(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとを利用して発電する複数の燃料電池セルからなる燃料電池セ
ルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
前記燃料電池セルスタックに酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入路と、
前記発電により生じた排ガスを前記燃料電池装置の外部に排出する排ガス排出路と、
前記酸素含有ガス導入路と前記排ガス排出路とが熱的に接続し、前記酸素含有ガス導入
路を流れる酸素含有ガスと前記排ガス排出路を流れる排ガスとの間で熱交換が行われる熱
交換部と、を有し、
前記熱交換部における前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路の少なくとも一
方の内部には、前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが直進すると必ず衝突して流れる方向
を変更しさらにこれを繰り返すように、凸部をずらして複数配列した伝熱板が設けられて
おり、前記凸部が複数配列した第１の領域と、前記凸部の形成されていない第２の領域とが設けら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】
請求項１において、
前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが前記伝熱板上に流れ込む方向に直交する方向に、
前記凸部が複数配列した第１の領域と、前記凸部の形成されていない第２の領域とが交互
に繰り返して設けられていることで、前記第２の領域を通じて前記直交する方向に前記流
体が流動可能であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記伝熱板には、複数の前記凸部とともに、前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが前記
伝熱板の上面と下面との間を流動可能なように複数の通気孔が設けら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４】
請求項３において、
前記伝熱板に形成された前記凸部と前記通気孔とは、前記伝熱板から切り起こされた一
対であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記伝熱板の両面は、前記伝熱板から切り起こされた前記凸部と切り起こしによって裏
面に生じた凹部とを有し、一方の面における前記第１の領域の裏面は前記第２の領域に対
応し、前記第２の領域の裏面は前記第１の領域に対応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６】
請求項５において、
前記複数の凸部のそれぞれは上面視において長辺と短辺とを有し、桁部と脚部とを持つ
橋形状であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記複数の凸部は上面視において、前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが前記伝熱板上
に流れ込む方向に対して、前記長辺または前記短辺が斜めになるように配置されているこ
とを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記第１の領域内における前記複数の凸部は、上面視において同一の方向及び角度で斜
めになるように配置され、さらに間に前記第２の領域を挟んで隣り合う前記第１の領域ど
うしでは、それぞれの前記凸部は上面視において互いに直交するように配置されているこ
とを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記固体酸化物形燃料電池装置は、
前記燃料電池セルスタックと、
前記燃料電池セルスタックの上方に設けられた、原料ガスを発電に用いる前記燃料ガス
に水蒸気改質する改質器と、
前記発電の残余の前記燃料ガスと前記酸素含有ガスとを燃焼させて前記改質器を加熱す
る、前記燃料電池セルスタック上方の燃焼部と、を内包する容器を備え、
前記酸素含有ガス導入路と前記排ガス排出路とは、前記排ガス排出路が前記酸素含有ガ
ス導入路よりも内側となるように前記容器の上面または側面の少なくとも一部に配置され
、
前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路の少なくとも一方の内部には、流路を
２つの空間に区画するように前記伝熱板が設けら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１０】
請求項９において、
前記伝熱板は、複数の前記凸部とともに、前記酸素含有ガスまたは前記排ガスが区画さ
れた一方の空間から他方の空間へ流動するための複数の通気孔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１１】
請求項１０において、
前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路の一方の内部に設けられた前記伝熱板
は、前記複数の凸部の複数個を介して、前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路
の他方を構成する壁面に固定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１２】
請求項１０において、
前記容器の上面に設置された前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路の一方に
設けられた前記伝熱板と、前記容器の側面に設置された前記酸素含有ガス導入路または前
記排ガス排出路に設けられた前記一方の前記伝熱板とは、前記酸素含有ガスまたは前記排
ガスが、区画した前記２つの空間のうち前記酸素含有ガス導入路または前記排ガス排出路
の他方を構成する壁面と接する空間を優先的に流れるように、組み合わされて配置されて
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１３】
請求項１０において、
前記容器の側面に配置された前記酸素含有ガス導入路と前記排ガス排出路との少なくと
も一方に設けられた前記伝熱板は、前記燃料電池セルスタックの上端よりも上方に設けら
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１４】
請求項１３において、
前記酸素含有ガス導入路の内部であって、前記伝熱板が設けられた領域よりも下方にお
いて、前記酸素含有ガスの温度を均一化するための、複数の孔を有する仕切り板を有する
ことを特徴とする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、熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代のクリーンな発電装置として、発電効率の高い燃料電池の開発が活発化している。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ）、直接形燃料電池（ＤＦＣ）等が知られている。特に固体酸化物形燃料電池は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を設け、一方の側に燃料ガス、他方の側に空気や酸素等の酸素含有ガスを供給することで、約７００〜１０００℃の高温で動作する高効率の燃料電池である。このため、高温の排熱を利用するガスタービン等の発電機を併用することで高い総合発電効率を実現することができる。また回収した排熱により給湯を可能とする家庭用システムの構築にも適している。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池装置では、発電により生じた高温状態の排ガスの熱量を、発電のために燃料電池セルに供給する酸素含有ガスに回収させることで、外部のバーナー等の加熱手段を用いずに固体酸化物形燃料電池装置内の熱量を有効活用して、固体酸化物形燃料電池装置における熱利用率を向上させている。このために、固体酸化物形燃料電池装置は、その内部に排ガスと酸素含有ガスとの熱交換を行う熱交換部を有している。
【０００４】
例えば特許文献１では、複数の燃料電池セルの配列で構成された燃料電池セルスタックの上端から噴出する残余の燃料ガスを燃焼させて生成した燃焼ガスを、上方の熱交換器に導入して、燃料電池セルに供給する酸素含有ガスと熱交換している。特許文献１に記載の熱交換器は、熱交換器のケーシング内部に複数のチューブを配置したいわゆるチューブフィン型の熱交換器であり、チューブ内を流動する燃焼ガスの持つ熱量をチューブの壁面を介してケーシング内を蛇行する酸素含有ガスに伝導させるものである。
【０００５】
また特許文献２では、燃料電池モジュールをコンパクトにしつつも排熱を高効率で利用するために、燃料電池モジュール容器の内側側壁に板状の二つの流路を設け、排ガスと酸素含有ガス等とをそれぞれ通過させることで熱交換器として機能させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１４９２１号公報
【特許文献２】特開２００５−１００９４２号公報
【特許文献３】特開２００４−４４８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の熱交換器は、排ガスを流通させるための複数のチューブが必要であり、さらに熱交換器内部で酸素含有ガスを蛇行させるためのガイド板を必要とする。このため熱交換器の構造が複雑化し、単に熱交換器としての部材コストを増加させるだけではなく、溶接箇所が多いため製造工程や製造コストが著しく増加してしまう。また特許文献２に記載の熱交換器も、熱交換効率を高めるために流路を仕切壁によって蛇行させている。このため構造が複雑化することにより、部材コスト、製造時間、製造コストが増大してしまう。
【０００８】
燃料電池装置内に熱交換器を設けて熱利用率を向上させることは好ましいものの、構造の複雑化やコストの一方的な増加は燃料電池装置の実用化に向けて妥当なものではない。そこで、燃料電池装置内に配置した熱交換器の内部構造を複雑化せず、同時にコスト増とならないようにするために、熱交換器の流路内部に伝熱板（フィン）を配置することが考えられる。
【０００９】
すなわち、固体酸化物形燃料電池装置の熱交換器の排ガス流路および酸素含有ガス流路の内部に伝熱板を配置すると、伝熱板が流路抵抗として働くため、熱交換器内部を通過する流体の滞在時間が増え、これにより必要な熱量の熱交換が可能となる。さらに伝熱板部材に金属等の熱伝導性の高い材料を用いることで、より熱交換効率を高めることができる。このような伝熱板としては、例えば熱交換分野では公知の、板を蛇腹状に折り畳んだコルゲートフィンなどが考えられる。例えば特許文献３では、コルゲートフィンとチューブとを組み合わせた熱交換器を固体酸化物形燃料電池装置に用いることが開示されている。
【００１０】
このように、熱交換流路の内部に伝熱板を単純に配置するだけで熱交換効率を向上させることができるため、熱交換器の内部構造が複雑化することや、溶接箇所を増やし製造コストを増加することを回避することができる。
【００１１】
しかし、一方でコルゲートフィン等の公知の伝熱板（フィン）構造においては、熱交換器への取り付け等が容易ではあるものの、伝熱板自体の突起構造を一つ一つ織り込む製造工程は容易ではなく、安価なものとはいえないため、上述の課題が解決されたとは言い難い。
【００１２】
さらに、コルゲートフィンに代表される公知の伝熱板（フィン）は、図１６に示すように、その伝熱板を通過する流体がほぼ直進するため、進行方向に対して直交する方向への拡散性に欠ける。このため、当該伝熱板を通過する流体の全体としての温度分布は必ずしも均一とはいえない。特に、熱交換器の形状や流路構成、あるいは熱交換器の周辺環境によっては流路内の温度分布が場所によって異なる場合があるため、結果として場所によって熱交換量にムラが生じ、熱交換効率は低下してしまう。
【００１３】
このため本発明は、シンプルな構造で熱交換効率を維持向上させるとともに、製造容易で低コストを両立する熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置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】
【００１４】
そこで、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、燃料ガスと酸素含有ガスとを利用
して発電する複数の燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックを備えた固体酸化物形燃
料電池装置であって、燃料電池セルスタックに酸素含有ガスを導入する酸素含有ガス導入
路と、発電により生じた排ガスを前記燃料電池装置の外部に排出する排ガス排出路と、酸
素含有ガス導入路と排ガス排出路とが熱的に接続し、酸素含有ガス導入路を流れる酸素含
有ガスと排ガス排出路を流れる排ガスとの間で熱交換が行われる熱交換部と、を有し、熱
交換部における酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の少なくとも一方の内部には、酸
素含有ガスまたは排ガスが直進すると必ず衝突して流れる方向を変更しさらにこれを繰り
返すように、凸部をずらして複数配列した伝熱板が設けられており、前記凸部が複数配列した第１の領域と、前記凸部の形成されていない第２の領域とが設けられている固体酸化物形燃料電池装置である。
【００１５】
本発明の伝熱板は、伝熱板の上面を流れる流体が伝熱板に導入された当初の流れ方向で
は必ず凸部に衝突して方向転換を余儀なくされるように、複数の凸部をずらして配置して
いる。また、凸部が複数配列した第１の領域と、凸部の形成されていない第２の領域とが設けられている。このため、流体は伝熱板を直進して抜けることが無くかならず凸部と衝突するので、凸部は流路抵抗として機能する。よって、流体の流速は全体的に低下し、その結果として熱交換が促される。また、流体が横方向に長距離の流動が可能となる。このため、広域に流体が拡散可能となるから、迅速に熱の均一化をはかることができる。
【００１６】
ここで、凸部に衝突した流体は前方への流れ方向を左右方向へ転換させられるため、複数の凸部における流れ方向の変更が乱流を生む。この結果、流体は伝熱板上において広域に拡散することが可能となる。従って、熱交換部の場所によっては熱交換量が異なる場合であっても、熱交換を受けた流体が乱流として広域に拡散することで、流体の温度が迅速に均一化される。
【００１７】
このように、凸部は流路抵抗として機能するだけではなく、流体の拡散性を高めるため、熱交換部の熱交換効率を向上させることができる。同時に、凸部は容易に形成可能なため、低コストで実現することが可能となった。また、燃料電池セルスタックの燃料電池セルそれぞれに、均一な温度の酸素含有ガスを供給することができる。
【００１８】
ここで本明細書において「熱交換部」とは、２以上の流路のそれぞれに保有する熱エネルギーの異なる流体を通過させ、これらの流路が熱的に接続されていることにより、温度の高い流体から温度の低い流体へ熱エネルギーを移動させて熱交換を行う機能を有する部分をいう。熱交換部は、熱交換を目的とした別体としての専用の熱交換器に限らず、燃料電池装置の容器壁面の一部を利用して流路を形成した熱交換領域等も含むものとする。
【００１９】
また本明細書において「排ガス」とは、燃料電池セルによる発電のために供給される燃料ガス及び酸素含有ガスのうち、発電に利用されなかった残余のガスを指し、燃料ガスの残余のガスであってもよく、酸素含有ガスの残余のガスであってもよい。また、これらの混合ガスであってもよく、さらに当該混合ガスを燃焼させて生成した燃焼ガスであってもよい。
【００２０】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、酸素含有ガスまたは排ガスが伝熱板上に流れ込む方向に直交する方向に、凸部が複数配列した第１の領域と、凸部の形成されていない第２の領域とが交互に繰り返して設けられていることで、第２の領域を通じて直交する方向に流体が流動可能である固体酸化物形燃料電池装置である。
【００２１】
当該構成により、凸部の設けられた領域（第１の領域）を通過することによって直進方向から流れの方向を変更された流体が、凸部の設けられていない領域（第２の領域）を通って横方向に長距離の流動が可能となる。このため、広域に流体が拡散可能となるから、迅速に熱の均一化をはかることができる。
【００２２】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、伝熱板には、複数の凸部とともに、酸素含有ガスまたは排ガスが伝熱板の上面と下面との間を流動可能なように複数の通気孔が設けられている固体酸化物形燃料電池装置である。
【００２３】
伝熱板が凸部と通気孔とを有することで、凸部に衝突した流体は伝熱板の面上だけではなく、下面へも流動することが可能となる。その結果、流体は伝熱板の両面を使って３次元に拡散することができるようになるため拡散性が増し、熱交換効率を向上させることができる。
【００２４】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、伝熱板に形成された凸部と通気孔とは、伝熱板から切り起こされた一対であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置である。
【００２５】
同一の領域に凸部と通気孔とを形成することが可能なため、これらの構造体を高密度に形成することができ、これにより熱交換部の熱交換性能を高めることができる。また、複数の凸部と通気孔とが一回の切り起こし（打ち出し）によって形成することができるため、製造が非常に容易となり、製造コストを安価にすることができる。
【００２６】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、伝熱板の両面は、伝熱板から切り起こされた凸部と切り起こしによって裏面に生じた凹部とを有し、一方の面における第１の領域の裏面は第２の領域に対応し、第２の領域の裏面は第１の領域に対応する固体酸化物形燃料電池装置である。
【００２７】
本発明における伝熱板は、一回のプレス加工による切り起こしによって両面に凸部、凹部を形成することができる。これにより、３次元に流動可能であり、また伝熱板の両面において同質の熱交換性能を有する伝熱板を、安価に製造することができる。
【００２８】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、複数の凸部のそれぞれは上面視において長辺と短辺とを有し、桁部と脚部とを持つ橋形状である固体酸化物形燃料電池装置である。
【００２９】
凸部を橋形状とすることで、流体の流れを阻害する脚部と流路壁面に接触させて熱伝達する桁部と、下面への流体の移動を可能とする通気孔とを一体的に形成することができる。さらに当該形状は、一回のプレス加工による切り起こしによって低コストで簡単に形成することができる。
【００３０】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、複数の凸部は上面視において、酸素含有ガスまたは排ガスが伝熱板上に流れ込む方向に対して、長辺または短辺が斜めになるように配置されている固体酸化物形燃料電池装置である。
【００３１】
上面視において長辺と短辺とを有する矩形上の凸部を流れ方向に斜めに配置することによって、凸部に衝突する流体の流れを左右方向に転換させることができ、これにより流体を広域に拡散させることができる。
【００３２】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、第１の領域内における複数の凸部は
、上面視において同一の方向及び角度で斜めになるように配置され、さらに間に第２の領
域を挟んで隣り合う第１の領域どうしでは、それぞれの凸部は上面視において互いに直交
するように配置されている固体酸化物形燃料電池装置である。
【００３３】
隣り合う第１の領域内の凸部を互いに直交するように配列することで、流れの方向が転換された流体がさらに凸部に衝突するため、拡散性能を向上させることができる。
【００３４】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、固体酸化物形燃料電池装置は、燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックの上方に設けられた、原料ガスを発電に用いる燃料ガスに水蒸気改質する改質器と、発電の残余の前記燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させて改質器を加熱する、燃料電池セルスタック上方の燃焼部と、を内包する容器を備え、酸素含有ガス導入路と排ガス排出路とは、排ガス排出路が酸素含有ガス導入路よりも内側となるように容器の上面または側面の少なくとも一部に配置され、酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の少なくとも一方の内部には、流路を２つの空間に区画するように伝熱板が設けられている固体酸化物形燃料電池装置である。
【００３５】
容器壁面に熱交換部を形成した燃料電池装置において、酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の少なくとも一方に、熱拡散性の高い伝熱板を流路が２つに区分されるように配置することで、２つの空間それぞれにおいて内部を通過する流体を均熱化することができ熱交換性能が向上する。このため、別体としての専用の熱交換器が不要となるため、燃料電池装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【００３６】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、伝熱板は、複数の凸部とともに、酸素含有ガスまたは排ガスが区画された一方の空間から他方の空間へ流動するための複数の通気孔を有する固体酸化物形燃料電池装置である。
【００３７】
特に伝熱板に両面間を流動可能とする複数の通気孔が設けられていることで、流体が２区間を行き来して広域に拡散するため、熱交換部の熱交換性能を向上させることができる。
【００３８】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の一方の内部に設けられた伝熱板は、複数の凸部の複数個を介して、酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の他方を構成する壁面に固定されている固体酸化物形燃料電池である。
【００３９】
酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の一方の流路に設けられた伝熱板が、他方の流路と直接接触することで、熱交換性能を向上させることができる。
【００４０】
なお、熱交換部の熱交換率を向上させるために、伝熱板の一方の面に設けられた複数の凸部の全てが、２流路が接する熱交換面と接触していることが好ましいが、必ずしもその全てが固定されている必要はなく、伝熱板が流路に確実に固定される程度の点数を適宜選択すればよい。
【００４１】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、容器の上面に設置された酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の一方に設けられた伝熱板と、容器の側面に設置された酸素含有ガス導入路または排ガス排出路に設けられた一方の前記伝熱板とは、酸素含有ガスまたは排ガスが、区画した２つの空間のうち酸素含有ガス導入路または排ガス排出路の他方を構成する壁面と接する空間を優先的に流れるように、組み合わされて配置されている固体酸化物形燃料電池装置である。
【００４２】
区分した２つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流体を導くことで、流体がもつ熱量を有効に利用することができる。
【００４３】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、容器の側面に配置された酸素含有ガス導入路と排ガス排出路との少なくとも一方に設けられた伝熱板は、燃料電池セルスタックの上端よりも上方に設けられている固体酸化物形燃料電池装置である。
【００４４】
本発明にかかる伝熱板は熱交換性能が非常に高いため、発電室内において高温のスタック上方（燃焼部）で熱交換を行うことで熱の利用を最大化するとともに、比較的低温となるスタック領域に近接する流路では伝熱プレートの配置を不要とすることで、伝熱板の配置面積を最小化してコストを削減することができる。
【００４５】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、酸素含有ガス導入路の内部であって、伝熱板が設けられた領域よりも下方において、酸素含有ガスの温度を均一化するための、複数の孔を有する仕切り板を有する固体酸化物形燃料電池装置である。
【００４６】
酸素含有ガス導入路内部であって伝熱板が配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板を設置することで、仕切り板は流路抵抗として機能するため、均熱化した酸素含有ガスはさらに拡散して均熱化し、複数の孔から酸素含有ガス導入路の下端に噴出される。
【発明の効果】
【００４７】
シンプルな構造で熱交換効率を維持向上させるとともに、製造容易で低コストを両立する熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の一実施形態による伝熱板を設置した燃料電池装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による伝熱板を示す拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態による伝熱板を示す三面図である。
【図４】本発明の一実施形態による伝熱板の流体の流れを示す斜視図（ａ）と、伝熱板の凸部の拡大図（ｂ）と、凹部の拡大図（ｃ）である。
【図５】本発明の一実施形態による伝熱板の流体の流れを示す上面視図である。
【図６】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を示す全体構成図である。
【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モジュールを示す正面断面図である。
【図８】図７のIII −III線に沿った断面図である。
【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１０】図１０（Ａ）は、本発明の一実施形態による改質器を斜め上方から見た斜視図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿った断面図であり、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）のＶＣ−ＶＣ線に沿った断面図である。
【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】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池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正面断面図である。
【図１４】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ガスの流れの説明するための、図７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】本発明の一実施形態による熱交換器が別体に設けられた固体酸化物形燃料電池装置。
【図１６】従来の伝熱板を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の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の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様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。
【００５０】
（実施の形態１）
本実施の形態においては、本発明にかかる伝熱板における流体の拡散のメカニズムについて、従来構造と比較しながら説明する。
【００５１】
一般に熱交換器に用いる伝熱板は、熱的接続する二つの流路を通過する流体の熱交換量を高めるため、流路を蛇行させて流路を延長したり、流路抵抗として機能する部材を設置するなどして、熱交換領域を増したり、熱交換時間を増やす等の工夫がなされている。例えば、上述した従来のコルゲートフィンは、伝熱板を蛇腹状に折り畳んだものであり、折り畳まれることで複数に区画された流路は内部を通過する流体に対して流路抵抗として機能する。また、内部を通過する流体は折り畳まれた伝熱板の上面や下面、側面（壁面）に接して移動するため、伝熱板を介して他流路との熱交換が促進される。
【００５２】
しかし、従来の伝熱板（フィン）では複数に区画された流路のそれぞれを、流体がほぼ直進して排出される。このため、流体は流れに直交する方向には流動しないため、直交方向への温度拡散性が低く、流路全域の熱量を均一にすることは困難である。
【００５３】
これに対して本発明に係る伝熱板は、図２に示すように、伝熱板２の表面に複数の凸部４をずらして配置している。このため、流体が伝熱板２の一端から導入されると、伝熱板２の上面を流れる流体は当初の流れ方向では必ず凸部４に衝突して、方向転換を余儀なくされる。このため、流体は伝熱板２を直進して抜けることが無く、かならず凸部４と衝突するので、凸部４は流路抵抗として機能する。よって、伝熱板２上の流体の流速は全体的に低下し、その結果として熱交換が促される。
【００５４】
なお、本明細書においては、熱交換を行う対象である高温の流体と低温の流体とを総称して「流体」という。ここで流体は、以下に詳説する高温の流体としての排ガスと低温の流体としての酸素含有ガスとに限られず、その他燃料電池装置に用いられ熱交換の対象となり得る種々の気体又は液体を含むものである。
【００５５】
さらに本発明にかかる伝熱板２は、流体が伝熱板２に流れ込む方向と直交する方向に長く拡散することが可能である。図３は本発明にかかる伝熱板の一例について示す三面図であり、図３（ａ）は上面、図３（ｂ）は正面（流体が流れ込む方向）、図３（ｃ）は側面を示している。図３に示すように伝熱板２の表面には凸部４が複数設けられており、流体の流れ込む方向と直交する方向には、凸部４が複数配列された第１の領域５ａと、凸部４が設けられていない第２の領域５ｂとが交互に繰り返すように設けられている。このため、凸部４によって流れの方向を転換された流体が第２の領域５ｂに進入すると、流体の衝突対象である凸部４が設けられていないために直進することが可能となり、流体は障害を受けずに広域に拡散する。このため、広域に流体が拡散可能となるから、熱の均一化を計ることができる。
【００５６】
なお、図５に示す例では、凸部４は伝熱板２の両面に設けられており、点線で示す凸部４は裏面に設けられた凸部（つまり表面から見た凹部６）を示している。この場合、凸部４の設けられていない第２の領域５ｂには、その裏面に凸部が設けられている。
【００５７】
さらに、本発明にかかる伝熱板２は、伝熱板２を流れる流体を伝熱板２の上面及び下面の双方に行き渡らせながら三次元的に流動させることができるため、流路内の熱の均一性を高め、熱交換部の熱交換率を向上させることができる。
【００５８】
上述したように、図１６に示す従来の伝熱板２では、蛇腹状に折り畳んだ伝熱板の壁面によって流路が複数に区画されているため、それぞれの区画を流体は直進することしかできない。あるいはさらにこの壁面に通気孔を設け、区画された流路間の行き来を可能にしても、隣り合う区画の壁面によって流体の流動の大部分は遮断されるため、横方向の流体の流動性に乏しく、流路全体を均熱にするには至らない。
【００５９】
これに対して本発明にかかる伝熱板は、伝熱板２の上面に凸部４と共に下面へ流体が流動可能とする通気孔を備えている。そのため、伝熱板２には伝熱板の上面と下面との間を流動可能なように複数の通気孔が設けられており、伝熱板が凸部４と通気孔を有することで、凸部４に衝突した流体は伝熱板２の上面だけでなく、下面へも流動が可能となる。従って、流体は伝熱板２の両面を使って広域に拡散することができるようになるため、熱交換効率を向上させることができる。
【００６０】
ここで本発明にかかる伝熱板２は、図２に示すように、伝熱板２に形成された凸部４と通気孔４ｃとを、伝熱板２から切り起こされた一対として形成することが可能である。すなわち、同一の領域に凸部４と通気孔４ｃが形成可能なため、高密度に形成することができ、これにより熱交換性能を高めることができる。また、複数の凸部４と通気孔４ｃとが一回の切り起こしよって形成することができるため、製造が非常に容易であり、製造コストを安価にすることができる。
【００６１】
なお、伝熱板２に、凸部４および凹部６を形成する際には、伝熱板２の両面をプレス機でプレスすることにより、切り起こし（打ち出し）をおこなっても良いし、ローラ加工により行っても良い。さらに、切り起こしはプレス加工とローラ加工を組み合わせて成形しても良い。
【００６２】
さらに、本発明の伝熱板２について図３と図４を参照しながら説明する。図３（ｃ）に示すように、伝熱板２の両面は伝熱板２から切り起こされた凸部４と、切り起こしによって裏面に生じた凹部６とを有し、一方の面における第１の領域５ａの裏面は第２の領域５ｂに対応し、第２の領域の裏面は第１の領域に対応する。すなわち、本発明における伝熱板２は、一回のプレス加工による切り起こしによって両面に凸部４、凹部６を形成することができる。これにより、３次元的に流動可能であり、また伝熱板の両面において、同質の熱交換性能を有する伝熱板を安価に製造することができる。
【００６３】
また、図４は伝熱板２の表面の流体の流れの一例を示したものである。図４（ａ）は伝熱板２の斜視図、図４（ｂ）は凸部４の拡大図、図４（ｃ）は凹部６の拡大図である。図中の矢印は流体の流れを示し、実線矢印は伝熱板２の表面を流れる流体、点線矢印は伝熱板２の裏面を流れる流体の一例を示している。図４（ａ）、図４（ｂ）を参照しながら凸部４を通過する流体の流れの一例を示す。凸部４に流れ込む流体は、図４（ａ）の凸部４を通過して伝熱板２の上面をそのまま吹き抜ける流路（８ａ）、通気孔４ｃを通過して伝熱板２の下面を吹き抜ける流路（８ｂ）、凸部４の脚部４ａに衝突し、屈折して流れる流路（８ｃ）などに分散される。凸部４を通過した流体はその後、他の凸部や凹部と干渉しあい拡散し、このような流体が互いに影響しあうことで、全体として複雑でかつ広域の拡散を呈する。
【００６４】
さらに、図４（ａ）、図４（ｃ）を参照して凹部６に流入する流体の流れの一例を示す。凹部６に流れ込む流体は、凹部６を真っ直ぐ吹き抜けて他の凹部６へ向かう流路（９ａ）、凹部６（伝熱板２の下面における通気孔４ｃ）を通過し、下面を吹き抜ける流路（９ｂ）、凹部６を吹き抜けた後に、凸部４の脚部４ａと衝突し、屈折して流れる流路（９ｃ）、凹部６に流入し、その凹部６に対応する凸部４の脚部４ａと接触し、伝熱板２の下面を屈折して流れる流路（９ｄ）などに分散される。そのため、凹部６を通過することにより、流体は３次元的に拡散され、熱分散性が向上する。なお、ここでは流体の流れを単純化した一例として示したものであり、本来当然に流体の流れは複雑なものであるが、本発明にかかる伝熱板２においては、流体が伝熱板２に対して３次元的に拡散するように機能するものであれば良い。
【００６５】
さらに本発明においては、凸部４を上面視において長辺と短辺とを有し、桁部４ｂと脚部４ａとを持つ橋形状とすることで、流体の流れを阻害する脚部４ａと流路壁面に接触させて熱伝達する桁部４ｂと、下面への流体の移動を可能とする通気孔４ｃとを一体的に形成することができる。さらに当該形状は、一回のプレス加工による切り起こしによって低コストで簡易な製造工程により形成することができる。
【００６６】
また、図５に示すように、複数の凸部４は上面視において、流体が伝熱板２の上に流れ込む方向に対して、長辺または短辺が斜めになるように配置されている。そのため、上面視において長辺と短辺とを有する矩形上の凸部４を流れ方向に斜めに配置することによって、凸部に衝突する流体の流れを左右方向に転換させることができ、これにより流体を広域に拡散させることができる。
【００６７】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、図３（ａ）および図５に示すように、第１の領域内における複数の凸部４は、上面視において同一の方向及び角度で斜めになるように配置され、さらに間に第１の領域５ａを挟んで隣り合う第１の領域５ａ同士では、それぞれの凸部は上面視において互いに直交するように配置されている。すなわち、隣り合う第１の領域５ａ内の凸部４を互いに直交するように配列することで、流れの方向が転換された流体がさらに凸部４に衝突するため、拡散性能を向上させることができる。
【００６８】
上述したように伝熱板２を構成することで、伝熱板２が流路抵抗として働き、熱交換器内部を通過する流体の滞在時間が増え、これにより必要な熱量の熱交換が可能となる。すなわち、排熱を利用する固体酸化物形燃料電池装置に伝熱板２を設けることで、シンプルな構造で熱交換効率を維持向上させるとともに、製造容易で低コストを両立する熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置を提供することができる。
【００６９】
（実施の形態２）
次に、図面を参照して、本発明にかかる伝熱板を用いた固体酸化物形燃料電池装置の実施の態様について説明する。
【００７０】
図６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を示す全体構成図である。この図６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１０１は、燃料電池モジュール１０２と、補機ユニット１０４を備えている。
【００７１】
燃料電池モジュール１０２は、ハウジング１０６を備え、このハウジング１０６内部には、断熱材１０７を介して金属製のモジュールケース１０８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１０８の下方部分である発電室１１０には、燃料ガスと酸素含有ガス（以下では適宜「酸化剤ガス」、「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１１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１１２は、９個の燃料電池セルスタック１１４（図７参照）を備え、この燃料電池セルスタック１１４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１１６から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１１２は、１４４本の燃料電池セルユニット１１６を有する。燃料電池セル集合体１１２は、複数の燃料電池セルユニット１１６の全てが直列接続されている。
【００７２】
燃料電池モジュール１０２のモジュールケース１０８の発電室１１０の上方には、燃焼部としての燃焼室１１８が形成され、この燃焼室１１８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の排ガスが燃焼されるようになっている。さらに、モジュールケース１０８は断熱材１０７により覆われており、燃料電池モジュール１０２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１１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器１２０が配置され、上記した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。
【００７３】
さらに、ハウジング１０６内においてモジュールケース１０８の上方には、後述する蒸発器１２５が断熱材１０７内に設けられている。蒸発器１２５は、燃焼室１１８において残余ガスである排ガスを燃焼させ、その排ガスと水とが供給され、これらの排ガスと水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１０８内の改質器１２０に供給する。
【００７４】
次に、補機ユニット１０４は、燃料電池モジュール１０２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１２６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１２８（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１０４は、都市ガス等の燃料供給源１３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁１３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器１３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット１３８（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１３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ１３９を備えている。さらに、補機ユニット１０４は、空気供給源１４０から供給される空気を遮断する電磁弁１４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット１４４及び発電用空気流量調整ユニット１４５（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１４６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１４８とを備えている。これらの第１ヒータ１４６と第２ヒータ１４８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。
【００７５】
次に、燃料電池モジュール１０２には、排ガスが供給される温水製造装置１５０が接続されている。この温水製造装置１５０には、水供給源１２４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１０２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１５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール１０２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１５４が接続されている。
【００７６】
次に、図１及び図７乃至図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の構造について具体的に説明する。図１は、本発明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の斜視図である。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モジュールを示す側面断面図であり、図８は、図７のIII-III線に沿った断面図であり、図９は、ハウジング及び断熱材が取り外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。
【００７７】
図７及び図８に示すように、燃料電池モジュール１０２は、主に、上述したように、断熱材１０７内で且つモジュールケース１０８の外部に設けられた蒸発器１２５を有すると共に、モジュールケース１０８の内部に設けられた、燃料電池セル集合体１１２及び改質器１２０を有する。
【００７８】
蒸発器１２５は、モジュールケース１０８の天板１０８ａ上に固定されている（図９参照）。また、熱交換モジュール１２１とモジュールケース１０８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材１０７の一部分１０７ａが配置され、この断熱材１０７の一部分１０７ａも、モジュールケース１０８の天板１０８ａ上に固定されている（図７及び図８参照）。
【００７９】
具体的には、蒸発器１２５は、水平方向における一側端側に、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１６３と、排ガスを排出するための排ガス排出管１８２とが接続され（図１、９参照）、水平方向における他側端側に、モジュールケース１０８の天板１０８ａ上に形成された排気口１１１に連結された第１排ガス排出路１７１が接続されている（図７参照）。この排気口１１１は、モジュールケース１０８内の燃焼室１１８で燃焼された排ガスをモジュールケース１０８の外へ排出する開口部であり、モジュールケース１０８の天板１０８ａのほぼ中央部に形成されており、蒸発器１２５は、このような排気口１１１の上方の断熱材１０７内に配置されている。
【００８０】
また、蒸発器１２５は、図８に示すように、上下方向に二層構造となっており、モジュールケース１０８側に位置する下層部分には、上記した第１排ガス排出路１７１から供給された排ガスが通過する排気通路部１２５ｃが形成されている。加えて、蒸発器１２５は、排気通路部１２５ｃの上部に位置する上層部分には、燃料供給配管１６３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１２５ａと、この蒸発部１２５ａよりも排ガスの流れ方向における上流側に設けられ、蒸発部１２５ａで生成された水蒸気と燃料供給配管１６３から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部１２５ｂと、が形成されている。例えば、蒸発器１２５の蒸発部１２５ａ及び混合部１２５ｂは、複数の連通孔が設けられた仕切り板により蒸発器１２５を仕切った空間にて形成される。
【００８１】
このような蒸発器１２５では、蒸発部１２５ａ内の水と排気通路部１２５ｃ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１２５ａ内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。加えて、混合部１２５ｂ内の混合ガスと排気通路部１２５ｃ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。
【００８２】
更に、図７に示すように、蒸発器１２５の混合部１２５ｂには、第１排ガス排出路１７１が接続された蒸発器１２５における端部に、この第１排ガス排出路１７１の内部を通過するように形成された、混合部１２５ｂからモジュールケース１０８内の改質器１２０に混合ガスを供給するための混合ガス供給管１６２が接続されている。混合ガス供給管１６２は、一端が改質器１２０に設けられた混合ガス供給口１２０ａに連結しており、この混合ガス供給口１２０ａからほぼ水平方向に延びた先で９０°屈曲されて、モジュールケース１０８内、断熱材１０７ａ内、蒸発器１２５における上流側の排気通路部１２５ｃ内を順に横断するようにほぼ鉛直方向に延びて、他端が蒸発器１２５の混合部１２５ｂに接続されている。この場合、混合ガス供給管１６２は、蒸発器１２５の混合部１２５ｂに接続された端部１６２ｂが、蒸発器１２５の蒸発部１２５ａ及び混合部１２５ｂの底面よりも上方に突出するように設けられている。
【００８３】
次に、モジュールケース１０８の外側、具体的にはモジュールケース１０８の外壁と断熱材１０７との間には、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気導入路（酸化剤ガス導入路）１７７が形成されている（図１、８参照）。この発電用空気導入路１７７は、モジュールケース１０８の天板１０８ａ及び側板１０８ｂと、これら天板１０８ａ及び側板１０８ｂのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース１７７ａとの間の空間によって形成され、モジュールケース１０８の天板１０８ａ上の正面視中央位置に設けられた発電用空気導入管１７４から発電用空気が供給される（図１、９参照）。そして、発電用空気導入路１７７は、モジュールケース１０８の側板１０８ｂの下部に設けられた複数の吹出口１７７ｂから、発電用空気を燃料電池セル集合体１１２に向けて発電室１１０内に噴射する（図１、８参照）。
【００８４】
また、発電用空気導入路１７７の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板１７７ｃ、１７７ｄが設けられている（図１、８参照）。伝熱板１７７ｃは、モジュールケース１０８の天板１０８ａに沿った発電用空気導入路１７７の部分に設けられ、伝熱板１７７ｄは、モジュールケース１０８の側板１０８ｂに沿った発電用空気導入路１７７の部分で、且つ、燃料電池セルユニット１１６に至る位置に設けられている。発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気は、特に伝熱板１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これら伝熱板１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュールケース１０８内（具体的にはモジュールケース１０８内に設けられた第２及び第３排ガス排出路１７２、１７３）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、発電用空気導入路１７７において伝熱板１７７ｃ、１７７ｄが設けられた部分は、熱交換部（空気熱交換部）として機能する。
【００８５】
第２排ガス排出路１７２および発電用空気導入路１７７の内部に設けられた伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄは第２排ガス排出路１７２または発電用空気導入路１７７の流路を２つに区分するように設けられており、伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄに設けられた複数の通気孔（図示せず）によって、内部を通過する流体は２区間を行き来して広域に拡散する。そのため、区分された空間それぞれにおいて内部を通過する流体を均熱化することができるため、局所的に熱交換率が異なることなく、熱交換性能が向上する。
【００８６】
第２排ガス排出路１７２および発電用空気導入路１７７に設けられた伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄは、複数の凸部（図示せず）を介して発電用空気導入路１７７および第２排ガス排出路１７２の他方を構成する壁面に固定されている。そのため、伝熱板（１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄ）により、区分された二つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流体を導くことができ、流体が持つ熱量を有効に利用することが可能となり、積極的に熱交換を行うことができる。
【００８７】
さらに、発電用空気導入路１７７および第２排ガス排出路１７２に設けられた伝熱板（１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄ）は燃料電池セル集合体１１２の上端よりも上方に配置されている。したがって、燃焼部１１０の熱と発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気とで熱交換を行うことができ、高効率な熱交換が可能になる。このため伝熱板は、モジュールケース１０８上面から燃焼室１１８付近にわたる領域に配置すれば十分であり、燃料電池セル集合体１１２が設けられた位置にまで伝熱板１７７ｄを設けることを不要とすることができる。これにより、伝熱板１７７ｄの配置面積を削減することができ、さらに発電時においても燃料電池セル集合体１１２の温度を奪わないようにすることができる。
【００８８】
次に、図７及び図８に加えて、図１０も参照して、モジュールケース１０８内に設けられた改質器１２０について説明する。図１０（Ａ）は、本発明の一実施形態による改質器１２０を斜め上方から見た斜視図であり、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿った断面図であり、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）のＶＣ−ＶＣ線に沿った断面図である。なお、図１０（Ａ）〜（Ｃ）中には、改質器１２０に加えて、混合ガス供給管１６２や燃料ガス供給管１６４なども図示している。
【００８９】
改質器１２０は、燃焼室１１８の上方に水平方向に延びるように配置され、モジュールケース１０８の天板１０８ａと所定距離隔てて、この天板１０８ａに対して固定されている（図７参照）。改質器１２０には、上記した混合ガス供給管１６２からの混合ガスが混合ガス供給口１２０ａより流入し、この混合ガスを予熱する予熱部１２０ｂと、混合ガスの流れ方向において予熱部１２０ｂよりも下流側に設けられ、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））を改質するための改質触媒（不図示）が充填された改質部１２０ｃと、が形成されている（図１０（Ｂ）参照）。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。改質器１２０の予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃは、複数の連通孔が設けられた仕切り板１２０ｅにより改質器１２０を仕切った空間にて形成される（図１０（Ｂ）参照）。ここで、改質器１２０は、混合ガス供給管１６２からの混合ガスが混合ガス供給口１２０ａより噴出され、この混合ガスが予熱部１２０ｂにおいて拡張されて噴出速度が低下するように構成されていると共に、噴出された混合ガスが予熱部１２０ｂの下流端側の壁面に衝突して折り返して、仕切り板１２０ｅを通過して改質部１２０ｃに供給されるように構成されている（図１０（Ｂ）参照）。
【００９０】
また、改質器１２０には、改質部１２０ｃが形成された部分に、上方に凹んだ内部空間１２０ｄが形成されている（図１０（Ｂ）参照）。内部空間１２０ｄは、上下方向に貫通するように延びる貫通孔の上部をプレートなどで塞ぐことにより形成される。この内部空間１２０ｄには、上述した混合ガス供給管１６２の一部分１６２ａ、具体的には、混合ガス供給管１６２において水平方向に延びる部分であって、その端部が改質器１２０の混合ガス供給口１２０ａに接続された部分１６２ａが配置されている。この混合ガス供給管１６２の部分１６２ａも、その内部を通過する混合ガスを、改質器１２０の内部空間１２０ｄ内の排ガスによって予熱する予熱部として機能する（以下では混合ガス供給管１６２の部分１６２ａを「予熱部１６２ａ」と呼ぶ）。
【００９１】
また、改質器１２０は、上記した予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃの上面を形成する天板１２０ｆと、この天板１２０ｆの上方に設けられ、上部が開放したほぼＵ字断面形状を有する遮蔽板１２０ｇと、この遮蔽板１２０ｇの上部に配置された平板１２０ｈとを更に有する（図１０（Ａ）乃至（Ｃ）参照）。改質器１２０において天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間の空間は、予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃの上方に排ガスを誘導して流すための排気誘導室２０１を形成し、改質器１２０において遮蔽板１２０ｇと平板１２０ｈとの間の空間は、排ガスがほとんど流れない、断熱層としてのガス溜２０３を形成する（図１０（Ａ）乃至（Ｃ）に加えて、図７及び図８も参照）。更に、改質器１２０の上端部には、改質器１２０をモジュールケース１０８の天板１０８ａに固定するためのフランジ部１２０ｉが設けられている。
【００９２】
次に、図７に示すように、改質器１２０の下流端側には、改質器１２０の改質部１２０ｃによる改質によって生成された燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管１６４が接続され、この燃料ガス供給管１６４の上部には、水添脱硫器用水素取出管１６５が接続されている。燃料ガス供給管１６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１１２の下方に形成されたマニホールド１６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管１６４の水平部１６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔１６４ｂが形成されており、この燃料供給孔１６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド１６６内に供給される。このマニホールド１６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板１６８が取り付けられており、マニホールド１６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１１６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１８３が、燃焼室１１８に設けられている。
【００９３】
次に、図８に示すように、モジュールケース１０８内において、改質器１２０の上面（詳しくは改質器１２０の平板１２０ｈ）とモジュールケース１０８の天板１０８ａの下面との間には、水平方向に延びる第２排ガス排出路１７２が形成されている。この第２排ガス排出路１７２は、モジュールケース１０８の天板１０８ａを挟んで、上記した発電用空気導入路１７７の一部分と並設されている。また、第２排ガス排出路１７２の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板１７２ａが設けられている。この伝熱板１７２ａは、発電用空気導入路１７７内に設けられた伝熱板１７７ｃと水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。このような伝熱板１７７ｃ、１７２ａが設けられた発電用空気導入路１７７及び第２排ガス排出路１７２の部分において、発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気と第２排ガス排出路１７２を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われ、排ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。すなわち、第２の実施形態において、発電用空気導入路１７７または第２排ガス排出路１７２の内部に設けられた伝熱板１７２ａが、発電用空気通路１７７と直接接触しており、伝熱板１７２aに与えられた排ガスの熱が伝熱板１７２ａに与えられ、伝熱板１７２ａの熱は発電用空気導入路１７７を構成する壁面に熱伝達し、発電用空気と効率よく熱交換を行うことができる。さらに、発電用空気通路１７７の内部にも伝熱板１７７ｃの凸部が第２排ガス排出路１７２を構成する壁面に接しているため、排ガスの熱が、伝熱板１７２ａ、発電用空気通路１７７を構成する壁面、伝熱板１７７ｃ、発電用空気の順に伝わるため、排ガスと発電用空気の熱交換率を向上させることができる。
なお、伝熱板１７２ａは伝熱板１７７ｃ、１７７ｂと同一のものである。
【００９４】
また、改質器１２０の外側面とモジュールケース１０８の内側面との間には、上下方向に延びる第３排ガス排出路１７３が形成されている。この第３排ガス排出路１７３は第２排ガス排出路１７２と連通しており、第３排ガス排出路１７３から第２排ガス排出路１７２へと排ガスが流れていく。具体的には、第２排ガス排出路１７２には、第３排ガス排出路１７３の上端部（言い換えると第２排ガス排出路１７２の水平方向における端部）に位置する排ガス導入口１７２ｂから排ガスが流入する。排ガス導入口１７２ｂから第２排ガス排出路１７２に流入した排ガスは、モジュールケース１０８の天板１０８ａ上に形成された排気口１１１を介して、モジュールケース１０８の外部に設けられた第１排ガス排出路１７１へと流出する。
【００９５】
また、第３排ガス排出路１７３の途中のモジュールケース１０８の内側面上には、具体的には、改質器１２０の予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃよりも上方で、第２排ガス排出路１７２の排ガス導入口１７２ｂよりも下方のモジュールケース８の内側面上には、改質器１２０中に形成された排気誘導室２０１（改質器１２０の天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間の空間）に流れ込むように排ガスを指向させる排気ガイド板２０５（第１排気ガイド部に相当する）が設けられている。
【００９６】
次に、図１１を参照して、燃料電池セルユニット１１６について説明する。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の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【００９７】
図１１に示すように、燃料電池セルユニット１１６は、燃料電池セル１８４と、この燃料電池セル１８４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１８６とを備えている。
【００９８】
燃料電池セル１８４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１８８を形成する円筒形の内側電極層１９０と、円筒形の外側電極層１９２と、内側電極層１９０と外側電極層１９２との間にある電解質層１９４とを備えている。この内側電極層１９０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。
【００９９】
燃料電池セル１８４の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子１８６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１８６について具体的に説明する。内側電極層１９０の上部１９０ａは、電解質層１９４と外側電極層１９２に対して露出された外周面１９０ｂと上端面１９０ｃとを備えている。内側電極端子１８６は、導電性のシール材１９６を介して内側電極層１９０の外周面１９０ｂと接続され、さらに、内側電極層１９０の上端面１９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層１９０と電気的に接続されている。内側電極端子１８６の中心部には、内側電極層１９０の燃料ガス流路１８８と連通する燃料ガス流路細管１９８が形成されている。
【０１００】
この燃料ガス流路細管１９８は、内側電極端子１８６の中心から燃料電池セル１８４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１６６（図７参照）から、下側の内側電極端子１８６の燃料ガス流路細管１９８を通って燃料ガス流路１８８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１８６の燃料ガス流路細管１９８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１８８から、上側の内側電極端子１８６の燃料ガス流路細管１９８を通って燃焼室１１８（図７参照）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１８６の燃料ガス流路細管１９８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。
【０１０１】
内側電極層１９０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。
【０１０２】
電解質層１９４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。
【０１０３】
外側電極層１９２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。
【０１０４】
次に、図１２を参照して、燃料電池セルスタック１１４について説明する。図１２は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【０１０５】
図１２に示すように、燃料電池セルスタック１１４は、１６本の燃料電池セルユニット１１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１１６は、８本ずつ２列に並べて配置されている。
【０１０６】
各燃料電池セルユニット１１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板１６８（図７参照）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１１６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。これらの下支持板１６８及び上支持板１００には、内側電極端子１８６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１１６には、集電体１０３及び外部端子１０５が取り付けられている。この集電体１０３は、燃料極である内側電極層１９０に取り付けられた内側電極端子１８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０３ａと、空気極である外側電極層１９２の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０３ｂ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１１６の外側電極層１９２（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１０３ｂが接触することにより、集電体１０３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１１４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１１６の空気極１８６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１０３は、隣接する燃料電池セルスタック１１４の端にある燃料電池セルユニット１１６の内側電極端子１８６に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１１６の全てが直列接続されるようになっている。
【０１０９】
次に、図１３、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１３は、図７と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。図１４は、図８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を示す図１３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１３、図１４は、図７、８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１０７を取り除いた状態の図を示している。なお、図１４では、燃料ガス（水、水蒸気及び原燃料ガスも含む）の流れのみを図示している。
【０１１０】
図１３、に示すように、水及び原燃料ガス（燃料ガス）が、蒸発器１２５の水平方向における一側端側に接続された燃料供給配管１６３（図９参照）から蒸発器１２５内に供給される、具体的には蒸発器１２５の上層に設けられた蒸発部１２５ａ内に供給される。蒸発器１２５の蒸発部１２５ａに供給された水は、蒸発器１２５の下層に設けられた排気通路部１２５ｃを流れる排ガスとの間で熱交換を行い、排ガスの熱により加熱されて、気化して水蒸気となる。この水蒸気と、上記した燃料供給配管１６３から供給された原燃料ガスとは、蒸発部１２５ａ内を水平方向に流れていき（具体的には燃料供給配管１６３が接続された側と反対側に向けて水平方向に流れていき）、蒸発部１２５ａの先の混合部１２５ｂにおいて混合される。
【０１１１】
そして、混合部１２５ｂにおいて水蒸気と原燃料ガスとが混合された混合ガス（燃料ガス）は、蒸発器１２５において燃料供給配管１６３が接続された側と反対側に接続され、蒸発器１２５の排気通路部１２５ｃ、断熱材１０７ａ及びモジュールケース１０８内を横断するように延びる混合ガス供給管１６２を流れて、モジュールケース１０８内の改質器１２０に流入する。この場合、混合ガスは、混合部１２５ｂの下方の排気通路部１２５ｃを流れる排ガスと、排気通路部１２５ｃ及び第１排ガス排出路１７１内に位置する混合ガス供給管１６２の部分の周囲を流れる排ガスと、モジュールケース１０８内に位置する混合ガス供給管１６２の部分の周囲を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、モジュールケース１０８内では、改質器１２０の内部空間１２０ｄ内に位置する混合ガス供給管１６２の予熱部１６２ａにおいて、この予熱部１６２ａ内を流れる混合ガスと改質器１２０の内部空間１２０ｄ内の排ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。
【０１１２】
この後、混合ガス供給管１６２から改質器１２０に供給された混合ガスは、改質器１２０の混合ガス供給口１２０ａを介して、改質器１２０の水平方向における一側端側に設けられた予熱部１２０ｂ内に流入し、予熱部１２０ｂ内に流入した混合ガスは予熱部１２０ｂの周囲を流れる排ガスによって予熱される。この場合、改質器１２０の予熱部１２０ｂは混合ガス供給管１６２よりも拡張された構造を有するので、改質器１２０の予熱部１２０ｂには混合ガス供給管１６２から混合ガスが噴出され、こうして噴出された混合ガスは予熱部１２０ｂにおいて拡張されて噴出速度が低下される。そして、混合ガスは、予熱部１２０ｂの下流端側の壁面に衝突して折り返して、改質器１２０内の改質器仕切り板１２０ｅ（図１０（Ｂ）参照）を通過して、予熱部１２０ｂの下流側に位置する、改質触媒が充填された改質部１２０ｃに流入し、この改質部１２０ｃ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、改質器１２０の改質部１２０ｃの下流端側に接続された燃料ガス供給管１６４と、この燃料ガス供給管１６４の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管１６５とを流れる。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給管１６４の水平部１６４ａに設けられた燃料供給孔１６４ｂからマニホールド１６６内に供給されて、マニホールド１６６内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット１１６内に供給される。
【０１１３】
他方で、図１４に示すように、発電用空気導入管１７４（図１、図７、図９及び図１３参照）から供給された発電用空気は、モジュールケース１０８の天板１０８ａ及び側板１０８ｂと、これら天板１０８ａ及び側板１０８ｂのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース１７７ａとの間の空間によって形成された発電用空気導入路１７７を流れる。この際に、発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気は、伝熱板１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これら伝熱板１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュールケース１０８内に形成された第２及び第３排ガス排出路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、発電用空気導入路１７７の伝熱板１７７ｃに対応する第２排ガス排出路１７２内には伝熱板１７２ａが設けられているので、発電用空気は、発電用空気導入路１７７内の伝熱板１７７ｃと第２排ガス排出路１７２内の伝熱板１７２ａとを介して、排ガスとより効率的な熱交換を行う。
【０１１４】
また、図１、８、１４に示すように、発電用空気導入路１７７の内部で、伝熱板１７７ｄが配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板１７９が設置されており、排ガスと熱交換を行った後の発電用空気は仕切り板１７９に設けられた複数の孔を通る。その際に、仕切り板１７９は流路抵抗として機能し、拡散されて均熱化した発電用空気を燃料電池セル集合体１１２へ供給することができる。
【０１１５】
その後、図１４に示すように、発電用空気は、モジュールケース１０８の側板１０８ｂの下部に設けられた複数の吹出口１７７ｂから燃料電池セル集合体１１２に向けて発電室１１０内に噴射される。
【０１１６】
他方で、燃料電池セルユニット１１６において発電に利用されずに残った排ガスは、図１４に示すように、モジュールケース１０８内の燃焼室１１８で燃焼され、モジュールケース１０８内を上昇していく。具体的には、排ガスは、まず、改質器１２０の外側面とモジュールケース１０８の内側面との間に形成された第３排ガス排出路１７３を通過する。この際に、排ガスは、モジュールケース１０８の内側面上に設けられた排気ガイド板２０５によって、改質器１２０中に形成された排気誘導室２０１（改質器１２０の天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間の空間）に流れ込むように指向される。そして、排気誘導室２０１を経由した排ガス（排気誘導室２０１に流れ込んだ排ガス及び排気誘導室２０１に流れ込まなかった排ガスを含む）は、排気誘導室２０１の上方のガス溜２０３（改質器１２０の遮蔽板１２０ｇと平板１２０ｈとの間の空間）に流れ込むことなく上昇していき、排ガス導入口１７２ｂから第２排ガス排出路１７２に流入する。
【０１１７】
この後、排ガスは、第２排ガス排出路１７２を水平方向に流れていき、モジュールケース１０８の天板１０８ａ上に形成された排気口１１１から流出する。排ガスが第２排ガス排出路１７２を水平方向に流れていく際に、第２排ガス排出路１７２内に設けられた伝熱板１７２ａと、この伝熱板１７２ａに対応して発電用空気導入路１７７内に設けられた伝熱板１７７ｃとを介して、発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気と第２排ガス排出路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。なお、ここでは排気通路のうち第２排ガス排出路１７２にのみ伝熱板を１７２aを設けているが、伝熱板を設ける箇所は第２排ガス排出路１７２に限るものではなく、熱交換を行う排気通路であればよい。
【０１１８】
そして、排気口１１１から流出した排ガスは、モジュールケース１０８の外部に設けられた第１排ガス排出路１７１を通過した後、第１排ガス排出路１７１に接続された蒸発器１２５の排気通路部１２５ｃを流れて、蒸発器１２５の下流端側に接続された排ガス排出管１８２（図９参照）から排出される。排ガスは、蒸発器１２５の排気通路部１２５ｃを流れる際に、上述したように、蒸発器１２５の混合部１２５ｂ内の混合ガス及び蒸発器１２５の蒸発部１２５ａ内の水と熱交換を行う。
【０１１９】
次に、本発明の第２の実施の形態による固体酸化物形燃料電池装置の作用・効果について説明する。
【０１２０】
第２の実施の形態によれば、モジュールケース１０８を挟んで発電用空気導入路１７７と第２排ガス排出路１７２とを並設し、熱交換部を形成した燃料電池装置において、発電用空気導入路１７７または第２排ガス排出路１７２の少なくとも一方に、熱拡散性の高い伝熱板（１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄ）を流路内部が２つに区分されるように配置することで、２つの空間それぞれにおいて流路内部を通過する流体を均熱化することができ熱交換性能が向上する。このため、別体としての専用の熱交換器が不要となるため、燃料電池装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。ここで、発電用空気導入路１７７と第２排ガス排出路の少なくとも一方に伝熱板を設けていれば良く、発電用空気導入路１７７と並設されていれば、第２排ガス排出路の場所は本実施形態に限るものではない。
【０１２１】
また、本発明の第２の実施の形態によれば、伝熱板（１７２ａ，１７７ｃ，１７７ｄ）に両面間を流動可能とする複数の通気孔（図示せず）が設けられていることで、流体が２区間を行き来して広域に拡散するため、熱交換性能を向上させることができる。
【０１２２】
また、本発明の第２の実施の形態によれば、発電用空気導入路１７７または第２排ガス排出路１７２の一方の流路に設けられた伝熱板１７２ａまたは伝熱板１７７ｃ、１７７ｄが、他方の流路と直接接触することで、熱交換性能を向上させることができる。
【０１２３】
また、本発明の第２の実施の形態によれば、区分した二つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流路を導くことで、流体が持つ熱量を有効に利用することができる。
【０１２４】
また、本発明の第２の実施の形態によれば、本発明に係る伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄは熱交換性能が非常に高いため、発電室１１０内において、高温の燃焼部１１８で熱交換を行うことで熱の利用を最大限化するとともに、比較的低温となる燃料電池セル集合体１１２の領域に近接する流路では伝熱板の配置を不要とすることで、伝熱板の配置面積を最小化してコストを削減することができる。
【０１２５】
また、本発明の第２の実施の形態によれば、発電用空気導入路１７７の内部であって、伝熱板１７７ｃ、１７７ｄが配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板１７９を設置することで、仕切り板１７９は流路抵抗として機能するため、均熱化した酸素含有ガスはさらに拡散して均熱化し、複数の孔から発電用空気供給通路の下端に噴出される。
【０１２６】
第２の実施の形態で上述したように、容器壁面に熱交換部を形成した燃料電池装置において、簡単な構成により、熱交換性能を向上させることができるため、別体として専用の熱交換器を設ける必要がなく、燃料電池装置の小型化及び低コスト化を実現することができる。
【０１２７】
（実施の形態３）
つぎに図１５を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図１５は本発明の実施形態の適用例を示す燃料電池モジュールの別の形態を示す概略断面図である。
【０１２８】
第３の実施形態において、発電用空気を燃料電池モジュール３０２の内部へ供給するための構造を、図１５を参照しながら説明する。図１５の実践矢印は、発電用空気の流れを示しており、点線矢印は排ガスの流れを示している。この図に示すように、改質器３２０の上方に熱交換器３２３が設けられ、ケーシング３５６は断熱材３０７で覆われている。
【０１２９】
熱交換器３２３は２層の熱交換器であり、上層の一端側には発電用空気導入管３７４が取り付けられている。この発電用空気導入管３７４により、発電用空気が熱交換器３２３内に導入されるようになっており、熱交換器３２３の上層の他端側には、図１５に示すように、発電用空気流路３２３ａの出口ポート３７７ａが一対形成されている。この出口ポート３７７ａは、一対の連絡流路（図示せず）に連通している。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング３５６の幅方向の両側の外側には、発電用空気供給路（図示せず）が形成されている。
【０１３０】
したがって、発電用空気供給路（図示せず）には、発電用空気流路３２３ａの出口ポート３７７ａ及び連絡流路（図示せず）から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路（図示せず）は、燃料電池セル集合体３１２の長手方向に沿って形成されており、さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体３１２の下方側に対応する位置に、燃料電池セル集合体３１２の各燃料電池セルユニット３１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口３７７ｂが形成されている。出口ポート３７７ａから発電用空気供給路（図示せず）に流入した発電用空気は吹出口３７７ｂへと向かい、これらの吹出口３７７ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット３１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
【０１３１】
さらに、改質器導入管３６２は、ケーシング３５６の内部に、純水と改質される燃料ガスを導入する管路である。改質器導入管３６２は、改質器３２０の一端の側壁面から延びる円管であり、９０゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケーシング５６の上端面を貫通している。なお、改質器導入管３６２は、改質器３２０に水を導入する水導入管としても機能している。より具体的には、図１５に示すように、改質器３２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。
【０１３２】
改質器導入管３６２から流入する水は改質器３２０で水蒸気とされ、この水蒸気と被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気とが混合される。さらに、改質器３２０は、燃料電池セル集合体３１２の上方に形成された燃焼室３１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器３２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、燃料と水蒸気を化学反応させることにより水蒸気改質反応の双方によって水素を生成可能な改質器としての役割とを果たすように構成されている。
【０１３３】
改質器３２０の下流端には、燃料供給管３６６の上端が接続されている。この燃料供給管３６６の下端側は、燃料ガスタンク３６８内に入り込むように配置されている。
【０１３４】
図１５に示すように、燃料ガスタンク３６８は、燃料電池セル集合体３１２の真下に設けられている。燃料供給管３６６から燃料ガスタンク３６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体３１２を構成する各燃料電池セルユニット３１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
【０１３５】
続いて、発電により生じた排ガスをモジュールケース３５６外へ排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット３１６の上方にある燃焼室３１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気の排ガスを燃焼させている。その後、排ガスは、燃焼室３１８内を上昇し排気ガイド板３８０に至る。排気ガイド板３８０には、図１５に示すように、開口３８０ａが設けられており、開口３８０ａ内に排ガスが導かれる。この開口３８０ａを通った排ガスは、別体として設けられた熱交換器３２３の排ガス排出流路流入口３２４に至る。
【０１３６】
二層の熱交換器３２３の下層には、排ガスを排出するための排ガス排出流路３２３ｂが設けられている。これらの排ガスガス排出流路３２３ｂの下流端側には、排ガス排出管３８２が接続され、排ガスが外部に排出されるようになっている。
【０１３７】
つぎに熱交換器３２３について図１５を参照しながら説明する。熱交換器３２３は上層に発電用空気供給流路３２３ａと、下層に排ガス排出流路３２３ｂを備えている。発電用空気供給流路３２３ａには発電用空気が流れ、排ガス流出流路３２３ｂには排ガスが流れており、発電用空気は排ガスからの熱を受け取り昇温される。
【０１３８】
発電用空気供給流路３２３ａと排ガス排出流路３２３ｂの内部にはそれぞれ伝熱板３７８が流路を区分するように配置されており、発電用空気と排ガスとの熱交換を促進している。すなわち、伝熱板３７８が流路抵抗として働くため、カウンターフローで流れる発電用空気と排ガスはそれぞれの流路において均熱化され、さらに、伝熱板３７８が発電用空気と排ガスとが熱交換を行う熱交換器３２３内の壁面と接しているため、積極的に熱交換を行わせることができる。
なお、図１５においては、排ガス流路３２３ａと発電用空気流路３２３ｂの内部の双方に伝熱板３７８を設けているが、排ガス流路３２３ａと発電用空気流路３２３ｂのどちらか一方に設けるようにしてもよい。さらに、図１５では発電用空気と排ガスとの流れの方向をカウンターフローとして示しているが、クロスフローやパラレルフローでも良い。
【０１３９】
したがって、熱交換部が専用の熱交換器３２３として別体に設けられている燃料電池装置においても、熱交換器３２３の内部に設けられた、発電用空気供給流路３２３ａまたは排ガス排出流路３２３ｂの内部に本発明にかかる伝熱板３７８を設けることにより、容易に熱交換性能を向上させることができる。したがって、モジュールケース一体の熱交換器でなくとも、発明の効果を奏することが可能である。
【符号の説明】
【０１４０】
２  伝熱板
４  凸部
４ａ  脚部
４ｂ  桁部
４ｃ  通気孔
５ａ  第１の領域
５ｂ  第２の領域
６  凹部
１０１  固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
１０２  燃料電池モジュール
１０７  断熱材
１０８  モジュールケース
１０８ａ  天板
１０８ｂ  側板
１１２  燃料電池セル集合体
１１６  燃料電池セルユニット
１１８  燃焼室（燃焼部）
１１１  排気口
１２０  改質器
１２０ａ  混合ガス供給口
１２０ｂ  予熱部
１２０ｃ  改質部
１２５  蒸発器
１２５ａ  蒸発部
１２５ｂ  混合部
１２５ｃ  排気通路部
１６２  混合ガス供給管
１６２ａ  予熱部
１７１  第１排ガス排出路
１７２  第２排ガス排出路
１７２ａ  伝熱板
１７３  第３排ガス排出路
１７７  発電用空気導入路（酸素含有ガス導入路）
１７７ｃ、１７７ｄ  伝熱板
１７９  仕切り板
２０１  排気誘導室
２０３  ガス溜
３０２  燃料電池モジュール
３０７  断熱材
３１０  発電室
３１２  燃料電池セル集合体
３１６  燃料電池セルユニット
３１８  燃焼室（燃焼部）
３２０  改質器
３２３  熱交換器
３２３ａ  発電用空気供給流路
３２３ｂ  排ガス排出流路
３２４  排ガス排出流路流入口
３５６  モジュールケース
３６２  改質器導入管
３６６  燃料供給管
３６８  燃料ガスタンク
３７４  発電用空気導入管
３７７ａ  出口ポート
３７７ｂ  噴出孔
３８０  排気ガイド板
３８０ａ  開口
３８２  排ガス排出管
【図１】
0006474023.tif 000002
【図２】
0006474023.tif 000003
【図３】
0006474023.tif 000004
【図４】
0006474023.tif 000005
【図５】
0006474023.tif 000006
【図６】
0006474023.tif 000007
【図７】
0006474023.tif 000008
【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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