(57)【要約】  燃料電池発電装置１０は、少なくとも一部分が箱体貫通孔２１において箱体２０の外側面に固定され、箱体貫通孔２１を貫通した支持部材４１を摺動可能に挿通させる挿通用貫通孔１２２を有するガイド部７１とを備える。ガイド部７１は、支持部材４１を挿通させる第１のガイド貫通孔８１が形成された第１のハウジング８０と、支持部材４１を挿通させる第２のガイド貫通孔９１が形成された第２のハウジング９０と、第１のハウジング８０と第２のハウジング９０とが締結され、第１のガイド貫通孔８１および第２のガイド貫通孔９１に支持部材４１が挿通された状態で第１のハウジング８０と第２のハウジング９０との間に形成された空間が埋まるように挿入または圧入され、耐熱性を有する密閉用部材１００とを備える。支持部材４１は、ガイド部７１に対して摺動可能に挿通される。
2013061575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを配列したセルスタックと、
前記セルスタックに供給する燃料ガスを生成するための改質器と、
前記セルスタックおよび前記改質器を収容するとともに、箱体貫通孔を少なくとも１つ有する箱体と、
前記箱体貫通孔を通じて前記箱体を貫通することにより、前記セルスタックの発電中に昇温する部材を前記箱体内で支持する略柱状の支持部材と、
少なくとも一部分が、前記箱体貫通孔において前記箱体の外側面に固定され、前記箱体貫通孔を貫通した前記支持部材を摺動可能に挿通させる挿通用貫通孔を有するガイド部と、を備え、
前記ガイド部は、前記支持部材を挿通させる第１のガイド貫通孔が形成された第１のハウジングと、前記支持部材を挿通させる第２のガイド貫通孔が形成された第２のハウジングと、前記第１のハウジングと前記第２のハウジングとが締結され、前記第１のガイド貫通孔および前記第２のガイド貫通孔に前記支持部材が挿通された状態で前記第１のハウジングと前記第２のハウジングとの間に形成された空間が埋まるように挿入または圧入され、耐熱性を有する密閉用部材と、を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記箱体は、第１の側面と当該第１の側面に対向する第２の側面とを有し、
前記第１の側面および前記第２の側面には、それぞれ少なくとも１つの前記箱体貫通孔と前記ガイド部とが設けられ、
前記セルスタックの発電中に昇温する部材には、前記第１の側面および前記第２の側面に固定された前記ガイド部の前記ガイド貫通孔に挿通された前記支持部材が取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記箱体を前記第１の側面および前記第２の側面に垂直な方向から平面視した場合に、前記第１の側面に取り付けられた前記支持部材の断面と前記第２の側面に取り付けられた前記支持部材の断面の少なくとも一部が重畳することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記第１の側面および前記第２の側面のいずれにおいても、各側面に挿通された１つ以上の前記支持部材における往復動抵抗の合計が、前記セルスタックの発電中に昇温する部材の熱膨張により生じる応力の合計よりも小さいことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池発電装置。
【請求項５】
前記第２のハウジングは、前記第１のハウジングの内壁に嵌合する嵌合部を更に備え、前記嵌合部の長さは前記第１のハウジングの内部空間の深さより短いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項６】
前記密閉用部材は、膨張黒鉛を含有する部材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項７】
前記セルスタックの発電中に昇温する部材は前記改質器であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
【請求項８】
前記支持部材のうちの少なくとも１つは、前記箱体貫通孔を通じて前記改質器に原燃料を供給するための燃料供給用の配管であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池発電装置。
【請求項９】
前記支持部材は、前記セルスタックを前記箱体内で支持することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
前記セルスタックは前記燃料電池セルから生じる電流を取り出す複数の電流配線を更に含み、前記支持部材のうちの少なくとも１つは、前記電流配線が内部に設けられた絶縁部材であることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０の燃料電池発電装置を含む燃料電池システム。
【請求項１２】
熱によって温度が上昇する昇温部材と、
前記昇温部材を収容するとともに、容器貫通孔を少なくとも１つ有する昇温部材収納容器と、
前記容器貫通孔を通じて前記昇温部材収納容器を貫通することにより、前記昇温部材を前記昇温部材収納容器内で支持する略柱状の支持部材と、
少なくとも一部分が、前記容器貫通孔において前記昇温部材収納容器の外側面に固定され、前記容器貫通孔を貫通した前記支持部材を摺動可能に挿通させるガイド貫通孔を有するガイド部と、を備え、
前記ガイド部は、前記支持部材を挿通させる第１のガイド貫通孔が形成された第１のハウジングと、前記支持部材を挿通させる第２のガイド貫通孔が形成された第２のハウジングと、前記第１のハウジングおよび前記第２のハウジングが締結され、前記第１のガイド貫通孔および前記第２のガイド貫通孔に前記支持部材が挿通された状態で、前記第１のハウジングと前記第２のハウジングとの間に形成された空間が埋まるように挿入または圧入され、耐熱性を有する密閉用部材と、を備えることを特徴とする支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池発電装置、燃料電池発電装置を含む燃料電池システム、および支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、環境負荷が小さい燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、６００℃以上の高温で作動する固体酸化物形燃料電池が知られている。固体酸化物形燃料電池の燃料電池セルは、たとえば、特許文献１に記載されているように、円筒型、楕円型、角型など様々な断面構造を持つ。燃料電池セルの層構造としては、内部にアノード極、外部にカソード極を備える構造や、逆に内部にカソード極、外部にアノード極を備える構造などが一般的に知られている。【０００３】
固体酸化物形燃料電池として、たとえば、特許文献２に開示された構造が知られている。これらの構造では、複数の燃料電池セルが集電部材を間に介して配列されたセルスタックと、改質反応を行うための改質器とが、内部で発電を行うための箱体内に配置されている。一般的にこれらの構造では、原燃料あるいは改質水を改質器に供給するための配管が、箱体に設けられた貫通孔に挿通されている。また、この構造では、改質器を加熱するために、セルスタックを動作温度まで昇温させるためのバーナの燃焼熱やセルスタックのオフガスの燃焼熱が利用されている。この構造では、燃焼排ガスや未使用のオフガスが箱体内に充満している。そのため、箱体に設けられた貫通孔部分における箱体と配管との隙間から、燃焼排ガスやオフガスが漏出することを抑制する必要がある。【０００４】
これに対し、たとえば、特許文献３には、外側貫通孔を外側より覆う蓋板を備え、蓋板が挿入管を挿入するための装着孔を有し、蓋板と挿入管とを溶接により固定する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−０２１１９５号公報
【特許文献２】特開２００６−２６９３３２号公報
【特許文献３】特開２０１０−０４４９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した従来の構造では、改質器の熱膨張により、改質器に接続された配管と箱体との接続部に応力が発生し、この応力によって接続部が破損して、箱体内の燃焼排ガスやオフガスが漏出してしまうおそれがあった。この場合、漏出した燃焼排ガスやオフガスが持つ熱エネルギーを改質器などの加熱に利用できなくなるため、燃料電池全体のエネルギー効率が低下してしまう。【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、改質器とセルスタックとが箱体の内部に配置された燃料電池発電装置およびこの燃料電池発電装置を含む燃料電池システムにおいて、箱体から燃焼排ガスやオフガスが漏出することを抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の燃料電池発電装置は、複数の燃料電池セルを配列したセルスタックと、セルスタックに供給する燃料ガスを生成するための改質器と、セルスタックおよび改質器を収容するとともに、箱体貫通孔を少なくとも１つ有する箱体と、箱体貫通孔を通じて箱体を貫通することにより、セルスタックの発電中に昇温する部材を箱体内で支持する略柱状の支持部材と、少なくとも一部分が、箱体貫通孔において箱体の外側面に固定され、箱体貫通孔を貫通した支持部材を摺動可能に挿通させる挿通用貫通孔を有するガイド部と、を備える。ガイド部は、支持部材を挿通させる第１のガイド貫通孔が形成された第１のハウジングと、支持部材を挿通させる第２のガイド貫通孔が形成された第２のハウジングと、第１のハウジングと第２のハウジングとが締結され、第１のガイド貫通孔および第２のガイド貫通孔に支持部材が挿通された状態で第１のハウジングと第２のハウジングとの間に形成された空間が埋まるように挿入または圧入され、耐熱性を有する密閉用部材と、を備えることを特徴とする。【０００９】
この態様によると、セルスタックの発電中に昇温する部材が熱膨張したときに、支持部材は支持部材とガイド部との間の気密性を確保しつつ、ガイド部に対して摺動する。これにより、支持部材とガイド部との間に生じる応力を低減することができ、支持部材とガイド部との間に損傷が生じることが抑制される。その結果、支持部材とガイド部との間の気密性が十分に確保されるため、支持部材とガイド部との間から燃焼排ガス等が漏出することが抑制される。同様に、改質器の温度の低下に伴い改質器が収縮した場合にも、気密性を確保しつつ支持部材がガイド部に対して反対方向に摺動する。これにより、箱体の外部へのオフガスや燃焼排ガスの漏出を低減させることにより、エネルギー利用率を向上させることができる。また、支持部材およびガイド部が簡易な構造であるため、省スペースかつ低コストで効率的に摺動性と気密性とを両立させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、箱体からの燃焼排ガスやオフガスの漏出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１（Ａ）は、実施の形態に係る燃料電池システムを模式的に示す概略図である。図１（Ｂ）は、改質器に水気化部を有する燃料電池システムを模式的に示す概略図である。
【図２】図２は、実施の形態に係る燃料電池発電装置の構造を示す斜視図である。
【図３】図３は、実施の形態に係る燃料電池発電装置の概略を示す三面図である。図３（Ａ）は、図２の燃料電池発電装置を矢印Ｘの正方向に向けて見た側面図である。図３（Ｂ）は、図２の燃料電池発電装置を矢印Ｙの正方向に向けて見た側面図である。図３（Ｃ）は、図２の燃料電池発電装置を矢印Ｚの負方向に向けて見た平面図である。
【図４】図４は、実施の形態に係る燃料電池発電装置にガイド部および支持部材が取り付けられた状態を示す側面図である。図４（Ａ）は、図２の燃料電池発電装置において第２の側面を矢印ｙの負方向に向けて見た側面図である。図４（Ｂ）は、図２の燃料電池発電装置において第１の側面を矢印ｙの正方向に向けて見た側面図である。
【図５】図５は、ガイド部と支持部材の各部材を模式的に示す斜視図である。
【図６】図６（Ａ）は、ガイド部と支持部材の組み付け前の状態を示す断面図である。図６（Ｂ）は、ガイド部と支持部材との箱体への組み付け後の状態を示す断面図である。
【図７】図７（Ａ）は、参考例として、箱体第１側面にガイド部が取り付けられ、これに垂直な箱体第３側面にガイド部が取り付けられた場合を示す平面図である。一方、図７（Ｂ）は、図２の平面図として、箱体第１側面にガイド部が取り付けられ、これに対向する箱体第２側面にガイド部が取り付けられた場合を示す平面図である。
【図８】図８は、締結手段の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
（実施の形態）
図１（Ａ）は、実施の形態に係る燃料電池システム１を模式的に示す概略図である。図１（Ｂ）は、改質器３０に水気化部３９を有する燃料電池システム１を模式的に示す概略図である。
【００１４】
燃料電池システム１は、燃料電池発電装置１０と、貯湯槽ユニット１１とを含む。本実施の形態では、燃料電池発電装置１０は、燃料電池システム１のうち貯湯槽ユニット１１以外の構造を指すが、貯湯槽ユニット１１の少なくとも一部をさらに含んでもよいし、貯湯槽ユニット１１以外の構造をさらに含んでもよい。
【００１５】
本実施の形態では、燃料電池発電装置１０は、原燃料である炭化水素燃料などの水素含有燃料を水蒸気改質して得られる燃料ガス（改質ガス）と酸化剤である空気との供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池である。燃料電池発電装置１０は、アノード６３と、電解質６２と、カソード６４を有するセルスタック６０と、オフガス燃焼部１４と、改質器３０と、水気化部３９とを含む。図１（Ａ）に示す改質器３０は、改質部４０を含む。セルスタック６０として、少なくとも１つ以上の公知の固体酸化物形燃料電池スタックを用いることができる。アノード６３には、原燃料を改質部４０により改質して生成された水素リッチな改質ガスが供給される。ここでは、水気化部３９により改質水を気化した水蒸気を用いて、改質器３０で水蒸気改質を行う形態を例示する。カソード６４には、空気などの酸化剤が供給される。オフガス燃焼部１４は、セルスタック６０の反応に使用されなかったオフガスを燃焼する。オフガスの燃焼により発生した熱は、改質部４０による改質反応に用いられる（矢印Ｂ）。また、この熱は、水気化部３９による水気化（矢印Ｂ）やセルスタック６０の温度を発電開始温度にまで加熱するために用いられてもよい（矢印Ａ）。なお、燃料電池システム１の起動時は、ヒータを別途設けたり自己熱改質反応を利用したりするなどの公知の手法を用いて、改質器３０を加熱してもよい。また、図１（Ｂ）に示すように、改質器３０は改質部４０に加えて水気化部３９をさらに有してもよい。あるいは、改質部４０において水蒸気改質にかえて部分酸化改質を行う形態においては、水気化部３９は省略することができる。
【００１６】
また、改質ガスの原燃料として、ＬＰＧや都市ガス、灯油等の硫黄を含有する燃料を用いる場合には、改質部４０の上流にさらに脱硫部３８を設けることが好ましい。脱硫部３８に充填する脱硫剤として、常温より高い温度で脱硫処理を行う脱硫剤を用いる場合は、オフガスの燃焼により発生した熱を用いて脱硫部３８を加熱してもよい（矢印Ｂ）。
【００１７】
貯湯槽ユニット１１は、貯湯槽１３を含む。貯湯槽１３には、熱媒体として用いる水が給水されて貯留される。燃料電池発電装置１０内に配置されたポンプ１２は、燃料電池発電装置１０内に配置された熱交換器１５と貯湯槽ユニット１１内の貯湯槽１３との間で水を循環させる。オフガスの燃焼により発生した高温の排ガスや、セルスタック６０の発熱により温められた排ガスの熱は、熱交換器１５と熱媒体との間で熱交換され（矢印Ｃ）、貯湯槽１３に温水として蓄熱され、必要に応じて給湯される。
【００１８】
次に、本実施の形態の燃料電池発電装置１０の構造を、図１〜図５を用いてさらに詳細に説明する。図２は、実施の形態に係る燃料電池発電装置１０の構造を示す斜視図である。図３は、実施の形態に係る燃料電池発電装置１０の概略を示す三面図である。図３（Ａ）は、図２の燃料電池発電装置１０を矢印Ｘの正方向に向けて見た側面図である。図３（Ｂ）は、図２の燃料電池発電装置１０を矢印Ｙの正方向に向けて見た側面図である。図３（Ｃ）は、図２の燃料電池発電装置１０を矢印Ｚの負方向に向けて見た平面図である。図４は、実施の形態に係る燃料電池発電装置１０にガイド部７１，７２，７３，７４，７５，７６および支持部材４１，４２，４３，４４，４５，４６が取り付けられた状態を示す側面図である。図４（Ａ）は、図２の燃料電池発電装置１０において第２側面１７を矢印ｙの負方向に向けて見た側面図である。図４（Ｂ）は、図２の燃料電池発電装置１０において第１側面１６を矢印ｙの正方向に向けて見た側面図である。
【００１９】
燃料電池発電装置１０は、内部で発電を行うための箱体２０を有する。箱体２０の内部には、Ｚ軸の負方向に向けて順に、改質器３０、セルスタック６０およびマニホールド５２が配置されている。本実施の形態では、図１（Ａ）に示した改質器３０が使用されている。なお、図２では説明のために箱体２０が透明視されている。また、図２および図３では図１（Ａ）に示した水気化部３９および脱硫部３８が、図２および図４では図３に示した空気導入口２７および排ガス導出口２８が、図２では図４に示した箱体貫通孔２１，２２，２３，２４，２５，２６およびガイド部７１，７２，７３，７４，７５，７６が、それぞれ省略されている。
【００２０】
燃料電池発電装置１０は、少なくとも１つ以上のセルスタック６０を有する。セルスタック６０として、たとえば特開２００９−０２１１９５号公報に開示された燃料電池を使用することができる。セルスタック６０は、複数の燃料電池セルが規則的に配列された構造を有する。各燃料電池セルは、図１に示したように、アノード６３、電解質６２およびカソード６４を有する。アノード６３には改質ガスが供給され、カソード６４には酸化剤が供給される。隣接する燃料電池セルの間には、図示しない集電部材が配置されている。隣接する燃料電池セルが集電部材を介して接するように連続的に配置されている。これにより、隣接する燃料電池セル同士が電気的に直列に接続されている。燃料電池セルには、集電部材から伸延し、後述する支持部材４５および４６の内部を貫通する正極電流配線５５および負極電流配線５６が設けられている。正極電流配線５５および負極電流配線５６は、集約された電流が流れる配線である。燃料電池セルで発電された電流は、正極電流配線５５および負極電流配線５６を介して取り出される。
【００２１】
図２および図３に示す改質器３０は、外部から供給された原燃料を改質し、セルスタック６０に供給される改質ガスを生成する。改質器３０は、セルスタック６０の上方（Ｚ軸の正方向）において、セルスタック６０と所定の間隔を空けて水平に配置されている。この間隔が図１のオフガス燃焼部１４に相当する。本実施の形態の改質器３０は、水蒸気改質器である。水蒸気改質用の触媒としては、たとえばルテニウム系触媒やニッケル系触媒などが挙げられる。
【００２２】
改質器３０は、改質ガス供給管５１を介してマニホールド５２と接続されている。改質器３０で生成された改質ガスは、改質ガス供給管５１およびマニホールド５２を介して、セルスタック６０に含まれる各燃料電池セルに供給される。
【００２３】
改質器第１側面３６には、支持部材４１および４２が固定されている。支持部材４１および４２は、改質器３０を箱体２０の内部で支持する機能を有する。本実施の形態では、支持部材４１および４２は所望の強度を有する金属製の筒状部材である。支持部材４１は原燃料を、支持部材４２は改質水をそれぞれ改質器３０に導入するための配管（原燃料導入部３１および改質水導入部３２）を兼ねることができる。本実施の形態では、図１（Ａ）に示したように、改質水は水気化部３９において気化された後、支持部材４１を流通して改質部４０に導入される。一方、図１（Ｂ）に示したように、改質部４０と水気化部３９が一体となった構造の場合は、改質水を液体のまま原燃料導入部３１である支持部材４１に流通させてもよい。
【００２４】
本実施例の燃料電池発電装置１０では、原燃料としてＬＰＧガス（液化石油ガス）が用いられる。その他の原燃料として、メタン、プロパン、ブタン、灯油、ナフサ等の炭化水素燃料や、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の含水素燃料を用いることもできる。
【００２５】
また、改質器第１側面３６と対向する改質器第２側面３７には、支持部材４３および４４の一部が固定されている。支持部材４３および４４は、改質器３０を箱体２０の内部で支持する機能を有する。また、本実施の形態では、支持部材４３および４４は所望の強度を有する金属製の筒状部材であり、支持部材４３および４４の先端には、改質器３０の内部の温度をモニタするための１対の熱電対３３，３４が設けられ、支持部材４３および４４の内部には熱電対用の配線が敷設されている。
【００２６】
本実施の形態では、支持部材４１，４２，４３，４４が改質器３０を支持する機能に加え、それ以外の機能も有する例を示したが、これらが改質器３０を支持する機能のみを有してもよい。その場合には、たとえば中空でない棒状の部材である支持部材４１および４２とは別に、原燃料導入部３１および／または改質水導入部３２を設けてもよい。また、支持部材４３および４４が熱電対３３，３４を備えない改質器３０においては、中空でない棒状の部材である支持部材４３および４４を用いてもよい。
【００２７】
なお、本実施形態では箱型の改質器３０を例示したが、改質器３０は特開２００８−００７３７１号公報に示すような円筒型改質器または円筒二重管型改質器であってもよい。この場合、一方の面を改質器第１側面３６、他方の面を改質器第２側面３７とする。
【００２８】
箱体２０は、箱体第１側面１６と、箱体第１側面１６に対向する箱体第２側面１７とを有する。図３（Ｃ）に示すように、箱体第１側面１６は改質器第１側面３６と面し、箱体第２側面１７は改質器第２側面３７と面する。箱体第１側面１６および箱体第２側面１７には、それぞれ少なくとも１つの箱体貫通孔が設けられている。本実施の形態では、箱体第１側面１６には、改質器３０を支持する支持部材４１および４２を挿通するための貫通孔である箱体貫通孔２１および２２が設けられている。また、箱体第２側面１７には、改質器３０を支持する支持部材４３および４４を挿通するための貫通孔である箱体貫通孔２３および２４が設けられている。支持部材４１は、箱体貫通孔２１に固定されたガイド部７１に挿通されている。同様に、支持部材４２は、箱体貫通孔２２に固定されたガイド部７２に、支持部材４３は、箱体貫通孔２３に固定されたガイド部７３に、支持部材４４は、箱体貫通孔２４に固定されたガイド部７４に、それぞれ挿通されている。これにより、支持部材４１，４２，４３および４４は、昇温する改質器３０を箱体２０の内部で支持する。ガイド部７１，７２，７３および７４の構造については、ガイド部７１を例にして図５および６を用いて後述する。
【００２９】
また、図３（Ｃ）に示すように、箱体第２側面１７には、支持部材４５および４６を挿入するための箱体貫通孔２５および２６が、それぞれ設けられている。支持部材４５および４６は、それぞれ箱体貫通孔２５および２６に固定されたガイド部７５および７６に対して、摺動可能に挿通されている。支持部材４５および４６は絶縁部材からなり、例えば、表面に釉薬処理を施したセラミック碍子体である。支持部材４５の内部には正極電流配線５５、支持部材４６の内部には負極電流配線５６が敷設されている。本実施の形態では、正極電流配線５５および負極電流配線５６は、支持部材４５および４６の内部に敷設されている。箱体２０内からオフガスおよび燃焼排ガスなどが漏出することを防ぐために、支持部材４５および４６の内部の少なくとも一部は耐熱性および気密性を有する図示しない封止部材により封止されている。その上で、正極電流配線５５および負極電流配線５６が封止部材を貫通することにより、支持部材４５および４６の内部の気密性が保たれている。
【００３０】
本実施の形態では、箱体第２側面１７に設けられた箱体貫通孔２５および２６から正極電流配線５５、負極電流配線５６が突出している。正極電流配線５５および負極電流配線５６は、箱体貫通孔２５および２６を第１側面１６に設けることにより第１側面１６から突出させてもよい。また、箱体貫通孔２５および２６のうちのいずれか一方を箱体第１側面１６に設けることにより、正極電流配線５５または負極電流配線５６のいずれか一方を箱体第１側面１６から突出させてもよい。なお、支持部材４５および４６は、発電部５０の少なくとも一部を支持する機能を有してもよい。本実施の形態では、発電部５０とは、改質ガス供給管５１、マニホールド５２およびセルスタック６０のアセンブリをいう。
【００３１】
次に、燃料電池発電装置１０の箱体２０における燃料ガスとオフガスの流路について、図１、図２、図３（Ａ）および（Ｂ）を用いて説明する。なお、図３（Ａ）および（Ｂ）の実線の矢印Ｄは原燃料および改質ガスの流れを示し、図３（Ａ）および（Ｂ）の点線の矢印Ｅはオフガスおよび燃焼排ガスの流れを示す。本実施形態においては、原燃料としてＬＰＧを用いる場合を例に説明する。
【００３２】
原燃料供給用の配管である支持部材４１（原燃料導入部３１）から供給されたＬＰＧガスは、後述するオフガスの燃焼により、改質部４０において加熱される。その結果、ＬＰＧガスが改質反応に適した温度にまで昇温される。同様に、改質水供給用の配管である支持部材４２（改質水導入部３２）から供給された改質水は、図１に示した水気化部３９において加熱され、水蒸気となる。水蒸気が水気化部３９から改質部４０に供給され、ＬＰＧガスと水蒸気とが混合した燃料ガスとなる。燃料ガスは、改質器３０の内部を下流側へと流れ、改質ガス供給管５１、マニホールド５２を経て、各燃料電池セルのアノード６３に供給される（図３（Ａ）および（Ｂ）の矢印Ｄ）。また、箱体２０の底部に設けられた空気導入口２７から各燃料電池セルのカソード６４に空気が供給される。これにより、燃料電池セルにおいて発電反応が起きる。
【００３３】
燃料電池セルの発電で使用されなかった未反応な改質ガス（以下、アノードオフガスという）は、燃料電池セルの上部から改質器３０に向けて放出される。このアノードオフガスと、空気導入口２７から導入された空気のうち反応に供されなかった空気（カソードオフガス）を、セルスタック６０と改質器３０との間のオフガス燃焼部１４にて燃焼させることにより、改質器３０を定常時で約６００〜約７５０℃にまで加熱する。改質器３０が加熱されることにより、改質反応が促進されるため、改質ガスの生成効率が向上する。燃焼排ガスは、箱体２０の天井部に設けられた排ガス導出口２８から排出される（図３（Ａ）および（Ｂ）の矢印Ｅ）。
【００３４】
なお、本実施の形態では、説明を容易にするために、空気導入口２７を箱体２０の底部、排ガス導出口２８を箱体２０の天井部にそれぞれ設けたが、空気導入口２７および排ガス導出口２８の位置は、これらに限定されない。また、カソード６４への酸化剤の供給やセルスタック６０からの燃焼排ガスの導出をより効率化するために、箱体２０の内部にガス流路を形成してもよい。
【００３５】
次に、ガイド部と支持部材の構造を、図５および図６を用いて説明する。ガイド部は、箱体貫通孔から突出する支持部材を摺動可能に挿通させる部材であり、箱体貫通孔と連通して箱体外側面に固定される。ここでは図３（Ｃ）および図４（Ｂ）に示したガイド部７１および支持部材４１を用いて説明するが、支持部材４２，４３，４４，４５，４６のガイド部７２，７３，７４，７５，７６への取り付けについても同様である。
【００３６】
図５は、ガイド部７１と支持部材４１の各部材を模式的に示す斜視図である。図６（Ａ）は、ガイド部７１と支持部材４１の組み付け前の状態を示す断面図である。図６（Ｂ）は、ガイド部７１と支持部材４１との箱体２０への組み付け後の状態を示す断面図である。
【００３７】
まず、図５および図６（Ａ）に基づいて、ガイド部７１に含まれる各部材を説明する。ガイド部７１は、ハウジングケースである第１のハウジング８０と、密閉用部材１００と、スペーサ１１０と、ハウジング蓋である第２のハウジング９０と、ボルト１２０とを含む。第１のハウジング８０は、開口部８５の淵にフランジ部８６が設けられた有底の容器である。第１のハウジング８０は、底部の中央に支持部材４１が挿通される第１のガイド貫通孔８１を備える。開口部８５は第１のガイド貫通孔８１より断面積が大きい。開口部８５の淵に形成されたフランジ部８６には、複数の締結孔８２が設けられている。なお、本実施形態では断面が円筒形状の第１のハウジング８０を例示するが、第１のハウジング８０の内部８７の断面はこれには限られず、たとえば角型であってもよい。
【００３８】
第２のハウジング９０は、第１のハウジング８０の内側に挿通される嵌合部９３と、フランジ部９６を備える。第２のハウジング９０の嵌合部９３の長さｌ３は、第１のハウジング８０の深さｌ１より短い。第２のハウジング９０は、第１のハウジング８０に嵌合部９３を挿通した状態において支持部材４１が挿通される、第２のガイド貫通孔９１を備える。本実施形態では嵌合部９３が円筒形状である第２のハウジング９０を例示するが、第２のハウジング９０の嵌合部９３の断面は、第１のハウジング８０の内部８７の断面と同形状であればよい。たとえば、第１のハウジング８０の内部８７の断面形状が六角形であれば、嵌合部９３の断面形状も六角形とする。
【００３９】
第２のハウジング９０のフランジ部９６は、嵌合部９３が第１のハウジング８０の内部８７に挿通された状態で、第１のハウジング８０の締結孔８２と互いに締結可能な位置に締結孔９２を備える。第１のハウジング８０と第２のハウジング９０は、締結孔８２，９２においてボルト１２０により締結される。第１のハウジング８０と第２のハウジング９０は、耐熱性と所望の強度を有する金属製であることが好ましい。
【００４０】
スペーサ１１０は、第１のハウジング８０の内部８７に挿入される部材である。スペーサ１１０には、支持部材４１を貫通可能な貫通孔１１１が形成されている。スペーサ１１０は厚み方向にはほとんど収縮しないため、スペーサ１１０の厚みｌ４（中心軸方向の長さ）に応じて、後述する空間１１２の軸方向の長さｌ５を調整することができる。本実施形態では断面が円形平板状のスペーサ１１０を例示するが、スペーサ１１０の断面は、第１のハウジング８０の内部８７の断面と同形状であればよい。たとえば、第１のハウジング８０の内部８７の断面形状が六角形であればスペーサ１１０も六角形の平板状とする。
【００４１】
密閉用部材１００は、支持部材４１、第１のハウジング８０および第２のハウジング９０によって形成される空間１１２に挿入または圧入されることにより、空間１１２を充填し密閉するための部材であり、耐熱性および可撓性を有する。密閉用部材１００には、少なくともガイド部７１の組み付け後に、貫通孔１０１が形成される。密閉用部材１００は、空間１１２を密閉できればよいため、空間１１２に挿入または圧入される前の形状は特に限定されない。
【００４２】
密閉用部材１００は、たとえば第１のハウジング８０の内部８７に嵌合可能な外径を有し、支持部材４１が摺動可能に挿通可能な貫通孔１０１が外径と同心円状に形成された円筒体である。密閉用部材１００の変形性を考慮して、円筒体である密閉用部材１００の軸方向の長さｌ２は、ガイド部７１が組み付けられた状態で、後述する長さｌ５を維持できる長さであればよい。
【００４３】
また、充填前の密閉用部材１００がシート状の場合、支持部材４１が摺動可能に挿通する貫通孔１０１を形成するようにシート状の密閉用部材１００を巻くことにより、略円筒形を形成することができ、容易に空間１１２の内部を充填し密閉することができる。また、充填前の密閉用部材１００が紐状の場合、支持部材４１が摺動可能に挿通する貫通孔１０１を形成するように紐状の密閉用部材１００をコイル状に巻くことにより、略円筒形状を形成することができ、容易に空間１１２の内部を充填し密閉することができる。なお、シート状または紐状の密閉用部材１００を支持部材４１に直接巻き付けてから第１のハウジング８０の内部に挿入または圧入することによっても、容易に空間１１２の内部を充填し密閉することができる。
【００４４】
このような密閉用部材１００の材料としては、耐熱性、可撓性、自己潤滑性、耐久性、気密性およびコストの観点から、膨張黒鉛を含有する膨張黒鉛含有部材が好ましい。膨張黒鉛含有部材としては、金属性のワイヤーを膨張黒鉛材料で挟持したグラシールパッキンＴＯＭＢＯシリーズ（ニチアス株式会社）を好適に使用することができる。膨張黒鉛含有部材は、可撓性を有し、かつ黒鉛固有の自己潤滑性も備える。そのため、膨張黒鉛含有部材の圧入により、空間１１２を容易に密閉することができ、気密性を保持しつつ支持部材４１の摺動を許容することができる。また、膨張黒鉛含有部材の他、セラミックファイバーブランケットを用いることもできる。これら密閉性部材の種類に応じて、長さｌ１〜ｌ４および後述する長さｌ５を決定することが望ましい。
【００４５】
図６（Ｂ）のように、密閉用部材１００、スペーサ１１０および第２のハウジング１４０の嵌合部９３が、支持部材４１が貫通可能となるよう第１のハウジング８０の内部８７に挿入される。そして、第１のハウジング８０のフランジ部８６と第２のハウジング９０のフランジ部９６とが締結手段であるボルト１２０により固定されことにより、挿通用貫通孔１２２が形成される。挿通用貫通孔１２２は、ガイド部７１を組み立てた状態におけるガイド部７１の貫通孔をいう。箱体２０から突出する支持部材４１がこの挿通用貫通孔１２２に挿入される。この場合、第１のハウジング８０とスペーサ１１０とにより空間１１２が形成されている。空間１１２の中心軸Ｌ方向の長さは、ｌ５（＝ｌ１−ｌ３−ｌ４）である。
【００４６】
密閉用部材１００は、密閉用部材１００に設けられた貫通孔１０１の軸心が空間１１２の中心軸Ｌと略同軸となるように、空間１１２の内部に充填されている。組み付け前の密閉用部材１００の軸方向の長さｌ２は、空間１１２の中心軸Ｌ方向の長さｌ５よりも長い。そのため、ボルト１２０の締め付けによって第２のハウジング９０が第１のハウジング８０に固定された場合、密閉用部材１００は矢印Ｐの方向に圧入され収縮する。支持部材４１を挿通させていない状態では、密閉用部材１００の変形によって、貫通孔１０１が真っ直ぐな孔とならない可能性がある。そのため、少なくとも支持部材４１を貫通孔１０１に挿通可能な程度に、貫通孔１０１の軸心が中心軸Ｌと略平行であればよい。
【００４７】
なお、本実施の形態ではガイド部７１にスペーサ１１０が使用される例を示したが、スペーサ１１０は使用されなくてもよい。この場合でも、組み付け前の密閉用部材１００の軸方向の長さｌ２は、第１のハウジング８０と第２のハウジング９０との間に形成される空間１１２の中心軸Ｌ方向の長さｌ５（＝ｌ１−ｌ３）よりも長くする。
【００４８】
本実施の形態では、改質器３０の熱膨張により支持部材と密閉用部材の間に発生する応力の合計は、箱体第１側面１６および箱体第２側面１７のいずれにおいても、たとえば約３．４ｋＮである。これに対し、高温下における支持部材４１の耐力はたとえば約３．８ｋＮ以上である。そのため、支持部材４１は、高温下においても改質器３０から受ける応力および密閉用部材１００から受ける応力（図６（Ｂ）の矢印Ｑ）に耐えることができる。
【００４９】
また、密閉用部材１００の支持部材に対する往復動抵抗（２つの部材を往復して摺動させる際に必要となる力）の合計は、たとえば箱体第１側面１６では約７６６Ｎ、箱体第２側面１７では約３８３Ｎである。この値は、いずれも改質器３０の熱膨張により支持部材にかかる荷重の合計よりも小さく、かつ引っ張り強度で支持部材が破断する荷重よりも小さい。したがって、密閉用部材１００として上述の材料を使用することにより、支持部材４１は密閉用部材１００に対して破断することなく摺動することができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では、ガイド部７１のハウジングとして容器状の第１のハウジング８０と蓋状の第２のハウジング９０とを用いたが、組み付けられた状態で空間１１２を形成できるのであれば、第１のハウジング８０と第２のハウジング９０はこれらの形状には限られない。たとえば、容器状のハウジングを２つ組み合わせることにより、空間１１２を形成してもよい。また、ハウジングの部品は２つには限られない。
【００５１】
また、本実施の形態では、支持部材４１，４２，４３，４４とガイド部７１，７２，７３，７４との間の気密性を確保した状態で密閉用部材１００が弾性変形する。そのため、各挿通孔（第１のガイド貫通孔８１、第２のガイド貫通孔９１、貫通孔１０１、貫通孔１１１、およびこれらから形成された挿通用貫通孔１２２）と支持部材４１とは必ずしも同軸である必要はない。また、各挿通孔は、挿入または圧入された密閉用部材１００が支持部材の摺動によって外に溢れない程度にクリアランスを許容できる。ただし、支持部材４１，４２，４３，４４とガイド部７１，７２，７３，７４に含まれる各部材との軸心のずれやクリアランスは、各部材の加工精度や組み立て精度を向上させることにより、できるだけ小さくすることが好ましい。
【００５２】
以上、本実施の形態によると、セルスタック６０の発電中に改質器３０が熱膨張したときに、支持部材４１，４２，４３，４４とガイド部７１，７２，７３，７４との間の気密性を確保しつつ、支持部材４１，４２，４３，４４がガイド部７１，７２，７３，７４に対して摺動する。これにより、支持部材４１，４２，４３，４４とガイド部７１，７２，７３，７４との間に生じる応力を低減することができ、支持部材４１，４２，４３，４４とガイド部７１，７２，７３，７４との間に損傷が生じることが抑制される。その結果、支持部材４１，４２，４３，４４とガイド部７１，７２，７３，７４との間の気密性が十分に確保されるため、支持部材４１，４２，４３，４４とガイド部７１，７２，７３，７４との間から箱体２０内のオフガスや燃焼排ガスなどが漏出することが抑制される。同様に、改質器３０の温度の低下に伴い改質器３０が収縮した場合にも、気密性を確保しつつ支持部材４１，４２，４３，４４がガイド部７１，７２，７３，７４に対して反対方向に摺動する。これにより、箱体２０内のオフガスおよび燃焼排ガスなどの漏出を低減させることにより、エネルギー利用率を向上させることができる。また、支持部材４１，４２，４３，４４およびガイド部７１，７２，７３，７４が簡易な構造であるため、省スペースかつ低コストで効率的に摺動性と気密性とを両立させることができる。
【００５３】
同様に、内部に正極電流配線５５および負極電流配線５６を敷設する支持部材４５および４６にガイド部７５および７６を取り付けてもよい。これにより、支持部材４５および４６がガイド部７５および７６に対して摺動し、かつこれらの間の気密性が十分に確保される。そのため、改質器３０と同様に、正極電流配線５５および負極電流配線５６自体や、それらが設けられている発電部５０が高温になって膨張したとしても、箱体２０の底面に固定されている発電部５０と、箱体第２側面１７に固定されている電流配線との間に生じる応力が緩和され、また燃焼排ガス等の漏出が抑制される。
【００５４】
また、支持部材とガイド部との間の気密性が十分に確保され、燃焼排ガス等が支持部材とガイド部との間から漏出することが抑制された燃料電池発電装置を用いることにより、燃料電池システムの熱効率を向上させることができる。
【００５５】
次に、支持部材の箱体２０における固定位置について説明する。図７（Ａ）は、参考例として、箱体第１側面１６にガイド部７１および７２が取り付けられ、これに垂直な箱体第３側面１８にガイド部７３および７４が取り付けられた場合を示す平面図である。一方、図７（Ｂ）は、図２の平面図として、箱体第１側面１６にガイド部７１および７２が取り付けられ、これに対向する箱体第２側面１７にガイド部７３および７４が取り付けられた場合を示す平面図である。なお、図７（Ｂ）では、図２の支持部材４５および支持部材４６は省略している。
【００５６】
図７（Ａ）では、燃料電池発電装置１０が発電して箱体２０の内部が加熱された場合、改質器３０が膨張する。その結果、点線で示したように改質器３０および支持部材４１，４２，４３，４４が斜め方向にずれ、箱体貫通孔２１，２２，２３，２４およびガイド部７１，７２，７３，７４のガイド貫通孔付近に応力が働く場合がある。この場合、支持部材４１，４２，４３，４４、箱体２０、ガイド部７１，７２，７３，７４などが変形したり損傷したりすると、気密性が不十分となる。その結果、箱体２０内からオフガスや燃焼排ガスなどが漏出することにより、燃料電池発電装置１０のエネルギー利用率が低下する場合がある。
【００５７】
一方、図７（Ｂ）では、ガイド部７３および７４が箱体第１側面１６と対向する箱体第２側面１７に取り付けられている。この場合、支持部材４１および４２と、支持部材４３および４４とが、それぞれ対向する箱体第１側面１６と箱体第２側面１７とに固定されている。この構造では、熱により改質器３０が膨張した場合でも、ガイド部７１，７２，７３，７４にはガイド貫通孔の軸と平行な力しか働かないので、支持部材４１，４２と支持部材４３，４４とが互いに反対方向にスムーズに変位する。そのため、支持部材４１，４２，４３，４４とガイド部７１，７２，７３，７４との間で気密性が十分に確保される。これにより、図７（Ａ）のような箱体貫通孔およびガイド部のガイド貫通孔付近に応力が働くことを軽減し、支持部材４１，４２，４３，４４、箱体２０、ガイド部７１，７２，７３，７４等の変形や損傷を抑制することができる。その結果、箱体２０内から外部へオフガスや燃焼排ガスなどが漏出することを低減させることにより、燃料電池発電装置１０におけるエネルギー利用率をさらに向上させることができる。
【００５８】
また、図７（Ｂ）の場合、箱体２０を箱体第１側面１６および箱体第２側面１７に垂直な方向、つまり図２のＹ軸方向から平面視した場合に、箱体第１側面１６に取り付けられた支持部材４１の断面の一部と箱体第２側面１７に取り付けられた支持部材４４の断面の一部とが重畳している。同様に、箱体第１側面１６に取り付けられた支持部材４２の断面と箱体第２側面１７に取り付けられた支持部材４３の断面も重畳している。これにより、箱体貫通孔およびガイド部のガイド貫通孔付近に応力が働くことをさらに軽減し、支持部材４１，４２，４３，４４とガイド部７１，７２，７３，７４との接触位置がよりスムーズにずれるようにすることができる。
【００５９】
なお、改質器３０および発電部５０以外の燃料電池発電装置１０の構造に対し、上述の支持部材およびガイド部を含む支持構造を用いてもよい。また、本実施の形態では固体酸化物形燃料電池を例に示したが、固体酸化物形以外の燃料電池発電装置に対し、上述の支持部材およびガイド部を用いてもよい。固体酸化物形以外の燃料電池発電装置としては、たとえばりん酸形燃料電池または溶融炭酸塩形燃料電池発電装置を用いることができる。
【００６０】
さらに、燃料電池発電装置以外の構造に対し、上述の支持部材およびガイド部を含む支持構造を用いてもよい。この場合の支持構造は、熱によって温度が上昇する昇温部材を支持部材により支持する。昇温部材は昇温部材収納容器に収容され、支持部材は昇温部材収納容器に設けられたガイドに摺動可能に挿通されている。これにより、昇温部材が熱膨張したときに、支持部材と挿通部材との間の気密性を確保しつつ、支持部材が挿通部材に対して摺動する。これにより、支持部材と挿通部材との間に生じる応力を低減することができ、支持部材と挿通部材との間にダメージが生じることが抑制される。そのため、熱によって温度が上昇する昇温部材を昇温部材収納容器内で安定して保持することができる。また、支持部材およびガイド部が簡易な構造であるため、省スペースかつ低コストで効率的に摺動性と気密性とを両立させることができる。なお、昇温部材は、それ自体が熱を発生する部材であってもよい。
【００６１】
（変形例）
締結手段として、図５および６で示したボルト１２０に代えて、図８（Ａ）〜（Ｃ）の構造を用いることもできる。図８は、締結手段の変形例を示す断面図である。図８（Ａ）は、第１のハウジング８０および第２のハウジング９０がフランジ部８６および９６を備えず、第１のハウジングの開口部８５で第２のハウジング９０をかしめるかしめ部８８を形成させて固定する構造の断面図である。図８（Ｂ）は、第１のハウジング８０の開口部８５付近の内壁に雌ネジ部８９を形成し、第２のハウジング部の嵌合部に雄ネジ部９９を形成し、互いを螺合させる構造の断面図である。図８（Ｃ）は、溶接により溶接部１２４を形成させることにより、第１のハウジング８０と第２のハウジング９０とを固定させる構造の断面図である。図８（Ｃ）の場合、第２のハウジング９０は嵌合部９３を備える形状であってもよく、嵌合部９３を備えない平板であってもよい。なお、いずれの場合も、スペーサ１１０は省略可能である。
【００６２】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【符号の説明】
【００６３】
１０  燃料電池発電装置、２０  箱体、２１  箱体貫通孔、４１  支持部材、７１  ガイド部、８０  第１のハウジング、８１  第１のガイド貫通孔、９０  第２のハウジング、９１  第２のガイド貫通孔、１００  密閉用部材、１２２  挿通用貫通孔
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池発電装置、燃料電池発電装置を含む燃料電池システム、および支持構造に関連する分野で利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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