JP7279323B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、改質器を用いて炭化水素系燃料を水蒸気改質処理した燃料ガスにより発電を行う固体酸化物型燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。固体酸化物型燃料電池は、天然ガスやエタノール等の入手容易な燃料で発電できるという利点がある。しかし、固体酸化物型燃料電池は反応温度が高いため、稼働時に燃料電池スタックや改質器等の部品が高温になる。

燃料電池システムを車両に搭載する場合、防水性や耐チッピング性の観点から、金属等の筐体内に燃料電池や改質器などの部品を締結して配置することが好ましい。しかし筐体内に締結された固体酸化物型燃料電池のスタックや改質器などの部品が高温になると、熱による膨張応力により筐体や高温になった部品が変形し、締結部分の緩みや部品の破損、劣化を引き起こす恐れがある。また、燃料電池スタックや改質器などの部品が高温になると、高温部位に接続される配管等に過大な膨張応力がかかってしまい、応力吸収構造がないと、配管等が変形や破損、もしくは亀裂発生等により気密性が劣化してしまうという問題もある。

特許文献１には、筐体内に配置された改質器を筐体に固定する改質器の支持構造が開示されている。この支持構造では、改質器の熱膨張による応力を緩和するため、改質器をブラケットによりゴム材等の弾性マウントを介して筐体の内壁に固定している。

特開２００２－２８４５０６号公報

特許文献１に記載された改質器の支持構造では、弾性マウントを設けた部分の膨張応力を緩和することはできるものの、その他の部分には依然として熱による膨張応力がかかる。そのため、改質器の一部や、改質器に燃料を供給するための配管等、予期しない部位に熱による膨張応力がかかってしまう。

本発明の目的は、予期しない部位に高温部品の熱による膨張応力がかかることを抑制可能な燃料電池システムを提供することである。

本発明の一態様によれば、燃料電池及び燃料電池に燃料を供給する改質器の少なくとも一方を含む高温部品を収納する筐体を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムでは、筐体には一方向のみに変位可能な複数の一軸性マウントが固定され、筐体に収納される高温部品は、複数の一軸性マウントを介して筐体に固定され、複数の一軸性マウントは、各一軸性マウントの変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが任意の一点または所望の位置近傍の複数の点で交わるように配置される。

本発明によれば、筐体には一方向のみに変位可能な複数の一軸性マウントが固定され、筐体に収納される燃料電池及び改質器などの高温部品は、複数の一軸性マウントを介して筐体に固定される。また、複数の一軸性マウントは、各一軸性マウントの変位可能な方向に伸ばしたマウントの軸線どうしが一点または所望の位置近傍の複数の点で交わるように配置される。これにより、高温部品の熱膨張による変位方向を制御できるため、予期しない部位に膨張応力がかかることを防止でき、システム構成部品の劣化を抑制し、部品の破損を回避することができる。

図１は、第１実施形態による燃料電池システムの筐体内部を示す図である。 図２ａは、一軸性マウントを正面から見た模式図である。 図２ｂは、一軸性マウントを側面から見た模式図である。 図３ａは、変形例による一軸性マウントの模式図である。 図３ｂは、変形例による一軸性マウントの組立模式図である。 図４ａは、変形例による一軸性マウントの模式図である。 図４ｂは、変形例による一軸性マウントの組立模式図である。 図５は、一軸性マウントを設置した際の筐体内部を示す図である。 図６ａは、変形例による一軸性マウントを設置した際の筐体内部を示す図である。 図６ｂは、変形例による一軸性マウントを正面から見た模式図である。 図６ｃは、変形例による一軸性マウントを側面から見た模式図である。 図７は、第１実施形態の変形例による燃料電池システムの筐体内部を示す図である。 図８は、第２実施形態による燃料電池システムの筐体内部を示す図である。 図９は、第２実施形態の変形例による燃料電池システムの筐体内部を示す図である。 図１０は、第３実施形態による燃料電池システムにおける一軸性マウントの模式図である。 図１１は、第３実施形態による燃料電池システムにおける一軸性マウントを設置した際の筐体内部を示す図である。 図１２は、変形例による燃料電池システムの筐体内部を示す図である。

以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１００の筐体内部を示す図であり、筐体１の底面方向から見た図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２に対して発電に必要となる燃料ガス（アノードガス）及び酸化剤ガス（カソードガス）を供給し、燃料電池スタック２を車両走行用の電動モータ等の電気負荷に応じて発電させるシステムである。

燃料電池システム１００の筐体１内には、燃料電池スタック２と、燃料を改質して燃料電池スタック２にアノードガスを供給する改質器３とが配置されている。燃料電池スタック２と改質器３とは、改質された燃料ガスを改質器３から燃料電池スタック２に供給するアノードガス供給管４（配管）と、燃料電池スタック２から排出される排出ガスが流れる第１排気管５とにより連結されている。また、改質器３は、それぞれ改質器３に燃料を供給する燃料供給管６、空気を供給する吸気管７、及び改質器３から排出ガスを排出する第２排気管８を介して外部の補機類と連結されている。なお、この他に燃料電池システム１００には、カソードガス供給管が配設されるが、本発明の効果の説明においては、アノードガス供給管と同様なので省略する。

筐体１は金属等からなり、燃料電池スタック２及び改質器３を収納する。筐体１の内側には、反応温度の高い燃料電池スタック２や改質器３の熱が放熱されることによる熱損失を抑制するために断熱材１１が設けられている。断熱材１１は、燃料電池スタック２及び改質器３を収容可能な状態で筐体１内に設けられている。

燃料電池スタック２は高温で稼働する高温部品であり、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック２は複数の燃料電池又は燃料電池単位セルを積層して構成され、発電源である個々の燃料電池は例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。

改質器３は高温で稼働する高温部品であり、改質前燃料を燃料電池スタック２に供給するために適切な状態とすべく改質する。例えば、改質器３は、燃料供給管６から供給される燃料を触媒反応により水素を包含する燃料ガス（アノードガス）に改質する。

また、改質器３には図示しない排気燃焼器が備えられている。排気燃焼器は、燃料電池スタック２から排出された排出ガスを触媒燃焼させて燃焼ガスを生成する。排気燃焼器で生成された燃焼ガスは、熱交換により改質器３を加熱する。

アノードガス供給管４は、改質器３で改質されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給する配管であり、改質器３と燃料電池スタック２とを連結する。アノードガス供給管４は、一端が改質器３に、他端が燃料電池スタック２に、溶接等によって接合されている。また、アノードガス供給管４は、配管の一部または全部に柔軟性を有するフレキシブル部４１を備えるフレキシブル配管である。

第１排気管５は、燃料電池スタック２から排出される排出ガスを改質器３内の排気燃焼器へ送る配管であり、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する。第１排気管５は、一端が改質器３に、他端が燃料電池スタック２に、溶接等によって接合されている。また、第１排気管５は、配管の一部または全部に柔軟性を有するフレキシブル部５１を備えるフレキシブル配管である。

燃料供給管６は改質器３と筐体１外部の補機とを連結する連結部材であり、改質器３に改質前燃料を供給する配管である。燃料供給管６は溶接等によって一端が改質器３に接合され、他端は例えばバルブ等の補機に連接している。

吸気管７は改質器３と筐体１外部の補機とを連結する連結部材であり、例えばシステム起動時に改質器３を暖機する際、燃料を燃焼させるための空気を供給するなど、必要に応じて改質器３に空気を供給する配管である。吸気管７は溶接等によって一端が改質器３に接合され、他端は例えばバルブ等の補機に連接している。

第２排気管８は改質器３と筐体１外部の補機とを連結する連結部材であり、排気燃焼器により生成された燃焼ガスを筐体１外部に排出する配管である。第２排気管８は溶接等によって一端が改質器３に接合され、他端は例えばバルブ等の補機に連接している。

このように構成された燃料電池システム１００では、燃料供給管６から供給される燃料が改質器３によりアノードガスに改質され、改質されたアノードガスがアノードガス供給管４から燃料電池スタック２に供給される。なお、燃料電池スタック２には、図示しないカソードガス供給管を介して、筐体１外部からカソードガスが供給される。

一方、燃料電池スタック２から排出された排出ガスは第１排気管５を介して改質器３内の排気燃焼器に送られ、排気燃焼器は排出ガスを触媒燃焼させて燃焼ガスを生成する。排気燃焼器で生成された燃焼ガスは、熱交換により改質器３を加熱した後、第２排気管８を介して筐体１外部に排出される。

なお、改質器３とともに、液体燃料を加熱して改質前燃料ガスを生成する蒸発器や、排気燃焼器で生成された燃焼ガスと改質前燃料ガスを熱交換させて改質前燃料ガスを過熱する過熱器などを筐体１内に配置する構成にしてもよい。

また、燃費の観点から、燃料電池スタック２と改質器３とを排気管で連結してオフガスを利用することが好ましいが、必ずしもこれに限られず、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する排気管を設けない構成にしてもよい。

次に、燃料電池スタック２及び改質器３の支持構造について説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック２及び改質器３は、それぞれ複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定されている。

一軸性マウント９は、一方向（マウント軸線方向）のみに変位可能に構成されている。一軸性マウント９は、筐体１と燃料電池スタック２及び改質器３とが一軸性マウント９の変位方向に相対移動可能なように、下面が筐体１に固定され、上面が燃料電池スタック２及び改質器３に固定されている。このようにして、複数の一軸性マウント９は燃料電池スタック２及び改質器３を筐体１に固定している。なお、一軸性マウント９の構造の詳細は後述する。

燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、各一軸性マウント９の変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが一点で交わるように、即ち、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置されている。例えば、図１に示すように、燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしが一点Ｘで交わるように放射状に６個配置される。

同様に、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、各一軸性マウント９の変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが一点で交わるように、即ち、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置されている。例えば、図１に示すように、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしが一点Ｙで交わるように放射状に４個配置される。

複数の一軸性マウント９の軸線が交わる点は、筐体内部の高温部品が熱膨張した場合にも筐体１に対して相対変位しない点、即ち膨張中心を形成する。

このように各マウント軸線が一点（膨張中心）で交わるように複数の一軸性マウント９を配置すると、高温部品は熱膨張する際、膨張中心から放射状に膨張変位する。従って、膨張変位の方向と一軸性マウント９の変位可能な方向（マウント軸線方向）とが一致し、筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができる。

また、筐体１内部の高温部品を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置されるため、筐体１内部の高温部品が水平方向に移動することが規制される。従って、筐体１に収納される高温部品が筐体１に対して水平方向に揺動することが抑制される。

次に、図２及び図３を用いて、一軸性マウント９の構造を説明する。

図２ａ及び図２ｂは一軸性マウント９の模式図であり、図２ａは一軸性マウント９を正面から見た模式図、図２ｂは一軸性マウント９を側面から見た模式図である。

図２ａ及び図２ｂに示すように、一軸性マウント９は、シャフト９１、軸受（可動軸受）９２、部品固定部材９３、筐体固定部材９４から構成される。

シャフト９１は耐熱性の金属材料から成り、円柱状に構成される。シャフト９１は、筐体１に収納される高温部品の底面に平行な方向に延びる平行部９１１と、平行部９１１の両端から平行部９１１に対して垂直な方向に屈曲して延びる垂直部９１２を有する。平行部９１１は軸受９２により支持され、シャフト９１の両端（垂直部９１２の端部）は、溶接等により高温部品を支持する部品固定部材９３に接合される。なお、垂直部９１２の端部をフランジ状にして、ボルト等の締結部材により部品固定部材９３に締結してもよい。

軸受９２は耐熱性の金属材料から成り、底面においてボルト等の締結部材により筐体固定部材９４に固定される。軸受９２は、シャフト９１の平行部９１１において、筐体１に収納される高温部品の底面に平行な方向に変位可能な状態でシャフト９１を支持する。このように軸受９２は、高温部品の底面に平行な方向に変位可能な状態でシャフト９１を支持するとともに、一軸性マウント９を介して筐体１に固定される高温部品が筐体１に対して底面に平行な方向以外の方向に相対変位することを規制する。

部品固定部材９３は、例えばステンレス系の耐熱性材料等から成る板状の部材で、シャフト９１の両端（垂直部９１２の端部）においてシャフト９１に接合される。部品固定部材９３はシャフト９１の平行部９１１に平行な載置面９３１を有し、載置面９３１上には筐体１に収納される高温部品が載置され、高温部品はボルト等の締結部材により載置面９３１に固定される。

筐体固定部材９４は、例えばステンレス系の耐熱性材料等から成る板状の部材で、上面においてボルト等の締結部材により軸受９２が締結される。なお、後述するとおり、筐体固定部材９４の底面はボルト等の締結部材により筐体１に締結される。

このように、一軸性マウント９は、部品固定部材９３を介して筐体１内の高温部品に固定されるシャフト９１と、シャフト９１を一方向に変位可能な状態で支持する軸受９２と、から構成される。また、軸受９２は、筐体固定部材９４を介して筐体１に固定される。これにより、一軸性マウント９は一方向にのみ変位可能な状態で筐体１内の高温部品を筐体１に固定する。

なお、一方向にのみ変位可能な状態で筐体１内の高温部品を固定できれば一軸性マウント９は上記の構成に限らない。例えば図３（ａ）に示すように、シャフト９１の平行部９１１は一端のみに垂直部９１２を有する構成としてもよい。この場合、シャフト９１が軸受９２から脱落しないように、平行部９１１の長さを高温部品の膨張による変位の最大量よりも長めにとればよい。また、平行部９１１の他端に例えばフランジ状のストッパを設けてもよい。このような構成にすることで、図３（ｂ）に示すように、シャフト９１及び部品固定部材９３と、軸受９２及び筐体固定部材９４とをそれぞれ分離して製造して組み立てることが可能となり、一軸性マウント９をより容易に構成できる。

また、例えば図４（ａ）のように、一軸性マウント９をシャフト９１の平行部９１１に対して垂直な方向に延びる第２部品固定部材９３ｂと、シャフト９１の平行部９１１に対し平行な載置面９３１を有する第１部品固定部材９３ａとを備える構造にしてもよい。この場合、まず、第２部品固定部材９３ｂの上端において第２部品固定部材９３ｂと第１部品固定部材９３ａとをボルト等の締結部材により締結する。次に、第２部品固定部材９３ｂに貫通孔を設けて貫通孔にシャフト９１を貫通させてからシャフト９１と第２部品固定部材９３ｂを接合する。このような構成にすることで、図４（ｂ）に示すように、シャフト９１と、部品固定部材９３と、軸受９２及び筐体固定部材９４とをそれぞれ分離して製造して組み立てることが可能となり、一軸性マウント９をより容易に構成できる。

図５は一軸性マウント９を設置した際の筐体内部を示す図であり、筐体１の側面方向から見た図である。

図５に示すように、一軸性マウント９は、断熱材１１を介して筐体固定部材９４が筐体１にボルト等により締結されることで筐体１に固定される。なお、断熱材１１に貫通孔を設け、一軸性マウント９を、貫通孔を通して直接筐体１に固定してもよい。部品固定部材９３には、載置面９３１においてボルト等により筐体１内の高温部品（燃料電池スタック２及び改質器３）が固定される。

このような構成により、一軸性マウント９は、高温部品の底面と平行な方向に変位可能に高温部品を筐体１に固定する。また、軸受９２によって、シャフト９１に固定される高温部品が軸受９２の可動方向以外の方向に変位することが規制される。これにより、例えば高温部品の底面に対し垂直な方向等、軸受９２の可動方向以外の方向に筐体１が加振された場合に、筐体１に収納される高温部品が揺動することを抑制できる。

なお、高温部品の底面と平行な方向に変位可能に高温部品を筐体１に固定できれば、一軸性マウント９は上記のようなシャフト９１と軸受９２を備える構成にしなくてもよい。例えば図６（ａ）に示すように、一軸性マウント９を高温部品の底面に固定されるガイド９５と、筐体１に固定されるレール９６とによる構成とし、ガイド９５をレール９６に嵌合してレール方向に自由変位可能な構造にしてもよい。この場合、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すようにガイド９５でレール９６を抱え込むような構造にすることで、垂直方向の振動に対してガイド９５がレール９６から外れないように構成することができる。このように、ガイド９５及びレール９６を用いて一軸性マウント９を構成することで、より簡易な構成で、高温部品の底面と平行な方向に変位可能に高温部品を筐体１に固定することができる。

上記した第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、高温部品（燃料電池スタック２及び改質器３の少なくとも一方）を収納する筐体１に一方向のみに変位可能な複数の一軸性マウント９が固定され、筐体１に収納される高温部品は、複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定される。そして複数の一軸性マウント９は、各一軸性マウント９の変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが一点（膨張中心）で交わるように配置される。高温部品は膨張中心から放射状に熱膨張するため、膨張変位の方向と一軸性マウント９の変位可能な方向（マウント軸線方向）とが一致し、筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができる。このように、一軸性マウント９の配置によって高温部品の熱膨張による変位方向を制御できるため、予期しない部位に膨張応力がかかることを防止できる。その結果、システム構成部品の劣化を抑制し、部品の変形や破損を回避することができる。

また、一軸性マウント９の配置のみによって筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができるため、特許文献１のようにゴム材等の弾性マウントを用いる必要が無い。ゴム材等の容易に入手可能な材料からなる弾性マウントでは、マウントの耐熱性を確保できないため、システムに熱交換器等を設けて、ゴム材等の弾性マウントを冷却する必要がある。このように熱交換器を追加すると、システム構成が大型化してしまうという問題がある。しかし燃料電池システム１００においては、一軸性マウント９を冷却する必要が無いため、熱交換器を用いる必要が無く、システムの小型化、低コスト化を実現できる。

また、筐体１に収納される高温部品の熱膨張を許容することができるため、筐体１に断熱材１１等を設けることにより筐体１と高温部品との間に温度差が生じ、高温部品との間の熱膨張に膨張差が生じても、筐体１及び高温部品に熱応力が発生しない。これにより、筐体１や高温部品の変形、筐体１と高温部品の締結部の緩みを抑制することができる。

また、筐体１に収納される高温部品は、複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定され、各一軸性マウント９は、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置される。これにより、筐体１内部の高温部品が水平方向に移動することが規制されるため、高温部品が筐体１に対して水平方向に揺動することを抑制できる。

燃料電池システム１００においては、筐体１に収容される高温部品としての燃料電池スタック２と改質器３とが、改質器３から燃料電池スタック２へ燃料を供給するためのアノードガス供給管４（配管）により連結される。そして、それぞれ各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置された複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定される。従って、燃料電池スタック２及び改質器３のそれぞれが、水平方向に移動することが規制されるため、燃料電池スタック２及び改質器３が筐体１に対して水平方向に揺動することを抑制できる。

燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９の軸線どうしと、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９の軸線どうしとが、異なる一点で交わる。従って、燃料電池スタック２と改質器３とは、それぞれ膨張中心を形成する。これにより、燃料電池スタック２と改質器３とは、個々に熱膨張が許容され、筐体１と燃料電池スタック２及び改質器３との間の熱膨張に膨張差が生じても熱応力が発生しない。これにより、筐体１や燃料電池スタック２及び改質器３の変形、筐体１と燃料電池スタック２及び改質器３の締結部の緩みを抑制することができる。

燃料電池システム１００においては、筐体１に収納される燃料電池スタック２と改質器３とを連結する改質器３から燃料電池スタック２へ燃料を供給するためのアノードガス供給管４（配管）が、柔軟性を有するフレキシブル部４１を備えるフレキシブル配管により構成される。これにより、配管にかかる燃料電池スタック２及び改質器３の熱膨張による膨張応力を緩和することができ、配管の変形や破損、もしくは亀裂発生による気密性の劣化等を防止できる。

燃料電池システム１００においては、一軸性マウント９は、筐体１に収納される燃料電池スタック２及び改質器３に固定されるシャフト９１と、シャフト９１を一方向に変位可能な状態で支持する軸受９２とから構成され、軸受９２は筐体１に固定される。このように、軸受９２はシャフト９１を一方向に変位可能な状態で支持するため、シャフト９１に固定される燃料電池スタック２及び改質器３が筐体１に対し軸受９２の可動方向以外に相対変位することを規制できる。また、筐体１に収納される燃料電池スタック２及び改質器３は、各マウント軸線が少なくとも異なる２種類以上の方向になるように配置された複数の一軸性マウント９を介して筐体１に固定されるため、燃料電池スタック２及び改質器３が水平方向に移動することも規制される。このため、水平方向や垂直方向を含むすべての方向への燃料電池スタック２及び改質器３の揺動を防止できる。従って、燃料電池スタック２及び改質器３の周囲に、揺動を許容するための空隙を設ける必要がなく、システムを小型化することができる。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック２を筐体１に固定する一軸性マウント９を６個、改質器３を筐体１に固定する一軸性マウント９を４個配置する構成としたがこれに限らない。筐体１に対する高温部品の揺動をより確実に防止する観点から、一軸性マウント９は放射状に４個以上設けることが好ましいが、軸線方向の異なる一軸性マウント９が少なくとも２個以上あれば膨張中心が形成され、筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができる。

（第１実施形態の変形例）
図７を参照して、第１実施形態の変形例による燃料電池システム１００を説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図７は、第１実施形態の変形例による燃料電池システム１００の筐体内部を示す図であり、筐体１の底面方向から見た図である。本変形例においては、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管の構成及び複数の一軸性マウント９の軸線により形成される膨張中心の位置が第１実施形態と異なる。

図７に示すように、燃料電池スタック２と改質器３とは、改質器３から燃料電池スタック２にアノードガスを供給するアノードガス供給管４’及び燃料電池スタック２から排出される排出ガスを改質器３内の排気燃焼器へ送る第１排気管５’により連結される。

アノードガス供給管４’及び第１排気管５’は、第１実施形態と異なり、フレキシブル部を備えていない金属製の配管であり、例えば一端が燃料電池スタック２に溶接され、他端が改質器３に溶接されることで燃料電池スタック２と改質器３とを連結している。

図７に示すように、燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしがアノードガス供給管４’及び第１排気管５’と燃料電池スタック２との接合部分近傍の一点Ｘ’で交わるように配置される。即ち、燃料電池スタック２の膨張中心が、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管近傍に形成されるように一軸性マウント９が配置される。

同様に、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしがアノードガス供給管４’及び第１排気管５’と改質器３との接合部分近傍の一点Ｙ’で交わるように配置される。即ち、改質器３の膨張中心が、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管近傍に形成されるように一軸性マウント９が配置される。

このように、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、いずれも燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管の近傍に形成されるように一軸性マウント９が配置される。これにより、燃料電池スタック２と改質器３との連結部位における膨張変位が抑制され、配管に高温部品の膨張応力がかかることが抑制される。このため、高温部品を連結する配管にフレキシブル部を設ける必要がない。

上記した第１実施形態の変形例による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、いずれも燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管の近傍に形成されるように一軸性マウント９が配置される。従って、燃料電池スタック２と改質器３との連結部位における膨張変位が抑制され、配管に高温部品の膨張応力がかかることが抑制される。このため、高温部品を連結する配管にフレキシブル部を設ける必要がなく、連結配管を短くすることができ、燃料電池システム１００をより小型化、低コスト化できる。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管の近傍に形成されるように一軸性マウント９を配置しているが、各膨張中心が配管上に形成されるように一軸性マウント９を配置してもよい。

（第２実施形態）
図８を参照して、第２実施形態による燃料電池システム１００を説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図８は、第２実施形態による燃料電池システム１００の筐体内部を示す図であり、筐体１の底面方向から見た図である。本実施形態においては、複数の一軸性マウント９の軸線により形成される膨張中心の数及び位置が第１実施形態と異なる。

図８に示すように、複数の一軸性マウント９は、燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９のマウント軸線どうしと、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９のマウント軸線どうしとが、同一の一点Ｘ’’で交わるように配置される。即ち、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが一致するように一軸性マウント９が配置される。

また、複数の一軸性マウント９は、マウント軸線どうしが交わる点Ｘ’’が燃料供給管６、吸気管７及び第２排気管８と改質器３との接合部近傍に位置するように配置される。

このように、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、改質器３と筐体１外部の補機類とを連結する連結部材近傍における同一の一点Ｘ’’に形成されるように、一軸性マウント９が配置される。

筐体１内部の高温部品と筐体１外部の補機類とを連結する連結部材に膨張応力がかかる場合、例えば連結部材にホース類を介在させるなどして応力を吸収する必要がある。しかし、本実施形態においては、筐体１内部の高温部品と外部の補機類とを連結する連結部材近傍に膨張中心が形成されるため、高温部品の熱膨張による連結部材の変位が抑制される。従って、連結部材に吸収機構を設けることを省略できる。

なお、本実施形態のように燃料電池スタック２と改質器３とを連結し、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが同一の一点Ｘ’’に形成されるように一軸性マウント９を配置することで、燃料電池スタック２、改質器３及び燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管を一つの剛体と見なすことができる。従って、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管にかかる膨張応力が抑制されるため、アノードガス供給管４’及び第１排気管５’にフレキシブル部を設ける必要が無い。従って、図８に示すように、燃料電池スタック２と改質器３とを連結するアノードガス供給管４’及び第１排気管５’は、第１実施形態の変形例と同様に、フレキシブル部を備えていない。

上記した第２実施形態による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが、筐体１内部の高温部品と外部の補機類とを連結する連結部材近傍における同一の一点Ｘ’’に形成されるように一軸性マウント９が配置される。このように膨張中心が筐体１内部の改質器３と筐体１外部の補機類とを連結する連結部材近傍に形成されるため、高温部品の熱膨張による連結部材の変位が抑制される。従って、補機類に連結される連結部材に吸収機構を設けることが不要になり、システムの小型化、低コスト化が可能となる。

また、燃料電池スタック２と改質器３とが連結され、燃料電池スタック２の膨張中心と改質器３の膨張中心とが同一の一点Ｘ’’に形成されるため、燃料電池スタック２及び改質器３を一つの剛体と見なすことができる。従って、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管にかかる膨張応力が抑制される。これにより、燃料電池スタック２と改質器３とを連結する配管にフレキシブル部を設ける必要がなく、連結配管を短くすることができるため、燃料電池システム１００をより小型化、低コスト化できる。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック２及び改質器３の膨張中心が、筐体１内部の改質器３と筐体１外部の補機類とを連結する連結部材近傍の一点Ｘ’’に形成されるように一軸性マウント９を配置しているが、膨張中心が連結部材上の一点に形成されるように一軸性マウント９を配置してもよい。

（第２実施形態の変形例）
図９を参照して、第２実施形態の変形例による燃料電池システム１００を説明する。なお、他の実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図９は、第２実施形態の変形例による燃料電池システム１００の筐体内部を示す図であり、筐体１の底面方向から見た図である。本変形例においては、連結部材の配置が第２実施形態と異なる。

図９に示すように、燃料供給管６、吸気管７及び第２排気管８は一箇所に集中的に配置され、複数の一軸性マウント９は、これらの連結部材が集中的に配置される箇所の近傍に膨張中心Ｘ’’が形成されるように配置される。

上記した第２実施形態の変形例による燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、筐体１内部の高温部品と外部の補機類とを連結する複数の連結部材が一箇所に集中的に配置され、複数の一軸性マウント９は、連結部材が集中的に配置される箇所の近傍に膨張中心が形成されるように配置される。これにより、各連結部材と膨張中心との距離が近くなり、連結部材にかかる筐体１内部の高温部品の熱膨張による応力がより抑制される。

また、複数の連結部材が一箇所に集中的に配置されるため、連結部材が貫通する断熱材１１の貫通孔を一箇所のみに設ければよく、断熱材１１の加工が容易になる。

また、一箇所に集中的に配置される連結部材の管径が小さい場合、各連結部材と膨張中心との距離がより近くなり、連結部材にかかる筐体１内部の高温部品の熱膨張による応力がさらに抑制される。

（第３実施形態）
図１０及び図１１を参照して、第３実施形態による燃料電池システム１００を説明する。なお、他の実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１０は、第３実施形態による燃料電池システム１００における一軸性マウント９’の模式図である。本実施形態においては、一軸性マウントの変位方向が他の実施形態と異なる。

図１０に示すように、一軸性マウント９’は、シャフト９１’、軸受９２’、部品固定部材９３’及び筐体固定部材９４’から構成される。

シャフト９１’は、筐体１に収納される高温部品の底面に対して傾斜した方向に延びる第１傾斜部９１３と、第１傾斜部９１３の両端から第１傾斜部９１３に対して垂直な方向に屈曲して延びる第２傾斜部９１４とを有する。シャフト９１’は、第１傾斜部９１３において軸受９２’により支持され、シャフト９１’の両端（第２傾斜部９１４の端部）は、溶接等により高温部品を支持する部品固定部材９３’に接合される。

軸受９２’は、筐体１に収納される高温部品の底面に対して垂直な方向に延びる垂直部９２１と、垂直部９２１の上部からシャフト９１’の第１傾斜部９１３に対して垂直な方向に屈曲して延びる傾斜部９２２を有している。

軸受９２’は、底面においてボルト等の締結部材により筐体固定部材９４’に固定される。軸受９２’は、シャフト９１’の第１傾斜部９１３において、筐体１に収納される高温部品の底面に対し傾斜した方向に変位可能な状態でシャフト９１’を支持する。

このように軸受９２’は、高温部品の底面に対し傾斜した方向に変位可能な状態でシャフト９１’を支持するとともに、部品固定部材９３を介してシャフト９１’に固定される高温部品が、シャフト９１’の第１傾斜部９１３に平行な方向以外の方向に変位することを規制する。

部品固定部材９３’は、耐熱性材料から成る部材であり、筐体１に収納される高温部品を載置する面であって高温部品の底面に平行な平面としての載置面９３２、載置面９３２と垂直な方向に延びる側面９３３及びシャフト９１’の第１傾斜部９１３に平行な傾斜面９３４を有する。部品固定部材９３’の傾斜面９３４には、シャフト９１’の端部が接合される。部品固定部材９３’の載置面９３２上には筐体１に収納される高温部品が載置され、高温部品はボルト等の締結部材により部品固定部材９３’に固定される。

筐体固定部材９４’は、耐熱性材料から成る板状の部材で、上面において軸受９２’が締結され、底面はボルト等により筐体１に締結される。

このように、一軸性マウント９’は、部品固定部材９３’を介して筐体１内の高温部品に固定されるシャフト９１’と、シャフト９１’を高温部品の底面に対して傾斜した一方向に変位可能な状態で支持する軸受９２’と、から構成される。また、軸受９２’は、筐体固定部材９４’を介して筐体１に固定される。これにより、一軸性マウント９’は、筐体１に収納される高温部品の底面に対して傾斜した一方向にのみ変位可能に構成される。

図１１は一軸性マウント９’を設置した際の筐体１内部を示す図であり、筐体１の側面方向から見た図である。

図１１に示すように、一軸性マウント９’は、筐体固定部材９４’が断熱材１１を介して筐体１にボルト等により締結されることで筐体１に固定される。なお、断熱材１１に貫通孔を設け、貫通孔を通して一軸性マウント９’を直接筐体１に固定してもよい。部品固定部材９３’には、載置面９３２においてボルト等により高温部品が固定される。

燃料電池スタック２を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９’は、各マウント軸線どうしが一点Ｘ’’’で交わるように配置される。一軸性マウント９’は、筐体１に収納される高温部品の底面に対して傾斜した一方向にのみ変位可能に構成されているため、各マウント軸線どうしが交わる点（膨張中心）Ｘ’’’は、燃料電池スタック２の底面よりも上方に形成される。

同様に、改質器３を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９’は、各マウント軸線どうしが一点Ｙ’’’で交わるように配置され、各マウント軸線どうしが交わる点（膨張中心）Ｙ’’’は、改質器３の底面よりも上方に形成される。

このように、本実施形態においては、一軸性マウント９’の変位方向と配置を設定することによって、高さ方向にも任意の位置に膨張中心を形成させることができる。

上記した第３実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００においては、一軸性マウント９’が筐体１に収納される高温部品の底面に対して傾斜した方向に変位可能に構成される。従って、高温部品を筐体１に固定する複数の一軸性マウント９’の各マウント軸線どうしが交わる点（膨張中心）を高温部品の底面よりも上方に形成させることができる。即ち、高さ方向にも任意の位置に膨張中心を形成させることができる。従って、高温部品を連結する配管や高温部品と補機類とを連結する連結部材を設置する位置と同一の高さに膨張中心を形成させることで、配管や連結部材が筐体１に対して高さ方向に変位することを抑制するできる。従って、配管や連結部材、さらには連結部材に連結する補機類の変位を許容する空隙を設ける必要がなく、システムの小型化が可能となる。

また、高さ方向にも任意の位置に膨張中心を形成させることができるため、補機類を任意の位置に配置して連結部材により補機類と高温部品とを連結し、連結部材を設置する位置と同一の高さに膨張中心を形成させることができる。即ち、補機類を自由な位置に配置することができ、システム全体のレイアウト自由度が増す。

なお、第１実施形態、第１実施形態の変形例及び第３実施形態においては、燃料電池スタック２の膨張中心及び改質器３の膨張中心がそれぞれ異なる点に形成されるように一軸性マウント９を配置しているが、これに限られない。即ち、燃料電池スタック２及び改質器３の膨張中心が同一の一点に形成されるように一軸性マウント９を配置する構成としてもよい。

また、第２実施形態及び第２実施形態の変形例においては、燃料電池スタック２及び改質器３の膨張中心が同一の一点に形成されるように一軸性マウント９を配置することが好ましいが、必ずしもこれに限られない。即ち、燃料電池スタック２及び改質器３の膨張中心がそれぞれ連結部材近傍の異なる点に形成されるように一軸性マウント９を配置する構成としてもよい。

また、いずれの実施形態においても、高温部品を筐体に固定する一軸性マウント９のマウント軸線どうしが一点（膨張中心）で交わる構成としたが、必ずしもこれに限られず、マウント軸性どうしが所望の位置近傍で交わる構成としてもよい。例えば、図１２に示すように、各マウント軸性どうしが所望の位置ＸやＹの近傍の複数箇所に交点を有するような構成にしてもよい。このような構成であっても、膨張変位の方向と一軸性マウント９の変位可能な方向（マウント軸線方向）とがほぼ一致し、筐体１内部の高温部品の熱膨張を許容することができる。従って、一軸性マウント９の配置によって高温部品の熱膨張による変位方向を制御できるため、予期しない部位に膨張応力がかかることを防止でき、システム構成部品の劣化を抑制し、部品の破損を回避することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

また、上述した各実施形態は、それぞれ単独の実施形態として説明したが、適宜組み合わせてもよい。

１ 筐体
２ 燃料電池スタック
３ 改質器
４ アノードガス供給管
６ 燃料供給管
９ 一軸性マウント
９１ シャフト
９２ 軸受
１００ 燃料電池システム

Claims (10)

1. 燃料電池及び前記燃料電池に燃料を供給する改質器の少なくとも一方を含む高温部品を収納する筐体を備える燃料電池システムであって、
   前記筐体には一方向のみに変位可能な複数の一軸性マウントが固定され、
   前記筐体に収納される高温部品は、複数の前記一軸性マウントを介して前記筐体に固定され、
   複数の前記一軸性マウントは、各一軸性マウントの変位可能な方向に伸ばしたマウント軸線どうしが任意の一点または所望の位置近傍の複数の点で交わるように配置される、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記筐体に収納される前記高温部品は前記燃料電池及び前記改質器であって、
   前記燃料電池及び前記改質器は、前記改質器から前記燃料電池へ燃料を供給するための配管により連結されるとともに、それぞれ複数の前記一軸性マウントを介して前記筐体に固定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池を前記筐体に固定する複数の前記一軸性マウントの軸線どうしと、前記改質器を前記筐体に固定する複数の前記一軸性マウントの軸線どうしとは、同一の若しくは異なる一点、または同一の若しくは異なる位置近傍の複数の点で交わる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池を前記筐体に固定する複数の前記一軸性マウントの軸線どうしと、前記改質器を前記筐体に固定する複数の前記一軸性マウントの軸線どうしとは、それぞれ異なる一点または異なる位置近傍の複数の点で交わり、
   前記燃料電池と前記改質器とを連結する前記配管は、柔軟性を有するフレキシブル部を備えるフレキシブル配管である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 複数の前記一軸性マウントは、前記燃料電池を前記筐体に固定する複数の前記一軸性マウントの軸線どうしが交わる点及び前記改質器を前記筐体に固定する複数の前記一軸性マウントの軸線どうしが交わる点が、前記配管上又は前記配管の近傍に位置するように配置される、
   ことを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記筐体に収納される前記高温部品と前記筐体の外に配置された補機とを連結する一又は複数の連結部材をさらに備え、
   複数の前記一軸性マウントは、前記各一軸性マウントの軸線どうしが交わる点が、前記連結部材上又は前記連結部材の近傍に形成される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 前記複数の連結部材は一箇所に集中的に配置される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記一軸性マウントは、前記筐体に収納される前記高温部品と固定されるシャフトと、前記シャフトを一方向に変位可能な状態で支持する可動軸受けと、から構成され、
   前記可動軸受けは前記筐体に固定される、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
9. 前記一軸性マウントの変位可能な方向は、前記筐体に収納される前記高温部品の底面に対して平行な方向である、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
10. 前記一軸性マウントの変位可能な方向は、前記筐体に収納される前記高温部品の底面に対して傾斜した方向である、
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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