(57)【要約】【課題】ガスマニホールドとケーシングとの良好な接合状態を維持する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池装置であって、電気的に接続された複数の燃料電池セルを有し、燃料電池セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することで発電する燃料電池セル集合体１２と、燃料電池セル集合体１２の下側に配置され、燃料電池セルに燃料ガスを分配して供給する燃料ガスタンク６８と、を備える。燃料ガスタンク６８は、燃料ガスタンク側板６８ｂの長手方向側面である長側面６８ｂａの一部がケーシング５６に対して固定されている。【選択図】図１５
2013077525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池装置であって、
それぞれが所定間隔をあけて配置されると共に互いに電気的に接続されてなる複数の燃料電池セルを有し、当該燃料電池セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することで発電する燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体を支持する略長方形状の上面と、前記上面の長辺に沿って形成される長側面と、前記上面の短辺に沿って形成される短側面とを有し、前記燃料電池セルに燃料ガスを分配して供給するガスマニホールドと、
前記燃料電池セル集合体と前記ガスマニホールドとを収納し、内部が密封空間となるように構成されるケーシングと、を備え、
前記ガスマニホールドは、前記長側面の一部が前記ケーシングに接合されることで、前記ケーシングに対して固定されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記ガスマニホールドは、一対の前記長側面のそれぞれの一部が前記ケーシングに接合されるものであって、その接合位置は互いに対向するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記接合位置において前記ガスマニホールドと前記ケーシングとを接合する固定部材を備え、
前記固定部材は、前記長側面の前記上面寄りの部分において前記ガスマニホールドに接合されてなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記固定部材は、一つの前記長側面に対して複数設けられており、
複数の前記固定部材は、前記長側面が伸びる長手方向の中心に対して対称な位置にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス、酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の単セルをケーシング内に収容し、それら複数の単セルに燃料ガスと空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置では、燃料ガスタンク等のガスマニホールドをケーシングに固定する際に、ガスケーシングにボルト固定用の穴を開けてボルト固定する。このボルト固定用の穴は、ケーシング内の気密性を保持するために、シール部材でシールされる。下記特許文献１では、同文献図１０に示すガスタンク（ガスマニホールド）をケーシングに固定する際に、ケーシングに穴を開け、ガスタンク（ガスマニホールド）の端部から突出しているＵ字状固定部とケーシングとをボルト固定することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−５４４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池装置は、発電時の発熱により内部の温度が１０００度近くにまで上昇する。したがって、燃料電池装置では、起動時と停止時との温度差が大きくなる。そのため、燃料電池装置のケーシング内に配置される各部材も大きな温度差に晒されることになり、それぞれを構成する材料に応じた伸縮が生じる。ケーシング内に配置される各部材は、それぞれが果たす役割に適した位置に配置され、必要に応じて相互に接合される。一方、ケーシング内に配置される各部材を構成する材料は、それぞれが果たす役割に適したものが選択される。
【０００５】
従って、燃料電池装置のケーシング内部においては、各部材の形状や材料によってそれぞれに異なる態様の伸びが発生することになり、場合によっては各部材相互の接合状態に影響を与えることになる。特にガスマニホールドは燃料ガスを各燃料電池セルに分配するものであるため、ガスマニホールドとケーシングとの接合状態を良好に保つことは燃料電池装置全体の品質を確保するために重要な要因となり得る。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、ガスマニホールドとケーシングとの良好な接合状態を維持することが可能な燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池装置であって、それぞれが所定間隔をあけて配置されると共に互いに電気的に接続されてなる複数の燃料電池セルを有し、当該燃料電池セルにおいて燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することで発電する燃料電池セル集合体と、前記燃料電池セル集合体を支持する略長方形状の上面と、前記上面の長辺に沿って形成される長側面と、前記上面の短辺に沿って形成される短側面とを有し、前記燃料電池セルに燃料ガスを分配して供給するガスマニホールドと、前記燃料電池セル集合体と前記ガスマニホールドとを収納し、内部が密封空間となるように構成されるケーシングと、を備える。前記ガスマニホールドは、前記長側面の一部が前記ケーシングに接合されることで、前記ケーシングに対して固定されている。
【０００８】
本発明では、ガスマニホールドの上面を略長方形状に形成しているので、上面に立設される複数の燃料電池セルが配置される領域も略長方形状となり、燃料電池セル集合体の外形は略直方体形状となる。従って、ガスマニホールドの長側面が設置家屋外壁に沿うように燃料電池装置を配置すると、設置家屋外壁からの突出量を抑えることができ、好ましい配置態様となる。
【０００９】
ところで、このように燃料電池装置が設置家屋外壁から極力突出しないように構成すると、発電時の温度で５００℃から７００℃程度となるケーシング内部では長手方向の伸びが短手方向の伸びよりも大きくなる。上述したようにガスマニホールドは、その上面が略長方形状となるように構成していることから、長側面に沿った伸びが短側面に沿った伸びを上回ることになり、何らの対策もしなければ、ガスマニホールドとケーシングとの接合部分が破損するおそれがある。
【００１０】
そこで本発明では、ガスマニホールドの長側面の一部をケーシングに接合することで、ガスマニホールドをケーシングに対して固定している。従って、長側面が伸びる場合の接合部分への影響は、長側面に沿った方向の力となる一方で、短側面が伸びる場合の接合部分への影響は、短側面に沿った方向の力、換言すれば長側面に交わる方向の力となる。長側面の伸びが短側面の伸びよりも大きいものの、接合側面に沿った方向の力よりも接合側面に交わる方向の力が接合部分を引き剥がす方向により作用することから、長側面の伸びが接合部分に与える影響を抑制することができる。従って、長側面の一部をケーシングに接合するという簡単な工夫で、より伸びの小さな短側面が接合部分に与える影響を増大させることなく、より伸びの大きな長側面が接合部分に与える影響を緩和し、ガスマニホールドが熱によって伸びた場合でも、ケーシングとの接合部分に与える悪影響を確実に抑制することができる。
【００１１】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記ガスマニホールドは、一対の前記長側面のそれぞれの一部が前記ケーシングに接合されるものであって、その接合位置は互いに対向するように配置されていることも好ましい。
【００１２】
上述したように長側面の一部をケーシングに接合すると、短側面が伸びる影響はその接合部分に作用する。接合部分が剥離しない限り接合部分は移動しないので、短側面が伸びる影響は接合部分と対向する長側面の一部に作用する。従って、対向する長側面の異なる位置を接合すれば、ケーシングが短側面方向に歪んでしまい、ガスマニホールドの上面が歪むことも考えられる。上面は複数の燃料電池セルを立設する面であるから、上面が歪むと立設されている複数の燃料電池セルの間隔が変化してしまい、燃料電池セル相互の電気的接合状態へ悪影響を与えるおそれがある。そこで本発明では、一対の長側面におけるそれぞれの接合位置を互いに対向するように配置することで、ガスマニホールドの歪みを抑制し、燃料電池セルが所定間隔をおいて立設された状態を保つことができる。
【００１３】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記接合位置において前記ガスマニホールドと前記ケーシングとを接合する固定部材を備え、前記固定部材は、前記長側面の前記上面寄りの部分において前記ガスマニホールドに接合されてなることも好ましい。
【００１４】
この好ましい態様では、ガスマニホールドとケーシングとを接合する固定部材を設けることで、固定部材をガスマニホールド及びケーシングそれぞれに適した状態で接合することができ、ガスマニホールドをケーシングにより確実に接合することができる。更に、固定部材は、長側面の上面寄りの部分においてガスマニホールドに接合されるので、上面の歪みをより確実に防止しつつ固定することができる。
【００１５】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記固定部材は、一つの前記長側面に対して複数設けられており、複数の前記固定部材は、前記長側面が伸びる長手方向の中心に対して対称な位置にそれぞれ設けられていることも好ましい。
【００１６】
ガスマニホールドの長側面の一部をケーシングに接合した場合、その接合部分から外側の長側面は長側面に沿う方向に伸びることになる。また、燃料電池セル集合体の端部には、燃料電池セル集合体が発電した電気を取り出すための集電部材が取り付けられる。そこでこの好ましい態様では、複数の固定部材を長側面の長手方向の中心に対して対称な位置に設けることで、固定部材から外側における長側面の伸び量を両端均等なものとしている。従って、燃料電池セル集合体端部に設けられる集電部材に作用する力を均等に分散させ、集電部材の固定強度を不必要に高めることなく、その固定構造を簡易なものとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置であって、ガスマニホールドとケーシングとの良好な接合状態を維持することが可能な燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。
【図２】図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図である。
【図３】図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図である。
【図４】図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。
【図５】図２に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図６】図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図７】本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図８】本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。
【図９】図４の燃料電池モジュールの固定部材付近における断面図であって、図４のＡ方向から見た部分断面図である。
【図１０】図９に示す固定部材の一部を燃料ガスタンクとは反対側の上方から見た場合の、部分斜視図である。
【図１１】図９に示す固定部材の一部を燃料ガスタンク側の上方から見た場合の、部分斜視図である。
【図１２】（Ａ）は、燃料電池モジュールが停止している時の固定部材付近を示す模式図であり、（Ｂ）は、燃料電池モジュールが稼働している時の固定部材付近を示す模式図である。
【図１３】（Ａ）は、燃料電池モジュールが停止している時の固定部材を示す模式図であり、（Ｂ）は、燃料電池モジュールが稼働している時の固定部材を示す模式図である。
【図１４】燃料ガスタンクに対するボルト固定部の取り付け位置を示す概略斜視図である。
【図１５】燃料ガスタンクに対するボルト固定部の取り付け位置を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２０】
本発明の実施形態である燃料電池モジュール（燃料電池装置）について、図１を参照しながら説明する。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質形燃料電池装置の一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池装置は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット（図示せず）とを備える。
【００２１】
図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。
【００２２】
燃料電池モジュール２は、燃料電池セル（詳細は後述する）を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２とを備える。ケーシング５６の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。
【００２３】
被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガスを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。
【００２４】
続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。図２は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図である。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。
【００２５】
図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシング５６により、全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８（ガスマニホールド）側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿って延びる短辺側面と、を備えている。
【００２６】
本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気とを混合するためのものである。
【００２７】
被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。
【００２８】
改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器としての役割とを果たすように構成されている。
【００２９】
改質器２０の下流端（図３の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。
【００３０】
図２〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。燃料ガスタンク６８は、４個の固定部材３０（詳細は後述する）を用いて、ケーシング底板５６ａの上面に固定されている。なお、固定部材３０は４個である必要はない。固定部材３０の個数や配置場所は、燃料ガスタンク６８の大きさや重量等を勘案して任意に設定することができる。
【００３１】
また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
【００３２】
続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図４及び図５，図６を参照しながら説明する。図５は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図は６、図３に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。
【００３３】
熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット（図示しない）から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。
【００３４】
熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、図２に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。
【００３５】
したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ，７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
【００３６】
続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方で発生した燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、整流板２１に至る。整流板２１には、図６に示すように、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼室１８で燃料ガスと発電用空気が燃焼して生成された燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００３７】
続いて、図７を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図７は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。
【００３８】
図７に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
【００３９】
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００４０】
燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００４１】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００４２】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００４３】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４４】
続いて、図８を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図８は、本発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。
【００４５】
図８に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴がそれぞれ形成されている。
【００４６】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものである。
【００４７】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００４８】
続いて、固定部材３０について、図９〜図１１を参照しながら説明する。図９は、燃料電池モジュール２の固定部材３０付近において図４のＡ方向から見た部分断面図である。図１０は、図９に示す固定部材３０の一部を燃料ガスタンク６８とは反対側の上方から見た場合の部分斜視図である。図１１は、図９に示す固定部材３０の一部を燃料ガスタンク６８側の上方から見た場合の部分斜視図である。
【００４９】
上述したように固定部材３０は、燃料ガスタンク６８をケーシング底板５６ａの上面に固定する部材である。本実施形態における固定部材３０を用いることで、ケーシング底板５６ａや燃料ガスタンク６８にボルトを固定するための穴を設けることなく、ケーシング底板５６ａに燃料ガスタンク６８を固定することが可能となる。以下に、このような固定部材３０の構成について詳細に説明する。
【００５０】
固定部材３０は、ケーシング底板５６ａに溶接固定する溶接部３１と、燃料ガスタンク６８に溶接固定するボルト固定部３３と、溶接部３１とボルト固定部３３とを連結する連結部３２と、を有する。連結部３２は、ひずみ許容部３２ａ、Ｌ字部３２ｂおよびストッパー部３２ｃを含む。
【００５１】
溶接部３１は、ケーシング底板５６ａに対して固定部材３０を溶接固定する部分となる。溶接部３１は、連結部３２のひずみ許容部３２ａと一体形成されている。
【００５２】
ここで、ケーシング底板５６ａは、燃料電池装置の軽量化を図るために薄板で形成される傾向にある。したがって、溶接部３１をケーシング底板５６ａに溶接固定する際の溶接として、スポット溶接を採用することが好ましい。これは、薄板のケーシング底板５６ａに対して溶接部３１全体を高温で溶接すると、薄板のケーシング底板が変形してしまい、燃料ガスタンク６８を水平固定できなくなるおそれがあるのに対し、スポット溶接により溶接することで、高温で溶接する面積を小さく抑えることができ、ケーシング底板５６ａの変形を極力抑えることが可能となるためである。
【００５３】
溶接部３１の厚みは、スポット溶接による溶接部の十分な強度を確保するために、極力薄くすることが好ましい。少なくとも、ケーシング底板５６ａの上面を基準にしたときに、溶接部３１の高さが、連結部のひずみ許容部３２ａの高さよりも低くなることが好ましい。
【００５４】
ボルト固定部３３は、燃料ガスタンク側板６８ｂに対して固定部材３０を溶接固定する部分となる。ボルト固定部３３は、連結部のＬ字部３２ｂとボルト３４で固定される。
【００５５】
連結部３２は、略逆凹状のひずみ許容部３２ａと、略Ｌ字状のＬ字部３２ｂと、ひずみ許容部３２ａのひずみを制限するストッパー部３２ｃとを含んで構成される。ひずみ許容部３２ａとＬ字部３２ｂとは、ボルト３５を用いて固定する。
【００５６】
ひずみ許容部３２ａを略逆凹状の板部材で形成することによって、ひずみ許容部３２ａが、図９のｚ軸方向にひずんで変形し易くなる。ひずみ許容部３２ａは、図９のｚ軸方向を、ひずみ許容方向とする。ここで、燃料電池は、稼働時の温度が１０００度付近にまで上昇するため、停止時と稼働時との温度差が大きくなり、燃料ガスタンク６８が熱膨張の影響で変形してしまう。燃料ガスタンク６８が変形すると、そのひずみ力が燃料ガスタンク６８に溶接固定されている固定部材３０に作用することになる。このひずみ力がケーシング底板５６ａに溶接固定されている溶接部３１に伝わると、溶接部３１が破損してしまうことも考えられる。
【００５７】
本実施形態のひずみ許容部３２ａのように、燃料ガスタンク６８の変形に合わせて図９のｚ軸方向に変形可能とすることで、燃料ガスタンク６８からのひずみ力をひずみ許容部３２ａで吸収させることができる。これにより、燃料ガスタンク６８のｚ軸方向への変形によるひずみ力が溶接部３１に伝わることを抑制することができる。つまり、溶接部３１による溶接固定をひずみ力から保護することができる。
【００５８】
図１２を参照して、ひずみ許容部３２ａが燃料ガスタンク６８の変形に合わせて変形する様子について説明する。図１２（Ａ）は、燃料電池モジュール２が停止している時の固定部材３０付近を模式的に示す図であり、図１２（Ｂ）は、燃料電池モジュール２が稼働している時の固定部材３０付近を模式的に示す図である。
【００５９】
図１２（Ａ）に示す停止状態から燃料電池モジュール２が稼働すると、図１２（Ｂ）に示すように、燃料ガスタンク６８の右端部分に位置する固定部材３０付近が、燃料電池モジュール２の熱により、ｚ軸の正方向（右方向）に膨張して変形する。この燃料ガスタンク６８の変形に伴い、燃料ガスタンク６８に溶接固定されているボルト固定部３３及びこのボルト固定部３３にボルト３４で固定されているＬ字部３２ｂにひずみ力が生ずる。このひずみ力によって、Ｌ字部３２ｂにボルト３５で固定されているひずみ許容部３２ａが、ｚ軸の正方向にひずんで変形する。これにより、燃料ガスタンク６８のｚ軸方向への変形によるひずみ力がひずみ許容部３２ａで吸収されるため、ひずみ力が溶接部３１に伝わることを抑制できる。
【００６０】
ストッパー部３２ｃは、図１１に示すように、ストッパー部３２ｃの上端部をひずみ許容部３２ａの天板部分端部と連結固定し、ストッパー部３２ｃの両側端部をひずみ許容部３２ａと非連結状態にするとともに、図９に示すように、ストッパー部３２ｃの下端部とケーシング底板５６ａとの間に隙間Ｄ１を設けて構成する。このように構成することで、ひずみ許容部３２ａのひずみによる変形を、ストッパー部３２ｃの下端部がケーシング底板５６ａと接することで制限することができる。また、ひずみ許容部３２ａがひずみにより変形することにより低下する上下方向（図９のｙ軸方向）の支持力を、ケーシング底板５６ａに接したストッパー部３２ｃで補強することができる。
【００６１】
図１３を参照して、ストッパー部３２ｃがひずみ許容部３２ａの変形を制限するしくみについて説明する。図１３（Ａ）は、燃料電池モジュール２が停止している時の固定部材３０を模式的に示す図であり、図１３（Ｂ）は、燃料電池モジュール２が稼働している時の固定部材３０を模式的に示す図である。
【００６２】
図１３（Ａ）に示す停止状態から燃料電池モジュール２が稼働すると、図１３（Ｂ）に示すように、熱膨張した燃料ガスタンク６８の変形に伴い、ひずみ許容部３２ａが、ｚ軸の正方向にひずんで変形する。このひずみ許容部３２ａの変形は、ストッパー部３２ｃの下端部がケーシング底板５６ａに接することで停止する。これにより、ひずみ許容部３２ａが破損しない範囲で変形を制限することができ、変形により低下した上下方向（ｙ軸方向）の支持力を補強することが可能となる。
【００６３】
図９に示すように、Ｌ字部３２ｂは、ひずみ許容部３２ａのひずみ許容方向（ｚ軸方向）と略直交する方向（ｘ軸方向）にひずみ許容方向を形成するように、ひずみ許容部３２ａの上面に配置される。Ｌ字部３２ｂのうちひずみ許容部３２ａ側の底板部分が、ひずみ許容部３２ａとボルト３５で固定される。これにより、Ｌ字部３２ｂのうちボルト固定部３３側の側板部分が、図９のｘ軸方向にひずんで変形し易くなる。
【００６４】
ストッパー部３２ｃと燃料ガスタンク側板６８ｂとの間には、隙間Ｄ２が設けられている。この隙間Ｄ２は、燃料ガスタンク６８が、燃料電池モジュール２の熱により、ｘ軸の負方向に熱膨張することを勘案して設定する。このような隙間Ｄ２を設けることで、燃料ガスタンク６８がｘ軸方向に熱膨張した場合であっても、ストッパー部３２ｃが燃料ガスタンク側板６８ｂから直接圧力を受けないようにすることが可能となる。つまり、燃料ガスタンク６８がｘ軸方向に熱膨張することによって受ける圧力を低減させることができる。以下に、燃料ガスタンク６８のｘ軸方向の熱膨張を許容するしくみについて具体的に説明する。
【００６５】
燃料ガスタンク側板６８ｂが、燃料電池モジュール２の熱により、図９のｘ軸の負方向に膨張して変形した場合、この変形に伴って、燃料ガスタンク側板６８ｂに溶接固定されているボルト固定部３３にひずみ力が生ずる。このひずみ力によって、ボルト固定部３３にボルト３４で固定されているＬ字部３２ｂの側板部分が、Ｌ字部３２ｂの底板部分に近づく方向に折り曲げられて変形する。これにより、燃料ガスタンク６８のｘ軸方向の変形によるひずみ力をＬ字部３２ｂで吸収することができるため、ひずみ力が溶接部３１に伝わることを抑制することができる。
【００６６】
上述したように実施形態における燃料モジュール２によれば、燃料ガスタンク側板６８ｂに溶接固定されたボルト固定部３３に対して、ケーシング底板５６ａに溶接固定された溶接部３１に連結する連結部のＬ字部３２ｂを、ボルト３４で固定することができる。これにより、ケーシング５６ａに穴を開けることなく、燃料ガスタンク６８をケーシング５６に固定することができる。すなわち、実施形態における燃料電池モジュールの構成を用いることにより、ケーシング５６内の気密性を確保しつつ、燃料ガスタンク６８をケーシング５６に強固に固定することが可能となる。
【００６７】
続いて、燃料ガスタンク６８に対するボルト固定部３３（固定部材３０）の固定態様を、図１４及び図１５を参照しながら説明する。図１４は、燃料ガスタンク６８に対するボルト固定部３３の固定態様を示す概略斜視図である。図１５は、燃料ガスタンク６８に対するボルト固定部３３の固定態様を示す側面図である。
【００６８】
図１４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料ガスタンク上板６８ａと燃料ガスタンク側板６８ｂとを有している。燃料ガスタンク上板６８ａは、略長方形状の上面を形成するように略長方形状に形成されている。燃料ガスタンク側板６８ｂは、燃料ガスタンク上板６８ａの長辺に沿って形成される長側面６８ｂａと、燃料ガスタンク上板６８ａの短辺に沿って形成される短側面６８ｂｂとを有している。
【００６９】
ボルト固定部３３は、燃料ガスタンク側板６８ｂの長側面６８ｂａに取り付けられている。本実施形態の場合、一方の長側面６８ｂａに一対のボルト固定部３３が取り付けられ、他方の長側面６８ｂａにも一対のボルト固定部３３が取り付けられている。
【００７０】
図１５に示されるように、ボルト固定部３３，３３は、長側面６８ｂａの中心線ＣＬに対して、対称な位置に配置されている。具体的には、長側面６８ｂａの中心線ＣＬから、一方のボルト固定部３３までの距離Ｌと他方のボルト固定部３３までの距離Ｌとが略等しくなるように配置されている。中心線ＣＬとボルト固定部３３との距離は、中心線ＣＬとボルト固定部３３の幅方向（ｚ軸方向）中心との距離で測ることが好ましいけれども、必ずしも厳密なものではなく中心線ＣＬに対して一対の（若しくは複数の）固定部材３０が均等に分散配置されていれば足りるものである。換言すれば、燃料ガスタンク６８とケーシング５６との接合部分が、中心線ＣＬから均等に設けられていれば本発明の趣旨に沿うものである。
【００７１】
上述したように本実施形態の燃料ガスタンク６８は、その長側面６８ｂａの一部がケーシング底板５６ａ（ケーシング５６）に接合されることで、ケーシング５６に対して固定されている。
【００７２】
本実施形態では、燃料ガスタンク６８の上面を略長方形状に形成しているので、上面に立設される複数の燃料電池セルユニット１６が配置される領域も略長方形状となり、燃料電池セル集合体１２の外形は略直方体形状となる。従って、燃料ガスタンク６８の長側面６８ｂａが設置家屋外壁に沿うように燃料電池モジュール２を配置すると、設置家屋外壁からの突出量を抑えることができ、好ましい配置態様となる。
【００７３】
ところで、このように燃料電池モジュール２が設置家屋外壁から極力突出しないように構成すると、発電時の温度で５００℃から７００℃程度となるケーシング５６内部では長手方向の伸びが短手方向の伸びよりも大きくなる。上述したように燃料ガスタンク６８は、その上面が略長方形状となるように構成していることから、長側面６８ｂａに沿った伸びが短側面６８ｂｂに沿った伸びを上回ることになり、何らの対策もしなければ、燃料ガスタンク６８とケーシング５６との接合部分が破損するおそれがある。
【００７４】
そこで本実施形態では、燃料ガスタンク６８の長側面６８ｂａの一部をケーシング５６に接合することで、燃料ガスタンク６８をケーシング５６に対して固定している。従って、長側面６８ｂａが伸びる場合の接合部分への影響は、長側面６８ｂａに沿った方向（ｚ軸方向）の力となる一方で、短側面６８ｂｂが伸びる場合の接合部分への影響は、短側面６８ｂｂに沿った方向の力、換言すれば長側面６８ｂａに交わる方向（ｘ軸方向）の力となる。長側面６８ｂａの伸びが短側面６８ｂｂの伸びよりも大きいものの、接合側面に沿った方向（ｚ軸方向）の力よりも接合側面に交わる方向（ｘ軸方向）の力が接合部分を引き剥がす方向により作用することから、長側面６８ｂａの伸びが接合部分に与える影響を抑制することができる。従って、長側面６８ｂａの一部をケーシング５６に接合するという簡単な工夫で、より伸びの小さな短側面６８ｂｂが接合部分に与える影響を増大させることなく、より伸びの大きな長側面６８ｂａが接合部分に与える影響を緩和し、燃料ガスタンク６８が熱によって伸びた場合でも、ケーシング５６との接合部分に与える悪影響を確実に抑制することができる。
【００７５】
また、燃料ガスタンク６８は、一対の長側面６８ｂａのそれぞれの一部がケーシング５６に接合されるものであって、その接合位置は互いに対向するように配置されている。
【００７６】
上述したように長側面６８ｂａの一部をケーシング５６に接合すると、短側面６８ｂｂが伸びる影響はその接合部分に作用する。接合部分が剥離しない限り接合部分は移動しないので、短側面６８ｂｂが伸びる影響は接合部分と対向する長側面６８ｂａの一部に作用する。従って、対向する長側面６８ｂａの異なる位置を接合すれば、ケーシング５６が短側面方向（ｘ軸方向）に歪んでしまい、燃料ガスタンク６８の上面が歪むことも考えられる。上面は複数の燃料電池セルユニット１６を立設する面であるから、上面の歪みは立設されている複数の燃料電池セルユニット１６の間隔変化に繋がり、燃料電池セルユニット１６相互の電気的接合状態へ悪影響を与えるおそれがある。そこで、一対の長側面６８ｂａにおけるそれぞれの接合位置を互いに対向するように配置することで、燃料ガスタンク６８の歪みを抑制し、燃料電池セルユニット１６が所定間隔をおいて立設された状態を保つことができる。
【００７７】
また本実施形態では、接合位置において燃料ガスタンク６８とケーシング５６とを接合する固定部材３０を備え、固定部材３０は、長側面６８ｂａの上面寄りの部分において燃料ガスタンク６８に接合されている（図９参照）。
【００７８】
このように、燃料ガスタンク６８とケーシング５６とを接合する固定部材３０を設けることで、固定部材３０を燃料ガスタンク６８及びケーシング５６それぞれに適した状態で接合することができ、燃料ガスタンク６８をケーシング５６により確実に接合することができる。更に、固定部材３０は、長側面６８ｂａの上面寄りの部分において燃料ガスタンク６８に接合されるので、上面の歪みをより確実に防止しつつ固定することができる。このように本実施形態では固定部材３０を設けることで、燃料ガスタンク６８とケーシング５６とを接合しているけれども、燃料ガスタンク６８とケーシング５６とを溶接等で直接接合することも好ましい態様である。
【００７９】
また、固定部材３０は、一つの長側面６８ｂａに対して複数設けられており、複数の固定部材３０は、長側面６８ｂａが伸びる長手方向の中心に対して対称な位置にそれぞれ設けられている。
【００８０】
燃料ガスタンク６８の長側面６８ｂａの一部をケーシング５６に接合した場合、その接合部分から外側の長側面６８ｂａの一部は長側面６８ｂａに沿う方向（ｚ軸方向）に伸びることになる。また、燃料電池セル集合体１２の端部には、燃料電池セル集合体１２が発電した電気を取り出すための集電部材１０６，１０８が取り付けられる（図１５参照）。そこで、複数の固定部材３０を長側面６８ｂａの長手方向（ｚ軸方向）の中心（中心線ＣＬ）に対して対称な位置に設けることで、固定部材３０から外側における長側面６８ｂａの伸び量を両端均等なものとしている。従って、燃料電池セル集合体１２端部に設けられる集電部材１０６，１０８に作用する力を均等に分散させ、集電部材１０６，１０８の固定強度を不必要に高めることなく、その固定構造を簡易なものとすることができる。
【符号の説明】
【００８１】
２：燃料電池モジュール（燃料電池装置）
１０：発電室
１２：燃料電池セル集合体
１４：燃料電池セルスタック
１６：燃料電池セルユニット
１８：燃焼室
２０：改質器
２１：整流板
２１ａ：開口
２２：熱交換器
３０：固定部材
３１：溶接部
３２ａ：ひずみ許容部（連結部）
３２ｂ：Ｌ字部（連結部）
３２ｃ：ストッパー部（連結部）
３３：ボルト固定部
３４、３５、３６：ボルト
５６：ケーシング
５６ａ：ケーシング底板
６０：被改質ガス供給管
６２：水供給管
６６：燃料供給管
６６ａ：下端側
６８：燃料ガスタンク（ガスマニホールド）
６８ａ：燃料ガスタンク上板
６８ｂ：燃料ガスタンク側板
６８ｂａ：長側面
６８ｂｂ：短側面
７０：燃焼ガス配管
７２：発電用空気流路
７４：発電用空気導入管
７６：連絡流路
７６ａ：出口ポート
７７：発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ：吹出口
８２：燃焼ガス排出管
８４：燃料電池セル
８６：内側電極端子
８８：燃料ガス流路
９０：内側電極層
９０ａ：上部
９０ｂ：外周面
９０ｃ：上端面
９２：外側電極層
９４：電解質層
９６：シール材
９８：燃料ガス流路
１００：上支持板
１０２：集電体
１０４：外部端子
１０６，１０８：集電部材
【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】
2013077525.tif 000010
【図９】
2013077525.tif 000011
【図１０】
2013077525.tif 000012
【図１１】
2013077525.tif 000013
【図１２】
2013077525.tif 000014
【図１３】
2013077525.tif 000015
【図１４】
2013077525.tif 000016
【図１５】
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