JP6194854B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックおよび燃料改質器を備える燃料電池装置に関する。

従来、高温（例えば、５００℃以上）で作動する高温型の燃料電池スタックとして、固体酸化物型燃料電池（SOFC：Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC：Molten Carbonate Fuel Cell）が存在する。この種の高温型の燃料電池スタックは、発電時の作動温度が高い程、発電効率の観点から有利となる。

ところが、燃料電池スタックは、その積層方向の両端部の放熱が積層方向の中段部に比べて顕著となり、積層方向の両端部の温度が積層方向の中段部に比べて低下する傾向がある。なお、燃料電池スタックの積層方向が上下方向となる場合、自然対流の影響により積層方向の上端部側が、積層方向の下端部側よりも高温となる傾向がある（温度分布：中段部＞上端部＞下端部）。

燃料電池スタックにおける低温となる部位では、その発電効率が高温となる部位の発電効率に比べて低下することから、燃料電池スタック全体としての発電効率が低下してしまうといった問題がある。

これに対して、都市ガス等の燃料ガス（改質原料）を水素リッチな燃料ガスに改質する燃料改質器を、燃料電池スタックの高さ方向に近接配置する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１では、燃料電池スタックの高さ方向に近接配置した燃料改質器を、その上端部側から改質原料（未改質燃料ガス）を導入する構成としている。これによれば、燃料改質器における水蒸気改質反応（ＳＲ）時の吸熱量が、未改質燃料ガスが導入される上端部側にて最も高くなるので、燃料改質器における吸熱により、主に燃料電池スタックの積層方向の上端部側における温度を低下させることができる。この結果、燃料電池スタックの積層方向の上端部と下端部との温度差を縮小させることが可能となる。

また、特許文献２には、燃料電池スタックの積層方向を水平方向として、燃料電池スタックの上側に燃料改質器を配置した構成が提案されている。

この特許文献２では、燃料改質器は、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガスが流れるように構成されている。燃料改質器の燃料ガスの改質反応を、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）→オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）→水蒸気改質反応（ＳＲ）の順に切り替える。そして、燃料改質器は、燃料電池からのオフガスの燃焼熱で外部から加熱される構造となっている。

特開２００７−１５７４８０号公報 特開２０１２−７９４８７号公報

ところで、特許文献１に開示された技術によれば、燃料電池スタックの両端部における温度差を縮小させることができるものの、燃料電池スタックにおける中段部側の温度が燃料電池スタックの端部側よりも高くなってしまうことから依然として改善の余地がある。

さらに、本発明者等の検討によれば、特許文献２に開示された技術において、燃料改質器で部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を実施する際には、図１３の温度特性に示すように、燃料改質器内には、発熱域、吸熱域、および平衡域が燃料ガスの流れ方向の入口側から出口側に亘って形成される。このため、燃料改質器内の温度が燃料ガスの流れ方向の入口側で高くなる。

ここで、発熱域では反応式［Ｆ７］、［Ｆ６］に示す燃料ガスの燃焼が生じるため、熱を発生する。［Ｆ７］、［Ｆ６］の反応割合は触媒によって異なる。Ｎｉ系触媒では完全燃焼［Ｆ７］が主となり、大量の熱を発生する。Ｒｈ系などの貴金属触媒では、部分酸化［Ｆ６］が比較的多く発生して温度上昇はやや抑えられる傾向ある。

反応式［Ｆ７］、［Ｆ６］での酸素が消費されて、その後の吸熱域では、反応式［Ｆ７］の反応に伴って生じる水蒸気と燃料ガスとが、反応式［Ｆ５］の吸熱反応を生じる。その後、反応が安定する平衡域に移行する。この平衡域では、温度変化に伴って可逆反応である反応式［Ｆ５］、［Ｆ６］、［Ｆ８］の反応が進んで、平衡状態になる。

ＣＨ₄＋Ｈ₂２Ｏ⇔ＣＯ＋３Ｈ₂−２０６ｋＪ／ｍｏｌ…［Ｆ５］
ＣＨ₄＋１／２Ｏ₂⇔ＣＯ＋２Ｈ₂＋３６ｋＪ／ｍｏｌ…［Ｆ６］
ＣＨ₄＋２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋８９０ｋＪ／ｍｏｌ…［Ｆ７］
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ⇔ＣＯ₂＋Ｈ₂−４１ｋＪ/ｍｏｌ…［Ｆ８］
このように、燃料改質器内の燃料ガスにおいて、発熱域、吸熱域、および平衡域が流れ方向入口側から出口側に亘って順に形成される。このことにより、燃料改質器内の燃料ガスのうち流れ方向の入口側の温度が高くなる。つまり、燃料改質器内の入口側に温度が高くなるヒートスポットが生じる。このため、燃料改質器の入口側が燃料電池スタックの積層方向の一端側に対峙していると、燃料改質器から発生する熱により、燃料電池スタックのうち積層方向の一端側が、中段部側や他端側に比べて高くなる。このため、燃料電池スタックの高温部で熱損傷や熱劣化が生じてしまう。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池スタックにおける温度分布の均一化を図るようにした燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明は、酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル（１００）を積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、炭化水素系の改質原料を改質して燃料電池スタックへ導入する燃料ガスを生成する改質触媒（４４３）が内部に充填された燃料改質器（４４）と、を備える燃料電池装置を対象としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル（１００）を積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
炭化水素系の改質原料を改質して燃料電池スタックへ導入する燃料ガスを生成
する改質触媒（４４３）が内部に充填された燃料改質器（４４）と、を備え、
燃料改質器は、燃料電池スタックと伝熱可能なように燃料電池スタックに
おける発電セルの積層方向に延在する積層面（１０ａ）に対峙して配置されると共に
、燃料電池スタックの積層方向の中段部（１０Ｂ）に対峙する中段対峙部位（４
４Ｂ）にて発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっており、
燃料改質器は、その内部に改質原料を燃料電池スタックの積層方向の一端部（１０Ａ）側に対峙する一端側対峙部位（４４Ａ）から他端部（１０Ｃ）側に対峙する他端側対峙部位（４４Ｃ）へ向かって流すための内部流路（４４ａ〜４４ｃ）が設定されており、
内部流路における一端側対峙部位から中段対峙部位に至る流路を第１流路（４４ａ）とし、中段対峙部位および中段対峙部位から他端側対峙部位へ至る流路を第２流路（４４ｂ、４４ｃ）としたとき、
改質触媒は、内部流路のうち、第２流路にだけ充填されていることを特徴とする。

これによれば、燃料改質器の改質反応による発熱量が、燃料電池スタックにおける中段部に対峙する中段対峙部位にて最も高くなるので、燃料改質器における発熱により、燃料電池スタックの中段部側の温度を上昇させることができる。このため、燃料電池スタックにおいて中段部側から熱が積層方向の一端部側と他端部側とに伝わる。

従って、本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池スタックの積層方向の一端部側と他端部側との温度差を縮小して、燃料電池スタックにおける温度分布の均一化を図ることができる。

また、特許文献２の燃料改質器は、自ら発熱する改質反応を生じる上に、オフガス燃焼熱により外部から加熱されことから、燃料改質器の内部が過熱されて、燃料改質器内の温度が触媒の耐熱温度を超えて、触媒が劣化する恐れがある。

これに対して、請求項１に記載の発明によれば、燃料改質器のうち中段対峙部位を燃料電池スタックにおける中段部によって冷却することができる。したがって、燃料改質器の内部が過熱されることを抑制することができるので、触媒が劣化することを未然に抑制することができる。

請求項７に記載の発明では、酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル（１００）を積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
炭化水素系の改質原料を改質して燃料電池スタックへ導入する燃料ガスを生成する改質触媒（４４３）が内部に充填された燃料改質器（４４）と、を備え、
燃料改質器は、燃料電池スタックと伝熱可能なように燃料電池スタックにおける発電セルの積層方向に延在する積層面（１０ａ）に対峙して配置されると共に、燃料電池スタックの積層方向の中段部（１０Ｂ）に対峙する中段対峙部位（４４Ｂ）にて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっており、
燃料改質器は、その内部に改質原料を燃料電池スタックの積層方向の一端部（１０Ａ）側に対峙する一端側対峙部位（４４Ａ）から他端部（１０Ｃ）側に対峙する他端側対峙部位（４４Ｃ）へ向かって流すための内部流路（４４ａ〜４４ｃ）が設定されており、
内部流路における一端側対峙部位から中段対峙部位に至る流路を第１流路（４４ａ）とし、中段対峙部位および中段対峙部位から他端側対峙部位へ至る流路を第２流路（４４ｂ、４４ｃ）としたとき、
改質触媒は、内部流路のうち、第２流路にだけ充填されていることを特徴とする。

これによれば、燃料改質器の改質反応による吸熱量が、燃料電池スタックにおける発電による発熱で高温となり易い中段部に対峙する中段対峙部位にて最も高くなるので、燃料改質器における吸熱により、燃料電池スタックの中段部側の温度を低下させることができる。

従って、本発明の燃料電池装置によれば、燃料電池スタックの積層方向の端部側と中段部側との温度差を縮小して、燃料電池スタックにおける温度分布の均一化を図ることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池装置を示す構成図である。 第１実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。 第１実施形態に係る燃料改質器の温度分布を示す図である。 比較例に係る燃料改質器および燃料電池スタックの温度分布を示す特性図である。 第１実施形態に係る燃料改質器および燃料電池スタックの温度分布を示す特性図である。 第２実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。 第３実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。 第４実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。 第４実施形態の変形例に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。 第５実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 第５実施形態に係る燃料改質器の構造を示す構成図である。 比較例に係る燃料改質器の温度分布を示す特性図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。

（第１実施形態）
本実施形態では、図１に示す燃料電池システムに本発明の燃料電池装置１を適用している。本実施形態の燃料電池装置１は、断熱性を有するハウジング２、ハウジング２の内部に収容された燃料電池スタック１０、後述する第２空気予熱器３４および燃料改質器４４にて構成されている。なお、燃料電池装置１のハウジング２の内部における具体的な形態については後述する。

燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）との電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル１００を、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路が形成されたセパレータ１４、１５を介して積層した積層体である。

本実施形態の燃料電池スタック１０は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成されている。なお、説明の便宜上、図１では、燃料電池スタック１０を単一の発電セル１００として図示している。

本実施形態の発電セル１００は、平板構造のセルであり、固体電解質体１１、空気極（カソード）１２、燃料極（アノード）１３で構成されている。なお、本実施形態の発電セル１００は、炭化水素系の改質原料であるメタンガス（ＣＨ₄）を改質した改質ガス（Ｈ₂、ＣＯ）を燃料ガスとしている。

セパレータ１４、１５は、各発電セル１００を電気的に接続すると共に、燃料ガスおよび酸化剤ガスといった反応ガスを各発電セル１００へ供給する手段として機能する。なお、セパレータ１４、１５には、燃料ガスを各発電セル１００へ供給する燃料ガス通路（図示略）、および空気を各発電セル１００へ供給する空気通路（図示略）が形成されている。

本実施形態の燃料電池スタック１０は、各発電セル１００からの排出空気および排出燃料が、図示しないマニホールドを介して、後述する空気排出経路６ａ、燃料排出経路６ｂに排出される。

各発電セル１００では、以下の反応式［Ｆ１］、［Ｆ２］に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２Ｈ₂＋２Ｏ^2-→２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^-…［Ｆ１］
（空気極）Ｏ₂＋４ｅ^-→２Ｏ^2-…［Ｆ２］
また、各発電セル１００では、以下の反応式［Ｆ３］、［Ｆ４］に示す一酸化炭素（ＣＯ）および酸素の電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（燃料極）２ＣＯ＋２Ｏ^2-→２ＣＯ₂＋４ｅ^-…［Ｆ３］
（空気極）Ｏ₂＋４ｅ^-→２Ｏ^2-…［Ｆ４］
燃料電池スタック１０の空気の入口側には、発電用空気の供給経路である空気供給経路３が接続されている。この空気供給経路３には、空気流れ上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ３１、燃料電池スタック１０へと発電用空気を圧送する空気用ブロワ３２、空気予熱器３３、および空気予熱器３４が設けられている。

各空気予熱器３３、３４それぞれは、燃料電池スタック１０の空気極１２に供給する発電用空気と燃料極１３に供給する高温の燃料ガスとの温度差を縮小して、各発電セル１００における発電効率の向上を図るために設けられている。

第１空気予熱器３３は、空気用ブロワ３２から圧送された発電用空気を、後述するオフガス燃焼器６１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。第１空気予熱器３３では、空気用ブロワ３２から圧送された発電用空気と、発電時における燃料電池スタック１０の温度（例えば、７００℃〜８００℃）よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。

なお、第１空気予熱器３３は、その内部における空気が、後述する燃料改質器４４に流入する燃料ガスと同等の温度に昇温するように構成することが望ましい。これによれば、後述の燃料電池スタック１０の周囲に配置される第２空気予熱器３４および燃料改質器４４に流入する熱交換媒体の温度が同等となり、各機器３４、４４の温度域を同程度することができ、燃料電池スタック１０の温度ばらつきの抑制を図ることができる。

第２空気予熱器３４は、第１空気予熱器３３にて昇温した発電用空気を、第１空気予熱器３３を流通する燃焼ガスよりも高温の燃焼ガスと熱交換させる高温の予熱器（酸化剤ガス予熱器）である。

本実施形態の第２空気予熱器３４は、燃料電池スタック１０と共にハウジング２の内部に収容されており、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する空気を加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。なお、第２空気予熱器３４には、発電時における燃料電池スタック１０の温度よりも低い発電用空気が流入する。

一方、燃料電池スタック１０の燃料ガスの入口側には、燃料ガスの供給経路である燃料供給経路４が接続されている。この燃料供給経路４には、燃料ガス流れ上流側から順に、改質原料に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、改質原料を圧送する燃料用ブロワ４２、燃料予熱器４３、燃料改質器４４が設けられている。

燃料予熱器４３は、燃料用ブロワ４２から圧送された改質原料（図１中燃料と記す）を後述するオフガス燃焼器６１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱する予熱器である。この燃料予熱器４３は、水供給経路５にも接続されており、純水器５１を介して水ポンプ５２から供給される水を燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる水蒸気生成器としての機能も果たしている。なお、燃料予熱器４３では、水および空気のうち少なくとも１つと改質原料とを混合した燃料ガスと燃料電池スタック１０よりも低い温度の燃焼ガスとを熱交換させる低温の予熱器である。

燃料供給経路４のうち燃料用ブロワ４２および燃料予熱器４３の間の部位４ａには、改質用空気の供給経路である空気供給経路３ａが接続されている。この空気供給経路３ａには、空気流れ上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ３１ａ、燃料電池スタック１０へと改質用空気を圧送する空気用ブロワ３２ａが設けられている。

燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて加熱された燃料ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、水蒸気改質により水素および一酸化炭素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器である。

本実施形態の燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０や第２空気予熱器３４と共にハウジング２の内部に収容されており、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱して、内部を流通する燃料ガスを加熱する放射熱型の熱交換器で構成されている。なお、燃料改質器４４には、発電時における燃料電池スタック１０の温度（例えば、７００℃〜８００℃）よりも低い改質原料および水蒸気の混合ガスが流入する。

ここで、図示しないが、空気供給経路３、３ａおよび燃料供給経路４それぞれには、燃料電池スタック１０に供給する燃料ガスの供給量を調整する調整弁や、燃料電池スタック１０に供給する空気の供給量を調整する調整弁等が設けられている。

本実施形態では、燃料改質器４４の改質反応を部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）→オートサーマル改質反応（ＡＴＲ反応）→水蒸気改質反応（ＳＲ反応）の順に切り替えるために、燃料予熱器４３に供給する材料を変える。燃料改質器４４で部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）を実施する場合には、改質原料および改質用空気を燃料予熱器４３に供給する。燃料改質器４４でオートサーマル改質反応（ＡＴＲ反応）を実施する場合には、改質原料、改質用空気および水を、燃料予熱器４３に供給する。燃料改質器４４で水蒸気改質反応（ＳＲ反応）を実施する際に改質原料および水を燃料予熱器４３に供給する。

燃料電池スタック１０の空気の出口側には、燃料電池スタック１０からの排出空気が流れる空気排出経路６ａが接続され、燃料電池スタック１０の燃料ガスの出口側には、排出燃料が流れる燃料排出経路６ｂが接続されている。各排出経路６ａ、６ｂは、オフガス燃焼器６１に接続されている。

オフガス燃焼器６１は、排出燃料と排出空気とを混合して燃焼させることで、燃料電池スタック１０に供給する空気や燃料ガスの予熱等の熱源として利用される高温（例えば、９００℃〜１０００℃）の燃焼ガスを生成するものである。

このオフガス燃焼器６１には、高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス経路６が接続されている。この燃焼ガス経路６は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３といった機器に接続されている。なお、図示しないが、燃焼ガス経路６における第１空気予熱器３３の下流側には、給湯水を加熱する熱交換器が設けられており、燃焼ガスが有する熱にて、給湯水等を加熱するようになっている。

続いて、本実施形態の燃料電池装置１の内部における具体的な形態について、図２を用いて説明する。なお、図２に示す上下方向は、燃料電池装置１の搭載状態における天地方向を示している。このことは、他の図面においても同様である。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、上下方向が発電セル１００の積層方向と一致するように配置されている。本実施形態の燃料電池スタック１０は、積層方向に延在する積層面１０ａ、積層方向の上方側の上端面１０ｂ、および下方側の下端面１０ｃを有する。

燃料電池スタック１０は、内部に空気を導入する空気導入部１４１が後述する第２空気予熱器３４の空気出口部３４２に接続され、内部から空気を排出する空気排出部１４２が空気排出経路６ａに接続されている。

また、燃料電池スタック１０は、内部に燃料ガスを導入する燃料導入部１５１が後述する燃料改質器４４の燃料出口部４４２に接続され、内部から燃料ガスを排出する燃料排出部１５２が燃料排出経路６ｂに接続されている。

続いて、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０の周囲に配置されている。本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０との伝熱可能（対流、伝導、輻射）なように、燃料電池スタック１０から離間して配置されている。なお、本実施形態では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４のうち、一方の熱交換手段と燃料電池スタック１０との間に、他方の熱交換手段が介在しないように、燃料電池スタック１０の周囲に配置している。

ここで、燃料電池スタック１０は、発電時にて、積層方向の各端面１０ｂ、１０ｃよりも積層面１０ａにおける温度が高くなる傾向がある。このため、本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０における積層方向に延びる積層面１０ａに対峙するように配置されている。なお、本実施形態の第２空気予熱器３４および燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０の積層面１０ａとの対峙方向から見たときに、燃料電池スタック１０に対峙するスタック対峙面が、積層面１０ａの全域と重なり合うように配置されている。

第２空気予熱器３４は、下方側に第１空気予熱器３３にて昇温された空気を流入させる空気入口部３４１が設けられ、上方側に空気を燃料電池スタック１０へ導入する空気出口部３４２が設けられている。

また、燃料改質器４４は、下方側に燃料予熱器４３にて昇温された燃料ガスを流入させる燃料入口部４４１が設けられ、上方側に燃料ガスを燃料電池スタック１０へ導入する燃料出口部４４２が設けられている。

ここで、燃料電池スタック１０は、積層方向の一端部１０Ａ側（図３参照）および他端部１０Ｃ側における放熱が積層方向の中段部１０Ｂに比べて顕著となり、両端部１０Ａ、１０Ｃ側（一端部側および他端部側）の温度が中段部１０Ｂに比べて低下する傾向がある。つまり、燃料電池スタック１０には、積層方向の中段部１０Ｂにおいて最も高温となる温度分布が生ずる傾向がある。このような燃料電池スタック１０の温度分布は、燃料電池スタック１０全体としての発電効率の低下を招く要因となることから好ましくない。

なお、燃料電池スタック１０の一端部１０Ａは、燃料電池スタック１０の積層方向の一端側領域（例えば、１０％〜３０％を占める領域）であり、他端部１０Ｃは、燃料電池スタック１０の積層方向の他端側領域（例えば、１０％〜３０％を占める領域）である。そして、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂは、一端部１０Ａおよび他端部１０Ｃを除く領域（例えば、４０％〜８０％を占める領域）である。

そこで、本実施形態では、燃料改質器４４を、燃料電池スタック１０の積層方向の中段部１０Ｂに対峙する中段対峙部位４４Ｂにて吸熱を伴う改質反応（水蒸気改質反応：ＳＲ反応）が最も促進される構造としている。

なお、改質触媒４４３における水蒸気改質は、例えば、反応式［Ｆ５］で示すように、吸熱を伴う改質反応であり、燃料電池スタック１０の発電時に生ずる放射熱を吸熱可能な高温の条件下で行うことで、より高転化率の改質反応を実現することができる。

ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ₂−２０６ｋＪ／ｍｏｌ…［Ｆ５］
さらに、本実施形態では、燃料改質器４４で燃料ガスの部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）を実施する際には、燃料改質器４４を、燃料電池スタック１０の積層方向の中段部１０Ｂに対峙する中段対峙部位４４Ｂにて発熱を伴う改質反応（部分酸化改質反応：ＰＯＸ反応）が最も促進される構造としている。つまり、燃料改質器４４は、中段対峙部位４４Ｂにて発熱を伴う改質反応（部分酸化改質反応：ＰＯＸ反応）が一端側対峙部位４４Ａおよび他端側対峙部位４４Ｃに比べて促進される構造としている。

ここで、本実施形態の燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０の積層方向の一端部１０Ａ側に対峙する一端側対峙部位４４Ａ、積層方向の中段部１０Ｂ側に対峙する中段対峙部位４４Ｂ、積層方向の他端部１０Ｃ側に対峙する他端側対峙部位４４Ｃを有する。

以下、本実施形態の燃料改質器４４の構造について図３を用いて説明する。

まず、燃料改質器４４の内部には、改質触媒４４３が充填されると共に、燃料入口部４４１から導入した改質原料および水蒸気を一端側対峙部位４４Ａから他端側対峙部位４４Ｃへ向かって流すための内部流路４４ａ〜４４ｃが設定されている。

改質触媒４４３は、内部流路４４ａ〜４４ｃにて改質原料を含む混合ガスを改質して燃料ガスを生成する触媒であり、例えば、ロジウムやルテニウムやニッケル等の金属が担持された触媒で構成されている。

本実施形態の内部流路４４ａ〜４４ｃは、一端側対峙部位４４Ａから中段対峙部位４４Ｂへ至る入口側流路４４ａ、中段対峙部位４４Ｂに対応する中間流路４４ｂ、中段対峙部位４４Ｂから他端側対峙部位４４Ｃへ至る出口側流路４４ｃで構成されている。なお、本実施形態では、入口側流路４４ａが「第１流路」を構成し、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃが「第２流路」を構成している。

本実施形態では、改質触媒４４３を入口側流路４４ａに充填せず、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃにだけ充填する構成としている。これにより、部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）を実施時に燃料改質器４４における中段対峙部位４４Ｂにおける発熱量が最も高くなり、かつ水蒸気改質反応（ＳＲ反応）を実施時に燃料改質器４４における中段対峙部位４４Ｂにおける吸熱量が最も高くなる。

具体的には、本実施形態の燃料改質器４４は、入口側流路４４ａと中間流路４４ｂとの間に、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃにだけ改質触媒４４３を充填するための規制部材４４４が配置されている。なお、規制部材４４４は、燃料予熱器４３からの混合ガスが入口側流路４４ａから中間流路４４ｂへ流れるように、金属メッシュやパンチングメタル等で構成されている。

本実施形態の燃料改質器４４は、中段対峙部位４４Ｂ、および他端側対峙部位４４Ｃが、発熱（或いは、吸熱）を伴う改質反応が生ずる高改質領域を構成し、一端側対峙部位４４Ａが発熱（或いは、吸熱）を伴う改質反応が生じない無改質領域を構成する。なお、一端側対峙部位４４Ａは、中間流路４４ｂへ導入する改質原料および水蒸気を予熱する予熱領域として機能する。

次に、上記構成に係る燃料電池システムの作動について説明する。図示しないコントローラからの制御指令により、燃料電池システムの運転が開始されると、空気用ブロワ３２、燃料用ブロワ４２、空気用ブロワ３２ａ等が作動する。

空気供給経路３では、空気用ブロワ３２にて圧送された発電用空気が第１空気予熱器３３にて所望の温度となるまで加熱された後、さらに第２空気予熱器３４にて加熱されて燃料電池スタック１０に供給される。

一方、燃料供給経路４では、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガス（図２中改質原料と記す）、および空気用ブロワ３２ａにて圧送された改質用空気が、部位４ａ（図１参照）で混合される。そして、この混合された燃料ガスが燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器４４に流れる。これに伴い、燃料改質器４４で燃料ガスの部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）を実施する。この場合、燃料改質器４４では、前述の如く、反応式［Ｆ５］〜［Ｆ８］の反応により、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガスが水素リッチな燃料ガスに改質されて燃料電池スタック１０に供給される。

燃料電池スタック１０は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式［Ｆ１］〜［Ｆ４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

燃料電池スタック１０から排出された排出燃料および排出空気は、オフガス燃焼器６１にて燃焼される。そして、オフガス燃焼器６１にて生ずる高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路６を介して燃料改質器４４、第２空気予熱器３４、燃料予熱器４３、第１空気予熱器３３の順に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。

その後、水ポンプ５２の作動を開始する。このため、水ポンプ５２から圧送される水を燃料予熱器４３に流す。このため、水ポンプ５２から圧送される水、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガス、および空気用ブロワ３２ａにて圧送された改質用空気が、燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器４４に流れる。このため、燃料改質器４４では、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ反応）が実施される。この場合、燃料改質器４４では、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガスが水素リッチな燃料ガスに改質されて燃料電池スタック１０に供給される。このため、燃料電池スタック１０は、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式［Ｆ１］〜［Ｆ４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

次に、空気用ブロワ３２ａの作動を停止する。このため、空気用ブロワ３２ａから改質用空気を燃料予熱器４３に供給することを停止される。したがって、燃料予熱器４３には、水ポンプ５２から圧送される水、および燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガスが供給されることになる。このため、燃料改質器４４では、燃料ガスの水蒸気改質反応（ＳＲ反応）が実施される。この場合、燃料改質器４４では、燃料用ブロワ４２にて圧送された燃料ガスが水素リッチな燃料ガスに改質されて燃料電池スタック１０に供給される。このため、燃料電池スタック１０は、水素および一酸化炭素を燃料として前述の反応式［Ｆ１］〜［Ｆ４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

以上説明した本実施形態の燃料電池装置１では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４それぞれを燃料電池スタック１０に対峙するように配置している。これによれば、燃料ガスの水蒸気改質反応（ＳＲ反応）が実施される際に、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４にて燃料電池スタック１０からの放射熱を第２空気予熱器３４および燃料改質器４４内部を流通する空気、燃料ガスと熱交換させることで、燃料電池スタック１０における余剰の熱を回収できる。

また、本実施形態の燃料改質器４４は、改質触媒４４３を入口側流路４４ａに充填せず、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃにだけ充填する構成としている。このため、燃料ガスの部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）時にて、中段対峙部位４４Ｂから他端側対峙部位４４Ｃにわたって発熱域、吸熱域、および平衡域が燃料ガスの流れ方向に沿って形成される。このことにより、燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０の積層方向の中段部１０Ｂに対峙する中段対峙部位４４Ｂにて発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっている。すなわち、燃料改質器４４は、中段対峙部位４４Ｂにて起動時に発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっている。

図４に、横軸を本実施形態の燃料改質器４４の温度とし、縦軸を燃料の流れ方向とする温度分布を示す。これによれば、燃料改質器４４の改質反応による発熱量が、燃料電池スタック１０における中段部１０Ｂに対峙する中段対峙部位４４Ｂにて最も高くなる。このため、燃料改質器４４のうち、中段対峙部位４４Ｂの温度は、一端側対峙部位４４Ａの温度に比べて高くなり、中段対峙部位４４Ｂの温度は、他端側対峙部位４４Ｃの温度に比べて高くなる。すなわち、燃料改質器４４は、燃料ガスの部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）によって、中段部４４Ｂにヒートスポットが形成される。このため、燃料改質器４４の中段部４４Ｂから輻射熱が燃料電池スタック１０における中段部１０Ｂに輻射される。これに伴い、燃料電池スタック１０では、中段部１０Ｂから熱が一端部１０Ａ側および他端部１０Ｃ側に伝わる。これにより、燃料電池スタック１０では、一端部１０Ａ側の温度と他端部１０Ｃ側の温度との温度差を縮小して、燃料電池スタック１０における温度分布の均一化を図ることができる。

本実施形態によれば、燃料改質器４４のうち中段対峙部位４４Ｂを燃料電池スタック１０における中段部１０Ｂへの輻射熱によって冷却することができる。したがって、燃料改質器４４の内部温度が触媒の耐熱温度よりも下がり、燃料改質器４４の内部が過熱されることを抑制することができるので、触媒が劣化することを未然に抑制することができる。

さらに、本実施形態の燃料改質器４４は、燃料ガスの水蒸気改質反応（ＳＲ反応）時にて、燃料電池スタック１０の積層方向の中段部１０Ｂに対峙する中段対峙部位４４Ｂにて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっている。

これによれば、燃料改質器４４の改質反応による吸熱量が、燃料電池スタック１０における高温となり易い中段部１０Ｂに対峙する中段対峙部位４４Ｂにて最も高くなる。このため、燃料改質器４４の中段対峙部位４４Ｂにおける吸熱により、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂ側の温度を低下させることができる。

特に、本実施形態では、燃料改質器４４の内部流路４４ａ〜４４ｃのうち、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃにだけ改質触媒４４３を充填する構成としている。これによれば、燃料電池スタック１０の一端部１０Ａ側の熱により中間流路４４ｂに流入する改質原料が昇温し、中間流路４４ｂにおける改質反応が促進されることで、燃料改質器４４における燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂからの吸熱量を増大させることができる。この結果、燃料改質器４４における吸熱により、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂの温度を低下させて、燃料電池スタック１０の積層方向の端部１０Ａ、１０Ｃ側と中段部１０Ｂ側との温度差を縮小することが可能となる。

ここで、図５は、燃料改質器４４の内部流路４４ａ〜４４ｃそれぞれに改質触媒４４３を設けた燃料改質器（比較例）および燃料電池スタック１０の温度分布を示す特性図である。図５に示す実線は、比較例に係る燃料改質器を燃料電池スタック１０の積層面１０ａに対峙するように配置した際の積層方向（高さ方向）における燃料電池スタック１０の温度分布を示している。また、図５に示す一点鎖線は、比較例に係る燃料改質器を燃料電池スタック１０の積層面１０ａに対峙させていない場合の積層方向における燃料改質器の温度分布を示している。そして、図５に示す二点鎖線は、比較例に係る燃料改質器を燃料電池スタック１０の積層面１０ａに対峙させていない場合の積層方向における燃料電池スタック１０の温度分布を示している。

図５の二点鎖線で示すように、燃料電池スタック１０は、積層方向の両端部１０Ａ、１０Ｃの温度が積層方向の中段部１０Ｂに比べて低下する。なお、自然対流の影響により燃料電池スタック１０は、上方に位置する他端部１０Ｃ側が、下方に位置する一端部１０Ａ側よりも高温となる傾向がある。

一方、比較例に係る燃料改質器は、燃料電池スタック１０の積層方向の一端部１０Ａに対峙する一端側対峙部位４４Ａにて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となり、燃料改質器の改質反応による吸熱量が、一端側対峙部位４４Ａにて最も高くなる。これにより、比較例に係る燃料改質器は、図５の一点鎖線で示すように、一端側対峙部位４４Ａの温度が最も低くなる。

このような温度分布を有する燃料改質器を燃料電池スタック１０に対峙させると、燃料改質器の一端側対峙部位４４Ａにおける吸熱により、燃料電池スタック１０の一端部１０Ａ側にて最も温度が低くなり、中段部１０Ｂにて最も温度が高くなる（図５の実線参照）。そして、燃料電池スタック１０は、一端部１０Ａ側と中段部１０Ｂとの温度差ΔＴ１が大きく乖離してしまう。

図６は、本実施形態に係る燃料改質器４４および燃料電池スタック１０の温度分布を示す特性図である。なお、図６に示す実線、一点鎖線、二点鎖線は、前述の図５での各線の説明と同様である。

図６の二点鎖線で示すように、燃料電池スタック１０は、積層方向の両端部１０Ａ、１０Ｃの温度が積層方向の中段部１０Ｂに比べて低下する。なお、自然対流の影響により燃料電池スタック１０は、上方に位置する他端部１０Ｃ側が、下方に位置する一端部１０Ａ側よりも高温となる傾向がある。

一方、燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０の積層方向の中段部１０Ｂに対峙する中段対峙部位４４Ｂにて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となり、燃料改質器４４の改質反応による吸熱量が、中段対峙部位４４Ｂにて最も高くなる。これにより、燃料改質器４４は、図６の一点鎖線で示すように、中段対峙部位４４Ｂの温度が一端側対峙部位４４Ａと同程度となるまで低下する。

このような温度分布を有する燃料改質器４４を燃料電池スタック１０に対峙させると、燃料改質器４４の中段対峙部位４４Ｂにおける吸熱により、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂ側の温度が大きく低下する（図６の実線参照）。そして、燃料電池スタック１０は、両端部１０Ａ、１０Ｃ側と中段部１０Ｂとの温度差ΔＴ２が縮小される。

このように、本実施形態の燃料電池装置１によれば、燃料電池スタック１０の積層方向の端部１０Ａ、１０Ｃ側と中段部１０Ｂ側との温度差を縮小して、燃料電池スタック１０における温度分布の均一化を図ることができる。

なお、本実施形態では、燃料改質器４４において、改質触媒４４３を中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃにだけ充填する例について説明したが、これに限定されず、例えば、改質触媒４４３を中間流路４４ｂにだけ充填するようにしてもよい。

これによっても、燃料電池スタック１０の積層方向の端部１０Ａ、１０Ｃ側と中段部１０Ｂ側との温度差を縮小させることができるので、燃料電池スタック１０における温度分布の均一化を図ることができる。なお、燃料改質器４４における改質触媒４４３を中間流路４４ｂにだけ充填する構造は、以降の実施形態にも適用可能である。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図７は、本実施形態に係る燃料改質器４４の構造を示す構成図である。図７に示すように、本実施形態の燃料改質器４４は、内部流路４４ａ〜４４ｃのうち、改質触媒４４３が充填されていない入口側流路４４ａに、改質原料と燃料電池スタック１０との伝熱を促進する伝熱促進部材４４５が配置されている。

本実施形態では、伝熱促進部材４４５として、熱伝導性に優れたセラミックボールやアルミナボールといった球状部材を採用しており、当該球状部材が入口側流路４４ａに充填されている。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。すなわち、上記第１実施形態と同様、空気用ブロワ３２ａおよび水ポンプ５２を作動して、燃料改質器４４の改質反応を部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）→オートサーマル改質反応（ＡＴＲ反応）→水蒸気改質反応（ＳＲ反応）の順に切り替える。

本実施形態の燃料電池装置１によれば、第１実施形態で説明した効果に加えて以下の効果を奏する。すなわち、本実施形態によれば、燃料電池スタック１０の一端部１０Ａ側の熱により燃料改質器４４の入口側流路４４ａを流れる改質原料および水蒸気が昇温し易くなる。

これにより、昇温した改質原料が燃料改質器４４の中間流路４４ｂに流入して、中間流路４４ｂにおける改質反応が促進されることで、燃料改質器４４における燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂからの吸熱量を増大させることができる。

この結果、燃料改質器４４における吸熱により、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂの温度を低下させて、燃料電池スタック１０の積層方向の両端部１０Ａ、１０Ｃ側と中段部１０Ｂ側との温度差を一層縮小することが可能となる。なお、本実施形態では、伝熱促進部材４４５としてセラミックボールやアルミナボールといった球状部材を用いる例を説明したが、これに限定されず、板状のフィン等を伝熱促進部材４４５として用いるようにしてもよい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１、第２実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図８は、本実施形態に係る燃料改質器４４の構造を示す構成図である。図８に示すように、本実施形態の燃料改質器４４は、内部流路４４ａ〜４４ｃのうち、改質触媒４４３が充填された中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃに、燃料電池スタック１０からの輻射伝熱を促進するためにフィン４４６が配置されている。

このフィン４４６は、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃにおいて、燃料改質器４４における燃料電池スタック１０に対峙するスタック対峙面に接触するように配置されている。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。すなわち、上記第１実施形態と同様、空気用ブロワ３２ａおよび水ポンプ５２を作動して、燃料改質器４４の改質反応を部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）→オートサーマル改質反応（ＡＴＲ反応）→水蒸気改質反応（ＳＲ反応）の順に切り替える。

本実施形態の燃料電池装置１によれば、第１実施形態で説明した効果に加えて以下の効果を奏する。すなわち、本実施形態によれば、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂ側からの輻射伝熱が促進されることで、燃料改質器４４の中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃを流れる改質原料が昇温する。

これにより、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃにおける改質反応が促進されることで、燃料改質器４４における燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂ、および他端部１０Ｃからの吸熱量を増大させることができる。

この結果、燃料改質器４４における吸熱により、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂ、および他端部１０Ｃの温度を低下させて、燃料電池スタック１０の積層方向の一端部１０Ａ側と中段部１０Ｂ側との温度差を一層縮小することが可能となる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１〜第３実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図９は、本実施形態に係る燃料改質器４４の構造を示す構成図である。図９に示すように、本実施形態の燃料改質器４４は、内部流路４４ａ〜４４ｃそれぞれに改質触媒４４３が充填されている。

そして、本実施形態では、燃料改質器４４の中段対峙部位４４Ｂにて最も吸熱を伴う改質反応が促進されるように、内部流路４４ａのうち、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃに、入口側流路４４ａよりも多くの改質触媒４４３を充填している。つまり、本実施形態では、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃにおける改質触媒４４３の単位体積あたりの充填量が、入口側流路４４ａにおける改質触媒４４３の単位体積あたりの充填量よりも多くなっている。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。すなわち、上記第１実施形態と同様、空気用ブロワ３２ａおよび水ポンプ５２を作動して、燃料改質器４４の改質反応を部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）→オートサーマル改質反応（ＡＴＲ反応）→水蒸気改質反応（ＳＲ反応）の順に切り替える。

本実施形態の燃料電池装置１によれば、燃料改質器４４の改質反応による吸熱量が、中段対峙部位４４Ｂにて最も高くなるので、燃料改質器４４における吸熱により、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂ側の温度を低下させることができる。

従って、本実施形態の燃料電池装置１によれば、燃料電池スタック１０の積層方向の両端部１０Ａ、１０Ｃ側と中段部１０Ｂ側との温度差を縮小して、燃料電池スタック１０における温度分布の均一化を図ることができる。

（第４実施形態の変形例）
本実施形態では、燃料改質器４４の内部流路４４ａのうち、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃに、入口側流路４４ａよりも多くの改質触媒４４３を充填する例について説明したが、これに限定されない。

例えば、図１０に示すように、燃料改質器４４の内部流路４４ａのうち、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃに活性の高い第１改質触媒４４３ａを充填し、入口側流路４４ａに第１改質触媒４４３ａよりも活性の低い第２改質触媒４４３ｂを充填するようにしてもよい。具体的には、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃに充填する第１改質触媒４４３ａとして、金属の担持量が多い改質触媒を採用し、入口側流路４４ａに充填する第２改質触媒４４３ｂとして、金属の担持量が少ない改質触媒を採用すればよい。

これによっても、燃料改質器４４の改質反応による吸熱量が、中段対峙部位４４Ｂにて最も高くなるので、燃料改質器４４における吸熱により、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂ側の温度を低下させることができる。

従って、本変形例の燃料電池装置１によっても、上記第４実施形態と同様、燃料電池スタック１０の積層方向の両端部１０Ａ、１０Ｃ側と中段部１０Ｂ側との温度差を縮小して、燃料電池スタック１０における温度分布の均一化を図ることができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。なお、本実施形態では、第１〜第４実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図１１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成図であり、図１２は、本実施形態の燃料改質器４４の構造を示す構成図である。

図１１に示すように、本実施形態の燃料予熱器４３は、燃料用ブロワ４２から圧送された改質原料を予熱する原料予熱部４３ａ、および水ポンプ５２から供給される水を蒸発させる水蒸気生成部４３ｂで構成されている。なお、燃料予熱器４３は、原料予熱部４３ａを通過する改質原料と水蒸気生成部４３ｂを通過する水（水蒸気）とが混合されないように分割されている。

また、燃料予熱器４３には、原料予熱部４３ａにて予熱された改質原料を燃料改質器４４へ導入するための原料導入経路４ａが接続されると共に、水蒸気生成部４３ｂにて生成された水蒸気を燃料改質器４４へ導入するための水蒸気導入経路４ｂが接続されている。そして、原料導入経路４ａには、空気供給経路３における第１空気予熱器３３の下流側で分岐した分岐経路３ａが接続されている。

続いて、図１２に示すように、本実施形態の燃料改質器４４には、内部流路４４ａ〜４４ｃそれぞれに改質触媒４４３が充填されている。そして、燃料改質器４４には、内部流路４４ａ〜４４ｃのうち、入口側流路４４ａに改質原料および空気（酸素含有ガス）が導入されるように、一端側対峙部位４４Ａに原料導入経路４ａが接続されている。

これにより、入口側流路４４ａでは、改質原料および空気の改質反応（部分酸化改質反応：ＰＯＸ反応）により燃料ガスが生成される。なお、改質触媒４４３における部分改質反応は、例えば、反応式［Ｆ６］に示すように、発熱を伴う改質反応である。

ＣＨ₄＋１／２Ｏ₂→ＣＯ＋２Ｈ₂＋３６ｋＪ／ｍｏｌ…［Ｆ６］
また、燃料改質器４４には、中間流路４４ｂに入口側流路４４ａを通過した通過ガス（改質原料や空気等）に加えて、水蒸気が導入されるように、中段対峙部位４４Ｂに水蒸気導入経路４ｂが接続されている。

これにより、中間流路４４ｂおよび出口側流路４４ｃでは、改質原料および水蒸気の改質反応（水蒸気改質反応：ＳＲ反応）により燃料ガスが生成される。なお、改質触媒４４３における水蒸気改質反応は、前述のように吸熱を伴う改質反応である（第１実施形態の反応式［Ｆ５］参照）。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料改質器４４は、入口側流路４４ａにて発熱を伴う部分酸化改質が行われるように改質原料および空気（酸素含有ガス）が導入され、中間流路４４ｂにて吸熱を伴う水蒸気改質が行われるように水蒸気が導入される構造となっている。

これによれば、燃料改質器４４の改質反応による吸熱量が、中段対峙部位４４Ｂにて最も高くなるので、燃料改質器４４における吸熱により、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂ側の温度を低下させることができる。

また、燃料改質器４４では、入口側流路４４ａにおける発熱を伴う部分酸化改質が行われることで、燃料改質器４４の改質反応による発熱量が一端側対峙部位４４Ａにて最も高くなる。このため、燃料改質器４４の一端側対峙部位４４Ａにおける発熱により、燃料電池スタック１０の一端部１０Ａ側を昇温させることができる。

このように本実施形態の燃料電池装置１によれば、燃料電池スタック１０の中段部１０Ｂが、燃料改質器４４の中間流路４４ｂで生ずる吸熱により温度が低下し、燃料電池スタックの一端部１０Ａ側が燃料改質器４４の入口側流路４４ａで生ずる発熱により昇温する。このため、燃料電池スタック１０の積層方向の一端部１０Ａ側と中段部１０Ｂ側との温度差を縮小して、燃料電池スタック１０の温度分布の均一化を図ることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０として、平板構造の発電セル１００の積層体を用いる例について説明したが、これに限定されず、円筒構造の発電セルの積層体で燃料電池スタック１０が構成されていてもよい。

（２）上述の各実施形態では、燃料改質器４４を燃料電池スタック１０の積層面１０ａとの対峙方向から見たときに、燃料電池スタック１０に対峙するスタック対峙面が、積層面１０ａの全域と重なり合うように配置する例について説明したが、これに限定されない。燃料改質器４４は、燃料電池スタック１０の積層面１０ａとの対峙方向から見たときに、燃料電池スタック１０に対峙するスタック対峙面が、少なくとも中段部１０Ｂにおける積層面１０ａの全域と重なり合うように配置されていればよい。

そして、燃料改質器４４の内部には、改質触媒４４３が充填されると共に、燃料入口部４４１から導入した改質原料および水蒸気を一端側対峙部位４４Ａから他端側対峙部位４４Ｃへ向かって流すための内部流路４４ａ〜４４ｃが形成されている。

（３）上述の各実施形態では、燃料改質器４４の内部構造として、改質原料が燃料改質器４４の内部を下方側から上方側へ向かって流れる構造となっている例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料改質器４４は、改質原料が燃料改質器４４の内部を上方側から下方側へ向かって流れる構造となっていてもよい。

（４）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０の空気導入部１４１や燃料導入部１５１を燃料電池スタック１０の積層面１０ａに設ける例について説明したが、これに限定されない。空気導入部１４１や燃料導入部１５１は、例えば、燃料電池スタック１０の下端面１０ｃや上端面１０ｂに設けられていてもよい。

また、燃料電池スタック１０の空気排出部１４２や燃料排出部１５２についても、燃料電池スタック１０の下端面１０ｃに限らず、例えば、燃料電池スタック１０の上端面１０ｂ等に設けられていてもよい。

なお、上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４にて昇温された空気を、空気導入部１４１を介して燃料電池スタック１０内部へ導入する例について説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池スタック１０をシールレス構造とし、燃料電池スタック１０の周囲に存する空気を燃料電池スタック１０内部へ導入するようにしてもよい。

このように、燃料電池スタック１０、燃料改質器４４、および第２空気予熱器３４の接続態様は、上述の各実施形態で示した接続態様に限定されず、適宜変更してもよい。

（５）上述の各実施形態では、第１空気予熱器３３および第２空気予熱器３４を独立した構成機器とすると共に、燃料予熱器４３および燃料改質器４４を独立した構成機器とする例について説明したが、これに限定されない。例えば、第１空気予熱器３３および第２空気予熱器３４を一体化すると共に、燃料予熱器４３および燃料改質器４４を一体化し、これらを燃料電池スタック１０の周囲に配置するようにしてもよい。

（６）上述の各実施形態では、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４を燃料電池スタック１０の周囲に配置する例について説明したが、これに限定されない。例えば、第２空気予熱器３４および燃料改質器４４のうち、燃料改質器４４だけを燃料電池スタック１０の周囲に配置してもよい。

（７）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０、第２空気予熱器３４、および燃料改質器４４をハウジング２内に収容する例について説明したが、これに限定されず、ハウジング２を省略してもよい。

（８）上述の各実施形態では、燃料電池スタック１０を高温で作動する固体酸化物型燃料電池とする例について説明したが、これに限定されず、例えば、燃料電池スタック１０を高温で作動する溶融炭酸塩型燃料電池としてもよい。

（９）上述の各実施形態において、燃料電池スタック１０の積層方向を上下方向と同じ方向となる配置形態について説明したが、これに限定されず、例えば、燃料電池スタック１０の積層方向が水平方向と同じ方向となる配置形態としてもよい。

（１０）上述の各実施形態は、燃料改質器４４の改質反応を部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）→オートサーマル改質反応（ＡＴＲ反応）→水蒸気改質反応（ＳＲ反応）の順に切り替える例について説明したが、これに代えて、部分酸化改質反応（ＰＯＸ反応）、および水蒸気改質反応（ＳＲ反応）のうち一方の反応を燃料改質器４４で実施してもよい。

（１１）上述の各実施形態は、可能な範囲で互いに組み合わせることができる。また、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

（１２）上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

（１３）上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

１０ 燃料電池スタック
１０ａ 積層面
１０Ｂ 中段部
１００ 発電セル
４４ 燃料改質器
４４Ｂ 中段対峙部位
４４３ 改質触媒

Claims (11)

1. 酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セ
   ル（１００）を積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
   炭化水素系の改質原料を改質して前記燃料電池スタックへ導入する前記燃料ガスを生成
   する改質触媒（４４３）が内部に充填された燃料改質器（４４）と、を備え、
   前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックと伝熱可能なように前記燃料電池スタックに
   おける前記発電セルの積層方向に延在する積層面（１０ａ）に対峙して配置されると共に
   、前記燃料電池スタックの前記積層方向の中段部（１０Ｂ）に対峙する中段対峙部位（４
   ４Ｂ）にて発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっており、
   前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部（１０Ａ）側に対峙する一端側対峙部位（４４Ａ）から他端部（１０Ｃ）側に対峙する他端側対峙部位（４４Ｃ）へ向かって流すための内部流路（４４ａ〜４４ｃ）が設定されており、
   前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第１流路（４４ａ）とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第２流路（４４ｂ、４４ｃ）としたとき、
   前記改質触媒は、前記内部流路のうち、前記第２流路にだけ充填されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記第１流路には、前記第１流路を流れる前記改質原料と前記燃料電池スタックとの伝熱を促進する伝熱促進部材（４４４）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル（１００）を積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
   炭化水素系の改質原料を改質して前記燃料電池スタックへ導入する前記燃料ガスを生成する改質触媒（４４３）が内部に充填された燃料改質器（４４）と、を備え、
   前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックと伝熱可能なように前記燃料電池スタックにおける前記発電セルの積層方向に延在する積層面（１０ａ）に対峙して配置されると共に、前記燃料電池スタックの前記積層方向の中段部（１０Ｂ）に対峙する中段対峙部位（４４Ｂ）にて発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっており、
   前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部（１０Ａ）側に対峙する一端側対峙部位（４４Ａ）から他端部（１０Ｃ）側に対峙する他端側対峙部位（４４Ｃ）へ向かって流すための内部流路（４４ａ〜４４ｃ）が設定されており、
   前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第１流路（４４ａ）とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第２流路（４４ｂ、４４ｃ）としたとき、
   前記改質触媒は、前記第１流路および前記第２流路それぞれに充填されており、
   前記第２流路には、前記第１流路よりも多くの前記改質触媒が充填されていることを特徴とする燃料電池装置。
4. 酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル（１００）を積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
   炭化水素系の改質原料を改質して前記燃料電池スタックへ導入する前記燃料ガスを生成する改質触媒（４４３）が内部に充填された燃料改質器（４４）と、を備え、
   前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックと伝熱可能なように前記燃料電池スタックにおける前記発電セルの積層方向に延在する積層面（１０ａ）に対峙して配置されると共に、前記燃料電池スタックの前記積層方向の中段部（１０Ｂ）に対峙する中段対峙部位（４４Ｂ）にて発熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっており、
   前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部（１０Ａ）側に対峙する一端側対峙部位（４４Ａ）から他端部（１０Ｃ）側に対峙する他端側対峙部位（４４Ｃ）へ向かって流すための内部流路（４４ａ〜４４ｃ）が設定されており、
   前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第１流路（４４ａ）とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第２流路（４４ｂ、４４ｃ）としたとき、
   前記改質触媒は、前記第１流路および前記第２流路それぞれに充填されており、
   前記第２流路には、前記第１流路よりも活性の高い前記改質触媒（４４３ａ）が充填さ
   れていることを特徴とする燃料電池装置。
5. 前記内部流路のうち、少なくとも前記第２流路には、発熱を伴う部分酸化が行われるよ
   うに酸化剤が導入されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料
   電池装置。
6. 前記燃料改質器は、前記発熱を伴う改質反応の後に、前記中段対峙部位が吸熱を伴う改質
   反応が最も促進される構造となっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１
   つに記載の燃料電池装置。
7. 酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル（１００）を積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
   炭化水素系の改質原料を改質して前記燃料電池スタックへ導入する前記燃料ガスを生成する改質触媒（４４３）が内部に充填された燃料改質器（４４）と、を備え、
   前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックと伝熱可能なように前記燃料電池スタックにおける前記発電セルの積層方向に延在する積層面（１０ａ）に対峙して配置されると共に、前記燃料電池スタックの前記積層方向の中段部（１０Ｂ）に対峙する中段対峙部位（４４Ｂ）にて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっており、
   前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部（１０Ａ）側に対峙する一端側対峙部位（４４Ａ）から他端部（１０Ｃ）側に対峙する他端側対峙部位（４４Ｃ）へ向かって流すための内部流路（４４ａ〜４４ｃ）が設定されており、
   前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第１流路（４４ａ）とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第２流路（４４ｂ、４４ｃ）としたとき、
   前記改質触媒は、前記内部流路のうち、前記第２流路にだけ充填されていることを特徴とする燃料電池装置。
8. 前記第１流路には、前記第１流路を流れる前記改質原料と前記燃料電池スタックとの伝
   熱を促進する伝熱促進部材（４４４）が配置されていることを特徴とする請求項７に記載
   の燃料電池装置。
9. 酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル（１００）を積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
   炭化水素系の改質原料を改質して前記燃料電池スタックへ導入する前記燃料ガスを生成する改質触媒（４４３）が内部に充填された燃料改質器（４４）と、を備え、
   前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックと伝熱可能なように前記燃料電池スタックにおける前記発電セルの積層方向に延在する積層面（１０ａ）に対峙して配置されると共に、前記燃料電池スタックの前記積層方向の中段部（１０Ｂ）に対峙する中段対峙部位（４４Ｂ）にて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっており、
   前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部（１０Ａ）側に対峙する一端側対峙部位（４４Ａ）から他端部（１０Ｃ）側に対峙する他端側対峙部位（４４Ｃ）へ向かって流すための内部流路（４４ａ〜４４ｃ）が設定されており、
   前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第１流路（４４ａ）とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第２流路（４４ｂ、４４ｃ）としたとき、
   前記改質触媒は、前記第１流路および前記第２流路それぞれに充填されており、
   前記第２流路には、前記第１流路よりも多くの前記改質触媒が充填されていることを特徴とする燃料電池装置。
10. 酸化剤ガスおよび燃料ガスの電気化学反応により電気エネルギを出力する複数の発電セル（１００）を積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
    炭化水素系の改質原料を改質して前記燃料電池スタックへ導入する前記燃料ガスを生成する改質触媒（４４３）が内部に充填された燃料改質器（４４）と、を備え、
    前記燃料改質器は、前記燃料電池スタックと伝熱可能なように前記燃料電池スタックにおける前記発電セルの積層方向に延在する積層面（１０ａ）に対峙して配置されると共に、前記燃料電池スタックの前記積層方向の中段部（１０Ｂ）に対峙する中段対峙部位（４
    ４Ｂ）にて吸熱を伴う改質反応が最も促進される構造となっており、
    前記燃料改質器は、その内部に前記改質原料を前記燃料電池スタックの前記積層方向の一端部（１０Ａ）側に対峙する一端側対峙部位（４４Ａ）から他端部（１０Ｃ）側に対峙する他端側対峙部位（４４Ｃ）へ向かって流すための内部流路（４４ａ〜４４ｃ）が設定されており、
    前記内部流路における前記一端側対峙部位から前記中段対峙部位に至る流路を第１流路（４４ａ）とし、前記中段対峙部位および前記中段対峙部位から前記他端側対峙部位へ至る流路を第２流路（４４ｂ、４４ｃ）としたとき、
    前記改質触媒は、前記第１流路および前記第２流路それぞれに充填されており、
    前記第２流路には、前記第１流路よりも活性の高い前記改質触媒（４４３ａ）が充填されていることを特徴とする燃料電池装置。
11. 前記内部流路のうち、少なくとも前記第２流路には、吸熱を伴う水蒸気改質が行われる
    ように水蒸気が導入されることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１つに記載の
    燃料電池装置。

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