(57)【要約】【課題】筒状の燃料電池セルの劣化を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】固体酸化物形燃料電池スタック３０は、第一マニホールド３４と、下端側を第一マニホールド３４に連通して立設する固体酸化物形燃料電池筒状セル７２と、を備え、燃料ガス流路７２ａ１は、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２によって複数設けられるとともに、燃料ガスが第一マニホールド３４から流入する燃料ガス流入路Ｌ１および燃料ガスが第一マニホールド３４に流出する燃料ガス流出路Ｌ２から構成され、内側にて燃料ガス流入路Ｌ１および燃料ガス流出路Ｌ２の上端側の開口部を互いに連通するカバー部７３をさらに備え、第一マニホールド３４の内部は、燃料ガス流入路Ｌ１に燃料ガスを導出するガス導出部３４ｅと、燃料ガス流出路Ｌ２から燃料ガスを回収して燃料ガスを燃焼させる燃焼部６０に導出するガス回収部３４ｆとに区画されている。【選択図】  図３
2017033630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニホールドと、
筒状に形成され、一端側を前記マニホールドに連通して立設するとともに、燃料ガスが長手方向に流れる燃料ガス流路を内部に有する燃料極層と、前記燃料極層の外側に積層され酸化剤ガス雰囲気中に設けられる酸化剤極層と、前記燃料極層と前記酸化剤極層との間に挟まれた電解質層と、を備えた一または複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、を備えた固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記燃料ガス流路は、一または複数の前記固体酸化物形燃料電池筒状セルによって複数設けられるとともに、前記マニホールドから流入した前記燃料ガスが前記一端側から前記固体酸化物形燃料電池筒状セルの他端側に流れる燃料ガス流入路、および、前記燃料ガスが前記他端側から前記一端側に流れて前記マニホールドに流出する燃料ガス流出路から構成され、
一または複数の前記固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記他端側を気密的に覆うとともに、内側にて前記燃料ガス流入路および前記燃料ガス流出路の前記他端側の開口部を互いに連通するカバー部をさらに備え、
前記マニホールドの内部は、前記燃料ガス流入路に前記燃料ガスを導出するガス導出部と、前記燃料ガス流出路から前記燃料ガスを回収して前記燃焼ガスを燃焼させる燃焼部に導出するガス回収部とに区画されている固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記固体酸化物形燃料電池筒状セルは、前記マニホールドの上端部に立設され、
前記マニホールドの内部は、上側の空間である上側空間と、下側の空間である下側空間とに区画され、
前記ガス導出部は、前記上側空間および前記下側空間の一方に形成され、
前記ガス回収部は、前記上側空間および前記下側空間の他方に形成されている請求項１記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記燃料ガス流路は、複数の前記燃料ガス流入路を有している請求項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】
請求項１〜３のいずれか一項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５】
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４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粋化する水タンクと、
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】
燃料電池システムの一形式として、特許文献１および特許文献２に示されているものが知られている。特許文献１の燃料電池システムは、特許文献１の図１に示すように、複数の管状の燃料電池セル８４によって構成された燃料電池セル集合体１２の上方に、燃料電池セル８４から導出される発電反応に使用されなかった燃焼ガス（燃料オフガス）を燃焼する燃焼室１８（燃焼部）が形成されている。
また、特許文献２の燃料電池システムは、特許文献２の図４に示すように、複数の円筒状の燃料電池セル３００の上方にて、燃料電池セル３００の上端から導出された燃料オフガスが燃焼されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１０６３０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１８２７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した特許文献１および特許文献２においては、燃焼オフガスは、燃料電池セルの上端から導出された直後に燃焼されているため、燃料電池セルが燃焼熱によって劣化する可能性がある。
【０００５】
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、筒状の燃料電池セルの劣化を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、マニホールドと、筒状に形成され、一端側をマニホールドに連通して立設するとともに、燃料ガスが長手方向に流れる燃料ガス流路を内部に有する燃料極層と、燃料極層の外側に積層され酸化剤ガス雰囲気中に設けられる酸化剤極層と、燃料極層と酸化剤極層との間に挟まれた電解質層と、を備えた一または複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、を備えた固体酸化物形燃料電池スタックであって、燃料ガス流路は、一または複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルによって複数設けられるとともに、マニホールドから流入した燃料ガスが一端側から固体酸化物形燃料電池筒状セルの他端側に流れる燃料ガス流入路、および、燃料ガスが他端側から一端側に流れてマニホールドに流出する燃料ガス流出路から構成され、一または複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルの他端側を気密的に覆うとともに、内側にて燃料ガス流入路および燃料ガス流出路の他端側の開口部を互いに連通するカバー部をさらに備え、マニホールドの内部は、燃料ガス流入路に燃料ガスを導出するガス導出部と、燃料ガス流出路から燃料ガスを回収して燃焼ガスを燃焼させる燃焼部に導出するガス回収部とに区画されている。
【発明の効果】
【０００７】
これによれば、マニホールドのガス導出部から燃料ガス流入路に流入した燃料ガスは、燃料ガス流入路、カバー部の内側および燃料ガス流出路を流れて、ガス回収部に回収される。これにより、固体酸化物形燃料電池筒状セルの発電に使用されなかった燃料ガス（燃料オフガス）を燃焼させる燃焼部を、固体酸化物形燃料電池筒状セルから離間させて形成することができる。よって、固体酸化物形燃料電池筒状セルの燃焼熱による劣化が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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III-III線に沿ったセルユニットおよび第一マニホールドの断面図である。
【図４】本発明による第二実施形態に係るセルユニットおよび第一マニホールドの縦断面図である。
【図５】図４に示すV-V線に沿った固体酸化物形燃料電池筒状セルの断面図である。
【図６】本発明の第三実施形態に係る第一マニホールドを示す概要図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜第一実施形態＞
（固体酸化物形燃料電池システム１）
以下、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について説明する。図１に示すように、この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。
【００１０】
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、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。
【００１１】
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ものである。固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、改質用原料、改質水およびカソードエア（酸化剤ガス）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原料が供給される改質用原料供給管１１ａの他端が接続されている。改質用原料供給管１１ａ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エア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。
【００１２】
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。
【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。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、凝縮水をイオン交換樹脂によって純水化するようになっている。
【００１４】
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。
【００１５】
さらに、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）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。
【００１６】
（固体酸化物形燃料電池モジュール１１）
固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、固体酸化物形の燃料電池モジュールである。固体酸化物形燃料電池モジュール１１は、図２に示すように、ケーシング１１ｅ、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。ケーシング１１ｅは、断熱性材料で箱状に形成されている。なお、本明細書においては説明の便宜上、図２における上側および下側をそれぞれ固体酸化物形燃料電池モジュール１１の上方および下方とし、同じく左側および右側をそれぞれ固体酸化物形燃料電池モジュール１１の前方および後方とし、同じく紙面手前側および紙面奥側を、それぞれ固体酸化物形燃料電池モジュール１１の左方および右方として説明する。また、図２乃至図６には、各方向を示す矢印を示している。
【００１７】
（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、複数（本実施形態においては３つ）のセルユニット３１（７０）、複数の接続部材３２、電流引出部材３３ａ，３３ｂ、第一マニホールド３４（本発明のマニホールドに相当）および第二マニホールド３５を備えている。
【００１８】
複数のセルユニット７０は、第一マニホールド３４の上端部に立設されている。セルユニット７０は、前後方向に沿って一列に並べられている。セルユニット７０は、図３に示すように、支持板７１、複数（本実施形態においては三つ）の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２、カバー部７３および集電部材７４を備えている。
【００１９】
支持板７１は、例えば炭素鋼または合金鋼の金属材料にて方形状の板状に形成されている。支持板７１には、後述する円筒状の各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の外径より若干大径の貫通穴７１ａが複数形成され、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が対応する貫通穴７１ａに挿入されている。支持板７１の貫通穴７１ａと各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２とは、シール部材７１ｂで気密的に接合されている。シール部材７１ｂは、シリコン系、セラミックス系、ガラス系などのシール材で形成されている。
【００２０】
固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、燃料極層７２ａ、電解質層７２ｂ、空気極層７２ｃ（本発明の酸化剤極層に相当）を備えており、これらは、層状に形成されている。燃料極層７２ａは、円筒状に形成され、燃料ガスが長手方向を流れる燃料ガス流路７２ａ１を内部に有している。本実施形態においては、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル７２につき、一つの燃料ガス流路７２ａ１を有している。これにより、セルユニット７０は、複数（本実施形態においては三つ）の燃料ガス流路７２ａ１を有している。燃料ガスは、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。空気極層７２ｃは、燃料極層７２ａの外側に積層されており、酸化剤ガス雰囲気中に設けられている（後述する）。電解質層７２ｂは、燃料極層７２ａと空気極層７２ｃとの間に積層されている。なお、電解質層７２ｂと空気極層７２ｃ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。
【００２１】
燃料極層７２ａ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。
【００２２】
電解質層７２ｂ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。
【００２３】
空気極層７２ｃ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。
【００２４】
また、三つの固体酸化物形燃料電池筒状セル７２のうち、左右方向中央に配設された一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、他の二つの固体酸化物形燃料電池筒状セル７２より、長手方向に沿った長さが長くなるように設定されている。三つの固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、支持板７１に、上端が同一高さとなるように支持されている。すなわち、セルユニット７０の左右方向中央に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の下端部は、他の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の下端より下方に位置する。
【００２５】
また、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端部および下端部には、電解質層７２ｂが露出している。下端部の電解質層７２ｂが支持板７１の貫通穴７１ａに位置することにより、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２と支持板７１とが電気的に絶縁されている。
さらに、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端部には、燃料極層７２ａが露出する燃料極層露出部７２ａ２が設けられている。すなわち、燃料極層露出部７２ａ２には、電解質層７２ｂおよび空気極層７２ｃが設けられていない。
【００２６】
固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の形成方法は、特に限定されないが、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７２ａを形成し、逐次、電解質層７２ｂおよび空気極層７２ｃ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、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、径方向の内側から燃料極層７２ａ、電解質層７２ｂおよび空気極層７２ｃの順に、既述の電極材料が層状に積層され、製膜の段階で部位に応じてマスキングを行うことで、上述の燃料極層露出部７２ａ２や電解質層７２ｂが露出する部位が形成される。また、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７２を作製することも可能である。
【００２７】
カバー部７３は、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端側を気密的に覆うものである。カバー部７３は、例えば炭素鋼または合金鋼等の導電性を有する金属材料によって形成されている。カバー部７３は、具体的には、底面を開放する箱状に形成され、内側を上下に区画する側壁７３ａが形成されている。カバー部７３は、側壁７３ａの下面に各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端面が当接し、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端部を覆うように配設されている。側壁７３ａには、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が配設された状態において燃料ガス流路７２ａ１と連通する連通穴７３ｂが形成されている。カバー部７３の側壁７３ａより上側の部位は、各連通穴７３ｂを介して各燃料ガス流路７２ａ１を連通する連通路７３ｃが形成されている。すなわち、カバー部７３は、内側にて各燃料ガス流路７２ａ１の開口部を互いに連通する。
【００２８】
カバー部７３と各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２とは、側壁７３ａの下側に設けられた導電層７３ｄにて接合されている。導電層７３ｄは、導電性接着剤にて構成されている。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である。導電層７３ｄは、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層露出部７２ａ２および電解質層７２ｂの上端部を覆うように形成されている。導電層７３ｄは、導電性を有するため、各燃料極層露出部７２ａ２を電気的に並列に接続する。また、カバー部７３は、導電性を有するため、導電層７３ｄを介して各燃料極層７２ａと電気的に接続する。よって、カバー部７３を、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が発電した電力を集電する集電部材として用いることができる。
【００２９】
また、カバー部７３と各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２とは、導電層７３ｄの下側に設けられたシール層７３ｅにて気密的に接合されている。シール層７３ｅは、シリコン系、セラミックス系、ガラス系などのシール材で構成されている。
【００３０】
集電部材７４は、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃを互いに電気的に接続し、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が発電した電力を集電するものである。集電部材７４は、合金鋼または炭素鋼（フェライト系ステンレス鋼を含む）等の導電性を有する材料にて形成されている。集電部材７４は、上下方向に延びる筒状に形成され、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃを側方から囲むように配設されている。具体的には、集電部材７４の内周面が、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の空気極層７２ｃと長手方向に沿って接触している。また、集電部材７４は、導電性および通気性を有する導電性接着剤によって固体酸化物形燃料電池筒状セル７２に接合されている。この導電性接着剤は、例えば、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。この導電性接着剤は、通気性を有するため、カソードエア供給管１１ｃによって供給された空気が通過して、空気極層７２ｃに供給される。このように、空気極層７２ｃは酸化雰囲気中に設けられている。
【００３１】
接続部材３２は、例えば、合金鋼または炭素鋼（フェライト系ステンレス鋼を含む）、ランタンクロマイトなどを用いて形成することができる。接続部材３２は、図２に示すように、前後方向における隣り合うセルユニット７０において、カバー部７３と集電部材７４とを電気的に接続する。これにより、複数のセルユニット７０が接続部材３２によって全て直列接続される。
【００３２】
電流引出部材３３ａ，３３ｂは、例えば、合金鋼または炭素鋼（フェライト系ステンレス鋼を含む）、ランタンクロマイトなどを用いて形成することができる。電流引出部材３３ａ，３３ｂは、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の発電により生じる電流を引き出すものである。電流引出部材３３ａの一端は、最後のセルユニット７０のカバー部７３および集電部材７４のうち接続部材３２が接続されていない方に接続されている。電流引出部材３３ｂの一端は、最前のセルユニット７０のカバー部７３および集電部材７４のうち接続部材３２が接続されていない方に接続されている。電流引出部材３３ａ，３３ｂの他端は、電力変換装置１３に接続されている。
【００３３】
第一マニホールド３４は、例えば炭素鋼または合金鋼等の金属材料によって中空の箱状に形成されている。第一マニホールド３４の内部は、図３に示すように、側壁３４ａによって、上側の空間である上側空間Ａ１と、下側の空間である下側空間Ａ２とに区画されている。
【００３４】
また、第一マニホールド３４は、上側壁に、複数の貫通穴３４ｂが形成されている。貫通穴３４ｂの周縁には、セルユニット７０の支持板７１が設置可能な段差部３４ｃが形成されている。各セルユニット７０は、支持板７１が対応する段差部３４ｃに設置されることにより、第一マニホールド３４上に立設される。これにより、セルユニット７０の左側および右側に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の下端の開口部が、上側空間Ａ１内に位置する。また、支持板７１と段差部３４ｃとは、支持板７１が段差部３４ｃに設置された状態にてシール部材３４ｄによって気密的に接合されている。シール部材３４ｄは、上述したシール部材７１ｂと同様に、シリコン系、セラミックス系、ガラス系などのシール材で形成されている。
【００３５】
第一マニホールド３４は、側壁３４ａに、複数の貫通穴３４ａ１が形成されている。貫通穴３４ａ１の周縁は、下方に向けて折り曲げられている。この貫通穴３４ａ１には、セルユニット７０の左右方向中央に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が貫通し、この固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の下端の開口部が、下側空間Ａ２内に位置する。この固体酸化物形燃料電池筒状セル７２と貫通穴３４ａ１とは、シール材３４ａ２によって気密的に接合されている。このシール材３４ａ２は、上述したシール部材７１ｂと同様に、シリコン系、セラミックス系、ガラス系などのシール材で形成されている。なお、シール材３４ａ２は、セルユニット７０が第一マニホールド３４に取り付けられる前に、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の下端部の外周面または貫通穴３４ａ１の内周面に塗布される。
【００３６】
また、側壁３４ａは、他の部位に比べて薄肉に形成されている。固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、発電によって、温度が上昇するため、長手方向に延びるように熱変形する。セルユニット７０を構成する三つの固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、長手方向の長さの違いによって、熱変形量に差が生じる。よって、長手方向の長さが長い固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が接合された側壁３４ａを比較的薄肉に形成して、側壁３４ａを長手方向（上下方向）に変形させることにより、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の熱変形量の差分が吸収される。
【００３７】
また、第一マニホールド３４は、ガス導出部３４ｅおよびガス回収部３４ｆを備えている。
ガス導出部３４ｅは、上側空間Ａ１に形成されている。ガス導出部３４ｅは、改質部５０から燃料ガスが燃料ガス供給管５１を介して第一接続口３４ｇから供給される（図２参照）。そして、ガス導出部３４ｅは、セルユニット７０の左側および右側に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の下側の開口部から燃料ガス流路７２ａ１に燃料ガスを導出するものである。第一マニホールド３４から流入した燃料ガスが下端側（本発明の一端側に相当）から固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端側（本発明の他端側に相当）に流れる燃料ガス流路７２ａ１を燃料ガス流入路Ｌ１とする。燃料ガス流入路Ｌ１に流入した燃料ガスは、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端の開口部から連通路７３ｃに流出する。そして、燃料ガスは、セルユニット７０の左右方向中央に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端の開口部から燃料ガス流路７２ａ１に流入し、下端の開口部からガス回収部３４ｆに流出する。
【００３８】
ガス回収部３４ｆは、下側空間Ａ２に形成されている。ガス回収部３４ｆは、セルユニット７０の左右方向中央に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料ガス流路７２ａ１から燃料ガスを回収するものである。燃料ガスが固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端側から下端側に流れて第一マニホールド３４に流出する燃料ガス流路７２ａ１を燃料ガス流出路Ｌ２とする。本実施形態においては、セルユニット７０の左側および右側に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料ガス流路７２ａ１が燃料ガス流入路Ｌ１に相当し、セルユニット７０の左右方向中央に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料ガス流路７２ａ１が燃料ガス流出路Ｌ２に相当する。燃料ガス流路７２ａ１は、燃料ガス流入路Ｌ１および燃料ガス流出路Ｌ２から構成されている。
【００３９】
ガス回収部３４ｆによって回収された燃料ガスは、第二接続口３４ｈから燃料ガス導出管３６を介して第二マニホールド３５に導出される（図２参照）。すなわち、改質部５０から第一マニホールド３４に供給された燃料ガスは、図３に矢印にて示すように、ガス導出部３４ｅ、燃料ガス流入路Ｌ１、連通路７３ｃ、燃料ガス流出路Ｌ２およびガス回収部３４ｆを介して、第二マニホールド３５に導出される。
【００４０】
また、第一マニホールド３４は、ガス回収部３４ｆに、支持台３４ｉが複数配設されている。支持台３４ｉは、上方を凸とする凸状に形成され、側壁３４ａを下方から支持するように配設されている。上述したように、側壁３４ａが比較的薄肉に形成されているため、例えばセルユニット７０の重量等によって側壁３４ａが変形する。この変形が、支持台３４ｉによって抑制される。
【００４１】
第二マニホールド３５は、図２に示すように、第一マニホールド３４の前方に配設されている。第二マニホールド３５は、例えば炭素鋼または合金鋼等の金属材料によって中空の箱状に形成されている。第二マニホールド３５は、第一マニホールド３４からの燃料ガスを、複数の導出口３５ａから上方に向けて導出するものである。
【００４２】
各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２においては、燃料極層７２ａに供給された燃料ガスと空気極層７２ｃに供給された酸化剤ガス（空気）によって発電が行われる。すなわち、燃料極層７２ａでは、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極層７２ｃでは、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極層７２ｃで生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が、電解質層７２ｂを通過し、燃料極層７２ａ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。各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２によって発電された電力は、カバー部７３および集電部材７４によって集電され、接続部材３２および電流引出部材３３ａ，３３ｂを介して電力変換装置１３に出力される。また、燃料ガス流出路Ｌ２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流出し、第二マニホールド３５に導出される。
（化１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
（化２）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−
（化３）
１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−
【００４３】
（蒸発部４０）
蒸発部４０は、図２に示すように、第二マニホールド３５の上方に配設されている。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（後述する）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、このように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、改質用原料は、天然ガスを用いている。
【００４４】
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原料供給管１１ａの他端が接続されている。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。
【００４５】
（改質部５０）
改質部５０は、第二マニホールド３５の上方に配設されている。改質部５０は、燃焼ガス（後述する）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原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）。
【００４６】
これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は、既述の燃料ガスであり、固体酸化物形燃料電池スタック３０の第一マニホールド３４を介して各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層７２ａ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、改質用原料（原燃料）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。
【００４７】
（燃焼部６０）
燃焼部６０は、第二マニホールド３５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では、第二マニホールド３５から導出された燃料オフガス（アノードオフガス）と発電に利用されなかった酸化剤ガスである酸化剤オフガス（カソードオフガス）とが燃焼されて燃焼ガス（火炎６１）が発生し、蒸発部４０および改質部５０が加熱される。
【００４８】
本第一実施形態によれば、固体酸化物形燃料電池スタック３０は、第一マニホールド３４と、筒状に形成され、下端側を第一マニホールド３４に連通して立設するとともに、燃料ガスが長手方向に流れる燃料ガス流路７２ａ１を内部に有する燃料極層７２ａと、燃料極層７２ａの外側に積層され酸化剤ガス雰囲気中に設けられる空気極層７２ｃと、燃料極層７２ａと空気極層７２ｃとの間に挟まれた電解質層７２ｂと、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２と、を備えている。燃料ガス流路７２ａ１は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２によって複数設けられるとともに、第一マニホールド３４から流入した燃料ガスが下端側から固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端側に流れる燃料ガス流入路Ｌ１、および、燃料ガスが上端側から下端側に流れて第一マニホールド３４に流出する燃料ガス流出路Ｌ２から構成され、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上端側を気密的に覆うとともに、内側にて燃料ガス流入路Ｌ１および燃料ガス流出路Ｌ２の上端側の開口部を互いに連通するカバー部７３をさらに備え、第一マニホールド３４の内部は、燃料ガス流入路Ｌ１に燃料ガスを導出するガス導出部３４ｅと、燃料ガス流出路Ｌ２から燃料ガスを回収して燃焼ガスを燃焼させる燃焼部６０に導出するガス回収部３４ｆとに区画されている。
これによれば、第一マニホールド３４のガス導出部３４ｅから燃料ガス流入路Ｌ１に流入した燃料ガスは、燃料ガス流入路Ｌ１、カバー部７３の内側および燃料ガス流出路Ｌ２を流れて、ガス回収部３４ｆに回収される。これにより、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の発電に使用されなかった燃料ガス（燃料オフガス）を燃焼させる燃焼部６０を、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２から離間させて形成することができる。よって、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃焼熱による劣化が抑制される。
また、例えば、燃焼部６０が固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の上方に位置する場合、燃焼ガスによる固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の熱劣化を抑制するために、燃焼部６０と固体酸化物形燃料電池筒状セル７２とを離間させるには、カバー部７３から燃料オフガスを導出させるとともに、カバー部７３を比較的大きく形成する必要がある。これに対して本第一実施形態においては、第一マニホールド３４で燃焼オフガスを回収することによって燃焼部６０と固体酸化物形燃料電池筒状セル７２と離間させているため、カバー部７３を比較的小さく形成することができる。よって、カバー部７３から固体酸化物形燃料電池筒状セル７２に加わる荷重が比較的小さいため、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の割れ等を抑制することができる。
また、従来技術の燃焼部は、燃料電池セルの上方に位置している。これに対し、本実施形態においては、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の下方に設けられた第一マニホールド３４から燃料オフガスが導出されるため、例えば本第一実施形態のように燃焼部６０ひいては蒸発部４０および改質部５０を固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の前方に位置させることができる。すなわち、第一マニホールド３４にガス導出部３４ｅとガス回収部３４ｆとを形成することにより、固体酸化物形燃料電池モジュール１１内のレイアウトの自由度が向上する。
【００４９】
また、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、第一マニホールド３４の上端部に立設され、第一マニホールド３４の内部は、上側の空間である上側空間Ａ１と、下側の空間である下側空間Ａ２とに区画され、ガス導出部３４ｅは、上側空間Ａ１に形成され、ガス回収部３４ｆは、下側空間Ａ２に形成されている。
これによれば、第一マニホールド３４の内部を上下に区画することにより、ガス導出部３４ｅおよびガス回収部３４ｆを比較的簡便に形成することができる。
【００５０】
また、燃料ガス流路７２ａ１は、複数の燃料ガス流入路Ｌ１を有している。
これによれば、ガス導出部３４ｅから発電に利用されていない燃料ガスが複数の燃料ガス流入路Ｌ１に流入するため、燃料ガス流入路Ｌ１が一つのみである場合に比べて、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２が効率的に発電を行うことができる。
【００５１】
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。
【００５２】
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１であって、発電ユニット１０は、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純粋化する水タンク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１６ａ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。
【００５３】
＜第二実施形態＞
次に、本発明による固体酸化物形燃料電池システム１の第二実施形態について、主として上述した第一実施形態と異なる部分について説明する。本第二実施形態は、固体酸化物形燃料電池スタック３０は、一つのセルユニット１７０を備えている。セルユニット１７０は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２を備えている。すなわち、固体酸化物形燃料電池スタック３０は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２を備えている。
【００５４】
また、上述した第一実施形態において、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２は、各固体酸化物形燃料電池筒状セル７２の燃料極層７２ａに一つの燃料ガス流路７２ａ１が形成されているが、本第二実施形態においては、図４および図５に示すように、一つの燃料極層１７２ａに三つの燃料ガス流路１７２ａ１が形成されている。すなわち、燃料ガス流路１７２ａ１は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２によって複数設けられている。また、カバー部１７３は、一つの固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２の上端側を気密的に覆うように形成されている。そして、本第二実施形態おいては、支持板１７１には、一つの貫通穴１７１ａが形成されている。さらに、セルユニット１７０は、絶縁部材１３７をさらに備えている。
【００５５】
絶縁部材１３７は、絶縁材料によって筒状に形成され、固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２の下端にてセルユニット１７０の左右方向中央に形成された燃料ガス流路１７２ａ１と下側空間Ａ２とを連通するように配設されている。絶縁部材１３７は、絶縁性のシール材（図示なし）によって燃料極層１７２ａに接合されている。また、絶縁部材１３７は、セルユニット１７０が第一マニホールド１３４に配設された状態において、貫通穴１３４ａ１と絶縁性のシール材１３４ａ２にて気密的に接合する。
【００５６】
本第二実施形態によれば、固体酸化物形燃料電池スタック３０は、第一マニホールド１３４と、筒状に形成され、下端側を第一マニホールド１３４に連通して立設するとともに、燃料ガスが長手方向に流れる燃料ガス流路１７２ａ１を内部に有する燃料極層１７２ａと、燃料極層１７２ａの外側に積層され酸化剤ガス雰囲気中に設けられる空気極層１７２ｃと、燃料極層１７２ａと空気極層１７２ｃとの間に挟まれた電解質層１７２ｂと、を備えた一の固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２と、を備えている。燃料ガス流路１７２ａ１は、一の固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２によって複数設けられ、第一マニホールド１３４から流入した燃料ガスが下端側から固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２の上端側に流れる燃料ガス流入路Ｌ１１、および、燃料ガスが上端側から下端側に流れて第一マニホールド１３４に流出する燃料ガス流出路Ｌ１２から構成され、一の固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２の上端側を気密的に覆うとともに、内側にて燃料ガス流入路Ｌ１１および燃料ガス流出路Ｌ１２の上端側の開口部を互いに連通するカバー部１７３をさらに備えている。
これによれば、固体酸化物形燃料電池筒状セル１７２と、支持板１７１およびカバー部１７３とのシール構造を上述した第一実施形態と比べて簡便にすることができる。
【００５７】
＜第三実施形態＞
次に、本発明による固体酸化物形燃料電池システム１の第三実施形態について、主として上述した第一実施形態と異なる部分について説明する。上述した第一実施形態において、第一マニホールド３４は、側壁３４ａによって上下に区画されているが、本第三実施形態においては、側壁２３４ａによって区画されている。側壁２３４ａは、図６に示すように、断面矩形状に形成されている。側壁２３４ａの外側の空間Ｂ１が、セルユニット２７０の左側および右側に配設された燃料ガス流路２７２ａ１（燃料ガス流入路Ｌ２１）と連通するガス導出部２３４ｅに相当する。そして、側壁２３４ａの内側の空間Ｂ２が、セルユニット２７０の左右方向中央に配設された燃料ガス流路２７２ａ１（燃料ガス流出路Ｌ２２）と連通するガス回収部２３４ｆに相当する。
【００５８】
なお、上述した各実施形態において、固体酸化物形燃料電池システムの一例を示したが、本発明はこれに限定されず、他の構成を採用することもできる。例えば、上述した第一実施形態においては、セルユニット７０の左側および右側の燃料ガス流路７２ａ１が燃料ガス流入路Ｌ１に相当するが、これに代えて、セルユニット７０の左側および右側の燃料ガス流路７２ａ１を燃料ガス流出路Ｌ２とするようにしても良い。この場合、セルユニット７０の左右方向中央に配設された燃料ガス流路７２ａ１が燃料ガス流入路Ｌ１に相当する。また、上述した第二実施形態および第三実施形態についても同様にすることができる。さらに、この場合、第一実施形態および第二実施形態においては、第一マニホールド３４，１３４の下側空間Ａ２がガス導出部３４ｅ，１３４ｅに、上側空間Ａ１がガス回収部３４ｆ、１３４ｆに相当する。すなわち、固体酸化物形燃料電池筒状セル７２，１７２は、第一マニホールド３４，１３４の上端部に立設され、第一マニホールド３４，１３４の内部は、上側の空間である上側空間Ａ１と、下側の空間である下側空間Ａ２とに区画され、ガス導出部３４ｅ，１３４ｅは、上側空間Ａ１および下側空間Ａ２の一方に形成され、ガス回収部３４ｆ，１３４ｆは、上側空間Ａ１および下側空間Ａ２の他方に形成されている。
さらに、この場合、第三実施形態においては第一マニホールド２３４の空間Ｂ２がガス導出部２３４ｅに相当し、空間Ｂ１がガス回収部２３４ｆに相当する。
【００５９】
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７２，１７２，２７２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７２，１７２，２７２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、上述した第一実施形態において、各セルユニット７０は、接続部材３２によって全て電気的に直列接続されているが、これに代えて、各セルユニット７０の一部または全てを電気的に並列接続しても良い。
【００６０】
また、上述した第一実施形態および第三実施形態において、固体酸化物形燃料電池スタック３０は、セルユニット７０，２７０を複数備えているが、これに代えて、セルユニット７０を一つのみ備えるようにしても良い。
また、上述した第二実施形態において、固体酸化物形燃料電池スタック３０は、セルユニット１７０を一つ備えているが、これに代えて、セルユニット１７０を複数備えるようにしても良い。
【００６１】
また、上述した各実施形態においては、カバー部７３，１７３は、導電性を備えているが、これに代えて、カバー部７３，１７３を絶縁材料にて形成するようにしても良い。この場合、セルユニット７０，１７０が導電層７３ｄを備えないようにしても良い。また、この場合、カバー部７３，１７３を集電部材として用いることができないため、セルユニット７０，１７０に燃料極層７２ａ，１７２ａと接続する集電部材をさらに設ける。
【００６２】
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、一のセルユニット７０，１７０，２７０における固体酸化物形燃料電池筒状セル７２，１７２，２７２の個数、燃料ガス流入路Ｌ１，Ｌ１１，Ｌ２１および燃料ガス導出路Ｌ２，Ｌ１２，Ｌ２２の個数、カバー部７３，１７３および集電部材７４，１７４の形状、各マニホールド３４，１３４，２３４，３５の形状等、並びに、蒸発部４０、改質部５０および第二マニホールド３５の位置等を変更しても良い。
【符号の説明】
【００６３】
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、２１…貯湯槽、３０…固体酸化物形燃料電池スタック、３１（７０）…セルユニット、３２…接続部材、３３ａ，３３ｂ…電流引出部材、３４…第一マニホールド（マニホールド）、３４ｅ…ガス導出部、３４ｆ…ガス回収部、３５…第二マニホールド、４０…蒸発部、５０…改質部、６０…燃焼部、７２…固体酸化物形燃料電池筒状セル、７２ａ…燃料極層、７２ａ１…燃料ガス流路、７２ａ２…燃料極層露出部、７２ｂ…電解質層、７２ｃ…空気極層（酸化剤極層）、７３…カバー部、７４…集電部材、Ａ１…上側空間、Ａ２…下側空間、Ｌ１…燃料ガス流入路、Ｌ２…燃料ガス流出路。
【図１】
2017033630.tif 000003
【図２】
2017033630.tif 000004
【図３】
2017033630.tif 000005
【図４】
2017033630.tif 000006
【図５】
2017033630.tif 000007
【図６】
2017033630.tif 000008