(57)【要約】      （修正有）【課題】銀部材を使用した集電体構造を持ちながら燃料ガスの漏出を抑制できる筒状セルユニットの提供。【解決手段】筒状燃料電池セルの端部を覆うための開放面１１０４ｅを有する筒状のキャップ１１０４を備えた燃料電池セルユニット１１００において、燃料極層１１０１と、固体電解質層１１０２と、固体電解質層１１０２の外側の空気極層とを有し、燃料電池セルの端部において、露出した固体電解質層１１０２の外側に、銀を主成分とした集電層１１０３が設けられ、キャップ１１０４は燃料電池セルの側面全周にわたって集電層上のガラス１１０５により固定された固定部１１０７を有し、集電層１１０３は、キャップ１１０４の内部において露出した燃料極層１１０１と電気的に接続された燃料極層接続領域１１０８と、キャップの開放面１１０４ｅを超えて外部に延在する電流取出領域１１０９とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する筒状の燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの端部を覆うための開放面と、前記燃料ガスの流通口を有する天面又は底面とを有する筒状のキャップと、を備えた燃料電池セルユニットにおいて、
前記燃料電池セルは、前記燃料電池セルの軸方向に燃料ガスを流通させる内部流路が設けられた燃料極層と、前記燃料極層の外側に設けられた固体電解質層と、前記固体電解質層の外側に設けられた空気極層とを有し、
前記燃料電池セルの少なくとも一方の端部において、前記空気極層に対して露出した前記固体電解質層の外側に、銀を主成分とした集電層が設けられ、
前記キャップは、前記燃料電池セルの側面全周にわたって前記集電層上のガラスにより固定された固定部を有し、
前記集電層は、前記固定部よりもキャップの内部において前記露出した固体電解質層に対して露出した前記燃料極層と電気的に接続された燃料極層接続領域と、前記キャップの開放面を超えて外部に延在する電流取出領域と、を有することを特徴とする燃料電池セルユニット。
【請求項２】
前記集電層は、前記ガラスよりも膜厚が薄いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルユニット。
【請求項３】
前記集電層は、前記固体電解質層と相互拡散する元素を含有していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セルユニット。
【請求項４】
前記集電層の少なくとも燃料極接続領域は、前記燃料極層と相互拡散する元素を含有していることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池セルユニット。
【請求項５】
前記露出した固体電解質層と前記集電層との間に剥離防止層を有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池セルユニット。
【請求項６】
前記剥離防止層は、主成分材料がガラスであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セルユニット。
【請求項７】
前記剥離防止層は、前記燃料電池セルの軸方向において前記集電層の前記電流取出領域よりも突出して前記集電層に対して露出していることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池セルユニット。
【請求項８】
請求項２乃至７のいずれか一項に記載の前記燃料電池セルユニットは、隣り合う燃料電池セルユニットの空気極層と、前記電流取出領域と電気的に接続された集電部材を介して電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルユニット及び燃料電池セルスタックに関する。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セルユニット、及びこの燃料電池セルユニットを用いた燃料電池セルスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
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（空気、酸素等）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り、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する。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池装置においては、一般に、燃料ガス側の空間と酸化剤ガス側との空間を隔離するために、燃料ガスを燃料極に供給するための流路と、酸化剤ガスを空気極に供給するための流路とを隔絶するためのガスシールが設けられている。特許文献１に記載される円筒形状の燃料電池セル（円筒型燃料電池セルともいう。）を複数配列し電気接続した固体酸化物形燃料電池装置では、燃料電池セルの上端部及び下端部に導電性のキャップを取り付け、このキャップを介して燃料電池セルの燃料極層から燃料電池セルの外部に電流を取り出す構造としている。当該構造では、燃料ガスは、燃料電池セルの下端部に取り付けられたキャップの燃料ガス流通口から燃料電池セルの内部流路に供給され、発電に寄与せずに残存する燃料ガスや発電反応により生じた水蒸気（オフガス）は、燃料電池セルの上端部に取り付けられたキャップの流通口から排出されると同時に空気と混合されて燃焼され、生成された燃焼排ガスは容器の上方から排出される。
【０００４】
このような特許文献１に記載の円筒型燃料電池セルの端部構造においては、キャップの燃料ガス流通口を介さない燃料ガスやオフガスの外部への漏出は、漏出した水素が燃料電池セルの外側に位置する空気極を還元することで性能劣化を招いてしまう。そこで特許文献１では、燃料ガス（水素）の空気極側への漏出を防止するため、燃料電池セルとキャップとの導電接続のための銀シールに加えて、緻密体（ガラス）による気密封止を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／０４７６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ガラス等の緻密体でキャップと燃料電池セルとの間を気密封止したとしても、燃料電池セルの外部の酸素は微量であるがこの緻密体を透過してキャップで区画される内部空間に侵入してしまうおそれがあることが分かった。
【０００７】
上述のように、固体酸化物形燃料電池装置は７００〜１０００℃程度の高温環境下で動作するものであるため、燃料電池セルとキャップとの間の導電接続には導電性能に加えて、耐熱性、耐酸化性、可撓性、強度等の総合的な観点から、銀あるいは銀を主成分とする導電材料の使用を避けることは難しい。しかし、ガラス等の緻密体を酸素が透過した場合、酸素は銀部材にも透過侵入する一方で、燃料ガスの流路から銀部材中に水素が透過するため、透過した酸素と水素とが反応することにより、銀部材中で水蒸気を生成してしまう。このため銀部材が多孔化し膨張してしまう。燃料電池装置の継続運転によってこの膨張量が増大すると、気密封止が破れ水素を含む燃料ガスの漏出経路が形成されてしまうため、還元による空気極の劣化が促進されるという燃料電池セルの耐久性劣化の要因となってしまう。
【０００８】
また、高温動作環境という点で、一般に燃料電池装置の構成部品の線膨張係数を揃えることで、熱応力の発生を抑制している。しかし、燃料電池装置の心臓部である燃料電池セルと燃料電池セルから電力を取り出す集電部材（キャップ）との接合構造において、燃料電池セル、集電部材、ガラスシールの線膨張係数を近似する値となるように構成材料を選択することはできても、燃料電池セルと集電部材とを接続する銀材料については線膨張係数が相違してしまうため、生じる熱応力による膜剥がれ等が発生し、燃料電池セルの破損のおそれがあった。
【０００９】
そこで本発明は、筒状の燃料電池セルを用いた燃料電池セルユニットにおいて、銀部材を使用して高温下での電流取出し構造を維持するとともに、銀部材を使用したことによる燃料ガスの漏出を抑制して、耐久性の高い燃料電池セルユニットを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明にかかる燃料電池セルユニットの一態様は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する筒状の燃料電池セルと、燃料電池セルの端部を覆うための開放面と、燃料ガスの流通口を有する天面又は底面とを有する筒状のキャップと、を備えた燃料電池セルユニットにおいて、燃料電池セルは、燃料電池セルの軸方向に燃料ガスを流通させる内部流路が設けられた燃料極層と、燃料極層の外側に設けられた固体電解質層と、固体電解質層の外側に設けられた空気極層とを有し、燃料電池セルの少なくとも一方の端部において、空気極層に対して露出した固体電解質層の外側に、銀を主成分とした集電層が設けられ、キャップは、燃料電池セルの側面全周にわたって集電層上のガラスにより固定された固定部を有し、集電層は、固定部よりもキャップの内部において露出した固体電解質層に対して露出した燃料極層と電気的に接続された燃料極層接続領域と、キャップの開放面を超えて外部に延在する電流取出領域と、を有するものである。
【００１１】
燃料電池セルから電流を取り出す集電構造において、燃料電池セルの先端に設けた金属性のキャップを介して集電する従来構造の場合には、キャップと燃料電池セルの側面に位置する電極とを電気的に接続するために、銀ロウや銀ペースト等の銀部材をキャップと燃料電池セルとの間を埋めるように配置していた。しかし銀部材は燃料電池セルの外部の酸素やキャップの内部の水素を透過させてしまうことで、銀部材内部で水蒸気を生成してしまうため、銀部材への酸素の侵入を防止するためにキャップの開放面近傍をガラスによって気密封止していた。
【００１２】
しかし、従来気密固定を行う材料として一般的であるガラスを用いた場合であっても、構成材料や組成、結晶度等の種々の条件によっては確実に酸素を気密封止することができないおそれがある。たとえ酸素の透過量が微量であったとしても、長い期間をかけて少しずつ銀部材の多孔化が進むことで、やがて燃料電池セルの破損へとつながってしまうという耐久性の問題が明らかになった。また同時に、銀部材の周辺部材との熱膨張係数の差により生じる熱応力によって、銀部材を含めた周辺構造体が劣化するという問題も内在する。
【００１３】
上述した課題はいずれも従来構造がキャップを介した集電構造であることを前提とし、キャップとセル電極との導通形成のために、キャップと燃料電池セルとの間に多量の（厚膜の）銀部材が配置されることに起因する。
【００１４】
そこで発明者は、逆転の発想でそもそもの前提となるキャップを前提とする集電構造を排し、多孔化の影響が極めて低い薄膜の銀集電膜をあらたに用いたキャップを介在しない集電構造に想到した。これにより導通の確保に銀を使用しつつも、耐久性の高い燃料電池セルユニットを実現することができた。
【００１５】
ここで、本明細書において「筒状の燃料電池セル」とは一方向（軸方向）に延在した立体形状を有する燃料電池セルであって、軸方向に燃料ガスを流通させる内部流路が設けられた形状を含むものである。例えば、円筒形、扁平円筒形等の立体形状が含まれる。また内部のガス流路は複数設けられていても良い。
【００１６】
また、本明細書において「銀を主成分とした」とは、少なくとも集電層に導電機能を付与する程度に含有するものであって、意図せずに混入するような不純物レベルの含有を排除する趣旨である。例えばＡｇＰｄ（銀−パラジウム）等の合金を含み、また実質的に銀のみでなるピュアな銀も含むものである。
【００１７】
また、本明細書において「燃料極層」とは、供給された水素を含有する燃料ガスから含有されるＮｉ等の金属触媒によって水素イオンを生成する燃料極触媒層の他、燃料極触媒層等の機能層を形成するための支持体も含むものとする。
【００１８】
また、本明細書において「燃料極層接続領域」とは、固定部よりもキャップの内部において露出した固体電解質層に対して露出した燃料極層と集電層とが電気的に接続された領域である。当該領域は燃料電池セルの側面であってもよく、あるいは燃料電池セルの端面（天面又は底面）であってもよい。
【００１９】
また、本明細書において「燃料電池セルユニット」とは、ひとつの燃料電池セルに対してキャップ等の部品を取り付けて一体としたものである。
【００２０】
また本発明の一態様においては、集電層は、ガラスよりも膜厚が薄いことが好ましい。
【００２１】
本態様によれば、銀を主成分とする集電層が十分薄いことによって、多孔化した際の燃料ガスの空気極側への漏出リスクを最小限に抑制することができ、燃料電池セルユニットの耐久性を向上させることができる。
【００２２】
また本発明の一態様においては、集電層は、固体電解質層と相互拡散する元素を含有していることが好ましい。
【００２３】
本態様によれば、集電層と固体電解質層との密着性を向上させ、剥離を防止することができる。
【００２４】
また本発明の一態様においては、集電層の少なくとも燃料極接続領域は、燃料極層と相互拡散する元素を含有していることが好ましい。
【００２５】
本態様によれば、集電層と燃料極層との密着性を向上させ、剥離を防止することができる。
【００２６】
また本発明の一態様においては、露出した固体電解質層と集電層との間に剥離防止層を有することが好ましい。
【００２７】
一般に、銀部材と固体電解質層との密着性は必ずしも良好なものとはいえないことが知られている。このため燃料電池装置の運転の繰り返しに伴う燃料電池セルの膨張収縮によって、集電層と固体電解質層とが接着界面で剥離するおそれがある。本態様によれば、密着強度を高めることで剥離を抑え、耐久性を向上させることができる。
【００２８】
また本発明の一態様においては、剥離防止層は主成分材料がガラスであることが好ましい。
【００２９】
本態様によれば、剥離防止層として線膨張係数が近似し、かつ絶縁物質であるガラスを用いることで、銀部材の固体電解質層からの剥離を抑制することができる。
【００３０】
また本発明の一態様においては、剥離防止層は、燃料電池セルの軸方向において集電層の電流取出領域よりも突出して集電層に対して露出していることが好ましい。
【００３１】
本態様によれば、燃料極層と電気的に接続される集電層と空気極層と電気的に接続される集電層との間が、集電層に含まれる銀のマイグレーションにより生じる銀の樹枝状晶（デンドライト）によって電気的に短絡することを抑制することができる。
【００３２】
また本発明にかかる燃料電池セルスタックの一態様は、上記の燃料電池セルユニットが、隣り合う燃料電池セルユニットの空気極層と、電流取出領域と電気的に接続された集電部材を介して電気的に接続されているものである。
【００３３】
本態様によれば、従来のキャップを介すことなく集電部材のみによって燃料電池セルユニットを電気的に接続することが可能となるため、キャップを介することによる接続抵抗成分を取り除くことができ、取り出し効率を向上させることができる。
【００３４】
ここで、本明細書において「集電部材」とは、一の燃料電池セルユニットの燃料極層と隣り合う他の燃料電池セルユニットの空気極層とを電気的に接続するために用いる導電性部材であって、上記の集電層とは異なるものである。この集電部材は上記電気的接続の機能を果たす限りにおいて必ずしも一部材（１パーツ）であることは求められず、複数の部材から構成されるものであっても良い。また空気極層と電流取出領域とを電気的に接続する限りにおいては、他の機能を別途有するものであっても良い。
【００３５】
また、本明細書において「燃料電池セルスタック」とは、少なくとも複数の燃料電池セルが集電体やシール材等の接続固定手段によって物理的に固定された集合体であり、例えば、燃料ガスを一時貯蔵して各燃料電池セルに分散供給するための燃料ガスマニホールド上に複数の燃料電池セルが立設固定されたその全体を含む。
【発明の効果】
【００３６】
筒状の燃料電池セルを用いた燃料電池セルユニットにおいて、導通の確保に銀を使用しつつも、燃料ガスの漏出を抑制して耐久性の高い燃料電池セルユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態における燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における燃料電池セルユニットの端部を示す部分断面図である。
【図３】本発明の一実施形態における燃料電池セルユニットの端部を示す部分断面図である。
【図４】本発明の一実施形態における燃料電池セルユニットの端部を示す部分断面図である。
【図５】本発明の実施例による燃料電池セルスタックを内蔵した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】本発明の実施例による燃料電池セルスタックを備えた燃料電池モジュールを示す側面断面図である。
【図７】図６のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った燃料電池モジュールの断面図である。
【図８】本発明の実施例による燃料電池セルスタックを収容す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。
【図９】本発明の一実施形態における燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図１０】本発明の実施例による燃料電池セルスタックの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
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。
【００３９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施態様における燃料電池セルユニットの全体像を示す部分断面図である。図１において燃料電池セルユニット１１００は、燃料電池セルと、燃料電池セルの上端及び下端にそれぞれ設けられたキャップ１１０４とを備えている。
【００４０】
燃料電池セルは上下方向（軸方向）に延びる筒状構造体であり、本実施形態においては水平断面における外郭が円形となる円筒形状である。この筒状構造体内部の燃料極層１１０１には軸方向に燃料ガスが流通するための内部流路１１１０が設けられている。なお、筒状構造体は上述の形状の他、水平断面における外郭が楕円形や角部にＲを設けた長方形の形状等であってもよい。また、内部流路１１１０は単数に限らず、複数であってもよい。
【００４１】
燃料電池セルは、少なくとも燃料極層１１０１と、燃料極層の外側に設けられた固体電解質層１１０２と、固体電解質層の外側に設けられた空気極層１１１１とを有する。また空気極層１１１１の外表面には導電性の高い集電層１１１２が設けられ、さらに燃料極層１１０１及び固体電解質層１１０２の外表面には導電性の高い集電層１１０３が形成されている。
【００４２】
燃料極層１１０１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することができる。例えば、燃料極層１１０１は、Ｎｉ／ＹＳＺとするとよい。
【００４３】
なお、上述のとおり本明細書において燃料極層１１０１は、燃料極触媒層や支持体を含むものとする。例えば燃料極層１１０１は、導電性支持体とその外表面に形成された燃料極触媒層との積層体であってもよく、絶縁性支持体とその外表面に形成された燃料極触媒層との積層体であってもよい。さらに燃料極の機能の向上や耐久性の向上のために別途設けられた中間層や濃度傾斜層等を含む積層構造体であってもよい。
【００４４】
同様に、固体電解質層１１０２及び空気極層１１１１も、これらの機能の向上や耐久性向上のために別途設けられた中間層や濃度傾斜層等を含む積層構造体であってもよい。
【００４５】
固体電解質層１１０２は、燃料極層１１０１の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は燃料極層１１０１の下端よりも上方で終端し、上端は燃料極層１１０１の上端よりも下方で終端している。固体電解質層１１０２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することができる。
【００４６】
空気極層１１１１は、固体電解質層１１０２の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は固体電解質層１１０２の下端よりも上方で終端し、上端は固体電解質層１１０２の上端よりも下方で終端している。空気極層１１１１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することができる。
【００４７】
燃料極層１１０１は、上述する内部流路１１１０に燃料ガス流通する（−）極として機能し、空気極は燃料電池セルユニット１１００の外部から供給される空気（酸化剤ガス）と接触する（＋）極として機能する（図１における矢印を参照）。
【００４８】
ここで、本発明の実施形態において空気極層１１１１及びその外表面の集電層１１１２は、燃料電池セルの軸方における中央部から端部方向にわたって延在する一方で、燃料電池セルの両端部においては燃料電池セルの端部から所定の距離を置いて終端している。この空気極層１１１１及びその上層の集電層１１１２が形成されていない燃料電池セルの両端部において、燃料極層１１０１及び固体電解質層１１０２の外表面に集電層１１０３が設けられている。
【００４９】
集電層１１０３は銀を主成分とする導電部材でなる薄膜層である。膜厚は導電経路の抵抗成分を考慮した燃料電池セルユニット１１００の電流取出効率のもと適宜設計すればよいが、上述したように銀部材中で水蒸気が生じると多孔化して膨張し、燃料ガスの漏出経路を形成してしまうため、その影響を極力低減するためには薄い方が好ましい。集電層１１０３は少なくともキャップ１１０４と燃料電池セルを固定するガラス１１０５の厚みよりも薄い方が好ましく、具体的には１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。さらに、導電性及びガス封止性の観点から、１０μｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましい。
【００５０】
また集電層１１０３はピュアな銀からなる層でもよいが、他の元素を含有する部材であってもよく、例えばＡｇＰｄ膜であってもよい。また、集電層１１０３は、固体電解質層１１０２と相互拡散する元素を含有していてもよく、燃料極層１１０１と相互拡散する元素（例えばＮｉ）を含有していてもよい。このように他の膜と相互拡散する元素を含有することで、他の膜との接着強度を向上させることができる。
【００５１】
さらに集電層１１０３は単層からなる層でもよいが、それぞれが他の組成からなる積層構造でもよく、長軸方向において部分的に積層構造であってもよい。例えば、固体電解質層１１０２上に位置する集電層１１０３は銀を主成分とする単層であって、燃料極層１１０１との接続箇所（燃料極層接続領域１１０８）においては、燃料極層１１０１と相互拡散する元素を含有した銀を主成分とする他の層との積層構造であってもよく、当該箇所においては、燃料極層１１０１と相互拡散する元素を含有した銀を主成分とする他の層の単層構造であってもよい。
【００５２】
図１に示すように、集電層１１１２と集電層１１０３とは燃料電池セルの軸方向において所定距離Ｌ０だけ離隔されているため、電気的に絶縁分離されている。なお、図１においては燃料電池セルの上端部及び下端部ともに離隔される所定距離をＬ０としているが、集電部材の取り付け構造や導電経路の抵抗値調整等の設計上、上端部と下端部とのそれぞれで所定距離を異なるように設定してもよい。
【００５３】
本発明の実施形態にかかる燃料電池セルユニット１１００において、空気極層１１１１の外表面に接続する集電層１１１２、及び燃料極層１１０１の外表面に接続する集電層１１０３は、それぞれ隣り合う燃料電池セルユニット１１００と電気的に接続する集電構造を形成するためにそれぞれの集電部材と電気的に接続される。具体的には、空気極層１１１１の外表面に接続する集電層１１１２は、隣り合う一の燃料電池セルユニットの燃料極層の外表面に接続する集電層と集電部材を介して電気的に接続され、燃料極層１１０１の外表面に接続する集電層１１０３は、隣り合う他の燃料電池セルユニットの空気極層の外表面に接続する集電層と電気的に接続される。このような接続により複数の燃料電池セルユニット１１００の電気的な直列接続を実現することができる。ただし本発明の実施形態にかかる燃料電池セルユニット１１００の電気接続構造はこれに限らず、集電部材を用いて複数の燃料電池セルユニット１１００を並列に接続することもでき、また、直列接続と並列接続を組み合わせて任意の集電形態を構成することもできる。
【００５４】
このように、本発明の実施形態にかかる燃料電池セルユニット１１００では、空気極層１１１１が設けられた領域が、発電反応が行われ電力を生成する発電素子部として機能し、その両端部は内部に位置する燃料極層１１０１の電気的接続端子を最表面に設置するための燃料極層側の電流取出し部として機能する。このような構造とすることで、燃料極層１１０１と空気極層１１１１との電気接続端子を燃料電池セルの側面最表面に配置することができ、キャップ１１０４を介すことない燃料電池セルユニット１１００の側面における電流取出し構造を実現することができる。
【００５５】
燃料電池セルユニット１１００は、その両端部にキャップ１１０４が取り付けられている。キャップ１１０４は、円筒形状の燃料電池セルの端部を覆う筒状形状で、側面と天面又は底面とを有する中空構造で、天面又は底面と対向する他の面は開放面として開放されている。また、キャップ１１０４の側面又は底面には、燃料ガスを流通させるための流通口が設けられ、燃料電池セルの下端に設置されるキャップ１１０４においては燃料ガスの導入口として機能し、燃料電池セルの上端に設置されるキャップ１１０４においてはオフガスの排出口として機能する。
【００５６】
燃料電池セルユニット１１００において、水素を含有する燃料ガスは、燃料電池セルユニット１１００の下端に設けられたキャップ１１０４の流通口を介して内部流路１１１０に供給される。水素を含有する燃料ガスは内部流路１１１０を介して燃料極層１１０１に供給され、燃料電池セルユニット１１００の外部から空気極層１１１１に供給された酸化剤ガスとの発電反応に消費される一方で、発電反応に用いられずに残存した燃料ガス及び発電反応によって生成された水蒸気やＣＯ（一酸化炭素）等のオフガスは、内部流路１１１０を上昇し、燃料電池セルユニット１１００の上端に設けられたキャップ１１０４の流通口を介して燃料電池セルユニット１１００の上端より外部に排出される。
【００５７】
キャップ１１０４は、フェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスからなる本体の内周面及び外周面にクロム酸化物（本実施形態では、Ｃｒ２Ｏ３）がコーティングされ、さらに、外周面にはクロムの燃料電池セルユニット１１００の外部への蒸発を防止するために、ＭｎＣｏ２Ｏ４がコーティングされている。
【００５８】
特に図１に示すキャップ１１０４では、開放面と対向する端部側において外径が小さく、言い換えるとキャップ径が絞られるような絞り部（キャップ短径部）を有する形状に設計されている。このような形状とすることで、燃料電池セルユニット１１００の下端部に設置するキャップ１１０４としては、燃料電池セルユニット１１００を固定するための燃料ガスマニホールド（図示せず）との固定性、取り付け性を確保するとともに内部流路１１１０に供給される燃料ガスの供給流量の均等化を図ることができ、燃料電池セルユニット１１００の上端部に設置するキャップ１１０４としては、オフガスの排出流量の均等化を図ることで複数の燃料電池セルユニット１１００が配列されるその上部のオフガスを燃焼させる燃焼部における燃焼の安定化を図ることができる。
【００５９】
次に図２及び図３を用いて、本発明の実施形態における燃料電池セルユニット１１００の詳細な端部構造について説明する。
【００６０】
図２は、本発明の一実施態様における燃料電池セルユニット１１００の端部の構造を示す部分断面図である。なお、図２は燃料電池セルユニット１１００の下端部を示す図であるが、上端部の構造についても同様である。
【００６１】
燃料極層１１０１、固体電解質層１１０２、空気極層１１１１の積層体からなる燃料電池セルは、その下端部においてキャップ１１０４に被覆されている。燃料電池セルの下端部においては空気極層１１１１は設けられておらず、固体電解質層１１０２が露出している。また固体電解質層１１０２は燃料電池セルの端部から所定の距離の領域において設けられておらず、このため燃料極層１１０１が露出している。これら露出した燃料極層１１０１及び固体電解質層１１０２の外表面に集電層１１０３が被覆して設けられている。
【００６２】
なお、図２に示すように本実施形態においては、集電層１１０３は燃料極層１１０１及び固体電解質層１１０２の表面、すなわち燃料電池セルの側面に設けられている。しかしこれに限られず、集電層１１０３は燃料電池セルの底面にも延在し、燃料電池セルの底面で燃料極層１１０１と集電層１１０３とが接続していてもよい。この場合、燃料極層１１０１と集電層１１０３とを燃料電池セルの底面および側面で接続させると、接触面積増加に伴う導電性の向上とともに、密着性の向上に寄与する。一方で、燃料極層１１０１と集電層１１０３とを燃料電池セルの底面のみで接続させ、燃料電池セルの端部まで固体電解質層１１０２で被覆することにより、集電経路を確保しつつ内部流路から固定部１１０７への燃料ガスの移動経路を遠ざけ、固定部１１０７に位置する集電層１１０３の多孔化を抑制することができる。
【００６３】
ここで固体電解質層１１０２は電流をほとんど流さないセラミックの緻密体であるため、燃料極層１１０１は、固体電解質層１１０２が設けられずに露出した燃料電池セルの端部において直接集電層１１０３と接触する燃料極層接続領域１１０８において、集電層１１０３と電気的に接続する。集電層１１０３はこのように燃料極層接続領域１１０８において燃料極層１１０１と燃料電池セル近傍において電気的接続するとともに、燃料電池セルの軸方向中央側に向かって、キャップ１１０４の開放面１１０４ｅよりも外方に延在する。
【００６４】
また、燃料電池セルとキャップ１１０４とは、ガラス１１０５によって固定される。具体的には、ガラスはキャップ側壁１１０４ｃの内壁面と集電層１１０３の外表面とに接触するように配置されることで、両者を固定している。本明細書においては、当該固定領域を固定部１１０７とよぶ。なお、図２において固定部１１０７はキャップ側壁１１０４ｃの内壁面にのみ配置されているが、ガラス１１０５はキャップ１１０４の開放面１１０４ｅを超えて外部に延在してもよく、さらにキャップ１１０４の上部へまわるように配置してもよい。また、ガラスが配置される固定部１１０７は、燃料極層接続領域１１０８と燃料電池セルの軸方向において重ならないように設けられているが、重なるように配置することで燃料電池セルの軸方向におけるスペースを省略することができ、燃料電池セルユニット１１００の短尺化に寄与することができる。
【００６５】
また、キャップ開放面１１０４ｅおよびガラス１１０５に対して燃料電池セルの中央部へ軸方向に延在した集電層１１０３は、燃料電池セルユニット１１００の側面表面に電流取出領域１１０９を形成する。当該箇所に集電部材を物理的電気的に取り付けることによって、燃料極層１１０１からの電流取出し構造を形成することができる。すなわち、図３に示すように、発電反応によって生じた電子（ｅ−）は、燃料極層接続領域１１０８を介して集電層１１０３に移動し、電流取出領域１１０９を介して燃料電池セルユニット１１００の外部へ移動する。
【００６６】
一方、キャップ開放面１１０４ｅに挿入された燃料電池セルがガラス１１０５により接合固定されることで、キャップの内部空間１１０６が区画される。燃料電池セルユニット１１００の下端部においては、キャップ流通口１１０４ｄより供給された燃料ガスは内部流路１１１０に向かうが、同時にキャップ側壁１１０４ｃと燃料電池セルとの間の内部空間１１０６にも流れる。この内部空間１１０６を介して燃料ガスが燃料電池セルユニット１１００の外部に漏出した場合、燃料電池セルユニット１１００の外部下方から吹き上げる酸化剤ガスによって燃料ガスが上昇し、燃料ガス中の水素が集電層１１１２を透過して空気極層１１１１を還元劣化させてしまう。このため、ガラス１１０５によって燃料電池セルユニット１１００の外部と内部空間１１０６とをガラス１１０５で完全に遮断することが重要である。
【００６７】
しかし、ガラス等の緻密体でキャップと燃料電池セルとの間を気密封止したとしても、燃料電池セルの外部の酸素は微量であるがこの緻密体を透過してキャップで区画される内部空間１１０６に侵入してしまうおそれがある。従来は燃料極層からの集電として、金属製のキャップを介した集電経路を構成した。この燃料極層とキャップとを接続するために、銀ロウや銀ペースト等の銀部材をキャップの内部空間に埋め込んでいたが、多量の銀部材中で透過した酸素と水素とが反応することで生じる水蒸気が銀部材を多孔化し、銀部材の膨張により燃料ガスの漏出経路を形成してしまっていた。
【００６８】
しかし、本発明の実施形態にかかる燃料電池セルユニット１１００においては、従来の銀部材に代わりあらたに用いる導電接続のための銀部材は、薄膜として形成可能な集電層１１０３であるため、外部から酸素が透過した場合であってもその透過量は少なく、また生成された水蒸気により多孔化が進んだ場合であっても薄膜のため膨張量は僅かであるから、燃料ガスが燃料電池セルユニット１１００の外部に漏出することを抑制することが可能である。
【００６９】
このように、本発明の実施形態にかかる燃料電池セルユニット１１００は、従来のキャップを集電経路とする集電構造に代えて、銀を主成分とした集電膜を用いることで、銀を用いた集電構造を維持するとともに、銀を用いることによる弊害であって燃料ガス漏出経路の生成リスクを抑制して、燃料ガスの気密封止性もあわせて高めることを可能としたものである。さらに高価な銀の使用量を低く抑えることができるため、商品コスト面においても低く抑えることができ有利である。
【００７０】
（第２の実施形態）
次に、上述した第１の実施形態とは異なる第２の実施形態について、図４を用いて説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態に対して固体電解質層１１０２と集電層１１０３との間に中間層１１１３を有する点においてのみ相違し、その他の構成については共通するため、共通部分については説明を省略する。
【００７１】
上述した第１の実施形態においては、集電層１１０３は固体電解質層１１０２の外表面上に設けられていた。しかし、ＬＳＧＭ等の緻密なセラミックスと銀を含有する導電層との物理的な接着強度は必ずしも強固ではない。そこで、本実施形態においては、固体電解質層１１０２と集電層１１０３との間に中間層１１１３として、これらの接着強度を向上させるための密着層（剥離防止層）を形成している。
【００７２】
固体電解質層１１０２と集電層１１０３との剥離を防止する中間層１１１３としては、例えばガラス等の絶縁部材を用いることができる。
【００７３】
中間層１１１３は、図４に示すように、例えばその下端位置を固体電解質層１１０２の下端よりも上方とし、その上端位置を集電層１１０３の上端よりも上方とすることができる。
【００７４】
特に、中間層１１１３の上端位置を集電層１１０３の上端よりも上方に延在させる（燃料電池セルの軸方向において集電層１１０３の電流取出領域１１０９よりも突出して集電層１１０３に対して露出している）ことで、燃料極層１１０１と電気的に接続される集電層１１０３と空気極層１１１１と電気的に接続される集電層１１１２との間が、集電層に含まれる銀のマイグレーションにより生じる銀の樹枝状晶（デンドライト）によって電気的に短絡することを抑制することができる。
【００７５】
（第３の実施形態）
上記の第２の実施形態において、集電層間のマイグレーション対策として中間層１１１３が効果を奏することを述べたが、本実施の形態では、第２の実施形態と異なる構成により、集電層間で生じるマイグレーションを抑制する構成について、図９を用いて説明する。
【００７６】
図９は、第１の実施形態で示した燃料電池セルユニット１１００において、さらにガラス１１１４を設けた燃料電池セルユニット１１００であって、その他の点については共通する。
【００７７】
図９においては、燃料極層１１０１上の集電層１１０３のキャップ１１０４から外方に向かって延在する端部を覆って、燃料電池セルユニット１１００の側面全周にわたって環状にガラス１１１４を設けている。これにより、燃料極層１１０１と電気的に接続する集電層１１０３と、空気極層１１１１と電気的に接続する集電層１１１２との間に電位差が生じる状況下にあっても、ガラス１１１４が銀の移動を阻害するため、マイグレーションによる集電層間の短絡を阻止することが可能となる。
【００７８】
なお、図９ではガラス１１１４によって集電層１１０３の端部を覆う構造を示したが、ガラス１１１４で集電層１１１２の端部を覆うことによっても同等の効果を得ることができる。このように、ガラス１１１１４による集電層端部の被覆構造を行うことで、集電層間のマイグレーションによる短絡を抑止することが可能となるため、集電層間の距離を短くすることができ、ひいては燃料電池セルユニット１１００の短尺化に有益である。
【実施例１】
【００７９】
つぎに、添付図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池セルユニットを備えた固体酸化物形燃料電池装置を説明する。
【００８０】
図５は、本発明の実施形態による燃料電池セルユニットを内蔵した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５に示すように、固体酸化物形燃料電池装置１（ＳＯＦＣ）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。
【００８１】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して金属製のモジュールケース８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュールケース８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セルスタック１４が配置されている。本実施形態においては、燃料電池セルスタック１４は、複数の燃料電池セル１６の全てが直列接続されている。
【００８２】
燃料電池モジュール２のモジュールケース８の発電室１０の上方には、燃焼部としての燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。さらに、モジュールケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器１２０が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器１２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。
【００８３】
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。
【００８４】
つぎに、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器１２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００８５】
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。
【００８６】
つぎに、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００８７】
つぎに、図６〜図８を参照して、本実施形態による燃料電池セルスタックを内蔵した燃料電池モジュールの構造について説明する。図６は、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７は、図６のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、図８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。
【００８８】
図６及び図７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スタック１４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。
【００８９】
まず、モジュールケース８は、図８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６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７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。
【００９０】
モジュールケース８は、空気通路カバー１６０によって天板８ａ及び側板８ｂが覆われている。空気通路カバー１６０は、天板１６０ａと、対向する一対の側板１６０ｂとを有する。天板１６０ａの略中央部分には、排気管１７１を貫通させるための開口部１６７が設けられている。天板１６０ａと天板８ａとの間、及び、側板１６０ｂと側板８ｂとの間は、所定の距離だけ離間した状態となっている。これにより、モジュールケース８の外側と断熱材７との間、具体的にはモジュールケース８の天板８ａ及び側板８ｂと、空気通路カバー１６０の天板１６０ａ及び側板１６０ｂとの間には、酸化剤ガス供給通路としての空気通路１６１ａ，１６１ｂが形成されている（図７参照）。
【００９１】
モジュールケース８の側板８ｂの下部には、複数の貫通孔である吹出口８ｆが設けられている（図８参照）。発電用空気は、空気通路カバー１６０の天板１６０ａのうち、モジュールケース８の閉鎖側板８ｅ側の略中央部に設けられた発電用空気導入管７４から流路方向調整部１６４を介して空気通路１６１ａ内に供給される（図６、図８参照）。そして、発電用空気は、空気通路１６１ａ，１６１ｂを通って、吹出口８ｆから燃料電池セルスタック１４に向けて発電室１０内に噴射される（図７、図８参照）。
【００９２】
また、空気通路１６１ａ，１６１ｂの内部には、熱交換促進部材としてのプレートフィン１６２，１６３が設けられている（図７参照）。プレートフィン１６２は、モジュールケース８の天板８ａと空気通路カバー１６０の天板１６０ａの間で長手方向及び幅方向に延びるように水平方向に設けられ、プレートフィン１６３は、モジュールケース８の側板８ｂと空気通路カバー１６０の側板１６０ｂとの間であって、且つ、燃料電池セル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。
【００９３】
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。
【００９４】
つぎに、蒸発器１４０は、モジュールケース８の天板８ａ上で水平方向に延びるように固定されている。また、蒸発器１４０とモジュールケース８との間には、これらの隙間を埋めるように断熱材７の一部分７ａが配置されている（図６及び図７参照）。
【００９５】
具体的には、蒸発器１４０は、長手方向（図６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７参照）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。
【００９６】
また、蒸発器１４０は、図６及び図７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。
【００９７】
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。
【００９８】
図６及び図７に示すように、蒸発部１４０Ｂ及び混合部１４０Ｃは、複数の連通孔（スリット）１４５ａが形成された仕切り板１４５により蒸発器１４０を仕切った空間にて形成されている。また、蒸発部１４０Ｂ内には、アルミナボール（図示せず）が充填されている。また、排気通路部１４０Ａは、同様に複数の連通孔を有する２つの仕切り板１４６，１４７により排気ガスの上流側から下流側にかけて３つの空間に仕切られている。そして、２番目の空間に燃焼触媒（図示せず）が充填されている。すなわち、本実施形態において蒸発器１４０は、上下方向の二層構造のうちの下層構造に燃焼触媒器を含んでいる。
【００９９】
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。
【０１００】
さらに、図６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。
【０１０１】
つぎに、改質器１２０は、燃焼室１８の上方でモジュールケース８の長手方向に沿って水平方向に延びるように配置され、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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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６参照）。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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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、燃料電池セルスタック１４の下方に形成されたマニホールド６６内へ入り、更にマニホールド６６内で逆側の閉鎖側板８ｅ付近まで水平方向に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。このマニホールド６６の上方には、燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セル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、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いる。
【実施例２】
【０１０６】
図１０は、本実施例による燃料電池セルスタックの一部を示す側面断面図である。
【０１０７】
図１０に示すように燃料電池セルスタックは、配列された複数の燃料電池セルユニット１１００を備えている。各燃料電池セルユニット１１００は、下端側が金属製の長方形の下支持板により支持されている。この下支持板は、マニホールド６６の天井面を構成し、各燃料電池セルユニット１１００の内部流路１１１０に燃料ガスを流入させるための貫通穴が形成されている。また、各各燃料電池セルユニット１１００の下端側のキャップ１１０４と下支持板の間には、概ね円筒形のセラミック製のスペーサ（図示せず）が配置されており、キャップ１１０４と下支持板の間を離間させることで絶縁性を確保している。
【０１０８】
さらに、各燃料電池セルユニット１１００には、１つの燃料電池セルユニット１１００を隣接する燃料電池セルユニット１１００と電気的に接続する集電部材１０２が取り付けられている。この集電部材１０２は、燃料極層と電気的に接続された集電層１１０３と、隣接する燃料電池セルユニット１１００の空気極層と接続する集電層１１１２とを電気的に接続するように配置されている。また、各集電部材１０２は、各燃料電池セルユニット１１００の上端部及び下端部に取り付けられているため、１つの燃料電池セルユニット１１００と隣接する燃料電池セルユニット１１００は、２つの集電部材１０２により電気的に接続されることになる（これら２つの集電部材１０２は並列）。このように、各集電部材１０２により、燃料電池セルスタックを構成する全ての燃料電池セルユニット１１００は、電気的に直列に接続される。このような本発明にかかる燃料電池セルユニット１１００を用いた電気的接続によって、従来のキャップを介すことなく集電部材のみによって燃料電池セルユニットを電気的に接続することが可能となるため、キャップを介することによる接続抵抗成分を取り除くことができ、取り出し効率を向上させることができる。
【０１０９】
なお、本実施例においては燃料電池セルユニット１１００の相互接続のために上端部及び下端部の双方に集電部材１０２を取り付けたが、この構成に限らず、例えば上端にのみ取り付ける構造や下端部のみに取り付ける構造、あるいは燃料電池セルユニット１１００の中央部に取り付ける構造等、燃料電池セルユニット１１００の発電性能、電流取出し性能、または耐久性等の事情に鑑み適宜設計することができる。
【符号の説明】
【０１１０】
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
１４    燃料電池セルスタック
１６    燃料電池セル
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
３９    バルブ
４０    空気供給源
４４    改質用空気流量調整ユニット
４５    発電用空気流量調整
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
６５    水添脱硫器用水素取出管
８２    排気ガス排出管
１０２    集電部材
１１１    排気口
１１２    混合ガス供給管
１２０    改質器
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
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
１４６    仕切り板
１６０    空気通路カバー
１６０ａ  天板
１６０ｂ  側板
１６１ａ  空気通路
１６１ｂ  空気通路
１６２    プレートフィン
１６３    プレートフィン
１６７    開口部
１７１    排気管
１１００    燃料電池セルユニット
１１０１    燃料極層
１１０２    固体電解質層
１１０３    集電層
１１０４    キャップ
１１０４ａ  キャップ短径部
１１０４ｂ  キャップ底面
１１０４ｃ  キャップ側壁
１１０４ｄ  燃料ガス流通口
１１０４ｅ  キャップ開放面
１１０５    ガラス
１１０６    内部空間
１１０７    固定部
１１０８    燃料極層接続領域
１１０９    電流取出領域
１１１０    内部流路
１１１１    空気極層
１１１２    集電層
１１１３    中間層
１１１４    ガラス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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