(57)【要約】【課題】空気供給口から供給された空気が空気通路内に均一に広がるようにする。【解決手段】固体酸化物形燃料電池装置において、モジュールケース８の天面８ａには、排ガス通路内の排ガスと、空気通路内の発電用空気との間で熱交換が行われる熱交換部が形成され、空気供給管は、空気供給口が天面８ａと対向するように設けられ、さらに、空気供給口から天面８ａに吹き付けられた発電用空気を空気通路全体に広がるように分配する空気分配部材１８０を備える。【選択図】図５
2019201005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池装置であって、
発電用空気と、水蒸気改質して得られた燃料ガスとの反応により発電する燃料電池セルと、
モジュール容器と、
前記モジュール容器内に設けられ、前記燃料電池セルの発電に寄与しなかった燃料ガスを燃焼させ排ガスを生成する燃焼部と、
前記燃焼部の上方に設けられ、原料ガスを水蒸気改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記モジュール容器の少なくとも一つの面の内壁に沿って形成され、前記排ガスを前記モジュール容器の外部へ排出するための排出口に、前記燃焼部で発生した排気ガスを誘導する排ガス通路と、
前記モジュール容器の外部から前記発電用空気を空気供給口から供給する空気供給管と、
前記モジュール容器の少なくとも一つの面の外壁に沿って形成され、前記空気供給管から供給された発電用空気が供給される空気通路と、を備え、
前記モジュール容器の少なくとも一つの面には、前記排ガス通路内の排ガスと、前記空気通路内の発電用空気との間で熱交換が行われる熱交換部が形成され、
さらに、前記空気供給口から前記外壁に吹き付けられた発電用空気を前記空気通路全体に広がるように分配する空気分配機構を備え、
前記空気分配機構は、前記外壁と対向する対向面と、側面とを含む空気分配部材により囲まれて前記空気通路の内部に形成された空気分配室を有し、
前記発電用空気は、前記空気供給口から前記空気分配室に供給され、
前記空気分配室の側面には、開口が形成されている、ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記複数の開口の開口面積は、前記空気供給口から遠い開口ほど、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】
前記排ガス通路は、前記モジュール容器の天面の内壁に沿って形成され、
前記空気通路は、前記モジュール容器の天面の外壁に沿って形成され、
前記複数の開口は、前記空気分配部材の前記側面の前記外壁側に形成されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記空気通路内の前記空気分配室よりも下流側には、前記空気通路を上空間と下空間とに区分する伝熱プレートが設けられ、
前記複数の開口は、前記伝熱プレートよりも下方に形成されている、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記伝熱プレートには、
前記発電用空気を前記上空間から前記下空間へ通過させる第１の通過穴と、
前記発電用空気を前記下空間から前記上空間へ通過させる第２の通過穴と、が前記発電用空気の流動方向に対して交互に配置されており、
前記開口から流出した前記発電用空気は初めに前記第１の通過穴を通過する、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
前記空気通路の流出口及び前記排ガス通路の流入口は、前記空気通路の上面視において対向する一方の端と他方の端に設けられており、
前記空気供給口及び前記排出口とは前記一方の端と他方の端との中心近傍にもうけられている、請求項３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、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと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。このような排気ガスと酸化ガスとの間で熱交換を行う構成として、例えば、特許文献１には、セルスタックを収容する収容室の外側に収容室から排気ガスを排出するための排気通路が形成され、さらに、その外側に酸化ガスを収容室内に供給するための空気通路が形成された装置が開示されている。このような装置によれば、排気通路と空気通路とが隣接して設けられているため、排気通路を通過する排気ガスと空気通路を通過する発電用空気との間で熱交換が行われ、熱交換器を別途設ける必要がなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２２１６５９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、このような排気通路内の排気ガスと空気通路内の発電用空気との間で熱交換を行う場合には、高温の排気ガスは排気通路上部に上昇するため、低温の発電用空気を天井面に向けて供給し、天井面において熱交換を行うことが好ましい。そこで、本願出願人らは、排気通路を、モジュールケースの側壁内面に沿って上方に向かい、天板に沿って装置中心に向かうように形成し、空気通路をモジュールケースの天板の中心から天板に沿って外方に向かい、側壁に向かって下方に向かうように形成した固体酸化物形燃料電池装置を提案している。
【０００６】
ここで、固体酸化物形燃料電池を一般消費者用（家庭用）として製造するためには、性能を確保しつつ小型化を図る必要がある。モジュールケースを小型化する場合には、空気通路をモジュールケースの外面に沿って薄い面状に形成することが好ましい。そして、このように空気通路を面状に形成する場合には、空気通路に空気供給口から供給された空気が均一に広がるように、モジュールケースの天面に対して直交方向から吹き付けることが考えられる。
【０００７】
しかしながら、このようにモジュールケースの天面に対して直交方向から空気を吹き付けたとしても、モジュールケースの形状は円形ではないため、空気供給口からの熱交換部への距離が一定とならず、熱交換部へ流れ込む空気が不均一になってしまう。また、空気通路を面状に形成すると空気通路内の圧力が高圧になり、空気供給口から遠い位置まで十分に発電用空気が到達せず、さらに、熱交換部へ流れ込む空気が不均一になってしまう。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、空気供給口から供給された空気が空気通路内に均一に広がるように構成された固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、固体酸化物形燃料電池装置であって、発電用空気と、水蒸気改質して得られた燃料ガスとの反応により発電する燃料電池セルと、モジュール容器と、モジュール容器内に設けられ、燃料電池セルの発電に寄与しなかった燃料ガスを燃焼させ排ガスを生成する燃焼部と、燃焼部の上方に設けられ、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質器と、モジュール容器の少なくとも一つの面の内壁に沿って形成され、排ガスをモジュール容器の外部へ排出するための排出口に、燃焼部で発生した排気ガスを誘導する排ガス通路と、モジュール容器の外部から発電用空気を空気供給口から供給する空気供給管と、モジュール容器の少なくとも一つの面の外壁に沿って形成され、空気供給管から供給された発電用空気が供給される空気通路と、を備え、モジュール容器の少なくとも一つの面には、排ガス通路内の排ガスと、空気通路内の発電用空気との間で熱交換が行われる熱交換部が形成され、さらに、空気供給口から外壁に吹き付けられた発電用空気を空気通路全体に広がるように分配する空気分配機構を備え、空気分配機構は、外壁と対向する対向面と、側面とを含む空気分配部材により囲まれて空気通路の内部に形成された空気分配室を有し、発電用空気は、空気供給口から空気分配室に供給され、空気分配室の側面には、開口が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
上記構成の本発明によれば、空気供給口から発電用空気を外壁に向けて供給するため、供給された発電用空気は外壁に沿って均一に拡散する。さらに、本発明によれば、空気分配機構を備えているため、モジュール容器の形状によらず、発電用空気が空気通路全体に分配されて均一に広がる。これにより、より効率のよい熱交換が可能になり、発電用空気に温度ムラがなくなる。
【００１１】
上記構成の本発明によれば、空気供給口から発電用空気が空気分配室内に供給されると、空気分配室が高圧状態となり、発電用空気は圧力差により空気通路に向けて押し出される。さらに、この空気分配室はバッファとして機能するため、発電用空気を空気通路へより均一に供給することができる。また、本発明によれば、対向面と、側面とを有する空気分配部材を設ける構成としているため、空気通路内に壁面を設けて空気分配室を形成する場合に比べて、空気分配室及び複数の開口の寸法及び形状にばらつきが生じるのを防止できる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、複数の開口の開口面積は、空気供給口から遠い開口ほど、大きい。
上記構成の本発明によれば、モジュール容器の外壁、空気分配室、及び空気供給口の大きさ、形、位置によらずに、発電用空気を空気通路へ均等に供給することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、排ガス通路は、モジュール容器の天面の内壁に沿って形成され、空気通路は、モジュール容器の天面の外壁に沿って形成され、複数の開口は、空気分配部材の側面の外壁側に形成されている。
モジュール容器天面に吹き付けられた発電用空気が空気分配室内で上昇してしまうと、空気通路の上部を流れてしまい、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、開口を外壁よりに形成することにより、空気分配室から放出された発電用空気は外壁に沿うように流れることになり、熱交換効率を向上することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、空気通路内の空気分配室よりも下流側には、空気通路を上空間と下空間とに区分する伝熱プレートが設けられ、複数の開口は、伝熱プレートよりも下方に形成されている。
上記構成の本発明によれば、空気分配部材の開口が空気通路を上空間と下空間とに区分する伝熱プレートの下方に位置しているため、開口を通った発電用空気が伝熱プレートの下方側で外壁に沿って流れることにより、熱交換効率を向上することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、伝熱プレートには、発電用空気を上空間から下空間へ通過させる第１の通過穴と、発電用空気を下空間から上空間へ通過させる第２の通過穴と、が発電用空気の流動方向に対して交互に配置されており、開口の最も近傍に位置する貫通穴は第１の通過穴である。
熱交換効率を上げるためには、熱交換時間を長くすることが望ましい。これに対して、上記構成の本発明によれば、第１の通過穴及び第２の通過穴が交互に配置されているため、発電用空気は蛇行しながら流れることになり、熱交換効率を向上することができる。さらに、上記構成の本発明によれば、開口から流出した空気がすぐに第２の通過穴を通り上方に逃げてしまうのを防止でき、熱交換効率をより向上できる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、空気通路の流出口及び排ガス通路の流入口は、空気通路の上面視において対向する一方の端と他方の端に設けられており、空気供給口及び排出口とは一方の端と他方の端との中心近傍にもうけられている。
本発明によれば、空気分配室を設けることにより、空気供給口及び排出口を容器天面の中央近傍に配置することが可能になる。そして、上記構成の本発明によれば、空気通路では発電用空気は空気供給口から一方及び他方の端に向かって流れ、排ガス通路では一方及び他方の端から排出口に向かって流れる。このため、空気通路と排ガス通路とでカウンターフローを形成することができ、熱交換効率を向上することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、空気供給口から供給された空気が空気通路内に均一に広がるように構成された固体酸化物形燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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】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６】空気通路カバーを取り外した状態の燃料電池モジュールの上部を示す斜視図である。
【図７】空気分配部材の開口近傍を拡大して示す鉛直断面図である。
【図８】モジュールケースの天板に沿う空気通路に設けられたプレートフィンを示す斜視図である。
【図９】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１０】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１１】図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図１２】図７と同様の空気分配部材の開口近傍を拡大して示す鉛直断面図である。
【図１３】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の高さにおける水平断面図である。
【図１４】固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの第１排気通路の高さにおける水平断面図である。
【図１５】本発明の別の実施形態の固体酸化物形燃料電池装置における空気通路カバーを取り外した状態の燃料電池モジュールの上部を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
次に、図２乃至図６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、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６は、空気通路カバーを取り外した状態の燃料電池モジュールの上部を示す斜視図である。
【００２８】
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。
【００２９】
まず、モジュールケース８は、図５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。
【００３０】
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空気通路１６１ａ，１６１ｂが形成されている（図３参照）。
【００３１】
また、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。
【００３２】
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７）よりも下方となるような位置に形成されている。
【００３３】
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。
【００３４】
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５参照）。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空気通路１６１ａ全体に広がるように、複数の開口１８０ｃを通して空気通路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）。
【００３５】
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。
【００３６】
図７は、空気分配部材の開口近傍を拡大して示す鉛直断面図である。また、図８は、モジュールケースの天板に沿う空気通路に設けられたプレートフィンを示す斜視図である。なお、モジュールケース８の側板８ｂに沿う空気通路１６１ｂに設けられるプレートフィン１６３、並びに、第１排気通路１７２ａ及び第２排気通路１７２ｂに設けられるプレートフィン１７５ａ、１７５ｂも、空気通路１６１ａに設けられたプレートフィン１６２と同様の構成である。
【００３７】
プレートフィン１６２は、一枚の金属製プレートを加工して製造されている。プレートフィン１６２は、板状の本体部２００と、下方に突出する第１の突出部２０４と、上方に突出する第２の突出部２０２とを有する。
【００３８】
また、第１の突出部２０４は、それぞれ、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、プレートフィン１６２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、プレートフィン１６２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。
【００３９】
第２の突出部２０２は、それぞれ、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、プレートフィン１６２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、プレートフィン１６２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。
【００４０】
図７に示すように、プレートフィン１６２の上流側端部は、空気分配部材１８０の側壁部１８０Ｂに当接している。また、空気分配部材１８０の開口１８０ｃは、側壁部１８０Ｂのプレートフィン１６２が当接した位置よりも下方の部分に形成されている。プレートフィン１６２は、空気通路１６１ａの上流から下流に向かって、第１の突出部２０４と第２の突出部２０２が交互に並ぶように配置されている。また、開口１８０ｃの最も近傍に位置する（最も上流側の）通過穴が、第１の突出部２０４に対応する第１の通過穴２０４ｃとなっている。
【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。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。
【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、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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
次に、図９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９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。
【００６５】
図９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。
【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が形成されている。
【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、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】
次に、図１０乃至図１４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１０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１１は、図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。また、図１２は、図７と同様の空気分配部材の開口近傍を拡大して示す鉛直断面図である。また、図１３は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の高さにおける水平断面図であり、図１４は固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの第１排気通路の高さにおける水平断面図である。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、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。
【００７４】
図１０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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
また、図１０及び図１１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。図１３に示すように、空気分配室１８２に吹き込まれた発電用空気は、モジュールケース８の天板８ａにぶつかり、発電用空気導入管７４の空気供給口から水平方向に同心状に広がる。このように、空気分配室１８２に発電用空気が吹き込まれることにより、空気分配室１８２内は空気通路１６１ａに比べて高圧になる。このため、空気分配室１８２内の発電用空気は、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空気通路１６１ａへと導入される。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の一対の側板８ｂの上縁に向かって（すなわち、図１３の上下方向に）流れ、空気通路１６１ｂに導入される。そして、空気通路１６１ｂ内をモジュールケース８の側板８ｂに沿って下方に向かって流れる。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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１１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１１のＡの部分）。
【００８２】
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、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。図１４に示すように、第２排気通路１７２ｂから導入された排気ガスは、幅方向中央に向かって（図１４の上下方向）流れる。幅方向中央まで到達した排気ガスは、長手方向中央に向かって（図１４の左右方向）流れ、排気口１１１へと導入される。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
以上説明したように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池装置によれば、モジュールケース８の天板８ａと対向するように設けられた発電用空気導入管の空気供給口から、天板８ａに向けて発電用空気を供給している。これにより、供給された発電用空気は天板８ａに沿って均一に広がる。さらに、本実施形態によれば、発電用空気は、空気分配部材１８０により形成された空気分配室１８２から分配されて空気通路１６１ａに供給される。このため、発電用空気が空気通路１６１ａの全体に均一に分配され、より効率のよい熱交換が可能になる。
【００８６】
また、本実施形態によれば、空気分配部材１８０により空気分配室１８２を形成し、空気分配室１８２の側壁部１８０Ｂには、複数の開口１８０ｃが形成されている。これにより、空気供給口から発電用空気が空気分配室１８２に供給されると、空気分配室１８２が高圧状態となり、開口１８０ｃから空気通路１６１ａに押し出される。さらに、空気分配室１８２がバッファとして機能するため、発電用空気を空気通路１６１ａへより均一に供給することができる。
【００８７】
また、本実施形態によれば、空気分配部材１８０の複数の開口１８０ｃの開口面積は、空気供給口から遠い開口ほど、大きい。これにより、空気供給口からの距離によらずに、各開口１８０ｃから空気通路１６１ａに発電用空気を均等に供給することができる。
また、本実施形態によれば、空気分配部材１８０の複数の開口１８０ｃは側壁部１８０Ｂの天板８ａ側に形成されている。これにより、空気分配室１８２から開口１８０ｃを通って排出された発電用空気は天板８ａに沿って流れ、熱交換効率を向上することができる。
【００８８】
また、本実施形態によれば、空気分配部材１８０の複数の開口１８０ｃは空気通路１６１ａのプレートフィン１６２の板状の本体部２００よりも下方に形成されている。これにより、開口１８０ｃを通った発電用空気がプレートフィン１６２の下方側で天板８ａに沿って流れ、熱交換効率をより向上することができる。
【００８９】
また、本実施形態によれば、第２の通過穴２０２ｃ及び第１の通過穴２０４ｃが交互に形成されたプレートフィン１６２が空気通路１６１ａ、１６１ｂに配置されているため、発電用空気は蛇行しながら流れ、これにより熱交換時間を長くすることができる。さらに、本実施形態によれば、第１の通過穴２０４ｃが空気分配部材１８０の開口１８０ｃ近傍に配置されているため、開口１８０ｃから流出した発電用空気が上方に逃げてしまうのを防止し、熱交換効率をより向上できる。
【００９０】
また、本実施形態によれば、発電用空気導入管７４の空気供給口及び排ガスの排気口１１１が装置中央近傍に設けられ、空気通路１６１ａの下流及び第１排気通路１７２ａの上流がモジュールケース８の側部に位置している。これにより、空気通路１６１ａでは発電用空気が中心から側方に向かって流れ、第１排気通路１７２ａでは排ガスが側方から中心に向かって流れる。このように、空気通路１６１ａと第１排気通路１７２ａとでカウンターフローが形成され、熱交換効率を向上できる。
【００９１】
なお、本実施形態では、矩形状の空気分配部材を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られない。図１５は本発明の別の実施形態の固体酸化物形燃料電池装置における空気通路カバーを取り外した状態の燃料電池モジュールの上部を示す斜視図である。図１５に示すように、本実施形態では、空気分配部材２８０が、中央の排気管１７１に当たる部位は幅が広く、その他の部位では幅が狭くなっている。このような構成においても上記説明した第１実施形態と同様の効果が奏される。
【符号の説明】
【００９２】
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  下支持板
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
１６０ｃ  開口部
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
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  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  第２の突出部
２０２ａ  傾斜部
２０２ｂ  連結部
２０２ｃ  第２の通過穴
２０４  第１の突出部
２０４ａ  傾斜部
２０４ｂ  連結部
２０４ｃ  第１の通過穴
２８０  空気分配部材
【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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