JP4943037B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルを収容した発電室とこれを内包するケーシングとを具備する燃料電池モジュールに関する。

図２６は、従来の固体酸化物形燃料電池モジュール１００の典型例を示す概略断面図である（特許文献１、２等）。
発電室１１１を内包する略直方体の金属製ケーシング１１０の４側面ないしは２側面に、熱交換器１２０ａ、１２０ｂが配置されている。発電室１１１内には、例えば燃料電池セルを一列に配列したセルスタック８０が４列と、それらの上方にそれぞれ配置された改質器７１と、セルスタック８０をそれぞれ装着したマニホールド７２とが設けられている。マニホールド７２は燃料ガスケースである。発電室１１１の上には酸素含有ガス室１４０が配置され、酸素含有ガス室１４０から発電室１１１内に複数の酸素含有ガス導入管１４１が垂下し、それぞれセルスタック間に配置されている。マニホールド７２と下壁との間、並びに発電室１１１と熱交換器１２０ａ、１２０ｂとの間には、断熱材６１、６２が配置される。図示しないが、ケーシング１１０の外側にも適宜断熱材が配置され、さらにこれら全体が適宜の筐体に収容されて燃料電池組立体を構成する。
酸素含有室１４０の底板１４２は、熱交換器１２０ａ、１２０ｂ及び発電室１１１の上面に載置固定され、この底板１４２の周縁はケーシング１１０の外方にフランジ状に突出している。底板１４２のフランジ部分はガスシールのためにケーシング１１０と溶接されている。酸素含有室１４０の側面及び上面を形成する部材は、この底板１４２の上に載置固定され、複数の酸素含有ガス導入管１４１はこの底板１４２に取り付けられている。

図２６において、酸素含有ガス（例えば、空気）は外部から取り入れられ、ケーシング１１０の下壁から熱交換器１２０ａ、１２０ｂの酸素含有ガス流路（外側流路）に入り、下方から上方へ通過して酸素含有ガス室１４０へと流入する（白矢印）。一方、図示しない被改質ガス供給管により外部から被改質ガス（例えば都市ガス等の炭化水素ガス）が改質器７１に供給され、改質触媒により水素リッチな燃料ガスに改質されて図示しない配管を通してマニホールド７２へ送られる。そして、酸素含有ガス導入管１４１により供給される酸素含有ガスと、マニホールド７２から供給される燃料ガスを利用してセルスタック８０において発電反応が生じ、図示しない出力手段により電流が出力される。発電反応後の排ガスは、発電室１１１の上部から熱交換器１２０ａ、１２０ｂの排ガス流路（内側流路）に入り、上方から下方へと通過してケーシング１１０の下壁から流出する（黒矢印）。熱交換器１２０ａ、１２０ｂ内では酸素含有ガス流路と排ガス流路とが隣接することにより熱交換が行われ、排ガスの熱により酸素含有ガスが予熱される。

斯かる燃料電池モジュール１００において発電が行われる際には発電室１１１内は７００〜１０００°Ｃ程度の高温に保持されなければならない。
特開２００５−１２３０１４号公報 特開２００５−１５８５２６号公報

図２６に示す従来の燃料電池モジュール１００では、熱交換器１２０ａ、１２０ｂの上端と酸素含有ガス室１４０の底板１４２とがフランジ部分を溶接することで接合されており、この溶接部分１１５から酸素含有ガスの漏れが発生し易かった。熱交換器を通過して高温となった酸素含有ガスの漏れが発生すると、酸素含有ガスの利用率が低下するだけでなく、熱損失により熱交換効率及び発電効率も低下し、高効率熱自立運転が損なわれることとなる。
また、酸素含有ガス室１４０の底板１４２を介してケーシング１１０が上下に分離されているため、構造が複雑である上に部品数が多くなり、かつこれらを接続固定及び／または溶接する組立工程も多くなり、部品保管コスト及び製造コストが高くなっていた。
このように従来の燃料電池モジュールのケーシングには溶接箇所が比較的多かったため、ガスシール信頼性が低くなり、また製造コストを高めてしまうという問題があった。

以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、ガスシール信頼性を向上できるとともに、製造コストや組立コストを低減できる構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、本発明は以下の構成を提供する。
（１）請求項１に係る燃料電池モジュールは、燃料電池セルを収容する発電室と、該発電室を内包する略直方体のケーシングとを具備する燃料電池モジュールにおいて、
前記ケーシングにおける左右側壁及び上壁が、互いに所定間隔を空けて並設された外殻部材と内殻部材とにより反応ガス流通空間を形成する中空壁であり該外郭部材及び該内殻部材はそれぞれ断面コ字状に形成されており、
前記上壁の内殻部材から前記発電室内に垂下しかつ前記反応ガス流通空間と連通して該発電室内に反応ガスを導入する反応ガス導入部材を設けたことを特徴とする。

（２）請求項２に係る燃料電池モジュールは、請求項１において、前記左右側壁の内殻部材の発電室側にて該内殻部材に対し所定間隔を空けて並設された排ガス用内壁により排ガス流通空間を形成しかつ該排ガス流通空間の上部が前記発電室に連通することを特徴とする。

（３）請求項３に係る燃料電池モジュールは、請求項１または２において、前記反応ガス導入部材が互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により反応ガス導入空間を形成しかつ該反応ガス導入空間の下部にて該板部材に反応ガス導入開口を設けたことを特徴とする。

（４）請求項４に係る燃料電池モジュールは、請求項３において、前記反応ガス導入部材が前記上壁中央に対して左右対称に両側にそれぞれ設けられていることを特徴とする。

（５）請求項５に係る燃料電池モジュールは、請求項３において、前記反応ガス導入部材が前記上壁中央位置に１つ設けられていることを特徴とする。

（６）請求項６に係る燃料電池モジュールは、請求項１〜５のいずれかにおいて前記左右側壁における反応ガス流通空間内にて前記外殻部材と内殻部材との間に横架される複数の部分的仕切り板を上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けることにより蛇行流路を形成したことを特徴とする。

（７）請求項７に係る燃料電池モジュールは、請求項２〜５のいずれかにおいて、前記排ガス流通空間内にて前記左右側壁の内殻部材と排ガス用内壁との間に横架される複数の部分的仕切り板を上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けることにより蛇行流路を形成したことを特徴とする。

（８）請求項８に係る燃料電池モジュールは、請求項１〜７のいずれかにおいて、前記ケーシングの前後側壁の一方が閉止されかつ他方が開閉可能であり、該開閉可能な側壁に配管用開口を設けたことを特徴とする。

（９）請求項９に係る燃料電池モジュールは、請求項１〜７のいずれかにおいて、前記ケーシングの前後側壁が開閉可能であり、該開閉可能な側壁に配管用開口を設けたことを特徴とする。

（１０）請求項１０に係る燃料電池モジュールは、請求項２〜９のいずれかにおいて、前記反応ガス流通空間及び前記排ガス流通空間を密閉した状態にて左右側壁の少なくとも一方を貫通する１または複数の貫通孔を設けたことを特徴とする。

（１１）請求項１１に係る燃料電池モジュールは、請求項２〜１０のいずれかにおいて、前記左右側壁における前記排ガス流通空間の各々と連通しかつ排ガス排出管を接続した排ガス出口貯留室を前記ケーシングの下壁に設けると共に、前記左右側壁における前記反応ガス流通空間の各々と連通しかつ反応ガス供給管を接続した反応ガス入口貯留室を該排ガス出口貯留室の下側に設けたことを特徴とする。
（１２）請求項１２に係る燃料電池モジュールは、請求項１〜１１のいずれかにおいて、複数の前記燃料電池セルを一列に配列したセルスタックと、前記燃料電池セルの一端部をそれぞれ固定したマニホールドとを有し、前記マニホールドが上部ケースと下部ケースとを接合してなり、該上部ケースは１又は複数の上面の開口部と該開口部の周囲を囲み内方に折り曲げられた折返し部を形成した環状部とからなり、該上部ケースの開口部内に該燃料電池セルの一端部をシール材によりシールされた状態で立設することを特徴とする。
（１３）請求項１３に係る燃料電池モジュールは、請求項１〜１１のいずれかにおいて、複数の前記燃料電池セルを集電部材を介して一列に配列したセルスタックと、前記セルスタックの両端部にそれぞれ設けた剛性をもつ電流取り出し部材と、前記電流取り出し部材の一部であって外方に向けて帯状に延びる電流取り出し片とを有することを特徴とする。
（１４）請求項１４に係る燃料電池モジュールは、請求項１３において、前記燃料電池セルの一端部をそれぞれ固定したマニホールドを有し、前記電流取り出し部材の一端部が、前記マニホールドに絶縁状態にて接合固定されていることを特徴とする。
（１５）請求項１５に係る燃料電池モジュールは、請求項１〜１１のいずれかにおいて、複数の前記燃料電池セルを一列に配列したセルスタックを有し、前記セルスタックを前記発電室内に２列に並設したことを特徴とする。

請求項１に係る燃料電池モジュールは、ケーシングの左右側壁及び上壁の全体を断面コ字状の中空壁として反応ガス流通空間とし、上壁から発電室内へ反応ガス導入部材を垂下させた構成とした。尚、「反応ガス」は、発電室内で使用する燃料電池セル構造によって、酸素含有ガスまたは燃料ガス（水素リッチなガス）のいずれの場合もある。また、燃料ガスに替えて被改質ガス（発電室内で改質されて燃料ガスとなる）の場合もある。
本発明では、ケーシングを構成する中空壁が断面コ字状のドーム状であることにより、従来の熱交換器と酸素含有ガス室に相当する部分が連続的な反応ガス流通空間として形成される。これにより、従来の熱交換器と酸素含有ガス室との接合部分すなわち酸素含有ガス室の底板はなくなり、底板のフランジの溶接部分からのガス漏れの問題が解消される。この結果、熱交換効率が上昇し、熱自立温度が上がり、発電効率が向上する。
また、従来の酸素含有ガス室の底板が不要となったことにより部品数が減り、製造工程においてフランジ面の溶接が不要となり、組立工数が減少することにより、コストを低減できる。
さらにまた、上壁における反応ガス流通空間は従来の酸素含有ガス室に対応するが、上壁の内殻部材を介して発電室に直接隣接しているため従来より高温になる。

・請求項２に係る燃料電池モジュールは、請求項１においてさらに、中空壁である左右側壁の発電室側に排ガス用内壁を並設して排ガス流通空間を形成したので、左右側壁の内殻部材のみを介して反応ガス流通空間と排ガス流通空間とが隣接配置されることになり、反応ガスと排ガスとの熱交換を効率的に行うことができる。

・請求項３に係る燃料電池モジュールは、請求項１または２において、反応ガス導入部材が一対の板部材を並設して形成した反応ガス導入空間を有し、その下部の導入開口から発電室内に反応ガスを放出する。従来のようにセルスタックの長手方向に沿って多数の反応ガス導入管を配列させる替わりに、１つもしくは少数の反応ガス導入部材を配置すればよいので、製造コスト及び組立コストを節減できる。

・請求項４に係る燃料電池モジュールは、反応ガス導入部材が上壁中央に対して左右対称に両側にそれぞれ設けられているため、それらの間の中央空間に任意の数及び／または形状のセルスタック、改質器及びマニホールド等を配置することができ、様々な設計態様に対応できる。

・請求項５に係る燃料電池モジュールは、反応ガス導入部材が上壁中央位置に設けられるため、その両側にセルスタック、改質器及びマニホールドを配置することができる。反応ガス導入部材が１つもしくは反応ガス導入部材を直線状に複数配設することができるので部品数が少なくなり、コストを節減できる。

・請求項６に係る燃料電池モジュールは、反応ガス流通空間に蛇行流路を設けることにより、流路を狭くして流速を高めかつ流路を長くして効率よく熱交換を行わせると共に、反応ガスの流れを均一化することができる。

・請求項７に係る燃料電池モジュールは、排ガス流通空間に蛇行流路を設けることにより、流路を狭くして流速を高めかつ流路を長くして効率よく熱交換を行わせると共に、排ガスの流れを均一化することができる。

・請求項８に係る燃料電池モジュールは、ケーシングの前後側壁の一方が閉止され完全に密閉できる。さらに、他方が開閉可能であるので、発電室内の構成要素の修理・交換のためにアクセスすることができる。また、開閉可能な側壁に配管用開口を設けたことにより、燃料ガス供給管または被改質ガス供給管等を容易に配管することができる。従来のように底部に配管を設ける場合に比べてアクセスが容易であり、かつ燃料電池モジュール全体の高さを低くコンパクトにできる。

・請求項９に係る燃料電池モジュールは、ケーシングの前後側壁の両方から修理・交換のためにアクセスすることができ、前後側壁の両方から配管することができるため、多様な設計に対応できる。

・請求項１０に係る燃料電池モジュールは、左右側壁の少なくとも一方を貫通する１または複数の貫通孔を設けることにより、ヒーターや温度センサ等を外部から挿通し発電室内に配置することができる。

・請求項１１に係る燃料電池モジュールは、ケーシングの下壁に排ガス流通空間と連通する排ガス出口貯留室を設け、さらにその下側に反応ガス流通空間と連通する反応ガス入口貯留室を設けている。反応ガス入口貯留室を設けたことにより、外部から供給された反応ガスが、一旦、反応ガス入口貯留室の大きな空間に入った後に左右側壁の狭い反応ガス流通空間に入っていくことになる。従って、圧損の低い大流路から圧損の高い小流路へ入ることにより均一な流れが得られる。その結果、反応ガス流通空間における蛇行流路を省くことができる。
また反応ガス入口貯留室が排ガス出口貯留室の下側に隣接するため、反応ガスが排ガスから熱を与えられ予熱された後に左右側壁を上昇していくことになり、、反応ガス入口貯留室がない場合よりも左右側壁における熱損失が少なくなる。これに対し反応ガス入口貯留室がない場合は、外部から供給された反応ガスが低温のまま左右側壁を上昇していく。
・請求項１２に係る燃料電池モジュールは、マニホールドの上部ケースの開口部に折り返し部を形成したことにより、マニホールドと、開口部に配設される燃料電池セルと、燃料電池セルを固定するシール材との間の熱膨張係数の差により発生する応力を緩和する効果が得られる。この結果、これらの間の接合強度が向上し、安定した固定状態が確保される。
・請求項１３に係る燃料電池モジュールは、セルスタックの両端部にそれぞれ設けた電流取り出し部材の一部を外方に向けて帯状に延ばした電流取り出し片を設けたことにより、電流取り出し片が、剛性のある電流取り出し部材の一部であり一体化されているため、振動や衝撃により脱離するおそれがない。
・請求項１４に係る燃料電池モジュールは、電流取り出し部材の一端部がマニホールドに絶縁状態にて接合固定されていることにより、電流取り出し部材を安定に支持固定できると同時に、電流取り出し部材がセルスタックの両端部における押し板の役割も果たすことができる。
・請求項１５に係る燃料電池モジュールは、セルスタックを発電室内に２列に配列したことにより、これらの２列のセルスタック間に、１列または１個の反応ガス導入部材を設けることが可能となり、また、２列のセルスタックを挟むように２列または２個の反応ガス導入部材を設けることも可能となり、従来のようにセルスタックを４列収納した場合と比較して、反応ガス導入部材の個数を大幅に削減でき、構造も簡略化でき、また反応ガス導入部材を取り付ける際のシール工程を大幅に削減でき、これに伴いガスシール信頼性を向上できるとともに、コストを大幅に削減できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。本発明の固体酸化物形燃料電池モジュールは、分散型発電用、特に０．５〜１．５kWの負荷追従運転を行う家庭用燃料電池モジュールに好適に用いられるものである。
図１は、本発明による固体酸化物形燃料電池モジュールの一実施形態の外観斜視図である。燃料電池モジュール１は、略直方体のケーシング１０を具備し、ケーシング１０は発電室１７を内包する。図１には示していないが、発電室１７内には、複数の固体酸化物形燃料電池セルを一列に配列したセルスタックと共に、マニホールド（燃料ガスケース）及び／または改質器等からなる燃料電池セルスタック装置（この詳細については後述する）が配置される。以下、ケーシング１０について、図中の両矢印で示す方向をそれぞれ前後方向、左右方向として説明する。

ケーシング１０は、左側壁１１、右側壁１２、前側壁１５及び後側壁１６の４つの側壁と、上壁１３及び下壁１４の６つの壁部材から構成される。ケーシング１０は、金属製の板または箱を成形加工することにより作製できる。前側壁１５以外の壁部材は一体成型または接合されており、前側壁１５のみが開閉可能である。図１では、前側壁１５を開いた状態を示している。尚、図１では、前側壁１５のみが開閉可能とされているが、別の実施例として、下壁１４のみまたは後側壁１６のみを開閉可能としてもよい。また、前後側壁の双方を開閉可能としてもよい。図１の例では、前側壁１５を開いた状態で発電室１７内の種々の構成要素の修理・交換等を行う。白抜き矢印はセルスタックの挿入方向を示している。前側壁１５には配管用開口５１が穿設されており、これを通して発電室１７内に種々のガスを供給するガス供給管を設置することができる。ガス供給管は、例えば燃料ガス供給管または被改質ガス供給管であり、必要に応じて水若しくは水蒸気供給管も設置される。

左右側壁１１、１２の下端には、発電室１７内のセルスタック周囲に供給される反応ガスの入口流路ケース２１が設けられる。反応ガス入口流路ケース２１は、ケーシング１０の前後方向全体に亘って延在する細長い形状であり後端部に反応ガス供給管２２が接続されている。反応ガスは、例えば酸素含有ガスである。さらに、各反応ガス入口流路ケース２１の内側に隣接して排ガス出口流路ケース３２が設けられる。排ガス出口流路ケース３２もまた、ケーシング１０の前後方向全体に亘って延在する細長い形状であり前端部に排ガス排出管３３が接続されている。排ガスは、主に、発電に使用されなかった酸素含有ガス、燃料ガス及びこれらを燃焼した燃焼ガスからなる。

図１では、発電室１７の内部全体が明示されていないが、上壁１３から垂下する反応ガス導入部材４０の一部が現れている。また、右側壁１２（左側壁１１についても同様）の内側に設置される排ガス用内壁３１も現れている。排ガス用内壁３１の内部に形成される排ガス流通空間は排ガス出口流路ケース３２と連通している。これらについては、後に詳述する。

本発明の燃料電池モジュールは基本的に左右対称構造とすることが、安定した発電出力を得る上で好適である。

尚、以下の説明では、反応ガス供給管２２から酸素含有ガスを供給し、前側壁の配管用開口５１に配置されるガス供給管から燃料ガス（または燃料ガスに改質される被改質ガス）を供給する場合について説明するが、これは使用する燃料電池セルにおける酸素極と燃料極の構造に依存するものであり、別の種類の燃料電池セルでは、逆に反応ガス供給管２２から燃料ガス（または被改質ガス）を供給し、配管用開口５１のガス供給管から酸素含有ガスを供給する場合もある。本発明は、いずれの場合にも適用可能である。従って、反応ガスとしては、酸素含有ガスの場合も燃料ガス（または被改質ガス）の場合もある。

図２は、図１の燃料電池モジュールの前側壁１５を除いたケーシング１０の一部切り欠き斜視図である。ケーシングの左側壁１１、右側壁１２及び上壁１３は、互いに所定間隔を空けて並設された外殻部材１１ａ、１２ａ、１３ａと内殻部材１１ｂ、１２ｂ、１３ｂとにより連続的な反応ガス流通空間２０を形成する中空壁である。なお、外郭部材１１ａ、１２ａ、１３ａは、１枚の板を折り曲げ成形して一体的なものとしてもよく、あるいは、３枚の板を接合して形成してもよい。内殻部材１１ｂ、１２ｂ、１３ｂについても同様である。
図２では、外殻部材１１ａ、１２ａ、１３ａの一部を切り欠いて内殻部材１１ｂ及び１３ｂを露出させて示している。外殻部材１１ａ、１２ａ、１３ａ、内殻部材１１ｂ、１２ｂ、１３ｂは、それぞれ左右上下方向に平行な断面形状がコ字状であり、すなわちドーム状に形成されている。よって、中空壁全体が断面コ字状すなわちドーム状となる。

さらに、左側壁１１（右側壁１２についても同様）における反応ガス流通空間内には、外殻部材１１ａと内殻部材１１ｂとの間に横架される複数の部分的仕切り板２４が上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けられており、これにより蛇行流路が形成されている。蛇行流路の下端は、反応ガス入口流路ケース２１の上面上に位置する。この部分において、反応ガス入口流路ケース２１の上壁には複数の流入スリット２３が適宜穿設されている。

またさらに、上壁１３の内殻部材１３ｂには、発電室１７内に垂下する反応ガス導入部材４０と連通する連通孔４３が穿設されている。図２には現れていないが、上壁１３の中央に対して左右対称に一対の反応ガス導入部材４０が設けられており、各々につき２つの連通孔４３を具備するので、連通孔４３は合計４つある。

図２のケーシング１０について、反応ガス供給管２２から供給された反応ガスの流れを説明する（白矢印）。反応ガスは、反応ガス入口流路ケース２１内に入り、流入スリット２３を通って反応ガス流通空間の蛇行流路に入る。そして蛇行流路を蛇行しつつ下方から上方へ上昇していく。蛇行流路の上端に達すると上壁１３の反応ガス流通空間に入り、上壁１３の内殻部材１３ｂの連通孔４３を通って反応ガス導入部材４０内に流入し、反応ガス導入部材４０の下部に設けられた導入開口４２から発電室１７内に放出される。

図３は、図１のＸ断面を概略的に示す図である。外殻部材１１ａ、１２ａ、１３ａと内殻部材１１ｂ、１２ｂ、１３ｂとにより形成された中空壁である反応ガス流通空間２０については、図２で説明した通りである（但し、反応ガス流通空間２０の幅については誇張して示している。以下同様の断面図において同じ）。反応ガス導入部材４０は、互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材４１ａ、４１ｂにより反応ガス導入空間４４を形成しており、反応ガス導入空間４４の下部において一方の板部材４１ａに導入開口４２を設けている。図示の例では、反応ガス導入部材４０が上壁中央に対して左右対称に両側にそれぞれ設けられているため、導入開口４２は、一対の板部材のうち中央側の板部材４１ａに穿設され、発電室１７の中央に向かって反応ガスを放出するようにしている。図３中、白矢印は反応ガスの流れを、黒矢印は排ガスの流れを概略的に示している。

図３に示すように、左右側壁の内殻部材１１ｂ、１２ｂの各々の発電室１７側には、所定間隔を空けて排ガス用内壁３１がそれぞれ並設されている。これにより、排ガス流通空間３０が形成される（但し、排ガス流通空間３０の幅については誇張して示している。以下同様の断面図において同じ）。排ガス流通空間３０の上部は、発電室１７と連通している。排ガス流通空間３０内にも、反応ガス流通空間２０と同様に蛇行流路が設けられている。すなわち、左右側壁の内殻部材１１ｂ、１２ｂの各々と排ガス用内壁３１との間に横架される複数の部分的仕切り板３４を上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けることにより蛇行流路を形成している。これについては、後述する図５において詳細に示す。

左側壁の貫通孔５２は、反応ガス流通空間２０及び排ガス流通空間３０の双方を密閉状態に保持したまま貫通している。貫通孔５２にはヒーターや温度センサを挿通し、発電室１７内まで到達させることができる。貫通孔５２は、左右側壁の少なくとも一方に１または複数設ければよい。例えば、必要に応じて一方の側壁に２つ設けてもよく、両側に１つずつ設けてもよい。

図３では、発電室１７内に配置される構成要素の一例を概略的に点線で示している。中央には２つのセルスタック８０が並置され、それらの上方に改質器７１が適宜の支持手段により配置されている。各セルスタック８０はマニホールド７２の上面に装着され、マニホールド７２の上面を通して燃料ガスがセルスタック８０の各燃料電池セルの燃料極に供給される。反応ガス導入部材４０と排ガス用内壁３１との間及びマニホールド７２と下壁１４との間には適宜断熱材６１、６２が充填されている。

ここで、燃料電池モジュール１における発電時のガスの流れを概略説明する。例えば、ガス供給管により被改質ガスを改質器７１に供給し、改質触媒により改質された水素リッチな燃料ガスがマニホールド７２に送られ、さらにマニホールド７２からセルスタック８０の燃料電池セルの燃料極に対して供給される。一方、反応ガス供給管から酸素含有ガスが供給され、反応ガス流通空間及び反応ガス導入部材を通って発電室１７内に供給され（すなわち燃料電池セルの酸素極に対して供給され）、燃料電池反応により発電が行われる。燃料電池セル及び発電反応の詳細については、後に図１５において詳述する。

発電に使用されなかった燃料ガス及び酸素含有ガスは、発電室１７の上方に流動し、燃焼装置のある場合は点火されて燃焼され、排ガスとなる。セルスタック８０における発電に起因して、そしてまた燃料ガスと酸素含有ガスとの燃焼に起因して発電室１７内は例えば７００〜１０００℃程度の高温になる。そして、高温の排ガスは、排ガス流通空間３０へその上端から入り、蛇行流路を下降し、排出スリット３５から排ガス出口流路ケース３２に入り、排ガス排出管から排出される。高温の排ガスが蛇行流路を下降する一方で、隣接する反応ガス流通空間２０の蛇行流路を上昇する低温の反応ガスは排ガスの熱により予熱され、熱交換が行われる。

図４（ａ）は、図１〜図３に示した反応ガス導入部材４０を発電室外側から観た斜視図であり、図４（ｂ）は、同じく発電室中央側から観た斜視図である。反応ガス導入部材４０は一対の板部材４１ａ、４１ｂで挟まれた中空空間をもつ平たい箱を立てた形状であり、発電室内ではその長手方向がセルスタックの燃料電池セルの配列方向に沿うように設置される。上端には、反応ガス流通空間との連通孔４３が開口している。上端中央部の凹部４５は、図３を参照すると明らかな通り、排ガスが発電室中央部から排ガス流通空間へと通り抜けるための通路となるために設けられている。発電室中央側に向く面４１ａの下部には、反応ガスを放出するための導入開口４２が適宜穿設される。従来の反応ガス導入管は一般にセラミック製であったが、反応ガス導入部材４０は金属材料から作製できる。

図５（ａ）は、排ガス用内壁３１、排ガス出口流路ケース３２及び排ガス排出管３３の部分について、発電室外側から観た斜視図であり、図５（ｂ）は、同じく発電室中央側から観た斜視図である。排ガス用内壁３１は平板であり、その両端には、排ガス流通空間の幅を規定する折り曲げ部３１ａが形成されている。これらの折り曲げ部３１ａの縁部は、左側壁または右側壁の内殻部材へ接合される。排ガス流通空間内には、複数の部分的仕切り板３４を上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けることにより蛇行流路が形成されている。蛇行流路の下端は、排ガス出口流路ケース３２の上面上にあり、この部分において排ガス出口流路ケース３２の上壁には複数の排出スリット３５が適宜穿設されている。これらの部品はいずれも金属材料から作製できる。

図５（ａ）中の黒矢印は、排ガスの流れを示す。排ガス流通空間の上端から流入し、蛇行流路を下降して排出スリット３５を通り、排ガス出口流路ケース３２内に入り、排ガス排出管３３から排出される。

図６は、本発明の燃料電池モジュールの別の実施形態における、図３に相当する断面図である。本実施形態では、上壁の内殻部材１３ａから垂下する反応ガス導入部材４０’が上壁中央位置に１つだけ設けられている。図６の反応ガス導入部材４０’は、反応ガス導入空間を形成する一対の板部４１ａ、４１ｂの下部の双方に導入開口４２ａ、４２ｂが穿設されている。これにより、発電室中央から両側へ向かって反応ガスが放出される（白矢印）。尚、別の実施形態として、反応ガス導入部材４０’は、その長さ方向に直線状に延びる複数の管部材を、適宜の間隔を空けて配置して設けることもできる。

図７は、図６の実施形態における反応ガス導入部材４０’の外観斜視図である。この反応ガス導入部材４０’は発電室中央に設けられるので、図４の実施形態とは異なり、上端に排ガス通路となる凹部を設ける必要がない。従って、反応ガス流通空間との連通孔４３も１つであり、長手方向に連続的に延在する。図７では、導入開口４２ｂは片側のみ現れているが、反対側にも同様に設けられている。導入開口４２ａ、４２ｂは、セルスタックのセル配列方向中央部に多く反応ガスを供給できるように、導入開口４２ａ間、導入開口４２ｂ間の形成距離が中央部が短くなっている。これにより、より高温となりやすいセルスタック中央部を冷却することができる。

図８は、本発明の燃料電池モジュールのさらに別の実施形態の外観斜視図である。図９は、図８のＹ断面を概略的に示す図である。図１に示した実施形態との相違点は、ケーシング１０の下壁部分に排ガス出口貯留室３６と、反応ガス入口貯留室２６とを設けたことである。排ガス出口貯留室３６は発電室１７の直下に設けられ、その左右両側において左右側壁に設けられた排ガス流通空間３０とそれぞれ連通する。また、前端部に排ガス排出管３３が接続されている。

反応ガス入口貯留室２６は、排ガス出口貯留室３６の直下に設けられ、その左右両側において左右側壁の設けられた反応ガス流通空間２０とそれぞれ連通する。また、その後端部に反応ガス供給管２２が接続されている。白矢印で反応ガスの流れを示すように、反応ガス供給管２２から供給された反応ガスは、一旦、反応ガス入口貯留室２６の大空間に入った後、左右側壁の狭い反応ガス流通空間２０へと入る。圧損の低い大空間から圧損の高い小空間へ流れ込むことにより均一な流れが確保される。この効果により、本実施形態では蛇行流路を省くことが可能となる（もちろん、任意に設けてもよい）。また、反応ガス入口貯留室２６は排ガス出口貯留室３６の大空間の直下に設けられるため反応ガスが高温の排ガスから熱を与えられ、予熱された状態で左右側壁の反応ガス流通空間２０を上昇することとなり両側壁における熱損失が低減される。

その他の点については、図１〜図５に示した実施形態と同様である。左右側壁の反応ガス流通空間２０を上昇した反応ガスは、上壁の内殻部材１３ａに穿設された連通孔から反応ガス導入部材４０に流入し、その下部の導入開口４２から発電室１７内に放出される。

図１０は、本発明による燃料電池モジュールのさらに別の実施形態の外観斜視図である。前後方向及び左右方向については図１と同様とする。図１０では、ケーシング１０の前側壁(図示せず)を開け、内部に収容されている燃料電池セルスタック装置２を前方に取り出した状態を示している。
図１１は、図１０の燃料電池モジュールについての図９に相当する断面図である（ただし、燃料電池セルスタック装置を収容した状態で示している）。

図１１に示すケーシング１０は、図９に示した実施形態の変形形態であり、下壁部分に、中央で分離された２つの排ガス出口貯留室３６ａ、３６ｂと、２つの反応ガス入口貯留室２６ａ、２６ｂとがそれぞれ設けられている。
左側の排ガス出口貯留室３６ａは、左側壁の排ガス流通空間３０と連通し、右側の排ガス出口貯留室３６ｂは、右側壁の排ガス流通空間３０と連通する。各排ガス出口貯留室３６ａ、３６ｂの後端部に排ガス排出管３３がそれぞれ接続されている。
また、左側の反応ガス入口貯留室２６ａは、左側壁の反応ガス流通空間２０と連通し、右側の反応ガス入口貯留室２６ｂは、右側壁の反応ガス流通空間２０と連通する。各反応ガス出口貯留室２６ａ、２６ｂの前端部に反応ガス供給管２２がそれぞれ接続されている。

図１１のケーシング１０は、その他の点については図６に示した実施形態と同様である。左右側壁の反応ガス流通空間２０を上昇した反応ガスは、上壁の内殻部材１３ａに穿設された連通孔から反応ガス導入部材４０に流入し、その下部から発電室１７内に放出される。

図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の燃料電池モジュール１のケーシング外面上に外部断熱材６５を配設した状態を示す前後方向及び左右方向に沿った断面図である。燃料電池モジュール１の外面からの熱放散を防止するために、ケーシング外面を全体的に外部断熱材６５で覆っている。

図１３は、前述の各実施形態においてケーシング１０に取り付けられたヒーターの一実施形態を示す断面図である。ヒーター５５は、側壁１１（他の側壁でもよい）に穿設された貫通孔５２に挿通され固定される。ヒーター５５は、中心軸上にセラミックヒーターであるヒーター本体５５ａが配置されている。ヒーター本体５５ａの一端は図示しない発電室まで延び、他端には交流電源から電力供給するための金属配線５６が接続される。さらに、ヒーター本体５５ａは、間隔を空けて同心状に配置されたヒーター保持管５５ｃ２により覆われている。ヒーター保持管５５ｃ２は貫通孔５２に対してシール状態で嵌合する。ヒーター保持管５５ｃ２の外側端部にはフランジ状に固体板５５ｃ１が設けられ、固定板５５ｃ１が側壁１１の外面上にネジ５７等で固定される。

さらに、ヒーター本体５５ａとヒーター保持管５５ｃ２の間には、アルミナ管５５ｂが配設されている。アルミナ管５５ｂの両端は、ヒーター保持管５５ｃ２及び固定板５５ｃ１を貫通してそれぞれ突出しており、突出部分はセメント５５ｅによりヒータ保持管５５ｃ２及び固定板５５ｃ１とそれぞれ固定される。これにより、金属配線５６と燃料電池モジュールとの電気的絶縁を確保する。

次に、本発明の燃料電池モジュールにおける燃料電池セルスタック装置について説明する。
再び図１０を参照すると、ケーシング１０内に収容される燃料電池セルスタック装置２は、複数の燃料電池セル８１を一列に配列したセルスタック８０ａ、８０ｂを有する。これら２つのセルスタック８０ａ、８０ｂは、セル配列方向を平行として並置され、マニホールド７２上に固定されている。マニホールド７２は、その内部空間に燃料ガスを収容する燃料ガスケースである。セルスタック８０ａ、８０ｂのセル配列方向の端部には電流取り出し部材９１ａが設けられ、前方に延びている。
改質器７１は、セルスタック８０ａ、８０ｂの上方に配置され、被改質ガス供給管７１ａ及び水供給管７１ｂが後端部に連結されている。また、改質器７１の後端部近傍からは、マニホールド７１へ向かって燃料ガス送出管７１ｃが延び、マニホールド７１の上面に接続されている。改質器７１の前端部からは温度センサ７１ｄが挿入されている。なお、改質器７１については、後に図２３において詳述する。

図１４は、図１０に示した一対のセルスタックのうちの一方のセルスタック８０ａを示す図である。図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）は右側面図、図１４（ｃ）は前側面図、図１４（ｄ）は（ｂ）のＡ部拡大図である。
セルスタック８０ａは、複数の燃料電池セル８１を一列に配列させ形成される。隣り合う２つの燃料電池セル８１の間には集電部材９７が挿入配置され、これらの燃料電池セル８１を電気的に接続している。さらに、セルスタック８０ａの両端部には電流取り出し部材９０ａ、９０ｂがそれぞれ設けられている。

以下、図１５〜図１８を参照して、図１４に示した各構成要素について説明する。図１５は、燃料電池セル８１の断面を含む部分斜視図である。燃料電池セル８１は全体形状が平板柱状であり、ガス透過性のある導電性支持体８１ａの内部に軸方向に沿って複数の燃料ガス通路８１ｂが穿設されている。導電性支持体８１ａの外周面における一方の平面上に燃料極８１ｃ、固体電解質８１ｄ及び酸素極８１ｅが順次積層されている。酸素極８１ｅに対向する他方の平面上には接合層８１ｇを介してインターコネクタ８１ｆが設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層８１ｈを設けている。

斯かる燃料電池セル８１では、燃料ガス通路８１ｂに燃料ガス（水素リッチなガス）を流すことにより燃料極８１ｃに水素を供給し、一方、燃料電池セル８１の周囲に酸素含有ガス（例えば、空気）を供給することにより酸素極８１ｅに酸素を供給する。これにより、酸素極８１ｅ及び燃料極８１ｃで次の電極反応がそれぞれ生じることによって発電する。発電反応は６００〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

酸素極８１ｅの材料は、酸化雰囲気中で安定であり、気相酸素が固体電解質８１ｄとの界面に到達できるように多孔性とする必要がある。固体電解質８１ｄは、酸素極８１ｅから燃料極８１ｃへ酸素イオンＯ^２−を運ぶ役割を果たす。固体電解質８１ｄの材料は酸素イオン導電性酸化物であって、燃料ガスと酸素含有ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密にする必要がある。燃料極８１ｃの材料は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する必要がある。インタコネクタ８１ｆは、燃料電池セル８１同士を直列接続するために設けられており、燃料ガスと酸素含有ガスとを物理的に隔離するために緻密にする必要がある。
例えば、酸素極８１ｅは、電子及びイオンの双方の導電性の高いランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物から形成され、固体電解質８１ｄは、イオン導電性の高いＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）から形成され、燃料極８１ｃは、電子導電性の高いＮｉとＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）との混合物から形成される。インタコネクタ８１ｆは、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ_３から形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。

再び図１４を参照すると、上記の発電反応により生じた電流は、集電部材９７を介して直列接続された各燃料電池セル８１を流れ、セルスタック８０ａの両端部にそれぞれ設けた電流取り出し部材９０ａ、９０ｂにより外部の電力変換装置へ出力される。
図１６（ａ）は、一方の電流取り出し部材９０ａの外観斜視図であり、図１６（ｂ）は、他方の電流取り出し部材９０ｂの外観斜視図である。以下、図１４及び図１６を参照して、セルスタック端部における電流取り出し構造について説明する。

セルスタック８０ａの前方側の最端に位置する燃料電池セル８１の端部側には、端部集電部材（中間の集電部材９７と同じでもよい）を介して電流取り出し部材９０ａが配置される。電流取り出し部材９０ａと端部集電部材の間には、電流の局所集中を防止するために導電性セラミック材料または導電性接着剤を介在させてもよい。電流取り出し部材９０ａは、コスト的に有利な耐熱性合金で形成される。電流取り出し部材９０ａは、平板部９２ａとその両縁から屈曲して平板部９２ａに対してほぼ垂直に前方に延びる一対の側板部９４ａを具備する形状である。この形状は、電流取り出し部材９０ａの剛性を大きくし安定に立設するために好適である。また、電流取り出し部材９０ａは、広い面積をもつ平板部９２ａの全面で端部集電部材と接触でき、かつその厚みを十分厚くすることができるため、抵抗を小さくして電力損を低減することができる。

さらに、平板部９２ａの下端中央近傍から平板部９２ａに対して垂直に帯状の電流取り出し片９１ａが前方に延びている。電流取り出し片９１ａの中間部には階段状の屈曲部９３ａが設けられているが、これは、後に図２０でも説明するが、マニホールドの形状に適合させるためである。電流取り出し片９１ａの先端は、適宜の電気配線を介して外部に接続される。このように電流取り出し片９１ａは、剛性のある電流取り出し部材９０ａの一部であり一体化されているため、振動や衝撃により脱離するおそれがない。電流取り出し部材９０ａの下端には屈曲した脚部９５ａが設けられ、これにより立設可能である。

一方、セルスタック８０ａの後方側には、同様にして電流取り出し部材９０ｂが配置される。電流取り出し部材９０ｂは、電流取り出し部材９０ａとほぼ同じ形状であるが、図１４（ｄ）に示す通り、電流取り出し片９１ｂの長さと、その中間部における屈曲部９３ｂの形状が相違する。これも、後に図２０で説明するが、マニホールドの形状に適合させるためである。

なお、燃料電池セル８１間に挿入配置される集電部材９７は、セル配列方向に伸縮可能な弾性を具備している。従って、セルスタック８０ａを設置するときは、その両端部から押圧力を付加して集電部材９７を弾性変形させることにより、燃料電池セル８１との良好な電気的接続を確保する。従って、セルスタック８０ａの両端部に配置される電流取り出し部材９０ａと９０ｂは、セルスタック８０ａを押圧状態に保持するための押さえ板の役割も果たしている。よって、一対の電流取り出し部材９０ａ、９０ｂがセルスタック８０ａをセル配列方向の両側から押圧し、その状態でセルスタックが固定されることになる。固定方法の詳細については後述する。

図１７（ａ）は、図１４に示したセルスタック８０ａにおいて任意の隣り合う２つの燃料電池セル８１と、その間に挿入配置された集電部材９７とを示す拡大平面図である。図１７（ｂ）は、（ａ）に示した集電部材９７の部分斜視図である。２つの燃料電池セル８１をそれぞれ第１セル及び第２セルと称して説明すると、集電部材９７は、第１セルの平坦面に当接する第１導電体片９７ａと、第１セルの一方の端部から第２セルの他方の端部へと傾斜して延びる第２導電体片９７ｂと、第２セルの平坦面に当接する第３導電体片９７ｃと、第２セルの一方の端部から第１セルの他方の端部へと傾斜して延びる第４導電体片９７ｄとを基本要素とする。第１〜第４の導電体片９７ａ〜９７ｄは、この順序で端部同士を次々に連結されており、さらにこの順序で繰り返し導電体片９７ａ〜９７ｄが連結されることにより、セルの軸方向に延在する一繋がりの集電部材９７を形成している。集電部材９７の平坦部である第１導電体片９７ａ及び第３導電体片９７ｃは、燃料電池セル８１の平坦面に当接することにより、酸素極８１ｅまたはインターコネクタ８１ｆと電気的に接続される。傾斜部である第２導電体片９７ｂは、２箇所に屈曲部９７ｂ１、９７ｂ２が形成されることでさらに柔軟な構造となる（第４導電体片９７ｄについても同様）。斯かる形状の集電部材９７は柔軟性に富んでおり、セル配列方向及びセル軸方向の変形に対する追従性が良好であると同時に、通気性にも優れている。

また、図１７に示す集電部材９７の両端部は、燃料電池セル８１の幅方向両端部の形状に沿って湾曲し、燃料電池セル８１を両側から把持している。これにより、集電部材９７と燃料電池セル８１とが強固に接合され、集電部材９７の剥離を防止して電気的接続の安定性を向上させている。さらに、集電部材９７の幅方向の先端には、燃料電池セル８１の外方に突出するリブ９７ｅが設けられている。このリブ９７ｅは、図１８に示すように用いられる。

図１８（ａ）は、図１４（ａ）に示したセルスタック８０ａを概略的に示した部分拡大平面図であり、図１８（ｂ）はその部分側面図である。図１８（ａ）の平面図に示す通り、燃料電池セル８１の幅方向両端において、隣り合う２つの集電部材９７のリブ９７ｅ同士が互いに近傍に位置して向き合うことになる。そして、これら一対のリブ９７ｅは、ガラス等のシール材９８により連結固定されている。これにより、燃料電池セル８１と集電部材９７とがさらに強固に接合される。また、図１８（ｂ）に示すように、一対のリブ９７ｅに対しポイント的にシール材９８を付着させることが好適である。仮に軸方向全体に亘ってシール材９８を付着すると、集電部材９７の剛性が高くなり柔軟性が損なわれるためである。

図１９及び図２０は、図１０に示した一対のセルスタック８０ａ、８０ｂと、これらを支持固定するマニホールド７２とを示す図である。なお、セルスタック８０ｂは、図１４〜図１８において説明したセルスタック８０ａと同じ構成である。図１９（ａ）は平面図、図１９（ｂ）は右側面図、図１９（ｃ）は（ｂ）のＢ断面図、図１９（ｄ）は後側面図である。さらに、図２０（ａ）は、図１９（ｂ）のＣ部拡大断面図、図２０（ｂ）は同じくＤ部拡大断面図、図２０（ｃ）は図１９（ｃ）のＥ部拡大断面図である。

図１９に示す通り、一対のセルスタック８０ａ、８０ｂは、１つのマニホールド７２の上面に支持固定される。マニホールド７２は、上下に分離された上部ケース７２ａと下部ケース７２ｂとの組み合わせからなる。ただし、上部ケース７２ａは、各セルスタック８０ａ、８０ｂを支持固定するために２つ設けられている。下部ケース７２ｂは１つである。

図２１は、下部ケース７２ｂを示す図であり、図２１（ａ）は平面図、図２１（ｂ）は右側面図、図２１（ｃ）は（ａ）のＨ断面図、図２１（ｄ）は（ａ）のＩ断面図である。
図２２は、上部ケース７２ａを示す図であり、図２２（ａ）は平面図、図２２（ｂ）は右側面図、図２２（ｃ）は（ａ）のＧ断面図、図２２（ｄ）は（ａ）のＦ断面図である。

以下、図１９〜図２２を参照してマニホールド７２の構成を説明する。
図２１に示す通り、下部ケース７２ｂは、皿状の底部材７２ｂ２と、底部材７２ｂ２の上端開口を覆う蓋部材７２ｂ１とを接合して形成される。下部ケース７２ｂの蓋部材７２ｂ１の上面には、一対の開口部７２ｂ３が設けられており、各開口部７２ｂ３の内周縁には、開口面内に張り出した支持部７２ｂ４が設けられている。これらの開口部７２ｂ３の支持部７２ｂ４上に、図２２に示す上部ケース７２ａが１つずつ載置される。さらに、蓋部材７２ｂ１の上面には、図１０に示した改質器７１からの燃料ガス送出管７１ｃが接続されるガス導入孔７２ｃも設けられる。
図２０（ｃ）の拡大図に示す通り、マニホールド７２の内部空間は、上部ケース７２ａと下部ケース７２ｂとを接合した状態で一室となっており、ガス導入孔７２ｃから流入した燃料ガスが収容される。

図２２に示す通り、上部ケース７２ａは、開口部７２ａ３の周囲を囲む環状部７２ａ１から形成される。開口部７２ａ３内には、セルスタックの各燃料電池セルの下端部が配設される。環状部７２ａ１は、断面Ｕ字状に内方に折り曲げられた折り返し部７２ａ４を形成されている。この折り返し部７２ａ４を形成した形状は、マニホールド７２と、開口部７２ａ３に配設される燃料電池セルと、燃料電池セルを固定するシール材との間の熱膨張係数の差により発生する応力を緩和するために好適である。この結果、これらの間の接合強度が向上し、安定した固定状態が確保される。また、環状部７２ａ１の下端７２ａ２は、上述の下部ケース７２ｂの開口部７２ｂ３の支持部７２ｂ４上に、電気的に絶縁された状態で載置される。

ここで、図２０（ａ）及び（ｂ）を参照すると、下部ケースの支持部７２ｂ４上には絶縁性のセラミック板７３が置かれ、その上に上部ケース７２ａの下端が載置されている。セラミック板７３は、例えばマイカ板またはフォルステライトである。さらに、上部ケースと下部ケースとは、その間にガラス等の絶縁性のシール材７４が充填されることにより接合されている。これらのセラミック板７３及びシール材７４により、上部ケースと下部ケースとの絶縁性が確保される。なお、絶縁性の薄膜または薄板であればセラミック板に限られない。通常、マニホールド７２はコスト的に有利な耐熱性合金から形成されることが好適である。従って、このように上部ケースと下部ケースとの電気的絶縁を確保することにより、仮に上部ケース７２ａが燃料電池セル８１と導通した場合にも、下部ケースを絶縁状態に保持することができ、燃料電池モジュールの他の構成部材への漏電を防止することができる。

さらに、図２０（ａ）及び図２０（ｂ）を参照すると、セルスタックの各燃料電池セル８１の一端部と電流取り出し部材９０ａ、９０ｂの一端部とは、上部ケース７２ａの開口部内において、ガラス等の絶縁性のシール材７６に埋設されるように支持固定されている。この結果、セルスタックがその両端部の電流取り出し部材９０ａ、９０ｂにより押圧された状態で固定される。なお、支持固定された燃料電池セル８１の燃料ガス通路は、マニホールド７２の内部空間と連通している。これにより、マニホールド７２に収容された燃料ガスが、燃料電池セル８１の燃料ガス通路内へ供給される。
このように、セルスタックがマニホールド７２に固定されているため、一部の燃料電池セル８１が破損した場合にはマニホールド７２とともにセルスタックを取り出して交換することができる。この形態は、燃料電池セルが直接ケーシングに固定された形態に比べてメンテナンスが容易である。

さらに、図２０（ａ）を参照すると、電流取り出し部材９０ａから外方へ延びる電流取り出し片９１ａは、その下面の一部がガラス等の絶縁性のシール材７５によりマニホールド７２に固定されている。これにより、電流取り出し片９１ａはマニホールド７２との電気的絶縁を確保すると同時に、振動や衝撃に対して安定となる。また、電流取り出し片９１ａに設けられた階段状の屈曲部９３ａは、マニホールド７２の外郭形状に沿った形状となっている。これによっても、電流取り出し片９１ａとマニホールド７２との接触が避けられる。

さらに、図２０（ｂ）を参照すると、電流取り出し部材９０ｂから外方へ延びる電流取り出し片９１ｂもまた、その下面の一部が絶縁性のシール材７５によりマニホールド７２に固定されている。これにより、電流取り出し片９１ｂはマニホールド７２との電気的絶縁を確保すると同時に、振動や衝撃に対して安定となる。また、電流取り出し片９１ｂに設けられた屈曲部９３ｂもまた、マニホールド７２の外郭形状に沿っており、マニホールド７２との接触を避けることができる。

図１９（ａ）を再び参照すると、セルスタック８０ａと８０ｂの各々の後方端部の電流取り出し部材９０ｂ、９０ｂ同士が、導電性の連結部材９９ａにより電気的に接続されている。各電流取り出し部材９０ｂと連結部材９９ａとは、固定具９９ｂにより接続固定されている。これにより、セルスタック８０ａ及び８０ｂに含まれる全ての燃料電池セル８１が直列に接続されるため、前方端部の一対の電流取り出し部材９０ａ、９０ａにより外部へ電流取り出しすることができる。

次に、図２３を参照して改質器７１について説明する。
図２３は、図１０に示した改質器７１の概略的な横断面図である。改質器７１は、前後方向に長く延びる略直方体形状の第１ケース７１ｆと第２ケース７１ｇとを互いに平行に配置させて形成される。さらに、双方のケースの前端部同士は、中空の連結部７１ｇにより連結されており、内部空間は連通している。よって、改質器７１の全体形状は略Ｕ字状である。

ここで図１０を再び参照すると、第１ケース７１ｆはセルスタック８０ａの上方に、第２ケース７１ｈはセルスタック８０ｂの上方に位置しており、セルスタックからの排熱を改質器７１の温度保持のために有効利用できる。また、図１０に示す通り、ケーシング１０の上壁から垂下する反応ガス導入部材４０は、発電室１７内において、第１ケース７１ｆと第２ケース７２ｈの間の空間を通るように配置される。なお、改質器７１に接続または挿入されるガス供給管やセンサは、ケーシング１０内部から外部へ延びている。ケーシング１０にはこれらのガス供給管やセンサを挿通させるための孔が適宜設けられている。

図２３を参照すると、第１ケース７１ｆの後端部へは被改質ガス供給管７１ａと水供給管７１ｂとが接続され、これらにより被改質ガス及び水がそれぞれ供給される。被改質ガスは、都市ガス等の炭化水素ガスでよい。水は、精製された純水である。被改質ガスは第１ケース７１ｆに流入し、気化室７１ｆ１から混合室７１ｆ２へと流れる。一方、水供給管７１ｂは第１ケース７１ｆの気化室７１ｆ１内に深く延びており、その先端から水が流出して気化室７１ｆ２内で蒸気となり、混合室７１ｆ２へと流れる。なお、気化室７１ｆ１と混合室７１ｆ２とは、通気性のある壁で分離されている。そして、ジルコニア球が充填された混合室７１ｆ２において被改質ガスと蒸気とが混合される。混合されたガスは連結部７１ｇを通り第２ケース７１ｈへ入る。第２ケース７１ｈ内には改質触媒７１ｈ１が充填されている。ここで水蒸気改質反応が行われ、炭化水素ガスが水素に転化することにより水素リッチな燃料ガスが得られる。燃料ガスは、第２ケース７１ｈの後端部近傍の下面に接続された燃料ガス送出管７１ｃへと送り出される。また、燃料ガスの一部は、第２ケース７１ｈの後端部に接続されたサンプル管７１ｅから取り出されて分析され、そのデータは発電条件の制御のために用いられる。
なお、第１ケース７１ｆ及び第２ケース７１ｈのそれぞれ温度検出のために、改質器７１の前端部から一対のセンサ７１ｄが挿入配置されている。

図２４は、改質器７１の一実施形態を示す図である。図２４（ａ）は斜め後方から見た外観斜視図、図２４（ｂ）は（ａ）の分解図、図２４（ｃ）は気化・混合ユニット７１ｊの横断面図、図２４（ｄ）は改質ユニット７１ｋの横断面図である。
図２４の改質器７１の全体形状は、図２３の改質器と同様のＵ字状である。図２４の改質器７１では、第１ケース７２ｆ及び第２ケース７２ｈにそれぞれ収容される構成要素をユニット化して、簡易に交換できるようにした形態である。例えば、改質触媒が劣化した場合や、水供給管７１ｂが水中のカルシウム等の析出により閉塞した場合に交換が必要となる。

図２４に示すように、気化・混合ユニット７１ｊは第１ケース７１ｆに装填され、改質ユニット７１ｋは第２ケース７１ｈに装填される。
気化・混合ユニット７１ｊは、図２４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、全体がメッシュ部材またはパンチングケース７１ｆ３で覆われ、その後壁が固定用のフランジ７１ｉ３を兼用している。メッシュ部材等７１ｆ３は、一定形状を保持する剛性と通気性を有する。後壁には被改質ガス供給管７１ａと水供給管７１ｂが接続されている。気化・混合ユニット７１ｊ内は、通気性のある壁により気化室７１ｆ１と混合室７１ｆ２に分離されている。気化室７１ｆ１内には水供給管７１ｂが延びており、混合室７１ｆ２にはジルコニア球が充填されている。一方、第１ケース７１ｆの後部にもフランジ７１ｉ１が形成されている。装填する際は、気化・混合ユニット７１ｊをガスケット７１ｉ２に挿通し、フランジ７１ｉ１、ガスケット７１ｉ２及びフランジ７１ｉ３を重ね合わせシール状態にて固定する。

同様に改質ユニット７１ｋも、全体がメッシュ部材またはパンチングケース７１ｈ３で覆われ、後壁が固定用のフランジを兼ねている。後壁にはサンプル管７１ｅが接続されている。ユニット内部には、改質触媒７１ｈ１が充填されている。装填方法は、気化・混合ユニット７１ｊと同様である。

図２５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ改質器７１のさらに別の実施形態を示す斜め前方から見た分解図である。図２５の改質器７１の全体形状は、図２３及び図２４の改質器とほぼ同様のＵ字形状であるが、図２４と相違する点は、図２５の改質器７１では前端部から内部のユニットを交換可能としたことである。

図２５（ａ）の改質器７１では、第１ケース７１ｆと第２ケース７１ｈに対し、一体化されたＵ字形状のユニット７１ｍを装填する。ユニット７１ｍは、メッシュ部材またはパンチングケースで覆われ、１つの前壁が固定用のフランジ７１ｉ３を兼用している。前壁から温度センサ７１ｄが挿入されている。ユニット７１ｍの内部には、図２４（ｃ）、（ｄ）で示した構成要素が同様に配置されている。改質器７１の前方から交換することを除いて、装填及び固定の方法は、図２４の形態と同様である。

図２５（ｂ）の改質器７１では、第１ケース７１ｆ及び第２ケース７１ｈとして角型管部材を用いており、その前端近傍同士を連結管７１ｇで連結することにより略Ｕ字状の全体形状を形成している。気化・混合ユニット７１ｐは第１ケース７１ｆの前端から装填され、改質ユニット７１ｑは第２ケース７１ｈの前端から装填される。各ユニット７１ｐ、７１ｑの前壁が固定用フランジを兼用している。各ユニット７１ｐ、７１ｑの内部は、それぞれ図２４（ｃ）、（ｄ）で示した構成要素と同様である。

本発明による燃料電池モジュールの一実施形態の外観斜視図である 図１の燃料電池モジュールの前壁を除いたケーシングの一部切り欠き斜視図である。 図１のＸ断面を概略的に示す図である。 （ａ）は、反応ガス導入部材の一方の側から観た斜視図であり、（ｂ）は、同じく他方の側から観た斜視図である。 （ａ）は、排ガス用内壁、排ガス出口流路ケース及び排ガス排出管の部分について、発電室の外側に向く側から観た斜視図であり、（ｂ）は、同じく発電室の中央側から観た斜視図である。 本発明の燃料電池モジュールの別の実施形態における、図３に相当する断面図である。 図６の実施形態における反応ガス導入部材の外観斜視図である。 本発明の燃料電池モジュールのさらに別の実施形態の外観斜視図である。 図８のＹ断面を概略的に示す図である。 本発明による燃料電池モジュールのさらに別の実施形態の外観斜視図である。 図１０の燃料電池モジュールについての図９に相当する断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の燃料電池モジュールのケーシング外面上に外部断熱材を配設した状態を示す前後方向及び左右方向に沿った断面図である。 ケーシングの側壁から挿通されたヒーターの一実施形態を示す断面図である。 図１０に示した一対のセルスタックのうちの一方のセルスタックを示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は前側面図、（ｄ）は（ｂ）のＡ部拡大図である。 燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。 （ａ）は、一方の電流取り出し部材の外観斜視図であり、（ｂ）は、他方の電流取り出し部材の外観斜視図である。 （ａ）は、集電部材の拡大平面図である。（ｂ）は、集電部材の部分斜視図である。 （ａ）は、セルスタックを概略的に示した部分拡大平面図であり、（ｂ）はその部分側面図である。 一対のセルスタックとマニホールドとを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ断面図、（ｄ）は後側面図である。 （ａ）は、図１９（ｂ）のＣ部拡大断面図、（ｂ）は図１９（ｂ）のＤ部拡大断面図、（ｃ）は図１９（ｃ）のＥ部拡大断面図である。 マニホールドの下部ケースを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は（ａ）のＨ断面図、（ｄ）は（ａ）のＩ断面図である。 マニホールドの上部ケースを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は（ａ）のＧ断面図、（ｄ）は（ａ）のＦ断面図である。 図１０に示した改質器の概略的な横断面図である。 改質器の一実施形態を示す図である。（ａ）は斜め後方から見た外観斜視図、（ｂ）は（ａ）の分解図、（ｃ）は気化・混合ユニットの横断面図、（ｄ）は改質ユニットの横断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、改質器のさらに別の実施形態を示す斜め前方から見た分解図である。 従来の燃料電池モジュールの典型例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池モジュール
１０ ケーシング
１１ 左側壁
１２ 右側壁
１３ 上壁
１４ 下壁
１５ 前側壁
１６ 後側壁
１７ 発電室
２０ 反応ガス流通空間
３０ 排ガス流通空間
４０ 反応ガス導入部材

Claims (15)

1. 燃料電池セルを収容する発電室と、該発電室を内包する略直方体のケーシングとを具備する燃料電池モジュールにおいて、
   前記ケーシングにおける左右側壁及び上壁が、互いに所定間隔を空けて並設された外殻部材と内殻部材とにより反応ガス流通空間を形成する中空壁であって該外郭部材及び該内殻部材はそれぞれ断面コ字状に形成されており、
   前記上壁の内殻部材から前記発電室内に垂下しかつ前記反応ガス流通空間と連通して該発電室内に反応ガスを導入する反応ガス導入部材を設けたことを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 前記左右側壁の内殻部材の発電室側にて該内殻部材に対し所定間隔を空けて並設された排ガス用内壁により排ガス流通空間を形成しかつ該排ガス流通空間の上部が前記発電室に連通することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
3. 前記反応ガス導入部材が互いに所定間隔を空けて並設された一対の板部材により反応ガス導入空間を形成しかつ該反応ガス導入空間の下部にて該板部材に反応ガス導入開口を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
4. 前記反応ガス導入部材が前記上壁中央に対して左右対称に両側にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
5. 前記反応ガス導入部材が前記上壁中央位置に１つ設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
6. 前記左右側壁における反応ガス流通空間内にて前記外殻部材と内殻部材との間に横架される複数の部分的仕切り板を上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けることにより蛇行流路を形成した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モジュール。
7. 前記排ガス流通空間内にて前記左右側壁の内殻部材と排ガス用内壁との間に横架される複数の部分的仕切り板を上下方向に所定間隔を空けて互い違いに設けることにより蛇行流路を形成したことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
8. 前記ケーシングの前後側壁の一方が閉止されかつ他方が開閉可能であり、該開閉可能な側壁に配管用開口を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
9. 前記ケーシングの前後側壁が開閉可能であり、該開閉可能な側壁に配管用開口を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
10. 前記反応ガス流通空間及び前記排ガス流通空間を密閉した状態にて左右側壁の少なくとも一方を貫通する１または複数の貫通孔を設けたことを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
11. 前記左右側壁における前記排ガス流通空間の各々と連通しかつ排ガス排出管を接続した排ガス出口貯留室を前記ケーシングの下壁に設けると共に、前記左右側壁における前記反応ガス流通空間の各々と連通しかつ反応ガス供給管を接続した反応ガス入口貯留室を該排ガス出口貯留室の下側に設けたことを特徴とする請求項２〜１０のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
12. 複数の前記燃料電池セルを一列に配列したセルスタックと、前記燃料電池セルの一端部をそれぞれ固定したマニホールドとを有し、前記マニホールドが上部ケースと下部ケースとを接合してなり、該上部ケースは１又は複数の上面の開口部と該開口部の周囲を囲み内方に折り曲げられた折返し部を形成した環状部とからなり、該上部ケースの開口部内に該燃料電池セルの一端部をシール材によりシールされた状態で立設することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
13. 複数の前記燃料電池セルを集電部材を介して一列に配列したセルスタックと、前記セルスタックの両端部にそれぞれ設けた剛性をもつ電流取り出し部材と、前記電流取り出し部材の一部であって外方に向けて帯状に延びる電流取り出し片とを有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池モジュール。
14. 前記燃料電池セルの一端部をそれぞれ固定したマニホールドを有し、
    前記電流取り出し部材の一端部が、前記マニホールドに絶縁状態にて接合固定されていることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池モジュール。
15. 複数の前記燃料電池セルを一列に配列したセルスタックを有し、前記セルスタックを前記発電室内に２列に並設したことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の燃料電池モジュール。

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