(57)【要約】【課題】モジュール容器外壁に設けられた断熱材の寸法バラツキによる放熱を抑え、従来よりも高い断熱性能を保有する固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】直方体状のモジュール容器と、モジュール容器の内部に酸化剤ガスと燃料ガスにより発電する複数の燃料電池セルと、を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、モジュール容器のそれぞれの外壁面に対応して設けられ、板状の複数の第１断熱材と、固体酸化物形燃料電池モジュールの最外壁を構成し、第１断熱材を補強する部材と、を備え、モジュール容器の上面視において、第１断熱材は製造上で生じる第１断熱材の寸法のバラツキによって第１断熱材間に隙間が生じないようにモジュール容器の外壁面に接して設置されているとともに、部材は外圧によって第１断熱材の寸法のバラツキを吸収する寸法バラツキ吸収部材である。【選択図】図６
2020095979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直方体状のモジュール容器と、燃料電池セルと、を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
前記モジュール容器のそれぞれの外壁面に対応して設けられ、板状の複数の第１断熱材と、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの最外壁を構成し、前記第１断熱材を補強する部材と、
を備え、
前記モジュール容器の上面視において、前記第１断熱材は製造上で生じる前記第１断熱材の寸法のバラツキによって前記第１断熱材間に隙間が生じないように前記複数の第１断熱材は前記モジュール容器外壁面の４辺に接して囲むように設けられており、前記モジュール容器の外壁面の４辺のうちの何れか１辺である第１辺に位置する第１断熱材は長辺側が前記モジュール容器外壁面と接しており、前記第１辺に隣接する第２辺に位置する第１断熱材は短辺側が前記第１辺の第１断熱材の長辺側と接しており、前記第２辺に隣接する第３辺の第１断熱材の短辺側は前記第２辺に位置する第１断熱材の長辺側と接しており、前記第３辺及び前記第１辺に隣接する第４辺の第１断熱材の短辺側は前記第３辺の第１断熱材の長辺側と接しており、前記第３辺及び前記第１辺に隣接する第４辺の第１断熱材の長辺側は前記第１辺の第１断熱材の短辺側と接するように前記モジュール容器の周囲に設けられ、前記モジュール容器の外壁面に接して設置されているとともに、前記部材は外圧によって各前記第１断熱材の寸法のバラツキを吸収する寸法バラツキ吸収部材であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記寸法バラツキ吸収部材は第２断熱材であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記寸法バラツキ吸収部材は、固定部材によって外方から前記第１断熱材に固定されており、前記固定部材は前記外圧を与えることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記モジュール容器の上面視において、
板状に形成された前記寸法バラツキ吸収部材は前記４辺に対応して前記第１断熱材に接するように、且つ端部が各前記第１断熱材の短辺側に位置するように複数設けられ、
前記固定部材は前記寸法バラツキ吸収部材の端部に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記固定部材は前記寸法バラツキ吸収部材と面接触するように、屈曲した１つの部材で構成されており、各前記寸法バラツキ吸収部材の端部同士が接触する角部に沿って延在する線形形状であることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記固定部材と、前記固定部材により固定される前記寸法バラツキ吸収部材の端部との間には変形許容空間が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記第２断熱材は前記第１断熱材と同じ材料で構成され、前記第１断熱材よりも密度が小さいことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記寸法バラツキ吸収部材は、断熱材料の周囲がガラスクロスで被覆されているものであることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールを包囲する断熱材に関し、特に固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代のクリーンな発電装置として、発電効率の高い燃料電池と、この燃料電池を稼動するための補機類とを備えた燃料電池装置の開発が活発化している。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ）、直接形燃料電池（ＤＦＣ）等が知られている。
【０００３】
特にＳＯＦＣは、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を設け、一方の側に燃料ガス、他方の側に空気や酸素等の酸素含有ガスを供給することで高温で動作する燃料電池である。一般的に、固体酸化物形燃料電池へ供給する燃料ガスは都市ガスや天然ガスを改質して生成する。都市ガス等を燃料ガスへ変換する燃料改質器は高温で加熱する必要があるが、ＳＯＦＣの動作温度は約７００〜１０００℃と、他の燃料電池と比較して高温状態での運転となるため、その排気ガスを使って燃料改質器の加熱を行うことができる。つまり、ＳＯＦＣは別途外部から燃料改質器を加熱するための熱を与える必要がなく、高いエネルギー効率を得ることができるという利点を有する。
【０００４】
ところで、内部に固体酸化物形燃料電池セルを収容した燃料電池モジュール（以下、モジュール容器と呼ぶこともある）では、その内部に収容された燃料電池セルは高温で作動するものであるため、モジュール容器外に熱を放出してしまうと、モジュール容器の内部の温度が低下してしまい、エネルギー効率が低下してしまう。このことから、燃料電池モジュールは、モジュール容器外部へ熱を放出することによって引き起こしてしまうエネルギー効率の低下を防止するために、燃料電池モジュール容器の外壁面を断熱材で覆い、動作中の燃料電池モジュールから熱が散逸することを抑制することが求められる。
【０００５】
例えば特許文献１では、複数の燃料電池セルを内部に収容した直方体形状のモジュール容器に対して、上面視において対向するモジュール容器の何れか２辺側の板状の断熱材で他の２辺側の板状の断熱材を挟むように、モジュール容器の周囲に断熱材を密接させて覆うことでジュール容器から熱が散逸することを抑制するものが開示されている（特許文献１の図３参照）。
【０００６】
また、モジュール容器外壁面に配設された断熱材の外壁面を金属板等の非変形部材によって包囲することによって断熱材を補強し、組み立てや輸送の際などに生じる断熱材の破損を抑制することが一般的に知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−２２９５１８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、高温動作で稼動する燃料電池装置に用いる断熱材は、燃料電池装置のエネルギー効率を最大化する点において重要な機能を果たすものである。このため、断熱材の設置の際に生じたわずかな隙間であっても放熱パスを形成してしまうことになり、エネルギー効率は低下してしまう。ここで、断熱材は例えば生成した断熱部材をウォータージェット等により所望の寸法に切断加工する。しかし、板状に切断される断熱材は、その製造バラツキにより断熱材の実寸値には夫々寸法バラツキが生じてしまうことは避けられない。そこで、一般的には寸法公差が設定され、許容範囲内での誤差を当然含むものとして取り扱われている。断熱材の配置は、モジュール容器に密着させた接触配置することが断熱性能の観点から望ましいが、このような断熱材を複数配置してモジュール容器周囲を覆う場合には、モジュール容器と接して配置しながら、さらに各断熱材どうしを当接させてモジュール容器の周囲を完全に覆うことは事実上困難であった。
【０００９】
すなわち、特許文献１の構成では、上面視において対向するモジュール容器の何れか２辺側の断熱材が他の２辺側の断熱材を挟むように設けられているため、モジュール容器の上面視において、挟まれた２辺側の各断熱材の寸法バラツキによって、断熱材の接触部には微小な隙間が生じることとなってしまう。
【００１０】
そのため、モジュール容器の熱が断熱材の寸法バラツキにより生じた隙間から逃げてしまうことによって、不要な放熱が生じてエネルギー効率の低下に繋がってしまうことが問題となる。
【００１１】
また、断熱材間の隙間をなくすための方法として、一つの断熱材をモジュール容器外壁面の形状に合わせて成形することによって、複数の断熱材間で生じてしまう隙間からの放熱を防ぐことが考えられる。しかしこの場合、モジュール容器外壁の形状に合わせた加工が困難であることやコストが高くなってしまうことから現実的ではない。
【００１２】
以上のことから、本発明は上記の課題を解決し、モジュール容器外壁に設けられた断熱材の寸法バラツキによる放熱を抑え、従来よりも高い断熱性能を保有する固体酸化物形燃料電池モジュール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】
【００１３】
そこで、本明細書で開示する発明の構成の一態様として、直方体状のモジュール容器と、燃料電池セルと、を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、モジュール容器のそれぞれの外壁面に対応して設けられ、板状の複数の第１断熱材と、固体酸化物形燃料電池モジュールの最外壁を構成し、第１断熱材を補強する部材と、を備え、モジュール容器の上面視において、第１断熱材は製造上で生じる第１断熱材の寸法のバラツキによって第１断熱材間に隙間が生じないように複数の第１断熱材はモジュール容器外壁面の４辺に接して囲むように設けられており、モジュール容器の外壁面の４辺のうちの何れか１辺である第１辺に位置する第１断熱材は長辺側がモジュール容器外壁面と接しており、第１辺に隣接する第２辺に位置する第１断熱材は短辺側が第１辺の第１断熱材の長辺側と接しており、第２辺に隣接する第３辺の第１断熱材の短辺側は第２辺に位置する第１断熱材の長辺側と接しており、第３辺及び第１辺に隣接する第４辺の第１断熱材の短辺側は第３辺の第１断熱材の長辺側と接しており、第３辺及び第１辺に隣接する第４辺の第１断熱材の長辺側は第１辺の第１断熱材の短辺側と接するようにモジュール容器の周囲に設けられモジュール容器の外壁面に接して設置されているとともに、部材は外圧によって第１断熱材の寸法のバラツキを吸収する寸法バラツキ吸収部材であることが好ましい。
【００１４】
なお、本件発明において「板状」とは、直方体状であることを指し、直方体状のモジュール容器に密接させるものであるため少なくともモジュール容器に接する面は平坦であることを要するものである。但し、その長さや厚みは適宜設計するものであり、また各種配管や各種センサ、着火装置等の引き出しのためにくりぬく開孔があるものを除外するものではない。
【００１５】
また、本件発明において「製造上生じる寸法のバラツキ」とは、第１断熱材の寸法についての設計値あるいは製造目標値と実際に加工された実寸値との間に生じる差を指すものである。また、製造上規定された製造誤差や寸法許容値、寸法公差などは、「製造上生じる寸法のバラツキ」の存在を推認するものである。
【００１６】
ここで、直方体形状のモジュール容器を板状の第１断熱材で覆う際には、モジュール容器の上面視において、第１断熱材間に隙間が生じないように配置することによって、寸法バラツキの影響をモジュール容器外壁面に配置した第１断熱材の外周側に集めることができ、第１断熱材の寸法バラツキにより生じる隙間からの放熱を抑制することができる。その一方で、第１断熱材外周側に寸法バラツキによる影響を集めたため、第１断熱材外壁面をさらに金属板等の非変形部材によって覆った場合には、第１断熱材外周に生じた寸法差の部分と非変形部材の内壁面との間に空間が生じてしまう。つまり、第１断熱材間の隙間を形成させないようにすることによって断熱性能は向上するが、第１断熱材の接触部からは微量に放熱してしまうため、接触部の先に空間が形成されてしまうと放熱空間として機能してしまうという新たな課題が生じてしまう。
【００１７】
そこで、このように構成された本件発明によれば、各第１断熱材の寸法バラツキがモジュール容器外壁面に配置された第１断熱材の外周側に生じるように第１断熱材を配置するとともに、さらにその第１断熱材の外壁面で外圧によって各第１断熱材の寸法バラツキに合わせて第１断熱材外壁面に配置された寸法バラツキ吸収部材を変形させている。この寸法バラツキ吸収部材の変形は、第１断熱材の形状に合わせて密接して変形する、すなわちバラツキを吸収するように変形する。それにより、寸法バラツキの影響のためにモジュール第１断熱材外周と第１断熱材外壁との間に形成される放熱空間を埋めることができ、第１断熱材の外壁面と寸法バラツキ吸収部材との間には放熱空間が形成させず、確実に放熱を抑制することが可能になる。
【００１８】
また、一般的に断熱材は脆く、割れや欠けが生じた断熱材は、その部分から放熱してしまい、通常と比較して断熱性能が低下してしまう。本件発明によれば、モジュール容器外壁面に配置された第１断熱材の外周側を寸法バラツキ吸収部材が覆うように設けられているため、第１断熱材を保護することが可能となり、輸送や組み立ての際の取り扱い等による第１断熱材の割れ・欠けを防ぎ、不要な放熱を防ぐことができる。
【００１９】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様として、寸法バラツキ吸収部材は第２断熱材であることが好ましい。
【００２０】
このように構成された本件発明によれば、寸法バラツキ吸収部材は断熱材であるため、寸法バラツキによってモジュール容器外壁側に配置された第１断熱材の外周側に生じてしまう放熱空間を断熱材で埋めることができる。したがって、空間形成による放熱を抑制しつつ、第１断熱材と第２断熱材とによる２重構造とすることで、さらに断熱性能を向上させることができる。
【００２１】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様として、寸法バラツキ吸収部材は、固定部材によって外方から第１断熱材に固定されており、固定部材は外圧を与えることが好ましい。
【００２２】
このように構成された本件発明によれば、固定部材はモジュール容器に配置された第１断熱材外壁に設けられた寸法バラツキ吸収部材同士を固定しながら外圧を常に寸法バラツキ吸収部材に与え続けることができる。そのため、時間経過とともに放熱空間が形成されることはなく、永続的な断熱性能の維持及び向上が可能となる。
【００２３】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様として、モジュール容器の上面視において、複数の第１断熱材はモジュール容器外壁面の４辺に接して囲むように設けられており、モジュール容器の外壁面の４辺のうちの何れか１辺である第１辺に位置する第１断熱材は長辺側がモジュール容器外壁面と接しており、第１辺に隣接する第２辺に位置する第１断熱材は短辺側が第１辺の第１断熱材の長辺側と接しており、第２辺に隣接する第３辺の第１断熱材の短辺側は第２辺に位置する第１断熱材の長辺側と接しており、第３辺及び第１辺に隣接する第４辺の第１断熱材の短辺側は第１辺の長辺側と接するようにモジュール容器の周囲に設けられ、板状に形成された寸法バラツキ吸収部材は４辺に対応して第１断熱材に接するように、且つ端部が各第１断熱材の短辺側に位置するように複数設けられ、固定部材は寸法バラツキ吸収部材の端部に設けられていることが好ましい。
【００２４】
ここで、各第１断熱材同士の間で隙間が生じないように直方体形状のモジュール容器配置された場合、モジュール容器上面視において、それぞれの板状の第１断熱材の短辺側がモジュール容器の角部に位置することとなる。つまり、その端部と対向する短辺は他の第１断熱材の長辺と隙間を生じさせないように接しているため、第１断熱材の寸法バラツキの影響は長辺と接していない短辺側の端部に生じることとなる。
【００２５】
このように構成された本件発明によれば、配置された第１断熱材の寸法バラツキの影響が第１断熱材外周側に位置する短辺近傍で生じることとなり、寸法バラツキ吸収部材に外圧をかける固定部材を上記短辺近傍に位置するように構成している。すなわち、寸法バラツキの影響が生じる部分の近傍で外圧をかけることができるため、寸法バラツキ吸収部材が寸法バラツキに応じた形状へ変形することを促進し、放熱空間を形成させないため、燃料電池モジュールの断熱性能を向上させることができる。さらに、最外表面を構成する寸法バラツキ吸収部材の端部では放熱が起こりやすい場所であるが、端部で接する各寸法バラツキ吸収部材の端部同士をお互いに密着変形させながら固定することができるため、固定と放熱抑制とを両立し、モジュール容器の断熱性能を向上させることができる。
【００２６】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様として、固定部材は寸法バラツキ吸収部材と面接触するように、屈曲した１つの部材で構成されており、各寸法バラツキ吸収部材の端部同士が接触する角部に沿って延在する線形形状であることが好ましい。
【００２７】
このように構成された本件発明によれば、寸法バラツキ吸収部材を面で圧迫することができるため、圧迫方向とは垂直な方向の寸法バラツキ吸収部材の変形量を多くすることが可能になり、放熱空間の部分へ寸法バラツキ吸収部材の変形を促進することができる。さらに、線形形状であるため、接触する２つの寸法バラツキ吸収部材の接触部分全体を一つの部材で固定することができ、上記効果を接触部全体で奏することが可能となる。
【００２８】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様として、固定部材と、固定部材により固定される寸法バラツキ吸収部材の端部との間には変形許容空間が形成されていることが好ましい。
【００２９】
このように構成された本件発明によれば、寸法バラツキ吸収部材の端部のみから圧力を加えた場合、寸法バラツキ吸収部材の中央側が第１断熱材と離間するように変形してしまい、寸法バラツキ吸収部材の内壁面と第１断熱材の外壁面との間に放熱空間を形成してしまう恐れがある。そのため、あえて、第１断熱材端部の変形を許容する変形許容空間を寸法バラツキ吸収部材の端部よりも外側に設けて放熱空間を形成させないように構成することで、断熱性能を向上させることができる。
【００３０】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様として、第２断熱材は第１断熱材と同じ材料で構成され、第１断熱材よりも密度が小さいことが好ましい。
【００３１】
このように構成された本件発明によれば、断熱材において、材料が同じであれば、密度が異なっても同程度の断熱性能を有することができるため、第１断熱材と同じ断熱性能を有しながら、変形しやすく寸法バラツキを吸収することができるように寸法バラツキ吸収部材を構成することができる。
【００３２】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様として、寸法バラツキ吸収部材は、断熱材料の周囲がガラスクロスで被覆されているものであることが好ましい。
【００３３】
このように構成された本件発明によれば、寸法バラツキ吸収部材は変形のために圧力が加えられることとなるが、ガラスクロスが断熱材料の外表面を保護することで断熱材料の欠損をシートが防ぐことが可能となり、寸法バラツキ吸収部材（第２断熱材）の破損に起因した断熱性能の低下を抑制することができる。
また、断熱材料をガラスクロスで被覆することで断熱材の剛性を高めることができるため、第１断熱材の補強部材として別途金属板などの非変形部材を用いることが不要となり、断熱材の機能を兼備した安価な固体酸化物形燃料電池モジュールの最外壁として構成することができる。さらに断熱材料をガラスクロスで被覆した断熱材はパネルとして取り扱いが簡易なため、固体酸化物形燃料電池モジュールの製造時における作業性や組み立て性が向上する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、断熱材間からの放熱を抑制することに加えて、それに対して新たに発生する放熱をも抑制することによって、モジュール容器からの放熱を抑制して断熱性能を向上させモジュール容器内部のエネルギーを効率的に利用できる燃料電池モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの概念図を示したものである。
【図２】本発明の一実施形態による寸法バラツキ吸収部材と固定部材によって最外表面が構成された燃料電池モジュールを示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による寸法バラツキ吸収部材の配置を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による固定部材の配置を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態による第１断熱材の配置を示す図２のＩ−Ｉ線に沿った上面視断面図である。
【図６】本発明の一実施形態によるＩ−Ｉ線に沿った上面視からの部分断面図である。（Ａ）と（Ｂ）とで２パターンの寸法バラツキと寸法バラツキ吸収部材との関係を示している。
【図７】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図８】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の寸法バラツキ吸収部材を取り外した燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図９】本発明の一実施例による図８のIII-III線に沿った断面図である。
【図１０】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールから断熱材及び寸法バラツキ吸収部材を取り外した状態の斜視図である。
【図１１】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図１２】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、燃料電池モジュールを示す側面断面図である。
【図１３】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、図８のIII-III線に沿った燃料電池モジュールの正面断面図である。
【図１４】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの上部の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
つぎに、図１から図６を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールについて説明する。
【００３７】
図１は本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を構成する燃料電池モジュール１００２の簡易概念図を示している。燃料電池モジュール１００２はモジュール容器１００７を備え、このモジュール容器１００７の外部には第１断熱材１００１、寸法バラツキ吸収部材（部材）１０００の順に配置されている。モジュール容器１００７の内部は密閉空間であり、モジュール容器１００７の下方部分である発電室１０１１には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セル１００６が配置されている。この例では、モジュール容器１００７には１２８本の燃料電池セル１００６が収容され、燃料電池セル１００６の全てが直列接続されている。
【００３８】
モジュール容器１００７内部の発電室１０１１の上方には、燃焼部としての燃焼室１０１２が形成され、この燃焼室１０１２で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。また、この燃焼室１０１２の上方には、燃料ガスを生成する改質器１００９が配置され、上記した残余ガスの燃焼熱によって改質器１００９を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
【００３９】
また、モジュール容器１００７の内部には、上方に燃料電池セル１００６を備えたマニホールド１００８が発電室１０１１の下方に設けられている。燃料ガスは改質器１００９とマニホールド１００８とを繋ぐ燃料供給配管１０１３からマニホールド１００８へと流入し、流入した燃料ガスは上方の燃料電池セル１００６に均等に分配される。
【００４０】
さらに、モジュール容器１００７は周囲を第１断熱材１００１により覆われており、燃料電池モジュール１００２内部の熱が、外部へ発散するのを抑制している。その第１断熱材１００１内であって、モジュール容器１００７の上方には、蒸発器１０１０が配設されている。蒸発器１０１０は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュール容器１００７内の改質器１００９に供給する。なお、本実施形態ではモジュール容器１００７の上方に蒸発器１０１０を配置しているがこれに限るものではない。
【００４１】
つぎに、図２〜図４を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。図２は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール１００２の全体斜視図である。さらに、図３及び図４は寸法バラツキ吸収部材１０００と固定部材１００４とで構成される燃料電池モジュール１００２の簡易分解図を示している。なお、ここでは、水、燃料ガス、発電用空気、温度センサ等の配管の図示は省略している。
【００４２】
図２に示すように燃料電池モジュール１００２の最外壁は寸法バラツキ吸収部材１０００と固定部材１００４によって構成されており、下面をトレー１００５によって覆われている。
【００４３】
図３に示すように、モジュール容器１００７の上下面、左右、正背面の６面全面にヒュームドシリカを含有する板状（以下では直方体状と呼ぶこともある）の第１断熱材１００１が配置されている。ここで、第１断熱材１００１は、高圧に加圧されて高速に噴出される水流によって加工（ウォータージェット加工）されて板状に形成されている。これらの第１断熱材１００１は製造上の誤差や寸法許容量の設定によりそれぞれの寸法値にはバラツキが生じることとなる。詳しくは後述するが、モジュール容器１００７の左右・正背面に配置された第１断熱材１００１において、第１断熱材１００１の寸法バラツキの影響がモジュール容器１００７に設けられた第１断熱材１００１の外周側に生じるように配置されている。
【００４４】
ところで、一般的に断熱材は脆く、燃料電池モジュール１００２の組み立ての際などに割れや欠けが発生しやすく、割れや欠けが生じた断熱材は、その部分から放熱してしまい、通常と比較して断熱性能が低下してしまう。本発明の一実施形態においては、図３に示すように第１断熱材１００１の外表面において、全面に寸法バラツキ吸収部材１０００が周囲を覆うように設けられている。これにより、第１断熱材１００１が輸送や組み立ての際の取り扱い等により、割れや欠けが生じることを防いでいる。
【００４５】
また、寸法バラツキ吸収部材１０００は断熱材料１０００ａが熱伝導性の低いガラスクロス１０００ｂ（繊維状のガラスを織り込んでシート状に加工したもの）によって周囲が覆われたもので第２断熱材として機能する（図６参照）。断熱材料１０００ａは第１断熱材１００１と同様にヒュームドシリカを含有する板状の断熱材であるが、第１断熱材１００１よりも密度が小さく構成されているため、同程度の断熱性能を持ちながら圧力に対して変形しやすいという特性を有する。
【００４６】
上述のように、断熱材料１０００ａは圧力に対して変形しやすく構成されているが、断熱材料１０００ａはシート状のガラスクロス１０００ｂで周囲が覆われていることによって寸法バラツキ吸収部材１０００として構成されている。このため、断熱材料１０００ａに圧力がかけられたとしてもガラスクロス１０００ｂによって保護されているため、金属板などの非変形部材で周囲を覆わずとも断熱材料１０００ａの割れ欠けを抑制することができる。
【００４７】
さらに、図３、図４を参照すると、寸法バラツキ吸収部材１０００の端部は曲率を有するように形成されている。これにより、第１断熱材１００１の外壁面に寸法バラツキ吸収部材１０００を配置させる際には、寸法バラツキ吸収部材１０００は端部同士で接触することになるため、端部の曲率同士が受け部として機能して、固定する前の寸法バラツキ吸収部材１０００の位置決めが容易となる。
【００４８】
このように、４つの寸法バラツキ吸収部材１０００は各々が端部で接触しているが、その接触部を覆うように、８つの固定部材１００４によってこれらの寸法バラツキ吸収部材１０００が第１断熱材１００７に固定されている。この固定部材１００４は断面形状がＬ字で且つ、線形形状に形成されているため、直方体状のモジュール容器１００７において、何れか２つの寸法バラツキ吸収部材１０００の接触部全体を一つの固定部材１００４によって固定することができる。なお、本発明の一実施形態における固定部材１００４にはネジ穴が設けられており、ネジ固定されることによって第１断熱材１００１に固定されているが、これに限るものではない。
【００４９】
ここで、モジュール容器１００７の下面に配置された寸法バラツキ吸収部材１０００の外表面側には、金属板によって構成され端部が上方に折り曲げられたトレー１００５が配置されており、トレー１００５は図３に示すように下面の周囲４辺が折り曲げられて立ち上がり、下面全体を覆うように形成されている。
【００５０】
つぎに、図５及び図６を参照しながら本実施形態について説明する。図５は図２におけるＩ-Ｉ断面のｚ方向からの上面視断面図である。また、図６は図２のＩ-Ｉ断面のｚ方向からの上面視部分断面図を示しており、（Ａ）と（Ｂ）の２パターンの寸法バラツキ吸収部材１０００のそれぞれの変形について示すものである。
【００５１】
図５を参照すると、内部に燃料電池セル１００６を収容したモジュール容器１００７の外周４辺には第１断熱材１００１が配置されている。その第１断熱材１００１のさらに外壁には４辺に対応して寸法バラツキ吸収部材１０００が設けられている。なお、モジュール容器１００７の内部構造の詳細については実施例にて後述するため、ここでの説明は省略する。
【００５２】
ここで、図５に示すように、直方体状のモジュール容器１００７は４辺のうちの第１辺側の第１断熱材（第１辺の第１断熱材１００１ａ）、第２辺側の第１断熱材（第２辺の第１断熱材１００１ｂ）、第３辺側の第１断熱材（第３辺の第１断熱材１００１ｃ）、第４辺側の第１断熱材（第４辺の第１断熱材１００１ｄ）によって、上記４辺を覆うように板状の第１断熱材１００１がモジュール容器１００７の外壁に配置されている。
【００５３】
これらの第１断熱材１００１は、それぞれの寸法バラツキの影響が、モジュール容器１００７の外壁面に配置された第１断熱材１００１の外周側に生じるように構成されている。これを図５を参照しながら詳述すると、第１断熱材１００１は長辺と短辺を有しており、第１辺の第１断熱材１００１ａはモジュール容器１００７の外壁面と長辺で接するように設けられており、第２辺の第１断熱材１００１ｂは短辺側が第１辺の第１断熱材１００１ａの長辺側と接するように設けられており、第３辺の第１断熱材１００１ｃの短辺側は第２辺の第１断熱材１００１ｂの長辺側と接しており、第４辺の第１断熱材１００１ｄは短辺側が第３辺の第１断熱材１００１ｃの長辺側と接するように、モジュール容器１００７の外壁に接しながら周囲を覆うように配置されている。すなわち、各々の第１断熱材１００１はモジュール容器１００７に接しつつ、断熱材接触部１０１４で密接することとなる。
【００５４】
このように配置することによって、第１辺の第１断熱材１００１ａ、第２辺の第１断熱材１００１ｂ、第３辺の第１断熱材１００１ｃ、第４辺の第１断熱材１００１ｄはモジュール容器１００７に接しながら、各第１断熱１００１に寸法バラツキがあったとしてもお互いの接する部分（断熱材接触部１０１４）には隙間が生じることはなく、モジュール容器１００７壁面からの放熱を抑制し、断熱性能を向上させることができる。
【００５５】
なお、本発明の一実施形態では、直方体形状のモジュール容器１００７の上面視おいて、モジュール容器１００７外壁面の４面を接して囲むように第１断熱材１００１がそれぞれ４つ設けられているが、モジュール容器の外壁面の４辺のうちの何れか１辺に位置する板状の第１断熱材１００１を複数層で構成し、その外方に寸法バラツキ吸収部材１０００を配置してもよい。第１断熱材１００１を複数層とすることにより、汎用の薄型の断熱材を重ねあわせて構成することによるコストの低減や、異なる断熱材を重ね合わせて構成することで断熱性能の調整などを図ることができる。
【００５６】
つぎに、第１断熱材１００１の外壁に配置された寸法バラツキ吸収部材１０００について、図５及び図６を参照しながら説明する。
【００５７】
図６は図２のＩ-Ｉ線に沿った断面を上面視したもので、第１断熱材１００１の寸法のバラツキによって断熱材間に隙間が生じないようにモジュール容器１００７の外壁面に接して設置された第１断熱材１００１のうち、第２辺の第１断熱材１００１ｂと第３辺の第１断熱材１００１ｃの接触する断熱材接触部１０１４の部分断面図を示したものである。図６（Ａ）は板状に形成された第２辺の第１断熱材１００１ｂの長辺（ｙ方向）が設計値寸法よりも小さい場合、又は第３辺の第１断熱材１００１ｃの短辺（ｙ方向）が設計値寸法よりも大きい場合を示している。図６（Ｂ）は板状に形成された第２辺の第１断熱材１００１ｂの長辺（ｙ方向）が設計値寸法よりも大きい場合、又は第３辺の第１断熱材１００１ｃが短辺（ｙ方向）が設計値寸法よりも小さい場合を示している。なお、本実施形態では、第２辺の第１断熱材１００１ｂと第３辺の第１断熱材との断熱材接触部１０１４を例に挙げて説明するが、この部分に限るものではない。また、図６ではモジュール容器１００７の内部及び、トレー１００５の図示は省略している。
【００５８】
さらに、寸法バラツキ吸収部材１０００は断熱材料１０００ａとガラスクロス１０００ｂによって構成されており、第２断熱材１０００としての機能も保有している。そのため、寸法バラツキ吸収部材１０００を燃料電池モジュール１００２の最外壁として構成しながら、第１断熱材１００１とあわせて２層の断熱材として構成される。
【００５９】
つぎに、図６（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、断熱材接触部１０１４は隙間が生じないように配置されているが、その一方で、モジュール容器１００７の外壁側に配置した第２辺の第１断熱材１００１ｂと第３辺の第１断熱材１００１ｃと外周側は第１断熱材１００１の寸法バラツキによって、図６の点線領域に示す放熱空間１０１５が形成される。
【００６０】
ここで、断熱材接触部１０１４に隙間が生じないように配置されることにより、燃料電池モジュール１００２としての断熱効果は向上するものの、第１断熱材１００１の壁面の熱伝導を完全に遮断することは困難であり、断熱材接触部１０１４の先に放熱空間１０１５が形成されると熱が逃げる空間として機能してしまう。
【００６１】
そこで、本発明の一実施形態によれば、第１断熱材１００１の外壁に設けられた寸法バラツキ吸収部材１０００が放熱空間１０１５を埋めるため、金属板などの非変形部材では生じてしまう熱の逃げ場を形成させることはなく、燃料電池モジュール１００２の断熱性能を向上させることができる。
【００６２】
これに対して、図６を参照すると、第２辺の第１断熱材１００１ｂと第３辺の第１断熱材１００１ｃとの寸法バラツキによってそれらの外周は面一にならないが、第１断熱材１００１の外壁には、固定部材１００４からの外圧によってモジュール容器１００７側に圧迫されることにより、寸法バラツキ吸収部材１０００が変形し、各第１断熱材１００１の寸法バラツキを吸収することができる。
【００６３】
つぎに、寸法バラツキ吸収部材１０００、第１断熱材１００１及び固定部材１００４の配置関係について図５及び図６を参照しながら説明する。図６に示すように、それぞれの寸法バラツキ吸収部材１０００の端部を、モジュール容器１００７に配置された第２辺の第１断熱材１００１ｂと第３辺の第１断熱材１００１ｃとで構成される外周の角部に配置し、寸法バラツキ吸収部材１０００の端部を固定部材１００４によって密接させつつ第２辺の第１断熱材１００１ｂ及び第３辺の第１断熱材１００１ｃに固定している。
【００６４】
ここで、断熱材接触部１０１４の近傍では寸法バラツキによって外周側の形状が面一ではなくなり、これが放熱空間１０１５を形成する要因となる。そのため、断熱材接触部１０１４の近傍となる、モジュール容器１００７外壁に配置された第１断熱材１００１の外周の角部に寸法バラツキ吸収部材１０００の端部を配置し、さらに外圧を加える固定部材１００４を配置することによって、寸法バラツキに合わせた変形を促進し放熱空間１０１５を形成させない。
【００６５】
さらに、固定部材１００４はＬ字に形成されているため、板状に形成された寸法バラツキ吸収部材１０００が固定部材１００４と面接触している。これにより、寸法バラツキ吸収部材１００１を面圧することができるため、圧迫方向（図の太字実線矢印方向）に対して略垂直な方向（図６の細字実線矢印方向）に圧力が逃げていく、すなわち放熱空間１０１５への変形量を多くする、ことが可能になり、第１断熱材１００１の寸法バラツキの吸収を促進することができる。
【００６６】
また、図６に示すように寸法バラツキ吸収部材１０００は第２断熱材１０００ａをガラスクロス１０００ｂで覆うことによって構成される。すなわち、断熱性能を有する寸法バラツキ吸収部材１０００が放熱空間１０１５を埋めることに加えて、第１断熱材１００１とあわせて２層の断熱材をモジュール容器１００７の外方に備えることなり、高い断熱性能を実現することができる。
【００６７】
図６（Ａ）では、放熱空間１０１５が第２辺の第１断熱材１００１ｂの短辺側に形成されることになるが、固定部材１０１６の圧力によって、その近傍に生じている放熱空間１０１５を埋めるように寸法バラツキ吸収部材１０００が変形していく。また、図６（Ｂ）では放熱空間１０１５が第３辺の第１断熱材１００１ｃの長辺側に形成されることになるが、固定部材１０１４が放熱空間１０１５へ向かう変形を促進するため、確実に放熱空間１０１５を形成させずに、断熱性能を向上させることができる。
【００６８】
さらに固定部材１０１４は固定と同時に圧力を寸法バラツキ吸収部材１０００にかけ続けることになるため、時間経過とともに寸法バラツキ吸収部材１０００が第１断熱材１００１から離間して放熱空間１０１５を形成することがない。
【００６９】
また、本発明の一実施形態によれば、寸法バラツキ吸収部材１０００の端部同士を接触させた上で、固定部材１００４によってモジュール容器１００７側に圧迫しているため（図６の太字実線矢印）、放熱空間１０１５を埋める方向に加えて、他方の寸法バラツキ吸収部材１０００の端部に向かうように変形する。それにより、各々の寸法バラツキ吸収部材１０００がお互いの端部を潰しあうように密着し（図６の太字実線を参照）、寸法バラツキ吸収部材１０００の端部からの熱の放出を抑制し、断熱性能を向上させることができる。
【００７０】
さらに、寸法バラツキ吸収部材１０００の端部は曲率を有しており、寸法バラツキ吸収部材１０００の短辺方向の長さをｄとすると、端部のＲを半分の０．５ｄとなるように形成している。このように構成することで、図６（Ａ）、（Ｂ）のどちらの寸法バラツキに対しても寸法バラツキ吸収部材１０００の過不足が生じることを防ぎ、確実に放熱空間１０１５を埋めるように変形させることが可能になる。
【００７１】
一方で、寸法バラツキ吸収部材１０００は固定部材１００４によって端部から圧迫されるため、寸法バラツキ吸収部材１０００は端部から中央の方向への変形が促進されることになる。図６を参照して説明すると、第２辺の第１断熱材１００１ｂは端部からｙ方向、第３辺の第１断熱材１００１ｃは端部からｘ方向に向かう変形が促進されることになる。そのため、過剰に寸法バラツキ吸収部材１０００の中央側に変形することによって寸法バラツキ吸収部材１０００が盛り上がり、第１断熱材１００１から離間してしまうことで放熱空間１０１５を形成してしまうことが考えられる。
【００７２】
そのため、図６の一点鎖線領域に示すように、あえて寸法バラツキ吸収部材１０００の端部外表面と固定部材１００４の内壁面との間に、寸法バラツキ吸収部材１０００の端部方向への変形を許容する変形許容空間１０１６を形成している。つまり、固定部材１００４の外圧によって、寸法バラツキ吸収部材１０００は端部から放熱空間１０１５に向かって変形が促進されることになるが、寸法バラツキ吸収部材１０００の端部方向への変形を許容して過剰に中央側に変形しないようにしている。これにより、寸法バラツキ吸収部材１０００が中央側に変形しすぎて放熱空間１０１５を形成しないように構成することができる。また、本発明の一実施形態において、第２辺の第１断熱材１００１ｂと第３辺の第１断熱材１００１ｃの端部との密着を促進するため、燃料電池モジュール１００２角部での放熱を効果的に抑制することができる。
【００７３】
以上のことから、本発明の一実施形態によれば、第１断熱材接触部１０１４に隙間を形成しないように配置することで、隙間からの放熱を抑制しつつ、さらに、第１断熱材１００１の外壁面には寸法バラツキ吸収部材１０００によって、第１断熱材１０００の外周側に生じる寸法バラツキを吸収するため、放熱空間１０１５を形成することはないため、燃料電池モジュール容器１００７からの放熱を抑制し、燃料電池モジュール１００２の断熱性能を向上させた固体酸化物形燃料電池モジュールを実現することができる。
【実施例】
【００７４】
次に、図７〜図１４を参照して、本発明の一実施例を説明する。
【００７５】
図７は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。図７に示すように、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００７６】
燃料電池モジュール２は、燃料電池モジュール２の最外壁を構成する寸法バラツキ吸収部材６を備え、この寸法バラツキ吸収部材６の内部には、板状の第１断熱材７を介して金属製のモジュール容器８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュール容器８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が収容置されている。この燃料電池セル集合体１２は、複数の燃料電池セルユニット１６（図１１参照）が直列接続されて構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１２は、１２８本の燃料電池セルユニット１６を有する。
【００７７】
燃料電池モジュール２のモジュール容器８の発電室１０の上方には、燃焼部としての燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった（発電に寄与しなかった）残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。さらに、モジュール容器８は第１断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器１２０が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器１２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
【００７８】
ここで、直方体形状のモジュール容器８のそれぞれの壁面に対応して第１断熱材７が設けられている。ここでの図示は省略するが、第１断熱材７はモジュール容器８の上面視において、第１断熱材８は製造上で生じる第１断熱材８の寸法のバラツキによって第１断熱材８間に隙間が生じないようにモジュール容器８の外壁面に接して設置されている。そのため、モジュール容器８の外壁面を覆っている第１断熱材８の外周側に、寸法バラツキの影響が生じることとなる。
【００７９】
また、第１断熱材８の外周側には、それぞれの第１断熱材８に対応して、外圧を受けることによって変形する寸法バラツキ吸収部材６が配置されており、図示しない固定部材によって端部同士が密接し、第１断熱材８に固定されている。この寸法バラツキ吸収部材８は固定部材（図示せず）からの外圧により、上述した第１断熱材８の寸法バラツキを吸収する。この寸法バラツキ吸収部材６は、第１断熱材７と同じ断熱材料をガラスクロスで覆うことによって構成されており、第２断熱材としての機能も有する。
【００８０】
さらに、寸法バラツキ吸収部材６内においてモジュール容器８の上方には、蒸発器１４０が第１断熱材７内に設けられている。蒸発器１４０は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュール容器８内の改質器１２０に供給する。
【００８１】
次に、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の原料ガスの供給減である燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器１２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００８２】
なお、本実施例では、装置の起動時に改質器１２０内において、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみが生じるＰＯＸ工程から、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）が混在したオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が生じるＡＴＲ工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるＳＲ工程が行われるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程を省略してＡＴＲ工程からＳＲ工程に移行されるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程を省略してＳＲ工程のみが行われるように構成してもよい。なお、ＳＲ工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット４４は不要である。
【００８３】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００８４】
次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について説明する。図８は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図９は、図８のIII-III線に沿った断面図であり、図１０は、モジュール容器及び空気通路カバーの分解斜視図である。
【００８５】
図８及び図９に示すように、燃料電池モジュール２は、第１断熱材７で覆われたモジュール容器８の内部に設けられた燃料電池セル集合体１２及び改質器１２０を有すると共に、モジュール容器８の外部で且つ第１断熱材７内に設けられた蒸発器１４０を有する。なお、ここでは寸法バラツキ吸収部材６の図示及び説明を省略する。
【００８６】
まず、モジュール容器８は、図１０に示すように、略矩形の天板８ａ，底板８ｃ，これらの長手方向（図８の左右方向）に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板８ｂからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の２つの対向する開口部を塞ぎ、天板８ａ及び底板８ｃの幅方向（図９の左右方向）に延びる辺同士を連結する閉鎖側板８ｄ，８ｅからなる。
【００８７】
モジュール容器８は、空気通路カバー１６０によって天板８ａ及び側板８ｂが覆われている。空気通路カバー１６０は、天板１６０ａと、対向する一対の側板１６０ｂとを有する。天板１６０ａの略中央部分には、排気管１７１を貫通させるための開口部１６７が設けられている。天板１６０ａと天板８ａとの間、及び、側板１６０ｂと側板８ｂとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュール容器８の外側と第１断熱材７との間、具体的にはモジュール容器８の天板８ａ及び側板８ｂと、空気通路カバー１６０の天板１６０ａ及び側板１６０ｂとの間には、天板１６０ａ及び側板１６０ｂの外面に沿って、酸化剤ガス供給通路としての空気通路１６１ａ，１６１ｂが形成されている（図９参照）。
【００８８】
モジュール容器８の側板８ｂの下部には、複数の貫通孔である吹出口８ｆが設けられている（図１０参照）。発電用空気は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、モジュール容器８の閉鎖側板８ｅ側の略中央部には、空気通路１６１ａに連通する空気供給口１６０ｃ（図８参照）が形成されている。発電用空気導入管７４は、空気供給口１６０ｃに接続されており、発電用空気導入管７４から導入された空気は流路方向調整部１６４を介して空気通路１６１ａ内に供給される（図８、図１０参照）。そして、発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂを通って、吹出口８ｆから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される（図９、図１０参照）。
【００８９】
また、空気通路１６１ａ，１６１ｂの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン１６２が設けられている（図９参照）。プレートフィン１６２は、モジュール容器８の天板８ａと空気通路カバー１６０の天板１６０ａの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられた水平部１６２ａと、モジュール容器８の側板８ｂと空気通路カバー１６０の側板１６０ｂとの間であって、且つ、燃料電池セルユニット１６よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられた鉛直部１６２ｂとを含む。水平部１６２ａは短手方向中央側の端部が、空気通路カバー１６０の天板１６０ａに形成された空気供給口１６０ｃの近傍まで延出している。
【００９０】
また、鉛直部１６２ｂの下端は、モジュール容器８の側板８ｂの燃焼室１８から輻射熱を受けることができる部分と略等しい高さまで延出している。具体的には、鉛直部１６２ｂの下端は、後述する蓄熱手段として機能する燃料電池セルユニット１６の上端付近、より具体的には内側電極端子８６の高さに位置している。
【００９１】
プレートフィン１６２は、一枚のプレートフィンが天板８ａの縁近傍において折り曲げられて形成され、水平部１６２ａ及び鉛直部１６２ｂは連続した一部材として構成されている。なお、本実施例では、水平部１６２ａ及び鉛直部１６２ｂは、一枚のプレートフィンが天板８ａを折り曲げて構成しているが、必ずしもこのように構成する必要はない。例えば、二枚のプレートフィンを溶接等で接続して水平部１６２ａ及び鉛直部１６２ｂを構成してもよく、水平部１６２ａと鉛直部１６２ｂとが、熱を伝達可能なように連続する一部材として構成されていればよい。
【００９２】
空気通路１６１ａ，１６１ｂを流れる発電用空気は、特にプレートフィン１６２を通過する際に、これらプレートフィン１６２の内側のモジュール容器８内（具体的には天板８ａ，側板８ｂに沿って設けられた排気通路）を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路１６１ａ，１６１ｂにおいてプレートフィン１６２が設けられた部分は、熱交換器（熱交換部）として機能する。なお、プレートフィン１６２の水平部１６２ａが設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂが設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。
【００９３】
つぎに、蒸発器１４０は、モジュール容器８の天板８ａ上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器１４０とモジュール容器８との間には、これらの隙間を埋めるように板状に形成された第１断熱材断熱材７が配置されている（図８及び図９参照）。
【００９４】
具体的には、蒸発器１４０は、長手方向（図８の左右方向）の一側端側に、水及び原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい）を供給する燃料供給配管６３と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管８２（図９参照）とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管１７１の上端部が連結されている。排気管１７１は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａに形成された開口部１６７を貫通して下方へ延び、モジュール容器８の天板８ａ上に形成された排気口１１１に連結されている。排気口１１１は、モジュール容器８内の燃焼室１８で生成された排気ガスをモジュール容器８の外へ排出する開口部であり、モジュール容器８の上面視略矩形の天板８ａのほぼ中央部に形成されている。
【００９５】
また、蒸発器１４０は、図８及び図９に示すように、上面視で略矩形の蒸発器ケース１４１を有している。この蒸発器ケース１４１は、２つの高さの低い有底矩形筒状の上側ケース１４２と下側ケース１４３とを、これらの間に中間板１４４を挟んだ状態で接合して形成されている。
【００９６】
したがって、蒸発器ケース１４１は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管１７１から供給された排気ガスが通過する排気通路部１４０Ａが形成され、上層部分には、燃料供給配管６３から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部１４０Ｂと、蒸発部１４０Ｂで生成された水蒸気と燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部１４０Ｃが設けられている。
【００９７】
図８及び図９に示すように、蒸発部１４０Ｂ及び混合部１４０Ｃは、複数の連通孔（スリット）１４５ａが形成された仕切り板１４５により蒸発器１４０を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部１４０Ｂ内には、アルミナボール（図示せず）が充填されている。
【００９８】
また、排気通路部１４０Ａは、同様に複数の連通孔を有する２つの仕切り板１４６，１４７により排気ガスの上流側から下流側にかけて３つの空間に仕切られている。そして、２番目の空間に燃焼触媒（図示せず）が充填されている。すなわち、本実施例の蒸発器１４０は、上下方向の二層構造のうちの下層構造に燃焼触媒器を含んでいる。
【００９９】
このような蒸発器１４０では、蒸発部１４０Ｂ内の水と排気通路部１４０Ａを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部１４０Ｂ内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部１４０Ｃ内の混合ガスと排気通路部１４０Ａを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。
【０１００】
さらに、図８に示すように、混合部１４０Ｃには、改質器１２０に混合ガスを供給するための混合ガス供給管１１２が接続されている。この混合ガス供給管１１２は、排気管１７１の内部を通過するように配置されており、一端が中間板１４４に形成された開口１４４ａに連結され、他端が改質器１２０の天面に形成された混合ガス供給口１２０ａに連結されている。混合ガス供給管１１２は、排気通路部１４０Ａ内，排気管１７１内を通過してモジュール容器８内まで鉛直下方に延び、そこで略９０°屈曲されて天板８ａに沿って水平方向に延びた後、下方へ略９０°屈曲されて改質器１２０に連結されている。
【０１０１】
つぎに、改質器１２０は、燃焼室１８の上方でモジュール容器８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュール容器８の天板８ａとの間に排気ガス誘導部材１３０を介して所定距離隔てられて状態で、天板８ａに対して固定されている。改質器１２０は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔１２０ｂが形成された環状構造体であり、上側ケース１２１と下側ケース１２２とが接合された筐体を有している。この貫通孔１２０ｂは、天板８ａに形成された排気口１１１と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔１２０ｂの中央位置に排気口１１１が形成される。
【０１０２】
改質器１２０の長手方向の一端側（モジュール容器８の閉鎖側板８ｅ側）では、上側ケース１２１に設けられた混合ガス供給口１２０ａに混合ガス供給管１１２が連結されており、他端側（閉鎖側板８ｄ側）では、燃料ガス供給管６４が下側ケース１２２に、脱硫器３６まで延びる水添脱硫器用水素取出管６５が上側ケース１２１にそれぞれ連結されている。したがって、改質器１２０は、混合ガス供給管１１２から混合ガス（つまり水蒸気が混合された原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい））を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管６４及び水添脱硫器用水素取出管６５から改質後のガス（即ち、燃料ガス）を排出するように構成されている。
【０１０３】
改質器１２０は、その内部空間が２つの仕切り板１２３ａ，１２３ｂによって３つの空間に仕切られることにより、改質器１２０内に、混合ガス供給管１１２からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部１２０Ａと、混合ガスを改質するための改質触媒（図示せず）が充填された改質部１２０Ｂと、改質部１２０Ｂを通過したガスを排出するガス排出部１２０Ｃと、が形成されている（図８参照）。改質部１２０Ｂは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに設けられた複数の連通孔（スリット）を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【０１０４】
混合ガス受入部１２０Ａには、蒸発器１４０から混合ガス供給管１１２を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口１２０ａを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部１２０Ａ内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに供給される。
【０１０５】
改質部１２０Ｂでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板１２３ｂを通過してガス排出部１２０Ｃに供給される。
【０１０６】
ガス排出部１２０Ｃでは、燃料ガスが燃料ガス供給管６４、及び、水添脱硫器用水素取出管６５へ排出される。
【０１０７】
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュール容器８内を閉鎖側板８ｄに沿って下方へ延び、底板８ｃ付近で略９０°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内へ入り、更にマニホールド６６内で逆側の閉鎖側板８ｅ付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。このマニホールド６６の上方には、燃料電池セルユニット１６を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【０１０８】
排気ガス誘導部材１３０は、改質器１２０と天板８ａとの間でモジュール容器８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。排気ガス誘導部材１３０は、上下方向に所定距離だけ離間された下部誘導板１３１及び上部誘導板１３２と、これらの長手方向の両端辺が取り付けられる連結板１３３，１３４とを備えている（図８，図９参照）。上部誘導板１３２は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下部誘導板１３１に連結されている。連結板１３３，１３４は、上端部が天板８ａに連結され、下端部が改質器１２０に連結されており、これにより、排気ガス誘導部材１３０及び改質器１２０を天板８ａに固定している。
【０１０９】
下部誘導板１３１は、幅方向（図９の左右方向）の中央部が下方に向けて突出する凸状段部１３１ａが形成されている。一方、上部誘導板１３２は、下部誘導板１３１と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部１３２ａが形成されている。凸状段部１３１ａと凹部１３２ａは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管１１２は、モジュール容器８内でこの凹部１３２ａ内を水平方向に延びた後、閉鎖側板８ｅ付近で下方に向けて屈曲し、上部誘導板１３２及び下部誘導板１３１を貫通して、改質器１２０に連結されている。
【０１１０】
排気ガス誘導部材１３０は、上部誘導板１３２、下部誘導板１３１、連結板１３３，１３４によって、断熱層として機能する内部空間であるガス溜１３５が形成されている。このガス溜１３５は、燃焼室１８と流体連通している。すなわち、上部誘導板１３２、下部誘導板１３１、連結板１３３，１３４は、所定の隙間を形成するように連結されており、気密的には連結されていない。ガス溜１３５には、運転中に燃焼室１８から排気ガスが流入したり、停止時に外部から空気が流入したりすることが可能となっているが、総じてガス溜１３５の内外間のガスの移動は緩やかである。
【０１１１】
上部誘導板１３２は、天板８ａと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板１３２と天板８ａとの間には、長手方向及び幅方向に沿って水平方向に延びる排気通路１７２が形成されている。この排気通路１７２は、モジュール容器８の天板８ａを挟んで空気通路１６１ａと並設されており、排気通路１７２内には、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内のプレートフィン１６２と同様なプレートフィン１７５が配置されている。このプレートフィン１７５は、プレートフィン１６２の水平部１６２ａと上面視で略同一箇所に設けられており、天板８ａを挟んで上下方向に対向している。空気通路１６１ａ及び排気通路１７２のうち、プレートフィン１６２，１７５が設けられた部分において、空気通路１６１ａを流れる発電用空気と排気通路１７２を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。
【０１１２】
また、改質器１２０は、モジュール容器８の側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器１２０と側板８ｂとの間には、排気ガスを下方から上方へ通過させる排気通路１７３が形成されている。また、排気ガス誘導部材１３０も側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、排気通路１７３は、排気ガス誘導部材１３０と側板８ｂとの間の通路を含んで天板８ａまで延びている。排気通路１７３は、天板８ａと側板８ｂとの角部に位置する排気ガス導入口１７２ａで排気通路１７２と連通している。この排気ガス導入口１７２ａは、モジュール容器８内で長手方向に延びている。
【０１１３】
さらに、下部誘導板１３１は、改質器１２０の上側ケース１２１の天面から所定の上下方向距離を隔てて配置されており、下部誘導板１３１と上側ケース１２１との間、及び、改質器１２０の貫通孔１２０ｂは、貫通孔１２０ｂを下方から上方へ向けて通過した排気ガスを通過させる排気通路１７４を形成している。この排気通路１７４は、改質器１２０の上方で排気通路１７３と合流する。
【０１１４】
つぎに、図１１を参照して、燃料電池セルユニット１６について説明する。
図１１は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図１１に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子８６とを備えている。
【０１１５】
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【０１１６】
燃料電池セル８４の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路細管９８が形成されている。
【０１１７】
この燃料ガス流路細管９８は、内側電極端子８６の中心から燃料電池セル８４の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド６６（図８参照）から、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃料ガス流路８８に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路８８から、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃焼室１８（図８参照）に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。
【０１１８】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【０１１９】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【０１２０】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【０１２１】
少なくとも上方の内側電極端子８６は、熱容量が大きく、蓄熱性の高い金属から形成されており、蓄熱手段として機能する。燃料電池セルユニット１６の上方の燃焼室１８で発生した熱は、上方の内側電極端子８６で蓄熱され、これにより燃料電池セル８４へ燃焼室１８からの熱が直接伝わるのを抑止できる。また、このようにして蓄熱された内側電極端子８６は熱源として機能し、蓄熱した熱を周囲に放出する。
【０１２２】
燃料電池セル集合体１２は、各燃料電池セルユニット１６の燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６が、他の燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面に電気的に接続されることにより、１２８本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されて構成される。
【０１２３】
つぎに、図１２〜図１４を参照して、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガス及び熱の流れについて説明する。
図１２は、図８と同様の、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図１３は、図９と同様の、図８のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。また、図１４は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの上部の部分断面図である。
なお、図１２及び図１３は、それぞれ、図８及び図９中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図であり、説明の便宜上、第１断熱材７を取り除いた状態の図を示している。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。
【０１２４】
図１２に示すように、水及び原燃料ガス（燃料ガス）は、蒸発器１４０の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管６３から蒸発器１４０の上層に設けられた蒸発部１４０Ｂ内に供給される。蒸発部１４０Ｂに供給された水は、蒸発器１４０の下層に設けられた排気通路部１４０Ａを流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとが、蒸発部１４０Ｂ内を下流方向に流れて行き、混合部１４０Ｃ内で混合される。混合部１４０Ｃ内の混合ガスは、下層の排気通路部１４０Ａを流れる排気ガスにより加熱される。
【０１２５】
混合部１４０Ｃ内で形成された混合ガス（燃料ガス）は、混合ガス供給管１１２を通って、モジュール容器８内の改質器１２０に供給される。混合ガス供給管１１２は、排気通路部１４０Ａ，排気管１７１，及び排気通路１７２を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管１１２内の混合ガスは更に加熱される。
【０１２６】
混合ガスは、改質器１２０内の混合ガス受入部１２０Ａ内に流入し、ここから仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに流入する。混合ガスは、改質部１２０Ｂにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板１２３ｂを通過して、ガス排出部１２０Ｃに流入する。
【０１２７】
さらに、燃料ガスは、ガス排出部１２０Ｃから燃料ガス供給管６４と水添脱硫器用水素取出管６５とに分岐する。そして、燃料ガス供給管６４に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管６４の水平部６４ａに設けられた燃料供給孔６４ｂからマニホールド６６内に供給され、マニホールド６６から各燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【０１２８】
また、図１２及び図１３に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管７４から空気通路１６１ａに供給される。発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内において、プレートフィン１６２を通過する際に、これらプレートフィン１６２の下部のモジュール容器８内に形成された排気通路１７２，１７３を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、排気通路１７２内には、空気通路１６１ａのプレートフィン１６２に対応してプレートフィン１７５が設けられているので、発電用空気は、プレートフィン１６２とプレートフィン１７５とを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。
【０１２９】
また、燃焼室１８においてオフガスが燃焼されることにより、モジュール容器８の側板８ｂの燃料電池セルユニット１６の上端部よりも上方の部分が輻射熱を受け、加熱される。そして、モジュール容器８の側板８ｂが加熱されることにより、この熱が空気通路１６１ｂ内のプレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂに伝達される。さらに、プレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂに伝達された熱は水平部１６２ａまで伝搬される。このため、空気通路１６１ｂの燃料電池セルユニット１６の上端部よりも上方の部分でも空気が効率的に加熱される。この後、発電用空気は、モジュール容器８の側板８ｂの下部に設けられた複数の吹出口８ｆから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される。
【０１３０】
なお、本実施例では、燃料電池セル集合体１２の側方部位には排気通路が形成されていないため、この部位において発電用空気と排気ガスとの間の熱交換は抑制される。したがって、燃料電池セル集合体１２の側方部位において、空気通路１６１ｂ内の発電用空気に上下方向の温度ムラが生じ難くなっている。
【０１３１】
また、発電室１０内で発電に利用されなかった燃料ガスは、図１３に示すように、燃焼室１８で燃焼されて排気ガス（燃焼ガス）となり、モジュール容器８内を上昇していく。具体的には、排気ガスは、排気通路１７３と排気通路１７４とに分岐して、改質器１２０の外側面とモジュール容器８の側板８ｂとの間、及び、改質器１２０の貫通孔１２０ｂから改質器１２０と排気ガス誘導部材１３０との間をそれぞれ通過する。このとき、排気通路１７４を通過する排気ガスは、改質器１２０の貫通孔１２０ｂの上方に配置された凸状段部１３１ａによって幅方向に二分され、排気ガス誘導部材１３０の下部に留まることなく排気通路１７３に向けて誘導され、排気通路１７３を流れる排気ガスに素早く合流される。
【０１３２】
また、図１４に示すように、燃焼室１８において発電室１０内で発電に利用されなかった燃料ガスが燃焼されることにより、輻射熱が発生する。この輻射熱は、矢印Ａで示すように、主に燃料電池セルユニット１６の上端部（内側電極端子８６）、及び、モジュール容器８の側板８ｂの燃料電池セルユニット１６の上端部よりも上方の部分に放射され、これらの部分が輻射熱により加熱される。
【０１３３】
モジュール容器８の側板８ｂの燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６は、蓄熱性が高い材料により構成されているため、燃焼室１８で発生した熱を蓄熱する。そして、内側電極端子８６は熱を蓄えると熱源として機能し、矢印Ｂで示すように、モジュール容器８の側板８ｂを介して、プレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂを加熱する。鉛直部１６２ｂが加熱されると、その熱は矢印Ｃで示すように、水平部１６２ａの空気供給口１６０ｃ近傍まで伝達されるため、空気通路１６１ａ、１６１ｂの空気供給口１６０ｃから燃料電池セルユニット１６の上端部よりも上方の部分で効率良く熱交換が行われる。
【０１３４】
その後、排気ガスは、排気ガス導入口１７２ａから排気通路１７２に流入する。排気通路１７２内では、排気ガスは、排気通路１７２を水平方向に流れていき、モジュール容器８の天板８ａの中央に形成された排気口１１１から流出する。
【０１３５】
なお、排気ガスが排気通路１７３を上方へ流れていく際に、空気通路１６１ｂ内に設けられたプレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂを介して、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換が行われる。また、排気ガスが排気通路１７２を水平方向に流れていく際に、排気通路１７２内に設けられたプレートフィン１７５と、このプレートフィン１７５に対応して空気通路１６１ａ内に設けられたプレートフィン１６２の水平部１６２ａとを介して、発電用空気と排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。
【０１３６】
そして、排気口１１１から流出した排気ガスは、モジュール容器８の外部に設けられた排気管１７１を通過して蒸発器１４０の排気通路部１４０Ａに流入し、排気通路部１４０Ａを通過した後、蒸発器１４０から排気ガス排出管８２へ排出される。排気ガスは、蒸発器１４０の排気通路部１４０Ａを流れる際に、上述したように、蒸発器１４０の混合部１４０Ｃ内の混合ガス及び蒸発部１４０Ｂ内の水と熱交換を行う。
【０１３７】
本実施例による固体酸化物形燃料電池装置１によれば以下の効果が奏される。
本実施例では、蒸発器１４０が第１断熱材７の内側、かつ、モジュール容器８の外に配置されている。これにより、排気通路１７２、１７３における排気ガスが蒸発器１４０により温度低下するのを防止し、短い熱交換距離であっても、排気通路１７２、１７３内の排気ガスと空気通路１６１内の空気との間で十分な熱交換を行うことができる。
【０１３８】
また、本実施例では、プレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂの下端は、モジュール容器８の側板８ｂの燃焼室１８からの輻射熱を受けることができる部分と略等しい高さまで延出している。これにより、燃焼室１８からの輻射熱がモジュール容器８の側板８ｂを介してプレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂに伝達される。このため、空気通路１６１ａ、１６１ｂの燃料電池セル８４よりも上方の部位で、空気が十分加熱されることとなり、空気通路１６１ａ、１６１ｂの燃料電池セル８４に対応する高さにおいて温度ムラが生じるのを防止できる。
【０１３９】
また、例えば、プレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂの下端が改質器１２０と略等しい高さにおいて終端している場合には、モジュール容器８の側板８ｂの燃焼室１８の側方に当たる部分では、排気ガスと空気との熱交換効率が低下する。このように燃焼室１８の側方に当たる部分での熱交換効率が低下してしまうと、燃焼室１８で発生した熱が燃料電池セルユニット１６の上方に滞留してしまう。
【０１４０】
これに対して、本実施例では、プレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂの下端は、モジュール容器８の側板８ｂの燃焼室１８からの輻射熱を受けることができる部分と略等しい高さまで延出している。これにより、モジュール容器８の燃焼室１８の側方において排気ガスから空気へ交換が促進されるため、燃焼室１８からの排熱が燃料電池セルユニット１６の上方に滞留することを抑止し、より確実に温度ムラの発生を抑えることができる。
【０１４１】
このようにして、本実施例によれば、燃料電池セル８４よりも上方における排気ガスと空気との間の熱交換性能を向上することが可能となり、燃料電池セル８４に温度ムラの影響を与えることなく燃料電池装置１の小型化を図ることができる。
【０１４２】
また、本実施例では、プレートフィン１６２は、水平部１６２ａと鉛直部１６２ｂとが一体に構成され、空気供給口１６０ｃの近傍から、燃焼室１８からの輻射熱を受けることができる位置まで連続して設けられている。これにより、燃焼室１８からモジュール容器８の側板８ｂに伝達された輻射熱がプレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂに伝達され、さらに、この熱がプレートフィン１６２により空気供給口１６２ｃの近傍まで伝達されるため、短い熱交換距離でも十分に空気を加熱することができる。
【０１４３】
本実施例では、燃料電池セル８４の上端部には、熱容量が大きく、蓄熱性の高い金属から形成された内側電極端子８６が設けられ、プレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂの下端は、内側電極端子８６と略等しい高さに位置している。これにより、内側電極端子８６が燃焼室１８からの熱を受けるため、燃焼室１８により燃料電池セル８４が直接加熱することを防止し、燃料電池セル８４に上下方向の温度ムラが生じることを抑止できる。さらに、熱を蓄えた内側電極端子８６が熱源として機能し、モジュール容器８の側板８ｂを介してプレートフィン１６２の鉛直部１６２ｂを加熱するため、空気通路１６１ｂの燃料電池セル８４よりも上方の部位で、空気が十分加熱されることとなり、空気通路１６１ｂの燃料電池セル８４に対応する高さにおいて温度ムラが生じるのを防止できる。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置は、モジュール容器の外方に第１断熱材を備えた固体酸化物形燃料電池装置において幅広く有用である。
なお、好ましい構成態様として、本発明を次のように構成することも可能である。
１．  直方体状のモジュール容器と、前記モジュール容器の内部に酸化剤ガスと燃料ガスにより発電する複数の燃料電池セルと、を備えた固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、
前記モジュール容器のそれぞれの外壁面に対応して設けられ、板状の複数の第１断熱材と、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの最外壁を構成し、前記第１断熱材を補強する部材と、
を備え、
前記モジュール容器の上面視において、前記第１断熱材は製造上で生じる前記第１断熱材の寸法のバラツキによって前記第１断熱材間に隙間が生じないように前記複数の第１断熱材は前記モジュール容器外壁面の４辺に接して囲むように設けられており、前記モジュール容器の外壁面の４辺のうちの何れか１辺である第１辺に位置する第１断熱材は長辺側が前記モジュール容器外壁面と接しており、前記第１辺に隣接する第２辺に位置する第１断熱材は短辺側が前記第１辺の第１断熱材の長辺側と接しており、前記第２辺に隣接する第３辺の第１断熱材の短辺側は前記第２辺に位置する第１断熱材の長辺側と接しており、前記第３辺及び前記第１辺に隣接する第４辺の第１断熱材の短辺側は前記第３辺の第１断熱材の長辺側と接しており、前記第３辺及び前記第１辺に隣接する第４辺の第１断熱材の長辺側は前記第１辺の第１断熱材の短辺側と接するように前記モジュール容器の周囲に設けられ、前記モジュール容器の外壁面に接して設置されているとともに、前記部材は外圧によって各前記第１断熱材の寸法のバラツキを吸収する寸法バラツキ吸収部材であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
２．  前記寸法バラツキ吸収部材は第２断熱材であることを特徴とする上記１に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
３．  前記寸法バラツキ吸収部材は、固定部材によって外方から前記第１断熱材に固定されており、前記固定部材は前記外圧を与えることを特徴とする上記２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
４．  前記モジュール容器の上面視において、
前記複数の第１断熱材は前記モジュール容器外壁面の４辺に接して囲むように設けられており、前記モジュール容器の外壁面の４辺のうちの何れか１辺である第１辺に位置する第１断熱材は長辺側が前記モジュール容器外壁面と接しており、前記第１辺に隣接する第２辺に位置する第１断熱材は短辺側が前記第１辺の第１断熱材の長辺側と接しており、前記第２辺に隣接する第３辺の第１断熱材の短辺側は前記第２辺に位置する第１断熱材の長辺側と接しており、前記第３辺及び前記第１辺に隣接する第４辺の第１断熱材の短辺側は前記第１辺の長辺側と接するように前記モジュール容器の周囲に設けられ、
板状に形成された前記寸法バラツキ吸収部材は前記４辺に対応して前記第１断熱材に接するように、且つ端部が各前記第１断熱材の短辺側に位置するように複数設けられ、
前記固定部材は前記寸法バラツキ吸収部材の端部に設けられていることを特徴とする上記３に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
５．  前記固定部材は前記寸法バラツキ吸収部材と面接触するように、屈曲した１つの部材で構成されており、各前記寸法バラツキ吸収部材の端部同士が接触する角部に沿って延在する線形形状であることを特徴とする上記４に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
６．  前記固定部材と、前記固定部材により固定される前記寸法バラツキ吸収部材の端部との間には変形許容空間が形成されていることを特徴とする上記５に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
７．  前記第２断熱材は前記第１断熱材と同じ材料で構成され、前記第１断熱材よりも密度が小さいことを特徴とする上記２に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
８．  前記寸法バラツキ吸収部材は、断熱材料の周囲がガラスクロスで被覆されているものであることを特徴とする上記６に記載の固体酸化物形燃料電池モジュール。
【符号の説明】
【０１４５】
１  固体酸化物形燃料電池装置
２  燃料電池モジュール
４  補機ユニット
６  寸法バラツキ吸収部材（第２断熱材）
７  第１断熱材
８  モジュール容器
８ａ  天板
８ｂ  側板
８ｃ  底板
８ｄ  閉鎖側板
８ｅ  閉鎖側板
８ｆ  吹出口
１０  発電室
１２  燃料電池セル集合体
１６  燃料電池セルユニット
１８  燃焼室
２４  水供給源
２６  純水タンク
２８  水流量調整ユニット
３０  燃料供給源
３２  ガス遮断弁
３６  脱硫器
３８  燃料流量調整ユニット
３９  バルブ
４０  空気供給源
４２  電磁弁
４４  改質用空気流量調整ユニット
４５  発電用空気流量調整ユニット
４６  第１ヒータ
４８  第２ヒータ
５０  温水製造装置
５２  制御ボックス
５４  インバータ
６３  燃料供給配管
６４  燃料ガス供給管
６４ａ  水平部
６４ｂ  燃料供給孔
６５  水添脱硫器用水素取出管
６６  マニホールド
６８  下支持板
７４  発電用空気導入管
８２  排気ガス排出管
８３  点火装置
８４  燃料電池セル
８６  内側電極端子
８８  燃料ガス流路
９０  内側電極層
９２  外側電極層
９４  電解質層
９６  シール材
９８  燃料ガス流路細管
１１１  排気口
１１２  混合ガス供給管
１２０  改質器
１２０Ａ  混合ガス受入部
１２０Ｂ  改質部
１２０Ｃ  ガス排出部
１２０ａ  混合ガス供給口
１２０ｂ  貫通孔
１２１  上側ケース
１２２  下側ケース
１２３ａ  仕切り板
１２３ｂ  仕切り板
１３０  排気ガス誘導部材
１３１  下部誘導板
１３１ａ  凸状段部
１３２  上部誘導板
１３２ａ  凹部
１３３  連結板
１３４  連結板
１３５  ガス溜
１４０  蒸発器
１４０Ａ  排気通路部
１４０Ｂ  蒸発部
１４０Ｃ  混合部
１４１  蒸発器ケース
１４２  上側ケース
１４３  下側ケース
１４４  中間板
１４４ａ  開口
１４５  仕切り板
１４６  仕切り板
１６０  空気通路カバー
１６０ａ  天板
１６０ｂ  側板
１６０ｃ  空気供給口
１６１ａ  空気通路
１６１ｂ  空気通路
１６２  プレートフィン
１６２ａ  水平部
１６２ｂ  鉛直部
１６３  プレートフィン
１６４  流路方向調整部
１６７  開口部
１７１  排気管
１７２  排気通路
１７３  排気通路
１７４  排気通路
１７５  プレートフィン
１０００    寸法バラツキ吸収部材（部材）（第２断熱材）
１０００ａ  断熱材料
１０００ｂ  ガラスクロス
１００１    第１断熱材
１００１ａ  第１辺の第１断熱材
１００１ｂ  第２辺の第１断熱材
１００１ｃ  第３辺の第１断熱材
１００１ｄ  第４辺の第１断熱材
１００２    燃料電池モジュール
１００４    固定部材
１００５    トレー
１００６    燃料電池セル
１００７    モジュール容器
１００８    ガスマニホールド
１００９    改質器
１０１０    蒸発器
１０１１    発電室
１０１３    燃料供給配管
１０１４    断熱材接触部
１０１５    放熱空間
１０１６    変形許容空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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