JP2016213085A - 固体酸化物型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排燃料ガスから水素を分離して有効活用しつつ、水素が分離された排燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料として利用可能にする。【解決手段】燃料極側に供給される燃料ガスに含まれる水素および一酸化炭素と空気極側に供給される酸化性ガスとを反応させるセルスタック１０１と、セルスタック１０１に隣接して配置されるとともに炭化水素系ガスを改質して水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する改質チューブ１０２と、改質チューブ１０２から排出される燃料ガスＧ３に含まれる水素を分離して一酸化炭素を含む第１排燃料ガスＧ１を排出する水素分離器２７０と、水素分離器２７０から排出される第１排燃料ガスＧ１をセルスタック１０１の燃料極へ供給する第２排燃料ガス循環系統２４１と、を備えるＳＯＦＣモジュール２０１を提供する。【選択図】図７

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池システムに関する。

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化学反応により水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む混合ガスに改質し、混合ガスから分離した水素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。

特開２０１３−８０６７７号公報

特許文献１に開示された燃料電池を備える発電システムにおいては、都市ガス等の燃料を水素および一酸化炭素を含む燃料ガスに改質し、燃料電池で使用された燃料ガス中の残存燃料をガスタービンシステムの燃料として用いるものである。
近年では水素および一酸化炭素を含む燃料ガスから水素のみを分離して利用する要求が高まっているが、特許文献１のシステムは水素および一酸化炭素が混合された燃料ガスを燃料電池及びガスタービンシステムの燃料として用いるものであるため、水素のみを分離して利用することについて考慮されていなかった。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、排燃料ガスから水素を分離して有効活用しつつ、水素が分離された排燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料として利用可能にした固体酸化物型燃料電池システムを提供することを目的とする。

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固体酸化物型燃料電池システムは、燃料極と電解質と空気極とが順次積層して形成されるとともに前記燃料極側に供給される燃料ガスに含まれる水素および一酸化炭素と前記空気極側に供給される酸化性ガスとを反応させる固体酸化物型燃料電池と、前記固体酸化物型燃料電池に隣接して配置されるとともに炭化水素系ガスを改質して水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部から排出される前記燃料ガスに含まれる水素を分離して一酸化炭素を含む第１排燃料ガスを排出する水素分離器と、前記水素分離器から排出される前記第１排燃料ガスを前記燃料極へ供給する供給流路と、を備える。

本発明の一態様に係る固体酸化物型燃料電池システムによれば、改質部に供給される炭化水素系ガスを改質して、水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成するとともに該燃料ガスを排出する。改質部から排出された燃料ガスは水素分離器に供給され、高純度の水素が生成される。一方、水素が分離された燃料ガスは、一酸化炭素を含む第１排燃料ガスとして水素分離器から排出される。

本発明の一態様に係る固体酸化物型燃料電池システムによれば、水素分離器から排出された第１排燃料ガスが供給流路を介して固体酸化物型燃料電池の燃料極へ供給される。固体酸化物型燃料電池は、一酸化炭素と酸化性ガスとを反応させて電力を得ることが可能である。そのため、供給流路を介して燃料極へ供給される一酸化炭素が燃料ガスとして利用される。

このように、本発明の一態様に係る固体酸化物型燃料電池システムによれば、固体酸化物型燃料電池の燃料極側に供給される燃料ガスに含まれる水素および一酸化炭素と空気極側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、改質部に供給される炭化水素系ガスが改質反応し、炭化水素系ガスから水素及び一酸化炭素を含む合成ガスが生成される。
固体酸化物型燃料電池における電池反応は発熱反応であり、改質部における改質反応は吸熱反応であるため、固体酸化物型燃料電池の過剰な発熱を防止することができる。
また、改質部から供給される燃料ガスから水素を分離して高純度の水素ガスを得ることができる。また、改質器から供給される燃料ガスに含まれる一酸化炭素を、供給流路を介して固体酸化物型燃料電池へ再び供給し、燃料ガスとして利用することができる。

本発明の一態様に係る固体酸化物型燃料電池システムにおいて、前記固体酸化物型燃料電池には炭化水素系ガスが供給され、前記固体酸化物型燃料電池は、前記炭化水素系ガスを改質反応させて前記燃料ガスを生成して前記燃料極側に供給し、前記固体酸化物型燃料電池から排出される第２排燃料ガスを前記水素分離器へ供給する構成としてもよい。
このようにすることで、固体酸化物型燃料電池から排出される第２排燃料ガスから水素を分離して高純度の水素ガスを得ることができる。また、固体酸化物型燃料電池から排出される第２排燃料ガスに含まれる一酸化炭素を、供給流路を介して固体酸化物型燃料電池へ再び供給し、燃料ガスとして利用することができる。

本発明の一態様に係る固体酸化物型燃料電池システムにおいては、前記固体酸化物型燃料電池から排出される前記第２排燃料ガスを前記水素分離器の上流側から前記固体酸化物型燃料電池へ循環させる循環流路を備えるものであってもよい。
このようにすることで、固体酸化物型燃料電池から排出される第２排燃料ガスに含まれる未反応の水素および一酸化炭素を再び固体酸化物型燃料電池へ供給して燃料ガスとして再利用することができる。

本発明によれば、排燃料ガスから水素を分離して有効活用しつつ、水素が分離された排燃料ガスに含まれる一酸化炭素を燃料として利用可能にした固体酸化物型燃料電池システムを提供することができる。

ＳＯＦＣモジュールの一態様を示す斜視図である。 図１に示すＳＯＦＣカートリッジの縦断面図である。 図１に示すＳＯＦＣカートリッジの斜視図である。 図２に示すセルスタックの要部拡大図である。 図２に示す改質チューブの要部拡大図である。 図２に示すＳＯＦＣカートリッジの平面図である。 ＳＯＦＣモジュールを示す概略構成図である。 ＳＯＦＣモジュールの変形例を示す概略構成図である。

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。

以下、図面を参照して本実施形態のＳＯＦＣモジュール（固体酸化物型燃料電池システム）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（Ｈ_２）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（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）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。

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。

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。

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。

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。燃料ガス排出管２０９に導かれた排燃料ガスは、その一部が後述する第１排燃料ガス循環系統２４０（循環流路）に導かれ、その他が後述する水素分離器２７０に導かれる。

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。

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（固体酸化物型燃料電池）１０１と、複数の改質チューブ（改質器）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。

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。

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。

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。

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。

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、複数の改質チューブ１０２の吸熱性能を略均一化させる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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とを順次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。

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ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４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。

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（ＣＨ_４）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（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ （１）

また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ_２）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（Ｏ^２−）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（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）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。
Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （２）
ＣＯ＋Ｏ^２− → ＣＯ_２＋２ｅ⁻ （３）

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（Ｏ^２−）を燃料極に移動させるものである。
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３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（Ｏ^２−）を生成するものである。

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（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。

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。

このように、セルスタック１０１は、燃料極１０９側に供給される燃料ガスに含まれる水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）と空気極１１３側に供給される酸化性ガスとを電気化学的に反応させ、直流電力を得るものである。

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。

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（ＣＨ_４）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（Ｈ_２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

次に、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１における各種のガスの流通系統について図７を参照して説明する。
本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１は、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２に含まれる水素を水素分離器２７０で分離し、一酸化炭素を含む第１排燃料ガスＧ１をセルスタック１０１へ供給するものである。

図７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から排出される第２排燃料ガスＧ２および改質チューブ１０２から排出される燃料ガスＧ３に含まれる水素を分離する水素分離器２７０と、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２の一部を燃料ガス供給枝管２０７ａへ循環させる第１排燃料ガス循環系統（循環流路）２４０と、水素分離器２７０から排出される第１排燃料ガスＧ１を第１排燃料ガス循環系統２４０へ供給する第２排燃料ガス循環系統（供給流路）２４１とを備える。

水素分離器２７０は、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２および改質チューブ１０２から排出される燃料ガスＧ３から水素を分離し、高純度の水素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７のＳＯＦＣモジュール２０１によれば、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２に含まれる未反応の水素および改質チューブ１０２における水蒸気改質反応により生成された燃料ガスＧ３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。

セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２には、燃料ガス供給枝管２０７ａから供給される炭化水素系ガスの未改質分と、セルスタック１０１の内部での改質反応により生成された水素および一酸化炭素の未反応分と、セルスタック１０１における水素および一酸化炭素と酸化性ガスとの反応により生成される水蒸気および二酸化炭素とが含まれている。
また、改質チューブ１０２から排出される燃料ガスＧ３には、燃料ガス供給枝管２０７ａから供給される炭化水素系ガスの未改質分と、セルスタック１０１の内部での改質反応により生成された水素および一酸化炭素が含まれている。

そのため、水素分離器２７０により水素が分離されて排出される第１排燃料ガスＧ１には、炭化水素系ガス、一酸化炭素、水蒸気および二酸化炭素が含まれている。
特に、改質チューブ１０２から排出される燃料ガスＧ３には、炭化水素系ガスの水蒸気改質反応により生成されてそのまま水素分離器２７０に導かれる一酸化炭素が多く含まれている。

第１排燃料ガス循環系統２４０は、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２の一部を第２排燃料ガス循環系統２４１へ合流させる流路である。第２排燃料ガス循環系統２４１は、水素分離器２７０から排出される第１排燃料ガスＧ１を燃料ガス供給枝管２０７ａへ供給する流路である。第２排燃料ガス循環系統２４１の流路上には、循環ブロワ２５０と流量調整弁２６０とが設けられている。

循環ブロワ２５０は、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２の一部を、第１排燃料ガス循環系統２４０および第２排燃料ガス循環系統２４１を介して燃料ガス供給枝管２０７ａまで導くように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から排出される第１排燃料ガスＧ１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。

第１排燃料ガス循環系統２４０へ供給された第２排燃料ガスＧ２は、第１排燃料ガスＧ１と合流した後に第２排燃料ガス循環系統２４１を経由して、燃料ガス供給枝管２０７ａまで導かれる。燃料ガス供給枝管２０７ａまで導かれた第２排燃料ガスＧ２および第１排燃料ガスＧ１の混合ガスは、セルスタック１０１および改質チューブ１０２へ導かれる。

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。

第１排燃料ガス循環系統２４１に導かれる第２排燃料ガスＧ２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、第１排燃料ガス循環系統２４０から燃料ガス供給枝管２０７ａへ第１排燃料ガスＧ１を供給することで、改質チューブ１０２に供給される炭化水素系ガスの温度が上昇する。
一方で、第１排燃料ガス循環系統２４１に導かれる第２排燃料ガスＧ２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、第１排燃料ガス循環系統２４１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。

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に供給される炭化水素系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。

また、第１排燃料ガス循環系統２４０から燃料ガス供給枝管２０７ａへ第２排燃料ガスＧ２および第１排燃料ガスＧ１を供給することにより、これらの排燃料ガスがセルスタック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。第２排燃料ガスＧ２が再利用できるのは、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）の未改質分と、水蒸気改質反応により生成される一酸化炭素（ＣＯ）の未反応分とが含まれているからである。また、第１排燃料ガスＧ１が再利用できるのは、改質チューブ１０２で生成される一酸化炭素（ＣＯ）が含まれているからである。

なお、以上においては、燃料ガス供給枝管２０７ａまで導かれた第２排燃料ガスＧ２および第１排燃料ガスＧ１の混合ガスを、改質チューブ１０２に導くものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、第２排燃料ガスＧ２および第１排燃料ガスＧ１の混合ガスを、改質チューブ１０２には導かず、セルスタック１０１のみに導くようにしてもよい。

このようにすることで、一酸化炭素を含む第２排燃料ガスＧ２および第１排燃料ガスＧ１の混合ガスをセルスタック１０１に導いて、酸化性ガスと反応する燃料ガスとして用いることができる。
この場合、流量調整弁２６０の開度は、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２のうち第１排燃料ガス循環系統２４０に導くべき目標量に応じて適宜に調整される。

また、図７に示すＳＯＦＣモジュール２０１は、改質チューブ１０２を備えるＳＯＦＣカートリッジ２０３を用いるものであったが、他の態様であってもよい。
例えば、図８に示す変形例のＳＯＦＣモジュール２０１’のように、改質チューブ１０２を備えずセルスタック１０１のみを備えるＳＯＦＣカートリッジ２０３’を用いるものであってもよい。

また、図７に示すＳＯＦＣモジュール２０１および図８に示すＳＯＦＣモジュール２０１’は、いずれも第１排燃料ガス循環系統２４０を備えるものであったが、第１排燃料ガス循環系統２４０を備えないようにしてもよい。
この場合、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２の全量が水素分離器２７０へ供給され、第２排燃料ガスＧ２から水素が分離された第１排燃料ガスＧ１が第２排燃料ガス循環系統２４１へ排出される。

また、以上の説明において、セルスタック１０１の内部における水蒸気改質反応は、燃料極１０９で行われるものであったが、他の態様であってもよい。
例えば、セルスタック１０１の基体管１０１ａの入口部分の内周面に、炭化水素系ガスに対して触媒作用を有する材料を塗布し、基体管１０１ａの入口部分で水蒸気改質反応が行われるようにしてもよい。
炭化水素系ガスに対して触媒作用を有する材料としては、例えば、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物（例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ）を用いることができる。

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によれば、改質チューブ１０２に供給される炭化水素系ガスを改質して、水素および一酸化炭素を含む燃料ガスＧ３を生成するとともに燃料ガスＧ３を排出する。改質チューブ１０２から排出された燃料ガスＧ３は水素分離器２７０に供給され、高純度の水素が生成される。一方、水素が分離された燃料ガスＧ３は、一酸化炭素を含む第１排燃料ガスＧ１として水素分離器２７０から排出される。

本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１によれば、水素分離器２７０から排出された第１排燃料ガスＧ１が第２排燃料ガス循環系統２４１を介してセルスタック１０１の燃料極１０９へ再び供給される。セルスタック１０１は、一酸化炭素と酸化性ガスとを反応させて電力を得ることが可能である。そのため、第２排燃料ガス循環系統２４１を介して燃料極１０９へ供給される未反応の一酸化炭素が再び燃料ガスとして利用される。

このように、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１によれば、改質チューブ１０２から排出される燃料ガスＧ３から水素を分離して有効活用しつつ、水素が分離された燃料ガスＧ３に含まれる一酸化炭素を燃料として利用可能にしたＳＯＦＣモジュール２０１を提供することができる。

本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１において、セルスタック１０１には炭化水素系ガスが供給され、セルスタック１０１は、燃料極１０９で炭化水素系ガスを改質反応させて燃料ガスを生成して燃料極１０９側に供給する。また、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２が水素分離器２７０へ供給される。
このようにすることで、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２から水素を分離して高純度の水素ガスを得ることができる。また、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２に含まれる一酸化炭素を、第２排燃料ガス循環系統２４１を介してセルスタック１０１の燃料極１０９へ再び供給し、燃料ガスとして利用することができる。

また、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１は、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２を水素分離器２７０の上流側からセルスタック１０１へ循環させる第１排燃料ガス循環系統２４０を備える。
このようにすることで、セルスタック１０１から排出される第２排燃料ガスＧ２に含まれる未反応の水素および一酸化炭素を再びセルスタック１０１へ供給して燃料ガスとして再利用することができる。

１０１ セルスタック（固体酸化物型燃料電池）
１０２ 改質チューブ（改質器）
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
２０１，２０１’ ＳＯＦＣモジュール（固体酸化物型燃料電池システム）
２０３，２０３’ ＳＯＦＣカートリッジ
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
２４０ 第１排燃料ガス循環系統（循環流路）
２４１ 第２排燃料ガス循環系統（供給流路）
２５０ 循環ブロワ
２６０ 流量調整弁
２７０ 水素分離器
Ｇ１ 第１排燃料ガス
Ｇ２ 第２排燃料ガス
Ｇ３ 燃料ガス

Claims (3)

1. 燃料極と電解質と空気極とが順次積層して形成されるとともに前記燃料極側に供給される燃料ガスに含まれる水素および一酸化炭素と前記空気極側に供給される酸化性ガスとを反応させる固体酸化物型燃料電池と、
   前記固体酸化物型燃料電池に隣接して配置されるとともに炭化水素系ガスを改質して水素および一酸化炭素を含む前記燃料ガスを生成する改質部と、
   前記改質部から排出される前記燃料ガスに含まれる水素を分離して一酸化炭素を含む第１排燃料ガスを排出する水素分離器と、
   前記水素分離器から排出される前記第１排燃料ガスを前記燃料極へ供給する供給流路と、を備える固体酸化物型燃料電池システム。
2. 前記固体酸化物型燃料電池には炭化水素系ガスが供給され、
   前記固体酸化物型燃料電池は、前記炭化水素系ガスを改質反応させて前記燃料ガスを生成して前記燃料極側に供給し、
   前記固体酸化物型燃料電池から排出される第２排燃料ガスを前記水素分離器へ供給する請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池システム。
3. 前記固体酸化物型燃料電池から排出される前記第２排燃料ガスを前記水素分離器の上流側から前記固体酸化物型燃料電池へ循環させる循環流路を備える請求項１または請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池システム。

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