JP6698200B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池装置に関するものである。

セルスタック装置は、燃料電池セル及びマニホールドを備えている。特許文献１に開示されたセルスタック装置では、マニホールドは、ガス供給室とガス回収室とを有している。ガス供給室には、燃料ガスが供給されるガス供給部が接続されている。ガス回収室には、マニホールドから燃料ガスを排出する排出部が接続されている。

特許第６０３０２６０号公報

上記特許文献１のセルスタック装置は、マニホールドに供給部と排出部との２つの配管が接続されている。供給部が燃料ガスを生成する改質器に接続され、排出部が燃料ガスを燃焼させる燃焼部に接続されるように組み立てる場合、例えば燃料ガス供給管及びオフガス供給管とマニホールドとの接続部分に応力が加えられる。この場合、接続部分が破損することがある。そこで、本発明の課題は、組立性を向上することができる燃料電池装置を提供することにある。

本発明のある側面に係る燃料電池装置は、燃料電池セルと、マニホールドと、燃料処理器と、燃料ガス供給管と、オフガス供給管と、支持部材と、を備えている。マニホールドは、ガス供給室及びガス回収室を有する。また、マニホールドは、燃料電池セルを支持する。燃料処理器は、ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する。燃料ガス供給管は、燃料処理器とマニホールドとを連結する。また、燃料ガス供給管は、燃料ガスをガス供給室に供給する。オフガス供給管は、燃料処理器とマニホールドとを連結する。また、オフガス供給管は、ガス回収室からのオフガスを燃料処理器に供給する。支持部材は、燃料ガス供給管及びオフガス供給管のそれぞれが固定されている。

この構成によれば、燃料ガス供給管及びオフガス供給管が固定された支持部材により、燃料ガス供給管及びオフガス供給管の距離を維持した状態で、燃料電池装置を組み立てることができる。このため、例えば、組み立て時に、燃料ガス供給管及びオフガス供給管とマニホールドとの接続部分などに応力が加わることを抑制できる。したがって、組立性を向上することができる。

好ましくは、支持部材は、第１フランジと、第１フランジに取り付けられる第２フランジと、を含む。燃料ガス供給管は、第１フランジとマニホールドとを連結する第１部分と、第２フランジと燃料処理器とを連結する第２部分と、を含む。オフガス供給管は、第１フランジとマニホールドとを連結する第１部分と、第２フランジと燃料処理器とを連結する第２部分と、を含む。

好ましくは、支持部材は、第１及び第２フランジを締結する締結部材をさらに含む。

好ましくは、支持部材は、マニホールドの底面と間隔を隔てて配置される。

好ましくは、燃料処理器は、マニホールドの底面と対向するように配置される。

好ましくは、燃料ガス供給管の第１部分及びオフガス供給管の第１部分の短い方の長さは、４ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。

好ましくは、マニホールドは、燃料ガス供給管及びオフガス供給管を支持するマニホールド部材を含む。支持部材を構成する材料の熱膨張係数は、マニホールド部材を構成する材料の熱膨張係数よりも大きい。

本発明によれば、組立性を向上することができる。

燃料電池装置の斜視図。 マニホールドの断面図。 マニホールドの上面図。 セルスタック装置の断面図。 燃料電池セルの斜視図。 燃料電池セルの断面図。 燃料電池装置の概略側面図。 燃料電池装置の概略正面図。 支持部材の平面図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。 変形例に係る燃料電池装置の概略図。

以下、本発明に係る燃料電池装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、燃料電池セルの一例として固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）を用いて説明する。図１は燃料電池装置を示す斜視図、図２はマニホールドの断面図である。なお、図１及び図２において、いくつかの燃料電池セルの記載を省略している。

図１に示すように、燃料電池装置１００は、マニホールド２と、複数の燃料電池セル１０と、燃料処理器７０と、支持部材８０と、燃料ガス供給管Ｐ１（図７参照）と、オフガス供給管Ｐ２（図７参照）と、を備えている。

［マニホールド］
図２に示すように、マニホールド２は、燃料電池セル１０にガスを供給するように構成されている。また、マニホールド２は、燃料電池セル１０から排出されたガスを回収するように構成されている。マニホールド２は、ガス供給室２１とガス回収室２２とを有している。ガス供給室２１には、燃料処理器７０から燃料ガスが供給される。ガス回収室２２は、各燃料電池セル１０にて使用された燃料ガスを回収する。

マニホールド２は、マニホールド本体部２３と、仕切板２４とを有している。マニホールド本体部２３は、内部に空間を有している。マニホールド本体部２３は、直方体状である。

図３に示すように、マニホールド本体部２３の天板部２３１には、複数の貫通孔２３２が形成されている。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の長さ方向（ｚ軸方向）に間隔をあけて並んでいる。各貫通孔２３２は、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。各貫通孔２３２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連通している。なお、各貫通孔２３２は、ガス供給室２１と連通する部分とガス回収室２２と連通する部分とに分かれていてもよい。

仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間をガス供給室２１とガス回収室２２とに仕切っている。詳細には、仕切板２４は、マニホールド本体部２３の略中央部において、マニホールド本体部２３の長さ方向に延びている。仕切板２４は、マニホールド本体部２３の空間を完全に仕切っている必要は無く、仕切板２４とマニホールド本体部２３との間に隙間が形成されていてもよい。

図２に示すように、ガス供給室２１の底面には、ガス供給口２１１が形成されている。また、ガス回収室２２の底面には、ガス排出口２２１が形成されている。ガス供給口２１１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第１端部２０１側に配置されている。一方、ガス排出口２２１は、例えば、燃料電池セル１０の配列方向（ｚ軸方向）において、マニホールド２の中心Ｃよりも第２端部２０２側に配置されている。

［燃料電池セル］
図４は、セルスタック装置の断面図を示している。なお、セルスタック装置は、複数の燃料電池セル１０とマニホールド２とから構成されている。図４に示すように、燃料電池セル１０は、マニホールド２から上方に延びている。燃料電池セル１０は、基端部１０１がマニホールド２に取り付けられている。すなわち、マニホールド２は、各燃料電池セル１０の基端部１０１を支持している。本実施形態では、燃料電池セル１０の基端部１０１は下端部を意味し、燃料電池セル１０の先端部１０２は上端部を意味する。

図１に示すように、各燃料電池セル１０は、主面同士が対向するように並べられている。また、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向（ｚ軸方向）に沿って間隔をあけて並べられている。すなわち、燃料電池セル１０の配列方向は、マニホールド２の長さ方向に沿っている。なお、各燃料電池セル１０は、マニホールド２の長さ方向に沿って等間隔に配置されていなくてもよい。

図４及び図５に示すように、燃料電池セル１０は、支持基板４と、複数の発電素子部５と、連通部材３と、を有している。各発電素子部５は、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。なお、第１主面４５に形成される発電素子部５の数と第２主面４６に形成される発電素子部５の数とは、互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、各発電素子部５の大きさは、互いに異なっていてもよい。

［支持基板］
支持基板４は、マニホールド２から上下方向に延びている。詳細には、支持基板４は、マニホールド２から上方に延びている。支持基板４は、扁平状であり、基端部４１と先端部４２とを有している。基端部４１及び先端部４２は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）における両端部である。本実施形態では、支持基板４の基端部４１は下端部を意味し、支持基板４の先端部４２は上端部を意味する。

支持基板４の基端部４１は、マニホールド２に取り付けられる。例えば、支持基板４の基端部４１は、接合材などによってマニホールド２の天板部２３１に取り付けられる。詳細には、支持基板４の基端部４１は、天板部２３１に形成された貫通孔２３４に挿入されている。なお、支持基板４の基端部４１は、貫通孔２３４に挿入されていなくてもよい。このように支持基板４の基端部４１がマニホールド２に取り付けられることによって、支持基板４の基端部４１は、ガス供給室２１及びガス回収室２２と連結している。

支持基板４は、複数の第１ガス流路４３と、複数の第２ガス流路４４とを有している。第１ガス流路４３は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第１ガス流路４３は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第１ガス流路４３は、支持基板４を貫通している。各第１ガス流路４３は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第１ガス流路４３は、等間隔に配置されていることが好ましい。支持基板４は、長さ方向（ｘ軸方向）よりも幅方向（ｙ軸方向）の寸法の方が長くてもよい。

第１ガス流路４３は、燃料電池セル１０の基端部１０１から先端部１０２に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第１ガス流路４３は、基端部１０１側において、ガス供給室２１と連通している。

第２ガス流路４４は、支持基板４内を上下方向に延びている。すなわち、第２ガス流路４４は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びている。第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３と実質的に平行に延びている。

第２ガス流路４４は、支持基板４を貫通している。各第２ガス流路４４は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）において互いに間隔をあけて配置されている。なお、各第２ガス流路４４は、等間隔に配置されていることが好ましい。

第２ガス流路４４は、燃料電池セル１０の先端部１０２から基端部１０１に向かって延びている。燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、第２ガス流路４４は、基端部１０１側において、マニホールド２のガス回収室２２と連通している。

隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第１ガス流路４３のピッチｐ１よりも大きい。また、隣り合う第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とのピッチｐ０は、隣り合う第２ガス流路４４のピッチｐ２よりも大きい。

第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、燃料電池セル１０の先端部１０２側において互いに連通している。詳細には、第１ガス流路４３と、第２ガス流路４４とが、連通部材３の連通流路３０を介して連通している。

本実施形態では、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４は、第１ガス流路４３内におけるガスの圧力損失が第２ガス流路４４内におけるガスの圧力損失よりも小さくなるように構成されている。図４では、例えば、各第１ガス流路４３の流路断面積は、各第２ガス流路４４の流路断面積よりも大きい。

図５に示すように、支持基板４は、第１主面４５と、第２主面４６とを有している。第１主面４５と第２主面４６とは、互いに反対を向いている。第１主面４５及び第２主面４６は、各発電素子部５を支持している。第１主面４５及び第２主面４６は、支持基板４の厚さ方向（ｚ軸方向）を向いている。また、支持基板４の各側面４７は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）を向いている。各側面４７は、湾曲していてもよい。図１に示すように、各支持基板４は、第１主面４５と第２主面４６とが対向するように配置されている。

図５に示すように、支持基板４は、発電素子部５を支持している。支持基板４は、電子伝導性を有さない多孔質の材料によって構成される。支持基板４は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成される。または、支持基板４は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板４の気孔率は、例えば、２０〜６０％程度である。この気孔率は、例えば、アルキメデス法、又は微構造観察により測定される。

支持基板４は、緻密層４８によって覆われている。緻密層４８は、第１ガス流路４３及び第２ガス流路４４から支持基板４内に拡散されたガスが外部に排出されることを抑制するように構成されている。本実施形態では、緻密層４８は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。なお、本実施形態では、緻密層４８は、後述する電解質７と、インターコネクタ９１とによって構成されている。緻密層４８は、支持基板４よりも緻密である。例えば、緻密層４８の気孔率は、０〜７％程度である。

［発電素子部］
複数の発電素子部５が、支持基板４の第１主面４５及び第２主面４６に支持されている。各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている。詳細には、各発電素子部５は、支持基板４上において、基端部４１から先端部４２に向かって互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、各発電素子部５は、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に沿って、間隔をあけて配置されている。なお、各発電素子部５は、後述する電気的接続部９によって、互いに直列に接続されている。

発電素子部５は、支持基板４の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。発電素子部５は、支持基板４の幅方向において第１部分５１と第２部分５２とに区画される。なお、第１部分５１と第２部分５２との厳密な境界はない。例えば、燃料電池セル１０をマニホールド２に取り付けた状態において、支持基板４の長さ方向視（ｘ軸方向視）において、ガス供給室２１とガス回収室２２との境界と重複する部分を、第１部分５１と第２部分５２との境界部とすることができる。

支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第１ガス流路４３は、発電素子部５の第１部分５１と重複している。また、支持基板４の厚さ方向視（ｚ軸方向視）において、第２ガス流路４４は、発電素子部５の第２部分５２と重複している。なお、複数の第１ガス流路４３のうち、一部の第１ガス流路４３が第１部分５１と重複していなくてもよい。同様に、複数の第２ガス流路４４のうち、一部の第２ガス流路４４が第２部分５２と重複していなくてもよい。

図６は、第１ガス流路４３に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図である。なお、第２ガス流路４４に沿って切断した燃料電池セル１０の断面図は、第２ガス流路４４の流路断面積が異なる以外は、図６と同じである。

発電素子部５は、燃料極６、電解質７、及び空気極８を有している。また、発電素子部５は、反応防止膜１１をさらに有している。燃料極６は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極６は、燃料極集電部６１と燃料極活性部６２とを有する。

燃料極集電部６１は、凹部４９内に配置されている。凹部４９は、支持基板４に形成されている。詳細には、燃料極集電部６１は、凹部４９内に充填されており、凹部４９と同様の外形を有する。各燃料極集電部６１は、第１凹部６１１及び第２凹部６１２を有している。燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に配置されている。詳細には、燃料極活性部６２は、第１凹部６１１内に充填されている。

燃料極集電部６１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極集電部６１は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ_２Ｏ_３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極集電部６１の厚さ、及び凹部４９の深さは、５０〜５００μｍ程度である。

燃料極活性部６２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、燃料極活性部６２は、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部６２の厚さは、５〜３０μｍである。

電解質７は、燃料極６上を覆うように配置されている。詳細には、電解質７は、一のインターコネクタ９１から他のインターコネクタ９１まで長さ方向に延びている。すなわち、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）において、電解質７とインターコネクタ９１とが交互に配置されている。また、電解質７は、支持基板４の第１主面４５、第２主面４６、及び各側面４７を覆っている。

電解質７は、支持基板４よりも緻密である。例えば、電解質７の気孔率は、０〜７％程度である。電解質７は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質７は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

反応防止膜１１は、緻密な材料から構成される焼成体である。反応防止膜１１は、平面視において、燃料極活性部６２と略同一の形状である。反応防止膜１１は、電解質７を介して、燃料極活性部６２と対応する位置に配置されている。反応防止膜１１は、電解質７内のＹＳＺと空気極８内のＳｒとが反応して電解質７と空気極８との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１１は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜１１の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度である。

空気極８は、反応防止膜１１上に配置されている。空気極８は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極８は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極８は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極８の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

［電気的接続部］
電気的接続部９は、隣り合う発電素子部５を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部９は、インターコネクタ９１及び空気極集電膜９２を有する。インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に配置されている。詳細には、インターコネクタ９１は、第２凹部６１２内に埋設（充填）されている。インターコネクタ９１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ９１は、支持基板４よりも緻密である。例えば、インターコネクタ９１の気孔率は、０〜７％程度である。インターコネクタ９１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ９１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜９２は、隣り合う発電素子部５のインターコネクタ９１と空気極８との間を延びるように配置される。例えば、図６の左側に配置された発電素子部５の空気極８と、図６の右側に配置された発電素子部５のインターコネクタ９１とを電気的に接続するように、空気極集電膜９２が配置されている。空気極集電膜９２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。

空気極集電膜９２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜９２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度である。

［連通部材］
図４に示すように、連通部材３は、支持基板４の先端部４２に取り付けられている。そして、連通部材３は、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とを連通させる連通流路３０を有している。詳細には、連通流路３０は、各第１ガス流路４３と各第２ガス流路４４とを連通する。連通流路３０は、各第１ガス流路４３から各第２ガス流路４４まで延びる空間によって構成されている。連通部材３は、支持基板４に接合されていることが好ましい。また、連通部材３は、支持基板４と一体的に形成されていることが好ましい。連通流路３０の数は、第１ガス流路４３の数よりも少ない。本実施形態では、一本の連通流路３０のみによって、複数の第１ガス流路４３と複数の第２ガス流路４４とが連通されている。

連通部材３は、例えば、多孔質である。また、連通部材３は、その外側面を構成する緻密層３１を有している。緻密層３１は、連通部材３の本体よりも緻密に形成されている。例えば、緻密層３１の気孔率は、０〜７％程度である。この緻密層３１は、連通部材３と同じ材料や、上述した電解質７に使用される材料、結晶化ガラス等によって形成することができる。

［燃料処理器］
図７及び図８に示すように、燃料処理器７０は、マニホールド２のガス供給室２１に供給される燃料ガスを生成する。例えば、燃料処理器７０は、改質器である。燃料処理器７０は、原料ガス（天然ガス、液化石油ガス、灯油など）を改質して燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。例えば、下記（１）式及び（２）式に示すように、都市ガスの主成分であるメタン（ＣＨ_４）及び水蒸気から、燃料ガス（水素含有ガス）を生成する。
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２ ・・・（１）
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ ・・・（２）

燃料処理器７０は、二重円筒式である。燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向（ｘ軸方向）に延びている。本実施形態では燃料電池セル１０及び燃料処理器７０は、上下方向に延びている。なお、燃料処理器７０は、長さ方向（ｘ軸方向）の寸法の方が、幅方向（ｙ軸方向）の寸法よりも長い。

燃料処理器７０は、改質部７１と燃焼部７２とを有している。燃料処理器７０の内側の円筒内が燃焼部７２を構成している。そして、燃料処理器７０の内側の円筒と外側の円筒との間の空間が改質部７１を構成している。

改質部７１内には触媒が収容されている。改質部７１は、原料ガス供給管Ｐ３および水蒸気供給管Ｐ４が連結されている。この原料ガス供給管Ｐ３を介して、改質部７１内に原料ガスが供給される。また、水蒸気供給管Ｐ４を介して、改質部７１内に水蒸気が供給される。この改質部７１内において、原料ガスを改質して燃料ガスを生成する。

燃焼部７２は、ガス回収室２２から排出されたオフガスを燃焼するように構成されている。詳細には、燃焼部７２は、バーナ７２１を有している。バーナ７２１には、オフガス供給管Ｐ２及び空気供給管Ｐ５が連結されている。オフガス供給管Ｐ２は、マニホールド２のガス回収室２２とバーナ７２１とを連結している。詳細には、オフガス供給管Ｐ２は、ガス排出口２２１と、バーナ７２１とを連結している。このオフガス供給管Ｐ２を介して、ガス回収室２２内のオフガスがガス回収室２２内から排出される。バーナ７２１は、オフガスに空気を混合させて燃焼させる。

燃料処理器７０は、マニホールド２の底面と対向するように配置されている。本実施形態では、燃料処理器７０は、マニホールド２の下方に配置されている。すなわち、マニホールド２から各燃料電池セル１０が上方に延びている場合は、燃料処理器７０はマニホールド２の下方に配置される。

燃料処理器７０は、第１排出部７３を有している。本実施形態において、第１排出部７３は、燃料処理器７０に形成された開口部である。第１排出部７３は、生成した燃料ガスをガス供給室２１へと排出する。

第１排出部７３は、燃料処理器７０のｘ軸方向上側の上端面に形成されている。第１排出部７３は、マニホールド２側に開口している。また、第１排出部７３は、燃料電池セル１０の先端面１０３よりもマニホールド２側に配置されている。本実施形態のように、燃料電池セル１０の先端部１０２が上端部であり、基端部１０１が下端部である場合、第１排出部７３は、燃料電池セル１０の先端面１０３よりも下方に配置されている。そして、第１排出部７３とマニホールド２との距離は、燃料電池セル１０の先端面１０３とマニホールド２との距離よりも短い。

燃料処理器７０は、第２排出部７４を有している。本実施形態では、第２排出部７４は、筒状の部材であるが、単なる開口であってもよい。第２排出部７４は、燃焼部７２からのガスを排出する。第２排出部７４は、水平面よりも下方を向いている。なお本実施形態では、第２排出部７４は、真下を向いているが、第２排出部７４の排出方向は、水平面よりも下方を向いていればよい。例えば、第２排出部７４の排出方向と水平面とのなす角度が３度以上とすることが好ましい。

［燃料ガス供給管］
燃料ガス供給管Ｐ１は、燃料処理器７０とマニホールド２とを連結する。詳細には、燃料処理器７０の上端面と、マニホールド２の底面とを連結する。燃料ガス供給管Ｐ１は、燃料処理器７０で生成された燃料ガスを、マニホールド２のガス供給室２１に供給する。

本実施形態の燃料ガス供給管Ｐ１は、燃料処理器７０の第１排出部７３と、ガス供給室２１とを連結する。燃料ガス供給管Ｐ１は、第１排出部７３とガス供給口２１１との間を直線的に延びている。

燃料ガス供給管Ｐ１は、１つの部材で構成されてもよく、複数の部材で構成されてもよい。後者の場合、燃料ガス供給管Ｐ１は、支持部材８０を境界として、支持部材８０の第１フランジ８１とガス供給室２１とを連結する第１部分Ｐ１１と、支持部材８０の第２フランジ８２と燃料処理器７０とを連結する第２部分Ｐ１２とを含む。

［オフガス供給管］
オフガス供給管Ｐ２は、燃料処理器７０とマニホールド２とを連結する。オフガス供給管Ｐ２は、マニホールド２のガス回収室２２からのオフガスを、燃料処理器７０に排出する。

本実施形態のオフガス供給管Ｐ２は、マニホールド２のガス回収室２２とバーナ７２１とを連結している。詳細には、オフガス供給管Ｐ２は、ガス排出口２２１と、バーナ７２１とを連結している。オフガス供給管Ｐ２は、ガス排出口２２１からバーナ７２１に向かうように折り曲げられている。

オフガス供給管Ｐ２は、１つの部材で構成されてもよく、複数の部材で構成されてもよい。後者の場合、オフガス供給管Ｐ２は、支持部材８０を境界として、支持部材８０の第１フランジ８１とガス回収室２２とを連結する第１部分Ｐ２１と、支持部材８０とバーナ７２１とを連結する第２部分Ｐ２２とを含む。

オフガス供給管Ｐ２は、燃料ガス供給管Ｐ１と、同じ方向に延びる部分を有している。本実施形態では、オフガス供給管Ｐ２は、燃料ガス供給管Ｐ１と同様に、支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に延びる部分を有している。

［支持部材］
図８に示すように、支持部材８０は、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２を固定する。支持部材８０と、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２とは、溶接によって固定されてもよく、接合材を用いて固定されてもよい。

支持部材８０は、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２を支持する。詳細には、支持部材８０は、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２を、間隔を隔てて支持している。支持部材８０により、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２は一定の間隔を保った状態で保持される。

支持部材８０は、燃料処理器７０と、マニホールド２との間に配置される。詳細には、燃料処理器７０のｘ軸方向上側の上端面と、マニホールド２の底面との間に配置される。

支持部材８０は、燃料電池セル１０が延びる方向と交差する方向（ｙ軸方向又はｚ軸方向）に延びる。詳細には、燃料電池セル１０が上下方向に延びる場合、支持部材８０は水平方向に延びる。支持部材８０のｘ軸方向上側の上端面と、マニホールド２の底面とは、平行である。支持部材８０のｘ軸方向下側の下端面と、燃料処理器７０の上端面とは、平行である。

支持部材８０は、マニホールド２の底面と間隔を隔てて配置される。つまり、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２は、支持部材８０とマニホールド２との間を延びる。燃料ガス供給管Ｐ１の第１部分Ｐ１１及びオフガス供給管Ｐ２の第１部分Ｐ２１のうち短い方の長さは、例えば４ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。この場合、組み立て性を向上できる効果が高く、かつ動作時に発生するマニホールド２の熱応力を緩和できる。

また、支持部材８０は、燃料処理器７０の上端面と間隔を隔てて配置される。つまり、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２は、支持部材８０と燃料処理器７０との間を延びる。燃料ガス供給管Ｐ１の第２部分Ｐ１２及びオフガス供給管Ｐ２の第２部分Ｐ２２のうち短い方の長さは、好ましくは４ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である。

なお、支持部材８０は、マニホールド２及び燃料処理器７０の少なくとも一方に直接取り付けられてもよい。なお、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２は、支持部材８０とマニホールド２との間、及び、支持部材８０と燃料処理器７０との間を延びることが好ましい。

支持部材８０は、第１フランジ８１と、第２フランジ８２と、締結部材８３とを含む。第２フランジ８２は、第１フランジ８１に取り付けられている。詳細には、第１フランジ８１及び第２フランジ８２は、ｘ軸方向に積層されている。

第１及び第２フランジ８１、８２は、板状である。第１及び第２フランジ８１、８２は、燃料電池セル１０が延びる方向と交差する方向に延びる。図９に示すように、第１フランジ８１及び第２フランジ８２のそれぞれは、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２を連通させる２つの貫通孔８４、８５を有している。第１フランジ８１及び第２フランジ８２は、剛体であり、例えばフェライト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼で構成される。

締結部材８３は、第１及び第２フランジ８１、８２を締結する。締結部材８３は、第１及び第２フランジ８１、８２の外周部に複数配置されている。締結部材８３は、例えば、ボルトなどである。締結部材８３は、第１及び第２フランジ８１、８２の積層方向（ｘ軸方向）と交差する方向に延びる。

なお、支持部材８０は、第１及び第２フランジ８１、８２間に配置されたシール材をさらに含んでもよい。シール材は、例えば、メタルガスケット、マイカシート、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、サーミキュライト等により構成される。また、支持部材８０は、１枚のフランジを含んでいてもよく、３枚以上のフランジを含んでいてもよい。

支持部材８０の厚みは、特に限定されないが、例えば、３ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。なお、支持部材８０の厚みとは、フランジの合計の厚みである。

［支持部材及びマニホールドのマニホールド部材の関係］
マニホールド２は、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２を支持するマニホールド部材を含む。マニホールド部材は、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２を直接支持してもよく、別の部材を介して間接的に支持してもよい。本実施形態では、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２はマニホールド２の底面に直接支持されている。このため、本実施形態のマニホールド部材は、マニホールド２の底面を構成する底壁である。

支持部材８０とマニホールド部材とは、対向している。支持部材８０及びマニホールド部材は、互いに平行に延びる。詳細には、支持部材８０及びマニホールド部材は、水平方向に延びる。また、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２は、同じ方向に延びる。詳細には、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２は、上下方向（ｘ軸方向）に延びる。

支持部材８０を構成する材料の熱膨張係数は、マニホールド部材を構成する材料の熱膨張係数よりも大きい。なお、熱膨張係数は、ＪＩＳ Ｚ ２２８５により測定される値である。また、支持部材８０が複数の材料で構成されている場合には、上記「支持部材８０を構成する材料の熱膨張係数」は、支持部材８０においてマニホールド２と対向する領域（本実施形態では第１フランジ８１）を構成する材料の熱膨張係数を指す。

支持部材８０の熱膨張係数がマニホールド部材の熱膨張係数よりも大きいと、動作時にマニホールド２が支持部材８０よりも高温になっても、支持部材８０とマニホールド部材との熱膨張による変形量の差を低減できる。これにより、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２の支持部材８０側及びマニホールド２側での変位の差を低減できる。したがって、マニホールド２に生じる応力を低減することができる。

マニホールド部材を構成する材料の熱膨張係数に対する支持部材２５を構成する材料の熱膨張係数の比（支持部材８０の熱膨張係数／マニホールド部材の熱膨張係数）は、例えば１．０５〜１．７０である。比（支持部材８０の熱膨張係数／マニホールド部材の熱膨張係数）が１．０５〜１．７０である場合、燃料電池セル１０とマニホールド２の天板部２３１とを接合する接合材にクラックが生じることを抑制できる。詳細には、起動及び停止時の昇降温では、マニホールド２において、天板部２３１側が高温になり、底面を構成する底壁部側が低温になる。このため、従来の天板部２３１は、上側に向けて湾曲するので、天板部２３１の湾曲が原因となり、天板部２３１と燃料電池セル１０を接合する接合材にクラックが発生するおそれがある。比（支持部材８０の熱膨張係数／マニホールド部材の熱膨張係数の熱膨張係数）が１．０５〜１．７０である場合、起動及び停止時に支持部材８０が適度に伸びることによって、天板部２３１と底壁との伸び量の差を抑制できる。したがって、天板部２３１の湾曲を抑制することができるので、起動及び停止時の接合材におけるクラックを抑制できる。

［発電方法］
上述したように構成された燃料電池装置１００では、燃料処理器７０によって生成された燃料ガスをマニホールド２のガス供給室２１に供給するとともに、燃料電池セル１０を空気などの酸素を含むガスに曝す。すると、空気極８において下記（３）式に示す化学反応が起こり、燃料極６において下記（４）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（３）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（４）

詳細には、ガス供給室２１に供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１０の第１ガス流路４３内を流れ、各発電素子部５の燃料極６において、上記（４）式に示す化学反応が起こる。各燃料極６において未反応であった燃料ガスは、第１ガス流路４３を出て連通部材３の連通流路３０を介して第２ガス流路４４へ供給される。そして、第２ガス流路４４へ供給された燃料ガスは、再度、燃料極６において上記（４）式に示す化学反応が起こる。第２ガス流路４４を流れる過程において燃料極６において未反応であった燃料ガスは、マニホールド２のガス回収室２２へ回収される。

［製造方法］
燃料ガス供給管Ｐ１の第１部分Ｐ１１及びオフガス供給管Ｐ２の第１部分Ｐ２１により、マニホールド２と、第１フランジ８１とを連結する。燃料ガス供給管Ｐ１の第２部分Ｐ１２及びオフガス供給管Ｐ２の第２部分Ｐ２２により、第２フランジ８２と燃料処理器７０とを連結する。次に、第１フランジ８１と第２フランジ８２とを突き合わせて、締結部材８３で第１及び第２フランジ８１、８２を締結する。これにより、第１フランジ８１と連結された上側の部品と第２フランジ８２と連結された下側の部品とを、一体化することができる。この工程において、支持部材８０により、燃料ガス供給管Ｐ１とオフガス供給管Ｐ２との距離を維持できる。すなわち、支持部材８０により、燃料ガス供給管Ｐ１とオフガス供給管Ｐ２とが互いに近づいたり遠ざかったり、異なる方向に変形することを防止できる。このため、燃料ガス供給管Ｐ１、オフガス供給管Ｐ２を介してマニホールド２などに荷重が直接加わることを防止できる。燃料電池装置１００の組み立て時に生じる応力を緩和できるので、破損を防止して組み立てることができる。

変形例１
上記実施形態では、支持部材８０は、水平方向に延びているが、これに限定されない。支持部材８０は、燃料電池セル１０が延びる方向と交差する方向（ｙ軸方向又はｚ軸方向）に延びていてもよい。また、支持部材８０の厚みは一定であってもよく、凹部及び凸部が形成されてもよい。

変形例２
上記実施形態では、支持部材８０は、複数のフランジを備えているが、これに限定されない。支持部材８０は、１つの部品から構成されてもよい。また、支持部材８０は、板状に限定されず、種々の形状が採用される。

支持部材８０が１つの部品から構成される場合、例えば、以下の工程によって製造する。燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２を支持部材の貫通孔にそれぞれ通して、溶接などにより固定する。次に、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２の上端部をマニホールド２に接続する。また、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２の下端部を燃料処理器７０に接続する。この工程において、支持部材８０により、燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２の距離を維持して、支持できる。このため、燃料ガス供給管Ｐ１、オフガス供給管Ｐ２、マニホールド２などに荷重が直接加わることを防止できるので、破損を防止して組み立てることができる。

変形例３
上記実施形態では、燃料処理器７０は、改質器によって構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料処理器７０は、改質器に加えて、ＣＯ変性器及びＣＯ浄化器などを有していてもよい。ＣＯ変性器は、改質器で発生した一酸化炭素および水から二酸化炭素及び水素を生成するように構成されている。また、ＣＯ浄化器は、改質器で発生した一酸化炭素に酸素を加えて、二酸化炭素へ変化させるように構成されている。

変形例４
上記実施形態では、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向に延びているが、これに限定されない。例えば、図１０に示すように、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０が延びる方向と交差する方向（ｙ軸方向又はｚ軸方向）に延びていてもよい。詳細には、燃料電池セル１０が上下方向に延びる場合、燃料処理器７０は水平方向に延びていてもよい。図１０に示す燃料ガス供給管Ｐ１及びオフガス供給管Ｐ２は、燃料処理器７０の側端面に連結されている。

変形例５
上記実施形態では、燃料処理器７０は、マニホールド２の底面と対向するように配置されているが、燃料処理器７０の配置はこれに限定されない。例えば、図１１に示すように、燃料処理器７０は、燃料電池セル１０の側面および主面の少なくとも一方と対向するように配置されていてもよい。このとき、燃料処理器７０の一部が燃料電池セル１０の先端面１０３よりも上方に配置されていてもよい。

図１１の支持部材８０は、マニホールド２と燃料処理器７０との間に配置されている。詳細には、支持部材８０は、マニホールド２の側面と、燃料処理器７０の下端面との間に配置されている。

変形例６
上記実施形態では、支持部材８０は、燃料電池セル１０が延びる方向と交差する方向に延びるが、これに限定されない。例えば、図１１に示すように、支持部材８０は、燃料電池セル１０が延びる方向に延びてもよい。詳細には、燃料電池セル１０が上下方向に延びる場合、支持部材８０は上下方向に延びている。また、燃料電池装置は、複数の支持部材を備えていてもよい。例えば、上下方向に延びる支持部材と、水平方向に延びる支持部材とを備えていてもよい。

変形例７
上記実施形態では、マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）において、燃料処理器７０の中心軸がマニホールド２の仕切板２４と実質的に一致するように配置されているが、これに限定されない。マニホールド本体部２３の幅方向（ｙ軸方向）において、燃料処理器７０の中心軸がガス供給室２１側に寄っていてもよいし、ガス回収室２２側に寄っていてもよい。

変形例８
上記実施形態のマニホールド２は、ガス供給室２１及びガス回収室２２を有しているが、これに限定されない。例えば、マニホールドは、複数のマニホールド部を有していてもよい。この場合、第１マニホールド部がガス供給室を有し、第２マニホールド部がガス回収室を有する。また、上記実施形態のマニホールド２は、燃料電池セル１０の基端部を支持しているが、これに限定されない。このため、本発明は、いわゆる平板型の燃料電池にも適用可能である。

変形例９
上記実施形態では、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とは、連通部材３が有する連通流路３０によって連通されていたが、この構成に限定されない。例えば、図１２に示すように、支持基板４が、内部に連通流路３０を有していてもよい。この場合、燃料電池装置１００は、連通部材３を備えていなくてもよい。この支持基板４内に形成された連通流路３０によって、第１ガス流路４３と第２ガス流路４４とが連通されている。

変形例１０
図１３に示すように、支持基板４は、第１支持基板４ａと第２支持基板４ｂとに分かれていてもよい。この場合、第１支持基板４ａに第１ガス流路４３が形成され、第２支持基板４ｂに第２ガス流路４４が形成される。

変形例１１
上記実施形態では、支持基板４は、複数の第１ガス流路４３を有しているが、１つの第１ガス流路４３のみを有していてもよい。同様に、支持基板４は、複数の第２ガス流路４４を有しているが、１つの第２ガス流路４４のみを有していてもよい。

変形例１２
上記実施形態では、燃料電池セル１０はマニホールド２から上方に延びるように構成されているが、これに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、マニホールド２から下方に延びていてもよい。この場合、燃料処理器７０は、例えばマニホールド２の上方に配置される。また、マニホールド２の底面は上方を向いている。

変形例１３
上記実施形態のマニホールド２では、１つのマニホールド本体部２３を仕切板２４で仕切ることによって、ガス供給室２１とガス回収室２２とを画定しているが、マニホールド２の構成はこれに限定されない。例えば、２つのマニホールド本体部２３によってマニホールド２を構成することもできる。この場合、１つのマニホールド本体部２３がガス供給室２１を有し、別のマニホールド本体部２３がガス回収室２２を有している。

変形例１４
上記実施形態の燃料電池セル１０は、各発電素子部５が支持基板４の長さ方向（ｘ軸方向）に配列されている、いわゆる横縞型の燃料電池セルであるが、燃料電池セル１０の構成はこれに限定されない。例えば、燃料電池セル１０は、支持基板４の第１主面４５に１つの発電素子部５が支持された、いわゆる縦縞型の燃料電池セルであってもよい。この場合、支持基板４の第２主面４６に一つの発電素子部５が支持されていてもよいし、支持されていなくてもよい。

２ マニホールド
２１ ガス供給室
２２ ガス回収室
１０ 燃料電池セル
７０ 燃料処理器
８０ 支持部材
Ｐ１ 燃料ガス供給管
Ｐ２ オフガス供給管

Claims (7)

1. 燃料電池セルと、
   ガス供給室及びガス回収室を有し、前記燃料電池セルを支持するマニホールドと、
   前記ガス供給室に供給される燃料ガスを生成する燃料処理器と、
   前記燃料処理器と前記マニホールドとを連結し、前記燃料ガスを前記ガス供給室に供給する燃料ガス供給管と、
   前記燃料処理器と前記マニホールドとを連結し、前記ガス回収室からのオフガスを前記燃料処理器に供給するオフガス供給管と、
   前記燃料ガス供給管及び前記オフガス供給管のそれぞれが固定された支持部材と、
   を備え、
   前記燃料処理器は、互いに一体的に形成される改質部と燃焼部とを有し、
   前記燃料ガス供給管は、前記改質部に連結され、
   前記オフガス供給管は、前記燃焼部に連結される、
   燃料電池装置。
   
2. 前記支持部材は、第１フランジと、前記第１フランジに取り付けられる第２フランジと、を含み、
   前記燃料ガス供給管は、
   前記第１フランジと前記マニホールドとを連結する第１部分と、
   前記第２フランジと前記燃料処理器とを連結する第２部分と、
   を含み、
   前記オフガス供給管は、
   前記第１フランジと前記マニホールドとを連結する第１部分と、
   前記第２フランジと前記燃料処理器とを連結する第２部分と、
   を含む、
   請求項１に記載の燃料電池装置。
   
3. 前記支持部材は、前記第１及び第２フランジを締結する締結部材をさらに含む、
   請求項２に記載の燃料電池装置。
   
4. 前記第１フランジは、前記マニホールドの底面と間隔を隔てて配置される、
   請求項２または３のいずれかに記載の燃料電池装置。
   
5. 前記燃料処理器は、前記マニホールドの底面と対向するように配置される、
   請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池装置。
   
6. 前記燃料ガス供給管の第１部分及び前記オフガス供給管の第１部分の短い方の長さは、４ｍｍ以上１５０ｍｍ以下である、
   請求項５に記載の燃料電池装置。
   
7. 前記マニホールドは、前記燃料ガス供給管及び前記オフガス供給管を支持するマニホールド部材を含み、
   前記支持部材を構成する材料の熱膨張係数は、前記マニホールド部材を構成する材料の熱膨張係数よりも大きく、
   前記マニホールド部材は、前記マニホールドの天板部とは反対の面に配置され、
   前記支持部材は、前記マニホールド部材と対向する面に配置され、
   前記燃料ガス供給管と前記オフガス供給管とは、前記マニホールド部材から前記支持部材までの間で交差することなく、
   前記燃料ガス供給管は、前記マニホールド部材と前記支持部材とを連結し、かつ、前記支持部材と前記燃料処理器とを連結し、
   前記オフガス供給管は、前記マニホールド部材と前記支持部材とを連結し、かつ、前記支持部材と前記燃料処理器とを連結する、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
   

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