JP2017033628A - 固体酸化物形燃料電池スタック、固体酸化物形燃料電池モジュールおよび固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】一部の燃料電池セルにかかる負担を抑制し、高い発電量を長時間維持することができる固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とする。【解決手段】固体酸化物形燃料電池スタック３０は、筒状に形成され、燃料ガスが内側を流れる燃料極層７２ａと、燃料極層７２ａの外側に積層され、酸化剤ガスのガス雰囲気中に設けられる空気極層７２ｃと、燃料極層７２ａと空気極層７２ｃとの間に挟まれた電解質層７２ｂと、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２と、筒状に形成され、酸化剤ガスが内側を流れる内側流路７１ｂおよび酸化剤ガスを内側流路７１ｂから外側に導出する導出部７１ｃを備えたガス導出管７１と、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２全てをガス導出管７１の外周面に接合する第一接合部７３と、を備えたセルユニット７０を複数備え、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、互いに平行かつ並列に配設されている。【選択図】 図４

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池スタック、固体酸化物形燃料電池モジュールおよび固体酸化物形燃料電池システムに関する。

固体酸化物形燃料電池スタックの一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。固体酸化物形燃料電池スタックは、特許文献１の図２４に示すように、円筒形状からなる複数の小型セルをその中心軸に沿って一直線状に配置し、互いに電気的に直列接続してなる連結円筒型の燃料電池セル３００（特許文献１の図９参照）、複数の燃料電池セル３００を互いに電気的に接続し、併設することにより形成された燃料電池セル集合体５００、燃料電池セル集合体５００の中央部に配設され、燃料電池セル３００に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給管８００、および、燃料電池セル集合体５００を側方から囲むように配設されたハウジング１００を備えている。

また、燃料電池セル集合体５００は、酸化剤ガス供給管８００を囲むように配設され、燃料電池セル３００を互いに電気的に並列に接続してなる複数の並列ユニットＰＵ１，ＰＵ２を備えている。並列ユニットＰＵ１，ＰＵ２は、互いに電気的に直列に接続されている。それぞれの並列ユニットＰＵ１，ＰＵ２内において、燃料電池セル３００は、酸化剤ガス供給管８００から、ハウジング１００の側壁に向かう方向に沿って並ぶように配設されている。
内側に配設された燃料電池セル３００は、外側に配設された燃料電池セル３００によって囲まれているため、外側に配設された燃料電池セル３００に比べて発電時における温度が高くなることにより、熱的負荷が大きくなる。これに対して、上述したように、並列ユニットＰＵ１，ＰＵ２を構成することにより、各並列ユニットＰＵ１，ＰＵ２には、熱的負荷が大きい燃料電池セル３００と熱的負荷が小さい燃料電池セル３００とがバランス良く含まれる。よって、固体酸化物形燃料電池スタックを構成する燃料電池セル３００全体に熱的負荷が分散されるため、固体酸化物形燃料電池スタックの発電性能を長期間に亘って維持することができる。

特開２０１３−１８２７０８号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載されている固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、酸化剤ガス供給管８００が固体酸化物形燃料電池スタックの中央部に配設されているため、内側の燃料電池セル３００と外側の燃料電池セル３００との間にて、各燃料電池セル３００に到達する酸化剤ガスの流量が異なる。このため、内側の燃料電池セル３００と外側の燃料電池セル３００との間に発電量の差が発生して、一部の燃料電池セル３００に負担がかかるため、高い発電量を長時間維持できなくなる問題が生じる。

そこで、本発明は、上述した課題を解消するためになされたもので、一部の燃料電池セルにかかる負担を抑制し、高い発電量を長時間維持することができる固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、筒状に形成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの一方のガスが内側を流れる内側電極層と、内側電極層の外側に積層され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの他方のガス雰囲気中に設けられる外側電極層と、内側電極層と外側電極層との間に挟まれた電解質層と、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、筒状に形成され、他方のガスが内側を流れる内側流路および他方のガスを内側流路から外側に導出する導出部を備えたガス導出管と、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル全てを、ガス導出管の外周面に接合する第一接合部と、を備えたセルユニットを一または複数備え、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルは、互いに平行かつ並列に配設されている。

これによれば、第一接合部が、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル全てをガス導出管の外周面に接合し、固体酸化物形燃料電池筒状セルは、互いに平行かつ並列に配設されている。よって、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの外側電極層に導出されるガス導出管の導出部からの燃料ガスおよび酸化剤ガスの他方のガスの流量をおよそ均一とすることができる。これにより、各固体酸化物形燃料電池筒状セルの発電環境をおよそ均一にすることができる。したがって、一部の固体酸化物形燃料電池筒状セルにかかる負担が抑制されるため、固体酸化物形燃料電池スタックの発電性能が長期間に亘って維持される。

本発明による固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態を示す概要図である。 図１に示す固体酸化物形燃料電池モジュールを示す概要図である。 図２に示す固体酸化物形燃料電池スタックの平面図である。 図３に示すIV−IV線に沿ったセルユニットの断面図である。 本発明による第二実施形態に係る固体酸化物形燃料電池モジュールを示す概要図である。 本発明の各実施形態の変形例に係る第一集電部材を示すセルユニットの径方向断面図である。

＜第一実施形態＞
（固体酸化物形燃料電池システム１）
以下、本発明による固体酸化物形燃料電池システムの第一実施形態について説明する。図１に示すように、この固体酸化物形燃料電池システム１は、発電ユニット１０および貯湯槽２１を備えている。

発電ユニット１０は、筐体１０ａ、固体酸化物形燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、電力変換装置１３、水タンク１４、制御装置１５を備えている。固体酸化物形燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、電力変換装置１３、水タンク１４、制御装置１５は、筐体１０ａ内に収容されている。

固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、後述するように固体酸化物形燃料電池スタック３０を少なくとも含んで構成されるものである。固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエア（酸化剤ガス）が供給されている。具体的には、固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａは、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂは、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードエアが供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。

熱交換器１２は、固体酸化物形燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図にて矢印の方向に循環する）貯湯水循環ライン２２が接続されている。貯湯水循環ライン２２上には、下端から上端に向かって順番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。

熱交換器１２は、固体酸化物形燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。熱交換器１２において、固体酸化物形燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ冷却されるとともに燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮される。冷却後の燃焼排ガスは排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。

上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、固体酸化物形燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。

さらに、電力変換装置１３は、固体酸化物形燃料電池スタック３０から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば電化製品）に接続されている電源ライン１６ｂに出力する。また、電力変換装置１３は、系統電源１６ａからの交流電圧を電源ライン１６ｂを介してあるいは固体酸化物形燃料電池スタック３０の直流電圧を入力し所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して固体酸化物形燃料電池システム１の運転を制御する。

（固体酸化物形燃料電池モジュール１１）
固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、固体酸化物形の燃料電池モジュールである。固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、図２に示すように、ケーシング１１ｅ、固体酸化物形燃料電池スタック３０、蒸発部４０、改質部５０および燃焼部６０を備えている。なお、本明細書においては説明の便宜上、図２における上側および下側をそれぞれ固体酸化物形燃料電池モジュール１１の上方および下方とし、同じく左側および右側をそれぞれ固体酸化物形燃料電池モジュール１１の前方および後方とし、同じく紙面手前側および紙面奥側を、それぞれ固体酸化物形燃料電池モジュール１１の左方および右方として説明する。また、図２乃至図５には、各方向を示す矢印を示している。
ケーシング１１ｅは、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部４０および改質部５０は、固体酸化物形燃料電池スタック３０の上方に位置するように配設されている。

（固体酸化物形燃料電池スタック３０）
固体酸化物形燃料電池スタック３０は、複数（本実施形態においては８つ）のセルユニット３１（７０）、複数の接続部材３２、電流引出部材３３ａ，３３ｂ、第一マニホールド３４および第二マニホールド３５を備えている。

複数のセルユニット７０は、第一マニホールド３４上に立設されている。セルユニット７０は、図３に示すように、前後方向に沿って平行に二列に並べられている。また、複数のセルユニット７０は、後述するガス導出管７１が、第二マニホールド３５と接続するように配設されている。セルユニット７０は、図４に示すように、ガス導出管７１、複数（本実施形態は５つ）の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２、第一接合部７３、第二接合部７４、第一集電部材７５（本発明の集電部材に相当）、第二集電部材７６および支持板７７を備えている。

ガス導出管７１は、筒状に形成され、本体部７１ａ、内側流路７１ｂおよび導出部７１ｃを備えている。
本体部７１ａは、例えばアルミナや電解質等の絶縁体にて形成されている。本体部７１ａは、上下方向に延びるように設けられた延設部７１ａ１、延設部７１ａ１より上側を水平方向に向けて折り曲げられて設けられた折り曲げ部７１ａ２、および、上端に水平方向に向かって開口する開口部７１ａ３を有する。折り曲げ部７１ａ２は、開口部７１ａ３が第二マニホールド３５と接続するように折り曲げられている（図２および図３参照）。

内側流路７１ｂは、本体部７１ａの内側に形成され、酸化剤ガスが流通するものである。酸化剤ガスは、本実施形態では空気であり、カソードガスともいう。酸化剤ガスは、第二マニホールド３５から開口部７１ａ３を介して供給される。
導出部７１ｃは、内側流路７１ｂから酸化剤ガスを外側に導出するものである。導出部７１ｃは、延設部７１ａ１の側壁に形成された側導出部７１ｃ１および延設部７１ａ１の底壁に形成された底導出部７１ｃ２を有している。側導出部７１ｃ１は、内側流路７１ｂから延設部７１ａ１の径方向外側に向けて貫通する複数の貫通穴であり、延設部７１ａ１の側壁の上下方向中央部に周方向全周に亘って形成されている。このように、側導出部７１ｃ１は、ガス導出管７１の外周面に形成されている。底導出部７１ｃ２は、内側流路７１ｂから下方向外側に向けて貫通する複数の貫通穴であり、延設部７１ａ１の底壁に形成されている。

固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、燃料極層７２ａ（本発明の内側電極層に相当）、電解質層７２ｂ、空気極層７２ｃ（本発明の外側電極層に相当）を備えており、これらは、層状に形成されている。燃料極層７２ａは、筒状に形成され、燃料ガスが内側を下方から上方に向かって流れる。燃料ガスは、後述する天然ガスなどの炭化水素系燃料を改質したガスであり、アノードガスともいう。空気極層７２ｃは、燃料極層７２ａの外側に積層されており、酸化剤ガス雰囲気中に設けられている（後述する）。電解質層７２ｂは、燃料極層７２ａと空気極層７２ｃとの間に積層されている。なお、電解質層７２ｂと空気極層７２ｃとの間には、例えば、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＹＤＣ（イットリアドープセリア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）等の希土類をドープしたセリア混合体を用いた反応防止層を設けることもできる。

燃料極層７２ａは、例えば、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＹ、Ｓｃ、Ｃｅなどの希土類元素から選ばれる少なくとも１種をドープした安定化ジルコニアとの混合体、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＧｄ、Ｙ、Ｓｍなどの希土類元素から少なくとも１種をドープしたセリアとの混合体、ＮｉやＦｅなどの触媒金属とＳｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種をドープしたランタンガレートとの混合体の少なくとも１種から形成される。

電解質層７２ｂは、例えば、Ｙ、Ｓｃ、Ｃｅなどの希土類元素から選ばれる少なくとも１種をドープした安定化ジルコニア、Ｇｄ、Ｙ、Ｓｍなどの希土類元素から少なくとも１種をドープしたセリア、ＮｉとＳｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも１種をドープしたランタンガレートの少なくとも１種から形成される。

空気極層７２ｃは、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも１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１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１種をドープしたランタンコバルタイト、Ｓｒ、Ｆｅから選ばれた少なくとも１種をドープしたバリウムコバルタイト、銀、銀−パラジウム合金、白金などの少なくとも１種から形成される。

また、空気極層７２ｃは、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上下方向中央部に設けられている。すなわち、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃより上方または下方の部位は、電解質層７２ｂが露出している。さらに、空気極層７２ｃより下方の部位には、燃料極層７２ａが露出する燃料極層露出部７２ａ１が設けられている。すなわち、燃料極層露出部７２ａ１には、電解質層７２ｂおよび空気極層７２ｃが設けられていない。

固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の形成方法は、特に限定されないが、例えば、公知の押し出し、プレス、鋳込み等の方法で燃料極層７２ａを形成し、逐次、電解質層７２ｂおよび空気極層７２ｃを印刷、ディッピング、スラリーコート等の方法で製膜することによって形成することができる。これらの方法により、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、径方向の内側から燃料極層７２ａ、電解質層７２ｂおよび空気極層７２ｃの順に、既述の電極材料が層状に積層され、製膜の段階で部位に応じてマスキングを行うことで、上述の燃料極層露出部７２ａ１や電解質層７２ｂが露出する部位が形成される。また、局所的に製膜を行うことで、任意の部位の外径を変更した固体酸化物形燃料電池筒状セル７２を作製することも可能である。

また、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、図３および図４に示すように、長手方向を上下方向に沿うように、ガス導出管７１の周囲に互いに平行にかつ並列に配設されている。また、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、空気極層７２ｃが、ガス導出管７１の側導出部７１ｃ１の側方に位置するように配設されている。また、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、燃料極層露出部７２ａ１が、ガス導出管７１の導出部７１ｃが形成されていない下端部の側方に位置するように配設されている。さらに、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２全ては、第一接合部７３および第二接合部７４によってガス導出管７１の外周面に接合されている。これにより、第一接合部７３と各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃとが、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の長手方向に沿って接触して接合する。また、第二接合部７４と燃料極層露出部７２ａ１とが、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の長手方向に沿って接触して接合する。

第一接合部７３は、ガス導出管７１の外周面と、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃとの間に配設されている。第一接合部７３は、第一本体部材７３ａおよび第一接合剤７３ｂを備えている。
第一本体部材７３ａは、上下方向に延びる筒状に形成され、内周面がガス導出管７１の外周面における導出部７１ｃ（側導出部７１ｃ１）が形成された部位と周方向に全周に亘って接触している。第一本体部材７３ａは、側導出部７１ｃ１から導出されたガスが通過するように形成されている。第一本体部材７３ａは、例えば、エキスパンドメタルであり、例えばフェライト系ステンレス鋼等の導電性を有する材料にて形成されている。

第一接合剤７３ｂは、ガス導出管７１と第一本体部材７３ａとを接合するとともに第一本体部材７３ａと固体酸化物形燃料電池筒状セル７２とを接合するものである。第一接合剤７３ｂは導電性、および、酸化剤ガスを通過させる通気性を有している。第一接合剤７３ｂは、例えば、酸化剤ガスに対して通気性を有する導電性接着剤である。この導電性接着剤は、例えば、導電性セラミックスを用いることができる。導電性セラミックスは、例えば、ＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物などを用いることができ、比較的電気伝導性が高いランタンコバルタイト系酸化物や酸化還元雰囲気で安定なランタンクロマイト系酸化物を用いると良い。このように、第一接合部７３は、導電性を有するため、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃを電気的に並列に接続する。すなわち、第一接合部７３は、集電部材としても用いることができる。

第二接合部７４は、ガス導出管７１の外周面と、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層露出部７２ａ１との間に配設されている。第二接合部７４は、第二本体部材７４ａおよび第二接合剤７４ｂを備えている。
第二本体部材７４ａは、上下方向に延びる筒状に形成され、内周面がガス導出管７１の下端部の外周面と周方向に全周に亘って接触している。第二本体部材７４ａは、フェライト系ステンレス鋼等の導電性を有する材料にて形成されている。

第二接合剤７４ｂは、ガス導出管７１と第二本体部材７４ａとを接合するとともに第二本体部材７４ａと固体酸化物形燃料電池筒状セル７２とを接合するものである。第二接合剤７４ｂは、第一接合剤７３ｂと同じ導電性接着剤を用いることもできるが、例えば、白金、銀、銅または銀−パラジウム合金などの導電性ペーストを用いることもできる。このように、第二接合部７４は、導電性を有するため、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層７２ａを電気的に並列に接続する。すなわち、第二接合部７４は、集電部材としても用いることができる。

第一集電部材７５は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃを互いに電気的に接続し、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が発電した電力を集電するものである。第一集電部材７５は、フェライト系ステンレス鋼等の導電性を有する材料にて形成されている。第一集電部材７５は、上下方向に延びる筒状に形成され、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃを側方から囲むように配設されている。具体的には、第一集電部材７５の内周面が、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃと長手方向に沿って接触している。また、第一集電部材７５は、例えば上述した通気性を有する導電性セラミックスの導電性接着剤（図示なし）によって固体酸化物形燃料電池筒状セル７２に接合されている。

第二集電部材７６は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層７２ａを互いに電気的に接続し、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が発電した電力を集電するものである。第二集電部材７６は、フェライト系ステンレス鋼等の導電性を有する材料にて形成されている。第二集電部材７６は、上下方向に延びる筒状に形成され、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層露出部７２ａ１を側方から囲むように配設されている。具体的には、第二集電部材７６の内周面が、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層露出部７２ａ１と長手方向に沿って接触している。また、第二集電部材７６は、例えば上述した導電ペースト等の導電性接着剤（図示なし）によって固体酸化物形燃料電池筒状セル７２に接合されている。

支持板７７は、例えば炭素鋼または合金鋼の金属材料にて方形状の板状に形成されている。支持板７７には、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の外径より若干大径の貫通穴が複数形成され、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が対応する貫通穴に挿入されている。支持板７７の貫通穴７７ａと各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２とは、シール部材７７ｂで気密的に接合されている。シール部材７７ｂは、シリコン系、セラミックス系、ガラス系などのシール材で形成されている。

接続部材３２は、例えば、フェライト系ステンレス鋼、ランタンクロマイトなどを用いて形成することができる。接続部材３２は、図２に示すように、前後方向における隣り合うセルユニット７０において、第一集電部材７５と第二集電部材７６とを電気的に接続する。また、接続部材３２は、最前の二つのセルユニット７０において、第一集電部材７５と第二集電部材７６とを電気的に接続する。これにより、複数のセルユニット７０が接続部材３２によって全て直列接続される。

電流引出部材３３ａ，３３ｂは、例えば、フェライト系ステンレス鋼、ランタンクロマイトなどを用いて形成することができる。電流引出部材３３ａ，３３ｂは、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の発電により生じる電流を引き出すものである。電流引出部材３３ａの一端は、最後の左側のセルユニット７０の第一集電部材７５および第二集電部材７６のうち接続部材３２が接続されていない方に接続されている。電流引出部材３３ｂの一端は、最後の右側のセルユニット７０の第一集電部材７５および第二集電部材７６のうち接続部材３２が接続されていない方に接続されている。電流引出部材３３ａ，３３ｂの他端は、電力変換装置１３に接続されている。

第一マニホールド３４は、例えば炭素鋼または合金鋼の金属材料にて中空の箱状に形成されている。第一マニホールド３４は、図４に示すように、上側壁に、複数の貫通穴３４ａが形成されている。貫通穴３４ａの周縁には、セルユニット７０の支持板７７が設置可能な段差部３４ｂが形成されている。各セルユニット７０は、支持板７７が対応する段差部３４ｂに設置されることにより、第一マニホールド３４に立設される。これにより、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の下端の開口部が、第一マニホールド３４内に位置する。また、支持板７７と段差部３４ｂとは、支持板７７が段差部３４ｂに設置された状態にてシール部材３４ｃによって気密的に接合されている。シール部材３４ｃは、上述したシール部材７７ｂと同様に、シリコン系、セラミックス系、ガラス系などのシール材で形成されている。第一マニホールド３４は、改質部５０から燃料ガスが燃料ガス供給管５１を介して供給される。そして、燃料ガスは、図４に実線にて示すように、第一マニホールド３４内から各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の下端の開口部から燃料極層７２ａの内側に供給される。

第二マニホールド３５は、例えば炭素鋼または合金鋼の金属材料にて、図３に示すように、平面視Ｕ字状に形成されている。第二マニホールド３５は、内部に酸化剤ガスが流通可能な空洞である断面方形状に形成されている。第二マニホールド３５は、前端部にてカソードエア供給管１１ｃの他端と接続され、酸化剤ガスが供給される。また、第二マニホールド３５は、内側側壁にてガス導出管７１の上端部と接続され、開口部７１ａ３を介して内側流路７１ｂに酸化剤ガスを供給する（図３に破線にて示す）。

そして、内側流路７１ｂに供給された酸化剤ガスは、図４に破線にて示すように、導出部７１ｃから導出され、空気極層７２ｃに供給される。このとき、側導出部７１ｃ１から導出された酸化剤ガスは、第一接合部７３を通過する。空気極層７２ｃは、酸化剤ガス雰囲気中に設けられている。

各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２においては、燃料極層７２ａに供給された燃料ガスと空気極層７２ｃに供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極層７２ａでは、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極層７２ｃでは、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極層７２ｃで生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が、電解質層７２ｂを通過し、燃料極層７２ａで水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。このとき、各空気極層７２ｃと第一接合部７３および第一集電部材７５とが固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の長手方向に沿って接触している。よって、各空気極層７２ｃを流れる電流は、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の長手方向だけでなく、周方向にも沿って流れて、第一接合部７３に流れるとともに、第一集電部材７５に集電される。さらに、各燃料極層露出部７２ａ１と第二接合部７４および第二集電部材７６とが固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の長手方向に沿って接触している。よって、各燃料極層露出部７２ａ１を流れる電流は、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の長手方向だけでなく、周方向にも沿って流れて、第二接合部７４に流れるとともに、第二集電部材７６に集電される。各集電部材７５，７６に集電された電力は、電力変換装置１３に接続部材３２および電流引出部材３３ａ，３３ｂを介して出力される。また、燃料極層７２ａの上端からは、発電に使用されなかった燃料ガスである燃料オフガスが導出する。
（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

（蒸発部４０）
蒸発部４０は、固体酸化物形燃料電池スタック３０の燃焼ガス（後述する）により加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに供給された改質用原料を予熱する。蒸発部４０は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部５０に供給する。改質用原料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態では、改質用原料は、天然ガスを用いている。

蒸発部４０には、図２に示すように、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部４０には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。供給源Ｇｓは、例えば、都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。

（改質部５０）
改質部５０は、燃焼ガス（後述する）により加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部４０から供給された水蒸気と改質用原料の混合ガスとから燃料である改質ガスを生成する。改質部５０内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素と一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。

これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は、既述の燃料ガスであり、固体酸化物形燃料電池スタック３０の第一マニホールド３４を介して各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層７２ａに導出される。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部５０は、改質用原料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料ガス）を生成して固体酸化物形燃料電池スタック３０に供給する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応である。

（燃焼部６０）
燃焼部６０は、各セルユニット７０と蒸発部４０および改質部５０との間に設けられている。燃焼部６０では、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２から導出された燃料オフガス（アノードオフガス）と発電に利用されなかった酸化剤ガスである酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが燃焼されて燃焼ガス（火炎６１）が発生し、蒸発部４０および改質部５０が加熱される。

本第一実施形態によれば、固体酸化物形燃料電池スタック３０は、筒状に形成され、燃料ガスが内側を流れる燃料極層７２ａと、燃料極層７２ａの外側に積層され、酸化剤ガス雰囲気中に設けられる空気極層７２ｃと、燃料極層７２ａと空気極層７２ｃとの間に挟まれた電解質層７２ｂと、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２と、筒状に形成され、酸化剤ガスが内側を流れる内側流路７１ｂおよび酸化剤ガスを内側流路７１ｂから外側に導出する導出部７１ｃを備えたガス導出管７１と、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２全てをガス導出管７１の外周面に接合する第一接合部７３と、を備えたセルユニット７０を複数備え、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、互いに平行かつ並列に配設されている。
これによれば、第一接合部７３が、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２全てをガス導出管７１の外周面に接合し、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、互いに平行かつ並列に配設されている。よって、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃに導出されるガス導出管７１の導出部７１ｃからの酸化剤ガスの流量をおよそ均一とすることができる。これにより、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の発電環境をおよそ均一にすることができる。したがって、一部の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２にかかる負担が抑制されるため、固体酸化物形燃料電池スタック３０の発電性能が長期間に亘って維持される。

また、導出部７１ｃの側導出部７１ｃ１は、ガス導出管７１の外周面に形成され、第一接合部７３は、酸化剤ガスが通過する。
導出部７１ｃの側導出部７１ｃ１は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が配設された外周面に形成されるため、側導出部７１ｃ１と各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２との距離を均一にすることができる。よって、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の発電環境をさらに均一にすることができる。

また、第一接合部７３は、導電性を有し、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃを互いに電気的に接続する。
従来技術の燃料電池セル３００は、特許文献１の図２３に示すように、燃料電池セル３００の上部に配設された上部接続部材４００および燃料電池セル３００の下部に配設された下部接続部材４１０によって電気的に接続されている。燃料電池セル３００に流れる電流は、燃料電池セル３００の長手方向に沿って流れるため、電流が流れる距離が比較的長くなる。この場合、電気抵抗が比較的大きくなるため、燃料電池セル３００の発電性能が低下する。これに対し、本第一実施形態は、第一接合部７３が導電性し、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃが互いに電気的に接続される。この場合、第一接合部７３と各空気極層７２ｃとは、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の長手方向に沿って接触している。よって、空気極層７２ｃに流れる電流は、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の長手方向だけでなく、周方向にも沿って流れて第一接合部７３に流れるため、従来技術に比べて、電気抵抗が小さくなる。したがって、従来技術に比べて、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の発電性能の低下が抑制される。

また、セルユニット７０は、筒状に形成され、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２を側方から囲むように配設されるとともに、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃを互いに電気的に接続する第一集電部材７５をさらに備えている。
これによれば、第一集電部材７５は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の外側にて、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃと長手方向に沿って接触しているため、空気極層７２ｃに流れる電流は、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の長手方向だけでなく、周方向にも沿って流れて第一集電部材７５に集電される。よって、第一集電部材７５が無い場合に比べて、空気極層７２ｃの電気抵抗が小さくなる。したがって、第一集電部材７５により、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の発電性能の低下がさらに抑制される。
また、第一集電部材７５は、一つのセルユニット７０内の複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃを互いに電気的に接続する。この場合、第一集電部材７５に一つの接続部材３２を接続すれば良い。よって、従来技術のように、全ての固体酸化物形燃料電池筒状セル７２それぞれが接続部材３２によって互いに接続された場合に比べて、本第一実施形態においては、接続部材３２の部品点数が少なくなる。したがって、固体酸化物形燃料電池スタック３０の低コスト化を図ることができる。

また、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、燃料極層７２ａが外側に露出する燃料極層露出部７２ａ１をさらに有し、セルユニット７０は、ガス導出管７１の外周面に配設され、ガス導出管７１の外周面と複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層露出部７２ａ１とを接合するとともに、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層露出部７２ａ１を互いに電気的に接続する第二接合部７４をさらに備えている。
これによれば、第二接合部７４は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の内側にて、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層露出部７２ａ１と長手方向に沿って接触している。よって、上述した第一接合部７３の効果と同様の効果を有する。

また、固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、固体酸化物形燃料電池スタック３０と、固体酸化物形燃料電池スタック３０の燃焼ガスにより加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに供給された改質用原料を予熱する蒸発部４０と、蒸発部４０から供給された水蒸気と改質用原料の混合ガスとから燃料ガスである改質ガスを生成する改質部５０と、を備えている。
これによれば、上記固体酸化物形燃料電池スタック３０、蒸発部４０および改質部５０を備えている固体酸化物形燃料電池モジュール１１において、上述した固体酸化物形燃料電池スタック３０に係る作用効果を得ることができる。

また、固体酸化物形燃料電池システム１は、発電ユニット１０と、貯湯水を貯湯する貯湯槽２１と、を備えている固体酸化物形燃料電池システム１であって、発電ユニット１０は、固体酸化物形燃料電池モジュール１１と、固体酸化物形燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスと貯湯槽２１から供給される貯湯水との間で熱交換を行い、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を排出する熱交換器１２と、熱交換器１２から排出される凝縮水を純粋化する水タンク１４と、補機を駆動して固体酸化物形燃料電池システム１の運転を制御する制御装置１５と、少なくとも固体酸化物形燃料電池モジュール１１から出力される直流電力を交流電力に変換して交流の系統電源１６ａに接続されている電源ライン１６ｂに出力する電力変換装置１３と、を備えている。
これによれば、上記固体酸化物形燃料電池モジュール１１、熱交換器１２、電力変換装置１３、水タンク１４および制御装置１５を備えている発電ユニット１０と、貯湯槽２１とを備えている固体酸化物形燃料電池システム１において、上述した固体酸化物形燃料電池スタック３０に係る作用効果を得ることができる。

＜第二実施形態＞
次に、本発明による固体酸化物形燃料電池システム１の第二実施形態について、主として上述した第一実施形態と異なる部分について説明する。上述した第一実施形態において、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、内側電極層を燃料極層７２ａとし、外側電極層を空気極層７２ｃとしている。これに対し、本第二実施形態においては、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、内側電極層を空気極層７２ｃとし、外側電極層を燃料極層７２ａとしている。

また、上述した第一実施形態において、燃料ガスが第一マニホールド３４に供給されているが、本第二実施形態においては、図５に示すように、燃料ガス供給管５１と第二マニホールド３５とが接続され、燃料ガスが第二マニホールド３５に供給される。さらに、上述した第一実施形態においては、酸化剤ガスが第二マニホールド３５に供給されているが、本第二実施形態においては、カソードエア供給管１１ｃと第一マニホールド３４とが接続され、酸化剤ガスが第一マニホールド３４に供給される。さらに、本第二実施形態においては、固体酸化物形燃料電池スタック３０を収容するケーシング１３６を備えている。

第一マニホールド３４に供給された酸化剤ガスは、空気極層７２ｃに下端から導入され、空気極層７２ｃの上端から酸化剤オフガスとして導出される。一方、第二マニホールド３５に供給された燃料ガスは、ガス導出管７１の内側流路７１ｂに供給され、導出部７１ｃから燃料極層７２ａに導出される。このように、燃料極層７２ａは、燃料ガス雰囲気中に設けられる。

酸化剤オフガスおよび燃料オフガスが、ケーシング１３６の上端に複数設けられた排出管１３６ａから排出される。排出されたオフガスが燃焼部６０にて燃焼されて、燃焼ガス（火炎６１）が発生する。

なお、上述した各実施形態において、固体酸化物形燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、図３および図４から分かるように、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、円筒状に形成されているが、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、筒状であれば良く、例えば断面方形に形成することもできる。
また、上述した各実施形態において、本体部７１ａは、絶縁体によって形成されているが、これに代えて、外表面に例えばアルミナ等の絶縁体によって形成された被覆を有するステンレス鋼等の導電体によって形成しても良い。

また、上述した各実施形態において、各セルユニット７０は、接続部材３２によって全て電気的に直列接続されているが、これに代えて、各セルユニット７０の一部または全部を電気的に並列接続しても良い。
また、上述した各実施形態において、固体酸化物形燃料電池スタック３０は、セルユニット７０を複数備えているが、これに代えて、セルユニット７０を一つのみ備えるようにしても良い。

また、上述した各実施形態において、ガス導出管７１は、底導出部７１ｃ２を備えているが、これに代えて、底導出部７１ｃ２を備えないようにしても良い。
また、上述した各実施形態において、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、燃料極層露出部７２ａ１が空気極層７２ｃの下方に設けられているが、これに代えて、燃料極層露出部７２ａ１が空気極層７２ｃの上方に設けるようにしても良い。さらに、燃料極層露出部７２ａ１を設けないようにしても良い。この場合、例えば燃料極層７２ａの上端から集電を行う。

また、上述した各実施形態において、第一接合部７３は、第一本体部材７３ａおよび第一接合剤７３ｂを備えているが、これに代えて、第一接合部７３が第一接合剤７３ｂのみを備えるようにしても良い。また、同様に、第二接合部７４が第二接合剤７４ｂのみを備えるようにしても良い。
また、上述した各実施形態において、セルユニット７０が、各集電部材７５，７６を備えないようにしても良い。この場合、各集電部材７５，７６に代えて、各接合部７３，７４を集電部材として用いる。
また、上述した各実施形態において、各接合部７３，７４は、導電性を有しているが、これに代えて、各接合部７３，７４が導電性を有さないように、絶縁性部材によって構成するようにしても良い。

また、上述した各実施形態において、第一集電部材７５は、筒状に形成されているが、これに代えて、図６に示す第一集電部材１７５のように形成しても良い。具体的には、第一集電部材１７５は、第一集電部材７５と同じ筒状に形成される部位と、第一接合部７３と接触させる接触部１７５ａとを一体的に形成するようにしても良い。これによれば、第一集電部材１７５が、第一接合部７３に流れる電流を直接集電するため、第一集電部材７５のように第一接合部７３に接触させない場合に比べて、電気抵抗が小さくなる。よって、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の発電性能の低下がさらに抑制される。また、第二集電部材７６においても、同様に、第二接合部７４と接触させる接触部（図示なし）を形成するようにしても良い。

また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、セルユニット７０の個数、一のセルユニット７０における固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の個数、各集電部材７５，７６の長手方向の長さ、ガス導出管７１の形状、各マニホールド３４，３５の形状等を変更しても良い。

１…固体酸化物形燃料電池システム、１０…発電ユニット、１１…固体酸化物形燃料電池モジュール、１２…熱交換器、１３…電力変換装置、１４…水タンク、１５…制御装置、２１…貯湯槽、３０…固体酸化物形燃料電池スタック、３１（７０）…セルユニット、３２…接続部材、３３ａ，３３ｂ…電流引出部材、３４…第一マニホールド、３５…第二マニホールド、４０…蒸発部、５０…改質部、６０…燃焼部、７１…ガス導出管、７１ｂ…内側流路、７１ｃ…導出部、７２…固体酸化物形燃料電池筒状セル、７２ａ…燃料極層(内側電極層)、７２ａ１…燃料極層露出部、７２ｂ…電解質層、７２ｃ…空気極層（外側電極層）、７３…第一接合部、７４…第二接合部、７５…第一集電部材（集電部材）、７６…第二集電部材。

Claims (7)

1. 筒状に形成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの一方のガスが内側を流れる内側電極層と、前記内側電極層の外側に積層され、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスの他方のガス雰囲気中に設けられる外側電極層と、前記内側電極層と前記外側電極層との間に挟まれた電解質層と、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、
   筒状に形成され、前記他方のガスが内側を流れる内側流路および前記他方のガスを前記内側流路から外側に導出する導出部を備えたガス導出管と、
   複数の前記固体酸化物形燃料電池筒状セル全てを、前記ガス導出管の外周面に接合する第一接合部と、を備えたセルユニットを一または複数備え、
   複数の前記固体酸化物形燃料電池筒状セルは、互いに平行かつ並列に配設されている固体酸化物形燃料電池スタック。
2. 前記導出部は、前記ガス導出管の前記外周面に形成され、
   前記第一接合部は、前記他方のガスが通過する請求項１記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
3. 前記第一接合部は、導電性を有し、複数の前記固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記外側電極層を互いに電気的に接続する請求項１または請求項２記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
4. 前記セルユニットは、筒状に形成され、複数の前記固体酸化物形燃料電池筒状セルを側方から囲むように配設されるとともに、複数の前記固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記外側電極層を互いに電気的に接続する集電部材をさらに備えている請求項１乃至請求項３記載の何れか一項の固体酸化物形燃料電池スタック。
5. 前記固体酸化物形燃料電池筒状セルは、前記内側電極層が外側に露出する内側電極層露出部をさらに有し、
   前記セルユニットは、前記ガス導出管の外周面に配設され、前記ガス導出管の前記外周面と複数の前記固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記内側電極層露出部とを接合するとともに、複数の前記固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記内側電極層露出部を互いに電気的に接続する第二接合部をさらに備えている請求項１乃至請求項４の何れか一項記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５のいずれか一項記載の固体酸化物形燃料電池スタックと、
   前記固体酸化物形燃料電池スタックの燃焼ガスにより加熱され、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに供給された改質用原料を予熱する蒸発部と、
   前記蒸発部から供給された前記水蒸気と前記改質用原料の混合ガスとから前記燃料ガスである改質ガスを生成する改質部と、を備えている固体酸化物形燃料電池モジュール。
7. 発電ユニットと、
   貯湯水を貯湯する貯湯槽と、を備えている固体酸化物形燃料電池システムであって、
   前記発電ユニットは、
   請求項６記載の固体酸化物形燃料電池モジュールと、
   前記固体酸化物形燃料電池モジュールから排気される燃焼排ガスと前記貯湯槽から供給される前記貯湯水との間で熱交換を行い、前記燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を排出する熱交換器と、
   前記熱交換器から排出される前記凝縮水を純粋化する水タンクと、
   補機を駆動して前記固体酸化物形燃料電池システムの運転を制御する制御装置と、
   少なくとも前記固体酸化物形燃料電池モジュールから出力される直流電力を交流電力に変換して交流の系統電源に接続されている電源ラインに出力する電力変換装置と、を備えている固体酸化物形燃料電池システム。

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