(57)【要約】【課題】搬送時などに収容機器内の燃料電池モジュールの位置ずれなどによって燃料電池モジュールが破損するおそれがあった。【解決手段】  燃料ガスと酸素含有ガスとにより発電を行う柱状の燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックと、セルスタックの下方に配置され、各燃料電池セルの下端が接続され、前記各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、マニホールドが載置されている断熱材と、断熱材の表面に配設され、断熱材を保持する保持具と、を備え、保持具と前記マニホールドとが連結されていることによって、搬送時の振動などによる燃料電池モジュールの位置ずれを抑制し、燃料電池モジュールの破損を防ぐことができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとにより発電を行う柱状の燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックと、
該セルスタックの下方に配置され、前記各燃料電池セルの下端が接続され、前記各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、
該マニホールドが載置されている断熱材と、
該断熱材の表面に配設され、前記断熱材を保持する保持具と、を備え、
該保持具と前記マニホールドとが連結されていることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記保持具と前記マニホールドとを連結する連結部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記連結部材は、前記保持具とねじによって連結されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記マニホールドの外縁部と前記連結部材との間に空間があることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記保持具は、前記断熱材の外周にわたって設けられるとともに、切欠きまたは肉抜き穴を有する請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
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と、該燃料電池モジュールを作動させるための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収納する外装ケースとを備えることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、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収納容器内に収納した燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５８５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料電池モジュールは、収納容器（以下、筐体という）の内部にセルスタック装置が断熱材に囲われるように収納されている。しかしながら、搬送時の振動などによりセルスタック装置が位置ずれを起こすと、その衝撃によって筐体内のセルスタック装置が破損し、燃料電池モジュールが損傷するおそれがあった。
【０００５】
本開示の目的は、燃料電池モジュールの筐体内でのセルスタック装置の位置ずれを効果的に抑制し、破損や損傷の抑制された信頼性の高い燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸素含有ガスとにより発電を行う柱状の燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックと、セルスタックの下方に配置され、各燃料電池セルの下端が接続され、各燃料電池セルに燃料ガスを供給するマニホールドと、マニホールドが載置されている断熱材と、断熱材の表面に配設され、断熱材を保持する保持具と、を備え、保持具とマニホールドとが連結されていることを特徴とするものである。
【０００７】
本開示の燃料電池装置は、上述の燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを作動させるための補機と、前記燃料電池モジュールおよび前記補機を収納する外装ケースとを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の燃料電池モジュールによれば、燃料電池モジュールの筐体内でのセルスタック装置の位置ずれを抑制することができるので、搬送時などに筐体内のセルスタック装置が破損することを抑制でき、燃料電池モジュールが損傷することを抑制することができる。それゆえ、信頼性の高い燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す断面図である。
【図２】本実施形態の燃料電池モジュールのセルスタック装置および保持具の一例を示す斜視図である。
【図３】本実施形態の燃料電池モジュールのセルスタック装置および保持具の他の一例を示す斜視図である。
【図４】本実施形態の燃料電池モジュールのセルスタック装置および保持具の他の一例を示す拡大断面図である。
【図５】本実施形態の燃料電池装置の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本実施形態の燃料電池モジュールは、筐体内部の収納室内に、燃料ガスと酸素含有ガスとで発電を行なう複数の燃料電池セルが、互いに電気的に接続されてなるセルスタックを収納して構成されている。
【００１１】
以下、図１および図２を用いて本実施形態の一例の燃料電池モジュールについて説明する。図１は、本実施形態の一例を示す燃料電池モジュールの断面図であり、図２は、セルスタック装置および保持具の斜視図である。
【００１２】
本実施形態の燃料電池モジュール１は、筐体２０内にセルスタック装置１０を収納して構成されている。セルスタック装置１０は、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路を有する中空平板型の柱状の燃料電池セル１１を立設させた状態で一列に複数配列したセルスタック１３を有する。なお、配列方向に隣接する燃料電池セル１１間が導電部材を介して電気的に直列に接続されている。各燃料電池セル１１の下端は、絶縁性接着材でマニホールド１２に固定されている。
【００１３】
マニホールド１２は、セルスタック１３を構成する各燃料電池セル１１が立設される部分である。マニホールド１２は、マニホールド１２の底面を構成する、金属材料で形成された板状体１２ａと、板状体１２ａ上に配置され、燃料電池セル１１の下端部を固定する、金属材料で形成された枠状体１２ｂとを有している。板状体１２ａは、枠状体１２ｂから張り出して設けられている。
【００１４】
セルスタック１３における燃料電池セル１１の配列方向の両端部には、燃料電池セル１１で発電された電流を外部に流出するための電流引出部１９を有する端部導電部材１８が配置されている。なお、燃料電池セル１１としては、柱状のものであればよく、例えば円筒型や横縞型にも適用できる。
【００１５】
セルスタック１３の上方には、原燃料供給管を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１４が配置されている。改質器１４で生成された燃料ガスは、マニホールド１２に流入し、燃料電池セル１１の下端から各燃料電池セル内部に供給される。マニホールド１２とセルスタック１３とでセルスタック装置１０が構成されている。なお、改質器１４をセルスタック装置１０に含んでいてもよい。
【００１６】
図２に示すように、改質器１４は、改質効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部１４ａと、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒が配置された改質部１４ｂとを備えている。
【００１７】
筐体２０は、一面が開口した箱体２１と、箱体２１の開口を塞ぐ蓋体２９とからなる。本実施形態では、箱体２１は直方体形状であって、箱体２１の開口に隣接する４つの面のうちの一面である天板２２と平行に、流路天板２３が設けられており、天板２２と流路天板２３の間の空間が外部から導入された空気が流通する空気流路２４となっている。筐体２０の一部である流路天板２３は、箱体２１に溶接されて固定されている。
【００１８】
セルスタック装置１０の長手方向側面を覆うように酸素含有ガス導入板３１が配置されている。酸素含有ガス導入板３１は、流路天板２３の上面と当接する鍔部３１ａを備えており、流路天板２３と接合されている。酸素含有ガス導入板３１は、内部が中空であって、酸素含有ガス導入路３１ｃを備えている。鍔部３１ａの中央には、セルスタック１３の配列方向に延びた酸素含有ガス導入口３１ｂが設けられている。酸素含有ガス導入板３１の下部であって、セルスタック装置１０に臨む面に、セルスタック１３の配列方向に複数の酸素含有ガス流出口３１ｄが設けられている。空気流路２４と酸素含有ガス導入路３１ｃとは酸素含有ガス導入口３１ｂを介して連通している。
【００１９】
筐体２０の蓋体２９には、セルスタック装置１０に筐体２０外からの空気を導入する酸素含有ガス流路２７と、セルスタック装置１０からの排ガスを筐体２０外に排出する排ガス流路２８とが隣接して設けられている。酸素含有ガスは吸気口２７ａから導入され、図１に示した実線矢印に沿って上向き流路２７ｂを通過する。上向き流路２７ｂの両側には下向き排ガス流路２８ａおよび上向き排ガス流路２８ｂが設けられており、これらの排ガス流路に高温の排ガスが流れることで、上向き流路２７ｂを通過する酸素含有ガスを加熱する。上向き流路２７ｂを通過した酸素含有ガスは、天板２２と流路天板２３との間の空気流路２４を通過し、酸素含有ガス導入口３１ｂから酸素含有ガス導入路３１ｃに流入し、酸素含有ガス流出口３１ｄからセルスタック１３の下部付近に流入する。
【００２０】
改質器１４に原燃料と水とが供給されると水素を含む燃料ガスが生成される。燃料ガスは、マニホールド１２に供給されてセルスタック装置１０の各燃料電池セル１１の内部を通過し、さらに、酸素含有ガスが燃料電池セル１１の外側を通過することによって発電が行われる。発電に使用されなかった燃料ガスは、酸素含有ガスと合流してセルスタック１３の上部で燃焼し、改質器１４を加熱する。セルスタック装置１０から排出される排ガスは、筐体２０の流路天板２３に沿って設けられた排ガス流路２６を通って、図１に示した点線矢印に沿って下向き排ガス流路２８ａおよび上向き排ガス流路２８ｂを順に通過し、排気口２８ｃから排出される。
【００２１】
セルスタック装置１０は、箱体２１内に配置された、流路天板２３、酸素含有ガス導入板３１、断熱材４２および断熱材４３に囲まれた空間である収納室２５に配置されている。すなわち、セルスタック装置１０の上方には、流路天板２３が配置され、セルスタック装置１０の側方に断熱材４２、および酸素含有ガス導入板３１が配置され、セルスタック装置１０の下方には断熱材４３が配置されている。さらに、酸素含有ガス導入板３１のセルスタック装置１０とは反対側の側方に断熱材４１が設けられている。このように、収納室２５の周りに断熱材４１、４２および４３を配置することによって、収納室２５を高温に保つことができるので、発電効率の高い燃料電池モジュールを実現することができる。
【００２２】
直方体状の断熱材４３の上面４３ａにセルスタック装置１０が載置されている。断熱材４３の側面には、断熱材４３を保持する保持具５０が配設されている。保持具５０は、たとえば、金属材料によって形成されている。保持具５０は、断熱材４３の４つの側面を囲むように設けられている。さらに、保持具５０は、断熱材４３の上面４３ａに載置されたセルスタック装置１０のマニホールド１２とねじ５４により連結してセルスタック装置１０を断熱材４３上に固定している。
【００２３】
図２に示すように、保持具５０は、断熱材４３の側面を囲むように設けられている側板５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄを有している。側板５１ａおよび５１ｂは、断熱材４３の長辺方向の側面に沿って設けられ。また、側板５１ｃおよび５１ｄは、断熱材４３の短辺方向の側面に沿って設けられている。保持具５０には、側板５１ａ、５１ｂの上辺から延設された突出片５２ａ、５２ｂが設けられている。突出片５２ａ、５２ｂは、マニホールド１２の方向に曲げられて設けられている。
【００２４】
保持具５０は、断熱材４３の外周にわたって設けられるとともに、切欠き５５または肉抜き穴５６を有することが好ましい。切欠き５５および肉抜き穴５６は、保持具５０の側板５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄに設けられている。断熱材４３の側面を覆う、金属板材料で形成された保持具５０の面積が大きくなるほど、保持具５０の熱伝導性が高まり、保持具５０を介してセルスタック装置１０で発生した熱が逃げやすくなる。そのため、燃料電池モジュール１の温度が下がり易くなり、発電効率が低下する。そこで、保持具５０に切欠き５５または肉抜き穴５６を設けることによって、保持具５０から熱が逃げる伝熱経路を少なくする。すなわち、保持具５０を経由して熱が放熱されるいわゆる「熱引き」現象を抑制して、断熱性能を高めることによって、燃料電池モジュール１の発電効率を高めることができる。
【００２５】
上述の燃料電池モジュール１は、燃料ガスと酸素含有ガスとにより発電を行う柱状の燃料電池セル１１を複数配列してなるセルスタック１３と、該セルスタック１３の下方に配置され、各燃料電池セル１１の下端が接続され、各燃料電池セル１１に燃料ガスを供給するマニホールド１２と、該マニホールド１２が載置されている断熱材４３と、該断熱材４３の表面に配設され、断熱材４３を保持する保持具５０とを備え、保持具５０とマニホールド１２とが連結されている。このことによって、セルスタック装置１０が断熱材４３上に固定されるので、燃料電池モジュール１の筐体２０内でのセルスタック装置１０の位置ずれを防ぐことができる。そのため、搬送時などに筐体２０内のセルスタック装置１０が破損することを抑制でき、燃料電池モジュール１が損傷することを抑制することができる。それゆえ、信頼性の高い燃料電池モジュール１を実現することができる。
【００２６】
図３は、本実施形態の燃料電池モジュールのセルスタック装置および保持具の他の一例を示す斜視図であり、図４は、セルスタック装置および保持具の他の一例を示す拡大断面図である。本実施形態において、燃料電池モジュール１は保持具５０とマニホールド１２とを連結する連結部材５３を備えている。それ以外は、図２に示す部材と同様である。
【００２７】
マニホールド１２の板状体１２ａは、断熱材４３の上面４３ａに載置されている。板状体１２ａは、底面部１２１ａと底面部１２１ａの外周部を立ち上げて形成された枠部１２２ａとを有している。枠部１２２ａの端部である外縁部１２３ａは、板状体１２ａの外側に向かって曲げられている。
【００２８】
枠状体１２ｂは、側面部１２１ｂと、側面部１２１ｂから延設された上蓋部１２２ｂとを有している。板状体１２ａの底面部１２１ａは、枠状体１２ｂを載置する溝部１２ｄを有している。板状体１２ａと枠状体１２ｂとが、溝部１２ｄに挿入されたガラス等の絶縁部材１２ｅを介して、固定されている。上蓋部１２２ｂには多数の燃料電池セル１１に対応した開口部１２４ｂが設けられており、開口部１２４ｂに燃料電池セル１１を差し込んで固定する。燃料電池セル１１と上蓋部１２２ｂとの間にはガラス等の絶縁部材１２ｃが設けられており、燃料電池セル１１とマニホールド１２との絶縁を保つとともに、ガスが燃料電池セル１１内を通らずに直接収納室２５に流出することを防いでいる。
【００２９】
連結部材５３は、平面部５３ａと平面部５３ａの一辺から湾曲して延設された湾曲部５３ｂとを有し、平面部５３ａには貫通孔５３ｃが設けられている。湾曲部５３ｂは、板状体１２ａの外縁部１２３ａに係止して配置されている。保持具５０の突出片５２ａ（５２ｂ）には貫通孔５２１ａが設けられている。ねじ５４を貫通孔５３ｃおよび貫通孔５２１ａに挿入し、ねじ留めすることによって、連結部材５３が保持具５０に固定される。
【００３０】
このように、燃料電池モジュール１は、保持具５０とマニホールド１２とを連結する連結部材５３を備えていることにより、セルスタック装置１０が断熱材４３上に連結部材５３を介して固定されるので、燃料電池モジュール１の筐体２０内でのセルスタック装置１０の位置ずれをより効果的に防ぐことができる。そのため、搬送時などに筐体２０内のセルスタック装置１０が破損することを抑制でき、燃料電池モジュール１が損傷することを抑制することができる。それゆえ、信頼性の高い燃料電池モジュール１を実現することができる。また、保持具５０とマニホールド１２とを連結する連結部材５３を備えることによって、セルスタック装置１０を断熱材４３上に簡単に固定することができるので作業性が向上する。
【００３１】
また、連結部材５３と保持具５０とが、ねじ５４によって連結されている。例えば、連結部材５３とマニホールド１２をねじ５４で固定すると、セルスタック装置１０で発生した熱により、金属材料で形成された板状体１２ａが熱膨張して変形した際に、板状体１２ａの変形に連結部材５３が追従できず、その結果、板状体１２ａと枠状体１２ｂとが固定されている部分の絶縁部材１２ｃに応力が集中してクラック等が発生する可能性がある。そこで、連結部材５３はマニホールド１２に係止させ、連結部材５３と保持具５０とをねじ止めすることで、マニホールド１２の熱膨張による変形を吸収してクラック等の発生を抑制し、かつセルスタック装置１０の筐体２０内における位置を安定させることができる。これにより、信頼性の高い燃料電池モジュール１を実現することができる。
【００３２】
さらに、マニホールド１２の外縁部１２３ａと連結部材５３との間に空間３０があることが好ましい。空間３０がマニホールド１２の熱膨張による変形を吸収するので、より信頼性に優れた燃料電池モジュールとなる。
【００３３】
図５は、本実施形態の燃料電池装置の一例を示す斜視図である。燃料電池装置２は、各支柱６１と外装板（図示省略）から構成される外装ケース６０内に、前述（実施形態）の燃料電池モジュール１を収容したものである。この外装ケース６０内には、図示した燃料電池モジュール１の他、蓄熱用のタンク、発電した電力を外部に供給するためのパワーコンディショナ、ポンプやコントローラ等の補機類が配設される。
【００３４】
このような燃料電池装置２においては、１つの外装ケース６０内に、コンパクトな燃料電池モジュール１および熱交換器（ＨＥ）および各種補機類等を収納することで、外装ケース５０の高さや幅を小さくでき、それにより燃料電池装置全体を小型化することができる。
【００３５】
さらに、前述のような薄形の燃料電池モジュール１を使用した場合、燃料電池装置全体がスリム化され、戸建て住宅の軒下等、奥行きのとれない細長いスペースにも設置することも可能である。したがって、本実施形態の燃料電池装置２は、装置設置場所の選択の幅が広く、設置の自由度の高い燃料電池装置とすることができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明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。例えば、図４においては、ねじがマニホールドに突きあてられていない形態を示したが、連結部材とマニホールドとをより強固に接合したい場合は、ねじをマニホールドに突きあててもよい。さらには、マニホールドに貫通孔を設けて、その貫通孔にねじを挿入し、ねじ留めしてもよい。
【００３７】
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、筐体も、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。
【符号の説明】
【００３８】
１        燃料電池モジュール
２        燃料電池装置
１０      セルスタック装置
１１      燃料電池セル
１２      マニホールド
１２ａ    板状体
１２ｂ    枠状部材
１２３ａ  外縁部
１３      セルスタック
２０      筐体
３０      空間
４３      断熱材
５０      保持具
５３      連結部材
５４      ねじ
５５      切欠き
５６      肉抜き穴
６０      外装ケース
【図１】
2018092740.tif 000003
【図２】
2018092740.tif 000004
【図３】
2018092740.tif 000005
【図４】
2018092740.tif 000006
【図５】
2018092740.tif 000007