WO2013187332A1 - 改質器支持構造及び燃料電池モジュール - Google Patents

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WO2013187332A1
WO2013187332A1 PCT/JP2013/065867 JP2013065867W WO2013187332A1 WO 2013187332 A1 WO2013187332 A1 WO 2013187332A1 JP 2013065867 W JP2013065867 W JP 2013065867W WO 2013187332 A1 WO2013187332 A1 WO 2013187332A1
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WO
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reformer
support structure
fuel cell
module
engagement portion
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PCT/JP2013/065867
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French (fr)
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暁 山本
水野　康
則久 柴崎
裕希 小黒
Original Assignee
Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社
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Publication date
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    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
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    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/0631—Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
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    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a reformer support structure for a fuel cell, and more particularly to a reformer support structure for supporting a reformer used in a fuel cell module and a fuel cell module including the reformer support structure.
  • Solid Oxide Fuel Cell SOFC
  • the main components of a solid oxide fuel cell (SOFC) system are a fuel cell module having a reformer, a fuel cell, and the like.
  • the reformer reforms a hydrogen-containing fuel such as a hydrocarbon fuel to generate a hydrogen rich gas.
  • a fuel cell has a structure in which an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode (anode) and an oxidant electrode (cathode), and uses a hydrogen-rich gas supplied from a reformer and an oxidant such as air. Power is generated by electrochemical reaction.
  • Patent Documents 1 to 4 disclose a fuel cell module having a reformer and a fuel cell as described above.
  • FIG. 17 A conceptual diagram of the SOFC system is shown in FIG. In FIG. 17, as the hydrogen-containing fuel, for example, a hydrocarbon fuel is used.
  • a hydrocarbon fuel a compound containing carbon and hydrogen in the molecule (may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof is used.
  • the hydrocarbon fuel include hydrocarbons, alcohols, ethers, and biofuels.
  • conventional fuels derived from fossil fuels such as petroleum and coal
  • fuels derived from synthetic fuels such as synthesis gas
  • fuels derived from biomass can be used as appropriate.
  • hydrocarbons include methane, ethane, propane, butane, natural gas, LPG (liquefied petroleum gas), city gas, town gas, gasoline, naphtha, kerosene, and light oil.
  • alcohols include methanol and ethanol.
  • ethers include dimethyl ether.
  • biofuels include biogas, bioethanol, biodiesel, and biojet.
  • the reaction represented by the above formula is an endothermic reaction, the reaction efficiency is improved at a high temperature.
  • the hydrogen rich gas generated in the reforming section is supplied to the fuel electrode (anode) side of the fuel cell.
  • an oxidant such as air is supplied to the oxidant electrode (cathode) side of the fuel cell.
  • a solid oxide such as stabilized zirconia is disposed as an electrolyte between the fuel electrode and the oxidant electrode.
  • Oxygen (O 2 ) supplied to the oxidant electrode side receives electrons at the oxidant electrode and becomes oxide ions (O 2 ⁇ ), and moves to the fuel electrode (anode) side through the electrolyte.
  • the oxide ions (O 2 ⁇ ) that reach the fuel electrode combine with hydrogen (H 2 ) to generate water (H 2 O), and the oxide ions (O 2 ⁇ ) emit electrons. In this manner, the fuel battery cell generates power by an electrochemical reaction between the supplied hydrogen-rich gas and the oxidant.
  • the reaction in the reformer is an endothermic reaction as described above, it is desirable to perform this reaction in a high temperature environment.
  • the electrochemical reaction in the fuel cell is performed in a high temperature environment from the viewpoint of power generation efficiency. Therefore, as shown in FIG. 17, off-gas (exhaust gas) that has not been used in the electrochemical reaction in the fuel battery cell is burned in the off-gas combustion section above the fuel battery cell, and the heat generated by this combustion is reformed.
  • the structure given to a part and a fuel battery cell is known (patent documents 1, 4).
  • the inside of the fuel cell module having the above-described configuration rises to a temperature exceeding 700 ° C. during operation.
  • Patent Document 3 discloses that the thermal expansion of the reformer at a high temperature causes deformation or breakage of other components in the fuel cell module, thereby reducing the durability of the fuel cell module.
  • Patent Document 4 discloses a fuel cell stack device in which a reformer is fixed to a manifold by a fuel gas supply pipe.
  • the reformer has a deformation suppressing member that extends toward the manifold.
  • the deformation suppressing member can suppress deformation in the vertical direction of the reformer and damage to the bonding material that joins the manifold and the fuel cell in the fuel cell module even if the reformer is thermally expanded. Disclosure.
  • Patent Document 4 discloses a form in which two reformer deformation suppressing members are provided to support the reformer more stably. In this form, the two deformation suppressing members are always required to have the same length. When the lengths of the two deformation suppressing members change and the lengths differ from each other, a force in the direction of twisting the reformer is generated, and the deformation suppressing member causes the reformer to deform. Conceivable.
  • the present invention provides a reformer support structure that can stably support a reformer that expands and contracts due to a temperature change without deforming in a direction other than the expansion and contraction directions, and such a modification.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell module provided with a mass support structure.
  • a fuel cell module comprising a fuel cell main body including a cell stack and a reformer disposed above the cell stack, and a container for housing the fuel cell main body.
  • a support structure for a pledge A first member having a first engagement portion and attached to the container; A second member having a second engagement portion and attached to the reformer, An engagement portion where the reformer is supported by the container by the second engagement portion engaging with the first engagement portion, and the first engagement portion and the second engagement portion engage with each other. Is provided above the reformer bottom, and the second engaging portion is slidable on the first engaging portion in the thermal expansion direction of the reformer. Is done.
  • the reformer support structure of the present invention since the second engagement portion is engaged with the first engagement portion, the reformer is supported by the container and the second engagement portion is the first engagement portion. It can slide on the engaging portion in the thermal expansion direction of the reformer. Therefore, the reformer support structure can support the reformer without applying stress to the reformer even when the reformer is thermally expanded. Further, since the engaging portion where the first engaging portion and the second engaging portion are engaged is provided above the bottom portion of the reformer, the reformer support structure is provided in the fuel cell stack. Less susceptible to heat generated above, especially in the combustion area.
  • a raw material supply pipe is attached to one end of the reformer, and an engagement portion where the first engagement portion and the second engagement portion are engaged is defined as a thermal expansion direction of the reformer.
  • the reformer may be provided at a position closer to the other end than the one end. With such a structure, the reformer can be supported in a balanced manner from both sides.
  • the engagement location where the first engagement portion and the second engagement portion engage can be surface contact, line contact, or point contact.
  • the first member when a combustion area is defined between the reformer and the cell stack, the first member is positioned outside the combustion area when the fuel cell module is viewed from above.
  • the influence of the heat from a combustion area can be made small.
  • the influence of the heat from a combustion area can be made small by providing the said 2nd member in the outer side position of the said combustion area.
  • a raw material supply pipe may be attached to one end of the reformer, and the first member may be attached near the other end of the reformer of the container. Further, the second member may be attached to the other end of the reformer or in the vicinity thereof. With such an attachment structure, the reformer can be supported in a balanced manner from both sides.
  • the first member may be attached to the inner upper surface of the container. Since the reformer is located near the inner upper surface of the vessel, the stress exerted on the reformer support structure including the first member when the reformer is thermally expanded can be minimized, In addition, the influence of heat generated below the reformer on the reformer support structure can be reduced. In addition, when the said reformer is a long box shape, the longitudinal direction turns into the said thermal expansion direction.
  • the second member is provided on the upper surface of the reformer, the influence of heat generated below the reformer can be reduced.
  • the first member may have at least a part of a substantially L shape or a substantially U shape.
  • the second member may have a substantially L shape or a substantially U shape at least partially.
  • a fuel cell module provided with the reformer support structure is provided.
  • the reformer support structure of the present invention can support the reformer without applying stress through the reformer support structure to the reformer even if the reformer expands or contracts due to temperature change.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell module taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the reformer and the reformer support structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing the structure of the first member of the reformer support structure.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the structure of the second member of the reformer support structure.
  • FIG. 6 is an explanatory view showing a state in which the reformer support structure supports the reformer.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing a gas flow in the fuel cell module.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell module taken along line AA in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the reformer and the reformer support structure according to the first embodiment of
  • FIG. 8 is a perspective view showing another example of the reformer and the reformer support structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a modification of the second member of the reformer support structure.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a modification of the second member of the reformer support structure.
  • FIG. 11 is a perspective view showing another example of the reformer and the reformer support structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view showing another example of the reformer and the reformer support structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view showing another example of the reformer and the reformer support structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a perspective view showing a reformer and a reformer support structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view showing another example of the reformer and the reformer support structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a perspective view showing a reformer and a reformer support structure according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a block diagram showing an outline of the fuel cell system.
  • the fuel cell module 1 includes a module main body 3 and a module can body (container) 2 that accommodates the module main body 3.
  • the module body 3 includes a raw material supply pipe 4, a reformer 5 that generates a hydrogen rich gas from the raw material gas supplied from the raw material supply pipe 4, and a reformed gas supply that feeds the rich gas generated by the reformer 5 It mainly includes a pipe 7, a pedestal 8 to which rich gas is supplied through the reformed gas supply pipe 7, and a fuel cell stack 9 for electrochemically reacting the rich gas and oxidant supplied from the pedestal 8.
  • the module can body 2 is a rectangular parallelepiped container.
  • an opening 2 b for inserting the module main body 3 into the module can body 2 is formed in the right side wall 2 a of the module can body 2.
  • the opening 2 b is sealed by the lid (2 a) in order to keep the airtightness inside the module can body 2.
  • the raw material supply pipe 4 passes through the lid body 2 a of the module can body 2 and is connected to the reformer 5.
  • An exhaust gas outlet 12 is provided on the upper plate 2c of the module can body 2, and an oxidant supply unit 11 is provided on the lower surface 2e. 1 and 2, the raw material supply pipe 4, the oxidant supply unit 11, and the exhaust gas outlet 12 each have a tubular member in cross section. It is not limited to shape.
  • the part (flow path) for introducing the raw material and the oxidizing agent into the module can body 2 and the part (flow path) for discharging the exhaust gas to the outside of the module can body 2 can have any structure and shape.
  • the cross-sectional shape of these flow paths may be any shape such as a slit shape, a rectangular shape, or a hole shape.
  • an oxidant or exhaust gas flow path may be formed on at least a part of the outer periphery of the module can body 2.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the fuel cell module 1 cut along the line AA in FIG.
  • the front side, the rear side, the upper side, the lower side, the right side, and the left side of FIG. Upper side, lower side, right side (or raw material supply side) and left side, respectively.
  • the reformer 5 is a long box-shaped member extending in the left-right direction at the upper part in the module can body 2.
  • the raw material introduction pipe 4 is connected to the right end 5a of the reformer 5 in the longitudinal direction (hereinafter sometimes simply referred to as “longitudinal direction”).
  • the left end 5b in the longitudinal direction of the reformer 5 is supported by being suspended from the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2 by a reformer support structure 6 described later.
  • One end of a reformed gas supply pipe 7 is connected to the bottom surface 5c of the reformer 5 in the vicinity of the right end 5a.
  • the reformer 5 is supported by the raw material supply pipe 4 and the reformed gas supply pipe 7 on the raw material supply side in the longitudinal direction, and is supported only by the reformer support structure 6 on the side opposite to the raw material supply side.
  • the reformer 5 reforms the hydrogen-containing fuel and water vapor introduced from the raw material introduction pipe 4 into a hydrogen rich gas, and discharges the reformed gas (hydrogen rich gas) through the reformed gas supply pipe 7.
  • the reformed gas supply pipe 7 extends to the side of the fuel cell stack 9, and the other end opposite to one end connected to the reformer 5 is connected to the base 8.
  • a pedestal 8 is installed on the bottom surface of the module can body 2.
  • a fuel cell stack 9 is placed on the upper surface of the base 8.
  • the other end of the reformed gas supply pipe 7 is connected to a portion of the upper surface of the pedestal 8 in the vicinity of the right end 8a where the fuel cell stack 9 is not placed.
  • a manifold (branch flow path) 8b for supplying the hydrogen rich gas supplied through the reformed gas supply pipe 7 to each cell of the fuel cell stack 9 is formed inside the base 8 (see FIG. 7). .
  • the fuel cell stack 9 includes a plurality of fuel cells 9a arranged in an array in the left-right direction.
  • Each fuel cell 9a includes a fuel electrode, a solid electrolyte, and an oxidant electrode (not shown).
  • An electrochemical reaction is performed using the hydrogen rich gas supplied to each fuel cell 9 a through the manifold 8 b in the base 8 and the oxidant supplied from the oxidant supply unit 11.
  • a space (gap) 10 is formed above the fuel cell stack 9 (between the fuel cell stack 9 and the reformer 5). This space becomes the combustion area 10.
  • the distance between the fuel cell stack 9 and the reformer 5 is, for example, about 15 mm.
  • the raw material introduction pipe 4 and the oxidant supply unit 11 are fixed to the surface of the module can body 2 with a gap sealed with a sealing material or the like in order to maintain the airtightness inside the module can body 2.
  • these pipes may be integrally formed with the module can body 2.
  • a separation wall 5 d is formed in the reformer 5 at a substantially central position in the short direction of the reformer 5 (direction perpendicular to the longitudinal direction in the front-rear direction of the reformer 5).
  • the separation wall 5d extends in the longitudinal direction in contact with the right end portion 5a, the bottom surface 5c, and the top surface 5g at a position excluding the vicinity of the left end portion 5b.
  • the separation wall 5d divides the interior of the reformer 5 into a first space 5e on the side where the raw material introduction pipe 4 is connected and a second space 5f on the side where the reformed gas supply pipe 7 is connected. ing.
  • the hydrogen-containing fuel and water vapor supplied from the raw material introduction pipe 4 to the right end portion 5a of the reformer 5 are folded back in the vicinity of the left end portion 5b through the first space 5e, and then the second space 5f. It passes through and is discharged from the reformed gas supply pipe 7.
  • the reformer support structure 6 includes a first member 61 attached to the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2 and a second member 62 attached to the reformer 5.
  • the shape of the first member 61 of the reformer support structure 6 is shown in FIG.
  • the first member 61 is a bent plate material having a substantially U-shaped cross section.
  • the first member 61 includes a flat plate portion 61a extending in the short direction of the reformer 5, a pair of hanging portions 61b and 61b extending upward from both ends of the flat plate portion 61a, and a hanging portion.
  • the overhang portions 61c and 61c are attached to the inner surface 2ci of the upper plate 2c by welding or the like.
  • the overhanging part 61c can be omitted.
  • a predetermined gap G1 is formed between the flat plate portion 61a and the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2.
  • the upper surface 61 d of the flat plate portion 61 a serves as a first engagement portion (61 d) that engages with the second member 62.
  • the first member 61 can be formed, for example, by bending a flat plate such as stainless steel.
  • the mounting position of the first member 61 on the inner surface 2ci of the upper surface of the module can body 2 is preferably as close to the left wall surface 2d of the module can body 2 as possible. As shown in FIG.
  • the heat generated from the fuel cell stack 9 and the combustion area 10 is set by attaching the first member 61 to the outside of the fuel cell stack 9 and the combustion area 10, particularly in the longitudinal direction.
  • the influence on the reformer support structure 6 can be reduced.
  • the module can body 2 may be deformed due to the influence of the heat.
  • the influence of deformation of the module can body 2 can be reduced. Therefore, the reformer 5 can be supported more stably.
  • the shape of the second member 62 of the reformer support structure 6 is shown in FIG.
  • the second member 62 is a bending member having a substantially L-shaped cross section.
  • the second member 62 includes a flat plate portion 62a extending substantially parallel to the upper surface 5g of the reformer 5, and a flat vertical portion extending by bending in an orthogonal direction (vertical direction) from the end of the flat plate portion 62a. 62b.
  • the second member 62 has a left side surface of the reformer 5 in a part (near the lower end) of the vertical portion 62b so that a predetermined gap G2 is formed between the flat plate portion 62a and the upper surface 5g of the reformer 5. It is attached to 5b by welding or the like.
  • the lower surface 62c of the flat plate portion 62a serves as a second engagement portion (62c) that engages with the first engagement portion 61d of the first member 61.
  • the second member 62 is preferably located in the center of the reformer 5 in the short direction. Accordingly, the reformer support structure 6 can stably support the reformer 5 in a well-balanced manner.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which the reformer 5 is supported by the first member 61 attached to the module can body 2 and the second member 62 attached to the reformer 5.
  • the first member 61 and the second member 62 are engaged when the flat first engaging portion 61d and the flat second engaging portion 62c overlap each other to come into surface contact with each other, and the reformer 5 is connected to the module can body. 2 is supported.
  • the portion where the first engaging portion 61d and the second engaging portion 62c overlap each other and come into surface contact is the engaging portion 6a.
  • the reformer 5 reaches a high temperature and causes thermal expansion of several millimeters toward the left side of the arrow in FIG.
  • the second engaging portion 62c slides on the first engaging portion 61d, so that the first member 61 is engaged with the second member 62. Is maintained, and the engaging portion 6a does not move. Therefore, the reformer 5 is supported by the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2 without receiving stress from the second member 62. It is desirable that the engaging portion 6 a is provided above the bottom of the reformer 5. Furthermore, it is desirable that the engaging portion 6a is provided closer to the left end 5b than the center in the longitudinal direction in the longitudinal direction (thermal expansion direction) of the reformer 5 (from the right end 5a to which the raw material supply pipe 4 is connected).
  • the bottom surface 5c of the reformer 5 serves as the bottom of the reformer 5.
  • the reformer is not limited to the shape of the present embodiment. Regardless of the shape of the reformer, the portion of the module can 2 that is the lowest position of the reformer is called the bottom of the reformer.
  • the region (engagement location 6a) where the first engagement portion 61d engages on the second engagement portion 62c changes.
  • the length of the second engagement portion 62c in the longitudinal direction is longer than the length of the first engagement portion 61d in the longitudinal direction. That is, the length of the second engaging portion 62c in the longitudinal direction is long enough to prevent the engagement between the first engaging portion 61d and the second engaging portion 62c even when the reformer 5 undergoes thermal expansion. It is desirable.
  • the temperature of the reformer 5 decreases, and the reformer 5 contracts toward the right side of the arrow in FIG.
  • the left end portion in the longitudinal direction of the first member 61 is set to the vertical direction of the second member 62. It is desirable to arrange in advance at a predetermined distance d from the portion 62b in the longitudinal direction.
  • the dimension of the first engaging portion 61d is, for example, 10 mm in the longitudinal direction (left-right direction in the figure) and 30 mm in the short direction (front-rear direction in the figure) perpendicular to the longitudinal direction.
  • the length of the second engaging portion 62c in the longitudinal direction is preferably longer than the length of the engaging portion 6a in the longitudinal direction, and can be, for example, 15 mm to 30 mm.
  • the first engaging portion 61d of the first member 61 and the second engaging portion 62c of the second member 62 are both rectangular.
  • the shape of the first engaging portion 61d and the second engaging portion 62c is not limited to a rectangle, and may be an arbitrary shape such as a square, a substantially circular shape, or a substantially elliptical shape.
  • FIG. 7 shows the flow of hydrogen-containing fuel, water vapor, hydrogen-rich gas, oxidant, and exhaust gas when the fuel cell module 1 generates power.
  • a hydrogen-containing fuel such as city gas, kerosene, LPG, and water vapor are supplied from the raw material introduction unit 4 to the reformer 5.
  • the hydrogen-containing fuel and steam supplied to the reformer 5 are reformed inside the reformer 5. That is, the hydrogen-containing fuel and water vapor react with each other by the action of heat provided by the catalyst provided in the reformer 5 and the combustion in the combustion area 10 to generate hydrogen-rich gas.
  • the temperature of the reformer 5 is preferably uniform throughout. Accordingly, the reformer 5 is held horizontally so that the distance between the reformer 5 and the fuel cell stack 9 is substantially constant at any position. It is desirable to be able to uniformly receive heat from the combustion area 10 formed at the top. At this time, the distance between the reformer 5 and the fuel cell stack 9 can be about 15 mm as an example.
  • the hydrogen rich gas generated in the reformer 5 is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 9 through the reformed gas supply pipe 7 and the pedestal 8.
  • an oxidant such as oxygen is supplied to the oxidant electrode of the fuel cell stack 9 from the oxidant introduction part 11 formed on the bottom surface of the module can body 2.
  • an electrochemical reaction is caused by the supplied hydrogen-rich gas and oxidant, and electricity generated by the electrochemical reaction is supplied to the module can 2 by way of a current extraction unit (not shown). Take out to the outside.
  • the inside of the module can body 2 becomes a high temperature exceeding 700 ° C. during the operation of the fuel cell module 1.
  • the reformer 5 also becomes high temperature, and the bottom surface 5c of the reformer 5 that receives heat from the combustion area 10 is about 800 ° C.
  • thermal expansion occurs particularly in the longitudinal direction of the reformer 5 as the temperature rises.
  • the reformer 5 is connected to the raw material introducing portion 4 at the right end 5a in the longitudinal direction as described above, and the raw material introducing portion 4 is fixed to the lid surface 2a of the module can body 2. Therefore, when thermal expansion occurs in the reformer 5 during the operation of the fuel cell module 1, the effect of the thermal expansion becomes significant at the left end 5b in the longitudinal direction of the reformer 5.
  • the reformer support structure 6 supports the reformer 5 at a position where the influence of thermal expansion generated in the reformer 5 becomes significant. Since the second member 62 of the reformer support structure 6 is attached to the reformer 5, the second member 62 is integrated with the reformer 5 as the reformer 5 is thermally expanded. Move. At this time, as shown in FIG. 6, the second engagement portion 62 c of the second member 62 is located above the first engagement portion 61 d of the first member 61 attached to the inner surface 2 ci of the upper surface 2 c of the module can body 2. Slide. The first engaging portion 61d and the second engaging portion 62c have a size that can maintain sufficient contact to support the reformer 5 even when the reformer 5 undergoes thermal expansion.
  • the reformer support structure 6 can support the reformer 5 without applying stress to the reformer 5 even when thermal expansion occurs in the reformer 5. Further, since the reformer 5 is not hindered from expansion (deformation) due to thermal expansion, generation of thermal stress is also suppressed. For this reason, the deformation
  • the first member 61 and the second member 62 of the reformer support structure 6 are both located outside the cell stack 9 and the combustion area 10 in the left-right direction (fuel cell module). 1 is located outside the fuel area 10 when viewed from above). Therefore, the reformer support structure 6 is not easily affected by heat from the combustion area 10.
  • the temperature of the reformer 5 decreases and the reformer 5 contracts.
  • the second member 62 of the reformer support structure 6 is attached to the reformer 5
  • the second member 62 is integrated with the reformer 5 as the reformer 5 contracts.
  • the second engagement portion 62c of the second member 62 slides on the first engagement portion 61d of the first member 61 attached to the upper surface of the module can body 2, as shown in FIG. .
  • the first engaging portion 61d and the second engaging portion 62c are slightly shifted from each other so that the first member 61 and the second member 62 do not interfere with each other even when the reformer 5 contracts. Contact in d).
  • the reformer support structure 6 can support the reformer 5 stably even when the reformer 5 contracts. Further, since the reformer 5 is not hindered from deformation due to shrinkage, the generation of thermal stress is also suppressed.
  • the reformer support structure 6 of the present embodiment is configured so that the second engaging portion 62c of the second member 62 slides on the first engaging portion 61d of the first member 61, thereby reforming the reformer. Even when the thermal expansion or contraction occurs in 5, the reformer 5 can be supported horizontally in a stable state. Furthermore, since the reformer support structure 6 of the present embodiment is composed of only the first member 61 and the second member 62, it can be easily attached to the module body 3 at the time of manufacturing the fuel cell module 1, and the manufacturing cost can be reduced. Is also low.
  • the reformer support structure 6 and the engagement portion 6a formed by the surface contact between the first engagement portion 61d of the first member 61 and the second engagement portion 62c of the second member 62 are modified. It is provided above the unit 5 (on the side opposite to the combustion area 10) and inside the region formed by projecting the reformer 5 upward. Therefore, the reformer support structure 6 and the engagement portion 6a are not easily affected by the combustion heat.
  • the reformer support structure 6 supports the reformer 5 with the upper plate 2c closest to the reformer 5 among the parts of the module can body 2, so that the reformer 5 moves due to thermal expansion. However, it is difficult to apply stress to the first member 61 and the second member 62 constituting the reformer support structure 6.
  • the engaging portion 6a is in the pedestal 8 or the vicinity thereof, the first member 61 or the second member 62 becomes longer. Therefore, when the reformer 5 is thermally expanded, the first member 61 or the second member 62 is bent, and the second member 62 is difficult to move smoothly with respect to the first member 61.
  • the flat plate portion 62 a of the second member 62 is bent from the vertical portion 62 b toward the inside of the reformer 5.
  • the flat plate portion 62 a of the second member 62 may be bent from the vertical portion 62 b to the outside of the reformer 5.
  • a part (lower end portion) of the vertical portion 62 b of the second member 62 is attached to the left side surface 5 b of the reforming portion 5.
  • the vertical part 62b may be bent so as to be parallel to the flat plate part 62a to define the flat plate attachment part 62d, and the flat plate attachment part 62d may be attached to the upper surface 5g of the reforming part 5.
  • the attachment position of the first member 61 engaged with the second member 62 to the inner surface 2ci of the module can body 2 is adjusted according to the position of the second member 62.
  • the flat plate attaching portion 62d extends in the same direction as the flat plate portion 62a extends. However, as shown in FIG. 10, the flat plate attaching portion 62d may extend in a direction opposite to the direction in which the flat plate portion 62a extends. Also in this modified example, since the reformer support structure 6 is located completely above the reformer 5, the influence of heat generated in the combustion area 10 on the reformer support structure 6 can be reduced.
  • the second member 62 is configured by the flat plate portion 62a and the vertical portion 62b.
  • the second member 62 may be an elbow-shaped bending member having a horizontal portion 62c and a vertical portion 62d.
  • the second member 62 has a left side surface of the reformer 5 in a part (near the lower end) of the vertical portion 62d so that a predetermined gap G2 is formed between the horizontal portion 62c and the upper surface 5g of the reformer 5. It is attached to 5b by welding or the like.
  • the second member 62 is preferably located in the center of the reformer 5 in the short direction. Accordingly, the reformer support structure 6 can stably support the reformer 5 in a well-balanced manner.
  • the second member 62 has a structure in which the horizontal portion 62c is bent from the vertical portion 62d toward the inside of the reformer 5.
  • the second member 62 is a rod-shaped member having only a columnar horizontal portion 62c.
  • the second member 62 is attached to the left side surface 5b of the reformer 5 at one end 62e of the second member 62 by welding or the like.
  • the lower end of the horizontal portion 62c of the cylinder engages with the flat first engaging portion 61d of the first member 61 to form a linear engaging portion 6a.
  • FIG. 12 shows a structure in which the horizontal portion 62c is bent from the vertical portion 62d toward the inside of the reformer 5.
  • the second member 62 is a rod-shaped member having only a columnar horizontal portion 62c.
  • the second member 62 is attached to the left side surface 5b of the reformer 5 at one end 62e of the second member 62 by welding or the like.
  • the second member 62 is desirably located at the center of the reformer 5 in the short direction.
  • the reformer 5 can be stably supported with good balance.
  • the mounting position of the first member 61 on the inner surface 2ci of the upper surface 2c of the module can body 2 can be brought closer to the left side wall 2d of the module can body 2. Therefore, even if the module can body 2 is deformed by the influence of heat during the operation of the fuel cell module 1, the influence can be further reduced.
  • the second member 62 is a rod-like member having only the horizontal portion 62c.
  • the second member 62 is an elbow-like member having a horizontal portion 62c, a vertical portion 62g extending from the horizontal portion 62c downward in the reformer 5, and a left end 62f. It is.
  • the second member 62 is attached to the upper surface 5g of the reformer 5 by welding or the like in the vicinity of the right end 62e.
  • the left end 62f of the second member 62 is formed to have a hemispherical shape or a curved surface. For this reason, when the left end 62f of the second member 62 makes point contact with the flat first engaging portion 61d of the first member 61, the second member 62 and the first member 61 are engaged, and the point-like engaging portion 6a is formed.
  • the reformer support structure 6 of the present embodiment includes a first member 63 attached to the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2 and a second member 64 attached to the reformer 5.
  • the shape of the first member 63 of the reformer support structure 6 is as shown in FIG.
  • the first member 63 is a bending member having a substantially Z-shaped cross section.
  • the first member 63 is bent from the flat plate portion 63a extending in the short direction of the reformer 5, the hanging portion 63b bent from one end of the flat plate portion 63a, and the upper end portion of the hanging portion 63b.
  • the module can body 2 has an overhanging portion 63c extending substantially in parallel with the inner surface 2ci of the upper plate 2c.
  • the upper surface of the overhang portion 63c is attached to the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2 by welding or the like. In addition, when the hanging part 63b and the inner surface 2ci of the upper plate 2c can be directly welded, the overhanging part 63c can be omitted.
  • a predetermined gap G1 is formed between the flat plate portion 63a and the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2.
  • the upper surface 63d of the flat plate portion 63a serves as a first engagement portion (63d) that engages with the second member 64.
  • the first member 63 can be formed by, for example, bending a flat plate such as stainless steel.
  • the mounting position of the first member 61 on the inner surface 2ci of the upper surface 2c of the module can body 2 is preferably as close as possible to the left side wall 2d of the module can body 2.
  • the second member 64 of the reformer support structure 6 is a bent plate material having a substantially U-shaped cross section as shown in FIG.
  • the second member 64 includes a flat plate portion 64a extending in the short direction of the reformer 5, a pair of vertical portions 64b and 64b extending downward from both ends of the flat plate portion 64a, and vertical portions 64b and 64b. And a pair of projecting portions 64c and 64c that are bent from the ends of the reformer 5 and extend substantially in parallel with the upper surface 5g of the reformer 5.
  • the lower surfaces of the overhang portions 64c and 64c are attached to the upper surface 5g of the reformer 5 by welding or the like.
  • a predetermined gap G2 is formed between the flat plate portion 64a and the upper surface 5g of the reformer 5.
  • the lower surface 64 d of the flat plate portion 64 a serves as a second engagement portion (64 d) that engages with the first member 63.
  • the second member 64 can be formed, for example, by bending a flat plate such as stainless steel. As shown in FIG. 14, the second member 64 is preferably located at the center of the reformer 5 in the short direction. As a result, the reformer 5 can be stably supported with good balance.
  • the second member 64 is not limited to a substantially U shape as long as the second member 64 has a second engagement portion 64d that engages with the first engagement surface 63d of the first member 63. Therefore, the second member 62 (see FIGS. 5, 9, and 10) used in the first embodiment can also be used as the second member 64 of the present embodiment. At this time, the second engagement portion 62c of the second member 62 is engaged with the first engagement portion 63d of the first member 63 in surface contact with each other, and the reformer 5 is also expanded and contracted during thermal expansion and contraction. The 2nd member 62 is attached so that it can arrange
  • the flat plate portion 63 a of the first member 63 extends from the vertical portion 63 b toward the inside of the reformer 5.
  • the flat plate portion 63 a of the first member 63 may extend from the vertical portion 63 b toward the outside of the reformer 5.
  • the first engaging portion 63d of the first member 63 is brought into surface contact with the second engaging surface 64d of the second member 64 and engaged, and the reformer 5 is also subjected to thermal expansion and contraction. 1st member 63 is attached to the position which can support 5 stably.
  • the first member 63 is configured by the flat plate portion 63a, the hanging portion 63b, and the overhang portion 63c.
  • a first member 63 that is a bar-shaped member bent in a U-shape and has horizontal portions 63a and 63a and a connecting portion 63b may be used.
  • the first member 63 is attached to the inner surface 2di of the left side wall 2d of the module can body 2 by welding or the like at the connecting portion 63b.
  • the upper end of the horizontal portion 63a is in line contact with the flat second engaging portion 64d of the second member 64, whereby the first member 63 and the second member 64 are engaged to form a linear engaging portion 6a.
  • positioning the 1st member 63 can be attached to the position close
  • FIG. Therefore, even if the module can body 2 is deformed by the influence of heat during the operation of the fuel cell module 1, the influence can be further reduced.
  • a straight rod-like member that is not bent may be used instead of the first member 63 shown in FIG.
  • an elbow-like member shown as the second member 62 in FIG. 13 may be used as the first member 63. In this case, the hemisphere or the curved surface portion at the tip of the first member 63 is brought into point contact with the flat second engaging portion 64 d of the second member 64.
  • the reformer support structure 6 of the present embodiment includes two first members 65 attached to the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2 and two second members attached to the reformer 5, respectively. 66.
  • the shape of the first member 65 of the reformer support structure 6 is as shown in FIG.
  • the first member 65 is a bending member having a substantially U-shaped cross section.
  • the first member 65 is bent from the flat plate portion 65a extending in the longitudinal direction of the reformer 5, the hanging portion 65b bent from one end of the flat plate portion 65a, and the upper end portion of the hanging portion 65b.
  • an overhanging portion 65c extending substantially parallel to the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2.
  • the upper surface of the overhanging portion 65c is attached to the inner surface 2ci of the upper plate 2c of the module can body 2 by welding or the like.
  • the upper surface 65d of the flat plate portion 65a serves as a first engagement portion (65d) that engages with the second member 66.
  • the first member 65 can be formed by, for example, bending a flat plate such as stainless steel.
  • the first member 65 of the present embodiment has a front end near the left end 5b of the reformer 5 and a rear end near the left end 5b of the reformer 5 at the upper plate 2c of the module can body 2. It is attached to the inner surface 2ci. As a result, the reformer 5 can be stably supported with good balance.
  • FIG. 16 shows a state in which the overhanging portion 65c of the first member 65 extends so as to face the flat plate portion 65a.
  • the overhanging portion 65c is modified with respect to the flat plate portion 65a. It may extend on the opposite side of the vessel 5 in the short direction. Moreover, you may weld the upper end part of the suspension part 65b directly to the inner surface 2ci of the upper board 2c of the module can body 2 without using the overhang
  • the second member 66 of the reformer support structure 6 is a bent member having a substantially Z-shaped cross section as shown in FIG.
  • the second member 66 includes a flat plate portion 66a extending in the longitudinal direction of the reformer 5, a vertical portion 66b bent and extended from one end of the flat plate portion 66a, and a bent portion modified from the lower end portion of the vertical portion 66b. It has an overhanging portion 66c extending substantially parallel to the upper surface 5g of the mass device 5. The lower surface of the overhang portion 66c is attached to the upper surface 5g of the reformer 5 by welding or the like.
  • a lower surface 66d of the flat plate portion 66a serves as a second engagement portion 66d that engages with the first member 65.
  • the second member 66 can be formed by, for example, bending a flat plate such as stainless steel.
  • the second member 66 is not limited to a substantially Z shape as long as the second member 66 has a second engagement portion 66d that engages with the first engagement portion 65d of the first member 65.
  • the second member 62 (see FIGS. 5 and 9) used in the first embodiment can also be used as the second member 66 of the present embodiment.
  • the second member 62 is engaged with the second engaging portion 62 d of the second member 62 in surface contact with the first engaging portion 65 d of the first member 65, so that the reformer 5 is thermally expanded and contracted.
  • the reformer 5 is attached to the reformer 5 so that the reformer 5 can be stably supported.
  • a linear engaging portion 6 a is formed by these members and the flat second engaging portion 66 d of the second member 66.
  • it may replace with the 1st member 65 shown in FIG. 16, and may use the elbow-shaped member shown in FIG. At this time, a point-like engagement portion is formed by the elbow-shaped member and the flat second engagement portion 66 d of the second member 66.
  • the elbow-like member shown in FIG. 11 the rod-like member shown in FIG. 12, or the substantially U-shaped member shown in FIG. .
  • a linear engagement portion is formed by these members and the flat first engagement portion 65 d of the first member 65.
  • an elbow-like member shown in FIG. 13 may be used instead of the second member 66 shown in FIG. 13. In this case, a point-like engagement portion is formed by the elbow-shaped member and the flat first engagement portion 65 d of the first member 65.
  • the reformer support structure of the present invention and the fuel cell module using the same have been described in the embodiments and their modifications.
  • the present invention is not limited to these specific examples, and is within the scope of the present invention.
  • the 1st member was attached to the inner surface of the upper wall of a module can body.
  • the mounting position of the first member is not limited to this, and the first member is located on the inner surface of the side wall of the module can body as long as the engaging portion 6a with the second member is located above the bottom of the reformer. It may be attached.
  • the first member can be a flat plate member that connects the inner surfaces of the opposing side walls.
  • the hydrogen-containing fuel and water vapor are supplied from the raw material introduction unit 4.
  • a pipe for supplying water vapor may be provided separately from the raw material introduction unit 4 so that the hydrogen-containing fuel and water vapor are supplied to the reformer 5 through different pipes.
  • the reformer 5 has a long box shape, but the reformer 5 is not limited to such a shape.
  • the reformer 5 may include a plurality of double cylindrical reformers arranged in the horizontal direction, and a plurality of cylindrical reformers arranged in the horizontal direction may be further arranged in the vertical direction. It may be stacked in multiple stages.
  • the reformer 5 is configured so that the hydrogen-containing fuel and steam supplied from the raw material introduction pipe 4 to the end of the reformer 5 are in the longitudinal direction of the reformer 5. After being folded once at the opposite end, the structure is directed to the reformed gas supply pipe 7.
  • the reformer 5 is not limited to such a structure.
  • the separation wall may be formed so that the number of turns inside the reformer 5 is two or more.
  • the reformer 5 has a substantially central position in the front-rear direction of the reformer 5 (the direction orthogonal to the longitudinal direction in the front-rear direction of the reformer 5).
  • the separation wall 5d is formed so as to extend in the longitudinal direction in contact with the right end portion 5a, the bottom surface 5c, and the upper surface 5g except for the vicinity of the left end portion 5b.
  • the separation wall 5d may be formed to extend in the longitudinal direction in contact with the right end portion 5a, the front portion 5h, and the rear portion 5i except for the vicinity of the left end portion 5b.
  • the reformer 5 has only the reforming part which reforms hydrogen containing fuel and water vapor
  • the reformer 5 contains the vaporization part. Also good.
  • the end of the reformed gas supply pipe 7 is connected to the bottom face 5c of the reformer 5 in the vicinity of the right end 5a, the reformed gas supply pipe 7 May be connected to the right end 5a.
  • the opening 2b of the module can body 2 is provided on the right side 2a.
  • the opening 2b may be provided on the left side wall 2d, and the opening 2b may be closed with a lid surface.
  • the position of the opening 2b can be changed as appropriate according to the installation position and mounting method of the support structure 6.
  • the reformer support structure of the present invention can support the reformer without applying stress to the reformer through the reformer support structure even if the reformer expands or contracts due to a temperature change. Therefore, by using the reformer support structure of the present invention, the life of the reformer and the fuel cell module using the reformer can be extended, and the fuel cell module can be used safely over a long period of time.
  • Fuel cell module 2 Module can body 3 Module main body part 4 Raw material introduction pipe 5 Reformer 6 Reformer support structure 61 1st member 62 2nd member 7 Reformed gas supply pipe 8 Base 9 Fuel cell stack 9a Fuel cell Cell 10 Combustion area 11 Oxidant supply unit 12 Exhaust gas outlet

Landscapes

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Abstract

　セルスタック（９）及びセルスタック（９）の上方に配置された改質器（５）を含む燃料電池本体（３）と、該燃料電池本体（３）を収容する容器（２）とを備える燃料電池モジュール（１）における前記改質器の支持構造は、第１係合部（６１ｄ）を有し容器（２）に取り付けられた第１部材（６１）と、第２係合部（６２ｃ）を有し改質器（５）に取り付けられた第２部材（６２）とを備える。第２係合部（６２ｃ）が第１係合部（６１ｄ）と係合することで改質器（５）が容器（２）に支持され、第１係合部（６１ｄ）と第２係合部（６２ｃ）の係合箇所（６ａ）が改質器（５）の底部よりも上方に設けられ且つ第２係合部（６２ｃ）が第１係合部（６１ｄ）上を、改質器（５）の熱膨張方向に摺動可能である。支持構造は、改質器を安定して支持することができる。

Description

改質器支持構造及び燃料電池モジュール
　本発明は、燃料電池用の改質器支持構造に関し、特に、燃料電池モジュールに使用されている改質器を支持する改質器支持構造及び改質器支持構造を備える燃料電池モジュールに関する。
　燃料電池の発電方式にはいくつかの種類が知られている。近年では、高い発電効率の達成が可能な固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）が注目されている。
　固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの主要な構成要素は、改質器、燃料電池セルなどを有する燃料電池モジュールである。改質器は、炭化水素燃料などの水素含有燃料を改質して水素リッチガスを生成する。燃料電池セルは、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）とで電解質を挟んだ構造を有しており、改質器より供給される水素リッチガスと、空気などの酸化剤とを用いて、電気化学的反応により発電を行う。特許文献１～４は、上記のような、改質器と燃料電池セルを有する燃料電池モジュールを開示している。
　ＳＯＦＣシステムの概念図を図１７に示す。図１７において、水素含有燃料としては、例えば炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられる。これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来の燃料、合成ガス等の合成系燃料由来の燃料、バイオマス由来の燃料を適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。ＳＯＦＣシステムに供給された水素含有燃料は、脱硫部を経て改質部に至る。改質部に至った水素含有燃料は、水気化部より供給される水蒸気と下記反応式に従って反応して水素リッチガスを生じる。
　ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ　→　ｍＣＯ＋（（ｎ／２）＋ｍ）Ｈ２　　　
　上式で示される反応は吸熱反応であるため、高温において反応効率が向上する。改質部で生じた水素リッチガスは、燃料電池セルの燃料極（アノード）側へ供給される。一方で、燃料電池セルの酸化剤極（カソード）側へは、空気などの酸化剤が供給される。燃料極と酸化剤極の間には、電解質として安定化ジルコニアなどの固体酸化物が配置されている。酸化剤極側に供給された酸素（Ｏ２）は、酸化剤極において電子を受け取り酸化物イオン（Ｏ２－）となり、電解質を通って燃料極（アノード）側へと移動する。燃料極に到達した酸化物イオン（Ｏ２－）は水素（Ｈ２）と結合して水（Ｈ２Ｏ）を生じるとともに酸化物イオン（Ｏ２－）は電子を放出する。このようにして燃料電池セルは、供給された水素リッチガスと酸化剤とによる電気化学的反応によって発電を行う。
　ここで、前述のように改質器における反応は吸熱反応であるため、高温環境下でこの反応を行うことが望ましい。また、燃料電池セルにおける電気化学的反応も高温環境下で行うことが、発電効率などの点から望ましい。よって、図１７に示すように、燃料電池セルにおける電気化学的反応で用いられなかったオフガス（排ガス）を、燃料電池セル上部のオフガス燃焼部において燃焼させ、この燃焼によって生じた熱を、改質部および燃料電池セルに与える構成が知られている（特許文献１、４）。上述の構成を有する燃料電池モジュールの内部は、作動時には７００℃を超える温度にまで上昇する。
　そのため、上述の構成により改質器に熱を与える燃料電池モジュールにおいては、改質器を高温とすることにより水素リッチガスを効率よく供給することが可能となる一方で、改質器に熱膨張が生じるという問題があった。そして、改質器に熱膨張が生じたとき、例えば特許文献１、２のように改質器を両端部において保持している燃料電池モジュールにおいては、熱応力により改質器に上下方向の反りなどの変形が生じ、改質器による水素リッチガスの供給に支障が生じるという問題があった。また、特許文献３は、高温下における改質器の熱膨張により、燃料電池モジュール内の他の構成要素に変形や破損が生じ、燃料電池モジュールの耐久性が低下することを開示している。
　特許文献４は、改質器が燃料ガス供給管によってマニホールドに固定された燃料電池セルスタック装置を開示している。この燃料電池セルスタック装置においては、改質器がマニホールドに向かって伸びる変形抑制部材を有している。特許文献４は、変形抑制部材は、改質器が熱膨張しても、改質器の上下方向の変形や燃料電池モジュール内でマニホールドと燃料電池セルを接合する接合材の破損を抑制できると開示している。
特開２０１０－０４０３１４ 特開２００６－２６９３３２ 特開２０１０－２７７７４６ 特開２００９－０８７５４０
　しかしながら、特許文献４に記載された技術は、改質器が熱膨張する際に、改質器変形抑制部材がマニホールド上をスムーズに摺動せず、改質器変形抑制部材自体にたわみが生じ、結果として改質器に上下方向の変形が生じる。また、特許文献４は、より安定して改質器を支持すべく改質器変形抑制部材を２つ設ける形態を開示している。この形態では、２つの変形抑制部材は常に同じ長さであることが必要とされる。２つの変形抑制部材の長さがそれぞれ変化し、互いの長さが異なった場合には、改質器をねじる方向の力が生じ、変形抑制部材が改質器に変形を生じさせてしまうと考えられる。
　そこで、本発明は、温度変化によって膨張・収縮する改質器を、膨張・収縮方向以外の方向に変形させることなく、安定して支持することのできる改質器支持構造、及びこのような改質器支持構造を備えた燃料電池モジュールを提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様に従えば、セルスタック及び該セルスタックの上方に配置された改質器を含む燃料電池本体と、該燃料電池本体を収容する容器とを備える燃料電池モジュールにおける前記改質器の支持構造であって、
　第１係合部を有し、前記容器に取り付けられた第１部材と、
　第２係合部を有し、前記改質器に取り付けられた第２部材とを備え、
　前記第２係合部が前記第１係合部と係合することで前記改質器が前記容器に支持され、前記第１係合部と前記第２係合部が係合する係合箇所が前記改質器底部よりも上方に設けられ且つ前記第２係合部が前記第１係合部上を、前記改質器の熱膨張方向に摺動可能である改質器支持構造が提供される。
　本発明の改質器支持構造では、第２係合部が第１係合部と係合しているため、前記改質器が前記容器に支持されるとともに、第２係合部が第１係合部上を改質器の熱膨張方向に摺動可能である。それゆえ、改質器支持構造は、改質器が熱膨張しても改質器に応力を与えることなく改質器を支持することができる。また、第１係合部と第２係合部が係合する係合箇所が前記改質器の底部よりも上方に設けられているために、改質器支持構造は、燃料電池セルスタックの上方、特に燃焼エリアで発生する熱の影響を受けにくい。
　本発明の改質器支持構造において、前記改質器の一端に原料供給管を取り付け、第１係合部と第２係合部が係合する係合箇所を、改質器の熱膨張方向において、前記改質器の前記一端よりも他端により近い位置に設けてもよい。このような構造により改質器を両側からバランスよく支持することができる。第１係合部と第２係合部が係合する係合箇所は、面接触、線接触又は点接触とすることができる。
　本発明の改質器支持構造において、前記改質器と前記セルスタックの間に燃焼エリアが区画される場合には、前記第１部材を前記燃料電池モジュールを上方からみて前記燃焼エリアの外側位置に設けることで燃焼エリアからの熱の影響を小さくすることができる。また、前記第２部材を前記燃焼エリアの外側位置に設けることで燃焼エリアからの熱の影響を小さくすることができる。
　本発明の改質器支持構造において、前記改質器の一端に原料供給管が取り付けられ、第１部材が前記容器の前記改質器の他端近傍に取り付けられていてもよい。また、第２部材が前記改質器の他端またはその近傍に取り付けられていてもよい。このような取り付け構造により改質器を両側からバランスよく支持することができる。
　本発明の改質器支持構造において、第１部材が前記容器の内側上面に取り付けられていてもよい。改質器は前記容器の内側上面の近くに配置されているため、改質器が熱膨張するときに第１部材を含む改質器支持構造に及ぼされる応力を最小限にすることができ、また、改質器の下方で発生する熱の改質器支持構造への影響も低減することができる。なお、前記改質器が長尺箱状である場合には、その長手方向が前記熱膨張方向になる。
　本発明の改質器支持構造において、前記第２部材が前記改質器の上面に備えられることにより、改質器の下方で発生する熱の影響を低減することができる。
　本発明の改質器支持構造において、前記第１部材は、少なくとも一部に略Ｌ字形状または略Ｕ字形状を有していてもよい。また、前記第２部材は、少なくとも一部に略Ｌ字形状または略Ｕ字形状を有していてもよい。
　本発明の第２の態様に従えば、前記改質器支持構造を備える燃料電池モジュールが提供される。
　本発明の改質器支持構造は、温度変化によって改質器が膨張・収縮しても改質器に改質器支持構造を通じた応力を与えることなく改質器を支持することができる。
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池モジュールの斜視図である。 図２は、図１のＡ－Ａ線で切断した燃料電池モジュールの概略断面図である。 図３は、本発明の第１実施形態に係る改質器と改質器支持構造を示す斜視図である。 図４は、改質器支持構造の第１部材の構造を示す斜視図である。 図５は、改質器支持構造の第２部材の構造を示す斜視図である。 図６は、改質器支持構造が改質器を支持する様子を示す説明図である。 図７は、燃料電池モジュール内の気体の流れを示す概念図である。 図８は、本発明の第１実施形態に係る改質器と改質器支持構造の別の例を示す斜視図である。 図９は、改質器支持構造の第２部材の変形例を示す斜視図である。 図１０は、改質器支持構造の第２部材の変形例を示す斜視図である。 図１１は、本発明の第１実施形態に係る改質器と改質器支持構造の別の例を示す斜視図である。 図１２は、本発明の第１実施形態に係る改質器と改質器支持構造の別の例を示す斜視図である。 図１３は、本発明の第１実施形態に係る改質器と改質器支持構造の別の例を示す斜視図である。 図１４は、本発明の第２実施形態に係る改質器と改質器支持構造を示す斜視図である。 図１５は、本発明の第２実施形態に係る改質器と改質器支持構造の別の例を示す斜視図である。 図１６は、本発明の第３実施形態に係る改質器と改質器支持構造を示す斜視図である。 図１７は、燃料電池システムの概略を示すブロック図である。
　以下、図１～１３を参照しながら、本発明の改質器支持構造の第１の実施形態を説明する。
＜第１実施形態＞
　本実施形態の改質器支持構造を有する燃料電池モジュール１の全体構造を図１に示す。燃料電池モジュール１は、モジュール本体部３と、モジュール本体部３を収容するモジュール缶体（容器）２とからなる。モジュール本体部３は、原料供給管４と、原料供給管４から供給された原料ガスから水素リッチガスを発生させる改質器５と、改質器５によって発生したリッチガスを送気する改質ガス供給管７と、改質ガス供給管７を通じてリッチガスが供給される台座８と、台座８から供給されたリッチガスと酸化剤を電気化学反応させる燃料電池セルスタック９を主に備える。モジュール缶体２は、直方体状の容器である。この具体例では、モジュール缶体２の右側壁２ａにモジュール缶体２内部にモジュール本体部３を挿入するための開口２ｂが形成されている。モジュール本体部３をモジュール缶体２内に挿入した後は、モジュール缶体２の内部の気密性を保つため、開口２ｂは、蓋体（２ａ）により封鎖される。この際、原料供給管４は、モジュール缶体２の蓋体２ａを貫通して改質器５に接続されることになる。モジュール缶体２の上板２ｃには排ガス出口１２が設けられており、下面２ｅには酸化剤供給部１１が設けられている。図１および図２において、原料供給管４、酸化剤供給部１１及び排ガス出口１２として、それぞれ断面が管状の部材を示したが、原料供給管４、酸化剤供給部１１、排ガス出口１２はこの形状に限らない。例えば、原料および酸化剤をモジュール缶体２内に導入する部分(流路)、並びに排ガスをモジュール缶体２の外に排出する部分(流路)は、任意の構造及び形状にすることができ、例えば、これらの流路の断面形状はスリット状、矩形、孔状など任意の形状であってもよい。また、モジュール缶体２の外周の少なくとも一部に酸化剤又は排ガスの流路を形成してもよい。
　図２は、燃料電池モジュール１を図１のＡ－Ａ線に沿って切断した概略断面図である。説明の都合上、以下では、図２の、前側、後側、上側、下側、右側及び左側を、モジュール缶体２、改質器５、台座８、燃料電池セルスタック９における前側、後側、上側、下側、右側（または原料供給側）及び左側とそれぞれ呼ぶ。
　改質器５は、モジュール缶体２内の上部において、左右方向に延在する長尺状の箱形部材である。改質器５の長手方向（以下、単に「長手方向」と呼ぶことがある）の右側端５ａに原料導入管４が連結されている。改質器５の長手方向の左側端５ｂは後述する改質器支持構造６によりモジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃｉから吊り下げられて支持されている。改質器５の底面５ｃには、右側端５ａの近傍に改質ガス供給管７の一端が連結されている。すなわち、改質器５は、長手方向の原料供給側において原料供給管４及び改質ガス供給管７に支持され、原料供給側と反対側において改質器支持構造６のみによって支持されている。改質器５は、原料導入管４から導入された水素含有燃料及び水蒸気を水素リッチガスに改質し、改質したガス（水素リッチガス）を改質ガス供給管７を通じて排出する。改質ガス供給管７は、燃料電池セルスタック９の側方に延在し、改質器５に連結された一端とは反対側の他端は台座８に接続される。
　図２に示すようにモジュール缶体２の底面上には台座８が設置されている。台座８の上面には燃料電池セルスタック９が載置されている。台座８の上面の右側端８ａ近傍であって、燃料電池セルスタック９が載置されていない部分には、改質ガス供給管７の他端が連結されている。台座８の内部には、改質ガス供給管７を通じて供給された水素リッチガスを燃料電池セルスタック９の各セルに供給するためのマニホールド（分岐流路)８ｂが形成されている（図７参照）。
　燃料電池セルスタック９は、左右方向にアレイ状に配列された複数の燃料電池セル９ａを有する。各燃料電池セル９ａは、燃料極、固体電解質及び酸化剤極（不図示）を備える。各燃料電池セル９ａに台座８内のマニホールド８ｂを通じて供給された水素リッチガスと、酸化剤供給部１１から供給された酸化剤とを用いて電気化学的反応が行われる。図２に示すように燃料電池セルスタック９の上方（燃料電池セルスタック９と改質器５との間）には、空間（ギャップ）１０が形成されている。この空間が燃焼エリア１０となる。燃焼エリア１０では、燃料電池セルスタック９において使用されなかった水素リッチガス及び酸化剤が燃焼する。燃料電池セルスタック９と改質器５との間の距離は、例えば、約１５ｍｍである。
　原料導入管４及び酸化剤供給部１１は、モジュール缶体２の内部の気密性を保つため、シール材などにより隙間を封止してモジュール缶体２の面に固定されている。一方で、それらの配管をモジュール缶体２と一体成形してもよい。
　次に、改質器５の内部構造と、改質器５を支持する支持構造を図３により詳細に説明する。図３に示すとおり、改質器５の内部には、改質器５の短手方向（改質器５の前後方向において長手方向と直交する方向）のほぼ中央位置に、分離壁５ｄが形成されている。分離壁５ｄは、左側端部５ｂの近傍を除いた位置において、右側端部５ａ、底面５ｃ、および上面５ｇに当接して長手方向に延在している。分離壁５ｄは、改質器５の内部を、原料導入管４が接続されている側の第１空間５ｅと改質ガス供給管７が接続されている側の第２空間５ｆに二分割している。これにより、原料導入管４から改質器５の右側端部５ａに供給された水素含有燃料及び水蒸気は、第１空間５ｅを通って左側端部５ｂ近傍で折り返したあと、第２空間５ｆを通過して改質ガス供給管７から排出される。
　改質器支持構造６は、モジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃiに取り付けられた第１部材６１と、改質器５に取り付けられた第２部材６２とからなる。改質器支持構造６の第１部材６１の形状を図４に示す。第１部材６１は、断面が略Ｕ字状の屈曲した板材である。第１部材６１は、改質器５の短手方向に延在する平板部６１ａと、平板部６１ａの両端から上方に屈曲して延在する一対の吊り下げ部６１ｂ、６１ｂと、吊り下げ部６１ｂ、６１ｂの端部から屈曲してモジュール缶体２の上板２ｃとほぼ平行に延在する一対の張出部６１ｃ、６１ｃとを有する。張出部６１ｃ、６１ｃの上面が上板２ｃの内面２ｃiに溶接などにより取り付けられる。なお、吊り下げ部６１ｂと、上板２ｃの内面２ｃｉとを直接溶接可能である場合には、張出部６１ｃは省略することができる。平板部６１ａとモジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃiとの間に所定の隙間Ｇ１が形成される。また、熱垂れを生じにくい材料を用いた時は、一対の吊り下げ部６１ｂ、６１ｂの片側を省略することができ、また、一対の張出部６１ｃ、６１ｃのうち片側を省略することができる。平板部６１ａの上面６１ｄが、第２部材６２と係合する第１係合部（６１ｄ）となる。第１部材６１は、例えば、ステンレスなどの平板を屈曲して形成することができる。モジュール缶体２の上面の内面２ｃiにおける、第１部材６１の取り付け位置は、できるだけモジュール缶体２の左壁面２ｄに近い位置とするのが望ましい。図２に示すように、第１部材６１の取り付け位置を、特に長手方向において、燃料電池セルスタック９や燃焼エリア１０の外側とすることで、燃料電池セルスタック９や燃焼エリア１０から発生する熱の改質器支持構造６に対する影響を小さくすることができる。なお、燃料電池モジュール１の動作中には、上記熱の影響でモジュール缶体２に変形が生じることがある。しかし、第１部材６１の取り付け位置をできるだけモジュール缶体２の左壁面２ｄに近い位置にすることで、モジュール缶体２の変形による影響も小さくすることができる。よって、より安定した改質器５の支持が可能となる。
　改質器支持構造６の第２部材６２の形状を図５に示す。第２部材６２は、断面が略Ｌ字形状の屈曲部材である。第２部材６２は、改質器５の上面５ｇとほぼ平行に延在する平板部６２ａと、平板部６２ａの端部から直交する方向（鉛直方向）に屈曲して延在する平坦な鉛直部６２ｂとからなる。第２部材６２は、平板部６２ａと改質器５の上面５ｇとの間に所定の隙間Ｇ２が形成されるように、鉛直部６２ｂの一部（下端近傍）において改質器５の左側面５ｂに溶接などにより取り付けられる。平板部６２ａの下面６２ｃが第１部材６１の第１係合部６１ｄと係合する第２係合部（６２ｃ）となる。図５に示すように、第２部材６２は、改質器５の短手方向の中央に位置することが望ましい。これにより、改質器支持構造６により、改質器５をバランス良く安定して支持することが可能となる。
　図６は、モジュール缶体２に取り付けられた第１部材６１と、改質器５に取り付けられた第２部材６２とにより、改質器５が支持された様子を示す断面図である。第１部材６１と第２部材６２は、平坦な第１係合部６１ｄと平坦な第２係合部６２ｃが互いに重なり合って面接触することにより係合して、改質器５をモジュール缶体２に支持している。第１係合部６１ｄと第２係合部６２ｃが互いに重なり合って面接触した部分が係合箇所６ａとなる。後述するように、燃料電池モジュール１の動作中においては、改質器５は高温に至り、図６中の矢印左側に向けて数ミリ程度の熱膨張を生じる。このような熱膨張により改質器５が移動したとしても、第２係合部６２ｃが第１係合部６１ｄ上を摺動するので、第１部材６１が第２部材６２と係合した状態は維持され、係合箇所６ａは移動しない。それゆえ、改質器５は第２部材６２からの応力を受けることなく、モジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃｉに支持されている。係合箇所６ａは、改質器５の底部より上側に設けられることが望ましい。さらに、係合箇所６ａは、改質器５の長手方向（熱膨張方向）において、長手方向中央部より左側端５ｂ寄りに設けられることが望ましい（原料供給管４が連結された右側端５ａよりも、左側端５ｂにより近い位置に設けられることが望ましい）。なお、本実施例においては、改質器５の底面５ｃが改質器５の底部となるが、後述するように、改質器は本実施例の形状に限られない。改質器がどのような形状であっても、モジュール缶体２内の改質器の最も低い位置となる部分を、改質器の底部と呼ぶ。
　上記のように、改質器５の温度変化により、第２係合部６２ｃ上で第１係合部６１ｄが係合する領域（係合箇所６ａ）が変化する。この点を考慮すると、第２係合部６２ｃの長手方向の長さを、第１係合部６１ｄの長手方向の長さよりも長くするのが望ましい。すなわち、第２係合部６２ｃの長手方向の長さを、改質器５の熱膨張が生じたときも第１係合部６１ｄと第２係合部６２ｃの係合が外れない程度の長さとするのが望ましい。一方で、燃料電池モジュール１の動作停止時には、改質器５の温度は低下し、改質器５は、図６中の矢印右側に向けて収縮する。このような改質器５の収縮が生じたときも第１部材６１と第２部材６２とが干渉を生じないよう、第１部材６１の長手方向の左側端部を、第２部材６２の鉛直部６２ｂから長手方向に予め所定距離ｄだけ離れた位置に配置しておくことが望ましい。ここで、第１係合部６１ｄの寸法が、例えば、長手方向（図の左右方向）に１０ｍｍ、長手方向と直交する短手方向に（図の前後方向）に３０ｍｍであるとする。この場合、上記の観点から、第２係合部６２ｃの長手方向の長さは係合箇所６ａの長手方向の長さより長いほうが好ましく、例えば、１５ｍｍ～３０ｍｍにすることができる。なお、上記においては第１部材６１の第１係合部６１ｄおよび第２部材６２の第２係合部６２ｃはいずれも矩形である。しかし、第１係合部６１ｄおよび第２係合部６２ｃの形状は矩形には限られず、正方形、略円形、略楕円形等の任意形状でよい。
　次に、本実施形態の改質器支持構造の動作について説明する。
　図７は、燃料電池モジュール１が発電を行う際の、水素含有燃料、水蒸気、水素リッチガス、酸化剤、排ガスの流れを示す。燃料電池モジュール１が発電を行う際には、原料導入部４から改質器５へと、都市ガス、灯油、ＬＰＧ等の水素含有燃料、及び水蒸気が与えられる。
　改質器５に供給された水素含有燃料及び水蒸気は、改質器５の内部で改質される。すなわち、水素含有燃料及び水蒸気は、改質器５の内部に備えられた触媒、および燃焼エリア１０における燃焼により与えられる熱の作用などによって反応を生じ、水素リッチガスを発生させる。この反応を効率良く生じさせるためには、改質器５の温度が全体において均一であることが好ましい。したがって、改質器５を水平に保持して、改質器５と燃料電池セルスタック９との距離がどの位置においてもほぼ一定となるようにして、改質器５が燃料電池セルスタック９の上部に形成される燃焼エリア１０からの熱を均一に受け取ることができるようにすることが望ましい。この時、改質器５と燃料電池セルスタック９との距離は、一例としておよそ１５ｍｍとし得る。
　改質器５で発生した水素リッチガスは、改質ガス供給管７および台座８を経て、燃料電池セルスタック９の燃料極に供給される。一方で、燃料電池セルスタック９の酸化剤極には、モジュール缶体２の底面に形成された酸化剤導入部１１より、酸素などの酸化剤が供給される。燃料電池セルスタック９内部では、供給された水素リッチガス及び酸化剤による電気化学的反応が生じ、この電気化学的反応によって生じた電気が、電流取り出し部（不図示）を介してモジュール缶体２の外部に取り出される。
　燃料電池セルスタック９内部における電気化学的反応においては、供給された水素リッチガスおよび酸化剤のすべてが用いられる訳ではない。反応しなかった水素リッチガス及び酸化剤は、燃料電池セルスタック９の上部に形成される燃焼エリア１０に供給され、ここで燃焼する。燃焼により生じた熱は、改質器５及び燃料電池セルスタック９に与えられる。また、燃焼により生じた排ガスは、改質器５とモジュール缶体２の上板２ｃとの間の流路を通って上板２ｃに設けられた排ガス出口１２よりモジュール缶体２の外部に放出される。
　以上の動作により、燃料電池モジュール１の動作中には、モジュール缶体２の内部は７００℃を超える高温となる。このとき、改質器５も高温となり、燃焼エリア１０からの熱を受ける改質器５の底面５ｃは、８００℃程度となる。この結果、燃料電池モジュール１の動作開始時には、温度上昇に伴って、改質器５の、特に長手方向に熱膨張が発生する。
　ここで、改質器５は、前述のとおり長手方向の右側端５ａにおいて原料導入部４に連結されており、原料導入部４はモジュール缶体２の蓋面２ａに固定されている。したがって、燃料電池モジュール１の動作時に改質器５に熱膨張が発生した際は、改質器５は、その長手方向の左側端５ｂにおいて、その熱膨張の影響が顕著となる。
　改質器支持構造６は、このような改質器５に生じる熱膨張の影響が顕著となる位置において改質器５を支持している。そして、改質器支持構造６の第２部材６２は改質器５に取り付けられているため、第２部材６２は、改質器５の熱膨張に伴って、改質器５と一体となって移動する。このとき、図６に示すように、第２部材６２の第２係合部６２ｃは、モジュール缶体２の上面２ｃの内面２ｃiに取り付けられた第１部材６１の第１係合部６１ｄの上を摺動する。第１係合部６１ｄ及び第２係合部６２ｃは、改質器５の熱膨張が生じたときも、改質器５を支持するのに十分な接触を保てる大きさを有している。よって改質器５が熱膨張しても、第２部材６２は同一平面上で水平方向に移動するのみである。すなわち、第１係合部６１ｄと第２係合部６２ｃとが互いに重なりあい面接触して形成する係合箇所６ａの長手方向位置は変化しない。それゆえ、改質器支持構造６は、改質器５に熱膨張が生じた際も、改質器５に応力を加えることなく、改質器５を支持することができる。また、改質器５は熱膨張による膨張（変形）を阻害されないため、熱応力の発生も抑制される。このため、改質器５の中央部が上方に向かって湾曲するような変形は起こり難い。さらに、図７から明らかなように、改質器支持構造６の第１部材６１及び第２部材６２はいずれも左右方向においてセルスタック９及び燃焼エリア１０の外側に位置している（燃料電池モジュール１を上方から見たときに燃料エリア１０の外側に位置している）。そのため、改質器支持構造６は、燃焼エリア１０からの熱の影響を受けにくい。
　燃料電池モジュール１の動作を停止させた時には、改質器５の温度は低下し、改質器５には収縮が生じる。この時、改質器支持構造６の第２部材６２は、改質器５に取り付けられているため、第２部材６２は、改質器５の収縮に伴って、改質器５と一体となって移動する。このとき、第２部材６２の第２係合部６２ｃは、図６に示すように、モジュール缶体２の上面に取り付けられた第１部材６１の第１係合部６１ｄの上を摺動する。第１係合部６１ｄ及び第２係合部６２ｃは、改質器５の収縮が生じたときも、第１部材６１と第２部材６２とが干渉を生じないよう互いに少しずれた状態（間隔ｄ）で接触している。よって改質器５が収縮しても、第２部材６２は同一平面上で水平方向に移動するのみである。したがって、改質器支持構造６は、改質器５に収縮が生じた際も、安定して改質器５を支持することができる。また、改質器５は収縮による変形を阻害されないため、熱応力の発生も抑制される。
　上記の通り、本実施形態の改質器支持構造６は、第１部材６１の第１係合部６１ｄ上を第２部材６２の第２係合部６２ｃを摺動させることにより、改質器５に熱膨張、収縮が生じた時にも、改質器５を安定した状態で、水平に支持することができる。さらに本実施形態の改質器支持構造６は、第１部材６１と第２部材６２のみにより構成されているため、燃料電池モジュール１の製造時に容易にモジュール本体３に取り付けることができ、製造コストも低い。また、改質器支持構造６、及び第１部材６１の第１係合部６１ｄと第２部材６２の第２係合部６２ｃが面接触により係合してできる係合箇所６ａは、改質器５の上方（燃焼エリア１０と反対側）であって、改質器５を上方に投影してできる領域の内側に設けられている。よって、改質器支持構造６及び係合箇所６ａは、燃焼熱による影響を受けにくい。また、改質器支持構造６は、モジュール缶体２の部位のうち、改質器５に最も近い上板２ｃで改質器５を支持するために、改質器５が熱膨張で移動しても改質器支持構造６を構成する第１部材６１及び第２部材６２に応力がかかり難い。もし、この係合箇所６ａが台座８やその近傍にあると、第１部材６１または第２部材６２が長くなる。よって、改質器５が熱膨張したときに、第１部材６１または第２部材６２が撓み、第１部材６１に対して第２部材６２がスムーズに移動し難くなる。
　次に、本実施形態の改質器支持構造６の変形例を説明する。
[第１－１変形例]
　上記実施形態の改質器支持構造６においては、第２部材６２の平板部６２ａは鉛直部６２ｂから改質器５の内側に向かって屈曲していた。しかし、図８に示す変形例のように、第２部材６２の平板部６２ａは鉛直部６２ｂから改質器５の外側に屈曲していてもよい。このような配置とすることで、モジュール缶体２の上面２ｃの内面２ｃiにおける第１部材６１の取り付け位置を、モジュール缶体２の左側壁２ｄにより近づけることができる。したがって、燃料電池モジュール１の動作中にモジュール缶体２が熱による影響で変形したとしても、その影響をより小さくすることができる。
[第１－２変形例]
　上記実施形態の改質器支持構造６においては、第２部材６２の鉛直部６２ｂの一部（下端部）を改質部５の左側面５ｂに取り付けた。しかし図９に示すように鉛直部６２ｂを平板部６２ａと平行になるように折り曲げて平板取り付け部６２ｄを画成し、平板取り付け部６２ｄを改質部５の上面５ｇに取り付けてもよい。この際、第２部材６２と係合する第１部材６１のモジュール缶体２の内面２ｃｉへの取り付け位置を第２部材６２の位置に合わせて調整する。こうすることで、改質器支持構造６が完全に改質器５の上方に位置するので、燃焼エリア１０において生じる熱の改質器支持構造６への影響を小さくすることができる。
[第１－３変形例]
　第１－２変形例では、平板取り付け部６２ｄを平板部６２ａが延在する方向と同じ方向に延在させた。しかし図１０に示すように、平板取り付け部６２ｄを平板部６２ａが延在する方向と逆方向に延在させてもよい。この変形例でも、改質器支持構造６が完全に改質器５の上方に位置するので、燃焼エリア１０において生じる熱の改質器支持構造６への影響を小さくすることができる。
　[第１－４変形例]
　上記実施形態の改質器支持構造６においては、第２部材６２は平板部６２ａと鉛直部６２ｂにより構成されていた。しかし、図１１に示すように、第２部材６２を、水平部６２ｃおよび鉛直部６２ｄを有するエルボー状の屈曲部材としてもよい。第２部材６２は、水平部６２ｃと改質器５の上面５ｇとの間に所定の隙間Ｇ２が形成されるように、鉛直部６２ｄの一部（下端近傍）において改質器５の左側面５ｂに溶接などにより取り付けられる。円柱状の水平部６２ｃの下端が第１部材６１の平坦な第１係合部６１ｄと線接触することにより第１部材６１と第２部材６２が係合し、線状の係合箇所６ａを形成する。図１１に示すように、第２部材６２は、改質器５の短手方向の中央に位置することが望ましい。これにより、改質器支持構造６により、改質器５をバランス良く安定して支持することが可能となる。
　[第１－５変形例]
　上記第１－４変形例の改質器支持構造６においては、第２部材６２は、水平部６２ｃが鉛直部６２ｄから改質器５の内側に向かって屈曲する構造であった。しかし、図１２に示す変形例では、第２部材６２は円柱状の水平部６２ｃのみを有する棒状部材である。第２部材６２は、第２部材６２の一端６２ｅにおいて改質器５の左側面５ｂに溶接などにより取り付けられている。円柱の水平部６２ｃの下端が第１部材６１の平坦な第１係合部６１ｄと係合し、線状の係合箇所６ａを形成する。図１２に示すように、第２部材６２は、改質器５の短手方向の中央に位置することが望ましい。これにより、改質器５をバランス良く安定して支持することが可能となる。また、このような配置とすることで、モジュール缶体２の上面２ｃの内面２ｃiにおける第１部材６１の取り付け位置を、モジュール缶体２の左側壁２ｄにより近づけることができる。したがって、燃料電池モジュール１の動作中にモジュール缶体２が熱による影響で変形したとしても、その影響をより小さくすることができる。
　[第１－６変形例]
　上記第１－５変形例の改質器支持構造６においては、第２部材６２は水平部６２ｃのみを有する棒状部材であった。しかし、図１３に示す変形例では、第２部材６２は、水平部６２ｃと、水平部６２ｃから改質器５の下方向に向けて延在する鉛直部６２ｇと、左端６２ｆを有するエルボー状部材である。第２部材６２は、右端６２ｅの近傍において、改質器５の上面５ｇに溶接などにより取り付けられる。ここで、第２部材６２の左端６２ｆは半球状または曲面を有するように形成されている。このため、第２部材６２の左端６２ｆが第１部材６１の平坦な第１係合部６１ｄと点接触することにより第２部材６２と第１部材６１が係合し、点状の係合箇所６ａを形成する。
[第２実施形態]
　次に、図１４を参照しながら、本発明の改質器支持構造の第２の実施形態を説明する。本実施形態の特徴は、改質器支持構造６の第１部材６３と第２部材６４の形状が、第１実施形態とは異なる点である。その他の点においては第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
　本実施形態の改質器支持構造６は、モジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃｉに取り付けられた第１部材６３と、改質器５に取り付けられた第２部材６４とからなる。改質器支持構造６の第１部材６３の形状は図１４に示すとおりである。第１部材６３は、断面が略Ｚ字状の屈曲部材である。第１部材６３は、改質器５の短手方向に延在する平板部６３ａと、平板部６３ａの一端から屈曲して延在する吊り下げ部６３ｂと、吊り下げ部６３ｂの上端部から屈曲してモジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃｉとほぼ平行に延在する張出部６３ｃとを有する。張出部６３ｃの上面がモジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃｉに溶接などにより取り付けられる。なお、吊り下げ部６３ｂと、上板２ｃの内面２ｃｉとを直接溶接可能である場合には、張出部６３ｃは省略することができる。平板部６３ａとモジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃiとの間に所定の隙間Ｇ１が形成される。平板部６３ａの上面６３ｄが、第２部材６４と係合する第１係合部（６３ｄ）となる。第１部材６３は、例えば、ステンレスなどの平板を屈曲して形成することができる。モジュール缶体２の上面２ｃの内面２ｃｉにおける、第１部材６１の取り付け位置は、できるだけモジュール缶体２の左側壁２ｄに近くするのが望ましい。第１部材６３の取り付け位置をできるだけモジュール缶体２の左側壁２ｄに近くすることで、モジュール缶体２の変形による影響を小さくすることができ、より安定した改質器５の支持が可能となる。
　なお、図１４は、第１部材６３の張出部６３ｃが、平板部６３ａに対して、改質器５の長手方向の反対側に延在する様子を示している。しかし張出部６３ｃは、平板部６３ａと向かい合うようにして延在していてもよい。
　改質器支持構造６の第２部材６４は、図１４に示す通り、断面が略Ｕ字状の屈曲した板材である。第２部材６４は、改質器５の短手方向に延在する平板部６４ａと平板部６４ａの両端から下方に屈曲して延在する一対の鉛直部６４ｂ、６４ｂと、鉛直部６４ｂ、６４ｂの端部から屈曲して改質器５の上面５ｇとほぼ平行に延在する一対の張出部６４ｃ、６４ｃとを有する。張出部６４ｃ、６４ｃの下面が改質器５の上面５ｇに溶接などにより取り付けられる。なお、鉛直部６４ｂと、改質器５の上面５ｇとを直接溶接可能である場合には、張出部６４ｃは省略することができる。平板部６４ａと改質器５の上面５ｇとの間に所定の隙間Ｇ２が形成される。平板部６４ａの下面６４ｄが、第１部材６３と係合する第２係合部（６４ｄ）となる。第２係合部６４ｄが第１部材６３の平坦な第１係合部６３ｄと面接触することにより第１部材６３と第２部材６４が係合し、面状の係合箇所６ａを形成する。第２部材６４は、例えば、ステンレスなどの平板を屈曲して形成することができる。図１４に示すように、第２部材６４は、改質器５の短手方向の中央に位置することが望ましい。これにより、改質器５をバランス良く安定して支持することが可能となる。
　なお、第２部材６４は、第１部材６３の第１係合面６３ｄと係合する第２係合部６４ｄを有する形状であれば略Ｕ字状に限られない。よって、第１実施形態で用いた第２部材６２（図５、図９、図１０参照）を、本実施形態の第２部材６４として用いることもできる。この時は、第２部材６２の第２係合部６２ｃを第１部材６３の第１係合部６３ｄと面接触させて係合し、改質器５の熱膨張、収縮時にも改質器５を安定して支持できる位置に配置できるように第２部材６２が取り付けられる。
　図１４に示した改質器支持構造６においては、第１部材６３の平板部６３ａは鉛直部６３ｂから改質器５の内側に向かって延在している。しかし第１部材６３の平板部６３ａが鉛直部６３ｂから改質器５の外側に向かって延在していてもよい。この場合も、第１部材６３の第１係合部６３ｄを第２部材６４の第２係合面６４ｄと面接触させて係合し、改質器５の熱膨張、収縮時にも改質器５を安定して支持できる位置に第１部材６３が取り付けられる。
　[第２－１変形例]
　上記実施形態の改質器支持構造６においては、第１部材６３は平板部６３ａ、吊り下げ部６３ｂ、張出部６３ｃにより構成されていた。しかし図１５に示すように、コ字状に屈曲した棒状部材であり、水平部６３ａ、６３ａおよび連接部６３ｂを有する第１部材６３を用いてもよい。第１部材６３は、連接部６３ｂにおいてモジュール缶体２左側壁２ｄの内面２ｄiに溶接などにより取り付けられる。水平部６３ａの上端が第２部材６４の平坦な第２係合部６４ｄと線接触することで第１部材６３と第２部材６４が係合し、線状の係合箇所６ａを形成する。このような配置とすることで、第１部材６３を、モジュール缶体２の左壁面２ｄの内面２ｄiの、上面２ｃに近い位置に、取り付けることができる。したがって、燃料電池モジュール１の動作中にモジュール缶体２が熱による影響で変形したとしても、その影響をより小さくすることができる。
　なお、さらなる変形例として図１５に示した第１部材６３の代わりに、屈曲していない真直な棒状部材としてもよい。また、図１５に示した第１部材６３の代わりに、図１３に第２部材６２として示したエルボー状部材を第１部材６３として用いてもよい。この場合は、第１部材６３の先端の半球又は曲面部を第２部材６４の平坦な第２係合部６４ｄに点接触させる。
[第３実施形態]
　次に、図１６を参照しながら、本発明の改質器支持構造の第３の実施形態を説明する。本実施形態の特徴は、改質器支持構造６の第１部材６５と第２部材６６の形状、および取り付け位置が第１実施形態、第２実施形態とは異なる点である。その他の点においては第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
　本実施形態の改質器支持構造６は、モジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃｉにそれぞれ取り付けられた２つの第１部材６５と、改質器５にそれぞれ取り付けられた２つの第２部材６６とからなる。改質器支持構造６の第１部材６５の形状は図１６に示すとおりである。第１部材６５は、断面が略Ｕ字状の屈曲部材である。第１部材６５は、改質器５の長手方向に延在する平板部６５ａと、平板部６５ａの一端から屈曲して延在する吊り下げ部６５ｂと、吊り下げ部６５ｂの上端部から屈曲してモジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃｉとほぼ平行に延在する張出部６５ｃとを有する。張出部６５ｃの上面がモジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃｉに溶接などにより取り付けられる。平板部６５ａの上面６５ｄが、第２部材６６と係合する第１係合部（６５ｄ）となる。第１部材６５は、例えば、ステンレスなどの平板を屈曲して形成することができる。
　本実施形態の第１部材６５は、改質器５の左側端５ｂ近傍の前側端部、および改質器５の左側端５ｂ近傍の後側端部において、モジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃiに取り付けられている。これにより、改質器５をバランス良く安定して支持することが可能となる。
　なお、図１６は、第１部材６５の張出部６５ｃが、平板部６５ａに向かい合うようにして延在する様子を示しているが、張出部６５ｃは、平板部６５ａに対して、改質器５の短手方向の反対側に延在していてもよい。また、張出部６５ｃを用いずに、吊り下げ部６５ｂの上端部を直接、モジュール缶体２の上板２ｃの内面２ｃｉに溶接してもよい。
　改質器支持構造６の第２部材６６は、図１６に示す通り、断面が略Ｚ字状の屈曲部材である。第２部材６６は、改質器５の長手方向に延在する平板部６６ａと、平板部６６ａの一端から屈曲して延在する鉛直部６６ｂと、鉛直部６６ｂの下端部から屈曲して改質器５の上面５ｇとほぼ平行に延在する張出部６６ｃとを有する。張出部６６ｃの下面が改質器５の上面５ｇに溶接などにより取り付けられる。平板部６６ａの下面６６ｄが、第１部材６５と係合する第２係合部６６ｄとなる。平坦な第２係合部６６ｄが第１部材６５の平坦な第１係合部６５ｄと面接触することにより第１部材６５と第２部材６６が係合し、面状の係合箇所６ａを形成する。第２部材６６は、例えば、ステンレスなどの平板を屈曲して形成することができる。
　なお、第２部材６６は、第１部材６５の第１係合部６５ｄと係合する第２係合部６６ｄを有する形状であれば略Ｚ字状に限られない。第１実施形態で用いた第２部材６２（図５、図９参照）を、本実施形態の第２部材６６として用いることもできる。この時、第２部材６２は、第２部材６２の第２係合部６２ｄが第１部材６５の第１係合部６５ｄと面接触して係合し、改質器５の熱膨張、収縮時にも改質器５を安定して支持できる位置となるように、改質器５に取り付けられる。
　さらなる変形例として、図１６に示した第１部材６５に代えて、図１１に示したエルボー状部材または図１２に示した棒状部材、図１５に示したコ字状部材を用いてもよい。この場合は、これらの部材と第２部材６６の平坦な第２係合部６６ｄとで、線状の係合箇所６ａが形成される。また、図１６に示した第１部材６５に代えて、図１３に示したエルボー状部材を用いてもよい。このとき、エルボー状部材と第２部材６６の平坦な第２係合部６６ｄとで、点状の係合箇所が形成される。
　さらなる変形例として、図１６に示した第２部材６６に代えて、図１１に示したエルボー状部材または図１２に示した棒状部材、図１５に示した略Ｕ字状部材を用いてもよい。この場合は、これらの部材と第１部材６５の平坦な第１係合部６５ｄとで線状の係合箇所が形成される。また、図１６に示した第２部材６６に代えて、図１３に示したエルボー状部材を用いてもよい。この場合は、エルボー状部材と第１部材６５の平坦な第１係合部６５ｄとで点状の係合箇所が形成される。
　以上、本発明の改質器支持構造及びそれを用いた燃料電池モジュールを実施形態及びそれらの変形例で説明してきたが、本発明はそれらの具体例に限定されず、本発明の範囲内で改変することができる。上記実施形態及びそれらの変形例においては、第１部材はモジュール缶体の上壁の内面に取り付けた。しかしながら、第１部材の取り付け位置はこれに限らず、第１部材は第２部材との係合箇所６ａが改質器の底部より上方に位置していれば、モジュール缶体の側壁の内面に取り付けてもよい。この場合、例えば、第１部材を、対向する側壁の内面を連結する平板状部材とすることができる。
　上記実施形態及びそれらの変形例においては、原料導入部４から水素含有燃料および水蒸気を供給するものとした。しかし原料導入部４とは別に水蒸気を供給するための管路を設け、水素含有燃料と水蒸気を異なる管路から改質器５に供給する構成としてもよい。
　また、上記実施形態及びそれらの変形例において、改質器５は長尺状の箱形であるとしたが、改質器５は、このような形状に限定されない。例えば、改質器５は複数の二重円筒状の改質器を水平方向に複数本並べたものであってよく、水平方向に複数本並べた円筒状の改質器を、さらに鉛直方向に複数段に重ねたものであってもよい。
　また、上記実施形態及びそれらの変形例においては、改質器５は原料導入管４から改質器５の端部に供給された水素含有燃料及び水蒸気が、改質器５の長尺方向の反対側の端部で一度折り返された後に、改質ガス供給管７に向かう構造とした。しかし改質器５は、このような構造に限定されない。例えば、改質器５の内部での折り返しの回数が２回以上となるように分離壁を形成してもよい。また、上記実施形態及びそれらの変形例においては、改質器５の内部には、改質器５の前後方向（改質器５の前後方向において長手方向と直交する方向）のほぼ中央位置に、分離壁５ｄが、左側端部５ｂの近傍を除き、右側端部５ａ、底面５ｃ、および上面５ｇに当接して長手方向に延在するように形成されているとした。しかし分離壁５ｄは、左側端部５ｂの近傍を除き、右側端部５ａ、前部５ｈ、および後部５ｉに当接して長手方向に延在するように形成されていてもよい。
　また、上記実施形態及びそれらの変形例においては、改質器５は、水素含有燃料及び水蒸気を水素リッチガスに改質する改質部のみを有するが、改質器５が気化部を含んでいてもよい。
　また、上記実施形態及びそれらの変形例においては、改質器５の底面５ｃには、右側端５ａの近傍に改質ガス供給管７の一端が連結されているが、改質ガス供給管７の一端は右側端５ａに連結されていてもよい。
　上記実施形態においては、モジュール缶体２の開口２ｂは右側２ａに設けたが、開口２ｂを左側壁２ｄに設け、この開口２ｂを蓋面で閉鎖してもよい。この開口２ｂの位置は、支持構造６の設置位置や取り付け方に応じて適宜変更可能である。
　本発明の改質器支持構造は、温度変化によって改質器が膨張・収縮しても改質器に改質器支持構造を通じて応力を与えることなく改質器を支持することができる。それゆえ、本発明の改質器支持構造を用いることで改質器及びそれを用いる燃料電池モジュールを長寿命化させ、燃料電池モジュールを安全に長期間に渡って使用することができる。
１　燃料電池モジュール
２　モジュール缶体
３　モジュール本体部
４　原料導入管
５　改質器
６　改質器支持構造
６１　第１部材
６２　第２部材
７　改質ガス供給管
８　台座
９　燃料電池セルスタック
９ａ　燃料電池セル
１０　燃焼エリア
１１　酸化剤供給部
１２　排ガス出口

Claims (15)

  1. 　セルスタック及び該セルスタックの上方に配置された改質器を含む燃料電池本体と、該燃料電池本体を収容する容器とを備える燃料電池モジュールにおける前記改質器の支持構造であって、
    　第１係合部を有し、前記容器に取り付けられた第１部材と、
    　第２係合部を有し、前記改質器に取り付けられた第２部材とを備え、
    　前記第２係合部が前記第１係合部と係合することで前記改質器が前記容器に支持され、前記第１係合部と前記第２係合部が係合する係合箇所が前記改質器底部よりも上方に設けられ且つ前記第２係合部が前記第１係合部上を、前記改質器の熱膨張方向に摺動可能である改質器支持構造。
  2. 　前記改質器が前記熱膨張方向において互いに対向する一対の端部を有し、一端に原料供給管が取り付けられ、前記係合箇所は、前記改質器の前記熱膨張方向において、前記一端よりも他端により近い位置に設けられている請求項１に記載の改質器支持構造。
  3. 　前記係合箇所は、面接触、線接触又は点接触である請求項１又は２に記載の改質器支持構造。
  4. 　前記改質器と前記セルスタックの間に燃焼エリアが区画されており、前記第１部材は、前記燃料電池モジュールを上方からみたときに前記燃焼エリアの外側位置に設けられている請求項１～３に記載の改質器支持構造。
  5. 　前記改質器と前記セルスタックの間に燃焼エリアが区画されており、前記第２部材は前記燃焼エリアの外側位置に設けられている請求項１～４のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  6. 　前記改質器が前記熱膨張方向において互いに対向する一対の端部を有し、一端に原料供給管が取り付けられ、前記第１部材が前記容器の前記改質器の他端近傍に取り付けられている請求項１～５のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  7. 　前記改質器が前記熱膨張方向において互いに対向する一対の端部を有し、一端に原料供給管が取り付けられ、前記第２部材が前記改質器の他端またはその近傍に取り付けられている請求項１～６のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  8. 　前記第１部材が前記容器の内側上面に取り付けられている請求項１～７のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  9. 　前記第２部材は、前記改質器の上面に備えられている請求項１～８のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  10. 　前記第１部材は、少なくとも一部に略Ｌ字形状を有する請求項１～９のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  11. 　前記第１部材は、少なくとも一部に略Ｕ字形状を有する請求項１～９のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  12. 　前記第２部材は、少なくとも一部に略Ｌ字形状を有する請求項１～１１のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  13. 　前記第２部材は、少なくとも一部に略Ｕ字形状を有する請求項１～１１のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  14. 　前記改質器が長尺箱状であり、その長手方向が前記熱膨張方向である請求項１～１３のいずれか一項に記載の改質器支持構造。
  15. 　請求項１～１４のいずれか一項に記載の改質器支持構造を備える燃料電池モジュール。
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