JP6566194B2 - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Description

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。

固体酸化物形燃料電池装置では、原料ガスと水とが蒸発器に供給され、蒸発器で水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気により改質器で原料ガスを改質して燃料ガスを生成し、燃料電池セルで燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う。安定した発電を行うためには、原料ガスを改質するために用いられる水蒸気が、原料ガスに合わせて安定的に供給される必要がある。

ここで、原料ガスを改質するのに用いられる水蒸気を生成するための水は非常に微量である。これに対して、蒸発器内は数百度の高温になっているため、水が水滴として蒸発器内に供給されると、供給された水滴が一気に気化して蒸発器内の圧力が上昇してしまうことがある。（以下、この現象を突沸現象という）。このような突沸現象が生じてしまうと、蒸発器内の気圧が高まり、蒸発器内への原料ガスの供給量が減少してしまい、燃料電池セルを損傷の原因となる。

引用文献１には、蒸発器による水蒸気の発生を安定的に行うべく、蒸発器の蒸発面を斜め下り勾配に傾斜させ、水供給管の先端を斜めにカットして供給口を形成し、水供給管を、開口が蒸発器の蒸発面に対して正対し、かつ、水供給管の先端から吐出された水が表面張力により蒸発面に移動するように配置した蒸発器の構成が開示されている。

特許第５６４１１８２号

しかしながら、引用文献１に記載された蒸発器の構成では、水供給管の供給口が斜め上方を向いているため、水供給管の供給口の上方に大量の水が溜まる。このように大量の水が溜まってしまうと、溜まった水が高温な部位に落下してしまい突発現象が生じたりするおそれがある。また、水供給管の供給口に溜まった水の近傍の蒸発面の温度が過剰に冷却されることがある。このように蒸発面の温度が過剰に冷却されてしまうと、水供給管の先端と蒸発面との間に保持された水の気化が遅れてしまう。このため、蒸発器における水の気化が不安定になってしまうという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、蒸発器において安定した水の気化を実現することを目的としている。

本発明の固体酸化物形燃料電池装置は、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形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、水蒸気により原料ガスを改質して燃料ガスを生成し、複数の燃料電池セルに供給する改質器と、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と、を備え、蒸発器は、水が供給される供給面を含む蒸発部と、蒸発部の下方に設けられ、蒸発部に熱を供給する熱源と、斜め下方にむけて開口された吐出口から蒸発部に水を供給する水供給管と、を有し、吐出口の水平方向に対する角度が、蒸発部の供給面の水平方向に対する角度よりも小さくなった状態で、吐出口は蒸発部の供給面に対向し、これにより、下方に向かうにつれて吐出口と蒸発部の供給面との間隔が拡がっており、水供給管は蒸発部の供給面に対して、吐出口から吐出された水が表面張力により水供給管の吐出口と蒸発部の供給面との間で保持されるような間隔で配置されている、ことを特徴とする。

上記構成の本発明によれば、水供給管から供給された水は、表面張力により水供給管と蒸発部の供給面との間で保持される。そして、下方に向かうにつれて吐出口と蒸発部の供給面との間隔が拡がっているため、供給された水は過剰に表面張力により水供給管の吐出口と蒸発部の供給面との間で保持されることなく、表面張力により保持できない水量のみが供給面に沿って落下する。このため、供給面が過度に冷却されてしまうことを防止し、供給面における安定した水の気化が実現される。また、水供給管から供給された水は、表面張力により水供給管の吐出口と蒸発部の供給面との間で薄く拡がった状態で保持される。このため、表面張力により保持できなくなった水は、水滴状にならずに広がりながら供給面を流れるため、より安定した水の気化が実現される。

本発明において、好ましくは、水供給管は円環状に形成され、これにより吐出口は楕円形状であり、水供給管は、吐出口の最も進出している部分が、最も下方に位置するように設けられている。

水供給管から供給された水が蒸発することにより発生した水蒸気が水供給管の吐出口に作用すると、水供給管からの水の供給不良が生じる。これに対して、上記構成の本発明によれば、水供給管の吐出口が楕円形状であるため、吐出口の断面が広くなり水が吐出口から確実に吐出されるようになり、水蒸気の影響により水の供給不良が生じるのを防止できる。

本発明において、好ましくは、蒸発部の供給面は、供給面が斜め上方を向くように傾斜しており、吐出口は、吐出口が斜め下方を向くように供給面と同じ方向に傾斜している。

上記構成の本発明によれば、水供給管から供給された水を、水供給管の吐出口と蒸発部の供給面との間で表面張力により保持するため、水供給管からの水の供給が間歇的であっても、水を連続的に気化させることができ、水蒸気と原料ガスとを確実に混合することができる。また、供給面と吐出口とが同じ方向に傾斜して対向することにより、吐出口への水蒸気の流れ込みを抑えることができ、より確実に水蒸気による水の供給不良を防止できる。

本発明において、好ましくは、蒸発部の最下部には、供給された水が貯留される水貯留部が形成され、水貯留部は、逆錐体形状に形成されている。

上記構成の本発明によれば、蒸発部の最下部に水貯留部が設けられており、蒸発部に供給された水は水貯留部に溜まる。このため、蒸発部の底部の水貯留部近傍の部分は温度が高温とならず、供給された水が一気に蒸発することはなく、突沸現象を防止できる。さらに、本発明によれば、水貯留部が逆錐体形状であるため、水貯留部内の水が、水と接触していない高温な部位に水が移動することがなく、これにより水が高温な部位に接触して生じる突沸現象を防止できる。

本発明によれば、蒸発器において安定した水の気化を実現される。

本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。 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の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。 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。 本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の蒸発器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蒸発器の蒸発部の平面図である。 図１０におけるXI−XI断面図である。 図１０におけるXII−XII断面図である。 図１０におけるXIII−XIII断面図である。 図１２における水供給配管の先端部を拡大して示す鉛直断面図である。 水貯留部に溜まった水が所定の量が増加した際の変化を本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置と、比較例とを比較して示す図であり、（Ａ）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を示し、（Ｂ）は比較例を示す。

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

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して金属製のモジュールケース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（詳細は図６で後述する）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、各々が燃料電池セルを含む、１６本の燃料電池セルユニット１６（詳細は図５で後述する）から構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１２は、１２８本の燃料電池セルユニット１６を有する。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。

つぎに、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６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。

つぎに、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。

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

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。

つぎに、蒸発器１４０は、モジュールケース８の天板８ａ上で水平方向に延びるように固定されている。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、水を供給する水供給配管６９（図９）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し、熱源として機能する排気通路部１４０Ａが形成され、上層部分には、水供給配管６９から供給された水を排気通路部１４０Ａの排気ガスから供給された熱により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から供給された原料ガスとを混合させる混合部１４０Ｃが設けられている。

図２及び図３に示すように、蒸発部１４０Ｂ及び混合部１４０Ｃは、複数の連通孔（スリット）１４５ａが形成された仕切り板１４５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１４６，１４７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、上下方向の二層構造のうちの下層構造に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。

さらに、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。

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

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

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

混合ガス受入部１２０Ａには、蒸発器１４０から混合ガス供給管１１２を介して供給された混合ガスが混合ガス供給口１２０ａを通して噴出される。この混合ガスは、混合ガス受入部１２０Ａ内で拡張されて噴出速度が低下し、仕切り板１２３ａを通過して改質部１２０Ｂに供給される。

改質部１２０Ｂでは、低速で移動する混合ガスが改質触媒により燃料ガスに改質され、この燃料ガスが仕切り板１２３ｂを通過してガス排出部１２０Ｃに供給される。
ガス排出部１２０Ｃでは、燃料ガスが燃料ガス供給管６４、及び、水添脱硫器用水素取出管６５へ排出される。

燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュールケース８内を閉鎖側板８ｄに沿って下方へ延び、底板８ｃ付近で略９０°屈曲されて水平方向に延びて、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内へ入り、更にマニホールド６６内で逆側の閉鎖側板８ｅ付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。このマニホールド６６の上方には、燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。また、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。

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

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

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

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

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

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

つぎに、図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。

つぎに、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。

つぎに、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。

なお、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、それぞれ蒸発器１４０の長手方向の一端側に連結された水供給配管６９及び燃料供給配管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。

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

また、図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、本実施形態の蒸発器の構成をより詳細に説明する。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蒸発器の分解斜視図であり、図１０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蒸発器の蒸発部の平面図であり、図１１は、図１０におけるXI−XI断面図であり、図１２は、図１０におけるXII−XII断面図であり、図１３は、図１０におけるXIII−XIII断面図である。

上述したが、図９に示すように、蒸発器１４０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。

上側ケース１４２は平面視において略矩形状であり、長手方向の一方の端部には水供給配管用開口１４２ａ及び燃料供給配管用開口１４２ｂが形成されている。水供給配管用開口１４２ａは上側ケース１４２の短辺方向（横方向）の中央に形成されており、燃料供給配管用開口１４２ｂは短辺方向（横方向）の中央からずれた位置に設けられている。図１１に示すように、燃料供給配管６３の先端は上側ケース１４２の燃料供給配管用開口１４２ｂを貫通して蒸発器１４０の内側まで延びている。また、図１２に示すように、水供給配管６９は上側ケース１４２の水供給配管用開口１４２ａを貫通して蒸発器１４０の内側まで延びている。

図９及び図１０に示すように、中間板１４４の長手方向の一端の側には平面視矩形状の凹部２００が形成されている。凹部２００は、略逆四角錐形状に形成されており、水供給配管６９から水が供給される。凹部２００の最下部には、後述するように水供給配管６９から供給された水が貯留される水貯留部２０２が形成されている。本実施形態では、中間板１４４に形成された凹部２００が蒸発部１４０Ｂを構成している。

図１３に示すように、水貯留部２０２は、逆四角錐形状を呈し、横方向の断面視において蒸発部１４０Ｂの横方向の中央に位置している。また、図１１に示すように、水貯留部２０２は、長辺方向（縦方向）の断面視において、蒸発部１４０Ｂの一方の側（図１１における右側）に位置している。なお、本実施形態では水貯留部２０２は逆四角錐状の凹部２００の最下部が構成するが、その形状はこれに限られない。

図１１〜図１３に示すように、水貯留部２０２の外周には連続して気化促進面２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄが形成されている。また、気化促進面２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄの外周には外側に向かって斜め上方に延びる縁部２０６が形成されている。

図１１及び図１２に示すように、気化促進面２０４ａ、２０４ｂは、水平縦方向の断面視において、水貯留部２０２の両側から斜め上方に向かって傾斜しながら延びている。また、水貯留部２０２の底面は気化促進面２０４ａ、２０４ｂに連続しており、水貯留部２０２は水平縦方向の断面視において逆三角形状を呈している。気化促進面２０４ａ、２０４ｂの傾斜角度は水平方向となす傾斜角度が鋭角になっており、気化促進面２０４ａ、２０４ｂは斜め上方に向いている。上述の通り、水貯留部２０２が縦方向の鉛直断面視において一方の側に偏って配置されているため、気化促進面２０４ａの長さに比べて、気化促進面２０４ｂの長さが長くなっている。本実施形態における気化促進面２０４ａ、２０４ｂは、平面状に形成されている。

図１１及び図１３に示すように、気化促進面２０４ｃ、２０４ｄは、水平横方向の断面視において、水貯留部２０２の両側から斜め上方に向かって傾斜しながら延びている。また、水貯留部２０２の底面は気化促進面２０４ｃ、２０４ｄに連続しており、水貯留部２０２は水平横方向の断面視において逆三角形状を呈している。気化促進面２０４ｃ、２０４ｄの傾斜角度も水平方向となす傾斜角度が鋭角になっており、気化促進面２０４ｃ、２０４ｄは斜め上方に向いている。上述の通り、水貯留部２０２が横方向の鉛直断面視において凹部２００の横方向の中央に設けられているため、気化促進面２０４ｃ、２０４ｄは等しい長さとなっている。本実施形態における気化促進面２０４ｃ、２０４ｄは、平面状に形成されている。

このように気化促進面２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄは、斜め上方を向くように傾斜しているため、後述するように、気化促進面２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄは、所定量の水が供給された際に供給された水と接触する部分の表面積が上方に向かうほど大きくなる。

図１３に示すように、燃料供給配管６３は、横方向の断面視において蒸発部１４０Ｂの横方向の中央に当たる位置に設けられている。また、図１１に示すように、燃料供給配管６３は縦方向の断面視において、蒸発部１４０Ｂの縦方向の一方の側の端部近傍に設けられ、気化促進面２０４ａの上方に位置している。燃料供給配管６３は上側ケース１４２の燃料供給配管用開口１４２ｂの近傍で終端しており、燃料供給配管６３の供給口６３ａは水供給配管６９の吐出口６９ａよりも上方に位置している。燃料供給配管６３の先端部は鉛直方向に対して傾斜しており、燃料供給配管６３の先端部は蒸発部１４０Ｂの水貯留部２０２に向けられており、燃料供給配管６３の供給口６３ａは水貯留部２０２に対向している。

図１３に示すように、水供給配管６９は横方向の断面視において、蒸発部１４０Ｂの横方向の中央から一方の側にずれた位置に設けられている。また、図１１に示すように、水供給配管６９は縦方向の断面視において、蒸発部１４０Ｂの縦方向の一方の側の端部近傍に設けられ、気化促進面２０４ａの上方に位置している。これにより、水供給配管６９から供給された水は気化促進面２０４ａ上に供給され、気化促進面２０４ａは水が供給される供給面として機能する。

図１４は、図１２における水供給配管の先端部を拡大して示す鉛直断面図である。同図に示すように、水供給配管６９は円環状であり、先端部は鉛直方向に延びている。水供給配管６９の先端部が斜めにカットされており、吐出口６９ａは楕円形状を呈している。水供給配管６９は、吐出口６９ａの最も進出している部分（曲率半径が最も小さい部分）が最も下方に位置し、かつ、水貯留部２０２側（すなわち、図１４の左側）に位置するように設けられている。また、水供給配管６９は吐出口６９ａが斜め下方を向くように、水供給配管６９の吐出口６９ａは気化促進面２０４ａと同じ方向に傾斜している。これにより、水供給配管６９の吐出口６９ａが斜め下方を向き、気化促進面２０４ａに対向している。

また、水供給配管６９は、吐出口６９ａと気化促進面２０４ａとの間が所定の間隔となるように配置されている。この所定の間隔は、水供給配管６９の吐出口６９ａから吐出された水２０８が、表面張力により水供給配管６９と気化促進面２０４ａとの間で保持されるように、決定されている。また、水供給配管６９の吐出口６９ａは、吐出口６９ａの鉛直方向に対する角度が、蒸発部１４０Ｂの気化促進面２０４ａの鉛直方向に対する角度よりも大きくなるように傾斜しており、これにより、下方に向かうにつれて水供給配管６９の吐出口６９ａと蒸発部１４０Ｂの気化促進面２０４ａとの間隔が拡がっている。

以下、蒸発部１４０Ｂにおいて水が蒸発されて水蒸気が発生し、この水蒸気と原料ガスとが混合される流れを説明する。
蒸発部１４０Ｂには、水供給配管６９を通じて水が供給され、燃料供給配管６３を通じて原料ガスが連続的に供給される。
水供給配管６９から供給された水は、まず、水供給配管６９と気化促進面２０４ａとの間で保持される。この際、図１４に示すように、表面張力により水供給配管６９と気化促進面２０４ａとの間で保持された水は、気化促進面２０４ａ上に薄く広がった状態で保持される。そして、水供給配管６９からさらに水が供給されると、表面張力により水供給配管６９と気化促進面２０４ａとの間で保持可能な水量を超えた分の水が、気化促進面２０４ａに沿って水貯留部２０２に向けて流れる。この際、水供給配管６９から供給された水が、水供給配管６９と気化促進面２０４ａとの間で気化促進面２０４ａ上に薄く広がった状態で保持されているため、気化促進面２０４ａ上を流れる水も薄い状態で広がったまま、下方に向かって拡がりながら流れ落ちる。水供給配管６９と気化促進面２０４ａとの間から流れ落ちた水は、気化促進面２０４ａにおいて一部が蒸発されながら水貯留部２０２まで到達する。

そして、水供給配管６９と気化促進面２０４ａとの間から流れ落ち、水貯留部２０２まで到達した水は水貯留部２０２に貯留される。水貯留部２０２には水が溜まっており、さらに連続的に水が供給されているため、水貯留部２０２の底面近傍は高温とはなっていない。このため、水貯留部２０２に水が供給されても突沸現象を起こすことはなく、水貯留部２０２の水は安定状態で気化される。

さらに、水貯留部２０２に水が供給されると水貯留部２０２の水の水位が上昇する。図１５は水貯留部に溜まった水が所定の量が増加した際の変化を本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置と、比較例とを比較して示す図であり、（Ａ）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を示し、（Ｂ）は比較例を示す。

上述したように、本実施形態の水貯留部２０２は逆四角錐体状を呈しており、その両側から気化促進面２０４ａ、２０４ｂが斜め上方に向かって傾斜しながら延びており、所定量の水が供給された際に供給された水と接触する部分の表面積が上方に向かうほど大きくなっている。これに対して、図１５（Ｂ）に示すように比較例では、水貯留部３０４は水平面状に形成されており、その両側から気化促進面３０４ａ、３０４ｂが鉛直上方に向かって延びており、所定量の水が供給された際に供給された水と接触する部分の表面積は高さによらず一定である。

比較例の水貯留部２０２の水量が所定量増加した場合に、比較例では高さｈ’だけ水位が上昇する。これに対して、本実施形態では、気化促進面２０４ａ、２０４ｂが斜め上方に向かって傾斜しながら延びているため、水位の上昇した高さｈはｈ’よりも小さくなる。このように、比較例では、水量が増加した場合には急激に水位が上昇するが、本実施形態にでは、水量が増加した場合であっても水位はゆるやかに上昇することとなる。

蒸発部の底面は排気通路部を通過する排気ガスにより加熱されている。このため、本実施形態及び比較例の両者において、水貯留部の底部に当たる部分は水貯留部内に溜まった水により高温とはなっていないが、気化促進面の水と接触していない部分は高温となっている。さらに、気化促進面は、水貯留部の近傍では水貯留部内の水の影響で水貯留部から離れるにつれてより高温になっている。

このため、比較例のように、水が供給された際に水位が急激に上昇する場合には、一気に気化促進面３０４ａ、３０４ｂの非常に高温となっている部分に増加した水が接触する。このため、比較例では気化促進面３０４ａ、３０４ｂと水が接触して突沸現象が生じるおそれがある。

これに対して、本実施形態では、水が供給された際の水位の上昇が遅い。このため、水が供給された場合であっても、徐々に気化促進面２０４ａ、２０４ｂと接触することとなる。このため、本実施形態によれば、水が供給された際に突沸現象が生じることを防止できる。

さらに、本実施形態では、気化促進面２０４ａ、２０４ｂが所定量の水が供給された際に供給された水と接触する部分の表面積が上方に向かうほど大きくなっている。このため、蒸発部１４０Ｂ内の水量が増加した場合には、より広範囲において水が蒸発することとなり、広い領域で水を安定して気化させることができる。

また、このように水が気化されるとともに、燃料供給配管６３から原料ガスが供給される。この際、燃料供給配管６３が水貯留部２０２に向けて差し向けられている。このため、原料ガスが蒸発部１４０Ｂで発生した水蒸気と十分に混合される。また、燃料供給配管６３が水供給配管６９よりも上方で開口しているため、水貯留部２０２において発生した水蒸気が急激に燃料供給配管６３に流れこみ、原料ガスの噴出が妨げられるのを防止できる。
このようにして、蒸発部１４０Ｂにおいて混合された原料ガスと水蒸気とは改質器１２０へと送られる。

本実施形態によれは、以下の効果が奏される。
本実施形態では、水供給管６９は気化促進面２０４ａに対して、水供給管６９の吐出口６９ａから吐出された水が表面張力により水供給管６９の吐出口６９ａと気化促進面２０４ａとの間で保持されるような間隔で配置されている。これにより、水供給管６３から供給された水は、表面張力により水供給管６９の吐出口６９ａと気化促進面２０４ａとの間で保持される。

そして、本実施形態では、水供給管６９の吐出口６９ａの水平方向に対する角度が、気化促進面２０４ａの水平方向に対する角度よりも小さくなった状態で、水供給管６９の吐出口６９ａは気化促進面２０４ａに対向し、下方に向かうにつれて水供給管６９の吐出口６９ａと気化促進面２０４ａとの間隔が拡がっている。これにより、供給された水は過剰に表面張力により水供給管６９の吐出口６９ａと気化促進面２０４ａとの間で保持されることなく、表面張力により保持できない水量のみが気化促進面２０４ａに沿って落下する。このため、気化促進面２０４ａが過度に冷却されてしまうことを防止し、気化促進面２０４ａにおける安定した水の気化が実現される。また、水供給管６９から供給された水は、表面張力により水供給管６９の吐出口６９ａと気化促進面２０４ａとの間で薄く拡がった状態で保持される。このため、表面張力により保持できなくなった水は、水滴状にならずに広がりながら気化促進面２０４ａを流れるため、より安定した水の気化が実現される。

また、本実施形態では、水供給管６９は円環状に形成され、これにより水供給管６９の吐出口６９ａは楕円形状である。これにより、水供給管６９の吐出口６９ａの断面が広くなり水が吐出口６９ａから確実に吐出されるようになり、水蒸気の影響により水の供給不良が生じるのを防止できる。

また、本実施形態では、気化促進面２０４ａが斜め上方を向くように傾斜しており、水供給管６９の吐出口６９ａは、吐出口６９ａが斜め下方を向くように気化促進面２０４ａと同じ方向に傾斜している。これにより、水供給管６９から供給された水を、水供給管６９の吐出口６９ａと気化促進面２０４ａとの間で表面張力により多量に保持することができ、水供給管６９からの水の供給が間歇的であっても、水を連続的に気化させることができ、水蒸気と原料ガスとを確実に混合することができる。また、気化促進面２０４ａと水供給管６９の吐出口６９ａとが同じ方向に傾斜して対向することにより、吐出口６９ａへの水蒸気の流れ込みを抑えることができ、より確実に水蒸気による水の供給不良を防止できる。

また、本実施形態では、蒸発部１４０Ｂの最下部には、供給された水が貯留される水貯留部２０２が形成されている。これにより、蒸発部１４０Ｂの底部の水貯留部２０２近傍の部分は温度が高温とならず、供給された水が一気に蒸発することはなく、突沸現象を防止できる。さらに、本実施形態では、水貯留部２０２は、逆錐体形状に形成されている。これにより、水貯留部２０２内の水が、水と接触していない高温な部位に水が移動することがなく、これにより水が高温な部位に接触して生じる突沸現象を防止できる。

１ 固体酸化物形燃料電池装置
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
５ 気化促進面
６ ハウジング
７ 断熱材
８ モジュールケース
８ａ 天板
８ｂ 側板
８ｃ 底板
８ｄ 閉鎖側板
８ｅ 閉鎖側板
８ｆ 吹出口
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３２ ガス遮断弁
３６ 脱硫器
３８ 燃料流量調整ユニット
３９ バルブ
４０ 空気供給源
４２ 電磁弁
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
６３ 燃料供給配管
６３ａ 供給口
６４ 燃料ガス供給管
６４ａ 水平部
６４ｂ 燃料供給孔
６５ 水添脱硫器用水素取出管
６６ マニホールド
６８ 下支持板
６９ 水供給配管
６９ａ 吐出口
７４ 発電用空気導入管
８２ 排気ガス排出管
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
８６ 内側電極端子
８８ 燃料ガス流路
９０ 内側電極層
９０ａ 上部
９０ｂ 外周面
９０ｃ 上端面
９２ 外側電極層
９４ 電解質層
９６ シール材
９８ 燃料ガス流路細管
１００ 上支持板
１０２ 集電体
１０２ａ 燃料極用接続部
１０２ｂ 空気極用接続部
１０４ 外部端子
１１１ 排気口
１１２ 混合ガス供給管
１２０ 改質器
１２０Ａ 混合ガス受入部
１２０Ｂ 改質部
１２０Ｃ ガス排出部
１２０ａ 混合ガス供給口
１２０ｂ 貫通孔
１２１ 上側ケース
１２２ 下側ケース
１２３ａ 仕切り板
１２３ｂ 仕切り板
１３０ 排気ガス誘導部材
１３１ 下部誘導板
１３１ａ 凸状段部
１３２ 上部誘導板
１３２ａ 凹部
１３３ 連結板
１３５ ガス溜
１４０ 蒸発器
１４０Ａ 排気通路部
１４０Ｂ 蒸発部
１４０Ｃ 混合部
１４１ 蒸発器ケース
１４２ 上側ケース
１４２ａ 水供給配管用開口
１４２ｂ 燃料供給配管用開口
１４３ 下側ケース
１４４ 中間板
１４４ａ 開口
１４５ 仕切り板
１４６ 仕切り板
１６０ 空気通路カバー
１６０ａ 天板
１６０ｂ 側板
１６１ａ 空気通路
１６１ｂ 空気通路
１６２ プレートフィン
１６３ プレートフィン
１６４ 流路方向調整部
１６７ 開口部
１７１ 排気管
１７２ 排気通路
１７２ａ 排気ガス導入口
１７３ 排気通路
１７４ 排気通路
１７５ プレートフィン
２００ 凹部
２０２ 水貯留部
２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ 気化促進面
２０６ 縁部
３０４ 水貯留部
３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄ 気化促進面

Claims (4)

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形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、
   前記複数の燃料電池セルを収容するモジュールケースと、
   水蒸気により原料ガスを改質して燃料ガスを生成し、前記複数の燃料電池セルに供給する改質器と、
   水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気を前記改質器に供給する蒸発器と、を備え、
   前記蒸発器は、
   前記水が供給される供給面を含む蒸発部と、
   前記蒸発部の下方に設けられ、前記蒸発部に熱を供給する熱源と、
   斜め下方にむけて開口された吐出口から前記蒸発部に水を供給する水供給管と、を有し、
   前記吐出口の水平方向に対する角度が前記蒸発部の供給面の水平方向に対する角度よりも小さくなった状態で、前記吐出口は前記蒸発部の供給面に対向し、これにより、下方に向かうにつれて前記吐出口と前記蒸発部の供給面との間隔が拡がっており、
   前記水供給管は前記蒸発部の供給面に対して、前記吐出口から吐出された水が表面張力により前記水供給管の吐出口と前記蒸発部の供給面との間で保持されるような間隔で配置されている、ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
2. 前記水供給管は円環状に形成され、これにより前記吐出口は楕円形状であり、
   前記水供給管は、前記吐出口の最も進出している部分が、最も下方に位置するように設けられている、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
3. 前記蒸発部の供給面は、当該供給面が斜め上方を向くように傾斜しており、
   前記吐出口は、当該吐出口が斜め下方を向くように前記供給面と同じ方向に傾斜している、請求項２記載の固体酸化物形燃料電池装置。
4. 前記蒸発部の最下部には、供給された水が貯留される水貯留部が形成され、
   前記水貯留部は、逆錐体形状に形成されている、請求項３記載の固体酸化物形燃料電池装置。

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