WO2007013328A1 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池モジュールにおいて、熱交換器を含む酸素含有ガスの流路上でガス漏れを発生しない構造を提供すると共にコスト低減を図る。 【解決手段】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外郭部材及び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る。 　

Description

明 細 書

燃料電池モジュール

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 図 26は、従来の固体酸ィ匕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 、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-ホールド 72とが設けられている 。マ-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 14 0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-ホールド 72と下壁と の間、並びに発電室 111と熱交^^ 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 、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

[0003] 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の下壁力も熱交翻120_&、 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カゝら被改質ガス (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-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-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の下壁力も流出 する（黒矢印)。熱交翻120_&、 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。

[0004] 斯カる燃料電池モジュール 100にお 、て発電が行われる際には発電室 111内は 7 00〜： LOOO° C程度の高温に保持されなければならない。

特許文献 1 :特開 2005— 123014号公報

特許文献 2 :特開 2005— 158526号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 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力つた。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 るだけでなぐ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 Z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つていた。 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つ 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つ た。

[0006] 以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、固体酸ィ匕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。

課題を解決するための手段

[0007] 上記の目的を達成するべぐ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。

[0008] (2)請求項 2に係る燃料電池モジュールは、請求項 1にお 、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。

[0009] (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。

[0010] (4)請求項 4に係る燃料電池モジュールは、請求項 3にお 、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。

[0011] (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。

[0012] (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。

[0013] (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。

[0014] (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。

[0015] (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。

[0016] (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。

[0017] (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〜： L 1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-ホールドとを有し、前記マ-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〜： L 1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-ホールドを有し、前記電流取り出し部材のー 端部が、前記マ-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〜： L 1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。

発明の効果

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 、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力 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 力 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。 [0019] ·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。

[0020] ·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 部材がー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ょ 、ので、製造コスト及び組立コストを節減できる。

[0021] ·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 Zまたは形状のセルスタック、改質器及びマ-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。

[0022] ·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-ホールドを配置することができ る。反応ガス導入部材カ 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。

[0023] ·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。

[0024] ·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。

[0025] ·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、力 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。

[0026] ·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、前後側壁の両方力も配管することができるため、 多様な設計に対応できる。

[0027] ·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力 挿通し発 電室内に配置することができる。

[0028] ·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 排ガス力 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 ヽ場合は、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-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-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ィ匕されて 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-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 ち果たすことがでさる。

•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、構造も簡略ィ匕でき、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 、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。

発明を実施するための最良の形態

[0029] 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ィ匕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 体酸ィ匕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-ホールド (燃料 ガスケース)及び Zまたは改質器等力 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。

[0030] 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つの壁部材カも構成される。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力 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。

[0031] 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つ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 ロ流路ケース 32もまた、ケーシング 10の前後方向全体に亘つ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カゝらなる。

[0032] 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 、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。

[0033] 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。

[0034] 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。

[0035] 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 l la、 12a, 13aと内殻部材 l lb、 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 l la、 12 a、 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ぐあるいは、 3枚の 板を接合して形成してもよい。内殻部材 l lb、 12b、 13bについても同様である。 図 2では、外殻部材 l la、 12a、 13aの一部を切り欠いて内殻部材 l ib及び 13bを 露出させて示している。外殻部材 l la、 12a、 13a、内殻部材 l lb、 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。

[0036] 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 l ib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 、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。

[0037] 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。

[0038] 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、流入スリツ 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。 [0039] 図 3は、図 1の X断面を概略的に示す図である。外殻部材 l la、 12a、 13aと内殻部 材 l lb、 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の中央に向力つ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。

[0040] 図 3に示すように、左右側壁の内殻部材 l lb、 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 l lb、 12bの各々と排ガス用内壁 3 1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。

[0041] 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つ設けてもよぐ 両側に 1つずつ設けてもよ!、。

[0042] 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 、る。各セルスタック 80はマ-ホールド 72の上面に装着され 、マ-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-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。

[0043] 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-ホールド 72に送られ、さらにマ-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。

[0044] 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°C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、排ガス排出管力 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。

[0045] 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 4 0は一対の板部材 41a、 41bで挟まれた中空空間をもつ平た 、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カも排ガス 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つたが、反応ガス導入部材 40は金 属材料カゝら作製できる。

[0046] 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 3 laが形成されている。これらの折り曲げ部 3 la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カゝら作製できる。

[0047] 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力 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。

[0048] 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力つて反応ガスが放出 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

[0049] 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つている。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。

[0050] 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。

[0051] 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 1ヽ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。

[0052] 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。

[0053] 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 1 0の前側壁 (図示せず)を開け、内部に収容されて!、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 、る。

図 11は、図 10の燃料電池モジュールにつ 、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 ヽる）。 [0054] 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。

[0055] 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、その下部カゝら発電室 17内 に放出される。

[0056] 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。

[0057] 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に揷通され固定される。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!、る。ヒーター本体 55aの一端は図示しな!、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 5 5c2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 55clが設けられ 、固定板 55clが側壁 11の外面上にネジ 57等で固定される。

[0058] 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 55cl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 55cl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。

[0059] 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-ホール ド 72上に固定されている。マ-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の後端部近傍力もは、 マ-ホールド 71へ向かって燃料ガス送出管 71cが延び、マ-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。

[0060] 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。

[0061] 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 1 5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 8 la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。

[0062] 斯カゝる燃料電池セル 81では、燃料ガス通路 8 lb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 8 le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°Cで行われる。

酸素極： 1Z20 + 2e_→0^2_ (固体電解質）

2

燃料極 : 0^2_ (固体電解質） +H→H 0 + 2e"

2 2

[0063] 酸素極 8 le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 8 Id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 0^2_を運ぶ役割を果たす。固体電解質 81dの材料は酸 素イオン導電性酸ィ匕物であって、燃料ガスと酸素含有ガスとを物理的に隔離するた め、酸ィ匕 Z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 8 lc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 8 If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 ト系のベ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 Oを含有する ZrO (YSZ)から形成され、燃料極 81cは、電子導電性の高

2 3 2

い Niと Y Oを含有する ZrO (YSZ)との混合物から形成される。インタコネクタ 81f

2 3 2

は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸ィ匕物を固溶した LaCrOから形成される。こ

3

れらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。

[0064] 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っ 、て説明する。

[0065] 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 、）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ょ ヽ。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 V、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。

[0066] 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 、る。電流取り出し片 9 laの中間部には階段状の屈曲 部 93aが設けられている力 これは、後に図 20でも説明する力 マ-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 9 la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 9 laは、剛性のある電流取り出し部材 90a の一部であり一体ィ匕されているため、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。

[0067] 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力 図 1 4 (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で説明する力 マ-ホールドの形状に適合させる ためである。

[0068] 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 力ゝ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力も押圧し、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。

[0069] 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 1 7 (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セルの一方の端部力 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セルの一方の端部力 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 97bl、 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 、る。

[0070] 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。

[0071] 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に対しボイ 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つてシー 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

[0072] 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-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。

[0073] 図 19に示す通り、一対のセルスタック 80a、 80bは、 1つのマ-ホールド 72の上面 に支持固定される。マ-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、 8 Obを支持固定するために 2つ設けられて 、る。下部ケース 72bは 1つである。

[0074] 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。

[0075] 以下、図 19〜図 22を参照してマ二ホールド 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 72b 1とを接合して形成される。下部ケース 72bの蓋部材 72bl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 、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 72b 1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-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。

[0076] 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 72al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 72al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、マ二ホールド 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 72al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。

[0077] 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、例えばマイ力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-ホールド 72はコスト的に有利な耐熱性合金力も形成されること 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。

[0078] 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- ホールド 72の内部空間と連通している。これにより、マ-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-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-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 ベてメンテナンスが容易である。

[0079] 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-ホールド 7 2に固定されている。これにより、電流取り出し片 91aはマ-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-ホールド 72の外郭形状に沿った形状とな つている。これによつても、電流取り出し片 91aとマ-ホールド 72との接触が避けられ る。

[0080] 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-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-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-ホールド 72の外郭形状に沿っており、マ-ホール ド 72との接触を避けることができる。

[0081] 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さる。

[0082] 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。

[0083] 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内部力も外部へ延びている。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

[0084] 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 71f 1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 71fl内に深く延びており、その先端力 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 71fl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、ジルコユア球が充填され た混合室 71f 2にお ヽ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 71hl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ィ匕することにより 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 の前端部力も一対のセンサ 71dが挿入配置されて 、る。

[0085] 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 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 ユニットィ匕して、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。

[0086] 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、改質ュ-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、全体カ ッシュ部材また はパンチングケース 7 If 3で覆われ、その後壁が固定用のフランジ 7 li3を兼用して ヽ る。メッシュ部材等 7Π3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 71flと混合室 71f2に分離されている。気化室 71f 1内には水供給管 71bが延びており、混合室 71f2にはジルコユ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 71ilが形成されている。装填する際は、 気ィ匕 '混合ユニット 71jをガスケット 71i2に揷通し、フランジ 71il、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。

[0087] 同様に改質ユニット 71kも、全体カ^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 71hl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。

[0088] 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 力も内部のユニットを交換可能としたことである。 [0089] 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ダケ 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の前方力も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。

[0090] 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の前端力も装填され、 改質ユニット 71qは第 2ケース 71hの前端力も装填される。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。

図面の簡単な説明

[0091] [図 1]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 2]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 3]図 1の X断面を概略的に示す図である。

[図 4] (a)は、反応ガス導入部材の一方の側力も観た斜視図であり、（b)は、同じく他 方の側から観た斜視図である。

[図 5] (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。

[図 6]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 7]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。

[図 8]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]図 8の Y断面を概略的に示す図である。

[図 10]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 11]図 10の燃料電池モジュールにつ 、ての図 9に相当する断面図である。

[図 12] (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。

圆 13]ケーシングの側壁カも揷通されたヒーターの一実施形態を示す断面図である

[図 14]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。 圆 15]燃料電池セルの断面を含む部分斜視図である。

[図 16] (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。

[図 17] (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

[図 18] (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。

[図 19]一対のセルスタックとマ-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。

[図 20] (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。

[図 21]マ二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。

[図 22]マ二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。

圆 23]図 10に示した改質器の概略的な横断面図である。

圆 24]改質器の一実施形態を示す図である。 (a)は斜め後方力も見た外観斜視図、 (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。

[図 25] (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カゝら見た分解 図である。

[図 26]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

請求の範囲

[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 、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 、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!、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-ホールドとを有し、前記マ-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ユー ル。

[13] 複数の前記燃料電池セル^^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-ホールドを有し、

前記電流取り出し部材の一端部が、前記マ二ホールドに絶縁状態にて接合固定さ れて 、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。