WO2015005441A1 - 燃料電池装置 - Google Patents

燃料電池装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2015005441A1
WO2015005441A1 PCT/JP2014/068479 JP2014068479W WO2015005441A1 WO 2015005441 A1 WO2015005441 A1 WO 2015005441A1 JP 2014068479 W JP2014068479 W JP 2014068479W WO 2015005441 A1 WO2015005441 A1 WO 2015005441A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
stack
metal fitting
insulating material
heat insulating
holding metal
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/068479
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
門脇　正天
暁 山本
Original Assignee
Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社 filed Critical Ｊｘ日鉱日石エネルギー株式会社
Priority to JP2015526410A priority Critical patent/JP6228204B2/ja
Publication of WO2015005441A1 publication Critical patent/WO2015005441A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 fuel cell device provided with a heat insulating material on the outside of a cell stack that generates power using fuel and an oxidant.
  • a fuel cell device for example, there is a solid oxide fuel cell device (SOFC device) as shown in Patent Document 1.
  • SOFC device solid oxide fuel cell device
  • a cell stack that generates electricity by reacting a hydrogen-containing fuel and an oxidant is surrounded by a casing. Then, surplus hydrogen-containing fuel (off gas) is combusted inside the apparatus, and the combustion exhaust gas is purified by a catalyst, and then released to the outside of the apparatus.
  • a heat insulating material is disposed outside the cell stack to suppress heat radiation from the housing to the outside.
  • the cell stack heated by the combustion of off-gas and the oxidant supplied to the cell stack can be maintained at a high temperature to increase power generation efficiency.
  • a configuration in which a reformer is disposed in a casing is known as a form in which hydrogen-enriched gas obtained by reforming raw fuel with a reformer is supplied to a cell stack. In this case, the reforming reaction can be efficiently maintained by maintaining the reformer at a high temperature.
  • JP 2011-222136 A JP 2011-222136 A
  • the present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and improves the mounting accuracy of the cell stack and the members connected to the cell stack, assembling property such as fuel supply piping, durability, ignition heater,
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell device that can ensure off-gas ignition performance and the like by an ignition device such as an igniter and that can obtain high heat insulation performance.
  • a fuel cell device comprises: A cell stack in which a plurality of fuel cells are supported by a pedestal; A channel-shaped stack holding metal fitting that encloses the cell stack and is open at the top; A housing that houses the cell stack and the stack holding metal fitting, A heat insulating material disposed between the outside of the stack holding metal fitting and the inside of the housing; With The stack holding bracket is supported by the casing or a connected body with the casing, and holds the pedestal on the inner bottom wall of the stack holding bracket so as not to contact the fuel cell. .
  • the cell stack is supported by the stack holding metal fitting, and the stack holding metal fitting is supported by the casing or a connecting body with the casing.
  • casing of the member connected to a cell stack and a cell stack is maintainable.
  • the assembly property of members, such as fuel supply piping connected with a cell stack improves.
  • the accuracy of the mounting position in the height direction of the cell stack is improved. For this reason, the off-gas ignition performance etc. by ignition devices, such as an ignition heater and an igniter, can be maintained.
  • the stack holding metal fitting is disposed between the heat insulating material and the cell stack, the heat insulating material can be protected, and deterioration due to condensation or the like can be suppressed. For this reason, the freedom degree of selection of a heat insulating material can be raised. Further, since the stack holding metal fitting is disposed at a distance from the fuel cell of the cell stack, an insulation treatment or the like on the surface is unnecessary.
  • FIG. 3 is a longitudinal sectional view (a ZZ sectional view of FIG. 2) showing a basic structure of a main part of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line XX in FIG.
  • FIG. 2 is a YY sectional view of FIG. 1.
  • It is principal part sectional drawing which shows the application form of the basic structure of 1st Embodiment.
  • the basic structure of the principal part of the solid oxide fuel cell apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention is shown, (A) is a longitudinal cross-sectional view, (B) is EE sectional drawing of (A).
  • FIG. 1 shows the basic structure of the principal part of the solid oxide fuel cell apparatus which concerns on 9th Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 to 3 show the basic structure of the main part of the solid oxide fuel cell device according to the first embodiment of the present invention.
  • a cell stack 11 that generates power using a hydrogen-containing fuel and an oxidant
  • an off-gas combustion unit 12 a reformer 13, an oxidant supply passage 14, and an exhaust gas passage 15.
  • the cell stack 11 is an assembly in which a plurality of solid oxide fuel cells (fuel cell 11a) are connected in series and / or in parallel and supported by a pedestal.
  • the fuel battery cell 11a is configured by laminating an anode (fuel electrode) and a cathode (oxidant electrode) on both surfaces of an electrolyte made of a solid oxide. Since the shape and arrangement of the fuel battery cells 11a can be arbitrarily selected, the cell stack in the figure is schematically shown by omitting them.
  • the manifold part 11b which functions as a base which supports the fuel cell 11a is illustrated.
  • Hydrogen-enriched gas fuel is supplied from the reformer 13 through the hydrogen-enriched gas supply pipe 19 into the manifold portion 11b.
  • the hydrogen-enriched gas fuel is supplied to the anode of each fuel cell 11a through a hole formed in the manifold portion 11b.
  • the reformer 13 reforms the hydrogen-containing fuel and supplies the hydrogen-enriched gas to the anode (fuel electrode) of the cell stack 11.
  • the oxidant supply passage 14 supplies an oxidant to the cathode (oxidant electrode) of the cell stack 11.
  • the off-gas combustion unit 12 burns off-gas (excess hydrogen-containing fuel and excess oxidant) that did not contribute to power generation in the cell stack 11 to bring the reformer 13 into a high temperature state.
  • the exhaust gas passage 15 discharges off-gas combustion exhaust gas to the outside.
  • a heat insulating material 16 that suppresses heat radiation from the housing 1 to the outside is disposed between the cell stack 11 and the exhaust gas passage 15.
  • a hydrocarbon fuel As the hydrogen-containing fuel (raw fuel) supplied from the outside of the housing 1 to the reformer 13 via the fuel supply pipe 18, for example, a hydrocarbon fuel is used.
  • a hydrocarbon fuel a compound containing carbon and hydrogen in its molecule (which may contain other elements such as oxygen) or a mixture thereof is used.
  • 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 reforming method in the reformer 13 is not particularly limited, and for example, steam reforming, partial oxidation reforming, autothermal reforming, and other reforming methods can be adopted.
  • a water vaporization unit is provided in the reformer 13 (or separately from the reformer 13).
  • the water vaporization unit generates water vapor by heating and vaporizing water supplied from the outside of the housing 1.
  • the reformer 13 may not be provided inside the housing 1.
  • a reformer is provided outside the housing 1 and reformed fuel is supplied to the cell stack from a fuel supply pipe.
  • hydrogen-rich gas that does not require reforming is supplied from the fuel supply pipe to the cell stack.
  • a dehydrogenation discharge pipe for discharging the dehydrogenation product from the dehydrogenation reaction unit and the dehydrogenation reaction unit is provided between the fuel supply pipe and the cell stack.
  • organic hydride storing hydrogen is supplied from the fuel supply pipe to the dehydrogenation reaction section, and hydrogen-rich gas generated by the dehydrogenation reaction is supplied to the cell stack.
  • the oxidant supply passage 14 extends downward from the top wall of the housing 1 into the gaps between the plurality of fuel cells 11a.
  • the passage wall member 14a has an upper end opening connected to the top wall of the housing 1 (or a connecting body to the housing 1), and an outflow hole 14b is formed in the lower portion of the passage wall member 14a. Then, an oxidant is introduced from the outside of the housing 1 into the passage wall member 14a (oxidant supply passage 14), and the oxidant is caused to flow into the housing 1 from the outflow hole 14b.
  • the oxidant that has flowed out is supplied to the cathode (oxidant electrode) of each cell stack 11.
  • the shape of the oxidant supply passage 14 may be, for example, a cylindrical shape having one end communicating with the upper end opening of the passage wall member 14a and the other end having an outflow hole 14b through which the oxidant flows out.
  • the oxidant supply passage 14 may have a flat rectangular parallelepiped shape having a hollow inside.
  • the flat rectangular parallelepiped oxidant supply passage 14 is inserted into a gap between the plurality of cells 11a so as not to contact the fuel cell 11a, the upper end communicates with the upper end opening of the passage wall member 14a, and the lower end has an outflow hole. 14b.
  • the outflow holes 14 b are provided in an arbitrary number at arbitrary positions according to the shape of the cell stack 11. Note that a plurality of oxidant supply passages 14 may be provided in one housing 1 according to the shape of the cell stack.
  • the exhaust gas passage 15 is formed between the inner wall of the housing 1 and a partition wall 15a disposed on the inner wall with a gap.
  • the partition wall 15 a is connected to the housing 1.
  • the exhaust gas of the combustion gas burned in the off-gas combustion unit 12 is introduced into the exhaust gas passage 15 from the exhaust gas inlet at the upper end of the exhaust gas passage 15.
  • the exhaust gas is discharged from a discharge passage 17 connected to the central portion of the bottom wall of the casing 1, purified and heat-exchanged by a catalyst and heat exchange unit (not shown), and then discharged to the outside.
  • the housing 1 includes a stack holding fixture 21 having a substantially channel shape between the exhaust gas partition wall 15 a and the cell stack 11.
  • the stack holding metal 21 defines a heat insulating material chamber Hi for housing a heat insulating material 16 for maintaining the cell stack 11 at a high temperature between the partition wall 15a and holds the cell stack 11.
  • the stack holding metal 21 is supported at its upper end by the upper end surface of the partition wall 15a.
  • the support of the stack holding metal 21 to the partition wall 15a may be fixed by welding or the like.
  • the stack holding metal fitting 21 may be supported only by bending the upper edge of the stack holding metal 21 outward and downward from the partition wall 15a and engaging the upper end of the partition wall 15a.
  • the stack holding bracket 21 may be supported by extending a part of the stack holding bracket 21 and fastening it with the partition wall 15a or the housing 1 with a screw or the like.
  • the lower insulating material When the dimensional error in the height direction is large, the following problems occur. There is a difference in height between the fuel supply pipe that supplies the raw fuel to the reformer and the through hole of the fuel supply pipe formed in the housing. As a result, it becomes difficult to assemble the cell stack, the fuel supply pipe, the reformer, and the like.
  • the fuel cell device includes many through parts (not shown). Examples thereof include an ignition device 91 for burning off-gas, and various sensors (not shown) such as a temperature sensor.
  • various sensors such as a temperature sensor.
  • the height position (interval h3 between the ignition device and the upper end surface of the cell stack from which off gas is ejected) in the off-gas combustion portion of the ignition device is shifted from an appropriate position. For this reason, it becomes difficult for the ignition device 91 to ensure good ignition performance.
  • the cell stack 11 and the sensors are displaced from each other, and the detection accuracy of the sensors is reduced.
  • the cell stack 11 is held by the metal stack holding metal fitting 21 that is less likely to be damaged or deformed than the heat insulating material, whereby the cell 1 is connected to the casing 1 connected to the partition wall 15a.
  • the stack 11 can be accurately positioned. Thereby, as shown in FIG. 2, stress applied to the fuel supply pipe 18, the through hole, and the hydrogen-enriched gas supply pipe 19 can be relieved. As a result, good assemblability of these parts can be ensured, and durability of the connecting portion of the fuel supply pipe 18 and the like can be ensured. Moreover, the ignition performance of the ignition device 91 and the detection accuracy by various sensors can be maintained satisfactorily.
  • the place where the stack holding metal fitting 21 is connected and supported is not limited, it is preferable to connect the relatively high temperature portion in the housing 1 from the viewpoint of maintaining the cell stack 11 at a high temperature. Specifically, it is preferable to connect in the upward direction in the housing 1 where hot gas collects. For example, if the stack protection metal fitting 21 is connected to the bottom of the partition wall 15 a that is relatively low in the housing 1 or the bottom of the housing 1, the temperature of the cell stack 11 may decrease through the stack holding metal 21. On the other hand, when the stack holding metal fitting 21 is connected in the upward direction of the housing 1, the heat in the upward direction in the housing 1 is transferred to the cell stack 11 through the stack holding metal fitting 21.
  • the height of the stack holding metal 21 may be equal to or less than the height of the upper end of the cell stack 11 as shown in FIG. According to this, it is avoided that the combustion flame in the off-gas combustion part 12 directly hits the upper end part of the stack holding metal fitting 21. For this reason, the deformation
  • the molding material of the stack holding metal fitting 21 it is preferable to use a material having an alumina film formed on the surface or a material that can be formed (for example, an aluminum content of 2 to 3%).
  • a material having an alumina film formed on the surface or a material that can be formed for example, an aluminum content of 2 to 3%.
  • the cathode electrode of the cell stack 11 may be poisoned with Cr and affect the power generation performance.
  • the stack holding metal fitting 21 coated with alumina the poisoning of Cr can be suppressed, and the influence on the power generation performance can be avoided.
  • the stack holding metal fitting 21 can be formed by processing a non-porous metal plate, a perforated metal plate, or a mesh-like metal plate.
  • the heat insulating material 16 accommodated in the heat insulating material chamber Hi can be arbitrarily selected according to conditions such as a board shape, a blanket shape, a fiber shape, a granular shape, or a powder shape. Further, for example, as shown in FIG. 3, a plurality of board-like heat insulating materials 16 having different sizes may be accommodated inside the heat insulating material chamber Hi. If the heat insulating material 16 is tilted or flows, the flow of the oxidant is hindered, or if it adheres to the surface of the fuel cell 11a, the power generation efficiency may be reduced.
  • an opening material is selected so that the heat insulating material 16 does not leak from the heat insulating material chamber Hi to the cell stack 11 side. Is preferred.
  • the heat insulating material 16 is limited to a type that can hold the shape with the heat insulating material itself such as a board so that the heat insulating material 16 does not hinder the flow of the oxidant or adheres to the surface of the fuel cell 11a.
  • the condition of the shape holding performance of the heat insulating material itself can be relaxed.
  • the internal atmosphere of the housing 1 will be described.
  • power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell in a state where the inside of the housing 1 is maintained at a high temperature (for example, 600 to 1000 ° C.). And water is by-produced with this electric power generation.
  • a hydrogen-enriched gas containing moisture is supplied to the anode. Therefore, during operation of the fuel cell device, the housing 1 is filled with wet gas.
  • the temperature in the housing 1 decreases, and thus condensation may occur.
  • condensation is particularly likely to occur.
  • the adhesion of condensed water to the surface of the heat insulating material 16 causes deterioration of the heat insulating material 16.
  • non-hole means that no hole or slit is formed in a portion covering the heat insulating material. For example, you may provide the hole for connecting the stack
  • the stack holding metal fitting 21 in the first embodiment fixes the position of the cell stack 11 by sandwiching the upper and lower surfaces of the flange portion of the manifold portion 11b projecting outward from the lower end portion of the fuel cell 11a. . Thereby, assembly property can be improved.
  • the heat insulating material 22 may be disposed on the side of the upper part of the cell stack 11 (above the stack holding metal fitting 21). Further, as shown in FIG. 5A and its EE cross-sectional view (B). That is, the board-like heat insulating material 16 may be stored in the heat insulating material chamber Hi, and the heat insulating material 16 may be protruded from the opening 211b provided on the engagement surface 211a of the stack holding metal fitting 211. Thereby, the reformer 13 can be maintained at a high temperature, and the reforming reaction can be efficiently maintained.
  • the processing of a through hole or the like for inserting an ignition device 91, a flame detection sensor (not shown) or the like in the vicinity of the off-gas combustion unit 12 may be performed only on the heat insulating material. For this reason, the labor of processing can be reduced.
  • only the heat insulating material 22 may be selected from a kind of heat insulating material that can hold the shape with the heat insulating material itself. Thereby, the conditions of the shape maintenance performance to the heat insulating material 16 accommodated in the heat insulating material chamber Hi can be eased.
  • an oxidant regulating member is interposed between a heat insulating material and a cell stack so as to block a gap between the heat insulating material and the cell stack and regulate the flow direction of the oxidant.
  • the oxidant restricting member 23 returns the oxidant flowing upward between the cell stack 11 and the stack holding bracket 21 to the cell stack 11 side without moving straight. This serves to increase the chance of contact of the oxidant with the cathode electrode.
  • the oxidant regulating member 23 for example, a blanket-like heat insulating material can be used.
  • an oxidant regulating member may be interposed between the stack holding fixture 21 and the cell stack 11. At this time, as shown in FIG.
  • a step 21 a that fixes the interposed position of the oxidant regulating member 23 may be formed in the stack holding metal 21. Thereby, the positioning of the oxidant regulating member 23 is facilitated, and the oxidant regulating member 23 can be prevented from falling off.
  • the step 21a for fixing the oxidant regulating member 23 is formed in a structure that does not include the stack holding metal fitting 21, the following is required. That is, since it is necessary to select a board-like heat insulating material and to shape the heat insulating material, workability and strength are required as a material for the heat insulating material 16. However, in this embodiment, the step 21a is processed on the stack holding metal fitting 21 made of metal that is easier to process than the heat insulating material. Thereby, the workability and strength conditions of the heat insulating material 16 can be relaxed.
  • FIG. 6 shows the basic structure of the main part of the solid oxide fuel cell device according to the second embodiment of the present invention.
  • a heat insulating material 16 is disposed between the cell stack 11 and the partition wall 15 a, and an inner surface of the heat insulating material 16 is covered with a stack holding metal fitting 31.
  • the stack holding metal fitting 31 is extended upward from the upper end surface of the cell stack 11, and the upper end portion is supported on the top wall of the casing 1 (or a connecting body to the casing 1).
  • the upper end of the stack holding metal fitting 31 may be supported on the top wall of the housing 1 or the like by fixing by welding, fastening with screws, or the like.
  • the stack holding metal fitting 31 may be provided with an engaging portion to be engaged.
  • an outflow hole 31 b through which the combustion exhaust gas in the off-gas combustion unit 12 flows out to the outer exhaust gas passage 15 is opened at a portion above the reformer 13 of the stack holding metal fitting 31.
  • the cell stack 11 can be accurately positioned with respect to the housing 1 without blocking the flow of the combustion exhaust gas to the outer exhaust gas passage 15.
  • at least a portion of the inner surface of the stack holding metal 31 facing the off-gas combustion unit 12 may be coated with the heat-resistant material 31c. Good. If it does in this way, it can avoid that the combustion flame in the off-gas combustion part 12 hits the surface of the stack holding
  • a lid portion 31 a is connected to the outer surface of the stack holding metal fitting 31.
  • the lid portion 31 a closes the upper portion of the heat insulating material chamber Hi between the lid portion 31 a and the partition wall 15 a of the exhaust gas passage 15.
  • the lid portion 31a contacts the partition wall 15a, but is not supported by the partition wall 15a, and the stack holding bracket 31 including the lid portion 31a is supported only at the upper end portion.
  • the heat insulating material 16 is isolated from the wet gas. Thereby, it can suppress that dew condensation water adheres to the surface of the heat insulating material 16. FIG. By these, when selecting the material of the heat insulating material 16, the form of the heat insulating material 16 and water resistance conditions can be relieved, and the freedom degree of selection of the heat insulating material 16 increases.
  • the partition wall 15a of the exhaust gas passage 15 extends upward to the vicinity of the upper end of the reformer 13, and the lid portion 31a of the stack holding metal fitting 31 is connected to the vicinity of the lower portion of the outflow hole 31b.
  • capacitance of the heat insulating material 16 is increased by pulling up the upper end part of the heat insulating material 16 to the lower surface vicinity of this cover part 31a.
  • the stack holding metal 31 is provided with a step 31d.
  • the step 31d is provided to be close to the fuel cell 11a at a height facing the fuel cell 11a and to be separated from the flame in the vicinity of the off-gas combustion unit 12.
  • a reformer support part 31e that supports the reformer 13 may be provided on the inner side surface of the stack holding metal fitting 31.
  • the reformer support 31e may be fixed to the stack holding fitting 31 by welding.
  • the reformer support 31e may be formed by bending a plate material in the stage of forming the stack holding metal fitting 31.
  • the reformer support portion 31e is not limited to a mode in which the reformer 13 is supported from the lower side, and may be a mode in which the reformer support unit 31e is supported from the upper side by a hook or the like. As described above, in the second embodiment, since the cell stack 11 and the reformer 13 are directly supported by the stack holding fitting 31, the mutual dimensions can be accurately maintained.
  • interval of the off-gas combustion part 12 formed between the cell stack 11 upper end surface and the reformer 13 bottom face improves.
  • the off-gas combustion part 12 can heat the reformer 13 with good balance.
  • the upper part of the stack holding metal fitting 31 is heated to receive off-gas combustion heat.
  • maintenance metal fitting 31 can be efficiently supplied to the reformer 13 via the reformer support part 31e.
  • the reforming reaction can be efficiently maintained.
  • the reformer support 31e is formed of a perforated or mesh-shaped metal plate so that the exhaust gas flows around the entire circumference of the reformer 13. Thereby, the exhaust gas can be circulated between the reformer 13 and the stack holding member 31. As a result, the heat of the exhaust gas can be efficiently supplied to the reformer 13.
  • FIG. 8 shows the basic structure of the main part of the solid oxide fuel cell device according to the third embodiment of the present invention.
  • the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • a pair of oxidant supply passages 14 are disposed on both outer sides of the cell stack 11.
  • An outflow hole 14 b is opened on the side of the cell stack 11 at the lower end of the passage wall member 14 a forming the pair of oxidant supply passages 14.
  • an exhaust gas outflow pipe 14c is connected to a portion above the reformer 13 through both side walls of the passage wall member 14a.
  • the stack holding metal fitting 41 is opened with an exhaust gas conduction hole 41b, and the oxidant supply passage 14 is opened with an exhaust gas conduction hole 14d in the exhaust gas outlet pipe 14c.
  • the peripheral part of the exhaust gas outflow pipe 14c is sealed by welding.
  • the oxidant supplied from the pair of oxidant supply passages 14 flows out from the outflow hole 14 b and is supplied to the cathode electrode of each cell of the central cell stack 11.
  • the off-gas combustion exhaust gas is discharged to the outer exhaust gas passage 15 through the exhaust gas outlet pipe 14 c and the outlet hole 41 b of the stack holding metal fitting 41.
  • the cell stack 11 can be accurately positioned with respect to the housing 1 without blocking the flow of the combustion exhaust gas to the outer exhaust gas passage 15.
  • the stack holding metal fitting 41 can also be applied to a structure that is not directly opposed to the cell stack 11.
  • the first and second embodiments shown in FIG. 1 and FIGS. 3 to 7 can be applied (however, the disposition of the oxidizing agent regulating member 23 is applied).
  • the effect similar to that of the embodiment can be obtained.
  • the upper end portion of the stack holding metal fitting 41 may be replaced with a configuration in which the upper end portion of the partition wall forming the exhaust gas passage is supported as in the first embodiment shown in FIG. can get. In this case, the exhaust gas conduction hole 41b of the stack holding metal fitting 41 can be omitted.
  • FIG. 9 shows a basic structure of a main part of a solid oxide fuel cell device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the same components as those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the cell stack 11 and the reformer 13 are included by the stack holding metal fitting 101 formed as shown in FIG. Further, the upper surface of the reformer 13 is supported by the stack holding metal fitting 101 and the upper end portion of the stack holding metal fitting 101 is supported by the upper end portion of the housing 1.
  • the stack holding metal fitting 101 has a bottom wall 101A for supporting the cell stack 11, a side wall 101B whose outer surface is adjacent to the heat insulating material, and a top wall 101C positioned above the reformer 13, and has a square shape in cross section. It is formed of a cylinder. Outflow holes 101a through which the combustion exhaust gas in the off-gas combustion unit 12 flows into the outer exhaust gas passage 15 are opened at the upper portions of the both side walls 101B. A passage insertion port 101b for inserting the oxidant supply passage 14 is opened in the top wall 101C.
  • 101 C of top walls are the 1st bridge
  • a portion of the first bridge portion 101d extends a predetermined length in the direction toward the second bridge portion 101e, and the extended portion functions as a support portion 101f that supports the reformer 13 as will be described later. .
  • an extending arm member 13a is attached with both lower ends fixed. Then, by inserting the support portion 101f into an opening formed between the arm member 13a and the upper surface of the reformer 13, and placing the upper portion of the arm member 13a on the upper surface of the support portion 101f, the reformer 13 is Support hanging.
  • the shape of the arm member 13a can be, for example, U-shaped or L-shaped.
  • the stack holding metal fitting 101 is attached by being inserted into the housing 1 from the opening before the lid of the housing 1 is connected in a direction parallel to both side walls.
  • the housing 1 into which the stack holding metal fitting 101 is inserted has a support for suspending and supporting the stack holding metal fitting 101 at the edge on the opening side and the edge on the opposite side to the opening.
  • One or more members 1a are provided.
  • the stack holding metal fitting 101 is inserted into the inner space of the heat insulating material 16 from the opening of the housing 1.
  • the first bridge portion 101d and the second bridge portion 101e of the stack holding metal fitting 101 are supported by being suspended by the support portions of the support members 1a at the corresponding portions of the housing 1, respectively.
  • the off-gas combustion space distance that is, the distance between the reformer 13 and the upper end portion of the cell stack 11 (FIG. 1).
  • the portion indicated as h2 in FIG. thereby, the unevenness of the heat transfer of the offgas combustion heat transmitted to the reformer 13 can be reduced.
  • the stack holding metal fitting 101 is configured to support the upper surface of the reformer 13, the reformer 13 can be heated without obstructing the flow of off-gas or exhaust gas. Furthermore, it can be avoided that the combustion flame in the off-gas combustion unit 12 directly hits the surface of the reformer support (support unit 101f and arm member 13a).
  • the stack holding metal fitting 101 may be configured to support a side surface other than the bottom surface of the reformer 13, and the same effect can be obtained. Further, since the stack holding metal fitting 101 is supported on the upper part of the housing 1 at a high temperature, the temperature difference between the metal fitting support portions is small, and heat loss from the stack holding metal fitting 101 to the housing 1 can be suppressed. In addition, since the cell stack 11 and the reformer 13 are integrally inserted into the housing 1 and attached to the stack holding metal fitting 101, the opportunity for the operator to contact the heat insulating material 16 during assembly is reduced, and the heat insulating material 16 Damage can be suppressed.
  • FIG. 12 shows a modification of the fourth embodiment.
  • a heat insulating material holding part 101D that holds the heat insulating material 16 is connected to the outside of the structure shown in FIG.
  • the heat insulating material holding portion 101 ⁇ / b> D is formed of a member bent in a substantially U shape that holds the heat insulating material 16. Both end portions of the member are fixedly attached to upper portions of both end portions in the longitudinal direction of both side walls 101B of the stack holding metal fitting 101.
  • the cell stack 11 and the reformer 13 are supported by the stack holding metal fitting 101 and the heat insulating material 16 is held by the heat insulating material holding portion 101D, and the inside of the partition wall 15a is opened from the opening of the housing 1.
  • the heat insulating material holding portion 101D may have any shape that can hold the heat insulating material 16 in contact with the bottom wall 101A and / or both side walls 101B.
  • the heat insulating material holding portion 101D may be provided on each surface of the bottom wall 101A and both side walls 101B.
  • the heat insulating material holding portion 101D may be a member bent in a substantially L shape.
  • FIG. 13 shows the basic structure of the main part of the solid oxide fuel cell device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the same components as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the passage wall member 14 a in which the oxidant supply passage 14 is formed is connected to the top wall of the casing 1 (or a connecting body to the casing 1).
  • the passage wall member 14a is arranged to extend downward in the gaps between the plurality of fuel cells 11a.
  • a discharge passage 17 for discharging off-gas combustion exhaust gas is formed in the top wall of the housing 1.
  • the heat insulating material chamber Hi is defined by the housing 1 and the stack holding metal fitting 51.
  • the outer surface of the heat insulating material 16 is covered with the inner wall of the housing 1.
  • the stack holding fitting 51 is formed in substantially the same shape as the stack holding fitting 21 of the first embodiment, but the upper end portion is supported by a support member 1 a fixed to the inner wall of the housing 1.
  • the upper end portion of the stack holding metal 51 and the support member 1a isolate the internal heat insulating material from the exhaust gas, thereby suppressing the attachment of condensed water to the heat insulating material.
  • the upper end of the stack holding metal 51 may be fixed to the support member 1a by welding or the like, or may be merely engaged with the support member 1a. Further, when a material having low water resistance is used as the internal heat insulating material 16, it is preferable to ensure sealing properties so that condensed water does not penetrate.
  • the features of the first to third embodiments shown in FIG. 1 and FIGS. 3 to 8 can be applied, and the same effects as those of the embodiment can be applied.
  • the partition wall 15a of the first embodiment shown in FIG. 1 may be provided, and the support member 1a shown in FIG. 8 may be provided on the inner wall surface of the partition wall 15a.
  • the upper end portion of the stack holding metal fitting 21 is supported by the support member 1a, not the upper end portion of the partition wall 15a.
  • the cell stack 11 can be accurately positioned with respect to the housing 1.
  • FIG. 14 shows a basic structure of a main part of a solid oxide fuel cell device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the same components as those in the first to fifth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the upper end portion of the stack holding metal fitting 61 is supported on the top wall of the housing 1 (or a connecting body to the housing 1).
  • the stack holding fitting 61 is formed in substantially the same shape as the stack holding fitting 21 of the second embodiment, except that the outlet 31b is not provided.
  • the heat insulating material chamber Hi is defined by the housing 1 and the stack holding metal fitting 61.
  • the outer surface of the heat insulating material 16 is covered with the inner wall of the housing 1, and the inner surface of the heat insulating material 16 is covered with the outer wall of the stack holding metal fitting 61.
  • An oxidant introduction passage 26 and an offgas combustion exhaust gas discharge passage 17 are provided on the top wall of the housing 1.
  • a partition wall 25 surrounding the fuel cell 11 a and the reformer 13 is disposed inside the stack holding metal fitting 61.
  • An oxidant supply passage 14 is defined between the top wall of the housing 1 and the top wall of the partition wall 25 and between the stack holding fitting 61 and the side wall of the partition wall 25.
  • the oxidant introduced from the oxidant introduction passage 26 flows through the oxidant supply passage 14 from the upper side to the lower side of the housing 1.
  • An outflow hole 14 b of the oxidant supply passage 14 is formed at the lower end of the partition wall 25.
  • the oxidant that flows out from the outflow hole 14 b is supplied to the cathode electrode of each cell of the cell stack 11.
  • An off-gas combustion exhaust gas discharge passage 17 is connected to the top wall of the partition wall 25.
  • the off-gas combustion exhaust gas passes through the space around the reformer 13 (exhaust gas passage) and is discharged from the discharge passage 17 above the housing 1. Also in the present invention, the cell stack 11 can be accurately positioned with respect to the
  • the oxidant supply passage 14 is defined between the stack holding bracket 61 and the space through which the exhaust gas flows. For this reason, the deformation and thermal stress due to thermal expansion of the stack holding metal fitting 61 can be further reduced, and the durability of the stack holding metal fitting 61 can be ensured.
  • a heat insulating material can be arrange
  • heat dissipation from the exhaust gas passage can also be suppressed, and higher heat insulation performance can be obtained.
  • the exhaust gas passage is not disposed outside the heat insulating material, heat radiation from the exhaust gas passage can be suppressed. Thereby, higher heat insulation performance is obtained.
  • the lateral width of the short side surface of the housing 1 can be shortened, and the fuel device can be installed in an elongated space.
  • FIG. 15 shows a basic structure of a main part of a solid oxide fuel cell device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the same components as those in the first to sixth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the heat insulating material disposed outside the cell stack is included in a stack holding fitting 71 formed in a container shape as schematically shown in FIG. That is, the inside of the container shape corresponds to the heat insulating material chamber Hi.
  • the structure including the cell stack 11, the oxidant supply passage 14, and the exhaust gas passage 15 similar to those in the first embodiment is configured as follows.
  • the upper end portion of the container-shaped stack holding metal fitting 71 filled with the heat insulating material 16 is supported on the upper end portion of the partition wall 15a forming the exhaust gas passage 15 by fixing or engaging by welding or the like.
  • the bottom of the stack holding metal fitting 71 can be supported on the bottom of the partition wall 15.
  • the upper end portion of the stack holding fitting 71 may not be supported by the upper end portion of the partition wall 15.
  • the heat insulating material 16 can be filled into the heat insulating material chamber Hi before assembling the fuel cell device. For this reason, the assemblability of the fuel cell device can be improved.
  • a granular or powdery heat insulating material can be densely filled as the heat insulating material. For this reason, generation
  • the stack holding metal 71 extends upward from the contact surface between the stack holding metal 71 and the bottom of the partition wall 15 to the manifold portion 11b. For this reason, it can suppress that the temperature of the fuel cell 11a falls through the manifold part 11b.
  • the stack holding metal 71 may be extended upward and the upper end may be supported on the top wall of the housing 1 or the like. If it does in this way, it can also have a heat insulation function outside a reformer.
  • an exhaust gas outlet pipe that penetrates the inner wall and the outer wall may be connected to both sides of the stack holding metal 71. If it does in this way, the combustion exhaust gas from an off-gas combustion part will flow out to an outside exhaust gas passage, without contacting heat insulation material 16 via an exhaust gas outflow pipe.
  • FIG. 17 shows a basic structure of a main part of a solid oxide fuel cell device according to an eighth embodiment of the present invention.
  • the same components as those in the first to seventh embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • a configuration in which the stack holding metal fitting is formed in a container shape is applied to a type having a structure for discharging exhaust gas to the upper side of the casing.
  • the stack holding metal 81 has a container shape similar to that of the seventh embodiment.
  • an engaging portion 81 b is formed above the lid portion 81 a that covers the upper end surface of the heat insulating material 16 of the stack holding metal member 81.
  • the engaging portion 81 b is engaged with the support member 1 a fixed to the inner wall of the housing 1 to support the stack holding metal member 81. Thereby, the cell stack 11 can be accurately positioned with respect to the housing 1.
  • the engaging portion 81b may be fixed to the support member 1a by welding or the like.
  • the engaging portion 81b may support the stack holding metal member 81 only by engaging with the support member 1a. These are the same as in the other embodiments. In addition, it is preferable to support with a gap between the stack holding metal fitting 81 and the inner wall of the housing 1 and the low temperature bottom wall so as to suppress heat radiation.
  • the stack holding bracket 81 may be extended upward and the upper end portion may be supported on the top wall of the housing 1. In this way, the heat insulation function outside the reformer 13 can also be provided.
  • the stack holding bracket 81 may be supported by providing the support member 1 a on the top wall of the housing 1.
  • the one in which the oxidant supply passage 14 is inserted in the gap between the fuel cells 11a is shown.
  • an oxidant supply passage 14 is provided on both outer sides of the cell stack 11 in the direction connecting the raw fuel inlet and the hydrogen-enriched gas outlet of the reformer 13.
  • oxidant supply passages 14 are disposed on both outer sides of the cell stack 11 in a direction orthogonal to the direction connecting the raw fuel inlet and the hydrogen-enriched gas outlet of the reformer 13. It is good also as composition to do.
  • a heat insulating material 16 is disposed perpendicular to the direction connecting the raw fuel inlet and the hydrogen-enriched gas outlet of the reformer 13. Then, a stack holding metal fitting is disposed so as to cover at least the inner surfaces of the heat insulating material and the lower heat insulating material on both outer sides of the cell stack. In this case, effects similar to those of the other embodiments can be obtained by supporting the upper portions of both sides of the cell stack of the stack holding bracket on the casing.
  • FIGS. 3, 5, 6 and 8 illustrate the structure in which the partition wall 15a is supported by the inner wall of the side surface of the housing 1.
  • the present invention is not limited to this.
  • As shown in FIG. It may be supported by the bottom inner wall of the body 1.
  • one end of the reformer has been described as the raw fuel inlet and the other end as the hydrogen-enriched gas outlet, a folded structure having a partition plate inside the reformer may be used. In that case, the raw fuel inlet and the hydrogen-enriched gas outlet may be formed at the same end.
  • a rectangular parallelepiped reformer has been exemplified.
  • the present invention is not limited to this, and a cylindrical shape may be used.
  • the number of reformers can be one or more depending on the scale of the fuel cell device.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

　固体酸化物形燃料電池装置において、筐体１内のセルスタック１１と断熱材１６との間に、燃料電池セルとは接触させずに台座となるマニホールド部１１ａを支持するスタック保持金具２１を配設する。該スタック保持金具２１を筐体１に連結された排ガス通路５１を形成する隔壁５１ａの上端部に支持した。これにより、燃料供給配管等の組付け性を確保し、かつ、高性能な断熱材の使用を可能として断熱性能を高めることができる。

Description

燃料電池装置
　本発明は、燃料と酸化剤とを用いて発電するセルスタックの外側に、断熱材を備えた燃料電池装置に関する。
　燃料電池装置として、例えば特許文献１に示すような固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ装置）がある。この装置では、水素含有燃料と酸化剤とを反応させて発電するセルスタックを筐体で取り囲んでいる。そして、該装置の内部で余剰の水素含有燃料（オフガス）を燃焼させ、その燃焼排ガスを触媒で浄化した後、装置の外部に放出している。
　また、セルスタックの外側に、筐体から外部への放熱を抑制するため、断熱材が配設されている。これにより、オフガスの燃焼によって加熱されたセルスタック及びセルスタックに供給される酸化剤を高温に維持して発電効率を高めることができる。また、原燃料を改質器により改質した水素富化ガスをセルスタックに供給する形態として、改質器を筐体内に配設する構成が知られている。この場合は、改質器を高温に維持することによって改質反応を効率的に維持することができる。
日本国公開特許公報：特開２０１１－２２２１３６号
　ところで、特許文献１のように断熱材を備えた燃料電池装置では、セルスタックの下部（台座）を下部断熱材の上に支持する構造が一般的である。しかしながら、かかる構造では、下部断熱材の寸法誤差が大きいと、セルスタックに直接または改質器等を介して連結される燃料供給配管と、該燃料供給配管を貫通させる筐体の孔との高さにずれが生じて、組付けが困難となる。かかる事態を抑制するため、断熱材には、高い寸法精度を要求され、加工コストが増大する。また断熱材を高精度で加工したとしても、運搬時の振動、摩擦等により断熱材が損傷し、寸法精度を維持しにくくなる可能性がある。この結果、断熱材自体や燃料電池システムの出荷時の梱包および輸送コストが増大する。
　また、断熱材が配置される燃料電池装置の内部は、高温の水素富化ガス、酸化剤、および排ガス等が、水分を含んだ状態で流通する。そのため、燃料電池装置が停止すると、該装置の内部温度の低下に伴い、結露が発生する場合がある。断熱材の種類によっては、水分が断熱材に付着することにより、断熱材が劣化し、寸法精度を維持しにくくなる可能性がある。これらの寸法精度の低下により、メンテナンス時において組付けの困難性が顕著となる。また、組付け後には、燃料供給配管の支持部に応力が加わり耐久性が問題となる。以上のような課題を解決するため、断熱性、加工性、耐水性、およびコスト性が満たされる断熱材を選択することは容易ではない。
　本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、セルスタック及びセルスタックに連結する部材の取付精度を高めて、燃料供給配管等の組付け性、耐久性、点火ヒータやイグナイタ等の点火装置によるオフガス点火性能等を確保でき、かつ高い断熱性能を得られるようにした燃料電池装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池装置は、
　複数の燃料電池セルが台座に支持されたセルスタックと、
　前記セルスタックを内包し、上部が開放したチャンネル形状のスタック保持金具と、
　前記セルスタック及び前記スタック保持金具を収納する筐体と、
　前記スタック保持金具の外側と前記筐体の内側との間に配設される断熱材と、
を備え、
　前記スタック保持金具は、前記筐体又は前記筐体との連結体に支持され、前記燃料電池セルと接触しないように、前記スタック保持金具の内側底壁で前記台座を保持することを特徴とする。
　本発明の態様に従えば、セルスタックがスタック保持金具に支持され、該スタック保持金具が筐体又は該筐体との連結体に支持される構造とされる。このため、セルスタック及びセルスタックに連結する部材の筐体内での位置精度を維持できる。これにより、セルスタックに連結する燃料供給配管等の部材の組付け性が向上する。また、セルスタックの高さ方向の取付位置の精度が向上する。このため、点火ヒータやイグナイタ等の点火装置によるオフガス点火性能等を維持することができる。
　また、スタック保持金具が断熱材とセルスタックとの間に配設されることにより、断熱材を保護でき、結露等による劣化を抑制できる。このため、断熱材の選択の自由度を高めることができる。
　また、スタック保持金具は、セルスタックの燃料電池セルとは間隔を開けて配設されるので、表面への絶縁処理等も不要である。
本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す縦断面図（図２のＺ－Ｚ断面図）である。 図１のＸ－Ｘ断面図である。 図１のＹ－Ｙ断面図である。 第１実施形態の基本構造の応用形態を示す要部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ－Ｅ断面図である。 本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す縦断面図である。 第２実施形態の基本構造の応用形態を示す要部断面図である。 本発明の第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す縦断面図である。 本発明の第４実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す縦断面図である。 第４実施形態のスタック保持金具を示す斜視図である。 第４実施形態の筐体を示す平面図である。 第４実施形態の応用形態に係るスタック保持金具を示す斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す縦断面図である。 本発明の第６実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す縦断面図である。 本発明の第７実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す縦断面図である。 第７実施形態の容器状のスタック保持金具を示す斜視図である。 本発明の第８実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す縦断面図である。 本発明の第９実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す図１とは直角方向の縦断面図である。
＜第１実施形態＞
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して、詳細に説明する。図１～図３は、本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す。本装置の要部を取り囲む筐体１の内部には、水素含有燃料と酸化剤とを用いて発電するセルスタック１１、オフガス燃焼部１２、改質器１３、酸化剤供給通路１４及び排ガス通路１５とを備える。
　セルスタック１１は、複数の固体酸化物形燃料電池（燃料電池セル１１ａ）が直列および／または並列に接続され、台座に支持された組立体である。燃料電池セル１１ａは、固体酸化物からなる電解質の両面にアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）を積層して構成されている。燃料電池セル１１ａの形状及び配列は任意に選択できるため、図中のセルスタックは、それらを省略して概略的に示したものである。本実施形態では、燃料電池セル１１ａを支持する台座として機能するマニホールド部１１ｂを例示する。マニホールド部１１ｂ内には、改質器１３から水素富化ガス供給管１９を介して水素富化ガス燃料が供給される。該水素富化ガス燃料は、マニホールド部１１ｂに形成された孔から各燃料電池セル１１ａのアノードに供給される。
　改質器１３は、水素含有燃料を改質してセルスタック１１のアノード（燃料極）に水素富化ガスを供給する。酸化剤供給通路１４は、セルスタック１１のカソード（酸化剤極）に酸化剤を供給する。オフガス燃焼部１２は、セルスタック１１で発電に寄与しなかったオフガス（余剰の水素含有燃料および余剰の酸化剤）を燃焼させて改質器１３を高温状態とする。排ガス通路１５は、オフガスの燃焼排ガスを外部に排出する。また、セルスタック１１と排ガス通路１５との間には、筐体１から外部への放熱を抑制する断熱材１６が配設される。
　筐体１の外部から燃料供給配管１８を介して改質器１３に供給される水素含有燃料（原燃料）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は、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、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。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。
　改質器１３での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。水蒸気改質を用いる場合は、改質器１３内（又は改質器１３とは別）に水気化部を設ける。該水気化部は、筐体１外部から供給される水を加熱し気化させることによって水蒸気を生成する。なお、改質器１３は筐体１内部に備えなくてもよい。例えば、筐体１外部に改質器を備え、改質済みの燃料を燃料供給配管からセルスタックに供給する形態がある。または、改質を必要としない水素リッチガスを燃料供給配管からセルスタックに供給する形態がある。あるいは、改質器に代えて、燃料供給配管とセルスタックの間に、脱水素反応部および脱水素反応部から脱水素化物を排出する脱水素化物排出管を備えた形態がある。この形態では、燃料供給配管から脱水素反応部に水素を吸蔵した有機ハイドライドを供給し、脱水素反応によって生成した水素リッチガスをセルスタックに供給する。
　酸化剤供給通路１４は、筐体１の頂壁から複数の燃料電池セル１１ａ間の隙間に下方に延伸して配置される。通路壁部材１４ａは、上端開口部が筐体１（又は筐体１への連結体）の頂壁に連結され、通路壁部材１４ａの下部には、流出孔１４ｂが形成されている。そして、筐体１外部から通路壁部材１４ａの内部（酸化剤供給通路１４）に酸化剤を導入し、流出孔１４ｂから筐体１内部に酸化剤を流出させる。流出した酸化剤は、各セルスタック１１のカソード（酸化剤極）に供給される。酸化剤供給通路１４の形状は、例えば、一端が通路壁部材１４ａの上端開口部に連通し、他端に酸化剤を流出させる流出孔１４ｂを備えた円筒状とすることができる。あるいは、酸化剤供給通路１４は、内部が空洞である扁平直方体状であってもよい。扁平直方体状の酸化剤供給通路１４は、燃料電池セル１１ａに接触しないように該複数のセル１１ａ間の隙間に挿入され、上端が通路壁部材１４ａの上端開口部に連通し、下端に流出孔１４ｂを備える。流出孔１４ｂは、セルスタック１１の形状に応じて任意の位置に任意の数だけ備える。なお、酸化剤供給通路１４は、セルスタックの形状に応じて、１つの筐体１内に複数備えてもよい。
　排ガス通路１５は、筐体１の内壁と、該内壁に間隙を隔てて配設される隔壁１５ａとの間に形成される。隔壁１５ａは、筐体１に連結されている。オフガス燃焼部１２で燃焼した燃焼ガスの排ガスは、排ガス通路１５上端の排ガス導入口から排ガス通路１５内に導入される。次いで、排ガスは、筐体１の底壁中央部に連結された排出通路１７から排出され、図示しない触媒、熱交換部により浄化、熱交換した後、外部へ放出される。
　筐体１は、上記排ガス隔壁１５ａとセルスタック１１との間に、略チャンネル形状のスタック保持金具２１を備える。スタック保持金具２１は、隔壁１５ａとの間にセルスタック１１を高温に維持するための断熱材１６を収納する断熱材室Ｈｉを画成すると共に、セルスタック１１を保持する。該スタック保持金具２１は、上端部が隔壁１５ａの上端面に支持される。スタック保持金具２１の隔壁１５ａへの支持は、溶接等で固定してもよい。または、図示のように、スタック保持金具２１の上端縁部を隔壁１５ａの外側下方に屈曲させ、隔壁１５ａの上端部に係合させるだけで、スタック保持金具２１を支持してもよい。あるいは、スタック保持金具２１の一部を延長し、隔壁１５ａや筐体１とネジなどで締結することによって、スタック保持金具２１を支持してもよい。なお、発電効率を高めるためには、酸化剤供給通路１４から筐体１内に供給された酸化剤を、各セルのカソードと効率良く接触するように流通させる必要がある。そのため、スタック保持金具２１とセルスタック１１との距離は、互いに接触しない程度に接近していることが好ましい。
　改質器が水素富化ガス供給管等を介してセルスタックに連結され、上記のスタック保持金具を有さず、下部の断熱材上に直接セルスタックを支持した構造においては、下部断熱材の高さ方向の寸法誤差が大きいと、以下の問題を生じる。改質器に原燃料を供給する燃料供給配管と、筐体に形成される燃料供給配管の貫通孔との高さにずれが生じる。その結果、セルスタック、燃料供給配管、改質器等の組み立てが困難となる。また、下部断熱材の使用前における高さ寸法が確保されている場合でも、セルスタックの重量や断熱材の劣化等によって断熱材の高さが変化すると、マニホールド部１１ｂの高さ位置が変化する。このため、図１でｈ１，ｈ２の間隔が変化する。この結果、燃料供給配管の支持部（筐体１の貫通部と、改質器１３との接続部。図１にＡ，Ｂの囲みで示す）や水素富化ガス供給管１９の連結部分（図１にＣ，Ｄの囲みで示す）に応力が生じ、耐久性が低下する。なお。改質器を有さず、燃料供給配管が直接セルスタックに連結されている場合でも同様である。
　また、燃料供給配管１８の他に、燃料電池装置は、図示しない多くの貫通部品を備えている。例えば、オフガスを燃焼させるための点火装置９１、例えば温度センサなどの各種センサ類（図示せず）が挙げられる。下部断熱材の高さが変化すると、点火装置のオフガス燃焼部における高さ位置（点火装置とオフガスが噴出するセルスタック上端面との間隔ｈ３）が、適正な位置に対してずれを生じる。このため、点火装置９１は、良好な点火性能を確保することが難しくなる。また、セルスタック１１とセンサ類の位置にずれが生じ、センサ類の検知精度の低下を招く。
　かかる問題に対し、本実施形態では、断熱材より損傷や寸法変形しにくい金属製のスタック保持金具２１でセルスタック１１を保持することにより、隔壁１５ａに連結される筐体１に対して、セルスタック１１を精度良く位置決めすることができる。これにより、図２に示すように、燃料供給配管１８、貫通孔、水素富化ガス供給管１９にかかる応力を緩和できる。この結果、これら部品の良好な組み立て性を確保できると共に、燃料供給配管１８連結部等の耐久性を確保できる。また、点火装置９１の点火性能、各種センサ類による検知精度を良好に維持できる。
　スタック保持金具２１が連結支持される箇所は限定されないが、セルスタック１１を高温に維持する観点から、筐体１内において比較的高温の部分と連結することが好ましい。具体的には、高温ガスが集まる筐体１内の上方向に連結することが好ましい。例えば、筐体１内において比較的低温である隔壁１５ａの底部や筐体１の底部にスタック保護金具２１を連結すると、スタック保持金具２１を通じてセルスタック１１の温度が低下する恐れがある。一方で、スタック保持金具２１を筐体１の上方向に連結すると、筐体１内の上方向の熱がスタック保持金具２１を介してセルスタック１１に伝熱する。このため、セルスタック１１の上下方向の温度差を抑制することができる。これにより、燃料電池装置の熱利用効率および発電効率を向上することができる。スタック保持金具２１の高さは、図３に示すように、セルスタック１１の上端の高さ以下としてもよい。これによると、オフガス燃焼部１２での燃焼火炎がスタック保持金具２１の上端部に直接当たることが回避される。このため、スタック保持金具２１の熱膨張による変形や熱応力を低減することができる。
　また、スタック保持金具２１の成形材料としては、表面にアルミナ皮膜を形成したものまたは形成し得るものの使用が好ましい（例えば、アルミ含有率２～３％）。例えば、Ｃｒ酸化物皮膜を形成したものを用いると、セルスタック１１のカソード極がＣｒの被毒を生じて発電性能に影響を与える可能性がある。これに対し、アルミナ皮膜したスタック保持金具２１を用いることで、Ｃｒの被毒を抑制でき、発電性能への影響を回避できる。スタック保持金具２１は、無孔の金属板、有孔の金属板またはメッシュ状の金属板を加工して成形することができる。
　断熱材室Ｈｉに収納する断熱材１６は、ボード状、ブランケット状、繊維状、粒状、又は、粉状など条件に応じたものを任意に選択することができる。また、例えば、図３に示すように、断熱材室Ｈｉの内部に、大きさが異なる複数のボード状の断熱材１６を収納してもよい。断熱材１６が傾いたり流動することにより、酸化剤の流通を妨げたり、燃料電池セル１１ａの表面に付着したりすると、発電効率の低下を招来する可能性がある。そこで、有孔またはメッシュ状の金属板を加工して成形したスタック保持金具２１を用いる場合は、断熱材１６が断熱材室Ｈｉからセルスタック１１側に漏出しない程度の開口の材料を選択することが好ましい。
　スタック保持金具２１を備えない形態においては、以下の問題を生じる。断熱材１６が酸化剤の流通を妨げたり、燃料電池セル１１ａの表面に付着しないように、ボード状など断熱材自体で形状保持が可能な種類に限定される。これに対し、スタック保持金具２１を備えることにより、断熱材自体の形状保持性能の条件を緩和することができる。
　ここで、筐体１の内部雰囲気について説明する。燃料電池装置は、筐体１内が高温（例えば６００～１０００℃）に維持された状態で、燃料電池セルにおいて水素と酸素の電気化学的反応によって発電が行われる。そして、該発電に伴って水が副生される。また、改質器１３において水蒸気改質反応を行っている場合、アノードには水分を含んだ水素富化ガスが供給される。そのため、燃料電池装置の運転時は、筐体１内には湿潤ガスが充満する。そして、燃料電池装置が停止すると、筐体１内の温度は低下するため、結露が発生する場合がある。例えば、燃料電池装置を緊急停止させ、筐体１内の湿潤ガスを送風によって排出しなかった場合において、特に結露が発生しやすい。断熱材１６として耐水性が低い材料を選択している場合、結露水が断熱材１６の表面に付着することは、断熱材１６の劣化の原因となる。
　かかる問題は、スタック保持金具２１として無孔の金属板から成形したものを用いることで解決することができる。例えば、断熱材１６の内側表面をスタック保持金具２１で、断熱材１６の外側表面を隔壁１５ａでそれぞれ覆う。このようにすると、断熱材１６は湿潤ガスから隔離され、断熱材１６の表面に結露水が付着することを抑制することができる。これにより、断熱材１６の材料を選定する際に、耐水性の条件を緩和することができ、断熱材１６の選択の自由度が高まる。なお、ここでいう無孔とは、断熱材を覆う部分に孔やスリットが形成されていないことを言う。例えば、スタック保持金具２１を隔壁１５ａに連結するための孔を備えていてもよい。
　また、第１の実施形態におけるスタック保持金具２１は、燃料電池セル１１ａの下端部より外側に張り出したマニホールド部１１ｂの鍔部分の上下面を挟持して、セルスタック１１の位置を固定している。これにより、組立性を向上することができる。
　なお、図１に示す第１実施形態の応用形態として、図４に示すようにしてもよい。即ち、セルスタック１１の上端位置より上方部分の側方（スタック保持金具２１の上方）に断熱材２２を配設してもよい。また、図５（Ａ）および、そのＥ－Ｅ断面図（Ｂ）に示すようにしてもよい。即ち、断熱材室Ｈｉにボード状の断熱材１６を収納し、スタック保持金具２１１の係合面２１１ａに設けた開口部２１１ｂから断熱材１６を突出させてもよい。これにより、改質器１３を高温に維持することができ、改質反応を効率的に維持することができる。また、点火装置９１や火炎検知センサ（図示せず）等をオフガス燃焼部１２の近傍に挿入するための貫通孔等の加工も断熱材に対してのみ行えばよい。このため、加工の手間を軽減することができる。特に、スタック保持金具２１の上方に断熱材２２を配設する形態においては、断熱材２２のみ断熱材自体で形状保持が可能な種類の断熱材料を選択すればよい。これにより、断熱材室Ｈｉに収納される断熱材１６への形状保持性能の条件を緩和することができる。
　一般的に、断熱材とセルスタックの間に、断熱材とセルスタックとの隙間を閉塞して酸化剤の流動方向を規制する酸化剤規制部材を介装する技術が知られている。酸化剤規制部材２３は、セルスタック１１とスタック保持金具２１との間を上方に流動する酸化剤を、そのまま直進させることなく、セルスタック１１側に戻す。これにより、酸化剤のカソード電極との接触機会を増やす働きをするものである。酸化剤規制部材２３として、例えばブランケット状の断熱材を用いることができる。本発明においては、スタック保持金具２１とセルスタック１１との間に酸化剤規制部材を介装すればよい。このとき、図４に示すように、スタック保持金具２１に酸化剤規制部材２３の介装位置を固定する段差２１ａを形成してもよい。これにより、酸化剤規制部材２３の位置決めが容易になり、また、酸化剤規制部材２３の脱落を抑制することができる。
　スタック保持金具２１を備えない構造において、このような酸化剤規制部材２３を固定する段差２１ａを形成する場合、以下のことが要求されていた。即ち、ボード状の断熱材を選定し、断熱材に形状の加工を施す必要があるため、断熱材１６の材料として加工性と強度が要求されていた。しかし、本実施形態においては、断熱材と比較して加工が容易な金属から成るスタック保持金具２１に、段差２１ａの加工を施している。これにより、断熱材１６の加工性および強度の条件を緩和することができる。
＜第２実施形態＞
　図６は、本発明の第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す。第２実施形態において、図１に示した第１実施形態と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
　本第２実施形態では、以下の構成としている。セルスタック１１と隔壁１５ａとの間に断熱材１６を配設し、該断熱材１６の内側表面をスタック保持金具３１で覆う。該スタック保持金具３１を、セルスタック１１の上端面より上方に伸ばし、上端部を筐体１（又は筐体１への連結体）の頂壁に支持する。該スタック保持金具３１の上端部の筐体１等の頂壁への支持は、溶接、ネジによる締結等による固定でもよい。あるいは、スタック保持金具３１に係合部を設けて係合させる支持であってもよい。また、スタック保持金具３１の改質器１３より上方部分には、オフガス燃焼部１２での燃焼排ガスを外側の排ガス通路１５に流出させる流出孔３１ｂが開口されている。これにより、外側の排ガス通路１５への燃焼排ガスの流れを遮ることなく、筐体１に対してセルスタック１１を精度良く位置決めすることができる。ここで、スタック保持金具３１の内側面の少なくともオフガス燃焼部１２に面した部分（セルスタック１１の上端面と改質器１３底面間の空間の側方）を、耐熱材３１ｃで被膜してもよい。このようにすると、オフガス燃焼部１２での燃焼火炎がスタック保持金具３１の表面に直接当たることを回避できる。これにより、スタック保持金具３１の熱膨張による変形、熱応力を低減することができ、スタック保持金具３１の耐久性を確保できる。また、断熱材１６の耐火性能の条件を緩和することができる。
　また、スタック保持金具３１の外側面には、蓋部３１ａが連結されている。該蓋部３１ａは、排ガス通路１５の隔壁１５ａとの間に断熱材室Ｈｉの上部を閉塞する。また、蓋部３１ａは、隔壁１５ａと接触するが、隔壁１５ａには支持されず、蓋部３１ａを含むスタック保持金具３１の支持は、上端部のみで行われる。このようにすることで、スタック保持金具３１の上端部を筐体１等の頂壁で支持しつつ、断熱材１６の流出や崩れ出しを抑制することができる。また、スタック保持金具３１及び蓋部３１ａを無孔板から成形したものを用いると、断熱材１６は湿潤ガスから隔離される。これにより、断熱材１６の表面に結露水が付着することを抑制することができる。これらにより、断熱材１６の材料を選定する際に、断熱材１６の形態や耐水性の条件を緩和することができ、断熱材１６の選択の自由度が高まる。
　図６に示す第２実施形態の応用形態として、図１，３及び４に示した第１実施形態の特徴を適用することができ、当該実施形態と同様の効果を得ることができる。また、図７に示す構成としてもよい。例えば、排ガス通路１５の隔壁１５ａを、改質器１３の上端付近まで上方に延ばすと共に、スタック保持金具３１の蓋部３１ａを、流出孔３１ｂの直下部付近に連結する。そして、該蓋部３１ａの下面付近まで断熱材１６の上端部を引き上げて断熱材１６の容量を増加させる。これにより、排ガスの熱を効率よく改質器１３に供給することができ、改質反応を効率的に維持することができる。また、改質器１３とセルスタック１１がスタック保持金具３１に固定されるため、オフガス燃焼空間距離、つまり、改質器１３とセルスタック１１の上端部の距離（図１においてｈ２として示す部分）が安定的に保持されることになる。これにより、改質器１３に伝わるオフガス燃焼熱の伝熱のムラを軽減することができる。なお、当該応用形態においては、スタック保持金具３１に段差３１ｄを設けている。該段差３１ｄは、燃料電池セル１１ａと対向する高さにおいては燃料電池セル１１ａに近接し、オフガス燃焼部１２の近傍においては火炎との距離を離すために設けている。これにより、スタック保持金具３１の熱膨張による変形、熱応力を低減することができ、スタック保持金具３１の耐久性を確保することができる。また、断熱材１６の耐火性能の条件を緩和することができる。
　また、スタック保持金具３１の内側面上部に、改質器１３を支持する改質器支持部３１ｅを備えてもよい。改質器支持部３１ｅは、例えば、スタック保持金具３１に溶接により固定してもよい。あるいは、改質器支持部３１ｅは、スタック保持金具３１の成形段階において板材を折り曲げて成形してもよい。また、改質器支持部３１ｅは、改質器１３を下側から支持する形態に限定されず、フック等により上側から支持する形態であってもよい。以上のように本第２実施形態では、セルスタック１１と改質器１３とが、直接的にスタック保持金具３１に支持されるため、相互の寸法を精度良く維持できる。このため、セルスタック１１上端面と改質器１３底面との間に形成されるオフガス燃焼部１２の間隔の寸法精度が向上する。これにより、オフガス燃焼部１２は、バランスよく改質器１３を加熱することができる。また、スタック保持金具３１の上部はオフガスの燃焼熱を受けて高温となる。そして、該スタック保持金具３１の上部の熱を、改質器支持部３１ｅを介して効率よく改質器１３に供給することができる。この結果、改質反応を効率的に維持することができる。ここで、図７に示すような、改質器１３を下側から支持する構造においては、以下のように構成することが望ましい。即ち、排ガスが改質器１３の全周に流れるようにするために、改質器支持部３１ｅは有孔またはメッシュ状の金属板により形成する。これにより、排ガスを改質器１３とスタック保持部材３１との間に流通させることができる。この結果、排ガスの熱を効率よく改質器１３に供給することができる。
＜第３実施形態＞
　図８は、本発明の第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す。本第３実施形態において、第１，第２実施形態と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
　本第３実施形態では、セルスタック１１の両外側に一対の酸化剤供給通路１４が配設される。一対の酸化剤供給通路１４を形成する通路壁部材１４ａには、下端部のセルスタック１１側に流出孔１４ｂが開口される。また、改質器１３より上方部分には、排ガス流出管１４ｃが通路壁部材１４ａの両側壁を貫通して連結される。また、排ガスを滞りなく排出するために、スタック保持金具４１には排ガス導通孔４１ｂ、酸化剤供給通路１４には、排ガス流出管１４ｃ内に排ガス導通孔１４ｄが、それぞれ開口されている。なお、排ガス流出管１４ｃの周縁部は溶接により封止されている。これにより、酸化剤供給通路１４の排ガス導通孔１４ｄから酸化剤が漏出することを回避できる。一対の酸化剤供給通路１４から供給された酸化剤は、流出孔１４ｂから流出して中央のセルスタック１１の各セルのカソード極に供給される。オフガスの燃焼排ガスは、排ガス流出管１４ｃ及びスタック保持金具４１の流出孔４１ｂを介して外側の排ガス通路１５へ排出される。これにより、外側の排ガス通路１５への燃焼排ガスの流れを遮ることなく、セルスタック１１を筐体１に対して精度良く位置決めすることができる。このように、スタック保持金具４１はセルスタック１１と直接的に対向していない構造においても適用することができる。
　また、図８に示す第３実施形態の応用形態として、図１、及び図３～７に示した第１および第２実施形態を適用することができ（ただし、酸化剤規制部材２３の配設を除く）、当該実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本第３実施形態において、スタック保持金具４１の上端部を図１に示す第１実施形態同様、排ガス通路を形成する隔壁の上端部に支持する構成に代えてもよく、同様の効果が得られる。この場合、スタック保持金具４１の排ガス導通孔４１ｂは省略することができる。
＜第４実施形態＞
　図９は、本発明の第４の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す。本第４実施形態において、第１～３実施形態と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
　本実施形態では、図１０に示すように形成したスタック保持金具１０１により、セルスタック１１及び改質器１３を内包する。また、スタック保持金具１０１で改質器１３の上面を支持すると共に、スタック保持金具１０１の上端部を筐体１の上端部に支持する。
　スタック保持金具１０１は、セルスタック１１を支持する底壁１０１Ａと、外側表面が断熱材に隣接する両側壁１０１Ｂと、改質器１３の上方に位置する頂壁１０１Ｃとを有した断面方形状の筒体で形成される。両側壁１０１Ｂの上部には、オフガス燃焼部１２での燃焼排ガスを外側の排ガス通路１５に流出させる流出孔１０１ａが開口されている。頂壁１０１Ｃには、酸化剤供給通路１４を挿入するための通路挿入口１０１ｂが開口されている。
　頂壁１０１Ｃは、通路挿入口１０１ｂの外側周囲に、両側壁１０１Ｂの上端に連なって長手方向に延びる両側片部１０１ｃと、これら両側片部１０１ｃの長手方向両端部相互を連結する第１ブリッジ部１０１ｄ及び第２ブリッジ部１０１ｅを備える。第１ブリッジ部１０１ｄの一部分は、第２ブリッジ部１０１ｅに向かう方向に所定長さ延設され、該延設された部分は、後述するように改質器１３を支持する支持部１０１ｆとして機能する。
　改質器１３の長手方向一端部側、例えば、図１の水素富化ガス供給管１９連結側の端部上面に、図９に示すように、改質器１３の長手方向と直角な方向に延びるアーム部材１３ａが両下端部を固定して取り付けられる。そして、前記アーム部材１３ａと改質器１３上面との間に形成される開口内に前記支持部１０１ｆを挿入し、支持部１０１ｆ上面にアーム部材１３ａの上部を載せることにより、改質器１３を吊り下げ支持する。アーム部材１３ａの形状は、例えば、Ｕ字状またはＬ字状とすることができる。
　かかるスタック保持金具１０１は、両側壁と平行な方向に筐体１の蓋体接続前の開口から筐体１内部に挿入して取り付けられる。図１１に示すように、スタック保持金具１０１が挿入される筐体１には、開口側の端縁部と、該開口と反対側の端縁部に、スタック保持金具１０１を吊り下げ支持する支持部材１ａをそれぞれ１つ以上備えている。
　スタック保持金具１０１を、筐体１の開口から断熱材１６の内側空間に挿入する。該挿入により、スタック保持金具１０１の第１ブリッジ部１０１ｄ及び第２ブリッジ部１０１ｅが、それぞれ、筐体１の対応する箇所の支持部材１ａの支持部によって吊り下げ支持される。
　第４実施形態によれば、改質器１３とセルスタック１１がスタック保持金具１０１に固定されるため、オフガス燃焼空間距離、つまり、改質器１３とセルスタック１１の上端部の距離（図１においてｈ２として示す部分）が安定的に保持されることになる。これにより、改質器１３に伝わるオフガス燃焼熱の伝熱のムラを軽減することができる。また、スタック保持金具１０１が改質器１３の上面を支持する構成としたため、オフガスや排ガスの流れを阻害することなく改質器１３を加熱することができる。さらに、オフガス燃焼部１２での燃焼火炎が改質器支持部（支持部１０１ｆ及びアーム部材１３ａ）の表面に直接当たることを回避できる。これにより、改質器支持部（支持部１０１ｆ及びアーム部材１３ａ）の熱膨張による変形、熱応力を低減することができ、改質器支持部（支持部１０１ｆ及びアーム部材１３ａ）の耐久性を確保できる。
　なお、スタック保持金具１０１は、改質器１３の底面以外の側面を支持する構成でもよく、同様の効果が得られる。
　また、スタック保持金具１０１は、筐体１の高温な上部で支持されるため、金具支持部の温度差が小さく、スタック保持金具１０１から筐体１への熱損失を抑制できる。
　また、スタック保持金具１０１に、セルスタック１１及び改質器１３と一体に、筐体１に挿入して取り付けられるので、組み付け時に作業者が断熱材１６に接触する機会を減らして、断熱材１６の損傷を抑制することができる。
　図１２は、第４実施形態の変形態様を示す。本変形態様では、スタック保持金具１０１の図１０に示した構造の外側に断熱材１６を保持する断熱材保持部１０１Ｄが連結されている。断熱材保持部１０１Ｄは、断熱材１６を保持する略Ｕ字状に屈曲した部材で形成される。該部材の両端部がスタック保持金具１０１の両側壁１０１Ｂの長手方向両端部の上部に固定して取り付けられている。
　該変形態様によれば、スタック保持金具１０１にセルスタック１１、改質器１３を支持し、かつ、断熱材保持部１０１Ｄに断熱材１６を保持した状態で、筐体１の開口から隔壁１５ａ内側の空間に押し込んで収納し、筐体１に取り付けることができる。なお、断熱材保持部１０１Ｄは、断熱材１６を底壁１０１Ａおよび／または両側壁１０１Ｂに接触保持できる形状であればよい。例えば、断熱材保持部１０１Ｄは、底壁１０１Ａおよび両側壁１０１Ｂの各面に備えてもよい。また、断熱材保持部１０１Ｄは、略Ｌ字状に屈曲した部材であってもよい。
＜第５実施形態＞
　図１３は、本発明の第５実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す。本第４実施形態において、第１～４実施形態と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
　図１３において、内部に酸化剤供給通路１４が形成された通路壁部材１４ａは、その上端開口部が筐体１（又は筐体１への連結体）の頂壁に連結される。通路壁部材１４ａは、複数の燃料電池セル１１ａの隙間に下方に延伸して配置される。筐体１の頂壁には、オフガスの燃焼排ガスを排出する排出通路１７が形成される。断熱材室Ｈｉは、筐体１とスタック保持金具５１によって画成される。断熱材１６の外側表面は、筐体１の内壁で覆われる。スタック保持金具５１は、第１実施形態のスタック保持金具２１と略同一の形状に形成されるが、上端部は、筐体１の内壁に固定された支持部材１ａに支持させる。スタック保持金具５１の上端部と支持部材１ａとで、内部の断熱材を排ガスから隔離することにより、断熱材への結露水の付着を抑制する。なお、スタック保持金具５１の上端部は、支持部材１ａに溶接等で固定しても、支持部材１ａに係合させるだけでもよい。また、内部の断熱材１６として耐水性が低い材料を用いる場合には、結露水が浸透しないように、シール性を確保することが好ましい。
　また、図１３に示す第５実施形態の応用形態として、図１、および図３～８に示した第１～第３実施形態の特徴を適用することができ、当該実施形態と同様の効果を得ることができる。一方で、図１に示した第１実施形態の隔壁１５ａを備え、図８に示す支持部材１ａを、隔壁１５ａの内側壁面に備えてもよい。この場合、スタック保持金具２１の上端部は、隔壁１５ａの上端部ではなく、支持部材１ａに支持する。これによっても、筐体１に対してセルスタック１１を精度良く位置決めすることができる。
＜第６実施形態＞
　図１４は、本発明の第６の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す。本第５実施形態において、第１～５実施形態と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
　本実施形態では、スタック保持金具６１の上端部を筐体１（又は筐体１への連結体）の頂壁に支持する構成としている。スタック保持金具６１は、流出口３１ｂを備えないこと以外は、第２実施形態のスタック保持金具２１と略同一の形状に形成される。断熱材室Ｈｉは、筐体１とスタック保持金具６１によって画成される。断熱材１６の外側表面は筐体１の内壁で覆われ、断熱材１６の内側表面はスタック保持金具６１の外壁で覆われる。筐体１の頂壁には、酸化剤導入通路２６とオフガス燃焼排ガスの排出通路１７が設けられている。スタック保持金具６１の内側に、燃料電池セル１１ａ及び改質器１３を取り囲む隔壁２５が配設される。筐体１の頂壁と隔壁２５の頂壁の間、および、スタック保持金具６１と隔壁２５の側壁との間に酸化剤供給通路１４が画成される。酸化剤導入通路２６から導入される酸化剤は、酸化剤供給通路１４を通って筐体１の上方から下方に向かって流通する。隔壁２５の下端には酸化剤供給通路１４の流出孔１４ｂが形成されている。該流出孔１４ｂから流出した酸化剤は、セルスタック１１の各セルのカソード極に供給される。該隔壁２５の頂壁にはオフガス燃焼排ガスの排出流路１７が接続されている。オフガスの燃焼排ガスは、改質器１３の周囲の空間（排ガス通路）を経て筐体１上方の排出通路１７から排出される。本発明においても、筐体１に対してセルスタック１１を精度良く位置決めすることができる。
　また、本第６実施形態は、スタック保持金具６１と排ガスが流通する空間との間に酸化剤供給通路１４が画成されている。このため、スタック保持金具６１の熱膨張による変形、熱応力をより一層低減することができ、スタック保持金具６１の耐久性を確保することができる。さらには、断熱材を筐体内部の最外側に配置し排ガス通路を断熱材の内側に配設できる。これにより、排ガス通路からの放熱も抑制でき、より高い断熱性能が得られる。また、排ガス通路を断熱材の外側に配設しない構造のため、排ガス通路からの放熱も抑制できる。これにより、より高い断熱性能が得られる。また、筐体１の短側面の横幅を短縮でき、細長いスペースへの燃料装置の設置を可能とする。
　また、図１４に示す第６実施形態の応用形態として、図１３に示した第５実施形態の特徴を適用することができ、当該実施形態と同様の効果を得ることができる。
＜第７実施形態＞
　図１５は、本発明の第７の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す。本第６実施形態において、第１～６実施形態と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
　本実施形態では、セルスタックの外側に配設される断熱材を、図１６に概要を示すように容器状に形成したスタック保持金具７１で内包する構成とする。つまり、当該容器状の内部が断熱材室Ｈｉに相当する。本実施形態では、第１実施形態と同様のセルスタック１１、酸化剤供給通路１４、排ガス通路１５を備えた構造において、以下のように構成される。断熱材１６を充填した容器状のスタック保持金具７１の上端部を、排ガス通路１５を形成する隔壁１５ａの上端部に溶接等による固定又は係合により支持する。なお、本実施形態においては、スタック保持金具７１の底部を隔壁１５の底部に支持することができる。このため、スタック保持金具７１の上端部は、隔壁１５の上端部にて支持されなくてもよい。
　このように本実施形態では、容器状に形成したスタック保持金具７１を用いたことにより、燃料電池装置を組み立てる前に断熱材室Ｈｉに断熱材１６を充填することができる。このため、燃料電池装置の組立性を向上するこができる。また、断熱材として粒状、又は、粉状の断熱材を密に充填することができる。このため、ボード状断熱材等を用いた場合に起こり得る、断熱材の粉化による空隙の発生を抑制することができる。また、スタック保持金具７１の底部を隔壁１５の底部に支持する構成であったとしても、以下の効果が得られる。即ち、スタック保持金具７１と隔壁１５の底部との接触面からマニホールド部１１ｂに至るまでの間に、スタック保持金具７１は筐体１の上方向に伸延している。このため、マニホールド部１１ｂを通じて燃料電池セル１１ａの温度が低下することを抑制することができる。
　本第７実施形態の変形態様として、スタック保持金具７１を上方に伸ばし、上端部を筐体１等の頂壁に支持する構成としてもよい。このようにすると、改質器外側の断熱機能も有することができる。この場合、スタック保持金具７１の両側部に、内側壁と外側壁とを貫通する排ガス流出管を連結する構成とすればよい。このようにすれば、オフガス燃焼部からの燃焼排ガスは、排ガス流出管を介して断熱材１６に接触することなく外側の排ガス通路に流出する。
＜第８実施形態＞
　図１７は、本発明の第８の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池装置の要部の基本構造を示す。本第７実施形態において、第１～７実施形態と同一の構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。
　本第８実施形態は、排ガスを筐体の上方へ排出する構造を有するタイプに、スタック保持金具を容器状にする構成を適用したものである。スタック保持金具８１は、第７実施形態と同様な容器状である。また、スタック保持金具８１の断熱材１６上端面を覆う蓋部８１ａより上方に、係合部８１ｂが形成される。該係合部８１ｂは、筐体１の内側壁に固定した支持部材１ａに係合してスタック保持金具８１を支持する。これにより、筐体１に対してセルスタック１１を精度良く位置決めすることができる。なお、係合部８１ｂは、支持部材１ａに溶接等で固定させてよい。あるいは、係合部８１ｂは、スタック保持金具８１を支持部材１ａへの係合のみで支持させてもよい。これらのことは、他の実施形態と同様である。なお、スタック保持金具８１と筐体１の内壁、低温の底壁との間には、放熱を抑制するように隙間を開けて支持することが好ましい。
　また、本第８実施形態の変形態様として、スタック保持金具８１を上方に伸ばし、上端部を筐体１の頂壁に支持する構成としてもよい。このようにすれば、改質器１３外側の断熱機能も有することができる。例えば、支持部材１ａを筐体１の頂壁に備えてスタック保持金具８１を支持してもよい。
　以上の実施形態では、燃料電池セル１１ａの隙間に酸化剤供給通路１４を挿入したものを示した。例えば図１に示すような改質器１３の原燃料の入口と水素富化ガスの出口とを結ぶ方向において、セルスタック１１の両外側に酸化剤供給通路１４を配設したものを示した。一方、図１８に示すように、改質器１３の原燃料の入口と水素富化ガスの出口とを結ぶ方向と直交する方向において、セルスタック１１の両外側に酸化剤供給通路１４を配設する構成としてもよい。
　さらに、以下のような構成としてもよい。改質器１３の原燃料の入口と水素富化ガスの出口とを結ぶ方向と直交して断熱材１６を配設する。そして、セルスタック両外側の断熱材および下部断熱材の少なくとも内側表面を覆ってスタック保持金具を配設する。この場合、スタック保持金具のセルスタック両外側の上部を、筐体に支持する構成とすることで、他の実施形態と同様の効果を得られる。
　図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものである。本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。例えば、図３、図５、図６および図８においては、隔壁１５ａを筐体１の側面内壁で支持する構造を例示したが、これに限らず、例えば、図１５のように隔壁１５ａを筐体１の底面内壁で支持してもよい。
　また、改質器の一方の端を原燃料の入口、他方の端を水素富化ガスの出口として説明したが、改質器の内部に仕切り板を備えた折り返し構造としてもよい。その場合は、原燃料の入口と水素富化ガスの出口とを同じ端に形成してもよい。また、第１～第９の実施形態においては、直方体状の改質器を例示した。しかし、これに限らず、円筒型であってもよい。また、改質器の数は燃料電池装置の規模に応じて１つ、または複数配置することができる。
　　１…筐体
　　１ａ…支持部材
　　１１…セルスタック
　　１１ａ…燃料電池セル
　　１１ｂ…マニホールド部（台座）
　　１２…オフガス燃焼部
　　１３…改質器
　　１３ａ…アーム部材
　　１４…酸化剤供給通路
　　１５…排ガス通路
　　１５ａ…隔壁
　　１６…断熱材
　　１７…排出通路
　　１８…燃料供給配管
　　２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，１０１…スタック保持金具
　　３１ｄ…改質器の支持部
　　１０１ｆ…支持部

Claims (14)

  1. 　複数の燃料電池セルが台座に支持されたセルスタックと、
    　前記セルスタックを内包し、上部が開放したチャンネル形状のスタック保持金具と、
    　前記セルスタック及び前記スタック保持金具を収納する筐体と、
    　前記スタック保持金具の外側と前記筐体の内側との間に配設される断熱材と、
    を備え、
    　前記スタック保持金具は、前記筐体又は前記筐体との連結体に支持され、前記燃料電池セルと接触しないように、前記スタック保持金具の内側底壁で前記台座を保持することを特徴とする燃料電池装置。
  2. 　前記筐体と前記断熱材との間に、前記筐体との連結体である隔壁を備え、
    　前記筐体と前記隔壁の間に排ガス通路が画成され、
    　前記スタック保持金具は、前記隔壁に支持される請求項１に記載の燃料電池装置。
  3. 　前記スタック保持金具の上端は、前記セルスタックの上下方向の高さの半分から上の位置において、前記隔壁の側壁に支持される請求項２に記載の燃料電池装置。
  4. 　前記スタック保持金具の上端は、前記筐体に支持される請求項１に記載の燃料電池装置。
  5. 　前記スタック保持金具の上端は、前記セルスタックの上下方向の高さの半分から上の位置において、前記筐体に支持される請求項４に記載の燃料電池装置。
  6. 　前記スタック保持金具の上端は、前記筐体の頂壁に支持される、請求項５に記載の燃料電池装置。
  7. 　前記スタック保持金具の上端は、前記筐体の側壁に支持される、請求項５に記載の燃料電池装置。
  8. 　前記スタック保持金具は、前記台座と係合する係合部を備える、請求項１に記載の燃料電池装置。
  9. 　前記筐体は、前記セルスタックの上方に、原燃料を改質して前記セルスタックへ水素富化ガスを供給する改質器を内包し、
    　前記断熱材は、前記改質器の前記筐体側面との間に位置することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池装置。
  10. 　前記筐体は、前記セルスタックの上方に、原燃料を改質して前記セルスタックへ水素富化ガスを供給する改質器を内包し、
    　前記スタック保持金具は、前記改質器を支持する改質器支持部を有する、請求項１に記載の燃料電池装置。
  11. 　前記スタック保持金具は、前記改質器側に取り付けられた係合部材と、前記スタック保持金具側に取り付けられた係合部材とを、これら係合部材相互が摺動自由に係合して前記改質器を支持する、請求項１０に記載の燃料電池装置。
  12. 　前記スタック保持金具は、前記断熱材を保持する断熱材保持部を有する、請求項１０に記載の燃料電池装置。
  13. 　前記スタック保持金具は、前記断熱材を内包する容器状に形成される、請求項１に記載の燃料電池装置。
  14. 　前記スタック保持金具は、無孔の金属板から成り、前記断熱材への排ガスの流通を遮るように配設される、請求項１に記載の燃料電池装置。
PCT/JP2014/068479 2013-07-11 2014-07-10 燃料電池装置 WO2015005441A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015526410A JP6228204B2 (ja) 2013-07-11 2014-07-10 燃料電池装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-145194 2013-07-11
JP2013145194 2013-07-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015005441A1 true WO2015005441A1 (ja) 2015-01-15

Family

ID=52280118

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2014/068479 WO2015005441A1 (ja) 2013-07-11 2014-07-10 燃料電池装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6228204B2 (ja)
WO (1) WO2015005441A1 (ja)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016157626A (ja) * 2015-02-25 2016-09-01 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池装置
JP2016157627A (ja) * 2015-02-25 2016-09-01 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池装置
JP2016157628A (ja) * 2015-02-25 2016-09-01 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池装置
JP2017117533A (ja) * 2015-12-21 2017-06-29 京セラ株式会社 モジュールおよびモジュール収容装置
JP2020077623A (ja) * 2019-10-11 2020-05-21 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 固体酸化物形燃料電池装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005100942A (ja) * 2003-08-20 2005-04-14 Kyocera Corp 燃料電池組立体
JP2009259799A (ja) * 2008-03-18 2009-11-05 Dainippon Printing Co Ltd 固体酸化物形燃料電池のスタック構造
JP2010118261A (ja) * 2008-11-13 2010-05-27 Toto Ltd 燃料電池モジュール
JP2011113829A (ja) * 2009-11-27 2011-06-09 Kyocera Corp 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP2011129280A (ja) * 2009-12-15 2011-06-30 Toyota Motor Corp 燃料電池モジュール
JP2011170983A (ja) * 2010-02-16 2011-09-01 Toto Ltd 燃料電池システム
JP2013254581A (ja) * 2012-06-05 2013-12-19 Toto Ltd 燃料電池装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005100942A (ja) * 2003-08-20 2005-04-14 Kyocera Corp 燃料電池組立体
JP2009259799A (ja) * 2008-03-18 2009-11-05 Dainippon Printing Co Ltd 固体酸化物形燃料電池のスタック構造
JP2010118261A (ja) * 2008-11-13 2010-05-27 Toto Ltd 燃料電池モジュール
JP2011113829A (ja) * 2009-11-27 2011-06-09 Kyocera Corp 燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP2011129280A (ja) * 2009-12-15 2011-06-30 Toyota Motor Corp 燃料電池モジュール
JP2011170983A (ja) * 2010-02-16 2011-09-01 Toto Ltd 燃料電池システム
JP2013254581A (ja) * 2012-06-05 2013-12-19 Toto Ltd 燃料電池装置

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016157626A (ja) * 2015-02-25 2016-09-01 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池装置
JP2016157627A (ja) * 2015-02-25 2016-09-01 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池装置
JP2016157628A (ja) * 2015-02-25 2016-09-01 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池装置
JP2017117533A (ja) * 2015-12-21 2017-06-29 京セラ株式会社 モジュールおよびモジュール収容装置
JP2020077623A (ja) * 2019-10-11 2020-05-21 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 固体酸化物形燃料電池装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP6228204B2 (ja) 2017-11-08
JPWO2015005441A1 (ja) 2017-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6228204B2 (ja) 燃料電池装置
JP5507119B2 (ja) 燃料電池システム
JP6030547B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2017105695A (ja) 水素生成装置及び燃料電池システム
JP6617925B2 (ja) 燃料電池システム
JP6280470B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2007091584A (ja) 燃料改質装置
JP5756327B2 (ja) 燃料電池モジュール
US8197563B2 (en) Fuel reformer
JP5095264B2 (ja) 改質器および間接内部改質型高温型燃料電池
JP2015144091A (ja) 燃料電池装置
JP5968876B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2001342002A (ja) 燃料改質器
WO2011081094A1 (ja) 改質ユニットおよび燃料電池システム
JP5939858B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP4480486B2 (ja) 燃料電池用改質装置
JP2014032801A (ja) 燃料電池モジュール
JP5946730B2 (ja) 燃料電池モジュール
WO2012141305A1 (ja) 燃料電池モジュール
JP5763396B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP5658897B2 (ja) 改質装置及び燃料電池システム
JP7386057B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP6068333B2 (ja) 燃料電池モジュール
JP2016021309A (ja) 燃料電池装置
JP6224329B2 (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14823319

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015526410

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14823319

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1