JP6036023B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電する燃料電池装置に関する。

特許文献１に開示されている燃料電池装置では、都市ガス等の被改質ガスを燃料ガスに改質する改質器が組み込まれている。改質器は、所定の間隔で配列された複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池セルスタックの上方に配置される。燃料電池スタックの下端から上端に向かって上昇する燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して、燃料電池セルスタックは発電を行う。燃料電池セルスタックで利用された燃料ガス及び酸化剤ガスは燃料電池セルスタックの上方で燃焼し、その燃焼熱によって改質器が加熱され、被改質ガスの燃料ガスへの改質が進行する。

特許文献１に開示された改質器は、改質器の一端に接続されて改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管及び改質器に水を供給する水供給管と、改質器の他端に接続されて改質器から燃料ガスを流出させる燃料ガス供給管によって支持されている。

特開２０１１−９６５７７号公報

改質器は金属製の容器に改質触媒が充填されているものであるため、重量が大きい。燃料電池装置、特に固体電解質形燃料電池装置では定常運転における運転温度が７００℃近くの高温になるため、起動時から定常運転時にかけての温度変化や、定常運転時から停止時にかけての温度変化が極めて大きなものとなる。このような温度変化の大きな中で、重量の大きな改質器を３本の供給管によって支えていると、高負荷下において各供給管や各供給管と改質器との接続部分が膨張及び収縮を繰り返すことになり、各供給管や接続部分における金属疲労及び熱疲労の進行が促進され長期間の使用に耐えられなくなる懸念が生じる。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、改質器に接続された各供給管における劣化や改質器と各供給管との接続部分における劣化を抑制し、長期間の使用に耐えうる燃料電池装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らは、改質器を支持するための支持部材を各供給管とは別に新設し、改質器の重量が各供給管に作用するのを低減させ、各供給管や接続部分に大きな機械的負荷がかかるのを抑制することを考えた。このように支持部材を別途設けると、確かに改質器の重量がそのまま各供給管に作用することはなくなる。しかしながら、支持部材と各供給管との熱膨張量の差が想定以上に存在し、その熱膨張量の差に起因して各供給管や改質器と各供給管との接続部分に応力がかかり、それらの部分の劣化が進行してしまうという新たなる課題が発生することを本発明者らは見出した。本発明は、かかる知見に基づいてなされたものである。

この新たなる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を利用して発電する燃料電池装置であって、内部に燃料ガスを通すための燃料ガス通路が形成された複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルスタックの上方に配置され、一端から他端へと被改質ガス及び水を通すことでその被改質ガスを燃料ガスへと改質する改質器と、前記改質器の一端に接続され、前記改質器に被改質ガス及び／又は水を供給する第１供給管と、前記改質器の他端に接続され、前記改質器から前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第２供給管と、を備え、前記燃料電池セルスタックが全体として直方体形状を成すように、前記複数の燃料電池セルが互いに沿うように立設されている。本発明では、前記燃料電池セルの立設方向に沿った前記燃料電池セルスタックの一側面と、その一側面とは反対側の他側面とのそれぞれに対向するように配置される第１支持部材及び第２支持部材が設けられており、前記第１支持部材は前記改質器の前記一端側を支持し、前記第２支持部材は前記改質器の前記他端側を支持するものであって、前記第１供給管には、前記第１支持部材及び前記第２支持部材の熱膨張量と前記第１供給管の熱膨張量との差分に基づく相対的な変位を許容するため、前記第１供給管の延伸方向に沿って伸縮可能な伸縮領域が形成され、前記伸縮領域は、前記第１供給管のみに設けられている。

このように本発明では、改質器を支持するための第１支持部材及び第２支持部材を、燃料電池セルの立設方向に沿った前記燃料電池セルスタックの一側面と、その一側面とは反対側の他側面とのそれぞれに対向するように配置し、燃料電池セルスタックの上方に配置される改質器を確実に支持することで、改質器の重量を第１支持部材及び第２支持部材で支えることができる。第１支持部材及び第２支持部材は、燃料電池セルスタックの側方に配置されるため、燃料電池セルスタックを含む領域の温度上昇に伴って熱膨張する。一方で、改質器に被改質ガス及び／又は水を供給する第１供給管の温度は相対的に低い中で熱膨張するので、両者の熱膨張量には差が生じる。そこで本発明では、改質器に被改質ガス及び／又は水を供給する第１供給管に、第１支持部材及び第２支持部材の熱膨張量と改質器に被改質ガス及び／又は水を供給する第１供給管の熱膨張量との差分に基づく相対的な変位を許容するため、第１供給管及び第２供給管の少なくとも一方の延伸方向に沿って伸縮可能な伸縮領域を設けている。従って、改質器を支持する第１支持部材及び第２支持部材と第１供給管との間で熱膨張量の差が生じたとしても、伸縮領域が供給管の延伸方向に沿って伸縮することでその差分による相対的な変位を吸収し、改質器と第１供給管の接続部分にかかる応力を抑制することができ、長期間の使用に耐えうる燃料電池装置を提供することができる。

また、本発明に係る燃料電池装置では、前記第１供給管は、前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管と、前記改質器に水を供給する水供給管とで構成され、前記伸縮領域は、前記被改質ガス供給管に設けられた第１伸縮領域と、前記水供給管に設けられた第２伸縮領域とを有し、前記第１伸縮領域及び前記第２伸縮領域は、前記被改質ガス供給管の熱膨張量と前記水供給管の熱膨張量との差分を吸収するため、前記延伸方向に沿った互いの伸縮量が異なるように構成されていることも好ましい。

被改質ガスの温度よりも水の温度が低いため、被改質ガスが被改質ガス供給管から奪う熱よりも、水が水供給管から奪う熱が大きくなる。従って、被改質ガス供給管及び水供給管を取り巻く環境温度が同じであっても、被改質ガス供給管の温度よりも水供給管の温度は低くなる。従って、被改質ガス供給管の熱膨張量よりも水供給管の熱膨張量が小さくなり、水供給管や水供給管と改質器との接続部分にかかる応力が過大になるおそれがある。そこでこの好ましい態様では、被改質ガス供給管に第１伸縮領域を設けると共に、水供給管に第２伸縮領域を設け、延伸方向に沿った互いの伸縮量が異なるように構成している。このように伸縮量の異なる第１伸縮領域と第２伸縮領域を設けることで、被改質ガス供給管の熱膨張量と水供給管の熱膨張量との差分を吸収し、水供給管や水供給管と改質器との接続部分にかかる応力が過大にならないようにすることができる。

また、本発明に係る燃料電池装置では、前記伸縮領域は、前記延伸方向に直交する横方向においても、前記第１支持部材及び前記第２支持部材と前記第１供給管との相対的な変位を許容するように構成されていることも好ましい。

本発明において第１支持部材は改質器の一端側を支持し、第２支持部材は改質器の他端側を支持している。改質器は、一端側から被改質ガス及び水を供給し、他端側から改質反応後の燃料ガスを取り出す構造になっている。従って、他端側から燃料ガスを取り出すための第２供給管は、改質反応後の高温の燃料ガスが通っているので、その近傍に配置される第２支持部材も第１支持部材に比較して高温になる。そのため、第１支持部材の熱膨張量に比較して第２支持部材の熱膨張量は大きなものとなり、結果として改質器が第１支持部材側に傾くおそれがある。このように第２支持部材側を支点として第１支持部材側が下降すると、第１供給管には横方向に撓らせるような力が加わる。そこでこの好ましい態様では、伸縮領域を、横方向においても、第１支持部材及び第２支持部材と第１供給管との相対的な変位を許容するように構成することで、このような撓らせる力が加わったとしても、改質器と第１供給管との接続部分にかかる応力を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池装置では、前記第１供給管は、前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管と、前記改質器に水を供給する水供給管とで構成されるものであって、前記改質器に隣接して配置されると共に、前記水供給管から供給された水を前記改質器へ供給する前に水蒸気へと気化させる蒸発室を備え、前記蒸発室及び前記改質器は前記第１支持部材及び前記第２支持部材によって支持され、前記蒸発室は前記改質器よりも前記伸縮領域側に配置されることも好ましい

本発明における改質器には改質触媒が充填されている一方で、蒸発室の内部は空洞となるように構成されている。従って、相対的に改質器が重く、蒸発室が軽い部分となる。そこでこの好ましい態様では、比較的軽い蒸発室を伸縮領域側に配置することで、第１支持部材及び第２支持部材に熱膨張量の差ができてしまっても、伸縮領域側に過度な負担をかけることが低減される。

また、本発明に係る燃料電池装置では、前記伸縮領域は、前記複数の燃料電池セルが配置されている高さに対応した位置に設けられていることも好ましい。

燃料電池セル上端で残余の燃料ガスと空気とが燃焼する燃焼ガスは、燃料電池セル上端から上方に向かうので、燃焼ガスに伴う燃焼熱も同様に上方に伝播する。そこで、この好ましい態様では、伸縮領域を燃焼電池セルが配置されている高さに対応した位置に設けることで、燃焼熱の伸縮領域への回りこみを抑制することができる。従って、伸縮領域の伸縮性能を低下させることなく、より確実に改質器と配管との接続部にかかる応力を抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池装置では、前記第１支持部材は、前記伸縮領域と前記燃料電池セルとの間に介在するように形成されていることも好ましい。

この好ましい形態では、燃料電池セル側から伝搬する熱を直接伸縮領域に伝えないように第１支持部材を介在させているので、伸縮領域の伸縮性能を低下させることなく、より確実に改質器と配管との接続部にかかる応力を抑制することができる。

本発明によれば、改質器に接続された各供給管における劣化や改質器と各供給管との接続部分における劣化を抑制し、長期間の使用に耐えうる燃料電池装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。 図１の燃料電池モジュールの断面図である。 図１のケーシングの一部を取り除いた状態を示す側面図である。 図１のケーシング及び熱交換器を取り除いた状態を示す斜視図である。 図１のケーシング及び熱交換器を取り除いた状態を示す側面図である。 スペーサ及び支持部材の構造を概略的に示す斜視図である。 図２に相当する模式図であって、酸化剤ガス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、酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 燃料電池セルスタックの構造を示す斜視図である。 図１のケーシングの一部を取り除いた状態を示す側面図であって、燃料電池装置の支持部材が熱膨張した状態を示す図である。 燃料電池装置の伸縮領域を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の一実施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同一の符号を付して、重複する説明は省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の燃料電池モジュール２の外観を示す斜視図である。燃料電池モジュール２は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）装置の一部を構成するものである。すなわち、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、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（幅方向）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（長さ方向）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、燃料電池セルスタック（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は例えば直方体形状に形成されている。熱交換器２２はケーシング５６の上面上に配置されている。ケーシング５６内には後述の燃料電池セルスタックが配置されている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０（第１供給管）と、水供給管６２（第２供給管）と、が連結されている。その一方で、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、が連結されている。

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る水をケーシング５６の内部に供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質によって生成された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）をケーシング５６の内部に供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスを燃焼させた結果生じる燃焼ガスをケーシング５６の外部に排出する管路である。

次に、図２〜図５を参照しながら、本発明に係る燃料電池装置の燃料電池モジュール２の内部構造について説明する。図２は、図１のｘｙ平面に平行な切断面に沿って燃料電池モジュール２を切断した断面図である。図３は、図１に示す燃料電池モジュール２からケーシング５６の一部を取り外した状態を示す燃料電池モジュール２の短手方向の側面図である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２からケーシング５６及び熱交換器２２を取り外した状態を示す斜視図である。図５は、図１に示す燃料電池モジュール２からケーシング５６及び熱交換器２２を取り外した状態を示す燃料電池モジュール２の長手方向の側面図である。

図１〜図３に示すように、ケーシング５６は燃料電池セルスタック１２の全体を覆っている。燃料電池セルスタック１２は、直立姿勢で相互に平行に配置される燃料電池セルユニット１６の集合体から形成されている。図４に示すように、燃料電池セルスタック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の輪郭を有しており、改質器２０の下面に沿ってｘｚ平面に平行に広がる上面と、燃料ガスタンク６８の上面に沿ってｘｚ平面に平行に広がる下面と、ｙｚ平面に平行に広がる一対の長辺側の側面と、ｘｙ平面に平行に広がるとともに一対の長辺側の側面同士を相互に接続する一対の短辺側の側面と、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は改質器２０に隣接して設けられている。蒸発混合器は、後述の燃焼部１８で燃焼させられる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（都市ガス等）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に繋がる。より具体的には、図３に示すように、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、改質器２０の上流端である図３中右側の一端に繋がれている。

改質器２０は、燃料電池セルスタック１２の上方に形成された燃焼部１８の更に上方に配置されている。従って、改質器２０は、発電反応後の発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガス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の下流端である図３中左側の他端には燃料供給管６６（第３供給管）の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａ（図２参照）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３及び図４に示すように、燃料ガスタンク６８は燃料電池セルスタック１２の真下に設けられている。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で生成された燃料ガスは、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。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、各燃料電池セルユニット１６の内部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内をその下端から上端に向かって上昇して、燃焼部１８に至る。

図２〜図４に示すように、燃料電池セルスタック１２の一対の長辺側の側面には、それぞれ支持部材３０ａ（第１支持部材）、支持部材３０ｂ（第２支持部材）が対向して配置されている。支持部材３０ａ、３０ｂは、それぞれ内向き面で燃料電池セルスタック１２の長辺側の側面に対向している。支持部材３０ａ、３０ｂは、燃料電池セルスタック１２の一対の長辺側の側面からそれぞれ等距離に規定される中間面（図示せず）に対して面対称の構造を有している。本実施形態では、中間面は、ｘｙ平面に平行に規定されるとともに、燃料電池セルスタック１２の長手方向の中心位置を通る平面で規定される。

支持部材３０ａ、３０ｂは、燃料電池セルスタック１２の側面に沿って広がる側板３１と、側板３１の上端から内向きに突き出てｘｚ平面に平行に広がる上板３２と、を備えている。一方の支持部材３０ａの側板３１の外側に前述の被改質ガス供給管６０及び水供給管６２が配置され、他方の支持部材３０ｂの側板３１の外側に前述の燃料供給管６６が配置されている。被改質ガス供給管６０、水供給管６２及び燃料供給管６６は対応の側板３１の外向き面にそれぞれ対向している。支持部材３０ａ、３０ｂは例えばステンレス鋼などの金属材料から形成されている。

１対の支持部材３０ａ、３０ｂの各上板３２の上面には改質器２０が固定されている。改質器２０の一端すなわち上流端は、一対のスペーサ３３ａ、３３ｂによって支持部材３０ａの上板３２に固定される一方で、改質器２０の他端すなわち下流端は、同様に、一対のスペーサ３３ａ、３３ｂによって支持部材３０ｂの上板３２に固定される。スペーサ３３ａ、３３ｂは改質器２０の底面に例えば溶接やねじ止めによって固定されてよい。また、スペーサ３３ａ、３３ｂは上板３２に例えばねじ止めによって固定されてよい。スペーサの数は一対より大きな数に設定されてもよい。

図２及び図５から明らかなように、支持部材３０ａ、３０ｂの各上板３２と改質器２０の底面との間にはスペーサ３３ａ、３３ｂの働きで空気流路３４が形成される。発電反応後の発電に寄与しなかった残余の燃料ガス及び酸化剤ガスや、これらの燃料ガス及び酸化剤ガスの燃焼部１８での燃焼によって生成された燃焼ガスが、空気流路３４を通って流通する。本実施形態では、スペーサ３３ａ、３３ｂは、支持部材３０ａ上の空気流路３４と支持部材３０ｂ上の空気流路３４とが前述の中間面に対して面対称に形成されるように配置されている。言い替えれば、空気流路３４は、燃料電池セルスタック１２の長手方向に見通した場合に同じ位置に配置される。

図４及び図５から明らかなように、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２にはその長手方向に沿ってそれぞれ伸縮領域３５ａ、３５ｂが形成されている。伸縮領域３５ａ、３５ｂは、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２の他の部分に比べて薄肉化され、蛇腹形状をなしており、長手方向に沿って伸縮可能なように構成されている。伸縮領域３５ａ、３５ｂは、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２と同様に金属材料から形成されており、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２に一体化されている。また、伸縮領域３５ａ、３５ｂと燃料電池セルスタック１２との間には支持部材３０ａが配置されており、伸縮領域３５ａ、３５ｂは側板３１の外向き面に対向している。

こうした伸縮領域３５ａ、３５ｂは蛇腹形状の働きで例えば被改質ガス供給管６０及び水供給管６２の長手方向に伸展したり収縮したりすることができる。また、伸縮領域３５ａ、３５ｂより上側の被改質ガス供給管６０や水供給管６２の部分と、伸縮領域３５ａ、３５ｂより下側の被改質ガス供給管６０や水供給管６２の部分との相対変位を許容することができる。なお、燃料供給管６６にも同様に伸縮領域を形成しても良い（図示せず）。

図６は、スペーサ３３ａ、３３ｂ及び支持部材３０ａの構造を概略的に示す斜視図である。図６から明らかなように、すべてのスペーサ３３ａ、３３ｂは同一の形状及び同一の大きさを有している。本実施形態では、スペーサ３３ａ、３３ｂは、例えばｚ軸方向に長尺に延びてｘｚ平面に平行に平たく広がる平板から形成されている。前述したように、一方の支持部材３０ａ上のスペーサ３３ａ、３３ｂと、他方の支持部材３０ｂ上のスペーサ３３ａ、３３ｂとは、一対の空気流路３４、３４が前述の中間面に対して面対称に形成されるように配置されている。

また、一方の支持部材３０ａ上のスペーサ３３ａ、３３ｂ、及び、他方の支持部材３０ｂ上のスペーサ３３ａ、３３ｂは、燃料電池セルスタック１２の一対の短辺側の側面から等距離に規定される第２の中間面に対して面対称の位置に配置されている。言い替えれば、燃料電池モジュール２の短手方向に見通した場合に、スペーサ３３ａ、３３ａ同士は相互に同じ位置に配置される。第２の中間面は、ｙｚ平面に沿って広がるとともに、燃料電池セルスタック１２の短手方向の中心位置を通る平面で規定される。なお、スペーサ３３ａ、３３ｂの配置や形状、大きさは、燃料電池セルスタック１２を流れる酸化剤ガスや燃料ガスの流量によって変更されてよい。

次に、図２〜図５に加えて図７及び図８を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部に発電用空気を供給するための構造を説明する。図７は、図２に対応する模式図であって、酸化剤ガス及び燃焼ガスの流れを示す図である。図８は、図３に対応する模式図であって、同様に酸化剤ガス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が配置されている。熱交換器２２内には、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）には上述の発電用空気導入管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）から熱交換器２２内に酸化剤ガスが導入される。熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、発電用空気流路７２の一対の出口ポート７６ａ、７６ａが形成されている。この出口ポート７６ａの各々はそれぞれ連絡流路７６につながっている。さらに、図２に示すように、ケーシング５６の幅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。

従って、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から酸化剤ガスが供給される。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セルスタック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スタック１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セルスタック１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて酸化剤ガス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から吹き出された酸化剤ガスは、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って燃料電池セルユニット１６の下部から上部に向かって流れる。すなわち、燃料電池セルユニット１６、１６同士の間に酸化剤ガス流路７９が形成される。

次に、燃料ガスと酸化剤ガス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、燃焼部１８内を上昇し、整流板２１に至る。整流板２１には開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。同時に、燃焼ガスは、改質器２０の両端に形成された空気流路３４、３４を通って上昇し、開口２１ａ内に導かれる。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、燃焼ガス排出管８２によって燃焼ガスが外部に排出される。このとき、燃焼ガスや燃料に利用されなかった残余の酸化剤ガスは空気流路３４、３４を通って流れる。

次に、図９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９は、燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。図９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、内側電極層９０と同心円状に広がる円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間に配置された電解質層９４と、を備えている。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の上端及び下端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及び外側電極層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に接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃに直接接触することにより、内側電極層９０に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。

次に、図１０を参照しながら燃料電池セルスタック１２について説明する。図１０は、燃料電池セルスタック１２を示す斜視図である。図１０に示すように、燃料電池セルスタック１２は、１６本の燃料電池セルユニット１６の集合体ごとにその下端及び上端が、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の集合体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。さらに、燃料電池セルスタック１２の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の集合体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ユニット１６の集合体の端にある燃料電池セルユニット１６の集合体の外部端子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。

次に図１１を参照しながら支持部材３０ａ、３０ｂが熱膨張した場合について説明する。図１１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスの燃焼熱によって改質器２０が加熱され、改質器２０を支持する支持部材３０ａ、３０ｂが熱の影響を受けて熱膨張し、改質器の位置が変動する。被改質ガス供給管６０及び水供給管６２には常温の流体が流れているので、支持部材３０ａと被改質ガス供給管６０及び水供給管６２との間に、熱膨張差が生じる。その結果、改質器２０と被改質ガス供給管６０及び水供給管６２との接続部分に応力が生じ、破損するおそれがある。しかしながら、本実施形態では、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２に、伸縮領域３５ａ、３５ｂが形成されているので、伸縮領域３５ａ、３５ｂの伸展又は収縮により、熱膨張の差分による相対変位を許容することができる。

このように構成することにより、改質器２０に接続された配管や改質器２０と配管との接続部分の劣化を抑制し、長期間にわたって使用することができる。

また、改質器２０の支持部材３０ｂの近傍には、改質反応が起こった高温の燃料ガスが通るため、支持部材３０ｂは熱の影響を受けて高温になる。一方、改質器２０の支持部材３０ａは、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２に比較的低温の流体が流れているため、支持部材３０ｂより低温になる。このため、支持部材３０ａ、３０ｂ同士でも熱膨張差が生じる。その結果、改質器２０が傾くことで配管にしなりが生じ、配管と改質器２０との接続部分に応力が生じて破損するおそれがある。しかし、本実施形態では、伸縮領域３５ａ、３５ｂは、図１１に示すように、水平方向（図１におけるＡ方向、横方向）における相対変位を許容することができるように形成されているので、接続部分にかかる応力を抑制することができる。なお、伸縮領域３５ａ、３５ｂの伸縮方向は、水平方向（図１におけるＢ方向、横方向）における相対変異を許容するように構成しても良い。

このように伸縮領域３５ａ、３５ｂを構成することにより、支持部材３０ａ、３０ｂの熱膨張による改質器２０の傾きによって生じる配管のしなりを吸収することができる。その結果、改質器２０と被改質ガス供給管６０及び水供給管６２との接続部分にかかる応力を抑制することができ、接続部分における劣化をさらに抑制することができる。

また、水が水供給管６２を通る際に奪う熱量は、被改質ガスが被改質ガス供給管６０を通る際に奪う熱量よりも多いので、水供給管６２と被改質ガス供給管６０との間でも熱膨張差が生じる。したがって、本実施形態では、被改質ガス供給管に設けられた伸縮領域３５ａ及び水供給管に設けられた伸縮領域３５ｂにおいて、水供給管に設けられた伸縮領域３５ｂの伸び量を、被改質ガス供給管に設けられた伸縮領域３５ａの伸び量よりも大きくなるように形成し、熱膨張差を吸収する。この結果、水供給管６２と被改質ガス供給管６０との間の熱膨張差により生じる応力を抑制することができる。

また、改質器２０に隣接して配置され、水供給管６２から供給された水を改質器２０に供給する前に水蒸気へ気化させる蒸発混合器は、支持部材３０ａ、３０ｂに支持されている。そして、蒸発混合器は、改質器２０よりも伸縮領域３５ａ、３５ｂの近傍に配置するように構成する。

このように構成することにより、支持部材３０ａと支持部材３０ｂとの熱膨張差によって被改質ガス供給管６０及び水供給管６２へ応力が生じる場合でも、伸縮領域３５ａ、３５ｂによって吸収することができる。これにより、被改質ガス供給管６０及び水供給管６２と改質器との接続部分における劣化をさらに抑制することができる。

また、図１１及び図１２に示すように、伸縮領域３５ａ、３５ｂは、燃焼部１８よりも下方に配置されている。言い換えれば、燃料電池セル８４の配置されている高さに配置する。これにより、燃焼熱は燃料電池セル８４よりも上部へ向かうため、燃焼部１８で発生した熱が伸縮領域３５ａ、３５ｂに与える影響を小さくするができ、伸縮領域３５ａ、３５ｂの伸縮性能の低下を防ぐことができる。よって、改質器２０と配管との接続部分における劣化をさらに抑制することができる。

また、支持部材３０ａは、被改質ガス供給管６０又は水供給管６２に設けられた伸縮領域３５ａ、３５ｂと燃料電池セル８４との間に介在するように形成する。

このように構成することにより、支持部材３０ａ、３０ｂによって、燃焼部１８で生じた燃焼ガスが伸縮領域３５ａ、３５ｂに与える熱影響や、燃料電池セルユニット１６側から伝搬する熱影響を小さくすることができるので、伸縮領域３５ａ、３５ｂの伸縮性能の低下を防ぐことができる。この結果、改質器２０と配管との接続部分にかかる応力を抑制でき、接続部分の劣化を防ぐことができる。

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。しかしながら、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及びその配置、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
１０ 発電室
１２ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼部
２０ 改質器
２１ 整流板
２１ａ 開口
２２ 熱交換器
３０ａ 支持部材
３０ｂ 支持部材
３１ 側板
３２ 上板
３３ａ スペーサ
３４ 空気流路
３５ａ 伸縮領域
３５ｂ 伸縮領域
５６ ケーシング
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
６８ａ 燃料ガスタンク上板
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 吹出口
７９ 酸化剤ガス流路
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 (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して発電する燃料電池装置において、
   内部に燃料ガスを通すための燃料ガス通路が形成された複数の燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックと、
   前記燃料電池セルスタックの上方に配置され、一端から他端へと被改質ガス及び水を通すことでその被改質ガスを燃料ガスへと改質する改質器と、
   前記改質器の一端に接続され、前記改質器に被改質ガス及び／又は水を供給する第１供給管と、
   前記改質器の他端に接続され、前記改質器から前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する第２供給管と、を備え、
   前記燃料電池セルスタックが全体として直方体形状を成すように、前記複数の燃料電池セルが互いに沿うように立設され、
   前記燃料電池セルの立設方向に沿った前記燃料電池セルスタックの一側面と、その一側面とは反対側の他側面とのそれぞれに対向するように配置される第１支持部材及び第２支持部材が設けられており、
   前記第１支持部材は前記改質器の前記一端側を支持し、前記第２支持部材は前記改質器の前記他端側を支持するものであって、
   前記第１供給管には、前記第１支持部材及び前記第２支持部材の熱膨張量と前記第１供給管の熱膨張量との差分に基づく相対的な変位を許容するため、前記第１供給管の延伸方向に沿って伸縮可能な伸縮領域が形成され、
   前記伸縮領域は、前記第１供給管のみに設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記第１供給管は、前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管と、前記改質器に水を供給する水供給管とで構成され、
   前記伸縮領域は、前記被改質ガス供給管に設けられた第１伸縮領域と、前記水供給管に設けられた第２伸縮領域とを有し、
   前記第１伸縮領域及び前記第２伸縮領域は、前記被改質ガス供給管の熱膨張量と前記水供給管の熱膨張量との差分を吸収するため、前記延伸方向に沿った互いの伸縮量が異なるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記伸縮領域は、前記延伸方向に直交する横方向においても、前記第１支持部材及び前記第２支持部材と前記第１供給管との相対的な変位を許容するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記第１供給管は、前記改質器に被改質ガスを供給する被改質ガス供給管と、前記改質器に水を供給する水供給管とで構成されるものであって、
   前記改質器に隣接して配置されると共に、前記水供給管から供給された水を前記改質器へ供給する前に水蒸気へと気化させる蒸発室を備え、
   前記蒸発室及び前記改質器は前記第１支持部材及び前記第２支持部材によって支持され、前記蒸発室は前記改質器よりも前記伸縮領域側に配置されることを特徴とする請求項３
   に記載の燃料電池装置。
5. 前記伸縮領域は、前記複数の燃料電池セルが配置されている高さに対応した位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
6. 前記第１支持部材は、前記伸縮領域と前記燃料電池セルとの間に介在するように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池装置。

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