(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前記第１燃料室の一側面としての第１管板に開放され、嵌合された複数の第１嵌合部を含み、
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前記第２燃料室の一側面としての第２管板に開放され、嵌合された複数の第２嵌合部を含み、
前記空気室は、前記第２管板の近傍に、供給される前記酸化剤ガスの流路を制限するように設けられ、前記複数の燃料電池セル管の各々を通す複数の第１孔を有する第１断熱体を含み、
前記第１断熱体は、前記複数の第１孔の各々において、第１内面が前記複数の燃料電池セル管の各々の第１外面に接する第１断熱部を有し、
供給された前記酸化剤ガスは、前記第１断熱体と前記第２管板とで形成される空間中を通り、前記複数の第１孔の各々から、前記第１断熱部で圧損を生じながら前記複数の燃料電池セル管の各々の前記第１外面に沿って前記第１管板方向へ移動する、
燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記空気室は、前記第１管板の近傍に、排出される前記酸化剤ガスの流路を制限するように設けられ、前記複数の燃料電池セル管の各々を通す複数の第２孔を有する第２断熱体を更に含み、
前記第２断熱体は、前記複数の第２孔の各々において、第２内面が前記複数の燃料電池セル管の各々の第２外面に接する第２断熱部とを有し、
前記酸化剤ガスは、前記複数の燃料電池セル管の各々の前記第２外面に沿って、前記複数の第２孔の各々から、前記第２断熱部で圧損を生じながら前記第１管板方向へ向かい、前記第２断熱体と前記第１管板とで形成される空間中を移動する、
請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記第１断熱部は、前記複数の燃料電池セル管の各々が摺動可能に接している、
請求項１又は２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記第１断熱部は、フエルト状の断熱材である、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記断熱材は、シリカ、アルミナ及びマグネシアの少なくとも１つを含む、
請求項４に記載の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前記第１燃料室の一側面としての第１管板に開放され、嵌合された複数の第１嵌合部を含み、
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前記第２燃料室の一側面としての第２管板に開放され、嵌合された複数の第２嵌合部を含み、
前記空気室は、前記第２管板の近傍に、供給される前記酸化剤ガスの流路を制限するように設けられ、前記複数の燃料電池セル管の各々を通す複数の第１孔を有する第１断熱体を含み、前記複数の第１孔の各々の第１内面は、前記複数の燃料電池セル管の各々の第１外面から離れ、
前記複数の燃料電池セル管の各々は、内面が前記第１外面に接し、外面が前記第１孔において前記第１断熱体に接する環状の第３断熱体を有し、
供給された前記酸化剤ガスは、前記第１断熱体と前記第２管板とで形成される空間中を通り、前記複数の第１孔の各々から、前記第３断熱体で圧損を生じながら前記複数の燃料電池セル管の各々の前記第１外面に沿って前記第１管板方向へ移動する、
燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記空気室は、前記第１管板の近傍に、排出される前記酸化剤ガスの流路を制限するように設けられ、前記複数の燃料電池セル管の各々を通す複数の第２孔を有する第２断熱体を更に含み、前記複数の第２孔の各々の第２内面は、前記複数の燃料電池セル管の各々の第２外面から離れ、
前記複数の燃料電池セル管の各々は、内面が前記第２外面に接し、外面が前記第２孔において前記第２断熱体に接する環状の第４断熱体を有し、
前記酸化剤ガスは、前記複数の燃料電池セル管の各々の前記第２外面に沿って、前記複数の第２孔の各々から、前記第４断熱体で圧損を生じながら前記第１管板方向へ向かい、前記第２断熱体と前記第１管板とで形成される空間中を移動する、
請求項６に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記第３断熱体は、前記複数の燃料電池セル管の各々が摺動可能に前記第１断熱体と接している、
請求項６又は７に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記第３断熱体は、フエルト状の断熱材である、
請求項６乃至８のいずれか一項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記断熱材は、シリカ、アルミナ及びマグネシアの少なくとも１つを含む、
請求項９に記載の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】
円筒型固体電解質燃料電池モジュールでは、燃料電池セル用の燃料ガスを供給する一つの燃料供給室が設置される。その燃料供給室には、複数の燃料電池セル管（燃料電池セルを表面に形成された管）が接続される。複数の燃料電池セル管の各々の中へは、燃料供給室から燃料ガスが供給される。
この時、燃料供給室が大きい場合、燃料供給室に燃料ガスを供給する配管の入口からの距離に応じて、燃料ガスの濃度に分布が出ることがある。その場合、複数の燃料電池セル管の各々の中へ供給される燃料ガスの量は、その配管の入口から燃料電池セル管までの距離に応じて異なる状況が発生する可能性が考えられる。
【０００３】
同様なことは、酸化剤ガスを供給する場合にも起こり得る。例えば、燃料電池セル管の外面に沿って、酸化剤ガスを供給する場合、酸化剤ガスを燃料電池セル管へ供給する室は、燃料電池セル管が通る孔が開いている。そして、その孔と燃料電池セル管との隙間から、燃料電池セル管の外周面に沿って酸化剤ガスを供給する。
この時、酸化剤ガスを供給する室が大きい場合、酸化剤ガスを供給する室へ酸化剤ガスを供給する配管の入口からの距離に応じて、酸化剤ガスの濃度に分布が出ることがある。その場合、複数の燃料電池セル管の各々の中へ供給される酸化剤ガスの量は、その配管の入口から燃料電池セル管までの距離に応じて異なる状況が発生する可能性が考えられる。
【０００４】
燃料電池モジュールにおけるガスを供給する室から、燃料電池セル管へガスを等しく分配する技術が求められている。燃料電池セル管に損傷等の影響を与えずに、ガスを等しく分配する技術が望まれている。低コストでガスの分配性能を向上することが可能な技術が望まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池セル用のガスを供給する室から、その室に接続された燃料電池セルを有する複数の燃料電池セル管の各々の外面へ、ガスを等しく分配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。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、燃料電池セル管に破損等の影響を与えずに、燃料電池セル用のガスの供給室から、その室に接続された複数の燃料電池セル管の各々の外面へガスを等しく分配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。
【０００７】
本発明の更に他の目的は、ガスの供給室から複数の燃料電池セル管の各々へのガス分配の性能を落とすことなく、燃料電池セル用のガスの供給室の形状をコンパクト化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】
本発明の別の目的は、ガスの供給室及び複数の燃料電池セル管の各々へ供給するガスの温度を等しく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】
本発明の更に別の目的は、燃料電池セル用のガスの供給室から複数の燃料電池セル管の各々へのガス分配の性能を、低コストで向上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（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。
また、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。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。空気室（７）は、第２管板（１５）の近傍に、供給される酸化剤ガス（２）の流路を制限するように設けられ、複数の燃料電池セル管（３）の各々を通す複数の第１孔（１０−３）を有する第１断熱体（１０−２）を含む。第１断熱体（１０−２）は、複数の第１孔（１０−３）の各々において、第１内面が複数の燃料電池セル管（３）の各々の第１外面に接する第１断熱部（１０−２ｂ）を有する。
そして、供給された酸化剤ガス（２）は、第１断熱体（１０−２）と第２管板（１５）とで形成される空間（７−３）中を通り、複数の第１孔（１０−３）の各々から、第１断熱部（１０−２ｂ）で圧損を生じながら複数の燃料電池セル管（３）の各々のその第１外面に沿って第１管板（１４）方向へ移動する。
【００１２】
また、本発明の燃料電池モジュールは、空気室（７）が、第１管板（１４）の近傍に、排出される酸化剤ガス（２）の流路を制限するように設けられ、複数の燃料電池セル管（３）の各々を通す複数の第２孔（１０−３’）を有する第２断熱体（１０−１）を更に含む。
第２断熱体（１０−１）は、複数の第２孔（１０−３’）の各々において、第２内面が複数の燃料電池セル管（３）の各々の第２外面に接する第２断熱部（１０−１ｂ）とを有する。
そして、酸化剤ガス（２）は、複数の燃料電池セル管（３）の各々のその第２外面に沿って、複数の第２孔（１０−３’）の各々から、第２断熱部（１０−１ｂ）で圧損を生じながら第１管板（１４）方向へ向かい、第２断熱体（１０−１）と第１管板（１４）とで形成される空間（７−４）中を移動する。
【００１３】
また、本発明の燃料電池モジュールにおいて、第１断熱部（１０−２ｂ）は、複数の燃料電池セル管（３）の各々が摺動可能に接している。
【００１４】
また、本発明の燃料電池モジュールは、第１断熱部（１０−２ｂ）が、フエルト状の断熱材である。
【００１５】
また、本発明の燃料電池モジュールは、その断熱材が、シリカ、アルミナ及びマグネシアの少なくとも１つを含む。
【００１６】
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（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。
また、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。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。空気室（７）は、第２管板（１５）の近傍に、供給される酸化剤ガス（２）の流路を制限するように設けられ、複数の燃料電池セル管（３）の各々を通す複数の第１孔（１０−３）を有する第１断熱体（１０−２）を含む。複数の第１孔（１０−３）の各々の第１内面は、複数の燃料電池セル管（３）の各々の第１外面から離れている。複数の燃料電池セル管（３）の各々は、内面が第１外面に接し、外面が第１孔（１０−３）において第１断熱体（１０−２）に接する環状の第３断熱体（３５−２）を有する。
そして、供給された酸化剤ガス（２）は、第１断熱体（１０−２）と第２管板（１５）とで形成される空間（７−３）中を通り、複数の第１孔（１０−３）の各々から、第３断熱体（３５−２）で圧損を生じながら複数の燃料電池セル管（３）の各々のその第１外面に沿って第１管板（１４）方向へ移動する。
【００１７】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、空気室（７）は、第１管板（１４）の近傍に、排出される酸化剤ガス（２）の流路を制限するように設けられ、複数の燃料電池セル管（３）の各々を通す複数の第２孔（１０−３’）を有する第２断熱体（１０−１）を更に含む。ただし、複数の第２孔（１０−３’）の各々の第２内面は、複数の燃料電池セル管（３）の各々の第２外面から離れている。
複数の燃料電池セル管（３）の各々は、内面がその第２外面に接し、外面が第２孔（１０−３’）において第２断熱体（１０−１）に接する環状の第４断熱体（３５−１）を有する。
そして、酸化剤ガス（２）は、複数の燃料電池セル管（３）の各々のその第２外面に沿って、複数の第２孔（１０−３’）の各々から、第４断熱体（３５−１）で圧損を生じながら第１管板（１４）方向へ向かい、第２断熱体（１０−１）と第１管板（１４）とで形成される空間（７−４）中を移動する。
【００１８】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、第３断熱体（３５−２）が、複数の燃料電池セル管（３）の各々が摺動可能に第１断熱体（１０−２）と接している。
【００１９】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、第３断熱体（３５−２）が、フエルト状の断熱材である。
【００２０】
更に、本発明の燃料電池モジュールは、その断熱材が、シリカ、アルミナ及びマグネシアの少なくとも１つを含む。
【００２１】
【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。
【００２２】
（実施例１）
本発明である燃料電池モジュールの第１の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明である燃料電池モジュールの第１の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、第２断熱体としての断熱体Ａ１０−１、第１孔１０−３を有する第１断熱体としての断熱体Ｂ１０−２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。
空気室としての酸化剤ガス供給室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、酸化剤ガス分配部７−３、を有する。
なお、図１の構成は、集電に関する構成について、省略している。
【００２３】
本発明では、複数の燃料電池セル管３の外面に形成された燃料電池セル２１に酸化剤ガス２を供給する際、酸化剤ガス分配部７−３から複数の燃料電池セル管３の各々への酸化剤ガス２の流路を途中で制限する。制限は、断熱体Ｂ１０−２を用いることにより行う。
それにより、酸化剤ガス分配部７−３に供給された酸化剤ガス２は、直ぐに第１孔１０−３から送出されるのではなく、酸化剤ガス分配部７−３内に暫く滞留し、その全体に行き渡る。そして、各第１孔１０−３から断熱体Ｂ１０−２により圧損を生じつつ、複数の燃料電池セル管３の外面の燃料電池セル２１へ供給される。
従って、酸化剤ガス分配部７−３の酸化剤ガス２が、酸化剤ガス供給口７−１の近くの第１孔１０−３（燃料電池セル管３）に多く流れ、遠くの第１孔１０−３（燃料電池セル管３）へ到達する量が少なくなるという事態を回避できる。
また、酸化剤ガス２を分配する際、燃料電池セル管３の位置によるアンバランスを回避することが出来る。それにより、管板Ｂ１５での温度のアンバランスを抑制することが可能となる。更に、酸化剤ガス分配部７−３の幅（断熱体Ｂ１０−２と管板Ｂ１５との距離）を小さくすることが出来、燃料電池セル管３の長さを短くすることが可能となる。
【００２４】
以下に各構成を詳細に説明する。
燃料電池セル管３は、その外面上に、発電を行う燃料電池セル２１と、電力を取り出すリード膜２３（後述）とを有する。多孔質セラミックスの円筒型の基体管である。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、安定化ジルコニアに例示される。
【００２５】
第１燃料室としての供給室８は、複数の各燃料電池セル管３の各々内へ、実質的に均等に燃料ガス１を供給する。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状を有する。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。複数の料電池セル管３の各々の一端部とは、第１嵌合部８−２で嵌合（接合）している。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。
【００２６】
第２燃料室としての排出室９は、複数の燃料電池セル管３の各々から使用済みの燃料ガス１を収容し、外部へ排出する。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状を有する。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の排出を行うための燃料ガス排出口９−１を有する。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。複数の燃料電池セル管３の各々の他端部とは、第２嵌合部９−２で嵌合（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。
【００２７】
空気室としての酸化剤ガス供給室７は、燃料電池セル管３に酸化剤ガス２を供給する。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。ステンレスや耐熱合金などの金属製である。管板Ａ１４及び管板Ｂ１５の近傍の内部に、それらと概ね平行に板状の断熱体１０（断熱体Ａ１０−１及び断熱体Ｂ１０−２）を固定している。
そして、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、供給された酸化剤ガス２が流通し各燃料電池セル管３へ酸化剤ガス２を分配する酸化剤ガス分配部７−３（管板Ｂ１５と断熱体Ｂ１０−２とに挟まれた領域）、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。
【００２８】
供給室８（第１燃料室）の一側面としての第１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は、その一端部がガスの出入りが出来るように管板Ａ１４に開放されて接合されている。
【００２９】
排出室９（第２燃料室）の一側面としての第２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。そして、燃料電池セル管３は、その他端部がガスの出入りが出来るように管板Ｂ１５に開放されて接合されている。
【００３０】
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。
断熱体Ｂ１０−２は、管板Ｂ１５と断熱体Ｂ１０−２とに挟まれた領域（酸化剤ガス分配部７−３）において、供給された酸化剤ガス２の流路を形成し、その流通を制限している。
一方、断熱体Ａ１０−１は、管板Ａ１４と断熱体Ａ１０−１とは、概ね重なっている。
また、断熱体１０は、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に例示される。
【００３１】
断熱体１０について更に説明する。
図４は、断熱体Ｂ１０−２の構成を示す斜視図である。断熱体Ｂ１０−２は、断熱部１０−２ａ及び断熱部１０−２ｃ、第１断熱部としての断熱部１０−２ｂを備える。
断熱部１０−２ａは、管板Ｂ１５と共に酸化剤ガス２の流路を形成する。そして、酸化剤ガス２の断熱部１０−２ｂ及び断熱部１０−２ｃを保持し、断熱体Ｂ１０−２の形状を維持するための支持板である。断熱部１０−２ａは、所定の強度が必要であるので、断熱材を含むボードや金属板が好ましい。また、高温酸化雰囲気での使用であるので、シリカ、アルミナ、マグネシアのような断熱材を含むボードやステンレス鋼のような耐熱／耐酸化性金属の板がより好ましい。
断熱部１０−２ａは、千鳥格子状に開口した燃料電池セル管３用の孔１０−３ａを有する。孔１０−３ａ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。
【００３２】
断熱部１０−２ｂは、燃料電池セル管３の外面を流通する酸化剤ガス２の移動を制限する。断熱部１０−２ｂは、断熱部１０−２ａと同様に千鳥格子状に開口した燃料電池セル管３用の孔１０−３ｂを有する。ただし、孔１０−３ｂの直径は、燃料電池セル管３の直径と同等又はやや小さい。燃料電池セル管３と孔１０−３ａ及び孔１０−３ｃとの隙間を酸化剤ガス２が通過する際に、その隙間を塞ぐことにより、断熱部１０−２ｂ内にガスを通過させるためである。
断熱部１０−２ｂは、その内部を酸化剤ガスが圧損を生じながら（流量を制限されながら）透過可能なように、多孔質の材料であることが好ましい。また、燃料電池セル管３の外面と接するため、燃料電池セル管３を損傷しないように、また、燃料電池セル管３の熱伸縮による動きを妨げず、摺動可能に接するように、柔軟性や弾性のある材料であることが好ましい。更に、断熱性を有し、高温酸化雰囲気で使用可能なように、耐熱／耐酸化性を有する断熱材であることが好ましい。そのような材料として、シリカ、アルミナ、マグネシアのような断熱材を含むフエルト状断熱材や、ガラスウール状断熱材が例示される。
【００３３】
断熱部１０−２ｃは、燃料電池セル管３の発電部２１側の熱を遮断し、管板Ｂ１５あるいは第２嵌合部を熱的に保護する。断熱部１０−２ｃは、断熱部１０−２ａと同様に千鳥格子状に開口した燃料電池セル管３用の孔１０−３ｃを有する。孔１０−３ｃ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。その大きさは、孔１０−３ａの直径と同等でも良い。
断熱部１０−２ｃは、断熱性を有し、高温酸化雰囲気で使用可能なように、耐熱／耐酸化性を有する断熱材であることが好ましい。そのような材料として、シリカ、アルミナ、マグネシアを含む断熱材、それらの断熱材含むフエルト状断熱材や、ガラスウール状断熱材が例示される。
【００３４】
上記断熱部１０−２ａ、断熱部１０−２ｂ及び断熱部１０−２ｃが積層し、断熱体Ｂ１０−２が形成される。ただし、孔１０−３ａ〜孔１０−３ｃを合わせて第１孔１０−３ともいう。第１孔１０−３の内面を第１内面、それに対応する燃料電池セル管３の外面を第１外面ともいう。
また、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４に示すような配置に限定されるものではない。
【００３５】
図１を参照して、断熱体Ａ１０−１は、酸化剤ガス２が管板Ａ１４へ達しないように、酸化剤ガス２の移動を制限する。断熱体Ａ１０−１は、断熱体Ｂ１０−２と同様に千鳥格子状に開口した燃料電池セル管３用の孔１０−３’を有する。ただし、孔１０−３’の直径は、燃料電池セル管３の直径と同等又はやや小さい。燃料電池セル管３と孔１０−３’との隙間を、酸化剤ガス２が通過しないように、その隙間を塞ぐためである。
断熱体Ａ１０−１は、燃料電池セル管３の外面と接するため、燃料電池セル管３を損傷しないように、また、燃料電池セル管３の熱伸縮による動きを妨げず可動的に接するように、柔軟性や弾性のある材料であることが好ましい。更に、断熱性を有し、高温酸化雰囲気で使用可能なように、耐熱／耐酸化性を有する断熱材であることが好ましい。そのような材料として、シリカ、アルミナ、マグネシアのような断熱材を含むフエルト状断熱材や、ガラスウール状断熱材が例示される。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、図２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２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２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Ｂ１０−２が制限している。
【００３８】
燃料電池セル２１は、燃料電池セル管３の外面上に、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。
【００３９】
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。供給室８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。
【００４０】
シール剤２４’は、第１嵌合リング２６’の外面と管板Ｂ１５の第２嵌合部９−２の内面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２嵌合リング２６’の表面と管板Ｂ１５の第２嵌合部９−２の内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。
【００４１】
第２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。その外面と、管板Ｂ１５の第２嵌合部９−２の内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２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。
【００４２】
充填材２７’は、第１嵌合リング２６’の内面と燃料電池セル管３の両端の外面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。
【００４３】
断熱体Ｂ１０−２の断熱部１０−２ａは、燃料電池セル管３の外径ｄに対して、孔１０−３ａの内径＝ｄ＋２×ΔＲ（ただし、燃料電池セル管３と孔１０−３ａの成す隙間の幅をΔＲとする）である。
また、断熱部１０−２ｂは、燃料電池セル管３に密接している。ただし、断熱部１０−２ｂは、柔軟性／弾性があり、燃料電池セル管３とは、可動的（摺動可能）に接している。そして、燃料電池セル管３の動きに対して拘束せず、損傷を与えない。
断熱部１０−２ｃは、孔１０−３ｃの内径＝ｄ＋２×ΔＲである。
【００４４】
管板Ｂ１５は、第２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２嵌合部９−２の孔の直径は、第２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２嵌合リング２６’を通した時、管板Ｂ１５の孔部の内面が、第２嵌合リング２６’を通した方向に内側に変形し、第２嵌合リング２６’の外周と管板Ｂ１５の孔部の内面が密着する。
【００４５】
ここで、管板Ｂ１５について更に説明する。
図５に、管板Ｂ１５の正面図（図１は、断面図（図５のＣＣ’断面）である）を示す。図５にあるように、管板Ｂ１５は千鳥格子状に第２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。
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５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、正方格子状などがある。
【００４６】
管板Ｂ１５に第２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２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。
【００４７】
管板Ｂ１５の孔３２の内周は、第２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２嵌合リング２６’（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及び管板Ｂ１５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を強力に維持できる。
また、孔３２近傍の管板Ｂ１５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Ｂ１５全体として、弾性変形能を有しながらも、管板Ｂ１５は、燃料電池セル管３に拘束されているので、薄板管板（管板Ｂ１５）の面外変形が抑えられる。すなわち、管板Ｂ１５は、燃料電池セル管３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２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。
【００４８】
管板Ｂ１５は、第２嵌合部９−２において燃料電池セル管３を支持するので、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、第２嵌合部９−２が、燃料電池セル管３と管板Ｂ１５（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、金属板のような弾性のある材料であることが好ましい。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。
【００４９】
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０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下である。
【００５０】
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Ｂ１５の孔の内周面と第２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２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。
摺動可能になると、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。
【００５１】
次に、図３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３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Ａ１０−１が制限している。
【００５２】
断熱体Ａ１０−１は、燃料電池セル管３に密接している。ただし、断熱体Ａ１０−１は、柔軟性／弾性があり、燃料電池セル管３とは、可動的（摺動可能）に接している。そして、燃料電池セル管３の動きに対して拘束せず、損傷を与えない。
【００５３】
燃料電池セル２１と発電部２２とを含む燃料電池セル管３は、図２の説明の通りなのでその説明を省略する。管板Ａ１４、リード膜２３、シール剤２４、第１嵌合リング２６及び充填材２７は、図２の管板Ｂ１５、リード膜２３’、シール剤２４’、第２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。
【００５４】
本実施例では、上記図２及び図３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。その場合、部材の点数が減少するので部品コストや製造コストを低減できる。
【００５５】
次に、本発明である燃料電池モジュールの第１の実施の形態の動作に関して、図１、図２、図３を参照して説明する。
【００５６】
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、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（第１嵌合部８−２）から、ばらつきの無い流量で流入する。
燃料ガス１は、断熱体Ａ１０−１付近を移動する途中で、燃料電池セル管３の有する熱や外面近傍の高温の酸化剤ガス２と熱交換を行う。そして、温度を上げて行き、断熱体Ａ１０−１付近に達する（例えば、６００℃程度）。そして、そこから発電部２２に達するまでに更に昇温される。
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の外面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、断熱体Ｂ１０−２付近に達する。
燃料ガス１は、断熱体Ｂ１０−２付近から第２嵌合部９−２付近で、燃料電池セル管３の基体管を介して、燃料電池セル管３の外面に沿って流れる低温の酸化剤ガス２と熱交換を行う。そして、温度を下げて行き、燃料電池セル管３の他端部に達する（例えば、６００℃程度）。そして、他端部から排出室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。
【００５７】
次に、酸化剤ガス２について説明する。
図１において、予熱された（例えば５５０℃）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酸化剤ガス分配部７−３を、管板Ｂ１５に沿って移動する。
排出室９側の複数の燃料電池セル管３のいずれかに達した酸化剤ガス２は、第２嵌合部９−２近傍において、断熱体Ｂ１０−２の（第１）内面と燃料電池セル管３の（第１）外面との間の第１孔１０−３に入る。その際、断熱部１０−２ｂにより流入量が制限され、断熱部１０−２ｂの酸化剤ガス２の流入側と流出側とで圧力差（圧損）が生じる。そのため、酸化剤ガス供給口７−１の近傍の第１孔１０−３に酸化剤ガス２が偏って多く流入することが無く、全ての第１孔１０−３に実質的に均等に流入する。
酸化剤ガス２は、第２嵌合部９−２付近から断熱体Ｂ１０−２付近で、燃料電池セル管３の基体管を介して、燃料電池セル管３の内面に沿って流れる高温の燃料ガス１と熱交換を行う。そして、温度を上げて行き、断熱体Ｂ１０−２付近に達する（例えば、８５０℃）。そして、そこから発電部２２に達するまでに更に昇温される。
発電部２２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、断熱体Ａ１０−１付近に達する。
酸化剤ガス２は、断熱体Ａ１０−１の発電部２２側に沿って進む。そして、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。
【００５８】
本発明により、酸化剤ガス２は、酸化剤ガス分配部７−３において、断熱体Ｂ１０−２の（第１）内面と、それに対応する位置の燃料電池セル管３の（第１）外面との間の第１孔１０−３に入る際、断熱部１０−２ｂにより流入量が制限される。従って、酸化剤ガス２が酸化剤ガス供給口７−１の近傍の第１孔１０−３に偏って多く流入することが無くなる。そして、全ての第１孔１０−３に実質的に均等に流入させることが可能となる。
【００５９】
そして、図２において示す酸化剤ガス分配部７−３の幅（図２中“Ｂ”）の大きさを小さくすることが出来る。それにより、発電部２２以外の燃料電池セル管３の部分を短くすることが出来、燃料電池セル管３コストの低減、燃料電池モジュール３３のコンパクト化が可能となる。
【００６０】
図２において示す断熱部Ｂ１０−２の厚み（図２中“Ａ”）の大きさにおける、圧損を生じさせて酸化剤ガス２を均等に分配するために要した厚み（＝Ａ−断熱に必要な厚み）を断熱部１０−２ｂの厚みまで小さくすることが出来る。それにより、発電部２２以外の燃料電池セル管３の部分を短くすることが出来、燃料電池セル管３コストの低減、燃料電池モジュール３３のコンパクト化が可能となる。
【００６１】
更に、本発明による断熱部１０−２ｂが圧損を生じさせ酸化剤ガス２を均等に分配させるので、図２において示す断熱部Ｂ１０−２と燃料電池セル管３との隙間（図２中“ΔＲ”）を小さくして圧損を生じさせて酸化剤ガス２を均等に分配する必要が無くなる。そのため、ΔＲを大きくとることができ、断熱部１０−２ｃや断熱部１０−２ａと燃料電池セル管３が接触することによる燃料電池セル管３の損傷を防止することが可能となる。
【００６２】
燃料電池セル管３の中心軸と第１孔１０−３の中心軸とは、酸化剤ガス２の均等な分配のためには、同軸をなすことが好ましい。しかし、本発明による断熱部１０−２ｂが圧損を生じさせ酸化剤ガス２を均等に分配させるので、軸のずれの許容範囲を広く取ることができる。すなわち、製造上の歩留まりが向上し、製造コストが低減する。
【００６３】
断熱体Ｂ１０−２は、断熱部１０−２ａが薄く工作が容易であり、且つ、断熱部１０−２ｂ及び断熱部１０−２ｃが柔軟性のある素材で加工が容易である。従って、加工精度を向上することが出来る他、製造工程にかかる労力やコストを低減することが出来る。
【００６４】
酸化剤ガス２の複数の第１孔１０−３への均等分配が可能となるので、酸化剤ガス分配部７−３におけるガスの温度分布を均等とすることが出来る。従って、管板Ｂ１５の温度分布を概ね均一にすることができ、酸化剤ガス分配部７−３の全体において、それぞれの温度を概ね均一にすることが出来る。
【００６５】
ただし、本明細書中の「均等」、「均一」、「等しい」は、±１０％程度の誤差を含む。
【００６６】
（実施例２）
本発明である燃料電池モジュールの第２の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明である燃料電池モジュールの第１の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、第２断熱体としての断熱体Ａ１０−１、第１断熱体としての断熱体Ｂ１０−２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。
空気室としての酸化剤ガス供給室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、酸化剤ガス分配部７−３を有する。
なお、図１の構成は、集電に関する構成について、省略している。
【００６７】
本実施例においては、上記実施例１の図２の断熱体Ｂ１０−２に属する断熱部１０−２ｂの機能を、燃料電池セル管３に接続した他の断熱体に持たせている点で実施例１と異なる。
【００６８】
図６は、本発明の燃料電池モジュールの第２の実施の形態の構成に関し、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２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１嵌合リング２６’及び充填材２７’、環状断熱体３５−２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。
【００６９】
環状断熱体３５−２は、燃料電池セル管３の外面を流通する酸化剤ガス２の移動を制限する断熱材である。
図７は、環状断熱体３５−２の外観を示す図である。環状断熱体３５−２は、図７に示すように環状であり、その内径は、燃料電池セル管３の直径と同等又はやや小さい。外径は断熱体Ｂ１０−２の第１孔１０−３と同等又はやや大きい。第１孔１０−３の内面と燃料電池セル管３の外面との隙間を酸化剤ガス２が通過する際に、その隙間を塞ぐことにより、環状断熱体３５−２内にガスを通過させるためである。
環状断熱体３５−２は、その内部を酸化剤ガスが圧損を生じながら（流量を制限されながら）透過可能なように、多孔質の材料であることが好ましい。また、その内面が燃料電池セル管３の外面と接するため、燃料電池セル管３を損傷しないように柔軟性や弾性のある材料であることが好ましい。更に、断熱性を有し、高温酸化雰囲気で使用可能なように、耐熱／耐酸化性を有する断熱材であることが好ましい。そのような材料として、シリカ、アルミナ、マグネシアのような断熱材を含むフエルト状断熱材や、ガラスウール状断熱材が例示される。
【００７０】
断熱部１０−２ｂ及び断熱部１０−２ａの孔１０−３ｂ及び孔１０−３ａは、その直径が概ね環状断熱体３５−２の外径に等しい。第１孔１０−３を環状断熱体３５−２で塞ぐためである。
【００７１】
なお、断熱部１０−２ａ〜断熱部１０−２ｃを合わせた断熱体Ｂ１０−２を第１断熱体ともいう。また、環状断熱体３５−２を第３断熱体ともいう。
その他の図６の各構成は、図２と同様であるのでその説明を省略する。
【００７２】
その他の図１の各構成については、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００７３】
本発明の燃料電池モジュールの第２の実施の形態の動作については、実施例１の動作と同様であるのでその説明を省略する。
実施例２の場合も、実施例１の場合と同様の効果を得ることが出来る。
【００７４】
（実施例３）
本発明である燃料電池モジュールの第３の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
図８は、本発明である燃料電池モジュールの第３の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、第２孔１０−３’を有する第２断熱体としての断熱体Ａ１０−１、第１孔１０−３を有する第１断熱体としての断熱体Ｂ１０−２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。
空気室としての酸化剤ガス供給室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、酸化剤ガス分配部７−３、酸化剤ガス収集部７−４を有する。
なお、図８の構成は、集電に関する構成について、省略している。
【００７５】
本発明では、実施例１のように断熱体Ｂ１０−２を用いて酸化剤ガス２の分配を行うだけでなく、発電部分から酸化剤ガス２を収集して排出する際、酸化剤ガス収集部７−４への酸化剤ガス２の流路を途中で制限する。制限は、断熱体Ａ１０−１を用いることにより行う。
それにより、酸化剤ガス収集部７−４に供給された酸化剤ガス２は、酸化剤ガス供給室７の断熱体Ａ１０−１の発電部側において、断熱体Ａ１０−１の全体に行き渡る。そして、各第２孔１０−３’から断熱体Ａ１０−２により圧損を生じつつ、複数の燃料電池セル管３の外面の燃料電池セル２１へ供給される。
従って、酸化剤ガス収集部７−４の全体へバランス良くガスを侵入させることができる。更に、酸化剤ガス収集部７−４の幅（断熱体Ａ１０−１と管板Ａ１４との距離）を小さくすることが出来、燃料電池セル管３の長さを短くすることが可能となる。
【００７６】
以下に各構成を詳細に説明する。
空気室としての酸化剤ガス供給室７は、燃料電池セル管３に酸化剤ガス２を供給する。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。ステンレスや耐熱合金などの金属製である。管板Ａ１４及び管板Ｂ１５の近傍の内部に、それらと概ね平行に板状の断熱体１０（断熱体Ａ１０−１及び断熱体Ｂ１０−２）を固定している。
そして、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、供給された酸化剤ガス２が流通し各燃料電池セル管３へ酸化剤ガス２を分配する酸化剤ガス分配部７−３（管板Ｂ１５と断熱体Ｂ１０−２とに挟まれた領域）、各燃料電池セル管３で使用された酸化剤ガス２が収集される酸化剤ガス収集部７−４（管板Ａ１４と断熱体Ａ１０−１とに挟まれた領域）、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。
【００７７】
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。
断熱体１０は、管板Ｂ１５と断熱体Ｂ１０−２とに挟まれた領域（酸化剤ガス分配部７−３）において、供給された酸化剤ガス２の流路を形成し、その流通を制限している。同様に、管板Ａ１４と断熱体Ａ１０−１とに挟まれた領域（酸化剤ガス収集部７−４）において、収集された酸化剤ガス２の流路を形成し、その流通を制限している。
また、断熱体１０は、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に例示される。
【００７８】
断熱体Ｂ１０−２は、実施例１（図２）と同様である。また、断熱体Ａ１０−１は、断熱体Ｂ１０−２と向きが逆である他は断熱材Ｂ１０−２と同様である。従って、その説明を省略する。ただし、断熱体Ａ１０−１は、断熱体Ｂ１０−２と同様に、断熱部１０−１ａ及び断熱部１０−１ｃ、第２断熱部としての断熱部１０−１ｂを備える。断熱体Ａ１０−１では、孔１０−３’ａ〜孔１０−３’ｃを合わせて第２孔１０−３’ともいう。第２孔１０−３’の内面を第２内面、それに対応する燃料電池セル管３の外面を第２外面という。
また、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４に示すような配置に限定されるものではない。
【００７９】
その他の構成は、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００８０】
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は、実施例１（図２）と同様であるので、その説明を省略する。
また、管板Ｂ１５の詳細については、実施例１（図５）と同様であるので、その説明を省略する。
【００８１】
次に、図９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９は、図８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Ａ１０−１が制限している。
【００８２】
燃料電池セル２１と発電部２２とを含む燃料電池セル管３は、図２の説明の通りなのでその説明を省略する。断熱体Ａ１０−１、管板Ａ１４、リード膜２３、シール剤２４、第１嵌合リング２６及び充填材２７は、図２の断熱体Ｂ１０−２、管板Ｂ１５、リード膜２３’、シール剤２４’、第２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。
【００８３】
本実施例では、上記図２及び図９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。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。
【００８４】
次に、本発明である燃料電池モジュールの第３の実施の形態の動作に関して、図８、図２、図９を参照して説明する。
【００８５】
燃料ガス１について説明する。
図８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、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（第１嵌合部８−２）から、ばらつきの無い流量で流入する。
燃料ガス１は、第１嵌合部８−２付近から断熱体Ａ１０−１付近で、燃料電池セル管３の基体管を介して、燃料電池セル管３の外面に沿って流れる高温の酸化剤ガス２と熱交換を行う。そして、温度を上げて行き、断熱体Ａ１０−１付近に達する（例えば、６００℃程度）。そして、そこから発電部２２に達するまでに更に昇温される。
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の外面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、断熱体Ｂ１０−２付近に達する。
燃料ガス１は、断熱体Ｂ１０−２付近から第２嵌合部９−２付近で、燃料電池セル管３の基体管を介して、燃料電池セル管３の外面に沿って流れる低温の酸化剤ガス２と熱交換を行う。そして、温度を下げて行き、燃料電池セル管３の他端部に達する（例えば、６００℃程度）。そして、他端部から排出室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。
【００８６】
次に、酸化剤ガス２について説明する。
図８において、予熱された（例えば５５０℃）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酸化剤ガス分配部７−３を、管板Ｂ１５に沿って移動する。
排出室９側の複数の燃料電池セル管３のいずれかに達した酸化剤ガス２は、第２嵌合部９−２近傍において、断熱体Ｂ１０−２の（第１）内面と燃料電池セル管３の（第１）外面との間の第１孔１０−３に入る。その際、断熱部１０−２ｂにより流入量が制限され、断熱部１０−２ｂの酸化剤ガス２の流入側と流出側とで圧力差（圧損）が生じる。そのため、酸化剤ガス供給口７−１の近傍の第１孔１０−３に酸化剤ガス２が偏って多く流入することが無く、全ての第１孔１０−３に実質的に均等に流入する。
酸化剤ガス２は、第２嵌合部９−２付近から断熱体Ｂ１０−２付近で、燃料電池セル管３の基体管を介して、燃料電池セル管３の内面に沿って流れる高温の燃料ガス１と熱交換を行う。そして、温度を上げて行き、断熱体Ｂ１０−２付近に達する（例えば、８５０℃）。そして、そこから発電部２２に達するまでに更に昇温される。
発電部２２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、断熱体Ａ１０−１付近に達する。
酸化剤ガス２は、断熱体Ａ１０−１の（第２）内面と燃料電池セル管３の（第２）外面との間の第２孔１０−３’に入る。その際、断熱部１０−１ｂにより流入量が制限され、断熱部１０−１ｂの酸化剤ガス２の流入側と流出側とで圧力差（圧損）が生じる。そのため、酸化剤ガス２は、全ての第２孔１０−３’に実質的に均等に流入する。
酸化剤ガス２は、断熱体Ａ１０−１付近から第１嵌合部８−２付近で、燃料電池セル管３の基体管を介して、燃料電池セル管３の内面に沿って流れる低温の燃料ガス１と熱交換を行う。そして、温度を下げて行き、第１嵌合部８−２付近の酸化剤ガス収集部７−４に達する（例えば、６００℃程度）。
その後、酸化剤ガス２は、断熱体Ａ１０−１と管板Ａ１４とで形成された空間（酸化剤ガス収集部７−４）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。
【００８７】
本発明により、実施例１と同様の効果を得ることが出来る。
また、酸化剤ガス２は、酸化剤ガス供給室７において、酸化剤ガス収集部７−４に入るために、断熱体Ａ１０−１の（第２）内面とそれに対応する位置の燃料電池セル管３の（第２）外面との間の第２孔１０−３’に入る際、断熱部１０−１ｂにより流入量が制限される。従って、酸化剤ガス２が酸化剤ガス排出口７−１の近傍の第２孔１０−３’に偏って多く流入することが無くなる。そして、全ての第２孔１０−３’に実質的に均等に流入させることが可能となる。
【００８８】
そして、図９において示す酸化剤ガス収集部７−４の幅（図９中“Ｂ”）の大きさを小さくすることが出来る。それにより、発電部２２以外の燃料電池セル管３の部分を短くすることが出来、燃料電池セル管３コストの低減、燃料電池モジュール３３のコンパクト化が可能となる。
【００８９】
図９において示す断熱部Ａ１０−１の厚み（図９中“Ａ”）の大きさにおける、圧損を生じさせて酸化剤ガス２を均等に分配するために要した厚み（＝Ａ−断熱に必要な厚み）を断熱部１０−１ｂの厚みまで小さくすることが出来る。それにより、発電部２２以外の燃料電池セル管３の部分を短くすることが出来、燃料電池セル管３コストの低減、燃料電池モジュール３３のコンパクト化が可能となる。
【００９０】
更に、本発明による断熱部１０−１ｂが圧損を生じさせ酸化剤ガス２を均等に分配させるので、図９において示す断熱体Ａ１０−１と燃料電池セル管３との隙間（図９中“ΔＲ”）を小さくして圧損を生じさせて酸化剤ガス２を均等に分配する必要が無くなる。そのため、ΔＲを大きくとることができ、断熱部１０−１ｃや断熱部１０−１ａと燃料電池セル管３が接触することによる燃料電池セル管３の損傷を防止することが可能となる。
【００９１】
燃料電池セル管３の中心軸と第２孔１０−３’の中心軸とは、酸化剤ガス２の均等な分配のためには、同軸をなすことが好ましい。しかし、本発明による断熱部１０−１ｂが圧損を生じさせ酸化剤ガス２を均等に分配させるので、軸のずれの許容範囲を広く取ることができる。すなわち、製造上の歩留まりが向上し、製造コストが低減する。
【００９２】
断熱体Ａ１０−１は、断熱部１０−１ａが薄く工作が容易であり、且つ、断熱部１０−１ｂ及び断熱部１０−１ｃが柔軟性のある素材で加工が容易である。従って、加工精度を向上することが出来る他、製造工程にかかる労力やコストを低減することが出来る。
【００９３】
また、酸化剤ガス２は、断熱体Ａ１０−１の（第２）内面と、それに対応する位置の燃料電池セル管３の（第２）外面との間の第２孔１０−３’を経由して酸化剤ガス収集部７−４へ流入する際、断熱部１０−１ｂにより流入量が制限される。従って、酸化剤ガス２が特定の第２孔１０−３’に偏って流れて酸化剤ガス収集部７−４へ流入することが無くなる。そして、全ての第２孔１０−３’に実質的に均等に流入させることが可能となる。
【００９４】
酸化剤ガス２の複数の第１孔１０−３及び複数の第２孔１０−３’への均等分配が可能となるので、酸化剤ガス分配部７−３及び酸化剤ガス収集部７−４におけるガスの温度分布を均等とすることが出来る。従って、管板Ｂ１５及び管板Ａ１４の温度分布を概ね均一にすることができ、酸化剤ガス分配部７−３の全体及び酸化剤ガス収集部７−４の全体において、それぞれの温度を概ね均一にすることが出来る。
【００９５】
なお、実施例２における図６及び図７で説明した環状断熱体３５についても、実施例３の図８のような構成で実施可能である。その場合、第１嵌合部８−２においては、図１０に示すように成る。
図１０は、図８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Ａ１０−１が制限している。
【００９６】
燃料電池セル２１と発電部２２とを含む燃料電池セル管３は、図６の説明の通りなのでその説明を省略する。断熱体Ａ１０−１、管板Ａ１４、リード膜２３、シール剤２４、第１嵌合リング２６及び充填材２７は、図６の断熱体Ｂ１０−２、管板Ｂ１５、リード膜２３’、シール剤２４’、第２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。
なお、断熱部１０−１ａ〜断熱部１０−１ｃを合わせた断熱体Ａ１０−１を第２断熱体ともいう。また、環状断熱体３５−１を第４断熱体ともいう。
【００９７】
この場合にも、実施例２と同様な効果を得ることが出来る。
【００９８】
なお、図１及び図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８、図１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／電解質膜／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。
【００９９】
本発明においては、図８及び図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８及び図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。
【０１００】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池モジュールにおいて燃料電池セル用のガスを供給する室から、その室に接続された燃料電池セルを有する複数の燃料電池セル管へ、ガスを等しく分配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２嵌合部及びその周辺の拡大図である。
【図３】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４】断熱体の構成を示す斜視図である。
【図５】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。
【図６】燃料電池セル管の１本分の他の第２嵌合部及びその周辺の拡大図である。
【図７】環状断熱体を示す斜視図である。
【図８】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９】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１０】燃料電池セル管の１本分の他の第１嵌合部及びその周辺の拡大図である。
【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
７−３    酸化材ガス分配部
７−４    酸化材ガス収集部
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
１０−１ａ    断熱部
１０−１ｂ    断熱部
１０−１ｃ    断熱部
１０−２    断熱体Ｂ
１０−２ａ    断熱部
１０−２ｂ    断熱部
１０−２ｃ    断熱部
１０−３    第１孔
１０−３’    第２孔
１０−３（’）ａ    孔
１０−３（’）ｂ    孔
１０−３（’）ｃ    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
３５−１〜２    環状断熱体
【図１】
0003649708.tif 000002
【図２】
0003649708.tif 000003
【図３】
0003649708.tif 000004
【図４】
0003649708.tif 000005
【図５】
0003649708.tif 000006
【図６】
0003649708.tif 000007
【図７】
0003649708.tif 000008
【図８】
0003649708.tif 000009
【図９】
0003649708.tif 000010
【図１０】
0003649708.tif 000011