(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する複数の燃料電池セルを用いた固体酸化物形燃料電池装置において、
前記複数の燃料電池セルを収容する直方体状のモジュール容器と、
前記モジュール容器の周囲を覆う断熱材と、
燃料ガスを前記複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、
前記モジュール容器内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを燃料ガスに改質して前記燃料ガス供給通路に供給する改質器と、
前記複数の燃料電池セルの発電において残余する燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により上方に設けられた前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記モジュール容器の外部で且つ前記断熱材内に配置され、供給された水を蒸発させて生成した水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを前記改質器に供給する蒸発器と、
前記モジュール容器の天面の一端から他端にかけて設けられ、前記燃焼部の燃焼により生成された排ガスと、前記モジュール容器の外部より供給された酸化剤ガスとが熱交換する熱交換部と、
前記熱交換部から前記モジュール容器の外部に排ガスを排出する、前記モジュール容器天面の中央部に設けられた排ガス排出口と、
前記熱交換部から排出された酸化剤ガスを前記複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガス供給通路と、を有し、
前記熱交換部は、前記モジュール容器の天面と前記モジュール容器の内部に設けられた板状部材でなる下面とで形成された排ガス通路を流れる排ガスと、前記モジュール容器の天面と前記モジュール容器の外部に設けられたカバー部材でなる上面とで形成された酸化剤ガス通路を流れる酸化剤ガスとが、前記モジュール容器の天面を介して熱交換するように構成され、
前記熱交換部の排ガス導入口は、前記モジュール容器の天面における一対の端部の双方に位置し、且つ前記モジュール容器の天面と直交する面に位置し、
排ガスの流れに対して前記熱交換部の上流側であって前記排ガス導入口の近傍には、前記排ガスを前記排ガス通路へ誘導する排ガス誘導部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】
前記排ガス誘導部は、前記モジュール容器の天面と前記モジュール容器の側面とが連設する前記モジュール容器のコーナー角壁であって、前記モジュール容器の内部を上昇する排ガスが前記排ガス導入口に向かうように曲率を有していることを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記酸化剤ガス通路は、前記カバー部材が前記モジュール容器の天面から側面にかけて屈曲して延在することで、前記モジュール容器の側面の一部に延在し、
前記コーナー角壁の曲率は、前記屈曲することで形成される前記カバー部材のコーナー角壁の曲率よりも小さいことを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記酸化剤ガス通路は、前記カバー部材が前記モジュール容器の天面から側面にかけて屈曲して延在することで、前記モジュール容器の側面の一部に延在し、
前記屈曲することで形成される前記カバー部材の角壁はＲ形状であり、
前記カバー部材と前記モジュール容器の天面との間、および前記カバー部材と前記モジュール容器の側面との間にそれぞれ形成される前記酸化剤ガス通路内のそれぞれには、前記酸化剤ガス通路を前記モジュール容器の壁面に平行な二層の通路に区画する伝熱板が配置され、これらの伝熱板は前記角壁において接していることを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記伝熱板は、前記酸化剤ガス通路を前記モジュール容器の壁面に平行な二層の通路に区画する主面と、前記二層の通路のうち一方の層から他方の層へ酸化剤ガスの流動を可能とするとともに前記モジュール容器の天面と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、
前記二層に区分された前記酸化剤ガス通路のうち、前記カバー部材のコーナー角壁における下層部分には、前記伝熱板の凸部は配置されていないことを特徴とする、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
前記排ガス通路内には、前記排ガス通路を前記モジュール容器の天面に平行な二層の通路に区画する伝熱板が配置され、前記伝熱板は前記熱交換部の内部において前記排ガス導入口よりも内側に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項７】
前記伝熱板は、前記排ガス通路を前記モジュール容器の天面に平行な二層の通路に区画する主面と、前記二層の通路のうち一方の層から他方の層へ排ガスの流動を可能とするとともに前記モジュール容器の天面と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、
前記二層に区分された前記排ガス通路のうち、上層の排ガス導入口の近傍には、前記伝熱板の凸部は配置されていないことを特徴とする、請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【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酸化剤ガス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た燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、例えば７００℃などの比較的高温で動作する。
【０００３】
ここで、燃料電池セルの燃料極に供給した燃料ガスのうち発電に用いられなかった残余の燃料ガス（オフガス）を燃焼させることで生じる排ガスの熱により燃料電池セル上方に配置した改質器を加熱し、改質器内温度を所定の改質反応が可能な温度に維持することで原燃料ガスを燃料ガスに改質して燃料極に供給する、いわゆるセルバーナー方式の熱自立型の固体酸化物形燃料電池装置は、総合でのエネルギー効率が高い上に、改質器を別途加熱する外部バーナーが不要となるなど装置構成を極めて簡素にできるため、産業上非常に有益な構成といえる。
【０００４】
このような固体酸化物形燃料電池装置では、従来から、オフガスを燃焼させて発生する排ガスの熱を利用して酸化剤ガスを昇温させ、昇温させた酸化剤ガスを燃料電池セルに供給することが行われている。このような排ガスと酸化剤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、燃焼された排ガスが排出する排ガス通路と酸化剤ガスの収容室とから構成された熱交換部がセルスタックを収容するモジュール容器内の上方に形成され、排ガス通路は酸化剤ガスの収容室に沿って形成されることで、この部分で熱交換されることが開示されている。
【０００５】
しかし、酸化剤ガスを燃料電池セルに供給するまでに十分加熱するためには、熱交換部をモジュール容器内に配置しようとすると容器の嵩が著しく増大するなど、容器容積が肥大化するため、固体酸化物形燃料電池装置の小型化を妨げる要因となっていた。
【０００６】
これに対し、特許文献２では、従来改質器と一体的に構成され、水気化の際に輻射冷却によってモジュール内を冷却してしまう蒸発器を、セルスタックを収容するモジュール容器の外側に離間して配置することが開示されている。
【０００７】
このように蒸発器をモジュール容器の外部に分離して配置することで、モジュール容器内の排ガスの熱が蒸発器によって奪われることがなくなるため、モジュール容器内の熱利用率を向上させることが可能となる。高温の排ガスを利用することが可能となるため、熱交換面積を低減しても十分に酸化剤ガスを加熱することができ、燃料電池モジュールの性能を維持向上させつつも、小型化を両立する燃料電池装置の製造が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１００６８７号公報
【特許文献２】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】
【０００９】
熱交換部としては、従来の別体として配置するユニット状の専用の熱交換器に対して、特許文献２に開示されるような、モジュール容器の壁面を通路の一部として構成される熱交換通路（ケース間通路）を用いた熱交換部を構成する場合には、コストの削減とともに容器の小型化の点でも特に有利であるといえる。
【００１０】
蒸発器をモジュール容器の外部に分離配置したことによって、ケース間通路で構成される熱交換部を上昇する排ガスを直接受けるように天面に限定して配置することが可能となった。このような構成を実現する上で、本願発明者らは、モジュール容器の内部における排ガスの分布の対称性・均一性を考慮すると、排ガスの排出口はモジュール容器の天面の中央部に設けることが最善であることを見出した。すると、酸化剤ガスと排ガスとの熱交換効率を高めるためには、排ガスとの十分な熱交換距離（熱交換面積）の確保が必要なことから、排ガス導入口はモジュール容器の天面の端部に設けることが必然となる。
【００１１】
このような熱交換部の構造的な制限下で配置されるモジュール容器の天面の熱交換部においては、その内部の排ガス通路は水平面方向に広がるものとなる。このため、モジュール容器内の下方（燃焼部）から上昇する排ガスは、熱交換部の内部で水平方向に進行するように進路を変更する必要があるが、熱交換部への排ガスの入口である排ガス導入口の近傍において排ガスが集中し対流が生じるため、熱交換部の内部への排ガスのスムーズな進入が妨げられてしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置の一態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する複数の燃料電池セルを用いた固体酸化物形燃料電池装置において、複数の燃料電池セルを収容する直方体状のモジュール容器と、モジュール容器の周囲を覆う断熱材と、燃料ガスを複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、モジュール容器内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを燃料ガスに改質して燃料ガス供給通路に供給する改質器と、複数の燃料電池セルの発電において残余する燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により上方に設けられた改質器を加熱する燃焼部と、モジュール容器の外部で且つ断熱材内に配置され、供給された水を蒸発させて生成した水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを改質器に供給する蒸発器と、モジュール容器の天面の一端から他端にかけて設けられ、燃焼部の燃焼により生成された排ガスと、モジュール容器の外部より供給された酸化剤ガスとが熱交換する熱交換部と、熱交換部からモジュール容器の外部に排ガスを排出する、モジュール容器天面の中央部に設けられた排ガス排出口と、熱交換部から排出された酸化剤ガスを複数の燃料電池セルに供給する酸化剤ガス供給通路と、を有し、熱交換部は、モジュール容器の天面とモジュール容器の内部に設けられた板状部材でなる下面とで形成された排ガス通路を流れる排ガスと、モジュール容器の天面とモジュール容器の外部に設けられたカバー部材でなる上面とで形成された酸化剤ガス通路を流れる酸化剤ガスとが、モジュール容器の天面を介して熱交換するように構成され、熱交換部の排ガス導入口は、モジュール容器の天面における一対の端部の双方に位置し、且つモジュール容器の天面と直交する面に位置し、排ガスの流れに対して熱交換部の上流側であって排ガス導入口の近傍には、排ガスを排ガス通路へ誘導する排ガス誘導部が設けられているものである。
【００１３】
このように構成された本発明によれば、モジュール容器の天面に設けた熱交換部の排ガス導入口に排ガス誘導部を設けることで、排ガス導入口の手前近傍において生じていた排ガスの集中による対流の発生を抑え、熱交換部内の排ガス通路へ排ガスを容易に導入させることが可能となった。これにより、熱交換部における熱交換機能を十分に発揮させ、モジュール容器の内部の熱利用率を高めることができる。
【００１４】
また本発明の一態様においては、排ガス誘導部は、モジュール容器の天面とモジュール容器の側面とが連設するモジュール容器のコーナー角壁であって、モジュール容器の内部を上昇する排ガスが排ガス導入口に向かうように曲率を有していることが好ましい。
【００１５】
排ガス導入口が設けられる近傍のモジュール容器のコーナー角部においては、上昇する排ガスが直交する方向の熱交換流路により方向転換を余儀なくされるため、排ガスが集中することにより局所的な圧力損失の増加が生じてしまっていた。このように構成された本発明によれば、モジュール容器の角部分に曲率を持たせた形状とすることで、上昇する排ガスの方向をこれと直交する方向である水平方向に転換して、排ガス導入口へ排ガスを誘導する。これにより、排ガス導入口近傍の圧力損失の増加を抑制し、熱交換部へ排ガスをスムーズに導入することができ、高い熱交換効率を担保することができる。
【００１６】
また本発明の一態様においては、酸化剤ガス通路は、カバー部材がモジュール容器の天面から側面にかけて屈曲して延在することで、モジュール容器の側面の一部に延在し、コーナー角壁の曲率は、屈曲することで形成されるカバー部材のコーナー角壁の曲率よりも小さいことが好ましい。
【００１７】
このように構成された本発明によれば、排ガスを熱交換部に誘導するためにモジュール容器のコーナー角壁が曲率を設けることにより、対応する酸化剤ガス通路の角部において、酸化剤ガスはモジュール容器の天面から側面に沿って下方に誘導されるため、角部での圧力損失の増加を緩和することができる。一方で、カバー部材の屈曲により形成される酸化剤ガス通路の角部は曲率が大きいため、当該箇所において酸化剤ガス通路の容積を大きく確保することができる。このため、さらに角部での圧力損失の増加を緩和することができる。
【００１８】
また本発明の一態様においては、酸化剤ガス通路は、カバー部材がモジュール容器の天面から側面にかけて屈曲して延在することで、モジュール容器の側面の一部に延在し、屈曲することで形成されるカバー部材の角壁はＲ形状であり、カバー部材とモジュール容器の天面との間、およびカバー部材とモジュール容器の側面との間にそれぞれ形成される酸化剤ガス通路内のそれぞれには、酸化剤ガス通路をモジュール容器の壁面に平行な二層の通路に区画する伝熱板が配置され、これらの伝熱板は角壁において接していることが好ましい。
【００１９】
このように構成された本発明によれば、カバー部材の屈曲により形成される酸化剤ガス通路の角部をＲ形状とすることで、当該箇所における酸化剤ガス通路の容積を最大化させることができるとともに、モジュール容器の天面及び側面に位置する酸化剤ガス通路のそれぞれに通路を２層化する伝熱板を角部で互いに接して配置することができる。このため、天面及び側面において酸化剤ガス通路の下層が明確に区分されるため、酸化剤ガスを下層に主体的に流すことで、酸化剤ガスとその下方の排ガスとの熱交換効率を高めることができる。
【００２０】
また本発明の一態様においては、伝熱板は、酸化剤ガス通路をモジュール容器の壁面に平行な二層の通路に区画する主面と、二層の通路のうち一方の層から他方の層へ酸化剤ガスの流動を可能とするとともにモジュール容器の天面と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、二層に区分された酸化剤ガス通路のうち、カバー部材のコーナー角壁における下層部分には、伝熱板の凸部は配置されていないことが好ましい。
【００２１】
このように構成された本発明によれば、カバー部材の屈曲により形成される酸化剤ガス通路の角部においては、二層に区画する伝熱板の主面に有する凸部が位置しないように配置することで、角部において下層に酸化剤ガスを主体的に流動させることができる。このため、酸化剤ガスをモジュール容器の壁面に接するように流すことができ、熱交換効率を高めることができる。
【００２２】
また本発明の一態様においては、排ガス通路内には、排ガス通路をモジュール容器の天面に平行な二層の通路に区画する伝熱板が配置され、伝熱板は熱交換部の内部において排ガス導入口よりも内側に配置されていることが好ましい。
【００２３】
このように構成された本発明によれば、排ガス導入口の近傍に伝熱板を配置すると、伝熱板がガス流動を妨げる障害として機能することで、排ガスが流入する角部において圧力損失が増加してしまうことになる。そこで、伝熱板を排ガス導入口に対してオフセット配置することによって、角部における圧力損失の増加を緩和することができる。
【００２４】
また本発明の一態様においては、伝熱板は、排ガス通路をモジュール容器の天面に平行な二層の通路に区画する主面と、二層の通路のうち一方の層から他方の層へ排ガスの流動を可能とするとともにモジュール容器の天面と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、二層に区分された排ガス通路のうち、上層の排ガス導入口の近傍には、伝熱板の凸部は配置されていないことが好ましい。
【００２５】
このように構成された本発明によれば、コーナー角壁においては、二層に区画する伝熱板の主面に有する凸部が位置しないように配置することで、コーナー角壁において上層に排ガスを主体的に流動させることができる。このため、排ガスをモジュール容器の壁面に接するように流すことで酸化剤ガスとの熱交換を促進することができ、熱交換効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００２６】
固体酸化物形燃料電池装置において、モジュール容器の天面に設けた熱交換部の排ガス導入口に排ガス誘導部を設けることで、排ガス導入口の手前近傍において生じていた排ガスの集中による対流の発生を抑え、熱交換部内の排ガス通路へ排ガスを容易に導入させることが可能となった。これにより、熱交換部における熱交換機能を十分に発揮させ、モジュール容器の内部の熱利用率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の側面断面図である。
【図２】図１の側面断面図の熱交換部についての拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態による伝熱板を示す拡大図である。
【図４】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６】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７】従来の伝熱板を示す図である。
【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側面断面図である。
【図９】図８の側面断面図の熱交換部についての拡大図である。
【図１０】図９においてガスの流れを説明するための図である。
【図１１】本発明の一実施例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１２】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図１３】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール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１４】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の排ガス通路及び酸化剤ガス通路の一部分を拡大して示す鉛直断面図である。
【図１５】本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図１６】本発明の一実施例による固体酸化物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１７】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、図１２のIII-III線に沿った燃料電池モジュールの側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
（実施の形態１）
本実施の形態においては、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置における熱交換部とその排ガス導入口近傍について、図１及び図２を用いて説明する。
【００２９】
図１は、本実施の形態における固体酸化物形燃料電池装置５００の側面を示す図である。燃料ガスマニホールド５０９上に立設配置された複数の燃料電池セル５０２が、モジュール容器５０３の内部に収容されている。モジュール容器５０３の上方には蒸発器５０６が配置され、モジュール容器５０３及び蒸発器５０６は断熱材５０１によって周囲を覆われている。また、モジュール容器５０３と蒸発器５０６との間にも断熱材５０１が配置されている。複数の燃料電池セル５０２の上方には燃焼部５０３が設けられ、燃焼部５０３の上方には改質器５０４が設けられている。また、図１においてモジュール容器の両側面には、外部より供給された酸化剤ガスを燃料電池セル５０２に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成されている。そして、改質器５０４の上方、モジュール容器５０３の天面には熱交換部５０７が形成されている。熱交換部５０７はモジュール容器５０３の天面と水平に広がるように設けられ、熱交換部５０７内において、上部にはカバー部材とモジュール容器５０３の天面とにより形成された酸化剤通路を有し、下部にはモジュール容器５０３の天面とその下方に設置された板状部材とにより形成された排ガス通路とを有す。
【００３０】
外部から供給された水は蒸発器５０６の内部で加熱され、同様に外部から供給された原料ガスと混合された混合ガスとして改質器５０４に供給される。さらに高温状態の改質器５０４内部で原料ガスは燃料ガスに改質され、燃料ガスは燃料ガスマニホールド５０９を介して燃料電池セル５０２の内部に供給される。一方、外部から供給された酸化剤ガスは、熱交換部５０７を通過して酸化剤ガス供給通路５０８から燃料電池セル５０２の外表面に対して供給される。内部に燃料ガスが供給され、外部に酸化剤ガスが供給された燃料電池セル５０２は、例えば６００℃以上の高温状態下で発電反応により発電する。
【００３１】
一方、発電に用いられずに残余した燃料ガス（オフガス）は、燃料電池セル５０２の上端から排出され、燃焼部５０５において燃焼されることで排ガスを生成する。排ガスは改質器５０４の底面及び側面を加熱しながらモジュール容器５０３の内部を上昇する。このように排ガスによる加熱によって、改質器５０４は原料ガスの改質に必要な改質温度に昇温、維持することができる。改質器５０４を加熱しながらモジュール容器５０３の上部に上昇する排ガスは、モジュール容器５０３の側面視において、モジュール容器５０３の上方両端に位置する排ガス導入口から熱交換部５０７に供給される。熱交換部５０７内部において、燃料電池モジュールの外部から供給された酸化剤ガスと排ガスとが熱交換され、回収した熱量により昇温した酸化剤ガスは酸化剤ガス供給通路５０８から燃料電池セル５０２に供給される一方で、熱量の低減した排ガスはモジュール容器５０３から分離した蒸発器５０６内部を通過し、水蒸気の生成および原料ガスの予熱に熱回収された後、固体酸化物形燃料電池装置５００の外部に排出される。
【００３２】
図２は、モジュール容器５０３の側面視において、さらにモジュール容器５０３の左側上方を拡大したものである。
【００３３】
すなわち、図１で示した熱交換部５０７は上述のとおり、排ガスが流れる下部の排ガス通路５５０と、酸化剤ガスが流れる上部の酸化剤ガス通路５５１aとから構成される。排ガス通路５５０は、モジュール容器５０３の天面を上面とし、この天面より下方に概略等距離分離間させて配置された板状部材５１１とを下面として区画形成される。他方、酸化剤ガス通路５５１aは、モジュール容器５０３の天面を下面とし、この天面よりも上方に概略等距離分離間させて配置されたカバー部材５１０とを上面として区画形成される。
【００３４】
図２において、排ガスは、モジュール容器５０３の側面に平行な面として設けられた左端の排ガス導入口より熱交換部内へ進入し、概略水平に右方向に流動後、モジュール容器５０３の概略中央に位置する排ガス排出口５５２及び排気管を介して蒸発器へ排出される。これに対し、外部から供給された酸化剤ガスは酸化剤ガス導入管（図示せず）を介して熱交換部５０７における酸化剤ガス通路５５１aのモジュール容器上面視における概略中央に供給される。酸化剤ガス通路５５１a中の酸化剤ガスは、概略水平に左方向に流動し、熱交換部５０７の端部において下方に続く酸化剤ガス通路５５１ｂに移動する。このようにして、熱交換部５０７において端部より排ガス通路５５１aに供給された排ガスはモジュール容器５０３の中央部に向かうように水平方向に移動する一方、モジュール容器５０３の中央部の酸化剤ガス通路５５１aに供給された酸化剤ガスは、モジュール容器５０３の端部に向かうように移動するため、排ガスと酸化剤ガスとは対向する方向に水平流動する（対向流れ）。このとき、モジュール容器５０３の天面５５４が熱交換面として機能するため、排ガスがもつ熱が酸化剤ガスに移動することで、排ガスと酸化剤ガスとの間の熱交換がなされる。
【００３５】
なお、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路は、モジュール容器の天面に加え、モジュール容器側面にも一部形成することができる。すなわち、モジュール容器の天面５５４に酸化剤ガス通路５５１aを画成するためのカバー部材５１０は、さらにモジュール容器の側面に屈曲して延在することで、モジュール容器の側面とカバー部材５１０との間に酸化剤ガス通路５５１ｂを形成する。
【００３６】
排ガスは、熱交換部５０７の排ガス導入口５５５より排ガス通路５５０へ導入される。この排ガス導入口５５５は、モジュール容器５０３の天面５５４における両端部に設けられ、モジュール容器５０３の天面５５４と直交する面に形成されている。このように排ガス導入口５５５をモジュール容器５０３の上部両端に配置することによって、モジュール容器５０３内において上昇する高温の排ガスの熱をそのまま回収することができるとともに、熱交換部５０３の排ガス排出口５５２をモジュール容器５０３の上面視における中央部に配置しているため、酸化剤ガスとの熱交換距離（面積）を十分に確保することができるため、熱交換効率を向上させることができる。
【００３７】
しかし、モジュール容器５０３の天面５５４に配置する本実施の形態にかかる熱交換部５０７においては、その内部の排ガス通路は水平面方向に広がるものとなるため、モジュール容器５０３内の下方の燃焼部５０５から上昇する排ガスは、熱交換部５０７の内部で水平方向に進行するように進路を変更する必要があるが、熱交換部５０７への排ガスの入口である排ガス導入口５５５の近傍において排ガスが集中し対流が生じるため、熱交換部５０７の内部への排ガスのスムーズな進入が妨げられてしまうという課題があった。
【００３８】
そこで、排ガスの流れに対して熱交換部５０７の上流側であって排ガス導入口５５５の近傍には、排ガスを排ガス通路５５０へ誘導する排ガス誘導部が設けられている。排ガス誘導部は、上昇する排ガスを水平方向に流動方向を転換させるものであり、例えば排ガス導入口５５５の近傍のモジュール容器５０３の側面に排ガスを排ガス通路５５０へ誘導する凸形状の構造体を単数又は複数設けることができる。また、モジュール容器５０３の天面５５４と側面５５８とが連接するモジュール容器５０３のコーナー角壁を傾斜するテーパー面として形成することもできる。
【００３９】
このように、排ガス導入口５５５の近傍に排ガスを熱交換部５０７の排ガス通路５５０に誘導する排ガス誘導部材を設けることで、排ガス導入口５５５の近傍に排ガスが集中して生じる対流により熱交換部５０７への排ガスの進入が妨げられてしまうことを抑制、回避することができる。
【００４０】
図２に示すように本実施の形態においては、排ガス誘導部は、モジュール容器５０３の天面５５４とモジュール容器の側面５５８とが連設するモジュール容器５０３のコーナー角壁５５３であって、モジュール容器５０３の内部を上昇する排ガスが排ガス導入口に向かうように曲率をもたせたものを示す。
【００４１】
このようにモジュール容器５０３のコーナー角部５５３に曲率をもたせた形状とすることで、上昇する排ガスの方向をこれと直交する方向である水平方向に転換して、排ガス導入口５５３へ排ガスを誘導することができる。とくにコーナー角部５５３に曲率をもたせて円弧状とすることで、排ガス導入口５５５近傍での排ガスの停滞を解消し、熱交換部５０７の排ガス通路５５０へ排ガスをスムーズに導入することができる。
【００４２】
図２において、排ガスの流れを実線矢印で、酸化剤ガスの流れを破線矢印で示している。排ガスは改質器５０４を加熱しながら上昇し、排ガス導入口５５５に向かって集中するように分布する。図２においては、改質器５０４は排ガスによる昇温性能を向上させるために中央部に開口を有する構成としているが、本発明はこれに限らず、排ガスにより加熱されるとともに排ガスがモジュール容器５０３の天面に向かうことができる構成であれば、改質器５０４の構造や形状について適宜設計することができるものである。
【００４３】
排ガスは排ガス導入口５５５の近傍に集中するものの、モジュール容器５０３のコーナー角部５５３の曲率面によって熱交換部５０７の排ガス通路５５０へ導入されるように水平方向に進路が変更される。このため、排ガス導入口５５５の近傍に排ガスの対流は生じずに、排ガスはスムーズに熱交換部５０７へと導入される。
【００４４】
このように、モジュール容器５０３のコーナー角部５５３に曲率をもたせる形状とすると、同時に水平方向に広がる酸化剤ガス通路５５１aからこれと直交する方向に広がる酸化剤ガス通路５５１ｂの接する酸化剤ガス通路の屈曲部においても圧力損失を低減することができる。このため、内部を流れる酸化剤ガスの進路をスムーズに変更することが可能となり、排ガスとの効率的な熱交換を行うことができる。
【００４５】
以上のような、モジュール容器５０３のコーナー角部５５３に曲率をもたせる形状とすることは、特段部材を追加するものではないため、コストの増加を抑えた課題対策となっている点でも有益である。
【００４６】
一方、図２においては、酸化剤ガス通路は、モジュール天面５５４に設けられた酸化剤ガス通路５５１aと合わせて、カバー部材５１０がモジュール容器５０３の天面５５４から側面５５８にかけて屈曲して延在することで、モジュール容器５０３の側面５５８の一部に延在している酸化剤ガス通路５５１ｂを有する。酸化剤ガス通路５５１aと酸化剤ガス通路５５１ｂとを繋ぐ、屈曲することで形成されるカバー部材５１０のコーナー角壁５５７の曲率は、コーナー角壁５５３の曲率よりも大きい。酸化剤ガス流路におけるコーナー角壁５５７の曲率を大きく設定することにより、当該箇所において酸化剤ガス通路の容積を大きく確保することができる。このため、さらに酸化剤ガス通路のコーナー角部において、圧力損失の増大を低減することができる。
【００４７】
（実施の形態２）
本実施の形態においては、まず本発明に用いる伝熱板の一例として示す伝熱板について、その流体の拡散のメカニズムを従来構造と比較しながら説明する。
【００４８】
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、図７に示す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。
【００４９】
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。
【００５０】
これに対して本実施の形態で一例として用いる伝熱板は、図３に示すように、伝熱板３００の表面に複数の凸部３０１をずらして配置している。このため、流体が伝熱板３００の一端から導入されると、伝熱板３００の上面を流れる流体は当初の流れ方向では必ず凸部３０１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３００を直進して抜けることが無く、かならず凸部３０１と衝突するので、凸部３０１は流路抵抗として機能する。よって、伝熱板３００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。
【００５１】
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化剤ガスとに限られず、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。
【００５２】
さらに本実施の形態で一例として用いる伝熱板３００は、流体が伝熱板３００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４は本実施の形態で一例として用いる伝熱板について示す三面図であり、図４（ａ）は上面、図４（ｂ）は正面（流体が流れ込む方向）、図４（ｃ）は側面を示している。図４に示すように伝熱板３００の表面には凸部３０１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３０１が複数配列された第１の領域３０２ａと、凸部３０１が設けられていない第２の領域３０２ｂ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３０１によって流れの方向を転換された流体が第２の領域３０２ｂに進入すると、流体の衝突対象である凸部３０１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。
【００５３】
なお、図６に示す例では、凸部３０１は伝熱板３００の両面に設けられており、点線で示す凸部３０１は裏面に設けられた凸部（つまり表面から見た凹部３０３）を示している。この場合、凸部３０１の設けられていない第２の領域３０２ｂには、その裏面に凸部が設けられている。
【００５４】
さらに、本実施の形態で一例として用いる伝熱板３００は、伝熱板３００を流れる流体を伝熱板３００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。
【００５５】
上述したように、図７に示す従来の伝熱板３００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。
【００５６】
これに対して本実施の形態で一例として用いる伝熱板は、伝熱板３００の上面に凸部３０１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３００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３０１と通気孔を有することで、凸部３０１に衝突した流体は伝熱板３００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３００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。
【００５７】
ここで本発明にかかる伝熱板３００は、図３に示すように、伝熱板３００に形成された凸部３０１と通気孔３０１ｃとを、伝熱板３００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３０１と通気孔３０１ｃ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３０１と通気孔３０１ｃ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。
【００５８】
なお、伝熱板３００に、凸部３０１および凹部３０３を形成する際には、伝熱板３００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。
【００５９】
さらに、本実施の形態で一例として用いる伝熱板３００について図４と図５を参照しながら説明する。図４（ｃ）に示すように、伝熱板３００の両面は伝熱板３００から切り起こされた凸部３０１と、切り起こしによって裏面に生じた凹部３０３とを有し、一方の面における第１の領域３０２ａの裏面は第２の領域３０２ｂ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３００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３０１、凹部３０３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。
【００６０】
また、図５は伝熱板３００の表面の流体の流れの一例を示したものである。図５（ａ）は伝熱板３００の斜視図、図５（ｂ）は凸部３０１の拡大図、図５（ｃ）は凹部３０３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３００の表面を流れる流体、点線矢印は伝熱板３００の裏面を流れる流体の一例を示している。図５（ａ）、図５（ｂ）を参照しながら凸部３０１を通過する流体の流れの一例を示す。凸部３０１に流れ込む流体は、図５（ａ）の凸部３０１を通過して伝熱板３００の上面をそのまま吹き抜ける流路（３０４ａ）、通気孔３０１ｃを通過して伝熱板３００の下面を吹き抜ける流路（３０４ｂ）、凸部３０１の脚部３０１ａに衝突し、屈折して流れる流路（３０４ｃ）などに分散される。凸部３０１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。
【００６１】
さらに、図５（ａ）、図５（ｃ）を参照して凹部３０３に流入する流体の流れの一例を示す。凹部３０３に流れ込む流体は、凹部３０３を真っ直ぐ吹き抜けて他の凹部３０３へ向かう流路（３０５ａ）、凹部３０３（伝熱板３００の下面における通気孔３０１ｃ）を通過し、下面を吹き抜ける流路（３０５ｂ）、凹部３０３を吹き抜けた後に、凸部３０１の脚部３０１ａと衝突し、屈折して流れる流路（３０５ｃ）、凹部３０３に流入し、その凹部３０３に対応する凸部３０１の脚部３０１ａと接触し、伝熱板３００の下面を屈折して流れる流路（３０５ｄ）などに分散される。そのため、凹部３０３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３００においては、流体が伝熱板３００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。
【００６２】
さらに本発明においては、凸部３０１を上面視において長辺と短辺とを有し、桁部３０１ｂと脚部３０１ａ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３０１ａと流路壁面に接触させて熱伝達する桁部３０１ｂと、下面への流体の移動を可能とする通気孔３０１ｃ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。
【００６３】
また、図６に示すように、複数の凸部３０１は上面視において、流体が伝熱板３００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３０１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。
【００６４】
また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、図４（ａ）および図６に示すように、第１の領域内における複数の凸部３０１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３０２ａを挟んで隣り合う第１の領域３０２ａ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３０２ａ内の凸部３０１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３０１に衝突するため、拡散性能を向上させることができる。
【００６５】
上述したように伝熱板３００を構成することで、伝熱板３００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３００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。
【００６６】
（実施の形態３）
本実施の形態では、伝熱板を用いた本発明の実施の形態の一例として、実施の形態２で説明した伝熱板を用いた固体酸化物形燃料電池装置について、図８乃至図１０を用いて説明する。
【００６７】
図８は、本実施の形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置を説明する図であって、図１に対して、複数の伝熱板５１２のみを用いた点において相違する。伝熱板５１２は、排ガス通路及び酸化剤ガス通路の内部に配置されている。その他の構成については図１と同様であるため、説明は省略する。
【００６８】
図９及び図１０は、モジュール容器５０３の側面視において、さらにモジュール容器５０３の左側上方を拡大したものであり、伝熱板５１２が配置されていない図２に対応する。排ガス通路５５０には伝熱板５１２aが設けられ、この排ガス通路５５０に対向するモジュール容器５０３の天面に設けられた酸化剤ガス通路５５１ａには伝熱板５１２ｂが、モジュール容器の側面に設けられた酸化剤ガス通路５５１ｂには伝熱板５１２ｃが設けられている。
【００６９】
伝熱板５１２はモジュール容器５０３の内部及び、排ガス通路５５０と酸化剤ガス通路５５１a、５５１ｂとの壁面間を熱伝導させることにより、これらの内部を流れる排ガスと酸化剤ガスとの熱交換を促進するものである。伝熱板５１２は実施の形態２で説明したように、板状部材の表裏面に複数の凸部をずらして配置したものを用いる。
【００７０】
このような略平板状の伝熱板５１２は、排ガス通路５５０及び酸化剤ガス通路５５１a、５５１ｂの平面的な広がりにあわせて配置することができる。上記のように伝熱板５１２は板状部材の表裏面に複数の凸部を配置するものであるため、凸部を支えとして、板状部材が各通路間距離の概略中央に位置するように配置している。このように伝熱板５１２を各通路内に配置することによって、各通路の内部を上下（または左右）の空間に二分することができる。また、本実施の形態で用いる伝熱板５１２は、凸部の形成された位置にあわせて通気孔が形成されているため、伝熱板５１２により二分された空間どうしを、通路の内部を流れる流体は行き来することができる。
【００７１】
ここで、排ガス通路を流れる排ガスと酸化剤ガス通路を流れる酸化剤ガスとは、それぞれの通路の一部を構成する共通の面であるモジュール容器５０３の天面５５４を熱交換面として熱の授受を行う。このため、熱交換効率を高めるためには、排ガスを伝熱板５１２aによって二分された排ガス通路５５０のうち下層５６０ｂよりも上層５６０ａ側に流れるようにし、酸化剤ガスを伝熱板５１２ｂによって二分された酸化剤ガス通路５５１ａのうち上層５６１ａよりも下層５６１ｂに流れるようにすることが好ましい。排ガス及び酸化剤ガスを熱交換面であるモジュール容器５０３の天面に接して流すことで、熱交換効率を向上させることができる。
【００７２】
ここで、酸化剤ガス通路は、モジュール容器５０３の天面５５４に設けられた酸化剤ガス通路５５１ａと、モジュール容器５０３の側面５５８に設けられた酸化剤ガス通路５５１ｂとで構成される。それぞれの酸化剤ガス通路は伝熱板５１２ｂ、５１２ｃによって二分される。このとき、カバー部材５１０がモジュール容器５０３の角部で屈曲することにより形成される酸化剤ガス通路のコーナー角部５５７において、その形状はＲ形状であることが好ましい。当該構成により、酸化剤ガス通路の容積を最大化させることでコーナー角部５５７における酸化剤ガスによる圧力損失の増加を抑制することができるとともに、モジュール容器５０３の天面５５４及び側面５５８に位置する酸化剤ガス通路のそれぞれに、伝熱板をコーナー角部５５７で互いに接して配置することができる。酸化剤ガス通路のコーナー角部５５７において二つの伝熱板を直交するように接して配置することで、酸化剤ガス通路５５１ａから酸化剤ガス通路５５１ｂにわたる一続きの酸化剤ガス通路において、酸化剤ガス通路の上層５６１ａと下層５６１ｂとを確実に区分することができる。このように、酸化剤ガス通路の上下層を明確に区分したため、熱交換効率向上のために下層に主体的に酸化剤ガスを流すことが可能となる。
【００７３】
また、酸化剤ガス通路において、カバー部材５５７が屈曲するコーナー角壁５５７における下層５６１ｂ部分には、伝熱板５１２ｂ、５１２ｃのうち凸部は配置されていないことが好ましい。カバー部材の屈曲により形成される酸化剤ガス通路のコーナー角壁５５７においては、二層に区画する伝熱板５１２ｂ、５１２ｃが有する凸部が位置しないように配置することで、上層５６１ａに比べ下層５６１ｂを流れる酸化剤ガスの圧力損失が少ないため、コーナー角部５５７において下層に酸化剤ガスを主体的に流動させることができる。このため、酸化剤ガスをモジュール容器５０３の天面５５４及び側面５５８に接するように流すことができ、熱交換効率を高めることができる。
【００７４】
また、図１０に示すように、排ガス通路５５０内には、排ガス通路５５０をモジュール容器５０３の天面５５４に平行な二層の通路（上層５６０ａ及び下層５６０ｂ）に区画する伝熱板５１２aが配置され、伝熱板５１２ａは熱交換部５０７の内部において排ガス導入口５５５よりも内側に配置されている
【００７５】
排ガス導入口５５５の近傍に伝熱板５１２ａを配置すると、伝熱板５１２aがガス流動を妨げる障害として機能することで、排ガスが流入するコーナー角部５５３において圧力損失が増加してしまうことになる。そこで、伝熱板５１２aを排ガス導入口５５５に対してオフセット配置することによって、コーナー角部５５３における圧力損失の増加を緩和することができる。なお、伝熱板５１２ａの排ガス導入口５５５とのオフセット距離は、短すぎると排ガス導入口５５５近傍での圧力損失が増大する一方で、長すぎる場合には排ガスを伝熱板５１２ａで区分する上層５６０ａに集中させることで熱交換効率を向上させる面積が少なくなることから、モジュール容器５０３や排ガス通路５５０等の設計に併せて適切なオフセット距離を適宜設定することが望ましい。
【００７６】
また、伝熱板５１２ａは、排ガス通路５５０をモジュール容器５０３の天面５５４に平行な二層の通路に区画する主面と、二層の通路（上層５６０ａ及び下層５６０ｂ）のうち一方の層から他方の層へ排ガスの流動を可能とするとともにモジュール容器５０３の天面５５４と熱伝導するための、主面に複数配置された一対の凸部と通気孔とを有し、二層に区分された排ガス通路５５０のうち、上層５６０aの排ガス導入口５５５の近傍には、伝熱板５１２ａの凸部は配置されていないことが好ましい。
【００７７】
このようにコーナー角壁５５３においては、二層に区画する伝熱板５１２ａの主面に有する凸部が位置しないように配置することで、コーナー角壁において上層５６０ａに排ガスを主体的に流動させることができる。このため、排ガスをモジュール容器５０３の壁面に接するように流すことで酸化剤ガスとの熱交換を促進することができ、熱交換効率を高めることができる。
【実施例】
【００７８】
次に、添付図面を参照して、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置の実施例について説明する。
【００７９】
図１１は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。図１１に示すように、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００８０】
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容器８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュール容器８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が収容置されている。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１５参照）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。
【００８１】
燃料電池モジュール２のモジュール容器８の発電室１０の上方には、燃焼部１８が形成され、この燃焼部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酸化剤ガスとが燃焼し、排ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。さらに、モジュール容器８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼部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。
【００８２】
さらに、ハウジング６内においてモジュール容器８の上方には、蒸発器１４０が断熱材７内に設けられている。蒸発器１４０は、供給された水と排ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュール容器８内の改質器１２０に供給する。
【００８３】
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、酸化剤ガス供給源４０から供給される酸化剤ガスを遮断する電磁弁４２と、酸化剤ガスの流量を調整する改質用酸化剤ガス流量調整ユニット４４及び酸化剤ガス流量調整ユニット４５（モータで駆動される「酸化剤ガスブロア」等）と、改質器１２０に供給される改質用酸化剤ガスを加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される酸化剤ガスを加熱する第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。
【００８４】
なお、本実施例では、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、改質用酸化剤ガス流量調整ユニット４４は不要である。
【００８５】
次に、燃料電池モジュール２には、排ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００８６】
次に、図１２乃至図１３を参照して、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について説明する。図１２は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図１３は、モジュール容器及び酸化剤ガス通路カバー（カバー部材）の分解斜視図である。
【００８７】
図１２に示すように、燃料電池モジュール２は、断熱材７で覆われたモジュール容器８の内部に設けられた燃料電池セル集合体１２及び改質器１２０を有すると共に、モジュール容器８の外部で且つ断熱材７内に設けられた蒸発器１４０を有する。
【００８８】
まず、モジュール容器８は、図１３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１２の左右方向）に延びる辺どうし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の幅方向に延びる辺どうしを連結する閉鎖側板８ｄ、８ｅからなる。
【００８９】
モジュール容器８は、酸化剤ガス通路カバー（カバー部材とも呼ぶ）１６０によって天板８ａ及び側板８ｂが覆われている。酸化剤ガス通路カバー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。酸化剤ガス通路カバー１６０ａの天板１６０ａと天板８ａとの間、及び、側板１６０ｂと側板８ｂとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュール容器８の外側と断熱材７との間、具体的にはモジュール容器８の天板８ａ及び側板８ｂと、酸化剤ガス通路カバー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酸化剤ガス通路１６１ａ、１６１ｂが形成されている。
【００９０】
モジュール容器８の側板８ｂの下部には、複数の貫通孔である吹出口８ｆが設けられている（図１３参照）。酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、モジュール容器８の閉鎖側板８ｅ側の略中央部に設けられた酸化剤ガス導入管７４から流路方向調整部１６４を介して酸化剤ガス通路１６１ａ内に供給される（図１２、図１３参照）。そして、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路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１３参照）。
【００９１】
また、酸化剤ガス通路１６１ａ、１６１ｂの内部には、排ガス通路１７２及び排ガス流路１７３内の排ガスと酸化剤ガス通路１６１ａ、１６１ｂ内の酸化剤ガスとの間の熱交換を促進する熱交換促進部材としての伝熱板１６２、１６３が設けられている（図１７参照）。伝熱板１６２は、モジュール容器８の天板８ａと酸化剤ガス通路カバー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、伝熱板１６２は、酸化剤ガス通路１６１ａ内の後述する排ガス通路１７２に対応する部分に設けられている。また、伝熱板１６３は、モジュール容器８の側板８ｂと酸化剤ガス通路カバー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、伝熱板１６３は、酸化剤ガス通路１６１ｂ内の後述する排ガス流路１７７及び排ガス集中部１７６に対応する部分に設けられている。
【００９２】
酸化剤ガス通路１６１ａ、１６１ｂを流れる酸化剤ガスは、特に伝熱板１６２、１６３を通過する際に、これら伝熱板１６２、１６３の内側のモジュール容器８内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。特に、狭い通路として構成された排ガス通路１７３を流れる排ガスと酸化剤ガス通路１６１ａにおいて伝熱板１６２が設けられた部分は、熱交換効率の高い熱交換部として機能する。このため、伝熱板１６２が設けられた部分が主たる熱交換部として機能し、伝熱板１６３が設けられた部分も副次的に熱交換機能を有する。
【００９３】
次に、蒸発器１４０は、モジュール容器８の天板８ａ上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器１４０とモジュール容器８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材７の一部分７ａが配置されている（図１２及び図１７参照）。
【００９４】
具体的には、蒸発器１４０は、長手方向（図１２の左右方向）の一側端側に、水及び原燃料ガス（改質用の酸化剤ガスを含めてもよい）を供給する燃料供給配管６３と、排ガスを排出するための排ガス排出管８２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、酸化剤ガス通路カバー１６０の天板１６０ａに形成された開口部１６７を貫通して下方へ延び、モジュール容器８の天板８ａ上に形成された排ガス排出口１１１に連結されている。排ガス排出口１１１は、モジュール容器８内の燃焼部１８で生成された排ガスをモジュール容器８の外へ排出する開口部であり、モジュール容器８の上面視略矩形の天板８ａのほぼ中央部に形成されている。
【００９５】
また、蒸発器１４０は、図１２及び図１７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。
【００９６】
したがって、蒸発器ケース１４１は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管１７１から供給された排ガスが通過する排気通路部１４０Ａが形成され、上層部分には、燃料供給配管６３から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部１４０Ｂと、蒸発部１４０Ｂで生成された水蒸気と燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部１４０Ｃが設けられている。
【００９７】
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。
【００９８】
また、排気通路部１４０Ａは、同様に複数の連通孔を有する２つの仕切り板により排ガスの上流側から下流側にかけて３つの空間に仕切られている。そして、２番目の空間に燃焼触媒（図示せず）が充填されている。すなわち、本実施例の蒸発器１４０は、燃焼触媒器を含んでいる。
【００９９】
このような蒸発器１４０では、蒸発部１４０Ｂ内の水と排気通路部１４０Ａを通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により蒸発部１４０Ｂ内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部１４０Ｃ内の混合ガスと排気通路部１４０Ａを通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。
【０１００】
さらに、図１２に示すように、混合部１４０Ｃには、改質器１２０に混合ガスを供給するための混合ガス供給管１１２が接続されている。この混合ガス供給管１１２は、排気管１７１の内部を通過するように配置されており、一端が中間板１４４に形成された開口１４４ａに連結され、他端が改質器１２０の天面に形成された混合ガス供給口１２０ａに連結されている。混合ガス供給管１１２は、排気通路部１４０Ａ内、排気管１７１内を通過してモジュール容器８内まで鉛直下方に延び、そこで略９０°屈曲されて天板８ａに沿って水平方向に延びた後、下方へ略９０°屈曲されて改質器１２０に連結されている。
【０１０１】
次に、改質器１２０は、燃焼部１８の上方でモジュール容器８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュール容器８の天板８ａとの間にガス断熱層１３５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に形成された排ガス排出口１１１と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔１２０ｂの中央位置に排ガス排出口１１１が形成される。
【０１０２】
改質器１２０の長手方向の一端側（モジュール容器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（改質用の酸化剤ガスを含めてもよい））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。
【０１０３】
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１２参照）。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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュール容器８内を閉鎖側板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、さらにマニホールド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、燃料ガスと酸化剤ガスとの燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼部１８に設けられている。
【０１０６】
ガス断熱層１３５は、改質器１２０と天板８ａとの間でモジュール容器８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。ガス断熱層１３５は、上下方向に所定距離だけ離間された下面部材１３１及び上面部材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１２参照）。上面部材１３２は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下面部材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、ガス断熱層１３５及び改質器１２０を天板８ａに固定している。
【０１０７】
図１７に示すように、下面部材１３１は、幅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、上面部材１３２は、下面部材１３１と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部１３２ａが形成されている。凸状段部１３１ａと凹部１３２ａは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管１１２は、モジュール容器８内でこの凹部１３２ａ内を水平方向に延びた後、閉鎖側板８ｅ付近で下方に向けて屈曲し、上面部材１３２及び下面部材１３１を貫通して、改質器１２０に連結されている。
【０１０８】
ガス断熱層１３５は、上面部材１３２、下面部材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により形成されている。このガス断熱層１３５は、燃焼部１８と流体連通している。すなわち、上面部材１３２、下面部材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。ガス断熱層１３５には、運転中に燃焼部１８から排ガスが流入したり、停止時に外部から酸化剤ガスが流入したりすることが可能となっているが、総じてガス断熱層１３５の内外間のガスの移動は緩やかである。
【０１０９】
ガス断熱層１３５の天面を形成する上面部材１３２は、モジュール容器の天板８ａと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上面部材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排ガス通路１７２が形成されている。この排ガス通路１７２は、モジュール容器８の天板８ａを挟んで酸化剤ガス通路１６１ａと並設されており、排ガス通路１７２内には、酸化剤ガス通路１６１ａ内の伝熱板１６２と同様な伝熱板１７５が配置されている。この伝熱板１７５は、伝熱板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。ガス断熱層１３５の上面部材１３２は、上面部材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、上面部材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排ガス流路１７７が形成されている。排ガス流路１７７は上部において排ガス通路１７２と連通している。
【０１１０】
酸化剤ガス通路１６１ａ、１６１ｂと、排ガス通路１７２及び排ガス流路１７７のうち、酸化剤ガス通路１６１ａを流れる酸化剤ガスと排ガス通路１７２を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排ガスの熱により酸化剤ガスが昇温されることとなる。また酸化剤ガス通路１６１ｂを流れる排ガスと排ガス流露１７７を流れる排ガスとの間でも副次的に熱交換が行われる、当該箇所においても排ガスの熱により酸化剤ガスの昇温が可能となる。
【０１１１】
また、改質器１２０は、モジュール容器８の側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器１２０と側板８ｂとの間には、排ガスを下方から上方へ通過させる排ガス流路１７３が形成されている。
【０１１２】
さらに、下面部材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、下面部材１３１と上側ケース１２１との間、及び、改質器１２０の貫通孔１２０ｂは、貫通孔１２０ｂを下方から上方へ向けて通過した排ガスを通過させる排ガス流路１７４を形成している。この排ガス流路１７４は、改質器１２０の上方、かつ、側板８ｂの近傍で排ガス流路１７３と合流し、排ガスが集中する排ガス集中部１７６が形成される。
【０１１３】
図１４は、排ガス通路１７２及びこれに対応する酸化剤ガス通路１６１aの部分を拡大して示す鉛直断面図である。図１４に示すように、伝熱板１７５は、上面部材１３２と、モジュール容器８の天板８aとに挟まれて配置されている。伝熱板１７５は、天板８ｂとは凸部２０４の上面で接触しているが、上面部材１３２の上面とは下方に張り出した凸部の下面に設けた突起部２０５を介して接触している。
【０１１４】
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、凸部２０４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、熱伝導性の良好な伝熱板とは別部材とすることもできる。この場合、伝熱板よりも熱伝導性の低い材料で形成すると好適である。
【０１１５】
突起部２０５は、上面部材１３２の上面側のすべての凸部２０４の下面に設けられてはおらず、下方に張り出した凸部２０４の少なくとも１つに設けられている。このため、下方に向けて突出する凸部２０４のうち、ほとんどの凸部２０４が上面部材１３２の上面と接触せず、１つ又は少数の凸部２０４のみが突起部２０５を介して上面部材１３２の上面と接触している。
【０１１６】
このように、伝熱板１７５は、天板８aに対しては凸部２０４を介して接触しているが、上面部材１３２の上面に対しては、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、伝熱板１７５は、ガス断熱層１３５を画成する上面部材１３２よりも、酸化剤ガス通路１６１aへの熱の伝達量を増加させることができる。これにより、排ガス流路１７２の排ガスと酸化剤ガス通路１６１aの酸化剤ガスとの間の熱交換効率より向上させることができる。
【０１１７】
また、伝熱板１６２は、モジュール容器８の天板８aと酸化剤ガス通路カバー１６０の天板１６０aに挟まれて配置されている。伝熱板１７５と同様に、伝熱板１６２は、モジュール容器の天板８aとは凸部２０２の下面で接触しているが、酸化剤ガス通路カバー１６０の天板１６０ａとは凸部２０２の上面に設けた突起部２０３を介して接触している。
【０１１８】
突起部２０３は、凸部２０２の上面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、熱伝導性の良好な伝熱板とは別部材とすることもできる。この場合、伝熱板よりも熱伝導性の低い材料で形成すると好適である。
【０１１９】
また、突起部２０３は、酸化剤ガス通路カバー１６０の天板１６０ａ側のすべての凸部２０２の上面に設けられておらず、１つ又は少数の凸部２０２のみが突起部２０３を介して側板１６０ｂと接触している。
【０１２０】
このため、伝熱板１６２から天板１６０ａ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、排ガス通路１７２の排ガスと酸化剤ガス通路１６１aの酸化剤ガスとの間の熱交換効率より向上させることができる。なお、伝熱板１６３でも同様である。
【０１２１】
このように、酸化剤ガス通路１６１ａ及び排ガス通路１７２のそれぞれに伝熱板を配置することによって、各通路を上下の空間に区分することができる。ここで、酸化剤ガスと排ガスとが熱交換する熱交換面は天板１６０ａであるため、伝熱板によって上下層に区画される酸化剤ガス通路１６１ａのうち酸化剤ガスは熱交換面を下面としてもつ下層に酸化剤ガスを主体的に流し、伝熱板によって上下層に区画される排ガス通路１７２のうち熱交換面を上面としてもつ上層に排ガスを主体的に流すことで、熱交換部における熱交換効率を向上させることができる。
【０１２２】
次に、図１５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１５は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【０１２３】
図１５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。
【０１２４】
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、酸化剤ガスと接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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１２参照）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を通って燃焼部１８（図１２参照）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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
次に、図１６を参照して、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。図１６は、図１２と同様の、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。図１６は、それぞれ、図１２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、破線矢印は酸化剤ガスの流れ、一点鎖線矢印は排ガスの流れを示す。
【０１３２】
図１６に示すように、水及び原燃料ガス（燃料ガス）は、蒸発器１４０の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管６３から蒸発器１４０の上層に設けられた蒸発部１４０Ｂ内に供給される。蒸発部１４０Ｂに供給された水は、蒸発器１４０の下層に設けられた排気通路部１４０Ａを流れる排ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとが、蒸発部１４０Ｂ内を下流方向に流れて行き、混合部１４０Ｃ内で混合される。混合部１４０Ｃ内の混合ガスは、下層の排気通路部１４０Ａを流れる排ガスにより加熱される。
【０１３３】
混合部１４０Ｃ内で形成された混合ガス（燃料ガス）は、混合ガス供給管１１２を通って、モジュール容器８内の改質器１２０に供給される。混合ガス供給管１１２は、排気通路部１４０Ａ、排気管１７１及び排ガス通路１７２を順に通過しているため、これらの通路を流れる排ガスにより、混合ガス供給管１１２内の混合ガスはさらに加熱される。
【０１３４】
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。
【０１３５】
さらに、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。
【０１３６】
また、図１６に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入管７４から酸化剤ガス通路１６１ａに供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路１６１ａ、１６１ｂ内において、伝熱板１６２を通過する際に、伝熱板１６２の下部のモジュール容器８内に形成された排気通路１７２を通過する排ガスとの間でも効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。
【０１３７】
この後、酸化剤ガスは、モジュール容器８の側板８ｂの下部に設けられた複数の吹出口８ｆから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される。なお、本実施例では、燃料電池セル集合体１２の側方部位には排気通路が形成されていないため、この部位において酸化剤ガスと排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、酸化剤ガス通路１６１ｂ内の酸化剤ガスに上下方向の温度ムラが生じ難くなっている。
【０１３８】
また、発電室１０内で発電に利用されなかった燃料ガスは、燃焼部１８で燃焼されて排ガス（燃焼ガス）となり、モジュール容器８内を上昇していく。具体的には、改質器１２０の外側面とモジュール容器８の側板８ｂとの間を流れる排ガス流路１７３と、改質器１２０の貫通孔１２０ｂから改質器１２０とガス断熱層１３５との間を流れる排ガス流路１７４とに分岐して通過する。このとき、排ガス流路１７４を通過する排ガスは、改質器１２０の貫通孔１２０ｂの上方に配置された凸状段部１３１ａによって幅方向に二分され、ガス断熱層１３５の下方に留まることなく排ガス流路１７３に向けて誘導され、排ガス集中部１７６において排ガス流路１７３を流れる排ガスに合流する。
【０１３９】
その後、排ガスは、排ガス集中部１７６から排ガス流路１７７に流れる。そして、排ガス流路１７７を通過した排ガスは、排ガス通路１７２を水平方向に流れていき、モジュール容器８の天板８ａの中央に形成された排ガス排出口１１１から流出する。
【０１４０】
ここで、排ガスが排ガス通路１７２を流れていく際に、排ガス通路１７２内に設けられた伝熱板１７５と、酸化剤ガス通路１６１ａ内に設けられた伝熱板１６２とを介して、酸化剤ガスと排ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排ガスの熱により酸化剤ガスが昇温される。
【０１４１】
そして、排ガス排出口１１１から流出した排ガスは、モジュール容器８の外部に設けられた排気管１７１を通過して蒸発器１４０の排気通路部１４０Ａに流入し、排気通路部１４０Ａを通過した後、蒸発器１４０から排ガス排出管８２へ排出される。排ガスは、蒸発器１４０の排気通路部１４０Ａを流れる際に、上述したように、蒸発器１４０の混合部１４０Ｃ内の混合ガス及び蒸発部１４０Ｂ内の水と熱交換を行う。
【０１４２】
本実施例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。すなわち、本実施例では、モジュール容器８の天板８ａと改質器１２０との間に、周囲が金属製の下面部材１３１及び上面部材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とモジュール容器８の天板８ａ及び側板８ｂとの間に排ガス通路１７２及び排ガス流路１７７が形成されている。これにより、改質器１２０の貫通孔１２０ｂを通過した排ガス流路１７４内の（すなわち、上流側の）高温の排ガスから、排ガス通路１７２内の（すなわち、下流側の）低温の排ガスへ熱が移動するのを抑止することができ、高温な排ガスが排ガス集中部１７６から排ガス流路１７７及び排ガス通路１７２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ガスと酸化剤ガスとの間で十分な熱交換を行うことができる。
【０１４３】
また、排ガス通路１７２に伝熱板１６２を設けることにより、排ガス通路１７２内の排ガスと酸化剤ガス通路１６１ａ内の酸化剤ガスとの間の熱交換を短い距離で行うことができる。
【０１４４】
ここで、ガス断熱層１３５とモジュール容器８の天板８ａとの間に設けられる排ガス通路１７２への排ガス導入口の近傍（図１７の排ガス流路１７７）では、燃焼部１８より上昇する排ガスが集中して排ガスの導入に支障がでるおそれがあった。このため、比較例では、図１７に矢印Ｃで示すように、排ガス流路１７７内に滞留する排ガスからガス断熱層１３５への排熱の散逸が生じてしまい、排ガスの温度が低下し、排ガスと酸化剤ガスとの熱交換の効率が低下してしまうおそれがあった。そこで、モジュール容器８の天板８ａと側板８ｂとが連設するコーナー角壁において、曲率をもたせた形状とすることで、上昇する排ガスを水平方向の進路に転換することでスムーズに排ガス通路１７２へ誘導することを可能にした。
【０１４５】
さらに、排ガス通路１７２及び酸化剤ガス通路１６１ａ、１６１ｂの通路の内部に通路をガスの進行方向に対して水平に上下二層に区分する伝熱板を配置するとともに、伝熱板に設けられる凸部をコーナー角壁から遠ざかる位置に配置し、また伝熱板を排ガス導入口からオフセット配置することで、排ガス及び酸化剤ガスを熱交換面に直接接する層に流して、熱交換効率を高めることができる。
【０１４６】
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、モジュール容器の天面付近に形成された熱交換部により排ガスと酸化剤ガスとの間の熱交換を効率的に行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４７】
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置は、モジュール容器天面に熱交換部を有する固体酸化物形燃料電池装置において幅広く有用である。
【符号の説明】
【０１４８】
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  モジュール容器
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  燃焼部
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  酸化剤ガス供給源
４２  電磁弁
４４  改質用酸化剤ガス流量調整ユニット
４５  発電用酸化剤ガス流量調整ユニット
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  酸化剤ガス導入管
８２  排ガス排出管
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  排ガス排出口
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
１３１  下面部材
１３１ａ  凸状段部
１３２  上面部材
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  酸化剤ガス通路カバー
１６０ａ  天板
１６０ｂ  側板
１６１ａ  酸化剤ガス通路
１６１ｂ  酸化剤ガス通路
１６２  伝熱板
１６３  伝熱板
１６４  流路方向調整部
１６７  開口部
１７１  排気管
１７２  排ガス通路
１７３  排ガス流路
１７４  排ガス流路
１７５  伝熱板
１７６  排ガス集中部
１７７  排ガス流路
２０２  凸部
２０３  突起部
２０４  凸部
２０５  突起部
３００  伝熱板
３０１  凸部
３０１ａ  脚部
３０１ｂ  桁部
３０１ｃ  通気孔
３０２ａ  第１の領域
３０２ｂ  第２の領域
３０３  凹部
５００  固体酸化物形燃料電池装置
５０１  断熱材
５０２  燃料電池セル
５０３  モジュール容器
５０４  改質器
５０５  燃焼部
５０６  蒸発器
５０７  熱交換部
５０８  酸化剤ガス供給通路
５０９  燃料ガスマニホールド
５１０  カバー部材
５１１  板状部材
５１２  伝熱板
５１２ａ  伝熱板
５１２ｂ  伝熱板
５１２ｃ  伝熱板
５５０  排ガス通路
５５１ａ  酸化剤ガス通路
５５１ｂ  酸化剤ガス通路
５５２  排ガス排出口
５５３  コーナー角壁、排ガス誘導部
５５４  天面、熱交換面
５５５  排ガス導入口
５５６  混合ガス供給管
５５７  コーナー角壁
５５８  側面
５６０ａ  上層
５６０ｂ  下層
５６１ａ  上層
５６１ｂ  下層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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