JP6068333B2 - 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。

特開２０１０−０４４９９０号公報

ここで、従来の燃料電池モジュールの筐体は、溶接等によって複数の壁部を組み立てて本体部を構成した後、本体部に形成されている開口部を蓋体で覆って固定していた。このような筐体では、本体部の開口部周りに蓋体を受ける蓋体受け部を形成し、当該蓋体受け部と蓋体との間にシール部材を配置していた。ボルト及びナットの締結によって蓋体を蓋体受け部に固定し、シール部材を挟み込むことによって蓋体と本体部との間の気密性が確保されていた。蓋体は、全体的に平板状をなしている単純平板に、ボルト締めのための貫通孔を形成することによって構成されている。

しかしながら、従来の燃料電池モジュールでは、シール部材が、蓋体の周縁部及び蓋体受け部と面接触によって押圧力を付与される構造となっていた。このような構造では、ボルト及びナットの締結によって発生する押圧力が、接触面全体に分散するような面シール構造となるために、筐体の気密性を確保することが困難であるという問題があった。更に、当該構造では、シール部材の接触面積を確保するために、幅の広いシール部材を用いる必要があり、これによって、コストが増加してしまうという問題があった。

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筐体の気密性を確実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を収納する筐体を備える燃料電池モジュールであって、筐体は、セルスタックを収納すると共に、開口部を有する本体部と、本体部の開口部を覆う板状の蓋体と、を備えた直方体状であって、本体部は、蓋体の厚さ方向から見て開口部を全周にわたって取り囲むと共に、蓋体の周縁部と対向する蓋体受け部を有し、蓋体と蓋体受け部との間には、厚さ方向から見て開口部を全周にわたって取り囲むシール部材が配置され、蓋体及び蓋体受け部の少なくとも一方は、シール部材側へ突出すると共に、厚さ方向から見て前記開口部を全周にわたって取り囲むように延びる第１の凸部を有することを特徴とする。

この燃料電池モジュールによれば、また、蓋体と蓋体受け部との間には、厚さ方向から見て開口部を全周にわたって取り囲むシール部材が配置されている。更に、蓋体または蓋体受け部が、シール部材側へ突出すると共に、厚さ方向から見て開口部を全周にわたって取り囲むように延びる第１の凸部を有している。このような構造によって、蓋体を蓋体受け部に固定する際に発生する押圧力は、第１の凸部に集中する。第１の凸部は、開口部を全周にわたって取り囲むように延びているため、開口部の全周を取り囲んで、シール部材を線状に押圧することが可能となる。このような線シール構造によって、筐体の気密性を確実に確保することができる。また、このような線シール構造によれば、第１の凸部付近において押圧力が集中する部分のみにシール部材を配置すればよく、シール材料の搭載量を減少させ、コストを低減することができる。以上によって、コストを抑えると共に筐体の気密性を確実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筐体の気密性を確実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である。 図１に示すＩＩ―ＩＩ線に沿った断面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの斜視図である。 図３に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 本体部側の面における蓋体の構造を示す斜視図である。 図５に示すＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図である。 従来の燃料電池モジュールの斜視図である。 従来の燃料電池モジュールの断面図であって、図４に対応する図である。 蓋体の厚さ方向から見た場合の、シール部材に作用する押圧力の様子を示す図である。 変形例に係る燃料電池モジュールの断面図である。 図１０に示す燃料電池モジュールの作用・効果を説明するための模式図である。 変形例に係る燃料電池モジュールの断面図である。 図１２に示す燃料電池モジュールの作用・効果を説明するための模式図である。

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及び図２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及び図２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。

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、水蒸気改質器、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の積層体を有している。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。セルスタック３は、台座７の上面において、当該セルスタック３を含む発電ユニットを設置する発電ユニット設置面と平行かつ各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が二列に配置されている場合、当該二つのセルスタック３が、燃料電池モジュール１の発電ユニットを構成する。セルスタック３が一つの場合は、当該一つのセルスタック３が燃料電池モジュール１の発電ユニットを構成し、セルスタック３が三つ以上の場合は、当該三つ以上のセルスタック３が燃料電池モジュール１の発電ユニットを構成する。発電ユニットは、台座７を介して第１の底壁部１８に設置されているため、本実施形態では、当該第１の底壁部１８が発電ユニットの設置される発電ユニット設置面に該当する。なお、セルスタック３は、複数のセルを連結したものであればよく、セルの形状は特に限定されず、積層可能な形状でなくともよい。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３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「積層方向」と称して以下の説明を行う。

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。また、改質器２内において生じる改質反応が水蒸気改質反応を伴わない場合は、水気化部４を省略することができる。

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の各セルの積層方向に沿った方向を筐体６の「長さ方向Ｄ１」とし、水平方向において各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。本実施形態では、収納室１１、排ガス流路１２、酸化剤流路１３、及びこれらを形成する各壁部は、長さ方向Ｄ１から見て左右対称な構造となっている。

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４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、端壁部３３，３４及び第２の上壁部２８に対応する面に開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃがそれぞれ形成された本体部５０と、本体部５０の開口部５１Ａを覆う蓋体６０Ａと、本体部５０の開口部５１Ｂを覆う蓋体６０Ｂと、本体部５０の開口部５１Ｃを覆う蓋体６０Ｃと、を備えている。本体部５０は、上述で説明した各壁部のうち、側壁部１６，１７，２１，２２，２６，２７、第１の上壁部２３、及び底壁部１８，２４，２９を構成している。また、蓋体６０Ａは端壁部３３を構成し、蓋体６０Ｂは端壁部３４を構成し、蓋体６０Ｃは第２の上壁部２８を構成している。なお、蓋体６０Ａ及び蓋体６０Ｂの「厚さ方向」は、長さ方向Ｄ１に等しく、蓋体６０Ｃの「厚さ方向」は、上下方向Ｄ３に等しい。

本体部５０は、端壁部３３に対応する面、すなわち筐体６の端部６ａ側の面に、蓋体６０Ａを取り付けるための蓋体受け部５２Ａを有する。蓋体受け部５２Ａは、蓋体６０Ａの周縁部６１（図４参照）と対向する矩形枠状のフランジ部である。蓋体受け部５２Ａは、長さ方向（蓋体６０Ａの厚さ方向）Ｄ１からみて、筐体６の内側へ向かって延びるように形成される。蓋体受け部５２Ａの中央位置に矩形状の開口部５１Ａが形成されている。これによって、蓋体受け部５２Ａは、長さ方向（蓋体６０Ａの厚さ方向）Ｄ１から見て、開口部５１Ａを全周にわたって取り囲む構成となる。本体部５０は、端壁部３４に対応する面、すなわち筐体６の端部６ｂ側の面に、蓋体６０Ｂを取り付けるための蓋体受け部５２Ｂを有する。蓋体受け部５２Ｂは、蓋体６０Ｂの周縁部と対向する矩形枠状のフランジ部である。蓋体受け部５２Ｂは、長さ方向（蓋体６０Ｂの厚さ方向）Ｄ１からみて、筐体６の内側へ向かって延びるように形成される。蓋体受け部５２Ｂの中央位置に矩形状の開口部５１Ｂが形成されている。これによって、蓋体受け部５２Ｂは、長さ方向（蓋体６０Ｂの厚さ方向）Ｄ１から見て、開口部５１Ｂを全周にわたって取り囲む構成となる。本体部５０は、第２の上壁部２８に対応する面、すなわち筐体６の上端部側の面に、蓋体６０Ｃを取り付けるための蓋体受け部５２Ｃを有する。蓋体受け部５２Ｃは、蓋体６０Ｃの周縁部と対向する矩形枠状のフランジ部である。蓋体受け部５２Ｃは、上下方向（蓋体６０Ｃの厚さ方向）Ｄ３からみて、筐体６の内側へ向かって延びるように形成される。蓋体受け部５２Ｃの中央位置に矩形状の開口部５１Ｃが形成されている。これによって、蓋体受け部５２Ｃは、上下方向（蓋体６０Ｃの厚さ方向）Ｄ３から見て、開口部５１Ｃを全周にわたって取り囲む構成となる。

蓋体受け部５２Ａは、第３の側壁部２６，２７、第３の底壁部２９、及び蓋体受け部５２Ｃと隙間無く、すなわち気密性が確保された状態で接続されている。蓋体受け部５２Ｂは、第３の側壁部２６，２７、第３の底壁部２９、及び蓋体受け部５２Ｃと隙間無く、すなわち気密性が確保された状態で接続されている。蓋体受け部５２Ｃは、第３の側壁部２６，２７、及び蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂと隙間無く、すなわち気密性が確保された状態で接続されている。各蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃは、溶接によって固定されていてもよく、あるいは金属板の折り曲げによって形成されていてもよい。

蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは、シール部材７０側（本実施形態では本体部５０側）へ突出すると共に、各蓋体の厚さ方向から見て開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを全周にわたって取り囲むように延びるビード（第１の凸部）６２を有している。ビード６２は、矩形状の蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの外縁６３の各辺に沿って連続的に延び、開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを隙間無く取り囲むように、矩形を描くように形成されている。ビード６２は、例えば、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの平面に矩形枠状の凸部材を溶接することによって、凸部を形成することができる。また、プレス加工を行うことによって容易に凸部を形成することができる。これによると、溶接工程を削減することができる。また、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの気密性が確保できることから、気密検査箇所を低減することができる。

本実施形態では、プレス加工によってビード６２を形成する例を説明する。蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを構成する金属板が四辺においてそれぞれ断面Ｕ字状に押し出されることによって、本体部５０側の面には凸形状が形成される（図４及び図５参照）と共に、外側の面には凹形状が形成される（図３及び図４参照）。ビード６２の突出量、すなわちビード６２の凸形状の先端部６２ａと、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの本体部５０側の面６０ａとの間の距離Ｌ１（図４参照）は、ビード６２の全周にわたって一定に設定されることが好ましい。すなわち、ビード６２が描く四辺の全てにおいて、及び各辺同士の角部の全てにおいて、突出量Ｌ１が一定であることが好ましい。

ここで、図４を参照して、本体部５０の開口部を蓋体で封止する構造について、より詳細に説明する。なお、図４では、蓋体６０Ａが開口部５１Ａを封止する構造が示されているが、蓋体６０Ｂが開口部５１Ｂを封止する構造、蓋体６０Ｃが開口部５１Ｃを封止する構造も同様である。

蓋体６０Ａのビード６２と蓋体受け部５２Ａとの間には、本体部５０と蓋体６０Ａとの間の気密性を確保するためのシール部材７０が配置されている。シール部材７０は、ビード６２が描く矩形とほぼ同じ形状及び同じ大きさとなるように、矩形枠状に形成されている。また、蓋体６０Ａを固定する際、シール部材７０は、長さ方向（蓋体６０Ａの厚さ方向）Ｄ１から見て、ビード６２と重なり、当該ビード６２の凸形状から押圧力が付与されるように配置される。これによって、シール部材７０は、長さ方向（蓋体６０Ａの厚さ方向）Ｄ１から見て開口部５１Ａを全周にわたって取り囲むように配置される。シール部材７０は、開口部５１Ａの全周にわたって、隙間無く連続的に開口部５１Ａを取り囲んでおり、これによって、本体部５０と蓋体６０Ａとの間の気密性が確保される。ビード６２は、矩形の一辺あたりの断面形状が断面Ｕ字状に形成されているため、矩形の各辺において、シール部材７０と線接触して押圧力を付与する。

シール部材７０の一辺あたりの幅は、図４に示されるものより更に大きな幅を有するもの（例えば、図８に示すように蓋体受け部５２Ａの略全体を覆うようなもの）であってもよいが、材料コストを低減するために、少なくとも気密性を確保するのに必要な程度の幅とすることが好ましい。本実施形態では、シール部材７０は、長さ方向（蓋体６０Ａの厚さ方向）Ｄ１から見て、蓋体受け部５２Ａのうち螺合部８０の袋ナット８１よりも内周側を覆う部分のみ有しており、袋ナット８１よりも外周側を覆う部分（及び、隣り合う袋ナット８１同士の間を覆う部分）を有していない。ビード６２の凸形状で付勢し易くするため、シール部材７０の一辺あたりの幅をビード６２の一辺あたりの幅より僅かに大きくしておくことが好ましい。なお、蓋体受け部５２Ａにシール部材７０を位置合わせしてセットするためのガイド溝が形成されていてもよい。

蓋体６０Ａ及び蓋体受け部５２Ａには、蓋体６０Ａを蓋体受け部５２Ａに固定するための螺合部８０が形成されている。螺合部８０は、長さ方向（蓋体Ａの厚さ方向）Ｄ１から見て、開口部５１Ａ、ビード６２及びシール部材７０よりも外側に形成されている。また、螺合部８０は、ビード６２を取り囲むように、所定の間隔を開けて複数形成されている（図３参照）。

螺合部８０は、蓋体受け部５２Ａに形成された袋ナット８１と、蓋体６０Ａに形成された貫通孔８２と、貫通孔８２を介して袋ナット８１に螺合されるボルト８３と、を備えている。袋ナット８１は、円柱部材８４の一端側の面８４ａに雌螺子部８６を形成することによって構成されている。雌螺子部８６は、円柱部材８４の他方の面８４ｂには貫通しないように形成される。袋ナット８１は、蓋体６０Ａの固定時においてビード６２よりも外側に配置されるように、蓋体受け部５２Ａに複数固定される。袋ナット８１は、雌螺子部８６が形成される一端側の面８４ａが本体部５０の外側へ露出し、封止されている他端側の面８４ｂが本体部５０の内部空間へ露出するように配置される。袋ナット８１の一端側の面８４ａの縁部には、全周にわたって蓋体受け部５２Ａとの間で溶接部８７が形成される。これによって、袋ナット８１と蓋体受け部５２Ａとの間の気密性が確保される。

蓋体６０Ａの貫通孔８２は、蓋体６０Ａを蓋体受け部５２Ａに固定する際において、袋ナット８１の雌螺子部８６と対向する位置に形成される。貫通孔８２の径は、ボルト８３のネジ部の径より大きくネジ頭の径よりも小さく設定されており、固定時において貫通孔８２の縁部にはボルト８３のネジ頭が引っ掛かる。ボルト８３は、貫通孔８２に挿入されると共に袋ナット８１の雌螺子部８６にねじ込まれることにより、蓋体６０Ａを本体部５０側へ押圧する。ビード６２はシール部材７０に対して線接触することにより押圧力を付与するため、面接触によってシール部材を押圧する場合（例えば図８に示される構造）に比して、ボルト８３の締付力を少なくしても十分に気密性を確保することができる。

燃料電池システムの運転中は、燃料電池モジュール１の内部は高温のガスが充満するため、燃料電池モジュール１の各部にも熱が伝わり、熱変形を生じさせる場合がある。蓋体６０Ａに熱変形による歪みが生じると、燃料電池モジュール１内部のガス漏れに繋がる恐れがある。しかし、本実施形態によると、ビード６２は、シール部材７０の押圧力を集中させるとともに、蓋体６０Ａ自体の強度を高めることができる。シール性向上という効果は、ビード６２が蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃに形成されている場合であっても、蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂ，５３Ｃに形成されている場合であっても、得ることができる。更に、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃにビード６２を形成する場合、１つの加工によって、シール性の向上という効果と蓋体６０Ａの強度向上という効果を同時に得ることができる。

ここで、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃには、筐体６内部の改質器やセルスタック３との取り合い配管や部材を貫通させるための貫通孔を形成する場合があり、更に当該貫通孔にスタッフィングボックス等の気密構造を設ける場合がある。その際、ビード６２をプレス加工により形成した後に、貫通孔を形成すると、プレス加工により発生した残留応力が開放され、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを構成する金属板が歪む（捩れる）可能性がある。このような現象を確実に防止するため、本実施形態に係る蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは、補強構造を有している。当該補強構造について、図３、図５及び図６を参照して説明する。なお、図５及び図６は、蓋体６０Ａのみの構成が示されているが、蓋体６０Ｂ，６０Ｃも同様の構成を有する。

図３に示すように、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの外縁６３には、当該蓋体の厚さ方向へ延びる折り返し部６４が形成される。本実施形態においては、折り返し部６４は、外側（本体部５０の反対側）へ向かって９０°折り返されている。折り返し部６４は、外縁６３の四辺全てに形成されていると共に、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの全周を取り囲むように連続的に形成されている。これによって、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの強度が向上する。折り返し部６４は、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの外縁６３を折り曲げ加工することによって形成されてもよく、別部材を外縁６３に溶接することによって構成してもよい。

図５及び図６に示すように、蓋体６０Ａには、貫通孔９１が形成されており、当該貫通孔９１にスタッフィングボックス等の気密機構ＳＢが固定されている。貫通孔９１は、円形状のビード（第２の凸部）９２に内包されるように形成されている。すなわち、プレス加工によって、蓋体６０Ａを構成する金属板に本体部５０側の面に凸形状が形成されると共に、外側の面に凹形状が形成されることでビード９２が形成され、当該凸凹形状の中に貫通孔９１が形成される。これによって、貫通孔９１の周辺の金属板の強度が高くなる。

蓋体６０Ａを加工する手順の一例として、次のような手順が挙げられる。まず、蓋体６０Ａを構成する金属板に対してプレス加工を行うことによって、ビード６２及びビード９２を形成する。当該プレス加工の後（あるいはプレス加工の前でもよい）、折り曲げ加工などによって外縁６３に折り返し部６４が形成される。次に、穴あけ加工によって、ビード９２の中に貫通孔９１が形成されると共に、ビード６２よりも外側に複数の貫通孔８２が形成される。なお、蓋体６０Ａの加工手順は、当該例に限定されず、順序を変更してもよく、プレス加工と貫通孔の形成を同時に行ってもよく、溶接等を用いてもよい。

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の構造を図７及び図８を参照して説明する。従来の蓋体１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃは、本体部５０の蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃと対向する周縁部１６１の部分と、本体部５０の開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを覆う部分とは、凹凸形状を有さない平板状に形成されている。すなわち、周縁部１６１の本体部５０側の面は、平面状に形成されている。蓋体１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃは、シール部材１７０と面接触することによって、蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃとの間で押圧する。シール部材１７０は、蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃの略全面を覆うような幅広の矩形枠状に形成されている。シール部材１７０は、袋ナット８１及び貫通孔８２に対応する位置に円形状の複数の貫通孔１７０ａを有している。

従来の燃料電池モジュール１００のような構造では、シール部材１７０が、蓋体１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃの周縁部１６１及び蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃと面接触によって押圧力を付与される構造となっていた。このような構造では、ボルト８３及び袋ナット８１の締結によって発生する押圧力が、接触面全体に分散するような面シール構造となるために、筐体１０６の気密性を確保することが困難であるという問題があった。更に、当該構造では、シール部材の接触面積を確保するために、幅の広いシール部材を用いる必要があり、これによって、コストが増加してしまうという問題があった。

図９（ｂ）は、蓋体１６０Ａ，１６０Ｂ，１６０Ｃの厚さ方向から見た場合の、シール部材１７０に作用する押圧力（ハッチングで示されている）を示している。シール部材１７０は面接触によって押圧力を付与されるため、押圧力が接触面全体に分散し、開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの全周のうち一部（例えば、図中ＰＴで示される部分）において押圧力が不十分となる可能性がある。また、面接触によって押圧力を付与する構造では、シール部材１７０の幅Ｗ２を広く確保する必要があり、シール材料の搭載量が増加し、コストが増加する。

本実施形態に係る燃料電池モジュール１によれば、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃが、本体部５０側へ突出すると共に、厚さ方向から見て開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを全周にわたって取り囲むように延びるビード６２を有している。また、このビード６２と蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃとの間には、厚さ方向から見て開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを全周にわたって取り囲むシール部材７０が配置されている。このような構造によって、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃを蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃに固定する際に発生する押圧力は、ビード６２に集中する。ビード６２は、開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを全周にわたって取り囲むように形成されているため、開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃの全周を取り囲んで、シール部材７０を線状に押圧することが可能となる。このような線シール構造によって、筐体６の気密性を確実に確保することができる。また、このような線シール構造によれば、ビード６２付近において押圧力が集中する部分のみにシール部材７０を配置すればよく、シール材料の搭載量を減少させ、コストを低減することができる。以上によって、コストを抑えると共に筐体６の気密性を確実に確保することができる。

図９（ａ）は、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの厚さ方向から見た場合の、シール部材７０に作用する押圧力（ハッチングで示されている）を示している。ビード６２は、当該ビード６２が描く矩形状の線ＬＳ上に押圧力を集中させることができる。この線ＬＳは、開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを全周にわたって取り囲むように形成されているため、本実施形態に係る構造によって、開口部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃを全周にわたって封止する線シール構造を構成することができる。全周を取り囲む線ＬＳに押圧力を集中させることによって、確実に気密性を確保することができる。また、線状に押圧力を付与する構造では、シール部材７０の幅Ｗ１を狭くすることが可能となり、シール材料の搭載量が減少し、コストを抑えることができる。

また、ビード６２は、プレス加工によって形成されている。例えば、蓋体の平面に矩形枠状の凸部材を溶接することによって、凸部を形成する場合、溶接検査や溶接箇所の気密検査を行う必要がある。プレス加工を行うことによって容易に凸部を形成することができる。また、検査を容易にすることができ、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの気密性も確保できる。なお、プレス加工によるビード６２に代えて、溶接によって凸部を形成してもよい。

また、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃは、ビード９２を有し、当該ビード９２に貫通孔９１が形成される。蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃに貫通孔９１が形成される場合であっても、ビード９２によって強度が確保される。蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃのビード６２が溶接によって形成される場合、或いは、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃに気密機構ＳＢが溶接によって取り付けられる場合、ビード９２は、溶接の熱応力による蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの変形を抑制することができる。また、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃのビード６２がプレス加工によって形成される場合、ビード９２は、ビード６２のプレス加工時の残留応力の開放による蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの変形を抑制することができる。

また、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの外縁６３には、当該蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの厚さ方向における外側へ延びる折り返し部６４が形成されている。折り返し部６４によって、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの強度が確保される。すなわち、発電中に筐体６内の温度が高温となったとしても、折り返し部６４は、燃料電池モジュール１内の温度の高温化に起因する蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの変形を抑制することができる。このような効果は、ビード６２が蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃに形成されている場合であっても、蓋体受け部５２Ａ，５２Ｂ，５３Ｃに形成されている場合であっても、得ることができる。

また、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃのビード６２が溶接によって形成される場合、折り返し部６４は、溶接の熱応力に起因する歪も抑制することができる。この場合、先に折り返し部６４が形成され、その後にビード６２が形成されることが好ましい。また、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃのビード６２がプレス加工によって形成される場合、折り返し部６４は、ビード６２のプレス加工時の残留応力に起因する歪を抑制することができる。また、図８に示す折り返し部１６４は、厚さ方向における本体部５０側へ延びている。このような構成に比して、本実施形態の折り返し部６４は、外側へ延びており、蓋体６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃの変形抑制であるためより好ましい。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態では、本体部が開口部を３つ有し３つの蓋体で封止する例について説明したが、本体部の開口部の数（すなわち蓋体の数）は、これに限定されない。例えば、開口部及び蓋体の数が、１つでもよく、２つでもよく、あるいは３つより多くてもよい。

また、貫通孔９１がビード９２の中に形成されておらず、蓋体の平面部分に形成されていてもよい。

折り返し部６４は、外縁６３の四辺全てに連続形成されていなくともよく、例えば、外縁６３の各辺における折り返し部６４同士が（蓋体の四隅の部分などで）離れていてもよい。また、いずれかの辺のみに形成されていてもよい。また、折り返し部６４は、蓋体の厚さ方向に外側へ９０°折り返されているが、折り返し方向や折り返し角度は特に限定されない。例えば、蓋体の厚さ方向に内側へ９０°折り返されていてもよい（例えば図８に示される態様）。あるいは、折り返し部が設けられていなくともよい。

また、蓋体受け部や螺合部の構成は、上述の実施形態に限定されるものではなく、筐体内部の気密性を確保できるものであれば、適宜変更することができる。例えば、上述の実施形態では、蓋体受け部は、蓋体の厚さ方向から見て筐体の内側へ広がるように形成されているが、外側に広がるように形成されていてもよい。すなわち、蓋体受け部が、開口部を取り囲む四方の壁部よりも外側に広がる構成となる。これに伴って、蓋体の縁部も開口部より外側（四方の壁部よりも外側）へ広がり、螺合部、シール部及びビード（第１の凸部）も開口部より外側へ配置される。また、螺合部は、蓋体受け部にボルトが固定され、ナットを外から締めることによって蓋体を固定する構成となっていてもよい。

また、上述の実施形態では、蓋体が、蓋体受け部側へ突出するビード（第１の凸部）を有し、シール部材が、蓋体のビード（第１の凸部）と蓋体受け部との間で押圧される構成となっていた。これに代えて、蓋体受け部が、蓋体側へ突出するビード（第１の凸部）を有し、シール部材が、蓋体受け部のビード（第１の凸部）と蓋体との間で押圧される構成としてもよい。すなわち、開口部を取り囲むようなビードをプレス加工などによって蓋体受け部に形成し、蓋体には実施形態においてビード６２に対応するような凸部を形成することなく平板状とする。なお、蓋体と蓋体受け部の両方にビードを形成し、シール部材を両側からビードで押圧する構成としてもよい。

また、セルスタックの燃料極に、改質ガスではなく燃料電池システム外部から導入する純水素、水素富化ガスなど改質処理を必要としない燃料を供給する燃料電池システムにおいては、改質器２、水気化部４を省略することができる。

また、図１０に示すような構成を採用してもよい。図１０に示す蓋体６０Ａは、厚さ方向Ｄ１から見てビード６２より外周側に貫通孔８２を有し、厚さ方向Ｄ１から見て貫通孔８２より外周側に蓋体受け部５２Ａ側へ向かって突出するビード６５を有する。ビード６５は、シール用のビード６２と同じく、全周に亘って形成されていてもよく、途中で途切れていてもよい。

図１１に示すように、発電中の燃料電池モジュール１内の温度の高温化に起因する蓋体６０Ａの変形（図１１では、変形前の蓋体６０Ａの内側の面の位置を点線ＳＴにて示している）が生じるとしても、ビード６５が当該蓋体６０Ａを外周側で蓋体受け部５２Ａと接触することにより蓋体６０Ａを支持する。これによって、ビード６５は、蓋体６０Ａの変形を抑制することができる。ビード６５が蓋体６０Ａを支持することにより、ビード６２のシール部材７０に対する押圧力を確実に維持することができる。なお、ビード６５は、溶接によって形成されてもよく、プレス加工によって形成されてもよい。また、ビード６５は、蓋体受け部５２Ａに形成されており、蓋体６０Ａ側へ突出していてもよい。

また、図１２に示すような構成を採用してもよい。図１２に示す蓋体６０Ａは、厚さ方向Ｄ１から見てビード６２より内周側に、ビード６２と反対側（外側）へ向かって突出するビード６６を有する。ビード６６は、ビード６２に沿って延びるように形成されている。ビード６６は、シール用のビード６２と同じく、全周に亘って形成されていてもよく、途中で途切れていてもよい。

図１３に示すように、発電中の燃料電池モジュール１内の温度の高温化に起因する蓋体６０Ａの変形（図１３では、変形前の蓋体６０Ａの内側の面の位置を点線ＳＴにて示している）が生じるとしても、ビード６６が当該蓋体６０Ａの変形をビード６２の内周側で抑制する。これによって、ビード６６は、蓋体６０Ａのシール部分に係るビード６２付近の変形を抑制することができる。これにより、ビード６２のシール部材７０に対する押圧力を確実に維持することができる。なお、ビード６６は、溶接によって形成されてもよく、プレス加工によって形成されてもよい。

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、５０…本体部、５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ…開口部、５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ…蓋体受け部、６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ…蓋体、６１…周縁部、６２…ビード（第１の凸部）、６４…折り返し部、６５…ビード（第３の凸部）、６６…ビード（第４の凸部）、７０…シール部材、８０…螺合部、９１…貫通孔、９２…ビード（第２の凸部）。

Claims (8)

1. 水素含有ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックを収納する筐体を備える燃料電池モジュールであって、
   前記筐体は、
   前記セルスタックを収納すると共に、開口部を有する本体部と、
   前記本体部の前記開口部を覆う板状の蓋体と、を備えた直方体状であって、
   前記本体部は、前記蓋体の厚さ方向から見て前記開口部を全周にわたって取り囲むと共に、前記蓋体の周縁部と対向する蓋体受け部を有し、
   前記蓋体と前記蓋体受け部との間には、前記厚さ方向から見て前記開口部を全周にわたって取り囲むシール部材が配置され、
   前記蓋体及び前記蓋体受け部の少なくとも一方は、前記シール部材側へ突出すると共に、前記厚さ方向から見て前記開口部を全周にわたって取り囲むように延びる第１の凸部を有する燃料電池モジュール。
2. 前記蓋体は、前記蓋体受け部側へ突出する前記第１の凸部を有し、
   前記シール部材は、前記第１の凸部と前記蓋体受け部との間で押圧される請求項１記載の燃料電池モジュール。
3. 前記蓋体受け部は、前記蓋体側へ突出する前記第１の凸部を有し、
   前記シール部材は、前記第１の凸部と前記蓋体との間で押圧される請求項１記載の燃料電池モジュール。
4. 前記蓋体は、前記蓋体受け部と対向しない部位に第２の凸部を有し、当該第２の凸部に第１の貫通孔を有する請求項１〜３の何れか一項記載の燃料電池モジュール。
5. 前記蓋体の外縁には、前記厚さ方向へ折り返される折り返し部を有する請求項１〜４の何れか一項記載の燃料電池モジュール。
6. 前記蓋体は、前記周縁部であって、前記厚さ方向から見て前記第１の凸部より外周側に第２の貫通孔を有し、
   前記蓋体及び前記蓋体受け部の少なくとも一方は、他方へ突出すると共に、前記厚さ方向から見て前記第２の貫通孔より外周側に第３の凸部を有する請求項１〜５のいずれか一項記載の燃料電池モジュール。
7. 前記蓋体は、前記周縁部であって、前記厚さ方向から見て前記第１の凸部より内周側に、前記第１の凸部に沿って延びる第４の凸部を有する請求項１〜６のいずれか一項記載の燃料電池モジュール。
8. 前記筐体は、水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器を収納し、
   前記セルスタックは、前記水素含有燃料として前記改質器が発生する改質ガスを用いて発電を行う請求項１〜７のいずれか一項記載の燃料電池モジュール。

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