(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固体酸化物型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と、
上記複数の燃料電池セルを収容するモジュールケースと、
上記モジュールケースの周囲を覆うように設けられた断熱材と、
酸化剤ガスを上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、
燃料ガスを上記複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、
上記モジュールケース内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを上記燃料ガス供給通路に供給する改質器と、
上記複数の燃料電池セルにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により上記改質器を加熱する燃焼部と、
上記モジュールケースから排出すべき排気ガスが通過する排気通路であって、その周囲の少なくとも一部分が上記断熱材で覆われた、上記排気通路と、
酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガスと上記排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、上記排気通路に対して設けられており、熱交換した酸化剤ガスを上記酸化剤ガス供給通路に供給する熱交換器であって、その周囲の少なくとも一部分が上記断熱材で覆われるように配置された、上記熱交換器と、
水が供給され、この水と、上記排気通路内を通過する排気ガスであって、上記熱交換器において熱交換された直後の排気ガスとの間で熱交換を行うように、上記排気通路に対して設けられており、熱交換によって水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気を上記改質器に供給する蒸発器であって、上記断熱材内で且つ上記モジュールケースの外部に配置された、上記蒸発器と、
を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項２】
上記モジュールケース側に位置する上記蒸発器の下層には、上記排気通路の一部分を構成し、排気ガスが通過する排気通路部が形成され、この排気通路部の上部に位置する上記蒸発器の上層には、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、この水蒸気と原燃料ガスとを混合させる混合部とが形成されており、
上記蒸発器の混合部から上記改質器に水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給管であって、上記蒸発器の排気通路部内を通過するように延びる上記混合ガス供給管を更に有する、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項３】
上記混合ガス供給管は、上記蒸発器の排気通路部において、排気ガスの流れ方向における上流側の部分を通過するように構成されている、請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項４】
上記モジュールケース側に位置する上記熱交換器の下層には、上記排気通路の一部分を構成し、排気ガスが通過する排気通路部が形成され、この排気通路部の上部に位置する上記熱交換器の上層には、上記酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス通路部が形成され、
上記熱交換器と上記蒸発器とは、水平方向に並んで配置され、
上記熱交換器の排気通路部及び上記蒸発器の排気通路部は、それぞれ、水平方向に沿って形成されている、請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項５】
上記熱交換器と上記蒸発器とが一体的に形成された熱交換モジュールを有し、
この熱交換モジュールは、上部が開放したほぼＵ字断面形状を有し、水平方向に延びるケースによって、上記熱交換器の排気通路部及び上記蒸発器の排気通路部の両方を構成し、且つ、上記ケースの開放部を覆うように、上記熱交換器の酸化剤ガス通路部と上記蒸発器の蒸発部及び混合部とが固定される、請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項６】
上記熱交換モジュールは、上記モジュールケースの天板に固定されている、請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項７】
上記熱交換モジュールと上記モジュールケースとの間には、これらの隙間を埋めるように上記断熱材の一部分が配置され、この断熱材の一部分は、上記モジュールケースの天板に固定されている、請求項６に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、複数の燃料電池セルを収容するモジュールケースの外部に蒸発器が設けられた固体酸化物型燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池装置（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】
特開２０１２−２２１６５９号公報（特許文献１）には、モジュールケース内に複数の燃料電池セルを配置し、これらの複数の燃料電池セルの上方において、発電に利用されずに残った燃料ガス（オフガス）を燃焼させ、燃焼熱によりモジュールケース内の改質器を加熱する、セルバーナー方式の固体酸化物型燃料電池装置が記載されている。特に、特許文献１に記載の固体酸化物型燃料電池装置では、改質器に供給する水蒸気を生成する蒸発器（気化器）が周囲の熱量を大きく奪うことに起因する、起動工程でのモジュール内温度の昇温性能の悪化や、燃料電池モジュールの温度ムラ（熱ムラ）などを抑制する観点から、蒸発器をモジュールケース外部の断熱材内に設けている。
【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、従来から、オフガスを燃焼した排気ガスを利用して酸化剤ガスを昇温させ、具体的には、熱交換器（空気熱交換器）を用いて、排気ガスと熱交換器内の酸化剤ガスとの間で熱交換を行わせて酸化剤ガスを昇温させ、この酸化剤ガスを燃料電池セルに供給することにより、起動時などにおける固体酸化物型燃料電池装置の運転温度の上昇が図られている。上記した特許文献１に記載された固体酸化物型燃料電池装置では、排気ガスの流れ方向において、蒸発器の下流側に熱交換器を設けている、つまり、蒸発器で熱交換を行った後の排気ガスを熱交換器に供給し、この排気ガスと酸化剤ガスとの間で熱交換を行っている。
【０００６】
しかしながら、蒸発器の下流側に熱交換器を設けた特許文献１に記載の構成では、上流側の蒸発器で排気ガスの熱が大きく奪われるため、下流側の熱交換器での熱交換性（熱の回収性能）が低下し、熱交換器において酸化剤ガスを適切に昇温させることができない。そのため、起動時などにおける固体酸化物型燃料電池装置の運転温度を速やかに上げることができず、起動時の昇温に時間がかかってしまう。また、起動時の昇温を早めようとした場合には、熱自立用のオフガスを多く導入したりする必要があり、固体酸化物型燃料電池装置のランニングコストがかかる傾向にある。
【０００７】
従って、本発明は、燃料電池モジュールの温度ムラを解消することができると共に、蒸発器での水の蒸発性能を確保しつつ、熱交換器での熱交換性を向上させて起動時に効果的に昇温させることができ、且つ、発電時のランニングコストを下げる（発電効率を上げる）ことができる固体酸化物型燃料電池装置を提供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】
上記の目的を達成するために、本発明は、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型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と、複数の燃料電池セルを収容するモジュールケースと、モジュールケースの周囲を覆うように設けられた断熱材と、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、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、モジュールケース内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを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において発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により改質器を加熱する燃焼部と、モジュールケースから排出すべき排気ガスが通過する排気通路であって、その周囲の少なくとも一部分が断熱材で覆われた、排気通路と、酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガスと排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、排気通路に対して設けられており、熱交換した酸化剤ガスを酸化剤ガス供給通路に供給する熱交換器であって、その周囲の少なくとも一部分が断熱材で覆われるように配置された、熱交換器と、水が供給され、この水と、排気通路内を通過する排気ガスであって、熱交換器において熱交換された直後の排気ガスとの間で熱交換を行うように、排気通路に対して設けられており、熱交換によって水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気を改質器に供給する蒸発器であって、断熱材内で且つモジュールケースの外部に配置された、蒸発器と、を有することを特徴とする。
このように構成された本発明においては、蒸発器をモジュールケースの外部の断熱材内に設けたので、上述したような、蒸発器をモジュールケースの内部に配置した場合に発生し得る、燃料電池セルの温度ムラ（熱ムラ）を解消することができる。また、このように蒸発器をモジュールケースの外部に設けた場合には、蒸発器をモジュールケースの内部に設けた場合よりも、モジュールケース内の排気ガスの温度を高く維持することができるので、この高い温度の排気ガスを熱交換器に供給することにより、熱交換器での熱交換性を向上させることができる。そのため、本発明によれば、熱交換器で適切に昇温された酸化剤ガスを燃料電池セルに供給することができ、固体酸化物型燃料電池装置における起動時の昇温を速やかに行うこと、及び、発電時のランニングコストを下げること（発電効率を上げること）を実現することができる。
特に、本発明では、排気ガスの流れ方向において熱交換器を蒸発器よりも上流側に設け、蒸発器で熱交換される前の排気ガスを熱交換器に供給するので、熱交換器を蒸発器よりも下流側に設けた構成（例えば特許文献１に記載された構成）と比較して、高温の排気ガスを熱交換器に供給することができる。そのため、本発明によれば、熱交換器において酸化剤ガスをより効果的に昇温させることができ、起動時において固体酸化物型燃料電池装置をより大きく昇温させることができる。更に、本発明では、排気ガスの流れ方向において熱交換器の直下に蒸発器を配置し、且つ蒸発器を断熱材内に設けたため、熱交換器と蒸発器との間で排気ガスの無駄な熱交換がなされないので、蒸発器での水の蒸発性能を適切に確保することができる。
このようなことから、本発明によれば、たとえ排気温度が低い起動工程であっても、安定的な酸化剤ガスの昇温性能（言い換えるとシステムの昇温性能）及び水の蒸発性能を確保することができる。
【０００９】
本発明において、好ましくは、モジュールケース側に位置する蒸発器の下層には、排気通路の一部分を構成し、排気ガスが通過する排気通路部が形成され、この排気通路部の上部に位置する蒸発器の上層には、水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部と、この水蒸気と原燃料ガスとを混合させる混合部とが形成されており、蒸発器の混合部から改質器に水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給管であって、蒸発器の排気通路部内を通過するように延びる混合ガス供給管を更に有する。
上述したように蒸発器をモジュールケースの外部に設けた場合には、蒸発器から改質器に混合ガスが供給される過程で混合ガスの温度が低下して（この場合、混合ガス中の水蒸気が液化する可能性もある）、改質器の温度が下がって改質性能が低下するという問題が生じ得るが、こ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外部の蒸発器とモジュールケースの内部の改質器とを連通させる混合ガス供給管を、蒸発器の排気通路部内を通過させたので、この排気通路部内を通過する排気ガスが混合ガス供給管の一部分の周囲を流れるため、排気ガスによって混合ガス供給管内の混合ガスを昇温させることができる。そのため、本発明によれば、昇温させた混合ガスを改質器に供給することができ、上記したような蒸発器をモジュールケースの外部に設けた場合の問題点を解消することができる。具体的には、改質器に供給される混合ガスの温度低下を抑制することができ、特に混合ガス中の水蒸気が液化することを抑制することができ、改質器での改質性能を確保することができる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、混合ガス供給管は、蒸発器の排気通路部において、排気ガスの流れ方向における上流側の部分を通過するように構成されている。
このように構成された本発明においては、混合ガス供給管を蒸発器の排気通路部の上流側の部分を通過させ、蒸発器の蒸発部において熱交換に用いられていない排気ガスが混合ガス供給管の一部分の周囲を流れるように構成したので、排気ガスによって混合ガス供給管内の混合ガスを効果的に昇温させることができる。そのため、改質器に供給される混合ガスの温度低下をより効果的に抑制することができ、特に混合ガス中の水蒸気が液化することを確実に抑制することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、モジュールケース側に位置する熱交換器の下層には、排気通路の一部分を構成し、排気ガスが通過する排気通路部が形成され、この排気通路部の上部に位置する熱交換器の上層には、酸化剤ガスが通過する酸化剤ガス通路部が形成され、熱交換器と蒸発器とは、水平方向に並んで配置され、熱交換器の排気通路部及び蒸発器の排気通路部は、それぞれ、水平方向に沿って形成されている。
このように構成された本発明においては、熱交換器と蒸発器とを水平方向に並べて配置すると共に、熱交換器及び蒸発器のそれぞれの下層に排気通路部を水平方向に沿って形成したので、断熱材の配置構造及び排気ガスの取り回しを最適化し、無駄な熱交換を抑制することができる。したがって、固体酸化物型燃料電池装置を小型化することができると共に、排気ガスの熱量を有効に用いて、熱交換器及び蒸発器において熱交換を行わせることができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、熱交換器と蒸発器とが一体的に形成された熱交換モジュールを有し、この熱交換モジュールは、上部が開放したほぼＵ字断面形状を有し、水平方向に延びるケースによって、熱交換器の排気通路部及び蒸発器の排気通路部の両方を構成し、且つ、ケースの開放部を覆うように、熱交換器の酸化剤ガス通路部と蒸発器の蒸発部及び混合部とが固定される。
このように構成された本発明においては、熱交換器と蒸発器とを一体的に形成した熱交換モジュールを用い、熱交換器の排気通路部及び蒸発器の排気通路部を、上部が開放したほぼＵ字断面形状を有するケースによって構成したので、熱交換器及び蒸発器のそれぞれの排気通路部を一つのケースによって作ることができ、固体酸化物型燃料電池装置の小型化及び低コスト化が図れる。加えて、この熱交換モジュールのケースの開放部を覆うよう、熱交換器の酸化剤ガス通路部と蒸発器の蒸発部及び混合部とを固定したので、熱交換器の酸化剤ガス通路部と蒸発器の蒸発部及び混合部との支持を簡素化することができ、更なる小型化及び低コスト化が図れる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、熱交換モジュールは、モジュールケースの天板に固定されている。
このように構成された本発明においては、熱交換モジュールをモジュールケースの天板に固定したので、熱交換器及び蒸発器を簡単に確実に固定支持することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、熱交換モジュールとモジュールケースとの間には、これらの隙間を埋めるように断熱材の一部分が配置され、この断熱材の一部分は、モジュールケースの天板に固定されている。
このように構成された本発明においては、断熱材を挟んで熱交換モジュールを支持したので、断熱材の固定も容易化することができ、固体酸化物型燃料電池装置の小型化及び低コスト化が図れる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、燃料電池モジュールの温度ムラを解消することができると共に、蒸発器での水の蒸発性能を確保しつつ、熱交換器での熱交換性を向上させて起動時に効果的に昇温させることができ、且つ、発電時のランニングコストを下げる（発電効率を上げる）ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１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】本発明の第１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】本発明の第１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】図５（Ａ）は、本発明の第１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５（Ｂ）は、図５（Ａ）のVB-VB線に沿った断面図であり、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のVC-VC線に沿った断面図である。
【図６】本発明の第１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】本発明の第１実施形態による固体酸化物型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８】本発明の第１実施形態による改質器及びモジュールケースの天板の一部分の外形を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第１実施形態による、熱膨張を吸収可能なように構成された混合ガス供給管の一部分の概略断面図である。
【図１０】本発明の第１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１１】本発明の第１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断面図である。
【図１２】本発明の第１実施形態の変形例による蒸発器の概略断面図である。
【図１３】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の製造方法を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第２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１５】本発明の第２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１６】図１５のXVI-XVI線に沿った断面図である。
【図１７】本発明の第２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１８】図１８（Ａ）は、本発明の第２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１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）のXVIIIB-XVIIIB線に沿った断面図であり、図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）のXVIIIC-XVIIIC線に沿った断面図である。
【図１９】本発明の第２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２０】本発明の第２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におけるガスの流れの説明するための、図１５のXVI-XVI線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。
【図２１】本発明の第２実施形態の変形例による遮蔽板を適用した燃料電池モジュールの一部分を示す概略断面図である。
【図２２】本発明の第２実施形態の変形例による改質器の断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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型燃料電池装置を説明する。
【００１８】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）について説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１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。この図１に示すように、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池装置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。
【００２０】
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が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、９個の燃料電池セルスタック１４（図７参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４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１６（図６参照）から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１２は、１４４本の燃料電池セルユニット１６を有する。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の全てが直列接続されている。
【００２１】
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、燃焼部としていの燃焼室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２０が配置され、上記した残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
【００２２】
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、後述する熱交換器（空気熱交換器）２３及び蒸発器２５（図２等参照）を含む熱交換モジュール２１が断熱材７内に設けられている。熱交換器２３は、燃焼室１８において残余ガスの燃焼により発生した排気ガスと発電用空気とが供給され、これらの排気ガスと発電用空気との間で熱交換を行うことによって発電用空気を加熱し、この発電用空気をモジュールケース８内の燃料電池セル集合体１２に供給する。蒸発器２５は、燃焼室１８において残余ガスの燃焼により発生した排気ガスと水とが供給され、これらの排気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８内の改質器２０に供給する。
【００２３】
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２０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。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、図２乃至図４を参照して、本発明の第１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の構造について具体的に説明する。図２は、本発明の第１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、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。
【００２６】
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２は、主に、上述したように、断熱材７内で且つモジュールケース８の外部に設けられた熱交換モジュール２１を有すると共に、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２０を有する。
【００２７】
熱交換モジュール２１は、水平方向に並べて配置された熱交換器２３及び蒸発器２５を有する。この熱交換モジュール２１は、熱交換器２３と蒸発器２５とが一体的に構成され、モジュールケース８の天板８ａ上に固定されている（図４参照）。また、熱交換モジュール２１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、この断熱材７の一部分７ａも、モジュールケース８の天板８ａ上に固定されている（図２及び図３参照）。
【００２８】
次に、熱交換モジュール２１が有する熱交換器２３は、水平方向における一側端側に、発電用空気導入管７４が接続され（図４参照）、水平方向における他側端側に、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１に連結された第１排気通路７１が接続されている（図２参照）。この排気口１１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内の改質器２０の水平方向における一側端側に対応する、モジュールケース８の天板８ａ上の位置に形成され、熱交換器２３は、このような排気口１１の上方の断熱材７内に配置されている。
【００２９】
また、熱交換器２３は、図２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８側に位置する下層部分には、上記した第１排気通路７１から供給された排気ガスが通過する排気通路部２３ｃが形成され、この排気通路部２３ｃの上部に位置する上層部分には、発電用空気導入管７４から供給された発電用空気が通過する発電用空気通路部２３ａ（酸化剤ガス通路部に対応する）が形成されている。これらの発電用空気通路部２３ａ及び排気通路部２３ｃの内部には、それぞれ、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィン２３ｂ、２３ｄが設けられている（図２参照）。オフセットフィン２３ｂ、２３ｄは、それぞれ、発電用空気通路部２３ａ及び排気通路部２３ｃを通過するガスの進行方向に沿って水平方向に延びており、また、水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。
【００３０】
このような熱交換器２３では、発電用空気通路部２３ａを通過する発電用空気と排気通路部２３ｃを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ（特にオフセットフィン２３ｂ、２３ｄが設けられた発電用空気通路部２３ａ及び排気通路部２３ｃの部分において効率的な熱交換が行われる）、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。
【００３１】
更に、熱交換器２３の発電用空気通路部２３ａには、第１排気通路７１が接続された熱交換器２３における端部に、この第１排気通路７１の内部を通過するように形成された発電用空気供給管７６が接続されている（図２参照）。この発電用空気供給管７６は、モジュールケース８の側板８ｂに沿って設けられた、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気供給通路７７に連結されている（図３参照）。発電用空気供給通路７７は、モジュールケース８の側板８ｂと、この側板８ｂに沿って上下方向に延びるように配置された発電用空気供給ケース７７ａとの間の空間によって形成される（図３及び図４参照）。発電用空気供給通路７７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７７ｂから、発電用空気を燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射する。
なお、より詳しくは、発電用空気供給通路７７は、モジュールケース８の側板８ｂの一の面及び当該面に対向する面のそれぞれに対して設けられている、つまり二つの発電用空気供給通路７７が存在している。
【００３２】
次に、熱交換モジュール２１が有する蒸発器２５は、図２に示すように、上記した熱交換器２３と水平方向に並んで配置されると共に、排気ガスの流れ方向において熱交換器２３よりも下流側に配置されている。より具体的には、蒸発器２５は、モジュールケース８の天板８ａにおいて排気口１１が設けられた一側端側と反対の他側端側に対応する、モジュールケース８内の改質器２０に混合ガスが流入する入口側における上方の断熱材７内に配置されている。
【００３３】
また、蒸発器２５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６３と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管８２とが接続され（図４参照）、水平方向における他側端側に、熱交換器２３の排気通路部２３ｃが連通されている（図２参照）。具体的には、蒸発器２５は、図２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８側に位置する下層部分に、熱交換器２３の排気通路部２３ｃと連通するように、この排気通路部２３ｃと水平方向に並んで配置され、排気通路部２３ｃから供給された排気ガス（つまり熱交換器２３の排気通路部２３ｃにおいて熱交換が行われた後の排気ガス）が通過する排気通路部２５ｃが形成されている。加えて、蒸発器２５は、この排気通路部２５ｃの上部に位置する上層部分に、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２５ａと、この蒸発部２５ａよりも排気ガスの流れ方向における上流側に設けられ、蒸発部２５ａ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２５ｂと、が形成されている。例えば、蒸発器２５の蒸発部２５ａ及び混合部２５ｂは、複数の連通孔が設けられた仕切り板により蒸発器２５を仕切った空間にて形成される。
【００３４】
このような蒸発器２５では、蒸発部２５ａ内の水と排気通路部２５ｃ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２５ａ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２５ｂ内の混合ガスと排気通路部２５ｃ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。
【００３５】
なお、上述した熱交換器２３の排気通路部２３ｃ及び蒸発器２５の排気通路部２５ｃは、図４に示すように、上部が開放したほぼＵ字断面形状を有し、水平方向に延びる熱交換モジュール２１のケース２１ａによって構成されており、このケース２１ａの開放部を覆うように固定された部材により、熱交換器２３の発電用空気通路部２３ａと、蒸発器２５の蒸発部２５ａ及び混合部２５ｂとが構成される。
【００３６】
更に、図２に示すように、蒸発器２５の混合部２５ｂには、この混合部２５ｂからモジュールケース８内の改質器２０に混合ガスを供給するための混合ガス供給管６２が接続されている。混合ガス供給管６２は、一端が改質器２０に設けられた混合ガス供給口２０ａに連結しており、この混合ガス供給口２０ａ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８内、断熱材７ａ内、蒸発器２５における上流側の排気通路部２５ｃ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２５の混合部２５ｂに接続されている。この場合、混合ガス供給管６２は、蒸発器２５の混合部２５ｂに接続された端部６２ｂが、蒸発器２５の蒸発部２５ａ及び混合部２５ｂの底面よりも上方に突出するように設けられている（図１２も参照）。
【００３７】
次に、図２及び図３に加えて、図５も参照して、モジュールケース８内に設けられた改質器２０について説明する。図５（Ａ）は、本発明の第１実施形態による改質器２０を斜め上方から見た斜視図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のVB-VB線に沿った断面図であり、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のVC-VC線に沿った断面図であり、天板２０ｇが取り除かれた状態の改質器２０を示している。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）中には、改質器２０に加えて、混合ガス供給管６２や燃料ガス供給管６４なども図示している。
【００３８】
改質器２０は、燃焼室１８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８の天板８ａと所定距離隔てて、この天板８ａに対して固定されている（図２及び図３参照）。改質器２０には、上記した混合ガス供給管６２からの混合ガスが混合ガス供給口２０ａより流入し、この混合ガスを予熱する予熱部２０ｂと、混合ガスの流れ方向において予熱部２０ｂ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２０ｃと、が形成されている（図５（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２０の予熱部２０ｂ及び改質部２０ｃは、複数の連通孔が設けられた仕切り板２０ｎにより改質器２０を仕切った空間にて形成される（図５（Ｃ）参照）。ここで、改質器２０は、混合ガス供給管６２からの混合ガスが混合ガス供給口２０ａより噴出され、この混合ガスが予熱部２０ｂ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２０ｂの下流端側の壁面２０ｋに衝突して折り返して、仕切り板２０ｎを通過して改質部２０ｃに供給されるように構成されている（図５（Ｂ）及び（Ｃ）参照）。
【００３９】
また、改質器２０には、当該改質器２０（詳しくは改質部２０ｃが形成された部分）を上下方向に貫通するように延び、下方の燃焼室１８で生成された排気ガスを通過させる貫通孔２０ｄが形成されている（図５（Ａ）及び（Ｂ）参照）。この貫通孔２０ｄには、上述した混合ガス供給管６２の一部分６２ａ、具体的には、混合ガス供給管６２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２０の混合ガス供給口２０ａに接続された部分６２ａが配置されている。この混合ガス供給管６２の部分６２ａも、その内部を通過する混合ガスを、改質器２０の貫通孔２０ｄを通過する排気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６２の部分６２ａを「予熱部６２ａ」と呼ぶ）。
【００４０】
更に、改質器２０の貫通孔２０ｄの壁面は、燃焼室１８で生成された排気ガスを改質器２０の予熱部２０ｂ及び混合ガス供給管６２の予熱部６２ａに指向させるような傾斜面２０ｅによって形成されており、この傾斜面２０ｅは、排気ガイド部として機能する（図５（Ｂ）参照）。なお、モジュールケース８の内側面上にも、燃焼室１８で生成された排気ガスを、改質器２０の予熱部２０ｂ及び混合ガス供給管６２の予熱部６２ａに指向させる排気ガイド板８０が設けられている（図２参照）。これらの貫通孔２０ｄの傾斜面２０ｅ及び排気ガイド板８０は、排気ガイド部及び排気ガス指向手段の一例に相当する。
【００４１】
更に、改質器２０内における上部に形成された空間は、第２排気通路７２を構成する（図２及び図３参照）。具体的には、改質器２０において予熱部２０ｂ及び改質部２０ｃが形成された部分の上面である天板２０ｇと、モジュールケース８の天板８ａの下面との間の空間が、第２排気通路７２を形成する。より詳しくは、改質器２０は、改質器２０の天板２０ｇにおける縁端部に、当該天板２０ｇからモジュールケース８の天板８ａの下面まで延びる筒状部２０ｈが一体的に形成されており、この筒状部２０ｈが第２排気通路７２の外壁を構成する（図５（Ａ）参照）。即ち、改質器２０の天板２０ｇ及び筒状部２０ｈとモジュールケース８の天板８ａとによって囲まれた空間が第２排気通路７２を構成する。また、改質器２０の筒状部２０ｈの上端部には、改質器２０の外方に向かって延びるフランジ部２０ｊが設けられている。加えて、改質器２０の筒状部２０ｈには、モジュールケース８の天板８ａにおいて排気口１１が設けられた一側端側と反対の他側端側に対応する箇所に、複数の切り欠き部２０ｉが形成されており、この切り欠き部２０ｉが、第２排気通路７２内に排気ガスを導入する排気ガス導入口を構成する。
【００４２】
ここで、第２排気通路７２には、上記した改質器２０に形成された貫通孔２０ｄと、改質器２０の筒状部２０ｈに形成された切り欠き部２０ｉとから排気ガスが流入する。図３に示すように、モジュールケース８の内側面上には排気ガイド板８１が設けられており、改質器２０の貫通孔２０ｄに流入せずに、予熱部２０ｂ及び改質部２０ｃの外側面とモジュールケース８の内側面との間を通過した排気ガスを、第２排気通路７２の排気ガス導入口としての改質器２０の切り欠き部２０ｉに流入させやすくしている。このようにして改質器２０の貫通孔２０ｄ及び切り欠き部２０ｉから第２排気通路７２に流入した排気ガスは、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１を介して、上記した第１排気通路７１へ排出される（図２参照）。
【００４３】
次に、図２に示すように、改質器２０の下流端側には、改質器２０の改質部２０ｃ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６４が接続され、この燃料ガス供給管６４の上部には、水添脱硫器用水素取出管６５が接続されている。燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、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内で水平に延びている。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、改質された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、上述した燃料電池セルスタック１４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。
【００４４】
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。
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
次に、図７を参照して、燃料電池セルスタック１４について説明する。図７は、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スタックを示す斜視図である。
図７に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６は、８本ずつ２列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板６８（図２参照）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１６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６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
【００５１】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、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と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂ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１６の外側電極層９２（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１０２ｂが接触することにより、集電体１０２は空気極全体と電気的に接続される。
【００５２】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図７では左端の奥側）に位置する燃料電池セルユニット１６の空気極８６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１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６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１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００５３】
次に、図８を参照して、モジュールケース８の天板８ａにおける改質器２０の支持構造について説明する。図８は、本発明の第１実施形態による改質器２０及びモジュールケース８の天板８ａの一部分の外形を示す概略断面図である。
図８に示すように、改質器２０は、その上部の筒状部２０ｈにおける上端部に形成されたフランジ部２０ｊが（図５も参照）、モジュールケース８の天板８ａの下面に設けられた支持部８ｄに係合されることで、モジュールケース８の天板８ａによって支持される。改質器２０のフランジ部２０ｊは係合部に相当し、モジュールケース８の天板８ａの支持部８ｄは被係合部に相当する。このような改質器２０のフランジ部２０ｊをモジュールケース８の天板８ａの支持部８ｄに係合して、改質器２０をモジュールケース８の天板８ａに取り付けることにより、改質器２０とモジュールケース８の天板８ａとの間での排気ガスの通過を遮蔽しつつ、改質器２０がモジュールケース８の天板８ａに対して水平方向に摺動可能に支持されることとなる。この場合、改質器２０がモジュールケース８の天板８ａに対して水平方向に摺動可能であるため、改質器２０及び混合ガス供給管６２の熱膨張を水平方向に吸収できるようになる。
【００５４】
このようにモジュールケース８の天板８ａにおける改質器２０の支持構造によって、改質器２０及び混合ガス供給管６２の熱膨張を吸収することに限定はされず、当該支持構造に加えて、又は当該支持構造の代わりに、混合ガス供給管６２を熱膨張を吸収可能なように構成してもよい。これについて、図９を参照して具体的に説明する。
図９は、本発明の第１実施形態による、熱膨張を吸収可能なように構成された混合ガス供給管６２の一部分の概略断面図である。図９に示すように、混合ガス供給管６２において水平方向に延びる部分、即ち改質器２０の貫通孔２０ｄ内に位置する混合ガス供給管６２の部分には（図５（Ｂ）も参照）、熱膨張差を水平方向に吸収可能な蛇腹管６２ｃが適用されている。
【００５５】
なお、従来の固体酸化物型燃料電池装置では、改質器の下部に設けた支持部材で、この改質器を下方から支持していた。このような従来の固体酸化物型燃料電池装置では、改質器を下方から支持する支持部材を、燃料電池セルユニット１６の熱を反射させる反射板として利用して、複数の燃料電池セルユニット１６の各々に対する周囲からの熱の反射が均等になるようにしていた。具体的には、複数の燃料電池セルユニット１６の各々に対する周囲からの熱の反射が均等になるように、改質器を支持する支持部材に対して凹凸面を形成していた。
これに対して、本実施形態では、上述したように、改質器２０をモジュールケース８の天板８ａに固定し、改質器２０を上方から支持している、つまり改質器２０をつり下げている（図８参照）。このような本実施形態による構成では、従来の固体酸化物型燃料電池装置のように、改質器２０を支持する部材を反射板として利用することができない。そのため、本実施形態では、複数の燃料電池セル１６の各々に対する周囲からの熱の反射が均等になるように、モジュールケース８の側板８ｂを形成するとよい。具体的には、図４に示すように、水添脱硫器用水素取出管６５の下方に接続された燃料ガス供給管６４（この燃料ガス供給管６４は燃料電池セルユニット１６に向けて熱を反射する部材として働く）が近傍に位置する燃料電池セルユニット１６と、燃料ガス供給管６４が近傍に位置しない燃料電池セルユニット１６とで、燃料電池セルユニット１６と周囲の部材との熱的な距離（つまり熱を反射する部材との距離）が等しくなるように、燃料ガス供給管６４が近傍に位置しない燃料電池セルユニット１６に対向するモジュールケース８の側板８ｂについて、燃料電池セルユニット１６側に突出するような凸部８ｃを形成するとよい。つまり、燃料ガス供給管６４が近傍に位置しない燃料電池セルユニット１６に対向する側板８ｂが、燃料ガス供給管６４が近傍に位置する燃料電池セルユニット１６に対向する側板８ｂよりも内方に位置するように、モジュールケース８の側板８ｂを構成するとよい。
【００５６】
次に、図１０及び図１１を参照して、本発明の第１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内のガスの流れについて説明する。図１０は、図２と同様の、本発明の第１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側面断面図であり、図１１は、図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。図１０及び図１１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。
【００５７】
図１０に示すように、発電用空気は、熱交換器２３の水平方向における一側端側に接続された発電用空気導入管７４（図４参照）から熱交換器２３内に流入し、熱交換器２３の上層に設けられた発電用空気通路部２３ａ内を水平方向における他側端側に向けて流れていく。この際に、発電用空気通路部２３ａ内を流れる発電用空気は、熱交換器２３の下層に設けられた排気通路部２３ｃ内を流れる排気ガスとの間で熱交換を行い（特にオフセットフィン２３ｂ、２３ｄが設けられた発電用空気通路部２３ａ及び排気通路部２３ｃの部分において効率的な熱交換が行われる）、排気ガスの熱により発電用空気が加熱される。こうして排気ガスにより加熱された発電用空気は、熱交換器２３の水平方向における他側端側（発電用空気導入管７４が接続された側と反対側）に接続された発電用空気供給管７６を流れて、図１１に示すように、モジュールケース８の側板８ｂに沿って設けられた発電用空気供給通路７７を流れて、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７７ｂ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。
【００５８】
他方で、図１０に示すように、水及び原燃料ガス（燃料ガス）が、蒸発器２５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６３（図４参照）から蒸発器２５内に供給される、具体的には蒸発器２５の上層に設けられた蒸発部２５ａ内に供給される。蒸発器２５の蒸発部２５ａに供給された水は、蒸発器２５の下層に設けられた排気通路部２５ｃを流れる排気ガス（上述したように、熱交換器２３に設けられた排気通路部２３ｃにおいて既に熱交換が行われた後の排気ガス）との間で熱交換を行い、排気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６３から供給された原燃料ガスとは、蒸発部２５ａ内を水平方向に流れていき（具体的には燃料供給配管６３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２５ａの先の混合部２５ｂにおいて混合される。
【００５９】
そして、混合部２５ｂ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２５において燃料供給配管６３が接続された側と反対側に接続され、蒸発器２５の排気通路部２５ｃ、断熱材７ａ及びモジュールケース８内を横断するように延びる混合ガス供給管６２を流れて、モジュールケース８内の改質器２０に流入する。この場合、混合ガスは、混合部２５ｂの下方の排気通路部２５ｃを流れる排気ガスと、排気通路部２５ｃ内に位置する混合ガス供給管６２の部分の周囲を流れる排気ガスと、モジュールケース８内に位置する混合ガス供給管６２の部分の周囲を流れ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。特に、モジュールケース８内では、改質器２０の貫通孔２０ｄ内に位置する混合ガス供給管６２の予熱部６２ａにおいて、この予熱部６２ａ内を流れる混合ガスと改質器２０の貫通孔２０ｄを通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。
【００６０】
この後、混合ガス供給管６２から改質器２０に供給された混合ガスは、改質器２０の混合ガス供給口２０ａを介して、改質器２０の水平方向における一側端側に設けられた予熱部２０ｂ内に流入し、予熱部２０ｂ内に流入した混合ガスは予熱部２０ｂの周囲を流れる排気ガスによって予熱される。この場合、改質器２０の予熱部２０ｂは混合ガス供給管６２よりも拡張された構造を有するので、改質器２０の予熱部２０ｂには混合ガス供給管６２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２０ｂ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２０ｂの下流端側の壁面２０ｋ（図５（Ｂ）参照）に衝突して折り返して、改質器２０内の仕切り板２０ｎ（図５（Ｃ）参照）を通過して、予熱部２０ｂの下流側に位置する、改質触媒が充填された改質部２０ｃに流入し、この改質部２０ｃ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２０の改質部２０ｃの下流端側に接続された燃料ガス供給管６４と、この燃料ガス供給管６４の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管６５とを流れる。そして、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内に供給されて、マニホールド６６内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００６１】
他方で、燃料電池セルユニット１６において発電に利用されずに残った燃料ガスは、モジュールケース８内の燃焼室１８で燃焼されて排気ガス（燃焼ガス）となり、図１０に示すように、モジュールケース８内を上昇していく。具体的には、燃焼により生成された排気ガスの一部は、改質器２０の貫通孔２０ｄを通って、改質器２０の上部に形成された第２排気通路７２（改質器２０の天板２０ｇ及び筒状部２０ｈとモジュールケース８の天板８ａとによって囲まれた空間）に流入する。この場合、排気ガスは、改質器２０の貫通孔２０ｄを形成する傾斜面２０ｅによって、改質器２０の貫通孔２０ｄを通過するように指向される。より詳しくは、排気ガスの一部は、貫通孔２０ｄの傾斜面２０ｅによって、改質器２０の予熱部２０ｂ及び混合ガス供給管６２の予熱部６２ａ（改質器２０の貫通孔２０ｄ内に位置する混合ガス供給管６２の部分）の周囲を流れるように指向される。加えて、排気ガスは、モジュールケース８の内側面上に設けられた排気ガイド板８０によっても、改質器２０の予熱部２０ｂ及び混合ガス供給管６２の予熱部６２ａの周囲を流れるように指向される。このように流れた排気ガスは、改質器２０の予熱部２０ｂ内及び混合ガス供給管６２の予熱部６２ａ内の混合ガスと熱交換を行い、混合ガスを加熱する。
【００６２】
一方で、改質器２０の貫通孔２０ｄを通過しなかった、排気ガスの残りの一部は、図１１に示すように、改質器２０の予熱部２０ｂ及び改質部２０ｃの外側面とモジュールケース８の内側面との間を通って、改質器２０の筒状部２０ｈに形成された、排気ガス導入口としての切り欠き部２０ｉ（図５（Ａ）参照）を介して第２排気通路７２に流入する。この場合、排気ガスは、モジュールケース８の内側面上に設けられた排気ガイド板８１によって、改質器２０の切り欠き部２０ｉから第２排気通路７２に流入するように指向される。
【００６３】
このようにして改質器２０の貫通孔２０ｄ及び切り欠き部２０ｉから第２排気通路７２に流入した排気ガスは、図１０に示すように、貫通孔２０ｄ及び切り欠き部２０ｉが設けられた側と反対側に対応する、モジュールケース８の天板８ａ上の位置に形成された排気口１１を介して、第１排気通路７１へと流れていく。そして、排気ガスは、第１排気通路７１に接続された熱交換器２３の排気通路部２３ｃ、この排気通路部２３ｃに連結された蒸発器２５の排気通路部２５ｃを順に流れて、蒸発器２５の下流端側に接続された排気ガス排出管８２（図４参照）から排出される。この際に、排気ガスは、上述したように、熱交換器２３の発電用空気通路部２３ａ内の発電用空気と熱交換を行うと共に、蒸発器２５の混合部２５ｂ内の混合ガス及び蒸発器２５の蒸発部２５ａ内の水と熱交換を行う。
【００６４】
次に、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の作用効果について説明する。
【００６５】
本実施形態における一つの観点では、蒸発器２５をモジュールケース８の外部の断熱材７内に配置したので（図２等参照）、蒸発器２５をモジュールケース８の内部に配置した場合に発生し得る、燃料電池セル集合体１２の温度ムラ（熱ムラ）を解消することができる。また、蒸発器２５をモジュールケース８の外部に設けた場合には、蒸発器２５をモジュールケース８の内部に設けた場合よりも、モジュールケース８内の排気ガスの温度を高くすることができるので、この高い温度の排気ガスを熱交換器２３に供給することで、熱交換器２３での熱交換性を向上させることができる。そのため、熱交換器２３で適切に昇温された発電用空気を供給することができ、燃料電池モジュール２における起動時の昇温を速やかに行うことができる。
特に、本実施形態では、排気ガスの流れ方向において熱交換器２３を蒸発器２５よりも上流側に設けたため、熱交換器２３を蒸発器２５よりも下流側に設けた場合と比較して、高温の排気ガスが熱交換器２３に供給されるので（蒸発器２５で熱交換される前の排気ガスが熱交換器２３に供給されるから）、熱交換器２３において発電用空気をより効果的に昇温させることができ、起動時において燃料電池モジュール２をより大きく昇温させることができる。この場合、排気ガスの流れ方向において蒸発器２５を熱交換器２３の直後に配置し、蒸発器２５を断熱材７内に設けているため、排気ガスの無駄な熱交換がなされないので、蒸発器２５での水の蒸発性能を適切に確保することができる。
【００６６】
また、上記のように蒸発器２５をモジュールケース８の外部に設けた場合には、改質器２０に供給される混合ガスの温度が低くなり（混合ガス中の水蒸気が液化する場合もある）、改質器２０の温度が下がって改質性能が低下するという問題が生じ得るが、本実施形態によれば、モジュールケース８の外部の蒸発器２５とモジュールケース８の内部の改質器２０とを連通させる混合ガス供給管６２を、蒸発器２５の排気通路部２５ｃ内を通過させたので（図２等参照）、より詳しくは排気ガスの流れ方向において排気通路部２５ｃの上流側の部分を通過させたので、排気通路部２５ｃを流れる排気ガスによって混合ガスを昇温させることができる。そのため、昇温させた混合ガスを改質器２０に供給することができ、上記したような、蒸発器２５をモジュールケース８の外部に設けた場合の問題点を解消することができる。
【００６７】
また、本実施形態によれば、熱交換器２３と蒸発器２５とを水平方向に並べて配置すると共に、熱交換器２３及び蒸発器２５のそれぞれの下層に排気通路部２３ｃ、２５ｃを水平方向に沿って形成したので（図２等参照）、断熱材７の配置構造及び排気ガスの取り回しを最適化し、無駄な熱交換を抑制することができる。したがって、燃料電池モジュール２を小型化することができると共に、排気ガスの熱量を有効に用いて、熱交換器２３及び蒸発器２５において熱交換を行わせることができる。
【００６８】
また、本実施形態によれば、熱交換器２３と蒸発器２５とを一体的に形成した熱交換モジュール２１を用い、熱交換器２３の排気通路部２３ｃ及び蒸発器２５の排気通路部２５ｃを、上部が開放したほぼＵ字断面形状を有するケース２１ａによって構成したので（図４参照）、排気通路部２３ｃ、２５ｃを一つのケース２１ａによって作ることができ、燃料電池モジュール２の小型化及び低コスト化が図れる。加えて、このケース２１ａの開放部を覆うように、熱交換器２３の発電用空気通路部２３ａと蒸発器２５の蒸発部２５ａ及び混合部２５ｂとを固定したので、熱交換器２３の発電用空気通路部２３ａと蒸発器２５の蒸発部２５ａ及び混合部２５ｂとの支持を簡素化することができ、燃料電池モジュール２の更なる小型化及び低コスト化が図れる。
【００６９】
また、本実施形態によれば、熱交換モジュール２１をモジュールケース８の天板８ａに固定したので（図４参照）、熱交換器２３及び蒸発器２５を簡単に確実に固定支持することができる。加えて、断熱材７ａを挟んで熱交換モジュール２１を支持したので（図２等参照）、断熱材７ａの固定も容易化することができ、燃料電池モジュール２の小型化及び低コスト化が図れる。
【００７０】
本実施形態における他の観点では、改質器２０に混合ガスが供給される入口（混合ガス供給口２０ａ）側に対応するように、蒸発器２５をモジュールケース８上方の断熱材７内に配置し、且つ、蒸発器２５と改質器２０の入口とを断熱材７及びモジュールケース８内を上下方向に横断する混合ガス供給管６２によって連結したので（図２等参照）、蒸発器２５と改質器２０の入口との位置関係を最適化するという簡易な構成にて、混合ガス供給管６２を最短にすることができ、上述したような蒸発器２５をモジュールケース８の外部に設けた場合の問題点を解消することができる。具体的には、改質器２０に供給される混合ガスの温度低下を抑制することができ（特に混合ガス中の水蒸気が液化することを抑制することができ）、改質器２０での改質性能を確保することができる。
特に、本実施形態では、モジュールケース８内を横断するように蒸発器２５と改質器２０とを連通する混合ガス供給管６２を構成したので、つまり混合ガス供給管６２を改質器２０に接続する過程でモジュールケース８内を通過させるよう構成したので、モジュールケース８内の排気ガスによって混合ガス供給管６２内の混合ガスを加熱することができ、昇温させた混合ガスを改質器２０に供給することができる。よって、蒸発器２５をモジュールケース８の外部に設けた構成でも、改質器２０での高い改質性能を簡易な構成にて実現することができる。
【００７１】
また、本実施形態によれば、改質器２０において混合ガス供給口２０ａが設けられた側と反対側に対応する、モジュールケース８の天板８ａ上の位置に排気口１１を形成し、この排気口１１の上方に熱交換器２３を配置したため（図２等参照）、高温の排気ガスを最短距離で熱交換器２３に供給することができると共に、配置の工夫のみにより、熱交換器２３において発電用空気と排気ガスとの間で熱交換を行わせる距離（つまり熱交換器２３の水平方向の長さ）を長くすることができる。よって、簡易な構成にて、起動工程での熱量の少ない排気ガスでも、発電用空気を適切に昇温させることができ、燃料電池モジュール２における昇温時間を短縮することができると共に、安定起動を実現することができる。加えて、蒸発器２５を熱交換器２３の下流側で且つ改質器２０の入口（混合ガス供給口２０ａ）側に配置したため、無駄な熱交換を抑制して、蒸発器２５の安定した蒸発性能を確保することができる。
【００７２】
また、本実施形態によれば、排気ガスの流れ方向における上流側に蒸発器２５の混合部２５ｃを配置し、この混合部２５ｃから混合ガス供給管６２を介して混合ガスを改質器２０に供給するので（図２等参照）、下流側の蒸発部２０ａにおいて気化に用いられていない比較的高温の排気ガスと、混合部２５ｃにおいて温度を上げやすい気体の状態にある混合ガスとの間で熱交換を行わせることができ、混合部２５ｃにおいて混合ガスを効果的に昇温させることができる。よって、改質器２０の改質性能を安定化することができる。このような構成では、混合ガス供給管６２を最短経路にすることができ、混合ガスの温度低下も適切に抑制される。
【００７３】
また、上記のように蒸発器２５をモジュールケース８の外部に設けた場合には、気化性能が低下するため、気化遅れに起因して水が混合ガス供給管６２を落下して改質器２０に供給され、混合不良が生じるおそれがあるが、本実施形態によれば、混合ガス供給管６２の上流側の端部６２ｂを、蒸発器２５の蒸発部２５ａ及び混合部２５ｂの底面よりも上方に突出するように設けたので（図２参照）、水が混合ガス供給管６２を落下して改質器２０に供給されてしまうことを、混合ガス供給管６２の配設の工夫による簡易な構成にて抑制することができる。
【００７４】
また、上記のように、蒸発器２５をモジュールケース８外に設け、改質器２０をモジュールケース８内に設けて、これらをモジュールケース８内を横断する混合ガス供給管６２によって連結すると、大きな温度差により、混合ガス供給管６２に膨張差による応力が付与されて劣化してしまうおそれがあるが、本実施形態では、混合ガス供給管６２においてモジュールケース８内に位置する部分に、熱膨張差を水平方向に吸収可能な蛇腹管６２ｃを適用したので（図９参照）、このような大きな温度差による混合ガス供給管６２の劣化を適切に抑制することができる。
加えて、本実施形態では、改質器２０も、熱膨張を水平方向に吸収可能なように、モジュールケース８の天板８ａに対して水平方向に摺動可能に取り付けたため（図８参照）、改質器２０の応力緩和のみならず、混合ガス供給管６２に改質器２０の変形応力が作用することを抑制でき、上記した混合ガス供給管６２の蛇腹管６２ｃを簡素化することができると共に、混合ガス供給管６２の改質器２０等への連結強度も高くすることができる。
【００７５】
また、本実施形態によれば、改質器２０の貫通孔２０ｂ内を通過するように混合ガス供給管６２を配置したので（図２等参照）、混合ガス供給管６２をより一層最短経路にすることができると共に、モジュールケース８内において混合ガス供給管６２内の混合ガスを排気ガスによって効率的に加熱することもできる。特に、本実施形態では、改質器２０の貫通孔２０ｂの傾斜面２０ｅを、水平方向において排気口１１に対応する改質器２０の一側端側から離間した位置において、排気ガスを混合ガス供給管６２に指向させるように形成したので、改質器２０の貫通孔２０ｂ内に位置する混合ガス供給管６２内の混合ガスを効果的に加熱することができ、高い温度の混合ガスを改質器２０に供給して、改質器２０の改質性能を高めることができる。
【００７６】
本実施形態における更に他の観点では、改質器２０における混合ガスの流れ方向において改質部２０ｃの上流側に予熱部２０ｂを設けたので（図２等参照）、この予熱部２０ｂにおいてその周囲を流れる排気ガスによって混合ガスを適切に昇温させることができる。そのため、適温にまで昇温された混合ガスを改質部２０ｃに供給することができ、改質部２０ｃでの改質性能を安定化することができる。
【００７７】
また、本実施形態によれば、改質器２０の予熱部２０ｂを、燃料電池セル集合体１２の上端の直上で、且つ、燃焼室１８による燃焼熱及び排気ガスに曝される位置に配置したので（図２等参照）、改質器２０の予熱部２０ｂにおいて混合ガスを適切に昇温することができ、上述した蒸発器２５をモジュールケース８の外部に設けた場合の問題点を解消することができる。特に、本実施形態によれば、改質器２０の貫通孔２０ｂの傾斜面２０ｅや、モジュールケース８の内側面上に設けた排気ガイド板８０によって、燃焼室１８で生成された排気ガスを積極的に改質器２０の予熱部２０ｂに指向させたので（図２等参照）、起動工程での少ない熱量の排気ガスによっても、改質器２０の改質部２０ｃに供給する混合ガスを適切に昇温し、改質部２０ｃでの改質性能を速やかに安定化することができる。
加えて、本実施形態では、上記のように改質器２０の予熱部２０ｂに指向された排気ガスが、この予熱部２０ｂに衝突した後に折り返して排気口１１に指向されるように構成したので、予熱部２０ｂに向かう排気ガスが減ることなく、混合ガスを確実に加熱することができる。この場合、排気ガスの折り返しによる圧損向上を利用して、排気ガスと予熱部２０ｂ内の混合ガスとの長い熱交換時間を確保することができ、簡易な構成にて、より安定的に混合ガスを加熱することができる。
【００７８】
また、本実施形態によれば、混合ガス供給管６２にも予熱部６２ａを設けたので、改質器２０に供給する混合ガスをより一層確実に加熱することができる。特に、本実施形態では、混合ガス供給管６２の予熱部６２ａを、混合ガスの流れ方向における下流側の部分に設け、燃焼室１８からの排気ガスをこの予熱部６２ａに衝突させるように（つまり予熱部６２ａが燃焼熱や排気ガスに積極的に曝されるように）、燃料電池セル集合体１２の上端部によって形成される仮想平面と平行になるように配置したので（図２等参照）、簡易な構成にて混合ガスを加熱することができる。
【００７９】
また、本実施形態によれば、混合ガス供給管６２の予熱部６２ａから改質器２０の予熱部２０ｂに噴出された混合ガスが、改質器２０の予熱部２０ｂにおいて拡張されて流速が低下するように構成したので、簡易な構成にて、改質器２０の予熱部２０ｂ内の混合ガスと排気ガスとの熱交換時間を大きくすることができ、混合ガスを効果的に昇温させることができる。加えて、本実施形態では、改質器２０の予熱部２０ｂ内の混合ガスが、予熱部２０ｂの下流端側の壁面２０ｋに衝突して折り返して改質部２０ｃに流入するように構成したので、改質部２０ｃの容積を犠牲にして予熱部２０ｂの容積を拡大することなく、予熱部２０ｂを形成する壁面を介した効果的な熱交換や、熱交換時間の拡大を適切に実現することができる。加えて、本実施形態によれば、混合ガスが改質器２０の予熱部２０ｂ内を上記したように流れることで、この予熱部２０ｂでの混合ガスの混合性を向上させることができる。
【００８０】
また、本実施形態によれば、混合ガス供給管６２の予熱部６２ａを改質器２０の貫通孔２０ｄ内に配置したため（図２等参照）、混合ガス供給管６２の予熱部６２ａにおいて効果的に混合ガスを昇温させることができる。特に、本実施形態では、改質器２０の貫通孔２０ｄの傾斜面２０ｅによって、改質器２０の予熱部２０ｂ及び混合ガス供給管６２の予熱部６２ａに向けて排気ガスを指向させたので、構造を複雑化することなく、改質器２０及び混合ガス供給管６２の予熱部２０ｂ、６２ａでの混合ガスと排気ガスとの効率的な熱交換を実現することができる。
【００８１】
本実施形態における更に他の観点では、改質器２０を、上下方向においてモジュールケース８の天板８ａと所定距離隔てて、水平方向に摺動可能にこの天板８ａに対して固定したので、つまり改質器２０をモジュールケース８の天板８ａからつり下げたので（図２及び図３等参照）、燃料電池モジュール２の小型化及び低コスト化を実現することができる。これについて具体的に説明する。改質器の底板にブラケットなどの支持部材を用いて下方から支持する比較例に係る構成では、高温になる燃料電池セルユニット１６と距離を空けて支持部材を配置していたため、燃料電池モジュールが大型化し、また、高温に耐え得る支持部材を用いていたため、高コスト化していた。これに対して、本実施形態のように、改質器２０をモジュールケース８の天板８ａからつり下げた場合には、比較例のように燃料電池セルユニット１６との距離を確保する必要がないので、燃料電池モジュール２を小型化することができ、また、比較例のように高温に耐え得る支持部材を用いる必要がないので、改質器２０の支持機構を低コスト化することができる。
加えて、本実施形態では、改質器２０に一体的に形成された排気通路壁（具体的には筒状部２０ｈ）によって、モジュールケース８の天板８ａに形成された排気口１１と連通する第２排気通路７２をモジュールケース８内に形成したので（図２及び図５等参照）、排気ガスを排出する排気性能を確保しつつ、上記の排気通路壁をモジュールケース８の天板８ａへの改質器２０の支持部材として兼用したことにより、燃料電池モジュール２をより一層小型化することができる。
【００８２】
また、本実施形態によれば、上記した第２排気通路７２の排気通路壁を、改質器２０の天板２０ｇの縁端部から上方に延びる筒状部２０ｈによって形成すると共に、モジュールケース８の天板８ａにおいて排気口１１が設けられた側と反対側に対応する筒状部２０ｈ上の箇所に、第２排気通路７２へ排気ガスを導入する排気ガス導入口としての切り欠き部２０ｉを形成したので（図２及び図５等参照）、排気流が最適化するため、天板８ａ上での排気口１１の配置自由度を高めることができ、熱交換器２３などを小型化することが可能となる。加えて、モジュールケース８の天板８ａに対して改質器２０を支持するための部分である筒状部２０ｈを切り欠くことにより、天板８ａに対する改質器２０の支持を確保しつつ、排気ガス導入口を簡単に形成することができる。
【００８３】
また、本実施形態によれば、改質器２０の切り欠き部２０ｉ（排気ガス導入口）に対応するモジュールケース８の内側面上の位置に、この切り欠き部２０ｉに排気ガスを指向させる排気ガイド板８１を設けたので（図３参照）、改質器２０の天板２０ｇとモジュールケース８の天板８ａとの距離を小さくしても、つまり第２排気通路７２の上下方向の幅を小さくしても、改質器２０の切り欠き部２０ｉから第２排気通路７２内へ排気ガスを確実に導入させることができる。これについて具体的に説明する。
上記したように改質器２０をモジュールケース８の天板８ａからつり下げる構成では、改質器２０を天板８ａに対して支持させる部材（具体的には筒状部２０ｈ）を、改質器２０が重いこと及び高温になると支持部材の強度が下がることにより、あまり長くすることができない、即ち改質器２０の天板２０ｇとモジュールケース８の天板８ａとの距離を長くしにくい。そのため、第２排気通路７２の上下方向の幅が小さくなり、第２排気通路７２に排気ガスを導入させにくくなる、即ち、排気ガス導入口としての筒状部２０ｈの切り欠き部２０ｉから第２排気通路７２内へ排気ガスを導入させにくくなる。したがって、本実施形態では、排気ガス導入口としての切り欠き部２０ｉに排気ガスを指向させる排気ガイド板８１を設けた。これにより、改質器２０の天板２０ｇとモジュールケース８の天板８ａとの距離を小さくしても、改質器２０の切り欠き部２０ｉから第２排気通路７２内へ排気ガスを確実に導入させることができるので、燃料電池モジュール２を小型化することが可能となる。
【００８４】
また、上記のように第２排気通路７２の上下方向の幅を小さくすると、圧損が高くなり排気性能が低下するが、本実施形態では、改質器２０に貫通孔２０ｄを設けて、この貫通孔２０ｄからも第２排気通路７２内に排気ガスを導入させるので（図２等参照）、圧損が高くても第２排気通路７２内に排気ガスを確実に導入させることができる。この場合、改質器２０の上面（具体的には改質器２０の天板２０ｇ）に回り込む高温の排気ガスの量が増えるため、排気ガスによる改質器２０の昇温性能を高めることができる。
【００８５】
また、本実施形態によれば、モジュールケース８の天板８ａにおいて排気口１１が設けられた側と反対側に対応する改質器２０上の箇所に貫通孔２０ｄを形成したので、簡易な構成にて排気流を最適化することができ、モジュールケース８内及び改質器２０全体を均一に昇温させることが可能となる。
【００８６】
また、本実施形態によれば、改質器２０の筒状部２０ｈの上端部に設けたフランジ部２０ｊをモジュールケース８の天板８ａの支持部８ｄに係合させて、改質器２０をモジュールケース８の天板８ａに対して水平方向に摺動可能に支持させたので（図８参照）、改質器２０の熱膨張を適切に吸収することができる。この場合、モジュールケース８の天板８ａに対する改質器２０の支持機構によって改質器２０の熱膨張を吸収するので、熱膨張を吸収する装置を別途適用する必要がなく、燃料電池モジュール２を小型化することができる。加えて、改質器２０のフランジ部２０ｊをモジュールケース８の天板８ａの支持部８ｄに係合させることにより、これらのフランジ部２０ｊと支持部８ｄとの間での排気ガスの流動が抑制されるので、第２排気通路７２としての性能（具体的には気密性）を適切に確保することができる。
【００８７】
また、本実施形態によれば、燃料電池セルユニット１６側に突出するような凸部８ｃをモジュールケース８の側板８ｂに一体形成して（図４参照）、複数の燃料電池セルユニット１６の各々に対する周囲からの熱の反射を均等にするので、熱の反射板を別途用いる必要がなく、燃料電池モジュール２を小型化することができる。
【００８８】
次に、図１２を参照して、本発明の第１実施形態の変形例による蒸発器について説明する。図１２は、本発明の第１実施形態の変形例による蒸発器の概略断面図である。ここでは、上述した蒸発器２５と異なる構成のみを説明する。
【００８９】
図１２に示すように、変形例による蒸発器２５Ｘは、上層の蒸発部２５ａの内部には、セラミックボール２５ｅが充填配置され、下層の排気通路部２５ｃの内部には、排気ガスの浄化機能を有する排気浄化触媒（言い換えると燃焼触媒）を担持したセラミックボール２５ｆが充填配置され、蒸発部２５ａと排気通路部２５ｃとの境界面が凹凸面２５ｇによって形成されている。また、蒸発器２５Ｘは、蒸発部２５ａの上部に、セラミックヒータなどの加熱ヒータ２５ｄが設けられている。つまり、蒸発器２５Ｘにおいては、加熱ヒータ２５ｄ、蒸発部２５ａ（混合部２５ｄも含む）、排気通路部２５ｃが、この順に上から下に配置されており、加熱ヒータ２５ｄの上部及び排気通路部２５ｃの下部に上記した断熱材７（図１２では図示せず。図２及び図３参照）が配置されている。
【００９０】
このように、排気通路部２５ｃ内に排気浄化触媒が充填された蒸発器２５Ｘでは、多くのＣＯを含む排気ガスが発生する冷間起動時において、排気通路部２５ｃ内の排気浄化触媒がＣＯを除去する際に発熱し（排気浄化触媒によるＣＯを除去する改質は発熱反応であるため）、この排気浄化触媒が発生する熱（酸化反応熱）により蒸発部２５ａを下方から加熱することができる。つまり、排気通路部２５ｃを通過する排気ガスの熱だけでなく、排気通路部２５ｃ内の排気浄化触媒が発生する酸化反応熱により、蒸発部２５ａを加熱することができる。これにより、比較的簡易な蒸発器２５Ｘの構成にて、蒸発部２５ａ内の水の安定的な気化を促進することができると共に、蒸発部２５ａで発生された水蒸気を改質器２０に確実に供給することで、改質器２０の安定的な改質を実現することができる。
【００９１】
また、加熱ヒータ２５ｄを蒸発部２５ａの上部に設けたため、この加熱ヒータ２５ｄを冷間起動時に使用することで、上記のように排気通路部２５ｃ内の排気浄化触媒が発生する酸化反応熱だけでなく、加熱ヒータ２５ｄによる熱も蒸発部２５ａに伝達させることができ、つまり蒸発部２５ａを上方及び下方の両方から加熱することができ、蒸発部２５ａにおける安定的な気化及び改質器２０の安定的な改質を効果的に確保することができる。この場合、単一の加熱ヒータ２５ｄを、冷間起動時に排気通路部２５ｃ内の排気浄化触媒を活性化させるために加熱する用途と、上記のように蒸発部２５ａを加熱する用途とに適切に兼用することができ、これら２つの用途のための２つの加熱ヒータを適用する必要はない。
【００９２】
特に、蒸発部２５ａ及び排気通路部２５ｃの両方の内部にセラミックボール２５ｅ、２５ｆを充填したことで、つまり加熱ヒータ２５ｄの熱を蒸発部２５ａから排気通路部２５ｃまで掛け渡すようにセラミックボール２５ｅ、２５ｆを蒸発部２５ａ内及び排気通路部２５ｃ内の全体に渡って充填配置したことで、セラミックボール２５ｅ、２５ｆを熱伝導部材として、加熱ヒータ２５ｄの熱を蒸発部２５ａを介して排気通路部２５ｃに効率的に伝達させることができる（図１２中の矢印Ａ１参照）。セラミックボール２５ｅ、２５ｆを充填配置するという簡易な構成にて、単一の加熱ヒータ２５ｄにより、排気通路部２５ｃ内の排気浄化触媒を速やかに活性化させることができ、この排気浄化触媒の酸化反応熱によって蒸発部２５ａを下方から効果的に加熱することができる。
【００９３】
また、蒸発部２５ａと排気通路部２５ｃとの境界面を凹凸面２５ｇによって形成したことで、蒸発部２５ａと排気通路部２５ｃとの境界面を挟んだセラミックボール２５ｅとセラミックボール２５ｆとの接触面積が拡大するので、セラミックボール２５ｅ、２５ｆを介した加熱ヒータ２５ｄの熱の効果的な掛け渡しを実現することができる。
【００９４】
次に、図１３を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の製造方法について説明する。図１３は、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の製造方法を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１では、モジュールケース８の側板８ｂと別体に構成された、このモジュールケース８の天板８ａに対して、改質器２０と、熱交換器２３及び蒸発器２５を含む熱交換モジュール２１とを固定するサブアッセンブリー工程が行われる。具体的には、サブアッセンブリー工程では、モジュールケース８の天板８ａの下面に対して改質器２０を固定すると共に、モジュールケース８の天板８ａの上面に対して熱交換モジュール２１及び断熱材７を固定する。
そして、ステップＳ２では、サブアッセンブリー工程で改質器２０及び熱交換モジュール２１が固定された天板８ａを側板８ｂに固定してモジュールケース８を組み立てるモジュールケース組立工程が行われる。
【００９５】
このような本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の製造方法によれば、天板８ａを測板８ｂと別体にして、天板８ａに予め改質器２０及び熱交換モジュール２１をサブアッセンブリーするようにしたので、モジュールケース８に対する改質器２０及び熱交換モジュール２１の組み付けを容易に行うことができる。
【００９６】
なお、上記した実施形態では、改質器２０を水平方向に摺動可能にモジュールケース８の天板８ａに対して固定していたが（図８参照）、他の実施形態では、改質器２０を水平方向に移動不能にモジュールケース８の天板８ａに対して固定してもよい。
【００９７】
また、上記した実施形態では、改質器２０に一つの貫通孔２０ｄのみを設けていたが（図５参照）、他の実施形態では、改質器２０に、貫通孔２０ｄと同様の貫通孔を二つ以上設けてもよい。その場合、二つ以上の貫通孔のいずれか一つの貫通孔内に混合ガス供給管６２を設ければよい。
【００９８】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）について説明する。
【００９９】
なお、以下では、上述した第１実施形態と同一の構成及び作用効果については、それらの説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる構成及び作用効果についてのみ説明を行う。つまり、ここで特に説明しない構成及び作用効果は、第１実施形態と同様である。
【０１００】
図１４は、本発明の第２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。この図１に示すように、第２実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１Ｘは、第１実施形態で示した燃料電池モジュール２の代わりに、燃料電池モジュール２Ｘを備えている。
【０１０１】
上述した第１実施形態による燃料電池モジュール２は、モジュールケース８外部の断熱材７内に熱交換器２３及び蒸発器２５を含む熱交換モジュール２１が設けられていたが、第２実施形態による燃料電池モジュール２Ｘは、そのような熱交換モジュール２１を具備せず、モジュールケース８外部の断熱材７内に蒸発器１２５が設けられている。また、第２実施形態による燃料電池モジュール２Ｘは、第１実施形態で示した改質器２０と構成が異なる改質器１２０を有する。
【０１０２】
次に、図１５乃至図１７を参照して、本発明の第２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の構造について具体的に説明する。図１５は、本発明の第２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側面断面図であり、図１６は、図１５のXVI-XVI線に沿った断面図であり、図１７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。
【０１０３】
図１５及び図１６に示すように、燃料電池モジュール２Ｘは、主に、上述したように、断熱材７内で且つモジュールケース８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。
【０１０４】
蒸発器１２５は、モジュールケース８の天板８ａ上に固定されている（図１７参照）。また、熱交換モジュール２１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、この断熱材７の一部分７ａも、モジュールケース８の天板８ａ上に固定されている（図１５及び図１６参照）。
【０１０５】
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６３と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管８２とが接続され（図１７参照）、水平方向における他側端側に、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１に連結された第１排気通路１７１が接続されている（図１５参照）。この排気口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の天板８ａ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７内に配置されている。
【０１０６】
また、蒸発器１２５は、図１５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８側に位置する下層部分には、上記した第１排気通路１７１から供給された排気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１２５ａと、この蒸発部１２５ａよりも排気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６３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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
更に、図１５に示すように、蒸発器１２５の混合部１２５ｂには、第１排気通路１７１が接続された蒸発器１２５における端部に、この第１排気通路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８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８内、断熱材７ａ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。
【０１０９】
次に、モジュールケース８の外側、具体的にはモジュールケース８の外壁と断熱材７との間には、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気供給通路１７７が形成されている（図１６参照）。この発電用空気供給通路１７７は、モジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと、これら天板８ａ及び側板８ｂ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８の天板８ａ上の正面視中央位置に設けられた発電用空気導入管７４から発電用空気が供給される（図１７参照）。発電用空気供給通路１７７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１７７ｂから、発電用空気を燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射する（図１６参照）。
【０１１０】
また、発電用空気供給通路１７７の内部には、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄが設けられている（図１６参照）。オフセットフィン１７７ｃは、モジュールケース８の天板８ａに沿った発電用空気供給通路１７７の部分に設けられ、オフセットフィン１７７ｄは、モジュールケース８の側板８ｂに沿った発電用空気供給通路１７７の部分で、且つ、燃料電池セルユニット１６よりも上方の位置に設けられている。発電用空気供給通路１７７を流れる発電用空気は、特にオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これらオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュールケース８内（具体的にはモジュールケース８内に設けられた第２及び第３排気通路１７３、１７３）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、発電用空気供給通路１７７の一部分は、熱交換器（空気熱交換器）として機能する。
【０１１１】
次に、図１５及び図１６に加えて、図１８も参照して、モジュールケース８内に設けられた改質器１２０について説明する。図１８（Ａ）は、本発明の第２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１８（Ｂ）は、図１８（Ａ）のXVIIIB-XVIIIB線に沿った断面図であり、図１８（Ｃ）は、図１８（Ａ）のXVIIIC-XVIIIC線に沿った断面図である。なお、図１８（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６４なども図示している。
【０１１２】
改質器１２０は、燃焼室１８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８の天板８ａと所定距離隔てて、この天板８ａに対して固定されている（図１５参照）。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１８（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１８（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１８（Ｂ）参照）。
【０１１３】
また、改質器１２０には、改質部１２０ｃが形成された部分に、上方に凹んだ凹部１２０ｄが形成されている（図１８（Ｂ）参照）。凹部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。この凹部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の凹部１２０ｄ内の排気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）。
【０１１４】
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１８（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の上方に排気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、排気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１８（Ａ）乃至（Ｃ）に加えて、図１５及び図１６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８の天板８ａに固定するためのフランジ部１２０ｉが設けられている。
【０１１５】
次に、図１５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６４が接続され、この燃料ガス供給管６４の上部には、水添脱硫器用水素取出管６５が接続されている。燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、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内で水平に延びている。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、改質された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、上述した燃料電池セルスタック１４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。
【０１１６】
次に、図１６に示すように、モジュールケース８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８の天板８ａの下面との間には、水平方向に延びる第２排気通路１７２が形成されている。この第２排気通路１７２は、モジュールケース８の天板８ａを挟んで、上記した発電用空気供給通路１７７の一部分と並設されている。また、第２排気通路１７２の内部には、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィン１７２ａが設けられている。このオフセットフィン１７２ａは、発電用空気供給通路１７７内に設けられたオフセットフィン１７７ｃと水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。このようなオフセットフィン１７７ｃ、１７２ａが設けられた発電用空気供給通路１７７及び第２排気通路１７２の部分において、発電用空気供給通路１７７を流れる発電用空気と第２排気通路１７２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。
【０１１７】
また、改質器１２０の外側面とモジュールケース８の内側面との間には、上下方向に延びる第３排気通路１７３が形成されている。この第３排気通路１７３は第２排気通路１７２と連通しており、第３排気通路１７３から第２排気通路１７２へと排気ガスが流れていく。具体的には、第２排気通路１７２には、第３排気通路１７３の上端部（言い換えると第２排気通路１７２の水平方向における端部）に位置する排気ガス導入口１７２ｂから排気ガスが流入する。排気ガス導入口１７２ｂから第２排気通路１７２に流入した排気ガスは、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１を介して、モジュールケース８の外部に設けられた第１排気通路１７１へと流出する。
【０１１８】
また、第３排気通路１７３の途中のモジュールケース８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排気通路１７２の排気ガス導入口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気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。
【０１１９】
次に、図１９及び図２０を参照して、本発明の第２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内のガスの流れについて説明する。図１９は、図１５と同様の、本発明の第２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側面断面図であり、図２０は、図１６と同様の、図１５のXVI-XVI線に沿った断面図である。図１９及び図２０は、それぞれ、図１５及び図１６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。なお、図１９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。
【０１２０】
図１９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６３（図１７参照）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を流れる排気ガスとの間で熱交換を行い、排気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６３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６３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。
【０１２１】
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６３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７ａ及びモジュールケース８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８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を流れる排気ガスと、排気通路部１２５ｃ及び第１排気通路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気ガスと、モジュールケース８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気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８内では、改質器１２０の凹部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の凹部１２０ｄ内の排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。
【０１２２】
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の周囲を流れる排気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内の仕切り板１２０ｅ（図１８（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６４と、この燃料ガス供給管６４の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管６５とを流れる。そして、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内に供給されて、マニホールド６６内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【０１２３】
他方で、図２０に示すように、発電用空気導入管７４（図１７及び図１９参照）から供給された発電用空気は、モジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと、これら天板８ａ及び側板８ｂ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供給通路１７７を流れる。この際に、発電用空気供給通路１７７を流れる発電用空気は、オフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これらオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュールケース８内に形成された第２及び第３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。特に、発電用空気供給通路１７７のオフセットフィン１７７ｃに対応する第２排気通路１７２内にはオフセットフィン１７２ａが設けられているので、発電用空気は、発電用空気供給通路１７７内のオフセットフィン１７７ｃと第２排気通路１７２内のオフセットフィン１７２ａとを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。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７７ｂ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。
【０１２４】
他方で、燃料電池セルユニット１６において発電に利用されずに残った燃料ガスは、図２０に示すように、モジュールケース８内の燃焼室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、燃焼により生成された排気ガスは、まず、改質器１２０の外側面とモジュールケース８の内側面との間に形成された第３排気通路１７３を通過する。この際に、排気ガスは、モジュールケース８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を経由した排気ガス（排気誘導室２０１に流れ込んだ排気ガス及び排気誘導室２０１に流れ込まなかった排気ガスを含む）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、排気ガス導入口１７２ｂから第２排気通路１７２に流入する。
【０１２５】
この後、排気ガスは、第２排気通路１７２を水平方向に流れていき、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１から流出する。排気ガスが第２排気通路１７２を水平方向に流れていく際に、第２排気通路１７２内に設けられたオフセットフィン１７２ａと、このオフセットフィン１７２ａに対応して発電用空気供給通路１７７内に設けられたオフセットフィン１７７ｃとを介して、発電用空気供給通路１７７を流れる発電用空気と第２排気通路１７２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。
【０１２６】
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第１排気通路１７１を通過した後、第１排気通路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気ガス排出管８２（図１７参照）から排出される。排気ガスは、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。
【０１２７】
次に、本発明の第２実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の作用効果について説明する。
【０１２８】
本実施形態によれば、モジュールケース８を挟んで発電用空気供給通路１７７と第２排気通路１７２とを並設したので、具体的にはモジュールケース８の外に発電用空気供給通路１７７を形成し且つモジュールケース８の中に第２排気通路１７２を形成したので（図１６参照）、燃料電池モジュール２Ｘの小型化及び低コスト化が図れる。これについて具体的に説明する。従来の固体酸化物型燃料電池装置では、上方の改質器に向かって排気口から排気ガスが排出され、上方にある排気ガスを下方へと流す過程で空気熱交換を行っていた。そうした場合、空気により大きく温度低下された排気ガスが燃料電池セルの下側を流れることで、燃料電池セルの下側が低温になってしまい（つまり燃料電池セルの上下方向に温度勾配が生じてしまう）、燃料電池セルが劣化してしまう可能性がある。従来の固体酸化物型燃料電池装置では、これを防止するために、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セルとをある程度の距離を離して設けたり、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セルとの間に部分的に断熱材を設けたりしていた。そのため、モジュールケースが大型化していた。加えて、断熱材を部分的に設けた場所における熱の反射特性が変わり、燃料電池セルに悪影響を与えてしまっていた。
これに対して、本実施形態では、モジュールケース８内において燃料電池セル集合体１２よりも上方に第２排気通路１７２を設けて、この第２排気通路１７２を用いて空気熱交換を行うようにし、つまり燃料電池セル集合体１２よりも上方のモジュールケース８内の位置で空気熱交換を行うようにし、また、燃料電池セル集合体１２の側方を排気ガスが下方に流れないようにしたので、燃料電池セル集合体１２の上下方向の熱勾配を抑制することができる。この場合、本実施形態によれば、上記した従来技術のように、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セル集合体１２とをある程度の距離を離して設けたり、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セル集合体１２との間に断熱材を設けたりする必要がないため、燃料電池モジュール２Ｘを大型化及び高コスト化させることなく、燃料電池セル集合体１２への熱影響を抑制することができる。
このような理由により、本実施形態によれば、燃料電池モジュール２Ｘを小型化及び低コスト化することができるのである。具体的には、本実施形態によれば、燃料電池セル集合体１２への熱影響を考慮して燃料電池セル集合体１２とモジュールケース８とを離さなくてもよく、燃料電池セル集合体１２とモジュールケース８とを近付けて配置することができるため、燃料電池モジュール２Ｘを小型化することができる。
ここで、本実施形態では、燃料電池セル集合体１２上方の発電用空気供給通路１７７及び第２排気通路１７２のみで空気熱交換を行うため、熱交換距離が短くなる傾向にあり（言い換えると熱交換面積が小さくなる傾向にあり）、発電用空気を昇温させにくくなる。これに対処すべく、本実施形態では、空気熱交換を行うモジュールケース８内の排気ガスの温度を高く維持するために、蒸発器１２５をモジュールケース８の外に設けた（この場合、当然、蒸発器１２５で熱交換を行う前の排気ガスにより空気熱交換が行われることとなる）。こうすることで、空気熱交換を行うモジュールケース８内の排気ガスの温度を高く維持することができ、熱交換距離が短くても、発電用空気を十分に昇温させることが可能となる。
また、本実施形態によれば、モジュールケース８の室内熱と発電用空気とを自然に熱交換させるだけでなく、燃料電池セル集合体１２上方に第２排気通路１７２を形成して燃料電池セル集合体１２に影響を与えない環境下で空気熱交換を積極的に行わせているので、排気流動等に影響されることなく、確実に安定した空気熱交換を実現することができる。更に、本実施形態によれば、上記したような構成により、少ない排気ガスの熱量で発電用空気を昇温することができ（つまり熱自立しやすい）、また、システムを昇温させるための発電用空気の量も少なくて済む。
【０１２９】
また、本実施形態によれば、熱交換促進部材としてのオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄを燃料電池セル集合体１２よりも上方の発電用空気供給通路１７７内の位置に設けたので（図１６参照）、排気ガスによる発電用空気の昇温性能を高めることができる。これにより、発電用空気供給通路１７７が燃料電池セル集合体１２の側方を通過するが（図１６参照）、発電用空気が燃料電池セル集合体１２の側方を流れる前に発電用空気を十分に昇温させておくことができ、簡易な構成にて、燃料電池セル集合体１２の下側が低温になってしまうことを抑制することができる。
【０１３０】
また、本実施形態によれば、改質器１２０の外側面とモジュールケース８の内側面との間に第３排気通路１７３を更に形成したので、排気ガスを発電用空気だけでなく改質器１２０とも熱交換させることができ、簡易な構成にて、改質器１２０及び発電用空気の両方の昇温を実現することができる。
【０１３１】
また、本実施形態によれば、改質器１２０の改質部１２０ｃとモジュールケース８の天板８ａとの間に設けた遮蔽板１２０ｇによって、この遮蔽板１２０ｇの上方に排気ガスがほとんど流れないガス溜２０３を形成したので、排気ガスが第２排気通路１７２の排気ガス導入口１７２ｂから導入される前に、排気ガスの熱がモジュールケース８の天板８ａなどにより奪われてしまうことを抑制することができる。これにより、第２排気通路１７２に導入する排気ガスの温度を高く維持することができ、つまり第２排気通路１７２に高温の排気ガスを導入することができ、短い熱交換距離でも発電用空気に対する高い昇温性能を実現することができる。
加えて、本実施形態によれば、上記した遮蔽板１２０ｇの下方で且つ改質部１２０ｃの上方に排気誘導室２０１を形成したので、この排気誘導室２０１に誘導した排気ガスによって改質部１２０ｃを上方から加熱することができる。この場合、改質部１２０ｃの上方の遮蔽板１２０ｇが反射板として機能するので、遮蔽板１２０ｇによる輻射熱を改質部１２０ｃに更に与えることができ、改質部１２０ｃを効果的に昇温することができる。加えて、遮蔽板１２０ｇの上方のガス溜２０３が断熱層として機能するので、改質部１２０ｃの温度を適切に維持することができる。
【０１３２】
また、本実施形態によれば、第３排気通路１７３を通過する排気ガスを排気誘導室２０１に指向させる排気ガイド板２０５を設けたので、排気ガスが第３排気通路１７３から第２排気通路１７２へと直ぐに流入してしまうことを抑制し、第３排気通路１７３を通過中の排気ガスを改質部１２０ｃの上面に適切に流させることができ、この排気ガスによって改質部１２０ｃを上方から効果的に加熱することができる。この場合、排気誘導室２０１の上部に遮蔽板１２０ｇを設けたので、天板８ａ側に排気ガスが流れてしまうことはない。
【０１３３】
次に、本発明の第２実施形態の変形例について説明する。
【０１３４】
図２１を参照して、本発明の第２実施形態の変形例による遮蔽板について説明する。図２１は、本発明の第２実施形態の変形例による遮蔽板を適用した燃料電池モジュールの一部分を示す概略断面図である。
図２１に示すように、本変形例による遮蔽板１２０ｊは、上述した遮蔽板１２０ｇ（図１６及び図１８参照）と同様の位置に設けられているが、縁部が上方向に傾斜した傾斜部１２０ｋを有する。この遮蔽板１２０ｊの傾斜部１２０ｋは、第２排気ガイド部に相当し、図２１中の矢印に示すように、排気ガスが第２排気通路１７２の排気ガス導入口１７２ｂに流れ込むように指向させる。本変形例では、第２排気通路１７２は、水平方向だけでなく、水平方向に延びた先で下方向にも延びており、排気ガス導入口１７２ｂは、この第２排気通路１７２の水平部よりも下方に位置する。また、本変形例でも、遮蔽板１２０ｊより下方且つ予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃの上方の空間は、排気誘導室２０１を形成し、遮蔽板１２０ｊより上方且つ第２排気通路１７２の下方の空間は、ガス溜２０３を形成する。
このような変形例によれば、遮蔽板１２０ｊに設けた傾斜部１２０ｋによって、排気ガスが排気ガス導入口１７２ｂから第２排気通路１７２へと流れ込むように、排気ガスを効果的に誘導することができる。そのため、高温に維持された排気ガスを第２排気通路１７２に導入することができ、第２排気通路１７２内の排気ガスと発電用空気供給通路１７７内の発電用空気との熱交換性を向上させることができる。加えて、排気ガスを誘導するための部材を別途用いないので、燃料電池モジュール２Ｘの小型化を実現することができる。
【０１３５】
次に、図２２を参照して、本発明の第２実施形態の変形例による改質器について説明する。図２２は、本発明の第２実施形態の変形例による改質器の断面斜視図である。図２２は、図１８（Ａ）のXVIIIC-XVIIIC線と同様の切断線に沿った断面図である。
図２２に示すように、本変形例による改質器１２０Ｘは、上記した改質部１２０ｃの凹部１２０ｄ（図１８参照）に対応する部分に、当該改質器１２０Ｘ（詳しくは改質部１２０ｃが形成された部分）を上下方向に貫通するように延び、下方の燃焼室１８で生成された排気ガスを通過させる貫通孔１２０ｍが形成されている。この貫通孔１２０ｍには、混合ガス供給管１６２の予熱部１６２ａが配置されている。このような貫通孔１２０ｍを有する改質器１２０Ｘでは、排気ガスは、改質器１２０の予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃの外側面とモジュールケース８の内側面との間だけでなく、改質器１２０Ｘの貫通孔１２０ｍも通過して、下方から上方へと流れていく。
また、本変形例による改質器１２０Ｘは、天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間に、中央部（貫通孔１２０ｍに面する部分）が下方に凹んだ遮蔽板１２０ｎが更に設けられている。このような遮蔽板１２０ｎを更に設けた場合、遮蔽板１２０ｎと天板１２０ｆとの間の空間は排気誘導室２０１を形成し、遮蔽板１２０ｎと遮蔽板１２０ｇとの間の空間はガス溜２０４を形成し、遮蔽板１２０ｇと平板１２０ｈとの間の空間はガス溜２０３を形成する。つまり、二つのガス溜２０３、２０４、言い換えると二つの断熱層が形成されることとなる。
【０１３６】
なお、図２２に示した変形例では、改質器１２０Ｘに一つの貫通孔１２０ｍのみを設けていたが、他の実施形態では、改質器１２０Ｘに、貫通孔１２０ｍと同様の貫通孔を二つ以上設けてもよい。その場合、二つ以上の貫通孔のいずれか一つの貫通孔内に混合ガス供給管１６２を設ければよい。また、更に他の実施形態では、改質器１２０Ｘの貫通孔１２０ｍの上部をプレートなどで塞いで凹部を形成してもよい。
【符号の説明】
【０１３７】
１、１Ｘ  固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
２、２Ｘ  燃料電池モジュール
７  断熱材
８  モジュールケース
８ａ  天板
８ｂ  側板
１１  排気口
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
２０、１２０  改質器
２０ａ、１２０ａ  混合ガス供給口
２０ｂ、１２０ｂ  予熱部
２０ｃ、１２０ｃ  改質部
２０ｄ  貫通孔
２１  熱交換モジュール
２３  熱交換器
２３ａ  発電用空気通路部
２３ｂ、２３ｄ  オフセットフィン
２３ｃ  排気通路部
２５、１２５  蒸発器
２５ａ、１２５ａ  蒸発部
２５ｂ、１２５ｂ  混合部
２５ｃ、１２５ｃ  排気通路部
６２、１６２  混合ガス供給管
６２ａ、１６２ａ  予熱部
７１  第１排気通路
７２  第２排気通路
７７  発電用空気供給通路
８０、８１  排気ガイド板
１７１  第１排気通路
１７２  第２排気通路
１７２ａ  オフセットフィン
１７３  第３排気通路
１７７  発電用空気供給通路
１７７ｃ、１７７ｄ  オフセットフィン
２０１  排気誘導室
２０３  ガス溜
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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