(57)【要約】【課題】複数のセルスタックが配置される燃料電池装置において、簡易な構成で温度分布を均一化する、ことを目的とする。【解決手段】改質チューブ１０２Ａは、第１基体管の外周面に複数の燃料電池セル１０５が形成された複数のセルスタックと、第２基体管１０２ａの外周表面に燃料極１０９が形成されて空気極が形成されない改質セル１０２ｄを含む。この改質チューブ１０２Ａは、反応抑制層１０２ｇによって入口部１０２ｅにおける改質反応が抑制されるため、吸熱反応である改質反応は改質チューブ１２０Ａの入口側端部領域１２２ｅでは生じず、燃料ガスは改質されることなく中央領域１２０へ流通することとなる。このため、燃料ガスの改質である吸熱反応は入口側端部領域１２２ｅよりも中央領域１２０において生じる。この結果、改質チューブ１０２Ａの中央領域１２０は端部領域１２２に比べて温度が低下する。【選択図】図６
2017073369.tif 000002
【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基体管の外周面に複数の燃料電池セルが形成された複数のセルスタックと、
内部に燃料ガスが流通する筒状の第２基体管の外周表面に燃料極が形成されて空気極が形成されない改質セルを含み、前記燃料ガスを改質させる複数の改質チューブと、
を備え、
前記改質チューブは、前記第２基体管の中央領域の吸熱量が前記第２基体管の端部領域の吸熱量よりも大きい燃料電池装置。
【請求項２】
前記改質チューブは、前記第２基体管の内周面に前記燃料ガスの改質反応を促進させる改質セルが形成されると共に、前記燃料ガスが流通する入口部から前記中央領域に至る内周面に、前記改質セルによる改質反応を抑制させる反応抑制層が形成される請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記改質チューブは、前記第２基体管の一方の端部領域と他方の端部領域の少なくともいずれか一方の外周面に少なくとも１つの前記燃料電池セルが形成され、前記第２基体管の中央領域が前記改質セルとして形成され、前記一方の端部領域の燃料電池セルと前記他方の端部領域の燃料電池セルとは前記中央領域の改質セルにより電気的に直列に接合されている請求項１又は請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記改質チューブは、前記第２基体管の外周面において中央領域の輻射率が前記端部領域の輻射率よりも高い請求項１から請求項３の何れか１項記載の燃料電池装置。
【請求項５】
内部に燃料ガスが流通する筒状の第１基体管の外周面に複数の燃料電池セルが形成された複数のセルスタックと、
内部に燃料ガスが流通する筒状の第２基体管の外周表面に燃料極が形成されて空気極が形成されない改質セルが形成された複数の改質チューブと、
前記改質チューブの入口部毎に設けられ、前記改質チューブに流通する燃料ガスの流量を変化させる流量制御部と、
を備える燃料電池装置。
【請求項６】
前記流量制御部は、所定温度前後で形状が変化する形状変化部材と、前記入口部を開閉する開閉部材を有し、
前記形状変化部材は、前記所定温度未満では前記開閉部材によって前記開閉部材が閉じられる形状となり、前記所定温度以上では前記開閉部材によって前記開閉部材が開かれる形状となる請求項５記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記形状変化部材は、前記開閉部材を前記改質チューブの長手方向に脱着動させる請求項６記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記形状変化部材は、前記開閉部材の一端を中心として前記開閉部材を前記改質チューブの端部領域から脱着するよう回動させる請求項６記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記流量制御部は、前記燃料ガスの流通方向と交差する方向に間隔を有し、前記所定温度で形状が変化する渦巻き形状であり、前記所定温度未満では前記間隔が狭まり、前記所定温度以上では前記間隔が広がることで前記燃料ガスの流路断面積を変化させる請求項５記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９の何れか１項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１１】
前記燃料ガスは、前記改質チューブで改質された改質ガスを含む請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記改質チューブの他方の端部から排出される改質ガスを前記燃料電池装置の外部へと導く系統を更に備えた請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
内部に燃料ガスが流通する筒状の第１基体管の外周面に複数の燃料電池セルが形成された複数のセルスタックと、内部に燃料ガスが流通する筒状の第２基体管の外周表面に燃料極が形成されるものの空気極が形成されない改質セルが形成された複数の改質チューブと、を備える燃料電池装置の吸熱量制御方法であって、
前記改質チューブの入口部毎に設けられる流量制御部を所定温度前後で形状が変化する形状変化部材によって作動させて、前記改質チューブに流通する燃料ガスの流量を変化させる燃料電池装置の吸熱量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置、燃料電池システムおよび燃料電池装置の吸熱量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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からなる、都市ガス、天然ガスの他、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなど炭素質原料の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共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】
ここで、カートリッジの出力を向上させるために、セルスタックの本数を増加させると、カートリッジの水平面方向およびセルスタックの長手軸方向（軸方向）、すなわちカートリッジの中央部が相対的に高温になり、外周部が相対的に低温となるような温度分布が発生する場合がある。低温部は高温部に比べて熱伝導率が低下して抵抗が高くなるため、電流が流れ難くなる。このため、高温部に比べて低温部の発電特性および集電特性が低下し、セルスタックの出力が制限されることとなる。
また、ＳＯＦＣの起動時や発電時の温度整定において、カートリッジ内の温度分布が時間と共に拡大するため、温度分布に応じた燃料ガス供給量や発電電流値等の負荷調整操作を必要とする。すなわち、カートリッジ内に温度分布が生じると、ＳＯＦＣシステムとしての発電量が低下すると共に制御性が悪くなる。
【０００５】
特許文献１には、水蒸気と一酸化炭素を反応させるシフト改質反応によって水素を生成可能なシフト改質用金属触媒が燃料ガス通路に配置され、シフト改質用金属触媒が燃料ガス通路の改質器側に近い上流側に比して、下流側に多くなるように配置される燃料電池装置が開示されている。
また、特許文献２には、炭化水素の改質用触媒が装着された改質器チューブ（リフォーマともいう）と、固体酸化物燃料電池用単位セルが直列で連結された分割型セル集積チューブとが平行にセルモジュールに設けられ、改質器チューブの内部チャネルに装着される触媒は改質器チューブの長手方向にその成分を異にするか装着量を調節することで、内部改質が漸進的に起こるようにして、隣接したセルチューブ内の温度分布をより均等化する固体酸化物燃料電池用スタックが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１９２１２３号公報
【特許文献２】特表２０１３−５３３５８５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に記載の燃料電池装置では、燃料ガスの出口側において改質反応による吸熱反応が進行するため、最も温度の高い中央部において有効に吸熱ができない。
また、特許文献２に記載の改質器チューブでは、燃料ガスを通気させた際に、燃料ガスの入口側において改質反応による吸熱反応が進行するため、最も温度の高い中央部において有効に吸熱ができない。
【０００８】
さらに、発電室内の温度調整をより効果的に行うためにはリフォーマへ供給する燃料ガス量を制御する必要がある。しかしながら、燃料ガスの流量制御には、各リフォーマへのガス供給系統に弁や流量計を設け、リフォーマにも温度監視用のセンサ（例えば熱電対）を設ける必要があり、システムとして複雑となる。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複数のセルスタックが配置される燃料電池装置において、簡易な構成で温度分布を均一化できる、燃料電池装置、燃料電池システムおよび燃料電池装置の吸熱量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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池装置、燃料電池システムおよび燃料電池装置の吸熱量制御方法は以下の手段を採用する。
【００１１】
本発明の第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基体管の外周面に複数の燃料電池セルが形成された複数のセルスタックと、内部に燃料ガスが流通する筒状の第２基体管の外周表面に燃料極が形成されて空気極が形成されない改質セルを含み、前記燃料ガスを改質させる複数の改質チューブと、を備え、前記改質チューブは、前記第２基体管の中央領域の吸熱量が前記第２基体管の端部領域の吸熱量よりも大きい。
【００１２】
本発明の第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燃料ガスが第２基体管を流通する際に改質反応し、燃料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。
【００１３】
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。そして、改質チューブは、中央領域の吸熱量が端部領域の吸熱量よりも大きい。このため、運転時に高温となるカートリッジに改質チューブを配置することで、より高温となるカートリッジ中央部の温度上昇を抑制することができる。
【００１４】
従って、本発明の第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が配置される燃料電池装置において、簡易な構成で温度分布を均一化できる。
【００１５】
上記第一態様では、前記改質チューブは、前記第２基体管の内周面に前記燃料ガスの改質反応を促進させる改質セルが形成されると共に、前記燃料ガスが流通する入口部から前記中央領域に至る内周面に、前記改質セルによる改質反応を抑制させる反応抑制層が形成されてもよい。
【００１６】
本構成によれば、反応抑制層によって入口部側の端部領域における改質反応が抑制されるため、吸熱反応である改質反応は改質チューブの入口部側の端部領域では生じず、燃料ガスは改質されることなく中央領域へ流通することとなるため、燃料ガスの改質は入口部側の端部領域よりも中央領域において生じる。すなわち、改質チューブによってカートリッジの上下方向（セルスタック長手方向）の温度分布が均一化される。このため、運転時に高温となるカートリッジに本構成に係る改質チューブを配置することで、より高温となるカートリッジ中央部の温度上昇を抑制することができる。
【００１７】
上記第一態様では、前記改質チューブは、前記第２基体管の一方の端部領域と他方の端部領域の少なくともいずれか一方の外周面に少なくとも１つの前記燃料電池セルが形成され、前記第２基体管の中央領域の外周面が前記改質セルとして形成され、前記一方の端部領域の燃料電池セルと前記他方の端部領域の燃料電池セルとは前記中央領域の改質セルにより電気的に直列に接合されてもよい。
【００１８】
本構成によれば、改質チューブは、第２基体管の一方の端部領域と他方の端部領域の外周面に少なくとも１つの前記燃料電池セルが形成されるので、端部領域では発電する。一方、第２基体管の中央領域の外周面に改質セルが形成されるので、中央領域では発電しない。そして、一方の端部領域の燃料電池セルと他方の端部領域の燃料電池セルとは中央領域の改質セルにより電気的に直列に接合される。すなわち、改質チューブの端部領域では発電により発熱が生じるものの、改質チューブの中央領域では発電はせず、燃料極における改質反応によって吸熱が生じる。すなわち、改質チューブによってカートリッジの上下方向（セルスタック長手方向）の温度分布が均一化される。このため、運転時に高温となるカートリッジに本構成に係る改質チューブを配置することで、より高温となるカートリッジ中央部の温度上昇を抑制することができる。
【００１９】
上記第一態様では、前記改質チューブは、前記第２基体管の外周面において中央領域の輻射率が前記端部領域の輻射率よりも高くてもよい。
【００２０】
本構成によれば、改質チューブは第２基体管の外周面において中央領域の輻射率がより高く、放熱量が大きくなるので、運転時に高温となるカートリッジに本構成に係る改質チューブを配置することで、より高温となるカートリッジ中央部の温度上昇を抑制することができる。なお、輻射率を高くするためには、例えば、中央領域外周面に黒色系薄膜の形成する、又は中央領域外周面に凹凸を形成する。
【００２１】
本発明の第二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基体管の外周面に複数の燃料電池セルが形成された複数のセルスタックと、内部に燃料ガスが流通する筒状の第２基体管の外周表面に燃料極が形成されて空気極が形成されない改質セルが形成された複数の改質チューブと、前記改質チューブの入口部毎に設けられ、前記改質チューブに流通する燃料ガスの流量を変化させる流量制御部と、を備える。
【００２２】
本発明の第二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燃料ガスが改質チューブの内周面に形成された改質セルの作用によって改質反応し、燃料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。
【００２３】
改質チューブの入口部毎には、流量制御部が設けられる。この流量制御部によって改質チューブへの燃料ガスの流量が増加し、改質チューブで吸熱反応が生じ、改質チューブの温度が下がる。また、運転時に高温となるカートリッジの中央領域に改質チューブを配置することにより、カートリッジの水平方向の温度分布が均一化される。
【００２４】
従って、本発明の第二態様に係る燃料電池装置によれば、複数のセルスタックが配置される燃料電池装置において、簡易な構成で温度分布を均一化できる。
【００２５】
上記第二態様では、前記流量制御部は、所定温度前後で形状が変化する形状変化部材によって、前記入口部を開閉する開閉部材を有し、前記形状変化部材は、前記所定温度未満では前記開閉部材によって前記開閉部材が閉じられる形状となり、前記所定温度以上では前記開閉部材によって前記開閉部材が開かれる形状となってもよい。
【００２６】
本構成によれば、所定温度未満で開閉部材によって入口部を閉じるように形状変化部材が変化し、所定温度以上で開閉部材によって入口部を開くように形状変化部材が変化するので、温度分布の均一性が低下する温度において改質チューブへの燃料ガスの流量が増加し、改質チューブで吸熱反応が生じ、改質チューブの温度が下がる。また、運転時に高温となるカートリッジの中央領域に改質チューブを配置することにより、カートリッジの水平方向の温度分布が均一化される。
従って、本構成によれば、複数のセルスタックが配置される燃料電池装置において、簡易な構成で温度分布を均一化できる。
【００２７】
上記第二態様では、前記形状変化部材は、前記開閉部材を前記改質チューブの長手方向に脱着動させてもよい。
【００２８】
本構成によれば、簡易に温度分布を均一化できる。
【００２９】
上記第二態様では、前記形状変化部材は、前記開閉部材の一端を中心として前記開閉部材を前記改質チューブの端部領域から脱着するよう回動させてもよい。
【００３０】
本構成によれば、簡易に温度分布を均一化できる。
【００３１】
上記第二態様では、前記流量制御部は、前記燃料ガスの流通方向と交差する方向に間隔を有し、前記所定温度で形状が変化する渦巻き形状であり、前記所定温度未満では前記間隔が狭まり、前記所定温度以上では前記間隔が広がることで前記燃料ガスの流路断面積を変化させてもよい。
【００３２】
本構成によれば、流量制御部は燃料ガスの流通方向と交差する方向に間隔を有し、所定温度で形状が変化する渦巻き形状、換言するとゼンマイ形状である。
そして、所定温度未満で渦巻き形状の間隔が狭まることで、改質チューブへの燃料ガスの流量が減少し、所定温度以上で渦巻き形状の間隔が広がることで、改質チューブへの燃料ガスの流量が増加し、改質チューブで吸熱反応が生じ、改質チューブの温度が下がるので、カートリッジの水平方向の温度分布が均一化される。これにより、複数のセルスタックの温度分布の均一性が低下する温度において、改質チューブへの燃料ガスの流量が増加するので、吸熱反応により温度が下がる。従って、本構成によれば、簡易な構成で温度分布を均一化できる。また、運転時に高温となるカートリッジの中央領域に改質チューブを配置することにより、カートリッジの水平方向の温度分布が均一化される。
【００３３】
本発明の第三態様に係る燃料電池システムは、上記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。
【００３４】
本構成によれば、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温度分布を簡易な構成で均一化できる。
【００３５】
上記第三態様では、燃料ガスが前記改質チューブで改質された改質ガスを含んでもよい。
【００３６】
上記第三態様では、前記改質チューブの他方の端部から排出される改質ガスを前記燃料電池装置の外部へと導く系統を更に備えてもよい。
【００３７】
本発明の第四態様に係る燃料電池装置の吸熱量制御方法は、内部に燃料ガスが流通する筒状の第１基体管の外周面に複数の燃料電池セルが形成された複数のセルスタックと、内部に燃料ガスが流通する筒状の第２基体管の外周表面に燃料極が形成されるものの空気極が形成されない改質セルが形成された複数の改質チューブと、を備える燃料電池装置の吸熱量制御方法であって、前記改質チューブの入口部毎に設けられる流量制御部を所定温度前後で形状が変化する形状変化部材によって作動させて、前記改質チューブに流通する燃料ガスの流量を変化させる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、複数のセルスタックが配置される燃料電池装置において、簡易な構成で温度分布を均一化できる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施形態に係る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中央領域の要部拡大図である。
【図６】図２に示す改質チューブの入口部側端部領域の要部拡大図である。
【図７】第２実施形態に係る改質チューブの外観図である。
【図８】図７に示す改質チューブの要部拡大図である。
【図９】第３実施形態に係る改質チューブの外観図である。
【図１０】第３実施形態に係る改質チューブの変形例の外観図である。
【図１１】第４実施形態に係る改質チューブの要部拡大図である。
【図１２】第５実施形態に係る改質チューブの要部拡大図である。
【図１３】第５実施形態に係る中子の外観図である。
【図１４】第６実施形態に係る改質チューブの要部拡大図である。
【図１５】第６実施形態に係る流量制御部の外観図である。
【図１６】第７実施形態に係る改質チューブの要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下に、本発明に係る燃料電池装置、燃料電池システムおよび燃料電池装置の吸熱量制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００４１】
〔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交する水平方向に対応してもよい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の内部に設けられ、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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１０２Ａ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。
【００４９】
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。
【００５０】
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（軸方向）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℃〜１０００℃の高い温度雰囲気となる。
【００５１】
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と連通されている。
【００５２】
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。
【００５３】
また、燃料ガス供給室２１７には、改質チューブ１０２Ａの一方の端部が、改質チューブ１０２Ａ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１０２Ａの基体管１０２ａの内部に略均一流量に分配されて導き、複数の改質チューブ１０２Ａの吸熱性能を略均一化させる。
【００５４】
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と連通されている。
【００５５】
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に導く。
【００５６】
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１０２Ａ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１０２Ａ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。
改質ガス排出部２３１ｃに導かれた改質ガスは、不図示の改質ガス取り出しラインへ導き、不図示のガス分離装置を用いて，材料ガスとして水素ガスを抽出することができる。このようなシステムではＳＯＦＣによる発電に加えて、水素ガスを供給することが可能となる。
また、再循環ラインを用いて、燃料ガス供給枝管２０７へと供給して、燃料ガス供給室２１７から燃料ガス供給部２３１ａへと導入されても良い。この場合、セルスタック１０１に導入される燃料ガス中の炭化水素（例えば、メタン（ＣＨ４）など）の濃度を低下させるため、燃料極１０９で燃料ガスを改質反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する負担が低減する。このため、負荷応答性の向上や燃料利用率の向上が容易になるなどの効果がある。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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１０２Ａ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１０２Ａがそれぞれ挿入されている。
【００６１】
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１０２Ａ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１０２Ａ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。
【００６２】
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１０２Ａ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１０２Ａの一方の端部を筒状のシール部材１０２ｂを介して支持する。
【００６３】
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１０２Ａ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。
【００６４】
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１０２Ａ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１０２Ａの他方の端部を筒状のシール部材１０２ｃを介して支持する。
【００６５】
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１０２Ａ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。
【００６６】
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１０２Ａ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１０２Ａの基体管１０２ａとは、同一形状となっている。
【００６７】
そのため、セルスタック１０１および改質チューブ１０２Ａ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１０２Ａ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。
【００６８】
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１０２Ａ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１０２Ａ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１０２Ａ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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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、下部ケーシング２２９ｂ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１０２Ａ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１０２Ａ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１０２Ａ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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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（後述の図４参照）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。
【００７５】
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。
【００７６】
基体管１０１ａは、内部に燃料ガスが流通する円筒状部材である。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、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）を含んでも良い。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。
【００７７】
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）
【００７８】
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）
【００７９】
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高い温度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１１３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。
【００８０】
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。
【００８１】
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１０７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。
【００８２】
次に、図５（Ａ），（Ｂ）及び図６を参照して本実施形態の改質チューブ１０２Ａについて説明する。図５（Ａ），（Ｂ）は、図２に示す改質チューブ１０２Ａの要部拡大図である。
改質チューブ１０２Ａは、図４に示したセルスタック１０１のうち、基体管１０２ａの外周面に燃料極１０９が形成されて空気極１１３が形成されない改質セル１０２ｄとしたものである。改質チューブ１０２Ａは、図５（Ｂ）に示すように、軸Ｘ２に沿って延びる円筒形状の基体管１０２ａと、基体管１０２ａの外周面に複数形成された燃料極１０９と固体電解質１１１と、隣り合う固体電解質１１１との間に形成されたインターコネクタ１０７とが積層して形成されたものである。固体電解質１１１とインターコネクタ１０７を形成することで、改質チューブ１０２Ａは気密性を保持することができる。
改質チューブ１０２Ａ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。
【００８３】
改質反応は、基体管１０２ａと燃料極１０９で行われる。基体管１０２ａは、主としてＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４で形成されるが、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）を含んでも良い。この基体管１０２ａの内周面に供給される燃料ガスを基体管１０２ａの細孔を介して基体管１０２ａの外周面に形成される燃料極１０９に拡散させる。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、基体管１０２ａと燃料極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、基体管１０２ａと燃料極１０９による改質セル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１０２Ａは周囲の温度を低下させる。
【００８４】
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ２０３にセルスタック１０１と共に改質チューブ１０２Ａを設けているのは、セルスタック１０１の発熱によって中央部付近の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１０２Ａ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１０２Ａ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。
【００８５】
図６は、本実施形態に係る改質チューブ１０２Ａの燃料ガスが流入される入口部１０２ｅ側の端部領域１２２の要部拡大図である。
本実施形態の改質チューブ１０２Ａは、基体管１０２ａの中央領域１２０の吸熱量が基体管１０２ａの端部領域１２２の吸熱量よりも大きい。
なお、中央領域１２０とは、基体管１０２ａの長手方向の中心部を基準に全長の略３分の１（１／３）程度である。入口部１０２ｅ側の端部領域（以下「入口側端部領域」という。）１２２ｅは入口部１０２ｅから全長の略３分の１とされ、出口部１０２ｆ側の端部領域（以下「出口側端部領域」という。）は出口部１０２ｆ側から全長の略３分の１とされる。
【００８６】
そして、図５（Ａ），（Ｂ）および図６に示す改質チューブ１０２Ａは、図４に示したセルスタック１０１と同様に、基体管１０２ａの軸方向において最も端に形成された固体電解質１１１とインターコネクタ１０７に接続されたリード膜１１５を有する。改質チューブ１０２Ａは、固体電解質１１１とインターコネクタ１０７とリード膜１１５を形成することで、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に組み込んだ際に、上部管板（支持体）２２５ａと下部管板（支持体）２２５ｂまでの範囲で、セルスタック１０１と同様に気密性を保持することができる。
基体管１０２ａは、改質チューブ１０２Ａとして新たに改質のための反応層を設ける必要が無く、従来のセルスタック１０１と同様な形成を行うも、空気極１１３が形成されていないことで発電を行うことなく、基体管１０２ａと燃料極１０９により炭化水素系ガスの改質反応を行う改質セル１０２ｄとしたものである。基体管１０２ａはさらに、入口部１０２ｅから中央領域１２０に至る内周面に、基体管１０２ａと燃料極１０９による改質セル１０２ｄの改質反応を抑制させる反応抑制層１０２ｇが形成される。
反応抑制層１０２ｇは、基体管１０２ａと燃料極１０９による改質セル１０２ｄへ燃料ガスとして用いられる炭化水素系ガスが透過することを抑制するものであり、例えば、アルミナ、マグネシアやシリカを成分とするセラミックス接着剤やこれらを成分とするスラリーが用いられ、基体管１０２ａや燃料極１０９と熱膨張係数が近いとともに、基体管１０２ａと燃料極１０９に比較して気密性が高いもしくは気密膜に近いことが好ましいものである。
【００８７】
図６の例では、反応抑制層１０２ｇは入口部１０２ｅ側が最も厚く、中央領域１２０に近づくにつれて徐々に薄くなっている。これにより、中央領域１２０に近づくにつれて徐々に炭化水素系ガスの吸熱量（改質量）が増加する。すなわち、改質チューブ１２０Ａの入口側端部領域１２２ｅと中央領域１２０との温度変化を緩やかにできる。なお、これに限らず、反応抑制層１０２ｇは、厚みに変化が無くてもよく、また、例えば、中央領域１２０に向かって階段状に厚みが変化してもよい。
【００８８】
このように、改質チューブ１０２Ａは、反応抑制層１０２ｇによって入口側端部領域１２２ｅにおける改質反応が抑制されるため、吸熱反応である改質反応は改質チューブ１０２Ａの入口側端部領域１２２ｅでは殆ど生じず、炭化水素系ガスは殆ど改質されることなく中央領域１２０へ流通することとなる。図６のように反応抑制層１０２ｇは入口部１０２ｅ側から中央領域１２０に近づくにつれて薄くなっている場合は中央領域１２０に近づくにつれて吸熱反応である改質反応が増加するが、炭化水素系ガスは多くが改質されることなく中央領域１２０へ流通することとなる。このため、炭化水素系ガスの改質である吸熱反応は入口側端部領域１２２ｅよりも中央領域１２０において生じる。この結果、改質チューブ１０２Ａの中央領域１２０は端部領域１２２に比べて温度が低下する。
【００８９】
従って、複数の改質チューブ１０２Ａを複数のセルスタック１０１と共にＳＯＦＣカートリッジ２０３内に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内のセルスタック１０１の長手方向において、両端部に比べて高温となる中央部付近により吸熱が行われるので中央部付近の温度上昇を抑制できる。すなわち、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、改質チューブ１０２Ａによって簡易な構成でセルスタック１０１の長手方向（ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上下方向）における温度分布を均一化できる。また、改質チューブ１０２Ａを高温となるＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央部に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平方向の温度分布を均一化することもできる。
【００９０】
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について説明する。
【００９１】
図７は、本実施形態に係る改質チューブ１０２Ｂの外観図である。図８は、改質チューブ１０２Ｂの要部拡大図である。
【００９２】
改質チューブ１０２Ｂは、基体管１０２ａの一方の端部領域である入口側端部領域１２２ｅと他方の端部領域である出口側端部領域１２２ｆの外周面に少なくとも１つの燃料電池セル１０５が形成され、基体管１０２ａの中央領域１２０の外周面が改質セル１０２ｄとして形成される。すなわち、入口側端部領域１２２ｅと出口側端部領域１２２ｆは発電部１３０であり、中央領域１２０は非発電部１３２である。
このように、改質チューブ１０２Ｂは、発電部１３０を有するものの、中央領域１２０は非発電部１３２とされて基体管１０２ａと燃料極１０９による改質反応のみが行われるため、セルスタックではなく改質チューブとされる。中央領域１２０は燃料極１０９による改質セル１０２ｄのセル長さが長く延在するものであり改質セル１０２ｄの両端部分で、発電部１３０の燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７を介して電気的に直列に接合されたものである。
また、改質チューブ１０２Ｂの入口側端部領域１２２ｅの内周面には、上述した第１実施形態に係る反応抑制層１０２ｇが形成されてもよい。
【００９３】
図８に示されるように、入口側端部領域１２２ｅの燃料極１０９と中央領域１２０の燃料極１０９と出口側端部領域１２２ｆの燃料極１０９とは、インターコネクタ１０７を介して直列に接続される。これにより、入口側端部領域１２２ｅで発電された直流電力が出口側端部領域１２２ｆへ導出され、出口側端部領域１２２ｆで発電された直流電力と共にＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電機構に導出される。
【００９４】
このように、本実施形態に係る改質チューブ１０２Ｂは、基体管１０２ａの入口側端部領域１２２ｅの外周面と出口側端部領域１２２ｆの外周面に空気極１１３と燃料極１０９とが形成されるので、入口側端部領域１２２ｅと出口側端部領域１２２ｆでは発電する。一方、基体管１０２ａの中央領域１２０の外周面には空気極１１３が形成されないので、中央領域１２０では発電しない。
改質チューブ１０２Ｂは全体で改質反応（吸熱反応）が生じ、入口側端部領域１２２ｅと出口側端部領域１２２ｆでは発電により発熱する一方、中央領域１２０では発熱しない。すなわち、改質チューブ１０２Ｂの中央領域１２０は発熱しないため、発熱する入口側端部領域１２２ｅと出口側端部領域１２２ｆに比べて、相対的に吸熱量が多いといえるこのため、改質チューブ１０２Ｂの中央領域１２０の温度は、端部領域１２２に比べ低くなる。
【００９５】
従って、複数の改質チューブ１０２Ｂを複数のセルスタック１０１と共にＳＯＦＣカートリッジ２０３内に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内のセルスタック１０１の長手方向において高温となる中央部の温度上昇を抑制できるため、セルスタック１０１の長手方向（ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上下方向）における温度分布を均一化できる。また、改質チューブ１０２Ｂを高温となるＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央部に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平方向の温度分布を均一化することもできる。
【００９６】
なお、本実施形態では、第２基体管１０２ａの一方の端部領域１２２ｅと他方の端部領域１２２ｆの外周面に少なくとも１つの燃料電池セル１０５が形成される実施形態を説明したが、燃料電池セル１０５が形成される端部領域はいずれか一方でもよい。
【００９７】
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について説明する。
【００９８】
図９は、本実施形態に係る改質チューブ１０２Ｃの外観図である。
【００９９】
改質チューブ１０２Ｃは、第１実施形態で示した基体管１０２ａの外周面において中央領域１２０の輻射率が端部領域１２２の輻射率よりも高い。
図９に示す改質チューブ１０２Ｃは、一例として、中央領域１２０の外周面に黒色系薄膜１４０Ａが形成されることで、端部領域１２２の外周面に比べて輻射率が高くされる。黒色系薄膜１４０Ａは、例えば、ＬａＭｎ系酸化物等が中央領域１２０の外周面に蒸着される等して形成される。
【０１００】
このように、改質チューブ１０２Ｃは基体管１０２ａの中央領域１２０の外周面の輻射率が高く、放熱量が大きくなる。すなわち、改質チューブ１０２Ｃは全体で改質反応（吸熱反応）が生じるものの、中央領域１２０は、外周面の輻射率が高く放熱量が多いため、端部領域１２２に比べて、相対的に吸熱量が大きいといえる。このため、改質チューブ１０２Ｃの中央領域１２０の温度は、端部領域１２２に比べ低くなる。
【０１０１】
従って、複数の改質チューブ１０２Ｃを複数のセルスタック１０１と共にＳＯＦＣカートリッジ２０３内に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３内のセルスタック１０１の長手方向において高温となる中央部のセルスタック１０１の温度上昇を抑制できるため、セルスタック１０１の長手方向（ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上下方向）における温度分布を均一化できる。また、改質チューブ１０２Ｃを高温となるＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央部に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平方向の温度分布を均一化することもできる。
【０１０２】
なお、図９に示す改質チューブ１０２Ｃの入口側端部領域１２２ｅには、上述した第１実施形態に係る反応抑制層１０２ｇが形成されてもよい。さらに、改質チューブ１０２Ｃの入口側端部領域１２２ｅと出口側端部領域１２２ｆに、第２実施形態の空気極１１３と燃料極１０９とが形成されて発電が行われてもよい。
【０１０３】
図１０は、本第３実施形態に係る改質チューブ１０２Ｃの変形例の外観図である。
図１０に示す改質チューブ１０２Ｃは、中央領域１２０の外周面に凹凸形状１４０Ｂが形成されることで、端部領域１２２の外周面に比べて表面積が大きくなり、輻射率が高くなる。これにより、中央領域１２０の外周面は端部領域１２２の外周面に比べてより放熱量が大きくなる。このため、改質チューブ１０２Ｃの中央領域１２０の温度は、端部領域１２２に比べ低くなる。
なお、中央領域１２０の外周面の凹凸形状１４０Ｂは、基体管１０２ａを形成する際に付与されてもよいし、固体電解質１１１を形成する際に固体電解質１１１表面に固体電解質１１１の微粒子を付着させて付与されてもよい。
【０１０４】
〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態について説明する。
【０１０５】
図１１は、本実施形態に係る改質チューブ１０２Ｄの要部拡大図である。
【０１０６】
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してゆくことは、セルスタック１０１の温度が上昇するとともに発生し、セルスタック１０１や改質チューブ１０２Ｄの入口側端部領域の温度も上昇する。
そこで、改質チューブ１０２Ｄは、入口部１０２ｅ毎に流量制御部１５０Ａが設けられる。流量制御部１５０Ａは、改質チューブ１０２Ｄの入口部１０２ｅが所定温度前後で形状が変化する形状変化部材１５２Ａによって、改質チューブ１０２Ｄに流通する燃料ガスとして用いられる炭化水素系ガスの流量を変化させる。すなわち、複数のセルスタック１０１の中央部である一部領域の温度が上昇してゆくことで、温度分布の均一性が低下するので、このときセルスタック１０１の燃料ガス入口部温度も上昇し、同様に改質チューブ１０２Ｄの入口部１０２ｅの温度も上昇することになる。このため上記所定温度において、形状変化部材１５２Ａが変化して、改質チューブ１０２Ｄへの炭化水素系ガスの流量が増加することで、吸熱反応により改質チューブ１０２Ｄの温度が下がるように自己制御するので好ましい。なおここで、所定温度とは、ＳＯＦＣの最小負荷発電運転時のセルスタック入口側端部温度を示すものである。
また、以下の説明において、上記所定温度以上を「高温」ともいい、所定温度未満を「低温」ともいう。
【０１０７】
本実施形態に係る流量制御部１５０Ａは、入口部１０２ｅを開閉する開閉部材１５４Ａを有し、形状変化部材１５２Ａは、所定温度未満では開閉部材１５４Ａによって入口部１０２ｅを閉じる形状となり、所定温度以上では開閉部材１５４Ａによって入口部１０２ｅを開く形状となる。
図１１の例では、流量制御部１５０Ａを構成する開閉部材１５４Ａはキャップ形状とされ、形状変化部材１５２Ａが螺旋形状（バネ形状）とされ、開閉部材１５４Ａは形状変化部材１５２Ａの伸縮によって脱着動する。
【０１０８】
本実施形態に係る開閉部材１５４Ａは、円板部１５６と筒部１５７とで形成される。筒部１５７の内径は改質チューブ１０２Ｄの外径よりやや大きく、改質チューブ１０２Ｄに挿通可能とされている。そして、筒部１５７は、端部に円板部１５６が設けられ、一体成型とされる。
【０１０９】
形状変化部材１５２Ａは、開閉部材１５４Ａの内部に配置され、上端が円板部１５６に接合され、下端が改質チューブ１０２Ｄの上端（入口部１０２ｅ）に接合される。
形状変化部材１５２Ａは、形状記憶合金やバイメタルで形成される。なお、形状変化部材１５２Ａを形状記憶合金で形成する場合は、例えば、Ｎｉ−Ｔｉ系合金やＮｉ−Ｔｉ−Ｃｕ系合金が用いられる。また、形状変化部材１５２Ａをバイメタルで形成する場合は、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系が用いられる。
なお、形状変化部材１５２Ａは、ＳＯＦＣ運転時よりも緊急で停止した場合でも健全であることを考慮すると、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である７００℃〜１０００℃の高い温度雰囲気で使用可能であれば、他の金属材料を用いてもよい。
【０１１０】
そして、図１１（Ａ）に示すように、改質チューブ１０２Ｄの入口部１０２ｅが低温時には形状変化部材１５２Ａが縮んだ形状となり、開閉部材１５４Ａの筒部１５７が入口部１０２ｅの外周面を覆うため、炭化水素系ガスの改質チューブ１０２Ｄへの流通が開閉部材１５４Ａによって阻害される。一方、図１１（Ｂ）に示すように、改質チューブ１０２Ｄの入口部１０２ｅが高温時には形状変化部材１５２Ａが熱膨張等により伸びた形状となり、入口部１０２ｅの外周面を覆っていた開閉部材１５４Ａが入口部１０２ｅの上方へ移動するため、炭化水素系ガスが改質チューブ１１０２Ｄの内部へ流通する。
【０１１１】
このように、複数のセルスタック１０１の温度分布の均一性が低下する高温において、炭化水素系ガスが改質チューブ１０２Ｄへ流通する流路断面積を変化させて炭化水素系ガスの流通流量を変化させて、改質チューブ１０２Ｄの吸熱量を制御することができる。改質チューブ１０２Ｄへの炭化水素系ガスの流量が増加するので、改質チューブ１０２Ｄで吸熱反応が生じ、改質チューブ１０２Ｄの温度が下がる。
従って、流量制御部１５０Ａを備える複数の改質チューブ１０２Ｄを発電室２１５内において相対的に高温となる場所に配置することによって、簡易な構成で発電室２１５内の温度分布を均一化できる。すなわち、改質チューブ１０２Ｄを高温となるＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央部に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平方向の温度分布が均一化される。
【０１１２】
なお、図１１の例では、改質チューブ１０２Ｄの中央部により吸熱が行われるように改質チューブ１０２Ｄの入口側端部領域１２２ｅの内周面に反応抑制層１０２ｇが形成されているが、これに限らず、改質チューブ１０２Ｄの入口側端部領域１２２ｅの内周面に反応抑制層１０２ｇが形成されなくてもよく、セルスタック１０１の入口側の吸熱はあるもののセルスタック１０１の中央部付近の高温部分からの吸熱効果を得ることができる。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１の温度上昇に伴い、改質チューブ１０２Ｄの吸熱量を変化させることによってセルスタック１０１の温度分布を均一化できる。
【０１１３】
〔第５実施形態〕
以下、本発明の第５実施形態について説明する。
【０１１４】
図１２は、本実施形態に係る改質チューブ１０２Ｅの要部拡大図である。
改質チューブ１０２Ｅは、入口部１０２ｅ毎に流量制御部１５０Ｂが設けられる。
図１２の例では、流量制御部１５０Ｂを構成する開閉部材１５４Ｂが蓋形状とされ、形状変化部材１５２Ｂが第４実施形態と同様に螺旋形状（バネ形状）とされ、開閉部材１５４Ｂは形状変化部材１５２Ｂの伸縮によって改質チューブ１０２Ｅの長手方向へ脱着動する。
【０１１５】
なお、開閉部材１５４Ｂは、直径が改質チューブ１０２Ｅの外径とほぼ等しい円板で形成される。
形状変化部材１５２Ｂは、上端が開閉部材１５４Ｂに接合される。そして、形状変化部材１５２Ｂは、改質チューブ１０２Ｅ内部に挿入されている中子１６０によって支持されて、改質チューブ１０２Ｅの内部に配置される。
【０１１６】
図１３は、本実施形態に係る中子１６０の外観図であり、図１３（Ａ）は中子１６０の上面図であり、図１３（Ｂ）は中子１６０を改質チューブ１０２Ｅの内部に配置した状態を示す。
中子１６０は、炭化水素系ガスが通過する構造体である。この中子１６０は、一例として、円環部材１６２の外周面に高い作動温度に耐える金属製もしくはセラミックス製の３本の棒１６４が等間隔で配置される。この３本の棒１６４の端部が改質チューブ１０２Ｅの上端に固定され、円環部材１６２が改質チューブ１０２Ｅの内部に位置することとなる。この円環部材１６２上に形状変化部材１５２Ｂが配置される。
【０１１７】
そして、図１２（Ａ）に示すように、改質チューブ１０２Ｅの入口部１０２ｅが低温時には形状変化部材１５２Ｂが縮んだ形状となり、開閉部材１５４Ｂが入口部１０２ｅを閉じるため、炭化水素系ガスの改質チューブ１０２Ｅへの流通が開閉部材１５４Ｂによって阻害される。一方、図１２（Ｂ）に示すように、改質チューブ１０２Ｅの入口部１０２ｅが高温時には形状変化部材１５２Ｂが伸びた形状となり、入口部１０２ｅを閉じていた開閉部材１５４Ｂが入口部１０２ｅの上方へ移動するため、炭化水素系ガスが改質チューブ１０２Ｅの内部へ流通する。
【０１１８】
このように、複数のセルスタック１０１の温度分布の均一性が低下する高温において、改質チューブ１０２Ｅへの炭化水素系ガスの流量が増加するので、改質チューブ１０２Ｅで吸熱反応が生じ、改質チューブ１０２Ｅの温度が下がる。
従って、流量制御部１５０Ｂを備える複数の改質チューブ１０２Ｅを発電室２１５内において相対的に高温となる場所に配置することによって、発電室２１５内の温度分布を均一化できる。すなわち、改質チューブ１０２Ｅを高温となるＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央部に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平方向の温度分布が均一化される。
【０１１９】
なお、図１２の例では、改質チューブ１０２Ｅの中央部により吸熱が行われるように改質チューブ１０２Ｅの入口側端部領域１２２ｅの内周面に反応抑制層１０２ｇが形成されていないが、これに限らず、改質チューブ１０２Ｅの入口側端部領域１２２ｅの内周面に反応抑制層１０２ｇが形成されてもよく、セルスタック１０１の中央部付近の高温部分からの吸熱効果を入り口側（端部側）よりも相対的に大きく得ることができる。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１の温度上昇に伴い、改質チューブ１０２Ｅの吸熱量を変化させることによってセルスタック１０１の長手方向における温度分布を均一化できる。
【０１２０】
〔第６実施形態〕
以下、本発明の第６実施形態について説明する。
【０１２１】
図１４は、本実施形態に係る改質チューブ１０２Ｆの要部拡大図である。
改質チューブ１０２Ｆは、入口部１０２ｅ毎に流量制御部１５０Ｃが設けられる。
図１４の例では、流量制御部１５０Ｃを構成する開閉部材１５４Ｃは、蓋形状とされ、形状変化部材１５２Ｃは、開閉部材１５４Ｃの一端を中心として開閉部材１５４Ｃを改質チューブ１０２の端部領域１０２ｅから脱着するよう回動させるヒンジ形状とされる。
【０１２２】
開閉部材１５４Ｃは、直径が改質チューブ１０２Ｆの外径とほぼ等しい円板で形成される。
図１５に示すように形状変化部材１５２Ｃは、開閉部材１５４Ｃに接合される第１部材１５４Ｃ１と円環部材１７０に接合される第２部材１５４Ｃ２とで形成される。
開閉部材１５４Ｃは、形状変化部材１５２Ｃを介して円環部材１７０に接続される。そして、形状変化部材１５２Ｃは、形状が変化（伸縮）することで、第１部材１５４Ｃ１が第２部材１５４Ｃ２に対して回動し、この結果、開閉部材１５４Ｃを紙面の上下方向に（改質チューブ１０２Ｆの端面にある円環部材１７０から脱着させる方向）回動させる。
なお、円環部材１７０は、その内径および外径が改質チューブ１０２Ｆの内径および外径とほぼ等しく、改質チューブ１０２Ｆの入口部１０２ｅ側の端部に配置される。
【０１２３】
そして、図１４（Ａ）に示すように、改質チューブ１０２Ｆの入口部１０２ｅが低温時には形状変化部材１５２Ｃが縮んだ形状となり、開閉部材１５４Ｃが入口部１０２ｅを閉じるため、炭化水素系ガスの改質チューブ１０２Ｆへの流通が開閉部材１５４Ｃによって阻害される。一方、図１４（Ｂ）に示すように、改質チューブ１０２Ｆの入口部１０２ｅが高温時には形状変化部材１５２Ｃが伸びた形状となり、入口部１０２ｅを閉じていた開閉部材１５４Ｃが入口部１０２ｅの上方へ回動して入口部１０２ｅ開くため、炭化水素系ガスが改質チューブ１０２Ｆの内部へ流通する。
【０１２４】
このように、複数のセルスタック１０１の温度分布の均一性が低下する高温において、改質チューブ１０２Ｆへの炭化水素系ガスの流量が増加するので、改質チューブ１０２Ｆで吸熱反応が生じ、改質チューブ１０２Ｆの温度が下がる。
従って、流量制御部１５０Ｃを備える複数の改質チューブ１０２Ｆを発電室２１５内において相対的に高温となる場所に配置することによって、発電室２１５内の温度分布を均一化できる。すなわち、改質チューブ１０２Ｆを高温となるＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央部に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平方向の温度分布が均一化される。
【０１２５】
なお、図１４の例では改質チューブ１０２Ｆの中央部により吸熱が行われるように、改質チューブ１０２Ｆの入口側端部領域１２２ｅの内周面に反応抑制層１０２ｇが形成されているが、これに限らず、改質チューブ１０２Ｆの入口側端部領域１２２ｅの内周面に反応抑制層１０２ｇが形成されなくてもよく、セルスタック１０１の入口側の吸熱はあるもののセルスタック１０１の中央部付近の高温部分からの吸熱効果を得ることができる。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１の温度上昇に伴い、改質チューブ１０２Ｆの吸熱量を変化させることによってセルスタック１０１の温度分布を均一化できる。
【０１２６】
〔第７実施形態〕
以下、本発明の第７実施形態について説明する。
【０１２７】
図１６は、本実施形態に係る改質チューブ１０２Ｇの要部拡大図である。
改質チューブ１０２Ｇは、入口部１０２ｅ毎に流量制御部１５０Ｄが設けられる。
図１６の例では、流量制御部１５０Ｄは、炭化水素系ガスの流通方向と交差する方向に間隔Ｗ（クリアランス）を有し、所定温度で形状が変化する渦巻き形状、換言するとゼンマイ形状の形状変化部材１５２Ｄとされる。すなわち、渦巻き形状の形状変化部材１５２Ｄは、所定温度未満では間隔Ｗが狭まり（図１６（Ａ１））、所定温度以上では間隔Ｗが広がる（図１６（Ｂ１））。
【０１２８】
なお、形状変化部材１５２Ｄは、間隔Ｗが狭まった状態において外径が改質チューブ１０２Ｇの内径よりも大きく、改質チューブ１０２Ｇの入口部１０２ｅ側の端部に配置される。形状変化部材１５２Ｄは、改質チューブ１０２Ｅ内部に挿入されている中子１６０によって支持される。
【０１２９】
そして、図１６（Ａ２）に示すように、改質チューブ１０２Ｇの入口部１０２ｅが低温時には形状変化部材１５２Ｄの間隔Ｗが狭まることで、間隔Ｗを介して改質チューブ１０２Ｇに流通する炭化水素系ガスの流路断面積が小さくなり流量が減少する。一方、図１６（Ｂ２）に示すように、改質チューブ１０２Ｇの入口部１０２ｅが高温時には形状変化部材１５２Ｄの間隔Ｗが広がることで、炭化水素系ガスの流路断面積が増加するので間隔Ｗを介して改質チューブ１０２Ｇに流通する炭化水素系ガスの流量が増加するする。
【０１３０】
このように、複数のセルスタック１０１の温度分布の均一性が低下する高温において、改質チューブ１０２Ｇへの炭化水素系ガスの流量が増加するので、改質チューブ１０２Ｇで吸熱反応が生じ、改質チューブ１０２Ｇの温度が下がる。
従って、流量制御部１５０Ｄを備える複数の改質チューブ１０２Ｇを発電室２１５内において相対的に高温となる場所に配置することによって、発電室２１５内の温度分布を均一化できる。すなわち、改質チューブ１０２Ｇを高温となるＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央部に配置することによって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の水平方向の温度分布が均一化される。
【０１３１】
なお、図１６の例では改質チューブ１０２Ｇの中央部により吸熱が行われるように、改質チューブ１０２Ｇの入口側端部領域１２２ｅの内周面に反応抑制層１０２ｇが形成されていないが、これに限らず、改質チューブ１０２Ｇの入口側端部領域１２２ｅの内周面に反応抑制層１０２ｇが形成されてもよく、セルスタック１０１の中央部付近の高温部分からの吸熱効果を入り口側（端部側）よりも相対的に大きく得ることができる。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、セルスタック１０１の温度上昇に伴い、改質チューブ１０２Ｅの吸熱量を変化させることによってセルスタック１０１の長手方向における温度分布を均一化できる。
【０１３２】
以上、本発明を、上記各実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１０１    セルスタック
１０１ａ  基体管（第１基体管）
１０２Ａ    改質チューブ
１０２Ｂ    改質チューブ
１０２Ｃ    改質チューブ
１０２Ｄ    改質チューブ
１０２Ｅ    改質チューブ
１０２Ｆ    改質チューブ
１０２Ｇ    改質チューブ
１０２ａ  基体管（第２基体管）
１０２ｄ  改質セル
１０２ｅ  入口部
１０２ｆ  出口部
１０２ｇ  反応抑制層
１０５    燃料電池セル
１０９    燃料極
１１３    空気極
１２０    中央領域
１２２    端部領域
１４０Ａ  黒色系薄膜
１４０Ｂ  凹凸形状
１５０    流量制御部
１５２    形状変化部材
１５４    開閉部材
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
【図１】
2017073369.tif 000003
【図２】
2017073369.tif 000004
【図３】
2017073369.tif 000005
【図４】
2017073369.tif 000006
【図５】
2017073369.tif 000007
【図６】
2017073369.tif 000008
【図７】
2017073369.tif 000009
【図８】
2017073369.tif 000010
【図９】
2017073369.tif 000011
【図１０】
2017073369.tif 000012
【図１１】
2017073369.tif 000013
【図１２】
2017073369.tif 000014
【図１３】
2017073369.tif 000015
【図１４】
2017073369.tif 000016
【図１５】
2017073369.tif 000017
【図１６】
2017073369.tif 000018