JP2018152304A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法バラツキを吸収するための大掛かりなバラツキ吸収部材を設けることなく組み立て不良の発生を抑制する燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池セル１００４がマニホールド１００５上に立設配置された燃料電池セルスタック１０１６と、燃料電池セルスタックの上方に設けられた改質器と、マニホールドと改質器１００２とのそれぞれに接合固定された燃料ガス供給管１００７と、燃料電池セルスタックと改質器とを内部に有する直方形状のモジュール容器１００１と、を備えた燃料電池装置である。燃料ガス供給管は、燃料電池セルスタックの一側面及び改質器の一側面と、モジュール容器の一側面との間の側面空間に設けられ、燃料電池セルスタックとモジュール容器の内壁面との接合固定部及び燃料電池セルスタックと燃料電池セルスタックからモジュール容器の外部へ電流を取り出す電流取出部１００８との接合固定部は、側面空間に限定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形の燃料電池セルを用いた燃料電池装置に関する。

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た燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置である。高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して例えば７００〜１０００℃程度の比較的高温で動作し、他の燃料電池装置に比べて総合的にエネルギー効率が高い。

このようなＳＯＦＣの一般的な構成として、複数の燃料電池セルを燃料ガスマニホールド（以下、単にマニホールドという）上に立設配置させた燃料電池セルスタックや、都市ガスや水等の原料ガスから燃料電池セルの発電に用いる水素を含有する燃料ガスに改質する改質器、改質した燃料ガスを改質器から燃料電池セルに供給するための燃料ガス供給管などが、金属製のモジュール容器の内部に設置されている。また、上記の原料ガスをモジュール容器の内部へ供給するための配管や、燃料電池セルの発電反応により生じた電流をモジュール容器の外部に取り出す電流取出電極（バスバー）等がモジュール容器の壁面と接合固定されている。

例えば特許文献１に開示される燃料電池装置においては、マニホールド上に複数の燃料電池セルが配列された燃料電池セルスタックが設けられ、当該燃料電池セルスタックは、燃料ガス供給管を介して燃料電池セルスタックの上方に位置する改質器と接続固定されている。燃料電池セルスタックと接続固定されるこの改質器は、燃料電池セルスタックに対して燃料ガス供給管が配置されている側面側に原料ガス供給管及び水供給管の一端が接続固定され、原料ガス供給管及び水供給管の他端はそれぞれモジュール容器の壁面と接合固定されている。このため改質器はモジュール容器内において、原料ガス供給管と水供給管と燃料ガス供給管とにより支持される構造である。

一方、燃料電池セルスタックにより発電された電流をモジュール容器の外部へ取り出すための電流取出部（電流引出部材）は、燃料電池セルスタックに対して燃料ガス供給管が配置されている側面側とは対向する側に設けられ、電流取出部の一端は燃料電池セルスタックの一側面と接合固定され、電流取出部の他端はモジュール容器の壁面と接合固定されている。

特開２０１６−７２０５４号公報

すなわち特許文献１に記載の燃料電池モジュールの内部構造として、燃料電池セルスタックは、改質器や各配管、電流取出部を介してモジュール容器の側壁面に接合固定されている。

ところで、燃料電池装置の製造に際し、これを構成する個々の構成部品は当然に製造上の寸法公差（寸法の許容限界）が設定され、製造上生じる寸法のバラツキはその範囲で許容される。そして、複数の構成部品を接合するごとにその寸法のバラツキ（あるいは寸法公差）は積算される。このため、特許文献１に記載される内部構造では、構成部品個々の寸法公差内での製造バラツキが積算される接合固定部が、燃料電池セルスタックの両側面に振り分けられた構造となる。このため、寸法公差の積算による増加を低減するために、バラツキを吸収する機構が別途必要となってしまう。

そこで本発明は、寸法バラツキを吸収するための機構として大掛かりなバラツキ吸収部材を設けることなく、寸法公差の積み重なりによる組み立て不良の発生を抑制することができる燃料電池装置を提供するものである。

そこで、本発明にかかる燃料電池装置の一態様は、複数の燃料電池セルがマニホールド上に立設配置された燃料電池セルスタックと、燃料電池セルスタックの上方に設けられた改質器と、マニホールドと改質器とのそれぞれに接合固定された燃料ガス供給管と、燃料電池セルスタックと改質器とを内部に有する直方形状のモジュール容器と、を備えた燃料電池装置であって、燃料ガス供給管は、燃料電池セルスタックの一側面及び改質器の一側面と、モジュール容器の一側面との間の側面空間に設けられ、燃料電池セルスタックとモジュール容器の内壁面との接合固定部、及び燃料電池セルスタックと燃料電池セルスタックからモジュール容器の外部へ電流を取り出す電流取出部との接合固定部は、側面空間に限定されている。

本態様においては、上述した従来のモジュール容器の内部構造において複数箇所に散在する接合固定部を、燃料電池セルスタックに対して一つの側面の側に集中的に配置した。すなわち、（１）改質器と燃料ガス供給管との接合固定部、（２）燃料ガス供給管と燃料電池セルスタックとの接合固定部、（３）燃料電池セルスタックと電流取出部との接合固定部、（４）燃料電池セルスタックとモジュール容器の壁面との接合固定部、をモジュール容器内の一側面の側の空間（側面空間）に全て配置されるように構成した。このような態様により、モジュール容器の内部に配置される各構成部品のそれぞれの寸法公差を接合固定部が集まる当該側面空間よりも遠方の接合固定部が設けられていない空間に振り分けることができ、その結果、接合固定部を集中させた燃料電池セルスタックの一側面における寸法バラツキを大きく低減することができた。このため、組み立て不良を低減することが可能となった。加えて、７００度程度の高温下で運転するＳＯＦＣにおいては、高温運転の繰り返しによって生じる熱応力に起因する接合固定部の構造劣化についても低減することができる。

ここで、本明細書において「接合固定」とは、構成部品どうしが可動でないように接続されている状態を指し、構成部品それぞれの寸法公差が積算される要因となる連結部であることを意味する。例えば、溶接やボルトによって可動でないように固定されている状態をいう。

また本発明の一態様においては、燃料電池セルスタックは、燃料電池セルスタックの一側面と対向する側に可動域を有するように、モジュール容器の内壁面に嵌合されていることが好ましい。

本態様によれば、接合固定を集中させた側面に対向する側面（側面空間）と対向する側においては燃料電池セルスタックをモジュール容器に固定せずに可動とすることで、側面空間において積算されるそれぞれの接合固定部の寸法バラツキ（寸法公差）を吸収することができる。

ここで、本明細書において「嵌合されている」とは、二つの構成部品が当接して接続されていることをいい、溶接等により接合固定されていない接続状態をいう。

また本発明の一態様においては、燃料電池セルスタックとモジュール容器の内壁面との接合固定部の寸法公差、及び燃料電池セルスタックと電流取出部との接合固定部の寸法公差は、可動域よりも小さいことが好ましい。

本態様によれば、接合固定部を集中させた側面空間に対向する側において燃料電池セルスタックをモジュール容器に接合固定せずに可動とすることで、側面空間における接合固定部の構造のそれぞれについて寸法公差をあらかじめ小さく設計することができ、燃料電池装置の組み立て精度を向上させることができる。

また本発明の一態様においては、燃料電池セルスタックは、マニホールドに溶接された中間部材を介してモジュール容器の底面に接合固定されていることが好ましい。

本態様によれば、燃料電池セルスタックとモジュール容器との接合固定に際し、中間部材を間に用いることによって、それぞれを側面空間で接合固定することが物理構造的に困難な場合であっても、可能にすることができる。

また本発明の一態様においては、中間部材とモジュール容器の底面とは、ボルトによって接合固定されていることが好ましい。

本態様によれば、接合固定部を側面空間に集中的に配置するとともに、その接合固定方法としてボルトによる固定を行うことで、燃料電池装置の製造における作業簡易性と組み立て精度の向上の両立を図ることができる。

また本発明の一態様においては、燃料電池セルスタックにおいて、複数の燃料電池セルは電気的に直列に接続され、最端に位置する燃料電池セルのそれぞれは、最端に位置する燃料電池セルのそれぞれに接続された集電部材を介して対応するそれぞれの電流取出部と接合固定されていることが好ましい。

本態様によれば、燃料電池セルと電流取出部との間に集電部材を設けることで、集電部材の設計に応じて電流取出部との接合固定部の位置を任意に設定することができる。

また本発明の一態様においては、集電部材と電流取出部とは、ボルトによって接合固定されていることが好ましい。

本態様によれば、接合固定部を側面空間に集中的に配置するとともに、その接合固定方法としてボルトによる固定を行うことで、燃料電池装置の製造における作業簡易性と組み立て精度の向上の両立を図ることができる。

また本発明の一態様においては、集電部材は板状の金属部材でなり、金属部材を折り曲げることによって形成されている応力吸収部を有することが好ましい。

本態様によれば、応力吸収部材を設けた場合であっても、スプリング等の高価な部材を用いることなく、板状金属部材を折り曲げた簡易な構造で寸法バラツキを吸収することができる。

また本発明の一態様においては、改質器は、モジュール容器の天面に接合固定されていることが好ましい。

本態様によれば、改質器をモジュール容器と一体となるようにモジュール容器の天面に接合固定することで、燃料電池セルスタックが側面空間において接合固定された構成とすることができる。

本発明の一実施形態における燃料電池装置のモジュール容器内構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態における燃料電池装置のモジュール容器内構造を示す断面図である。 本発明の一実施形態における燃料電池装置のモジュール容器内構造を部分的に拡大した断面図である。 本発明の一実施形態におけるマニホールドのモジュール容器への接続構造を示す斜視図である。 本発明の一実施例による燃料電池装置を示す全体構成図である。 本発明の一実施例による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６のIII−III線に沿った断面図である。 本発明の一実施例による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９（Ａ）は、本発明の一実施例による改質器を斜め上方から見た斜視図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿った断面図であり、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＶＣ−ＶＣ線に沿った断面図である。 本発明の一実施例による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。 本発明の一実施例による燃料電池装置における燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明の一実施例による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。 本発明の一実施例による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６のIII−III線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。 従来の燃料電池装置における燃料電池モジュールの内部構造を示す断面図である。

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。

本発明の実施形態について、図１乃至図４を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態の燃料電池装置のモジュール容器内構造を示す断面図である。燃料電池モジュール１０００は、燃料電池セル１００４と、改質器１００２と、マニホールド１００５とが内部に設けられたモジュール容器１００１を有する。モジュール容器は高温耐性を有する必要があり、一般的に金属製の容器で構成される。本実施形態においては、モジュール容器１００１として直方形状の外形のものを示す。

燃料電池セル１００４は、水素を含む燃料ガスと酸化剤ガスとの発電反応により発電を行うもので、燃料電池として所望の発電出力を構成するために、通常複数の燃料電池セル１００４が用いられる。燃料電池セル１００４としては、一般的な平板型や円筒型、扁平円筒型を用いることができる。本発明の一実施形態として、複数の燃料電池セル１００４はマニホールド１００５上に立設配置され、燃料電池セルスタック１０１６を構成している。この燃料電池セルスタック１０１６の上方には改質器１００２が設けられ、改質器１００２はマニホールド１００５と燃料ガス供給管１００７によって接続されている。また改質器１００２は、原料ガス供給管１００６の一端と接続され、原料ガス供給管１００６の他端は、モジュール容器１００１に接続されている。一方、燃料電池セルスタック１０１６において、配列される端部の燃料電池セル１００４は、燃料電池モジュール１０００の外部に電流を取り出すための電流取出部１００８と接続され、電流取出部１００８はモジュール容器１００１と接続されている。

本発明の実施態様において、燃料電池モジュール１０００の発電運転動作について説明する。まずモジュール容器１００１の外部に突出した原料ガス供給管１００６を介して改質器１００２に、燃料電池セル１００４の発電に必要な原料ガスが供給される。原料ガスとしては例えば、都市ガスやメタン等の炭化水素系ガスや水（水蒸気）、発電用の空気（酸化剤ガス）が挙げられる。原料ガス供給管１００６は、これらの混合体を供給する単数であってもよくそれぞれ分離して供給するために複数であってもよい。

この原料ガス供給管１００６を介して供給された原料ガスは、改質器１００２内に配置されたＲｕ（ルテニウム）やＮｉ（ニッケル）等の改質触媒による改質触媒反応によって、水素を含有する改質ガス（燃料ガス）に改質される。なお、改質器１００２には、原料ガス供給管１００６を介して供給された水を気化して水蒸気を生成するための蒸発室を内部に別途構成してもよく、また、供給された炭化水素系ガスと水蒸気等を混合するための混合室を別途構成してもよい。あるいは、蒸発室や混合室を改質器１００２の外部に別途設ける構成としてもよい。

改質器１００２で改質された燃料ガスは、燃料ガス供給管１００７を介してマニホールド１００５に供給される。このようにして一時的にマニホールド１００５内に貯蔵された燃料ガスは、その上部に配列される複数の燃料電池セル１００４の内部通路へ均等に供給される。

このようにして複数の燃料電池セル１００４の内部通路に供給された燃料ガスと、燃料電池セル１００４の外部より別途供給された空気（酸化剤ガス）とによって、燃料電池セル１００４は発電反応により発電する。複数の燃料電池セル１００４は電気的に直列や並列に接続され、複数の燃料電池セル１００４の電気的接続からなる燃料電池セル集合体（図示せず）の両端子（＋極及び−極）は、それぞれ電流取出部１００８と集電部材等を介して電気的に接続される。このため、複数の燃料電池セル１００４により生成した電力は、電流取出部１００８から燃料電池モジュール１０００の外部に取り出すことができる。

一方、燃料電池セル１００４における発電反応に用いられずに、残余した燃料ガスや発電反応によって生じた水蒸気等はオフガスとして燃料電池セル１００４の内部通路から外部に排出される。本発明の実施態様として図１に示す燃料電池モジュール１０００においては、オフガスは複数の燃料電池セル１００４の上方からモジュール容器１００１内に排出される。排出されたオフガスは、燃料電池セルスタック１０１６の上方に配置された点火装置（図示せず）を備えた燃焼室１１８において燃焼され、燃焼排ガスとしてモジュール容器１００１の外部に排気される。このとき、燃焼室１１８で生じる燃焼排ガスによって改質器１００２が加熱され、改質器１００２が水蒸気改質反応（ＳＲ）等の改質反応が可能な温度に維持される。

以上のような構成において、改質器１００２と燃料ガス供給管１００６とは溶接等により接合固定されている。また、燃料ガス供給管１００６とマニホールド１００５とは溶接等により接合固定されている。また、マニホールド１００５とモジュール容器１００１とは溶接等により接合固定され、燃料電池セルスタック１０１６と電流取出部１００８とは溶接等により接合固定されている。ここで、本発明の実施形態においては、図１に示すように、燃料ガス供給管１００７は、燃料電池セルスタック１０１６の一側面及び改質器１００２の一側面と、モジュール容器１００１の一側面との間の側面空間１０１５に設けられ、燃料電池セルスタックとモジュール容器１００１の内壁面との接合固定部（図１における部位Ｄ）、及び燃料電池セルスタック１０１６と燃料電池セルスタック１０１６からモジュール容器１００１の外部へ電流を取り出す電流取出部１００８との接合固定部（図１における部位Ｃ）は、側面空間１０１５に限定されている。

本実施形態においては、上述した従来のモジュール容器の内部構造において複数箇所に散在する接合固定部を、燃料電池セルスタック１０１６に対して一つの側面の側に集中的に配置した。すなわち、（１）改質器１００２と燃料ガス供給管１００７との接合固定部、（２）燃料ガス供給管１００７と燃料電池セルスタックとの接合固定部、（３）燃料電池セルスタックと電流取出部１００８との接合固定部、（４）燃料電池セルスタック１０１６とモジュール容器の壁面との接合固定部を、モジュール容器１００１内の一側面の側の空間（側面空間１０１５）に全て配置されるように構成した。さらに原料ガス供給管１００６と改質器１００２との接合固定部についても、側面空間１０１５に配置される。

図２は、図１に示す実施態様に対し、改質器１００２の燃料電池モジュール１０００内での配置の点でのみ相違する。図１に示す実施態様においては、改質器１００２は原料ガス供給管１００６及び燃料ガス供給管１００７と接合固定され、当該配管によって支持されている。これに対し、図２に示す実態態様においては、同様に改質器１００２は原料ガス供給管１００６及び燃料ガス供給管１００７と接合固定されているものの、改質器１００２はモジュール容器１００１の天面に接合固定されている。

このような改質器１００２の固定構造の場合、燃料電池セルスタック１０１６の固定方法として、あらかじめモジュール容器１００１の天面に改質器１００２が接合固定された状態のモジュール容器内に、一側面を開放面とする側面から燃料電池セルスタック１０１６を挿入する方法（横挿入方式）が挙げられる。この場合、改質器１００２はあらかじめモジュール容器１００１の天面に接合固定されているため、モジュール容器１００１の一体とみなすことができる。この場合には、改質器１００２が可動せずに位置が固定されているため、改質器１００２に対して側面空間１０１５の反対側に原料供給管１００６を設けても、原料供給管１００６のもつ寸法公差は、燃料電池セルスタック１０１６の設置に影響を与えない。

一方で、図１に示す実施態様と同様に、（１）改質器１００２と燃料ガス供給管１００７との接合固定部、（２）燃料ガス供給管１００７と燃料電池セルスタックとの接合固定部、（３）燃料電池セルスタック１０１６と電流取出部１００８との接合固定部、（４）燃料電池セルスタック１０１６とモジュール容器の壁面との接合固定部、をモジュール容器１００１内の一側面の側の空間（側面空間１０１５）に全て配置されるように構成される。

次に図３を用いて、燃料電池モジュール１０００の底面部分における燃料電池モジュール１０００内部の取り付け構造について説明する。

燃料電池モジュール１０００の底面部分においては、上部に複数の燃料電池セル１００４が立設配置されたマニホールド１００５が、モジュール容器１００１の底面と接合固定されている。本発明の実施形態においては、このマニホールド１００５とモジュール容器１００１との接合固定のために、中間部材が用いられている。中間部材は、マニホールド１００５とモジュール容器とを接合固定するための中間部材１０１３と、マニホールド１００５とモジュール容器とを嵌合固定するための中間部材１０１２とで構成される。この中間部材を介したマニホールド１００５のモジュール容器１００１への取り付け方法について、説明する。

図４（Ａ）はマニホールド１００５の底面斜視図であり、マニホールド１００５の底面には中間部材に接続するために取り付けられた中間部材１００５ａ及び中間部材１００５ｂを有する。

ここで中間部材１００５ｂは、燃料電池セルスタック１０１６をモジュール容器１００１に横挿入した場合に挿入時に先端となる側に取り付けられた接続用の部材であり、マニホールド１００５に対して外方向に突出して接合されている。そしてモジュール容器１００１への燃料電池セルスタック１０１６の横挿入時に、中間部材１００５ｂがモジュール容器１００１の底面に接合された中間部材１０１２と嵌合して接続固定される。図４（Ｃ）では、モジュール容器１００１の底面に設けられた中間部材１０１２はＬ字状に屈曲した板状部材でなり、下面はモジュール容器１００１の底面に溶接固定され、上面には開口が設けられている。マニホールド１００５に接合固定された中間部材１００５ｂの突出した先端部分がこの開口に挿入されて嵌合される。なお、ここでの嵌合とは中間部材１００５ｂと中間部材１０１２とが当接して組み合うことで接続されることを意味し、可動状態である。

一方、中間部材１００５ａは、燃料電池セルスタック１０１６をモジュール容器１００１に横挿入した場合に挿入時に後端となる側に取り付けられた接続部材であり、同様にマニホールド１００５に対して外方向に突出して接合されている。そしてモジュール容器１００１への燃料電池セルスタック１０１６の横挿入時に、中間部材１００５ａがモジュール容器１００１の底面に接合された中間部材１０１３と溶接等により接合固定される。図４（Ｂ）では、モジュール容器１００１の底面に設けられた中間部材１０１３は燃料電池セルスタック１０１６の挿入方向と直交する方向に延在する板状部材であって、両端部がモジュール容器１００１から離隔するように屈曲され、中央部はモジュール容器１００１の底面と溶接固定されている。またモジュール容器１００１から離隔された両端部にはボルト固定するためのネジ孔が設けられ、中間部材１００５ａと中間部材１０１３の両端部とが重ね合わされ、ボルトにより接合固定されている。

このように、マニホールド１００５とモジュール容器１００１とは、中間部材１０１３及び中間部材１００５ａとによって不可動状態となるようにボルト１０１０によって接合固定される一方で、中間部材１０１２と中間部材１００５ｂとによって可動状態となるように嵌合される（図３参照）。そして、中間部材１０１３と中間部材１００５ａとにより接合固定部は、燃料ガス供給管１００７が配置される側面空間１０１５に配置される。

また、本発明の一実施態様においては、複数の燃料電池セル１００４は集電部材１０１４によって電気的に接続され、接続された燃料電池セル１００４の集合体において両端部に位置する燃料電池セル１００４は、それぞれ集電部材１００９を介して電流取出部（バスバー電極）１００８に接合固定されている。ここで、電流取出部１００８は溶接及びボルトによりモジュール容器の外表面側に接合固定されている。また集電部材１００９は燃料電池セル１００４と導電性接着剤により接合固定され、集電部材１００９はボルト１０１１によって電流取出部１００８と接合固定されている。図３に示すように、このような燃料電池セルスタック１０１６と電流取出部１００８との接合固定部は、側面空間１０１５に設けられている。

以上に示したような実施態様により、モジュール容器１００１の内部に配置される各構成部品のそれぞれの寸法公差を、接合固定部が集まる側面空間１０１５よりも遠方の接合固定部が設けられていない空間に振り分けることができ、その結果、接合固定部を集中させた燃料電池セルスタック１０１６の一側面における寸法バラツキを大きく低減することができた。このため、組み立て不良を低減することが可能となった。加えて、７００度程度の高温下で運転するＳＯＦＣにおいては、高温運転の繰り返しによって生じる熱応力に起因する接合固定部の構造劣化についても低減することができた。

また、本発明の実施態様における燃料電池モジュール１０００では、燃料電池セルスタックは１０１６、燃料電池セルスタック１０１６の一側面と対向する側に可動域を有するように、燃料電池セルスタック１０１６がモジュール容器１００１の内壁面に嵌合されていることが好ましい。これにより、側面空間１０１５において積算されるそれぞれの接合固定部の寸法バラツキ（寸法公差）を当該可動域において吸収することができる。

ここで、燃料電池セルスタック１０１６とモジュール容器１００１の内壁面との接合固定部の寸法公差、及び燃料電池セルスタック１０１６と電流取出部１００８との接合固定部の寸法公差は、この可動域よりも小さいことが好ましい。接合固定部を集中させた側面空間１００５に対向する側において、燃料電池セルスタック１０１６をモジュール容器１００１に接合固定せずに可動とすることで、側面空間１０１５における接合固定部の構造のそれぞれについて寸法公差をあらかじめ小さく設計することができ、燃料電池装置１０００の組み立て精度を向上させることができる。

また燃料電池セルスタック１０１６は、マニホールド１００５に溶接された中間部材１００５aを介してモジュール容器１００１の底面に接合固定されていることが好ましい。燃料電池セルスタック１０１６とモジュール容器１００１との接合固定に際し、中間部材を間に用いることによって、それぞれを側面空間１０１５で接合固定することが物理構造的に困難な場合であっても、可能にすることができる。ここで、中間部材１００５aとモジュール容器の底面とは、ボルト１０１０によって接合固定されていることが好ましい。接合固定部を側面空間１０１５に集中的に配置するとともに、その接合固定方法としてボルト１０１０による固定を行うことで、燃料電池装置の製造における作業簡易性と組み立て精度の向上の両立を図ることができる。

また燃料電池セルスタック１０１６において、複数の燃料電池セル１００４は電気的に直列に接続され、最端に位置する燃料電池セル１００４のそれぞれは、最端に位置する燃料電池セル１００４のそれぞれに接続された集電部材１００９を介して対応するそれぞれの電流取出部１００８と接合固定されていることが好ましい。このような構成とすることで、集電部材１００９の設計に応じて電流取出部１００８との接合固定部の位置を任意に設定することができる。また集電部材１００９と電流取出部１００８とをボルト１０１０によって接合固定すると、接合固定部を側面空間１０１５に集中的に配置することとの相乗性により、燃料電池装置の製造における作業簡易性と組み立て精度の向上の両立を図ることができる。さらに、集電部材１００９として板状の金属部材を用い、金属部材を折り曲げることによって形成される簡易な応力吸収部を設けた場合には、スプリング等の高価な部材を用いることなく、板状金属部材を折り曲げただけの簡易な構造で寸法バラツキを吸収することができる。

図５乃至図１３を用いて、本発明にかかる実施例について説明する。

図５は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置を示す全体構成図である。この図５に示すように、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置１０１は、燃料電池モジュール１０２と、補機ユニット１０４を備えている。

燃料電池モジュール１０２は、ハウジング１０６を備え、このハウジング１０６内部には、断熱材１０７で被覆された金属製のモジュール容器１０８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュール容器１０８の下方部分である発電室１１０には、燃料ガスと酸素含有ガス（以下では適宜「酸化剤ガス」、「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１１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１１２は、９個の燃料電池セルスタック１１４（図６参照）を備え、この燃料電池セルスタック１１４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１１６から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１１２は、１４４本の燃料電池セルユニット１１６を有する。燃料電池セル集合体１１２は、複数の燃料電池セルユニット１１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール１０２のモジュール容器１０８の発電室１１０の上方には、燃焼部としての燃焼室１１８が形成され、この燃焼室１１８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の排ガスが燃焼されるようになっている。さらに、モジュール容器１０８は断熱材１０７により覆われており、燃料電池モジュール１０２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１１８の上方には、燃料ガスを改質する流体処理装置として改質器１２０が配置され、上記した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１０６内においてモジュール容器１０８の上方には、後述する蒸発器１２５が断熱材１０７内に設けられている。蒸発器１２５は、燃焼室１１８において残余ガスである排ガスを燃焼させ、その排ガスと水とが供給され、これらの排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。）をモジュール容器１０８内の改質器１２０に供給する。

次に、補機ユニット１０４は、燃料電池モジュール１０２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１２６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１２８（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１０４は、都市ガス等の燃料供給源１３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁１３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器１３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット１３８（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１３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ１３９を備えている。さらに、補機ユニット１０４は、空気供給源１４０から供給される空気を遮断する電磁弁１４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット１４４及び発電用空気流量調整ユニット１４５（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１４６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１４８とを備えている。これらの第１ヒータ１４６と第２ヒータ１４８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。

次に、燃料電池モジュール１０２には、排ガスが供給される温水製造装置１５０が接続されている。この温水製造装置１５０には、水供給源１２４から水道水が供給され、この水道水が排ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール１０２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１５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール１０２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１５４が接続されている。

次に、図６乃至図８を参照して、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について具体的に説明する。図６は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図７は、図６のIII-III線に沿った断面図であり、図８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。

図６及び図７に示すように、燃料電池モジュール１０２は、主に、上述したように、断熱材１０７内で且つモジュール容器１０８の外部に設けられた蒸発器１２５を有すると共に、モジュール容器１０８の内部に設けられた、燃料電池セル集合体１１２及び改質器１２０を有する。

蒸発器１２５は、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に固定されている（図８参照）。また、熱交換モジュール１２１とモジュール容器１０８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材１０７の一部分１０７ａが配置され、この断熱材１０７の一部分１０７ａも、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に固定されている（図６及び図７参照）。

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１６３と、排ガスを排出するための排ガス排出管１８２とが接続され（図９参照）、水平方向における他側端側に、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に形成された排気口１１１に連結された第１排ガス排出路１７１が接続されている（図６参照）。この排気口１１１は、モジュール容器１０８内の燃焼室１１８で燃焼された排ガスをモジュール容器１０８の外へ排出する開口部であり、モジュール容器１０８の天板１０８ａ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１０７内に配置されている。

また、蒸発器１２５は、図７に示すように、上下方向に二層構造となっており、モジュール容器１０８側に位置する下層部分には、上記した第１排ガス排出路１７１から供給された排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１６３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１６３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。

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を通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排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を通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。

さらに、図６に示すように、蒸発器１２５の混合部１２５ｂには、第１排ガス排出路１７１が接続された蒸発器１２５における端部に、この第１排ガス排出路１７１の内部を通過するように形成された、混合部１２５ｂからモジュール容器１０８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、モジュール容器１０８内、断熱材１０７ａ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。

ここで図８に示すように、蒸発器１２５の天面に直交して接続された燃料供給管１６３は、屈曲部を経て水平方向に延在する非屈曲部分に充填材通過禁止部１８０を有している。充填材通過禁止部１８０により、蒸発器１２５内部への経路の圧力損失を高めることなしに、蒸発器１２５の内部に充填された充填材の漏出を防止することができる。

次に、モジュール容器１０８の外側、具体的にはモジュール容器１０８の外壁と断熱材１０７との間には、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気導入路（酸化剤ガス導入路）１７７が形成されている（図８参照）。この発電用空気導入路１７７は、モジュール容器１０８の天板１０８ａ及び側板１０８ｂと、これら天板１０８ａ及び側板１０８ｂ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、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上の正面視中央位置に設けられた発電用空気導入管１７４から発電用空気が供給される（図９参照）。そして、発電用空気導入路１７７は、モジュール容器１０８の側板１０８ｂ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１１２に向けて発電室１１０内に噴射する（図８参照）。

また、発電用空気導入路１７７の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板１７７ｃ、１７７ｄが設けられている（図８参照）。伝熱板１７７ｃは、モジュール容器１０８の天板１０８ａに沿った発電用空気導入路１７７の部分に設けられ、伝熱板１７７ｄは、モジュール容器１０８の側板１０８ｂに沿った発電用空気導入路１７７の部分で、且つ、燃料電池セルユニット１１６に至る位置に設けられている。発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気は、特に伝熱板１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これら伝熱板１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュール容器１０８内（具体的にはモジュール容器１０８内に設けられた第２及び第３排ガス排出路１７２、１７３）を通過する排ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、発電用空気導入路１７７において伝熱板１７７ｃ、１７７ｄが設けられた部分は、熱交換部（空気熱交換部）として機能する。

第２排ガス排出路１７２および発電用空気導入路１７７の内部に設けられた伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄは第２排ガス排出路１７２または発電用空気導入路１７７の流路を２つに区分するように設けられており、伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄに設けられた複数の通気孔（図示せず）によって、内部を通過する流体は２区間を行き来して広域に拡散する。そのため、区分された空間それぞれにおいて内部を通過する流体を均熱化することができるため、局所的に熱交換率が異なることなく、熱交換性能が向上する。

第２排ガス排出路１７２および発電用空気導入路１７７に設けられた伝熱板１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄは、複数の凸部（図示せず）を介して発電用空気導入路１７７および第２排ガス排出路１７２の他方を構成する壁面に固定されている。そのため、伝熱板（１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄ）により、区分された二つの空間のうち、他の流路と接する面を有する側が直接他の流路と熱交換を行う空間であるため、当該空間に優先的に流体を導くことができ、流体が持つ熱量を有効に利用することが可能となり、積極的に熱交換を行うことができる。

さらに、発電用空気導入路１７７および第２排ガス排出路１７２に設けられた伝熱板（１７２ａ、１７７ｃ、１７７ｄ）は燃料電池セル集合体１１２の上端よりも上方に配置されている。したがって、燃焼部１１０の熱と発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気とで熱交換を行うことができ、高効率な熱交換が可能になる。このため伝熱板は、モジュール容器１０８上面から燃焼室１１８付近にわたる領域に配置すれば十分であり、燃料電池セル集合体１１２が設けられた位置にまで伝熱板１７７ｄを設けることを不要とすることができる。これにより、伝熱板１７７ｄの配置面積を削減することができ、さらに発電時においても燃料電池セル集合体１１２の温度を奪わないようにすることができる。

ここで、燃料電池モジュール１０２において、モジュール容器１０８内に配置される燃料電池セルスタック１１４は、モジュール容器１０８の底面と接合固定され、燃料ガス供給管１６４を介してモジュール容器１０８の天面に接合固定された改質器１２０と接合固定されている。図示しないが、モジュール容器１０８の底面とマニホールド１６６とは中間部材を介して接合固定され、これらの接合固定部は、燃料ガス供給管１６４を含む側面空間に集中的に配置されている。一方、燃料電池セルスタック１１４から電流をモジュール容器１０８の外部に取り出すための電流取出部（図示せず）と燃料電池セルスタック１１４との接合固定部も、同様に側面空間に配置されている。

このように接合固定部を燃料ガス供給管１６４を含む燃料電池セルスタック１１４の一側面の側面空間に集中的に配置することで、複数の部品を接合させることで生じる個々の寸法公差の積算を側面空間に対向する他側面の方向に振り分けることができる。これにより、接合固定部を集中させた側面空間において精度よく組み立て作業を実施することができるとともに、積算される寸法公差の影響により生じる組み立て不良の発生を低減することができる。

次に、図６及び図７に加えて、図９も参照して、モジュール容器１０８内に設けられた改質器１２０について説明する。図９（Ａ）は、本発明の一実施例による改質器１２０を斜め上方から見た斜視図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＶＢ−ＶＢ線に沿った断面図であり、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＶＣ−ＶＣ線に沿った断面図である。なお、図９（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１６４なども図示している。

改質器１２０は、燃焼室１１８の上方に水平方向に延びるように配置され、モジュール容器１０８の天板１０８ａと所定距離隔てて、この天板１０８ａに対して固定されている（図６参照）。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、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９（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。

ここで改質器１２０に接続する混合ガス供給管１６２には、図９（Ｂ）に示すように改質器１２０に挿入される手前に充填材通過禁止部材１６２ｂが設けられている（図６、１３においては省略）。これにより、圧力損失の増加を抑制しつつ、改質触媒の流出を防止することができる。

また、改質器１２０には、改質部１２０ｃが形成された部分に、上方に凹んだ内部空間１２０ｄが形成されている（図９（Ｂ）参照）。内部空間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。この内部空間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の内部空間１２０ｄ内の排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）。

また、改質器１２０は、上記した改質部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９（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、改質部１２０ｃの上方に排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９（Ａ）乃至（Ｃ）に加えて、図６及び図７も参照）。更に、改質器１２０の上端部には、改質器１２０をモジュール容器１０８の天板１０８ａに固定するためのフランジ部１２０ｉが設けられている。

次に、図６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１６４が接続され、この燃料ガス供給管１６４の上部には、水添脱硫器用水素取出管１６５が接続されている。燃料ガス供給管１６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１１２の下方に形成されたマニホールド１６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管１６４の水平部１６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔１６４ｂが形成されており、この燃料供給孔１６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド１６６内に供給される。このマニホールド１６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板１６８が取り付けられており、マニホールド１６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１１６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１８３が、燃焼室１１８に設けられている。

次に、図７に示すように、モジュール容器１０８内において、改質器１２０の上面（詳しくは改質器１２０の平板１２０ｈ）とモジュール容器１０８の天板１０８ａの下面との間には、水平方向に延びる第２排ガス排出路１７２が形成されている。この第２排ガス排出路１７２は、モジュール容器１０８の天板１０８ａを挟んで、上記した発電用空気導入路１７７の一部分と並設されている。また、第２排ガス排出路１７２の内部には、熱交換促進部材としての板状の伝熱板１７２ａが設けられている。この伝熱板１７２ａは、発電用空気導入路１７７内に設けられた伝熱板１７７ｃと水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。このような伝熱板１７７ｃ、１７２ａが設けられた発電用空気導入路１７７及び第２排ガス排出路１７２の部分において、発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気と第２排ガス排出路１７２を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われ、排ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。すなわち、発電用空気導入路１７７または第２排ガス排出路１７２の内部に設けられた伝熱板１７２ａが、発電用空気通路１７７と直接接触しており、伝熱板１７２aに与えられた排ガスの熱が伝熱板１７２ａに与えられ、伝熱板１７２ａの熱は発電用空気導入路１７７を構成する壁面に熱伝達し、発電用空気と効率よく熱交換を行うことができる。さらに、発電用空気通路１７７の内部にも伝熱板１７７ｃの凸部が第２排ガス排出路１７２を構成する壁面に接しているため、排ガスの熱が、伝熱板１７２ａ、発電用空気通路１７７を構成する壁面、伝熱板１７７ｃ、発電用空気の順に伝わるため、排ガスと発電用空気の熱交換率を向上させることができる。なお、伝熱板１７２ａは伝熱板１７７ｃ、１７７ｂと同一のものである。

また、改質器１２０の外側面とモジュール容器１０８の内側面との間には、上下方向に延びる第３排ガス排出路１７３が形成されている。この第３排ガス排出路１７３は第２排ガス排出路１７２と連通しており、第３排ガス排出路１７３から第２排ガス排出路１７２へと排ガスが流れていく。具体的には、第２排ガス排出路１７２には、第３排ガス排出路１７３の上端部（言い換えると第２排ガス排出路１７２の水平方向における端部）に位置する排ガス導入口１７２ｂから排ガスが流入する。排ガス導入口１７２ｂから第２排ガス排出路１７２に流入した排ガスは、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に形成された排気口１１１を介して、モジュール容器１０８の外部に設けられた第１排ガス排出路１７１へと流出する。

また、第３排ガス排出路１７３の途中のモジュール容器１０８の内側面上には、具体的には、改質器１２０の改質部１２０ｃよりも上方で、第２排ガス排出路１７２の排ガス導入口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。

次に、図１０を参照して、燃料電池セルユニット１１６について説明する。図１０は、本発明の一実施例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１０に示すように、燃料電池セルユニット１１６は、燃料電池セル１８４と、この燃料電池セル１８４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１８６とを備えている。

燃料電池セル１８４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１８８を形成する円筒形の内側電極層１９０と、円筒形の外側電極層１９２と、内側電極層１９０と外側電極層１９２との間にある電解質層１９４とを備えている。この内側電極層１９０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１８４の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子１８６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１８６について具体的に説明する。内側電極層１９０の上部１９０ａは、電解質層１９４と外側電極層１９２に対して露出された外周面１９０ｂと上端面１９０ｃとを備えている。内側電極端子１８６は、導電性のシール材１９６を介して内側電極層１９０の外周面１９０ｂと接続され、さらに、内側電極層１９０の上端面１９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層１９０と電気的に接続されている。内側電極端子１８６の中心部には、内側電極層１９０の燃料ガス流路１８８と連通する燃料ガス流路細管１９８が形成されている。

この燃料ガス流路細管１９８は、内側電極端子１８６の中心から燃料電池セル１８４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１６６（図６参照）から、下側の内側電極端子１８６の燃料ガス流路細管１９８を通って燃料ガス流路１８８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１８６の燃料ガス流路細管１９８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１８８から、上側の内側電極端子１８６の燃料ガス流路細管１９８を通って燃焼室１１８（図６参照）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１８６の燃料ガス流路細管１９８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１９０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１９４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１９２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。

次に、図１１を参照して、燃料電池セルスタック１１４について説明する。図１１は、本発明の一実施例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１１に示すように、燃料電池セルスタック１１４は、１６本の燃料電池セルユニット１１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１１６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１１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板１６８（図６参照）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１１６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１６８及び上支持板１００には、内側電極端子１８６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１１６には、集電体１０３及び外部端子１０５が取り付けられている。この集電体１０３は、燃料極である内側電極層１９０に取り付けられた内側電極端子１８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０３ａと、空気極である外側電極層１９２の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０３ｂ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１１６の外側電極層１９２（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１０３ｂが接触することにより、集電体１０３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１１４の端（図１１では左端の奥側）に位置する燃料電池セルユニット１１６の空気極１８６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１０３は、隣接する燃料電池セルスタック１１４の端にある燃料電池セルユニット１１６の内側電極端子１８６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１１６の全てが直列接続されるようになっている。

次に、図１２、図１３を参照して、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。図１２は、図６と同様の、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。図１３は、図７と同様の本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置を示す図１２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、図１３は、図６、８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１０７を取り除いた状態の図を示している。なお、図１３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。

図１２、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１６３（図８参照）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を流れる排ガスとの間で熱交換を行い、排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１６３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１６３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。

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１６３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１０７ａ及びモジュール容器１０８内を横断するように延びる混合ガス供給管１６２を流れて、モジュール容器１０８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を流れる排ガスと、排気通路部１２５ｃ及び第１排ガス排出路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ガスと、モジュール容器１０８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、モジュール容器１０８内では、改質器１２０の内部空間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の内部空間１２０ｄ内の排ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。

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１６４と、この燃料ガス供給管１６４の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管１６５とを流れる。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給管１６４の水平部１６４ａに設けられた燃料供給孔１６４ｂからマニホールド１６６内に供給されて、マニホールド１６６内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット１１６内に供給される。

他方で、図１３に示すように、発電用空気導入管１７４（図６、図８及び図１２参照）から供給された発電用空気は、モジュール容器１０８の天板１０８ａ及び側板１０８ｂと、これら天板１０８ａ及び側板１０８ｂ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導入路１７７を流れる。この際に、発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気は、伝熱板１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これら伝熱板１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュール容器１０８内に形成された第２及び第３排ガス排出路１７２、１７３を通過する排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、発電用空気導入路１７７の伝熱板１７７ｃに対応する第２排ガス排出路１７２内には伝熱板１７２ａが設けられているので、発電用空気は、発電用空気導入路１７７内の伝熱板１７７ｃと第２排ガス排出路１７２内の伝熱板１７２ａとを介して、排ガスとより効率的な熱交換を行う。

また、図８、１４に示すように、発電用空気導入路１７７の内部で、伝熱板１７７ｄが配置された領域よりも下方に複数の孔を有する仕切り板１７９が設置されており、排ガスと熱交換を行った後の発電用空気は仕切り板１７９に設けられた複数の孔を通る。その際に、仕切り板１７９は流路抵抗として機能し、拡散されて均熱化した発電用空気を燃料電池セル集合体１１２へ供給することができる。

その後、図１３に示すように、発電用空気は、モジュール容器１０８の側板１０８ｂの下部に設けられた複数の吹出口１７７ｂから燃料電池セル集合体１１２に向けて発電室１１０内に噴射される。

他方で、燃料電池セルユニット１１６において発電に利用されずに残った排ガスは、図１３に示すように、モジュール容器１０８内の燃焼室１１８で燃焼され、モジュール容器１０８内を上昇していく。具体的には、排ガスは、まず、改質器１２０の外側面とモジュール容器１０８の内側面との間に形成された第３排ガス排出路１７３を通過する。この際に、排ガスは、モジュール容器１０８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を経由した排ガス（排気誘導室２０１に流れ込んだ排ガス及び排気誘導室２０１に流れ込まなかった排ガスを含む）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、排ガス導入口１７２ｂから第２排ガス排出路１７２に流入する。

この後、排ガスは、第２排ガス排出路１７２を水平方向に流れていき、モジュール容器１０８の天板１０８ａ上に形成された排気口１１１から流出する。排ガスが第２排ガス排出路１７２を水平方向に流れていく際に、第２排ガス排出路１７２内に設けられた伝熱板１７２ａと、この伝熱板１７２ａに対応して発電用空気導入路１７７内に設けられた伝熱板１７７ｃとを介して、発電用空気導入路１７７を流れる発電用空気と第２排ガス排出路１７２を流れる排ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排ガスの熱により発電用空気が昇温される。なお、ここでは排気通路のうち第２排ガス排出路１７２にのみ伝熱板１７２aを設けているが、伝熱板を設ける箇所は第２排ガス排出路１７２に限るものではなく、熱交換を行う排気通路であればよい。

そして、排気口１１１から流出した排ガスは、モジュール容器１０８の外部に設けられた第１排ガス排出路１７１を通過した後、第１排ガス排出路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ガス排出管１８２（図８参照）から排出される。排ガスは、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。

１０１ 固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
１０２ 燃料電池モジュール
１０４ 補機ユニット
１０７ 断熱材
１０８ モジュール容器
１０８ａ 天板
１０８ｂ 側板
１１１ 排気口
１１２ 燃料電池セル集合体
１１４ 燃料電池セルスタック
１１６ 燃料電池セルユニット
１１８ 燃焼室（燃焼部）
１２０ 改質器
１２０ａ 混合ガス供給口
１２０ｃ 改質部
１２０ｄ 内部空間
１２０ｈ 平板
１２５ 蒸発器
１２５ａ 蒸発部
１２５ｂ 混合部
１２５ｃ 排気通路部
１６２ 混合ガス供給管
１６２ａ 予熱部
１６２ｂ 充填材通過禁止部
１６３ 燃料供給配管
１６４ 燃料ガス供給管
１６５ 水添脱硫器用水素取出管
１６６ マニホールド
１６８ 下支持板
１７１ 第１排ガス排出路
１７２ 第２排ガス排出路
１７２ａ 伝熱板
１７３ 第３排ガス排出路
１７７ 発電用空気導入路（酸素含有ガス導入路）
１７７ｃ、１７７ｄ 伝熱板
１７９ 仕切り板
１８０ 充填材通過禁止部
１８３ 点火装置
１８４ 燃料電池セル
１８５ 埋込部材
２０１ 排気誘導室
２０３ ガス溜
１０００ 燃料電池モジュール
１００１ モジュール容器
１００２ 改質器
１００３ 燃焼部
１００４ 燃料電池セル
１００５ マニホールド
１００５ａ 中間部材（接合部材）
１００５ｂ 中間部材（嵌合部材）
１００６ 原料ガス供給管
１００７ 燃料ガス供給管
１００８ 電流取出部
１００９ 集電部材
１０１０ ボルト
１０１１ ボルト
１０１２ 中間部材（嵌合部材）
１０１３ 中間部材（接合部材）
１０１４ 集電部材
１０１５ 側面空間
１０１６ 燃料電池セルスタック
９０００ 燃料電池モジュール
９００１ モジュール容器
９００２ 改質器
９００３ 燃焼部
９００４ 燃料電池セルスタック
９００５ マニホールド
９００６ 原料ガス供給管
９００７ 燃料ガス供給管
９００８ 電流取出部

Claims (9)

1. 複数の燃料電池セルがマニホールド上に立設配置された燃料電池セルスタックと、
   前記燃料電池セルスタックの上方に設けられた改質器と、
   前記マニホールドと前記改質器とのそれぞれに接合固定された燃料ガス供給管と、
   前記燃料電池セルスタックと前記改質器とを内部に有する直方形状のモジュール容器と、を備えた燃料電池装置であって、
   前記燃料ガス供給管は、前記燃料電池セルスタックの一側面及び前記改質器の一側面と、前記モジュール容器の一側面との間の側面空間に設けられ、
   前記燃料電池セルスタックと前記モジュール容器の内壁面との接合固定部、及び前記燃料電池セルスタックと前記燃料電池セルスタックから前記モジュール容器の外部へ電流を取り出す電流取出部との接合固定部は、前記側面空間に限定されていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記燃料電池セルスタックは、前記燃料電池セルスタックの一側面と対向する側に可動域を有するように、前記モジュール容器の内壁面に嵌合されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記燃料電池セルスタックと前記モジュール容器の内壁面との接合固定部の寸法公差、及び前記燃料電池セルスタックと前記電流取出部との接合固定部の寸法公差は、前記可動域よりも小さいことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記燃料電池セルスタックは、前記マニホールドに溶接された中間部材を介して前記モジュール容器の底面に接合固定されていることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池装置。
5. 前記中間部材と前記モジュール容器の底面とは、ボルトによって接合固定されていることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記燃料電池セルスタックにおいて、前記複数の燃料電池セルは電気的に直列に接続され、
   最端に位置する前記燃料電池セルのそれぞれは、前記最端に位置する燃料電池セルのそれぞれに接続された集電部材を介して対応するそれぞれの前記電流取出部と接合固定されていることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池装置。
7. 前記集電部材と前記電流取出部とは、ボルトによって接合固定されていることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池装置。
8. 前記集電部材は板状の金属部材でなり、前記金属部材を折り曲げることによって形成されている応力吸収部を有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池装置。
9. 前記改質器は、前記モジュール容器の天面に接合固定されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。

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