WO2017221813A1 - 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

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heat insulating
insulating material
fuel
oxygen
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光博 中村
嶌田　光隆
亨祐 山内
直樹 横尾
貴之 丸山
達也 神林
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京セラ株式会社
ダイニチ工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell module, a fuel cell device, and a method for manufacturing the fuel cell module.
  • a fuel cell module comprising a cell stack in which a plurality of fuel cells that can obtain electric power using fuel gas (hydrogen-containing gas) and air (oxygen-containing gas) are stacked in a storage container as a configuration of the fuel cell
  • fuel gas hydrogen-containing gas
  • air oxygen-containing gas
  • the fuel cell module described above is configured by removing the front and rear plates of the storage container and inserting a cell stack therein.
  • a fuel cell module of the present disclosure includes a cell stack formed by arranging a plurality of fuel cells, a manifold connected to a fuel gas supply side end of each fuel cell and supplying fuel gas to each fuel cell,
  • a cell stack device comprising a reformer that reforms raw fuel to generate fuel gas, and an oxygen-containing gas that has a discharge port for discharging an oxygen-containing gas and supplies the oxygen-containing gas to each fuel cell.
  • An introduction plate, and a storage container for accommodating the cell stack device and the oxygen-containing gas introduction plate.
  • the storage container includes a box having an opening on one side and a lid that closes the opening. The opening of the box is the maximum length of the projection surface of the cell stack device as viewed from the side of the cell stack device. An opening length greater than that.
  • the fuel cell device includes the fuel cell module and an auxiliary machine for operating the fuel cell module housed in an outer case.
  • the fuel cell module manufacturing method of the present disclosure includes a cell stack formed by arranging a plurality of fuel cells and a fuel gas supply side end of each fuel cell connected to each fuel cell.
  • a cell stack device comprising a manifold for supplying fuel and a reformer for reforming the raw fuel to generate fuel gas, and a storage container for housing the cell stack device, wherein the cell array device
  • a storage container comprising a box provided with an opening for loading the cell stack device, having an opening length larger than the maximum length of the projection surface of the cell stack device viewed from the lateral direction, and a lid for closing the opening;
  • the process of preparing Directing an opening for loading the cell stack device to the box of the storage container Laying down the cell stack device prepared in the preparation step, and inserting and positioning from the opening in the box while lying down; Attaching an oxygen-containing gas introduction plate around the cell stack device in the box before and / or after loading the cell stack device; Closing the opening of the box with the lid.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of the fuel cell module 10 of the first embodiment
  • FIG. 2 is a diagram showing its assembly procedure
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing its internal configuration.
  • 1 and 2 show a state in which the fuel cell module 10 is placed on a work table or the like with the container opening (large opening 1c) facing upward (so-called “side-down” or “laying down” for module assembly work). "State)”.
  • the cell stack 2A is used in an upright state with the container opening as a side surface (upright state).
  • the fuel cell module 10 of the first embodiment shown in the figure is a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the configuration is such that a gas flow path is formed between the inner wall (inner case 1B) of the container and the outer wall (outer cover 1A) of the container.
  • an inner heat insulating material composed of a bottom heat insulating material 6 and side heat insulating materials 7A, 7B and the like is disposed, and a power generation chamber 11 and a combustion chamber 12 are disposed in the interior (center) space.
  • the cell stack apparatus 2 including the cell stack 2A, the manifold 2B, the reformer 2C, and the like is accommodated in each chamber.
  • the power generation chamber 11 and the combustion chamber 12 may be integrated.
  • the “bottom” and “side” of the bottom heat insulating material 6 and the side heat insulating materials 7A and 7B mean that they are located on the bottom side and the side side in the operating state after assembly (FIG. 3). That is, in the case of assembling as shown in FIGS. 1 and 2, the bottom heat insulating material 6 is positioned on the side of the cell stack 2A that is laid down, and the side heat insulating materials 7A and 7B are laid down on the cell stack. It is located on the box body bottom 1d (bottom surface) side of the inner case 1B corresponding to the lower side of 2A, or on the lid (closed plate 5) side on the side of the cell stack 2A.
  • the greatest feature of the fuel cell module 10 is that a box body (inner case 1B) having a large opening as shown in FIGS.
  • the large opening 1c located on the upper surface of the box has an opening length or an opening diameter (diagonal length) so that the cell stack device 2 laid down as shown in the figure can be inserted from the upper side of the opening.
  • the side surface size of the cell stack device 2 including the manifold 2B and the reformer 2C (the maximum length or the maximum transverse diameter of the device projection surface viewed from the side of the cell arrangement of the cell stack device 2) is larger. Thereby, the cell stack apparatus 2 can be easily and accurately stored in a predetermined position in the container without moving it within the container (box).
  • the fuel cell module 10 includes a storage container 1 composed of an outer cover 1 ⁇ / b> A and an inner case 1 ⁇ / b> B, and a side portion forming one of the side heat insulating materials (box body bottom side).
  • Insulating material 7A oxygen-containing gas introduction plate 3 for supplying an oxygen-containing gas to the fuel cell, rib-shaped cell stack holding insulation materials 8A and 8B disposed on the upper surface of the oxygen-containing gas introduction plate 3,
  • the cell stack device 2 including the manifold 2B and the reformer 2C, the bottom heat insulating material 6 disposed on the side surface on the manifold 2B side, and the side heat insulating material 7B forming the other of the side heat insulating materials (box body opening side).
  • a paper stack which is attached to the lower surface of the cell stack and which forms a pair with the cell stack holding heat insulating materials 8A and 8B and the storage container 1 (inner case 1B).
  • Each member including the cell stack device 2 accommodated in the inner case 1B, that is, the oxygen-containing gas introduction plate 3, the bottom heat insulating material 6, the side heat insulating materials 7A and 7B, and the cell stack holding heat insulating materials 8A and 8B. , 8C, 8D and the like are smaller in size than the large opening 1c for inserting the cell stack device of the inner case 1B, like the cell stack device 2. These members can be easily inserted from the large opening 1c toward the box bottom 1d (the bottom of the box viewed from the opening).
  • a cell stack device 2 and an inner case 1B that is a box body of the storage container 1 having a large opening 1c for inserting the cell stack device are prepared. With the opening 1c facing upward, FIG. 2A] is placed on a work table or the like.
  • FIG. 2 [FIG. 2B].
  • the oxygen-containing gas introduction plate 3 is inserted from the oxygen-containing gas outlet 1e of the oxygen-containing gas flow path 13 provided on the inner wall of the inner case 1B, and placed on the side heat insulating material 7A, As shown in FIG. 3, the base end portion 3b on the oxygen-containing gas inlet 3d side is fixed to the oxygen-containing gas outlet 1e by welding or screwing (not shown).
  • the fuel cell module 10 having an internal configuration as shown in FIG. 3, members for configuring exhaust gas passages 16, 17, and 18 for supplying exhaust gas after combustion of fuel gas, which will be described later, to the heat exchanger are provided.
  • the side heat insulating material 7A can be placed on the inner case 1B before the side heat insulating material 7A is disposed. The same applies to the fuel cell modules 20 and 30 in the following second and third embodiments.
  • the oxygen-containing gas introduction plate 3 when the oxygen-containing gas introduction plate 3 is inserted and placed before the cell stack device 2, that is, the oxygen-containing gas introduction plate 3 is lower than the cell stack device 2 in the box bottom 1d (opening 1c). As shown in the fourth embodiment (FIGS. 6 and 7) described later, the oxygen-containing gas introduction plate 3 is placed behind the cell stack device 2 as shown in the fourth embodiment (FIGS. 6 and 7). In some cases, the cell stack apparatus 2 may be inserted and placed on the large opening 1c side, or may be disposed on both the upper and lower sides of the cell stack device 2 (the large opening 1c side and the box bottom 1d side).
  • the oxygen-containing gas introduction plate 3 when the oxygen-containing gas introduction plate 3 is fixed by welding, the oxygen-containing gas is introduced when the oxygen-containing gas introduction plate 3 is inserted and placed before the cell stack device 2 as in the present embodiment. Since the cell stack device 2 may be inserted after the introduction plate 3 is fixed by welding, there is an advantage that the cell stack device 2 is not affected by the thermal effect of welding and can be easily kept airtight. There is. When the oxygen-containing gas introduction plate 3 is screwed, the oxygen-containing gas introduction plate 3 may be inserted into the large opening 1c side of the cell stack device 2.
  • FIG. 2 [FIG. 2C], a pair of rib-shaped cell stack holding heat insulators 8A and 8B for supporting the cell stack device 2 are disposed at predetermined positions on the oxygen-containing gas introduction plate 3, and the cell stack device 2 is Prepare to insert.
  • the illustration of the oxygen-containing gas introduction plate 3 is omitted on the upper surface (cell stack device 2 side).
  • the heat insulating material fixing members 9 and 9 for determining the position are attached (see FIG. 3).
  • the cell stack holding heat insulating materials 8A and 8B are placed in a subsequent process in a transported state or an operating state in which the cell stack 2A is erected with the container opening as a side surface as shown in FIG.
  • the device 2 can be supported (held) at an appropriate position.
  • the cell stack device 2 prepared in the preparation process is laid down and inserted into the inner case 1B through the large opening 1c in the state of being laid down, and FIG. 2D] is placed and positioned at a predetermined position on the oxygen-containing gas introduction plate 3.
  • the bottom heat insulating material 6 is inserted into the gap formed between the manifold 2B and the inner case 1B of the cell stack apparatus 2 to make the position fixing of the cell stack apparatus 2 more reliable.
  • the cell stack device 2 may be inserted after the bottom heat insulating material 6 is inserted.
  • the fuel / water supply pipe 31 protruding in the axial direction from one end of the reformer 2C is inserted into the through hole 1g for the fuel / water supply pipe provided on one surface (front surface) of the inner case 1B, and the tip thereof is It is pulled out to the outside of the storage container 1.
  • the current collecting bus bar 33 is formed in a through hole 1h for connecting the bus bar provided on one surface of the inner case 1B (front surface provided with the previous through hole 1g) and the opposite surface (rear surface). Each is inserted.
  • the edge part of the bus-bar 33 located in the inside of the storage container 1 is fixed to each bus-bar terminal 32 which protrudes from the cell stack apparatus 2 to an axial direction using fasteners, such as a screw.
  • the outer cover 1A (corresponding to the outer wall of the double container) involved in the connection and insertion of these pipes and wiring and the outside of the container at the same time as the connection of the pipe and wiring is also the inner case 1B (the inner wall of the double container). And a flow path for air and gas is formed in a gap formed between the cover 1A and the case 1B and further the heat insulating material (the side heat insulating material 7A and the bottom heat insulating material 6). To do.
  • the cell stack device 2 may be inserted in a state where pipes (flow paths), wirings, and the like are connected to the cell stack device 2 in advance.
  • the large opening 1c has a side size of the cell stack device 2 (the maximum of the device projection plane viewed from the side of the cell arrangement of the cell stack device 2) in a state where these pipes and wirings are not connected. Length or maximum transverse diameter).
  • FIG. 2 [FIG. 2E] When connection of piping and wiring to the cell stack device 2 is completed, FIG. 2 [FIG. 2E], the side heat insulating material 7B that forms the opposite side wall of the power generation chamber 11 or the like is placed on the cell stack device 2. Finally, a paper gasket 4 covering the large opening 1c is placed on the large opening 1c, and FIG. 2 [FIG. 2F], the closed plate 5 is placed, and the closed plate 5 is fastened to the inner case 1B with screws or the like to close the large opening 1c of the container.
  • FIG. 2 also applies to the side heat insulating material 7B that forms the opposite side wall of the power generation chamber 11 or the like.
  • 2E a pair of rib-shaped cell stack holding heat insulating materials 8C and 8D for supporting the cell stack device 2 are attached to the lower surface side that cannot be seen.
  • These cell stack holding heat insulating materials 8C, 8D are also groove-like recesses 7e, 7e (heat insulating) provided at predetermined positions on one side of the side heat insulating material 7B, similarly to the heat insulating materials 8A, 8B on the opposite side.
  • the material fixing member 9 is fitted), and the arrangement position thereof is fixed. Therefore, these cell stack holding heat insulating materials 8C and 8D also support (hold) the cell stack device 2 at an appropriate position when the cell stack device 2 is erected with the container opening as a side surface as shown in FIG. It can be done.
  • the cell stack holding heat insulating materials 8C and 8D fitted to the side heat insulating material 7B may be placed on the cell stack device 2 in a state of being fitted in the side heat insulating material 7B in advance. After the cell stack device 2 is loaded, the cell stack holding heat insulating materials 8C and 8D are placed on the cell stack device 2, and the cell stack holding heat insulating materials 8C and 8D are inserted into the recesses of the side heat insulating material 7B. The side heat insulating material 7B may be placed in the storage container 1.
  • the manufacturing method of the fuel cell module according to the present embodiment can be easily performed at a predetermined position in the container without moving the cell stack device 2 in the container (box) in a single operation. Can fit. Moreover, since the connection work such as piping and wiring in the container is performed from the large opening 1c, there is an advantage that these work can be completed quickly and easily because there is a sufficient work space. Therefore, the manufacturing method of the fuel cell module 10 of this embodiment can improve the efficiency of module production.
  • 1h may be an irregular hole shape in a specific direction. That is, the through hole 1g for the fuel / water supply pipe may be formed in the shape of a long hole or an ellipse in the lateral direction (H direction in the figure) of the storage container 1 (inner case 1B) (FIG. 8 FIG. 8A and FIG. FIG. 8B). This makes it possible to easily insert the fuel / water supply pipe 31 into the through hole 1g during the above-described assembly, thereby improving the assembly workability.
  • the through-hole 1h for connecting the bus bar may be formed in a long hole shape or an elliptical shape in the longitudinal direction (V direction in the drawing) of the storage container 1 (see FIG. 8 FIG. 8C and FIG. 8D).
  • This is configured so as to be able to cope with variations in the vertical direction (V direction) when the bus bar 33 is installed.
  • operativity at the time of a fuel cell module assembly improves like the above-mentioned through-hole 1g. Therefore, with these configurations, the assembly time of the fuel cell device can be shortened and the efficiency can be improved.
  • the long hole shape or the ellipse shape in these through-holes means that the lengths of the major axis L L and the minor axis L S of the hole shape are different.
  • the cell stack device 2 accommodated in the central space of the storage container 1 (the lower power generation chamber 11 and the upper combustion chamber 12 in FIG. 3) has the cell stack 2A, the manifold 2B, and the modification. It is configured by combining the quality devices 2C.
  • the cell stack 2A is arranged in a row in a state where hollow plate type columnar fuel cells having a fuel gas flow path (not shown) through which fuel gas flows in the longitudinal direction (vertical direction during operation) are erected. Adjacent fuel cells are electrically connected in series via current collecting members (not shown).
  • a fuel cell what is necessary is just a column-shaped thing, for example, it can apply also to a cylindrical type or a horizontal stripe type.
  • the cell stack 2A is housed in a power generation chamber 11 surrounded by a heat insulating material (bottom heat insulating material 6, side heat insulating materials 7A, 7B) in the center of the container. Is fixed to the manifold 2B with an insulating bonding material (not shown) such as a glass sealing material.
  • a heat insulating material bottom heat insulating material 6, side heat insulating materials 7A, 7B
  • the cell stack 2A (sideways in FIG. 1 and FIG. 2 in the sideways state before assembly) is for reforming raw fuel such as natural gas or kerosene to generate fuel gas to be supplied to the fuel cell.
  • a reformer 2C is provided.
  • the fuel gas generated by the reformer 2C is supplied to the manifold 2B through a fuel gas supply pipe 2d (not shown in FIGS. 1 and 2).
  • the reformer 2C is held in the combustion chamber 12 above the power generation chamber 11 by suspension members 2e and 2e.
  • the fuel gas supplied to the manifold 2B flows through the gas flow path provided inside each fuel cell (cell stack 2A) from the lower end toward the upper end.
  • electric power is generated with this fuel gas and oxygen-containing gas (air) supplied from the discharge port 3c of the oxygen-containing gas introduction plate 3 located on the side.
  • the surplus fuel gas that is discharged from the end of the fuel gas flow path at the upper end of each fuel cell (cell stack 2 ⁇ / b> A) and does not contribute to power generation is mixed with the oxygen-containing gas.
  • the combustion section 12A located between the cell stack 2A and the reformer 2C is ignited and burned by an ignition means (not shown) or the like, and the combustion heat is used for heating the reformer 2C and reforming the raw fuel. ing.
  • the upper space (high temperature portion) on the reformer 2C side, which is partitioned by the upper cell stack holding heat insulating materials 8B and 8D, in the inner space in the center of the container is defined as the lower space (on the combustion chamber 12 and the cell stack 2A side ( The low temperature part) is called the power generation chamber 11.
  • the cell stack device 2 is arranged around the cell stack device 2, and the heat insulation and position fixing of the cell stack device 2 and the heat insulating material forming the power generation chamber 11 and the combustion chamber 12 are as shown in FIG. 3.
  • Large side heat insulating materials 7A and 7B arranged in the side surface direction (the vertical direction of the box in FIGS. 1 and 2), and the cell stack supported from both sides so as to sandwich the cell stack device 2 inside These are the heat insulating materials for holding 8A, 8C and 8B, 8D, and the bottom heat insulating material 6 disposed on the lower side of the cell stack device 2.
  • the heat insulating material generally used can be used as a heat insulating material.
  • a heat insulating material composed of alumina, silica, or alumina silica material can be used.
  • the groove-like recesses 7e and 7e for supporting the heat insulating material for holding the cell stack are provided on the inner side surface (on the cell stack device 2 side) of the large side heat insulating material 7B on the left side of the drawing. ing.
  • the cell stack holding heat insulating materials 8C and 8D fitted into the groove-like recesses 7e and 7e support the cell stack device 2 at predetermined appropriate positions.
  • the left side heat insulating material 7B on the left side in the figure is arranged so as to cover a wide range from the lower manifold 2B to the upper reformer 2C inside the storage container 1. .
  • This configuration also contributes to restricting the space of the combustion section 12A. That is, since the space (volume) of the combustion section 12A is reduced, the excess fuel gas discharged from the cell stack 2A into the combustion section 12A can be kept relatively high without diluting. Become. Thereby, there exists an advantage that the ignitability and combustibility of the surplus fuel gas in the combustion part 12A and the combustion chamber 12 are improved.
  • one end portion (upper end) of the side heat insulating material 7B reaches the inner surface of the inner case 1B, but extends to the vicinity of the reformer 2C (the portion overlapping the combustion portion 12A). If so, the above-mentioned advantages are obtained.
  • the side heat insulating materials 7A and 7B sandwich the manifold 2B below the cell stack device 2 from the left and right, the positions of the manifold 2B are gently held and positioned. Thereby, even if the lower part of the cell stack apparatus 2 receives shaking and vibration at the time of transportation etc., the position does not fluctuate.
  • a flow path for supplying an oxygen-containing gas, a flow path for discharging the combustion exhaust gas discharged from the cell stack apparatus 2 to the outside of the apparatus or transporting it to a heat exchanger or the like are provided. Since each cross-sectional view is a schematic diagram, the thickness of the flow path is exaggerated from the actual, and the flow path is three-dimensional, such as overlapping in the thickness direction of the container (front and back direction of the paper), meandering, detouring, etc. The shape is not necessarily reflected. Further, the thicknesses and dimensions of other members are also different from actual ones.
  • the fuel cell module 10 of the first embodiment includes an oxygen-containing gas flow path 13, 14, 15 for supplying an oxygen-containing gas to the cell stack device 2, and an exhaust gas flow for supplying exhaust gas after combustion of fuel gas to a heat exchanger Roads 16, 17, and 18.
  • the exhaust gas channel is a space (first exhaust gas channel) above the side heat insulating material 7A through the exhaust gas outlet 16a penetrating the oxygen-containing gas introduction plate 3 from the high-temperature combustion exhaust gas generated in the combustion chamber 12. To 16).
  • the exhaust gas flow path was further provided at the side of the second exhaust gas flow path 17 (exhaust gas pocket inside the inner case 1B) and the bottom third exhaust gas flow path 18 communicating with the space, and at the end of the flow path.
  • the combustion exhaust gas is discharged outside the storage container 1 through the exhaust gas outlet 4a of the paper gasket 4 and the exhaust gas outlet 5a of the closed plate 5.
  • the external exhaust flow path 19 formed of the external exhaust flow path forming plate 22 drawn by a virtual line (two-dot chain line) and the external exhaust are sent out toward the heat exchanger.
  • An exhaust port 23 can be provided.
  • the oxygen-containing gas flow paths 13, 14, and 15 arranged so as to be able to exchange heat with the exhaust gas flow paths 16, 17, and 18 with the inner case 1B interposed therebetween are fed from an auxiliary machine such as an air blower (not shown).
  • an oxygen-containing gas (air) inflow pipe 21 (indicated by a two-dot chain line) for receiving an oxygen-containing gas, a first oxygen-containing gas flow path 13 at the bottom of the container, and a second exhaust gas flow path 17 (exhaust gas pocket)
  • the upper third oxygen-containing gas flow path 15 has an oxygen-containing gas introduction plate that hangs down from the third oxygen-containing gas flow path 15 toward the lower manifold 2B. 3 is connected.
  • the heated oxygen-containing gas is supplied to the vicinity of the root (lower end) of the columnar cell stack 2A, and is directly supplied from here toward the lower end of the cell stack 2A.
  • the oxygen-containing gas supplied to the lower end of the cell stack 2A moves toward the upper end (combustion chamber 12) of the cell stack 2A along the columnar outer shape of each fuel cell.
  • the oxygen-containing gas introduction plate 3 will be described.
  • the oxygen-containing gas introduction plate 3 is formed into a hollow thick plate shape using, for example, two thin plate-like members, and is the length of the cell stack 2A in the cell arrangement direction. It has a plate width corresponding to the thickness.
  • the upper base end portion 3 b on the oxygen-containing gas inflow side on the third oxygen-containing gas flow path 15 side is an oxygen-containing gas introduction port 3 d that opens in a slit shape in the width direction of the introduction plate.
  • the lower end portion 3a on the cell stack 2A side is provided with an oxygen-containing gas discharge port 3c at a position slightly spaced from the end (edge).
  • the oxygen-containing gas introduction plate 3 can efficiently deliver the oxygen-containing gas heated in the upper portion of the combustion chamber 12 as described above to the root (lower end) portion of the columnar cell stack 2A. .
  • the oxygen-containing gas discharge ports 3c are small holes penetrating one thin plate member, and are usually formed in a plurality at a predetermined interval in the width direction. Further, the heat insulating material fixing members 9, 9 for holding the cell stack holding heat insulating materials 8A, 8B described above are attached to the surface of the same thin plate member (the surface on the cell stack 2A side). It has been.
  • the oxygen-containing gas introduction plate 3 having the oxygen-containing gas discharge port 3c has a lower end (tip portion 3a) from the upper end (base end portion 3b) on the reformer 2C side having the oxygen-containing gas introduction port 3d. It is extended to. Thereby, even if the oxygen-containing gas introduction plate 3 is deformed by heat, the oxygen-containing gas introduction plate 3 abuts on the manifold 2B, so that further deformation can be suppressed.
  • the tip 3a of the oxygen-containing gas introduction plate 3 may be brought into contact with the edge of the manifold 2B in advance.
  • deformation and movement of the oxygen-containing gas introduction plate 3 due to heat and the like can be further suppressed, and the abutting manifold 2B can be more reliably fixed. Therefore, even if the fuel cell module 10 of this embodiment is transported in a state where the cell stack 2A is upright after assembly (standing state) after the assembly, the cell stack device 2 is firmly fixed, and is caused by vibration or shaking. The cell stack is prevented from moving.
  • the oxygen-containing gas introduction plate 3 is directly screwed to another member. Also good.
  • a cylindrical mooring member that penetrates the side heat insulating material 7 ⁇ / b> B between the oxygen-containing gas introduction plate 3 and the box bottom 1 d of the inner case 1 ⁇ / b> B facing the oxygen-containing gas introduction plate 3. 24, 24 may be provided, and the oxygen-containing gas introduction plate 3 may be fastened and fixed thereto by fastening means 25 such as screws.
  • FIG. 4 The cross-sectional view of FIG. 4 shows only the portion where the anchoring member 24 exists, and the anchoring member is in the width direction of the oxygen-containing gas introduction plate 3 (the depth direction, the front and back direction of the paper). A plurality of places can be arranged at intervals. Therefore, in FIG. 4, the internal space (oxygen-containing gas or air flow path) of the oxygen-containing gas introduction plate 3 is blocked by the recesses of the oxygen-containing gas introduction plate 3 provided for disposing the fastening means (screws) 25. Looks like it's coming off. However, in practice, the oxygen-containing gas flows around the empty space between the above-described recess and the other recess so that there is no particular problem.
  • the number and arrangement of the recesses, the mooring member 24, and the fastening means 25 can be arbitrarily set.
  • the convex portion at the box bottom 1d of the inner case 1B and the exhaust gas flow path 17 also flows in the exhaust gas flow path 17 bypassing the space between the aforementioned convex portion and the other convex portions. Therefore, this convex portion can be arbitrarily set according to the number of the mooring members 24 and the like.
  • the manifold 2 ⁇ / b> B of the cell stack device 2 may be fixed to the oxygen-containing gas introduction plate 3.
  • a U-shaped fixing member 26 surrounding the periphery of the manifold (not visible in the figure) is prepared, and both end portions of the U-shaped fixing member 26 are provided.
  • the oxygen-containing gas introduction plate 3 may be fixed by fastening means 27 such as screws.
  • the shape and fastening method of these mooring members and fixing members are not particularly limited, and various modifications are possible.
  • the fixing member two L-shaped members are used, a part of which is in contact with the outer surface of the manifold 2B opposite to the oxygen-containing gas introduction plate 3, and one end of each of the fixing members is oxygenated by a fastening means 27 such as a screw. It can also be fixed to the contained gas introduction plate 3.
  • the mooring member and the fixing member can be arranged in combination, and the mooring or fixing partner member may be changed.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing the configuration of the fuel cell module 40 of the fourth embodiment
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the internal configuration thereof.
  • the fuel cell module 40 according to the fourth embodiment also has an inner side of a double-structured storage container 1 in which a plurality of gas flow paths are formed between the inner wall (inner case 1B) of the container and the outer wall (outer cover 1A) of the container.
  • the cell stack apparatus 2 including the cell stack 2A, the manifold 2B, the reformer 2C, and the like is accommodated.
  • the fuel cell module 40 according to the fourth embodiment is different from the fuel cell module 10 according to the first embodiment in that the oxygen-containing gas introduction plate 3 for supplying oxygen-containing gas to the fuel cells is arranged on the upper side of the cell stack device 2. It is a point arranged after (in assembly order). Therefore, as shown in the cross-sectional view of FIG. 7, the configuration inside the storage container 1 is symmetrical (mirror image relationship) with the cross-sectional view (FIG. 3) of the first embodiment. .
  • the cell stack holding heat insulating materials 8C and 8D are already provided on the upper surface on the cell stack device 2 side from the large opening 1c of the inner case 1B to the box bottom 1d.
  • the attached side heat insulating material 7C is inserted and placed.
  • the cell stack holding heat insulating materials 8C and 8D are attached by being fitted into groove-shaped concave portions 7e and 7e provided at predetermined positions, similarly to the side heat insulating material 7B described above.
  • members for configuring the exhaust gas flow paths 16, 17, and 18 for supplying the exhaust gas after the combustion of the fuel gas to the heat exchanger are provided in the inner case 1B before the side heat insulating material 7C is arranged,
  • the side heat insulating material 7C can be placed on the member.
  • the configuration of the oxygen-containing gas introduction plate 3 placed on the upper side of the cell stack device 2 is different, the configuration is the same as that of the oxygen-containing gas introduction plate 3 in the first embodiment.
  • the heat insulating material fixing members 9 and 9 are attached to the lower surface side which cannot be seen in FIG. 6, and the cell stack holding heat insulating materials 8A and 8B are attached using this.
  • each of the heat insulating materials 8A, 8B and 8C, 8D for holding the cell stack has the cell stack device 2 in the transported or operating state in which the cell stack 2A is upright with the container opening as a side as shown in FIG. It can be supported (held) at an appropriate position.
  • the cell stack device 2 can be easily stored in a predetermined position in the container without moving in the container (box body) by one operation, and connection of piping and wiring in the container is possible. Since there is enough space to work, these tasks can be completed quickly and easily.
  • the manufacturing method of the fuel cell module 40 of this embodiment can also improve the efficiency of module production.
  • the fuel cell module 40 also includes means for mooring the oxygen-containing gas introduction plate 3 such as the mooring member 24 of the second embodiment (FIG. 4) and the fixing member 26 of the third embodiment (FIG. 5).
  • a means for fixing the position of the manifold 2B may be provided.
  • FIG. 9 shows that the fuel cell modules 10, 20, 30, 40, and the like and auxiliary equipment (not shown) such as a heat exchanger for operating these fuel cell modules are placed in the outer case 50.
  • 3 is a transparent perspective view showing an example of a stored fuel cell device 60.
  • FIG. 9 a part of the configuration is omitted.
  • the fuel cell device 60 divides the interior of the exterior case 50 including the support column 51 and the exterior plate 52 into upper and lower portions by a partition plate 53, and houses the above-described fuel cell module 10 and a heat exchanger (not shown) on the upper side.
  • the module storage chamber 54 is configured as an auxiliary device storage chamber 55 for storing an auxiliary device for operating the fuel cell module 10.
  • the auxiliary machine accommodated in the auxiliary machine storage chamber 55 is not shown.
  • the partition plate 53 is provided with an air circulation port 56 for flowing air in the auxiliary machine storage chamber 55 to the module storage chamber 54, and the module is stored in a part of the exterior plate 52 constituting the module storage chamber 54.
  • An exhaust port 57 for exhausting the air in the chamber 54 is provided.
  • the fuel cell module 10 and the heat exchanger are accommodated in the module accommodating chamber 54, whereby the height direction of the auxiliary machinery accommodating chamber 55 can be reduced, and thereby the fuel can be reduced.
  • the battery device 60 can be reduced in size.
  • this indication is not limited to the above-mentioned embodiment, and various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the gist of this indication. is there.
  • the oxygen-containing gas introduction plate may be arranged on both sides of the cell stack device instead of on either side.
  • the exhaust gas channel and the oxygen-containing gas channel can also be formed on the closed plate 5 instead of being formed by providing the outer cover 1A outside the inner case 1B.
  • the shape of the cell stack is not limited to the one in the form of a line, and a cell stack device having a cell stack of another arrangement can also be used.
  • the storage container may have a rectangular parallelepiped shape, a cylindrical shape, a cubic shape, a prismatic shape, or the like in accordance with the shape (outer shape) of the cell stack device.

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Abstract

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、各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、原燃料を改質する改質器とを備えるセルスタック装置と、酸素含有ガスを各燃料電池セルに供給する酸素含有ガス導入板と、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。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、セルスタック装置の側方側から見た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。

Description

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
　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 (12)

  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する燃料電池モジュール。
  2. 　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請求項１に記載の燃料電池モジュール。
  3. 　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２に記載の燃料電池モジュール。
  4. 　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. 　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１～４のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
  6. 　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請求項１～５のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
  7. 　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６に記載の燃料電池モジュール。
  8. 　請求項１～７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に内に収納してなる燃料電池装置。
  9. 　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９に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
  11. 　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１０に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
  12. 　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１１に記載の燃料電池モジュールの製造方法。
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