JP5905304B2

JP5905304B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5905304B2
Application number: JP2012055032A
Authority: JP
Inventors: 遠藤　聡; 聡遠藤; 孝小野
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Kyocera Corp; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Current assignee: Kyocera Corp; Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: EP2639875B1; EP2639875A1; JP2013191318A

Description

本発明は燃料を改質させてアノードガスを生成させる改質器を有する燃料電池装置に関する。

特許文献１は、複数のセルを備えるスタックの上部に所定空間を設け、発電に必要な水素を生成するための改質器をスタックの上部の所定空間に配置し、発電に使用されなかった燃料ガス（＝オフガス）と空気（＝オフエアー）を前記所定空間において燃焼させることで、改質反応に必要な熱エネルギを改質器へ供給させる燃料電池装置を開示する。このものによれば、発電スタックおよび改質器を収納する固定部では、燃焼排ガスと発電に使用される直前の空気とを熱交換し、空気を所定温度まで予熱させる。

特許文献２は、複数のセルを備えるスタックとスタックの上方に配置された改質器とを備える燃料電池を開示する。このものによれば、スタックと改質器とを連結するパイプの対面側に、改質器の上下方向の位置を規制するアーム状の部材が設置されている。このものによれば、部材は改質器とスタックのマニホールドとの間に設置されており、改質器の上下方向の位置を規定する。

特開2008-66127号公報特開2009-87540号公報

上記特許文献によれば、発電運転時には、燃焼部の燃焼火炎により改質器は高温領域に加熱されるため、改質器がこれの長手方向に沿って熱膨張により延びる。このため熱膨張に伴い改質器に負荷が発生するおそれがある。場合によっては、応力が集中する箇所が改質器に発生するおそれがある。この場合、改質器に耐久性および長寿命化には好ましくない。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、運転に伴い高温とされる改質器に発生する熱膨張を吸収でき、改質器の耐久性の向上および長寿命化に貢献できる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、蒸発部で生成された水蒸気で燃料ガスを改質させることにより水素を含有するアノードガスを生成させると共に長手方向に延設された改質器と、蒸発部および改質器を加熱させる燃焼炎を生成させる燃焼空間を形成する燃焼部と、アノードガスが供給されると共にカソードガスが供給されて発電するスタックと、改質器およびスタックを包囲する断熱壁と、断熱壁に沿って配設された固定部とを具備しており、改質器の長手方向の一端部は、改質器の長手方向における熱膨張に伴う一端部の変位を拘束させるように、固定部の一部に溶接部または取付具で固定されており、且つ、改質器の長手方向の他端部は、熱膨張に伴って改質器の長手方向において相対変位可能に断熱壁の載置面に載置されている。取付具はボルト・ナット、リベット等の機械的要素が例示される。

改質器の長手方向の一端部は、固定部の一部に溶接部または取付具で固定されている。従って、燃料電池装置の組付時、運搬時等において、改質器の無用な動きが規制され、改質器の脱落が抑えられる。改質器の長手方向における一端部は、固定部の一部に溶接部または取付具で固定されているため、熱膨張に伴う一端部の変位は拘束されている。改質器の長手方向の他端部は断熱壁の載置面に載置されている。このため、熱膨張に伴って改質器がこれの長手方向に相対変位するとき、相対変位を吸収できる。従って、改質器に作用する負荷が軽減される。

（２）本発明の様相２に係る燃料電池によれば、上記様相において、高さ方向に沿って切断する縦断面で、断熱壁は、改質器の長手方向の他端部の上面に対面すると共に他端部の上面を拘束させる下向き拘束面をもつ。熱膨張によって改質器が高さ方向に相対変位するときであっても、下向き拘束面はその相対変位を拘束できる。

（３）本発明の様相３に係る燃料電池によれば、上記様相において、高さ方向に沿って切断する縦断面で、改質器の長手方向の他端部の上面と断熱壁の下向き拘束面との間には、高さ方向における改質器の他端部の熱膨張に基づく変位を吸収するための第１隙間が形成されている。このように第１隙間が設けられているため、第１隙間の隙間幅の範囲内であれば、改質器の他端部の熱膨張は許容されている。但し、熱膨張によって改質器が高さ方向に過剰に相対変位するときには、下向き拘束面はその過剰な相対変位を拘束できる。

（４）本発明の様相４に係る燃料電池によれば、上記様相において、水平方向に沿って切断する横断面で、断熱壁は、改質器の長手方向の他端部の側面に対面すると共に他端部の側面を拘束させる横向き拘束面をもつ。熱膨張によって改質器が水平方向に相対変位するときには、横向き拘束面はその相対変位を拘束できる。

（５）本発明の様相５に係る燃料電池によれば、上記様相において、水平方向に沿って切断する横断面で、改質器の長手方向の他端部の側面と断熱壁の横向き拘束面との間には、水平方向における改質器の他端部の変位を吸収するための第２隙間が形成されている。このように第２隙間が設けられているため、第２隙間の隙間幅の範囲内であれば、改質器の他端部の熱膨張は許容されている。但し、熱膨張によって改質器が水平方向に過剰に相対変位するときには、横向き拘束面はその過剰な相対変位を拘束できる。

本発明に係る燃料電池装置によれば、改質器の長手方向の一端部は、固定部の一部に溶接部または取付具で固定されている。燃料電池装置の組付時、運搬時等において、改質器の無用な動きが規制され、改質器の脱落が抑えられる。このように改質器の長手方向における一端部は、固定部の一部に溶接部または取付具で固定されているため、熱膨張に伴う一端部の変位は拘束されている。これに対して、改質器の長手方向の他端部は断熱壁の載置面に載置されている。このため、燃料電池装置の発電運転時において、熱膨張に伴って改質器がこれの長手方向に相対変位するとき、改質器の相対変位を吸収できる。従って、改質器に作用する負荷が軽減される。この場合、改質器において熱膨張に伴う応力集中が抑制される。改質器の耐久性の向上および長寿命化を図り得る。

実施形態１に係り、燃料電池装置の内部構造を模式的に示す縦断面図である。実施形態１に係り、燃料電池装置の内部構造を模式的に示す横断面図である。実施形態２に係り、燃料電池装置の内部構造を模式的に示す縦断面図である。実施形態３に係り、燃料電池装置の内部構造を模式的に示す横断面図である。実施形態４に係り、燃料電池装置の内部構造を模式的に示す横断面図である。実施形態５に係り、改質器の他端部を載置している構造を模式的に示す縦断面図である。実施形態６に係り、改質器の他端部を載置面に載置している構造を模式的に示す縦断面図である。実施形態７に係り、改質器の他端部を載置面に載置している構造を模式的に示す縦断面図である。実施形態８に係り、改質器の他端部を載置面に載置している構造を模式的に示す縦断面図である。適用形態に係り、燃料電池装置の概念を模式的に示すシステム図である。

燃料電池装置は、長手方向に延設された改質器と、改質器を加熱させる燃焼炎を生成させる燃焼空間を形成する燃焼部と、スタックと、改質器およびスタックを包囲する断熱壁と、断熱壁に沿って配設された金属製の固定部とを有する。断熱壁は、断熱性をもつ断熱材料で形成されている。改質器は、水素を含有するアノードガスを生成させるものであれば良い。改質器は長手方向に延びる。断熱壁としては、アルミナ系、シリカ系、マグネシア系、ジルコニア系、炭化珪素系、窒化ケイ素系が例示される。必要に応じて、アルミナ繊維、シリカ繊維等の強化繊維等の繊維材が含有されていても良い。断熱壁は多孔質にできる。固定部としては、筐体が例示されるが、単なる固定板でも良い。

（実施形態１）
図１および図２は実施形態１の概念を示す。燃料電池装置は固体酸化物形の燃料電池を搭載しており、改質器２００と、燃焼部３００と、燃料電池のスタック４００と、断熱壁５００と、金属（例えば炭素鋼、合金鋼）製の固定部としての筐体６００とを有する。改質器２００は、水蒸気で炭化水素系の燃料ガスを水蒸気改質させることにより、水素を主成分として含有するアノードガスを生成させる。改質器２００はこれの長手方向（図２に示す矢印Ｌ方向）に延設されている。平面視を表す図２に示すように、改質器２００は、互いに並走された第１器体２０１および第２器体２０２と、第１器体２０１の他端部２０１ｆと第２器体２０２の他端部２０２ｆとを繋ぐ連通路をもつ連通部２０４とを有しており、平面視（図２）においてコの字形状をなす。

第１器体２０１は、改質水を加熱して水蒸気を形成する蒸発部２１０と、ガス透過性をもつ仕切壁２１２を介して蒸発部２１０に隣設された第１改質部２２１とを有する。蒸発部２１０は改質器２００の一端部２００ｅ（図１，図２に示す右端部）側、即ち、筐体６００の側面部６０１に形成されている。第２器体２０２は第２改質部２２２を形成する。第１改質部２２１および第２改質部２２２は、改質触媒が担持された粒子状またはハニカム状のセラミックス体がガス透過性を確保しつつ収容する。第１器体２０１の一端部２０１ｅと第２器体２０２の一端部２０２ｅとは、直接的には連結されていない（図２参照）。第１改質部２２１と蒸発部２１０とは、改質器２００の内部に設けられたガス透過性を有する仕切壁２１２により仕切られつつも、互いに隣設されて一体化されている。第１器体２０１は、断熱壁５００の第１側面断熱壁５０５に対面する第１外側面２０１ｐと、断熱壁５００の第１側面断熱壁５０５に背向する第１内側面２０１ｉと、第１底面２０１ｂと、第１天井面２０１ｕとをもつ。同様に、第２器体２０２は、断熱壁５００の第２側面断熱壁５０６に対面する第２外側面２０２ｐと、断熱壁５００の第１側面断熱壁５０５に背向する第２内側面２０２ｉと、第２底面２０２ｂと、第２天井面２０２ｕとをもつ。

図１に示すように、燃焼部３００は、改質器２００を加熱させる燃焼炎を生成させる燃焼空間３０１を形成する。燃焼部３００は改質器２００の下方に配置されている。スタック４００は、アノードガスが供給されると共にカソードガスが供給されて発電する複数の燃料電池を、改質器２００の延びる方向（矢印Ｌ方向）に並設されて形成されている。断熱壁５００は保温用であり、蒸発部２１０、改質器２００およびスタック４００を包囲して発電モジュール１８を形成する。図１に示すように、断熱壁５００は高い断熱性をもつ耐火材料で形成されている。

図１および図２に示すように、断熱壁５００は、底断熱壁５０１と、改質器２００の一端側に位置する一端断熱壁５０２と、改質器２００の他端側に位置する他端断熱壁５０３と、改質器２００の上方に位置する天井壁５０４とを有する。更に図２に示すように、断熱壁５００は、第１改質部２２１の側面に沿った第１側面断熱壁５０５と、改質器２００の側面に沿った第２側面断熱壁５０６を有する。筐体６００は断熱壁５００の外側において断熱壁５００に沿って配設されている。なお図２は便宜上、筐体６００については、その一部である側面部６０１のみ示す。

改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の一端部２００ｅの側は、筐体６００の一部である側面部６０１に溶接部７０１，７０４，７０２，７０５を介して固定されている。具体的には、図２に示すように、改質器２００のうち第１改質部２２１の長手方向における一端部２２１ｅには、即ち第１改質部２２１に隣設する蒸発部２１０側には、金属製の給水管８ｗと金属製のガス管６ｗとが溶接部７０１で連結されて固定されている。図２に示すように、給水管８ｗおよびガス管６ｗは、筐体６００の一部である側面部６０１に溶接部７０２で連結されて固定されている。更に、第２改質部２２２の一端部２２２ｅには、第２改質部２２２の内部温度を検知する温度センサ（熱電対）を挿入するための金属製のセンサ管４２０が溶接部７０４で連結されている。センサ管４２０は筐体６００の側面部６０１に溶接部７０５で連結されている。このようにして改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の一端部２００ｅは、筐体６００の一部である側壁に溶接部７０１〜７０５で固定されて拘束されている。なお、溶接部に代えて、ボルトおよびナットなどの機械的な取付具としても良い。このように管８ｗ，６ｗ，４２０やセンサといった筐体６００（固定部）を貫通する貫通部材は、筐体６００の側面部６０１という単一面の側に、即ち、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の一端部２００ｅ側に集約されている。

給水管８ｗは、図示しないものの、改質水を溜めるタンク４に改質水ポンプ８０を介して接続されている。改質水ポンプ８０が駆動すると、タンク４の改質水は給水管８ｗを介して改質器２００の蒸発部２１０に供給され、水蒸気を生成させる。ガス管６ｗはバルブ６９を介してガス源６３に連結されている。バルブ６９が開放されると、ガス源６３の燃料ガスは蒸発部２１０を介して第１改質部２２１ひいては第２改質部２２２に供給される。これにより燃料ガスは水蒸気改質されて、水素を主成分とするアノードガスを形成する。改質器２００で生成された水素を主成分するアノードガスは、図略の流路を介してスタック４００の下方のガス分配部４０３に流れ、更にスタック４００の各アノードに供給される。また空気で形成されたカソードガスは図略の流路を介してスタック４００の各カソードに供給される。これによりスタック４００は発電運転する。

発電運転時において、スタック４００のアノードの上部から排出されたアノードオフガス、スタック４００のカソードの上部から排出されたカソードオフガスは、燃焼部３００の燃焼空間３０１に至り、燃焼火炎を生成させる。このような燃焼火炎は、第１側面断熱壁５０５と第１改質部２２１との間の空間５３５（図２参照）、第２側面断熱壁５０６と第２改質部２２２との間の空間５３６（図２参照）においても生成される。この場合、改質器２００の底面のみならず、側面からも加熱でき、改質器２００の均一加熱に貢献でき、水蒸気生成、改質反応のムラの軽減に貢献できる。この燃焼により、改質器２００を構成する第１改質部２２１、第２改質部２２２は、改質反応に適する温度に加熱される。蒸発部２１０は、改質水から水蒸気を生成させるように加熱される。

なお、スタック４００の起動時には、蒸発部２１０を含む改質器２００はまだ低温であるため、ガス管６ｗから供給された燃料ガスは、蒸発部２１０、第１改質部２２１および第２改質部２２２を改質されずに通過し、スタック４００のアノードを経て燃焼部３００に排出され、燃焼空間３０１において空気（カソードガス）により燃焼され、改質器２００を構成する第１改質部２２１、第２改質部２２２は加熱される。

さて本実施形態によれば、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の一端部２００ｅは、支持部材２５０（図１参照）により支持されている。改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆは、断熱壁５００に形成された載置面８０２に載置されている。具体的には、断熱壁５００を構成する他端断熱壁５０３は、改質器２００の長手方向の他端部２００ｆを収容する熱膨張吸収部８００をもつ。これにより改質器２００はほぼ水平方向に沿って配置されている。

熱膨張吸収部８００は、凹状の熱膨張吸収空間８０１を形成するように、改質器２００の他端部２００ｆに対面する平坦な載置面８０２をもつ。即ち、熱膨張吸収部８００は、上向きの載置面８０２と、下向き拘束面８０３と、横向き拘束面８０４とを有する。載置面８０２は水平方向に沿った平坦状をなしており、改質器２００の他端部２００ｆの下面２００ｄを載置させて支持させるものである。載置面８０２は水平方向に沿って延設されており、改質器２００の他端部２００ｆの端面と他端断熱壁５０３の端面５０９との間に熱膨張吸収空間８０１を形成する。改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）における熱膨張吸収空間８０１の長さは、ΔＬとして示される。ΔＬに相当する量、熱膨張にともなう改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆの相対変位は、許容されている。なお、発電運転に伴い改質器２００は加熱されて熱膨張するが、発電運転の停止に伴い改質器２００は冷却されるので、ΔＬに相当する量、熱収縮にともなう改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆの相対変位は、許容されている。

図１は、高さ方向に沿って切断する燃料電池装置の縦断面の概念を模式的に表す。図１に示すように、下向き拘束面８０３は、改質器２００の他端部２００ｆの上面２００ｕに対面すると共に、当該他端部２００ｆの上面２００ｕを拘束させる。下向き拘束面８０３及び載置面８０２は、改質器２００の他端部２００ｆの高さ方向（矢印Ｚ方向）の相対変位を規制させることができる。なお、下向き拘束面８０３は、改質器２００の他端部２００ｆの上面２００ｕに対面して接触していてもよいし、あるいは、隙間を介して対面していても良い。

図２は水平方向に沿って切断した燃料電池装置の横断面の概念を模式的に表す。図２に示すように、横向き拘束面８０４は、改質器２００の他端部２００ｆの側面２００ｓに対面すると共に、当該他端部２００ｆの側面２００ｓを拘束させる。横向き拘束面８０４は、改質器２００を水平方向に沿って挟むように互いに対向しており、改質器２００の他端部２００ｆの横方向（矢印Ｙ方向）の変位を規制させることができる。なお、横向き拘束面８０４は、改質器２００の他端部２００ｆの側面２００ｓに対面して接触していてもよいし、あるいは、隙間を介して対面していても良い。従って、改質器２００が熱膨張によって改質器２００の長手方向において熱膨張するとき、その熱膨張を吸収できるように、改質器２００の長手方向の他端部２００ｆは、断熱壁５００の載置面８０２に載置されている。

以上説明したように本実施形態によれば、改質器２００の長手方向の一端部２００ｅは、固定部としての筐体６００の一部である側面部６０１に溶接部７０２，７０５または取付具で固定されている。従って、燃料電池装置の組付時、運搬時等において、改質器２００の無用な動きが規制され、改質器２００の脱落が抑えられる。上記したように給水管８ｗ、ガス管６ｗおよびセンサ管４２０を介して改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の一端部２００ｅは、溶接部７０２，７０５等で筐体６００の側面部６０１に連結されて固定されており、筐体６００の一部に拘束されている。この結果、改質器２００がこれの長手方向（矢印Ｌ方向）において熱膨張するとき、熱膨張に伴う改質器２００の一端部２００ｅの変位は拘束される。改質器２００は、第１改質部２２１および蒸発部２１０を有する部分と、第２改質部２２２を有する部分とで二股形状（平面視においてＵ形状）とされているが、第１改質部２２１の一端部２２１ｅ側の蒸発部２１０と第２改質部２２２の一端部２２２ｅとの双方が筐体６００に溶接固定されて拘束されているため、強度の均衡が図られる。

更に本実施形態によれば、図１に示すように、改質器２００の長手方向の他端部２００ｆは断熱壁５００の他端断熱壁５０３の平坦な載置面８０２に載置されている。このため、燃料電池装置の発電運転時において、燃焼部３００の燃焼火炎によって改質器２００が高温に加熱されるとき、熱膨張に伴って改質器２００がこれの長手方向（矢印Ｌ方向）において矢印ＬＡ方向に相対変位するときであっても、その相対変位は吸収される。従って、改質器２００に作用する負荷が軽減され、改質器２００における応力集中は抑制され、改質器２００の耐久性の向上、長寿命化を図り得る。発電運転後の冷却に伴う熱収縮についても同様であり、熱収縮に伴って改質器２００がこれの長手方向（矢印Ｌ方向）に相対変位するときであっても、その相対変位は載置面８０２によって吸収される。

改質器２００に付設される給水管８ｗ、ガス管６ｗ、センサ管４２０といった貫通部材が設けられており、これらの貫通部材と筐体６００の側面部６０１とが溶接部７０２，７０５で結合されているものの、改質器２００の他端部２００ｆはこれの長手方向である矢印Ｌ方向において拘束されておらず、フリーである。従って、燃料電池装置の発電運転に基づいて高温化された改質器２００がこれの長手方向（矢印Ｌ方向）に熱膨張したとしても、筐体６００の側面部６０１の単一面に上記貫通部材が集約されているため、改質器２００の他端部２００ｆは熱膨張、その後の熱収縮に対しフリーとなる。従って従来技術とは異なり、改質器２００への応力は無視できる利点が得られる。これにより、改質器２００に連結される給水管８ｗ、ガス管６ｗ、センサ管４２０といった貫通部材と筐体６００（固定部）の気密的な接続（例えば溶接）が可能となり、発電性能の信頼性・効率の向上に繋がる。また高い断熱性をもつ断熱壁５００の他端断熱壁５０３に形成されている載置面８０２で改質器２００の保持・上下方向の規制を行うため、スタック４００の放熱が増加せず、改質器200の放熱が増加せず、改質性能が向上する（水素転化率が向上する）。これにより、高品位のアノードガスを発電部に供給することができ、高い発電効率を確保できる利点が得られる。

なお本実施形態によれば、改質器２００の一端部２００ｅと他端部２００ｆとは同じ高さ位置とされている。よって、一端部２００ｅと他端部２００ｆとを繋ぐ中心線Ｐｍは仮想水平線に沿っている。但し、場合によっては、改質器２００については、蒸発部２１０を備える一端部２００ｅよりも、他端部２００ｆの高さが若干高めとしても良い。例えば、一端部２００ｅと他端部２００ｆとを繋ぐ中心線Ｐｍは仮想水平線に対して角度θ（例えば０．０５〜７℃の範囲内の任意値）傾斜していても良い。一端部２００ｅ（蒸発部入口側）を他端部２００ｆ（改質部側）より下方に配置することで、突沸や改質触媒の水漏れを防止することができ、触媒の劣化を抑制することができる。

（実施形態２）
図３は実施形態２を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的に同様の構成および作用効果を示す。以下、相違する部分を中心として説明する。図３は高さ方向に沿って燃料電池装置を切断する縦断面の概念を模式的に示す。図３に示すように、断熱壁５００を構成する他端断熱壁５０３は、改質器２００の他端部２００ｆを収容する熱膨張吸収部８００をもつ。熱膨張吸収部８００は、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆを収容させる熱膨張吸収空間８０１をもち、改質器２００の他端部２００ｆをさせる載置面８０２をもつ。更に、他端断熱壁５０３の熱膨張吸収部８００は、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆの上面２００ｕに接近しつつ対面すると共に、他端部２００ｆの上面２００ｕを拘束させる下向き拘束面８０３をもつ。熱膨張によって改質器２００が高さ方向（矢印Ｚ方向）に相対変位するときであっても、下向き拘束面８０３はその過剰な相対変位を拘束できる。更に図３に示すように、改質器２００の長手方向の他端部２００ｆの上面２００ｕと断熱壁５００の下向き拘束面８０３との間には、第１隙間８２１（隙間幅α１）が形成されている。第１隙間８２１は、高さ方向（矢印Ｚ方向）における改質器２００の他端部２００ｆの熱膨張、熱膨張に伴う相対変位を吸収することができる。このように第１隙間８２１が設けられているため、第１隙間８２１の隙間幅の範囲内であれば、高さ方向（矢印Ｚ方向）における改質器２００の他端部２００ｆの熱膨張、熱膨張に伴い相対変位は許容される。熱収縮に伴う相対変位についても同様である。但し、熱膨張または熱収縮によって改質器２００が高さ方向（矢印Ｚ方向）に過剰に相対変位するときには、下向き拘束面８０３はその過剰な相対変位を拘束できる。なお第１隙間８２１にも可燃ガスを流入できる。更に第１隙間８２１を介して吸収空間８０１にも可燃ガスを流入させて燃焼火炎を形成できる。このため他端部２００ｆの加熱に貢献でき、改質器２００における改質反応のムラの低減に貢献できる。

（実施形態３）
図４は実施形態３を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的には同様の構成および作用効果を示す。以下、相違する部分を中心として説明する。図４は水平方向（矢印Ｙ方向）に沿って燃料電池装置を切断した縦断面の概念を模式的に示す。図４に示すように、断熱壁５００を構成する他端断熱壁５０３に形成されている熱膨張吸収部８００は、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆの下面を載置させる平坦な載置面８０２をもつ。更に他端断熱壁５０３の熱膨張吸収部８００は、改質器２００の長手方向の他端部２００ｆの側面２００ｓに対面すると共に他端部２００ｆの側面２００ｓを拘束させる横向き拘束面８０４をもつ。横向き拘束面８０４は改質器２００の他端部２００ｆを挟むように対面する。熱膨張または熱収縮によって改質器２００が水平方向（矢印Ｙ方向）に相対変位するときには、横向き拘束面８０４はその相対変位を拘束できる。図４に示すように、改質器２００の長手方向の他端部２００ｆの側面２００ｓと断熱壁５００の横向き拘束面８０４との間には、水平方向における改質器２００の他端部２００ｆの変位を吸収するための第２隙間８２２（隙間幅α２）が形成されている。このように第２隙間８２２が設けられているため、第２隙間８２２の隙間幅の範囲内であれば、改質器２００の他端部２００ｆの熱膨張または熱収縮に基づく相対変位は許容されている。但し、熱膨張または熱収縮によって改質器２００の他端部２００ｆが水平方向（矢印Ｙ方向）に過剰に相対変位するときには、横向き拘束面８０４はその過剰な相対変位を拘束できる。

改質部における改質反応は吸熱反応であるため、改質器２００における改質反応を良好に確保するためには、改質器２００の保温性を高めることが好ましい。上記したように改質器２００の他端部２００ｆの側面２００ｓの周囲に第２隙間８２２が設けられている。このため燃焼空間３０１におけるアノードガス、燃料ガス等の可燃ガスが第２隙間８２２に流入できる。更に、第２隙間８２２を介して吸収空間８０１にも流入でき、燃焼火炎を形成できる。よって改質器２００の他端部２００ｆにおける加熱性が高められ、改質器２００の他端部２００ｆの側における改質反応が良好に行われる。

（実施形態４）
図５は実施形態４を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的にと同様の構成および作用効果を示す。以下、相違する部分を中心として説明する。図５は水平方向に沿って燃料電池装置を切断する縦断面の概念を模式的に示す。図５に示すように、断熱壁５００を構成する他端断熱壁５０３は、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆを収容する熱膨張吸収部８００をもつ。熱膨張吸収部８００は、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆの下面２００ｄを載置させる載置面８０２と、改質器２００の長手方向の他端部２００ｆの側面２００ｓに対面すると共に他端部２００ｆの側面２００ｓを拘束させる横向き拘束面８０４とをもつ。図５に示すように、改質器２００の長手方向の他端部２００ｆの側面２００ｓと断熱壁５００の横向き拘束面８０４との間には、水平方向（矢印Ｙ方向）における改質器２００の他端部２００ｆの変位を吸収できる第２隙間８２２が形成されている。

改質部２００における改質反応は吸熱反応であるため、改質部における水蒸気改質反応を均一に且つ良好に確保するためには、改質器２００の保温性を高めることが好ましい。図５に示すように、改質器２００の他端部２００ｆの側面２００ｓの周囲に第２隙間８２２が設けられている。このため燃焼空間３０１における可燃性をもつアノードガス、燃料ガスが第２隙間８２２にも流入して燃焼火炎を形成できるため、改質器２００の他端部２００ｆにおける均一加熱性が高められ、改質器２００の他端部２００ｆの側における改質反応が良好に行われる。

（実施形態５）
図６は実施形態５を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的に同様の構成および作用効果を示す。以下、相違する部分を中心として説明する。図６は、高さ方向（矢印Ｚ方向）に沿って燃料電池装置を切断する縦断面の要部を模式的に示す。図６に示すように、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）における熱膨張吸収空間８０１の長さは、ΔＬとして示される。ΔＬに相当する量について、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆの熱膨張または熱収縮に伴う相対変位は、許容されている。

改質器２００と下向き拘束面８０３との間には第１隙間８２１が形成される。第１隙間８２１の隙間幅はα４として示される。ΔＬ＞α４の関係とされている。この場合、熱膨張によって改質器２００が高さ方向（矢印Ｚ方向）に過剰に相対変位するときには、下向き拘束面８０３はその過剰な相対変位を効果的に拘束できる。更に、ΔＬ＞α４であるため、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）における大きな熱膨張に対処してこれを吸収できる。第１隙間８２１について、アノードオフガス等の可燃性のガスが流入できて燃焼火炎を形成でき、更に第１隙間８２１を介して吸収空間８０１にも燃焼火炎を形成できるため、改質器２００における加熱ムラおよび改質ムラの低減に貢献できる。

（実施形態６）
図７は実施形態６を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的に同様の構成および作用効果を示す。以下、相違する部分を中心として説明する。断熱壁５００を構成する他端断熱壁５０３に形成されている熱膨張吸収部８００は、改質器２００の長手方向（矢印Ｌ方向）の他端部２００ｆの下面２００ｄを載置させる載置面８０２Ｅをもつ。載置面８０２Ｅは円弧凸面で形成されている。具体的には、他端断熱壁５０３に保持された高い断熱性をもつ断熱材料（セラミックス等の耐火材料，固体潤滑性が高いガラス材料を含む）で形成された副断熱部材８３０は、円弧凸面で形成された載置面８０２Ｅを有する。円弧凸面は摩擦抵抗を低減させる。改質器２００の他端部２００ｆと円弧凸面状の載置面８０２Ｅとの間の摩擦抵抗を低減させる。このため熱膨張または熱収縮に起因する改質器２００の矢印Ｌ方向の変位が良好となる。

（実施形態７）
図８は実施形態７を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的に同様の構成および作用効果を示す。以下、相違する部分を中心として説明する。図８に示すように、断熱壁５００を構成する他端断熱壁５０３の熱膨張吸収部８００Ｆには、副断熱部材８４０が配置されている。副断熱部材８４０は、平坦な載置面８０２Ｆをもつ固体潤滑性が高い材料で形成されている。具体的には、副断熱部材８４０はガラス材料で形成されており、発電運転の温度領域においても高い固体潤滑性をもち、摩擦抵抗を低減させる。このため熱膨張または熱収縮に起因する改質器２００の矢印Ｌ方向の変位が良好となる。

（実施形態８）
図９は実施形態８を示す。本実施形態は前記した実施形態１と基本的に同様の構成および作用効果を示す。図９に示すように、断熱壁５００を構成する他端断熱壁５０３の熱膨張吸収部８００の載置面８０２には、耐火材料（ガラス材料も含む）で形成された複数の繊維８５１の集合体８５０が配置されている。改質器２００の他端部２００ｆの下面２００ｄとの摩擦抵抗が低減するため、改質器２００の熱膨張または熱収縮による矢印Ｌ方向の変位が良好となる。

（適用形態１）
図１０は適用形態１の概念を示す。図１０に示すように、燃料電池装置は、スタック１と、液相状の水を蒸発させて水蒸気を生成させる蒸発部２と、蒸発部２で生成された水蒸気を用いて燃料を改質させてアノードガスを形成する改質部３と、蒸発部２に供給される液相状の水を溜めるタンク４と、これらを収容するケース５とを有する。スタック１は、イオン伝導体を挟むアノード１０とカソード１１とをもち、例えば、ＳＯＦＣとも呼ばれる固体酸化物形燃料電池（運転温度：例えば４００℃以上）とされている。改質部３は、セラミックス等の担体に改質触媒を担持させて形成されており、蒸発部２に隣設されている。改質部３および蒸発部２は改質部２Ａを構成しており、スタック１と共に断熱壁１９で包囲され、発電モジュール１８を形成している。発電モジュール１８内には、改質部３，蒸発部２を加熱する燃焼部１０５が設けられている。アノード１０側から排出されたアノード排ガスは、流路１０３を介して燃焼部１０５に供給される。カソード１１側から排出されたカソード排ガスは、流路１０４を介して燃焼部１０５に供給される。起動時には、燃焼部１０５は、アノード１０から供給された改質前のガスを、カソード１１から供給されたカソードガスで燃焼させ、蒸発部２および改質部３を加熱させる。

発電運転時には、燃焼部１０５はアノード１０から排出されたアノード排ガスを、カソード１１から排出されたカソード排ガスで燃焼させ、蒸発部２および改質部３を加熱させる。燃焼部１０５には燃焼排ガス路７５が設けられ、燃焼部１０５における燃焼後のガス、未燃焼のガスを含む燃焼排ガスが燃焼排ガス路７５を介して大気中に放出される。改質部３の温度を検出する温度センサ３３が設けられている。着火させるヒータである着火部３５が燃焼部１０５に設けられている。着火部３５は着火できるものであれば何でも良い。外気の温度を検出する外気温度センサ５７が設けられている。温度センサ３３，５７の信号は制御部１００Ｘに入力される。制御部１００Ｘは警報器１０２に警報を出力する。

発電運転時には、改質部２Ａは改質反応に適するように断熱壁１９内において加熱される。発電運転時には、蒸発部２は水を加熱させて水蒸気とさせ得るように加熱される。スタック１がＳＯＦＣタイプの場合には、アノード１０側から排出されたアノード排ガスとカソード１１側から排出されたカソード排ガスが燃焼部１０５で燃焼するため、改質部３および蒸発部２は、発電モジュール１８の内部において同時に加熱される。図１０に示すように、ガス通路６は、ガス源６３からガスを改質器２Ａに供給させるものであり、ポンプ６０、脱硫装置６５をもつ。スタック１のカソード１１には、カソードガス（空気）をカソード１１に供給させるためのカソードガス通路７０が繋がれている。カソードガス通路７０には、カソードガス搬送用の搬送源として機能するカソードポンプ７１が設けられている。

図１０に示すように、ケース５は外気に連通する吸気口５０と排気口５１とをもち、更に、第１室である上室空間５２と、第２室である下室空間５３とをもつ。スタック１は、改質部３および蒸発部２と共に発電モジュール１８を形成し、ケース５の上側つまり上室空間５２に収容されている。ケース５の下室空間５３には、改質部３で改質される液相状の水を溜めるタンク４が収容されている。タンク４には、電気ヒータ等の加熱機能をもつ加熱部４０が設けられている。加熱部４０は、タンク４に貯留されている水を加熱させるものであり、電気ヒータ等で形成できる。外気温度等の環境温度が低いとき等には、制御部１００Ｘからの指令に基づいて、タンク４の水は加熱部４０により所定温度以上に加熱され、凍結が抑制される。図１０に示すように、下室空間５３側のタンク４の出口ポート４ｐと上室空間５２側の蒸発部２の入口ポート２ｉとを連通させる給水通路８が、配管としてケース５内に設けられている。給水通路８は、タンク４内に溜められている水をタンク４から蒸発部２に供給させる通路である。給水通路８には、タンク４内の水を蒸発部２まで搬送させる水搬送源として機能するポンプ８０が設けられている。更に、制御部１００Ｘはポンプ８０，７１，７９，６０を制御する。

さて起動時において、ポンプ６０が駆動すると、ガス管６ｗのガス通路６からガスが蒸発部２，改質部３，アノードガス通路７３，スタック１のアノード１０，流路１０３を介して燃焼部１０５に流れる。カソードポンプ７１によりカソードガス（空気）がカソードガス通路７０、カソード１１，流路１０４を介して燃焼部１０５に流れる。この状態で着火部３５が着火すると、燃焼部１０５において燃焼が発生し、改質部３および蒸発部２が加熱される。このように改質部３および蒸発部２が加熱された状態で、ポンプ８０が駆動すると、タンク４内の水はタンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて給水通路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気は、ガス通路６から供給されるガスと共に改質部３に移動する。ガスは改質部３において水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。アノードガスはアノードガス通路７３を介してスタック１のアノード１０に供給される。更にカソードガス（酸素含有ガス、ケース５内の空気）がカソードガス通路７０を介してスタック１のカソード１１に供給される。これによりスタック１が発電する。アノード１０から排出されたアノードオフガス、カソード１１から排出されたカソードオフガスは、流路１０３，１０４を通過し、燃焼部１０５に至り、燃焼部１０５で燃焼される。高温の排ガスは、排ガス通路７５を介してケース５の外方に排出される。

上記したシステムの発電運転時において、ポンプ８０が駆動すると、タンク４内の水は、タンク４の出口ポート４ｐから蒸発部２の入口ポート２ｉに向けて給水管８ｗの給水通路８内を搬送され、蒸発部２で加熱されて水蒸気とされる。水蒸気はガス通路６から供給されるガスと共に改質部３に移動する。改質部３において燃料は、水蒸気で改質されてアノードガス（水素含有ガス）となる。なお燃料がメタン系である場合には、水蒸気改質による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。但し燃料はメタン系に限定されるものではない。
（１）…ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ
生成されたアノードガスはアノードガス通路７３を介してスタック１のアノード１０に供給される。更にカソードガス（酸素含有ガス、ケース５内の空気）がカソードガス通路７０を介してスタック１のカソード１１に供給される。これによりスタック１が発電する。スタック１で排出された高温の排ガスは、排ガス通路７５を介してケース５の外方に排出される。

排ガス通路７５には、凝縮機能をもつ熱交換器７６が設けられている。貯湯槽７７に繋がる貯湯通路７８および貯湯ポンプ７９が設けられている。貯湯通路７８は往路７８ａおよび復路７８ｃをもつ。貯湯槽７７の低温の水は、貯湯ポンプ７９の駆動により、貯湯槽７７の吐出ポート７７ｐから吐出されて往路７８ａを通過し、熱交換器７６に至り、熱交換器７６により加熱される。熱交換器７６で加熱された温水は、復路７８ｃを介して帰還ポート７７ｉから貯湯槽７７に帰還する。このようにして貯湯槽７７の水は温水となる。前記した排ガスに含まれていた水蒸気は、熱交換器７６で凝縮されて凝縮水となる。凝縮水は、熱交換器７６から延設された凝縮水通路４２を介して重力等により水精製器４３に供給される。水精製器４３はイオン交換樹脂等の水精製剤４３ａを有するため、凝縮水の不純物は除去される。不純物が除去された水は水タンク４に移動し、水タンク４に溜められる。ポンプ８０が駆動すると、水タンク４内の水は給水通路８を介して高温の蒸発部２に供給され、蒸発部２で水蒸気とされて改質部３に供給され、改質部３において燃料を改質させる改質反応として消費される。改質部３は本発明構造とされており、長手方向における熱膨張を吸収できるようにされている。

（その他）
本発明は上記し且つ図面に示した各実施形態および適用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。「燃料（燃料ガス）」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、灯油等を例示できる。

２００は改質器、２００ｅは一端部、２００ｆは他端部、２１０は蒸発部、２２１は第１改質部、２２２は第２改質部、３００は燃焼部、３１０は燃焼空間、４００はスタック、５００は断熱層、６００は筐体（固定部）、７０２，７０５は溶接部、８００は熱膨張吸収部、８０１は熱膨張吸収空間、８０２は載置面、８０３は下向き拘束面、８０４は横向き拘束面、８２１は第１隙間、８２２は第２隙間を示す。

Claims

蒸発部で生成された水蒸気で燃料ガスを改質させることにより水素を含有するアノードガスを生成させると共に長手方向に延設された改質器と、前記改質器を加熱させる燃焼炎を生成させる燃焼空間を形成する燃焼部と、アノードガスが供給されると共にカソードガスが供給されて発電するスタックと、前記改質器および前記スタックを包囲する断熱壁と、前記断熱壁に沿って配設された固定部とを具備しており、
前記改質器の長手方向の一端部は、前記改質器の長手方向における熱膨張に伴う前記一端部の変位を拘束させるように、前記固定部の一部に溶接部または取付具で固定されており、且つ、
前記改質器の長手方向の他端部は、熱膨張に伴って前記改質器の長手方向において相対変位可能に前記断熱壁の載置面に載置され、
水平方向に沿って切断する横断面で、前記断熱壁は、前記改質器の長手方向の前記他端部の側面に対面すると共に前記他端部の前記側面を拘束させる横向き拘束面をもち、前記改質器の長手方向の前記他端部の側面と前記断熱壁の前記横向き拘束面との間には、水平方向における前記改質器の前記他端部の変位を吸収するための第２隙間が形成されている燃料電池装置。
請求項１において、高さ方向に沿って切断する縦断面で、前記断熱壁は、前記改質器の長手方向の前記他端部の上面に対面すると共に前記他端部の上面を拘束させる下向き拘束面をもつ燃料電池装置。
請求項２において、高さ方向に沿って切断する縦断面で、前記改質器の長手方向の前記他端部の上面と前記断熱壁の前記下向き拘束面との間には、高さ方向における前記改質器の前記他端部の熱膨張に基づく変位を吸収するための第１隙間が形成されている燃料電池装置。