(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池装置において、排気ガスと空気との間の熱交換の効率を向上する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池装置は、モジュールケース８の天板８ａの上面に沿って設けられた第１の空気通路１６１ａと、モジュールケース８の長辺側の対向する一対の側面８ｂに沿って設けられた第２の空気通路１６１ｂと、モジュールケース８の天板８ａの下面に沿って設けられた排気通路と、上面視におけるモジュールケースの長辺方向一端側の短辺方向中央で、第１の空気通路に空気を供給する空気供給管７４と、空気供給管７４から第１の空気通路１６１ａに供給ざれた空気が、上面視におけるモジュールケース８の長辺方向他端側に向けて流れ、対向する一対の側面のそれぞれ向けて分岐した後、折り返して長辺方向の一端側に向かって流れるように案内する仕切り板１８０、１８１と、を備える。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直方体状のモジュールケース内に複数の燃料電池セルユニット及び改質器を収容する共に、前記複数の燃料電池セルユニットの上端の燃焼部でオフガスを燃焼させて生成した排気ガスの燃焼熱により前記改質器を加熱するセルバーナー方式の固体酸化物形燃料電池装置であって、
前記モジュールケースの天板に形成され、前記排気ガスを前記モジュールケースの外部に排出する排気口と、
前記モジュールケース内の前記燃焼部の上方に配置された改質器と、
前記モジュールケースの天板の上面に沿って設けられた第１の空気通路と、
前記モジュールケースの少なくとも上面視における長辺側の対向する一対の側面に沿ってそれぞれ設けられ、前記第１の空気通路と連通する第２の空気通路と、
前記モジュールケースの天板の下面に沿って設けられ、前記排気口へ流れる排気ガスと、前記第１の空気通路を流れる空気との間で熱交換が行われるように構成されている排気通路と、
上面視における前記モジュールケースの長辺方向一端側の短辺方向中央で、前記第１の空気通路に空気を供給する空気供給管と、
前記空気供給管から前記第１の空気通路に供給された空気が、上面視における前記モジュールケースの長辺方向他端側に向けて流れ、前記対向する一対の側面のそれぞれ向けて分岐した後、折り返して前記長辺方向の一端側に向かって流れるように案内する仕切り板と、を備える、ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記仕切り板の前記長辺方向の一端部側又は他端部側に下流に向かって開口する開口部が形成されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記排気ガスは、前記対向する一対の側面側から上面視における短辺方向の中央に形成された前記排気口に向かって前記排気通路を流れる、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記第１の空気流路における前記対向する一対の側面のそれぞれ向けて分岐した後、折り返して前記長辺方向の一端部に向かって流れる空気の流れは、上面視における短辺の中央を結ぶ線に対して線対称である、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記第１の空気通路から前記第２の空気通路へ流入した空気を、前記第２の空気通路内で均等に拡散させる拡散手段をさらに備える、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
前記モジュールケースの前記第２の空気通路の下部に、前記燃料電池セルユニットへ空気を噴出するための空気噴出口が形成されている、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項７】
前記第１の空気通路及び／又は前記第２の空気通路には伝熱部材が設けられている、請求項１〜６の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項８】
前記伝熱部材は、前記第１の空気通路の前記対向する一対の側面のそれぞれ向けて分岐した後に折り返した位置よりも下流側にのみ設けられている、請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項９】
前記伝熱部材は、前記空気が流れる際に拡散させるように構成されている、請求項７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、例えば、特許文献１には、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、モジュールケースの天板に沿って流れる高温の排気ガスと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、ハウジングの側面の内側に蛇行した第１の流路及び第２の流路を形成し、第１の流路に排気ガスを通過させるとともに、第２の流路に酸素含有ガスを通過させることにより、排気ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換を行う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２０１６−１５７６２８号公報
【特許文献２】特許第４９０６２４８
【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１に記載された発明では、空気供給管から空気通路に供給された空気は、モジュールケースの天板に沿って一対の側部に向かって真っすぐに流れる。しかしながら、このようにモジュールケースの側部に向かって真っすぐに流れてしまうと、排気ガスとの間で十分に熱交換を行うことができず、熱効率が低下してしまう。このため、引用文献１に記載された発明においても、引用文献２に記載された発明のように空気通路内の空気流路を蛇行させることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、引用文献２に記載された蛇行した流路を適用しようとすると、空気通路の一対の側面に沿った部分の両側へ均等に空気が流れなくなり、依然として熱効率を向上できない。
【０００９】
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において、排気通路を流れる排気ガスと、空気通路を流れる空気との間の熱交換の効率を向上することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置は、直方体状のモジュールケース内に複数の燃料電池セルユニット及び改質器を収容する共に、複数の燃料電池セルユニットの上端の燃焼部でオフガスを燃焼させて生成した排気ガスの燃焼熱により改質器を加熱するセルバーナー方式の固体酸化物形燃料電池装置であって、モジュールケースの天板に形成され、排気ガスをモジュールケースの外部に排出する排気口と、モジュールケース内の燃焼部の上方に配置された改質器と、モジュールケースの天板の上面に沿って設けられた第１の空気通路と、モジュールケースの少なくとも上面視における長辺側の対向する一対の側面に沿ってそれぞれ設けられ、第１の空気通路と連通する第２の空気通路と、モジュールケースの天板の下面に沿って設けられ、排気口へ流れる排気ガスと、第１の空気通路を流れる空気との間で熱交換が行われるように構成されている排気通路と、上面視におけるモジュールケースの長辺方向一端側の短辺方向中央で、第１の空気通路に空気を供給する空気供給管と、空気供給管から第１の空気通路に供給された空気が、上面視におけるモジュールケースの長辺方向他端側に向けて流れ、対向する一対の側面のそれぞれ向けて分岐した後、折り返して長辺方向の一端側に向かって流れるように案内する仕切り板と、を備える、ことを特徴とする。
【００１１】
本願発明のように一対の側面に沿う第２の空気通路おいても熱交換を行う場合には、第１の空気通路からそれぞれの側面に沿う第２の空気通路に均等に空気が分配される必要がある。また、天板を介した排気ガスと空気との熱交換効率を向上するために、第１の空気通路を蛇行する構造とすることが考えられる。そこで、第１の空気通路を蛇行流路にする場合に短辺方向で折り返しを行う構成とすることが考えられるが、このようにすると第１の空気通路の出口は一方の側面側に位置してしまうため、一対の第２の空気通路に均等に空気を分配することができない。これに対して、本発明は、第１の空気通路において空気が仕切り板により長手方向に折り返して蛇行する構成となり、最も加熱された排気ガスの到達するモジュールケースの天板で、より効率のよい熱交換を行うことができる。さらに、空気供給管がモジュールケースの長辺方向一端部の短辺方向中央に設けられており、空気が長手方向に折り返して蛇行する構成であるため、一対の側面に沿う第２の空気通路のそれぞれに向けて均等に空気を分配することができる。
【００１２】
本発明において好ましくは、仕切り板の長辺方向の一端部側又は他端部側に下流に向かって開口する開口部が形成されている。
上記構成の本発明によれば、他端部で分岐した空気が少なくとも一端部に到達するまで天板に沿って流れるため、発電用空気の流路長が長くなり、熱交換の効率を向上することができる。
【００１３】
本発明において好ましくは、排気ガスは、対向する一対の側面側から上面視における短辺方向の中央に形成された排気口に向かって排気通路を流れる。
他端側で折り返して一端側まで到達した空気は、空気供給管近傍を通過する際に空気供給管から供給された空気により冷却されるおそれがある。これに対して、上記構成の本発明によれば、一対の側面側において排気ガスが高温となっており、対向する一対の側面側から短辺方向中央の排気口に向かって流れるため、他端側で折り返して一端側まで到達した空気の温度が低下するのを抑制できる。
【００１４】
本発明において好ましくは、第１の空気流路における対向する一対の側面のそれぞれ向けて分岐した後、折り返して長辺方向の一端部に向かって流れる空気の流れは、上面視における短辺の中央を結ぶ線に対して線対称である。
上記構成の本発明によれば、それぞれの側面に向かって流れる排気ガスの流れが上面視における短辺の中央を結ぶ線に対して線対称であるため、それぞれの側面に向かって流れる排気ガスの流路の圧力損失が等しくなり、第２の空気通路に向かって均等な量の空気を流すことができる。
【００１５】
本発明において好ましくは、第１の空気通路から第２の空気通路へ流入した空気を、第２の空気通路内で均等に拡散させる拡散手段をさらに備える。
第１の空気通路で空気を蛇行して流させると、第２の空気通路に空気が偏って流入してしまい、第２の空気通路全体で熱交換が行われず、熱交換効率が低下するおそれがある。これに対して、上記構成の本発明によれば、拡散手段により第２の空気通路内に流入した空気が拡散されるため、熱交換効率を向上することができる。
【００１６】
本発明において好ましくは、モジュールケースの第２の空気通路の下部に、燃料電池セルユニットへ空気を噴出するための空気噴出口が形成されている。
上記構成の本発明によれば、第２の空気通路の下部に空気噴出口が形成されているため、拡散手段により十分に拡散された空気を燃料電池セルユニットに供給することができる。
【００１７】
本発明において好ましくは、第１の空気通路及び／又は第２の空気通路には伝熱部材が設けられている。
上記構成の本発明によれば、伝熱部材により熱交換が促進され、発電用空気をより効率良く昇温させることができる。
【００１８】
本発明において好ましくは、伝熱部材は、第１の空気通路の対向する一対の側面のそれぞれ向けて分岐した後に折り返した位置よりも下流側にのみ設けられている。
上記構成の本発明によれば、空気供給管近傍には圧損の原因となる伝熱部材が設けられていないため、空気供給管からの空気供給が伝熱部材により阻害されるのを防止できる。
【００１９】
本発明において好ましくは、伝熱部材は、空気が流れる際に拡散させるように構成されている。
上記構成の本発明によれば、伝熱部材が発電用空気を拡散させることにより、さらに熱交換効率を向上することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池装置において、排気通路を流れる排気ガスと、空気通路を流れる空気との間の熱交換の効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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】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５】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空気通路を示す斜視図である。
【図６】第２の排気通路及び空気通路の第２の排気通路に対応する部分を拡大して示す鉛直断面図である。
【図７】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８】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９】図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図１０】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における第１の空気通路及び第１の排気通路における発電用空気及び排気ガスの流れを説明するための概略図である。
【図１１】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における第２の空気通路及び第２の排気通路における発電用空気及び排気ガスの流れを説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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）。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
次に、燃料電池モジュール２には、排気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、この水道水が排気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。
【００３０】
次に、図２乃至図４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、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。
【００３１】
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で覆われた直方体状のモジュールケース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。
【００３２】
まず、モジュールケース８は、図４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。
【００３３】
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が設けられている。また、天板１６０ａの長辺方向一端部における短辺方向略中央部分には、開口部１６８が設けられている。
【００３４】
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空気通路１６１ａ，１６１ｂが形成されている（図３参照）。
【００３５】
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空気噴出口８ｆが設けられている（図４参照）。発電用空気は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、モジュールケース８の閉鎖側板８ｄ側の短辺方向の略中央部に設けられた開口部１６８に接続された発電用空気導入管７４から空気通路１６１ａ内に供給される（図２、図４参照）。そして、発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂを通って、空気噴出口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３、図４参照）。
【００３６】
図５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の空気通路を示す斜視図である。なお、図５において、空気通路カバー１６０は図示を省略している。図３及び図５に示すように、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との間には、天板８ａの上面に沿うように第１の空気通路１６１ａが形成され、モジュールケース８の側板（側壁部）８ｂと空気通路カバー１６０の側板１６０ｂの間には、上面視における長辺側の対向する対となる側板８ｂに沿うように第２の空気通路１６１ａが形成されている。
【００３７】
モジュールケース８の天板８ａには、排気管１７１の両側に、排気管１７１と間隔を開けてモジュールケース８の長辺に平行に延びる一対の内側仕切り板１８０が設けられている。内側仕切り板１８０は、第１の空気通路１６１ａの発電用空気導入管７４側の縁から延びており、第１の空気通路１６１ａの発電用空気導入管７４と反対側の縁とは間隔をあけた状態で終端している。
【００３８】
また、モジュールケース８の天板８ａには、長辺側の縁に沿って延びる一対の外側仕切り板１８１が設けられている。外側仕切り板１８１は、第１の空気通路１６１ａの発電用空気導入管７４と反対側の縁から延びており、第１の空気通路１６１ａの発電用空気導入管７４側の縁と間隔をあけた状態で終端している。これにより、この外側仕切り板１８１の端部と、第１の空気通路１６１ａの発電用空気導入管７４側の縁との間に開口１８２が形成され、この開口１８２を通じて第１の空気通路１６１ａと第２の空気通路１６１ｂとが連通している。一対の内側仕切り板１８０及び一対の外側仕切り板１８１は、モジュールケース８の天板８ａの短辺方向中心を結んだ直線に対して線対称に配置されている。なお、本実施形態では、一対の内側仕切り板１８０及び一対の外側仕切り板１８１をモジュールケース８の天板８ａに立設しているが、プレートフィン１６２の表裏面に立設してもよい。
【００３９】
このように、第１の空気通路１６１ａは、一対の内側仕切り板１８０の間をモジュールケース８の長手方向に延びる内側空気通路１６１ａ１と、それぞれの内側仕切り板１８０と対応する外側仕切り板１８１との間を長手方向に延びる外側空気通路１６１ａ２とに区画されている。第１の空気通路１６１ａの外側空気通路１６１ａ２にはプレートフィン１６２が、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の間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられている。なお、本実施形態では、第１の空気通路１６１ａ内において、発電用空気が一度折り返す構成となっているが、複数回折り返す構成としてもよい。このような場合には、開口１８２は天板８ａの長手方向のいずれの端部に設けてもよい。
【００４０】
第２の空気通路１６１ｂの上部には、プレートフィン１６３がモジュールケース８の側板８ｂと空気通路カバー１６０の側板１６０ｂとの間であって、且つ、燃料電池セルユニット１６よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。第２の空気通路１６１ｂのプレートフィン１６３の下方には整流板１８３が設けられている。整流板１８３は所定の間隔で複数の開口が形成された部材からなる。モジュールケース８の側板８ｂの第２の空気通路１６１ｂの下端部に当たる位置に、空気噴出口８ｆが形成されている。なお、後述するように、第１の空気通路１６１ａ及び第２の空気通路１６１ｂの上部に設けられたプレートフィン１６２、１６３は突出部２０２を有するため、第１の空気通路１６１ａ及び第２の空気通路１６１ｂ内を流れる空気を均等に拡散することができる。
【００４１】
空気通路１６１ａ，１６１ｂを流れる発電用空気は、特にプレートフィン１６２，１６３を通過する際に、これらプレートフィン１６２，１６３の内側のモジュールケース８内（具体的には天板８ａ，側板８ｂに沿って設けられた排気通路）を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路１６１ａ，１６１ｂにおいてプレートフィン１６２，１６３が設けられた部分は、熱交換器（熱交換部）として機能する。
【００４２】
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）。
【００４３】
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、排気ガスを排出するための排気ガス排出管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で生成された排気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。
【００４４】
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。
【００４５】
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から供給された排気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。
【００４６】
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。
【００４７】
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気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。
【００４８】
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を通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気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を通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。
【００４９】
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。
【００５０】
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との間に排気ガス誘導部材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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
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。
【００５４】
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。
【００５５】
排気ガス誘導部材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。排気ガス誘導部材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、排気ガス誘導部材１３０及び改質器１２０を天板８ａに固定している。
【００５６】
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。
【００５７】
排気ガス誘導部材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から排気ガスが流入したり、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。
【００５８】
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、天板８ａの下面に沿って長手方向及び幅方向に水平方向に延びる第１の排気通路１７２ａが形成されている。この第１の排気通路１７２ａは、モジュールケース８の天板８ａを挟んで空気通路１６１ａと並設されており、第１の排気通路１７２ａ内には、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内のプレートフィン１６２，１６３と同様なプレートフィン１７５ａが配置されている。このプレートフィン１７５ａは、プレートフィン１６２と上面視で略同一箇所に設けられており、天板８ａを挟んで上下方向に対向している。
【００５９】
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の排気通路１７２ｂが形成されている。第２の排気通路１７２ｂは上部において第１の排気通路１７２ａと連通している。第２の排気通路１７２ｂ内にも、空気通路１６１ａ、１６１ｂ内のプレートフィン１６２、１６３と同様なプレートフィン１７５ｂが配置されている。このプレートフィン１７５ｂは、下端が下部誘導板１３１の高さまで延びている。
【００６０】
第１及び第２の空気通路１６１ａ、１６１ｂと、第１及び第２の排気通路１７２ａ、１７２ｂのうち、特に、プレートフィン１６２、１６３、１７５ａ、１７５ｂ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の排気通路１７２ａ、１７２ｂを流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。
【００６１】
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、排気ガスを下方から上方へ通過させる第３の排気通路１７３が形成されている。
【００６２】
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気ガスを通過させる第４の排気通路１７４を形成している。この第４の排気通路１７４は、改質器１２０の上方、かつ、側板８ｂの近傍で第３の排気通路１７３と合流し、排気ガスが集中する排気集中部１７６が形成される。
【００６３】
図６は、第２の排気通路及び空気通路の第２の排気通路に対応する部分を拡大して示す鉛直断面図である。図６に示すように、プレートフィン１７５ｂは、上部誘導板１３２の側面と、モジュールケース８の側板８ｂとに挟まれて配置されている。プレートフィン１７５ｂは、側板８ｂとは突出部２０４の天板部２０４ｂで接触しているが、上部誘導板１３２の側面とは天板部２０４ｂに設けた突起部２０５を介して接触している。
【００６４】
突起部２０５は、天板部２０４ｂよりも接触面積が小さくなるように形成されており、例えば、天板部２０４ｂの一部を外方へ突出させることにより形成することができる。また、突起部２０５は、熱伝導性の良好なプレートフィンとは別部材とすることもできる。この場合、プレートフィンよりも熱伝導性の低い材料で形成すると好適である。
【００６５】
突起部２０５は、上部誘導板１３２の側面側のすべての突出部２０４の天板部２０４ｂに設けられてはおらず、少なくとも１つの天板部２０４ｂに設けられている。このため、上部誘導板１３２の側面に向けて突出する突出部２０４のうち、ほとんどの突出部２０４が上部誘導板１３２の側面と接触せず、１つ又は少数の突出部２０４のみが突起部２０５を介して上部誘導板１３２の側面と接触している。
【００６６】
このように、プレートフィン１７５ｂは、側板８ｂに対しては天板部２０４ｂを介して接触しているが、上部誘導板１３２の側面に対して、接触面積が小さく、好ましくは熱伝導性が低い突起部２０５を介して接触している。このため、プレートフィン１７５ｂは、ガス断熱層１３５を画成する上部誘導板１３２よりも、空気通路１６１ｂへ熱を伝達することができる。これにより、第２の排気通路１７２ｂの排気ガスと空気通路１６１ｂの発電用空気との間の熱交換効率より向上させることができる。なお、プレートフィン１７５ａでも同様である。
【００６７】
また、プレートフィン１６３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に挟まれて配置されている。プレートフィン１６３は、プレートフィン１７５ｂと同様に、側板８ｂとは突出部２０２の天板部２０２ｂで接触しているが、側板１６０ｂとは天板部２０２ｂに設けた突起部２０３を介して接触している。
【００６８】
突起部２０３は、天板部２０２ｂよりも接触面積が小さくなるように形成されており、突起部２０３は、熱伝導性の良好なプレートフィンとは別部材とすることもできる。この場合、プレートフィンよりも熱伝導性の低い材料で形成すると好適である。
【００６９】
また、突起部２０３は、側板１６０ｂ側のすべての突出部２０２の天板部２０２ｂに設けられておらず、１つ又は少数の突出部２０２のみが突起部２０３を介して側板１６０ｂと接触している。
【００７０】
このため、プレートフィン１６３から側板１６０ｂを介して外部の断熱材７へ熱を放散させること（熱損失）を抑制することが可能となり、第３の排気通路１７３の排気ガスと空気通路１６１ｂの発電用空気との間の熱交換効率より向上させることができる。なお、プレートフィン１６２でも同様である。
【００７１】
次に、図７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７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。
図７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８及び図９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８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９は、図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。図８及び図９は、それぞれ、図２及び図３中にガスの流れを示す矢印を新たに付加した図であり、説明の便宜上、断熱材７を取り除いた状態の図を示している。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、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。
【００８０】
図８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を流れる排気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を流れる排気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の排気通路１７２ａを順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、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８及び図９に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管７４から鉛直方向直上からモジュールケース８の天板８ａに向かって、第１の空気通路１６１ａ内へ供給される。
【００８５】
図１０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における第１の空気通路及び第１の排気通路における発電用空気及び排気ガスの流れを説明するための概略図である。図１１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における第２の空気通路及び第２の排気通路における発電用空気及び排気ガスの流れを説明するための概略図である。
【００８６】
図１０に示すように、発電用空気導入管７４から排出される空気は、第１の空気通路１６１ａの内側空気通路１６１ａ１の長手方向の一端部（図１０の上端部）に放出される。内側空気通路１６１ａに放出された空気は、仕切り板１８０に案内されて内側空気通路１６１ａ１を他端側に向かって流れる。そして、空気は、内側空気通路１６１ａの他端部において分岐し、両側の外側空気通路１６１ａ２に流れ込む。外側空気通路１６１ａ２に流れ込んだ空気は、仕切り板１８０、１８１に案内されて一端側に向かって流れ、開口１８２から第２の空気通路１６１ｂに流れ込む。なお、一対の内側仕切り板１８０及び一対の外側仕切り板１８１が、モジュールケース８の天板８ａの短辺方向中心を結んだ直線に対して線対称に配置されているため、内側空気通路１６１ａの他端部において分岐して、両側の外側空気通路１６１ａ２に流れ込んだ空気の流れも天板８ａの短辺方向中心を結んだ直線に対して線対称になっている。
【００８７】
図１１に示すように、開口１８２から第２の空気通路１６１ｂに流れ込んだ空気は、プレートフィン１６３により幅方向に拡がるように拡散されながら、下方に向かって流れる。そして、幅方向に拡散された空気は整流板１８３の開口を通ることにより整流された後、空気噴出口８ｆに流れ込む。なお、発電用空気は、第１及び第２の空気通路１６１ａ，１６１ｂ内において、プレートフィン１６２，１６３を通過する際に、これらプレートフィン１６２，１６３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の排気通路１７２，１７３を通過する排気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。
【００８８】
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空気噴出口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。なお、本実施形態では、燃料電池セル集合体１２の側方部位には排気通路が形成されていないため、この部位において発電用空気と排気ガスとの間の熱交換は抑制される。したがって、燃料電池セル集合体１２の側方部位において、空気通路１６１ｂ内の発電用空気に上下方向の温度ムラが生じ難くなっている。
【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８及び図９に示すように、燃焼室１８で燃焼されて排気ガス（燃焼ガス）となり、モジュールケース８内を上昇していく。
【００９０】
具体的には、排気ガスは、第３の排気通路１７３と第４の排気通路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と排気ガス誘導部材１３０との間をそれぞれ通過する。このとき、第４の排気通路１７４を通過する排気ガスは、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、排気ガス誘導部材１３０の下部に留まることなく第３の排気通路１７３に向けて誘導され、排気集中部１７６において第３の排気通路１７３を流れる排気ガスに合流する。ここで、第２の排気通路１７２内にはプレートフィン１７５ｂが設けられているため、第３の排気通路１７３及び第４の排気通路１７４を通過した排気ガスは排気集中部１７６において滞留する（図９のＡの部分）。
【００９１】
その後、排気ガスは、排気集中部１７６から第２の排気通路１７２ｂに導入される。そして、対向する側板８ｂに沿って形成された第２の排気通路１７２ｂを通過した排気ガスは、第１の排気通路１７２ａを水平方向に流れていき、モジュールケース８の天板８ａの中央に形成された排気口１１１から流出する。
【００９２】
なお、排気ガスが排気集中部１７６に滞留する際に、空気通路１６１ｂ内の排気集中部１７６に対応する部分に設けられたプレートフィン１６３を介して、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換が行われる。さらに、排気ガスが第２の排気通路１７２ｂ及び第１の排気通路１７２ａを流れていく際に、第２及び第１の排気通路１７２ｂ、１７２ａ内に設けられたプレートフィン１７５ｂ、１７５ａと、空気通路１６１ａ、１６１ｂ内のプレートフィン１７５ｂ、１７５ａに対応する部分に設けられたプレートフィン１６２、１６３とを介して、発電用空気と排気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、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。
【００９３】
そして、排気口１１１から流出した排気ガスは、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から排気ガス排出管８２へ排出される。排気ガスは、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。
【００９４】
以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態によれば、第１の空気通路１６１ａ内において仕切り板１８０、１８１により発電用空気が長手方向に折り返して蛇行する構成となり、最も加熱された排気ガスの到達するモジュールケース８の天板８ａで、より効率のよい熱交換を行うことができる。ここで、第１の空気通路を蛇行流路にする場合に、短辺方向で折り返しを行う構成とすることが考えられるが、このようにすると第１の空気通路の出口は一方の側面側に位置してしまうため、一対の第２の空気通路に均等に空気を分配することができない。これに対して、本実施形態によれば、空気供給管７４がモジュールケースの長辺方向一端部の短辺方向中央に設けられており、第１の空気通路１６１ａ内において空気が仕切り板１８０、１８１により長手方向に折り返して蛇行する構成であるため、一対の側板８ｂに沿う第２の空気通路１６１ｂのそれぞれに向けて均等に空気を分配することができる。
【００９５】
また、本実施形態によれば、仕切り板１８１の空気導入管７４側の端部に、第２の空気通路１６１ｂへ開口する開口１８２が設けられている。このため、空気導入管７４の反対側の端部で分岐した空気が少なくとも空気導入管７４側の端部に到達するまで天板８ａに沿って流れるため、第１の空気通路１６１ａ内の発電用空気の流路長が長くなり、熱交換の効率を向上することができる。
【００９６】
また、本実施形態では、排気ガスは、対向する一対の側板８ｂ側から上面視における短辺方向の中央に形成された排気管１７１に向かって第１の排気通路１７２ａを流れる。空気導入管７４の反対側の端部で折り返して空気導入管７４側の端部まで到達した空気は、空気導入管７４近傍を通過する際に空気導入管７４から供給された空気により冷却されるおそれがある。これに対して、本実施形態によれば、一対の側板８ｂ側において排気ガスが高温となっており、対向する一対の側板８ｂ側から短辺方向中央の排気管１７１に向かって流れるため、他端側で折り返して一端側まで到達した空気の温度が低下するのを抑制できる。
【００９７】
また、本実施形態によれば、第１の排気通路１７２ａにおけるそれぞれの側板８ｂに向かって流れる空気の流れが上面視における短辺の中央を結ぶ線に対して線対称であるため、それぞれの側板８ｂに向かって流れる空気の流路の圧力損失が等しくなり、第２の空気通路に向かって均等な量の空気を流すことができる。
【００９８】
また、本実施形態では、第１の空気通路１６１ａから第２の空気通路１６１ｂへ流入した空気を、第２の空気通路１６１ｂ内で均等に拡散させるプレートフィン１６３及び整流板１８３をさらに備える。第１の空気通路１６１ａで空気を蛇行して流させると、第２の空気通路１６１ｂに空気が偏って流入してしまい、第２の空気通路１６１ｂ全体で熱交換が行われず、熱交換効率が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態によれば、プレートフィン１６３及び整流板１８３により第２の空気通路１６１ｂ内に流入した空気が拡散されるため、熱交換効率を向上することができる。
【００９９】
また、本実施形態では、モジュールケース８の第２の空気通路１６１ｂの下部に、燃料電池セルユニット１６へ空気を噴出するための空気噴出口８ｆが形成されている、プレートフィン１６３及び整流板１８３により拡散された空気を燃料電池セルユニット１６に供給することができる。
【０１００】
また、本実施形態では、第１の空気通路１６１ａ及び第２の空気通路１６１ｂにはプレートフィン１６２、１６３が設けられているため、プレートフィン１６２、１６３により熱交換が促進され、発電用空気をより効率良く昇温させることができる。なお、プレートフィンは、第１の空気通路及び第２の空気通路の何れか一方のみに設けてもよい。
【０１０１】
また、本実施形態では、プレートフィン１６２は、第１の空気通路１６１ａの対向する一対の側板８ｂのそれぞれ向けて分岐した後、折り返した位置よりも下流側の外側空気通路１６１ａ２にのみ設けられている。このような本実施形態によれば、空気導入管７４近傍には圧損の原因となるプレートフィンが設けられていないため、空気導入管７４からの空気供給がプレートフィンにより阻害されるのを防止できる。
【０１０２】
本実施形態では、プレートフィン１６２、１６３が、空気が流れる際に拡散させるように構成されているため、プレートフィン１６２、１６３が発電用空気を拡散させることにより、さらに熱交換効率を向上することができる。
【符号の説明】
【０１０３】
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
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  空気噴出口
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
４６  第１ヒータ
４８  第２ヒータ
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  空気導入管
７４  発電用空気導入管
８２  排気ガス排出管
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  排気ガス誘導部材
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  ガス断熱層
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
１６１ａ  空気通路
１６１ａ  内側空気通路
１６１ａ１  内側空気通路
１６１ａ２  外側空気通路
１６１ｂ  空気通路
１６２  プレートフィン
１６３  プレートフィン
１６７  開口部
１６８  開口部
１７１  排気管
１７２ａ  第１の排気通路
１７２ｂ  第２の排気通路
１７３  第３の排気通路
１７４  第４の排気通路
１７５ａ  プレートフィン
１７５ｂ  プレートフィン
１７６  排気集中部
１８０  仕切り板
１８１  仕切り板
１８２  開口
１８２  空気通路
１８３  整流板
２０２  突出部
２０２ｂ  天板部
２０３  突起部
２０４  突出部
２０４ｂ  天板部
２０５  突起部
【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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