JP2019046817A - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図りつつ、モジュールケースの天面付近に形成された熱交換部により熱交換を効率的に行うことが可能な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装置１において、モジュールケース８と、モジュールケース８を覆う断熱材７と、改質器１２０と、発電に寄与しなかった燃料ガスを燃焼させる燃焼部１８と、モジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと断熱材７との間に形成された空気通路１６１ａ，１６１ｂと、天板８ａを挟んで空気通路１６１ａに沿うように延びる排気通路１７２とを備え、改質器１２０は、排気ガスを下方から上方へ通過させる開口部１２０ｂを有し、改質器１２０の上方の排気ガス誘導部材１３０は、その底面に開口部１２０ｂと向かい合うように下方に向けて突出する凸状段部１３１ａが設けられており、凸状段部１３１ａが排気ガスを排気通路１７２へ誘導する。【選択図】図９

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に関し、特に、オフガスを燃焼させて発生した排気ガスと発電用空気との間で熱交換を行う熱交換部を備えた固体酸化物形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、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、モジュールケースの側板の内側に複数の層状のケース間通路が形成された固体酸化物形燃料電池装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の燃料電池装置では、複数の燃料電池セルユニットを収容する収納室の外側にオフガスを燃焼させて生じた排気ガスのための排気通路が形成され、さらにその外側に収納室内に発電用空気を供給するための空気通路が形成されており、空気通路の外側側板により筐体が構成されている。

上記燃料電池装置では、排気通路と空気通路とが隣接して設けられているため、排気通路を通過する排気ガスと空気通路を通過する発電用空気との間で熱交換が行われる。即ち、モジュールケースの側板に沿って熱交換部が形成されている。

具体的には、上記燃料電池装置では、排気ガスは、収納室の上部で排気通路に流入し、排気通路を上方から下方へ流れる。一方、発電用空気は、空気通路を下方から上方へ流れて、上部から収納室に流入するようになっている。したがって、排気ガスは、熱交換前の排気通路の上部では高温であり、熱交換後の排気通路の下部では低温となる。また、発電用空気は、熱交換前の空気通路の下部では低温であり、熱交換後の空気通路の上部では高温となる。よって、モジュールケースの収納室の側板は、上部から下部に向かうほど低温となるように、温度勾配が形成される。

特開２０１２−２２１６５９号公報

燃料電池装置は、一般消費者用（家庭用）として製造するためには、性能を確保しつつ小型化及び低コスト化を図る必要がある。特に、モジュールケース自体の小型化が必要となる。しかしながら、単にモジュールケースを小型化すると、燃料電池セルユニットを劣化させるおそれがある。

モジュールケースを小型化するためには、燃料電池セルユニット間のピッチ（距離）や燃料電池セルユニットとモジュールケースの側板との距離を小さくする必要がある。しかしながら、燃料電池セルユニットとモジュールケースの側板との距離を小さくすると、上述のように、特許文献１に記載の燃料電池装置では、モジュールケースの収納室の側板に上下方向の温度勾配が形成されるため、燃料電池セルユニット（特に、側板近傍に配置された燃料電池セルユニット）にも上下方向に温度勾配が生じるおそれがある。さらに、モジュールケースの収納室の側板は下方ほど温度が低くなるため、複数の燃料電池セルユニットのうち、側板付近に配置された燃料電池セルユニットは、上面視で収納室の中央部分に配置された燃料電池セルユニットより温度が低くなる。このため、複数の燃料電池セルユニットの集合体内において温度ムラが生じるおそれがある。このような温度分布の不均一さは、燃料電池セルユニットを劣化させる要因となる。

このような問題を解決するため、モジュールケースの側板に沿って熱交換部を形成するのではなく、モジュールケースの上部領域又は天板に沿って熱交換部を形成することが考えられる。即ち、モジュールケースの天板に沿って形成された排気通路及び空気通路の一部で熱交換が行われるように構成することが考えられる。

しかしながら、モジュールケースの側板を熱交換部として利用する場合には、排気ガスと発電用空気との間で十分に熱交換を行うために必要な面積を確保することが容易であるが、モジュールケースの天面付近を熱交換部として利用する場合には、モジュールケースの天面の面積が側板の面積よりも小さいため、熱交換のために必要な十分に大きな面積を確保することが難しいという新たな問題が生じる。特に、モジュールケースを小型化した場合には、モジュールケースの天面の面積がより小さくなるため、さらに熱交換のための十分な面積を確保することが難しくなる。

従って、本発明は、燃料電池装置の小型化を図りつつ、モジュールケースの天面付近に形成された熱交換部により排気ガスと発電用空気との間の熱交換を効率的に行うことが可能な固体酸化物形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、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと空気との反応により発電する燃料電池セルユニットを備えた固体酸化物形燃料電池装置において、モジュールケースと、モジュールケースを覆うように設けられた断熱材と、燃料ガスを燃料電池セルユニット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、水蒸気を用いて原料ガスを改質して燃料ガスを生成し、燃料ガスを燃料ガス供給通路に供給する改質器と、燃料電池セルユニットの発電に寄与しなかった燃料ガスを燃焼させ、発生した排気ガスにより改質器を加熱する燃焼部と、モジュールケースの外部で断熱材内に配置され、排気ガスとの熱交換によって水を蒸発させ、発生させた水蒸気を改質器に供給する蒸発器と、燃料電池セルユニットに空気を供給する空気通路であって、少なくともモジュールケースの天板及び側板と断熱材との間に形成され、モジュールケースの側板の外面に沿ってモジュールケースの上方から下方に向けて空気を流す空気通路と、モジュールケースの内部に設けられ、排気ガスを排気口から流出させる排気通路であって、モジュールケースの天板を挟んで空気通路と沿うように延びており、空気通路を流れる空気と排気通路を流れる排気ガスとの間でモジュールケースの天板を介して熱交換が行われるように構成されている、排気通路と、を備え、改質器は、燃焼部で発生した排気ガスを下方から上方へ通過させる開口部を有しており、改質器の上方に、燃焼部を覆うように水平方向に延在する排気ガス誘導部材が配置され、排気ガス誘導部材は、その底面に開口部と向かい合うように下方に向けて突出する凸状段部が設けられており、凸状段部が、燃焼部から開口部を通過して上昇する排気ガスを排気通路へ誘導する。

上述のように、燃料電池装置の小型化・低コスト化を図るため、単にモジュールケースを小型化すると、モジュールケースの側方においてケース間通路の間で排気ガスと発電用空気との間の熱交換を行う構成では、モジュールケース内で上下方向及び水平方向の温度分布が不均一になり、即ち熱ムラが生じ、燃料電池セルユニットを劣化させるという問題が生じる。これを回避するため、モジュールケースの天板付近に熱交換部を形成する構成が考えられるが、この構成では、熱交換部の面積を十分に確保できないという新たな問題が生じる。

そこで、本発明では、熱交換部における熱交換効率を向上させることにより、限定された面積を有するモジュールケースの天板付近に設けられた熱交換部でも、排気ガスと発電用空気との間の十分な熱交換が行えるように構成している。具体的には、本発明では、気化熱により排気ガスの温度を低下させてしまう蒸発器をモジュールケースの外部に設けている。これにより、排気ガスの温度を高温に維持したまま熱交換部で発電用空気と熱交換を行うことが可能となる。

さらに、本発明では、モジュールケースの天板付近に熱交換部を設け、熱交換部の下方に排気ガス誘導部材，改質器，燃焼部を順に設けている。そして、改質器に開口部を設け、排気ガス誘導部材の底面に凸状段部を設けている。この凸状段部は、改質器の開口部に対向するように下方に向けて突出している。これにより、燃焼部で生じた高温の排気ガスは、改質器の開口部を通過して上昇すると、排気ガス誘導部材の凸状段部に衝突する。

ここで、本発明とは異なり、排気ガス誘導部材に凸状段部が設けられていない場合には、改質器の開口部を通過して上昇してきた排気ガスが、改質器の上部に滞留するおそれがある。排気ガスが滞留すると、滞留中に排気ガスから熱が奪われ、熱交換部に流入する前に排気ガスの温度が低下するため、熱交換部において発電用空気を昇温するための熱交換効率が低下してしまう。即ち、排気ガス誘導部材の上部には熱交換部が配置されているため、排気ガス誘導部材を介して、熱交換部の排気ガスと排気ガス誘導部材の底面付近の排気ガスとの間で熱交換が行われるおそれがある。

しかしながら、本発明では、排気ガス誘導部材は、その底面に設けられた凸状段部によって、改質器の開口部を通過して上昇してきた高温の排気ガスを速やかに側方へ誘導し、高温状態のまま排気通路を介して熱交換部へ導くことができる。これにより、本発明では、熱交換部へ流入する際の排気ガスの温度を高温に維持し、熱交換部において排気ガスから十分な熱量を発電用空気へ供給することができるため、高い熱交換効率を達成することが可能となる。

このように、本発明では、熱交換部が比較的小さな面積を有する場合であっても、高い熱交換効率を達成することが可能であるため、熱交換部をモジュールケースの天板付近に形成することができ、燃料電池装置の小型化・低コスト化を図ることが可能である。

本発明において、好ましくは、排気ガス誘導部材は、燃焼部と連通する内部空間を形成するケース部材であり、排気ガス誘導部材の上方の空間が排気通路を構成する。
このように構成された本発明によれば、排気ガス誘導部材が、燃焼部と連通する内部空間を有する。即ち、排気ガス誘導部材の内部空間は、排気ガスや空気が流入可能なガス溜を形成する。これにより、排気ガス誘導部材は、断熱部材として機能する。したがって、本発明では、改質器の開口部を通過して上昇してきた高温の排気ガスが、排気ガス誘導部材の上部の排気通路（熱交換部）内の低温の排気ガスとの間で熱交換して低温化することを抑制することができる。その結果、本発明では、熱交換部でのより高い熱交換効率を達成することができ、燃料電池装置の小型化・低コスト化を図ることが可能である。

本発明において、好ましくは、排気通路は、排気ガス誘導部材の上面とモジュールケースの天板とによって形成されている。
このように構成された本発明によれば、断熱部材として機能する排気ガス誘導部材１３０の上面が熱交換部を構成する排気通路を形成しているため、この排気通路内の排気ガスから熱が通路下面の排気ガス誘導部材に奪われることがなく、排気ガスと通路上方に位置する空気通路内の空気との間の熱交換を促進させることができる。さらに、本発明では、通路下面の排気ガス誘導部材が熱反射板として機能するため、この熱反射板からの輻射熱を排気ガス及び空気に与えることができる。これにより、本発明では、熱交換部でのより高い熱交換効率を達成することができ、燃料電池装置の小型化・低コスト化を図ることが可能である。

本発明において、好ましくは、排気ガス誘導部材は、伝熱性部材で形成されており、排気ガス誘導部材の上面のうち排気通路の下流側の部位に、下方に向けて凹んだ凹部が形成されている。
このように構成された本発明によれば、高温の排気ガスが排気ガス誘導部材の凸状段部に衝突することにより凸状段部が加熱されるが、凸状段部から排気ガス誘導部材の他の部位への熱伝導を完全に遮断することはできないため、排気ガス誘導部材の上面への熱伝導も生じる。そうすると、排気ガス誘導部材の上面において、熱交換部を構成する排気通路の上流側と下流側の温度差が縮小され、熱交換効率の向上に不利となる。そこで、本発明では、排気ガス誘導部材の上面のうち排気ガスの温度が最も低くなる排気通路の下流側の部位に凹部を形成することにより、排気通路内で排気ガスの本流部分が通過する部分と排気ガス誘導部材（凹部の表面）との間の距離を大きくして、排気通路の下流側の部位において、排気ガスと排気ガス誘導部材との間で熱交換が起きにくくし、上記熱伝導を抑制している。これにより、本発明では、熱交換部でのより高い熱交換効率を達成することができる。

本発明において、好ましくは、原料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを改質器に供給する混合ガス供給管を更に備え、混合ガス供給管は、排気ガス誘導部材の凹部内を延びた後、改質器に連結されている。
このように構成された本発明によれば、混合ガス供給管が排気ガス誘導部材の凹部内を延びるように配置されているため、混合ガス供給管内の混合ガスは、排気ガスにより加熱される。このため、混合ガス供給管により排気ガスの熱が奪われることになり、熱交換効率の向上においては不利となる。しかしながら、混合ガスの予熱も必要である。そこで、本発明では、混合ガス供給管を、排気ガスの温度が最も低くなる排気通路の下流側の部位にある排気ガス誘導部材の凹部の内部に沿わせて配置することにより、燃焼部から排気ガス誘導部材の下部に到達した高温状態の排気ガスではなく、熱交換部での熱交換後の低温の排気ガスによって混合ガス供給管を昇温することができ、混合ガス供給管によって排気ガスから過剰に熱が奪われることを防止することができる。

本発明の固体酸化物形燃料電池装置によれば、燃料電池装置の小型化を図りつつ、モジュールケースの天面付近に形成された熱交換部により排気ガスと発電用空気との間の熱交換を効率的に行うことができる。

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正面断面図である。 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。 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装置の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側面断面図である。 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正面断面図である。 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燃料電池モジュールの上部の部分断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の改質器の周囲を流れる排気ガスの説明図である。 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改質器及び排気ガス誘導部材の側面断面斜視図である。 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改質器及び排気ガス誘導部材の正面断面斜視図である。 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改質器の貫通孔を流れる排気ガスの説明図である。 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熱交換部の正面断面図である。 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モジュールケースの天板と排気管の接続部分の説明図である。 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モジュールケースの天板上の発電用空気供給通路の説明図である。 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モジュールケースの天板下の排気通路の説明図である。 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プレートフィンの斜視図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の空気通路カバーの側板とモジュールケースの側板との間に配置されたプレートフィンの説明図である。

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、８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、１２８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。

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。

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。

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。

次に、図２乃至図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。

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。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８ｅ側の略中央部に設けられた発電用空気導入管７４から流路方向調整部１６４を介して空気通路１６１ａ内に供給される（図２、図４参照）。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。

次に、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。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７ａ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（図３参照）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。

また、蒸発器１４０は、図２及び図３に示すように、上面視で略矩形の蒸発器ケース１４１を有している。この蒸発器ケース１４１は、２つの高さの低い有底矩形筒状の上側ケース１４２と下側ケース１４３とを、これらの間に中間板１４４を挟んだ状態で接合して形成されている。

したがって、蒸発器ケース１４１は、上下方向に二層構造となっており、下層部分には、排気管１７１から供給された排気ガスが通過する排気通路部１４０Ａが形成され、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１４０Ｂと、蒸発部１４０Ｂ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１４０Ｃが設けられている。

蒸発部１４０Ｂ及び混合部１４０Ｃは、複数の連通孔（スリット）が設けられた仕切り板により蒸発器１４０を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部１４０Ｂ内には、アルミナボール（図示せず）が充填されている。
また、排気通路部１４０Ａは、同様に複数の連通孔を有する２つの仕切り板により排気ガスの上流側から下流側にかけて３つの空間に仕切られている。そして、２番目の空間に燃焼触媒（図示せず）が充填されている。すなわち、本実施形態の蒸発器１４０は、燃焼触媒器を含んでいる。

このような蒸発器１４０では、蒸発部１４０Ｂ内の水と排気通路部１４０Ａ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１４０Ｂ内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。また、混合部１４０Ｃ内の混合ガスと排気通路部１４０Ａ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。

更に、図２に示すように、混合部１４０Ｃには、改質器１２０に混合ガスを供給するための混合ガス供給管１１２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、一端が中間板１４４に形成された開口１４４ａ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、排気通路部１４０Ａ内，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。

次に、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。

次に、図５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５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セルユニットを示す部分断面図である。
図５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。

次に、図６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６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セルスタックを示す斜視図である。
図６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。

次に、図７及び図８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７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８は、図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。図７及び図８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。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７に示すように、水及び原燃料ガス（燃料ガス）は、蒸発器１４０の長手方向の一端側に連結された燃料供給配管６３から蒸発器１４０の上層に設けられた蒸発部１４０Ｂ内に供給される。蒸発部１４０Ｂに供給された水は、蒸発器１４０の下層に設けられた排気通路部１４０Ａを流れる排気ガスにより加熱され水蒸気となる。この水蒸気と、燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとが、蒸発部１４０Ｂ内を下流方向に流れて行き、混合部１４０Ｃ内で混合される。混合部１４０Ｃ内の混合ガスは、下層の排気通路部１４０Ａを流れる排気ガスにより加熱される。

混合部１４０Ｃ内で形成された混合ガス（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、排気通路部１４０Ａ，排気管１７１，及び排気通路１７２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。

更に、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７及び図８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８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の排気通路部１４０Ａに流入し、排気通路部１４０Ａを通過した後、蒸発器１４０から排気ガス排出管８２へ排出される。排気ガスは、蒸発器１４０の排気通路部１４０Ａを流れる際に、上述したように、蒸発器１４０の混合部１４０Ｃ内の混合ガス及び蒸発部１４０Ｂ内の水と熱交換を行う。

次に、図９〜図１３を参照して、本実施形態の改質器の作用について説明する。図９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の上部の部分断面図であり、図１０は、改質器の周囲を流れる排気ガスの説明図であり、図１１及び図１２は、それぞれ改質器及び排気ガス誘導部材の側面断面斜視図及び正面断面斜視図であり、図１３は、改質器の貫通孔を流れる排気ガスの説明図である。

図９に示すように、発電室１０内に供給された発電用空気は、上方へ向けて移動し（図９の破線矢印参照）、燃焼室１８でオフガスを燃焼させて排気ガスとなる。改質器１２０に貫通孔１２０ｂが形成されていない場合には、排気ガスは、燃焼室１８から、排気通路１７３（モジュールケース８の側板８ｂの内面に沿って延びる）のみを通って、モジュールケース８内の上部へ向けて移動することになる。この場合、発電用空気の流路分布は、燃料電池セル集合体１２に対して、上面視幅方向の両端部付近に偏ったものとなり、中央部分の燃料電池セルユニット１６への空気供給が十分でなくなり、この部分の燃料電池セルユニット１６を劣化させてしまうおそれがあった。

そこで、本実施形態では、改質器１２０に貫通孔１２０ｂを設けることにより、排気通路１７４（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との間に延びる）を形成している。これにより、本実施形態では、排気ガスは、燃焼室１８から、排気通路１７４と排気通路１７３とに分岐して、モジュールケース８内の上部へ向けて移動することができる（図１０参照）。

また、本実施形態では、特に、排気通路１７４と排気通路１７３を流れる排気ガスの流量比が所定値になるように、特定的には、排気通路１７３よりも排気通路１７４を流れる排気ガスの流量が大きくなるように、排気通路１７３の通路断面積，改質器１２０の上側での排気通路１７４の通路断面積，貫通孔１２０ｂの開口面積や角部Ｒ形状，後述する連結凹部等が寸法設計されている。これにより、改質器１２０と燃料電池セル集合体１２との距離が接近していたとしても、排気ガスを確実に排気通路１７４へ流すことができる。このため、本実施形態では、このような排気ガスの流れに伴い、発電用空気の流れは、上面視で燃料電池セル集合体１２の幅方向の両端部付近に偏ることなく、中央部分へも流れるため、発電室１０内での発電用空気の空気供給量のムラが抑制され、発電用空気の流れが均等化され易くなる。

また、本実施形態では、改質器１２０は、その底面に衝突する排気ガスによって加熱された後、排気通路１７３を通過する排気ガスにより幅方向の側方から加熱されると共に、貫通孔１２０ｂを通過する排気ガスにより中央部からも加熱される。このように、本実施形態では、排気ガスによる改質器１２０の加熱を効率良く行うことができる。

また、本実施形態では、上面視で改質器１２０の貫通孔１２０ｂとモジュールケース８の排気口１１１とが少なくとも部分的に重なり合うように形成されている。より好適には、上面視で排気口１１１は、貫通孔１２０ｂの点対称な位置である、貫通孔１２０ｂの長手方向及び幅方向の中央部に配置されている。また、上面視で排気口１１１及び貫通孔１２０ｂは、燃料電池セル集合体１２の中央部分に配置されている。

仮に、排気口１１１が、上面視で貫通孔１２０ｂに対して幅方向にずれて配置されている場合には、貫通孔１２０ｂから排気口１１１への排気ガスの流れが、少なくとも幅方向において不均等又は非対称になる。そして、このような排気ガスの流れに伴って、発電用空気の流れも幅方向において不均等になる。しかしながら、本実施形態では、排気口１１１と貫通孔１２０ｂが上面視でモジュールケース８の中央部分に配置され、且つ、互いに重なり合う構成となっているため、貫通孔１２０ｂから排気口１１１への排気ガスの流れが、少なくとも幅方向において均等になり、発電用空気の流れも幅方向において均等になる。なお、改質器１２０も上面視でモジュールケース８の中央位置に配置されている。これにより、発電用空気の流路分布の偏りが抑制されて、中央部分及び両端部付近を含んで略均等に燃料電池セルユニット１６へ発電用空気を十分に供給することができるため、燃料電池セルユニット１６の劣化を抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、改質器１２０の幅方向において、排気ガスの流量が対称（線対称）となるように、即ち、貫通孔１２０ｂを挟んで両側の排気通路１７３の流量が均等で流路分布の偏りがなくなるように、貫通孔１２０ｂは、上面視で改質器１２０を少なくとも幅方向に略等分に区分けするように線対称に形成されている。なお、本実施形態では、貫通孔１２０ｂは、上面視で改質器１２０を長手方向にも略等分に区分けするように線対称に形成されている。

また、本実施形態では、図１１及び図１２に示されているように、改質器１２０の貫通孔１２０ｂは、上面視略長円形であり、長手方向に延びるように形成されている。また、改質器１２０のハウジングは、上側ケース１２１及び下側ケース１２２からなる。上側ケース１２１及び下側ケース１２２の各々には、幅方向の両端部から貫通孔１２０ｂを連結するように内方へ窪んだ連結凹部１２１ａ，１２２ａが形成されている。本実施形態では、連結凹部１２１ａ，１２２ａは、それぞれ長手方向に離間して２つずつ形成されている。

連結凹部１２２ａは、燃焼室１８から上昇してきた排気ガスが改質器１２０の下側ケース１２２の底面に衝突すると、この排気ガスを幅方向の両側、即ち、貫通孔１２０ｂ（排気通路１７４）及びモジュールケース８の側板８ｂに沿った排気通路１７３に誘導する。これにより、本実施形態では、排気通路１７３に排気ガスの流れが偏ることなく、貫通孔１２０ｂに排気ガスを積極的に供給することが可能となる。

また、連結凹部１２１ａ，１２２ａは、改質器１２０の内部空間へ向けて突出している。具体的には、連結凹部１２１ａ，１２２ａは、改質器１２０内の改質部１２０Ｂの流路を狭めるように内部空間へ向けて突出している。このため、混合ガスは、連結凹部１２１ａ，１２２ａによる突出部分によって流路を変更しながら改質部１２０Ｂを流れるので、混合ガスと改質触媒との接触機会及び接触時間が増える。これにより、本実施形態では、混合ガスの改質効率を向上させることができる。さらに、改質触媒は改質器１２０の周囲を流れる排気ガスにより所定温度まで昇温されるが、混合ガスと改質触媒との接触機会・接触時間が増えることにより、昇温した改質触媒によって混合ガスを効率良く加熱することができる。

また、本実施形態では、上側ケース１２１及び下側ケース１２２は、同一の原ケース部材から形成されている。即ち、原ケース部材は、金属材料を所定の型を用いて成形（例えば、絞り加工）したものである。そして、同一の原ケース部材を加工することにより、上側ケース１２１と下側ケース１２２がそれぞれ形成される。このため、低コスト化と組み立て性の向上を両立することができる。また、改質器１２０のケースを１パーツ構成とすると、絞り加工では嵩高のケースを形成できないが、本実施形態では、改質器１２０のケースを上側ケース１２１及び下側ケース１２２による２パーツ構成としているため、嵩高なケースを形成することができる。このため、容積を同一とした場合には、より底面積の小さな小型の改質器とすることができる。

上側ケース１２１と下側ケース１２２は、それぞれ外周側のフランジ部１２１ｂ，１２２ｂと、貫通孔１２０ｂを形成する内周側のフランジ部１２１ｃ，１２２ｃを有しており、これらフランジ部を重ね合せた状態で溶接固定されている。外周側のフランジ部１２１ｂ，１２２ｂは、同一の幅を有しており、ケースの側方から容易に溶接作業を行うことが可能である。これに対して、内周側のフランジ部１２１ｃ，１２２ｃが同一の幅を有していた場合には、これらフランジ部を側方から溶接作業を行うことは困難であり、組み立て性が悪い。このため、本実施形態では、内周側のフランジ部１２１ｃは、フランジ部１２２ｃよりも幅が狭くなるように原ケース部材から加工されている（図１２参照）。このため、フランジ部１２１ｃ，１２２ｃは、これらフランジ部の段差を利用して上側から溶接作業を容易に行うことが可能となり、組み立て性を向上させることができる。

また、上側ケース１２１及び下側ケース１２２は、その内側面の角部（貫通孔１２０ｂの角部を含む）は、所定の曲率半径を有するＲ形状となるように湾曲形状とされている（図１１及び図１０の破線部Ａ参照）。曲率半径は、１．０ｍｍ〜３０ｍｍが好ましい。このため、本実施形態では、ガスが改質器１２０の内部を通過する際に、角部にガスが滞留することが防止されるので、容器内にデッドスペースがなくなり改質触媒に対して均一にガスを流通させ易くなる。

また、貫通孔１２０ｂの周面と下側ケース１２２の下面との接続部分又は角部は、貫通孔１２０ｂの周縁（連結凹部１２２ａの部分も含む）にわたって、所定の曲率半径となるようにＲ形状に形成されている（図１２の破線部Ａ参照）。即ち、図１３に示されているように、改質器１２０のケース断面は、改質器１２０の底面から貫通孔１２０ｂの周面（側面）にかけて、外側に向けて凸状となるＲ形状となっている。

貫通孔１２０ｂの周面と下側ケース１２２の底面との角部が所定の曲率半径の断面円弧状に形成されていることにより、下側ケース１２２に衝突した排気ガスは貫通孔１２０ｂに向けて誘導され易くなる。そして、このような排気ガスの流れに引っ張られて、発電用空気も貫通孔１２０ｂに向けて誘導される。しかしながら、曲率半径が大きくなり過ぎると、貫通孔１２０ｂへ誘導される発電用空気が多くなり過ぎて、改質器１２０の外周側を通過する発電用空気が少なくなり過ぎ、発電室１０内での発電用空気の流路分布が不均等になってしまう。

このため、本実施形態では、排気通路１７３と排気通路１７４での発電用空気の流量比が適宜な値になるように、角部の曲率半径が１．０ｍｍ〜３０ｍｍに設定されており、これにより、中央部分及び周縁部分に配置された燃料電池セルユニット１６にそれぞれ十分な発電用空気を行き渡らせることができる。

次に、図９を参照して、本実施形態の排気ガス誘導部材の作用について説明する。
本実施形態では、蒸発器１４０をモジュールケース８の外部に配置しており、この配置により、モジュールケース８内で水の蒸発熱による局所的な温度低下（排気ガスの温度低下を含む）を防止し、排気ガスと発電用空気との熱交換をより効率的に行うように構成されている。したがって、本実施形態では、燃料電池セルユニット１６の側方部分で熱交換を行うことを回避して、モジュールケース８の天板８ａ付近の限定された部位のみで実質的な熱交換を行うことを可能としている。

このため、本実施形態では、天板８ａを挟んでその上下に空気通路１６１ａ，排気通路１７２が形成され、この部分で実質的な熱交換が行われるように構成されている。しかしながら、装置の小型化を図る場合には、天板８ａの面積も小さくなるため、十分な熱交換を行うための面積が確保できなくなるおそれがある。そこで、本実施形態では、排気通路１７２の入口と出口における排気ガスの温度差を可能な限り大きく維持することにより、高い熱交換効率を達成するように構成している。

このため、本実施形態では、排気ガス誘導部材１３０を採用している。排気ガス誘導部材１３０は、貫通孔１２０ｂを通過して上昇してきた排気ガスを、貫通孔１２０ｂと向かい合うように下方に向けて突出する凸状段部１３１ａに衝突させ、幅方向に方向付けて、速やかに排気ガス導入口１７２ａに誘導する。これにより、排気ガスは、排気ガス誘導部材１３０の底面付近に滞留することなく、素早く排気ガス導入口１７２ａに向けて誘導される。

排気ガス誘導部材１３０の上部には熱交換部として機能する排気通路１７２が形成されているため、排気ガス誘導部材１３０の上部の排気ガスは下部の排気ガスよりも低温である。したがって、排気通路１７４内で排気ガスが排気ガス誘導部材１３０の底面付近に滞留すると、排気ガス誘導部材１３０を介して排気通路１７２内の排気ガスとの間で熱交換が生じて、排気通路１７４内の排気ガスの温度が低下するおそれがある。また、排気通路１７４内の排気ガスは、改質器１２０の上面や排気ガス誘導部材１３０の下面を通して熱を奪われるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、排気ガス誘導部材１３０の底面に凸状段部１３１ａを設けたことにより、改質器１２０の貫通孔１２０ｂを通過して上昇してきた高温の排気ガスを、排気ガス誘導部材１３０の底面付近に滞留させることなく、速やかに側方に誘導することができるので、高い温度を維持したまま排気ガス導入口１７２ａに到達させることが可能となる。

また、排気通路１７２では、幅方向の両端部（排気通路１７２の入口である排気ガス導入口１７２ａ）から中央部（特に、排気通路１７２の出口である排気口１１１）に向けて排気ガスが流れる際に、発電用空気との熱交換が行われるため、排気ガス誘導部材１３０の凹部１３２ａ付近（図９の破線部Ａ参照）での排気ガスの温度が最も低くなる。特に、凹部１３２ａの長手方向の中央部分に配置された排気口１１１付近の温度が最も低くなる。一方、排気通路１７４では、改質器１２０の貫通孔１２０ｂの上方、即ち、排気ガス誘導部材１３０の凸状段部１３１ａ付近（図９の破線部Ｂ参照）の温度が最も高くなる。

最も温度が低い破線部Ａの領域と最も温度が高い破線部Ｂの領域（図９参照）とは、排気ガス誘導部材１３０を介して上下に位置するため、直線的な離間距離は小さい。このため、これらの領域間で熱交換が行われてしまうと、排気ガスの入口温度が低下するおそれがある。そこで、本実施形態では、排気ガス誘導部材１３０のケース部材内にガス溜１３５（ガス室）を形成し、このガス溜１３５を断熱材として機能させている。これにより、本実施形態では、排気ガス誘導部材１３０の上下の空間（即ち、排気通路１７２と排気通路１７４）との間、特に図９の破線部Ａ及びＢの領域間の熱交換が遮断されるため、改質器１２０の貫通孔１２０ｂを通過して上昇してきた高温の排気ガスの温度低下が防止され、高温状態に維持したまま排気ガス導入口１７２ａへ流出させて、排気ガスの入口温度を高温に維持することができる。

また、排気ガス誘導部材１３０が断熱材として機能するため、排気通路１７２内の排気ガスの熱が排気ガス誘導部材１３０によって奪われることが抑制され、排気通路１７２内の排気ガスと空気通路１６１ａ内の発電用空気との間の熱交換を促進させることができる。
さらに、排気通路１７２において、排気ガス誘導部材１３０の上部誘導板１３２が熱反射板として機能するため、上部誘導板１３２からの輻射熱を排気ガス及び空気に与えることができる。これにより、本実施形態では、熱交換部でのより高い熱交換効率を達成することができる。

また、排気ガス誘導部材１３０は、伝熱性を有する部材（例えば、金属材料等）で形成されており、それ自体が熱伝導させる。したがって、高温の排気ガスが排気ガス誘導部材１３０の凸状段部１３１ａに衝突することにより凸状段部１３１ａが加熱されると、凸状段部１３１ａから排気ガス誘導部材１３０の他の部位への熱伝導を完全に遮断することはできない。このため、排気ガス誘導部材１３０の上面への熱伝導も生じ得る。そうすると、排気ガス誘導部材１３０の上面において、熱交換部を構成する排気通路１７２の上流側と下流側の温度差が縮小され、熱交換効率の向上に不利となる。

そこで、本実施形態では、排気ガス誘導部材１３０の上面のうち排気ガスの温度が最も低くなる排気通路１７２の下流側の部位（即ち、幅方向の中央部分）に凹部１３２ａを形成することにより、排気通路１７２内で排気ガスの本流部分が通過する部分（凹部１３２ａが形成された部位以外の通路高さ位置であり、図９ではプレートフィン１７５が位置する高さ位置）と排気ガス誘導部材１３０の凹部１３２ａの底面との間の距離を大きくしている。これにより、排気通路１７２の下流側の部位において、排気ガスと排気ガス誘導部材１３０との間で熱交換が起き難くなり、凸状段部１３１ａから凹部１３２ａへの熱伝導が抑制される。即ち、凹部１３２ａが熱伝導により一旦昇温した後は、凹部１３２ａ付近で排気ガスとの熱交換が起き難いため、凹部１３２ａの温度は低下し難くなる。これにより、本実施形態では、熱交換部でのより高い熱交換効率を達成することができる。

また、混合ガス供給管１１２は、排気口１１１からモジュールケース８内を通って、改質器１２０へ配管されている。このため、混合ガス供給管１１２内の混合ガスをモジュールケース８内で予熱することができるが、この予熱により排気ガスの熱が奪われるため、熱交換効率の向上にとって不利となる。そこで、本実施形態では、排気ガスの温度が最も低くなっている排気通路１７２の下流側にある排気ガス誘導部材１３０の凹部１３２ａ内に混合ガス供給管１１２を配置することにより、熱交換部での熱交換前の高温の排気ガスではなく、熱交換後の低温の排気ガスによって混合ガス供給管１１２を昇温させるように構成されている。これにより、排気ガスの熱が混合ガス供給管１１２によって過剰に奪われることが抑制され、混合ガスを予熱する効率（熱交換効率）を低減することができる。

次に、図１４〜図１９を参照して、本実施形態の熱交換器の作用について説明する。図１４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熱交換部の横断面図であり、図１５は、モジュールケースの天板と排気管の接続部分の説明図であり、図１６は、モジュールケースの天板上の発電用空気供給通路の説明図であり、図１７は、モジュールケースの天板下の排気通路の説明図であり、図１８は、プレートフィンの斜視図であり、図１９は、空気通路カバーの側板とモジュールケースの側板との間に配置されたプレートフィンの説明図である。

図１４に示すように、空気通路カバー１６０は、モジュールケース８に対して、長手方向の一端側（図１４の右側）にやや偏った位置に取り付けられている。具体的には、モジュールケース８の長手方向の他端側では、水添脱硫器用水素取出管６５が天板８ａを貫通して上方に延びているが、空気通路カバー１６０は、水添脱硫器用水素取出管６５を避けてモジュールケース８の長手方向の一端側にずらして配置されている。これにより、空気通路カバー１６０には、水添脱硫器用水素取出管６５を貫通させるための貫通孔を設けることが不要になる。また、空気通路カバー１６０に貫通孔を設けた場合には、水添脱硫器用水素取出管６５を貫通孔において溶接等により気密的に固定する必要があるが、このような複雑な加工工程も不要となる。

また、図１４に示すように、空気通路カバー１６０の天板１６０ａの一端側の端部中央部分には、開口部１６５が形成されており、この開口部１６５を覆うように流路方向調整部１６４が固定されている。発電用空気導入管７４を流れてきた発電用空気は、流路方向調整部１６４を介して開口部１６５を通って空気通路１６１ａ内へ供給される。発電用空気導入管７４は、少なくともその供給側端部が、空気通路カバー１６０の天板１６０ａの長手方向に沿って水平に延びている（図４参照）。なお、本実施形態では、発電用空気導入管７４の供給側端部が天板１６０ａ又は天板８ａと平行に延びているが、先端側が下がるように角度付けされていてもよい。

流路方向調整部１６４は、発電用空気導入管７４を連結するための略半円形状の取付部１６４ａと、上方に突出するように形成された凸状流路部１６４ｂとを有する流路部材であり、天板１６０ａの開口部１６５を塞ぐように取り付けられている。凸状流路部１６４ｂは、取付部１６４ａから発電用空気の進行方向に沿って徐々に略半円形状の断面が相似的に縮小するカバー部材であり、内部に空気流路を形成している。したがって、内部空気流路は、先端側ほど上面が低くなり且つ幅も狭くなる。また、凸状流路部１６４ｂの下部は、開口部１６５を介して空気通路１６１ａと連通している。

天板１６０ａの下に形成された空気通路１６１ａは、幅方向寸法及び長手方向寸法は大きいが、通路の高さは低くなるように形成されている。このため、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との間の距離（通路の高さ）は、発電用空気導入管７４の径寸法よりも小さいので、発電用空気導入管７４を空気通路１６１ａの高さ部分で空気通路カバー１６０に連結することは困難であり、仮に連結することができたとしても圧力損失が大きくなる。

また、発電用空気導入管７４を上下方向に延びるように配置し、上方から開口部１６５を通して空気通路１６１ａ内に発電用空気を供給した場合には、発電用空気が空気通路１６１ａの下面に衝突し、側方の通路空間に向けて分散し難くなる。このため、発電用空気を空気通路１６１ａの全域にムラなく供給することが困難となり、局所的に熱交換効率が低下する部位が生じるため、全体として熱交換効率が低下してしまう。

そこで、本実施形態では、発電用空気導入管７４の供給側端部を、流路方向調整部１６４を介して空気通路カバー１６０の天板１６０ａに連結している。このように構成することにより、流路方向調整部１６４を別部材として空気通路カバー１６０に組み付けることが可能となると共に、発電用空気導入管７４を空気通路カバー１６０に連結する組み付け性が向上される。また、流路方向調整部１６４を空気通路カバー１６０に予め組み付けておき、その後、空気通路カバー１６０をモジュールケース８に組み付けることが可能である。

しかしながら、この構成では、発電用空気導入管７４が空気通路１６１ａの上方にずれて位置することになり、発電用空気導入管７４と空気通路１６１ａ内の流路方向とは長手方向成分において略平行であるが、上下方向に離間することになる。このため、流路方向調整部１６４は、発電用空気導入管７４の供給側端部から離れるに従って、内部流路高さが低くなるように形成されている。これにより、凸状流路部１６４ｂは、発電用空気導入管７４から供給される発電用空気の流路方向を徐々に下方に向けて変更し、空気通路１６１ａの流路方向に対して緩やかな角度に角度付けて空気通路１６１ａへ発電用空気を送り出すことができる。

さらに、凸状流路部１６４ｂは、発電用空気導入管７４の供給側端部から離れるに従って、内部流路高さが低くなることに加えて、内部流路幅が狭くなるように形成されている（図４参照）。したがって、凸状流路部１６４ｂは、進行方向に対して流路断面積が徐々に小さくなる。このため、発電用空気は、流路方向調整部１６４内で大きな抵抗を受けることなく、徐々に増速される。これにより、空気通路カバー１６０の長手方向の一端側から空気通路１６１ａに供給された発電用空気は、空気通路カバー１６０の長手方向の他端側まで到達可能であり、空気通路１６１ａの全域に発電用空気をムラなく供給することができる。

また、流路方向調整部１６４を用いない場合には、発電用空気導入管７４から流路高さの低い空気通路１６１ａへの流入面積が小さくなるため、上述のように、圧力損失が大きくなってしまうが、流路方向調整部１６４を用いることにより、大きな流入面積を確保することができる。このため、本実施形態では、圧力損失を小さくして、空気通路１６１ａにおいて、空気通路カバー１６０の長手方向の他端側まで発電用空気をスムーズに供給することができる。

また、空気通路１６１ａ内には、排気管１７１の両側にモジュールケース８の長手方向に沿って２つの空気分配部材１６６が略平行に配置されている（図１５、図１６参照）。プレートフィン１６２は、空気分配部材１６６に対して、空気通路１６１ａの幅方向外側に配置されており、したがって、２つの空気分配部材１６６の間には、プレートフィン１６２のようなガスが移動する際の抵抗となる部材（排気管１７１を除く）が存在しない空間が形成される。

空気分配部材１６６は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａの長手方向の略全体の長さ範囲にわたって空気通路１６１ａを区画するように延びる長尺部材である。空気分配部材１６６は、長手方向に離間して所定間隔で形成された多数の貫通孔を有し、この貫通孔により空気通路１６１ａを幅方向に連通している（図１４参照）。また、空気分配部材１６６は、天板８ａと天板１６０ａとを連結している（図１５参照）。

図１６に示すように、流路方向調整部１６４を介して供給された発電用空気は、空気通路カバー１６０の一端側（図１６の右側）から他端側に向けて２つの空気分配部材１６６の間を流れる。２つの空気分配部材１６６の間は、プレートフィンのような物理的な抵抗がないため、流路方向調整部１６４によって流速を速められて空気通路１６１ａ内に供給された発電用空気は、空気通路カバー１６０の他端側まで到達可能である。そして、発電用空気は、空気分配部材１６６の貫通孔を通って幅方向へ移動する。

空気分配部材１６６の貫通孔を通過した発電用空気は、プレートフィン１６２，天板８ａ，排気通路１７２内のプレートフィン１７５を介して、排気ガスとの間で熱交換が行われ昇温される。その後、発電用空気は、空気通路１６１ａの幅方向の両端部に到達し、空気通路１６１ｂを経由して、モジュールケース８の側板８ｂに形成された吹出口８ｆから発電室１０内へ噴射される。

流路方向調整部１６４は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａの４つの端辺のうち、空気通路１６１ｂに連通する端辺（長手方向に延びる辺）とは異なる端辺（幅方向に延びる辺）に配置されている。このため、本実施形態では、発電用空気を天板８ａ上の空気通路１６１ａ内で長手方向に沿って供給しつつ幅方向に供給することにより、その後、側板８ｂ上の空気通路１６１ｂに対して長手方向において均等に発電用空気を供給することができる。

本実施形態では、モジュールケース８の外側から空気通路カバー１６０を組み付けて固定することにより、モジュールケース８外に空気通路１６１ａ，１６１ｂを容易に形成することができる（図４参照）。また、モジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂ上に予めプレートフィン１６２，１６３を配置した後に、空気通路カバー１６０を配置することが可能であり、プレートフィン１６２，１６３の組み付け性も良好である。

また、モジュールケース８に対して空気通路カバー１６０を外部から機械溶接を適用し固定することが可能であるため、量産化を図ることができる。特に、本実施形態では、空気通路カバー１６０が共に矩形状の天板１６０ａ及び側板１６０ｂを備えているため、外郭が直線的に形成されており、自動機械による溶接の適用が容易である。
このように、本実施形態では、空気通路の形成のための作業性が良好となり、製造コストを低減することが可能である。

また、本実施形態では、モジュールケース８内には排気通路のみを形成すればよくなるため、製造が容易になる。更に、モジュールケース８内に排気通路が位置するので、排気ガスがモジュールケース８外に漏洩することを防止することができる。一方、空気通路はモジュールケース８外に位置するが、空気通路の気密性が確保できなくなった場合でも、発電用空気がモジュールケース８外に漏洩するだけに留めることができる。

また、本実施形態では、図１５に示すように、モジュールケース８の天板８ａの排気口１１１には排気管１７１が固定されている。このため、空気通路カバー１６０の開口部１６７に排気管１７１を挿入することにより、モジュールケース８に対して空気通路カバー１６０を位置決めすることができるので、良好な組付け性を確保することができる。

さらに、空気通路カバー１６０の開口部１６７には、その周縁部が上方へ突出するように湾曲されることにより環状部１６７ａが形成されている。したがって、環状部１６７ａの曲面に沿って排気管１７１を開口部１６７に容易に挿入することができる。
また、環状部１６７ａと排気管１７１とを固定する際に、環状部１６７ａが溶接を行う際の接続しろとなる。このため、本実施形態では、環状部１６７ａのような接続しろが無い場合と比べて、空気通路カバー１６０の開口部１６７と排気管１７１の周面とをより確実に溶接によって固定することができる。
このように、本実施形態では、開口部１６７に上方へ突出する環状部１６７ａを設けたことにより、空気通路カバー１６０をモジュールケース８に組み付ける際の作業性を向上させることができる。

本実施形態では、上述のように、燃料電池セルユニット１６の側方部分での熱交換を行うことを回避して、モジュールケース８の天板８ａ付近で実質的な熱交換を行うこととしている。この場合、天板８ａの面積は燃料電池セルユニット１６の側方の側板８ｂの面積よりも小さくなるため、十分な熱交換を行うための面積が確保できないおそれがある。しかしながら、本実施形態では、小さな面積でも十分な熱交換を行うことができるように、上述の排気ガス誘導部材１３０に加えて、熱交換距離延長部材１７６を設けている。

図１７に示すように、排気ガス誘導部材１３０の上部誘導板１３２上には、混合ガス供給管１１２及び凹部１３２ａを挟んで幅方向の両側にプレートフィン１７５が配置されている。また、これらプレートフィン１７５の長手方向に延びる中央側の端辺に沿って、その内側に熱交換距離延長部材１７６が配置されている。２つの熱交換距離延長部材１７６は、長手方向に沿って略平行、且つ、排気口１１１に対して対称に配置されている。熱交換距離延長部材１７６は、その長さが天板８ａの長手方向長さの略半分である長尺な板状部材であり、その下端部が上部誘導板１３２に固定されると共に、上端部が天板８ａに当接されている（図１５参照）。

排気通路１７３，１７４から排気ガス導入口１７２ａを介して排気通路１７２へ供給された排気ガスは、天板８ａの略中央部分に設けられた排気口１１１から排出される。したがって、熱交換距離延長部材１７６が無い場合には、排気ガスの流れは、排気ガス導入口１７２ａから排気口１１１へ直接的に向かうようになり、排気通路１７２の一部に排気ガスの流れが偏ってしまい、排気ガスから十分な熱量をプレートフィン１７５に伝えることができない。その結果、排気ガスと発電用空気との間の熱交換を十分に行うことができない。

そこで、本実施形態では、排気口１１１を挟んで２つの熱交換距離延長部材１７６を配置することにより、排気ガスを迂回させて排気口１１１へ導くように構成されている。具体的には、排気ガスは、排気ガス導入口１７２ａからプレートフィン１７５を通過しつつ、排気通路１７２の幅方向の中央部に向けて移動する。ところが、排気口１１１の両側には長手方向に沿って熱交換距離延長部材１７６が配置されているので、排気ガスは、熱交換距離延長部材１７６に衝突し、その長手方向の一端側又は他端側に迂回して、２つの熱交換距離延長部材１７６の間の空間に到達し、さらにこの空間を通過して排気口１１１に到達する。このように、本実施形態では、排気ガスに熱交換距離延長部材１７６を迂回させることにより、排気通路１７２において排気ガスが流れる距離が延長されると共に、排気通路１７２の全面で熱交換が可能となる。これにより、排気ガスから十分な熱量を空気通路１６１ａ内の発電用空気に伝えることが可能となり、その結果、排気ガスと発電用空気との間の熱交換効率を向上させることができる。

また、熱交換距離延長部材１７６は、その上端部が天板８ａに当接されているので（図１５参照）、排気ガスの熱を天板８ａに直接的に伝導させて、空気通路１６１ａ内の発電用空気を昇温させることができる。
さらに、空気通路１６１ａに供給された発電用空気は、排気管１７１の外周壁に衝突するため、排気管１７１の周囲付近は、空気密度が他の領域よりも高くなり（図１５の破線部Ａ参照）、排気管１７１は冷却される。一方、熱交換距離延長部材１７６の上端部は、排気管１７１（及び排気口１１１）付近の天板８ａと当接している（図１５、図１７参照）。このため、熱交換距離延長部材１７６から温度が低下された排気管１７１への熱伝導が促進されるので、より効率的に空気通路１６１ａ内の発電用空気を昇温させることが可能である。

次に、図１８に示すように、プレートフィン１６２，１６３，１７５は、矩形状の薄い金属板をプレス加工することにより形成されており、平面部２００と、平面部２００に所定間隔で形成され、平面部２００の両面側に向けてそれぞれ突出する突出部２０２とを備えている。突出部２０２は、平面部２００の一部を切り欠いて台形状に展伸させたものであり、傾斜部２０２ａと天板部２０２ｂからなる。突出部２０２の傾斜部２０２ａと天板部２０２ｂは、平面部２００から離間しており、離間した部位に開口２０２ｃが形成されている。このように形成されたプレートフィンでは、平面部２００の両側面に沿ってガスが流れる際に、ガスと平面部２００とが直接的に熱交換を行う以外に、ガスが突出部２０２に衝突することにより、ガスと突出部２０２とが熱交換を行う。これにより、ガスとプレートフィンとの間で効率よく熱交換を行うことができる。

また、ガスと突出部２０２との衝突により、ガスの流路方向が変更される。具体的には、突出部２０２の傾斜部２０２ａの外側面（開口２０２ｃと逆側の面）又は内側面（開口２０２ｃ側の面）に衝突することにより、ガスの流路は側方へ変更される。これにより、ガスは、全体としては流路に沿った方向に流れるが、局所的には種々の方向に流れて互いに混じり合うため分散性が向上される。

また、図１９に示すように、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に挟まれて配置されている。プレートフィン１６３は、側板８ｂとは突出部２０２の天板部２０２ｂで接触しているが、側板１６０ｂとは天板部２０２ｂに設けた突起部２０３を介して接触している。

突起部２０３は、天板部２０２ｂよりも接触面積が小さくなるように形成されており、例えば、天板部２０２ｂの一部を外方へ突出させることにより形成することができる。また、突起部２０３は、熱伝導性の良好なプレートフィンとは別部材とすることもできる。この場合、プレートフィンよりも熱伝導性の低い材料で形成すると好適である。

突起部２０３は、側板１６０ｂ側のすべての突出部２０２の天板部２０２ｂに設けられてはおらず、少なくとも１つの天板部２０２ｂに設けられている。このため、側板１６０ｂに向けて突出する突出部２０２のうち、ほとんどの突出部２０２が側板１６０ｂと接触せず、１つ又は少数の突出部２０２のみが突起部２０３を介して側板１６０ｂと接触している。

このように、プレートフィン１６３は、接触面積が小さく、好ましくは熱伝導性が低い突起部２０３を介して、側板１６０ｂと接触している。このため、プレートフィン１６３から側板１６０ｂを介して外部の断熱材７へ熱を放散させること（熱損失）を抑制することが可能となり、排気通路１７３の排気ガスと空気通路１６１ｂの発電用空気との間の熱交換効率より向上させることができる。なお、プレートフィン１６２でも同様である。

１ 固体酸化物形燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
７，７ａ 断熱材
８ モジュールケース
８ａ 天板
８ｂ 側板
８ｄ，８ｅ 閉鎖側板
１０ 発電室
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室（燃焼部）
６３ 燃料供給配管
６４ 燃料ガス供給管（燃料ガス供給通路）
７４ 発電用空気導入管
８２ 排気ガス排出管
１１１ 排気口
１１２ 混合ガス供給管
１２０ 改質器
１２０ｂ 貫通孔（開口部）
１２１ 上側ケース
１２２ 下側ケース
１２１ａ，１２２ａ 連結凹部
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
１３３，１３４ 連結板
１３５ ガス溜
１４０ 蒸発器
１６０ 空気通路カバー
１６０ａ 天板
１６０ｂ 側板
１６１ａ，１６１ｂ 空気通路
１６２，１６３ プレートフィン
１６４ 流路方向調整部
１７１ 排気管
１７２ａ 排気ガス導入口
１７２，１７３，１７４ 排気通路
１７５ プレートフィン
１７６ 熱交換距離延長部材

Claims (5)

1. 原料ガスを改質して得られた燃料ガスと空気との反応により発電する燃料電池セルユニットを備えた固体酸化物形燃料電池装置において、
   モジュールケースと、
   前記モジュールケースを覆うように設けられた断熱材と、
   燃料ガスを前記燃料電池セルユニットに供給する燃料ガス供給通路と、
   前記モジュールケース内に配置され、水蒸気を用いて原料ガスを改質して燃料ガスを生成し、燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給する改質器と、
   前記燃料電池セルユニットの発電に寄与しなかった燃料ガスを燃焼させ、発生した排気ガスにより前記改質器を加熱する燃焼部と、
   前記モジュールケースの外部で前記断熱材内に配置され、排気ガスとの熱交換によって水を蒸発させ、発生させた水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、
   前記燃料電池セルユニットに空気を供給する空気通路であって、少なくとも前記モジュールケースの天板及び側板と前記断熱材との間に形成され、前記モジュールケースの側板の外面に沿って前記モジュールケースの上方から下方に向けて空気を流す、前記空気通路と、
   前記モジュールケースの内部に設けられ、排気ガスを排気口から流出させる排気通路であって、前記モジュールケースの天板を挟んで前記空気通路に沿うように延びており、前記空気通路を流れる空気と前記排気通路を流れる排気ガスとの間で前記モジュールケースの天板を介して熱交換が行われるように構成されている、前記排気通路と、を備え、
   前記改質器は、前記燃焼部で発生した排気ガスを下方から上方へ通過させる開口部を有しており、
   前記改質器の上方に、前記燃焼部を覆うように水平方向に延在する排気ガス誘導部材が配置され、
   前記排気ガス誘導部材は、その底面に前記開口部と向かい合うように下方に向けて突出する凸状段部が設けられており、前記凸状段部が、前記燃焼部から前記開口部を通過して上昇する排気ガスを前記排気通路へ誘導することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
2. 前記排気ガス誘導部材は、前記燃焼部と連通する内部空間を形成するケース部材であり、前記排気ガス誘導部材の上方の空間が前記排気通路を構成することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
3. 前記排気通路は、前記排気ガス誘導部材の上面と前記モジュールケースの天板とによって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
4. 前記排気ガス誘導部材は、伝熱性部材で形成されており、前記排気ガス誘導部材の上面のうち前記排気通路の下流側の部位に、下方に向けて凹んだ凹部が形成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形燃料電池装置。
5. 原料ガスと水蒸気とを含む混合ガスを前記改質器に供給する混合ガス供給管を更に備え、
   前記混合ガス供給管は、前記排気ガス誘導部材の凹部内を延びた後、前記改質器に連結されていることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。

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