(57)【要約】【課題】簡易な構成ながらも電極ロッドを広範囲で冷却し、比較的耐熱性が低く安価な樹脂部材等により絶縁とシールを維持しながらも、電極ロッドと電気的に接続されるパワーコントローラー等の電力取出部を保護することが可能となる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池モジュールにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させる燃料電池セルと、上記燃料電池セルを収容するためのモジュール容器と、上記モジュール容器を貫通し、上記燃料電池セルで発生した電力を上記モジュール容器の外部へ取り出すための集電部材つまり電極ロッドと、を備え、上記集電部材には、その軸方向に延び冷却水が流れる冷却水路が内部に設けることとする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池モジュールにおいて、
燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させる燃料電池セルと、
上記燃料電池セルを収容するためのモジュール容器と、
上記モジュール容器を貫通し、上記燃料電池セルで発生した電力を上記モジュール容器の外部へ取り出すための集電部材と、を備え、  
上記集電部材には、その軸方向に延び冷却水が流れる冷却水路が内部に設けられることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
上記冷却水路には、上記モジュール容器の外部側から内部側に向けて冷却水が流れることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
上記冷却水路は、上記モジュール容器の外部側から内部側に向けて冷却水を流す往路と、上記往路を流れた冷却水をその後上記モジュール容器の内部側から外部側に向けて流す復路を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
上記集電部材は、上記モジュール容器の外部側に位置する第一部材と、上記モジュール容器の内部側に位置し上記第一部材の端部と接続される第二部材とを少なくとも有し、
上記第一部材には、その軸方向に貫通するよう上記往路および復路が設けられ、
上記第一部材および／または上記第二部材には、上記第一部材の端部と第二部材の端部を接続することで上記往路および復路を連絡させる連絡水路が設けられていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルおよびそれを収容するモジュール容器を備えた燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セルを多数積層したスタックを１つもしくは複数収容する燃料電池モジュールでは、燃料電池セルが発電した電力を燃料電池モジュールの外部に取り出すために、燃料電池スタックの両端に接続されたプラス極およびマイナス極の電極ロッドを燃料電池モジュールの容器部から貫通させて外部に取り出している（特許文献１）。
【０００３】
電極ロッドは、発電した電力の電流・電圧を電線を介して供給先の需要に応じて制御する電力取出部（インバーターもしくはパワーコントローラーともいう）に接続されている。ここで、燃料電池システムをコンパクトにするため、加えて電極ロッドから電力取出部までの送電ロスを小さくするため、燃料電池モジュールと電力取出部は隣接しており、電極ロッドから電力取出部までの電線は極力短くなるよう設計される。
しかし、電力取出部は制御部を持つ電子機器であり熱に弱く、通常４０℃以下であることが望まれる。一方、電極ロッドは、固体酸化物形であれば６００℃〜１０００℃という非常に高温となる燃料電池セルと直接接続されており、電気抵抗が小さい金属材料が使われている。一般に電気抵抗が小さい素材では熱伝導率が高いため、電極ロッドは燃料電池セルの熱が伝わり燃料電池モジュールの外部に取り出された先でもかなり高温となる。
【０００４】
これまで、電極ロッドが燃料電池モジュールを貫通する部分のシール部に絶縁性と気密性を両方確保できる樹脂パッキンを用いるために、電極ロッドのシール部を放熱や熱交換により冷却する構造が提案されている（特許文献２）。電極ロッドから熱を伝えられても電力取出部の温度を４０℃以下とするためには、電極ロッドの中のモジュール容器から外部に出た部分では４０℃程度かそれ以下となっていることが望ましい。
しかし、前述した電極ロッドのシール部を冷却する構造で、電極ロッドの中の燃料電池モジュールから外部出た部分を上記温度とするためには、電極ロッドのシール部も４０℃に近い温度まで冷却を進める必要がある。そのため、その時シール部の内部ではシール部周辺の壁面で冷却されたモジュール容器内部のガスが結露して電極ロッドおよび電極ロッドを囲む金属容器であるハウジング部の壁面に付着することで電気的絶縁が損なわれてしまう。
また、電極ロッドのシール部と電極ロッドのモジュール容器外部分とを別々に冷却しようとすると、構造が複雑となってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１４１７６５号公報
【特許文献２】特開２００９−２３０８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて、簡易な構成ながらも電極ロッドを広範囲で冷却し、比較的耐熱性が低く安価な樹脂部材等により絶縁とシールを維持しながらも、電極ロッドと電気的に接続されるパワーコントローラー等の電力取出部を保護することが可能となる燃料電池システム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、本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池モジュールにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させる燃料電池セルと、上記燃料電池セルを収容するためのモジュール容器と、上記モジュール容器を貫通し、上記燃料電池セルで発生した電力を上記モジュール容器の外部へ取り出すための集電部材つまり電極ロッドと、を備え、上記集電部材には、その軸方向に延び冷却水が流れる冷却水路が内部に設けることとする。
【０００８】
このようにすることで、集電部材をモジュール容器の外部側に位置する部分から内部側のシールされる部分まで、簡易な構成によって広範囲に冷却することができる。上記冷却水路に流す冷却水の流量や温度を調整することで、パワーコントローラー等の電力取出部と接続される集電部材のモジュール容器外部側を適切な温度まで冷却しながら、モジュール容器内部側のシールされる部分付近の温度を、シールに用いられるパッキンやＯリング等が劣化しにくくかつ燃料電池モジュール内のガスが結露しにくい温度（１００℃〜２００℃）に維持することができる。よって、集電部材と電気的に接続される電力取出部を保護することが可能となる。
【０００９】
さらに、上記冷却水路には、上記容器の外部側から内部側に向けて冷却水が流れることとする。
【００１０】
このような構成で、上記冷却水路に、モジュール容器の外部側からモジュール容器の内部側に向けて冷却水を流すことで、集電部材のモジュール容器外部側は低温の冷却水により優先的に冷却されるため、集電部材の温度はモジュール容器外部側に向かって低下していくような勾配がつく。上記冷却水路に流す冷却水の流量や温度を調整することで、電力取出部と接続される集電部材のモジュール容器外部側を適切な温度まで冷却しながら、モジュール容器内部側のシールされる部分付近の温度を、シールに用いられるパッキンやＯリング等が劣化しにくくかつ燃料電池モジュール内のガスが結露しにくい温度（１００℃〜２００℃）に維持することができる。よって、集電部材と電気的に接続される電力取出部を保護することが可能となる。
【００１１】
さらに望ましくは、上記冷却水路は、上記モジュール容器の外部側から内部側に向けて冷却水を流す往路と、上記往路を流れた冷却水をその後上記モジュール容器の内部側から外部側に向けて流す復路を有することとする。
【００１２】
冷却水路への冷却水の供給や、冷却水路からの冷却水の排出を配管等によって行う場合、それら配管は電荷を帯びている集電部材に接続されるため、絶縁性の高い樹脂製チューブ等を用いることが望ましい。冷却水路内で熱交換しながら往路を進んだ冷却水は高温となり、場合によっては１００℃を超える蒸気となっているため、これをそのまま排出すると、樹脂製チューブ等が熱で劣化するおそれがある。本発明によれば、高温となった冷却水は復路を流れる過程で往路の冷却水と熱交換し冷却されて１００℃以下の温水となるので、樹脂製チューブ等を用いて排出する場合にも、その劣化を抑制することができる。
【００１３】
上記集電部材は、上記モジュール容器の外部側に位置する第一部材と、上記モジュール容器の内部側に位置し上記第一部材の端部と接続される第二部材とを少なくとも有し、上記第一部材には、その軸方向に貫通するよう上記往路および復路が設けられ、上記第一部材および／または上記第二部材には、上記第一部材の端部と第二部材の端部を接続することで上記往路および復路を連絡させる連絡水路が設けられている。
【００１４】
このような構造とすることで、簡単な加工で集電部材内に冷却水路の往路と復路を設けてかつ上記往路および復路を連絡させる連絡水路を形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡易な構成ながらも電極ロッドを広範囲で冷却し、比較的耐熱性が低く安価な樹脂部材等により絶縁とシールを維持しながらも、電極ロッドと電気的に接続されるパワーコントローラー等の電力取出部を保護することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態である燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態である燃料電池システムの燃料電池モジュールを中心とした詳細な構成を示す縦断面図である。
【図４】本発明の第一の実施形態である燃料電池モジュールの電極ロッド部およびハウジング部の一実施形態を示す縦断面図である。
【図５】本発明の一実施形態である燃料電池システムの起動工程における燃料電池セルおよび電極ロッドの温度と冷却水流量を示すグラフである。
【図６】本発明の第一の実施形態である燃料電池モジュールの電極ロッド部を示す縦断面図である。
【図７】本発明の第二の実施形態である燃料電池モジュールの電極ロッド部を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１８】
はじめに、図１を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態としての燃料電池システムＦＣＳの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００１９】
まず、燃料電池モジュールＦＣＭについて説明する。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体酸化物形の燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）であって、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。
【００２０】
発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極（アノード）と空気極（カソード）とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。
【００２１】
本実施形態の燃料電池ＦＣは固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、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といった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００２２】
燃料極を構成する材料は、ＮｉＯやＣｏＯ等の金属酸化物を含み、例えば、ＮｉＯ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、ＮｉＯ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、ＮｉＯ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といった材料が用いられる。詳細は後述するように、ＮｉＯ等の金属酸化物は、燃料電池システムの初回の起動工程中にＮｉ等に還元される。
【００２３】
空気極を構成する材料としては、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ランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００２４】
発電室ＦＣ１において発電された電気は電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００２５】
改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ：Ｐａｒｔｉａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ：Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ：Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。
【００２６】
蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。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。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００２７】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部（制御手段）をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００２８】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００２９】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３０】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒーターＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒーターＡＨ２によって昇温され、空気供給路を通って燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される。
【００３１】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００３２】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。
【００３３】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００３４】
続いて、図２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００３５】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＣＳは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＣＳには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。
【００３６】
操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳは制御ボックスＣＢに収められている。また操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。
【００３７】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００３８】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器ＲＦ内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。
【００３９】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４０】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４１】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１、ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４２】
続いて、図３および図４を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳを構成する燃料電池モジュールＦＣＭの詳細な構成について説明する。図３は本発明の一実施形態である燃料電池システムの起動工程の実行時における概略断面図であり、図４は本発明の一実施形態である燃料電池システムの停止工程の実行時における概略断面図である。
【００４３】
燃料電池モジュールＦＣＭは、発電室ＦＣ１と、分散室ＦＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳと、部分酸化改質器ＲＦＰとを備えている。発電室ＦＣ１、分散室ＦＤＢ及び燃焼室ＦＣ２は、耐熱性金属の壁体で構成されたモジュール容器ＭＣ内に収容されており、水蒸気改質器ＲＦＳはモジュール容器ＭＣに連結され、部分酸化改質器ＲＦＰは、モジュール容器ＭＣの外部に配設されている。
【００４４】
燃料電池セルＣＥはモジュール容器ＭＣの内部に収容されており、複数の燃料電池セルＣＥはセル間集電部材ＥＦで連結されている。連結された複数の燃料電池セルＣＥの１本目と最終番目には、集電部材つまり電極ロッドＲＤが接続されており、電極ロッドＲＤはモジュール容器ＭＣを貫通して外部に取り出され、電線ＥＫを介して電力取出部ＥＰに接続されている。貫通部はモジュール容器ＭＣの壁体に開設された入口部から外方に突出形成されて内部に空間を有するハウジング部ＣＲの先端付近で電極ロッドＲＤとの絶縁かつ気密が保たれている。
【００４５】
セル間集電部材ＥＦおよび電極ロッドＲＤは耐熱性および耐酸化性に優れる耐熱合金が使われる。セル間集電部材ＥＦおよび電極ロッドＲＤがアノード側に設置されているのであればニッケルを使ってもいい。
【００４６】
分散室ＦＤＢは、発電室ＦＣ１の下部に配設されている。この分散室ＦＤＢは、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスを分散させ、発電室ＦＣ１内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室ＦＣ１内に供給する複数の穴が貫通形成されている。また、分散室ＦＤＢの底面には、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰから供給される改質ガスを導入するための燃料配管ＦＰが接続されている。分散室ＦＤＢの底面側（下側）から導入された改質ガスは、ここで分散され、発電室ＦＣ１の底面側（下側）から発電室ＦＣ１内に導入され、発電室ＦＣ１内に立設された燃料電池セルＣＥの燃料極に供給される。
【００４７】
改質器ＲＦは、水蒸気改質器ＲＦＳと部分酸化改質器ＲＦＰとに分けて設けられている。まず、水蒸気改質器ＲＦＳの構成について説明する。水蒸気改質器ＲＦＳは、蒸発部ＲＦＳ１、予熱部ＲＦＳ２、及び改質部ＲＦＳ３を備えている。
【００４８】
改質部ＲＦＳ３は、燃焼室ＦＣ２の上部に配設されている。改質部ＲＦＳ３の上部には、予熱部ＲＦＳ２が配設され、更にその上方には蒸発部ＲＦＳ１が配設されている。蒸発部ＲＦＳ１は、補器ユニットＡＤＵ側から純水が供給され、その純水を蒸発させて水蒸気となし、その水蒸気を予熱部ＲＦＳ２に送り込む。予熱部ＲＦＳ２は、蒸発部ＲＦＳ１から水蒸気が供給されると共に、補器ユニットＡＤＵ側から被改質ガスとしての都市ガスが供給される。予熱部ＲＦＳ２においては水蒸気と被改質ガスである都市ガスとが混合され、その混合されたガスは改質部ＲＦＳ３に送り込まれる。改質部ＲＦＳ３では、予熱部ＲＦＳ２から供給された水蒸気及び被改質ガスが、改質触媒の作用によって改質されて改質ガスとなし、燃料配管ＦＰを通って分散室ＦＤＢへと送り込まれている。水蒸気改質器ＲＦＳ（改質部ＲＦＳ３）は、モジュール容器ＭＣに連通（もしくはモジュール容器ＭＣ内に配設）されており、且つ同じモジュール容器ＭＣ内に配設された燃焼室ＦＣ２の上方に配設されているため、燃焼室ＦＣ２で生じる燃焼排ガスは改質部ＲＦＳ３、予熱部ＲＦＳ２、蒸発部ＲＦＳ１の加熱ガス流路側を流れて熱交換を行うことができる。このように燃焼室ＦＣ２で生じる燃焼排熱を用いて吸熱反応である水蒸気改質反応を効率よく行うことができる。
【００４９】
部分酸化改質器ＲＦＰは、モジュール容器ＭＣの外側に断熱材（図示せず）を介して配設されている。部分酸化改質器ＲＦＰは、被改質ガス、空気、純水が供給されるように構成されている。ここでは、部分酸化改質器ＲＦＰは触媒反応を利用したものを反応管の例として記載しているが部分酸化バーナーに置き換えることもできる。部分酸化改質器ＲＦＰで改質された改質ガスは、水蒸気改質器ＲＦＳからの改質ガスを供給する燃料配管ＦＰと合流して分散室ＦＤＢに供給される。燃料配管ＦＰは断熱材（図示せず）で包まれている。部分酸化改質器ＲＦＰは、燃料電池システムの起動工程の実行時と、発電を停止する停止行程の実行に、被改質ガスに部分酸化改質又は水を用いた改質を行い、燃料電池セルＣＥに還元ガスである改質ガスを供給する。
【００５０】
起動工程の実行時に、各燃料電池セルＣＥに高温の酸化ガスを供給するために、触媒燃焼器ＣＣ及び空気ヘッダＡＤＢが設けられている。触媒燃焼器ＣＣには、触媒が充填されており、空気と燃料ガスとが供給され、所定のＳＶ（空間速度）値と温度の着火条件を満たした場合に着火して燃焼するように構成されている。触媒燃焼器ＣＣには、流量調整ユニットＡＰ１ｂから送出され、ヒーターＡＨ２によって昇温された空気が供給されるように構成されている。また、触媒燃焼器ＣＣには、都市ガスが直接供給されるように構成されている。触媒燃焼器ＣＣによって更に昇温された空気は空気ヘッダＡＤＢに供給される。空気ヘッダＡＤＢは、複数の燃料電池セルＣＥそれぞれに空気を分配供給するように構成されている。
【００５１】
次に図４を参照しながら、電極ロッド部の構造を詳細に説明する。図４は、本発明の第一の実施形態である燃料電池モジュールの電極ロッド部およびハウジング部の一実施形態を示す縦断面図である。
【００５２】
電極ロッドＲＤは、一方が連結された複数の燃料電池セルＣＥの１本目もしくは最終番目(図中右側、図示せず)に接続されており、もう一方は（図中左側）モジュール容器ＭＣの外側に取り出され、電線ＥＫを通じて電力取出部ＥＰに接続されている。
【００５３】
モジュール容器ＭＣには電極ロッドＲＤが貫通するための穴が明けてあり、この穴から電極ＲＤを囲むようにハウジング部ＣＲが突出形成されている。ハウジング部ＣＲにはハウジング部の温度を下げるために放熱フィンＣＲｆを設けて、放熱を促進させてハウジング部ＣＲを冷却させる。あるいは冷却水流路を設けて、内部に冷却水を流通させて水と熱交換させることでハウジング部ＣＲを冷却させてもいい（図示せず）。ハウジング部ＣＲはモジュール容器ＭＣと同じ材質が使われる。
【００５４】
ハウジング部ＣＲの内部と電極ロッドＲＤの間には、発電室ＦＣ１側から順に内壁用絶縁スリーブＩＳ１、内壁用絶縁ＯリングＩＰ１、異径絶縁スリーブＩＳ２、ロッド用絶縁ＯリングＩＰ２、ロッド用絶縁スリーブＩＳ３が配置されている。内壁用絶縁スリーブＩＳ１、異径絶縁スリーブＩＳ２、ロッド用絶縁スリーブＩＳ３は２００℃程度の耐熱性を持つ樹脂やアルミナなどの絶縁性の高い無機材料が使用され、内壁用絶縁ＯリングＩＰ１、ロッド用絶縁ＯリングＩＰ２は絶縁性と弾力性の高いシリコン系樹脂やフッ素系樹脂が使用される。
【００５５】
ハウジング部ＣＲの最端部には電極ロッドＲＤが貫通する穴の明いたプレスキャップＰＣが配置され、プレスキャップＰＣの円筒内壁およびハウジング部ＣＲの外壁はネジ加工されている（図示しない）。プレスキャップＰＣは既に冷却された位置となるので、耐熱性金属を使う必要はなく、ステンレスや防錆処理された鉄系材料が使用できる。
【００５６】
内壁用絶縁ＯリングＩＰ１の外径・内径はそれぞれハウジング部ＣＲの内径、異径絶縁スリーブＩＳ２の外径と0.05mm〜0.3mm程度のクリアランスが取られており、同様にロッド用絶縁ＯリングＩＰ２の外径・内径はそれぞれ異径絶縁スリーブＩＳ２の内径、電極ロッドＲＤの外径と0.05mm〜0.3mm程度のクリアランスが取られている。
【００５７】
ハウジング部ＣＲ内壁には突起部が設けられており、内壁用絶縁スリーブＩＳ１が発電室ＦＣ１側への移動することが制限される。よって、プレスキャップＰＣをハウジング部にネジ込み、プレスキャップＰＣの平面内側がロッド用スリーブＩＳ３を発電室ＦＣ１側に押し付けると、内壁用絶縁ＯリングＩＰ１とロッド用絶縁ＯリングＩＰ２は圧縮される。
圧縮により内壁用絶縁ＯリングＩＰ１とロッド用絶縁ＯリングＩＰ２は扁平し、それぞれ外径側および内径側の壁面に密着する。そうすることによってハウジング部ＣＲの内壁と異径絶縁スリーブＩＳ２の外壁、異径絶縁スリーブＩＳ２の内壁と電極ロッドＲＤの隙間を封止することとなり、発電室ＦＣ１からのガスを外部に漏らさずかつ絶縁を保つことができる。
【００５８】
燃料電池運転中は発電室ＦＣ１の温度は６００℃から１０００℃となっている。発電室ＦＣ１からの伝熱および発電室ＦＣ１から流れてくる高温のガスにより、内壁用絶縁スリーブＩＳ１、異径絶縁スリーブＩＳ２、ロッド用絶縁スリーブＩＳ３、内壁用絶縁ＯリングＩＰ１、ロッド用絶縁ＯリングＩＰ２が変形したり、弾性力が低下したりすることで絶縁および気密性能が低下することが考えられる。また、使用者の安全を確保するため、使用者が接触する可能性のある部分は火傷などの事故が発生しないよう９５℃以下、望ましくは６０℃以下となるようにすることが求められる。これらのことから前述したようにハウジング部ＣＲは冷却構造を持っており、ハウジング部ＣＲは９０℃以下、望ましくは６０℃以下となるよう設計および制御（冷却水流量）されている。
【００５９】
電極ロッドＲＤには軸方向に冷却水が流通する軸冷却水路ＣＰが設けられている。軸冷却水路ＣＰは電極ロッドＲＤの軸内を燃料電池セルＣＥ側に進み（往路）、ロッド用絶縁ＯリングＩＰ２の付近で折り返して電極ロッドＲＤの軸内をモジュール容器ＭＣの外部に向かって進み出口に戻る（復路）。
【００６０】
続いて、図５を参照しながら本実施形態の燃料電池モジュールの起動工程から発電工程における燃料電池セルＣＥおよび電極ロッドＲＤの温度および冷却水流量を説明する。図５は、本発明の一実施形態である燃料電池システムの起動工程における燃料電池セルおよび電極ロッドの温度と冷却水流量を示すグラフである。
【００６１】
起動工程を実行し、燃料電池セルＣＥが昇温されるに従い、電極ロッドＲＤのロッド用絶縁ＯリングＩＰ２付近（以後シール部と呼ぶ）の温度および電力ロッドＲＤのモジュール容器ＭＣ外側の外側で電線ＥＫが接続された部分（以後外端部と呼ぶ）の温度も上昇する。電極ロッドＲＤ外端部が所定の温度以上となるかもしくは起動工程実行後所定の時間となった時点で、軸冷却水路ＣＰにモジュール容器ＭＣの外部側からモジュール容器の内部側に向けて冷却水を流す。電極ロッドＲＤのモジュール容器外部側は低温の冷却水により優先的に冷却されるため、電極ロッドＲＤの温度はモジュール容器ＭＣの外側に向かって低下していくような勾配がつく。起動工程から発電工程に至る過程での燃料電池セルＣＥの温度に応じて、軸冷却水路ＣＰに流す冷却水の流量を調整することで、電力取出部ＥＰと接続される電極ロッドＲＤの外端部の温度を４０℃以下としながら、電極ロッドＲＤのシール部の温度をＯリングが劣化しにくくモジュール容器ＭＣ内のガスが結露しにくい温度（１００℃〜２００℃）に維持することができる。
【００６２】
停止工程でも同様に燃料電池セルＣＥが降温されるに従い、軸冷却水路ＣＰに流す冷却水の流量を調整し、電極ロッドＲＤが所定の温度以下となるかもしくは停止工程実行後所定の時間となった時点で、軸冷却水路ＣＰに流していた冷却水の供給を停止する。このようにすることで軸冷却水路ＣＰに流す冷却水の流量を調整することで、電力取出部ＥＰと接続される電極ロッドＲＤの外端部の温度を４０℃以下としながら、電極ロッドＲＤのシール部の温度をＯリングが劣化しにくくモジュール容器ＭＣ内のガスが結露しにくい温度（１００℃〜２００℃）に維持することができる。
【００６３】
電極ロッドＲＤに設けられた軸冷却水路ＣＰに冷却水を供給する冷却水供給配管ＣＴｉおよび排出する冷却水排出配管ＣＴｏは電荷を帯びている電極ロッドに接続されるため、ナイロンやシリコンなど絶縁性の高い樹脂製チューブを用いることが望ましい。電極ロッドＲＤ内で熱交換された冷却水は高温となり、場合によっては１００℃を超える蒸気となっているが、復路を流れる過程で往路の冷却水と熱交換し冷却されて８０℃以下の温水となるので、樹脂製チューブ等を用いて排出する場合にも、その劣化を抑制することができる。
【００６４】
冷却水排出配管ＣＴｏから取出された温水は、発電用に供給される都市ガスの水蒸気改質に必要な水蒸気用水として蒸発器ＲＦＳ１に供給することができる。あるいは、燃料電池システムの後段に設けられた給湯用温水タンクに送られ、給湯用の温水として利用してもいい。
【００６５】
続いて、図６及び図７を参照しながら電極ロッド部の構造について説明する。図６は、本発明の第一の実施形態である燃料電池モジュールの電極ロッド部を示す縦断面図であり、図７は、本発明の第二の実施形態である燃料電池モジュールの電極ロッド部を示す縦断面図である。
【００６６】
電極ロッドＲＤは、モジュール容器の外部側に位置する第一部材ＲＤ１とモジュール容器の内部側に位置する第二部材ＲＤ２に分けて製作される。第一部材ＲＤ１には軸冷却水路ＣＰの往路と復路となる穴が軸方向に貫通して明けてあり、第一部材ＲＤ１もしくは第二部材ＲＤ２に往路と復路をつなぐ溝が設けられており、第一部材ＲＤ１と第二部材ＲＤ２が接続されることで上記溝が軸冷却水路ＣＰの往路と復路とをつなぐ連絡水路となる。
【００６７】
図６の例では、第一部材ＲＤ１に軸冷却水路ＣＰの往路と復路となる穴が軸方向に貫通して明けてあり、モジュール容器ＭＣ側の端部面には往路と復路をつなぐ凹部が設けられ凹部の内壁はネジ加工が施されている。第二部材ＲＤ２の外側の端部面には凸部が設けられており凸部の外壁はネジ加工されており、第一部材ＲＤ１の凹部にネジ込みすることができる。凹凸を設けずに溶接で接続することもできるが、第一部材ＲＤ１と第二部材ＲＤ２の接続面積が溶接部分のみとなり抵抗が大きくなってしまうので、前述のような凹凸構造でネジ込みとして十分な接触面積を確保することが望ましい。その上で第一部材ＲＤ１と第二部材ＲＤ２の相面を溶接することは接続をより確実にする意味で有効である。
【００６８】
図６の例では凸部の長さは凹部の深さより短く製作されており、第一部材ＲＤ１と第二部材ＲＤ２を接続した後にできる空間が軸冷却水路ＣＰの往路と復路とをつなぐ連絡水路となる。
【００６９】
図７の例では、第二部材ＲＤ２に凸部の先端に溝が設けられており、第一部材ＲＤ１と第二部材ＲＤ２を接続した後に上記溝が軸冷却水路ＣＰの往路と復路とをつなぐ連絡水路となる。
【符号の説明】
【００７０】
ＡＤＢ：空気ヘッダ
ＡＤＵ：補器ユニット
ＡＨ１：ヒーター
ＡＨ２：ヒーター
ＡＰ  ：空気供給部
ＡＰ１ａ：流量調整ユニット
ＡＰ１ｂ：流量調整ユニット
ＡＰ２：電磁弁
ＡＰ３：空気供給路
ＣＢ  ：制御ボックス
ＣＣ  ：触媒燃焼器
ＣＥ  ：燃料電池セル
ＣＯＤ：一酸化炭素検知器
ＣＳ  ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１：操作装置
ＣＳ２：表示装置
ＣＳ３：報知装置
ＣＰ  ：軸冷却水路
ＣＲ  ：ハウジング部
ＣＲｆ：放熱フィン
ＣＴｉ：冷却水供給配管
ＣＴｏ：冷却水排出配管
ＤＳ１：改質器温度センサ
ＤＳ２：スタック温度センサ
ＤＳ３：排気温度センサ
ＤＳ４：改質器内圧力センサ
ＤＳ５：水位センサ
ＤＳ６：水流量センサ
ＤＳ７：燃料流量センサ
ＤＳ８：改質用空気流量センサ
ＤＳ９：発電用空気流量センサ
ＤＳ１０：電力状態検出部
ＤＳ１１：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３：可燃ガス検出センサ
ＥＦ  ：セル間集電部材
ＥＫ  ：電線
ＥＰ  ：電力取出部
ＥＰ１：電力取出ライン
ＦＣ  ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＤＢ：分散室
ＦＰ  ：燃料供給部
ＦＰ１：流量調整ユニット
ＦＰ２：脱硫器
ＦＰ４：ガス遮断弁
ＦＰ５：ガス遮断弁
ＧＤ１：可燃ガス検知器
ＧＤ２：可燃ガス検知器
ＨＷ  ：温水製造装置
ＩＰ１：内壁用絶縁Ｏリング
ＩＰ２：ロッド用絶縁Ｏリング
ＩＳ１：内壁用絶縁スリーブ
ＩＳ２：異径絶縁スリーブ
ＩＳ３：ロッド用絶縁スリーブ
ＭＶ  ：混合部
ＭＣ  ：モジュール容器
ＮＴ  ：ナット
ＰＣ  ：プレスキャップ
ＲＦ  ：改質器
ＲＦ１：改質部
ＲＦ２：蒸発部
ＳＣ  ：燃料電池システム制御部
ＷＰ  ：水供給部
ＷＰ１：流量調整ユニット
ＷＰ２：貯水タンク
ＲＦＰ：部分酸化改質器
ＲＦＳ：水蒸気改質器
ＲＦＳ１：改質部
ＲＦＳ１：蒸発部
ＲＦＳ２：予熱部
ＲＦＳ３：改質部
【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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