(57)【要約】【課題】挿入部品が抜けにくい燃料電池装置を提供する【解決手段】  燃料電池セル１４を収納する収納室２５を有し、外壁に貫通孔２２ａが設けられた収納容器２０と、外壁の貫通孔２２ａ近傍に配設された係止部材４０と、収納容器２０の内部に一部が突出するように貫通孔２２ａに挿入される挿入部品と、を備え、係止部材４０は，外壁に固定される底板４１と、底板４１から外側に向かって延設される突片４２とを含み、突片４２にはスリット４３が設けられ、スリット４３は、開口部４３ａと、外壁に沿って伸びる延設部４３ｂとを有し、挿入部品は、延設部４３ｂに係止されていることによって、挿入部品が抜けにくくなり、信頼性の高い燃料電池モジュール１を提供することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルを収納する収納室を有し、外壁に貫通孔が設けられた収納容器と、
前記外壁の前記貫通孔近傍に配設された係止部材と、
前記収納容器の内部に一部が突出するように前記貫通孔に挿入される挿入部品と、を備え、
前記係止部材は、前記外壁に固定される底板と、該底板から外側に向かって延設される突片とを含み、
前記突片にはスリットが設けられ、
前記スリットは、開口部と、前記外壁に沿って伸びる延設部とを有し、
前記挿入部品は、前記延設部に係止されている、燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記係止部材の前記突片は、前記挿入部品が前記開口部の方向に変位するのを制限する押さえ部を有する、請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記押さえ部は、前記開口部側であって、前記挿入部品と対向するように設けられている、請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記挿入部品は、屈曲部と、該屈曲部から前記突片に沿って延びる起立部とを有し、
前記押さえ部は、前記起立部と対向する、請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記挿入部品は、先端の熱電対部と、リードを収納するシース部とからなるシース熱電対である、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】
前記シース熱電対の先端部を挿入可能な有底中空状の導管を備え、
前記導管は、前記貫通孔から前記収納容器内部に向かって配設されており、その開口側端部が前記外壁に気密に接合されている、請求項５に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記外壁を覆うように配設される外部断熱材を備え、
前記外部断熱材は、前記貫通孔および前記係止部材が露出する開口を有し、
前記外部断熱材を平面視したとき、前記貫通孔の中心は、前記開口の中心から離間している、請求項１〜６のいずれか１つに記載の燃料電池モジュール。
【請求項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、
前記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てなる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。
【０００３】
収納容器内にセルスタック装置などが収納された燃料電池モジュールは、収納容器の筐体の外側から、収納容器に設けられた開口から熱電対などのセンサが挿入されて取付けられており、このセンサによって燃料電池モジュールの動作状態を検知している。また、配管類も収納容器に設けられた開口に挿入されて固定されているものがある。
【０００４】
このような収納容器の開口から挿入されるセンサおよび配管などの挿入部品は、たとえば管状または棒状であり、挿入部品に固定したフランジを抑え金具によって収納容器の表面に押し付けて固定するものが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実用新案登録第３２０７８８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、収納容器内に挿入した挿入部品の、収納容器の外に出ている部分に他の部品等が接触したりすると、挿入部品を固定するためのフランジなどが破損して、挿入部品が抜けてしまうおそれがあった。そのため、収納容器の外壁に挿入部品を強固に固定することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の燃料電池モジュールは、燃料電池セルを収納する収納室を有し、外壁に貫通孔が設けられた収納容器と、前記外壁の前記貫通孔近傍に配設された係止部材と、前記収納容器の内部に一部が突出するように前記貫通孔に挿入される挿入部品と、を備え、前記係止部材は、前記外壁に固定される底板と、該底板から外側に向かって延設される突片とを含み、前記突片にはスリットが設けられ、前記スリットは、開口部と、前記外壁に沿って伸びる延設部とを有し、前記挿入部品は、前記延設部に係止されている、ことを特徴とするものである。
【０００８】
本開示の燃料電池装置は、上記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、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】
【０００９】
本開示の実施形態に係る燃料電池モジュールによれば、挿入部品が収納容器の外壁から抜けにくくなり、収納容器の外壁に挿入部品を強固に固定することができ、その結果、信頼性の高い燃料電池モジュールを提供することができる。
【００１０】
本開示の実施形態に係る燃料電池装置によれば、信頼性の高い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】
【００１１】
【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一例を示す分解斜視図である。
【図３】本実施形態の燃料電池モジュール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熱電対取付部付近の一例を示す部分斜視図である。
【図５】本実施形態の燃料電池モジュールの熱電対取付部付近の一例を示す平面図である。
【図６】本実施形態の燃料電池モジュールの熱電対取付部付近の一例を示す側面図である。
【図７】本実施形態の燃料電池モジュールの熱電対取付部付近の他の一例を示す側面図である。
【図８】本実施形態の燃料電池装置の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態の燃料電池モジュールは、収納容器内部の収納室内に、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。
【００１３】
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、本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す分解斜視図であり、図３は、本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す斜視図である。
【００１４】
図１，２および３に示す燃料電池モジュール１は、収納容器２０内に、改質器１１と、燃料電池セルを含むセルスタック装置１２とを収納するための収納室２５を有している。収納室２５は、酸素含有ガス導入板１６と、熱交換器が設けられた蓋体２８に挟まれた空間である。
【００１５】
収納容器２０は、直方体状の箱体２１と蓋体２８からなり、箱体２１の開口面に蓋体２８が取付けられている。また、収納容器２０の外部には、外部断熱材２９が取付けられており、燃料電池モジュール１内で発生した熱の外部への放散を低減することができる。
【００１６】
改質器１１は、円筒状の金属管に天然ガスや灯油等の原燃料を改質する改質触媒が充填されたものであり、改質器１１に接続された原燃料供給管を介して供給される原燃料を改質して燃料ガスを生成する。改質された燃料ガスは、改質器１１の下方にあるセルスタック装置１２のマニホールド１３に供給される。
【００１７】
セルスタック装置１２は、たとえば、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１４を立設させた状態で一列に配列し、配列方向に隣接する燃料電池セル１４間が導電部材を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル１４のそれぞれの下端を絶縁性接着材でマニホールド１３に固定したものであり、燃料電池セル１４に改質器１１で改質された原燃料ガスを流通させて発電を行うことが可能である。
【００１８】
燃料電池セル１４を直列に接続したものがセルスタック１５であり、セルスタック１５を構成する燃料電池セル１４の数およびセルスタック１５の数は燃料電池装置の発電能力に応じて適宜定めることができる。本実施形態では、収納室２５内に一列のセルスタック１５が配設されている。セルスタックの形状は、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。
【００１９】
セルスタック装置１２の長手方向側面を覆うように酸素含有ガス導入板１６が配置されている。酸素含有ガス導入板１６は、流路天板２３の上面と当接する鍔部１６ａ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１６は、内部が中空あって、酸素含有ガス導入路１６ｃを備えている。鍔部１６ａの中央には、セルスタック１５の配列方向に延びた酸素含有ガス導入口１６ｂが設けられている。酸素含有ガス導入板１６の下部であって、セルスタック装置１２に臨む面に、セルスタック１５の配列方向に多数の酸素含有ガス流出口１６ｄが設けられている。空気流路２４と酸素含有ガス導入路１６ｃとは酸素含有ガス導入口１６ｂを介して連通している。
【００２０】
セルスタック装置１２を挟んで、酸素含有ガス導入板１６の反対側に蓋体２８が設けられている。蓋体２８には、セルスタック装置１２に酸素含有ガスである空気を導入する酸素含有ガス流路１７と、セルスタック装置１２からの排ガスを外部に排出する排ガス流路１８とが隣接して設けられている。箱体２１に改質器１１、セルスタック装置１２、酸素含有ガス導入板１６および内部断熱材１９を格納後、蓋体２８を箱体２１に取付ける。
【００２１】
内部断熱材１９は、改質器１１、セルスタック装置１２、酸素含有ガス導入板１６および収納室２５を含む各気体流路以外の収納容器２０の空間に充填されており、セルスタック１５で発生した熱の外部への放散を低減している。
【００２２】
燃料電池モジュール１において、改質器１１に燃料ガスと水とが供給され、改質器１１によって、水素を含む改質ガスが生成される。改質ガスはマニホールド１３に供給されてセルスタック装置１２の各燃料電池セル１４の内部を通過する。酸素含有ガスである空気は、酸素含有ガス流路１７の吸気口１７ａから吸入され、酸素含有ガス流路１７を通過して外壁の一部である天板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１６ｂから、酸素含有ガス導入路１６ｃに流入し、酸素含有ガス流出口１６ｄから収納室２５の下部に流入する。
【００２３】
改質ガスは、燃料電池セル１４の内部を通過し、空気は、燃料電池セル１４の外側を通過することによって発電が行われる。燃料電池セル１４において発電に使用されなかった改質ガスは空気と合流して、セルスタック１５の上部で燃焼する。燃焼ガスは改質器１１を加熱する。燃焼後の排ガスは、収納室２５に接続する排ガス導出路２６から排ガス流路１８の排気流路１８ａを通過し、排気口１８ｂから排出される。排気口１８ｂから排出された空気は、さらに燃料電池モジュール１の外部に接続された排ガス処理装置へ移動して処理される。
【００２４】
上述のように、動作する燃料電池モジュール１を制御するために、燃料電池モジュール１には、各種センサが取付けられている。収納容器２０内部の温度を測定するセンサとしては、たとえば、挿入部品であるシース熱電対３０を用いることができる。シース熱電対３０は、熱電対の素線を絶縁体とともに、金属管の中に封入したものであり、温度検出部である先端の熱電対部３０ａと、熱電対部３０ａに至るリードを収納するシース部３０ｂとから構成されている。
【００２５】
図１において、シース熱電対３０は、天板２２の貫通孔２２ａから収納容器２０の内部に挿入されている。収納容器２０の内部には、貫通孔２２ａを通って、シース熱電対３０の先端部を挿入可能な導管２７が配設されている。導管２７は、その開口部側端部が燃料電池モジュール１の外壁である天板２２に溶接などによって気密に接合している、有底中空状の管路であって、貫通孔２２ａを通って先端が酸素含有ガス導入口１６ｂを経由して、酸素含有ガス導入路１６ｃの中程まで延びて形成されている。このシース熱電対３０によって、酸素含有ガス導入板１６内の空気の温度を測定することができる。
【００２６】
導管２７を用いずに、貫通孔２２ａから、シース熱電対３０を挿入することもできるが、導管２７を用いることによってシース熱電対３０が収納容器２０内部を通るガスの流れに直接晒されないので、精度よく温度を測定することができる。また、貫通孔２２ａ周囲の天板２２と導管２７とが溶接によって気密に接合されているので、気体が収納容器２０外に漏れ出るおそれがなく収納容器２０の気密性を確保することができる。
【００２７】
貫通孔２２ａ近傍の外部断熱材２９には開口部２９ａが設けられ、貫通孔２２ａ近傍の天板２２上には、係止部材４０が設けられている。係止部材４０には、シース熱電対３０が係止されており、係止部材４０によって、シース熱電対３０が導管２７から抜けるのを防ぐことができる。
【００２８】
本実施例においては、シース熱電対３０によって、先端が酸素含有ガス導入板１６内の空気の温度を測定しているが、導管を収納容器２０内の他の箇所に配設して導管の先端までシース熱電対３０を挿入して、温度を測定しても良い。たとえば、図３に示されるように、収納室２５にシース熱電対３１を配設して、収納室２５内の温度を測定してもよいし、ガス流路１７，１８内にシース熱電対３２を配設して、ガス流路１７，１８内の温度を測定してもよい。
【００２９】
また、燃料電池モジュール１において発電した電力を収納容器２０から取り出すための配線類などの挿入部品にもシース熱電対３０と同様に、係止部材４０によって係止される形態を適用することが可能である。挿入部品を係止部材で係止することによって、挿入部品が収納容器の外壁から抜けにくくなり、挿入部品を強固に燃料電池モジュール１に取付けることができる。
【００３０】
図４は、本実施形態の燃料電池モジュールの熱電対取付部付近の一例を示す部分斜視図である。また、図５は、本実施形態の燃料電池モジュールの熱電対取付部付近の一例を示す平面図である。また、図６は、本実施形態の燃料電池モジュールの熱電対取付部付近の一例を示す側面図である。棒状のシース熱電対３０は、シース部３０ｂが折曲げ可能であり、収納容器２０から外側にある部分が係止部材４０に係止されている。係止部材４０によって、係止されているので、シース熱電対３０の熱電対部３０ａの位置が安定し、温度測定する位置が所定の箇所からずれにくくなる。
【００３１】
係止部材４０は、収納容器２０の外壁である天板２２に取付けられる底板４１と底板４１から収納容器２０の外側に向かって延設される突片４２から構成されている。底板４１は、切欠き４１ａを備えており、切欠き４１ａを天板２２に設けられた位置決めボス２２ｂの位置に位置合わせして係止部材４０を取付ける。係止部材４０の底板４１は、溶接によって、天板２２に固定されている。
【００３２】
突片４２には、スリット４３が設けられている。スリット４３は、突片４２の側辺に開口した開口部４３ａと、開口部４３ａから底板４１に平行な方向に延びる延設部４３ｂとを有している。係止部材４０が収納容器２０に取付けられた状態では、延設部４３ｂは、天板２２に沿って伸びている。
【００３３】
スリット４３を挟んで底板４１とは反対側の部分が係止片４４である。係止片４４において、端部が直角に底板４１の延びる方向に折り曲げられた押さえ部４４ａが形成されている。押さえ部４４ａは、スリット４３の開口部４３ａ側であって、シース熱電対３０と対向するように設けられている。押さえ部４４ａは、シース熱電対３０が開口部４３ａの方向に変位するのを制限してシース熱電対３０が係止部材４０からはずれにくくすることができる。
【００３４】
シース熱電対３０の収納容器２０から外側の部分は、貫通孔２２ａから天板２２に沿った方向に折り曲げられて係止部材４０の延設部４３ｂに挿通される屈曲部３０ｃと、屈曲部３０ｃから突片４２に沿って天板２２から離れる方向に曲げられて延びる起立部３０ｄから成っている。また、押さえ部４４ａは、シース熱電対３０の起立部３０ｄと対向している。
【００３５】
上述の構成において、シース熱電対３０を貫通孔２２ａに溶接された導管２７に挿入して固定し、天板２２に沿った方向に折曲げて、係止部材４０のスリット４３の延設部４３ｂに挿通した後、天板２２に垂直な方向に折り曲げることによって、シース熱電対３０は、係止部材４０の延設部４３ｂに係止される。さらに、シース熱電対３０の起立部３０ｄに対向するように押さえ部４４ａがあることにより、シース熱電対３０がスリット４３から外れることを防ぐことができる。このような構成によって、シース熱電対３０を簡便に係止部材４０に係止することができる。
【００３６】
シース熱電対３０はシース部３０ｂを収納容器２０の外側に引き出して、温度検出装置に接続するため、外部断熱材２９は、貫通孔２２ａおよび係止部材４０が露出するような開口部２９ａを有している。
【００３７】
外部断熱材２９が配設されていない収納容器２０の部分は断熱性に劣っている。また、貫通孔２２ａ付近は、シース熱電対３０が挿入されているために放熱が大きくなってしまうおそれがある。そこで、貫通孔２２ａが設けられる外部断熱材２９を平面視したときに、中心が貫通孔２２ａの中心から離間するように開口部２９ａを設ける。たとえば、本実施形態においては、図５において、貫通孔２２ａの中心から距離Ｄだけ離れたところに外部断熱材２９の開口部２９ａの中心が位置している。
【００３８】
このような構成によって、貫通孔２２ａの近傍の少なくとも一部に外部断熱材２９を配設することができるので、燃料電池モジュール１の断熱性の低下を抑制することができる。なお、本実施形態の外部断熱材２９の開口部２９ａは円形であるが、これに限定されるものではなく、矩形や楕円形であってもよい。
【００３９】
図７は、本実施形態の燃料電池モジュールの熱電対取付部付近の他の一例を示す側面図である。スリット４３の開口部４３ａが突片４２の上辺に設けられている。開口部４３ａから底板４１に向かう方向にスリット４３が延び、続いて底板４１に平行な方向にスリット４３が折れ曲がって延設されている。すなわち、スリット４３の開口部４３ａから延設部４３ｂまでＬ字状に形成されている。スリット４３の延設部４３ｂを挟んで底板４１とは反対側の部分である係止片４４が折り曲げられて押さえ部４４ａが形成されている。また、押さえ部４４ａは、シース熱電対３０の起立部３０ｄと対向している。このような構成によって、シース熱電対３０を簡便に係止部材４０に係止することができる。
【００４０】
図８は、直方体形状の収納容器２０内にセルスタック装置１２を収納した燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール１を動作させるための補機（図示せず）とを収納した、本実施形態の一例の燃料電池装置２の構成を示す分解斜視図である。なお、図８においては一部構成を省略して示している。
【００４１】
たとえば、燃料電池装置２は各支柱５１と外装板（図示省略）から構成される外装ケース５０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。
【００４２】
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、各種補機類等を収納することで、外装ケース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。
【００４３】
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。
【符号の説明】
【００４４】
１      燃料電池モジュール
２      燃料電池装置
１４    燃料電池セル
２０    収納容器
２２    天板
２２ａ  貫通孔
２５    収納室
３０    シース熱電対
４０    係止部材
４１    底板
４２    突片
４３    スリット
４３ａ  開口部
４３ｂ  延設部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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