(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池が有する基体管に用いられる長尺のセラミックス製の複数の成形体を、鉛直方向に対し平行に吊下げ支持する治具と、
内部を所定温度に調整する複数の温度調整部、及び、内部に設けられ、前記治具が一端側から他端側へ通過する通路を有し、前記成形体の脱脂及び焼結を行う焼成炉と、
を備え、
常温から前記常温よりも高く前記成形体が脱脂する第１温度までの範囲内で設定され、前記通路の一端側から連続して設置される第１加熱部として機能する複数の前記温度調整部を有し、
複数の前記第１加熱部のそれぞれは、ガス炉とされるとともに、流通路を有し、
前記流通路を介して、前記成形体の脱脂に用いられ前記成形体の蒸発成分を含む焼成ガスの一部を前記第１加熱部から系外に排出し、前記排出された焼成ガスの排出分を補うようにバーナで燃焼された燃焼ガスを供給して、各前記第１加熱部の内部の焼成ガスの温度と組成の雰囲気を所定条件範囲に保ち、
前記第１加熱部の内部の焼成ガスは、前記成形体が局所的に温度上昇をしない酸素濃度以下とされている焼結体製造装置。
【請求項２】
前記成形体は、外周面に、燃料極、固体電解質及びインターコネクタを有する請求項１に記載の焼結体製造装置。
【請求項３】
前記第１加熱部の内部の焼成ガスは、少なくとも前記成形体の前記治具に対する吊下げ支持部が局所的に温度上昇をしない酸素濃度以下とされている請求項１又は２に記載の焼結体製造装置。
【請求項４】
前記第１加熱部内における前記焼成ガスの酸素濃度が、窒素ガス、二酸化炭素ガス及び水蒸気のうち少なくとも１つの供給によって低下させられる請求項１から３のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項５】
前記第１加熱部として機能する複数の前記温度調整部は、それぞれ異なる設定温度に昇温できる請求項１から４のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項６】
前記治具は、棒状部材から構成される枠体構造である請求項１から５のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項７】
複数の前記成形体は、円筒形状とされ、
前記治具は、棒状部材から構成され側面板及び側壁を有さない枠体構造とされ、
前記治具は、鉛直方向から見たとき、隣接する前記成形体同士を該成形体の外径に対して３倍以上５倍以下の間隔を空けて千鳥状に配置する請求項１から５のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項８】
前記第１温度よりも高く、前記成形体が焼結する温度で設定され、前記第１加熱部よりも前記通路の他端側に設置される第３加熱部として機能する少なくとも１つの前記温度調整部と、
前記第１加熱部と前記第３加熱部との間に設置され、前記成形体が焼結する前記温度へと昇温する第２加熱部として機能する少なくとも１つの前記温度調整部と、
を有する請求項１から７のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項９】
前記第３加熱部は、電気ヒータを有する電気炉とされている請求項８に記載の焼結体製造装置。
【請求項１０】
前記第３加熱部に隣接する前記第２加熱部は、電気ヒータを有する電気炉とされている請求項８又は９に記載の焼結体製造装置。
【請求項１１】
前記第３加熱部に隣接する前記第２加熱部以外の前記第２加熱部は、ガス炉とされ、
焼成ガスの少なくとも一部は、ガス炉とされた前記温度調整部の内部を循環している請求項９から１０のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項１２】
前記複数の第１加熱部のうち隣接した２つの前記第１加熱部において、前記一端側の前記第１加熱部で前記治具を停止して所定時間保持した後、前記一端側の前記第１加熱部から前記他端側の前記第１加熱部へ前記治具を移動させ、前記他端側の前記第１加熱部で前記治具を停止して所定時間保持し、
前記第１加熱部と前記第１加熱部に隣接した前記第２加熱部とにおいて、前記第１加熱部で前記治具を停止して所定時間保持した後、前記第１加熱部から前記第２加熱部へ前記治具を移動させ、前記第２加熱部で前記治具を停止して所定時間保持し、
前記第２加熱部と前記第２加熱部に隣接した前記第３加熱部とにおいて、前記第２加熱部で前記治具を停止して所定時間保持した後、前記第２加熱部から前記第３加熱部へ前記治具を移動させ、前記第３加熱部で前記治具を停止して所定時間保持する、前記治具の移動を同時に実施する移動制御部を更に備える請求項９から１１のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項１３】
前記焼成炉は、前記成形体が焼結する前記温度から前記常温までの範囲内で設定され、前記第３加熱部よりも前記通路に沿って前記通路の他端側に設置される少なくとも１つの冷却部を更に有する請求項９から１２のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項１４】
前記通路は、前記焼成炉の一端側から他端側へ平行して並列に設置される複数の通路であり、前記第２加熱部及び前記第３加熱部の少なくともいずれかにおける隣接する２つの前記通路の間には、前記成形体を加熱する電気ヒータを有する請求項９から１３のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項１５】
隣接した２つの前記温度調整部において、一の前記温度調整部内で前記治具を停止して所定時間保持し加熱昇温した後、前記治具を他の前記温度調整部に移動させる移動制御部を備える請求項１から１４のいずれか１項に記載の焼結体製造装置。
【請求項１６】
固体酸化物形燃料電池が有する基体管に用いられる長尺のセラミックス製の複数の成形体を、鉛直方向に対し平行に吊下げ支持する治具と、内部を所定温度に調整する複数の温度調整部、及び、内部に設けられ前記治具が一端側から他端側へ通過する通路を有して前記成形体の脱脂及び焼結を行う焼成炉とを備え、前記焼成炉は、常温から前記常温よりも高く前記成形体が脱脂する第１温度までの範囲内で設定され、前記通路の一端側から連続して設置される第１加熱部として機能する複数の前記温度調整部と、前記第１温度よりも高く、前記成形体が焼結する温度で設定され、前記第１加熱部よりも前記通路の他端側に設置される第３加熱部として機能する少なくとも１つの前記温度調整部と、前記第１加熱部と前記第３加熱部との間に設置され、前記成形体が焼結する前記温度へと昇温する第２加熱部として機能する少なくとも１つの前記温度調整部とを有する焼結体製造装置を用いた焼結体製造方法であって、
前記治具は、前記通路の一端側から他端側へと移動し、
前記複数の第１加熱部のうちの１つで前記治具を停止して所定時間保持し、前記他端側へと移動させる第１ステップと、
前記第２加熱部で前記治具を停止して所定時間保持し、前記他端側へと移動させる第２ステップと、
前記第３加熱部で前記治具を停止して所定時間保持し、前記他端側へと移動させる第３ステップと、
を有し、
前記第１加熱部は、ガス炉とされ、
前記第１加熱部内の焼成ガスは、前記成形体が局所的に温度上昇をしない酸素濃度以下とされ、
前記第１ステップと前記第２ステップと前記第３ステップを同時に実施する焼結体製造方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載された焼結体製造方法を用いて前記成形体を焼成し、
前記成形体の外周面に、燃料極、固体電解質及びインターコネクタと、を有する燃料電池セルスタックを製造するステップを有する燃料電池セルスタックの製造方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載された焼結体製造方法を用いて前記成形体を焼成し、
前記成形体の外周面に、燃料極、固体電解質及びインターコネクタと、を有する燃料電池セルスタックを製造するステップと、
前記燃料電池セルスタックを備える燃料電池カートリッジを製造するステップと、
を有する燃料電池カートリッジの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結体製造装置、焼結体製造方法、燃料電池セルスタックの製造方法及び燃料電池カートリッジの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸素とを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、以下「ＳＯＦＣ」という。）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられた運転される燃料電池である。ＳＯＦＣで用いられる燃料ガスは、例えば、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガスからなる都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭などの炭素質原料からガス化設備によって製造されたガスである。
【０００３】
ＳＯＦＣには、複数の円筒形セルスタックを備えるタイプがあり、円筒形セルスタックは、円筒形状の基体管と、基体管の外周面に複数形成された燃料電池セルと、隣り合う燃料電池セル間に形成されたインターコネクタとを有する。燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と空気極とが積層して形成される。
【０００４】
基体管は、長尺のセラミックス製であり、基体管を製造する際、まず、セラミックス材料の組成と粉体サイズを調整し、セラミックス材料と溶剤から坏土を生成する。そして、坏土が押出成形されることによって成形体が形成される。そして、成形体を運搬可能な硬さとするため、軟体状の成形体が乾燥される。乾燥した成形体に対して燃料極、固体電解質及びインターコネクタがスクリーン印刷によって成膜され、その後、成膜された成形体が一体焼成される。また、燃料極等が一体焼成された成形体に対して、ジェットディスペンサーによって空気極が成膜され、その後、空気極が成膜された成形体が焼成される。これにより、燃料電池セル及びインターコネクタが基体管の表面に形成された円筒形セルスタックが形成される。
以降で記載する基体管は、円筒型固体電解質燃料電池の支持体としての成形体である場合、支持する成形体に燃料極、固体電解質及びインターコネクタがスクリーン印刷によって成膜された成形体である場合、さらには、その後、空気極が成膜された成形体である場合を全て含むものである。
【０００５】
下記の特許文献１では、円筒型の燃料電池のセルチューブとなる基体管を焼成炉にセッティングし、焼成炉に設けられた観察窓を介して、基体管の端部の位置を検知して、検知結果に基づいて焼成炉を制御することが記載されている。これにより、基体管が目標長さになった時点で焼成を終了できるため、焼成された基体管を所望の長さにすることができる。
【０００６】
また、下記の特許文献２では、トンネル炉が、セラミックス成形体の移動方向に沿った各々の位置に所定の温度が保持されていることや、トンネル炉の内部に、複数のセラミックス成形体を移動させて、セラミックス成形体を焼成することや、複数のセラミックス成形体が台車に載置されて、台車が移動方向に沿って移動することが記載されている。なお、特許文献２に記載された発明は、セラミックス成形体の焼成試験の方法に係る発明であって、短時間のうちに、互いにずれているヒートカーブを経過した多数のセラミックス成形体を得ることを目的とするものである。
【０００７】
さらに、下記の特許文献３では、ガラス材料を発泡させるためのトンネル炉に係る発明であって、トンネル炉は、加熱前区域、発泡区域、冷却区域といった複数の温度区域から構成されることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１０９６１３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１６７５６号公報
【特許文献３】特表２００９−５１６１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来、基体管の焼結工程では、図１１に示すように、多数本の基体管１０を一つのバッチ炉５０に収容して、基体管１０を焼成している。バッチ炉５０には、セラミックス製の円筒形状であり、多数本の基体管を外側から囲う焼成室５１が設けられ、焼成室５１に対して高温の燃焼ガスが供給される。
【００１０】
焼成室５１に対する温度制御は、通常、徐々に温度を上げる脱脂工程、高温で所定時間加熱する焼結工程、焼結後に常温まで温度を下げる冷却工程に分かれる。したがって、一定数の限られた基体管が長時間に渡り一つのバッチ炉を占有することになるため、バッチ炉による基体管の焼結処理工程は、大量生産に適さない。
【００１１】
また、従来のバッチ炉５０では、焼成室５１の壁部を構成する材料（例えばセラミックス）に対しても加熱したり冷却したりするので、基体管１０以外にも焼成室５１自体の昇温などに多くの熱エネルギーを投入し、焼結工程の後は熱エネルギーを除去しているため、大量の熱エネルギー損失が発生している。さらに、従来のバッチ炉５０では、焼成する処理数量を確保するために、一つの焼成室５１に収容される基体管の本数が、例えば６０〜１００本程度と多量であるため、バッチ炉５０とこれに収納される基体管１０の合計した重量が過大になり、バッチ炉５０から基体管１０をまとめて搬送することが困難である。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、長尺の基体管を効率良く焼成することができ、かつ、簡易な構造で基体管を支持することが可能な焼結体製造装置、焼結体製造方法、燃料電池セルスタックの製造方法及び燃料電池カートリッジの製造方法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】
上記課題を解決するために、本発明の焼結体製造装置、焼結体製造方法、燃料電池セルスタックの製造方法及び燃料電池カートリッジの製造方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る焼結体製造装置は、固体酸化物形燃料電池が有する基体管に用いられる長尺のセラミックス製の複数の成形体を、鉛直方向に対し平行に吊下げ支持する治具と、内部を所定温度に調整する複数の温度調整部、及び、内部に設けられ、前記治具が一端側から他端側へ通過する通路を有する焼成炉とを備え、常温から前記常温よりも高く前記成形体が脱脂する第１温度までの範囲内で設定され、前記通路の一端側から連続して設置される複数の第１加熱部として機能する複数の前記温度調整部と、前記第１温度よりも高く、前記成形体が焼結する温度で設定され、前記第１加熱部よりも前記通路の他端側に設置される第３加熱部として機能する少なくとも１つの前記温度調整部と、前記第１加熱部と前記第３加熱部との間に設置され、前記成形体が焼結する前記温度へと昇温する第２加熱部として機能する少なくとも１つの前記温度調整部とを有する。
【００１４】
この構成によれば、複数本の円筒状の成形体が、治具によって鉛直方向に対し平行に支持され、治具が、焼成炉内部に設けられた通路を一端側から他端側へ通過する。また、焼成炉の内部は、温度調整部によって所定温度に調整されている。
第１加熱部が、通路の一端側に設置され、第３加熱部が、第１加熱部よりも通路の他端側に設置され、第２加熱部が、第１加熱部と第３加熱部との間に設置されることから、治具が通路を移動することで、治具に支持された成形体は、第１加熱部で加熱された後、第２加熱部で加熱され、第２加熱部で加熱された後、第３加熱部で加熱される。
【００１５】
第１加熱部は、常温から常温よりも高く成形体が脱脂する第１温度までの範囲内で設定されており、第１温度は、成形体が焼結する温度よりも低いことから、成形体に含まれる樹脂を燃焼させることなく、急激な温度上昇を防止できる。第２加熱部は、第１加熱部で加熱された成形体を、成形体が焼結する温度へと昇温する。第３加熱部は、成形体が焼結する温度で設定されることから、第１加熱部で加熱された成形体を焼結させる。
【００１６】
上記発明において、前記第１加熱部はガス炉とし、前記第３加熱部は電気ヒータを有する電気炉とする。
【００１７】
この構成によれば、第１加熱部では、ガス炉によって昇温したガスからの対流伝熱によって、成形体を加熱して昇温し、第２加熱部では、電気ヒータからの輻射熱によって、成形体を均一温度にて加熱する。
【００１８】
上記発明において、前記第１加熱部の内部は、酸素濃度を所定の濃度より低くした焼成ガスが循環する。
【００１９】
この構成によれば、第１加熱部による加熱において、成形体の局所的な温度上昇を防ぐことができ、成形体の破損や成形体内での品質のばらつきも防止できる。
【００２０】
上記発明において、前記複数の第１加熱部のうち隣接した二つの前記第１加熱部において、前記一端側の前記第１加熱部で前記治具を停止して所定時間保持した後、前記一端側の前記第１加熱部から前記他端側の前記第１加熱部へ前記治具を移動させ、前記他端側の前記第１加熱部で前記治具を停止して所定時間保持し、前記第１加熱部と前記第１加熱部に隣接した前記第２加熱部とにおいて、前記第１加熱部で前記治具を停止して所定時間保持した後、前記第１加熱部から前記第２加熱部へ前記治具を移動させ、前記第２加熱部で前記治具を停止して所定時間保持し、前記第２加熱部と前記第２加熱部に隣接した前記第３加熱部とにおいて、前記第２加熱部で前記治具を停止して所定時間保持した後、前記第２加熱部から前記第３加熱部へ前記治具を移動させ、前記第３加熱部で前記治具を停止して所定時間保持する、前記治具の移動を同時に実施する移動制御部を更に備える。
【００２１】
この構成によれば、焼成炉において、治具は、隣り合う二つの第１加熱部間や、隣り合う第１加熱部と第２加熱部の間や、隣り合う第２加熱部と第３加熱部の間において、所定距離だけ移動し、その後、移動を停止して、所定時間の間、同一位置で保持される。一方、治具が遅い速度で常に移動し続ける場合には、各処理工程の区切り途中に治具が存在することになり、中間部としての空間を更に設ける必要がある。これに対し、本発明のように治具が移動することによって、治具が遅い速度で常に移動し続ける場合に比べて、焼成炉の構成が簡易となり、運転制御が容易になる。また、成形体は、１本単位ではなく、治具単位で、焼成されて搬出される。すなわち、一つの治具が収容する複数本単位で、成形体の履歴を管理できるため、品質管理しやすくなる。
【００２２】
上記発明において、前記焼成炉は、前記成形体が焼結する前記温度から前記常温までの範囲内で設定され、前記第３加熱部よりも前記通路に沿って前記通路の他端側に設置される少なくとも１つの冷却部を更に有する。
【００２３】
この構成によれば、冷却部が、第３加熱部よりも通路に沿って通路の他端側に設置されることから、治具が通路を移動することで、治具に支持された成形体は、第３加熱部で加熱され焼結された後、冷却部で冷却される。
【００２４】
上記発明において、前記治具は、棒状部材から構成される枠体構造である。
【００２５】
この構成によれば、治具において側面板又は側壁が設けられず、基体管に対して焼成炉内の温度を直接伝達することができる。また、治具は、棒状部材から構成される枠体構造となるため、軽量化を図ることができ、運搬が容易である。さらに、治具は、面部材ではなく、棒状部材から構成されるため、焼成炉の内部において、基体管以外に占める熱容量が少なく、治具が面部材を有する場合よりも、加熱又は冷却時に生じる熱エネルギー損失を抑制できる。
【００２６】
上記発明において、前記通路は、前記焼成炉の一端側から他端側へ平行して並列に設置される複数の通路であり、前記第２加熱部及び前記第３加熱部の少なくともいずれかにおける隣接する二つの前記通路の間には、前記成形体を加熱する電気ヒータを有する。
【００２７】
この構成によれば、焼成炉において、複数並列に設けた通路を、複数の治具が並列に移動するよう配置されるので、成形体の焼成処理数が増加し生産能力が向上する。また、第１加熱部や第２加熱部や冷却部など、基本的な炉の構成を変更することなく通路を増加することで対応することができる。さらに、電気ヒータが、焼成炉の内壁面に沿って設けられつつ、２本の通路の間にも設けられることで、両方の通路に配置される治具に支持された成形体に対して輻射熱を効率良く伝達させることができる。
【００２８】
本発明に係る焼結体製造方法は、固体酸化物形燃料電池が有する基体管に用いられる長尺のセラミックス製の複数の成形体を、鉛直方向に対し平行に吊下げ支持する治具と、内部を所定温度に調整する温度調整部、及び、内部に設けられ、前記治具が一端側から他端側へ通過する通路を有する焼成炉とを備え、前記焼成炉は、常温から前記常温よりも高く前記成形体が脱脂する第１温度までの範囲内で設定され、前記通路の一端側から連続して設置される第１加熱部として機能する複数の前記温度調整部、前記第１温度よりも高く、前記成形体が焼結する温度で設定され、前記第１加熱部よりも前記通路の他端側に設置される第３加熱部として機能する少なくとも１つの前記温度調整部と、前記第１加熱部と前記第３加熱部との間に設置され、前記成形体が焼結する前記温度へと昇温する第２加熱部として機能する少なくとも１つの前記温度調整部とを有する焼結体製造装置を用いた焼結体製造方法であって、前記治具は、前記通路の一端側から他端側へと移動し、前記複数の第１加熱部のうちの１つで前記治具を停止して所定時間保持し、前記他端側へと移動させる第１ステップと、前記第２加熱部で前記治具を停止して所定時間保持し、前記他端側へと移動させる第２ステップと、前記第３加熱部で前記治具を停止して所定時間保持し、前記他端側へと移動させる第３ステップとを有し、前記第１ステップと前記第２ステップと前記第３ステップを同時に実施する。
【００２９】
本発明に係る燃料電池セルスタックの製造方法は、上記の焼結体製造方法を用いて前記成形体を焼成し、前記成形体の表面に燃料電池セル及びインターコネクタが形成された燃料電池セルスタックを製造するステップを有する。
【００３０】
本発明に係る燃料電池カートリッジの製造方法は、上記の焼結体製造方法を用いて前記成形体を焼成し、前記成形体の表面に燃料電池セル及びインターコネクタが形成された燃料電池セルスタックを製造するステップと、前記燃料電池セルスタックを備える燃料電池カートリッジを製造するステップとを有する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、長尺の基体管を効率良く焼成することができ、短時間で多数の基体管を焼成させることができる。また、簡易な構造で基体管を支持することから、熱エネルギー損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第一実施形態に係る焼結体製造装置を示す概略図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る焼結体製造装置を示す構成図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る焼結体製造装置の治具を示す正面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係る焼結体製造装置の治具における基体管を示す横断面図である。
【図５】時間と治具の搬送速度との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第二実施形態に係る焼結体製造装置の第３加熱部及び治具を示す横断面図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係る焼結体製造装置を示す概略斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るセルスタックを示す部分拡大断面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。
【図１１】従来のバッチ炉を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
（第一実施形態）
以下に、本発明の第一実施形態に係る焼結体製造装置について、図１を参照して説明する。
本実施形態に係る焼結体製造装置１は、長尺で円筒形の基体管（成形体）１０を加熱する複数の温度調整部３を有する焼成炉２と、複数の基体管１０を端部で吊り下げることができ、焼成炉２を通過する複数の治具４と、治具４の移動を制御する移動制御部８などを備える。焼結体製造装置１は、焼結前の基体管１０を焼成して、焼結体となった基体管１０を生成する。移動制御部８は、後述するとおり、所定時間に基づいて、第１加熱部１１、第２加熱部１２、第３加熱部１３、冷却部１４で治具４を停止させたり、焼成炉２内部の通路５を移動させたりする。
【００３４】
焼成炉２には、内部において一端側から他端側にかけて、治具４が一方向に移動する通路５が形成されている。通路５は、焼成炉２の内部に直線状に設置されている。焼成炉２の一端側は、治具４が内部に入る入口部６が形成されており、焼成炉２の他端側は、治具４が内部から出る出口部７が形成されている。入口部６及び出口部７ともに治具４及び基体管１０が通過可能な高さ及び幅を有する開口である。入口部６及び出口部７は、開口を開閉する扉を持ち、治具４及び基体管１０が通過する際に開口を開き、その他は開口を閉じることで焼成炉２内部の環境が維持される。
また、治具４は、移動制御部８で制御されて通路５を移動する。本実施形態では、治具４は、焼成炉２の外部から駆動されるチェーンなどで引っ張られて走行と停止を行い、通路５に設けた図示しない軌道レールなどで、治具４に設けた車輪をガイドされながら移動する。
【００３５】
温度調整部３は、通路５に沿って複数台が設置されている。複数の温度調整部３は、それぞれの温度設定に従い温度制御が可能である。
温度調整部３は、脱脂工程に用いられる第１加熱部１１と、高温の焼結工程まで徐々に温度を上げるための第２加熱部１２と、焼結工程に用いられる第３加熱部１３と、常温まで徐々に温度を下げるための冷却部１４などからなる。
【００３６】
第１加熱部１１は、焼成炉２において、治具４が内部に入る焼成炉２の入口側に設けられ、冷却部１４は、治具４が内部から出る出口側に設けられる。焼成炉２では、第１加熱部１１、第２加熱部１２、第３加熱部１３、冷却部１４の順に出口まで配置される。第１加熱部１１、第２加熱部１２、第３加熱部１３、冷却部１４のそれぞれの通路５に沿った長さは、治具４の１台分の通路に沿った長さよりも長く、治具４は、第１加熱部１１、第２加熱部１２、第３加熱部１３、冷却部１４の内部に保持されているとき、完全に収容される。
【００３７】
第１加熱部１１では基体管１０の脱脂工程が行われる。第１加熱部１１は、例えば、ガス炉であり、昇温したガスからの対流伝熱によって、基体管１０を加熱し昇温する。第１加熱部１１は、図２に示すように、熱交換部１５と、ブロワ１６と、焼成ガスが流通する流通路１７などを有する。焼成ガスは、焼成温度においてセラミックス成形体の成分と反応性を有さないガスである。具体的に、焼成ガスは、窒素、二酸化炭素、水蒸気、空気などである。図２に示す例では、第１加熱部１１は、通路５に沿って６台設けられている。各第１加熱部１１は、連続して設置される。
【００３８】
熱交換部１５は、バーナを有し、バーナが燃料ガスを燃焼して燃焼ガスを生成する。
熱交換部１５では、バーナによって生成された燃焼ガスが、流通する焼成ガスを加熱し、焼成ガスの温度を所定の温度に上昇させる。流通路１７は、焼成炉２内部の焼成ガスを循環させる。流通路１７には、ブロワ１６が設けられる。
なお、熱交換部１５では、流通路１７から導入する焼成ガスの一部を系外に排出し、この排出分を補うようにバーナの燃焼ガスを流通路１７に供給することで、第１加熱部１１の内部の焼成ガスの温度と組成の雰囲気を所定条件範囲に保つようにしてもよい。
【００３９】
第１加熱部１１の内部は、酸素濃度を低くすることが望ましい。第１加熱部１１では、基体管１０を加熱・昇温し脱脂処理の工程が行われ、基体管１０の材料中に含まれるバインダーの一部が蒸発して除去される。このバインダーとしての樹脂成分が基体管１０の一部で燃焼して局所的に温度上昇をしないような酸素濃度以下になるよう、第１加熱部１１の内部は酸素濃度を低くする。例えば、治具４が基体管１０の端部を吊り下げ支持している部分で、樹脂成分が燃焼し局所的に温度上昇した場合、基体管１０がその部分で破断して落下するおそれがある。また、局所的に温度上昇した部分は、他に対して焼成状態が異なり基体管１０内での品質のばらつきが発生するおそれがある。これに対し、第１加熱部１１の内部が低酸素濃度であれば、基体管１０の局所的な温度上昇を防ぐことができ、基体管１０の破損や基体管１０内での品質のばらつきも防止できる。
【００４０】
第１加熱部１１の内部を低酸素濃度とするためには、焼成ガスに窒素ガス、二酸化炭素ガス又は水蒸気を更に追加してもよい。例えば、流通路１７を流れる焼成ガスに対して、流通路１７の焼成ガスの一部を系外に排出し、この排出分を補うようにバーナの燃焼ガスが供給し、更に酸素濃度を下げる必要がある場合は新たに窒素ガス、二酸化炭素ガス又は水蒸気が供給される。
【００４１】
第１加熱部１１は、炉内温度が例えば２００℃から４００℃の範囲内で設定された所定温度となるように温度調整部３によって制御される。第１加熱部１１は、複数台設けられ、それぞれの設定温度を異ならせて設定される。本実施形態では、第１加熱部１１を６台設置している。第１加熱部１１の設定温度は、例えば、入口部６側に設置された１台目又は数台目の第１加熱部１１では、徐々に温度を上げる昇温制御が行われ、その後の第１加熱部１１は、第２加熱部１２に隣接する第１加熱部１１まで所定温度を維持するように設定されている。これにより、基体管１０が破損することなく加熱・昇温されて、基体管１０の材料中に含まれるバインダーとしての樹脂成分が徐々に蒸発していく。
【００４２】
また、第１加熱部１１内部は、ブロワ１６による焼成ガスの吹き出し方向の調整、又は、別途内部に設置されたファン（図示せず）による焼成ガスの内部循環によって、内部の焼成ガスの流れ方向を変動させたり攪拌させたりしてもよい。これにより、基体管１０の温度分布を少なくし、基体管１０中の樹脂成分を効率良く蒸発させることができ、脱脂工程に掛かる時間を短縮させることができる。
【００４３】
第２加熱部１２では、基体管１０の昇温工程が行われる。第２加熱部１２は、高温の焼結工程まで徐々に基体管１０の温度を上げるように、１台から複数台設けられており、本実施形態では２台設置している。第１加熱部１１に隣接する第２加熱部１２は、例えば、ガス炉であり、第１加熱部１１の設定温度（例えば２００℃から４００℃）よりも高い温度（例えば６００℃から１０００℃）に昇温されるように設定される。第３加熱部１３に隣接する第２加熱部１２は、例えば、電気ヒータ１８を有する電気炉であり、第３加熱部１３の温度（例えば１３００℃から１５００℃）まで昇温されるように設定される。
【００４４】
第３加熱部１３では、基体管１０の焼結工程が行われる。第３加熱部１３は、図２に示すように、１台から複数台設けられており、本実施形態では１台設けられる。第３加熱部１３は、電気ヒータ１８を有する電気炉であり、電気ヒータ１８からの輻射熱によって、基体管１０を均一温度にて加熱する。第３加熱部１３は、炉内温度が例えば１３００℃から１５００℃の範囲内の所定温度となるように温度調整部３によって制御される。第３加熱部１３で設定される温度は、基体管１０を焼成する所定の温度範囲であり、第３加熱部１３で均一温度にて所定時間保持されることにより、基体管１０が焼結する。
【００４５】
冷却部１４では、基体管１０の降温工程が行われる。冷却部１４は、水と炉内の空気との熱交換が行われる水冷部、又は、空気を炉内に吹き込む空冷部などを有する。冷却部１４は、常温まで徐々に温度が下がるように、複数台設けられる。複数の冷却部１４は本実施形態では、２台設置してあり、それぞれの冷却方法と設定温度を異ならせている。第３加熱部１３に隣接する冷却部１４では、冷却水への伝熱によって徐々に基体管１０の温度を降温し、基体管１０に多少の温度分布が生じても破損しない温度（例えば２００℃から４００℃）まで降温する。出口部７側に設置された冷却部１４では、冷却水との温度差が低下するので、基体管１０との対流熱伝導量を増加するように空気を吹き込むことで基体管１０の温度が搬出可能な温度まで下がるように設定されている。
【００４６】
治具４は、複数本の基体管１０を鉛直縦方向、すなわち基体管１０の長手方向が鉛直方向に対して平行となるように所定の間隔で基体管１０を設置する。基体管１０は、上端で吊り下げられて支持され、また、治具４は、基体管１０が揺動しないように、下端で基体管１０を水平方向に対して支持し、鉛直方向による基体管１０の収縮と熱伸量を許容するようにされる。本実施形態では、治具４には、例えば８本から３０本の基体管１０が設置される。
【００４７】
治具４は、枠体による構造であり、図３に示すように、例えば台座部２１と、４本の縦枠材２２と、複数本の横枠材２３と、管設置部２４等を有する。台座部２１は、上部に設けられる縦枠材２２が固定されると共に、縦枠材２２を介して複数の基体管１０の荷重を受けて支持する。なお、台座部２１は、長尺である基体管１０の下端が水平方向に揺動しないよう、例えば一部を弾力性のある支持体で接触するような支持構造を保有してもよい。縦枠材２２は、例えば棒状部材であって、下端が台座部２１に固定され、長手方向が鉛直方向に対して平行に設置される。縦枠材２２の上端には、管設置部２４が固定される。
【００４８】
横枠材２３は、棒状部材であって、隣り合う縦枠材２２同士を結合し、例えば、縦枠材２２に対して垂直となる水平方向に設置される。これにより、長尺の基体管１０を保持するため鉛直方向に縦長である治具４が荷重や振動に対して安定化する。管設置部２４は、縦枠材２２の上端に固定される。管設置部２４は、円筒形の基体管１０の端部を支持して吊り下げられる構造を有し、基体管１０の荷重を支持することができる。
縦枠材２２及び横枠材２３は、焼結工程の高温雰囲気、すなわち第３加熱部１３の温度（例えば１３００℃から１５００℃）でも耐久性のある部材としてセラミックス材が使用され、例えばＳｉＣ（炭化ケイ素）である。
【００４９】
治具４は、側面板又は側壁が設けられず、基体管１０に対して焼成炉２内の温度を直接伝達することができる。また、治具４は、縦枠材２２や横枠材２３といったフレーム構造であるため、軽量化を図ることができ、複数の基体管１０が吊り下げられているときにも運搬が容易である。さらに、治具４は、面部材ではなく、縦枠材２２や横枠材２３等の棒状部材から構成されるため、焼成炉２の内部において、基体管１０以外に占める熱容量が少なく、治具が面部材を有する場合よりも、加熱又は冷却時に生じる熱エネルギー損失を抑制できる。
【００５０】
治具４では、基体管１０は、図４に示すように、移動方向に沿って複数本の基体管１０が隣接する基体管１０の間に位置するように千鳥状に配置されている。図４では、例として２本の基体管１０が配置されている列と、１本の基体管１０が配置されている列とが交互に配置される。
【００５１】
複数の基体管１０が配置されている列の間の距離は、図４に示すように、例えば基体管１０の外径の３倍から５倍程度である。また、２本の基体管１０が配置されている列において、基体管１０同士の距離も、例えば基体管１０の外径の３倍から５倍程度である。１本の基体管１０が配置されている列は、２本の基体管１０が配置されている列の中間位置に設けられる。このように基体管１０が配置されることで、第３加熱部１３では、周囲からの輻射熱が各基体管１０に均一に伝達される。また、このように基体管１０が配置されることで、第１加熱部１１及び第２加熱部１２でも周囲からの焼成ガスの流れが各基体管１０に均一に行きとどくため、焼成ガスの熱が基体管１０へと均一に伝熱されて好ましい。
【００５２】
次に、本実施形態に係る焼結体製造装置１の動作について説明する。
まず、治具４は、焼成炉２の入口部６の外側にあり、焼成処理を行う焼成前の複数の基体管１０を治具４に設置する。このとき、基体管１０は、管設置部２４に端部が吊り下げ支持される。本実施形態では、１つの治具４には、例えば８本から３０本の基体管１０が設置される。
そして、焼成炉２では、通路５に、治具４を通過させていく。このとき、第１加熱部１１、第２加熱部１２、第３加熱部１３及び冷却部１４は、温度調整部３によって予め設定された温度に維持されている。
【００５３】
以下、通路５に沿った治具４の移動に着目して説明する。まず、１台目の治具４が、入口部６に配置された１台目の第１加熱部１１に導入される。そして、１台目の治具４は、１台目の第１加熱部１１において停止して、所定の加熱時間（例として５時間）の間、基体管１０は、第１加熱部１１によって加熱される。治具４は、移動制御部８で制御されて通路５を移動する。
【００５４】
その後、２台目の第１加熱部１１に１台目の治具４を移動し、２台目の治具４を１台目の第１加熱部１１に導入する。そして、１台目の治具４は、２台目の第１加熱部１１において停止し、２台目の治具４は、１台目の第１加熱部１１において停止する。この状態で、上記と同様に、更に所定の加熱時間（例として５時間）の間、基体管１０は、それぞれ第１加熱部１１によって加熱される。
【００５５】
以降、図５に示すように、所定の加熱時間（例として５時間）経過するごとに、治具４を隣接する第１加熱部１１へ移動させる。治具４の移動に要する時間は、所定の加熱時間に比べて短いため、治具４を隣接する第１加熱部１１へ移動することによる処理工程の時間が増加する割合は少なく、生産工程を左右する時間にはならない。また、焼成前の基体管１０を支持している治具４が、入口部６に配置された１台目の第１加熱部１１に導入されていく。これにより、所定の加熱時間（例として５時間）ごとに基体管１０の位置が移動し、かつ、焼成前の基体管１０が連続して焼成炉２に導入される。
【００５６】
本実施形態では、第１加熱部１１が、図２に示すように、６台設置されている場合、基体管１０は、治具４の移動及び停止によって、第１加熱部１１の全てで、所定加熱時間×６台分が全加熱時間となり、例として合計３０時間（＝５時間×６）の間、加熱されることになる。第１加熱部１１を通過することにより、基体管１０は、常温から徐々に温度上昇させられて、例えば２００℃から４００℃の範囲内の所定温度で、脱脂工程に必要な処理時間を加熱される。
【００５７】
第１加熱部１１の１台目を例えば基体管１０の昇温に利用する場合、１台目の第１加熱部１１で、室温から１時間当たり平均で約４０℃から約８０℃の昇温速度で昇温していくことになり、第１加熱部１１の２台目以降は設定温度（例えば２００℃から４００℃）で維持することになる。また、１台目と２台目の第１加熱部１１を昇温に利用し。１台目は平均よりも低い温度の範囲で昇温させ、２台目を平均よりも高い温度の範囲で昇温させることで、昇温時に発生する可能性のある基体管１０の破損を更に抑制するようにしてもよい。
【００５８】
第１加熱部１１によって、基体管１０は徐々に温度上昇させて、その後は脱脂処理工程を行うに当たり、基体管１０の材料中に含まれるバインダーとしての樹脂成分が蒸発するので、第１加熱部１１から系外へ蒸発成分を排出して処理することが好ましい。流通路１７には、ブロワ１６が設けられ、流通路１７から導入する焼成ガスの一部を系外に排出し、この排出分を補うようにバーナの燃焼ガス、又は追加ガス（窒素、二酸化炭素、水蒸気など）を流通路１７に供給する。この焼成ガスの一部を系外に排出する際に、蒸発したバインダーとしての樹脂成分も系外に排出して、図示しない除外処理装置で排出された樹脂成分の処理を行う。このように、第１加熱部１１の流通路１７での焼成ガスの一部を排出することで、第１加熱部１１の内部の焼成ガスの温度と組成の雰囲気を、所定条件範囲に保つことができる。
【００５９】
その後、基体管１０が全ての第１加熱部１１で加熱、脱脂処理された後、第１加熱部１１から第２加熱部１２に治具４を移動させる。そして、治具４が、第２加熱部１２において停止して、基体管１０は、第２加熱部１２によって加熱される。
【００６０】
本実施形態では、第２加熱部１２が、図２に示すように、２台設置されている場合、基体管１０は、治具４の移動及び停止によって、所定の昇温時間×２台分が全昇温時間となり、例として合計１０時間（＝５時間×２）の間、加熱昇温されることになる。第２加熱部１２を通過することにより、基体管１０は、例えば２００℃から４００℃の範囲内の所定温度から温度上昇させられて、例えば１３００℃から１５００℃の範囲内の所定温度まで加熱昇温される。
【００６１】
２台の第２加熱部１２で加熱昇温された後、第２加熱部１２から第３加熱部１３に治具４を移動させる。本実施形態では、第３加熱部１３が、図２に示すように、１台設置されている場合、治具４が、第３加熱部１３において停止して、第３加熱部１３で、基体管１０は、例えば１３００℃から１５００℃の範囲内の所定温度で、所定の加熱時間×１台分が全加熱時間となり、例として合計５時間（＝５時間×１）加熱される。第３加熱部１３で均一温度にて所定時間保持されることにより、基体管１０が焼結する。
【００６２】
次に、基体管１０が第３加熱部１３で加熱された後、冷却部１４に治具４を移動させる。治具４は、冷却部１４において停止し、基体管１０は、冷却部１４によって冷却される。本実施形態では冷却部１４が、図２に示すように、２台設置されている場合、基体管１０は、治具４の移動及び停止によって、所定の冷却時間×２台分が全冷却時間となり、例として合計１０時間（＝５時間×２）の間、冷却されることになる。冷却部１４を通過することにより、基体管１０は、例えば１３００℃から１５００℃の範囲内の所定温度から温度下降させられて、常温付近まで冷却される。
２台の冷却部１４で冷却された後、治具４は、出口部７から焼成炉２の外部へと搬出され、焼成処理を終了した焼成後の複数の基体管１０が治具４から取り外される。
【００６３】
上記のとおり、焼成炉２において、治具４は、隣り合う２台の第１加熱部１１間や、隣り合う第１加熱部１１と第２加熱部１２の間など、所定距離だけ移動し、その後、移動を停止して、所定時間（例えば１時間から数時間、前述では５時間を例示）の間、同一位置で保持される。一方、治具４が遅い速度で常に移動し続ける場合には、第１加熱部１１から第３加熱部１３、冷却部１４の処理工程の区切り途中に治具４が存在することになり、中間部としての空間を更に設ける必要がある。これに対し、本実施形態のように治具４が移動することによって、治具４が遅い速度で常に移動し続ける場合に比べて、焼成炉２の構成が簡易となり、運転制御が容易になる。このため、基体管１０を効率良く焼成することができ、短時間で多数の基体管１０を焼成させることができる。また、簡易な構造で基体管１０を支持して焼成処理を行うことから、基体管１０以外に付与する熱容量が少なくなり、加熱又は冷却時に生じる熱エネルギー損失を抑制できる。さらに、基体管１０は、１本単位ではなく、治具４単位で、焼成されて搬出される。すなわち、一つの治具４が収容する複数本単位で、基体管１０の履歴を管理できるため、品質管理しやすくなる。
【００６４】
（第二実施形態）
以下に、本発明の第二実施形態に係る焼結体製造装置について、図６及び図７を参照して説明する。
第二実施形態では、焼成炉２において１列に設けた通路５を有する第一実施形態に対して、焼成炉２において通路５を複数並列に設け、複数の治具４が並列に移動するよう配置される。その他は第一実施形態と同様である。第二実施形態では、例として焼成炉２の内部を治具４が２列で移動し配置されるように、２本の通路５が形成されている。
【００６５】
治具４では、基体管１０は、図６に示すように、移動方向に沿って２本の基体管１０、１本の基体管１０、２本の基体管１０・・・のように、２本の基体管１０が配置されている列と、１本の基体管１０が配置されている列とが交互に配置される。このように基体管１０が配置されることで、第３加熱部１３では周囲からの輻射熱が各基体管１０に均一に伝達され、第１加熱部１１及び第２加熱部１２でも周囲からの焼成ガスの流れが各基体管１０に均一に行き届き、基体管１０へと均一に伝熱されるので好ましい。
【００６６】
焼成炉２の内部は、図７に示すように、治具４が２列で移動し配置されるように、２本の通路５が形成されてもよい。この場合、図６に示すように第２加熱部１２や第３加熱部１３において用いられる電気ヒータ１８が、焼成炉２の内壁面に沿って設けられつつ、２本の通路５の間にも設けられることで、両方の通路５に配置される治具４に支持された基体管１０に対して輻射熱を効率良く伝達させることができる。
【００６７】
上記のとおり、焼成炉２において、複数並列に設けた通路５を、複数の治具４が並列に移動するよう配置されるので、基体管１０の焼成処理数が増加し生産能力が向上する。また、第１加熱部１１や第２加熱部１２や冷却部１４など、基本的な炉の構成を変更することなく通路５を増加することで対応することができる。このため、基体管１０を更に効率良く焼成することができ、短時間で更に多数の基体管１０を焼成させることができる。
【００６８】
以下、本実施形態に係るＳＯＦＣの一例について説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
【００６９】
（円筒形セルスタックの構造）
まず、図８を参照して本実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図８は、前述の実施形態で製作した基体管１０を基体管１０３として使用するものである。セルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。
【００７０】
（セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明）
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【００７１】
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
【００７２】
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。
【００７３】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
【００７４】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
【００７５】
（ＳＯＦＣモジュールの構造と各要素の機能の説明）
次に、図９と図１０とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図９は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図１０は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
【００７６】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図９に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。
【００７７】
燃料ガス供給管２０７は、図示しない圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
【００７８】
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
【００７９】
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
【００８０】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【００８１】
（ＳＯＦＣカートリッジの構造と各要素の機能の説明）
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図１０に示すとおり、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図１０のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、又は酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００８２】
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
【００８３】
燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。
【００８４】
燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
【００８５】
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。
【００８６】
酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない第３酸化性ガス排出枝管に導くものである。
【００８７】
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。
【００８８】
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。
【００８９】
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。
【００９０】
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。
【００９１】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒータ等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
【００９２】
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。
【００９３】
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
【００９４】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒータ等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
【００９５】
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数及び並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
【符号の説明】
【００９６】
１        ：焼結体製造装置
２        ：焼成炉
３        ：温度調整部
４        ：治具
５        ：通路
６        ：入口部
７        ：出口部
８        ：移動制御部
１０      ：基体管（成形体）
１１      ：第１加熱部
１２      ：第２加熱部
１３      ：第３加熱部
１４      ：冷却部
１５      ：熱交換部
１６      ：ブロワ
１７      ：流通路
１８      ：電気ヒータ
２１      ：台座部
２２      ：縦枠材
２３      ：横枠材
２４      ：管設置部
５０      ：バッチ炉
５１      ：焼成室
１０１    ：セルスタック
１０３    ：基体管
【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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