JP2016038971A - 固体酸化物型燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発部により所定量の水蒸気を安定的に供給することが可能な固体酸化物型燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池セル集合体を内部に収容する収容容器８と、燃料ガス供給流路２０と、排ガス排出流路２１とを備え、収容容器８は、上下方向に延びる側壁によって、少なくとも燃料電池セル集合体の収容空間から、燃料ガス供給流路２０及び排ガス排出流路２１を互いに独立して層状に区画しており、燃料ガス供給流路２０内に、改質部９４と、水蒸気を生成する蒸発部８６と、蒸発部８６に水を供給する水供給パイプ８８とが設けられており、水供給パイプ８８は、上下方向に延びるように配置されており、且つ上端に蒸発部８６内に水を供給するための吐水口８８ａが開口しており、水供給パイプ８８の吐水口８８ａの縁部は、側面視で水平面に対して斜め方向に傾斜した端面を形成している。
【選択図】図７

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、改質部に水蒸気を供給する蒸発部を備えた固体酸化物型燃料電池装置に関する。

固体酸化物型燃料電池（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。

従来、固体酸化物型燃料電池では、蒸発部に水を供給して、その水を蒸発部で蒸発させることで水蒸気を生成し、水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスを改質して燃料ガス（水素ガス）を取り出している（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の固体酸化物型燃料電池では、水平な平板からなる蒸発部の上方に水平方向から水供給管が延びており、水供給管の端部の吐水口から水が蒸発部に対して供給されるようになっている。水供給管から蒸発部に滴下された水は、蒸発部によって直ちに加熱されて水蒸気となり、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガスが改質部へ供給されるようになっている。

特開２０１３−１７１７４０号

固体酸化物型燃料電池装置では、蒸発部で蒸発させる水の量が非常に微量である（数ｃｍ³／分程度）。このため、水供給管から間欠的に水滴として供給されると、数分以上の長い時間の平均では水供給量が規定量に保持されているとしても、数十秒以下の程度の短い時間内では水供給量が安定しないおそれがある。具体的には、改質部に供給される混合ガスに含まれる水蒸気量が時間的に変動し、水蒸気量が少ない期間と水蒸気量が過多な期間とが繰り返されることになり、Ｓ／Ｃ比（炭化水素のカーボン総量との量論比）の適切な管理が難しくなる。

特に、水供給管の吐水口から連続的に水を供給しようとしても、水供給量が微量であるため、表面張力によって吐水口に水玉が成長する場合が問題となる。この場合、水滴は、表面張力により維持できなくなるまで水玉が大きくなってから、ようやく吐水口を離れて滴下する。そうすると、このような水玉の成長期間中は水が蒸発部に供給されなくなる。その後、成長した大きな水玉が滴下すると、規定量よりも多い水供給量が供給されることになる。そして、この大きく成長した水玉が蒸発部に溜まると、瞬間的に突沸し、規定量よりも多い水蒸気が供給されることになるおそれがある。

また、引用文献１に記載の固体酸化物型燃料電池装置では、上下方向に延びる複数の燃料電池セルが並設された燃料電池セル集合体の下方から、水供給管の鉛直部分が収容容器内に挿入されて上方へ延び、鉛直部分の上端で略直角に折れ曲がった水平部分が、蒸発部の上方まで延びている。しかしながら、燃料電池セル集合体の下方部分には、断熱材等を配置しなければならず、この部分に水供給管を配置することは難しい。このため、水供給管は、燃料電池セル集合体の外側にある幅狭な燃料ガス供給通路を通って、蒸発部の鉛直下方から蒸発部の上方まで延びるように配置することが実際的な構成である。

したがって、このように水供給管が上下方向に延びるように配置された場合には、水供給管の上端の吐水口が鉛直上方に開口するので、吐水口上に表面張力によって水玉がより成長し易くなり、連続的且つ安定的な水供給がさらに困難となる。

また、仮に水供給管の吐水口から連続的に水が供給されたとしても、供給された水が蒸発部の一部で局所的に蒸発すると、発生した水蒸気の空間分布にムラができてしまい、混合ガス中において、水蒸気量が多い部分と少ない部分が生じるおそれがあり、やはりＳ／Ｃ比の適切な管理が困難となる。

このように、従来、固体酸化物型燃料電池装置において、原燃料ガスに混合される水蒸気の供給量が時間的及び空間的に安定しないため、改質部による燃料ガスの生成量にバラつきが生じ、その結果、燃料ガス供給不足（燃料枯れ）を招くおそれがあるという問題があった。

従って、本発明は、蒸発部により所定量の水蒸気を安定的に供給することが可能な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。

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の供給を受けて発電を行う固体酸化物型燃料電池装置において、上下方向に延びる複数の燃料電池セルが並設され互い電気的に接続されてなる燃料電池セル集合体と、燃料電池セル集合体を内部に収容する収容容器と、燃料ガスを燃料電池セルに供給するための燃料ガス供給流路と、収容容器からの排気ガスを排出するための排ガス排出流路と、を備え、収容容器は、上下方向に延びる側壁によって、少なくとも燃料電池セル集合体の収容空間から、燃料ガス供給流路及び排ガス排出流路を互いに独立して層状に区画しており、燃料ガス供給流路内に、原燃料ガスと水蒸気から燃料ガスを生成する改質反応を行う改質部と、排ガス排出流路を通る排気ガスの熱を利用して水を蒸発させて、改質部に供給するための水蒸気を生成する蒸発部と、蒸発部に水を供給する水供給管と、が設けられており、水供給管は、上下方向に延びるように配置されており、且つ上端に蒸発部内に水を供給するための吐水口が開口しており、水供給管の吐水口の縁部は、側面視で水平面に対して斜め方向に傾斜した端面を形成していることを特徴としている。

上述のように、水供給管が上下方向に延びており、その上端に吐水口が設けられる場合、蒸発部への水供給量が微量であるため、表面張力によって吐水口から水が落下することなく、吐水口上に水が溜まって水玉が形成され易い。そして、成長して大きくなった水玉が塊りとして蒸発部に落下する。一方、蒸発部は、水が落下してこない期間に通常より高温に加熱される。このため、成長した塊り状の水が落下してきた時点で蒸発部において突沸を生じるおそれがあった。これにより、原燃料ガスに混合するための水蒸気の供給量を時間的及び空間的に安定させることができなかった。

そこで、本発明においては、上下方向に延びる水供給管の上端の吐水口の縁部が、側面視で水平面に対して斜め方向に傾斜した端面を形成するように、水供給管の吐水口の形状に変更を加えている。このように構成することにより、水供給管を通して吐水口まで送り出されてきた水は、吐水口の傾斜端面により、斜面下方に向けて落下し易くなる。すなわち、吐水口の傾斜により、吐水口の端面が水平である場合と比べて、表面張力により吐水口に水玉が成長することを効果的に抑制することができる。これにより、吐水口から微量な水流量で連続的に蒸発部へ水を供給し易くなり、水蒸気の供給量の時間的変動を抑制することができる。このように、本発明は、水供給管の端部形状を工夫するという簡易な構成によって、微量な水供給量であっても、所望の供給量で安定的に水蒸気を供給可能とする実用上優れた効果を奏することができる。

本発明において、好ましくは、蒸発部は、水供給管から供給された水を毛細管現象によって、蒸発部内で分散させる毛細管現象発生部を有し、水供給管の吐水口の端面は、毛細間現象発生部側の縁部の方が低くなるように傾斜付けられている。
蒸発部に水が供給されても、供給された部位（例えば、水の落下部位）に水が留まっていると、その部位で突沸が生じてしまい、水蒸気の空間的な分布が不均一になり、原燃料ガスとの混合ガス中に水蒸気量の片寄りが生じてしまう。そこで、本発明においては、蒸発部に供給された微量な水を毛細管現象を利用して、蒸発部内で分散させるように構成されている。これにより、蒸発部に供給された水は、供給された部位に留まるのではなく、毛細管現象発生部に沿って分散させようとする力を受け、蒸発部内に広がり易くなる。さらに、本発明では、水供給管の吐水口から斜面下方に向けて水が流れ落ちるので、端面の傾斜方向の下側に毛細管現象発生部があるように、吐水口の端面が傾斜付けられている。これにより、水供給管の吐水口から出た水は、蒸発部の毛細管現象発生部に素早く到達することができるので、蒸発部内での分散をより促進することが可能となる。

本発明において、好ましくは、蒸発部は、収容容器の側壁に向けて低くなるように傾斜した傾斜面を有し、傾斜面と側壁との間の鋭角形状の角部が、毛細管現象発生部として機能する。
このように構成された本発明においては、収容容器の側壁に対して、傾斜した傾斜面を取り付けるという簡易な構成により毛細管現象発生部を形成することができるので、狭い燃料ガス供給流路内に毛細管現象発生部を容易に実現可能となる。

本発明において、好ましくは、水供給管の吐水口の端面は、蒸発部の傾斜面と面一に配置されている。
このように構成された本発明においては、吐水口の端面が蒸発部の傾斜面と面一であることにより、吐水口から出た水を水供給管の外周面を経由させることなく、直接的に蒸発部の傾斜面に供給することができる。これにより、表面張力による水の流れ難さ又は保持力をより低減して、微量な水流量であっても、確実に蒸発部の毛細管現象発生部へ到達させることが可能となる。

本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、蒸発部により所定量の水蒸気を安定的に供給することができる。

本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている燃料電池セル収容容器の断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に内蔵されている排気集約室の部分を拡大して示す断面図である。 図２におけるV−V断面である。 （ａ）下端がカソードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）下端がアノードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図である。 本発明の一実施形態による蒸発部の説明図である。 本発明の他の実施形態による蒸発部の説明図である。 比較例に係る蒸発部の説明図である。

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（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（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。

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を介して燃料電池セル収容容器８が配置されている。この燃料電池セル収容容器８内の内部には発電室１０が構成され、この発電室１０の中には複数の燃料電池セル１６が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル１６により、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の発電反応が行われる。

各燃料電池セル１６の上端部には、排気集約室１８が取り付けられている。各燃料電池セル１６において発電反応に使用されずに残った残余の燃料（オフガス）は、上端部に取り付けられた排気集約室１８に集められ、この排気集約室１８の天井面に設けられた複数の噴出口から流出される。流出した燃料は、発電室１０内で発電に使用されずに残った空気により燃焼され、排気ガスが生成されるようになっている。

次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの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、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置であ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から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。

なお、燃料ブロア３８を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール２内に配置された脱硫器３６と、熱交換器３４、電磁弁３５を介して燃料電池セル収容容器８の内部に導入される。脱硫器３６は、燃料電池セル収容容器８の周囲に環状に配置されており、原燃料ガスから硫黄を除去するようになっている。また、熱交換器３４は、脱硫器３６において温度上昇した高温の原燃料ガスが直接電磁弁３５に流入し、電磁弁３５が劣化されるのを防止するために設けられている。電磁弁３５は、燃料電池セル収容容器８内への原燃料ガスの供給を停止するために設けられている。

補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である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）を備えている。

さらに、補機ユニット４には、燃料電池モジュール２からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置５０が備えられている。この温水製造装置５０には、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。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュール２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。

次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図２は燃料電池セル収容容器の断面図であり、図３は燃料電池セル収容容器の主な部材を分解して示した断面図である。
図２に示すように、燃料電池セル収容容器８内の空間には、複数の燃料電池セル１６が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料流路である燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、酸化剤ガス供給流路２２が順に同心円状に形成されている。ここで、排ガス排出流路２１及び酸化剤ガス供給流路２２は、酸化剤ガスを供給／排出する酸化剤ガス流路として機能する。

まず、図２に示すように、燃料電池セル収容容器８は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ５６、及び排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８が接続されている。さらに、燃料電池セル収容容器８の上端面からは、排気集約室１８から流出した残余燃料に点火するための点火ヒーター６２が突出している。

図２及び図３に示すように、燃料電池セル収容容器８の内部には、燃料電池セル１６の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側円筒部材６４、外側円筒部材６６、内側円筒容器６８、外側円筒容器７０が配置されている。上述した燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、及び酸化剤ガス供給流路２２は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。
即ち、排ガス排出流路２１は燃料ガス供給流路２０を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路２２は排ガス排出流路２１を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器８の下端側の開放空間は、燃料を各燃料電池セル１６に分散させる燃料ガス分散室７６の底面を構成する概ね円形の分散室底部材７２により塞がれている。

内側円筒部材６４は、概ね円筒状の中空体であり、その上端及び下端は開放されている。また、内側円筒部材６４の内壁面には、分散室形成板である円形の第１固定部材６３が気密的に溶接されている。この第１固定部材６３の下面と、内側円筒部材６４の内壁面と、分散室底部材７２の上面により、燃料ガス分散室７６が画定される。また、第１固定部材６３には、各々燃料電池セル１６を挿通させる複数の挿通穴６３ａが形成されており、各燃料電池セル１６は、各挿通穴６３ａに挿通された状態で、セラミック接着剤により第１固定部材６３に接着されている。このように、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池モジュール２を構成する部材間相互の接合部には、セラミック接着剤が充填され、硬化されることにより、各部材が相互に気密的に接合されている。

外側円筒部材６６は、内側円筒部材６４の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材６４との間に円環状の流路が形成されるように、内側円筒部材６４と概ね相似形に形成されている。さらに、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間には中間円筒部材６５が配置されている。中間円筒部材６５は、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間に配置された円筒状の管であり、内側円筒部材６４の外周面と中間円筒部材６５の内周面の間には改質部９４が構成されている。また、中間円筒部材６５の外周面と、外側円筒部材６６の内周面の間の円環状の空間は、燃料ガス供給流路２０として機能する。このため、改質部９４及び燃料ガス供給流路２０は、燃料電池セル１６における発熱及び排気集約室１８上端における残余燃料の燃焼により熱を受ける。また、内側円筒部材６４の上端部と外側円筒部材６６の上端部は溶接により気密的に接合されており、燃料ガス供給流路２０の上端は閉鎖されている。さらに、中間円筒部材６５の下端と、内側円筒部材６４の外周面は、溶接により気密的に接合されている。

内側円筒容器６８は、外側円筒部材６６の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側円筒部材６６との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側円筒部材６６と概ね相似形に形成されている。この内側円筒容器６８は、内側円筒部材６４の上端の開放部を覆うように配置される。外側円筒部材６６の外周面と、内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間は、排ガス排出流路２１（図２）として機能する。この排ガス排出流路２１は、内側円筒部材６４の上端部に設けられた複数の小穴６４ａを介して内側円筒部材６４の内側の空間と連通している。また、内側円筒容器６８の下部側面には、排ガス流出口である排ガス排出パイプ５８が接続されており、排ガス排出流路２１が排ガス排出パイプ５８に連通される。

排ガス排出流路２１の下部には、燃焼触媒６０及びこれを加熱するためのシースヒーター６１が配置されている。
燃焼触媒６０は、排ガス排出パイプ５８よりも上方に、外側円筒部材６６の外周面と内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路２１を下降した排気ガスは、燃焼触媒６０を通過することにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８から排出される。
シースヒーター６１は、燃焼触媒６０の下方の、外側円筒部材６６の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物型燃料電池装置１の起動時において、シースヒーター６１に通電することにより、燃焼触媒６０が活性温度まで加熱される。

外側円筒容器７０は、内側円筒容器６８の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器６８との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器６８と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器６８の外周面と、外側円筒容器７０の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路２２として機能する。
また、外側円筒容器７０の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ５６が接続されており、酸化剤ガス供給流路２２が酸化剤ガス導入パイプ５６に連通される。

分散室底部材７２は、概ね円形の皿状の部材であり、内側円筒部材６４の内壁面にセラミック接着剤により気密的に固定される。これにより、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に、燃料ガス分散室７６が構成される。また、分散室底部材７２の中央には、バスバー８０（図２）を挿通させるための挿通管７２ａが設けられている。各燃料電池セル１６に電気的に接続されたバスバー８０は、この挿通管７２ａを通して燃料電池セル収容容器８の外部に引き出される。また、挿通管７２ａには、セラミック接着剤が充填され、燃料ガス分散室７６の気密性が確保されている。さらに、挿通管７２ａの周囲には、断熱材７２ｂ（図２）が配置されている。

内側円筒容器６８の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ７４が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ７４は、内側円筒容器６８の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル１６が配置される。酸化剤ガス噴射用パイプ７４の上端が内側円筒容器６８の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器６８と外側円筒容器７０の間に形成されている酸化剤ガス供給流路２２と酸化剤ガス噴射用パイプ７４が連通される。酸化剤ガス供給流路２２を介して供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の先端から下方に噴射され、第１固定部材６３の上面に当たって、発電室１０内全体に広がる。

燃料ガス分散室７６は、第１固定部材６３と分散室底部材７２の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル１６が林立されている。第１固定部材６３の上面に取り付けられた各燃料電池セル１６は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室７６の内部と連通されている。各燃料電池セル１６の下端部は、第１固定部材６３の挿通穴６３ａを貫通して燃料ガス分散室７６の内部に突出し、各燃料電池セル１６は第１固定部材６３に、接着により固定されている。

図２に示すように、内側円筒部材６４には、第１固定部材６３よりも下方に複数の小穴６４ｂが設けられている。内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の空間は、複数の小穴６４ｂを介して燃料ガス分散室７６内に連通されている。供給された燃料は、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材６５の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材６４の外周と中間円筒部材６５の内周の間の空間を下降し、複数の小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６内に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料は、燃料ガス分散室７６の天井面（第１固定部材６３）に取り付けられた各燃料電池セル１６の燃料極に分配される。

さらに、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６の下端部は、燃料ガス分散室７６内でバスバー８０に電気的に接続され、挿通管７２ａを通して電力が外部に引き出される。バスバー８０は、各燃料電池セル１６により生成された電力を、燃料電池セル収容容器８の外部へ取り出すための細長い金属導体であり、碍子７８を介して分散室底部材７２の挿通管７２ａに固定されている。バスバー８０は、燃料ガス分散室７６の内部において、各燃料電池セル１６に取り付けられた集電体８２と電気的に接続されている。また、バスバー８０は、燃料電池セル収容容器８の外部において、インバータ５４（図１）に接続される。なお、集電体８２は、排気集約室１８内に突出している各燃料電池セル１６の上端部にも取り付けられている（図４）。これら上端部及び下端部の集電体８２により、複数の燃料電池セル１６が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数組の燃料電池セル１６が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー８０に接続される。

次に、図４及び図５を参照して、排気集約室の構成を説明する。
図４は排気集約室の部分を拡大して示す断面図であり、図５は、図２におけるV−V断面である。
図４に示すように、排気集約室１８は、各燃料電池セル１６の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室１８の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４が貫通して延びている。

図５に示すように、内側円筒部材６４の内壁面には、排気集約室１８支持用の３つのステー６４ｃが等間隔に取り付けられている。図４に示すように、各ステー６４ｃは金属製の薄板を折り曲げた小片であり、排気集約室１８を各ステー６４ｃの上に載置することにより、排気集約室１８は内側円筒部材６４と同心円上に位置決めされる。これにより、排気集約室１８の外周面と内側円筒部材６４の内周面の間の隙間、及び排気集約室１８の内周面と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面との間の隙間は、全周で均一になる（図５）。

排気集約室１８は、集約室上部材１８ａ及び集約室下部材１８ｂが気密的に接合されることにより構成されている。
集約室下部材１８ｂは、上方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための円筒部が設けられている。
集約室上部材１８ａは、下方が開放された円形皿状の部材であり、その中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を貫通させるための開口部が設けられている。集約室上部材１８ａは、集約室下部材１８ｂの上方に開口したドーナツ型断面の領域に嵌め込まれる形状に構成されている。

集約室下部材１８ｂの周囲の壁の内周面と集約室上部材１８ａの外周面の間の隙間にはセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。
また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、大径シールリング１９ａが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。大径シールリング１９ａは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。

一方、集約室下部材１８ｂ中央の円筒部の外周面と、集約室上部材１８ａ中央の開口部の縁の間にもセラミック接着剤が充填され、硬化されており、この接合部の気密性が確保されている。また、この接合部に充填されたセラミック接着剤により形成されたセラミック接着剤層の上には、小径シールリング１９ｂが配置され、セラミック接着剤層を覆っている。小径シールリング１９ｂは円環状の薄板であり、セラミック接着剤の充填後、充填されたセラミック接着剤を覆うように配置され、接着剤の硬化により排気集約室１８に固定される。

集約室下部材１８ｂの底面には複数の円形の挿通穴１８ｃが設けられている。各挿通穴１８ｃには燃料電池セル１６の上端部が夫々挿通され、各燃料電池セル１６は各挿通穴１８ｃを貫通して延びている。各燃料電池セル１６が貫通している集約室下部材１８ｂの底面上にはセラミック接着剤が流し込まれ、これが硬化されることにより、各燃料電池セル１６の外周と各挿通穴１８ｃの間の隙間が気密的に充填されると共に、各燃料電池セル１６が集約室下部材１８ｂに固定されている。

さらに、集約室下部材１８ｂの底面上に流し込まれたセラミック接着剤の上には、円形薄板状のカバー部材１９ｃが配置され、セラミック接着剤の硬化により集約室下部材１８ｂに固定されている。カバー部材１９ｃには、集約室下部材１８ｂの各挿通穴１８ｃと同様の位置に複数の挿通穴が設けられており、各燃料電池セル１６の上端部はセラミック接着剤の層及びカバー部材１９ｃを貫通して延びている。

一方、排気集約室１８の天井面には、集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口１８ｄが設けられている（図５）。各噴出口１８ｄは、集約室上部材１８ａに、円周上に配置されている。発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル１６の上端から排気集約室１８内に流出し、排気集約室１８内で集約された燃料は各噴出口１８ｄから流出し、そこで燃焼される。

次に、図２を参照して、燃料供給源３０から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路２０の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部８６が設けられている。蒸発部８６は、外側円筒部材６６の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板８６ａを備えており、水供給パイプ８８から水が供給されるように構成されている。また、蒸発部８６は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ５６よりも下方で、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８よりも上方に配置されている。傾斜板８６ａは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材６６の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板８６ａの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板８６ａの内周縁と、内側円筒部材６４の外壁面との間には隙間が設けられている。

水供給パイプ８８は内側円筒部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニット２８から供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ８８を介して蒸発部８６に供給される。水供給パイプ８８の上端は、傾斜板８６ａを貫通して傾斜板８６ａの上面側まで延び、傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、傾斜板８６ａの上面と外側円筒部材６６の内壁面との間に留まる。傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。

また、蒸発部８６の下方には、複数の噴射口９１ａが等間隔に設けられた円環状の金属板としての隔壁９１を挟んで、原燃料ガスを燃料ガス供給流路２０内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０を介して燃料ガス供給流路２０に導入される。燃料ガス供給パイプ９０は、内側円筒部材６４の下端から燃料ガス供給流路２０内に鉛直方向に延びるパイプである。
また、燃料ガス供給パイプ９０の上端は、隔壁９１よりも下方に位置している。燃料ガス供給パイプ９０から導入された原燃料ガスは、一旦、隔壁９１の下側の空間に滞留した後、各噴射口９１ａを通って隔壁９１の上側の空間（つまり蒸発部８６が設けられた空間）に噴射される。そして、噴射口９１ａから噴射された原燃料ガスは、傾斜板８６ａの下側に導入され、傾斜板８６ａの傾斜により流路を絞られながら傾斜板８６ａの上側へ上昇する。傾斜板８６ａの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部８６で生成された水蒸気と共に上昇する。

燃料ガス供給流路２０内の蒸発部８６上方には、外側円筒部材６６の内周と内側円筒部材６４の外周の間の円環状の空間を上下に隔てるように設けられた円環状の金属板である混合板１１０が設けられている。この混合板１１０の円周上には１つの連通孔１１０ａが設けられており、連通孔１１０ａにより混合板１１０の上側の空間と下側の空間が連通されている。連通孔１１０ａは、水供給パイプ８８及び燃料ガス供給パイプ９０が設けられた位置に対応する位置と、混合板１１０の中心軸（内側円筒部材６４や外側円筒部材６６などの中心軸に一致する）を挟んで対向する反対側の位置に設けられている。噴射口９１ａから噴射された原燃料ガス及び蒸発部８６で生成された水蒸気は、一旦、混合板１１０の下側の空間に滞留した後、連通孔１１０ａを通って混合板１１０の上側の空間に導入される。

混合板１１０の上方には、外側円筒部材６６の内周と内側円筒部材６４の外周の間の円環状の空間を上下に隔てるように設けられた円環状の金属板である混合板１１１が更に設けられている。混合板１１１は、混合板１１０と接近して配置されている。この混合板１１１の円周上には１つの連通孔１１１ａが設けられており、連通孔１１１ａにより混合板１１１の上側の空間と下側の空間が連通されている。連通孔１１１ａは、混合板１１０において連通孔１１０ａが設けられた位置に対応する位置と、混合板１１１の中心軸（内側円筒部材６４や外側円筒部材６６などの中心軸に一致する）を挟んで対向する反対側の位置に設けられている。混合板１１０の連通孔１１０ａから導入された原燃料ガス及び水蒸気は、混合板１１０と混合板１１１との間の空間を移動して、混合板１１１の連通孔１１１ａを通って混合板１１１の上側の空間に導入される。この場合、混合板１１０と混合板１１１との間の空間における上下方向幅が狭いため、原燃料ガス及び水蒸気は、水平方向に移動していき、その過程で混合される。

混合板１１１の上方には、外側円筒部材６６の内周と中間円筒部材６５の外周の間の円環状の空間を上下に隔てるように設けられた円環状の金属板である分散板１１２が更に設けられている。分散板１１２は、混合板１１１と離間して配置されている。具体的には、分散板１１２と混合板１１１との上下方向距離は、混合板１１０と混合板１１１との上下方向距離よりも長い。分散板１１２の円周上には複数の連通孔１１２ａが設けられており、これらの連通孔１１２ａにより分散板１１２の上側の空間と下側の空間が連通されている。混合板１１１の連通孔１１１ａから導入された原燃料ガス及び水蒸気は、混合板１１１と分散板１１２との間の空間を移動して、各連通孔１１２ａを通って分散板１１２の上側の空間に導入される。この場合、混合板１１１と分散板１１２との間の空間における上下方向幅が広いため、原燃料ガス及び水蒸気は、上方向に移動していき、その過程で混合される。

他方で、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材６４の外周の間の円環状の空間の上部には、改質部９４が設けられている。また、改質部９４の上部には、金属板である分散板１１３が設けられている。分散板１１３は、改質部９４の上端を覆うように円環状に構成されており、複数の連通孔１１３ａが等間隔に設けられている。上記した分散板１１２の連通孔１１２ａを通過した原燃料ガス及び水蒸気は、分散板１１２の上方へと上昇していき、その後、外側円筒部材６６の上面の内側の壁に衝突することで下降して、分散板１１３の各連通孔１１３ａを通って改質部９４に流入する。この場合、分散板１１３に設けられた複数の連通孔１１３ａにより、改質部９４に対して均一に混合ガスが導入される。

改質部９４は、各燃料電池セル１６の上部と、その上方の排気集約室１８の周囲を取り囲むように配置されている。改質部９４は、内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた触媒保持板（図示せず）と、これにより保持された改質触媒９６によって構成されている。
このように、改質部９４内に充填された改質触媒９６に、改質部９４の上流側の燃料ガス供給流路２０で混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部９４内においては、式（１）に示す水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
Ｃ_mＨ_n＋ｘＨ₂Ｏ → aＣＯ₂＋ｂＣＯ＋ｃＨ₂ （１）

改質部９４において改質された燃料ガスは、中間円筒部材６５の内周と内側円筒部材６４の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入して、各燃料電池セル１６に供給される。水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、排気集約室１８から流出するオフガスの燃焼熱、及び各燃料電池セル１６において発生する発熱により供給される。

次に、図６を参照して、燃料電池セル１６について説明する。
本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池セル１６として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル１６上には、複数の単セル１６ａが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより１本の燃料電池セル１６が構成されている。各燃料電池セル１６は、その一端がアノード（陽極）、他端がカソード（陰極）となるように構成され、複数の燃料電池セル１６のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。

図６（ａ）は、下端がカソードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図であり、図６（ｂ）は、下端がアノードにされている燃料電池セル１６の下端部を拡大して示す断面図である。

図６に示すように、燃料電池セル１６は、細長い円筒状の多孔質支持体９７と、この多孔質支持体９７の外側に横縞状に形成された複数の層から形成されている。多孔質支持体９７の周囲には、内側から順に、燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、空気極層１０１が夫々横縞状に形成されている。このため、燃料ガス分散室７６を介して供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１６の多孔質支持体９７の内部を流れ、酸化剤ガス噴射用パイプ７４から噴射された空気は、空気極層１０１の外側を流れる。燃料電池セル１６上に形成された各単セル１６ａは、一組の燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、及び空気極層１０１から構成されている。１つの単セル１６ａの燃料極層９８は、インターコネクタ層１０２を介して、隣接する単セル１６ａの空気極層１０１に電気的に接続されている。これにより、１本の燃料電池セル１６上に形成された複数の単セル１６ａが、電気的に直列に接続される。

図６（ａ）に示すように、燃料電池セル１６のカソード側端部には、多孔質支持体９７の外周に電極層１０３ａが形成され、この電極層１０３ａの外側にリード膜層１０４ａが形成されている。カソード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１と電極層１０３ａが、インターコネクタ層１０２により電気的に接続されている。これらの電極層１０３ａ及びリード膜層１０４ａは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ａは、リード膜層１０４ａよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ａに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１がインターコネクタ層１０２、電極層１０３ａを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ａの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ａの外周で第１固定部材６３に固定される。

図６（ｂ）に示すように、燃料電池セル１６のアノード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が延長されており、燃料極層９８の延長部が電極層１０３ｂとして機能する。電極層１０３ｂの外側にはリード膜層１０４ｂが形成されている。
これらの電極層１０３ｂ及びリード膜層１０４ｂは、燃料電池セル１６端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。
電極層１０３ｂは、リード膜層１０４ｂよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ｂに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が、一体的に形成された電極層１０３ｂを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ｂの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１６は、リード膜層１０４ｂの外周で第１固定部材６３に固定される。

図６（ａ）（ｂ）においては、各燃料電池セル１６の下端部の構成を説明したが、各燃料電池セル１６の上端部における構成も同様である。なお、上端部においては、各燃料電池セル１６は、排気集約室１８の集約室下部材１８ｂに固定されているが、固定部分の構成は下端部における第１固定部材６３に対する固定と同様である。

次に、多孔質支持体９７及び各層の構成を説明する。
多孔質支持体９７は、本実施形態においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層９８は、本実施形態においては、ＮｉＯ粉末及び１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｙ₂Ｏ₃−９０ｍｏｌ％ＺｒＯ₂）粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。

反応抑制層９９は、本実施形態においては、セリウム系複合酸化物（ＬＤＣ４０。すなわち、４０ｍｏｌ％のＬａ₂Ｏ₃−６０ｍｏｌ％のＣｅＯ₂）等により構成された薄膜であり、これにより、燃料極層９８と固体電解質層１００の間の化学反応を抑制している。
固体電解質層１００は、本実施形態においては、Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.2Ｏ₃の組成のＬＳＧＭ粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層１００を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。

空気極層１０１は、本実施形態においては、Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4Ｃｏ_0.8Ｆｅ_0.2Ｏ₃の組成の粉末により構成された導電性の薄膜である。
インターコネクタ層１０２は、本実施形態においては、ＳＬＴ（ランタンドープストロンチウムチタネート）により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル１６上の隣接する単セル１６ａはインターコネクタ層１０２を介して接続される。
電極層１０３ａ、１０３ｂは、本実施形態においては、燃料極層９８と同一の材料で形成されている。
リード膜層１０４ａ、１０４ｂは、本実施形態においては、固体電解質層１００と同一の材料で形成されている。

次に、図１及び図２を参照して、固体酸化物型燃料電池装置１の作用を説明する。
まず、固体酸化物型燃料電池装置１の起動工程において、燃料ブロア３８が起動され、燃料の供給が開始されると共に、シースヒーター６１への通電が開始される。シースヒーター６１への通電が開始されることにより、その上方に配置された燃焼触媒６０が加熱されると共に、内側に配置された蒸発部８６も加熱される。燃料ブロア３８により供給された燃料は、脱硫器３６、熱交換器３４、電磁弁３５を介して、燃料ガス供給パイプ９０から燃料電池セル収容容器８の内部に流入する。流入した燃料は、燃料ガス供給流路２０内を上端まで上昇した後、改質部９４内を下降し、内側円筒部材６４の下部に設けられた小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置１の起動直後においては、改質部９４内の改質触媒９６の温度が十分に上昇していないため、燃料の改質は行われない。

燃料ガス分散室７６に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室７６の第１固定部材６３に取り付けられた各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）を通って排気集約室１８に流入する。なお、固体酸化物型燃料電池装置１の起動直後においては、各燃料電池セル１６の温度が十分に上昇しておらず、また、インバータ５４への電力の取り出しも行われていないため、発電反応は発生しない。

排気集約室１８に流入した燃料は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出される。噴出口１８ｄから噴出された燃料は、点火ヒーター６２により点火され、そこで燃焼される。この燃焼により、排気集約室１８の周囲に配置された改質部９４が加熱される。また、燃焼により生成された排気ガスは、内側円筒部材６４の上部に設けられた小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。高温の排気ガスは、排ガス排出流路２１内を下降し、その内側に設けられた燃料ガス供給流路２０を流れる燃料、外側に設けられた酸化剤ガス供給流路２２内を流れる発電用の空気を加熱する。さらに、排気ガスは、排ガス排出流路２１内に配置された燃焼触媒６０を通ることにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ５８を通って燃料電池セル収容容器８から排出される。

排気ガス及びシースヒーター６１により蒸発部８６が加熱されると、蒸発部８６に供給された水蒸気改質用の水が蒸発され、水蒸気が生成される。水蒸気改質用の水は、水流量調整ユニット２８により、水供給パイプ８８を介して燃料電池セル収容容器８内の蒸発部８６に供給される。蒸発部８６で生成された水蒸気と、燃料ガス供給パイプ９０を介して供給された燃料とは、改質部９４までの燃料ガス供給流路２０を移動していく過程で十分に混合される。

こうして混合された燃料及び水蒸気は、分散板１１３に設けられた複数の連通孔１１３ａを通って改質部９４に流入する。改質部９４の改質触媒９６が改質可能な温度まで上昇している状態においては、燃料及び水蒸気の混合ガスが改質部９４を通過する際、水蒸気改質反応が発生し、混合ガスが水素を多く含む燃料に改質される。改質された燃料は、小穴６４ｂを通って燃料ガス分散室７６に流入する。小穴６４ｂは燃料ガス分散室７６の周囲に多数設けられ、燃料ガス分散室７６として十分な容積が確保されているため、改質された燃料は、燃料ガス分散室７６内に突出している各燃料電池セル１６に均等に流入する。

一方、空気流量調整ユニット４５により供給された酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス導入パイプ５６を介して酸化剤ガス供給流路２２に流入する。酸化剤ガス供給流路２２に流入した空気は、内側を流れる排気ガスにより加熱されながら酸化剤ガス供給流路２２内を上昇する。酸化剤ガス供給流路２２内を上昇した空気は、燃料電池セル収容容器８内の上端部で中央に集められ、酸化剤ガス供給流路２２に連通された酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入した空気は下端から発電室１０内に噴射され、噴射された空気は第１固定部材６３の上面に当たって発電室１０内全体に広がる。発電室１０内に流入した空気は、排気集約室１８の外周壁と内側円筒部材６４の内周壁の間の隙間、及び排気集約室１８の内周壁と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の外周面の間の隙間を通って上昇する。

この際、各燃料電池セル１６の外側（空気極側）を通って流れる空気の一部は発電反応に利用される。また、排気集約室１８の上方に上昇した空気の一部は、排気集約室１８の噴出口１８ｄから噴出する燃料の燃焼に利用される。燃焼により生成された排気ガス、及び発電、燃焼に利用されずに残った空気は、小穴６４ａを通って排ガス排出流路２１に流入する。排ガス排出流路２１に流入した排気ガス及び空気は、燃焼触媒６０により一酸化炭素が除去された後、排出される。

このように、各燃料電池セル１６が発電可能な温度である６５０℃程度まで上昇し、各燃料電池セル１６の内側（燃料極側）に改質された燃料が流れ、外側（空気極側）に空気が流れると、化学反応により起電力が発生する。この状態において、燃料電池セル収容容器８から引き出されているバスバー８０にインバータ５４が接続されると、各燃料電池セル１６から電力が取り出され、発電が行われる。

また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、発電用の空気は、発電室１０の中央に配置された酸化剤ガス噴射用パイプ７４から噴射され、発電室１０内を排気集約室１８と内側円筒部材６４の間の均等な隙間及び排気集約室１８と酸化剤ガス噴射用パイプ７４の間の均等な隙間を通って上昇する。このため、発電室１０内の空気の流れは、ほぼ完全に軸対称の流れとなり、各燃料電池セル１６の周囲には、ムラなく空気が流れる。これにより、各燃料電池セル１６間の温度差が抑制され、各燃料電池セル１６で均等な起電力を発生することができる。

次に、図７及び図８を参照して、本実施形態による蒸発部８６についてより詳細に説明する。図７は本実施形態による蒸発部の説明図であり、図８は他の実施形態における蒸発部の説明図である。また、図９は比較例における蒸発部の説明図である。

水供給パイプ８８は、外部から燃料電池セル収容容器８内に挿入され、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の燃料ガス供給流路２０を上下方向に延びて、蒸発部８６の傾斜板８６ａを貫通している（図２参照）。その貫通する部位では、水供給パイプ８８の外周面と傾斜板８６ａの貫通孔の縁部とが溶接等により水密的に閉じられている。

図７に示すように、水供給パイプ８８の上端には、吐水口８８ａが開口している。詳しくは、水供給パイプ８８の吐水口８８ａは、上端部が長手方向（上下方向）に対して斜めに切断されたように、その縁部が側面視で水平面に対して斜め方向に傾斜した端面を形成している。吐水口８８ａの傾斜端面は、円筒容器の径方向外側が低くなるように傾斜しており、すなわち、内側円筒部材６４の側よりも外側円筒部材６６の側の方が低くなっている。

また、リング状の傾斜板８６ａは、その外周縁が外側円筒部材６６の内壁面に取り付けられており、傾斜板８６ａの傾斜上面と外側円筒部材６６の内壁面との間には、所定の鋭角（＜９０°）形状の角部８６ｂが形成されている。この角部８６ｂは、傾斜板８６ａの外周縁の全域にわたって環状に延びている。

水流量調整ユニット２８から水供給パイプ８８を通して所定の水供給量で水が供給されると、水供給パイプ８８の吐水口８８ａに送り出された微量な水Ｗは、吐水口８８ａの端面の傾斜の下方に向けて流れ出す。流れ出した水Ｗは、水供給パイプ８８の外周面を伝って傾斜板８６ａ上に流れ落ち、さらに傾斜板８６ａの傾斜に沿って傾斜板８６ａの外周縁である角部８６ｂまで到達する。

傾斜板８６ａの角部８６ｂに到達した水Ｗは、角部８６ｂの全周に向けて広がっていく。つまり、微量な水Ｗは、傾斜板８６ａの外周縁の全周に沿って分散される。すなわち、角部８６ｂは、狭い凹部又は隙間と同様に細い管のように機能し、角部８６ｂに供給された微量の水Ｗは、水の毛細管現象によって角部８６ｂの長手方向（この場合、周方向）に広がろうとする。このように、本実施形態において、角部８６ｂは、毛細管現象発生部として機能する。また、傾斜板８６ａ及び外側円筒部材６６は水に対する濡れ性が大きい金属製であり、水は比較的表面張力が大きいため、毛細管現象が誘発され易い。

なお、ここでいう「毛細管現象」は、一般的に広く用いられている現象、具体的には細管状物体（毛細管）内の水が表面張力により上昇していく現象を指すのではなく、地面とほぼ水平な方向に延びる狭い凹部（溝など）内の水が表面張力により移動していく現象を指す。後者の現象は、ヒートパイプ（ヒートポンプ）の技術分野などでも「毛細管現象」として使用されている。

蒸発部８６は、シースヒーター６１や排ガス排出流路２１を通る排気ガスにより加熱され、これにより、傾斜板８６ａの外周縁の全周にわたって分散された水Ｗを蒸発させる。

次に、図９に示された比較例の蒸発部８６’について説明する。この比較例では、水供給パイプ８８の上端の吐水口８８ａ’が傾斜端面ではなく、水平な端面に形成されている点で図７に示された本実施形態と相違している。
図９の例では、水供給パイプ８８の上端の吐水口８８ａ’まで微量な水Ｗが送り出されてくると、表面張力により、吐水口８８ａ’上に水玉が形成される（図９（ａ）参照）。この水玉は、表面張力により吐水口８８ａ’上に保持できなくなるまで成長を続ける（図９（ｂ）参照）。したがって、この間は、蒸発部８６’は、外部からの熱により温度が上昇し易くなる。

十分に成長して大きくなった水玉は、ある時点で、吐水口８８ａ’から落下し、水供給パイプ８８の外周面及び傾斜板８６ａの上面を伝って、角部８６ｂに到達し（図９（ｃ）参照）、水Ｗは角部８６ｂの全周に向けて毛細管現象により拡散する（図９（ｄ）参照）。

図９の比較例のように、水供給パイプ８８の上端の吐水口８８ａ’を水平端面とすると、表面張力により維持できなくなるまで水Ｗが吐水口８８ａ’において水玉として成長した後、水Ｗが蒸発部８６’に供給される。したがって、水玉が成長する間は水Ｗの供給が停止され、この期間は水蒸気の供給量が低下してしまう一方で、水Ｗが供給されるときには、水供給量が瞬間的に大きくなり、水蒸気の供給量が多くなってしまう。すなわち、図９の比較例では、水供給パイプ８８から蒸発部８６’への水供給量は、長時間に均せば水流量調整ユニット２８による水供給量と一致するが、短時間に区切ると、水供給の無い期間と水供給の有る期間とが交互に繰り返されることになる。よって、図９の比較例では、燃料ガス供給パイプ９０から供給される原燃料ガスに混合される水蒸気量が、時間的に変動してしまう。

さらに、図９の比較例では、表面張力により蒸発部８６’への水供給が阻止されている間（図９（ａ），（ｂ）参照）、蒸発部８６’は水Ｗによる気化熱によって温度が低下することなく、継続的に排気ガスにより加熱されているため、通常よりも温度が上昇する。このため、大きく成長した水玉が蒸発部８６’に供給されると水Ｗが突沸し、多量の水蒸気が発生してしまい、水Ｗが角部８６ｂの全周に十分に広がる前に蒸発が完了するおそれがある。すなわち、水供給パイプ８８の近傍でのみ水蒸気が発生し、水供給パイプ８８から遠い部位では水蒸気の発生が十分に行われないおそれがある。したがって、上述のような水蒸気量の時間的な変動に加えて、空間的に水蒸気量の片寄りが生じるおそれがあり、所定のＳ／Ｃ比の管理を適切に行うことが困難となる。

これに対して、図７に示された本実施形態では、水供給パイプ８８の上端の吐水口８８ａが傾斜端面を形成しているため、送り出されてきた水Ｗが、吐水口８８ａに保持されにくくなっている。すなわち、吐水口８８ａの端面を傾斜面とすることにより、表面張力による水玉の保持力を抑制して小さくすることができるので、水Ｗは、大きな水玉に成長する前に、吐水口８８ａの傾斜面に沿って落下し易くなる。さらに、水Ｗが落下を始めると、その後に送り出されてきた水Ｗの落下が促進されるため、連続的に微量な水流を連続的かつ安定的に供給することが可能となる。

さらに、本実施形態では、吐水口８８ａの端面が、外側円筒部材６６の側が低くなるように傾斜されており、その方向に角部８６ｂが存在するので、吐水口８８ａから斜面下方に流れ出た水Ｗを、角部８６ｂに供給し易くなる。これとは逆に、吐水口８８ａの端面が、内側円筒部材６４の側が低くなるように傾斜されていると、水供給パイプ８８と傾斜板８６ａとの間に水Ｗが溜まり、角部８６ｂに到達せずにそこで蒸発してしまう可能性があり、水の分散性が低下してしまう。

このように、本実施形態の蒸発部８６では、角部８６ｂの存在する方向に向けて低くなるように、水供給パイプ８８の上端の吐水口８８ａを傾斜端面とすることにより、表面張力の影響を抑制して、蒸発部８６の角部８６ｂに向けて連続的かつ安定的に水を供給することができる。また、蒸発部８６の角部８６ｂが、毛細管現象発生部として機能するように構成されているため、蒸発部８６に供給された微量な水Ｗの分散性を高めて、水Ｗを蒸発部８６の長手方向（周方向）の全域に行き渡らせ易くすることができる。よって、本実施形態の蒸発部８６では、時間的及び空間的に、安定的にかつ連続的に所定水供給量の水Ｗの供給を受け、所定の水蒸気を原燃料ガスに提供することができる。

次に、図８を参照して、本発明の他の実施形態による蒸発部について説明する。
図８に示された蒸発部１８６は、水供給パイプ８８の上端の吐水口１８８ａの端面が、傾斜板８６ａの上面と面一に形成されている点で、図７に示された蒸発部８６と相違している。すなわち、蒸発部１８６では、水供給パイプ８８の上端が、傾斜板８６ａの傾斜面から上方へ突出することなく、吐水口１８８ａの上端縁部と傾斜板８６ａに形成された貫通孔の縁部とが、滑らかに連続するように溶接等によって水密的に固定されている。

本実施形態においても、吐水口１８８ａの上端の端面は、角部８６ｂの側に向けて低くなるように傾斜している。したがって、本実施形態においても、吐水口１８８ａでの表面張力による水玉の保持力を抑制して小さくすることができるので、水Ｗは、大きな水玉に成長する前に、吐水口１８８ａの傾斜面に沿って落下し易くなる。さらに、水Ｗが落下を始めると、その後に送り出されてきた水Ｗの落下が促進されるため、連続的に微量な水流を連続的かつ安定的に供給することが可能となる。

上記実施形態では、外側円筒部材６６の内壁面に傾斜板８６ａを設けることにより、鋭角形状の凹部である角部８６ｂを形成することができるため、毛細管現象を簡易な構成により実現することができる。しかしながら、これに限定されることなく、傾斜板８６ａを用いる代わりに、傾斜していない、ほぼ水平な円環状の薄板を用い（傾斜板８６ａと同様に外側円筒部材６６の内壁面に固定する）、その薄板上に鋭角形状の凹部としての細長い溝を設けることによって、毛細管現象を実現してもよい。その場合、円環状の薄板上において水供給パイプ８８からの水が流れ落ちる箇所を含む円周を予め特定しておき、その円周全体に沿って溝を形成すればよい。

１ 固体酸化物型燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
８ 燃料電池セル収容容器
１０ 発電室
１６ 燃料電池セル
２０ 燃料ガス供給流路
２１ 排ガス排出流路
２２ 酸化剤ガス供給流路
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
５６ 酸化剤ガス導入パイプ
５８ 排ガス排出パイプ
６４ 内側円筒部材
６５ 中間円筒部材
６６ 外側円筒部材
６８ 内側円筒容器
７０ 外側円筒容器
８６ 蒸発部
８６ａ 傾斜板
８６ｂ 角部（毛細管現象発生部）
８８ 水供給パイプ（水供給管）
８８ａ 吐水口
９０ 燃料ガス供給パイプ
９４ 改質部
Ｗ 水

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う固体酸化物型燃料電池装置において、
   上下方向に延びる複数の燃料電池セルが並設され互い電気的に接続されてなる燃料電池セル集合体と、
   前記燃料電池セル集合体を内部に収容する収容容器と、
   前記燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するための燃料ガス供給流路と、
   前記収容容器からの排気ガスを排出するための排ガス排出流路と、を備え、
   前記収容容器は、上下方向に延びる側壁によって、少なくとも前記燃料電池セル集合体の収容空間から、前記燃料ガス供給流路及び前記排ガス排出流路を互いに独立して層状に区画しており、
   前記燃料ガス供給流路内に、
   原燃料ガスと水蒸気から前記燃料ガスを生成する改質反応を行う改質部と、
   前記排ガス排出流路を通る前記排気ガスの熱を利用して水を蒸発させて、前記改質部に供給するための水蒸気を生成する蒸発部と、
   前記蒸発部に水を供給する水供給管と、が設けられており、
   前記水供給管は、上下方向に延びるように配置されており、且つ上端に前記蒸発部内に水を供給するための吐水口が開口しており、前記水供給管の吐水口の縁部は、側面視で水平面に対して斜め方向に傾斜した端面を形成していることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
2. 前記蒸発部は、前記水供給管から供給された水を毛細管現象によって、前記蒸発部内で分散させる毛細管現象発生部を有し、
   前記水供給管の吐水口の端面は、前記毛細間現象発生部側の縁部の方が低くなるように傾斜付けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
3. 前記蒸発部は、前記収容容器の側壁に向けて低くなるように傾斜した傾斜面を有し、前記傾斜面と前記側壁との間の鋭角形状の角部が、前記毛細管現象発生部として機能することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
4. 前記水供給管の吐水口の端面は、前記蒸発部の傾斜面と面一に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池装置。

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