特許 7580260 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-31

(45)【発行日】2024-11-11

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241101BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20241101BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20241101BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20241101BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20241101BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/2475

H01M8/04 Z

H01M8/249

H01M8/2465

H01M8/12 101

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020205204

(22)【出願日】2020-12-10

(65)【公開番号】P2022092400

(43)【公開日】2022-06-22

【審査請求日】2023-08-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507308902

【氏名又は名称】ルノー エス．ア．エス．

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＡＵＬＴ Ｓ．Ａ．Ｓ．

【住所又は居所原語表記】１２２－１２２ ｂｉｓ， ａｖｅｎｕｅ ｄｕ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｌｅｃｌｅｒｃ， ９２１００ Ｂｏｕｌｏｇｎｅ－Ｂｉｌｌａｎｃｏｕｒｔ， Ｆｒａｎｃｅ

(74)【代理人】

【識別番号】110002468

【氏名又は名称】弁理士法人後藤特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】礒田 博之

(72)【発明者】

【氏名】臼田 昌弘

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－１９０３１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８３２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－４１７２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックを保持する保持面を有し、前記燃料電池スタックの補機を内蔵する補機構造体と、
前記燃料電池スタック及び前記補機構造体を収容する筐体と、を備え、
前記燃料電池スタックは、前記補機構造体の前記保持面と接する接続面を有し、前記接続面と前記保持面とが接することで前記補機構造体に保持され、
前記補機構造体は、前記筐体に締結固定されるとともに前記燃料電池スタックに空気及び燃料を供給するガス供給流路と、前記燃料電池スタックの排ガスを外部に排出する排ガス流路とを内蔵し、
前記ガス供給流路及び前記排ガス流路は、前記保持面及び前記接続面を介して前記燃料電池スタックに接続される燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、
前記補機構造体の前記ガス供給流路及び前記排ガス流路に接続する外部配管をさらに備え、
前記補機構造体は、前記筐体に締結固定される固定点を有する第１側面と、前記第１側面に隣接する第２側面とを有し、
前記外部配管は、前記第２側面と同一平面上の位置において前記ガス供給流路及び前記排ガス流路に接続し、
前記固定点は、前記第１側面における前記第２側面寄りの位置に設けられる、
燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記補機構造体は、前記補機として前記燃料電池スタックの排ガスを燃焼する排気燃焼器と、前記排気燃焼器により燃焼された燃焼ガスと前記燃料電池スタックに供給する空気及び燃料の少なくとも一方とを用いて熱交換する熱交換器と、を内蔵する、
燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックは、複数の燃料電池または燃料電池単位セルを積層して構成され、
前記補機構造体が前記燃料電池スタックを分割して保持するように、積層される前記燃料電池または前記燃料電池単位セルの間に前記補機構造体を介在させた、
燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記補機構造体は、前記筐体に締結固定される固定点を有しており、
前記燃料電池システムは、前記筐体に固定されるとともに、一方向にのみ変位可能な締結部材をさらに備え、
前記締結部材は、前記燃料電池スタックまたは前記補機構造体が前記筐体に対して一方向に変位可能なように、前記燃料電池スタックまたは前記補機構造体と前記筐体とを締結し、
前記締結部材は、変位可能な方向に伸ばした軸線が前記固定点を通るように配置された、
燃料電池システム。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
前記補機構造体と、前記燃料電池スタックとは、同等の線膨張係数を有する材料により構成された、
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、複数の固体酸化物型燃料電池スタックの中央部に蒸発器を、燃料電池スタック上面に改質器を配置した燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックに燃料を供給する燃料ヘッダの上面に燃料電池スタックを取り付けている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－１７８９２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は反応温度が高いため、稼働時に燃料電池スタックや改質器、蒸発器などの部品が高温になり、熱膨張する。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、ＳＯＦＣ稼働時に、蒸発器と改質器をつなぐ配管や燃料ヘッダ内の配管等に熱膨張応力がかかり、これらが損傷してしまう虞がある。

【0005】

本発明は、上記の問題に鑑みたものであり、配管に熱膨張応力がかかることを抑制可能な燃料電池システム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】

【0006】

本発明の一態様によれば、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを保持する保持面を有し、燃料電池スタックの補機を内蔵する補機構造体と、燃料電池スタック及び前記補機構造体を収容する筐体と、を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックは、補機構造体の保持面と接する接続面を有し、接続面と保持面とが接することで補機構造体に保持される。また、補機構造体は、筐体に締結固定されるとともに、燃料電池スタックに空気及び燃料を供給するガス供給流路と、燃料電池スタックの排ガスを外部に排出する排ガス流路とを内蔵する。ガス供給路及び排ガス流路は、保持面と接続面とが接する接合面を介して燃料電池スタックに接続される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、燃料電池スタックに空気及び燃料を供給するガス供給流路と、燃料電池スタックの排ガスを外部に排出する排ガス流路とが、筐体に締結固定される補機構造体に内蔵される。また、ガス供給流路及び排ガス流路は、補機構造体と燃料電池スタックとの接合面を介して燃料電池スタックに接続される。補機構造体は筐体に固定されているため、熱膨張によっても外部に対する相対移動（変位）が抑制される。このように、外部に対する相対移動（変位）が抑制された補機構造体にガス供給流路及び排ガス流路を設け、ガス供給流路及び排ガス流路を補機構造体から燃料電池スタックに接続している。これにより、燃料電池スタックの熱膨張による膨張応力がガス供給流路と排ガス流路から外部の配管にかかることが抑制される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。

【図2a】図２ａは、補機構造体内部のガス流路を説明する模式図である。

【図2b】図２ｂは、補機構造体内部のガス流路を説明する模式図である。

【図3】図３は、筐体に設置された締結部材の配置を説明する図である。

【図4】図４は、補機構造体の固定部の位置を説明する図である。

【図5】図５は、燃料電池スタックの熱膨張を説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

【0010】

図１を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００について説明する。

【0011】

燃料電池システム１００は、例えば車両等に搭載され、燃料電池スタック１（１ａ，１ｂ）に対して発電に必要となる燃料ガス（アノードガス）及び酸化剤ガス（カソードガス）を供給し、燃料電池スタック１を車両走行用の電動モータ等の電気負荷に応じて発電させるシステムである。

【0012】

図１は、本発明の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１、ガス流路及び補機を内蔵する補機構造体２、燃料電池スタック１及び補機構造体２を収容する筐体３等から構成される。

【0013】

燃料電池スタック１は、複数の燃料電池または燃料電池単位セルを積層して構成され、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１の発電源である個々の燃料電池は例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、高温で稼働する。

【0014】

燃料電池スタック１は、積層される燃料電池または燃料電池単位セルの間に補機構造体２が介在しており、補機構造体２を介して第１燃料電池スタック１ａと、第２燃料電池スタック１ｂとに分割されている。また、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１を収容する筐体３に対し一方向にのみ変位可能なマウント（締結部材）３１によって、筐体３に締結されている。なお、マウント３１の詳細は後述する。

【0015】

補機構造体２は、金属等の塊から成る略直方体状の構造体で、燃料電池システム１００のガス流路（ガス供給流路２６，２７及び排ガス流路２８）及び補機を内蔵する。また、補機構造体２は、前面（第１側面）２１から突出する固定部２５を有している。なお、ここでいう内蔵とは、すべてが補機構造体２の内部にある場合だけでなく、構成部品の一部は補機構造体２の外部に出ているが補機構造体２に固定されているような場合も含む。本実施形態においても、ガス流路の一部は補機構造体２の外部において補機構造体２に固定されている。

【0016】

補機構造体２は、前述の第１燃料電池スタック１ａと第２燃料電池スタック１ｂとの間に介在し、上面（保持面）２３が第１燃料電池スタック１ａの底面（接続面）に接し、底面（保持面）２４が第２燃料電池スタック１ｂの上面（接続面）に接している。これにより、燃料電池スタック１（１ａ，１ｂ）は、補機構造体２に保持される。補機構造体２に内蔵されるガス流路（ガス供給流路２６，２７及び排ガス流路２８）は、補機構造体２の上面２３を介して第１燃料電池スタック１ａに接続し、補機構造体２の底面２４を介して第２燃料電池スタック１ｂに接続している。また、補機構造体２に内蔵されるガス流路のうち、ガス供給流路２６，２７は、補機構造体２の第１側面２１に隣接する側面（第２側面）２２と同一平面上の位置において、燃料供給管（外部配管）４、空気供給管（外部配管）５、バイパス空気供給管（外部配管）６に接続している。補機構造体２に内蔵されるガス流路のうち、排ガス流路２８は、補機構造体２の底面２４を介して排気管７に接続している。なお、補機構造体２の内部構造の詳細は後述する。

【0017】

補機構造体２の前面（第１側面）２１から突出する固定部２５は、補機構造体２を収容する筐体３の内周面に接している。補機構造体２は、固定部２５と筐体３の内周面が接する位置において、筐体３の外側からボルトなどの締結部材により筐体３に対しリジッド（変位不能）に締結固定されている。また、補機構造体２は、筐体３に対し一方向にのみ変位可能なマウント（締結部材）３１によっても筐体３に締結されている。

【0018】

筐体３は金属等からなり、燃料電池スタック１及び補機構造体２を収納する。筐体３は、略直方体状に構成され、前面３２の内周面には補機構造体２の固定部２５が接している。筐体３と補機構造体２は、当該固定部２５において、ボルトなどの締結部材により締結固定されている。

【0019】

また、筐体３の前方側３２の内周面には、筐体３と燃料電池スタック１及び補機構造体２とを締結する、一方向のみに変位可能なマウント（締結部材）３１が複数（例えば５個）設置されている。マウント３１は、筐体３と燃料電池スタック１または補機構造体２とがマウント３１の変位方向に相対移動可能なように、下面が筐体３に固定され、上面が燃料電池スタック１または補機構造体２に固定されている。このように、筐体３は、固定部（固定点）２５において補機構造体２とリジッドに締結固定され、マウント３１の設置個所において燃料電池スタック１または補機構造体２と相対移動可能に締結されている。なお、ボルトなどの締結部材により、筐体３の上面や底面に燃料電池スタック１を締結してもよい。

【0020】

燃料供給管（外部配管）４は、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス（アノードガス）を筐体３外部から補機構造体２に内蔵されたガス供給流路（燃料供給路２６）へと供給する配管である。空気供給管（外部配管）５及びバイパス空気供給管（外部配管）６は、燃料電池スタック１に供給する空気（カソードガス）を筐体３外部から補機構造体２に内蔵されたガス供給流路（空気供給路２７）へと供給する配管である。燃料供給管４、空気供給管５及びバイパス空気供給管６は、一端が補機構造体２の第２側面２２と同一平面を成す位置において、補機構造体２に内蔵されたガス供給流路２６，２７に接続され、他端は筐体３外部の配管（図示しない）に接続される。

【0021】

排気管（外部配管）７は、燃料電池スタック１からのオフガスを外部に排出する配管である。排気管７は、一端が補機構造体２の底面２４において、補機構造体２に内蔵された排ガス流路２８に接続され、他端は筐体３外部の配管（図示しない）に接続される。

【0022】

高温で稼働するＳＯＦＣにおいては、燃料電池スタックや燃焼器、熱交換器等の部品が高温になり、熱膨張するため、各部品間を接続する配管に膨張応力がかかり、これらが損傷する虞がある。これに対し、本実施形態では、筐体３に対しリジッド（変位不能）に固定した補機構造体２にガス流路（ガス供給流路２６，２７及び排ガス流路２８）を設けている。これにより、燃料電池スタック１の熱膨張によるガス流路（ガス供給流路２６，２７及び排ガス流路２８）の変位が抑制され、熱膨張応力が、ガス流路から外部の配管にかかることが抑制されるため、配管の損傷が回避される。

【0023】

以下、補機構造体２の詳細を説明する。

【0024】

図２ａ及び図２ｂは、補機構造体２内部のガス流路を説明する模式図であり、補機構造体２の内部構成を取り出した図である。図２ａは補機構造体２の前面２１方向から見た斜視図、図２ｂは補機構造体２の底面２４方向から見た斜視図である。

【0025】

図２ａ及び図２ｂに示すように、補機構造体２は、補機としての燃焼器（排気燃焼器）８及び熱交換器９、ガス供給流路としての燃料供給路２６及び空気供給路２７、及び排ガス流路２８を内蔵する。補機構造体２は、これらの補機８，９及びガス流路２６，２７，２８に対し、金属等が鋳込まれて形成される。

【0026】

燃料供給路２６は、燃料供給管（外部配管）４を介して供給される外部からの燃料ガスを第１燃料電池スタック１ａに供給する第１燃料供給路２６１と、燃料ガスを第１燃料電池スタック１ａから第２燃料電池スタック１ｂに供給する第２燃料供給路２６２とを含む。

【0027】

第１燃料供給路２６１は、筐体３外部の配管から燃料供給管４を介して補機構造体２に供給される燃料ガスを第１燃料電池スタック１ａに供給するための流路である。第１燃料供給路２６１は、直線部２６１ａと、直線部２６１ａから分岐する２つの湾曲部２６１ｂとを有している。直線部２６１ａの一端は、第１燃料供給路２６１の入口２６１１であり、補機構造体２の第２側面２２と同一平面上の位置において燃料供給管４（図１参照）に接続している。第１燃料供給路２６１と燃料供給管（外部配管）４とが接続する部分は、フランジ（図示しない）等により固定されている。一方、直線部２６１ａの他端は閉塞されている。２つの湾曲部２６１ｂは、直線部２６１ａの両端付近においてそれぞれ直線部２６１ａから分岐し、湾曲状に伸びている。各湾曲部２６１ｂの直線部２６１ａと接続する側とは反対側の端部は、第１燃料供給路２６１の出口２６１２であり、補機構造体２の上面（保持面）２３を介して第１燃料電池スタック１ａに接続している。外部から供給される燃料ガスは、入口２６１１から第１燃料供給路２６１に流入し、直線部２６１ａ及び湾曲部２６１ｂを介して出口２６１２から第１燃料電池スタック１ａに供給される。

【0028】

第２燃料供給路２６２は、燃料ガスを第１燃料電池スタック１ａから第２燃料電池スタック１ｂに供給するための流路である。第２燃料供給路２６２は、第１燃料電池スタック１ａに接続する２つの湾曲部２６２ａと、第２燃料電池スタック１ｂに接続する２つの湾曲部２６２ｂと、湾曲部２６２ａと湾曲部２６２ｂとを連結する連結部２６２ｃとを有している。湾曲部２６２ａの一端は第２燃料供給路２６２の入口２６２１であり、補機構造体２の上面２３を介して第１燃料電池スタック１ａに接続している。湾曲部２６２ａの他端は連結部２６２ｃに接続している。湾曲部２６２ｂの一端は、第２燃料供給路２６２の出口２６２２であり、補機構造体２の底面２４を介して第２燃料電池スタック１ｂに接続している。湾曲部２６２ｂの他端は連結部２６２ｃに接続している。連結部２６２ｃは、湾曲部２６２ａ，２６２ｂ同士、及び湾曲部２６２ａと湾曲部２６２ｂとを連結するように形成されている。第１燃料供給路２６１から第１燃料電池スタック１ａに供給された燃料ガスは、第２燃料供給路２６２の入口２６２１から湾曲部２６２ａに流入し、連結部２６２ｃ及び湾曲部２６２ｂを介して第２燃料供給路２６２の出口２６２２から第２燃料電池スタック１ｂに供給される。

【0029】

空気供給路２７は、外部からの空気（カソードガス）を第２燃料電池スタック１ｂに供給する第１及び第２空気供給路２７１，２７２と、空気（カソードガス）を第２燃料電池スタック１ｂから第１燃料電池スタック１ａに供給する第２空気供給路２７２とを含む。

【0030】

第１空気供給路２７１は、筐体３外部の配管から空気供給管（外部配管）５を介して補機構造体２に供給される外部からの空気を、熱交換器９により熱交換（加熱）して燃料電池スタック１に供給するための流路である。第１空気供給路２７１は、一端（入口）２７１１が補機構造体２の第２側面２２と同一平面上の位置において空気供給管（外部配管）５に接続し、他端（出口）２７１２は、補機構造体２の底面２４を介して第２燃料電池スタック１ｂに接続している。なお、第１空気供給路２７１と空気供給管（外部配管）５とが接続する部分は、フランジ（図示しない）等により固定されている。

【0031】

また、第１空気供給路２７１は、入口２７１１と出口２７１２との間の中間部分において、熱交換器９に接した状態で熱交換器９の外周を覆うように構成される。これにより、補機構造体２の外部から供給される空気は、第１空気供給路２７１の入口２７１１から第１空気供給路２７１に流入し、中間部分において熱交換器９により熱交換（加熱）され、出口２７１２から第２燃料電池スタック１ｂに供給される。なお、第１空気供給路２７１は、出口２７１２近傍において後述の第２空気供給路２７２に接続されている。

【0032】

第２空気供給路２７２は、筐体３外部の配管からバイパス空気供給管（外部配管）６を介して供給される外部からの空気を、熱交換（加熱）せずに燃料電池スタック１に供給するための流路である。第２空気供給路２７２は、一端（入口）２７２１が、補機構造体２の第２側面２２と同一平面上の位置においてバイパス空気供給管（外部配管）６（図１参照）に接続し、他端（出口）２７２２は、第１空気供給路２７１の出口２７１２近傍に接続している。なお、第２空気供給路２７２とバイパス空気供給管（外部配管）６とが接続する部分は、フランジ（図示しない）等により固定されている。

【0033】

第２空気供給路２７２は、入口２７２１と出口２７２２との間の中間部分が熱交換器９に接していない。このため、バイパス空気供給管（外部配管）６から供給された空気は、第２空気供給路２７２の入口２７２１から第２空気供給路２７２に流入し、熱交換（加熱）されずに第１空気供給路２７１に供給される。即ち、第２燃料電池スタック１ｂには、熱交換（加熱）されていない第２空気供給路２７２からの空気と、熱交換器９により熱交換（加熱）された第１空気供給路２７１内の空気とが混合した空気が供給される。従って、筐体３外部において、燃料電池システム１００の制御部（図示しない）によりバイパス空気供給管６に供給される空気の量を調節することで、燃料電池スタック１に供給される空気の温度を調節することができる。

【0034】

第３空気供給路２７３は、空気を第２燃料電池スタック１ｂから第１燃料電池スタック１ａに供給するための流路である。第３空気供給路２７３は、一端（入口）２７３１が補機構造体２の底面２４を介して第２燃料電池スタック１ｂに接続し、他端（出口）２７３２は、補機構造体２の上面２３を介して第１燃料電池スタック１ａに接続している。第１及び第２空気供給路２７１，２７２から第２燃料電池スタック１ｂに供給された空気は、第３空気供給路２７３の入口２７３１から第３空気供給路２７３に流入し、第３空気供給路２７３の出口２７３２から第１燃料電池スタック１ａに供給される。

【0035】

排ガス流路２８は、アノードオフガスを燃焼器８に供給するアノードオフガス通路２８１と、カソードオフガスを燃焼器８に供給するカソードオフガス通路２８２と、燃焼ガスを補機構造体２外部の排気管（外部配管）７に排出する燃焼ガス通路２８３とを含む。なお、排ガス流路２８上には、燃焼器８及び熱交換器９が配置されている。

【0036】

アノードオフガス通路２８１は、第２燃料電池スタック１ｂからのアノードオフガスを燃焼器８に供給するための流路である。アノードオフガス通路２８１は、第２燃料電池スタック１ｂに接続する２つの湾曲部２８１ａと、湾曲部２８１ａと燃焼器８とを連結する連結部２８１ｂとを有している。湾曲部２８１ａの一端はアノードオフガス通路２８１の入口２８１１であり、補機構造体２の底面２４を介して第２燃料電池スタック１ｂに接続している。湾曲部２８１ａの他端は連結部２８１ｂに接続している。連結部２８１ｂは、一端は閉塞し、他端は燃焼器８に接続されるアノードオフガス通路２８１の出口である。燃料電池スタック１ｂからのアノードオフガスは、アノードオフガス通路２８１の入口２８１１からアノードオフガス通路２８１に流入し、湾曲部２８１ａ及び連結部２８１ｂを介してアノードオフガス通路２８１の出口から燃焼器８に供給される。

【0037】

カソードオフガス通路２８２は、第１燃料電池スタック１ａからのカソードオフガスを燃焼器８に供給するための流路である。カソードオフガス通路２８２は、一端（入口）２８２１が補機構造体２の上面２３を介して第１燃料電池スタック１ａに接続し、他端（出口）は、燃焼器８に接続している。第１燃料電池スタック１ａからのカソードオフガスは、カソードオフガス通路２８２の入口２８２１からカソードオフガス通路２８２に流入し、カソードオフガス通路２８２の出口から燃焼器８に供給される。

【0038】

燃焼器（排気燃焼器）８は、燃料電池スタック１の排ガスを燃焼する補機である。燃焼器８は、アノードオフガス通路２８１、カソードオフガス通路２８２及び燃焼ガス通路２８３と接続している。燃焼器８には、アノードオフガス通路２８１及びカソードオフガス通路２８２からそれぞれアノードオフガス及びカソードオフガスが供給される。燃焼器８に供給されたアノードオフガス及びカソードオフガスは、燃焼器８内で燃焼され、高温の燃焼ガスが生成される。当該燃焼ガスは、燃焼ガス通路２８３に流入する。

【0039】

燃焼ガス通路２８３は、燃焼器８において生成された燃焼ガスを熱交換器９により熱交換させてから外部に排出する流路である。燃焼ガス通路２８３は、一端（入口）２８３１は燃焼器８に接続され、他端（出口）２８３２は補機構造体２の底面２４を介して排気管（外部配管）７に接続されている。なお、燃焼ガス通路２８３と排気管（外部配管）７とが接続する部分は、フランジ（図示しない）等により固定されている。

【0040】

また、燃焼ガス通路２８３は、入口２８３１と出口２８３２との間に熱交換器９が配置されている。熱交換器９は、燃焼器８において燃焼された燃料電池スタック１の排ガス（燃焼ガス）と、空気供給路２７（第１空気供給路２７１）内の空気とを用いて熱交換することで、燃料電池スタック１に供給される空気を加熱する。燃焼器８により燃焼された排ガス（燃焼ガス）は、燃焼ガス通路２８３を介して熱交換器９に供給され、空気供給路２７（第１空気供給路２７１）内の空気との間で熱交換される。熱交換器９において熱交換された排ガスは燃焼ガス通路２８３を介して排気管（外部配管）７に排出され、排気管（外部配管）７から筐体３外部に排出される。

【0041】

このように、補機構造体２に内蔵される燃料供給路２６、空気供給路２７及び排ガス流路２８は、それぞれ外部配管４，５，６，７と燃料電池スタック１に接続している。そして補機構造体２は、筐体３に対し締結固定され、外部に対する変位が抑制されているため、燃料電池スタック１が熱膨張しても、燃料供給路２６、空気供給路２７及び排ガス流路２８とこれらに接続される外部配管４，５，６，７の変位は抑制される。このため、燃料電池スタック１の熱膨張により、外部配管４，５，６，７や筐体３外部の配管に膨張応力がかかることが抑制される。

【0042】

また、燃料電池システム１００の稼働時に高温になる燃焼器８や熱交換器９を、筐体３に固定した補機構造体２に内蔵させ、燃料供給路２６、空気供給路２７及び排ガス流路２８と外部配管４，５，６，７との接続箇所をフランジ等で固定している。燃焼器８や熱交換器９を外部に対する変位が抑制された補機構造体２に内蔵し、ガス流路２６，２７，２８と外部配管４，５，６，７との接続部を固定しているので、燃焼器８や熱交換器９の熱膨張により、ガス流路２６，２７，２８及び外部配管４，５，６，７が変位することが抑制される。従って、燃焼器８や熱交換器９の熱膨張により、外部配管４，５，６，７や筐体３外部の配管に膨張応力がかかることが抑制される。

【0043】

なお、補機構造体２に内蔵されるガス流路２６，２７，２８は、上記の構成に限られるものではなく、補機構造体２外部の配管と燃料電池スタック１とを接続するものであれば、補機構造体２内におけるガス流路２６，２７，２８の取り回しは如何なるものでもよい。

【0044】

また、ガス流路２６，２７，２８は、どのように補機構造体２に内蔵させてもよいが、本実施形態のように補機構造体２に金属等が鋳込ませて内蔵させることが好ましい。これにより、ガス流路２６，２７，２８が補機構造体２に強固に固定されるため、燃料電池スタック１の熱膨張によるガス流路２６，２７，２８の変位をより抑制することができ、外部配管４，５，６，７や筐体３外部の配管に膨張応力がかかることがより抑制される。

【0045】

図３は、筐体３に設置されたマウント（締結部材）３１の配置を説明する図である。

【0046】

マウント３１は、筐体３と燃料電池スタック１または補機構造体２とを、一方向（軸線方向）に相対移動（変位）可能なように締結する部材である。マウント３１は、第１筐体固定部材３１１と、第２筐体固定部材３１２と、シャフト３１３と、部品固定部材３１４とから構成され、筐体３の前面３２の内周面に複数設置されている。

【0047】

第１及び第２筐体固定部材３１１，３１２は、ボルトなどの締結部材により筐体３の前面３２の内周面に締結固定されている。第１筐体固定部材３１１と第２筐体固定部材３１２とはシャフト３１３により連結されている。部品固定部材３１４は、シャフト３１３に沿って移動可能に設けられ、上面に、ボルトなどの締結部材または溶接等により燃料電池スタック１または補機構造体２が固定されている。このような構成により、マウント３１は、筐体３と燃料電池スタック１または補機構造体２とを、シャフト３１３に沿った方向（軸線方向）に相対移動可能に締結する。

【0048】

また、複数のマウント３１は、それぞれ変位可能な方向に延ばした軸線が、筐体３と補機構造体２とをリジッド（変位不能）に締結する固定部（固定点）２５を通るような位置に配置される。補機構造体２及び補機構造体２に保持される燃料電池スタック１を一つの剛体として見ると、当該剛体に熱膨張が生じる場合、熱膨張は当該剛体が筐体３に固定される固定点２５を中心に放射状に発生する。即ち、燃料電池システム１００の稼働中、燃料電池スタック１（スタックケース）及び補機構造体２は、固定点２５を中心に放射状（図３の矢印方向）に熱膨張する。従って、マウント３１を、軸線が固定点２５を通るように固定点２５を中心に放射状に配置することで、燃料電池スタック１及び補機構造体２の熱膨張による変位をマウント３１により確実に吸収することができる。これにより、補機構造体２に接続する外部配管４，５，６，７や筐体３外部の配管に膨張応力がかかることが抑制される。

【0049】

図４は、補機構造体２の固定部２５の位置を説明する図であり、補機構造体２の内部を上面から見た模式図である。

【0050】

図４に示すように、補機構造体２に内蔵された燃料供給路２６及び空気供給路２７（第１空気供給路２７１、第２空気供給路２７２）は、第２側面２２と同一平面上の位置において燃料供給管（外部配管）４、空気供給管（外部配管）５、バイパス空気供給管（外部配管）６に接続している。なお、図示しないが、燃料供給路２６及び空気供給路２７と外部配管４，５，６とが接続する部分は、フランジ等によって固定されている。

【0051】

前述の通り、補機構造体２の前面（第１側面）２１から突出する固定部２５はボルトなどの締結部材により筐体３に締結されている。また、図４に示すように、ガス供給流路２６，２７と外部配管４，５，６とは、第２側面２２と同一平面上の位置において接続され、固定部２５は、補機構造体２の第１側面２１における、第２側面２２寄りの位置に形成される。前述の通り、燃料電池システム１００の稼働による熱膨張は、固定部（固定点）２５を中心に放射状（図４の矢印方向）に発生する。このため、固定点２５が第２側面２２寄りにあるほど、燃料供給路２６、空気供給路２７（第１空気供給路２７１、第２空気供給路２７２）と外部配管４，５，６とが接続する部分において、固定部２５の突出方向（図４のＸ方向）と垂直に交わる方向（図４のＹ方向）への変位が生じなくなる。従って、固定部（固定点）２５が第２側面２２寄りの位置に形成された本実施形態では、熱膨張が生じても、外部配管４，５，６の面直方向にはほとんど変位しない。これにより、外部配管４，５，６にかかる熱膨張応力が抑制される。また、面直方向の変位がほとんどないため、外部配管４，５，６と接続する筐体３外部の配管にかかる熱膨張応力も抑制される。一方、固定部２５を第２側面２２から離れた位置に形成した場合は、燃料供給路２６、空気供給路２７（第１空気供給路２７１、第２空気供給路２７２）と外部配管４，５，６とが接続する部分において、熱膨張によりＸ方向とＹ方向の両方向への変位が生じる。このように、固定部（固定点）２５を第２側面２２寄りの位置に形成することで、固定部２５を第２側面２２から離れた位置に形成した場合に比べ、外部配管４，５，６及び外部配管４，５，６に接続する筐体３外部の配管にかかる熱膨張応力をより抑制することができる。

【0052】

図５は、燃料電池スタック１の熱膨張を説明する模式図である。

【0053】

前述の通り、燃料電池スタック１は、複数の燃料電池または燃料電池単位セルを積層して構成され、積層される燃料電池または燃料電池単位セルの間に介在する補機構造体２により、第１燃料電池スタック１ａと、第２燃料電池スタック１ｂとに分割されている。また、第１燃料電池スタック１ａの端部１１ａ及び第２燃料電池スタック１ｂの端部１１ｂには、それぞれ銅板からなるバスバー１２が設置されている。

【0054】

図５に示すように、燃料電池スタック１は高温（稼働）時に、主に積層方向に熱膨張する。ここで、燃料電池スタック１は、補機構造体２により、第１燃料電池スタック１ａと、第２燃料電池スタック１ｂとに分割されているため、熱膨張も２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂに分散される。即ち、燃料電池スタック１は、補機構造体２から第１燃料電池スタック１ａの端部１１ａに向かう方向にΔｘだけ熱膨張し、補機構造体２から第２燃料電池スタック１ｂの端部１１ｂに向かう方向にΔｙだけ熱膨張する。一方、燃料電池スタック１を分割せずに、補機構造体２の上面２３上に燃料電池スタック１を保持した場合、高温（稼働）時に燃料電池スタック１は、積層方向（補機構造体２からスタック端部に向かう方向）にΔ（ｘ+ｙ）熱膨張する。

【0055】

このように、補機構造体２により燃料電池スタック１が２つに分割されているため、燃料電池スタック１が熱膨張による変位が２つのスタックに分散され、１スタック当たりの変位量が小さくなる。このため、燃料電池スタック１の端部に設置されるバスバー１２の変位量も小さくなり、燃料電池スタック１を分割しない場合に比べ、変位吸収の対策が容易になる。

【0056】

また、補機構造体２を介在させる位置を調整することで、第１燃料電池スタック１ａと第２燃料電池スタック１ｂの熱膨張によるそれぞれの変位量を制御することができるため、レイアウトの自由度が向上し、システムを小型化することができる。

【0057】

なお、上記の通り、燃料電池スタック１は主に積層方向に熱膨張するが、面方向にも多少変位する場合もある。このため、燃料電池スタック１と補機構造体２の接合面において、補機構造体２に内蔵されたガス流路２６，２７，２８と燃料電池スタック１内の流路の位置とがずれる虞がある。従って、好ましくは、補機構造体２と、燃料電池スタック１とは、同等の線膨張係数を有する材料により構成される。例えば、燃料電池スタック１におけるセパレータや膜－電極接合体を支持するセルフレームの材料にはフェライト系ステンレス鋼を用い、補機構造体２には燃料電池スタック１の材料に用いたフェライト系ステンレス鋼と同等の線膨張係数を有するＡｌ含有ステンレス鋼を用いる。これにより、燃料電池スタック１と補機構造体２の面方向の膨張／収縮量が同等になり、燃料電池スタック１と補機構造体２の接合面の変位量に差が生じない。従って、燃料電池スタック１と補機構造体２の接合面において、補機構造体２に内蔵されたガス流路２６，２７，２８と燃料電池スタック１内の流路の位置とがずれることが防止され、ガス漏れ等が確実に防止される。

【0058】

上記した実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

【0059】

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に空気及び燃料を供給するガス供給流路（燃料供給路２６、空気供給路２７）と、燃料電池スタック１の排ガスを外部に排出する排ガス流路２８とが、筐体３に締結固定される補機構造体２に内蔵される。また、ガス供給流路（燃料供給路２６、空気供給路２７）及び排ガス流路２８は、補機構造体２と燃料電池スタック１との接合面を介して燃料電池スタックに接続される。補機構造体２は筐体３に固定されているため、熱膨張によっても外部に対して相対移動（変位）が抑制される。このように、外部に対する相対移動（変位）が抑制された補機構造体２にガス供給流路２６，２７及び排ガス流路２８を設けているため、燃料電池スタック１が熱膨張しても、燃料供給路２６、空気供給路２７及び排ガス流路２８とこれらに接続される外部配管４，５，６，７の変位は抑制される。従って、燃料電池スタック１の熱膨張による膨張応力がガス供給流路２６，２７や排ガス流路２８、及び外部の配管にかかることが抑制される。

【0060】

また、ガス供給流路（燃料供給路２６、空気供給路２７）と排ガス流路２８の熱膨張による変位が抑制されるため、ガス供給流路２６，２７及び排ガス流路２８にゴムホース、蛇腹加工、金属ベローズ等の変位吸収構造を設ける必要がない。従って、レイアウト自由度が向上するとともに、低コスト化することができる。

【0061】

燃料電池システム１００は、筐体３に締結固定された補機構造体２が、燃焼器（排気燃焼器）８と、熱交換器９とを内蔵する。このように、燃料電池システム１００の稼働時に高温となる燃焼器（排気燃焼器）８や熱交換器９といった部品を、外部に対する相対移動（変位）が抑制された補機構造体２に内蔵させている。このため、燃焼器８や熱交換器９の熱膨張により、ガス流路２６，２７，２８及び外部配管４，５，６，７が変位することが抑制される。従って、燃焼器８や熱交換器９の熱膨張により、外部配管４，５，６，７や筐体３外部の配管に膨張応力がかかることが抑制される。

【0062】

また、燃焼器（排気燃焼器）８及び熱交換器９を補機構造体２に内蔵させて一体化させているため、これらの部品間をつなぐ金属配管を減少または短縮することができ、低コスト化及び省スペース化することができる。

【0063】

燃料電池システム１００は、補機構造体２が筐体３に締結固定される固定点２５を有する第１側面２１と、第１側面２１に隣接する第２側面２２を有し、外部配管４，５，６は、第２側面２２と同一平面上の位置においてガス供給流路２６，２７に接続する。また、固定点２５は第１側面２１における第２側面２２寄りの位置に設けられる。燃料電池システム１００の稼働による熱膨張は、固定点２５を中心に放射状に発生する。このため、固定部（固定点）２５が第２側面２２寄りの位置に形成された燃料電池システム１００では、熱膨張が生じても、外部配管４，５，６の面直方向への変位がほとんど生じない。従って、固定点２５が第２側面２２から離れた位置に形成される場合に比べ、外部配管４，５，６及び外部配管４，５，６に接続する筐体３外部の配管にかかる熱膨張応力をより抑制することができる。

【0064】

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１が、積層される燃料電池または燃料電池単位セルの間に介在する補機構造体２により分割されている。これにより、燃料電池スタック１の熱膨張による変位が２つのスタックに分散され、１スタック当たりの変位量が小さくなる。従って、燃料電池スタック１の端部に設置されるバスバー１２の変位量も小さくなり、燃料電池スタック１を分割しない場合に比べ、変位吸収の対策が容易になる。

【0065】

また、補機構造体２を介在させる位置を調整することで、第１燃料電池スタック１ａと第２燃料電池スタック１ｂの熱膨張によるそれぞれの変位量を制御することができるため、レイアウトの自由度が向上し、システムを小型化することができる。

【0066】

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１または補機構造体２が筐体３に対して一方向に変位可能なように、燃料電池スタック１または補機構造体２と筐体３とを締結するマウント（締結部材）３１を備える。そして、マウント（締結部材）３１は、変位可能な方向に伸ばした軸線が、補機構造体２と筐体３とが締結固定される固定点２５を通るように配置される。燃料電池スタック１（スタックケース）及び補機構造体２の熱膨張は固定点２５を中心に放射状に生じる。従って、マウント（締結部材）３１を、軸線が固定点２５を通るように固定点２５を中心に放射状に配置することで、燃料電池スタック１及び補機構造体２の熱膨張による変位をマウント３１（締結部材）により確実に吸収することができる。これにより、補機構造体２に接続する外部配管４，５，６，７や筐体３外部の配管に膨張応力がかかることが抑制される。

【0067】

なお、本実施形態では、補機構造体２を固定部２５の一点に筐体３に締結固定しているが、必ずしもこれに限られない。例えば固定部２５を複数設けてもよく、また変位不能なマウント部材等によって固定してもよい。

【0068】

また、本実施形態のように、筐体３に一方向にのみ変位可能なマウント（締結部材）３１を設置することが好ましいが、マウント（締結部材）３１は必須の構成ではなく、マウント（締結部材）３１を設けていなくても、配管に熱膨張応力がかかることをある程度抑制できる。また、本実施形態では、筐体３にマウント（締結部材）３１を５個設置しているが、マウント（締結部材）３１の個数はこれに限られず、任意の個数でよい。

【0069】

また、１スタック当たりの変位量を少なくするため、本実施形態のように、燃料電池スタック１を補機構造体２によって分割することが好ましいが、必ずしもこれに限られない。例えば、燃料電池スタック１を分割せずに、補機構造体２の上面（保持面）２１上に保持してもよい。

【0070】

また、本実施形態では、熱交換器９は燃焼ガスと空気供給路２７内の空気とを用いて熱交換しているがこれに限られず、燃焼ガスと燃料供給路２６内の燃料ガスとを用いて熱交換する構成であってもよい。即ち、熱交換器９は、燃焼ガスと、燃料電池スタック１に供給される空気及び燃料ガスの少なくとも一方とを用いて熱交換する構成であればよい。

【0071】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【符号の説明】

【0072】

１ 燃料電池スタック
２ 補機構造体
３ 筐体
４ 燃料供給管（外部配管）
５ 空気供給管（外部配管）
６ バイパス空気供給管（外部配管）
７ 排気管（外部配管）
８ 燃焼器（排気燃焼器）
９ 熱交換器
２５ 固定部（固定点）
２６ 燃料供給路
２７ 空気供給路
２８ 排ガス流路
３１ マウント（締結部材）
１００ 燃料電池システム

【図1】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4】

【図5】