(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池装置において、セルスタックに第１反応ガスを均等に供給する【解決手段】  外表面に供給される第１反応ガスと、内部流路に供給される第２反応ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルを複数配置したセルスタックと、セルスタックを内包する容器と、容器の内部又は外部に取り付けられ、燃料電池セルの外表面に第１反応ガスを供給するための第１反応ガス流路と、第１反応ガス流路に設けられ、燃料電池セルの外表面に第１反応ガスを噴出させる複数の第１反応ガス噴出孔と、を備え、複数の第１反応ガス噴出孔は第１反応ガスが容器内の所定箇所に集束するように噴出させる集束型噴出孔と、第１反応ガスが容器の内部に発散する発散型噴出孔とを有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外表面に供給される第１反応ガスと、内部流路に供給される第２反応ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルを複数配置したセルスタックと、
前記セルスタックを内包する容器と、
前記容器の内部又は外部に取り付けられ、前記燃料電池セルの外表面に前記第１反応ガスを供給するための第１反応ガス流路と、
前記第１反応ガス流路に設けられ、前記燃料電池セルの外表面に前記第１反応ガスを噴出させる複数の第１反応ガス噴出孔と、を備え、
複数の前記第１反応ガス噴出孔は、前記第１反応ガスが前記容器内の所定箇所に集束するように噴出させる集束型噴出孔と、前記第１反応ガスが前記容器の内部に発散する発散型噴出孔とを有す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】
前記第１反応ガス噴出孔は、前記第１反応ガス流路を構成する壁面に設けられた開口であり、
前記集束型噴出孔は、前記第１反応ガス噴出孔の流入側の開口径に対して流出側の開口径が小さくなるように構成され、
前記発散型噴出孔は、前記第１反応ガス噴出孔の流入側の開口径に対して流出側の開口径が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
複数の前記第１反応ガス噴出孔は、前記セルスタックの配置方向に沿って水平方向に直線状に配置されていることを特徴とする請求項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反応ガス噴出孔は、並設された前記燃料電池セルの間に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記第１反応ガス流路は、前記セルスタックを挟んで対向する前記容器の壁面に設けられており、一方側と、対向する他方側との前記第１反応ガス噴出孔が前記集束型噴出孔または前記発散型噴出孔で対応する様に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
前記セルスタックは、複数の前記燃料電池セルが所定の第１間隔と、前記第１間隔よりも大きな第２間隔をおいて配列されて構成され、前記第２間隔が設けられた位置に前記集束型噴出孔が配置されていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記第１反応ガス噴出孔において、前記集束型噴出孔は前記発散型噴出孔と隣り合うように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項８】
前記集束型噴出孔は、周縁が前記セルスタック方向に張り出していることを特徴とする請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項９】
前記第１反応ガス流路の下流に設けられた前記第１反応ガス噴出孔の開口は、前記第１反応ガスの進行方向に直交するように設けられており、第１反応ガス流路を構成する下流端の壁面は第１反応ガスの進行方向に対して傾斜して設けられていることを特徴とする請求項４乃至請求項８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し、特に、燃料ガスと、酸化剤ガスとにより発電を行う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た固体酸化物形燃料電池セルを内部に具備し、その両側に電極を取り付け、一方の電極に燃料ガスを供給し、他方の電極に酸化剤ガス（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】
また、固体酸化物形燃料電池装置を実用化する上で、１０年程度の耐久性保証が必須となる。燃料電池セルの耐久性向上を実現する方法の一つとして、複数配置された燃料電池セルの各々に対して酸化剤ガスを均等に供給することが挙げられる。
【０００４】
これは、酸化剤ガスが不足する状態での無理な発電や、発電ムラによる燃料電池セルの劣化によって、セルスタック全体の発電反応が安定せずセル寿命が短くなることを防止する上で非常に重要となる。
【０００５】
ここで、先行文献１に記載の固体酸化物形燃料電池装置では、燃料電池セルを行列配置させてセルスタックを構成している。ここでは、セルスタックを挟んで対向するケーシング壁面に複数の酸化剤ガスの吹出口を設け、その開口量を調整している。それにより、行列状（マトリクス状）に配置されたセルスタックであっても、各々の燃料電池セルのすべてに均等に酸化剤ガスを行き渡らせている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２９１７７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、近年、熱源から電力と熱を生成し効率的に供給するコジェネレーションシステムとして、家庭向けの設置型ＳＯＦＣの事業化が進んでいる。特に、設置スペースの限られた集合住宅等に適合するコンパクトな固体酸化物形燃料電池装置は市場におけるニーズが高い。
【０００８】
そこで、固体酸化物形燃料電池セルを内部に収容した燃料電池モジュールの小型化のため、燃料電池モジュールを構成する各部品間の距離を可能な限り短くなるように設計していくことが必要となる。特に、モジュール容器の小型化によって、内部に配置された複数の燃料電池セル間の隙間が狭小化されている。
【０００９】
この場合、燃料電池セル間の隙間が狭小化されることで、セルスタックの内部に、特に中央部に、熱がこもりやすく、セルスタックの中央部と端部では温度差が生じてしまう（温度ムラ）。これにより、複数の燃料電池セルごとに発電状態が異なることとなり、燃料電池セルを劣化させてしまう。
【００１０】
さらに、複数の燃料電池セル間の隙間が狭小化されることで、酸化剤ガスの通り道である燃料電池セル間のピッチが小さくなることから、セルスタックの中央へ酸化剤ガスを供給することが困難となってしまう。この場合、セルスタック全体へ酸化剤ガスが行き渡らず、上述した温度ムラを助長させてしまうこととなる。
【００１１】
一方で、酸化剤ガスの流量を大きくすることで、セルスタックへ供給される酸化剤ガスの流速を大きくしてセルスタック中央へ供給することも考えられる。しかし、この場合は逆にセルスタック端部への酸化剤ガス供給量が減少してしまい、セルスタック全体への均等供給は困難となる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の態様における固体酸化物形燃料電池装置は、外表面に供給される第１反応ガスと、内部流路に供給される第２反応ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルを複数配置したセルスタックと、セルスタックを内包する容器と、容器の内部又は外部に取り付けられ、燃料電池セルの外表面に第１反応ガスを供給するための第１反応ガス流路と、第１反応ガス流路に設けられ、燃料電池セルの外表面に第１反応ガスを噴出させる複数の第１反応ガス噴出孔と、を備え、複数の第１反応ガス噴出孔は第１反応ガスが容器内の所定箇所に集束するように噴出させる集束型噴出孔と、第１反応ガスが容器の内部に発散する発散型噴出孔とを有する。
【００１３】
第１反応ガス噴出孔の噴流を調整することができる、すなわち、開口の大きさや第１反応ガスの流量（流速）によらず、第１反応ガス噴出孔を通過した第１反応ガスを集束・発散させるかを適宜選択し、自由に配置することができる。これにより、第１反応ガスを発散させた場合には第１反応ガス噴出孔近傍のセルスタックへの第１反応ガス供給量を増加させ、集束させた場合には流速が高まるため第１反応ガス噴出孔の遠方のセルスタックまで第１反応ガスを供給することができる。すなわち、セルスタックが配置された空間において反応ガスの流動を制御することができる。したがって、簡易な構成によって噴出孔自体に噴流を調整させる機能を付帯させたため、コンパクト化に際してのモジュール容器の設計自由度を確保したまま、セルスタックへの均一な第１反応ガスの供給を実現することができる。ここで、例えば、第１反応ガスが燃料ガスである場合には、第２反応ガスは酸化剤ガスであり、第１の反応ガスが酸化剤ガスである場合には、第２反応ガスは燃料ガスである。
【００１４】
本発明において、好ましくは、第１反応ガス噴出孔は、第１反応ガス流路を構成する壁面に設けられた開口であり、集束型噴出孔は、第１反応ガス噴出孔の流入側の開口径に対して流出側の開口径が小さくなるように構成され、発散型噴出孔は、第１反応ガス噴出孔の流入側の開口径に対して流出側の開口径が大きくなるように構成されている。
【００１５】
集束型噴出孔を先細る形状とすることで噴流を集束させ、発散型噴出孔を末広とすることで噴流が発散するように構成した。これにより、噴流を集束・発散するように調整してセルスタックへ第１反応ガスを均一に供給することを、第１反応ガス噴出孔の形状を変更するという簡易な方法によって実現することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、複数の第１反応ガス噴出孔は、セルスタックの配置方向に沿って水平方向に直線状に配置されている。
セルスタックの配置方向に沿って水平方向に直線状に配置されているため、上下方向での第１反応ガス供給バラツキを抑制し、セルスタックに均等に空気を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反応ガス噴出孔は、並設された燃料電池セルの間に設けられている。
燃料電池セルの間に配置することで、集束型噴出孔からの集束噴流は第１反応ガス噴出孔遠方の燃料電池セルへ向かいやすくなる。さらに、発散型噴出孔からの発散噴流は第１反応ガス近傍の燃料電池セルに供給される。すなわち、第１反応ガス噴出孔近傍、遠方のセルスタックへの第１反応ガス供給量が調整容易となり、均一な第１反応ガスの供給を実現することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、第１反応ガス流路は、前記セルスタックを挟んで対向する容器の壁面に設けられており、一方側と、対向する他方側との第１反応ガス噴出孔が集束型噴出孔または発散型噴出孔で対応する様に構成されている。
セルスタックを挟んで設けられている第１反応ガス噴出孔が同一であるため、等しい速度でセルスタック中央方向に向かう。そのため、噴出速度が異なることで合流地点がばらつくことによる供給ばらつきを抑制し、燃料電池セルへの均等な第１反応ガスの供給を実現する。
【００１９】
本発明において、好ましくは、セルスタックは、複数の燃料電池セルが所定の第１間隔と、第１間隔よりも大きな第２間隔をおいて配列されて構成され、第２間隔が設けられた位置に集束型噴出孔が配置されている。
燃料電池セル間のピッチを広くすることで、第１反応ガスの通り道を広く構成することができるが、セルスタック中央まで第１反応ガスが届かずに発散してしまう。そのため、セル間ピッチが広く設けられた第２領域には集束型噴出孔を設けることで、セルスタック中央部まで第１反応ガスを行き渡らせることが可能となる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、第１反応ガス噴出孔において、集束型噴出孔は発散型噴出孔と隣り合うように構成されている。
集束型噴出孔からの集束噴流はセルスタック中央に向かうため、第１反応ガス噴出孔近傍であるセルスタック端部への第１反応ガス供給量が少なくなってしまう。しかし、隣接する発散型噴出孔からは発散噴流が噴出するため、セルスタック端部へ第１反応ガスを供給することができる。したがってセルスタック全体に第１反応ガスを均一に供給することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、集束型噴出孔は、周縁がセルスタック方向に張り出している。
バーリング加工によって容易に先細の集束型噴出孔を形成することができる。さらに、先細となる第１反応ガス噴出孔の流路を長く構成することができるため、ノズルのように機能して噴流の流速を効果的に高めることができ、セルスタック中央部へ第１反応ガスを行き渡らせることができる。
【００２２】
第１反応ガス流路の下流に設けられた第１反応ガス噴出孔の開口は、第１反応ガスの進行方向に直交するように設けられており、第１反応ガス流路を構成する下流端の壁面は第１反応ガスの進行方向に対して傾斜して設けられている。
第１反応ガス流路の下流端を構成する壁面を第１反応ガス進行方向に対して傾斜させるように構成している。そのため、第１反応ガスが下流端壁面と衝突することによるエネルギー損失量を低減させることができ、第１噴出孔から噴出されるガスの推進力不足による第１反応ガスの供給バラツキを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、簡易な構成によって集束噴流、発散噴流として調整することができる。したがって、セルスタックへの第１反応ガス供給量を容易に調整することができるため、セルスタック全体への第１反応ガス供給量を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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の燃料電池モジュールを示す全体斜視図である。
【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において、図１のＷ方向から見た燃料電池モジュールの断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置において、図１のＬ方向から見た燃料電池モジュールの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置において、図１のＨ方向から見た燃料電池モジュールの断面図である。
【図５】本発明の一実施形態における固体酸化物形燃料電池装置において、集束型噴出孔を示す拡大断面図である。
【図６】本発明の一実施形態における固体酸化物形燃料電池装置において、発散噴出口を示す拡大断面図である。
【図７】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図８】本発明の一実施例による固体酸化物型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８のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図１０】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置の筐体及び空気通路カバーの分解斜視図である。
【図１１】本発明の一実施例による固体酸化物型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１２】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図１３】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、燃料電池モジュールを示す側面断面図である。
【図１４】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、図８のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。
【図１５】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールの上部の部分断面図である。
【図１６】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置の改質器の周囲を流れる排ガスの説明図である。
【図１７】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置の改質器及び排ガス誘導部材の側面断面斜視図である。
【図１８】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置の改質器及び排ガス誘導部材の正面断面斜視図である。
【図１９】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置の改質器の貫通孔を流れる排ガスの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下では、本明細書に開示する発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、以下の説明は、例示として解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の様態を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。
【００２６】
（実施形態）
本実施形態においては、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置１０００における、燃料電池モジュール１００２について、図１乃至図６を用いて説明する。
【００２７】
図１は、固体酸化物形燃料電池装置１０００における、燃料電池モジュール１００２であって、高さ方向（Ｈ）、幅方向（Ｗ）、奥行き方向（Ｌ）を示す斜視図である。また、図２は図１のＷ方向から見た側面断面図を示したものである。
【００２８】
図１、図２に示すように、燃料電池モジュール１００２は、モジュール容器１０１３を備え、このモジュール容器１０１３は筐体１０１４と２つの蓋体１０２０から構成される。モジュール容器１０１３の内部は密閉空間であり、モジュール容器１０１３の内部に設けられた発電室１００８には、第１反応ガスである酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）と第２反応ガスである燃料ガスとにより発電反応を行う燃料電池セル１０１２が配置されている。この複数の燃料電池セル１０１２はそれぞれが電気的に接続されセルスタック１０１１として構成され、セルスタック１０１１は図１の黒矢印に示すようにスライド式に挿入される。
【００２９】
また、燃料電池セル１０１２は上下方向に伸びる内部が中空の円筒状構造体であり、構造体内部に内部流路（図示せず）を形成する円筒形の内側電極層と、構造体外表面には外側電極層とを有する。すなわち、本実施形態における燃料電池セルは、第２反応ガスを内部流路に供給し、第１反応ガスを構造体外表面に供給することで発電反応が行われる。
【００３０】
なお、本実施形態では、内側電極層は燃料ガスが通過する燃料極、外側電極層には酸化剤ガスが供給される空気極として説明するが、これに限るものではなく、空気極を内部流路に設け、燃料極を外表面に設ける構成としてもよい。また、本実施形態では、第１反応ガスを酸化剤ガス、第２反応ガスを燃料ガスとして説明するが、第１反応ガスが酸化剤ガス、第二反応ガスが燃料ガスとして限定するものではない。
【００３１】
また、図１に示すように、モジュール容器１０１３を構成する筐体１０１４は、対向する２側面が開放された立方体形状であり、第一開放面１０１６と対向する第二開放面１０１８とを有する。第一開放面１０１６および第二開放面１０１８は、蓋体１０２０で閉鎖され、モジュール容器１０１３は気密密封されることで構成される。なお、ここでの図示は省略するが、筐体１０１４と蓋体１０２０とは、断熱材によって全周が覆われていてもよい。
【００３２】
ここで、本実施形態によれば、筐体１０１４の内部上面には改質反応によって第２反応ガス（燃料ガス）を生成する改質器１０２４が取り付けられている。改質器１０２４の取り付け作業は第一開放面１０１６及び第二開放面１０１８とから行うことができる。したがって、２つの開放面から組み付け作業が可能となるため、作業性が向上し、構成部品間の距離をより短く設計することができる。
なお、図２及び図３は改質器１０２４への流入側接続管の記載を省略しているが、部分酸化反応（ＰＯＸ）、オートサーマル反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）によって、適宜原燃料ガス、水、改質用空気等を流入させる管を接続させることができる。
【００３３】
さらに、筐体１０１４の内部に配置された複数の燃料電池セル１０１２は下方にマニホールド１００４を備えている。改質器１０２４で生成された第２反応ガスは第２反応ガス供給管１００６によってマニホールド１００４へと供給される。このマニホールドの上面には、燃料電池セル１０１２を支持するための貫通孔を備えた支持板１０１０が取り付けられている。この図示しない貫通孔は燃料電池セル１０１２の内部流路（図示せず）と連通しており、マニホールド１００４内の第２反応ガスが、燃料電池セル１０１２の内部流路（図示せず）に供給される。
【００３４】
図１に示すように、筐体１０１４の外表面には、第１反応ガス通路カバー１０２０が配置されており、筐体１０１４の開放面と底面を除いて覆うように配設される。すなわち、図２及び図３に示すように第１反応ガス通路１０３４は、筐体１０１４の天面と２つの側面との外壁面と、第１反応ガス通路カバー１０２２の内壁面との間に形成されている。
【００３５】
ここで、図２の点線矢印に示すように、第１反応ガス導入管１０２８から供給された第１反応ガス（酸化剤ガス）は筐体１０１４の天面の第１反応ガス流路１０３４に供給される。その後、図３に示すように、筐体１０１４の天面に供給された第１反応ガスは筐体１０１４の側面外壁に設けられた第１反応ガス流路１０３４を下方に流れた後、筐体１０１４に設けられた第１反応ガス噴出孔１０２６から内部に設けられた燃料電池セル１０１２へと第１反応ガスが供給される。
【００３６】
さらに、図２に示すように、セルスタック１０１１を構成する複数配列された燃料電池セル１０１２は所定の第１間隔１０４０と、第１間隔１０４０よりも大きい第２間隔１０４２が形成される様に配置されている。ここで、第２間隔１０４２はコンパクトの観点から部分的に設けられることが好ましいが、第１間隔１０４０と第２間隔１０４２をどこに設けるかは適宜選択してもよい。
【００３７】
また、本実施形態によれば、図２及び図３に示すように、筐体１０１４の内部に配置されたセルスタック１０１１の上方には燃焼部としての燃焼室１０３０が形成され、この燃焼室１０３０で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、高温の排ガス（以下では適宜「燃焼ガス」と呼ぶ）を生成するようになっている。さらに、排ガスは燃焼室１０３０上方の、改質器１０２０に熱を与えた後に排ガス排出口１０３２から排出される。
【００３８】
次に、図４は図１のＨ方向から見た燃料電池モジュール１００２の上面視図を示しており、第１反応ガス噴出孔１０２６について、集束型噴出孔１０３６及び発散型噴出孔１０３８が設けられた様態を示している。なお、図４では、第１反応ガス供給管１００６、マニホールド１００４等の記載は省略している。また、図５及び図６は本実施形態における集束型噴出孔１０３６及び発散型噴出孔１０３８の拡大断面図を示している。以下では、これらの図を用いて第１反応ガス噴出孔１０２６について詳細に説明していく。
【００３９】
図４に示される本実施形態では、第１反応ガス流路１０３４を流れてきた第１反応ガスは、図４の点線矢印に示すように第１反応ガス噴出孔１０２６から燃料電池セル１０１２の外表面に対して供給される。
【００４０】
ここで、第１反応ガス噴出孔１０２６は集束型噴出孔１０３６及び発散型噴出孔１０３８によって構成される。集束型噴出孔１０３６は通過した第１反応ガスを集束して流速を高めて噴出し、発散型噴出孔１０３８は通過した第１反応ガスを発散させて噴出するものである。集束型噴出孔１０３６と発散型噴出孔１０３８の詳細については後述する。
【００４１】
すなわち、第１反応ガス流路１０３４に設けられた第１反応ガス噴出孔１０２６に集束型噴出孔１０３６及び発散型噴出孔１０３８を設けることで、開口径の大きさや、流量（流速）によらず、第１反応ガス噴出孔１０２６からの噴流を調整することができる。
【００４２】
次に、図５及び図６を参照しながら、集束型噴出孔１０３６と発散型噴出孔１０３８について説明する。
【００４３】
図５は本実施形態における集束型噴出孔１０３６を示す拡大断面図である。第１反応ガス流路１０３４を構成する筐体１０１４の内壁面と外壁面とを連通させる開口である集束型噴出孔１０３６が設けられている。ここで、図５（Ａ）に示すように集束型噴出孔１０３６は点線矢印で示す第１反応ガスの流れにおける流入側の開口径に対して、流出側の開口径のほうが小さくなるように、すなわち先細の開口となるように構成されている。
【００４４】
これにより、第１反応ガス流路１０３４を流れる第１反応ガスは集束型噴出孔１０３６を通過する過程で開口に沿って集束され、セルスタック１０１１に供給される第１反応ガスは流速が高められた状態で噴出される。したがって、集束型噴出孔１０３６に対して遠方に位置するセルスタック１０１１の中央部に第１反応ガスを供給することができる。
【００４５】
なお、図５に示す収束型噴出孔１０３６は、筐体１０１４に形成される開口径を直線状に狭めた形状としているがこの形状に限らず、例えば曲線状としても良い。このように筐体１０１４中の開口形状を任意に設計することで、噴出する第１反応ガスの流速や、噴出孔の圧力損失等の流体物性を適宜設定することが可能となる。
【００４６】
また、図５（Ｂ）に示すように、集束型噴出孔１０３６の周縁をバーリング加工等によってセルスタック１０１１方向に鍔状に張り出すように構成することも好ましい。これにより、先細の集束型噴出孔１０３６の経路を長く構成することができるため、ノズルのように機能して噴流の流速を効果的に高めることができる。
【００４７】
また、図６は発散型噴出孔１０３８の断面図を示している。第１反応ガス流路１０３４を構成する筐体１０１４に、発散型噴出孔１０３８となる開口が設けられている。ここで、図６に示すように発散型噴出孔１０３８は点線矢印で示す第１反応ガスの流れにおける流入側の開口径に対して、流出側の開口径のほうが大きくなるように、すなわち末広の開口となるように構成されている。
【００４８】
これにより、第１反応ガス１０３４を流れる第１反応ガスは発散型噴出孔１０３８を通過する過程で大きな開口に沿って発散され、セルスタック１０１１に供給される第１反応ガスは発散型噴出孔１０３８の周囲に発散するよう噴出される。したがって、発散型噴出孔１０３８に対して近傍に位置するセルスタック１０１１の端部に第１反応ガスを供給することができる。
【００４９】
以上のように反応ガスの噴出される態様が相違する２種類の噴出孔の双方を用い、適切に配置することで、モジュール容器１０１３の内部に供給される第１反応ガスの流動を制御することが可能になる。
【００５０】
なお、同じ収束型噴出孔１０３６であっても、配置場所に応じて開口径等の形状を自由に調整することができる。発散型噴出孔１０３８についても同様である。
【００５１】
また、本発明において配置する複数の噴出孔は、必ずしも収束型噴出孔１０３６と発散型噴出孔１０３８の２種で構成される必要はなく、収束型又は発散型に該当しない通常の噴出孔を併用しても良い。換言すると、配置する複数の噴出孔のうち、特に噴出方向の調整効果を期待する部分についてのみ収束型及び発散型の噴出孔を用いる構成としても良い。
【００５２】
また、図５及び図６に示すように、筐体１０１４の外壁面側には第１反応ガス通路カバー１０２２が設けられている。さらに、筐体１０１４の外壁面を下降するように第１反応ガス流路１０３４を流れる第１反応ガスは、図５では集束型噴出孔１０３６、図６では発散型噴出孔１０３８（以下では、総称して第１反応ガス噴出孔１０２６と呼ぶ）の開口が、第１反応ガスの流動方向に対して直交するように設けられている。ここで、第１反応ガスは流動方向を変更することとなるが、第１反応ガス流路１０３６の下流端を構成する第１反応ガス通路カバー１０２２と衝突する。
【００５３】
ここで、本実施形態によれば、第１反応ガス流路の下流端を構成する第１反応ガス通路カバーの壁面を進行方向に対して傾斜させるように構成している。そのため、第１反応ガスが下流端壁面と衝突することによるエネルギー損失量を低減させることができるため、第１反応ガス噴出孔１０２６からの噴出流速を低減させることを抑制し、セルスタック１０１１の中央まで第１反応ガスを供給することができる。
【００５４】
次に、図２、図３及び図６を参照しながら、集束型噴出孔１０３６及び発散型噴出孔１０３８について説明する。
【００５５】
上述したように、モジュール容器１０１３内部に設けられたセルスタック１０１１は行列配置されており、対向する２側面に設けられた第１反応ガス流路１０３４において、セルスタック１０１１の配列方向に沿って筐体１０１４の側面に集束型噴出孔１０３６および発散型噴出孔１０３８が設けられている。
【００５６】
ここで、第１反応ガス噴出孔１０２６はセルスタック１０１１の配置方向に沿って、水平方向に直線状に配置されていることが好ましい（図２参照）。この場合、セルスタック１０１１の配列方向に沿って水平方向に直線状に配置されているため、上下方向での第１反応ガスの供給ばらつきを抑制し、セルスタック１０１１に均等に反応ガスを供給することができる。
【００５７】
さらに、図２及び図４に示すように、第１反応ガス噴出孔１０２６は並設された燃料電池セル１０１２の間に配置されている。さらに、図４を参照すると、集束型噴出孔１０３６から噴出された集束噴流は、燃料電池セル１０１２の間を通過して、セルスタック１０１１の中央部へと供給される。さらに、発散型噴出孔１０３８から噴出された発散噴流は、燃料電池セル１０１２へ供給されるように噴出する。なお、セルスタック１０１１の配列方向端部に第１反応ガス噴出孔１０２６が配置されていてもよい。
【００５８】
このため、第１反応ガス噴出孔１０２６遠方のセルスタック１０１１中央部や、第１反応ガス噴出孔１０２６近傍であるセルスタック端部への第１反応ガスの供給量が調整容易となるため、セルスタック１０１１へ第１反応ガスを均等に供給することができる。
【００５９】
また、図３及び図６に示すように、セルスタック１０１１を挟んで対向する側壁側に第１反応ガス流路が設けられており、第１反応ガス噴出孔１０２６も対向するように設けられている。ここで、対向する第１反応ガス噴出孔はそれぞれ同一となるように設けられることが好ましい。すなわち、一方側の第１反応ガス流路１０３４の集束型噴出孔１０３６と対向する他方側の第１反応ガス流路１０３４には同じく集束型噴出孔１０３６が設けられ、一方側の第１反応ガス流路１０３４の発散型噴出孔１０３８と対向する他方側の第１反応ガス流路１０３４には同じく発散型噴出孔１０３８が設けられることが好ましい。
【００６０】
これにより、セルスタック１０１１に供給された第１反応ガスは対向する第１反応ガス噴出口から同じ流速で中央へ向かうため、噴出速度が異なることで第１反応ガスの合流地点がばらつくことがない。なお、対向する第１反応ガス噴出孔１０２６が同一であれば、セルスタック１０１１の配列方向に沿った集束型噴出孔１０３６と発散型噴出孔１０３８の配置は適宜変更してもよい。
【００６１】
また、図２及び図６に示すように、複数の燃料電池セル１０１２は第１間隔１０４０と第２間隔１０４２とが形成され、セルスタック１０１１が構成されている。さらに、第２間隔１０４２には集束型噴出孔１０３６が配置されている。
【００６２】
ここで、第１間隔１０４０に対して第２間隔１０４２の方が広く構成されており、ガスの通過領域が広くなっている。したがって、第２間隔１０４２に集束型噴出孔１０３６から噴出した集束噴流を供給することで、セルスタック１０１１の中央へ第１反応ガスを効率的に供給することができる。
【００６３】
また、図６では集束型噴出孔１０３６に隣接して発散型噴出孔１０３８が設けられている。すなわち、点線矢印に示すように集束型噴出孔１０３６からはセルスタック中央側へ集束噴流が噴出され、集束型１０３６の近傍の燃料電池セル１０１２には発散型噴出孔１０３８からの発散噴流が供給される。
【００６４】
すなわち、集束噴流を噴出する集束型噴出孔１０３６の近傍であるセルスタック１０１１端部への第１反応ガス供給量が希薄となってしまうが、隣接して設けられた発散型噴出孔１０３８による発散噴流が集束型噴出孔１０３６の近傍であるセルスタック１０１１端部へ供給される。
なお、図６ではセルスタック１０１１の配列方向に沿って集束型噴出孔１０３６と発散型噴出孔１０３８とが交互に配置されているが、集束型噴出孔１０３６の隣に発散型噴出孔１０３８が設けられていればよい。
【００６５】
なお、ここでは行列配置としたが、モジュール容器１０１３の形状によって配列を変更してもよい。例えば円筒型のモジュール容器であれば、セルスタックの配列も円筒型としてもよい。
【００６６】
また、本実施形態ではセルスタック１０１１を挟んで対抗する面に第１反応ガス流路１０３４を形成し、両端から第１反応ガスを供給する形態が好ましいとしたが、セルスタック１０１１の中央近傍から第１反応ガスを供給するものにおいても、第１反応ガス流路１０３４が設けられていてもよい。
（実施例）
次に、図面を参照して、本発明にかかる吹出口（第１反応ガス噴出孔）を備えた筐体を有する固体酸化物形燃料電池装置の実施例について説明する。
【００６７】
図７は、本発明の一実施例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７に示すように、本発明の一実施例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。
【００６８】
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を介してモジュール容器として機能する金属製のモジュール容器８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュール容器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が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、８個の燃料電池セルスタック１４（図１３参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、各々が燃料電池セルを含む、１６本の燃料電池セルユニット１６（図１２参照）から構成されている。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。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の全てが直列接続されている。
【００６９】
燃料電池モジュール２のモジュール容器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残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排ガス（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、モジュール容器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。
【００７０】
さらに、ハウジング６内においてモジュール容器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。）をモジュール容器８内の改質器１２０に供給する。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
次に、図８乃至図１０を参照して、本発明の一実施例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８は、本発明の一実施例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８のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図１０は、筐体及び空気通路カバーの分解斜視図である。
【００７４】
図８及び図９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容器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、モジュール容器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。
【００７５】
ここで、モジュール容器８は、図１０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８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からなる筐体９と、この筐体本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９の左右方向）に延びる辺同士を連結する蓋体８ｄ，８ｅからなる。
【００７６】
すなわち、筐体９（天板８ａ、底板８ｃ、側面８ｂ）と蓋体８ｄ，８ｅとで構成されたモジュール容器８において、筐体９と蓋体８ｄ，８ｅの外表面は断熱材７により覆われており、蓋体８ｄ，８ｅと断熱材７とで区画される空間には空気層が形成されている。すなわち、断熱材層と空気層とによって二層の断熱層が形成されることとなる。
【００７７】
モジュール容器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。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、モジュール容器８の外側と断熱材７との間、具体的にはモジュール容器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、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９参照）。
【００７８】
モジュール容器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１０参照）。発電用空気は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、モジュール容器８の蓋体８ｅ側の略中央部に設けられた発電用空気導入管７４から流路方向調整部１６４を介して空気通路１６１ａ内に供給される（図８、図１０参照）。そして、発電用空気は、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９、図１０参照）。
【００７９】
ここで、吹出口（第１反応ガス噴出孔）８ｆは空気通路１６１ａ、１６１ｂを流通する酸化剤ガスを集束して流速を高める、または通過した酸化剤ガスを発散させて噴出する様に調整する様に構成されている。すなわち、空気通路１６１ａ、１６１ｂに設けられた吹出口８ｆに酸化剤ガスを集束、発散させる機能を付帯させることで、開口径の大きさや、流量（流速）によらず、第１反応ガス噴出孔１０２６からの噴流を調整することができる。
【００８０】
また、空気通路１６１ａ，１６１ｂの内部には、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィンであるプレートフィン１６２，１６３が設けられている（図９参照）。プレートフィン１６２は、モジュール容器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、プレートフィン１６３は、モジュール容器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。
【００８１】
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容器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。なお、プレートフィン１６２が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン１６３が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。
【００８２】
次に、蒸発器１４０は、モジュール容器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とモジュール容器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８及び図９参照）。
【００８３】
具体的には、蒸発器１４０は、長手方向（図８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９参照）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、モジュール容器８の天板８ａ上に形成された排ガス排出口１１１に連結されている。排ガス排出口１１１は、モジュール容器８内の燃焼室１８で生成された排ガスをモジュール容器８の外へ排出する開口部であり、モジュール容器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。
【００８４】
また、蒸発器１４０は、図８及び図９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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
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、本実施例の蒸発器１４０は、燃焼触媒器を含んでいる。
【００８７】
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。
【００８８】
更に、図８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容器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。
【００８９】
次に、改質器１２０は、燃焼室１８の上方でモジュール容器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、モジュール容器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とが接合されている。この貫通孔１２０ｂは、天板８ａに形成された排ガス排出口１１１と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔１２０ｂの中央位置に排ガス排出口１１１が形成される。
【００９０】
改質器１２０の長手方向の一端側（モジュール容器８の蓋体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（蓋体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。
【００９１】
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８参照）。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。
【００９２】
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。
【００９３】
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュール容器８内を蓋体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内で逆側の蓋体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、燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた支持板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。
【００９４】
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容器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８，図９参照）。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。
【００９５】
下部誘導板１３１は、幅方向（図９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、モジュール容器８内でこの凹部１３２ａ内を水平方向に延びた後、蓋体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。
【００９６】
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。
【００９７】
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排気通路１７２が形成されている。この排気通路１７２は、モジュール容器８の天板８ａを挟んで空気通路１６１ａと並設されており、排気通路１７２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１７５が配置されている。このプレートフィン１７５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。空気通路１６１ａ及び排気通路１７２のうち、プレートフィン１６２，１７５が設けられた部分において、空気通路１６１ａを流れる発電用空気と排気通路１７２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。
【００９８】
また、改質器１２０は、モジュール容器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排気通路１７３が形成されている。また、排ガス誘導部材１３０も側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、排気通路１７３は、排ガス誘導部材１３０と側板８ｂとの間の通路を含んで天板８ａまで延びている。排気通路１７３は、天板８ａと側板８ｂとの角部に位置する排ガス導入口１７２ａで排気通路１７２と連通している。この排ガス導入口１７２ａは、モジュール容器８内で長手方向に延びている。
【００９９】
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排気通路１７４を形成している。この排気通路１７４は、改質器１２０の上方で排気通路１７３と合流する。
【０１００】
次に、図１１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１１は、本発明の一実施例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１１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。
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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８参照）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８参照）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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
次に、図１２を参照して、燃料電池セルスタック１４について説明する。図１２は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図１２に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６は、８本ずつ２列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット１６は、下端側がセラミック製の長方形の支持板６８（図８参照）により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット１６が４本ずつ、概ね正方形の２枚の上支持板１００により支持されている。これらの支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
【０１０７】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、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と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット１６の外側電極層９２（空気極）の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部１０２ｂが接触することにより、集電体１０２は空気極全体と電気的に接続される。
【０１０８】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図１２では左端の奥側）に位置する燃料電池セルユニット１６の空気極には、２つの外部端子１０４がそれぞれ接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６に接続され、上述したように、１２８本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【０１０９】
次に、図１３及び図１４を参照して、本発明の一実施例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８と同様の、本発明の一実施例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９と同様の、図８のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１３及び図１４は、それぞれ、図８及び図９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、一点鎖線矢印は排ガスの流れを示す。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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、モジュール容器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，及び排気通路１７２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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
また、図１３及び図１４に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管７４から空気通路１６１ａに供給される。発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内において、プレートフィン１６２，１６３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容器８内に形成された排気通路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。特に、排気通路１７２内には、空気通路１６１ａのプレートフィン１６２に対応してプレートフィン１７５が設けられているので、発電用空気は、プレートフィン１６２とプレートフィン１７５とを介して、排ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、モジュール容器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。なお、本実施例では、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ガスとの間の熱交換は行われない。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勾配が生じ難くなっている。
【０１１５】
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、モジュール容器８内を上昇していく。具体的には、排ガスは、排気通路１７３と排気通路１７４とに分岐して、改質器１２０の外側面とモジュール容器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、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排気通路１７３に向けて誘導され、排気通路１７３を流れる排ガスに素早く合流される。
【０１１６】
その後、排ガスは、排ガス導入口１７２ａから排気通路１７２に流入する。排気通路１７２内では、排ガスは、排気通路１７２を水平方向に流れていき、モジュール容器８の天板８ａの中央に形成された排ガス排出口１１１から流出する。
なお、排ガスが排気通路１７３を上方へ流れていく際に、空気通路１６１ｂ内に設けられたプレートフィン１６３を介して、発電用空気と排ガスとの間で熱交換が行われる。また、排ガスが排気通路１７２を水平方向に流れていく際に、排気通路１７２内に設けられたプレートフィン１７５と、このプレートフィン１７５に対応して空気通路１６１ａ内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。
【０１１７】
そして、排ガス排出口１１１から流出した排ガスは、モジュール容器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。
【０１１８】
次に、図１５〜図１９を参照して、本実施例の改質器の作用について説明する。図１５は、本発明の一実施例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上部の部分断面図であり、図１６は、改質器の周囲を流れる排ガスの説明図であり、図１７及び図１８は、それぞれ改質器及び排ガス誘導部材の側面断面斜視図及び正面断面斜視図であり、図１９は、改質器の貫通孔を流れる排ガスの説明図である。
【０１１９】
図１５に示すように、発電室１０内に供給された発電用空気は、上方へ向けて移動し（図１５の破線矢印参照）、燃焼室１８でオフガスを燃焼させて排ガスとなる。改質器１２０に貫通孔１２０ｂが形成されていない場合には、排ガスは、燃焼室１８から、排気通路１７３（モジュール容器８の側板８ｂの内面に沿って延びる）のみを通って、モジュール容器８内の上部へ向けて移動することになる。この場合、発電用空気の流路分布は、燃料電池セル集合体１２に対して、上面視幅方向の両端部付近に偏ったものとなり、中央部分の燃料電池セルユニット１６への空気供給が十分でなくなり、この部分の燃料電池セルユニット１６を劣化させてしまうおそれがあった。
【０１２０】
そこで、本実施例では、改質器１２０に貫通孔１２０ｂを設けることにより、排気通路１７４（改質器１２０の貫通孔１２０ｂから改質器１２０と排ガス誘導部材１３０との間に延びる）を形成している。これにより、本実施例では、排ガスは、燃焼室１８から、排気通路１７４と排気通路１７３とに分岐して、モジュール容器８内の上部へ向けて移動することができる（図１６参照）。
【０１２１】
また、本実施例では、特に、排気通路１７４と排気通路１７３を流れる排ガスの流量比が所定値になるように、特定的には、排気通路１７３よりも排気通路１７４を流れる排ガスの流量が大きくなるように、排気通路１７３の通路断面積，改質器１２０の上側での排気通路１７４の通路断面積，貫通孔１２０ｂの開口面積や角部Ｒ形状，後述する連結凹部等が寸法設計されている。これにより、改質器１２０と燃料電池セル集合体１２との距離が接近していたとしても、排ガスを確実に排気通路１７４へ流すことができる。このため、本実施例では、このような排ガスの流れに伴い、発電用空気の流れは、上面視で燃料電池セル集合体１２の幅方向の両端部付近に偏ることなく、中央部分へも流れるため、発電室１０内での発電用空気の空気供給量のムラが抑制され、発電用空気の流れが均等化され易くなる。
【０１２２】
また、本実施例では、改質器１２０は、その底面に衝突する排ガスによって加熱された後、排気通路１７３を通過する排ガスにより幅方向の側方から加熱されると共に、貫通孔１２０ｂを通過する排ガスにより中央部からも加熱される。このように、本実施例では、排ガスによる改質器１２０の加熱を効率良く行うことができる。
【０１２３】
また、本実施例では、上面視で改質器１２０の貫通孔１２０ｂとモジュール容器８の排ガス排出口１１１とが少なくとも部分的に重なり合うように形成されている。より好適には、上面視で排ガス排出口１１１は、貫通孔１２０ｂの点対称な位置である、貫通孔１２０ｂの長手方向及び幅方向の中央部に配置されている。また、上面視で排ガス排出口１１１及び貫通孔１２０ｂは、燃料電池セル集合体１２の中央部分に配置されている。
【０１２４】
仮に、排ガス排出口１１１が、上面視で貫通孔１２０ｂに対して幅方向にずれて配置されている場合には、貫通孔１２０ｂから排ガス排出口１１１への排ガスの流れが、少なくとも幅方向において不均等又は非対称になる。そして、このような排ガスの流れに伴って、発電用空気の流れも幅方向において不均等になる。しかしながら、本実施例では、排ガス排出口１１１と貫通孔１２０ｂが上面視でモジュール容器８の中央部分に配置され、且つ、互いに重なり合う構成となっているため、貫通孔１２０ｂから排ガス排出口１１１への排ガスの流れが、少なくとも幅方向において均等になり、発電用空気の流れも幅方向において均等になる。なお、改質器１２０も上面視でモジュール容器８の中央位置に配置されている。これにより、発電用空気の流路分布の偏りが抑制されて、中央部分及び両端部付近を含んで略均等に燃料電池セルユニット１６へ発電用空気を十分に供給することができるため、燃料電池セルユニット１６の劣化を抑制することが可能となる。
【０１２５】
また、本実施例では、改質器１２０の幅方向において、排ガスの流量が対称（線対称）となるように、即ち、貫通孔１２０ｂを挟んで両側の排気通路１７３の流量が均等で流路分布の偏りがなくなるように、貫通孔１２０ｂは、上面視で改質器１２０を少なくとも幅方向に略等分に区分けするように線対称に形成されている。なお、本実施例では、貫通孔１２０ｂは、上面視で改質器１２０を長手方向にも略等分に区分けするように線対称に形成されている。
【０１２６】
また、本実施例では、図１７及び図１８に示されているように、改質器１２０の貫通孔１２０ｂは、上面視略長円形であり、長手方向に延びるように形成されている。また、改質器１２０のハウジングは、上側ケース１２１及び下側ケース１２２からなる。上側ケース１２１及び下側ケース１２２の各々には、幅方向の両端部から貫通孔１２０ｂを連結するように内方へ窪んだ連結凹部１２１ａ，１２２ａが形成されている。本実施例では、連結凹部１２１ａ，１２２ａは、それぞれ長手方向に離間して２つずつ形成されている。
【０１２７】
連結凹部１２２ａは、燃焼室１８から上昇してきた排ガスが改質器１２０の下側ケース１２２の底面に衝突すると、この排ガスを幅方向の両側、即ち、貫通孔１２０ｂ（排気通路１７４）及びモジュール容器８の側板８ｂに沿った排気通路１７３に誘導する。これにより、本実施例では、排気通路１７３に排ガスの流れが偏ることなく、貫通孔１２０ｂに排ガスを積極的に供給することが可能となる。
【０１２８】
また、連結凹部１２１ａ，１２２ａは、改質器１２０の内部空間へ向けて突出している。具体的には、連結凹部１２１ａ，１２２ａは、改質器１２０内の改質部１２０Ｂの流路を狭めるように内部空間へ向けて突出している。このため、混合ガスは、連結凹部１２１ａ，１２２ａによる突出部分によって流路を変更しながら改質部１２０Ｂを流れるので、混合ガスと改質触媒との接触機会及び接触時間が増える。これにより、本実施例では、混合ガスの改質効率を向上させることができる。さらに、改質触媒は改質器１２０の周囲を流れる排ガスにより所定温度まで昇温されるが、混合ガスと改質触媒との接触機会・接触時間が増えることにより、昇温した改質触媒によって混合ガスを効率良く加熱することができる。
【０１２９】
また、本実施例では、上側ケース１２１及び下側ケース１２２は、同一の原ケース部材から形成されている。即ち、原ケース部材は、金属材料を所定の型を用いて成形（例えば、絞り加工）したものである。そして、同一の原ケース部材を加工することにより、上側ケース１２１と下側ケース１２２がそれぞれ形成される。このため、低コスト化と組み立て性の向上を両立することができる。また、改質器１２０のケースを１パーツ構成とすると、絞り加工では嵩高のケースを形成できないが、本実施例では、改質器１２０のケースを上側ケース１２１及び下側ケース１２２による２パーツ構成としているため、嵩高なケースを形成することができる。このため、容積を同一とした場合には、より底面積の小さな小型の改質器とすることができる。
【０１３０】
上側ケース１２１と下側ケース１２２は、それぞれ外周側のフランジ部１２１ｂ，１２２ｂと、貫通孔１２０ｂを形成する内周側のフランジ部１２１ｃ，１２２ｃを有しており、これらフランジ部を重ね合せた状態で溶接固定されている。外周側のフランジ部１２１ｂ，１２２ｂは、同一の幅を有しており、ケースの側方から容易に溶接作業を行うことが可能である。これに対して、内周側のフランジ部１２１ｃ，１２２ｃが同一の幅を有していた場合には、これらフランジ部を側方から溶接作業を行うことは困難であり、組み立て性が悪い。このため、本実施例では、内周側のフランジ部１２１ｃは、フランジ部１２２ｃよりも幅が狭くなるように原ケース部材から加工されている（図１８参照）。このため、フランジ部１２１ｃ，１２２ｃは、これらフランジ部の段差を利用して上側から溶接作業を容易に行うことが可能となり、組み立て性を向上させることができる。
【０１３１】
また、上側ケース１２１及び下側ケース１２２は、その内側面の角部（貫通孔１２０ｂの角部を含む）は、所定の曲率半径を有するＲ形状となるように湾曲形状とされている（図１７及び図１６の破線部Ａ参照）。曲率半径は、１．０ｍｍ〜３０ｍｍが好ましい。このため、本実施例では、ガスが改質器１２０の内部を通過する際に、角部にガスが滞留することが防止されるので、容器内にデッドスペースがなくなり改質触媒に対して均一にガスを流通させ易くなる。
【０１３２】
また、貫通孔１２０ｂの周面と下側ケース１２２の下面との接続部分又は角部は、貫通孔１２０ｂの周縁（連結凹部１２２ａの部分も含む）にわたって、所定の曲率半径となるようにＲ形状に形成されている（図１８の破線部Ａ参照）。即ち、図１９に示されているように、改質器１２０のケース断面は、改質器１２０の底面から貫通孔１２０ｂの周面（側面）にかけて、外側に向けて凸状となるＲ形状となっている。
【０１３３】
貫通孔１２０ｂの周面と下側ケース１２２の底面との角部が所定の曲率半径の断面円弧状に形成されていることにより、下側ケース１２２に衝突した排ガスは貫通孔１２０ｂに向けて誘導され易くなる。そして、このような排ガスの流れに引っ張られて、発電用空気も貫通孔１２０ｂに向けて誘導される。しかしながら、曲率半径が大きくなり過ぎると、貫通孔１２０ｂへ誘導される発電用空気が多くなり過ぎて、改質器１２０の外周側を通過する発電用空気が少なくなり過ぎ、発電室１０内での発電用空気の流路分布が不均等になってしまう。
【０１３４】
このため、本実施例では、排気通路１７３と排気通路１７４での発電用空気の流量比が適宜な値になるように、角部の曲率半径が１．０ｍｍ〜３０ｍｍに設定されており、これにより、中央部分及び周縁部分に配置された燃料電池セルユニット１６にそれぞれ十分な発電用空気を行き渡らせることができる。
【０１３５】
次に、図１５を参照して、本実施例の排ガス誘導部材の作用について説明する。
本実施例では、蒸発器１４０をモジュール容器８の外部に配置しており、この配置により、モジュール容器８内で水の蒸発熱による局所的な温度低下（排ガスの温度低下を含む）を防止し、排ガスと発電用空気との熱交換をより効率的に行うように構成されている。したがって、本実施例では、燃料電池セルユニット１６の側方部分で熱交換を行うことを回避して、モジュール容器８の天板８ａ付近の限定された部位のみで実質的な熱交換を行うことを可能としている。
【０１３６】
このため、本実施例では、天板８ａを挟んでその上下に空気通路１６１ａ，排気通路１７２が形成され、この部分で実質的な熱交換が行われるように構成されている。しかしながら、装置の小型化を図る場合には、天板８ａの面積も小さくなるため、十分な熱交換を行うための面積が確保できなくなるおそれがある。そこで、本実施例では、排気通路１７２の入口と出口における排ガスの温度差を可能な限り大きく維持することにより、高い熱交換効率を達成するように構成している。
【０１３７】
このため、本実施例では、排ガス誘導部材１３０を採用している。排ガス誘導部材１３０は、貫通孔１２０ｂを通過して上昇してきた排ガスを、貫通孔１２０ｂと向かい合うように下方に向けて突出する凸状段部１３１ａに衝突させ、幅方向に方向付けて、速やかに排ガス導入口１７２ａに誘導する。これにより、排ガスは、排ガス誘導部材１３０の底面付近に滞留することなく、素早く排ガス導入口１７２ａに向けて誘導される。
【０１３８】
排ガス誘導部材１３０の上部には熱交換部として機能する排気通路１７２が形成されているため、排ガス誘導部材１３０の上部の排ガスは下部の排ガスよりも低温である。したがって、排気通路１７４内で排ガスが排ガス誘導部材１３０の底面付近に滞留すると、排ガス誘導部材１３０を介して排気通路１７２内の排ガスとの間で熱交換が生じて、排気通路１７４内の排ガスの温度が低下するおそれがある。また、排気通路１７４内の排ガスは、改質器１２０の上面や排ガス誘導部材１３０の下面を通して熱を奪われるおそれがある。しかしながら、本実施例では、排ガス誘導部材１３０の底面に凸状段部１３１ａを設けたことにより、改質器１２０の貫通孔１２０ｂを通過して上昇してきた高温の排ガスを、排ガス誘導部材１３０の底面付近に滞留させることなく、速やかに側方に誘導することができるので、高い温度を維持したまま排ガス導入口１７２ａに到達させることが可能となる。
【０１３９】
また、排気通路１７２では、幅方向の両端部（排気通路１７２の入口である排ガス導入口１７２ａ）から中央部（特に、排気通路１７２の出口である排ガス排出口１１１）に向けて排ガスが流れる際に、発電用空気との熱交換が行われるため、排ガス誘導部材１３０の凹部１３２ａ付近（図１５の破線部Ａ参照）での排ガスの温度が最も低くなる。特に、凹部１３２ａの長手方向の中央部分に配置された排ガス排出口１１１付近の温度が最も低くなる。一方、排気通路１７４では、改質器１２０の貫通孔１２０ｂの上方、即ち、排ガス誘導部材１３０の凸状段部１３１ａ付近（図１５の破線部Ｂ参照）の温度が最も高くなる。
【０１４０】
最も温度が低い破線部Ａの領域と最も温度が高い破線部Ｂの領域（図１５参照）とは、排ガス誘導部材１３０を介して上下に位置するため、直線的な離間距離は小さい。このため、これらの領域間で熱交換が行われてしまうと、排ガスの入口温度が低下するおそれがある。そこで、本実施例では、排ガス誘導部材１３０のケース部材内にガス溜１３５（ガス室）を形成し、このガス溜１３５を断熱材として機能させている。これにより、本実施例では、排ガス誘導部材１３０の上下の空間（即ち、排気通路１７２と排気通路１７４）との間、特に図１５の破線部Ａ及びＢの領域間の熱交換が遮断されるため、改質器１２０の貫通孔１２０ｂを通過して上昇してきた高温の排ガスの温度低下が防止され、高温状態に維持したまま排ガス導入口１７２ａへ流出させて、排ガスの入口温度を高温に維持することができる。
【０１４１】
また、排ガス誘導部材１３０が断熱材として機能するため、排気通路１７２内の排ガスの熱が排ガス誘導部材１３０によって奪われることが抑制され、排気通路１７２内の排ガスと空気通路１６１ａ内の発電用空気との間の熱交換を促進させることができる。
さらに、排気通路１７２において、排ガス誘導部材１３０の上部誘導板１３２が熱反射板として機能するため、上部誘導板１３２からの輻射熱を排ガス及び空気に与えることができる。これにより、本実施例では、熱交換部でのより高い熱交換効率を達成することができる。
【０１４２】
また、排ガス誘導部材１３０は、伝熱性を有する部材（例えば、金属材料等）で形成されており、それ自体が熱伝導させる。したがって、高温の排ガスが排ガス誘導部材１３０の凸状段部１３１ａに衝突することにより凸状段部１３１ａが加熱されると、凸状段部１３１ａから排ガス誘導部材１３０の他の部位への熱伝導を完全に遮断することはできない。このため、排ガス誘導部材１３０の上面への熱伝導も生じ得る。そうすると、排ガス誘導部材１３０の上面において、熱交換部を構成する排気通路１７２の上流側と下流側の温度差が縮小され、熱交換効率の向上に不利となる。
【０１４３】
そこで、本実施例では、排ガス誘導部材１３０の上面のうち排ガスの温度が最も低くなる排気通路１７２の下流側の部位（即ち、幅方向の中央部分）に凹部１３２ａを形成することにより、排気通路１７２内で排ガスの本流部分が通過する部分（凹部１３２ａが形成された部位以外の通路高さ位置であり、図１５ではプレートフィン１７５が位置する高さ位置）と排ガス誘導部材１３０の凹部１３２ａの底面との間の距離を大きくしている。これにより、排気通路１７２の下流側の部位において、排ガスと排ガス誘導部材１３０との間で熱交換が起き難くなり、凸状段部１３１ａから凹部１３２ａへの熱伝導が抑制される。即ち、凹部１３２ａが熱伝導により一旦昇温した後は、凹部１３２ａ付近で排ガスとの熱交換が起き難いため、凹部１３２ａの温度は低下し難くなる。これにより、本実施例では、熱交換部でのより高い熱交換効率を達成することができる。
【０１４４】
また、混合ガス供給管１１２は、排ガス排出口１１１からモジュール容器８内を通って、改質器１２０へ配管されている。このため、混合ガス供給管１１２内の混合ガスをモジュール容器８内で予熱することができるが、この予熱により排ガスの熱が奪われるため、熱交換効率の向上にとって不利となる。そこで、本実施例では、排ガスの温度が最も低くなっている排気通路１７２の下流側にある排ガス誘導部材１３０の凹部１３２ａ内に混合ガス供給管１１２を配置することにより、熱交換部での熱交換前の高温の排ガスではなく、熱交換後の低温の排ガスによって混合ガス供給管１１２を昇温させるように構成されている。これにより、排ガスの熱が混合ガス供給管１１２によって過剰に奪われることが抑制され、混合ガスを予熱する効率（熱交換効率）を低減することができる。
【符号の説明】
【０１４５】
１      固体酸化物型燃料電池装置
２      燃料電池モジュール
７，７ａ  断熱材
８      モジュール容器
８ａ    天板
８ｂ    側板
８ｄ，８ｅ  蓋体
８ｆ    吹出口（第１反応ガス噴出孔）
９      筐体
１０      発電室
１６      燃料電池セルユニット
１８      燃焼室（燃焼部）
６３      燃料供給配管
６４      燃料ガス供給管（燃料ガス供給通路）
７４      発電用空気導入管
８２      排ガス排出管
１１１      排ガス排出口
１１２      混合ガス供給管
１２０      改質器
１２０ｂ    貫通孔（開口部）
１２１      上側ケース
１２２      下側ケース
１２１ａ，１２２ａ  連結凹部
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
１３３，１３４  連結板
１３５      ガス溜
１４０      蒸発器
１６０      空気通路カバー
１６０ａ    天板
１６０ｂ    側板
１６１ａ，１６１ｂ  空気通路
１６２，１６３  プレートフィン
１６４      流路方向調整部
１７１      排気管
１７２ａ    排ガス導入口
１７２，１７３，１７４  排気通路
１７５      プレートフィン
１０００      固体酸化物形燃料電池装置
１００２      燃料電池モジュール      
１００４      マニホールド
１００６      第２反応ガス供給管
１００８      発電室
１０１０      支持板
１０１１      セルスタック
１０１２      燃料電池セル
１０１３      モジュール容器
１０１４      筐体
１０１６      第一開放面
１０１８      第二開放面
１０２０      蓋体
１０２２      第１反応ガス通路カバー
１０２４      改質器
１０２６      第１反応ガス噴出孔
１０２８      第１反応ガス導入管
１０３０      燃焼室
１０３２      排ガス排出口
１０３４      第１反応ガス流路
１０３６      集束型噴出孔
１０３８      発散型噴出孔
１０４０      第１間隔
１０４２      第２間隔
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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