(57)【要約】【課題】セルスタックの温度分布を均一化するとともに、断熱材からの不純物の溶出を抑制することができる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】実施形態に係る燃料電池モジュールは、セルスタックと、断熱材と、熱伝導部材とを備える。前記セルスタックは、複数の燃料電池セルが積層されてなる。前記断熱材は、前記セルスタックと対向するように前記セルスタックから離間して設けられている。前記熱伝導部材は、前記断熱材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記断熱材の内側面を覆い且つ前記セルスタックに接触しないように前記断熱材に取り付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが積層されてなるセルスタックと、
前記セルスタックと対向するように前記セルスタックから離間して設けられた断熱材と、
前記断熱材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記断熱材の内側面を覆い且つ前記セルスタックに接触しないように前記断熱材に取り付けられた熱伝導部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記熱伝導部材に設けられた第１の係止爪部が、前記断熱材に設けられた第１の係止部に挿入されることにより、前記熱伝導部材は前記断熱材に係止されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記第１の係止爪部は、前記熱伝導部材の上端部を折り曲げることにより形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記熱伝導部材に設けられた第２の係止爪部が、前記断熱材に設けられた第２の係止部に挿入されていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記第２の係止爪部は、前記熱伝導部材の下端部を折り曲げることにより形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記第２の係止部の幅は前記第２の係止爪部の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記断熱材の内側面と略垂直な方向から見たときに、前記断熱材および前記熱伝導部材は、少なくとも前記セルスタックの端部まで設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記断熱材および前記熱伝導部材は、前記セルスタックの複数の積層面のうちマニホールドが設けられていない積層面に対向し、かつ前記セルスタックを挟み込むように設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記セルスタックの上に設けられ、前記セルスタックから排出された水素含有ガスと酸素含有ガスを燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の上に設けられ、水素含有ガスを前記セルスタックに供給する改質器と、をさらに備え、
前記断熱材は、前記燃焼室および前記改質器と対向するように前記燃焼室および前記改質器から離間して設けられ、
前記熱伝導部材は、前記断熱材の内側面のうち前記セルスタックと対向する部分のみを覆い且つ前記燃焼室と前記改質器に接触しないように前記断熱材に取り付けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記セルスタックの上に設けられ、前記セルスタックから排出された水素含有ガスと酸素含有ガスを燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室の上に設けられ、水素含有ガスを前記セルスタックに供給する改質器と、をさらに備え、
前記断熱材は、前記燃焼室および前記改質器と対向するように前記燃焼室および前記改質器から離間して設けられ、
前記熱伝導部材は、前記断熱材の内側面のうち前記セルスタック、前記燃焼室および前記改質器と対向する部分を覆い且つ前記燃焼室と前記改質器に接触しないように前記断熱材に取り付けられていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記セルスタックは、その内部に内部マニホールドを有し、
前記断熱材および前記熱伝導部材は、前記セルスタックの全ての積層面を取り囲むように設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代発電システムとして、水素含有ガスと空気（酸素含有ガス）とを用いて発電する固体酸化物形燃料電池セル（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ、以下単に「燃料電池セル」ともいう。）を積層してなるセルスタックを収納容器内に収納した燃料電池モジュールが種々提案されている。
【０００３】
一般的に、固体酸化物形燃料電池セルは温度が高いほど、電流密度に対するセル電圧が高くなり、燃料電池としての性能が向上する。一方、温度が高すぎると、燃料電池セルの耐久性が低下する。そのため、燃料電池セルにとって最適な温度で発電することが望ましい。
【０００４】
燃料電池セルは発電とともに発熱するため、水素含有ガスや酸素含有ガスの流路の下流にいくほど燃料電池セルの温度が高くなるという温度分布が発生する。また、セルスタックの中央の方に配置された燃料電池セルほど放熱されにくく、セルスタックの端の方に配置された燃料電池セルほど放熱されやすい。このため、セルスタックの中央領域では温度が高く、端側に行くにつれての温度が低くなるという温度分布が発生する。
【０００５】
セルスタックの温度分布が大きいと、セルスタックを構成する全ての燃料電池セルを最適な温度で動作させることが困難になるため、セルスタックの温度分布はできるだけ小さいことが求められる。
【０００６】
また、固体酸化物形燃料電池セルは高温（約５００℃〜１０００℃）で動作するため、セルスタックの熱を逃さないようにセルスタックの近傍に断熱材が配置されている。一般的に、断熱材はシリカや塩素等の不純物を含んでいる。発電により排出される排ガス等により断熱材の不純物が溶出すると、その不純物が燃料電池モジュールに蓄積され、その結果、燃料電池モジュールを構成するステンレス材料に応力腐食割れが発生したり、燃料電池モジュール内の改質器の改質触媒が劣化するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−３４２０５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２９２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、セルスタックの温度分布を均一化するとともに、断熱材からの不純物の溶出を抑制することができる燃料電池モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態に係る燃料電池モジュールは、セルスタックと、断熱材と、熱伝導部材とを備える。前記セルスタックは、複数の燃料電池セルが積層されてなる。前記断熱材は、前記セルスタックと対向するように前記セルスタックから離間して設けられている。前記熱伝導部材は、前記断熱材よりも熱伝導率の高い材料からなり、前記断熱材の内側面を覆い且つ前記セルスタックに接触しないように前記断熱材に取り付けられている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）はセルスタック２の非積層面から見た第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１の側面図であり、（ｂ）は燃料電池モジュール１の右側の側面図であり、（ｃ）は燃料電池モジュール１の上面図である。
【図２】（ａ）は熱伝導部材４が取り付けられた断熱材３の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】（ａ）は熱伝導部材４が取り付けられた断熱材３の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】（ａ）はセルスタック２の非積層面から見た第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１Ａの側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５】（ａ）はセルスタック２の非積層面から見た第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１Ｂの側面図であり、（ｂ）は燃料電池モジュール１Ｂの右側の側面図であり、（ｃ）は燃料電池モジュール１Ｂの上面図である。
【図６】燃料電池モジュール１Ｂのセルスタック２の動作温度をシミュレーションした結果を示す図である。
【図７】比較例に係る燃料電池モジュールのセルスタック２の動作温度をシミュレーションした結果を示す図である。
【図８】（ａ）はセルスタック２の非積層面から見た第４の実施形態に係る燃料電池モジュール１Ｃの側面図であり、（ｂ）は燃料電池モジュール１Ｃの右側の側面図であり、（ｃ）は燃料電池モジュール１Ｃの上面図である。
【図９】燃料電池モジュール１Ｃのセルスタック２の動作温度をシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態に係る燃料電池モジュールについて図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一の構成要素には同じ参照符号を付して詳しい説明は繰り返さない。
【００１２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュール１について説明する。まず、燃料電池モジュール１の概略的な構成について図１を参照して説明する。図１（ａ）は、セルスタック２の非積層面から見た燃料電池モジュール１の側面図である。ここで、非積層面とは、セルスタック２の表面のうち、後述のブスバー９，１０が設けられている面のことである。図１（ｂ）は、燃料電池モジュール１の右側の側面図である。ただし、図１（ｂ）において断熱材３および熱伝導部材４は省略し図示していない。図１（ｃ）は、燃料電池モジュール１の上面図である。ただし、図１（ｃ）においてマニホールド７，８は省略し図示していない。
【００１３】
燃料電池モジュール１は、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、セルスタック２と、断熱材３と、熱伝導部材４と、マニホールド５，６，７，８と、ブスバー９，１０とを備えている。
【００１４】
以下、燃料電池モジュール１の各構成要素について詳しく説明する。
【００１５】
セルスタック２は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、複数の燃料電池セル２ａが積層されてなる。より詳しくは、セルスタック２は、隣接する燃料電池セル２ａ同士が電気的に接続されるように複数積層したものとして構成されている。各燃料電池セル２ａは、例えば固体酸化物型の燃料電池セルであり、内部にガス流路が設けられている。各燃料電池セル２ａは長方形状であり、セルスタック２は直方体形状である。
【００１６】
また、図１（ａ）に示すように、セルスタック２の下端部にはマニホールド５，６が設けられ、セルスタック２の上端部にはマニホールド７，８が設けられている。マニホールド５はセルスタック２に水素含有ガスを供給するための入口マニホールドであり、マニホールド６はセルスタック２に酸素含有ガスを供給するための入口マニホールドであり、マニホールド７は水素を含有した排ガスを排出するための出口マニホールドであり、マニホールド８は酸素を含有した排ガスを排出するための出口マニホールドである。これらマニホールド５，６，７，８は、セルスタック２と絶縁されるようにセルスタック２に固定されている。
【００１７】
セルスタック２の非積層面には、燃料電池セル２ａの発電により生じた電流を収集して外部に引き出すためのブスバー９，１０が設けられている。
【００１８】
断熱材３は、図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、セルスタック２と対向するようにセルスタック２から離間して設けられている。断熱材３は、断熱材３の内側面がセルスタック２の積層面と対向するように配置されている。断熱材３は、熱伝導率の低い材料からなり、例えば、シリカを含む材料からなる。
【００１９】
断熱材３は、図１（ｃ）に示すように、セルスタック２の外形以上の大きさを有している。換言すれば、断熱材３は、セルスタック２への投影領域がセルスタック２の両側の端部２ｅを包含するように設けられている。
【００２０】
熱伝導部材４は、図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、断熱材３の内側面を覆い且つセルスタック２に接触しないように、断熱材３に取り付けられている。ここで、断熱材３の「内側面」とは、セルスタック２の表面と対向する側の、断熱材３の主面のことである。このように熱伝導部材４は、空気層を介してセルスタック２と対向するように設けられている。
【００２１】
熱伝導部材４は、断熱材３から不純物が溶出することを抑制するとともに、セルスタック２の温度分布を均一化する。熱伝導部材４は、断熱材３よりも熱伝導率の高い材料からなる。熱伝導部材４は、高温状態で不純物を出さない材料（ステンレス、アルミナ等）からなることが好ましい。
【００２２】
なお、熱伝導部材４は、断熱材３から不純物が溶出することを抑制する観点から、断熱材３に密接するように断熱材３を覆ってもよい。
【００２３】
上記の断熱材３および熱伝導部材４は、セルスタック２の４つの積層面のうちマニホールド５，６，７，８が設けられていない積層面に対向し、かつセルスタック２を挟み込むように設けられている。そして、断熱材３の内側面と略垂直な方向から見たときに、断熱材３および熱伝導部材４は、少なくともセルスタック２の端部２ｅまで設けられている。なお、熱伝導部材４は、断熱材３の内側面のうちセルスタック２に相対する領域（セルスタック２の断熱材３への投影領域）を覆ってもよい。
【００２４】
上記のように、燃料電池モジュール１では、熱伝導部材４が断熱材３の内側面を覆っている。このため、第１の実施形態によれば、断熱材３からの不純物（シリカ、塩素等）の溶出を抑制することができる。その結果、不純物をろ過するための高性能なろ過手段を備えなくても、燃料電池モジュールの筐体等に使用されるステンレス材料が応力腐食割れを引き起こすことを抑制することができる。
【００２５】
さらに、断熱材３の内側面を覆うように設けられた熱伝導部材４がセルスタック２から発された不均一な温度分布の輻射熱を受け、それを均一化して均一な温度の輻射熱をセルスタック２全体に送り返す。これにより、第１の実施形態によれば、セルスタック２の温度分布（積層方向および上下方向の温度分布）を均一化することができる。
【００２６】
また、第１の実施形態ではセルスタック２に熱伝導部材４が接触していないため、燃料電池モジュール１の起動時にセルスタック２を昇温する際、接触している場合に比べて熱伝導部材４を昇温する量が減るため、熱容量の増加が抑えられる。よって、第１の実施形態によれば、熱伝導部材４がセルスタック２に接触している場合に比べて燃料電池モジュールの起動時間を短くすることができる。
【００２７】
また、熱伝導部材４がセルスタック２に接触しないので、熱伝導部材４には絶縁性能が不要である。このため、熱伝導部材４の材料としては、高価な材料を使用する必要が無く、ステンレス等の一般的な熱伝導材料を利用することができる。さらに、前述のように、燃料電池モジュールに高性能な不純物ろ過手段を備える必要もない。よって、第１の実施形態によれば、燃料電池モジュールの低コスト化を図ることができる。
【００２８】
次に、熱伝導部材４の断熱材３への取り付け方法について、図２を参照して詳しく説明する。図２（ａ）は、熱伝導部材４が取り付けられた断熱材３の平面図を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図を示している。
【００２９】
断熱材３には、図２（ａ）に示すように、係止部３ａが設けられている。この係止部３ａは、断熱材３の上端部付近に形成され、幅が熱伝導部材４の厚さとほぼ等しい溝部である。なお、この係止部３ａは、熱伝導部材４を厚さ方向に貫通するスリットであってもよい。このスリットは、溝部と同様、断熱材３の上端部付近に形成され、幅が熱伝導部材４の厚さとほぼ等しくなるように形成される。なお、熱伝導部材４の熱膨張を考慮して、図２（ａ）に示すように、係止部３ａを熱伝導部材４よりも長く形成しておいてもよい。
【００３０】
熱伝導部材４には、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、係止爪部４ａが設けられている。この係止爪部４ａは、例えば、熱伝導部材４の上端部を折り曲げることにより形成されている。
【００３１】
熱伝導部材４は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、熱伝導部材４の係止爪部４ａが断熱材３の係止部３ａに挿入されることにより、断熱材３に係止されている。即ち、熱伝導部材４は、その上端部に設けられた係止爪部４ａが断熱材３の係止部３ａに挟み込まれることにより断熱材３に固定される。
【００３２】
上記のように熱伝導部材４がその上端部のみで断熱材３に係止されるようにすることで、燃料電池モジュール１の動作時等において熱伝導部材４が高温になり熱膨張した場合であっても、熱伝導部材４よりも熱膨張率の小さい断熱材３に熱応力が加わって断熱材３が破損することを防ぐことができる。さらに、断熱材３および熱伝導部材４の加工工程の数を減らせるため、製造コストを削減することができる。
【００３３】
また、熱伝導部材４が、燃料電池モジュール１の金属部材（筐体、改質器（後述）等）に溶接されているのではなく、断熱材３に係止されるように取り付けられているため、高温動作時においても熱伝導部材４と断熱材３との間の接続部分の耐久性を維持することができる。その結果、熱伝導部材４が断熱材３から落下することを防止できる。
【００３４】
次に、熱伝導部材４の断熱材３への取り付け方法の変形例について、図３を参照して詳しく説明する。図３（ａ）は、熱伝導部材４が取り付けられた断熱材３の平面図を示し、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図を示している。
【００３５】
本変形例では、断熱材３には、図３（ａ）に示すように、係止部３ａに加えて係止部３ｂが設けられている。この係止部３ｂは、断熱材３の下端部付近に形成され、幅が熱伝導部材４の厚さよりも大きい溝部である。なお、この係止部３ｂは、熱伝導部材４を厚さ方向に貫通するスリットであってもよい。このスリットは、溝部の場合と同様、断熱材３の下端部付近に形成され、幅が熱伝導部材４の厚さよりも大きくなるように形成される。
【００３６】
断熱材３と熱伝導部材４との間に隙間が形成されるようにすることにより、燃料電池モジュール１の動作時等において熱伝導部材４が高温になり熱膨張した場合であっても、熱伝導部材４よりも熱膨張率の小さい断熱材３に熱応力が加わって断熱材３が破損することを防ぐことができる。
【００３７】
なお、係止部３ｂの幅と熱伝導部材４の厚さとの差は、断熱材３と熱伝導部材４の熱膨張率の差に基づいて決めてもよい。また、熱伝導部材４の熱膨張を考慮して、図３（ａ）に示すように係止部３ｂを熱伝導部材４よりも長く形成してもよい。
【００３８】
熱伝導部材４には、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、係止爪部４ａに加えて係止爪部４ｂが設けられている。この熱伝導部材４の係止爪部４ｂが、断熱材３の係止部３ｂに挿入（緩挿）されている。係止爪部４ｂは、例えば、熱伝導部材４の下端部を折り曲げることにより形成されている。
【００３９】
本変形例のように、熱伝導部材４が２つの係止爪部４ａおよび４ｂにより断熱材３に係止されるようにすることにより、熱伝導部材は断熱材３により一層安定して取り付けられる。その結果、燃料電池モジュール１の運搬や設置等の際に熱伝導部材４が断熱材３から外れることを抑制することができる。
【００４０】
係止部３ａおよび係止爪部４ａは、熱伝導部材４を断熱材３に固定可能に形成されていれば、上記の例に限られるものではない。上記の例以外にも、例えば、断熱材３に１つまたは複数の凹部もしくは貫通孔を設け、熱伝導部材４に断熱材３の凹部もしくは貫通孔と嵌合する凸部を設けてもよい。また、断熱材３側に凸部を設け、熱伝導部材４側に凹部を設けてもよい。この場合、断熱材３の不純物の溶出を抑制する観点から、熱伝導部材４には貫通孔を設けないことが好ましい。
【００４１】
また、係止爪部４ａは、熱伝導部材４の上部に限らず、それ以外の部分に設けられてもよい。例えば、上下方向に走る１つまたは複数の係止爪部を溶接等により熱伝導部材４に設けてもよい。また、ネジやボルト／ナット等の締結手段を用いて、熱伝導部材４を断熱材３に取り付けてもよい。
【００４２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１Ａについて、図４を参照して説明する。図４（ａ）は、セルスタック２の非積層面から見た燃料電池モジュール１Ａの側面図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図を示している。第２の実施形態と第１の実施形態との間の相違点の一つは、マニホールドの構成である。第２の実施形態では、マニホールドはセルスタック２の内部に設けられ、燃料ガス（水素含有ガス、酸素含有ガス）はセルスタック２の非積層面から供給または排出される。
【００４３】
以下、第１の実施形態との相違点を中心に第２の実施形態について説明する。
【００４４】
燃料電池モジュール１Ａは、図４（ａ）に示すように、セルスタック２と、断熱材３と、熱伝導部材４と、内部マニホールド１１，１２，１３，１４と、ブスバー９，１０とを備えている。
【００４５】
セルスタック２は、その内部に内部マニホールド１１，１２，１３，１４を有する。内部マニホールド１１はセルスタック２に水素含有ガスを供給するための入口マニホールドであり、内部マニホールド１２は水素を含有した排ガスを排出するための出口マニホールドであり、内部マニホールド１３はセルスタック２に酸素含有ガスを供給するための入口マニホールドであり、内部マニホールド１４は酸素を含有した排ガスを排出するための出口マニホールドである。
【００４６】
断熱材３は、図４（ａ）に示すように、セルスタック２の全ての積層面を取り囲むように筒状に設けられ、断熱材３の内側面がセルスタック２の積層面と全周にわたって対向している。
【００４７】
熱伝導部材４は、図４（ａ）に示すように、セルスタック２の全ての積層面を取り囲むように断熱材３の内側面に取り付けられている。熱伝導部材４は、筒状の断熱材３の内側面の寸法に合わせて形成された筒状部材であり、断熱材３に挿入されている。
【００４８】
なお、図４（ｂ）に示すように、断熱材３および熱伝導部材４は、セルスタック２の外形以上の大きさを有している。このように断熱材３の内側面と略垂直な方向から見たときに、断熱材３および熱伝導部材４は、少なくともセルスタック２の端部２ｅまで設けられていることが好ましい。
【００４９】
第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１Ａによれば、セルスタック２と対向する断熱材３の内側面を覆うように熱伝導部材４が設けられているため、第１の実施形態と同様に、セルスタック２の温度分布を均一化することができる。特に第２の実施形態では、熱伝導部材４がセルスタック２の全ての積層面を取り囲むように設けられているため、セルスタック２の温度分布をより一層均一化することができる。
【００５０】
また、燃料電池モジュール１Ａによれば、第１の実施形態と同様に、断熱材３からの不純物の溶出を抑制することができるとともに、起動時間を短くすることができる。さらに、熱伝導部材４として高価な材料を使用する必要が無いため、燃料電池モジュールの低コスト化を図ることができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る燃料電池モジュール１Ｂについて、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、セルスタック２の非積層面から見た燃料電池モジュール１Ｂの側面図であり、図５（ｂ）は燃料電池モジュール１Ｂの右側の側面図であり、図５（ｃ）は燃料電池モジュール１Ｂの上面図である。ただし、図５（ｂ）において断熱材３および熱伝導部材４は省略し図示していない。
【００５２】
第３の実施形態と第１の実施形態との間の相違点の一つは、燃料電池モジュール１Ｂが燃焼室および改質器を備え、断熱材３がセルスタックだけでなく、燃焼室および改質器に対向するように設けられている点である。
【００５３】
以下、第１の実施形態との相違点を中心に第３の実施形態について説明する。
【００５４】
燃料電池モジュール１Ｂは、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、セルスタック２と、断熱材３と、熱伝導部材４と、マニホールド５，６と、ブスバー９，１０と、燃焼室２１と改質器２２とを備えている。
【００５５】
燃焼室２１は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、セルスタック２の上に設けられており、セルスタック２から排出された水素含有ガスと酸素含有ガスを燃焼させる。燃焼室２１で発生した熱により、改質器２２内の改質反応が促進される。
【００５６】
改質器２２は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、燃焼室２１の上に設けられ、水素含有ガスをセルスタック２に供給する。より詳しくは、改質器２２は、原燃料（天然ガス、灯油等）および水を用いて水蒸気改質反応を行い、この水蒸気改質反応により得られた水素含有ガスをマニホールド５に供給する。酸素含有ガスはマニホールド６からセルスタック２に供給される。
【００５７】
改質器２２に供給される原燃料と水は、改質器２２内部の改質触媒により改質され、水素含有ガスが生成される。水蒸気改質反応は吸熱反応であり、燃焼室２１の燃焼の熱を受けて反応が進行する。
【００５８】
なお、改質触媒としては、改質効率や耐久性に優れたものを用いることが好ましく、例えば、アルミナまたはコージェライト等の多孔質担体に、ルテニウム（Ｒｕ）もしくは白金（Ｐｔ）等の貴金属、またはニッケル（Ｎｉ）もしくは鉄（Ｆｅ）等の卑金属を担持させた改質触媒等を用いることができる。
【００５９】
断熱材３は、図５（ａ）および図５（ｃ）に示すように、燃焼室２１および改質器２２と対向するように燃焼室２１および改質器２２から離間して設けられている。より詳しくは、断熱材３は、マニホールド５，６が設けられていない積層面に対向しており、セルスタック２、燃焼室２１および改質器２２を挟み込むように設けられている。
【００６０】
断熱材３は、セルスタック２、燃焼室２１および改質器２２の外形以上の大きさを有している。これにより、燃焼室２１、改質器２２および発電室（図示せず）の周囲を流れる空気の温度が低下することを抑制できるため、水蒸気改質反応を促進することができる。
【００６１】
なお、本実施形態のようにセルスタック２の上に燃焼室２１が設けられる場合、燃焼室２１において余剰の水素含有ガスを燃焼させるため、燃料電池セル２ａは上端側で温度が高く、下端側で温度が低いという温度分布が生じる。しかし、改質器２２が燃焼熱を吸熱するため、セルスタック２の上端の温度が上昇しすぎることはない。
【００６２】
熱伝導部材４は、図５（ａ）に示すように、断熱材３の内側面のうちセルスタック２と対向する部分のみを覆い且つセルスタック２、燃焼室２１および改質器２２に接触しないように、断熱材３に取り付けられている。熱伝導部材４の断熱材３への取り付け方法は第１の実施形態で説明した方法と同様であるので、ここでは詳しい説明を省略する。
【００６３】
次に、燃料電池モジュール１Ｂのセルスタック２の動作温度をシミュレーションした結果について説明する。
【００６４】
シミュレーションは、熱流体解析ソフト（ＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋）を用いて、燃料電池モジュール１Ｂの３Ｄ熱流体解析を行った。なお、シミュレーション計算では、計算負荷を小さくするために、燃焼室２１における化学的な燃焼現象を実際に計算するのではなく、燃焼室２１に供給される水素含有ガス等の物質量から求まる燃焼熱の理論値を用いた。また、計算負荷を小さくするために、セルスタック２における燃料電池セル２ａの数を１４セルとした。
【００６５】
シミュレーション結果を図６に示す。図６において、“セルスタック上部”、“セルスタック中央部”および“セルスタック下部”はそれぞれ、セルスタック２の上部領域、セルスタック２の中央領域、セルスタック２の下部領域を示している。この結果によれば、セルスタック２の温度分布の標準偏差は３８．６であった。
【００６６】
これに対し、図７は、比較例に係る燃料電池モジュールについて同様のシミュレーションを行った結果を示している。この比較例に係る燃料電池モジュールでは、熱伝導部材４が設けられていない。本比較例のシミュレーションでは、熱伝導部材４の分だけ断熱材３の体積を増加させている。図７に示すシミュレーション結果によれば、セルスタック２の温度分布の標準偏差は３９．０であった。
【００６７】
上記のシミュレーション結果から、熱伝導部材４を設けることにより、セルスタック２の温度分布が均一化されていることがわかる。これは、第１の実施形態で説明したように、セルスタック２から発された不均一な温度分布の輻射熱が熱伝導部材４により均一化されてセルスタック２に送り返されることによる。
【００６８】
以上説明した第３の実施形態によれば、第１の実施形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。また、第３の実施形態によれば、断熱材３からの不純物の溶出を抑制することができるため、不純物をろ過するための高性能なろ過手段を備えなくても、燃料電池モジュール１Ｂの筐体および改質器２２等に使用されるステンレス材料の応力腐食割れを抑制するとともに、改質器２２内の改質触媒の劣化を抑制することができる。
【００６９】
また、熱伝導部材４は改質器２２に接触しないように断熱材３に取り付けられているため、熱伝導部材４の熱膨張により、改質器２２に熱応力が加わることや熱伝導部材４に溶接割れが発生することを防止できる。
【００７０】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る燃料電池モジュール１Ｃについて、図８を参照して説明する。図８（ａ）は、セルスタック２の非積層面から見た燃料電池モジュール１Ｃの側面図であり、図８（ｂ）は燃料電池モジュール１Ｃの右側の側面図であり、図８（ｃ）は燃料電池モジュール１Ｃの上面図である。ただし、図８（ｂ）において断熱材３および熱伝導部材４は省略し図示していない。
【００７１】
第４の実施形態と第３の実施形態との間の相違点の一つは、熱伝導部材４が設けられている範囲である。第４の実施形態では、熱伝導部材４が改質器２２の上端まで設けられている。以下、第３の実施形態との相違点を中心に第４の実施形態について説明する。
【００７２】
燃料電池モジュール１Ｃは、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、セルスタック２と、断熱材３と、熱伝導部材４と、マニホールド５，６と、ブスバー９，１０と、燃焼室２１と改質器２２とを備えている。
【００７３】
熱伝導部材４は、図８（ａ）に示すように、改質器２２の上端まで設けられている。より詳しくは、第４の実施形態に係る熱伝導部材４は、断熱材３の内側面のうちセルスタック２、燃焼室２１および改質器２２と対向する部分を覆い且つセルスタック２、燃焼室２１および改質器２２に接触しないように、断熱材３に取り付けられている。熱伝導部材４の断熱材３への取り付け方法は第１の実施形態で説明した方法と同様であるので、ここでは詳しい説明を省略する。
【００７４】
第４の実施形態では、熱伝導部材４がセルスタック２だけでなく、燃焼室２１や改質器２２と対向する部分の内側面を覆っている。このため、燃焼室２１や改質器から排出されるガスが断熱材３と接することがない。これにより、第４の実施形態によれば、断熱材３の不純物（シリカ等）が溶出することをさらに抑制できる。
【００７５】
さらに、熱伝導部材４がセルスタック２だけでなく、燃焼室２１や改質器２２と対向する部分における断熱材３の内側面を覆っている。このため、熱伝導部材４は、セルスタック２、燃焼室２１および改質器２２から発された不均一な温度分布の輻射熱を受けて、それを均一化し、均一な温度の輻射熱をセルスタック２、燃焼室２１および改質器２２に送り返す。これにより、セルスタック２の温度分布をより一層均一化することができる。
【００７６】
熱伝導部材４がセルスタック２、燃焼室２１および改質器２２と対向するように設けられることにより、燃焼室２１の温度は第３の実施形態に比べて低下するものの、改質器２２を加熱することができる。改質器２２が加熱されることにより、改質器２２における水蒸気改質反応を促進することができる。また、燃焼室２１の温度が低下するため、セルスタック２の上端の温度上昇が第３の実施形態に比べて低くなる。その結果、セルスタック２の温度分布を小さくすることができる。
【００７７】
次に、本実施形態に係る燃料電池モジュール１Ｃのセルスタック２の動作温度をシミュレーションした結果について説明する。シミュレーションに用いたソフトウェアおよびシミュレーション条件は第３の実施形態と同じである。シミュレーション結果を図９に示す。この結果によれば、セルスタック２の温度分布の標準偏差は３６．８であった。この値は第３の実施形態の標準偏差（３８．６）よりも小さい。
【００７８】
以上説明した第４の実施形態によれば、第１および第３の実施形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。加えて第４の実施形態では、第３の実施形態に比べて断熱材３の内側面をより広範囲に覆うため、断熱材３からの不純物の溶出をより一層抑制することができる。
【００７９】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、セルスタックの温度分布を均一化するとともに、断熱材からの不純物の溶出を抑制することができる。
【００８０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８１】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  燃料電池モジュール
２  セルスタック
２ａ  燃料電池セル
２ｅ  端部
３  断熱材
３ａ，３ｂ  係止部
４  熱伝導部材
４ａ，４ｂ  係止爪部
５，６，７，８  マニホールド
９，１０  ブスバー
１１，１２，１３，１４  内部マニホールド
２１  燃焼室
２２  改質器
【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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