JP6821482B2 - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。特に、原料ガスを改質して得られた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の燃料電池セルを用いた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た燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸化剤ガス（以下、空気又は発電用空気とも呼ぶ）を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置である。高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して例えば７００〜１０００℃程度の比較的高温で動作し、他の燃料電池装置に比べて総合的にエネルギー効率が高い。

このような固体酸化物形燃料電池装置では、例えば、特許文献１に記載されているように、モジュール容器の内部において燃料電池セルの上方に発電に寄与しなかった燃料ガス及び発電用空気を燃焼させる燃焼室が設けられ、燃焼室の上方に原料ガスを水蒸気改質する改質器が設けられている。そして、改質器で改質された燃料ガスは、燃料電池セルの側方を上下方向に延びる燃料ガス供給管を介して、燃料電池セルの下方に設けられたガスマニホールドに送られ、ガスマニホールドから燃料電池に供給される。

ここで、特許文献１ではモジュール容器内部の天面に改質器が固定されるものが開示されている。さらに、特許文献１ではモジュール容器の一側面は複数の燃料電池セルを挿入するための開口が設けられ、複数の燃料電池セルは開口からモジュール容器の内部にスライド式に挿入され、開口は蓋体によって気密封鎖される。このような構成であれば、複数の燃料電池セルの周囲に複数のモジュール容器蓋体を溶接して固定するものに比べて、燃料電池セルを収容した後の溶接作業手順が減少して作業性が向上する。

また、モジュール容器に対して溶接作業を行う場合、溶接飛沫（スパッタなど、接合の際に飛び散る金属）が燃料電池セルの表面に付着してしまい、溶接飛沫が付着した部分では燃料電池セルの発電が妨げられ、燃料電池セルの発電性能を劣化させてしまう。上記のように、複数の燃料電池セルがモジュール容器の内部にスライド式に挿入されて開口が蓋体によって閉塞されるものによれば、燃料電池セルを収容した後の溶接作業手順が減少するため、溶接飛沫による燃料電池セルの汚染・劣化のリスクを抑えることができる。

このような固体酸化物形燃料電池装置を組み立てる際には、燃料電池セルをモジュール容器内に挿入する際に、燃料電池セルと、改質器とガスマニホールドとを結ぶ燃料ガス供給管とが干渉してしまう。このため、特許文献２のように燃料ガス供給管を上下に分割しておき、燃料電池セルをモジュール容器内に配置した後、管継手により分割された燃料ガス供給管を接続することが行われている（例えば、特許文献２の図面の配管６Ａ、６Ｂの管継手等を参照）。この場合、分割された２つの燃料ガス供給管は管継手とねじ固定されるため、管継手はねじ切り加工されるなど複雑な形状となる。

特開２０１３−２５７９８４号公報 特開２０１１−１８４５６号公報

しかしながら、市販の管継手は高温環境下で使用することを想定しておらず、燃料ガス供給管等に比べて耐熱性が低い。このため、管継手が燃焼室の熱を受けてしまうと、管継手が劣化して表面が粉状に剥離してしまう。このような剥離した粉末が燃料電池セルに付着すると、燃料電池セルが汚染されてしまう。このため、耐熱性の高い管継手を別途製造して用いた場合には、コスト高になってしまう。

そのため、モジュール容器内部に複数の燃料電池セルが挿入された後に、管継手を用いずに分割された燃料ガス供給管同士を溶接接合することが、汚染防止・低コストの観点から望ましい。しかし、モジュール容器内に格納された複数の燃料電池セルの近傍で燃料ガス供給管同士の溶接が行われるため、溶接飛沫が燃料電池セルに付着してしまい、燃料電池セルを汚染・劣化させてしまうおそれがある。

そこで本発明は、内部に改質器が固定され側面の開口から複数の燃料電池セルが挿入されるモジュール容器を備えた固体酸化物形燃料電池装置において、燃料電池モジュール製造の際の燃料電池セルの汚染・劣化を抑制しつつ、製造容易性の向上と、さらなる低コスト化を実現するための固体酸化物形燃料電池装置を提供するものである。

本発明にかかる燃料電池装置の一態様は、燃料ガスと酸化剤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備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、複数の燃料電池セルを内部に収容し、少なくとも一側面が開放された直方体状のモジュール容器と、一側面を覆うモジュール容器蓋体と、モジュール容器に固定され、且つモジュール容器内部の上方に配置された改質器と、モジュール容器内部の下方に設けられ、改質器で生成された燃料ガスを、上面に立設する複数の燃料電池セルに供給するガスマニホールドと、一側面側に配置され、接続された改質器から燃料ガスを流出させる第１の配管と、一側面側に配置され、燃料ガスを接続されたガスマニホールドへ流入させる第２の配管と、第１の配管及び第２の配管の端部が挿入され、第１の配管と第２の配管とを連通させる接続部材と、を備え、接続部材は、接続部材の内部と複数の燃料電池セルとを遮蔽する接続部材本体と、接続部材蓋体からなり、接続部材内部において、第１の配管及び第２の配管が接続部材本体と溶接接合されている。

従来は、モジュール容器の内部上方に改質器が固定され一側面が開放されたものにおいて、下方にガスマニホールドを備えた複数の燃料電池セルをモジュール容器に挿入した後、改質器に接続された第１の配管とガスマニホールドに接続された第２の配管とを管継手によって接合していた。第１の配管と第２の配管とは複数の燃料電池セルの集合体の側方を垂下するように設けられるため、燃料電池セルの発電熱の影響を受けて管継手の表面が劣化して粉状となり、その粉末が燃料電池セルに飛散してしまうことで悪影響を与えるおそれがあった。

ここで、第１の配管と第２の配管とは複数の燃料電池セル近傍において接続されるため、管継手を用いずにこれらを溶接接合しようとすると、溶接飛沫が燃料電池セルに付着して燃料電池セルの汚染・劣化を引き起こしてしまう。また、燃料電池セルへの溶接飛沫付着を防止するように溶接作業を行う場合には、作業性の観点からも劣る上に、作業者が燃料電池セルに接触して破損・劣化してしまう恐れがあった。

これに対して本発明にかかる態様では、第１の配管と第２の配管との端部が、それぞれのガス流路が連続するように連通させる接続部材に挿入され、接続部材の内部と第１の配管及び第２の配管の端部とが接続される。これにより、管継手を用いることなく第１の配管と第２の配管を連通させることができる。

特に本発明にかかる態様では、接続部材は、接続部材の内部と燃料電池セルとを遮蔽するように設けられているため、周囲が覆われた接続部材内部において、第１の配管及び第２の配管の端部と接続部材内部とを溶接接合することができる。このため、溶接飛沫が燃料電池セルに飛散することを抑制し、燃料電池セルが汚染されてしまうことを抑制することができる。

特に本発明にかかる様態では、モジュール容器の一側面が開放され、第１の配管及び第２の配管も一側面側に位置するため、モジュール容器外からの溶接作業を開放した一側面から行うことができる。これにより、作業者が燃料電池セルに接触するリスクを抑制しながら作業性を向上させることができる。

このように、本発明にかかる態様では、燃料電池モジュール製造の際の燃料電池セルの汚染・劣化を抑制しつつ、製造容易性の向上と、さらなる低コスト化を実現することができる。

ここで、本明細書において「連通」とは、流体が流通できるように連なっている状態を示すものである。例えば、第１の配管と第２の配管とが接合されていなくとも、接続部材を介して燃料ガスが流通できれば良い。

ここで、本明細書において「溶接接合」とは、２つ以上の部材の接合部に熱及び／又は圧力を加え、必要であれば溶加材を加え、結合部が連続性を持つ一体化された１つの部材とする接合方法によって接合された状態を示す。例えば、融接、圧接、ろう付けも「溶接接合」に含まれる。

また本発明の一態様においては、接続部材本体は直方体状に形成され、接続部材本体は複数の燃料電池セルが配置された側とは異なる側に開放面を有し、開放面は接続部材蓋体に覆われていることが好ましい。

本態様によれば、直方体状の接続部材本体の一面全体が開放されている。接続部材に対する溶接作業はモジュール容器外方から行われるため作業性が悪いが、接続部材本体の一面全体が開放されているため、モジュール容器の一側面外方からの接続部材内部の溶接作業が容易となる。すなわち、製造を容易としながら燃料電池セルの汚染・劣化を抑制することができる。

また本発明の一態様においては、接続部材本体は一側面側に開放面を有することが好ましい。

一側面以外からの接合作業では接合器具（例えば溶接用トーチなど）が届かず溶接作業が困難となるおそれがある。しかし、本態様によれば、モジュール容器の開放された一側面と接続部材本体の開放面が同じ側であるため、一側面の外方から接続部材本体内部における溶接作業が容易となり作業性が向上する。

それに加えて、接続部材本体は複数の燃料電池セル側の面と対向する面のみが開放されているため、第１の配管及び第２の配管の溶接作業時に溶接飛沫が燃料電池セルに付着することを確実に防止することができる。さらに、接続部材本体と接続部材蓋体が一側面に位置するため、接続部材蓋体を接続部材本体に溶接接合する際の溶接飛沫が燃料電池セルに付着することを防止し、燃料電池セルの汚染・劣化を抑制することができる。

また本発明の一態様においては、接続部材蓋体は接続部材本体の開放面よりも内側に設けられ、接続部材蓋体は開放面を塞ぐための主面と、主面の外郭において接続部材本体の外方の一側面側に突出する折り返し部とを有し、開放面における端部と折り返し部における端部とが溶接接合されることが好ましい。

本態様によれば、接続部本体の端部と接続部蓋体の端部とが溶接接合される。すなわち、一側面側にそれぞれの端部が位置するため、接続部本体と接続部蓋体の接合を一側面側から行うことができる。これにより、溶接作業を一側面側でおこなうことができ、且つ溶接接合の際の溶接飛沫が燃料電池セルに付着することを防止することが可能となるため、作業性の向上と、燃料電池セルの汚染・劣化の防止とを同時に実現することができる。

また本発明の一態様においては、第１の配管及び／又は第２の配管の流路断面積よりも、接続部材の流路断面積のほうが大きいことが好ましい。

本態様によれば、接続部材の流路断面積が燃料ガス供給管よりも流路断面積が大きく構成されているため、改質器内部における改質バラツキや供給量バラツキを均一にする混合部として機能する。これにより、複数の燃料電池セルに均等に燃料ガスを供給することができる。さらに、燃料供給源の異常等によって燃料ガス供給管内で圧力変動が生じた場合でも接続部材内部がバッファとして機能するため、下流側の燃料電池セルに影響を与えない。

また本発明の一態様においては、前記複数の燃料電池セルの上方には、燃焼室が形成され、前記接続部材は前記燃焼室の高さに位置することが好ましい。

本態様によれば、接続部材が燃料電池セル上方に位置するため、燃料電池セルから離間した位置で接続部材に対する溶接作業を行うことができ、溶接飛沫が燃料電池セルに付着することを抑制することが可能となる。また、接続部材内部を流通する燃料ガスは燃焼室から効果的に熱を受け取ることができる。

また本発明の一態様においては、接続部材本体には挿入孔が形成され、第１の配管及び／又は第２の配管の端部は挿入孔よりも内部に位置することが好ましい。

本態様によれば、燃料ガス供給管の端部が接続部材本体の内部方向に突出するように設けられているため、接続部材内部で燃料ガス供給管と、接続部材本体にもうけられた挿入孔近傍とを溶接接合することが容易となり製造作業性が向上する。

また本発明の一態様においては、改質器で生成された燃料ガスの一部が供給される水添脱硫器を備え、水添脱硫器に燃料ガスを供給する水添脱硫器用の配管は接続部材本体又は接続部材蓋体に接合されていることが好ましい。

改質器に水添脱硫器用配管を取り付ける場合には、改質後の燃料ガスを取り出す必要があるため、改質器の下流側に配設する必要がある。しかしながら、改質器の形状や改質器内部を流れるガスの流量によっては、燃料ガスが水添脱硫器用配管に十分に流入しないおそれがある。本態様によれば、改質器を通過後の接続部材に水添脱硫器配管が設けられているため、ガス流量や改質器形状によらず、確実に供給することができる。

内部に改質器が固定され側面の開口から複数の燃料電池セルが挿入されるモジュール容器を備えた固体酸化物形燃料電池装置において、燃料電池モジュール製造の際の燃料電池セルの汚染・劣化を抑制しつつ、製造容易性の向上と、さらなる低コスト化を実現するための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おける燃料電池モジュールを示す斜視図である。 本発明の一実施形態における接続部材を有する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おける接続部材を示す斜視図である。 本発明の一実施形態における接続部材を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態における接続部材と燃料ガス供給管とを溶接接続する工程を示す部分断面図（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）である。 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７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る。 図７のIII-III線に沿った断面図である。 モジュール容器及び空気通路カバーの分解斜視図である。 モジュール容器を構成する閉鎖側板の内面を示す斜視図である。 組立状態における接続部材の周辺を示す斜視図である。 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７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る。 図８と同様の、図７のIII-III線に沿った断面図である

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。

図１は一側面に開放面１０１６を有する燃料電池モジュール１００２の高さ方向（Ｈ）、幅方向（Ｗ）、奥行き方向（Ｌ）を示した斜視図であり、図２はＷ方向から見たモジュール容器１０１８の内部構造を示す部分断面図である。

まず、図１及び図２を用いて本発明の実施形態について説明する。図１及び図２に示すように、燃料電池モジュール１００２はモジュール容器１０１８の内部に設けられたガスマニホールド１００４の上方に設けられた複数の燃料電池セル１０１２を有するとともに、モジュール容器１０１８の内部に設けられた改質器１０２４を有する。

改質器１０２４には原燃料ガス及び水蒸気が供給され（図示せず）、水蒸気改質反応により燃料ガスを生成する。図２に示すように、改質器１０２４で生成された燃料ガスは燃料ガス供給管１００６を通過してガスマニホールド１００４の内部に供給される。このガスマニホールド１００４の天面は複数の燃料電池セル１０１２を支持するための貫通孔を備えた下支持板１０１０で構成されており、下支持板１０１０によって閉塞されたガスマニホールド１００４の内部において、燃料ガスが複数の燃料電池セル１０１２へと供給される。

さらに、発電用空気（酸化剤ガス）は発電用空気導入管１０２８から空気通路カバー１０２２の内壁とモジュール容器１０１８の外壁との間に形成される空気通路１０３４に供給される。その後、発電用空気はモジュール容器１０１８の側面に設けられた吹出口１０２６から発電室１００８に供給され、燃料電池セル１０１２は供給された発電用空気と燃料ガスとで発電反応を行う。発電に寄与しなかった発電用空気と燃料ガスは上方に設けられた燃焼室１０３０で燃焼され排気通路１０３２からモジュール容器１０１８の外部に排出される。

ここで、図１に示すように直方体状のモジュール容器１０１８は、モジュール容器本体１０１４と閉鎖側板（モジュール容器蓋体）１０２０とから構成される。モジュール容器本体１０１４内部の上方にはモジュール容器本体１０１４の長手方向（Ｌ方向）に延在する改質器１０２４がモジュール容器本体１０１４の内壁面と固定される。なお、本実施形態における固定構造は図示しないが、改質器１０２４はモジュール容器本体１０１４の内壁面とどのように固定されていても良い。

また、図１及び図２に示すように、モジュール容器本体１０１４は開放された一側面１０１６を有し、ガスマニホールド１００４の上方に燃料電池セル１０１２が配置された状態で一側面１０１６からモジュール容器本体１０１４の内部にスライド式に挿入される（図２の黒矢印）。モジュール容器本体１０１４内に燃料電池セル１０１２が配置された後は、モジュール容器本体１０１４の一側面１０１６が閉鎖側板（モジュール容器蓋体）１０２０によって閉塞される（図１の黒矢印）。ここで、モジュール容器本体１０１４と閉鎖側板１０２０とは溶接によって接合されることでモジュール容器１０１８の内部が気密保持される。

なお、モジュール容器本体１０１４に燃料電池セル１０１２を挿入した後は、閉鎖側板（モジュール容器蓋体）１０２０のみをモジュール容器本体１０１４に溶接するのみでよく、燃料電池セル１０１２を内部に格納した後の溶接作業を最小限として、溶接飛沫が燃料電池セル１０１２に付着するリスクを抑えることができる。

また、図１及び図２に示すように、改質器１０２４とガスマニホールド１００４とは燃料ガス供給管１００６によって接続されている。燃料ガス通路としての燃料ガス供給管１００６は、閉鎖側板１０２０と複数の燃料電池セル１０１２との間を垂下し、モジュール容器１０１８の底面付近で屈曲し、複数の燃料電池セル１０１２の下方に形成されたガスマニホールド１００４と接続されている。

燃料ガス供給管１００６は、改質器１０２０に接続されている第１の配管１００６Ａと、ガスマニホールド１００４に接続されている第２の配管１００６Ｂとに分割されており（図２参照）、これら第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂは接続部材１０３６（後に詳述する）により接続されている。第１の配管１００６Ａを通過した燃料ガスは接続部材１０３６内部を通過した後、第２の配管１００６Ｂを通ってガスマニホールドに流入するよう、内部を流れる燃料ガスが連通するように構成されている（図２の点線矢印）。

次に、図３乃至図５を用いて、本発明の実施形態における接続部材１０３６について説明する。図３は第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂと接続された接続部材本体１０３８と、接続部材蓋体１０４０との斜視図である。

図３に示すように、接続部材本体１０３８は一面が開放された直方体形状を有している。具体的には、接続部材本体１０３８は、天面１０３８Ａと、底面１０３８Ｂと、３つの側面１０３８Ｃと、開放された開放面１０３８Ｄと、を有する。また、天面１０３８Ａ及び底面１０３８Ｂには、第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂの端部が挿入される挿入孔１０３８Ｅが形成されている。

また、接続部材蓋体１０４０は接続部材本体１０３８の開放面１０３８Ｄを閉塞するものである。接続部材蓋体１０４０は四辺形の本体部１０４０Ａと、本体部の縁から延出する折り返し部１０４０Ｂとを有する。折り返し部１０４０Ｂは接続部材１０３６の外方に向かうように延出している。

接続部材本体１０３０は、第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂの端部が挿入孔１０３８Ｅに固定された後に、接続部材蓋体１０４０によって開放面１０３８Ｄが閉塞される。これにより、接続部材１０３６の内部を気密封止し、第１の配管１００６Ａと第２の配管１００６Ｂを流れる燃料ガスを連通させることができる。

なお、接続部材１０３６はモジュール容器１０１８を構成する材料と同一の材料により構成されていることが好ましい。これにより、接続部材１０３６が熱劣化することを抑制することができる。

図４は、第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂと接続部材１０３６とが固定された状態を示す部分断面図である。第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂは接続部材本体１０３８と溶接固定され、接続部材蓋体１０４０も接続部材本体１０３８と溶接接合されている。

まず、第１の配管１００６Ａは天面１０３８Ａに形成された挿入孔１０３８Ｅに挿入されている。挿入孔１０３８Ｅは縁が直角に折り曲げられ、接続部材１０３６の内部方向に延出するように形成されている。ここで、第１の配管１００６Ａの端部は挿入孔１０３８Ｅの縁よりも内部方向に突出するように挿入されており、第１の配管１００６Ａと挿入孔１０３８Ｅの縁とが溶接接合されている（図４の黒塗り部分）。すなわち、第１の配管１００６Ａの端部が挿入孔１０３８Ｅの縁よりも内部に突出するように形成されているため、接続部材本体１０３８の内部における第１の配管１００６Ａと挿入孔１０３８Ｅとの溶接作業が容易となる。

同様に、第２の配管１００６Ｂは底面１０３８Ｂに形成された挿入孔１０３８Ｅに挿入されている。挿入孔１０３８Ｅは縁が直角に折り曲げられ、接続部材１０３６の内部方向に延出するように形成されている。ここで、第２の配管１００６Ｂの端部は挿入孔１０３８Ｅの縁よりも内部方向に突出するように挿入されており、第２の配管１００６Ｂと挿入孔１０３８Ｅの縁とが溶接接合されている（図４の黒塗り部分）。すなわち、第２の配管１００６Ｂの端部が挿入孔１０３８Ｅの縁よりも内部に突出するように形成されているため、接続部材本体１０３８の内部における第２の配管１００６Ｂと挿入孔１０３８Ｅとの溶接作業が容易となる。

このように、接続部材１０３６の内部における第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂと挿入孔１０３８Ｅの縁との溶接作業が容易となる。さらに、開放面１０３８Ｄ以外の周囲が覆われた接続部材１０３８内部で溶接接合を行うため、燃料電池セル１０１２側への飛沫飛散の抑制が可能となり、作業性の向上と、飛散燃料電池セル１０１２の汚染・劣化を両立することができる。

なお、本実施形態では図示しないが、水添脱硫器に水素を供給するための水添脱硫器用配管を接続部材１０３６に配設することも好ましい。改質器１０２４に水添脱硫器用配管を取り付ける場合には、改質後の燃料ガスを取り出す必要があるため、改質器１０２４の下流側に配設する必要がある。しかしながら、改質器１０２４の形状や内部を流れるガスの流量によっては、燃料ガスが水添脱硫器用配管に十分に流入しないおそれがある。本実施形態によれば、改質器１０２４を通過後の接続部材１０３６に水添脱硫器配管が設けられているため、ガス流量や改質器形状によらず、燃料ガスを水添脱硫器配に供給することができる。さらに、本実施形態の接続部材１０３６によれば水添脱硫器用配管を溶接する際の溶接飛沫の飛散を防止することができるため、燃料電池セル１０１２の汚染・劣化を抑制しながらの取り付けが可能となる。なお、燃料電池セル１０１２以外の面であれば接続部材１０３６のどの面に取り付けても良い。

次に、図４に示す様に、接続部材本体１０３８と接続部材蓋体１０４０とが溶接接合される。接続部材本体１０３８はモジュール容器１０１８の一側面１０１６側に開放面１０３８Ｄを有し（図２参照）、開放面１０３８Ｄは接続部材蓋体１０４０によって閉塞される。ここで、接続部材蓋体１０３８の本体部１０４０Ａは開放面１０３８Ｄよりも内側に配置され、折り返し部１０４０Ｂの端部と開放面１０３８Ｄの端部が一致するように配置される。折り返し部１０４０Ｂの端部と開放面１０３８Ｄの端部とが溶接接合されることで（図４の黒塗り部分）、接続部材１０３６の内部が気密封止される。

このように、開放面１０３８の端部と折り返し部の１０４０Ｂの端部とが一側面１０１６において一致するように構成されているため、これらの溶接作業をモジュール容器１０１８の一側面１０１１の外方から行うことが可能となり作業性が向上する。さらに、一側面１０１６側での溶接作業が可能となるため、接続部材１０３６によって溶接作業中の溶接飛沫が燃料電池セルに付着することを抑制することができる。

また、接続部材１０３６の内径Ｄ３は、第１の配管１００６Ａの内径Ｄ１及び第２の配管１００６Ｂの内径Ｄ２よりも大きい。すなわち、接続部材１０３６の流路断面積は第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂの流路断面積よりも大きく構成されている。

これにより、改質器１０２４で生成された燃料ガスは、管路より広い空間を有する接続部材１０３６内でさらに混合され、燃料ガスの改質ばらつきや燃料ガス供給量のばらつきを接続部材１０３６内部で均一にすることができる。さらに、燃料ガス供給の異常等によって配管内で圧力変動が生じた場合でも接続部材１０３６の内部がバッファとして機能するため、燃料電池セル１０１２にその影響が及ばない。

なお、第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂの内径Ｄ１、Ｄ２は、接続部材１０３６の内径Ｄ１よりも小さく構成されていればよく、Ｄ１、Ｄ２の大小関係は適宜調整してもよい。また、接続部材１０３６の流路断面積の大きさは、折り返し部１０４０Ｂの長さによって適宜調整することが可能である。

次に、図５を用いて接続部材１０３６を構成するまでの製造工程を説明する。図５（Ａ）はモジュール容器本体１０１４にガスマニホールド１００４を備えた燃料電池セル１０１２をスライド式に挿入する際の断面図を示す。図５（Ｂ）は第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂを接続部材本体１０３８に溶接接合する際の断面図を示す。図５（Ｃ）は接続部材本体１０３８に接続部材蓋体１０４０を溶接接合する際の断面図を示す。

図５（Ａ）に示すモジュール容器本体１０１４の内部上方には改質器１０２４が固定されて、改質器１０２４は第１の配管１００６Ａを有する。改質器１０２４及び第１の配管１００６Ａを有するモジュール容器本体１０１４には、下方にガスマニホールド１００４及び第２の配管１００６Ｂを備えた複数の燃料電池セル１０１２が開放された一側面１０１６からスライド式に挿入される（図５（Ａ）の黒太矢印）。ここで、第２の配管１００６Ｂには接続部材本体１０３８が挿入された状態でモジュール容器本体１０１４に挿入される。

挿入後は、図５（Ｂ）に示すように、接続部材本体１０３８を上方にスライドさせることで（図５（Ｂ）の点線矢印）、接続部材本体１０３８の挿入孔１０３８Ｅに第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂを挿入することができる。これにより、第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂに接続部材本体１０３８を取り付ける際に、燃料電池セル１０１２などの周囲部品と接触することを回避し、部品損傷・劣化を抑制しながら取り付けることが可能となる。

図５（Ｂ）に示すように、接続部材本体１０３８の挿入孔１０３８Ｅに第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂを挿入した後は、これらが接続部材本体１０３８の内部で溶接接合される（図５（Ｂ）の黒塗り）。ここで、接続部材本体１０３８の内部と燃料電池セル１０１２とは遮蔽され、第１の配管１００６Ａ及び第２の配管１００６Ｂと接続部材本体１０３８との溶接飛沫は接合部材により完全に遮断される。このため、溶接接合に伴う燃料電池セル１０１２の汚染・劣化を確実に抑制することができる。

さらに、接続部材本体１０３８の開放面１０３８Ｄはモジュール容器本体１０１４の一側面１０１６側に配置されているため、一側面１０１６の外方から行う接続部材本体１０３８の内部での溶接作業が容易となる。すなわち、燃料電池セル１０１２への溶接飛沫の飛散を抑制しながら溶接作業の容易性向上を実現することができる。

図５（Ｃ）に示すように、開放面１０３８Ｄは接続部蓋体１０４０によって閉塞される。ここで、接続部蓋体１０４０の折り返し部１０４０Ｂの端部と開放面１０３８Ｄの端部とが一側面１０１６側で溶接接合される（図５（Ｃ）の黒塗り）。接続部本体１０３８と接続部蓋体１０４０との溶接接合が接続部材１０３６を挟んで反対側で行われるため、接続部材１０３６によって溶接飛沫が燃料電池セル１０１２に付着することを抑制することができる。すなわち、溶接飛沫による燃料電池セル１０１２の汚染・劣化を抑制しながら、接続部材１０３６を構成することが可能となる。

また、図５（Ｃ）に示すように、接続部材１０３６は燃焼部１０３０の高さに位置している。これにより、接続部材１０３６と燃焼室１０３０とが近接するため、内部を流れる燃料ガスが燃焼室１０３０から直接熱を受け取ることができ、燃料ガスの効果的な昇温が可能となる。さらに、燃料電池セル１０１２から離間した位置に配置されるため、接合部材１０３６で生じた溶接飛沫が燃料電池セルに飛散するリスクを抑制することができる。

次に、添付図面を参照して、本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
図６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６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を介して金属製のモジュール容器８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュール容器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が直列接続されて構成されている。

燃料電池モジュール２のモジュール容器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、モジュール容器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容器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。）をモジュール容器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、本実施例における脱硫器３６は水素を供給して脱硫反応を生じさせる水添脱硫器である。

なお、本実施例では、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７乃至図９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７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８は、図７のIII-III線に沿った断面図であり、図９は、モジュール容器及び空気通路カバーの分解斜視図である。

図７及び図８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容器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、モジュール容器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、モジュール容器８は、図９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７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８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。

モジュール容器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、モジュール容器８の外側と断熱材７との間、具体的にはモジュール容器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８参照）。

モジュール容器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９参照）。発電用空気は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、モジュール容器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７参照）。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８、図９参照）。

図１０は、モジュール容器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８参照）。プレートフィン１６２は、モジュール容器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、モジュール容器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容器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、モジュール容器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とモジュール容器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７及び図８参照）。

具体的には、蒸発器１４０は、長手方向（図７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８参照）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、モジュール容器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、モジュール容器８内の燃焼室１８で生成された排気ガスをモジュール容器８の外へ排出する開口部であり、モジュール容器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７及び図８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７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容器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容器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、モジュール容器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（モジュール容器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７参照）。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。

燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュール容器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ガスガスマニホールド６６内へ入り、更にガスガスマニホールド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、改質器１２０に接続されている第１の配管６４Ａと、ガスガスマニホールド６６に接続されている第２の配管６４Ｂとに分割されており、これら第１の配管６４Ａ及び第２の配管６４Ｂは接続部材１９０によって配管内が連通するように構成されている。なお、接続部材１９０は、略燃焼部の高さに設けられ、燃料電池セル集合体１２の斜め上方に位置している。

また、図７に示すように、接続部材１９０には、水添脱硫器用配管６５が取り付けられている。このように構成することで接続部材１９０から水添脱硫器用配管６５へ燃料ガスを供給することができる。

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、燃料ガスがガスガスマニホールド６６内に供給される。このガスガスマニホールド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、ガスガスマニホールド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、第１の配管６４Ａ及び第２の配管６４Ｂは、接続部材１９０により全周が包囲されている。図１１は、接続部材１９０を取り付けた状態における燃料供給管６４の鉛直拡大断面図である。

図１１は、組立状態における接続部材１９０の周辺を示す斜視図である。閉鎖側板８ｄは、接続部材１９０を燃料ガス供給管６４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、接続部材１９０は閉鎖側板８ｄの溝部１８０Ｃ内に収容されている。接続部材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。これにより、発電室１０内の発電用空気が溝部１８０Ｃに流出することを抑制して、発電室１０及び燃焼室１８の気流が乱れることを抑制することができる。

燃料ガス供給通路としての燃料ガス供給管６４は、モジュール容器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ガスガスマニホールド６６内へ入り、更にガスガスマニホールド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、燃料ガスがガスガスマニホールド６６内に供給される。このガスガスマニホールド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、ガスガスマニホールド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容器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７，図８参照）。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８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、モジュール容器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、モジュール容器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、モジュール容器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、ガスガスマニホールド６６（図７参照）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７参照）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。

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の外周面に電気的に接続されることにより、１２８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。

次に、図１３及び図１４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１３は、図７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１４は、図８と同様の、図７のIII-III線に沿った断面図である。図１３及び図１４は、それぞれ、図７及び図８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１３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、モジュール容器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、ガス排出部１２０Ｃから燃料ガス供給管６４（第１の配管６４Ａ）に流入した燃料ガスは、接続部材１９０内へ供給される。接続部材１９０内では燃料ガス供給管６４（第２の配管６４Ｂ）と、水添脱硫器用配管６５とに分岐する。接続部材１９０から燃料ガス供給管６４（第２の配管６４Ｂ）に流出した燃料ガスは水平部６４ａに設けられた燃料供給孔６４ｂからガスガスマニホールド６６内に供給され、ガスガスマニホールド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１３及び図１４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容器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、モジュール容器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。

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１４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、モジュール容器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容器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１４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、モジュール容器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、モジュール容器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。

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 モジュール容器
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（水添脱硫器）
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 水平部
６４ｂ 燃料供給孔
６５ 水添脱硫器用配管
６６ ガスマニホールド
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
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 接続部材
１００２ 燃料電池モジュール
１００４ ガスマニホールド
１００６ 燃料ガス供給管
１００６Ａ 第１の配管
１００６Ｂ 第２の配管
１０１０ 下支持板
１０１２ 燃料電池セル
１０１４ モジュール容器本体
１０１６ 一側面
１０１８ モジュール容器
１０２０ 閉鎖側板（モジュール容器蓋体）
１０２２ 空気通路カバー
１０２４ 改質器
１０２６ 吹出口
１０２８ 発電用空気導入管
１０３０ 燃焼室
１０３２ 排気通路
１０３４ 空気通路
１０３６ 接続部材
１０３８ 接続部材本体
１０３８Ａ 上面
１０３８Ｂ 下面
１０３８Ｃ 側面
１０３８Ｄ 開放面
１０３８Ｅ 挿入孔
１０４０ 接続部材蓋体
１０４０Ａ 本体部
１０４０Ｂ 折り返し部

Claims (8)

1. 燃料ガスと酸化剤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備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、
   前記複数の燃料電池セルを内部に収容し、少なくとも一側面が開放された直方体状のモジュール容器と、
   前記一側面を覆うモジュール容器蓋体と、
   前記モジュール容器に固定され、且つ前記モジュール容器内部の上方に配置された改質器と、
   前記モジュール容器内部の下方に設けられ、前記改質器で生成された燃料ガスを、上面に立設する前記複数の燃料電池セルに供給するガスマニホールドと、
   前記一側面側に配置され、接続された前記改質器から燃料ガスを流出させる第１の配管と、
   前記一側面側に配置され、燃料ガスを接続された前記ガスマニホールドへ流入させる第２の配管と、
   前記第１の配管及び前記第２の配管の端部が挿入され、前記第１の配管と前記第２の配管とを連通させる接続部材と、
   を備え、
   前記接続部材は、前記接続部材の内部と前記複数の燃料電池セルとを遮蔽する接続部材本体と、接続部材蓋体からなり、
   前記接続部材内部において、前記第１の配管及び前記第２の配管が前記接続部材本体と溶接接合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. 前記接続部材本体は直方体状に形成され、前記接続部材本体は前記複数の燃料電池セルが配置された側とは異なる側に開放面を有し、前記開放面は前記接続部材蓋体に覆われていることを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
3. 前記接続部材本体は前記一側面側に前記開放面を有することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池装置。
4. 前記接続部材蓋体は前記接続部材本体の前記開放面よりも内側に設けられ、前記接続部材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接続部材本体の外方の前記一側面側に突出する折り返し部とを有し、前記開放面における端部と前記折り返し部における端部とが溶接接合されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
5. 前記第１の配管及び／又は前記第２の配管の流路断面積よりも、前記接続部材の流路断面積のほうが大きいことを特徴とする、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
6. 前記複数の燃料電池セルの上方には、燃焼室が形成され、前記接続部材は前記燃焼室の高さに位置することを特徴とする、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
7. 前記接続部材本体には挿入孔が形成され、前記第１の配管及び／又は前記第２の配管の端部は前記挿入孔よりも内部に位置することを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
8. 前記改質器で生成された燃料ガスの一部が供給される水添脱硫器を備え、前記水添脱硫器に燃料ガスを供給する前記水添脱硫器用の配管は前記接続部材本体又は前記接続部材蓋体に接合されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池装置。

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