(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルスタックと、前記複数の燃料電池セルスタックの一端側に配置された燃料ガス供給ヘッダと、前記複数の燃料電池セルスタックの他端側に配置された燃料ガス排出ヘッダと、を備えて構成された燃料電池カートリッジであって、
前記燃料ガス供給ヘッダは、前記燃料電池カートリッジの外部から供給された燃料ガスを前記燃料電池セルスタックの内部に供給し、
前記燃料ガス排出ヘッダは、前記燃料電池セルスタックの内部から排出された燃料ガスを前記燃料電池カートリッジの外部に排出し、
前記複数の燃料電池セルスタックのうちの相対的に最も高温になる点を含む特定領域内の燃料電池セルスタックに前記燃料電池カートリッジの外部から、電気化学的な発電反応の原料として直接的には寄与しないガスである不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段が装備されている
ことを特徴とする燃料電池カートリッジ。
【請求項２】
前記特定領域は、前記燃料電池カートリッジの軸方向に垂直な面方向の中央領域であると共に前記燃料電池カートリッジの軸方向の中央領域を、少なくとも一部に含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項３】
前記不活性ガス供給手段は、前記燃料ガス供給ヘッダ内の前記特定領域内に少なくとも一部を設置した燃料電池セルスタックに前記不活性ガスを供給するように対応した箇所に開口された不活性ガス供給孔を有することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項４】
前記不活性ガス供給手段は、前記特定領域内に少なくとも一部を設置した前記燃料電池セルスタックに設けた燃料ガス流路内に挿入された不活性ガス供給枝管を有することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項５】
前記不活性ガス供給枝管の先端開口は、前記特定領域内の前記燃料電池セルスタックの前記燃料ガス流路内の流路方向の中間領域に配置されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項６】
前記不活性ガスは、窒素ガス又は水蒸気を含むことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジ。
【請求項７】
モジュール容器内に、請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジを複数備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジにおける前記複数の燃料電池セルスタックを制御する制御装置であって、
前記燃料ガス供給ヘッダへの前記燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整手段と、
前記不活性ガス供給手段に装備されて前記不活性ガスの供給量を調整する不活性ガス量調整手段と、
前記特定領域の温度を取得する温度取得手段と、
前記燃料電池カートリッジによる発電電力を取得する発電電力取得手段と、
前記温度取得手段により取得された前記特定領域の温度と、前記発電電力取得手段により取得された前記発電電力とに基づいて、前記特定領域の温度を予め設定された設定温度領域内に保持しつつ、前記発電電力が最大になるように、前記燃料ガス量調整手段と前記不活性ガス量調整手段とを制御する制御手段と、を有する
ことを特徴とする燃料電池カートリッジの制御装置。
【請求項９】
請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジにおける前記複数の燃料電池セルスタックを制御する制御方法であって、
前記燃料ガス供給ヘッダへの燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整手段と、
前記不活性ガス供給手段による不活性ガスの供給量を調整する不活性ガス量調整手段と、
前記特定領域の温度を取得する温度取得工程と、
前記燃料電池カートリッジによる発電電力を取得する発電電力取得工程と、
前記温度取得工程により取得された前記特定領域の温度と、前記発電電力取得工程により取得された前記発電電力とに基づいて、前記特定領域の温度を予め設定された設定温度領域内に保持しつつ、前記発電電力が最大になるように、前記燃料ガス量調整手段と前記不活性ガス量調整手段とを制御する制御工程と、を有する
ことを特徴とする燃料電池カートリッジの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池カートリッジ、及び、これを備えた燃料電池モジュール、並びに、燃料電池カートリッジの制御装置及び制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（So1id Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、例えば、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス，天然ガス，石油，メタノール，石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスを燃料として運転される燃料電池である。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃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（特許文献１〜４参照）。
【０００３】
このようなＳＯＦＣを、例えばマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されている。このＭＧＴでは、圧縮機から吐出される圧縮空気をＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ブロワを介してＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスでＭＧＴのタービンを回転させて発電機を回転駆動させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。
【０００４】
また、このようなＳＯＦＣを、ＧＴＣＣ（ガスタービンコンバインドサイクル）に組み合わせたトリプルコンバインドサイクルの開発も進められている。ＧＴＣＣは、ガスタービンの高い排ガスエネルギーを排ガスボイラと蒸気タービンで熱回収するシステムを有するガスタービンと排ガスボイラ，蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクルであり、高いプラント効率を達成することが可能とされている。このＧＴＣＣのトッピング側（ガスタービンの上流側）にさらにＳＯＦＣを組み合わせてトリプルコンバインドサイクルとすることで、より高いプラント効率を達成することが可能とされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−３２０７７３号公報
【特許文献２】特開２０１４−１６４９０３号公報
【特許文献３】特開２００５−１２９５１３号公報
【特許文献４】特開２０１４−１９２１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＳＯＦＣは、通常、断熱材を含むケーシング内に、複数の燃料電池カートリッジを備えた燃料電池モジュールとして構成される。燃料電池カートリッジは、複数の燃料電池セルスタックを燃料ガスや酸化性ガスの供給に対して並列に集合させ、これらの一端側に酸化性ガス供給ヘッダ及び燃料排出ヘッダを設け、他端側に酸化性ガス排出ヘッダ及び燃料供給ヘッダを設けて構成される。燃料を燃料電池セルスタックの内部の他端側から一端側に、酸化性ガスを燃料電池セルスタックの周囲の一端側から他端側に、それぞれ流通させながら、燃料と酸化性ガスとの反応により発電を行なう。
【０００７】
ＳＯＦＣでは、各燃料電池セルスタックの発電時における発電部の温度は、性能，耐久性の観点から一般的には７００〜１０００℃程度とされるが、燃料電池の発電反応は発熱反応である。このため、発電出力を向上させようとすれば、燃料電池セルスタックの発電部の温度上昇を更に招きながらセルスタックの各部温度が上昇することになり、発電部の温度の上昇に伴い燃料電池カートリッジの各構成機器の温度が上昇する。そこで、この温度上昇により燃料電池カートリッジの各構成機器の破損を生じないように配慮する必要がある。そこで、燃料電池カートリッジの発電出力を向上させるには、燃料電池セルスタックの発電部の温度管理が必要になる。
【０００８】
これに関し、特許文献３には、バイパス燃料流路を設けて燃料電池セルスタックの集合体の高温部に未改質燃料を含むガスを供給することにより、発電部での温度分布を減少させ、発電システムの効率を高めようとする構成が記載されている。
特許文献４には、燃料電池セルスタックの支持体にニッケルが配置されるが、上流側の支持体にはニッケルが配置されず、中間域の支持体にニッケルが少量配置され、下流側の支持体に中間域よりも多くニッケルが配置されており、燃料ガス通路上流では極力シフト反応を起こさず、下流でシフト反応をさせる構成が記載されている。
【０００９】
また、従来より、燃料電池カートリッジでは、複数の燃料電池セルスタックにより構成されており、燃料電池カートリッジ内での温度を均一化させる工夫が行なわれている。燃料電池セルスタックへ供給される酸化性ガスおよび燃料ガスは、燃料電池セルスタックの両端部より長手方向に対向に流れるようにして、燃料電池セルスタック端部にて各々熱交換により昇温された後に各燃料電池セルにおける発電反応により消費される構成とし、また燃料電池カートリッジ内の各燃料電池セルスタックへは燃料ガス及び酸化性ガスは、均等に分配されるように構成されて、各燃料電池セルスタックが均等に発電を行なうよう配慮されており、燃料電池セルスタックの温度分布も均一となるようにしている。
【００１０】
しかしながら、実際の各燃料電池セルスタックにおいては、電気化学的な発電反応により発熱が加わり発電部（各燃料電池セル）の温度は上昇するが、燃料電池セルスタックの長手方向両端部分においては発電部が無いため発熱が生じない。また、燃料電池セルスタック端部ほどカートリッジの外部へと放熱されやすいため冷却が促進される。このため、燃料電池セルスタック中央部は発電部の発電反応時の発熱と周囲へ放熱されにくいことのために相対的に温度が上昇して高温となりやすく、燃料電池セルスタックの両端側は中央部に比べて相対的に温度の上昇が少なくなり、燃料電池セルスタック長手方向で温度差が発生する一要因となる。
【００１１】
さらに、燃料電池カートリッジ内では、燃料電池セルスタックの長手方向で温度差が発生するだけではなく、複数の燃料電池セルスタック間（セルスタック長手方向に垂直なセルスタック並面方向）でも温度差が発生する。特に、燃料電池カートリッジは周囲への熱量の放散があるために、燃料電池カートリッジ内では燃料電池セルスタック並面方向にて、中央付近の燃料電池セルスタックは、燃料電池カートリッジの周囲付近の燃料電池セルスタックに対して相対的に温度が高い状況となり、各燃料電池セルスタック間の温度分布に不均一が生じることとなる。通常は、燃料電池カートリッジ内の各燃料電池セルスタックへは燃料ガス及び酸化性ガスは均等に分配されるように設定されて各燃料電池スタックが均等に発電を行なうよう配慮されているが、カートリッジの燃料電池セルスタック並面方向での中央付近の燃料電池セルスタックは、燃料電池カートリッジ内の並面方向での周囲にある燃料電池セルスタックに比べると、放熱が少ないため、燃料電池セルスタック間での温度差が生じる一要因となる。
【００１２】
一方、燃料電池の電気化学的な発電反応は温度が高い領域の方が低い領域に比べて、内部抵抗が小さくなるために電気化学反応が進み易くなり、更に温度が高くなる。逆に、温度の低い領域では電気抵抗も大きくなり電気化学的反応が低下して発電量が減少し、発熱による温度上昇も少なくなる。すなわち、燃料電池カートリッジの各燃料電池スタックの温度分布が均一でない状況において、発電量出力を増加させることにより、燃料電池カートリッジの温度上昇は均一ではなく、温度の高い領域はますます温度が高くなり温度分布が増加する可能性がある。そのため、各燃料電池スタックの長手方向での温度分布が増加し、燃料電池カートリッジの水平面方向での温度分布も増加することから、発電量出力を増加させるときに配慮する必要がある。
【００１３】
燃料電池セルスタックの温度は、長手方向ならびに並面方向に中央付近の温度が高く周囲付近の温度が相対的に低い状況となっている。燃料電池セルスタックは温度が高いほど発電効率が良いが、耐熱性等の条件から設けられた上限温度を超えないように管理しなくてはならない。上記のように、カートリッジ中央付近の燃料電池セルスタックが最高温度となり、最高温度の上限を超えないよう制御を行なうと、中央部付近以外（燃料電池カートリッジ周辺部）の燃料電池セルスタックでは温度が低くなり発電効率が低下する。この温度分布をより均一に近づける（燃料電池カートリッジ内の燃料電池セルスタックを全体的に最高温度に近づける）ことにより、燃料電池カートリッジの性能を向上させることができる。温度分布をより均一に近づけるための手段としては、ヒータ等の温度制御用の機器を備えることも考えられるが、コストアップやスペースの拡大や、運転・制御の複雑化を招く。
【００１４】
本発明は、このような課題に鑑みて創案されたもので、コストアップやスペースの拡大、運転・制御の複雑化を招かないようにしながら燃料電池セルスタック間の温度分布をより均一にできるようにして発電効率を上昇させることができるようにした、燃料電池カートリッジ、及び、これを備えた燃料電池モジュール、並びに、燃料電池カートリッジの制御装置及び制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（１）上記目的を達成するために、本発明の燃料電池カートリッジは、複数の燃料電池セルスタックと、前記複数の燃料電池セルスタックの一端側に配置された燃料ガス供給ヘッダと、前記複数の燃料電池セルスタックの他端側に配置された燃料ガス排出ヘッダと、を備えて構成された燃料電池カートリッジであって、前記燃料ガス供給ヘッダは、前記燃料電池カートリッジの外部から供給された燃料ガスを前記燃料電池セルスタックの内部に供給し、前記燃料ガス排出ヘッダは、前記燃料電池セルスタックの内部から排出された燃料ガスを前記燃料電池カートリッジの外部に排出し、前記複数の燃料電池セルスタックのうちの相対的に最も高温になる点を含む特定領域内の燃料電池セルスタックに前記燃料電池カートリッジの外部から、電気化学的な発電反応の原料として直接的には寄与しないガスである不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段が装備されていることを特徴としている。
【００１６】
（２）前記特定領域は、前記燃料電池カートリッジの軸方向に垂直な面方向の中央領域であると共に前記燃料電池カートリッジの軸方向の中央領域を、少なくとも一部に含むことが好ましい。
【００１７】
（３）前記不活性ガス供給手段は、前記燃料ガス供給ヘッダ内の前記特定領域内に少なくとも一部を設置した燃料電池セルスタックに前記不活性ガスを供給するように対応した箇所に開口された不活性ガス供給孔を有することが好ましい。
【００１８】
（４）前記不活性ガス供給手段は、前記特定領域内に少なくとも一部を設置した前記燃料電池セルスタックに設けた燃料ガス流路内に挿入された不活性ガス供給枝管を有することが好ましい。
（５）前記不活性ガス供給枝管の先端開口は、前記特定領域内の前記燃料電池セルスタックの前記燃料ガス流路内の流路方向の中間領域に配置されていることが好ましい。
（６）前記不活性ガスは、窒素ガス又は水蒸気を含むことが好ましい。
【００１９】
（７）本発明の燃料電池モジュールは、モジュール容器内に、（１）〜（６）の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジを複数備えたことを特徴としている。
【００２０】
（８）本発明の燃料電池セルスタックの制御装置は、（１）〜（６）の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジにおける前記複数の燃料電池セルスタックを制御する制御装置であって、前記燃料ガス供給ヘッダへの前記燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整手段と、前記不活性ガス供給手段に装備されて前記不活性ガスの供給量を調整する不活性ガス量調整手段と、前記特定領域の温度を取得する温度取得手段と、前記燃料電池カートリッジによる発電電力を取得する発電電力取得手段と、前記温度取得手段により取得された前記特定領域の温度と、前記発電電力取得手段により取得された前記発電電力とに基づいて、前記特定領域の温度を予め設定された設定温度領域内に保持しつつ、前記発電電力が最大になるように、前記燃料ガス量調整手段と前記不活性ガス量調整手段とを制御する制御手段と、を有することを特徴としている。
【００２１】
（９）本発明の燃料電池セルスタックの制御方法は、（１）〜（６）の何れか一項に記載の燃料電池カートリッジにおける前記複数の燃料電池セルスタックを制御する制御方法であって、前記燃料ガス供給ヘッダへの燃料ガスの供給量を調整する燃料ガス量調整手段と、前記不活性ガス供給手段による不活性ガスの供給量を調整する不活性ガス量調整手段と、前記特定領域の温度を取得する温度取得工程と、前記燃料電池カートリッジによる発電電力を取得する発電電力取得工程と、前記温度取得工程により取得された前記特定領域の温度と、前記発電電力取得工程により取得された前記発電電力とに基づいて、前記特定領域の温度を予め設定された設定温度領域内に保持しつつ、前記発電電力が最大になるように、前記燃料ガス量調整手段と前記不活性ガス量調整手段とを制御する制御工程と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、複数の燃料電池セルスタックのうちの相対的に高温になる特定領域内の燃料電池セルスタックの燃料ガス供給側にカートリッジ外部から不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段が装備されるので、特定領域内の燃料電池セルスタックにおいては、不活性ガスが供給される分だけ燃料ガスの供給量が低減され、発電電力が減少すると共に発電による発熱量も減少され、温度が低下する。
複数の燃料電池セルスタックによる発電時には、何れの燃料電池セルスタックの温度も上限温度内になるように燃料ガスの供給量を制限するため、複数の燃料電池セルスタックによる発電電力は、相対的に高温になる燃料電池セルスタックの温度によって制限されるが、相対的に高温になる燃料電池セルスタックには不活性ガスが供給されることにより温度が低下し、燃料電池セルスタック間の温度分布が均一化されるので、複数の燃料電池セルスタックに供給する燃料ガスの供給量を増加させて従来よりも多くの燃料電池セルスタックの温度を上限温度に近い温度で均一化できるため、全体での発電電力を増大させ、発電効率を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１，２実施形態に係る燃料電池モジュールを示す分解斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池カートリッジを示す断面図である。
【図３】第１，２実施形態に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。
【図４】第１，２実施形態に係る燃料電池セルスタックの制御装置の概念構成図である。
【図５】第１，２実施形態に係る燃料電池セルスタックの制御による効果を説明する図であって、（ａ）は比較例の温度特性を、（ｂ）は第１，２実施形態に係る温度特性をそれぞれ示す。
【図６】第２実施形態に係る燃料電池カートリッジを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
ここでは、第１実施形態及び第２実施形態の２つの実施形態を説明するが、はじめに図１〜図５を参照して、各実施形態に共通する燃料電池モジュール，燃料電池カートリッジ及び燃料電池セルスタックについて説明する。その後、図２を参照して第１実施形態に係る燃料電池カートリッジを説明し、更に、図４，図５を参照して第１実施形態に係る燃料電池セルスタックの制御を説明する。その後、図６を参照して第２実施形態に係る燃料電池カートリッジを説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態に共通な構成の説明では、各実施形態を区別せずに、単に、実施形態と言う。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について、燃料電池セルをＳＯＦＣセルと、燃料電池セルスタックをセルスタックと、燃料電池カートリッジをＳＯＦＣカートリッジと、燃料電池モジュールをＳＯＦＣモジュールとも言う。
【００２５】
［１．各実施形態のＳＯＦＣモジュール，ＳＯＦＣカートリッジ，セルスタック］
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。
また、以下においては、セルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
【００２６】
（円筒形セルスタックの構造）
まず、図３を参照して各実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図３は、各実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成されたＳＯＦＣセル１０５と、隣り合うＳＯＦＣ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。ＳＯＦＣ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ている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数のＳＯＦＣセル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されたＳＯＦＣ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。
【００２７】
（セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明）
基体管１０３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１０３は、ＳＯＦＣ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１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【００２８】
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１０３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反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。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、ＳＯＦＣ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。
【００２９】
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１０９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。
【００３０】
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ＳＯＦＣセル１０５において、一方のＳＯＦＣセル１０５の空気極１１３と他方のＳＯＦＣセル１０５の燃料極１１１とを電気的に接続し、隣り合うＳＯＦＣセル１０５同士を直列に接続するものである。
【００３１】
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ＳＯＦＣ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。
【００３２】
（ＳＯＦＣモジュールの構造と各要素の機能の説明）
次に、図１と図２とを参照して各実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図１に示すように、例えば、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（モジュール容器）２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給主管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。燃料ガス供給主管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを合わせたものを燃料ガス供給管とする。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出主管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。燃料ガス排出主管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを合わせたものを燃料ガス排出管とする。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給主管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。酸化性ガス供給主管と酸化性ガス供給枝管とを合わせたものを酸化性ガス供給管とする。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出主管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。酸化性ガス排出主管と酸化性ガス排出枝管とを合わせたものを酸化性ガス排出管とする。
【００３３】
燃料ガス供給主管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矢印Ｇで示すように供給する燃料ガス供給部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。この燃料ガス供給主管２０７は、上述の燃料ガス供給部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に分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給主管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、燃料ガス供給主管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。
【００３４】
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、燃料ガス排出主管２０９に接続されている。この燃料ガス供給枝管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主管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出主管２０９は、複数の燃料ガス供給枝管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。この燃料ガス排出主管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の外部に導くものである。
【００３５】
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰaへの耐力のある構造と材質からなり、ＳＯＦＣカートリッジ２０３との間に断熱材を適切に設けるなどして圧力容器２０５の温度が上昇することを抑制して、一般用構造部材（例えばＳＳ４００）が使用できる。また、圧力容器２０５の小型化などで、への耐力のある構造と材質からなり、ＳＯＦＣカートリッジ２０３との間に断熱材を適切に設けるなどして圧力容器２０５の温度が上昇することを抑制して、一般用構造部材（例えばＳＳ４００）が使用できる。また、圧力容器２０５の小型化などで、内部の温度が約４００℃〜約５５０℃へと上昇する場合は、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、例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
【００３６】
ここで、各実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【００３７】
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、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ（燃料ガス供給室）２１７と、燃料ガス排出ヘッダ（燃料ガス排出室）２１９と、酸化性ガス供給ヘッダ（酸化性ガス供給室）２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ（酸化性ガス排出室）２２３とを有する。複数のセルスタック１０１は並列に集合され装備される。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。なお、各実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図２に示す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、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００３８】
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ＳＯＦＣ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なう領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１の長手方向の中間部分が発電を行なう発電部となり、セルスタック１０１の長手方向の中央部付近での温度は、発電による発熱によって、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００〜１０００℃程度の高温雰囲気となる。
【００３９】
燃料ガス供給ヘッダ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、燃料ガス供給ヘッダ２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、燃料ガス供給ヘッダ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１０５の内部が燃料ガス排出ヘッダ２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給ヘッダ２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔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１０５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ものである。
【００４０】
燃料ガス排出ヘッダ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、燃料ガス排出ヘッダ２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、燃料ガス排出ヘッダ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１０５の内部が燃料ガス排出ヘッダ２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０５の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
【００４１】
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酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ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と下部支持体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給ヘッダ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、酸化性ガス供給管の酸化性ガス供給枝管（不図示）と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、酸化性ガス供給管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に導くものである。
【００４２】
酸化性ガス排出ヘッダ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と上部支持体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出ヘッダ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、酸化性ガス排出管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して燃料ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出管に導くものである。
【００４３】
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の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が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
【００４４】
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の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が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
【００４５】
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２２７ａ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の本数に対応して、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。
【００４６】
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ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等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。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ヘッダ２２３に導くものである。
【００４７】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、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１０５の内部を通って発電室１０５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等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ヘッダ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。
【００４８】
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２２７ａ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の本数に対応して、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。
【００４９】
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ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等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ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に導くものである。
【００５０】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、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１０５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等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ヘッダ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。
【００５１】
発電室２１５で発電された直流電力は、複数のＳＯＦＣ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の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部（カートリッジ外部）へと取り出される。前記集電棒によって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、図示しない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。
【００５２】
［２．第１実施形態］
次に、第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジを説明する。
（ＳＯＦＣカートリッジの構成）
図２に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３において、燃料ガス供給ヘッダ２１７の上部ケーシング２２９ａには、その水平面の中央領域に、外部から不活性ガスＡＧを供給する不活性ガス供給孔１１が備えられていて、図２の断面図では水平長手方向（図２における左右方向）の略中央に不活性ガス供給孔１１が備えられている。また、燃料ガス供給孔２３１ａは、中央領域にある不活性ガス供給孔１１に対して、周囲領域から燃料ガス供給ヘッダ２１７内に燃料ガスＦＧを供給できるように設けられている。図２の断面図に示す例では燃料ガス供給ヘッダ２１７の水平長手方向の左右にそれぞれ設けられている。燃料ガスの供給方向は紙面上方向から供給されているが、これに限定されなく例えば水平横方向から供給されても良い。
【００５３】
不活性ガス供給孔１１には、図示しない不活性ガス供給管が接続されており、不活性ガス供給管は圧力容器２０５の外部の不活性ガスタンク等の不活性ガス供給源（図示略）から配管されており、不活性ガス供給管の圧力容器２０５の外部にある部分には、不活性ガスの流量を調整する弁である不活性ガス量調整弁（不活性ガス量調整手段）１２（図４参照）が備えられている。不活性ガス供給源，不活性ガス供給管，流量調整弁１２，不活性ガス供給孔１１等から不活性ガス供給装置（不活性ガス供給手段）１０が構成されている。
【００５４】
セルスタック１０１のＳＯＦＣセル１０５の発電部における発電反応は、燃料極１０９で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反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質し、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）に対して、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）と電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成し、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。また、電気化学的な反応に併せて一部は熱エネルギとなり発熱してＳＯＦＣセル１０５の温度の上昇効果があり、一方ではメタン（ＣＨ４）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）との混合ガスによる改質反応では吸熱してＳＯＦＣセル１０５の温度の低減効果があり、さらには酸化性ガスとの熱交換や周囲構造物への伝熱によるＳＯＦＣセル１０５の温度の低減効果があり、これら発熱と吸熱と伝熱などの結果として、ＳＯＦＣセル１０５の温度が上昇したり低下したりする。
【００５５】
ここで、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の燃料ガス供給ヘッダ２１７の上部ケーシング２２９ａの水平面の中央領域に供給する不活性ガスは、セルスタック１０１の発電部における電気化学的な発電反応の原料として直接的には寄与しないガスであり、セルスタック１０１にこの不活性ガスが供給されると、その分だけセルスタック１０１に供給される燃料ガスの量（電気化学発電反応に直接寄与する水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）の分圧）が減少するので、燃料ガスの電気エネルギへの変換量が減少し、発電電力が低下する。この発電時の電気化学的に反応に併せて発生する熱エネルギの発熱量が減少するが、また一方ではメタン（ＣＨ４）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）との混合ガスによる改質反応も少なくなり吸熱量は低下する。これらの発熱と吸熱のバランスとして、セルスタック１０１における発熱に伴う温度上昇が抑制されて、不活性ガスを供給しないセルスタック１０１に比べてＳＯＦＣセル１０５の温度は低下する。
この不活性ガスには、例えば、水（Ｈ２Ｏ）或いは窒素（Ｎ２）等を用いることができる。ただし、水（Ｈ２Ｏ）の方が、発電電圧（ＳＯＦＣセル起電力）の平衡定数Ｋｐへの影響や、供給の容易性から、不活性ガスには水（Ｈ２Ｏ）の方が好ましい。
【００５６】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３の中で、燃料ガスに不活性ガスを供給しないときに、最も温度の高くなる部分を特定領域とする。この特定領域 は、燃料ガス供給ヘッダ２１７の水平面方向の中央領域に設置するセルスタック１０１であり、このセルスタック１０１の温度が最高温度となる軸方向中央部の領域となる。不活性ガス供給孔１１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の特定領域に設置されるセルスタック（本実施形態では上部ケーシング２２９ａの水平方向の中央領域）に対応するように配置されているので、上部ケーシング２２９ａの水平方向の中央領域の不活性ガス供給孔１１に近い場所に位置するセルスタック１０１に対して、より多くの不活性ガスが供給される。図２の断面においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向の中央領域の位置するセルスタック１０１は、水平長手方向の端部側の部分のものに比べて高温になるが、この中央部分のセルスタック１０１では、不活性ガスが供給される分だけ燃料ガスの供給量が減少し、発電電力が若干低下するものの、発電時の電気化学的に反応に発生する発熱に伴う温度上昇が抑制されて、セルスタック１０１の長手方向中央部分の温度が相対的に低下される効果を得る。
【００５７】
ここで、燃料ガスに水素（Ｈ２）ガスを用いた場合のセルスタック１０１における不活性ガスの供給による発電への影響を、ネルンストの式を用いて説明する。
この場合、発電時の電気化学的は以下のようになる。
空気極  ：１／２・Ｏ２＋２ｅ（電子）→（Ｏ２−）
燃料極  ：Ｈ２＋（Ｏ２−）→Ｈ２Ｏ＋２ｅ（電子）
全体反応：Ｈ２＋１／２・Ｏ２→Ｈ２Ｏ
ＳＯＦＣセル１０５による起電力（ＳＯＦＣセル起電力）は、下式（１）に示すように、反応が熱的平衡の時の標準電位から算出される。
【００５８】
【数１】
0006734048.tif 000002
【００５９】
したがって、供給する燃料ガスに不活性ガスを混入させることによって、燃料極側の水素分圧（Ｈ２分圧）を調整することができ、これにより、ＳＯＦＣセル起電力が変わる。さらに供給する不活性ガスに水蒸気（Ｈ２Ｏ）を使用すれば、平衡定数（Ｋｐ）にも影響して、ＳＯＦＣセル起電力が変わる。ＳＯＦＣセル起電力が変われば、発電電力が変わり、発電時の電気化学的反応で生じる発熱も変わる。発電電力の低下を招くが、発電で生じる発熱も低下するので、セルスタック１０１の温度の上昇を抑制できる。
【００６０】
次に、第１実施形態のＳＯＦＣカートリッジの制御装置を説明する。
（ＳＯＦＣカートリッジの制御装置）
図４に示すように、本制御装置は、燃料ガス供給ヘッダ２１７へ供給する燃料ガスの供給量（流量）を調整する燃料ガス量調整弁（燃料ガス量調整手段）１３と、不活性ガス供給装置１０の不活性ガス量調整弁１２と、特定領域（燃料ガス供給ヘッダ２１７の水平面方向の中央領域に設置したセルスタック１０１で、このセルスタック１０１の軸方向中央部の領域）の温度を代表温度として温度Ｔを取得する温度センサ（温度取得手段）２１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３による発電電力Ｐを取得する電力情報センサ（発電電力取得手段）２２と、燃料ガス量調整弁１３と不活性ガス量調整弁１２とを制御するコントローラ（制御手段）２０とを備えている。
【００６１】
なお、特定領域とは、不活性ガスを供給しないで発電を実施した場合に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内で最も温度が高くなる領域であり、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内の複数のセルスタック１０１のうちＳＯＦＣカートリッジ２０３（燃料ガス供給ヘッダ２１７）の水平面方向の中央領域にあるセルスタック１０１であり、このセルスタック１０１の軸方向中間部の領域がＳＯＦＣカートリッジ２０３内で最も温度が高くなる。したがって、特定領域の温度Ｔを目標範囲の温度とすることで、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の中の全体の温度分布がより均一になるように、コントローラ（制御手段）２０が各流量調整弁を制御する。
【００６２】
また、本実施形態では、温度取得手段として温度センサ２１を用いているが、温度取得手段はこれに限らず、特定領域の温度Ｔを推定するものでもよい。例えば、特定領域の温度は、発電電力Ｐ、圧力、燃料利用率、空気利用率、といったＳＯＦＣカートリッジ２０３の状態に相関するので、予め、この相関関係を取得し記憶しておき、相関関係を利用して、発電電力Ｐ、圧力、燃料利用率、空気利用率の状態から、特定領域の温度Ｔを推定して取得してもよい。
【００６３】
また、本実施形態では、特定領域の温度Ｔを制御目標にするに当たり、温度取得手段（温度センサ２１）を特定領域に設置していているが、温度取得手段の計測位置はこれに限らず、特定領域に存在するセルスタック１０１の軸方向中間部以外の部分、例えば燃料ガス供給ヘッダ２１７付近での比較的低い温度雰囲気の計測温度から、燃料ガス圧力、燃料利用率、空気利用率などとの影響を加味して、特定領域の温度Ｔを推定するものでもよい。
また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の各セルスタック１０１の温度分布がより均一な温度になっていることを確認するために、セルスタック１０１の軸方向中間部を含めた中間部の両端部分（紙面左右方向部分）、およびこれらに同一のセルスタック１０１の上下両端分付近に計測用温度計が設置されており、セルスタック１０１の温度分布を監視できると更に良い。
【００６４】
コントローラ２０は、取得された特定領域の温度Ｔと、取得された発電電力Ｐとに基づいて、特定領域の温度Ｔを予め設定された設定温度領域内に保持することでＳＯＦＣカートリッジ２０３の各セルスタック１０１の温度分布をより均一にする。後述するように、各セルスタック１０１の温度分布がより均一になったことは、発電電力Ｐが最大になることで判断する。このように、特定領域の温度Ｔを制御目標とするために、燃料ガス量調整弁１３を調整して燃料ガスの供給量を制御し、不活性ガス量調整弁１２を調整して不活性ガスの供給量を制御する。
【００６５】
また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内の複数のセルスタック１０１に対して上下両端分付近に計測用温度計が各々設置されている場合は、各のセルスタック１０１の温度分布を各々の計測用温度計により温度分布を計測して均一性を確認してもよい。さらには、各セルスタック１０１の温度分布の均一性は、発電電力Ｐが最大になることと、複数のセルスタック１０１の各計測用温度計による温度分布計測結果との両方を用いて判断してもよい。
【００６６】
なお、設定温度領域とは、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時の管理温度範囲であるおよそ７００〜１０００℃のうちの、比較的高温な領域であり、例えば、８５０〜９５０℃とすることができる。このように、設定温度領域の上限を９５０℃と、管理温度範囲の上限１０００℃よりも低下させているのは、管理温度上限よりも特定領域の温度Ｔを所定温度差（ここでは、５０℃）だけ低下させることで、セルスタック１０１の長期耐久性を確保することに好ましいためである。
【００６７】
また、特定領域の温度Ｔを低下させた場合に、特定領域に隣接していて不活性ガスが供給されない領域の温度が、特定領域の温度Ｔよりも高くなる場合があることに備えて、余裕度として所定温度差（ここでは、５０℃）だけ低下させているが、これはＳＯＦＣカートリッジ２０３の各機器の損傷を抑制するために好ましいからである。
【００６８】
不活性ガスの供給量を増加させると燃料ガスの分圧（水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）の分圧）が低下して、特定領域の温度Ｔが低下する。一方で、セルスタック１０１の温度が高いほどＳＯＦＣの発電量は向上するので、燃料ガスの供給量を増加させると、ＳＯＦＣの電気化学反応量が増加してＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力Ｐが増大するとともに発熱も増加して特定領域の温度Ｔが上昇し、また各セルスタック１０１の温度も上昇し、さらに発電電力Ｐが増大する。このまま燃料ガスの供給量を増加させ続けると、特定領域をはじめＳＯＦＣカートリッジ２０３の各機器の温度も上昇し、ＳＯＦＣカートリッジ２０３のいずれかの箇所で、使用限界温度を越えるので、燃料ガスの供給量の増加を中止し、不活性ガスの供給量を増加させることで、特定領域をはじめＳＯＦＣカートリッジ２０３の各機器の温度も上昇を抑制する。
【００６９】
したがって、このためのコントローラ（制御手段）２０による制御を次のように行なう。
（ステップ１）不活性ガスの供給が無い状態で、燃料ガス量調整弁１３を制御して燃料ガスの供給量を増加させるとともに、パワーコンディショナを制御してＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電流を増加させ、電流と電圧が所定値になるようにする。 
（ステップ２）温度センサ（温度取得手段）２１により、特定領域の温度Ｔが設定温度領域の上限に接近したら、燃料ガス量調整弁１３を制御して燃料ガスの供給量を維持するとともに、パワーコンディショナを制御して発電電流と電圧を維持する。
また、不活性ガス量調整弁１２を制御して不活性ガスの供給を開始する。
（ステップ３）不活性ガス量調整弁１２を制御して不活性ガスを供給し、不活性ガスの供給量を増加させる。
そして、温度センサ（温度取得手段）２１により、特定領域の温度Ｔの低下を確認する。不活性ガスの供給量を増加させＳＯＦＣカートリッジ２０３内の水平面方向の温度分布を均一化する。
（ステップ４）特定領域の温度Ｔを予め設定された設定温度領域内で安定したら、不活性ガスの供給量の増加を終了し、不活性ガスの供給量を維持して、特定領域の温度Ｔを予め設定された設定温度領域内に保持する。最高温度を示していた特定領域の温度が低下して、セルスタック１０１の相対的に温度の低かった領域との温度差が少なくなる。したがって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内の各セルスタック１０１間の温度分布が小さくなる。
（ステップ５）不活性ガスの供給量を維持して、燃料ガスの供給量及び電流を再び微量ずつ増加させることで、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内の各セルスタック１０１の温度を全体的に上昇させて、発電電力Ｐを従来よりも向上させる。
（ステップ６）不活性ガスの供給量を維持して、燃料ガスの供給量及び発電電流と電圧を増加させることで、特定領域の温度Ｔを予め設定された設定温度領域の上限に到達したら、燃料ガスの供給量及び電流と電圧の増加を終了し、燃料ガスの供給量及び電流と電圧を維持する。
（ステップ７）このステップ２からステップ６の動作を繰り返す。コントローラ（制御手段）２０が制御して、特定領域の温度Ｔを予め設定された設定温度領域内としながら、発電電力Ｐを従来よりも向上させることができる。ＳＯＦＣカートリッジ２０３内の各セルスタック１０１の温度分布がより均一になったことは、不活性ガスの供給量を徐々に増加して，発電電力Ｐが最大になることで判断する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内の複数のセルスタック１０１の温度を計測している場合は、計測した温度分布がより均一になったことで判断しても良い。
ここで、発電電力Ｐが最大になるとは、発電電力Ｐがピンポイントで厳密に最大点になることを意味するのではなく、不活性ガスの供給量を微量範囲で増減させても発電電力Ｐに変化がない場合に判断できる最大付近の領域（最大領域）に発電電力Ｐがあることを意味している。
【００７０】
つまり、不活性ガスの供給量を増大させていくと、不活性ガスを供給されるセルスタック１０１では、セルスタック１０１の温度が低下する効果と引き換えに発電電力の若干の低下を招くが、最高温度を示していた特定領域の温度が低下して各セルスタック１０１間の温度が均一化するため、燃料ガス供給ヘッド２１７への燃料ガスの供給量を増加させることが可能になるので、不活性ガスを供給されないセルスタック１０１や不活性ガスの供給量が少ないセルスタック１０１では、燃料ガスの供給量の増加量に加えて、さらにセルスタック１０１の相対的に低温部分の温度上昇に応じて発電電力Ｐが増加する。
【００７１】
また、このように不活性ガスの供給量を増大させていくと、不活性ガスを供給されるセルスタック１０１では、発電電力の低下が大きくなり、また特定領域の温度が更に低下して各セルスタック１０１間の温度がかえって不均一になり、好ましくない。したがって、不活性ガスを供給されるセルスタック１０１における発電電力Ｐの減少分の影響が大きくならないように、特定領域の温度Ｔは予め設定された設定温度領域内の下限より下回らないように制御を行なう。
なお、このときＳＯＦＣカートリッジ２０３内の各セルスタック１０１の温度分布がより均一になったことは、不活性ガスの供給量を徐々に増加して，発電電力Ｐが最大領域（最大付近）になることで判断する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内の複数のセルスタック１０１の温度を計測している場合は、計測した温度分布がより均一になったことで判断しても良い。したがって、発電電力Ｐが最大になるように制御することができる。
【００７２】
（作用及び効果）
第１実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジ２０３及びＳＯＦＣカートリッジ２０３の制御装置２０によれば、複数のセルスタック１０１のうちの相対的に高温になる特定領域（ここでは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平面の中央領域に設置されるセルカートリッジの軸方向中間部）内に設置されるセルスタック１０１に外部から不活性ガスを供給するので、特定領域内のセルスタック１０１において、不活性ガスが供給される分に応じて燃料ガスの供給量（燃料ガスの分圧が低減）が低減され、発電電力Ｐが減少すると共に、発電反応による発熱量も減少されるため、特定領域の温度Ｔが低下し、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平面方向とセルカートリッジの長手方向の温度分布を均一化することができる。
【００７３】
図５（ａ），（ｂ）はこの不活性ガスを供給する効果を説明する図であり、図５（ａ）は不活性ガスを供給せずに各セルスタック１０１に均一に燃料ガスを供給する場合（比較例）の温度分布特性（曲線Ａ）を、図５（ｂ）は特定領域内に少なくセルスタックの一部が設置されるセルスタック１０１に不活性ガスを供給する本実施形態に係る温度分布特性（曲線Ｂ，Ｃ）をそれぞれＳＯＦＣカートリッジ２０３の各セルスタック１０１に対応させて示している。つまり、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平面中央を含む水平面に垂直な断面での水平長手方向における温度分布特性を示している。
【００７４】
図５（ａ）に曲線Ａで示すように、各セルスタック１０１に均一に燃料ガスを供給すると、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向中央領域に位置するセルスタック１０１の温度が高温になり、上限温度に近くなる。各セルスタック１０１は、発電反応により発熱が加わり発電部の温度は上昇するが、セルスタック１０１の長手方向両端部分においては発電部が無いため発熱が生じない。また、燃料電池セルスタック端部ほどカートリッジの外部へと放熱されやすいため冷却が促進される。
【００７５】
このため、セルスタック１０１中央部は発電部の発電反応時の発熱と周囲へ放熱されにくいことのために相対的に温度が上昇して高温となりやすく、燃料電池セルスタックの両端側は中央部に比べて相対的に温度の上昇が少なくなり、燃料電池セルスタック長手方向で温度差が発生し、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向中央領域から離隔し紙面の左右端部に近づくに従ってセルスタック１０１の温度が低温になる。
【００７６】
発電効率（発電出力）はセルスタック温度に影響されるので、低温部分はＳＯＦＣセル１０５の内部抵抗が高くなり発電反応が低いために、発電効率（発電出力）は低い状態にある。したがって、図５の燃料電池セルスタック断面において、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向中央領域のセルスタック１０１の温度を上限温度以下に抑えようとすると、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向の両端部側のセルスタック１０１では水平長手方向中央領域のセルスタック１０１と比較して相対的に温度が低い分により発電電力を低下させることになる。
【００７７】
図５の燃料電池セルスタック断面において、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向で、中央領域と両端部側の温度差が生じるほど、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の全体での各セルスタック１０１の発電出力を集めたＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力Ｐを高めることができない。
【００７８】
これに対して、図５（ｂ）に曲線Ｂで示すように、特定領域内のセルスタック１０１に不活性ガスを供給すると、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向中央領域のセルスタック１０１の温度が抑えられるようになり、特定領域にセルスタックの一部を設置されたセルスタック１０１は、予め設定された設定温度領域の上限温度に対して温度上昇を許容する余裕の温度分が発生する。つまり、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向の中央領域に発生していた高温部分が低温化して、両端部分の相対的に温度の低い領域の温度は変化しないので、図５の燃料電池セルスタック断面において、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向温度差が均一化される。したがって、図５（ｂ）に曲線Ｃで示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３への燃料ガスの供給量を増加させて発電出力を増加させつつ、各セルスタック１０１の温度を上限温度以下に抑えることができる。
【００７９】
図示しないが、特定領域に少なくともセルスタックの一部を設置されたセルスタック１０１の軸方向についても、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平長手方向に類似して、軸方向中央部付近に発生していた相対的に温度の高い領域の温度は低下し、セルスタック１０１の上下両端部分はもとからＳＯＦＣセル１０５が設けていないので、上下両端部分の相対的に温度の低い領域の温度は変化しない。このため、図５の燃料電池セルスタック断面において、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の軸方向温度差が均一化される。各セルスタック１０１の軸方向温度分布においても燃料ガスの供給量を増加させて発電出力を増加させつつ、各セルスタック１０１の温度を上限温度以下に抑えることができる。
【００８０】
このように、本ＳＯＦＣカートリッジ２０３及びＳＯＦＣカートリッジ２０３の制御装置２０によれば、複数のセルスタック１０１のうちの相対的に高温になる特定領域内に少なくとも一部を設置されたセルスタック１０１に外部から不活性ガスを供給して特定領域の温度を低下させ（セルスタック間の温度分布が均一化させ）、そのうえでＳＯＦＣカートリッジ２０３全体での燃料ガス供給量を増加させることが可能になるので、各セルスタック１０１の温度を設定温度領域内に管理しながら、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の全体での発電電力Ｐを増大させ、発電効率を上昇させることができる。
【００８１】
［４．第２実施形態］
（ＳＯＦＣカートリッジの構成）
第２実施形態にかかるＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図６に示すように、燃料ガス供給ヘッダ２１７の上部ケーシング２２９ａには、その水平面方向（図６の断面図においては水平長手方向（紙面の左右方向））の中央領域に、外部から不活性ガスＡＧを供給する不活性ガス供給管１１Ａが備えられて導入されている。また、第１実施形態同様に、燃料ガス供給孔２３１ａは、周囲領域から燃料ガス供給ヘッダ２１７内に燃料ガスＦＧを供給できるように設けられている。図６では、不活性ガス供給孔１１を挟むように燃料ガス供給ヘッダ２１７の水平長手方向の左右にそれぞれ設けられているものを例示している。
【００８２】
不活性ガス供給管１１Ａは、燃料ガス供給ヘッダ２１７の内部で複数の不活性ガス供給枝管１１ａに枝分かれしており、各不活性ガス供給枝管１１ａは特定領域（上部ケーシング２２９ａの水平方向の中央領域で、相対的に高温になる）に少なくとも一部を設置されセルスタック１０１の内部に設けた燃料極１０９に通じる燃料ガス流路内に挿入されている。不活性ガス供給枝管１１ａの先端は、セルスタック１０１の燃料ガス流路内の流路方向中間領域で開口しており、中央領域またはこの手前が好ましく、セルスタック１０１の長手方向で燃料ガス供給ヘッダ２１７側から、セルスタック１０１の全長の約１／３程度から約１／２程度（中間位置）の位置がさらに好ましい。
なお、不活性ガス供給装置（不活性ガス供給手段）１０Ａについては第１実施形態と同様に構成されているので説明を省略する。
【００８３】
（作用及び効果）
第２実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジ２０３及びＳＯＦＣカートリッジ２０３の制御装置によれば、第１実施形態と同様に、複数のセルスタック１０１のうちの相対的に高温になる特定領域内のセルスタック１０１に外部から不活性ガスを供給して特定領域の温度を低下させＳＯＦＣカートリッジ２０３全体での燃料ガス供給量を増加させることが可能になるので、各セルスタック１０１の温度を設定温度領域内に管理しながら、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の全体での発電電力Ｐを増大させ、発電効率を上昇させることができる。
【００８４】
さらに、第２実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジ２０３では、不活性ガス供給枝管１１ａが特定領域内のセルスタック１０１の燃料ガス流路内に挿入され、セルスタック１０１の燃料ガス流路内の流路方向中央領域又はこの手前で開口しているので、１本のセルスタック１０１内でも最も温度が高くなる軸方向中間部の領域での発電反応が抑制され、かかる部分の温度上昇を抑制することができ、セルスタック１０１の長手方向における温度差を更に低減することができる。従って、より効率的に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３のトータルでの発電電力Ｐを増大させ、発電効率を上昇させることができる。
【００８５】
［５．その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施形態を適宜変更して実施することができる。
例えば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせて実施することも有効である。
【００８６】
また、上記実施形態では、ＳＯＦＣカートリッジ２０３単体で説明したが、燃料電池モジュール２０１内の各ＳＯＦＣカートリッジ２０３に対して個別に制御するようにＳＯＦＣカートリッジの制御装置及び制御方法を構成してもよく、燃料電池モジュール２０１内の一部のＳＯＦＣカートリッジ２０３から温度Ｔや発電電力Ｐを得て各ＳＯＦＣカートリッジ２０３に対して連携して制御するようにＳＯＦＣカートリッジの制御装置及び制御方法を構成してもよい。
【００８７】
また、本実施形態では、ＳＯＦＣカートリッジの水平方向中央領域のセルスタックに不活性ガスを供給しているが、不活性ガスを供給するセルスタックは、相対的に高温になる領域のセルスタックであることが優先され、その場合は必ずしもＳＯＦＣカートリッジの水平方向中央領域で限定しなくてもよい。
さらに、第２実施形態では、不活性ガス供給枝管１１ａによりセルスタック１０１の燃料ガス流路内の流路方向中央領域又はこの手前に供給しているが、これについても、セルスタック１０１の燃料ガス流路内で相対的に高温になる領域に供給することが優先されればよく、燃料ガス流路の中央領域に限らず適宜の中間領域であればよい。
【符号の説明】
【００８８】
１０，１０Ａ  不活性ガス供給装置（不活性ガス供給手段）
１１  不活性ガス供給孔
１１Ａ  不活性ガス供給管
１１ａ  不活性ガス供給枝管
１２  不活性ガス量調整弁（不活性ガス量調整手段）
１３  燃料ガス量調整弁（燃料ガス量調整手段）
２０  コントローラ（制御手段）
２１  温度センサ（温度取得手段）
２２  電力情報センサ（発電電力取得手段）
１０１  燃料電池セルスタック（セルスタック）
２０１  燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）
２０３  燃料電池カートリッジ（ＳＯＦＣカートリッジ）
２０５  圧力容器（モジュール容器）
２１５  発電室
２１７  燃料ガス供給ヘッダ（燃料ガス供給室）
２１９  燃料ガス排出ヘッダ（燃料ガス排出室）
ＡＧ  不活性ガス
ＦＧ  燃料ガス
【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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