(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む構成単位を複数有し、複数の前記構成単位が第１の方向に並べて配置された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に直交する方向に配置され、酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部と、
前記燃料電池スタックと前記加熱部との間に配置される絶縁部と、を備える燃料電池モジュールにおいて、
前記絶縁部は、
前記複数の構成単位の内、一部の構成単位に対向する第１の部分と、
前記複数の構成単位の内、前記第１の方向において前記一部の構成単位とは異なる位置に配置され、かつ、前記一部の構成単位よりも定格運転状態時の温度が高い他の構成単位に対向する第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記第１の部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きく、
前記第１の部分と前記第２の部分とには１または複数の開口部がそれぞれ形成されており、
前記第２の部分の単位面積当たりの開口面積は、前記第１の部分の単位面積当たりの開口面積よりも大きいことを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記他の構成単位は、前記複数の構成単位の内、最も高い温度の前記構成単位を含み、
前記第１の部分は、前記第２の部分に隣接する位置から、前記複数の構成単位の内、前記第１の方向における末端の前記構成単位に対向する位置まで延びる部分であることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池モジュールにおいて、さらに、
前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に配置される発熱源と、
前記燃料電池スタックと前記絶縁部と前記加熱部と前記発熱源とを収容する断熱容器と、を備え、
前記第２の部分は、前記絶縁部の中央部分よりも前記発熱源に近い部分であることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項４】
電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む構成単位を複数有し、複数の前記構成単位が第１の方向に連続して並べて配置された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に直交する方向に配置され、酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部と、
前記燃料電池スタックと前記加熱部との間に配置される絶縁部と、を備える燃料電池モジュールにおいて、
前記絶縁部は、
前記複数の構成単位の内、前記第１の方向において端寄りに位置する一部の構成単位に対向する第１の部分と、
前記複数の構成単位の内、前記第１の方向において前記一部の構成単位よりも中央寄りに位置する他の構成単位に対向する第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記第１の部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きく、
前記第１の部分と前記第２の部分とには１または複数の開口部がそれぞれ形成されており、
前記第２の部分の単位面積当たりの開口面積は、前記第１の部分の単位面積当たりの開口面積よりも大きいことを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項５】
電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む構成単位を複数有し、複数の前記構成単位が第１の方向に並べて配置された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に直交する方向に配置され、酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部と、
前記燃料電池スタックと前記加熱部との間に配置される絶縁部と、
前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に配置される発熱源と、
前記燃料電池スタックと前記絶縁部と前記加熱部と前記発熱源とを収容する断熱容器と、を備える燃料電池モジュールにおいて、
前記絶縁部は、
前記複数の構成単位の内、一部の構成単位に対向する第１の部分と、
前記複数の構成単位の内、前記一部の構成単位よりも前記発熱源に近い他の構成単位に対向する第２の部分と、を有し、
前記第２の部分は、前記第１の部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きく、
前記第１の部分と前記第２の部分とには１または複数の開口部がそれぞれ形成されており、
前記第２の部分の単位面積当たりの開口面積は、前記第１の部分の単位面積当たりの開口面積よりも大きいことを特徴とする、燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池モジュールにおいて、
各前記構成単位は、固体酸化物形または溶融炭酸塩形の構成単位であることを特徴とする、燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される技術は、燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）は、一般に、所定の方向（以下、「配列方向」ともいう）に並べて配置された複数の構成単位を備える燃料電池スタックの形態で利用される。ここで、構成単位は、少なくとも、電解質層と、電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを有する燃料電池単セルを含み、燃料電池単セルの形状等によっては、さらに例えば集電体およびインターコネクタを含むことがある。
【０００３】
酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部を、燃料電池スタックに対して配列方向に直交する方向に配置する技術が知られている（例えば特許文献１）。この技術では、加熱部と燃料電池スタックとが接触して短絡することを抑制するために、燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部が加熱部に向けて張り出した構成になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−３９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池スタックの温度分布が、構成単位の配列方向においてばらつくことがある。例えば、複数の構成単位の内、配列方向における端に位置する構成単位の片側には他の構成単位が存在しないため、端に位置する構成単位は、発電反応によって発生した熱が片側から放熱され易く、最も低温になる。そして、端から遠い構成単位ほど、発電反応によって発生した熱が放熱され難くなり、中央寄りに位置する構成単位が最も高温になる。また、燃料電池スタックの近傍にオフガス燃焼部やバーナーなどの発熱源が配置される場合、発熱源に近い構成単位ほど、高温になる。なお、燃料電池スタックの温度分布が、構成単位の配列方向においてばらつくと、構成単位同士の間で熱膨張による変形量に差が生じることにより、構成単位同士の間で隙間が生じてガスが漏洩したり、構成単位同士の間で発電性能がばらついたりする場合がある。
【０００６】
上記従来の技術では、加熱部と燃料電池スタックとが短絡することを抑制できるものの、燃料電池スタックの温度分布が、構成単位の配列方向においてばらつくことを抑制することができない。なお、このような課題は、ＳＯＦＣに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の課題である。
【０００７】
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書に開示される技術は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００９】
（１）本明細書に開示される燃料電池モジュールは、電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む構成単位を複数有し、複数の前記構成単位が第１の方向に並べて配置された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に直交する方向に配置され、酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部と、前記燃料電池スタックと前記加熱部との間に配置される絶縁部と、を備える燃料電池モジュールにおいて、前記絶縁部は、前記複数の構成単位の内、一部の構成単位に対向する第１の部分と、前記複数の構成単位の内、前記第１の方向において前記一部の構成単位とは異なる位置に配置され、かつ、前記一部の構成単位よりも定格運転状態時の温度が高い他の構成単位に対向する第２の部分と、を有し、前記第２の部分は、前記第１の部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きいことを特徴とする。本燃料電池モジュールによれば、絶縁部が燃料電池スタックと加熱部との間に配置されるため、燃料電池スタックと加熱部とが接触して短絡することを抑制することができる。絶縁部には、一部の構成単位に対向する第１の部分と、その一部の構成単位よりも定格運転状態の温度が高い他の構成単位に対向し、第１の部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きい第２の部分とが含まれる。このため、相対的に温度が低い構成単位から加熱部への熱の伝達は第１の部分によって抑制される一方で、相対的に温度が高い発電電位から加熱部への熱の伝達は第２の部分によって促進される。これにより、例えば絶縁部が全体に亘って単位面積当たりの熱伝達量が同一である構成に比べて、構成単位の配列方向における燃料電池スタックの温度分布のばらつきを緩和することができる。
【００１０】
（２）上記燃料電池モジュールにおいて、前記他の構成単位は、前記複数の構成単位の内、最も高い温度の前記構成単位を含み、前記第１の部分は、前記第２の部分に隣接する位置から、前記複数の構成単位の内、前記第１の方向における末端の前記構成単位に対向する位置まで延びる部分である構成としてもよい。本燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックと加熱部との短絡を抑制しつつ、構成単位の配列方向における燃料電池スタックの温度分布のばらつきを効果的に緩和することができる。
【００１１】
（３）上記燃料電池モジュールにおいて、さらに、前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に配置される発熱源と、前記燃料電池スタックと前記絶縁部と前記加熱部と前記発熱源とを収容する断熱容器と、を備え、前記第２の部分は、前記絶縁部の中央部分よりも前記発熱源に近い部分である構成としてもよい。本燃料電池モジュールによれば、断熱容器内に発熱源が収容されている場合でも、構成単位の配列方向における燃料電池スタックの温度分布のばらつきを効果的に緩和することができる。
【００１２】
（４）本明細書に開示される燃料電池モジュールは、電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む構成単位を複数有し、複数の前記構成単位が第１の方向に連続して並べて配置された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に直交する方向に配置され、酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部と、前記燃料電池スタックと前記加熱部との間に配置される絶縁部と、を備える燃料電池モジュールにおいて、前記絶縁部は、前記複数の構成単位の内、前記第１の方向において端寄りに位置する一部の構成単位に対向する第１の部分と、前記複数の構成単位の内、前記第１の方向において前記一部の構成単位よりも中央寄りに位置する他の構成単位に対向する第２の部分と、を有し、前記第２の部分は、前記第１部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きいことを特徴とする。本燃料電池モジュールによれば、燃料電池スタックと加熱部との短絡を抑制しつつ、構成単位の配列方向における燃料電池スタックの温度分布のばらつきを緩和することができる。
【００１３】
（５）本明細書に開示される燃料電池モジュールは、電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極とを含む構成単位を複数有し、複数の前記構成単位が第１の方向に並べて配置された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に直交する方向に配置され、酸化剤ガス、燃料ガスおよび原燃料の少なくとも一つを加熱する加熱部と、前記燃料電池スタックと前記加熱部との間に配置される絶縁部と、前記燃料電池スタックに対して、前記第１の方向に配置される発熱源と、前記燃料電池スタックと前記絶縁部と前記加熱部と前記発熱源とを収容する断熱容器と、を備える燃料電池モジュールにおいて、前記絶縁部は、前記複数の構成単位の内、一部の構成単位に対向する第１の部分と、前記複数の構成単位の内、前記一部の構成単位よりも前記発熱源に近い他の構成単位に対向する第２の部分と、を有し、前記第２の部分は、前記第１の部分よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きいことを特徴とする。本燃料電池モジュールによれば、断熱容器内に発熱源が収容されている場合でも、構成単位の配列方向における燃料電池スタックの温度分布のばらつきを効果的に緩和することができる。
【００１４】
（６）上記燃料電池モジュールにおいて、前記第１の部分と前記第２の部分とには１または複数の開口部がそれぞれ形成されており、前記第２の部分の単位面積当たりの開口面積は、前記第１の部分の単位面積当たりの開口面積よりも大きい構成としてもよい。本燃料電池モジュールによれば、同一材料で絶縁部を形成することが可能である。
【００１５】
（７）上記燃料電池モジュールにおいて、前記第２の部分は、前記第１の部分よりも熱伝導率が高い材料で形成されている構成としてもよい。本燃料電池モジュールによれば、効率よく熱伝達が可能であり、燃料電池スタックと加熱部との短絡を抑制できる。
【００１６】
（８）上記燃料電池モジュールにおいて、前記第１の部分と前記第２の部分とは同一材料で形成されており、かつ、前記第２の部分は、前記第１の部分よりも前記直交する方向における寸法が小さい構成としてもよい。本燃料電池モジュールによれば、同一材料で絶縁部を形成することが可能である。
【００１７】
（９）上記燃料電池モジュールにおいて、各前記構成単位は、固体酸化物形または溶融炭酸塩形の構成単位である構成としてもよい。
【００１８】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池スタック、燃料電池スタックを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム等の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】燃料電池モジュール１０の構成を概略的に示す説明図
【図２】発電モジュール２０の上側の平面構成を示す説明図
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における発電モジュール２０の断面構成を示す説明図
【図４】図２のＩＶ−ＩＶの位置における発電モジュール２０の断面構成を示す説明図
【図５】発電モジュール２０の構成を概略的に示す説明図
【図６】発電モジュール２０の構成を概略的に示す説明図
【図７】発電単位１０２の詳細構成を示す説明図
【図８】熱交換部１０３の上側の平面構成を概略的に示す説明図
【図９】燃料電池モジュール１０をＹ軸正方向側から見た背面図
【図１０】混合ガス生成部３１０の内部構成を示す断面図
【図１１】第１の絶縁部材６００の構成を概略的に示す説明図
【図１２】燃料電池スタック１００と第１の絶縁部材６００と混合ガス予熱部３２０との構成を模式的に示す説明図
【図１３】比較例における燃料電池スタック１００Ｗと混合ガス予熱部３２０とを模式的に示す説明図
【図１４】第２実施形態の燃料電池モジュール１０Ａの構成を概略的に示す説明図
【図１５】Ｙ軸方向から見た燃料電池モジュール１０Ａの断面図
【図１６】Ｘ軸方向から見た燃料電池モジュール１０Ａの断面図
【図１７】第１の絶縁部材６００Ａの構成を概略的に示す説明図
【図１８】燃料電池スタック１００Ａと、第１の絶縁部材６００Ａと、混合ガス予熱部３２０との構成を模式的に示す説明図
【図１９】比較例における燃料電池スタック１００ＷＡと混合ガス予熱部３２０と燃焼改質部２１０Ａとを模式的に示す説明図
【図２０】第３実施形態の第１の絶縁部材６００Ｂの構成を概略的に示す説明図
【図２１】燃料電池スタック１００Ｂと第１の絶縁部材６００Ｂと混合ガス予熱部３２０との構成を模式的に示す説明図
【図２２】比較例における燃料電池スタック１００ＷＢと混合ガス予熱部３２０と燃焼改質部２１０Ａとを模式的に示す説明図
【図２３】第４実施形態の燃料電池スタック１００Ｃを模式的に示す説明図
【図２４】第５実施形態の燃料電池スタック１００Ｄを模式的に示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池モジュール１０の構成）
図１は、燃料電池モジュール１０の構成を概略的に示す説明図である。なお、図１では、燃料電池モジュール１０の構成をわかりやすくするために、一部の構成が透過して示されたり、一部の構成の図示が省略されたりしている。また、図１には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向（後述の改質部２１０から燃料電池スタック１００に向かう方向）を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池モジュール１０は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図２以降についても同様である。
【００２１】
燃料電池モジュール１０は、発電モジュール２０と、発電モジュール２０に接続された各種配管５１０，５１２，５１４，５１６とを備える。
【００２２】
（発電モジュール２０の構成）
図２から図５は、発電モジュール２０の構成を概略的に示す説明図である。図２には、発電モジュール２０（燃料電池スタック１００）の上側の平面構成が示されており、図３には、図２のＩＩＩ−ＩＩＩの位置における発電モジュール２０の断面構成が示されており、図４には、図２のＩＶ−ＩＶの位置における発電モジュール２０の断面構成が示されており、図５には、図２のＶ−Ｖの位置における発電モジュール２０の断面構成が示されている。図１に示すように、発電モジュール２０は、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００の周囲に配置された補助部２００と、第１の絶縁部材６００と、第２の絶縁部材７００とを備える。なお、図３から図５では、補助部２００の一部が省略されている。
【００２３】
（燃料電池スタック１００の構成）
図３から図５に示すように、燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では６つの）発電単位１０２と、熱交換部１０３と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。６つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。ただし、６つの発電単位１０２の内、上側に位置する３つの発電単位１０２は互いに隣接するように配置され、下側に位置する３つの発電単位１０２も互いに隣接するように配置され、上側の３つの発電単位１０２と下側の３つの発電単位１０２との間に熱交換部１０３が配置されている。すなわち、熱交換部１０３は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３とから構成される集合体における上下方向の中央付近に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、６つの発電単位１０２と熱交換部１０３とから構成される集合体を上下から挟むように配置されている。なお、発電単位１０２は構成単位の一例であり、上記配列方向（上下方向）は第１の方向に相当する。
【００２４】
図３から図５に示すように、燃料電池スタック１００を構成する各層（発電単位１０２、熱交換部１０３、エンドプレート１０４，１０６）のＺ方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の（本実施形態では８つの）孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート１０４から他方のエンドプレート１０６にわたる連通孔１０８を構成している。
【００２５】
各連通孔１０８にはボルト２２が挿入されており、ボルト２２とボルト２２の両側に嵌められたナット２４およびスペーサー２６とによって、燃料電池スタック１００は締結されている。
【００２６】
各ボルト２２の軸部の外径は各連通孔１０８の内径より小さい。そのため、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間には、空間が確保されている。図２および図３に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの頂点（Ｙ軸正方向側およびＸ軸負方向側の頂点）付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ａ）により形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入されるガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能し、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｂ）により形成された空間は、熱交換部１０３から排出された酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に向けて運ぶガス流路である酸化剤ガス供給マニホールド１６３として機能する。
【００２７】
また、図２および図４に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｃ）により形成された空間は、各発電単位１０２から排出された未反応の酸化剤ガスＯＧである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。
【００２８】
また、図２および図５に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｄ）により形成された空間は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２に供給する燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置するボルト２２（ボルト２２Ｅ）により形成された空間は、各発電単位１０２から排出された未反応の燃料ガスＦＧである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
【００２９】
（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、方形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２と熱交換部１０３とが押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。
【００３０】
（発電単位１０２の構成）
図６および図７は、発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。図６には、図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２の断面構成が示されており、図７には、図５に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２の断面構成が示されている。
【００３１】
図６および図７に示すように、発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入される連通孔１０８に対応する孔が形成されている。
【００３２】
インターコネクタ１５０は、方形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図３から図５参照）。
【００３３】
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で電解質層１１２および空気極１１４を支持する燃料極支持形の単セルである。
【００３４】
電解質層１１２は、方形の平板形状部材であり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、方形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、方形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
【００３５】
セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する方形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルともいう。
【００３６】
空気極側フレーム１３０は、図６および図７に示すように、中央付近に上下方向に貫通する方形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム１３０によって、空気極１１４とインターコネクタ１５０との間に酸化剤ガス流路１６６が確保されると共に、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。また、図６に示すように、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス供給マニホールド１６３と酸化剤ガス流路１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、酸化剤ガス流路１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。
【００３７】
燃料極側フレーム１４０は、図６および図７に示すように、中央付近に上下方向に貫通する方形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。燃料極側フレーム１４０によって、燃料極１１６とインターコネクタ１５０との間に燃料ガス流路１７６が確保される。また、図７に示すように、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料ガス流路１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料ガス流路１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。
【００３８】
空気極側集電体１３４は、図７に示すように、所定の間隔をあけて並べられた複数の四角柱状の導電性部材から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触することにより、空気極１１４とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。空気極側集電体１３４を構成する各柱状部材間に形成される空間は、酸化剤ガス流路１６６として機能する。なお、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として形成されていてもよい。
【００３９】
燃料極側集電体１４４は、図６に示すように、インターコネクタ対向部１４６と、複数の電極対向部１４５と、各電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。各電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触し、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触する。そのため、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。燃料極側集電体１４４の各電極対向部１４５間に形成される空間は、燃料ガス流路１７６として機能する。
【００４０】
（熱交換部１０３の構成）
図８は、熱交換部１０３の上側の平面構成を概略的に示す説明図である。図３から図５および図８に示すように、熱交換部１０３は、方形の平板形状部材であり、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。上述したように、熱交換部１０３のＺ方向回りの周縁部には、ボルト２２が挿入される連通孔１０８を構成する８つの孔が形成されている。また、熱交換部１０３の中央付近には、上下方向に貫通する孔１８２が形成されている。さらに、熱交換部１０３には、中央の孔１８２と酸化剤ガス導入マニホールド１６１を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８４と、中央の孔１８２と酸化剤ガス供給マニホールド１６３を形成する連通孔１０８とを連通する連通孔１８６とが形成されている。熱交換部１０３は、熱交換部１０３の上側に隣接する発電単位１０２に含まれる下側のインターコネクタ１５０と、熱交換部１０３の下側に隣接する発電単位１０２に含まれる上側のインターコネクタ１５０とに挟持されている。これらのインターコネクタ１５０間において、孔１８２と連通孔１８４と連通孔１８６とにより形成される空間は、後述する熱交換のために酸化剤ガスＯＧを流す熱交換流路１８８として機能する。
【００４１】
（補助部２００の構成）
図１に示すように、補助部２００は、改質部２１０と、燃料熱交換部３００と、酸化剤熱交換部４００とを備える。
【００４２】
（改質部２１０）
図１および図３から図５に示すように、改質部２１０は、燃料電池スタック１００の下側に配置されており、箱形状の本体部２２０と、本体部２２０の側面に形成された４つの固定部２３０とを備えている。改質部２１０は、例えばステンレス等の金属材料により形成されている。
【００４３】
各固定部２３０には、上下方向に貫通する貫通孔２０８が形成されている。４つの固定部２３０に形成された貫通孔２０８は、それぞれ、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周を構成する４辺の中点付近に位置する連通孔１０８と連通している。これらの４つの連通孔１０８に挿入された４つのボルト２２は、対応する位置の固定部２３０の貫通孔２０８まで達しており、これらのボルト２２にナット２４が嵌められることによって改質部２１０と燃料電池スタック１００とが固定されている。
【００４４】
図３から図５に示すように、本体部２２０の内部には、改質室２１４が形成されている。改質室２１４は、混合ガスＭＧを水素リッチな燃料ガスＦＧに改質するための室であり、１つの固定部２３０の貫通孔２０８を介して、燃料ガス導入マニホールド１７１と連通している。改質室２１４には、改質反応を促進させる触媒が配置されている。
【００４５】
（燃料熱交換部３００）
図９は、燃料電池モジュール１０をＹ軸正方向側から見た背面図である。図１および図９に示すように、燃料熱交換部３００は、改質水ＲＷおよび原燃料ガスＲＦＧから混合ガスＭＧを生成する混合ガス生成部３１０と、混合ガス生成部３１０によって生成された混合ガスＭＧを予熱する混合ガス予熱部３２０とを備える。混合ガス予熱部３２０は、燃料電池スタック１００の一側面（Ｘ軸正方向側の側面  以下、第１の側面１９１という）側に配置されており、混合ガス生成部３１０は、混合ガス予熱部３２０の下側に配置されている。
【００４６】
図１０は、混合ガス生成部３１０の内部構成を示す断面図である。混合ガス生成部３１０は、例えばステンレス等の金属材料によって箱形状に形成されている。図１０に示すように、混合ガス生成部３１０の内部は、隔壁３１２によって、排ガス導入室３１４と、排ガス導入室３１４の上に配置された混合室３１６とに区切られている。
【００４７】
排ガス導入室３１４は、燃料電池スタック１００から排出された酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧ（以下、排ガスＯＯＧ，ＦＯＧともいう）が流れる排ガス流路として機能する室である。具体的には、図１に示すように、排ガス導入室３１４の一端側（Ｙ軸正方向側）は、連結管５２０を介して、酸化剤熱交換部４００の後述する第１酸化剤予熱部４１０に連通しており、第１酸化剤予熱部４１０から排出された排ガスＯＯＧ，ＦＯＧは、排ガス導入室３１４に導入される。また、排ガス導入室３１４の隔壁３１２は、金属材料で形成されているため、流入した排ガスＯＯＧ，ＦＯＧの熱を混合室３１６に伝達可能である。図９に示すように、排ガス導入室３１４の他端側（Ｙ軸負方向側）は、排ガス排出配管５１６に連通しており、排ガス導入室３１４内の排ガスＯＯＧ，ＦＯＧは、排ガス排出配管５１６を介して外部に排出される。
【００４８】
混合室３１６は、隔壁３１８によって、改質水導入室３１３と原燃料ガス導入室３１５とに区切られており、改質水導入室３１３と原燃料ガス導入室３１５とは、隔壁３１８に形成された連通孔３１７によって連通している。改質水導入室３１３は、改質水導入配管５１２に連通しており、この改質水導入配管５１２から改質水導入室３１３に改質水ＲＷが導入される。原燃料ガス導入室３１５は、原燃料ガス導入配管５１０に連通しており、この原燃料ガス導入配管５１０から原燃料ガス導入室３１５に原燃料ガスＲＦＧが導入される。
【００４９】
図１および図９に示すように、混合ガス予熱部３２０は、例えばステンレス等の金属材料によって箱形状に形成され、燃料電池スタック１００の第１の側面１９１に直交する方向（Ｘ軸方向）の寸法は、第１の側面１９１に平行な方向（Ｙ軸方向およびＺ軸方向）の寸法よりも小さい。これにより、混合ガス予熱部３２０の内、燃料電池スタック１００に対向する面の面積が大きく確保されるため、予熱効率を向上させることができる。
【００５０】
図１に示すように、混合ガス予熱部３２０の内部は、複数（図１では３つ）の隔壁３２２によって上下方向に並ぶ複数の予熱室３２４に区切られている。複数の予熱室３２４の内、最も下に位置する予熱室３２４は、混合ガス予熱部３２０と混合ガス生成部３１０とを仕切る仕切り壁３２６に形成された連通孔３２８を介して、混合ガス生成部３１０の混合室３１６に連通している。各隔壁３２２には、貫通孔３３０が形成されており、互いに隣接する２つの予熱室３２４同士は、貫通孔３３０を介して互いに連通している。下から偶数段の隔壁３２２に形成された貫通孔３３０は、予熱室３２４の一端側（Ｙ軸負方向側）に位置し、奇数段の隔壁３２２に形成された貫通孔３３０は、予熱室３２４の一端側とは反対の他端側（Ｙ軸正方向側）に位置する。これにより、混合ガス予熱部３２０の内部には、蛇行するように延びる混合ガスＭＧの流路が形成されている。図１、図５および図９に示すように、最も上の予熱室３２４は、燃料連結管３４０を介して、改質部２１０の改質室２１４に連通している。
【００５１】
（酸化剤熱交換部４００）
図１および図９に示すように、酸化剤熱交換部４００は、酸化剤ガスＯＧを予熱する第１酸化剤予熱部４１０と、第１酸化剤予熱部４１０の次に酸化剤ガスＯＧをさらに予熱する第２酸化剤予熱部４２０とを備える。第２酸化剤予熱部４２０は、燃料電池スタック１００の内、第１の側面１９１とは反対側の側面（Ｘ軸負方向側の側面  以下、第２の側面１９２という）側に配置されており、第１酸化剤予熱部４１０は、第２酸化剤予熱部４２０の下側に配置されている。
【００５２】
第１酸化剤予熱部４１０は、酸化剤ガス導入配管５１４から導入される酸化剤ガスＯＧを、主として、排ガスＯＯＧ，ＦＯＧの熱によって予熱する。第１酸化剤予熱部４１０は、例えばステンレス等の金属材料によって箱形状に形成されており、第１酸化剤予熱部４１０の内部は、隔壁４１２によって、排ガス導入室４１４と、排ガス導入室４１４の上に配置された酸化剤ガス導入室４１６とに区切られている。
【００５３】
排ガス導入室４１４は、上述した改質部２１０から排出された排ガスＯＯＧ，ＦＯＧが流れる排ガス流路として機能する室である。具体的には、図１および図９に示すように、排ガス導入室４１４の一端側（Ｙ軸負方向側）は、排ガス導入配管４１８，４１９を介して、酸化剤ガス排出マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１７２に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１７２から排出された排ガスＯＯＧ，ＦＯＧは、排ガス導入室４１４に導入される。また、排ガス導入室４１４の隔壁４１２は、金属材料で形成されているため、流入した排ガスＯＯＧ，ＦＯＧの熱を酸化剤ガス導入室４１６に伝達可能である。排ガス導入室４１４の他端側（Ｙ軸正方向側）は、連結管５２０を介して混合ガス生成部３１０の排ガス導入室の３１４に連通しており、排ガス導入室４１４から排出された排ガスＯＯＧ，ＦＯＧは、排ガス導入室の３１４に導入される。
【００５４】
酸化剤ガス導入室４１６は、酸化剤ガス導入配管５１４に連通しており、この酸化剤ガス導入配管５１４から酸化剤ガス導入室４１６に酸化剤ガスＯＧが導入され、排ガス導入室４１４を流れる排ガスＯＯＧ，ＦＯＧの熱によって、燃料電池スタック１００に供給される前に予め加熱（予熱）される。
【００５５】
第２酸化剤予熱部４２０は、例えばステンレス等の金属材料によって箱形状に形成されている。図１、図３および図９に示すように、第１酸化剤予熱部４１０と第２酸化剤予熱部４２０とは図示しない連通孔を介して連通している。また、第２酸化剤予熱部４２０は、酸化剤連結管４４０を介して、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通している。第２酸化剤予熱部４２０の基本的な構成は、上述した混合ガス予熱部３２０と同一であるため、詳細な説明は省略する。
【００５６】
（第１の絶縁部材６００，第２の絶縁部材７００）
図１１は、第１の絶縁部材６００の構成を概略的に示す説明図である。図１１には、燃料電池スタック１００と第１の絶縁部材６００との対向方向から見た第１の絶縁部材６００の構成が示されている。図１２は、燃料電池スタック１００と、第１の絶縁部材６００と、混合ガス予熱部３２０との構成を模式的に示した図であり、第１の絶縁部材６００については、図１１の×ＩＩ−×ＩＩの位置における断面構成が示されている。
【００５７】
図１および図９に示すように、第１の絶縁部材６００は、燃料電池スタック１００と混合ガス予熱部３２０とが接触して短絡することを防止するために、燃料電池スタック１００の第１の側面１９１と混合ガス予熱部３２０との間に配置されており、第１の絶縁部材６００は、絶縁材料によって形成されており、燃料電池スタック１００の第１の側面１９１に直交する方向（Ｘ軸方向）の寸法は、第１の側面１９１に平行な方向（Ｙ軸方向およびＺ軸方向）の寸法よりも小さい平板状の形状を有する。絶縁材料は、例えば電気低効率が１ＭΩ以上の材料であり、例えば、アルミナやムライト等のセラミック系材料や樹脂性材料が挙げられる。なお、本実施形態では、第１の絶縁部材６００は、燃料電池スタック１００と混合ガス予熱部３２０との間に挟み込まれるとともに、第１の絶縁部材６００の下端が混合ガス生成部３１０の上面に接触することにより、第１の絶縁部材６００が発電モジュール２０に対して固定されている。
【００５８】
図１１に示すように、Ｘ軸方向から見た第１の絶縁部材６００の形状は、方形状である。第１の絶縁部材６００の内、互いに隣接する上側の３つの発電単位１０２に対向する対向部分６３０は、上下方向に並ぶ２つの低伝熱部分６１０と、２つの低伝熱部分６１０の間に位置する高伝熱部分６２０とを有する。また、互いに隣接する下側の３つの発電単位１０２に対向する対向部分６４０も、上下方向に並ぶ２つの低伝熱部分６１０と、２つの低伝熱部分６１０の間に位置する高伝熱部分６２０とを有する。
【００５９】
各低伝熱部分６１０には、発電単位１０２の面方向に平行な方向（Ｙ軸方向）に延びる第１のスリット６０１が第１の絶縁部材６００を貫通するように形成されている。高伝熱部分６２０には、発電単位１０２の面方向に平行な方向（Ｙ軸方向）に延びる第２のスリット６０２が第１の絶縁部材６００を貫通するように形成されている。第２のスリット６０２のＹ軸方向の開口幅は、第１のスリット６０１のＹ軸方向の開口幅と同一であり、第２のスリット６０２のＺ軸方向の開口幅は、第１のスリット６０１のＺ軸方向の開口幅よりも大きい。これにより、第２のスリット６０２の開口面積は、第１のスリット６０１の開口面積よりも大きくなっており、その結果、高伝熱部分６２０は、低伝熱部分６１０よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きくなっている。
【００６０】
図１２に示すように、高伝熱部分６２０は、互いに隣接する３つの発電単位１０２の内、上下方向の中央寄りに位置する発電単位１０２に対向し、低伝熱部分６１０は、中央寄りの発電単位１０２に対して上側および下側にそれぞれ位置にする発電単位１０２に対向する。なお、低伝熱部分６１０は第１の部分の一例であり、高伝熱部分６２０は第２の部分の一例である。
【００６１】
図１および図９に示すように、第２の絶縁部材７００は、燃料電池スタック１００と第２酸化剤予熱部４２０とが接触して短絡することを防止するために、燃料電池スタック１００の第１の側面１９２と第２酸化剤予熱部４２０との間に配置されている。なお、本実施形態では、第２の絶縁部材７００は、燃料電池スタック１００と第２酸化剤予熱部４２０との間に挟み込まれるとともに、第２の絶縁部材７００の下端が第１酸化剤予熱部４１０の上面に接触することにより、第２の絶縁部材７００が固定されている。第２の絶縁部材７００の構成は、第１の絶縁部材６００と同一なので、説明は省略する。
【００６２】
Ａ−２．発電モジュール２０の動作
図１および図１０に示すように、改質水ＲＷは、改質水導入配管５１２から改質水導入室３１３に流入し、排ガス導入室３１４を流れる排ガスＯＯＧ，ＦＯＧの熱によって加熱されることにより気化されて水蒸気になる。水蒸気は、連通孔３１７を介して、原燃料ガス導入室３１５に流入する。一方、原燃料ガスＲＦＧ（都市ガス）は、原燃料ガス導入配管５１０から原燃料ガス導入室３１５に流入する。原燃料ガス導入室３１５に流入した水蒸気と原燃料ガスＲＦＧとは互いに混ざり合い、その結果、混合ガスＭＧが生成される。
【００６３】
混合ガス生成部３１０で生成された混合ガスＭＧは、混合ガス予熱部３２０内に流入する。ここで、発電単位１０２における発電反応は発熱反応であるため、燃料電池スタック１００は相対的に高温になる。一方で、混合ガス予熱部３２０内には発電反応に供されていない混合ガスＭＧが流入するため、混合ガス予熱部３２０は相対的に低温になる。従って、燃料電池スタック１００と混合ガス予熱部３２０との間で熱交換され、燃料電池スタック１００は温度が下がり、混合ガス予熱部３２０は温度が上がる。そして、燃料電池スタック１００から発生する熱によって、混合ガス予熱部３２０内を流れる混合ガスＭＧが燃料電池スタック１００に供給される前に予め加熱（予熱）される。なお、混合ガス予熱部３２０は加熱部の一例である。図９に示すように、混合ガス予熱部３２０内で加熱された混合ガスＭＧは、燃料連結管３４０を介して、改質部２１０の改質室２１４に供給される。
【００６４】
改質室２１４に供給された混合ガスＭＧは、改質反応に供される。改質室２１４において改質された混合ガスＭＧは、水素リッチな燃料ガスＦＧとなり、図５および図７に示すように、改質部２１０の１つの固定部２３０の貫通孔２０８を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に供給され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料ガス流路１７６に供給される。
【００６５】
また、図１に示すように、酸化剤ガスＯＧは、酸化剤ガス導入配管５１４から第１酸化剤予熱部４１０の酸化剤ガス導入室４１６に流入し、排ガス導入室４１４を流れる排ガスＯＯＧ，ＦＯＧの熱によって燃料電池スタック１００に供給される前に予め加熱（予熱）される。予熱された酸化剤ガスＯＧは、第２酸化剤予熱部４２０内に流入する。ここで、第２酸化剤予熱部４２０内には発電反応に供されていない酸化剤ガスＯＧが流入するため、第２酸化剤予熱部４２０は燃料電池スタック１００に比べて低温になる。従って、燃料電池スタック１００と第２酸化剤予熱部４２０との間で熱交換され、燃料電池スタック１００は温度が下がり、第２酸化剤予熱部４２０は温度が上がる。そして、燃料電池スタック１００から発生する熱によって、第２酸化剤予熱部４２０内を流れる酸化剤ガスＯＧが燃料電池スタック１００に供給される前に予め加熱（予熱）される。なお、第２酸化剤予熱部４２０は加熱部の一例である。図９に示すように、第２酸化剤予熱部４２０内で加熱された酸化剤ガスＯＧは、酸化剤連結管４４０を介して、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給される。
【００６６】
図３および図８に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に供給された酸化剤ガスＯＧは、熱交換部１０３内に形成された熱交換流路１８８内に流入し、熱交換流路１８８を通って酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出される。なお、酸化剤ガス導入マニホールド１６１は、各発電単位１０２の酸化剤ガス流路１６６には連通していないため、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス流路１６６に酸化剤ガスＯＧが供給されることはない。酸化剤ガス供給マニホールド１６３へと排出された酸化剤ガスＯＧは、図４および図６に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド１６３から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、酸化剤ガス流路１６６に供給される。
【００６７】
各発電単位１０２の酸化剤ガス流路１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料ガス流路１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、熱交換部１０３を介しているものの、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。
【００６８】
各発電単位１０２において発電反応に利用されなかった酸化剤ガスＯＧである酸化剤オフガスＯＯＧは、図１、図４および図６に示すように、酸化剤ガス流路１６６から酸化剤ガス排出連通孔１３３、酸化剤ガス排出マニホールド１６２を経て、排ガス導入配管４１８を介して、混合ガス生成部３１０の排ガス導入室３１４に流入する。また、各発電単位１０２において発電反応に利用されなかった燃料ガスＦＧである燃料オフガスＦＯＧは、図１，図５および図７に示すように、燃料ガス流路１７６から燃料ガス排出連通孔１４３、燃料ガス排出マニホールド１７２を経て、排ガス導入配管４１９を介して、混合ガス生成部３１０の排ガス導入室３１４に流入する。
【００６９】
Ａ−３．燃料電池スタック１００の温度分布と絶縁部材６００による効果：
燃料電池スタック１００の温度分布は、上下方向（発電単位１０２の配列方向）においてばらつくことがある。詳細には、燃料電池スタック１００のエンドプレート１０４の上面とエンドプレート１０６の下面とは、燃料電池スタック１００の外部に露出しているため、エンドプレート１０４，１０６と外気との間で熱交換される。即ち、発電反応によって燃料電池スタック１００に発生した熱は、エンドプレート１０４，１０６から放熱され易い。従って、各エンドプレート１０４，１０６に近い発電単位１０２ほど、定格運転状態時の温度が低くなる。
【００７０】
また、上述したように、熱交換部１０３には、燃料電池スタック１００の外部から導入された酸化剤ガスＯＧが流入するため、熱交換部１０３と、熱交換部１０３に隣接する発電単位１０２との間で熱交換される。即ち、発電反応によって燃料電池スタック１００に発生した熱は、熱交換部１０３に隣接する発電単位１０２から放熱され易い。従って、熱交換部１０３に近い発電単位１０２ほど、定格運転状態時の温度が低くなる。一方、エンドプレート１０４，１０６および熱交換部１０３から遠い中央寄りの発電単位１０２ほど、燃料電池スタック１００の外部との熱交換がされ難いため、定格運転状態時の温度が高くなる。
【００７１】
図１３は、比較例における燃料電池スタック１００Ｗと混合ガス予熱部３２０とを模式的に示した図である。図１３に示す比較例では、燃料電池スタック１００Ｗは、張り出し部６５０を備える点で、上記燃料電池スタック１００とは異なる。張り出し部６５０は、燃料電池スタック１００Ｗの内、上下端側にそれぞれ位置する絶縁部材であって、燃料電池スタック１００Ｗを構成する絶縁部材の一部が混合ガス予熱部３２０に向けて張り出したものである。この張り出し部６５０によって、燃料電池スタック１００Ｗと混合ガス予熱部３２０との短絡を抑制することができる。
【００７２】
しかし、燃料電池スタック１００Ｗの側面のほとんどは、混合ガス予熱部３２０と直接対面している。従って、比較例では、燃料電池スタック１００の温度のばらつきを緩和することはできない。即ち、図１３に示すように、上側の３つの発電単位１０２の温度分布は、上下方向における中央寄りの発電単位１０２が高温になり、両端寄りの発電単位１０２が低温になる。同様に、下側の３つの発電単位１０２の温度分布は、上下方向における中央寄りの発電単位１０２が高温になり、両端寄りの発電単位１０２が低温になる。
【００７３】
これに対して、本実施形態では、第１の絶縁部材６００が、燃料電池スタック１００と混合ガス予熱部３２０との間に配置されている。従って、燃料電池スタック１００と混合ガス予熱部３２０とが接触してショートすることを抑制することができる。しかも、図１２に示すように、第１の絶縁部材６００の高伝熱部分６２０は、互いに隣接する３つの発電単位１０２の内、中央寄りの発電単位１０２に対向し、低伝熱部分６１０は、中央寄りの発電単位１０２に対して上側および下側にそれぞれ位置にする発電単位１０２に対向する。高伝熱部分６２０は、低伝熱部分６１０よりも単位面積当たりの熱伝達量が大きい。従って、相対的に温度が低い発電単位１０２から混合ガス予熱部３２０への熱伝達は、低伝熱部分６１０によって抑制される一方で、相対的に温度が高い発電単位１０２から混合ガス予熱部３２０への熱伝達は、高伝熱部分６２０によって促進される。これにより、本実施形態の燃料電池モジュール１０によれば、上記比較例や、絶縁部が全体に亘って単位面積当たりの熱伝達量が同一である構成に比べて、発電単位１０２の配列方向における燃料電池スタックの温度分布のばらつきを緩和することができる。
【００７４】
Ｂ．第２実施形態：
Ｂ−１．構成：
（燃料電池モジュール１０Ａの構成）
図１４は、第２実施形態の燃料電池モジュール１０Ａの構成を概略的に示す説明図であり、図１５は、Ｙ軸方向から見た燃料電池モジュール１０Ａの断面図であり、図１６は、Ｘ軸方向から見た燃料電池モジュール１０Ａの断面図である。図１４から図１６に示す第２実施形態の燃料電池モジュール１０Ａの構成の内、上述した第１実施形態の燃料電池モジュール１０の構成と同一構成については、同一の符号を付すことによって、その説明を省略する。
【００７５】
燃料電池モジュール１０Ａは、発電モジュール２０Ａと、発電モジュール２０Ａを収容する断熱容器３０と、発電モジュール２０Ａに接続された各種配管５１０，５１２，５１４，５１６とを備える。
【００７６】
（発電モジュール２０Ａの構成）
図１４に示すように、発電モジュール２０Ａは、燃料電池スタック１００Ａと、燃料電池スタック１００Ａの周囲に配置された補助部２００Ａと、第１の絶縁部材６００Ａと、第２の絶縁部材７００Ａとを備える。なお、図１５および図１６では、補助部２００の一部が省略されている。
【００７７】
（燃料電池スタック１００Ａの構成）
燃料電池スタック１００Ａは、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。上記実施形態１の燃料電池スタック１００とは異なり、燃料電池スタック１００Ａでは、上述した熱交換部１０３を備えておらず、７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）において互いに隣接した状態で並べて配置されている。
【００７８】
図１４および図１５に示すように、燃料電池スタック１００の外周における１つの辺に位置する連通孔１０８により形成された空間は、各発電単位１０２に酸化剤ガスＯＧを供給する酸化剤ガス供給マニホールド１６２Ａとして機能し、該辺の反対側の辺に位置する連通孔１０８により形成された空間は、各発電単位１０２から未反応の酸化剤ガスＯＧである酸化剤オフガスＯＯＧを排出する酸化剤ガス排出マニホールド１６４Ａとして機能する。また、図１４および図１６に示すように、燃料電池スタック１００の外周における他の辺に位置する連通孔１０８により形成された空間は、各発電単位１０２に燃料ガスＦＧを供給する燃料ガス供給マニホールド１７２Ａとして機能し、該辺の反対側の辺に位置する連通孔１０８により形成された空間は、各発電単位１０２から未反応の燃料ガスＦＧである燃料オフガスＦＯＧを排出する燃料ガス排出マニホールド１７４Ａとして機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして空気が例えば使用され、燃料ガスＦＧとして例えば都市ガスを後述の改質室２１４において改質した水素リッチなガスが使用される。
【００７９】
（補助部２００Ａの構成）
図１４に示すように、補助部２００Ａは、燃料熱交換部３００および酸化剤熱交換部４００を備えるとともに、実施形態１の改質部２１０の代わりに、燃焼改質部２１０Ａを備える。
【００８０】
図１４から図１６に示すように、燃焼改質部２１０Ａは、燃料電池スタック１００Ａの下側に配置されており、箱形状の本体部２２０Ａと、本体部２２０Ａの側面に形成された４つの固定部２３０とを備えている。燃焼改質部２１０Ａは、例えばステンレス等の金属材料により形成されている。
【００８１】
図１５および図１６に示すように、本体部２２０Ａの内部は、２つの隔壁２３２によって、一次燃焼室２１２と、一次燃焼室２１２の下に配置された改質室２１４と、改質室２１４の下に配置された二次燃焼室２１６とに区切られている。一次燃焼室２１２は、燃料電池スタック１００から排出される酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとを混合して燃焼させるための室であり、固定部２３０の貫通孔２０８を介して、酸化剤ガス排出マニホールド１６４Ａおよび燃料ガス排出マニホールド１７４Ａと連通している。また、二次燃焼室２１６は、一次燃焼室２１２で混合・燃焼させた酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとをさらに燃焼させるための室であり、改質室２１４を上下に貫通する流路２１８を介して、一次燃焼室２１２と連通している。一次燃焼室２１２および二次燃焼室２１６の一方または両方には、酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとの燃焼を促進させる触媒が配置されている。二次燃焼室２１６は、排ガス導入配管４１８Ａを介して、第１酸化剤予熱部４１０の排ガス導入室４１４に連通しており、二次燃焼室２１６から排出された排ガスＯＯＧ，ＦＯＧは、排ガス導入室４１４に導入される。なお、燃焼改質部２１０Ａは、発熱源の一例である。
【００８２】
改質室２１４は、混合ガスＭＧを水素リッチな燃料ガスＦＧに改質するための室であり、１つの固定部２３０の貫通孔２０８を介して、燃料ガス供給マニホールド１７２Ａと連通している。改質室２１４には、改質反応を促進させる触媒が配置されている。
【００８３】
（第１の絶縁部材６００Ａ，第２の絶縁部材７００Ａ）
図１７は、第１の絶縁部材６００Ａの構成を概略的に示す説明図である。図１７には、燃料電池スタック１００Ａと第１の絶縁部材６００Ａとの対向方向から見た第１の絶縁部材６００Ａの構成が示されている。図１８は、燃料電池スタック１００Ａと第１の絶縁部材６００Ａと混合ガス予熱部３２０との構成を模式的に示した図であり、第１の絶縁部材６００Ａについては断面構成が示されている。
【００８４】
図１４に示すように、第１の絶縁部材６００Ａは、燃料電池スタック１００Ａと混合ガス予熱部３２０とが接触して短絡することを防止するために、燃料電池スタック１００Ａの第１の側面１９１Ａと混合ガス予熱部３２０との間に配置されており、第１の絶縁部材６００Ａは、絶縁材料によって形成されている。
【００８５】
図１７に示すように、Ｘ軸方向から見た第１の絶縁部材６００Ａの形状は、方形状である。第１の絶縁部材６００Ａの内、互いに隣接する７つの発電単位１０２に対向する対向部分６４０Ａは、上下方向に並ぶ低伝熱部分６１０Ａと中伝熱部分６２０Ａと高伝熱部分６３０Ａとを有する。
【００８６】
低伝熱部分６１０Ａには、発電単位１０２の面方向に平行な方向（Ｙ軸方向）に延びる第１のスリット６０１Ａが第１の絶縁部材６００Ａを貫通するように形成されている。中伝熱部分６２０Ａには、発電単位１０２の面方向に平行な方向（Ｙ軸方向）に延びる第２のスリット６０２Ａが第１の絶縁部材６００Ａを貫通するように形成されている。第２のスリット６０２ＡのＹ軸方向の開口幅は、第１のスリット６０１ＡのＹ軸方向の開口幅と同一であり、第２のスリット６０２ＡのＺ軸方向の開口幅は、第１のスリット６０１ＡのＺ軸方向の開口幅よりも大きい。これにより、第２のスリット６０２Ａの開口面積は、第１のスリット６０１Ａの開口面積よりも大きくなっており、その結果、中伝熱部分６２０Ａは、低伝熱部分６１０Ａよりも単位面積当たりの熱伝達量が大きくなっている。
【００８７】
高伝熱部分６３０Ａには、発電単位１０２の面方向に平行な方向（Ｙ軸方向）に延びる第３のスリット６０３Ａが第１の絶縁部材６００Ａを貫通するように形成されている。第３のスリット６０３ＡのＹ軸方向の開口幅は、第２のスリット６０２ＡのＹ軸方向の開口幅と同一であり、第３のスリット６０３ＡのＺ軸方向の開口幅は、第２のスリット６０２ＡのＺ軸方向の開口幅よりも大きい。これにより、第３のスリット６０３Ａの開口面積は、第２のスリット６０２Ａの開口面積よりも大きくなっており、その結果、高伝熱部分６３０Ａは、中伝熱部分６２０Ａよりも単位面積当たりの熱伝達量が大きくなっている。
【００８８】
図１８に示すように、低伝熱部分６１０Ａは燃焼改質部２１０Ａから最も遠い位置に配置され、高伝熱部分６３０Ａは燃焼改質部２１０Ａに最も近い位置に配置されている。なお、低伝熱部分６１０Ａは第１の部分の一例であり、高伝熱部分６３０Ａは第２の部分の一例である。
【００８９】
図１４に示すように、第２の絶縁部材７００Ａは、燃料電池スタック１００Ａと第２酸化剤予熱部４２０とが接触して短絡することを防止するために、燃料電池スタック１００Ａの第１の側面１９２Ａと第２酸化剤予熱部４２０Ａとの間に配置されている。第２の絶縁部材７００Ａの構成は、第１の絶縁部材６００Ａと同一なので、説明は省略する。
【００９０】
（断熱容器３０の構成）
断熱容器３０は、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が配置された構成を有する。発電モジュール２０が断熱容器３０内に収容されることにより、発電を行う際に発電モジュール２０Ａが高温に維持される。
【００９１】
Ｂ−２．燃料電池スタック１００Ａの温度分布と絶縁部材６００Ａによる効果：
燃料電池スタック１００Ａの温度分布は、上下方向においてばらつくことがある。詳細には、燃料電池スタック１００のエンドプレート１０４の上面は、燃料電池スタック１００Ａの外部に露出しているため、エンドプレート１０４と外気との間で熱交換される。即ち、発電反応によって燃料電池スタック１００Ａに発生した熱は、エンドプレート１０４から放熱され易い。従って、エンドプレート１０４に近い発電単位１０２ほど、定格運転状態時の温度が低くなる。
【００９２】
一方、燃料電池スタック１００のエンドプレート１０６の下側には、燃焼改質部２１０Ａが配置されている。燃焼改質部２１０Ａは、酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとの燃焼によって高温になり、発熱源となる。従って、エンドプレート１０６に近い発電単位１０２ほど、定格運転状態時の温度が高くなる。
【００９３】
図１９は、比較例における燃料電池スタック１００ＷＡと混合ガス予熱部３２０と燃焼改質部２１０Ａとを模式的に示した図である。図１９に示す比較例では、燃料電池スタック１００ＷＡは、張り出し部６５０Ａを備える点で、上記燃料電池スタック１００Ａとは異なる。張り出し部６５０Ａは、燃料電池スタック１００ＷＡの内、上下端側にそれぞれ位置する絶縁部材であって、燃料電池スタック１００ＷＡを構成する絶縁部材の一部が混合ガス予熱部３２０に向けて張り出したものである。この張り出し部６５０Ａによって、燃料電池スタック１００ＷＡと混合ガス予熱部３２０との短絡を抑制することができる。
【００９４】
しかし、燃料電池スタック１００ＷＡの側面のほとんどは、混合ガス予熱部３２０と直接対面している。従って、比較例では、燃料電池スタック１００Ａの温度分布のばらつきを緩和することはできない。即ち、図１９に示すように、燃焼改質部２１０Ａに近い発電単位１０２ほど高温になる。
【００９５】
これに対して、高伝熱部分６３０Ａは、第１の絶縁部材６００Ａの内、燃料電池スタック１００Ａ（燃料電池スタック１００Ａに含まれる複数の発電単位１０２）に対向する部分における上下方向の中央部分よりも燃焼改質部２１０Ａに近い位置に配置されている。本実施形態では、図１８に示すように、第１の絶縁部材６００Ａの高伝熱部分６３０Ａと中伝熱部分６２０Ａと低伝熱部分６１０Ａとは、この順に、燃焼改質部２１０Ａに近い位置に配置されている。従って、相対的に温度が低い発電単位１０２から混合ガス予熱部３２０への熱伝達は、低伝熱部分６１０Ａによって抑制される一方で、相対的に温度が高い発電単位１０２から混合ガス予熱部３２０への熱伝達は、高伝熱部分６３０Ａによって促進される。これにより、本実施形態の燃料電池モジュール１０Ａによれば、上記比較例や、絶縁部が全体に亘って単位面積当たりの熱伝達量が同一である構成に比べて、発電単位１０２の配列方向における燃料電池スタックの温度分布のばらつきを緩和することができる。
【００９６】
Ｃ．第３実施形態：
Ｃ−１．構成：
（燃料電池モジュール１０Ｂの構成）
第３実施形態の燃料電池モジュールは、図示しないが、燃料電池スタック１００Ｂが第２実施形態の燃料電池スタック１００Ａと同一構成であり、熱交換部を備えない点で第１実施形態の燃料電池モジュール１０と異なる。また、第３実施形態の燃料電池モジュールは、第１の絶縁部材６００の代わりに、第１の絶縁部材６００Ｂが配置されている点で第１実施形態の燃料電池モジュール１０と異なる。第３実施形態の燃料電池モジュールの構成の内、上述した第１実施形態の燃料電池モジュール１０の構成と同一構成については、同一の符号を付すことによって、その説明を省略する。
【００９７】
（第１の絶縁部材６００Ｂ）
図２０は、第１の絶縁部材６００Ｂの構成を概略的に示す説明図である。図２０には、燃料電池スタック１００Ｂと第１の絶縁部材６００Ｂとの対向方向から見た第１の絶縁部材６００Ｂの構成が示されている。図２１は、燃料電池スタック１００Ｂと、第１の絶縁部材６００Ｂ、混合ガス予熱部３２０との構成を模式的に示した図であり、第１の絶縁部材６００Ｂについては断面構成が示されている。
【００９８】
図２１に示すように、第１の絶縁部材６００Ｂは、燃料電池スタック１００Ｂと混合ガス予熱部３２０とが接触して短絡することを防止するために、燃料電池スタック１００Ｂと混合ガス予熱部３２０との間に配置されており、第１の絶縁部材６００Ｂは、絶縁材料によって形成されている。
【００９９】
図２０に示すように、Ｘ軸方向から見た第１の絶縁部材６００Ｂの形状は、方形状である。第１の絶縁部材６００Ｂの内、互いに隣接する７つの発電単位１０２に対向する対向部分６４０Ｂは、上下方向に並ぶ低伝熱部分６１０Ｂと中伝熱部分６２０Ｂと高伝熱部分６３０Ｂとを有する。
【０１００】
低伝熱部分６１０Ｂには、複数の円形の第１の孔６０１Ｂが第１の絶縁部材６００Ｂを貫通するように形成されている。中伝熱部分６２０Ｂには、上記第１の孔６０１Ｂよりも径が大きい複数の第２の孔６０２Ｂが第１の絶縁部材６００Ｂを貫通するように形成されている。これにより、中伝熱部分６２０Ｂは、低伝熱部分６１０Ｂよりも単位面積当たりの熱伝達量が大きくなっている。高伝熱部分６３０Ｂには、上記第２の孔６０２Ｂよりも径が大きい複数の第３の孔６０３Ｂが第１の絶縁部材６００Ｂを貫通するように形成されている。これにより、高伝熱部分６３０Ｂは、中伝熱部分６２０Ｂよりも単位面積当たりの熱伝達量が大きくなっている。
【０１０１】
図２１に示すように、低伝熱部分６１０Ｂは、エンドプレート１０４，１０６に近い端寄りの発電単位１０２に対向する位置に配置され、高伝熱部分６３０Ｂはエンドプレート１０４，１０６から遠い中央寄りの発電単位１０２に対向する位置に配置されている。なお、低伝熱部分６１０Ｂは第１の部分の一例であり、高伝熱部分６３０Ｂは第２の部分の一例である。
【０１０２】
Ｃ−２．燃料電池スタック１００Ｂの温度分布と絶縁部材６００Ｂによる効果：
燃料電池スタック１００Ｂの温度分布は、上下方向においてばらつくことがある。詳細には、燃料電池スタック１００のエンドプレート１０４の上面およびエンドプレート１０６の下面は、燃料電池スタック１００Ｂの外部に露出している。このため、エンドプレート１０４，１０６に近い発電単位１０２ほど、定格運転状態時の温度が低くなる。
【０１０３】
図２２は、比較例における燃料電池スタック１００ＷＢと混合ガス予熱部３２０と燃焼改質部２１０Ａとを模式的に示した図である。図２２に示す比較例では、燃料電池スタック１００ＷＢは、張り出し部６５０Ｂを備える点で、上記燃料電池スタック１００Ｂとは異なる。この張り出し部６５０Ｂによって、燃料電池スタック１００ＷＢと混合ガス予熱部３２０との短絡を抑制することができる。しかし、燃料電池スタック１００ＷＢの側面のほとんどは、混合ガス予熱部３２０と直接対面している。従って、比較例では、燃料電池スタック１００Ｂの温度分布のばらつきを緩和することはできない。即ち、図２２に示すように、上下方向における中央寄りの発電単位１０２ほど高温になる。
【０１０４】
これに対して、本実施形態では、図２１に示すように、第１の絶縁部材６００Ｂの低伝熱部分６１０Ｂと中伝熱部分６２０Ｂと高伝熱部分６３０Ｂとが、この順に、エンドプレート１０４，１０６に近い位置に配置されている。従って、相対的に温度が低い発電単位１０２から混合ガス予熱部３２０への熱伝達は、低伝熱部分６１０Ｂによって抑制される一方で、相対的に温度が高い発電単位１０２から混合ガス予熱部３２０への熱伝達は、高伝熱部分６３０Ｂによって促進される。これにより、本実施形態の燃料電池モジュールによれば、上記比較例や、絶縁部が全体に亘って単位面積当たりの熱伝達量が同一である構成に比べて、発電単位１０２の配列方向における燃料電池スタックの温度分布のばらつきを緩和することができる。
【０１０５】
Ｄ．第４実施形態：
図２３に示すように、第４実施形態の燃料電池モジュールは、いわゆる筒状平板形の複数の発電単位１０２Ｃを有する燃料電池スタック１００Ｃを備える。燃料電池スタック１００Ｃは、互いに所定間隔をあけて並んで配置された複数の発電単位１０２Ｃを有する。複数の発電単位１０２Ｃは、隣り合う発電単位１０２Ｃ同士の間に配置された集電部８７０を介して電気的に直列に接続されている。各発電単位１０２Ｃは、扁平柱形状の外観を有し、電極支持体８３０と、燃料極８４０と、固体電解質層８５０と、空気極８６０と、インターコネクタ８１０とを備える。
【０１０６】
電極支持体８３０は、楕円形状の断面を有する柱状体であり、多孔質材料で形成されている。電極支持体８３０の内部には，柱状体の延伸方向に延びる複数の燃料ガス流路８２０が形成されている。燃料極８４０は，電極支持体８３０の側面の内、互いに平行な一対の平坦面の一方と，各平坦面の端部同士をつなぐ２つの曲面とを覆うように設けられている。固体電解質層８５０は，この燃料極８４０の側面を覆うように設けられている。空気極８６０は，固体電解質層８５０の側面の内，電極支持体８３０の平坦面上に位置する部分を覆うように設けられている。インターコネクタ８１０は，燃料極８４０および固体電解質層８５０が設けられていない側の電極支持体８３０の平坦面上に設けられている。上述した集電部８７０は、発電単位１０２Ｃの空気極８６０と，その発電単位１０２Ｃに隣り合う発電単位１０２Ｃのインターコネクタ８１０とを電気的に接続する。なお、発電単位１０２Ｃおよび集電部８７０の組が、構成単位の一例である。
【０１０７】
このような燃料電池スタック１００Ｃでは、発電単位１０２Ｃの配列方向において中央に位置する発電単位１０２Ｃほど、定格運転状態時の温度が高くなる。本実施形態では、燃料電池スタック１００Ｃに対して発電単位１０２Ｃの配列方向に直交する方向に、例えば混合ガス予熱部３２０Ｃが配置されており、燃料電池スタック１００Ｃの側面と混合ガス予熱部３２０Ｃとの間に、絶縁部材６００Ｃが配置されている。この絶縁部材６００Ｃは、発電単位１０２Ｃの配列方向に延びた長方形状の形状を有する。
【０１０８】
絶縁部材６００Ｃの内、配列方向における中央寄りの発電単位１０２Ｃに対向する高伝熱部分６３０Ｃは、熱伝導率が最も高い材料（例えばムライト）で形成されている。高伝熱部分６３０Ｃの両隣に位置する中伝熱部分６２０Ｃは、高伝熱部分６３０Ｃの次に熱伝導率が高い材料で形成されている。さらに、中伝熱部分６２０Ｃの隣に位置する低伝熱部分６１０Ｃは、熱伝導率が最も低い材料（例えばアルミナ）で形成されている。このような構成により、燃料電池スタック１００Ｃと混合ガス予熱部３２０Ｃとの短絡を抑制しつつ、発電単位１０２Ｃの配列方向における燃料電池スタック１００Ｃの温度分布のばらつきを緩和することができる。なお、サファイア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、コージライトなどの材料を組み合わせて、絶縁部材６００Ｃの各部分を形成してもよい。
【０１０９】
Ｅ．第５実施形態：
図２４に示すように、第５実施形態の燃料電池モジュールは、いわゆる円筒状の複数の発電単位１０２Ｄを有する燃料電池スタック１００Ｄを備える。燃料電池スタック１００Ｄは、互いに所定間隔をあけて格子状に並んで配置された複数の発電単位１０２Ｄを有する。各発電単位１０２Ｄは、その周囲に配置された導電性集積用材料層９５０によって電気的に接続されるとともに、絶縁性多孔体９４０に挟まれて一体化されている。各発電単位１０２Ｄは、筒状（チューブ形状）の部材であり、その軸中心には燃料ガスＦＧが流される貫通孔９３０が形成されている。発電単位１０２Ｄは、中心に支持体となる筒状の燃料極（内側電極）９１０を備えており、燃料極９１０の外側には薄肉の固体電解質層９２０が形成され、固体電解質層９２０の外側の一端側には、薄肉の空気極（外側電極）９６０が形成されている。なお、発電単位１０２Ｄおよび導電性集積用材料層９５０の組、発電単位１０２Ｄ、導電性集積用材料層９５０および絶縁性多孔体９４０の組が、構成単位の一例である。
【０１１０】
このような燃料電池スタック１００Ｄでは、発電単位１０２Ｃの第１の配列方向（図２４の紙面左右方向）において中央に位置する発電単位１０２Ｄほど、定格運転状態時の温度が高くなり、上記第１の配列方向に直交する第２の配列方向（図２４の紙面上下方向）において中央に位置する発電単位１０２Ｄほど、定格運転状態時の温度が高くなる。本実施形態では、燃料電池スタック１００Ｄの第１の配列方向に平行な側面と混合ガス予熱部３２０Ｄとの間に第１の絶縁部材６００Ｄが配置されている。この第１の絶縁部材６００Ｄは、方形状の形状を有し、全体として同一材料で形成されている。第１の絶縁部材６００Ｄの内、第１の配列方向における中央寄りの発電単位１０２Ｄに対向する部分は、肉厚が相対的に薄く、端寄りの発電単位１０２Ｄに対向する部分は、肉厚が相対的に厚い。このような構成により、燃料電池スタック１００Ｄと混合ガス予熱部３２０Ｄとの短絡を抑制しつつ、第１の配列方向における燃料電池スタック１００Ｄの温度分布のばらつきを緩和することができる。
【０１１１】
また、燃料電池スタック１００Ｄの第２の配列方向に平行な側面と第２酸化剤予熱部４２０Ｄとの間に第２の絶縁部材７００Ｄが配置されている。この第２の絶縁部材７００Ｄは、方形状の形状を有し、全体として同一材料で形成されている。第２絶縁部材７００Ｄの内、第２の配列方向における中央寄りの発電単位１０２Ｄに対向する部分は、肉厚が相対的に薄く、端寄りの発電単位１０２Ｄに対向する部分は、肉厚が相対的に厚い。このような構成により、燃料電池スタック１００Ｄと第２酸化剤予熱部４２０との短絡を抑制しつつ、第２の配列方向における燃料電池スタック１００Ｄの温度分布のばらつきを緩和することができる。
【０１１２】
Ｆ．変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
【０１１３】
上記実施形態では、絶縁部材６００等を備えているとしているが、絶縁部は、例えば断熱容器３０の内壁に一体的に形成されたものでもよい。各絶縁部材６００，７００は、燃料電池スタック１００と混合ガス予熱部３２０との少なくともいずれか一方から離間して配置されてもよい。
【０１１４】
本発明は、絶縁部材の内、対向する発電単位１０２の定格運転状態時の温度が高い部分ほど、単位面積当たりの熱伝達量を大きくすればよい。燃料電池スタックの配列方向における温度分布は、燃料電池スタックの周囲環境や発熱源の位置などによって異なる。従って、第２実施形態のように、周囲環境等によっては、配列方向における中央に位置しない構成単位の定常運転状態時の温度が最も高くなることもある。このため、燃料電池スタックの実際の温度分布から、絶縁部における高伝熱部分および低伝熱部分の位置を決定すればよい。ここで、例えば、上記実施形態において、絶縁部材６００等を配置しない状態で、各発電単位１０２のＩＲ抵抗を個別に測定することにより、各発電単位１０２の定格運転状態時の温度の高低を把握することができる。
【０１１５】
第１および第２の実施形態の絶縁部材６００等において、スリット６０１等の一端が開放した構成でもよい。また、開口部の形状は方形や円形に限られず、他の形でもよい。
【０１１６】
構成単位は、燃料電池スタックにおいて配列方向に連続して繰り返される一の構成であり、上述した実施形態のように、発電単位１０２のみ含むこともあるし、発電単位に加えて集電体等を含むこともある。また、構成単位は、固体酸化物を含有する電解質層を含む固体酸化形の構成単位に限らず、炭酸塩を含有する電解質層を含む溶融炭酸塩形の構成単位でもよい。
【０１１７】
加熱部は、混合ガスＭＧや酸化剤ガスＯＧを予熱する混合ガス予熱部３２０等に限らず、酸化剤および燃料を含む原料の予熱、発電後の残余燃料ガスＦＧの燃焼、液体原料の気化、および原料の改質の各機能の内の少なくとも１つの機能を有するものでもよい。発熱源は、燃焼改質部２１０Ａに限らず、ガスバーナーなどでもよい。
【０１１８】
上記実施形態では、発電モジュール２０等が補助部２００等を備えているとしているが、発電モジュール２０が補助部２００を備えている必要はない。また、上記実施形態では、発電モジュール２０Ａが断熱容器３０に収容されているとしているが、発電モジュール２０Ａが断熱容器３０に収容されている必要はない。
【０１１９】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
【０１２０】
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００の配列方向における熱交換部１０３の位置はあくまで一例であり、熱交換部１０３の位置は任意の位置に変更可能である。ただし、熱交換部１０３の位置は、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２の内、より高温になる発電単位１０２に隣接する位置であることが、燃料電池スタック１００の配列方向における熱分布の緩和のために好ましい。例えば、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近の発電単位１０２がより高温になりやすい場合には、上記実施形態のように、燃料電池スタック１００の配列方向中央付近に熱交換部１０３を設けることが好ましい。また、燃料電池スタック１００が２つ以上の熱交換部１０３を備えていてもよい。
【０１２１】
また、上記実施形態では、熱交換部１０３が酸化剤ガスＯＧの温度を上昇させるように構成されているが、熱交換部１０３が、酸化剤ガスＯＧに代えてまたは酸化剤ガスＯＧと共に混合ガスＭＧ（あるいは燃料ガスＦＧ）の温度を上昇させるように構成されてもよい。
【０１２２】
また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。
【０１２３】
また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。
【０１２４】
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。
【０１２５】
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。
【０１２６】
また、上記実施形態において、電解質層１１２と空気極１１４との間に、例えばセリアにより形成された反応防止層を設け、電解質層１１２内のジルコニウム等と空気極１１４内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層１１２と空気極１１４との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。
【符号の説明】
【０１２７】
１０，１０Ａ，１０Ｂ：燃料電池モジュール  ２０，２０Ａ，：発電モジュール  ３０：断熱容器  １００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｗ，１００ＷＡ，１００ＷＢ：燃料電池スタック  １０２：発電単位  １０３：熱交換部  １０４，１０６：エンドプレート  １１０：単セル  １１２：電解質層  １１４：空気極  １１６：燃料極  １３４：空気極側集電体  １５０：インターコネクタ  １６１：酸化剤ガス導入マニホールド  １６２：酸化剤ガス排出マニホールド  １６２Ａ：酸化剤ガス供給マニホールド  １６３：酸化剤ガス供給マニホールド  １６４Ａ：酸化剤ガス排出マニホールド  １６６：酸化剤ガス流路  １７１：燃料ガス導入マニホールド  １７２：燃料ガス排出マニホールド  １７２Ａ：燃料ガス供給マニホールド  １７６：燃料ガス流路  ２１０：改質部  ２１０Ａ：燃焼改質部  ３００：燃料熱交換部  ３１０：混合ガス生成部  ３２０：混合ガス予熱部  ４００：  酸化剤熱交換部  ４１０：第１酸化剤予熱部  ４２０：第２酸化剤予熱部  ６００，６００Ａ，６００Ｂ，６００Ｃ，６００Ｄ，７００，７００Ａ，７００Ｄ：絶縁部材  ６１０，６１０Ａ,６１０Ｂ，６１０Ｃ：低伝熱部分  ６２０，６３０Ａ，６３０Ｂ，６３０Ｃ：高伝熱部分  ６２０Ａ，６２０Ｂ，６２０Ｃ：中伝熱部分  ＯＧ：酸化剤ガス  ＦＧ：燃料ガス  ＭＧ：混合ガス  ＯＯＧ：酸化剤オフガス  ＦＯＧ：燃料オフガス  ＭＧ：混合ガス  ＲＦＧ：原燃料ガス  ＲＷ：改質水
【図１】
0006489886.tif 000002
【図２】
0006489886.tif 000003
【図３】
0006489886.tif 000004
【図４】
0006489886.tif 000005
【図５】
0006489886.tif 000006
【図６】
0006489886.tif 000007
【図７】
0006489886.tif 000008
【図８】
0006489886.tif 000009
【図９】
0006489886.tif 000010
【図１０】
0006489886.tif 000011
【図１１】
0006489886.tif 000012
【図１２】
0006489886.tif 000013
【図１３】
0006489886.tif 000014
【図１４】
0006489886.tif 000015
【図１５】
0006489886.tif 000016
【図１６】
0006489886.tif 000017
【図１７】
0006489886.tif 000018
【図１８】
0006489886.tif 000019
【図１９】
0006489886.tif 000020
【図２０】
0006489886.tif 000021
【図２１】
0006489886.tif 000022
【図２２】
0006489886.tif 000023
【図２３】
0006489886.tif 000024
【図２４】
0006489886.tif 000025