(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池装置のガスマニホールドと燃料電池セルとの間の気密性を確実に保つ。【解決手段】固体酸化物形燃料電池装置は、筒状の発電部及び発電部の下端に接続された支持部材１８０を有する燃料電池セルユニット１６と、燃料電池セルユニット１６の支持部材１８０が挿入される挿入孔６８Ａが支持板６８に形成され、燃料ガスを、支持板１８０を通じて発電部内のガス流路に分配するガスマニホールド６６と、ガスマニホールド６６の挿入孔６８Ａに支持部材１８０を接着するシール材１９０と、を備え、シール材１９０は支持部材１８０の外面とガスマニホールド６６の支持板６８とを接着する平面シール部１９０Ａと、支持部材１８０の外面とガスマニホールド６６の挿入孔６８Ａの側面とを接着する側面シール部１９０Ｂとを含み、シール材１８０の線膨張係数は、ガスマニホールド６６よりも小さい。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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であって、
燃料極と、電解質と、空気極と、が順次積層されてなり、前記燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路が内部に形成された筒状の発電部、及び、前記発電部の少なくとも一端に接続された固定用端部を有する燃料電池セルユニットと、
燃料電池セルユニットの固定用端部が挿入される挿入孔が上面に形成され、前記燃料ガスを、前記固定用端部を通じて前記ガス流路に分配するガスマニホールドと、
前記ガスマニホールドの前記挿入孔に前記固定用端部を接着するシール材と、を備え、
前記シール材は、前記固定用端部の外面と前記ガスマニホールドの上面とを接着する平面シール部と、前記固定用端部の外面と前記ガスマニホールドの前記挿入孔の側面とを接着する側面シール部とを含み、
前記シール材の線膨張係数は、前記ガスマニホールドの線膨張係数よりも小さい、ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記平面シール部と、前記側面シール部とは連続している、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記シール材の線膨張係数は、前記ガスマニホールドの線膨張係数の０．７〜０．９９９倍である、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記固定用端部は中央に突出部を有し、前記突出部が前記ガスマニホールドの前記挿入孔に挿入され、前記ガスマニホールドの前記挿入孔の側面と、前記突出部との間に前記側面シール部が設けられている、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記側面シール部は、前記ガスマニホールドの前記挿入孔の内面により下方から支持されている、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
前記ガスマニホールドの前記挿入孔の縁は段状に形成されている、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項７】
前記平面シール部の前記シール材の厚さは外周縁部で最も厚くなっている、請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項８】
前記固定用端部の外周角部は面取りされており、前記面取りされた外周角部は前記平面シール部を介して前記ガスマニホールドの上面に接着されている、請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項９】
前記固定用端部は、前記発電部の端部に設けられ、突出部を含むキャップと、前記キャップと前記ガスマニホールドの間に設けられた支持部材とを有し、
前記支持部材には前記キャップの突出部が挿入された支持部材貫通孔が形成されており、
前記シール材は、前記キャップと前記支持部材の上面とを接着する第２平面シール部と、前記キャップの突出部と、前記支持部材の前記支持部材貫通孔の内面とを接着する第２側面シール部と、を備える、請求項２〜６の何れか１項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、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】
固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルは、例えば、特許文献１に記載されているように燃料極と、電解質と、空気極とが積層されて筒状に形成されており、内部に燃料ガス流路が形成されている。そして、燃料電池セルの燃料ガス流路にはガスマニホールドから燃料ガスが供給される。燃料電池セルとガスマニホールドとの間は、ガスマニホールドの上面に形成された開口に支持部材を挿入し、支持部材に形成された連通孔に燃料電池セルのキャップを挿入することにより、ガスマニホールド内の空間と燃料電池セルの燃料ガス流路とが連通する。特許文献１に記載された固体酸化物形燃料電池装置では、ガスマニホールドの上面と支持部材の下面との間をガラスシール材で接続することにより、ガスマニホールドと支持部材との間を封止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−７９５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、固体酸化物形燃料電池装置は、一般的に６００〜１０００℃の高温環境下で作動する。このため、作動時や高温焼成時等の高温環境下には、固体酸化物形燃料電池装置を構成する各部材の熱膨張の差により、ガラスシール材には大きな応力が生じ、クラックが生じてしまうことがある。このようにクラックが生じてしまうと、クラックを通じて燃料ガスが漏出してしまい、燃料電池セルへの燃料ガスの供給が不足してしまったり、クラックから燃料ガス流路に酸化剤ガスが流入し、燃料極が劣化してしまったりして、燃料電池セルの劣化の問題を引き起こすおそれがある。
【０００６】
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ガスマニホールドと燃料電池セルとの間の気密性を確実に保つことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置は、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であって、燃料極と、電解質と、空気極と、が順次積層されてなり、燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路が内部に形成された筒状の発電部、及び、発電部の少なくとも一端に接続された固定用端部を有する燃料電池セルユニットと、燃料電池セルユニットの固定用端部が挿入される挿入孔が上面に形成され、燃料ガスを、固定用端部を通じてガス流路に分配するガスマニホールドと、ガスマニホールドの挿入孔に固定用端部を接着するシール材と、を備え、シール材は、固定用端部の外面とガスマニホールドの上面とを接着する平面シール部と、固定用端部の外面とガスマニホールドの挿入孔の側面とを接着する側面シール部とを含み、シール材の線膨張係数は、ガスマニホールドの線膨張係数よりも小さい、ことを特徴とする。
【０００８】
上記説明したように、燃料電池セルユニットとガスマニホールドとを水平方向に平坦なシール材で封止すると、高温環境下において部材間の熱膨張の差により、シール材に大きなせん断力が作用し、水平方向にクラックが生じてしまう。これに対して、上記構成の本発明によれば、シール材が、固定用端部の外面とガスマニホールドの上面とを接着する平面シール部と、固定用端部の外面とガスマニホールドの挿入孔の側面とを接着する側面シール部とを有するため、側面シール部に水平方向のせん断力が作用したとしても、クラックが上下方向に進行せず、燃料電池セルのガス流路と、燃料電池セルの外部空間との間でクラックが貫通することを防止できる。さらに、上記構成の本発明によれば、シール材の方は、ガスマニホールドよりも線膨張係数が小さいため、側面シール部には圧縮力が作用する。このため、側面シール部をより強固に構成することができ、気密性を確保することができる。
【０００９】
本発明において、好ましくは、平面シール部と、側面シール部とは連続している。
上記構成の本発明によれば、平面シール部と側面シール部とが連続しているため、燃料電池セルユニットとガスマニホールドとの間を封止するシール材の距離を長く確保することができる。さらに、平面シール部と側面シール部とが連続しているため、平面シール部に水平方向のせん断応力が生じた場合には、側面シール部には圧縮力が作用することになり、側面シール部がより強固に封止することができ、気密性を確保することができる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、シール材の線膨張係数は、ガスマニホールドの線膨張係数の０．７〜０．９９９倍である。
上記構成の本発明によれば、シール材とガスマニホールドの線膨張係数の差が小さいため、線膨張係数の差による熱応力の発生を最小限に抑えつつ、側面シール部に圧縮応力を作用させることができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、固定用端部は中央に突出部を有し、突出部がガスマニホールドの挿入孔に挿入され、ガスマニホールドの挿入孔の側面と、突出部との間に側面シール部が設けられている。
【００１２】
固定用端部とガスマニホールドの線膨張係数の差により生じる応力は、固定用端部の中央から離間するほど大きくなり、シール材には外周部にクラックが生じやすい。これに対して、上記構成の本発明によれば、固定用端部の中央に設けられた突出部の周囲に側面シール部が設けられるため、側面シール部に作用する応力が小さくなる。これにより、平面シール部にクラックが生じても、側面シール部にはクラックが発生せず、気密性を確保することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、側面シール部は、ガスマニホールドの挿入孔の内面により下方から支持されている。
上記構成の本発明によれば、側面シール部は、ガスマニホールドの挿入孔の内面により下方から支持されているため、側面シール部のガスマニホールドの挿入孔の内面との接触面が大きくなる。シール材の線熱膨張係数がガスマニホールドよりも小さいため、側面シール部には圧縮力が作用するが、接触面が大きくなることにより、側面シール部に作用する圧縮力が大きくなり、より強固に側面シール部において気密性を確保できる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、ガスマニホールドの挿入孔の縁は段状に形成されている。
上記構成の本発明によれば、単に円筒状の孔を設けた場合に比べて、ガスマニホールドの断面２次モーメントを大きくすることができ、ガスマニホールドの挿入孔近傍の曲げ剛性を大きくすることができる。これにより、ガスマニホールドの燃料電池セルユニットの重量による変形を抑止し、それによる、シール材への応力発生を抑えることができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、平面シール部のシール材の厚さは外周縁部で最も厚くなっている。
上述の通り、固定用端部とガスマニホールドの線膨張係数の差によりシール材に生じる応力は外周部ほど大きくなるが、上記構成の本発明によれば、平面シール部のシール材の厚さは外周縁部で最も厚くなっているため、外周縁部におけるクラックの発生を防止できる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、固定用端部の外周角部は面取りされており、面取りされた外周角部は平面シール部を介してガスマニホールドの上面に接着されている。
上記構成の本発明によれば、固定用端部の外周角部は面取りされているため、平面シール部のシール材の外周縁部の厚さを厚くすることができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、固定用端部は、発電部の端部に設けられ、突出部を含むキャップと、キャップとガスマニホールドの間に設けられた支持部材とを有し、支持部材にはキャップの突出部が挿入された支持部材貫通孔が形成されており、シール材は、キャップと支持部材の上面とを接着する第２平面シール部と、キャップの突出部と、支持部材の支持部材貫通孔の内面とを接着する第２側面シール部と、を備える。
上記構成の本発明によれば、支持部材とガスマニホールドとの間と同様に、支持部材とキャップとの間を強固に封止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池装置のガスマニホールドと燃料電池セルとの間の気密性を確実に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態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２】本発明の第１実施形態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正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態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から断熱材及びハウジングを取り外した状態の斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の第２排気通路及び空気通路の第２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】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図７】本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池装置における燃料電池セルユニットとマニホールドとの接続部を拡大して示す鉛直断面図である。
【図８】本発明の第１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９】本発明の第１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ガスの流れの説明するための、図２のIII-III線に沿った燃料電池モジュールの正面断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による固体酸化物形燃料電池装置における燃料電池セルユニットとマニホールドとの接続部を拡大して示す鉛直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１は、本発明の第１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、本発明の第１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。
【００２２】
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６参照）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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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源である燃料供給源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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
次に、図２乃至図４を参照して、本発明の第１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、本発明の第１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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。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）。
【００３２】
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２、図４参照）。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３、図４参照）。
【００３３】
また、空気通路１６１ａ，１６１ｂの内部には、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ内の排気ガスと空気通路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１６２，１６３が設けられている（図３参照）。プレートフィン１６２は、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。すなわち、プレートフィン１６２は、空気通路１６１ａ内の後述する第１排気通路１７２ａに対応する部分に設けられている。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。すなわち、プレートフィン１６３は、空気通路１６１ｂ内の後述する第２排気通路１７２ｂ及び排気集中部１７６に対応する部分に設けられている。
【００３４】
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。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。
【００３５】
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）。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【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ガスマニホールド６６内へ入り、更にガスマニホールド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、燃料ガスがガスマニホールド６６内に供給される。後述するが、このガスマニホールド６６の上部には、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支持板６８が取り付けられており、ガスマニホールド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。
【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。
【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と並設されており、第１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。
【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。第２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。
【００５３】
空気通路１６１ａ、１６１ｂと、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂのうち、プレートフィン１６２、１６３、１７５ａ、１７５ｂが設けられた部分において、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。
【００５４】
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排気通路１７３が形成されている。
【００５５】
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、排気ガスが集中する排気集中部１７６が形成される。
【００５６】
図５は、第２排気通路１７２ｂ及び空気通路１６１ｂの第２排気通路１７２ｂに対応する部分を拡大して示す鉛直断面図である。図４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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、図６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６は、本発明の第１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。
【００６５】
図６に示すように、燃料電池セルユニット１６は、発電部としての燃料電池セル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。
【００６６】
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。
【００６７】
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が突出するように形成されている。内側電極端子８６の円筒状の外周部８６Ａがシール材９６の外周を包囲している。
【００６８】
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、ガスマニホールド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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
図７は、本発明の第１実施形態による固体酸化物形燃料電池装置における燃料電池セルユニットとマニホールドとの接続部を拡大して示す鉛直断面図である。なお、図中、燃料電池セルユニットは、内側電極端子のみを示す。
図７に示すように、ガスマニホールド６６の支持板６８には、円形断面の挿入孔６８Ａが形成されている。ガスマニホールド６６の支持板６８に形成された挿入孔６８Ａには、上方から支持部材１８０の突出部１８０Ｂが挿入されており、支持部材１８０の貫通孔１８２には、上方から内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８が挿入されている。
【００７４】
挿入孔６８Ａは、各燃料電池セルユニット１６に対応して設けられている。挿入孔６８Ａの外周部には下方に突出する環状の突出部６８Ｄが形成されている。挿入孔６８Ａの内面の上部６８Ｂは下方に向かって直径が小さくなるような傾斜面に形成されている。また、挿入孔６８Ａの内面の下部６８Ｃは鉛直な円筒状の面に形成されている。
【００７５】
支持部材１８０は、円柱状（円筒状）の基部１８０Ａと、基部１８０Ａの下面から下方に突出する円柱状（円筒状）の突出部１８０Ｂとを有する。基部１８０Ａの中心軸と、突出部１８０Ｂの中心軸とは一致している。また、支持部材１８０の中央には上下方向に貫通する円形断面の貫通孔１８２が形成されている。突出部１８０Ｂの直径は、ガスマニホールド６６の支持板６８の挿入孔６８Ａの下部６８Ｃの直径よりもわずかに小さい。また、図７に示すように、基部１８０Ａの上面の外周縁（角部）１８０Ｄ及び下面の外周縁（角部）１８０Ｃは斜めに面取りが施されている。同様に、突出部１８０Ｂの下面の外周縁（角部）１８０Ｅも斜めに面取りが施されている。また、支持部材１８０の貫通孔１８２の上端の縁は斜めに面取りが施され、斜め上方を向いた傾斜面１８２Ｆが形成されている。
【００７６】
ガスマニホールド６６と支持部材１８０の間には第１のシール材１９０が設けられており、ガスマニホールド６６と支持部材１８０の間の隙間は第１のシール材１９０により封止されている。第１のシール材１９０は、例えば、ガラスシールからなる。第１のシール材１９０は、支持部材１８０の基部１８０Ａの下面（外面）とガスマニホールド６６の支持板６８の上面との間を接着する平面シール部１９０Ａと、支持部材１８０の突出部１８０Ｂの側面（外面）とガスマニホールド６６の挿入孔６８Ａの内面の上部６８Ｂとの間を接着する側面シール部１９０Ｂと、を含む。図７に示すように、平面シール部１９０Ａと側面シール部１９０Ｂとは連続している。
【００７７】
平面シール部１９０Ａは、支持部材１８０の基部１８０Ａの外周面よりも外方まで進出している。また、平面シール部１９０Ａの外周部１９０Ｃは、基部１８０Ａの面取りされた下方の角部１８０Ｃと接している。平面シール部１９０Ａは、外周部１９０Ｃにおいて厚さが最大になっている。
【００７８】
側面シール部１９０Ｂは、挿入孔６８Ａの内面の上部６８Ｂの下端近傍まで進出している。上述の通り、挿入孔６８Ａの内面の上部６８Ｂは下方に向かって直径が小さくなるような傾斜面に形成されているため側面シール部１９０Ｂはこの挿入孔６８Ａの内面の上部６８Ｂにより支持されている。
【００７９】
なお、第１のシール材１９０は、予め、ガスマニホールド６６の挿入孔６８Ａの内周面及び周囲にガラスペーストを取り付けておき、支持部材１８０を突出部１８０Ｂが挿入孔６８Ａ内に挿入されるように配置し、支持部材１８０を押し込み、ガラスペーストを焼成することにより形成することができる。なお、ガラスペーストは、ガスマニホールド６６の挿入孔６８Ａの上部６８Ｂから、支持部材１８０の基部１８０Ａの外周よりも進出した位置まで設けておくことが望ましい。
【００８０】
支持部材１８０と、内側電極端子８６との間には、第２のシール材１９２が設けられており、支持部材１８０と内側電極端子８６の間の隙間は第２のシール材１９２により封止されている。
【００８１】
第２のシール材１９２は、第１のシール材１９０と同様に、例えば、ガラスシールからなる。第２のシール材１９２は、内側電極端子８６の下面（外面）と支持部材１８０の基部１８０Ａの上面との間を接着する平面シール部１９２Ａと、内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８の側面（外面）と、支持部材１８０の貫通孔１８２の縁の傾斜面１８２Ｆとの間を接着する側面シール部１９２Ｂと、を含む。図７に示すように、平面シール部１９２Ａと側面シール部１９２Ｂとは連続している。
【００８２】
平面シール部１９２Ａは、内側電極端子８６の外周部８６Ａよりも外方まで進出している。平面シール部１９２Ａは内側電極端子８６の外周部８６Ａよりも外方の外周部１９２Ｃにおいて厚さが最大になっている。また、平面シール部１９２Ａの外周部１９２Ｃは、内側電極端子８６の外周部８６Ａの下縁の角部を包囲している。
【００８３】
側面シール部１９２Ｂは、貫通孔１８２の縁の傾斜面１８２Ｆの下端近傍まで進出している。傾斜面１８２Ｆは斜め上方を向いており、側面シール部１９２Ｂは傾斜面１８２Ｆにより支持されている。
このような構成により、ガスマニホールド６６内の空間６６Ａは、支持部材１８０の貫通孔１８２、及び、内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を介して、燃料電池セル８４の燃料ガス流路８８（図６）に連通している。
【００８４】
第１及び第２のシール材１９０、１９２に用いられているガラスシールは、ガスマニホールド６６を構成する材料（例えば、ステンレス）よりも線膨張係数が小さいものが用いられている。より具体的には、第１のシール材１９０に用いられているガラスシールの線膨張係数は、ガスマニホールド６６を構成する材料の線膨張係数の０．７〜０．９９９倍であることが好ましい。
【００８５】
なお、本実施形態において、燃料電池セルユニット１６の燃料電池セル８４が発電を行う発電部として機能し、内側電極端子８６及び支持部材１８０により、燃料電池セルユニット１６を固定するための固定用端部１８４（図７）が構成される。
【００８６】
次に、図８及び図９を参照して、本発明の第１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、本発明の第１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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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からガスマニホールド６６内に供給され、ガスマニホールド６６から各燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００９１】
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。
【００９２】
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。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。
【００９３】
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。具体的には、排気ガスは、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を流れる排気ガスに合流する。ここで、第２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排気通路１７３及び第４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８のＡの部分）。
【００９４】
その後、排気ガスは、排気集中部１７６から第２排気通路１７２ｂに導入される。そして、第２排気通路１７２ｂを通過した排気ガスは、第１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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
以上説明したように、第１実施形態によれば、以下の作用効果が奏される。
従来技術で説明したように、燃料電池セルユニットとガスマニホールドとを水平方向に平坦なシール材で封止すると、高温環境下において部材間の熱膨張の差により、シール材に大きなせん断力が作用し、クラックが生じてしまう。これに対して、本実施形態によれば、第１のシール材１９０は、支持部材１８０の基部１８０Ａの下面とガスマニホールド６６の上面とを接着する平面シール部１９０Ａと、支持部材１８０の突出部１８０Ｂの外周面とガスマニホールド６６の挿入孔６８の上部６８Ｂの内面とを接着する側面シール部１９０Ｂとを有するため、側面シール部１９０Ｂに水平方向のせん断力が作用したとしても、クラックが上下方向に進行せず、燃料電池セルユニット１６のガス流路と燃料電池セルユニット１６の外部空間との間でクラックが貫通することを防止できる。さらに、本実施形態によれば、第１のシール材１９０がガスマニホールド６６よりも線膨張係数が小さいため、側面シール部１９０Ｂには圧縮力が作用する。このため、側面シール部１９０Ｂをより強固に構成することができ、気密性を確保することができる。
【００９８】
また、本実施形態によれば、第１のシール材１９０の平面シール部１９０Ａと側面シール部１９０Ｂとが連続しているため、燃料電池セルユニット１６とガスマニホールド６６との間を封止する第１のシール材１９０の距離を長く確保することができる。さらに、第１のシール材１９０の平面シール部１９０Ａと側面シール部１９０Ｂとが連続しているため、平面シール部１９０Ａに水平方向のせん断応力が生じた場合には、側面シール部１９０Ｂには圧縮力が作用することになり、側面シール部１９０Ｂをより強固に構成することができ、気密性を確保することができる。
【００９９】
また、本実施形態によれば、第１のシール材１９０の線膨張係数は、ガスマニホールド６６の線膨張係数の０．７〜０．９９９倍である。このように、第１のシール材１９０とガスマニホールド６６の線膨張係数の差が小さいため、線膨張係数の差による熱応力の発生を最小限に抑えつつ、側面シール部１９０Ｂに圧縮応力を作用させることができる。
【０１００】
また、支持部材１８０とガスマニホールド６６の線膨張係数の差により生じる応力は、支持部材１８０の中央から離間するほど大きくなり、このため、第１のシール材１９０には外周部にクラックが生じやすい。これに対して、本実施形態によれば、支持部材１８０の中央に設けられた突出部１８０Ｂの周囲に側面シール部１９０Ｂが設けられるため、側面シール部１９０Ｂに作用する応力が小さくなる。これにより、平面シール部１９０Ａにクラックが生じても、側面シール部１９０Ｂにはクラックが発生せず、気密性を確保することができる。
【０１０１】
また、本実施形態によれば、第１のシール材１９０の側面シール部１９０Ｂは、ガスマニホールド６６の挿入孔６８の上部６８Ｂの傾斜面により下方から支持されているため、側面シール部１９０Ｂのガスマニホールド６６の挿入孔６８Ａの内面との接触面積が大きくなる。第１のシール材１９０の線熱膨張係数がガスマニホールド６６よりも小さいため、側面シール部１９０Ｂには圧縮力が作用するが、この圧縮力が大きくなり、より強固に側面シール部１９０Ｂにおいて気密性を確保できる。
【０１０２】
また、本実施形態によれば、マニホールド６６の挿入孔６８Ａの周囲に突出部６８Ｄが形成されている。これにより、単に挿入孔６８Ａを形成した場合に比べて、ガスマニホールド６６の支持板６８の断面２次モーメントを大きくすることができ、ガスマニホールド６６の挿入孔６８Ａ近傍の曲げ剛性を大きくすることができる。これにより、ガスマニホールド６６の燃料電池セルユニット１６の重量による変形を抑止し、それによる第１のシール材１９０への応力発生を抑えることができる。
【０１０３】
また、上述の通り、支持部材１８０とガスマニホールド６６の線膨張係数の差により第１のシール材１９０に生じる応力は外周部ほど大きくなるが、本実施形態によれば、平面シール部１９０Ａのシール材の厚さは外周部１９０Ｃで最も厚くなっているため、第１のシール材１９０の外周部１９０Ｃにおけるクラックの発生を防止できる。
【０１０４】
また、本実施形態によれば、支持部材１８０の角部１８０Ｃは面取りされており、面取りされた角部１８０Ｃは平面シール部１９０Ａを介してガスマニホールド６６の支持板６８に接着されているため、側面シール部１９０Ｂの外周縁部の厚さを厚くすることができる。
【０１０５】
また、本実施形態によれば、内側電極端子８６と支持部材１８０との間を第２のシール材１９２が封止しており、内側電極端子８６と支持部材１８０の上面とを接着する平面シール部１９２Ａと、内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８の側面と支持部材１８０の貫通孔１８２の傾斜面１８２Ｆとを接着する側面シール部１９２Ｂと、を備えるため、支持部材１８０とガスマニホールド６６との間と同様に、支持部材１８０と内側電極端子８６との間を強固に封止することができる。
【０１０６】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。以下、本発明の第２実施形態による固体酸化物形燃料電池装置について説明する。第２実施形態による固体酸化物形燃料電池装置は、マニホールドの形状が第１実施形態と異なっている。
【０１０７】
図１０は、本発明の第２実施形態による固体酸化物形燃料電池装置における燃料電池セルユニットとマニホールドとの接続部を拡大して示す鉛直断面図である。なお、第１実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
図１０に示すように、第２実施形態においても、ガスマニホールド２６６の支持板２６８には、円形断面の挿入孔２６８Ａが形成されている。ガスマニホールド２６６の支持板２６８に形成された挿入孔２６８Ａには、上方から支持部材１８０の突出部１８０Ｂが挿入されており、支持部材１８０の貫通孔１８２には、上方から内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８が挿入されている。
【０１０８】
挿入孔２６８Ａは、各燃料電池セルユニット１６に対応して設けられている。ガスマニホールド２６６の挿入孔２６８Ａの縁には、下方に向かって鉛直方向に延びる円筒状の円筒部２６８Ｂが形成されており、円筒部２６８Ｂの下端には内方に向かって延びる円環状の円環部２６８Ｃが形成されている。このように、第２実施形態のガスマニホールド２６６の縁には、鉛直方向に延びる円筒部２６８Ｂと、水平方向に延びる円環部２６８Ｃが形成されており、段状になっている。
第２実施形態においても、支持部材１８０の構成は第１実施形態と同様である。
【０１０９】
ガスマニホールド２６６と、支持部材１８０の間には第１のシール材２９０が設けられており、ガスマニホールド２６６と支持部材１８０の間の隙間は第１のシール材２９０により封止されている。第１のシール材２９０は、例えば、ガラスシールからなる。第１のシール材２９０は、支持部材１８０の基部１８０Ａの下面（外面）とガスマニホールド２６６の支持板２６８の上面との間を接着する平面シール部２９０Ａと、支持部材１８０の突出部１８０Ｂの側面（外面）とガスマニホールド２６６の挿入孔２６８Ａの円筒部２６８Ｂの内周面との間を接着する側面シール部２９０Ｂと、を含む。図１０に示すように、平面シール部２９０Ａと側面シール部２９０Ｂとは連続している。
【０１１０】
平面シール部２９０Ａは、支持部材１８０の基部１８０Ａの外周面よりも外方まで進出している。また、平面シール部２９０Ａの外周部２９０Ｃは、基部１８０Ａの面取りされた下方の角部と接している。平面シール部２９０Ａは、外周部２９０Ｃにおいて厚さが最大になっている。
【０１１１】
側面シール部２９０Ｂは、挿入孔２６８Ａの円環部２６８Ｃの上面に接触するまで下方に向かって進出している。そして、側面シール部２９０Ｂはこの挿入孔６８Ａの円環部２６８Ｃにより支持されている。
【０１１２】
なお、第１のシール材２９０は、予め、ガスマニホールド２６６の挿入孔２６８Ａの内周面及び周囲にガラスペーストを取り付けておき、支持部材１８０を突出部１８０Ｂが挿入孔６８Ａ内に挿入されるように配置し、支持部材１８０を押し込み、ガラスペーストを焼成することにより形成することができる。なお、ガラスペーストは、ガスマニホールド２６６の挿入孔２６８Ａの円環部２６８Ｃに当接し、かつ、支持部材１８０の基部１８０Ａの外周よりも進出した位置まで設けておくことが望ましい。
支持部材１８０、内側電極端子８６及び支持部材１８０と内側電極端子８６の間を封止する第２のシール材１９２の構成は第１実施形態と同様である。
【０１１３】
上記説明した第２実施形態によれば、第１実施形態で得られる作用効果に加えて以下の作用効果が奏される。
本実施形態によれば、マニホールド２６６の挿入孔２６８Ａの縁が段状に形成されている。これにより、単に挿入孔２６８Ａを形成した場合に比べて、ガスマニホールド２６６の支持板２６８の断面２次モーメントを大きくすることができ、ガスマニホールド２６６の挿入孔２６８Ａ近傍の曲げ剛性を大きくすることができる。これにより、ガスマニホールド２６６の燃料電池セルユニット１６の重量による変形を抑止し、それによる第１のシール材２９０への応力発生を抑えることができる。
【０１１４】
なお、上記実施形態では、支持部材１８０を介して内側電極端子８６とガスマニホールド６６、２６６が接続された場合について説明したが、これに限らず、内側電極端子８６とガスマニホールド６６、２６６とを直接接続してもよい。このような場合であっても、平面シール部と側面シール部とを設け、シール材の線膨張係数をガスマニホールドの線膨張係数よりも小さくすれば、同様の効果が奏される。
【符号の説明】
【０１１５】
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  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
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  支持板
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
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
１３４  連結板
１３５  ガス断熱層（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
１６１ｂ  空気通路
１６２  プレートフィン
１６３  プレートフィン
１６４  流路方向調整部
１６７  開口部
１７１  排気管
１７２ａ  第１排気通路
１７２ｂ  第２排気通路
１７３  第３排気通路
１７４  第４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  支持部材
１８０Ａ  基部
１８０Ｂ  突出部
１８０Ｃ  外周縁（角部）
１８０Ｄ  外周縁（角部）
１８０Ｅ  外周縁（角部）
１８２  貫通孔
１８２Ｆ  傾斜面
１８４  固定用端部
１９０  第１のシール材
１９０Ａ  平面シール部
１９０Ｂ  側面シール部
１９０Ｃ  外周部
１９２  第２のシール部
１９２Ａ  平面シール部
１９２Ｂ  側面シール部
１９２Ｃ  外周部
２０２  突出部
２０２ｂ  天板部
２０３  突起部
２０４  突出部
２０４ｂ  天板部
２０５  突起部
２６６  ガスマニホールド
２６８  支持板
２６８Ａ  挿入孔
２６８Ｂ  円筒部
２６８Ｃ  円患部
２９０  第１のシール材
２９０Ａ  平面シール部
２９０Ｂ  側面シール部
２９０Ｃ  外周部
【図１】
2018049699.tif 000003
【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】
2018049699.tif 000009
【図８】
2018049699.tif 000010
【図９】
2018049699.tif 000011
【図１０】
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