(57)【要約】【課題】燃料電池セルを内部に備えたモジュール容器の少なくとも外表面が断熱材により被覆された燃料電池装置において、当該断熱材を貫通する開口に挿入される挿入部材と開口との隙間を埋める上で、均質な断熱性能を有するとともに埋め込み作業が容易かつ短期であって、さらに低コストで実現可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】  燃料電池セルを内部に有するモジュール容器と、モジュール容器を被覆する断熱材と、断熱材に貫通して設けられた開口部と、開口部に挿入された挿入部材と、を備え、少なくとも開口部の断熱材の外表面側において、開口部と挿入部材との隙間には、筒状に延在する埋込部材が設けられ、埋込部材は、断熱材からなり、筒状に延在する方向にわたってテーパー形状を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルを内部に有するモジュール容器と、
前記モジュール容器を被覆する断熱材と、
前記断熱材に貫通して設けられた開口部と、
前記開口部に挿入された挿入部材と、を備え、
少なくとも前記開口部の前記断熱材の外表面側において、前記開口部と前記挿入部材との隙間には、筒状に延在する埋込部材が設けられ、
前記埋込部材は、断熱材からなり、前記筒状に延在する方向にわたってテーパー形状を有することを特徴とすることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記埋込部材は、前記開口部の最内部に挿入された一端の外径が前記開口部の開口径よりも小さく、他端の外径は前記開口部の開口径よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記開口部において、前記埋込部材の前記一端は前記開口部の内部の途中に位置するとともに、前記モジュール容器に連通する前記埋込部材が設けられていない残余の空間を有することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記埋込部材は、前記筒状に延在する方向に平行で且つ筒状の内部空間を通過する面で二分される一対の部材を組み合わせてなることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記埋込部材は、前記モジュール容器を被覆する前記断熱材と同一の材料でなることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記埋込部材は、前記モジュール容器を被覆する前記断熱材よりも断熱性能の高い材料でなることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記断熱材を貫通して挿入された挿入部材を複数有し、複数の前記挿入部材に対応して、前記断熱材は複数の前記開口部を有することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記複数の開口部の開口径はそれぞれ異なり、前記複数の開口部と前記複数の挿入部材との隙間を埋める埋込部材は、同一の形状であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
前記埋込部材の他端は、前記断熱材の外表面よりも外側に位置することを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形の燃料電池セルを用いた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池装置（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置である。高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して例えば７００〜１０００℃程度の比較的高温で動作し、他の燃料電池装置に比べて総合的にエネルギー効率が高い。
【０００３】
ＳＯＦＣにおいて高いエネルギー効率を維持するために、内部に燃料電池セルを備えたモジュール容器の断熱性能は重要である。一方でモジュール容器は高温下での耐久性のあるＳＵＳ等の金属部材で構成されるため、放熱してしまう。そこで、放熱によるエネルギーロスを排除して燃料電池セルの高温の動作環境を維持するために、特許文献１や特許文献２に示されるように、モジュール容器は断熱材により被覆されていることが一般的である。
【０００４】
特許文献１では、燃料電池モジュールとして、複数の燃料電池からなる燃料電池スタックが顆粒状断熱材に包まれた状態で収納容器内に配置され、さらに収納容器はブロック状断熱材により全体が被覆されている。同様に特許文献２では、高温型燃料電池を収容する容器が断熱壁により被覆されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−２０７３４２号公報
【特許文献２】特開２０１４−１７９２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の通り、モジュール容器は断熱材で被覆されることが一般的であるが、燃料電池装置を制御する上で、モジュール容器の内部からの電流の取出しや、内部温度の検出、内部流路を流れるガスの流量の検知や、ヒータの設置など、種々の目的に応じてモジュール容器を被覆する断熱材の外部とモジュール容器の内部とを連通する挿入部材が不可欠であった。
【０００７】
一方、挿入部材は断熱材の一部を切り欠いて貫通させるものであるが、その貫通孔（開口）は挿入部材の寸法公差を考慮して、挿入部材の挿入部分の外形よりも僅かに大きく設計する必要がある。しかし、貫通孔と挿入部材との間に生じる隙間が僅かなものであったとしても、隙間によって生じた断熱材の非被覆部分からモジュール容器内の熱の放出が起こり、エネルギーロスが発生してしまう。
【０００８】
このため、従来貫通孔と挿入部材との間に生じる隙間は、燃料電池装置の組み立て工程において、別途断熱材による埋め込み工程を要していた。特許文献１では、モジュール容器の外表面を被覆するブロック状断熱材の開口と当該開口を貫通する電極との隙間をウールによって埋めていることが開示されている。また特許文献２では、挿入部材からの放熱を回避するために、開口の全周を埋めるような断熱被覆を挿入部材そのものに全体的に設けることが開示されている。
【０００９】
このように、従来は発生する断熱材と挿入部材との隙間を個々に埋める態様をとってきた。しかし、特許文献１に開示されるような隙間に対するウールによる埋め込みは、組み立て作業にとって時間のかかるものである一方で、作業者のウールの埋め込みの仕方によって断熱性能が変動する不均質なものであった。また特許文献２に開示されるような挿入部材の延在部を全体にわたって被覆することは、個々の挿入部材に対して設計や加工が必要となり部品製造のためのコスト増加につながる課題となっていた。
【００１０】
そこで本発明は、燃料電池セルを内部に備えたモジュール容器の少なくとも外表面が断熱材により被覆された燃料電池装置において、当該断熱材を貫通する開口に挿入される挿入部材と開口との隙間を埋める上で、均質な断熱性能を有するとともに埋め込み作業が容易かつ短期であって、さらに低コストで実現可能な燃料電池装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明にかかる燃料電池装置の一態様は、燃料電池セルを内部に有するモジュール容器と、モジュール容器を被覆する断熱材と、断熱材に貫通して設けられた開口部と、開口部に挿入された挿入部材と、を備え、少なくとも開口部の断熱材の外表面側において、開口部と挿入部材との隙間には、筒状に延在する埋込部材が設けられ、埋込部材は、断熱材からなり、筒状に延在する方向にわたってテーパー形状を有する。
【００１２】
従来、断熱材に設けられた挿入部材を挿入するための開口と、当該開口に挿入した挿入部材とにより形成された隙間は、ウール（綿状の）断熱や、小片状、顆粒状等の隙間よりも十分小さい断熱材片を手作業で埋め込む工程を経ることで、断熱性能を担保していた。しかし当該工程は長い作業時間を要する一方で、この隙間を小片が均質になるように埋めることが困難であったため、断熱性能の均質性という点でも劣るものであった。
【００１３】
これに対して本発明にかかる態様では、あらかじめ成形された断熱材料からなる埋込部材を隙間に挿入するものであるから、ウール等の断熱材の小片を手作業で埋め込む従来の作業工程に対して作業時間を大幅に短縮することができる。また手作業での断熱材片の埋め込みに対して、均質な補充が可能となる。
【００１４】
特に本発明にかかる態様では、埋込部材が筒状に延在するものであって、筒状に延在する方向にわたってテーパー形状を有するものであるため、断熱材の開口部における隙間を確実に封止することができ、隙間を介した容器内部からの放熱を遮断することができる。
【００１５】
このように、本発明にかかる態様では、開口部の隙間への断熱材の補充についての作業効率を飛躍的に向上させるととともに、確実な放熱の遮断と断熱性能の均質化を簡易に実現することができる。
【００１６】
ここで、本明細書において「断熱材」とは、モジュール容器内部の熱量が外部に放出することを妨げる断熱性能を有する部材をいう。例えば断熱性能を有する断熱材料を成形したブロック状の断熱材を用いることができる。また、ブロック状の断熱材を、ガラス繊維を織り込んだ布で被覆したものを用いてもよい。例えば、非結晶シリカ粒子を主原料とした微細多孔構造の断熱材料を、板形状に成型後に切り出し造形したブロック状の断熱材を用いることができる。
【００１７】
ここで、本明細書において「挿入部材」とは、燃料電池装置を制御する上で、モジュール容器の内部からの電流の取出しや、内部温度の検出、内部流路を流れるガスの流量の検知や、ヒータの設置など、種々の目的に応じてモジュール容器を被覆する断熱材の外部とモジュール容器の内部とを連通するもの総称である。例えば、温度検出のための熱電対や電流取出しのためのバスバー（電極）、着火装置（点火プラグや点火ヒータ）等がこれに含まれる。さらに、これらを保護するために外周に配置される配管（保護配管）も含まれる。
【００１８】
ここで、本明細書において「テーパー形状」とは、埋込部材が筒状に延在する一方向（開口に埋め込み挿入する方向）にかけて、先細りになっている形状をいう。例えば円錐状に先細りになっている筒状体が含まれる。しかし、先細りとなっていれば例えば所定の角度を持つように線形の外形変位に限らず、曲率や凹凸が設けられているものも含む。
【００１９】
また「テーパー形状」は埋込部材が筒状に延在する方向にわたって全体的に形成されている必要はなく、少なくとも断熱材の開口部に充填される部分（つまり埋込部材の一端）が当該形状であるものを含む。
【００２０】
また本発明の一態様においては、埋込部材は、開口部の最内部に挿入された一端の外径が開口部の開口径よりも小さく、他端の外径は開口部の開口径よりも大きいことが好ましい。
【００２１】
本態様によれば、埋込部材の挿入端部分の外径が開口部の開口径よりも小さいため、埋込部材の挿入時において、作業者が簡易に開口部の内側に挿入することができる。また他端側は開口径よりも大きいため、開口部の内部への埋込部材の挿入が止まり、確実に隙間からの放熱を遮断することができる。
【００２２】
また本発明の一態様においては、開口部において、埋込部材の一端は開口部の内部の途中に位置するとともに、モジュール容器に連通する埋込部材が設けられていない残余の空間を有することが好ましい。
【００２３】
断熱材に形成された開口部は、モジュール容器から断熱材の外部への放熱経路となることから、本来隙間無く完全に埋込部材によって充填することが好ましい。しかし、断熱性能を向上させるために断熱材が厚くなるほど、充填する埋込部材の長さを増す必要があるため、充填作業のための埋込部材の強度の確保や作業性が課題となる。本態様によれば、埋込部材の先端を開口部の内部空間の途中に留めることで、すなわち断熱材の開口深さ（断熱材の厚さ）よりも短いものとすることで、埋込部材の充填時の作業性を向上させることができる。一方で、埋込部材が充填されずに形成された開口部内の残余の空間は、モジュール容器で加熱された空気が滞留するため、埋込部材の設置がなく開口部と挿入部材との隙間から直接放熱する場合に比べ、挿入部材を伝達して放熱する場合であっても、滞留する加熱空気が緩衝となって放熱が抑制される。
【００２４】
また本発明の一態様においては、埋込部材は、筒状に延在する方向に平行で且つ筒状の内部空間を通過する面で二分される一対の部材を組み合わせてなることが好ましい。
【００２５】
本態様によれば、埋込部材が一対の２つの断熱部材によって構成されるものであるため、組み立て時に挿入部材を挟んで組み合わせて開口部に挿入することで、容易に作業を行うことができる。また、一対の断熱部材を同一の形状とする場合には、同一の金型で成形することができるため、製造の簡略化とコストの削減を実現することができる。
【００２６】
また本発明の一態様においては、埋込部材は、モジュール容器を被覆する断熱材と同一の材料でなることが好ましい。
【００２７】
本態様によれば、埋込部材と断熱部材と同一の断熱材料で構成されるため、開口部においても近似の断熱性能を有することができる。
【００２８】
また本発明の一態様においては、埋込部材は、モジュール容器を被覆する断熱材よりも断熱性能の高い材料でなることが好ましい。
【００２９】
本態様によれば、埋込部材はモジュール容器を被覆する断熱材よりも断熱性能の高い材料を用いて構成されるため、開口部において低下する断熱性能をより確実に補填することができる。
【００３０】
また本発明の一態様においては、断熱材を貫通して挿入された挿入部材を複数有し、複数の挿入部材に対応して、断熱材は複数の開口部を有することが好ましい。
【００３１】
挿入部品を貫通させるために設けられる断熱材の開口部は、通常複数必要となる。本態様によれば、断熱材に設けられた複数の開口に対して個々同様に埋込部材によって隙間を充填することにより、作業性を向上させることができる。
【００３２】
また本発明の一態様においては、複数の開口部の開口径はそれぞれ異なり、複数の開口部と複数の挿入部材との隙間を埋める埋込部材は、同一の形状であることが好ましい。
【００３３】
断熱材に設けられた複数の開口に対し、個々に異なる埋込部材を成形し充填することは作業を複雑化し、また製造コストが増加する。本態様によれば、断熱材に設けられた複数の開口に対して、同一形状の埋込部材を埋め込むことができるため、作業性がさらに向上する。
【００３４】
また本発明の一態様においては、埋込部材の他端は、断熱材の外表面よりも外側に位置することが好ましい。
【００３５】
断熱材の開口部を介したモジュール容器からの放熱は、開口部と挿入部材との隙間を経路とするものに限らず、挿入部材を伝達しても放熱が生じる。本態様によれば、埋込部材の外側端部を断熱材の外表面よりも外側に位置させるように構成したため、断熱材の外側であっても挿入部材の表面を被覆するため、挿入部材からの放熱を遮断することができる。
【発明の効果】
【００３６】
燃料電池セルを内部に備えたモジュール容器の少なくとも外表面が断熱材により被覆された燃料電池装置において、当該断熱材を貫通する開口に挿入される挿入部材と開口との隙間を埋める上で、均質な断熱性能を有するとともに埋め込み作業が容易かつ短期であって、さらに低コストで実現可能な燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池装置の断熱材の開口部を示す部分断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における燃料電池装置の断熱材の開口部を充填する埋込部材を示す部分断面図（Ａ）と、埋込部材の断面形状を説明する断面図（Ｂ）である。
【図３】本発明の一実施形態における埋込部材を示す斜視図（Ａ）、（Ｂ）である。
【図４】本発明の一実施形態における埋込部材を断熱材の開口に充填する充填方法を示す斜視図（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）である。
【図５】本発明の一実施例による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図６】本発明の一実施例による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図７】図６のIII−III線に沿った断面図である。
【図８】本発明の一実施例による燃料電池装置の燃料電池モジュールから断熱材及びハウジングを取り外した状態の斜視図である
【図９】図９（Ａ）は、本発明の一実施例による改質器を斜め上方から見た斜視図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿った断面図であり、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＶＣ−ＶＣ線に沿った断面図である。
【図１０】本発明の一実施例による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】本発明の一実施例による燃料電池装置における燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図１２】本発明の一実施例による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正面断面図である。
【図１３】本発明の一実施例による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６のIII −III 線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。
【００３９】
本発明の実施形態について、図１乃至図４を用いて説明する。
【００４０】
図１は、本発明の一実施形態の燃料電池装置における、断熱材の開口部近傍を示す断面図である。本発明の一実施形態の燃料電池装置では、複数の燃料電池セル１００６を内部に配置したモジュール容器１００４を備える。燃料電池セル１００６は、特に固体酸化物形燃料電池セルを用いる場合には７００℃程度の高温環境を維持することが必要となるため、高温耐性の高いステンレス等の金属製部材を用いる。しかし、金属製部材はモジュール容器１００４の熱量を外部に放出するため、モジュール容器１００４の外部は断熱材１００３によって被覆されている。
【００４１】
断熱材１００３としては、例えば断熱性能を有する断熱材料を成形したブロック状の断熱材を用いることができる。また、ブロック状の断熱材を、ガラス繊維を織り込んだ布で被覆したものを用いてもよい。断熱材１００３の厚さは、断熱性能と燃料電池装置の大きさ、コスト等のバランスにより適宜選択することができる。
【００４２】
また断熱材１００３には上述した種々の目的から、挿入部材１００５を貫通挿入するための開口部１００３ａが設けられている。この開口部１００３ａの内部に挿入部材１００５が挿入され、断熱材１００３の外部（燃料電池モジュールの外部）と断熱材１００３の内部とが連通される。
【００４３】
図１においては挿入部材１００５として、熱電対を挿入する際の熱電対保護配管を例示している。燃料電池装置の運転において、モジュール容器１００４内に配置される燃料電池セル１００６の温度を測定することは、燃料電池セル１００６の耐久性を維持するためのガス量制御を行う点等で極めて重要である。そこで、図１においては、複数の燃料電池セル１００６からなる燃料電池スタックの中央部の温度を検出するために、断熱材１００３及びモジュール容器１００４に開口部が設けられている。そして図示しないが、熱電対は挿入部材１００５である熱電対保護配管の内部に配線され、燃料電池スタックの中央部に熱電対の検出端を配置するように設置される。なお、図１では断熱材１００３の開口部１００３ａに併せてモジュール容器１００４にも開口が設けられ、部分的にモジュール容器１００４の内部空間が露出するように形成しているが、モジュール容器１００４に開口を設けず、モジュール容器１００４の外壁表面に熱電対を接触させる構造であってもよい。このように、本発明における態様では、挿入部材１００５が必ずしもモジュール容器１００４の壁面を貫通挿入される必要はなく、少なくとも断熱材１００３を貫通挿入するものであればよい。
【００４４】
このように、モジュール容器１００４の壁面あるいはモジュール容器１００４の内部空間に到達するように形成された断熱材１００５の開口部１００３ａと挿入部材１００５との隙間の存在は、断熱材１００３ａへの放熱を促すものとなる。そこで、本発明における態様では、当該隙間を埋めるように埋込部材１００１が配置されている。
【００４５】
埋込部材１００１は、少なくとも開口部１００３ａにおける断熱材１００３の外表面側において、開口部１００３ａと挿入部材１００５との隙間を充填して設けられたものである。
【００４６】
従来、断熱材１００３に設けられた挿入部材１００５を挿入するための開口部１００３aと、当該開口部１００３aに挿入した挿入部材１００５とにより形成された隙間は、ウール（綿状の）断熱や、小片状、顆粒状等の隙間よりも十分小さい断熱材片を手作業で埋め込む工程を経ることで、断熱性能を担保していた。しかし当該工程は長い作業時間を要する一方で、この隙間を小片が均質になるように埋めることが困難であったため、断熱性能の均質性という点でも劣るものであった。これに対して本発明にかかる態様では、あらかじめ成形された断熱材料からなる埋込部材１００１を隙間に挿入するものであるから、ウール等の断熱材の小片を手作業で埋め込む従来の作業工程に対して作業時間を大幅に短縮することができる。また手作業での断熱材片の埋め込みに対して、均質な補充が可能となる。
【００４７】
ここで、埋込部材１００１は、断熱材料を成形したものであって、筒状に延在し、筒状に延在する方向にわたってテーパー形状を有するものである。このため、断熱材１００３の開口部１００３ａにおける隙間を確実に封止することができ、隙間を介したモジュール容器１００４の内部からの放熱を遮断することができる。
【００４８】
埋込部材１００１を構成する断熱材料としては、モジュール容器１００４を被覆する断熱材料と同一の材料とした場合には、開口部１００３ａにおいてもモジュール容器１００４を被覆する断熱材１００３と近似する断熱性能を確保することができる。一方、モジュール容器１００４を被覆する断熱材１００３の断熱材料よりも断熱性能の高い材料を選択すると、開口部１００３ａにおいて低下する断熱性能をより確実に補填することができる。
【００４９】
このように、本発明にかかる態様では、開口部１００３ａの隙間への断熱材の補充についての作業効率を飛躍的に向上させるととともに、確実な放熱の遮断と断熱性能の均質化を簡易に実現することができる。
【００５０】
次に、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を用いて、埋込部材１００１の詳細な形状について説明する。図２（Ａ）は、モジュール容器１００４を被覆する断熱材１００３における、挿入部材１００５を貫通挿入するための開口部１００３ａの近傍を示す断面図である。図２（Ａ）においては、挿入部材１００５は円筒形状の金属やセラミックス等の非断熱部材であり、少なくとも断熱材１００３に挿入される部分においては、筒状に延在する方向にわたって外径は一定である。断熱材１００３に設けられた開口部１００３ａは、この挿入部材１００５の外径よりも僅かに広くなるように開口加工されている。これは挿入部材１００５の寸法公差に加え、組み立てばらつき、断熱材の開口加工精度等を考慮した設計思想に基づくものである。従って、断熱材１００３の開口部１００３ａと挿入部材１００５との間の隙間を完全に無くすことは製造上きわめて困難であり、必ず隙間は生じてしまう。
【００５１】
そこでこの隙間を所定間隔の範囲となるように設計した上で、本発明にかかる筒状に延在する方向にわたってテーパー形状を有する埋込部材１００１を用いて、断熱材１００３の外表面側から隙間に補充することによって、隙間を完全に充填することができる。すなわち、埋込部材１００１がテーパー形状を有するため、加工精度や寸法公差の問題から生じる製造ばらつきがあったとしても、開口部１００３ａに埋め込むように充填することによって開口部１００３ａの外径に適合する位置で埋込部材１００１が固定され、モジュール容器１００４の内部の放熱を遮断することができる。
【００５２】
このため、図２（Ｂ）に示すように、埋込部材１００１は、開口部１００３ａの最内部に挿入された一端の外径（Ｄ２）が開口部１００３ａの開口径よりも小さく、他端の外径（Ｄ１）は開口部１００３ａの開口径よりも大きいことが好ましい。なお、埋込部材１００１は断熱材１００３の開口部１００３ａの外表面側で固定されればよいため、断熱材１００３よりも外方に位置する埋込部材１００１の他端の外径（Ｄ１）は、必ずしも一端側の外径よりも大きくなくてもよい。
【００５３】
また、図２（Ｂ）に示すように、埋込部材１００１には、内部に挿入部材１００５を貫通挿入させるための貫通孔が設けられている。貫通孔の外径（Ｄ３）は、挿入部材１００５の外径と同一あるいは僅かに小さくなるように加工形成するとよい。埋込部材１００１を構成する断熱材料が有する弾性によって、隙間の内容に挿入部材１００５を貫通固定することができる。
【００５４】
このような本発明の態様により、埋込部材１００１の挿入時において、作業者が簡易に開口部１００３ａの内側に挿入することができる。また他端側は開口径よりも大きいため、開口部１００３aの内部への埋込部材１００１の挿入が止まり、確実に隙間からの放熱を遮断することができる。
【００５５】
また、図２（Ａ）に示すように、断熱材１００３の開口部１００３ａにおいて、埋込部材１００１の一端は開口部１００３ａの内部の途中に位置するとともに、モジュール容器１００４に連通する埋込部材１００１が設けられていない残余の空間を有するように構成するとよい。
【００５６】
断熱材１００３に形成された開口部１００３ａは、モジュール容器１００４から断熱材１００３の外部への放熱経路となることから、本来隙間無く完全に埋込部材１００１によって充填することが好ましい。しかし、断熱性能を向上させるために断熱材１００３が厚くなるほど、充填する埋込部材１００１の長さを増す必要があるため、充填作業のための埋込部材１００１の強度の確保や作業性が課題となる。
【００５７】
このため埋込部材１００１の先端が開口部１００３ａの内部空間の途中に位置するように固定することで、すなわち断熱材１００３の開口深さ（断熱材１００３の厚さ）よりも短いものとすることで、埋込部材１００１の充填時の作業性を向上させることができる。
【００５８】
一方で、埋込部材１００１が充填されずに形成された開口部１００３の内部の残余の空間は、モジュール容器１００４で加熱された空気が滞留するため、埋込部材１００１の設置がなく開口部１００３と挿入部材１００５との隙間から直接放熱する場合に比べ、挿入部材１００５を伝達して放熱する場合であっても、滞留する加熱空気が緩衝となって放熱が抑制される。
【００５９】
また、埋込部材１００１の他端は、断熱材１００３の外表面よりも外側に位置するとよい。断熱材１００３の開口部１００３aを介したモジュール容器１００４からの放熱は、開口部１００３ａと挿入部材１００５との隙間を経路とするものに限らず、挿入部材１００５を伝達しても放熱が生じる。そこで、埋込部材１００１の外側端部を断熱材１００３の外表面よりも外側に位置させるように構成すると、断熱材１００３の外側であっても挿入部材１００５の表面を被覆するため、挿入部材１００５からの放熱を遮断することができる。
【００６０】
次に、図３及び図４を用いて、埋込部材１００１の充填方法について説明する。上述した埋込部材１００１は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、筒状に延在する方向に平行で且つ筒状の内部空間１００１ｃを通過する面で二分される一組の部材（埋込部材の構成部品１００１ａ、１００１ｂ）で構成するとよい。埋込部材１００１を当該構成とすることで、組み立て時に挿入部材を挟んで組み合わせて開口部に挿入することで、容易に作業を行うことができる。図３（Ｂ）に示すように、一組の断熱部材（埋込部材の構成部品１００１ａ、１００１ｂ）を同一の形状とする場合には、同一の金型で成形することができるため、製造の簡略化とコストの削減を実現することができる。
【００６１】
埋込部材１００１は、例えばモジュール容器１００４の壁面に接続固定した熱電対保護配管（挿入部材１００２）が、断熱材１００３に貫通挿入されるように開口部１００３ａが形成された断熱材１００３で被覆され（図４（Ｂ））、断熱材１００３の外表面から突出した熱電対保護配管を被覆するように、対向する両側面から一組の断熱部材（埋込部材の構成部品１００１ａ、１００１ｂ）を嵌め合わせ、開口部１００３ａの内部へ押し込んで装填する（図４（Ｃ））。これにより、燃料電池装置における断熱性能の確保とともに、燃料電池装置の組み立て作業性を大幅に向上させることができる。
【００６２】
ここで、一般に燃料電池モジュールにおいては、燃料電池装置を制御する上で、モジュール容器１００４の内部からの電流の取出しや、内部温度の検出、内部流路を流れるガスの流量の検知や、ヒータの設置など、種々の目的に応じてモジュール容器１００４を被覆する断熱材１００３の外部とモジュール容器１００４の内部とを連通するために、断熱材１００３やモジュール容器１００４に複数の開口部の形成が必要となる。
【００６３】
従って、図示しないが、断熱材１００３を貫通して挿入された挿入部材１００５を複数有し、複数の挿入部材１００５に対応して、断熱材１００３は複数の開口部１００３ａを有し、これら複数の開口部１００３ａに対して本発明の態様にかかる埋込部材１００１を適用することが好ましい。
【００６４】
これにより、断熱材１００３に設けられた複数の開口部１００３ａに対して個々同様に埋込部材１００１によって隙間を充填することにより、作業性を向上させることができる。
【００６５】
また、これら複数の開口部１００３ａの開口径はそれぞれ異なり、複数の開口部１００３ａと複数の挿入部材１００５との隙間を埋める埋込部材１００１は、同一の形状であるとよい。断熱材１００３に設けられた複数の開口部１００３ａに対し、個々に異なる埋込部材１００１を成形し充填することは作業を複雑化し、また製造コストが増加する。一方で断熱材１００３に設けられた複数の開口部１００３ａに対して、同一形状の埋込部材１００１を埋め込むことで、作業性がさらに向上する。
【実施例】
【００６６】
図５乃至図１３を用いて、本発明にかかる実施例について説明する。
【００６７】
図５は、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。この図５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１０１は、燃料電池モジュール１０２と、補機ユニット１０４を備えている。
【００６８】
燃料電池モジュール１０２は、ハウジング１０６を備え、このハウジング１０６内部には、断熱材１０７で被覆された金属製のモジュール容器１０８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュール容器１０８の下方部分である発電室１１０には、燃料ガスと酸素含有ガス（以下では適宜「酸化剤ガス」、「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１１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１１２は、９個の燃料電池セルスタック１１４（図６参照）を備え、この燃料電池セルスタック１１４は、各々が燃料電池セルを含む、１６本の燃料電池セルユニット１１６から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１１２は、１４４本の燃料電池セルユニット１１６を有する。燃料電池セル集合体１１２は、複数の燃料電池セルユニット１１６の全てが直列接続されている。
【００６９】
燃料電池モジュール１０２のモジュール容器１０８の発電室１１０の上方には、燃焼部としての燃焼室１１８が形成され、この燃焼室１１８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の排ガスが燃焼されるようになっている。さらに、モジュール容器１０８は断熱材１０７により覆われており、燃料電池モジュール１０２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１１８の上方には、燃料ガスを改質する流体処理装置として改質器１２０が配置され、上記した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。
【００７０】
さらに、ハウジング１０６内においてモジュール容器１０８の上方には、後述する蒸発器１２５が断熱材１０７内に設けられている。蒸発器１２５は、燃焼室１１８において残余ガスである排ガスを燃焼させ、その排ガスと水とが供給され、これらの排ガスと水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１０８内の改質器１２０に供給する。
【００７１】
次に、補機ユニット１０４は、燃料電池モジュール１０２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１２６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１２８（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１０４は、都市ガス等の燃料供給源１３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁１３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器１３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット１３８（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１３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ１３９を備えている。さらに、補機ユニット１０４は、空気供給源１４０から供給される空気を遮断する電磁弁１４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット１４４及び発電用空気流量調整ユニット１４５（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１４６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１４８とを備えている。これらの第１ヒータ１４６と第２ヒータ１４８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。
【００７２】
次に、燃料電池モジュール１０２には、排ガスが供給される温水製造装置１５０が接続されている。この温水製造装置１５０には、水供給源１２４から水道水が供給され、この水道水が排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１０２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１５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール１０２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１５４が接続されている。
【００７３】
以上のように、固体酸化物形燃料電池装置においては、燃料ガスや純水、発電用空気等の供給や電流取出のためなど、種々の目的で断熱材１０７の開口を介した断熱材１０７の内外の部品挿入が不可欠である。
【００７４】
次に、図６乃至図８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具体的に説明する。図６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７は、図６のIII-III線に沿った断面図であり、図８は、ハウジング及び断熱材が取り外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。
【００７５】
図６及び図７に示すように、燃料電池モジュール１０２は、主に、上述したように、断熱材１０７内で且つモジュール容器１０８の外部に設けられた蒸発器１２５を有すると共に、モジュール容器１０８の内部に設けられた、燃料電池セル集合体１１２及び改質器１２０を有する。
【００７６】
蒸発器１２５は、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に固定されている（図８参照）。また、熱交換モジュール１２１とモジュール容器１０８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材１０７の一部分１０７ａが配置され、この断熱材１０７の一部分１０７ａも、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に固定されている（図６及び図７参照）。
【００７７】
具体的には、蒸発器１２５は、水平方向における一側端側に、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１６３と、排ガスを排出するための排ガス排出管１８２とが接続され（図９参照）、水平方向における他側端側に、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に形成された排気口１１１に連結された第１排ガス排出路１７１が接続されている（図６参照）。この排気口１１１は、モジュール容器１０８内の燃焼室１１８で燃焼された排ガスをモジュール容器１０８の外へ排出する開口部であり、モジュール容器１０８の天板１０８ａのほぼ中央部に形成されており、蒸発器１２５は、このような排気口１１１の上方の断熱材１０７内に配置されている。
【００７８】
また、蒸発器１２５は、図７に示すように、上下方向に二層構造となっており、モジュール容器１０８側に位置する下層部分には、上記した第１排ガス排出路１７１から供給された排ガスが通過する排気通路部１２５ｃが形成されている。加えて、蒸発器１２５は、排気通路部１２５ｃの上部に位置する上層部分には、燃料供給配管１６３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１２５ａと、この蒸発部１２５ａよりも排ガスの流れ方向における上流側に設けられ、蒸発部１２５ａで生成された水蒸気と燃料供給配管１６３から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部１２５ｂと、が形成されている。例えば、蒸発器１２５の蒸発部１２５ａ及び混合部１２５ｂは、複数の連通孔が設けられた仕切り板により蒸発器１２５を仕切った空間にて形成される。
【００７９】
このような蒸発器１２５では、蒸発部１２５ａ内の水と排気通路部１２５ｃを通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により蒸発部１２５ａ内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。加えて、混合部１２５ｂ内の混合ガスと排気通路部１２５ｃを通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。
【００８０】
さらに、図６に示すように、蒸発器１２５の混合部１２５ｂには、第１排ガス排出路１７１が接続された蒸発器１２５における端部に、この第１排ガス排出路１７１の内部を通過するように形成された、混合部１２５ｂからモジュール容器１０８内の改質器１２０に混合ガスを供給するための混合ガス供給管１６２が接続されている。混合ガス供給管１６２は、一端が改質器１２０に設けられた混合ガス供給口１２０ａに連結しており、この混合ガス供給口１２０ａからほぼ水平方向に延びた先で９０°屈曲されて、モジュール容器１０８内、断熱材１０７ａ内、蒸発器１２５における上流側の排気通路部１２５ｃ内を順に横断するようにほぼ鉛直方向に延びて、他端が蒸発器１２５の混合部１２５ｂに接続されている。この場合、混合ガス供給管１６２は、蒸発器１２５の混合部１２５ｂに接続された端部１６２ｂが、蒸発器１２５の蒸発部１２５ａ及び混合部１２５ｂの底面よりも上方に突出するように設けられている。
【００８１】
ここで図８に示すように、蒸発器１２５の天面に直交して接続された燃料供給管１６３は、屈曲部を経て水平方向に延在する非屈曲部分に充填材通過禁止部１８０を有している。充填材通過禁止部１８０により、蒸発器１２５内部への経路の圧力損失を高めることなしに、蒸発器１２５の内部に充填された充填材の漏出を防止することができる。
【００８２】
次に、モジュール容器１０８の外側、具体的にはモジュール容器１０８の外壁と断熱材１０７との間には、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気導入路（酸化剤ガス導入路）１７７が形成されている（図８参照）。この発電用空気導入路１７７は、モジュール容器１０８の天板１０８ａ及び側板１０８ｂと、これら天板１０８ａ及び側板１０８ｂのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース１７７ａとの間の空間によって形成され、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上の正面視中央位置に設けられた発電用空気導入管１７４から発電用空気が供給される（図９参照）。そして、発電用空気導入路１７７は、モジュール容器１０８の側板１０８ｂの下部に設けられた複数の吹出口１７７ｂから、発電用空気を燃料電池セル集合体１１２に向けて発電室１１０内に噴射する（図８参照）。
【００８３】
また、発電用空気導入路１７７の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板１７７ｃ、１７７ｄが設けられている（図８参照）。伝熱板１７７ｃは、モジュール容器１０８の天板１０８ａに沿った発電用空気導入路１７７の部分に設けられ、伝熱板１７７ｄは、モジュール容器１０８の側板１０８ｂに沿った発電用空気導入路１７７の部分で、且つ、燃料電池セルユニット１１６に至る位置に設けられている。発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気は、特に伝熱板１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これら伝熱板１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュール容器１０８内（具体的にはモジュール容器１０８内に設けられた第２及び第３排ガス排出路１７２、１７３）を通過する排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、発電用空気導入路１７７において伝熱板１７７ｃ、１７７ｄが設けられた部分は、熱交換部（空気熱交換部）として機能する。
【００８４】
第２排ガス排出路１７２および発電用空気導入路１７７の内部に設けられた伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄは第２排ガス排出路１７２または発電用空気導入路１７７の流路を２つに区分するように設けられており、伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄに設けられた複数の通気孔（図示せず）によって、内部を通過する流体は２区間を行き来して広域に拡散する。そのため、区分された空間それぞれにおいて内部を通過する流体を均熱化することができるため、局所的に熱交換率が異なることなく、熱交換性能が向上する。
【００８５】
第２排ガス排出路１７２および発電用空気導入路１７７に設けられた伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄは、複数の凸部（図示せず）を介して発電用空気導入路１７７および第２排ガス排出路１７２の他方を構成する壁面に固定されている。そのため、伝熱板（１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄ）により、区分された二つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流体を導くことができ、流体が持つ熱量を有効に利用することが可能となり、積極的に熱交換を行うことができる。
【００８６】
さらに、発電用空気導入路１７７および第２排ガス排出路１７２に設けられた伝熱板（１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄ）は燃料電池セル集合体１１２の上端よりも上方に配置されている。したがって、燃焼部１１０の熱と発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気とで熱交換を行うことができ、高効率な熱交換が可能になる。このため伝熱板は、モジュール容器１０８上面から燃焼室１１８付近にわたる領域に配置すれば十分であり、燃料電池セル集合体１１２が設けられた位置にまで伝熱板１７７ｄを設けることを不要とすることができる。これにより、伝熱板１７７ｄの配置面積を削減することができ、さらに発電時においても燃料電池セル集合体１１２の温度を奪わないようにすることができる。
【００８７】
次に、図６及び図７に加えて、図９も参照して、モジュール容器１０８内に設けられた改質器１２０について説明する。図９（Ａ）は、本発明の一実施例による改質器１２０を斜め上方から見た斜視図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿った断面図であり、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＶＣ−ＶＣ線に沿った断面図である。なお、図９（Ａ）〜（Ｃ）中には、改質器１２０に加えて、混合ガス供給管１６２や燃料ガス供給管１６４なども図示している。
【００８８】
改質器１２０は、燃焼室１１８の上方に水平方向に延びるように配置され、モジュール容器１０８の天板１０８ａと所定距離隔てて、この天板１０８ａに対して固定されている（図６参照）。改質器１２０には、上記した混合ガス供給管１６２からの混合ガスが混合ガス供給口１２０ａより流入し、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））を改質するための改質触媒（不図示）が充填された改質部１２０ｃと、が形成されている（図９（Ｂ）参照）。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。
【００８９】
ここで改質器１２０に接続する混合ガス供給管１６２には、図９（Ｂ）に示すように改質器１２０に挿入される手前に充填材通過禁止部材１６２ｂが設けられている（図６、１３においては省略）。これにより、圧力損失の増加を抑制しつつ、改質触媒の流出を防止することができる。
【００９０】
また、改質器１２０には、改質部１２０ｃが形成された部分に、上方に凹んだ内部空間１２０ｄが形成されている（図９（Ｂ）参照）。内部空間１２０ｄは、上下方向に貫通するように延びる貫通孔の上部をプレートなどで塞ぐことにより形成される。この内部空間１２０ｄには、上述した混合ガス供給管１６２の一部分１６２ａ、具体的には、混合ガス供給管１６２において水平方向に延びる部分であって、その端部が改質器１２０の混合ガス供給口１２０ａに接続された部分１６２ａが配置されている。この混合ガス供給管１６２の部分１６２ａも、その内部を通過する混合ガスを、改質器１２０の内部空間１２０ｄ内の排ガスによって予熱する予熱部として機能する（以下では混合ガス供給管１６２の部分１６２ａを「予熱部１６２ａ」と呼ぶ）。
【００９１】
また、改質器１２０は、上記した改質部１２０ｃの上面を形成する天板１２０ｆと、この天板１２０ｆの上方に設けられ、上部が開放したほぼＵ字断面形状を有する遮蔽板１２０ｇと、この遮蔽板１２０ｇの上部に配置された平板１２０ｈとを更に有する（図９（Ａ）乃至（Ｃ）参照）。改質器１２０において天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間の空間は、改質部１２０ｃの上方に排ガスを誘導して流すための排気誘導室２０１を形成し、改質器１２０において遮蔽板１２０ｇと平板１２０ｈとの間の空間は、排ガスがほとんど流れない、断熱層としてのガス溜２０３を形成する（図９（Ａ）乃至（Ｃ）に加えて、図６及び図７も参照）。更に、改質器１２０の上端部には、改質器１２０をモジュール容器１０８の天板１０８ａに固定するためのフランジ部１２０ｉが設けられている。
【００９２】
次に、図６に示すように、改質器１２０の下流端側には、改質器１２０の改質部１２０ｃによる改質によって生成された燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管１６４が接続され、この燃料ガス供給管１６４の上部には、水添脱硫器用水素取出管１６５が接続されている。燃料ガス供給管１６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１１２の下方に形成されたマニホールド１６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管１６４の水平部１６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔１６４ｂが形成されており、この燃料供給孔１６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド１６６内に供給される。このマニホールド１６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板１６８が取り付けられており、マニホールド１６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１１６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１８３が、燃焼室１１８に設けられている。
【００９３】
図６に示す例においては、点火装置１８３は、二重に配置された断熱材１０７を貫通してモジュール容器１０８の内部から燃料電池モジュール１０２の外部へ到達するように構成されている。このため、モジュール容器１０８の内部の熱量を断熱材１０７の外部へ放熱しやすい箇所となっている。そこで、断熱材１０７の開口部を外表面側から充填するように、点火装置１８３と断熱材１０７との隙間に、本発明にかかる埋込部材１８５が設けられている。図示しないが、例えば発電用空気導入管１７４が断熱材１０７を貫通するための開口部の隙間や、水添脱硫器用水素取出管１６５が断熱材１０７を貫通するための開口部の隙間等、断熱材１０７を貫通して配置される挿入部材と断熱材１０７との間に隙間が生じる複数の部分において、本発明にかかる埋込部材１８５を充填する態様とすることができる。
【００９４】
次に、図７に示すように、モジュール容器１０８内において、改質器１２０の上面（詳しくは改質器１２０の平板１２０ｈ）とモジュール容器１０８の天板１０８ａの下面との間には、水平方向に延びる第２排ガス排出路１７２が形成されている。この第２排ガス排出路１７２は、モジュール容器１０８の天板１０８ａを挟んで、上記した発電用空気導入路１７７の一部分と並設されている。また、第２排ガス排出路１７２の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板１７２ａが設けられている。この伝熱板１７２ａは、発電用空気導入路１７７内に設けられた伝熱板１７７ｃと水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。このような伝熱板１７７ｃ、１７２ａが設けられた発電用空気導入路１７７及び第２排ガス排出路１７２の部分において、発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気と第２排ガス排出路１７２を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われ、排ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。すなわち、発電用空気導入路１７７または第２排ガス排出路１７２の内部に設けられた伝熱板１７２ａが、発電用空気通路１７７と直接接触しており、伝熱板１７２aに与えられた排ガスの熱が伝熱板１７２ａに与えられ、伝熱板１７２ａの熱は発電用空気導入路１７７を構成する壁面に熱伝達し、発電用空気と効率よく熱交換を行うことができる。さらに、発電用空気通路１７７の内部にも伝熱板１７７ｃの凸部が第２排ガス排出路１７２を構成する壁面に接しているため、排ガスの熱が、伝熱板１７２ａ、発電用空気通路１７７を構成する壁面、伝熱板１７７ｃ、発電用空気の順に伝わるため、排ガスと発電用空気の熱交換率を向上させることができる。なお、伝熱板１７２ａは伝熱板１７７ｃ、１７７ｂと同一のものである。
【００９５】
また、改質器１２０の外側面とモジュール容器１０８の内側面との間には、上下方向に延びる第３排ガス排出路１７３が形成されている。この第３排ガス排出路１７３は第２排ガス排出路１７２と連通しており、第３排ガス排出路１７３から第２排ガス排出路１７２へと排ガスが流れていく。具体的には、第２排ガス排出路１７２には、第３排ガス排出路１７３の上端部（言い換えると第２排ガス排出路１７２の水平方向における端部）に位置する排ガス導入口１７２ｂから排ガスが流入する。排ガス導入口１７２ｂから第２排ガス排出路１７２に流入した排ガスは、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に形成された排気口１１１を介して、モジュール容器１０８の外部に設けられた第１排ガス排出路１７１へと流出する。
【００９６】
また、第３排ガス排出路１７３の途中のモジュール容器１０８の内側面上には、具体的には、改質器１２０の改質部１２０ｃよりも上方で、第２排ガス排出路１７２の排ガス導入口１７２ｂよりも下方のモジュールケース８の内側面上には、改質器１２０中に形成された排気誘導室２０１（改質器１２０の天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間の空間）に流れ込むように排ガスを指向させる排気ガイド板２０５（第１排気ガイド部に相当する）が設けられている。
【００９７】
次に、図１０を参照して、燃料電池セルユニット１１６について説明する。図１０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。
【００９８】
図１０に示すように、燃料電池セルユニット１１６は、燃料電池セル１８４と、この燃料電池セル１８４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１８６とを備えている。
【００９９】
燃料電池セル１８４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１８８を形成する円筒形の内側電極層１９０と、円筒形の外側電極層１９２と、内側電極層１９０と外側電極層１９２との間にある電解質層１９４とを備えている。この内側電極層１９０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。
【０１００】
燃料電池セル１８４の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子１８６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１８６について具体的に説明する。内側電極層１９０の上部１９０ａは、電解質層１９４と外側電極層１９２に対して露出された外周面１９０ｂと上端面１９０ｃとを備えている。内側電極端子１８６は、導電性のシール材１９６を介して内側電極層１９０の外周面１９０ｂと接続され、さらに、内側電極層１９０の上端面１９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層１９０と電気的に接続されている。内側電極端子１８６の中心部には、内側電極層１９０の燃料ガス流路１８８と連通する燃料ガス流路細管１９８が形成されている。
【０１０１】
この燃料ガス流路細管１９８は、内側電極端子１８６の中心から燃料電池セル１８４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１６６（図６参照）から、下側の内側電極端子１８６の燃料ガス流路細管１９８を通って燃料ガス流路１８８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１８６の燃料ガス流路細管１９８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１８８から、上側の内側電極端子１８６の燃料ガス流路細管１９８を通って燃焼室１１８（図６参照）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１８６の燃料ガス流路細管１９８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。
【０１０２】
内側電極層１９０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。
【０１０３】
電解質層１９４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。
【０１０４】
外側電極層１９２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。
【０１０５】
次に、図１１を参照して、燃料電池セルスタック１１４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スタックを示す斜視図である。
【０１０６】
図１１に示すように、燃料電池セルスタック１１４は、１６本の燃料電池セルユニット１１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１１６は、８本ずつ２列に並べて配置されている。
【０１０７】
各燃料電池セルユニット１１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板１６８（図６参照）により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット１１６が４本ずつ、概ね正方形の２枚の上支持板１００により支持されている。これらの下支持板１６８及び上支持板１００には、内側電極端子１８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
【０１０８】
さらに、燃料電池セルユニット１１６には、集電体１０３及び外部端子１０５が取り付けられている。この集電体１０３は、燃料極である内側電極層１９０に取り付けられた内側電極端子１８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０３ａと、空気極である外側電極層１９２の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０３ｂとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット１１６の外側電極層１９２（空気極）の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部１０３ｂが接触することにより、集電体１０３は空気極全体と電気的に接続される。
【０１０９】
さらに、燃料電池セルスタック１１４の端（図１１では左端の奥側）に位置する燃料電池セルユニット１１６の空気極１８６には、２つの外部端子１０４がそれぞれ接続されている。これらの外部端子１０３は、隣接する燃料電池セルスタック１１４の端にある燃料電池セルユニット１１６の内側電極端子１８６に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１１６の全てが直列接続されるようになっている。
【０１１０】
次に、図１２、図１３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の流れについて説明する。図１２は、図６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る。図１３は、図７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を示す図１２のIII−III線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。図１２、図１３は、図６、８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、断熱材１０７を取り除いた状態の図を示している。なお、図１３では、燃料ガス（水、水蒸気及び原燃料ガスも含む）の流れのみを図示している。
【０１１１】
図１２、に示すように、水及び原燃料ガス（燃料ガス）が、蒸発器１２５の水平方向における一側端側に接続された燃料供給配管１６３（図８参照）から蒸発器１２５内に供給される、具体的には蒸発器１２５の上層に設けられた蒸発部１２５ａ内に供給される。蒸発器１２５の蒸発部１２５ａに供給された水は、蒸発器１２５の下層に設けられた排気通路部１２５ｃを流れる排ガスとの間で熱交換を行い、排ガスの熱により加熱されて、気化して水蒸気となる。この水蒸気と、上記した燃料供給配管１６３から供給された原燃料ガスとは、蒸発部１２５ａ内を水平方向に流れていき（具体的には燃料供給配管１６３が接続された側と反対側に向けて水平方向に流れていき）、蒸発部１２５ａの先の混合部１２５ｂにおいて混合される。
【０１１２】
そして、混合部１２５ｂにおいて水蒸気と原燃料ガスとが混合された混合ガス（燃料ガス）は、蒸発器１２５において燃料供給配管１６３が接続された側と反対側に接続され、蒸発器１２５の排気通路部１２５ｃ、断熱材１０７ａ及びモジュール容器１０８内を横断するように延びる混合ガス供給管１６２を流れて、モジュール容器１０８内の改質器１２０に流入する。この場合、混合ガスは、混合部１２５ｂの下方の排気通路部１２５ｃを流れる排ガスと、排気通路部１２５ｃ及び第１排ガス排出路１７１内に位置する混合ガス供給管１６２の部分の周囲を流れる排ガスと、モジュール容器１０８内に位置する混合ガス供給管１６２の部分の周囲を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、モジュール容器１０８内では、改質器１２０の内部空間１２０ｄ内に位置する混合ガス供給管１６２の予熱部１６２ａにおいて、この予熱部１６２ａ内を流れる混合ガスと改質器１２０の内部空間１２０ｄ内の排ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。
【０１１３】
この後、混合ガス供給管１６２から改質器１２０に供給された混合ガスは、改質器１２０の混合ガス供給口１２０ａを介して、改質器１２０の水平方向における一側端側に設けられた改質触媒が充填された改質部１２０ｃに流入し、この改質部１２０ｃ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、改質器１２０の改質部１２０ｃの下流端側に接続された燃料ガス供給管１６４と、この燃料ガス供給管１６４の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管１６５とを流れる。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給管１６４の水平部１６４ａに設けられた燃料供給孔１６４ｂからマニホールド１６６内に供給されて、マニホールド１６６内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット１１６内に供給される。
【０１１４】
他方で、図１３に示すように、発電用空気導入管１７４（図６、図８及び図１２参照）から供給された発電用空気は、モジュール容器１０８の天板１０８ａ及び側板１０８ｂと、これら天板１０８ａ及び側板１０８ｂのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース１７７ａとの間の空間によって形成された発電用空気導入路１７７を流れる。この際に、発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気は、伝熱板１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これら伝熱板１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュール容器１０８内に形成された第２及び第３排ガス排出路１７２、１７３を通過する排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、発電用空気導入路１７７の伝熱板１７７ｃに対応する第２排ガス排出路１７２内には伝熱板１７２ａが設けられているので、発電用空気は、発電用空気導入路１７７内の伝熱板１７７ｃと第２排ガス排出路１７２内の伝熱板１７２ａとを介して、排ガスとより効率的な熱交換を行う。
【０１１５】
また、図８、１４に示すように、発電用空気導入路１７７の内部で、伝熱板１７７ｄが配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板１７９が設置されており、排ガスと熱交換を行った後の発電用空気は仕切り板１７９に設けられた複数の孔を通る。その際に、仕切り板１７９は流路抵抗として機能し、拡散されて均熱化した発電用空気を燃料電池セル集合体１１２へ供給することができる。
【０１１６】
その後、図１３に示すように、発電用空気は、モジュール容器１０８の側板１０８ｂの下部に設けられた複数の吹出口１７７ｂから燃料電池セル集合体１１２に向けて発電室１１０内に噴射される。
【０１１７】
他方で、燃料電池セルユニット１１６において発電に利用されずに残った排ガスは、図１３に示すように、モジュール容器１０８内の燃焼室１１８で燃焼され、モジュール容器１０８内を上昇していく。具体的には、排ガスは、まず、改質器１２０の外側面とモジュール容器１０８の内側面との間に形成された第３排ガス排出路１７３を通過する。この際に、排ガスは、モジュール容器１０８の内側面上に設けられた排気ガイド板２０５によって、改質器１２０中に形成された排気誘導室２０１（改質器１２０の天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間の空間）に流れ込むように指向される。そして、排気誘導室２０１を経由した排ガス（排気誘導室２０１に流れ込んだ排ガス及び排気誘導室２０１に流れ込まなかった排ガスを含む）は、排気誘導室２０１の上方のガス溜２０３（改質器１２０の遮蔽板１２０ｇと平板１２０ｈとの間の空間）に流れ込むことなく上昇していき、排ガス導入口１７２ｂから第２排ガス排出路１７２に流入する。
【０１１８】
この後、排ガスは、第２排ガス排出路１７２を水平方向に流れていき、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に形成された排気口１１１から流出する。排ガスが第２排ガス排出路１７２を水平方向に流れていく際に、第２排ガス排出路１７２内に設けられた伝熱板１７２ａと、この伝熱板１７２ａに対応して発電用空気導入路１７７内に設けられた伝熱板１７７ｃとを介して、発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気と第２排ガス排出路１７２を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排ガスの熱により発電用空気が昇温される。なお、ここでは排気通路のうち第２排ガス排出路１７２にのみ伝熱板１７２aを設けているが、伝熱板を設ける箇所は第２排ガス排出路１７２に限るものではなく、熱交換を行う排気通路であればよい。
【０１１９】
そして、排気口１１１から流出した排ガスは、モジュール容器１０８の外部に設けられた第１排ガス排出路１７１を通過した後、第１排ガス排出路１７１に接続された蒸発器１２５の排気通路部１２５ｃを流れて、蒸発器１２５の下流端側に接続された排ガス排出管１８２（図８参照）から排出される。排ガスは、蒸発器１２５の排気通路部１２５ｃを流れる際に、上述したように、蒸発器１２５の混合部１２５ｂ内の混合ガス及び蒸発器１２５の蒸発部１２５ａ内の水と熱交換を行う。
【符号の説明】
【０１２０】
１０１  固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
１０２  燃料電池モジュール
１０４  補機ユニット
１０７  断熱材
１０８  モジュール容器
１０８ａ  天板
１０８ｂ  側板
１１１  排気口
１１２  燃料電池セル集合体
１１４  燃料電池セルスタック
１１６  燃料電池セルユニット
１１８  燃焼室（燃焼部）
１２０  改質器
１２０ａ  混合ガス供給口
１２０ｃ  改質部
１２０ｄ  内部空間
１２０ｈ  平板
１２５  蒸発器
１２５ａ  蒸発部
１２５ｂ  混合部
１２５ｃ  排気通路部
１６２  混合ガス供給管
１６２ａ  予熱部
１６２ｂ  充填材通過禁止部
１６３  燃料供給配管
１６４  燃料ガス供給管
１６５  水添脱硫器用水素取出管
１６６  マニホールド
１６８  下支持板
１７１  第１排ガス排出路
１７２  第２排ガス排出路
１７２ａ  伝熱板
１７３  第３排ガス排出路
１７７  発電用空気導入路（酸素含有ガス導入路）
１７７ｃ、１７７ｄ  伝熱板
１７９  仕切り板
１８０  充填材通過禁止部
１８３  点火装置
１８４  燃料電池セル
１８５  埋込部材
２０１  排気誘導室
２０３  ガス溜
１００１    埋込部材
１００１ａ  埋込部材の構成部品
１００１ｂ  埋込部材の構成部品
１００１ｃ  貫通孔
１００２    挿入部材
１００３    断熱材
１００３ａ  開口部
１００４    モジュール容器
１００５    挿入管
１００６    燃料電池セル
【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】
2018147800.tif 000014
【図１３】
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