JP2013131329A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組付性の向上を図り、更に、筐体の耐久性の向上および長寿命化に有利な燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池装置は、スタック４００とカソードガス流路５００と排ガス流路６００とを有する。筐体２００は、厚み方向に積層された第１Ｕ板部材２１０と第２Ｕ板部材２２０とを備える。カソードガス流路５００および排ガス流路６００のうちの少なくとも一方の少なくとも一部は、第１側壁２１２および第２側壁２２２が互いに対面して形成された側隙間流路５１０，６１０と、第１底壁２１３および第２底壁２２３が互いに対面して形成された底隙間流路５２０，６２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はスタックを収容する筐体を有する燃料電池装置に関する。

特許文献１は、改質器およびスタックを収容する発電室を有する筐体において、筐体の外面側にカソードガス流路を形成し、そのカソードガス流路の内側に排ガス流路を形成し、発電に使用されなかったアノードオフガス、カソードオフガス等の排ガスを排ガス流路に流す燃料電池装置を開示する。これにより排ガス流路を流れる排ガスでカソード流路のカソードガスが予熱され、スタックに供給される。また相対的に低温の空気であるカソードガスが筐体の外面側を流れるため、筐体からの放熱を抑制でき、効率を向上させ得る。

特開2008-66127号公報

上記した種類の燃料電池装置によれば、図９に示す構造のものが開発されている。このものによれば、筐体２００Ｘは、第１逆Ｕ板部材２１０Ｘおよび第２逆Ｕ板部材２２０Ｘを積層させるように組み付けて形成されている。第１逆Ｕ板部材２１０Ｘは逆Ｕ字形状をなしており、下向きに開放する第１下面開口部２１１Ｘ、互いに対向する２個の第１側壁２１２Ｘ、第１側壁２１２Ｘの上端部同士を繋ぐ第１天壁２１３Ｘをもつ。第２逆Ｕ板部材２２０Ｘは逆Ｕ字形状をなしており、下向きに開放する第２下面開口部２２１Ｘ、互いに対向する２個の第２側壁２２２Ｘ、第２側壁２２２Ｘの上端部同士を繋ぐ第２天壁２２３Ｘをもつ。この場合、第１逆Ｕ板部材２１０Ｘの第１側壁２１２Ｘの下端部同士には、閉鎖蓋２０１Ｘが溶接部２５１Ｘで一体的に取り付けられている。第２側壁２２２Ｘの下端部同士には閉鎖蓋２０２Ｘが溶接部２５２Ｘで一体的に取り付けられている。

しかし、上記した第１逆Ｕ板部材２１０Ｘは逆Ｕ字形状をなしており、第１側壁２１２Ｘの上端部同士を繋ぐ第１天壁２１３Ｘをもつ。第２逆Ｕ板部材２２０Ｘも同様に逆Ｕ字形状をなしており、第１側壁２２２Ｘの上端部同士を繋ぐ第１天壁２２３Ｘをもつ。このため、スタック４００Ｘや改質器３００Ｘ等の組付部品を第１逆Ｕ板部材２１０Ｘや第２逆Ｕ板部材２２０Ｘの内部に組み付けるとき、スタック４００Ｘや改質器３００Ｘ等の組付部品が第１逆Ｕ板部材２１０Ｘの天壁２１３Ｘや第２逆Ｕ板部材２２０Ｘの天壁２２３Ｘに干渉する。このため、スタック４００Ｘや改質器３００Ｘ等の組付部品を組み付け難く、組付に時間を要する。

更に、一般的には、筐体２００Ｘの発電室ではこれの下部よりも上部が高温となり易い。特に、筐体２００Ｘの発電室に配置されているスタック４００Ｘの上方に改質器３００Ｘが配置されている場合には、筐体２００Ｘの発電室の下部よりも発電室の上部が高温となり易い。このため、燃料電池装置の高さ方向（矢印Ｈ方向）に沿った断面において、筐体２００Ｘを構成する第１逆Ｕ板部材２１０Ｘの第１天壁２１３Ｘ、第２逆Ｕ板部材２２０Ｘの第２天壁２２３Ｘが矢印Ｘ１方向に熱膨張して伸び変形し易い。この場合、第１天壁２１３Ｘの矢印Ｘ１方向の伸び変形量が第１側壁２１２Ｘを介して閉鎖蓋２０１Ｘの溶接部２５１Ｘに矢印Ｗ１方向に影響を与えるおそれがある。同様に、第２天壁２２３Ｘの伸び変形量が第２側壁２２２Ｘを介して閉鎖蓋２０２Ｘの溶接部２５２Ｘに矢印Ｗ５方向に影響を与えるおそれがある。このような燃料電池装置によれば、発電運転および停止に伴い、第１天壁２１３Ｘおよび第２天壁２２３Ｘの熱膨張および熱収縮が繰り返される。

更に、図９に示すように、第１逆Ｕ板部材２１０Ｘの第１天壁２１３Ｘが熱膨張してΔＷ、伸長されると、ΔＷの影響で、第１天壁２１３Ｘに繋がる第１側壁２１２Ｘを上方（矢印Ｗ５方向）に持ち上げる現象が発生するおそれがある。この場合、第１側壁２１２Ｘが上方（矢印Ｗ５方向）に持ち上げられると、第１側壁２１２Ｘの溶接部２５１Ｘに、劣化の要因となり得る引張力を与えるおそれがある。同様に、第２逆Ｕ板部材２２０Ｘの第２天壁２２３Ｘが熱膨張するときも同様であり、第２天壁２２３Ｘに繋がる第２側壁２２２Ｘの溶接部２５２Ｘに引張力を与えるおそれがある。

このため、燃料電池装置の使用期間が長期にわたると、熱膨張および熱収縮に基づいて溶接部２５１Ｘ，２５２Ｘには応力負荷が繰り返して作用し、溶接部２５１Ｘ，２５２Ｘの劣化が促進されるおそれがある。このため燃料電池装置の筐体２００Ｘについて耐久性の向上および長寿命化には限界がある。溶接部２５１Ｘ，２５２Ｘがボルトナット等の機械的な取付具の場合であっても同様である。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、改質器やスタック等の組付性を改善させると共に、溶接部や取付具の劣化を抑え、筐体の耐久性の向上および長寿命化に有利な燃料電池装置を提供することを課題とする。

（１）本発明の様相１に係る燃料電池装置は、発電室を有すると共に発電室の上部を塞ぐ閉鎖蓋を有する筐体と、発電室に設けられアノードガスおよびカソードガスが供給されて発電するスタックと、筐体に設けられカソードガスをスタックに供給させるカソードガス流路と、筐体に設けられ発電室で発生した排ガスを外部に排出させる排ガス流路とを具備しており、
筐体の高さ方向に沿った断面において、
（i）筐体は、上向きに開放する第１上面開口部、互いに対向する２個の第１側壁、第１側壁の下部同士を繋ぐ第１底壁をもつＵ字形状をなす第１Ｕ板部材と、上向きに開放する第２上面開口部、互いに対向する２個の第２側壁、第２側壁の下部同士を繋ぐ第２底壁をもつＵ字形状をなす第２Ｕ板部材とを具備しており、
（ii）断面において、筐体は、第１上面開口部および第２上面開口部が上側となるように、第１Ｕ板部材および第２Ｕ板部材がこれらの厚み方向に隙間を介して積層されて形成されており、
（iii）断面において、カソードガス流路および排ガス流路のうちの少なくとも一方の少なくとも一部は、第１側壁および第２側壁が互いに対面して形成された側隙間流路と、第１底壁および第２底壁が互いに対面して形成され且つ側隙間流路に連通する底隙間流路とを備えている。

上記した燃料電池装置によれば、筐体は、第１Ｕ板部材および第２Ｕ板部材を積層させるように組み付けて形成されている。第１Ｕ板部材はＵ字形状をなしており、第１上面開口部、互いに対向する２個の第１側壁、第１側壁の下端部同士を繋ぐ第１底壁をもつ。第２Ｕ板部材はＵ字形状をなしており、第２上面開口部、互いに対向する２個の第２側壁、第２側壁の下端部同士を繋ぐ第２底壁をもつ。この場合、第１側壁の上端部、第２側壁の上端部側には、閉鎖蓋が溶接部や取付具等で一体的に取り付けられる。

上記した第１Ｕ板部材はＵ形状をなしており、上向きに開放する第１上面開口部をもつ。第２Ｕ板部材はＵ形状をなしており、上向きに開放する第２上面開口部をもつ。このためスタック等の組付部品を第１Ｕ板部材や第２Ｕ板部材の内部に組み付けるときにおいて、スタック等の組付部品が第１Ｕ板部材の天壁や第２Ｕ板部材の天壁に干渉することが解消される。従ってスタック等の組付部品の組み付け性を改善させることができる。

ところで、一般的には、熱気流は上昇するため、筐体の発電室ではこれの下部よりも上部が高温となり易い。特に、筐体の発電室に配置されているスタックの上方に燃焼部が配置されている場合には、筐体の発電室の下部よりも発電室の上部が高温となり易い。このため、燃料電池装置の高さ方向に沿った断面において、上側の閉鎖蓋が熱膨張し、第１Ｕ板部材の第１側壁同士を繋ぐ方向において閉鎖蓋が伸び変形する。この場合、閉鎖蓋の伸び変形量は、第１側壁を介して、第１底壁と第１側壁との第１交差部分に伝搬されるが、第１交差部分の追従変形によりその熱膨張を容易に吸収できる。同様に、その伸び変形量は、第２側壁を介して、第２底壁と第２側壁との第２交差部分に伝搬されるが、第２交差部分の追従変形によりその熱膨張を吸収できる。このため、閉鎖蓋を取り付けるための溶接部または取付具にかかる負荷が軽減され、溶接部または取付具に影響を与えるおそれが抑えられる。このため溶接部または取付具の劣化が抑制され、筐体の耐久性および長寿命化を図ることができる。

また、第３Ｕ板部材の第３上面開口部が断面において伸び変形したとしても、その変形量は、第３側壁を介して、第３底壁と第３側壁との第３交差部分に伝搬され、第３交差部分の追従変形によりその熱膨張を吸収できる。

（２）本発明の様相２に係る燃料電池装置によれば、上記様相において、断面において、外部から発電室にかけて、第１Ｕ板部材、第２Ｕ板部材および断熱層がこの順に配置されており、カソードガス流路および排ガス流路のうちの一方の少なくとも一部は、断熱層と第１Ｕ板部材とで形成されており、カソードガス流路および排ガス流路のうちの他方の少なくとも一部は、第１Ｕ板部材と第２Ｕ板部材とで形成されている。このようにしてカソードガス流路および排ガス流路が筐体に形成される。

（３）本発明の様相３に係る燃料電池装置によれば、上記様相において、（i）断面において、外部から発電室にかけて、筐体は、第１Ｕ板部材および第２Ｕ板部材を具備する他に、上向きに開放する第３上面開口部、互いに対向する２個の第３側壁、第３側壁の下部同士を繋ぐ第３底壁をもつＵ字形状をなす第３Ｕ板部材とを具備しており、（ii）断面において、筐体は、第１上面開口部、第２上面開口部および第３上面開口部が上側となるように、第１Ｕ板部材、第２Ｕ板部材および第３Ｕ板部材がこれらの厚み方向に積層されて形成されており、（iii）断面において、カソードガス流路および排ガス流路のうちの一方の少なくとも一部は、第１側壁および第２側壁が互いに対面して形成された第１側隙間流路と、第１底壁および第２底壁が互いに対面して形成され且つ第１側隙間流路に連通する第１底隙間流路とを備えており、（iｖ）カソードガス流路および排ガス流路のうちの他方の少なくとも一部は、第２側壁および第３側壁が互いに対面して形成された第２側隙間流路と、第２底壁および第３底壁が互いに対面して形成され且つ第２側隙間流路に連通する第２底隙間流路とを備えている。このようにしてカソードガス流路および排ガス流路が筐体に形成される。

（４）本発明の様相４に係る燃料電池装置によれば、上記様相において、発電室において燃焼部はスタックの上方に配置されており、スタックの上面から吐出されたアノードオフガスおよび／または燃料ガスを含む可燃ガスの燃焼により発電室の上部が発電室の下部に対して高温となり易い。このため、燃料電池装置の高さ方向に沿った断面において、筐体の上側に取り付けられている閉鎖蓋が熱膨張して伸び変形したとしても、その伸び変形量は、第１側壁を介して、第１底壁と第１側壁との第１交差部分に伝搬され、第１交差部分の追従変形によりその熱膨張を吸収できる。同様に、その伸び変形量は、第２側壁を介して、第２底壁と第２側壁との第２交差部分に伝搬され、第２交差部分の追従変形によりその熱膨張を吸収できる。このため、閉鎖蓋を取り付けるための溶接部または取付具に影響を与えるおそれが抑えられる。このため溶接部または取付具の劣化が抑制され、筐体の耐久性および長寿命化を図ることができる。

（５）本発明の様相５に係る燃料電池装置によれば、上記様相において、断面において、外部から発電室にかけて、第１Ｕ板部材、第２Ｕ板部材および第３Ｕ板部材がこの順に配置されており、カソードガス流路および排ガス流路のうちの一方の少なくとも一部は、第１Ｕ板部材と第２Ｕ板部材とで形成されており、カソードガス流路および排ガス流路のうちの他方の少なくとも一部は、第２Ｕ板部材と第３Ｕ板部材とで形成されている。このようにしてカソードガス流路および排ガス流路が筐体に形成される。

（６）本発明の様相６に係る燃料電池装置によれば、上記様相において、第１Ｕ板部材および第２Ｕ板部材のうちの少なくとも一方は、第１Ｕ板部材および第２Ｕ板部材のうちの他方に突出することにより隙間流路を形成する複数の突起を有する。突起が設けられているため、第１Ｕ板部材および第２Ｕ板部材の間に、ガス流路となる隙間流路を形成させ易い。

本発明によれば、第１Ｕ板部材はＵ形状をなしており、第１上面開口部をもつ。第２Ｕ板部材はＵ形状をなしており、第２上面開口部をもつ。このためスタック等を第１Ｕ板部材や第２Ｕ板部材の内部に組み付けるときにおいて、スタック等の組付部品が第１Ｕ板部材の天壁や第２Ｕ板部材の天壁に干渉することが解消される。従ってスタックや例えば改質器等の組み付け性を改善させることができる。

更に、前述したように、第１Ｕ板部材の第１上面開口部を閉鎖する等のための閉鎖蓋を筐体に取り付けるための溶接部や取付具に応力負荷がかかり難い。このため、溶接部や取付具の劣化が抑制され、溶接部や取付具の耐久性の向上および長寿命化に有利となる。ひいては筐体の耐久性の向上および長寿命化に有利となる。

実施形態１に係り、燃料電池装置を高さ方向に沿って切断した断面図である。 実施形態１に係り、筐体を高さ方向に沿って切断した断面図である。 実施形態１に係り、第１Ｕ板部材、第２Ｕ板部材、第３Ｕ板部材を示す斜視図である。 実施形態２に係り、燃料電池装置の組み付け過程を示す斜視図である。 実施形態２に係り、燃料電池装置の組み付け過程を示す斜視図である。 実施形態３に係り、筐体を高さ方向に沿って切断した断面図である。 実施形態３に係り、燃料電池装置を高さ方向に沿って切断した断面図である。 実施形態４に係り、筐体を高さ方向に沿って切断した断面図である。 実施形態４に係り、筐体を高さ方向に沿って切断した断面図である。 従来形態に係り、燃料電池装置を高さ方向に沿って切断した断面図である。

（実施形態１）
図１〜図３は実施形態１を示す。図１は、燃料電池装置の筐体２００の高さ方向（矢印Ｈ方向）に沿って燃料電池装置の筐体２００を横断するように切断した断面を示す。図１に示すように、燃料電池装置は、発電室２０３を有すると共に発電室２０３の上部を塞ぐ第１閉鎖蓋２０１および第２閉鎖蓋２０２を有する金属製の筐体２００と、発電室２０３に設けられ燃料ガスを水蒸気で改質させて水素を主成分として含むアノードガスを生成させる改質器３００と、発電室２０３に設けられアノードガスおよびカソードガスが供給されて発電するスタック４００と、筐体２００に設けられカソードガスをスタック４００のカソードに供給させるカソードガス流路５００と、筐体２００に設けられ発電室２０３から発生した排ガスを外部に排出させる排ガス流路６００とを有する。

スタック４００は固体酸化物形（ＳＯＦＣ）であり、セラミックス系のアノードと、セラミックス系の電解質膜と、セラミックス系のカソードとを有する。燃料ガスを改質器３００に供給させる燃料ガス流路３１０が設けられている。燃料ガス流路３１０は、ポンプ３１１及びバルブ３１２を介してガス源３１３に繋がれている。改質用の水蒸気を形成させるために液相状の改質水を改質器３００に供給させて給水流路３２０が設けられている。給水流路３２０には、改質水を溜めるタンク３２１と、タンク３２１の改質水を改質器３００の蒸発部に供給させるポンプ３２２とが設けられている。

図１に示すように、改質器３００は蒸発部を一体的に併有しており、発電室２０３の上部に位置するようにスタック４００の上方に配置されている。発電室２０３において燃焼部７００がスタック４００と改質器３００との間に設けられている。燃焼部７００は、スタック４００の上面４０２から吐出されたアノードオフガスおよび／または燃料ガスからなる可燃ガスの燃焼により、改質器３００を改質反応（一般的には吸熱反応）に適するように加熱させる。

アノードオフガスはスタック４００のアノードから吐出されたガスであり、発電反応において消費されなかった未反応の水素を含むため、可燃性をもつ。図１に示すように、燃焼部７００は、改質器３００の底壁を加熱させる底加熱空間７０１と、改質器３００の第１側壁を加熱させる側加熱空間７０３と、改質器３００の第２側壁を加熱させる側加熱空間７０４と、改質器３００の上壁を加熱させる上加熱空間７０５とを有する。燃焼部７００は起動時において可燃ガスに着火させる着火部７１０を有する。改質器３００で生成された水素を主要成分とするアノードガスは、図略の流路を介して、スタック４００のアノードの下部に供給される、発電反応に提供される。

図１に示すように、発電室２０３を区画する高い断熱性をもつ断熱層８００が設けられている。断熱層８００は、スタック４００の外側に配置された側断熱層８０１と、スタック４００の底側に配置された底断熱層８０２とを有する。

図１に示すように、カソードガス流路５００は、外部の空気搬送源５９０（ポンプ）から搬送された相対的に低温の空気をカソードガスとしてスタック４００のカソードに搬送させるものである。カソードガス流路５００は、管状の第１カソードガス流路５００ａと、底に沿った第２カソードガス流路５００ｂと、高さ方向（矢印Ｈ方向）に沿った第３カソードガス流路５００ｃと、第２閉鎖蓋２０２及び第１閉鎖蓋２０１に沿った第４カソードガス流路５００ｄと、スタック４００のカソードの下部に連流路５５０を介して連通するように高さ方向に延びる第５カソードガス流路５００ｅとを備えている。外部の空気はカソードガスとして第１カソードガス流路５００ａ、第２カソードガス流路５００ｂ、第３カソードガス流路５００ｃ、第４カソードガス流路５００ｄ、第５カソードガス流路５００ｅ、連流路５５０に、この順に流れ（矢印Ａ方向）、スタック４００のカソードの下部に供給され、発電反応に提供される。

これに対して、排ガス流路６００は、発電室２０３で発生した相対的に高温の排ガスを外部に排出させる流路である。排ガス流路６００は、筐体２００の発電室２０３内の上加熱空間７０５に連通する第１排ガス流路６００ａ、下方向に流れる第２排ガス流路６００ｂ、底に沿って流れる第３排ガス流路６００ｃ、管状の第４排ガス流路６００ｄとを有する。発電室２０３で発生した相対的に高温の排ガスは、この順に流れて（矢印Ｂ方向）外部に排出される。排ガスとしては、スタック４００のアノードから吐出されたアノードオフガス、スタック４００のカソードから吐出されたカソードオフガス、アノードオフガスが燃焼部７００で燃焼した後の燃焼排ガスが挙げられる。

図１に示すように、カソードガス流路５００および排ガス流路６００は互いに隣接されており、互いに熱交換する。カソードガス流路５００を流れる相対的に低温のカソードガスは、断面（図１）において互いに反対方向に流れ、熱交換により予熱される。排ガス流路６００を流れる相対的に高温の排ガスは熱交換により冷却される。なお、本実施形態では改質器が筐体内に設置されているが、これに限られるものではない。筐体外に設置されていてもよい。またアノードガスは改質器を介さずに水素ガスを直接供給してもよい。

図２は、改質器３００等の組付部品を外した筐体２００の高さ方向（矢印Ｈ方向）に沿って且つ筐体２００を横断する方向に切断した断面を示す。図２に示すように、筐体２００の主骨格は、第１Ｕ板部材２１０と第２Ｕ板部材２２０と第３Ｕ板部材２３０とを組み付けて形成されている。図２に示すように、第１Ｕ板部材２１０は金属製であり、Ｕ字形状をなしており、第１上面開口部２１１と、互いに対向する２個の第１側壁２１２と、第１側壁２１２の下部同士を繋ぐ第１底壁２１３と、第１交差部分２１４とをもつ。金属は例えば炭素鋼または合金鋼である。第１交差部分２１４は第１底壁２１３と第１側壁２１２とが交差する部分である。第１交差部分２１４は可撓性を示し、第１底壁２１３に対して第１側壁２１２を矢印Ｋ１方向に容易に変位させることができる。

図２に示すように、第２Ｕ板部材２２０は金属製であり、Ｕ字形状をなしており、第２上面開口部２２１と、互いに対向する２個の第２側壁２２２と、第２側壁２２２の下部同士を繋ぐ第２底壁２２３と、第２交差部分２２４とをもつ。第２交差部分２２４は可撓性を示し、第２底壁２２３に対して第２側壁２２２を矢印Ｋ２方向に容易に変位させることができる。第２交差部分２２４は第２底壁２２３と第２側壁２２２とが交差する部分である。

図２に示すように、第３Ｕ板部材２３０は金属製であり、Ｕ字形状をなしており、第３上面開口部２３１と、互いに対向する２個の第３側壁２３２と、第３側壁２３２の下部同士を繋ぐ第３底壁２３３と、第３交差部分２３４とをもつ。第３交差部分２３４は第３底壁２３３と第３側壁２３２とが交差する部分である。第３交差部分２３４は可撓性を示し、第３底壁２３３に対して第３側壁２３２を矢印Ｋ３方向に容易に変位させることができる。

図１および図２に示すように、第１上面開口部２１１、第２上面開口部２２１および第３上面開口部２３１が上側となるように、第１Ｕ板部材２１０、第２Ｕ板部材２２０および第３Ｕ板部材２３０は、これらの厚み方向（図２に示す矢印Ｔ方向）に積層されている。これにより筐体２００は組み付けられている。

図３は、筐体２００の主骨格を形成するための第１Ｕ板部材２１０、第２Ｕ板部材２２０および第３Ｕ板部材２３０を、これらの長手方向（矢印Ｌ方向）に沿って配置している状態を示す。図３に示すように、第１Ｕ板部材２１０の長手方向（矢印Ｌ方向）の両端には、端開口２１０ｅが形成されている。第２Ｕ板部材２２０の長手方向（矢印Ｌ方向）の両端には、端開口２２０ｅが形成されている。および第３Ｕ板部材２３０の長手方向（矢印Ｌ方向）の両端には、端開口２３０ｅが形成されている。

図１に示すように、第１Ｕ板部材２１０の上端部に第１閉鎖蓋２０１が溶接部２０１ｈで結合されている。これにより第１Ｕ板部材２１０の第１上面開口部２１１は、第１閉鎖蓋２０１で閉じられている。第２Ｕ板部材２２０の上端部に第２閉鎖蓋２０２が溶接部２０２ｈで結合されている。これにより第２Ｕ板部材２２０の第２上面開口部２２１は、第２閉鎖蓋２０２で閉じられている。図１に示すように、第１閉鎖蓋２０１および第２閉鎖蓋２０２は、第４カソードガス流路５００ｄを形成する。

図１および図２に示すように、排ガス流路６００の第２排ガス流路６００ｂおよび第３排ガス流路６００ｃは、第３Ｕ板部材２３０の外面と第２Ｕ板部材２２０の内面とで形成されている。ここで、排ガス流路６００は、第１側隙間流路６１０と、第１側隙間流路６１０に連通する第１底隙間流路６２０とを備えている。第１側隙間流路６１０は第２排ガス流路６００ｂに相当しており、第２Ｕ板部材２２０の第２側壁２２２と第３Ｕ板部材２３０の第３側壁２３２とを互いに対面させて形成されている。第１底隙間流路６２０は第３排ガス流路６００ｃに相当しており、第２Ｕ板部材２２０の第２底壁２２３および第３Ｕ板部材２３０の第３底壁２３３とを互いに対面させて形成されている。

図１および図２に示すように、カソードガス流路５００の第２カソードガス流路５００ｂおよび第３カソードガス流路５００ｃは、第２Ｕ板部材２２０の外面と第１Ｕ板部材２１０の内面とで形成されている。カソードガス流路５００は、第２側隙間流路５１０と、第２側隙間流路５１０に連通する第２底隙間流路５２０とを備えている。第２側隙間流路５１０は第２カソードガス流路５００ｃに相当しており、第１Ｕ板部材２１０の第１側壁２１２と第２Ｕ板部材２２０の第２側壁２２２とを互いに対面させて形成されている。第２底隙間流路５２０は第２カソードガス流路５００ｂに相当しており、第１Ｕ板部材２１０の第１底壁２１３および第２Ｕ板部材２２０の第２底壁２２３とを互いに対面させて形成されている。

本実施形態によれば、第１Ｕ板部材２１０、第２Ｕ板部材２２０および第３Ｕ板部材２３０のうちの少なくとも二つには、相手側に向けて突出することにより隙間流路を形成する複数の突起２９０がスペーサとして形成されていることが好ましい。具体的には、図３に示すように、第１Ｕ板部材２１０および第２Ｕ板部材２２０には、相手側に向けて突出するディンプル状の複数の突起２９０がスペーサとして一体的に形成されている。隙間流路の隙間幅のばらつきを低減させため、複数の突起２９０は分散させて形成されていることが好ましい。なお、突起２９０は、別体の部品を溶接や無機系接着剤等でＵ板部材に固定されることにしても良い。

図示しないものの、第１Ｕ板部材２１０、第２Ｕ板部材２２０および第３Ｕ板部材２３０のうちの少なくとも一つには、補強用のリブが形成されていることが好ましい。リブは筐体２００の長手方向（矢印Ｌ方向）に延設されていることが好ましい。軽量化のためにＵ板部材が薄肉化されるときであっても、第１Ｕ板部材２１０、第２Ｕ板部材２２０および第３Ｕ板部材２３０の強化を図り得、筐体２００の強化に貢献できる。なお、リブや突起２９０はガスの流れの支障とならないように設けることが好ましい。

更に図１、図２に示すように、第１閉鎖蓋２０１には、補強用の第１リブ２０６が形成されていることが好ましい。第１リブ２０６は長手方向（図３に示す矢印Ｌ方向）に延設されていることが好ましい。第２閉鎖蓋２０２についても、補強用の第２リブが形成されていることが好ましい。突起２９０およびリブ２０６はプレス成形により容易に成形でき、使用温度によっては、加工硬化による強度増加も期待できる。

本実施形態によれば、上記した筐体２００の外層となる第１Ｕ板部材２１０は、断面でＵ形状をなしており、第１上面開口部２１１をもつ。筐体２００の中間層となる第２Ｕ板部材２２０は断面でＵ形状をなしており、第２上面開口部２２１をもつ。筐体２００の内層となる第３Ｕ板部材２３０は断面でＵ形状をなしており、第３上面開口部２３１をもつ。このためスタック４００や改質器３００等の組付部品を第１Ｕ板部材２１０、第２Ｕ板部材２２０および第３Ｕ板部材２３０の内部に組み付けるときにおいて、スタック４００や改質器３００等の組付部品を上側の上面開口部から、または、横側の端開口から組み付けることができる。この場合、第１Ｕ板部材２１０の天壁、第２Ｕ板部材２２０の天壁、第３Ｕ板部材２３０の天壁に干渉することが解消される。その理由としては、第１Ｕ板部材２１０、第２Ｕ板部材２２０、第３Ｕ板部材２３０はそもそも天壁を備えていないためである。従って、スタック４００や改質器３００をＵ板部材の内部に組み付ける組付性を改善させることができる。

ところで、一般的には、熱は発電室２０３において上昇する。このため、筐体２００の発電室２０３ではこれの下部よりも上部が高温となり易い。特に、筐体２００の発電室２０３に配置されているスタック４００の上方に燃焼部７００および改質器３００が配置されているため、筐体２００の発電室２０３の下部よりも発電室２０３の上部が高温となり易い。

このため、燃料電池装置の高さ方向（矢印Ｈ方向）に沿った断面（図１）において、第１閉鎖蓋２０１および第２閉鎖蓋２０２が熱膨張して筐体２００の幅方向（横断方向，矢印Ｘ１方向）に沿って伸び変形するとき、その伸び変形量は、第１側壁２１２を介して第１交差部分２１４に伝搬され、更に、第２側壁２２２を介して第２交差部分２２４に伝搬される。このような場合であっても、第１交差部分２１４は可撓性を示し、第１底壁２１３に対して第１側壁２１２を矢印Ｋ１方向に追従変形させ易い。第２交差部分２２４は可撓性を示し、第２底壁２２３に対して第２側壁２２２を矢印Ｋ２方向に追従変形させ易い。第３Ｕ板部材２３０の第３交差部分２３４についても同様である。

このため、発電運転に伴い熱膨張、および、運転停止後の冷却に伴う熱収縮が発生したとしても、第１閉鎖蓋２０１や第２閉鎖蓋２０２は矢印Ｘ１方向に熱膨張および熱収縮するものの、第１閉鎖蓋２０１や第２閉鎖蓋２０２を固定させるための溶接部２０１ｈ，２０２ｈに作用する応力負荷が低減される。故に、溶接部２０１ｈ，２０２ｈに影響を与えるおそれが抑えられる。このため筐体２００の耐久性および長寿命化を図ることができる。溶接部２０１ｈ，２０２ｈに代えて、ボルトおよびナットによる取付具で閉鎖蓋を筐体２００に取り付ける場合についても同様であり、取付具に作用する負荷が軽減され、取付具の耐久性の向上および長寿命化を図り得る。

なお、図１に示すように第１閉鎖蓋２０１が横断方向に熱膨張してΔＷ伸長されると、ΔＷの影響で、第１閉鎖蓋２０１に溶接部２０１ｈで繋がる第１側壁２１２を上方（矢印Ｗ５方向）に持ち上げる現象が発生するおそれがある。この場合、第１Ｕ板部材２１０の第１交差部分２１４は可撓性（屈曲性）を有するため、上記した持ち上げ現象に対処できる。従って溶接部２０１ｈに応力負荷を与えるおそれが軽減される。同様に、第２Ｕ板部材２２０についても同様であり、溶接部２０２ｈに応力負荷を与えるおそれが軽減される。

（実施形態２）
図４および図５は実施形態２を示す。本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成、作用および効果を有する。図４および図５は、筐体２００の組付形態の一例を示す。まず、図４において、内層となる断面でＵ形状の第３Ｕ板部材２３０には、長手方向（矢印Ｌ方向）に延びる補強用のリブ２３８が形成されていると共に、流路隙間を形成するディンプル用の複数個の突起２９０が形成されている。補強用のリブの高さはディンプルの高さより低くなっている。これにより流路閉塞を防止できる。リブ２３８により第３Ｕ板部材２３０を強化できる。

工程Ｍ１として示すように、断面でＵ形状の第３Ｕ板部材２３０は、第２上面開口部２２１から矢印Ｈ２方向に挿入されて第２Ｕ板部材２２０（中間層）内に配置される。次に、工程Ｍ２として示すように、第３Ｕ板部材２３０が配置された第２Ｕ板部材２２０は、第１上面開口部２１１を介して、矢印Ｈ３方向に第１Ｕ板部材２１０（外層）内に挿入されて配置される。これによりＵ組付体２４０が形成される。

工程Ｍ３として示すように、予め、側断熱層８０１、底断熱層８０２およびスタック４００が組み付けられてスタック組付体４０５が形成されている。スタック組付体４０５は、横方（矢印ＭＡ方向）から，つまり、第３Ｕ板部材２３０の端開口２３０ｅから、Ｕ組付体２４０の内部に挿入される。場合によっては、スタック組付体４０５を、上方から下方に向けて移動させて、つまり、第３Ｕ板部材２３０の第３上面開口部２３１から、Ｕ組付体２４０に挿入させても良い。Ｕ組付体２４０は、上方を塞ぐ天壁を有してないためである。その後、改質器３００等がＵ組付体２４０に組み付けられる（図略）。その後、図５において工程Ｍ４として示すように、第２リブ２０７を有する第２閉鎖蓋２０２で第２Ｕ板部材２２０の第２上面開口部２２１を閉鎖するように、第２閉鎖蓋２０２がＵ組付体２４０に溶接部２０２ｈで組み付けられる。更に、二つの端蓋２４５がＵ組付体２４０の長手方向（矢印Ｌ方向）の両端部に溶接で組み付けられる。その後、工程Ｍ５として示すように、第１リブ２０６を有する第１閉鎖蓋２０１が第１Ｕ板部材２１０の第１上面開口部２１１に溶接で組み付けられ、第１上面開口部２１１が閉鎖される。このようにして筐体２００が組み付けられる。但し、組付形態はこれに限定されるものではない。

（実施形態３）
図６は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成、作用および効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。図６は、筐体２００の高さ方向（矢印Ｈ方向）に沿って筐体２００を横断するように切断した断面を示す。図６に示すように、筐体２００の主骨格は、第１Ｕ板部材２１０と第２Ｕ板部材２２０とを組み付けて形成されている。本実施形態によれば、第３Ｕ板部材は設けられていない。

図６に示すように、外側に位置する第１Ｕ板部材２１０は金属製であり、断面でＵ字形状をなしており、第１上面開口部２１１と、互いに対向する２個の第１側壁２１２と、第１側壁２１２の下部同士を繋ぐ第１底壁２１３と、第１交差部分２１４とをもつ。第１交差部分２１４は第１底壁２１３と第１側壁２１２とが交差する部分である。第１交差部分２１４は可撓性を有しており、第１底壁２１３に対して第１側壁２１２を矢印Ｋ１方向に容易に変位させることができる。

第２Ｕ板部材２２０は金属製であり、断面でＵ字形状をなしており、第２上面開口部２２１と、互いに対向する２個の第２側壁２２２と、第２側壁２２２の下部同士を繋ぐ第２底壁２２３と、第２交差部分２２４とをもつ。第２交差部分２２４は可撓性を有しており、第２底壁２２３に対して第２側壁２２２を矢印Ｋ２方向に容易に変位させることができる。第２交差部分２２４は第２底壁２２３と第２側壁２２２とが交差する部分である。

図６および図７に示すように、第１上面開口部２１１および第２上面開口部２２１が上側となるように、第１Ｕ板部材２１０および第２Ｕ板部材２２０がこれらの厚み方向（矢印Ｔ方向）に積層されている。これにより筐体２００は組み付けられている。第１Ｕ板部材２１０の第１上面開口部２１１は第１閉鎖蓋２０１で溶接部２０１ｈにより閉じられている。第２Ｕ板部材２２０の第２上面開口部２２１は第２閉鎖蓋２０２で溶接部２０２ｈで閉じられている。第１閉鎖蓋２０１および第２閉鎖蓋２０２は第４カソードガス流路５００ｄを形成する。

図７に示すように、排ガス流路６００の第２排ガス流路６００ｂおよび第３排ガス流路６００ｃは、側断熱層８０１の外面と第２Ｕ板部材２２０の内面とで形成されている。ここで、排ガス流路６００は、第１側隙間流路６１０と、第１側隙間流路６１０に連通する第１底隙間流路６２０とを備えている。第１側隙間流路６１０は第２排ガス流路６００ｂに相当しており、第２Ｕ板部材２２０の第２側壁２２２と側断熱層８０１の外面８０１ｐとを互いに対面させて形成されている。第１底隙間流路６２０は第３排ガス流路６００ｃに相当しており、第２Ｕ板部材２２０の第２底壁２２３および底断熱層８０２の下面８０２ｄとを互いに対面させて形成されている。

図７に示すように、カソードガス流路５００の第２カソードガス流路５００ｂおよび第３カソードガス流路５００ｃは、第２Ｕ板部材２２０の外面と第１Ｕ板部材２１０の内面とで形成されている。カソードガス流路５００は、第２側隙間流路５１０と、第２側隙間流路５１０に連通する第２底隙間流路５２０とを備えている。図７に示すように、第２側隙間流路５１０は第２カソードガス流路５００ｃに相当しており、第１Ｕ板部材２１０池の第１側壁２１２と第２Ｕ板部材２２０の第２側壁２２２とを互いに対面させて形成されている。第２底隙間流路５２０は第２カソードガス流路５００ｂに相当しており、第１Ｕ板部材２１０の第１底壁２１３および第２Ｕ板部材２２０の第２底壁２２３とを互いに対面させて形成されている。

本実施形態によれば、実施形態１と同様に、第１Ｕ板部材２１０および第２Ｕ板部材２２０のうちの少なくとも一方には、相手側に向けて突出する複数の突起２９０（図６参照）がスペーサとして形成されていることが好ましい。複数の突起２９０は分散させて形成されていることが好ましい。図示しないものの、第１Ｕ板部材２１０および第２Ｕ板部材２２０のうちの少なくとも一つには、補強用のリブ（図略）が形成されていることが好ましい。軽量化のためにＵ板部材が薄肉化されるときであっても、筐体２００の強化に貢献できる。更に図７に示すように、第１閉鎖蓋２０１には、補強用の第１リブ２０６が形成されていることが好ましい。第２閉鎖蓋２０２についても、補強用の第２リブが形成されていることが好ましい。突起２９０およびリブ２０６はプレス成形により容易に成形でき、使用温度によっては、加工硬化による挟持増加も期待できる。

本実施形態によれば、上記した筐体２００の外層となる第１Ｕ板部材２１０はＵ形状をなしており、第１上面開口部２１１をもつ。筐体２００の内層となる第２Ｕ板部材２２０はＵ形状をなしており、第２上面開口部２２１をもつ。このためスタック４００や改質器３００等の組付部品を第１Ｕ板部材２１０および第２Ｕ板部材２２０の内部に組み付けるときにおいて、スタック４００や改質器３００等の組付部品が第１Ｕ板部材２１０の天壁、第２Ｕ板部材２２０の天壁に干渉することが解消される。第１Ｕ板部材２１０および第２Ｕ板部材２２０はそもそも天壁を備えていないためである。このためスタック４００や改質器３００等の組付部品をＵ板部材の上方または横方からＵ板部材の内部に挿入でき、従って、Ｕ板部材の内部に組み付ける組付性を改善させることができる。なお、本実施形態では改質器が筐体内に設置されているが、これに限られるものではない。筐体外に設置されていてもよい。またアノードガスは改質器を介さずに水素ガスを直接供給してもよい。

（実施形態４）
図８は実施形態４を示す。本実施形態は実施形態１〜３と基本的には同様の構成、作用および効果を有する。以下、相違する部分を中心として説明する。第１Ｕ板部材２１０の第１側壁２１２には、凹み２１２ｓを有するリブ膨出部２１２ｒがプレス成形によりリブとして形成されている。第２Ｕ板部材２２０の第２側壁２２２には、凹み２２２ｓを有するリブ膨出部２２２ｒがプレス成型によりリブとして形成されている。リブ膨出部２１２ｒ，２２２ｒはＵ板部材２１０，２２０の長手方向（矢印Ｌ方向）に沿って連続して延設されている。閉鎖蓋２０１，２０２が熱膨張により矢印Ｘ１方向において伸長するときの影響で、側壁２１２，２２２が矢印Ｗ５方向に持ち上げられるような変形がなされるときであっても、リブ膨出部２１２ｒ，２２２ｒは側壁２１２，２２２の伸びを確保できる利点が得られる。これにより溶接部２０１ｈ，２０２ｈ（図１参照）に作用する応力負荷を更に低減でき、溶接部２０１ｈ，２０２ｈ（図１参照）の保護に有利である。図８に示すようにリブ膨出部２１２ｒ，２２２ｒは同じ高さ位置において互いに対面するように同じ向きで形成されている。また、図８−１に示すようにリブ幅２１２ｒWがリブ幅２２２ｒWより大きく設計されているため流路断面はリブにおいても確保できる。このため、流路隙間の隙間幅の変動が抑制され、カソードガスの流量、排ガスの流量の変動を抑制できる。但し、リブ膨出部２１２ｒ，２２２ｒ（２１１ｒＷ、２２２ｒＷ）は異なる高さ位置としても良いし、異なる向きとしても良い。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した各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できる。燃料電池のスタックは、固体酸化物形燃料電池に限定されず、場合によっては、固体高分子電解質形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良く、溶融炭酸塩形燃料電池でも良い。改質器に供給される燃料も特に制限されず、都市ガス、プロパンガス、バイオガス、ＬＰＧガス、ＣＮＧガス等の燃料ガス、及びメタノール、エタノール、灯油等の液相状燃料を例示できる。カソードガス流路および排ガス流路のうちの一方の全部は、第１Ｕ板部材と第２Ｕ板部材とで形成されていても良い。カソードガス流路および排ガス流路のうちの他方の全部は、第２Ｕ板部材と第３Ｕ板部材とで形成されていても良い。

２００は筐体、２０１は第１閉鎖蓋、２０２は第２閉鎖蓋、２０３は発電室、２０６は第１リブ、２０７は第２リブ、２１０は第１Ｕ板部材、２１１は第１上面開口部、２１２は第１側壁、２１３は第１底壁、２１４は第１交差部分、２２０は第２Ｕ板部材、２２１は第２上面開口部、２２２は第２側壁、２２３は第２底壁、２２４は第１交差部分、２３０は第３Ｕ板部材、２３１は第３上面開口部、２３２は第３側壁、２３３は第３底壁、２３４は第３交差部分、２３８はリブ、２９０は突起、３００は改質器、２４０はＵ組付体、４００はスタック、５００はカソードガス流路、５５０は連通路、６００は排ガス流路、７００は燃焼部、８００は断熱層、８０１は側断熱層、８０２は底断熱層を示す。

Claims (6)

1. 発電室を有すると共に前記発電室の上部を塞ぐ閉鎖蓋を有する筐体と、
   前記発電室に設けられアノードガスおよびカソードガスが供給されて発電するスタックと、
   前記筐体に設けられカソードガスを前記スタックに供給させるカソードガス流路と、
   前記筐体に設けられ前記発電室で発生した排ガスを外部に排出させる排ガス流路とを具備しており、
   前記筐体の高さ方向に沿った断面において、
   前記筐体は、上向きに開放する第１上面開口部、互いに対向する２個の第１側壁、第１側壁の下部同士を繋ぐ第１底壁をもつＵ字形状をなす第１Ｕ板部材と、上向きに開放する第２上面開口部、互いに対向する２個の第２側壁、第２側壁の下部同士を繋ぐ第２底壁をもつＵ字形状をなす第２Ｕ板部材とを具備しており、
   前記断面において、前記筐体は、前記第１上面開口部および前記第２上面開口部が上側となるように、前記第１Ｕ板部材および前記第２Ｕ板部材がこれらの厚み方向に隙間を介して積層されて形成されており、
   前記断面において、前記カソードガス流路および前記排ガス流路のうちの少なくとも一方の少なくとも一部は、前記第１側壁および前記第２側壁が互いに対面して形成された側隙間流路と、前記第１底壁および前記第２底壁が互いに対面して形成され且つ前記側隙間流路に連通する底隙間流路とを備えている燃料電池装置。
2. 請求項１において、前記断面において、外部から前記発電室にかけて、前記第１Ｕ板部材、前記第２Ｕ板部材および断熱層がこの順に配置されており、前記カソードガス流路および前記排ガス流路のうちの一方の少なくとも一部は、前記断熱層と前記第２Ｕ板部材とで形成されており、前記カソードガス流路および前記排ガス流路のうちの他方の少なくとも一部は、前記第１Ｕ板部材と前記第２Ｕ板部材とで形成されている燃料電池装置。
3. 請求項１または２において、前記断面において、外部から前記発電室にかけて、前記筐体は、前記第１Ｕ板部材および前記第２Ｕ板部材を具備する他に、上向きに開放する第３上面開口部、互いに対向する２個の第３側壁、前記第３側壁の下部同士を繋ぐ第３底壁をもつＵ字形状をなす第３Ｕ板部材とを具備しており、
   前記断面において、前記筐体は、前記第１上面開口部、前記第２上面開口部および前記第３上面開口部が上側となるように、前記第１Ｕ板部材、前記第２Ｕ板部材および前記第３Ｕ板部材がこれらの厚み方向に積層されて形成されており、
   前記断面において、前記カソードガス流路および前記排ガス流路のうちの一方の少なくとも一部は、
   前記第１側壁および前記第２側壁が互いに対面して形成された第１側隙間流路と、前記第１底壁および前記第２底壁が互いに対面して形成され且つ前記第１側隙間流路に連通する第１底隙間流路とを備えており、
   前記カソードガス流路および前記排ガス流路のうちの他方の少なくとも一部は、
   前記第２側壁および前記第３側壁が互いに対面して形成された第２側隙間流路と、前記第２底壁および前記第３底壁が互いに対面して形成され且つ前記第２側隙間流路に連通する第２底隙間流路とを備えている燃料電池装置。
4. 請求項１〜３のうちの一項において、
   前記スタックの上面から吐出されたアノードオフガスおよび／または燃料ガスを含む可燃ガスを燃焼する燃焼部が前記スタックの上方に設けられている燃料電池装置。
5. 請求項３または４において、前記断面において、外部から前記発電室にかけて、前記第１Ｕ板部材、前記第２Ｕ板部材および前記第３Ｕ板部材がこの順に配置されており、前記カソードガス流路および前記排ガス流路のうちの一方の少なくとも一部は、前記第１Ｕ板部材と前記第２Ｕ板部材とで形成されており、前記カソードガス流路および前記排ガス流路のうちの他方の少なくとも一部は、前記第２Ｕ板部材と前記第３Ｕ板部材とで形成されている燃料電池装置。
6. 請求項１〜５のうちの一項において、前記第１Ｕ板部材および前記第２Ｕ板部材のうちの少なくとも一方は、前記第１Ｕ板部材および前記第２Ｕ板部材のうちの他方に突出することにより前記隙間流路を形成する複数の突起を有する燃料電池装置。

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