(57)【要約】【課題】オフガス回収部内におけるオフガスの滞留を抑制可能な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を提供する。【解決手段】本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、導出側キャップ７１を備えている。導出側キャップ７１は、一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅと固定される導出側本体部７１ａと、導出側本体部７１ａに設けられ、導出側本体部７１ａ側から燃焼部側に向かって先細の筒状に形成され、一つまたは複数の第一ガス流路３３ｄから排出された第一オフガスの流れを層流に形成する層流形成部７１ｂと、層流形成部７１ｂの先端に層流形成部７１ｂと連通して設けられ、筒状に形成され、層流形成部７１ｂを通過した第一オフガスを燃焼部に導出する導出側連通口部７１ｃとを備える。【選択図】  図４
2017033652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状に形成され燃料および酸化剤ガスのうちの一方である第一ガスが一端側から他端側に向けて流通する内側電極層と、前記内側電極層の外側に積層され前記燃料および前記酸化剤ガスのうちの他方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る一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、
前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他端側の端部を覆うように設けられ、前記内側電極層内に形成された一つまたは複数の第一ガス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回収して前記第一オフガスと前記第二ガスとが燃焼する燃焼部に導出する導出側キャップと、
を備える複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セルが電気的に接続された固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記導出側キャップは、
筒状に形成され、前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他端側の端部と固定される導出側本体部と、
前記導出側本体部に設けられ、前記導出側本体部側から前記燃焼部側に向かって先細の筒状に形成され、前記一つまたは複数の第一ガス流路から排出された前記第一オフガスの流れを層流に形成する層流形成部と、
前記層流形成部の先端に前記層流形成部と連通して設けられ、筒状に形成され、前記層流形成部を通過した前記第一オフガスを前記燃焼部に導出する導出側連通口部と、
を備える固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記層流形成部は、軸線方向に軸線に沿って切断したときの断面形状が直線状または円弧状に形成されている請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記導出側連通口部の流路断面積は、前記一つまたは複数の第一ガス流路の流路断面積の総和より小さく設定されている請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
前記導出側キャップは、前記導出側本体部と前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他端側の端部との間の隙間を埋めるように設けられ、可撓性を有するガスシール部材を備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第一ガスは、前記燃料であり、前記第二ガスは、前記酸化剤ガスである請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜５のいず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燃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燃料の混合ガスとから前記燃料である改質ガスを生成する改質部と、
を備える固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項７】
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６に記載の固体酸化物形燃料電池モジュールと、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールから排気される燃焼排ガスと前記貯湯槽から供給される前記貯湯水との間で熱交換を行い、前記燃焼排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水を排出する熱交換器と、
前記熱交換器から排出される前記凝縮水を純水化する水タンクと、
補機を駆動して前記固体酸化物形燃料電池システムの運転を制御する制御装置と、
少なくとも前記固体酸化物形燃料電池モジュールから出力される直流電力を交流電力に変換して交流の系統電源に接続されている電源ラインに出力する電力変換装置と、
を備え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、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た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】
上記発明の一例として、特許文献１および特許文献２に記載の発明が挙げられる。特許文献１に記載のオフガス燃焼装置は、燃料電池セルバンドルから排出される燃料極オフガスの流れを混合抑制領域と混合促進領域とに分けて、混合促進領域に空気極オフガスを供給する。これにより、特許文献１に記載のオフガス燃焼装置は、オフガスの燃焼性を向上させようとしている。
【０００３】
特許文献２に記載の燃料電池セルスタックでは、その上方に燃料オフガスと空気とを燃焼させる燃焼部が設けられている。また、各燃料電池セルの燃焼部側の端部には、キャップ状の部材が設けられている。キャップ状の部材は、管状部分を備えており、燃料電池セル内の燃料流路の流路断面積と比べて、キャップ状の部材の管状部分の流路断面積が小さくなっている。これらにより、特許文献２に記載の燃料電池セルスタックは、燃料オフガスを燃焼部に導出して、燃料電池セルスタックの上方の燃焼部で、燃料オフガスを燃焼させようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２４３１５０号公報
【特許文献２】特開２０１３−０３３７４０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、特許文献１に記載の発明では、混合抑制領域と混合促進領域とを設ける必要があり、燃焼機構全体が大型化する。そのため、燃料電池セルバンドルに過大な加重が付加され、燃料電池セルバンドルの損傷を招く可能性がある。また、燃料電池セルバンドルは、横置き型であり、燃料電池セルバンドルと燃焼部とが離間して設けられているので、オフガスの燃焼熱を燃料電池セルバンドルの温度保持の熱源として利用することが困難である。さらに、燃焼機構全体が大型化するため、放熱部位が増大し、熱効率が低下する可能性がある。
【０００６】
一方、特許文献２に記載の発明では、キャップ状の部材によって燃料オフガスを回収して燃焼部に導出する。そのため、特許文献２に記載の発明は、上記問題が生じにくい。しかしながら、特許文献２に記載の発明は、キャップ状の部材の内部において、燃料電池セルの燃焼部側の端部とキャップ状の部材の管状部分との間の空間に角部を備えている。そのため、燃料電池セルから排出された燃料オフガスが当該空間において滞留する可能性がある。キャップ状の部材の内部において燃料オフガスが滞留すると、燃料オフガスのガス組成が変動し、燃料オフガスを燃焼させる際の燃料と空気との割合が変動する可能性がある。その結果、オフガス燃焼の火炎が不安定になる可能性がある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、オフガス回収部内におけるオフガスの滞留を抑制可能な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を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、筒状に形成され燃料および酸化剤ガスのうちの一方である第一ガスが一端側から他端側に向けて流通する内側電極層と、前記内側電極層の外側に積層され前記燃料および前記酸化剤ガスのうちの他方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る一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他端側の端部を覆うように設けられ、前記内側電極層内に形成された一つまたは複数の第一ガス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回収して前記第一オフガスと前記第二ガスとが燃焼する燃焼部に導出する導出側キャップと、を備える複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セルが電気的に接続された固体酸化物形燃料電池スタックであって、前記導出側キャップは、筒状に形成され、前記一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他端側の端部と固定される導出側本体部と、前記導出側本体部に設けられ、前記導出側本体部側から前記燃焼部側に向かって先細の筒状に形成され、前記一つまたは複数の第一ガス流路から排出された前記第一オフガスの流れを層流に形成する層流形成部と、前記層流形成部の先端に前記層流形成部と連通して設けられ、筒状に形成され、前記層流形成部を通過した前記第一オフガスを前記燃焼部に導出する導出側連通口部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックによれば、導出側キャップは、層流形成部を備えている。層流形成部は、導出側本体部側から燃焼部側に向かって先細の筒状に形成されており、内側電極層内に形成された一つまたは複数の第一ガス流路から排出された第一オフガスの流れを層流に形成する。そのため、本発明に係る固体酸化物形燃料電池スタックは、導出側キャップ内における第一オフガスの滞留を抑制することができ、第一オフガスと第二ガスとの燃焼を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】固体酸化物形燃料電池システム１の一例を示す構成図である。
【図２】固体酸化物形燃料電池モジュール１１を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）に切断した切断部端面図である。
【図３】図２の電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３を模式的に示す図である。
【図４】導出側キャップ７１を軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）に軸線ＡＺ１に沿って切断したときの切断部端面図である。
【図５】導入側キャップ７２を軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）に軸線ＡＺ１に沿って切断したときの切断部端面図である。
【図６】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）に垂直な平面で接続部材３４を切断したときの切断部端面図である。
【図７】第二実施形態に係り、導出側キャップ７１を軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）に軸線ＡＺ１に沿って切断したときの切断部端面図である。
【図８】第三実施形態に係り、導出側キャップ７１を軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）に軸線ＡＺ１に沿って切断したときの切断部端面図である。
【図９】第四実施形態に係り、複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄを備える扁平円筒形の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３を模式的に示す図である。
【図１０】第五実施形態に係り、接続部材３４を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
＜第一実施形態＞
（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、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。
【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は、改質用燃料、改質水およびカソードガス（空気）が供給されている。具体的には、固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、一端が供給源Ｇｓに接続されて改質用燃料が供給される改質用燃料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用燃料供給管１１ａには、原料ポンプ１１ａ１が設けられている。さらに、固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、一端が水タンク１４に接続されて改質水が供給される水供給管１１ｂの他端が接続されている。水供給管１１ｂには、改質水ポンプ１１ｂ１が設けられている。さらに、固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、一端がカソードエアブロワ１１ｃ１に接続されてカソードガス（空気）が供給されるカソードエア供給管１１ｃの他端が接続されている。
【００１３】
熱交換器１２は、固体酸化物形燃料電池モジュール１１から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽２１からの貯湯水が供給され、燃焼排ガスと貯湯水とが熱交換する熱交換器である。具体的には、貯湯槽２１は、貯湯水を貯湯するものであり、貯湯水が循環する（図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番に貯湯水循環ポンプ２２ａおよび熱交換器１２が配設されている。熱交換器１２は、固体酸化物形燃料電池モジュール１１からの排気管１１ｄが接続（貫設）されている。熱交換器１２は、水タンク１４に接続されている凝縮水供給管１２ａが接続されている。
【００１４】
熱交換器１２において、固体酸化物形燃料電池モジュール１１からの燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って熱交換器１２内に導入され、貯湯水との間で熱交換が行われ冷却されるとともに燃焼排ガス中に含まれる水蒸気が凝縮される。冷却後の燃焼排ガスは、排気管１１ｄを通って外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水供給管１２ａを通って水タンク１４に供給される。なお、水タンク１４は、例えば、凝縮水をイオン交換樹脂によって、純水化することができる。
【００１５】
上述した熱交換器１２、貯湯槽２１および貯湯水循環ライン２２から、排熱回収システム２０が構成されている。排熱回収システム２０は、固体酸化物形燃料電池モジュール１１の排熱を貯湯水に回収して蓄える。
【００１６】
電力変換装置１３は、固体酸化物形燃料電池スタック３０から出力される直流電圧を入力し所定の交流電圧に変換して、交流の系統電源１６ａおよび外部電力負荷１６ｃ（例えば、電化製品など）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からの交流電圧を電源ライン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の直流電圧を入力し、所定の直流電圧に変換して補機（各ポンプ、ブロワなど）や制御装置１５に出力する。なお、制御装置１５は、補機を駆動して固体酸化物形燃料電池システム１の運転を制御する。
【００１７】
（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、蒸発部４０、改質部５０および燃焼部６０を備えている。
【００１８】
（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、断熱部材３２、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３、複数の接続部材３４、カバー３５、アノードガスマニホールド３６およびカソードガスマニホールド３７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、導出側キャップ７１および導入側キャップ７２が装着されており、キャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０が構成されている。本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０は、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０が複数の接続部材３４によって電気的に接続されている。
【００１９】
ベース部材３１は、金属材（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、フェライト系ステンレス鋼が好適である。）で方形状の板状に形成されている。ベース部材３１の上面には、断熱部材３２が当接して設けられている。断熱部材３２は、ベース部材３１と複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３とを電気的に絶縁する。断熱部材３２は、絶縁性かつ断熱性を有する材料（例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコンまたはそれらの混合材料を原料としたセラミック）で方形状の板状に形成されている。断熱部材３２は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が立設されるベース部材３１の中央部に配置されている。
【００２０】
複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、断熱部材３２およびベース部材３１を貫通してベース部材３１に立設されている。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のうちの電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３は、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の長手方向の取り付け向きが互いに逆方向になるようにベース部材３１に立設されている。
【００２１】
複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、燃料極層３３ａ（内側電極層に相当する。以下、同じ。）、電解質層３３ｂおよび酸化剤ガス極層３３ｃ（外側電極層に相当する。以下、同じ。）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。図３の左側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３を例に、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の構成について説明する。同図の右側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の長手方向の取り付け向きが逆方向である点を除いて、左側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３と同様の構成を有している。
【００２２】
燃料極層３３ａは、筒状に形成されており、燃料（第一ガスに相当する。以下、同じ。）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。本実施形態では、燃料は、後述する天然ガスなどの炭化水素系燃料を改質したガスであり、アノードガスともいう。酸化剤ガス極層３３ｃは、燃料極層３３ａ（内側電極層）の外側に積層されており、酸化剤ガス（第二ガスに相当する。以下、同じ。）の雰囲気中に設けられる。本実施形態では、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、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。
【００２３】
電解質層３３ｂは、燃料極層３３ａ（内側電極層）と酸化剤ガス極層３３ｃ（外側電極層）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、径方向の内側から燃料極層３３ａ、電解質層３３ｂおよび酸化剤ガス極層３３ｃの順に形成されている。なお、電解質層３３ｂと酸化剤ガス極層３３ｃとの間には、例えば、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＹＤＣ（イットリアドープセリア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）等の希土類をドープしたセリア混合体を用いた反応防止層を設けることもできる。
【００２４】
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。また、後述するように、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々は、円筒の周側面を径方向両側から押し潰した扁平円筒形などに形成することもできる。
【００２５】
燃料極層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。
【００２６】
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。
【００２７】
酸化剤ガス極層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。
【００２８】
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３３，３３の各々は、燃料極層３３ａの一方の端部が露出するとともに、燃料極層３３ａの他方の端部が酸化剤ガス極層３３ｃにより覆われている。ここで、一方の端部とは、同図の左側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３では、他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部をいい、同図の右側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３では、一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部をいう。また、他方の端部とは、同図の左側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３では、一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部をいい、同図の右側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３では、他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部をいう。一方の端部および他方の端部の関係は、以下、同様である。
【００２９】
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、燃料極層被接続部３３ａ１と酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１とが形成されている。燃料極層被接続部３３ａ１は、燃料極層３３ａの一方の端部の露出部に形成されている。酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１は、酸化剤ガス極層３３ｃの他方の端部に形成されている。燃料極層被接続部３３ａ１には、電解質層３３ｂおよび酸化剤ガス極層３３ｃが形成されておらず、燃料極層３３ａのみが形成されている。また、電解質層３３ｂの一部は、露出している。
【００３０】
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、鋳込み等の方法で燃料極層３３ａを形成し、逐次、電解質層３３ｂおよび酸化剤ガス極層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、径方向の内側から燃料極層３３ａ、電解質層３３ｂおよび酸化剤ガス極層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、上述の燃料極層３３ａが露出する部位や電解質層３３ｂが露出する部位が形成される。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。
【００３１】
図２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、導出側キャップ７１と導入側キャップ７２とを備えている。本実施形態では、導出側キャップ７１は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅを覆うように設けられている。また、導入側キャップ７２は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部３３ｆを覆うように設けられている。導出側キャップ７１および導入側キャップ７２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料で形成することができる。また、導出側キャップ７１および導入側キャップ７２は、例えば、セラミックなどの絶縁材料で形成することもできる。
【００３２】
図４に示すように、本実施形態では、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の燃料極層３３ａ内には、一つの第一ガス流路３３ｄが形成されている。第一ガス流路３３ｄは、燃料が流通する。ここで、第一ガス流路３３ｄから排出され発電に使用されなかった燃料を燃料オフガス（第一オフガスに相当する。以下、同じ。）とする。導出側キャップ７１は、燃料オフガスを回収して燃焼部６０に導出する。後述するように、燃焼部６０では、燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼する。
【００３３】
導出側キャップ７１は、導出側本体部７１ａ、層流形成部７１ｂ、導出側連通口部７１ｃおよびガスシール部材７１ｄを備えている。導出側本体部７１ａは、筒状に形成される。本実施形態では、導出側本体部７１ａは、円筒状に形成されている。また、導出側本体部７１ａの内径寸法は、最も外側に形成される酸化剤ガス極層３３ｃの外径寸法より若干大きく形成されており、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅを挿入可能になっている。導出側本体部７１ａは、後述するガスシール部材７１ｄを介して、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅと固定されている。なお、本実施形態では、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅは、電解質層３３ｂが露出している。同様に、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部３３ｆは、電解質層３３ｂが露出している。
【００３４】
層流形成部７１ｂは、導出側本体部７１ａに設けられる。層流形成部７１ｂは、導出側本体部７１ａ側（矢印Ｚ１方向側）から燃焼部６０側（矢印Ｚ２方向側）に向かって先細の筒状に形成されている。本実施形態では、層流形成部７１ｂは、円錐状に形成されている。そのため、図４に示すように、層流形成部７１ｂは、軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）に軸線ＡＺ１に沿って切断したときの断面形状が直線状に形成されている。
【００３５】
層流形成部７１ｂは、導出側本体部７１ａ側（矢印Ｚ１方向側）から燃焼部６０側（矢印Ｚ２方向側）に向かって、燃料オフガスの流路断面積が徐々に小さくなっている。そのため、第一ガス流路３３ｄから排出された燃料オフガスは、流路断面積の低下に合わせて徐々に層流形成部７１ｂの先端に向かって合流するように流れる。よって、導出側キャップ７１の内部における燃料オフガスの滞留が抑制され、乱流の形成が抑制される。特に、本実施形態では、層流形成部７１ｂは、上記断面形状が直線状に形成されているので、層流形成部７１ｂは、導出側本体部７１ａ側（矢印Ｚ１方向側）から燃焼部６０側（矢印Ｚ２方向側）に向かって、流路断面積の変化量（低下割合）が一定になる。つまり、導出側本体部７１ａ側（矢印Ｚ１方向側）において、急峻に流路断面積が低下しない。このことは、燃焼部６０側（矢印Ｚ２方向側）においても同様である。そのため、本実施形態の層流形成部７１ｂは、上記抑制効果が高い。
【００３６】
このように、層流形成部７１ｂは、第一ガス流路３３ｄから排出された燃料オフガスの流れを層流に形成する。層流を示す指標として、例えば、レイノルズ数が挙げられる。層流形成部７１ｂは、例えば、レイノルズ数が所定値以下になるように形状を規定することができ、軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の高さ（図４に示す距離Ｌ１）を規定することができる。なお、本明細書において、「層流」には、第一ガス流路３３ｄから排出された燃料オフガスの流れが完全に層流である場合の他、その一部に乱流が形成される場合も含まれる。
【００３７】
導出側連通口部７１ｃは、層流形成部７１ｂの先端に層流形成部７１ｂと連通して設けられている。また、導出側連通口部７１ｃは、筒状に形成されている。本実施形態では、導出側連通口部７１ｃは、円筒状に形成されている。さらに、図４に示すように、導出側連通口部７１ｃの流路断面積Ｓ２は、第一ガス流路３３ｄの流路断面積Ｓ１より小さく設定されている。
【００３８】
導出側連通口部７１ｃの流路断面積Ｓ２および流路長（図４に示す距離Ｌ２）は、例えば、以下の方法で規定することができる。ここで、第一ガス流路３３ｄの導出口における燃料オフガスの圧力を圧力Ｐ１とし、流速を流速Ｖ１とする。また、第一ガス流路３３ｄの導出口における軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の位置を位置Ｈ１とする。同様に、導出側連通口部７１ｃの導入口における燃料オフガスの圧力を圧力Ｐ２とし、流速を流速Ｖ２とする。また、導出側連通口部７１ｃの導入口における軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の位置を位置Ｈ２とする。
【００３９】
なお、燃料オフガスの流れは、層流であり、燃料オフガスは、非圧縮性流体とみなす。また、燃料オフガスの流量は一定であり、内壁面との摩擦による損失はなく、燃料オフガスの漏れはないものとする。さらに、燃料密度は、燃料密度ρで一定であり、重力加速度を重力加速度ｇとする。
【００４０】
このとき、ベルヌーイの式は、下記数１で示され、連続の式は、下記数２で示される。数１を整理すると、数１は、下記数３で示される。
（数１）
Ｐ１＋１／２×ρ×Ｖ１２＋ρ×ｇ×Ｈ１＝Ｐ２＋１／２×ρ×Ｖ２２＋ρ×ｇ×Ｈ２
（数２）
Ｖ１×Ｓ１＝Ｖ２×Ｓ２
（数３）
（Ｐ１−Ｐ２）＋１／２×ρ×（Ｖ１２−Ｖ２２）＋ρ×ｇ×（Ｈ１−Ｈ２）＝０
【００４１】
数３の第一項は、想定される圧力差（Ｐ１−Ｐ２）であり、数３の第三項は、既述した層流形成部７１ｂの軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）の高さ（図４に示す距離Ｌ１）によって決まる。よって、数３から流速Ｖ２を選定することができる。選定された流速Ｖ２と数２とから導出側連通口部７１ｃの流路断面積Ｓ２を算出することができる。
【００４２】
また、導出側連通口部７１ｃの内壁面との摩擦による圧力損失は、例えば、ハーゲン・ポアズイユの式によって概算することができる。そのため、上記圧力損失を考慮して、導出側連通口部７１ｃの流路長（図４に示す距離Ｌ２）を規定することができる。ここで、導出側連通口部７１ｃの導入口における燃料オフガスの圧力Ｐ２と、導出側連通口部７１ｃの導出口における燃料オフガスの圧力との圧力差を圧力差ΔＰとする。また、燃料オフガスの動粘性係数を動粘性係数μとし、導出側連通口部７１ｃの流路長を図４に示す距離Ｌ２とする。また、導出側連通口部７１ｃ内における燃料オフガスの平均流速を平均流速ｕとし、導出側連通口部７１ｃの流路内径をＤとする。
【００４３】
このとき、ハーゲン・ポアズイユの式は、下記数４で示される。
（数４）
ΔＰ＝３２×μ×Ｌ２×ｕ÷Ｄ２
【００４４】
導出側連通口部７１ｃは、層流形成部７１ｂを通過した燃料オフガスを燃焼部６０に導出する。燃料オフガスの下流側に配設される導出側連通口部７１ｃの流路断面積Ｓ２は、燃料オフガスの上流側に配設される第一ガス流路３３ｄの流路断面積Ｓ１より小さく設定されている。そのため、導出側連通口部７１ｃの導入口における燃料オフガスの圧力Ｐ２は、第一ガス流路３３ｄの導出口における燃料オフガスの圧力Ｐ１と比べて低下する。また、導出側連通口部７１ｃの導入口における燃料オフガスの流速Ｖ２は、第一ガス流路３３ｄの導出口における流速Ｖ１と比べて加速される。このように、導出側キャップ７１から導出する燃料オフガスの流速を加速させ、流量を均一化することで、オフガス燃焼の失火や逆火を防止することができ、火炎を安定させることができる。
【００４５】
ガスシール部材７１ｄは、導出側本体部７１ａと一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅとの間の隙間を埋めるように設けられている。具体的には、ガスシール部材７１ｄは、導出側本体部７１ａと一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅとの間に圧入されている。これにより、第一ガス流路３３ｄから排出された燃料オフガスが上記隙間を通って、酸化剤ガス雰囲気中に漏れ出すことを抑制することができる。
【００４６】
また、固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池と比べて、高温に曝される時間が長く、かつ、室温と高温との間の温度サイクルが加わるため、シール箇所に加わるストレスが増大する。そのため、熱応力によってシール箇所にクラックが発生して、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が破損する可能性がある。そこで、ガスシール部材７１ｄは、可撓性を有すると好適である。
【００４７】
ガスシール部材７１ｄは、例えば、セラミック製のガスケットを用いることができる。セラミック製のガスケットは、特許文献２に記載のロウ材や金属製のガスケット（例えば、メタルＯリングなど）と比べて、可撓性が高い。そのため、セラミック製のガスケットは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３に熱応力が生じた場合に、ガスシール部材７１ｄにクラックが発生することを抑制することができ、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。
【００４８】
さらに、本実施形態では、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と接続され、導出側キャップ７１とは接続されない（詳細は、後述する）。そのため、ガスシール部材７１ｄは、絶縁性を有すると好適である。ガスシール部材７１ｄは、上述のセラミック製のガスケットを用いることができる。これにより、ガスシール部材７１ｄは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３と導出側キャップ７１との間を電気的に絶縁することができ、通電部位を低減することができる。
【００４９】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０によれば、導出側キャップ７１は、層流形成部７１ｂを備えている。層流形成部７１ｂは、導出側本体部７１ａ側（矢印Ｚ１方向側）から燃焼部６０側（矢印Ｚ２方向側）に向かって先細の筒状に形成されており、燃料極層３３ａ（内側電極層に相当）内に形成された第一ガス流路３３ｄから排出された燃料オフガス（第一オフガスに相当）の流れを層流に形成する。そのため、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０は、導出側キャップ７１内における燃料オフガスの滞留を抑制することができ、燃料オフガスと酸化剤ガス（第二ガスに相当）との燃焼を安定させることができる。
【００５０】
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０によれば、層流形成部７１ｂは、軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）に軸線ＡＺ１に沿って切断したときの断面形状が直線状に形成されている。そのため、層流形成部７１ｂは、導出側本体部７１ａ側（矢印Ｚ１方向側）から燃焼部６０側（矢印Ｚ２方向側）に向かって、流路断面積の変化量（低下割合）が一定になる。よって、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０は、乱流の形成をさらに抑制することができ、導出側キャップ７１内における燃料オフガス（第一オフガスに相当）の滞留抑制効果を高めることができる。
【００５１】
さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０によれば、導出側連通口部７１ｃの流路断面積Ｓ２は、第一ガス流路３３ｄの流路断面積Ｓ１より小さく設定されている。そのため、導出側連通口部７１ｃの導入口における流速Ｖ２は、第一ガス流路３３ｄの導出口における流速Ｖ１と比べて、加速される。よって、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０は、導出側キャップ７１から導出する燃料オフガス（第一オフガスに相当）の流速を加速させ、流量を均一化することで、オフガス燃焼の失火や逆火を防止することができ、火炎を安定させることができる。
【００５２】
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０によれば、導出側キャップ７１は、導出側本体部７１ａと固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅとの間の隙間を埋めるように設けられ、可撓性を有するガスシール部材７１ｄを備えている。そのため、第一ガス流路３３ｄから排出された燃料オフガス（第一オフガスに相当）が上記隙間を通って、酸化剤ガス（第二ガスに相当）雰囲気中に漏れ出すことを抑制することができる。よって、上記隙間での燃料オフガスと酸化剤ガスとの燃焼を規制することができ、当該部位での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。また、ガスシール部材７１ｄは、可撓性を有するので、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３に熱応力が生じた場合に、ガスシール部材７１ｄにクラックが発生することを抑制することができ、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。
【００５３】
さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０によれば、第一ガスは、燃料であり、第二ガスは、酸化剤ガスである。そのため、導出側キャップ７１は、発電に使用されなかった燃料を回収して、燃焼部６０に導出することができる。よって、導出側キャップ７１が酸化剤ガス（空気）を回収する場合と比べて、燃料の使用量を低減することができる。
【００５４】
導入側キャップ７２は、導入側本体部７２ａ、導入側連通口部７２ｃおよびガスシール部材７２ｄを備えている。導入側キャップ７２は、層流形成部７１ｂに相当する部材を備えていない点で、導出側キャップ７１と異なる。図５に示すように、導入側本体部７２ａは、導出側本体部７１ａと同様の形状に形成されている。導入側本体部７２ａは、ガスシール部材７１ｄと同様のガスシール部材７２ｄを介して、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部３３ｆと固定されている。導入側連通口部７２ｃは、導入側本体部７２ａに設けられており、燃料極層３３ａ内に形成された第一ガス流路３３ｄに連通している。導入側連通口部７２ｃは、導出側連通口部７１ｃと同様に、筒状に形成されており、導入側本体部７２ａの底壁から第一ガス流路３３ｄと反対側に向けて立設されている。
【００５５】
図２に示すように、導入側キャップ７２の導入側連通口部７２ｃは、ベース部材３１に設けられる貫通穴３１ａおよび断熱部材３２に設けられる貫通穴（図示略）をそれぞれ貫通している。また、導入側キャップ７２の導入側連通口部７２ｃと、ベース部材３１の貫通穴３１ａとの間は、絶縁性シール部材３１ｂでシールされている。絶縁性シール部材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。後述するように、燃料（改質ガス）は、導入側キャップ７２の導入側連通口部７２ｃを通って供給され、第一ガス流路３３ｄに導出され、燃料極層３３ａに導出される。
【００５６】
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６に示すように、複数の接続部材３４の各々は、第一接続部３４ａ、第二接続部３４ｂおよび連結部３４ｃを備えている。第一接続部３４ａは、円筒状に形成されており、燃料極層被接続部３３ａ１と電気的に接続可能である。第二接続部３４ｂは、円筒状に形成されており、燃料極層被接続部３３ａ１に隣り合う酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１と電気的に接続可能である。連結部３４ｃは、薄板状に形成されており、第一接続部３４ａと第二接続部３４ｂとを連結して電気的に接続する。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）に垂直な平面において、第一接続部３４ａと第二接続部３４ｂとの間を直線状に接続する。これにより、電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３を接続部材３４によって最短距離で接続することができ、固体酸化物形燃料電池スタック３０の内部抵抗を低減することができる。
【００５７】
また、連結部３４ｃは、第一接続部３４ａの内径寸法や第二接続部３４ｂの内径寸法に対して幅狭な薄板状に形成されている。そのため、固体酸化物形燃料電池スタック３０は、熱膨張や振動等による電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３の軸間距離の変動を接続部材３４全体で吸収することができる。
【００５８】
図６に示すように、本実施形態では、第一接続部３４ａの内径寸法および第二接続部３４ｂの内径寸法は、最も外側の被接続部である酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１の外径寸法より若干大きく形成されている。そのため、第一接続部３４ａの内径と燃料極層被接続部３３ａ１の外径との間、および、第二接続部３４ｂの内径と酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１の外径との間は、燃料極層３３ａの熱膨張率と同程度以上の熱膨張率を有する導電性接着剤３４ｄによって固定されていると好適である。
【００５９】
導電性接着剤３４ｄ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。
【００６０】
本実施形態では、第一接続部３４ａの内径寸法および第二接続部３４ｂの内径寸法は、最も外側の被接続部である酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１の外径寸法より若干大きく形成されているので、接続部材３４を電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３に嵌め込むことが容易であり、接続部材３４の組み付けが容易である。また、接続部材３４は、第一接続部３４ａと燃料極層被接続部３３ａ１との間において、熱膨張差に起因する空隙の発生を抑制することができる。このことは、第二接続部３４ｂと酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１との間においても同様である。よって、電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３と接続部材３４との間の接続状態が良好になり、電気抵抗を低減することができる。
【００６１】
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と電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３のうちの一方の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。具体的には、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）において、一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の燃料極層被接続部３３ａ１と、上記一方の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１とが、接続部材３４によって電気的に接続されている（図３参照）。
【００６２】
同様に、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と電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３のうちの他方の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。具体的には、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）において、一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１と、上記他方の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の燃料極層被接続部３３ａ１とが、接続部材３４によって電気的に接続されている（図３参照）。
【００６３】
上記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によって直列接続される。このようにして、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０は、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。
【００６４】
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、下方に開口する開口部を有する箱状に形成されている。カバー３５とベース部材３１との間に形成された密閉された空間Ｒ１には、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０（各導入側キャップ７２の導入側連通口部７２ｃの一部を除く）、蒸発部４０および改質部５０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たフランジ３５ａが形成されており、フランジ３５ａがベース部材３１の上面に当接して、ベース部材３１にネジ３５ｂにより、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。
【００６５】
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、上方に開口する開口部を有する箱状に形成されている。アノードガスマニホールド３６とベース部材３１との間に形成された密閉された空間には、各導入側キャップ７２の導入側連通口部７２ｃが突出している。アノードガスマニホールド３６には、一端が改質部５０に接続されてアノードガスが供給されるアノードガス供給管３６ｃが接続されている。
【００６６】
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、断熱部材３２の上面より下方に配設されている。カソードガスマニホールド３７は、断熱部材３２の周囲に配設されている。カソードガスマニホールド３７の上部には、上方に向けてカソードガス（空気）が流出する流出孔（図２にて矢印位置）が複数形成されている。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。
【００６７】
（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燃料を予熱する。蒸発部４０は、生成された水蒸気と予熱された改質用燃料を混合して改質部５０に供給する。改質用燃料としては天然ガス、ＬＰガスなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態では、改質用燃料は、天然ガスを用いている。
【００６８】
蒸発部４０には、一端（下端）が水タンク１４に接続された水供給管１１ｂの他端が接続されている。また、蒸発部４０には、一端が供給源Ｇｓに接続された改質用燃料供給管１１ａが接続されている。供給源Ｇｓは、例えば、都市ガスのガス供給管、ＬＰガスのガスボンベである。
【００６９】
（改質部５０）
改質部５０は、上述した燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部４０から供給された水蒸気と改質用燃料の混合ガスとから燃料である改質ガスを生成する。改質部５０内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素と一酸化炭素などを含んだガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。
【００７０】
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の各燃料極層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、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入側キャップ７２を介して、各第一ガス流路３３ｄに導出され、各燃料極層３３ａに導出される。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）、改質に使用されなかった改質水（水蒸気）を含んでいる。このように、改質部５０は、改質用燃料（原燃料）と改質水とから改質ガス（燃料）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。
【００７１】
（燃焼部６０）
燃焼部６０は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３と、蒸発部４０および改質部５０との間に設けられている。燃焼部６０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各導出側キャップ７１から排出された燃料オフガスと酸化剤ガスとが燃焼して蒸発部４０および改質部５０を加熱する。
【００７２】
本実施形態の固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、上記固体酸化物形燃料電池スタック３０、蒸発部４０および改質部５０を備えている固体酸化物形燃料電池モジュール１１において、上述した固体酸化物形燃料電池スタック３０に係る作用効果を得ることができる。また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１は、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。
【００７３】
＜第二実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態と比べて、層流形成部７１ｂの形状が異なる。以下、第一実施形態と異なる点を中心に説明する。なお、図面は、第一実施形態と共通する箇所には共通の符号を付して記載されており、本明細書では、重複する説明が省略されている。上述したことは、第三実施形態以降についても同様である。
【００７４】
図７に示すように、導出側キャップ７１の層流形成部７１ｂは、軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）に軸線ＡＺ１に沿って切断したときの断面形状が円弧状に形成されている。本実施形態においても、層流形成部７１ｂは、導出側本体部７１ａ側（矢印Ｚ１方向側）から燃焼部６０側（矢印Ｚ２方向側）に向かって、燃料オフガスの流路断面積が徐々に小さくなっている。よって、層流形成部７１ｂは、第一ガス流路３３ｄから排出された燃料オフガスの流れを層流に形成することが容易である。本実施形態の導出側キャップ７１は、第一実施形態の導出側キャップ７１と同様の構成を備えており、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０は、第一実施形態で既述の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００７５】
なお、本実施形態では、層流形成部７１ｂは、上記断面形状が外側に凸の円弧状に形成されている。層流形成部７１ｂは、上記断面形状が内側に凸の円弧状に形成することもできる。この場合、層流形成部７１ｂは、導出側本体部７１ａ側（矢印Ｚ１方向側）と比べて、燃焼部６０側（矢印Ｚ２方向側）の流路断面積の変化量（低下割合）が小さくなる。そのため、層流形成部７１ｂの上記断面形状が外側に凸の円弧状に形成されている場合と比べて、乱流の形成が抑制され、導出側キャップ７１内における燃料オフガスの滞留抑制効果を高めることができる。また、本明細書では、上記断面形状の「円弧状」には、真円の一部（本来の円弧）の他、楕円の一部など、導出側本体部７１ａ側（矢印Ｚ１方向側）から燃焼部６０側（矢印Ｚ２方向側）に向かって、燃料オフガスの流路断面積が徐々に小さくなる種々の形状が含まれる。
【００７６】
＜第三実施形態＞
本実施形態は、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０の各々が、複数（本実施形態では、３つ）の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３，３３を備えている点で、第一実施形態と異なる。
【００７７】
図８に示すように、導出側キャップ７１は、複数（３つ）の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３，３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅ，３３ｅ，３３ｅを覆うように設けられている。導出側キャップ７１は、複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄから排出された燃料オフガスを回収して、燃焼部６０に導出する。
【００７８】
具体的には、導出側本体部７１ａは、ガスシール部材７１ｄを介して、複数（３つ）の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３，３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅ，３３ｅ，３３ｅと固定されている。本実施形態においても、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅは、電解質層３３ｂが露出している。層流形成部７１ｂは、複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄから排出された燃料オフガスの流れを層流に形成する。導出側連通口部７１ｃは、層流形成部７１ｂを通過した燃料オフガスを燃焼部６０に導出する。ガスシール部材７１ｄは、導出側本体部７１ａと複数（３つ）の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３，３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅ，３３ｅ，３３ｅとの間の隙間を埋めるように設けられている。本実施形態の導出側キャップ７１は、第一実施形態で既述の作用効果と同様の作用効果を得ることができ、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０は、第一実施形態で既述の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００７９】
なお、本実施形態では、導出側連通口部７１ｃの流路断面積Ｓ２は、複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄの流路断面積Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３の総和より小さく設定されている。つまり、本実施形態では、第一実施形態で既述した第一ガス流路３３ｄの流路断面積Ｓ１は、複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄの流路断面積Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３の総和として取り扱えば良い。また、導入側キャップ７２は、複数（３つ）の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３，３３の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部３３ｆ，３３ｆ，３３ｆを覆うように設けられる。導入側キャップ７２は、供給された燃料を複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄにそれぞれ導出する。さらに、本実施形態においても、層流形成部７１ｂは、軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）に軸線ＡＺ１に沿って切断したときの断面形状を円弧状に形成することができる。
【００８０】
＜第四実施形態＞
本実施形態は、第一実施形態と比べて、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の形状が異なり、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が複数（本実施形態では、３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄを備えている点で、第一実施形態と異なる。
【００８１】
図９に示すように、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、円筒の周側面を径方向両側から押し潰した扁平円筒形に形成されている。同図は、扁平円筒形の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３を軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）から視た模式図である。固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、支持基材３３ｇが楕円柱状（断面が扁平状）に形成されている。燃料極層３３ａ、電解質層３３ｂおよび酸化剤ガス極層３３ｃは、支持基材３３ｇの外周面に積層されており、これらは、支持基材３３ｇの外周形状に合わせて断面扁平状に形成されている。
【００８２】
支持基材３３ｇの内部には、複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄが形成されており、各第一ガス流路３３ｄ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）に沿って支持基材３３ｇを貫通している。そのため、既述の実施形態と同様に、各第一ガス流路３３ｄは、燃料が一端側（矢印Ｚ１方向側）から他端側（矢印Ｚ２方向側）に向けて流通可能になっている。支持基材３３ｇは、ガス透過性を有しており、各第一ガス流路３３ｄを流れる燃料を燃料極層３３ａに供給可能になっている。なお、既述の実施形態では、支持基材の説明が省略されている。既述の実施形態では、固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、円筒状に形成されるので、支持基材も円筒状に形成されている。
【００８３】
第一実施形態と同様に、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０の各々は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３を備えている。また、導出側キャップ７１は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅを覆うように設けられている。そのため、導出側本体部７１ａ、導出側連通口部７１ｃおよびガスシール部材７１ｄの構成は、第一実施形態と同様である。
【００８４】
本実施形態では、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３３が複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄを備えている。そのため、本実施形態の導出側キャップ７１は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄから排出された燃料オフガスを回収して、燃焼部６０に導出する。よって、層流形成部７１ｂは、複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄから排出された燃料オフガスの流れを層流に形成する。本実施形態の導出側キャップ７１は、第一実施形態で既述の作用効果と同様の作用効果を得ることができ、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０は、第一実施形態で既述の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。なお、第三実施形態と同様に、導出側連通口部７１ｃの流路断面積Ｓ２は、複数（３つ）の第一ガス流路３３ｄ，３３ｄ，３３ｄの流路断面積Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３の総和より小さく設定されている。
【００８５】
＜第五実施形態＞
本実施形態は、複数の接続部材３４が、導出側キャップ７１および導入側キャップ７２を介して、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３と電気的に接続されている点で、第一実施形態と異なる。
【００８６】
図１０に示すように、複数の接続部材３４の各々は、平板状に形成されている。第一接続部３４ａには、貫通穴３４ａ１が形成されている。貫通穴３４ａ１は、電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３のうちの一方の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３に装着された導出側キャップ７１の導出側連通口部７１ｃが貫通する。よって、貫通穴３４ａ１は、当該導出側キャップ７１の導出側連通口部７１ｃの外径より若干、大きく設定されている。
【００８７】
第二接続部３４ｂには、貫通穴３４ｂ１が形成されている。貫通穴３４ｂ１は、電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３のうちの他方の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３に装着された導出側キャップ７１の導出側連通口部７１ｃが貫通する。よって、貫通穴３４ｂ１は、当該導出側キャップ７１の導出側連通口部７１ｃの外径より若干、大きく設定されている。なお、貫通穴３４ａ１および貫通穴３４ｂ１の外径寸法は、同程度の寸法に設定することができる。
【００８８】
本実施形態では、複数の接続部材３４が、導出側キャップ７１および導入側キャップ７２を介して、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３と電気的に接続される。そのため、導出側キャップ７１および導入側キャップ７２は、導電性材料で形成されていると良い。導出側キャップ７１および導入側キャップ７２は、例えば、既述の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料で形成することができる。
【００８９】
また、電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３のうちの一方の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅに燃料極層被接続部３３ａ１が形成されている。つまり、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅは、燃料極層３３ａが露出している。導出側キャップ７１の導出側本体部７１ａは、ガスシール部材７１ｄを介して、燃料極層被接続部３３ａ１と固定されている。ガスシール部材７１ｄは、導出側本体部７１ａと燃料極層被接続部３３ａ１との間の隙間を埋めるように設けられている。また、導出側本体部７１ａと燃料極層被接続部３３ａ１との間は、導電性部材（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）で、電気的に接続されている。
【００９０】
電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３のうちの他方の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅに酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１が形成されている。つまり、当該固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の他端側（矢印Ｚ２方向側）の端部３３ｅは、燃料極層３３ａおよび電解質層３３ｂが酸化剤ガス極層３３ｃで覆われている。導出側キャップ７１の導出側本体部７１ａは、ガスシール部材７１ｄを介して、酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１と固定されている。ガスシール部材７１ｄは、導出側本体部７１ａと酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１との間の隙間を埋めるように設けられている。また、導出側本体部７１ａと酸化剤ガス極層被接続部３３ｃ１との間は、既述の導電性部材と同様の導電性部材で、電気的に接続されている。
【００９１】
以上のことは、導入側キャップ７２についても同様であり、複数の接続部材３４が、導出側キャップ７１および導入側キャップ７２を介して、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３と電気的に接続されている。本実施形態の導出側キャップ７１は、第一実施形態の導出側キャップ７１と同様の構成を備えており、本実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック３０は、第一実施形態で既述の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。なお、本実施形態の導出側キャップ７１は、燃料オフガスの回収機能の他に、集電機能を備えている。
【００９２】
また、第一接続部３４ａおよび第二接続部３４ｂは、導出側キャップ７１の層流形成部７１ｂの外形形状に合わせて形成することもできる。この場合、接続部材３４は、電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３の一方の導出側キャップ７１に、第一接続部３４ａを被せるように装着し、電気的に隣り合う固体酸化物形燃料電池筒状セル３３，３３の他方の導出側キャップ７１に、第二接続部３４ｂを被せるように装着することができる。よって、第一接続部３４ａと層流形成部７１ｂとは、面接触して電気的に接続され、第二接続部３４ｂと層流形成部７１ｂとは、面接触して電気的に接続される。そのため、接続部材３４と導出側キャップ７１，７１との間の接触抵抗が低減され、電気抵抗が低減される。
【００９３】
＜その他＞
本発明は、上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。例えば、第一ガスを酸化剤ガスとし、第二ガスを燃料とすることができる。この場合、導出側キャップ７１は、発電に使用されなかった酸化剤ガスを回収して、燃焼部６０に導出することができる。
【００９４】
また、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０は、電気的に並列接続することもできる。さらに、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０は、直列接続および並列接続の両方で、電気的に接続することもできる。例えば、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０のうちの一部のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０を電気的に直列接続し、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０のうちの残りのキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０を電気的に並列接続することもできる。
【００９５】
また、複数のキャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル８０の各々は、一つまたは複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３と、導出側キャップ７１とを備え、導入側キャップ７２を省略することもできる。この場合、アノードガスマニホールド３６内に、電気的に絶縁性を有する支持板を設けると良い。複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の各々の一端側（矢印Ｚ１方向側）の端部３３ｆ（下端面）が支持板の上面に当接して配設されることにより、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３３は、軸線ＡＺ１方向（矢印Ｚ方向）において、位置決めされる。支持板は絶縁性を有するので、アノードガスマニホールド３６と複数の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ことができる。なお、支持板は、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３３の取り付け位置に貫通穴を形成しておくと良い。燃料は、支持板の各貫通穴を通って、各第一ガス流路３３ｄに供給され、各燃料極層３３ａに供給される。
【符号の説明】
【００９６】
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：燃料極層（内側電極層に相当）、３３ｂ：電解質層、
３３ｃ：酸化剤ガス極層（外側電極層に相当）、３３ｄ：第一ガス流路、
４０：蒸発部、
５０：改質部、
６０：燃焼部、
７１：導出側キャップ、
７１ａ：導出側本体部、７１ｂ：層流形成部、７１ｃ：導出側連通口部、
７１ｄ：ガスシール部材、
８０：キャップ付き固体酸化物形燃料電池筒状セル。
【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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