JP6758878B2 - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に関し、特に、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。

このような固体酸化物形燃料電池装置では、燃料電池セルが間隔を開けて縦横に並列されてなる燃料電池セル集合体に対して燃料ガスを供給するとともに、周囲から燃料電池セルに対して酸化剤ガス噴出孔から酸化剤ガスを供給する。このような燃料電池装置に関し、例えば、特許文献１には、燃料電池セル集合体の発電効率を高めるために、燃料電池セル集合体の中央部における酸化剤ガス噴出孔のピッチを短くした構成が開示されている。

特許第５３００１７２号

特許文献１にも記載されているが、燃料電池セル集合体では中央部が高温化してしまう。これに対して、出願人らは燃料電池セル集合体の中央部近傍において、隣接する燃料電池セルの間隔が大きくなるように調整することを試みている。しかしながら、このように燃料電池セルの間隔を部分的に調整すると、燃料電池セルの間を流れる酸化剤ガスの流速が異なるため、燃料電池セル集合体の温度分布が不均一になってしまう。このような温度分布の不均一は、発電効率の低下や燃料電池セルの早期劣化を招いてしまう。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、燃料電池セルの間隔が異なる場合であっても、燃料電池セル集合体の温度分布が均一になるようにすることである。

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う３つ以上の燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池であって、燃料電池セルを内部に収容する平面視矩形状のモジュール容器と、モジュール容器内に配置され、燃料ガスを燃料電池セルに分配供給する燃料ガスマニホールドと、燃料ガスマニホールドの上方に設けられ、間隔を開けて配置された燃料電池セルにより構成される燃料電池セルスタックと、モジュール容器内の燃料電池セルスタックの上方で、燃料電池セルからのオフガスを燃焼して排ガスを生成する燃焼部と、モジュール容器内の燃焼部の上方に設けられ、排ガスで加熱することにより原料ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器と、モジュール容器内の一方の側部に設けられ、燃料ガスを燃料ガスマニホールドに供給する燃料ガス供給管と、燃料ガス供給管が設けられた側以外の燃料電池セルの側方から、燃料電池セルスタックの少なくとも一方の側面に酸化剤ガスを複数の吹出孔から吹出する空気吹出部と、を備え、複数の吹出孔の少なくとも一部は隣接する燃料電池セルの間に位置するように配置され、空気吹出部は燃料電池セルの間隔が広いほど、吹出孔の開口面積が大きい第１の領域を含む、ことを特徴とする。

燃料電池セルの間隔が狭い領域では、間隔が広い領域に比べて酸化剤ガスの流速が早くなる。これに対して、上記構成の本発明によれば、第１の領域において、燃料電池セルの間隔が広いほど吹出口の開口面積が大きいため、燃料電池セルの間隔によらずに間を通過する酸化剤ガスの流速が略一定になる。これにより、燃料電池セルスタックにおける温度分布が均一になり、燃料電池セルスタックの発電効率を向上し、燃料電池セルの早期劣化を防止できる。

本発明において、好ましくは、空気吹出部は、燃料ガス供給管に近づくほど吹出孔の開口面積が大きい第２の領域をさらに含む。
モジュール容器内の燃料ガス供給管が設けられた側には、燃料ガス供給管を収容するための空間が存在し、吹出孔から吹き出された酸化剤ガスは当該空間にも拡散されてしまう。その結果、燃料ガス供給管の設けられていない側との間で酸化剤ガスの流れが非対称となり、燃料電池セルスタックの温度分布が不均一となってしまう。
これに対して、上記構成の本発明によれば、第２の領域では燃料ガス供給管に近づくほど吹出孔の開口面積が大きくなっているため、燃料ガス供給管側で供給される酸化剤ガスの量を多くすることができ、燃料ガス供給管側と燃料ガス供給管の設けられていない側との酸化剤ガスの流れを対称とし、すなわち燃料電池セルに接触する酸化剤ガスの量を均一にすることができる。また、燃料ガス供給管側の酸化剤ガスの流量を増加させることで、燃料ガス供給管の燃料電池セルに対する温度影響を減らすことができる。

本発明において、好ましくは、空気吹出部の吹出孔は燃料電池セルスタックの対向する二側面に酸化剤ガスを吹き出すように設けられている。
燃料電池セルスタックの中央部の高温化を回避するために燃料電池セルの間隔を調整した従来の場合においては、間隔の大小により通過する酸化剤ガスの流速が異なるため、燃料電池セルスタックを間に挟んで対向する二側面から供給された酸化剤ガスの衝突は、乱流を生む。
上記構成の本発明によれば、燃料電池セルの間隔が広いほど吹出口の開口面積が大きいため、燃料電池の間隔によらずに酸化剤ガスの流速を略一定にすることができるため、二側面から供給された酸化剤ガスはそれぞれの間隔で略均一のエネルギーで衝突し上方に拡散する。従って、燃料電池セルスタックの対向する二側面から酸化剤ガスが吹き出される場合であっても乱流の発生を抑制して均等に燃料電池セルに酸化剤ガスが供給されるため、燃料電池セルスタック内の温度分布をより均一にすることができる。

本発明において、好ましくは、吹出孔はモジュール容器の側壁と燃料電池セルスタックとの間にも設けられており、モジュール容器と燃料電池セルスタックとの間に設けられた吹出孔の開口面積は、第１の領域の吹出孔の最小開口面積よりも大きい。

上記構成の本発明によれば、モジュール容器と燃料電池セルスタックとの間にも吹出孔を設けることにより、モジュール容器内の酸化剤ガスの流れを安定させることができる。さらに、モジュール容器と燃料電池セルスタックとの間の吹出孔の開口面積を大きくすることにより、モジュール容器と燃料電池セルスタックとの間を流れる酸化剤ガスの流量が増加し、モジュール容器外の外的要因による燃料電池セルへの温度影響を低減できる。

本発明において、好ましくは、複数の吹出孔は、燃料電池セルの露出する空気極の下端近傍の高さ位置に形成されている。
モジュール容器内は下方ほど低温であり、燃料電池セルの下端近傍も低温になりやすいが、上記構成の本発明によれば、加熱された酸化剤ガスが空気極の下端近傍に吹き付けられるため、燃料電池セルの上下方向の温度分布を均一化することができる。

本発明において、好ましくは、燃料電池セルスタックは、隣接する燃料電池セルを、燃料電池セルの下端部において電気的に接続する金属材料からなる集電体を、有し、集電体は、隣接する燃料電池セルにそれぞれ接触固定される一対の把持部と、一対の把持部の間を接続する連結部と、を含み、複数の吹出孔は、吹出された酸化剤ガスが直接連結部に当たらないように把持部近傍の高さに設けられている。

上記構成の本発明によれば、熱伝導性が高い金属材料からなる集電体の把持部近傍に加熱された酸化剤ガスが吹き付けられるため、集電体を介して酸化剤ガスの熱が伝わり、燃料電池セルの下端部を加熱することができ、これにより燃料電池セルの上下方向の温度分布を均一にすることができる。さらに、吹出された酸化剤ガスが直接連結部に当たると酸化剤ガスの流れが乱されるが、上記構成の本発明によれば、集電体の把持部近傍に酸化剤ガスが吹き付けられるため、酸化剤ガスの流れの乱れを防止し、燃料電池セルスタック内の温度分布が均一になる。

本発明において、好ましくは、燃料ガスマニホールドは、燃料ガス供給管と反対側の端部を基点として固定されており、第２の領域の複数の吹出孔は、下端が略等しい高さであり、開口面積が大きい程、上方に拡がっている。

上記構成の本発明のように、燃料ガスマニホールドが、燃料ガス供給管の反対側の端部を基点として固定されている場合には、部材寸法や組立のばらつきにより、燃料ガス供給管側ほど高さ方向にばらつきが生じやすい。すなわち、このようなばらつきにより、燃料ガス供給管では、空気極や集電体の位置が上方にばらつく可能性がある。これに対して、上記構成の本発明によれば、第２の領域の複数の吹出孔は、下端が略等しい高さであり、開口面積が大きい程、上方に拡がっているため、燃料ガス供給管側でばらつきが生じても、確実に空気極に酸化剤ガスを吹き付けることができる。

本発明によれば、燃料電池セルの間隔が異なる場合であっても、燃料電池セル集合体の温度分布が均一になるようになる。

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。 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る。 図２のIII-III線に沿った断面図である。 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。 モジュールケースを構成する閉鎖側板の内面を示す斜視図である。 図１に示す固体酸化物形燃料電池装置のマニホールド及び燃料電池セルユニットの下端部を拡大して示す鉛直断面図である。 （Ａ）は飛散抑制カバーを構成する第１の部材を示す斜視図であり、（Ｂ）は飛散抑制カバーを構成する第２の部材を示す斜視図であり、（Ｃ）は第１及び第２の部材を取り付ける様子を示す斜視図である。 飛散抑制カバーを取り付けた状態における管継手近傍の装置長手方向の鉛直拡大断面図である。 組立状態における飛散抑制カバーの周辺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セルユニットを示す部分断面図である。 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る。 図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。 燃料電池セル集合体の間を流れる発電用空気の流れを示す水平断面図であり、（Ａ）は本実施形態を示し、（Ｂ）は比較例を示す。

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容器８（以下では適宜「モジュールケース」と呼ぶ。）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（燃料電池セルスタック）１２が収容置されている。この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（図１０参照）が直列接続されて構成されている。この例では、燃料電池セル集合体１２は、１０４本の燃料電池セルユニット１６を有する。なお、ハウジング６は必須ではなく、断熱材７を保持するようなフレームを用いてもよい。

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（発電に寄与しなかった）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、都市ガス等の原料ガスの供給減である燃料供給源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。なお、図２、３ではハウジングは省略している。

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と、発電用空気導入管７４を接続するための開口部１６０ｃと、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、天板１６０ａ及び側板１６０ｂの外面に沿って、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からなる空気吹出部が設けられている（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から空気通路１６１ａ内に供給される（図２参照）。そして、発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂを通って、空気吹出部の吹出口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（図３、図４参照）。

図５は、モジュールケース８を構成する閉鎖側板８ｄの内面を示す斜視図である。同図に示すように、閉鎖側板８ｄの内面には幅方向両側の縁に沿うように上下方向に延びる第１の突起部１８０Ａと、第２の突起部１８０Ｂとが形成されている。第１の突起部１８０Ａ及び第２の突起部１８０Ｂはそれぞれ矩形状の水平断面形状を有する。第１の突起部１８０Ａ及び第２の突起部１８０Ｂの内側面が燃料電池セル側に突出する突出面を構成する。なお、第１の突起部１８０Ａ及び第２の突起部１８０Ｂの間には、断面矩形状の溝部１８０Ｃが形成されている。

また、空気通路１６１ａ，１６１ｂの内部には、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ内の排気ガスと空気通路１６１ａ，１６１ｂ内の空気との間の熱交換を促進する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ている。すなわち、プレートフィン１６２は、空気通路１６１ａ内の後述する第１排気通路１７２ａに対応する部分に設けられている。また、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。すなわち、プレートフィン１６３は、空気通路１６１ｂ内の後述する第２排気通路１７２ｂ及び排気集中部１７６に対応する部分に設けられている。

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は、マニホールド６６に接続されている流入側配管６４Ａと、改質器１２０に接続されている流出側配管６４Ｂとに分割されており、これら流入側配管６４Ａ及び流出側配管６４Ｂは管継手６４Ｃにより接続されている。管継手６４Ｃは、流入側配管６４Ａ及び流出側配管６４Ｂやモジュールケース８を構成する材料よりも耐熱性が低い材料により形成されている。なお、管継手６４Ｃは、燃料電池セル集合体１２の斜め上方に位置している。

図６は、図１に示す固体酸化物形燃料電池装置のマニホールド及び燃料電池セルユニットの下端部を拡大して示す鉛直断面図である。モジュールケース８の底板８ｃ上には、第１及び第２の固定治具２００Ａ、２００Ｂが設けられている。第１の固定治具２００Ａは、モジュールケース８内の閉鎖側板８ｅ側の端部に設けられており、Ｌ型断面形状を有する。また、第２の固定治具２００Ｂは、モジュールケース８内の閉鎖側板８ｄ側の縁に設けられている。マニホールド６６は、閉鎖側板８ｄを外した状態で、基点となる燃料ガス供給管６４と反対側の端部が第１の固定治具２００Ａと当接するように、閉鎖側板８ｄ側からモジュールケース８内に挿入される。これにより、後端側が第２の固定治具２００Ｂに当接し、第１の固定治具２００Ａ及び第２の固定治具２００Ｂによりモジュールケース８内にマニホールド６６が固定されている。

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、燃料電池セルユニット１６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。

また、流入側配管６４Ａ及び流出側配管６４Ｂを接続する管継手６４Ｃは、飛散抑制カバー１９０により全周が包囲されている。図７（Ａ）は飛散抑制カバーを構成する第１の部材を示す斜視図であり、（Ｂ）は飛散抑制カバーを構成する第２の部材を示す斜視図であり、（Ｃ）は第１及び第２の部材を取り付ける様子を示す斜視図である。また、図８は、飛散抑制カバーを取り付けた状態における管継手近傍の装置長手方向の鉛直拡大断面図である。

図７（Ａ）に示すように、第１の部材１９１は、一面が開口するような直方体形状を有している。具体的には、第１の部材１９１は、横面１９１Ｃと、横面１９１Ｃの前後の縁から延びる前後面１９１Ｄと、横面１９１Ｃの上の縁から延びる上面１９１Ａと、横面１９１Ｃの下の縁から延びる下面１９１Ｂと、を有する。上下面１９１Ａ、１９１Ｂにはそれぞれ開口する側から延びる凹部１９１Ｆが形成されている。また、前後面１９１Ｄには、上下方向に延びる矩形状の貫通穴１９１Ｅが形成されている。

図７（Ｂ）に示すように、第２の部材１９２は、一面が開口するような直方体形状を有している。具体的には、第２の部材１９２は、横面１９２Ｃと、横面１９２Ｃの前後の縁から延びる前後面１９２Ｄと、横面１９２Ｃの上の縁から延びる上面１９２Ａと、横面１９２Ｃの下の縁から延びる下面１９２Ｂと、を有する。上下面１９２Ａ、１９２Ｂにはそれぞれ開口する側から延びる凹部１９２Ｆが形成されている。また、前後面１９１Ｄには、上下方向に延びる矩形状の突出部１９２Ｅが形成されている。突出部１９２Ｅは、第２の部材１９２の開口する側の辺が前後面１９２Ｄに接続されており、それ以外の辺と前後面１９２Ｄとの間には隙間が形成されている。なお、突出部１９２Ｅは、常時は前後面１９２Ｄから外側に突出しているが、前後面１９２Ｄよりも内側に位置するまで撓ませることができる。また、前後面１９２Ｄと上下面１９２Ａ、１９２Ｂとの間の角部は接続されておらず、スリット１９２Ｇが形成されている。

ここで、第１の部材１９１及び第２の部材１９２の凹部１９１Ｆ、１９２Ｆはケース内側に向けて屈曲されていることが好ましい。これにより、燃料ガス供給管６４と凹部１９１Ｆ、１９２Ｆとの隙間から剥離粉末が落下することを防止できる。

第１の部材１９１及び第２の部材１９２は、管継手６４Ｃよりも耐熱性の高い材料により構成される。より好ましくは、モジュールケース８を構成する材料と同一の材料により構成されている。

図７（Ｃ）に示すように、飛散抑制カバー１９０の取り付ける際には、第１の部材１９１及び第２の部材１９２の開口する側が、管継手６４Ｃを挟んで対向するように配置する。そして、第１の部材１９１及び第２の部材１９２をそれぞれ、凹部１９１Ｆ、１９２Ｆに燃料ガス供給管６４が入り込むように近接させる。この際、第１の部材１９１の上下面１９１Ａ、１９１Ｂが、第２の部材１９２のスリット１９２Ｇに入り込むようにする。そして、第１の部材１９１の上下面１９１Ａ、１９１Ｂの縁が第２の部材１９２の横面１９２Ｃに当接するまで第１及び第２の部材１９１、１９２を近接されると、第２の部材１９２の突出部１９２Ｅが、第１の部材１９１の貫通穴１９１Ｅに入り込んで嵌合する。このように、飛散抑制カバー１９０は、第１及び第２の部材１９１、１９２を嵌合させることにより構成されており、図８に示すように、上面１９１Ａ、１９２Ａが管継手６４Ｃの上面に当接することにより支持されている。また、このように飛散抑制カバー１９０を取り付けた状態において、第１及び第２の部材１９１、１９２の上面１９１Ａ、１９２Ａ、及び下面１９１Ｂ，１９２Ｂは互いに重なり合っている。そして、飛散抑制カバー１９０内の管継手６４Ｃの下方には回収空間１９４が形成される。

なお、本実施形態では、互いに嵌合する第１の部材１９１の貫通穴１９１Ｅ及び第２の部材１９２の突出部１９２Ｅは、それぞれ第１及び第２の部材１９１、１９２の前後面１９１Ｄ、１９２Ｄに形成されているが、これに限らず、上面１９１Ａ、１９２Ａに設けてもよい。また、本実施形態では、２つの部材により飛散抑制カバー１９０を構成しているが、３つ以上の部材により構成してもよい。

図９は、組立状態における飛散抑制カバーの周辺を示す斜視図である。閉鎖側板８ｄは、飛散抑制カバー１９０を管継手６４Ｃに取り付けた後に閉じられる。そして、閉鎖側板８ｄを閉じた状態において、飛散抑制カバー１９０は閉鎖側板８ｄの溝部１８０Ｃ内に収容されている。飛散抑制カバー１９０の燃料電池セルユニット１６側の面は、閉鎖側板８ｄの第１の突起部１８０Ａ及び第２の突起部１８０Ｂの燃料電池セルユニット１６側の突出面と同一平面上に位置している。

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、燃料電池セルユニット１６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（ガス断熱層）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の上面と天板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第１排気通路１７２ａが形成されている。この第１排気通路１７２ａ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、第１排気通路１７２ａ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１７５ａが配置されている。このプレートフィン１７５ａ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。

上部誘導板１３２は、上部誘導板１３２の側面と側板８ｂと所定の水平方向距離を隔てて配置されており、上部誘導板１３２の側面と側板８ｂとの間には、長手方向及び上下方向に延びる第２排気通路１７２ｂが形成されている。第２排気通路１７２ｂは上部において第１排気通路１７２ａと連通している。第２排気通路１７２ｂ内にも、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１７５ｂが配置されている。このプレートフィン１７５ｂは、下端が下部誘導板１３１の高さまで延びている。

空気通路１６１ａ、１６１ｂと、第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂのうち、プレートフィン１６２、１６３、１７５ａ、１７５ｂが設けられた部分において、空気通路１６１ａ、１６１ｂを流れる発電用空気と第１及び第２排気通路１７２ａ、１７２ｂ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第３排気通路１７３が形成されている。

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第４排気通路１７４を形成している。この第４排気通路１７４は、改質器１２０の上方、かつ、側板８ｂの近傍で第３排気通路１７３と合流し、排気ガスが集中する排気集中部１７６が形成される。

次に、図１０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燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図１０に示すように、燃料電池セルユニット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。

図６に示すように、燃料電池セル集合体１２は、各燃料電池セルユニット１６の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が、他の燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面に、集電体１０２により電気的に接続されることにより、１０４本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されて構成される。集電体１０２は、一対の把持部１０２ａ、１０２ｂと、これら一対の把持部１０２ａ、１０２ｂの間を接続する連結部１０２ｃと、を備える。隣接する燃料電池セルユニット１６は、集電体１０２の一方の把持部１０２ａが一方の燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６に接続され、他方の把持部１０２ｂが他方の燃料電池セルユニット１０６の外側電極層９２に接続されている。

また、モジュールケース８の長手方向に隣接する燃料電池セルユニット１６の間隔は、閉鎖側板８ｅから５本目と６本目の間、及び、８本目と９本目の間（図６におけるＡ部）の間隔が、他の隣接する燃料電池セルユニット１６の間の間隔よりも大きくなっている。なお、閉鎖側板８ｅから５本目と６本目の間、及び、８本目と９本目の間以外の隣接する燃料電池セルユニット１６の間隔は、一定である。

つぎに、図４に示すように、発電用空気を吹き出す吹出口８ｆは、モジュールケース８の対向する側板８ｂの対向する位置に形成されており、吹出口８ｆから燃料電池セル集合体１２の対向する二側面に向かって発電長空気に吹出される。なお、本実施形態では、モジュールケース８の対向する側板８ｂの両方に吹出口８ｆを設けているが、これに限らず、一方の側板８ｂのみに吹出口８ｆを形成してもよい。

図６に示すように、吹出口８ｆは、燃料電池セル集合体１２と燃料ガス供給管６４との間、隣接する燃料電池セルユニット１６の間、及び、燃料電池セル集合体１２と閉鎖側板８ｅとの間に設けられている。吹出口８ｆの下端は同じ高さに位置している。
吹出口８ｆは、燃料電池セルユニット１６の外側電極層（空気極）９２の下端部近傍の高さ位置に設けられている。また、吹出口８ｆは、集電体１０２の連結部１０２ｃよりも高く、上方の把持部１０２ｂの近傍の高さ位置に位置している。これにより、吹出口８ｆから吹き出された発電用空気は、直接集電体１０２の連結部１０２ｃに当たることなく、隣接する燃料電池セルユニット１６の間、燃料電池セル集合体１２と閉鎖側板８ｅとの間、及び、燃料電池セル集合体１２と燃料ガス供給管６４との間に向かって吹き付けられる。

図６に示すように、複数の吹出口８ｆは、基本となる第１の領域と、燃料ガス供給管６４側の第２の領域と、燃料電池セル集合体１２と閉鎖側板８ｅとの間の第３の領域と、において、それぞれ以下に説明するように開口面積に設定されている。なお、吹出口８ｆの開口面積は、上下方向の高さを変更することにより調整されている。すなわち、開口面積の大きな吹出口８ｆほど上方まで拡がっている。

第１の領域では、隣接する燃料電池セルユニット１６の間の間隔に応じて吹出口８ｆの開口面積が決定されており、第１の領域では、燃料電池セルユニット１６の間隔が広いほど、吹出口８ｆの開口面積が大きくなっている。具体的には、本実施形態では、隣接する燃料電池セルユニット１６の間の間隔が大きなＡ部に形成された吹出口８ｆの開口面積が、他の隣接する燃料電池セルユニット１６の間の吹出口８ｆの開口面積よりも大きくなっている。なお、本実施形態では、Ａ部以外における燃料電池セルユニット１６の間隔は一定であるため、これら燃料電池セルユニット１６の間の吹出口８ｆの開口面積は一定であるが、例えば、隣接する燃料電池セルユニット１６の間の間隔が狭い箇所があるような場合にはこの部分に吹出口８ｆの開口面積を小さくするとよい。

また、第３の領域の燃料電池セル集合体１２と閉鎖側板８ｅとの間に設けられた吹出口８ｆの開口面積は、第１の領域の吹出口８ｆの開口面積の最小値である最小開口面積よりも大きく設定されている。

第２の領域では、吹出口８ｆの開口面積は燃料ガス供給管６４に近いほど大きくなり、燃料ガス供給管６４から離れるにつれて、第１の領域の吹出口８ｆの開口面積に近づくように設定されている。本実施形態では、第２の領域では、燃料電池セル集合体１２と燃料ガス供給管６４との間の吹出口８ｆの開口面積が最も大きく、燃料ガス供給管６４から離間するにつれて徐々に小さくなっている。

次に、図１１及び図１２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１１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１２は、図３と同様の、図２のIII-III線に沿った断面図である。図１１及び図１２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１１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，及び第１排気通路１７２ａ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１１及び図１２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内に形成された第１及び第２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。

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ムラが生じ難くなっている。

図１３は、燃料電池セル集合体の間を流れる発電用空気の流れを示す水平断面図であり、（Ａ）は本実施形態を示し、（Ｂ）は比較例を示す。図中、矢印が発電用空気の流れを示し、矢印の長さは流速を、矢印の幅は流量を示す。
上述の通り、本実施形態では、隣接する燃料電池セルユニット１６の間隔に応じて側板８ｂに形成された吹出口８ｆの開口面積が調整されており、燃料電池セルユニット１６の間隔が広いＡ部では吹出口８ｆの開口面積が他の部分よりも大きい。これに対して、比較例では、燃料電池セルユニット１６の間隔によらずに、吹出口８ｆの開口面積は一定である。

図１３（Ｂ）に示すように、比較例では、吹出口８ｆの開口面積が一定であるため、各吹出口８ｆから吹き出される発電用空気の流量は一定である。各吹出口８ｆから吹き出された発電用空気は、燃料電池セルユニット１６の間に吹き込む。この際、Ａ部は燃料電池セルユニット１６の間隔が他の部分よりも広いため、Ａ部を流れる発電用空気の流速は他の部分より遅くなる。このように発電用空気の流速が遅くなると、Ａ部の両側の燃料電池セルユニット１６はその分発電量が低下し、温度が低くなる。このように、比較例では燃料電池セルユニット１６の間隔に応じて発電用空気の流速が異なるため、燃料電池セル集合体１２内において燃料電池セルユニット１６ごとの発電量が異なり、これに伴い燃料電池セル集合体１２内で温度の不均一が生じる。

これに対して、本実施形態では、燃料電池セルユニット１６の間隔が広いＡ部では吹出口８ｆの開口面積が他の部分よりも大きい。このため、図１３（Ａ）に示すように、Ａ部の吹出口８ｆから吹き出す発電用空気の流量は、他の部位の吹出口８ｆから吹き出す発電用空気の流量に比べて多くなる。このため、Ａ部と、他の部位とにおける燃料電池セルユニット１６の間を通過する発電用空気の流速の差も非常に小さくなる。このため、燃料電池セル集合体１２内の燃料電池セルユニット１６ごとの発電量が均一になり、燃料電池セル集合体１２内の温度分布が均一になる。

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１２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、第３排気通路１７３と第４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、第４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第３排気通路１７３に向けて誘導され、排気集中部１７６において第３排気通路１７３を流れる排気ガスに合流する。ここで、第２排気通路１７２内にはプレートフィン１７５ｂが設けられているため、第３排気通路１７３及び第４排気通路１７４を通過した排気ガスは排気集中部１７６において滞留する（図１２のＡの部分）。

その後、排気ガスは、排気集中部１７６から第２排気通路１７２ｂに導入される。そして、第２排気通路１７２ｂを通過した排気ガスは、第１排気通路１７２ａ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、排気ガスが排気集中部１７６に滞留する際に、空気通路１６１ｂ内の排気集中部１７６に対応する部分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。さらに、排気ガスが第２排気通路１７２ｂ及び第１排気通路１７２ａを流れていく際に、第２及び第１排気通路１７２ｂ、１７２ａ内に設けられたプレートフィン１７５ｂ、１７５ａと、空気通路１６１ａ、１６１ｂ内のプレートフィン１７５ｂ、１７５ａに対応する部分に設けられたプレートフィン１６２、１６３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。

燃焼室１８において、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室１８において燃焼されると、管継手６４Ｃは高温に曝される。このように管継手６４Ｃが高温に曝されると、管継手６４Ｃの表面が劣化して粉末状に剥離する。しかしながら、このように管継手６４Ｃから剥離した粉末は、飛散抑制カバー１９０内の回収空間１９４内に収容され、モジュールケース８内に飛散することはない。

以上説明したように、上記実施形態によれば、以下の効果が奏される。
上記実施形態では、複数の吹出口８ｆの一部は隣接する燃料電池セルユニット１６の間に位置するように配置され、第１の領域では、燃料電池セルユニット１６の間隔が広いほど、吹出口８ｆの開口面積が大きくなっている。燃料電池セルユニット１６の間隔が狭い領域では、間隔が広い領域に比べて酸化剤ガスの流速が早くなる。これに対して、上記実施形態によれば、燃料電池セルユニット１６の間隔によらずに間を通過する酸化剤ガスの流速が略一定になる。これにより、燃料電池セル集合体１２における温度分布が均一になり、燃料電池セル集合体１２の発電効率を向上し、燃料電池セルユニット１６の早期劣化を防止できる。

また、上記実施形態では、第２の領域では、燃料ガス供給管６４に近づくほど吹出口８ｆの開口面積が大きくなっている。モジュールケース８内の燃料ガス供給管６４が設けられた側には、燃料ガス供給管６４を収容するための空間が存在し、吹出口８ｆから吹き出された酸化剤ガスはこの空間にも拡散されてしまう。その結果、燃料ガス供給管６４の設けられていない側との間で酸化剤ガスの流れが非対称となり、燃料電池セル集合体１２の温度分布が不均一となってしまう。これに対して、上記実施形態によれば、第２の領域では燃料ガス供給管６４に近づくほど吹出口８ｆの開口面積が大きくなっているため、燃料ガス供給管６４側で供給される酸化剤ガスの量を多くすることができ、燃料ガス供給管６４側と燃料ガス供給管６４の設けられていない側との酸化剤ガスの流れを対称とし、すなわち燃料電池セルユニット１６に接触する酸化剤ガスの量を均一にすることができる。また、燃料ガス供給管６４側の酸化剤ガスの流量を増加させることで、燃料ガス供給管６４の燃料電池セルユニット１６に対する温度影響を減らすことができる。

また、上記実施形態では、吹出口８ｆは燃料電池セル集合体１２の対向する二側面に酸化剤ガスを吹き出すように設けられている。
燃料電池セルスタックの中央部の高温化を回避するために燃料電池セルの間隔を調整した従来の場合においては、間隔の大小により通過する酸化剤ガスの流速が異なるため、燃料電池セルスタックを間に挟んで対向する二側面から供給された酸化剤ガスの衝突は、乱流を生む。
これに対して、上述の通り、燃料電池セルユニット１６の間隔が広いほど吹出口８ｆの開口面積が大きいため、燃料電池セルユニット１６の間隔によらずに酸化剤ガスの流速を略一定にすることができるため、二側面から供給された酸化剤ガスはそれぞれの間隔で略均一のエネルギーで衝突し上方に拡散する。これにより、上記実施形態のように、燃料電池セル集合体１２の対向する二側面から酸化剤ガスが吹き出される場合であっても、乱流の発生を抑制して均等に燃料電池セルユニット１６に酸化剤ガスが供給されるため、燃料電池セル集合体１２内の温度分布をより均一にすることができる。

また、上記実施形態では、吹出口８ｆはモジュールケース８の閉鎖側板８ｅと燃料電池セル集合体１２との間の第３の領域にも設けられており、モジュールケース８と燃料電池セル集合体１２との間に設けられた吹出口８ｆの開口面積は、第１の領域の吹出口８ｆの最小開口面積よりも大きい。このように、モジュールケース８の閉鎖側板８ｅと燃料電池セル集合体１２との間にも吹出口８ｆを設けることにより、モジュールケース８内の酸化剤ガスの流れを安定させることができる。さらに、モジュールケース８と燃料電池セル集合体１２との間の吹出口８ｆの開口面積を大きくすることにより、モジュールケース８と燃料電池セル集合体１２との間を流れる酸化剤ガスの流量が増加し、モジュールケース８外の外的要因による燃料電池セルユニット１６への温度影響を低減できる。

また、上記実施形態において、複数の吹出口８ｆは、燃料電池セルユニット１６の露出する外側電極層（空気極）９２の下端近傍の高さ位置に形成されている。モジュールケース８内は下方ほど低温になりやすいが、上記実施形態によれば、加熱された酸化剤ガスが外側電極層９２の下端近傍に吹き付けられるため、燃料電池セルユニット１６の上下方向の温度分布を均一化することができる。

また、上記実施形態において、複数の吹出口８ｆは、吹出された酸化剤ガスが、燃料電池セルユニット１６を接続する集電体１０２の連結部１０２ｃに当たらないように上方の把持部１０２ａの近傍の高さに設けられている。これにより、熱伝導性が高い金属材料からなる集電体１０２の把持部１０２ａ近傍に加熱された酸化剤ガスが吹き付けられるため、集電体１０２を介して酸化剤ガスの熱が伝わり、燃料電池セルユニット１６の下端部を加熱することができ、これにより燃料電池セルユニット１６の上下方向の温度分布を均一にすることができる。さらに、上記実施形態によれば、集電体１０２の把持部１０２ａ近傍に酸化剤ガスが吹き付けられるため、酸化剤ガスの流れの乱れを防止し、燃料電池セル集合体１２内の温度分布が均一になる。

また、上記実施形態では、マニホールド６６は、燃料ガス供給管６４と反対側の端部を基点として固定されており、第２の領域の複数の吹出孔は、下端が略等しい高さであり、開口面積が大きい程、上方に拡がっている。上記実施形態ように、マニホールド６６が、燃料ガス供給管６４の反対側の端部を基点として固定されている場合には、部材寸法や組立のばらつきにより、燃料ガス供給管６４側ほど高さ方向にばらつきが生じやすい。すなわち、このようなばらつきにより、燃料ガス供給管６４では、外側電極層９２や集電体１０２の位置が上方にばらつく可能性がある。これに対して、上記実施形態によれば、第２の領域の複数の吹出口８ｆは、下端が略等しい高さであり、開口面積が大きい程、上方に拡がっているため、燃料ガス供給管６４側でばらつきが生じても、確実に外側電極層９２に酸化剤ガスを吹き付けることができる。

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
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
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
４６ 第１ヒータ
４８ 第２ヒータ
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
６４ 燃料ガス供給管
６４Ａ 流入側配管
６４Ｂ 流出側配管
６４Ｃ 管継手
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
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
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
１０２ 集電体
１０２ａ 把持部
１０２ｂ 把持部
１０２ｃ 連結部
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
１３４ 連結板
１３５ ガス断熱層（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
１４３ 下側ケース
１４４ 中間板
１４４ａ 開口
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
１７２ａ 第１排気通路
１７２ｂ 第２排気通路
１７３ 第３排気通路
１７４ 第４排気通路
１７５ａ プレートフィン
１７５ｂ プレートフィン
１７６ 排気集中部
１８０Ａ 第１の突起部
１８０Ｂ 第２の突起部
１８０Ｃ 溝部
１９０ 飛散抑制カバー
１９１ 第１の部材
１９１Ａ 上面
１９１Ｂ 下面
１９１Ｃ 横面
１９１Ｄ 前後面
１９１Ｅ 貫通穴
１９１Ｆ 凹部
１９２ 第２の部材
１９２Ａ 上面
１９２Ｂ 下面
１９２Ｃ 横面
１９２Ｄ 前後面
１９２Ｅ 突出部
１９２Ｆ 凹部
１９２Ｇ スリット
２００Ａ 第１の固定治具
２００Ｂ 第２の固定治具

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う３つ以上の燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池であって、
   前記燃料電池セルを内部に収容する平面視矩形状のモジュール容器と、
   前記モジュール容器内に配置され、前記燃料ガスを前記燃料電池セルに分配供給する燃料ガスマニホールドと、
   前記燃料ガスマニホールドの上方に設けられ、間隔を開けて配置された前記燃料電池セルにより構成される燃料電池セルスタックと、
   前記モジュール容器内の前記燃料電池セルスタックの上方で、前記燃料電池セルからのオフガスを燃焼して排ガスを生成する燃焼部と、
   前記モジュール容器内の前記燃焼部の上方に設けられ、前記排ガスで加熱することにより原料ガスを改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記モジュール容器内の一方の側部に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料ガスマニホールドに供給する燃料ガス供給管と、
   前記燃料ガス供給管が設けられた側以外の前記燃料電池セルの側方から、前記燃料電池セルスタックの少なくとも一方の側面に前記酸化剤ガスを複数の吹出孔から吹出する空気吹出部と、を備え、
   前記複数の吹出孔の少なくとも一部は隣接する前記燃料電池セルの間に位置するように配置され、
   前記空気吹出部は、前記燃料電池セルの間隔が広いほど前記吹出孔の開口面積が大きい第１の領域を含む、ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
2. 前記空気吹出部は、前記燃料ガス供給管に近づくほど前記吹出孔の開口面積が大きい第２の領域をさらに含む、請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
3. 前記空気吹出部の前記吹出孔は前記燃料電池セルスタックの対向する二側面に前記酸化剤ガスを吹き出すように設けられている、請求項１又は２記載の固体酸化物形燃料電池装置。
4. 前記吹出孔は前記モジュール容器の側壁と前記燃料電池セルスタックとの間にも設けられており、
   前記モジュール容器と前記燃料電池セルスタックとの間に設けられた吹出孔の開口面積は、前記第１の領域の前記吹出孔の最小開口面積よりも大きい、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
5. 前記複数の吹出孔は、前記燃料電池セルの露出する空気極の下端近傍の高さ位置に形成されている、請求項４記載の固体酸化物形燃料電池装置。
6. 前記燃料電池セルスタックは、隣接する前記燃料電池セルを、前記燃料電池セルの下端部において電気的に接続する金属材料からなる集電体を、有し、
   前記集電体は、前記隣接する前記燃料電池セルにそれぞれ接触固定される一対の把持部と、前記一対の把持部の間を接続する連結部と、を含み、
   前記複数の吹出孔は、吹出された前記酸化剤ガスが直接前記連結部に当たらないように前記把持部近傍の高さに設けられている、請求項５記載の固体酸化物形燃料電池装置。
7. 前記燃料ガスマニホールドは、前記燃料ガス供給管と反対側の端部を基点として固定されており、
   前記第２の領域の前記複数の吹出孔は、下端が略等しい高さであり、開口面積が大きい程、上方に拡がっている、請求項６記載の固体酸化物形燃料電池装置。

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