本発明は、燃料電池モジュールに関する。

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、改質器とセルスタックと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。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。

特開2010−044990号公報

ここで、従来の燃料電池モジュールの筐体は、溶接等によって複数の壁部を組み立てて本体部を構成した後、本体部に形成されている開口部を蓋体で覆って固定していた。このような筐体では、本体部の開口部周りに蓋体を受ける蓋体受け部を形成し、当該蓋体受け部と蓋体との間にシール部材を配置していた。ボルト及びナットの締結によって蓋体を蓋体受け部に固定し、シール部材を挟み込むことによって蓋体と本体部との間の気密性が確保されていた。蓋体は、全体的に平板状をなしている単純平板に、ボルト締めのための貫通孔を形成することによって構成されている。

しかしながら、従来の燃料電池モジュールでは、シール部材が、蓋体の周縁部及び蓋体受け部と面接触によって押圧力を付与される構造となっていた。このような構造では、ボルト及びナットの締結によって発生する押圧力が、接触面全体に分散するような面シール構造となるために、筐体の気密性を確保することが困難であるという問題があった。更に、当該構造では、シール部材の接触面積を確保するために、幅の広いシール部材を用いる必要があり、これによって、コストが増加してしまうという問題があった。

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、コストを抑えると共に筐体の気密性を確実に確保することができる燃料電池モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池モジュールは、水素含有燃料及び酸化剤を用いて発電を行うセルスタックを収納する筐体を備える燃料電池モジュールであって、筐体は、セルスタックを収納すると共に、開口部を有する本体部と、本体部の開口部を覆う板状の蓋体と、を備えた直方体状であって、本体部は、蓋体の厚さ方向から見て開口部を全周にわたって取り囲むと共に、蓋体の周縁部と対向する蓋体受け部を有し、蓋体と蓋体受け部との間には、厚さ方向から見て開口部を全周にわたって取り囲むシール部材が配置され、蓋体及び蓋体受け部の少なくとも一方は、シール部材側へ突出すると共に、厚さ方向から見て前記開口部を全周にわたって取り囲むように延びる第1の凸部を有することを特徴とする。

この燃料電池モジュールによれば、また、蓋体と蓋体受け部との間には、厚さ方向から見て開口部を全周にわたって取り囲むシール部材が配置されている。更に、蓋体または蓋体受け部が、シール部材側へ突出すると共に、厚さ方向から見て開口部を全周にわたって取り囲むように延びる第1の凸部を有している。このような構造によって、蓋体を蓋体受け部に固定する際に発生する押圧力は、第1の凸部に集中する。第1の凸部は、開口部を全周にわたって取り囲むように延びているため、開口部の全周を取り囲んで、シール部材を線状に押圧することが可能となる。このような線シール構造によって、筐体の気密性を確実に確保することができる。また、このような線シール構造によれば、第1の凸部付近において押圧力が集中する部分のみにシール部材を配置すればよく、シール材料の搭載量を減少させ、コストを低減することができる。以上によって、コストを抑えると共に筐体の気密性を確実に確保することができる。

本発明によれば、コストを抑えると共に筐体の気密性を確実に確保することができる。

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1に示すII—II線に沿った断面図である。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの斜視図である。

図3に示すIV−IV線に沿った断面図である。

本体部側の面における蓋体の構造を示す斜視図である。

図5に示すVI−VI線に沿った断面図である。

従来の燃料電池モジュールの斜視図である。

従来の燃料電池モジュールの断面図であって、図4に対応する図である。

蓋体の厚さ方向から見た場合の、シール部材に作用する押圧力の様子を示す図である。

変形例に係る燃料電池モジュールの断面図である。

図10に示す燃料電池モジュールの作用・効果を説明するための模式図である。

変形例に係る燃料電池モジュールの断面図である。

図12に示す燃料電池モジュールの作用・効果を説明するための模式図である。

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。

図1及び図2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及び図2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。

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。

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。

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、水蒸気改質器、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。

セルスタック3は、規則的に配列し連結された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。セルスタック3は、台座7の上面において、当該セルスタック3を含む発電ユニットを設置する発電ユニット設置面と平行かつ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。セルスタック3が二列に配置されている場合、当該二つのセルスタック3が、燃料電池モジュール1の発電ユニットを構成する。セルスタック3が一つの場合は、当該一つのセルスタック3が燃料電池モジュール1の発電ユニットを構成し、セルスタック3が三つ以上の場合は、当該三つ以上のセルスタック3が燃料電池モジュール1の発電ユニットを構成する。発電ユニットは、台座7を介して第1の底壁部18に設置されているため、本実施形態では、当該第1の底壁部18が発電ユニットの設置される発電ユニット設置面に該当する。なお、セルスタック3は、複数のセルを連結したものであればよく、セルの形状は特に限定されず、積層可能な形状でなくともよい。本実施形態では、複数のセルが台座7に立設し、同一方向を向いて一列に整列して連結しているセルスタック3を例に説明する。なお、ここでは、複数のセルが台座7に立設し、同一方向を向いて一列に整列して伸延する方向を「積層方向」と称して以下の説明を行う。

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。

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の底壁部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。また、改質器2内において生じる改質反応が水蒸気改質反応を伴わない場合は、水気化部4を省略することができる。

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、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。

収納室11は、幅方向D2に互いに対向する第1の側壁部16,17、及び第1の側壁部16,17の各下端部に連結される第1の底壁部18の内側に形成される。収納室11では、台座7が第1の底壁部18に配置される。なお、第1の底壁部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。

排ガス流路12は、幅方向D2において第1の側壁部16,17の外側にそれぞれ配置される第2の側壁部21,22と、第1の側壁部16,17の上端部よりも上側に配置される第1の上壁部23と、第1の底壁部18よりも下側に配置される第2の底壁部24と、によって形成される。

第1の上壁部23は第2の側壁部21,22の上端部に連結され、第2の底壁部24は第2の側壁部21,22の下端部に連結される。第2の側壁部21,22は、第1の側壁部16,17から離間して対向するように配置される。第1の上壁部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の底壁部24は、第1の底壁部18から離間して対向するように配置される。

排ガス流路12は、収納室11の上側の開口部と第1の上壁部23との間に形成される排ガス流路12A,12Bと、第2の側壁部21,22と第1の側壁部16,17との間に形成される排ガス流路12C,12Dと、第2の底壁部24と第1の底壁部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。

酸化剤流路13は、幅方向D2において第2の側壁部21,22の外側にそれぞれ配置される第3の側壁部26,27と、第1の上壁部23よりも上側に配置される第2の上壁部28と、第2の底壁部24よりも下側に配置される第3の底壁部29と、によって形成される。

第2の上壁部28は第3の側壁部26,27の上端部に連結され、第3の底壁部29は第3の側壁部26,27の下端部に連結される。第3の側壁部26,27は、第2の側壁部21,22から離間して対向するように配置される。第2の上壁部28は、第1の上壁部23から離間して対向するように配置される。第3の底壁部29は、第2の底壁部24から離間して対向するように配置される。

第1の上壁部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。

酸化剤流路13は、第2の上壁部28と第1の上壁部23との間に形成される酸化剤流路13A,13Bと、第3の側壁部26,27と第2の側壁部21,22との間に形成される酸化剤流路13C,13Dと、第3の底壁部29と第2の底壁部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。

第3の底壁部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の底壁部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。

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の側壁部26,27、第2の上壁部28、第3の底壁部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。

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。

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。

図1〜図4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、端壁部33,34及び第2の上壁部28に対応する面に開口部51A,51B,51Cがそれぞれ形成された本体部50と、本体部50の開口部51Aを覆う蓋体60Aと、本体部50の開口部51Bを覆う蓋体60Bと、本体部50の開口部51Cを覆う蓋体60Cと、を備えている。本体部50は、上述で説明した各壁部のうち、側壁部16,17,21,22,26,27、第1の上壁部23、及び底壁部18,24,29を構成している。また、蓋体60Aは端壁部33を構成し、蓋体60Bは端壁部34を構成し、蓋体60Cは第2の上壁部28を構成している。なお、蓋体60A及び蓋体60Bの「厚さ方向」は、長さ方向D1に等しく、蓋体60Cの「厚さ方向」は、上下方向D3に等しい。

本体部50は、端壁部33に対応する面、すなわち筐体6の端部6a側の面に、蓋体60Aを取り付けるための蓋体受け部52Aを有する。蓋体受け部52Aは、蓋体60Aの周縁部61(図4参照)と対向する矩形枠状のフランジ部である。蓋体受け部52Aは、長さ方向(蓋体60Aの厚さ方向)D1からみて、筐体6の内側へ向かって延びるように形成される。蓋体受け部52Aの中央位置に矩形状の開口部51Aが形成されている。これによって、蓋体受け部52Aは、長さ方向(蓋体60Aの厚さ方向)D1から見て、開口部51Aを全周にわたって取り囲む構成となる。本体部50は、端壁部34に対応する面、すなわち筐体6の端部6b側の面に、蓋体60Bを取り付けるための蓋体受け部52Bを有する。蓋体受け部52Bは、蓋体60Bの周縁部と対向する矩形枠状のフランジ部である。蓋体受け部52Bは、長さ方向(蓋体60Bの厚さ方向)D1からみて、筐体6の内側へ向かって延びるように形成される。蓋体受け部52Bの中央位置に矩形状の開口部51Bが形成されている。これによって、蓋体受け部52Bは、長さ方向(蓋体60Bの厚さ方向)D1から見て、開口部51Bを全周にわたって取り囲む構成となる。本体部50は、第2の上壁部28に対応する面、すなわち筐体6の上端部側の面に、蓋体60Cを取り付けるための蓋体受け部52Cを有する。蓋体受け部52Cは、蓋体60Cの周縁部と対向する矩形枠状のフランジ部である。蓋体受け部52Cは、上下方向(蓋体60Cの厚さ方向)D3からみて、筐体6の内側へ向かって延びるように形成される。蓋体受け部52Cの中央位置に矩形状の開口部51Cが形成されている。これによって、蓋体受け部52Cは、上下方向(蓋体60Cの厚さ方向)D3から見て、開口部51Cを全周にわたって取り囲む構成となる。

蓋体受け部52Aは、第3の側壁部26,27、第3の底壁部29、及び蓋体受け部52Cと隙間無く、すなわち気密性が確保された状態で接続されている。蓋体受け部52Bは、第3の側壁部26,27、第3の底壁部29、及び蓋体受け部52Cと隙間無く、すなわち気密性が確保された状態で接続されている。蓋体受け部52Cは、第3の側壁部26,27、及び蓋体受け部52A,52Bと隙間無く、すなわち気密性が確保された状態で接続されている。各蓋体受け部52A,52B,52Cは、溶接によって固定されていてもよく、あるいは金属板の折り曲げによって形成されていてもよい。

蓋体60A,60B,60Cは、シール部材70側(本実施形態では本体部50側)へ突出すると共に、各蓋体の厚さ方向から見て開口部51A,51B,51Cを全周にわたって取り囲むように延びるビード(第1の凸部)62を有している。ビード62は、矩形状の蓋体60A,60B,60Cの外縁63の各辺に沿って連続的に延び、開口部51A,51B,51Cを隙間無く取り囲むように、矩形を描くように形成されている。ビード62は、例えば、蓋体60A,60B,60Cの平面に矩形枠状の凸部材を溶接することによって、凸部を形成することができる。また、プレス加工を行うことによって容易に凸部を形成することができる。これによると、溶接工程を削減することができる。また、蓋体60A,60B,60Cの気密性が確保できることから、気密検査箇所を低減することができる。

本実施形態では、プレス加工によってビード62を形成する例を説明する。蓋体60A,60B,60Cを構成する金属板が四辺においてそれぞれ断面U字状に押し出されることによって、本体部50側の面には凸形状が形成される(図4及び図5参照)と共に、外側の面には凹形状が形成される(図3及び図4参照)。ビード62の突出量、すなわちビード62の凸形状の先端部62aと、蓋体60A,60B,60Cの本体部50側の面60aとの間の距離L1(図4参照)は、ビード62の全周にわたって一定に設定されることが好ましい。すなわち、ビード62が描く四辺の全てにおいて、及び各辺同士の角部の全てにおいて、突出量L1が一定であることが好ましい。

ここで、図4を参照して、本体部50の開口部を蓋体で封止する構造について、より詳細に説明する。なお、図4では、蓋体60Aが開口部51Aを封止する構造が示されているが、蓋体60Bが開口部51Bを封止する構造、蓋体60Cが開口部51Cを封止する構造も同様である。

蓋体60Aのビード62と蓋体受け部52Aとの間には、本体部50と蓋体60Aとの間の気密性を確保するためのシール部材70が配置されている。シール部材70は、ビード62が描く矩形とほぼ同じ形状及び同じ大きさとなるように、矩形枠状に形成されている。また、蓋体60Aを固定する際、シール部材70は、長さ方向(蓋体60Aの厚さ方向)D1から見て、ビード62と重なり、当該ビード62の凸形状から押圧力が付与されるように配置される。これによって、シール部材70は、長さ方向(蓋体60Aの厚さ方向)D1から見て開口部51Aを全周にわたって取り囲むように配置される。シール部材70は、開口部51Aの全周にわたって、隙間無く連続的に開口部51Aを取り囲んでおり、これによって、本体部50と蓋体60Aとの間の気密性が確保される。ビード62は、矩形の一辺あたりの断面形状が断面U字状に形成されているため、矩形の各辺において、シール部材70と線接触して押圧力を付与する。

シール部材70の一辺あたりの幅は、図4に示されるものより更に大きな幅を有するもの(例えば、図8に示すように蓋体受け部52Aの略全体を覆うようなもの)であってもよいが、材料コストを低減するために、少なくとも気密性を確保するのに必要な程度の幅とすることが好ましい。本実施形態では、シール部材70は、長さ方向(蓋体60Aの厚さ方向)D1から見て、蓋体受け部52Aのうち螺合部80の袋ナット81よりも内周側を覆う部分のみ有しており、袋ナット81よりも外周側を覆う部分(及び、隣り合う袋ナット81同士の間を覆う部分)を有していない。ビード62の凸形状で付勢し易くするため、シール部材70の一辺あたりの幅をビード62の一辺あたりの幅より僅かに大きくしておくことが好ましい。なお、蓋体受け部52Aにシール部材70を位置合わせしてセットするためのガイド溝が形成されていてもよい。

蓋体60A及び蓋体受け部52Aには、蓋体60Aを蓋体受け部52Aに固定するための螺合部80が形成されている。螺合部80は、長さ方向(蓋体Aの厚さ方向)D1から見て、開口部51A、ビード62及びシール部材70よりも外側に形成されている。また、螺合部80は、ビード62を取り囲むように、所定の間隔を開けて複数形成されている(図3参照)。

螺合部80は、蓋体受け部52Aに形成された袋ナット81と、蓋体60Aに形成された貫通孔82と、貫通孔82を介して袋ナット81に螺合されるボルト83と、を備えている。袋ナット81は、円柱部材84の一端側の面84aに雌螺子部86を形成することによって構成されている。雌螺子部86は、円柱部材84の他方の面84bには貫通しないように形成される。袋ナット81は、蓋体60Aの固定時においてビード62よりも外側に配置されるように、蓋体受け部52Aに複数固定される。袋ナット81は、雌螺子部86が形成される一端側の面84aが本体部50の外側へ露出し、封止されている他端側の面84bが本体部50の内部空間へ露出するように配置される。袋ナット81の一端側の面84aの縁部には、全周にわたって蓋体受け部52Aとの間で溶接部87が形成される。これによって、袋ナット81と蓋体受け部52Aとの間の気密性が確保される。

蓋体60Aの貫通孔82は、蓋体60Aを蓋体受け部52Aに固定する際において、袋ナット81の雌螺子部86と対向する位置に形成される。貫通孔82の径は、ボルト83のネジ部の径より大きくネジ頭の径よりも小さく設定されており、固定時において貫通孔82の縁部にはボルト83のネジ頭が引っ掛かる。ボルト83は、貫通孔82に挿入されると共に袋ナット81の雌螺子部86にねじ込まれることにより、蓋体60Aを本体部50側へ押圧する。ビード62はシール部材70に対して線接触することにより押圧力を付与するため、面接触によってシール部材を押圧する場合(例えば図8に示される構造)に比して、ボルト83の締付力を少なくしても十分に気密性を確保することができる。

燃料電池システムの運転中は、燃料電池モジュール1の内部は高温のガスが充満するため、燃料電池モジュール1の各部にも熱が伝わり、熱変形を生じさせる場合がある。蓋体60Aに熱変形による歪みが生じると、燃料電池モジュール1内部のガス漏れに繋がる恐れがある。しかし、本実施形態によると、ビード62は、シール部材70の押圧力を集中させるとともに、蓋体60A自体の強度を高めることができる。シール性向上という効果は、ビード62が蓋体60A,60B,60Cに形成されている場合であっても、蓋体受け部52A,52B,53Cに形成されている場合であっても、得ることができる。更に、蓋体60A,60B,60Cにビード62を形成する場合、1つの加工によって、シール性の向上という効果と蓋体60Aの強度向上という効果を同時に得ることができる。

ここで、蓋体60A,60B,60Cには、筐体6内部の改質器やセルスタック3との取り合い配管や部材を貫通させるための貫通孔を形成する場合があり、更に当該貫通孔にスタッフィングボックス等の気密構造を設ける場合がある。その際、ビード62をプレス加工により形成した後に、貫通孔を形成すると、プレス加工により発生した残留応力が開放され、蓋体60A,60B,60Cを構成する金属板が歪む(捩れる)可能性がある。このような現象を確実に防止するため、本実施形態に係る蓋体60A,60B,60Cは、補強構造を有している。当該補強構造について、図3、図5及び図6を参照して説明する。なお、図5及び図6は、蓋体60Aのみの構成が示されているが、蓋体60B,60Cも同様の構成を有する。

図3に示すように、蓋体60A,60B,60Cの外縁63には、当該蓋体の厚さ方向へ延びる折り返し部64が形成される。本実施形態においては、折り返し部64は、外側(本体部50の反対側)へ向かって90°折り返されている。折り返し部64は、外縁63の四辺全てに形成されていると共に、蓋体60A,60B,60Cの全周を取り囲むように連続的に形成されている。これによって、蓋体60A,60B,60Cの強度が向上する。折り返し部64は、蓋体60A,60B,60Cの外縁63を折り曲げ加工することによって形成されてもよく、別部材を外縁63に溶接することによって構成してもよい。

図5及び図6に示すように、蓋体60Aには、貫通孔91が形成されており、当該貫通孔91にスタッフィングボックス等の気密機構SBが固定されている。貫通孔91は、円形状のビード(第2の凸部)92に内包されるように形成されている。すなわち、プレス加工によって、蓋体60Aを構成する金属板に本体部50側の面に凸形状が形成されると共に、外側の面に凹形状が形成されることでビード92が形成され、当該凸凹形状の中に貫通孔91が形成される。これによって、貫通孔91の周辺の金属板の強度が高くなる。

蓋体60Aを加工する手順の一例として、次のような手順が挙げられる。まず、蓋体60Aを構成する金属板に対してプレス加工を行うことによって、ビード62及びビード92を形成する。当該プレス加工の後(あるいはプレス加工の前でもよい)、折り曲げ加工などによって外縁63に折り返し部64が形成される。次に、穴あけ加工によって、ビード92の中に貫通孔91が形成されると共に、ビード62よりも外側に複数の貫通孔82が形成される。なお、蓋体60Aの加工手順は、当該例に限定されず、順序を変更してもよく、プレス加工と貫通孔の形成を同時に行ってもよく、溶接等を用いてもよい。

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。

まず、比較のために従来の燃料電池モジュール100の構造を図7及び図8を参照して説明する。従来の蓋体160A,160B,160Cは、本体部50の蓋体受け部52A,52B,52Cと対向する周縁部161の部分と、本体部50の開口部51A,51B,51Cを覆う部分とは、凹凸形状を有さない平板状に形成されている。すなわち、周縁部161の本体部50側の面は、平面状に形成されている。蓋体160A,160B,160Cは、シール部材170と面接触することによって、蓋体受け部52A,52B,52Cとの間で押圧する。シール部材170は、蓋体受け部52A,52B,52Cの略全面を覆うような幅広の矩形枠状に形成されている。シール部材170は、袋ナット81及び貫通孔82に対応する位置に円形状の複数の貫通孔170aを有している。

従来の燃料電池モジュール100のような構造では、シール部材170が、蓋体160A,160B,160Cの周縁部161及び蓋体受け部52A,52B,52Cと面接触によって押圧力を付与される構造となっていた。このような構造では、ボルト83及び袋ナット81の締結によって発生する押圧力が、接触面全体に分散するような面シール構造となるために、筐体106の気密性を確保することが困難であるという問題があった。更に、当該構造では、シール部材の接触面積を確保するために、幅の広いシール部材を用いる必要があり、これによって、コストが増加してしまうという問題があった。

図9(b)は、蓋体160A,160B,160Cの厚さ方向から見た場合の、シール部材170に作用する押圧力(ハッチングで示されている)を示している。シール部材170は面接触によって押圧力を付与されるため、押圧力が接触面全体に分散し、開口部51A,51B,51Cの全周のうち一部(例えば、図中PTで示される部分)において押圧力が不十分となる可能性がある。また、面接触によって押圧力を付与する構造では、シール部材170の幅W2を広く確保する必要があり、シール材料の搭載量が増加し、コストが増加する。

本実施形態に係る燃料電池モジュール1によれば、蓋体60A,60B,60Cが、本体部50側へ突出すると共に、厚さ方向から見て開口部51A,51B,51Cを全周にわたって取り囲むように延びるビード62を有している。また、このビード62と蓋体受け部52A,52B,52Cとの間には、厚さ方向から見て開口部51A,51B,51Cを全周にわたって取り囲むシール部材70が配置されている。このような構造によって、蓋体60A,60B,60Cを蓋体受け部52A,52B,52Cに固定する際に発生する押圧力は、ビード62に集中する。ビード62は、開口部51A,51B,51Cを全周にわたって取り囲むように形成されているため、開口部51A,51B,51Cの全周を取り囲んで、シール部材70を線状に押圧することが可能となる。このような線シール構造によって、筐体6の気密性を確実に確保することができる。また、このような線シール構造によれば、ビード62付近において押圧力が集中する部分のみにシール部材70を配置すればよく、シール材料の搭載量を減少させ、コストを低減することができる。以上によって、コストを抑えると共に筐体6の気密性を確実に確保することができる。

図9(a)は、蓋体60A,60B,60Cの厚さ方向から見た場合の、シール部材70に作用する押圧力(ハッチングで示されている)を示している。ビード62は、当該ビード62が描く矩形状の線LS上に押圧力を集中させることができる。この線LSは、開口部51A,51B,51Cを全周にわたって取り囲むように形成されているため、本実施形態に係る構造によって、開口部51A,51B,51Cを全周にわたって封止する線シール構造を構成することができる。全周を取り囲む線LSに押圧力を集中させることによって、確実に気密性を確保することができる。また、線状に押圧力を付与する構造では、シール部材70の幅W1を狭くすることが可能となり、シール材料の搭載量が減少し、コストを抑えることができる。

また、ビード62は、プレス加工によって形成されている。例えば、蓋体の平面に矩形枠状の凸部材を溶接することによって、凸部を形成する場合、溶接検査や溶接箇所の気密検査を行う必要がある。プレス加工を行うことによって容易に凸部を形成することができる。また、検査を容易にすることができ、蓋体60A,60B,60Cの気密性も確保できる。なお、プレス加工によるビード62に代えて、溶接によって凸部を形成してもよい。

また、蓋体60A,60B,60Cは、ビード92を有し、当該ビード92に貫通孔91が形成される。蓋体60A,60B,60Cに貫通孔91が形成される場合であっても、ビード92によって強度が確保される。蓋体60A,60B,60Cのビード62が溶接によって形成される場合、或いは、蓋体60A,60B,60Cに気密機構SBが溶接によって取り付けられる場合、ビード92は、溶接の熱応力による蓋体60A,60B,60Cの変形を抑制することができる。また、蓋体60A,60B,60Cのビード62がプレス加工によって形成される場合、ビード92は、ビード62のプレス加工時の残留応力の開放による蓋体60A,60B,60Cの変形を抑制することができる。

また、蓋体60A,60B,60Cの外縁63には、当該蓋体60A,60B,60Cの厚さ方向における外側へ延びる折り返し部64が形成されている。折り返し部64によって、蓋体60A,60B,60Cの強度が確保される。すなわち、発電中に筐体6内の温度が高温となったとしても、折り返し部64は、燃料電池モジュール1内の温度の高温化に起因する蓋体60A,60B,60Cの変形を抑制することができる。このような効果は、ビード62が蓋体60A,60B,60Cに形成されている場合であっても、蓋体受け部52A,52B,53Cに形成されている場合であっても、得ることができる。

また、蓋体60A,60B,60Cのビード62が溶接によって形成される場合、折り返し部64は、溶接の熱応力に起因する歪も抑制することができる。この場合、先に折り返し部64が形成され、その後にビード62が形成されることが好ましい。また、蓋体60A,60B,60Cのビード62がプレス加工によって形成される場合、折り返し部64は、ビード62のプレス加工時の残留応力に起因する歪を抑制することができる。また、図8に示す折り返し部164は、厚さ方向における本体部50側へ延びている。このような構成に比して、本実施形態の折り返し部64は、外側へ延びており、蓋体60A,60B,60Cの変形抑制であるためより好ましい。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態では、本体部が開口部を3つ有し3つの蓋体で封止する例について説明したが、本体部の開口部の数(すなわち蓋体の数)は、これに限定されない。例えば、開口部及び蓋体の数が、1つでもよく、2つでもよく、あるいは3つより多くてもよい。

また、貫通孔91がビード92の中に形成されておらず、蓋体の平面部分に形成されていてもよい。

折り返し部64は、外縁63の四辺全てに連続形成されていなくともよく、例えば、外縁63の各辺における折り返し部64同士が(蓋体の四隅の部分などで)離れていてもよい。また、いずれかの辺のみに形成されていてもよい。また、折り返し部64は、蓋体の厚さ方向に外側へ90°折り返されているが、折り返し方向や折り返し角度は特に限定されない。例えば、蓋体の厚さ方向に内側へ90°折り返されていてもよい(例えば図8に示される態様)。あるいは、折り返し部が設けられていなくともよい。

また、蓋体受け部や螺合部の構成は、上述の実施形態に限定されるものではなく、筐体内部の気密性を確保できるものであれば、適宜変更することができる。例えば、上述の実施形態では、蓋体受け部は、蓋体の厚さ方向から見て筐体の内側へ広がるように形成されているが、外側に広がるように形成されていてもよい。すなわち、蓋体受け部が、開口部を取り囲む四方の壁部よりも外側に広がる構成となる。これに伴って、蓋体の縁部も開口部より外側(四方の壁部よりも外側)へ広がり、螺合部、シール部及びビード(第1の凸部)も開口部より外側へ配置される。また、螺合部は、蓋体受け部にボルトが固定され、ナットを外から締めることによって蓋体を固定する構成となっていてもよい。

また、上述の実施形態では、蓋体が、蓋体受け部側へ突出するビード(第1の凸部)を有し、シール部材が、蓋体のビード(第1の凸部)と蓋体受け部との間で押圧される構成となっていた。これに代えて、蓋体受け部が、蓋体側へ突出するビード(第1の凸部)を有し、シール部材が、蓋体受け部のビード(第1の凸部)と蓋体との間で押圧される構成としてもよい。すなわち、開口部を取り囲むようなビードをプレス加工などによって蓋体受け部に形成し、蓋体には実施形態においてビード62に対応するような凸部を形成することなく平板状とする。なお、蓋体と蓋体受け部の両方にビードを形成し、シール部材を両側からビードで押圧する構成としてもよい。

また、セルスタックの燃料極に、改質ガスではなく燃料電池システム外部から導入する純水素、水素富化ガスなど改質処理を必要としない燃料を供給する燃料電池システムにおいては、改質器2、水気化部4を省略することができる。

また、図10に示すような構成を採用してもよい。図10に示す蓋体60Aは、厚さ方向D1から見てビード62より外周側に貫通孔82を有し、厚さ方向D1から見て貫通孔82より外周側に蓋体受け部52A側へ向かって突出するビード65を有する。ビード65は、シール用のビード62と同じく、全周に亘って形成されていてもよく、途中で途切れていてもよい。

図11に示すように、発電中の燃料電池モジュール1内の温度の高温化に起因する蓋体60Aの変形(図11では、変形前の蓋体60Aの内側の面の位置を点線STにて示している)が生じるとしても、ビード65が当該蓋体60Aを外周側で蓋体受け部52Aと接触することにより蓋体60Aを支持する。これによって、ビード65は、蓋体60Aの変形を抑制することができる。ビード65が蓋体60Aを支持することにより、ビード62のシール部材70に対する押圧力を確実に維持することができる。なお、ビード65は、溶接によって形成されてもよく、プレス加工によって形成されてもよい。また、ビード65は、蓋体受け部52Aに形成されており、蓋体60A側へ突出していてもよい。

また、図12に示すような構成を採用してもよい。図12に示す蓋体60Aは、厚さ方向D1から見てビード62より内周側に、ビード62と反対側(外側)へ向かって突出するビード66を有する。ビード66は、ビード62に沿って延びるように形成されている。ビード66は、シール用のビード62と同じく、全周に亘って形成されていてもよく、途中で途切れていてもよい。

図13に示すように、発電中の燃料電池モジュール1内の温度の高温化に起因する蓋体60Aの変形(図13では、変形前の蓋体60Aの内側の面の位置を点線STにて示している)が生じるとしても、ビード66が当該蓋体60Aの変形をビード62の内周側で抑制する。これによって、ビード66は、蓋体60Aのシール部分に係るビード62付近の変形を抑制することができる。これにより、ビード62のシール部材70に対する押圧力を確実に維持することができる。なお、ビード66は、溶接によって形成されてもよく、プレス加工によって形成されてもよい。

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、50…本体部、51A,51B,51C…開口部、52A,52B,52C…蓋体受け部、60A,60B,60C…蓋体、61…周縁部、62…ビード(第1の凸部)、64…折り返し部、65…ビード(第3の凸部)、66…ビード(第4の凸部)、70…シール部材、80…螺合部、91…貫通孔、92…ビード(第2の凸部)。