JP5968876B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池モジュールに関する。

従来の燃料電池モジュールとして、特許文献１に示す燃料電池用筐体に、改質器とセルスタックとを収納して構成したものが知られている。この燃料電池用筐体は、改質器とセルスタックとを収納する収納室と、収納室の外側に形成された排ガス流路と、排ガス流路の外側に形成された酸化剤流路と、上方の酸化剤流路から収納室へ向かって下方へ延びる酸化剤供給部材と、を備えている。排ガス流路は、収納室の側方においてセルスタック上端部の燃焼部から発生する排ガスを下方へ通過させる部分と、収納室の下方において排ガスを集めて系外へ排出する部分と、を有している。また、酸化剤供給部材は、水平方向においてセルの積層方向と直交する方向に並べられたセルスタックの間の隙間に入り込むように配置され、当該隙間から各セルスタックに対して酸化剤を供給するように、先端部に貫通孔を有している。

日本国公開特許公報：特開２０１０−０４４９９０

しかしながら、従来の燃料電池モジュールの筐体は、セルの積層方向の両端側の最外面、最外上面の三面に開口部が形成されるように、当該三面を除く全ての壁部を溶接によって一体化し、三面の開口部をシール材と共に蓋体をネジ止めすることで封止する構造となっている。このような構造では、異種材料溶接による溶接割れ等の不具合を回避するため、溶接で一体化された壁部は全て、最も温度が高くなる最内部の温度条件に合わせた金属材料を採用する必要性が生じる。すなわち、本来は最内部よりも低温下で用いられる最外側の壁部に対しても、高温で使用可能な過剰品質な材料を使用する必要があった。また、このように最内部から最外部にわたって溶接で一体化された構造では、検査を容易に行うことができず、また、何れかの部分で気密不良が判明してもリーク箇所の特定や修理が困難であるという問題があった。また、筐体全体としての気密性が要求されるために、開口部を蓋体で封止する部分には、高価なシール材を使用する必要がある。従来の燃料電池モジュールの筐体は、開口部が三面もあるため、高価なシールを要する部分が多数存在し、コストが高くなるという問題があった。また、気密性が低下すると共に、気密不良箇所の特定が困難になるという問題もあった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、コストを抑えると共に気密性を容易に確保することができる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池モジュールは、水素含有燃料及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックを収納する筐体と、を備える燃料電池モジュールであって、筐体は、上面及び下面と互いに対向する側面とを含む周壁部を有して、その内部にセルスタックを収納するインナケースと、インナケースを収納すると共に、インナケースの周壁部との間に空隙を形成し、この空隙により酸化剤を通過させる酸化剤流路を形成するアウタケースと、を備え、アウタケースは、直方体状で１つの面が開口部をなすアウタケース本体部と、開口部を覆う蓋体とから構成され、インナケースは、アウタケース内に開口部より挿入されて配置され、前記周壁部の両端部がアウタケース本体部及び蓋体による直方体の両端壁部に当接して位置決めされることを特徴とする。

この燃料電池モジュールによれば、高温となる内部構造を含むインナケースを、開口部を介してアウタケース内へ挿入可能な構成とすることができる。すなわち、最外部を構成する各壁部をアウタケースとして単体で構成する一方で、セルスタックを含んで高温となる内部構造部をアウタケースとは別体としてインナケースに組み込み、当該アセンブリをアウタケースに挿入するだけでよい。これによって、筐体のうち、高温条件となるインナケースと、より低温条件となるアウタケースとで、異種材料を適用することが可能となる。これにより、アウタケースの材料として、低温条件に合わせた材料を適用することができ、コストの低減を図ることができる。また、当該構成によれば、最外部を構成するアウタケースのみで気密性を確認すればよく、検査を容易に行うことが可能となる。また、気密不良が発生した場合であっても、アウタケースの内部は中空であるため、容易に修理を行うことができる。また、最外部を構成するアウタケースの開口部を一箇所のみとすることができるため、高価なシール材を用いる部分を減少させることができる。以上によって、コストを抑えると共に気密性を容易に確保することができる。

本発明によれば、コストを抑えると共に気密性を容易に確保することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成図 図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図 図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図 アウタケースの構成を示す展開斜視図 アセンブリの構成を示す展開斜視図 従来の燃料電池モジュールの概略構成図 従来の燃料電池モジュールと本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの組み立て工程を示す概念図 本発明の変形例１を示す展開斜視図 本発明の変形例２を示す展開斜視図

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１、図２及び図３に示されるように、燃料電池モジュール１は、水素含有燃料を用いて改質ガスＲＧを発生させる改質器２と、改質ガスＲＧ及び酸化剤ＯＸを用いて発電を行うセルスタック３と、水を気化させることによって改質器２へ供給される水蒸気を生成する水気化部４と、改質器２、セルスタック３、及び水気化部４を収納する筐体６と、を備える。図１、図２及び図３では図示されていないが、燃料電池モジュール１の下方には、ポンプ等の補機や制御機器等を収納する筐体が設けられる。なお、図２及び図３では、各壁部の板厚が示されているが、図１ではガスの流れを概念的に示しているため、各壁部の板厚は省略されている。

水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。

改質器２は、供給される水素含有燃料を用いて改質ガスＲＧを発生させる。改質器２は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して改質ガスＲＧを発生させる。改質器２での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。改質器２は、後述する燃焼熱によって加熱され得るようにセルスタック３の上側に配置されている。すなわち、セルスタック３の燃料極側に導入された改質ガスＲＧのオフガス（未反応改質ガス）は、空気極等の酸化剤極側に導入された空気等の酸化剤のうちの未反応酸素（未反応酸化剤ガス）と共に燃焼させられ、改質器２は、この燃焼熱によって加熱される。改質器２は、改質ガスＲＧをセルスタック３の燃料極へ供給する。

セルスタック３は、規則的に配列し連結されたＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称される複数のセルを有している。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と酸化剤極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなり、高温下で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと改質ガスＲＧ中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、酸化剤ＯＸ中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。本実施形態では、複数のセルが台座７に立設し、同一方向を向いて一列に整列して連結しているセルスタックを例に説明する。なお、ここでは、複数のセルが台座７に立設し、同一方向を向いて一列に整列して伸延する方向を「セルの積層方向」と称して、以下の説明を行う。セルスタック３は、台座７の上面において、セルの積層方向と直交する方向に向かい合うように二列に配置される。ただし、セルスタック３は一列に配置されてもよい。セルスタック３は、改質器２と同様、オフガスの燃焼熱によって加熱され、発電可能な高温状態に保持される。

台座７と改質器２とは、パイプ８で接続されている。改質器２から供給された改質ガスＲＧは、台座７を介してセルスタック３の各セルに供給される。セルスタック３で反応しなかった改質ガスＲＧ及び酸化剤ＯＸは、セルスタック３の上部の燃焼部９で燃焼する。燃焼部９でのオフガスの燃焼により、改質器２及びセルスタック３が加熱されると共に排ガスＥＧが発生する。

水気化部４は、供給される水を加熱し気化させることによって、改質器２に供給される水蒸気を生成する。水気化部４で生成された水蒸気は、例えば、第１の底壁部１８を貫通して水気化部４と改質器２とを接続する配管（不図示）を用いて、改質器２へ供給される。水気化部４における水の加熱は、例えば、改質器２の熱、燃焼部９の熱、あるいは排ガスＥＧの熱を回収する等、燃料電池モジュール１内で発生した熱を用いてもよい。本実施形態では、水気化部４は、底部の排ガス流路に配置され、排ガスＥＧの熱を回収する構成となっている。

筐体６は、改質器２、セルスタック３、及び水気化部４を収納するための内部空間を有する、直方体状の金属製の箱体である。筐体６は、セルスタック３を収納する収納室１１と、収納室１１よりも外側に形成され、セルスタック３からのオフガスの燃焼による排ガスＥＧを通過させる排ガス流路１２、酸化剤ＯＸを通過させる酸化剤流路１３と、収納室１１や排ガス流路１２や酸化剤流路１３を形成する各壁部と、を備える。なお、以下の説明においては、セルスタック３のセルの積層方向（セルスタック３の長手方向）に沿った方向を筐体６の「長さ方向Ｄ１」とし、水平方向においてセルの積層方向と直交する方向を筐体６の「幅方向Ｄ２」とし、鉛直方向を筐体６の「上下方向Ｄ３」として以下の説明を行う。

収納室１１は、幅方向Ｄ２に互いに対向する第１の側壁部１６，１７、及び第１の側壁部１６，１７の各下端部に連結される第１の底壁部１８の内側に形成される。収納室１１では、台座７が第１の底壁部１８に配置される。なお、第１の底壁部１８と台座７との間に断熱材が配置されていてもよい。燃焼部９で発生した排ガスＥＧを通過させるため、収納室１１の上端部は開口している。

排ガス流路１２は、幅方向Ｄ２において第１の側壁部１６，１７の外側にそれぞれ配置される第２の側壁部２１，２２と、第１の側壁部１６，１７の上端部よりも上側に配置される第１の上壁部２３と、第１の底壁部１８よりも下側に配置される第２の底壁部２４と、によって形成される。

第１の上壁部２３は第２の側壁部２１，２２の上端部に連結され、第２の底壁部２４は第２の側壁部２１，２２の下端部に連結される。第２の側壁部２１，２２は、第１の側壁部１６，１７から離間して対向するように配置される。第１の上壁部２３は、収納室１１の上端部から離間して対向するように配置される。第２の底壁部２４は、第１の底壁部１８から離間して対向するように配置される。

排ガス流路１２は、収納室１１の上側の開口部と第１の上壁部２３との間に形成される排ガス流路１２Ａ，１２Ｂと、第２の側壁部２１，２２と第１の側壁部１６，１７との間
に形成される排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄと、第２の底壁部２４と第１の底壁部１８との間に形成される排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆと、を有する。排ガス流路１２Ａ，１２Ｂは、燃焼部９からの排ガスＥＧを排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄへ導く。排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄは、排ガスＥＧを下方へ通過させ、当該排ガスＥＧの熱を外側の酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを流れる酸化剤ＯＸに供給する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆは、排ガスＥＧを排気管３２へ向かって水平方向に通過させ、当該排ガスＥＧの熱を水気化部４に供給する。

酸化剤流路１３は、幅方向Ｄ２において第２の側壁部２１，２２の外側にそれぞれ配置される第３の側壁部２６，２７と、第１の上壁部２３よりも上側に配置される第２の上壁部２８と、第２の底壁部２４よりも下側に配置される第３の底壁部２９と、によって形成される。

第２の上壁部２８は第３の側壁部２６，２７の上端部に連結され、第３の底壁部２９は第３の側壁部２６，２７の下端部に連結される。第３の側壁部２６，２７は、第２の側壁部２１，２２から離間して対向するように配置される。第２の上壁部２８は、第１の上壁部２３から離間して対向するように配置される。第３の底壁部２９は、第２の底壁部２４から離間して対向するように配置される。

第１の上壁部２３には中央部に長さ方向Ｄ１へ延びるスリット３９が形成されており、当該スリット３９には、酸化剤供給部材３６が挿入される。酸化剤供給部材３６は、セルスタック３に酸化剤ＯＸを供給する。酸化剤供給部材３６は、一対のセルスタック３の間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路１３Ｋを有すると共に、先端部に貫通孔３７，３８を有している。

酸化剤流路１３は、第２の上壁部２８と第１の上壁部２３との間に形成される酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂと、第３の側壁部２６，２７と第２の側壁部２１，２２との間に形成される酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄと、第３の底壁部２９と第２の底壁部２４との間に形成される酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈと、を有する。酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈは、給気管３１からの酸化剤ＯＸを水平方向に広がるように通過させ、酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄへ導く。酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄは、酸化剤ＯＸを上方へ通過させ、当該酸化剤ＯＸを内側の排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを流れる排ガスＥＧの熱によって加熱する。酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂは、酸化剤ＯＸを幅方向Ｄ２における外側から内側へ向かって通過させ、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋへ流して貫通孔３７，３８へ導く。

第３の底壁部２９には、図示されない酸化剤供給部から酸化剤流路１３に酸化剤を流入させるための給気管３１が設けられている。また、第２の底壁部２４には、排ガス流路１２からの排ガスを排気する排気管３２が設けられている。

側壁部１６，１７，２１，２２，２６，２７、上壁部２３，２８、及び底壁部１８，２４，２９は、長さ方向Ｄ１における筐体６の端部６ａ，６ｂにまで延びている。筐体６の長さ方向Ｄ１の両端部には、それぞれ端壁部３３，３４が設けられている。第３の側壁部２６，２７、第２の上壁部２８、第３の底壁部２９、及び端壁部３３，３４は、燃料電池モジュール１の外殻を構成し、互いの接続部におけるシール性が確保されており、筐体６内の気密性が確保されている。

次に、改質ガスＲＧ、酸化剤ＯＸ、及び排ガスＥＧの流れについて説明する。

外部から供給される水素含有燃料及び水気化部４からの水蒸気を用いて改質器２で発生した改質ガスＲＧは、パイプ８を通過して台座７に流れ込み、台座７からセルスタック３の各セルに供給される。改質ガスＲＧは、セルスタック３を下方から上方へ向かって流れ、一部はオフガスとして燃焼部９での燃焼に用いられる。酸化剤ＯＸは、外部から給気管３１を介して供給され、酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈにて水平方向に広がり、内側を流れる排ガスＥＧで加熱されながら酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを上方へ向かって通過する。酸化剤ＯＸは、酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂを通過し、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋを流れて、貫通孔３７，３８を通過してセルスタック３へ供給され、一部は燃焼部９での燃焼に用いられる。燃焼部９で発生した排ガスＥＧは、排ガス流路１２Ａ，１２Ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄに導かれ、外側を流れる酸化剤ＯＸに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって通過する。排ガスＥＧは、底部まで達すると排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流れ込み、水気化部４に熱を供給しながら排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過した排ガスＥＧは、排気管３２から排気される。

図１〜図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池モジュール１は、筐体６のうち、最外部に係る壁部を構成する部材をアウタケース５０とし、セルスタック３を収納することで高熱となる部分をインナケース６０，７０としている。これにより、燃料電池モジュール１は、インナケース６０，７０をアセンブリ８０として組み立て、当該アセンブリ８０をアウタケース５０に挿入して封止することで構成されている。

アウタケース（アウタケース本体部）５０は、第３の側壁部２６，２７、第２の上壁部２８、第３の底壁部２９、及び端壁部３４によって構成されている。アウタケース５０のうち、第３の側壁部２６，２７、第２の上壁部２８及び第３の底壁部２９は、長さ方向Ｄ１（第１の方向）から見て、第１のインナケースを取り囲むアウタ周壁部を構成している。アウタケース５０は、長さ方向Ｄ１における一方の端部５０ｂが端壁部３４で封止されると共に、他方の端部５０ａに開口部５５が形成される（図４参照）。開口部５５は矩形状をなしており、幅方向Ｄ２の大きさは第３の側壁部２６と第３の側壁部２７との間の距離に等しく、上下方向Ｄ３の大きさは第２の上壁部２８と第３の底壁部２９との間の距離に等しい。開口部５５の周り、すなわちアウタケース５０の端部５０ａには、外側へ広がるフランジ部５１，５２，５３，５４が形成されている。フランジ部５１，５２，５３，５４に対し、アウタケース（アウタケース本体部）５０と別体とされて蓋体として機能する端壁部３３が取り付けられる。これによって、アウタケース５０の内部の気密性が確保される。蓋体としての端壁部３３は、シール材と共にネジ止めすることによってアウタケース５０に取り付けられてもよく、溶接によってアウタケース５０に取り付けられてもよい。

第１のインナケース６０は、第２の側壁部２１，２２、第１の上壁部２３、第２の底壁部２４によって構成されている。これらの壁部は、長さ方向Ｄ１から見て、第２のインナケース７０及びセルスタック３を取り囲む第１のインナ周壁部を構成している。また、第１のインナケース６０は、長さ方向Ｄ１の両方の端部６０ａ，６０ｂにおいて開口している。第１のインナケース６０の端部６０ａには、外側へ向かって広がるフランジ部６１，６２，６３，６４が形成される。第１のインナケース６０の端部６０ｂには、外側へ向かって広がるフランジ部６６，６７，６８，６９が形成される。これらのフランジ部６１〜６４，６６〜６９は、アウタケース５０とインナケース（第１のインナケース６０）との間に空隙を形成するように、アウタケース５０に対しインナケース（第１のインナケース６０）を位置決めする位置決め部材として機能する。

第２のインナケース７０は、第１の側壁部１６，１７、第１の底壁部１８によって構成されている。これらの壁部は、長さ方向Ｄ１から見て、セルスタック３を取り囲む第２のインナ周壁部を構成している。また、第２のインナケース７０は、上方に開口すると共に、長さ方向Ｄ１の両方の端部７０ａ，７０ｂにおいて開口している。第２のインナケース７０の端部７０ａには、外側へ向かって広がるフランジ部７１，７２，７４が形成される。第２のインナケース７０の端部７０ｂには、外側へ向かって広がるフランジ部７６，７７，７９が形成される。

第１のインナケース６０、第２のインナケース７０、酸化剤供給部材３６、改質器２、セルスタック３、水気化部４、台座７、パイプ８は、アウタケース５０とは別体のアセンブリ８０として組み立てられる。第１のインナケース６０と第２のインナケース７０とは、互いに接触する部分（例えば後述のフランジ部など）で溶接することによって固定される。これによって、各部品の位置精度（例えば、セルスタック３のセルと酸化剤供給部材３６の貫通孔３７，３８との位置精度）が保たれた状態を維持することができる。

第１のインナケース６０は、長さ方向Ｄ１から見て、アウタケース５０の開口部５５に取り囲まれるように配置される。第１のインナケース６０はアセンブリ８０の中で最も外側に配置される部品であるが、当該第１インナケース６０がアウタケース５０の開口部５５に取り囲まれるような大きさ・位置関係であるため、アセンブリ８０の全体を、開口部５５を介してアウタケース５０の中に収納することができる。また、第１のインナケース６０の第２の側壁部２１，２２、第１の上壁部２３、第２の底壁部２４と、アウタケース５０の第３の側壁部２６，２７、第２の上壁部２８、第３の底壁部２９との間に隙間（空隙）が形成されることで酸化剤流路１３が形成される。

第２のインナケース７０は、長さ方向Ｄ１から見て、第１のインナケース６０に取り囲まれるように配置される。また、第２のインナケース７０の第１の側壁部１６，１７、第１の底壁部１８と、第１のインナケース６０の第２の側壁部２１，２２、第１の上壁部２３、第２の底壁部２４との間に隙間（空隙）が形成されることで排ガス流路１２が形成される。

酸化剤流路１３及び排ガス流路１２は、インナケース６０，７０のフランジ部によって、ケース同士の間に隙間を設けることによって形成される。これによって、特別な位置調整をすることなく、第１のインナケース６０に第２のインナケース７０を組み付けるだけの作業であっても、フランジ部によって適切な大きさの隙間を確保することが可能となり、容易に排ガス流路１２を形成することができる。また、特別な位置調整をすることなく、アウタケース５０に第１のインナケース６０を組み付けるだけの作業であっても、フランジ部によって適切な大きさの隙間を確保することが可能となり、容易に酸化剤流路１３を形成することができる。

具体的には、第２の側壁部２１から外側へ延びるフランジ部６１，６６は、第３の側壁部２６まで延びている。第２の側壁部２２から外側へ延びるフランジ部６２，６７は、第３の側壁部２７まで延びている。第１の上壁部２３から上側へ延びるフランジ部６３，６８は、第２の上壁部２８まで延びている。第２の底壁部２４から下側へ延びるフランジ部６４，６９は、第３の底壁部２９まで延びている。これによって、フランジ部６１，６２，６３，６４，６６，６７，６８，６９は、第１インナケース６０とアウタケース５０との間に隙間を設け、酸化剤流路１３を形成する。なお、フランジ部６１，６２，６３，６４，６６，６７，６８，６９の先端部は、アウタケース５０の各壁部及び蓋体である端壁部３３と直接接触していてもよく、アウタケース５０及び蓋体である端壁部３３との間に断熱材やシール材が介在してもよい。

第１の側壁部１６から外側へ延びるフランジ部７１，７６は、第２の側壁部２１まで延びている。第１の側壁部１７から外側へ延びるフランジ部７２，７７は、第２の側壁部２２まで延びている。第１の底壁部１８から下側へ延びるフランジ部７４，７９は、第２の底壁部２４まで延びている。これによって、フランジ部７１，７２，７４，７６，７７，７９は、第２のインナケース７０と第１のインナケース６０との間に隙間を設け、排ガス流路１２を形成する。フランジ部７１，７２，７４，７６，７７，７９の先端部は、第１のインナケース６０の各壁部と直接接触し溶接によって固定することが好ましい。なお、第１のインナケース６０との間に断熱材やシール材が介在してもよい。

アウタケース５０と第１のインナケース６０とは、溶接やネジ止めなどによって直接固定されておらず、別体となっている。すなわち、アウタケース５０とアセンブリ８０とは、溶接やネジ止めなどによって直接固定されておらず、別体となっている。例えば、第１のインナケース６０のフランジ部６１，６２，６３，６４，６６，６７，６８，６９の先端部とアウタケース５０の各壁部との間には溶接が施されていない。また、インナケース６０，７０の端部は、アウタケース５０の端壁部３４と溶接やネジ止めなどで固定されていない。アセンブリ８０は、当該アセンブリ８０をアウタケース５０に挿入した後、蓋体である端壁部３３で封止することで、アセンブリ８０を長さ方向Ｄ１に向かって押圧することで、アウタケース５０内で支持される。これにより、アウタケース５０と直接固定されず別体とされたアセンブリ８０は、アウタケース５０内でがたつくことなく、支持される。このとき、アセンブリ８０の端部（インナケース６０，７０の端部６０ｂ，７０ｂ）とアウタケース５０の端壁部３４との間にシール材や断熱材を挟むと共に、アセンブリ８０の端部（インナケース６０，７０の端部６０ａ，７０ａ）と蓋体である端壁部３３との間にシール材や断熱材を挟むことで、押圧力を発生させ易くしてもよい。なお、ここにシール材を用いる場合、最外壁を構成する部分であるアウタケース５０と蓋体の端壁部３３との間で必要とされる程のシール性は要求されないため、よりコストの低いシール材を適用してもよい。

アウタケース５０及びインナケース６０，７０は、折り曲げ加工によって形成されることが好ましい。すなわち、一枚の板を所定の形状にカットし、折り曲げると共に折り目以外の部分を溶接することによってアウタケース５０及びインナケース６０，７０を形成する。アウタケース５０及びインナケース６０，７０は、少なくとも各壁部（フランジ部を除く部分）を一枚の板を折り曲げ加工することによって形成されることが好ましい。また、アウタケース５０及びインナケース６０，７０を、フランジ部も含めて（ただし、折り曲げ加工によって必然的に形成される隙間を埋めるような加工を施してもよい。詳細については後述）一枚の板を折り曲げ加工することによって形成してもよい。あるいは、各壁部をそれぞれの大きさにカットし、各壁部を組み立てて溶接してもよい。あるいは、一部を折り曲げ加工として一部を溶接としてもよい（例えば、アウタケース５０の場合、周壁部を折り曲げ加工で形成し、端壁部３４を溶接で取り付ける）。

アウタケース５０のフランジ部５１，５２，５３，５４、第１のインナケース６０のフランジ部６１，６２，６３，６４，６６，６７，６８，６９、第２のインナケース７０のフランジ部７１，７２，７４，７６，７７，７９は、各ケースの周壁部を構成している板の端部を折り曲げ加工することによって形成してもよく、溶接を用いて形成してもよく、折り曲げ加工及び溶接を組み合わせて形成してもよい。例えば、各ケースの周壁部を構成している板の端部を折り曲げ加工した場合、角部（例えばフランジ部５１とフランジ部５３の間）に隙間ができるため、当該隙間に角部材ＣＰを溶接することで埋めることができる（図４及び図５参照）。なお、角部材を溶接せず、角部に出来た隙間をシール材などを用いて気密性を確保してもよい。あるいは、アウタケース５０の開口部５５を取り囲むような矩形枠状の部材（あるいは、各辺で別部材としてもよい）を溶接して取り付けることによってフランジ部を形成してもよい。

アウタケース５０とインナケース６０，７０とは、異なる材料であることが好ましい。すなわち、アウタケース５０は、セルスタック３での燃焼により高温になるインナケース６０，７０とは溶接やネジ止めなどによって直接固定されておらず、別体とされているため、アウタケース５０として高い耐熱性が要求されない安価な材料を用いることができる。例えば、アウタケース５０として、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６を好適に用いることができる。インナケース６０，７０として、ＳＵＳ３１０Ｓ、ＮＣＡ１を好適に用いることができる。ただし、同じ材料を用いてもよい。

次に、本実施形態に係る燃料電池モジュール１の作用・効果について説明する。

まず、比較のために従来の燃料電池モジュール１００の構成を図６及び図７（ａ）を参照して説明する。燃料電池モジュール１００の筐体１０６は、ベース１１０に対して、各流路を形成する各壁部を溶接によって固定してゆくことによって構成される。ベース１１０は、底壁部１８，２４，２９と、第２の側壁部２１，２２の下端部分２１ａ，２２ａと、第３の側壁部２６，２７の下端部分２６ａ，２７ａと、によって構成されている。また、酸化剤と排ガスを通すための貫通孔も所定の位置に有している。このようなベース１１０の上面に、側壁部１６，１７，２１，２２，２６，２７、上壁部２３を組み付けて溶接して一体化する。最外部の上面、及び長さ方向Ｄ１の両端面には開口部が形成され、当該三箇所の開口部を蓋体として機能する第３の上壁部２８、端壁部３３，３４で封止する。

従来の燃料電池モジュール１００のような構造では、異種材料溶接による溶接割れ等の不具合を回避するため、溶接で一体化された壁部は全て、最も温度が高くなる最内部の温度条件に合わせた金属材料を採用する必要性が生じる。すなわち、本来は最内部よりも低温下で用いられる最外側の壁部（ここでは、第３の側壁部２６，２７、第３の底壁部２９）に対しても、過剰品質な材料を使用する必要があった。また、このように最内部から最外部にわたって溶接で一体化された構造では、検査を容易に行うことができず、また、何れかの部分で気密不良が判明してもリーク箇所の特定や修理が困難であるという問題があった。また、筐体１０６全体としての気密性が要求されるために、開口部を蓋体（ここでは、第２の上壁部２８、端壁部３３，３４）で封止する部分には、高価なシール材を使用する必要がある。従来の燃料電池モジュール１００の筐体１０６は、開口部が三面もあるため、高価なシールを要する部分が多数存在し、コストが高くなるという問題があった。また、蓋体を除く全ての壁部をベース１１０に対して溶接して一体化する構造であるため、溶接による歪が蓄積され、後工程となる最外部の壁部（ここでは第３の側壁部２６，２７）の溶接においては、製作精度を維持することが困難であるという問題があった。

本実施形態に係る燃料電池モジュール１では、筐体６が、アウタケース５０と、当該アウタケース５０との間で隙間を形成するような第１のインナケース６０を備えており、アウタケース５０が一方の端部５０ａに開口部５５を有すると共に、第１のインナケース６０は当該開口部５５に囲まれるようになっている。これによって、高温となる内部構造（セルスタック３など）を含む第１のインナケース６０を、長さ方向Ｄ１からアウタケース５０内へ開口部５５を介して挿入する構成とすることができる。すなわち、最外部を構成する各壁部をアウタケース５０として単体で構成する一方で、セルスタック３を含んで高温となる内側構造をアウタケース５０とは別体としてアセンブリ８０を構成し、当該アセンブリ８０をアウタケース５０に挿入するだけでよい（図７（ｂ）参照）。これによって、筐体６のうち、高温条件となるアセンブリ８０側の部材（インナケース６０，７０など）と、より低温条件となるアウタケース５０とで、異種材料を適用することが可能となる。これにより、アウタケース５０の材料として、低温条件に合わせた材料を適用することができ、コストの低減を図ることができる。また、当該構成によれば、最外部を構成するアウタケース５０のみで気密性を確認すればよく、検査を容易に行うことが可能となる。また、気密不良が発生した場合であっても、アウタケース５０の内部は中空であるため、容易に修理を行うことができる。また、最外部を構成するアウタケース５０の開口部５５を一箇所のみとすることができるため、高価なシール材を用いる部分を減少させることができる。以上によって、コストを抑えると共に気密性を容易に確保することができる。また、アウタケース５０と、アセンブリ８０を構成する他の部材とで、それぞれ製作精度の管理、修正を行うことが可能となる。

また、インナケース６０，７０は、外側へ延びるフランジ部を有している。各フランジ部で第１のインナケース６０とアウタケース５０との間の隙間、及び第２のインナケース７０と第１のインナケース６０との間の隙間を確保することによって、アセンブリ８０を組み立てる作業、及びアウタケース５０にアセンブリ８０を挿入する作業によって、同時に隙間の大きさの調整も行うことができる。

また、第１のインナケース６０とアウタケース５０との間の隙間によって、酸化剤を通過させる酸化剤流路１３が形成され、第２のインナケース７０と第１のインナケース６０との間の隙間によって、排ガス流路１２が形成される。これによって高温な排ガスが流れる排ガス流路１２を第１のインナケース６０よりも内側に配置することができる。アウタケース５０が接触する流路には、排ガスよりも低温な酸化剤を流すことができる。

また、本実施形態に係る燃料電池モジュールでは、アウタケース５０とインナケース６０，７０とは、異なる材料で形成され、アウタケース５０の材料として、低温条件に合わせた材料を適用することにより、コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池モジュールでは、アウタケース５０、第１のインナケース６０、第２のインナケース７０は、一枚の板を折り曲げ加工することによって形成されるので、容易に各ケースを形成することができると共に、溶接箇所を低減することによって気密性を確保し、組み立て精度を向上することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。最外部を構成するアウタケースが開口部を有し、当該開口部にインナケースを挿入する構成であればよく、アセンブリ内の構成や各壁部や流路などの構成は適宜変更してもよい。
また、インナケース６０，７０のフランジ部の構成は上述の実施形態に示されているものに限定されず、適宜変更してもよい。また、フランジ部によってケース同士の隙間を形成しなくともよい。例えばケース同士の間にスペーサを挟むことによって隙間を形成してもよい。

また、上記実施形態では、図４に示されるように、アウタケース本体部５０は、側壁部２６，２７、上壁部２８、底壁部２９及び端壁部３４によって構成し、端壁部３４と対向する端面を開口部５５として、アッセンブリ８０（インナケース６０，７０を含む）の挿入後、アウタケース本体部５０と別体とされて蓋体として機能する端壁部３３で閉止する構成としている。しかし、これに限らず、次のような構成としてもよい。
例えば、図８に示されるように、アウタケース本体部５０は、側壁部２７、上壁部２８、底壁部２９及び端壁部３３，３４によって構成し、側壁部２７と対向する側面を開口部５５として、アッセンブリ８０（インナケース６０，７０を含む）の挿入後、アウタケース本体部５０と別体とされて蓋体として機能する側壁部２６で閉止する構成とする。
或いは、図９に示されるように、アウタケース本体部５０は、側壁部２６，２７、底壁部２９及び端壁部３３，３４によって構成し、底壁部２９と対向する上面を開口部５５として、アッセンブリ８０（インナケース６０，７０を含む）の挿入後、アウタケース本体部５０と別体とされて蓋体として機能する上壁部２８で閉止する構成とする。
ただし、開口部５５を比較的小さくして、シール材の減少や封止作業の効率化を図るという観点からは、図４に示される構成が望ましい。すなわち、アウタケース本体部５０の開口部５５は、インナケース（第１のインナケース６０）の周壁部と相対しないアウタケース５０の両端面のうちいずれか一方の端面に形成され、アウタケース５０内へのインナーケース（第１のインナケース６０）の挿入方向で見て、アウタケース５０とインナケース（第１のインナケース６０）との間に空隙が形成される構成とするとよい。

また、上記の実施形態では、水素含有燃料として、例えば炭化水素系燃料を用い、改質器２により、水素リッチな改質ガスに改質して、セルスタック３の燃料極に供給する構成としたが、水素含有燃料として、純水素を用いることも可能である。この場合には、改質器２を省略し、筐体６外の水素タンクなどからセルスタック３の燃料極に水素含有燃料を直接供給することができる。

以上からわかるように、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１…燃料電池モジュール、２…改質器、３…セルスタック、４…水気化部、６…筐体、１１…収納室、１２…排ガス流路、１３…酸化剤流路、１６，１７…第１の側壁部（第２のインナ周壁部）、１８…第１の底壁部（第２のインナ周壁部）、２１，２２…第２の側壁部（第１のインナ周壁部）、２３…第１の上壁部（第１のインナ周壁部）、２４…第２の底壁部（第１のインナ周壁部）、２６，２７…第３の側壁部（アウタ周壁部）、２８…第２の上壁部（アウタ周壁部）、２９…第３の底壁部（アウタ周壁部）、５０…アウタケース、６０…第１のインナケース、６１，６２，６３，６４，６６，６７，６８，６９…フランジ部、７０…第２のインナケース、７１，７２，７４，７６，７７，７９…フランジ部、８０…アセンブリ。

Claims (7)

1. 水素含有燃料及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックと、
   前記セルスタックを収納する筐体と、を備える燃料電池モジュールであって、
   前記筐体は、
   上面及び下面と互いに対向する側面とを含む周壁部を有して、その内部に前記セルスタックを収納するインナケースと、
   前記インナケースを収納すると共に、前記インナケースの前記周壁部との間に空隙を形成し、前記空隙により前記酸化剤を通過させる酸化剤流路を形成するアウタケースと、を備え、
   前記アウタケースは、直方体状で１つの面が開口部をなすアウタケース本体部と、前記開口部を覆う蓋体とから構成され、
   前記インナケースは、前記アウタケース内に前記開口部より挿入されて配置され、前記周壁部の両端部が前記アウタケース本体部及び前記蓋体による直方体の両端壁部に当接して位置決めされることを特徴とする、燃料電池モジュール。
2. 前記アウタケース本体部の開口部は、前記インナケースの前記周壁部と相対しない前記アウタケースの両端面のうちいずれか一方の端面に形成され、
   前記アウタケース内への前記インナーケースの挿入方向で見て、前記アウタケースと前記インナケースとの間に前記空隙が形成されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記筐体は、前記アウタケースと前記インナケースとの間に前記空隙を形成するように前記アウタケースに対し前記インナケースを位置決めする位置決め部材を更に備えることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池モジュール。
4. 前記位置決め部材は、前記インナケースに形成され、前記インナケースの前記周壁部から前記アウタケース側へ延びるフランジ部であることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池モジュール。
5. 前記インナケースは、前記周壁部を有する第１のインナケースと、前記第１のインナケース内に収納されて前記セルスタックを収納する第２のインナケースと、を含んで構成され、
   前記第２のインナケースは、前記第１のインナケースの前記周壁部との間に、前記セルスタックからのオフガスの燃焼による排ガスを通過させる排ガス流路を形成することを特徴とする、請求項１記載の燃料電池モジュール。
6. 前記水素含有燃料を改質して前記セルスタックに供給する改質器を更に備え、
   前記改質器は、前記セルスタックの上方に配置されて、前記セルスタックと共に前記第２のインナケース内に収納されることを特徴とする、請求項５記載の燃料電池モジュール。
7. 前記アウタケースと前記インナケースとは、異なる材料で形成されることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池モジュール。

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