JP2017130273A - 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】筒状の固体酸化物形燃料電池筒状セルの外側電極層の集電部において、局所的な温度の上昇を抑制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３１ａと、燃料極層３１ａ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３１ｃと、燃料極層３１ａと空気極層３１ｃとの間に挟まれた電解質層３１ｂと、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１と、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の各々の空気極層３１ｃの外側に積層され、空気極層３１ｃからの電流が流れる集電層３２と、集電層３２に電気的に接続され、集電層３２からの電流を外部に導出する第二端子部材３４と、を備えている。集電層３２は、第二端子部材３４との接続部に近づくにつれて、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みが増加するように設けられている。
【選択図】 図３

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。特許文献１の図４および図５に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック１４の燃料電池セルユニット１６を構成する複数の燃料電池セル８４の各々は、筒状に形成され、内側電極層９０、電解層９４および外側電極層９２をそれぞれ備えている。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８４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。

特開２０１５−１７９６１１号公報

しかしながら、筒状の燃料電池セルにおいて、この銀製の薄膜に形成された外側電極層側の電極（集電部）は、空気極用接続部１０２ｂの位置により、電流密度の高い部位と低い部位との差が比較的大きくなる。具体的には、集電部の電流密度は、空気極用接続部１０２ｂの近傍の部位が、他の部位に比べて高くなる。集電部の電流密度が局所的に比較的高くなる場合、集電部の局所的な温度の上昇により、集電部のはく離の発生が考えられる。

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、筒状の固体酸化物形燃料電池筒状セルの外側電極層の集電部において、局所的な温度の上昇を抑制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、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの各々の外側電極層の外側に積層され、外側電極層からの電流が流れる集電部と、集電部に電気的に接続され、集電部からの電流を外部に導出する端子部材と、を備えた固体酸化物形燃料電池スタックであって、集電部は、端子部材との接続部に近づくにつれて、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの径方向の厚みが増加するように設けられている。

固体酸化物形燃料電池筒状セルの外側電極層に積層された集電部においては、端子部材との接続部に近づくにつれて電流値が大きくなる。これに対し、本発明の集電部は、端子部材との接続部に近づくにつれて、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの径方向の厚みが増加するように設けられているため、集電部における電流密度の高い部位と低い部位との差が抑制される。よって、集電部の電流密度が局所的に比較的高くなることを抑制することができるため、集電部の局所的な温度の上昇を抑制することができる。

本発明による固体酸化物形燃料電池システムの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筒状セルの軸方向断面図である。 図３に示す集電層の電流密度を示す模式図である。 本発明による固体酸化物形燃料電池システムの一の変形例におけ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。 図５に示す固体酸化物形燃料電池筒状セルの軸方向断面図である。 図６に示す集電層の電流密度を示す模式図である。 本発明による固体酸化物形燃料電池システムの他の変形例におけ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。 図３に示す集電層の変形例を示す固体酸化物形燃料電池筒状セルの軸方向断面図である。

（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に含まれる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。
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７つ）の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１、集電層３２（本発明の集電部に相当）、第一端子部材３３、第二端子部材３４（本発明の端子部材に相当）、接続部材３５、第一電流引出部材３６ａ、第二電流引出部材３６ｂおよびマニホールド３７を備えている。

固体酸化物形燃料電池筒状セル３１は、マニホールド３７上に立設されている。固体酸化物形燃料電池筒状セル３１は、本実施形態においては、前後方向に沿って一列に並べられている。
固体酸化物形燃料電池筒状セル３１は、図３に示すように、燃料極層３１ａ（本発明の内側電極層に相当）、電解質層３１ｂ、空気極層３１ｃ（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３１ａ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３１ｃは、燃料極層３１ａ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３１ｂは、燃料極層３１ａと空気極層３１ｃとの間に積層されている。なお、電解質層３１ｂと空気極層３１ｃ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３１ａ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３１ｂ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３１ｃ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３１ｃは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１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３１の空気極層３１ｃより上方および下方の部位は、電解質層３１ｂが露出している。固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の下端部の電解質層３１ｂによって、マニホールド３７との絶縁が確保されている（後述する）。さらに、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の上端部には、燃料極層３１ａが露出する燃料極層露出部３１ａ１が設けられている。すなわち、燃料極層露出部３１ａ１には、電解質層３１ｂおよび空気極層３１ｃが設けられていない。

固体酸化物形燃料電池筒状セル３１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３１ａを形成し、逐次、電解質層３１ｂおよび空気極層３１ｃ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３１は、径方向の内側から燃料極層３１ａ、電解質層３１ｂおよび空気極層３１ｃ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３１ａ１や電解質層３１ｂ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３１を作製することも可能である。

集電層３２は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の各々の空気極層３１ｃの外側に積層され、空気極層３１ｃからの電流が流れるものである。集電層３２は、層状に形成されている。集電層３２は、酸化剤ガスに対する通気性を有する。集電層３２は、本実施形態においては、銀−パラジウム合金を主成分として形成されている。集電層３２の他の成分は、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、白金などのうち少なくとも１種である。集電層３２の上端から第二端子部材３４の上端までにおける固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の軸方向に沿った長さは、Ｌ１である。

集電層３２は、第二端子部材３４との接続部に近づくにつれて、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みが増加するように設けられている。第二端子部材３４が集電層３２における固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の軸方向の下端部（本発明の一端部に相当）に電気的に接続されているため（後述する）、集電層３２は、上方から下方に向かうにしたがって、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みが増加するように形成されている。このように集電層３２が形成されることにより、集電層３２における電流密度の高い部位と低い部位との差が抑制される。

集電層３２における電流密度について、本実施形態との比較のため、集電層３２の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みが一定となるように形成されている場合について説明する。固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の発電により生じる電流は、空気極層３１ｃの外側面全面から集電層３２に流入するとともに、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の軸方向に沿って第二端子部材３４との接続部に向かって流れる。よって、集電層３２の電流値は、集電層３２の上端から第二端子部材３４との接続部に向かうにしたがって徐々に大きくなる。したがって、集電層３２の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みが一定となるように形成されている場合、図４に破線にて示すように、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の軸方向に沿って集電層３２の上端（ゼロ）から第二端子部材３４の上端（Ｌ１）に向かうにしたがって、集電層３２の電流密度が徐々に大きくなる。すなわち、集電層３２における電流密度の高い部位と低い部位との差が比較的大きくなる。なお、集電層３２の各位置の電流密度は、集電層３２の上端の電流密度に対する比率にて導出されている。

これに対して、本実施形態の集電層３２は、第二端子部材３４との接続部に近づくにつれて、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みが徐々に増加するように設けられている。集電層３２の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みは、具体的には、図４に示す破線の形状に沿うように形成されている。これにより、図４に実線にて示すように、集電層３２における電流密度の高い部位と低い部位との差が抑制される。

集電層３２の形成方法は、特に限定されないが、例えば、印刷、ディッピング、スラリーコート等の塗布する厚みを制御可能な方法で製膜することによって形成することができる。また、集電層３２を予めシート状に形成した後、空気極層３１ｃに導電性接着剤によって接着するようにしても良い。

第一端子部材３３は、燃料極層３１ａに電気的に接続され、燃料極層３１ａからの電流を外部に導出するものである。第一端子部材３３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板状に形成されている。第一端子部材３３は、燃料極層露出部３１ａ１の外側面に全周に亘って接触するように形成されている。第一端子部材３３と燃料極層露出部３１ａ１の外側面とは、導電性接着剤（図示なし）によって接着されている。導電性接着剤は、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ができる。この導電性接着剤により、第一接触部３２ａと燃料極層露出部３１ａ１の外側面との接触抵抗を比較的小さくすることができる。

第二端子部材３４は、集電層３２に電気的に接続され、集電層３２からの電流を外部に導出するものである。第二端子部材３４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板状に形成されている。第二端子部材３４は、集電層３２における固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の軸方向の下端部に電気的に接続されている。また、第二端子部材３４は、集電層３２の外側面に全周に亘って接触するように形成されている。すなわち、集電層３２の第二端子部材３４との接続部は、集電層３２の外側面における固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の軸方向の下端部である。

また、第二端子部材３４と集電層３２の外側面とは、酸化剤ガスに対して通気性を有する導電性接着剤（図示なし）によって接着されている。この導電性接着剤には、例えば、酸化剤ガスに対して通気性を有する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。この導電性接着剤により、第二端子部材３４と集電層３２の外側面との接触抵抗を比較的小さくすることができる。

接続部材３５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３５は、図２に示すように、前後方向における隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３１において、第一端子部材３３と第二端子部材３４とを電気的に接続する。これにより、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１が接続部材３５によって全て直列接続される。

電流引出部材３６ａ，３６ｂ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３６ａ，３６ｂは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の発電により生じる電流を引き出すものである。第一電流引出部材３６ａの一端は、最前の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の第一端子部材３３および第二端子部材３４のうち接続部材３５が接続されていない方に接続されている。第二電流引出部材３６ｂの一端は、最後の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の第一端子部材３３および第二端子部材３４のうち接続部材３５が接続されていない方に接続されている。電流引出部材３６ａ，３６ｂの他端は、電力変換装置１３に接続されている。

マニホールド３７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。マニホールド３７の上側壁には、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の外径より若干大径の貫通穴（図示なし）が複数形成され、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１が対応する貫通穴に気密的に挿入されている。これにより、マニホールド３７と燃料極層３１ａの内側とが連通し、燃料ガス供給管５１を介してマニホールド３７に供給された燃料ガスが固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の燃料極層３１ａの内側に導出される。また、貫通穴には、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の下端部の電解質層３１ｂが位置することで、マニホールド３７と固体酸化物形燃料電池筒状セル３１との電気的絶縁が確保されている。また、貫通穴と固体酸化物形燃料電池筒状セル３１とは、例えばガラス系のシール材によって気密的に接合されている。

また、カソードエア供給管１１ｃから固体酸化物形燃料電池モジュール１１内に供給された酸化剤ガスは、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃに供給される。集電層３２は、上述したように通気性を有している。また、第二端子部材３４は、通気性を有する導電性接着剤にて集電層３２と接着されている。これにより、空気極層３１ｃは、その外側面全面に亘って酸化剤ガスが供給される。このように空気極層３１ｃは、酸化剤ガス雰囲気中に配設されている。

各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１においては、燃料極層３１ａに供給された燃料ガスと空気極層３１ｃ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３１ａでは、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極層３１ｃ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３１ｃで生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が、電解質層３１ｂを通過し、燃料極層３１ａ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。各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１によって発電された電力は、電力変換装置１３に集電層３２、端子部材３３，３４、接続部材３５および各電流引出部材３６ａ，３６ｂを介して出力される。また、燃料極層３１ａ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、上述した燃焼ガス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との混合ガス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のマニホールド３７を介して各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の燃料極層３１ａ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、固体酸化物形燃料電池スタック３０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３１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３１ａと、燃料極層３１ａ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３１ｃと、燃料極層３１ａと空気極層３１ｃとの間に挟まれた電解質層３１ｂと、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１と、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の各々の空気極層３１ｃの外側に積層され、空気極層３１ｃからの電流が流れる集電層３２と、集電層３２に電気的に接続され、集電層３２からの電流を外部に導出する第二端子部材３４と、を備えている。集電層３２は、第二端子部材３４との接続部に近づくにつれて、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みが増加するように設けられている。
固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃに積層された集電層３２においては、第二端子部材３４との接続部に近づくにつれて電流値が大きくなる。これに対し、集電層３２は、第二端子部材３４との接続部に近づくにつれて、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みが増加するように設けられているため、集電層３２における電流密度の高い部位と低い部位との差が抑制される。よって、集電層３２の電流密度が局所的に比較的高くなることを抑制することができるため、集電層３２の局所的な温度の上昇を抑制することができる。
また、集電層３２における電流密度の高い部位と低い部位との差が抑制されるため、集電層３２の電気抵抗が局所的に比較的高くなることが抑制される。よって、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の発電性能の低下を抑制することができる。
さらに、集電層３２における電流密度の比較的低い部位においては、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みを抑制するように、集電層３２を設けることができる。これにより、集電層３２の材料の量を抑制することができるため、集電層３２の低コスト化を図ることができる。

また、第二端子部材３４は、集電層３２における固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の軸方向の下端部に電気的に接続されている。
これによれば、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の各々の軸方向の中央部に、または、下端部および上端部の両方に、第二端子部材３４が電気的に接続されている場合に比べて、集電層３２を簡便に形成することができる。よって、集電層３２における電流密度の高い部位と低い部位との差をより簡便に抑制することができる。

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との混合ガス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。

なお、上述した実施形態において、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、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１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３１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、上述した実施形態において、燃料極層３１ａの内側には、燃料ガスを流通させる流路が一つ形成されているが、これに代えて、燃料ガスが流れる流路を複数形成するようにしても良い。
また、上述した実施形態において、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１は、複数の接続部材３５によって電気的に直列に接続されているが、これに代えて、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の一部または全てを電気的に並列接続しても良い。

また、上述した実施形態において、第二端子部材３４は、集電層３２における固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の軸方向の下端部に電気的に接続されているが、これに代えて、第二端子部材１３４を、図５に示すように、集電層１３２における固体酸化物形燃料電池筒状セル１３１の軸方向の上端部（本発明の他端部に相当）に電気的に接続されているようにしても良い。すなわち、本変形例の集電層１３２の第二端子部材１３４との接続部は、集電層１３２の外側面における固体酸化物形燃料電池筒状セル１３１の軸方向の上端部である。集電層１３２は、図６に示すように、下方から上方に向かうにしたがって、固体酸化物形燃料電池筒状セル１３１の径方向の厚みが増加するように形成されている。なお、集電層１３２の下端から第二端子部材１３４の下端までにおける固体酸化物形燃料電池筒状セル１３１の軸方向に沿った長さは、Ｌ２である（図５参照）。

本変形例の集電層１３２における電流密度について、本変形例との比較のため、集電層１３２の固体酸化物形燃料電池筒状セル１３１の径方向の厚みが一定となるように形成されている場合について説明する。集電層１３２の固体酸化物形燃料電池筒状セル１３１の径方向の厚みが一定となるように形成されている場合、図７に破線にて示すように、固体酸化物形燃料電池筒状セル１３１の軸方向に沿って集電層１３２の下端（Ｌ２）から第二端子部材１３４の下端（ゼロ）に向かうにしたがって、集電層１３２の電流密度が大きくなる。また、第二端子部材１３４が集電層１３２の上端部に電気的に接続されている場合、上述した実施形態のように第二端子部材１３４が集電層１３２の下端部に電気的に接続されている場合に比べて、集電層１３２の内部抵抗が大きくなることにより、電流密度が大きくなる。すなわち、第二端子部材１３４が集電層１３２の上端部に設けられている場合、第二端子部材１３４が集電層１３２の下端部に設けられている場合に比べて、集電層１３２における電流密度の高い部位と低い部位との差が大きくなる。なお、集電層１３２の各位置の電流密度は、集電層１３２の下端の電流密度に対する比率にて導出されている。

これに対して、本変形例の集電層１３２は、第二端子部材１３４との接続部に近づくにつれて、固体酸化物形燃料電池筒状セル１３１の径方向の厚みが増加するように設けられているため、図７に実線にて示すように、集電層１３２における電流密度の高い部位と低い部位との差が抑制される。このように、第二端子部材３４，１３４は、集電層３２，１３２における複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１，１３１の軸方向の下端部および上端部の一方に電気的に接続されている。

また、上述した実施形態および変形例において、第二端子部材３４，１３４は、集電層３２，１３２における複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１，１３１の軸方向の下端部および上端部の一方に電気的に接続されているが、これに代えて、第二端子部材を集電層における複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの軸方向の下端部および上端部の両方に電気的に接続するようにしても良い。この場合、集電層は、固体酸化物形燃料電池筒状セルの軸方向の中央部から下端部および上端部の両方に向かって、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みが増加するように設けられる。

また、上述した実施形態において、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１は、内側電極層を燃料極層３１ａとし、外側電極層を空気極層３１ｃとしているが、これに代えて、図８に示す固体酸化物形燃料電池筒状セル２３１のように、内側電極層を空気極層２３１ｃとし、外側電極層を燃料極層（図示なし）としても良い。この場合、上述した実施形態における燃料極層露出部３１ａ１に代えて、内側に設けられた空気極層２３１ｃが外側に露出する空気極層露出部２３１ｃ１が形成される。また、この場合、集電層２３２には、燃料極層からの電流が流れる。集電層２３２は、図３に示す集電層３２と同様の形状に形成されている。

また、この場合、図８に示すように、カソードエア供給管１１ｃがマニホールド３７に接続される。これにより、酸化剤ガスが空気極層２３１ｃの内側に供給される。さらに、固体酸化物形燃料電池モジュール１１が、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２３５を備えている。そして、ケーシング２３５に燃料ガス供給管５１が接続されている。これにより、燃料ガスがケーシング２３５内に、ひいては、燃料極層に供給される。さらに、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスが、ケーシング２３５の上端に複数設けられた排出管２３５ａ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。すなわち、本変形例の場合、固体酸化物形燃料電池筒状セル２３１は、筒状に形成され、酸化剤ガスが内側を流れる空気極層２３１ｃと、空気極層２３１ｃの外側に積層され、燃料ガスのガス雰囲気中に設けられる燃料極層と、空気極層２３１ｃと燃料極層との間に挟まれた電解質層と、を備えている。このように、固体酸化物形燃料電池筒状セルは、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、を備えている。

また、上述した実施形態において、集電層３２は、図３に示すように、上方から下方に向けて固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みを徐々に増加するように設けられているが、これに代えて、図９に示すように、集電層３３２を、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の径方向の厚みを段階的に増加するように設けるようにしても良い。これによれば、集電層３３２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場合、比較的簡便に形成することができる。

また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の個数、端子部材３３，３４、接続部材３５および各電流引出部材３６ａ，３６ｂの個数や形状、集電層３２，１３２，２３２の材質、形状および加工方法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…固体酸化物形燃料電池筒状セル、３１ａ…燃料極層（内側電極層）、３１ａ１…燃料極層露出部、３１ｂ…電解質層、３１ｃ…空気極層（外側電極層）、３２…集電層（集電部）、３３…第一端子部材、３４…第二端子部材（端子部材）、３７…マニホールド、４０…蒸発部、５０…改質部、６０…燃焼部。

Claims (4)

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、
   前記複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの各々の前記外側電極層の外側に積層され、前記外側電極層からの電流が流れる集電部と、
   前記集電部に電気的に接続され、前記集電部からの電流を外部に導出する端子部材と、を備えた固体酸化物形燃料電池スタックであって、
   前記集電部は、前記端子部材との接続部に近づくにつれて、前記複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの径方向の厚みが増加するように設けられている固体酸化物形燃料電池スタック。
2. 前記端子部材は、前記集電部における前記複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの軸方向の一端部および他端部の一方に電気的に接続されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
3. 請求項１または請求項２に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との混合ガス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。
4. 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３に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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