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Y₂O₃(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MgAl₂O₄(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Y₂O₃(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)O₂(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)O₃(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)FeO₃(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O₃(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO₃(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、LaCrO₃(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO₃(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)O₃(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)CoO₃(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(CH₄)及び水蒸気から、燃料ガス(水素含有ガス)を生成する。 CH₄+2H₂O→4H₂+CO₂ ・・・(1) CH₄+H₂O→3H₂+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)・O₂+2e⁻→O²⁻ …(3) H₂+O²⁻→H₂O+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