(57)【要約】【課題】  シール性能を向上させ、且つ、シール構造を強化すること。【解決手段】  セラミックスと金属との結合体は、セラミック管１と、金属板２と、セラミック管（１）と記金属板２とを結合するシール構造３とを具備している。シール構造３は、セラミック管１と金属板２との間に介設されるシール層５と、シール層５と金属板２との間に介設される第１リング４と、金属板２の一部分であり第１リング４と金属板２との間に介設される第２リング１１とを備えている。シール層５はセラミック管１及び第１リング４に対して接着性がある。第２リング１１はセラミック管１の中心線Ｌ方向に滑らかに曲がる曲面７を有している。曲面７は第１リング４に対して圧力的に面接触又は線接触している。曲面７は、金属板２を曲げて形成されたものである。【選択図】          図１
2006196315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック管と、
金属板と、
前記セラミック管と前記金属板とを結合するシール構造と
を具備し、
前記シール構造は、
前記セラミック管と前記金属板との間に介設されるシール層と、
前記シール層と前記金属板との間に介設される第１リングと、
前記金属板の一部分であり、前記第１リングと前記金属板との間に介設される第２リン
グとを備え、
前記シール層は前記セラミック管及び前記第１リングに対して接着性があり、
前記第２リングは前記セラミック管の中心線方向に滑らかに曲がる曲面を有し、
前記曲面は前記第１リングに対して圧力的に面接触又は線接触し、
前記曲面は、前記金属板を曲げて形成されたものである
セラミックスと金属との結合体。
【請求項２】
請求項１に記載のセラミックスと金属との結合体において、
前記曲面は前記中心線に対して略線対称に形成されている
セラミックスと金属との結合体。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれか一項に記載のセラミックスと金属との結合体において、
前記曲面は前記中心線に向かって凸な曲面である
セラミックスと金属との結合体。
【請求項４】
請求項1乃至３のいずれか一項に記載のセラミックスと金属との結合体において、
前記第１リングは金属製の円筒である
セラミックスと金属との結合体。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセラミックスと金属との結合体において、
前記セラミック管は内部に燃料電池用の燃料ガス又は酸化剤ガスが通される
セラミックスと金属との結合体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセラミックスと金属との結合体において、
前記セラミック管は、表面に燃料電池セルを形成された管としての燃料電池セル管である
セラミックスと金属との結合体。
【請求項７】
複数の燃料電池セル管と、
前記複数の燃料電池セル管内へ燃料電池用ガスとしての燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給室と、
前記複数の燃料電池セル管内を通過した前記燃料電池用ガスを受け取るガス受取室と
を具備し、
前記複数の燃料電池セル管の各々の一端部が前記ガス供給室の一側面としての第１金属板に結合され、請求項６に記載の前記セラミックスと金属との結合体を形成し、
前記複数の燃料電池セル管の他端部が前記ガス受取室の一側面としての第２金属板に結合され、請求項６に記載の前記セラミックスと金属との結合体を形成する
燃料電池モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池モジュールにおいて、
前記複数の燃料電池セル管と前記第１金属板及び前記第２金属板との結合部は、前記第１金属板及び前記第２金属板において千鳥格子状、蜂の巣状及び正方格子状のいずれかの場所に設けられる
燃料電池モジュール。
【請求項９】
（ａ）金属板に第１直径を有する第１穴を開けるステップと、
（ｂ）前記第１穴を、前記第１穴の中心線方向に滑らかに曲がる曲面を有する第２穴に成形するステップと、
（ｃ）前記第２穴にリングを圧入するステップと、
（ｄ）前記リングにセラミック管を挿入して前記リングに対して前記セラミック管を固着するステップと
を具備する
セラミックスと金属の結合方法。
【請求項１０】
（ａ）金属板に第１直径を有する第１穴を開けるステップと、
（ｂ）前記第１穴を、前記第１穴の中心線方向に滑らかに曲がる曲面を有する第２穴に成形するステップと、
（ｃ）リングにセラミック管を挿入して前記リングに対して前記セラミック管を固着するステップと、
（ｄ）前記第２穴に前記リングを圧入するステップと
を具備する
セラミックスと金属の結合方法。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載のセラミックスと金属との結合方法において、
前記セラミック管は、表面に燃料電池セルを形成された管としての燃料電池セル管である
セラミックスと金属の結合方法。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のセラミックスと金属との結合方法において、
前記曲面は前記中心線に対して略線対称に形成される
セラミックスと金属との結合方法。
【請求項１３】
請求項９乃至１２のいずれか一項に記載のセラミックスと金属との結合方法において、
前記曲面は前記中心線に向かって凸な曲面に形成される
セラミックスと金属との結合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックスと金属との結合体、及び燃料電池モジュールに関し、特に、筒型構造を有するセラミックスと金属との結合体、及び燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の効率を向上させる研究が行われている。例えば、燃料電池モジュールの小型化や単位体積当たりの出力密度を増加させるための研究が行われている。燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを含むセラミックス製の燃料電池セル管と金属板との結合体で形成されている。金属とセラミックスの接合的結合は困難である。特に、それらの間のシール性能を保証する結合が困難である。その結合体は、図１６に示されるように、燃料電池セル管を保持する金属製の管板である円板１０１と、その円板１０１を管軸方向に貫通して装着される多数の燃料電池セル管１０２とから構成されている。円板１０１と燃料電池セル管１０２の間にシール構造が介設される。シール構造１０３は、シール性能と接合強度との両面で十分に満足的であることが重要である。シール構造１０３は、円板１０１と燃料電池セル管１０２との間に介設されるシールリング１０４を構成している。シールリング１０４と燃料電池セル管１０２との間には、接着性接合材１０５が用いられている。円板１０１とシールリング１０４とは、第１接合面１０６と第２接合面１０７とで接合している。
【０００３】
円板１０１とセラミック管１０２とは数百度以上に高温化する。多数の燃料電池セル管１０２の伸び方向は整合していないので、不整合力を円板１０１に与えることが考えられる。その場合、円板１０１の上下で使用するガスが異なると、円板１０１の上下間で、使用ガスの漏洩が生じることが考えられる。使用ガスは、第１接合面１０６と第２接合面１０７を介して透過して漏洩し、更に、接着性接合材１０５を透過して漏洩する。高温に起因する熱変形は、第１接合面１０６と第２接合面１０７の密着性能の劣化を招くことも考えられる。接着性接合材１０５として、強度向上のために無機系接着材が使用されている。無機系接着材で形成される無機系接着材層は、ポーラス状に形成される場合がある。そのとき、使用ガスに対して透過性が強くなる。
【０００４】
シール性能の向上が求められる。更に、シール構造の強化が求められる。シール構造の耐久性や長寿命化が望まれる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３０８８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池セル管と金属との接合箇所における燃料電池の効率の低下要因を低減することが可能なセラミックスと金属との結合体及び燃料電池モジュールを提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、燃料電池セル管と金属との接合箇所におけるシール性能を向上させることができるセラミックスと金属との結合体及び燃料電池モジュールを提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、燃料電池セル管と金属との接合箇所におけるシール構造を強化することができるセラミックスと金属との結合体及び燃料電池モジュールを提供することにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、燃料電池セル管と金属との接合箇所におけるシール構造の耐久性及び寿命を向上することができるセラミックスと金属との結合体及び燃料電池モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以下に、発明を実施するための最良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を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付き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】
上記課題を解決するために本発明のセラミックスと金属との結合体は、セラミック管（１）と、金属板（２）と、セラミック管（１）と金属板（２）とを結合するシール構造（３）とを具備している。シール構造（３）は、セラミック管（１）と金属板（２）との間に介設されるシール層（５）と、シール層（５）と金属板（２）との間に介設される第１リング（４）と、金属板（２）の一部分であり第１リング（４）と金属板（２）との間に介設される第２リング（１１）とを備えている。シール層（５）はセラミック管（１）及び第１リング（４）に対して接着性がある。第２リング（１１）はセラミック管（１）の中心線（Ｌ）方向に滑らかに曲がる曲面（７）を有している。曲面（７）は第１リング（４）に対して圧力的に面接触又は線接触している。曲面（７）は、金属板（２）を曲げて形成されている。
第２リング（１１） は、圧入的に第１リング（４）に対して接合している。このような接合する第２リング（１１）は、弾力的に形成されている。第１リング（４）と第２リング（１１）との接合は、その密着性がよい。そして、複数のセラミック管と金属板の複合体は、温度変化により金属板の面に平行な方向に応力を受けやすいが、本発明によるセラミックと金属の結合体のシール構造はそのような横方向の応力に特に対抗力が強く、シール構造と強度構造の両方を満足に保証することができる。
【００１２】
上記のセラミックスと金属との結合体において、曲面（７）は中心線（Ｌ）に対して略線対称に形成されている。
【００１３】
上記のセラミックスと金属との結合体において、曲面（７）は中心線（Ｌ）に向かって凸な曲面である。
【００１４】
上記のセラミックスと金属との結合体において、第１リング（４）は金属製の円筒である。
【００１５】
上記のセラミックスと金属との結合体において、セラミック管（１）は内部に燃料電池用の燃料ガス又は酸化剤ガスが通される。
【００１６】
上記のセラミックスと金属との結合体において、セラミック管（１）は、表面に燃料電池セルを形成された管としての燃料電池セル管（３３）である。
【００１７】
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（３３）と、複数の燃料電池セル管（３３）内へ燃料電池用ガスとしての燃料ガス（３１）又は酸化剤ガス（３２）を供給するガス供給室（３８）と、複数の燃料電池セル管（１）内を通過した燃料電池用ガス（３１／３２）を受け取るガス受取室（３９）とを具備している。複数の燃料電池セル管（３３）の各々の一端部がガス供給室（３８）の一側面としての第１金属板（４４）に結合され、上記に記載のそのセラミックスと金属との結合体を形成している。複数の燃料電池セル管（３３）の他端部がガス受取室（３９）の一側面としての第２金属板（４５）に結合され、上記に記載のそのセラミックスと金属との結合体を形成している。
【００１８】
上記の燃料電池モジュールにおいて、複数の燃料電池セル管（３３）と第１金属板（４４）及び第２金属板（４５）との結合部（３８−２／３９−２）は、第１金属板（４４）及び第２金属板（４５）において千鳥格子状、蜂の巣状及び正方格子状のいずれかの場所に設けられる。
【００１９】
上記課題を解決するために本発明のセラミックスと金属の結合方法は、（ａ）金属板（２）に第１直径（ｄ０）を有する第１穴（５１）を開けるステップと、（ｂ）第１穴（５１）を、第１穴（５１）の中心線（Ｌ）方向に滑らかに曲がる曲面（７）を有する第２穴（５２）に成形するステップと、（ｃ）第２穴（５２）にリング（４）を圧入するステップと、（ｄ）リング（４）にセラミック管（１）を挿入してリング（４）に対してセラミック管（１）を固着するステップとを具備する。
【００２０】
本発明のセラミックスと金属の結合方法は、（ａ）金属板（２）に第１直径（ｄ０）を有する第１穴（５１）を開けるステップと、（ｂ）第１穴（５１）を、第１穴（５１）の中心線（Ｌ）方向に滑らかに曲がる曲面（７）を有する第２穴（５２）に成形するステップと、（ｃ）リング（４）にセラミック管（１）を挿入してリング（４）に対してセラミック管（１）を固着するステップと、（ｄ）第２穴（５２）にリング（４）を圧入するステップとを具備する。
【００２１】
上記のセラミックスと金属との結合方法において、セラミック管（１）は、表面に燃料電池セルを形成された管としての燃料電池セル管（１／３３）である。
【００２２】
上記のセラミックスと金属との結合方法において、曲面（７）は中心線（Ｌ）に対して略線対称に形成されている。
【００２３】
上記のセラミックスと金属との結合方法において、曲面（７）は中心線（Ｌ）に向かって凸な曲面に形成される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、燃料電池セル管と金属との接合部におけるシール性能を向上し、シール強度を強化することができる。そして、燃料電池の効率の低下要因を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明のセラミック管と金属との結合体の実施の形態を説明する。図１は、本発明のセラミック管と金属との結合体の実施の形態の構成を示す断面図である。その結合体は、セラミック管としての燃料電池セル管１と金属板としての管板２とシール構造３とを具備する。燃料電池セル管１は、複数の燃料電池セルを含み、セラミックス製の管である。管板２は、燃料電池セル管１を保持する金属製の板である。シール構造３は、燃料電池セル管１と管板２とを結合している。
【００２６】
燃料電池セル管１は、図１に示されるように、管板２に軸方向に貫通している。図示される燃料電池セル管１は、内部に燃料電池セル用のガス（例示：水素のような燃料ガス、酸素のような酸化剤ガス）を通す。複数の燃料電池セル管１は、短ピッチで集合し、それぞれに管板２を貫通している。管板２は、その強度が十分である強度範囲で、薄く形成されている。例えば、所定の厚みの金属（例示：耐熱合金鋼、ステンレス鋼）で形成されている。
【００２７】
そのシール構造３は、シール層５と第１リング４と第２リング１１とから形成されている。シール層５は、燃料電池セル管１の外周面６と第１リング４の内周面との間に介設されている。第１リング４は、シール層５の外周面９と管板２の曲面７との間に介設されている。第２リング１１は、管板２の一部であり、管板２において燃料電池セル管１の中心線心線（中心線）Ｌに直交する平面を形成する平板面部位８と第１リング４との間に介設されている。燃料電池セル管１とシール層５と第１リング４と第２リング１１とは、中心線Ｌに対して同心的に配置されて、互いに密着的に接合している。第１リング４は、円筒形状を有し、金属（例示：耐熱合金鋼、ステンレス鋼）で形成されている。シール層５は、接着剤で形成されている。
【００２８】
シール層５は、無機系接着剤やガラス系接着剤、樹脂系接着剤を用いることが出来る。これら単独の場合だけでなく、シール層５の接着強度やシール性能、電気的な絶縁性を考慮して、適切な組み合わせで用いることも可能である。例えば、無機系接着剤は接着強度を保証し、樹脂系接着剤とガラス系接着剤はシール性を保証するように、中心線Ｌに対して積層でシール層５を形成することも出来る。
【００２９】
ガスに対するシール性能を向上させるためには、正確な寸法精度が要求される。一方、燃料電池セル管１のようなセラミック管は、金属管と比較して、正確な寸法制御を行うことが容易で無い。
本発明によるセラミックスと金属との結合体を用いることで、燃料電池セル管１の形が多少歪んでいても、また、燃料電池セル管１の中心線と第１リング４や第２リング１１の中心線とが多少ずれていても、シール層５によりそれら歪みやずれを吸収することができる。これにより、これは、燃料電池セル管１を製造する際に、その形状に関する製造歩留まりを向上させることができる。加えて、燃料電池モジュールを製造する際に、燃料電池セル管１の中心線と第１リング４等の中心線とを厳密に合わせる必要が無くなり、作業を効率化することができ、燃料電池モジュールの製造歩留まりを向上することができる。
【００３０】
図２は、シール構造における第２リング１１と第１リング４との関係を示す断面図である。第２リング１１の曲面７は、管板２が部分的に絞られる絞り抜き成形により形成されている。曲面７を構造化する弾性的絞り構造は、中心線Ｌに対して線対称であり、有効曲率半径を有して曲がる曲がり構造を有している。その曲がり構造は、中心線Ｌを中心線とする近似円錐の側面としての曲面９、又は、中心線Ｌに向かって凸になるように中心線Ｌに垂直な方向から中心線Ｌの方向に滑らかに曲がる曲面９を有している。その曲面９のうち中心線Ｌに最も近い面は、第１リング４の外周面１２に接する円筒面となるように形成されている。
【００３１】
曲面７が形成された状態で、曲面７の最小内径はｄに形成されている。第１リング４の最大外径（外径は一定）はＤに形成されている。曲面７の最小内径ｄは、第１リング４の最大外径Ｄより僅かに小さい：
Δｄ＝Ｄ−ｄ＞０
第１リング４は、同軸的に管板２の曲面９に圧力により押し込まれる。第１リング４が曲面９に圧力で押し込まれる際に、曲面９の最小内径は第１リング４の最大外径Ｄまで線対称に拡大する。
【００３２】
線対称である曲面９は、同軸的に線対称である外周面１２に面接合し、高温化する管形成板２と外周面１２の膨張収縮に対応して常態的にそれらの線対称性を失わずに、その密着的接合関係を維持する。
【００３３】
次に、本発明のセラミックスと金属の結合方法について図３及び図４を用いて説明する。
図３は、本発明の第２リング１１の加工法の一例を示す図である。
（１）図３（ａ）において、管板２（金属板）の第２リング１１を加工しようとする個所に、直径ｄ０の円形の穴５２を設ける。このとき、想定される第２リング１１の中心と穴５２の中心とを一致させておく。
【００３４】
（２）図３（ａ）の管板２を作業部材２０上に載せる。続いて、管板２の上に作業部材２１を載せる。管板２は、両作業部材により固定される。
ことのき、作業部材２０には、直径ｒ０の作業用穴が貫通している。作業用穴の中心と穴５１の中心とは一致させておく。作業用穴の管板２側は、さらに直径Ｄ０（＞ｒ０）に広がっている。直径Ｄ０は、想定される第２リング１１の直径と概ね等しくする。作業部材２１には、直径Ｄ０よりも大きい直径の穴が貫通している。上記の作業部材２０の穴、作業部材２１の穴、及び、穴５１は、その中心が中心線Ｌで重なる。
そして、穴５１に直径ｄ０よりも大きい直径ｄの球（真球）２２を所定の圧力Ｐで押し付ける。球２２は、例えば、鋼球である。この状態が図３（ｂ）である。
【００３５】
（３）図３（ｂ）の状態において、穴５１に直径ｄの球２２をさらに押し付ける。そして、球２２の穴５１に押し込み、その穴５１を通過するようにする。これにより、管板２２の穴５１近傍において、管板２の穴５１近傍の一部が、作業用穴へ向かって曲がる。そして、中心線Ｌ方向に滑らかに曲がる曲面７を有する２リング１１が形成される。穴５１は、穴５１の直径よりも少し大きい直径（概ね球２２の直径）を有する穴５２となる。この状態が図３（ｃ）である。
【００３６】
穴５２を設ける際、穴５１に押し込む部材として、球２２ではなく円筒状や円錐状の押し込み部材を用いることが考えられる。その場合、それら押し込み部材の中心線と、穴５１の中心を通り管板２に垂直な軸（中心線Ｌ）とを一致させる必要がある。そして、それら押し込み部材を、押し込み部材の中心線を中心線Ｌに重なるようにして移動させる必要がある。そうしないと、第２リング１１は図２において既述したような中心線Ｌに対して線対称の形状にはならない。そのため、第１リング４と第２リング１１との接触が充分でなく、リーク性能が落ちることになる。すなわち、良好な第２リング１１を作製するためには、非常に高精度の部材を用い、それらの部材を非常に厳密な移動させる必要がある。
【００３７】
一方、本願発明では、真球状の球２２を用いているので、軸を一致させる必要が無い。ただし、球２２を、球２２の中心を中心線Ｌに沿うようにして移動させる必要はある。それには、球２２を穴５１に置き、そのまま、管板２に平行な面で、中心線Ｌに沿った力で押すことで、容易に実施することができる。すなわち、円筒状や円錐状の部材に比較して、中心線Ｌに対して線対称で、中心線Ｌの方向に向かって滑らかに曲がる曲面を極めて容易に形成することができる。
【００３８】
（４）図３（ｃ）の状態において、管板２の下側を作業部材２３にする。ここで、作業部材２３は、作業部材２０と同じ直径の作業用穴が開口しているが、貫通していない。図における上側から穴５２へ第１リング４を圧入する。そのとき、穴５２が若干広がり、第４リングを締め付ける。それにより、第１リング４と第２リング１１とが線接触又は面接触で密接する。作業用穴の深さは、穴５２へ第１リング４を圧入したとき、第１リング４が穴５２における適切な位置に停止するように設定されている。この状態が図４（ａ）である。
【００３９】
図４は、本発明の第２リング１１と第１リング４と燃料電池セル管１との結合方法の一例を示す図である。
（５）図４（ａ）の状態において、第１リング４の中に燃料電池セル管１を挿入する。この状態が図４（ｂ）である。
【００４０】
（６）図４（ｂ）の状態において、第１リング４と燃料電池セル管１との間に所定の接着剤を入れ、固めてシール層５を形成する。これにより、第１リング４と燃料電池セル管１とが固着される。のこの状態が図４（ｃ）である。
【００４１】
以上のようにして、セラミックスと金属とが結合される。
【００４２】
また、図４（ａ）と図４（ｂ）及び図４（ｃ）との作業順序が逆になっても成立する。すなわち、まず第１リング４の中に燃料電池セル管１を挿入してシール層５を形成した後、第２リング１１内に第１リング４（燃料電池セル管１を含む）を圧入する。このとき、作業部材２３の作業用穴の深さは、燃料電池セル管１の長さを考慮して図４（ａ）の場合より深くする。
【００４３】
図５は、シール構造における第２リング１１を加工する前後の管板２の詳細を示す断面図である。図３（ｂ）〜図３（ｃ）の状態に対応する。
【００４４】
第２リング１１形成前（図３（ｂ）における球２２を押し付けられる前に対応）では、板厚ｔの管板２は、作業部材２０上に固定されている（作業部材２１は省略）。管板２は、管板２のうちの第２リング１１に加工しようとする加工部１１ａ（破線で表示）を含んでいる。管板２には、直径ｄ０の穴が開口している。中心線Ｌは、その穴の中心を通る。
作業部材２０は、直径Ｘ１の穴を有する。作業部材２０は、管板２の近傍では、テーパを形成するように、その直径が直径Ｘ２まで大きくなっている。直径Ｘ２は、形成される第２リング１１の管板２側の直径Ｄ０と概ね等しい。
【００４５】
第２リング１１形成後（図３（ｃ）における直径ｄの球２２が通過した後に対応）では、管板２の加工部１１ａは、加工により曲げられて曲面部１１ｂと円筒部１１ｃとになっている。曲面部１１ｂは、管板２の方向から中心線Ｌの方向へ曲率半径Ｒで緩やかに曲がる曲面（７）を形成している。管板２側の直径はＤ０であり、管板２にそのまま結合している。円筒部１１ｃ側の直径はｄ（＝球２２の直径）であり、円筒部１１ｃへそのまま結合している。円筒部１１ｃは、曲面部１１ｂの先から中心線Ｌに同軸に伸びる円筒（円環）である。その先端は、中心線Ｌと垂直に交わる管板２の平面から、中心線Ｌに平行な方向における深さｈの位置にある。その中心線Ｌに平行な方向の長さ（円筒の高さ）は、（ｈ−Ｒ）である。円筒部１１ｃの直径は、球２２の直径と同じｄとなる。中心線Ｌは、第２リング１１（曲面部１１ｂと円筒部１１ｃ）の中心を通る。
【００４６】
このとき、図５における各数値の関係は、図形的な関係から以下の式のようになる。
Ｒ＝（Ｄ０−ｄ）／２                  （１）
ｈ＝（ａ−ｂ）＋Ｒ                  （２）
但し、
ａ＝（Ｄ０−ｄ０）／２                  （３）
ｂ＝π（Ｒ−ｔ／２）／２                  （４）
【００４７】
上記関係式は管板２の金属板の伸びを考慮せず、単純に加工部１１ａがその長さのまま曲面部１１ｂ及び円筒部１１ｃになったものとしている。それにもかかわらず、実際に第２リング１１を製造したときの各寸法から、上記関係が±５％で成立していることが確認された。すなわち、図で示す断面（中心線Ｌを含む平面）において、加工部１１ａの長さと、実際の加工後の曲面部１１ｂと円筒部１１ｃとを加えた長さとは概ね等しくなった。ここで、概ね等しいとは、その長さの変化が−５％から＋５％の間にあることをいう。
【００４８】
従来の締り嵌め構造では、面内方向変形のみにより締り力を確保していた為、締付け変形量が小さく、熱応力変形に対する裕度が小さかった。
【００４９】
本発明は、管板２は、曲げ加工を行った後も、図における無加工の管板２−曲面部１１ｂ−円筒部１１ｃに沿う方向において、ほとんど伸びていない。したがって、曲面部１１ｂ及び円筒部１１ｃは、その方向に対して金属板が有する弾性を十分に維持していることが分かる。すなわち、その方向の応力（荷重）に対して、その弾性力により柔軟に対応することができる。
【００５０】
図６は、シール構造における第２リング１１に第１リング４を挿入する前後の管板２の詳細を示す断面図である。図３（ｃ）〜図４（ａ）の状態に対応する。
【００５１】
第１リング４挿入前（図３（ｃ）に対応）では、管板２及び第２リング１１は図中（Ａ）の位置であり、その深さは、図５のようにｈである。このとき、前述のように、加工部１１ａの長さと、実際の加工後の曲面部１１ｂと円筒部１１ｃとを加えた長さとの差は、−５％から＋５％の間にある。
【００５２】
第１リング４挿入後（図４（ａ）に対応）では、管板２及び第２リング１１は図中（Ｂ）の点線の位置となり、その深さはｈ＋αとなり、直径もｄ＋２β（＝２Δｄ：図２）となる。この深さ方向の伸びαと直径方向の伸び２βとにより、第１リング４が弾性的に保持される。そして、シール性能及び支持強度を持たせることが出来る。この場合でも、加工部１１ａの長さと、実際の加工後の曲面部１１ｂと円筒部１１ｃとを加えた長さとの差は、−５％から＋５％の間にある。
【００５３】
図７は、このような第２リング１１を設けた場合の管板２を示す図である。ただし、第１リング４や燃料電池セル管１を省略している。既述のように第２リング１１の曲面部１１ｂ及び円筒部１１ｃは、伸びの量が大きくないので、弾性力を充分に維持している。それにより、管板２に対して、管板２の表面に平行な方向の応力Ｐ０（荷重）がかかった場合でも、矢印Ｐに示すように曲面部１１ｂ付近に応力Ｐが流れ、その部分の弾性力で対応できるので、円筒部１１ｃまでその力が及ばない。したがって、第１リング４と第２リング１１との接触部分への影響が少なくて済む。このことから、本発明のセラミックスと金属との結合体は、応力（荷重）がかかった場合でも、管板２及び第２リング１１における金属の弾性力により、その力に対応することができる。それにより、シール構造を強化することができる。そして、シール構造の耐久性を向上することができ、その寿命を延ばすことが可能となる。
【００５４】
図８はメタル面接触の比較対象試験装置を示し、図９は本発明による弾力的金属接触の実証試験装置を示している。両方の接触には、接着剤は用いられていない。比較対象試験装置では、管板と燃料電池セル管（セラミックス）との間に金属メタルのみが介設されている。実証試験装置では、管板と燃料電池セル管（セラミックス）との間には、管板２の一部である第２リングが、図１における曲面７のような形状となるように介設されている。
【００５５】
両試験装置には、それらの上方空間（Ｅ１、Ｆ１）に水素ガスの入口と出口とがそれぞれに設けられ、それらの下方空間（Ｅ２、Ｆ２）に窒素ガスの入口と出口とがそれぞれに設けられている。図１０は、両試験装置に施す処理を示すグラフである。両試験装置のシール構造部位には、図１０に示されるように、１回又は２回のＨ／Ｃ処理（６００゜Ｃの高温と室温との繰り返し）が実施される。漏れ量の測定（三角形で示されている）は、低温期間に実施される。
【００５６】
図１１は、図８の比較対象試験の結果を示している。その横軸は、上方空間と下方空間の差圧を示している。縦軸は、水素ガスのリーク量を示している。Ｈ／Ｃ処理の前にはリーク量は零に近いが１回のＨ／Ｃ処理の後に、リーク量は急増している。
【００５７】
比較対象試験装置では、Ｈ／Ｃ処理による温度上昇に基づいて、金属筒と燃料電池セル管との膨張率の違いにより中心線のまわりのねじれが発生し、金属メタル接触のシール性が失われたのであろうと強く推定される。
【００５８】
図１２は、図９の本発明の実証試験の結果を示している。その横軸は上方空間と下方空間の差圧を示している。縦軸は、水素ガスのリーク量を示している。縦軸のスケールは図１１と異なる。Ｈ／Ｃ処理前で、本発明のリーク量は、比較試験のＨ／Ｃ処理後のリーク量より激減している。１回目のＨ／Ｃ処理の後のリーク量は、４分の１以下に減少し、２回目のＨ／Ｃ処理の後のリーク量は更に減少している。図１２は、本発明のセラミックスと金属の結合体では、高温に対してそのシール性能が格段に優れていることを示している。
【００５９】
次に、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。
図１３は、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。燃料電池モジュール３０は、複数の燃料電池セル管３３、酸化剤ガス供給室３７、供給室３８、排出室３９、断熱体Ａ４０−１、第１穴４０−３を有する断熱体Ｂ４０−２を備える。供給室３８は、側板４２、側板４３、管板Ａ４４、燃料ガス供給口３８−１及び（複数の）第１嵌合部３８−２を有する。排出室３９は、側板４７、側板４６、管板Ｂ４５、燃料ガス排出口３９−１及び（複数の）第２嵌合部３９−２を有する。酸化剤ガス供給室７は、側板４９と、管板Ａ４４、管板Ｂ４５、酸化剤ガス供給口３７−１及び酸化剤ガス排出口３７−２、酸化剤ガス分配部３７−３を有する。なお、図１３の構成は、集電に関する構成について、省略している。
【００６０】
以下に各構成を詳細に説明する。
燃料電池セル管３３は、その外面上に、発電を行う複数の燃料電池セルを含む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３３は、一端部を供給室３８の管板Ａ４４に、開放されて嵌合されている。同様に、他端部は排出室３９の管板Ｂ４５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。
【００６１】
供給室３８は、複数の各燃料電池セル管３３の各々内へ、燃料ガス３１を供給する。ステンレスや耐熱合金などの金属製である。燃料ガス３１の供給を受けるための燃料ガス供給口３８−１を有する。管板Ａ４４は、供給室３８と酸化剤ガス供給室３７とを隔てている。複数の燃料電池セル管３３の各々の一端部とは、第１嵌合部３８−２で嵌合（接合）している。
【００６２】
排出室３９は、複数の燃料電池セル管３３の各々から使用済みの燃料ガス３１を収容し、外部へ排出する。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３１の排出を行うための燃料ガス排出口３９−１を有する。管板Ｂ４５は、排出室３９と酸化剤ガス供給室３７とを隔てている。複数の燃料電池セル管３３の各々の他端部とは、第２嵌合部３９−２で嵌合（接合）している。
【００６３】
酸化剤ガス供給室３７は、燃料電池セル管３３に酸化剤ガス３２を供給する。供給室３８（の管板Ａ４４）と排出室３９（の管板Ｂ４５）との間にあり、それらと隔離され、燃料電池セル管３３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Ａ４４及び管板Ｂ４５の近傍の内部に、それらと概ね平行に板状の断熱体４０（断熱体Ａ４０−１及び断熱体Ｂ４０−２）を固定している。
そして、酸化剤ガス３２の供給を受けるための酸化剤ガス供給口３７−１、供給された酸化剤ガス３２が流通し各燃料電池セル管３３へ酸化剤ガス３２を分配する酸化剤ガス分配部３７−３（管板Ｂ４５と断熱体Ｂ４０−２とに挟まれた領域）、及び、使用済みの酸化剤ガス３２の排出を行なうための酸化剤ガス排出口３７−２を有する。
【００６４】
供給室３８（燃料供給室）の一側面としての第１管板である管板Ａ４４は、燃料電池セル管３３を接続するための穴が（燃料電池セル管３３の数だけ）開口している。そして、燃料電池セル管３３は、その一端部がガスの出入りが出来るように管板Ａ４４に開放されて接合されている。その接合部分は、本発明のセラミックスと金属との結合体である。
【００６５】
排出室３９（燃料排出室）の一側面としての第２管板である管板Ｂ４５は、燃料電池セル管３３を接続するための穴が（燃料電池セル管３３の数だけ）開口している。そして、燃料電池セル管３３は、その他端部がガスの出入りが出来るように管板Ｂ４５に開放されて接合されている。その接合部分は、本発明のセラミックスと金属との結合体である。
【００６６】
燃料電池セル管３３の第１嵌合部３８−２及び第２嵌合部３９−２は、本発明のセラミックスと金属の結合体であるのでその説明を省略する。
【００６７】
断熱体４０は、管板Ａ４４及び管板Ｂ４５の近傍であって、供給室３８及び排出室３９の外側の酸化剤ガス供給室３７内に固定されている。管板Ａ４４側が、断熱体Ａ４０−１であり、管板Ｂ４５側が、断熱体Ｂ４０−２である。
断熱体Ｂ４０−２は、管板Ｂ１５と断熱体Ｂ４０−２とに挟まれた領域（酸化剤ガス分配部３７−３）において、供給された酸化剤ガス３２の流路を形成し、その流通を制限している。
一方、断熱体Ａ４０−１は、管板Ａ４４と断熱体Ａ４０−１とは、概ね重なっている。
また、断熱体４０は、燃料電池セル管３３の燃料電池セル側からの熱を遮断し、管板Ａ４４及び管板Ｂ４５、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。
【００６８】
断熱体１０について更に説明する。
図１４は、断熱体Ｂ４０−２の構成を示す斜視図である。断熱体Ｂ４０−２は、千鳥格子状に開口した燃料電池セル管３３用の穴４０−３を有する。穴４０−３の直径は、燃料電池セル管３３の直径よりもやや大きい。燃料電池セル管３３と断熱体４０の穴との隙間を酸化剤ガス３２が通過するためである。
【００６９】
図１３を参照して、断熱体Ａ４０−１は、酸化剤ガス３２が管板Ａ４４へ達しないように、酸化剤ガス３２の移動を制限する。断熱体Ａ４０−１は、断熱体Ｂ４０−２と同様に千鳥格子状に開口した燃料電池セル管３３用の穴４０−３’を有する。ただし、穴４０−３’の直径は、燃料電池セル管３３の直径と同等又はやや小さい。燃料電池セル管３３と穴４０−３’との隙間を、酸化剤ガス３２が通過しないように、その隙間を塞ぐためである。
【００７０】
ここで、管板Ａ４４及びＢ４５について更に説明する。
図１５に、管板Ａ４４Ｂ４５の正面図（図１３は、図１５のＣＣ’断面に対応する）を示す。図１５にあるように、管板Ａ４４及びＢ４５は、本発明のセラミックスと金属の結合体用の穴５３が千鳥格子状に開口している。
ただし、本発明の燃料電池モジュールにおけるセラミックスと金属の結合体（燃料電池セル管３３）の配置及びその数が、図１５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。
【００７１】
本発明の燃料電池モジュールは、本発明のセラミックスと金属の結合体を用いているので、燃料電池セル管と金属との接合箇所におけるシール性能の向上と、シール構造の強化とを実現することが出来る。それにより、燃料電池セル管と金属との接合箇所で発生する燃料電池の効率の低下要因を低減することが可能となる。そして、燃料電池モジュールにおけるシール構造の耐久性及び寿命を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】図１は、本発明のセラミック管と金属との結合体の実施の形態の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、シール構造における第２リングと第１リングとの関係を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２リングの曲面拡穴加工法の一例を示す図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２リングと第１リングと燃料電池セル管との結合方法の一例を示す図である。
【図５】図５は、シール構造における第２リングを加工する前後の管板の詳細を示す断面図である。
【図６】図６は、シール構造における第２リングに第１リングを挿入する前後の管板の詳細を示す断面図である。
【図７】図７は、このような第２リングを設けた場合の管板を示す図である。
【図８】図８は、メタル面接触の比較対象試験装置を示す図である。
【図９】図９は、本発明による弾力的金属接触の実証試験装置を示す図である。
【図１０】図１０は、両試験装置に施す処理を示すグラフである。
【図１１】図１１は、比較対象試験結果を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明による実証試験結果を示すグラフである。
【図１３】図１３は、本発明の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１４】図１４は、断熱体の構成を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、本発明の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１６】図１６は、改良対象のセラミックと金属の結合体の実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１    燃料電池セル管
２    管板
３    シール構造
４    第１リング
５    シール層
７、９、    曲面
８    平板面部位
１１    第２リング
１１ａ    加工部
１１ｂ    曲面部
１１ｃ    円筒部
１２    外周部
２０、２２、２３    作業部材
２１    球
３１    燃料ガス
３２    酸化剤ガス
３３    燃料電池セル管
３７    酸化剤ガス供給室
３７−１    酸化剤ガス供給口
３７−２    酸化剤ガス排出口
３７−３    酸化材ガス分配部
３７−４    酸化材ガス収集部
３８    供給室
３８−１    燃料ガス供給口
３８−２    第１嵌合部
３９    排出室
３９−１    燃料ガス排出口
３９−２    第２嵌合部
４０    断熱体
４０−１    断熱体Ａ
４０−２    断熱体Ｂ
４０−３    第１穴
４０−３’    第２穴
４２    側板
４３    側板
４４    管板Ａ
４５    管板Ｂ
４６    側板
４７    側板
５１、５２、５３    穴
【図１】
2006196315.tif 000003
【図２】
2006196315.tif 000004
【図３】
2006196315.tif 000005
【図４】
2006196315.tif 000006
【図５】
2006196315.tif 000007
【図６】
2006196315.tif 000008
【図７】
2006196315.tif 000009
【図８】
2006196315.tif 000010
【図９】
2006196315.tif 000011
【図１０】
2006196315.tif 000012
【図１１】
2006196315.tif 000013
【図１２】
2006196315.tif 000014
【図１３】
2006196315.tif 000015
【図１４】
2006196315.tif 000016
【図１５】
2006196315.tif 000017
【図１６】
2006196315.tif 000018