(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスによって発電する燃料電池装置であって、
原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器（３０２）と、
前記酸化剤ガスを通し加熱するための加熱流路（４０，４０Ｂ，４０Ｄ，４０Ｅ，４０Ｅ２）と、
前記燃料ガスと前記加熱流路によって加熱された酸化剤ガスとの供給を受けて発電するセルスタック（ＣＳ）と、
前記セルスタックから排出された前記燃料ガスを燃焼させた燃焼排ガスを通すための排出流路（４１，４１Ｂ，４１Ｄ，４１Ｅ）と、を備え、
前記加熱流路の一端側に設けられた流入口（４０１ａ，４０１Ｂａ，４０１Ｄａ，４０Ｅａ）から流入した前記酸化剤ガスは、前記セルスタック及び前記排出流路から受熱して前記加熱流路の他端側に設けられた流出口（４０３ｂ，４０３Ｂｂ，４０３Ｄｂ，４０Ｅｂ）から流出するものであって、
前記他端側における前記酸化剤ガスの熱を前記一端側における前記酸化剤ガスに戻す熱戻し部（５０，５０Ｂ，５０Ｄ，５０Ｅ，５０Ｅ１，５０Ｅ２）が設けられており、
前記熱戻し部（５０，５０Ｂ，５０Ｄ）は、少なくとも前記加熱流路が折り返され、前記一端側と前記他端側とが近接配置されることによって構成され、
前記加熱流路は、第１流路部分（４０１，４０１Ｂ，４０１Ｄ）と、前記第１流路部分に繋がり前記第１流路部分に対し反対方向に向かう第２流路部分（４０３，４０３Ｂ，４０３Ｄ）とを有し、
前記排出流路は、第３流路部分（４１１，４１１Ｂ，４１１Ｄ）と、前記第３流路部分に繋がり前記第３流路部分に対し反対方向に向かう第４流路部分（４１２，４１２Ｂ，４１２Ｄ）とを有し、
前記第２流路部分は前記セルスタックを囲むように配置されることで前記セルスタックからの輻射熱を受けるように構成され、
前記第２流路部分の外側には順に、前記第３流路部分、前記第４流路部分、前記第１流路部分が配置されることで、前記第１流路部分は前記第４流路部分から受熱し、前記第２流路部分は前記第３流路部分から受熱するように構成されている、燃料電池装置。
【請求項２】
前記第１流路部分は下方から上方に向かって酸化剤ガスが流れ、前記第２流路部分は上方から下方に向かって酸化剤ガスが流れ、前記第３流路部分は下方から上方に向かって燃焼排ガスが流れ、前記第４流路部分は上方から下方に向かって燃焼排ガスが流れる、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記第１流路部分は上方から下方に向かって酸化剤ガスが流れ、前記第２流路部分は下方から上方に向かって酸化剤ガスが流れ、前記第３流路部分は上方から下方に向かって燃焼排ガスが流れ、前記第４流路部分は下方から上方に向かって燃焼排ガスが流れる、請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記第１流路部分を通る間の前記酸化剤ガスの温度上昇量が、前記第２流路部分を通る間の前記酸化剤ガスの温度上昇量よりも大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記第１流路部分及び前記第４流路部分の少なくとも一方に、伝熱面積拡大部（４２０，４２０Ａ）が設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記第１流路部分（４０１Ｂ）の流路幅は前記第２流路部分（４０３Ｂ）の流路幅よりも狭くなるように構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記第４流路部分（４１２Ｂ）の流路幅は前記第３流路部分（４１１Ｂ）の流路幅よりも狭くなるように構成されている、請求項６に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスによって発電する燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスが持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電装置である。その発電効率は非常に高く、また排出されるガスも比較的クリーンであることから、次世代の発電装置として注目されている。燃料電池装置では、高負荷運転時には冷却ガスを導入してセルスタックの温度を下げることが行われる一方で、冷却ガスの導入に伴う課題を解決する手段が提案されている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
このような冷却ガスの導入によってセルスタックの過度な高温化は避けられるものの、セルスタック内における温度分布の差が顕著になり、様々な不具合が発生する可能性がある。そこで、下記特許文献１に記載の燃料電池装置では、燃料ガス及び酸化剤ガスのいずれかを導入する隔壁部に微細な凹凸を設け、燃料ガス及び酸化剤ガスの熱交換効率を高めることを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１では、平板型の単セルを積層したセルスタックにおいて、それら単セルの主面に沿った方向の温度分布を極力均一にすることに着目している。しかしながら、このような水平方向の温度分布対策のみでは、セルスタックにおける単セルの積層数が多くなりその積層方向の厚みが増した場合に顕著になる積層方向の温度分布対策が十分になされない。更に、隔壁部の流路によって、セルスタックの流路も決められてしまうことから、セスルタックの流路形状が限定されてしまうことが課題として挙げられる。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、平板型の単セルを積層したセルスタックを有する燃料電池装置において、セルスタック内の流路によらず、積層方向の温度分布差を抑制できる燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスによって発電する燃料電池装置であって、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器（３０２）と、酸化剤ガスを通し加熱するための加熱流路（４０，４０Ｂ，４０Ｄ，４０Ｅ，４０Ｅ２）と、燃料ガスと加熱流路によって加熱された酸化剤ガスとの供給を受けて発電するセルスタック（ＣＳ）と、セルスタックから排出された燃料ガスを燃焼させた燃焼排ガスを通すための排出流路（４１，４１Ｂ，４１Ｄ，４１Ｅ）と、を備える。加熱流路の一端側に設けられた流入口（４０１ａ，４０１Ｂａ，４０１Ｄａ，４０Ｅａ）から流入した酸化剤ガスは、セルスタック及び排出流路から受熱して加熱流路の他端側に設けられた流出口（４０３ｂ，４０３Ｂｂ，４０３Ｄｂ，４０Ｅｂ）から流出する。この燃料電池装置には、他端側における酸化剤ガスの熱を一端側における酸化剤ガスに戻す熱戻し部（５０，５０Ｂ，５０Ｄ，５０Ｅ，５０Ｅ１，５０Ｅ２）が設けられている。前記熱戻し部（５０，５０Ｂ，５０Ｄ）は、少なくとも前記加熱流路が折り返され、前記一端側と前記他端側とが近接配置されることによって構成されている。前記加熱流路は、第１流路部分（４０１，４０１Ｂ，４０１Ｄ）と、前記第１流路部分に繋がり前記第１流路部分に対し反対方向に向かう第２流路部分（４０３，４０３Ｂ，４０３Ｄ）とを有している。前記排出流路は、第３流路部分（４１１，４１１Ｂ，４１１Ｄ）と、前記第３流路部分に繋がり前記第３流路部分に対し反対方向に向かう第４流路部分（４１２，４１２Ｂ，４１２Ｄ）とを有している。前記第２流路部分は前記セルスタックを囲むように配置されることで前記セルスタックからの輻射熱を受けるように構成され、前記第２流路部分の外側には順に、前記第３流路部分、前記第４流路部分、前記第１流路部分が配置されることで、前記第１流路部分は前記第４流路部分から受熱し、前記第２流路部分は前記第３流路部分から受熱するように構成されている。
【０００８】
本発明に係る燃料電池装置には熱戻し部が設けられているので、加熱流路の他端側における酸化剤ガスの熱を、加熱流路の一端側における酸化剤ガスに戻すことができる。流入口から加熱流路に流入する酸化剤ガスは、加熱流路内を流れることによって温度が上昇していくものなので、上記したような熱の還流を行うと、加熱流路内の酸化剤ガス温度が均一化される方向に調整される。積層方向においてセルスタックからの輻射熱量を均一化するためには、積層方向各部においてセルスタック温度と加熱流路壁温度との温度差を少なくすることが望ましい。本発明では、加熱流路内の酸化剤ガス温度が均一化される方向に調整されるので、セルスタック温度と加熱流路壁温度との温度差を少なくすることができる。
【０００９】
また本発明に係る燃料電池装置においては、熱戻し部（５０，５０Ｂ，５０Ｄ）は、少なくとも加熱流路が折り返され、一端側と他端側とが近接配置されることによって構成されることも好ましい。
【００１０】
この好ましい態様においては、加熱流路を折り返すことで熱戻し部を形成しているので、別途部材を追加すること無く加熱流路を折り返すという簡便な構成で、セルスタック積層方向における温度分布差を抑制することができる。
【００１１】
また本発明に係る燃料電池装置においては、加熱流路は、下方から上方へ向かう第１流路部分（４０１，４０１Ｂ，４０１Ｄ）と、第１流路部分に繋がり上方から下方へ向かう第２流路部分（４０３，４０３Ｂ，４０３Ｄ）とを有する。排出流路は、下方から上方へ向かう第３流路部分（４１１，４１１Ｂ，４１１Ｄ）と、第３流路部分に繋がり上方から下方へ向かう第４流路部分（４１２，４１２Ｂ，４１２Ｄ）とを有することもできる。第２流路部分はセルスタックを囲むように配置されることでセルスタックからの輻射熱を受けるように構成されている。第２流路部分の外側には順に、第３流路部分、第４流路部分、第１流路部分が配置されることで、第１流路部分は第４流路部分から受熱し、第２流路部分は第３流路部分から受熱するように構成されている。
【００１２】
この好ましい態様では、セルスタックを囲むように、第２流路部分、第３流路部分、第４流路部分、第１流路部分が順に配置されており、その内部を流れる酸化剤ガスの温度が十分に上昇するように構成された第１流路部分が最も外側に配置される。そのため、第１流路部分が断熱材の役割を果たすことができ、別途設ける断熱材の量を低減することができると共に、積層方向の温度分布差も抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、平板型の単セルを積層したセルスタックを有する燃料電池装置において、セルスタック内の流路によらず、積層方向の温度分布差を抑制できる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】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の内部構造を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示される燃料電池装置におけるガス及び水の流れを説明するためのブロック図である。
【図３】図３は、図１に示される伝熱面積拡大部を説明するための部分断面図である。
【図４】図４は、図３に示される伝熱面積拡大部の変形例を説明するための部分断面図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置における熱戻し部の構成を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置の内部構造を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置における熱戻し部の構成を説明するための図である。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池装置における熱戻し部の構成を説明するための図である。
【図９】図９は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池装置における熱戻し部の構成を説明するための図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池装置における熱戻し部の具体例を説明するための図である。
【図１１】図１１は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池装置における熱戻し部の具体例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１及び図２を参照しながら本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置ＦＣについて説明する。図１に示されるように、燃料電池装置ＦＣは、セルスタックＣＳと、ケーシング１０と、燃焼器２０と、改質ユニット３０とを備えている。
【００１７】
セルスタックＣＳは、複数の単セルの集合体である。各単セルは、固体酸化物形の燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）であって、平板状の固体電解質の一方側の面に燃料極（アノード）が形成され、他方側の面に空気極（カソード）が形成された構成となっている。これら燃料極及び空気極は、いずれも導電性のセラミックスで形成された多孔質体である。
【００１８】
セルスタックＣＳでは、全ての単セルが上下方向に積層されており、これらが電気的に直列接続された状態となっている。セルスタックＣＳは、スタックアダプタＡＤを介してベースプレートＢＰの上面側に立設されている。
【００１９】
スタックアダプタＡＤは、内部に複数のガス流路が形成された板状の部材である。セルスタックＣＳに対する燃料ガスの供給は、スタックアダプタＡＤを介して行われる。また、セルスタックＣＳからのガスの排出（発電に供しなかった残余の燃料ガス及び空気の排出）も、スタックアダプタＡＤを介して行われる。ベースプレートＢＰは、ケーシング１０の内部に水平に配置された円形の金属板である。ベースプレートＢＰにより、ケーシング１０の内部空間は概ね上下２室に分けられている。
【００２０】
ケーシング１０は、セルスタックＣＳ、燃焼器２０、改質ユニット３０等を内部に収容する略円柱形状の筐体である。ケーシング１０は、その側面及び上面の全体を断熱材により覆われている。ケーシング１０は、第１筒状体１１０と、第２筒状体１２０と、第３筒状体１３０と、第４筒状体１４０と、第５筒状体１５０と、第６筒状体１６０とを有している。第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、第４筒状体１４０、第５筒状体１５０、及び第６筒状体１６０は、いずれも金属製で中心軸周りに略円筒状に形成されており、それぞれの中心軸が同軸となるように配置されている。図１は、当該中心軸に沿う平面を断面とする燃料電池装置ＦＣの模式的な断面図である。
【００２１】
第１筒状体１１０は、ケーシング１０のうち最も内側に配置された筒状体であって、セルスタックＣＳ及びスタックアダプタＡＤをその内部に収容している。第１筒状体１１０の上端は水平な天板１８１によって塞がれている。また、第１筒状体１１０の下端はベースプレートＢＰの上面に当接した状態で固定されている。第１筒状体１１０の下端から上端までの高さは、スタックアダプタＡＤの下端からセルスタックＣＳの上端までの高さよりも高くなっている。このため、天板１８１とセルスタックＣＳの上端とは離間している。第１筒状体１１０の下部には、貫通孔である吹出口１１１が複数形成されている。これら複数の吹出口１１１は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。吹出口１１１は、セルスタックＣＳに向けて供給される発電用の空気（酸化剤ガス）が通る孔である。
【００２２】
第２筒状体１２０は、第１筒状体１１０を外側から囲むように配置された筒状体である。第２筒状体１２０の内側面と第１筒状体１１０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第２筒状体１２０と第１筒状体１１０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る空気流路４０３（本願発明の第２流路部分に相当する）となっている。
【００２３】
第２筒状体１２０の内径は、ベースプレートＢＰの外径と略等しい。第２筒状体１２０の下端部近傍における内側面は、全周に亘ってベースプレートＢＰの側面に当接している。当該当接部分において、第２筒状体１２０がベースプレートＢＰに対して固定されている。このような構成により、ベースプレートＢＰよりも下方側の空間と空気流路４０３との間を気体が出入りすることはできなくなっている。
【００２４】
第３筒状体１３０は、第２筒状体１２０を外側から囲むように配置された筒状体である。第３筒状体１３０の内側面と第２筒状体１２０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第３筒状体１３０と第２筒状体１２０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る排ガス流路４１１（本願発明の第３流路部分に相当する）となっている。第３筒状体１３０の上端は、第２筒状体１２０の上端よりも低い位置に配置されている。第３筒状体１３０はベースプレートＢＰの下端よりも更に下方側まで延びている。
【００２５】
第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０を外側から囲むように配置された筒状体である。第４筒状体１４０の内側面と第３筒状体１３０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第４筒状体１４０と第３筒状体１３０との間に形成された空間は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る排ガス流路４１２（本願発明の第４流路部分に相当する）となっている。排ガス流路４１２は、より下方に位置する排ガス流路４１３に繋がっている。排ガス流路４１３は、改質ユニット３０の側方まで燃焼排ガスを導く流路である。
【００２６】
第２筒状体１２０の上端と第４筒状体１４０の上端とは、その高さ方向の位置が同一となっている。両者は、水平に配置されたドーナツ状（略中央に略円形の穴が形成された状態、以下同じ）の円板である天板１８２により繋がれている。つまり、第２筒状体１２０の上端が天板１８２の内周端に繋れており、第４筒状体１４０の上端が天板１８２の外周端に繋れている。第３筒状体１３０の上端と天板１８２との間には隙間が形成されている。このため、排ガス流路４１１と排ガス流路４１２とは、それぞれの上端部において互いに繋がっている。
【００２７】
第３筒状体１３０の下端と第４筒状体１４０の内側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８３により繋がれている。つまり、排ガス流路４１２の下端が底板１８３により塞がれている。
【００２８】
第４筒状体１４０の下部（底板１８３よりも僅かに上方側）には、ガス排出管１９１が接続されている。ガス排出管１９１の内部空間は排ガス流路４１３に通じている。ガス排出管１９１は、排ガス流路４１３を通った燃焼排ガスをケーシング１０の外部に排出し、後述の排熱回収器６２に供給するための配管である。
【００２９】
第４筒状体１４０は、第３筒状体１３０の下端よりも更に下方側まで延びている。第４筒状体１４０の下端には、当該下端から外側に向かって延びる水平なフランジ部１４１が形成されている。フランジ部１４１は、燃料電池装置ＦＣが設置される際においてケーシング１０の固定に利用されるフランジである。
【００３０】
第４筒状体１４０の下端部近傍には、水平な円板である底板１８４が配置されている。底板１８４の外径は第４筒状体１４０の内径と略等しい。底板１８４は、その外側面全体を第４筒状体１４０の内側面に当接させた状態で固定されている。底板１８４の下方側の空間には断熱材ＴＩが配置されている。
【００３１】
第５筒状体１５０は、ケーシング１０のうち最も外側に配置された筒状体であり、第４筒状体１４０の上部を外側から囲むように配置されている。第５筒状体１５０の内側面と第４筒状体１４０の外側面との間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。第５筒状体１５０と第４筒状体１４０との間に形成された空間は、発電用の空気が加熱されながら通る空気流路４０１（本願発明の第１流路部分に相当する）となっている。
【００３２】
第５筒状体１５０は、第１筒状体１１０、第２筒状体１２０、第３筒状体１３０、及び第４筒状体１４０のいずれの上端よりも更に上方側まで延びている。第５筒状体１５０の上端は水平な天板１８５によって塞がれている。天板１８５と天板１８２との間には隙間４０２が形成されている。空気流路４０１の上端部と空気流路４０３の上端部とは、隙間４０２を介して互いに繋がっている。
【００３３】
第５筒状体１５０の下端と第４筒状体１４０の外側面とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である底板１８６により繋がれている。つまり、空気流路４０１の下端が底板１８６により塞がれている。
【００３４】
第５筒状体１５０の下部（底板１８６よりも僅かに上方側）には、空気導入管１９２が接続されている。空気導入管１９２の内部空間は空気流路４０１に通じている。空気導入管１９２は、発電用の空気をケーシング１０の内部に導入するための配管である。
【００３５】
本実施形態では、本発明の第１流路部分に相当する空気流路４０１を通る間の空気の温度上昇量が、本発明の第２流路部分に相当する空気流路４０３を通る間の空気の温度上昇量よりも大きくなるように構成されている。具体的には、空気流路４０１と、本願発明の第４流路部分に相当する排ガス流路４１２と、の間に伝熱面積拡大部４２０が設けられている。
【００３６】
図３を参照しながら伝熱面積拡大部４２０について説明する。図３に示されるように、伝熱面積拡大部４２０は、第４筒状体１４０の両側面に設けられてなるコルゲートフィンとして構成されている。第４筒状体１４０の外側、すなわち空気流路４０１側には凸部４２１及び凹部４２２を交互に有するコルゲートフィンが形成されている。第４筒状体１４０の内側、すなわち排ガス流路４１２側には凸部４２３及び凹部４２４を交互に有するコルゲートフィンが形成されている。
【００３７】
このように、空気流路４０１と排ガス流路４１２との間の伝熱面積が拡大されるので、排ガス流路４１２を流れる燃焼排ガスの熱が効率良く第４筒状体１４０に伝えられ、その伝えられた熱も効率良く空気流路４０１を流れる空気に伝えられる。従って、空気流路４０１を流れる空気の温度上昇量は、空気流路４０３を流れる空気の温度上昇量よりも大きくなる。
【００３８】
セルスタックＣＳは、特に上部の温度が中部及び下部の温度に比較して低くなりがちであるところ、効率良く加熱された空気が空気流路４０１から隙間４０２を通って上方から空気流路４０３に入り込むので、セルスタックＣＳの上部に対して効率的に熱を与えることができる。また、空気流路４０３に高温の空気が流れこむことになるので、セルスタックＣＳの積層方向（空気流路４０３が延びる方向）の温度分布を低減することができる。本実施形態の場合は、天板１８１と天板１８５との間に隙間が設けられており、空気流路４０１を流れて加熱された空気がその隙間にも入り込むので、セルスタックＣＳの上部に対してより効率的に熱を与えることができる。
【００３９】
尚、図４に示されるように、第４筒状体１４０に直接凸部４２１Ａ及び凹部４２２Ａを設けて伝熱面積拡大部４２０Ａとしても上述した伝熱面積拡大部４２０と同様の作用効果を得ることができる。更に、伝熱面積拡大部４２０Ａは、図３に示された伝熱面積拡大部４２０に比較して部品点数を減らすことができるので、軽量化及び低コスト化を実現することも可能である。
【００４０】
図１及び図２に戻って説明を続ける。第６筒状体１６０は、第３筒状体１３０の内側であり且つベースプレートＢＰの下方側となる位置に配置された筒状体である。第６筒状体１６０は、上方側の部分である上円筒部１６１と、下方側の部分である下円筒部１６２とを有している。上円筒部１６１の径は下円筒部１６２の径に比べて小さい。上円筒部１６１の下端と下円筒部１６２の上端とは、水平に配置されたドーナツ状の円板である中間部１６３で繋がれている。上円筒部１６１の上端はベースプレートＢＰの下面に当接している。下円筒部１６２の下端は底板１８４の上面に当接している。
【００４１】
下円筒部１６２の径は第３筒状体１３０の径よりも小さい。このため、第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。また、当該隙間には改質ユニット３０が配置されているが、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間にも全周に亘って隙間が形成されている。以下の説明においては、第６筒状体１６０の内側に形成された空間を「内側空間６０１」とも称する。また、第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間を、「外側空間６０２」とも称する。
【００４２】
下円筒部１６２のうち、改質ユニット３０の下端部よりも低い位置には、貫通孔である流出口１６５が複数形成されている。これら複数の流出口１６５は、同じ高さにおいて等間隔に並ぶよう形成されている。これら流出口１６５により、内側空間６０１と外側空間６０２とが連通されている。流出口１６５は、燃焼器２０における燃焼により生じた高温の燃焼排ガスが通る孔である。
【００４３】
燃焼器２０は、発電に供しなかった残余の燃料ガス（以下、「残余燃料」とも称する）及び発電に供しなかった残余の空気（以下、「残余空気」とも称する）を混合して燃焼させるためのバーナーである。燃焼器２０はステンレス鋼により形成されている。燃焼器２０は、全体が略円柱形状に形成されており、ベースプレートＢＰの下面のうち中央から下方に向けて突出するように配置されている。また、上面視において、燃焼器２０はケーシング１０の中央となる位置（上円筒部１６１の中心軸に沿った位置）に配置されている。
【００４４】
セルスタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は、いずれもスタックアダプタＡＤ内に形成された流路及びベースプレートＢＰ内に形成された流路を通じて、燃焼器２０の上端部へと供給される。その後、残余燃料及び残余空気は、燃焼器２０内に形成された流路を通って燃焼器２０の下端部に到達し、下端部において混合されながら下方に向けて噴出される。燃焼器２０の下端部では、噴出された残余燃料及び残余空気が燃焼し、高温の燃焼排ガスが生じる。また、当該燃焼の熱により燃焼器２０自体も高温となる。
【００４５】
燃焼器２０の下方側には着火器ＩＧが配置されている。着火器ＩＧは、燃焼器２０から噴出された残余燃料及び残余空気の混合気体に着火させて、燃焼を開始させるための装置である。着火器ＩＧは、底板１８４及び断熱材ＴＩを上下に貫いており、火花放電が生じる上端部を燃焼器２０の下端に近接させた状態で配置されている。着火器ＩＧによる着火は、燃料電池装置ＦＣの起動時において行われる。
【００４６】
改質ユニット３０の構成について説明する。改質ユニット３０は、改質反応によって都市ガスから燃料ガス（水素含有ガス）を生成する改質器３０２と、水蒸気を発生させて改質器３０２に供給する蒸発器３０１とが一体となったものである。改質ユニット３０は、その全体が略円筒形状となっており、ケーシング１０の内部のうち第３筒状体１３０と第６筒状体１６０との間の空間に配置されている。改質ユニット３０は、外側円筒３１０と、内側円筒３２０と、天板３３０と、第１底板３４０と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０と、第２仕切板３７０とを有している。このうち、外側円筒３１０、内側円筒３２０、天板３３０、第１底板３４０、第２底板３５０、及び第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分は、改質ユニット３０の外形を区画している。
【００４７】
外側円筒３１０は、改質ユニット３０の外側面を形成する筒状体である。外側円筒３１０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。外側円筒３１０の外径は第３筒状体１３０の内径に略等しい。外側円筒３１０は、その外側面の略全体が第３筒状体１３０の内側面に当接している。外側円筒３１０は、底板１８３よりも更に下方側まで延びている。
【００４８】
内側円筒３２０は、改質ユニット３０の内側面を形成する筒状体である。内側円筒３２０の中心軸は第３筒状体１３０の中心軸と一致している。内側円筒３２０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と内側円筒３２０と間には空間が形成されている。当該空間の一部が、水が水蒸気となって流れる空間となっている。また、当該空間の他の一部が、改質反応が生じて燃料ガスが生成される空間となっている。
【００４９】
内側円筒３２０の内径は、第３筒状体１３０の下円筒部１６２の外径よりも大きい。このため、既に説明したように、改質ユニット３０と第６筒状体１６０との間には全周に亘って隙間が形成されている。内側円筒３２０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さと同一となっている。一方、内側円筒３２０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さよりも高くなっており、底板１８３の下端の高さと同一となっている。
【００５０】
天板３３０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。天板３３０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち上端部に繋がっている。また、天板３３０の内側面は、内側円筒３２０の外側面のうち上端部に繋がっている。このように、天板３３０によって外側円筒３１０の上端と内側円筒３２０の上端とが繋がれている。
【００５１】
第１底板３４０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第１底板３４０は底板１８３と同一の高さとなる位置に配置されている。第１底板３４０の外側面は、後述の第１仕切板３６０の内側面に繋がっている。また、第１底板３４０の内側面は、内側円筒３２０の内側面のうち下端部に繋がっている。
【００５２】
第２底板３５０は、水平に配置されたドーナツ状の円板である。第２底板３５０の外側面は、外側円筒３１０の内側面のうち下端部に繋がっている。また、第２底板３５０の内側面は、後述の第１仕切板３６０の外側面のうち下端部に繋がっている。このため、第２底板３５０は第１底板３４０よりも低い位置に配置されている。
【００５３】
第１仕切板３６０は、その一部が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第１仕切板３６０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第１仕切板３６０の外径は、外側円筒３１０の内径よりも小さい。このため、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。
【００５４】
第１仕切板３６０の上端の高さは、外側円筒３１０の上端の高さよりも低くなっている。このため、第１仕切板３６０の上端と天板３３０の下面との間には隙間が空いている。第１仕切板３６０の下端の高さは、外側円筒３１０の下端の高さと同一となっている。既に述べたように、第１仕切板３６０の下端部には外側から第２底板３５０が繋がっている。また、第１仕切板３６０には内側から第１底板３４０が繋がっている。
【００５５】
第２仕切板３７０は、その全体が改質ユニット３０の内部に配置された筒状体である。第２仕切板３７０の中心軸は、外側円筒３１０の中心軸及び内側円筒３２０の中心軸と一致している。第２仕切板３７０の外径は、第１仕切板３６０の内径よりも小さい。このため、第２仕切板３７０と第１仕切板３６０と間には、全周に亘って一定の隙間が形成されている。また、第２仕切板３７０の内径は、内側円筒３２０の外径よりも大きい。このため、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間にも、全周に亘って一定の隙間が形成されている。
【００５６】
第２仕切板３７０は、その上端を天板３３０の底面に当接させた状態で、天板３３０に対して固定されている。第２仕切板３７０の下端の高さは、内側円筒３２０の下端の高さよりも高くなっている。このため、第２仕切板３７０の下端と第１底板３４０の上面との間には隙間が空いている。
【００５７】
以上のような構成により、改質ユニット３０の内部には、外側円筒３１０と第１仕切板３６０と間に形成された空間である第１空間３８１と、第１仕切板３６０と第２仕切板３７０と間に形成された空間である第２空間３８２と、第２仕切板３７０と内側円筒３２０と間に形成された空間である第３空間３８３とが形成されている。第１仕切板３６０の上方において第１空間３８１と第２空間３８２とが繋がっており、第２仕切板３７０の下方において第２空間３８２と第３空間３８３とが繋がっている。
【００５８】
第２底板３５０には、水供給配管３９１の一端が下方から接続されている。水供給配管３９１は、第１空間３８１に水を供給するための配管である。水供給配管３９１の他端は、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（不図示）に接続されている。
【００５９】
水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、排ガス流路４１２を通る高温の燃焼排ガスによって加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、第１空間３８１、第２空間３８２を順に通って、第３空間３８３の入口に到達する。このように、改質ユニット３０のうち、第１空間３８１、第２空間３８２、及びこれらを区画する壁面は、外部から水の供給を受けて水蒸気を発生させる部分、すなわち蒸発器３０１に該当する部分となっている。
【００６０】
第１空間３８１には支持板３５２が配置されている。支持板３５２は、第１空間３８１を上下に仕切るように水平に配置されたドーナツ状の板である。支持板３５２は、第１底板３４０と同一の高さとなる位置において、外側円筒３１０及び第１仕切板３６０に対して固定されている。支持板３５２には複数の貫通孔が形成されており、支持板３５２を水が通過し得るようになっている。第１空間３８１のうち支持板３５２よりも上方側には、外側円筒３１０から水への伝熱を促進するための伝熱促進部材ＣＢが充填されている。伝熱促進部材ＣＢは複数のアルミナの球体（セラミックボール）である。
【００６１】
第１底板３４０には、都市ガス供給配管３９２の一端が下方から接続されている。都市ガス供給配管３９２は、第３空間３８３の入口部分に都市ガスを供給するための配管である。都市ガス供給配管３９２の他端は脱硫器６１（図２参照）に接続されている。
【００６２】
第３空間３８３には改質触媒ＲＣが充填されている。改質触媒ＲＣは、アルミナの球体表面にニッケル等の触媒金属を担持させたものである。第３空間３８３のうち、第２仕切板３７０の下端より僅かに高い位置には、水平に配置された金属網（不図示）が固定されており、当該金属網によって改質触媒ＲＣが下方から支えられている。
【００６３】
都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合された後、第３空間３８３を上方に向かって流れる。この時、都市ガスと水蒸気が改質触媒ＲＣに触れることによって水蒸気改質反応が生じ、燃料ガス（水素含有ガス）が生成される。このように、改質ユニット３０のうち、第３空間３８３及びこれを区画する壁面は、蒸発器３０１からの水蒸気の供給、及び外部から都市ガスの供給を受けて水蒸気改質反応が生じる部分、すなわち改質器３０２に該当する部分となっている。改質触媒ＲＣは、第３空間３８３の周方向全体に亘って充填されている。このため、蒸発器３０１から供給された水蒸気が、改質触媒ＲＣに触れることなく第３空間３８３を通過してしまうことはない。
【００６４】
内側円筒３２０のうち上端部の近傍には、燃料ガス供給配管３９３の一端が接続されている。燃料ガス供給配管３９３は、改質ユニット３０（改質器３０２）において生成された燃料ガスをセルスタックＣＳへ供給するための配管である。燃料ガス供給配管３９３の他端はベースプレートＢＰの下面に接続されている。燃料ガスは、第３空間３８３の上部から燃料ガス供給配管３９３を通ってベースプレートＢＰに到達する。その後、ベースプレートＢＰ内に形成された流路及びスタックアダプタＡＤ内に形成された流路を通って、セルスタックＣＳに供給される。
【００６５】
改質ユニット３０は、耐熱性の材質からなる円筒型のシールブロックＳＢにより下方から支持されている。シールブロックＳＢは、その上端が改質ユニット３０の下面（第１底板３４０）に当接しており、その下端が底板１８４の上面に当接している。シールブロックＳＢの内径は改質ユニット３０の内径に等しい。また、シールブロックＳＢの径方向の寸法（厚さ）は、改質ユニット３０の径方向の寸法（厚さ）よりも小さくなっている。このため、図１に示されるように、シールブロックＳＢの外側（改質ユニット３０の下方側）には空間ＳＰが形成されている。
【００６６】
第６筒状体１６０の外側の空間と空間ＳＰとは、改質ユニット３０及びシールブロックＳＢによって分離されており、両者の間をガスが通過することができなくなっている。高温の燃焼排ガスが空間ＳＰ内に流入しないため、空間ＳＰ内の気温は比較的低温に保たれている。
【００６７】
続いて、図２を主に参照しながら、燃料電池装置ＦＣの動作中におけるガス（空気、都市ガス、燃料ガス、及び燃焼排ガス）の流れについて説明する。
【００６８】
まず、セルスタックＣＳに供給される発電用の空気（酸化剤ガス）の流れについて説明する。空気は、ケーシング１０の外部に配置されたブロア（不図示）から、空気導入管１９２を通じてケーシング１０の内部に供給される。
【００６９】
空気導入管１９２を通じて供給された空気は、空気流路４０１を上方に向かって流れる。その後、隙間４０２を経由して空気流路４０３に流入し、空気流路４０３を下方に向かって流れる。
【００７０】
空気流路４０１と空気流路４０３との間には、排ガス流路４１１及び排ガス流路４１２が形成されている。これら排ガス流路４１１及び排ガス流路４１２の内部では、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、ケーシング１０内に導入された空気は、空気流路４０１及び空気流路４０３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、空気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。
【００７１】
また、発電中においてセルスタックＣＳは高温となっており、セルスタックＣＳからの輻射熱によって第１筒状体１１０も高温となっている。このため、空気は、空気流路４０３を通る際において第１筒状体１１０に触れることにより更に加熱される。
【００７２】
このように、空気流路４０１及び空気流路４０３は、燃焼排ガスの熱及びセルスタックＣＳからの輻射熱によって空気が加熱されながら流れる流路となっている。このため、以下の説明においては、空気流路４０１と空気流路４０３とをまとめて「空気加熱流路４０」とも表記する。同様に、排ガス流路４１１と排ガス流路４１２とをまとめて「ガス排出流路４１」とも表記する。空気加熱流路４０は、セルスタックＣＳを側方から取り囲むように配置されている。空気加熱流路４０は、燃焼器２０における燃焼により生じガス排出流路４１を流れる燃焼排ガスと、セルスタックＣＳに供給される空気と、の間で熱交換を行う予熱器に該当するものということができる。
【００７３】
空気流路４０３の下部まで到達した空気は、第１筒状体１１０に形成された吹出口１１１からセルスタックＣＳに向けて噴出される。その後、空気はそれぞれの単セルの空気極に到達し、発電に供される。
【００７４】
セルスタックＣＳに供給される燃料ガスの流れ、及び燃料ガスの原料である都市ガスの流れについて説明する。都市ガスは、ケーシング１０の外部から都市ガス供給配管３９２を通じて改質ユニット３０内に供給される。都市ガスの供給源と都市ガス供給配管３９２との間には脱硫器６１が配置されている。脱硫器６１は、都市ガスに含まれる硫黄成分を除去するための装置である。都市ガスは、単セルの性能に悪影響を及ぼす硫黄成分が脱硫器６１によって除去された後、改質ユニット３０内に供給される。
【００７５】
都市ガス供給配管３９２から改質ユニット３０の内部に供給された都市ガスは、第３空間３８３の入口部分において水蒸気と混合される。その後、改質触媒ＲＣが充填された第３空間３８３を上方に向かって流れる。
【００７６】
第６筒状体１６０の下円筒部１６２と、改質ユニット３０の内側円筒３２０との間に形成された空間には、高温の燃焼排ガスが通っている。このため、都市ガス及び水蒸気は、第３空間３８３を通る間に燃焼排ガスによって加熱され、その温度を上昇させる。つまり、都市ガス及び水蒸気と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われる。また、第３空間３８３に充填されている改質触媒ＲＣも、内側円筒３２０を通じた伝熱によって高温となっている。
【００７７】
燃焼器２０を取り囲む第６筒状体１６０は、燃焼排ガスによって加熱されていることに加え、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されているため、非常に高温となっている。その結果、改質ユニット３０の内側円筒３２０には、高温となった第６筒状体１６０からの輻射熱（燃焼器２０から第６筒状体１６０を経由して到達した輻射熱ともいえる）が到達している。つまり、内側円筒３２０を含む改質器３０２は、燃焼排ガスによって加熱されるだけではなく、燃焼器２０からの輻射熱によっても加熱されている。
【００７８】
このような状態において、都市ガスと水蒸気の混合ガスが改質触媒ＲＣに触れると、第３空間３８３（改質器３０２）では水蒸気改質反応が生じる。その結果、上記混合ガスから燃料ガスが生成される。尚、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、反応を安定して維持させるためには熱の供給が必要となる。本実施形態においては、内側円筒３２０を通じて加えられる燃焼排ガスからの熱、及び燃焼器２０からの輻射熱の両方が、水蒸気改質反応を維持するための熱として用いられる。
【００７９】
改質器３０２において生成された燃料ガスは、燃料ガス供給配管３９３及びスタックアダプタＡＤ内の流路を通ってセルスタックＣＳに供給される。燃料ガスは、それぞれの単セルの燃料極に到達し、発電に供される。
【００８０】
燃焼排ガスの流れについて説明する。既に説明したように、セルスタックＣＳから排出された残余燃料及び残余空気は燃焼器２０に供給され、燃焼器２０の下端部において燃焼する。当該燃焼の結果、第６筒状体１６０の内部（内側空間６０１）では高温の燃焼排ガスが生じる。燃焼排ガスは、流出口１６５を通って第６筒状体１６０の外側（外側空間６０２）へ流出する。
【００８１】
その後、燃焼排ガスは、内側円筒３２０に沿って外側空間６０２を上方に向かって流れる。このとき、既に述べたように、燃焼排ガスの熱は内側円筒３２０を通じて第３空間３８３に伝達され、水蒸気改質反応を維持するための熱の一部として用いられる。
【００８２】
外側空間６０２を通過した燃焼排ガスは、空気流路４０３を流れる空気との間で熱交換しながら、排ガス流路４１１を上方に向かって流れる。続いて、空気流路４０１を流れる空気との間で熱交換しながら、排ガス流路４１２を下方に向かって流れ排ガス流路４１３に流入する。
【００８３】
改質ユニット３０の外側円筒３１０は、支持板３５２よりも上方側の部分において第３筒状体１３０の内側面に当接している。このため、排ガス流路４１３を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は高温となっている。
【００８４】
水供給配管３９１から第１空間３８１内に供給された水は、外側円筒３１０からの伝熱（燃焼排ガスの熱）により加熱されて水蒸気となる。つまり、水と燃焼排ガスとの間で熱交換が行われ、これにより第１空間３８１内で水蒸気が生成される。
【００８５】
排ガス流路４１２を通り排ガス流路４１３の下端部まで到達した燃焼排ガスは、ガス排出管１９１を通って排熱回収器６２に供給される。排熱回収器６２は、燃焼排ガスと水と熱交換させることにより湯を生成するものである。このように、燃料電池装置ＦＣは発電を行うことに加えて湯を生成することも可能となっており、高い効率でエネルギーを利用するコジェネレーションシステムとなっている。
【００８６】
続いて、水及び水蒸気の流れについて説明する。改質ユニット３０（蒸発器３０１）には、ケーシング１０の外部に配置された水供給ポンプ（不図示）から水供給配管３９１を通じて水が供給される。水供給配管３９１は第２底板３５０に対して下方から接続されている。このため、供給された水は、まず第１空間３８１の下部に形成された空間に溜まることとなる。具体的には、第１空間３８１のうち支持板３５２よりも下方側の空間である貯水部ＷＳに溜まることとなる。
【００８７】
貯水部ＷＳは、外側円筒３１０のうち底板１８３よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３１１」とも表記する）と、第２底板３５０と、第１仕切板３６０のうち第１底板３４０よりも下方側の部分（以下、当該部分を「区画壁３６１」とも表記する）とによって区画された空間となっている。
【００８８】
貯水部ＷＳを区画する区画壁３１１、第２底板３５０、及び区画壁３６１は、改質ユニット３０の底面の一部を下方に向けて延ばしたような形状となっている。これらは、いずれも空間ＳＰ内に配置されている。つまり、高温の燃焼排ガスが到達せず、比較的低温となっている空間内に配置されている。
【００８９】
また、排ガス流路４１２を通る燃焼排ガスによって外側円筒３１０は加熱されるのであるが、区画壁３１１は底板１８３よりも下方側に配置されているため、燃焼排ガスによって直接は加熱されない。このため、貯水部ＷＳ内において水が沸騰することはなく、貯水部ＷＳ内は全体が水（液体）で満たされている。
【００９０】
水供給ポンプから水が供給されることにより、第１空間３８１内の水面の高さは、支持板３５２の上面よりも僅かに高い位置に維持される。このため、支持板３５２の上方側に充填された伝熱促進部材ＣＢ（アルミナの球体）は、一部が水没した状態となっている。
【００９１】
第１空間３８１内においては、燃焼排ガスによって高温となった外側円筒３１０からの伝熱により、伝熱促進部材ＣＢも高温となっている。支持板３５２よりも上方側に存在する水は、高温の伝熱促進部材ＣＢに触れることにより沸騰し、水蒸気となる。
【００９２】
このように、第１空間３８１内において水は水蒸気となり、上方側に向かって流れる。その後、水蒸気は第２空間３８２を下方に向かって流れて、第３空間３８３（改質器３０２）に供給される。
【００９３】
上述した第１実施形態では、空気加熱流路４０を折り返すことで熱戻し部を構成している。図５を参照しながら説明する。空気加熱流路４０は、空気流路４０１と、空気流路４０３とを有している。空気流路４０１の下端（一端側）には流入口４０１ａが設けられている。空気流路４０１の上端は空気流路４０３の上端に繋がっている。空気流路４０３の下端（他端側）には流出口４０３ｂが設けられている。
【００９４】
流入口４０１ａから流入した空気は、空気流路４０１から空気流路４０３に流れる間にガス排出流路４１及びセルスタックＣＳから受熱し、その温度が上昇する。空気流路４０１，４０３を流れた空気は流出口４０３ｂ近傍で最も温度が高くなる。流出口４０３ｂと流入口４０１ａとが近接配置されているので、流出口４０３ｂ近傍における高温の空気から流入口４０１ａ近傍における低温の空気へ熱移動ＨＦが発生する。従って、空気加熱流路４０の他端側における空気の熱を、一端側における空気に戻す熱戻し部５０が形成されている。
【００９５】
上述した第１実施形態では、伝熱面積拡大部４２０を設けることで、空気流路４０１を通る間の空気の温度上昇量が、空気流路４０３を通る間の空気の温度上昇量よりも大きくなるように構成している。空気流路４０１を通る間の空気の温度上昇量を、空気流路４０３を通る間の空気の温度上昇量よりも大きくする手段はこれに限られるものではなく、続いて説明する第２実施形態のような態様も取りうるものである。
【００９６】
図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池装置ＦＣＢを示す図である。燃料電池装置ＦＣＢでは、空気流路４０１Ｂ及び空気流路４０３Ｂを有する空気加熱流路４０Ｂ、並びに排ガス流路４１１Ｂ及び排ガス流路４１２Ｂを含むガス排出流路４１Ｂの態様のみが燃料電池装置ＦＣと異なっている。
【００９７】
空気流路４０１Ｂの流路幅は空気流路４０３Ｂの流路幅よりも狭くなるように構成されている。従って、空気流路４０３Ｂを流れる間よりも空気流路４０１Ｂを流れる間にガス排出流路４１からより多くの熱を受け取ることになる。そのため、空気流路４０１Ｂを流れる空気の温度上昇量は、空気流路４０３Ｂを流れる空気の温度上昇量よりも大きくなる。
【００９８】
更に本実施形態では、排ガス流路４１１Ｂの流路幅よりも排ガス流路４１２Ｂの流路幅が狭くなるように構成されている。このように構成することで、排ガス流路４１２Ｂと空気流路４０１Ｂとの間の熱交換が促進され、空気流路４０１Ｂを流れる空気の温度上昇量は、空気流路４０３Ｂを流れる空気の温度上昇量よりも大きくなる。
【００９９】
セルスタックＣＳは、特に上部の温度が中部及び下部の温度に比較して低くなりがちであるところ、効率良く加熱された空気が空気流路４０１Ｂから隙間４０２を通って上方から空気流路４０３Ｂに入り込むので、セルスタックＣＳの上部に対して効率的に熱を与えることができる。本実施形態の場合は、天板１８１と天板１８５との間に隙間が設けられており、空気流路４０１Ｂを流れて加熱された空気がその隙間にも入り込むので、セルスタックＣＳの上部に対して効率的に熱を与えることができる。
【０１００】
上述した第２実施形態では、空気加熱流路４０Ｂを折り返すことで熱戻し部を構成している。図７を参照しながら説明する。空気加熱流路４０Ｂは、空気流路４０１Ｂと、空気流路４０３Ｂとを有している。空気流路４０１Ｂの下端（一端側）には流入口４０１Ｂａが設けられている。空気流路４０１Ｂの上端は空気流路４０３Ｂの上端に繋がっている。空気流路４０３Ｂの下端（他端側）には流出口４０３Ｂｂが設けられている。
【０１０１】
流入口４０１Ｂａから流入した空気は空気流路４０１Ｂから空気流路４０３Ｂに流れる間に、ガス排出流路４１Ｂ及びセルスタックＣＳから受熱し、その温度が上昇する。空気流路４０１Ｂ，４０３Ｂを流れた空気は流出口４０３Ｂｂ近傍で最も温度が高くなる。流出口４０３Ｂｂと流入口４０１Ｂａとが近接配置されているので、流出口４０３Ｂｂ近傍における高温の空気から流入口４０１Ｂａ近傍における低温の空気へ熱移動ＨＦが発生する。従って、空気加熱流路４０Ｂの他端側における空気の熱を一端側における空気に戻す熱戻し部５０Ｂが形成されている。
【０１０２】
空気加熱流路４０，４０Ｂの他端側近傍における高温の空気から一端側近傍における低温の空気への熱移動ＨＦに着目した場合、第１実施形態における伝熱面積拡大部４２０や、第２実施形態における流路幅の工夫は必ずしも必須のものではない。図８に、第３実施形態に係る流路構成を示す。
【０１０３】
図８に示される燃料電池装置ＦＣＤでは、空気加熱流路４０Ｄは、空気流路４０１Ｄ及び空気流路４０３Ｄによって構成されている。ガス排出流路４１Ｄは、排ガス流路４１１Ｄ及び排ガス流路４１２Ｄによって構成されている。空気流路４０１Ｄと空気流路４０３Ｄとは同じ幅の流路である。排ガス流路４１１Ｄと排ガス流路４１２Ｄとは同じ幅の流路である。
【０１０４】
空気流路４０１Ｄの下端（一端側）には流入口４０１Ｄａが設けられている。空気流路４０１Ｄの上端は空気流路４０３Ｄの上端に繋がっている。空気流路４０３Ｄの下端（他端側）には流出口４０３Ｄｂが設けられている。
【０１０５】
流入口４０１Ｄａから流入した空気は空気流路４０１Ｄから空気流路４０３Ｄに流れる間に、ガス排出流路４１Ｄ及びセルスタックＣＳから受熱し、その温度が上昇する。空気流路４０１Ｄ，４０３Ｄを流れた空気は流出口４０３Ｄｂ近傍で最も温度が高くなる。流出口４０３Ｄｂと流入口４０１Ｄａとが近接配置されているので、流出口４０３Ｄｂ近傍における高温の空気から流入口４０１Ｄａ近傍における低温の空気へ熱移動ＨＦが発生する。従って、空気加熱流路４０Ｄの他端側における空気の熱を一端側における空気に戻す熱戻し部５０Ｄが形成されている。
【０１０６】
空気加熱流路４０，４０Ｂ，４０Ｄの他端側近傍における高温の空気から一端側近傍における低温の空気への熱移動ＨＦに着目した場合、第１実施形態から第３実施形態における空気加熱流路４０，４０Ｂ，４０Ｄの折り返し態様以外にも熱移動ＨＦを実現する手段を提供することができる。図９に、第４実施形態に係る流路構成を示す。
【０１０７】
図９に示される燃料電池装置ＦＣＥでは、空気加熱流路４０Ｅもガス排出流路４１Ｅも折り返し構造を有しておらず、共に真っ直ぐな管路として構成されている。空気加熱流路４０Ｅの上端（一端側）には流入口４０Ｅａが設けられている。空気加熱流路４０Ｅの下端（他端側）には流出口４０Ｅｂが設けられている。流入口４０Ｅａから流入した空気は、空気加熱流路４０Ｅを流れる間に、ガス排出流路４１Ｄ及びセルスタックＣＳから受熱し、その温度が上昇する。空気加熱流路４０Ｅを流れた空気は流出口４０Ｅｂ近傍で最も温度が高くなる。第４実施形態では、空気加熱流路４０Ｅの他端側における空気の熱を空気加熱流路４０Ｅの一端側における空気に戻す熱戻し部５０Ｅを設けている。従って、流出口４０Ｅｂ近傍における高温の空気から流入口４０Ｅａ近傍における低温の空気へ熱移動ＨＦが発生する。
【０１０８】
図１０に、熱戻し部５０Ｅの具体的な一例を示す。図１０に示される熱戻し部５０Ｅ１は、ポンプ５０Ｅ１ａと、熱戻し管５０Ｅ１ｂと、を有する。熱戻し管５０Ｅ１ｂは、空気加熱流路４０Ｅの上端側（一端側）と下端側（他端側）とを繋いでいる。ポンプ５０Ｅ１ａは、熱戻し管５０Ｅ１ｂの途上に設けられている。ポンプ５０Ｅ１ａを駆動すると、空気加熱流路４０Ｅの下端側（他端側）における高温の空気を上端側（一端側）に送り込むことができる。従って、流出口４０Ｅｂ近傍における高温の空気から流入口４０Ｅａ近傍における低温の空気へ熱移動ＨＦが発生する。
【０１０９】
図１１に、熱戻し部５０Ｅの具体的な一例を示す。図１１に示される熱戻し部５０Ｅ２は、ヒートパイプで構成されている。熱戻し部５０Ｅ２の内部には作動液が封入されている。熱戻し部５０Ｅ２は、空気加熱流路４０Ｅの上端側（一端側）から下端側（他端側）に渡って設けられている。熱戻し部５０Ｅ２の下端側（他端側）は高温空気によって温度が上昇する。熱戻し部５０Ｅ２の下端側（他端側）の温度が上昇すると、内部に封入された作動液の温度も上昇し、上端側（一端側）に対流する。ヒートパイプによって熱戻し部５０Ｅ２を構成すると、動力源を用いることなく空気加熱流路４０Ｅの下端側（他端側）における熱を上端側（一端側）に移動させることができる。
【０１１０】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【０１１１】
ＣＳ：セルスタック
３０２：改質器
４０，４０Ｂ：空気加熱流路（加熱流路）
４０１，４０１Ｂ：空気流路（第１流路部分）
４０３，４０３Ｂ：空気流路（第２流路部分）
４１，４１Ｂ：ガス排出流路（排出流路）
４１１，４１１Ｂ：排ガス流路（第３流路部分）
４１２，４１２Ｂ：排ガス流路（第４流路部分）
４２０：伝熱面積拡大部
【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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