(57)【要約】      （修正有）【課題】円筒形状型の燃料電池セルの一端部を覆った有底筒状形状のキャップを持ち、当該キャップから蒸発するＣｒの量を極めて低く抑制するとともに、燃料電池セルの集電構造を確保した、耐久性の高い燃料電池セルユニットを提供する。【解決手段】円筒形状の燃料電池セルとその一端部を覆った有底筒状形状のキャップ１１０４とを備えた燃料電池セルユニット１１００において、キャップ１１０４は表面に絶縁被膜１１０４ｇが形成されるアルミニウムを含有するステンレスからなり、燃料電池セルの軸方向において、キャップ１１０４に覆われた燃料電池セルの一端部と発電素子部との間には、燃料電池セルの側面全周にわたって燃料極層１１０１と電気的に接続が可能な燃料極集電領域１１０９が設けられている。【選択図】図２
2018129246.tif 000002
【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円筒形状の燃料電池セルと、
少なくとも前記燃料電池セルの一端部を覆った有底筒状形状のキャップと、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が積層された発電素子部を有し、
前記キャップは、表面に絶縁被膜が形成されるアルミニウムを含有するステンレスからなり、
前記燃料電池セルの軸方向において、前記キャップに覆われた前記燃料電池セルの一端部と前記発電素子部との間には、前記燃料電池セルの側面全周にわたって前記燃料極層と電気的に接続が可能な燃料極集電領域が設けられていることを特徴とする燃料電池セルユニット。
【請求項２】
前記絶縁被膜は、前記キャップの全表面に形成されている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】
前記絶縁被膜の膜厚は、０．１μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セルユニット。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の前記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、前記燃料極集電領域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】
燃料電池セルとして円筒形状の燃料電池セルを用いる場合、従来その集電のために、燃料電池セルの先端部に設けた金属製のキャップを介して電流を取り出すことが行われている。特許文献１には、円筒形状の燃料電池セルの両端部の燃料極層を露出した部分にそれぞれカップ状（有底筒状）の集電キャップ（導電性キャップ）を取り付け、集電キャップと隣り合う燃料電池セルの空気極層とを電気的に接続することで、複数の燃料電池セルを直列に接続することが開示されている。
【０００４】
発明者は、従来この集電キャップ（以下、本明細書においては単に「キャップ」という。）の材料として、Ｃｒ（クロム）を含有する耐高温酸化用のフェライト系ステンレス（少なくともＦｅおよびＣｒを主成分として含有する合金。ＳＵＳともいう。）を用いてきた。しかしキャップ基材にＣｒを含有するステンレスを用いる場合、その表面にクロミア（Ｃｒ２Ｏ３）層が形成され、このクロミア層からＣｒが蒸発してＬＳＣＦ（Ｌａ−Ｓｒ−Ｃｏ−Ｆｅ系ペロブスカイト型複合酸化物）等の酸化物材料でなる空気極層の表面に付着することで空気極の触媒性能の劣化を招く、いわゆる空気極のＣｒ被毒の問題が生じてしまう。
【０００５】
そこで、Ｃｒ被毒の対策として、キャップの表面にＭｎＣｏ酸化物の被膜を形成することで、Ｃｒの蒸発による空気極への拡散量を抑制していた。特許文献２には、ＳＵＳ材料でなるインターコネクタの表面にＭｎＣｏ２Ｏ４をコーティングすることで、空気極のＣｒ被毒の抑制を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２０１３／０４７６６７号公報
【特許文献２】特開２０１１−９９１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ＭｎＣｏ酸化物を緻密に形成することは難しく、ＭｎＣｏ酸化物の被膜が設けられた場合であっても、被膜を十分緻密に形成することができないとＣｒ蒸発の完全な抑制は困難である。このため、ＭｎＣｏ酸化物の緻密化、あるいはこれに代替されるＣｒ蒸発の十分な抑制のための手段が求められていた。
【０００８】
そこで本発明は、円筒形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、燃料電池セルの少なくとも一端部を覆った有底筒状形状のキャップを用いつつも、当該キャップから蒸発するＣｒの量を極めて低く抑制するとともに、燃料電池セルの集電構造を確保した、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】
【０００９】
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円筒形状の燃料電池セルと、少なくとも燃料電池セルの一端部を覆った有底筒状形状のキャップと、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が積層された発電素子部を有し、キャップは、表面に絶縁被膜が形成されるアルミニウムを含有するステンレスからなり、燃料電池セルの軸方向において、キャップに覆われた燃料電池セルの一端部と発電素子部との間には、燃料電池セルの側面全周にわたって燃料極層と電気的に接続が可能な燃料極集電領域が設けられているものである。
【００１０】
セラミック部材で積層される固体酸化物形の燃料電池セルにおいて、円筒形状に構成される燃料電池セルは、中心軸に直交する断面が円形であることから、燃料電池セルの内外に原料ガスを供給することで、側面全体で均質な発電反応が可能となることに加え、膨張収縮が等方的に生じるため耐久性の点でも他の形状に比較して優位である。
【００１１】
その一方で、円筒形状の燃料電池セルは側面が全て曲率を有する面であるとともに、側面全体での均質な発電反応を最大に活用するために、集電構造に工夫が必要であった。そこで従来、円筒形状の燃料電池セルから集電するために、セル先端部に設けた金属製のキャップを介して電流を取り出す方式が用いられてきた。そして７００℃程度の高温下で使用するためにキャップの材質としてステンレスが選択されてきたが、含有するＣｒがキャップ表面にクロミア（Ｃｒ２Ｏ３）層を形成し、そこからＣｒが蒸発して空気極と反応すること（Ｃｒ被毒）で、セル性能の劣化を招くことも知られていた。そこでＣｒ被毒の対策として、キャップの表面をＭｎＣｏ酸化物でコートし、Ｃｒの蒸発量を抑制していたが、コーティングしたＭｎＣｏ酸化物は緻密化が難しく、Ｃｒ蒸発の抑制には限界があった。
【００１２】
一方で円筒形状の燃料電池セルを用いた燃料電池セルスタックにおいて、キャップは燃料電池セルの下端をマニホールドに固定する機能を有するとともに、上端の燃焼部で燃焼させるオフガス排出量を調整する機能を有するものであるため、キャップを排除した構成とすることは構成上難しい。
【００１３】
さらにＭｎＣｏ酸化物により被覆されたキャップを介して燃料極の集電を行う従来の集電構造においては、発電素子部の面積を十分に確保するために、空気極層の表面がＣｒの蒸発源であるキャップと近接していたため、構造上空気極層がＣｒ被毒を受けやすいものとなっていた。
【００１４】
そこで発明者はまず、従来のキャップ基材にＣｒを含有するステンレスとして、アルミニウム（Ａｌ）を含有するステンレスを使用することに想到した。後述するが、Ａｌを含有するステンレスは表面にＡｌを含む不動態被膜（Ａｌ２Ｏ３）を形成するため、キャップ基材からのＣｒの蒸発量を極めて低く抑えることができることが実験的に確認された。一方で、Ａｌを含む不動態被膜は電気的に絶縁性が高いため、キャップ基材にＡｌを含有するステンレスを用いた場合、従来の導電性のキャップを介した燃料電池セルの集電構造の形成が困難となってしまう。
【００１５】
そこで発明者は、キャップにＣｒ蒸発を極めて低く抑えることができる不動態被膜を有するアルミニウムを含有したステンレスを用いるとともに、燃料極層上にあらたに集電層を設けることで、燃料ガスが燃料電池セルの外部へ漏出することを抑止しつつ、キャップ表面の絶縁化に対してキャップを介さない本発明にかかる集電構造に至った。
【００１６】
本発明の態様により、キャップから生じるＣｒ蒸発に起因した空気極層のＣｒ被毒の問題を解消すると同時に、絶縁化したキャップを介すことのなく燃料極層から電流を取り出すことが可能となった。さらに、本発明にかかる集電構造においては、発電素子部として露出する空気極層とキャップとの間に燃料極集電領域が設けられているため、キャップと空気極層とが離間する構造である。このため、仮に微量のＣｒがアルミニウムを含有したステンレスを透過した場合であっても、空気極層への到達を妨げることができる。
【００１７】
このように、本発明の態様により、集電経路を確保した上で徹底的にＣｒ被毒の影響を排除することで、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。
【００１８】
ここで、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。
【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、前記絶縁被膜は、前記キャップの全表面に形成されていることが好ましい。
【００２１】
本態様によれば、キャップの表面全体に絶縁被膜が形成されているため、Ｃｒ蒸発の抑制効果がキャップ表面全体において確保することができる。このため、キャップ表面に形成される絶縁被膜は、製造工程において自然発生により形成されるＡｌを含む不動態被膜に加え、あるいはこれを除去した上で、酸素雰囲気での加熱工程によって目的の膜厚の絶縁被膜を形成することが好ましい。
【００２２】
ここで、本明細書において「キャップの全表面」とは、有底筒状形状のキャップの外側表面及び内側表面を含む全ての表面を意味するものである。
【００２３】
また本発明の一態様においては、前記絶縁被膜の膜厚は、０．１μｍ以上であることが好ましい。
【００２４】
一般に空気中で自然形成される不動態被膜の膜厚が数ｎｍ〜数十ｎｍと極めて薄いものであるのに対し、本態様によれば、所定の膜厚の絶縁被膜でキャップが覆われていることで、キャップ材中から蒸発するＣｒの量を極めて低く抑制することができる。
【００２５】
また本発明にかかる燃料電池セルスタックの一態様は、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、前記燃料極集電領域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で燃料電池セルスタックが構成されるものである。
【００２６】
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起因する接続抵抗成分を取り除くことができ、電流の取り出し効率を向上させることができる。また、キャップどうしの接触による燃料電池セル間の短絡が無くなるため、燃料電池セルスタックにおいて、隣り合う燃料電池セルユニットの間隔を狭めて高集積化を図ることができる。
【００２７】
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。また空気極層と燃料極集電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。
【００２８】
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】
【００２９】
円筒形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、Ａｌを含有するステンレスを基材としたキャップを用いることでＣｒの蒸発を極めて低く抑制するとともに、燃料電池セルからの集電構造を確保して、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】
【００３０】
【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。
【図１１】本発明の一実施形態におけるキャップからのＣｒの蒸発量を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態におけるキャップを用いた場合のセルの経時劣化特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態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。なお、キャップ１１０４は燃料電池セルユニット１１００の一端側にのみ設けられる構成としてもよい。
【００３３】
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、水平断面における外郭が円形となる円筒形状である。この円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、内部流路１１１０は単数に限らず、複数であってもよい。
【００３４】
燃料電池セルは、少なくとも燃料極層１１０１と、燃料極層１１０１の外側に設けられた固体電解質層１１０２と、固体電解質層１１０２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。
【００３５】
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される。本実施形態では、燃料極層１１０１は、Ｎｉ／ＹＳＺからなる。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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される。
【００３９】
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される。
【００４０】
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）。
【００４１】
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の形成領域は、その内側に燃料極層１１０１と固体電解質層１１０２とが積層された発電素子部１１１５として機能する。また、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。
【００４２】
集電層１１０３は銀を主成分とする導電部材でなる薄膜層とすることが好ましい。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、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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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１１１５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集電領域１１０９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。
【００４８】
ここで、燃料極集電領域１１０９は、燃料電池セルユニット１１００の軸方向の長さを１ｍｍ以上に設定するのがよく、好ましくは２ｍｍ以上である。十分な長さを設けることで、電気接続端子の配置のマージンを確保することができる。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
ここで、本発明においてキャップ１１０４の材料には、表面に絶縁被膜が形成されるアルミニウムを含有するステンレスが用いられている。当該構成により、Ｃｒの燃料電池セルユニット１１００の外部への蒸発を抑制して、空気極層のＣｒ被毒を防止することができる。また、上述した燃料極集電領域１１０９の配置により、キャップ１１０４と空気極層１１１１とが離隔されるため、キャップ中のＣｒにより空気極層１１１１が被毒することをさらに抑制することができる。
【００５２】
また、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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の側面表面に燃料極集電領域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、燃料極集電領域１１０９を介して燃料電池セルユニット１１００の外部へ移動する。
【００５９】
ここでキャップ１１０４は、キャップの構成素材からなるキャップ基材１１０４ｆと、キャップ材１０４ｆの表面を覆って形成された絶縁被膜１１０４ｇとからなる。
【００６０】
キャップ基材１０４ｆは、アルミニウムを含有するステンレス（ＳＵＳ）で構成される。ステンレスは一般に鉄（Ｆｅ）及び（Ｃｒ）を主成分として含有するものであるから、キャップ基材自体は空気極のＣｒ被毒を引き起こす要因となる。本発明においては、これにアルミニウムが含有されたものを用いる。例えば１１．５〜１４．５％のＣｒと０．１〜０．３％のＡｌを含有したフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４０５）を用いることができる。市販のアルミニウムを含有するステンレスを用いることができ、例えば日新製鋼社製のフェライト系ステンレスであるＮＣＡ−１（１８Ｃｒ−３Ａｌ−Ｔｉ）、新日鉄住金製のフェライト系ステンレスであるＮＳＳＣ−２１Ｍ（１８Ｃｒ−２Ａｌ−０．５Ｓｉ−Ｔｉ）などが挙げられる。
【００６１】
また、キャップ基材１０４ｆの表面には、外壁面及び内壁面を含む全表面にわたって、絶縁被膜１１０４ｇが設けられている。絶縁被膜１１０４ｇは、キャップ基材１０４ｆ中のアルミニウムがキャップ基材１０４ｆの表面における酸化反応によって形成される緻密な不動態被膜（Ａｌ２Ｏ３からなる酸化被膜）である。空気自然酸化や陽極酸化処理等によって形成され、約０．１μｍ以上の膜厚で、キャップ基材１０４ｆからのＣｒの蒸発を大きく抑制することができる。
【００６２】
ここで、アルミニウムを含有するステンレスにおける高温下でのＣｒの蒸発量についての評価結果を、図１１を用いて説明する。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）はいずれもアルミニウムを含有するステンレスからのＣｒの蒸発量を示すもので、横軸に評価時間、縦軸にＣｒの蒸発量を示している。Ｃｒの蒸発量の評価方法は、アルミナの筒で囲まれた小型のマッフル炉内にアルミニウムを含有するステンレスの試料を設置し、マッフル炉の天板として設置したマグネシア吸着板の表面を蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）により測定したものである。また、測定環境を検出するために、あわせて試料を設置しない場合についても測定を行った。
【００６３】
図１１（Ａ）はマッフル炉内の温度を６００℃に設定した場合、図１１（Ｂ）は７００℃に設置した場合で、いずれも固体酸化物形燃料電池の発電運転温度に近いものとした。また、図中において黒丸はアルミニウムを含有するステンレスから生じたＣｒ蒸発量を示すものであり、白丸は試料を設置せずに測定環境を把握するために測定したときのＣｒ蒸発量を示すものである。
【００６４】
図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）のいずれも、アルミニウムを含有するステンレスの試料を設置した場合の結果と設置しない測定環境を示す結果とがほぼ一致しているため、高温下においてもアルミニウムを含有するステンレスから蒸発するＣｒ量は極めて低いものであるということが分かった。
【００６５】
また、アルミニウムを含有するステンレスをキャップに用いたことによる燃料電池セルユニットの耐久性の評価結果について、図１２を用いて説明する。
【００６６】
図１２は、アルミニウムを含有するステンレスをキャップに用いた燃料電池セルユニットと、比較のためにアルミニウムを含有しない従来のステンレスキャップを用いた燃料電池セルユニットとのそれぞれについて、発電運転する状態をつくった上で、周波数応答アナライザにより交流インピーダンス測定を経過時間（運転時間）ごとに行い、電極反応過電圧を求めた結果を示すものである。横軸に運転時間（単位：時間）、縦軸に活性化過電圧変化量（単位：Ｖ）を示している。
【００６７】
アルミニウムを含有しない従来のステンレスキャップを用いた燃料電池セルユニットの場合、運転開始直後から活性化過電圧変化量は増加し、運転時間が経過するに伴い活性化過電圧変化量が増大する。これは運転時間が経過するとともにステンレスキャップからＣ飛散するＣｒ量が増大し、空気極層の被毒影響が増加しているためと考えられる。
【００６８】
一方、アルミニウムを含有するステンレスをキャップに用いた燃料電池セルユニットでは、活性化過電圧変化量は運転時間に依存しない結果となった。すなわち、アルミニウムを含有するステンレスをキャップに形成した不動態被膜によって、Ｃｒの飛散が抑制されていることが確認できた。
【００６９】
このように従来のキャップに対してアルミニウムを含有するステンレスを基材として用いたキャップを燃料電池セルユニットに用いることで、Ｃｒ蒸発量を飛躍的に抑制することができ、これにより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。
【００７０】
この絶縁被膜１１０４ｇによりキャップ１１０４表面は絶縁化するため、従来のようにキャップを介した集電構造を形成することは極めて困難である。しかし、キャップ１１０４を介さずに燃料電池セルの端部に設けた燃料極集電領域１１０９から直接外部へ電流を取り出す集電構造を形成することで集電構造を維持することを可能とし、さらに燃料極集電領域１１０９の配置によってキャップ１１０４と空気極層１１１１とを物理的に離隔させて、蒸発するＣｒの空気極層１１１１への付着を抑制する構成により、空気極層のＣｒ被毒を徹底的に抑制して、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る。
【００７１】
また、従来の集電構造はキャップと集電部材とを物理的に接続する必要があったため、接続領域を確保するためにキャップが軸方向に所定の長さ分だけ必要であったが、本発明においてはキャップと集電部材とが接続しないため、キャップの筒状部分を燃料ガスの気密封止構造に必要な最低の長さに抑えることができる。このため、キャップの部材コストを抑えることができる。
【００７２】
（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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
（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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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】
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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）。
【００９３】
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）。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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）。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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】
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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起因する接続抵抗成分を取り除くことができ、電流の取り出し効率を向上させることができる。また、キャップどうしの接触による燃料電池セル間の短絡が無くなるため、燃料電池セルスタックにおいて、隣り合う燃料電池セルユニットの間隔を狭めて高集積化を図ることができる。
【０１１１】
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】
【０１１２】
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
１１０４ｆ  キャップ基材
１１０４ｇ  絶縁被膜
１１０５    ガラス
１１０６    内部空間
１１０７    固定部
１１０８    燃料極層接続領域
１１０９    燃料極集電領域
１１１０    内部流路
１１１１    空気極層
１１１２    集電層
１１１３    中間層
１１１４    ガラス
１１１５    発電素子部
【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】
2018129246.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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