される固体酸化物カソード電極とを備えている。第１の複数の管状燃料は、内側の円形パターン（５０３５）に整列しており、内側の円形パターン（５０３５）に示されているように、それぞれの第１の複数の管状燃料の中心が、長手方向中心軸（５０３０）から同じ半径方向距離にある。内側の円形パターン（５０３５）は、対称的な円形パターンであってもよく、内側の管状燃料電池は、内側の円形パターン（５０３５）の周囲に等間隔で配置されているか、または第１の複数の管状燃料電池は、不均等な角度分布または角度分離で、内側の円形パターン（５０３５）の周囲に配置されていてもよい。
【００６１】
第２の複数の管状燃料電池は、外側の円形パターン（５０４５）に整列しており、外側の円形パターン（５０４５）に示されているように、それぞれの第２の複数の管状燃料電池の中心が、長手方向中心軸（５０３０）から同じ半径方向距離にある。外側の円形パターン（５０４５）は、対称的な円形パターンであってもよく、第２の複数の燃料電池は、外側の円形パターン（５０４５）の周囲に等間隔で配置されているか、または第２の複数の管状燃料電池は、角度分離の不均等な角度分布で、外側の円形パターン（５０４５）の周囲に配置されていてもよい。この実施形態の例では、燃料電池の総数は２２である。その他の総数の燃料電池を備える他のパターンの燃料電池分布も、本技術を逸脱することなく使用可能である。
【００６２】
改良されたＣＰＯＸ燃料改質器
ここで図２〜図４を参照すると、本技術の燃料改質システム（３０００）が、図３の模式的な側面断面図および図４および図４Ａの部分的に分解された側面断面図に示されている。燃料改質システム（３０００）は、燃料投入マニホールド（３０５５）の上に取り付けられた燃料改質モジュール（３０２０）を備えている。燃料改質モジュール（３０２０）は、流入燃料空気混合物（３０２５）、すなわち未改質燃料を受け取るような構成の燃料反応器本体（３０４０）を備えており、燃料反応器本体（３０４０）は、円筒形燃料チャンバ（３００５）の中にあり、円筒形燃料チャンバ（３００５）は、環状外周壁（３０１０）によって、反応器遮断底壁（３０１５）によって、燃料チャンバキャップ（３０１７）によって囲まれている。好ましい実施形態では、燃料チャンバキャップ（３０１７）は、環状側壁（３０１０）に溶接される。燃料改質システム（３０００）は、さらに、円筒形触媒本体（３０３０）を備えている。それぞれの燃料反応器本体（３０４０）および円筒形触媒本体（３０３０）が、円筒形触媒空洞部（３０３５）の中に設置され、円筒形触媒本体（３０３０）は、燃料投入マニホールド（３０５５）のすぐ上に配置され、燃料反応器本体（３０４０）は、円筒形触媒本体（３０３０）のすぐ上に配置される。それぞれの燃料反応器本体（３０４０）および円筒形触媒本体（３０３０）は、円筒形燃料チャンバ（３００５）と燃料投入マニホールド（３０５５）とを流体連通状態にするような構成である。
【００６３】
好ましい反応器本体の材料は、熱伝導係数が１００Ｗ／（ｍ°Ｋ）より大きく、燃料反応器本体（３０４０）と触媒本体（３０３０）との間の界面から熱エネルギーを迅速に運び去るのに十分な質量を有する。好ましい触媒本体の材料は、長手方向または半径方向のいずれかのセラミック基材を通る熱伝導を妨げるために、熱伝導係数が約４０Ｗ／（ｍ°Ｋ）未満のセラミック基材を含む。理想的には、本技術は、操作中に触媒本体（３０３０）が熱平衡状態に達するような構成である。より具体的には、熱平衡は、触媒本体の半径方向軸に沿った熱勾配を防ぐか、または減らし、触媒層（３０９０）の中で燃え得る局所的なホットスポットを防ぐのに役立つ。
【００６４】
本発明の非限定的で例示的な実施形態では、円筒形触媒空洞部（３０３５）は、図２に示される、中心長手方向軸（２０６０）と同軸の長手方向中心軸を有して形成される環状内包壁（３０６０）の内径によって形成される側壁を有する。円筒形触媒空洞部（３０３５）は、２つの開口端を有し、それぞれ、円形開口部を形成し、片方の円形開口部は、外側内包部の円板形状の外側上壁（２５１６）を通り、他方の円形開口部は、高温ゾーン内包部の円板形状の上部端壁（２０１７）を通る。
【００６５】
好ましい実施形態では、環状内包壁（３０６０）は、環状内包壁（３０６０）と燃料反応器本体（３０４０）との間の熱伝導を妨害するために、燃料反応器本体（３０４０）よりも熱伝導性が低くなるように形成される。好ましい実施形態では、環状内包壁（３０６０）は、ハステロイまたはモネルを含み、それぞれ、酸化損傷に耐えるためにニッケル含有量が高く、それぞれ適切な使用温度定格を有し（例えば、４００℃を超える）、それぞれ、熱伝導係数が約２５．０Ｗ／（ｍ°Ｋ）未満である。さらに、環状内包壁（３０６０）は、薄い壁であり、例えば、０．０２〜０．１インチの厚さであり、これを通る熱伝導がさらに容易になる。
【００６６】
触媒本体支持フランジ（３０６５）は、円板形状の上部端壁（２０１７）から延びているか、または円板形状の上部端壁（２０１７）によって形成されている。触媒本体支持フランジ（３０６５）は、円形開口部（３０７０）の直径を規定する大きさであり、円筒形触媒本体（３０３０）が円形開口部（３０７０）を通ることを防止するのに十分なほど小さい。触媒本体支持フランジ（３０６５）と円筒形触媒本体（３０３０）の底面との間に、第１の環状ワッシャ（３０７５）が配置される。第１の環状ワッシャ（３０７５）は、長手方向の下向きの圧力が円筒形触媒本体（３０３０）に加えられたときに、円筒形触媒空洞部（３０３５）との間に気密部を与える。さらに、第１の環状ワッシャ（３０７５）は、触媒本体支持フランジ（３０６５）を円板形状の上部端壁（２０１７）から熱的に隔離する断熱材として構成されている。好ましくは、第１の環状ワッシャ（３０７５）は、所望の気密特性および断熱特性を提供するのに十分な厚さおよび適切な外縁直径寸法で形成されたアルミナを含む。より一般的には、第１の環状ワッシャ（３０７５）は、好ましくは、熱伝導率が非常に低い非多孔質材料、例えば、熱伝導係数が４０Ｗ／ｍ°Ｋ未満の材料（ほとんどのセラミック材料を含む）を含む。
【００６７】
円筒形触媒空洞部（３０３５）の直径は、円筒形触媒本体（３０３０）を取り囲む円筒形触媒空洞部（３０３５）の中に環状断熱要素（３０８０）を受け入れるような大きさである。環状断熱要素（３０８０）は、環状内包壁（３０６０）から円筒形触媒本体（３０３０）を熱的に隔離するために設けられている。さらに、環状断熱要素（３０８０）は、円筒形触媒空洞部（３０３５）の中心長手方向軸に対し、円筒形触媒本体（３０３０）に正確に中央合わせされるような構成であり、さらに、燃料反応器本体（３０４０）の１つ以上の特徴と正確に環状に整列させるために、円筒形触媒本体（３０３０）を環状に配置するような構成であってもよい。第１の環状ワッシャ（３０７５）および環状断熱要素（３０８０）の両方が、内包壁（例えば、環状内包壁（３０６０）および上部端壁（２０１７））から、好ましくは円筒形触媒本体よりも高温で操作する触媒本体（３０３０）への熱伝導を防ぐために設けられている。
【００６８】
円筒形触媒本体（３０３０）は、それぞれ円筒形触媒本体（３０３０）を貫通している複数の長手方向に配置された触媒燃料経路（３０８５）を含むように形成された固体の非多孔質セラミック基材を含む。それぞれの触媒燃料経路（３０８５）は、円筒形触媒本体（３０３０）を通って長手方向に延びる個々の燃料導路を与える。従って、それぞれの触媒燃料経路は、円筒形触媒空洞部（３０３５）と燃料投入マニホールド（３０５５）との間を流体連通状態にする。さらに、それぞれの触媒燃料経路（３０８５）の内側表面には、触媒層（３０９０）がコーティングされている。触媒層（３０９０）は、燃料空気混合物（３０２５）を部分的に燃焼させる発熱反応である触媒部分酸化によって流入燃料空気混合物（３０２５）を改質するのに使用可能な触媒材料を含む。本発明の非限定的で例示的な実施形態では、好ましい触媒層（３０９０）は、ロジウム（Ｒｈ）の金属相または酸化物相を含む。触媒層（３０９０）に使用可能な他の適切な触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＲｕおよびＣｅが挙げられる。円筒形触媒本体（３０３０）を形成するために使用される固体の非多孔質セラミック基材は、好ましくは、燃料反応器本体（３０４０）の熱伝導係数と比較して、比較的低い熱伝導係数を有するアルミナまたは任意の他の非多孔質材料を含む。セラミック基材が使用される本発明の非限定的な実施形態では、触媒本体の熱伝導係数は、４０Ｗ／ｍ°Ｋ未満である。
【００６９】
以下でさらに説明するように、流入燃料空気混合物（３０２５）は、円筒形燃料チャンバ（３００５）に入り、反応器遮断底壁（３０１５）を通過し、それぞれの触媒燃料経路（３０８５）に入り、触媒層（３０９０）と反応し、次いで、燃料投入マニホールド（３０５５）に入り、それぞれの管状燃料電池（２０８０）に分配される。
【００７０】
燃料反応器本体
図２、図３、図４および図４Ａを参照すると、燃料反応器本体（３０４０）は、部分的に円筒形触媒空洞部（３０３５）内に配置され、燃料反応器本体（３０４０）の少なくとも一部が外気にさらされるように、部分的に円板形状の外側上壁（２５１６）を通って低温ゾーンに延びている。環状外周壁（３０１０）は、円筒形燃料チャンバ（３００５）の円筒形の側壁を与える。燃料投入導路（２０２５）は、環状外周壁（３０１０）を通り、流入空気燃料混合物（２０２５／３０２５）を円筒形燃料チャンバ（３００５）に運ぶ。理解されるように、環状外周壁（３０１０）および燃料チャンバ（３００５）を形成するために、他の幾何形状も使用可能であり、横断面において、四角形、長方形または他の断面を有していてもよい。
【００７１】
反応器遮断底壁（３０１５）は、円筒形燃料チャンバ（３００５）の円形底壁を有しており、好ましくは、環状外周壁（３０１０）と一体的に形成されている。しかし、反応器遮断底壁（３０１５）および環状外周壁は、別個の部品として形成され、例えば溶接、はんだ付け、機械的な固定具、および／または他の適切な接合技術によって一緒に接合されてもよい。複数の底壁燃料経路（３０９５）は、それぞれ、長手方向軸に沿って反応器遮断底壁（３０１５）を貫通している。例えば、それぞれの底壁燃料経路は、中心長手方向軸（２０６０）と平行である。それぞれの底壁燃料経路（３０９５）は、反応器遮断底壁（３０１５）を通って長手方向に延びる燃料導路を与える。さらに、それぞれの底壁燃料経路（３０９５）は、円筒形触媒本体（３０３０）を通る複数の触媒燃料経路（３０８５）の対応する１つと長手方向に整列し、流体連通状態である。
【００７２】
図４および図４Ａに示すように、界面（３０３２）は、反応器遮断底壁（３０１５）の底部外側表面と、円筒形触媒本体（３０３０）の上部または投入表面とによって規定される。非限定的で例示的な実施形態では、界面（３０３２）を形成する２つの表面の一方または他方または両方が、隆起した１つ以上の特徴（３０３３）を含む。隆起した特徴は、２つの対向する表面間に小さなギャップを与えるために、界面（３０３２）で、隆起した特徴が対向する表面と接触するような配置で、反応器遮断底壁（３０１５）の底面から延びる１つ以上の位置に形成された円形の輪または複数（好ましくは３つ）の別個に隆起した塊状部を含んでいてもよい。より一般的には、界面（３０３２）は、反応器遮断底壁（３１０５）の底面と円筒形触媒本体（３０３０）の上面との間に、ギャップを有しつつ形成される。このギャップは、反応器遮断底壁（３０１５）の底面の実質的に全てを、衝突する熱放射を吸収するために利用することができるように、それぞれの触媒燃料経路から出る放射熱エネルギーが全て、反応器遮断底壁（３０１５）の底面に衝突するように設けられている。
【００７３】
界面（３０３２）で、それぞれの底壁燃料経路（３０９５）は、実質的に同軸の長手方向軸に沿って、対応する触媒燃料経路（３０８５）と整列する。この配置では、円筒形燃料チャンバ（３００５）に運ばれる燃料空気混合物（２０２５）は、それぞれの複数の底壁燃料経路（３０９５）を通って円筒形燃料チャンバ（３００５）の外に流れ、界面（３０３２）の表面との間に設けられたギャップを横切って流れ、それぞれの対応する触媒燃料経路（３０８５）に入る。触媒燃料経路（３０８５）に入ると、燃料空気混合物は、触媒コーティングされた側壁表面（３０９０）との反応を開始し、燃料空気混合物は、燃料空気混合物を、改質済み燃料または合成ガスに変換するために使用される触媒部分酸化反応を開始する。本技術の一態様によれば、触媒燃料経路（３０８５）内で起こるＣＰＯＸ反応によって生成する熱エネルギーは、部分的に吸収されるために反応器遮断底壁（３１０５）の底面に放射される。さらに、触媒燃料経路（３０８５）内で起こるＣＰＯＸ反応によって生成する熱エネルギーは、部分的に吸収されるために底壁燃料経路（３０９５）の内側表面に放射される。
【００７４】
燃料反応器本体（３０４０）は、円筒形触媒本体（３０３０）を形成するために使用されるセラミック材料の熱伝導率と比較して、比較的高い熱伝導率を有する材料から作られる。好ましい反応器本体の材料は、熱伝導係数が１００Ｗ／（ｍ°Ｋ）より大きい。従って、非限定的な実施形態の一例では、燃料反応器本体（３０４０）全体が、銅または銅アロイの単一片から作られ、ベリリウムまたはベリリウムアロイの単一片から作られ、アルミニウムまたはアルミニウムアロイの単一片から作られ、真鍮または真鍮アロイの単一片から作られ、タングステンまたはタングステンアロイの単一片から作られ、ここで、アロイは、モリブデン、ニッケル、クロム、真鍮、タングステンなどを含んでいてもよい。この例では、単一とは、燃料反応器本体（３０４０）全体が単一の金属片から形成されることを意味する（例えば、鋳造または機械加工される）。代替の実施形態では、燃料反応器本体（３０４０）は、一緒に組み立てられた複数の鋳造または機械加工された（例えば、連続的な熱伝導路を与えるような様式で、溶接、ろう付けまたは機械的に固定された）要素から形成されてもよい。いずれの場合でも、所望の材料は、熱伝導係数が少なくとも１００Ｗ／（ｍ°Ｋ）より大きく、いくつかの実施形態は、熱伝導係数が３００Ｗ／（ｍ°Ｋ）を超える材料を使用する。さらに、燃料反応器本体（３０４０）の壁厚および／または熱質量は、界面（３０３２）に近接する反応器本体（３０４０）の高温領域から、反応器本体（３０４０）の低温領域（例えば、高温ゾーンの外側に配置される領域）への迅速な熱伝導を促進するのに十分なものであり、界面（３０３２）と、高温ゾーンの外側に配置される反応器本体の要素との間の温度勾配を最小限にするのに十分なものである。反応器本体材料のさらなる特徴は、好ましくは、少なくとも２００℃を超え、好ましくは１０００℃までの使用温度を有することである。
【００７５】
この非限定的で例示的な実施形態では、燃料反応器本体（３０４０）は、熱伝導係数が約１６７Ｗ／（ｍ°Ｋ）のアルミニウム、好ましくは、Ａｌｕｍｉｎｕｍ６０６１アロイから作られる。アルミニウムおよびアルミニウムアロイは、自然に安定な酸化層を形成し、この層がバルク構造を腐食性の酸化損傷から保護し、さらなる保護コーティングを塗布することなく使用することができるため、アルミニウムおよびアルミニウムアロイが好ましい。さらに、表面酸化を防止または低減するために、アルミニウムおよびアルミニウムアロイを陽極酸化することができる。好ましい実施形態では、燃料反応器本体（３０４０）全体は、ａｌｕｍｉｎｕｍ６０６１アロイの単一片を含む固体要素を含むが、燃料反応器本体（３０４０）は、本技術から逸脱することなく、機械的な固定具、溶接またはろう付けを使用して、またはインターロッキングする機械的特徴などを使用して、複数の個々のサブアセンブリ要素を一緒に組み立てることによって形成されたアセンブリを含んでいてもよい。
【００７６】
より具体的には、本技術の重要な態様によれば、円筒形触媒本体（３０３０）、環状内包壁（３０６０）および燃料反応器本体（３０４０）のそれぞれの相対的な熱伝導率は、界面（３０３２）から、高温ゾーンの外側に配置された放熱フランジ（３１００）への熱伝導を促進し、反応器遮断底壁（２０１５）の表面に衝突する熱放射の吸収を促進するように選択される。このことは、燃料反応器本体（３０４０）を界面（３０３２）に近い最も熱伝導性の高い要素として構成することによって達成され、燃料反応器本体（３０４０）を高温ゾーンの外側に延びるように構成し、例えば、燃料反応器本体の表面の上に空気を流して移動させることによって積極的に冷却するか、または例えば、燃料反応器本体（３０４０）の表面を外気に単純にさらすことによって受動的に冷却することによって達成される。従って、燃料反応器本体（３０４０）の構成によって、界面（３０３２）と、燃料反応器本体の一部を外気にさらすことによって与えられる燃料反応器本体の温度の低い部分との間の熱伝導路を与えることによって、界面（３０３２）と、高温ゾーンの外側にある外部の外気との間の温度勾配を達成し、維持する。燃料反応器本体のうち外気にさらされた部分と、燃料反応器本体のうち界面（３０３２）に近接する部分との間に得られる温度勾配は、燃料反応器本体（３０４０）を通って、界面（３０３２）から、燃料反応器本体のうち外気にさらされる部分への実質的に連続した熱エネルギーの伝導を促進する傾向がある。
【００７７】
燃料反応器本体（３０４０）は、放熱フランジ（３１００）、例えば、環状外周壁（３０１０）から半径方向に延びる円板形状のフランジを含む。放熱フランジ（３１００）は、外側内包部の外部にあり、周囲空気にさらされる円板形状の外側上壁（２５１６）の上に支持される。好ましくは、放熱フランジ（３１００）は、環状外周壁（３０１０）と一体的に形成されるが、放熱フランジ（３１００）は、溶接、はんだ付け、機械的な固定具、またはその他の接続手段によって、環状外周壁（３０１０）に接続した別個の要素を含んでいてもよい。
【００７８】
環状密封プレート（３１０５）は、円板形状の外側上壁（２５１６）と放熱フランジ（３１００）との間に配置され、円板形状の外側上壁（２５１６）の上面と、放熱フランジ（３１００）の底面との間の機械的な接続を与える。環状密封プレート（３１０５）は、その中に環状外周壁（３０１０）を受け入れるような大きさの中央貫通穴を有する。Ｏ−リングシール要素（３１１０）などが、環状密封プレート（３１０５）と放熱フランジ（３１００）との間に、例えば、Ｏ−リング溝に配置され、円筒形触媒空洞部（３０３５）の上側部分を気密するのに役立つ。第２のＯ−リングシール要素（３１１５）などが、円板形状の外側上壁（２５１６）の上面と環状密封プレート（３１０５）の底面との間に設けられてもよい。
【００７９】
環状密封プレート（３１０５）と放熱フランジ（３１００）は両方とも、界面（３０３２）またはその上に形成された隆起面（３０３３）で円筒形触媒本体（３０３０）の上面に対して反応器遮断底壁（３０１５）の底面を密封するために、燃料反応器本体（３０４０）に対して下向きの力を加える様式で、さらに、Ｏ−リングシール要素（３１１０）とＯ−リングシール要素（３１１０）を圧縮するために、固定具などによって、円板形状の外側上壁（２５１６）に接続している。
【００８０】
ここで図６を参照すると、燃料反応器本体（３０４０）の模式的な上面断面図は、環状外周壁（３０１０）から半径方向に延びる放熱フランジ（３１００）を示している。固定具（３１２０）は、放熱フランジ（３１００）および環状密封プレート（３１０５）を通って延び、放熱フランジ（３１００）および環状密封プレート（３１０５）を円板形状の外側上壁（２５１６）に接続する。環状外周壁（３０１０）は、密封プレート（３１０５）が円筒形触媒空洞部（３０３５）を密閉するように、環状内包壁（３０６０）の半径方向外側に延びる。底壁燃料経路（３０９５）のアレイ（３１２５）は、反応器遮断底壁（３０１５）を貫通した状態で示されている。
【００８１】
ここで図３を参照すると、燃料改質システム（３０００）は、電子制御部（１９０）によって読み取り可能な外部の冷却温度検知要素を備えていてもよい。非限定的な実施形態の一例では、電子制御部（１９０）によって操作可能な回転モータに取り付けられた回転ファンブレードなどの空気移動要素（３１３０）が、空気流を放熱フランジ（３１００）の上に配置し、それにより、フランジ（３１００）から周囲の外気への対流による熱エネルギー移動が増加する。さらに、放熱フランジ（３１００）の表面または燃料反応器本体（３０４０）の１つ以上の他の表面と接触する温度検知要素（３１３５）は、通信路（３１４０）を介して電子制御部（１９０）に温度信号を送るために使用可能である。空気移動要素（３１３０）の操作は、一定であってもよく、または温度検知要素（３１３５）によって発せられる温度信号の変化をきっかけに可変的に変えられてもよい。ある非限定的な操作モードでは、空気移動要素（３１３０）は、温度検知要素（３１３５）が所望の高温限界を超える（例えば、５０℃を超える）温度を報告したときに作動し、温度検知要素（３１３５）が所望の高温限界を下回る（例えば、４５℃を下回る）温度を報告すると空気移動要素（３１３０）が停止される。
【００８２】
さらに、温度検知要素（３１３５）によって発せられた温度信号は、低温始動燃焼チャンバ（２３００）の操作を制御する、例えば、放熱フランジ（３１００）の温度が所望の定常状態の温度範囲に達したら、低温始動燃焼チャンバ（２３００）への燃料の流れを止めるように使用可能である。
【００８３】
例示的な動作モードでは、電子制御部（１９０）は、温度検知要素（３１３５）から連通経路（３１４０）を介して温度信号を受信し、それに基づき、瞬間的なフランジ温度を決定する。次いで、電子制御部（１９０）は、フランジ温度が１つ以上の所望の温度範囲内にあるかどうかを判定し、そうでない場合、空気移動要素（３１３０）を作動または停止させ、および／または低温始動燃焼チャンバ（２３００）への燃料の流れを開始または停止させ、または温度検知要素（３１３５）によって示される瞬間的な温度が、安全な操作限界を超えている場合には、燃料供給モジュール（１９７）に燃料弁を閉じるように命令することによって、燃料改質システム（３０００）への燃料供給を停止させるような様々な指令を実行する。１つの非限定的な操作モードでは、電子制御部（１９０）は、放熱フランジ（３１００）の温度が５０℃を超えるときに空気移動要素（３１３０）を作動させるような構成である。他の例示的な実施形態では、空気移動要素（３１３０）は、異なる温度閾値に基づき、もっと多くの空気またはもっと少ない空気を移動させるように使用可能な複数の操作モードを有していてもよい。
【００８４】
界面の構成
ここで図４を参照すると、底壁燃料経路（３０９５）と触媒燃料経路（３０８５）との対応する対の間の界面（３０３２）の分解された側面断面図は、反応器遮断底壁燃料経路（３０９５）と触媒燃料経路（３０８５）とのそれぞれの対応する対が、共通の長手方向軸に沿って整列していることを示す。従って、底壁燃料経路と触媒燃料経路とのそれぞれの対応する対は、垂直方向の流路を与え、この流路を通り、燃料空気混合物が、円筒形燃料チャンバ（３００５）から燃料投入マニホールド（３０５５）へと流れる。上述のように、反応器遮断底壁（３０１５）の表面を、ＣＰＯＸ反応によって発せられる熱放射にさらすために、界面（３０３２）の噛合面の間に、ギャップが与えられてもよいが、開示内容を単純化するために、図４にはギャップは示されていない。参照番号（３０９０）によって示されるように、触媒層が、それぞれの触媒燃料経路（３０９０）の側壁に形成される。図４にさらに示されるように、図４Ａと書かれた指示は、図４Ａが、触媒燃料経路（３０８５）の内側から燃料投入端に向かって見たときの界面（３０３２）の模式図を示すことを示している。本発明の非限定的な実施形態の例では、円形の底壁燃料経路（３０９５）のそれぞれの直径（Ｄ）は１．３ｍｍであり、反応器遮断底壁の厚さは、それぞれの燃料経路（３０９５）の長さが１３ｍｍになるように１３ｍｍである。好ましい実施形態では、燃料経路の直径に対する長手方向の長さの比率は、少なくとも５、好ましくは１０から２０までである。四角形の触媒燃料経路（３０８５）のそれぞれの側壁の寸法は、１．３ｍｍであり、円筒形触媒本体（３０３０）の厚さは、それぞれの触媒燃料経路（３０８５）の長さが２５．４ｍｍになるように約２５．４ｍｍである。好ましい実施形態では、触媒経路の四角形の辺の寸法に対する長手方向の長さの比率は、少なくとも１０、好ましくは１５〜２５および４０までである。
【００８５】
円筒形触媒本体（３０３０）は円形の断面を有し、２５．４ｍｍ（１．０インチ）の直径を有する円形領域の上の円形の断面の中に触媒燃料経路（３０８５）のアレイが形成される。アレイのそれぞれの触媒燃料経路は、四角形の断面を有し、円筒形触媒本体（３０３０）を貫通して延びている。本発明の非限定的で例示的な実施形態では、それぞれの四角形の触媒燃料経路は、辺の寸法が１．３ｍｍ、長さが２５．４ｍｍである。または、触媒本体（３０３０）および燃料経路のアレイは、本技術から逸脱することなく、他の円形ではない断面を有していてもよい。
【００８６】
反応器遮断底壁（３０１５）は、円筒形触媒本体（３０３０）の円形のアレイ領域に対向し、直径が２５．４ｍｍ（１．０インチ）の円形アレイ領域内に作られた円形の底壁燃料経路（３０９５）のアレイと共に作られる。本発明の非限定的で例示的な実施形態では、それぞれの円形の底壁燃料経路（３０９５）は、直径が１．３ｍｍ、長さが１３．０ｍｍである。または、反応器遮断底壁（３０１５）およびその上に形成されるアレイ領域は、本技術から逸脱することなく、他の円形ではない断面を有していてもよい。上述のように、それぞれの底壁燃料経路（３０９５）の中心長手方向軸が、対応する触媒燃料経路（３０８５）の中心長手方向軸と同軸であるように、底壁燃料経路のアレイの中のそれぞれの円形の底壁燃料経路（３０９５）は、触媒燃料経路のアレイの中の四角形の触媒燃料経路（３０８８）の１つと同軸である。
【００８７】
反応器遮断底壁（３０１５）の固体材料は、それぞれの円形の底壁燃料経路を取り囲み、円筒形触媒本体（３０３０）の固体材料は、それぞれの四角形の触媒燃料経路を取り囲む。非限定的で例示的なアレイパターンでは、全ての経路が複数の平行な直線アレイに整列している。それぞれの直線アレイは、隣接する直線アレイから、円形の経路の直径の１．２倍に等しいピッチ寸法だけずらされている。この例では、ピッチ寸法は１．５６ｍｍである。直径２５．４ｍｍの円の上に配置されたこの非限定的で例示的なアレイに基づいて、円形のアレイ領域における円形の経路（３０９５）の総数は、約２０８である。
【００８８】
それぞれ直径が１．３ｍｍの２０８個の経路の総面積は、２７６ｍｍ２である。直径が２５．４ｍｍのアレイ領域の総面積は、５０７ｍｍ２である。従って、反応器遮断底壁（３０１５）の底面が、衝突する放射熱エネルギーを吸収するために利用可能な界面（３０３２）に面する約２３１ｍｍ２の表面領域を与えるように、円形のアレイ領域中の固体材料の面積は、約２３１ｍｍ２である。この実施形態の例では、穴直径面積に対する中実表面領域の比率は、０．８４である。円形アレイの総面積の百分率として、総面積の約５４％が円形の経路領域であり、総面積の約４６％が、中実材料領域である。当業者には認識されるように、円形の底壁燃料経路の直径を小さくすることによって、穴直径面積に対する表面領域の比率を大きくすることができる。界面（３０３２）での表面領域が、ＣＰＯＸ反応によって発せられる放射熱エネルギーによって衝突されるので、中実表面領域を大きくすると、温度を変えることなく、反応器遮断底壁（３０１５）への熱エネルギーの吸収が増加する。好ましい実施形態では、穴直径面積に対する中実表面領域の比率は、０．７５〜０．９の範囲である。
【００８９】
上述のように、ＣＰＯＸ反応によって発せられた放射熱エネルギーは、円形の底壁燃料経路（３０９５）にも入り、放射熱エネルギーの少なくとも一部がその内側表面に衝突する。円形の底壁燃料経路（３０９５）の内側表面に衝突する放射熱エネルギーの入射角は、ほぼかすり衝突であるが、その経路は、経路の直径および反射エネルギーに比べて長く、ほぼかすり衝突の入射で反射した場合であっても、散乱し、究極的には、燃料経路（３０９５）を横切るときに多くの反射サイクルで内側表面に衝突し、内側表面から反射する。全２０８個の円形の経路の内側表面の総表面領域は、約１１０４３ｍｍ２である。
【００９０】
ここで図４Ａを参照すると、この図は、燃料投入マニホールド（３０５５）から見た、１個の円形の燃料経路（３０９５）と１個の四角形の触媒燃料経路（３０８５）の界面（３０３２）を示す。さらに示されるように、本技術によれば、それぞれの底壁の経路（３０９５）は、その長手方向の長さ全体に沿って、直径（Ｄ）の円形の断面を有し、それぞれの触媒燃料経路（３０８５）は、その長手方向の全長に沿って、辺の寸法（Ｓ）の四角形の断面積を有する。図４Ａの非限定的で例示的な実施形態では、直径（Ｄ）と辺の長さ（Ｓ）は等しく、領域（Ｂ）は、垂直線が引かれた状態で示され、反応器遮断底壁（３０１５）の底面の露出した表面領域である。表面領域（Ｂ）は、それぞれの触媒燃料経路（３０８５）の投入端に近接した界面（３０３２）に位置しており、具体的には、触媒表面（３０９０）から放射される熱放射を吸収するために設けられている。さらに、界面（３０３２）の対向する表面との間にギャップが設けられている場合、熱放射は、表面領域（Ｂ）から反射することによって部分的にギャップに入る。
【００９１】
以下の式（１）は、表面領域（Ｂ）の面積を与える。
Ａｓ−Ａｃ＝Ｓ２−π（Ｄ／２）２      式：１
−式中、Ａｓは、辺の長さ（Ｓ）を有する四角形（３０８５）の面積であり、
−Ａｃは、直径（Ｄ）を有する円（３０９５）の面積である。Ｓ＝Ｄの場合、表面領域（Ｂ）の表面積ＡＢは、
（ＡＢ）＝Ｓ２（１−π／４）＝０．２１４６Ｓ２      式２
【００９２】
言い換えると、表面（Ｂ）の面積は、四角形（３０８５）の面積の約２１％である。認識されるように、面積ＡＢは、触媒燃料経路内で発生する熱放射に対し、例えば、四角形の辺の寸法を（Ｓ）から（Ｓ１）に増加させることによって、または円形の経路（３０９５）の直径（Ｄ）を小さくすることによって、表面（Ｂ）がさらされることを増加させることができる。触媒燃料経路の辺の寸法が、（Ｓ）から（Ｓ１）に増加すると、Ｓ１／Ｄの比率が約１．２５３に等しい場合、面積ＳＢは、寸法（Ｓ１）の二乗の面積の５０％まで上げることができる。
【００９３】
表面領域（Ｂ）は、四角形の触媒燃料経路（３０８５）内で起こるＣＰＯＸ反応に直接さらされ、触媒燃料経路から放射する熱エネルギーを吸収するのに最も良い位置にある。本技術の非限定的で例示的な実施形態では、界面（３０３２）にギャップが存在しない場合であっても、表面（Ｂ）と底壁燃料経路（３０９５）の内側表面は、温度が低い反応器遮断底壁（３０１５）が、ＣＰＯＸ反応によって発せられる十分な放射熱エネルギーを吸収し、触媒層が燃えてしまうのを防ぐのに十分な表面積を与える。しかし、当業者には認識されるように、ギャップが設けられている場合、さらなる放射熱エネルギーがギャップに入り、ＣＰＯＸ反応によって発せられるさらなる熱エネルギーを吸収する多くのサイクルにわたって、反応器遮断底壁（３０１５）の温度が低い中実材料表面領域に衝突し、ここから反射してもよい。
【００９４】
熱エネルギーの移動
理論に縛られることを望むものではないが、本出願人らは、発熱する触媒部分酸化反応が、界面（３０３２）に近接する触媒層（３０９０）に接触するとすぐに開始されると考えている。さらに、出願人らは、発熱する触媒部分酸化反応は、燃料物質、空気混合物に対する燃料の比率および他の要因に依存して、約９００〜１０００℃の間の最高温度で界面（３０３２）に近位の最高温度に達すると考えている。界面（３０３２）に近接した急な加熱に応答して、燃料空気混合物の温度は急速に上昇し、熱エネルギーは、燃料空気混合物および触媒層（３０９０）によって吸収される。この温度上昇に応答して、燃料空気混合物は急速に体積が膨張し、触媒燃料経路（３０８５）を満たし、燃料投入マニホールドに出る。この気体膨張の間に、燃料空気混合物の多くが、界面（３０３２）から遠位にある触媒層（３０９０）と接触し、発熱する触媒部分酸化反応に参加し、それによって、燃料空気混合物をさらに加熱し、さらに膨張する。従って、触媒部分酸化反応によって生成する熱エネルギーのほとんどが、燃料空気混合物によって吸収され、触媒燃料経路を出て燃料投入マニホールド（２０５５）に運ばれる。操作モードの一例では、ＣＰＯＸ反応器に供給される体積の燃料空気混合物は、ＣＰＯＸ反応の間に約３００ワットを生成すると考えられる。
【００９５】
触媒部分酸化反応によって生成する熱エネルギーの一部は、触媒層（３０９０）によって吸収される。この実施例では、触媒層は、金属（例えばＲｈ）であり、熱伝導係数は約１５０Ｗ／ｍ°Ｋである。従って、触媒層（３０９０）によって吸収された熱エネルギーは、セラミック触媒本体（３０３０）に達するまで触媒層の厚さ方向に熱伝導され、さらに、触媒層の長手方向の長さに沿って伝導される。しかし、触媒本体（３０３０）は、熱伝導係数が約４５Ｗ／ｍ°Ｋのセラミック材料であるため、セラミック材料に入る熱流束密度（Ｗ／ｍ２）は低く、触媒層によって吸収される熱エネルギーは、セラミック材料に熱伝導されずに、触媒燃料経路に再び放出される。しかし、この結果は望ましいことである。なぜなら、セラミック触媒本体の半径方向軸に沿った低い熱流束密度によって、熱エネルギーがａ）燃料経路内の燃料空気混合物に移動するか、またはｂ）燃料投入マニホールドまたは上述の表面領域（Ｂ）に対し、燃料経路の末端から出て放射されるか、またはｃ）例えば、界面に設けられたギャップに入ることによって、反応器遮断底壁の他の露出した中実材料表面に放射するか、またはｄ）円形の底壁燃料経路に放射され、対流による熱移動によって流入気体空気混合物に移動するか、またはｅ）底壁燃料経路（３０９５）の内側表面に放射され、それによって吸収される程度まで、熱エネルギーが触媒燃料経路から半径方向に伝導されるのが防がれるからである。
【００９６】
従って、触媒層によって吸収された熱エネルギーは、セラミック触媒本体（３０３０）には、容易に放散されない。その代わり、熱エネルギーは、燃料空気混合物をさらに加熱するために、触媒燃料経路に再び放出される。さらに、触媒層によって放出または反射された熱エネルギーは、触媒層の他の表面に衝突し、それによって部分的に吸収され、部分的に反射される。しかし、熱放射が触媒燃料経路を出るための少なくとも１つの出口がなければ、触媒層（３０９０）のエネルギー吸収速度は、エネルギー再放出速度を超えることがあり、それにより、触媒層の温度は、触媒層が燃焼し、燃料経路を触媒する永続的な損傷を引き起こす温度に達するまで、上がり続けるだろう。
【００９７】
上述のように、本出願人らは、ＣＰＯＸ反応によって生成する全電力が３００Ｗであると考えている。以下の式３として列挙されるＳｔｅｆａｎ  Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ式を使用し、図４Ａに示される全体的な表面領域（Ｂ）によって吸収可能な全電力は、すなわち、２０８個の底壁の経路（３０９５）に基づき、表面積と温度を与えれば概算することができる。
Ｐ＝ｅσＡＳｆ（Ｔｃ４−Ｔｂ４）      式３
−式中、Ｐ＝正味の吸収された電力（ワット）；
−ｅ＝表面放射率；
−σ＝５．６７０３×１０−８（Ｗ／ｍ２Ｋ４）Ｓｔｅｆａｎ  Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数；
−Ａ＝放射光が放射される面積（ｍ２）；
−Ｓｆ＝放射線が表面領域Ａに衝突する入射角に関連する形態因子；
−Ｔｃ＝放射源の温度（°Ｋ）；および
−Ｔｂ＝表面領域Ａの温度（°Ｋ）。
【００９８】
特に重要なのは、ＴｃとＴｂが等しいとき、式３は、反応器遮断底壁（３０１５）によって吸収された正味の放射された電力がゼロであるという事実である。このように、反応器遮断底壁（３０１５）によって設けられる温度の低い表面領域がないと、触媒燃料経路内の表面温度は、触媒層が過熱して燃えてしまうまで上昇し続ける可能性がある。
【００９９】
それぞれの四角形の触媒燃料経路（３０８５）が１．３ｍｍ（０．００１３ｍ）に等しい辺の寸法（Ｓ）を有し、それぞれの円形の底壁の経路（３０９５）が１．３ｍｍの直径を有する非限定的な実施形態の例では、全ての表面領域（Ｂ）を合わせた面積は、２０８個の経路のアレイについてＡＢｔで示され、７．３８×１０−５ｍ２である。ＣＰＯＸ反応温度が１０００℃（１２７３°Ｋ）であり、各表面領域ＡＢの温度が１００℃（３７３°Ｋ）であると仮定し、放射率ｅ＝１．０の単純化された場合を用いると、式３は、合わせた表面領域ＡＢｔは、約１１Ｗ、すなわちＣＰＯＸ反応によって生成する電力の約３．６％を吸収することができると予想する。
【０１００】
反応器遮断底壁（３０１５）の底面の中実表面領域全体（Ａｓで示される）を、潜在的に熱エネルギーを吸収するために利用することができるように、界面（３０３２）にギャップが設けられている場合、利用可能な中実表面領域Ａｓは、２．３１×１０−４ｍ２であり、式３は、表面Ａｓが、約３４Ｗ、すなわちＣＰＯＸ反応によって生成する電力の約１１．３％を吸収することができると予想する。
【０１０１】
これに加えて、２０８個全ての円形の燃料経路（３０９５）の内側表面の表面領域を、潜在的に熱エネルギーを吸収するために利用することができる場合、全ての円形の燃料経路の利用可能な表面領域（Ａｐで示される）は、１．１０４３ｘ１０−２ｍ２であり、式３は、表面Ａｐが、約１６３２Ｗ、すなわちＣＰＯＸ反応によって生成する電力の約２１１％を吸収することができると予想する。
【０１０２】
実際の問題として、上に列挙した熱エネルギー吸収電力値は、熱放射が垂直入射で表面に衝突する場合の形状因子Ｓｆ＝１を用いて計算される。これは表面領域ＡＢｔの場合には当てはまるが、Ｓｆ＝１の値は、表面領域ＡＳおよびＡＰに対して現実的ではない。さらに、実際には、高度に酸化されたアルミニウム表面の表面放射率（ｅ）は、１．０ではなく、約０．２５以下である。従って、３つの表面領域ＡＢｔ、ＡＳおよびＡＰの全てについて表面放射率ｅ＝０．２５を用いて式３を使用し、表面領域ＡＢｔについては、形状因子Ｓｆ＝１、表面領域ＡＳおよびＡＰについては、Ｓｆ＝０．１を用いると、エネルギー吸収値がさらに現実的に表される。この場合、式３は、表面領域ＡＢｔが、潜在的に約２．７５Ｗを吸収し、表面領域ＡＳが、潜在的に約０．８５Ｗを吸収し、表面領域ＡＰが、潜在的に約４４．６Ｗを吸収すると予想する。従って、反応器遮断底壁（３０１５）は、約１００℃に維持されると、ＣＰＯＸ反応によって発せられ全電力の約１６％を潜在的に吸収する。
【０１０３】
当業者であれば、利用可能な表面領域を増加させることによって、または反応器遮断底壁（３０１５）の温度を下げることによって、さらに熱エネルギーを吸収することができることを認識するだろう。本技術について上に示したように、放熱フランジ（３１００）の表面温度は、好ましくは、５０〜１００℃の範囲に維持され、燃料反応器本体（３０４０）の高い熱伝導率に起因して、燃料反応器本体（３０４０）全体の温度がほぼ同じ温度に維持されそうであるが、燃料反応器の底壁（３０１５）と放熱フランジ（３１００）との間に熱勾配を与える。上述のように、これにより、熱エネルギーをＣＰＯＸ反応から吸収し、燃料反応器本体（３０４０）を流れる未処理燃料が、使用中の燃料に応じて２９５〜５８０℃の自己発火温度に到達するのを防ぐことができる。
【０１０４】
従って、上述の反応器遮断底壁（３０１５）を操作中に１００℃の温度に維持し、界面（３０３２）に小さなギャップ（約１ｍｍ）を設けると、約４３Ｗの熱エネルギー、すなわち、温度１０００℃でのＣＰＯＸ反応によって放射される全エネルギーの約１４％を吸収する可能性を有する。しかし、形状因子を増加させ、表面領域を大きくし、燃料反応器本体（３０４０）の温度を下げると、それぞれの触媒燃料経路（３０８５）からさらなる熱エネルギーを除去することができることを当業者は認識するだろう。
【０１０５】
操作モード
低温始動
図１〜図３を参照すると、低温始動から、燃料投入モジュール（１９７）は、電子制御部（１９０）によって操作され、燃料投入口（２３０４）を通り、燃料空気混合物を低温始動燃焼チャンバ（２３００）に運び、電子制御部（１９０）によって操作可能な点火装置（２３０６）を用い、低温始動燃焼チャンバ（２３００）内の燃料空気混合物を点火させる。同時に、またはその直後に、燃料投入モジュール（１９７）は、さらに、燃料投入導路（２０４５）を通り、燃料空気混合物を燃料改質モジュール（３０２０）に運び、燃料空気混合物は、燃料改質モジュール（３０２０）を通り、燃料投入マニホールド（２０５５）に向かう。好ましくは、燃料改質モジュールを通って運ばれる燃料空気混合物の初期の流量は、非常に少なく、ほぼ一定の体積の燃料空気混合物でＳＯＦＣシステムを単に満たすことを意図している。
【０１０６】
低温始動燃焼チャンバ（２３００）内の点火した燃料は、低温始動燃焼チャンバ（２３００）の壁を加熱するが、その上部端壁（２０１７）は、低温始動燃焼チャンバの他の壁より多くの熱エネルギーを吸収するような構成である。上部端壁（２０１７）の温度が上昇するにつれて、熱エネルギーが上部端壁（２０１７）から高温ゾーン内包壁（１１５）の他の領域に熱伝導される。さらに、高温ゾーン内包部（１１５）の上部端壁（２０１７）および他の壁が、燃料流入モジュール（２０５５）に熱放射を開始し、その中に含まれる燃料空気混合物によって吸収され、その温度が上昇する。低温始動燃焼チャンバ（２３００）内の燃料空気混合物を燃焼させることによって生成する排出ガスは、低温始動流出口（２３０２）を通り、低温始動燃焼チャンバ（２３００）から出て、エアギャップ（２１５５）を通り、システム流出口（２１６５）へと流れる。高温の排出ガスがエアギャップ（２０１０）を通って流れるにつれて、熱エネルギーが、長手方向の円筒形の側壁
（２０１５）の外側表面に放射され、温度が上昇する。
【０１０７】
上部端壁（２０１７）は、長手方向の円筒形の側壁（２０１５）に接続しており、長手方向の円筒形の側壁（２０１５）は、さらに、円板形状の底部管支持壁（２０８４）および円板形状の隔壁（２２１４）にさらに接続している。上部端壁（２０１７）、長手方向の円筒形の側壁（２０１５）、円板形状の底部管支持壁（２０８４）および円板形状の隔壁（２１１４）は、それぞれ、全体として、高温ゾーン内包壁（１１５）を形成する。上述のように、それぞれの高温ゾーン内包壁は、高温ゾーン内包壁構造（１１５）全体が、熱伝導係数が約１００〜３００Ｗ／（ｍ°Ｋ）、好ましくは２００Ｗ／（ｍ°Ｋ）より高い連続した熱伝導路を形成するように、銅、モリブデン、アルミニウム銅、銅ニッケルアロイ、またはこれらの組み合わせのうち１つ以上から製造される。さらに、高温ゾーン内包壁のいずれかの表面が、酸素を豊富に含む環境にさらされる場合、壁表面は、好ましくは、酸化を防止するために、ニッケルコーティングされる。
【０１０８】
３つの円板形状の壁（２０１７）、（２０８４）および（２２１４）の場合、これらのそれぞれの壁は、熱エネルギーを吸収し、熱伝導によって、吸収した熱エネルギーを、それぞれの円板形状の壁の周囲にある温度が低い領域に（例えば、燃料投入マニホールド（２０５５）、カソードチャンバ（２０１０）、燃焼チャンバ（２１３５）およびレキュペレータチャンバ（２２１０）に）再び放出することによって、高温ゾーン内包壁の他の領域に再分配することができる熱質量を与えるような構成である。従って、上部端壁（２０１７）が、低温始動燃焼チャンバ（２３００）によって加熱されるにつれて、高温ゾーン内包壁アセンブリ全体が平衡温度に達するまで、熱エネルギーは、上部端壁によって吸収され、高温ゾーン内包壁（２０１７）、（２０１５）、（２０８４）および（２２１４）の全ての領域に迅速に伝導される。さらに、熱エネルギーが、高温ゾーン内包壁によって吸収または放出されると、その平衡温度は、その高い熱伝導率に起因して、高温ゾーン内包壁の全ての領域にわたって実質的に均一に変化する。
【０１０９】
従って、始動期間の間、低温始動燃焼チャンバ（２３００）内の燃料の燃焼によって発生する熱エネルギーの少なくとも一部が、上部端壁（２０１７）によって吸収される。排出ガスがエアギャップ（２１５５）を通り、システム流出口（２１６５）へと流れるにつれて、さらなる一部は、長手方向の円筒形側壁（２０１５）によって吸収される。上部端壁（２０１７）の温度が上昇すると、上部端壁（２０１７）は、より低温の燃料投入マニホールド（２０５５）へと熱エネルギーを再び放出し始め、その中に含まれるか、またはその中を通って流れる燃料空気混合物が何であれ、その温度を上げるように働く。
【０１１０】
最終的に、燃料投入マニホールド（２０５５）内の燃料空気混合物の温度は、ＣＰＯＸ反応を開始させるのに適した反応温度に達する。反応温度に加熱された燃料空気混合物が、界面（３０３２）に配置される触媒本体の投入表面または上面に近接する触媒層（３０９０）に接触すると、最初のＣＰＯＸ反応が起こり、その場所で、触媒本体が、燃料改質モジュール（３０２０）の後方端または底面と接続する。ＣＰＯＸ反応が、触媒燃料経路（３０８５）の一部または全ての流出端で開始されると、それぞれの触媒燃料経路（３０８５）内の温度が、その長手方向の長さに沿って急速に上昇し、ＣＰＯＸ反応が界面（３０３２）まで広がり、ＣＰＯＸ反応は、自律的に持続する状態になる。
【０１１１】
自律的に持続するＣＰＯＸ反応が達成されると、燃料投入モジュール（１９７）は、低温始動燃焼チャンバ（２３００）に向かう燃料空気混合物の流れを中断し、燃料改質モジュール（３０２０）を通って運ばれる燃料空気混合物の投入速度を調整し、必要な場合には、自律的に持続するＣＰＯＸ反応を維持し、電力を作り出すように操作される。しかし、低温始動燃焼チャンバ（２３００）内の燃焼は、全出力でのＤＣ電力出力も自律的に持続するようになるまで継続されてもよい。電子制御部（１９０）は、高温ゾーン内包部の壁に設けられた温度センサを含む種々のセンサによって、放熱フランジ（３１００）に設けられた温度センサ（３１３５）によって、システム排出口（２１６５）に近接して設けられた温度センサによって、ＤＣ電力出力モジュール（１４０）でＤＣ出力信号を検出することによって、また、種々の他の検知手段によって、自律的に持続するＣＰＯＸ反応を把握するようにしてもよい。
【０１１２】
カソードガスを加熱するために、電子制御部（１９０）は、空気投入モジュール（１９８）を操作し、空気／カソードガスの流れを空気投入口（２２０５）に運ぶ。この工程は、低温始動チャンバの点火と同時に、または低温始動チャンバの点火より前であっても行うことができるが、自律的に持続するＣＰＯＸ反応が達成されるまで遅らせることもできる。好ましくは、レキュペレータチャンバ（２２１０）を通って供給される流入空気の初期の流量は、非常に少なく、ほぼ一定の体積の空気でＳＯＦＣシステムを単に満たすことを意図している。
【０１１３】
流入空気の流れは、カソード供給管（２１４５）を出て、レキュペレータ投入口（２２３５）を通り、レキュペレータチャンバ（２２１０）を通り、レキュペレータ流出口（２２３５）に向かい、カソード供給管（２１４５）を出て、複数の空気流出口（２２４０）を通ってカソードチャンバ（２０１０）に向かう。それぞれの管状燃料電池（２０８０）の外側表面に形成された固体酸化物カソード電極と反応した後、空気／カソードガスは、燃焼チャンバ（２１３５）を出て、カソードチャンバ流出口（２２４５）を通り、燃焼チャンバ（２１３５）に向かい、使用済み燃料空気混合物と燃焼のために混合する。その後、燃焼副生成物は、燃焼器流出口（２１５０）を通って燃焼チャンバから出て、エアギャップ（２１５５）に向かい、システム流出口（２１６５）を通ってシステムから出る。
【０１１４】
主要な空気加熱要素は、レキュペレータチャンバ（２２１０）の内側に設けられた円板形状の隔壁（２２１４）である。上述のように、円板形状の隔壁（２２１４）は、高温ゾーン内包部の一部であり、従って、始動段階中に、低温始動燃焼チャンバ（２３００）の底壁を形成する円板形状の上部端壁（２０１７）の温度上昇をほぼ同時に伴い、温度上昇が始まる。さらに、円板形状の隔壁（２２１４）は、円板形状の底部管支持壁（２０８４）に熱伝導するように連結し、燃焼チャンバ（２１３５）内で使用済み燃料と使用済み空気の混合物を燃焼させることによって、両方の壁が加熱される。このようにして、円板形状の上部端壁（２０１７）が、燃料の温度を上げるために燃料投入マニホールド（２０５５）へと十分な熱エネルギーを放射し始めるのとほぼ同時に、円板形状の隔壁（２２１４）は、流入空気の温度を上げるためにレキュペレータチャンバ（２２１０）へと十分な熱エネルギーを放射し始める。同時に、高温ゾーン内包壁は、カソードチャンバ（２０１０）に熱エネルギーを放射し、これがその中に含まれる空気を加熱し、燃料電池スタック（２００５）の管状燃料電池の壁を加熱するのに役立つ。ＣＰＯＸ反応が自律的に持続するようになると、流入空気と燃料空気混合物両方の流量を必要に応じて調整し、自律的に持続するＣＰＯＸ反応を維持し、所望な電力出力の大きさで電力を作り出してもよい。
【０１１５】
ＳＯＦＣ反応の開始
上述のように、燃料空気混合物および流入空気／カソードガスは、低温始動燃焼チャンバ（２３００）内で起こる燃焼によって加熱される高温ゾーン内包壁によって加熱される。最終的に、触媒燃料経路（３０８５）内で自律的に持続するＣＰＯＸ反応が開始され、燃料空気混合物をさらに高い温度まで加熱し、燃料は、合成ガスへと改質され、この合成ガスは、それぞれの管状燃料電池（２０８０）の内側表面に形成される固体酸化物アノード電極と反応することができる。より高い温度の合成ガスも、管状燃料電池（２０８０）を通過する際にアノード電極電極に熱エネルギーを放射する。アノード電極の温度が上昇するにつれて、カソード電極は、長手方向の円筒形側壁（２０１５）と、レキュペレータチャンバ（２２１０）からカソードチャンバ（２０１０）に入る加熱済み空気／カソードガスによってカソードチャンバ（２０１０）に放射される熱エネルギーによって、加熱される。
【０１１６】
最終的に、カソードチャンバ内のアノード電極およびカソード電極、合成ガスおよび空気／カソードガスは、反応温度に達し、ＤＣ電力が生成し、ＤＣ電力端子に出力され始める。最終的に、燃焼チャンバ（２１３５）内のガス温度が燃焼温度に達し、燃焼チャンバ内で起こる燃焼によって生成する熱エネルギーが、流入空気の温度を、定常状態の操作温度まで上げる。非限定的な一例の運転モードでは、合成ガス、流入空気および管状燃料電池（２０８０）は、３５０〜１２００℃の定常状態の操作温度を有し、好ましい操作温度は、８００〜１０００℃の範囲である。一方、高温ゾーン内包壁（１１５）は、定常状態の操作温度が達成され、維持されるまで、高温ゾーン内包壁の温度が、全ての領域にわたって実質的に均一に上昇し、低下するように、熱伝導によって、熱エネルギーを常に再分配する。
【０１１７】
燃料改質器の操作モード
ここで図３〜４Ａを参照すると、上述のように、燃料チャンバ（３００５）内の燃料空気混合物が、円筒形触媒本体（３０３０）に入る前に自己発火温度に達するのを防ぐために、燃料改質モジュール（３０２０）は、低温始動燃焼チャンバ（２３００）および高温ゾーン内包壁から少なくとも部分的に熱的に隔離される。より具体的には、使用される燃料に応じて、燃料の自己発火温度範囲は、約２９５〜５８０℃である。比較すると、ＳＯＦＣシステムの操作温度範囲は、やはり燃料および電極層材料に依存して、３５０〜１２００℃である。さらに、上で指摘したように、ＣＰＯＸ反応温度範囲は、９００〜１０００℃と概算される。
【０１１８】
低温始動中、燃料空気混合物（３０２０）は、円筒形燃料チャンバ（３００５）に入り、反応器遮断底壁（３０１５）を通って流れ、次いで、円筒形触媒本体（３０３２）を通り、燃料投入マニホールド（３０５５）へと向かう。次いで、燃料空気混合物は、管状燃料電池を通って流れ、最終的にシステムから出る。上述のように、本技術は、他の低温始動燃焼チャンバ壁（２５１０）および（２５１３）に移動する熱エネルギーよりも大きい熱エネルギーが、円板形状の上部端壁（２０１７）に移動するのを容易にする様式で、低温始動燃焼チャンバ（２３００）内の燃焼によって生成する熱エネルギーを管理する。このことは、他の壁（２５１０）と（２５１３）の熱質量とを合わせたものよりも大きな熱質量を有する円板形状の上部端壁（２０１７）を構成することによって管理される。
【０１１９】
より具体的には、熱エネルギー移動（Ｑ）は、式４によって支配される。
Ｑ＝ＣｔｈΔＴ      式４
−式中、Ｑ＝熱エネルギー移動（Ｊ）
−Ｃｔｈ＝壁の熱質量（Ｊ／℃）
−ΔＴ＝高温ガスと壁との間の温度差。
【０１２０】
この例では、ΔＴは、各壁について、ほぼ同じである。しかし、各壁の熱質量は異なる。熱質量Ｃｔｈは、単位（ｇ）での壁の熱質量（ｍ）と、単位（Ｊ／ｇ℃）での材料の比熱容量（μ）の積であると定義される。ここで、質量（ｍ）は、単位（ｃｍ３）での壁材料の体積Ｖと、単位（ｇ／ｃｍ３）での材料密度（ρ）の積である。
Ｃｔｈ＝ρＶμ      式５
−式中、ρ＝材料密度（ｇ／ｃｍ３）
−Ｖ＝材料体積（ｃｍ３）
−μ＝材料の比熱容量（Ｊ／ｇ℃）。
【０１２１】
非限定的な実施形態の例では、円板形状の上部端壁（２０１７）は、大部分が銅を含み、低温始動燃焼チャンバ（２３００）を取り囲む他の壁（２５１０）および（２５１３）は、大部分がハステロイを含む。銅の場合、比熱容量（μ）は、０．３８５Ｊ／ｇ℃である。ハステロイの場合、ハステロイの比熱容量（μ）は０．４５０Ｊ／ｇ℃である。銅の場合、密度（ρ）は、８．９６ｇ／ｃｍ３であり、ハステロイの場合、密度（ρ）は、８．２２ｇ／ｃｍ３である。従って、円板形状の上部端壁（２０１７）が、確実に、他の壁を合わせたものよりも多い熱エネルギーを吸収するようにするには、円板形状の上部端壁（２０１７）の（Ｑｔ）が、他の全ての壁を合わせたものの（Ｑ０）よりも大きくなれば、達成される。このとき、式４の観点で表すと、項目ΔＴが、それぞれの壁について同じであるとき、以下のように単純化される。
Ｃｔｈｔ＞Ｃｔｈｏまたは（ρｃＶｔμｃ）＞（ρｈＶｏμｈ）
−式中、Ｃｔｈｔ＝上端壁の熱質量
−Ｃｔｈｏ＝他の壁を合わせたものの熱質量
−Ｖｔ＝上端壁の体積
−Ｖｏ＝他の壁を合わせた体積
−ρｃ＝銅の密度、ρｈ＝ハステロイの密度
−μｃ＝銅の比熱、μｈ＝ハステロイの比熱。
この例の結果は、以下となる。
Ｖｔ＞１．０７Ｖｏ
【０１２２】
言い換えると、上部の円板形状の上部端壁（２０１７）の体積（Ｖｔ）が、他の壁（２５１０）および（２５１３）を合わせた体積（Ｖｏ）の１．０７倍を超えるとき、円板形状の上部端壁（２０１７）の熱質量は、他の低温始動燃焼チャンバ壁（２５１０）および（２５１３）の熱質量を超える。このように、本技術によれば、上部の円板形状の上部端壁（２０１７）の熱質量は、他の低温始動燃焼チャンバ壁（２５１０）および（２５１３）を合わせた熱質量を超え、好ましくは、１００％以上超え、または、上の例によれば、円板形状の上部端壁（２０１７）の体積が、他の壁（２５１０）および（２５１３）を合わせた体積（Ｖｏ）の２．１４倍であるときに達成され、このことは、所望の体積比を達成するために、壁（２０１７）の厚さを単純に大きくすることによって達成することができる。
【０１２３】
結果として、他の低温始動燃焼チャンバ壁を全て合わせたものよりも多くの熱エネルギーが、上部端壁（２０１７）によって吸収される。この実施形態の主な利点は、低温始動燃焼チャンバ（２３００）内で燃焼する燃料空気混合物によって生成する熱エネルギーの大部分が上部端壁（２０１７）に吸収され、次いで、高温ゾーン内包壁によって形成された熱伝導路を通り、そのエネルギーがＳＯＦＣシステムの他の領域に迅速に分配されることである。特に、低温始動プロセスの間、低温始動チャンバからの燃焼エネルギーは、主に、上部端壁（２０１７）に吸収され、その中に含まれる燃料空気混合物を、触媒燃料経路（３０８５）の流出端（３０３４）でＣＰＯＸ反応を開始させるのに十分なほど高い温度まで十分に加熱するために、燃料投入マニホールド（２０５５）に再び放出される。この実施形態の第２の利点は、低温始動燃焼チャンバ（２３００）内で燃焼する燃料空気混合物によって生成する熱エネルギーの大部分が、燃料改質モジュール（３０２０）から分流されることである。
【０１２４】
一旦、ＣＰＯＸ反応が開始され、自律的に持続する状態になると、燃料反応器本体（３０４０）は、反応器遮断底壁（３０１５）から放熱フランジ（３１００）へと熱エネルギーを迅速に伝導させるために、熱伝導路と、十分な熱質量を与える。特に、界面（３０３２）は、温度が９００〜１０００℃のＣＰＯＸ反応に近接しているため、熱エネルギーは、放射、熱伝導および対流によって様々な量で反応器遮断底壁（３０１５）に達し、さらされた表面（Ｂ）と、反応器遮断底壁（３０１５）の底面の残りの中実材料と、図４および図４Ａに示される円形の底壁燃料経路（３０９５）の内側表面によって吸収される。その結果、界面（３０３２）に近接する最初のＣＰＯＸ反応は、流入燃料空気混合物の自己発火を防止するために、効果的に急冷される。特に、合わせられた表面領域（Ｂ）は、ＡＢｔで示され、全ての触媒燃料経路（３０８５）から発せられる全ての熱放射の約１％を潜在的に吸収し、反応器遮断底壁の中実表面領域は、その界面で、上にＡｓで示され、全ての触媒燃料経路（３０８５）から発せられる全ての熱放射の約０．２％を潜在的に吸収し、底壁燃料経路（３０９５）の内側表面は、約１３．６％を潜在的に吸収し、合わせると合計で約１５％を吸収する。
【０１２５】
主題となる技術によれば、反応器遮断底壁（３０１５）の熱質量、すなわちその体積は、反応器遮断底壁を１００℃以下に維持することができるとき、過熱を防ぐために、触媒燃料経路（３０８５）からの十分な熱移動が行われるほど十分に大きく作られる。さらに、本発明の主題となる技術によれば、燃料反応器本体（３０４０）の熱質量、すなわち、その体積は、高温の反応器遮断底壁と放熱フランジ（３１００）との間の小さな熱勾配が維持されつつ、燃料反応器本体（３０４０）全体が、ほぼ均一な温度に維持されるために、反応器遮断底壁（３０１５）から放熱フランジ（３１００）への熱伝導によって十分な熱移動が行われるほど十分に大きく作られる。さらに、本技術によれば、放熱フランジ（３１００）の表面領域は、反応器遮断底壁（３０１５）によって熱エネルギーが吸収される速度（上には約４４Ｗと示される）と等しい速度で熱エネルギーが放散されるほど十分に大きい。さらに、本技術によれば、燃料反応器本体（３０４０）は、円筒形燃料チャンバ（３００５）を通って流れる燃料空気混合物がその自己発火温度を超えるのを防ぐために、十分な熱を放散させるような構成である。より具体的には、放熱フランジ（３１００）は、周囲空気に十分な熱エネルギーを放散し、燃料反応器本体（３０４０）の温度を、予想される燃料空気混合物の最も低い自己発火温度と等しい約２９５℃未満に、好ましくは、全操作モードの間、燃料反応器本体（３０４０）全体の温度を約１００〜２５０℃に維持するような構成である。また、本発明によれば、放熱フランジ（３１００）の温度は、全ての操作段階の間、監視され、放熱フランジの温度が、１００〜２５０℃の範囲の所望な高温限界を超えると、さらなる操作または空気移動要素（３１３０）が、放熱フランジ（３１００）の温度を安全な操作温度まで下げるまで、燃料投入モジュール（１９７）の操作可能な要素によって、投入燃料空気混合物を止め、改質器（１６７）に燃料が入るのを防いでもよい。
【０１２６】
当業者であれば、主題の技術は、好ましい実施形態の観点から上に記載されたが、それに限定されないことも認識されるであろう。上に記載した主題となる技術の様々な特徴および態様は、個別にまたは任意の組み合わせで合わせて使用されてもよい。例えば、以下の特許請求の範囲のいずれかは、他の請求項の制限事項の一部または全部を有するように再編成されてもよく、請求項は、互いに従属していてもよく、または他の請求項の一部または全部に従属していてもよい。さらに、主題となる技術は、特定の環境での実施、および特定の用途（例えば、固体酸化物形燃料電池システムにおける触媒部分酸化による燃料改質）に関連して記載されてきたが、当業者は、その有用性が上の内容に限定されず、本技術を、可燃性材料が処理される高温腐食環境において熱エネルギーを管理することが望ましい任意の数の環境および実施において有益に利用することができることを認識するだろう。従って、以下に記載される特許請求の範囲は、本明細書に開示される本発明の完全な範囲および原理を考慮して解釈されるべきである。
【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４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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