(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、筒状に形成された固体酸化物形燃料電池筒状セルの内側に供給されるガスの偏流を抑制し、発電性能を高く維持する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池スタック３０は、内側電極層３３ａ、電解質層３３ｂ、および外側電極層３３ｃを備え、燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電を行う複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が電気的に接続されている。内側電極層３３ａは、筒状に形成された内筒部３３ａ１と、筒状に形成されかつ内筒部３３ａ１の外周に同軸に設けられた外筒部３３ａ２と、内筒部３３ａ１の内側に形成されかつ第一ガスが流通可能である第一流路３３ａ４と、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２との間に形成されかつ第一ガスが流通可能である第二流路３３ａ５と、を備えている。【選択図】図４
2018078050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向を軸線方向とする筒状に形成されるとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの一方のガスである第一ガスが一端側から他端側に向けて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である第二ガスの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形成された電解質層と、を備え、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスによって発電を行う複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルが電気的に接続されている固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記内側電極層は、
筒状に形成された内筒部と、
筒状に形成されかつ前記内筒部の外周に同軸に設けられた外筒部と、
前記内筒部の内側に形成されかつ前記第一ガスが流通可能である第一流路と、
前記内筒部と前記外筒部との間に形成されかつ前記第一ガスが流通可能である第二流路と、を備えた固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記内側電極層は、前記第一流路に設けられかつ前記第一ガスの流通を遮断する遮断部をさらに備えている請求項１記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの各々は、前記一端側の端部を覆うように設けられ、前記第一流路および前記第二流路に前記第一ガスを導入する導入側キャップ、および、前記他端側の端部を覆うように設けられ、前記第一流路および前記第二流路から排出され発電に使用されなかった前記第一ガスである第一オフガスを導出する導出側キャップのうちの少なくとも一方であるセル端部キャップを備え、
前記セル端部キャップは、有底筒状に形成されており、
かつ、前記端部の外壁面を覆う筒部と、
前記端部の端面を覆う底部と、
前記固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記軸線方向の前記端部のうち前記外側電極層および／または前記電解質層が当接して、前記固体酸化物形燃料電池筒状セルが前記軸線方向に位置決めされる位置決め部と、
前記セル端部キャップの内壁面と前記端部のうち前記内側電極層との間に形成され前記第一流路および前記第二流路と連通する第三流路と、を備えている請求項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。
【請求項４】
前記内側電極層は、前記内筒部と前記外筒部との間に設けられ、前記内筒部と前記外筒部とを前記軸線方向に渡って接続する接続部をさらに備えている請求項１〜請求項３の何れか一項記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
前記内側電極層は、前記内筒部、前記接続部、および前記外筒部が一体的に接続された一体構造体である請求項４記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項６】
前記内筒部、前記接続部、および前記外筒部は、熱膨張係数が同一である部材である請求項４記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項７】
前記内筒部および前記接続部は、電子伝導性を有する請求項４〜請求項６の何れか一項記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項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。
【請求項９】
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８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貯水する水タンクと、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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１に示すように、固体電解質１０４で形成された閉空間の内部に設けられた内側電極１０３と、固体電解質１０４の外面に設けられた外側電極１０５と、内側電極１０３の内側に設けられたガス流路１０２と、内側電極１０３と電気的に接続されたインターコネクタ１０１を有するセルを備えている。このように構成された固体酸化物形燃料電池は、内側電極１０３を挟んでインターコネクタ１０１と対向する位置に流量制御部１０６を設け、流量制御部１０６のガス透過率をガス流路１０２のガス透過率よりも小さくするようになっている。
具体的には、ガス流路１０２はガス拡散性の向上を改善するために多孔質材を用いてもよい旨の開示がある。ガス流路１０２に多孔質材を用いた場合、ガス流路１０２を構成する多孔質材の気孔率は９０％以上が望ましく、多孔質部材１０６の気孔率は５０％未満が望ましい旨の開示がある。これにより、気孔率に相対的な格差を設けることでガスの流れ易さを変えて、インターコネクタ１０１と接続された領域のアノード電極１０３近傍のガス流路領域におけるガスの流れを抑制する旨の開示がある。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池スタックの他の一形式として、特許文献２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２の図１および図２に示すように、円筒袋状の円筒セル１０と、円筒セル１０内の挿入されている空気導入管２０と、を備えている。円筒セル１０は、電解質１１の外側に燃料極１２を有し、内側に空気（酸化剤）極１３を有している。空気供給室５から空気は、空気導入管２０内を通って、円筒セル１０内すなわち円筒セル１０と空気導入管２０との間を通って排出されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０１２４２３号公報
【特許文献２】特開２００９−０８７６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に係る固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、ガス流路内を多孔質材で充填することで流速上昇が可能となるものの、起動停止によるヒートサイクルや即時シャットダウンによる酸化還元などに対して多孔質材の強度不足によって多孔質材の一部が破損する恐れがある。その結果、ガスの偏流（や供給圧力の上昇）が引き起こされ、発電性能が低下するという問題があった。
【０００６】
また、上述した特許文献２に係る固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、空気導入管２０により供給された空気は、円筒セル１０と空気導入管２０との隙間を流れる構造となっており、空気導入管２０の外径を大きくして円筒セル１０との前記隙間を小さくすることで流速を上げることができる。しかし、起動停止や発電出力変更時に生じる温度変化で円筒セルや空気導入管が変形した場合、前記隙間が不均一となるために空気が偏流して発電性能は低下する恐れがある。さらに変形が進んで両者が接触してしまうと、セルにクラックが生じて故障する恐れもある。一方、このすきまを維持するためには構造が複雑になるため、コストＵＰや部品点数増加による信頼性低下につながる。
【０００７】
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、固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、筒状に形成された固体酸化物形燃料電池筒状セルの内側に供給されるガスの偏流を抑制し、発電性能を高く維持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、上下方向を軸線方向とする筒状に形成されるとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの一方のガスである第一ガスが一端側から他端側に向けて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である第二ガスの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形成された電解質層と、を備え、燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電を行う複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルが電気的に接続されている固体酸化物形燃料電池スタックであって、内側電極層は、筒状に形成された内筒部と、筒状に形成されかつ内筒部の外周に同軸に設けられた外筒部と、内筒部の内側に形成されかつ第一ガスが流通可能である第一流路と、内筒部と外筒部との間に形成されかつ第一ガスが流通可能である第二流路と、を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
これによれば、内側電極層は、一つの部材により二重管構造を構成することが可能となる。その結果、固体酸化物形燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの起動運転、発電運転中または停止運転中においても内筒部と外筒部との隙間すなわち第二流路の径方向幅を均一に維持することが可能となる。よって、筒状に形成された固体酸化物形燃料電池筒状セルの内側に供給されるガスの偏流を抑制し、発電性能を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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２】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３】図２に示す固体酸化物形燃料電池筒状セルの一例を示す図である。
【図４】図２に示す固体酸化物形燃料電池筒状セル、導入側キャップ、導出側キャップを示す縦断面図である。
【図５】図４に示す固体酸化物形燃料電池筒状セルのＶ−Ｖ線に沿った横断面図である。
【図６】固体酸化物形燃料電池筒状セルの変形例を示す横断面図である。
【図７】固体酸化物形燃料電池筒状セルの変形例を示す横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（固体酸化物形燃料電池システム１）
図１に示すように、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。また、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および制御装置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。
【００１２】
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。固体酸化物形燃料電池モジュール１１には、改質用原料、改質水およびカソードガス（空気）が供給される。具体的には、固体酸化物形燃料電池モジュール１１には、改質用原料供給管１１ａの一端側が接続されている。改質用原料供給管１１ａの他端側は、供給源Ｇｓに接続されている。固体酸化物形燃料電池モジュール１１には、改質用原料供給管１１ａを介して、供給源Ｇｓから改質用原料が供給される。なお、改質用原料供給管１１ａには、改質用原料を送出する原料ポンプ１１ａ１が設けられている。
【００１３】
また、固体酸化物形燃料電池モジュール１１には、水供給管１１ｂの一端側が接続されている。水供給管１１ｂの他端側は、水タンク１４に接続されている。固体酸化物形燃料電池モジュール１１には、水供給管１１ｂを介して、水タンク１４から改質水が供給される。なお、水供給管１１ｂには、改質水を送出する改質水ポンプ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には、カソードエア供給管１１ｃの一端側が接続されている。カソードエア供給管１１ｃの他端側は、カソードエアブロワ１１ｃ１に接続されている。固体酸化物形燃料電池モジュール１１には、カソードエア供給管１１ｃを介して、カソードエアブロワ１１ｃ１が吸入したカソードガス（空気）が供給される。
【００１４】
熱交換器１２には、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から貯湯水が供給される。熱交換器１２では、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する。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１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には、固体酸化物形燃料電池モジュール１１から延設される排気管１１ｄが接続（貫設）されている。また、熱交換器１２には、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。
【００１５】
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から排出された燃焼排ガスは、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、発電ユニット１０の外部に排出される。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。水タンク１４は、熱交換器１２から排出される凝縮水を貯水する。なお、水タンク１４は、例えば、イオン交換樹脂などによって、凝縮水を純水化することができる。
【００１６】
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によって、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。
【００１７】
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力を入力し所定の交流電力に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば、電化製品など）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から供給される交流電力を電源ライン１６ｂを介して入力し、あるいは固体酸化物形燃料電池スタック３０の直流電力を入力し、所定の直流電圧に変換して、補機（各種ポンプ、ブロワなど）、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。
【００１８】
（固体酸化物形燃料電池モジュール１１）
図２に示すように、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、蒸発部４０と、改質部５０とを備えている。また、固体酸化物形燃料電池スタック３０と蒸発部４０との間、および、固体酸化物形燃料電池スタック３０と改質部５０との間には、燃焼部６０が形成されている。
【００１９】
（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、ベース部材３１と、複数の絶縁部材３２と、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３と、複数の接続部材３４と、カバー３５と、アノードガスマニホールド３６と、カソードガスマニホールド３７とを備えている。また、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々には、導入側キャップ７１および導出側キャップ７２が装着されている。本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が複数の接続部材３４によって電気的に直列接続されている。
【００２０】
ベース部材３１は、金属材で方形状の板状に形成されている。金属材として、例えば、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、クロム−鉄−イットリア合金などを用いることができる。特に、金属材として、フェライト系ステンレス鋼を用いると好適である。ベース部材３１の上面には、複数の絶縁部材３２が所定間隔離間して設けられている。
【００２１】
複数の絶縁部材３２の各々は、ベース部材３１と、装着される固体酸化物形燃料電池筒状セル３３との間を電気的に絶縁する。複数の絶縁部材３２は、絶縁性かつ断熱性を有する材料で形成することができる。絶縁性かつ断熱性を有する材料として、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化マグネシウム（マグネシア）、酸化シリコン（シリカ）、二酸化ジルコニウム（ジルコニア）、酸化チタン（チタニア）、フォルステライトなどのセラミックスを用いることができ、これらの混合材料を原料としたセラミックスを用いることもできる。
【００２２】
図３に示すように、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、内側電極層３３ａと、電解質層３３ｂと、外側電極層３３ｃとを備えており、これらは、層状に積層されて形成されている。内側電極層３３ａは、筒状に形成されており、第一ガスが一端側（矢印Ｚ１方向側）から他端側（矢印Ｚ２方向側）に向けて流通する。第一ガスは、燃料ガスおよび酸化剤ガスのうちの一方であり、本実施形態では、第一ガスは、燃料ガスである。燃料ガスは、後述する天然ガスなどの炭化水素系原料を改質した改質ガスであり、アノードガスともいう。
【００２３】
内側電極層３３ａは、いわゆる二重管構造である。内側電極層３３ａは、内筒部３３ａ１、外筒部３３ａ２、接続部３３ａ３、第一流路３３ａ４、第二流路３３ａ５、および遮断部３３ａ６を備えている。内側電極層３３ａは、内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２が一体的に接続された一体構造体である。
【００２４】
外筒部３３ａ２は、筒状に形成されかつ内筒部３３ａ１の外周に同軸に設けられている。外筒部３３ａ２の外周面には、電解質層３３ｂが形成されている。外筒部３３ａ２は、電子伝導性を有している。
内筒部３３ａ１は、筒状に形成されている。内筒部３３ａ１は、電子伝導性を有している。電子伝導性は、物質の電子を伝導する物性であり、物質の電気伝導のしやすさを表す物性（電気伝導性）でもある。
【００２５】
接続部３３ａ３は、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２との間に設けられ、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２とを軸線方向の全長に渡って接続する。接続部３３ａ３は、軸線方向を部分的に渡って接続するようにしてもよい。接続部３３ａ３は、周方向に沿って所定間隔（本実施形態では例えば９０度）にて複数（本実施形態では例えば４つ）だけ設けられている。
接続部３３ａ３は、電子伝導性を有する。
【００２６】
本実施形態では、内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２は同一材質で構成されており、内側電極層３３ａは、内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２が一体的に接続された一体構造体である。
なお、内筒部３３ａ１および接続部３３ａ３は、外筒部３３ａ２と異なる材質で構成されるようにしてもよい。この場合、内筒部３３ａ１および接続部３３ａ３は、具体的には、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ２（正珪酸マグネシウム））などで構成すればよい。内筒部３３ａ１および接続部３３ａ３は、同一材質でも異なる材質でも構成してもよい。この場合、内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２は、接着、溶接などにより一体的に接続されている。
また、内筒部３３ａ１は、接続部３３ａ３および外筒部３３ａ２と異なる材質で構成されるようにしてもよい。この場合、内筒部３３ａ１は、具体的には、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ２（正珪酸マグネシウム））などで構成すればよい。また、内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２は、接着、溶接などにより一体的に接続されている。
【００２７】
また、内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２は、熱膨張係数が同一である部材であることが好ましい。例えば、内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２は、同一材質で構成されるのが好ましい。内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２は、異なる材質であっても熱膨張係数が同一である部材で構成されるようにしてもよい。
【００２８】
第一流路３３ａ４は、内筒部３３ａ１の内側に形成され、かつ第一ガスが流通可能である。第一流路３３ａ４は、断面円形状である。第二流路３３ａ５は、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２との間に形成され、かつ第一ガスが流通可能である。第二流路３３ａ５は、複数の接続部３３ａ３により複数の流路に区画されている。第二流路３３ａ５は、断面円弧状に形成された複数の流路により構成されている。
【００２９】
第一流路３３ａ４には、遮断部３３ａ６が設けられている。遮断部３３ａ６は、第一ガスの流通を遮断する。遮断部３３ａ６は、半球状に形成されており、内筒部３３ａ１の他端に一体的に接続されている。遮断部３３ａ６は、内筒部３３ａ１と同一材質で形成されている。なお、遮断部３３ａ６は、内筒部３３ａ１の一端部に設けるようにしてもよく、軸線方向中央部に設けるようにしてもよい。また、遮断部３３ａ６は、本実施形態のように第一ガスの流通を完全に遮断するようにしてもよく、第一ガスの流通を部分的に遮断するようにしてもよい。例えば、遮断部３３ａ６は、オリフィスを設けるようにしてもよい。この場合、オリフィスの流路断面積は、第二流路３３ａ５の流路断面積より小さくなるように設定するのが好ましい。
【００３０】
第二流路３３ａ５の流路断面積は、第一流路３３ａ４の流路断面積より小さくなるように設定されている。
第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５は、第一ガス（本実施形態では、燃料ガス）が流通する。なお、第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５から排出され、発電に使用されなかった第一ガス（本実施形態では、燃料ガス）を第一オフガス（アノードオフガス）という。また、発電に使用されなかった第二ガス（本実施形態では、酸化剤ガス）を第二オフガス（カソードオフガス）という。
【００３１】
内側電極層３３ａ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。
【００３２】
外側電極層３３ｃは、内側電極層３３ａの外側に積層されており、第二ガスの雰囲気中に設けられる。第二ガスは、燃料ガスおよび酸化剤ガスのうちの他方であり、本実施形態では、第二ガスは、酸化剤ガスである。酸化剤ガスは、空気であり、カソードガスともいう。また、後述するように、本実施形態では、酸化剤ガスは、一端側（矢印Ｚ１方向側）から他端側（矢印Ｚ２方向側）に向けて流通する。
【００３３】
外側電極層３３ｃ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。
【００３４】
電解質層３３ｂは、内側電極層３３ａと外側電極層３３ｃとの間に形成されている。つまり、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、内側から内側電極層３３ａ、電解質層３３ｂおよび外側電極層３３ｃの順に形成されている。電解質層３３ｂ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。
【００３５】
なお、電解質層３３ｂと外側電極層３３ｃとの間には、反応防止層を設けることができる。反応防止層は、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）などの希土類をドープしたセリア混合体を用いて形成することができる。また、本実施形態では、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、円筒状に形成されている。複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、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。
【００３６】
さらに、図３に示すように、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部において、電解質層３３ｂが露出している。複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部において、電解質層３３ｂが露出している。電解質層３３ｂの露出部より一端側には、内側電極層３３ａが露出している。内側電極層３３ａの露出部３３ａ７は、電解質層３３ｂおよび外側電極層３３ｃが形成されておらず、内側電極層３３ａのみが形成されている。
【００３７】
複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の形成方法は、限定されないが、例えば、公知の押し出し、プレス、鋳込み等の方法で内側電極層３３ａを形成し、逐次、電解質層３３ｂおよび外側電極層３３ｃ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、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、径方向の内側から内側電極層３３ａ、電解質層３３ｂおよび外側電極層３３ｃの順に、既述の電極材料が層状に積層される。また、製膜の段階で部位に応じてマスキングを行うことで、上述した内側電極層３３ａの露出部や電解質層３３ｂの露出部が形成される。なお、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３３を作製することも可能である。
【００３８】
なお、遮断部３３ａ６は、キャップ形状（例えば半球形状）の押出成形用の金型を用いて内側電極層３３ａの内筒部３３ａ１と一体成形することが可能である。また、遮断部３３ａ６は、内側電極層３３ａとは別に形成されたキャップ形状（例えば半球形状）であり、この遮断部３３ａ６を、内側電極層３３ａの内筒部３３ａ１の他端（または一端）に固定するようにしてもよい。
【００３９】
図２および図４に示すように、本実施形態では、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、導入側キャップ７１および導出側キャップ７２の両方を備えている。導入側キャップ７１は、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部を覆うように設けられる。導出側キャップ７２は、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部を覆うように設けられる。なお、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、導入側キャップ７１および導出側キャップ７２のうちの少なくとも一方を備えていれば良い。本明細書では、導入側キャップ７１および導出側キャップ７２のうちの少なくとも一方をセル端部キャップ７０という。
【００４０】
図４に示すように、導入側キャップ７１は、有底筒状に形成されている。導入側キャップ７１は、導電性材料で形成することができる。導入側キャップ７１は、例えば、フェライト系ステンレス、ランタンクロマイトなどの金属材で形成することができる。導入側キャップ７１は、底部７１ａと、筒部７１ｂと、位置決め部７１ｃと、第三流路７１ｄと、を備えている。導入側キャップ７１は、第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５に第一ガスを導入する。
【００４１】
底部７１ａは、絶縁部材３２と固体酸化物形燃料電池筒状セル３３との間に配設される。底部７１ａは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部の端面３３ｄを覆うように設けられる。具体的には、底部７１ａの外壁面７１ａ１は、絶縁部材３２と当接し、底部７１ａの内壁面７１ａ２は、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の端面３３ｄと空間をおいて対向している。底部７１ａの内壁面７１ａ２と固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の端面３３ｄとの間には、第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５と連通する第三流路７１ｄが形成されている。
底部７１ａの中央部には、貫通穴７１ａ３が貫通して設けられている。貫通穴７１ａ３は、アノードガスマニホールド３６からの第一ガスを導入側キャップ７１内に導入するためのものである。
【００４２】
筒部７１ｂは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部の外壁面３３ｅを覆う。本実施形態では、外壁面３３ｅは、電解質層３３ｂの外壁面３３ｂ１である。筒部７１ｂは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線ＡＺ１と同軸の筒状に形成されており、軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部は、底部７１ａと接続されている。本実施形態では、筒部７１ｂは、円筒状に形成されている。また、筒部７１ｂの内径寸法は、電解質層３３ｂの外径寸法より若干大きく形成されており、電解質層３３ｂの露出部を筒部７１ｂ内に挿入可能になっている。このように、筒部７１ｂは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部を外側から覆う部位をいう。
【００４３】
位置決め部７１ｃは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線方向の端部のうち電解質層３３ｂが当接して、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３を軸線方向において位置決めする。本実施形態では、位置決め部７１ｃは、底部７１ａと筒部７１ｂとの接続部位の内側に形成された内側Ｒ部である。内側Ｒ部は、底部７１ａと筒部７１ｂとにより構成された隅部分が円弧形状に形成された部分である。位置決め部７１ｃは、底部７１ａの内壁面７１ａ２に近づくにつれて内径寸法が小さくなるように設定されている。その結果、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が導入側キャップ７１に挿入されると、電解質層３３ｂの端面が位置決め部７１ｃに当接し、その当接した位置にて固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が軸線方向に位置決めされる。
なお、位置決め部７１ｃは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線方向の端部のうち外側電極層３３ｃが当接して、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３を軸線方向に位置決めするように構成されるようにしてもよい。
【００４４】
第三流路７１ｄは、セル端部キャップの内壁面である底部７１ａの内壁面７１ａ２と、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の端面３３ｄすなわち固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の端部のうち内側電極層３３ａとの間に形成されている。第三流路７１ｄは、第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５と連通する。
【００４５】
なお、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部（本実施形態では、電解質層３３ｂの露出部）と、導入側キャップ７１とは、これらの間に設けられた導電性接着剤により電気的に接続されている。導電性接着剤は、これらの間の導電性を確保することができれば良く限定されない。導電性接着剤は、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や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、ＡＢＯ３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。
【００４６】
また、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、ガスシール材７１ｅを備えている。ガスシール材７１ｅは、第一ガスが導入側キャップ７１の内部から外部に流出して、第二ガス（本実施形態では、酸化剤ガス）の雰囲気中に漏れ出すことを規制する。これにより、第一ガスの流出に伴う第一ガスと第二ガスとの燃焼を規制することができ、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の破損を抑制することができる。
【００４７】
ガスシール材７１ｅは、第一ガスの流出を抑制することができれば良く、限定されない。ガスシール材７１ｅは、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化シリコン（シリカ）、酸化ホウ素などを主成分とする非晶質性のガラスシール材を用いることができる。非晶質性のガラスシール材は、最初の昇温時に軟化し、軟化した後にさらに昇温すると、固体酸化物形燃料電池スタック３０の作動温度までに固相になる。非晶質性のガラスシール材は、固相後の昇温に対して、結晶性のガラスシール材と比べて、再び軟化し易い性質を備えている。そのため、非晶質性のガラスシール材は、結晶性のガラスシール材と比べて、柔軟なシール部材であり、緻密なガスシールが可能である。
【００４８】
導出側キャップ７２は、上述した導入側キャップ７１と同様に、有底筒状に形成されている。本実施形態では、導出側キャップ７２は、導入側キャップ７１と同形状に形成されている。導出側キャップ７２は、導入側キャップ７１と同様の金属材で形成することができる。導出側キャップ７２は、第一オフガスを回収して、図２に示す燃焼部６０に貫通穴７２ａ３を介して導出する。後述するように、燃焼部６０では、第一オフガスと第二オフガスとが燃焼する。本実施形態では、導出側キャップ７２は、底部７２ａと、筒部７２ｂと、位置決め部７２ｃと、第三流路７２ｄと、を備えている。
【００４９】
底部７２ａは、上述した底部７１ａと同様に、外壁面７２ａ１、内壁面７２ａ２、および貫通穴７２ａ３を備えている。内壁面７２ａ２は、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の端面３３ｄと空間をおいて対向している。
筒部７２ｂは、上述した筒部７１ｂと同様に形成されており、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部の外壁面３３ｅを覆う。
位置決め部７２ｃは、上述した位置決め部７１ｃと同様に、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線方向の端部のうち電解質層３３ｂが当接して、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３を軸線方向に位置決めする。本実施形態では、位置決め部７２ｃは、底部７２ａと筒部７２ｂとの接続部位の内側に形成された内側Ｒ部である。
第三流路７２ｄは、セル端部キャップの内壁面である底部７２ａの内壁面７２ａ２と、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の端面３３ｄすなわち固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の端部のうち内側電極層３３ａとの間に形成されている。第三流路７２ｄは、第二流路３３ａ５と連通する。
また、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、上述したガスシール材７１ｅと同様なガスシール材７２ｅを備えている。
【００５０】
図２に示すように、導入側キャップ７１は、絶縁部材３２を介してベース部材３１に固定されて、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３がベース部材３１に立設されている。図４に示すように、絶縁部材３２は、導入側キャップ７１と当接する当接面３２ａが、導入側キャップ７１の外形形状に合わせて形成されていると好適である。また、絶縁部材３２は、凸部３２ｂを備えていると好適である。凸部３２ｂは、筒状に形成されており、ベース部材３１の貫通孔３１ａ（図４参照）を通って、図２に示すアノードガスマニホールド３６側に突出している。
【００５１】
なお、導入側キャップ７１と当接する当接面３２ａと、導入側キャップ７１との間は、シール部材３１ｂによってシールされていると好適である。ベース部材３１と当接する絶縁部材３２の当接面３２ｃと、ベース部材３１との間は、シール部材３１ｂによってシールされていると好適である。また、絶縁部材３２の凸部３２ｂと、ベース部材３１の貫通孔３１ａとの間は、シール部材３１ｂによってシールされていると好適である。シール部材３１ｂは、例えば、ガラス系のシール部材（例えば、アルミナ、シリカ等を主成分とする結晶化ガラスなど）を用いることができる。
【００５２】
複数の接続部材３４は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３を電気的に接続する。図２に示すように、複数の接続部材３４の各々は、第一接続部３４ａと、第二接続部３４ｂと、連結部３４ｃとを備えている。第一接続部３４ａは、それぞれ薄肉の筒状に形成されている。本実施形態では、第一接続部３４ａおよび第二接続部３４ｂは、それぞれ薄肉の円筒状に形成されている。第一接続部３４ａは、内側電極層３３ａ（内側電極層３３ａの露出部３３ａ７）と電気的に接続されている。第二接続部３４ｂは、外側電極層３３ｃの被接続部分３３ｃ１と電気的に接続されている。第一接続部３４ａの内壁面と内側電極層３３ａの外壁面との間は、および第二接続部３４ｂの内壁面と外側電極層３３ｃの外壁面との間は、導電性接着剤によって固定されていると好適である。導電性接着剤は、上述した導電性接着剤と同様の導電性接着剤を用いることができる。
【００５３】
連結部３４ｃは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）に沿って棒状に形成されており、第一接続部３４ａと、第二接続部３４ｂと、を最短に連結して電気的に接続する。
【００５４】
固体酸化物形燃料電池筒状セル３３にて発電が行われている場合、生成された電流は、陽極である外側電極層３３ｃに接続された第二接続部３４ｂから導出される。同時に、この第二接続部３４ｂに連結部３４ｃを介して接続されている固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の陰極である内側電極層３３ａに接続された第一接続部３４ａから、生成された電流が導入される。
【００５５】
図２に示すように、一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３と、一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３とは、接続部材３４によって電気的に接続されている。上述した接続が繰り返されることによって、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が複数の接続部材３４によって電気的に直列接続されている。なお、直列接続された複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の両端の接続部は、バスバー接続部材３８ａを介してバスバー３８ｂにそれぞれ接続されている。バスバー接続部材３８ａは、第一接続部３４ａのみを有する接続部材、および第二接続部３４ｂのみを有する接続部材に接続されている。
【００５６】
図２に示すように、カバー３５は、ベース部材３１の上面に取り付けられている。カバー３５は、箱状に形成されており、同図の下方に開口する開口部を備えている。カバー３５とベース部材３１との間に形成される密閉された空間Ｒ１には、固体酸化物形燃料電池スタック３０と、蒸発部４０と、改質部５０とが収容されている。カバー３５の開口部には、外方に向けて形成されているフランジ３５ａが設けられている。フランジ３５ａは、ベース部材３１の上面に当接しており、ネジ３５ｂによってベース部材３１に、ねじ止め固定されている。カバー３５の天井部には、一つまたは複数（本実施形態では、２つ）の排気口３５ｃ，３５ｃが形成されており、燃焼排ガスが排気口３５ｃ，３５ｃを通って排気される。
【００５７】
アノードガスマニホールド３６は、ベース部材３１の下面に取り付けられている。アノードガスマニホールド３６は、箱状に形成されており、同図の上方に開口する開口部を備えている。アノードガスマニホールド３６とベース部材３１との間に形成される密閉された空間には、絶縁部材３２の凸部３２ｂが突出している。アノードガスマニホールド３６には、アノードガス供給管３６ｃの一端側が接続されている。アノードガス供給管３６ｃの他端側は、改質部５０に接続されており、アノードガス供給管３６ｃを介して、アノードガスが供給可能になっている。
【００５８】
カソードガスマニホールド３７は、空間Ｒ１内に設けられている。カソードガスマニホールド３７は、複数の絶縁部材３２の各々の周囲に配設されている。カソードガスマニホールド３７には、カソードガス（空気）を供給するカソードガス供給管３７ａが接続されている。カソードガスマニホールド３７の上部には、複数の流出孔（図２にて矢印位置）が形成されており、複数の流出孔から上方に向けてカソードガス（空気）が流出可能になっている。
【００５９】
次に、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の発電について説明する。
各固体酸化物形燃料電池筒状セル３３において、内側電極層３３ａ（燃料極）に供給された燃料ガスと外側電極層３３ｃ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、内側電極層３３ａでは、下記化１及び化２に示す反応が生じ、外側電極層３３ｃでは、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、外側電極層３３ｃで生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が、電解質層３３ｂを通過し、内側電極層３３ａ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。
【００６０】
各固体酸化物形燃料電池筒状セル３３によって発電された電力は、電力変換装置１３に出力される。また、内側電極層３３ａ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）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（化２）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（化３）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【００６１】
（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、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、例えば、天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体原料が挙げられる。また、改質用原料として、例えば、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体原料が挙げられる。本実施形態では、改質用原料は、天然ガスを用いている。
【００６２】
蒸発部４０には、改質用原料供給管１１ａの一端側が接続されている。改質用原料供給管１１ａの他端側は、供給源Ｇｓに接続されている。蒸発部４０には、改質用原料供給管１１ａを介して、供給源Ｇｓから改質用原料が供給される。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。また、蒸発部４０には、水供給管１１ｂの一端側が接続されている。水供給管１１ｂの他端側は、水タンク１４に接続されている。蒸発部４０には、水供給管１１ｂを介して、水タンク１４から改質水が供給される。
【００６３】
（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。これにより、改質部５０は、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る（いわゆる水蒸気改質反応）。
【００６４】
これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は、既述のアノードガスであり、アノードガスマニホールド３６を介して、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各内側電極層３３ａに導出される。より詳細には、アノードガスマニホールド３６に供給された改質ガスは、絶縁部材３２の凸部３２ｂの内側孔３２ｂ１および導入側キャップ７１の貫通穴７１ａ３を通って第三流路７１ｄに供給され、第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５に導出されて、内側電極層３３ａに供給される。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。
【００６５】
（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との間、および、固体酸化物形燃料電池スタック３０と改質部５０との間に設けられている。燃焼部６０は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々に装着された導出側キャップ７２から排出される第一オフガス（アノードオフガス）と、第二オフガス（カソードオフガス）とが燃焼して、蒸発部４０および改質部５０を加熱する。
【００６６】
次に、上述した固体酸化物形燃料電池スタック３０に係る作用・効果を説明する。最初に、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３におけるガスの流れを説明する。図４に示すように、アノードガスマニホールド３６に供給された改質ガス（第一ガス）は、絶縁部材３２の凸部３２ｂの内側孔３２ｂ１および導入側キャップ７１の貫通穴７１ａ３を通って第三流路７１ｄに供給され、第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５に導出されて、内側電極層３３ａに供給される。第一流路３３ａ４内に導出された改質ガスは、第一流路３３ａ４が遮断部３３ａ６によって封止されているため、遮断部３３ａ６側に向けて流れるものの、第一流路３３ａ４の導入側に還流し（戻って）、第三流路７１ｄを通って第二流路３３ａ５に導出される。第二流路３３ａ５には、第一流路３３ａ４内を還流した後に、第三流路７１ｄを流通した改質ガス（または改質ガスオフガス）と、第一流路３３ａ４内を還流しないで、第三流路７１ｄを流通した改質ガスとの両方が流入する。第一流路３３ａ４を流通した改質ガス（または改質ガスオフガス）は、第三流路７２ｄおよび貫通穴７２ａ３を通って導出側キャップ７２から導出される。
このように、アノードガスマニホールド３６に供給された改質ガス（第一ガス）は、選択的に第二流路３３ａ５に流通させることができる。
【００６７】
さらに、第二流路３３ａ５のみに第一ガスが流通する場合のガス流速（実施例ガス流速Ｖ１）と、内側電極層３３ａを内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２とから構成された二重管構造としないで外筒部３３ａ２のみで構成された一重管構造として、その内側に形成された流路に第一ガスが流通する場合のガス流速（比較例ガス流速Ｖ２）と、を比較する。なお、ガス供給流量は一定であるとする。
【００６８】
ガス供給流量が一定である場合、ガス流速は流路断面積に反比例するため、実施例ガス流速Ｖ１と比較例ガス流速Ｖ２とは、下記数１に示すような関係となる。
（数１）
Ｖ１／Ｖ２＝Ｓ２／Ｓ１
ここで、Ｓ１は、実施例の流路断面積すなわち第二流路３３ａ５の流路断面積であり、Ｓ２は、比較例の流路断面積である。
比較例の流路断面積Ｓ２は、下記数２で示される。
（数２）
Ｓ２＝π×（φ２／２）２
ここで、φ２は外筒部３３ａ２の内径である。
実施例の流路断面積Ｓ１は、下記数３で示される。
（数３）
Ｓ１＝π×（φ２／２）２−（π×（φ１／２）２＋ｔ×（（φ２−φ１）／２）×ｃ）
ここで、φ１は内筒部３３ａ１の内径であり、φ２は外筒部３３ａ２の内径であり、ｔは接続部３３ａ３の幅であり、ｃは接続部３３ａ３の個数である。
上記数１を展開して、実施例ガス流速Ｖ１を比較例ガス流速Ｖ２で表すと、下記数４となる。
（数４）
Ｖ１＝（Ｓ２／Ｓ１）×Ｖ２
また、Ｓ２／Ｓ１は、１より大きい値となるため、上記数４から、実施例ガス流速Ｖ１は、比較例ガス流速Ｖ２より大きくなることは明らかである。
【００６９】
以上のことから、例えば、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の外径を同一とした場合、外筒部３３ａ２のみから構成された内側電極層３３ａを備えた固体酸化物形燃料電池筒状セル３３を流通するガス流量を増大させるために、上述したように、内側電極層３３ａを二重管構造とするのは非常に有効である。その結果、内側電極層３３ａを流通する第一ガスの流速を増大させることにより、内側電極層３３ａでのガス拡散抵抗を低減させることができる。よって、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の内部抵抗を低減することができ、ひいては発電効率を向上させることができる。
【００７０】
また、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２とは、接続部３３ａ３を介して電気的に接続されている。また、内筒部３３ａ１、外筒部３３ａ２、および接続部３３ａ３は、電子伝導性を有している。よって、発電時に内筒部３３ａ１の表面で生成された電子は、内筒部３３ａ１だけでなく接続部３３ａ３を介して外筒部３３ａ２も流通する。すなわち、上述した一重管構造に係る比較例（内側電極層３３ａを内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２とから構成された二重管構造としないで外筒部３３ａ２のみで構成された固体酸化物形燃料電池筒状セル３３）と比較して、上述した二重管構造に係る実施例（内側電極層３３ａを内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２とから構成された固体酸化物形燃料電池筒状セル３３）においては、発電にて発生した電流が流れる経路（電流経路）の増大を確保することができる。換言すると、電流経路の流路断面積を増大することができる。
【００７１】
よって、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２の厚さが同じであると仮定すると、外筒部３３ａ２のオーミック抵抗は約半分に軽減される。ここで、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２の合計の厚さと同じ厚さとなるように構成された１本の円筒管において、オーミック抵抗は二重管構造に係る実施例と同じにすることができるが、円筒管の厚さを増大するため、ガス拡散抵抗が上昇してしまう。したがって、円筒管全体の厚さや円筒管の重量を一定とした場合、二重管構造にすることでセルの内部抵抗を低減して発電性能を向上することができる。
【００７２】
上述した説明から明らかなように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池スタック３０は、上下方向を軸線方向とする筒状に形成されるとともに、燃料ガスおよび酸化剤ガスの一方のガスである第一ガスが一端側から他端側に向けて内側を流れる内側電極層３３ａと、内側電極層３３ａ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である第二ガスの雰囲気中に設けられる外側電極層３３ｃと、内側電極層３３ａと外側電極層３３ｃとの間に形成された電解質層３３ｂと、を備え、燃料ガスおよび酸化剤ガスによって発電を行う複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が電気的に接続されている固体酸化物形燃料電池スタックである。内側電極層３３ａは、筒状に形成された内筒部３３ａ１と、筒状に形成されかつ内筒部３３ａ１の外周に同軸に設けられた外筒部３３ａ２と、内筒部３３ａ１の内側に形成されかつ第一ガスが流通可能である第一流路３３ａ４と、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２との間に形成されかつ第一ガスが流通可能である第二流路３３ａ５と、を備えている。
【００７３】
これによれば、内側電極層３３ａは、一つの部材により二重管構造を構成することが可能となる。その結果、固体酸化物形燃料電池スタック３０を備えた燃料電池システムの起動運転中、発電運転中または停止運転中においても内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２との隙間すなわち第二流路３３ａ５の径方向幅を均一に維持することが可能となる。よって、筒状に形成された固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の内側に供給されるガスの偏流を抑制し、発電性能を高く維持することができる。
【００７４】
また、内側電極層３３ａは、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２との間に設けられ、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２とを軸線方向に渡って接続する接続部３３ａ３をさらに備えている。
これによれば、より確実に、内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２との隙間すなわち第二流路３３ａ５の径方向幅を均一に維持することが可能となる。よって、筒状に形成された固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の内側に供給されるガスの偏流をより抑制し、発電性能をより高く維持することができる。
【００７５】
また、内側電極層３３ａは、内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２が一体的に接続された一体構造体である。
これによれば、内側電極層３３ａは、一つの部材により二重管構造を構成することとなる。その結果、固体酸化物形燃料電池スタック３０を備えた燃料電池システムの起動運転、発電運転中または停止運転中においても内筒部３３ａ１と外筒部３３ａ２との隙間すなわち第二流路３３ａ５の径方向幅を均一に維持することとなる。よって、筒状に形成された固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の内側に供給されるガスの偏流を抑制し、発電性能を高く維持することができる。
【００７６】
また、内筒部３３ａ１、接続部３３ａ３、および外筒部３３ａ２は、熱膨張係数が同一である部材である。
これによれば、内側電極層３３ａは全体として熱膨張係数が同一となるため、内側電極層３３ａの熱変形を抑制することができ、ひいては固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の変形・損傷を抑制することができる。
【００７７】
また、内側電極層３３ａは、第一流路３３ａ４に設けられかつ第一ガスの流通を遮断する遮断部３３ａ６をさらに備えている。
これによれば、簡単な構造により第二流路３３ａ５の流速を上昇させることができるため、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の発電効率を上昇させることができる。
【００７８】
また、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、一端側の端部を覆うように設けられ、第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５に第一ガスを導入する導入側キャップ７１、および、他端側の端部を覆うように設けられ、第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５から排出され発電に使用されなかった第一ガスである第一オフガスを導出する導出側キャップ７２のうちの少なくとも一方であるセル端部キャップ７０を備えている。セル端部キャップ７０は、有底筒状に形成されており、かつ、端部の外壁面を覆う筒部７１ｂと、端部の端面を覆う底部７１ａと、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の軸線方向の端部のうち外側電極層３３ｃおよび／または電解質層３３ｂが当接して、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が軸線方向に位置決めされる位置決め部７１ｃと、セル端部キャップ７０の内壁面と端部のうち内側電極層３３ａとの間に形成され第一流路３３ａ４および第二流路３３ａ５と連通する第三流路７１ｄと、を備えている。
これによれば、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３にセル端部キャップ７０を取り付けるだけの簡単な構造により、第二流路３３ａ５に連通する第三流路７１ｄを確実に設けることができる。その結果、簡単な構造かつ低コストにて第一ガスを第二流路３３ａ５に確実に供給することができる。
【００７９】
また、内筒部３３ａ１および接続部３３ａ３は、電子伝導性を有する。
これによれば、内側電極層３３ａのオーミック抵抗を抑制することができるため、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の発電効率を向上させることができる。
【００８０】
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。
【００８１】
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である。発電ユニット１０は、請求項８記載の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貯水する水タンク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。
【００８２】
なお、第二流路３３ａ５は、上述した複数の円弧形状からなる構成に限定されず、複数の方形形状からなる構成や複数の円形形状からなる構成もある。
複数の方形形状からなる構成については、図６に示すように、第二流路１３３ａ５は、複数の接続部１３３ａ３により複数の流路に区画されている。第二流路１３３ａ５は、断面方形形状に形成された複数の流路により構成されている。接続部１３３ａ３は、断面方形形状に形成されている。内側電極層１３３ａは、第二流路１３３ａ５が形成されている。
複数の円形形状からなる構成については、図７に示すように、第二流路２３３ａ５は、複数の接続部２３３ａ３により複数の流路に区画されている。第二流路２３３ａ５は、断面円形形状に形成された複数の流路により構成されている。内側電極層２３３ａは、第二流路２３３ａ５が形成されている。なお、第二流路２３３ａ５は、断面楕円形状に形成されるようにしてもよい。
なお、第二流路の形状や個数は、発電効率、ガス流速、圧力損失、内側電極層３３ａの重量、機械的強度、成形性などを考慮して設計するのが好ましい。
【００８３】
また、上述した実施形態においては、第一ガスを燃料ガスとし、第二ガスを酸化剤ガスとしたが、第一ガスを酸化剤ガスとし、第二ガスを燃料ガスとすることもできる。この場合、セル端部キャップ７０である導入側キャップ７１は、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３に酸化剤ガスを供給し、セル端部キャップ７０である導出側キャップ７２は、発電に使用されなかった酸化剤ガスオフガスを燃焼部６０に導出することとなる。
【００８４】
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３３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３３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。
【００８５】
また、上述した各実施形態において、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、複数の接続部材３４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３３の一部または全てを電気的に並列接続しても良い。
【符号の説明】
【００８６】
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、１６ａ…系統電源、１６ｂ…電源ライン、２１…貯湯槽、３０…固体酸化物形燃料電池スタック、３３…固体酸化物形燃料電池筒状セル、３３ａ…内側電極層、３３ａ１…内筒部、３３ａ２…外筒部、３３ａ３…接続部、３３ａ４…第一流路、３３ａ５…第二流路、３３ａ６…遮断部、３３ｂ…電解質層、３３ｃ…外側電極層、４０…蒸発部、５０…改質部、７０…セル端部キャップ、７１…導入側キャップ、７１ｂ…筒部、７１ａ…底部、７１ｃ…位置決め部、７１ｄ…第三流路、７２…導出側キャップ、７２ｂ…筒部、７２ａ…底部、７２ｃ…位置決め部、７２ｄ…第三流路。
【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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