JP5290021B2

JP5290021B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5290021B2
Application number: JP2009083545A
Authority: JP
Inventors: 孝一桑葉; 聡遠藤
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP2010238452A

Description

本発明は、ガスが通過する通路形成部材を有する燃料電池装置に関する。

燃料電池装置として、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、改質器で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、改質部で生成された前記アノードガスを燃料電池の内部に供給するためのアノードガス通路と、カソードガスを燃料電池に供給するためのカソードガス通路と、燃料電池の発電運転に伴い発生する排気ガスを排出させる排気ガス通路とを有するものが開示されている（特許文献１，２）。燃料電池は発電に伴い発熱するため、カソードガス通路、排気ガス通路、アノードガス通路などは加熱される。従って、これらの通路を形成する通路形成部材は、発電運転に伴い熱膨張して伸張する。

特開２００７−２３４３８４号公報特開２００６−３３１９７７号公報

上記した燃料電池装置によれば、燃料電池の発電運転時において、カソードガス等のガスの通路を形成する通路形成部材が熱膨張して伸張すると、通路形成部材同士の接続部分に変形が集中し、応力集中が発生するおそれがある。この場合、通路形成部材同士の接続部分における耐久性の向上には限界がある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、カソードガス等のガスの通路を形成する通路形成部材同士の接続部分における応力集中を緩和させ、当該接続部分における耐久性の向上を図るのに有利な燃料電池装置を提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池装置は、燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、改質器で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、改質部で生成された前記アノードガスを前記燃料電池の内部に供給するためのアノードガス通路と、カソードガスを燃料電池に供給するためのカソードガス通路と、燃料電池の発電運転に伴い発生する排気ガスを排出させる排気ガス通路とを具備しており、
（ｉ）カソードガス通路、アノードガス通路および排気ガス通路のうちのいずれか一方は、第１通路と、第１通路に連通しつつ第１通路に対して曲成された第２通路とを備えており、（ｉｉ）第２通路を形成する第２通路形成部材は、断面において、固定部に固定されて拘束された拘束部と、第１通路を形成する第１通路形成部材に接続され且つ発電運転時において熱膨張により伸張する伸張端部とを有しており、（ｉｉｉ）第１通路形成部材は、断面において第２通路形成部材に対して交差する方向に延びる部分をもつ本体部と、第２通路形成部材の伸張端部に接続され第１通路形成部材と第２通路形成部材との接続部分において伸張端部の伸張に起因して発生する応力集中を緩和させる第１緩和構造部とを有する。

本発明によれば、第２通路を形成する第２通路形成部材は、断面において、固定部に固定されて拘束された拘束部と、第１通路を形成する第１通路形成部材に接続された伸張端部とを有する。第１通路形成部材は、断面において第２通路形成部材に対して交差する方向に延びる部分をもつ本体部と、伸張端部に接続されている第１緩和構造部とをもつ。発電運転時において第２通路形成部材はその長さ方向に熱膨張するものの、拘束部が固定されて拘束されているため、伸張端部が伸張することになる。従って、伸張端部は、燃料電池の発電運転時において伸張する。

このように第２通路形成部材の伸張端部が伸張すると、それに追従する第１通路形成部材に引張力が発生し、第１通路形成部材と第２通路形成部材の伸張端部との接続部分において応力集中が発生するおそれがある。しかし本発明によれば、第１通路形成部材に引張力が作用したとしても、第１通路形成部材の第１緩和構造部は、第２通路形成部材の伸張端部の伸張時における応力集中を緩和させる。このため発電運転時において熱膨張に起因して第２通路形成部材の伸張端部が伸張したとしても、第１緩和構造部の働きにより、第１通路形成部材と伸張端部との接続部分における応力集中が低減される。

燃料電池装置の発電運転時において、第２通路形成部材の伸張端部が熱膨張により伸張したとしても、第１緩和構造部の働きにより、第１通路形成部材と伸張端部との接続部分における応力集中が低減される。この結果、第１通路形成部材と伸張端部との接続部分における耐久性が確保され、長寿命化が図られる。

実施形態１に係り、燃料電池装置の断面図である。実施形態１に係り、燃料電池装置のスタック付近を模試的に示す断面図である。実施形態１に係り、第２通路形成部材付近を模試的に示す斜視図である。従来技術に係り、伸張端部が伸張するときにおける第１通路形成部材と伸張端部との関係を模式的に示す図である。実施形態１に係り、伸張端部が伸張するときにおける第１通路形成部材と伸張端部との関係を模式的に示す図である。実施形態２に係り、第１通路形成部材の第１緩和構造部および伸張端部付近を拡大して示す図である。実施形態３に係り、第１通路形成部材の第１緩和構造部および伸張端部付近を拡大して示す図である。実施形態４に係り、燃料電池装置の断面図である。実施形態４に係り、第１通路形成部材の第１緩和構造部および伸張端部付近を拡大して示す図である。実施形態５に係り、第１通路形成部材の第１緩和構造部および伸張端部付近を拡大して示す図である。実施形態６に係り、第１通路形成部材の第１緩和構造部および伸張端部付近を拡大して示す図である。実施形態７に係り、燃料電池装置の断面図である。実施形態８に係り、燃料電池装置の断面図である。

好ましい形態によれば、第２通路形成部材は、ガスを吹き出す出口を拘束端部側に有する。この場合、ガスを吹き出す出口が第２通路形成部材において拘束端部側に形成されているため、発電運転時において熱膨張が発生したとしても、ガスを吹き出す出口の位置の変動が抑制される。出口がカソードガスを吹き出す場合には、カソードガスの吹き出し位置の変動が抑制され、燃料電池の発電性能の変動が抑制される。好ましい形態によれば、第１通路形成部材の第１緩和構造部は、第１通路形成部材の拘束部から遠ざかる方向に指向する傾斜状または円弧状の部分を有する。この場合、第１緩和構造部における応力集中が効率よく緩和される。

好ましい形態によれば、第１緩和構造部は、第２通路形成部材の伸張端部に溶接、接続具または圧入で接続されている。この結果、第１緩和構造部は第２通路形成部材の伸張端部に接続される。接続具としてはボルト、リベットが例示される。好ましい形態によれば、第１通路形成部材の第１緩和構造部および／または本体部は蛇腹部を備えている。蛇腹部は伸縮容易であるため、伸張端部の伸張に容易に追従できる。

好ましい形態によれば、断面において、第１通路形成部材の本体部は、第１通路形成部材の外側を包囲する包囲壁と、包囲壁と第１通路形成部材の伸張端部とを接続する接続壁と、包囲壁と接続壁との境界領域に形成された包囲壁および接続壁に対して傾斜状または円弧状の第２緩和構造部とを有する。この場合、包囲壁と接続壁との境界領域における応力集中が緩和される。

（実施形態１）
図１〜図５は実施形態１を示す。本実施形態は固体酸化物型の燃料電池装置に適用した例を示す。図１に示すように、燃料電池装置は、燃料電池（セル）２０で形成されたスタック２と、スタック２の上側に配置された改質器４と、スタック２の上面と改質器４の下面との間に形成された燃焼用空間５と、スタック２の外側に配置された断熱材料で形成された断熱層６と、断熱層６の外側に配置された排気ガス通路７と、排気ガス通路７の外側に配置されたカソードガス通路８とを有する。

図２は燃料電池２０および改質器４付近の概念図を示す。図２に示すように、スタック２は、カソードガスが通る通路２２ｒを介して、複数の燃料電池２０を並設方向（矢印Ｌ方向）に並設することにより形成されている。隣接する燃料電池２０は図示しない導電部材によって電気的に接続されている。燃料電池２０は、アノードガスが供給される通路２１ｒをもつ多孔質導電部（多孔質支持体）２６と、燃料極として機能するアノード２１と、カソードガスが供給される酸化剤極（空気極）として機能するカソード２２と、アノード２１およびカソード２２で挟まれた固体酸化物を母材とする膜状の電解質２３と、ガス不透過性と導電性を有するインターコネクタ２７とを有する。電解質２３を形成する固体酸化物は、スタック２の作動温度において酸素イオン（Ｏ^２−）を伝導させる性質をもつものであり、ＹＳＺ等のジルコニア系、ランタンガレート系が例示される。アノード２１は、ニッケル−セリア系のサーメットが例示される。カソード２２は、サマリウムコバルタイト、ランタンマンガナイトが例示される。但しアノード２１、カソード３および電解質２３の材質は上記に限定されるものではない。また、多孔質導電部２６は、通路２１ｒに供給されたアノードガスをアノード２１に供給するとともにアノード２１、電解質２３、カソード２２およびインターコネクタ２７を支持するものであり、材質はガス透過性と導電性を有し、金属と希土類酸化物の複合体が例示される。インターコネクタ２７は通路２１ｒから多孔質導電部２６に拡散されたアノードガスと、カソードガスの通路２２ｒに供給されたカソードガスを遮断するものである。なお、排気ガス通路７およびカソードガス通路８は、スタック２の長手方向（図２の矢印Ｌ方向，燃料電池２０の積層方向）に沿って延設されている。

図２に示すように、改質器４は、改質水を水蒸気化させる蒸発部４０と、水蒸気を利用して燃料原料を改質される改質部４２とを備えている。蒸発部４０は、改質水系から蒸発部４０に供給される液相状の改質水を水蒸気化させる。改質部４２は、改質反応を促進させる改質触媒を担持するセラミックス材を有する。改質部４２は蒸発部４０の下流に設けられており、蒸発部４０で生成された水蒸気でガス状または液状の炭化水素系の燃料原料を高温領域において水蒸気改質させてアノードガスを生成させる。アノードガスは水素ガスまたは水素含有ガスである。なお、定常運転における燃料電池２０の作動温度は、例えば４５０〜１１００℃の範囲内、殊に５５０〜８００℃の範囲内であることが好ましい。

図１に示すように、カソードガス通路８は、入口８０と、入口８０から延びる入口通路８１と、入口通路８１の上端から横方向にのびる第１通路８２と、第１通路８２の先端から下向きに延びる第２通路８３と、第２通路８３の下端側に形成された出口８４とをもつ。図１に示すように、カソードガス通路８は、殻状をなす第１通路形成部材８０１と、箱状をなす外側部材８５０とで形成されている。第１通路形成部材８０１は、入口通路８１および第２通路８１を形成する殻状をなす本体部８０２と、本体部８０２に連設された第１緩和構造部８０５とを有する。第１通路形成部材８０１の下端部８０１ｘは、カソードガスマニホルド７９に溶接等で固定されており、第１通路形成部材８０１の熱膨張は拘束される。本体部８０２は、カソードガス通路８の入口通路８１に対向する包囲壁８０２ａと、カソードガス通路８の第１通路８１に対向すると共に第２通路８３側に接続される接続壁８０２ｃとを有する。

排気ガス通路７は、金属で形成された第１通路形成部材８０１および排気通路形成部材７００で形成されている。排気通路形成部材７００は、スタック２を収容して発電する発電室７２０を形成する。カソードガス通路８の第２通路８３は、矢印Ｌ方向（燃料電池の並設方向）に延びる中空薄箱状をなす第２通路形成部材８３２（図３参照）で形成されている。

図１に示すように、排気ガス通路７は、改質器４に接触する接触通路７０と、接触通路７０の下流に連通するように延設された排出通路７３とを有する。排出通路７３は、入口７２および出口７４（排気ガス出口）と連通口７４ｘとを有する。排出通路７３において、相対的に高温側の排気ガスは矢印Ａ１，Ａ２，Ａ３方向に流れる。なお、スタック２は、カソードガス通路８の第２通路８３を挟むように２組設けられている。但しこれに限定されるものではない。

図２に示すように、スタック２の下部には、改質部４２で生成されたアノードガスをアノードガス通路２５を介して燃料電池２０のアノード２１に案内するアノードガスマニホルド２４が配置されている。ここで、スタック２、カソードガス通路８、排気ガス通路７、改質器４およびアノードガスマニホルド２４、さらには、燃焼用空間５は、スタック２の長手方向（矢印Ｌ方向，燃料電池２０の並設方向）に沿って延設されている。

次に、燃料電池２０が発電運転するときについて説明を加える。この場合、図２に示す燃料原料ポンプ９０（燃料原料搬送源）が駆動するため、炭化水素系のガス状または液状の燃料原料が燃料原料供給通路９２を介して改質器４の蒸発部４０に供給される。また改質水ポンプ９３（水搬送源）が駆動し、図略の貯水タンクの改質水が改質水供給通路９４を介して蒸発部４０に供給される。ここで、燃焼火炎５０で蒸発部４０および改質部４２は加熱されているため、蒸発部４０は液相状の改質水を水蒸気化させる。生成された水蒸気は改質部４２に供給される。改質部４２は燃料原料を水蒸気改質させ、水素を含むアノードガスを生成させる。燃料原料がメタン系である場合には、水蒸気改質ではアノードガスの生成は、次の（１）式に基づくと考えられている。固体酸化物形の燃料電池２０では、Ｈ_２の他にＣＯも燃料となりうる。

（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
ＣｎＨｍが炭化水素の一般的な化学式であるとすると、水蒸気改質の一般式は次の（１−１）式のようになる。ｎ＝１、ｍ＝４であると、メタンの水蒸気改質の式が得られる。

（１−１）…ＣｎＨｍ＋２ｎＨ_２Ｏ→ｎＣＯ_２＋［（ｍ／２）＋２ｎ）］Ｈ_２
生成された水素を含有するアノードガスは、アノードガス通路２５およびアノードガスマニホルド２４を介して、燃料電池２０のアノード２１の通路２１ｒに供給されて発電に使用される。

また図１において、カソードガスポンプ９５（カソードガス搬送源）が駆動するため、空気であるカソードガスが、矢印Ｃ１方向，矢印Ｃ２方向，矢印Ｃ３方向，矢印Ｃ４方向，矢印Ｃ５方向，矢印Ｃ６方向に沿って、カソードガス通路８の入口通路８１、第１通路８２および第２通路８３を流れ、カソードガス通路８の先端の出口８４から発電室７２０に供給され、スタック２のカソード２２に対面する通路２２ｒを上向きに通過しつつ、カソード２２の発電反応に使用される。改質部２２で生成されたアノードガスは、アノードガスマニホルド２４からスタック２のアノード２１の通路２１ｒを上向きに通過しつつ、アノードの発電反応に使用される。これによりスタック２と電力負荷とが電気的に接続されている状態で、スタック２は発電する。

発電反応においては、水素含有ガスで供給されるアノード２１では、基本的には（２）の反応が発生すると考えられている。酸素を含む空気が供給されるカソード２２では、基本的には（３）の反応が発生すると考えられている。カソードにおいて発生した酸素イオン（Ｏ^２−）がカソード２２からアノード２１に向けて電解質２５（酸素イオン伝導体，イオン伝導体）を伝導する。

（２）…Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
ＣＯが含まれている場合には、ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻
（３）…１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−
上記した発電反応後のアノードオフガスは未反応の燃焼成分（水素）を含有しており、スタック２のアノード２１の通路２１ｒの上部から燃焼用空間５に排出される。この結果、燃焼用空間５においてアノードオフガスはカソードオフガスおよび／または発電室７２０のカソードガスにより燃焼し、燃焼火炎５０を形成する。燃焼火炎５０により、改質部４２および蒸発部４０が加熱される。これにより改質部４２における改質反応が維持され、蒸発部４０において水蒸気生成反応が維持される。なお、（２）の反応式によれば、アノードオフガスは水分（Ｈ_２Ｏ）を含むことがある。

本実施形態によれば、スタック２のアノード２１に供給されるアノードガス、すなわち、改質部４２に供給される燃料原料の流量としては、燃料電池２０のアノード２１における発電反応で使用される流量と、燃焼用空間５においてアノードオフガスが燃焼火炎５０を形成する流量とを加算した流量が設定されている。カソードガスの流量としては、燃料電池２０のカソードにおける発電反応で使用される流量と、燃焼用空間５においてカソードオフガスが燃焼用空気として燃焼火炎５０を形成する流量と、余裕流量とを加算した流量が設定されている。

上記したように燃焼用空間５において燃焼した後の排気ガスは、排気ガス通路７の入口７２から排出通路７３に進入して下向き（矢印Ａ１，Ａ２，Ａ３方向）に流れ、出口７４から吐出される。ここで、排気ガス通路７の排出通路７３を下向きに流れる相対的に高温の排気ガスと、カソードガス通路８の入口通路８１を上向き（排出通路７３における排気ガスの流れ方向と反対方向，矢印Ｃ１〜Ｃ６方向）に流れる相対的に低温のカソードガスとが、対向流として、互いに熱交換する。よって排気ガスが冷却されると共に、スタック２に供給される直前のカソードガスが予熱される。このように予熱されたカソードガスは、カソードガス通路８の第１通路８２，第２通路８３，出口８４を経て、発電室７２０に供給されるため、発電効率が高まる。このように入口通路８１および排出通路７３は熱交換器７Ｘを構成する。

さて本実施形態によれば、前述したように、図１に示されるように、カソードガス通路８の第１通路８２は、第１通路形成部材８０１と外側部材８５０とで形成されている。第１通路形成部材８０１は、本体部８０２と第１緩和構造部８０５とを有する。本体部８０２は、第２通路形成部材８３２にほぼ平行に配置され且つ入口通路８１を対向する包囲壁８０２ａと、第２通路形成部材８３２にほぼ直交するように配置され且つ包囲壁８０２ａに連設された接続壁８０２ｃとを有する。接続壁８０２ｃは第１通路８２に対向する。外側部材８５０は、包囲壁８０２ａに対向する壁部８５１と、接続壁８０２ｃに対向する壁部８５２とを有する。カソードガス通路８の第２通路８３は、中空薄箱状をなす第２通路形成部材８３２（図３参照）で形成されており、スタック２を収容する発電室７２０（特に通路２１ｒ）にカソードガスを吐出させる出口８４を有する。なお、図３において、複数の出口８４は矢印Ｌ方向において間隔を隔てて並設されているが、スリット状としても良い。

図１に示すように、第２通路形成部材８３２は、固定部として機能するアノードガスマニホルド２４に溶接または取付具（ボルト、リベット等）で固定されて拘束された拘束部８３４と、第１通路形成部材８０１に接続された伸張端部８３５とを有する。伸張端部８３５は第２通路形成部材８３２の一端部を形成し、拘束部８３４は他端部を形成する。スタック２の発電運転時にはスタック２は高温となるため、第２通路形成部材８３２はその長さ方向（高さ方向，矢印Ｈ方向）に熱膨張する。ここで、拘束部８３４は、固定部であるアノードガスマニホルド２４に固定されて拘束されている。このため、アノードガスマニホルド２４と反対側に位置する伸張端部８３５は、発電運転時において熱膨張により矢印Ｈ１方向に伸張する。６ｗは断熱材を示す。

ここで、従来技術によれば、図４の（ａ）に示すように、第１通路形成部材８０１は第２通路形成部材８３２に対して垂直方向に配置されており、第１通路形成部材８０１の端部は伸張端部８３５に溶接部８９で固定状態に接続されている。このような従来技術によれば、図４の（ｂ）に示すように、熱膨張に伴い第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向にΔＨ伸張すると、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）に応力集中が発生するおそれがある。その理由としては次のように推察される。伸張前において第１通路形成部材８０１の接続壁８０２ｃの長さはａとして示されるが、伸張端部８３５の熱膨張に追従して角度θ１で変形すると推定される第１通路形成部材８０１の接続壁８０２ｃの長さは、ｃとして示される。ここで長さｃは長さａよりも長い。このため、伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張すると、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）に引張応力σが作用し易くなると考えられる。発電開始および発電停止に伴い、過剰な引張応力が繰り返して作用することは、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）の耐久性および長寿命化にとっては、好ましくない。

この点本実施形態によれば、図１に示すように、断面において、第１通路形成部材８０１は、第２通路形成部材８３２に対して交差する方向に延びる接続壁８０２ｃを有する本体部８０２と、本体部８０２と一体をなすように伸張端部８３５側に設けられた第１緩和構造部８０５とを有する。第１緩和構造部８０５は、第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５に溶接部８９で溶接されて固定されている。図１に示すように、この第１緩和構造部８０５は、屈曲部８０５ｘを介して、第１通路形成部材８０１の拘束部８３４から遠ざかる方向に向けて角度θ２で傾斜する傾斜壁状をなしている。このため第１緩和構造部８０５は、伸張端部８３５の伸張に対して追従し易い。第１緩和構造部８０５は伸張端部８３５に溶接部８９で接続されている。なお、第１通路形成部材８０１は板材であるため、伸張端部８３５の矢印Ｈ１方向への伸張に伴い、第１緩和構造部８０５の角度θ２および屈曲部８０５ｘの角度θ４は変更容易である。

このような本実施形態によれば、伸張前の状態を表す図５の（ａ）に示すように、第１通路形成部材８０１の第１緩和構造部８０５は、第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５に溶接部８９で結合されて接続されている。ここで、伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向にΔＨ伸張したとしても、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）の応力集中は緩和される。その理由としては次のように推察される。すなわち、図５の（ａ）に示すように、伸張端部８３５が伸張する前における第１通路形成部材８０１の長さは、接続壁８０２ｃの長さｅと、接続壁８０２ｃに対して伸張方向（矢印Ｈ１方向）に角度θ２で傾斜している第１緩和構造部８０５の長さｆとの合計として示される。

ここで、第２通路形成部材８３２から第１通路形成部材８０１の外端までの距離ａ１０が前記したａと同一である場合、伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張する前において、第１緩和構造部８０５が本体部８０２に対して角度θ２で傾斜しているぶん、第１通路形成部材８０１の全体の長さ（ｅ＋ｆ）は、従来技術に係る長さａよりも長い。従って、伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張し、これに伴い第１通路形成部材８０１が追従変形したとしても、前記した伸張前の長さ（ｅ＋ｆ）は長いため、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）に過剰な引張応力σが作用することが抑制されると考えられる。

このため本実施形態によれば、第１通路形成部材８０１および第２通路形成部材８３が熱膨張したとしても、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）に過剰な引張応力が作用することが抑制される。故に、燃料電池装置１の発電運転および発電停止が繰り返されたとしても、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）の耐久性が確保され、当該接続部分の長寿命化を図ることができる。なお、発電運転の停止に伴い、第２通路形成部材８３２が矢印Ｈ２方向に熱収縮したとしても、第１通路形成部材８０１は元の位置に復帰できる。なお、図５（ｂ）および図４（ｂ）は伸張端部８３５の伸張量の大きさを模式的に示す。

更に本実施形態によれば、断面において、図１に示すように、第１通路形成部材８０１の本体部８０２は、第２通路形成部材８３２の外側を包囲する包囲壁８０２ａと、包囲壁８０２ａと第１通路形成部材８０１の伸張端部８３５とを接続する側の接続壁８０２ｃと、包囲壁８０２ａと接続壁８０２ｃとの境界領域に形成された包囲壁８０２ａおよび接続壁８０２ｃに対して傾斜状をなす第２緩和構造部８０３とを有する。図１に示すように、第２緩和構造部８０３は、包囲壁８０２ａに対して曲成された第１屈曲部８０３ｆをもつと共に、接続壁８０２ｃに対して曲成された第２屈曲部８０３ｓとをもつ。このため、第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張するとき、伸張に伴って第１通路形成部材８０１が変形するにあたり、第１屈曲部８０３ｆおよび第２屈曲部８０３ｓの双方が第１通路形成部材８０１の変形に対して起点として変形することができる。更に、発電運転の停止に伴い第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５が矢印Ｈ２方向に熱収縮するとき、熱収縮に伴って第１通路形成部材８０１が変形するにあたり、第１屈曲部８０３ｆおよび第２屈曲部８０３ｓの双方が第１通路形成部材８０１の変形に対して起点として変形することができる。故に、伸張端部８３５の伸縮に伴って第１通路形成部材８０１が変形するにあたり、第２緩和構造部８０３における応力集中を軽減することができる。よって第２緩和構造部８０３における耐久性の向上を図り得る。なお、第２緩和構造部８０３は断面で円弧状としても良い。

本実施形態によれば、前述したように拘束部８３４は固定部としてのアノードガスマニホルド２４に固定されて拘束されている。このため、高さ方向（矢印Ｈ方向）における拘束部８３４側の位置変動が抑制される。従って、第２通路形成部材８３２とスタック２とが接近しているときであっても、第２通路形成部材８３２がスタック２に接触して電気的な短絡を発生させることが抑えられている。この場合、スタック２の保護性を高め得る。

更に本実施形態によれば、図１に示すように、カソードガスを吹き出す出口８４が第２通路形成部材８３２の下部に形成されており、つまり、第２通路形成部材８３２において伸張端部８３５よりも拘束部８３４に近い側に形成されている。このようにカソードガスを吹き出す出口８４が第２通路形成部材８３２において拘束部８３４側に形成されているため、発電運転時において高さ方向（矢印Ｈ方向）において第２通路形成部材８３２の熱膨張が発生したとしても、出口８４の位置の変動が抑制される。この結果、カソードガスを発電室７２０に供給させる位置の変動が抑制され、発電電力の変動のおそれが回避される。

なお、拘束部８３４はアノードガスマニホルド２４に固定されて拘束されているが、これに限らず、アノードガスマニホルド２４以外の部品、断熱層、断熱層を保持する保持部等でも良い。

（実施形態２）
図６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、同様の作用効果を有する。図６に示すように、断面において、第１通路形成部材８０１は、第２通路形成部材８３２に対して交差（ほぼ直交）する方向に延びる接続壁８０２ｃをもつ本体部８０２と、本体部８０２と一体をなすように伸張端部８３５の側に形成された第１緩和構造部８０５とを有する。図６に示すように、第１緩和構造部８０５は、第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５に溶接部８９で固定されている。

すなわち、第１緩和構造部８０５は、第１通路形成部材８０１の拘束部８３４から遠ざかる方向（伸張端部８３５が伸張する方向と同じ方向）に角度θ２で傾斜する傾斜状部分８０９と、第１通路形成部材８０１の拘束部８３４から遠ざかる方向（伸張端部８３５が伸張する方向と同じ方向）に指向すると共に伸張端部８３５に沿って延設されたフランジ８０６とを有する。フランジ８０６は伸張端部８３５が延びる方向と同じ方向に突出されており、且つ、溶接部８９により第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５に固定されている。

この場合においても、伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張するときであっても、傾斜状部分８０９を有する第１緩和構造部８０５は伸張に対して追従することができる。更に、フランジ８０６は変形性を期待できる突出量Ｗ（図６参照）を有するため、溶接部８９に対する応力集中の緩和に貢献できる。このような本実施形態によれば、第１緩和構造部８０５および溶接部８９に過剰な引張力が作用することが抑制され、溶接部８９の耐久性の向上を図り得る。

（実施形態３）
図７は実施形態３を示す。本実施形態は上記した実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図７に示すように、断面において、第１通路形成部材８０１は、接続壁８０２ｃを有する本体部８０２と、本体部８０２と一体をなすように伸張端部８３５の側に形成された第１緩和構造部８０５とを有する。第１緩和構造部８０５は、第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５に溶接部８９で固定されている。

すなわち、第１緩和構造部８０５は、第１通路形成部材８０１の拘束部８３４から遠ざかる方向（伸張端部８３５が伸張する方向）に傾斜する傾斜状部分８０９と、傾斜状部分８０９に形成された複数の山および谷を有する伸縮可能な蛇腹部８０７と、第１通路形成部材８０１の拘束部８３４から遠ざかる方向に指向すると共に伸張端部８３５に沿って突出するフランジ８０６とを有する。フランジ８０６は溶接部８９により第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５に固定されている。このため伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張するときであっても、その伸張に対して第１緩和構造部８０５の傾斜状部分８０９は追従できる。殊に、蛇腹部８０７は高い伸縮容易性を有するため、容易に追従できる。このため第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）に過剰な引張応力が作用することが効果的に抑えられる。

（実施形態４）
図８および図９は実施形態４を示す。本実施形態は上記した実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図８に示すように、断面において、第１通路形成部材８０１は、本体部８０２と、本体部８０２と一体をなす第１緩和構造部８０５とを有する。第１緩和構造部８０５は、第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５に溶接部８９で溶接されて固定されている。図９に示すように、も第１緩和構造部８０５は、第１通路形成部材８０１の拘束部８３４から遠ざかる方向に指向するように所定の曲率で曲成された円弧状をなしており、伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張に対して変形余裕性を有する。

このような本実施形態によれば、発電運転時において熱膨張が発生するとき、第２通路形成部材８３２の拘束部８３４は固定部に固定されて拘束されているため、伸張が制限されている。従って伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張する。このように伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張したとしても、第１緩和構造部８０５により、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）における応力集中が緩和される。したがって、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分（溶接部８９）における長寿命化を図ることができる。

更に本実施形態によれば、断面において、図８に示すように、第１通路形成部材８０１の本体部８０２は、第２通路形成部材８３２の外側を包囲する包囲壁８０２ａと、包囲壁８０２ａと第１通路形成部材８０１の伸張端部８３５を接続する側の接続壁８０２ｃと、包囲壁８０２ａと接続壁８０２ｃとの境界領域に形成された包囲壁８０２ａおよび接続壁８０２ｃに対して傾斜状をなす第２緩和構造部８０３とを有する。第２緩和構造部８０３は、断面において、包囲壁８０２ａおよび接続壁８０２ｃに対して外方に突出するように所定の曲率で曲成された円弧状とされている。このため、熱膨張に伴い伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張するとき、伸張端部８３５の伸張に伴って第１通路形成部材８０１が変形するにあたり、第２緩和構造部８０３が第１通路形成部材８０１の変形に対して容易に曲成変形することができる。第２緩和構造部８０３における応力集中が軽減される。

更に、発電運転の停止に伴い第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５がこれの長さ方向に矢印Ｈ２方向に熱収縮するときにおいても、伸張端部８３５の熱収縮に伴って第１通路形成部材８０１が変形するにあたり、第１通路形成部材８０１の第２緩和構造部８０３が第１通路形成部材８０１の変形に対して追従変形することができる。故に、発電運転およびその停止に伴って伸張端部８３５が伸縮するときにおいて、第２通路形成部材８３２の第２緩和構造部８０３における応力集中を軽減することができる。よって第２緩和構造部８０３における耐久性の向上を図り得る。

本実施形態においても、第２通路形成部材８３２の拘束部８３４の側に、カソードガスを吹き出す出口８４が形成されている。このようにカソードガスを吹き出す出口８４が第２通路形成部材８３２において拘束部８３４側に形成されているため、発電運転時に、高さ方向（矢印Ｈ方向）おいて第２通路形成部材８３２の熱膨張が発生したとしても、出口８４の位置の変動が抑制される。この結果、カソードガスを発電室７２０に供給させる位置の変動が抑制され、発電電力の変動のおそれが回避される。

（実施形態５）
図１０は実施形態５を示す。本実施形態は上記した実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図９に示すように、断面において、第１通路形成部材８０１は、第２通路形成部材８３２に対して交差する方向に延びる接続壁８０２ｃをもつ本体部８０２と、本体部８０２と一体をなすように伸張端部８３５の側に形成された第１緩和構造部８０５とを有する。第１緩和構造部８０５と第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５とは圧入で互いに固定されており、溶接部８９は施されていない。図１０に示すように、第１緩和構造部８０５は、第１通路形成部材８０１の拘束部８３４から遠ざかる方向に指向する円弧状をなす円弧部８０８と、伸張端部８３５に圧入で接続された伸張端部８３５に沿って突出するフランジ８０６とを有する。このようにフランジ８０６は伸張端部８３５に溶接で固定されておらず、圧入で固定されている。なお圧入によりガス漏れは抑えられている。このような本実施形態によれば、発電運転時における熱膨張により伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張するとき、あるいは、発電停止に伴い伸張端部８３５が熱収縮するとき、伸張端部８３５と第１緩和構造部８０５との間における矢印ＨＡ方向の相対滑りが期待される。したがって、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分である第１緩和構造部８０５における応力集中が軽減され、当該接続部分（第１緩和構造部８０５）における長寿命化を図ることができる。

（実施形態６）
図１１は実施形態６を示す。本実施形態は実施形態５と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図１１に示すように、第１通路形成部材８０１は、第２通路形成部材８３２に対して交差する方向に延びる接続壁８０２ｃを有する本体部８０２と、本体部８０２と一体をなすように伸張端部８３５の側に形成された第１緩和構造部８０５とを有する。伸張端部８３５は、外方向に突出する圧入突起８８０を有する。圧入突起８８０は、山面８８０ｍおよび谷面８８０ｖを有しており、燃料電池の並設方向（図１１の紙面に対して垂直方向）に延設されている。図１１に示すように、第１緩和構造部８０５は、第１通路形成部材８０１の拘束部８３４から遠ざかる方向に曲成された円弧状をなす円弧部８０８と、伸張端部８３５に沿って突出し且つ伸張端部８３５に圧入で接続されたフランジ８０６とを有する。山面８８０ｍの頂部はシールポイントを形成する。第１緩和構造部８０５のフランジ８０６は、第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５の圧入突起８８０に圧入で固定されており、溶接部８９は施されていない。

このような本実施形態によれば、発電運転時における熱膨張により第１通路形成部材８０１の伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張するとき、第１通路形成部材８０１の伸張端部８３５と第２通路形成部材８３２の第１緩和構造部８０５との間における矢印ＨＡ方向の相対滑りが期待される。したがって、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分である第１緩和構造部８０５における応力集中が軽減され、当該接続部分（第１緩和構造部８０５）における長寿命化を図ることができる。なお、圧入突起は、伸張端部８３５ではなく、フランジ８０６に形成されていても良い。

（実施形態７）
図１２は実施形態７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、同様の作用効果を有する。図１２に示すように、第１通路形成部材８０１は、第２通路形成部材８３２に対して交差する方向に延びる接続壁８０２ｃを有する本体部８０２と、本体部８０２と一体をなすように伸張端部８３５の側に形成された円弧状の第１緩和構造部８０５とを有する。本体部８０２の接続部８０２ｃにおいて、第１緩和構造部８０５に近い部位において、伸縮性を確保する１山（または複数山）をもつ蛇腹部８０７がプレス成形により形成されている。発電運転時における熱膨張により第１通路形成部材８０１の伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張する場合において、伸張端部８３５と第１緩和構造部８０５とが溶接部８９で固定されているときであっても、蛇腹部８０７に基づく追従変形が期待される。したがって、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分である第１緩和構造部８０５における応力集中が軽減され、当該接続部分（第１緩和構造部８０５）における長寿命化を図ることができる。

更に本実施形態によれば、図１２に示すように、第１通路形成部材８０１の本体部８０２は、第２通路形成部材８３２の外側を包囲する包囲壁８０２ａと、包囲壁８０２ａと伸張端部８３５とを接続する接続壁８０２ｃと、包囲壁８０２ａと接続壁８０２ｃとの境界領域に形成され且つ包囲壁８０２ａおよび接続壁８０２ｃに対して傾斜状をなす第２緩和構造部８０３とを有する。第２緩和構造部８０３は、包囲壁８０２ａおよび接続壁８０２ｃに対して所定の曲率で曲成された円弧状とされている。このため、熱膨張に伴い第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張するとき、伸張端部８３５の伸張に伴って第１通路形成部材８０１が変形するにあたり、第２緩和構造部８０３が第１通路形成部材８０１の変形に対して容易に曲成変形することができる。第２緩和構造部８０３における応力集中が軽減される。

（実施形態８）
図１３は実施形態８を示す。本実施形態は前記した実施形態と基本的には同様の構成、同様の作用効果を有する。図１３に示すように、第１通路形成部材８０１は、第２通路形成部材８３２に対して交差する方向に延びる接続壁８０２ｃをもつ本体部８０２と、本体部８０２と一体をなすように伸張端部８３５の側に形成された第１緩和構造部８０５とを有する。本体部８０２の接続壁８０２ｃには、複数の山および谷が交互に連続する蛇腹部８０７がプレス成形により形成されている。本実施形態によれば、発電運転時における熱膨張により第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５が矢印Ｈ１方向に伸張する場合、第２通路形成部材８３２の伸張端部８３５と第１通路形成部材８０１の第１緩和構造部８０５とが溶接部８９で固定されているときであっても、蛇腹部８０７における変形が期待される。したがって、第１通路形成部材８０１と第２通路形成部材８３２との接続部分である第１緩和構造部８０５における応力集中が軽減され、当該接続部分（第１緩和構造部８０５，溶接部８９）における長寿命化を図ることができる。

（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できる。ガスの流れについて、上向きは蛇行しつつ上向きを含み、下向きは蛇行しつつ下向きも含む。スタック２は、カソードガス通路８の第２通路８３を挟むように２組設けられているが、これに限らず、スタック２はカソードガス通路８の第２通路８３に隣設するように１組設けられている構造でも良い。スタック２は、複数の燃料電池を厚み方向に並設して形成されているが、これに限らず、複数のチューブ型の燃料電池を組み付けてスタックを形成しても良い。上記した実施形態１によれば、カソードガス通路に本発明構造を適用しているが、これに限らず、排気ガス通路に適用しても良いし、アノードガス通路に適用しても良い。拘束部８３４を拘束させる固定部はアノードガスマニホルド２４に限定されず、他の部品でも良い。改質部４２および蒸発部４０は断面四角形状をなしているが、これに限らず、断面円形状でも良い。燃料原料を改質させる改質部４２と蒸発部４０とは一体化されているが、これに限らず、蒸発部４０を改質部４２から分離させても良い。この場合、蒸発部を別の加熱源で加熱させても良い。

上記した実施形態によれば、カソードガスの通路を形成する通路形成部材同士の接続に本発明を適用しているが、これに限らす゛、排気ガスの通路を形成する通路形成部材同士の接続に本発明を適用しても良いし、アノードガスの通路を形成する通路形成部材同士の接続に本発明を適用しても良い。燃料電池は固体酸化物形に限定されず、りん酸塩形、溶融炭酸塩形においても、熱膨張による伸張の不具合は発生するため、これらに適用しても良い。上記した記載から次の技術的思想が把握される。

［付記項１］燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、改質器で生成されたアノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、改質部で生成されたアノードガスを燃料電池の内部に供給するためのアノードガス通路と、カソードガスを燃料電池に供給するためのカソードガス通路と、燃料電池の発電運転に伴い発生する排気ガスを排出させる排気ガス通路とを具備しており、カソードガス通路、アノードガス通路および排気ガス通路のうちのいずれか一方は、第１通路と、第１通路に対して曲成された第２通路とを備えており、第２通路を形成する第２通路形成部材は、断面において、固定部に固定されて拘束された拘束部と、第１通路を形成する第１通路形成部材に接続され且つ発電運転時において熱膨張により伸張する伸張端部とを有する燃料電池装置。ガスを吹き出す出口が第２通路形成部材の拘束部側に形成されているため、ガスを吹き出す出口の位置変動が抑制される。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用などの燃料電池システムに利用することができる。

２はスタック、２０は燃料電池、２１はアノード、２２はカソード、２３は電解質、２４はアノードガスマニホルド（固定部）、２５はアノードガス通路、３は基体、４は改質器、４０は蒸発部、４２は改質部、５は燃焼用空間、５０は燃焼火炎、６は断熱層、７は排気ガス通路、７Ｘは熱交換器、８はカソードガス通路、８１は入口通路、８２は第１通路、８３は第２通路、８４は出口、８０１は第１通路形成部材、８０２は本体部、８０２ａは包囲壁、８０２ｃは接続壁、８０３は第２緩和構造部、８０５は第１緩和構造部、８０６はフランジ、８０７は蛇腹部、８０８は円弧部、８０９は傾斜状部分、８３２は第２通路形成部材、８３４は拘束部、８３５は伸張端部、８５０は外側部材、８９は溶接部を示す。

Claims

燃料原料を改質させてアノードガスを生成させる改質器と、前記アノードガスとカソードガスとで発電する燃料電池と、前記改質部で生成された前記アノードガスを前記燃料電池の内部に供給するためのアノードガス通路と、前記カソードガスを前記燃料電池に供給するためのカソードガス通路と、前記燃料電池の発電運転に伴い発生する排気ガスを排出させる排気ガス通路とを具備しており、
前記カソードガス通路、前記アノードガス通路および前記排気ガス通路のうちのいずれか一方は、
第１通路と、前記第１通路に連通しつつ前記第１通路に対して曲成された第２通路とを備えており、
前記第２通路を形成する第２通路形成部材は、断面において、固定部に固定されて拘束された拘束部と、前記第１通路を形成する第１通路形成部材に接続され且つ発電運転時において熱膨張により伸張する伸張端部とを有しており、
前記第１通路形成部材は、断面において前記第２通路形成部材に対して交差する方向に延びる部分をもつ本体部と、前記第２通路形成部材の前記伸張端部に接続され前記第１通路形成部材と前記第２通路形成部材との接続部分において前記伸張端部の伸張に起因して発生する応力集中を緩和させる第１緩和構造部とを有する燃料電池装置。
請求項１において、前記第２通路形成部材は、ガスを吹き出す出口を前記拘束端部側に有する燃料電池装置。
請求項１または２において、前記第１緩和構造部は、前記伸張端部に接続されており、且つ、前記第１通路形成部材の前記拘束部から遠ざかる方向に指向する傾斜状または円弧状の部分を有する燃料電池装置。
請求項１〜３のうちの一項において、前記第１緩和構造部は、前記第２通路形成部材の前記伸張端部に溶接、接続具または圧入で接続されている燃料電池装置。
請求項１〜４のうちの一項において、前記第１緩和構造部および／または前記本体部は蛇腹部を備えている燃料電池装置。
請求項１〜５のうちの一項において、断面において、前記第１通路形成部材の本体部は、前記第１通路形成部材の外側を包囲する包囲壁と、前記第１通路形成部材の前記伸張端部と接続する側の接続壁と、前記包囲壁と前記接続壁との境界領域に形成された前記包囲壁および前記接続壁に対して傾斜状または円弧状の第２緩和構造部とを有する燃料電池装置。