(57)【要約】【課題】更なる発電効率の向上を図るのに有利な固体電解質形燃料電池システムを提供する。【解決手段】イオン伝導性を有する固体酸化物形電解質１０と、固体酸化物形電解質１０の一方側に設けられたアノード１１と、固体酸化物形電解質１０の他方側に設けられたカソード１２と、アノード１１に燃料を供給する燃料電池供給通路と、カソード１２に酸化剤を供給する酸化剤供給通路とが設けられている。固体酸化物形電解質１０は、部位に応じて作動温度が異なる方式である。固体酸化物形電解質１０は、作動温度が相対的に高温である高温領域Ｔ３における組成と、相対的に低温である低温領域Ｔ１における組成とが異なるように設定されており、低温領域Ｔ１における発電密度が高められている。【選択図】　図１
2004030972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性を有する固体酸化物形電解質と、前記固体酸化物形電解質の一方側に設けられたアノードと、前記固体酸化物形電解質の他方側に設けられたカソードとを有する電池セルと、
前記電池セルの前記アノードに燃料を供給する燃料電池供給通路と、
前記電池セルの前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給通路とをもつ固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
前記固体酸化物形電解質は、単一の電池セルまたは単一の電池セルを複数個組み付けた単一の電池モジュールにおいて、部位に応じて作動温度が異なる方式であり、
更に、前記固体酸化物形電解質は、単一の電池セルまたは単一の電池セルを複数個組み付けた単一の電池モジュールにおいて、作動温度が相対的に高温である高温領域における組成と、相対的に低温である低温領域における組成とが異なるように設定されており、前記低温領域における電力密度が高められていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記固体酸化物形電解質を加熱する加熱部が設けられており、前記加熱部は、単一の電池セルまたは単一の電池セルを複数個組み付けた単一の電池モジュールにおいて、前記固体酸化物形電解質において相対的に低温である低温領域から相対的に高温である高温領域を有する温度勾配を生じるように設けられており、
前記固体酸化物形電解質は、相対的に低温である低温領域から相対的に高温である高温領域にかけて組成が全体として傾斜的に変化するように設定された電解質部分を有しており、前記低温領域における電力密度が高められていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記固体酸化物形電解質をシールするシール部が設けられており、前記シール部は前記固体酸化物形電解質のうち相対的に低温の低温領域をシールしていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか一項において、前記固体酸化物形電解質は、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、Ａ元素（Ａ元素はコバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）のうちの１種または２種）を主要成分とする酸化物、または、セリア系酸化物、または、ジルコニア系酸化物のいずれかを基材としていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４において、前記固体酸化物形電解質は、
ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、Ａ元素（Ａ元素はコバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）のうちの１種または２種）を主要成分とする酸化物を基材とする組成領域を有しており、
当該組成領域において作動温度が上昇する部位に移行するにつれて、モル比でマグネシウム（Ｍｇ）が増加すると共にＡ元素が減少する（０モルも含む）ように設定されている電解質部分を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４において、前記固体酸化物形電解質は、作動温度が相対的に低温の低温領域及び作動温度が相対的に中温の中温領域では、イットリア及びスカンジアを含む安定化ジルコニアを主要成分とする酸化物を基材とする組成領域を有しており、
当該組成領域において作動温度が上昇する部位に移行するにつれてモル比でイットリウム（Ｙ）が相対的に増加すると共にスカンジウム（Ｓｃ）が相対的に減少するように設定されている電解質部分を有しており、且つ
前記固体酸化物形電解質は、作動温度が相対的に高温である高温領域では、イットリアを含む安定化ジルコニア系の酸化物を基材としていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４において、前記固体酸化物形電解質は、
作動温度が相対的に低温である低温領域では、セリウム（Ｃｅ）、Ｂ元素（Ｂ元素はサマリウム（Ｓｍ）及びガドリニウム（Ｇｄ）のうちの１種または２種）を主要成分とするセリア系の酸化物であり、且つ、
作動温度が相対的に高温の高温領域ではイットリア及びスカンジアのうちの少なくとも一方を含む安定化ジルコニア系の酸化物を基材としていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体酸化物系を電解質とした固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣともいう，Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＯＦＣシステムは、高温作動であるため、発電効率が高いこと、貴金属系の電極触媒を廃止または低減できる等の利点をもつため、広く開発が進められている。ＳＯＦＣシステムは、図１２に概念図を示すように、イオン伝導性を有する固体酸化物形電解質１０と、固体酸化物形電解質１０の一方側に設けられたアノード１１（燃料極ともいう）と、固体酸化物形電解質１０の他方側に設けられたカソード（酸化剤極ともいう）１２と、アノード１１に燃料を供給する燃料供給通路２４と、カソード１２に酸化剤としての空気を供給する空気供給通路２６とをもつ。そしてアノード１１及びカゾード１２は導線１３、外部負荷１４を経て電気的に結合されている。固体酸化物形電解質１０は一般的には酸素イオンが透過できる酸素イオン伝導性を有するものであり、高温領域（例えば８００〜１１００℃程度）において酸素イオン伝導性を有するジルコニア系酸化物、ペロブスカイト型のランタンガレード系酸化物等で形成されている。
【０００３】
ＳＯＦＣシステムでは、アノード１１に燃料が供給されると共に、カソード１２に酸化剤（例えば空気）が供給される。カソード１２に供給された空気は酸素イオンを生成する。酸素イオンは固体酸化物電解質１０の内部を透過してアノード１１側に移行する。アノード１１側に移行した酸素イオンは燃料と反応して水蒸気または炭酸ガスを生成する。また生成された水蒸気や炭酸ガスと燃料が反応し、ＳＯＦＣ内部で改質反応が起き、水素や一酸化炭素を生成する。このとき生じた電子は、導線１３及び外部負荷１４を経てカソード１２に移行する。
【０００４】
ところでＳＯＦＣシステムによれば、従来技術１として、ＵＳ特許６０３３７９４（Ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｇｅ　ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｃｔｈｏｄ　ａｎｄ　　ａｐｐａｒａｔｕｓ，Ｔ．Ｊ．Ｇｅｏｒｇｅ　ｅｔ．ａｌ）には、高温形ＳＯＦＣと低温形ＳＯＦＣとを別個に独立させて設けると共に、高温形ＳＯＦＣと低温形ＳＯＦＣとを直列的に配置し、熱損失をできるだけ小さくして燃料電池の熱設計をやり易くした燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
また従来技術２として、日本特許３０９４０９９号（特開２０００−２６８８３２号公報）には、作動温度が低温の低温形ＳＯＦＣと、作動温度が高温の高温形ＳＯＦＣとを別個に独立させ、直列に配置した二温制御連結式固体酸化物型燃料電池が開示されている。このものによれば、固体酸化物電解質としては低温形ＳＯＦＣではランタンガレード系電解質、高温形ＳＯＦＣにおいてはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が用いられている。そして低温形ＳＯＦＣにおいては、アノードとして鉄／イットリア安定化ジルコニア（Ｆｅ／ＹＳＺ）のサーメットを用いている。また高温形ＳＯＦＣにおいては、アノードとしてニッケル／イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ／ＹＳＺ）のサーメットを用いている。この公報技術によれば、炭化水素系燃料をアノードに供給する場合、アノードとして鉄／イットリア安定化ジルコニア（Ｆｅ／ＹＳＺ）のサーメットを用いると、炭素の析出が起こったとしても２００時間程度の耐久性を有するものの、完全酸化反応を行うと、アノードとしてニッケル／イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ／ＹＳＺ）のサーメットを用いた場合に比較して性能が低下することに着目したものであると記載されている。なお上記した特開２０００−２６８８３２号公報によれば、固体酸化物形電解質は電池セル毎に組成が均一とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したＳＯＦＣシステムでは更なる発電効率の向上が要請されている。本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、更なる発電効率の向上を図るのに有利な固体酸化物形燃料電池システムを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は固体酸化物形燃料電池システムについて発電効率を高めるべく鋭意開発を進めている。そして、電池セルでは、固体酸化物形電解質は組成が均一とされているため、固体酸化物形電解質の高温領域では高いイオン伝導性が得られるものの、固体酸化物形電解質の低温領域ではイオン伝導性が充分に得られず、このため従来に係る固体酸化物形燃料電池システムでは発電効率の更なる向上に限界があることに着目した。
【０００８】
そして本発明者は、固体酸化物形電解質をアノード及びカソードで挟んだ一つの単一の電池セル、または、単一の電池セルを複数個組み付けた単一の電池モジュールにおいて、作動温度が相対的に低温である低温領域から、相対的に高温である高温領域にかけて温度勾配を積極的に形成し、固体酸化物形電解質のうち作動温度が相対的に高温である高温領域の部位と相対的に低温である低温領域の部位とが組成的に異なるように設定すれば、固体酸化物形電解質の高温領域において良好なイオン伝導性が得られるばかりか、固体酸化物形電解質の低温領域においても良好なイオン伝導性が得られ、ひいては固体酸化物形電解質の高温領域において良好な電力密度が得られるばかりか、固体酸化物形電解質の低温領域においても良好な電力密度が得られ、結果として、温度分布に起因する固体酸化物形燃料電池システムにおける発電ムラ、電力密度のムラが低減され、燃料電池全体としての発電効率を向上させ得ることを知見し、かかる知見に基づいて本発明を完成した。
【０００９】
即ち、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムは、イオン伝導性を有する固体酸化物形電解質と、固体酸化物形電解質の一方側に設けられたアノードと、固体酸化物形電解質の他方側に設けられたカソードとを有する電池セルと、
電池セルのアノードに燃料を供給する燃料電池供給通路と、
電池セルのカソードに酸化剤を供給する酸化剤供給通路とをもつ固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
固体酸化物形電解質は、単一の電池セルまたは単一の電池セルを複数個組み付けた単一の電池モジュールにおいて、部位に応じて作動温度が異なる方式であり、
更に、固体酸化物形電解質は、単一の電池セルまたは単一の電池セルを複数個組み付けた単一の電池モジュールにおいて、作動温度が相対的に高温である高温領域における組成と、相対的に低温である低温領域における組成とが異なるように設定されており、低温領域における電力密度が高められていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、単一の電池セルまたは単一の電池セルを複数個組み付けた単一の電池モジュールにおいて、固体酸化物形電解質は、作動温度が相対的に高温である高温領域における組成と、相対的に低温である低温領域における組成とが異なるように設定されている。このため固体酸化物形電解質の組成が全体で均一とされている場合に比較して、固体酸化物形電解質の低温領域における電力密度が高められている。
【００１１】
このような本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形電解質の高温領域において、高温領域で高いイオン伝導性が得られる組成が採択される。また固体酸化物形電解質の低温領域において、低温領域で高いイオン伝導性が得られる組成が採択される。これにより固体酸化物形電解質の高温領域においても低温領域においても良好に発電が行われ、低温領域においても良好な電力密度が得られ、各電池セルにおける発電効率の向上が図られる。
【００１２】
このような本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、システムの運転を立ち上げるとき、固体酸化物形電解質の全部を高温領域に維持せずとも良い。故に、固体酸化物形燃料電池システムの立ち上がり時間の短縮化を図ることができる。更に固体酸化物形電解質の全部を高温領域に維持せずとも良いため、システムの運転時における外部への熱リーク量も抑制される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、単一の電池セル、または、単一の電池セルを複数個組み付けた電池モジュールにおいて、固体酸化物形電解質は、作動温度が相対的に高温である高温領域における組成と、相対的に低温である低温領域における組成とが異なるように設定されており、固体酸化物形電解質の高温領域で良好な電力密度が得られるばかりか、低温領域においても良好な電力密度が得られる。即ち、固体酸化物形電解質の高温領域において、高温領域で高いイオン伝導性が得られる組成が採択される。また固体酸化物形電解質の低温領域において、低温領域で高いイオン伝導性が得られる組成が採択される。これにより固体酸化物形電解質の高温領域においても低温領域においても良好に発電することができ、発電効率の向上が図られる。
【００１４】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、次の実施の形態を採用することができる。
【００１５】
（１）固体酸化物形電解質を加熱する加熱部が設けられており、加熱部は、単一の電池セル、または、単一の電池セルを複数個組み付けた電池モジュールにおいて、固体酸化物形電解質において相対的に低温である低温領域から相対的に高温である高温領域を有する温度勾配を形成するように設けられている形態を採用することができる。
【００１６】
ここで相対的に低温である低温領域とは、固体酸化物形電解質のうち作動温度が相対的に高温領域の部位よりも作動温度が低温である領域を意味する。相対的に高温である高温領域とは、固体酸化物形電解質のうち作動温度が相対的に低温領域の部位よりも作動温度が高温である領域を意味する。
【００１７】
加熱部としては、燃料のオフガスを燃焼させる燃焼部、固体酸化物形電解質や発熱体を通電加熱する通電加熱部などのうちの少なくとも一つを採用できる。固体酸化物形電解質は、単一構造でありながらも、相対的に低温である低温領域から、相対的に中温である中温領域を経て、相対的に高温である高温領域にかけて組成が全体として傾斜的に変化するように設定されている形態を採用することができる。アノードに供給される燃料としては炭化水素系ガスを例示でき、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン等の単独または混合物を採用できる。また脱硫後のガソリンや灯油等も採用できる。カソードに供給される酸化剤としては、空気等の酸素含有ガスを例示できる。
【００１８】
なお、本明細書では作動温度の高低は相対的なものであるが、低温領域は例えば５００〜７００℃未満、中温領域は例えば７００〜９００℃未満、高温領域は例えば９００〜１１００℃未満とすることができる。
【００１９】
（２）燃料及び酸化剤（空気などの酸素含有物質）のうちの少なくとも一方の洩れを抑えるように、固体酸化物形電解質をシールするシール部が設けられている形態を採用することができる。この場合、シール部は、固体酸化物形電解質のうち相対的に低温の低温領域をシールする形態を採用することができる。このようにシール部が固体酸化物形電解質のうち相対的に低温の低温領域をシールすれば、シール部に要請される耐熱条件が緩くなり、シール部の熱劣化が抑えられ、シール部の長寿命化を図り得ると共に、シール部の材質の選択の自由度を高めることができる。シール部としてはガラス系、セラミックス系、炭素系、金属系、あるいは、金属とセラミックスとの混合物であるサーメット系とすることができる。
【００２０】
（３）固体酸化物形電解質は、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、Ａ元素（Ａ元素はコバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）の１種または２種）を主要成分とするランタン系の酸化物を基材とする組成領域を有しており、そして、当該組成領域において作動温度が相対的に低温の低温領域から、相対的に中温の中温領域を経て、相対的に高温の高温領域に移行するにつれて、モル比でマグネシウム（Ｍｇ）が増加すると共にＡ元素が減少するように設定されている電解質部分を有する形態を採用することができる。高温領域ではＡ元素を減少させて０モルとすることもできる。
【００２１】
（４）固体酸化物形電解質は、ペロブスカイト型のランタン系酸化物を採用できる。殊に、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、Ａ元素（Ａ元素はコバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）のうちの１種または２種）を主要成分とするランタン系酸化物を基材としている形態を採用することができる。当該ランタン系酸化物として、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２−ＸＡＸＯ３−Ｚの組成式（例えばＺ＝０〜０．２）をもつ酸化物を採用できる。あるいは、Ｌａ０．９Ｓｒ０．１Ｇａ０．８Ｍｇ０．２−ＸＡＸＯ３−Ｚの組成式（例えばＺ＝０〜０．２０）をもつ酸化物を採用できる。
【００２２】
ここで上記した組成式においてＡ元素はコバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）のうちの１種または２種とすることができる。上記した組成式においてＸ＝０．０８〜０の範囲で可変にできる。従って固体酸化物形電解質のうち作動温度が上昇する部位に移行するにつれて、当該組成式におけるＸの値を次第に減少させる傾斜組成とすることができる。高温領域ではＡ元素を含まないように、上記した組成式においてＸ＝０とすることができる。
【００２３】
なお、傾斜組成は、含有元素が連続して変化する形態を含む他に、複数個のセルを直列に配置し含有元素がセル毎に異なるが、全体として傾斜組成と同じ効果を生じる形態を含む。
【００２４】
（５）固体酸化物形電解質はセリア系酸化物を基材としている電解質部分をもつ形態を採用することができる。セリア系酸化物として、Ｃｅ０．８Ｂ０．２Ｏ１．９−δの組成式（例えばδ＝０〜０．４）をもつ酸化物を採用できる。上記した組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ）及びガドリニウム（Ｇｄ）のうちの１種または２種である。セリア系酸化物は高温では電子伝導成分が増加する傾向をもつため、相対的に低温の低温領域（例えば５００〜７００℃）では使用するものの、相対的に高温の高温領域（例えば９００〜１１００℃）では使用しない形態を採用できる。従って相対的に中温の中温領域、相対的に高温の高温領域では、イットリア及びスカンジアのうちの少なくとも一方で安定化させた安定化ジルコニアを採用できる。殊に、相対的に高温の高温領域では、イットリアで安定化させたイットリア安定化ジルコニアを採用できる。高温領域で高いイオン伝導性が得られるためである。
【００２５】
（６）固体酸化物形電解質としては、ジルコニア系酸化物を基材としている電解質部分（相対的に高温の高温領域）をもつ形態を採用することができる。このジルコニア系酸化物として、スカンジア安定化ジルコニア、イットリア安定化ジルコニア及びそれらの混合物を採用できる。故に、固体酸化物形電解質としては、イットリアとスカンジアとの双方の混合物で安定化したジルコニアを主要成分とする酸化物を基材とする組成領域を有する電解質部分をもつ形態を採用できる。この場合、当該組成領域において作動温度が上昇する部位に移行するにつれて、モル比でイットリウム（Ｙ）が相対的に増加すると共にスカンジウム（Ｓｃ）が相対的に減少するように設定されている形態を採用することができる。
【００２６】
ここで、安定化ジルコニアとして、Ｚｒ０．８Ｓｃ０．２−ＸＹＸＯ１．９１−Ｚの組成式（例えばＺ＝０〜０．０１）をもつ酸化物を採用できる。ここでＸ＝０〜０．２の範囲内で可変である。故に作動温度が上昇する部位に移行するにつれて、Ｘ＝０〜０．２の範囲内において、Ｘの値を相対的に増加させるような傾斜組成とすることができる。ここで、作動温度が相対的に高温である高温領域（例えば９００〜１１００℃）では、イットリア安定化ジルコニアを基材としている形態を採用することができる。高温領域で高いイオン伝導性が得られるためである。この場合、高温領域では傾斜組成ではなく均一組成とすることができる。高温領域では拡散度合が低温領域に比較して大きいため、元素の拡散による影響を抑えるためである。なお安定化ジルコニアでは、イットリアやスカンジアのモル％が７〜１１％の範囲で存在し得るので、前記安定化ジルコニアの組成は、Ｚｒ比を少し高くしても可能で、前述のＺｒ０．８Ｓｃ０．２−ＸＹＸＯ１．９１−ＺからＺｒ０．８７Ｓｃ０．１３−ＸＹＸＯ１．９１−Ｚの組成範囲まで同様に成り立つため、この範囲を例示できる。後者の組成の場合、一般的には、Ｚ＝０〜０．０１、Ｘ＝０〜０．１３である。
【００２７】
（７）固体酸化物形電解質としては、作動温度が相対的に低温である低温領域では、セリウム（Ｃｅ）、Ｂ元素（Ｂ元素はサマリウム（Ｓｍ）及びガドリニウム（Ｇｄ）のうちの１種または２種）を主要成分とするセリア系酸化物であり、作動温度が相対的に中温の中温領域では、スカンジア安定化ジルコニアまたはイットリア安定化ジルコニア系等といった安定化ジルコニア系の酸化物を基材としており、作動温度が相対的に高温の高温領域（９００℃以上）ではイットリア安定化ジルコニア系等といった安定化ジルコニア系の酸化物を基材としている形態を採用することができる。
【００２８】
（８）固体酸化物形電解質の組成を部位に応じて変化させる一例としては、固体酸化物形電解質を焼結する前の段階において、固体酸化物形電解質を構成する配合混合粉末の割合を固体酸化物形電解質の部位に応じて変化させるように成形キャビティに装填して圧縮させた圧粉体を形成し、その後に圧粉体を加熱して焼結することにより実現する方策を採用できる。
【００２９】
また、固体酸化物形電解質を焼結する前の段階において、固体酸化物形電解質を構成する配合混合粉末を圧縮成形した基本組成が同一またはほぼ同一の圧粉体を用意し、配合元素を含む溶液をこの圧粉体の表面に含浸させ、その後に、圧粉体を加熱して焼結する方策を採用できる。この場合、含浸割合を圧粉体の部位に応じて変化させれば、固体酸化物形電解質の部位に応じて組成を変化させることができる。又、固体酸化物形電解質となる配合元素を含む溶液を含浸させた紙等のシートを用い、シートを焼結処理して固体酸化物形電解質とする方策を採用することもできる。シートにおいて、シートに含浸させた配合元素の濃度勾配をつけることができる。
【００３０】
【実施例】
（１−１）第１組成形態
本発明の第１組成形態に係る電池セルについて説明する。本形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの電池セルは、筒形状をなしており、イオン伝導性を有する筒形状をなす固体酸化物形電解質と、固体酸化物形電解質の厚み方向の一方側に設けられた筒形状をなす多孔質のアノードと、固体酸化物形電解質の厚み方向の他方側に設けられた筒形状をなす多孔質のカソードとをもつ。
【００３１】
固体酸化物形電解質には作動温度か高温となる高温領域Ｔ３（例えば９００〜１１００℃）が形成されている。固体酸化物形電解質には作動温度が低温となる低温領域Ｔ１（例えば５００〜７００℃未満）が形成されている。固体酸化物形電解質において高温領域Ｔ３と低温領域Ｔ１との間が中温領域Ｔ２（例えば７００〜９００℃未満）となる。
【００３２】
固体酸化物形電解質は作動温度において酸素イオン伝導性が高い方が好ましく、更にジュール損を低減させるべく電子伝導性が低い方が好ましい。単一の電池セルにおいて、固体酸化物形電解質については、単一構造であるにもかかわらず、均一組成ではなく、これの作動温度の温度勾配に応じて、組成が異なるように設定されている電解質部分が設けられている。固体酸化物形電解質の作動温度の温度勾配があったとしても、固体酸化物形電解質の各部におけるイオン伝導性を高めるためである。この結果、固体酸化物形電解質は、作動温度が相対的に高温である高温領域における組成と、相対的に低温である低温領域における組成とが異なるように設定されている。
【００３３】
即ち、単一の固体酸化物形電解質に係る低温領域Ｔ１及び中温領域Ｔ２では、低温でもイオン伝導性が良好なペロブスカイト型のランタン系酸化物（ＬａＧａＯ３系の酸化物）を基材として形成されている。特に、固体酸化物形電解質は、低温領域Ｔ１及び中温領域Ｔ２では、ランタン（Ｌａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ガリウム（Ｇａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、Ａ元素を主要成分とするランタン系酸化物を基材として形成されている。具体的には、固体酸化物形電解質は、低温領域Ｔ１及び中温領域Ｔ２では、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２−ＸＡＸＯ３−Ｚで表される組成式（例えばＺ＝０〜０．２）をもつランタン系酸化物を基材として形成されている。上記した組成式において周知のように数字はモル比を意味する。上記した組成式においてＡ元素はコバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）のうちの１種または２種以上とされている。
【００３４】
即ち、上記したランタン系の固体酸化物形電解質に係る低温領域Ｔ１では、７００℃未満の低温領域Ｔ１であっても高いイオン伝導性が得られるように、Ｘ＝０．０８〜０．０４の範囲において、作動温度が上昇する部位に移行するにつれて、Ｘの値を０．０８から０．０４に向けて徐々に減少させて傾斜組成としている。
【００３５】
また固体酸化物形電解質に係る中温領域Ｔ２では、中温領域Ｔ２での高いイオン伝導性が得られると共に電子伝導成分がより小さくなるように、作動温度が高くなるにつれて、上記した組成式において、Ｘ＝０．０４→Ｘ＝０となるまでＸの値を徐々に減少させて傾斜組成としている。Ｘ＝０のときには、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−Ｚで表される組成式（例えばＺ＝０〜０．２）をもつ酸化物となる。
【００３６】
第１組成形態によれば、単一の固体酸化物形電解質に係る高温領域Ｔ３（９００〜１１００℃）では、上記した組成式においてＸ＝０とされている。即ち、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−Ｚの組成（例えばＺ＝０〜０．２）とされており、傾斜組成ではなく、均一組成とされている。上記したように固体酸化物形電解質に係る高温領域Ｔ３は傾斜組成ではなく、均一組成とする。高温領域Ｔ３では傾斜組成ではなく均一組成とした理由は次のようである。即ち、高温領域Ｔ３では温度が高いため、固体酸化物形電解質を構成する元素の相互拡散が無視できなくなり、傾斜組成としたとき高温保持時間に応じて組成変化が無視できない。このため高温領域Ｔ３では傾斜組成ではなく、Ｘ＝０とし、Ａ元素であるコバルト及びニッケルが添加されていないＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３−Ｚの均一組成（例えばＺ＝０〜０．２）とした。
【００３７】
（１−２）第１組成形態に係るアノード
アノード（燃料極）は燃料ガスが供給され、燃料ガスを電気化学的に酸化させる場であり、電子が発生する場でもある。この事情を考慮してアノードは低温領域Ｔ１及び中温領域Ｔ２において、金属相としてのニッケルとセラミックス相としてのセリア系酸化物とが混合したサーメットで形成されている。ニッケルを含むのは、燃料ガスに対する触媒活性を得るためである。
【００３８】
第１組成形態に係るアノードについて更に説明を加える。アノードは、前記したようにニッケルとセリア系酸化物とが混合したサーメットで形成されている。従って低温領域Ｔ１において具体的には、アノードは、Ｎｉ−Ｃｅ１−ＸＢＸＯ１．９−δの組成式（例えばδ＝０〜０．４０）で表されるサーメットで形成されている。この組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。ここで上記組成式においてＸ＝０．３〜０．２の範囲において、固体酸化物形電解質の作動温度が上昇する部位に移行するにつれてＸの値を０．３（例えば５００℃付近）から徐々に減少させて０．２（例えば７００℃付近）に近づけることができる。
【００３９】
アノードは中温領域Ｔ２において、上記した組成式においてＸ＝０．２とされ、Ｎｉ−Ｃｅ０．８Ｂ０．２Ｏ１．９−δの組成式（例えばδ＝０〜０．４０）で表されるサーメットと、Ｎｉ−ＹＳＺ系サーメットとの混合材料で形成されている。中温領域Ｔ２における電子伝導性を考慮したものである。上記組成式においてＢ元素は前記したようにサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上とする。ここでＮｉ−ＹＳＺ系サーメットは、ニッケル相とＹＳＺ相とが混在したサーメットである。なお、アノードの中温領域Ｔ２においては、作動温度が上昇する部位になるにつれて、Ｎｉ−ＹＳＺ系サーメットの面積割合を増加させている傾斜組成としている。温度勾配に対処するためである。
【００４０】
アノードは高温領域Ｔ３において、具体的には、金属相としてのＮｉとセラミックス相としてのイットリア安定化ジルコニアとが混合したサーメットで形成されている。高温領域Ｔ３におけるイオン伝導性、電子伝導性、元素拡散の低減性を考慮したものである。
【００４１】
（１−３）第１組成形態に係るカソード
カソード（空気極）は、酸化剤である酸素含有物質としての空気が供給され、酸素と電子との反応の場であると共に、外部負荷から反応場へ電子を供給する導電経路の働きをする。このためカソードは、酸素を酸素イオンに還元する能力、高い電子伝導性と高いイオン伝導性をもつことが要請される。このような機能を奏するカソードは、低温領域Ｔ１において、マンガン系酸化物、特に、Ｂ０．６Ｓｒ０．４ＭｎＯ３−δの組成式（例えばδ＝０〜０．２５）で表される酸化物で形成されている。低温領域Ｔ１における高い電子伝導性を考慮したものである。この組成式においてＳｒの少なくとも一部はＣａと置換できる。Ｍｎの少なくとも一部はＣｏと置換できる。この組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。従って、Ｌａ０．６Ｓｒ（ｏｒＣａ）０．４ＭｎＯ３−δ（δ＝０〜０．２５）を例示できる。
【００４２】
第１組成形態に係るカソードは中温領域Ｔ２において、固体酸化物形電解質側の内層と空気層側の外層との二重構造で形成される。内層としては、（Ｃｅ１−ｘＺｒｘ）０．８Ｂ０．２Ｏ１．９１−δ（例えばδ＝０〜０．４１）で表されるセリア−ジルコニア系の酸化物で形成され、作動温度が高温となる部位になるにつれて、Ｘの値を０から０．５まで増加させて０．５に近づけることができる。この組成式においてＢ元素は前記したようにサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。空気側の外層としては、Ｂ０．６Ｓｒ０．４ＭｎＯ３−δの組成式（一般的にδ＝０〜０．２５）で表される酸化物で形成される。この組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。この組成式においてＳｒの少なくとも一部はＣａと置換でき、Ｍｎの少なくとも一部はＣｏと置換できる。
【００４３】
カソードは高温領域Ｔ３においても、固体酸化物形電解質側の内層と空気側の外層との二重構造で形成されている。固体酸化物形電解質側の内層としては、（Ｃｅ１−ｘＺｒｘ）０．８Ｂ０．２Ｏ１．９１−δ（例えばδ＝０〜０．４１）で表されるセリア−ジルコニア系酸化物で形成され、作動温度が高温となる部位になるにつれて、Ｘの値を０．５〜１．０まで増加させて１．０に近づけることができる。この組成式においてＢ元素は前記したようにサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。
【００４４】
空気側の外層としては、Ｂ０．６Ｓｒ０．４ＭｎＯ３−δの組成式（一般的にδ＝０〜０．２５）で表される酸化物で形成される。この組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。この組成式においてＳｒの少なくとも一部はＣａと置換でき、Ｍｎの少なくとも一部はＣｏと置換できる。
【００４５】
（１−４）第１組成形態に係るインターコネコタ
インターコネクタのうち低温領域Ｔ１については、過酷な耐熱性が要請されないため、金属系で形成されている。即ち、鉄−ニッケル−クロムを含むステンレス合金を基材として形成されている。インターコネクタのうち中温領域Ｔ２については、金属相とセラミックス相が混在したサーメットで形成されている。電子伝導性及び耐熱性を考慮したものである。金属相としては、鉄−ニッケル−クロムを含むステンレス合金とされている。セラミックス相としてはランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）系の酸化物が用いられ、具体的にはＬａ０．８Ｓｒ（ｏｒＣａ）０．２ＣｒＯ３−Ｚの組成式（例えばＺ＝０〜０．１）で表される酸化物が用いられている。本明細書ではｏｒは置換可能という意味である。
【００４６】
インターコネクタのうち高温領域Ｔ３については、電子伝導性、耐熱性を考慮し、ペロブスカイト構造をもつランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）系の酸化物を基材として形成されている。具体的には、Ｌａ０．８Ｓｒ（ｏｒＣａ）０．２ＣｒＯ３−Ｚの組成式（例えばＺ＝０〜０．１）で表される酸化物を基材として形成されている。
【００４７】
（１−５）第１組成形態の効果
以上説明したように本形態に係る単一の電池セルに係る固体酸化物形電解質によれば、固体酸化物形電解質の作動温度の温度勾配に対応するように、つまり固体酸化物形電解質の部位に応じて、固体酸化物形電解質の組成が変化している。換言すると、固体酸化物形電解質は、作動温度が相対的に高温である高温領域Ｔ３における組成と、相対的に低温である低温領域Ｔ１における組成とが異なるように設定されている。このため固体酸化物形電解質の高温領域Ｔ３においても、中温領域Ｔ２，低温領域Ｔ１においても、その作動温度に応じた高いイオン伝導性が得られる。故に、固体酸化物形電解質の高温領域Ｔ３においても、中温領域Ｔ２，低温領域Ｔ１においても、良好な電力密度が得られる。
【００４８】
上記した第１組成形態によれば、アノードについても、作動温度の温度勾配に対応するように、つまりアノードの部位に応じて、アノードの組成が変化している。換言すると、アノードは、作動温度が相対的に高温である高温領域Ｔ３における組成と、相対的に低温である低温領域Ｔ１における組成とが異なるように設定されている。このため高温領域Ｔ３においても、中温領域Ｔ２，低温領域Ｔ１においても、その作動温度に応じた高い電子伝導性が得られる。
【００４９】
カソードについても、作動温度の温度勾配に対応するように、つまりカソードの部位に応じて、カソードの組成が変化している。換言すると、カソードは、作動温度が相対的に高温である高温領域Ｔ３における組成と、相対的に低温である低温領域Ｔ１における組成とが異なるように設定されている。このため高温領域Ｔ３においても、中温領域Ｔ２，低温領域Ｔ１においても、その作動温度に応じた高い電子伝導性と耐酸化性が得られる。
【００５０】
集電用のインターコネクタについても、作動温度の温度勾配に対応するように、つまりインターコネクタの部位に応じて組成が変化している。換言すると、インターコネクタは、作動温度が相対的に高温である高温領域Ｔ３における組成と、相対的に低温である低温領域Ｔ１における組成とが異なるように設定されている。このため高温領域Ｔ３においても、中温領域Ｔ２，低温領域Ｔ１においても、その作動温度に応じた高い電子伝導性と耐酸化性が得られる。
【００５１】
（２−１）第２組成形態に係る固体酸化物形電解質
第２組成形態では、固体酸化物形電解質としては、イットリア及びスカンジアのうちの少なくとも一方で安定化された安定化ジルコニア系の酸化物を基材とする組成領域を有する。ここで、安定化ジルコニアとして、Ｚｒ０．８Ｓｃ０．２−ＸＹＸＯ１．９１−Ｚの組成式（例えばＺ＝０〜０．０１）をもつ酸化物とする。ここでＸ＝０〜０．２の範囲内で可変である。故に、作動温度が低温領域Ｔ１から中温領域Ｔ２を経て高温領域Ｔ３に移行するにつれて、上記した組成式においてＸ＝０〜０．２の範囲内において、Ｘの値を徐々に増加させるような傾斜組成とさせ、イットリウムを増加させると共にスカンジウムを減少させる。高いイオン伝導性が得られるためである。この場合、高温領域Ｔ３では上記した組成式においてＸ＝０．２としてスカンジウムを０とし、つまりＺｒ０．８Ｙ０．２Ｏ１．９１−Ｚの組成式とし、傾斜組成ではなく均一組成とする。均一組成とする理由は、高温領域Ｔ３では拡散度合が低温領域Ｔ１に比較して大きいため、元素の拡散による影響を抑えるためである。なお安定化ジルコニアでは、イットリアやスカンジアのモル％が７〜１１％の範囲で存在し得るので、前記安定化ジルコニアの組成は、Ｚｒ比を少し高くしても可能で、前述のＺｒ０．８Ｓｃ０．２−ＸＹＸＯ１．９１−ＺからＺｒ０．８７Ｓｃ０．１３−ＸＹＸＯ１．９１−Ｚの組成範囲まで同様に成り立つ。後者の組成の場合、一般的には、Ｚ＝０〜０．０１、Ｘ＝０〜０．１３である。
【００５２】
（２−２）第２組成形態に係るアノード
アノード（燃料極）は燃料ガスが供給され、燃料ガスを電気化学的に酸化させる場であり、電子が発生する場でもある。この事情を考慮してアノードは低温領域Ｔ１において、金属相としてのニッケルとセラミックス相としてのセリア系酸化物とが混合したサーメットで形成されている。ニッケルを含むのは、燃料ガスに対する触媒活性を得るためである。
【００５３】
第２組成形態に係るアノードについて説明を加える。低温領域Ｔ１において具体的には、アノードは、Ｎｉ−Ｃｅ１−ＸＢＸＯ１．９５−δの組成式（例えばδ＝０〜０．４５）で表されるサーメットで形成されている。上記した組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。ここでＸ＝０．３〜０．２において、固体酸化物形電解質１０の作動温度が上昇する部位になるにつれて、Ｘの値を０．３から徐々に減少させて０．２に近づけることができる。
【００５４】
アノードは中温領域Ｔ２において、Ｎｉ−Ｃｅ０．８Ｂ０．２Ｏ１．９−δの組成式（例えばδ＝０〜０．４０）で表されるサーメットと、Ｎｉ−ＹＳＺ系サーメットとの混合材料で形成されている。中温領域Ｔ２における耐熱性、電子伝導性を考慮したものである。上記した組成式においてＢ元素は前記したようにサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上とする。ここでＮｉ−ＹＳＺ系サーメットは、ニッケル相とＹＳＺ相とが混在したサーメットである。ここでアノードの中温領域Ｔ２においては、作動温度が上昇する部位になるにつれて、Ｎｉ−ＹＳＺ系サーメットの面積割合を増加させている傾斜組成としている。作動温度の高温化に対処するためである。
【００５５】
アノードは高温領域Ｔ３において、具体的には、金属相としてのＮｉとセラミックス相としてのイットリア安定化ジルコニアとが混合したサーメットで形成されている。高温領域Ｔ３における耐熱性、イオン伝導性、電子伝導性、元素拡散の低減性を考慮したものである。
【００５６】
（２−３）第２組成形態に係るカソード
カソード（空気極）は、酸化剤である酸素含有物質としての空気が供給され、酸素と電子との反応の場であると共に、外部負荷から反応場へ電子を供給する導電経路の働きをする。このためカソードは、酸素を酸素イオンに還元する能力、高い電子伝導性と高いイオン伝導性をもつことが要請される。このような機能を奏するカソードは、低温領域Ｔ１において、Ｂ０．６Ｓｒ０．４ＭｎＯ３−δの組成式（例えばδ＝０〜０．２５）で表される酸化物で形成されている。低温領域Ｔ１における高い電子伝導性を考慮したものである。この組成式においてＳｒの少なくとも一部はＣａと置換できる。この組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。
【００５７】
カソードは中温領域Ｔ２において、固体酸化物形電解質側の内層と空気層側の外層との二重構造で形成される。固体酸化物形電解質側の内層としては、（Ｃｅ１−ｘＺｒｘ）０．８Ｂ０．２Ｏ１．９１−δ（例えばδ＝０〜０．４１）で表されるセリア−ジルコニア系酸化物で形成され、作動温度が高温となる部位になるにつれて、Ｘの値を０から０．５まで増加させることができる。この組成式においてＢ元素は前記したようにサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。空気側の外層としては、Ｂ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３−δの組成式（一般的にδ＝０〜０．２５）で表される酸化物で形成される。この組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。この組成式においてＳｒの少なくとも一部はＣａと置換できる。
【００５８】
カソードは高温領域Ｔ３においても、固体酸化物形電解質側の内層と空気側の外層との二重構造で形成されている。固体酸化物形電解質側の内層としては、（Ｃｅ１−ｘＺｒｘ）０．８Ｂ０．２Ｏ１．９１−δ（例えばδ＝０〜０．４１）で表されるセリア−ジルコニア系酸化物で形成され、作動温度が高温となる部位になるにつれて、Ｘの値を０．５〜１．０まで増加させることができる。この組成式においてＢ元素は前記したようにサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。空気側の外層としては、Ｂ０．６Ｓｒ０．４ＭｎＯ３−δの組成式（一般的にδ＝０〜０．２５）で表される酸化物で形成される。この組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ），ガドリウム（Ｇｄ），イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）のうちの１種または２種以上である。この組成式においてＳｒの少なくとも一部はＣａと置換できる。
【００５９】
（２−４）第２組成形態に係るインターコネクタ
第２組成形態に係るインターコネクタは、第１組成形態に係るインターコネクタと同様とすることができる。
【００６０】
（第１実施例）
第１実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムについて図１〜図５を参照して説明を加える。第１実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムの電池セル１は、図１，図２に示すように、筒形状をなしており、イオン伝導性を有する筒形状をなす固体酸化物形電解質１０と、固体酸化物形電解質１０の厚み方向の一方側（外周側）に設けられた筒形状をなす多孔質のアノード１１と、固体酸化物形電解質１０の厚み方向の他方側（内周側）に設けられた筒形状をなす多孔質のカソード１２とをもつ。
【００６１】
図１，図２において、固体酸化物形電解質１０の軸長方向の中央領域が高温領域Ｔ３（例えば９００〜１１００℃）となる。固体酸化物形電解質１０の軸長方向の端領域が低温領域Ｔ１（例えば５００〜７００℃未満）となる。固体酸化物形電解質１０において高温領域Ｔ３と低温領域Ｔ１との間が中温領域Ｔ２（例えば７００〜９００℃未満）となる。
【００６２】
図３に示すように、固体酸化物形燃料電池システムは、複数個の電池セル１を並設状態に収容する内基体２０と、断熱性をもつ電池セル支持部２１及び断熱層２２を介して内基体２０を保持する外基体２３と、電池セル１のアノード１１にガス状の燃料（炭化水素系ガス）を供給する燃料供給通路２４と、電池セル１のカソード１２に酸化剤としてのガス状の空気を供給する空気供給通路２６と、燃料オフガスを燃焼させる加熱部として機能する燃焼部３０と、燃料供給通路２４から吐出された燃料オフガスを燃焼部３０に供給する燃料オフガス通路３１と、空気供給通路２６から吐出された空気オフガスを燃焼部３０に供給する空気オフガス通路３２と、燃焼部３０で燃焼された排ガスを外部に排出する排ガス通路３３と、各電池セル１の一端（上端）を電気的に繋ぐ集電用の第１インターコネクタ３４と、各電池セル１の他端（下端）を電気的に繋ぐ集電用の第２インターコネクタ３５と、第１インターコネクタ３４に繋がると共に外部に導出された電極端子３７と、第２インターコネクタ３５に繋がると共に外部に導出された電極端子３８とをもつ。
【００６３】
本実施例によれば、固体酸化物形電解質１０の軸長方向の両端領域である低温領域Ｔ１付近には、燃料や空気の洩れを抑えるシール部１６が設けられている。
【００６４】
図３に示すように、燃料供給通路２４は、筒形状の電池セル１の外周部であるアノード１１に対面する第１燃料供給通路２４１と、第１燃料供給通路２４１に繋がる第２燃料供給通路２４２とをもつ。空気供給通路２６は、筒形状の電池セル１の内周部であるカソード１２に対面する第１空気供給通路２６１と、第１空気供給通路２６１に繋がる第２空気供給通路２６２とをもつ。
【００６５】
発電の立ち上がり時には、固体酸化物形電解質１０が所定の高い温度領域に加熱される。本システムの運転の立ち上がり時には、固体酸化物形電解質１０の全部が９００℃以上の高温とならなくても良く、図２に示すように固体酸化物形電解質１０の長さ方向の中間領域が高温領域Ｔ３（例えば９００〜１１０℃）となり、固体酸化物形電解質１０の長さ方向の端領域が低温領域Ｔ１（例えば５００〜７００℃未満）となり、その中間領域が中温領域Ｔ２（例えば７００〜９００℃未満）となる。このように高温領域Ｔ３の他に低温領域Ｔ１、中温領域Ｔ２が許容される。すなわち、固体酸化物形電解質１０の軸長方向の端領域は外基体２３に電池セル支持部２１を介してつながっているため、低温領域Ｔ１とされる。固体酸化物形電解質１０の軸長方向の中央領域は燃焼部３０に近いと共に外基体２３に遠いため、高温領域Ｔ３とされる。
【００６６】
発電時には炭化水素系の燃料ガスが電池セル１の燃料供給通路２４に供給されると共に、酸化剤としての酸素含有物質である空気が電池セル１の空気供給通路２６に供給される。これにより発電が行われる。図３において燃料ガス、燃料オフガスの流れを実線の矢印として示す。空気、空気オフガスの流れを破線の矢印として示す。電池セル１の燃料供給通路２４から吐出された発電後の燃料オフガスは、燃料オフガス通路３１を経て燃焼部３０に至る。電池セル１の空気供給通路２６から吐出された発電後の空気オフガスは、空気オフガス通路３２を経て燃焼部３０に至る。空気オフガス及び燃料オフガスは燃焼部３０で混合して燃焼される。排熱は図略の排熱利用装置により有効利用されることにされている。燃焼部３０で燃焼された排ガスは、排ガス通路３３を経て排出管３３ｘから外部に排出される。図３において排ガスの流れを鎖線の矢印として示す。
【００６７】
図１〜図３に示す本実施例によれば、前述したように、固体酸化物形電解質１０の作動温度の温度勾配に応じて、つまり固体酸化物形電解質１０の長さ方向（軸長方向）の部位に応じて、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて、固体酸化物形電解質１０の組成が変化している。この結果、固体酸化物形電解質１０は、作動温度が相対的に高温である高温領域Ｔ３における組成と、相対的に低温である低温領域Ｔ１における組成とが異なるように設定されており、低温領域Ｔ１における電力密度が高められている。
【００６８】
このため電池セル１の温度を全体的に高温に且つ均一にしなくても良い。従って発電時に固体酸化物形電解質１０の全部を９００℃以上の高温領域に維持せずとも良く、発電時の立ち上がり時間の短縮化を図ることができ、発電を効率よく行うことができる。更に固体酸化物形電解質１０の全体を９００℃以上の高温にせずとも良いため、固体酸化物形電解質１０の端領域は低温領域Ｔ１（例えば５００〜７００℃未満）で済み、システムの運転時における外部への熱リーク量を抑えることができる。
【００６９】
本実施例によれば、固体酸化物形電解質１０の端領域は低温領域Ｔ１（例えば５００〜７００℃未満）となる。このため燃料供給通路２４の入口、空気供給通路２６の入口、電極端子３８，３７といった電極端子を取り出す取り出し部、電池セル支持部２１などといった各部品の温度を、固体酸化物形電解質１０の高温領域Ｔ３及び中温領域Ｔ２よりも低くしても、燃料電池を良好に運転することができる。
【００７０】
以上説明したように本実施例に係る単一の電池セル１に係る固体酸化物形電解質１０によれば、固体酸化物形電解質１０の作動温度の温度勾配に対応するように、つまり固体酸化物形電解質１０の部位に応じて、固体酸化物形電解質１０の組成が変化している。換言すると、固体酸化物形電解質１０は、作動温度が相対的に高温である高温領域Ｔ３における組成と、相対的に低温である低温領域Ｔ１における組成とが異なるように設定されている。このため固体酸化物形電解質１０の高温領域Ｔ３においても、中温領域Ｔ２，低温領域Ｔ１においても、その作動温度に応じた高いイオン伝導性が得られる。故に、固体酸化物形電解質１０の高温領域Ｔ３においても、中温領域Ｔ２，低温領域Ｔ１においても、良好な電力密度が得られる。
【００７１】
本実施例によれば、固体酸化物形電解質１０の作動温度の温度勾配に応じて、つまり、固体酸化物形電解質１０の長さ方向（軸長方向）の部位に応じて、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて、アノード１１，カソード１２は形成されている。このため作動温度の温度勾配がある場合であっても、アノード１１，カソード１２の電子伝導性が良好に確保される。
【００７２】
更に固体酸化物形電解質１０の作動温度の温度勾配に応じて、つまり、固体酸化物形電解質１０の長さ方向（軸長方向）の部位に応じて、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて、インターコネコタ３４，３５は形成されている。このため作動温度の温度勾配がある場合であっても、インターコネコタ３４，３５の電子伝導性が良好に確保される。
【００７３】
（計算例）
図４は計算例を示す。図４は固体酸化物形電解質１０における温度分布、固体酸化物形電解質１０における電力密度、固体酸化物形電解質１０における発熱量（電子伝導分）、固体酸化物形電解質１０の組成を示す。この場合、電池セル１を並設した１ｋＷクラスの燃料電池の出力評価を計算で求めた。この場合、Ａ元素としてコバルト（Ｃｏ）を用い、固体酸化物形電解質１０は、基本的にはＬａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２−ＸＣｏＸＯ３で表される組成式をもつランタン系の酸化物とした。そして低温領域Ｔ１から中温領域Ｔ２にかけてＸの値を０．０８から０まで徐々に減少させた傾斜組成とした。固体酸化物形電解質１０は内径２０ｍｍで高さ５００ｍｍとした。図４に示すように、円筒の固体酸化物形電解質１０における温度分布は、円筒の固体酸化物形電解質１０の両端で５００℃、固体酸化物形電解質１０の長さ方向の中央領域（寸法２００ｍｍの部分）が８００℃、中央領域と両端領域との間（寸法１５０ｍｍの部位）の温度はなだらかに変化している。ここで、固体酸化物形電解質１０の厚さを０．３ｍｍとする。
【００７４】
図４に示すように、固体酸化物形電解質１０の８００℃の領域では、電力密度は０．４Ｗ／ｃｍ２であり、発熱量（電子伝導分）は０．１Ｗ／ｃｍ２であった。固体酸化物形電解質１０の７００℃の領域では、電力密度は０．４Ｗ／ｃｍ２であり、発熱量（電子伝導分）は０．１４Ｗ／ｃｍ２であった。固体酸化物形電解質１０の６００℃の領域では、電力密度は０．３Ｗ／ｃｍ２であり、発熱量（電子伝導分）は０．１４Ｗ／ｃｍ２であった。固体酸化物形電解質１０の５００℃の領域では、電力密度は０．２Ｗ／ｃｍ２であり、発熱量（電子伝導分）は０．１５Ｗ／ｃｍ２であった。このようにこの計算例によれば、固体酸化物形電解質１０の５００℃程度の低温領域であっても０．２Ｗ／ｃｍ２の良好な電力密度が実現でき、結果として、固体酸化物形電解質１０の作動温度が変化したとしても、良好なる電力密度が得られる。即ち固体酸化物形電解質１０の作動温度の温度勾配が生じているとしても、固体酸化物形電解質１０の各部位における発電ムラが軽減される。上記した計算例によれば、筒形状の固体酸化物形電解質１０の１本あたり、発電出力は１１３Ｗであり、固体酸化物形電解質１０を１６本並設した電池モジュールでは１８０８Ｗの発電出力が得られる。なお筒形状の固体酸化物形電解質１０の１本あたり、発熱量は４０Ｗであり、固体酸化物形電解質１０を１６本並設することで６４０Ｗの発熱量がある。
【００７５】
図５は比較例に係る計算例を示す。図５は比較例に係る固体酸化物形電解質における温度分布、固体酸化物形電解質における電力密度、固体酸化物形電解質における発熱量（電子伝導分）、固体酸化物形電解質の組成を示す。比較例に係る固体酸化物形電解質は、作動温度に応じて組成を傾斜させる傾斜組成ではなく、組成が一定に固定されており、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２Ｏ３で表される組成式をもつ酸化物とした。固体酸化物形電解質のサイズは前述同様に内径２０ｍｍで高さ５００ｍｍとした。図５に示すように、固体酸化物形電解質１０の８００℃の領域では、電力密度は０．４Ｗ／ｃｍ２であり、発熱量（電子伝導分）は０．１Ｗ／ｃｍ２であった。固体酸化物形電解質１０の７００℃の領域では、電力密度は０．２５Ｗ／ｃｍ２であり、発熱量（電子伝導分）は０．１Ｗ／ｃｍ２であった。固体酸化物形電解質１０の６００℃の領域では、電力密度は０．１２Ｗ／ｃｍ２であり、発熱量（電子伝導分）は０．０５Ｗ／ｃｍ２であった。固体酸化物形電解質１０の５００℃の領域では、電力密度は０．０５Ｗ／ｃｍ２であり、発熱量（電子伝導分）は０．０４Ｗ／ｃｍ２であった。
【００７６】
このように比較例に係る計算例によれば、作動温度が７００℃よりも低い領域では電力密度はかなり小さいものである。上記した比較例によれば、筒形状の固体酸化物形電解質の１本あたり、発電出力は８２Ｗであり、固体酸化物形電解質を１６本並設した電池モジュールでは１３１２Ｗの発電出力が得られる。なお筒形状の固体酸化物形電解質の１本あたり、発熱量は２６Ｗであり、固体酸化物形電解質１０を１６本並設することで４１６Ｗの発熱量がある。
【００７７】
（２）第２実施例
本発明の第２実施例について図６〜図８を参照して説明する。図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、本実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムに使用されている平板形状をなす電池セル１Ｂは、酸素イオン伝導性を有する四角の平板形状をなす固体酸化物形電解質１０Ｂと、固体酸化物形電解質１０Ｂの一方側（片面側）に設けられた四角の平板形状をなすアノード１１Ｂと、固体酸化物形電解質１０Ｂの他方側（他の片面側）に設けられた四角の平板形状をなすカソード１２Ｂとをもつ。固体酸化物形電解質１０Ｂの中央領域が高温領域Ｔ３（例えば９００〜１１００℃）となる。固体酸化物形電解質１０Ｂの周縁が低温領域Ｔ１（例えば５００〜７００℃未満）となる。固体酸化物形電解質１０Ｂにおいて高温領域Ｔ３と低温領域Ｔ１との間が中温領域Ｔ２（例えば７００〜９００℃未満）となる。
【００７８】
第２実施例に係る固体酸化物形電解質１０Ｂは、第１実施例に係る固体酸化物形電解質１０と同じように、固体酸化物形電解質１０Ｂの作動温度の温度勾配に応じて、つまり部位に応じて組成を変化している。即ち、固体酸化物形電解質１０Ｂは、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて形成されており、作動温度が相対的に高温である高温領域Ｔ３における組成と、相対的に低温である低温領域Ｔ１における組成とが異なるように設定されている。固体酸化物形電解質１０Ｂの作動温度に応じた高いイオン伝導性を得るためである。
【００７９】
従って、図６（Ｂ）に示すように、第１組成形態で形成された固体酸化物形電解質１０Ｂについては、Ｌａ０．８Ｓｒ０．２Ｇａ０．８Ｍｇ０．２−ＸＡｘＯ３−Ｚの組成式をもつ酸化物を基材とすることができる。また図７（Ｂ）に示すように、第２組成形態で形成された固体酸化物形電解質１０Ｂについては、Ｚｒ０．８Ｓｃ０．２−ｘＹＸＯ１．９１−Ｚの組成式をもつ酸化物を基材とすることができる。
【００８０】
第２実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムの全体構成について図８を参照して説明を加える。固体酸化物形燃料電池システムは、図８に示すように、固体酸化物形電解質１０Ｂ、アノード１１Ｂ及びカソード１２Ｂを有する電池セル１Ｂと、電池セル１Ｂを挟むように設けられた四角板状のセパレータ１５Ｂと、セパレータ１５Ｂと固体酸化物形電解質１０Ｂとの間に設けられ開口１６０をもつシール部１６Ｂとを有する。
【００８１】
このアノード１１Ｂは、第１実施例に係るアノード１１と同じように、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて形成されており、固体酸化物形電解質１０Ｂの作動温度の温度勾配に応じてアノード組成を変化させている。またカソード１２Ｂは、第１実施例に係るカソード１２と同じように、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて形成されており、固体酸化物形電解質１０Ｂの作動温度の温度勾配に応じてカソード組成を変化させている。
【００８２】
なお、セパレータ１５Ｂは導電材料（Ｎｉ−Ｃｒ系ステンレス鋼等）で形成されており、電池セル１Ｂを電気的に繋ぐ集電用のインターコネクタとして機能できる。
【００８３】
セパレータ１５Ｂの片面には、電池セル１Ｂのアノード１１Ｂに燃料（炭化水素系ガス）を供給する燃料供給通路２４Ｂが形成されている。セパレータ１５Ｂの他の片面には、電池セル１Ｂのカソード１２Ｂに酸化剤としての空気（酸素含有ガス）を供給する空気供給通路２６Ｂが酸化剤通路として設けられている。
【００８４】
セパレータ１５Ｂ、固体酸化物形電解質１０Ｂ、シール部１６Ｂの隅部には、燃料供給通路２４Ｂに燃料ガスを供給する燃料通路２４５Ｂが形成されている。またセパレータ１５Ｂ、固体酸化物形電解質１０Ｂ、シール部１６Ｂの他の隅部には、セパレータ１５Ｂの空気供給通路２６Ｂに空気を供給する空気通路２６５Ｂが形成されている。
【００８５】
更に、セパレータ１５Ｂの燃料供給通路２４Ｂから吐出された燃料オフガスを吐出する燃料オフガス通路３１Ｂが、セパレータ１５Ｂ、固体酸化物形電解質１０Ｂ、シール部１６Ｂの隅部に形成されている。セパレータ１５Ｂの空気供給通路２６Ｂから吐出された空気オフガスを吐出する空気オフガス通路３２Ｂが、セパレータ１５Ｂ、固体酸化物形電解質１０Ｂ、シール部１６Ｂの隅部に形成されている。
【００８６】
さて発電時には、炭化水素系等の燃料ガスがセパレータ１５Ｂの燃料供給通路２４Ｂに供給されると共に、酸素含有ガスである空気がセパレータ１５Ｂの空気供給通路２６Ｂに供給される。これにより発電が行われる。セパレータ１５Ｂの燃料供給通路２４Ｂから吐出された発電後の燃料オフガスは、燃料オフガス通路３１Ｂを経て吐出される。セパレータ１５Ｂの空気供給通路２６Ｂから吐出された発電後の空気オフガスは、空気オフガス通路３２Ｂを経て吐出される。
【００８７】
発電時において固体酸化物形電解質１０Ｂにおいて端領域は外部に近いため、低温領域Ｔ１とされる。固体酸化物形電解質１０Ｂにおいて中央領域は外部に対して遠いため、高温領域Ｔ３とされる。
【００８８】
本実施例によれば、図８に示すように、シール部１６Ｂは、固体酸化物形電解質１０Ｂの周縁である低温領域Ｔ１をシールしており、燃料や空気の外部への漏れを抑えている。シール部１６Ｂはガラス系、セラミックス系、炭素系、サーメット系、金属系のいずれかで形成できる。このようにシール部１６Ｂは、固体酸化物形電解質１０Ｂのうち高温領域Ｔ３ではなく、低温領域Ｔ１をシールしているため、シール部１６Ｂに過剰の耐熱性が要請されることが回避される。故に、シール部１６Ｂの熱劣化防止を図り得てシール部１６Ｂの長寿命化を図り得ると共に、シール部１６Ｂの材質選択の自由度の拡大を図り得る。このように本実施例によれば、システムの運転時において固体酸化物形電解質１０Ｂの全体を高温領域に維持せずとも良く、固体酸化物形燃料電池システムの運転を立ち上げるとき、立ち上がり時間の短縮化を図ることができ、更にシステムの運転時における外部への熱リーク量も抑制される。
【００８９】
本実施例によれば、前記したように固体酸化物形電解質１０Ｂの端領域は低温領域Ｔ１（例えば５００〜７００℃未満）で済む。このため燃料供給通路２４Ｂの入口、空気供給通路２６Ｂの入口、電極端子を取り出す取り出し部などといった各部品の温度を、固体酸化物形電解質１０の高温領域Ｔ３及び中温領域Ｔ２よりも低くしても、燃料電池を良好に稼働することができる。
【００９０】
（３）第３実施例
本発明の第３実施例について図９，図１０を参照して説明する。本実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムの電池セル１Ｃは断面でハニカム形状をなしており、イオン伝導性を有するハニカム状をなすと共に高さ方向に延設された固体酸化物形電解質１０Ｃと、固体酸化物形電解質１０Ｃの一方側に設けられた筒形状をなす高さ方向に延設されたアノード１１Ｃと、固体酸化物形電解質１０の他方側に設けられた筒形状をなす高さ方向に延設されたカソード１２Ｃとをもつ。
【００９１】
固体酸化物形電解質１０Ｃでは、高さ方向の一端領域（上端領域）が高温領域Ｔ３（例えば９００〜１１００℃）である。高温となる燃焼室３１０Ｃに近いためである。固体酸化物形電解質１０Ｃの高さ方向の他端領域（下端領域）が低温領域Ｔ１（例えば５００〜７００℃未満）である。固体酸化物形電解質１０Ｃにおいて長さ方向の高温領域Ｔ３と低温領域Ｔ１との間が中温領域Ｔ２（例えば７００〜９００℃未満）となる。
【００９２】
第３実施例に係る固体酸化物形電解質１０Ｃは、第１実施例に係る固体酸化物形電解質１０と同じように作動温度の温度勾配に応じてこれの高さ方向に沿って（長さ方向に沿って）組成を変化させている。即ち、固体酸化物形電解質１０Ｃは、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて形成されており、従って、作動温度が相対的に高温である高温領域Ｔ３における組成と、相対的に低温である低温領域Ｔ１における組成とが異なるように設定されており、これにより低温領域Ｔ１における電力密度が高められている。
【００９３】
図１０に示すように、本実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形電解質１０Ｃ、アノード１１Ｃ及びカソード１２Ｃを有する電池セル１Ｃと、電池セル１Ｃのアノード１１Ｃに燃料（炭化水素系ガス）を供給する燃料供給通路２４Ｃと、アノード１１Ｃに沿って高さ方向に延設された第１インターコネクタ３４Ｃと、カソード１２Ｃに沿って高さ方向に延設された第２インターコネクタ３５Ｃとをもつ。
【００９４】
図９に示すように、上記した燃料供給通路２４Ｃは、ハニカム形状の電池セル１Ｃのアノード１１Ｃに対面する第１燃料供給通路２４１Ｃと、第１燃料供給通路２４１Ｃに繋がる第２燃料供給通路２４２Ｃと、第２燃料供給通路２４２Ｃに繋がる第３燃料供給通路２４３Ｃと、第３燃料供給通路２４３Ｃに繋がる第４燃料供給通路２４４Ｃとをもつ。
【００９５】
図９に示すように、空気供給通路２６Ｃは、ハニカム形状の電池セル１Ｃのカソード１２Ｃに対面する第１空気供給通路２６１Ｃと、第１空気供給通路２６１Ｃに繋がる第２空気供給通路２６２Ｃと、第２空気供給通路２６２Ｃに繋がる第３空気供給通路２６３Ｃと、第３空気供給通路２６３Ｃに繋がる第４空気供給通路２６４Ｃとをもつ。更に本システムは、図９に示すように、発電後の燃料オフガスを吐出する燃料オフガス通路３１Ｃと、発電後の空気オフガスを吐出する空気オフガス通路３２Ｃと、燃料オフガス及び空気オフガスが混合した混合ガスを燃焼させる加熱部として機能する燃焼バーナである燃焼部３０Ｃと、燃焼部３０Ｃで燃焼された排ガスを外部に排出する排ガス通路３３Ｃとをもつ。
【００９６】
発電後の燃料オフガスを吐出する燃料オフガス通路３１Ｃは、図９に示すように、第１燃料オフガス通路３１１Ｃと、第１燃料オフガス通路３１１Ｃに繋がる第２燃料オフガス通路３１２Ｃと、第２燃料オフガス通路３１２Ｃに繋がる第３燃料オフガス通路３１３Ｃと、第３燃料オフガス通路３１３Ｃに繋がる第４燃料オフガス通路３１４Ｃとをもつ。発電後の空気オフガスを吐出する空気オフガス通路３２Ｃは、図９に示すように、第１空気オフガス通路３２１Ｃと、第１空気オフガス通路３２１Ｃに繋がる第２空気オフガス通路３２２Ｃと、第２空気オフガス通路３２２Ｃに繋がる第３空気オフガス通路３２３Ｃと、第３空気オフガス通路３２３Ｃに繋がる第４空気オフガス通路３２４Ｃとをもつ。
【００９７】
本実施例においては、発電時には、炭化水素系の燃料ガスが燃料供給通路２４Ｃに供給されると共に、空気が空気供給通路２６Ｃに供給される。これにより炭化水素系の燃料ガスが電池セル１Ｃの第１燃料供給通路２４１Ｃに供給されると共に、空気が電池セル１Ｃの第１空気供給通路２６１Ｃに供給され、電池セル１Ｃで発電が行われる。図９において、燃料ガス、燃料オフガスの流れを実線の矢印として示す。空気、空気オフガスの流れを破線の矢印として示す。排ガスの流れを鎖線の矢印として示す。
【００９８】
発電後の燃料オフガスは、燃料オフガス通路３１Ｃを経て実線の矢印のように流れて燃焼部３０Ｃに吐出される。また発電後の空気オフガスは、空気オフガス通路３２Ｃを経て破線の矢印のように流れて燃焼部３０Ｃに吐出される。この結果、燃料オフガス及び空気オフガスは燃焼部３０Ｃで燃焼され、燃焼室３１０Ｃに火炎が生成される。このため固体酸化物形電解質１０Ｃは長さ方向の一端領域（上端領域）が高温領域Ｔ３となり、固体酸化物形電解質１０Ｃは長さ方向の他端領域（下端領域）が低温領域Ｔ１となり、低温領域Ｔ１と高温領域Ｔ３との間が中温領域Ｔ２となる。
【００９９】
上記したように本実施例に係る単一電池セル１Ｃに係る固体酸化物形電解質１０Ｃは、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて形成されており、固体酸化物形電解質１０Ｃの作動温度に対応するように固体酸化物形電解質１０Ｃの組成が変化している。このため固体酸化物形電解質１０Ｃの低温領域Ｔ１及び中温領域Ｔ２であっても、高いイオン伝導性が得られる。
【０１００】
更に本実施例によれば、第１実施例及び第２実施例の場合と同様に、固体酸化物形電解質１０Ｃには温度勾配が形成されており、固体酸化物形電解質１０Ｃの全体を高温領域に維持せずとも良い。故に、固体酸化物形燃料電池システムの運転を立ち上げるとき、立ち上がり時間の短縮化を図ることができ、更にシステムの運転時における外部への熱リーク量も抑制される。
【０１０１】
また固体酸化物形電解質１０Ｃの高温領域Ｔ３付近における燃料や空気の漏れを抑えるべく、シール部１６Ｃが設けられている。また固体酸化物形電解質１０Ｃの低温領域Ｔ１付近における燃料や空気の漏れを抑えるべく、シール部１６Ｃが設けられている。殊に、低温領域Ｔ１をシールするシール部１６Ｃは、低温領域Ｔ１であるため、過酷な耐熱性が要請されず、このシール部１６Ｃの材質を選択する自由度を拡大することができる。なお、低温領域Ｔ１をシールするシール部１６Ｃの材質としてはセラミックス系、サーメット系、金属系、炭素系のいずれかとすることができ、耐熱性が比較的低いものでも良い。
【０１０２】
第３実施例に係るアノード１１Ｃは、第１実施例に係るアノード１１と同じように、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて形成されており、作動温度の温度勾配に応じてアノード組成を変化させている。またカソード１２Ｃは、第１実施例に係るカソード１２と同じように、作動温度の温度勾配に応じて、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて形成されており、作動温度の温度勾配に応じてカノード組成を変化させている。従ってアノード１１Ｃ、カソード１２Ｃの電子伝導性が良好に確保されている。
【０１０３】
加えて第１インターコネクタ３４Ｃ、第２インターコネクタ３５Ｃについても、作動温度の温度勾配に応じて、上記した第１組成形態または第２組成形態のいずれかに基づいて形成されており、従って電子伝導性が良好に確保されている。
【０１０４】
（４）第４実施例
本発明の第４実施例に係る電池セル１Ｄについて図１１を参照して説明する。本実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、管状をなす単一の電池セル１Ｄは筒形状をなしており、長さ方向の一端部に凸状の嵌合部１７ａを有すると共に、長さ方向の他端部に凹状の被嵌合部１７ｃを有する。図１１に示すように、単一の管状の電池セル１Ｄは、イオン伝導性を有する筒形状をなす固体酸化物形電解質１０Ｄと、固体酸化物形電解質１０Ｄの厚み方向の一方側に設けられた筒形状をなすアノード１１Ｄと、固体酸化物形電解質１０Ｄの厚み方向の他方側に設けられた筒形状をなすカソード１２Ｄとをもつ。なおカソード１２Ｄおよびアノード１１Ｄの位置を入り替えても良い。
【０１０５】
また図１１に示すように、管状の電池セル１Ｄは、アノード１１Ｄに燃料を供給する燃料供給通路２４Ｄと、カソード１２Ｄに酸化剤としての酸素含有ガスである空気を供給する空気供給通路２６Ｄとをもつ。そして図１１に示すように、単一の電池セル１Ｄの嵌合部１７ａ及び被嵌合部１７ｃを嵌合することにより、単一の電池セル１Ｄを複数個直列的に結合して管状の電池モジュール１９Ｄを形成している。
【０１０６】
管状の電池モジュール１９Ｄにおいて、隣設する電池セル１Ｄの間には、各電池セル１Ｄを電気的に繋ぐ集電用のインターコネクタ３４Ｄ（３４Ｄ１〜３４Ｄ４）が設けられている。このように複数個の管状の電池セル１Ｄを直列的に結合して管状の電池モジュール１９Ｄを形成するため、単一の電池セル１Ｄでは、固体酸化物形電解質１０Ｄを同一組成とすることができると共に、アノード１１Ｄ、カソード１２Ｄについても同一組成とすることができる。そして、隣設する電池セル１Ｄ同士において、固体酸化物形電解質１０Ｄの組成を変化させれば良い。
【０１０７】
本実施例によれば、管状の電池モジュール１９Ｄの長さ方向の一端領域（上端領域）が高温領域Ｔ３（例えば９００〜１１００℃）となり、且つ、管状の電池モジュール１９Ｄの長さ方向の他端領域（下端領域）が低温領域Ｔ１（例えば５００〜７００℃未満）となり、低温領域Ｔ１と高温領域Ｔ３との間が中温領域Ｔ２（例えば７００〜９００℃未満）となる。
【０１０８】
本実施例によれば、インターコネクタ３４Ｄ１は高温領域Ｔ３に近く、インターコネクタ３４Ｄ４は低温領域Ｔ１に近い。このため高温側のインターコネクタ３４Ｄ１は、電子伝導性及び耐熱性を考慮し、ペロブスカイト構造をもつランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）系の酸化物を基材として形成されている。具体的には、高温側のインターコネクタ３４Ｄ１は、Ｌａ０．８Ｓｒ（ｏｒＣａ）０．２ＣｒＯ３−Ｚの組成式（例えばＺ＝０〜０．１）で表される酸化物を基材として形成されている。
【０１０９】
これに対して低温領域Ｔ１側のインターコネクタ３４Ｄ４は、過酷な耐熱性が要請されないため、酸化物系ではなく、金属系、殊に鉄−ニッケル−クロムを含むステンレス合金を基材として形成されている。中温側のインターコネクタ３４Ｄ２，３４Ｄ３は、鉄−ニッケル−クロムを含むステンレス合金とＬａ０．８Ｓｒ（ｏｒＣａ）０．２ＣｒＯ３−Ｚの組成式で表される酸化物との混合物（サーメット）を基材として形成されている。電子伝導性及び耐熱性を考慮したものである。
【０１１０】
上記した管状の電池モジュール１９Ｄについて、固体酸化物形電解質１０Ｄはこれの作動温度の温度勾配に応じて、つまり部位に応じて組成が異なるように設定されている。固体酸化物形電解質１０Ｄの作動温度に応じてイオン伝導性を高めるためである。即ち、管状の電池モジュール１９Ｄについて、低温領域Ｔ１では、固体酸化物形電解質１０Ｄは、低温領域Ｔ１でもイオン伝導性が良好なセリア系酸化物を基材として形成されている。セリア系酸化物としては、具体的には、低温領域Ｔ１では、固体酸化物形電解質１０Ｄは、Ｃｅ０．８Ｂ０．２Ｏ１．９−δで表される組成式（例えばδ＝０〜０．４）をもつ基材で形成されている。上記組成式においてＢ元素はサマリウム（Ｓｍ）及びガドリニウム（Ｇｄ）のうちの１種または２種とされている。
【０１１１】
ところで、セリア系酸化物の電解質は低温では電子伝導成分が比較的少ないものの、温度が高くなると電子伝導成分が多くなる傾向をもつので、７００℃以上の高温領域Ｔ３において固体酸化物形電解質１０Ｄとして使用するには好ましくない。そこで図１１に示す本実施例によれば、管状の電池モジュール１９Ｄについて中温領域Ｔ２では、固体酸化物形電解質１０Ｄは、中温領域Ｔ２においてイオン伝導性が良好なイットリア安定化ジルコニアを基材としたり、あるいは、スカンジア安定化ジルコニアを基材として形成されている。
【０１１２】
更に管状の電池モジュール１９Ｄの高温領域Ｔ３では、固体酸化物形電解質１０Ｄはイットリア安定化ジルコニアを基材として形成されている。高温領域Ｔ３でのイオン伝導性が良好であること、電子伝導成分が小さいことを考慮したものである。
【０１１３】
しかして、セリア系酸化物とジルコニアとが混在した固溶体は、イオン伝導性を低下させるおそれがある。この点本実施例のように、単一の電池セル１Ｄを複数個、直列的に結合して管状の電池モジュール１９Ｄを形成しているため、低温側の電池セル１Ｄの固体酸化物形電解質１０Ｄをセリア系酸化物を基材として形成し、且つ、高温側の電池セル１Ｄの固体酸化物形電解質１０Ｄをジルコニアを基材として形成にすれば、セリア系酸化物とジルコニアとの相互拡散を抑えることができ、これにより上記固溶体を生成するおそれを低減または回避することができる。
【０１１４】
（その他）
第１実施例によれば、電池セル１は、固体酸化物形電解質１０と、固体酸化物形電解質１０の厚み方向の一方側（外周側）に設けられた筒形状をなす多孔質のアノード１１と、固体酸化物形電解質１０の厚み方向の他方側（内周側）に設けられた筒形状をなす多孔質のカソード１２とをもつ。これに限らず、アノード１１は、固体酸化物形電解質１０の厚み方向の他方側（内周側）に設けられいても良い。カソード１２は、固体酸化物形電解質１０の厚み方向の一方側（外周側）に設けられていても良い。
【０１１５】
上記した各実施例では低温領域、中温領域、高温領域は相対的なものであり、上記した温度範囲に限定されるものではない。従って第１実施例によれば、高温領域Ｔ３は９００〜１１００℃とされているが、これに限らず、電池セルの種類に応じてプラスマイナス１００℃程度またはプラスマイナス５０℃程度上下させても良い。低温領域Ｔ１は５００〜７００℃未満とされているが、これに限らず、電池セルの種類に応じてプラスマイナス１００℃程度またはプラスマイナス５０℃程度上下させても良い。中温領域Ｔ２は７００〜９００℃未満とされているが、これに限らず、電池セルの種類に応じてプラスマイナス１００℃程度またはプラスマイナス５０℃程度上下させても良い。
【０１１６】
第１実施例によれば、固体酸化物形電解質１０は円筒形状されているが、角筒形状でも良い。固体酸化物形燃料電池システムにおいて電池セルの数は上記に限定されるものではない。
【０１１７】
第３実施例によれば、固体酸化物形電解質１０Ｃは長さ方向の一端領域（上端領域）が高温領域Ｔ３となり、固体酸化物形電解質１０Ｃの長さ方向の他端領域（下端領域）が低温領域Ｔ１となる。これに限らず、固体酸化物形電解質１０Ｃは長さ方向の一端領域（上端領域）が低温領域となり、固体酸化物形電解質１０Ｃの長さ方向の他端領域（下端領域）が高温領域としても良い。
【０１１８】
第４実施例によれば、管状の電池モジュール１９Ｄの長さ方向の一端領域（上端領域）が高温領域Ｔ３となり、管状の電池モジュール１９Ｄの長さ方向の他端領域（下端領域）が低温領域Ｔ１となるが、これに限らず、管状の電池モジュール１９Ｄの長さ方向の一端領域（上端領域）が低温領域となり、管状の電池モジュール１９Ｄの長さ方向の他端領域（下端領域）が高温領域としても良い。
【０１１９】
その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、固体酸化物形燃料電池システムの全体構造は上記したものに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で必要に応じて適宜変更できる。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
【０１２０】
（付記項１）イオン伝導性を有する固体酸化物形電解質と、固体酸化物形電解質の一方側に設けられたアノードと、固体酸化物形電解質の他方側に設けられたカソードと、アノードに燃料を供給する燃料電池供給通路と、カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給通路とをもつ固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
固体酸化物形電解質は、部位に応じて作動温度が異なる方式であり、
更に、アノードは、固体酸化物形電解質の作動温度が相対的に高温である高温領域におけるアノード組成と、相対的に低温である低温領域におけるアノード組成とが異なるように設定されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。作動温度の温度勾配に応じてアノード組成を傾斜組成とすることもできる。
【０１２１】
（付記項２）イオン伝導性を有する固体酸化物形電解質と、固体酸化物形電解質の一方側に設けられたアノードと、固体酸化物形電解質の他方側に設けられたカソードと、アノードに燃料を供給する燃料電池供給通路と、カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給通路とをもつ固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
固体酸化物形電解質は、部位に応じて作動温度が異なる方式であり、
更に、カソードは、固体酸化物形電解質の作動温度が相対的に高温である高温領域におけるカソード組成と、相対的に低温である低温領域におけるカソード組成とが異なるように設定されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。作動温度の温度勾配に応じてカソード組成を傾斜組成とすることもできる。
【０１２２】
（付記項３）イオン伝導性を有する固体酸化物形電解質と、固体酸化物形電解質の一方側に設けられたアノードと、固体酸化物形電解質の他方側に設けられたカソードと、アノードに燃料を供給する燃料電池供給通路と、カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給通路とをもつ固体酸化物形燃料電池システムにおいて、
固体酸化物形電解質は、部位に応じて作動温度が異なる方式であり、
更に、インターコネクタは、固体酸化物形電解質の作動温度が相対的に高温である高温領域におけるインターコネクタ組成と、相対的に低温である低温領域におけるインターコネクタ組成とが異なるように設定されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。作動温度の温度勾配に応じてインターコネクタ組成を傾斜組成とすることもできる。
【０１２３】
（付記項４）イオン伝導性を有する固体酸化物形電解質と、固体酸化物形電解質の一方側に設けられたアノードと、固体酸化物形電解質の他方側に設けられたカソードとを有する電池セルを用い、複数個の電池セルを接合して構成されたモジュールを有する固体酸化物形燃料電池システムにおいて、モジュールは部位に応じて作動温度が異なる方式であり、更に、モジュールを構成する電池セルの固体酸化物形電解質は、モジュールの作動温度が相対的に高温である高温領域における組成と、モジュールの作動温度が相対的に低温である低温領域における組成とが異なるように設定されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【０１２４】
【発明の効果】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形電解質は、作動温度が相対的に高温である高温領域における組成と、相対的に低温である低温領域における組成とが異なるように設定されている。このため固体酸化物形電解質の高温領域において、高温領域で高いイオン伝導性が得られる組成が採択される。固体酸化物形電解質の低温領域において、低温領域で高いイオン伝導性が得られる組成が採択される。これにより固体酸化物形電解質の高温領域においても低温領域においても良好に発電することができ、発電効率の向上が図られる。このため固体酸化物形電解質の全体を高温領域に維持せずとも良く、固体酸化物形燃料電池システムの立ち上がり時間の短縮化を図ることができる。
【０１２５】
更に固体酸化物形電解質の全体を高温領域に維持せずとも良いため、システムの運転時における外部への熱リーク量も抑制される。更に固体酸化物形電解質の低温領域をシール部でシールするようにすれば、シール部の熱劣化を抑えることができ、シール部の材質の選択の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例に係る筒形状の電池セルの斜視図である。
【図２】第１実施例に係る筒形状の固体酸化物形電解質の斜視図である。
【図３】第１実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムの断面図である。
【図４】第１実施例に係る筒形状の固体酸化物形電解質を用いたときにおける計算例を示す構成図である。
【図５】比較例に係る筒形状の固体酸化物形電解質を用いたときにおける計算例を示す構成図である。
【図６】（Ａ）は平板状の固体酸化物形電解質をアノード及びカソードで挟んだ電池セルの断面図であり、（Ｂ）は平板状の固体酸化物形電解質の平面図である。
【図７】（Ａ）は平板状の固体酸化物形電解質をアノード及びカソードで挟んだ電池セルの断面図であり、（Ｂ）は平板状の固体酸化物形電解質の平面図である。
【図８】第２実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムの斜視図である。
【図９】第３実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムの斜視図である。
【図１０】第３実施例に係る別の形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの要部の断面図である。
【図１１】第４実施例に係る固体酸化物形燃料電池システムの要部の断面図である。
【図１２】従来技術に係る固体酸化物形燃料電池システムの概念図である。
【符号の説明】
図中、１は電池セル、１０は固体酸化物形電解質、１１はアノード、１２はカソード、２４は燃料供給通路、２６は空気供給通路（酸化剤供給通路）、３０は燃焼部、３４，３５はインターコネクタを示す。
【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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【図１１】
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【図１２】
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