(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に燃料ガスが流通する筒状の第１基体管の外周面に空気極と燃料極とが形成された複数のセルスタックと、
内部に炭化水素系ガスが流通する筒状の第２基体管の内周面に該炭化水素系ガスの改質反応を促進させる改質層が形成された複数の改質チューブと、
前記複数のセルスタックおよび前記複数の改質チューブが平面内で所定間隔を空けて配置されるように着脱可能に支持する支持体とを備え、
前記第１基体管と前記第２基体管とが同一形状である燃料電池装置。
【請求項２】
前記改質チューブによる改質反応の促進量を前記第１基体管が延びる軸方向の温度分布に応じて異ならせた請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記軸方向の温度分布に応じて前記改質層の厚さを異ならせた請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記軸方向における第１領域に前記改質層が形成され、該第１領域よりも低温となる第２領域に前記改質層が形成されない請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記改質層は、改質反応を促進させる粒状の触媒を含む層であり、
前記軸方向の温度分布に応じて前記触媒の粒径を異ならせた請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
請求項２に記載の燃料電池装置と、
複数の前記燃料電池装置を収容する圧力容器とを備える燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池装置と、
前記セルスタックから排出される第１排ガスを前記炭化水素系ガスが流入する前記第２基体管の上流側へ循環させる循環系統と、
前記循環系統に配置されるとともに該循環系統が前記第２基体管の上流側へ循環させる前記第１排ガスの流量を調整する流量調整弁とを備える燃料電池システム。
【請求項８】
前記改質チューブから排出される第２排ガスに含まれる水素ガスを分離する水素分離器を備える請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記循環系統は、前記第１排ガスを前記第２基体管の上流側および前記第１基体管の上流側の双方へ循環させる請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池が知られている。燃料電池の一つである固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」という。）は、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１１００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。円筒型ＳＯＦＣは、空気極と燃料極とが外周面に形成された筒状のセルスタックの内部に供給される燃料ガスと外部に供給される酸化性ガスとを反応させることにより電力を発生させる装置である。
【０００３】
ＳＯＦＣでは、複数のセルスタックを平面内で所定間隔を空けて配置したカートリッジを構成している。また、ＳＯＦＣは、複数のカートリッジを密接させたモジュールを構成し、このモジュールを圧力容器内に配置するのが一般的である。
複数のセルスタックは、燃料ガスと酸化性ガスとの化学反応により発電する際に発熱する。複数のセルスタックは、平面内で隣接して配置されるとともに圧力容器内で他のカートリッジのセルスタックとも隣接して配置される。圧力容器内は密閉された状態であるため、各セルスタックの運転中の温度は、そのセルスタックが配置される領域によってそれぞれ異なったものとなる。
【０００４】
ＳＯＦＣは、運転時にセルスタックの温度が高くなりすぎた状態であると、排気されるガスの温度が高くなるので、配管等に用いられている金属等が耐熱限界に達する可能性があるセルスタック。そのため、ＳＯＦＣは、セルスタックの温度が所定の制限温度（例えば、約１１００℃）を超えないように、各セルスタックに供給される燃料ガスの供給量が調整される。前述したように、セルスタックの運転中の温度は、そのセルスタックが配置される領域によって異なるため、最も高温となる領域を基準に燃料ガスの供給量が調整される。この場合、ＳＯＦＣの発電室の温度が低いとセルスタックの抵抗が高くなるので、相対的に温度が低い領域に配置されるセルスタックにおいて電流が小さくなり、モジュール全体での発電量を十分に確保することができない。
【０００５】
特許文献１には、局所的な温度上昇を抑制するために、運転時に高温域となる燃料電池スタックの近傍に水素製造用燃料改質器を配置した燃料電池システムが開示されている。特許文献１の燃料電池システムは、水素製造用燃料改質器における吸熱反応を利用して高温域の温度を低減するものである。特許文献１の図１０，図１１には、複数個の円筒型ＳＯＦＣセルを配置した円筒型ＳＯＦＣバンドルにおいて、運転時に高温となる領域に燃料改質器を配置した構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−３７８１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示される円筒型ＳＯＦＣバンドルは、運転時に高温となる領域を予め特定し、その特定した領域に燃料改質器を配置するものである。そのため、円筒型ＳＯＦＣバンドルにおいて運転時に高温となる領域が予め特定した領域と異なっていた場合には、燃料改質器による吸熱反応を局所的な温度上昇を抑制するために適切に利用することができない。同様に、経年変化によって運転時に高温となる領域が予め特定した領域から異なるものとなった場合にも、燃料改質器による吸熱反応を局所的な温度上昇を抑制するために適切に利用することができない。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、複数のセルスタックおよび複数の改質チューブが平面内で所定間隔を空けて配置される燃料電池装置において、複数のセルスタックおよび複数の改質チューブのそれぞれを、運転時の温度分布に応じた適切な位置に配置可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係る燃料電池装置は、内部に燃料ガスが流通する筒状の第１基体管の外周面に空気極と燃料極とが形成された複数のセルスタックと、内部に炭化水素系ガスが流通する筒状の第２基体管の内周面に該炭化水素系ガスの改質反応を促進させる改質層が形成された複数の改質チューブと、前記複数のセルスタックおよび前記複数の改質チューブが平面内で所定間隔を空けて配置されるように着脱可能に支持する支持体とを備え、前記第１基体管と前記第２基体管とが同一形状である。
【００１０】
本発明の一態様に係る燃料電池装置によれば、セルスタックの内部に供給される燃料ガスと外部に供給される酸化性ガスとが反応して電力が発生する。一方、改質チューブの内部に供給される炭化水素系ガスが改質チューブの内周面に形成された改質層の作用によって改質反応し、炭化水素系ガスから水素および一酸化炭素を含む合成ガスが生成される。
セルスタックにおける反応は発熱反応であり、改質チューブにおける改質反応は吸熱反応である。そのため、運転時に高温となる領域に改質チューブを配置することにより、局所的な温度上昇を抑制することができる。
【００１１】
本発明の一態様に係る燃料電池装置によれば、複数のセルスタックおよび複数の改質チューブは、支持体により、平面内で所定間隔を空けて配置されるように着脱可能に支持されている。また、セルスタックの第１基体管と改質チューブの第２基体管とは同一形状である。
支持体は、セルスタックおよび改質チューブを任意の位置に配置して支持することができる。そのため、セルスタックおよび改質チューブを配置する際の自由度が向上する。
【００１２】
このように、本発明の一態様に係る燃料電池装置によれば、複数のセルスタックおよび複数の改質チューブが平面内で所定間隔を空けて配置される燃料電池装置において、複数のセルスタックおよび複数の改質チューブのそれぞれを、運転時の温度分布に応じた適切な位置に配置することができる。
【００１３】
本発明の一態様に係る燃料電池装置においては、前記改質チューブによる改質反応の促進量を前記第１基体管が延びる軸方向の温度分布に応じて異ならせる構成としてもよい。
このようにすることで、軸方向における相対的に高温となる領域の吸熱量を大きくしつつ相対的に低温となる領域の吸熱量を小さくし、軸方向における局所的な温度上昇を抑制することができる。
【００１４】
上記構成の燃料電池装置においては、前記軸方向の温度分布に応じて前記改質層の厚さを異ならせてもよい。
このようにすることで、軸方向における相対的に高温となる領域の改質層の厚さを厚くして吸熱量を大きくしつつ相対的に低温となる領域の改質層の厚さを薄くして吸熱量を小さくすることができる。
【００１５】
上記構成の燃料電池装置においては、前記軸方向における第１領域に前記改質層が形成され、該第１領域よりも低温となる第２領域に前記改質層が形成されないようにしてもよい。
このようにすることで、軸方向における相対的に高温となる第１領域に改質層が形成されるようにして吸熱量を大きくしつつ相対的に低温となる第２領域に改質層が形成されないようにして吸熱量を小さくすることができる。
【００１６】
上記構成の燃料電池装置においては、前記改質層は、改質反応を促進させる粒状の触媒を含む層であり、前記軸方向の温度分布に応じて前記触媒の粒径を異ならせてもよい。
このようにすることで、軸方向における相対的に高温となる領域の改質層に含まれる触媒の比表面積を大きくして吸熱量を大きくしつつ相対的に低温となる領域の改質層に含まれる触媒の比表面積を小さくして吸熱量を小さくすることができる。
【００１７】
本発明の一実施形態の燃料電池システムは、上記に記載の燃料電池装置と、複数の前記燃料電池装置を収容する圧力容器とを備える。
本発明の一態様に係る燃料電池システムによれば、複数のセルスタックおよび複数の改質チューブのそれぞれを、運転時の温度分布に応じて適切な位置に配置した複数の燃料電池装置を圧力容器に収容したことにより、燃料電池システムの局所的な温度上昇を抑制することができる。
【００１８】
本発明の一実施形態の燃料電池システムは、上記のいずれかに記載の燃料電池装置と、前記セルスタックから排出される第１排ガスを前記炭化水素系ガスが流入する前記第２基体管の上流側へ循環させる循環系統と、前記循環系統に配置されるとともに該循環系統が前記第２基体管の上流側へ循環させる前記第１排ガスの流量を調整する流量調整弁とを備える。
【００１９】
本発明の一実施形態の燃料電池システムによれば、セルスタックから排出される第１排ガスは、循環系統によって改質チューブの第２基体管の上流側へ循環される。第１排ガスは、セルスタックにおける発熱反応によって加熱されている。そのため、改質チューブの第２基体管の上流側へ第１排ガスを循環させて炭化水素系ガスに混入させると、第１排ガスを混入させない場合に比べて、改質チューブの第２基体管の内部を流通するガスの温度が上昇する。
また、第１排ガスは、炭化水素系ガスと比較して改質反応に寄与する成分が少ないガスである。そのため、改質チューブの第２基体管の上流側へ第１排ガスを循環させて炭化水素系ガスに混入させると、第１排ガスを混入させない場合に比べて、改質チューブの改質反応が抑制され、吸熱量も減少する。
【００２０】
本発明の一実施形態の燃料電池システムによれば、流量調整弁によって第２基体管の上流側へ循環させる第１排ガスの流量を調整することにより、第２基体管の内部を流通するガスの温度及び成分が調整される。そのため、改質チューブにおける吸熱反応によって周囲の温度が低下しすぎて過冷却状態となるような場合には、第２基体管の上流側へ循環させる第１排ガスの流量を増加させることにより、過冷却状態となることを防止することができる。
【００２１】
本発明の一実施形態の燃料電池システムは、前記改質チューブから排出される第２排ガスに含まれる水素ガスを分離する水素分離器を備えるものであってもよい。
このようにすることで、改質チューブから排出される第２排ガスに含まれる水素ガスを分離して水素ガスを精製することができる。
【００２２】
本発明の一実施形態の燃料電池システムにおいて、前記循環系統は、前記第１排ガスを前記第２基体管の上流側および前記第１基体管の上流側の双方へ循環させるものであってもよい。
このようにすることで、セルスタックから排出される第１排ガス中に残存する燃料ガスの未反応分を再びセルスタックに供給し、燃料ガスの利用率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、複数のセルスタックおよび複数の改質チューブが平面内で所定間隔を空けて配置される燃料電池装置において、複数のセルスタックおよび複数の改質チューブのそれぞれを、運転時の温度分布に応じた適切な位置に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】ＳＯＦＣモジュールの一態様を示す斜視図である。
【図２】図１に示すＳＯＦＣカートリッジの縦断面図である。
【図３】図１に示すＳＯＦＣカートリッジの斜視図である。
【図４】図２に示すセルスタックの要部拡大図である。
【図５】図２に示す改質チューブの要部拡大図である。
【図６】図２に示すＳＯＦＣカートリッジの平面図である。
【図７】改質チューブが配置される位置における温度分布の一例を示す図である。
【図８】改質チューブの第１変形例を示す断面図である。
【図９】改質チューブの第２変形例を示す断面図である。
【図１０】ＳＯＦＣモジュールを示す概略構成図である。
【図１１】ＳＯＦＣモジュールの変形例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
〔第１実施形態〕
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
【００２６】
以下、図面を参照して本実施形態のＳＯＦＣモジュール（燃料電池システム）２０１について説明する。
ＳＯＦＣモジュール２０１は、炭化水素系燃料ガス（例えば、メタンガスを主成分とするガス）を水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）を含む合成ガスに改質し、合成ガスと酸素イオンとを電気化学的に反応させて、水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するモジュールである。ＳＯＦＣモジュール２０１は、反応時に酸素イオンから放出される電子によって発電する。
なお、以下の説明においては、炭化水素系燃料ガスを単に「燃料ガス」ともいう。
【００２７】
図１に示すようにＳＯＦＣモジュール２０１は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（図示略）と酸化性ガス供給枝管（図示略）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（図示略）と複数の酸化性ガス排出枝管（図示略）とを有する。
【００２８】
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料供給系（図示略）に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、燃料供給系（図示略）から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導く。
【００２９】
燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
【００３０】
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部の燃料ガス排出系（図示略）に導く。
【００３１】
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材料を用いるのが好適である。
【００３２】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図２に示す通り、複数のセルスタック１０１と、複数の改質チューブ１０２と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板（支持体）２２５ａと、下部管板（支持体）２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。
【００３３】
なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図２のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、他の構造であっても良い。例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して同方向に流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００３４】
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。
【００３５】
燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給部２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａ（図示略）と連通されている。
【００３６】
また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管（第１基体管）１０１ａの内部が燃料ガス供給室２１７に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａ（図示略）から燃料ガス供給部２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０１ａの内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させる。
【００３７】
また、燃料ガス供給室２１７には、改質チューブ１０２の一方の端部が、改質チューブ１０２の基体管（第２基体管）１０２ａの内部が燃料ガス供給室２１７に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａ（図示略）から燃料ガス供給部２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数の改質チューブ１０２の基体管１０２ａの内部に略均一流量で導き、複数の改質セル１０２の吸熱性能を略均一化させる。
【００３８】
燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出部２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａ（図示略）と連通されている。
【００３９】
また、燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０１ａの内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０１ａの内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出部２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａ（図示略）に導く。
【００４０】
また、図２および図３（斜視図）に示すように、燃料ガス排出室２１９には、改質チューブ１０２の他方の端部から排出される改質された燃料ガス（以下、改質ガスという。）を集約して改質ガス排出部２３１ｃに導く改質ガス集合管２１０が配置されている。改質ガス集合管２１０は、改質チューブ１０２の他方の端部から排出される改質ガスを、排燃料ガスと混合させずに改質ガス排出部２３１ｃに導く。
【００４１】
ＳＯＦＣモジュール２０１の目標発電量に対応するよう、所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスが、酸化性ガス供給枝管を介して複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給される。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域である。
【００４２】
また、酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、酸化性ガス供給枝管（図示略）と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、酸化性ガス供給枝管（図示略）から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導く。
【００４３】
酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、酸化性ガス排出枝管（図示略）と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して酸化性ガス排出枝管（図示略）に導く。
【００４４】
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１および改質チューブ１０２の合計本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１および改質チューブ１０２がそれぞれ挿入されている。
【００４５】
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１および改質チューブ１０２の合計本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１および改質チューブ１０２がそれぞれ挿入されている。
下部管板２２５ｂが有する複数の孔は、上部管板２２５ａが有する複数の孔と対応する位置にそれぞれ設けられている。
【００４６】
上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１および複数の改質チューブ１０２が上部管板２２５ａと平行な平面内で所定間隔を空けて配置されるように支持する板状部材である。上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部を筒状のシール部材１０１ｂを介して支持する。また、上部管板２２５ａは、複数の改質チューブ１０２の一方の端部を筒状のシール部材１０２ｂを介して支持する。
【００４７】
シール部材１０１ｂおよびシール部材１０２ｂによって、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とは、連通せずに隔離された状態が維持される。
シール部材１０１ｂを取り外すことによりセルスタック１０１の一方の端部が上部管板２２５ａから取り外し可能な状態となり、シール部材１０２ｂを取り外すことにより改質チューブ１０２の一方の端部が上部管板２２５ａから取り外し可能な状態となる。
【００４８】
下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１および複数の改質チューブ１０２が下部管板２２５ｂと平行な平面内で所定間隔を空けて配置されるように支持する板状部材である。下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部を筒状のシール部材１０１ｃを介して支持する。また、下部管板２２５ｂは、複数の改質チューブ１０２の他方の端部を筒状のシール部材１０２ｃを介して支持する。
【００４９】
シール部材１０１ｃおよびシール部材１０２ｃによって、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とは、連通せずに隔離された状態が維持される。
シール部材１０１ｃを取り外すことによりセルスタック１０１の他方の端部が下部管板２２５ｂから取り外し可能な状態となり、シール部材１０２ｃを取り外すことにより改質チューブ１０２の他方の端部が下部管板２２５ｂから取り外し可能な状態となる。
【００５０】
このように、上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂは、それぞれに対応する一対の孔に複数のセルスタック１０１および複数の改質チューブ１０２を挿入した状態で、シール部材を介してこれらを着脱可能に支持している。
そして、後述するように、セルスタック１０１の基体管１０１ａと改質チューブ１０２の基体管１０２ａとは、同一形状となっている。
【００５１】
そのため、セルスタック１０１および改質チューブ１０２は、上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂに形成される複数の孔のうちの所望の孔に挿入可能となっている。そのため、セルスタック１０１および改質チューブ１０２は、上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂに形成される複数の孔のうちの任意の孔にそれぞれ着脱可能となっている。
【００５２】
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１および改質チューブ１０２の合計本数に対応した複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１および改質チューブ１０２の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１および改質チューブ１０２の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。
【００５３】
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａはインコネル（登録商標）などの高温耐久性のある金属材料からなる。これにより、上部管板２２５ａが、発電室２１５内の高温に晒されて熱変形することが防止される。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導く。
【００５４】
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０１ａの内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａが座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。
また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒータ等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
【００５５】
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１および改質チューブ１０２の合計本数に対応した複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１および改質チューブ１０２の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１および改質チューブ１０２の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。
【００５６】
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂはインコネル（登録商標）などの高温耐久性のある金属材料からなる。これにより、下部管板２２５ｂが高温に晒されて熱変形することが防止される。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２３３に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導く。
【００５７】
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０１ａの内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂが座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。
また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒータ等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
【００５８】
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電機構（図示略）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。集電機構によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、インバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
【００５９】
次に、図４を参照して本実施形態のセルスタック１０１について説明する。図４は、図２に示すセルスタック１０１の要部拡大図である。
セルスタック１０１は、軸Ｘ１に沿って延びる円筒形状の基体管１０１ａと、基体管１０１ａの外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されたものである。
また、セルスタック１０１は、基体管１０１ａの外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５のうち、基体管１０１ａの軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。
【００６０】
基体管１０１ａは、内部に燃料ガスが流通する筒状部材である。基体管１０１ａは、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４とされる。この基体管１０１ａは、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０１ａの内周面に供給される燃料ガスを基体管１０１ａの細孔を介して基体管１０１ａの外周面に形成される燃料極１０９に拡散させる。
【００６１】
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０１ａを介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを式（１）に示すように水蒸気改質反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ          （１）
【００６２】
また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において式（２）および式（３）に示すように電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
Ｈ２＋Ｏ２−  →  Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        （２）
ＣＯ＋Ｏ２−  →  ＣＯ２＋２ｅ−        （３）
【００６３】
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
【００６４】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。
このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
【００６５】
リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
【００６６】
次に、図５を参照して本実施形態の改質チューブ１０２について説明する。図５は、図２に示す改質チューブ１０２の要部拡大図である。
改質チューブ１０２は、軸Ｘ２に沿って延びる円筒形状の基体管１０２ａと、基体管１０２ａの内周面に形成された改質層１０２ｄとを有する。
改質チューブ１０２は、入口部１０２ｅから流入する燃料ガスを改質させて出口部１０２ｆから排出する。
【００６７】
改質層１０２ｄは、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、改質層１０２ｄは、改質層１０２ｄの成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０２ａの内部を流通する燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを前述した式（１）に示すように水蒸気改質反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。
このように、改質層１０２ｄは、燃料ガスとして用いられる炭化水素系ガスの改質反応を促進させる触媒作用を有するものである。この改質反応は吸熱反応であるため、改質チューブ１０２は周囲の温度を低下させる。
【００６８】
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３にセルスタック１０１とともに改質チューブ１０２を設けているのは、セルスタック１０１の発熱によって局所的な温度上昇が発生することを抑制するためである。改質チューブ１０２を局所的な温度上昇が発生する位置に配置することにより、改質チューブ１０２における吸熱反応によって局所的な温度上昇を抑制することができる。
【００６９】
図５に示す改質チューブ１０２は、図５に示す軸方向（Ｘ２方向）のいずれの領域でも改質層１０２ｄの厚さを一定とし、各領域における改質反応の促進量を一定としている。このようにすることで、軸方向（Ｘ２方向）における温度分布に偏りがない場合に、各領域における改質反応の促進量を一定とし、吸熱反応によって軸方向（Ｘ２方向）における温度分布に変化が生じないようにすることができる。
【００７０】
図６は、図２に示すＳＯＦＣカートリッジ２０３の平面図である。図６は、図２に示す上部ケーシング２２９ａを省略した状態を示している。
図６の平面図に示す例は、上部管板２２５ａに７×１５の計１０５箇所に孔を形成し、最も外周側にセルスタック１０１を配置するとともに内周側にセルスタック１０１と改質チューブ１０２を交互に配置した例である。
【００７１】
図６において、１０５箇所の孔に挿入されるセルスタック１０１および改質チューブ１０２のうち、中央を黒で示したものが３２本の改質チューブ１０２であり、中央を白で示したものが７３本のセルスタック１０１である。
セルスタック１０１はシール部材１０１ｂを介して上部管板２２５ａに形成される孔に取り付けられ、改質チューブ１０２はシール部材１０２ｂを介して上部管板２２５ａに形成される孔に取り付けられている。
【００７２】
セルスタック１０１が配置される平面における最も外周側は、それよりも外周側にセルスタック１０１が存在しないため、局所的な温度上昇が発生しにくい。そのため、最も外周側には改質チューブ１０２を配置していない。
一方、内周側に配置されるセルスタック１０１は、隣接する位置に他のセルスタック１０１が配置されるため、局所的な温度上昇が発生し易い。そこで、図６に示す例では、局所的な温度上昇が発生し易い内周側に改質チューブ１０２とセルスタック１０１を交互に配置し、局所的な温度上昇を抑制している。
【００７３】
図６に示すように改質チューブ１０２とセルスタック１０１を配置することにより、局所的な温度上昇を抑制しやすい。しかしながら、図６に示すＳＯＦＣカートリッジ２０３の周囲の温度分布や、図６に示すＳＯＦＣカートリッジ２０３の各セルスタック１０１の経年変化等による発熱状態の変化により、図６に示す配置が適切でない場合も発生する。
【００７４】
例えば、図６に示すように改質チューブ１０２とセルスタック１０１を配置した場合に、局所的な温度上昇や局所的な温度低下が発生する場合がある。この場合、局所的な温度上昇が発生する領域のセルスタック１０１と局所的な温度低下が発生する領域の改質チューブ１０２を取り替えて、温度分布の偏りを減少させるのが望ましい。
【００７５】
前述したように、本実施形態のセルスタック１０１の基体管１０１ａと改質チューブ１０２の基体管１０２ａとは同一形状となっている。
そのため、セルスタック１０１の基体管１０１ａにシール部材１０１ｂ，シール部材１０１ｃを取り付けることにより、上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂに形成される任意の孔に取り付けることができる。
【００７６】
同様に、改質チューブ１０２の基体管１０２ａにシール部材１０２ｂ，シール部材１０２ｃを取り付けることにより、上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂに形成される任意の孔に取り付けることができる。
よって、局所的な温度上昇が発生する領域のセルスタック１０１と局所的な温度低下が発生する領域の改質チューブ１０２を取り替えて、温度分布の偏りを減少させることができる。
【００７７】
ここで、「同一形状」とは、基体管１０１ａの形状と基体管１０２ａの形状とが完全に一致することに限定されるものではない。
基体管１０１ａの形状と基体管１０２ａの形状とは、それぞれが上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂに形成される孔にシール部材を介して取り付けられる程度に形状が一致していればよい。
例えば、基体管１０１ａと基体管１０２ａのいずれか一方の外径が大きい場合、この外径が上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂに形成される孔の内径以下であり、かつ孔と基体管の外周面との間にシール部材が挿入可能な隙間が形成されていればよい。
【００７８】
なお、局所的な温度分布の偏りは、図６に示すセルスタック１０１および改質チューブ１０２が配置される平面方向だけでなく、セルスタック１０１の基体管１０１ａおよび改質チューブ１０２の基体管１０２ａが延びる軸方向にも生じる場合がある。
【００７９】
図５に示す改質チューブ１０２は、図５に示す軸方向（Ｘ２方向）のいずれの領域でも改質層１０２ｄの厚さを一定とし、各領域における改質反応の促進量を一定とするものであった。
しかしながら、改質チューブ１０２の基体管１０２ａが延びる軸方向の温度分布に偏りが生じる場合、各領域における改質反応の促進量を温度分布に応じて異ならせるのが望ましい。
【００８０】
図７は、改質チューブ１０２が配置される位置における温度分布の一例を示す図である。図７において、縦軸は温度を示し、横軸は改質チューブ１０２の入口部１０２ｅの位置を原点とした軸Ｘ２方向の位置である。
【００８１】
図７（ａ）は、改質チューブ１０２の入口部１０２ｅから出口部１０２ｆに向けて漸次温度が低下する温度分布を示す。図７（ｂ）は、改質チューブ１０２の入口部１０２ｅから出口部１０２ｆに向けて漸次温度が上昇する温度分布を示す。図７（ｃ）は、改質チューブ１０２の入口部１０２ｅと出口部１０２ｆの中間位置である中央部の温度が最も高くなる温度分布を示す。
【００８２】
改質チューブ１０２が配置される位置における温度分布は、例えば、図７（ａ），図７（ｂ），図７（ｃ）に実線で示すものとなるが、その他の多様な形状の温度分布となり得る。
改質チューブ１０２は、多様な形状の温度分布となる位置に配置された場合に、その温度分布の偏りを吸熱反応によって相殺するように内周面に配置される改質層１０２ｄを調整するのが望ましい。
改質層１０２ｄを適宜に調整することにより、図７の各図に破線で示すように改質チューブ１０２が配置された位置における軸方向の温度分布を均一化することができる。
【００８３】
改質チューブ１０２の軸方向（Ｘ２方向）の各領域における改質反応の促進量を軸方向の温度分布に応じて異ならせる変形例について図８および図９を用いて説明する。
図８は、軸方向の温度分布に応じて改質層１０２ｄの厚さを異ならせた変形例である。図９は、軸方向の温度分布に応じた領域に改質層１０２ｄを配置し、その他の領域に改質層１０２ｄを配置しない変形例である。
【００８４】
ここで、改質層１０２ｄは、その厚さを厚くするにしたがって炭化水素系ガスの改質反応の促進量が増加する傾向がある。これは、改質層１０２ｄの厚さが厚いほど、その領域に存在するＮｉが多くなるからである。Ｎｉが多く存在する領域では、Ｎｉの改質反応量が相対的に大きいため、改質層１０２ｄ内に拡散する炭化水素系ガスの改質反応が促進される。そのため、改質層１０２ｄの厚さが厚いほど、吸熱反応による吸熱量が増加する。
【００８５】
図８（ａ）に示す改質層１０２ｄは、改質チューブ１０２が配置される位置における温度分布が図７（ａ）に示すものである場合に適している。図７（ａ）に示す温度分布は、改質チューブ１０２の入口部１０２ｅから出口部１０２ｆに向けて漸次温度が低下するものである。
そのため、図８（ａ）に示すように改質層１０２ｄの厚さを入口部１０２ｅから出口部１０２ｆに向けて漸次薄くすることにより、図７（ａ）に示す温度分布が吸熱反応によって相殺される。
【００８６】
図８（ｂ）に示す改質層１０２ｄは、改質チューブ１０２が配置される位置における温度分布が図７（ｂ）に示すものである場合に適している。図７（ｂ）に示す温度分布は、改質チューブ１０２の入口部１０２ｅから出口部１０２ｆに向けて漸次温度が上昇するものである。
そのため、図８（ｂ）に示すように改質層１０２ｄの厚さを入口部１０２ｅから出口部１０２ｆに向けて漸次厚くすることにより、図７（ｂ）に示す温度分布が吸熱反応によって相殺される。
【００８７】
図８（ｃ）に示す改質層１０２ｄは、改質チューブ１０２が配置される位置における温度分布が図７（ｃ）に示すものである場合に適している。図７（ｃ）に示す温度分布は、改質チューブ１０２の入口部１０２ｅと出口部１０２ｆの中間位置である中央部の温度が最も高くなるものである。
そのため、図８（ｃ）に示すように改質層１０２ｄの厚さを入口部１０２ｅと出口部１０２ｆの中間位置である中央部で最も厚くすることにより、図７（ｃ）に示す温度分布が吸熱反応によって相殺される。
【００８８】
図９（ａ）に示す改質層１０２ｄは、改質チューブ１０２が配置される位置における温度分布が図７（ａ）に示すものである場合に適している。図７（ａ）に示す温度分布は、改質チューブ１０２の入口部１０２ｅから出口部１０２ｆに向けて漸次温度が低下するものである。
そのため、図９（ａ）に示すように入口部１０２ｅ側の領域（第１領域）に改質層１０２ｄが形成され、それよりも低温となる中央部および出口部１０２ｆ側の領域（第２領域）には改質層１０２ｄが形成されないようにしている。
これにより、図７（ａ）に示す入口部１０２ｅ側の温度分布が吸熱反応によって相殺される。
【００８９】
図９（ｂ）に示す改質層１０２ｄは、改質チューブ１０２が配置される位置における温度分布が図７（ｂ）に示すものである場合に適している。図７（ｂ）に示す温度分布は、改質チューブ１０２の入口部１０２ｅから出口部１０２ｆに向けて漸次温度が上昇するものである。
そのため、図９（ｂ）に示すように出口部１０２ｆ側の領域（第１領域）に改質層１０２ｄが形成され、それよりも低温となる中央部および入口部１０２ｅ側の領域（第２領域）には改質層１０２ｄが形成されないようにしている。
これにより、図７（ｂ）に示す出口部１０２ｆ側の温度分布が吸熱反応によって相殺される。
【００９０】
図９（ｃ）に示す改質層１０２ｄは、改質チューブ１０２が配置される位置における温度分布が図７（ｃ）に示すものである場合に適している。図７（ｃ）に示す温度分布は、改質チューブ１０２の入口部１０２ｅと出口部１０２ｆの中間位置である中央部の温度が最も高くなるものである。
そのため、図９（ｃ）に示すように入口部１０２ｅと出口部１０２ｆの中間位置である中央部（第１領域）に改質層１０２ｄが形成され、それよりも低温となる入口部１０２ｅ側および出口部１０２ｆ側の領域（第２領域）には改質層１０２ｄが形成されないようにしている。
これにより、図７（ｃ）に示す入口部１０２ｅと出口部１０２ｆの中間位置である中央部の温度分布が吸熱反応によって相殺される。
【００９１】
以上説明したように図８および図９に示す変形例は、改質層１０２ｄの厚さやそれを形成する領域を調整することにより、改質チューブ１０２の軸方向（Ｘ２方向）の各領域における改質反応の促進量を異ならせるものであったが、他の態様であってもよい。
例えば、図５に示すように改質層１０２ｄの厚さを軸方向（Ｘ２方向）に一定としつつ、改質層１０２ｄに含まれる粒状のＮｉの粒径を軸方向の温度分布に応じて異ならせるようにしてもよい。
【００９２】
この場合、改質チューブ１０２の軸方向において相対的に高温となる領域の改質層１０２ｄに含まれるＮｉの粒径を相対的に小さくする。これにより、相対的に高温となる領域におけるＮｉの比表面積を大きくし、改質反応を他の領域よりも促進させることができる。
【００９３】
次に、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１が改質チューブ１０２に供給される燃料ガスの温度を調整する構成について、図１０を参照して説明する。
図１０に示すように、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３と、セルスタック１０１から排出される排燃料ガス（第１排ガス）の一部を改質チューブ１０２の基体管１０２ａの上流側の燃料ガス供給枝管２０７ａに循環させる循環系統２４０と、循環系統２４０に配置される循環ブロワ２５０および流量調整弁２６０とを備える。
【００９４】
循環ブロワ２５０は、セルスタック１０１から排出される排燃料ガスの一部を、循環系統２４０を介して燃料ガス供給枝管２０７ａまで導くように排燃料ガスを送風する装置である。
流量調整弁２６０は、開度を調整することによりセルスタック１０１から排出される排燃料ガスのうち、燃料ガス供給枝管２０７ａへ導かれる排燃料ガスの流量を調整する装置である。
【００９５】
ＳＯＦＣモジュール２０１が備える制御部（図示略）は、改質チューブ１０２が配置される位置の温度を温度センサ（図示略）で検出し、目標温度よりも高い場合は流量調整弁２６０の開度を小さくするよう制御する。一方、制御部（図示略）は、温度センサ（図示略）が検出する温度が目標温度よりも低い場合は流量調整弁２６０の開度を大きくするよう制御する。
【００９６】
循環系統２４０に導かれる排燃料ガスは、セルスタック１０１における発熱反応により加熱されている。そのため、循環系統２４０から燃料ガス供給枝管２０７ａへ排燃料ガスを供給することで、改質チューブ１０２に供給される燃料ガスの温度が上昇する。
一方で、循環系統２４０に導かれる排燃料ガスは、セルスタック１０１における改質反応により燃料が消費されている。そのため、循環系統２４０から燃料ガス供給枝管２０７ａへ排燃料ガスを供給することで、改質チューブ１０２に供給される燃料ガスにおける改質反応に寄与する成分が減少する。燃料ガスの改質反応に寄与する成分が減少することにより、改質チューブ１０２における改質反応による吸熱量が減少する。
【００９７】
したがって、流量調整弁２６０の開度が小さくなると、排燃料ガスによる温度上昇よりも改質チューブ１０２による改質反応による吸熱量が増加する。
一方、流量調整弁２６０の開度が大きくなると、それに伴って改質チューブ１０２に供給される燃料ガスの温度が上昇するが、改質チューブ１０２に供給される燃料ガスの改質反応に寄与する成分が減少し、改質チューブ１０２における改質反応による吸熱量が減少する。
【００９８】
また、循環系統２４０から燃料ガス供給枝管２０７ａへ排燃料ガスを供給することにより、排燃料ガスが再びセルスタック１０１へ供給され、燃料電池セル１０５における反応に利用される。排燃料ガスが再利用できるのは、排燃料ガスに、セルスタック１０１から排出される炭化水素系ガス（例えば、メタン）の未反応分と、水蒸気改質反応により生成される水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）の未反応分とが含まれているからである。また、排燃料ガスに、改質チューブ１０２で生成される水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれているからである。
【００９９】
次に、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１が改質チューブ１０２に供給される燃料ガスの温度を調整する構成の変形例について、図１１を参照して説明する。
図１１に示すＳＯＦＣモジュール２０１は、図１０に示すＳＯＦＣモジュール２０１の変形例であり、以下で説明する場合を除き、図１０に示す構成と同様であるものとする。図１１に示すＳＯＦＣモジュール２０１は、改質チューブ１０２の下流側に水素分離器２７０を設けている点が異なっている。
【０１００】
水素分離器２７０は、改質チューブ１０２から排出される排燃料ガス（第２排ガス）から水素ガスを分離し、高純度の水素ガスを精製する装置である。水素分離器２７０として、例えば、パラジウム合金膜透過式の装置を用いることができる。
図１１のＳＯＦＣモジュール２０１によれば、改質チューブ１０２における水蒸気改質反応により生成された排燃料ガスから高純度の水素を精製して、適宜に利用することができる。
【０１０１】
なお、図１０及び図１１に示すＳＯＦＣモジュール２０１は、循環系統２４０を介して供給される排燃料ガスをセルスタック１０１および改質チューブ１０２の双方へ供給するものとしたが、他の態様であってもよい。
例えば、循環系統２４０を介して供給される排燃料ガスの全量を改質チューブ１０２へ供給するようにしてもよい。
【０１０２】
以上説明した本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１が奏する作用および効果について説明する。
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１が備えるＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、セルスタック１０１の内部に供給される燃料ガスと外部に供給される酸化性ガスとが反応して電力が発生する。一方、改質チューブ１０２の内部に供給される炭化水素系ガスが改質チューブ１０２の内周面に形成された改質層１０２ｄの作用によって改質反応し、炭化水素系ガスから水素および一酸化炭素を含む合成ガスが生成される。
セルスタック１０１における反応は発熱反応であり、改質チューブ１０２における改質反応は吸熱反応である。そのため、運転時に高温となる領域に改質チューブ１０２を配置することにより、局所的な温度上昇を抑制することができる。
【０１０３】
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、複数のセルスタック１０１および複数の改質チューブ１０２は、上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂにより、平面内で所定間隔を空けて配置されるように着脱可能に支持されている。また、セルスタック１０１の基体管１０１ａと改質チューブ１０２の基体管１０２ａとは同一形状である。
上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂは、セルスタック１０１および改質チューブ１０２を任意の位置に配置して支持することができる。そのため、セルスタック１０１および改質チューブ１０２を配置する際の自由度が向上する。
【０１０４】
更に、相対的に高温となる領域に配置されるセルスタック１０１を上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂから取り外して改質チューブ１０２に取り替えて、その領域の局所的な温度上昇を抑制することができる。同様に、相対的に低温となる領域に配置される改質チューブ１０２を上部管板２２５ａおよび下部管板２２５ｂから取り外してセルスタック１０１に取り替えて、その領域の局所的な温度低下を抑制することができる。
【０１０５】
このように、本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３によれば、複数のセルスタック１０１および複数の改質チューブ１０２が平面内で所定間隔を空けて配置されるＳＯＦＣカートリッジ２０３において、複数のセルスタック１０１および複数の改質チューブ１０２のそれぞれを、運転時の温度分布に応じた適切な位置に配置することができる。
【０１０６】
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、改質チューブ１０２の軸方向の温度分布に応じて改質層１０２ｄの厚さを異ならせてもよい。
このようにすることで、軸方向における相対的に高温となる領域の改質層１０２ｄの厚さを厚くして吸熱量を大きくしつつ相対的に低温となる領域の改質層１０２ｄの厚さを薄くして吸熱量を小さくすることができる。
【０１０７】
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３は、改質チューブ１０２の軸方向において相対的に高温となる領域に改質層１０２ｄが形成され、相対的に低温となる領域に改質層１０２ｄが形成されないようにしてもよい。
このようにすることで、軸方向における相対的に高温となる領域に改質層１０２ｄが形成されるようにして吸熱量を大きくしつつ相対的に低温となる領域に改質層１０２ｄが形成されないようにして吸熱量を小さくすることができる。
【０１０８】
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３において、改質層１０２ｄは、改質反応を促進させる粒状のＮｉを含む層であり、軸方向の温度分布に応じてＮｉの粒径を異ならせてもよい。
このようにすることで、軸方向における相対的に高温となる領域の改質層１０２ｄに含まれるＮｉの比表面積を大きくして吸熱量を大きくしつつ相対的に低温となる領域の改質層１０２ｄに含まれるＮｉの比表面積を小さくして吸熱量を小さくすることができる。
【０１０９】
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、ＳＯＦＣカートリッジを収容する圧力容器２０５とを備える。
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１によれば、複数のセルスタック１０１および複数の改質チューブ１０２のそれぞれを、運転時の温度分布に応じて適切な位置に配置した複数のＳＯＦＣモジュールを圧力容器２０５に収容したことにより、燃料電池システムの局所的な温度上昇を抑制することができる。
【０１１０】
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１によれば、セルスタック１０１から排出される排燃料ガスは、循環系統２４０によって改質チューブ１０２の基体管１０２ａの上流側へ循環される。排燃料ガスは、セルスタック１０１における発熱反応によって加熱されている。そのため、改質チューブ１０２の基体管１０２ａの上流側へ排燃料ガスを循環させて炭化水素系ガスに混入させると、排燃料ガスを混入させない場合に比べて、改質チューブ１０２の基体管１０２ａの内部を流通するガスの温度が上昇する。
【０１１１】
また、排燃料ガスは、炭化水素系ガスと比較して改質反応に寄与する成分が少ないガスである。そのため、改質チューブ１０２の基体管１０２ａの上流側へ排燃料ガスを循環させて炭化水素系ガスに混入させると、排燃料ガスを混入させない場合に比べて、改質チューブ１０２の改質反応が抑制され、吸熱量も減少する。
【０１１２】
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１によれば、流量調整弁２６０によって基体管１０２ａの上流側へ循環させる排燃料ガスの流量を調整することにより、基体管１０２ａの内部を流通するガスの温度及び成分が調整される。そのため、改質チューブ１０２における吸熱反応によって周囲の温度が低下しすぎて過冷却状態となるような場合には、基体管１０２ａの上流側へ循環させる排燃料ガスの流量を増加させることにより、過冷却状態となることを防止することができる。
【０１１３】
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１は、改質チューブ１０２から排出される排燃料ガスに含まれる水素ガスを分離する水素分離器２７０を備えるものであってもよい。
このようにすることで、改質チューブ１０２から排出される排燃料ガスに含まれる水素ガスを分離して水素ガスを精製することができる。
【０１１４】
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１において、循環系統２４０は、排燃料ガスを基体管１０２ａの上流側および基体管１０１ａの上流側の双方へ循環させる。
このようにすることで、セルスタック１０１から排出される排燃料ガス中に残存する燃料ガスの未反応分を再びセルスタック１０１に供給し、燃料ガスの利用率を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０１    セルスタック
１０１ａ  基体管（第１基体管）
１０１ｂ，１０１ｃ  シール部材
１０２    改質チューブ
１０２ａ  基体管（第２基体管）
１０２ｂ，１０２ｃ  シール部材
１０２ｄ  改質層
１０２ｅ  入口部
１０２ｆ  出口部
１０５    燃料電池セル
１０７    インターコネクタ
１０９    燃料極
１１１    固体電解質
１１３    空気極
１１５    リード膜
２０１    ＳＯＦＣモジュール（燃料電池システム）
２０３    ＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池装置）
２０５    圧力容器
２０７    燃料ガス供給管
２０７ａ  燃料ガス供給枝管
２０９    燃料ガス排出管
２０９ａ  燃料ガス排出枝管
２１０    改質ガス集合管
２１５    発電室
２１７    燃料ガス供給室
２１９    燃料ガス排出室
２２１    酸化性ガス供給室
２２３    酸化性ガス排出室
２２５ａ  上部管板（支持体）
２２５ｂ  下部管板（支持体）
２２７ａ  上部断熱体
２２７ｂ  下部断熱体
２２９ａ  上部ケーシング
２２９ｂ  下部ケーシング
２３１ａ  燃料ガス供給部
２３１ｂ  燃料ガス排出部
２３１ｃ  改質ガス排出部
２３３ａ  酸化性ガス供給孔
２３３ｂ  酸化性ガス排出孔
２３５ａ  酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ  酸化性ガス排出隙間
２４０    循環系統
２５０    循環ブロワ
２６０    流量調整弁
２７０    水素分離器
Ｘ１，Ｘ２  軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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