(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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おいて、
互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルユニットと、
天板及び側板を含み、前記複数の燃料電池セルユニットを収容するモジュールケースと、
前記モジュールケース内の前記燃料電池セルユニットの上方において、前記複数の燃料電池セルユニットの発電に寄与しなかった燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
前記モジュールケース内の前記燃焼部の上方に配置され、前記燃焼部において燃料ガスを燃焼させることにより発生した排気ガスを下方から上方へ通過させる開口を有し、前記原料ガスを水蒸気を用いて改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記モジュールケースの天板に形成され、前記排気ガスを前記モジュールケース外に排出する排気口と、
前記モジュールケースの上方から前記モジュールケースの下部まで前記モジュールケースの側板の外面に沿って形成され、空気を前記複数の燃料電池セルに供給する空気供給通路と、
前記モジュールケースの天板と前記改質器との間に設けられ、周囲が金属製の部材で構成されたガス断熱層と、を備え、
前記ガス断熱層と前記モジュールケースの天板との間に形成され、前記排気口に連通する第１排気通路と、
前記ガス断熱層と前記モジュールケースの側板との間に形成され、前記第１排気通路に連通する第２排気通路と、
前記改質器の上方、かつ、前記第２排気通路の下方に形成され、前記第２排気通路に排気を導入する排気集中部と、が形成され、
前記排気ガスは、前記第１排気通路、前記第２排気通路、及び前記排気集中部を通過して前記排気口から排気され、
前記第１排気通路、前記第２排気通路、及び前記排気集中部は、内部を通過する前記排気ガスと前記空気供給通路内の空気との間で熱交換を行うように形成され、
前記第１排気通路、及び、前記第２排気通路には、前記排気ガスと前記空気供給通路内の空気との間の熱交換を促進する排気側熱交換促進部材が設けられている、ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記空気供給通路内の前記第１排気通路及び前記第２排気通路に対応する部分には、前記排気ガスと前記空気供給通路内の空気との間の熱交換を促進する空気側熱交換促進部材が設けられている、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記改質器と前記モジュールケースの側板との間に第３排気通路が形成され、
前記第３排気通路は前記排気集中部に連通している、請求項２記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記排気側熱交換促進部材は、前記ガス断熱層よりも前記空気供給通路へ熱を伝達するように構成されている、請求項３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、特許文献１に記載された装置では、排気ガスは排気通路を上から下に向かって流れており、空気通路内の空気との熱交換により、排気通路内の排気ガスには上方から下方に向かって温度低下するような上下方向の温度ムラが生じている。また、空気は空気通路を下から上に向かって流れており、排気通路内の排気ガスとの熱交換により、空気通路内の空気にも上方から下方に向かって温度低下するような上下方向の温度ムラが生じている。
【０００６】
ところで、上記のような燃料電池装置を、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、必然的に燃料電池セルユニットとモジュールケースの側板との距離を小さくしなければならない。しかしながら、このように燃料電池セルユニットとモジュールケースの側板との距離を小さくすると、燃料電池セルユニットが排気通路内を流れる排気ガス及び空気通路内を流れる空気の温度ムラの影響を受けやすくなる。具体的には、上記のように、特許文献１に記載の燃料電池装置では、排気通路内を流れる排気ガス及び空気通路内を流れる空気に上下方向の温度ムラが生じているため、燃料電池セルユニットに上下方向に温度ムラが生じるおそれがある。さらに、平面視側板付近に配置された燃料電池セルユニットは、平面視中央付近に配置された燃料電池セルユニットに比べて排気ガス及び空気の温度ムラの影響を受けやすく、平面視側板付近に配置された燃料電池セルユニットと、平面視中央付近に配置された燃料電池セルユニットとの間にも横方向の温度ムラが生じてしまう。このような温度分布の不均一さは、燃料電池セルユニットを劣化させる要因となる。
【０００７】
本発明は、モジュールケースの側壁に沿うように設けられた外側の空気通路と、内側の排気通路との間で熱交換を行う固体酸化物形燃料電池装置において、装置を小型化及び低コスト化しつつ、燃料電池セルへの熱影響を抑制すると共に、酸化剤ガスに対する十分な熱交換性能を確保することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置は、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おいて、互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルユニットと、天板及び側板を含み、複数の燃料電池セルユニットを収容するモジュールケースと、モジュールケース内の燃料電池セルユニットの上方において、複数の燃料電池セルユニットの発電に寄与しなかった燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、モジュールケース内の燃焼部の上方に配置され、燃焼部において燃料ガスを燃焼させることにより発生した排気ガスを下方から上方へ通過させる開口を有し、原料ガスを水蒸気を用いて改質して燃料ガスを生成する改質器と、モジュールケースの天板に形成され、排気ガスをモジュールケース外に排出する排気口と、モジュールケースの上方からモジュールケースの下部までモジュールケースの側板の外面に沿って形成され、空気を複数の燃料電池セルに供給する空気供給通路と、モジュールケースの天板と改質器との間に設けられ、周囲が金属製の部材で構成されたガス断熱層と、を備え、ガス断熱層とモジュールケースの天板との間に形成され、排気口に連通する第１排気通路と、ガス断熱層とモジュールケースの側板との間に形成され、第１排気通路に連通する第２排気通路と、改質器の上方、かつ、第２排気通路の下方に形成され、第２排気通路に排気を導入する排気集中部と、が形成され、排気ガスは、第１排気通路、第２排気通路、及び排気集中部を通過して排気口から排気され、第１排気通路、第２排気通路、及び排気集中部は、内部を通過する排気ガスと空気供給通路内の空気との間で熱交換を行うように形成され、第１排気通路、及び、第２排気通路には、排気ガスと空気供給通路内の空気との間の熱交換を促進する排気側熱交換促進部材が設けられている、ことを特徴とする。
【０００９】
空気通路を流れる空気、及び、排気通路を流れる排気ガスの温度ムラによる燃料電池セルユニットの劣化を防止するためには、燃料電池セルユニットよりも上方で熱交換を行うことが考えられる。しかしながら、燃料電池装置を小型化する場合には、燃料電池セルユニットよりも上方に十分な熱交換距離を確保することが難しい。
【００１０】
これに対して、上記のように構成された本発明によれば、モジュールケースの天板と改質器との間に、周囲が金属製の部材で構成されたガス断熱層が設けられ、ガス断熱層とモジュールケースの天板及び側板との間に第１排気通路及び第２排気通路が形成されている。このため、改質器の貫通孔を通過した上流側の高温の排気ガスから、第１排気通路内の下流側の低温の排気ガスへ熱が移動するのをガス断熱層により抑止することができ、高温な排気ガスが排気集中部から第２排気通路及び第１排気通路へ流れこむ。これにより、熱交換性能を向上し、短い熱交換距離であっても十分な熱交換を行うことができる。
【００１１】
さらに、第１排気通路及び第２排気通路に排気側熱交換促進部材を設けることにより、排気ガスと空気との間の熱交換を短い距離で行うことができる。
しかしながら、このようにモジュールケースとガス断熱層との間の排気通路に熱交換促進部材を設けると、排気通路の熱交換促進部材が設けられた部分の圧力損失が大きくなるため、熱交換促進部材の手前の部分に排気ガスが滞留してしまう。このため、第１排気通路内のみに排気側熱交換促進部材を設けた場合には、第２排気通路に排気ガスが滞留してしまう。第２排気通路に排気ガスが滞留してしまうと、第２排気通路内に滞留する排気ガスからガス断熱層への排熱の散逸が生じてしまい排気ガスと空気との熱交換の効率が低下してしまう。
【００１２】
これに対して、上述のように構成された本発明によれば、ガス断熱層とモジュールケースの側板との間に形成された第２排気通路内にも熱交換促進部材を設けたため、排気集中部に排気ガスが滞留することとなり、ガス断熱層への排気ガスからの排熱の散逸を抑えることができ、排気ガスと空気との熱交換の効率を向上することができる。
【００１３】
このようにして、本発明によれば、燃料電池装置の小型化を図りつつ、モジュールケースの天面付近に形成された熱交換部により排気ガスと発電用空気との間の熱交換を効率的に行うことが可能となる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、空気供給通路内の第１排気通路及び第２排気通路に対応する部分には、排気ガスと空気供給通路内の空気との間の熱交換を促進する空気側熱交換促進部材が設けられている。
【００１５】
このように構成された本発明によれば、排気通路及び空気供給通路の両方に熱交換促進部材が設けられているため、短い距離であっても確実に熱交換を行うことができる。さらに、空気供給通路内の排気集中部に対応する部分にも熱交換促進部材が設けられているため、排気集中部に滞留する排気ガスから、より効率良く排気熱を空気に伝達することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、改質器とモジュールケースの側板との間に第３排気通路が形成され、第３排気通路は排気集中部に連通している。
【００１７】
このように構成された本発明によれば、燃焼部で生成された排気ガスは第３排気通路を通過し、この際、第３排気通路内の排気ガスと、空気供給通路内の空気との間で熱交換が行われる。そして、第３排気通路を通過した排気ガスは直接、排気集中部へ導かれるため、他の部位に排気ガスが流れて排熱が失われることを防止し、熱交換効率を向上することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、排気側熱交換促進部材は、ガス断熱層よりも空気供給通路へ熱を伝達するように構成されている。
【００１９】
このように構成された本発明によれば、第１排気通路、及び、第２排気通路内を流れる排気ガスの熱がガス断熱層に散逸するのをより効率良く防止し、熱交換効率をより向上することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置によれば、燃料電池装置の小型化を図りつつ、モジュールケースの天面付近に形成された熱交換部により排気ガスと発電用空気との間の熱交換を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置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】本発明の一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】本発明の一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】本発明の一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側面断面図である。
【図８】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９】比較例としての第２排気通路内にプレートフィンを設けていない場合の排ガスの流れを説明するための、図８と同様の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２４】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して金属製のモジュールケース８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が収容置されている。この燃料電池セル集合体１２は、複数の燃料電池セルユニット１６（図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。
【００２５】
燃料電池モジュール２のモジュールケース８の発電室１０の上方には、燃焼部としての燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった（発電に寄与しなかった）残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。さらに、モジュールケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器１２０が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器１２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
【００２６】
さらに、ハウジング６内においてモジュールケース８の上方には、蒸発器１４０が断熱材７内に設けられている。蒸発器１４０は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュールケース８内の改質器１２０に供給する。
【００２７】
次に、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の原料ガスの供給減である燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器１２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２８】
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器１２０内において、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみが生じるＰＯＸ工程から、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）が混在したオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が生じるＡＴＲ工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるＳＲ工程が行われるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程を省略してＡＴＲ工程からＳＲ工程に移行されるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程を省略してＳＲ工程のみが行われるように構成してもよい。なお、ＳＲ工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット４４は不要である。
【００２９】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００３０】
次に、図２乃至図４を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿った断面図であり、図４は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。
【００３１】
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２は、断熱材７で覆われたモジュールケース８の内部に設けられた燃料電池セル集合体１２及び改質器１２０を有すると共に、モジュールケース８の外部で且つ断熱材７内に設けられた蒸発器１４０を有する。
【００３２】
まず、モジュールケース８は、図４に示すように、略矩形の天板８ａ，底板８ｃ，これらの長手方向（図２の左右方向）に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板８ｂからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の２つの対向する開口部を塞ぎ、天板８ａ及び底板８ｃの幅方向（図３の左右方向）に延びる辺同士を連結する閉鎖側板８ｄ，８ｅからなる。
【００３３】
モジュールケース８は、空気通路カバー１６０によって天板８ａ及び側板８ｂが覆われている。空気通路カバー１６０は、天板１６０ａと、対向する一対の側板１６０ｂとを有する。天板１６０ａの略中央部分には、排気管１７１を貫通させるための開口部１６７が設けられている。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）。
【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）。
【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】
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。
【００３７】
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）。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
図６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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
次に、図７及び図８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７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８は、図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。図７及び図８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。
【００７５】
図７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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
また、図７及び図８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。
【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８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）。
【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、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。
【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】
本実施形態による固体酸化物形燃料電池装置１によれば以下の効果が奏される。
本実施形態では、モジュールケース８の天板８ａと改質器１２０との間に、周囲が金属製の下部誘導板１３１及び上部誘導板１３２で画成されたガス断熱層１３５を設け、これによりガス断熱層１３５とモジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂとの間に第１排気通路１７２ａ及び第２排気通路１７２ｂが形成されている。これにより、改質器１２０の貫通孔１２０ｂを通過した第４排気通路１７４内の（すなわち、上流側の）高温の排気ガスから、第１排気通路１７２ａ内の（すなわち、下流側の）低温の排気ガスへ熱が移動するのを抑止することができ、高温な排気ガスが排気集中部１７６から第２排気通路１７２ｂ及び第１排気通路１７２ａへ流れこむ。このため、熱交換性能が向上され、短い熱交換距離であっても排気ガスと空気との間で十分な熱交換を行うことができる。
【００８６】
また、第１排気通路１７２ａ及び第２排気通路１７２ｂにプレートフィン１６２、１６３を設けることにより、第１排気通路１７２ａ及び第２排気通路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短い距離で行うことができる。
【００８７】
さらに、本実施形態では、ガス断熱層１３５とモジュールケース８の天板８ａとの間の第１排気通路１７２ａのみならず、ガス断熱層１３５とモジュールケース８の側板８ｂとの間に形成された第２排気通路内１７２ｂにもプレートフィン１７５ｂを設けている。この作用効果を第２排気通路内１７２ｂにプレートフィン１７５ｂを設けていない場合と比較して説明する。
【００８８】
図９は、比較例としての第２排気通路内にプレートフィンを設けていない場合の排ガスの流れを説明するための、図８と同様の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。なお、比較例においても、本実施形態と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
【００８９】
図９に示すように、比較例では、ガス断熱層１３５とモジュールケース８の天板８ａとの間の第１排気通路１７２ａ内には、プレートフィン１７５ａが設けられているが、ガス断熱層１３５とモジュールケース８の側板８ｂとの間に形成された第２排気通路内１７２ｂにはプレートフィン１７５ｂが設けられていない。このように第１排気通路１７２ａ内のみにプレートフィン１７５ｂを設けると、第１排気通路１７２ａの圧力損失が大きくなるため、第２排気通路１７２ｂ内に排気ガスが滞留してしまう（図９のＢ部）。このため、比較例では、図９に矢印Ｃで示すように、第２排気通路１７２ｂ内に滞留する排気ガスからガス断熱層１３５への排熱の散逸が生じてしまい、排気ガスの温度が低下し、排気ガスと空気との熱交換の効率が低下してしまう。
【００９０】
これに対して、本実施形態では、上述の通り、ガス断熱層１３５とモジュールケース８の天板８ａとの間の第１排気通路１７２ａと、ガス断熱層１３５とモジュールケース８の側板８ｂとの間に形成された第２排気通路内１７２ｂとに、プレートフィン１７５ａ、１７ｂを設けている。このため、本実施形態では、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、第２排気通路１７２ｂの下方の排気集中部１７６に排気ガスが滞留することとなる。これにより、滞留した排気ガスからガス断熱層１３５への排熱の散逸を抑えることができ、排気ガスと空気との熱交換の効率を向上することができる。
【００９１】
このようにして、本実施形態によれば、燃料電池装置の小型化を図りつつ、モジュールケースの天面付近に形成された熱交換部により排気ガスと発電用空気との間の熱交換を効率的に行うことができる。
【００９２】
また、本実施形態では、第１排気通路１７２ａ及び第２排気通路１７２ｂにプレートフィン１７５ａ、１７５ｂが設けられるとともに、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内の第１排気通路１７２ａ及び第２排気通路１７２ｂに対応する部分に、プレートフィン１６２、１６３が設けられている。このように、第１排気通路１７２ａ及び第２排気通路１７２ｂ及び空気通路１６１ａ，１６１ｂの両方の対応する部分にプレートフィン１６２、１６３、１７５ａ、１７５ｂが設けられているため、短い距離であっても確実に熱交換を行うことができる。
【００９３】
また、本実施形態では、空気通路１６１ｂ内の排気集中部１７６に対応する部分にもプレートフィン１６３が設けられているため、排気集中部１７６に滞留する高温の排気ガスにから、より効率良く排気熱を空気に伝達することができる。
【００９４】
また、本実施形態では、改質器１２０とモジュールケース８の側板８ｂとの間に第３排気通路１７３が形成され、第３排気通路１７３は排気集中部１７６に連通している。これにより、燃焼室１８で生成された排気ガスは第３排気通路１７３を通過するが、この際、第３排気通路１７３内の排気ガスと、空気通路１６１ｂ内の空気との間で熱交換が行われる。そして、第３排気通路１７３を通過した排気ガスは直接、排気集中部１７６へ導かれるため、他の部位に排気ガスが流れて排熱が失われることを防止し、熱交換効率を向上することができる。
【００９５】
また、本実施形態では、プレートフィン１７５ａ、１７５ｂは、側板８ｂに対する接触面積が、ガス断熱層を画成する上部誘導板１３２に対する接触面積よりも大きくなっており、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１排気通路１７２ａ、及び、第２排気通路１７２ｂ内を流れる排気ガスの熱がガス断熱層１３５に散逸するのをより効率良く防止し、熱交換効率をより向上することができる。
【符号の説明】
【００９６】
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
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
２０２  突出部
２０２ｂ  天板部
２０３  突起部
２０４  突出部
２０４ｂ  天板部
２０５  突起部
【図１】
0006504357.tif 000002
【図２】
0006504357.tif 000003
【図３】
0006504357.tif 000004
【図４】
0006504357.tif 000005
【図５】
0006504357.tif 000006
【図６】
0006504357.tif 000007
【図７】
0006504357.tif 000008
【図８】
0006504357.tif 000009
【図９】
0006504357.tif 000010