JP6949182B2 - 燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池モジュールの製造方法 - Google Patents

燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池モジュールの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池モジュール、燃料電池装置と、燃料電池モジュールの製造方法に関する。
燃料電池の構成として、収納容器内に、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数積層したセルスタックを備える燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールおよびその動作に必要な補機類を外装ケース等の筐体に収納した燃料電池装置とが、種々提案されている（たとえば、特許文献１，２を参照。）。
上述の燃料電池モジュールにおいては、収納容器の前後の板を取り外し、その内部にセルスタックを挿入して、構成されている。
国際公開第２００９／１１９６１５号 特開２００９−１５８１２１号公報
本開示の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックと、各燃料電池セルの燃料ガス供給側端部に連結されて各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えるセルスタック装置と、酸素含有ガスを吐出する吐出口を有し、酸素含有ガスを前記各燃料電池セルに供給する酸素含有ガス導入板と、前記セルスタック装置および酸素含有ガス導入板を収容する収納容器と、を備える。前記収納容器は、一面が開口した箱体と該開口を塞ぐ蓋体とからなり、前記箱体の開口は、前記セルスタック装置の側方側から見た前記セルスタック装置の投影面の最大長さより大きな開口長さを有する。
また、本開示の燃料電池装置は、前記燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールを作動させるための補機とを外装ケースに内に収納したものである。
またさらに、本開示の燃料電池モジュールの製造方法は、複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックと、各燃料電池セルの燃料ガス供給側端部に連結されて各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えるセルスタック装置と、該セルスタック装置を収容する収納容器であって、その一面に、前記セル配列の横方向から見た前記セルスタック装置の投影面の最大長さより大きな開口長さを有する、セルスタック装置装填用の開口が設けられた箱体と該開口を塞ぐ蓋体とからなる収納容器と、を準備する工程と、
前記収納容器の箱体を、前記セルスタック装置装填用の開口を上に向ける工程と、
前記準備工程で準備された前記セルスタック装置を横倒しにして、横倒し状態のまま前記開口から前記箱体内に挿入して位置決めする工程と、
前記セルスタック装置の装填の前および／または後に、前記箱体内の該セルスタック装置の周囲に、酸素含有ガス導入板を取り付ける工程と、
前記箱体の開口を前記蓋体で閉鎖する工程と、を備える。
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とから、より明確になるであろう。
第１実施形態の燃料電池モジュールの構成を示す分解斜視図である。 ２Ａ〜２Ｆは順に、第１実施形態の燃料電池モジュールの組み立て手順を説明する図である。 第１実施形態の燃料電池モジュールの内部構成を示す断面図である。 第２実施形態の燃料電池モジュールの内部構成を示す断面図である。 第３実施形態の燃料電池モジュールの内部構成を示す断面図である。 第４実施形態の燃料電池モジュールの構成を示す分解斜視図である。 第４実施形態の燃料電池モジュールの内部構成を示す断面図である。 実施形態のインナーケースの長孔の拡大図である。 実施形態の燃料電池モジュールを用いた燃料電池装置の概略構成図である。
以下、図面を参考にして、実施形態を詳細に説明する。
図１は、第１実施形態の燃料電池モジュール１０の構成を示す分解斜視図であり、図２はその組み立て手順を示す図、図３はその内部構成を示す断面図である。なお、図１および図２は、モジュール組み立て作業のために、燃料電池モジュール１０を作業台等に容器開口（大形開口１ｃ）を上にして載置した状態（いわゆる「横倒し」あるいは「寝かせた」状態）を示している。また、組み立て後に輸送や使用される場合は、図３の断面図のように、容器開口を側面にしてセルスタック２Ａを正立させた状態（立てた状態）で用いられる。
図に示す第１実施形態の燃料電池モジュール１０は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。組み立て後の完成図（図３の断面図）に示すように、その構成は、容器の内壁（インナーケース１Ｂ）と容器の外壁（アウターカバー１Ａ）との間にガス流路が形成された二重構造の収納容器１の内側に、底部断熱材６および側部断熱材７Ａ，７Ｂ等から構成される内側断熱材を配設してその内部（中央）空間に発電室１１と燃焼室１２とを形成し、これら各室の中に、セルスタック２Ａ，マニホールド２Ｂおよび改質器２Ｃ等からなるセルスタック装置２を収容した構成をとる。
なお、発電室１１と燃焼室１２とは一体化されていてもよい。また、底部断熱材６、側部断熱材７Ａ，７Ｂの「底部」、「側部」とは、組み立て後の稼動状態（図３）で底部側、側部側に位置するという意味である。すなわち、図１，図２のように組み立て中の場合は、底部断熱材６は横倒しになったセルスタック２Ａの側方に位置し、側部断熱材７Ａ，７Ｂは、横倒しになったセルスタック２Ａの下側に相当する、インナーケース１Ｂの箱体底部１ｄ（底面）側か、横倒しになったセルスタック２Ａ上側の蓋体（クローズドプレート５）側に位置する。
この燃料電池モジュール１０の最大の特徴は、その収納容器１として、図１，図２に示すような一面が大きく開口する箱体（インナーケース１Ｂ）を用いたことである。この箱体の上面に位置する大形開口１ｃは、図のように横倒しにしたセルスタック装置２を開口の上側から挿入できるように、その開口長さまたは開口径（対角長さ）が、マニホールド２Ｂおよび改質器２Ｃを含むセルスタック装置２の側面サイズ（セルスタック装置２のセル配列の側方側から見た装置投影面の最大長さまたは最大横断径）より大きくなっている。これにより、セルスタック装置２を、容器（箱体）内で移動させたりすることなく、容器内の所定の位置に、一度の作業で、容易にかつ正確に収めることができる。
上記燃料電池モジュール１０の構成と製造方法（組み立て）について、詳しく説明する。燃料電池モジュール１０は、図１の分解斜視図に下から順に示すように、アウターカバー１Ａとインナーケース１Ｂとからなる収納容器１、側部断熱材の一方（箱体底面側）をなす側部断熱材７Ａ、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入板３、酸素含有ガス導入板３の上面に配置されたリブ状のセルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂ、先に述べたマニホールド２Ｂおよび改質器２Ｃを含むセルスタック装置２と、そのマニホールド２Ｂ側の側面に配設される底部断熱材６、側部断熱材の他方（箱体開口側）をなす側部断熱材７Ｂと、その下面側に取り付けられるとともにセルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂと対をなすセルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄ、および、収納容器１（インナーケース１Ｂ）を塞ぐペーパーガスケット４とクローズドプレート５等、から構成されている。なお、一部の部材を省略してもよく、また他の部材を追加してもよい。
そして、インナーケース１Ｂ内に収容される、セルスタック装置２を含む各部材、すなわち酸素含有ガス導入板３、底部断熱材６、側部断熱材７Ａ，７Ｂ、セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ等は、セルスタック装置２と同様、インナーケース１Ｂのセルスタック装置挿入用の大形開口１ｃより小さなサイズとされている。これらの各部材は、この大形開口１ｃから、箱体底部１ｄ（開口から見た箱体の底面）に向けて、容易に挿入できるようになっている。
そして、燃料電池モジュール１０を組み立てる際は、まず、セルスタック装置２と、セルスタック装置挿入用の大形開口１ｃを備える収納容器１の箱体であるインナーケース１Ｂとを準備し、この大形開口１ｃを上に向けて、図２〔ＦＩＧ．２Ａ〕のように作業台等の上に載置する。
つぎに、上記大形開口１ｃからインナーケース１Ｂの箱体底部１ｄに、容器全体を立てた（正立させた）際に容器内側の発電室１１等の側壁を形成する側部断熱材７Ａを、図２〔ＦＩＧ．２Ｂ〕のように挿入して載置する。続いて、酸素含有ガス導入板３をインナーケース１Ｂの内壁に設けられた酸素含有ガス流路１３の酸素含有ガス導出口１ｅから挿入して、この側部断熱材７Ａの上側に載置し、その酸素含有ガス導入口３ｄ側の基端部３ｂを、図３に示すように、酸素含有ガス導出口１ｅに、溶接やねじ止め等（図示省略）により固定する。
なお、図３に示すような内部構成を有する燃料電池モジュール１０においては、後述する燃料ガス燃焼後の排ガスを熱交換器まで送給する排ガス流路１６，１７，１８を構成するための部材を、側部断熱材７Ａを配置する前にインナーケース１Ｂに設けて、その部材の上に、側部断熱材７Ａを載置することができる。以下の第２，第３実施形態における燃料電池モジュール２０，３０も同様である。
また、この実施形態では、酸素含有ガス導入板３をセルスタック装置２より先に挿入・載置する場合、すなわち、酸素含有ガス導入板３がセルスタック装置２よりも箱体底部１ｄ（開口１ｃから見た箱体の底面）側に配設される場合を示したが、後記の第４実施形態（図６，図７）のように酸素含有ガス導入板３をセルスタック装置２よりも後（大形開口１ｃ側）に挿入・載置する場合やセルスタック装置２の上下両側（大形開口１ｃ側および箱体底部１ｄ側）に配設する場合もある。
ここで、酸素含有ガス導入板３を溶接にて固定する場合においては、本実施形態のように酸素含有ガス導入板３をセルスタック装置２よりも先に挿入・載置した場合、酸素含有ガス導入板３を溶接によって固定した後に、セルスタック装置２を挿入すればよいことから、セルスタック装置２が溶接による熱的影響を受けることがなく、また気密を保持することが容易になるという利点がある。なお、酸素含有ガス導入板３をねじ止めする場合には、酸素含有ガス導入板３は、セルスタック装置２の大形開口１ｃ側に挿入する構成としてもよい。
ついで、図２〔ＦＩＧ．２Ｃ〕のように酸素含有ガス導入板３上の所定位置に、セルスタック装置２を支持するための、一対のリブ状セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂを配設し、セルスタック装置２を挿入する準備を行う。なお、図１，図２では見えにくいため図示を省略しているが、この酸素含有ガス導入板３の上面（セルスタック装置２側）には、セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂの配設位置を決定する、断熱材固定部材９，９が取り付けられている（図３を参照）。これにより、セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂは、図３のように容器開口を側面にしてセルスタック２Ａを正立させた、輸送状態もしくは稼動状態において、後工程で載置されるセルスタック装置２を、適切な位置で支持（保持）できるようになっている。
つぎに、準備工程で準備されたセルスタック装置２を横倒しにして、この横倒し状態のまま、大形開口１ｃからインナーケース１Ｂ内に挿入し、図２〔ＦＩＧ．２Ｄ〕のように酸素含有ガス導入板３上の所定位置に載置して位置決めする。そして、このセルスタック装置２のマニホールド２Ｂとインナーケース１Ｂとの間に形成される隙間に、底部断熱材６を挿入して、セルスタック装置２の位置固定をより確実なものにする。なお、底部断熱材６を挿入した後にセルスタック装置２を挿入してもよい。
なお、このとき、セルスタック装置２に接続する配管（流路）や配線等も、同時に接続したり結線したりして、セルスタックが作動できる状態にする。すなわち、改質器２Ｃの一端から軸線方向に突出する燃料・水供給管３１が、インナーケース１Ｂの一面（前面）に設けられた燃料・水供給管用の貫通孔１ｇに挿通され、その先端が収納容器１の外側まで引き出される。また、集電用のバスバー３３は、インナーケース１Ｂの一面（先の貫通孔１ｇが設けられた前面）とその反対側の面（後面）とに設けられた、バスバー接続用の貫通孔１ｈにそれぞれ挿通される。そして、収納容器１の内部に位置するバスバー３３の端部が、セルスタック装置２から軸線方向に突出する各バスバー端子３２に、ねじ等の締結用具を用いて固定される。
また、配管や配線等の接続と同時に、これら配管や配線等と容器外部との接続や挿通に関与するアウターカバー１Ａ（二重容器の外壁に相当）も、インナーケース１Ｂ（二重容器の内壁に相当）の外側に装着し、これらカバー１Ａとケース１Ｂ、さらには断熱材（側部断熱材７Ａ，底部断熱材６）との間に形成される隙間に、空気やガスの流路を形成する。
なお、セルスタック装置２に対して予め配管（流路）や配線等を接続した状態で、セルスタック装置２を挿入してもよい。この場合において、大形開口１ｃは、これら配管や配線等が接続されていない状態で、セルスタック装置２の側面サイズ（セルスタック装置２のセル配列の側方側から見た装置投影面の最大長さまたは最大横断径）より大きくなっていればよい。
セルスタック装置２に対する配管や配線等の接続が完了したら、図２〔ＦＩＧ．２Ｅ〕のように、発電室１１等の反対側の側壁を形成する側部断熱材７Ｂを、セルスタック装置２の上に載置する。最後に、大形開口１ｃの上に、この大形開口１ｃを覆うペーパーガスケット４を載せ、その上に図２〔ＦＩＧ．２Ｆ〕のようにクローズドプレート５を載置して、ねじ等によりこのクローズドプレート５をインナーケース１Ｂに締結して、容器の大形開口１ｃを閉鎖する。
なお、発電室１１等の反対側の側壁を形成する側部断熱材７Ｂにも、図２〔ＦＩＧ．２Ｅ〕では見えない下面側に、セルスタック装置２を支持するための、一対のリブ状セルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄが取り付けられている。これらのセルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄも、反対側のセルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂと同様、側部断熱材７Ｂの一面の所定位置に設けられた溝状凹部７ｅ，７ｅ（断熱材固定部材９に相当するもの）に嵌入されて、その配設位置が固定されている。したがって、これらセルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄも、図３のように容器開口を側面にしてセルスタック装置２を正立させた際、そのセルスタック装置２を適切な位置で支持（保持）できるようになっている。
なお、側部断熱材７Ｂに嵌合されるセルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄは、予め側部断熱材７Ｂに嵌入された状態でセルスタック装置２上に載置してもよく、また、セルスタック装置２を装填した後、セルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄをセルスタック装置２の上に載置し、当該セルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄを側部断熱材７Ｂの凹部に嵌入させて、当該側部断熱材７Ｂを収納容器１内に載置してもよい。
以上のように、本実施形態の燃料電池モジュールの製造方法は、セルスタック装置２を、容器（箱体）内で移動させることなく、容器内の所定の位置に、一度の作業で、簡単に収めることができる。しかも、容器内の配管や配線等の接続作業は大形開口１ｃから行うことになるので、作業スペースが充分にあるため、これらの作業を手早く容易に完了することができるという利点もある。したがって、本実施形態の燃料電池モジュール１０の製造方法は、モジュール生産の効率を向上させることができる。
一方、セルスタック装置２を収容する収納容器１の細部において、先に述べた、インナーケース１Ｂの一面（前面）に形成された燃料・水供給管用の貫通孔１ｇと、バスバー接続用の貫通孔１ｈとは、図８の拡大図に示すように、特定の方向に異形の孔形状となっていてもよい。すなわち、燃料・水供給管用の貫通孔１ｇは、収納容器１（インナーケース１Ｂ）の横方向（図示Ｈ方向）に長孔状または長楕円状に形成されていてもよい（図８ＦＩＧ．８ＡおよびＦＩＧ．８Ｂを参照）。これにより、先述の組み立ての際、この貫通孔１ｇに燃料・水供給管３１を容易に差し込むことが可能になり、組み立て作業性が向上する。
また、バスバー接続用の貫通孔１ｈは、収納容器１の縦方向（図示Ｖ方向）に長孔状または長楕円状に形成されていてもよい（図８ＦＩＧ．８ＣおよびＦＩＧ．８Ｄを参照）。これは、バスバー３３の設置にあたり上下方向（Ｖ方向）にばらつきが生じた場合にも対応できるように構成したものである。これにより、上述の貫通孔１ｇと同様、燃料電池モジュール組み立ての際の作業性が向上する。したがって、これらの構成により、燃料電池装置の組み立て時間の短縮と効率化が可能である。なお、これらの貫通孔における長孔状または長楕円状とは、穴形状の長径ＬＬと短径ＬＳの長さが異なることをいう。
つぎに、前述のようにして組み立てられ、この収納容器１内に収容された、燃料電池モジュール１０の各装置および部材について説明する。
収納容器１の中央の空間（図３における下側の発電室１１と上側の燃焼室１２）に収容されたセルスタック装置２は、先にも述べたように、セルスタック２Ａ，マニホールド２Ｂおよび改質器２Ｃを組み合わせて構成されている。
セルスタック２Ａは、内部を燃料ガスが長手方向（稼動時上下方向）に流通する燃料ガス流路（図示せず）を有する中空平板型の柱状燃料電池セルを立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル間が集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続されている。なお、燃料電池セルとしては、柱状のものであればよく、たとえば円筒型や横縞型にも適用できる。
また、セルスタック２Ａは、図３のように、容器内の中央の、断熱材（底部断熱材６、側部断熱材７Ａ，７Ｂ）で囲われた発電室１１内に収納されており、これを構成する各燃料電池セルの下端は、ガラスシール材等の絶縁性接合材（図示せず）でマニホールド２Ｂに固定されている。
セルスタック２Ａの上方（組み立て前の横倒し状態の図１，図２では側方）には、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成するための改質器２Ｃが配設されている。そして、この改質器２Ｃで生成された燃料ガスが、燃料ガス供給管２ｄ（図１，図２では図示省略）を通じてマニホールド２Ｂに供給される。なお、改質器２Ｃは、懸架部材２ｅ，２ｅにより、発電室１１上側の燃焼室１２内に保持されている。
そして、マニホールド２Ｂに供給された燃料ガスは、図３に示すように、各燃料電池セル（セルスタック２Ａ）の内部に設けられたガス流路を下端より上端に向けて流れる。各燃料電池セルでは、この燃料ガスと、側方に位置する酸素含有ガス導入板３の吐出口３ｃから供給される酸素含有ガス（空気）とで、発電が行なわれる。
なお、セルスタック装置２においては、各燃料電池セル（セルスタック２Ａ）の上端において燃料ガス流路の終端より排出される、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスとを混合して、セルスタック２Ａと改質器２Ｃの間に位置する燃焼部１２Ａにおいて図示しない着火手段等により着火して燃焼させ、その燃焼熱を改質器２Ｃの加熱および原燃料の改質に利用している。そのため、容器中央の内部空間における、上側のセルスタック保持用断熱材８Ｂ，８Ｄで区切られた改質器２Ｃ側の上側空間（高温部）を燃焼室１２、セルスタック２Ａ側の下側空間（低温部）を発電室１１、と呼称している。
つぎに、セルスタック装置２の周囲に配置され、このセルスタック装置２の断熱および位置固定と、発電室１１，燃焼室１２を形成する断熱材は、図３に示すように、セルスタック装置２の側面方向（図１，図２においては箱体の上下方向）に配置される大形の側部断熱材７Ａ，７Ｂと、その内側でセルスタック装置２を挟み込むように両側から支持するセルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｃおよび８Ｂ，８Ｄと、セルスタック装置２の下側に配置される底部断熱材６とである。なお、断熱材としては、一般的に使用される断熱材料を用いることができる。たとえば、アルミナ系、シリカ系、アルミナシリカ系材料から構成された断熱材を用いることができる。
図示左側の大形の側部断熱材７Ｂの内側面（セルスタック装置２側）には、先にも述べたように、セルスタック保持用断熱材支持用の溝状凹部７ｅ，７ｅが設けられている。また、これらの溝状凹部７ｅ，７ｅに嵌入されたセルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄが、所定の適切な位置で、セルスタック装置２を支持するようになっている。
また、この図示左側の側部断熱材７Ｂは、収納容器１内部において、その内側を、下側のマニホールド２Ｂから上側の改質器２Ｃにまで至る、広い範囲を覆うように配設されている。この構成は、燃焼部１２Ａのスペースを規制することにも寄与している。すなわち、燃焼部１２Ａのスペース（容積）が小さくなることから、セルスタック２Ａからこの燃焼部１２Ａ内に排出される余剰の燃料ガスが薄まることなく、その濃度を比較的高く維持することが可能になる。これにより、燃焼部１２Ａおよび燃焼室１２内における余剰燃料ガスの着火性や燃焼性が改善されるという利点がある。なお、図において側部断熱材７Ｂの一方の端部（上端）は、インナーケース１Ｂの内面まで到達しているが、改質器２Ｃの近傍（燃焼部１２Ａと重なる部分）にまで延設されていれば上述の利点を有する。
また、側部断熱材７Ａ，７Ｂは、セルスタック装置２下部のマニホールド２Ｂを左右から挟みこんでいるため、このマニホールド２Ｂ部位を緩やかに保持して位置決めしている。これにより、セルスタック装置２の下部は、輸送時等の揺れや振動を受けても、その位置が変動しないようになっている。
さらに、これらの断熱材の外側と、二重容器であるアウターカバー１Ａ（外壁に相当）、インナーケース１Ｂ（内壁に相当）との間には、図３に示すような、セルスタック装置２に酸素含有ガスを供給する流路、セルスタック装置２から排出される燃焼排ガスを装置外へ排出または熱交換器等へ輸送するための流路等が設けられている。なお、各断面図は模式図であるため、流路の厚みを実際より誇張して描いており、流路の、容器の厚み方向（紙面表裏方向）の重なりや蛇行、迂回等、三次元的な形状を、必ずしも反映させているものではない。また、他の部材の厚みや寸法も、実際のものとは異なる。
第１実施形態の燃料電池モジュール１０は、セルスタック装置２に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス流路１３，１４，１５と、燃料ガス燃焼後の排ガスを熱交換器まで送給する排ガス流路１６，１７，１８とを有している。
排ガス流路は、燃焼室１２で発生する高温の燃焼排ガスを、酸素含有ガス導入板３を貫通する排ガス導出口１６ａを経由して、側部断熱材７Ａ上側の空間（第１の排ガス流路１６）に排出する。排ガス流路はさらに、その空間に連通する側面の第２の排ガス流路１７（インナーケース１Ｂ内側の排ガスポケット）および底部の第３の排ガス流路１８と、その流路の終端に設けられたペーパーガスケット４の排ガス導出口４ａおよびクローズドプレート５の排ガス導出口５ａを通じて、燃焼排ガスを収納容器１の外部に排出する。
なお、収納容器１の外には、仮想線（二点鎖線）で描いた外部排気流路形成用プレート２２で形成された外部排気流路１９と、この外部排気を熱交換器に向けて送り出す排気口２３と、を設けることができる。
また、インナーケース１Ｂを挟んで、排ガス流路１６，１７，１８と熱交換可能に配置された酸素含有ガス流路１３，１４，１５は、図示しない空気ブロア等の補機から送給される酸素含有ガスを受け入れる酸素含有ガス（空気）流入管２１（二点鎖線で表示）と、容器底部の第１の酸素含有ガス流路１３と、第２の排ガス流路１７（排ガスポケット）と対向して排ガスとの熱交換を主に担う第２の酸素含有ガス流路１４と、容器上部で酸素含有ガスをさらに加温する第３の酸素含有ガス流路１５（空気溜まり）と、から構成されている。
そして、上部の第３の酸素含有ガス流路１５には、図３に示すように、この第３の酸素含有ガス流路１５から下方のマニホールド２Ｂ部位に向けて垂下する、酸素含有ガス導入板３が接続されている。そして、加温された酸素含有ガスが、柱状のセルスタック２Ａの根元（下端）部近くまで送給され、ここからセルスタック２Ａの下端部に向けて、直接的に供給される。また、セルスタック２Ａの下端部に供給された酸素含有ガスは、各燃料電池セルの柱状の外形に沿って、セルスタック２Ａの上端（燃焼室１２）の方向へ移動する。
酸素含有ガス導入板３について説明すると、酸素含有ガス導入板３は、たとえば薄い板状部材を２枚用いて中空の厚板状に成型されたものであって、セルスタック２Ａのセル配列方向長さに相当する板幅を有する。なお、図３では上側の、酸素含有ガス流入側の第３の酸素含有ガス流路１５側の基端部３ｂは、導入板幅方向にスリット状に開口する酸素含有ガス導入口３ｄとなっている。また、下側の、セルスタック２Ａ側の先端部３ａには、その先端（縁部）より少し距離をおいた位置に、酸素含有ガス吐出口３ｃが設けられている。
この構成により、酸素含有ガス導入板３は、前述のように燃焼室１２の上部で温められた酸素含有ガスを、柱状のセルスタック２Ａの根元（下端）部に、効率的に届けることができる。
なお、酸素含有ガス吐出口３ｃは、一方の薄板状部材を貫通する小孔状で、通常、幅方向に所定の間隔を開けて複数個形成されている。また、同じ一方の薄板状部材の表面（セルスタック２Ａ側の面）には、先にも述べた、セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂを保持するための断熱材固定部材９，９が取り付けられている。
酸素含有ガス吐出口３ｃを有する酸素含有ガス導入板３は、その下端（先端部３ａ）が、酸素含有ガス導入口３ｄを有する改質器２Ｃ側の上端（基端部３ｂ）から、マニホールド２Ｂまで延設されている。これにより、酸素含有ガス導入板３が熱により変形したとしても、マニホールド２Ｂに当接するため、それ以上の変形を抑制することができる。
さらに、酸素含有ガス導入板３の先端部３ａは、あらかじめマニホールド２Ｂの縁部に当接させてもよい。これにより、熱等に起因する酸素含有ガス導入板３の変形や移動をより抑制できるとともに、当接するマニホールド２Ｂを、より確実に固定することができる。したがって、本実施形態の燃料電池モジュール１０は、組み立て後にセルスタック２Ａを正立させた状態（立てた状態）で輸送等を行っても、セルスタック装置２がしっかり固定され、振動や揺れ等によるセルスタックの移動が防止されている。
なお、酸素含有ガス導入板３の変形防止策としては、上記先端部３ａをマニホールド２Ｂの縁部に当接させる手法のほか、酸素含有ガス導入板３を直接他の部材にねじ止めをしてもよい。
たとえば図４に示す第２実施形態のように、酸素含有ガス導入板３とこれに対向するインナーケース１Ｂの箱体底部１ｄとの間に、側部断熱材７Ｂを貫通する筒状の係留部材２４，２４を配設し、これに、酸素含有ガス導入板３を、ねじ等の締結手段２５により締結して固定してもよい。これにより、先に述べたものと同様、熱等に起因する酸素含有ガス導入板３の変形や移動を抑制できる。
なお、図４の断面図は、係留部材２４の存在する部分のみを示したものであって、係留部材は、酸素含有ガス導入板３の幅方向（奥行方向であり、紙面の表裏方向）に複数箇所、間隔をあけて配設することができる。そのため、図４では、締結手段（ねじ）２５配設用に設けられた酸素含有ガス導入板３の凹部により、酸素含有ガス導入板３の内部空間（酸素含有ガスまたは空気の流路）が塞がれているように見える。しかしながら、実際は、前述の凹部と他の凹部との間の何もない空間を、酸素含有ガスが迂回して流動するため、特に問題とはならない。したがって、凹部および係留部材２４、締結手段２５の個数および配置は任意に設定できる。なお、インナーケース１Ｂの箱体底部１ｄにおける凸部においても、同様であり、排ガス流路１７も、実際は前述の凸部と他の凸部との間の空間を、排ガスが迂回して流動するため、この凸部についても、係留部材２４等の数に応じて任意に設定できる。
また、逆に、セルスタック装置２のマニホールド２Ｂを、酸素含有ガス導入板３に固定してもよい。たとえば図５に示す第３実施形態のように、マニホールド（図では見えない）の周囲を取り囲むコの字状の固定部材２６を準備して、このコの字状の固定部材２６の両端部を、ねじ等の締結手段２７により酸素含有ガス導入板３に固定してもよい。これにより、セルスタック装置２およびマニホールド２Ｂの位置がしっかりと固定される。したがって、製品輸送時等の振動を受けても、セルスタック装置２の位置がずれるおそれがない。また、固定側の酸素含有ガス導入板３も、熱等に起因する酸素含有ガス導入板３の変形や移動が抑制されるという効果を奏する。
なお、これら係留部材や固定部材の形状や締結方法は、特に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば固定部材は、Ｌ字状の部材を２つ用い、その一部をマニホールド２Ｂの酸素含有ガス導入板３と反対側の外面に当接し、それぞれの一端部をねじ等の締結手段２７によって酸素含有ガス導入板３に固定することもできる。また、係留部材と固定部材を組み合わせて配設することもでき、係留や固定の相手部材を変更してもよい。
つぎに、第１実施形態とは内部構成および製造方法（組み立て手順）が異なる第４実施形態について説明する。図６は、第４実施形態の燃料電池モジュール４０の構成を示す分解斜視図であり、図７はその内部構成を示す断面図である。
第４実施形態の燃料電池モジュール４０も、容器の内壁（インナーケース１Ｂ）と容器の外壁（アウターカバー１Ａ）との間に複数のガス流路が形成された二重構造の収納容器１の内側に、セルスタック２Ａ，マニホールド２Ｂおよび改質器２Ｃ等からなるセルスタック装置２を収容した構成である。
この第４実施形態の燃料電池モジュール４０が、第１実施形態の燃料電池モジュール１０と異なる点は、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入板３が、セルスタック装置２の上側（組み付け順では後）に配設されている点である。したがって、図７の断面図にも現れているように、その収納容器１内の構成は、第１実施形態の断面図（図３）とは、左右対称（鏡像関係）のようになっている。
第４実施形態の燃料電池モジュール４０を組み立てる際は、まず、インナーケース１Ｂの大形開口１ｃから箱体底部１ｄに、セルスタック装置２側の上面に既にセルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄが取り付けられた側部断熱材７Ｃを、挿入して載置する。なお、これらセルスタック保持用断熱材８Ｃ，８Ｄは、前述の側部断熱材７Ｂと同様、所定位置に設けられた溝状凹部７ｅ，７ｅに嵌入させて取り付けられている。また、燃料ガス燃焼後の排ガスを熱交換器まで送給する排ガス流路１６，１７，１８を構成するための部材を、側部断熱材７Ｃを配置する前にインナーケース１Ｂに設けて、その部材の上に、側部断熱材７Ｃを載置することができる。
また、セルスタック装置２の上側に載置される酸素含有ガス導入板３上も、向きは異なるものの、その構成は、第１実施形態における酸素含有ガス導入板３と同等である。図６では見えない下面側に、断熱材固定部材９，９が取り付けられており、これを利用して、セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂが取り付けられている。
以上の構成によっても、特に問題なく、第１実施形態と同様の効果を奏する。すなわち、各セルスタック保持用断熱材８Ａ，８Ｂおよび８Ｃ，８Ｄは、図７のように容器開口を側面にしてセルスタック２Ａを正立させた、輸送状態もしくは稼動状態において、セルスタック装置２を適切な位置で支持（保持）できるようになっている。
また、セルスタック装置２を、容器（箱体）内で移動することなく、容器内の所定の位置に、一度の作業で、簡単に収めることができるうえ、容器内の配管や配線等の接続作業をするスペースが充分にあるため、これらの作業を手早く容易に完了することができる。本実施形態の燃料電池モジュール４０の製造方法も、モジュール生産の効率を向上させることができる。
なお、この燃料電池モジュール４０にも、第２実施形態（図４）の係留部材２４のような酸素含有ガス導入板３を係留する手段や、第３実施形態（図５）の固定部材２６のようなマニホールド２Ｂの位置を固定する手段を配設してもよい。
つぎに、図９は、燃料電池モジュール１０および２０，３０，４０等と、これら燃料電池モジュールを作動させるための熱交換器等の補機（図示せず）とを、外装ケース５０に内に収納した燃料電池装置６０の一例を示す透過斜視図である。なお、図９においては、一部構成を省略して示している。
燃料電池装置６０は、支柱５１と外装板５２から構成される外装ケース５０内を仕切板５３により上下に区画し、その上側を上述の燃料電池モジュール１０および熱交換器（図示せず）を収納するモジュール収納室５４とし、下側を燃料電池モジュール１０を動作させるための補機を収納する補機収納室５５として構成されている。なお補機収納室５５に収納する補機を省略して示している。
また、仕切板５３には補機収納室５５の空気をモジュール収納室５４側に流すための空気流通口５６が設けられており、モジュール収納室５４を構成する外装板５２の一部にモジュール収納室５４内の空気を排気するための排気口５７が設けられている。
このような燃料電池装置６０においては、上述したように、モジュール収納室５４内に燃料電池モジュール１０および熱交換器を収納することで補機収納室５５の高さ方向を小さくでき、それにより燃料電池装置６０を小型化することができる。
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
たとえば、燃料電池モジュールにおいては、酸素含有ガス導入板をセルスタック装置のどちらか一方側ではなく、その両側に配設する構成としてもよい。さらには、排ガス流路と酸素含有ガス流路も、インナーケース１Ｂの外側にアウターカバー１Ａを設けて形成するのではなく、クローズドプレート５に形成することも可能である。
また、セルスタックの形状も、列状のものに限られるものではなく、他の配列のセルスタックを有するセルスタック装置を用いることもできる。また、収納容器も、そのセルスタック装置の形状（外形）に合わせて、直方体状、円筒状のほか、立方体状や角柱状等であってもよい。
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。
１ 収納容器
１Ａ アウターカバー
１Ｂ インナーケース
１ｃ 大形開口
１ｄ 箱体底部（底面）
２ セルスタック装置
２Ａ セルスタック
２Ｂ マニホールド
２Ｃ 改質器
３ 酸素含有ガス導入板
６ 底部断熱材
７Ａ，７Ｂ 側部断熱材
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ セルスタック保持用断熱材
１０ 燃料電池モジュール
１３，１４，１５ 酸素含有ガス流路
１６，１７，１８ 排ガス流路
１９ 外部排気流路
２０ 燃料電池モジュール
３０，４０ 燃料電池モジュール
５０ 外装ケース
５４ モジュール収納室
６０ 燃料電池装置

Claims (11)

  1. 複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックと、各燃料電池セルの燃料ガス供給側端部に連結されて各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えるセルスタック装置と、
    酸素含有ガスを吐出する吐出口を有し、酸素含有ガスを前記各燃料電池セルに供給する酸素含有ガス導入板と、
    前記セルスタック装置および酸素含有ガス導入板を収容する収納容器と、を備え、
    前記収納容器は、一面が開口した箱体と該開口を塞ぐ蓋体とからなり、
    前記箱体の開口は、前記セルスタック装置の側方側から見た前記セルスタック装置の投影面の最大長さより大きな開口長さを有し、
    前記セルスタック装置の前記燃料電池セルの配列方向に沿った側方側であって、前記セルスタック装置と前記収納容器との間に介在配置される側部断熱材と、
    前記セルスタックを保持するセルスタック保持用断熱材と、をさらに備え、
    前記セルスタック保持用断熱材が、前記側部断熱材のセルスタック側の面に設けられた凹部に嵌入されている燃料電池モジュール。
  2. 前記改質器は、前記燃料電池セルを挟んで前記マニホールドとは反対側に配設されており、前記側部断熱材の一方の端部が、前記改質器近傍まで延設されている請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  3. 複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックと、各燃料電池セルの燃料ガス供給側端部に連結されて各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えるセルスタック装置と、
    酸素含有ガスを吐出する吐出口を有し、酸素含有ガスを前記各燃料電池セルに供給する酸素含有ガス導入板と、
    前記セルスタック装置および酸素含有ガス導入板を収容する収納容器と、を備え、
    前記収納容器は、一面が開口した箱体と該開口を塞ぐ蓋体とからなり、
    前記箱体の開口は、前記セルスタック装置の側方側から見た前記セルスタック装置の投影面の最大長さより大きな開口長さを有し、
    前記酸素含有ガス導入板が、前記セルスタック装置よりも前記開口から見た箱体の底面側に設けられている燃料電池モジュール。
  4. 前記酸素含有ガス導入板の酸素含有ガス吐出口側の先端部が、酸素含有ガス導入口を有する前記改質器側の基端部から、前記セルスタック装置のマニホールドまで延設されている請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
  5. 複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックと、各燃料電池セルの燃料ガス供給側端部に連結されて各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えるセルスタック装置と、
    酸素含有ガスを吐出する吐出口を有し、酸素含有ガスを前記各燃料電池セルに供給する酸素含有ガス導入板と、
    前記セルスタック装置および酸素含有ガス導入板を収容する収納容器と、を備え、
    前記収納容器は、一面が開口した箱体と該開口を塞ぐ蓋体とからなり、
    前記箱体の開口は、前記セルスタック装置の側方側から見た前記セルスタック装置の投影面の最大長さより大きな開口長さを有し、
    前記セルスタック装置を前記酸素含有ガス導入板に固定する固定部材を備える燃料電池モジュール。
  6. 前記固定部材は、少なくとも一部が前記マニホールドの前記酸素含有ガス導入板と反対側の外面と当接し、少なくとも一端部が前記酸素含有ガス導入板に締結されている請求項５に記載の燃料電池モジュール。
  7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置。
  8. 複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタックと、各燃料電池セルの燃料ガス供給側端部に連結されて各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器とを備えるセルスタック装置と、該セルスタック装置を収容する収納容器であって、その一面に、前記セルスタック装置の側方側から見た前記セルスタック装置の投影面の最大長さより大きな開口長さを有する、セルスタック装置装填用の開口が設けられた箱体と該開口を塞ぐ蓋体とからなる収納容器と、を準備する工程と、
    前記収納容器の箱体を、前記セルスタック装置装填用の開口を上に向ける工程と、
    前記準備工程で準備された前記セルスタック装置を横倒しにして、横倒し状態のまま前記開口から前記箱体内に挿入して位置決めする工程と、
    前記セルスタック装置の装填の前および／または後に、前記箱体内の該セルスタック装置の周囲に、酸素含有ガス導入板を取り付ける工程と、
    前記箱体の開口を前記蓋体で閉鎖する工程と、を備える燃料電池モジュールの製造方法。
  9. 前記セルスタック装置の装填の前に、前記開口から見た箱体の底面に、一方の側部断熱材を載置する工程と、前記セルスタック装置の装填の後に、挿入された前記セルスタック装置の上方に、他方の側部断熱材を載置する工程と、を備える請求項８に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
  10. 前記セルスタック装置の前記燃料電池セルを保持するセルスタック保持用断熱材をさらに備え、セルスタック装置側の面に凹部が設けられた前記側部断熱材を少なくとも１つ準備する工程と、
    前記凹部が設けられた前記側部断熱材に前記セルスタック保持用断熱材を嵌入して、該側部断熱材を前記収納容器内に載置する、もしくは、前記セルスタック保持用断熱材を載置し、該セルスタック保持用断熱材に前記側部断熱材の凹部を嵌入して該側部断熱材を前記収納容
    器内に載置する工程と、を備える請求項９に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
  11. 前記開口から見た箱体の底面に、前記一方の側部断熱材を装填する工程に引き続いて、
    前記酸素含有ガス導入板を取り付ける工程と、
    前記酸素含有ガス導入板に前記セルスタック保持用断熱材を載置する工程と、
    該セルスタック保持用断熱材の上に、前記セルスタック装置を載置する工程と、
    前記セルスタック保持用断熱材に凹部を有する前記他方の側部断熱材を嵌入した該他方の側部断熱材を前記セルスタック装置の上に載置する、もしくは、前記セルスタック装置の上に前記セルスタック保持用断熱材を載置した後、前記セルスタック保持用断熱材に凹部を有する前記他方の側部断熱材を嵌入して該他方の側部断熱材を前記セルスタック装置の上に載置する工程と、を備える請求項１０に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
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