JP2010108827A - 燃料電池セルスタックユニット、それを備える燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明によれば、燃料電池セルスタックを効果的に集約可能であると共に、燃料電池セルや燃料電池セルスタックの検査容易性も確保されている燃料電池セルスタックユニット、それを備える燃料電池モジュール、及び燃料電池セルスタックユニットの製造方法を提供することができる。
【解決手段】 ガスタンク６は、複数の燃料電池セルスタック４００を載置する面に対し、１つの開口部を有する。そして、１つの開口部に対し複数の燃料電池セルスタック４００を配置することで、複数のセルスタックをコンパクトに配置できる燃料電池セルスタックユニットおよび燃料電池モジュールを作製することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に使用される燃料電池セルスタックユニット、その燃料電池セルスタックユニットを備える燃料電池モジュールに関する。

従来、このような燃料電池においては、複数の燃料電池セルを収納容器内に収容し、その複数の燃料電池セルそれぞれに空気と燃料ガスとを供給して作動させている。固体酸化物形の燃料電池は作動温度が７００〜１０００℃であり、空気及び燃料ガスの温度を予め上昇させておくことが好ましい。そこで、空気及び燃料ガスの温度を予め上昇させるために、燃料電池セルを作動させた残余の空気と燃料ガスとを燃焼させた燃焼ガスの熱を利用することが提案されている。そのような燃焼ガスの利用の一態様として、下記特許文献１に記載されているような燃料電池が提案されている。

下記特許文献１に記載の燃料電池は、収納容器の側壁を三重壁構造として天井を二重壁構造としている。側壁の三重壁構造では、内側の空間に燃焼ガスを通し、外側の空間に空気を通している。このように隣接する一対の空間に、高温の燃焼ガスと低温の空気とを通すことで熱交換を行い、燃焼ガスの熱を利用して空気の温度を上昇させている。このように昇温された空気は、天井の二重壁構造によって形成される空間に貯留された後に、複数の燃料電池セルの下方に導かれる。尚、高温の燃焼ガスは側壁における内側空間を通った後に外部に排出される。また、下記特許文献２には、燃焼ガスを熱交換に利用した後に燃料電池セルの下方に設けられた貯留室に導入し、その貯留室において燃料ガスと熱交換を行った後に排出する構成が開示されている。
特開２００６−３１０１４３号公報 特開２００７−５９３７７号公報

上記特許文献２に記載されている燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを一列に配列した燃料電池セルスタックを燃料ガスケースに対して装着することで、燃料ガスケースから複数の燃料電池セルへの燃料ガスの供給を可能としている。上記特許文献２に記載されている燃料電池セルスタックは、複数の燃料電池セル同士の間に集電部材を挿入することで複数の燃料電池セル相互の電気的な接続を確保している。従って、上記特許文献２に記載されている燃料電池セルスタックは、その構造上、複数の燃料電池セルを一列にのみ配置することができるものであった。

一方で、燃料電池モジュールの組立容易性の観点から、複数の燃料電池セルを集約して燃料電池セルスタックと成す場合に、より効果的な集約態様が要望されている。また、複数の燃料電池セルを効果的に集約しつつも、燃料電池セルや燃料電池セルスタックを目視により検査する際の検査容易性も要望されている。

そこで本発明では、燃料電池セルを効果的に集約可能であると共に、燃料電池セルや燃料電池セルスタックの検査容易性も確保されている燃料電池セルスタックユニット、それを備える燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池セルスタックユニットは、空気と燃料ガスとにより作動し管状を成す複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルを下部にて保持する板状の下支持板と、を備える燃料電池セルスタックと、前記複数の燃料電池セルそれぞれに前記燃料ガスを供給するためのガスタンクと、を備える燃料電池セルスタックユニットであって、前記ガスタンクは、上部に１つの開口部を有し、前記燃料電池セルスタックが複数あり、前記燃料電池セルスタックの前記複数の下支持板が前記１つの開口部に配置されることを特徴とする燃料電池セルスタックユニット。

本発明によれば、燃料電池セルスタックを効果的に集約可能であると共に、燃料電池セルや燃料電池セルスタックの検査容易性も確保されている燃料電池セルスタックユニット、それを備える燃料電池モジュール、及び燃料電池セルスタックユニットの製造方法を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。

本発明に係る燃料電池セルスタックユニットは、空気と燃料ガスとにより作動し管状を成す複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルを下部にて保持する板状の下支持板と、を備える燃料電池セルスタックと、前記複数の燃料電池セルそれぞれに前記燃料ガスを供給するためのガスタンクと、を備える燃料電池セルスタックユニットであって、前記ガスタンクは、上部に１つの開口部を有し、前記燃料電池セルスタックが複数あり、前記燃料電池セルスタックの前記複数の下支持板が前記１つの開口部に配置されることを特徴とする燃料電池セルスタックユニット。

本発明によれば、燃料電池セルスタックが、複数の下支持板に複数の燃料電池セルを複数列に並べて保持しているので、燃料電池セルを効果的に集約可能である。また、複数の保持板を配置するガスタンクの開口部が1つであることから燃料電池セルスタックユニットのコンパクト化が可能となる。
また、複数列に配置された燃料電池セルを有する燃料電池セルスタックは、いずれの燃料電池セルも視認可能であり、下支持板の大きさを大きくする必要が無いため、下支持板１枚あたりのセルの積載本数を減らすことができるため検査が容易である。また、ガスタンクの上部に設けられている開口部に燃料電池セルスタックの下支持板を配置する構成としているため、事前に検査済みの燃料電池セルスタックを用いて燃料電池セルスタックユニットを構成することが可能となり、検査容易性が確保されると共にその検査結果をフィードバックして燃料電池セルスタックを交換するといった対応も可能となる。

また、本発明に係る燃料電池セルスタックユニットを備える燃料電池モジュールでは、上述したような作用効果を奏する燃料電池モジュールを提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１，図２，図３、図１１を参照しながら本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣについて説明する。図１は、燃料電池モジュールＦＣを部分的に破断した概略的な斜視図である。図２は、図１のＡ方向から燃料電池モジュールＦＣを視た図である。図３は、図１のＢ方向から燃料電池モジュールＦＣを視た図である。

燃料電池モジュールＦＣは、カバー部材１（第二容器）とベース部材２（第一容器）とによって密閉される空間内に１０個の燃料電池セルスタック４００を並べて配置している。各燃料電池セルスタック４００には、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０が、２列×８列の１６個ずつ配置されている。これらの燃料電池セルユニット３０及び燃料電池セル４は、電気的に直列に配置されている。

図１１での燃料電池セルスタックユニット５００は、ガスタンク６上に燃料電池セルスタック４００が１０個載置されている構造を有している。後述するが、保持板はタンク長辺部に沿って、保持板短辺が並んで載置されている。図１１であれば下側に配置される下支持板４００ｂに複数のセルが電気的に接続された状態で2列なしている。下支持板はガスタンク６のタンク長辺部６２０に沿って、下支持板の保持板短辺４２０ｂを並べるよう配置している。ここで記載する下支持板４２０は本発明における保持板に相当する。

カバー部材１は、矩形平板状の上壁１０と、その上壁１０の各辺に繋がって一方向に延びる側壁１１とを備えている。側壁１１の上壁１０と繋がる側とは反対側の端部には、フランジ部１２が形成されている。カバー部材１のフランジ部１２を、ベース部材２のベース板２１に当接させることで、カバー部材１とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。この密閉される空間は、仕切板２２，２３によって仕切られていて、セル室１３と排出ガス室１４とが形成されている。排出ガス室１４には、排出ガス管３６が繋がれていて、排出ガスはこの排出ガス管３６を通って外部に排出される。

上壁１０は、矩形平板状の部材によって構成されていて、一重壁構造を成している。側壁１１は、４つの側壁部分１１１，１１２，１１３，１１４によって構成されている。側壁部分１１１，１１２，１１３，１１４はそれぞれ、矩形平板状の部材を３枚用いた三重壁構造を成している。また、側壁部分１１２の内側には空気流路１１６が、側壁部分１１４の内側には空気流路１１８が、それぞれ設けられている。

仕切板２２，２３上にはガスタンク６が載置されている。ガスタンク６には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク６から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。

より具体的には、ガスタンク６の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂ（保持板）とほぼ同じ形状の開口部６１（図２参照）が設けられており、その開口部６１に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク６と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク６に立設されている。ガスタンク６は仕切板２２に載置されており、仕切板２２はベース部材２に固定されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、第一容器であるベース部材２に設けられた平板状の部分に相当する仕切板２２に立設されている。

ガスタンク６の斜視図を図４に示す。ガスタンク６は、直方体形状の本体６ａと、本体６ａの両端に設けられているフランジ部６ｂとを有している。本体６ａの上面には、外枠部６１１が設けられている。本実施形態の場合、外枠部６１１には、開口部６１を囲繞するように段差が設けられている。この段差によって燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂを支持している。従って、開口部６１に下支持板４００ｂが配置されて、ガスタンク６内に燃料ガス室６ｃ（図２参照）が形成される。ガスタンク６には連結管３４も設けられていて、この連結管３４を通って改質後の燃料ガスが本体６ａ内に導入される。また、複数のスタックに対し複数のガスタンクが存在する場合、各ガスタンクへの燃料ガスの分配が難しく、さらにコンパクト化が困難となるが、本実施形態では開口部が1つであることからガス分配も容易に行え、1つのタンク形状であることからコンパクト化が可能となる。
また、複数列に配置された燃料電池セルを有する燃料電池セルスタック４００は、いずれの燃料電池セルユニット３０も視認可能であり、下支持板の大きさを大きくする必要が無いため、下支持板１枚あたりのセルの積載本数を減らすことができるため検査が容易である。また、ガスタンクの上部に設けられている開口部６１に燃料電池セルスタックの下支持板４０１ｂを配置する構成としているため、事前に検査済みの燃料電池セルスタックを用いて燃料電池セルスタックユニットを構成することが可能となり、検査容易性が確保されると共にその検査結果をフィードバックして燃料電池セルスタックを交換するといった対応も可能となる。

また燃料電池セルスタックユニットとしては、図１１に示すように、上支持板４００ａが無く、ガスタンク６上に下支持板４００ｂが図１〜３と同様の方法で接続配置され、その上にセル（ユニット）４（３０）が載置されているセルスタックを使用する場合もある。この場合は上支持板自身及びその取付作業の削減効果がある。

本発明による燃料電池セルスタックユニットを燃料電池モジュールに適用すると、ガスタンク上に燃料電池セルが容易にしかも不具合無く、効率的に積載することで集積化でき、同じ積載本数であれば燃料電池モジュールを小型化することが可能となる。

図１〜３に戻り、各燃料電池セルスタック４００の上方には改質器７が設けられている。改質器７には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。これらの改質触媒は球体である。一方、改質器７には、燃料ガス供給管３２及び水蒸気供給管３３、連結管３４が繋がっており、これらが繋がっている接続部分においては、開口部として円形の穴が形成されている。改質触媒が開口部よりも小さければ、改質器７から改質触媒が流出してしまうので、本実施形態の場合は流入防止部としての網状部材（図示しない）を配置している。図１〜３には明示しないが本実施形態では、燃料ガス供給管３２と水蒸気供給管３３とのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器７に供給する燃料ガスと水蒸気との比率を変更可能なように構成されている。

改質器７に導入された燃料ガス及び水蒸気は、改質器７内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、連結管３４を通ってガスタンク６へと供給される。改質器７内部には、改質器７に対して燃料ガス供給管３２及び水蒸気供給管３３が繋がっている部分と、改質器７に対して連結管３４が繋がっている部分との間を仕切るように仕切り壁（図１〜３において明示しない）が設けられている。従って、燃料ガス供給管３２及び水蒸気供給管３３が繋がっている部分と、連結管３４が繋がっている部分との間は、改質器７の長手方向の略２倍の長さに引き離されているのと同等の構成となる。これによって、改質器７に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。

改質器７によって改質された燃料ガスは、連結管３４を通ってガスタンク６に供給される。燃料ガスは、ガスタンク６から、燃料電池セルユニット３０の管内流路（図１〜３において明示しない）を通って上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も上昇する。燃料電池セルスタック４００の上側には、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図に明示しない）が設けられており、この点火装置と燃焼触媒との作用により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。従って、この燃焼ガスと空気とが混合して燃焼する部分が燃焼部であり、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、上方からはこの燃焼部における燃焼によって加熱される。

各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を流れるガスと、その管外を流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気である。

ここで、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０について、図５を参照しながら説明する。図５に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。本実施例においては、円筒形燃料電池セルを挙げるが、本発明においてはセル断面形状は円筒には限らない。

燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。

内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。

電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。

内側電極端子４０は、内側電極外周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。

外側電極端子４２は、外側電極外周面４８を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。

内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。

続いて、燃料電池セルスタック４００について、図６を参照しながら説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａ（副保持板）と、下支持板４００ｂ（保持板）と、接続部材４００ｃと、外部端子４００ｄとを備えている。

上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは略矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８列で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図５に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。

略矩形である上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂはそれぞれ副保持板長辺部４１０ａ、保持板長辺部４１０ｂ、副保持板短辺部４２０ａ、保持板短辺部４２０ｂを有している。本実施例では矩形であるが、カケ防止などのために、面取りなどを施した形状も構わない。

１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材４００ｃが設けられている。接続部材４００ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子４００ｄが設けられている。接続部材４００ｃ、外部端子４００ｄは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。

各燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは、隣接する燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄと接続部材４００ｅ（図１参照）によって電気的に接続されている。両端の燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは、接続部材４００ｆによってそれぞれ電極棒３５ａ，３５ｂに接続されている（図１参照）。

上述した本実施形態の場合、燃料電池セルユニット３０は２列×８列で配置されているけれども、燃料電池セルユニット３０の配置はこの態様に限られない。図７に、燃料電池セルユニット３０の配置態様の別例を示す。図７に示す燃料電池セルスタック４０１では、燃料電池セルユニット３０は、３列×８列で配置されている。この３列×８列の燃料電池セルユニット３０を支持するために、上支持板４０１ａ及び下支持板４０１ｂには、燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図７に明示しない）が３列×８列で形成されている。

この例の場合、内側に配置される８個の燃料電池セルユニット３０は、外側に配置される８個の燃料電池セルユニット３０それぞれの間から視認可能なように互い違いに配置されることが好ましい。換言すれば、内側に配置される８個の燃料電池セルユニット３０と、外側に配置される８個の燃料電池セルユニット３０とは、それらの列が伸びる方向において位置がずれるように配置されている。このように内側に配置される燃料電池セルユニット３０を視認可能なように配置することで、燃料電池セルスタック４００の品質確認を容易に行うことができる。

続いて、側壁１１を構成する側壁部分１１１，１１２，１１３，１１４について、図８を参照しながら説明する。図８は、カバー部材１の空気流路１１６，１１８付近における断面を示した図である。最初に側壁部分１１１及び側壁部分１１２の構成について説明すると共に、側壁部分１１１と側壁部分１１２との接合状態について説明する。

図８に示すように、側壁部分１１１は、三枚の矩形平板状の部材である側壁板１１１ａ、側壁板１１１ｂ、及び側壁板１１１ｃによって構成されている。側壁板１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃはそれぞれ所定間隔をおいて配置されており、側壁板１１１ａと側壁板１１１ｂとの間には空気流路空間１１１ｅ（第二空間）が、側壁板１１１ｂと側壁板１１１ｃとの間には排出ガス流路空間１１１ｄ（第一空間）が、それぞれ形成されている。空気流路空間１１１ｅには、空気管３１ａが繋がっている。

側壁部分１１２は、三枚の矩形平板状の部材である側壁板１１２ａ、側壁板１１２ｂ、及び側壁板１１２ｃによって構成されている。側壁板１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃはそれぞれ所定間隔をおいて配置されており、側壁板１１２ａと側壁板１１２ｂとの間には空気流路空間１１２ｅ（第二空間）が、側壁板１１２ｂと側壁板１１２ｃとの間には排出ガス流路空間１１２ｄ（第一空間）が、それぞれ形成されている。

側壁板１１２ｃの内側であるセル室１３側の下側（ベース部材２側）には空気流路１１６が設けられている。空気流路１１６は直方体形状を成しており、側壁部分１１１から側壁部分１１３へ向かう方向に沿って形成されている。空気流路１１６は、セル室１３内に供給する空気を一時的に貯留しておくための空気室１１６ａと、空気室１１６ａに貯留された空気をセル室１３内に供給するための複数の空気流入孔１１６ｂとを有している。空気流路空間１１２ｅと空気室１１６ａとは、連通管１１５によって繋がれている。連通管１１５は、排出ガス流路空間１１２ｄ内を貫通し、空気流路空間１１２ｅと空気室１１６ａとを繋いでいる。複数の空気流入孔１１６ｂは、空気室１１６ａの長手方向に沿って形成されており、セル室１３内に極力均等に空気を供給できるように構成されている。

続いて、側壁部分１１１と側壁部分１１２との接合状態について説明する。側壁部分１１１を構成する側壁板１１１ａと、側壁部分１１２を構成する側壁板１１２ａとは、それぞれの端部において突き合わされて接合されている。側壁部分１１２を構成する側壁板１１２ｂは、その端部が側壁部分１１１の側壁板１１１ａに当接するように構成されている。一方、側壁部分１１１を構成する側壁板１１１ｂは、その端部が側壁板１１２ｂに当接するように構成されている。従って、側壁部分１１１の空気流路空間１１１ｅと、側壁部分１１２の空気流路空間１１２ｅとは、側壁板１１２ｂが側壁板１１１ｂよりも突出し側壁板１１１ａに当接する部分が隔壁となることで分離されている。この側壁板１１２ｂが側壁板１１１ｂよりも突出し側壁板１１１ａに当接する部分は、上壁１０側の一部分が切り欠かれている。従って、側壁部分１１１の空気流路空間１１１ｅと、側壁部分１１２の空気流路空間１１２ｅとは、一部が隔壁によって分離されている一方で残部である上側において繋がっている。

このような構成とすることで、空気管３１ａから側壁部分１１１の空気流路空間１１１ｅに流入した空気は空気流路空間１１１ｅ内を斜め上方に流れ、側壁部分１１２の空気流路空間１１２ｅと繋がっている部分（上側の部分）から空気流路空間１１２ｅに流入する。その後、空気流路空間１１２ｅに流入した空気は空気流路空間１１２ｅ内を斜め下方に流れ、連結管１１５から空気流路１１６に流入する。空気流路１１６に流入した空気は空気流入孔１１６ｂからセル室１３内へと流入する。

また、側壁部分１１１を構成する側壁板１１１ｃと、側壁部分１１２を構成する側壁板１１２ｃとは、それぞれの端部において突き合わされて接合されている。一方、側壁部分１１２を構成する側壁板１１２ｂは、その端部が側壁部分１１１の側壁板１１１ａに当接するように構成されており、側壁部分１１１を構成する側壁板１１１ｂは、その端部が側壁板１１２ｂに当接するように構成されている。従って、側壁部分１１１の排出ガス流路空間１１１ｄと、側壁部分１１２の排出ガス流路空間１１２ｄとは、隔壁となるものが無く繋がった状態となるように構成されている。また、側壁板１１１ｃ及び側壁板１１２ｃは、上壁１０に当接しないように構成されていて、セル室１３内の排出ガスが排出ガス流路空間１１１ｄ及び排出ガス流路空間１１２ｄに流入するように構成されている。側壁板１１１ｃ及び側壁板１１２ｃには、フランジ部１２との間にスリット（図に明示しない）が形成されていて、排出ガス室１４に排出ガスが流入するように構成されている。このような構成とすることで、排出ガス流路空間１１１ｄ及び排出ガス流路空間１１２ｄに上側から流入した排出ガスは下側に流れて排出ガス室１４に流入するように構成されている。

上述したように、空気は、空気管３１ａから空気流路空間１１１ｅに下側から流入し、その流入したのとは反対側である上側に流れた後に空気流路空間１１２ｅに上側から流入し、下側に流れた後にセル室１３内へと流入する。このような構成とすることで、単に下側又は上側から流入したものを上側又は下側に流すのに比較して、昇温対象である空気が排出ガスとの間で熱交換をする時間が長くなり、結果として十分に空気又は燃料ガスを昇温することが可能となる。更に、空気又は燃料ガスがセル室１３の下側から流入するので、流入した後にセル室１３内を上昇することで、燃料電池セル４と十分に接触することができ、効率的な発電を行うことができる。

続いて、側壁部分１１３及び側壁部分１１４の構成について説明すると共に、側壁部分１１３と側壁部分１１４との接合状態について説明する。

側壁部分１１３は、三枚の矩形平板状の部材である側壁板１１３ａ、側壁板１１３ｂ、及び側壁板１１３ｃによって構成されている。側壁板１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃはそれぞれ所定間隔をおいて配置されており、側壁板１１３ａと側壁板１１３ｂとの間には空気流路空間１１３ｅ（第二空間）が、側壁板１１３ｂと側壁板１１３ｃとの間には排出ガス流路空間１１３ｄ（第一空間）が、それぞれ形成されている。空気流路空間１１３ｅには、空気管３１ｂが繋がっている。

側壁部分１１４は、三枚の矩形平板状の部材である側壁板１１４ａ、側壁板１１４ｂ、及び側壁板１１４ｃによって構成されている。側壁板１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃはそれぞれ所定間隔をおいて配置されており、側壁板１１４ａと側壁板１１４ｂとの間には空気流路空間１１４ｅ（第二空間）が、側壁板１１４ｂと側壁板１１４ｃとの間には排出ガス流路空間１１４ｄ（第一空間）が、それぞれ形成されている。

側壁板１１４ｃの内側であるセル室１３側の下側（ベース部材２側）には空気流路１１８が設けられている。空気流路１１８は直方体形状を成しており、側壁部分１１１から側壁部分１１３へ向かう方向に沿って形成されている。空気流路１１８は、セル室１３内に供給する空気を一時的に貯留しておくための空気室１１８ａと、空気室１１８ａに貯留された空気をセル室１３内に供給するための複数の空気流入孔１１８ｂとを有している。空気流路空間１１４ｅと空気室１１８ａとは、連通管１１７によって繋がれている。連通管１１７は、排出ガス流路空間１１４ｄ内を貫通し、空気流路空間１１４ｅと空気室１１８ａとを繋いでいる。複数の空気流入孔１１８ｂは、空気室１１８ａの長手方向に沿って形成されており、セル室１３内に極力均等に空気を供給できるように構成されている。

側壁部分１１３と側壁部分１１４との接合状態は、上述した側壁部分１１１と側壁部分１１２との接合状態と同様であるのでその説明を省略する。また、側壁部分１１３の空気流路部分１１３ｅ及び側壁部分１１４の空気流路部分１１４ｅにおける空気の流れや、側壁部分１１３の排出ガス流路部分１１３ｄ及び側壁部分１１４の空気流路部分１１４ｄにおける排出ガスの流れについても既に説明したのと同様であるのでその説明を省略する。

続いて、側壁部分１１１と側壁部分１１４との接合状態について説明する。側壁部分１１１を構成する側壁板１１１ａと、側壁部分１１４を構成する側壁板１１４ａとは、それぞれの端部において突き合わされて接合されている。側壁部分１１４を構成する側壁板１１４ｂは、その端部が側壁部分１１１の側壁板１１１ａに当接するように構成されている。一方、側壁部分１１１を構成する側壁板１１１ｂは、その端部が側壁板１１４ｂに当接するように構成されている。従って、側壁部分１１１の空気流路空間１１１ｅと、側壁部分１１４の空気流路空間１１４ｅとは、側壁板１１４ｂが側壁板１１１ｂよりも突出し側壁板１１１ａに当接する部分が隔壁となることで分離されている。従って、側壁部分１１１の空気流路空間１１１ｅと側壁部分１１４の空気流路空間１１４ｅとは繋がることなく分離されている。

このような構成とすることで、空気流路空間１１１ｅから空気流路空間１１２ｅへの空気の流れや、空気流路空間１１３ｅから空気流路空間１１４ｅへの空気の流れが阻害されることがない。

また、側壁部分１１１を構成する側壁板１１１ｃと、側壁部分１１４を構成する側壁板１１４ｃとは、それぞれの端部において突き合わされて接合されている。一方、側壁部分１１４を構成する側壁板１１４ｂは、その端部が側壁部分１１１の側壁板１１１ａに当接するように構成されており、側壁部分１１１を構成する側壁板１１１ｂは、その端部が側壁板１１２ｂに当接するように構成されている。従って、側壁部分１１１の排出ガス流路空間１１１ｄと、側壁部分１１４の排出ガス流路空間１１４ｄとは、隔壁となるものが無く繋がった状態となるように構成されている。また、側壁板１１４ｃは、上壁１０に当接しないように構成されていて、セル室１３内の排出ガスが排出ガス流路空間１１４ｄに流入するように構成されている。側壁板１１４ｃには、フランジ部１２との間にスリット１１４ｃａ（図３参照）が形成されていて、排出ガス室１４に排出ガスが流入するように構成されている。このような構成とすることで、排出ガス流路空間１１４ｄに上側から流入した排出ガスは下側に流れて排出ガス室１４に流入するように構成されている。このようなスリットは、側壁板１１３ｃにもスリット１１３ｃａとして形成されている（図３参照）。

側壁部分１１２と側壁部分１１３との接合状態は、上述した側壁部分１１１と側壁部分１１４との接合状態と同様であるのでその説明を省略する。

図１〜３に戻り、燃料電池モジュールＦＣについて更に説明する。セル室１３と排出ガス室１４とを仕切る仕切板２２及び仕切板２３について説明する。本実施形態の場合、仕切板２２も仕切板２３も略矩形の板状部材によって形成されている。仕切板２２は比較的厚みのある板状部材によって形成されているのに対して、仕切板２３は可撓性を有する薄い板状部材によって形成されている。

ベース部２を構成するベース板２１には、セル室１３側に向かって支持部２４が形成されている。支持部２４は板状の突起であって、カバー部１の四隅よりもやや内側に４つ配置されている。仕切板２３は四つの支持部２４上に載置されていて、その上側から仕切板２２が載置されている。従って、仕切板２３は仕切板２２と支持部２４との間に挟まれて固定されている。

仕切板２３は、仕切板２２よりも少し大きく形成されている。上述した配置の場合、仕切板２２の外周から仕切板２３の外周が突出する。仕切板２３の外周は、カバー部材１の内周よりもやや大きめに形成されている。上述した配置の場合、カバー部材２を配置すると、仕切板２３の外周が撓んでカバー部材１の内壁に当接する。

この状態について、図９を参照しながら説明する。図９は、カバー部材１と仕切板２３とが当接した状態を拡大した斜視図である。仕切板２３が側壁部分１１１の側壁板１１１ｃに当接すると、仕切板２２よりも下側に撓む。従って、側壁部分１１１の排出ガス流路１１１ｄを流れる排出ガスが、仕切板２３と側壁板１１１ｃとの当接部分においてシールされて、スリット１１１ｃａから排出ガス室１４へと流れ込む。

上述したような燃料電池モジュールＦＣを製造するに当たっては、準備工程、スタック形成工程、組立工程を備える製造方法が採用される。

準備工程では、燃料電池セル４を有する複数の燃料電池セルユニット３０と、複数の上支持板４０１ａ及び複数の下支持板４０１ｂと、ガスタンク６とを準備する。更にこの準備工程では、燃料電池モジュールＦＣを構成する他の部材も準備する。

スタック形成工程では、下支持板４０１ｂそれぞれに、複数の燃料電池セルユニット３０を２列に並べて立設し、上支持板４０１ｂを配置する。その後、接続部材４００ｃによって各燃料電池セルユニット３０を電気的に繋げ、燃料電池セルスタック４００を形成する（図６参照）。このスタック形成工程後に燃料電池セルスタック４００を目視検査する。

組立工程では、ガスタンク６の開口部６１に複数の燃料電池セルスタック４００を配置し、開口部６１に下支持板４０１ｂが配置されることにより、燃料ガスを貯留するための燃料ガス室６ｃを形成される。その結果、複数の燃料電池セルユニット３０が、ガスタンク６から燃料ガス室６ｃとは反対側に立設する。その後、上記準備工程において準備した他の部材を用いて、上述した燃料電池モジュールＦＣが形成される。

続いて、図１〜３を参照しながら、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣを含む燃料電池の動作及びその運転方法について説明する。尚、以下の説明においては便宜上、燃料電池モジュールＦＣの動作を説明することでその燃料電池モジュールＦＣを含む燃料電池の説明としている。

本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣの運転方法は、着火工程と、改質工程と、セル作動工程と、燃焼工程と、を備えている。これらの工程は、後述するように必ずしも順次実行される工程ではなく、並行して実行されたり、順番を変えて実行されたりする工程である。

先ず、燃料電池モジュールＦＣを温めるために、燃料電池モジュールＦＣを含む回路に負荷をかけない状態、即ち、燃料電池モジュールＦＣを含む回路を開いた状態で、燃料電池モジュールＦＣに燃料ガスと空気を供給する。この段階では、燃料ガスと空気が存在しても、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュールＦＣは、発電を行わない。

詳細には、燃料ガスを供給する。具体的には、燃料ガスを燃料ガス供給管３２に供給して、改質器７で改質した後にガスタンク６内に貯める（改質工程）。それにより、各燃料電池セルユニット３０への均一且つ一様な燃料ガスの供給を確保する。ガスタンク６内に溜まった燃料ガスが、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃ（図４参照）を通って流れ、内側電極層４４（図４参照）に作用する。作用しなかった燃料ガスが、各燃料電池セルユニット３０の上部空間に達する。

また、大気中の空気を供給する。具体的には、大気中の空気をブロア等によって空気供給管３１ａ，３１ｂに供給し、側壁部分１１１の空気流路部分１１１ｅから側壁部分１１２の空気流路部分１１２ｅへ、側壁部分１１３の空気流路部分１１３ｅから側壁部分１１４の空気流路部分１１４ｅへと流す。上述したように、その後空気は、空気流路１１６，１１８へと流れて、空気流入孔１１６ｂ，１１８ｂからセル室１３内へと導かれる。発電室であるセル室１３内へと導かれた空気は、外側電極層４８（図４参照）と作用する。作用しなかった空気は、各燃料電池セルユニット３０の上方に達する。

次いで、スパークプラグ又はヒータ等の点火装置（図示しない）を用いて、燃焼ガスと空気とを燃焼させる（着火工程、燃焼工程）。それにより生じた排出ガスは、高温になる。排気ガスは、側壁部分１１１，１１２，１１３，１１４の排出ガス流路空間１１１ｄ，１１２ｄ，１１３ｄ，１１４ｄに導かれて、排出ガス室１４へと流入する。排出ガス室１４へと流入した排気ガスは、排出ガス管３６から排出される。

燃料ガスと空気とが燃焼する際に、セル室１３内が昇温される。外部から導入される空気は、側壁部分１１１，１１２，１１３，１１４と流れる間に、セル室１３内と熱交換を行う共に、排出ガスと熱交換をすることで暖められる。

セル室１６内及び燃料電池セル４の温度が、燃料電池モジュールＦＣを安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュールＦＣを含む回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣは発電を開始し、回路に電流が流れる（セル作動工程）。燃料電池の発電により、燃料電池セル４自体も発熱し、更に、燃料電池セル４の温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣを作動させる定格温度、例えば、６００〜８００℃になる。

その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル４で消費される燃料ガス及び空気の
量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、セル室１３での燃焼を継続させる（燃焼工程）。

続いて、図１０を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図１０は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、制御部ＣＳとを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。

燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管３２へと送り出される。

空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される空気は空気供給管３１ａ，３１ｂへと送り出される。

水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料モジュールＦＣ内部で水蒸気となって水蒸気供給管３３へと送り出される。

電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、電極棒３５ａ，３５ｂと繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。

制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、駆動補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。上述したような燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。

本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す図である。 図１〜３のガスタンクを詳細に示す図である。 図１〜３の燃料電池セルユニットを詳細に示す図である。 図１〜３の燃料電池セルスタックを詳細に示す図である。 燃料電池セルスタックの変形例を示す図である。 図１〜３のカバー部材を詳細に示す図である。 図１〜３の仕切板を詳細に示す図である。 本実施形態に係る燃料電池モジュールを用いた燃料電池の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る燃料電池セルスタックユニットの一例を示す図である。

符号の説明

ＦＣ…燃料電池モジュール、１…カバー部材、１１…側壁、１１１，１１２，１１３，１１４…側壁部分、１２…フランジ部、１３…セル室、１４…排出ガス室、２…ベース部材、２１…ベース板、２２，２３…仕切り板、４…燃料電池セル、３０…燃料電池セルユニット、４００…燃料電池セルスタック、５００…燃料電池セルスタックユニット、６…ガスタンク、７…改質器、３１ａ，３１ｂ…空気供給管、３２…燃料ガス供給管、３４…連結管、３５ａ，３５ｂ…電極棒、３６…排出ガス管。

Claims (2)

1. 空気と燃料ガスとにより作動し管状を成す複数の燃料電池セルと、
   前記複数の燃料電池セルを下部にて保持する板状の下支持板と、を備える燃料電池セルスタックと、
   前記複数の燃料電池セルそれぞれに前記燃料ガスを供給するためのガスタンクと、を備える燃料電池セルスタックユニットであって、
   前記ガスタンクは、上部に１つの開口部を有し、
   前記燃料電池セルスタックが複数あり、
   前記燃料電池セルスタックの前記複数の下支持板が前記１つの開口部に配置されることを特徴とする燃料電池セルスタックユニット。
2. 請求項１の燃料電池セルスタックユニットを備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。

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