(57)【要約】【課題】省スペース化を図ること。【解決手段】本発明の燃料電池システム（１）は、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電するＳＯＦＣ（１０）と、ＳＯＦＣを収容する円筒壁（２１）を有する筐体（２０）と、電気化学反応のためのガスが流れる流路（３０）とを備えている。流路は、概略水平方向に向けられる複数の直管（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）と、複数の直管のうちの２本の直管を接続する接続管（３４ａ、３４ｂ）とを備えている。接続管は、接続した２本の直管を流れるガスの流れ方向を４０°以上５０°以下の範囲で変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、
前記固体酸化物形燃料電池を収容する円筒壁を有する筐体と、
前記電気化学反応のためのガスが流れる流路とを備えた燃料電池システムであって、
前記流路は、概略水平方向に向けられる複数の直管と、該複数の直管のうちの２本の直管を接続する接続管とを備え、
前記接続管は、接続した前記２本の直管を流れるガスの流れ方向を４０°以上５０°以下の範囲で変更することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記直管及び前記接続管は、前記円筒壁の外周面に沿って配設されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記直管及び前記接続管は、前記筐体の内部における前記固体酸化物形燃料電池の上下少なくとも一方に配設されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流路は、前記固体酸化物形燃料電池に固定される配管を備え、
前記配管を収容して同軸方向に延びるカバー管と、
前記固体酸化物形燃料電池に前記カバー管を連結しつつ、前記固体酸化物形燃料電池の変位に応じて該固体酸化物形燃料電池と該カバー管との相対変位を許容する連結部とを備え、
前記カバー管は、前記配管の変位を許容することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記カバー管の内部に配設されて前記配管を外部から被覆する断熱材を備え、
前記断熱材は、前記固体酸化物形燃料電池の変位時に、前記配管の被覆を維持することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種のガスが流れる流路を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）の開発が進められている。ＳＯＦＣは、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。ＳＯＦＣは、現在知られている燃料電池の形態の中では、発電の動作温度が最も高く（例えば６００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。
【０００３】
特許文献１は、ＳＯＦＣに用いられる燃料電池カートリッジが筒状壁を含む容器内に収容された燃料電池モジュールを開示している。特許文献１では、筒状壁を四重に形成し、筒状壁の間に燃料ガスや酸化剤ガス、燃料電池カートリッジから排出される排出ガスが流れる流路を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−２４８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１の流路の構成では、流路のスペースが小さく各種ガスの流量が不足してしまう。特許文献１の構成にて各種ガスの流量を十分に確保するためには、流路を形成する内側の筒状壁に対し外側の筒状壁の径寸法を相当大きくする必要があり、これが四重にもなると、容器全体が極めて大きなサイズになる、という問題がある。燃料電池システムにあっては、各種ガスの流路として管（パイプ）を用いつつ、全体としての大型化を回避することが望まれていた。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、省スペース化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明における一態様の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池を収容する円筒壁を有する筐体と、前記電気化学反応のためのガスが流れる流路とを備えた燃料電池システムであって、前記流路は、概略水平方向に向けられる複数の直管と、該複数の直管のうちの２本の直管を接続する接続管とを備え、前記接続管は、接続した前記２本の直管を流れるガスの流れ方向を４０°以上５０°以下の範囲で変更することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、流路として管材を用いたので、筐体の円筒壁の径寸法を大きくすることなくガスの流量を確保でき、システム全体としての大型化を回避することができる。また、２本の直管を接続する接続管が上述した範囲で流れ方向を変更するので、直管及び接続管を円筒壁の外面の周方向に沿うように配置できる。これにより、円筒壁の外面から直管及び接続管が離れて突出するように配設されることを防止でき、システム全体としての省スペース化を図ることができる。なお、流路として管材を用いたので内部を流れるガスの流量を容易に確保することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、直管を接続する接続管が上述した範囲でガスの流れを変えるよう形成されるので、直管及び接続管がスペースをとらないように省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１Ａは、実施の形態の燃料電池システムの一部を示す概略構成図、図１Ｂは、変形例に係る燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２Ａは、上記実施の形態と対比する比較構造に係る燃料電池システムの図１Ａと同様の概略構成図、図２Ｂは、上記変形例と対比する比較構造に係る燃料電池システムの図１Ｂと同様の概略図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池と配管及びカバー管との接続部分の部分拡大断面図である。
【図４】配管及びカバー管の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１Ａを参照して、実施の形態に係る燃料電池システムについて詳細に説明する。図１Ａは、実施の形態の燃料電池システムの一部を示す概略構成図である。
【００１２】
図１Ａにて二点鎖線で示すように、燃料電池システム１は、箱型のパッケージユニット２を備えており、図１Ａでは、パッケージユニット２の外殻（輪郭）の一部を示している。パッケージユニット２は、内部が主機室３と補機室４に分けられている。主機室３と補機室４は、隔壁によって区画されたものを図示したが、隔壁によって区画されることなく１つの部屋で連通していてもよい。補機室４には、例えば電磁弁や流量計等を含む補機類５が設置される。
【００１３】
燃料電池システム１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid  Oxide  Fuel  Cell）１０と、ＳＯＦＣ１０を収容する筐体２０とを備えている。ＳＯＦＣ１０及び筐体２０は主機室３に配置される。
【００１４】
ＳＯＦＣ１０は、複数のセルを積層または集合体として構成したセルスタックを有している。各セルは空気極と燃料極で電解質を挟んだ基本構成を有しており、各セルの間にはセパレータが介在している。セルスタックの各セルは電気的に直列に接続されている。ＳＯＦＣ１０は、空気極で生成された酸化物イオンが電解質を透過して燃料極に移動し、燃料極で酸化物イオンが水素又は一酸化炭素と反応することにより電気エネルギーを発生する発電メカニズムである。言い換えると、ＳＯＦＣ１０のアノードガス流路に供給された燃料ガスと、カソードガス流路に供給された酸化剤ガスとが電気化学反応を起こすことにより、直流電流が発生する（ＳＯＦＣ１０が発電する）メカニズムである。ＳＯＦＣ１０の上部及び下部にはヘッダ部１１が設けられている。
【００１５】
筐体２０は、上下方向（図１中紙面直交方向）に延びる円筒壁２１と、円筒壁２１の上部及び下部に連結される頂壁２２及び底壁２３とを備え、ＳＯＦＣ１０を覆って気密状態で収容するものである。
【００１６】
燃料電池システム１は、筐体２０の内部及び外部に配設された流路３０を備えている。流路３０内を流れる気体としては、ＳＯＦＣ１０で電気化学反応を起こすために供給する燃料ガス及び酸化剤ガスや、電気化学反応後に排出される燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排出ガスが例として挙げられる。図１Ａでは、流路３０として、筐体２０の外部及び内部に配設される外側流路３１及び内側流路３２を一例として１本ずつ図示する。言い換えると、それ以外の流路３０の図示を省略したが、燃料ガスの供給用と排出用、酸化剤ガスの供給用と排出用とで４本の流路３０をＳＯＦＣ１０に接続する構成や、更に他の用途等、必要に応じて流路３０の本数を追加した構成が例示できる。また、変形例として、図１Ｂの構成を挙げることができる。図１Ｂは、変形例に係る燃料電池システムの概略図である。図１Ｂの流路３０では、２本の配管が筐体２０の円筒壁２１を出て途中で合流し、補機類５に接続される。なお、図１Ｂ及び後述する図２Ｂでは、概略図として流路の経路を線図として簡略化して表している。
【００１７】
外側流路３１は、筐体２０から延びて補機類５に接続される配管とされる。外側流路３１は、概略水平方向（図１の紙面に沿う方向）に向けられて直線状に延出する複数（本実施の形態では３本）の直管３３ａ〜３３ｃと、これら直管３３ａ〜３３ｃを接続する接続管３４ａ、３４ｂとを備えている。具体的には、接続管３４ａが２本の直管３３ａ、３３ｂを接続し、接続管３４ｂが２本の直管３３ｂ、３３ｃを接続している。接続管３４ａ、３４ｂは、接続した２本の直管３３ａ〜３３ｃ内のガスの流れ方向を４０°以上５０°以下の範囲で変更し、好ましくは、４５°エルボと称される流れ方向を約４５°変更する管継手が用いられる。
【００１８】
なお、外側流路３１は、筐体２０の円筒壁２１を径方向に貫通する貫通管３５と、貫通管３５と直管３３ａとを接続してガスの流れ方向を９０°変更する管継手３６とを備えている。また、外側流路３１は、直管３３ｃに接続されてガスの流れ方向を上下方向に９０°変更する管継手３７と、上下方向のガスの流れを水平方向に変更する管継手３８と、これら管継手３７、３８を連結して上下方向に延びる直管３９とを備えている。管継手３８は、補機類５に接続されて水平方向に延びる直管４０に接続される。
【００１９】
このような外側流路３１によれば、接続管３４ａ、３４ｂが上記角度範囲で接続する直管３３ａ〜３３ｃの向きを変えるので、直管３３ａ〜３３ｃや接続管３４ａ、３４ｂを円筒壁２１の外周面から大きく離さずに該外周面に沿って配設することができる。
【００２０】
ここで、本実施の形態の構成と対比するための比較構造として、図２Ａに示す構成を仮定する。図２Ａは、上記実施の形態と対比する比較構造に係る燃料電池システムの図１Ａと同様の概略構成図である。
【００２１】
図２Ａの比較構造の流路１００では、上記実施の形態に対し、接続管３４ａ、３４ｂ及び直管３３ｂを省略し、ガスの流れ方向を９０°変更する管継手１０４を用いて外側流路１０１を形成する。かかる外側流路１０１では、上記実施の形態の直管３３ａ、３３ｃに対応する直管１０３ａ、１０３ｃを、直管３３ａ、３３ｃに比べて延長しないと管継手１０４で接続できなくなる。従って、管継手１０４及びこれに接続される直管１０３ａ、１０３ｃの端部側が、筐体２０の円筒壁２１から図２Ａ中上方に大きく離れて突出するようになる。この結果、直管１０３ａ、１０３ｃ及び管継手１０４を収容するパッケージユニット１０２における前後寸法Ｗａが大きくなり、設置スペースを広く確保することが必要になる。図２Ｂは、上記変形例と対比する比較構造に係る燃料電池システムの図１Ｂと同様の概略図である。図２Ｂでは、２本の外側流路１０１を含んで流路１００を形成している。図１Ｂと図２Ｂとの対比で、筐体２０の円筒壁２１を出た後の流路３０、１００が占める面積を比較すると、図１Ｂの方が狭いスペースでも流路３０を設置できることがわかる。
【００２２】
この点、上記実施の形態では、円筒壁２１の外周面に沿って直管３３ａ〜３３ｃ及び接続管３４ａ、３４ｂを配設することができ、パッケージユニット２の前後寸法Ｗを比較構造の前後寸法Ｗａに比べて小さくすることができる。これにより、パッケージユニット２の小型化を通じてシステム全体としての省スペース化を図ることができる。
【００２３】
ところで、本実施の形態とは異なり、筐体が直方体状をなす箱型の筐体であれば、９０°の管継手と直管によって、それらを筐体の外周面に沿わせた構成することができる。ところが、箱型の筐体の場合、平坦な壁体が少なくとも６体必要となり、直方体の辺をなす部分が溶接個所となって溶接作業の負担が大きくなる。
【００２４】
これに対し、本実施の形態では、筐体２０の周壁を円筒壁２１としたので、円筒壁２１を二分割したドーム状の部材を一対用意し、その分割部分で溶接することで円筒壁２１を形成できるので、箱型の筐体に比べて溶接個所を少なくして作業負担軽減を図ることができる。しかも、本実施の形態のように円筒壁２１を備えた筐体２０とした方が、箱状の筐体に比べて内圧上昇に対する耐久性を高めることができる。
【００２５】
図１Ａに戻り、内側流路３２は、筐体２０の内部であってＳＯＦＣ１０の上方（図１Ａの紙面手前側）に配設される。なお、同様の内側流路３２は、ＳＯＦＣ１０の下方（図１Ａの紙面奥行側）に配設したり、ＳＯＦＣ１０の上下両方に配設したりしてもよい。
【００２６】
内側流路３２は、ＳＯＦＣ１０のヘッダ部１１から延びる貫通管４２と、概略水平方向に向けられて直線状に延出する複数（本実施の形態では２本）の直管４３ａ、４３ｂと、貫通管３５、４２及び直管４３ａ、４３ｂを接続する接続管４４ａ〜４４ｃとを備えている。具体的には、接続管４４ａが貫通管４２及び直管４３ａを接続し、接続管４４ｂが２本の直管４３ｂ、４３ｃを接続し、接続管４４ｃが直管４３ｃ及び貫通管３５を接続している。内側流路３２の接続管４４ａ〜４４ｃにおいても、接続した直管４３ａ、４３ｂ、貫通管３５、４２内のガスの流れ方向を４０°以上５０°以下の範囲で変更し、好ましくは、４５°エルボと称される流れ方向を約４５°変更する管継手が用いられる。配管は、途中で分岐してもよい。
【００２７】
このような内側流路３２によれば、筐体２０内で円筒壁２１の中心と壁面との間に配管する場合、該中心と壁面とを直線的に結ぶ領域から大きくはみ出さずに直管４３ａ、４３ｂ及び接続管４４ａ〜４４ｃを配置することができる。従って、直管４３ａ、４３ｂが円筒壁２１の壁面寄りに配置されることを抑制して中心側に集中させることができる。これにより、内側流路３２を複数配設する場合、それぞれの内側流路３２に断熱材を巻回せずに、シート等からなる断熱部材を覆い被せて複数の内側流路３２を一体で断熱することができる。この結果、内側流路３２での温度低下を抑制でき、また、断熱材の使用量を削減することができる。
【００２８】
図３は、固体酸化物形燃料電池と配管及びカバー管との接続部分の部分拡大断面図である。図４は、配管及びカバー管の縦断面図である。図３に示すように、ＳＯＦＣ１０には、ヘッダ部１１の側面から流路３０の一部をなす配管５０が貫通して設けられている。配管５０とヘッダ部１１とは気密性を確保するよう溶接等によって固定されている。なお、図１においては、配管５０及びその周辺構造の図示を省略している。
【００２９】
配管５０は、同軸方向に延びるカバー管５１に収容されている。カバー管５１の内部であって配管５０の外部には断熱材５２が配設されている。従って、配管５０及びカバー管５１によって二重管構造となっており、カバー管５１の内部で配管５０が外部から断熱材５２によって被覆されている。断熱材５２は、多孔質材やガラス繊維等によって構成され、配管５０の上下方向の変位によって圧縮及び膨張するように変形可能に設けられる。なお、カバー管５１は、図示省略したが筐体２０（図１参照）を貫通して延在しており、該貫通部分の気密性を保つよう溶接等で固定される。
【００３０】
カバー管５１は、連結部６０を介してヘッダ部１１の側面に連結されている。連結部６０は、カバー管５１の端部に溶接等によって固定されるフランジ部６１と、フランジ部６１とヘッダ部１１の側面との間に介在されるガスケット等からなる気密部材６２とを備えている。気密部材６２によってＳＯＦＣ１０内のガスがヘッダ部１１の側面とカバー管５１との間から漏出することが規制される。
【００３１】
フランジ部６１には、上下に長い複数のスロット穴６１ａが形成され、スロット穴６１ａを通じてヘッダ部１１の側面に対しねじ部材６３がねじ込まれている。従って、ねじ部材６３のねじ込みによって、フランジ部６１とヘッダ部１１の側面とで気密部材６２が圧縮されると共に、フランジ部６１を介してカバー管５１がヘッダ部１１に装着される。
【００３２】
また、スロット穴６１ａ内にてねじ部材６３が上下方向に相対変位可能となる。これにより、筐体２０（図１Ａ参照）によってカバー管５１の上下位置が固定された状態で、ねじ部材６３及びＳＯＦＣ１０が、カバー管５１に対して相対的に上下方向に変位することを許容している（図３の右図参照）。なお、ＳＯＦＣ１０とカバー管５１とが相対変位しても、気密部材６２における気密性は維持される。
【００３３】
配管５０にあっては、ＳＯＦＣ１０の作動前の常温時では、カバー管５１の内部における中心より下方位置に配設される（図３及び図４の各左図参照）。この状態から、ＳＯＦＣ１０が作動して高温になると、ＳＯＦＣ１０が熱膨張するよう変形し、ヘッダ部１１及び配管５０が上方に変位する（図３の右図参照）。
【００３４】
かかる配管５０の変位にて、例えば配管５０が筐体等に固定されたと仮定すると、筐体と配管５０との連結部分に応力が集中的に発生することとなる。そこで、本実施の形態では、配管５０を筐体２０に固定せずにカバー管５１内で配管５０を上下に変位することを許容している（図３及び図４の各右図参照）。なお、カバー管５１は補機類５に連結され、また、配管５０におけるヘッダ部１１と反対側の端部は、補機類５（図１参照）まで延在して支持されない状態となっている。これにより、ヘッダ部１１の変位によって配管５０が上方に変位しても、配管５０や筐体２０に応力が発生することを防止することができる。
【００３５】
また、かかる変位時に、カバー管５１内で断熱材５２が配管５０の被覆を維持するようになり、断熱性能を安定して保つことができる。
【００３６】
ところで、従来構造として、配管５０の一部にベローズ形管継手を設けてヘッダ部１１の変位を吸収するものがあるが、かかる変位の吸収にはベローズ形管継手の軸方向長さを相当長く確保する必要がある。このため、ヘッダ部１１から筐体の壁面が離れるように筐体を大型にする必要があり、システム全体が大きくなる、という問題がある。
【００３７】
これに対し、本実施の形態では、従来構造のベローズ形管継手が不要となり、ひいては配管５０を長くすることが不要になる。これにより、筐体２０の内面をヘッダ部１１に近付けることができ、筐体２０の小型化を通じてシステム全体としての省スペース化を図ることができる。
【００３８】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００３９】
上記実施の形態において、図１にて示した流路３０のレイアウトは一例に過ぎないものであり、直管３３ａ〜３３ｃ、４３ａ、４３ｂの長さや向き、本数、接続管３４ａ、３４ｂ、４４ａ〜４４ｃの向きや本数等を適宜変更して種々のレイアウトを採用することができる。
【００４０】
また、配管５０にあっては、図示構成例に限られるものでなく、内側流路３２のように直管４３ａ、４３ｂ及び接続管４４ａ〜４４ｃによって屈曲する方向に延出する構成であってもよい。この場合、カバー管５１は、屈曲した配管５０を収容しつつ配管５０と概略同軸方向に延びるように形成される。
【００４１】
また、連結部６０は、ＳＯＦＣ１０とカバー管５１とを連結しつつ、それらの相対変位を許容する限りにおいて、種々の変更が可能であるが、連結部６０をコンパクトにする観点から、上記実施の形態の構成とすることが好ましい。
【００４２】
また、接続管３４ａ、３４ｂ、４４ａ〜４４ｃにおいて、接続した２本の直管３３ａ〜３３ｃ、４３ａ、４３ｂを流れるガスの流れ方向を変更する角度の範囲を、３０°以上６０°以下にすることも可能である。但し、かかる角度を約４５°とすることで、直管３３ａ〜３３ｃ、４３ａ、４３ｂの向きを直交二方向と、該二方向に対して４５°角度変位した二方向との四方向としてレイアウト設計を容易にすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の燃料電池システムは、家庭用、業務用、その他のあらゆる産業分野の燃料電池システムに適用して好適である。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池システム
１０  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）
２０  筐体
３０  流路
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、４３ａ、４３ｂ  直管
３４ａ、３４ｂ、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ  接続管
５０  配管
５１  カバー管
５２  断熱材
６０  連結部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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