(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、筒状の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、固体酸化物形燃料電池筒状セル間を電気的に接続する接続部材との密着性を向上させ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において、筒状に形成された複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１間を接続する接続部材３２は、燃料極層露出部３１ａ１の外壁面に接触する第一接触部３２ａと、空気極層３１ｃの外壁面に接触する第二接触部３２ｂと、第一接触部３２ａと第二接触部３２ｂとを一体的に連結する連結部３２ｃと、を備え、かつ、導電性を有する原材料を、型を使用して加工することにより成型をされ、成型後、可撓性を有し、第一接触部３２ａの形状は、成型後、燃料極層露出部３１ａ１の外壁面に密着する第一所定形状を保持可能であるとともに、第二接触部３２ｂの形状は空気極層３１ｃの外壁面に密着する第二所定形状を保持可能である。【選択図】  図２
2017033631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状に形成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの一方のガスが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挟まれた電解質層と、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、
前記複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルのうち少なくとも一の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記内側電極層の第一被接続部と、前記少なくとも一の固体酸化物形燃料電池筒状セルに隣接する他の固体酸化物形燃料電池筒状セルの前記外側電極層の第二被接続部とを電気的に接続する複数の接続部材と、を備える固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記接続部材は、前記第一被接続部に接触する第一接触部と、前記第二被接続部に接触する第二接触部と、前記第一接触部と前記第二接触部とを一体的に連結する連結部と、を備え、かつ、導電性を有する原材料を、型を使用して加工することにより成型をされ、前記成型後、可撓性を有し、
前記第一接触部の形状は、前記成型後、前記第一被接続部に密着する第一所定形状を保持可能であるとともに、前記第二接触部の形状は前記第二被接続部に密着する第二所定形状を保持可能である固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記原材料は、金属材料によって形成された線材である請求項１記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記線材の直径は、０．１ｍｍより大きく、かつ、０．５ｍｍ以下である請求項２記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
前記金属材料は、全体の重量に対してクロムが２０重量％以上含まれている材料である請求項２または請求項３記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１〜４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６】
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５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】
固体酸化物形燃料電池の集電部材の一形式として、特許文献１に示されているものが知られている。特許文献１の固体酸化物形燃料電池の集電体１は、特許文献１の図２に示すように、金属の線材によって形成して柔軟性を持たせることにより、集電体１と燃料電池の空気極２との接触抵抗を低減している。線材には、直径１〜１００μｍの繊維状の金属が用いられている。しかしながら、線材の直径が１〜１００μｍである場合、集電体１の柔軟性が比較的大きいため、集電体１が空気極２へ押し付けられない。よって、集電体１と空気極２との密着性が比較的低くなり、接触抵抗が比較的高くなる場合がある。
【０００３】
これに対し、集電体と燃料電池セルとの密着性を向上させるため、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２に示されているものが知られている。特許文献２の固体酸化物形燃料電池スタックは、特許文献２の図１に示すように、筒状の固体酸化物形燃料電池筒状セルである単セル１（燃料電池セル）、燃料電池セル間を電気的に接続する導電性フェルト６（接続部材）、燃料電池セルの側方に配設され、複数の燃料電池セルと接続部材を介して電気的に接合された集電板７，８および集電板７，８を燃料電池セルに向けて付勢する圧縮バネ１４を備えている。この圧縮バネ１４が集電板７，８を付勢することにより、接続部材が燃料電池セルに押し付けられるため、燃料電池セルと接続部材との密着性が向上している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２５１４９０号公報
【特許文献２】特開平６−２０３８５７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、一般的に、燃料電池セルは、マニホールド等に固定されているため、圧縮バネ１４に直接的に押さえ付けられる燃料電池セルの変位量が比較的小さくなる。よって、この燃料電池セルに隣接する他の燃料電池セルに対する押し付けが比較的弱くなるため、他の燃料電池セルと接続部材との密着性が低下する。
【０００６】
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、筒状の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、固体酸化物形燃料電池筒状セル間を電気的に接続する接続部材との密着性を向上させることができる固体酸化物形燃料電池スタック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】
【０００７】
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、筒状に形成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの一方のガスが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挟まれた電解質層と、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルと、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セルのうち少なくとも一の固体酸化物形燃料電池筒状セルの内側電極層の第一被接続部と、少なくとも一の固体酸化物形燃料電池筒状セルに隣接する他の固体酸化物形燃料電池筒状セルの外側電極層の第二被接続部とを電気的に接続する複数の接続部材と、を備える固体酸化物形燃料電池スタックであって、接続部材は、第一被接続部に接触する第一接触部と、第二被接続部に接触する第二接触部と、第一接触部と第二接触部とを一体的に連結する連結部と、を備え、かつ、導電性を有する原材料を、型を使用して加工することにより成型をされ、成型後、可撓性を有し、第一接触部の形状は、成型後、第一被接続部に密着する第一所定形状を保持可能であるとともに、第二接触部の形状は第二被接続部に密着する第二所定形状を保持可能である。
【発明の効果】
【０００８】
これによれば、接続部材は、導電性を有する原材料を、型を使用して加工することにより成型をされ、各接触部と連結部とが一体的に形成されるとともに、成型後、可撓性を有している。また、各接触部の形状は、成型後、対応する各被接続部に密着する各所定形状を保持可能である。これらによって、各接触部を対応する各被接続部の外壁面に確実に密着させることができる。したがって、筒状の固体酸化物形燃料電池筒状セルと接続部材との密着性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による固体酸化物形燃料電池システムの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スタックの平面図である。
【図４】図２に示す固体酸化物形燃料電池筒状セルの側面図である。
【図５】図２に示す接続部材の斜視図である。
【図６】図２に示す接続部材の原材料である線材が綿形状にまとめられた状態を示す図である。
【図７】図２に示す第一電流引出部材の斜視図である。
【図８】図２に示す第二電流引出部材の斜視図である。
【図９】本発明の変形例に係る線材がメッシュ形状にされた状態を示す斜視図である。
【図１０】本発明の変形例に係る接続部材を示す斜視図である。
【図１１】本発明の変形例に係る固体酸化物形燃料電池モジュールを示す概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（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。
【００１１】
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。
【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。
【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。
【００１４】
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。
【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】
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。
【００１７】
（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。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４および図１１には、各方向を示す矢印を示している。
ケーシング１１ｅは、断熱性材料で箱状に形成されている。蒸発部４０および改質部５０は、固体酸化物形燃料電池スタック３０の上方に位置するように配設されている。
【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、複数（本実施形態においては１６つ）の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１、複数の接続部材３２、第一電流引出部材３３ａ、第二電流引出部材３３ｂおよびマニホールド３４を備えている。
【００１９】
固体酸化物形燃料電池筒状セル３１は、マニホールド３４上に立設されている。固体酸化物形燃料電池筒状セル３１は、図３に示すように、前後方向に沿って平行に二列に並べられている。
固体酸化物形燃料電池筒状セル３１は、図４に示すように、燃料極層３１ａ（本発明の内側電極層に相当）、電解質層３１ｂ、空気極層３１ｃ（本発明の外側電極層に相当）を備えており、これらは、層状に形成されている。燃料極層３１ａは、筒状に形成され、燃料が内側を下方から上方に向かって流れる。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３１ｃは、燃料極層３１ａ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３１ｂは、燃料極層３１ａと空気極層３１ｃとの間に積層されている。なお、電解質層３１ｂと空気極層３１ｃ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。
【００２０】
燃料極層３１ａ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。
【００２１】
電解質層３１ｂ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。
【００２２】
空気極層３１ｃ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。
【００２３】
また、空気極層３１ｃは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の上下方向中央部に設けられている。すなわち、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃより上方または下方の部位は、電解質層３１ｂが露出している。さらに、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の上端部、および、空気極層３１ｃより下方の部位に燃料極層３１ａが露出する燃料極層露出部３１ａ１が設けられている。すなわち、燃料極層露出部３１ａ１には、電解質層３１ｂおよび空気極層３１ｃが設けられていない。なお、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の下端部は、マニホールド３４との絶縁を確保するため（後述する）、電解質層３１ｂが露出している。
【００２４】
固体酸化物形燃料電池筒状セル３１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３１ａを形成し、逐次、電解質層３１ｂおよび空気極層３１ｃ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３１は、径方向の内側から燃料極層３１ａ、電解質層３１ｂおよび空気極層３１ｃ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３１ａ１や電解質層３１ｂ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３１を作製することも可能である。
【００２５】
接続部材３２は、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１のうち一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の燃料極層３１ａの第一被接続部と、一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１に隣接する他の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃの第二被接続部とを電気的に接続するものである。具体的には、接続部材３２は、図２および図３に示すように、左右方向に隣接する一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１を互いに接続する。
【００２６】
また、接続部材３２は、後述する原材料を用いて、図５に示すように、一体的に形成されている。接続部材３２は、第一接触部３２ａ、第二接触部３２ｂおよび連結部３２ｃを備えている。
第一接触部３２ａは、第一被接続部に接触する部位である。第一接触部３２ａは、本実施形態においては、二箇所設けられている。本実施形態においては、第一被接続部は、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１に二箇所設けられた燃料極層露出部３１ａ１の外壁面である。各第一接触部３２ａは、対応する燃料極層露出部３１ａ１の外壁面に側方から接触している（図２参照）。第一接触部３２ａは、燃料極層露出部３１ａ１の外壁面形状に密着する第一所定形状に形成されている。本実施形態において、燃料極層露出部３１ａ１の外壁面形状が円筒であるため、第一所定形状は、半円筒状の曲面である。
【００２７】
また、第一接触部３２ａと燃料極層露出部３１ａ１の外壁面とは、導電性接着剤（図示なし）によって接着されている。導電性接着剤は、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を用いることができる。この導電性接着剤により、第一接触部３２ａと燃料極層露出部３１ａ１の外壁面との接触抵抗を比較的小さくすることができる。
【００２８】
第二接触部３２ｂは、第二被接続部に接触する部位である。第二接触部３２ｂは、本実施形態においては、一箇所設けられている。本実施形態においては、第二被接続部は、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃの外壁面である。第二接触部３２ｂは、空気極層３１ｃの外壁面に側方から接触している（図２参照）。第二接触部３２ｂは、空気極層３１ｃの外壁面形状に密着する第二所定形状に形成されている。本実施形態において、空気極層３１ｃの外壁面形状が円筒であるため、第二所定形状は、半円筒状の曲面である。また、第二接触部３２ｂと空気極層３１ｃの外壁面とは、酸化剤ガスに対して通気性を有する導電性接着剤（図示なし）によって接着されている。この導電性接着剤には、例えば、酸化剤ガスに対して通気性を有する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。この導電性接着剤により、第二接触部３２ｂと空気極層３１ｃの外壁面との接触抵抗を比較的小さくすることができる。
【００２９】
連結部３２ｃは、第一接触部３２ａと第二接触部３２ｂとを一体的に連結する部位である。連結部３２ｃは、上下方向に延びる棒状に形成されている。連結部３２ｃは、上端部に、水平方向に向かって突出する上端突出部３２ｃ１が設けられている。さらに、連結部３２ｃは、下端部に、上端部と同じ方向に向かって突出する下端突出部３２ｃ２が設けられている。上端突出部３２ｃ１および下端突出部３２ｃ２の先端部には、第一接触部３２ａが設けられている。また、連結部３２ｃは、上下方向中央部に、上端突出部３２ｃ１および下端突出部３２ｃ２に対して反対方向に向かって突出する中突出部３２ｃ３が設けられている。中突出部３２ｃ３の先端部には、第二接触部３２ｂが設けられている。連結部３２ｃは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１と電気的に接触しないように形成されている。なお、接続部材３２は、各接続部材３２が固体酸化物形燃料電池筒状セル３１に接続された状態において、複数の接続部材３２同士が互いに電気的に接触しないように形成されている。
【００３０】
また、接続部材３２は、導電性を有する原材料を、型を使用して加工することにより成型されている。本実施形態において、原材料は、金属材料から形成された線材Ｗである。金属材料は、全体の重量に対してクロムが２０重量％以上含まれている材料である。金属材料は、例えば、鉄とクロムを主成分とするフェライト系ステンレス鋼である。また、線材Ｗの線径は、０．１ｍｍより大きく、かつ、０．５ｍｍ以下に設定されている。
【００３１】
このような線材Ｗに対して、本実施形態においては、プレス加工が行われる。例えば、絡めてまとめられた綿形状Ｍ１（図６参照）に形成された線材Ｗが、金型（図示なし）に入れられた後、成型が行われる。線径が０．１より大きく、かつ０．５ｍｍ以下に設定された線材Ｗの有する剛性により、プレス加工による成型後の接続部材３２は、図５に示す形状を保持することができる。なお、線材Ｗの線形が０．１以下である場合、線材Ｗの剛性が比較的低いため、接続部材３２の形状を保持することが困難である。
【００３２】
また、各接続部材３２は、線材Ｗ同士が離れた部位を有するように、すなわち、線材Ｗ間に隙間を有するように成型される。換言すれば、各接続部材３２は、内部に空気を含んだ状態（多孔質状）に成型される。これにより、成型後の接続部材３２は、可撓性（柔軟性）を有する。この可撓性は、金型に対する線材Ｗの充填量によって調整することができる。なお、線径が０．５ｍｍより大きい線材Ｗについては、成型後の接続部材３２の可撓性が確保されずに、接続部材３２が硬質となる。
【００３３】
また、固体酸化物形燃料電池システム１の発電運転中においては、固体酸化物形燃料電池モジュール１１内の温度（およそ４００〜１０００℃）によって、線材Ｗに含まれるクロムが酸化して、線材Ｗの表面にクロミア膜（酸化クロム膜）が生成される。これにより、線材Ｗの酸化腐食が抑制される。また、線径が０．１ｍｍより大きく、かつ、０．５ｍｍ以下の線材Ｗにおいて、全体の重量に対して２０重量％以上の割合にてクロムが含まれているため、固体酸化物形燃料電池システム１の耐用年数に対して、クロミア膜を生成するためのクロムの量が十分に確保されている。
【００３４】
第一電流引出部材３３ａは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の発電により生じる電流を引き出すものである。第一電流引出部材３３ａは、図７に示すように、本体部３３ａ１、引出部３３ａ２を備えている。
【００３５】
本体部３３ａ１は、直方体状に形成されている。本体部３３ａ１は、側面に空気極層３１ｃの外壁面と接触する空気層接触部３３ａ１ａが形成されている。空気層接触部３３ａ１ａは、上述した第二所定形状と同じ形状に形成されている。空気層接触部３３ａ１ａと空気極層３１ｃの外壁面とは、導電性接着剤によって接合されている。導電性接着剤は、上述した導電性セラミックスを用いることができる。また、本体部３３ａ１は、形状以外において、上述した接続部材３２と同様に形成されている。すなわち、本体部３３ａ１は、導電性を有する原材料（線材Ｗ）を、型を使用して加工（プレス加工）することにより成型され、線材Ｗ間に隙間を有している。
【００３６】
引出部３３ａ２は、支持部３３ａ２ａおよび端子部３３ａ２ｂを備えている。支持部３３ａ２ａは、導電性を有する金属材料にて板状に形成され、本体部３３ａ１における空気層接触部３３ａ１ａが形成された反対側の側面に、導電性接着剤によって接合されている。導電性接着剤は、上述した導電性ペーストまたは導電性セラミックスを用いることができる。端子部３３ａ２ｂは、導電性を有する金属材料にて、支持部３３ａ２ａから水平方向外側に向けて突出する板状に形成されている。端子部３３ａ２ｂは、支持部３３ａ２ａと一体的に形成されている。
【００３７】
第二電流引出部材３３ｂは、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の発電により生じる電流を引き出すものである。第二電流引出部材３３ｂは、図８に示すように、本体部３３ｂ１、引出部３３ｂ２を備えている。
本体部３３ｂ１は、直方体状に形成され、上下端に水平方向に向かって突出する突出部が形成されている。本体部３３ｂ１のそれぞれの突出部の先端には、燃料極層露出部３１ａ１の外壁面と接触する燃料極層接触部３３ｂ１ａが形成されている。燃料極層接触部３３ｂ１ａは、上述した第一所定形状と同じ形状に形成されている。燃料極層接触部３３ｂ１ａと燃料極層露出部３１ａ１の外壁面とは、導電性接着剤によって接合されている。導電性接着剤は、上述した導電性ペーストを用いることができる。また、本体部３３ｂ１は、形状以外において、上述した接続部材３２と同様に形成されている。すなわち、本体部３３ａ１は、導電性を有する原材料（線材Ｗ）を、型を使用して加工（プレス加工）することにより成型され、線材Ｗ間に隙間を有している。また、引出部３３ｂ２は、支持部３３ｂ２ａおよび端子部３３ｂ２ｂを有している。引出部３３ｂ２（支持部３３ｂ２ａおよび端子部３３ｂ２ｂ）は、上述した第一電流引出部材３３ａの引出部３３ａ２（支持部３３ａ２ａおよび端子部３３ａ２ｂ）と形状が異なる他は、上述した第一電流引出部材３３ａの引出部３３ａ２と同様に形成されている。
【００３８】
図２および図３に示すように、左側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の列において、最前の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃの外壁面には、第一電流引出部材３３ａが、端子部３３ａ２ｂを前方に向けるように接続されている。また、最前の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の燃料極層露出部３１ａ１の外壁面と、最前の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の後方に隣接する固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃの外壁面とが、接続部材３２によって接続されることにより、隣接する固体酸化物形燃料電池筒状セル３１間が電気的に直列に接続される。同様に、左側の列に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の全てが、複数の接続部材３２によって、電気的に直列に接続される。そして、最後の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の燃料極層露出部３１ａ１の外壁面には、第二電流引出部材３３ｂが、端子部３３ｂ２ｂを後方に向けるように接続されている。このように、左側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の列において、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の全てが電気的に直列に接続される。
【００３９】
また、図３に示すように、左側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の列と同様に、右側の列に配設された固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の全てが、各電流引出部材３３ａ，３３ｂおよび複数の接続部材３２によって、電気的に直列に接続される。さらに、左右両側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の列において、前後方向における同じ側の端部で、極性が逆となるように配設されている。すなわち、右側の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の列において、最後の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃに、第一電流引出部材３３ａが接続され、最前の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の燃料極層露出部３１ａ１に、第二電流引出部材３３ｂが接続される。さらに、左右両側の列の最前の各電流引出部材３３ａ，３３ｂの端子部３３ａ２ｂ，３３ｂ２ｂ間が導電性の端子間連結部材３３ｃによって連結される。これにより、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の全てが電気的に直列に接合される。
【００４０】
マニホールド３４は、例えば炭素鋼または合金鋼の金属材料にて中空の箱状に形成されている。マニホールド３４の上側壁には、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の外径より若干大径の貫通穴（図示なし）が複数形成され、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１が対応する貫通穴に気密的に挿入されている。これにより、マニホールド３４と燃料極層３１ａの内側とが連通し、燃料ガス供給管５１を介してマニホールド３４に供給された燃料ガスが固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の燃料極層３１ａの内側に導出される。また、貫通穴には、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の下端部の電解質層３１ｂが位置することで、マニホールド３４と固体酸化物形燃料電池筒状セル３１との電気的絶縁が確保されている。また、貫通穴と固体酸化物形燃料電池筒状セル３１とは、例えばガラス系のシール材によって気密的に接合されている。
【００４１】
また、カソードエア供給管１１ｃから固体酸化物形燃料電池モジュール１１内に供給された酸化剤ガスは、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃに供給される。接続部材３２および各電流引出部材３３ａ，３３ｂの本体部３３ａ１，３３ｂ１は、上述したように、線材Ｗ間に隙間を有するため、酸化剤ガスが通過する。また、接続部材３２および各電流引出部材３３ａ，３３ｂの本体部３３ａ１と空気極層３１ｃとは、酸化剤ガスが通過する導電性接着剤によって接着されているため、空気極層３１ｃは、その外壁面全面に亘って酸化剤ガスが供給される。このように空気極層３１ｃは、酸化剤ガス雰囲気中に配設されている。
【００４２】
各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１においては、燃料極層３１ａに供給された燃料ガスと空気極層３１ｃ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、燃料極層３１ａでは、下記化１及び化２に示す反応が生じ、空気極層３１ｃ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３１ｃで生成した酸化物イオン（Ｏ２−）が、電解質層３１ｂを通過し、燃料極層３１ａ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３１によって発電された電力は、電力変換装置１３に接続部材３２および各電流引出部材３３ａ，３３ｂを介して出力される。また、燃料極層３１ａ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−
【００４３】
（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（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、図２に示すように、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、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３１の燃料極層３１ａ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、固体酸化物形燃料電池スタック３０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、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１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、筒状に形成され、燃料ガスが内側を流れる燃料極層３１ａと、燃料極層３１ａ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３１ｃと、燃料極層３１ａと空気極層３１ｃとの間に挟まれた電解質層３１ｂと、を備えた複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１と、複数の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１のうち少なくとも一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の燃料極層３１ａの第一被接続部（燃料極層露出部３１ａ１の外壁面）と、少なくとも一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１に隣接する他の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃの第二被接続部（空気極層３１ｃの外壁面）とを電気的に接続する複数の接続部材３２と、を備える。接続部材３２は、燃料極層露出部３１ａ１の外壁面に接触する第一接触部３２ａと、空気極層３１ｃの外壁面に接触する第二接触部３２ｂと、第一接触部３２ａと第二接触部３２ｂとを一体的に連結する連結部３２ｃと、を備え、かつ、導電性を有する原材料を、型を使用して加工することにより成型をされ、成型後、可撓性を有し、第一接触部３２ａの形状は、成型後、燃料極層露出部３１ａ１の外壁面に密着する第一所定形状を保持可能であるとともに、第二接触部３２ｂの形状は空気極層３１ｃの外壁面に密着する第二所定形状を保持可能である。
これによれば、導電性を有する原材料を、型を使用して加工することにより成型をされ、接続部材３２は、各接触部３２ａ，３２ｂと連結部３２ｃとが一体的に形成されるとともに、成型後、可撓性を有している。また、各接触部３２ａ，３２ｂの形状は、成型後、対応する燃料極層露出部３１ａ１または空気極層３１ｃの外壁面形状に密着する所定形状を保持可能である。これらによって、各接触部３２ａ，３２ｂを対応する各燃料極層露出部３１ａ１または空気極層３１ｃの外壁面に確実に密着させることができる。したがって、筒状の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１と接続部材３２との密着性を向上させることができる。
例えば、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１に反りや熱変形が生じた場合においても、接続部材３２がしなることで、各接触部３２ａ，３２ｂを、対応する各燃料極層露出部３１ａ１または各空気極層３１ｃの外壁面に確実に密着させることができる。また、この可撓性によって生じる弾力により、各接触部３２ａ，３２ｂが対応する各燃料極層露出部３１ａ１または各空気極層３１ｃの外壁面に押さえ付けられるように、接続部材３２を形成することもできる。この場合、各燃料極層露出部３１ａ１または各空気極層３１ｃの外壁面が凹凸を有する場合においても、接続部材３２の可撓性によって、この凹凸に各接触部３２ａ，３２ｂが沿うように変形することができる。よって、各接触部３２ａ，３２ｂを、対応する燃料極層露出部３１ａ１または空気極層３１ｃの外壁面に確実に密着させることができる。
【００４９】
また、接続部材３２の原材料は、金属材料によって形成された線材Ｗである。
これによれば、接続部材３２を比較的簡便に、かつ、比較的低コストにて形成することができる。
【００５０】
また、線材Ｗの直径は、０．１ｍｍより大きく、かつ、０．５ｍｍ以下である。
これによれば、線材Ｗの直径が比較的細い（例えば、直径０．１ｍｍ以下。）場合に比べて、線材Ｗが有する剛性を大きくすることができる。よって、接続部材３２の形状を保持可能とするとともに、各接触部３２ａ，３２ｂの形状が、成型後、対応する燃料極層露出部３１ａ１または空気極層３１ｃの外壁面形状に密着する各所定形状を確実に保持可能である。
【００５１】
また、金属材料は、全体の重量に対してクロムが２０重量％以上含まれている材料である。
これによれば、上述したように、線材Ｗに含まれているクロムの量が、固体酸化物形燃料電池システム１の耐用年数に対して、十分に確保されている。線材Ｗの表面にクロミア膜が長期間に亘って良好に形成されるため、線材Ｗの酸化腐食が長期間に亘って抑制される。よって、各固体酸化物形燃料電池筒状セル３１と接続部材３２との密着性を長期間に亘って向上させることができる。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
なお、上述した実施形態において、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、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１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３１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、上述した実施形態において、燃料極層３１ａの内側には、燃料ガスを流通させる流路が一つ形成されているが、これに代えて、燃料ガスが流れる流路を複数形成するようにしても良い。
【００５５】
また、上述した実施形態において、線材Ｗは、金型に入れられる前に綿形状Ｍ１に形成されているが、これに代えて、図９に示すように、線材Ｗを編みこんだメッシュ形状Ｍ２に形成するようにしても良い。これによれば、線材Ｗが綿形状Ｍ１に形成された場合と同様に、成型後に、接続部材３２における線材Ｗのほつれを抑制することができる。
【００５６】
また、上述した実施形態において、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１は、複数の接続部材３２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、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の一部または全てを電気的に並列接続しても良い。例えば、上述した実施形態の接続部材３２に代えて、図１０に示す接続部材１３２とする。接続部材１３２は、上述した実施形態における接続部材３２の二つを左右方向に連結した形に成型されている。この接続部材１３２によれば、図３に示す左右方向に隣接する固体酸化物形燃料電池筒状セル３１を電気的に並列接続し、前後方向に隣接する固体酸化物形燃料電池筒状セル３１を電気的に直列に接続することができる。このように、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３１のうち少なくとも一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の燃料電極層露出部３１ａの外壁面と、少なくとも一の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１に隣接する他の固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の空気極層３１ｃの外壁面とを電気的に接続する複数の接続部材３２を備える。
【００５７】
また、上述した実施形態において、接続部材３２は、第一接触部３２ａが二箇所設けられているが、これに代えて、第一接触部３２ａを一箇所のみ設けるようにしても良い。この場合、第一接触部３２ａを上端突出部３２ｃ１および下端突出部３２ｃ２の一方に形成する。さらに、第一接触部３２ａが形成されていない上端突出部３２ｃ１および下端突出部３２ｃ２の他方を形成しないようにしても良い。
【００５８】
また、上述した実施形態において、線材Ｗは、全体の重量に対してクロムを２０重量％以上含むように形成されているが、これに代えて、クロムが含まれる割合を２０重量％より小さく、または、クロムを含まないように線材Ｗを形成しても良い。この場合、線材Ｗにクロミア膜が十分形成されないため、線材Ｗに耐酸化腐食のメッキを施すようにしても良い。
また、上述した実施形態において、金型に入れる線材Ｗの量を管理するようにしても良い。これによれば、複数の接続部材３２間の形状のばらつきを抑制することができる。
【００５９】
また、上述した実施形態において、固定酸化物形燃料電池筒状セル３１は、内側電極層を燃料極層３１ａとし、外側電極層を空気極層３１ｃとしているが、これに代えて、図１１示す固定酸化物形燃料電池筒状セル１３１のように、内側電極層を空気極層１３１ｃとし、外側電極層を燃料極層１３１ａとしても良い。この場合、上述した実施形態における燃料極層露出部３１ａ１に代えて、内側に設けられた空気極層１３１ｃが外側に露出する空気極層露出部１３１ｃ１が形成される。さらに、第一被接続部が、この空気極層露出部１３１ｃ１の外壁面に相当する。また、第二被接続部が、外側に積層された燃料極層１３１ａの外壁面に相当する。
【００６０】
また、この場合、図１１に示すように、カソードガス供給管１１ｃがマニホールド３４に接続される。これにより、酸化剤ガスが空気極層１３１ｃの内側に供給される。さらに、固定酸化物形燃料電池モジュール１１が、固体酸化物形燃料電池スタック３０を収容するケーシング１３５を備えている。そして、ケーシング１３５に燃料ガス供給管５１が接続されている。これにより、燃料ガスがケーシング１３５内に、ひいては、燃料極層１３１ａに供給される。すなわち、本変形例の場合、固定酸化物形燃料電池筒状セル１３１は、筒状に形成され、酸化剤ガスが内側を流れる空気極層１３１ｃと、空気極層１３１ｃの外側に積層され、燃料ガス雰囲気中に設けられる燃料極層１３１ａと、空気極層１３１ｃと燃料極層１３１ａとの間に挟まれた電解質層１３１ｂと、を備えている。また、酸化剤オフガスおよび燃料オフガスが、ケーシング１３５の上端に複数設けられた排出管１３５ａから排出される。排出されたオフガスが燃焼部６０にて燃焼されて、燃焼ガス（火炎６１）が発生する。
【００６１】
また、上述した実施形態において、接続部材３２および各電流引出部材３３ａ，３３ｂの本体部３３ａ１，３３ｂ１は、原材料を線材Ｗとして、型を使用したプレス加工によって形成されているが、これに代えて、導電性樹脂材料を原材料として、金型内で発泡させて成型するようにしても良い。これにより、気泡を含んだ多孔質の樹脂成形体が形成される。また、発泡率や樹脂成形体の厚みを調整することで、樹脂成形体の可撓性を調整することができる。さらに、導電性を有する金属粉末を原材料として、金型によって圧縮成型した後、焼結させることにより成型しても良い。これにより、多孔質の金属焼結体が形成される。金属粉末の充填率や金属焼結体の厚みを調整することで、金属焼結体の可撓性を調整することができる。
【００６２】
また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、固体酸化物形燃料電池筒状セル３１の個数、接続部材３２および各電流引出部材３３ａ，３３ｂの個数や形状、原材料および加工方法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…固体酸化物形燃料電池筒状セル、３１ａ…燃料極層（内側電極層）、３１ａ１…燃料極層露出部、３１ｂ…電解質層、３１ｃ…空気極層（外側電極層）、３２…接続部材、３２ａ…第一接触部、３２ｂ…第二接触部、３２ｃ…連結部、３４…マニホールド、４０…蒸発部、５０…改質部、６０…燃焼部、Ｗ…線材。
【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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