固体酸化物形燃料電池装置
【課題】厚さ方向の寸法を小さくしても、容器の破損を有効に防止することができ、耐久性に優れ且つ設置スペースを一層削減することが可能な固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）装置を提供する。
【解決手段】ＳＯＦＣ装置１の燃料電池モジュール２は、略直方体形状に構成された燃料電池セル集合体が収容されるケーシング５６を備えている。そのケーシング５６は、燃料電池セル集合体の長辺側面に対向する一対の長辺側壁５６１，５６１と、燃料電池セル集合体の短辺側面に対向する一対の短辺側壁５６２，５６２から構成される胴部５６０を有している。長辺側壁５６１の端部面５６１ｓは、短辺側壁５６２の面５６２ｓに対向して配置されており、その状態で先端部５６Ｔにおいて溶接等によって接合されている。
【解決手段】ＳＯＦＣ装置１の燃料電池モジュール２は、略直方体形状に構成された燃料電池セル集合体が収容されるケーシング５６を備えている。そのケーシング５６は、燃料電池セル集合体の長辺側面に対向する一対の長辺側壁５６１，５６１と、燃料電池セル集合体の短辺側面に対向する一対の短辺側壁５６２，５６２から構成される胴部５６０を有している。長辺側壁５６１の端部面５６１ｓは、短辺側壁５６２の面５６２ｓに対向して配置されており、その状態で先端部５６Ｔにおいて溶接等によって接合されている。
【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とにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」ともいう）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。
【０００３】
具体的には、ＳＯＦＣは、一般に、内側電極層である燃料極層と外側電極層である空気極層との間に固体電解質層が挟持されてなる管状の燃料電池セルを複数有する燃料電池セル集合体（燃料電池セルスタック）を備えており、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが、その燃料電池セルの一端側から他端側へと流れることによって作動する。ＳＯＦＣの外部からは、原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、それが燃料電池セル集合体へ供給されるように構成されている。
【０００４】
また、ＳＯＦＣは、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質（Partial Oxidation Reforming：ＰＯＸ）反応工程、オートサーマル改質（Auto Thermal Reforming：ＡＴＲ）反応工程、及び、水蒸気改質（Steam Reforming：ＳＲ）反応工程を経て、発電工程へ移行するように構成されている。ＳＯＦＣでは、これらの工程を順に実行することにより、改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。
【０００５】
かかるＳＯＦＣは、種々の用途に供され、家屋や店舗といった建屋等の建築物に設置される場合、その建築物の外部（例えば、建築物の外壁の近傍）に載置されることが多い。このとき、その外壁面からの突出量を極力抑えて必要な設置スペースを削減することにより、ＳＯＦＣを建家間の狭小なエリア等にも設置可能にするには、ＳＯＦＣの厚さ方向の寸法を可能な限り小さくすることが望ましい。そのため、かかる用途に供されるＳＯＦＣは、通常、燃料電池セル集合体の外形が略直方体形状になるように形成され、且つ、その燃料電池セル集合体を極力コンパクトに収容可能な同じく略直方体形状を有する容器（ケーシング）を備え、一般に、その長辺側壁が建築物の外壁面に沿うように配置される傾向にある。例えば、特許文献１には、そのような直方体形状をなすＳＯＦＣの一例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０-１４０７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記特許文献１には、ＳＯＦＣの容器の詳細な構成について言及がされていないものの、例えば直方体形状の金属製容器であれば、平板状の長辺部材と平板状の短辺部材を溶接等で接合することによって角筒状の胴部を形成することができる。
【０００８】
ここで、上述の如く、燃料電池セル集合体を極力コンパクトに収容できるように構成すると、容器の内容積が小さくなり、その結果、ＳＯＦＣの発電反応によって生じた熱が、燃料電池セル集合体から容器の外部に輻射や伝導によって放散され難くなる。こうなると、コンパクトで内容積が小さい容器は、内容積が比較的大きい容器に比して、より高温に加熱されて変形（膨張）し易くなる。具体的には、ＳＯＦＣの燃料電池セルは、通常、発電時に５００℃〜７００℃程度の高温に昇温されるため、上述した構成の胴部を有する容器では、長辺部材からなる長辺側壁の膨張量が短辺部材からなる短辺側壁の膨張量よりも顕著に大きくなるので、それらの溶接部分に熱膨張に起因する変形による応力や荷重が過度に集中してしまい、その部位が破損し易くなってしまう。かかる事象は、燃料電池セル集合体と容器の長辺側壁との間の間隔をより狭めて厚さ方向の寸法をより小さく形成したＳＯＦＣにおいて、特に顕著となり得る。
【０００９】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、厚さ方向の寸法を小さくしても、容器の破損及び破断を有効に防止することができ、これにより、耐久性に優れ且つ設置スペースを一層削減することが可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行うものであって、燃料ガスが供給される燃料極層、酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、それらの燃料極層と空気極層との間に設けられた固体電解質層を有する複数の燃料電池セルが、略直方体形状に連設され且つ電気的に接続されてなる燃料電池セル集合体と、そのように略直方体形状に構成された燃料電池セル集合体が収容され、且つ、燃料電池セル集合体において画定される一対の長辺側面に対向する一対の長辺側壁、及び、燃料電池セル集合体において画定される一対の短辺側面に対向する一対の短辺側壁を含む胴部を有する容器を備えており、一対の長辺側壁の端部面が、一対の短辺側壁において互いに対面する部位（一対の短辺側壁において容器の内部側を向いて対向している面部）に対向して配置され、その部位の少なくとも一部において、一対の長辺側壁と一対の短辺側壁が接合されている。
【００１１】
このように構成されたＳＯＦＣにおいては、外形が略直方体形状をなす燃料電池セル集合体が、長辺側壁と短辺側壁を有する胴部を備える容器内に収容される。そして、容器の胴部のそれらの長辺側壁及び短辺側壁は、それぞれ、燃料電池セル集合体の長辺側面及び短辺側面に相対しており、容器の全体形状も略直方体形状とされるので、容器胴部の短辺側壁の寸法を極力小さくすることにより、ＳＯＦＣの厚さ方向の寸法を可能な限り小さくすることができる。
【００１２】
このとき、長辺側壁の端部面は、一対の短辺側壁において互いに対面する部位（対向面部）に対向して配置され、且つ、その状態でその部位の少なくとも一部において、一対の長辺側壁と一対の短辺側壁が例えば溶接等によって接合固定されている。よって、上述の如く高温に加熱されたときの膨張量が比較的大きくなる長辺側壁が熱変形したとしても、その端部面が短辺側壁に面状に強く当接するので、長辺側壁の膨張が規制されつつ、長辺側壁と短辺側壁との接合部位を破断又は破損せしめるような応力（例えば剪断力）がその部位に作用することを抑止することができる。
【００１３】
また、長辺側壁の端部面が、容器の外方に向かって屈曲形成されていても好適である。この場合、長辺側壁において外方に屈曲した部分の外側の面が、長辺側壁の端部面となり、残余の長尺部分が、実質的に側壁として機能し得る。具体的には、長辺側壁が例えば平板矩形部材から形成される場合、その両端部をＬ字状に折り曲げることにより、その折り曲げられた部分の外側（外方を向く側）の面が端部面となり、かかる構造を有する長辺側壁を短辺側壁によって挟持するようにして容器の胴部が構成される。
【００１４】
このように構成すれば、長辺側壁において端部面を除く部分が燃料電池セル集合体の長辺側面に対向するので、長辺側壁が高温に加熱された場合、その端部面を除く部分が実質的に熱膨張して伸長するように変形する。このとき、長辺側壁において屈曲形成された端部面とそれに対向する短辺側壁の面との少なくとも一部において両側壁が接合されているので、その接合部を固定支点として、且つ、その屈曲部を自由支点として、長辺側壁に変形力が作用する。そうすると、長辺側壁には、それらの支点を中心として、そのときの変形モーメントに応じた反力（弾性モーメント）が反作用するので、その分、接合部に印加される応力や荷重（例えばスラスト荷重による剪断応力）が軽減され、その結果、接合部ひいては容器の破断や破損をより一層防止することができる。
【００１５】
さらに、長辺側壁が、長辺側壁の端部面の好ましくは先端部、更に好ましくはより先端において、短辺側壁に例えば溶接等によって接合されていても好適である。
【００１６】
こうすれば、接合部から長辺側壁における任意の部位までの距離が最長化されるので、上述した長辺側壁の変形モーメントが最も大きくなり、その結果、接合部に作用する変形モーメントに応じた反力（弾性モーメント）も最大化されるので、接合部に印加される応力が更に軽減され、接合部の破断や破損を更に一層防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＳＯＦＣの容器胴部における一対の長辺側壁の端部面が、一対の短辺側壁において内方を向いて対面している部位に対向して配置され、その部位の少なくとも一部において、長辺側壁と短辺側壁が接合されており、これにより、長辺側壁が燃料電池セルの発電で生じた熱により加熱されて膨張しても、その長辺側壁の端部面が短辺側壁に強く当接することにより、長辺側壁と短辺側壁との接合部位が破損又は破断してしまうことを抑止することができる。その結果、ＳＯＦＣ全体の厚さ方向の寸法をより小さくして設置スペースを削減することができるとともに、容器の耐久性を向上させることができるので、ＳＯＦＣ装置としての汎用性及び製品信頼性を格段に高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の好適な一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に示す燃料電池モジュール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】図１に示す燃料電池モジュールをその中央近傍において図１のＢ方向から見た断面図である。
【図４】図１に示す燃料電池モジュールからケーシングの一部（外板）を取り外した状態を示す斜視図である。
【図５】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６】図３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７】図１に示す燃料電池モジュールの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図８】図１に示す燃料電池モジュールの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１〜図４に示すＩＸ−ＩＸ線における水平断面図である。
【図１０】図９において一点鎖線で囲んだ部位及びその周辺を示す一部拡大断面図であり、容器が加熱されていない状態を示す。
【図１１】図９において一点鎖線で囲んだ部位Ｄ及びその周辺を示す一部拡大断面図であり、容器が加熱されている状態の一例を示す。
【図１２】比較例の構成を示す一部拡大断面図（図９に対応する断面図）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。また、寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００２０】
図１は、本発明の好適な一実施形態におけるＳＯＦＣ装置の外観を概略的に示す斜視図である。燃料電池モジュール２は、本発明によるＳＯＦＣ装置１の一部を構成するものである。ＳＯＦＣ装置１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】
なお、図１においては、３次元軸座標として、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を定義する。すなわち、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向とし、そのｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定め、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軸方向とする。また、図２以降において図中に記載されている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。またさらに、ｚ軸における原点から負方向に延びる方向をＡ方向とし、ｘ軸における原点から正方向に延びる方向をＢ方向とする。
【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（容器）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には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが接続されている。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とが接続されている。
【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。また、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。さらに、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空気を供給する管路である。また、燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスが燃焼して生じる燃焼ガスを排出する管路である。
【００２４】
続いて、図２〜図６を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部構成について説明する。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り、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１のＢ方向から見た断面図である。また、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（外板）を取り外した状態を示す斜視図である。さらに、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り、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。
【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によって全体が覆われるように、その内部に収容されている。また、図５に示す如く、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりもＡ方向の方が長い略直方体形状をなしており、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８側の下面、図２のＡ方向に沿って延びる長辺側面（後述）と、図２のＢ方向に沿って延びる短辺側面（後述）とが画定されている。
【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（図に明示せず）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ともに、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に連結されており、より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図示右側の端部に繋がれている。また、改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に画成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。これにより、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、及び、改質反応を生起させるための改質器として機能する。さらに、改質器２０の下流端（図３における図示左側の端部）には、燃料供給管６６の上端が接続されており、その燃料供給管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（図２参照）。
【００２８】
一方、図３及び図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の略真下に設けられている。この燃料ガスタンク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内に長手方向に沿って均一に供給されるようになっている。また、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。
【００２９】
さらに、図２〜図６を参照しながら、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機構について説明する。図５及び図６に示すように、改質器２０の上方には、熱交換器２２が設けられている。この熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０が設けられており、その燃焼ガス配管７０の周囲には、発電用空気流路７２が画成されている。
【００３０】
熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端側）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。また、熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端側）には、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に連通されている。さらに、図２に示す如く、燃料電池モジュール２のケーシング５６における幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両外側には、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って、発電用空気供給路７７，７７が画成されている。
【００３１】
かかる構成により、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７２ａ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。また、発電用空気供給路７７及び燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置には、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送出する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、流上する（下方から上方へ流れる）ようになっている。
【００３２】
続いて、燃焼室１８において燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）の燃焼によって生成する燃焼ガスを排出するための機構について説明する。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、開口２１ａが設けられた整流板２１に至る。燃焼ガスは、この開口２１ａから熱交換器２２側へ導かれ、開口２１ａを通過した燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。上述したとおり、熱交換器２２内には、その燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられており、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、これにより、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００３３】
次に、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。同図に示す如く、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の図示上下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。
【００３４】
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を画成する円筒形の内側電極層９０（燃料極層）、円筒形の外側電極層９２（空気極層）、及び、内側電極層９０と外側電極層９２との間に配された電解質層９４を備えている。内側電極層９０は、燃料ガスが流通する燃料極であって（−）極として機能し、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であって（＋）極として機能する。
【００３５】
燃料電池セルユニット１６の上端側及び下端側に取り付けられた内側電極端子８６，８６は、同一構造を有するので、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６を例にとっ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。また、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が画成されている。
【００３６】
この内側電極層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。
【００３７】
また、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。
【００３８】
さらに、外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀等の少なくとも一種から形成される。
【００３９】
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。同図に示す如く、一つの燃料電池セルスタック１４は、例えば１６本の燃料電池セルユニット１６を備えており、複数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によって一体に支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、各燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴が形成されている。
【００４０】
また、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ためのものである。また、外部端子１０４は、各燃料電池セルスタック１４の端に位置する２つの燃料電池セルユニット１６，１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６に接続されており、さらに、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の上側端及び下側端の内側電極端子８６にも接続され、燃料電池セルユニット１６の全て（例えば上述した１６０本）が直列接続されるようになっている。このように、それぞれ複数の燃料電池セルユニット１６を有する複数の燃料電池セルスタック１４が連設され且つ電気的に接続されて、上述の如く略直方体形状をなす燃料電池セル集合体１２が構成されている。
【００４１】
さらに、図９〜図１１を参照して燃料電池セル集合体１２が収容されるケーシング５６の構造についてより詳細に説明する。図９は、図１〜図４に示すＩＸ−ＩＸ線における水平断面図である。また、図１０及び図１１は、ともに、図９において一点鎖線で囲んだ部位Ｄ及びその周辺を示す一部拡大断面図であり、図１０は、容器５６が加熱されていない状態を示し、図１１は、容器５６が加熱されている状態の一例を示す。さらに、図１２は、本発明の構成を備えていない比較例の構成を示す一部拡大断面図（図９に対応する断面図）である。
【００４２】
図９に示すように、略直方体形状をなすケーシング５６は、一対の長辺側壁５６１，５６１と一対の短辺側壁５６２，５６２によって構成された胴部５６０を有している。長辺側壁５６１，５６１は、略直方体形状に構成された燃料電池セル集合体１２において仮想的に画定される一対の長辺側面１２１，１２１（図示破線で示す）に対向して設けられている。また、短辺側壁５６２，５６２は、平板矩形状部材から形成されており、燃料電池セル集合体１２において仮想的に画定される一対の短辺側面１２２，１２２（図示二点鎖線で示す）に対向している。なお、図９においては、ケーシング５６を覆うように設けられる外装筐体３０も図示されている。
【００４３】
さらに、長辺側壁５６１，５６１は、平板矩形状部材の両端部がＬ字状に折り曲げられた形状を有しており、図１０に示す如く、その折り曲げられた部分の外側（外方を向く側）面、つまり、図示屈曲点Ｌから部材の先端までの部位における図示左面が端部面５６１ｓとされる。このように、長辺側壁５６１，５６１の各端部面５６１ｓは、ケーシング５６の外方（ケーシング５６の内部５０の外側領域）に向かって屈曲形成されている。
【００４４】
またさらに、長辺側壁５６１，５６１の各端部面５６１ｓは、短辺側壁５６２，５６２において互いに対面する部位、つまり、短辺側壁５６２，５６２においてケーシング５６の内部５０側を向いて対向している面５６２ｓ，５６２ｓの全面に対向して配置されており、その部位の少なくとも一部（図９〜図１１における部位Ｄ）、すなわち、胴部５６０の四隅における長辺側壁５６１の端部面５６１ｓの先端及び短辺側壁５６２の先端（まとめて先端部５６Ｔと記す）において、長辺側壁５６１，５６１と短辺側壁５６２，５６２が、例えば溶接等によって接合固定されている。このようにして、端部面５６１ｓを有する長辺側壁５６１，５６１が短辺側壁５６２，５６２によって挟持されることにより、ケーシング５６の胴部５６０が構成されている。
【００４５】
このように構成された燃料電池モジュール２を備えるＳＯＦＣ装置１によれば、発電によって燃料電池セル集合体１２が高温となり、長辺側壁５６１及び短辺側壁５６２は、その熱によって加熱され、それらの部材料の物性に依拠する（線）熱膨張係数に応じて膨張する。その際、長辺側壁５６１の方が、短辺側壁５６２よりも長尺であるため、膨張量が比較的大きくなり、図１０において矢印５６ｖで示す方向（図１〜図４において±ｚ軸方向）に伸長し易くなる。
【００４６】
このとき、ケーシング５６の長辺側壁５６１の端部面５６１ｓが、部位Ｄにおいて、短辺側壁５６２の面５６２ｓに対向して配置され、且つ、長辺側壁５６１及び短辺側壁５６２の先端部Ｔで溶接等により接合固定されているので、長辺側壁５６１が熱膨張によって伸長しようとすると、その端部面５６１ｓが短辺側壁５６２に面状に強く当接する（両者が圧接される）。これにより、長辺側壁５６１の膨張は、短辺側壁５６２に阻まれて規制され、しかも、長辺側壁５６１と短辺側壁５６２が先端部５６Ｔにおいて接合されているので、その先端部５６Ｔに、接合を破断又は破損せしめるような応力、すなわち、その接合を剪断しようとするようなスラスト方向（長辺側壁５６１の端部面５６１ｓ及び短辺側壁５６２の面５６２ｓに平行な方向）の加重が印加することを抑止することができる。つまり、ＳＯＦＣ装置１によれば、ケーシング５６の先端部５６Ｔが剪断されるようなストレスモードが生起されない。
【００４７】
したがって、長辺側壁５６１と短辺側壁５６２との接合部位である先端部５６Ｔにおいてケーシング５６が破損又は破断してしまうことを防止することができる。その結果、ケーシング５６の厚さ５６ｗ（図９参照）、ひいては燃料電池モジュール２の全体（実質的に外装筐体３０）の厚さ方向の寸法をより小さくして設置スペースを削減することができるとともに、そのようにケーシング５６の耐久性を向上させることができるので、ＳＯＦＣ装置としての汎用性及び製品信頼性を格段に高めることが可能となる。
【００４８】
また、長辺側壁５６１の端部面５６１ｓが、ケーシング５６の外方に向かってＬ字状に屈曲形成されており、長辺側壁５６１において端部面５６１ｓを除く部分が燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２１に対向するので、長辺側壁５６１が高温に曝された場合、その端部面５６１ｓを除く部分が実質的に熱膨張して伸長するように変形し得る。このとき、図１１に示す如く、長辺側壁５６１は、破線で示す状態（図１０に示す状態）から、接合部である先端部５６Ｔを固定支点として、且つ、屈曲点Ｌを自由支点として、ケーシング５６の外側に膨らむように変形する（長辺側壁５６１’）。
【００４９】
そうすると、それらの支点には、そのときに長辺側壁５６１に作用する変形力によって生起される変形モーメントに応じた反力（弾性モーメント）が反作用する。具体的には、屈曲点Ｌを中心として図示矢印で示す弾性モーメントＮ１が、また、先端部５６Ｔを中心として図示矢印で示す弾性モーメントＮ２が、長辺側壁５６１に作用するので、その分、接合部５６Ｔに印加される応力（スラスト荷重に起因する剪断応力）が更に軽減され、その結果、先端部５６Ｔにおいてケーシング６が破損又は破断してしまうことをより一層防止することができる。
【００５０】
なお、比較例として図１２に示す如く、平板状の長辺側壁４１と略平板状の短辺側壁４２が図示のとおり組み合わされて先端部４Ｔで接合されてなるケーシングの胴部４の場合、長辺側壁４１の先端の端面は、短辺側壁４１の面４１ｓに対向していないため、長辺側壁４１が熱膨張して矢印５６ｖで示す方向に伸長すると、接合部である先端部４Ｔにはスラスト荷重が直に作用し、その剪断力によって、先端部４Ｔの接合ひいては容器が破断又は破損し易い。
【００５１】
さらに、長辺側壁５６１と短辺側壁５６２が、長辺側壁５６１の端部面５６１ａ及び短辺側壁５６２の面５６２ｓの先端部５６Ｔで接合されているので、その接合部である先端部５６Ｔから長辺側壁５６１における任意の部位までの距離が最長化される。これにより、上述した長辺側壁５６１の変形モーメントが最も大きくなり、その結果、特に、先端部５６Ｔに作用する弾性モーメントＮ２も最大化されるので、先端部５６Ｔに印加される応力を更に軽減することができるので、先端部５６Ｔにおいてケーシング５６が破損又は破断してしまうことを更に一層抑止することが可能となる。
【００５２】
なお、上述したとおり、本発明は上記の実施の形態において説明した具体例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の技術的範囲に包含される。換言すれば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに制限されず適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の技術的範囲に包含される。
【００５３】
例えば、長辺側壁５６１の端部面５６１ｓは、Ｌ字状に屈曲されていなくてもよく、その場合、長辺側壁５６１の周縁（の端面）が、短辺側壁５６２の面５６１ｓに対向又は当接した状態で長辺側壁５６１及び短辺側壁５６２が接合されていてもよく、また、長辺側壁５６１の端部面５６１ｓが、その他の形状、例えばコの字状（Ｃ字状）に屈曲されていても構わない。また、接合部は先端部５６Ｔに制限されず、長辺側壁５６１の端部面５６１ｓと短辺側壁５６２の面５６２ｓが対向している部位であればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上説明したとおり、本発明のＳＯＦＣ装置によれば、厚さ方向の寸法をより小さくして設置スペースを削減することができるとともに、燃料電池モジュール集合体を収容する容器の破損及び破断を防止してその耐久性を向上させることができる。これにより、ＳＯＦＣ装置としての汎用性及び製品信頼性を格段に高めることが可能となるので、種々の用途に使用可能なＳＯＦＣ装置、特に、建家間等の狭小なエリア等に設置されるもの、それを備える機器、システム、及び設備等、並びに、それらの製造及び使用に、広く且つ有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）装置
２ 燃料電池モジュール
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 外装筐体
５０ ケーシング内部
５６ ケーシング
５６Ｔ 先端部
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
６８ａ 燃料ガスタンク上板
７０ 燃焼ガス配管
７２ 発電用空気流路
７２ａ 出口ポート
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
１２１ 長辺側面
１２２ 短辺側面
５６０ 胴部
５６１，５６１’ 長辺側壁
５６１ｓ 端部面
５６２ 短辺側壁
５６２ｓ 面
Ｎ１，Ｎ２ 弾性モーメント
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」ともいう）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。
【０００３】
具体的には、ＳＯＦＣは、一般に、内側電極層である燃料極層と外側電極層である空気極層との間に固体電解質層が挟持されてなる管状の燃料電池セルを複数有する燃料電池セル集合体（燃料電池セルスタック）を備えており、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等）とが、その燃料電池セルの一端側から他端側へと流れることによって作動する。ＳＯＦＣの外部からは、原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その被改質ガスを改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、それが燃料電池セル集合体へ供給されるように構成されている。
【０００４】
また、ＳＯＦＣは、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質（Partial Oxidation Reforming：ＰＯＸ）反応工程、オートサーマル改質（Auto Thermal Reforming：ＡＴＲ）反応工程、及び、水蒸気改質（Steam Reforming：ＳＲ）反応工程を経て、発電工程へ移行するように構成されている。ＳＯＦＣでは、これらの工程を順に実行することにより、改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。
【０００５】
かかるＳＯＦＣは、種々の用途に供され、家屋や店舗といった建屋等の建築物に設置される場合、その建築物の外部（例えば、建築物の外壁の近傍）に載置されることが多い。このとき、その外壁面からの突出量を極力抑えて必要な設置スペースを削減することにより、ＳＯＦＣを建家間の狭小なエリア等にも設置可能にするには、ＳＯＦＣの厚さ方向の寸法を可能な限り小さくすることが望ましい。そのため、かかる用途に供されるＳＯＦＣは、通常、燃料電池セル集合体の外形が略直方体形状になるように形成され、且つ、その燃料電池セル集合体を極力コンパクトに収容可能な同じく略直方体形状を有する容器（ケーシング）を備え、一般に、その長辺側壁が建築物の外壁面に沿うように配置される傾向にある。例えば、特許文献１には、そのような直方体形状をなすＳＯＦＣの一例が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０-１４０７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記特許文献１には、ＳＯＦＣの容器の詳細な構成について言及がされていないものの、例えば直方体形状の金属製容器であれば、平板状の長辺部材と平板状の短辺部材を溶接等で接合することによって角筒状の胴部を形成することができる。
【０００８】
ここで、上述の如く、燃料電池セル集合体を極力コンパクトに収容できるように構成すると、容器の内容積が小さくなり、その結果、ＳＯＦＣの発電反応によって生じた熱が、燃料電池セル集合体から容器の外部に輻射や伝導によって放散され難くなる。こうなると、コンパクトで内容積が小さい容器は、内容積が比較的大きい容器に比して、より高温に加熱されて変形（膨張）し易くなる。具体的には、ＳＯＦＣの燃料電池セルは、通常、発電時に５００℃〜７００℃程度の高温に昇温されるため、上述した構成の胴部を有する容器では、長辺部材からなる長辺側壁の膨張量が短辺部材からなる短辺側壁の膨張量よりも顕著に大きくなるので、それらの溶接部分に熱膨張に起因する変形による応力や荷重が過度に集中してしまい、その部位が破損し易くなってしまう。かかる事象は、燃料電池セル集合体と容器の長辺側壁との間の間隔をより狭めて厚さ方向の寸法をより小さく形成したＳＯＦＣにおいて、特に顕著となり得る。
【０００９】
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、厚さ方向の寸法を小さくしても、容器の破損及び破断を有効に防止することができ、これにより、耐久性に優れ且つ設置スペースを一層削減することが可能な固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）装置は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行うものであって、燃料ガスが供給される燃料極層、酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、それらの燃料極層と空気極層との間に設けられた固体電解質層を有する複数の燃料電池セルが、略直方体形状に連設され且つ電気的に接続されてなる燃料電池セル集合体と、そのように略直方体形状に構成された燃料電池セル集合体が収容され、且つ、燃料電池セル集合体において画定される一対の長辺側面に対向する一対の長辺側壁、及び、燃料電池セル集合体において画定される一対の短辺側面に対向する一対の短辺側壁を含む胴部を有する容器を備えており、一対の長辺側壁の端部面が、一対の短辺側壁において互いに対面する部位（一対の短辺側壁において容器の内部側を向いて対向している面部）に対向して配置され、その部位の少なくとも一部において、一対の長辺側壁と一対の短辺側壁が接合されている。
【００１１】
このように構成されたＳＯＦＣにおいては、外形が略直方体形状をなす燃料電池セル集合体が、長辺側壁と短辺側壁を有する胴部を備える容器内に収容される。そして、容器の胴部のそれらの長辺側壁及び短辺側壁は、それぞれ、燃料電池セル集合体の長辺側面及び短辺側面に相対しており、容器の全体形状も略直方体形状とされるので、容器胴部の短辺側壁の寸法を極力小さくすることにより、ＳＯＦＣの厚さ方向の寸法を可能な限り小さくすることができる。
【００１２】
このとき、長辺側壁の端部面は、一対の短辺側壁において互いに対面する部位（対向面部）に対向して配置され、且つ、その状態でその部位の少なくとも一部において、一対の長辺側壁と一対の短辺側壁が例えば溶接等によって接合固定されている。よって、上述の如く高温に加熱されたときの膨張量が比較的大きくなる長辺側壁が熱変形したとしても、その端部面が短辺側壁に面状に強く当接するので、長辺側壁の膨張が規制されつつ、長辺側壁と短辺側壁との接合部位を破断又は破損せしめるような応力（例えば剪断力）がその部位に作用することを抑止することができる。
【００１３】
また、長辺側壁の端部面が、容器の外方に向かって屈曲形成されていても好適である。この場合、長辺側壁において外方に屈曲した部分の外側の面が、長辺側壁の端部面となり、残余の長尺部分が、実質的に側壁として機能し得る。具体的には、長辺側壁が例えば平板矩形部材から形成される場合、その両端部をＬ字状に折り曲げることにより、その折り曲げられた部分の外側（外方を向く側）の面が端部面となり、かかる構造を有する長辺側壁を短辺側壁によって挟持するようにして容器の胴部が構成される。
【００１４】
このように構成すれば、長辺側壁において端部面を除く部分が燃料電池セル集合体の長辺側面に対向するので、長辺側壁が高温に加熱された場合、その端部面を除く部分が実質的に熱膨張して伸長するように変形する。このとき、長辺側壁において屈曲形成された端部面とそれに対向する短辺側壁の面との少なくとも一部において両側壁が接合されているので、その接合部を固定支点として、且つ、その屈曲部を自由支点として、長辺側壁に変形力が作用する。そうすると、長辺側壁には、それらの支点を中心として、そのときの変形モーメントに応じた反力（弾性モーメント）が反作用するので、その分、接合部に印加される応力や荷重（例えばスラスト荷重による剪断応力）が軽減され、その結果、接合部ひいては容器の破断や破損をより一層防止することができる。
【００１５】
さらに、長辺側壁が、長辺側壁の端部面の好ましくは先端部、更に好ましくはより先端において、短辺側壁に例えば溶接等によって接合されていても好適である。
【００１６】
こうすれば、接合部から長辺側壁における任意の部位までの距離が最長化されるので、上述した長辺側壁の変形モーメントが最も大きくなり、その結果、接合部に作用する変形モーメントに応じた反力（弾性モーメント）も最大化されるので、接合部に印加される応力が更に軽減され、接合部の破断や破損を更に一層防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＳＯＦＣの容器胴部における一対の長辺側壁の端部面が、一対の短辺側壁において内方を向いて対面している部位に対向して配置され、その部位の少なくとも一部において、長辺側壁と短辺側壁が接合されており、これにより、長辺側壁が燃料電池セルの発電で生じた熱により加熱されて膨張しても、その長辺側壁の端部面が短辺側壁に強く当接することにより、長辺側壁と短辺側壁との接合部位が破損又は破断してしまうことを抑止することができる。その結果、ＳＯＦＣ全体の厚さ方向の寸法をより小さくして設置スペースを削減することができるとともに、容器の耐久性を向上させることができるので、ＳＯＦＣ装置としての汎用性及び製品信頼性を格段に高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の好適な一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に示す燃料電池モジュール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】図１に示す燃料電池モジュールをその中央近傍において図１のＢ方向から見た断面図である。
【図４】図１に示す燃料電池モジュールからケーシングの一部（外板）を取り外した状態を示す斜視図である。
【図５】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６】図３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７】図１に示す燃料電池モジュールの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図８】図１に示す燃料電池モジュールの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１〜図４に示すＩＸ−ＩＸ線における水平断面図である。
【図１０】図９において一点鎖線で囲んだ部位及びその周辺を示す一部拡大断面図であり、容器が加熱されていない状態を示す。
【図１１】図９において一点鎖線で囲んだ部位Ｄ及びその周辺を示す一部拡大断面図であり、容器が加熱されている状態の一例を示す。
【図１２】比較例の構成を示す一部拡大断面図（図９に対応する断面図）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。また、寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
【００２０】
図１は、本発明の好適な一実施形態におけるＳＯＦＣ装置の外観を概略的に示す斜視図である。燃料電池モジュール２は、本発明によるＳＯＦＣ装置１の一部を構成するものである。ＳＯＦＣ装置１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】
なお、図１においては、３次元軸座標として、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を定義する。すなわち、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向とし、そのｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定め、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軸方向とする。また、図２以降において図中に記載されている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。またさらに、ｚ軸における原点から負方向に延びる方向をＡ方向とし、ｘ軸における原点から正方向に延びる方向をＢ方向とする。
【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（容器）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には、被改質ガス供給管６０と、水供給管６２とが接続されている。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とが接続されている。
【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。また、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。さらに、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空気を供給する管路である。また、燃焼ガス排出管８２は、発電反応後の燃料ガスが燃焼して生じる燃焼ガスを排出する管路である。
【００２４】
続いて、図２〜図６を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部構成について説明する。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り、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１のＢ方向から見た断面図である。また、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（外板）を取り外した状態を示す斜視図である。さらに、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り、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。
【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によって全体が覆われるように、その内部に収容されている。また、図５に示す如く、燃料電池セル集合体１２は、全体としてＢ方向よりもＡ方向の方が長い略直方体形状をなしており、改質器２０側の上面、燃料ガスタンク６８側の下面、図２のＡ方向に沿って延びる長辺側面（後述）と、図２のＢ方向に沿って延びる短辺側面（後述）とが画定されている。
【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（図に明示せず）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ともに、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に連結されており、より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端である図示右側の端部に繋がれている。また、改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に画成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。これにより、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、及び、改質反応を生起させるための改質器として機能する。さらに、改質器２０の下流端（図３における図示左側の端部）には、燃料供給管６６の上端が接続されており、その燃料供給管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（図２参照）。
【００２８】
一方、図３及び図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の略真下に設けられている。この燃料ガスタンク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内に長手方向に沿って均一に供給されるようになっている。また、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。
【００２９】
さらに、図２〜図６を参照しながら、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機構について説明する。図５及び図６に示すように、改質器２０の上方には、熱交換器２２が設けられている。この熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０が設けられており、その燃焼ガス配管７０の周囲には、発電用空気流路７２が画成されている。
【００３０】
熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端側）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。また、熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端側）には、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に連通されている。さらに、図２に示す如く、燃料電池モジュール２のケーシング５６における幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両外側には、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って、発電用空気供給路７７，７７が画成されている。
【００３１】
かかる構成により、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７２ａ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。また、発電用空気供給路７７及び燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置には、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送出する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、流上する（下方から上方へ流れる）ようになっている。
【００３２】
続いて、燃焼室１８において燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）の燃焼によって生成する燃焼ガスを排出するための機構について説明する。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、開口２１ａが設けられた整流板２１に至る。燃焼ガスは、この開口２１ａから熱交換器２２側へ導かれ、開口２１ａを通過した燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。上述したとおり、熱交換器２２内には、その燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０が設けられており、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、これにより、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００３３】
次に、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。同図に示す如く、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の図示上下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。
【００３４】
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を画成する円筒形の内側電極層９０（燃料極層）、円筒形の外側電極層９２（空気極層）、及び、内側電極層９０と外側電極層９２との間に配された電解質層９４を備えている。内側電極層９０は、燃料ガスが流通する燃料極であって（−）極として機能し、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であって（＋）極として機能する。
【００３５】
燃料電池セルユニット１６の上端側及び下端側に取り付けられた内側電極端子８６，８６は、同一構造を有するので、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６を例にとっ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。また、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が画成されている。
【００３６】
この内側電極層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。
【００３７】
また、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。
【００３８】
さらに、外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀等の少なくとも一種から形成される。
【００３９】
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。同図に示す如く、一つの燃料電池セルスタック１４は、例えば１６本の燃料電池セルユニット１６を備えており、複数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によって一体に支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、各燃料電池セルユニット１６の内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴が形成されている。
【００４０】
また、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ためのものである。また、外部端子１０４は、各燃料電池セルスタック１４の端に位置する２つの燃料電池セルユニット１６，１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６に接続されており、さらに、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の上側端及び下側端の内側電極端子８６にも接続され、燃料電池セルユニット１６の全て（例えば上述した１６０本）が直列接続されるようになっている。このように、それぞれ複数の燃料電池セルユニット１６を有する複数の燃料電池セルスタック１４が連設され且つ電気的に接続されて、上述の如く略直方体形状をなす燃料電池セル集合体１２が構成されている。
【００４１】
さらに、図９〜図１１を参照して燃料電池セル集合体１２が収容されるケーシング５６の構造についてより詳細に説明する。図９は、図１〜図４に示すＩＸ−ＩＸ線における水平断面図である。また、図１０及び図１１は、ともに、図９において一点鎖線で囲んだ部位Ｄ及びその周辺を示す一部拡大断面図であり、図１０は、容器５６が加熱されていない状態を示し、図１１は、容器５６が加熱されている状態の一例を示す。さらに、図１２は、本発明の構成を備えていない比較例の構成を示す一部拡大断面図（図９に対応する断面図）である。
【００４２】
図９に示すように、略直方体形状をなすケーシング５６は、一対の長辺側壁５６１，５６１と一対の短辺側壁５６２，５６２によって構成された胴部５６０を有している。長辺側壁５６１，５６１は、略直方体形状に構成された燃料電池セル集合体１２において仮想的に画定される一対の長辺側面１２１，１２１（図示破線で示す）に対向して設けられている。また、短辺側壁５６２，５６２は、平板矩形状部材から形成されており、燃料電池セル集合体１２において仮想的に画定される一対の短辺側面１２２，１２２（図示二点鎖線で示す）に対向している。なお、図９においては、ケーシング５６を覆うように設けられる外装筐体３０も図示されている。
【００４３】
さらに、長辺側壁５６１，５６１は、平板矩形状部材の両端部がＬ字状に折り曲げられた形状を有しており、図１０に示す如く、その折り曲げられた部分の外側（外方を向く側）面、つまり、図示屈曲点Ｌから部材の先端までの部位における図示左面が端部面５６１ｓとされる。このように、長辺側壁５６１，５６１の各端部面５６１ｓは、ケーシング５６の外方（ケーシング５６の内部５０の外側領域）に向かって屈曲形成されている。
【００４４】
またさらに、長辺側壁５６１，５６１の各端部面５６１ｓは、短辺側壁５６２，５６２において互いに対面する部位、つまり、短辺側壁５６２，５６２においてケーシング５６の内部５０側を向いて対向している面５６２ｓ，５６２ｓの全面に対向して配置されており、その部位の少なくとも一部（図９〜図１１における部位Ｄ）、すなわち、胴部５６０の四隅における長辺側壁５６１の端部面５６１ｓの先端及び短辺側壁５６２の先端（まとめて先端部５６Ｔと記す）において、長辺側壁５６１，５６１と短辺側壁５６２，５６２が、例えば溶接等によって接合固定されている。このようにして、端部面５６１ｓを有する長辺側壁５６１，５６１が短辺側壁５６２，５６２によって挟持されることにより、ケーシング５６の胴部５６０が構成されている。
【００４５】
このように構成された燃料電池モジュール２を備えるＳＯＦＣ装置１によれば、発電によって燃料電池セル集合体１２が高温となり、長辺側壁５６１及び短辺側壁５６２は、その熱によって加熱され、それらの部材料の物性に依拠する（線）熱膨張係数に応じて膨張する。その際、長辺側壁５６１の方が、短辺側壁５６２よりも長尺であるため、膨張量が比較的大きくなり、図１０において矢印５６ｖで示す方向（図１〜図４において±ｚ軸方向）に伸長し易くなる。
【００４６】
このとき、ケーシング５６の長辺側壁５６１の端部面５６１ｓが、部位Ｄにおいて、短辺側壁５６２の面５６２ｓに対向して配置され、且つ、長辺側壁５６１及び短辺側壁５６２の先端部Ｔで溶接等により接合固定されているので、長辺側壁５６１が熱膨張によって伸長しようとすると、その端部面５６１ｓが短辺側壁５６２に面状に強く当接する（両者が圧接される）。これにより、長辺側壁５６１の膨張は、短辺側壁５６２に阻まれて規制され、しかも、長辺側壁５６１と短辺側壁５６２が先端部５６Ｔにおいて接合されているので、その先端部５６Ｔに、接合を破断又は破損せしめるような応力、すなわち、その接合を剪断しようとするようなスラスト方向（長辺側壁５６１の端部面５６１ｓ及び短辺側壁５６２の面５６２ｓに平行な方向）の加重が印加することを抑止することができる。つまり、ＳＯＦＣ装置１によれば、ケーシング５６の先端部５６Ｔが剪断されるようなストレスモードが生起されない。
【００４７】
したがって、長辺側壁５６１と短辺側壁５６２との接合部位である先端部５６Ｔにおいてケーシング５６が破損又は破断してしまうことを防止することができる。その結果、ケーシング５６の厚さ５６ｗ（図９参照）、ひいては燃料電池モジュール２の全体（実質的に外装筐体３０）の厚さ方向の寸法をより小さくして設置スペースを削減することができるとともに、そのようにケーシング５６の耐久性を向上させることができるので、ＳＯＦＣ装置としての汎用性及び製品信頼性を格段に高めることが可能となる。
【００４８】
また、長辺側壁５６１の端部面５６１ｓが、ケーシング５６の外方に向かってＬ字状に屈曲形成されており、長辺側壁５６１において端部面５６１ｓを除く部分が燃料電池セル集合体１２の長辺側面１２１に対向するので、長辺側壁５６１が高温に曝された場合、その端部面５６１ｓを除く部分が実質的に熱膨張して伸長するように変形し得る。このとき、図１１に示す如く、長辺側壁５６１は、破線で示す状態（図１０に示す状態）から、接合部である先端部５６Ｔを固定支点として、且つ、屈曲点Ｌを自由支点として、ケーシング５６の外側に膨らむように変形する（長辺側壁５６１’）。
【００４９】
そうすると、それらの支点には、そのときに長辺側壁５６１に作用する変形力によって生起される変形モーメントに応じた反力（弾性モーメント）が反作用する。具体的には、屈曲点Ｌを中心として図示矢印で示す弾性モーメントＮ１が、また、先端部５６Ｔを中心として図示矢印で示す弾性モーメントＮ２が、長辺側壁５６１に作用するので、その分、接合部５６Ｔに印加される応力（スラスト荷重に起因する剪断応力）が更に軽減され、その結果、先端部５６Ｔにおいてケーシング６が破損又は破断してしまうことをより一層防止することができる。
【００５０】
なお、比較例として図１２に示す如く、平板状の長辺側壁４１と略平板状の短辺側壁４２が図示のとおり組み合わされて先端部４Ｔで接合されてなるケーシングの胴部４の場合、長辺側壁４１の先端の端面は、短辺側壁４１の面４１ｓに対向していないため、長辺側壁４１が熱膨張して矢印５６ｖで示す方向に伸長すると、接合部である先端部４Ｔにはスラスト荷重が直に作用し、その剪断力によって、先端部４Ｔの接合ひいては容器が破断又は破損し易い。
【００５１】
さらに、長辺側壁５６１と短辺側壁５６２が、長辺側壁５６１の端部面５６１ａ及び短辺側壁５６２の面５６２ｓの先端部５６Ｔで接合されているので、その接合部である先端部５６Ｔから長辺側壁５６１における任意の部位までの距離が最長化される。これにより、上述した長辺側壁５６１の変形モーメントが最も大きくなり、その結果、特に、先端部５６Ｔに作用する弾性モーメントＮ２も最大化されるので、先端部５６Ｔに印加される応力を更に軽減することができるので、先端部５６Ｔにおいてケーシング５６が破損又は破断してしまうことを更に一層抑止することが可能となる。
【００５２】
なお、上述したとおり、本発明は上記の実施の形態において説明した具体例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の技術的範囲に包含される。換言すれば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに制限されず適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の技術的範囲に包含される。
【００５３】
例えば、長辺側壁５６１の端部面５６１ｓは、Ｌ字状に屈曲されていなくてもよく、その場合、長辺側壁５６１の周縁（の端面）が、短辺側壁５６２の面５６１ｓに対向又は当接した状態で長辺側壁５６１及び短辺側壁５６２が接合されていてもよく、また、長辺側壁５６１の端部面５６１ｓが、その他の形状、例えばコの字状（Ｃ字状）に屈曲されていても構わない。また、接合部は先端部５６Ｔに制限されず、長辺側壁５６１の端部面５６１ｓと短辺側壁５６２の面５６２ｓが対向している部位であればよい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上説明したとおり、本発明のＳＯＦＣ装置によれば、厚さ方向の寸法をより小さくして設置スペースを削減することができるとともに、燃料電池モジュール集合体を収容する容器の破損及び破断を防止してその耐久性を向上させることができる。これにより、ＳＯＦＣ装置としての汎用性及び製品信頼性を格段に高めることが可能となるので、種々の用途に使用可能なＳＯＦＣ装置、特に、建家間等の狭小なエリア等に設置されるもの、それを備える機器、システム、及び設備等、並びに、それらの製造及び使用に、広く且つ有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）装置
２ 燃料電池モジュール
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 外装筐体
５０ ケーシング内部
５６ ケーシング
５６Ｔ 先端部
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
６８ａ 燃料ガスタンク上板
７０ 燃焼ガス配管
７２ 発電用空気流路
７２ａ 出口ポート
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
１２１ 長辺側面
１２２ 短辺側面
５６０ 胴部
５６１，５６１’ 長辺側壁
５６１ｓ 端部面
５６２ 短辺側壁
５６２ｓ 面
Ｎ１，Ｎ２ 弾性モーメント
【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を行う固体酸化物形燃料電池装置であって、
前記燃料ガスが供給される燃料極層、前記酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、該燃料極層と該空気極層との間に設けられた固体電解質層を有する複数の燃料電池セルが、略直方体形状に連設され且つ電気的に接続されてなる燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体が収容され、且つ、前記燃料電池セル集合体において画定される一対の長辺側面に対向する一対の長辺側壁、及び、前記燃料電池セル集合体において画定される一対の短辺側面に対向する一対の短辺側壁を含む胴部を有する容器と、
を備えており、
前記一対の長辺側壁の端部面は、前記一対の短辺側壁において互いに対面する部位に対向して配置され、該部位の少なくとも一部において、前記一対の長辺側壁と前記一対の短辺側壁が接合されたものである、
固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記長辺側壁の端部面が、前記容器の外方に向かって屈曲形成されている、
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記長辺側壁は、前記長辺側壁の端部面の先端部において、前記短辺側壁に接合されている、
請求項２記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置であって、
前記燃料ガスが供給される燃料極層、前記酸化剤ガスが供給される空気極層、及び、該燃料極層と該空気極層との間に設けられた固体電解質層を有する複数の燃料電池セルが、略直方体形状に連設され且つ電気的に接続されてなる燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体が収容され、且つ、前記燃料電池セル集合体において画定される一対の長辺側面に対向する一対の長辺側壁、及び、前記燃料電池セル集合体において画定される一対の短辺側面に対向する一対の短辺側壁を含む胴部を有する容器と、
を備えており、
前記一対の長辺側壁の端部面は、前記一対の短辺側壁において互いに対面する部位に対向して配置され、該部位の少なくとも一部において、前記一対の長辺側壁と前記一対の短辺側壁が接合されたものである、
固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記長辺側壁の端部面が、前記容器の外方に向かって屈曲形成されている、
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記長辺側壁は、前記長辺側壁の端部面の先端部において、前記短辺側壁に接合されている、
請求項２記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６５４１６（Ｐ２０１３−６５４１６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０２２５８（Ｐ２０１１−２０２２５８）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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