JP4966512B2

JP4966512B2 - 燃料電池組立体及び燃料電池発電装置

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Publication number: JP4966512B2
Application number: JP2005132515A
Authority: JP
Inventors: 末広今泉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2025-04-28
Also published as: JP2006310143A

Description

本発明は、燃料電池発電システムで使用される燃料電池組立体、特に固体電解質形燃料電池発電システムで好適に使用される燃料電池組立体に関する。

次世代エネルギーとして近年固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体電解質形等の種々の燃料電池発電システムが提案されている。特に固体電解質形燃料電池発電システムは作動温度が７００〜１０００℃程度と高いが、発電効率が高く排熱利用が可能である等の利点を有しており研究開発が推し進められている。

燃料電池発電システムの典型例においては下記特許文献１及び２等に記載されているように発電・燃焼室を規定するハウジングと、その発電・燃焼室内に配設されたセルスタックとを有する燃料電池組立体が装備されている。セルスタックは、複数の燃料電池セル単体を種々の形態で接続して構成される。

例えば、特許文献１に記載の燃料電池組立体のハウジング内にはさらに、セルスタックに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、セルスタックに酸素含有ガス（例えば、空気）を供給するための酸素含有ガス供給手段とが設置されている。特許文献１の燃料電池組立体のハウジング内における燃料ガス供給手段は、被改質ガス（即ち都市ガス等の炭化水素ガス）を水素リッチな燃料ガスに改質する触媒を収容した改質ケースと、改質された燃料ガスを収容する燃料ガスケースとを含む。この燃料ガスケースの上面にセルスタックを構成する複数の燃料電池セルが取り付けられている。また、燃料ガス供給手段及び酸素含有ガス供給手段は、所定のガスをハウジング外からハウジング内へ導入するためにハウジング壁を貫通する供給管をそれぞれ具備する。

斯かる燃料電池組立体において発電が行われる際には発電・燃焼室内は７００〜１０００°Ｃ程度の高温とされる。改質された水素リッチな燃料ガスと酸素含有ガスがセルスタックを構成する複数の燃料電池セルの各々に供給され、燃料電池セルにおいて発電反応が生じる。発電に供せられなかった燃料ガス及び酸素含有ガスは発電・燃焼室内にて燃焼される。その燃焼ガスはハウジング外へ排気される。ハウジング内には、高温の燃焼ガスと低温の酸素含有ガスとの間で熱交換を行わせる熱交換器も設置される。
特開２００５−９３０８１号公報特開２００４−２８１０９４号公報

上述した従来の燃料電池組立体においては、例えば略直方体のハウジングの場合、左右側面及び前後面に設けた断熱材からなる壁すなわち断熱壁若しくはその外周を覆うように設けられた金属ケースで構成されている。そして、セルスタックを取り付けた燃料ガスケースをこれらの断熱壁や金属ケースにより全方位から囲むことによってセルスタック及び燃料ガスケースが動かないような構造となっている。このような燃料ガスケースの固定方法は、セルスタックを構成する複数の燃料電池セルの外周を全て断熱材で囲んであるために、外部への放熱が最小限に抑えられかつ燃料電池セルも組みつけられた姿勢を一応維持することができ構造的に優れている。

しかしながら、燃料電池組立体をトラックなどの輸送手段で輸送する場合には、激しい振動衝撃が加わる。そのような場合、従来の構造ではその振動衝撃によって燃料電池セルが破損する虞があった。従って、振動衝撃に対して燃料電池セル及びこれを取り付けた燃料ガスケースを安定に固定する方法が不可欠となっている。また、燃料電池組立体は、例えば、電力変換装置やガス供給装置等と共に１つのケース内に収容されて燃料電池発電装置の形態でも輸送される場合がある。その場合には、輸送時の振動衝撃に耐え得るように燃料電池組立体１００自体を燃料電池発電装置のケースに対して安定に固定する方法が必要である。

これらの要請に応える固定方法として例えば図９に示すものが考えられる。図９は、略直方体の断熱壁１１１から構成されるハウジング１１０を有する燃料電池組立体１００を模式的かつ概略的に示した図である。ハウジング１１０の前壁は図示していない。ハウジング１１０内には、複数の燃料電池セルから構成されたセルスタック１４１と燃料ガスケース１２４が収容されている。１個の燃料ガスケース１２４は紙面奥行き方向（すなわち前後方向）に細長く延びる略直方体であり、その上面にセルスタック１４１が装着されている。斯かる燃料ガスケース１２４とセルスタック１４１の複数の組が所定間隔をおいて並置されている。図示の例では、燃料ガスケース１２４の端部をケース固定金具１２６で押さえ、ケース固定金具１２６をハウジング１１０底面に固定している。ケース固定金具１２６を固定するために、ハウジング１１０を貫通するボルト１３７とナット１３８により締結している。これにより、燃料ガスケース１２４及びセルスタック１４１をハウジング１１０に対して安定に固定している。

さらに、燃料電池組立体１００を、電力変換装置やガス供給装置等と共に１つのケース内に収容して燃料電池発電装置の形態で輸送する場合には、輸送時の振動衝撃に耐え得るように燃料電池組立体１００自体を架台２００に対して安定に固定する必要がある。図９の例では、燃料電池組立体１００のハウジング１１０を汎用的なＬ型ラグ等の固定具２０１を用いて架台２００に連結し固定している。架台２００としては、例えば、燃料電池発電装置のケースの構造部材またはケースと接続された仕切り壁等を利用できる。

尚、燃料電池組立体１００は、ハウジング外からハウジング内へ燃料ガス（または被改質ガス）及び酸素含有ガスをそれぞれ供給するガス供給管１２１、１３１を具備する。これらのガス供給管１２１、１３１は、通常ハウジング１１０を貫通して接続固定されている。

図９に示した固定方法の場合、次のような問題点が挙げられる。
燃料ガスケース１２４は、燃料電池セルの化学反応による生成熱と発電電流によって生じるジュール熱などによって高温となった発電室内にあり、所定の温度を維持している。ところが、燃料ガスケース１２４を金属製のケース固定金具１２６を用いてボルト１３７とナット１３８でハウジング１１０底面を貫通して締結した場合、熱伝導により燃料ガスケース１２４からハウジング外への放熱量が無視できない程大きくなる。その結果、燃料ガスケース１２４を所定の温度に維持することが困難となり燃料電池セルの高効率発電は望めなくなってしまう。従って、発電時にハウジング外への過剰な放熱を発生させない構成であって、輸送時の振動衝撃に耐え得るように燃料ガスケース１２４をハウジング１１０に対して安定に固定する手段が必要となる。

また、燃料電池組立体１００を架台２００に固定する場合に汎用的な固定具２０１を用いると、固定具を配置するための空間が必要となるため燃料電池発電装置をコンパクトに組み上げることの支障となる。また、汎用的な固定具を用いることにより部品数も増加し、コストが上がる。従って、燃料電池組立体をコンパクトにかつ低コストで架台に固定する手段が必要となる。尚、この場合も、発電時にハウジング外へ過剰な放熱を発生させない構成とすることはもちろんである。

以上の問題点に鑑み本発明は、輸送時の振動衝撃に耐え得るように架台に固定される燃料電池組立体において、コンパクトかつ低コストな架台への固定手段を提供することを目的とする。また、そのような燃料電池組立体の架台への固定手段であって、発電時にハウジング外への過剰な放熱を防止できる構成とすることを目的とする。

さらに本発明は、燃料電池組立体において、輸送時の振動衝撃に耐え得るようにハウジング内に収容された燃料電池セル及び燃料ガスケースの固定の信頼性を確保できる固定手段であって、発電時におけるハウジング外への過剰な放熱を防止して燃料電池セルの高い発電効率を維持できる構成を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意研究の結果、ハウジング内へ種々のガスを供給するガス供給管を利用して燃料電池組立体を架台へ固定する構成、並びにガス供給管を利用して燃料電池組立体内の燃料電池セル及び燃料ガスケースをハウジングに固定する構成により、上記目的を達成した。

各請求項に係る発明は以下の通りである。
（１）請求項１に係る発明は、閉じた断熱性の筐体であるハウジングと、前記ハウジング内に設けた燃料電池セルと、前記ハウジング外から前記ハウジング内へガスを導入するためのガス供給管とを有する燃料電池組立体と、前記ハウジング外に設けられ前記燃料電池組立体が固定される架台と、を備えた燃料電池発電装置において、
少なくとも１つの前記ガス供給管が、前記ハウジングにおける前記架台と対向する壁を貫通し、前記壁を貫通した前記ガス供給管における前記ハウジング外に延在する部分が前記架台に固定されることにより、前記燃料電池組立体が前記架台に固定されることを特徴とする燃料電池発電装置である。

（２）請求項２に係る発明は、請求項１の燃料電池発電装置において、前記ハウジング内にて前記燃料電池セルを装着すると共に該燃料電池セルへ供給する燃料ガスを収容する燃料ガスケースを有し、前記燃料ガスケースを固定する燃料ガスケース固定手段が前記ハウジング内に設置されていることを特徴とする。

（３）請求項３に係る発明は、請求項２の燃料電池発電装置において、筐体を具備する熱交換器が前記ハウジング内に設置されており、前記燃料ガスケース固定手段が前記燃料ガスケースと前記熱交換器の前記筐体とを連結する固定手段を具備することを特徴とする。

（４）請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれかの燃料電池発電装置において、前記ガス供給管が酸素含有ガス供給管であることを特徴とする。

（５）請求項５に係る発明は、請求項４の燃料電池発電装置において、前記熱交換器が前記筐体内に配置された高温ガス流路及び低温ガス流路を具備し、前記酸素含有ガス供給管が前記熱交換器の前記低温ガス流路に接続されることを特徴とする。

（６）請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかの燃料電池発電装置において、前記ガス供給管の外周面上に設けた雄ネジと、前記雄ネジに対して締結されるナットとを用いて前記少なくとも１つのガス供給管が前記架台に固定されることを特徴とする。

（７）請求項７に係る発明は、ハウジングと、前記ハウジング内に設けた燃料電池セルと、前記ハウジング外から前記ハウジング内へガスを導入するためのガス供給管と、前記ハウジング内にて前記燃料電池セルを装着すると共に前記燃料電池セルへ供給する燃料ガスを収容する燃料ガスケースと、前記ハウジング内にて前記燃料ガスケースを固定する燃料ガスケース固定手段と、前記ハウジング内に設置された熱交換器とを有し、前記燃料ガスケース固定手段が前記熱交換器に固定され、前記熱交換器にガス供給管が固定され、前記ガス供給管が前記ハウジングに固定されることにより、前記燃料ガスケース固定手段が前記ガス供給管を介して前記ハウジングに固定されていることを特徴とすることを特徴とする燃料電池組立体である。

（９）請求項９に係る発明は、請求項８において、熱交換器が前記ハウジング内に設置されており、前記燃料ガスケース固定手段が前記熱交換器に固定され、該熱交換器にガス供給管が固定され、該ガス供給管が該ハウジングに固定されていることを特徴とする。

（１）請求項１に係る発明では、燃料電池組立体のハウジング外からハウジング内へガスを供給するガス供給管を架台に固定することにより、燃料電池組立体を輸送時の振動衝撃に耐え得るように固定することができる。これにより、別途汎用的な固定具を用いることなく燃料電池組立体を固定できるため、部品コストを節減できる。また、固定具を配置する空間が不要となり燃料電池発電装置をよりコンパクトに組み上げることができる。尚、固定のために用いるガス供給管は、発電時においては外部から低温ガスを移送する管であるので、通常、ガス供給管を介した熱伝導によるハウジング外への放熱は僅かである。また、放熱が生じたとしても低温ガスを媒体として燃料電池組立体へある程度戻される作用がある。従って、ガス供給管を用いて燃料電池組立体を架台に固定することは、燃料電池セルの高発電効率の維持にも寄与する。

（２）請求項２に係る発明では、請求項１において、燃料電池セルを装着した燃料ガスケースを固定する燃料ガスケース固定手段がハウジング内に設置されていることから、輸送時の振動衝撃に対して燃料電池セルが確実に固定され破損の虞がない。また、図９に示した如く燃料ガスケース固定手段がハウジングを貫通して設けられる場合に比べて、発電時の燃料ガスケース固定手段を介したハウジング外への放熱が避けられる。

（３）請求項３に係る発明では、請求項２において、燃料ガスケースが熱交換器の筐体と連結されることにより、発電・燃焼室から熱交換器への熱伝導による放熱は、熱交換器に導入される低温ガスによって再び発電・燃焼室に回収される。これにより発電・燃焼室からの熱損失を低減できる。

（４）請求項４に係る発明では、請求項１〜３のいずれかにおいて、ガス供給管を酸素含有ガス供給管とする。酸素含有ガスは例えば空気であり、低温で供給されるガスであるので、このガス供給管を架台へ固定することによってハウジング内から架台への放熱は軽減される。

（５）請求項５に係る発明では、請求項４において、酸素含有ガス供給管を熱交換器の低温ガス流路に接続することにより、発電・燃焼室から熱交換器への熱伝導による放熱は低温ガスにより回収されて発電・燃焼室へ戻される。これによりガス供給管を介したハウジング外への放熱は軽減される。

（６）請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれかにおいて、ガス供給管を架台に固定する手段としてガス供給管の外周面上に設けた雄ネジと、この雄ネジに対して締結されるナットを用いる。簡易かつ確実な結合手段であると同時に、ガス供給管自体を締結具として用いることができるので余分な固定用部品を用意する必要がない。

（７）請求項７に係る発明は、燃料電池セルを装着した燃料ガスケースを固定する燃料ガスケース固定手段がガス供給管を介してハウジングに固定されていることから、輸送時の振動衝撃に対して燃料電池セルが確実に固定され破損の虞がない。加えて発電時においては、ガス供給管は外部から低温ガスを移送する管であるので、ガス供給管を介した熱伝導によるハウジング外への放熱が少ない。よって燃料電池セルの高発電効率の維持にも寄与する。燃料ガスケース固定手段が熱交換器及びガス供給管を介してハウジングに固定されていることから、熱交換器への熱伝導による放熱が生じても、熱交換器に導入される低温ガスによって再び回収される。これにより発電・燃焼室からの熱損失を低減できる。

各請求項に係る本発明により、従来同様の高い発電効率を維持し、かつ振動衝撃の伴う輸送にも耐えうる燃料電池組立体を実現することが可能となった。

本発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、ガス供給管が被改質ガス供給管または燃料ガス供給管であってもよい。本発明の燃料電池組立体は外形及び内部構造について特定のものに限定されず、従ってガス供給管の取り付け位置も多様な形態を採りうる。よって、ハウジング内へ所要のガスを供給する供給管であればいずれも架台への固定手段として利用できる。

本発明は、請求項１〜６のいずれかにおいてさらに、ガス供給管を架台に固定する手段が、ハウジング外面と架台表面との間に挟持されるスペーサ部材を具備する。これにより、ハウジングと架台とが安定に結合されると同時に、ハウジングと架台とが当接することなくスペーサ部材の厚み分の間隙を介して固定されることとなる。これにより燃料電池組立体から架台への直接的な熱伝導が避けられ、また断熱効果により燃料電池組立体周囲空間の不測の温度上昇を防止できる。

本発明は、上記においてさらに、スペーサ部材をガス供給管の外周面上から径方向に突出するフランジとすることにより、スペーサ部材としての余分な部品を不要とすることができ、燃料電池組立体の固定作業を容易とする。

以下、本発明の燃料電池組立体の一実施例を示した図面を参照しつつ、説明する。本発明の特徴は、燃料電体組立体をそのハウジング外に位置する架台へ固定する手段に係る。尚、特定の構成の燃料電池組立体について説明するが、本発明は特定の構成以外の構成を有する燃料電池組立体についても適用可能である。

図１は、本発明による燃料電池組立体の一実施例を模式的かつ概略的に示した部分展開斜視図である。図２は、図１の燃料電池組立体のＡ−Ａ断面にほぼ相当する概略縦断面図である。図３は、図１の燃料電池組立体の下面方向を観た概略横断面図である。図示の燃料電池組立体１は、略直方体形状のハウジング１０を具備する。ハウジング１０は、前後左右の側面及び上下面を構成する断熱壁からなり、例えばアルミナ／シリカ系汎用断熱材から形成される。図１では左断熱壁１１ａ及び下断熱壁１１ｅのみを示している。図２では、左右の断熱壁１１ａ及び１１ｃ、並びに上下の断熱壁１１ｆ及び１１ｅが示され、図３では、前後左右の断熱壁１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び１１ｄが示されている。図示しないが前後左右の側面及び上下面を構成する断熱壁の外周全体を覆う、例えば金属板製のカバーでハウジングを構成してもよい。前断熱壁１１ｄ及び／又は後断熱壁１１ｂは着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁及び／又は後断熱壁を離脱若しくは開動することによって発電・燃焼室３６内にアクセスすることができ、内部構成部品を点検、交換等することができる。

発電・燃焼室３６は、ハウジング１０内の中央部に形成されている。発電・燃焼室３６の周囲は左右前後上下の断熱壁１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ及び１３ｆで囲まれている。上断熱壁１３ｆと上断熱壁１１ｆとの間には酸素含有ガス室３３が形成されている。

図示の例では各断熱壁１３ａ等と各断熱壁１１ａ等との間には、４個の熱交換器１２ａ、１２ｂ、１２ｃ及び１２ｄがそれぞれ配置されている。これらの熱交換器は各々同じ構成であるので左側の熱交換器１２ａについて説明する。熱交換器１２ａは、全体的に平板状の中空筐体を具備する。図２に示すように中空筐体の内部は、縦割りに区切る隔壁により外側の低温ガス流路１２ａ１と内側の高温ガス流路１２ａ２に区画されている。図示していないが各区画内には、複数の仕切り壁を設けることにより所定の流動距離をもつガス流路がそれぞれ形成されている（例えば、特許文献１に記載のジグザグ形状の流路）。

熱交換器１２ａの低温ガス流路１２ａ１の下端に設けられた流入口１２ａ３には、酸素含有ガス供給管３１ａが接続されている。従って、酸素含有ガス供給管３１ａから供給される低温の酸素含有ガスは、熱交換機１２ａの低温ガス流路１２ａ１を流動する。酸素含有ガスは例えば空気である。一方、発電・燃焼室３６から排出される高温の燃焼ガスは、熱交換機１２ａの高温ガス流路１２ａ２を流動する。これらのガスが流動する間に熱交換が行われることにより、酸素含有ガスが予熱される。これにより燃焼ガスからの排熱回収が行われる。尚、熱交換器１２ａの高温ガス流路１２ａ２の下側側面にも流出口１２ａ４が形成され、ハウジング１０外へ開口する排気管５２ａと接続されている。

ここで、熱交換機１２ａの低温ガス流路１２ａ１の流出口３２ａから高温ガス流路１２ａ２の流入口５１ａまでの間のガスの流れについてさらに詳細に説明する。熱交換器１２の低温ガス流路１２ａ１の上端に設けられた流出口３２ａは、酸素含有ガス室３３へ開口している。酸素含有ガス室３３から発電・燃焼室３６へ酸素含有ガスを送り込むために、酸素含有ガス導入管３５ａが発電・燃焼室３６内へ下降して延びその下端にて開口している。図２の破線矢印は、酸素含有ガスの流れを概略的に示している。

発電・燃焼室３６内において隣り合う酸素含有ガス導入管３５ａ等の間には、発電反応を行うセルスタック４１ａ、４１ｂ、４１ｃ及び４１ｄが配置されている。各セルスタックは、上下方向に細長く延びる燃料電池セルを燃料ガスケース２４ａ等の長手方向（即ち前後方向）に複数個縦列配置して構成されている。セルスタック４１ａへは燃料ガスケース２４ａから燃料ガスが供給されるが、燃料ガスケース２４ａへの燃料ガスの供給手段については後述する。また、セルスタック４１ａの構成例については、後述する図８において説明する。

発電に使用されることなくセルスタック４１ａ等から上方に流動した燃料ガス及び酸素含有ガスは、発電・燃焼室３６内に配設されている点火手段（図示せず）によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック４１ａ等における発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室３６内は例えば７００〜１０００℃程度の高温になる。そして、発電・燃焼室３６の天井面近傍に開口する流入口５１ａを通して燃焼ガスが熱交換器１２ａの高温ガス流路１２ａ２へ流入する。図２の実線矢印は、このときの燃焼ガスの流れを示している。

本発明の一実施例では、斯かる燃料電池組立体１をハウジング１０外に位置する架台２へ固定する固定手段として、ハウジング１０の下断熱壁１１ｅを貫通してハウジング１０外に延在する酸素含有ガス供給管３１ａ、３１ｂ、３１ｃ及び３１ｄを利用する。例えば、図２に示されている酸素含有ガス供給管３１ｂ、３１ｃの如く、その外周面上に雄ネジ３１ｂ１、３１ｃ１を切る。そして、架台２に設けた所定の取付孔に酸素含有ガス供給管３１ｂ、３１ｃをそれぞれ通してナット６２ｂ、６２ｃによりそれぞれ締結する。適宜ワッシャ等を用いてもよい。架台２へ固定する固定手段として、雄ネジ３１ｂ１、３１ｃ１及びナット６２ｂ、６２ｃの代わりに他の固定手段、例えば、ガス供給管３１ｂ、３１ｃの外周面にフランジを設け、該フランジを架台２へ固着してもよい。尚、架台２は、例えば、燃料電池組立体１の他に電力変換装置やガス供給装置等を１つのケース内に収容した燃料電池発電装置における、当該ケースの構造部材または当該ケースと接続された仕切り壁等である。

尚、図２に示すようにハウジング１０と架台２との間にナット６１ｂ、６１ｃをそれぞれ配置することにより、がたつきのない安定な固定を確保すると共にハウジング１０と架台２との間に所定の間隙を形成することが好適である。すなわち、ナット６１ｂ、６１ｃは、ハウジング１０と架台２との間に所定の間隙を確保するスペーサ部材の役割も果たす。この間隙は、燃料電池組立体１の周囲空間における空冷効果に寄与することができる。

酸素含有ガス供給管３１ａは、ハウジング１０内の熱交換器１２ａの低温ガス流路１２ａ１へ接続されているため、酸素含有ガスは熱交換器１２ａで予熱された後さらにハウジング１０の内部へと移送されていく。従って、酸素含有ガス供給管３１ａを介してハウジング１０内からハウジング１０外へ放出される熱量は極めて少量であり、燃料電池の発電効率に影響を及ぼさない。他の酸素ガス含有供給管３１ｂ、３１ｃ及び３１ｄについても同様である。

尚、図示の燃料電池組立体１は、４個の熱交換器を有しその各々に接続された４つの酸素含有ガス供給管３１ａ等を全て利用して架台２へ固定されているが、本発明による固定手段は、多様な構成の燃料電池組立体に適用可能であり、図示の構成に限定されない。従って、熱交換器及び酸素含有ガス供給管の数、配置、形状の異なる構成にも適用可能である。例えば、複数の酸素含有ガス供給管が設けられている場合であっても、必要な強度が確保される限り、少なくとも１つの酸素含有ガス供給管を架台へ固定すれば足りる。

次に、本発明におけるセルスタック及び燃料ガスケースの固定手段について説明する。図示の発電・燃焼室３６の下部に配置された４個のセルスタック４１ａ、４１ｂ、４１ｃ及び４１ｄは、燃料ガスケース２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び２４ｄの上面にそれぞれ装着されている。燃料ガスケース２４ａ等は、図２の紙面奥行き方向（すなわち前後方向）に細長い直方体形状であり、その前後の各端面から水平に突出する固定用フランジ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄをそれぞれ具備する。前端面の固定用フランジ２５ａ等は、１個の固定金具２６ａに適宜ボルト等により固定される。固定金具２６ａは、例えば、脚付き台形状（すなわち略Ω形状）に屈曲加工された帯状板からなる。固定金具２６ａの両脚の先端部分は、熱交換器１２ａ及び１２ｃの筐体下面とそれぞれ嵌合する形状に屈曲されており、適宜ボルト等により熱交換器１２ａ及び１２ｃの筐体にそれぞれ固定される。

燃料ガスケース２４ａ等の後端面の固定用フランジについても同様に固定金具２６ｂに固定され、固定金具２６ｂも同様に熱交換器１２ａ及び１２ｃの筐体に固定される。

上記構成においては、燃料ガスケース２４ａ等から固定金具２６ａ及び２６ｂを介して熱交換器１２ａ及び１２ｃの筐体へと熱伝導が生じる。この結果、発電・燃焼室３６からの放熱があるが、この熱は熱交換器１２ａ及び１２ｃにおいて低温の酸素含有ガスにより回収され、酸素含有ガス室３３を経て再び発電・燃焼室３６へと戻される。

このように本発明では、燃料ガスケース２４ａ等の固定手段が燃料電池組立体１のハウジング１０内に設けられており、ハウジング外へ露出していないため、発電時におけるハウジング外への放熱が避けられる。好適には、図示の例のように燃料ガスケース固定手段が熱交換器１２ａ等の筐体に固定されているため、発電・燃焼室３６からの放熱を熱交換器１２ａ等により回収することができる。そして、熱交換器１２ａに接続固定された酸素含有ガス供給管３１ａのハウジング外に露出した部分にナット６１ｂを螺着することにより、固定金具２６ａ、２６ｂがハウジング１０の内部底面に固定される。これにより、燃料ガスケース２４ａ並びにこれに装着されたセルスタック４１ａをハウジング内に確実に固定できる。

次に、図４Ａ及び図４Ｂにより、燃料電池組立体１を架台２へ固定する固定手段の別の実施例を説明する。図４Ａは、図３と同様の燃料電池組立体１の下面方向を観た横断面図であり、図４Ｂは図４ＡのＢ−Ｂ断面を部分的かつ概略的に示した図である。図４Ａ及び図４Ｂの説明に先立って、先ず、燃料電池組立体１へ設けた被改質ガス供給管２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄの構成について説明する。各被改質ガス供給管は同じ構成であるので、再び図１を参照して被改質ガス供給管２１ａについて説明する。図１を参照すると、セルスタック４１ａの上方には、前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）を好適とする改質ケース２２ａを具備している。図示しないが他のセルスタックについても同様の構成である。改質ケース２２ａの前面には被改質ガス供給管２１ａの一端即ち上端が接続されている。被改質ガス供給管２１ａはハウジング１０の下断熱壁１１ｅを貫通して外部に延在しており、ハウジング外から被改質ガスを供給する。改質ケース２２ａ内には被改質ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。そして、改質ケース２２ａの後端には燃料ガス移送管２３ａの一端すなわち上端が接続されている。図１では、燃料ガス移送管２３ａの全体は現れていないが、セルスタック４１ａの後方において下方に延びて燃料ガスケース２４ａの後端面に接続されている。

また燃料電池組立体１では、図２に示すように４個のセルスタックの上方に４個の改質ケースがそれぞれ配置されているが、図４Ａに示すように隣り合う改質ケースでは、被改質ガス供給管２１ａ等と燃料ガス移送管２３ａ等の前後端面への取り付け方が互い違いなっている。このような配置は一例であり、これに限定されない。また改質ケースがセルスタックの上方に配置された構成にも限定されない。被改質ガス供給管２１ａ等は、ハウジング１０外において被改質ガス供給源（図示せず）に接続されている。被改質ガスは、例えば都市ガス等の炭化水素ガスである。

図４Ａに示す実施例では、斯かる燃料電池組立体１を架台２へ固定する固定手段として、ハウジング１０の下断熱壁１１ｅを貫通してハウジング外に延在する被改質ガス供給管２１ａ、２１ｂ、２１ｃ及び２１ｄを利用する。例えば、図４Ｂに現れている被改質ガス供給管２１ｂ、２１ｄの如く、その外周面上に雄ネジ２１ｂ１、２１ｄ１を切る。そして、架台２に設けた所定の取付孔に被改質ガス供給管２１ｂ、２１ｄをそれぞれ通してナット６２ｎ、６２ｑにより締結する。適宜ワッシャ等を用いてもよい。

尚、ハウジング１０と架台２との間にナット６１ｎ、６１ｑを配置することにより、安定な固定を確保すると共にハウジング１０と架台２との間に所定の間隙を形成することが断熱効果のために好適である。

尚、図４Ａ及び図４Ｂに示した燃料電池組立体１は、４本の被改質ガス供給管２１ａ等を全て利用して架台２へ固定しているが、本発明による固定手段は、多様な構成の燃料電池組立体に適用可能であり、図示の構成に限定されない。従って、被改質ガス供給管の数、配置、形状の異なる構成にも適用可能である。例えば、複数の被改質ガス供給管が設けられている場合であっても、必要な強度が確保される限り、少なくとも１つの被改質ガス供給管を架台２へ固定すれば足りる。

さらに、図示の例では改質ケースが燃料電池組立体のハウジング内に設けられ、被改質ガスを供給して内部で燃料ガスに改質しているが、改質ケースを内部に設けずに直接燃料ガスをハウジング内へ供給する燃料電池組立体にも本発明による固定手段を適用可能である。その場合は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管がハウジングを貫通して設けられるため、この燃料ガス供給管を利用して同様に燃料電池組立体を架台に固定することができる。尚、図１〜図３の酸素含有ガス供給管による固定を併せて用いることもできる。

図５は、燃料電池組立体を架台２へ固定するために利用する酸素含有ガス供給管３１ａの別の実施例を示す図である。この実施例では、酸素含有ガス供給管３１ａに切った雄ネジ３１ａ１の上方において、外周面上から径方向に突出するフランジ３１ａ２を設けている。この酸素含有ガス供給管３１ａを用いてハウジング１０を架台２に固定すると、その間にフランジ３１ａ２の厚み分の間隙が形成される。加えて、フランジ３１ａ２は安定な固定も確保する。

図５に示した酸素含有ガス供給管３１ａにおけるフランジ３１ａ２は、当然であるが、被改質ガス供給管または燃料ガス供給管を固定手段として利用する場合にもこれらのガス供給管に対して同様に設けることができる。

図６(Ａ)〜(Ｆ)は、本発明における燃料電池組立体１の架台２への固定形態の種々の変形例を示した図である。本発明では、燃料電池組立体１のハウジング１０内へ所要のガスを導入するための少なくとも１つのガス供給管におけるハウジング外に延在する部分を架台２に固定する。これにより、運搬時の振動や衝撃に対して燃料電池組立体１を安定に支持する。加えて、燃料電池組立体１からの放熱を防止する。固定手段として利用するガス供給管の種類は、典型的には酸素ガス供給管３１ａ等、被改質ガス供給管２１ａ等、燃料ガス供給管またはこれらの組合せであり、その数、形状及び設置位置は限定されない。

図７は、燃料電池組立体を架台に取り付けない状態で輸送する場合の固定手段の実施例を示した概略的な縦断面図である。この場合にも、燃料電池セル、セルスタック及び燃料ガスケースがハウジング１０に対して確実に固定されなければならない。上述のガス供給管を用いた固定手段は、この場合にも有効に適用できる。

図７では、酸素含有ガス供給管３１ｂ、３１ｃを用いて固定を行っている。燃料電池組立体１の構成は、図１〜図３に示したものと同じである。燃料ガスケース固定手段である固定金具２６ａは、熱交換器１２ａ、１２ｃの筐体に固定されているため、発電・燃焼室３６からの放熱を熱交換器１２ａ、１２ｃにより回収することができる。そして、熱交換器１２ａ、１２ｃに接続固定された酸素含有ガス供給管３１ａ、３１ｃのハウジング外に露出した部分にナット６１ｂ、６１ｃを螺着することにより、固定金具２６ａがハウジング１０の内部底面に固定される。これにより、燃料ガスケース２４ａ並びにこれに装着されたセルスタック４１ａをハウジング内に確実に固定できる。このように、燃料ガスケース２４ａの固定手段は、燃料電池組立体１のハウジング１０内に設けられており、ハウジング外へ露出していないため、発電時におけるハウジング外への放熱が避けられる。

ここで、参考のために図８を参照して本発明の実施例におけるセルスタックの構成の一例を示す。図８は、セルスタック４１ａの横断面図である。各セル４２は電極支持基板４３、内側電極層である燃料極層４４、固体電解質層４５、外側電極層である酸素極層４６、及びインターコネクタ４７から構成されている。電極支持基板４２は上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板４２にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は４個）の燃料ガス通路４８が形成されている。電極支持基板４２の各々は、例えば燃料ガスケースの上面に設けたスリットに対応するように配置され、耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。このスリットを通して燃料ガスが燃料ガス通路４８へ送られる。

インターコネクタ４７は電極支持基板４２の片面上に配設されている。燃料極層４４は電極支持基板４２の他面及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ４７の両端に接合されている。固体電解質層４５は燃料極層４４の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ４７の両端に接合されている。酸素極層４６は、固体電解質層４５の主部上、即ち電極支持基板４２の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板４２を挟んでインターコネクタ４７に対向する位置にある。

セルスタック４１ａにおける隣接するセル４２間には集電部材４９が配設されており、一方のセル４２のインターコネクタ４７と他方のセル４２の酸素極層４６とを接続している。セルスタック４１ａの両端、即ち図８において上端及び下端に位置するセルの片面及び他面にも集電部材が配設されている。セルスタックの両端に位置する集電部材には電力取出手段（図示せず）が接続されており、かかる電力取出手段はハウジングを貫通してハウジング外に延在させられる。

水素リッチな燃料ガスが燃料ガスケース２４ａからセルスタック４１ａへ供給されると、次の発電反応が生じる。
セルスタックの各々においては、酸素極において、
Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極において、
Ｏ２⁻（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。

本発明による燃料電池組立体の一実施例を模式的かつ概略的に示した部分展開斜視図である。図１の燃料電池組立体全体の概略縦断面図である。図１の燃料電池組立体全体の概略横断面図である。本発明における燃料電池組立体の固定手段の別の実施例を示す横断面図である。図４ＡのＢ−Ｂ断面を部分的に示した図である。本発明における燃料電池組立体のガス供給管の別の実施例を示す図である。本発明における燃料電池組立体の架台への固定形態の変形例を示した図である。本発明の燃料電池組立体を架台に取り付けない状態で輸送する場合の固定手段の実施例を示した概略的な縦断面図である。本発明の燃料電池組立体におけるセルスタックの実施例の横断面図である。従来の燃料電池組立体の架台への固定手段を模式的かつ概略的に示した図である。

符号の説明

１燃料電池組立体
２架台
１０ハウジング
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ熱交換器
１２ａ１低温ガス流路
１２ａ２高温ガス流路
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ被改質ガス供給管
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ２４ｄ燃料ガスケース
２６ａ、２６ｂ燃料ガスケース固定金具
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ酸素含有ガス供給管
３１ａ２フランジ
４２燃料電池セル
６１ａ、６１ｂ、６１ｃ、６１ｍ、６１ｎ、６１ｐ、６１ｑガス供給管固定金具
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｍ、６１ｎ、６１ｐ、６１ｑガス供給管固定金具

Claims

閉じた断熱性の筐体であるハウジングと、前記ハウジング内に設けた燃料電池セルと、前記ハウジング外から前記ハウジング内へガスを導入するためのガス供給管とを有する燃料電池組立体と、前記ハウジング外に設けられ前記燃料電池組立体が固定される架台と、を備えた燃料電池発電装置において、
少なくとも１つの前記ガス供給管が、前記ハウジングにおける前記架台と対向する壁を貫通し、前記壁を貫通した前記ガス供給管における前記ハウジング外に延在する部分が前記架台に固定されることにより、前記燃料電池組立体が前記架台に固定されることを特徴とする燃料電池発電装置。
前記ハウジング内にて前記燃料電池セルを装着すると共に前記燃料電池セルへ供給する燃料ガスを収容する燃料ガスケースを有し、前記燃料ガスケースを固定する燃料ガスケース固定手段が前記ハウジング内に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
筐体を具備する熱交換器が前記ハウジング内に設置されており、前記燃料ガスケース固定手段が前記燃料ガスケースと前記熱交換器の前記筐体とを連結する固定手段を具備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。
前記ガス供給管が酸素含有ガス供給管であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
前記熱交換器が前記筐体内に配置された高温ガス流路及び低温ガス流路を具備し、前記酸素含有ガス供給管が前記熱交換器の前記低温ガス流路に接続されることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電装置。
前記ガス供給管の外周面上に設けた雄ネジと、前記雄ネジに対して締結されるナットとを用いて前記少なくとも１つのガス供給管が前記架台に固定され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。
ハウジングと、前記ハウジング内に設けた燃料電池セルと、前記ハウジング外から前記ハウジング内へガスを導入するためのガス供給管と、前記ハウジング内にて前記燃料電池セルを装着すると共に前記燃料電池セルへ供給する燃料ガスを収容する燃料ガスケースと、前記ハウジング内にて前記燃料ガスケースを固定する燃料ガスケース固定手段と、前記ハウジング内に設置された熱交換器とを有し、
前記燃料ガスケース固定手段が前記熱交換器に固定され、前記熱交換器にガス供給管が固定され、前記ガス供給管が前記ハウジングに固定されることにより、前記燃料ガスケース固定手段が前記ガス供給管を介して前記ハウジングに固定されていることを特徴とする燃料電池組立体。