JP6380748B2 - 固体酸化物型燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池装置に関し、特に、モジュールケースのケース間通路において酸化剤ガスに対する熱交換を行う固体酸化物型燃料電池装置に関する。

固体酸化物型燃料電池装置（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。

従来から、固体酸化物型燃料電池装置では、排気ガスの熱を利用して酸化剤ガスを昇温するための熱交換器を用い、この熱交換器で昇温させた酸化剤ガスを燃料電池セルに供給している。しかしながら、このような熱交換器を別途設けると大きなコストがかかる。そのため、固体酸化物型燃料電池装置のケース間に形成した酸化剤ガス通路において熱交換を行う試みがなされている。例えば、特許文献１には、固体酸化物型燃料電池装置に二つのケース間通路を形成して、内側のケース間通路を排気ガス通路として用い、外側のケース間通路を酸化剤ガス通路として用いると共に、外側の酸化剤ガス通路において酸化剤ガスを昇温させるための熱交換を行う技術が記載されている。

特開２０１２−２２１６５９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、内側のケース間通路に上から下に向かって排気ガスを流すと共に、外側のケース間通路に下から上に向かって酸化剤ガスを流していたので、燃料電池セルの下部の側方に、酸化剤ガスとの熱交換により温度低下した排気ガスが流れるため、燃料電池セルの上下方向に熱ムラが発生していた。これは、燃料電池セルの劣化要因となる。

従って、本発明は、モジュールケースのケース間通路において酸化剤ガスに対する熱交換を行う固体酸化物型燃料電池装置において、装置を小型化及び低コスト化しつつ、燃料電池セルへの熱影響を抑制すると共に、酸化剤ガスに対する十分な熱交換性能を確保することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物型燃料電池装置において、互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルを収容するモジュールケースと、モジュールケースの周囲を覆うように設けられた断熱材と、燃料ガスを複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、モジュールケース内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料ガス供給通路に供給する改質器と、複数の燃料電池セルにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により改質器を加熱する燃焼部と、モジュールケースの外部に設けられ、モジュールケースから排出すべき排気ガスが通過する第１排気通路であって、改質器よりも上方のモジュールケースの天板上に設けられた排気口と連通し、この排気口から流出した排気ガスが通過する第１排気通路と、水が供給され、この水と第１排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、第１排気通路に対して設けられており、熱交換によって水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気を改質器に供給する蒸発器であって、断熱材内で且つモジュールケースの外部に配置された、蒸発器と、モジュールケースの外壁と断熱材との間に形成され、モジュールケースの外側面に沿って酸化剤ガスを流す酸化剤ガス供給通路であって、上方から酸化剤ガスが供給されて、この酸化剤ガスをモジュールケースの下部から複数の燃料電池セルに供給する、酸化剤ガス供給通路と、モジュールケースの内部に設けられ、排気口と連通し、この排気口へ排気ガスを流出させる第２排気通路であって、モジュールケースの外壁を挟んで、酸化剤ガス供給通路の少なくとも一部分に沿うように延び、複数の燃料電池セルよりも上方に位置する排気ガス導入口から排気ガスが導入される、第２排気通路と、を有し、複数の燃料電池セルよりも上方の位置において、酸化剤ガス供給通路を通過する酸化剤ガスと第２排気通路を通過する排気ガスとの間で熱交換を行う、ことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、モジュールケースを挟んで酸化剤ガス供給通路と第２排気通路とを並設してケース間通路を形成したので、固体酸化物型燃料電池装置の小型化及び低コスト化が図れる。これについて具体的に説明する。上述したように、従来の固体酸化物型燃料電池装置では、上方の改質器に向かって排気口から排気ガスが排出され、上方にある排気ガスを下方へと流す過程で熱交換を行っていた。そうした場合、酸化剤ガスによって大きく温度低下された排気ガスが燃料電池セルの下部の側方を流れることで、燃料電池セルの下部が低温になってしまい（つまり燃料電池セルの上下方向に熱ムラが生じてしまう）、燃料電池セルが劣化してしまう可能性がある。従来の固体酸化物型燃料電池装置では、これを防止するために、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セルとをある程度の距離を離して設けたり、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セルとの間に部分的に断熱材を設けたりしていた。そのため、モジュールケースが大型化していた。加えて、断熱材を部分的に設けた場所における熱の反射特性が変わり、燃料電池セルに悪影響を与えてしまっていた。
これに対して、本発明では、モジュールケース内において燃料電池セルよりも上方に第２排気通路を設けて、この第２排気通路を用いて酸化剤ガスと熱交換を行うようにし、つまり燃料電池セルよりも上方のモジュールケース内の位置で酸化剤ガスと熱交換を行うようにし、また、燃料電池セルの側方を排気ガスが下方へと流れないようにしたので、燃料電池セルの上下方向の熱ムラを抑制することができる。この場合、本発明によれば、上記した従来技術のように、排気ガス及び酸化剤ガスが流れる通路と燃料電池セルとをある程度の距離を離して設けたり、排気ガス及び酸化剤ガスが流れる通路と燃料電池セルとの間に断熱材を設けたりする必要がないため、固体酸化物型燃料電池装置を大型化及び高コスト化させることなく、燃料電池セルへの熱影響を抑制することができる。このような理由により、本発明によれば、固体酸化物型燃料電池装置を効果的に小型化及び低コスト化することができるのである。具体的には、本発明によれば、燃料電池セルへの熱影響を考慮して燃料電池セルとモジュールケースとを離さなくてもよく、燃料電池セルとモジュールケースとを近付けて配置することができるため、固体酸化物型燃料電池装置を小型化することができる。
ところで、本発明では、燃料電池セル上方の酸化剤ガス供給通路及び第２排気通路のみにおいて熱交換を行うため、熱交換距離が短くなる傾向にあり（言い換えると熱交換面積が小さくなる傾向にあり）、酸化剤ガスを昇温させにくくなる。これに対処すべく、本発明では、酸化剤ガスと熱交換を行うモジュールケース内の排気ガスの温度を高く維持するために、蒸発器をモジュールケースの外に設けた（この場合、当然、蒸発器で熱交換を行う前の排気ガスにより酸化剤ガスとの熱交換が行われることとなる）。こうすることで、酸化剤ガスと熱交換を行うモジュールケース内の排気ガスの温度を高く維持することができ、熱交換距離が短くても、酸化剤ガスを十分に昇温させることが可能となった。
また、本発明によれば、モジュールケースの室内熱と酸化剤ガスとを自然に熱交換させるだけでなく、燃料電池セル上方に第２排気通路を形成して燃料電池セルに影響を与えない環境下で酸化剤ガスとの熱交換を積極的に行わせているので、排気流動等に影響されることなく、確実に安定した熱交換を実現することができる。更に、本発明によれば、上記したような構成により、少ない排気ガスの熱量で酸化剤ガスを昇温することができ（つまり熱自立しやすい）、また、システムを昇温させるための酸化剤ガスの量も少なくて済む。

本発明において、好ましくは、酸化剤ガス供給通路は、内部に熱交換促進部材が設けられており、この熱交換促進部材は、複数の燃料電池セルよりも上方の位置にのみ設けられている。
このように構成された本発明によれば、熱交換促進部材を燃料電池セルよりも上方の酸化剤ガス供給通路内の位置に設けたので、排気ガスによる酸化剤ガスの昇温性能を高めることができる。これにより、酸化剤ガス供給通路が燃料電池セルの側方を通過することとなるが、酸化剤ガスが燃料電池セルの側方を流れる前に酸化剤ガスを十分に昇温させておくことができ、簡易な構成にて、燃料電池セルの下部が低温になってしまうことを抑制することができる。

本発明において、好ましくは、第２排気通路の排気ガス導入口は、複数の燃料電池セルよりも上方で、且つ改質器よりも上方に位置し、第２排気通路よりも下方に位置し、改質器の外側面とモジュールケースの内側面との間に形成された第３排気通路であって、第２排気通路の排気ガス導入口と連通し、この排気ガス導入口へ排気ガスを流出させる第３排気通路を更に有する。
このように構成された本発明によれば、改質器の外側面とモジュールケースの内側面との間に第３排気通路を更に形成したので、排気ガスを酸化剤ガスだけでなく改質器とも熱交換させることができ、簡易な構成にて、改質器及び酸化剤ガスの両方の昇温を実現することができる。

本発明において、好ましくは、改質器とモジュールケースの天板との間に設けられ、水平方向に延びる遮蔽板を更に有し、遮蔽板と改質器との間に、改質器の上面に向けて排気ガスを誘導する排気誘導室を形成し、遮蔽板と第２排気通路との間に、ガス溜を形成した。
このように構成された本発明によれば、改質器とモジュールケースの天板との間に設けた遮蔽板によって、この遮蔽板の上方に排気ガスがほとんど流れないガス溜を形成したので、排気ガスが第２排気通路の排気ガス導入口から導入される前に、排気ガスの熱がモジュールケースの天板などにより奪われてしまうことを抑制することができる。これにより、第２排気通路に導入する排気ガスの温度を高く維持することができ、つまり第２排気通路に高温の排気ガスを導入することができ、短い熱交換距離でも酸化剤ガスに対する高い昇温性能を実現することができる。
更に、本発明によれば、上記した遮蔽板の下方で且つ改質器の上方に排気誘導室を形成したので、この排気誘導室に誘導した排気ガスによって改質器を上方から加熱することができる。この場合、改質器の上方の遮蔽板が反射板として機能するので、遮蔽板による輻射熱も改質器に更に与えることができ、改質器を効果的に昇温することができる。加えて、遮蔽板の上方のガス溜が断熱層として機能するので、改質器の温度を適切に維持することができる。

本発明において、好ましくは、改質器よりも上方で、且つ第２排気通路の排気ガス導入口よりも下方のモジュールケースの内側面上に、排気ガスを排気誘導室に指向させる第１排気ガイド部が設けられている。
このように構成された本発明によれば、第３排気通路を通過する排気ガスを排気誘導室に指向させる第１排気ガイド部を設けたので、排気ガスが第３排気通路から第２排気通路へと直ぐに流入してしまうことを抑制し、第３排気通路を通過中の排気ガスを改質器の上面に適切に流させることができ、この排気ガスによって改質器を上方から効果的に加熱することができる。この場合、排気誘導室の上部に遮蔽板を設けたので、天板側に排気ガスを送り込んでしまうことはない。

本発明において、好ましくは、遮蔽板は、モジュールケースの内側面から離間して配置されると共に、第１排気ガイド部よりも上方に配置され、当該遮蔽板の縁部に、排気ガスを第２排気通路の排気ガス導入口に指向させる第２排気ガイド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、遮蔽板の縁部に設けた第２排気ガイド部によって排気ガスを第２排気通路の排気ガス導入口に指向させるので、第２排気通路の排気ガス導入口から効率的に排気ガスを取り込むことができる。そのため、高温に維持された排気ガスを第２排気通路に導入することができ、第２排気通路内の排気ガスと酸化剤ガス供給通路内の酸化剤ガスとの熱交換性を向上させることができる。加えて、排気ガスを誘導するための部材を別途用いないので、固体酸化物型燃料電池装置の小型化を実現することができる。

本発明において、好ましくは、モジュールケースの天板の正面視中央位置において、酸化剤ガスの供給と排気ガスの排出とが行われるように構成され、モジュールケースの天板の外側に酸化剤ガス供給通路が形成され、モジュールケースの天板の内側に第２排気通路が形成され、これらの酸化剤ガス供給通路と第２排気通路とが天板を挟んで並設され、遮蔽板は、第２排気通路と所定距離を隔てて、ガス溜を介して設けられている。
このように構成された本発明によれば、酸化剤ガスに対する熱交換性能及び排気ガスによる改質器の昇温性能の両方を大きく向上させることができる。

本発明によれば、モジュールケースのケース間通路において酸化剤ガスに対する熱交換を行う固体酸化物型燃料電池装置において、装置を小型化及び低コスト化しつつ、燃料電池セルへの熱影響を抑制することができると共に、酸化剤ガスに対する十分な熱交換性能を確保することができる。

本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置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型燃料電池装置の燃料電池モジュールから断熱材及びハウジングを取り外した状態の斜視図である。 図５（Ａ）は、本発明の一実施形態による改質器を斜め上方から見た斜視図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のVB-VB線に沿った断面図であり、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のVC-XC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型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、燃料電池モジュールを示す正面断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールにおけるガスの流れの説明するための、図２のIII-III線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。 本発明の実施形態の変形例による遮蔽板を適用した燃料電池モジュールの一部分を示す概略断面図である。 本発明の実施形態の変形例による改質器の断面斜視図である。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置を説明する。

図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１Ｘは、燃料電池モジュール２Ｘと、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２Ｘは、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して金属製のモジュールケース８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、９個の燃料電池セルスタック１４（図７参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、各々が燃料電池セルを含む、１６本の燃料電池セルユニット１６（図６参照）から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１２は、１４４本の燃料電池セルユニット１６を有する。燃料電池セル集合体１２は、複数の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２Ｘのモジュールケース８の発電室１０の上方には、燃焼部としていの燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。さらに、モジュールケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２Ｘ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、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６内においてモジュールケース８の上方には、後述する蒸発器１２５（図２等参照）が断熱材７内に設けられている。蒸発器１２５は、燃焼室１８において残余ガスの燃焼により発生した排気ガスと水とが供給され、これらの排気ガスと水との間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュールケース８内の改質器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２Ｘからの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

次に、燃料電池モジュール２Ｘ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２Ｘ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２Ｘ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型燃料電池装置の燃料電池モジュールの構造について具体的に説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿った断面図であり、図４は、ハウジング及び断熱材が取り外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。

図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２Ｘは、主に、上述したように、断熱材７内で且つモジュールケース８の外部に設けられた蒸発器１２５を有すると共に、モジュールケース８の内部に設けられた、燃料電池セル集合体１２及び改質器１２０を有する。

蒸発器１２５は、モジュールケース８の天板８ａ上に固定されている（図４参照）。また、熱交換モジュール２１とモジュールケース８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材７の一部分７ａが配置され、この断熱材７の一部分７ａも、モジュールケース８の天板８ａ上に固定されている（図２及び図３参照）。

具体的には、蒸発器１２５は、水平方向における一側端側に、水及び原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい）を供給する燃料供給配管６３と、排気ガスを排出するための排気ガス排出管８２とが接続され（図４参照）、水平方向における他側端側に、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１に連結された第１排気通路１７１が接続されている（図２参照）。この排気口１１１は、モジュールケース８内の燃焼室１８で生成された排気ガスをモジュールケース８の外へ排出する開口部であり、モジュールケース８の天板８ａのほぼ中央部に形成されており、蒸発器１２５は、このような排気口１１１の上方の断熱材７内に配置されている。

また、蒸発器１２５は、図２に示すように、上下方向に二層構造となっており、モジュールケース８側に位置する下層部分には、上記した第１排気通路１７１から供給された排気ガスが通過する排気通路部１２５ｃが形成されている。加えて、蒸発器１２５は、排気通路部１２５ｃの上部に位置する上層部分には、燃料供給配管６３から供給された水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発部１２５ａと、この蒸発部１２５ａよりも排気ガスの流れ方向における上流側に設けられ、蒸発部１２５ａで生成された水蒸気と燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとを混合させる混合部１２５ｂと、が形成されている。例えば、蒸発器１２５の蒸発部１２５ａ及び混合部１２５ｂは、複数の連通孔が設けられた仕切り板により蒸発器１２５を仕切った空間にて形成される。

このような蒸発器１２５では、蒸発部１２５ａ内の水と排気通路部１２５ｃを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により蒸発部１２５ａ内の水が蒸発して、水蒸気が生成されることとなる。加えて、混合部１２５ｂ内の混合ガスと排気通路部１２５ｃを通過する排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスの熱により混合ガスが昇温されることとなる。

更に、図２に示すように、蒸発器１２５の混合部１２５ｂには、第１排気通路１７１が接続された蒸発器１２５における端部に、この第１排気通路１７１の内部を通過するように形成された、混合部１２５ｂからモジュールケース８内の改質器１２０に混合ガスを供給するための混合ガス供給管１６２が接続されている。混合ガス供給管１６２は、一端が改質器１２０に設けられた混合ガス供給口１２０ａに連結しており、この混合ガス供給口１２０ａからほぼ水平方向に延びた先で９０°屈曲されて、モジュールケース８内、断熱材７ａ内、蒸発器１２５における上流側の排気通路部１２５ｃ内を順に横断するようにほぼ鉛直方向に延びて、他端が蒸発器１２５の混合部１２５ｂに接続されている。この場合、混合ガス供給管１６２は、蒸発器１２５の混合部１２５ｂに接続された端部１６２ｂが、蒸発器１２５の蒸発部１２５ａ及び混合部１２５ｂの底面よりも上方に突出するように設けられている。

次に、モジュールケース８の外側、具体的にはモジュールケース８の外壁と断熱材７との間には、酸化剤ガス供給通路としての発電用空気供給通路１７７が形成されている（図３参照）。この発電用空気供給通路１７７は、モジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと、これら天板８ａ及び側板８ｂのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース１７７ａとの間の空間によって形成され、モジュールケース８の天板８ａ上の正面視中央位置に設けられた発電用空気導入管７４から発電用空気が供給される（図４参照）。そして、発電用空気供給通路１７７は、モジュールケース８の側板８ｂの下部に設けられた複数の吹出口１７７ｂから、発電用空気を燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射する（図３参照）。

また、発電用空気供給通路１７７の内部には、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄが設けられている（図３参照）。オフセットフィン１７７ｃは、モジュールケース８の天板８ａに沿った発電用空気供給通路１７７の部分に設けられ、オフセットフィン１７７ｄは、モジュールケース８の側板８ｂに沿った発電用空気供給通路１７７の部分で、且つ、燃料電池セルユニット１６よりも上方の位置に設けられている。発電用空気供給通路１７７を流れる発電用空気は、特にオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これらオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュールケース８内（具体的にはモジュールケース８内に設けられた第２及び第３排気通路１７３、１７３）を通過する排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。このようなことから、発電用空気供給通路１７７においてオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄが設けられた部分は、熱交換器（空気熱交換器）として機能する。

次に、図２及び図３に加えて、図５も参照して、モジュールケース８内に設けられた改質器１２０について説明する。図５（Ａ）は、本発明の一実施形態による改質器１２０を斜め上方から見た斜視図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のVB-VB線に沿った断面図であり、図５（Ｃ）は、図５（Ａ）のXC-XC線に沿った断面図である。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）中には、改質器１２０に加えて、混合ガス供給管１６２や燃料ガス供給管６４なども図示している。

改質器１２０は、燃焼室１８の上方に水平方向に延びるように配置され、モジュールケース８の天板８ａと所定距離隔てて、この天板８ａに対して固定されている（図２参照）。改質器１２０には、上記した混合ガス供給管１６２からの混合ガスが混合ガス供給口１２０ａより流入し、この混合ガスを予熱する予熱部１２０ｂと、混合ガスの流れ方向において予熱部１２０ｂよりも下流側に設けられ、混合ガス（つまり水蒸気が混合された原燃料ガス（改質用空気を含めてもよい））を改質するための改質触媒（不図示）が充填された改質部１２０ｃと、が形成されている（図５（Ｂ）参照）。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。改質器１２０の予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃは、複数の連通孔が設けられた仕切り板１２０ｅにより改質器１２０を仕切った空間にて形成される（図５（Ｂ）参照）。ここで、改質器１２０は、混合ガス供給管１６２からの混合ガスが混合ガス供給口１２０ａより噴出され、この混合ガスが予熱部１２０ｂにおいて拡張されて噴出速度が低下するように構成されていると共に、噴出された混合ガスが予熱部１２０ｂの下流端側の壁面に衝突して折り返して、仕切り板１２０ｅを通過して改質部１２０ｃに供給されるように構成されている（図５（Ｂ）参照）。

また、改質器１２０には、改質部１２０ｃが形成された部分に、上方に凹んだ凹部１２０ｄが形成されている（図５（Ｂ）参照）。凹部１２０ｄは、上下方向に貫通するように延びる貫通孔の上部をプレートなどで塞ぐことにより形成される。この凹部１２０ｄには、上述した混合ガス供給管１６２の一部分１６２ａ、具体的には、混合ガス供給管１６２において水平方向に延びる部分であって、その端部が改質器１２０の混合ガス供給口１２０ａに接続された部分１６２ａが配置されている。この混合ガス供給管１６２の部分１６２ａも、その内部を通過する混合ガスを、改質器１２０の凹部１２０ｄ内の排気ガスによって予熱する予熱部として機能する（以下では混合ガス供給管１６２の部分１６２ａを「予熱部１６２ａ」と呼ぶ）。

また、改質器１２０は、上記した予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃの上面を形成する天板１２０ｆと、この天板１２０ｆの上方に設けられ、上部が開放したほぼＵ字断面形状を有する遮蔽板１２０ｇと、この遮蔽板１２０ｇの上部に配置された平板１２０ｈとを更に有する（図５（Ａ）乃至（Ｃ）参照）。改質器１２０において天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間の空間は、予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃの上方に排気ガスを誘導して流すための排気誘導室２０１を形成し、改質器１２０において遮蔽板１２０ｇと平板１２０ｈとの間の空間は、排気ガスがほとんど流れない、断熱層としてのガス溜２０３を形成する（図５（Ａ）乃至（Ｃ）に加えて、図２及び図３も参照）。更に、改質器１２０の上端部には、改質器１２０をモジュールケース８の天板８ａに固定するためのフランジ部１２０ｉが設けられている。

次に、図２に示すように、改質器１２０の下流端側には、改質器１２０の改質部１２０ｃによる改質によって生成された燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４の上部には、水添脱硫器用水素取出管６５が接続されている。燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。

次に、図３に示すように、モジュールケース８内において、改質器１２０の上面（詳しくは改質器１２０の平板１２０ｈ）とモジュールケース８の天板８ａの下面との間には、水平方向に延びる第２排気通路１７２が形成されている。この第２排気通路１７２は、モジュールケース８の天板８ａを挟んで、上記した発電用空気供給通路１７７の一部分と並設されている。また、第２排気通路１７２の内部には、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィン１７２ａが設けられている。このオフセットフィン１７２ａは、発電用空気供給通路１７７内に設けられたオフセットフィン１７７ｃと水平方向におけるほぼ同一箇所に設けられている。このようなオフセットフィン１７７ｃ、１７２ａが設けられた発電用空気供給通路１７７及び第２排気通路１７２の部分において、発電用空気供給通路１７７を流れる発電用空気と第２排気通路１７２を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温されることとなる。

また、改質器１２０の外側面とモジュールケース８の内側面との間には、上下方向に延びる第３排気通路１７３が形成されている。この第３排気通路１７３は第２排気通路１７２と連通しており、第３排気通路１７３から第２排気通路１７２へと排気ガスが流れていく。具体的には、第２排気通路１７２には、第３排気通路１７３の上端部（言い換えると第２排気通路１７２の水平方向における端部）に位置する排気ガス導入口１７２ｂから排気ガスが流入する。排気ガス導入口１７２ｂから第２排気通路１７２に流入した排気ガスは、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１を介して、モジュールケース８の外部に設けられた第１排気通路１７１へと流出する。

また、第３排気通路１７３の途中のモジュールケース８の内側面上には、具体的には、改質器１２０の予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃよりも上方で、第２排気通路１７２の排気ガス導入口１７２ｂよりも下方のモジュールケース８の内側面上には、改質器１２０中に形成された排気誘導室２０１（改質器１２０の天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間の空間）に流れ込むように排気ガスを指向させる排気ガイド板２０５（第１排気ガイド部に相当する）が設けられている。

次に、図６を参照して、燃料電池セルユニット１６について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図６に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

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７を参照して、燃料電池セルスタック１４について説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図７に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６は、８本ずつ２列に並べて配置されている。
各燃料電池セルユニット１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板６８（図２参照）により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット１６が４本ずつ、概ね正方形の２枚の上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。

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７では左端の奥側）に位置する燃料電池セルユニット１６の空気極８６には、２つの外部端子１０４がそれぞれ接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

次に、図８及び図９を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュール内のガスの流れについて説明する。図８は、図２と同様の、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図９は、図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。図８及び図９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。なお、図８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８に示すように、水及び原燃料ガス（燃料ガス）が、蒸発器１２５の水平方向における一側端側に接続された燃料供給配管６３（図４参照）から蒸発器１２５内に供給される、具体的には蒸発器１２５の上層に設けられた蒸発部１２５ａ内に供給される。蒸発器１２５の蒸発部１２５ａに供給された水は、蒸発器１２５の下層に設けられた排気通路部１２５ｃを流れる排気ガスとの間で熱交換を行い、排気ガスの熱により加熱されて、気化して水蒸気となる。この水蒸気と、上記した燃料供給配管６３から供給された原燃料ガスとは、蒸発部１２５ａ内を水平方向に流れていき（具体的には燃料供給配管６３が接続された側と反対側に向けて水平方向に流れていき）、蒸発部１２５ａの先の混合部１２５ｂにおいて混合される。

そして、混合部１２５ｂにおいて水蒸気と原燃料ガスとが混合された混合ガス（燃料ガス）は、蒸発器１２５において燃料供給配管６３が接続された側と反対側に接続され、蒸発器１２５の排気通路部１２５ｃ、断熱材７ａ及びモジュールケース８内を横断するように延びる混合ガス供給管１６２を流れて、モジュールケース８内の改質器１２０に流入する。この場合、混合ガスは、混合部１２５ｂの下方の排気通路部１２５ｃを流れる排気ガスと、排気通路部１２５ｃ及び第１排気通路１７１内に位置する混合ガス供給管１６２の部分の周囲を流れる排気ガスと、モジュールケース８内に位置する混合ガス供給管１６２の部分の周囲を流れる排気ガスとの間で熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、モジュールケース８内では、改質器１２０の凹部１２０ｄ内に位置する混合ガス供給管１６２の予熱部１６２ａにおいて、この予熱部１６２ａ内を流れる混合ガスと改質器１２０の凹部１２０ｄ内の排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われる。

この後、混合ガス供給管１６２から改質器１２０に供給された混合ガスは、改質器１２０の混合ガス供給口１２０ａを介して、改質器１２０の水平方向における一側端側に設けられた予熱部１２０ｂ内に流入し、予熱部１２０ｂ内に流入した混合ガスは予熱部１２０ｂの周囲を流れる排気ガスによって予熱される。この場合、改質器１２０の予熱部１２０ｂは混合ガス供給管１６２よりも拡張された構造を有するので、改質器１２０の予熱部１２０ｂには混合ガス供給管１６２から混合ガスが噴出され、こうして噴出された混合ガスは予熱部１２０ｂにおいて拡張されて噴出速度が低下される。そして、混合ガスは、予熱部１２０ｂの下流端側の壁面に衝突して折り返して、改質器１２０内の仕切り板１２０ｅ（図５（Ｂ）参照）を通過して、予熱部１２０ｂの下流側に位置する、改質触媒が充填された改質部１２０ｃに流入し、この改質部１２０ｃにおいて改質されて燃料ガスとなる。こうして生成された燃料ガスは、改質器１２０の改質部１２０ｃの下流端側に接続された燃料ガス供給管６４と、この燃料ガス供給管６４の上方に接続された水添脱硫器用水素取出管６５とを流れる。そして、燃料ガスは、燃料ガス供給管６４の水平部６４ａに設けられた燃料供給孔６４ｂからマニホールド６６内に供給されて、マニホールド６６内の燃料ガスが各燃料電池セルユニット１６内に供給される。

他方で、図９に示すように、発電用空気導入管７４（図４及び図８参照）から供給された発電用空気は、モジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと、これら天板８ａ及び側板８ｂのそれぞれに沿って延びるように配置された発電用空気供給ケース１７７ａとの間の空間によって形成された発電用空気供給通路１７７を流れる。この際に、発電用空気供給通路１７７を流れる発電用空気は、オフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄを通過する際に、これらオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄの内側のモジュールケース８内に形成された第２及び第３排気通路１７２、１７３を通過する排気ガスとの間で効率的な熱交換を行い、加熱されることとなる。特に、発電用空気供給通路１７７のオフセットフィン１７７ｃに対応する第２排気通路１７２内にはオフセットフィン１７２ａが設けられているので、発電用空気は、発電用空気供給通路１７７内のオフセットフィン１７７ｃと第２排気通路１７２内のオフセットフィン１７２ａとを介して、排気ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、モジュールケース８の側板８ｂの下部に設けられた複数の吹出口７７ｂから燃料電池セル集合体１２に向けて発電室１０内に噴射される。

他方で、燃料電池セルユニット１６において発電に利用されずに残った燃料ガスは、図９に示すように、モジュールケース８内の燃焼室１８で燃焼されて排気ガス（燃焼ガス）となり、モジュールケース８内を上昇していく。具体的には、燃焼により生成された排気ガスは、まず、改質器１２０の外側面とモジュールケース８の内側面との間に形成された第３排気通路１７３を通過する。この際に、排気ガスは、モジュールケース８の内側面上に設けられた排気ガイド板２０５によって、改質器１２０中に形成された排気誘導室２０１（改質器１２０の天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間の空間）に流れ込むように指向される。そして、排気誘導室２０１を経由した排気ガス（排気誘導室２０１に流れ込んだ排気ガス及び排気誘導室２０１に流れ込まなかった排気ガスを含む）は、排気誘導室２０１の上方のガス溜２０３（改質器１２０の遮蔽板１２０ｇと平板１２０ｈとの間の空間）に流れ込むことなく上昇していき、排気ガス導入口１７２ｂから第２排気通路１７２に流入する。

この後、排気ガスは、第２排気通路１７２を水平方向に流れていき、モジュールケース８の天板８ａ上に形成された排気口１１１から流出する。排気ガスが第２排気通路１７２を水平方向に流れていく際に、第２排気通路１７２内に設けられたオフセットフィン１７２ａと、このオフセットフィン１７２ａに対応して発電用空気供給通路１７７内に設けられたオフセットフィン１７７ｃとを介して、発電用空気供給通路１７７を流れる発電用空気と第２排気通路１７２を流れる排気ガスとの間で効率的な熱交換が行われて、排気ガスの熱により発電用空気が昇温される。

そして、排気口１１１から流出した排気ガスは、モジュールケース８の外部に設けられた第１排気通路１７１を通過した後、第１排気通路１７１に接続された蒸発器１２５の排気通路部１２５ｃを流れて、蒸発器１２５の下流端側に接続された排気ガス排出管８２（図４参照）から排出される。排気ガスは、蒸発器１２５の排気通路部１２５ｃを流れる際に、上述したように、蒸発器１２５の混合部１２５ｂ内の混合ガス及び蒸発器１２５の蒸発部１２５ａ内の水と熱交換を行う。

次に、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の作用効果について説明する。

本実施形態によれば、モジュールケース８を挟んで発電用空気供給通路１７７と第２排気通路１７２とを並設したので、具体的にはモジュールケース８の外に発電用空気供給通路１７７を形成し且つモジュールケース８の中に第２排気通路１７２を形成したので（図３参照）、燃料電池モジュール２Ｘの小型化及び低コスト化が図れる。これについて具体的に説明する。従来の固体酸化物型燃料電池装置では、上方の改質器に向かって排気口から排気ガスが排出され、上方にある排気ガスを下方へと流す過程で空気熱交換を行っていた。そうした場合、空気により大きく温度低下された排気ガスが燃料電池セルの下側を流れることで、燃料電池セルの下側が低温になってしまい（つまり燃料電池セルの上下方向に温度勾配が生じてしまう）、燃料電池セルが劣化してしまう可能性がある。従来の固体酸化物型燃料電池装置では、これを防止するために、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セルとをある程度の距離を離して設けたり、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セルとの間に部分的に断熱材を設けたりしていた。そのため、モジュールケースが大型化していた。加えて、断熱材を部分的に設けた場所における熱の反射特性が変わり、燃料電池セルに悪影響を与えてしまっていた。
これに対して、本実施形態では、モジュールケース８内において燃料電池セル集合体１２よりも上方に第２排気通路１７２を設けて、この第２排気通路１７２を用いて空気熱交換を行うようにし、つまり燃料電池セル集合体１２よりも上方のモジュールケース８内の位置で空気熱交換を行うようにし、また、燃料電池セル集合体１２の側方を排気ガスが下方に流れないようにしたので、燃料電池セル集合体１２の上下方向の熱勾配を抑制することができる。この場合、本実施形態によれば、上記した従来技術のように、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セル集合体１２とをある程度の距離を離して設けたり、排気ガス及び発電用空気が流れる通路と燃料電池セル集合体１２との間に断熱材を設けたりする必要がないため、燃料電池モジュール２Ｘを大型化及び高コスト化させることなく、燃料電池セル集合体１２への熱影響を抑制することができる。
このような理由により、本実施形態によれば、燃料電池モジュール２Ｘを小型化及び低コスト化することができるのである。具体的には、本実施形態によれば、燃料電池セル集合体１２への熱影響を考慮して燃料電池セル集合体１２とモジュールケース８とを離さなくてもよく、燃料電池セル集合体１２とモジュールケース８とを近付けて配置することができるため、燃料電池モジュール２Ｘを小型化することができる。
ここで、本実施形態では、燃料電池セル集合体１２上方の発電用空気供給通路１７７及び第２排気通路１７２のみで空気熱交換を行うため、熱交換距離が短くなる傾向にあり（言い換えると熱交換面積が小さくなる傾向にあり）、発電用空気を昇温させにくくなる。これに対処すべく、本実施形態では、空気熱交換を行うモジュールケース８内の排気ガスの温度を高く維持するために、蒸発器１２５をモジュールケース８の外に設けた（この場合、当然、蒸発器１２５で熱交換を行う前の排気ガスにより空気熱交換が行われることとなる）。こうすることで、空気熱交換を行うモジュールケース８内の排気ガスの温度を高く維持することができ、熱交換距離が短くても、発電用空気を十分に昇温させることが可能となる。
また、本実施形態によれば、モジュールケース８の室内熱と発電用空気とを自然に熱交換させるだけでなく、燃料電池セル集合体１２上方に第２排気通路１７２を形成して燃料電池セル集合体１２に影響を与えない環境下で空気熱交換を積極的に行わせているので、排気流動等に影響されることなく、確実に安定した空気熱交換を実現することができる。更に、本実施形態によれば、上記したような構成により、少ない排気ガスの熱量で発電用空気を昇温することができ（つまり熱自立しやすい）、また、システムを昇温させるための発電用空気の量も少なくて済む。

また、本実施形態によれば、熱交換促進部材としてのオフセットフィン１７７ｃ、１７７ｄを燃料電池セル集合体１２よりも上方の発電用空気供給通路１７７内の位置に設けたので（図３参照）、排気ガスによる発電用空気の昇温性能を高めることができる。これにより、発電用空気供給通路１７７が燃料電池セル集合体１２の側方を通過するが（図３参照）、発電用空気が燃料電池セル集合体１２の側方を流れる前に発電用空気を十分に昇温させておくことができ、簡易な構成にて、燃料電池セル集合体１２の下側が低温になってしまうことを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、改質器１２０の外側面とモジュールケース８の内側面との間に第３排気通路１７３を更に形成したので、排気ガスを発電用空気だけでなく改質器１２０とも熱交換させることができ、簡易な構成にて、改質器１２０及び発電用空気の両方の昇温を実現することができる。

また、本実施形態によれば、改質器１２０の改質部１２０ｃとモジュールケース８の天板８ａとの間に設けた遮蔽板１２０ｇによって、この遮蔽板１２０ｇの上方に排気ガスがほとんど流れないガス溜２０３を形成したので、排気ガスが第２排気通路１７２の排気ガス導入口１７２ｂから導入される前に、排気ガスの熱がモジュールケース８の天板８ａなどにより奪われてしまうことを抑制することができる。これにより、第２排気通路１７２に導入する排気ガスの温度を高く維持することができ、つまり第２排気通路１７２に高温の排気ガスを導入することができ、短い熱交換距離でも発電用空気に対する高い昇温性能を実現することができる。
加えて、本実施形態によれば、上記した遮蔽板１２０ｇの下方で且つ改質部１２０ｃの上方に排気誘導室２０１を形成したので、この排気誘導室２０１に誘導した排気ガスによって改質部１２０ｃを上方から加熱することができる。この場合、改質部１２０ｃの上方の遮蔽板１２０ｇが反射板として機能するので、遮蔽板１２０ｇによる輻射熱を改質部１２０ｃに更に与えることができ、改質部１２０ｃを効果的に昇温することができる。加えて、遮蔽板１２０ｇの上方のガス溜２０３が断熱層として機能するので、改質部１２０ｃの温度を適切に維持することができる。

また、本実施形態によれば、第３排気通路１７３を通過する排気ガスを排気誘導室２０１に指向させる排気ガイド板２０５を設けたので、排気ガスが第３排気通路１７３から第２排気通路１７２へと直ぐに流入してしまうことを抑制し、第３排気通路１７３を通過中の排気ガスを改質部１２０ｃの上面に適切に流させることができ、この排気ガスによって改質部１２０ｃを上方から効果的に加熱することができる。この場合、排気誘導室２０１の上部に遮蔽板１２０ｇを設けたので、天板８ａ側に排気ガスが流れてしまうことはない。

次に、本発明の実施形態の変形例について説明する。

図１０を参照して、本発明の実施形態の変形例による遮蔽板について説明する。図１０は、本発明の実施形態の変形例による遮蔽板を適用した燃料電池モジュールの一部分を示す概略断面図である。
図１０に示すように、本変形例による遮蔽板１２０ｊは、上述した遮蔽板１２０ｇ（図３及び図５参照）と同様の位置に設けられているが、縁部が上方向に傾斜した傾斜部１２０ｋを有する。この遮蔽板１２０ｊの傾斜部１２０ｋは、第２排気ガイド部に相当し、図１０中の矢印に示すように、排気ガスが第２排気通路１７２の排気ガス導入口１７２ｂに流れ込むように指向させる。本変形例では、第２排気通路１７２は、水平方向だけでなく、水平方向に延びた先で下方向にも延びており、排気ガス導入口１７２ｂは、この第２排気通路１７２の水平部よりも下方に位置する。また、本変形例でも、遮蔽板１２０ｊより下方且つ予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃの上方の空間は、排気誘導室２０１を形成し、遮蔽板１２０ｊより上方且つ第２排気通路１７２の下方の空間は、ガス溜２０３を形成する。
このような変形例によれば、遮蔽板１２０ｊに設けた傾斜部１２０ｋによって、排気ガスが排気ガス導入口１７２ｂから第２排気通路１７２へと流れ込むように、排気ガスを効果的に誘導することができる。そのため、高温に維持された排気ガスを第２排気通路１７２に導入することができ、第２排気通路１７２内の排気ガスと発電用空気供給通路１７７内の発電用空気との熱交換性を向上させることができる。加えて、排気ガスを誘導するための部材を別途用いないので、燃料電池モジュール２Ｘの小型化を実現することができる。

次に、図１１を参照して、本発明の実施形態の変形例による改質器について説明する。図１１は、本発明の実施形態の変形例による改質器の断面斜視図である。図１１は、図５（Ａ）のXC-XC線と同様の切断線に沿った断面図である。
図１１に示すように、本変形例による改質器１２０Ｘは、上記した改質部１２０ｃの凹部１２０ｄ（図５参照）に対応する部分に、当該改質器１２０Ｘ（詳しくは改質部１２０ｃが形成された部分）を上下方向に貫通するように延び、下方の燃焼室１８で生成された排気ガスを通過させる貫通孔１２０ｍが形成されている。この貫通孔１２０ｍには、混合ガス供給管１６２の予熱部１６２ａが配置されている。このような貫通孔１２０ｍを有する改質器１２０Ｘでは、排気ガスは、改質器１２０の予熱部１２０ｂ及び改質部１２０ｃの外側面とモジュールケース８の内側面との間だけでなく、改質器１２０Ｘの貫通孔１２０ｍも通過して、下方から上方へと流れていく。
また、本変形例による改質器１２０Ｘは、天板１２０ｆと遮蔽板１２０ｇとの間に、中央部（貫通孔１２０ｍに面する部分）が下方に凹んだ遮蔽板１２０ｎが更に設けられている。このような遮蔽板１２０ｎを更に設けた場合、遮蔽板１２０ｎと天板１２０ｆとの間の空間は排気誘導室２０１を形成し、遮蔽板１２０ｎと遮蔽板１２０ｇとの間の空間はガス溜２０４を形成し、遮蔽板１２０ｇと平板１２０ｈとの間の空間はガス溜２０３を形成する。つまり、二つのガス溜２０３、２０４、言い換えると二つの断熱層が形成されることとなる。

なお、図１１に示した変形例では、改質器１２０Ｘに一つの貫通孔１２０ｍのみを設けていたが、他の実施形態では、改質器１２０Ｘに、貫通孔１２０ｍと同様の貫通孔を二つ以上設けてもよい。その場合、二つ以上の貫通孔のいずれか一つの貫通孔内に混合ガス供給管１６２を設ければよい。また、更に他の実施形態では、改質器１２０Ｘの貫通孔１２０ｍの上部をプレートなどで塞いで凹部を形成してもよい。

１Ｘ 固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
２Ｘ 燃料電池モジュール
７ 断熱材
８ モジュールケース
８ａ 天板
８ｂ 側板
１２ 燃料電池セル集合体
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
１１１ 排気口
１２０ 改質器
１２０ａ 混合ガス供給口
１２０ｂ 予熱部
１２０ｃ 改質部
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
１７１ 第１排気通路
１７２ 第２排気通路
１７２ａ オフセットフィン
１７３ 第３排気通路
１７７ 発電用空気供給通路
１７７ｃ、１７７ｄ オフセットフィン
２０１ 排気誘導室
２０３ ガス溜

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物型燃料電池装置において、
   互いに電気的に接続された複数の燃料電池セルと、
   上記複数の燃料電池セルを収容するモジュールケースと、
   上記モジュールケースの周囲を覆うように設けられた断熱材と、
   燃料ガスを上記複数の燃料電池セルに供給する燃料ガス供給通路と、
   上記モジュールケース内に配置され、水蒸気により原燃料ガスを改質して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを上記燃料ガス供給通路に供給する改質器と、
   上記複数の燃料電池セルにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させ、燃焼熱により上記改質器を加熱する燃焼部と、
   上記モジュールケースの外部に設けられ、モジュールケースから排出すべき排気ガスが通過する第１排気通路であって、上記改質器よりも上方の上記モジュールケースの天板上に設けられた排気口と連通し、この排気口から流出した排気ガスが通過する第１排気通路と、
   水が供給され、この水と上記第１排気通路内を通過する排気ガスとの間で熱交換を行うように、上記第１排気通路に対して設けられており、熱交換によって水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気を上記改質器に供給する蒸発器であって、上記断熱材内で且つ上記モジュールケースの外部に配置された、上記蒸発器と、
   上記モジュールケースの外壁と上記断熱材との間に形成され、上記モジュールケースの外側面に沿って酸化剤ガスを流す酸化剤ガス供給通路であって、上方から酸化剤ガスが供給されて、この酸化剤ガスを上記モジュールケースの下部から上記複数の燃料電池セルに供給する、上記酸化剤ガス供給通路と、
   上記モジュールケースの内部に設けられ、上記排気口と連通し、この排気口へ排気ガスを流出させる第２排気通路であって、上記モジュールケースの外壁を挟んで、上記酸化剤ガス供給通路の少なくとも一部分に沿うように延び、上記複数の燃料電池セルよりも上方に位置する排気ガス導入口から排気ガスが導入される、上記第２排気通路と、
   を有し、
   上記複数の燃料電池セルよりも上方の位置において、上記酸化剤ガス供給通路を通過する酸化剤ガスと上記第２排気通路を通過する排気ガスとの間で熱交換を行う、ことを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
2. 上記酸化剤ガス供給通路は、内部に熱交換促進部材が設けられており、この熱交換促進部材は、上記複数の燃料電池セルよりも上方の位置にのみ設けられている、請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
3. 上記第２排気通路の排気ガス導入口は、上記複数の燃料電池セルよりも上方で、且つ上記改質器よりも上方に位置し、
   上記第２排気通路よりも下方に位置し、上記改質器の外側面と上記モジュールケースの内側面との間に形成された第３排気通路であって、上記第２排気通路の排気ガス導入口と連通し、この排気ガス導入口へ排気ガスを流出させる上記第３排気通路を更に有する、請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
4. 上記改質器と上記モジュールケースの天板との間に設けられ、水平方向に延びる遮蔽板を更に有し、
   上記遮蔽板と上記改質器との間に、上記改質器の上面に向けて排気ガスを誘導する排気誘導室を形成し、上記遮蔽板と上記第２排気通路との間に、ガス溜を形成した、請求項３に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
5. 上記改質器よりも上方で、且つ上記第２排気通路の排気ガス導入口よりも下方の上記モジュールケースの内側面上に、排気ガスを上記排気誘導室に指向させる第１排気ガイド部が設けられている、請求項４に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
6. 上記遮蔽板は、上記モジュールケースの内側面から離間して配置されると共に、上記第１排気ガイド部よりも上方に配置され、当該遮蔽板の縁部に、排気ガスを上記第２排気通路の排気ガス導入口に指向させる第２排気ガイド部が形成されている、請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
7. 上記モジュールケースの天板の正面視中央位置において、酸化剤ガスの供給と排気ガスの排出とが行われるように構成され、
   上記モジュールケースの天板の外側に上記酸化剤ガス供給通路が形成され、上記モジュールケースの天板の内側に上記第２排気通路が形成され、これらの酸化剤ガス供給通路と第２排気通路とが天板を挟んで並設され、
   上記遮蔽板は、上記第２排気通路と所定距離を隔てて、上記ガス溜を介して設けられている、請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池装置。

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