燃料電池モジュール
【課題】壁部同士を連結する溶接箇所を少なくすると共に、製造が容易な簡素な構成の燃料電池モジュールを提供する。
【解決手段】第２のケース６０を構成する、第２ケース側壁部２１，２２、第２ケース側壁部２１，２２の各上端部に連結される第２ケース上壁部２３、及び第２ケース側壁部２１，２２の各下端部に連結される第２ケース底壁部２４のうち、第２ケース側壁部２１，２２及び第２ケース上壁部２３を、板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部を一体に形成する。また、第３のケース５０を構成する、第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース側壁部２６，２７の各上端部に連結される第３ケース上壁部２８、及び第３ケース側壁部２６，２７の各下端部に連結される第３ケース底壁部２９のうち、第３ケース側壁部２６，２７及び第３ケース底壁部２９を、板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部を一体に形成する。
【解決手段】第２のケース６０を構成する、第２ケース側壁部２１，２２、第２ケース側壁部２１，２２の各上端部に連結される第２ケース上壁部２３、及び第２ケース側壁部２１，２２の各下端部に連結される第２ケース底壁部２４のうち、第２ケース側壁部２１，２２及び第２ケース上壁部２３を、板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部を一体に形成する。また、第３のケース５０を構成する、第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース側壁部２６，２７の各上端部に連結される第３ケース上壁部２８、及び第３ケース側壁部２６，２７の各下端部に連結される第３ケース底壁部２９のうち、第３ケース側壁部２６，２７及び第３ケース底壁部２９を、板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部を一体に形成する。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池モジュールとして、特許文献１に示す燃料電池用筐体に、改質器とセルスタックとを収納して構成したものが知られている。この燃料電池用筐体は、改質器及びセルスタックを収納する収納室と、収納室の外側に形成された排ガス流路と、排ガス流路の外側に形成された酸化剤流路と、上方の酸化剤流路から収納室へ向かって下方へ延びる酸化剤供給部材とを備えている。排ガス流路は、収納室の側方においてセルスタック上端部の燃焼部から発生する排ガスを下方へ通過させる部分と、収納室の下方において排ガスを集めて系外へ排出する部分と、を有している。酸化剤流路は、排ガス流路の下方において酸化剤が導入される部分と、排ガス流路の下方から導入された酸化剤を収納室の上方へ通過させる部分と、を有している。また、酸化剤供給部材は、水平方向においてセルの積層方向と直交する方向に並べられたセルスタックの間の隙間に入り込むように配置され、当該隙間から各セルスタックに対して酸化剤を供給するように、先端部に貫通孔を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０４４９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の燃料電池モジュールの筐体は、水平方向に広がる内部空間を有する金属製の箱体を２つ重ねた構成となっており、下側の箱体の内部空間が、酸化剤流路における酸化剤が導入される部分となり、上側の箱体の内部空間が、排ガス流路における排ガスを系外に排出する部分となっている。また、この筐体は、重ねられた２つの箱体に、上下方向に延びる複数枚の金属板を溶接し、これらの金属板を、排ガス流路及び酸化剤流路の壁面として用いている。このような構造では、筐体内に形成される流路毎に、箱体に対して金属板を溶接する必要があり、溶接箇所が多く、溶接箇所の数の多さに比例して歪が発生する可能性が高くなるという問題があった。また、金属板を箱体に溶接する構成であるため、金属板の垂直方向・水平方向等の設置位置の管理に手間が掛かるという問題もあった。また、溶接箇所の検査を行う際にも、検査箇所が多くなり、手間やコストが掛かるという問題もあった。また、２つの箱体を重ねて排ガス流路及び酸化剤流路の下側の部分を形成する構成であるため、排ガス流路及び酸化剤流路の下側部分において、両流路の区画は、下側に配置された箱体の上壁部と、上側に配置された箱体の底壁部とによって行われている。すなわち、排ガス流路と酸化剤流路とは、１枚の板材を両流路間に配置するだけで区画することができるものの、従来の構成では、両流路を区画するという機能的に重複した部位（下側に配置された箱体の上壁部、及び上側に配置された箱体の底壁部）が存在しており、効率的な構成であるとは言い難いという問題もあった。
【０００５】
そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、壁部同士を連結する溶接箇所を少なくすると共に、製造が容易な簡素な構成の燃料電池モジュール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】
【０００６】
本発明に係る燃料電池モジュールは、水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、改質ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックと、改質器及びセルスタックを収納すると共に、セルスタックからのオフガスを燃焼させて、セルスタックの上方に位置する改質器を加熱するための内部空間を有する筐体と、を備え、筐体は、内部空間を形成する第１のケースと、第１のケースを覆うと共に、第１のケースとの間でオフガスの燃焼による排ガスを通過させる排ガス流路を形成する第２のケースと、第２のケースを覆うと共に、第２のケースとの間で酸化剤を通過させる酸化剤流路を形成する第３のケースと、を備え、第２のケースは、互いに対向する第２ケース側壁部、板材の折り曲げにより第２ケース側壁部と一体に形成された第２ケース上壁部、及び第２ケース側壁部に固定された第２ケース底壁部を含んで構成され、第３のケースは、互いに対向する第３ケース側壁部、第３ケース側壁部に固定された第３ケース上壁部、及び板材の折り曲げにより第３ケース側壁部と一体に形成された第３ケース底壁部を含んで構成されることを特徴とする。
【０００７】
この燃料電池モジュールによれば、第２のケースを構成する、第２ケース側壁部、第２ケース上壁部、及び第２ケース底壁部のうち、第２ケース側壁部及び第２ケース上壁部は、板材の折り曲げ加工により一体に形成される。また、第３のケースを構成する、第３ケース側壁部、第３ケース上壁部、及び第３ケース底壁部のうち、第３ケース側壁部及び第３ケース底壁部は、板材の折り曲げ加工により一体に形成される。このように、板材の折り曲げ加工によって各壁部を形成することにより、壁部同士を溶接等によって連結する必要がない。また、折り曲げ加工によって壁部を形成することにより、壁部の連結箇所（板材の折り曲げ箇所）における気密性を好適に保つことができる。また、溶接によって壁部を連結する箇所が少なくなるので、溶接箇所の検査を行う際にも、検査箇所が少なく、手間やコストを低減することができる。
【０００８】
また、折り曲げ加工を行う場合には、第２ケース側壁部と第２ケース上壁部とで形成される部材、及び第３ケース側壁部と第３ケース底壁部とで形成される部材の寸法管理が容易となる。従って、これらの部材を用いて形成される排ガス流路及び酸化剤流路を、高い精度で形成することができる。また、折り曲げ加工によって形成された壁部の連結箇所は、溶接によって各壁部を連結した箇所に比べて、例えば、ヒートサイクルによる熱衝撃等、熱に強いものとなっている。従って、本願発明に係る燃料電池モジュールの筐体は折り曲げ加工によって形成された壁部を有していることにより、熱に強い筐体とすることができる。また、セルスタックからのオフガスを燃焼させることにより、第１のケースの上部は、他の部位と比較して高温になる。すなわち、第１のケースの上部は、オフガスを燃焼させた場合と燃焼させない場合とで温度変化が大きい。本発明では、この温度変化が大きい第１のケースの上部の外側に、折り曲げ加工によって形成された、第２ケース側壁部と第２ケース上壁部との連結部分が位置することとなる。折り曲げ加工によって形成された第２ケース側壁部と第２ケース上壁部の連結部分はヒートサイクルの熱衝撃等に強いため、温度変化が大きい箇所であったとしても、第２ケース側壁部と第２ケース上壁部との連結部分の耐久性を高めることができる。以上によって、壁部同士を連結する溶接箇所を少なくすると共に、製造が容易な簡素な構成とすることができる。また、簡素な構成となることにより、材料費を削減することができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池モジュールにおいて、第２ケース底壁部の第２ケース側壁部への固定、及び、第３ケース上壁部の第３ケース側壁部への固定のうち、少なくともいずれかの固定は溶接によって行われることが好ましい。この場合には、溶接によって壁部同士を容易に連結することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、壁部同士を連結する溶接箇所を少なくすると共に、製造が容易な簡素な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成図である。
【図２】図１に示すＩＩ―ＩＩ線に沿った概略断面図である。
【図３】図２に示すＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】従来の燃料電池モジュールの概略構成図である。
【図５】従来の燃料電池モジュールの組み立て工程を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１，図２及び図３に示されるように、燃料電池モジュール１は、水素含有燃料を用いて改質ガスＲＧを発生させる改質器２と、改質ガスＲＧ及び酸化剤ＯＸを用いて発電を行うセルスタック３と、水を気化させることによって改質器２へ供給される水蒸気を生成する水気化部４と、改質器２、セルスタック３、及び水気化部４を収納する筐体６と、を備える。図１〜図３では図示されていないが、燃料電池モジュール１の下方には、ポンプ等の補機や制御機器等を収納する筐体が設けられる。なお、図１及び図２では、ガスの流れを概念的に示しているため、各壁部の板厚は省略されている。図３では、各壁部を強調して示すために、改質器２やセルスタック３等は省略されている。また、図３において、各壁部の断面が線で示されているが、各壁部は、実際には所定の板厚を有している。
【００１４】
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
【００１５】
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
【００１６】
改質器２は、供給される水素含有燃料を用いて改質ガスＲＧを発生させる。改質器２は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して改質ガスＲＧを発生させる。改質器２での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。改質器２は、後述する燃焼熱によって加熱され得るようにセルスタック３の上側に配置されている。すなわち、セルスタック３の燃料極側に導入された改質ガスＲＧのオフガス（未反応改質ガス）は、空気極等の酸化剤極側に導入された空気等の酸化剤のうちの未反応酸素（未反応酸化剤ガス）と共に燃焼させられ、改質器２は、この燃焼熱によって加熱される。改質器２は、改質ガスＲＧをセルスタック３の燃料極へ供給する。
【００１７】
セルスタック３は、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称される複数のセルの積層体を有している。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と酸化剤極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなり、高温下で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと改質ガスＲＧ中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、酸化剤ＯＸ中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。本実施形態では、セルスタック３は、台座７の上面において、各セルの積層方向と直交する方向に向かい合うように二列に配置される。ただし、セルスタック３は一列に配置されてもよい。
【００１８】
台座７と改質器２とは、パイプ８で接続されている。改質器２から供給された改質ガスＲＧは、台座７を介してセルスタック３の各セルに供給される。セルスタック３で反応しなかった改質ガスＲＧ及び酸化剤ＯＸは、セルスタック３の上部の燃焼部９で燃焼する。燃焼部９でのオフガスの燃焼により、改質器２が加熱されると共に排ガスＥＧが発生する。
【００１９】
水気化部４は、供給される水を加熱し気化させることによって、改質器２に供給される水蒸気を生成する。水気化部４で生成された水蒸気は、例えば、第１ケース底壁部１８を貫通して水気化部４と改質器２とを接続する配管（不図示）を用いて、改質器２へ供給される。水気化部４における水の加熱は、例えば、改質器２の熱、燃焼部９の熱、あるいは排ガスＥＧの熱を回収する等、燃料電池モジュール１内で発生した熱を用いてもよい。本実施形態では、水気化部４は、底部の排ガス流路に配置され、排ガスＥＧの熱を回収する構成となっている。
【００２０】
筐体６は、改質器２、セルスタック３、及び水気化部４を収納するための内部空間を有する、直方体状の金属製の箱体である。筐体６は、セルスタック３を収納する収納室１１と、収納室１１よりも外側に形成され、セルスタック３からのオフガスの燃焼による排ガスＥＧを通過させる排ガス流路１２と、酸化剤ＯＸを通過させる酸化剤流路１３と、収納室１１や排ガス流路１２や酸化剤流路１３を形成する各壁部と、を備える。なお、以下の説明においては、セルスタック３の各セルの積層方向に沿った方向を筐体６の「長さ方向Ｄ１」とし、水平方向において各セルの積層方向と直交する方向を筐体６の「幅方向Ｄ２」とし、鉛直方向を筐体６の「上下方向Ｄ３」として以下の説明を行う。本実施形態では、収納室１１、排ガス流路１２、酸化剤流路１３、及びこれらを形成する各壁部は、長さ方向Ｄ１から見て左右対称な構造となっている。
【００２１】
収納室１１は、幅方向Ｄ２に互いに対向する第１ケース側壁部１６，１７、第１ケース側壁部１６，１７の各下端部に連結される第１ケース底壁部１８、及び、長さ方向Ｄ１に互いに対向する端壁部３３，３４の内側に形成される。収納室１１では、台座７が第１ケース底壁部１８に配置される。なお、第１ケース底壁部１８と台座７との間に断熱材が配置されていてもよい。燃焼部９で発生した排ガスＥＧを通過させるため、収納室１１の上端部は開口している。
【００２２】
排ガス流路１２は、幅方向Ｄ２において第１ケース側壁部１６，１７の外側にそれぞれ配置される第２ケース側壁部２１，２２と、第１ケース側壁部１６，１７の上端部よりも上側に配置される第２ケース上壁部２３と、第１ケース底壁部１８よりも下側に配置される第２ケース底壁部２４と、長さ方向Ｄ１に互いに対向する端壁部３３，３４と、によって形成される。
【００２３】
第２ケース上壁部２３は第２ケース側壁部２１，２２の上端部に連結され、第２ケース底壁部２４は第２ケース側壁部２１，２２の下端部に連結される。第２ケース側壁部２１，２２は、第１ケース側壁部１６，１７から離間して対向するように配置される。第２ケース上壁部２３は、収納室１１の上端部から離間して対向するように配置される。第２ケース底壁部２４は、第１ケース底壁部１８から離間して対向するように配置される。
【００２４】
排ガス流路１２は、収納室１１の上側の開口部と第２ケース上壁部２３との間に形成される排ガス流路１２Ａ，１２Ｂと、第２ケース側壁部２１，２２と第１ケース側壁部１６，１７との間に形成される排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄと、第２ケース底壁部２４と第１ケース底壁部１８との間に形成される排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆと、を有する。排ガス流路１２Ａ，１２Ｂは、燃焼部９からの排ガスＥＧを排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄへ導く。排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄは、排ガスＥＧを下方へ通過させ、当該排ガスＥＧの熱を外側の酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを流れる酸化剤ＯＸに供給する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆは、排ガスＥＧを排気管３２へ向かって水平方向に通過させ、当該排ガスＥＧの熱を水気化部４に供給する。
【００２５】
酸化剤流路１３は、幅方向Ｄ２において第２ケース側壁部２１，２２の外側にそれぞれ配置される第３ケース側壁部２６，２７と、第２ケース上壁部２３よりも上側に配置される第３ケース上壁部２８と、第２ケース底壁部２４よりも下側に配置される第３ケース底壁部２９と、長さ方向Ｄ１に互いに対向する端壁部３３，３４と、によって形成される。
【００２６】
第３ケース上壁部２８は第３ケース側壁部２６，２７の上端部に連結され、第３ケース底壁部２９は第３ケース側壁部２６，２７の下端部に連結される。第３ケース側壁部２６，２７は、第２ケース側壁部２１，２２から離間して対向するように配置される。第３ケース上壁部２８は、第２ケース上壁部２３から離間して対向するように配置される。第３ケース底壁部２９は、第２ケース底壁部２４から離間して対向するように配置される。
【００２７】
第２ケース上壁部２３には中央部に長さ方向Ｄ１へ延びるスリット３９が形成されており、当該スリット３９には、酸化剤供給部材３６が挿入される。酸化剤供給部材３６は、セルスタック３に酸化剤ＯＸを供給する。酸化剤供給部材３６は、一対のセルスタック３の間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路１３Ｋを有すると共に、先端部に貫通孔３７，３８を有している。
【００２８】
酸化剤流路１３は、第３ケース上壁部２８と第２ケース上壁部２３との間に形成される酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂと、第３ケース側壁部２６，２７と第２ケース側壁部２１，２２との間に形成される酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄと、第３ケース底壁部２９と第２ケース底壁部２４との間に形成される酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈと、を有する。酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈは、給気管３１からの酸化剤ＯＸを水平方向に広がるように通過させ、酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄへ導く。酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄは、酸化剤ＯＸを上方へ通過させ、当該酸化剤ＯＸを内側の排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを流れる排ガスＥＧの熱によって加熱する。酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂは、酸化剤ＯＸを幅方向Ｄ２における外側から内側へ向かって通過させ、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋへ流して貫通孔３７，３８へ導く。
【００２９】
第３ケース底壁部２９には、図示されない酸化剤供給部から酸化剤流路１３に酸化剤を流入させるための給気管３１が設けられている。また、第２ケース底壁部２４には、排ガス流路１２からの排ガスを排気する排気管３２が設けられている。
【００３０】
側壁部１６，１７，２１，２２，２６，２７、上壁部２３，２８、及び底壁部１８，２４，２９は、長さ方向Ｄ１における筐体６の端部６ａ，６ｂにまで延びている。筐体６の長さ方向Ｄ１の両端部には、それぞれ端壁部３３，３４が設けられている。第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース上壁部２８、第３ケース底壁部２９、及び端壁部３３，３４は、燃料電池モジュール１の外殻を構成し、互いの接続部におけるシール性が確保されており、筐体６内の気密性が確保されている。
【００３１】
次に、改質ガスＲＧ、酸化剤ＯＸ、及び排ガスＥＧの流れについて説明する。
【００３２】
外部から供給される水素含有燃料及び水気化部４からの水蒸気を用いて改質器２で発生した改質ガスＲＧは、パイプ８を通過して台座７に流れ込み、台座７からセルスタック３の各セルに供給される。改質ガスＲＧは、セルスタック３を下方から上方へ向かって流れ、一部はオフガスとして燃焼部９での燃焼に用いられる。酸化剤ＯＸは、外部から給気管３１を介して供給され、酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈにて水平方向に広がり、内側を流れる排ガスＥＧで加熱されながら酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを上方へ向かって通過する。酸化剤ＯＸは、酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂを通過し、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋを流れて、貫通孔３７，３８を通過してセルスタック３へ供給され、一部は燃焼部９での燃焼に用いられる。燃焼部９で発生した排ガスＥＧは、排ガス流路１２Ａ，１２Ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄに導かれ、外側を流れる酸化剤ＯＸに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって通過する。排ガスＥＧは、底部まで達すると排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流れ込み、水気化部４に熱を供給しながら排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過した排ガスＥＧは、排気管３２から排気される。
【００３３】
図１〜図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池モジュール１は、筐体６のうち、最外部に係る壁部を構成する部材を第３のケース５０とし、セルスタック３を収納することで高熱となる部分を第２のケース６０及び第１のケース７０としている。
【００３４】
第３のケース５０は、第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース上壁部２８、第３ケース底壁部２９、及び端壁部３３，３４によって構成されている。第３のケース５０は、長さ方向Ｄ１における一方の端部５０ｂが端壁部３４で封止されると共に、他方の端部５０ａが端壁部３３で封止される。これによって、第３のケース５０の内部の気密性が確保される。
【００３５】
なお、第３ケース側壁部２６，２７及び第３ケース底壁部２９は、一枚の板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成されている。すなわち、第３のケース５０において、第３ケース側壁部２６と第３ケース底壁部２９との連結により形成された角部（折り曲げ部）Ｍ５１、及び第３ケース側壁部２７と第３ケース底壁部２９との連結により形成された角部（折り曲げ部）Ｍ５２は、それぞれ折り曲げによって形成されている。また、第３ケース側壁部２６，２７の上端と、第３ケース上壁部２８との固定は、溶接あるいはボルト止め等によって行われる。また、第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース上壁部２８、及び第３ケース底壁部２９における、長さ方向Ｄ１の両端部は、それぞれ端壁部３３，３４に、溶接により固定されている。
【００３６】
第２のケース６０は、第２ケース側壁部２１，２２、第２ケース上壁部２３、第２ケース底壁部２４、及び端壁部３３，３４によって構成されている。第２のケース６０は、長さ方向Ｄ１における一方の端部６０ｂが端壁部３４で封止されると共に、他方の端部６０ａが端壁部３３で封止される。
【００３７】
なお、第２ケース側壁部２１，２２及び第２ケース上壁部２３は、一枚の板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成されている。すなわち、第２のケース６０において、第２ケース側壁部２１と第２ケース上壁部２３との連結により形成された角部（折り曲げ部）Ｍ６１、及び第２ケース側壁部２２と第２ケース上壁部２３との連結により形成された角部（折り曲げ部）Ｍ６２は、それぞれ折り曲げによって形成されている。また、第２ケース側壁部２１，２２の下端と、第２ケース底壁部２４との固定は、溶接あるいはボルト止め等によって行われる。また、第２ケース側壁部２１，２２、第２ケース上壁部２３、及び第２ケース底壁部２４における、長さ方向Ｄ１の両端部は、それぞれ端壁部３３，３４に、溶接により固定されている。
【００３８】
第１のケース７０は、第１ケース側壁部１６，１７、第１ケース底壁部１８、及び端壁部３３，３４によって構成されている。第１のケース７０は、上方に開口している。また、長さ方向Ｄ１における第１のケース７０の一方の端部７０ｂは、端壁部３４で封止されると共に、第１のケース７０の他方の端部７０ａは端壁部３３で封止される。
【００３９】
なお、第１ケース側壁部１６，１７及び第１ケース底壁部１８は、一枚の板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成されている。すなわち、第１のケース７０において、第１ケース側壁部１６と第１ケース底壁部１８との連結により形成された角部Ｍ７１、及び第１ケース側壁部１７と第１ケース底壁部１８との連結により形成された角部Ｍ７２は、それぞれ折り曲げによって形成されている。また、第１ケース側壁部１６，１７、及び第１ケース底壁部１８における、長さ方向Ｄ１の両端部は、それぞれ端壁部３３，３４に、溶接により固定されている。
【００４０】
なお、第１のケース７０、第２のケース６０、及び第３のケース５０として、例えば、ＮＣＡ１やＳＵＳ３１０Ｓといった高温耐酸化性材料を用いることができる。
【００４１】
次に、本実施形態に係る燃料電池モジュール１の作用・効果について説明する。
【００４２】
まず、比較のために従来の燃料電池モジュール１００の構成を図４及び図５を参照して説明する。燃料電池モジュール１００の筐体１０６は、ベース１１０に対して、各流路を形成する各壁部を溶接によって順次固定することで構成される。ベース１１０は、第１の箱体１１１と第２の箱体１１２とを積み重ねることによって構成されている。第１の箱体１１１は、上壁部１８Ａと、底壁部２４Ａと、第２ケース側壁部２１，２２の下端部分２１ａ，２２ａと、によって構成されている。また、第２の箱体１１２は、上壁部２４Ｂと、底壁部２９と、第３ケース側壁部２６，２７の下端部分２６ａ，２７ａと、によって構成されている。また、酸化剤と排ガスを通すための貫通孔も所定の位置に有している。このようなベース１１０の上面に、側壁部１６，１７，２１，２２，２６，２７、上壁部２３を組み付けて溶接して一体化する。最外部の上面、及び長さ方向Ｄ１の両端面には開口部が形成され、当該三箇所の開口部を蓋体として機能する第３ケース上壁部２８、端壁部３３，３４で封止する。
【００４３】
従来の燃料電池モジュール１００のような構造では、各壁部同士の連結は、全て溶接によって行われており、筐体の製造が困難であるといった問題があった。
【００４４】
本実施形態に係る燃料電池モジュール１では、第２のケース６０を構成する、第２ケース側壁部２１，２２、第２ケース側壁部２１，２２の各上端部に連結される第２ケース上壁部２３、及び第２ケース側壁部２１，２２の各下端部に連結される第２ケース底壁部２４のうち、第２ケース側壁部２１，２２及び第２ケース上壁部２３は、板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成される。また、第３のケース５０を構成する、第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース側壁部２６，２７の各上端部に連結される第３ケース上壁部２８、及び第３ケース側壁部２６，２７の各下端部に連結される第３ケース底壁部２９のうち、第３ケース側壁部２６，２７及び第３ケース底壁部２９は、板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成される。このように、板材の折り曲げ加工によって各壁部を形成することにより、壁部同士を溶接等によって連結する必要がない。また、折り曲げ加工によって壁部を形成することにより、壁部の連結箇所（角部Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ６１，Ｍ６２）における気密性を好適に保つことができる。また、溶接によって壁部を連結する箇所が少なくなるので、溶接箇所の検査を行う際にも、検査箇所が少なく、手間やコストを低減することができる。
【００４５】
また、折り曲げ加工を行う場合には、第２ケース側壁部２１，２２と第２ケース上壁部２３とで形成される部材、及び第３ケース側壁部２６，２７と第３ケース底壁部２９とで形成される部材の寸法管理が容易となる。従って、これらの部材を用いて形成される排ガス流路１２及び酸化剤流路１３を、高い精度で形成することができる。また、折り曲げ加工によって形成された壁部の連結箇所（角部Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ６１，Ｍ６２）は、溶接によって各壁部を連結した箇所に比べて、例えば、ヒートサイクルによる熱衝撃等、熱に強いものとなっている。従って、燃料電池モジュール１の筐体６は折り曲げ加工によって形成された壁部を有していることにより、熱に強い筐体とすることができる。また、セルスタック３からのオフガスを燃焼させることにより、第１のケース７０によって形成される収納室１１の上部は、他の部位と比較して高温になる。すなわち、収納室１１の上部は、オフガスを燃焼させた場合と燃焼させない場合とで温度変化が大きい。本実施形態では、この温度変化が大きい収納室１１の上部の外側に、折り曲げ加工によって形成された、第２ケース側壁部２１，２２と第２ケース上壁部２３との連結部分が位置することとなる。折り曲げ加工によって形成された第２ケース側壁部２１，２２と第２ケース上壁部２３との連結部分（角部Ｍ６１，Ｍ６２）はヒートサイクルの熱衝撃等に強いため、温度変化が大きい箇所であったとしても、第２ケース側壁部２１，２２と第２ケース上壁部２３との連結部分の耐久性を高めることができる。以上によって、壁部同士を連結する溶接箇所を少なくすると共に、製造が容易な簡素な構成とすることができる。また、簡素な構成となることにより、材料費を削減することができる。
【００４６】
また、第２ケース底壁部２４の第２ケース側壁部２１，２２への固定、及び、第３ケース上壁部２８の第３ケース側壁部２６，２７への固定を溶接によって行うことにより、壁部同士を容易に連結することができる。
【００４７】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
【００４８】
例えば、角部Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ６１，Ｍ６２が折り曲げ加工によって形成されていれば、セルスタック３に酸化剤を導く酸化剤流路１３Ｋなどの構成は、適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…燃料電池モジュール、２…改質器、３…セルスタック、４…水気化部、６…筐体、１１…収納室、１２…排ガス流路、１３…酸化剤流路、１６，１７…第１ケース側壁部、１８…第１ケース底壁部、２１，２２…第２ケース側壁部、２３…第２ケース上壁部、２４…第２ケース底壁部、２６，２７…第３ケース側壁部、２８…第３ケース上壁部、２９…第３ケース底壁部、５０…第３のケース、６０…第２のケース、７０…第１のケース、Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ６１，Ｍ６２…角部（折り曲げ部）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池モジュールとして、特許文献１に示す燃料電池用筐体に、改質器とセルスタックとを収納して構成したものが知られている。この燃料電池用筐体は、改質器及びセルスタックを収納する収納室と、収納室の外側に形成された排ガス流路と、排ガス流路の外側に形成された酸化剤流路と、上方の酸化剤流路から収納室へ向かって下方へ延びる酸化剤供給部材とを備えている。排ガス流路は、収納室の側方においてセルスタック上端部の燃焼部から発生する排ガスを下方へ通過させる部分と、収納室の下方において排ガスを集めて系外へ排出する部分と、を有している。酸化剤流路は、排ガス流路の下方において酸化剤が導入される部分と、排ガス流路の下方から導入された酸化剤を収納室の上方へ通過させる部分と、を有している。また、酸化剤供給部材は、水平方向においてセルの積層方向と直交する方向に並べられたセルスタックの間の隙間に入り込むように配置され、当該隙間から各セルスタックに対して酸化剤を供給するように、先端部に貫通孔を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０４４９９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の燃料電池モジュールの筐体は、水平方向に広がる内部空間を有する金属製の箱体を２つ重ねた構成となっており、下側の箱体の内部空間が、酸化剤流路における酸化剤が導入される部分となり、上側の箱体の内部空間が、排ガス流路における排ガスを系外に排出する部分となっている。また、この筐体は、重ねられた２つの箱体に、上下方向に延びる複数枚の金属板を溶接し、これらの金属板を、排ガス流路及び酸化剤流路の壁面として用いている。このような構造では、筐体内に形成される流路毎に、箱体に対して金属板を溶接する必要があり、溶接箇所が多く、溶接箇所の数の多さに比例して歪が発生する可能性が高くなるという問題があった。また、金属板を箱体に溶接する構成であるため、金属板の垂直方向・水平方向等の設置位置の管理に手間が掛かるという問題もあった。また、溶接箇所の検査を行う際にも、検査箇所が多くなり、手間やコストが掛かるという問題もあった。また、２つの箱体を重ねて排ガス流路及び酸化剤流路の下側の部分を形成する構成であるため、排ガス流路及び酸化剤流路の下側部分において、両流路の区画は、下側に配置された箱体の上壁部と、上側に配置された箱体の底壁部とによって行われている。すなわち、排ガス流路と酸化剤流路とは、１枚の板材を両流路間に配置するだけで区画することができるものの、従来の構成では、両流路を区画するという機能的に重複した部位（下側に配置された箱体の上壁部、及び上側に配置された箱体の底壁部）が存在しており、効率的な構成であるとは言い難いという問題もあった。
【０００５】
そこで本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、壁部同士を連結する溶接箇所を少なくすると共に、製造が容易な簡素な構成の燃料電池モジュール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】
【０００６】
本発明に係る燃料電池モジュールは、水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、改質ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックと、改質器及びセルスタックを収納すると共に、セルスタックからのオフガスを燃焼させて、セルスタックの上方に位置する改質器を加熱するための内部空間を有する筐体と、を備え、筐体は、内部空間を形成する第１のケースと、第１のケースを覆うと共に、第１のケースとの間でオフガスの燃焼による排ガスを通過させる排ガス流路を形成する第２のケースと、第２のケースを覆うと共に、第２のケースとの間で酸化剤を通過させる酸化剤流路を形成する第３のケースと、を備え、第２のケースは、互いに対向する第２ケース側壁部、板材の折り曲げにより第２ケース側壁部と一体に形成された第２ケース上壁部、及び第２ケース側壁部に固定された第２ケース底壁部を含んで構成され、第３のケースは、互いに対向する第３ケース側壁部、第３ケース側壁部に固定された第３ケース上壁部、及び板材の折り曲げにより第３ケース側壁部と一体に形成された第３ケース底壁部を含んで構成されることを特徴とする。
【０００７】
この燃料電池モジュールによれば、第２のケースを構成する、第２ケース側壁部、第２ケース上壁部、及び第２ケース底壁部のうち、第２ケース側壁部及び第２ケース上壁部は、板材の折り曲げ加工により一体に形成される。また、第３のケースを構成する、第３ケース側壁部、第３ケース上壁部、及び第３ケース底壁部のうち、第３ケース側壁部及び第３ケース底壁部は、板材の折り曲げ加工により一体に形成される。このように、板材の折り曲げ加工によって各壁部を形成することにより、壁部同士を溶接等によって連結する必要がない。また、折り曲げ加工によって壁部を形成することにより、壁部の連結箇所（板材の折り曲げ箇所）における気密性を好適に保つことができる。また、溶接によって壁部を連結する箇所が少なくなるので、溶接箇所の検査を行う際にも、検査箇所が少なく、手間やコストを低減することができる。
【０００８】
また、折り曲げ加工を行う場合には、第２ケース側壁部と第２ケース上壁部とで形成される部材、及び第３ケース側壁部と第３ケース底壁部とで形成される部材の寸法管理が容易となる。従って、これらの部材を用いて形成される排ガス流路及び酸化剤流路を、高い精度で形成することができる。また、折り曲げ加工によって形成された壁部の連結箇所は、溶接によって各壁部を連結した箇所に比べて、例えば、ヒートサイクルによる熱衝撃等、熱に強いものとなっている。従って、本願発明に係る燃料電池モジュールの筐体は折り曲げ加工によって形成された壁部を有していることにより、熱に強い筐体とすることができる。また、セルスタックからのオフガスを燃焼させることにより、第１のケースの上部は、他の部位と比較して高温になる。すなわち、第１のケースの上部は、オフガスを燃焼させた場合と燃焼させない場合とで温度変化が大きい。本発明では、この温度変化が大きい第１のケースの上部の外側に、折り曲げ加工によって形成された、第２ケース側壁部と第２ケース上壁部との連結部分が位置することとなる。折り曲げ加工によって形成された第２ケース側壁部と第２ケース上壁部の連結部分はヒートサイクルの熱衝撃等に強いため、温度変化が大きい箇所であったとしても、第２ケース側壁部と第２ケース上壁部との連結部分の耐久性を高めることができる。以上によって、壁部同士を連結する溶接箇所を少なくすると共に、製造が容易な簡素な構成とすることができる。また、簡素な構成となることにより、材料費を削減することができる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池モジュールにおいて、第２ケース底壁部の第２ケース側壁部への固定、及び、第３ケース上壁部の第３ケース側壁部への固定のうち、少なくともいずれかの固定は溶接によって行われることが好ましい。この場合には、溶接によって壁部同士を容易に連結することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、壁部同士を連結する溶接箇所を少なくすると共に、製造が容易な簡素な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成図である。
【図２】図１に示すＩＩ―ＩＩ線に沿った概略断面図である。
【図３】図２に示すＩＩＩ―ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】従来の燃料電池モジュールの概略構成図である。
【図５】従来の燃料電池モジュールの組み立て工程を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１，図２及び図３に示されるように、燃料電池モジュール１は、水素含有燃料を用いて改質ガスＲＧを発生させる改質器２と、改質ガスＲＧ及び酸化剤ＯＸを用いて発電を行うセルスタック３と、水を気化させることによって改質器２へ供給される水蒸気を生成する水気化部４と、改質器２、セルスタック３、及び水気化部４を収納する筐体６と、を備える。図１〜図３では図示されていないが、燃料電池モジュール１の下方には、ポンプ等の補機や制御機器等を収納する筐体が設けられる。なお、図１及び図２では、ガスの流れを概念的に示しているため、各壁部の板厚は省略されている。図３では、各壁部を強調して示すために、改質器２やセルスタック３等は省略されている。また、図３において、各壁部の断面が線で示されているが、各壁部は、実際には所定の板厚を有している。
【００１４】
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
【００１５】
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
【００１６】
改質器２は、供給される水素含有燃料を用いて改質ガスＲＧを発生させる。改質器２は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して改質ガスＲＧを発生させる。改質器２での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。改質器２は、後述する燃焼熱によって加熱され得るようにセルスタック３の上側に配置されている。すなわち、セルスタック３の燃料極側に導入された改質ガスＲＧのオフガス（未反応改質ガス）は、空気極等の酸化剤極側に導入された空気等の酸化剤のうちの未反応酸素（未反応酸化剤ガス）と共に燃焼させられ、改質器２は、この燃焼熱によって加熱される。改質器２は、改質ガスＲＧをセルスタック３の燃料極へ供給する。
【００１７】
セルスタック３は、ＳＯＦＣ（Solid Oxide Fuel Cells）と称される複数のセルの積層体を有している。各セルは、固体酸化物である電解質が燃料極と酸化剤極との間に配置されることで構成されている。電解質は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等からなり、高温下で酸化物イオンを伝導する。燃料極は、例えばニッケルとＹＳＺとの混合物からなり、酸化物イオンと改質ガスＲＧ中の水素とを反応させて、電子及び水を発生させる。酸化剤極は、例えばランタンストロンチウムマンガナイトからなり、酸化剤ＯＸ中の酸素と電子とを反応させて、酸化物イオンを発生させる。本実施形態では、セルスタック３は、台座７の上面において、各セルの積層方向と直交する方向に向かい合うように二列に配置される。ただし、セルスタック３は一列に配置されてもよい。
【００１８】
台座７と改質器２とは、パイプ８で接続されている。改質器２から供給された改質ガスＲＧは、台座７を介してセルスタック３の各セルに供給される。セルスタック３で反応しなかった改質ガスＲＧ及び酸化剤ＯＸは、セルスタック３の上部の燃焼部９で燃焼する。燃焼部９でのオフガスの燃焼により、改質器２が加熱されると共に排ガスＥＧが発生する。
【００１９】
水気化部４は、供給される水を加熱し気化させることによって、改質器２に供給される水蒸気を生成する。水気化部４で生成された水蒸気は、例えば、第１ケース底壁部１８を貫通して水気化部４と改質器２とを接続する配管（不図示）を用いて、改質器２へ供給される。水気化部４における水の加熱は、例えば、改質器２の熱、燃焼部９の熱、あるいは排ガスＥＧの熱を回収する等、燃料電池モジュール１内で発生した熱を用いてもよい。本実施形態では、水気化部４は、底部の排ガス流路に配置され、排ガスＥＧの熱を回収する構成となっている。
【００２０】
筐体６は、改質器２、セルスタック３、及び水気化部４を収納するための内部空間を有する、直方体状の金属製の箱体である。筐体６は、セルスタック３を収納する収納室１１と、収納室１１よりも外側に形成され、セルスタック３からのオフガスの燃焼による排ガスＥＧを通過させる排ガス流路１２と、酸化剤ＯＸを通過させる酸化剤流路１３と、収納室１１や排ガス流路１２や酸化剤流路１３を形成する各壁部と、を備える。なお、以下の説明においては、セルスタック３の各セルの積層方向に沿った方向を筐体６の「長さ方向Ｄ１」とし、水平方向において各セルの積層方向と直交する方向を筐体６の「幅方向Ｄ２」とし、鉛直方向を筐体６の「上下方向Ｄ３」として以下の説明を行う。本実施形態では、収納室１１、排ガス流路１２、酸化剤流路１３、及びこれらを形成する各壁部は、長さ方向Ｄ１から見て左右対称な構造となっている。
【００２１】
収納室１１は、幅方向Ｄ２に互いに対向する第１ケース側壁部１６，１７、第１ケース側壁部１６，１７の各下端部に連結される第１ケース底壁部１８、及び、長さ方向Ｄ１に互いに対向する端壁部３３，３４の内側に形成される。収納室１１では、台座７が第１ケース底壁部１８に配置される。なお、第１ケース底壁部１８と台座７との間に断熱材が配置されていてもよい。燃焼部９で発生した排ガスＥＧを通過させるため、収納室１１の上端部は開口している。
【００２２】
排ガス流路１２は、幅方向Ｄ２において第１ケース側壁部１６，１７の外側にそれぞれ配置される第２ケース側壁部２１，２２と、第１ケース側壁部１６，１７の上端部よりも上側に配置される第２ケース上壁部２３と、第１ケース底壁部１８よりも下側に配置される第２ケース底壁部２４と、長さ方向Ｄ１に互いに対向する端壁部３３，３４と、によって形成される。
【００２３】
第２ケース上壁部２３は第２ケース側壁部２１，２２の上端部に連結され、第２ケース底壁部２４は第２ケース側壁部２１，２２の下端部に連結される。第２ケース側壁部２１，２２は、第１ケース側壁部１６，１７から離間して対向するように配置される。第２ケース上壁部２３は、収納室１１の上端部から離間して対向するように配置される。第２ケース底壁部２４は、第１ケース底壁部１８から離間して対向するように配置される。
【００２４】
排ガス流路１２は、収納室１１の上側の開口部と第２ケース上壁部２３との間に形成される排ガス流路１２Ａ，１２Ｂと、第２ケース側壁部２１，２２と第１ケース側壁部１６，１７との間に形成される排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄと、第２ケース底壁部２４と第１ケース底壁部１８との間に形成される排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆと、を有する。排ガス流路１２Ａ，１２Ｂは、燃焼部９からの排ガスＥＧを排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄへ導く。排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄは、排ガスＥＧを下方へ通過させ、当該排ガスＥＧの熱を外側の酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを流れる酸化剤ＯＸに供給する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆは、排ガスＥＧを排気管３２へ向かって水平方向に通過させ、当該排ガスＥＧの熱を水気化部４に供給する。
【００２５】
酸化剤流路１３は、幅方向Ｄ２において第２ケース側壁部２１，２２の外側にそれぞれ配置される第３ケース側壁部２６，２７と、第２ケース上壁部２３よりも上側に配置される第３ケース上壁部２８と、第２ケース底壁部２４よりも下側に配置される第３ケース底壁部２９と、長さ方向Ｄ１に互いに対向する端壁部３３，３４と、によって形成される。
【００２６】
第３ケース上壁部２８は第３ケース側壁部２６，２７の上端部に連結され、第３ケース底壁部２９は第３ケース側壁部２６，２７の下端部に連結される。第３ケース側壁部２６，２７は、第２ケース側壁部２１，２２から離間して対向するように配置される。第３ケース上壁部２８は、第２ケース上壁部２３から離間して対向するように配置される。第３ケース底壁部２９は、第２ケース底壁部２４から離間して対向するように配置される。
【００２７】
第２ケース上壁部２３には中央部に長さ方向Ｄ１へ延びるスリット３９が形成されており、当該スリット３９には、酸化剤供給部材３６が挿入される。酸化剤供給部材３６は、セルスタック３に酸化剤ＯＸを供給する。酸化剤供給部材３６は、一対のセルスタック３の間の隙間に入り込むように延びており、内部に酸化剤流路１３Ｋを有すると共に、先端部に貫通孔３７，３８を有している。
【００２８】
酸化剤流路１３は、第３ケース上壁部２８と第２ケース上壁部２３との間に形成される酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂと、第３ケース側壁部２６，２７と第２ケース側壁部２１，２２との間に形成される酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄと、第３ケース底壁部２９と第２ケース底壁部２４との間に形成される酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈと、を有する。酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈは、給気管３１からの酸化剤ＯＸを水平方向に広がるように通過させ、酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄへ導く。酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄは、酸化剤ＯＸを上方へ通過させ、当該酸化剤ＯＸを内側の排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを流れる排ガスＥＧの熱によって加熱する。酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂは、酸化剤ＯＸを幅方向Ｄ２における外側から内側へ向かって通過させ、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋへ流して貫通孔３７，３８へ導く。
【００２９】
第３ケース底壁部２９には、図示されない酸化剤供給部から酸化剤流路１３に酸化剤を流入させるための給気管３１が設けられている。また、第２ケース底壁部２４には、排ガス流路１２からの排ガスを排気する排気管３２が設けられている。
【００３０】
側壁部１６，１７，２１，２２，２６，２７、上壁部２３，２８、及び底壁部１８，２４，２９は、長さ方向Ｄ１における筐体６の端部６ａ，６ｂにまで延びている。筐体６の長さ方向Ｄ１の両端部には、それぞれ端壁部３３，３４が設けられている。第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース上壁部２８、第３ケース底壁部２９、及び端壁部３３，３４は、燃料電池モジュール１の外殻を構成し、互いの接続部におけるシール性が確保されており、筐体６内の気密性が確保されている。
【００３１】
次に、改質ガスＲＧ、酸化剤ＯＸ、及び排ガスＥＧの流れについて説明する。
【００３２】
外部から供給される水素含有燃料及び水気化部４からの水蒸気を用いて改質器２で発生した改質ガスＲＧは、パイプ８を通過して台座７に流れ込み、台座７からセルスタック３の各セルに供給される。改質ガスＲＧは、セルスタック３を下方から上方へ向かって流れ、一部はオフガスとして燃焼部９での燃焼に用いられる。酸化剤ＯＸは、外部から給気管３１を介して供給され、酸化剤流路１３Ｇ，１３Ｈにて水平方向に広がり、内側を流れる排ガスＥＧで加熱されながら酸化剤流路１３Ｃ，１３Ｄを上方へ向かって通過する。酸化剤ＯＸは、酸化剤流路１３Ａ，１３Ｂを通過し、酸化剤供給部材３６の酸化剤流路１３Ｋを流れて、貫通孔３７，３８を通過してセルスタック３へ供給され、一部は燃焼部９での燃焼に用いられる。燃焼部９で発生した排ガスＥＧは、排ガス流路１２Ａ，１２Ｂで排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄに導かれ、外側を流れる酸化剤ＯＸに熱を供給しながら排ガス流路１２Ｃ，１２Ｄを下方へ向かって通過する。排ガスＥＧは、底部まで達すると排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆへ流れ込み、水気化部４に熱を供給しながら排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過する。排ガス流路１２Ｅ，１２Ｆを通過した排ガスＥＧは、排気管３２から排気される。
【００３３】
図１〜図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池モジュール１は、筐体６のうち、最外部に係る壁部を構成する部材を第３のケース５０とし、セルスタック３を収納することで高熱となる部分を第２のケース６０及び第１のケース７０としている。
【００３４】
第３のケース５０は、第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース上壁部２８、第３ケース底壁部２９、及び端壁部３３，３４によって構成されている。第３のケース５０は、長さ方向Ｄ１における一方の端部５０ｂが端壁部３４で封止されると共に、他方の端部５０ａが端壁部３３で封止される。これによって、第３のケース５０の内部の気密性が確保される。
【００３５】
なお、第３ケース側壁部２６，２７及び第３ケース底壁部２９は、一枚の板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成されている。すなわち、第３のケース５０において、第３ケース側壁部２６と第３ケース底壁部２９との連結により形成された角部（折り曲げ部）Ｍ５１、及び第３ケース側壁部２７と第３ケース底壁部２９との連結により形成された角部（折り曲げ部）Ｍ５２は、それぞれ折り曲げによって形成されている。また、第３ケース側壁部２６，２７の上端と、第３ケース上壁部２８との固定は、溶接あるいはボルト止め等によって行われる。また、第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース上壁部２８、及び第３ケース底壁部２９における、長さ方向Ｄ１の両端部は、それぞれ端壁部３３，３４に、溶接により固定されている。
【００３６】
第２のケース６０は、第２ケース側壁部２１，２２、第２ケース上壁部２３、第２ケース底壁部２４、及び端壁部３３，３４によって構成されている。第２のケース６０は、長さ方向Ｄ１における一方の端部６０ｂが端壁部３４で封止されると共に、他方の端部６０ａが端壁部３３で封止される。
【００３７】
なお、第２ケース側壁部２１，２２及び第２ケース上壁部２３は、一枚の板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成されている。すなわち、第２のケース６０において、第２ケース側壁部２１と第２ケース上壁部２３との連結により形成された角部（折り曲げ部）Ｍ６１、及び第２ケース側壁部２２と第２ケース上壁部２３との連結により形成された角部（折り曲げ部）Ｍ６２は、それぞれ折り曲げによって形成されている。また、第２ケース側壁部２１，２２の下端と、第２ケース底壁部２４との固定は、溶接あるいはボルト止め等によって行われる。また、第２ケース側壁部２１，２２、第２ケース上壁部２３、及び第２ケース底壁部２４における、長さ方向Ｄ１の両端部は、それぞれ端壁部３３，３４に、溶接により固定されている。
【００３８】
第１のケース７０は、第１ケース側壁部１６，１７、第１ケース底壁部１８、及び端壁部３３，３４によって構成されている。第１のケース７０は、上方に開口している。また、長さ方向Ｄ１における第１のケース７０の一方の端部７０ｂは、端壁部３４で封止されると共に、第１のケース７０の他方の端部７０ａは端壁部３３で封止される。
【００３９】
なお、第１ケース側壁部１６，１７及び第１ケース底壁部１８は、一枚の板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成されている。すなわち、第１のケース７０において、第１ケース側壁部１６と第１ケース底壁部１８との連結により形成された角部Ｍ７１、及び第１ケース側壁部１７と第１ケース底壁部１８との連結により形成された角部Ｍ７２は、それぞれ折り曲げによって形成されている。また、第１ケース側壁部１６，１７、及び第１ケース底壁部１８における、長さ方向Ｄ１の両端部は、それぞれ端壁部３３，３４に、溶接により固定されている。
【００４０】
なお、第１のケース７０、第２のケース６０、及び第３のケース５０として、例えば、ＮＣＡ１やＳＵＳ３１０Ｓといった高温耐酸化性材料を用いることができる。
【００４１】
次に、本実施形態に係る燃料電池モジュール１の作用・効果について説明する。
【００４２】
まず、比較のために従来の燃料電池モジュール１００の構成を図４及び図５を参照して説明する。燃料電池モジュール１００の筐体１０６は、ベース１１０に対して、各流路を形成する各壁部を溶接によって順次固定することで構成される。ベース１１０は、第１の箱体１１１と第２の箱体１１２とを積み重ねることによって構成されている。第１の箱体１１１は、上壁部１８Ａと、底壁部２４Ａと、第２ケース側壁部２１，２２の下端部分２１ａ，２２ａと、によって構成されている。また、第２の箱体１１２は、上壁部２４Ｂと、底壁部２９と、第３ケース側壁部２６，２７の下端部分２６ａ，２７ａと、によって構成されている。また、酸化剤と排ガスを通すための貫通孔も所定の位置に有している。このようなベース１１０の上面に、側壁部１６，１７，２１，２２，２６，２７、上壁部２３を組み付けて溶接して一体化する。最外部の上面、及び長さ方向Ｄ１の両端面には開口部が形成され、当該三箇所の開口部を蓋体として機能する第３ケース上壁部２８、端壁部３３，３４で封止する。
【００４３】
従来の燃料電池モジュール１００のような構造では、各壁部同士の連結は、全て溶接によって行われており、筐体の製造が困難であるといった問題があった。
【００４４】
本実施形態に係る燃料電池モジュール１では、第２のケース６０を構成する、第２ケース側壁部２１，２２、第２ケース側壁部２１，２２の各上端部に連結される第２ケース上壁部２３、及び第２ケース側壁部２１，２２の各下端部に連結される第２ケース底壁部２４のうち、第２ケース側壁部２１，２２及び第２ケース上壁部２３は、板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成される。また、第３のケース５０を構成する、第３ケース側壁部２６，２７、第３ケース側壁部２６，２７の各上端部に連結される第３ケース上壁部２８、及び第３ケース側壁部２６，２７の各下端部に連結される第３ケース底壁部２９のうち、第３ケース側壁部２６，２７及び第３ケース底壁部２９は、板材の折り曲げ加工により、折り曲げ部を境界としてそれぞれの壁部が一体に形成される。このように、板材の折り曲げ加工によって各壁部を形成することにより、壁部同士を溶接等によって連結する必要がない。また、折り曲げ加工によって壁部を形成することにより、壁部の連結箇所（角部Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ６１，Ｍ６２）における気密性を好適に保つことができる。また、溶接によって壁部を連結する箇所が少なくなるので、溶接箇所の検査を行う際にも、検査箇所が少なく、手間やコストを低減することができる。
【００４５】
また、折り曲げ加工を行う場合には、第２ケース側壁部２１，２２と第２ケース上壁部２３とで形成される部材、及び第３ケース側壁部２６，２７と第３ケース底壁部２９とで形成される部材の寸法管理が容易となる。従って、これらの部材を用いて形成される排ガス流路１２及び酸化剤流路１３を、高い精度で形成することができる。また、折り曲げ加工によって形成された壁部の連結箇所（角部Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ６１，Ｍ６２）は、溶接によって各壁部を連結した箇所に比べて、例えば、ヒートサイクルによる熱衝撃等、熱に強いものとなっている。従って、燃料電池モジュール１の筐体６は折り曲げ加工によって形成された壁部を有していることにより、熱に強い筐体とすることができる。また、セルスタック３からのオフガスを燃焼させることにより、第１のケース７０によって形成される収納室１１の上部は、他の部位と比較して高温になる。すなわち、収納室１１の上部は、オフガスを燃焼させた場合と燃焼させない場合とで温度変化が大きい。本実施形態では、この温度変化が大きい収納室１１の上部の外側に、折り曲げ加工によって形成された、第２ケース側壁部２１，２２と第２ケース上壁部２３との連結部分が位置することとなる。折り曲げ加工によって形成された第２ケース側壁部２１，２２と第２ケース上壁部２３との連結部分（角部Ｍ６１，Ｍ６２）はヒートサイクルの熱衝撃等に強いため、温度変化が大きい箇所であったとしても、第２ケース側壁部２１，２２と第２ケース上壁部２３との連結部分の耐久性を高めることができる。以上によって、壁部同士を連結する溶接箇所を少なくすると共に、製造が容易な簡素な構成とすることができる。また、簡素な構成となることにより、材料費を削減することができる。
【００４６】
また、第２ケース底壁部２４の第２ケース側壁部２１，２２への固定、及び、第３ケース上壁部２８の第３ケース側壁部２６，２７への固定を溶接によって行うことにより、壁部同士を容易に連結することができる。
【００４７】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
【００４８】
例えば、角部Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ６１，Ｍ６２が折り曲げ加工によって形成されていれば、セルスタック３に酸化剤を導く酸化剤流路１３Ｋなどの構成は、適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…燃料電池モジュール、２…改質器、３…セルスタック、４…水気化部、６…筐体、１１…収納室、１２…排ガス流路、１３…酸化剤流路、１６，１７…第１ケース側壁部、１８…第１ケース底壁部、２１，２２…第２ケース側壁部、２３…第２ケース上壁部、２４…第２ケース底壁部、２６，２７…第３ケース側壁部、２８…第３ケース上壁部、２９…第３ケース底壁部、５０…第３のケース、６０…第２のケース、７０…第１のケース、Ｍ５１，Ｍ５２，Ｍ６１，Ｍ６２…角部（折り曲げ部）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、
前記改質ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックと、
前記改質器及び前記セルスタックを収納すると共に、前記セルスタックからのオフガスを燃焼させて、前記セルスタックの上方に位置する前記改質器を加熱するための内部空間を有する筐体と、を備え、
前記筐体は、
前記内部空間を形成する第１のケースと、
前記第１のケースを覆うと共に、前記第１のケースとの間で前記オフガスの燃焼による排ガスを通過させる排ガス流路を形成する第２のケースと、
前記第２のケースを覆うと共に、前記第２のケースとの間で前記酸化剤を通過させる酸化剤流路を形成する第３のケースと、を備え、
前記第２のケースは、互いに対向する第２ケース側壁部、板材の折り曲げにより前記第２ケース側壁部と一体に形成された第２ケース上壁部、及び前記第２ケース側壁部に固定された第２ケース底壁部を含んで構成され、
前記第３のケースは、互いに対向する第３ケース側壁部、前記第３ケース側壁部に固定された第３ケース上壁部、及び板材の折り曲げにより前記第３ケース側壁部と一体に形成された第３ケース底壁部を含んで構成され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２ケース底壁部の前記第２ケース側壁部への固定、及び、前記第３ケース上壁部の前記第３ケース側壁部への固定のうち、少なくともいずれかの固定は溶接によって行われ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１】
水素含有燃料を用いて改質ガスを発生させる改質器と、
前記改質ガス及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックと、
前記改質器及び前記セルスタックを収納すると共に、前記セルスタックからのオフガスを燃焼させて、前記セルスタックの上方に位置する前記改質器を加熱するための内部空間を有する筐体と、を備え、
前記筐体は、
前記内部空間を形成する第１のケースと、
前記第１のケースを覆うと共に、前記第１のケースとの間で前記オフガスの燃焼による排ガスを通過させる排ガス流路を形成する第２のケースと、
前記第２のケースを覆うと共に、前記第２のケースとの間で前記酸化剤を通過させる酸化剤流路を形成する第３のケースと、を備え、
前記第２のケースは、互いに対向する第２ケース側壁部、板材の折り曲げにより前記第２ケース側壁部と一体に形成された第２ケース上壁部、及び前記第２ケース側壁部に固定された第２ケース底壁部を含んで構成され、
前記第３のケースは、互いに対向する第３ケース側壁部、前記第３ケース側壁部に固定された第３ケース上壁部、及び板材の折り曲げにより前記第３ケース側壁部と一体に形成された第３ケース底壁部を含んで構成され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２ケース底壁部の前記第２ケース側壁部への固定、及び、前記第３ケース上壁部の前記第３ケース側壁部への固定のうち、少なくともいずれかの固定は溶接によって行われ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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２２６８７０（Ｐ２０１２−２２６８７０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９１１６３（Ｐ２０１１−９１１６３）
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（０００１０９０２６）ダイニチ工業株式会社 (108)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１５日（２０１１．４．１５）
【出願人】（０００００４４４４）ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社 (1,898)
【出願人】（０００１０９０２６）ダイニチ工業株式会社 (108)
【Ｆターム（参考）】
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