JP6512530B2 - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、内部に燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールに関し、特に固体酸化物形燃料電池装置に関する。

次世代のクリーンな発電装置として、発電効率の高い燃料電池と、この燃料電池を稼動するための補機類とを備えた燃料電池装置の開発が活発化している。燃料電池としては、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ電解質形燃料電池（ＡＦＣ）、直接形燃料電池（ＤＦＣ）等が知られている。

特にＳＯＦＣは、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を設け、一方の側に燃料ガス、他方の側に空気や酸素等の酸素含有ガスを供給することで高温で動作する燃料電池である。一般的に、固体酸化物形燃料電池へ供給する燃料ガスは都市ガスや天然ガスを改質して生成する。都市ガス等を燃料ガスへ変換する改質器は高温で加熱する必要があるが、ＳＯＦＣの動作温度は約７００〜１０００℃と、他の電池と比較して高温状態での運転となるため、その排ガスを使って改質器の加熱を行うことができる。つまり、ＳＯＦＣは別途外部から改質器を加熱するための熱を与える必要がなく、高い発電効率を得ることができるという利点を有する。

ところで、この固体酸化物形燃料電池装置において、燃料電池セルを内部に収容し内部で発電反応を行う燃料電池モジュールと、燃料ガス・空気・水などの流体を制御するための制御ユニットやインバータや熱回収ユニットなどの補機類（以下補機ユニットとも言う）とが必要となるため、燃料電池モジュールと補機類とを同一の容器に収容し発電ユニットとする形態が一般的である。

そのため、内部に固体酸化物形燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールにおいて、燃料電池モジュール筐体（以下、筐体とも呼ぶ）の外方に熱を放出してしまうと、同一の容器に収容された補機類は耐熱性能が低いため、放出された熱によって補機類が故障してしまう恐れがある。

また、燃料電池セルは高温下で作動するものであるため、筐体の内部の熱量が外部に漏出することにより、筐体の内部の温度が低下し、燃料電池モジュールにおけるエネルギー効率が減少してしまう。

さらに、筐体の周囲の断熱性能はできるだけ均一にすることが望ましく、部分的に断熱性能が異なると断熱性能の低い部分から熱を放出してしまい、その部分の温度が低くなってしまう。すなわち、筐体内部の温度分布が均一な状態ではなくなると、筐体の内部に複数配置された燃料電池セルのそれぞれに温度ムラが生じてしまい、効率よく発電反応を行うことができない。

これらのことから、燃料電池モジュールは、筐体の外部へ熱が放出することによって引き起こされる補機類の故障やエネルギー効率の低下を防止するために、燃料電池セルが収容された筐体の外表面を断熱材で覆い、動作中の燃料電池モジュールから熱が散逸することを抑制することが求められる。

一方で、従来知られている燃料電池モジュール筐体では、複数の壁面を組み立てて筐体本体部を形成した後、筐体本体部に形成されている開放面を蓋体で覆って気密性を保ちながら筐体を構成するものがある。特許文献１では、本体部に形成された開放面の全周を取り囲むように蓋体受け部が設けられ、この蓋体受け部は開放面の縁部から折れ曲がって外方に延びている。これは、蓋体を筐体本体部に固定するための固定しろを筐体本体部の壁部外側に設け、蓋体受け部と蓋体とを合わせることによってボルト固定を容易とするものである。

ＷＯ２０１２／１４１３０５

しかし、このような構成では、上記の目的において断熱材を配置する上で、幅広の蓋体受け部がこれを阻害する要因となっていた。具体的には、蓋体を組み付けた筐体本体部は開放面の縁部が外方に折れ曲がって延出しているため、ブロック状の断熱材の組み合わせでは筐体本体部の外郭に沿って配置することが困難であり、筐体受け部の形状を考慮して断熱材を部分的に切り欠きするなど、手間やコストが生じてしまう。また、部分的に断熱材に切り欠きを加えることによって、断熱材の厚さが一部薄くなることによる部分的な放熱が生じてしまうため、断熱性能の低下や筐体内部の温度ムラを引き起こしてしまう。

また、筐体の内部は高温であるため、筐体は耐熱性を有する金属部材で構成する必要がある。上述のように、エネルギー効率の観点から筐体内部の熱を散逸させないことが望ましいが、幅広の蓋体受け部を設けた場合、必要以上に筐体内部から熱伝導する伝熱面積が広がってしまい、不要な放熱が生じてしまっていた。つまり、蓋体受け部が放熱板として機能することで、燃料電池装置の断熱性能を低下させる一因となっていた。

さらに、燃料電池装置を小型化する上で、蓋体受け部は筐体本体部とのネジ止め固定のために筐体本体部の外方に固定しろの空間を必要とするため、蓋体受け部の分だけ装置が大型化し、小型化を妨げるものとなっていた。

そこで、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、原燃料を改質した燃料ガスと酸素
含有ガスとの発電反応により発電する複数の燃料電池セルを直方体状の筐体内に備えた固
体酸化物形燃料電池装置であって、筐体は、開放面を備えた筐体本体と、開放面を塞ぐ蓋
体を有するとともに、断熱材に覆われ、蓋体は筐体本体の開放面よりも内側に設けられ
ており、蓋体は、開放面を塞ぐための主面と、主面の外郭において筐体の外方に突出する折り返し部と、を有している。

このように構成された本件発明によれば、蓋体を筐体本体の開放面よりも内側に設けるため、蓋体と筐体を覆う断熱材との間に所定の空間を区画形成することができる。すなわち、この形成された空間は燃料電池装置の使用時において、空気層として機能するため、従来の断熱材で覆うものに加えて空気層の断熱空間が形成されており、断熱性能を向上させることができる。また、開放面よりも内側に空気層を形成しているため、筐体本体の外方に大型化することなく小型化と断熱性能向上を同時に実現できる。

このように構成された本件発明によれば、蓋体の主面の外郭に折り返し部を設けることで、筐体本体と蓋体との接触面を増加させている。そのため、筐体本体の端部と蓋体の折り返し部とにより蓋体周囲で断熱材を確実に支持し、空気層を区画形成することができ、燃料電池装置の断熱性能を向上させることが可能となる。

また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、蓋体は、筐体において対向する二側面に設けられている。

このように構成された本件発明によれば、対向する二側面に本件発明の蓋体を適用することで、断熱材と蓋体または筐体との間に形成される空気層の空間を拡張して筐体の内部の断熱性能をより向上させることができる。さらに、対向する開放面に空気層の断熱空間を設けることによって、対向する開放面の断熱性能を均等にし、断熱性能が違うために生じる放熱量の相違を抑制することができる。以上のことから、空気層の配置箇所を増やすことによる断熱性能の向上と、筐体内部の温度分布を均一にすることによる筐体内部に配置された複数の燃料電池セルごとに発生する温度分布のムラ抑制とを実現できる。

また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、筐体の蓋体の設けられていない他の側面及び上面に、燃料電池セルに供給される酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス流路が設けられている。

このように構成された本件発明によれば、さらに蓋体の設けられていない、言い換えると開放面でない筐体本体の側面と上面の間に燃料電池セルに発電用空気を供給するための流路を設ける。これにより、蓋体外方に設けられた空気層と合わせて、断熱材と筐体内部との間に筐体を覆う空気層を形成して断熱性能を向上させることができる。

また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、蓋体において対向する二側面に設けられた蓋体は、同一の形状に成形されている。

このように構成された本件発明によれば、対向する二側面の蓋体に同一の形状の蓋体を用いている。そのため、別形状の蓋体をそれぞれプレス加工により形成することに比べ、同一の金型を用いることにより低コストで容易に筐体を製造することができ、且つ同じ断熱性能を有する空気層を容易に形成することができる。

また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、筐体本体と蓋体とは、筐体の開放面における端部と蓋体の折り返し部における端部とが溶接により固定されている。

ところで、ボルト固定によって筐体本体と蓋体とを固定させて筐体を構成する場合、筐体の内部の気密性を確保する必要があるため、それぞれの接合面には筐体内部のガス漏洩を防ぐパッキン又はガスケットなどのシール材が必要となる。

そこで、このように構成された本件発明によれば、筐体の開放面における端部と蓋体の折り返し部における端部との合わせ面を溶接箇所とすることで、筐体の外方に突出した部位となるため溶接の作業性が向上するとともに、溶接箇所が直線で構成されるため機械溶接の適用が容易となる。それに加えて、溶接固定することによって、ボルト固定で必要となるシール材が不要となるため、ボルト固定に対して筐体内部のガス漏洩防止の信頼性が向上する。したがって、蓋体の外方に形成される空気層が筐体内部からのガス漏洩によって崩壊することを防ぎ、空気層による断熱空間を確実に形成または維持することができる。

また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、蓋体において複数の部品が貫通挿入されるための複数の開口部が設けられている。

このように構成された本件発明によれば、発電に寄与しない残余の燃料ガスを燃焼させるための点火装置や、温度検出装置等を、蓋体を貫通するように設置する。これらの貫通部品は筐体の内部から外部にわたって配置されるため、内部の熱を外部へと放出する熱伝導の要因となりうる。しかしながら、これらの貫通部品は、蓋体と断熱材との間に形成された空気層を通過するように配置されるため、内部の熱が貫通部品を伝導した場合であっても、空気層がその熱の一部を吸収する。すなわち、貫通部品を介した内外への熱の移動を空気層が抑制するため、貫通部品の設置に起因する断熱性能の低下を抑制することができる。

また、本明細書で開示する発明の構成の一態様は、蓋体に設けられた開口部の外縁を囲み、筐体の外部側へ突出する突出部が設けられている。

ここで、蓋体は筐体内部の高温雰囲気に直接接しているため、高温の状態となる。そのため、蓋体には熱応力等の応力が発生することとなり、蓋体に配置された配管又は貫通させている部品等に負荷がかかり、応力集中によって劣化、破損することが懸念される。

このように構成された本件発明によれば、突出部において応力の分散が可能となるため、蓋体から又は配管から配管又は蓋体へ負荷される応力による筐体及び配管の劣化、破損を抑制することができる。また、当該突出部は蓋体形成時の塑性加工（プレス）によって成形することができ、製造が容易である。

本件発明によれば、断熱材と筐体との間に空気層を形成することによって断熱性能を向上させることができる固体酸化物形燃料電池装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置における燃料電池モジュールの側面断面図を示す説明図である。 発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置における断熱材を取り外した燃料電池モジュールの正面断面図を示す説明図である。 本発明の一実施形態による筐体の斜視図である。 本発明の一実施形態による空気層を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による図３の反対側から見た筐体の斜視図である。 本発明の一実施形態による蓋体と貫通部品との設置を示す説明図である。 （ａ）は本発明の一実施形態による蓋体と貫通部品との関係を示す部分断面図であり、（ｂ）は従来の蓋体と貫通部品との関係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側面断面図である。 図９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筐体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型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型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９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型燃料電池装置の改質器の周囲を流れる排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型燃料電池装置の改質器及び排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型燃料電池装置の改質器及び排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型燃料電池装置の改質器の貫通孔を流れる排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型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型燃料電池装置の筐体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型燃料電池装置の筐体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型燃料電池装置の筐体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型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型燃料電池装置の空気通路カバーの側板と筐体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、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置を構成する燃料電池モジュールについて、図１〜図７を用いて説明する。

図１は燃料電池モジュール１００１の側面断面図を示しており、図２は断熱材１００２を取り外した正面断面図を示している。また、図３は燃料電池モジュールの筐体１０１３の斜視図を示しており、筐体本体１０１４と蓋体１０１５を示している。さらに、図４は蓋体１０１５と断熱材１００２によって区画形成された空気層の部分断面図を示しており、図５は図３の反対面から見た筐体１０１３の斜視図である。また、図６は点火装置用配管１０４１と温度検出手段用配管１０４３が設けられた蓋体１０１５を示している。また、図７（ａ）は本実施形態における部品の具体的な設置構造を示しており、図７（ｂ）は従来設置構造を示している。

本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置は、燃料電池モジュール１００１と、補機ユニットを備えており、燃料電池モジュール１００１と補機ユニットとは固体酸化物形燃料電池装置の内部に並設される。

図１に示すように、燃料電池モジュール１００１は、筐体１０１３を備え、この筐体１０１３は筐体本体１０１４と蓋体１０１５から構成される。この筐体１０１３の外部には、断熱材１００２が配置されている。筐体１０１３の内部は密閉空間であり、筐体１０１３の内部に設けられた発電室１００８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１０１２が配置されている。燃料電池セル１０１２の上方には燃焼部としての燃焼室１０３０が形成され、この燃焼室１０３０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、排ガス（以下では適宜「燃焼ガス」と呼ぶ）を生成するようになっている。この燃焼室１０３０の上方には、燃料ガスを生成する改質器１０２０が配置され、排ガスは改質器１０２０に熱を与えた後に排ガス排出口１０３２から排出される。

ここで、燃料電池セル１０１２は円筒形として図示したがこれに限らず、平板型や扁平円筒型であってもよい。燃料電池セル１０１２の形状を適宜選択することで筐体１０１３のサイズや排ガスの排出方法などを自由に調整することができる。

つぎに、図１〜図３に示すように、筐体１０１３を構成する筐体本体１０１４は、対向する２側面が開放された立方体形状であり、開放された２側面は蓋体１０１５で閉鎖され気密密封される。筐体本体１０１４の外表面には、空気通路カバー１０２０が配置されており、筐体本体１０１４の開放面と底面を除いて覆うように配設される。すなわち、図１及び図２に示すように空気通路１０３６は、筐体本体１０１４の天面と２つの側面との外壁面と、空気通路カバー１０２２との間に形成されている。

また、図１、図３、図４を参照すると、本発明の一実施形態において、筐体本体１０１４の開放面を閉鎖する蓋体１０１５は、筐体本体１０１４の開放面よりも内側であって天面と底面との間に立設するように配置されている。この蓋体１０１５は開放面を塞ぐための主面１０１６と、筐体本体の外方に突出する折り返し部１０１７とを備えている。このように構成された筐体本体１０１４と蓋体１０１５とは、断熱材１００２によって全周が覆われている（図１参照）。

このため、本発明の一実施形態によれば、蓋体１０１５を構成する主面１０１６と折り返し部１０１７とによって、筐体本体１０１４の内側に蓋体１０１５を配置させ、外周に設けられた断熱材１００２と蓋体１０１５との間に空気層１０１８（言い換えると空気溜）を形成することができる。この空気層１０１８は断熱機能を備えた空気断熱層として形成され、この空気層１０１８が筐体本体１０１４の内部の熱の散逸を抑制する（図４の点線領域）。空気層１０１８については後に詳述する。

また、蓋体１０１５に折り返し部１０１７を設けていることによって、折り返し部１０１７と筐体本体１０１４とは面で接触することとなる。そのため、開放面を持つことで剛性の低下する筐体本体１０１４において、その内側に蓋体１０１５を配置させることによって、筐体本体１０１４を面で確実に支持することができ、筐体本体１０１４の剛性を向上させることができる。

ところで、筐体本体１０１４と蓋体１０１５とをボルト固定すると、筐体１０１３の内部の気密性を確保するために、それぞれの接合面には筐体内部のガス漏洩を防ぐパッキン又はガスケットなどのシール材が必要となる。

そのため、筐体本体１０１４と蓋体１０１５とを溶接固定することによってボルト固定に対して気密性を向上させることができるが、本実施形態における筐体本体１０１４の開放面よりも内側に板状形状の蓋体を溶接固定することは非常に困難である。すなわち、蓋体と筐体本体１０１４とが垂直に接することとなるため、二つの部材が成す角部において溶接を行わなければならず、確実に溶接して気密にするためには熟練者の手による溶接が必要となる。

そのため、このように構成された本件発明の一実施形態によれば、図４の黒字太線部分に示すように、蓋体１０１５の折り返し部１０１７と筐体本体１０１４の開方面の端部とが溶接によって固定されている。つまり、溶接箇所（溶接しろ）を筐体の外方に突出した部位とすることができるため、複雑な溶接は必要とせず直線的な溶接作業が行うことが可能となる。そのため、確実に気密性を確保することができ、空気層１０１８を形成することができる。なお、本実施形態において、空気通路カバー１０２２も折り返し部１０１７と筐体本体１０１４と一緒に溶接固定しているが、これに限るものではない。

なお、本実施形態によれば、図３及び図５に示すように、筐体本体１０１４の対向する２つの開放面を塞ぐ蓋体１０１５は同一の形状としている。そのため、別形状の蓋体をそれぞれプレス加工により形成することに比べ、低コストで簡単に筐体１０１３を製造することができる。これにより、同形状の蓋体１０１５によって同一の空気層１０１８を形成できるため、二つの開放面側では均等に断熱することができる。

つぎに、図１〜図７を参照しながら空気層１０１８について詳しく説明する。

本発明の一実施形態によれば、図４に示すように、断熱材１００２と蓋体１０１５とで空間が区画形成されており、その空間においての空気を滞留させて空気断熱層として機能させ、断熱材１００２と空気層１０１８との２層断熱にすることで燃料電池モジュール１００１の断熱性能を向上させている。

図４の実線矢印は筐体１０１３の内部のガスの流れを示しており、内部のガスは高温の状態で流動している。そのため、それらを密封している筐体１０１３を構成する蓋体１０１５も高熱を帯びることとなるが、蓋体１０１５の外方には空気層１０１８が形成されているため、外気に熱が散逸することを抑制している。

具体的には、燃料電池セル１０１２に供給された発電用空気は、蓋体１０１５の近傍において、図の実線矢印に向かって上昇する。その後、一点鎖線矢印に示すように発電用空気の上昇に伴い隣接する空気層１０１８に熱を与えるが、蓋体１０１５と断熱材１００２で形成された空気層１０１８は外部へと熱を放出せず、蓄熱しつづける。そのため、空気層１０１８は、ある程度の温度になると筐体１０１３の内部を流れるガスから熱を奪わなくなり、断熱層として機能する。

また、図１に示すように、空気層１０１８は筐体本体１０１４に設けられた二つの対向する開放面を同一形状の蓋体１０１５によって塞がれている。そのため、断熱材１００２と蓋体１０１５との間に形成される空気層１０１８は２つの対向する２側面に配置されている。

また、蓋体１０１５によって区画形成される空気層１０１８も同じ大きさの空間となるため、同じ断熱性能を有する空気層１０１８を容易に形成できる。このため、対向する２つの開放面において、均等な断熱性能を有するため、内部の温度分布にムラが生じることを抑制できる。

さらに、上述したように、筐体本体１０１４の蓋体１０１５が設けられた２つの開放面と、底面以外は空気通路カバー１０２２が覆うように配置されており、発電用空気が流動する空気通路１０３６が形成されている（図１〜図３参照）。

具体的に説明すると、図１および図２の点線矢印は発電用空気の流れを示しており、空気導入管１０４４から流入した発電用空気は筐体本体１０１４とその外表面を覆う空気通路カバー１０２２との間に形成された空気通路１０３６を通過する（図１参照）。その後、発電用空気は、空気通路１０３６を通過して、吹出口１０２４を通過して発電室１００８へと流入し、燃料電池セル１０１２へと供給される（図２参照）。

このように構成された本発明の一実施形態によれば、蓋体１０１５の外表面と、筐体本体１０１４の３つの壁面は空気で覆われることとなり、その部分は空気層１０１８と断熱材１００２によって２層の断熱層が形成されている。したがって、筐体本体１０１４と蓋体１０１５によって閉鎖された筐体１０１３は底面を除く全周に渡って空気断熱層が設けられることとなるため、高い断熱性能を発揮することができる。

また、蓋体１０１５の折り返し部１０１７は主面１０１６の外郭に形成されているため、言い換えると主面１０１６の４辺に折り返し部１０１７が設けられている（図３参照）ため、蓋体１０１５の４辺で断熱材１００２を支持することができる。したがって、断熱材１００２が部分的に支持され、外部からの圧力や時間経過によって断熱材１００２が変形／破損することを防止し、空気層１０１８の空間を確実に区画形成できる。そのため、空気層１０１８が長期的に維持され高い断熱性能を維持し続けることができる。

つぎに、蓋体１０１５に設置された点火装置１０４０と温度検出装置１０４２（図示せず）について説明する。図５は図３の対向面から見た斜視図を表している。これらに示すように、本実施形態において、蓋体１０１５には、点火装置１０４０を取り付けるための点火装置用配管１０４１や温度検出装置１０４２（図示せず）を取り付けるための温度検出装置用配管１０４３が挿入されるための開口部１０４６が設けられている。なお、本実施形態では点火装置１０４０は点火ヒーター、温度検出装置１０４２は温度センサを用いているが、これに限るものではない。

なお、メンテナンス時の作業性向上の観点から、点火装置１０４０や温度検出装置１０４２などの劣化しやすい複数の部品を筐体１０１３の一側面に集約させることが好ましい。これにより、これらの部品の交換等の作業を一側面から行うことができる。さらに、蓋体１０４０と断熱材１００２の間に形成された空気層１０１８を介して蓋体１０１５を被覆する断熱材１００２の開口を筐体１０１３の一側面に集中させるため、開口の加工対象点数を減らすことができる。

図６は点火装置用配管１０４１及び温度検出装置用配管１０４３が設けられた蓋体１０１５を備える燃料電池モジュール１００１の部分側面断面図を示している。点火装置１０４０及び温度検出装置（図示せず）は発電室１００８に位置するように配置される。

ここで、蓋体１０１５によって閉鎖された筐体本体１０１４の内部は高熱であり、その内部に配置された部品には高温が伝わりやすくなる。さらに、断熱機能を有する空気層１０１８と高温のモジュール内部空間を隔てる蓋体１０１５は高温を帯びることとなる。そのため、蓋体１０１５に設けられた点火装置用配管１０４１及び温度検出装置用配管１０４３を伝わって内部の熱が外部に放出されることが懸念される。

そこで、このように構成された本件発明の一実施形態によれば、図６の一点鎖線矢印に示すように貫通部品（点火装置１０４０や図示しない温度検出装置１０４２）またはそのための配管（点火装置用配管１０４１や温度検出装置用配管１０４３）から内部の熱が外部に放出しようとしても、これらが空気層１０１８の内部に配置されているため、空気層に熱を与えることとなる。

そのため、燃料電池モジュール１００１の外部への熱の放出を抑えつつ、空気層の保温効果を増長させることができるため、これらの部品を設けたことによる放熱を抑制することができる。

つぎに、図７を用いて開口部１０４６の具体構造を説明する。ここで、図７（ａ）は本件発明の一実施形態における配管貫通構造を示す部分側面断面図であり、図７（ｂ）は従来の配管貫通構造を示している。

図７（ａ）に示すように、筐体１０１３の一側面を構成している蓋体１０１５には点火装置用配管１０４１及び温度検出装置用配管１０４３が設けられている。これらの部品は蓋体１０１５に設けられた開口部１０４６から筐体１０１３の内部に挿入されている。ここで、開口部１０４６の周囲は蓋体１０１５の外方向に突出した突出部１０４８が設けられており、蓋体１０１５の壁面は外方へ突出したあと内部方向に折れ曲がっている。（同時に図５も参照）さらに、点火装置用配管１０４１及び温度検出用配管１０４２は蓋体１０１５の内部に折れ曲がった部分で溶接によって固定されている。

このように構成された本件発明の一実施形態によれば、蓋体１０１５が高温の状態となり、熱膨張によって点火装置用配管１０４１または温度検出用配管１０４３にかかる応力が発生したとしても、開口部１０４６の周囲に設けられた突出部１０４８が応力を分散させ、蓋体１０１５又はこれらの配管（点火装置用配管１０４１や温度検出装置用配管１０４３）から蓋体１０１５又は配管へ負荷される応力による筐体及び配管の劣化、破損を抑制することができる。すなわち、空気層によって断熱性が向上し、蓋体１０１５や配管等が高温となり熱応力が発生するが、突出部１０４８によって応力が分散されて熱応力による筐体及び配管の劣化、破損を抑制する。

また、図７（ｂ）に示す従来構造では、蓋体１０１５の外方向から配管等（点火装置用配管１０４１や温度検出装置用配管１０４３）を挿入しようとすると内方向へと蓋体１０１５の壁面が突出してしまい、図７（ｂ）の点線に示す蓋体１０１５の内壁面よりも蓋体１０１５と配管の接合面が突出してしまう。これにより、蓋体１０１５と筐体本体１０１４に収容する内部構造と物理的・電気的に接触してしまう恐れがある。

そのため、本件発明の一実施形態によれば、図７（ａ）の点線に示すように、蓋体１０１５の外方に突出した突出部１０４８によって、蓋体１０１５と点火装置用配管１０４１や温度検出用配管１０４３との接合面が内壁面よりも突出させずに溶接等によって固定することができる。

さらに、開口部１０４６や突出部１０４８は蓋体形成時の塑性加工（プレス加工）によって成形することができるため、製造が容易である。

以上のように、本件発明の一実施形態によれば、ネジ止めを必要とせず筐体の内部方向に空気層を形成することによって、断熱性能向上を実現することができる。

次に、添付図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。

図８は、本発明の一実施例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８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（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を介してモジュールケースとして機能する金属製の筐体８が内蔵されている。この密閉空間である筐体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１４参照）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１３参照）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の筐体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、筐体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内において筐体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。）を筐体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。

次に、燃料電池モジュール２には、排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９乃至図１１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説明する。図９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１０は、図９のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図１１は、筐体及び空気通路カバーの分解斜視図である。

図９及び図１０に示すように、燃料電池モジュール２は、断熱材７で覆われた筐体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、筐体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。

ここで、筐体８は、図１１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９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からなる筐体本体９と、この筐体本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１０の左右方向）に延びる辺同士を連結する蓋体８ｄ，８ｅからなる。

すなわち、筐体本体９（天板８ａ、底板８ｃ、側面８ｂ）と蓋体８ｄ，８ｅとで構成された筐体８において、筐体本体９と蓋体８ｄ，８ｅの外表面は断熱材７により覆われており、蓋体８ｄ，８ｅと断熱材７とで区画される空間には空気層が形成されている。すなわち、断熱材層と空気層とによって二層の断熱層が形成されることとなる。

筐体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、筐体８の外側と断熱材７との間、具体的には筐体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１０参照）。

筐体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１１参照）。発電用空気は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、筐体８の蓋体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９、図１１参照）。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１０、図１１参照）。

また、空気通路１６１ａ，１６１ｂの内部には、熱交換促進部材としての板状のオフセットフィンであるプレートフィン１６２，１６３が設けられている（図１０参照）。プレートフィン１６２は、筐体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、筐体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の内側の筐体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、筐体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と筐体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９及び図１０参照）。

具体的には、蒸発器１４０は、長手方向（図９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、排ガスを排出するための排ガス排出管８２（図１０参照）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、筐体８の天板８ａ上に形成された排ガス排出口１１１に連結されている。排ガス排出口１１１は、筐体８内の燃焼室１８で生成された排ガスを筐体８の外へ排出する開口部であり、筐体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９及び図１０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、本実施例の蒸発器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を通過する排ガスとの間で熱交換が行われ、排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。

更に、図９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内を通過して筐体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の上方で筐体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、筐体８の天板８ａとの間に排ガス誘導部材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とが接合されている。この貫通孔１２０ｂは、天板８ａに形成された排ガス排出口１１１と上面視で重なるように位置し、好ましくは、貫通孔１２０ｂの中央位置に排ガス排出口１１１が形成される。

改質器１２０の長手方向の一端側（筐体８の蓋体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（蓋体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９参照）。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、筐体８内を蓋体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内で逆側の蓋体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。

排ガス誘導部材１３０は、改質器１２０と天板８ａとの間で筐体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９，図１０参照）。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１０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、筐体８内でこの凹部１３２ａ内を水平方向に延びた後、蓋体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、筐体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こととなる。

また、改質器１２０は、筐体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ガス導入口１７２ａで排気通路１７２と連通している。この排ガス導入口１７２ａは、筐体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１２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１２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セルユニットを示す部分断面図である。
図１２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９参照）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９参照）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１３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１３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セルスタックを示す斜視図である。
図１３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９参照）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１３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１４及び図１５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１４は、図９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り、図１５は、図１０と同様の、図９のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図１４及び図１５は、それぞれ、図９及び図１０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、一点鎖線矢印は排ガスの流れを示す。

図１４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、筐体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１４及び図１５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の下部の筐体８内に形成された排気通路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、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、排ガスとより効率的な熱交換を行う。この後、発電用空気は、筐体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、本実施例では、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ガスとの間の熱交換は行われない。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１５に示すように、燃焼室１８で燃焼されて排ガス（燃焼ガス）となり、筐体８内を上昇していく。具体的には、排ガスは、排気通路１７３と排気通路１７４とに分岐して、改質器１２０の外側面と筐体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を流れる排ガスに素早く合流される。

その後、排ガスは、排ガス導入口１７２ａから排気通路１７２に流入する。排気通路１７２内では、排ガスは、排気通路１７２を水平方向に流れていき、筐体８の天板８ａの中央に形成された排ガス排出口１１１から流出する。
なお、排ガスが排気通路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、発電用空気と排ガスとの間で熱交換が行われる。また、排ガスが排気通路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、排ガスの熱により発電用空気が昇温される。

そして、排ガス排出口１１１から流出した排ガスは、筐体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から排ガス排出管８２へ排出される。排ガスは、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１６〜図２０を参照して、本実施例の改質器の作用について説明する。図１６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の上部の部分断面図であり、図１７は、改質器の周囲を流れる排ガスの説明図であり、図１８及び図１９は、それぞれ改質器及び排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２０は、改質器の貫通孔を流れる排ガスの説明図である。

図１６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１６の破線矢印参照）、燃焼室１８でオフガスを燃焼させて排ガスとなる。改質器１２０に貫通孔１２０ｂが形成されていない場合には、排ガスは、燃焼室１８から、排気通路１７３（筐体８の側板８ｂの内面に沿って延びる）のみを通って、筐体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、本実施例では、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、本実施例では、排ガスは、燃焼室１８から、排気通路１７４と排気通路１７３とに分岐して、筐体８内の上部へ向けて移動することができる（図１７参照）。

また、本実施例では、特に、排気通路１７４と排気通路１７３を流れる排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、本実施例では、このような排ガスの流れに伴い、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、本実施例では、改質器１２０は、その底面に衝突する排ガスによって加熱された後、排気通路１７３を通過する排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を通過する排ガスにより中央部からも加熱される。このように、本実施例では、排ガスによる改質器１２０の加熱を効率良く行うことができる。

また、本実施例では、上面視で改質器１２０の貫通孔１２０ｂと筐体８の排ガス排出口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、上面視で排ガス排出口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、上面視で排ガス排出口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、排ガス排出口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から排ガス排出口１１１への排ガスの流れが、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、本実施例では、排ガス排出口１１１と貫通孔１２０ｂが上面視で筐体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から排ガス排出口１１１への排ガスの流れが、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も上面視で筐体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、本実施例では、改質器１２０の幅方向において、排ガスの流量が対称（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、本実施例では、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、本実施例では、図１８及び図１９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。本実施例では、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、この排ガスを幅方向の両側、即ち、貫通孔１２０ｂ（排気通路１７４）及び筐体８の側板８ｂに沿った排気通路１７３に誘導する。これにより、本実施例では、排気通路１７３に排ガスの流れが偏ることなく、貫通孔１２０ｂに排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、本実施例では、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、本実施例では、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、本実施例では、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、本実施例では、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１９参照）。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１８及び図１７の破線部Ａ参照）。曲率半径は、１．０ｍｍ〜３０ｍｍが好ましい。このため、本実施例では、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１９の破線部Ａ参照）。即ち、図２０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、本実施例では、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１６を参照して、本実施例の排ガス誘導部材の作用について説明する。
本実施例では、蒸発器１４０を筐体８の外部に配置しており、この配置により、筐体８内で水の蒸発熱による局所的な温度低下（排ガスの温度低下を含む）を防止し、排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、本実施例では、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、筐体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、本実施例では、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、本実施例では、排気通路１７２の入口と出口における排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、本実施例では、排ガス誘導部材１３０を採用している。排ガス誘導部材１３０は、貫通孔１２０ｂを通過して上昇してきた排ガスを、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、速やかに排ガス導入口１７２ａに誘導する。これにより、排ガスは、排ガス誘導部材１３０の底面付近に滞留することなく、素早く排ガス導入口１７２ａに向けて誘導される。

排ガス誘導部材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、排ガス誘導部材１３０の上部の排ガスは下部の排ガスよりも低温である。したがって、排気通路１７４内で排ガスが排ガス誘導部材１３０の底面付近に滞留すると、排ガス誘導部材１３０を介して排気通路１７２内の排ガスとの間で熱交換が生じて、排気通路１７４内の排ガスの温度が低下するおそれがある。また、排気通路１７４内の排ガスは、改質器１２０の上面や排ガス誘導部材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、本実施例では、排ガス誘導部材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ガスを、排ガス誘導部材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の出口である排ガス排出口１１１）に向けて排ガスが流れる際に、発電用空気との熱交換が行われるため、排ガス誘導部材１３０の凹部１３２ａ付近（図１６の破線部Ａ参照）での排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ガス排出口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、排ガス誘導部材１３０の凸状段部１３１ａ付近（図１６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１６参照）とは、排ガス誘導部材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、排ガスの入口温度が低下するおそれがある。そこで、本実施例では、排ガス誘導部材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、本実施例では、排ガス誘導部材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１６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ガスの温度低下が防止され、高温状態に維持したまま排ガス導入口１７２ａへ流出させて、排ガスの入口温度を高温に維持することができる。

また、排ガス誘導部材１３０が断熱材として機能するため、排気通路１７２内の排ガスの熱が排ガス誘導部材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からの輻射熱を排ガス及び空気に与えることができる。これにより、本実施例では、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、高温の排ガスが排ガス誘導部材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、本実施例では、排ガス誘導部材１３０の上面のうち排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１６ではプレートフィン１７５が位置する高さ位置）と排ガス誘導部材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、排ガスと排ガス誘導部材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、本実施例では、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、排ガス排出口１１１から筐体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内の混合ガスを筐体８内で予熱することができるが、この予熱により排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、本実施例では、排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ガスではなく、熱交換後の低温の排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２１〜図２６を参照して、本実施例の熱交換器の作用について説明する。図２１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熱交換部の横断面図であり、図２２は、筐体の天板と排気管の接続部分の説明図であり、図２３は、筐体の天板上の発電用空気供給通路の説明図であり、図２４は、筐体の天板下の排気通路の説明図であり、図２５は、プレートフィンの斜視図であり、図２６は、空気通路カバーの側板と筐体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２１に示すように、空気通路カバー１６０は、筐体８に対して、長手方向の一端側（図２１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、筐体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を避けて筐体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２１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１１参照）。なお、本実施例では、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、筐体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、本実施例では、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を筐体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１１参照）。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、本実施例では、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の両側に筐体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２２、図２３参照）。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２１参照）。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２２参照）。

図２３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２３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、筐体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、本実施例では、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。

本実施例では、筐体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、筐体８外に空気通路１６１ａ，１６１ｂを容易に形成することができる（図１１参照）。また、筐体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、筐体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、本実施例では、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、本実施例では、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、本実施例では、筐体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、筐体８内に排気通路が位置するので、排ガスが筐体８外に漏洩することを防止することができる。一方、空気通路は筐体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、発電用空気が筐体８外に漏洩するだけに留めることができる。

また、本実施例では、図２２に示すように、筐体８の天板８ａの排ガス排出口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、筐体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、本実施例では、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、本実施例では、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を筐体８に組み付ける際の作業性を向上させることができる。

本実施例では、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、筐体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、本実施例では、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２４に示すように、排ガス誘導部材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、排気ガス排出口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２２参照）。

排気通路１７３，１７４から排ガス導入口１７２ａを介して排気通路１７２へ供給された排ガスは、天板８ａの略中央部分に設けられた排ガス排出口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、排ガスの流れは、排ガス導入口１７２ａから排ガス排出口１１１へ直接的に向かうようになり、排気通路１７２の一部に排ガスの流れが偏ってしまい、排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、本実施例では、排ガス排出口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、排ガスを迂回させて排ガス排出口１１１へ導くように構成されている。具体的には、排ガスは、排ガス導入口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、排ガス排出口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ガス排出口１１１に到達する。このように、本実施例では、排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２２参照）、排ガスの熱を天板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２２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（及び排ガス排出口１１１）付近の天板８ａと当接している（図２２、図２４参照）。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２５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２６に示すように、プレートフィン１６３は、筐体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。

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置は、断熱材と蓋体との間に空気層を形成した固体酸化物形燃料電池装置において幅広く有用である。

１ 固体酸化物型燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
７，７ａ 断熱材
８ 筐体
８ａ 天板
８ｂ 側板
８ｄ，８ｅ 蓋体
９ 筐体本体
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 排ガス排出管
１１１ 排ガス排出口
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
１００１ 燃料電池モジュール
１００２ 断熱材
１００４ マニホールド
１００８ 発電室
１０１０ 下支持板
１０１２ 燃料電池セル
１０１３ 筐体
１０１４ 筐体本体
１０１５ 蓋体
１０１６ 主面
１０１７ 折り返し部
１０１８ 空気層
１０２０ 改質器
１０２２ 空気通路カバー
１０２４ 吹出口
１０２６ 燃料供給管
１０２８ 発電用空気導入管
１０３０ 燃焼室
１０３２ 排ガス排出口
１０３４ 水添脱硫器用水素取出管
１０３６ 空気通路（酸素含有ガス通路）
１０４０ 点火装置（点火ヒータ）
１０４１ 点火装置用配管
１０４２ 温度検出装置（温度センサ）
１０４３ 温度検出装置用配管
１０４４ 空気導入管
１０４６ 開口部
１０４８ 突出部

Claims (7)

1. 原燃料を改質した燃料ガスと酸素含有ガスとの発電反応により発電する複数の燃料電池
   セルを直方体状の筐体内に備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
   前記筐体は、開放面を備えた筐体本体と、前記開放面を塞ぐ蓋体を有するとともに、断
   熱材に覆われ、
   前記蓋体は前記筐体本体の開放面よりも内側に設けられ、前記蓋体と前記断熱材との間
   には空気層が形成される空間が設けられており、
   前記蓋体は、前記開放面を塞ぐための主面と、前記主面の外郭において前記筐体の外方
   に突出する折り返し部と、を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
2. 請求項１において、
   前記蓋体は、前記筐体において対向する二側面に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。
3. 請求項２において、
   前記筐体の前記蓋体の設けられていない他の側面及び上面に、前記燃料電池セルに供給
   される酸素含有ガスが流れる酸素含有ガス流路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。
4. 請求項３において、
   前記蓋体において対向する二側面に設けられた蓋体は、同一の形状に成形されているこ
   とを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
5. 請求項４において、
   前記筐体本体と前記蓋体とは、前記筐体の開放面における端部と前記蓋体の折り返し部
   における端部とが溶接により固定されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置
   。
6. 請求項５において、
   前記蓋体において複数の部品が貫通挿入されるための複数の開口部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。
7. 請求項６において、
   前記蓋体に設けられた前記開口部の外縁を囲み、前記筐体の外部側へ突出する突出部が
   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。

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