(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に燃料電池セルを形成された複数の燃料電池セル管と、
前記複数の燃料電池セル管内に燃料ガスを供給する第１燃料室と、
前記複数の燃料電池セル管で使用済みの前記燃料ガスを排出する第２燃料室と、
前記第１燃料室と前記第２燃料室との間に設置され、前記複数の燃料電池セル管を含み、前記燃料電池セルに酸化剤ガスを供給する空気室と、
を具備し、
前記第１燃料室は、
前記複数の燃料電池セル管の一端部が嵌合された複数の第１嵌合部を含む一側面としての第１管板と、
前記第１管板と対向する一側面としての第１蓋板と、
前記第１管板とは別の部材で形成され、前記第１燃料室の残りの側面としての第１側板と
を備え、
前記第２燃料室は、
前記複数の燃料電池セル管の他端部が嵌合された複数の第２嵌合部を含む一側面としての第２管板と、
前記第２管板と対向する一側面としての第２蓋板と、
前記第２管板とは別の部材で形成され、前記第２燃料室の残りの側面としての第２側板と
を備え、
前記複数の第１嵌合部は、前記第１管板と前記複数の燃料電池セル管とによる締り嵌めであり、
前記複数の第２嵌合部は、前記第２管板と前記複数の燃料電池セル管とによる締り嵌めであり、
前記複数の燃料電池セル管と前記第１管板と前記第２管板とが一体で荷重を保持し、
前記複数の燃料電池セル管と前記第１燃料室と前記第２燃料室とが構造的に一体となりその構造を保持する構造材である
燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記第１管板と前記複数の燃料電池セル管との間、及び、前記第２管板と前記複数の燃料電池セル管との間の少なくとも一方にガスシール剤を含む
請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
表面に燃料電池セルを形成された複数の燃料電池セル管と、
前記複数の燃料電池セル管内に燃料ガスを供給する第１燃料室と、
前記複数の燃料電池セル管で使用済みの前記燃料ガスを排出する第２燃料室と、
前記第１燃料室と前記第２燃料室との間に設置され、前記複数の燃料電池セル管を含み、前記燃料電池セルに酸化剤ガスを供給する空気室と、
を具備し、
前記第１燃料室は、
前記複数の燃料電池セル管の一端部が嵌合された複数の第１嵌合部を含む一側面としての第１管板と、
前記第１管板と対向する一側面としての第１蓋板と、
前記第１管板とは別の部材で形成され、前記第１燃料室の残りの側面としての第１側板と
を備え、
前記第２燃料室は、
前記複数の燃料電池セル管の他端部が嵌合された複数の第２嵌合部を含む一側面としての第２管板と、
前記第２管板と対向する一側面としての第２蓋板と、
前記第２管板とは別の部材で形成され、前記第２燃料室の残りの側面としての第２側板と
を備え、
前記複数の第１嵌合部の各々は、
前記第１管板に嵌合し、前記燃料電池セル管を内側に通す第１嵌合リングと、
前記第１嵌合リングと前記燃料電池セル管とを接合し、前記第１嵌合リングと前記燃料電池セル管との隙間を充填する充填材と
を備え、
前記複数の第２嵌合部の各々は、
前記第２管板に嵌合し、前記燃料電池セル管を内側に通す第２嵌合リングと、
前記第２嵌合リングと前記燃料電池セル管とを接合し、前記第２嵌合リングと前記燃料電池セル管との隙間を充填する充填材と
を備え、
前記複数の第１嵌合部は、前記第１管板と前記複数の第１嵌合リングとによる締り嵌めであり、
前記複数の第２嵌合部は、前記第２管板と前記複数の第２嵌合リングとによる締り嵌めであり、
前記複数の燃料電池セル管と前記第１管板と前記第２管板とが一体で荷重を保持し、
前記複数の燃料電池セル管と前記第１燃料室と前記第２燃料室とが構造的に一体となりその構造を保持する構造材である
燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記第１管板と前記複数の第１嵌合リングとの間、及び、前記第２管板と前記複数の第２嵌合リングとの間の少なくとも一方にガスシール剤を含む、
請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
表面に燃料電池セルを形成された複数の燃料電池セル管と、
前記複数の燃料電池セル管内に酸化剤ガスを供給する第１空気室と、
前記複数の燃料電池セル管で使用済みの前記酸化剤ガスを排出する第２空気室と、
前記第１空気室と前記第２空気室との間に設置され、前記複数の燃料電池セル管を含み、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給する燃料室と、
を具備し、
前記第１空気室は、
前記複数の燃料電池セル管の一端部が嵌合された複数の第３嵌合部を含む一側面としての第１管板と、
前記第１管板と対向する一側面としての第１蓋板と、
前記第１管板とは別の部材で形成され、前記第１空気室の残りの側面としての第１側板と
を備え、
前記第２空気室は、
前記複数の燃料電池セル管の他端部が嵌合された複数の第４嵌合部を含む一側面としての第２管板と、
前記第２管板と対向する一側面としての第２蓋板と、
前記第２管板とは別の部材で形成され、前記第２空気室の残りの側面としての第２側板と
を備え、
前記複数の第３嵌合部は、前記第３管板と前記複数の燃料電池セル管とによる締り嵌めであり、
前記複数の第４嵌合部は、前記第４管板と前記複数の燃料電池セル管とによる締り嵌めであり、
前記複数の燃料電池セル管と前記第１管板と前記第２管板とが一体で荷重を保持し、
前記複数の燃料電池セル管と前記第１空気室と前記第２空気室とが構造的に一体となりその構造を保持する構造材である
燃料電池モジュール。
【請求項６】
表面に燃料電池セルを形成された複数の燃料電池セル管と、
前記複数の燃料電池セル管内に酸化剤ガスを供給する第１空気室と、
前記複数の燃料電池セル管で使用済みの前記酸化剤ガスを排出する第２空気室と、
前記第１空気室と前記第２空気室との間に設置され、前記複数の燃料電池セル管を含み、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給する燃料室と、
を具備し、
前記第１空気室は、
前記複数の燃料電池セル管の一端部が嵌合された複数の第３嵌合部を含む一側面としての第１管板と、
前記第１管板と対向する一側面としての第１蓋板と、
前記第１管板とは別の部材で形成され、前記第１空気室の残りの側面としての第１側板と
を備え、
前記第２空気室は、
前記複数の燃料電池セル管の他端部が嵌合された複数の第４嵌合部を含む一側面としての第２管板と、
前記第２管板と対向する一側面としての第２蓋板と、
前記第２管板とは別の部材で形成され、前記第２空気室の残りの側面としての第２側板と
を備え、
前記複数の第３嵌合部の各々は、
前記第３管板に嵌合し、前記燃料電池セル管を内側に通す第３嵌合リングと、
前記第３嵌合リングと前記燃料電池セル管とを接合し、前記第３嵌合リングと前記燃料電池セル管との隙間を充填する充填材と
を備え、
前記複数の第４嵌合部の各々は、
前記第４管板に嵌合し、前記燃料電池セル管を内側に通す第４嵌合リングと、
前記第４嵌合リングと前記燃料電池セル管とを接合し、前記第４嵌合リングと前記燃料電池セル管との隙間を充填する充填材と
を備え、
前記複数の第３嵌合部は、前記第３管板と前記複数の第３嵌合リングとによる締り嵌めであり、
前記複数の第４嵌合部は、前記第４管板と前記複数の第４嵌合リングとによる締り嵌めであり、
前記複数の燃料電池セル管と前記第１管板と前記第２管板とが一体で荷重を保持し、
前記複数の燃料電池セル管と前記第１空気室と前記第２空気室とが構造的に一体となりその構造を保持する構造材である
燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に、筒型構造を有する燃料電池のモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュール１００の概略構成の一例を図７に示す。図７では、発電された電力の集電に関わる部分は省略している。
【０００３】
図７を参照して、燃料電池モジュール１００は、燃料ガス供給部１１０と、酸化剤ガス供給室１０７と、発電部である燃料電池セル管１０３とを具備する。燃料ガス供給部１１０は、供給室１０８と排出室１０９とを有する。また、燃料電池セル管１０３は、外管１０４、内管１０５を有する。そして、酸化剤ガス供給室１０７は、側板１２１と底面板１２２を有する。
【０００４】
上面板１１２、側板１１３及び管板１１４で構成される供給室１０８は、燃料電池セル管１０３に燃料ガス１を供給する。また、管板１１４、側板１１６及び管板１１７で構成される排出室１０９は、燃料電池セル管１０３で未使用の燃料ガス１を排出する。
燃料電池セル管１０３の外管１０４は、一端部を管板１１７に開放されて接続（連通）され、他端部を酸化剤ガス供給室１０７へ延ばし閉止している。外管１０４は、固定冶具により管板１１７に固定され、支持されている。内管１０５は、一端部を管板１１４に開放されて接続（連通）され、他端部を外管１０４の他端部近傍へ延ばし開放されている。内管１０５は、固定冶具により管板１１４に固定され、支持されている。
管板１１７、側板１２１と底面板１２２で構成される酸化剤ガス供給室１０７は、燃料電池セル管１０３を含み、燃料電池セル管１０３へ酸化剤ガス２を供給する。
【０００５】
上記構造を維持するためには、構造材の導入が重要となる。
例えば、構造材を燃料ガス供給部１１０の外側に溶接などの方法により接合する。そして、その構造材を介して、燃料ガス供給部１１０及び燃料電池セル管１０３を保持（支持）する。あるいは、側板１２１及び底面板１２２に、強度の強い材料を用いる。そうすることにより、それらを構造材として機能させ、燃料ガス供給部１１０及び燃料電池セル管１０３を保持（支持）する。又は、構造材を側板１２１に接合し、その構造材で側板１２１を介して燃料ガス供給部１１０及び燃料電池セル管１０３を保持（支持）する。
【０００６】
これらのような方法は、燃料電池モジュール１００の他に、構造材を追加で使用する必要があり、設備の容積及び設置面積の増加、重量の増加、コストの増加などを招く。
設備の容積及び設置面積の増加を招くことなく、燃料電池モジュールの構造を保持（支持）することが可能な技術が求められている。用いる部材が少なく、簡潔な方法で燃料電池モジュールの構造を保持（支持）することが可能な技術が望まれている。低コストで燃料電池モジュールの構造を保持（支持）することが可能な技術が望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、設備の容積及び設置面積の増加を招くことなく構造を保持（支持）することが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、不要な部材を用いず、簡潔な方法で構造を保持（支持）することが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、低コストで構造を保持（支持）することが可能な燃料電池モジュールを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
従って、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セル管（３）と、第１燃料室（８）と、第２燃料室（９）と、空気室（７）とを具備する。複数の燃料電池セル管（３）は、表面に燃料電池セル（２１）を形成される。第１燃料室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）内に燃料ガス（１）を供給する。第２燃料室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）で使用済みの燃料ガス（１）を排出する。空気室（７）は、第１燃料室（８）と第２燃料室（９）との間に設置され、複数の燃料電池セル管（３）を含み、燃料電池セル（２１）に酸化剤ガス（２）を供給する。そして、第１燃料室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）の一端部が第１燃料室（８）の一側面としての第１管板（１４）に開放され、嵌合された複数の第１嵌合部（８−２）を含む。また、第２燃料室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）の他端部が第２燃料室（９）の一側面としての第２管板（１５）に開放され、嵌合された複数の第２嵌合部（９−２）を含む。
【００１２】
また、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第１嵌合部（８−２）が、第１管板（１４）と複数の燃料電池セル管（３）とによる締り嵌めである。
【００１３】
また、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第２嵌合部（９−２）が、第２管板（１５）と複数の燃料電池セル管（３）とによる締り嵌めである。
【００１４】
また、本発明の燃料電池モジュールは、第１管板（１４）と複数の燃料電池セル管（３）との間、及び、第２管板（１５）と複数の燃料電池セル管（３）との間の少なくとも一方にガスシール剤（２４）を含む。
【００１５】
また、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第１嵌合部（８−２）が、第１管板（１４）に嵌合した複数の第１嵌合リング（２６）を備える。そして、複数の燃料電池セル管（３）は、複数の第１嵌合リング（２６）の内側に結合されている。
【００１６】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第１嵌合部（８−２）が、第１管板（１４）と複数の第１嵌合リング（２６）とによる締り嵌めである。
【００１７】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、第１管板（１４）と複数の第１嵌合リング（２６）との間に、ガスシール剤（２４）を含む。
【００１８】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第２嵌合部（９−２）が、第２管板（１５）に嵌合した複数の第２嵌合リング（２６’）を備える。そして、複数の燃料電池セル管（３）は、複数の第２嵌合リング（２６’）の内側に結合されている。
【００１９】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第２嵌合部（９−２）が、第２管板（１５）と複数の第２嵌合リング（２６’）とによる締り嵌めである。
【００２０】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、第２管板（１５）と複数の第２嵌合リング（２６’）との間に、ガスシール剤（２４’）を含む。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セル管（３）と、第１空気室（８）と、第２空気室（９）と、燃料室（７）とを具備する。複数の燃料電池セル管（３）は、表面に燃料電池セル（２１）を形成されている。第１空気室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）内に酸化剤ガス（２）を供給する。第２空気室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）で使用済みの酸化剤ガス（２）を排出する。燃料室（７）は、第１空気室（８）と第２空気室（９）との間に設置され、複数の燃料電池セル管（３）を含み、燃料電池セル（２１）に燃料ガス（１）を供給する。そして、第１空気室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）の一端部が第１空気室（８）の一側面としての第３管板（１４）に開放され、嵌合された複数の第３嵌合部（８−２）を含む。また、第２空気室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）の他端部が第２空気室（９）の一側面としての第４管板（１５）に開放され、嵌合された複数の第４嵌合部（９−２）とを含む。
【００２２】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第３嵌合部（８−２）が、第３管板（１４）と複数の燃料電池セル管（３）とによる締り嵌めであり、複数の第４嵌合部（９−２）は、第４管板（１５）と複数の燃料電池セル管（３）とによる締り嵌めである。
【００２３】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第３嵌合部（８−２）が、第３管板（１４）に嵌合した複数の第３嵌合リング（２６）を備える。そして、複数の第４嵌合部（９−２）は、第４管板（１５）に嵌合した複数の第４嵌合リング（２６’）を備える。また、複数の燃料電池セル管（３）は、複数の第３嵌合リング（２６）の内側、及び、複数の第４嵌合リング（２６’）の内側に結合されている。
【００２４】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の第３嵌合部（８−２）が、第３管板（１４）と複数の第３嵌合リング（２６）とによる締り嵌めである。そして、複数の第４嵌合部（９−２）は、第４管板（１５）と複数の第４嵌合リング（２６’）とによる締り嵌めである。
【００２５】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セル管（３）と、第１燃料室（８）と、第２燃料室（９）と、空気室（７）とを具備する。複数の燃料電池セル管（３）は、表面に燃料電池セル（２１）を形成されている。第１燃料室（８）は、複数の燃料電池セル管（３）内に燃料ガス（１）を供給する。第２燃料室（９）は、複数の燃料電池セル管（３）で使用済みの燃料ガス（１）を排出する。空気室（７）は、第１燃料室と（８）第２燃料室（９）との間に設置され、複数の燃料電池セル管（３）を含み、燃料電池セル（２１）に酸化剤ガス（２）を供給する。そして、複数の燃料電池セル管（３）は、一端部は第１燃料室（８）の一側面としての第１管板（１４）に開放されて嵌合され、他端部は第２燃料室（９）の一側面としての第２管板に開放されて嵌合され、複数の燃料電池セル管（３）と第１燃料室（８）と第２燃料室（９）との構造を保持する構造材である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、筒型のうち円筒型の燃料電池モジュールについて例を示して説明するが、他の筒型構造を有する燃料電池にも適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００２７】
図１は、本発明である燃料電池モジュールの一実施の形態の構成を示す図（断面図）である。燃料電池モジュール３３は、複数の燃料電池セル管３、空気室としての酸化剤ガス供給室７、第１燃料室としての供給室８、第２燃料室としての排出室９、断熱体１０（−１〜２）を備える。
第１燃料室としての供給室８は、側板１２、側板１３、第１燃料室の一側面としての第１管板（又は第３管板）である管板Ａ１４、燃料ガス供給口８−１及び（複数の）第１嵌合部８−２を有する。
第２燃料室としての排出室９は、側板１７、側板１６、第２燃料室の一側面としての第２管板（又は第４管板）である管板Ｂ１５、燃料ガス排出口９−１及び（複数の）第２嵌合部９−２を有する。
酸化剤ガス供給室７は、側板３１と、管板Ａ１４、管板Ｂ１５、酸化剤ガス供給口７−１及び酸化剤ガス排出口７−２を有する。
なお、図１の構成は、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００２８】
本発明では、複数の燃料電池セル管３が、その一端部において供給室８の管板Ａ１４に締り嵌めで接合（第１嵌合部８−２）されている。そして、管板Ａ１４の締め付け力により、供給室８側において、強固に保持されている。同様に、複数の燃料電池セル管３が、その他端部において排出室９の管板Ｂ１５に締り嵌めで接合（第２嵌合部９−２）されている。そして、管板Ｂ１５の締め付け力により、排出室９側において、強固に保持されている。この管板Ａ１４及び管板Ｂ１５による両端保持の力と燃料電池セル管３の強度により、供給室８−燃料電池セル管３−排出室９が一体となる。そして、その構造が強く保持（支持、維持）される。その結果、構造を維持するための構造材を使用することなく、燃料電池モジュール３３の構造の保持が可能となる。
【００２９】
以下に各構成を詳細に説明する。
燃料電池セル管３は、多孔質セラミックスの円筒型の基体管である。外周面上には、発電を行う燃料電池セル２１とリード膜２３（後述）を有する。燃料電池セル管３は、一端部を供給室８の管板Ａ１４に、開放されて嵌合されている。同様に、他端部は排出室９の管板Ｂ１５に、開放されて嵌合されている。材質は、安定化ジルコニアである。
【００３０】
第１燃料室としての供給室８は、側板１２と側板１３と管板Ａ１４とで囲まれた中空の直方体や円柱等の形をしているガス分配室である。各板は、ステンレスや耐熱合金などの金属製である。燃料ガス１の供給を受けるための燃料ガス供給口８−１を有する。管板Ａ１４は、供給室８と酸化剤ガス供給室７とを隔てている。燃料電池セル管３の一端部とは、供給室８に入った燃料ガス１が燃料電池セル管３へ供給されるように、第１嵌合部８−２で連結し、接合している。複数存在する各燃料電池セル管３へ、均等に燃料ガス１を供給する。内部にガスの流れを整え易くするために整流板のような機構を用いても良い。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００３１】
第２燃料室としての排出室９は、側板１７と側板１６と管板Ｂ１５とで囲まれた中空の直方体や円柱等の形をしているガス分配室である。各板は、ステンレスや耐熱合金などの金属製である。使用済みの燃料ガス１の排出を行なうための燃料ガス排出口９−１を有する。一側面である管板Ｂ１５は、排出室９と酸化剤ガス供給室７とを隔てている。燃料電池セル管３の他端部とは、燃料電池セル管３から排出される使用済み燃料ガス１を収集可能なように、第２嵌合部９−２で連結し、接合している。内部にガスの流れを整え易くする整流板のような機構を用いても良い。本実施例では、ステンレス製の直方体形状を有する。
【００３２】
空気室としての酸化剤ガス供給室７は、供給室８（の管板Ａ１４）と排出室９（の管板Ｂ１５）との間にあり、それらと隔離され、燃料電池セル管３を含んでいる。燃料電池セル管３に酸化剤ガス２を供給する室である。酸化剤ガス２の供給を受けるための酸化剤ガス供給口７−１及び使用済みの酸化剤ガス２の排出を行なうための酸化剤ガス排出口７−２を有する。管板Ａ１４及び管板Ｂ１５の近傍の内部に、断熱体１０（断熱体Ａ１０−１及び断熱体Ｂ１０−２）を固定している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００３３】
供給室８（第１燃料室）の一側面としての第１管板（又は第３管板）である管板Ａ１４は、燃料電池セル管３を接続するための孔が（燃料電池セル管３の数だけ）開口している。そして、燃料電池セル管３の一端部と、ガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。
【００３４】
排出室９（第２燃料室）の一側面としての第２管板（又は第４管板）である管板Ｂ１５は、燃料電池セル管３を接続するための孔が（燃料電池セル管３の数だけ）開口している。燃料電池セル管３の他端部とガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。
【００３５】
断熱体１０は、管板Ａ１４及び管板Ｂ１５の近傍であって、供給室８及び排出室９の外側の酸化剤ガス供給室７内に固定されている。管板Ａ１４側が、断熱体Ａ１０−１であり、管板Ｂ１５側が、断熱体Ｂ１０−２である。そして、燃料電池セル管３上の両端部の近傍において、管板と共に酸化剤ガス２の流路を形成し、その流通を制限している。また、燃料電池セル管３の発電部２１（後述）側の熱を遮断し、管板Ａ１４及び管板Ｂ１５、あるいは、第１嵌合部及び第２嵌合部を、熱的に保護する。材料としては、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする断熱材などである。
【００３６】
図３（ｂ）に、断熱体１０（断熱体Ａ１０−１及び断熱体Ｂ１０−２）の正面図（図１（断面図）において供給室８側又は排出室９側から見た図）を示す。断熱体１０は、図３に示すように一体の部材である。図３（ｂ）にあるように、断熱体１０は千鳥格子状に燃料電池セル管３用の孔が開口している。その孔の直径は、燃料電池セル管３の直径よりもやや大きい。燃料電池セル管３と断熱体１０の孔との隙間を酸化剤ガス２が通過するためである。
ただし、本発明における燃料電池の燃料電池セル管３の配置及びその本数が、図３（ｂ）に示すような配置に限定されるものではない。
【００３７】
なお、燃料ガス１は、燃料電池セル２１が直接内部改質型の場合には、メタン、プロパン等の炭化水素と水蒸気との混合ガスである。そうでない場合には、水素と水蒸気とを含む混合ガスである。
また、酸化剤ガス２は、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００３８】
次に、図２を参照して、燃料電池セル管３の第１嵌合部８−２及びその周辺について説明する。図２は、図１の燃料電池セル管３の１本分の第１嵌合部８−２及びその周辺について拡大した図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
第１嵌合部８−２は、燃料電池セル２１と発電部２２とリード膜２３とを含む燃料電池セル管３、管板Ａ１４、シール剤２４、第１嵌合リング２６及び充填材２７を備える。その周辺の酸化剤ガス２の流れを断熱体Ａ１０−１が制限している。
【００３９】
燃料電池セル２１は、燃料電池セル管３の外周面上に、燃料極、電解質、空気極を順に少しずつずらして積層（図示せず）した燃料電池のセルである。それぞれの燃料電池セル２１同士は、インターコネクタ膜（図示せず）で直列に接合されている。燃料電池セル管３の内側から拡散してくる燃料ガス１と、燃料電池セル管３の外側から供給される酸化剤ガス２とにより、発電を行う。
発電部２２は、燃料電池セル管３上の燃料電池セル２１が複数ある領域である。ここで、発電がなされ、それと同時に、セルの抵抗損などにより熱が発生し高温になっている。
【００４０】
リード膜２３は、発電部２２で発電された電力を導く一方の極としての導電性の膜である。排出室９側にも同様にあり、両膜から引き出した電極から電力を取り出す。
【００４１】
シール剤２４は、第１嵌合リング２６の外周面側と管板Ａ１４の第１嵌合部８−２の内周面側と間の領域に充填されるガスシール剤である。その隙間を埋め、供給室８の燃料ガス１と、酸化剤ガス供給室７の酸化剤ガス２との間をガスシールする。その周辺の最高使用温度に合わせたシール剤を用いる。
なお、第１嵌合リング２６の表面と管板Ａ１４の第１嵌合部８−２（２５）の内周面とのすり合わせが非常に高精度の場合には、シール剤を用いない場合もある。
【００４２】
第１嵌合リング２６は、その内径が燃料電池セル管３よりもやや大きい円筒状のリングである。その外周面と、管板Ａ１４の第１嵌合部８−２（２５）の内周面とが密接している。燃料電池セル管３の寸法の多少のずれ、表面の凹凸を、この第１嵌合リング２６と充填材２７（後述）とが緩衝材として働き、吸収する。
【００４３】
充填材２７は、第１嵌合リング２６の内周面側と燃料電池セル管３の両端の外周面側と間の領域に充填されるガスシール剤かつ接着材である。その隙間を埋め、供給室８及び排出室９の燃料ガス１と、酸化剤ガス供給室７の酸化剤ガス２との間をガスシールする。また、燃料電池セル管３の寸法の多少のずれを、その変形で吸収する。その周辺の最高使用温度に合わせてハンダを行なう方法、接着剤や樹脂などを埋め込む方法などが使用できる。
【００４４】
断熱体Ａ１０−１については既述の通りなのでその説明を省略する。
【００４５】
管板Ａ１４は、第１嵌合リング２６（及び燃料電池セル管３）を通す孔が、開口している。第１嵌合部８−２の孔の直径は、第１嵌合リング２６の直径より、やや小さい。このようにすることにより、図２で示すように、その孔に第１嵌合リング２６を通した時、管板Ａ１４の孔部の内周部分が、第１嵌合リング２６を通した方向に内側に変形し、第１嵌合リング２６の外周部と管板Ａ１４の孔部の内周部分が密着する。
【００４６】
ここで、管板Ａ１４について更に説明する。
図３に、管板Ａ１４の正面図（図１は、断面図（図３（ａ）のＡＡ’断面）である）を示す。図３（ａ）にあるように、管板Ａ１４は千鳥格子状に第１嵌合リング２６（及び燃料電池セル管３）用の孔３２が開口している。各孔３２の直径は、第１嵌合リング２６の外径よりも小さい。
ただし、本発明における燃料電池の燃料電池セル管３の配置及びその本数が、図３（ａ）に限定されるものではない。その他の配置の例としては、蜂の巣状、正方配列などがある。
【００４７】
管板Ａ１４に第１嵌合リング２６を通して密着させる方法として、深絞り加工や、焼嵌め加工などの締り嵌め加工がある。孔３２は、締り嵌め加工を実施できるように、その直径が第１嵌合リング２６の外径よりも小さい。ただし、第１嵌合リング２６を用いず、直接燃料電池セル管３を通す場合には、燃料電池セル管３の外径よりも小さくする。
【００４８】
管板Ａ１４の孔３２の内周部分は、第１嵌合リング２６と密接する際、締り嵌めによる弾性力により、強く密着し、ガスシール性を発揮する。それと同時に、第１嵌合リング（及びそれに接続している燃料電池セル管３）を強力に保持する。管板Ａ１４およびＡ５は、その間にある燃料電池セル管３によりハニカム構造をとるため、変形することなく複数の燃料電池セル管３を強力に支持することができる。
また、孔３２近傍の管板Ａ１４の弾性変形に伴い、その周辺部に強い反力が発生する。そのため、管板Ａ１４全体として、弾性変形能を有しながらも、管板Ａ１４は燃料電池セル管3に拘束されているので薄板管板の面外変形が抑えられる。すなわち、管板Ａ１４は、セルの拘束力により、大きな荷重（複数の燃料電池セル管３）に対しても、変形することなくその形状を維持することが出来る。そして、複数の第１嵌合リング２６及びそれに接続している複数の燃料電池セル管３を強力に保持することが可能となる。
【００４９】
管板Ａ１４は、第１嵌合部８−２が、燃料電池セル管３を支持する役割があるので、ある程度の強度を有する材料であることが好ましい。また、接合部分（第１嵌合部）８−２が、燃料電池セル管３と管板Ａ１４（のシール剤２４と嵌合リング２６及び充填材２７）との隙間からガスをリークさせないように、且つ、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、金属製の板のような弾性のある部材であることが好ましい。その際、酸化雰囲気で使用することから、耐熱合金などの耐酸化性の部材であることがより好ましい。そのような材料として、鉄系又はインコネル系の金属材料が好ましい。より好ましくは、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６のようなオーステナイト系ステンレス鋼である。
【００５０】
また、その厚みの上限は、締り嵌め加工が可能な厚みであることから、また、下限は、燃料電池セル管３を支持することが可能な厚みであることから、それぞれ実験的に決定される。板の材料の種類により異なる。例えば、オーステナイト系ステンレスでは、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは０．２以上、１ｍｍ以下である。
【００５１】
第１嵌合リング２６の表面を滑らかにする、あるいは、シール剤２４を潤滑性（固体）のあるものにすれば、管板Ａ１４の孔の内周面と第１嵌合リング２６の外周面とを、ある大きさ以上の力で、互いに滑らせるようにすることも可能である。力の大きさ及び滑り具合は、第１嵌合リング２６の表面状態、シール剤２４の種類等に基づいて、実験的に決定する。
可動になると、熱膨張係数の違いにより、熱による伸びの相違が発生した場合でも、滑りで吸収することが可能となる。
【００５２】
次に、図４を参照して、燃料電池セル管３の第２嵌合部９−２及びその周辺について説明する。図４は、図１の燃料電池セル管３の１本分の第２嵌合部９−２及びその周辺について拡大した図である。本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
第１嵌合部９−２は、燃料電池セル２１と発電部２２とリード膜２３とを含む燃料電池セル管３、管板Ｂ１５、シール剤２４’、第２嵌合リング２６’及び充填材２７’を備える。その周辺の酸化剤ガス２の流れを断熱体Ｂ１０−２が制限している。
【００５３】
燃料電池セル２１と発電部２２とリード膜２３とを含む燃料電池セル管３は、既述の通りなのでその説明を省略する。断熱体Ｂ１０−２、シール剤２４’、第２嵌合リング２６’及び充填材２７’は、断熱体Ａ１０−１、シール剤２４、第１嵌合リング２６及び充填材２７と同様であるので、その説明を省略する。
また、管板Ｂ１５の構成及び機能は、管板Ａ１４と同様であるのでその説明を省略する。
【００５４】
本実施例では、上記図２及び図４のように、第１嵌合リング２６と充填材２７及び第２嵌合リング２６’と充填材２７’を用いている。ただし、それらを用いず、直接、管板Ａ１４と燃料電池セル管３とを第１嵌合部８−２で嵌合、及び管板Ｂ１５と燃料電池セル管３とを第２嵌合部９−２で嵌合することも可能である。
図５に、嵌合リングを用いない場合の第１嵌合部及びその周辺の拡大図を示す。各符号の意味は図２と同様であるので、その説明を省略する。燃料電池セル管３の寸法精度及び表面仕上げの状態によって嵌合リングを用いなくても良い。その場合、部材の点数が減称するので部品コストや製造コストを低減できる。
【００５５】
また、本実施例では、図１のように断熱体１０を用いて酸化剤ガス２の流路を限定している。ただし、流路を限定しなくても良い。
図６は、流路を限定しない場合の本発明である燃料電池モジュールの他の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。この燃料電池モジュール３３’の各符号の意味は図１と同様であるので、その説明を省略する。酸化剤ガス２を予め予熱することにより、流路を限定せずに実施できる。なお、断熱体１０を用いても良い。
【００５６】
次に、本発明である燃料電池モジュールの実施の形態の動作に関して、図１（図２、図４）を参照して説明する。
【００５７】
燃料ガス１について説明する。
図１において、供給室８内に水素と水蒸気とを含むの燃料ガス１が、燃料ガス供給口８−１から供給される。燃料ガス１は、予熱されている（例えば、２５０℃程度）。その後、燃料ガス１は、燃料電池セル管３の一端部から、ばらつきの無い流量で流入する。
発電部２２において、燃料ガス１は、燃料電池セル２１に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル２１は発熱するが、その熱は、燃料電池セル管３の外周部を流れる酸化剤ガス２により持ち去られるので、燃料電池セル２１の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。そして、燃料ガス１も、温度が上昇しない。燃料ガス１のうち、発電に用いられなかった燃料ガス１及び発電により発生した水蒸気は、燃料電池セル管３の排出室９側の他端部（左側）から排出室９へ送出される。
送出された使用済みの燃料ガス１は、排出室９で混合され、燃料ガス排出口９−１から排出される。
【００５８】
次に、酸化剤ガス２について説明する。
図１において、酸素を含む酸化剤ガス２が、酸化剤ガス供給口７−１から酸化剤ガス供給室７に入る。そして、断熱体Ｂ１０−２と管板Ｂ１５とに挟まれ形成される空間を、管板Ｂ１５に沿って移動する。排出室９側の燃料電池セル管３に達した酸化剤ガス２は、断熱体Ｂ１０−２と燃料電池セル管３の外周部との間の空間に入る。そして、概ね燃料電池セル管３の外周部を、その排出室９側の他端部（左側）から供給室８の方向へ進む。
発電部１４において、酸化剤ガス２は、燃料電池セル２１に供給され、発電に寄与する。その際、燃料電池セル２１は発熱するが、その熱は、酸化剤ガス２により持ち去られるので、燃料電池セル２１の温度は９００℃〜１０００℃に保持される。また、酸化剤ガス２は、燃料電池セル２１から発電によって生じた熱量を奪いながら温度を上昇させていく。そして、発電に用いられなかった酸化剤ガス２は、燃料電池セル管３の内側を対向して流れる燃料ガス１へ熱量を、燃料電池セル管３の側面（壁面）を介して放出し、温度を下降させていく。そして、燃料電池セル管３の外周部の供給室８側の一端部（右側）へ達する。その後、断熱体Ａ１０−１と管板Ａ１４との空間を進む。
使用済みの酸化剤ガス２は、断熱体Ａ１０−１と管板Ａ１４とに挟まれて形成された空間に沿って移動し、酸化剤ガス供給室７の酸化剤ガス排出口７−２から外部へ排出される。
【００５９】
管板Ａ１４及び管板Ｂ１５と燃料電池セル管３との嵌合（締り嵌め）に伴う各管板の弾性力より、燃料電池セル管３が強固に保持される。そして、管板Ａ１４及び管板Ｂ１５と、それらに強固に保持された複数の燃料電池セル管３とが構成するハニカム構造により、供給室８及び排出室９、供給室８と排出室９との間に配設された酸化剤ガス供給室７を備える燃料電池モジュール３３の構造が保持（維持）される。それにより、構造を維持するための枠あるいは骨組のような構造材を用いる必要が無くなる。すなわち、設備の容積及び設置面積の増加を招くことなく、構造を保持（支持）することが可能となる。
【００６０】
また、本発明においては、従来の部材の他に特別な部材を用いず、管板と燃料電池セル管との接合による簡潔な方法で構造を保持（支持）することが可能となる。
その際、特別に高価な材料や、多量の材料、手間をかけていないので、低コストで構造を保持（支持）することが可能である。
【００６１】
なお、図１において、供給室８−燃料電池セル管３−排気室９内に燃料ガス１、酸化剤ガス供給室７に酸化剤ガス２を流している。しかし、燃料電池２１の積層方法を逆（図１、図２の場合、燃料電池セル管３の表面に近い側から順にアノード電極／電解質／カソード電極と積層）にした場合には、供給室８−燃料電池セル管３−排気室９内に酸化剤ガス２、酸化剤ガス供給室７に燃料ガス１を流すことにより、上記実施例と同様に発電を行える。そして、本発明の効果を同様に得ることが出来る。
【００６２】
本発明においては、図１に示すような燃料電池セル管３を竪置きした場合だけでなく、横置きした場合（図１の燃料電池モジュール３３を横に９０度倒した形）でも実施可能である。
また、燃料電池セル管３を両端で支持している。そのため、燃料電池セル管３の構造が簡単となりメンテナンスがし易く、コストも低減する。
【００６３】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池モジュールにおいて、設備の容積及び設置面積の増加を招くことなく、構造を保持（支持）することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池モジュールの実施の形態の構成を示す図（断面図）である。
【図２】燃料電池セル管の１本分の第１嵌合部及びその周辺の拡大図である。
【図３】（ａ）本発明である燃料電池モジュールの実施の形態における管板の正面図である。
（ｂ）本発明である燃料電池モジュールの実施の形態における断熱体の正面図である。
【図４】燃料電池セル管の１本分の第２嵌合部及びその周辺の拡大図である。
【図５】嵌合リングを用いない場合の第１嵌合部及びその周辺の拡大図である。
【図６】本発明である燃料電池モジュールの他の実施の形態の構成を示す図（断面図）である。
【図７】従来の円筒型固体電解質燃料電池モジュールの概略構成の一例をに示す図である。
【符号の説明】
１    燃料ガス
２    酸化剤ガス
３    燃料電池セル管
７    酸化剤ガス供給室
７−１    酸化剤ガス供給口
７−２    酸化剤ガス排出口
８    供給室
８−１    燃料ガス供給口
８−２    第１嵌合部
９    排出室
９−１    燃料ガス排出口
９−２    第２嵌合部
１０    断熱体
１０−１    断熱体Ａ
１０−２    断熱体Ｂ
１０−３    孔
１２    側板
１３    側板
１４    管板Ａ
１５    管板Ｂ
１６    側板
１７    側板
２１    燃料電池セル
２２    発電部
２３（’）    リード膜
２４（’）    シール剤
２６    第１嵌合リング
２６’    第２嵌合リング
２７（’）    充填材
３１    側板
３２    孔
３３（’）    燃料電池モジュール
１００    燃料電池モジュール
１０３    燃料電池セル管
１０４    外管
１０５    内管
１０７    酸化剤ガス供給室
１０８    供給室
１０９    排出室
１１０    燃料ガス供給部
１１２    上面板
１１３    側板
１１４    管板
１１６    側板
１１７    管板
１２１    側板
１２２    底面板
【図１】
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【図２】
0003727906.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003727906.tif 000005
【図５】
0003727906.tif 000006
【図６】
0003727906.tif 000007
【図７】
0003727906.tif 000008