JP2017183129A - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器をモジュール容器外に設けた場合であっても、燃料枯れが生じにくい固体酸化物形燃料電池装置を提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池は、モジュールケースから排出された排ガスとの熱交換によって、供給された水から水蒸気を生成する蒸発室１５０、生成した水蒸気と供給された原料ガスとを混合する混合室１５１、及び、蒸発室１５０及び混合室１５１を分離する隔壁１４７を有し、モジュールケースの外側、かつ、断熱材の内側に配置された蒸発器１４０を備え、混合室１５１の内部に、蒸発室で突沸が発生した場合に生じる内圧の上昇を緩和するための突沸緩衝空間１５３Ｃが設けられている、ことを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に関し、特に、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを複数備えた固体酸化物形燃料電池に関する。

固体酸化物形燃料電池装置（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。

固体酸化物形燃料電池装置では、燃焼部において燃料電池からのオフガスを燃焼して高温の排ガスを生成し、蒸発器において排ガスとの熱交換によって水蒸気を生成し、混合気において水蒸気と原料ガスとを混合し、改質器において原料ガスを水蒸気により改質して燃料ガスを生成する。従来は、例えば、特許文献１に記載されているように蒸発器と改質器とは一体に構成され、モジュール容器内に配置されていた。

しかしながら、蒸発器は水を気化させるために熱を吸収するため、モジュール容器内の温度を低下させる原因となる。これに対して、例えば、特許文献２には、蒸発器及び混合器をモジュール容器の外部に配置し、モジュール容器及び蒸発室を断熱材で取り囲んだ構成の燃料電池装置が開示されている。これにより、モジュール容器内での熱効率が高まるとともに、モジュール容器の小型化が可能になる。

特開２０１３−７３８９９号公報 特開２０１２−２２１６５９号公報

しかしながら、上記のように蒸発器をモジュール容器の外部に設ける場合には、蒸発器はモジュール容器よりも低温な環境下に配置される。このため、蒸発室に供給された水が気化せずに残留し水塊となり、その後、この水塊が高温な部位に接して突沸を発生することがある。このような突沸が生じてしまと、蒸発室の内圧が高くなり、原料ガスが供給されずに改質器に原料ガスが供給されない燃料枯れが引き起こされる。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、蒸発器をモジュール容器外に設けた場合であっても、燃料枯れが生じにくい固体酸化物形燃料電池装置を提供することである。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを複数備えた固体酸化物形燃料電池であって、燃料電池セルを内部に収容するモジュール容器と、モジュール容器の周囲を覆うように設けられた断熱材と、モジュール容器内の燃料電池セルの上方で、燃料電池セルからのオフガスを燃焼して排ガスを生成する燃焼部と、モジュール容器内の燃焼部の上方で、排ガスにより加熱して水蒸気により原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、モジュール容器から排出された排ガスとの熱交換によって、供給された水から水蒸気を生成する蒸発室、生成した水蒸気と供給された原料ガスとを混合する混合室、及び、蒸発室及び混合室を分離する隔壁を有し、モジュール容器の外側、かつ、断熱材の内側に配置された蒸発器と、を備え、混合室の内部に、蒸発室で突沸が発生した場合に生じる内圧の上昇を緩和するための突沸緩衝空間が設けられている、ことを特徴とする。

上記構成の本発明によれば、混合室の内部に突沸緩衝空間が設けられているため、蒸発室で突沸が生じたとしても、突沸緩衝空間により蒸発室の内圧の上昇が緩和されるため、原料ガスの供給が維持され、燃料枯れの発生を抑止できる。

本発明において、好ましくは、混合室内には、水蒸気と原料ガスとを流通させて混合し混合ガスを生成する混合流路が形成され、混合流路で混合された混合ガスは、排出口から排出されて改質器に供給され、突沸緩衝空間への導入口の圧力損失は、混合流路及び排出口よりも圧力損失が高い。

上記構成の本発明によれば、通常時には原料ガスと水蒸気の混合ガスは混合流路を通過し、突沸緩衝空間にはほとんど流入せず、突沸が発生して蒸発室内の圧力が上昇した時のみ、水蒸気を突沸緩衝空間に逃がすことができる。

本発明において、好ましくは、混合室の内部は、仕切り部材によって、突沸緩衝空間と混合流路とが区画され、突沸緩衝空間への気体の導入口は、混合室の内壁と、仕切り部材との間の隙間である。

上記構成の本発明によれば、混合室内に仕切り部材を配置するという簡単な構成で、突沸緩衝空間を形成し、突沸が発生した時のみ突沸緩衝空間に水蒸気を逃がすような構成とすることができる。

本発明において、好ましくは、混合室の底部には排出口が形成され、仕切り部材は少なくとも下部が開放する一部材からなり、仕切り部材は前記排出口を覆うように設けられ、仕切り部材と混合室の底面との間に少なくとも混合流路の一部が区画され、仕切り部材の蒸発室側の部分には仕切り部材と混合室の底面との間に区画された混合流路に連通する開口が形成されている。

上記構成の本発明によれば、一部材からなる仕切り部材を、混合室の排出口を覆うように配置するだけの簡単な構成で、混合流路及び突沸緩衝空間を形成することができる。

本発明によれば、蒸発器をモジュール容器外に設けた場合であっても、燃料枯れが生じにくい固体酸化物形燃料電池装置が提供される。

本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。 図２に示す固体電解質形燃料電池装置の蒸発器を拡大断面図である。 図２に示す固体電解質形燃料電池装置の蒸発器の天板及び燃焼触媒器を省略した状態の斜視図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の第１の容器の底面に形成された連続溝の一部を拡大して示す図である。 （Ａ）は排ガス流路内に設けられたプレートフィンを示す斜視図であり、（Ｂ）は蒸発器におけるプレートフィンの近傍を拡大して示す図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃焼触媒器の軸方向断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃焼触媒の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形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。 本発明の一実施形態による固体酸化物形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２と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。 図３と同様の、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の蒸発室及び混合室内における水蒸気と原燃料ガスとの流れを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の第１の重なり部及び第２の重なり部の近傍を拡大して示す断面図である。 別の実施形態による蒸発室の底面に形成された連続溝を示す図である。

つぎに、添付図面を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。
図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して金属製のモジュール容器８（以下では適宜「モジュールケース」と呼ぶ。）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、８個の燃料電池セルスタック１４（詳細は図１１で後述する）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（詳細は図１２で後述する）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、１２８本の燃料電池セルユニット１６を有する。なお、ハウジング６は必須ではなく、断熱材７を保持するようなフレームを用いてもよい。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。

燃料電池モジュール２のモジュールケース８の発電室１０の上方には、燃焼部としての燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガス（オフガス）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、原燃料ガス（原料ガス）を改質する改質器１２０が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器１２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。

さらに、ハウジング６内においてモジュールケース８の上方には、蒸発器１４０が断熱材７内に設けられている。蒸発器１４０は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュールケース８内の改質器１２０に供給する。

つぎに、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１２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
なお、本実施形態では、装置の起動時に改質器１２０内において、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみが生じるＰＯＸ工程から、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）が混在したオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が生じるＡＴＲ工程を経て、水蒸気改質反応のみが生じるＳＲ工程が行われるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程を省略してＡＴＲ工程からＳＲ工程に移行されるように構成してもよいし、ＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程を省略してＳＲ工程のみが行われるように構成してもよい。なお、ＳＲ工程のみが行われる構成では、改質用空気流量調整ユニット４４は不要である。

つぎに、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。

つぎに、図２〜図４を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図４は、モジュールケース及び空気通路カバーの分解斜視図である。なお、図２、３ではハウジングは省略している。

図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２は、断熱材７で覆われたモジュールケース８の内部に設けられた燃料電池セル集合体１２及び改質器１２０を有すると共に、モジュールケース８の外部で且つ断熱材７内に設けられた蒸発器１４０を有する。

まず、モジュールケース８は、図４に示すように、略矩形の天板８ａ，底板８ｃ，これらの長手方向（図２の左右方向）に延びる辺同士を連結する対向する一対の側板８ｂからなる筒状体と、この筒状体の長手方向の両端部の２つの対向する開口部を塞ぎ、天板８ａ及び底板８ｃの幅方向（図３の左右方向）に延びる辺同士を連結する閉鎖側板８ｄ，８ｅからなる。

モジュールケース８は、空気通路カバー１６０によって天板８ａ及び側板８ｂが覆われている。空気通路カバー１６０は、天板１６０ａと、対向する一対の側板１６０ｂとを有する。天板１６０ａの略中央部分には、排気管１７１を貫通させるための開口部１６７が設けられている。また、天板１６０ａの閉鎖側板８ｄ側の部分には、発電用空気導入管７４が接続される開口部１６８が設けられている。天板１６０ａと天板８ａとの間、及び、側板１６０ｂと側板８ｂとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース８の外側と断熱材７との間、具体的にはモジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと、空気通路カバー１６０の天板１６０ａ及び側板１６０ｂとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路１６１ａ，１６１ｂが形成されている（図３参照）。

モジュールケース８の側板８ｂの下部には、複数の貫通孔である吹出口８ｆが設けられている（図４参照）。発電用空気は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、モジュールケース８の閉鎖側板８ｄ側の略中央部に設けられた発電用空気導入管７４から空気通路１６１ａ内に供給される（図２参照）。そして、発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂを通って、吹出口８ｆから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される（図３、図４参照）。

また、空気通路１６１ａ，１６１ｂの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン１６２，１６３が設けられている（図３参照）。プレートフィン１６２は、モジュールケース８の天板８ａと空気通路カバー１６０の天板１６０ａの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン１６３は、モジュールケース８の側板８ｂと空気通路カバー１６０の側板１６０ｂとの間であって、且つ、燃料電池セルユニット１６よりも上方の位置に長手方向及び鉛直方向に延びるように設けられている。

空気通路１６１ａ，１６１ｂを流れる発電用空気は、特にプレートフィン１６２，１６３を通過する際に、これらプレートフィン１６２，１６３の内側のモジュールケース８内（具体的には天板８ａ，側板８ｂに沿って設けられた排気通路）を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、空気通路１６１ａ，１６１ｂにおいてプレートフィン１６２，１６３が設けられた部分は、熱交換器（熱交換部）として機能する。なお、プレートフィン１６２が設けられた部分が主たる熱交換器部分を構成し、プレートフィン１６３が設けられた部分が従たる熱交換器部分を構成する。

つぎに、蒸発器１４０は、モジュールケース８の天板８ａ上で水平方向に延びるように固定されている。そして、蒸発器１４０は、長手方向（図２の左右方向）の一側端側に、に排気管１７１及び混合ガス供給管１１２が接続され、長手方向の他側端側に排気ガス排出管８２が接続され、排気管１７１により支持されている。また、蒸発器１４０とモジュールケース８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材７の一部分が配置されている（図２及び図３参照）。

具体的には、蒸発器１４０は、長手方向（図２の左右方向）の一側端側に、水及び原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい）を供給する水供給配管６２及び原料供給配管６３と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管８２（図２参照）とが連結され、長手方向の他側端側に、排気管１７１の上端部が連結されている。排気管１７１は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａに形成された開口部１６７を貫通して下方へ延び、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１に連結されている。排気口１１１は、モジュールケース８内の燃焼室１８で生成された排気ガスをモジュールケース８の外へ排出する開口部であり、モジュールケース８の上面視略矩形の天板８ａのほぼ中央部に形成されている。

図５は、図２に示す固体電解質形燃料電池装置の蒸発器を拡大断面図である。また、図６は、図２に示す固体電解質形燃料電池装置の蒸発器の天板及び燃焼触媒器を省略した状態の斜視図である。なお、図６には、水（水蒸気）及び燃料（原料ガス）の流れをそれぞれ実線及び一点鎖線で示す。
蒸発器１４０は、上面視で略矩形の箱状の蒸発器ケース１４１（図２、図３）を有している。この蒸発器ケース１４１は、第１の容器１４３と、第１の容器の１４３の下方に重ね合わされた第２の容器１４４と、第１の容器１４３の上部を塞ぐ天板１４２とにより構成されている。

天板１４２は、平板状の金属部材からなる。天板１４２の一方の端部の幅方向中央には原料供給配管６３を接続するための開口部が形成され、一方の端部の幅方向一側部には水供給配管６２を接続するための開口部が形成されている。

図５及び図６に示すように、第１の容器１４３は、底面１４３Ａ１、１４３Ａ２と、底面１４３Ａ１、１４３Ａ２の外周縁から上方に延びる側壁１４３Ｂと、側壁１４３Ｂの上端から水平方向外方に延びる鍔部１４３Ｃと、隔壁１４７と、を備える。

第１の容器１４３の底面１４３Ａ１、１４３Ａ２は、隔壁１４７により水供給配管６２及び原料供給配管６３側の第１の底面１４３Ａ１と、混合ガス供給管１１２側の第２の底面１４３Ａ２とに分割されている。第１の底面１４３Ａ１は、後述するように蒸発室１５０の底面であり、排ガスと水供給配管６２から供給された水との間で熱交換するための蒸発面として機能する。第１の容器１４３の底面１４３Ａ１の上面は、表面粗さＲａが１．５μｍ以上の粗面として形成されている。これにより、第１の容器１４３の底面１４３Ａ１は親水性が高くなり、底面１４３Ａ１上に供給された水は広範囲に拡がる。さらに、第１の容器１４３の底面１４３Ａ１の上面には、水拡散手段としての連続溝１５６が形成されている。

図７は、第１の容器の底面に形成された連続溝の一部を拡大して示す図である。なお、図７における下方が水供給配管６２側である。同図に示すように、第１の容器１４３の第１の底面１４３Ａ１上には、正方形状の突部１５６Ｃが前後左右に等間隔で設けられている。また、前後左右に隣接する４つの正方形状の突部１５６Ｃの中心部には十字状の突部１５６Ｄが形成されている。これにより、連続溝１５６は、正方形状の溝１５６Ａが前後左右に等間隔に並んであり、隣接する正方形状の溝１５６Ａの対向する辺の中央部の間が連結溝１５６Ｂにより連結される構成となっている。

このような構成により、例えば、図７の中央下方から連続溝１５６内に入り込んだ水は、Ａ部において左右に屈曲及び分割され、Ａ部からＢ部の間の溝内を直進し、Ｂ部において屈曲する。そして、Ｂ部において屈曲した水はＢ部からＣ部の間の溝内を直進し、Ｃ部においてさらに屈曲及び分割される。このように、連続溝１５６に供給された水は、Ａ部における屈曲及び分割と、Ａ部からＢ部の間の溝内の直進と、Ｂ部における屈曲と、Ｂ部からＣ部の間の溝内の直進と、Ｃ部における屈曲及び分岐を繰り返すことにより、広域に拡がりながら流れる。

第２の底面１４３Ａ２の中央には混合室１５１の排出口として開口部が形成されており、この開口部には混合ガス供給管１１２の上端が接続されている。この混合ガス供給管１１２は、排気管１７１の内部を通過するように配置されており、一端が第１の容器１４３に形成された開口部に連結され、他端が改質器１２０の天面に形成された混合ガス供給口１２０ａに連結されている。混合ガス供給管１１２は、排気管１７１内を通過してモジュールケース８内まで鉛直下方に延び、そこで略９０°屈曲されて天板８ａに沿って水平方向に延びた後、下方へ略９０°屈曲されて改質器１２０に連結されている。

隔壁１４７は、第１の容器１４３の長手方向に延びる側壁１４３Ｂの間を短手方向に延びており、金属材料が上方に向けて突出することにより形成されている。隔壁１４７は、第１及び第２の底面１４３Ａ１、１４３Ａ２の縁から上方に平行に延びる一対の側壁１４７Ｂと、一対の側壁１４７Ｂの上端の間を結ぶ上面１４７Ｃと、を備える。また、隔壁１４７の上部の短手方向（隔壁１４７の延びる方向）の中央には凹部１４７Ａが形成されている。

図５及び図６に示すように、隔壁１４７の上面１４７Ｃは平坦面として形成されており、鍔部１４３Ｃと面一に形成されている。また、凹部１４７Ａの幅は、第１の底面１４３Ａ１側が第２の底面１４３Ａ２側よりも広くなっており、第２の底面１４３Ａ２側に向かうにつれて徐々に狭くなっている。また、凹部１４７Ａの上面１４７Ｃからの深さは、後述する蒸発室１５０内に充填されたアルミナボールの径よりも小さい。また、隔壁１４７の内側には、一対の側壁１４７Ｂと上面１４７Ｃとにより囲まれて空間１４７Ｄが形成されており、この空間１４７Ｄは下方に開口している。

第１の容器１４３は一枚の金属部材をプレス成形して構成されており、底面１４３Ａ１、１４３Ａ２と、側壁１４３Ｂと、鍔部１４３Ｃと、隔壁１４７とはひと続きの一体成型部材として構成されている。

第１の容器１４３と天板１４２とは、天板１４２の下面と、鍔部１４３Ｃの上面及び隔壁１４７の上面１４７Ｃが当接した状態で接合されている。天板１４２と、第１の容器１４３の第１の底面１４３Ａ１、側壁１４３Ｂ、及び隔壁１４７とにより蒸発室１５０が区画されている。また、天板１４２と、第１の容器１４３の第２の底面１４３Ａ２、側壁１４３Ｂ、及び隔壁１４７とにより混合室１５１が区画されている。そして、隔壁１４７の凹部１４７Ａと天板１４２とにより区画され、蒸発器１４０の幅方向中央の上部に位置する連通路により、蒸発室１５０と混合室１５１とが連通している。

蒸発室１５０内には、複数の粒状の熱伝導性部材が充填されている。熱伝導性部材としては、例えば、球状のアルミナボールなどを用いることができる。蒸発室１５０内に充填されたアルミナボールは、天板１４２に当接している。

混合室１５１には、仕切り部材１５２が配置されている。仕切り部材１５２は、同一断面で幅方向に延びる耐熱性を有する金属材料で形成された部材である。仕切り部材１５２は、上面１５２Ａと、上面１５２Ａの両側部から下方に平行に延びる一対の側壁部１５２Ｂと、一対の側壁部１５２Ｂの縁から外側に延びる一対の基部１５２Ｃと、を備える。蒸発室１５０側の側壁部１５２Ｂの幅方向両側部には横長の開口部１５２Ｄが形成されている。

仕切り部材１５２の長手方向長さは、混合室１５１の幅とほぼ等しい。仕切り部材１５２は、第１の容器１４３の第２の底面１４３Ａ２に形成された混合ガス供給管１１２が接続された開口部（排出口）を覆うように蒸発室１５０内に配置されている。仕切り部材１５２は、基部１５２Ｃの下面が第１の容器１４３の第２の底面１４３Ａ２と当接した状態で、基部１５２Ｃと第２の底面１４３Ａ２とがスポット溶接されることにより、第１の容器１４３に固定されている。仕切り部材１５２の一対の側壁部１５２Ｂの側部と、第１の容器１４３の内壁との間は溶接されておらず、隙間が形成されている。また、仕切り部材１５２の上面１５２Ａは第１の容器１４３の鍔部１４３Ｃと略等しい高さとなっている。

仕切り部材１５２が設けられることにより、蒸発室１５０内の空間は、隔壁１４７と仕切り部材１５２との間の第１の空間１５３Ａと、仕切り部材１５２の一対の側壁部１５２Ｂの間の第２の空間１５３Ｂと、仕切り部材１５２と第１の容器１４３の側壁１４３Ｂとの間の第３の空間１５３Ｃとに分割されている。第１の空間１５３Ａと第２の空間１５３Ｂとは、側壁部１５２Ｂに形成された開口部１５２Ｄを通じて連通している。また、第３の空間１５３Ｃは、仕切り部材１５２の一対の側壁部１５２Ｂの両側部と第１の容器１４３の内壁との間の隙間を介して、第１の空間１５３Ａ及び第２の空間１５３Ｂと連通している。この隙間の面積は側壁部１５２Ｂに形成された開口部１５２Ｄの面積に比べて非常に小さいため、第１の空間１５３Ａから第３の空間１５３Ｃへの圧力損失は、第１の空間１５３Ａから第２の空間１５３Ｂまで（特に、第２の底面１４３Ａ２の底面に形成された開口部まで）の圧力損失よりも高くなっている。なお、後述するように、第２の空間１５３Ｂは水蒸気と原料ガスとを混合する混合流路として機能し、第３の空間１５３Ｃは突沸緩衝空間として機能する。

第２の容器１４４は、底面１４４Ａと、底面１４４Ａの外周縁から上方に延びる側壁１４４Ｂと、側壁１４４Ｂの上端から水平方向外方に延びる鍔部１４４Ｃと、を備える。第２の容器１４４の底面１４４Ａには、排気管１７１の上端が接続される開口部と、排気ガス排出管８２が接続される開口部とが形成されている。

第２の容器１４４は、第１の容器１４３に下方から重ね合わされている。重ね合わされた状態において、第２の容器１４４の鍔部１４４Ｃの上面は、第１の容器１４３の鍔部１４３Ｃの下面に当接している。また、第２の容器１４４の側壁１４４Ｂの上部は、第１の容器１４３の側壁１４３Ｂと当接している。

第１の容器１４３の底面１４３Ａ１、１４３Ａ２と、第２の容器１４４の底面１４４Ａとの間には、排気管１７１から排気ガス排出管８２まで蒸発器１４０の長手方向に延びる排気ガス流路１５４が形成されている。なお、この排気ガス流路１５４は、隔壁１４７内の空間１４７Ｄと連通している。

また、排気ガス流路１５４内には、熱交換促進部材としてのプレートフィン１５５が設けられている。図８（Ａ）は排ガス流路内に設けられたプレートフィンを示す斜視図であり、（Ｂ）は蒸発器におけるプレートフィンの近傍を拡大して示す図である。

プレートフィン１５５は、一枚の金属製プレートを加工して製造されている。プレートフィン１５５は、板状の本体部１５５Ａと、下方に突出する第１の突出部１５５Ｂと、上方に突出する第２の突出部１５５Ｃとを有する。

また、第１の突出部１５５Ｂは、それぞれ、斜め下方に向かって延びる一対の傾斜部１５５Ｂ１と、一対の傾斜部１５５Ｂ１の下端部の間を結ぶ連結部１５５Ｂ２とにより構成される。そして、本体部１５５Ａの第１の突出部１５５Ｂの上方に当たる位置に第１の通過穴１５５Ｂ３が形成されている。また、第１の突出部１５５Ｂの連結部１５５Ｂ２の下面には、円柱状の突起部１５５Ｂ４が形成されている。なお、この突起部１５５Ｂ４の面積は、第１及び第２の突出部１５５Ｂ、１５５Ｃの連結部１５５Ｂ２、１５５Ｃ２の面積よりも小さい。

第２の突出部１５５Ｃは、それぞれ、斜め上方に向かって延びる一対の傾斜部１５５Ｃ１と、一対の傾斜部１５５Ｃ１の上端部の間を結ぶ連結部１５５Ｃ２とにより構成される。そして、本体部１５５Ａの第２の突出部１５５Ｃの下方に当たる位置には、第２の通過穴１５５Ｃ３が形成されている。

プレートフィン１５５は、第１の突出部１５５Ｂの突起部１５５Ｂ４が第２の容器１４４の底面１４４Ａと当接し、第２の突出部１５５Ｃの連結部１５５Ｃ２が第１の容器１４３の底面１４３Ａ１と当接している。これにより、プレートフィン１５５は、第１の容器１４３の底面１４３Ａ１と熱的に接続され、プレートフィン１５５の第２の容器１４４の底面１４４Ａへの熱抵抗が、第１の容器１４３の底面１４３Ａ１との熱抵抗よりも大きくなっている。

このように排気ガス流路１５４内にプレートフィン１５５が配置されることにより、排気ガス流路１５４はプレートフィン１５５の本体部１５５Ａにより上部空間１５４Ａと、下部空間１５４Ｂとに分割される。そして、プレートフィン１５５の本体部１５５Ａに形成された第１の通過穴１５５Ｂ３及び第２の通過穴１５５Ｃ３を通じて、上部空間１５４Ａと、下部空間１５４Ｂとの間で排気ガス流路１５４を流れる排ガスが流通することができる。

図５に示すように、第１の容器１４３の底面１４３Ａ１、１４３Ａ２と天板１４２との間の距離は、第２の容器１４４の底面１４４Ａと第１の容器１４３の底面１４３Ａ１、１４３Ａ２との間の距離よりも大きくなっている。これにより、蒸発器１４０の全体の高さＨに対する蒸発室１５０の高さＨＡの占める割合が、蒸発器１４０の全体の高さＨに対する排気ガス流路１５４の高さＨＢが占める割合よりも高くなっている。

さらに、蒸発器１４０はヒータ１５７を備える。図６に示すように、矩形状の蒸発器１４０の三辺の外周に沿うように設けられており、両端部は蒸発室１５０側に向かって延在している。図５に示すように、ヒータ１５７は第１の容器１４３の側壁１４３Ｂと、第２の容器１４４の側壁１４４Ｂとが重なり合った第１の重なり部１５８Ａに側方から当接している。さらに、ヒータ１５７は、第１の容器１４３の鍔部１４３Ｃと、第２の容器１４４の鍔部１４４Ｃと、天板１４２とが重なり合った第２の重なり部１５８Ｂに下方から当接している。なお、ヒータ１５７は蒸発器１４０の全周に沿うように設けてもよい。

図５に示すように、水供給配管６２及び原料供給配管６３は図５の右側から水平に延び、蒸発器１４０の蒸発室１５０側の側縁を跨いでいる。そして、水供給配管６２及び原料供給配管６３は下方に向かって屈曲し、天板１４２に形成された開口を挿通し、蒸発室１５０室内に開口している。なお、水供給配管６２は、蒸発室１５０側の端部の幅方向中央に開口しており、原料供給配管６３は蒸発室１５０側の端部の蒸発室１５０の幅方向一側に開口している。

また、蒸発器１４０は温度センサ６９を備える。温度センサ６９も水供給配管６２及び原料供給配管６３と同様に蒸発器１４０の蒸発室１５０側の側縁を跨いで水平方向に延びている。温度センサ６９は、天板１４２の上面に当接するように取り付けられている。そして、温度センサ６９は、その先端の温度を検知するセンサ部６９Ａが蒸発室１５０の中間よりも下流側に位置するように配置されている。

排気ガス排出管８２は、排気ガス流路１５４の下流端部の幅方向一側に接続されている。蒸発器１４０に接続された排気ガス排出管８２は下方に向かって延びており、下端が燃焼触媒器２００に接続されている。燃焼触媒器２００は横方向に延びる円筒状の部材であり、内部に円柱状の空間が形成されている。排気ガス排出管８２は燃焼触媒器２００の一端部に接続されており、燃焼触媒器２００の他端部には排ガス放出管２０２が接続されている。排ガス放出管２０２は水平方向に蒸発器１４０から離間する方向に水平に延びている。燃焼触媒器２００は蒸発器１４０と同様に断熱材７の内部に配置されている。

図２及び図５に示すように蒸発器１４０は排気ガス排出管８２が接続された側の端部が上面視において、モジュールケース８の縁より外方まで延在している。そして、燃焼触媒器２００はこの蒸発器１４０のモジュールケース８の縁より外方まで延在している部分の直下に位置している。また、燃焼触媒器２００は、改質器１２０よりも上方に位置している。そして、燃焼触媒器２００の排ガス排出口は改質器１２０よりも高い位置に設けられており、排ガス排出口に接続された排ガス放出管２０２は、改質器１２０よりも高い位置を水平方向に延びている。

図９は、燃焼触媒器の軸方向断面図である。同図に示すように、燃焼触媒器２００は、容器本体２０４と、容器本体２０４内に配置された燃焼触媒２０６と、容器本体２０４内の燃焼触媒２０６の前後に配置された一対の環状固定部材２０８とを備える。

容器本体２０４は、円筒形状を呈しており、蒸発器１４０の排気ガス流路１５４の下流側の縁に沿って水平に延びている。また、図２に示すように、容器本体２０４の最下部の高さは、改質器１２０の最上部の高さよりも高くなっている。

環状固定部材２０８は、円環状を呈しており、環状固定部材２０８の外径は燃焼触媒２０６の直径よりも大径となっている。環状固定部材２０８は、容器本体２０４内に嵌め込まれた状態で固定されている。

燃焼触媒２０６は円柱状を呈しており、容器本体２０４内に配置されている。燃焼触媒２０６は、一対の環状固定部材２０８により前後前後から挟み込まれることにより、容器本体２０４内に固定されている。図１０は、燃焼触媒の構成を示す図である。同図に示すように、燃焼触媒２０６はシート状触媒２１０を巻き上げることにより構成されている。シート状触媒２１０は一対の上下面２１０Ａの間にジグザグに延びる中間材２１０Ｂが配置されてなる。これら上下面２１０Ａ及び中間材２１０Ｂの表面に触媒が塗布されている。これにより、シート状触媒２１０は、上下面２１０Ａの間に三角形状の貫通孔２０６Ａが連続して並ぶような構成となっている。このような構成のシート状触媒２１０が巻き上げられてなる燃焼触媒２０６は、長手方向に三角形状の断面を有する貫通孔２０６Ａが隙間なく螺旋状に連続して並ぶ構成となっている。本明細書では、このように複数の連通孔が平行に延びているような構成をハニカム型という。

このような蒸発器１４０では、排気管１７１から供給された排ガスは排気ガス流路１５４を流れ、排気ガス排出管８２へと排出される。そして、水供給配管６２から蒸発室１５０に供給された水は、底面１４３Ａ１上を拡がりながら流れる。そして、底面１４３Ａ１を介して排ガスと水との間で熱交換が行われ、水が蒸発して水蒸気が生成される。蒸発室１５０で発生した水蒸気は、原料供給配管６３から供給された原料ガスとともに混合室１５１に流れこみ、水蒸気と燃料ガスとが混合されて、混合ガス供給管１１２へと排出される。

また、排気ガス排出管８２から排出された排ガスは、燃焼触媒器２００に供給される。燃焼触媒器２００に供給された排ガスは、燃焼触媒２０６の貫通孔２０６Ａ内の内部流路を通り、一酸化炭素等の有害ガス（未燃燃料）が酸化され、排ガス放出管２０２へと排出される。

つぎに、図２及び図３に示すように、改質器１２０は、燃焼室１８の上方でモジュールケース８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、モジュールケース８の天板８ａとの間に排気ガス誘導部材１３０を介して所定距離隔てられて状態で、天板８ａに対して固定されている。改質器１２０は、上面視で外形略矩形であるが、中央部に貫通孔１２０ｂが形成された環状構造体であり、上側ケース１２１と下側ケース１２２とが接合された筐体を有している。この貫通孔１２０ｂは、天板８ａに形成された排気口１１１と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔１２０ｂの中央位置に排気口１１１が形成される。

改質器１２０の長手方向の一端側（モジュールケース８の閉鎖側板８ｅ側）では、上側ケース１２１に設けられた混合ガス供給口１２０ａに混合ガス供給管１１２が連結されており、他端側（閉鎖側板８ｄ側）では、燃料ガス供給管６４が下側ケース１２２に、脱硫器３６まで延びる水添脱硫器用水素取出管６５が上側ケース１２１にそれぞれ連結されている。したがって、改質器１２０は、混合ガス供給管１１２から混合ガス（つまり水蒸気が混合された原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい））を受け取り、内部で混合ガスを改質し、燃料ガス供給管６４及び水添脱硫器用水素取出管６５から改質後のガス（即ち、燃料ガス）を排出するように構成されている。

改質器１２０は、その内部空間が２つの仕切り板１２３ａ，１２３ｂによって３つの空間に仕切られることにより、改質器１２０内に、混合ガス供給管１１２からの混合ガスを受入れる混合ガス受入部１２０Ａと、混合ガスを改質するための改質触媒（図示せず）が充填された改質部１２０Ｂと、改質部１２０Ｂを通過したガスを排出するガス排出部１２０Ｃと、が形成されている（図２参照）。改質部１２０Ｂは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに挟まれた空間であり、この空間に改質触媒が保持されている。混合ガス及び改質後の燃料ガスは、仕切り板１２３ａ，１２３ｂに設けられた複数の連通孔（スリット）を通って移動可能となっている。また、改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。

混合ガス受入部１２０Ａには、蒸発器１４０から混合ガス供給管１１２を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口１２０ａを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部１２０Ａ内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに供給される。
改質部１２０Ｂでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板１２３ｂを通過してガス排出部１２０Ｃに供給される。
ガス排出部１２０Ｃでは、燃料ガスが燃料ガス供給管６４、及び、水添脱硫器用水素取出管６５へ排出される。

燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュールケース８内を閉鎖側板８ｄに沿って下方へ延び、底板８ｃ付近で略９０°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内へ入り、更にマニホールド６６内で逆側の閉鎖側板８ｅ付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。このマニホールド６６の上方には、燃料電池セルスタック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。

排気ガス誘導部材１３０は、改質器１２０と天板８ａとの間でモジュールケース８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置されている。排気ガス誘導部材１３０は、上下方向に所定距離だけ離間された下部誘導板１３１及び上部誘導板１３２と、これらの長手方向の両端辺が取り付けられる連結板１３３，１３４とを備えている（図２，図３参照）。上部誘導板１３２は、幅方向の両端部が下方に向けて折り曲げられ、下部誘導板１３１に連結されている。連結板１３３，１３４は、上端部が天板８ａに連結され、下端部が改質器１２０に連結されており、これにより、排気ガス誘導部材１３０及び改質器１２０を天板８ａに固定している。

下部誘導板１３１は、幅方向（図３の左右方向）の中央部が下方に向けて突出する凸状段部１３１ａが形成されている。一方、上部誘導板１３２は、下部誘導板１３１と同様に、幅方向の中央部が下方に向けて凹状となるように凹部１３２ａが形成されている。凸状段部１３１ａと凹部１３２ａは、上下方向で並行して長手方向に延びている。混合ガス供給管１１２は、モジュールケース８内でこの凹部１３２ａ内を水平方向に延びた後、閉鎖側板８ｅ付近で下方に向けて屈曲し、上部誘導板１３２及び下部誘導板１３１を貫通して、改質器１２０に連結されている。

排気ガス誘導部材１３０は、上部誘導板１３２、下部誘導板１３１、連結板１３３，１３４によって、断熱層として機能する内部空間であるガス溜１３５が形成されている。このガス溜１３５は、燃焼室１８と流体連通している。すなわち、上部誘導板１３２、下部誘導板１３１、連結板１３３，１３４は、所定の隙間を形成するように連結されており、気密的には連結されていない。ガス溜１３５には、運転中に燃焼室１８から排気ガスが流入したり、停止時に外部から空気が流入したりすることが可能となっているが、総じてガス溜１３５の内外間のガスの移動は緩やかである。

上部誘導板１３２は、天板８ａと所定の上下方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板１３２と天板８ａとの間には、長手方向及び幅方向に沿って水平方向に延びる排気通路１７２が形成されている。この排気通路１７２は、モジュールケース８の天板８ａを挟んで空気通路１６１ａと並設されており、排気通路１７２内には、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内のプレートフィン１６２，１６３と同様なプレートフィン１７５が配置されている。このプレートフィン１７５は、プレートフィン１６２と上面視で略同一箇所に設けられており、天板８ａを挟んで上下方向に対向している。空気通路１６１ａ及び排気通路１７２のうち、プレートフィン１６２，１７５が設けられた部分において、空気通路１６１ａを流れる発電用空気と排気通路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。

また、改質器１２０は、モジュールケース８の側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、改質器１２０と側板８ｂとの間には、排気ガスを下方から上方へ通過させる排気通路１７３が形成されている。また、排気ガス誘導部材１３０も側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、排気通路１７３は、排気ガス誘導部材１３０と側板８ｂとの間の通路を含んで天板８ａまで延びている。排気通路１７３は、天板８ａと側板８ｂとの角部に位置する排気ガス導入口１７２ａで排気通路１７２と連通している。この排気ガス導入口１７２ａは、モジュールケース８内で長手方向に延びている。

さらに、下部誘導板１３１は、改質器１２０の上側ケース１２１の天面から所定の上下方向距離を隔てて配置されており、下部誘導板１３１と上側ケース１２１との間、及び、改質器１２０の貫通孔１２０ｂは、貫通孔１２０ｂを下方から上方へ向けて通過した排気ガスを通過させる排気通路１７４を形成している。この排気通路１７４は、改質器１２０の上方で排気通路１７３と合流する。

つぎに、図１１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１１は、本発明の一実施形態による固体酸化物形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１１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。

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。

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。

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。

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。

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。

つぎに、図１２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１２は、本発明の一実施形態による固体酸化物形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１２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。

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。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図６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、１２８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。

つぎに、図１３及び図１４を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。
図１３は、図２と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図１４は、図３と同様の、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。なお、図１３及び図１４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る。図中、実線矢印は燃料ガスの流れ、破線矢印は発電用空気の流れ、一点鎖線矢印は排気ガスの流れを示す。

図１３及び図１４に示すように、水及び原燃料ガス（原料ガス）は、蒸発器１４０の長手方向の一端側に連結された水供給配管６２及び原料供給配管６３から蒸発器１４０の上層に設けられた蒸発室１５０内に供給される。蒸発室１５０に供給された水は、第１の容器１４３の底面１４３Ａ１の上面が粗面として形成されているため、広範囲に拡がる。また、第１の容器１４３の底面１４３Ａ１の上面には、連続溝１５６が形成されているため、広範囲に拡がる。このようにして広範囲に広がった水は、蒸発器１４０の下層に設けられた排気ガス流路１５４を流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この際、蒸発室１５０内にはアルミナボール（熱伝導部材）が充填されているため、排気ガス流路１５４からの熱がアルミナボールを介して水に伝達される。この水蒸気と、原料供給配管６３から供給された原燃料ガスとが、蒸発室１５０内を下流方向に流れて行く。

図１５は、蒸発室及び混合室内における水蒸気と原燃料ガスとの流れを示す斜視図である。蒸発室１５０内で発生した水蒸気と原燃料ガスとは、隔壁１４７の中央に形成された凹部１４７Ａ内を通過して混合室１５１へと流入する。この際、凹部１４７Ａが混合室１５１に向けて幅が狭くなっているため、凹部１４７Ａを通過する際に水蒸気と原燃料ガスとが、より均一に混合される。なお、この際、隔壁１４７の内側の空間１４７Ｄに排ガスが入り込むため、水蒸気と原燃料ガスが隔壁１４７によって加熱される。そして、凹部１４７Ａから混合室１５１の第１の空間１５３Ａ内に流入した水蒸気と原燃料ガスとは、幅方向両側に分かれて流れる。ここで、上述したように仕切り部材１５２と混合室１５１の内壁との間を介した第１の空間１５３Ａから第３の空間１５３Ｃへの圧力損失は、開口部１５２Ｄを介した第１の空間１５３Ａから第２の底面１４３Ａ２の底面に形成された開口部までの圧力損失よりも高くなっているため、第１の空間１５３Ａ内に流れこんだ水蒸気と原燃料ガスとは、図１５に実線で示すように、仕切り部材１５２の開口部１５２Ｄを通って第２の空間１５３Ｂ内に流れこむ。水蒸気と原燃料ガスとは、このように第１の空間１５３Ａ及び第２の空間１５３Ｂを流れる間に混合されて、混合ガス供給管１１２へと排出される。

なお、蒸発室１５０内において突沸現象が生じた場合には、蒸発室１５０内に急激に水蒸気が発生し、第１の空間１５３Ａ内に流れる。そして、このように突沸現象が生じた場合には、一時的に蒸発室１５０及び混合室１５１の第１の空間１５３Ａ内の気圧が高くなる。このように第１の空間１５３Ａの気圧が高くなると、第１の空間１５３Ａ内の水蒸気は仕切り部材１５２の側部と第１の容器１４３の内壁との間の隙間を介して第３の空間１５３Ｃへと流れこむ。これにより、突沸現象が生じた場合であっても、蒸発室１５０及び混合室１５１内の圧力の急激な上昇を抑えることができる。

また、図１６は、第１の重なり部１５８Ａ及び第２の重なり部１５８Ｂの近傍を拡大して示す断面図である。同図に示すように、蒸発器１４０の第１の重なり部１５８Ａ及び第２の重なり部１５８Ｂと当接するように、ヒータ１５７が配置されている。このため、ヒータ１５７から熱が図中矢印で示すように、第１の重なり部１５８Ａ及び第２の重なり部１５８Ｂを介して効果的に第１の容器１４３の底面１４３Ａ２、第２の容器１４４の底面１４４Ａ、及び天板１４２を加熱する。これにより、蒸発室１５０及び混合室１５１内の水蒸気及び原料ガスが加熱される。また、排気ガス流路１５４内の排ガスも加熱され、この熱が第１の容器１４３の底面１４３Ａ２を介して水蒸気及び原料ガスに伝達されるため、より効率良く、水蒸気及び原料ガスを加熱することができる。

混合ガス供給管１１２へと排出た混合ガス（燃料ガス）は、混合ガス供給管１１２を通って、モジュールケース８内の改質器１２０に供給される。混合ガス供給管１１２は、排気ガス流路１５４，排気管１７１，及び排気通路１７２の近傍を順に通過しているため、これらの通路を流れる排気ガスにより、混合ガス供給管１１２内の混合ガスは更に加熱される。

混合ガスは、改質器１２０内の混合ガス受入部１２０Ａ内に流入し、ここから仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに流入する。混合ガスは、改質部１２０Ｂにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、仕切り板１２３ｂを通過して、ガス排出部１２０Ｃに流入する。

さらに、燃料ガスは、ガス排出部１２０Ｃから燃料ガス供給管６４と水添脱硫器用水素取出管６５とに分岐する。そして、燃料ガス供給管６４に流入した燃料ガスは、燃料ガス供給管６４の水平部６４ａに設けられた燃料供給孔６４ｂからマニホールド６６内に供給され、マニホールド６６から各燃料電池セルユニット１６内に供給される。

また、図１３及び図１４に示すように、発電用空気は、発電用空気導入管７４から空気通路１６１ａに供給される。発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂ内において、プレートフィン１６２，１６３を通過する際に、これらプレートフィン１６２，１６３の下部のモジュールケース８内に形成された排気通路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、排気通路１７２内には、空気通路１６１ａのプレートフィン１６２に対応してプレートフィン１７５が設けられているので、発電用空気は、プレートフィン１６２とプレートフィン１７５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８ｆから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される。

なお、本実施形態では、燃料電池セル集合体１２の側方部位には排気通路が形成されていないため、この部位において発電用空気と排気ガスとの間の熱交換は抑制される。したがって、燃料電池セル集合体１２の側方部位において、空気通路１６１ｂ内の発電用空気に上下方向の温度勾配が生じ難くなっている。

また、発電室１０内で発電に利用されなかった燃料ガスは、図１３に示すように、燃焼室１８で燃焼されて排気ガス（燃焼ガス）となり、モジュールケース８内を上昇していく。具体的には、排気ガスは、排気通路１７３と排気通路１７４とに分岐して、改質器１２０の外側面とモジュールケース８の側板８ｂとの間、及び、改質器１２０の貫通孔１２０ｂから改質器１２０と排気ガス誘導部材１３０との間をそれぞれ通過する。このとき、排気通路１７４を通過する排気ガスは、改質器１２０の貫通孔１２０ｂの上方に配置された凸状段部１３１ａによって幅方向に二分され、排気ガス誘導部材１３０の下部に留まることなく排気通路１７３に向けて誘導され、排気通路１７３を流れる排気ガスに素早く合流される。

その後、排気ガスは、排気ガス導入口１７２ａから排気通路１７２に流入する。排気通路１７２内では、排気ガスは、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の中央に形成された排気口１１１から流出する。

なお、排気ガスが排気通路１７３を上方へ流れていく際に、空気通路１６１ｂ内に設けられたプレートフィン１６３を介して、発電用空気と排気ガスとの間で熱交換が行われる。また、排気ガスが排気通路１７２を水平方向に流れていく際に、排気通路１７２内に設けられたプレートフィン１７５と、このプレートフィン１７５に対応して空気通路１６１ａ内に設けられたプレートフィン１６２とを介して、発電用空気と排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。このようにして、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。

そして、排気口１１１から流出した排気ガスは、モジュールケース８の外部に設けられた排気管１７１を通過して蒸発器１４０の排気ガス流路１５４に流入する。排気ガス流路１５４に流入した排気ガスは、排気ガス流路１５４内を排気ガス排出管８２に向かって流れる。この際、排気ガス流路１５４には、プレートフィン１５５が設けられているため、より効率良く排気ガスと蒸発室１５０内の水との熱交換が行われる。

また、排気ガス流路１５４を通る排ガスは、ヒータ１５７により加熱される。このヒータ１５７からの熱は、蒸発器１４０及び排気ガス流路１５４を介して燃焼触媒器２００に伝達される。さらに、排ガスは排気ガス流路１５４内でヒータ１５７により加熱され、加熱された排ガスが燃焼触媒器２００に流入する。このようにして、ヒータ１５７の熱が間接的に燃焼触媒器２００に伝達され、燃焼触媒２０６を加熱することができる。

そして、排気ガス流路１５４を通過した排気ガスは、排気ガス排出管８２に排出され、燃焼触媒器２００に流入する。燃焼触媒器２００に流入した排気ガスは、燃焼触媒２０６の貫通孔２０６Ａを通過する。これにより排気ガスに含まれる一酸化炭素などの未燃焼ガス（有害ガス）が触媒と接触し、酸化される。そして、燃焼触媒器２００を流通した排気ガスは排ガス放出管２０２に排出される。

なお、上記実施形態では、蒸発室１５０の底面１４３Ａ１に図７に示すような連続溝１５６が形成された場合について説明したが、蒸発室１５０の底面１４３Ａ１に形成される連続溝のパターンはこれに限られない。

図１７は別の実施形態による蒸発室１５０の底面１４３Ａ１に形成された連続溝２５６を示す図である。なお、図１７における下方が水供給配管６２側である。同図に示すように、本実施液体では、第１の容器１４３の第１の底面１４３Ａ１上には、正六角形状の突起部２５６Ｃが設けられている。これら突起部２５６Ｃは、隣接する突起部２５６Ｃのそれぞれの辺同士が平行に対向するように配置されており、これにより、突起部２５６Ｃの間には正六角形状の溝が網目状に形成される。このような構成により、例えば、図１７の中央下方から溝２５６内に入り込んだ水は、Ｄ部において左右に屈曲及び分割され、Ｅ部の溝内を直進し、再びＤ部において屈曲及び分割される。このように、連続溝２５６に供給された水は、Ｄ部における屈曲及び分割と、Ｅ部の溝内の直進と、を繰り返すことにより、広域に拡がりながら流れる。

以上説明したように、上記各実施形態によれば以下の効果が得られる。
上記実施形態では、混合室１５１内に仕切り部材１５２により、突沸緩衝空間としての第３の空間１５３Ｃが形成されている。これにより、蒸発室１５０で突沸が生じたとしても、第３の空間１５３Ｃに水蒸気が流れ込み、蒸発室１５０の内圧の上昇が緩和されるため、原料ガスの供給が維持され、燃料枯れの発生を抑止できる。

また、上記実施形態では、混合室１５１内に仕切り部材１５２により、さらに、第１の空間１５３Ａ及び混合流路としての第２の空間１５３Ｂが形成されており、第１の空間１５３Ａから第３の空間１５３Ｃへの圧力損失は、第１の空間１５３Ａから第２の底面１４３Ａ２の底面に形成された開口部までの圧力損失よりも高くなっている。これにより、通常時には原料ガスと水蒸気の混合ガスは第２の空間１５３Ｂを通過し、第３の空間１５３Ｃにはほとんど流入せず、突沸が発生して蒸発室内の圧力が上昇した時のみ、水蒸気を第３の空間１５３Ｃに逃がすことができる。

また、上記実施形態では、混合室１５１の内部は、仕切り部材１５２によって、第３の空間１５３Ｃと第２の空間１５３Ｂとが区画され、第３の空間１５３Ｃへの気体の導入口は、混合室１５１の内壁と、仕切り部材１５２との間の隙間である。これにより、混合室１５１内に仕切り部材１５２を配置するという簡単な構成で、突沸緩衝空間としての第３の空間１５３Ｃを形成し、突沸が発生した時のみ突沸緩衝空間に水蒸気を逃がすような構成とすることができる。

また、上記実施形態では、混合室１５１の底部１４３Ａ２には排出口が形成され、仕切り部材１５２は少なくとも下部が開放する一部材からなり、仕切り部材１５２は排出口を覆うように設けられている。これにより、一部材からなる仕切り部材１５２を、混合室１５１の排出口を覆うように配置するだけの簡単な構成で、混合流路としての第２の空間１５３Ｂ及び突沸緩衝空間としての第３の空間１５３Ｃを形成することができる。

１ 固体酸化物形燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
６ ハウジング
７ 断熱材
８ モジュールケース
８ 閉鎖側板
８ａ 天板
８ｂ 側板
８ｃ 底板
８ｄ 閉鎖側板
８ｅ 閉鎖側板
８ｆ 吹出口
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１３ 下部誘導板
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３２ ガス遮断弁
３６ 脱硫器
３８ 燃料流量調整ユニット
３９ バルブ
４０ 空気供給源
４２ 電磁弁
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
６２ 水供給配管
６３ 原料供給配管
６４ 燃料ガス供給管
６４ａ 水平部
６４ｂ 燃料供給孔
６５ 水添脱硫器用水素取出管
６６ マニホールド
６８ 下支持板
６９ 温度センサ
６９Ａ センサ部
７４ 発電用空気導入管
８２ 排気ガス排出管
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
８６ 内側電極端子
８８ 燃料ガス流路
９０ 内側電極層
９０ａ 上部
９０ｂ 外周面
９０ｃ 上端面
９２ 外側電極層
９４ 電解質層
９６ シール材
９８ 燃料ガス流路細管
１００ 上支持板
１０２ 集電体
１０２ａ 燃料極用接続部
１０２ｂ 空気極用接続部
１０４ 外部端子
１１１ 排気口
１１２ 混合ガス供給管
１２０ 改質器
１２０Ａ 混合ガス受入部
１２０Ｂ 改質部
１２０Ｃ ガス排出部
１２０ａ 混合ガス供給口
１２０ｂ 貫通孔
１２１ 上側ケース
１２２ 下側ケース
１２３ａ 仕切り板
１２３ｂ 仕切り板
１３０ 排気ガス誘導部材
１３１ 下部誘導板
１３１ａ 凸状段部
１３２ 上部誘導板
１３２ａ 凹部
１３３ 連結板
１３５ ガス溜
１４０ 蒸発器
１４１ 蒸発器ケース
１４２ 天板
１４３ 第１の容器
１４３Ａ１ 底面
１４３Ａ２ 底面
１４３Ｂ 側壁
１４３Ｃ 鍔部
１４４ 第２の容器
１４４Ａ 底面
１４４Ｂ 側壁
１４４Ｃ 鍔部
１４７ 隔壁
１４７Ａ 凹部
１４７Ｂ 側壁
１４７Ｃ 上面
１４７Ｄ 空間
１５０ 蒸発室
１５１ 混合室
１５２ 仕切り部材
１５２Ａ 上面
１５２Ｂ 側壁部
１５２Ｃ 基部
１５２Ｄ 開口部
１５３Ａ 第１の空間
１５３Ｂ 第２の空間
１５３Ｃ 第３の空間
１５４ 排気ガス流路
１５４Ａ 上部空間
１５４Ｂ 下部空間
１５５ プレートフィン
１５５Ａ 本体部
１５５Ｂ 突出部
１５５Ｂ１ 傾斜部
１５５Ｂ２ 連結部
１５５Ｂ３ 通過穴
１５５Ｂ４ 突起部
１５５Ｃ 突出部
１５５Ｃ１ 傾斜部
１５５Ｃ２ 連結部
１５５Ｃ３ 通過穴
１５６ 連続溝
１５６Ａ 正方形状の溝
１５６Ｂ 連結溝
１５６Ｃ 突部
１５６Ｄ 突部
１５７ ヒータ
１５８Ａ 第１の重なり部
１５８Ｂ 第２の重なり部
１６０ 空気通路カバー
１６０ａ 天板
１６０ｂ 側板
１６１ａ 空気通路
１６１ｂ 空気通路
１６２ プレートフィン
１６３ プレートフィン
１６７ 開口部
１７１ 排気管
１７２ 排気通路
１７２ａ 排気ガス導入口
１７３ 排気通路
１７４ 排気通路
１７５ プレートフィン
２００ 燃焼触媒器
２０２ 排ガス放出管
２０４ 容器本体
２０６ 燃焼触媒
２０６Ａ 貫通孔
２０８ 環状固定部材
２１０ シート状触媒
２１０Ａ 上下面
２１０Ｂ 中間材
２５６ 連続溝
２５６Ｃ 突起部

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルを複数備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
   前記燃料電池セルを内部に収容するモジュール容器と、
   前記モジュール容器の周囲を覆うように設けられた断熱材と、
   前記モジュール容器内の前記燃料電池セルの上方で、前記燃料電池セルからのオフガスを燃焼して排ガスを生成する燃焼部と、
   前記モジュール容器内の前記燃焼部の上方で、前記排ガスにより加熱して水蒸気により原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記モジュール容器から排出された前記排ガスとの熱交換によって、供給された水から水蒸気を生成する蒸発室、前記生成した水蒸気と供給された原料ガスとを混合する混合室、及び、蒸発室及び前記混合室を分離する隔壁を有し、前記モジュール容器の外側、かつ、前記断熱材の内側に配置された蒸発器と、を備え、
   前記混合室の内部に、前記蒸発室で突沸が発生した場合に生じる内圧の上昇を緩和するための突沸緩衝空間が設けられている、ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
2. 前記混合室内には、前記水蒸気と前記原料ガスとを流通させて混合し混合ガスを生成する混合流路が形成され、
   前記混合流路で混合された混合ガスは、排出口から排出されて前記改質器に供給され、
   前記突沸緩衝空間への導入口の圧力損失は、前記混合流路及び前記排出口よりも圧力損失が高い、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
3. 前記混合室の内部は、仕切り部材によって、前記突沸緩衝空間と前記混合流路とが区画され、
   前記突沸緩衝空間への気体の導入口は、前記混合室の内壁と、前記仕切り部材との間の隙間である、請求項２記載の固体酸化物形燃料電池装置。
4. 前記混合室の底部には排出口が形成され、
   前記仕切り部材は少なくとも下部が開放する一部材からなり、前記仕切り部材は前記排出口を覆うように設けられ、前記仕切り部材と前記混合室の底面との間に少なくとも前記混合流路の一部が区画され、
   前記仕切り部材の前記蒸発室側の部分には前記仕切り部材と前記混合室の底面との間に区画された前記混合流路に連通する開口が形成されている、請求項３記載の固体酸化物形燃料電池装置。

Images