燃料電池モジュール、燃料電池モジュールの製造方法、及び燃料電池
【課題】製造にあたり改質器の検査を簡便に行うことが可能な燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】燃料電池モジュールＦＣは、複数の燃料電池セル４を有する燃料電池セルスタック４００と、燃料ガスを改質する改質器５と、燃料電池セルスタック４００と改質器５とを接続し、改質器５によって改質された燃料ガスを燃料電池セルスタック４００へと導入する接続管６１とを備える。接続管６１は、配管６１Ａと配管６１Ｂとを有している。配管６１Ａと配管６１Ｂとは接合部６１Ｃを介して機械的に接合されている。
【解決手段】燃料電池モジュールＦＣは、複数の燃料電池セル４を有する燃料電池セルスタック４００と、燃料ガスを改質する改質器５と、燃料電池セルスタック４００と改質器５とを接続し、改質器５によって改質された燃料ガスを燃料電池セルスタック４００へと導入する接続管６１とを備える。接続管６１は、配管６１Ａと配管６１Ｂとを有している。配管６１Ａと配管６１Ｂとは接合部６１Ｃを介して機械的に接合されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の態様は、一般に、燃料電池モジュール、燃料電池モジュールの製造方法、及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような燃料電池モジュールにおいては、複数の燃料電池セルによって構成される燃料電池セルスタックを収納容器内に収容し、複数の燃料電池セルそれぞれに空気と燃料ガスとを供給して作動させている（例えば、下記特許文献１（特開２００５−０９３０８１号公報）及び下記特許文献２（特開２００７−１０３１９４号公報）参照）。
【０００３】
ここで、下記特許文献１（特開２００５−０９３０８１号公報）の燃料電池モジュールでは、原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、燃料電池セルスタックが設けられたガスタンクとが、燃料ガス供給管によって接続されている。
【特許文献１】特開２００５−０９３０８１号公報
【特許文献２】特開２００７−１０３１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、改質器は、その内部に例えば球状の改質触媒が封入されて構成されている。そして、燃料電池モジュールを製造するにあたり、改質器の検査が必要になる。具体的には、改質器の内部に予めガスを通過させ、改質器の密封性（流通ガスが改質器から流出しないこと）を確認している。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１（特開２００５−０９３０８１号公報）に記載されているような従来の燃料電池モジュールでは、改質器とガスタンクとが燃料ガス供給管によって一体的に接続されていた。そのため、改質器の検査が困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、製造にあたり改質器の検査を簡便に行うことが可能な燃料電池モジュール及びその製造方法並びに燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールであって、少なくとも前記流出配管部は、それぞれが管状を成す第１部分と第２部分とが機械的に接合されて形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、製造にあたり改質器の検査を簡便に行うことが可能な燃料電池モジュール及びその製造方法並びに燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。
【００１０】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールであって、少なくとも前記流出配管部は、それぞれが管状を成す第１部分と第２部分とが機械的に接合されて形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池モジュールでは、少なくとも流出配管部が第１部分と第２部分とを機械的に接合して形成している。そのため、例えば第１部分を改質器に接合した後に、第１部分と第２部分とを機械的に接合して燃料電池モジュールを製造することができる。従って、改質器の検査を行う場合には、第１部分と第２部分とを機械的に接合する前、すなわち流出配管部が第１部分と第２部分とに分割されている状態で改質器の検査を行うことができるようになっている。その結果、製造にあたり改質器の検査を簡便に行うことが可能となる。
【００１２】
更に、流出配管部の第１部分と第２部分とを機械的に接合しているので、第１部分と第２部分との接合の際に、例えば溶接等によって第１部分と第２部分とを接合する場合のように熱が生じない。そのため、熱によって燃料電池セルの外表面に影響を与える虞がなくなっている。従って、本発明は、燃料電池モジュールの施工性の向上にも大きく寄与することとなる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第１部分と前記第２部分とは、着脱自在に接合されることも好ましい。このようにすると、改質器の取り付け後でも燃料電池モジュールから改質器を取り外すことが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第１部分と前記第２部分とがジョイント部分を介して接合されていることも好ましい。この好ましい態様では、第１部分と第２部分との間にジョイント部分を介在させるので、第１部分と第２部分とを接合する役割をジョイント部分に担わせることができ、それぞれが管状の第１部分と第２部分とに特別な加工等をせずに接合することができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第１部分と前記第２部分とが直接機械的に接合されていることも好ましい。この好ましい態様では、第１部分と第２部分とを直接接合するので、接合のための部材を別途設けることなく簡単な機構で接合することができる。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記燃料電池セルの他端と前記改質器との間に、前記改質器によって改質された燃料ガスと酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記第１部分と前記第２部分が機械的に接合されている部分は、前記燃焼部よりも前記燃料電池セルの一端側に配置されていることを特徴とする。このようにすると、前記第１部分と前記第２部分とが機械的に接合されている部分が、熱源から遠方に位置することとなるので、複数の燃料電池セルの各先端部分において行われる燃焼による熱の影響を受けにくくなる。そのため、燃料電池モジュールの使用後であっても、燃料電池モジュールから改質器を取り外しやすくなっている。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池モジュールを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池モジュールの製造方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールの製造方法であって、前記流出配管部を形成する第１部分及び第２部分の内、第１部分を前記改質器に接合し、その後、分割形成された第１部分と第２部分とを機械的に接合して前記流出配管部と成すことを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る燃料電池モジュールの製造方法では、第１部分と第２部分とを機械的に接合することで燃料電池セルスタックと改質器とを接続している。そのため、燃料電池モジュールを製造するにあたり改質器の検査を行う場合には、流出配管部の第１部分と第２部分とを機械的に接合する前、すなわち流出配管部が第１部分と第２部分とに分割されている状態で改質器の検査を行うことができるようになっている。その結果、製造にあたり改質器の検査を簡便に行うことが可能となる。
【００２０】
ここで、本発明に係る燃料電池モジュールの製造方法では、流出配管部の第１部分と第２部分とを機械的に接合しているので、第１部分と第２部分との接合の際に、例えば溶接等によって第１部分と第２部分とを接合する場合のように熱が生じない。そのため、熱によって燃料電池セルの外表面に影響を与える虞がなくなっている。従って、本発明は、燃料電池モジュールの施工性の向上にも大きく寄与することとなる。
【００２１】
続いて、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示す正面図である。また、図２は、カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【００２３】
同図に示すように、燃料電池モジュールＦＣは、カバー部材１（容器）とベース部材２（容器）とによって密閉される空間内に１０個の燃料電池セルスタック４００を並べて配置している。従って、この燃料電池モジュールＦＣでは、カバー部材１とベース部材２とによって、燃料電池セル４等が内包される容器が形成されている。各燃料電池セルスタック４００には、１６個の燃料電池セル４が２列になって配置されている。これらの燃料電池セル４は、電気的に直列に配置されている。
【００２４】
各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の下端から上端へと流れるガスと、その管外を下端から上端へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。
【００２５】
燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０について、図３を参照しながら説明する。図３に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。
【００２６】
燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。
【００２７】
内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。
【００２８】
内側電極端子４０は、内側電極外周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。
【００２９】
外側電極端子４２は、外側電極外周面４８を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。
【００３０】
内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３１】
内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。
【００３２】
続いて、燃料電池セルスタック４００について、図４を参照しながら説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａと、下支持板４００ｂと、接続部材４００ｃと、外部端子４００ｄとを備えている。
【００３３】
上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８列で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。
【００３４】
１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材４００ｃが設けられている。接続部材４００ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子４００ｄが設けられている。接続部材４００ｃ、外部端子４００ｄは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。
【００３５】
図１に戻り、燃料電池モジュールＦＣについて説明する。カバー部材１は、正面側の側壁（不図示）と、燃料電池スタック３０の配列方向の側壁１０１，１０２と、背面側の側壁１０３と、天井１０４とによって直方体状に形成されている。側壁１０１の下端部には、フランジ部１ａが形成されている。カバー部材１のフランジ部１ａをベース部材２に当接させることで、カバー部材１とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。
【００３６】
カバー部材１とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック４００が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排気ガス室１７である。
【００３７】
仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。
【００３８】
より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図に明示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。
【００３９】
一方、各燃料電池セルスタック４００の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。背面側の側壁１０２において燃焼部１８に対応する部分には、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置１９が設けられている。点火装置１９により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。
【００４０】
燃料ガスは、燃料ガス供給管８を通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。燃料ガス供給管８は、仕切り板１５に対して立設された配管６０Ｂ（流入配管部、第２部分）及び配管６０Ｂに対して機械的に接続されている配管６０Ａ（流入配管部、第１部分）を介して改質器５に繋がっている。配管６０Ａ及び配管６０Ｂは接合部６０Ｃ（ジョイント部分）によって機械的に接合され、一体化された流入配管部６０とされている。接合部６０Ｃは、ナット６０Ｃａ、ジョイント６０Ｃｂ、及びナット６０Ｃｃによって構成されている。ジョイント６０Ｃｂは、筒状であってその両端に雄ねじが切られており、筒状の内部に反対方向から配管６０Ａ及び配管６０Ｂがそれぞれ挿入されるように形成されている。ナット６０Ｃａは配管６０Ａに通されていて、ジョイント６０Ｃｂに配管６０Ａを挿入した後に、ナット６０Ｃａをジョイント６０Ｃｂに対して締め付けることで、ジョイント６０Ｃｂの両端に挿入されている円錐状のフェルール（図に明示しない）が押し込まれ、ジョイント６０Ｃｂがフェルールを介して配管６０Ａに圧接されて接合される。同様に、ナット６０Ｃｃは配管６０Ｂに通されていて、ジョイント６０Ｃｂに配管６０Ｂを挿入した後に、ナット６０Ｃｃをジョイント６０Ｃｂに対して締め付けることで、ジョイント６０Ｃｂの両端に挿入されている円錐状のフェルール（図に明示しない）が押し込まれ、ジョイント６０Ｃｂがフェルールを介して配管６０Ｂに圧接されて接合される。このように、配管６０Ａ及び配管６０Ｂは、接合部６０Ｃを介して機械的に接合されており、着脱可能に構成されている。
【００４１】
改質器５に導入された燃料ガスは、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６１Ａ（流出配管部、第１部分）及び配管６１Ｂ（流出配管部、第２部分）を通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に封入されている改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。
【００４２】
配管６１Ａは改質器５に接合されており、配管６１Ｂはガスタンク３に立設されている。配管６１Ａ及び配管６１Ｂは接合部６１Ｃ（ジョイント部分）によって機械的に接合され、一体化された流出配管部６１とされている。接合部６１Ｃは、ナット６１Ｃａ、ジョイント６１Ｃｂ、及びナット６１Ｃｃによって構成されている。ジョイント６１Ｃｂは、筒状であってその両端に雄ねじが切られており、筒状の内部に反対方向から配管６１Ａ及び配管６１Ｂがそれぞれ挿入されるように形成されている。ナット６１Ｃａは配管６１Ａに通されていて、ジョイント６１Ｃｂに配管６１Ａを挿入した後に、ナット６１Ｃａをジョイント６１Ｃｂに対して締め付けることで、ジョイント６１Ｃｂの両端に挿入されている円錐状のフェルール（図に明示しない）が押し込まれ、ジョイント６１Ｃｂがフェルールを介して配管６１Ａに圧接されて接合される。同様に、ナット６１Ｃｃは配管６１Ｂに通されていて、ジョイント６１Ｃｂに配管６１Ｂを挿入した後に、ナット６１Ｃｃをジョイント６１Ｃｂに対して締め付けることで、ジョイント６１Ｃｂの両端に挿入されている円錐状のフェルール（図に明示しない）が押し込まれ、ジョイント６１Ｃｂがフェルールを介して配管６１Ｂに圧接されて接合される。このように、配管６１Ａ及び配管６１Ｂは、接合部６１Ｃを介して機械的に接合されており、着脱可能に構成されている。
【００４３】
改質器５に対して配管６０Ａが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６１Ａが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガスは改質触媒に十分に触れることが可能となる。また、流入配管部６０の接合部６０Ｃ及び流出配管部６１の接合部６１Ｃは、燃焼部１８よりも下方に、燃料電池セル４の下端側に配置されている。
【００４４】
カバー部材１の側壁１０１，１０２，１０３、及び天井１０４は、二重壁構造になっており、その二重壁の間の空間を気体が通過可能なように構成されている。側壁１０２の内部空間と、天井１０４の内部空間と、側壁１０３の内部空間とはそれぞれ繋がっている。側壁１０２の下部には空気供給管１０が連通されていて、空気が供給されるように構成されている。
【００４５】
側壁１０２に供給された空気は、天井１０４から側壁１０３へと流れ、その流れる過程において発電室１６内から伝わる熱によって加熱されるように構成されている。側壁１０３へ流れ込んだ空気は、空気流路１０３ａに流れ込むように構成されている。空気流路１０３ａは、側壁１０１から側壁１０２へ向けて延びるように形成され、側壁１０３の内側において仕切り板１５の上面近傍に沿って配置されている。空気流路１０３ａには所定間隔をおいて、空気流入孔１０３ｂが設けられている。
【００４６】
側壁１０３から空気流路１０３ａに流れ込んだ空気は、空気流入孔１０３ｂを通って発電室１６内へと流れ込むように構成されている。空気流入孔１０３ｂを通って発電室１６内へと流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側の通路を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各燃料電池セル４の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。
【００４７】
側壁１０３の内側上端には、排気ガス流出スリット１０３ｃが設けられている。各燃料電池セル４の上方において燃料ガスと空気とが燃焼して発生した排気ガスは、排気ガス流出スリット１０３ｃを通って側壁１０３の内部空間に入る。側壁１０３へと入り込んだ排気ガスは、側壁１０３の内部空間を下方へと流れ、排気ガス室１７へと至って一時的に貯留される。排気ガス室１７へと至った排気ガスは、排気ガス管１１を通って燃料電池モジュールＦＣの外部へと排出される。
【００４８】
続いて、以上のような構成を有する燃料電池モジュールＦＣの製造方法について説明する。
【００４９】
まず、ベース部材２上に仕切り板１５を設け、この仕切り板１５上にさらにガスタンク３及び燃料電池セルスタック４００を設ける。ここで、仕切り板１５の下面には、予め、燃料ガス供給管８が取り付けられている。仕切り板１５には、予め、配管６０Ｂが上方に向かうように突設されている。ガスタンク３には、予め、配管６１Ｂが上方に向かうように突設されている。
【００５０】
次に、改質器５を用意する。改質器５の長手方向に対して一端近傍には、配管６０Ａが突設されている。改質器５の長手方向に対して他端近傍には、配管６１Ａが突設されている。
【００５１】
次に、仕切り板１５から突出している配管６０Ｂと、改質器５に設けられている配管６０Ａとを、接合部６０Ｃによって締着する。また、このとき、ガスタンク３に設けられている配管６１Ｂと、改質器５に設けられている配管６１Ａとについても、接合部６１Ｃによって締着する。これにより、配管６０Ａと配管６０Ｂとが接合部６０Ｃを介して機械的に接合され、配管６１Ａと配管６１Ｂとが接合部６１Ｃを介して機械的に接合される。
【００５２】
次に、ベース部材２とカバー部材１のフランジ部１ａとを接続することで、ベース部材２にカバー部材１を取り付ける。こうして、燃料電池モジュールＦＣが完成する。
【００５３】
以上のような本実施形態では、流入配管部６０が配管６０Ａと配管６０Ｂとを有しており、配管６０Ａと配管６０Ｂとが接合部６０Ｃを介して機械的に接合されている。また、流出配管部６１が配管６１Ａと配管６１Ｂとを有しており、配管６１Ａと配管６１Ｂとが接合部６１Ｃを介して機械的に接合されている。そのため、燃料電池モジュールＦＣを製造するにあたり改質器５の検査を行う場合には、流入配管部６０の配管６０Ａと配管６０Ｂとを機械的に接合する前で且つ流出配管部６１の配管６０Ａと配管６０Ｂとを機械的に接合する前、すなわち流入配管部６０が配管６０Ａと配管６０Ｂとに分割されており、流出配管部６１が配管６１Ａと配管６１Ｂとに分割されている状態で改質器５の検査を行うことができるようになっている。その結果、製造にあたり改質器５の検査を簡便に行うことが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態では、流入配管部６０の配管６０Ａと配管６０Ｂとを機械的に接合しており、流出配管部６１の配管６１Ａと配管６１Ｂとを機械的に接合している。そのため、配管６０Ａと配管６０Ｂとの接合の際及び配管６１Ａと配管６１Ｂとの接合の際に、例えば溶接等によって接合する場合のように熱が生じない。そのため、熱によって燃料電池セル４の外表面に影響（外表面の劣化等）を与える虞がなくなっている。従って、本実施形態は、燃料電池モジュールＦＣの施工性の向上にも大きく寄与することとなる。
【００５５】
また、本実施形態では、流入配管部６０の配管６０Ａと配管６０Ｂとが着脱自在とされており、流出配管部６１の配管６１Ａと配管６１Ｂとが着脱自在とされている。そのため、改質器５の取り付け後でも燃料電池モジュールＦＣから改質器５を取り外すことができるようになっている。
【００５６】
また、本実施形態では、配管６０Ａと配管６０Ｂとが機械的に接合されている部分が、燃料電池セル４の先端部分よりも下方に位置している。また、配管６１Ａと配管６１Ｂとが機械的に接合されている部分が、燃料電池セル４の先端部分よりも下方に位置している。そのため、配管６０Ａと配管６０Ｂとが機械的に接合されている部分及び配管６１Ａと配管６１Ｂとが機械的に接合されている部分が、熱源から遠方に位置することとなるので、燃料電池セル４の先端部分において行われる燃焼による熱の影響を受けにくくなる。そのため、燃料電池モジュールＦＣの使用後であっても、燃料電池モジュールＦＣから改質器５を取り外しやすくなっている。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態
に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、接合部６０Ｃを介して配管６０Ａと配管６０Ｂとを機械的に接合し、接合部６１Ｃを介して配管６１Ａと配管６１Ｂとを機械的に接合していたが、機械的な接合方法としてはこれに限られない。具体的には、図５に示されるように、配管６０Ａ（６１Ａ）の先端にフランジ部６０Ｄ（６１Ｄ）を設けると共に配管６０Ｃ（６１Ｃ）の先端にフランジ部６０Ｅ（６１Ｅ）を設け、フランジ部６０Ｄとフランジ部６０Ｅとをボルト及びナット（共に図示せず）によって接合し、フランジ部６１Ｄとフランジ部６１Ｅとをボルト及びナット（共に図示せず）によって接合するようにしてもよい。つまり、図５においては、フランジ部６０Ｄ及びフランジ部６０Ｅを挟むようにボルト及びナットを締着することで、配管６０Ａと配管６０Ｂとが機械的に接合される。また、フランジ部６１Ｄ及びフランジ部６１Ｅを挟むようにボルト及びナットを締着することで、配管６１Ａと配管６１Ｂとが機械的に接合される。なお、このときに用いるボルト及びナットの材質としては、耐熱性金属であると好ましい。
【００５８】
また、図６に示されるように、先端部が配管６０Ｇ（配管６０Ｂに相当する）の先端部の径よりも拡径された配管６０Ｆ（配管６０Ａに相当する）を用意して、配管６０Ｇの先端部を配管６０Ｆの先端部に挿入し、配管６０Ｆの先端部をかしめるようにして、配管６０Ｇと配管６０Ｆと接合して流入配管部６０としてもよい。流出配管部６１についても同様に、先端部が配管６１Ｇ（配管６１Ｂに相当する）の先端部の径よりも拡径された配管６１Ｆ（配管６１Ａに相当する）を用意して、配管６１Ｇの先端部を配管６１Ｆの先端部に挿入し、配管６１Ｆの先端部をかしめるようにして、配管６１Ｇと配管６１Ｆと接合して流出配管部６１としてもよい。
【００５９】
続いて、図７を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図７は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図７に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、制御部ＣＳとを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。
【００６０】
燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管８へと送り出される。
【００６１】
空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される空気は空気供給管１０へと送り出される。
【００６２】
水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料モジュールＦＣ内部で水蒸気となって水蒸気供給管へと送り出される。
【００６３】
電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、電極棒１３，１４と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。
【００６４】
制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、駆動補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。上述したような燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池モジュールを、カバー部材を外した状態で示す斜視図である。
【図３】燃料電池セルユニットを説明するための図である。
【図４】燃料電池セルスタックを説明するための図である。
【図５】配管同士が機械的に接合されている部分の他の例を示す斜視図である。
【図６】配管同士が機械的に接合されている部分の他の例を示す斜視図である。
【図７】本実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
ＦＣ…燃料電池モジュール、１…カバー部材、２…ベース部材、３…ガスタンク、４…燃料電池セル、３０…燃料電池セルユニット、４００…燃料電池セルスタック、５…改質器、６…連結管、７…燃焼触媒設置部、８…燃料ガス供給管、１０…空気供給管、１１…排気ガス管、１３，１４…電極棒、１５…仕切り板、１６…発電室、１７…排気ガス室、６０…流入配管部、６１…流出配管部。
【技術分野】
【０００１】
本発明の態様は、一般に、燃料電池モジュール、燃料電池モジュールの製造方法、及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような燃料電池モジュールにおいては、複数の燃料電池セルによって構成される燃料電池セルスタックを収納容器内に収容し、複数の燃料電池セルそれぞれに空気と燃料ガスとを供給して作動させている（例えば、下記特許文献１（特開２００５−０９３０８１号公報）及び下記特許文献２（特開２００７−１０３１９４号公報）参照）。
【０００３】
ここで、下記特許文献１（特開２００５−０９３０８１号公報）の燃料電池モジュールでは、原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、燃料電池セルスタックが設けられたガスタンクとが、燃料ガス供給管によって接続されている。
【特許文献１】特開２００５−０９３０８１号公報
【特許文献２】特開２００７−１０３１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、改質器は、その内部に例えば球状の改質触媒が封入されて構成されている。そして、燃料電池モジュールを製造するにあたり、改質器の検査が必要になる。具体的には、改質器の内部に予めガスを通過させ、改質器の密封性（流通ガスが改質器から流出しないこと）を確認している。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１（特開２００５−０９３０８１号公報）に記載されているような従来の燃料電池モジュールでは、改質器とガスタンクとが燃料ガス供給管によって一体的に接続されていた。そのため、改質器の検査が困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、製造にあたり改質器の検査を簡便に行うことが可能な燃料電池モジュール及びその製造方法並びに燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールであって、少なくとも前記流出配管部は、それぞれが管状を成す第１部分と第２部分とが機械的に接合されて形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、製造にあたり改質器の検査を簡便に行うことが可能な燃料電池モジュール及びその製造方法並びに燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。
【００１０】
本発明に係る燃料電池モジュールは、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールであって、少なくとも前記流出配管部は、それぞれが管状を成す第１部分と第２部分とが機械的に接合されて形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る燃料電池モジュールでは、少なくとも流出配管部が第１部分と第２部分とを機械的に接合して形成している。そのため、例えば第１部分を改質器に接合した後に、第１部分と第２部分とを機械的に接合して燃料電池モジュールを製造することができる。従って、改質器の検査を行う場合には、第１部分と第２部分とを機械的に接合する前、すなわち流出配管部が第１部分と第２部分とに分割されている状態で改質器の検査を行うことができるようになっている。その結果、製造にあたり改質器の検査を簡便に行うことが可能となる。
【００１２】
更に、流出配管部の第１部分と第２部分とを機械的に接合しているので、第１部分と第２部分との接合の際に、例えば溶接等によって第１部分と第２部分とを接合する場合のように熱が生じない。そのため、熱によって燃料電池セルの外表面に影響を与える虞がなくなっている。従って、本発明は、燃料電池モジュールの施工性の向上にも大きく寄与することとなる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第１部分と前記第２部分とは、着脱自在に接合されることも好ましい。このようにすると、改質器の取り付け後でも燃料電池モジュールから改質器を取り外すことが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第１部分と前記第２部分とがジョイント部分を介して接合されていることも好ましい。この好ましい態様では、第１部分と第２部分との間にジョイント部分を介在させるので、第１部分と第２部分とを接合する役割をジョイント部分に担わせることができ、それぞれが管状の第１部分と第２部分とに特別な加工等をせずに接合することができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記第１部分と前記第２部分とが直接機械的に接合されていることも好ましい。この好ましい態様では、第１部分と第２部分とを直接接合するので、接合のための部材を別途設けることなく簡単な機構で接合することができる。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記燃料電池セルの他端と前記改質器との間に、前記改質器によって改質された燃料ガスと酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、前記第１部分と前記第２部分が機械的に接合されている部分は、前記燃焼部よりも前記燃料電池セルの一端側に配置されていることを特徴とする。このようにすると、前記第１部分と前記第２部分とが機械的に接合されている部分が、熱源から遠方に位置することとなるので、複数の燃料電池セルの各先端部分において行われる燃焼による熱の影響を受けにくくなる。そのため、燃料電池モジュールの使用後であっても、燃料電池モジュールから改質器を取り外しやすくなっている。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池モジュールを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池モジュールの製造方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールの製造方法であって、前記流出配管部を形成する第１部分及び第２部分の内、第１部分を前記改質器に接合し、その後、分割形成された第１部分と第２部分とを機械的に接合して前記流出配管部と成すことを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る燃料電池モジュールの製造方法では、第１部分と第２部分とを機械的に接合することで燃料電池セルスタックと改質器とを接続している。そのため、燃料電池モジュールを製造するにあたり改質器の検査を行う場合には、流出配管部の第１部分と第２部分とを機械的に接合する前、すなわち流出配管部が第１部分と第２部分とに分割されている状態で改質器の検査を行うことができるようになっている。その結果、製造にあたり改質器の検査を簡便に行うことが可能となる。
【００２０】
ここで、本発明に係る燃料電池モジュールの製造方法では、流出配管部の第１部分と第２部分とを機械的に接合しているので、第１部分と第２部分との接合の際に、例えば溶接等によって第１部分と第２部分とを接合する場合のように熱が生じない。そのため、熱によって燃料電池セルの外表面に影響を与える虞がなくなっている。従って、本発明は、燃料電池モジュールの施工性の向上にも大きく寄与することとなる。
【００２１】
続いて、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明に係る燃料電池モジュールの一実施形態を示す正面図である。また、図２は、カバー部材を外して示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【００２３】
同図に示すように、燃料電池モジュールＦＣは、カバー部材１（容器）とベース部材２（容器）とによって密閉される空間内に１０個の燃料電池セルスタック４００を並べて配置している。従って、この燃料電池モジュールＦＣでは、カバー部材１とベース部材２とによって、燃料電池セル４等が内包される容器が形成されている。各燃料電池セルスタック４００には、１６個の燃料電池セル４が２列になって配置されている。これらの燃料電池セル４は、電気的に直列に配置されている。
【００２４】
各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の下端から上端へと流れるガスと、その管外を下端から上端へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガスである。
【００２５】
燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０について、図３を参照しながら説明する。図３に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取付けられた外側電極端子４２と、を有している。
【００２６】
燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。
【００２７】
内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたサマリウムコバルト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。
【００２８】
内側電極端子４０は、内側電極外周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。
【００２９】
外側電極端子４２は、外側電極外周面４８を全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。
【００３０】
内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３１】
内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。
【００３２】
続いて、燃料電池セルスタック４００について、図４を参照しながら説明する。燃料電池セルスタック４００は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板４００ａと、下支持板４００ｂと、接続部材４００ｃと、外部端子４００ｄとを備えている。
【００３３】
上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８列で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図に明示しない）を有している。上支持板４００ａ及び下支持板４００ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。
【００３４】
１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材４００ｃが設けられている。接続部材４００ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子４００ｄが設けられている。接続部材４００ｃ、外部端子４００ｄは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック４００の外部端子４００ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。
【００３５】
図１に戻り、燃料電池モジュールＦＣについて説明する。カバー部材１は、正面側の側壁（不図示）と、燃料電池スタック３０の配列方向の側壁１０１，１０２と、背面側の側壁１０３と、天井１０４とによって直方体状に形成されている。側壁１０１の下端部には、フランジ部１ａが形成されている。カバー部材１のフランジ部１ａをベース部材２に当接させることで、カバー部材１とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。
【００３６】
カバー部材１とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック４００が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排気ガス室１７である。
【００３７】
仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４に供給される。
【００３８】
より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック４００の下支持板４００ｂとほぼ同じ形状の開口部（図に明示しない）が設けられており、その開口部に下支持板４００ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック４００とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。
【００３９】
一方、各燃料電池セルスタック４００の上方は、空気と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。背面側の側壁１０２において燃焼部１８に対応する部分には、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置１９が設けられている。点火装置１９により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック４００を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。
【００４０】
燃料ガスは、燃料ガス供給管８を通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。燃料ガス供給管８は、仕切り板１５に対して立設された配管６０Ｂ（流入配管部、第２部分）及び配管６０Ｂに対して機械的に接続されている配管６０Ａ（流入配管部、第１部分）を介して改質器５に繋がっている。配管６０Ａ及び配管６０Ｂは接合部６０Ｃ（ジョイント部分）によって機械的に接合され、一体化された流入配管部６０とされている。接合部６０Ｃは、ナット６０Ｃａ、ジョイント６０Ｃｂ、及びナット６０Ｃｃによって構成されている。ジョイント６０Ｃｂは、筒状であってその両端に雄ねじが切られており、筒状の内部に反対方向から配管６０Ａ及び配管６０Ｂがそれぞれ挿入されるように形成されている。ナット６０Ｃａは配管６０Ａに通されていて、ジョイント６０Ｃｂに配管６０Ａを挿入した後に、ナット６０Ｃａをジョイント６０Ｃｂに対して締め付けることで、ジョイント６０Ｃｂの両端に挿入されている円錐状のフェルール（図に明示しない）が押し込まれ、ジョイント６０Ｃｂがフェルールを介して配管６０Ａに圧接されて接合される。同様に、ナット６０Ｃｃは配管６０Ｂに通されていて、ジョイント６０Ｃｂに配管６０Ｂを挿入した後に、ナット６０Ｃｃをジョイント６０Ｃｂに対して締め付けることで、ジョイント６０Ｃｂの両端に挿入されている円錐状のフェルール（図に明示しない）が押し込まれ、ジョイント６０Ｃｂがフェルールを介して配管６０Ｂに圧接されて接合される。このように、配管６０Ａ及び配管６０Ｂは、接合部６０Ｃを介して機械的に接合されており、着脱可能に構成されている。
【００４１】
改質器５に導入された燃料ガスは、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６１Ａ（流出配管部、第１部分）及び配管６１Ｂ（流出配管部、第２部分）を通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に封入されている改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したもの、が適宜用いられる。
【００４２】
配管６１Ａは改質器５に接合されており、配管６１Ｂはガスタンク３に立設されている。配管６１Ａ及び配管６１Ｂは接合部６１Ｃ（ジョイント部分）によって機械的に接合され、一体化された流出配管部６１とされている。接合部６１Ｃは、ナット６１Ｃａ、ジョイント６１Ｃｂ、及びナット６１Ｃｃによって構成されている。ジョイント６１Ｃｂは、筒状であってその両端に雄ねじが切られており、筒状の内部に反対方向から配管６１Ａ及び配管６１Ｂがそれぞれ挿入されるように形成されている。ナット６１Ｃａは配管６１Ａに通されていて、ジョイント６１Ｃｂに配管６１Ａを挿入した後に、ナット６１Ｃａをジョイント６１Ｃｂに対して締め付けることで、ジョイント６１Ｃｂの両端に挿入されている円錐状のフェルール（図に明示しない）が押し込まれ、ジョイント６１Ｃｂがフェルールを介して配管６１Ａに圧接されて接合される。同様に、ナット６１Ｃｃは配管６１Ｂに通されていて、ジョイント６１Ｃｂに配管６１Ｂを挿入した後に、ナット６１Ｃｃをジョイント６１Ｃｂに対して締め付けることで、ジョイント６１Ｃｂの両端に挿入されている円錐状のフェルール（図に明示しない）が押し込まれ、ジョイント６１Ｃｂがフェルールを介して配管６１Ｂに圧接されて接合される。このように、配管６１Ａ及び配管６１Ｂは、接合部６１Ｃを介して機械的に接合されており、着脱可能に構成されている。
【００４３】
改質器５に対して配管６０Ａが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６１Ａが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガスは改質触媒に十分に触れることが可能となる。また、流入配管部６０の接合部６０Ｃ及び流出配管部６１の接合部６１Ｃは、燃焼部１８よりも下方に、燃料電池セル４の下端側に配置されている。
【００４４】
カバー部材１の側壁１０１，１０２，１０３、及び天井１０４は、二重壁構造になっており、その二重壁の間の空間を気体が通過可能なように構成されている。側壁１０２の内部空間と、天井１０４の内部空間と、側壁１０３の内部空間とはそれぞれ繋がっている。側壁１０２の下部には空気供給管１０が連通されていて、空気が供給されるように構成されている。
【００４５】
側壁１０２に供給された空気は、天井１０４から側壁１０３へと流れ、その流れる過程において発電室１６内から伝わる熱によって加熱されるように構成されている。側壁１０３へ流れ込んだ空気は、空気流路１０３ａに流れ込むように構成されている。空気流路１０３ａは、側壁１０１から側壁１０２へ向けて延びるように形成され、側壁１０３の内側において仕切り板１５の上面近傍に沿って配置されている。空気流路１０３ａには所定間隔をおいて、空気流入孔１０３ｂが設けられている。
【００４６】
側壁１０３から空気流路１０３ａに流れ込んだ空気は、空気流入孔１０３ｂを通って発電室１６内へと流れ込むように構成されている。空気流入孔１０３ｂを通って発電室１６内へと流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側の通路を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各燃料電池セル４の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。
【００４７】
側壁１０３の内側上端には、排気ガス流出スリット１０３ｃが設けられている。各燃料電池セル４の上方において燃料ガスと空気とが燃焼して発生した排気ガスは、排気ガス流出スリット１０３ｃを通って側壁１０３の内部空間に入る。側壁１０３へと入り込んだ排気ガスは、側壁１０３の内部空間を下方へと流れ、排気ガス室１７へと至って一時的に貯留される。排気ガス室１７へと至った排気ガスは、排気ガス管１１を通って燃料電池モジュールＦＣの外部へと排出される。
【００４８】
続いて、以上のような構成を有する燃料電池モジュールＦＣの製造方法について説明する。
【００４９】
まず、ベース部材２上に仕切り板１５を設け、この仕切り板１５上にさらにガスタンク３及び燃料電池セルスタック４００を設ける。ここで、仕切り板１５の下面には、予め、燃料ガス供給管８が取り付けられている。仕切り板１５には、予め、配管６０Ｂが上方に向かうように突設されている。ガスタンク３には、予め、配管６１Ｂが上方に向かうように突設されている。
【００５０】
次に、改質器５を用意する。改質器５の長手方向に対して一端近傍には、配管６０Ａが突設されている。改質器５の長手方向に対して他端近傍には、配管６１Ａが突設されている。
【００５１】
次に、仕切り板１５から突出している配管６０Ｂと、改質器５に設けられている配管６０Ａとを、接合部６０Ｃによって締着する。また、このとき、ガスタンク３に設けられている配管６１Ｂと、改質器５に設けられている配管６１Ａとについても、接合部６１Ｃによって締着する。これにより、配管６０Ａと配管６０Ｂとが接合部６０Ｃを介して機械的に接合され、配管６１Ａと配管６１Ｂとが接合部６１Ｃを介して機械的に接合される。
【００５２】
次に、ベース部材２とカバー部材１のフランジ部１ａとを接続することで、ベース部材２にカバー部材１を取り付ける。こうして、燃料電池モジュールＦＣが完成する。
【００５３】
以上のような本実施形態では、流入配管部６０が配管６０Ａと配管６０Ｂとを有しており、配管６０Ａと配管６０Ｂとが接合部６０Ｃを介して機械的に接合されている。また、流出配管部６１が配管６１Ａと配管６１Ｂとを有しており、配管６１Ａと配管６１Ｂとが接合部６１Ｃを介して機械的に接合されている。そのため、燃料電池モジュールＦＣを製造するにあたり改質器５の検査を行う場合には、流入配管部６０の配管６０Ａと配管６０Ｂとを機械的に接合する前で且つ流出配管部６１の配管６０Ａと配管６０Ｂとを機械的に接合する前、すなわち流入配管部６０が配管６０Ａと配管６０Ｂとに分割されており、流出配管部６１が配管６１Ａと配管６１Ｂとに分割されている状態で改質器５の検査を行うことができるようになっている。その結果、製造にあたり改質器５の検査を簡便に行うことが可能となる。
【００５４】
また、本実施形態では、流入配管部６０の配管６０Ａと配管６０Ｂとを機械的に接合しており、流出配管部６１の配管６１Ａと配管６１Ｂとを機械的に接合している。そのため、配管６０Ａと配管６０Ｂとの接合の際及び配管６１Ａと配管６１Ｂとの接合の際に、例えば溶接等によって接合する場合のように熱が生じない。そのため、熱によって燃料電池セル４の外表面に影響（外表面の劣化等）を与える虞がなくなっている。従って、本実施形態は、燃料電池モジュールＦＣの施工性の向上にも大きく寄与することとなる。
【００５５】
また、本実施形態では、流入配管部６０の配管６０Ａと配管６０Ｂとが着脱自在とされており、流出配管部６１の配管６１Ａと配管６１Ｂとが着脱自在とされている。そのため、改質器５の取り付け後でも燃料電池モジュールＦＣから改質器５を取り外すことができるようになっている。
【００５６】
また、本実施形態では、配管６０Ａと配管６０Ｂとが機械的に接合されている部分が、燃料電池セル４の先端部分よりも下方に位置している。また、配管６１Ａと配管６１Ｂとが機械的に接合されている部分が、燃料電池セル４の先端部分よりも下方に位置している。そのため、配管６０Ａと配管６０Ｂとが機械的に接合されている部分及び配管６１Ａと配管６１Ｂとが機械的に接合されている部分が、熱源から遠方に位置することとなるので、燃料電池セル４の先端部分において行われる燃焼による熱の影響を受けにくくなる。そのため、燃料電池モジュールＦＣの使用後であっても、燃料電池モジュールＦＣから改質器５を取り外しやすくなっている。
【００５７】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記した実施形態
に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、接合部６０Ｃを介して配管６０Ａと配管６０Ｂとを機械的に接合し、接合部６１Ｃを介して配管６１Ａと配管６１Ｂとを機械的に接合していたが、機械的な接合方法としてはこれに限られない。具体的には、図５に示されるように、配管６０Ａ（６１Ａ）の先端にフランジ部６０Ｄ（６１Ｄ）を設けると共に配管６０Ｃ（６１Ｃ）の先端にフランジ部６０Ｅ（６１Ｅ）を設け、フランジ部６０Ｄとフランジ部６０Ｅとをボルト及びナット（共に図示せず）によって接合し、フランジ部６１Ｄとフランジ部６１Ｅとをボルト及びナット（共に図示せず）によって接合するようにしてもよい。つまり、図５においては、フランジ部６０Ｄ及びフランジ部６０Ｅを挟むようにボルト及びナットを締着することで、配管６０Ａと配管６０Ｂとが機械的に接合される。また、フランジ部６１Ｄ及びフランジ部６１Ｅを挟むようにボルト及びナットを締着することで、配管６１Ａと配管６１Ｂとが機械的に接合される。なお、このときに用いるボルト及びナットの材質としては、耐熱性金属であると好ましい。
【００５８】
また、図６に示されるように、先端部が配管６０Ｇ（配管６０Ｂに相当する）の先端部の径よりも拡径された配管６０Ｆ（配管６０Ａに相当する）を用意して、配管６０Ｇの先端部を配管６０Ｆの先端部に挿入し、配管６０Ｆの先端部をかしめるようにして、配管６０Ｇと配管６０Ｆと接合して流入配管部６０としてもよい。流出配管部６１についても同様に、先端部が配管６１Ｇ（配管６１Ｂに相当する）の先端部の径よりも拡径された配管６１Ｆ（配管６１Ａに相当する）を用意して、配管６１Ｇの先端部を配管６１Ｆの先端部に挿入し、配管６１Ｆの先端部をかしめるようにして、配管６１Ｇと配管６１Ｆと接合して流出配管部６１としてもよい。
【００５９】
続いて、図７を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図７は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図７に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、制御部ＣＳとを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。
【００６０】
燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管８へと送り出される。
【００６１】
空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される空気は空気供給管１０へと送り出される。
【００６２】
水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料モジュールＦＣ内部で水蒸気となって水蒸気供給管へと送り出される。
【００６３】
電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、電極棒１３，１４と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。
【００６４】
制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、駆動補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。上述したような燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本実施形態に係る燃料電池モジュールを示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池モジュールを、カバー部材を外した状態で示す斜視図である。
【図３】燃料電池セルユニットを説明するための図である。
【図４】燃料電池セルスタックを説明するための図である。
【図５】配管同士が機械的に接合されている部分の他の例を示す斜視図である。
【図６】配管同士が機械的に接合されている部分の他の例を示す斜視図である。
【図７】本実施形態に係る燃料電池の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
ＦＣ…燃料電池モジュール、１…カバー部材、２…ベース部材、３…ガスタンク、４…燃料電池セル、３０…燃料電池セルユニット、４００…燃料電池セルスタック、５…改質器、６…連結管、７…燃焼触媒設置部、８…燃料ガス供給管、１０…空気供給管、１１…排気ガス管、１３，１４…電極棒、１５…仕切り板、１６…発電室、１７…排気ガス室、６０…流入配管部、６１…流出配管部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、
前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールであって、
少なくとも前記流出配管部は、それぞれが管状を成す第１部分と第２部分とが機械的に接合されて形成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】
前記第１部分と前記第２部分とは、着脱自在に接合され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】
前記第１部分と前記第２部分とはジョイント部分を介して接合されていることを特徴とする請求項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部分と前記第２部分とが直接機械的に接合され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５】
前記燃料電池セルの他端と前記改質器との間に、前記改質器によって改質された燃料ガスと酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、
前記第１部分と前記第２部分が機械的に接合されている部分は、前記燃焼部よりも前記燃料電池セルの一端側に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項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項に記載されている燃料電池モジュールを備える燃料電池。
【請求項７】
燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、
前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールの製造方法であって、
前記流出配管部を形成する第１部分及び第２部分の内、第１部分を前記改質器に接合し、その後、前記第１部分と前記第２部分とを機械的に接合して前記流出配管部と成すことを特徴とする燃料電池モジュールの製造方法。
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、
前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールであって、
少なくとも前記流出配管部は、それぞれが管状を成す第１部分と第２部分とが機械的に接合されて形成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】
前記第１部分と前記第２部分とは、着脱自在に接合され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】
前記第１部分と前記第２部分とはジョイント部分を介して接合されていることを特徴とする請求項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部分と前記第２部分とが直接機械的に接合され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５】
前記燃料電池セルの他端と前記改質器との間に、前記改質器によって改質された燃料ガスと酸化剤ガスとが混合して燃焼する燃焼部が形成され、
前記第１部分と前記第２部分が機械的に接合されている部分は、前記燃焼部よりも前記燃料電池セルの一端側に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項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項に記載されている燃料電池モジュールを備える燃料電池。
【請求項７】
燃料ガスと酸化剤ガスとが一端側から他端側へと流れることにより作動する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの他端側に対向配置され、被改質ガスを改質して燃料ガスとする改質器と、
前記改質器に被改質ガスを供給する流入配管部と、前記改質器から燃料ガスを前記複数の燃料電池セルの一端へ送り出す流出配管部とを有するガス配管と、を備える燃料電池モジュールの製造方法であって、
前記流出配管部を形成する第１部分及び第２部分の内、第１部分を前記改質器に接合し、その後、前記第１部分と前記第２部分とを機械的に接合して前記流出配管部と成すことを特徴とする燃料電池モジュールの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１９９７８４（Ｐ２００９−１９９７８４Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３８０７４（Ｐ２００８−３８０７４）
【出願日】平成２０年２月１９日（２００８．２．１９）
【特許番号】特許第４２９７１９１号（Ｐ４２９７１９１）
【特許公報発行日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度地域新生コンソーシアム研究開発事業、九州経済産業局、「新型酸化物電解質薄膜を用いる車載用補助電源ＳＯＦＣの開発」に係る委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１９日（２００８．２．１９）
【特許番号】特許第４２９７１９１号（Ｐ４２９７１９１）
【特許公報発行日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度地域新生コンソーシアム研究開発事業、九州経済産業局、「新型酸化物電解質薄膜を用いる車載用補助電源ＳＯＦＣの開発」に係る委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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