(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池装置の空気通路内に熱交換促進部材を配置した場合であっても、空気通路の角部において流動性が低下しないようにする。【解決手段】空気通路１６１ａ、１６１ｂ及び排気通路１７２ａ、１７２ｂが、モジュールケースの天板８ａ及び側板８ｂの上部に沿って形成されており、モジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂが連結される角部８ｆにおいて、モジュールケース８及び空気通路カバー１６０が曲率を有して折れ曲がっており、空気通路には、プレートフィン１６２が設けられ、プレートフィン１６２は、モジュールケース８の側板８ｂに沿う第一の面１６２ａと、第一の面１６２ａに連結され、モジュールケース８の天板８ａに沿う第二の面１６２ｂとを有し、第一の面１６２ａと第二の面１６２ｂとが連結される角部１６２ｆにおいて、プレートフィン１６２は曲率を有して折れ曲がっている。【選択図】図５
2018166053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスと、発電用空気との反応により発電する固体酸化物形燃料電池装置であって、
互いに電気的に接続され、前記燃料ガスと、前記発電用空気との反応により発電する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルを収容するモジュール容器と、
前記モジュール容器内に配置され、水蒸気改質により前記原燃料ガスから前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記複数の燃料電池セルの発電に寄与しなかった燃料ガスを、前記燃料電池セルの上部で燃焼させ、発生した排ガスにより前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記モジュール容器の外面に沿って設けられ、前記複数の燃料電池セルに前記発電用空気を供給する空気通路と、
前記モジュール容器の内面に沿って設けられ、前記モジュール容器の排ガスの排気口まで前記排ガスが流通し、前記モジュール容器を挟んで前記空気通路内の空気と、内部を流れる排ガスとの間で熱交換が行われる排気通路と、を備え、
前記空気通路及び前記排気通路は、前記モジュール容器の天面及び側壁面の上部に沿って形成されており、
前記モジュール容器の天面及び側壁面が連結される角部において、前記空気通路の外側面及び内側面は曲率を有して折れ曲がっており、
前記空気通路には、熱交換促進部材が設けられ、
前記熱交換促進部材は、前記モジュール容器の前記側壁面に沿う第一の面と、前記第一の面に連結され、前記モジュール容器の前記天面に沿う第二の面とを有し、
前記第一の面と前記第二の面とが連結される角部において、前記熱交換促進部材は曲率を有して折れ曲がっている、ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記熱交換促進部材は前記空気通路を内側の流路と外側の流路とに区画し、前記空気通路の少なくとも一部において、前記熱交換促進部材により区画される内側の流路の幅は、前記熱交換促進部材により区画される外側の流路の幅よりも大きい、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記第一の面と前記第二の面とが連結される角部において、前記熱交換促進部材により区画される内側の流路の幅は、前記熱交換促進部材により区画される外側の流路の幅よりも大きい、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記熱交換促進部材は、前記発電用空気が通過できる開口を有する、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記熱交換促進部材は、前記第一の面と前記第二の面とが連結される角部に開口を有する請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池装置（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
従来から、固体酸化物形燃料電池装置では、発電に用いられなかったオフガスを燃焼させて発生する排気ガスの熱を利用して酸化ガス（空気）を昇温させ、昇温させた酸化ガスを燃料電池セルに供給することが行われている。
【０００４】
このような排気ガスの熱により酸化ガスを昇温させるための構成として、引用文献１には、モジュールケースを、第１の筒体と、第１の筒体を囲むように設けられた第２の筒体との二重管構造として第１の筒体と第２の筒体の間に空気通路を形成し、第１の筒体内の排気ガスと空気通路内の空気との間で熱交換を行う構成が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、モジュールケースの天板及び一対の側面の内面に沿って排気通路を設け、モジュールケースの天板及び一対の側面の外面に沿って空気通路を設け、排気通路内の排気ガスと、空気通路内の空気との間で熱交換を行う構成が開示されている。さらに、特許文献２には、排気通路及び空気通路にプレートフィンを配置することにより、熱交換効率を向上することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１４１７５８号公報
【特許文献２】特開２０１６−１５７６２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、引用文献２に記載された発明では、空気通路にプレートフィン（熱交換促進部材）を配置することにより、空気通路が内側の流路と外側の流路とに区画される。このように内側の流路と外側の流路とに区画されると、天板と側板との接続部である角部においてそれぞれの流路の幅が大きくなる。このように流路の幅が大きい部位があると、空気通路内の空気の流動性が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、固体酸化物形燃料電池装置の空気通路内に熱交換促進部材を配置した場合であっても、空気通路の角部において流動性が低下しないようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、原燃料ガスを改質して得られた燃料ガスと、発電用空気との反応により発電する固体酸化物形燃料電池装置であって、互いに電気的に接続され、燃料ガスと、発電用空気との反応により発電する複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルを収容するモジュール容器と、モジュール容器内に配置され、水蒸気改質により原燃料ガスから燃料ガスを生成する改質器と、複数の燃料電池セルの発電に寄与しなかった燃料ガスを、燃料電池セルの上部で燃焼させ、発生した排ガスにより改質器を加熱する燃焼部と、モジュール容器の外面に沿って設けられ、複数の燃料電池セルに発電用空気を供給する空気通路と、モジュール容器の内面に沿って設けられ、モジュール容器の排ガスの排気口まで排ガスが流通し、モジュール容器を挟んで空気通路内の空気と、内部を流れる排ガスとの間で熱交換が行われる排気通路と、を備え、空気通路及び排気通路は、モジュール容器の天面及び側壁面の上部に沿って形成されており、モジュール容器の天面及び側壁面が連結される角部において、空気通路の外側面及び内側面は曲率を有して折れ曲がっており、空気通路には、熱交換促進部材が設けられ、熱交換促進部材は、モジュール容器の側壁面に沿う第一の面と、第一の面に連結され、モジュール容器の天面に沿う第二の面とを有し、第一の面と第二の面とが連結される角部において、熱交換促進部材は曲率を有して折れ曲がっている、ことを特徴とする。
【００１０】
上記構成の本発明によれば、モジュール容器の天面及び側壁面が連結される角部において、空気通路の外側面及び内側面は曲率を有して折れ曲がっているため、角部において空気流路の幅が大きく拡がることがなく、空気の流動性が低下することを防止できる。さらに、熱交換促進部材も第一の面と第二の面とが連結される角部において曲率を有して折れ曲がっているため、熱交換促進部材により区画される内側の流路及び外側の流路も、空気流路の幅が大きく拡がることがなく、空気の流動性が低下することを防止できる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、熱交換促進部材は空気通路を内側の流路と外側の流路とに区画し、空気通路の少なくとも一部において、熱交換促進部材により区画される内側の流路の幅は、熱交換促進部材により区画される外側の流路の幅よりも大きい。
上記構成の本発明によれば、より排気通路に近い内側の流路に発電用空気が多く流通させることができるため、熱交換効率をより向上することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、第一の面と第二の面とが連結される角部において、熱交換促進部材により区画される内側の流路の幅は、熱交換促進部材により区画される外側の流路の幅よりも大きい。
【００１３】
流路の方向が変わる角部では、圧力損失が大きくなりやすい。これに対して、上記構成の本発明によれば、角部において内側の流路の幅が外側の流路の幅よりも大きいため、外側の流路は圧力損失が大きくなり発電用空気の流量が減るが、内側の流路の発電用空気の流量が多くなる。排気通路も角部には排ガスが集中するため、より多量の発電用空気を集中した排ガスと熱交換させることが可能となり、熱交換効率が向上する。
【００１４】
本発明において、好ましくは、熱交換促進部材は、発電用空気が通過できる開口を有する。
上述の通り、外側の流路は圧力損失が大きくなる。このため、上記構成の本発明によれば、開口を通じて外側の流路から内側の流路に発電用空気が流入し、熱交換効率をより向上することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、熱交換促進部材は、第一の面と第二の面とが連結される角部に開口を有する。
上記構成の本発明によれば、角部において発電用空気を内側の流路に通過させることができるため、熱交換効率をより向上することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池装置の空気通路内に熱交換促進部材を配置した場合であっても、空気通路の角部において流動性が低下しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】図２のIV-IV線に沿った断面図である。
【図５】図４のV部の拡大図である。
【図６】モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。
【図７】異なる角度から見た空気通路カバーを取り外した状態のモジュールケースを示す斜視図である。
【図８】（Ａ）は、空気通路の内部に設けられたプレートフィンを示す斜視図であり、（Ｂ）は、排気通路の内部に設けられたプレートフィンを示す斜視図である。
【図９】第１及び第２の空気通路に設けられたプレートフィンの第二の面を拡大して示す斜視図である。
【図１０】プレートフィンを折り曲げる様子を示す斜視図である。
【図１１】プレートフィンをスポット溶接によりモジュールケースに取り付ける様子を示す模式図である。
【図１２】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図１３】図２と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。
【図１４】図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図１５】図４と同様の図２のIV-IV線に沿った断面図である。
【図１６】図５と同様の図４のV部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２０】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して金属製のモジュールケース８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が収容置されている。この燃料電池セル集合体１２は、複数の燃料電池セルユニット１６（図７参照）が直列接続されて構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１２は、１２８本の燃料電池セルユニット１６を有する。
【００２１】
燃料電池モジュール２のモジュールケース８の発電室１０の上方には、燃焼部としての燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった（発電に寄与しなかった）残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。さらに、モジュールケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器１２０が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器１２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している（セルバーナー方式）。
【００２２】
さらに、ハウジング６内においてモジュールケース８の上方には、蒸発器１４０が断熱材７内に設けられている。蒸発器１４０は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュールケース８内の改質器１２０に供給する。
【００２３】
次に、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の原料ガスの供給減である燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器１２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。なお、脱硫器３６として水添脱硫器を用いる場合には、改質器１２０で発生した改質ガスを脱硫器３６に供給するとよい。
【００２４】
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器１２０内において、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみが生じるＰＯＸ工程から、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）が混在したオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が生じるＡＴＲ工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるＳＲ工程が行われるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程を省略してＡＴＲ工程からＳＲ工程に移行されるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程を省略してＳＲ工程のみが行われるように構成してもよい。なお、ＳＲ工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット４４は不要である。
【００２５】
次に、燃料電池モジュール２には、排ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００２６】
次に、図２乃至図７を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿った断面図であり、図４は、図２のIV-IV線に沿った断面図であり、図５は、図４のV部の拡大図であり、図６は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図であり、図７（Ａ），（Ｂ）は、異なる角度から見た空気通路カバーを取り外した状態のモジュールケースを示す斜視図である。
【００２７】
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２は、断熱材７で覆われたモジュールケース８の内部に設けられた燃料電池セル集合体１２及び改質器１２０を有すると共に、モジュールケース８の外部で且つ断熱材７内に設けられた蒸発器１４０を有する。
【００２８】
まず、モジュールケース８は、図６に示すように、略矩形の天板８ａ，底板８ｃ，これらの長手方向（図２の左右方向）に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板８ｂからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の２つの対向する開口部を塞ぎ、天板８ａ及び底板８ｃの幅方向（図３の左右方向）に延びる辺同士を連結する閉鎖側板８ｄ，８ｅからなる。
【００２９】
モジュールケース８は、空気通路カバー１６０によって天板８ａ及び側板８ｂが覆われている。空気通路カバー１６０は、天板１６０ａと、対向する一対の側板１６０ｂとを有する。天板１６０ａの略中央部分には、排気管１７１を貫通させるための開口部１６７と、発電用空気導入管７４を貫通させるための開口部１６０ｃとが設けられている。天板１６０ａと天板８ａとの間、及び、側板１６０ｂと側板８ｂとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース８の外側と断熱材７との間、具体的にはモジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと、空気通路カバー１６０の天板１６０ａ及び側板１６０ｂとの間には、天板１６０ａ及び側板１６０ｂの外面に沿って、酸化剤ガス供給通路としての第１及び第２の空気通路１６１ａ，１６１ｂが形成されている（図３参照）。
【００３０】
また、第１の空気通路１６１ａ内には、空気分配部材１８０が配置されている。空気分配部材１８０は、平面視矩形状の天板１８０Ａと、天板１８０Ａの両縁部から下方に向かって延びる一対の側壁部１８０Ｂと、一対の側壁部１８０Ｂの下端の縁から水平方向外方に延びる基部１８０Ｃとを有する。天板１８０Ａには、排気管１７１に対応する位置に排気管用開口１８０ａが形成され、また、幅方向中央に発電用空気導入管７４が接続される導入開口１８０ｂが形成されている。
【００３１】
各側壁部１８０Ｂには、所定の間隔で複数の開口１８０ｃが形成されている。開口１８０ｃの開口面積はそれぞれ異なっており、発電用空気導入管７４の空気供給口に接続される導入開口１８０ｂに近いほど、開口面積が小さく、導入開口１８０ｂから遠いほど、開口面積が大きくなっている。また、後に詳述するように、複数の開口１８０ｃは、プレートフィン１６２の本体部２００（図９）よりも下方となるような位置に形成されている。
【００３２】
空気分配部材１８０は、排気管用開口１８０ａに排気管１７１を挿通させた状態で、基部１８０Ｃがモジュールケース８の天板８ａの上面に当接するように配置される。また、空気分配部材１８０は、一対の側壁部１８０Ｂがモジュールケース８の一対の側板８ｂの側に位置し、開口１８０ｃがモジュールケース８の側板８ｂの側に向かって開口するように配置されている。これにより、モジュールケース８の天板８ａと、天板８ａと対向する空気分配部材１８０の天板１８０Ａと、天板１８０Ａと天板８ａの間を結ぶ空気分配部材１８０の一対の側壁部１８０Ｂとにより囲まれた空気分配室１８２が画成される。空気分配部材１８０の天板１８０Ａに形成された導入開口１８０ｂに発電用空気導入管７４の空気供給口が接続される。発電用空気導入管７４は第２ヒータ４８から延びており、発電用空気導入管７４の端部は、空気供給口が天板８ａに対向するように上下方向に延びている。
【００３３】
モジュールケース８の側板８ｂの下部には、複数の貫通孔である吹出口８ｆが設けられている（図６参照）。発電用空気導入管７４から導入開口１８０ｂに供給された発電用空気は、天板８ａ及び空気分配部材１８０により囲まれた空気分配室１８２に導入される。後に詳述するが、空気分配室１８２は導入された発電用空気を第１の空気通路１６１ａ全体に広がるように、複数の開口１８０ｃを通して第１の空気通路１６１ａに分配する。すなわち、空気分配室１８２は、発電用空気を第１の空気通路１６１ａ全体に広がるように分配する空気分配機構として機能する。
そして、発電用空気は、モジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂの外壁に沿って第１及び第２の空気通路１６１ａ，１６１ｂを通って、吹出口８ｆから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される（図２、図３参照）。
【００３４】
次に、蒸発器１４０は、モジュールケース８の天板８ａ上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器１４０とモジュールケース８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材７の一部分７ａが配置されている（図２及び図３参照）。
【００３５】
具体的には、蒸発器１４０は、長手方向（図２の左右方向）の一側端側に、水及び原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい）を供給する燃料供給配管６３と、排ガスを排出するための排ガス排出管８２（図３参照）とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管１７１の上端部が連結されている。排気管１７１は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａに形成された開口部１６７、及び、空気分配部材１８０の排気管用開口１８０ａを貫通して下方へ延び、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１に連結されている。排気口１１１は、モジュールケース８内の燃焼室１８で生成された排ガスをモジュールケース８の外へ排出する開口部であり、モジュールケース８の上面視略矩形の天板８ａのほぼ中央部に形成されている。
【００３６】
また、蒸発器１４０は、図２及び図３に示すように、上面視で略矩形の蒸発器ケース１４１を有している。この蒸発器ケース１４１は、２つの高さの低い有底矩形筒状の上側ケース１４２と下側ケース１４３とを、これらの間に中間板１４４を挟んだ状態で接合して形成されている。
【００３７】
したがって、蒸発器ケース１４１は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管１７１から供給された排ガスが通過する排気通路部１４０Ａが形成され、上層部分には、燃料供給配管６３から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部１４０Ｂと、蒸発部１４０Ｂで生成された水蒸気と燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部１４０Ｃが設けられている。
【００３８】
蒸発部１４０Ｂ及び混合部１４０Ｃは、複数の連通孔（スリット）が設けられた仕切り板により蒸発器１４０を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部１４０Ｂ内には、アルミナボール（図示せず）が充填されている。
【００３９】
また、排気通路部１４０Ａは、同様に複数の連通孔を有する２つの仕切り板により排ガスの上流側から下流側にかけて３つの空間に仕切られている。そして、２番目の空間に燃焼触媒（図示せず）が充填されている。すなわち、本実施形態の蒸発器１４０は、燃焼触媒器を含んでいる。
【００４０】
このような蒸発器１４０では、蒸発部１４０Ｂ内の水と排気通路部１４０Ａを通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により蒸発部１４０Ｂ内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部１４０Ｃ内の混合ガスと排気通路部１４０Ａを通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。
【００４１】
更に、図２に示すように、混合部１４０Ｃには、改質器１２０に混合ガスを供給するための混合ガス供給管１１２が接続されている。この混合ガス供給管１１２は、排気管１７１の内部を通過するように配置されており、一端が中間板１４４に形成された開口１４４ａに連結され、他端が改質器１２０の天面に形成された混合ガス供給口１２０ａに連結されている。混合ガス供給管１１２は、排気通路部１４０Ａ内，排気管１７１内を通過してモジュールケース８内まで鉛直下方に延び、そこで略９０°屈曲されて天板８ａに沿って水平方向に延びた後、下方へ略９０°屈曲されて改質器１２０に連結されている。
【００４２】
次に、改質器１２０は、燃焼室１８の上方でモジュールケース８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュールケース８の天板８ａとの間に排ガス誘導部材１３０を介して所定距離隔てられて状態で、天板８ａに対して固定されている。改質器１２０は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔１２０ｂが形成された環状構造体であり、上側ケース１２１と下側ケース１２２とが接合された筐体を有している。この貫通孔１２０ｂは、天板８ａに形成された排気口１１１と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔１２０ｂの中央位置に排気口１１１が形成される。
【００４３】
改質器１２０の長手方向の一端側（モジュールケース８の閉鎖側板８ｅ側）では、上側ケース１２１に設けられた混合ガス供給口１２０ａに混合ガス供給管１１２が連結されており、他端側（閉鎖側板８ｄ側）では、燃料ガス供給管６４が下側ケース１２２に、脱硫器３６まで延びる水添脱硫器用水素取出管６５が上側ケース１２１にそれぞれ連結されている。したがって、改質器１２０は、混合ガス供給管１１２から混合ガス（つまり水蒸気が混合された原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい））を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管６４及び水添脱硫器用水素取出管６５から改質後のガス（即ち、燃料ガス）を排出するように構成されている。
【００４４】
改質器１２０は、その内部空間が２つの仕切り板１２３ａ，１２３ｂによって３つの空間に仕切られることにより、改質器１２０内に、混合ガス供給管１１２からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部１２０Ａと、混合ガスを改質するための改質触媒（図示せず）が充填された改質部１２０Ｂと、改質部１２０Ｂを通過したガスを排出するガス排出部１２０Ｃと、が形成されている（図２参照）。改質部１２０Ｂは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに設けられた複数の連通孔（スリット）を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００４５】
混合ガス受入部１２０Ａには、蒸発器１４０から混合ガス供給管１１２を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口１２０ａを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部１２０Ａ内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに供給される。
【００４６】
改質部１２０Ｂでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板１２３ｂを通過してガス排出部１２０Ｃに供給される。
ガス排出部１２０Ｃでは、燃料ガスが燃料ガス供給管６４、及び、水添脱硫器用水素取出管６５へ排出される。
【００４７】
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュールケース８内を閉鎖側板８ｄに沿って下方へ延び、底板８ｃ付近で略９０°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内へ入り、更にマニホールド６６内で逆側の閉鎖側板８ｅ付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。このマニホールド６６の上方には、燃料電池セルユニット１６を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００４８】
排ガス誘導部材１３０は、改質器１２０と天板８ａとの間でモジュールケース８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。排ガス誘導部材１３０は、上下方向に所定距離だけ離間された下部誘導板１３１及び上部誘導板１３２と、これらの長手方向の両端辺が取り付けられる連結板１３３，１３４とを備えている（図２，図３参照）。上部誘導板１３２は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下部誘導板１３１に連結されている。連結板１３３，１３４は、上端部が天板８ａに連結され、下端部が改質器１２０に連結されており、これにより、排ガス誘導部材１３０及び改質器１２０を天板８ａに固定している。
【００４９】
下部誘導板１３１は、幅方向（図３の左右方向）の中央部が下方に向けて突出する凸状段部１３１ａが形成されている。一方、上部誘導板１３２は、下部誘導板１３１と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部１３２ａが形成されている。凸状段部１３１ａと凹部１３２ａは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管１１２は、モジュールケース８内でこの凹部１３２ａ内を水平方向に延びた後、閉鎖側板８ｅ付近で下方に向けて屈曲し、上部誘導板１３２及び下部誘導板１３１を貫通して、改質器１２０に連結されている。
【００５０】
排ガス誘導部材１３０は、上部誘導板１３２、下部誘導板１３１、連結板１３３，１３４によって、断熱層として機能する内部空間であるガス溜（ガス断熱層）１３５が形成されている。このガス溜１３５は、燃焼室１８と流体連通している。すなわち、上部誘導板１３２、下部誘導板１３１、連結板１３３，１３４は、所定の隙間を形成するように連結されており、気密的には連結されていない。ガス溜１３５には、運転中に燃焼室１８から排ガスが流入したり、停止時に外部から空気が流入したりすることが可能となっているが、総じてガス溜１３５の内外間のガスの移動は緩やかである。
【００５１】
上部誘導板１３２は、天板８ａと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板１３２の上面と天板８ａとの間には、長手方向及び幅方向に沿って水平方向に延びる第１排気通路１７２ａが形成されている。この第１排気通路１７２ａは、モジュールケース８の天板８ａを挟んで空気通路１６１ａと並設されている。
【００５２】
上部誘導板１３２は、上部誘導板１３２の側面と側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板１３２の側面と側板８ｂとの間には、長手方向及び上下方向に延びる第２排気通路１７２ｂが形成されている。第２排気通路１７２ｂは上部において第１排気通路１７２ａと連通している。
【００５３】
第１及び第２の空気通路１６１ａ，１６１ｂ及び第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂの内部には、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ内の排ガスと第１及び第２の空気通路１６１ａ，１６１ｂ内の空気との間の熱交換を促進する熱交換促進部材としてのプレートフィン１６２、１７５がそれぞれ設けられている（図３参照）。図８（Ａ）は、空気通路の内部に設けられたプレートフィンを示す斜視図であり、図８（Ｂ）は、排気通路の内部に設けられたプレートフィンを示す斜視図である。また、図９は、第１及び第２の空気通路に設けられたプレートフィン１６２の第二の面１６２ｂを拡大して示す斜視図である。第１及び第２の空気通路１６１ａ，１６１ｂに設けられたプレートフィン１６２は、モジュールケース８の側板８ｂと空気通路カバー１６０の側板１６０ｂとの間を垂直方向に延びる第一の面１６２ａと、モジュールケース８の天板８ａと空気通路カバー１６０の天板１６０ａの間で水平方向に延びる第二の面１６２ｂとを備える。これら第一の面１６２ａと、第二の面１６２ｂとは連続しており、一体の部材として構成されている。第一の面１６２ａと第二の面１６２ｂとの角部には、角部に沿って延びる気体取り込み穴１６２ｃが間隔を開けて４つ形成されている。また、第１及び第２の空気通路１６１ａ，１６１ｂに設けられたプレートフィン１６２の第二の面１６２ｂの、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ内に設けられるプレートフィン１７５の第２及び第３の気体取り込み穴１７５ｄ、１７５ｅにモジュールケース８を挟んで対向する領域１６２ｄ、１６２ｅには、スポット溶接でモジュールケース８に結合される溶接しろとしての突出部１６２ｄ１、１６２ｅ１が設けられている。突出部１６２ｄ１、１６２ｅ１は、モジュールケース８側に向けて突出する部位である。プレートフィン１６２は、第一の面１６２ａがモジュールケース８の側板８ｂに沿い、第二の面１６２ｂがモジュールケース８の天板８ａに沿うように配置された状態で、スポット溶接によりモジュールケース８に取り付けられている。
【００５４】
図９に示すように、プレートフィン１６２の第二の面１６２ｂは、板状の本体部２００と、一方に突出する第１の突出部２０４と、他方に突出する第２の突出部２０２とを有する。
【００５５】
また、第１の突出部２０４は、それぞれ、図中斜め下方に向かって延びる一対の傾斜部２０４ａと、一対の傾斜部２０４ａの下端部の間を結ぶ連結部２０４ｂとにより構成される。そして、本体部２００の第１の突出部２０４の上方に当たる位置に第１の通過穴２０４ｃが形成されている。第１の通過穴２０４ｃの下方には、第１の突出部２０４が形成されているため、第二の面１６２ｂの下方の空間から上方の空間へ第１の通過穴２０４ｃを通る空気の流れは妨げられ、第二の面１６２ｂの上方の空間から下方の空間へ第１の通過穴２０４ｃを通る空気の流れが引き起こされる。
【００５６】
第２の突出部２０２は、それぞれ、図中斜め上方に向かって延びる一対の傾斜部２０２ａと、一対の傾斜部２０２ａの上端部の間を結ぶ連結部２０２ｂとにより構成される。そして、本体部２００の第２の突出部２０２の下方に当たる位置には、第２の通過穴２０２ｃが形成されている。第２の通過穴２０２ｃの上方に第２の突出部２０２が形成されているため、第二の面１６２ｂの上方の空間から下方の空間へ第２の通過穴２０２ｃを通る空気の流れは妨げられ、第二の面１６２ｂの下方の空間から上方の空間へ第２の通過穴２０２ｃを通る空気の流れが引き起こされる。
【００５７】
なお、図９を参照してプレートフィン１６２の第二の面１６２ｂの構成について説明したが、プレートフィン１６２の第一の面１６２ａや、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ内に設けられたプレートフィン１７５の第一の面１７５ａ及び第二の面１７５ｂも、プレートフィン１６２の第二の面１６２ｂと同様の構成である。
【００５８】
第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ内に設けられたプレートフィン１７５は、モジュールケース８の側板８ｂの内壁面に沿って垂直方向に延びる第一の面１７５ａと、モジュールケース８の天板８ａに沿って水平方向に延びる第二の面１７５ｂとを備える。これら第一の面１７５ａと、第二の面１７５ｂとは連続しており、一体の部材として構成されている。第一の面１７５ａと第二の面１７５ｂとの角部には、角部に沿って延びる第１の気体取り込み穴１７５ｃが幅方向に間隔を開けて４つ形成されている。また、プレートフィン１７５の第一の面１７５ａには所定の高さ位置に幅方向に延びる第２の気体取り込み穴１７５ｄが、間隔を開けて２つ形成されている。この第２の気体取り込み穴１７５ｄの高さ位置は、プレートフィン１７５をモジュールケース８内に取り付けた際に、排気集中部１７６に相当する高さに位置するように決定されている。また、プレートフィン１７５の第二の面１７５ｂには、角部近傍に第３の気体取り込み穴１７５ｅが、間隔をあけて４つ形成されている。
【００５９】
プレートフィン１７５は、第１の面１７５ｂがモジュールケース８の側板８ｂに沿い、第二の面１７５ｂがモジュールケース８の天板８ａに沿うように配置された状態で、スポット溶接によりモジュールケース８に取り付けられている。
【００６０】
第１及び第２の空気通路１６１ａ、１６１ｂのプレートフィン１６２が設けられた部分と、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂのプレートフィン１７５が設けられた部分において、第１及び第２の空気通路１６１ａ、１６１ｂを流れる発電用空気と第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂを流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。
【００６１】
図５に示すように、モジュールケース８の天板８ａと側板８ｂとの接続部である角部８ｇは、曲率を有する湾曲形状に形成されている。また、第１及び第２の空気通路１６１ａ、１６１ｂ内に配置されるプレートフィン１６２の第一の面１６２ａと第二の面１６２ｂとの接続部である角部１６２ｆも、曲率を有する湾曲形状に形成されている。また、第１及び第２の排気通路１７２ａ、１７２ｂ内に配置されるプレートフィン１７５の第一の面１７５ａと第二の面１７５ｂとの角部１７５ｆも、曲率を有する湾曲形状に形成されている。
【００６２】
また、第１及び第２の空気通路１６１ａ、１６１ｂは、プレートフィン１６２により内側の流路と外側の流路との区画されている。そして、プレートフィン１６２の角部１６２ｆに当たる位置において、内側の流路の幅ｄｉは、外側の流路の幅ｄｏよりも大きくなっている。本実施形態では、プレートフィン１６２の角部１６２ｆに当たる位置において、内側の流路の幅ｄｉが外側の流路の幅ｄｏよりも大きくなっているが、これに限らず、第１及び第２の空気通路１６１ａ、１６１ｂの全域で、内側の流路の幅を外側の流路の幅よりも大きくしてもよい。
【００６３】
なお、これらプレートフィン１６２、１７５は以下のようにしてモジュールケース８に取り付けることができる。図１０は、プレートフィンを折り曲げる様子を示す斜視図であり、図１１はプレートフィンをスポット溶接によりモジュールケースに取り付ける様子を示す模式図である。
【００６４】
プレートフィン１６２、１７５は、固体酸化物形燃料電池装置１の組立前には第一の面１６２ａ、１７５ａと、第二の面１６２ｂ、１７５ｂとが平坦面となった状態で保管されている。そして、組立時に図９に示すように、平坦なプレートフィン１６２、１７５を空気取り込み穴１６２ｃ、１７５ｃに沿って折り曲げる。この際、空気取り込み穴１６２ｃ、１７５ｃが形成されているため、人力で容易に折り曲げることができる。なお、プレートフィン１６２、１７５を折り曲げる際に、角部１６２ｆ、１７５ｆが所定の曲率になるように、角部１６２ｆ、１７５ｆに当たる位置に湾曲形状の治具を接触させて折り曲げるとよい。
【００６５】
次に、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ内に配置されるプレートフィン１７５を、第一及び第二の面１７５ａ、１７５ｂがモジュールケース８の側板８ｂ及び天板８ａに沿うように配置する。そして、図１１（Ａ）に示すように、モジュールケース８の外側面とプレートフィン１７５の内側面にそれぞれ電極２１０を取り付けてスポット溶接を行う。これにより、プレートフィン１７５がモジュールケース８内に取り付けられる。
【００６６】
次に、空気通路１６１ａ，１６１ｂに配置されるプレートフィン１６２を、第一及び第二の面１７５ａ、１７５ｂがモジュールケース８の側板８ｂ及び天板８ａに沿うように配置する。そして、図１１（Ｂ）に示すように、プレートフィン１６２の外面と、モジュールケース８の側板８ｂの内面にそれぞれ電極２１０を取り付け、プレートフィン１６２の第一の面１６２ａとモジュールケース８の側板８ｂとをスポット溶接を行う。なお、この際、プレートフィン１７５の、プレートフィン１６２の溶接しろとしての突出部１６２ｄ１が設けられた領域に対応する位置に第２の気体取り込み穴１７５ｄが形成されているため、モジュールケース８の側板８ｂの内面に電極２１０を取り付けることができる。また、これと同様に、プレートフィン１７５の第３の気体取り込み穴１７５ｅを通してモジュールケース８の天板８ａに一方の電極を取り付け、プレートフィン１６２の溶接しろとしての突出部１６２ｅ１に他方の電極を取り付け、スポット溶接を行う。これにより、プレートフィン１６２の第二の面１６２ｂをモジュールケース８の天板８ａに取り付けることができる。
【００６７】
なお、本実施形態では、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ内に配置されるプレートフィン１７５の第一及び第二の面１７５ａ、１７５ｂに第２の気体取り込み穴１７５ｄ及び第３の気体取り込み穴１７５ｅを設け、これら第２の気体取り込み穴１７５ｄ及び第３の気体取り込み穴１７５ｅを通じて、プレートフィン１６２の溶接しろとしての突出部１６２ｄ１、１６２ｅ１をモジュールケース８にスポット溶接したが本発明はこれに限られない。空気通路１６１ａ，１６１ｂに配置されるプレートフィン１６２の第一及び第二の面１６２ａ、１６２ｂに気体取り込み穴を設け、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ内に配置されるプレートフィン１７５に溶接しろを設けておき、プレートフィン１６２の気体取り込み穴を利用して、プレートフィン１７５をモジュールケース８にスポット溶接してもよい。
【００６８】
また、改質器１２０は、モジュールケース８の側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器１２０と側板８ｂとの間には、排ガスを下方から上方へ通過させる第３排気通路１７３が形成されている。
【００６９】
さらに、下部誘導板１３１は、改質器１２０の上側ケース１２１の天面から所定の上下方向距離を隔てて配置されており、下部誘導板１３１と上側ケース１２１との間、及び、改質器１２０の貫通孔１２０ｂは、貫通孔１２０ｂを下方から上方へ向けて通過した排ガスを通過させる第４排気通路１７４を形成している。この第４排気通路１７４は、改質器１２０の上方、かつ、側板８ｂの近傍で第３排気通路１７３と合流し、排ガスが集中する排気集中部１７６が形成される。
【００７０】
次に、図１２を参照して、燃料電池セルユニット１６について説明する。図１２は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【００７１】
図１２に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子８６とを備えている。
【００７２】
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００７３】
燃料電池セル８４の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路細管９８が形成されている。
【００７４】
この燃料ガス流路細管９８は、内側電極端子８６の中心から燃料電池セル８４の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド６６（図２参照）から、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃料ガス流路８８に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路８８から、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃焼室１８（図２参照）に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。
【００７５】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００７６】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００７７】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００７８】
燃料電池セル集合体１２は、各燃料電池セルユニット１６の燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６が、他の燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面に電気的に接続されることにより、１２８本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されて構成される。
【００７９】
次に、図１３乃至図１６を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。図１３は、図２と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図１４は、図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図であり、図１５は、図４と同様の図２のIV-IV線に沿った断面図であり、図１６は、図５と同様の図４のV部の拡大図である。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排ガスの流れを示す。
【００８０】
図１３に示すように、水及び原燃料ガス（燃料ガス）は、蒸発器１４０の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管６３から蒸発器１４０の上層に設けられた蒸発部１４０Ｂ内に供給される。蒸発部１４０Ｂに供給された水は、蒸発器１４０の下層に設けられた排気通路部１４０Ａを流れる排ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとが、蒸発部１４０Ｂ内を下流方向に流れて行き、混合部１４０Ｃ内で混合される。混合部１４０Ｃ内の混合ガスは、下層の排気通路部１４０Ａを流れる排ガスにより加熱される。
【００８１】
混合部１４０Ｃ内で形成された混合ガス（燃料ガス）は、混合ガス供給管１１２を通って、モジュールケース８内の改質器１２０に供給される。混合ガス供給管１１２は、排気通路部１４０Ａ，排気管１７１，及び第１排気通路１７２ａを順に通過しているため、これらの通路を流れる排ガスにより、混合ガス供給管１１２内の混合ガスは更に加熱される。
【００８２】
混合ガスは、改質器１２０内の混合ガス受入部１２０Ａ内に流入し、ここから仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに流入する。混合ガスは、改質部１２０Ｂにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板１２３ｂを通過して、ガス排出部１２０Ｃに流入する。
【００８３】
更に、燃料ガスは、ガス排出部１２０Ｃから燃料ガス供給管６４と水添脱硫器用水素取出管６５とに分岐する。そして、燃料ガス供給管６４に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管６４の水平部６４ａに設けられた燃料供給孔６４ｂからマニホールド６６内に供給され、マニホールド６６から各燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００８４】
また、図１３〜図１５に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管７４からモジュールケース８の天板８ａに向けて下方に空気分配室１８２に吹き込まれる。空気分配室１８２に吹き込まれた発電用空気は、空気分配部材１８０の開口１８０ｃを通じて空気通路１６１ａへと導入される。この際、開口１８０ｃの開口面積は、発電用空気導入管７４の空気供給口に近いほど、開口面積が小さく、空気供給口から遠いほど、開口面積が大きくなっている。このため、各開口１８０ｃからは略同量の発電用空気が第１の空気通路１６１ａへと導入される。
【００８５】
第１の空気通路１６１ａに導入された発電用空気は、モジュールケース８の天板８ａに沿って一対の側板８ｂの上縁に向かって流れる。この際、プレートフィン１６２の外側を通る発電用空気は、内側を通る発電用空気に比べて排ガスから受ける熱量が少ない。しかしながら、プレートフィン１６２に通過穴２０２ｃ、２０４ｃが設けられているため、発電用空気は２０２ｃ、２０４ｃを通して、プレートフィン１６２の内外で流通する。これにより、発電用空気を均一に加熱することができる。
【００８６】
図１６に示すように、第１の空気通路１６１ａの縁まで到達した発電用空気は、モジュールケース８の角部８ｇに当たる位置で流れの方向が変わる。ここで、モジュールケース８の角部８ｇ及び空気通路カバー１６０の角部１６０ｄは、曲率を有して折り曲げられているため、角部において空気通路１６１ａ、１６１ｂの幅は大きく拡がることがない。このため、発電用空気の流動性が角部で低下するのを防止できる。
【００８７】
さらに、角部において空気通路１６１ａ、１６１ｂのプレートフィン１６２の内側の流路の幅が、外側の流路よりも大きいため、外側の流路よりも内側の流路をより多くの発電用空気が流れる。また、プレートフィン１６２の角部１６２ｆに気体取り込み穴１６２ｃが設けられているため、外側の流路を流れる発電用空気が気体取り込み穴１６２ｃを通じて内側の流路に流れ込む。
そして、角部を通過した発電用空気は第２の空気通路１６１ｂ内を下方に向かって流れる。
【００８８】
発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内において、プレートフィン１６２を通過する際に、これらプレートフィン１６２の下部のモジュールケース８内に形成された第１及び第２排気通路１７２，１７３を通過する排ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。この後、発電用空気は、モジュールケース８の側板８ｂの下部に設けられた複数の吹出口８ｆから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される。
【００８９】
また、発電室１０内で発電に利用されなかった燃料ガスは、図１３及び１４に示すように、燃焼室１８で燃焼されて排ガス（燃焼ガス）となり、モジュールケース８内を上昇していく。
具体的には、排ガスは、第３排気通路１７３と第４排気通路１７４とに分岐して、改質器１２０の外側面とモジュールケース８の側板８ｂとの間、及び、改質器１２０の貫通孔１２０ｂから改質器１２０と排ガス誘導部材１３０との間をそれぞれ通過する。このとき、第４排気通路１７４を通過する排ガスは、改質器１２０の貫通孔１２０ｂの上方に配置された凸状段部１３１ａによって幅方向に二分され、排ガス誘導部材１３０の下部に留まることなく第３排気通路１７３に向けて誘導され、排気集中部１７６において第３排気通路１７３を流れる排ガスに合流する。ここで、プレートフィン１７５の第一の面１７５ａには、排気集中部１７６に相当する高さ位置に第２の気体取り込み穴１７５ｄが形成されているため、第２排気通路１７２ｂのモジュールケース８側に効率良く排ガスを送り込むことができる。
【００９０】
その後、第２排気通路１７２ｂに導入された排ガスは、第２排気通路１７２ｂを通過する。この際、プレートフィン１７５の内側を通る排ガスの熱は、外側を通る発電用空気に比べて空気に伝わりにくい。しかしながら、プレートフィン１７５の角部に気体取り込み穴１７５ｃが設けられているため、第２排気通路１７２ｂの上端まで到達した排ガスは気体取り込み穴１７５ｃを通して、プレートフィン１７５の内外で流通する。これにより、排ガスの熱を効率良く発電用空気に伝えることができる。そして、第２排気通路１７２ｂの上端まで到達した排ガスは、モジュールケース８の一対の側板８ｂの上縁近傍から第１排気通路１７２ａに導入される。第１排気通路１７２ａを通過した排ガスは、排気口１１１へと導入される。
【００９１】
このように、排ガスが第２排気通路１７２ｂ及び第１排気通路１７２ａを流れていく際に、第２及び第１排気通路１７２ｂ、１７２ａ内に設けられたプレートフィン１７５と、空気通路１６１ａ、１６１ｂ内のプレートフィン１７５に対応する部分に設けられたプレートフィン１６２とを介して、発電用空気と排ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排ガスの熱により発電用空気が昇温される。
【００９２】
そして、排気口１１１から流出した排ガスは、モジュールケース８の外部に設けられた排気管１７１を通過して蒸発器１４０の排気通路部１４０Ａに流入し、排気通路部１４０Ａを通過した後、蒸発器１４０から排ガス排出管８２へ排出される。排ガスは、蒸発器１４０の排気通路部１４０Ａを流れる際に、上述したように、蒸発器１４０の混合部１４０Ｃ内の混合ガス及び蒸発部１４０Ｂ内の水と熱交換を行う。
【００９３】
上記実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、モジュールケース８の角部８ｇにおいて、モジュールケース８の天板８ａと側板８ｂとが曲率を有して折れ曲がっており、空気通路カバー１６０の角部１６０ｂにおいて天板１６０ａと側板１６０ｂとが曲率を有して折れ曲がっている。このため、角部においても空気流路１６１ａ、１６１ｂの幅が大きく拡がることがなく、空気の流動性が低下することを防止できる。さらに、本実施形態では、プレートフィン１６２の角部１６２ｆにおいて、第一の面１６２ａと第二の面１６２ｂとが曲率を有して折れ曲がっているため、プレートフィン１６２により区画される内側の流路及び外側の流路も、空気流路の幅が大きく拡がることがなく、空気の流動性が低下することを防止できる。
【００９４】
本実施形態では、プレートフィン１６２は第１及び第２の空気通路１６１ａ、１６１ｂを内側の流路と外側の流路とに区画し、少なくとも角部において、プレートフィン１６２により区画される内側の流路の幅は、熱交換促進部材により区画される外側の流路の幅よりも大きくなっている。このため、より第１及び第２の排気通路１７２ａ、１７２ｂに近い内側の流路に発電用空気が多く流通させることができるため、熱交換効率をより向上することができる。
【００９５】
本実施形態では、プレートフィン１６２の第一の面１６２ａと第二の面１６２ｂとが連結される角部１６２ｆにおいて、プレートフィン１６２により区画される内側の流路の幅は、熱交換促進部材により区画される外側の流路の幅よりも大きい。流路の方向が変わる角部では、圧力損失が大きくなりやすい。これに対して、本実施形態によれば、角部１６２ｆにおいて内側の流路ｄｉの幅が外側の流路の幅ｄｏよりも大きいため、外側の流路は圧力損失が大きくなり発電用空気の流量が減るが、内側の流路の発電用空気の流量が多くなる。排気通路１６１ａ、１６１ｂの角部には排ガスが集中するため、より多量の発電用空気を集中した排ガスと熱交換させることが可能となり、熱交換効率が向上する。
【００９６】
本実施形態では、プレートフィン１６２は、発電用空気が通過できる第１及び第２の通過穴２０２ｃ、２０４ｃを有する。上述の通り、プレートフィン１６２で区画された外側の流路は圧力損失が大きくなるが、本実施形態によれば、第１及び第２の通過穴２０２ｃ、２０４ｃを通じて外側の流路から内側の流路に発電用空気が流入し、熱交換効率をより向上することができる。
【００９７】
本実施形態では、プレートフィン１６２は、第一の面１６２ａと第二の面１６２ｂとが連結される角部１６２ｆに空気取り込み穴１６２ｃを有するため、角部１６２ｆにおいて発電用空気を内側の流路に通過させることができるため、熱交換効率をより向上することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１  固体酸化物形燃料電池装置
２  燃料電池モジュール
４  補機ユニット
６  ハウジング
７  断熱材
７ａ  一部分
８  モジュールケース
８ａ  天板
８ｂ  側板
８ｃ  底板
８ｄ  閉鎖側板
８ｅ  閉鎖側板
８ｆ  吹出口
１０  発電室
１２  燃料電池セル集合体
１６  燃料電池セルユニット
１８  燃焼室
２４  水供給源
２６  純水タンク
２８  水流量調整ユニット
３０  燃料供給源
３２  ガス遮断弁
３６  脱硫器
３８  燃料流量調整ユニット
３９  バルブ
４０  空気供給源
４２  電磁弁
４４  改質用空気流量調整ユニット
４５  発電用空気流量調整ユニット
５０  温水製造装置
５２  制御ボックス
５４  インバータ
６３  燃料供給配管
６４  燃料ガス供給管
６４ａ  水平部
６４ｂ  燃料供給孔
６５  水添脱硫器用水素取出管
６６  マニホールド
６８  下支持板
７４  発電用空気導入管
８２  排ガス排出管
８３  点火装置
８４  燃料電池セル
８６  内側電極端子
８８  燃料ガス流路
９０  内側電極層
９０ａ  上部
９０ｂ  外周面
９０ｃ  上端面
９２  外側電極層
９４  電解質層
９６  シール材
９８  燃料ガス流路細管
１１１  排気口
１１２  混合ガス供給管
１２０  改質器
１２０Ａ  混合ガス受入部
１２０Ｂ  改質部
１２０Ｃ  ガス排出部
１２０ａ  混合ガス供給口
１２０ｂ  貫通孔
１２１  上側ケース
１２２  下側ケース
１２３ａ  仕切り板
１２３ｂ  仕切り板
１３０  排ガス誘導部材
１３１  下部誘導板
１３１ａ  凸状段部
１３２  上部誘導板
１３２ａ  凹部
１３３  連結板
１３５  ガス溜
１４０  蒸発器
１４０Ａ  排気通路部
１４０Ｂ  蒸発部
１４０Ｃ  混合部
１４１  蒸発器ケース
１４２  上側ケース
１４３  下側ケース
１４４  中間板
１４４ａ  開口
１６０  空気通路カバー
１６０ａ  天板
１６０ｂ  側板
１６０ｃ  開口部
１６０ｄ  角部
１６１ａ  第１の空気通路
１６１ｂ  第２の空気通路
１６２  プレートフィン
１６２ａ  第一の面
１６２ｂ  第二の面
１６２ｃ  気体取り込み穴
１６２ｄ  対向する領域
１６２ｄ１  突出部
１６２ｅ  対向する領域
１６２ｅ１  突出部
１６２ｆ  角部
１６７  開口部
１７１  排気管
１７２ａ  第１の排気通路
１７２ｂ  第２の排気通路
１７５  プレートフィン
１７５ａ  第一の面
１７５ｂ  第二の面
１７５ｃ  第１の気体取り込み穴
１７５ｄ  第２の気体取り込み穴
１７５ｅ  第３の気体取り込み穴
１７５ｆ  角部
１７６  排気集中部
１８０  空気分配部材
１８０Ａ  天板
１８０Ｂ  側壁部
１８０Ｃ  基部
１８０ａ  排気管用開口
１８０ｂ  導入開口
１８０ｃ  開口
１８２  空気分配室
２００  本体部
２０２  突出部
２０２ａ  傾斜部
２０２ｂ  連結部
２０２ｃ  通過穴
２０４  突出部
２０４ａ  傾斜部
２０４ｂ  連結部
２０４ｃ  通過穴
２１０  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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