JPWO2009016857A1 - 燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置 - Google Patents
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Abstract
セルスタックの温度分布を均一に近づけることができる燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供する。内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セル３を複数個並設してなるセルスタック５と、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に並設され、セルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材２０とを収納容器２に収納してなる燃料電池モジュール１であって、断熱部材２０は、セルスタック５と対向する面に開口部２２を有しており、これにより、セルスタック５全体としての温度分布を均一に近づけることができて、燃料電池の発電量が低下し、さらにはセルスタック５が破損することを抑制することができる。
Description
本発明は、収納容器内に複数個の柱状の燃料電池セルを収納してなる燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置に関する。
近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してなるセルスタックを、燃料電池セルにガスを供給するマニホールドに固定し、それを収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
そのような燃料電池モジュールとしては、たとえば、直方体状の収納容器内に設けられた発電室内に、燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してマニホールドに固定してなるセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールが提案されている（たとえば、特開２００７−５９３７７号公報参照）。
また、収納容器内に複数のセルスタックを収納する場合において、酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス導入管が挿入配置されていないセルスタック間に、セルスタック同士の間隔と同程度の厚さをもつ平板形状の断熱部材を配置することにより、セルスタック間を通る無駄な空気の流路を防ぎ、セルスタック内の燃料電池セル間の空気の流れを促進することが提案されている（たとえば、特開２００６−３３１８８１号公報参照）。
ところで、燃料電池モジュール（燃料電池装置）の発電に伴いセルスタック（燃料電池セル）に熱が生じるが、その発電により生じた熱は、隣接する燃料電池セル間等から放熱される。
しかしながら、特に燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してなるセルスタックにおいては、セルスタックを構成する燃料電池セルの配列方向の端部に配置される燃料電池セルは放熱しやすいが、セルスタックを構成する燃料電池セルの配列方向の中央部側に配置される燃料電池セルは放熱しにくいため、セルスタック全体として、中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという不均一な温度分布を生じることとなる。
さらに、上述したようなセルスタック間に、セルスタック同士の間隔と同程度の厚さを持つ平板形状の断熱部材を配置した場合には、セルスタックの反応熱やジュール熱を外部に逃すことが抑制されるため、セルスタックがさらに不均一な温度分布を生じる場合があった。
そして、セルスタックの温度が不均一な温度分布となる場合においては、セルスタックを構成する各燃料電池セルに供給される燃料ガスの流れにばらつきが生じ、セルスタックの発電量が低下する、またはセルスタックが破損するといったおそれがあった。
そのような燃料電池モジュールとしては、たとえば、直方体状の収納容器内に設けられた発電室内に、燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してマニホールドに固定してなるセルスタックを収納してなる燃料電池モジュールが提案されている（たとえば、特開２００７−５９３７７号公報参照）。
また、収納容器内に複数のセルスタックを収納する場合において、酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス導入管が挿入配置されていないセルスタック間に、セルスタック同士の間隔と同程度の厚さをもつ平板形状の断熱部材を配置することにより、セルスタック間を通る無駄な空気の流路を防ぎ、セルスタック内の燃料電池セル間の空気の流れを促進することが提案されている（たとえば、特開２００６−３３１８８１号公報参照）。
ところで、燃料電池モジュール（燃料電池装置）の発電に伴いセルスタック（燃料電池セル）に熱が生じるが、その発電により生じた熱は、隣接する燃料電池セル間等から放熱される。
しかしながら、特に燃料電池セルを複数個並設し電気的に直列に接続してなるセルスタックにおいては、セルスタックを構成する燃料電池セルの配列方向の端部に配置される燃料電池セルは放熱しやすいが、セルスタックを構成する燃料電池セルの配列方向の中央部側に配置される燃料電池セルは放熱しにくいため、セルスタック全体として、中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという不均一な温度分布を生じることとなる。
さらに、上述したようなセルスタック間に、セルスタック同士の間隔と同程度の厚さを持つ平板形状の断熱部材を配置した場合には、セルスタックの反応熱やジュール熱を外部に逃すことが抑制されるため、セルスタックがさらに不均一な温度分布を生じる場合があった。
そして、セルスタックの温度が不均一な温度分布となる場合においては、セルスタックを構成する各燃料電池セルに供給される燃料ガスの流れにばらつきが生じ、セルスタックの発電量が低下する、またはセルスタックが破損するといったおそれがあった。
それゆえ本発明は、セルスタックの温度分布を均一に近づけることが可能な燃料電池モジュールおよびそれを具備する燃料電池装置を提供することを目的とする。
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側に並設され、前記セルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材とを収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記断熱部材は、前記セルスタックと対向する面にくぼみ部を有していることを特徴とする。
このような燃料電池モジュールにおいては、セルスタックの側面側に、燃料電池セルの配列方向に沿ってセルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材を並設するとともに、その断熱部材がセルスタックと対向する面にくぼみ部を有していることから、セルスタックのうち断熱部材のくぼみ部と対向する部分は、セルスタックと断熱部材との間に隙間（空間）を有することとなる。
それにより、燃料電池セルが放熱されやすくなるとともに、断熱部材に覆われていないセルスタックの領域において、燃料電池セル間に供給された反応ガスが対流し、くぼみ部に対向して配置される燃料電池セルの温度を均一に近づけることができ、セルスタックの全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側に並設され、前記セルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材とを収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記断熱部材は、前記セルスタックと対向する面に開口部を有していることを特徴とする。
このような燃料電池モジュールにおいては、セルスタックの側面側に、燃料電池セルの配列方向に沿ってセルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材を並設するとともに、その断熱部材がセルスタックと対向する面に開口部を有していることから、セルスタックのうち断熱部材の開口部と対向する部分は、断熱部材により覆われていないこととなる。
それにより、燃料電池セルが放熱されやすくなるとともに、断熱部材に覆われていないセルスタックの領域において、燃料電池セル間に供給された反応ガスが対流し、開口部に対向して配置される燃料電池セルの温度を均一に近づけることができ、セルスタックの全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記くぼみ部または前記開口部は、少なくとも前記セルスタックの側面中央部と対向していることが好ましい。
上述したように、セルスタックにおいて最も温度が高くなる部位は、セルスタックの中央部側となる。それゆえ、くぼみ部または開口部をセルスタックの側面中央部と対向させることにより、セルスタックの最も温度の高い領域における温度分布を均一に近づけることができ、セルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記断熱部材は、１枚の板材からなることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、断熱部材が１枚の板材からなることから、くぼみ部は１枚の板材の一部を削り取った形状とすることができ、また開口部は、１枚の板材の一部を中空とした形状（すなわち、板状の部材の一部をくり貫いた形状）とすることができる。それにより、くぼみ部または開口部を有する断熱部材を容易に形成できる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記断熱部材は、複数の板片を組み合わせて一体化されていることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、断熱部材が複数の板片を組み合わせて一体化されていることから、複数の板片を組み合わせることで、開口部を有する断熱部材を容易に形成できる。
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側の上端部側と下端部側とにそれぞれ並設され、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの長さと同等またはそれ以上の長さを有する断熱部材とを収納容器に収納してなることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの配列方向におけるセルスタックの長さと同等またはそれ以上の長さを有する断熱部材を、セルスタックの側面側の上端部側と下端部側とにそれぞれ並設することから、セルスタックの側面側の上端部側と下端部側とに配置された断熱部材の間に空間を有することとなる。そして、断熱部材に覆われていないセルスタックの領域において燃料電池セル間に供給された反応ガスが対流し、セルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に、内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックを収納するとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面に、少なくとも上部と下部とが断熱部材で覆われており、かつ前記燃料電池セル間に供給された反応ガスを流入させて対流させるための空間を有することを特徴とする。
このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの配列方向に沿ってセルスタックの側面に、少なくとも上部と下部とが断熱材で覆われており、かつ燃料電池セル間に供給された反応ガスを流入させて対流させるための空間を有することから、空間に対向して配置される料電池セルの温度を均一に近づけることができ、セルスタックの全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重構造で前記内壁と前記外壁との間を反応ガスの流路とするとともに、前記内壁に前記セルスタックの側面側にまで延び、前記セルスタックの前記燃料電池セルの外周に前記反応ガスを導入するための反応ガス導入部材を有し、前記断熱部材が前記セルスタックと前記反応ガス導入部材との間に配置されていることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス流路を流れる間に反応ガスが温められるとともに、その温められた反応ガスは、セルスタックの側面側に配置される反応ガス導入部材よりセルスタックの燃料電池セルの外周に供給され、燃料電池セル間を流れる。それにより、効率よく発電を行うことができる燃料電池モジュールとすることができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入部材が、前記断熱部材を係合固定するための係合部材を有することが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス導入部材が、断熱部材を係合固定するための係合部材を有することから、断熱部材と反応ガス導入部材とを強固に固定することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記セルスタックを挟んで前記反応ガス導入部材と反対側に、前記断熱部材を固定するための固定部材を備えるとともに、前記断熱部材が前記セルスタックと前記固定部材との間に配置されていることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、セルスタックの反応ガス導入部材と反対側の側面に断熱部材を並設するにあたって、断熱部材を固定するための固定部材を備え、セルスタックと固定部材との間に断熱部材が配置されていることから、セルスタックの反応ガス導入部材と反対側の側面に並設する断熱部材を固定することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルであることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルであることから、燃料電池モジュールの運転温度が非常に高くなる。それゆえ、セルスタックにおける温度分布の影響が大きくなるため、本発明の燃料電池モジュールを適用するにあたり有用となる。
本発明の燃料電池装置は、上記のいずれかの燃料電池モジュールを収納ケースに収納してなることを特徴とする。
このような燃料電池装置においては、上述したいずれかの燃料電池モジュールを収納ケース内に収納してなることから、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側に並設され、前記セルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材とを収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記断熱部材は、前記セルスタックと対向する面にくぼみ部を有していることを特徴とする。
このような燃料電池モジュールにおいては、セルスタックの側面側に、燃料電池セルの配列方向に沿ってセルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材を並設するとともに、その断熱部材がセルスタックと対向する面にくぼみ部を有していることから、セルスタックのうち断熱部材のくぼみ部と対向する部分は、セルスタックと断熱部材との間に隙間（空間）を有することとなる。
それにより、燃料電池セルが放熱されやすくなるとともに、断熱部材に覆われていないセルスタックの領域において、燃料電池セル間に供給された反応ガスが対流し、くぼみ部に対向して配置される燃料電池セルの温度を均一に近づけることができ、セルスタックの全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側に並設され、前記セルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材とを収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記断熱部材は、前記セルスタックと対向する面に開口部を有していることを特徴とする。
このような燃料電池モジュールにおいては、セルスタックの側面側に、燃料電池セルの配列方向に沿ってセルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材を並設するとともに、その断熱部材がセルスタックと対向する面に開口部を有していることから、セルスタックのうち断熱部材の開口部と対向する部分は、断熱部材により覆われていないこととなる。
それにより、燃料電池セルが放熱されやすくなるとともに、断熱部材に覆われていないセルスタックの領域において、燃料電池セル間に供給された反応ガスが対流し、開口部に対向して配置される燃料電池セルの温度を均一に近づけることができ、セルスタックの全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記くぼみ部または前記開口部は、少なくとも前記セルスタックの側面中央部と対向していることが好ましい。
上述したように、セルスタックにおいて最も温度が高くなる部位は、セルスタックの中央部側となる。それゆえ、くぼみ部または開口部をセルスタックの側面中央部と対向させることにより、セルスタックの最も温度の高い領域における温度分布を均一に近づけることができ、セルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記断熱部材は、１枚の板材からなることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、断熱部材が１枚の板材からなることから、くぼみ部は１枚の板材の一部を削り取った形状とすることができ、また開口部は、１枚の板材の一部を中空とした形状（すなわち、板状の部材の一部をくり貫いた形状）とすることができる。それにより、くぼみ部または開口部を有する断熱部材を容易に形成できる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記断熱部材は、複数の板片を組み合わせて一体化されていることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、断熱部材が複数の板片を組み合わせて一体化されていることから、複数の板片を組み合わせることで、開口部を有する断熱部材を容易に形成できる。
本発明の燃料電池モジュールは、内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側の上端部側と下端部側とにそれぞれ並設され、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの長さと同等またはそれ以上の長さを有する断熱部材とを収納容器に収納してなることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの配列方向におけるセルスタックの長さと同等またはそれ以上の長さを有する断熱部材を、セルスタックの側面側の上端部側と下端部側とにそれぞれ並設することから、セルスタックの側面側の上端部側と下端部側とに配置された断熱部材の間に空間を有することとなる。そして、断熱部材に覆われていないセルスタックの領域において燃料電池セル間に供給された反応ガスが対流し、セルスタック全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に、内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックを収納するとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面に、少なくとも上部と下部とが断熱部材で覆われており、かつ前記燃料電池セル間に供給された反応ガスを流入させて対流させるための空間を有することを特徴とする。
このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルの配列方向に沿ってセルスタックの側面に、少なくとも上部と下部とが断熱材で覆われており、かつ燃料電池セル間に供給された反応ガスを流入させて対流させるための空間を有することから、空間に対向して配置される料電池セルの温度を均一に近づけることができ、セルスタックの全体としての温度分布を均一に近づけることができる。それにより、セルスタックの発電量が低下すること、さらにはセルスタックが破損することを抑制することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重構造で前記内壁と前記外壁との間を反応ガスの流路とするとともに、前記内壁に前記セルスタックの側面側にまで延び、前記セルスタックの前記燃料電池セルの外周に前記反応ガスを導入するための反応ガス導入部材を有し、前記断熱部材が前記セルスタックと前記反応ガス導入部材との間に配置されていることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス流路を流れる間に反応ガスが温められるとともに、その温められた反応ガスは、セルスタックの側面側に配置される反応ガス導入部材よりセルスタックの燃料電池セルの外周に供給され、燃料電池セル間を流れる。それにより、効率よく発電を行うことができる燃料電池モジュールとすることができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記反応ガス導入部材が、前記断熱部材を係合固定するための係合部材を有することが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、反応ガス導入部材が、断熱部材を係合固定するための係合部材を有することから、断熱部材と反応ガス導入部材とを強固に固定することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記セルスタックを挟んで前記反応ガス導入部材と反対側に、前記断熱部材を固定するための固定部材を備えるとともに、前記断熱部材が前記セルスタックと前記固定部材との間に配置されていることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、セルスタックの反応ガス導入部材と反対側の側面に断熱部材を並設するにあたって、断熱部材を固定するための固定部材を備え、セルスタックと固定部材との間に断熱部材が配置されていることから、セルスタックの反応ガス導入部材と反対側の側面に並設する断熱部材を固定することができる。
また、本発明の燃料電池モジュールは、前記燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルであることが好ましい。
このような燃料電池モジュールにおいては、燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルであることから、燃料電池モジュールの運転温度が非常に高くなる。それゆえ、セルスタックにおける温度分布の影響が大きくなるため、本発明の燃料電池モジュールを適用するにあたり有用となる。
本発明の燃料電池装置は、上記のいずれかの燃料電池モジュールを収納ケースに収納してなることを特徴とする。
このような燃料電池装置においては、上述したいずれかの燃料電池モジュールを収納ケース内に収納してなることから、発電効率が向上した燃料電池装置とすることができる。
本発明の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
本発明の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。
セルスタックの側面にくぼみ部を有する断熱部材を並設することを示す外観斜視図である。
図３で示すセルスタックを収納容器内に収納した本発明の燃料電池モジュールの他の一例を示す断面図である。
セルスタックの側面に開口部を有する断熱部材を並設していることを示す側面図であり、反応ガス導入部材側から見た側面図である。
セルスタックの側面に開口部を有する断熱部材を並設していることを示す側面図であり、反対側から見た側面図である。
セルスタックの側面の上端部側と下端部側に空間を空けて断熱部材を並設していることを示す側面図であり、反応ガス導入部材側から見た側面図である。
セルスタックの側面の上端部側と下端部側に空間を空けて断熱部材を並設していることを示す側面図であり、反対側から見た側面図である。
本発明の燃料電池モジュールにおける反応ガス導入部材の一例を示したものであり、反応ガス導入部材の斜視図である。
本発明の燃料電池モジュールにおける反応ガス導入部材の一例を示したものであり、係合部材を有する反応ガス導入部材の斜視図である。
図７Ｂに示した反応ガス導入部材に断熱部材を係合した状態を示しており、１枚の板材の一部をくり貫いた形状の断熱部材を反応ガス導入部材に係合した状態を示す斜視図である。
図７Ｂに示した反応ガス導入部材に断熱部材を係合した状態を示しており、複数の板片の断熱部材を組み合わせて反応ガス導入部材に係合した状態を示す斜視図である。
本発明の燃料電池モジュールにおける反応ガス導入部材の他の一例を示したものであり、係合部材を有する反応ガス導入部材の斜視図である。
本発明の燃料電池モジュールにおける反応ガス導入部材の他の一例を示したものであり、図９Ａに示す反応ガス導入部材に断熱部材を係合した状態を示す斜視図である。
セルスタックの反応ガス導入部材と反対側に固定部材を設けた、本発明の燃料電池モジュールにおけるセルスタック装置を示す外観斜視図である。
図９に示したセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールの断面図である。
本発明の燃料電池モジュールを用いて行った発電試験の結果を示したグラフである。
以下図面を参考にして本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の燃料電池モジュール（以下モジュールという場合がある）の一例を示す外観斜視図である。なお、異なる図中の同一の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。
モジュール１は、直方体状の収納容器２の内部に、内部をガスが流通するガス流路を有する燃料電池セル３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド４に固定してなるセルスタック５を収納して構成されている。また、図１においては、燃料電池セル３として、燃料電池セル３の内部に長手方向に設けられたガス流路を燃料ガスが流れる中空平板型で、支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。
また、燃料電池セル３にて使用する水素含有ガスを得るために、天然ガスや灯油等の燃料を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質器６をセルスタック５の上方に配置している。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、ガス流通管７によりマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。そして上記の構成により、セルスタック装置８が構成される。
なお、図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置８を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置８を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。
図２は、図１で示すモジュール１の断面図である。モジュール１を構成する収納容器２は、内壁９と外壁１０を有する二重構造で、外壁１０により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁９によりセルスタック５（セルスタック装置８）を収納する発電室１１が形成されている。
さらにモジュール１においては、内壁９と外壁１０との間を、燃料電池セル３に導入する反応ガスの流路としており、たとえば、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガス等の反応ガスが流れる。
ここで内壁９には、内壁９の上面からセルスタック５の側面の側方にまで延び、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向における長さに対応し、内壁９と外壁１０とで形成される流路につながって、セルスタック５に反応ガスを導入するための反応ガス導入部材１２が備えられている。また、反応ガス導入部材１２の下端部側（燃料電池セル３の下端部側）には、燃料電池セル３に反応ガスを導入するための吹出口１３が設けられている。
なお図２において、反応ガス導入部材１２は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により反応ガス導入流路を形成し、下端部で底部材に接合して形成されている。また、図２においては、反応ガス導入部材１２は、収納容器２の内部に並置された２つのセルスタック５（セルスタック装置８）間に位置するように配置されている。なお、反応ガス導入部材１２は、収納されるセルスタック５の数により、たとえばセルスタック５を２つの反応ガス導入部材１２で挟み込むように配置してもよい。
そして、反応ガス導入部材１２の内部に、温度センサ１４の測温部１５が位置するよう、温度センサ１４が収納容器２の上面側より挿入されている。なお、温度センサ１４としては、たとえば熱電対を用いることができる。
ここで、燃料電池セル３は所定の温度範囲で運転されるため、発電室１１内（好ましくはセルスタック５もしくはその近傍）の温度を測定するとともに、その温度管理を行なうことが必要となる。特に燃料電池セル３が、固体酸化物形燃料電池セル３の場合においては、その運転温度が非常に高く、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が過度に上昇すると、発電量が低下し、さらには劣化や熱応力により燃料電池セル３（セルスタック５）に破損等を生じるおそれがあるため、セルスタック５近傍の温度を効果的に測定するとともに、その温度管理を行なうことが特に必要となる。それゆえ、温度センサ１２は、測温部１５がセルスタック５の最も高い温度となる中央部側（セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の中央部で、かつ燃料電池セル３の長手方向における中央部に位置する部位）を測定できるように配置することが好ましい。
また発電室１１内には、モジュール１内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないようにするために、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱部材１６が適宜設けられている。なお、断熱部材１６としては、絶縁性であり、かつ断熱効果を有しているものを使用することができ、たとえば断熱材を用いることができる。
ここで、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度を高温で維持すべく、断熱部材１６をセルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に並設するとともに、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材１６を並設することが好ましい。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材１６を並設することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。なお、セルスタック５の側面の外形と同等とは、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向における長さの９０％以上で、かつ燃料電池セル３の長手方向における長さの９０％以上の長さとすることが好ましい。以降の説明においても同様である。
また、セルスタック５の側面側に、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材１６を設けることにより、反応ガス導入部材１２より供給されるガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の外周の反応ガスの流れを促進することができる。
なお、反応ガス導入部材１２側に配置する断熱部材１６の下端部は、反応ガスを燃料電池セル３に導入するための切り欠き部を有していることが好ましい。
また、内壁９により形成される底面（内部底面）および燃料電池セル３の配列方向に沿って形成された側面（内部側面）に対して所定間隔を空けて併設された排ガス用内壁１７により排ガス流路が形成され、さらに収納容器２の底部に設けられた排気孔１８と排ガス流路が通じている。
それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔１８より排気される構成となっている。
なお、排気孔１８は収納容器２の底（底面）の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
ここで、セルスタック５において、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の端部側に配置される燃料電池セル３は放熱しやすく、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の中央部側に配置される燃料電池セル３は放熱しにくい。それゆえ、セルスタック５全体として中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという不均一な温度分布を生じる場合がある。
ここで、セルスタック５に不均一な温度分布が生じると、燃料電池セル３に供給されるガス（燃料ガス等）の流れにばらつきが生じ、セルスタック５の発電量が低下する、セルスタック５が劣化や破損するといったおそれがあった。
それゆえ、本発明者らは鋭意研究した結果、セルスタック５の近傍に配置する断熱部材の形状、特にはセルスタック５の側面側に並設する断熱部材の形状を調整することにより、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における温度分布を均一に近づけることができることを見出した。
図３は、図２に示したセルスタック装置８およびセルスタック装置８（セルスタック５）の側面に配置される断熱部材１６を抜粋して示す外観斜視図であり、図４は図３に示したセルスタック装置８および断熱部材１６を収納容器２内に収納してなる燃料電池モジュール１の断面図を示している。なお、図４においては断熱部材１６を斜線で示している。
図３において、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に並設した断熱部材１６は、一枚の板材からなる断熱部材１６の一部に、セルスタック５の配列方向における中央部側と対向して、くぼみ部３４が設けられている。
そして、セルスタック５の側面側に、くぼみ部３４を有する断熱部材１６を配置することから、セルスタック５の発電により生じる熱は、くぼみ部３４を通じて放熱することができ、それによりくぼみ部３４と対向して配置される燃料電池セル３（燃料電池セル３の配列方向における中央部近傍に位置する燃料電池セル３）の温度を下げることができ、セルスタック５を均一な温度分布に近づけることができる。
さらに、断熱部材１６がくぼみ部３４を有することから、反応ガス導入部材１２によってセルスタック５の下端側より供給される反応ガス（酸素含有ガス）は、燃料電池セル３を上端側に向けて流れるとともに、その反応ガスの一部がくぼみ部３４に流れることとなる。そしてくぼみ部３４に流れた反応ガスは、くぼみ部３４に対向して配置される燃料電池セル３の温度分布に伴い、くぼみ部３４において対流することとなる。
それにより、くぼみ部３４と対向して配置される燃料電池セル３（燃料電池セル３の配列方向における中央部近傍に位置する燃料電池セル３）の温度を均一に近づけることができ、セルスタック５全体を均一な温度分布に近づけることができる。
なお、断熱部材１６の大きさとしては、セルスタック５の側面における外形と同等またはそれ以上の大きさとするのが好ましい。それにより、燃料電池セル３に効率よく反応ガスを供給できるとともに、セルスタック５の温度が低下しすぎることを抑制できる。なお、セルスタック５の側面における外形と同等とは、上述したとおりである。
ここで、くぼみ部３４の大きさは、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の形状や、セルスタック５の配列方向における長さ、さらにはセルスタック５の温度分布等に基づいて適宜設定することができる。なお、好ましくはセルスタック５の配列方向における中央部を中心として左右対称となるようにするのが好ましい。
ここでくぼみ部３４の大きさについて説明すると、燃料電池セル３の配列方向に対応するくぼみ部３４の長さとしては、セルスタック５の配列方向における長さの６０％以上、好ましくは７５％以上の長さとするのが好ましい。
また、燃料電池セル３の高さ方向（長手方向）に対応するくぼみ部３４の長さ（高さ）としては、燃料電池セル３に設けられる発電部（支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質および酸素側電極を順に設けてなる中空平板型の燃料電池セル３においては酸素側電極）の長手方向（高さ方向）における長さの５０％以上、好ましくは７０％以上がくぼみ部となるように設けることが好ましい。
また、くぼみ部３４の奥行きとしては、くぼみ部３４に流れた反応ガスがくぼみ部３４にておいて十分に対流できる奥行きとすればよく、たとえば断熱部材１６の厚みの５０％以上とすることができる。
図５Ａおよび図５Ｂは、図２に示したセルスタック装置８およびセルスタック装置８（セルスタック５）の側面に配置される断熱部材を抜粋して示す側面図であり、図５Ａは反応ガス導入部材１２側から見た側面図、図５Ｂは反対側より見た側面図を示している。なお、図５Ａおよび図５Ｂにおいて、改質器６は省略して示しており、またセルスタック５の両端には、セルスタック５にて発電された電力を集電するための端部集電部材１９が設けられている。
図５Ａおよび図５Ｂにおいて、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に並設した断熱部材２０および断熱部材２１は、複数の板片を組み合わせて一体化して形成されており、セルスタック５の配列方向における中央部側を含む一部が断熱部材２０および断熱部材２１により覆われない開口部２２として形成されている。
なお、断熱部材２０および断熱部材２１に開口部２２を形成するにあたり、複数の板片を組み合わせて形成した例を示しているが、１枚の板状の断熱部材の一部を中空とした形状（すなわち、１枚の板状の断熱部材の一部をくり貫いた形状）とすることもできる。それにより、複数の板片を組み合わせる場合であっても、１枚の板状の断熱部材の一部をくり貫く場合であっても、開口部２２を有する断熱部材２０（断熱部材２１）を容易に形成することができる。
そして、セルスタック５の側面側に、開口部２２を有する断熱部材２０および断熱部材２１を配置することから、セルスタック５の発電により生じる熱は、開口部２２を通じて放熱することができ、それにより、断熱部材２０および断熱部材２１に覆われていない開口部２２と対向して配置される燃料電池セル３（燃料電池セル３の配列方向における中央部近傍に位置する燃料電池セル３）の温度を下げることができ、セルスタック５を均一な温度分布に近づけることができる。
さらに、断熱部材２０および断熱部材２１が開口部２２を有することから、反応ガス導入部材１２によってセルスタック５の下端側より供給される反応ガス（酸素含有ガス）は、燃料電池セル３を上端側に向けて流れるとともに、その反応ガスの一部が開口部２２に流れることとなる。そして開口部２２に流れた反応ガスは、開口部２２に対向して配置される燃料電池セル３の温度分布に伴い、開口部２２において対流することとなる。
それにより、断熱部材２０および断熱部材２１に覆われていない開口部２２と対向して配置される燃料電池セル３（燃料電池セル３の配列方向における中央部近傍に位置する燃料電池セル３）の温度を均一に近づけることができ、セルスタック５全体を均一な温度分布に近づけることができる。あわせて、セルスタック５の発電量が低下すること、さらにはセルスタック５が破損することを抑制することができる。
なお、断熱部材２０および断熱部材２１の大きさとしては、セルスタック５の側面における外形と同等またはそれ以上の大きさとするのが好ましい。それにより、燃料電池セル３に効率よく反応ガスを供給できるとともに、セルスタック５の温度が低下しすぎることを抑制できる。なお、セルスタック５の側面における外形と同等とは、上述したとおりである。
なお、反応ガス導入部材１２側に位置する断熱部材２０において、開口部２２の下部にも開口する領域（断熱部材２０の一部を切り欠いている領域）があるが、これは反応ガス導入部材１２より燃料電池セル３に反応ガスを導入するために開口している領域（反応ガス導入部２３）である。すなわち、反応ガス導入部材１２より導入される反応ガスは、反応ガス導入部２３から燃料電池セル３の外周（燃料電池セル３間）に導入され、燃料電池セル３の高さ方向に流れて、燃料電池セル３の発電に使用される。なお、燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路を流れた余剰の燃料ガスと、燃料電池セル３間を燃料電池セル３の高さ方向に流れた余剰の反応ガス（酸素含有ガス）とを、燃料電池セル３の上端部側にて燃焼させることができ、それにより、図１に示したようにセルスタック５の上方に配置される改質器６の温度を効率よく上昇させることができ、改質器６での改質反応を向上することができる。
ここで、開口部２２の大きさは、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の形状や、セルスタック５の配列方向における長さ、さらにはセルスタック５の温度分布等に基づいて適宜設定することができる。なお、好ましくはセルスタック５の配列方向における中央部を中心として左右対称となるようにするのが好ましい。
また、セルスタック５の上端部側で、燃料電池セル３の発電に使用されなかった余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスとを燃焼させる場合においては、開口部２２は、燃料電池セル３の長手方向における中央部を含み、上端部側に広がる形状とすることが好ましい。
これは、セルスタック５の上端部側で燃焼反応を行うため、セルスタック５の上端部側の温度が高くなり、また反応ガス導入部材１２により導入される反応ガスを、燃料電池セル３の下端部側の反応ガス導入部２３より導入することにより、燃料電池セル３の下端部側の温度が低くなり、燃料電池セル３の高さ方向において、燃料電池セル３の上端部側の温度が高く、下端部側の温度が低いという温度分布が生じる。
それゆえ、開口部２２を上端部側に広げることにより、燃料電池セル３の上端部側の温度を下げるとともに、燃料電池セル３の下端部側の温度が下がることを抑制し、燃料電池セル３の高さ方向における温度分布を均一に近づけることができる。
ここで開口部２２の大きさについて説明すると、燃料電池セル３の配列方向に対応する開口部２２の長さとしては、セルスタック５の配列方向における長さの６０％以上、好ましくは７５％以上の長さとするのが好ましい。
また、燃料電池セル３の高さ方向（長手方向）に対応する開口部２２の長さ（高さ）としては、燃料電池セル３に設けられる発電部（支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質および酸素側電極を順に設けてなる中空平板型の燃料電池セル３においては酸素側電極）の長手方向（高さ方向）における長さの５０％以上、好ましくは７０％以上が開口部となるように設けることが好ましい。
なお、セルスタック５の側面側に配置する断熱部材は、収納容器２内に収納するセルスタック５の数や、反応ガス導入部材１２の数等を考慮して適宜配置することになるが、たとえばセルスタック５を２つ併設し、その両側（外側）に反応ガス導入部材１２を配置した燃料電池モジュールにおいては、反応ガス導入部材１２とセルスタック５との間に断熱部材を配置するとともに、セルスタック５間に１つの断熱部材を配置することも可能である。
なお、図２は、図５Ａおよび図５Ｂで示すセルスタック装置８のうち、セルスタック５の端部側（燃料電池セル３の長手方向を覆っている断熱部材が配置されている部位）における断面図を示している。
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の燃料電池モジュールの他の一例において、収納容器２に収納されるセルスタック装置２４およびセルスタック５の側面に配置される断熱部材を抜粋して示している。なお、図６Ａは反応ガス導入部材１２側から見た側面図、図６Ｂは反対側より見た側面図を示している。また、図５Ａおよび図５Ｂと同様に、改質器６は省略して示しており、またセルスタック５の両端には、セルスタック５にて発電された電力を集電するための端部集電部材１９が設けられている。
ここで、図６Ａおよび図６Ｂに示したセルスタック装置２４においては、セルスタック５の側面側の上端部側と下端部側とにそれぞれ断熱部材を配置している（すなわち、上端部側と下端部側に配置される断熱部材が、上下方向（燃料電池セル３の長手方向）に空間を空けて配置されている）。なお、図６Ａにおいては、上端部側に断熱部材２５を配置し、下端部側に断熱部材２６を配置しており、図６Ｂにおいては、上端部側に断熱部材２７を配置し、下端部側に断熱部材２８を配置している。
また、これらの断熱部材２５、２６、２７、２８は、燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック５の長さと同等またはそれ以上の長さを有することが好ましく、図６Ａおよび図６Ｂにおいては、セルスタック５より長い（セルスタック５と端部集電部材１９の一部の長さ）状態を示している。なお、セルスタック５の長さと同等とは、セルスタック５の長さの９０％以上の長さを示している。
そしてセルスタック装置２４においては、セルスタック５の上端部側に配置される断熱部材２５、２７と、それに対応してセルスタック５の下端部側に配置される断熱部材２６、２８とが上下方向（燃料電池セル３の長手方向）に空間を空けて配置されていることから、断熱部材により覆われていない空間が開口部に相当し、以降の説明においては、この領域を開口部２９として説明する。
セルスタック５の発電により生じる熱は、開口部２９を通じて放熱することができる。ここで、開口部２９は燃料電池セル３の配列方向における一端から他端にわたって設けられる（貫通するように設けられている）ことから、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の温度が全体的に下がることとなる。
しかしながら、開口部２９が燃料電池セル３の配列方向における一端から他端にわたって設けられることから、開口部２９を流れる空気が、セルスタック５において最も温度が高い燃料電池セル３の配列方向における中央部と、セルスタック５において最も温度が低い端部との間で空気の対流を生じることとなる。それにより、中央部の温度は下がるとともに、端部の温度が上昇することから、セルスタック５を均一な温度分布に近づけることができる。
なお、断熱部材２６は、反応ガス導入部材１２より供給される反応ガスが燃料電池セル３の外周（燃料電池セル３間）に導入されるよう、燃料電池セル３とマニホールド４との接続部（マニホールド４の表面）と上下方向（燃料電池セル３の長手方向）に空間を空けて配置されている。
このようにセルスタック５の配列方向に沿ってセルスタック５の側面に、上部と下部とが少なくとも断熱部材で覆われた燃料電池セル３間に供給された反応ガスを流入させて対流させるための空間を設けることにより、燃料電池セル３間に供給された空気の一部が空間内にて対流することから、セルスタック５を均一な温度分布に近づけることができる。
ここで、セルスタック５の側面側に並設する断熱部材はその形状を長期間保持することが好ましい（すなわち、開口部の形状を長期間保持することが好ましい）。それゆえ、セルスタック５の反応ガス導入部材１２側の側面に並設される断熱部材と、反応ガス導入部材１２と反対側の側面に並設される断熱部材は、それぞれ固定されていることが好ましい。
図７Ａおよび図７Ｂは、燃料電池モジュールにおける反応ガス導入部材の一例を示したものであり、図７Ｂは、反応ガス導入部材１２側に配置される断熱部材を係合固定するための係合部材３０を設けた反応ガス導入部材１２を示しており、図７Ａは係合部材を設けていない反応ガス導入部材１２を示している。図７Ａおよび図７Ｂの説明においては、図５Ａにて示した断熱部材２０を用いて説明する。
セルスタック５の反応ガス導入部材１２側の側面側に開口部２２を有する断熱部材２０配置するにあたり、断熱部材２０の種類や強度によっては、開口部２２の形状を長期間保持することが難しい場合がある。それゆえ、開口部２２を有する断熱部材２０を用いる場合においては、開口部２２の形状を長期間保持できるよう、開口部２２と反応ガス導入部材１２とを係合して固定することが好ましい。
ここで、開口部２２を有する断熱部材２０の強度が十分に強い場合（たとえば、断熱部材２０がボード状の断熱部材の場合等）には、図７Ａに示した反応ガス導入部材１２を用い、開口部２２を有する断熱部材２０と反応ガス導入部材１２とを当接して固定することができる。それにより、開口部２２の形状を長期間保持することができる。
一方、開口部２２を有する断熱部材２０の強度が弱い場合（たとえば、断熱部材２０がウール状の断熱部材等の場合）には、図７Ａに示した反応ガス導入部材１２に当接して固定した場合に、開口部２２の形状を長期間保持できない場合がある。
それゆえ図７Ｂに示した反応ガス導入部材１２においては、反応ガス導入部材１２の表面に断熱部材（開口部２２）を係合固定するための係合部材３０を設けている。開口部２２を有する断熱部材２０を係合部材３０に係合することにより、開口部２２を有する断熱部材２０の強度が弱い場合においても、開口部２２の形状を長期間保持することができる。
なお、図７Ｂにおいては、係合部材３０として、反応ガス導入部材１２の高さ方向に柱状の部材を２箇所に設けるとともに、その高さ方向に設けた柱状の部材の上端同士を接続するように、反応ガス導入部材１２の長さ方向（すなわち、燃料電池セル３の配列方向）に柱状の部材を設けて、係合部材３０とした例を示している。
このようにすることで、断熱部材２０における開口部２２の形状と、係合部材３０の形状をあわせるとともに、断熱部材２０を係合部材３０に係合することにより、開口部２２の形状を長期間保持することができる。そして、断熱部材２０を係合部材３０に係合するだけで、開口部２２を容易に形成することができる。
なお、係合部材３０の形状は、開口部２２の形状にあわせて適当な形状とすることができる。それゆえ、たとえば口の字状、円形、楕円形、三角形状等の形状とすることができる。
また、図７Ａおよび図７Ｂにおける反応ガス導入部材１２においては、反応ガスをセルスタック５に導入するための吹出口１３を複数設けており、特に燃料電池セル３の配列方向における中央部側に対応する吹出口１３はその間隔を狭く、燃料電池セル３の配列方向における端部側に対応する吹出口１３はその間隔を広くして設けている。それにより、セルスタック５の中央部側に多くの反応ガスが供給されることで、セルスタック５の中央部側の熱を端部側に比べて放熱することができ、セルスタック５の温度を均一な温度分布に近づけることができる。
図８Ａおよび図８Ｂは、開口部２２を有する断熱部材２０を、係合部材３０を介して反応ガス導入部材１２に係合した状態を示すものであり、図８Ａは１枚の板材の一部をくり貫いた形状の断熱部材２０を反応ガス導入部材１２（係合部材３０）に係合した状態を、図８Ｂは複数の板片の断熱部材を組み合わせて一体化し、開口部２２を有する断熱部材２０として反応ガス導入部材１２（係合部材３０）に係合した状態を示している。なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいては、反応ガス導入部材１２より供給される反応ガスをセルスタック５に導入するための開口部２３は省略して示している。
断熱部材２０における開口部２２の形状と係合部材３０の形状とをあわせることで、開口部２２を有する断熱部材２０を係合部材３０と係合でき、反応ガス導入部材１２に固定することができる。またあわせて、開口部２２を容易に形成することができる。
なお、開口部２２を有する断熱部材２０の形状を図８Ａで示した１枚の板材の一部をくり貫いた形状とするか、図８Ｂで示した複数の板片の断熱部材を組み合わせ一体化した形状とするかは、燃料電池モジュールを形成する収納容器２の形状に応じて、適宜選択して形成することができる。
たとえば、図２で示した燃料電池モジュール１においては、開口部を有する断熱部材２０の形状を図８Ｂで示した複数の板片の断熱部材を組み合わせて一体化した形状とすることにより、燃料電池モジュール１の組み立てが容易となる。
具体的には、係合部材３０の反応ガス導入部材１２の高さ方向の長さの板片の断熱部材（左右に位置する断熱部材に相当）と、係合部材３０の反応ガス導入部材１２の長さ方向（燃料電池セル３の配列方向）の長さと左右に位置する断熱部材の幅とを合わせた長さの板片の断熱部材（上下に位置する断熱部材に相当）とを形成する。
そして、収納容器２内にセルスタック装置８をスライドして挿入した後、左右に位置する断熱部材を、係合部材３０に接するまで、収納容器２の両側よりセルスタック５と反応ガス導入部材１２の隙間に挿入する。その後、上下に位置する断熱部材を、セルスタック５と反応ガス導入部材１２の隙間に挿入する。なおその際、上側に位置する断熱部材は、係合部材３０に載置されるように挿入する。それにより、上側に位置する断熱部材は係合部材３０に載置された状態となり、さらに下側に位置する断熱部材はマニホールド７に載置された状態となり、左右に位置する断熱部材は係合部材３０に当接した状態となり、それぞれの板片の断熱部材を容易に固定することができる。なお、それぞれの板片の断熱部材を固定するにあたっては、当接して固定する他、接着剤等により固定することもできる。
図９Ａおよび図９Ｂは、図６にて示した断熱部材２５、２６を反応ガス導入部材１２に係合固定することを示すもので、図９Ａは反応ガス導入部材１２に係合部材３１を設けた状態を、図９Ｂは係合部材３１に、断熱部材２５および断熱部材２６を載置した状態を示している。
図６で示した断熱部材２５および断熱部材２６は、セルスタック５の長さと同等もしくはそれ以上の長さを有することから、係合部材３１は燃料電池セル３の配列方向に沿って、反応ガス導入部材１２の一端から他端にわたるように設けることが好ましい。
それにより、断熱部材２５および断熱部材２６を係合部材３１に載置するだけで、図６で示す開口部２９を容易に形成することができるとともに、燃料電池モジュール１の組み立てが容易となる。
具体的には、上述した組み立て方と同様に、収納容器２内にセルスタック装置２４をスライドして挿入した後、係合部材３１に載置されるように断熱部材２５および断熱部材２６を挿入することで組み立てることができる。
図１０は、セルスタック装置２４を示す外観斜視図であり、セルスタック５を挟んで反応ガス導入部材１２と反対側に設けられた固定部材３２により断熱部材を固定している状態を示しており、図１１は図１０で示すセルスタック装置２４を収納容器２内に収納してなるモジュール３５の断面図を示している。なお、図１１において、断熱部材２５、２６、２７、２８を斜線にて示している。
図１０においては、セルスタック５を挟んで反応ガス導入部材１２（図示せず）と反対側に板状の固定部材３２を配置し、セルスタック５と固定部材３２との間に、断熱部材２７および断熱部材２８を配置している。すなわち、セルスタック５の外側より固定部材３２によって断熱部材２７および断熱部材２８を当接して固定している。
なお図１０においては、固定部材３２を、改質器６に設けた固定部３３およびマニホールド４に設けた固定部３４に螺子等により固定した状態を示しており、それにより、固定部材３２を改質器６およびマニホールド４により固定するとともに、断熱部材２７および断熱部材２８を固定することができる。
なお、固定部材３２としては耐熱性に優れたものであれば特に制限はなく、たとえばステンレス等の金属により形成することができる。
また、図１０においては、固定部材３２を、固定部３３および固定部３４により改質器６およびマニホールド４に固定した例を示したが、固定部材３２の一部を折り曲げるなどして、改質器６およびマニホールド４に直接固定することもできる。なお、固定部材３２は改質器６およびマニホールド４のいずれか一方に固定することもできる。
さらに、断熱部材２７および断熱部材２８は、固定部材３２に当接することにより固定することができるが、モジュール３５の組み立てをより容易にするにあたり、固定部材３２に係合部材を設けることもできる。それにより、モジュール３５を容易に組み立てることができる。
ところで、このようなモジュールを構成する燃料電池セル３としては、支持基板の一方側表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セルとすることが好ましい。
また、支持基板の内部にはガス流路が設けられていることが好ましく、図１に示すセルスタック装置８においては、改質器６にて改質された燃料ガスが、燃料ガス供給管７およびマニホールド４を介して支持基板内部のガス流路を下端部側より上端部側に向けて流れ、これを反応ガス導入部材１２より供給される酸素含有ガスと反応することにより発電が行なわれる。
また、燃料電池セル３の形状としては、平板型、円筒型、中空平板型等が知られているが、燃料電池セル３（セルスタック５）の発電を効率よく行なう上で、中空平板型の燃料電池セルとすることが好ましい。
そして、上述したようなモジュールを外装ケース内に収納することにより、燃料電池セル３の配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率を向上した燃料電池装置とすることができる。
なおこの際、燃料電池セル３を固体酸化物形燃料電池セルとすることにより、モジュールのほか、燃料電池セルの動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。また、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
たとえば、燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に酸素含有ガスを流通させ、反応ガス導入部材１２より燃料ガスを導入することもできる。
また、セルスタック５の反応ガス導入部材１３側の側面に並設される断熱部材２０を、反応ガス導入部材１２より供給される反応ガスをセルスタック５に導入するための開口部２３を有する断熱部材と、セルスタック５の側面中央部と対向する開口部２２とを有する断熱部材の２つより構成することも可能である。なおこの場合においては、反応ガス導入部材１２より供給される反応ガスをセルスタック５に供給するための開口部を有する断熱部材をボード状の断熱部材で形成し、セルスタック５の側面中央部と対向する開口部を有する断熱部材を綿状の断熱部材で形成することもできる。
図１は、本発明の燃料電池モジュール（以下モジュールという場合がある）の一例を示す外観斜視図である。なお、異なる図中の同一の構成要素については、同一の符号を付与するものとする。
モジュール１は、直方体状の収納容器２の内部に、内部をガスが流通するガス流路を有する燃料電池セル３を立設させた状態で配列し、隣接する燃料電池セル３間に集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続するとともに、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド４に固定してなるセルスタック５を収納して構成されている。また、図１においては、燃料電池セル３として、燃料電池セル３の内部に長手方向に設けられたガス流路を燃料ガスが流れる中空平板型で、支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形燃料電池セル３を例示している。
また、燃料電池セル３にて使用する水素含有ガスを得るために、天然ガスや灯油等の燃料を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成するための改質器６をセルスタック５の上方に配置している。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、ガス流通管７によりマニホールド４に供給され、マニホールド４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。そして上記の構成により、セルスタック装置８が構成される。
なお、図１においては、収納容器２の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置８を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示したモジュール１においては、セルスタック装置８を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。
図２は、図１で示すモジュール１の断面図である。モジュール１を構成する収納容器２は、内壁９と外壁１０を有する二重構造で、外壁１０により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁９によりセルスタック５（セルスタック装置８）を収納する発電室１１が形成されている。
さらにモジュール１においては、内壁９と外壁１０との間を、燃料電池セル３に導入する反応ガスの流路としており、たとえば、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガス等の反応ガスが流れる。
ここで内壁９には、内壁９の上面からセルスタック５の側面の側方にまで延び、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向における長さに対応し、内壁９と外壁１０とで形成される流路につながって、セルスタック５に反応ガスを導入するための反応ガス導入部材１２が備えられている。また、反応ガス導入部材１２の下端部側（燃料電池セル３の下端部側）には、燃料電池セル３に反応ガスを導入するための吹出口１３が設けられている。
なお図２において、反応ガス導入部材１２は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により反応ガス導入流路を形成し、下端部で底部材に接合して形成されている。また、図２においては、反応ガス導入部材１２は、収納容器２の内部に並置された２つのセルスタック５（セルスタック装置８）間に位置するように配置されている。なお、反応ガス導入部材１２は、収納されるセルスタック５の数により、たとえばセルスタック５を２つの反応ガス導入部材１２で挟み込むように配置してもよい。
そして、反応ガス導入部材１２の内部に、温度センサ１４の測温部１５が位置するよう、温度センサ１４が収納容器２の上面側より挿入されている。なお、温度センサ１４としては、たとえば熱電対を用いることができる。
ここで、燃料電池セル３は所定の温度範囲で運転されるため、発電室１１内（好ましくはセルスタック５もしくはその近傍）の温度を測定するとともに、その温度管理を行なうことが必要となる。特に燃料電池セル３が、固体酸化物形燃料電池セル３の場合においては、その運転温度が非常に高く、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が過度に上昇すると、発電量が低下し、さらには劣化や熱応力により燃料電池セル３（セルスタック５）に破損等を生じるおそれがあるため、セルスタック５近傍の温度を効果的に測定するとともに、その温度管理を行なうことが特に必要となる。それゆえ、温度センサ１２は、測温部１５がセルスタック５の最も高い温度となる中央部側（セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の中央部で、かつ燃料電池セル３の長手方向における中央部に位置する部位）を測定できるように配置することが好ましい。
また発電室１１内には、モジュール１内の熱が極端に放熱され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないようにするために、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱部材１６が適宜設けられている。なお、断熱部材１６としては、絶縁性であり、かつ断熱効果を有しているものを使用することができ、たとえば断熱材を用いることができる。
ここで、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度を高温で維持すべく、断熱部材１６をセルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に並設するとともに、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材１６を並設することが好ましい。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材１６を並設することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。なお、セルスタック５の側面の外形と同等とは、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向における長さの９０％以上で、かつ燃料電池セル３の長手方向における長さの９０％以上の長さとすることが好ましい。以降の説明においても同様である。
また、セルスタック５の側面側に、セルスタック５の側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材１６を設けることにより、反応ガス導入部材１２より供給されるガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の外周の反応ガスの流れを促進することができる。
なお、反応ガス導入部材１２側に配置する断熱部材１６の下端部は、反応ガスを燃料電池セル３に導入するための切り欠き部を有していることが好ましい。
また、内壁９により形成される底面（内部底面）および燃料電池セル３の配列方向に沿って形成された側面（内部側面）に対して所定間隔を空けて併設された排ガス用内壁１７により排ガス流路が形成され、さらに収納容器２の底部に設けられた排気孔１８と排ガス流路が通じている。
それにより、モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路を流れた後、排気孔１８より排気される構成となっている。
なお、排気孔１８は収納容器２の底（底面）の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
ここで、セルスタック５において、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の端部側に配置される燃料電池セル３は放熱しやすく、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の配列方向の中央部側に配置される燃料電池セル３は放熱しにくい。それゆえ、セルスタック５全体として中央部側の温度が高く、端部側の温度が低いという不均一な温度分布を生じる場合がある。
ここで、セルスタック５に不均一な温度分布が生じると、燃料電池セル３に供給されるガス（燃料ガス等）の流れにばらつきが生じ、セルスタック５の発電量が低下する、セルスタック５が劣化や破損するといったおそれがあった。
それゆえ、本発明者らは鋭意研究した結果、セルスタック５の近傍に配置する断熱部材の形状、特にはセルスタック５の側面側に並設する断熱部材の形状を調整することにより、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における温度分布を均一に近づけることができることを見出した。
図３は、図２に示したセルスタック装置８およびセルスタック装置８（セルスタック５）の側面に配置される断熱部材１６を抜粋して示す外観斜視図であり、図４は図３に示したセルスタック装置８および断熱部材１６を収納容器２内に収納してなる燃料電池モジュール１の断面図を示している。なお、図４においては断熱部材１６を斜線で示している。
図３において、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に並設した断熱部材１６は、一枚の板材からなる断熱部材１６の一部に、セルスタック５の配列方向における中央部側と対向して、くぼみ部３４が設けられている。
そして、セルスタック５の側面側に、くぼみ部３４を有する断熱部材１６を配置することから、セルスタック５の発電により生じる熱は、くぼみ部３４を通じて放熱することができ、それによりくぼみ部３４と対向して配置される燃料電池セル３（燃料電池セル３の配列方向における中央部近傍に位置する燃料電池セル３）の温度を下げることができ、セルスタック５を均一な温度分布に近づけることができる。
さらに、断熱部材１６がくぼみ部３４を有することから、反応ガス導入部材１２によってセルスタック５の下端側より供給される反応ガス（酸素含有ガス）は、燃料電池セル３を上端側に向けて流れるとともに、その反応ガスの一部がくぼみ部３４に流れることとなる。そしてくぼみ部３４に流れた反応ガスは、くぼみ部３４に対向して配置される燃料電池セル３の温度分布に伴い、くぼみ部３４において対流することとなる。
それにより、くぼみ部３４と対向して配置される燃料電池セル３（燃料電池セル３の配列方向における中央部近傍に位置する燃料電池セル３）の温度を均一に近づけることができ、セルスタック５全体を均一な温度分布に近づけることができる。
なお、断熱部材１６の大きさとしては、セルスタック５の側面における外形と同等またはそれ以上の大きさとするのが好ましい。それにより、燃料電池セル３に効率よく反応ガスを供給できるとともに、セルスタック５の温度が低下しすぎることを抑制できる。なお、セルスタック５の側面における外形と同等とは、上述したとおりである。
ここで、くぼみ部３４の大きさは、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の形状や、セルスタック５の配列方向における長さ、さらにはセルスタック５の温度分布等に基づいて適宜設定することができる。なお、好ましくはセルスタック５の配列方向における中央部を中心として左右対称となるようにするのが好ましい。
ここでくぼみ部３４の大きさについて説明すると、燃料電池セル３の配列方向に対応するくぼみ部３４の長さとしては、セルスタック５の配列方向における長さの６０％以上、好ましくは７５％以上の長さとするのが好ましい。
また、燃料電池セル３の高さ方向（長手方向）に対応するくぼみ部３４の長さ（高さ）としては、燃料電池セル３に設けられる発電部（支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質および酸素側電極を順に設けてなる中空平板型の燃料電池セル３においては酸素側電極）の長手方向（高さ方向）における長さの５０％以上、好ましくは７０％以上がくぼみ部となるように設けることが好ましい。
また、くぼみ部３４の奥行きとしては、くぼみ部３４に流れた反応ガスがくぼみ部３４にておいて十分に対流できる奥行きとすればよく、たとえば断熱部材１６の厚みの５０％以上とすることができる。
図５Ａおよび図５Ｂは、図２に示したセルスタック装置８およびセルスタック装置８（セルスタック５）の側面に配置される断熱部材を抜粋して示す側面図であり、図５Ａは反応ガス導入部材１２側から見た側面図、図５Ｂは反対側より見た側面図を示している。なお、図５Ａおよび図５Ｂにおいて、改質器６は省略して示しており、またセルスタック５の両端には、セルスタック５にて発電された電力を集電するための端部集電部材１９が設けられている。
図５Ａおよび図５Ｂにおいて、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に並設した断熱部材２０および断熱部材２１は、複数の板片を組み合わせて一体化して形成されており、セルスタック５の配列方向における中央部側を含む一部が断熱部材２０および断熱部材２１により覆われない開口部２２として形成されている。
なお、断熱部材２０および断熱部材２１に開口部２２を形成するにあたり、複数の板片を組み合わせて形成した例を示しているが、１枚の板状の断熱部材の一部を中空とした形状（すなわち、１枚の板状の断熱部材の一部をくり貫いた形状）とすることもできる。それにより、複数の板片を組み合わせる場合であっても、１枚の板状の断熱部材の一部をくり貫く場合であっても、開口部２２を有する断熱部材２０（断熱部材２１）を容易に形成することができる。
そして、セルスタック５の側面側に、開口部２２を有する断熱部材２０および断熱部材２１を配置することから、セルスタック５の発電により生じる熱は、開口部２２を通じて放熱することができ、それにより、断熱部材２０および断熱部材２１に覆われていない開口部２２と対向して配置される燃料電池セル３（燃料電池セル３の配列方向における中央部近傍に位置する燃料電池セル３）の温度を下げることができ、セルスタック５を均一な温度分布に近づけることができる。
さらに、断熱部材２０および断熱部材２１が開口部２２を有することから、反応ガス導入部材１２によってセルスタック５の下端側より供給される反応ガス（酸素含有ガス）は、燃料電池セル３を上端側に向けて流れるとともに、その反応ガスの一部が開口部２２に流れることとなる。そして開口部２２に流れた反応ガスは、開口部２２に対向して配置される燃料電池セル３の温度分布に伴い、開口部２２において対流することとなる。
それにより、断熱部材２０および断熱部材２１に覆われていない開口部２２と対向して配置される燃料電池セル３（燃料電池セル３の配列方向における中央部近傍に位置する燃料電池セル３）の温度を均一に近づけることができ、セルスタック５全体を均一な温度分布に近づけることができる。あわせて、セルスタック５の発電量が低下すること、さらにはセルスタック５が破損することを抑制することができる。
なお、断熱部材２０および断熱部材２１の大きさとしては、セルスタック５の側面における外形と同等またはそれ以上の大きさとするのが好ましい。それにより、燃料電池セル３に効率よく反応ガスを供給できるとともに、セルスタック５の温度が低下しすぎることを抑制できる。なお、セルスタック５の側面における外形と同等とは、上述したとおりである。
なお、反応ガス導入部材１２側に位置する断熱部材２０において、開口部２２の下部にも開口する領域（断熱部材２０の一部を切り欠いている領域）があるが、これは反応ガス導入部材１２より燃料電池セル３に反応ガスを導入するために開口している領域（反応ガス導入部２３）である。すなわち、反応ガス導入部材１２より導入される反応ガスは、反応ガス導入部２３から燃料電池セル３の外周（燃料電池セル３間）に導入され、燃料電池セル３の高さ方向に流れて、燃料電池セル３の発電に使用される。なお、燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路を流れた余剰の燃料ガスと、燃料電池セル３間を燃料電池セル３の高さ方向に流れた余剰の反応ガス（酸素含有ガス）とを、燃料電池セル３の上端部側にて燃焼させることができ、それにより、図１に示したようにセルスタック５の上方に配置される改質器６の温度を効率よく上昇させることができ、改質器６での改質反応を向上することができる。
ここで、開口部２２の大きさは、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の形状や、セルスタック５の配列方向における長さ、さらにはセルスタック５の温度分布等に基づいて適宜設定することができる。なお、好ましくはセルスタック５の配列方向における中央部を中心として左右対称となるようにするのが好ましい。
また、セルスタック５の上端部側で、燃料電池セル３の発電に使用されなかった余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスとを燃焼させる場合においては、開口部２２は、燃料電池セル３の長手方向における中央部を含み、上端部側に広がる形状とすることが好ましい。
これは、セルスタック５の上端部側で燃焼反応を行うため、セルスタック５の上端部側の温度が高くなり、また反応ガス導入部材１２により導入される反応ガスを、燃料電池セル３の下端部側の反応ガス導入部２３より導入することにより、燃料電池セル３の下端部側の温度が低くなり、燃料電池セル３の高さ方向において、燃料電池セル３の上端部側の温度が高く、下端部側の温度が低いという温度分布が生じる。
それゆえ、開口部２２を上端部側に広げることにより、燃料電池セル３の上端部側の温度を下げるとともに、燃料電池セル３の下端部側の温度が下がることを抑制し、燃料電池セル３の高さ方向における温度分布を均一に近づけることができる。
ここで開口部２２の大きさについて説明すると、燃料電池セル３の配列方向に対応する開口部２２の長さとしては、セルスタック５の配列方向における長さの６０％以上、好ましくは７５％以上の長さとするのが好ましい。
また、燃料電池セル３の高さ方向（長手方向）に対応する開口部２２の長さ（高さ）としては、燃料電池セル３に設けられる発電部（支持基板の表面に、燃料側電極、固体電解質および酸素側電極を順に設けてなる中空平板型の燃料電池セル３においては酸素側電極）の長手方向（高さ方向）における長さの５０％以上、好ましくは７０％以上が開口部となるように設けることが好ましい。
なお、セルスタック５の側面側に配置する断熱部材は、収納容器２内に収納するセルスタック５の数や、反応ガス導入部材１２の数等を考慮して適宜配置することになるが、たとえばセルスタック５を２つ併設し、その両側（外側）に反応ガス導入部材１２を配置した燃料電池モジュールにおいては、反応ガス導入部材１２とセルスタック５との間に断熱部材を配置するとともに、セルスタック５間に１つの断熱部材を配置することも可能である。
なお、図２は、図５Ａおよび図５Ｂで示すセルスタック装置８のうち、セルスタック５の端部側（燃料電池セル３の長手方向を覆っている断熱部材が配置されている部位）における断面図を示している。
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の燃料電池モジュールの他の一例において、収納容器２に収納されるセルスタック装置２４およびセルスタック５の側面に配置される断熱部材を抜粋して示している。なお、図６Ａは反応ガス導入部材１２側から見た側面図、図６Ｂは反対側より見た側面図を示している。また、図５Ａおよび図５Ｂと同様に、改質器６は省略して示しており、またセルスタック５の両端には、セルスタック５にて発電された電力を集電するための端部集電部材１９が設けられている。
ここで、図６Ａおよび図６Ｂに示したセルスタック装置２４においては、セルスタック５の側面側の上端部側と下端部側とにそれぞれ断熱部材を配置している（すなわち、上端部側と下端部側に配置される断熱部材が、上下方向（燃料電池セル３の長手方向）に空間を空けて配置されている）。なお、図６Ａにおいては、上端部側に断熱部材２５を配置し、下端部側に断熱部材２６を配置しており、図６Ｂにおいては、上端部側に断熱部材２７を配置し、下端部側に断熱部材２８を配置している。
また、これらの断熱部材２５、２６、２７、２８は、燃料電池セル３の配列方向におけるセルスタック５の長さと同等またはそれ以上の長さを有することが好ましく、図６Ａおよび図６Ｂにおいては、セルスタック５より長い（セルスタック５と端部集電部材１９の一部の長さ）状態を示している。なお、セルスタック５の長さと同等とは、セルスタック５の長さの９０％以上の長さを示している。
そしてセルスタック装置２４においては、セルスタック５の上端部側に配置される断熱部材２５、２７と、それに対応してセルスタック５の下端部側に配置される断熱部材２６、２８とが上下方向（燃料電池セル３の長手方向）に空間を空けて配置されていることから、断熱部材により覆われていない空間が開口部に相当し、以降の説明においては、この領域を開口部２９として説明する。
セルスタック５の発電により生じる熱は、開口部２９を通じて放熱することができる。ここで、開口部２９は燃料電池セル３の配列方向における一端から他端にわたって設けられる（貫通するように設けられている）ことから、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の温度が全体的に下がることとなる。
しかしながら、開口部２９が燃料電池セル３の配列方向における一端から他端にわたって設けられることから、開口部２９を流れる空気が、セルスタック５において最も温度が高い燃料電池セル３の配列方向における中央部と、セルスタック５において最も温度が低い端部との間で空気の対流を生じることとなる。それにより、中央部の温度は下がるとともに、端部の温度が上昇することから、セルスタック５を均一な温度分布に近づけることができる。
なお、断熱部材２６は、反応ガス導入部材１２より供給される反応ガスが燃料電池セル３の外周（燃料電池セル３間）に導入されるよう、燃料電池セル３とマニホールド４との接続部（マニホールド４の表面）と上下方向（燃料電池セル３の長手方向）に空間を空けて配置されている。
このようにセルスタック５の配列方向に沿ってセルスタック５の側面に、上部と下部とが少なくとも断熱部材で覆われた燃料電池セル３間に供給された反応ガスを流入させて対流させるための空間を設けることにより、燃料電池セル３間に供給された空気の一部が空間内にて対流することから、セルスタック５を均一な温度分布に近づけることができる。
ここで、セルスタック５の側面側に並設する断熱部材はその形状を長期間保持することが好ましい（すなわち、開口部の形状を長期間保持することが好ましい）。それゆえ、セルスタック５の反応ガス導入部材１２側の側面に並設される断熱部材と、反応ガス導入部材１２と反対側の側面に並設される断熱部材は、それぞれ固定されていることが好ましい。
図７Ａおよび図７Ｂは、燃料電池モジュールにおける反応ガス導入部材の一例を示したものであり、図７Ｂは、反応ガス導入部材１２側に配置される断熱部材を係合固定するための係合部材３０を設けた反応ガス導入部材１２を示しており、図７Ａは係合部材を設けていない反応ガス導入部材１２を示している。図７Ａおよび図７Ｂの説明においては、図５Ａにて示した断熱部材２０を用いて説明する。
セルスタック５の反応ガス導入部材１２側の側面側に開口部２２を有する断熱部材２０配置するにあたり、断熱部材２０の種類や強度によっては、開口部２２の形状を長期間保持することが難しい場合がある。それゆえ、開口部２２を有する断熱部材２０を用いる場合においては、開口部２２の形状を長期間保持できるよう、開口部２２と反応ガス導入部材１２とを係合して固定することが好ましい。
ここで、開口部２２を有する断熱部材２０の強度が十分に強い場合（たとえば、断熱部材２０がボード状の断熱部材の場合等）には、図７Ａに示した反応ガス導入部材１２を用い、開口部２２を有する断熱部材２０と反応ガス導入部材１２とを当接して固定することができる。それにより、開口部２２の形状を長期間保持することができる。
一方、開口部２２を有する断熱部材２０の強度が弱い場合（たとえば、断熱部材２０がウール状の断熱部材等の場合）には、図７Ａに示した反応ガス導入部材１２に当接して固定した場合に、開口部２２の形状を長期間保持できない場合がある。
それゆえ図７Ｂに示した反応ガス導入部材１２においては、反応ガス導入部材１２の表面に断熱部材（開口部２２）を係合固定するための係合部材３０を設けている。開口部２２を有する断熱部材２０を係合部材３０に係合することにより、開口部２２を有する断熱部材２０の強度が弱い場合においても、開口部２２の形状を長期間保持することができる。
なお、図７Ｂにおいては、係合部材３０として、反応ガス導入部材１２の高さ方向に柱状の部材を２箇所に設けるとともに、その高さ方向に設けた柱状の部材の上端同士を接続するように、反応ガス導入部材１２の長さ方向（すなわち、燃料電池セル３の配列方向）に柱状の部材を設けて、係合部材３０とした例を示している。
このようにすることで、断熱部材２０における開口部２２の形状と、係合部材３０の形状をあわせるとともに、断熱部材２０を係合部材３０に係合することにより、開口部２２の形状を長期間保持することができる。そして、断熱部材２０を係合部材３０に係合するだけで、開口部２２を容易に形成することができる。
なお、係合部材３０の形状は、開口部２２の形状にあわせて適当な形状とすることができる。それゆえ、たとえば口の字状、円形、楕円形、三角形状等の形状とすることができる。
また、図７Ａおよび図７Ｂにおける反応ガス導入部材１２においては、反応ガスをセルスタック５に導入するための吹出口１３を複数設けており、特に燃料電池セル３の配列方向における中央部側に対応する吹出口１３はその間隔を狭く、燃料電池セル３の配列方向における端部側に対応する吹出口１３はその間隔を広くして設けている。それにより、セルスタック５の中央部側に多くの反応ガスが供給されることで、セルスタック５の中央部側の熱を端部側に比べて放熱することができ、セルスタック５の温度を均一な温度分布に近づけることができる。
図８Ａおよび図８Ｂは、開口部２２を有する断熱部材２０を、係合部材３０を介して反応ガス導入部材１２に係合した状態を示すものであり、図８Ａは１枚の板材の一部をくり貫いた形状の断熱部材２０を反応ガス導入部材１２（係合部材３０）に係合した状態を、図８Ｂは複数の板片の断熱部材を組み合わせて一体化し、開口部２２を有する断熱部材２０として反応ガス導入部材１２（係合部材３０）に係合した状態を示している。なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいては、反応ガス導入部材１２より供給される反応ガスをセルスタック５に導入するための開口部２３は省略して示している。
断熱部材２０における開口部２２の形状と係合部材３０の形状とをあわせることで、開口部２２を有する断熱部材２０を係合部材３０と係合でき、反応ガス導入部材１２に固定することができる。またあわせて、開口部２２を容易に形成することができる。
なお、開口部２２を有する断熱部材２０の形状を図８Ａで示した１枚の板材の一部をくり貫いた形状とするか、図８Ｂで示した複数の板片の断熱部材を組み合わせ一体化した形状とするかは、燃料電池モジュールを形成する収納容器２の形状に応じて、適宜選択して形成することができる。
たとえば、図２で示した燃料電池モジュール１においては、開口部を有する断熱部材２０の形状を図８Ｂで示した複数の板片の断熱部材を組み合わせて一体化した形状とすることにより、燃料電池モジュール１の組み立てが容易となる。
具体的には、係合部材３０の反応ガス導入部材１２の高さ方向の長さの板片の断熱部材（左右に位置する断熱部材に相当）と、係合部材３０の反応ガス導入部材１２の長さ方向（燃料電池セル３の配列方向）の長さと左右に位置する断熱部材の幅とを合わせた長さの板片の断熱部材（上下に位置する断熱部材に相当）とを形成する。
そして、収納容器２内にセルスタック装置８をスライドして挿入した後、左右に位置する断熱部材を、係合部材３０に接するまで、収納容器２の両側よりセルスタック５と反応ガス導入部材１２の隙間に挿入する。その後、上下に位置する断熱部材を、セルスタック５と反応ガス導入部材１２の隙間に挿入する。なおその際、上側に位置する断熱部材は、係合部材３０に載置されるように挿入する。それにより、上側に位置する断熱部材は係合部材３０に載置された状態となり、さらに下側に位置する断熱部材はマニホールド７に載置された状態となり、左右に位置する断熱部材は係合部材３０に当接した状態となり、それぞれの板片の断熱部材を容易に固定することができる。なお、それぞれの板片の断熱部材を固定するにあたっては、当接して固定する他、接着剤等により固定することもできる。
図９Ａおよび図９Ｂは、図６にて示した断熱部材２５、２６を反応ガス導入部材１２に係合固定することを示すもので、図９Ａは反応ガス導入部材１２に係合部材３１を設けた状態を、図９Ｂは係合部材３１に、断熱部材２５および断熱部材２６を載置した状態を示している。
図６で示した断熱部材２５および断熱部材２６は、セルスタック５の長さと同等もしくはそれ以上の長さを有することから、係合部材３１は燃料電池セル３の配列方向に沿って、反応ガス導入部材１２の一端から他端にわたるように設けることが好ましい。
それにより、断熱部材２５および断熱部材２６を係合部材３１に載置するだけで、図６で示す開口部２９を容易に形成することができるとともに、燃料電池モジュール１の組み立てが容易となる。
具体的には、上述した組み立て方と同様に、収納容器２内にセルスタック装置２４をスライドして挿入した後、係合部材３１に載置されるように断熱部材２５および断熱部材２６を挿入することで組み立てることができる。
図１０は、セルスタック装置２４を示す外観斜視図であり、セルスタック５を挟んで反応ガス導入部材１２と反対側に設けられた固定部材３２により断熱部材を固定している状態を示しており、図１１は図１０で示すセルスタック装置２４を収納容器２内に収納してなるモジュール３５の断面図を示している。なお、図１１において、断熱部材２５、２６、２７、２８を斜線にて示している。
図１０においては、セルスタック５を挟んで反応ガス導入部材１２（図示せず）と反対側に板状の固定部材３２を配置し、セルスタック５と固定部材３２との間に、断熱部材２７および断熱部材２８を配置している。すなわち、セルスタック５の外側より固定部材３２によって断熱部材２７および断熱部材２８を当接して固定している。
なお図１０においては、固定部材３２を、改質器６に設けた固定部３３およびマニホールド４に設けた固定部３４に螺子等により固定した状態を示しており、それにより、固定部材３２を改質器６およびマニホールド４により固定するとともに、断熱部材２７および断熱部材２８を固定することができる。
なお、固定部材３２としては耐熱性に優れたものであれば特に制限はなく、たとえばステンレス等の金属により形成することができる。
また、図１０においては、固定部材３２を、固定部３３および固定部３４により改質器６およびマニホールド４に固定した例を示したが、固定部材３２の一部を折り曲げるなどして、改質器６およびマニホールド４に直接固定することもできる。なお、固定部材３２は改質器６およびマニホールド４のいずれか一方に固定することもできる。
さらに、断熱部材２７および断熱部材２８は、固定部材３２に当接することにより固定することができるが、モジュール３５の組み立てをより容易にするにあたり、固定部材３２に係合部材を設けることもできる。それにより、モジュール３５を容易に組み立てることができる。
ところで、このようなモジュールを構成する燃料電池セル３としては、支持基板の一方側表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなる固体酸化物形の燃料電池セルとすることが好ましい。
また、支持基板の内部にはガス流路が設けられていることが好ましく、図１に示すセルスタック装置８においては、改質器６にて改質された燃料ガスが、燃料ガス供給管７およびマニホールド４を介して支持基板内部のガス流路を下端部側より上端部側に向けて流れ、これを反応ガス導入部材１２より供給される酸素含有ガスと反応することにより発電が行なわれる。
また、燃料電池セル３の形状としては、平板型、円筒型、中空平板型等が知られているが、燃料電池セル３（セルスタック５）の発電を効率よく行なう上で、中空平板型の燃料電池セルとすることが好ましい。
そして、上述したようなモジュールを外装ケース内に収納することにより、燃料電池セル３の配列方向における温度分布を均一に近づけることができ、発電効率を向上した燃料電池装置とすることができる。
なおこの際、燃料電池セル３を固体酸化物形燃料電池セルとすることにより、モジュールのほか、燃料電池セルの動作に必要な補機類を小型化することができ、燃料電池装置を小型化することができる。また、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
たとえば、燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に酸素含有ガスを流通させ、反応ガス導入部材１２より燃料ガスを導入することもできる。
また、セルスタック５の反応ガス導入部材１３側の側面に並設される断熱部材２０を、反応ガス導入部材１２より供給される反応ガスをセルスタック５に導入するための開口部２３を有する断熱部材と、セルスタック５の側面中央部と対向する開口部２２とを有する断熱部材の２つより構成することも可能である。なおこの場合においては、反応ガス導入部材１２より供給される反応ガスをセルスタック５に供給するための開口部を有する断熱部材をボード状の断熱部材で形成し、セルスタック５の側面中央部と対向する開口部を有する断熱部材を綿状の断熱部材で形成することもできる。
支持基板の一方側表面に、燃料側電極、固体電解質及び酸素側電極を順に設けてなり、支持基板の内部にガス流路を１０個有する固体酸化物形燃料電池セル（以下、燃料電池セルと略す）を形成した。以下、燃料電池セル３の構成を簡単に説明する。
燃料電池セル３を構成する支持基板は、支持基板の焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯ４８体積％、Ｙ2Ｏ3５２体積％となるようにし、かつ厚みが２ｍｍの中空平板型の支持基板を作製した。燃料側電極は、ＮｉＯ粉末とＹ2Ｏ3が固溶したＺｒＯ2粉末と有機バインダーと溶媒とを混合して作製し、支持基板上に貼り付けて乾燥して形成した。固体電解質は、８ｍｏｌ％のＹが固溶したＺｒＯ2により作製し、燃料側電極層上に貼り付けて乾燥した。このように作製した成形体を仮焼処理し、その後、ＬａＣｒＯ3系酸化物と、有機バインダーと溶媒を混合したインターコネクタ材料を支持基板上に同時焼成した。続いてＬａ0. 6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.2Ｆｅ0.8Ｏ3からなる酸素側電極を焼き付けて、燃料電池セル３を作製した。
このようにして作製した燃料電池セル３を７０本用い、燃料電池セル３を２．５ｍｍ間隔で一列に配置してセルスタック５を作製し、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の下端部をマニホールド４にガラスシール材にて固定してセルスタック装置８を作製した。
このセルスタック装置８のセルスタック５の側面側に断熱部材を配置するとともに、ＡＣ７００Ｗ、Ｕｆ（燃料利用率）７５％、Ｕａ（空気利用率）３８％の条件下で発電試験を行った。
図１２は上記発電試験の結果を示すグラフである。図１２において、「開口部２２」とは、図５Ａおよび図５Ｂに示すセルスタック装置８にて発電試験を行ったことを示し、「開口部２２＋固定部材３１」とは、図５Ａおよび図５Ｂに示すセルスタック装置８の両側に固定部材３１を設けたセルスタック装置にて発電試験を行ったことを示し、「開口部２９」とは、図６Ａおよび図６Ｂに示すセルスタック装置２４にて発電試験を行ったことを示している。なお、「従来」とは、断熱部材に開口部を有さないセルスタック装置にて発電試験を行ったことを示している。
また、開口部２２の大きさは、燃料電池セル３の配列方向における長さの７５％で、かつ酸素側電極の長さの６０％とし、開口部２９の大きさは、酸素側電極の長さの６０％とした。
なお、セルスタック５の温度は、燃料電池セル３の上下方向における中央部の温度を、燃料電池セル３の配列方向に沿って計測した。
図１２の結果より、セルスタック５の側面側に開口部２２もしくは開口部２９を有さない断熱部材を配置した従来のセルスタック装置においては、セルスタック５の端部と中央部とで約１６０℃の温度差があったのに対し、開口部２２を有する断熱部材を配置したセルスタック５においては、セルスタック５の端部と中央部との温度差が約６０℃となり、開口部２２を有する断熱部材を配置することで、セルスタック５の温度分布を均一に近づけることができた。
また、開口部２２を有する断熱部材を配置したセルスタック５に固定部材３１を設けたセルスタック装置においては、セルスタック５の端部と中央部との温度差が約４０℃であり、固定部材３１を配置することで、さらにセルスタック５の温度分布を均一に近づけることができた。
また開口部２９を有する断熱部材を配置したセルスタック５においては、セルスタック５の端部と中央部との温度差が約４０℃であり、断熱部材をセルスタック５の側面側における上端部側と下端部側にそれぞれ配置する（上下方向（燃料電池セル３の長手方向）に空間を空けて配置する）ことにより、さらにセルスタック５の温度分布を均一に近づけることができた。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
燃料電池セル３を構成する支持基板は、支持基板の焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯ４８体積％、Ｙ2Ｏ3５２体積％となるようにし、かつ厚みが２ｍｍの中空平板型の支持基板を作製した。燃料側電極は、ＮｉＯ粉末とＹ2Ｏ3が固溶したＺｒＯ2粉末と有機バインダーと溶媒とを混合して作製し、支持基板上に貼り付けて乾燥して形成した。固体電解質は、８ｍｏｌ％のＹが固溶したＺｒＯ2により作製し、燃料側電極層上に貼り付けて乾燥した。このように作製した成形体を仮焼処理し、その後、ＬａＣｒＯ3系酸化物と、有機バインダーと溶媒を混合したインターコネクタ材料を支持基板上に同時焼成した。続いてＬａ0. 6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.2Ｆｅ0.8Ｏ3からなる酸素側電極を焼き付けて、燃料電池セル３を作製した。
このようにして作製した燃料電池セル３を７０本用い、燃料電池セル３を２．５ｍｍ間隔で一列に配置してセルスタック５を作製し、セルスタック５を構成する燃料電池セル３の下端部をマニホールド４にガラスシール材にて固定してセルスタック装置８を作製した。
このセルスタック装置８のセルスタック５の側面側に断熱部材を配置するとともに、ＡＣ７００Ｗ、Ｕｆ（燃料利用率）７５％、Ｕａ（空気利用率）３８％の条件下で発電試験を行った。
図１２は上記発電試験の結果を示すグラフである。図１２において、「開口部２２」とは、図５Ａおよび図５Ｂに示すセルスタック装置８にて発電試験を行ったことを示し、「開口部２２＋固定部材３１」とは、図５Ａおよび図５Ｂに示すセルスタック装置８の両側に固定部材３１を設けたセルスタック装置にて発電試験を行ったことを示し、「開口部２９」とは、図６Ａおよび図６Ｂに示すセルスタック装置２４にて発電試験を行ったことを示している。なお、「従来」とは、断熱部材に開口部を有さないセルスタック装置にて発電試験を行ったことを示している。
また、開口部２２の大きさは、燃料電池セル３の配列方向における長さの７５％で、かつ酸素側電極の長さの６０％とし、開口部２９の大きさは、酸素側電極の長さの６０％とした。
なお、セルスタック５の温度は、燃料電池セル３の上下方向における中央部の温度を、燃料電池セル３の配列方向に沿って計測した。
図１２の結果より、セルスタック５の側面側に開口部２２もしくは開口部２９を有さない断熱部材を配置した従来のセルスタック装置においては、セルスタック５の端部と中央部とで約１６０℃の温度差があったのに対し、開口部２２を有する断熱部材を配置したセルスタック５においては、セルスタック５の端部と中央部との温度差が約６０℃となり、開口部２２を有する断熱部材を配置することで、セルスタック５の温度分布を均一に近づけることができた。
また、開口部２２を有する断熱部材を配置したセルスタック５に固定部材３１を設けたセルスタック装置においては、セルスタック５の端部と中央部との温度差が約４０℃であり、固定部材３１を配置することで、さらにセルスタック５の温度分布を均一に近づけることができた。
また開口部２９を有する断熱部材を配置したセルスタック５においては、セルスタック５の端部と中央部との温度差が約４０℃であり、断熱部材をセルスタック５の側面側における上端部側と下端部側にそれぞれ配置する（上下方向（燃料電池セル３の長手方向）に空間を空けて配置する）ことにより、さらにセルスタック５の温度分布を均一に近づけることができた。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
Claims (12)
- 内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側に並設され、前記セルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材とを収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記断熱部材は、前記セルスタックと対向する面にくぼみ部を有していることを特徴とする燃料電池モジュール。
- 内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側に並設され、前記セルスタックの側面の外形と同等またはそれ以上の大きさを有する断熱部材とを収納容器に収納してなる燃料電池モジュールであって、前記断熱部材は、前記セルスタックと対向する面に開口部を有していることを特徴とする燃料電池モジュール。
- 前記くぼみ部または前記開口部は、少なくとも前記セルスタックの側面中央部と対向していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池モジュール。
- 前記断熱部材は、１枚の板材からなることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
- 前記断熱部材は、複数の板片を組み合わせて一体化されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池モジュール。
- 内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数並設してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面側の上端部側と下端部側とにそれぞれ並設され、前記燃料電池セルの配列方向における前記セルスタックの長さと同等またはそれ以上の長さを有する断熱部材とを収納容器に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
- 収納容器内に、内部にガスを流通させるためのガス流路を有する柱状の燃料電池セルを複数個並設してなるセルスタックを収納するとともに、前記燃料電池セルの配列方向に沿って前記セルスタックの側面に、少なくとも上部と下部とが断熱部材で覆われており、かつ前記燃料電池セル間に供給された反応ガスを流入させて対流させるための空間を有することを特徴とする燃料電池モジュール。
- 前記収納容器は、内壁と外壁とを有する二重構造で、前記内壁と前記外壁との間を反応ガスの流路とするとともに、前記内壁に前記セルスタックの側面の側方にまで延び、前記燃料電池セルの外周に前記反応ガスを導入するための反応ガス導入部材を有し、前記断熱部材が前記セルスタックと前記反応ガス導入部材との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
- 前記反応ガス導入部材が、前記断熱部材を係合固定するための係合部材を有す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。
- 前記セルスタックを挟んで前記反応ガス導入部材と反対側に、前記断熱部材を固定するための固定部材を備えるとともに、前記断熱部材が前記セルスタックと前記固定部材との間に配置されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の燃料電池モジュール。
- 前記燃料電池セルが固体酸化物形燃料電池セルであることを特徴とする請求項１〜１０のうちいずれかに記載の燃料電池モジュール。
- 請求項１〜１１のうちいずれかに記載の燃料電池モジュールを収納ケースに収納してなる燃料電池装置。
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