(57)【要約】【課題】圧力損失の軽減、設置スペースのコンパクト化を図ることができる変形対策部材及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】変形対策部材（４０）は、配管（３０）と筐体（２０）との間に介在される。変形対策部材は、配管が貫通する第１板体（４１）及び第２板体（４２）と、第１板体と第２板体とを連結する連結部（４３）とを備えている。第１板体は配管に接続され、第２板体は筐体に接続される。第１板体及び第２板体は、配管の延出方向の変形時に、それぞれ弾性変形可能に設けられ、かかる配管の変形に対応する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管と構造物との間に介在されて該配管の延出方向の変形に対応するための変形対策部材であって、
前記配管が貫通する第１板体及び第２板体と、
前記第１板体と前記第２板体との間に隙間を形成した状態で連結する連結部とを備え、
前記第１板体は前記配管に接続される一方、前記第２板体は前記構造物に接続され、
前記第１板体及び前記第２板体は、前記配管の変形時に、それぞれ弾性変形可能に設けられることを特徴とする変形対策部材。
【請求項２】
前記第１板体及び前記第２板体は、前記配管の変形時に、平坦形状からラッパ形状にそれぞれ撓み変形することを特徴とする請求項１に記載の変形対策部材。
【請求項３】
前記第１板体及び前記第２板体は、１枚ずつとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の変形対策部材。
【請求項４】
前記第１板体及び前記第２板体は円板状に形成され、それらの直径寸法は、前記配管の外径寸法の３倍以上に形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の変形対策部材。
【請求項５】
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筐体と、
前記筐体を貫通し、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流れる配管と、
前記配管と前記筐体との間に介在されて該配管の延出方向の変形に対応するための変形対策部材とを備えた燃料電池システムであって、
前記変形対策部材は、前記配管が貫通する第１板体及び第２板体と、
前記第１板体と前記第２板体との間に隙間を形成した状態で連結する連結部とを備え、
前記第１板体は前記配管に接続される一方、前記第２板体は前記筐体に接続され、
前記第１板体及び前記第２板体は、前記配管の変形時に、それぞれ弾性変形可能に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管の変形対策部材及びこれを用いた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９００℃〜１０００℃）、発電効率が最も高いという特性を持つ。
【０００３】
ＳＯＦＣに用いられる燃料電池カートリッジは、気密筐体内に収容される。また、燃料電池カートリッジに供給される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は、気密筐体を内外に貫通する配管内を流れる。上述のように発電の動作温度が高くなる場合には、配管の使用温度も高くなって配管が熱膨張することとなる。このとき、配管と筐体との連結部分に熱応力が集中的に生じて破損の原因になる等、配管の熱膨張対策が課題となる。
【０００４】
特許文献１では、配管の熱膨張対策として、モジュール容器（気密筐体）内の配管を湾曲させ、配管の熱膨張による熱応力の緩和を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１７７９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、配管を湾曲させたため、配管内を流れる各ガスの圧力損失が増加し、また、湾曲した配管を設置するために広いスペースを要する、という問題がある。特に、業務用クラスの高出力タイプの燃料電池システムでは、出力に応じて配管の口径が大きくなるので、それらの問題はより顕著になる。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、圧力損失の軽減、設置スペースのコンパクト化を図ることができる変形対策部材及び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】
【０００８】
本実施形態の変形対策部材は、その一態様では、配管と構造物との間に介在されて該配管の延出方向の変形に対応するための変形対策部材であって、前記配管が貫通する第１板体及び第２板体と、前記第１板体と前記第２板体との間に隙間を形成した状態で連結する連結部とを備え、前記第１板体は前記配管に接続される一方、前記第２板体は前記構造物に接続され、前記第１板体及び前記第２板体は、前記配管の変形時に、それぞれ弾性変形可能に設けられることを特徴としている。
【０００９】
本実施形態の燃料電池システムは、その一態様では、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筐体と、前記筐体を貫通し、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流れる配管と、前記配管と前記筐体との間に介在されて該配管の延出方向の変形に対応するための変形対策部材とを備えた固体酸化物形燃料電池ユニットであって、前記変形対策部材は、前記配管が貫通する第１板体及び第２板体と、前記第１板体と前記第２板体との間に隙間を形成した状態で連結する連結部とを備え、前記第１板体は前記配管に接続される一方、前記第２板体は前記筐体に接続され、前記第１板体及び前記第２板体は、前記配管の変形時に、それぞれ弾性変形可能に設けられることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、配管の変形に追従するよう第１板体及び第２板体を弾性変形して熱応力の緩和を図ることができ、従来のような湾曲した配管を不要として圧力損失の軽減、設置スペースのコンパクト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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。
【図２】実施の形態に係る変形対策部材の概略断面図である。
【図３】図３Ａは、実施の形態に係る変形対策部材の概略斜視図、図３Ｂは、配管の変形対応時の変形対策部材の説明用斜視図である。
【図４】配管の変形対応時の変形対策部材を示す図１と同様の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１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１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。
【００１３】
図１に示すように、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（構造物）２０と、筐体２０の内外を貫通する配管３０と、筐体２０と配管３０との間に介在される変形対策部材４０とを備えている。
【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。
【００１５】
筐体２０は、壁体２１によりＳＯＦＣ１０を覆って気密状態で収容するものである。壁体２１には、ＳＯＦＣ１０に接続される配管３０を貫通する貫通孔２１ａが形成されている。貫通孔２１ａは、配管３０より若干大径に形成されている（図２参照）。
【００１６】
配管３０は直線状に延出して形成されている。配管３０としては、ＳＯＦＣ１０で電気化学反応を起こすための燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する流路や、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の流路が例として挙げられる。従って、図１では、１本の配管３０だけを一例として図示し、それ以外の配管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本の配管３０をＳＯＦＣ１０に接続する構成や、更に他の用途等、必要に応じて配管３０の本数を追加した構成が例示できる。
【００１７】
続いて、図２及び図３Ａを参照して変形対策部材４０の構成について説明する。図２は、実施の形態に係る変形対策部材の概略断面図である。図３Ａは、実施の形態に係る変形対策部材の概略斜視図である。
【００１８】
図２及び図３Ａに示すように、変形対策部材４０は、同一の配管３０が貫通する第１板体４１及び第２板体４２と、第１板体４１及び第２板体４２を連結する連結部４３とを備えている。
【００１９】
変形対策部材４０において、第１板体４１及び第２板体４２は、１枚ずつ設けられている。第１板体４１及び第２板体４２は、それぞれ円板状に形成され、本実施の形態では、その直径寸法が同一若しくは概略同一となって同じ外周形状に形成されている。第１板体４１及び第２板体４２は、それぞれの面内中央部に円形の開口部４１ａ、４２ａが形成され、開口部４１ａ、４２ａに配管３０が貫通して配置（挿入）されている。第１板体４１及び第２板体４２は、ステンレス等の弾性変形可能な金属材によってそれぞれ構成されている。なお、第１板体４１及び第２板体４２は、後述のように弾性変形し得るものであり、配管３０内のガス（流体）に対する耐熱性を備えていれば、金属以外の樹脂材や繊維強化プラスチック等の他の材質のものを用いてもよい。
【００２０】
第１板体４１は、開口部４１ａの形成縁及びその近傍領域にて溶接等によって配管３０に接続されている。第２板体４２は、筒状に形成されて配管３０が内部に挿通されるスペーサ４５を介して筐体２０に接続されている。言い換えると、第２板体４２は、開口部４２ａ周りにてスペーサ４５の一端側（図２中右端側）に固定され、スペーサ４５の他端側（図２中左端側）は、溶接等によって筐体２０の貫通孔２１ａ周りに連結されている。なお、開口部４２ａ及びスペーサ４５は、内径寸法が配管３０の外径寸法より若干大きく形成され、配管３０と非接触或いは摩擦が大きく生じないようになっている。
【００２１】
連結部４３は、リング状に形成されて第１板体４１及び第２板体４２のそれぞれの外周部に溶接等によって固定されている。従って、連結部４３は、第１板体４１と第２板体４２との間に隙間Ｓを形成した状態で、それらを連結している。ここで、連結部４３に対する第１板体４１及び第２板体４２の接続部分、第２板体４２に対するスペーサ４５の接続部分は、溶接等で気密性を保つようになっている。また、第１板体４１と配管３０との接続部分、スペーサ４５と筐体２０との接続部分も、溶接等で気密性を保つようになっている。従って、筐体２０内のガス等の気体が貫通孔２１ａを通じて変形対策部材４０の内部に流入しても、変形対策部材４０の外部に流出しないようになっている。
【００２２】
ところで、従来の燃料電池装置にあっては、筐体の内外を配管が貫通する場合、上述した変形対策部材４０を用いず、筐体の貫通孔周りと配管とを溶接して固定していた。この構成では、配管内に高温のガスが送給され、延出方向に延びるように配管が膨張して変形すると、筐体と配管との連結部分に熱応力が集中的に発生することとなる。かかる熱応力は、配管の温度が相対的に低温から高温に変化する度に発生され、筐体の破損等の原因となる。また、ＳＯＦＣのように動作温度が高いと変形量が大きくなり、また出力が大きくなって配管の径寸法が大きくなっても変形時の力が大きくなることから、熱応力の緩和が課題となる。
【００２３】
そこで、本実施の形態では、配管３０と筐体２０との間に変形対策部材４０を介在し、配管３０の膨張による延出方向への変形に対応するようにしている。図４は、配管の変形対応時の変形対策部材を示す図１と同様の構成図である。図３Ｂは、配管の変形対応時の変形対策部材の説明用斜視図である。
【００２４】
図４に示すように、配管３０の熱膨張によって伸長変形する際、変形対策部材４０の第１板体４１及び第２板体４２が弾性的に撓み変形する。具体的に説明すると、配管３０が高温になる前の状態では、各板体４１、４２が配管３０の延出方向に対して直交する平坦な形状に形成及び配置され、配管３０が熱膨張して矢印方向に変形することで、第１板体４１の開口部４１ａが変形する方向（図４の右方向）に引っ張られる。すると、各板体４１、４２は、各開口部４１ａ、４２ａが相互に離れる方向に引っ張られるようになり、平坦な形状からラッパ形状（概略円錐面に沿う形状）に撓むように変形することとなる（図３Ｂも参照）。
【００２５】
なお、本実施の形態では、第１板体４１の配管３０に対する接続位置が、第２板体４２のスペーサ４５に対する接続位置に比べて面内中心寄りとなる。このため、各板体４１、４２は、図４にて左右非対称に変形して第１板体４１の方が第２板体４２より変形量が大きくなる。
【００２６】
ここで、本実施の形態においては、ＳＯＦＣ１０の運転条件等から高温時の配管３０の最大変位量を求め、この変位量に所定の安全率で演算した値に対し第１板体４１が弾性変形可能とするように各板体４１、４２の直径寸法が設定される。言い換えると、第１板体４１に生じる最大応力が第１板体４１の材質の降伏応力より小さくなるように各板体４１、４２の直径寸法が設定される。このように各板体４１、４２が弾性変形可能とすることで、ＳＯＦＣ１０の発電停止によって配管３０の温度が常温まで低下しても、配管３０の収縮に追従して各板体４１、４２が元の形状に戻ることが可能となる。
【００２７】
本実施の形態では、配管３０の外径（直径）寸法に対し、各板体４１、４２の直径寸法を約３倍以上に設定することで、配管３０の最大変形時における各板体４１、４２の弾性変形を確保している。なお、各板体４１、４２の直径寸法は大きくする程、配管３０の大きな変形に対応可能となるが、省スペース化の観点から各板体４１、４２の直径寸法を配管３０の外径寸法の４倍以下とすることが好ましい。
【００２８】
続いて、配管３０の熱膨張によって変形対策部材４０の第１板体４１が弾性変形した際のシミュレーションの結果を応力分布図として図３Ｂに示す。図３Ｂでは、網点の濃淡によって応力の大きさを示しており、網点が濃い程大きい応力が発生している。図３Ｂから理解できるように、第１板体４１の中央の開口部４１ａ付近で応力が最も大きくなり、開口部４１ａから離れるに従って応力が小さくなる。なお、図３Ｂの最も薄い網点の外側が白色となっているが、該最も薄い網点領域より小さい応力が発生し、応力が未発生を意味するものでない。
【００２９】
図３Ｂのシミュレーション結果から、第１板体４１にあっては、開口部４１ａ近傍にて最大応力が発生することが理解できる。従って、第１板体４１の開口部４１ａ近傍領域で発生する応力が、第１板体４１の降伏応力に達する否かを判断することで、第１板体４１の形状及び大きさを設定することができる。これにより、高温時の配管３０の最大変位量に対する各板体４１、４２の弾性変形を確保しつつ、各板体４１、４２の径寸法や平面サイズの縮小化を図って変形対策部材４０をコンパクトにすることができる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態の変形対策部材４０によれば、配管３０の熱膨張による筐体２０への熱応力の緩和を図りつつ、筐体２０の内部及び外部で配管３０を湾曲形成させることを不要とすることができる。これにより、筐体２０が大型化したり、筐体２０外部における配管３０用の設置スペースが拡大したりすることを回避でき、燃料電池システム１の省スペース化、コンパクト化を図ることができる。また、配管３０を湾曲形成させないことで、配管３０内を流れるガスの圧力損失を軽減することができ、エネルギー効率を高めることができる。
【００３１】
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。
【００３２】
上記実施の形態では、各板体４１、４２の外周形状を円形としたが、これに代え、楕円形や方形、多角形に変更する等、種々の変更が可能である。但し、円形とした方が、弾性変形した際のシミュレーションによる応力分布が求めやすくなる点で有利となる。
【００３３】
上記実施の形態では、配管３０が熱膨張した場合を説明したが、配管３０に冷却用のガス等が流れることで収縮する場合も変形対策部材４０で対応できる。この場合、配管３０が図４の矢印と反対方向（左方向）に変位するようになり、各板体４１、４２の外面が椀状に凹むように弾性変形し、熱応力の緩和が図られる。
【００３４】
変形対策部材４０のスペーサ４５は、第１板体４１と配管３０との接続部分にも設けても良い。また、筐体２０の貫通孔２１ａ周りが外方に突出する形状であれば、スペーサ４５を省略し、その突出部分と第２板体４２とを直接溶接等によって接続するようにしてもよい。
【００３５】
変形対策部材４０において、第２板体４２を接続する対象は、ＳＯＦＣ１０を収容する筐体２０以外の他の構造物としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の変形対策部材及び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】
【００３７】
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（構造物）
３０  配管
４０  変形対策部材
４１  第１板体
４２  第２板体
４３  連結部
Ｓ  隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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