(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池のセルチューブを複数収納してなる発電室を有する燃料電池集合体と、
前記燃料電池集合体を固定する固定枠とを具備すると共に、
前記燃料電池集合体の上部に設けた棒状の第１の支持部材が、
前記固定枠の上部側で固定される梁に設けた第２の支持部材である穴部に挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、
前記穴部の内径が前記棒状の第１の支持部材の外径より大きいことを特徴とする、
固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造。
【請求項２】
固体酸化物形燃料電池のセルチューブを複数収納してなる発電室を有する燃料電池集合体と、
前記燃料電池集合体を固定する固定枠とを具備すると共に、
前記燃料電池集合体の上部に設けた穴部を有する第１の支持部材に、
前記固定枠の上部側で固定される梁に設けた棒状の第２の支持部材が挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、
前記穴部の内径が前記棒状の第２の支持部材の外径より大きいことを特徴とする、
固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有する。このため、２１世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。
【０００３】
従来の筒型構造を有する燃料電池、例えば、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と表記する。）には、表面に燃料電池セルが形成された複数の円筒状の燃料電池セルチューブが設けられている。この燃料電池セルチューブは、平行に延びる複数の直線上に並んで配置されている。例えば、１００〜３００本の燃料電池セルチューブが配置された列を複数（例えば４〜２０列）並べた燃料電池集合体が形成されている。
【０００４】
これらの燃料電池セルチューブにおける一方の端部には燃料電池セルチューブに燃料を供給する燃料室（ヘッダ）が配置され、他方の端部には燃料電池セルチューブから排出された燃料が流入する燃料排出室（ヘッダ）が配置されている。
これらヘッダには、燃料電池セルチューブに供給される空気と燃料との流路を区切るとともに、燃料電池セルチューブを支持するシール用薄板管板が設けられている。
【０００５】
このような燃料電池集合体は固定枠に固定され、収納容器内に格納されている。
【０００６】
従来においては、燃料ヘッダに設けた固定用治具を用い、モジュールチャンバーに固定している（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−９６７９２号公報
【特許文献２】特開２００９−２５９５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、ＳＯＦＣの発電においては、例えば約８００℃から１０００℃となるような高温環境における化学反応を利用するため、その固定の際には、熱伸びに対応する必要がある。
【０００９】
しかしながら、締結部材での固定は、熱伸びに対応することができず、熱伸びを許容するように締結するには一定の緩みを設けて固定する必要があり、その固定作業にバラつきが生じたり、取り付けに時間を要し、手間がかかる、という問題がある。
【００１０】
よって、固定枠に対する燃料電池集合体の簡易な支持構造の出現が切望されている。
【００１１】
本発明は、前記問題に鑑み、固定枠に対して燃料電池集合体を簡易に支持することができる固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、固体酸化物形燃料電池のセルチューブを複数収納してなる発電室を有する燃料電池集合体と、前記燃料電池集合体を固定する固定枠とを具備すると共に、前記燃料電池集合体の上部に設けた棒状の第１の支持部材が、前記固定枠の上部側で固定される梁に設けた第２の支持部材である穴部に挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、前記穴部の内径が前記棒状の第１の支持部材の外径より大きいことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造にある。
【００１３】
第２の発明は、固体酸化物形燃料電池のセルチューブを複数収納してなる発電室を有する燃料電池集合体と、前記燃料電池集合体を固定する固定枠とを具備すると共に、前記燃料電池集合体の上部に設けた穴部を有する第１の支持部材に、前記固定枠の上部側で固定される梁に設けた棒状の第２の支持部材が挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、前記穴部の内径が前記棒状の第２の支持部材の外径より大きいことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造にある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池集合体を簡易な構成により支持することができ、取り付けの作業性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１−１】図１−１は、固定枠に燃料電池モジュールを固定している状態の概略図である。
【図１−２】図１−２は、各々の固定状態の平面図である。
【図１−３】図１−３は、各々の固定状態の平面図である。
【図２】図２は、固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
【図３】図３は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
【図４】図４は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
【図５】図５は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
【図６】図６は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
【図７】図７は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図で
【図８】図８は、固体酸化物形燃料電池モジュールを表す概略構成図である。
【図９−１】図９−１は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
【図９−２】図９−２は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００１７】
本発明による実施例に係る燃料電池集合体の支持構造について、図面を参照して説明する。図８は、固体酸化物形燃料電池モジュールを表す概略構成図である。
【００１８】
本実施例の固体酸化物形燃料電池モジュール（以下「燃料電池モジュール」ともいう）１００は、図８に示すように、断熱材であるケーシング１０１と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ（燃料電池）１０２と、セルチューブ１０２の両端を支持する上下の管板（第１仕切り部材）１０３ａ、１０３ｂと、これら上下の管板１０３ａ、１０３ｂの間に配置された上下の断熱体１０４ａ、１０４ｂとから構成されている。
【００１９】
上下の断熱体１０４ａ、１０４ｂに挟まれた空間には、発電室１０５が形成されている。ケーシング１０１と上管板１０３ａとの間には、燃料供給室１０６が形成されている。ケーシング１０１と下管板１０３ｂとの間には、燃料排出室１０７が形成されている。下管板１０３ｂと下断熱体１０４ｂとの間には、空気供給室１０８が形成されている。上管板１０３ａと上断熱体１０４ａとの間には、空気排出室１０９が形成されている。
【００２０】
上管板１０３ａは、ケーシング１０１の長手方向（図１の上下方向）の一方（上側）に配置された板状の部材であり、下管板１０３ｂは、ケーシング１０１の長手方向の他方（下側）に配置された板状の部材である。セルチューブ１０２は、多孔質セラミックスから形成された略円筒状の管であり、長手方向（図１の上下方向）における中央部に発電を行なう複数の燃料電池セル１１０が設けられている。セルチューブ１０２は、一方の開口端が燃料供給室１０６に開口し、他方の開口端が燃料排出室１０７に開口するように、上下の管板１０３ａ、１０３ｂに支持されている。また、セルチューブ１０２は、燃料電池セル（発電素子）１１０が発電室１０５内にのみ位置するように配置されている。
【００２１】
上断熱体１０４ａは、ケーシング１０１の長手方向の一方（上側）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。下断熱材１０４ｂは、ケーシング１０１の長手方向の他方（下側）に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。各断熱体１０４ａ、１０４ｂには、セルチューブ１０２が挿通される孔１１１ａ，１１１ｂが形成され、孔１１１ａ，１１１ｂの直径はセルチューブ１０２の直径よりも大きく形成されている。
【００２２】
なお、孔１１１ａ，１１１ｂの内周面は、略円筒状に形成されていてもよいし、螺旋状または直線状の凹部（溝）または凸部（畝状突起）が形成されていてもよく、特に限定するものではない。このような構成にすることで、セルチューブ１０２と孔１１１ｂとの間を通って発電室１０５に流入する空気に、排出燃焼ガス１２１ａ及び下断熱体１０４ｂの熱が伝達されやすくなり、発電室１０５の温度を高温に保ちやすくすることができる。同様に、セルチューブ１０２と孔１１１ａとの間を通って発電室１０５から排出される排出空気１２２ａの熱を伝達することでセルチューブ１０２に導入される燃料ガス１２１を高温とすることができる。
【００２３】
また、セルチューブ１０２の上端開口部及び下端開口部には熱交換用上部中子１０、下部中子２０が挿入されており、これら上部中子又は下部中子１０、２０の外周壁とセルチューブ１０２内壁との隘路間に燃料ガス１２１を供給させて、セルチューブ１０２の外周を流れる酸化剤ガスである空気１２２との熱交換を良好としている。
すなわち、上断熱体１０４ａ領域が上部熱交換部１２３ａを形成し、下断熱体１０４ｂ領域が下部熱交換部１２３ｂを形成している。そして、上部熱交換部１２３ａでは導入される燃料ガス１２１と排出される排出空気１２２ａとの熱交換がなされ、下部熱交換部１２３ｂでは、導入される空気１２２と排出燃料ガス１２１ａとの熱交換がなされる。
【００２４】
ここで、上記構成からなる燃料電池モジュール１００の動作の概要を説明する。
【００２５】
燃料電池モジュール１００の空気供給室１０８には空気１２２が流入する。該空気１２２は下断熱材１０４ｂの孔１１１ｂとセルチューブ１０２との隙間を通って、発電室１０５内に供給される。
一方、燃料供給室１０６には燃料ガス１２１が流入する。該燃料ガス１２１はセルチューブ１０２の基体管の内部を通って発電室１０５内に供給される。空気１２２と燃料ガス１２１とは、燃料電池セル１１０において発電に利用される。その後排出空気１２２ａは空気排出室１０９に流入し、排出燃料ガス１２１ａは燃料排出室１０７に流入し、それぞれ燃料電池モジュール１００の外部に排出口１０１ａ、１０１ｂからそれぞれ排出される。
【００２６】
この時、空気１２２と燃料ガス１２１とは、セルチューブ１０２の内面または外面を互いに逆向きに流れている。このことにより、発電に利用され高温となった燃料ガスおよび空気が、発電に利用される前の空気および燃料ガスとそれぞれ熱交換される。すなわち、セルチューブ１０２の軸方向両端部であって燃料電池セル１１０が形成されていない上部熱交換部１２３ａ、下部熱交換部１２３ｂの熱交換領域において、燃料ガス１２１と空気１２２とが熱交換される。
【００２７】
上述したように燃料電池モジュール１００では、反応に利用されて高温となった排出燃料ガス１２１ａおよび排出空気１２２ａが熱交換により冷却された後、燃料排出室１０７および空気排出室１０９に供給される。このことにより、金属部材を有する上管板１０３ａと下管板１０３ｂとが高温雰囲気に晒されることを抑制することができる。その結果、燃料電池モジュール１００では、燃料電池セル１１０における運転温度を高温化、例えば８００℃から９５０℃にすることを可能にしている。
【００２８】
次に、上述した燃料電池システムの燃料電池モジュール１００の固定構造について詳細に説明する。
【００２９】
図１−１は、固定枠に燃料電池モジュールを固定している状態の概略図である。図１−２及び図１−３は、各々の固定状態の平面図である。
図３〜７は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図１−１に示すように、本実施例の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造は、固体酸化物形燃料電池のセルチューブ１０２を複数収納してなる発電室１０５を有する燃料電池モジュール１００の燃料電池集合体と、前記燃料電池集合体を固定する固定枠２００とを具備すると共に、前記燃料電池集合体の燃料供給室１０６の上部１０６ａに設けた棒状の第１の支持部材（棒状体）２０１が、前記固定枠２００の上部側で固定される梁２００ａに設けた第２の支持部材である穴部２０２に挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、前記穴部２０２の内径が前記棒状の第１の支持部材（棒状体）２０１の外径より大きいものとしており、穴部２０２に裕度をもって棒状体２０１が挿入されている。なお、燃料電池モジュール１００の下端部側では、図示しない締結手段により固定枠基台２００ｂ側に固定されている。
【００３０】
これにより、燃料電池モジュール１００の運転時における高温による熱伸びが発生した場合であっても、裕度をもって棒状体２０１が穴部２０２に挿入支持されているので、上方側への熱伸びに対応することができる。また、燃料電池モジュール１００の下端部側が固体枠基台２００ｂ側に固定されており、梁２００aと固定枠基台２００ｂの熱伸びが同等となるため。横方向の熱伸びにも対応することができる。
【００３１】
これに対し、例えば図９−１、図９−２に示すような燃料供給室１０６の上面１０６ａに２枚の板３０１ａ、３０１ｂに挟まれるように設けられた固定板３０２を用いて、固定することが提案される。しかしながら、このような構成とする場合には、固定板３０２に形成された長穴３０２ａ内をボルト３０４がスライドすることで熱伸びを吸収することができるものの、２枚の板３０１ａ、３０１ｂをボルト３０４とナット３０５とを用いて締結する場合、その締結の加減が難しく、弱く締結する場合は当該ボルトがゆるみ脱落してしまうおそれがあり、逆に強く締結する場合には、スライドすることができず、熱伸びに対して対応することができない、という問題がる。
また、固定枠２００への固定を締結手段で行うような場合には、その締結作業の時間と熟練を要するという問題があるが、本発明では、棒状体２０１を穴部２０２に挿入するという簡易な操作で良いので、その作業性及びメンテナンス性が大幅に向上する。
【００３２】
図１−２は、固定枠２００内に４本の燃料電池モジュール１００−１〜１００−４を配設して燃料電池集合体を構成しており、この集合体の固定において、４本の梁２００ａ―１〜２００ａ―４に設けた穴部２０２で各々棒状体２０１を支持するようにしている。
【００３３】
これに対し、図１−３では、固定枠２００内に４本の燃料電池カートリッジ１００−１〜１００−４を配設し、燃料電池モジュール１００の長手方向と直交する方向に１本の梁２００ａを設け、この梁２００ａに穴部２０２を四箇所設け、燃料電池カートリッジ１００−１〜１００−４に設けた各々の棒状体２０１を挿入して支持するようにしている。
本例では、１本の梁２００ａを用いて固定することが可能となり、部品点数の削減及び固定枠２００への固定の時間の短縮を図ることができる。
【００３４】
なお、本実施例では４本の燃料電池カートリッジを固定枠２００内に固定することを説明しているが、本発明では、燃料電池カートリッジの収納本数は何等限定されるものではなく、カートリッジやモジュールと称される燃料電池集合体を保管容器内に収納する際の上部固定手段として適用することができる。
【００３５】
本実施例によれば、燃料電池集合体を簡易な構成により支持することができ、取り付けの作業性が向上すると共に、熱伸びや横方向の揺れの防止を図ることができる。
また、締結による固定に対して、約３０％程度の組み立て時間の短縮を図ることができる。
【００３６】
図２は、固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図２に示すように、燃料電池モジュール１００を構成する燃料供給室１０６の上面１０６ａに設けられた棒状体２０１と、固定枠２００の上部に亙って設けられた梁２００ａに設けられた穴部２０２とから構成され、穴部２０２に裕度をもって棒状体２０１が挿入されている。なお、図２に示す梁２００ａはＬ字型のアングルを示している。
【００３７】
図３は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図３に示すように、燃料電池モジュール１００を構成する燃料供給室１０６の上面１０６ａに設けられた棒状体２０１と、固定枠２００の上部に亙って設けられたＬ字型の梁２００ａの背面に設けられた穴部２０２を形成する板部材２０３とから構成され、穴部２０２に裕度をもって棒状体２０１が挿入されている。
板部材２０３は穴部２０２を構成するようにその一部を湾曲状としており、溶接により取り付けられている。
【００３８】
図４は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図４に示すように、燃料電池モジュール１００を構成する燃料供給室１０６の上面１０６ａに設けられた棒状体２０１と、固定枠２００の上部に亙って設けられたＬ字型の梁２００ａに設けられたＵ字型の穴部２０２とから構成され、穴部２０２に裕度をもって棒状体２０１が挿入され、挿入後、板部材２０３を用いて穴部２０２を塞ぐように溶接により取り付け、棒状体２０１の脱落を防止している。
【００３９】
図５は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図５に示すように、燃料電池モジュール１００を構成する燃料供給室１０６の上面１０６ａに設けられた棒状体２０１と、固定枠２００の上部に亙って設けられたＬ字型の梁２００ａに設けられた鈎状の穴部２０２とから構成され、穴部２０２に裕度をもって棒状体２０１が挿入されている。なお、挿入後、板部材２０３を溶接により取り付け、棒状体２０１の脱落を防止するようにしてもよい。
【００４０】
図６は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図６に示すように、燃料電池モジュール１００を構成する燃料供給室１０６の上面１０６ａに設けられた棒状体２０１と、固定枠２００の上部に亙って設けられた梁２００ａから垂下する穴部２０２を有する筒体２０５とから構成され、穴部２０２に裕度をもって棒状体２０１が挿入されている。
【００４１】
図７は、他の固体酸化物形燃料電池集合体の上部支持構造の概略図である。
図２乃至図６に示す支持構造は、棒状体２０１を燃料供給室１０６の上面１０６ａに設けているが、本発明はこれに限定されず、梁２００ａ側に棒状体２０１を設け、その棒状体２０１が挿入される穴部２０２を有する固定部材を燃料供給室１０６の上面１０６ａに設けるようにしてもよい。
【００４２】
図７に示すように、前記燃料電池集合体の燃料供給室１０６の上部１０６ａに設けた穴部２０２を有する第１の支持部材２０４に、前記固定枠２００の上部側で固定される梁２００ａに設けた棒状の第２の支持部材（棒状体）２０１が挿通されることで支持する燃料電池集合体の上部支持構造であって、前記穴部２０２の内径が前記第２の支持部材（棒状体）２０１の外径より大きいものとしており、穴部２０２に裕度をもって棒状体２０１が挿入されている。
【００４３】
このように、本発明によれば、簡易な構成の支持構造で燃料電池集合体の熱伸びを吸収しつつ上部を支持することができる。また、簡易な構成による支持構造であるので、作業性が向上する。
【符号の説明】
【００４４】
１００  燃料電池モジュール
１０２  セルチューブ
２００  固定枠
２００ａ  梁
２０１  棒状体
２０２  穴部
【図１−１】
0005675450.tif 000002
【図１−２】
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【図１−３】
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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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【図９−１】
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【図９−２】
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