JP5831842B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。

燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス、酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の単セルをケーシング内に収容し、それら複数の単セルに燃料ガスと空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置では、燃料ガスタンク等のマニホールドをケーシングに固定する際に、ケーシングにボルト固定用の穴を開けてボルト固定する。このボルト固定用の穴は、ケーシング内の気密性を保持するために、シール部材でシールされる。下記特許文献１では、図１０に示すガスタンク（６）をケーシングに固定する際に、ケーシングに穴を開け、ガスタンクの端部から突出しているＵ字状固定部とケーシングとをボルト固定することになる。

特開２０１１−５４４７８号公報

燃料電池装置は、発電時の発熱により内部の温度が６００度から１０００度近くにまで上昇する。したがって、燃料電池装置では、起動時と停止時との温度差が大きくなる。このような温度差が生ずる燃料電池装置では、ボルト固定用の穴をシール部材でしっかりシールしたとしても、温度変動によりシール部材が劣化し易くなる。シール部材が劣化してしまうと、ケーシング内の気密性を保持することが難しくなり、ケーシング内の空気が外部に漏れてしまうおそれがある。空気が外部に漏れてしまうと、内部空気の熱や空気自体を有効に利用できなくなるおそれがある。また、発電中のケーシング内は高温多湿になるため、高温多湿の空気がケーシング外に漏れてしまうと、断熱材が劣化し易くなる。断熱材が劣化してしまうと、放熱が増加し、燃料電池装置の内部温度を適正な温度に維持することが難しくなり、発電性能を低下させてしまうおそれがある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、ガスマニホールドをケーシングに固定する際に、ケーシングに穴を開けることなく固定することができる燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池装置であって、電気的に接続された複数の燃料電池セルを有し、当該燃料電池セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することで発電する燃料電池セル集合体と、前記燃料電池セル集合体の下側に配置され、前記燃料電池セルに燃料ガスを分配して供給するガスマニホールドと、前記燃料電池セル集合体と前記ガスマニホールドとを収納し、内部が密封空間となるように構成されるケーシングと、前記ガスマニホールドを前記ケーシングに固定する固定部材と、を備えている。前記固定部材は、前記ケーシングに溶接固定される溶接部と、前記溶接部に連結する連結部と、前記ガスマニホールドに溶接固定され、前記連結部をボルトで固定可能なボルト固定部と、を有する。

本発明では、ガスマニホールドに溶接固定されたボルト固定部に対して、ケーシングに溶接固定された溶接部に連結する連結部を、ボルト固定することができる。これにより、ケーシングに穴を開けることなく、ガスマニホールドをケーシングに固定することができる。すなわち、本発明の構成を用いることによって、ケーシング内の気密性を確保しつつ、ガスマニホールドをケーシングに強固に固定することが可能となる。

また本発明に係る燃料電池装置において、前記ケーシングのうち前記固定部材を載置している載置面を基準にしたときに、前記溶接部の高さが、前記連結部の高さよりも低くなることも好ましい。

この好ましい態様では、固定部材の溶接部の厚みを薄くすることができるため、溶接部の溶接として、高温で溶接する面積を小さく抑えてケーシングの変形を極力抑えることができるスポット溶接を採用することが可能となる。一方、固定部材の連結部は、溶接部の高さよりも高くすることができるため、ボルト固定部と強固に固定するために必要となる板厚を確保することができる。これらにより、ケーシングの板厚を薄くして燃料電池装置の軽量化を図りつつ、ケーシング内の気密性を確保し、ガスマニホールドをケーシングに強固に固定することが可能となる。

また本発明に係る燃料電池装置において、前記連結部は、前記ボルト固定部に生ずるひずみ力が前記溶接部に伝達することを抑制する略逆凹状のひずみ許容部を含むことも好ましい。

この好ましい態様では、略逆凹状のひずみ許容部を設けることで、ボルト固定部に生ずるひずみ力が溶接部に伝わることを抑制することができるため、例えば、発電時の熱によりガスマニホールドが膨張し、ボルト固定部にひずみ力が生じた場合であっても、そのひずみ力をひずみ許容部で吸収することができるため、ひずみ力が溶接部に伝達することを抑制することが可能となる。これにより、溶接部による溶接固定をひずみ力から保護することができる。

また本発明に係る燃料電池装置において、前記連結部は、前記ひずみ許容部のひずみによる変形を前記載置面と接することで制限するストッパー部を含むことも好ましい。

この好ましい態様では、ひずみ許容部がひずみにより変形した場合であっても、ストッパー部がその変形を制限することができるため、ひずみ許容部が破損しない範囲で変形を制限することができ、変形により低下する上下方向の支持力を補強することが可能となる。

また本発明に係る燃料電池装置において、前記連結部は、略Ｌ字状のＬ字部をさらに含み、前記Ｌ字部は、前記ひずみ許容部のひずみ許容方向と略直交する方向にひずみを許容し、前記ボルト固定部は、前記Ｌ字部とボルトで固定され、前記ボルト固定部を除く前記固定部材と前記ガスマニホールドとの間に隙間を設けて配置されることも好ましい。

この好ましい態様では、固定部材とガスマニホールドとの間に隙間を設けるとともに、Ｌ字部を設けることで、ひずみ許容部によるひずみ許容方向に加え、このひずみ許容方向と略直交する方向のひずみも許容することができる。これにより、ボルト固定部に多方向のひずみ力が生じた場合であっても、そのひずみ力をひずみ許容部とＬ字部との双方で吸収することができるため、溶接部へのひずみ力の伝達をより一層抑制することが可能となる。

本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、ガスマニホールドをケーシングに固定する際に、ケーシングに穴を開けることなく固定することができる燃料電池装置を提供することができる。

本発明の実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図である。 図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。 図２に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。 図４の燃料電池モジュールの固定部材付近における断面図であって、図４のＡ方向から見た部分断面図である。 図９に示す固定部材の一部を燃料ガスタンクとは反対側の上方から見た場合の、部分斜視図である。 図９に示す固定部材の一部を燃料ガスタンク側の上方から見た場合の、部分斜視図である。 （Ａ）は、燃料電池モジュールが停止している時の固定部材付近を示す模式図であり、（Ｂ）は、燃料電池モジュールが稼働している時の固定部材付近を示す模式図である。 （Ａ）は、燃料電池モジュールが停止している時の固定部材を示す模式図であり、（Ｂ）は、燃料電池モジュールが稼働している時の固定部材を示す模式図である。 図９に示す固定部材の変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本発明の実施形態である燃料電池モジュール（燃料電池装置）について、図１を参照しながら説明する。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質形燃料電池装置の一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池装置は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット（図示せず）とを備える。

図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。

燃料電池モジュール２は、燃料電池セル（詳細は後述する）を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２とを備える。ケーシング５６の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。

被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。

続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。図２は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図である。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。

図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８（ガスマニホールド）側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。

本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気とを混合するためのものである。

被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。

改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。

改質器２０の下流端（図３の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。

図２〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。燃料ガスタンク６８は、４個の固定部材３０（詳細は後述する）を用いて、ケーシング底板５６ａの上面に固定されている。なお、固定部材３０は４個である必要はない。固定部材３０の個数や配置場所は、燃料ガスタンク６８の大きさや重量等を勘案して任意に設定することができる。

また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図４及び図５，図６を参照しながら説明する。図５は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図６は、図３に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。

熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット（図示しない）から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。

熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、図２に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。

したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ，７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。

続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、整流板２１に至る。整流板２１には、図６に示すように、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。

続いて、図７を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図７は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。

図７に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。

燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。

内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一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一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一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

続いて、図８を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図８は、本発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。

図８に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものである。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。

続いて、固定部材３０について、図９〜図１１を参照しながら説明する。図９は、燃料電池モジュール２の固定部材３０付近において図４のＡ方向から見た部分断面図である。図１０は、図９に示す固定部材３０の一部を燃料ガスタンク６８とは反対側の上方から見た場合の部分斜視図である。図１１は、図９に示す固定部材３０の一部を燃料ガスタンク６８側の上方から見た場合の部分斜視図である。

上述したように固定部材３０は、燃料ガスタンク６８をケーシング底板５６ａの上面に固定する部材である。本実施形態における固定部材３０を用いることで、ケーシング底板５６ａや燃料ガスタンク６８にボルトを固定するための穴を設けることなく、ケーシング底板５６ａに燃料ガスタンク６８を固定することが可能となる。以下に、このような固定部材３０の構成について詳細に説明する。

固定部材３０は、ケーシング底板５６ａに溶接固定する溶接部３１と、燃料ガスタンク６８に溶接固定するボルト固定部３３と、溶接部３１とボルト固定部３３とを連結する連結部３２と、を有する。連結部３２は、ひずみ許容部３２ａ、Ｌ字部３２ｂおよびストッパー部３２ｃを含む。

溶接部３１は、ケーシング底板５６ａに対して固定部材３０を溶接固定する部分となる。溶接部３１は、連結部３２のひずみ許容部３２ａと一体形成されている。

ここで、ケーシング底板５６ａは、燃料電池装置の軽量化を図るために薄板で形成される傾向にある。したがって、溶接部３１をケーシング底板５６ａに溶接固定する際の溶接として、スポット溶接を採用することが好ましい。これは、薄板のケーシング底板５６ａに対して、例えば隅肉溶接やビード溶接により溶接部３１全体を高温で溶接すると、薄板のケーシング底板が変形してしまい、燃料ガスタンク６８を水平固定できなくなるおそれがあるのに対し、スポット溶接により溶接することで、高温で溶接する面積を小さく抑えることができ、ケーシング底板５６ａの変形を極力抑えることが可能となるためである。

溶接部３１の厚みは、スポット溶接による溶接が可能となる厚みで、極力薄くすることが好ましい。少なくとも、ケーシング底板５６ａの上面を基準にしたときに、溶接部３１の高さが、連結部のひずみ許容部３２ａの高さよりも低くなることが好ましい。

ボルト固定部３３は、燃料ガスタンク側板６８ｂに対して固定部材３０を溶接固定する部分となる。ボルト固定部３３は、連結部のＬ字部３２ｂとボルト３４で固定される。

連結部３２は、略逆凹状のひずみ許容部３２ａと、略Ｌ字状のＬ字部３２ｂと、ひずみ許容部３２ａのひずみを制限するストッパー部３２ｃとを含んで構成される。ひずみ許容部３２ａとＬ字部３２ｂとは、ボルト３５を用いて固定する。

ひずみ許容部３２ａを略逆凹状の板部材で形成することによって、ひずみ許容部３２ａが、図９のｚ軸方向にひずんで変形し易くなる。ひずみ許容部３２ａは、図９のｚ軸方向を、ひずみ許容方向とする。ここで、燃料電池は、稼働時の温度が６００度から１０００度付近にまで上昇するため、停止時と稼働時との温度差が大きくなり、燃料ガスタンク６８が熱膨張の影響で変形してしまう。燃料ガスタンク６８が変形すると、そのひずみ力が燃料ガスタンク６８に溶接固定されている固定部材３０に作用することになる。このひずみ力がケーシング底板５６ａに溶接固定されている溶接部３１に伝わると、溶接部３１が破損してしまうことも考えられる。

本実施形態のひずみ許容部３２ａのように、燃料ガスタンク６８の変形に合わせて図９のｚ軸方向に変形可能とすることで、燃料ガスタンク６８からのひずみ力をひずみ許容部３２ａで吸収させることができる。これにより、燃料ガスタンク６８のｚ軸方向への変形によるひずみ力が溶接部３１に伝わることを抑制することができる。つまり、溶接部３１による溶接固定をひずみ力から保護することができる。

図１２を参照して、ひずみ許容部３２ａが燃料ガスタンク６８の変形に合わせて変形する様子について説明する。図１２（Ａ）は、燃料電池モジュール２が停止している時の固定部材３０付近を模式的に示す図であり、図１２（Ｂ）は、燃料電池モジュール２が稼働している時の固定部材３０付近を模式的に示す図である。

図１２（Ａ）に示す停止状態から燃料電池モジュール２が稼働すると、図１２（Ｂ）に示すように、燃料ガスタンク６８の右端部分に位置する固定部材３０付近が、燃料電池モジュール２の熱により、ｚ軸の正方向（右方向）に膨張して変形する。この燃料ガスタンク６８の変形に伴い、燃料ガスタンク６８に溶接固定されているボルト固定部３３及びこのボルト固定部３３にボルト３４で固定されているＬ字部３２ｂにひずみ力が生ずる。このひずみ力によって、Ｌ字部３２ｂにボルト３５で固定されているひずみ許容部３２ａが、ｚ軸の正方向にひずんで変形する。これにより、燃料ガスタンク６８のｚ軸方向への変形によるひずみ力がひずみ許容部３２ａで吸収されるため、ひずみ力が溶接部３１に伝わることを抑制できる。

ストッパー部３２ｃは、図１１に示すように、ストッパー部３２ｃの上端部をひずみ許容部３２ａの天板部分端部と連結固定し、ストッパー部３２ｃの両側端部をひずみ許容部３２ａと非連結状態にするとともに、図９に示すように、ストッパー部３２ｃの下端部とケーシング底板５６ａとの間に隙間Ｄ１を設けて構成する。このように構成することで、ひずみ許容部３２ａのひずみによる変形を、ストッパー部３２ｃの下端部がケーシング底板５６ａと接することで制限することができる。また、ひずみ許容部３２ａがひずみにより変形することにより低下する上下方向（図９のｙ軸方向）の支持力を、ケーシング底板５６ａに接したストッパー部３２ｃで補強することができる。

図１３を参照して、ストッパー部３２ｃがひずみ許容部３２ａの変形を制限するしくみについて説明する。図１３（Ａ）は、燃料電池モジュール２が停止している時の固定部材３０を模式的に示す図であり、図１３（Ｂ）は、燃料電池モジュール２が稼働している時の固定部材３０を模式的に示す図である。

図１３（Ａ）に示す停止状態から燃料電池モジュール２が稼働すると、図１３（Ｂ）に示すように、熱膨張した燃料ガスタンク６８の変形に伴い、ひずみ許容部３２ａが、ｚ軸の正方向にひずんで変形する。このひずみ許容部３２ａの変形は、ストッパー部３２ｃの下端部がケーシング底板５６ａに接することで停止する。これにより、ひずみ許容部３２ａが破損しない範囲で変形を制限することができ、変形により低下した上下方向（ｙ軸方向）の支持力を補強することが可能となる。

図９に示すように、Ｌ字部３２ｂは、ひずみ許容部３２ａのひずみ許容方向（ｚ軸方向）と略直交する方向（ｘ軸方向）にひずみ許容方向を形成するように、ひずみ許容部３２ａの上面に配置される。Ｌ字部３２ｂのうちひずみ許容部３２ａ側の底板部分が、ひずみ許容部３２ａとボルト３５で固定される。これにより、Ｌ字部３２ｂのうちボルト固定部３３側の側板部分が、図９のｘ軸方向にひずんで変形し易くなる。

ストッパー部３２ｃと燃料ガスタンク側板６８ｂとの間には、隙間Ｄ２が設けられている。この隙間Ｄ２は、燃料ガスタンク６８が、燃料電池モジュール２の熱により、ｘ軸の負方向に熱膨張することを勘案して設定する。このような隙間Ｄ２を設けることで、燃料ガスタンク６８がｘ軸方向に熱膨張した場合であっても、ストッパー部３２ｃが燃料ガスタンク側板６８ｂから直接圧力を受けないようにすることが可能となる。つまり、燃料ガスタンク６８がｘ軸方向に熱膨張することによって受ける圧力を低減させることができる。以下に、燃料ガスタンク６８のｘ軸方向の熱膨張を許容するしくみについて具体的に説明する。

燃料ガスタンク側板６８ｂが、燃料電池モジュール２の熱により、図９のｘ軸の負方向に膨張して変形した場合、この変形に伴って、燃料ガスタンク側板６８ｂに溶接固定されているボルト固定部３３にひずみ力が生ずる。このひずみ力によって、ボルト固定部３３にボルト３４で固定されているＬ字部３２ｂの側板部分が、Ｌ字部３２ｂの底板部分に近づく方向に折り曲げられて変形する。これにより、燃料ガスタンク６８のｘ軸方向の変形によるひずみ力をＬ字部３２ｂで吸収することができるため、ひずみ力が溶接部３１に伝わることを抑制することができる。

上述したように実施形態における燃料モジュール２によれば、燃料ガスタンク側板６８ｂに溶接固定されたボルト固定部３３に対して、ケーシング底板５６ａに溶接固定された溶接部３１に連結する連結部のＬ字部３２ｂを、ボルト３４で固定することができる。これにより、ケーシング５６ａに穴を開けることなく、燃料ガスタンク６８をケーシング５６に固定することができる。すなわち、実施形態における燃料電池モジュールの構成を用いることにより、ケーシング５６内の気密性を確保しつつ、燃料ガスタンク６８をケーシング５６に強固に固定することが可能となる。

なお、上述した実施形態における固定部材３０は、Ｌ字部３２ｂを含んでいるが、Ｌ字部３２ｂを含まない構成も可能である。図１４に、固定部材の変形例を示す。図１４は、図９に対応する図であり、本変形例における固定部材付近の部分断面図である。図１４に示す変形例の固定部材３０Ａが、図９に示す実施形態の固定部材３０と異なる点は、変形例の固定部材３０Ａが、実施形態におけるＬ字部３２ｂ及びボルト３４、３５を備えていない点と、変形例のボルト固定部３３が、連結部のストッパー部３２ｃとボルト３６で固定される点である。それ以外の構成については、実施形態の固定部材３０の各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略するとともに、以下においては、主に実施形態との相違点について説明する。

本変形例では、ひずみ許容部３２ａの天板部分とストッパー部３２ｃとで、燃料ガスタンク６８のｘ軸方向の熱膨張を許容する。つまり、ひずみ許容部３２ａの天板部分とストッパー部３２ｃとで、実施形態のＬ字部３２ｂが有するひずみ許容機能と同様の機能を有する。

以下に、変形例の固定部材３０Ａが燃料ガスタンク６８のｘ軸方向の熱膨張を許容するしくみについて具体的に説明する。

燃料ガスタンク側板６８ｂが、燃料電池モジュール２の熱により、図１４のｘ軸の負方向に膨張して変形した場合、この変形に伴って、燃料ガスタンク側板６８ｂに溶接固定されているボルト固定部３３にひずみ力が生じ、このボルト固定部３３にボルト３６で固定されているストッパー部３２ｃが、ひずみ許容部３２ａの天板部分に近づく方向に折り曲げられて変形する。これにより、燃料ガスタンク６８のｘ軸方向の変形によるひずみ力をストッパー部３２ｃで吸収することができるため、そのひずみ力が溶接部３１に伝わることを抑制することができる。

また、上述した実施形態における連結部は、略逆凹状のひずみ許容部３２ａを備えているが、必ずしも略逆凹状のひずみ許容部３２ａを備える必要はない。略逆凹状のひずみ許容部の代わりにブロック状の部材を備えることとしてもよい。この場合、ブロック状の部材は、ひずみ力による影響を受け難いため、ひずみを制限するストッパー部３２ｃを省略でき、連結部をブロック状の部材のみで構成することが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

２：燃料電池モジュール（燃料電池装置）
１０：発電室
１２：燃料電池セル集合体
１４：燃料電池セルスタック
１６：燃料電池セルユニット
１８：燃焼室
２０：改質器
２１：整流板
２１ａ：開口
２２：熱交換器
３０：固定部材
３１：溶接部
３２ａ：ひずみ許容部（連結部）
３２ｂ：Ｌ字部（連結部）
３２ｃ：ストッパー部（連結部）
３３：ボルト固定部
３４、３５、３６：ボルト
５６：ケーシング
５６ａ：ケーシング底板
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端側
６８：燃料ガスタンク（ガスマニホールド）
６８ａ：燃料ガスタンク上板
６８ｂ：燃料ガスタンク側板
７０：燃焼ガス配管
７２：発電用空気流路
７４：発電用空気導入管
７６：連絡流路
７６ａ：出口ポート
７７：発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ：吹出口
８２：燃焼ガス排出管
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：上部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：上端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９８：燃料ガス流路
１００：上支持板
１０２：集電体
１０４：外部端子

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池装置であって、
   電気的に接続された複数の燃料電池セルを有し、当該燃料電池セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することで発電する燃料電池セル集合体と、
   前記燃料電池セル集合体の下側に配置され、前記燃料電池セルに燃料ガスを分配して供給するガスマニホールドと、
   前記燃料電池セル集合体と前記ガスマニホールドとを収納し、内部が密封空間となるように構成されるケーシングと、
   前記ガスマニホールドを前記ケーシングに固定する固定部材と、を備え、
   前記固定部材は、
   前記ケーシングに溶接固定される溶接部と、
   前記溶接部に連結する連結部と、
   前記ガスマニホールドに溶接固定され、前記連結部をボルトで固定可能なボルト固定部と、
   を有することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記連結部は、前記ボルト固定部に生ずるひずみ力が前記溶接部に伝達することを抑制するひずみ許容部を含み、
   前記ケーシングのうち前記固定部材を載置している載置面を基準にしたときに、前記溶接部の高さが、前記連結部の前記ひずみ許容部の高さよりも低くなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記ひずみ許容部は、略逆凹状であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
4. 前記連結部は、前記ひずみ許容部のひずみによる変形を前記載置面と接することで制限するストッパー部を含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
5. 前記連結部は、略Ｌ字状のＬ字部をさらに含み、
   前記Ｌ字部は、前記ひずみ許容部のひずみ許容方向と略直交する方向にひずみを許容し、
   前記ボルト固定部は、前記Ｌ字部とボルトで固定され、
   前記ボルト固定部を除く前記固定部材と前記ガスマニホールドとの間に隙間を設けて配置される、
   ことを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池装置。

Images