(57)【要約】【課題】燃料電池システムの運転中、電極ロッド・電位計測線などの取り出し部分において結露した水が漏電やショートを起こすことを回避できる燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】固体電解質形の燃料電池セルを容器に収容してなる燃料電池モジュールにおいて、容器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の内壁面には、上記入口部から所定距離離れた位置である処理境界から上記ハウジング部の突出方向にかけて親水処理を施す。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質形の燃料電池セルを容器に収容してなる燃料電池モジュールにおいて、
上記容器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と、
上記ハウジング部に設けられた貫通孔と、
上記ハウジング部内の空間に配設され、上記貫通孔に挿通されるとともに、上記燃料電池セルで発生した電力を外部に取り出す電極部材または上記燃料電池セルで発生した電圧を計測する電圧計側線と、を有し、
上記ハウジング部の内壁面には、上記入口部から所定距離離れた位置である処理境界から上記ハウジング部の突出方向にかけて親水処理が施され、
上記処理境界は、その温度が水の沸点以上となる位置であることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
上記処理境界は、燃料電池セルが起電力を示す時点での温度が水の沸点以上となる位置であ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】
上記ハウジングを冷却する冷媒が流通する冷媒流路を上記ハウジング部の外部に有し、
上記冷媒は上記燃料電池セルの温度に応じて流量が調整さ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質形の燃料電池セル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】
また、燃料電池セルの所定箇所の電圧を計測する場合、同様に燃料電池セルもしくは燃料電池スタックに接続された電圧計測線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。
【０００４】
燃料電池システムの運転中は電極ロッド・電圧計測線に電荷がかかっており、漏電による性能低下および劣化と使用者の感電防止のために、貫通部分は絶縁と気密を両立する必要がある。そのため、以前より電極ロッド・電圧計測線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が用いられ、高温で作動する固体電解質形燃料電池システムでは電極ロッド部・電圧計測線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）。
【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
【特許文献３】特開２０１０−２３８４３４号公報
【特許文献４】特開２００９−６３３５２号公報
【０００６】
しかし燃料電池モジュール内のガスは、アノードガスの場合十分な余裕を持って水蒸気改質が進むよう多量の水蒸気が混合されており、また燃焼ガスの場合はカソードガスの空気とアノードガスが混合された後に燃焼し、燃焼によって生じる水蒸気発生が加わり水蒸気濃度の高い状態となっている。そのため電極ロッドや電圧計側線のシール部付近で冷却されることで内部に結露水が発生し、電荷のかかっている電極ロッド・電位計測線とモジュール容器部を結露水がつないでしまうことで漏電やショートを起こしてしまう。
【０００７】
特許文献３では、モジュール容器内の水蒸気の結露が生じても、その結露水が電極部材の周囲に留まって短絡や漏電が生じないよう、貫通部分が下方または斜め下方に向けられているが、モジュール構造の制約で電極ロッド部や電位計測線部を水平方向に出す必要がある場合には、水溜まりができるもしくは表面張力による液滴の成長により電極ロッド・電位計測線とモジュール容器部が結露水でショートする可能性がある。
また特許文献４では、突出した管状部分の内壁に親水処理を施すことが記されているが、本技術を燃料電池モジュールに適用した場合に、どのような範囲に親水処理を施せばよいかについては知られていなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて、燃料電池システムの運転中、電極ロッド・電位計測線などの取り出し部分において結露した水が漏電やショートを起こすことを回避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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明によれば、固体電解質形の燃料電池セルを容器に収容してなる燃料電池モジュールにおいて、上記容器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と、上記ハウジング部に設けられた貫通孔と、上記ハウジング部内の空間に配設され、上記貫通孔に挿通されるとともに、上記燃料電池セルで発生した電力を外部に取り出す電極部材または上記燃料電池セルで発生した電圧を計測する電圧計側線と、を有し、上記ハウジング部の内壁面には、上記入口部から所定距離離れた位置である処理境界から上記ハウジング部の突出方向にかけて親水処理が施され、上記処理境界は、その温度が水の沸点以上となる位置とする。
【００１０】
このようにすることで、ハウジング部内の結露水の液滴の高さが低くなるため（例えば、ハウジング部内面で通常ステンレス面と水の接触角が６５°前後であるのに対して親水処理面では水の接触角を２０°以下となる）、ハウジング部と電極ロッドまたは電圧計測線との水を介した接触を回避し漏電やショートを回避することができる。言い換えれば、ハウジング部の内径を小さくしても電極ロッドまたは電圧計測線との水を介した接触を回避することできるので、漏電やショートを回避しながらハウジング部をコンパクトにすることができる。
【００１１】
さらに、ハウジング部の内壁面で親水処理を施している範囲は、ハウジング部の内壁面全体ではなく、発電室側の入口部から所定距離離れた位置である処理境界からハウジング部の突出方向にかけてであるが、この処理境界は、その点における温度が水の沸点以上となる位置である。したがって、親水処理によりハウジング部内で広がった結露水は、処理境界に達した部分から沸点まで加熱して蒸発する。ハウジング部が水平方向に設けられても処理境界において結露水が蒸発することで、ハウジング部の内部のその他の部分にある結露水も、処理境界まで誘引され、結露水の残留を抑制することができる。
【００１２】
つまり、ハウジング部の発電室側を下方に向けることなくハウジング部の内径を小さくしても電極ロッドまたは電圧計測線との結露水を介した接触を回避することできるので、漏電やショートを回避しながらハウジング部をコンパクトにすることができるので、設計の自由度が増すとともにハウジング部の内部に施す親水処理を必要最小限としながらも結露水を処理することができる。
【００１３】
前記処理境界は、燃料電池セルが起電力を示す時点での温度が水の沸点以上となる位置とすることが望ましい。
【００１４】
このようにすることで、燃料電池セルが起電力を示さない低温時では燃料電池モジュールのハウジング部内で結露してハウジング部と電極ロッドまたは電圧計測線が結露水を介して接触する可能性はあるが、燃料電池セルが起電力を示す時点ではハウジング部内で水の沸点以下となる部分に親水処理を施しているので、ハウジング部と電極ロッドまたは電圧計測線との結露水を介した接触が解消され、親水処理範囲を必要最小限にすることができる。
【００１５】
次に、ハウジングを冷却する冷媒が流通する冷媒流路を有する燃料電池モジュールにおいては、冷媒は燃料電池セルの温度に応じて流量を調整することが望ましい。
【００１６】
例えば、起動初期は冷媒流路に冷媒を流さず、定格運転時に１００℃程度となるハウジング部の位置が室温から昇温され１００℃に近くなった時点で冷媒を供給し始め徐々に流量を増やすようにする。
【００１７】
このようにすることで起動初期にまだハウジング部の昇温が進んでいないことから結露する範囲が広がってしまい親水処理範囲を広げる必要が出る状況を回避し、ハウジング部と電極ロッドまたは電圧計測線との結露水を介した接触が解消される親水処理範囲を必要最小限にすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ハウジング部と電極ロッドとの結露水を介した接触が解消される親水処理範囲を必要最小限にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の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】同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】同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】同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】同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６】従来の燃料電池モジュールの結露発生前および結露発生時における電極ロッド部およびハウジング部を示す軸方向断面図である。
【図７】本発明の実施形態である燃料電池モジュールの結露発生時における電極ロッド部およびハウジング部の一実施形態を示す軸垂直断面図である。
【図８】同燃料電池システムの一実施形態における起動時の各部温度および電圧を示すグラフである。
【図９】同燃料電池システムの一実施形態における起動時の各部温度および電圧を示すグラフである。
【図１０】同燃料電池システムの一実施形態における起動時の各部温度および電圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、固体電解質形の燃料電池（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。
【００２３】
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。
【００２４】
本実施形態の燃料電池ＦＣは固体電解質形燃料電池（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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
続いて、図３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。
【００４６】
図３に示すように、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。
【００４７】
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、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を貫通して外部に発電された電力を取り出せるようにしている。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。
【００４８】
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。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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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は、予熱部ＲＦＳ２から水蒸気及び被改質ガスが供給され、改質触媒の作用によって被改質ガスを改質して改質ガスとなし、分散室ＦＤＢへと送り込んでいる。このように、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。
【００５２】
部分酸化改質器ＲＦＰは、モジュール容器ＭＣの外側に断熱材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。部分酸化改質器ＲＦＰで改質された改質ガスは、燃料配管ＦＰを通り分散室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際と、発電工程を停止する際に、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。
【００５３】
起動工程の際に、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。
【００５４】
次に図４、図５を参照しながら、電極ロッド部の構造を詳細に説明する。
【００５５】
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ている。
【００５６】
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（図４）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ＣＬＲ（図５）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を冷却させる。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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
しかし発電室ＦＣ１内から流れてくるガスは、アノードガスの場合十分な余裕を持って水蒸気改質が進むよう多量の水蒸気が混合されており、燃焼ガスの場合はカソードガスの空気とアノードガスが混合された後に燃焼し、燃焼によって生じる水蒸気発生が加わり水蒸気濃度の高い状態となっている。そのため冷却され９０℃以下となったハウジング部ＣＲの内壁にこれらのガスが接触すると内壁面で結露してしまう（図６（ａ））。この結露水が時間の経過とともに増加し液滴が成長すると、電荷のかかっている電極ロッドＲＤとモジュール容器ＭＣが結露水でつながり、漏電やショートを起こしてしまう（図６（ｂ））。
【００６３】
本発明では漏電やショートを回避するためにハウジング部内面には親水処理が施しており、通常ステンレス面と水の接触角が６５°前後であるのに対して親水処理面ＨＹでは水の接触角を２０°以下にすることができる。これにより、図７のように結露水の液滴の高さを低く抑えることができ、ハウジング部ＣＲと電極ロッドＲＤとの水を介した接触を回避し漏電やショートを回避することができる。言い換えれば、ハウジング部ＣＲの内径を小さくしても電極ロッドＲＤとの水を介した接触を回避することできるので、漏電やショートを回避しながらハウジング部をコンパクトにすることができる。
【００６４】
ここで言う親水処理とは、壁面に水分子との分子間力が大きい素材でコーティングを施すことで接触角を小さくする方法と、壁面に液滴よりも小さい凹凸加工を施すことによりミクロに見た接触角を壁面に対して傾かせることでマクロに見た壁面との接触角を小さくする方法を取ることができる。
【００６５】
ここで、ハウジング部ＣＲの内壁面で親水処理を施している範囲は、ハウジング部ＣＲの内壁面全体ではなく、発電室ＦＣ１側の入口部から所定距離離れた位置である処理境界からハウジング部ＣＲの突出方向にかけてであるが、この処理境界は、その点における温度が水の沸点以上となる位置である。したがって、親水処理によりハウジング部ＣＲ内で広がった結露水は、処理境界に達した部分から沸点まで加熱して蒸発する。ハウジング部ＣＲが水平方向に設けられても処理境界において結露水が蒸発することで、ハウジング部ＣＲの内部のその他の部分にある結露水も、処理境界まで誘引され、結露水の残留を抑制することができる。
【００６６】
例えば、図４、図５において内部の圧力がほぼ大気圧に近い状態の場合、水の沸点は約１００℃となる。ここでハウジング部ＣＲの位置Ａでは冷却されて５０℃、位置Ｂでは１００℃、位置Ｃでは４００℃であった場合、少なくとも位置Ｂまでは親水処理を施すこととし、位置Ｃでは親水処理を施す必要がない。
【００６７】
そうすることで、ハウジング部ＣＲで冷却されて位置Ａ付近で発生した結露水は、内壁の親水処理によりハウジング部の発電室ＦＣ１側に向かって濡れ広がる。結露水は位置Ｂに近づくにつれて沸点に近い温度に晒されることとなるため蒸発して行き、位置Ｂにおいては沸点を超える温度となっているので確実に結露水を蒸発させることができる。燃料電池が運転中はハウジング部ＣＲで発電室ＦＣ１中のガスが冷却されて常に新たな結露水が生成されているが、親水処理面ＨＹに接触しているため小さい接触角で濡れ広がり、位置Ｂに届くまでに蒸気化されるため結露水は溜まることなく、水面の高さも低い状態を保つことができる。よってハウジング部ＣＲと電極ロッドＲＤとの水を介した接触を回避し漏電やショートを回避することができる。
【００６８】
つまり、ハウジング部ＣＲの発電室ＦＣ１側を下方に向けることなくハウジング部ＣＲの内径を小さくしても電極ロッドＲＤとの水を介した接触を回避することできるので、漏電やショートを回避しながらハウジング部をコンパクトにすることができるので、設計の自由度が増すとともにハウジング部ＣＲの内部に施す親水処理を必要最小限としながらも結露水を処理することができる。
【００６９】
前述までの説明では、電極ロッドＲＤおよびそのハウジング部ＣＲに関する例を示したが、例えば燃料電池セルＣＥの電圧を計測する電圧計側線（図示せず）のように電荷を帯び漏電することが望ましくない箇所において同様の手段を用いることができる。
【００７０】
燃料電池を起動時は、アノード側では部分酸化改質器ＲＦＳから高温の部分酸化ガスを供給し、カソード側ではヒーターＡＨ２もしくは触媒燃焼器ＣＣから燃焼ガスを供給し、燃料電池セルＣＥを運転できる温度（６００℃以上）に加熱する。このアノード側の部分酸化ガス、カソード側の燃焼ガスおよびこれらが燃焼室ＦＣ２で混合し燃焼した燃焼ガスはいずれも多量の水蒸気を含んでいる。燃料電池の起動直後は、燃料電池モジュールＦＣＭが室温程度の温度となっているため、アノード側の部分酸化ガス、カソード側の燃焼ガスおよび燃焼室ＦＣ２からの燃焼ガスが、モジュール容器ＭＣやハウジング部ＣＲに接触した際に冷却されて結露する。
【００７１】
一方、燃料電池セルＣＥが起電力を示し始めるのは、燃料電池セルＣＥの温度が２５０℃程度の温度になった時からであり、それまでは電極ロッド部や電圧計側線の絶縁は求められない。
【００７２】
よって、ハウジング部ＣＲの内部に施す親水処理の範囲は、起動時において燃料電池セルＣＥが起電力を示し始める温度となった時点で、ハウジング部ＣＲ中の水の沸点以上となる位置からハウジング部ＣＲの突出方向にかけて施せばよい。
【００７３】
ここでハウジング部ＣＲが図４の構造を持った場合を例として、燃料電池モジュールＦＣＭが起動する時の各所の温度を示すグラフ図７を参照しながら具体的に説明する。燃料電池を起動した時には、アノード側は高温の部分酸化ガス、カソード側は高温の燃焼ガスが供給され燃料電池モジュールＦＣＭが加熱される。燃料電池セルＣＥの温度上昇に伴い、モジュール容器ＭＣからの伝熱および内部を流れるアノードガスからの伝熱によりハウジング部ＣＲの温度も上昇していく。ハウジング部ＣＲは、放熱フィンＣＲｆにより外気と熱交換されるため位置Ａの方が位置Ｃと比較して温度上昇は非常に緩やかとなる。時刻ｔ１に燃料電池セルＣＥの温度が２５０℃程度となると、燃料電池セルＣＥに起電力が発生し始める。この時、ハウジング部ＣＲの位置Ａは３０℃なので、高温の部分酸化ガスに含まれる水蒸気が結露する。ハウジング部ＣＲの位置Ｂは１００℃なので、高温の部分酸化ガスは水蒸気の状態を保ち、位置Ａから結露水が流れて来ても沸点以上となっているため結露水は気化する。位置Ｃは１７０℃なので、高温の部分酸化ガスは水蒸気の状態を保つことができる。よって親水処理は位置Ｃに施す必要はなく、位置Ｂからハウジング部ＣＲの突出方向にかけて施せばよい。
【００７４】
停止時においても同様にハウジング部ＣＲの内部に施す親水処理の範囲は、燃料電池セルＣＥが降温していき、燃料電池セルＣＥの温起電力が消失する温度となった時点で、ハウジング部ＣＲ中の水の沸点以上となる位置からハウジング部ＣＲの突出方向にかけて施せばよい。そして、起動時から求められる親水処理範囲と停止時から求められる親水処理範囲を比較してより広範囲となる方を選択し、親水処理を施せばよい。
【００７５】
ハウジング部ＣＲが図５に示すように、冷却水流路ＣＬＲに冷却水を流通させることによりハウジング部ＣＲを冷却する構造において、起動初期から冷却水を定格流量流した場合、図９に示すように時刻ｔ１において燃料電池セルＣＥの温度が２５０℃程度となり、起電力が発生し始めた時にハウジング部ＣＲの位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃはともに１００℃を下回っており、ハウジング部ＣＲの内部に流れ込んでくるガス中に含まれる水蒸気が結露する可能性がある。このような運転を行う場合はハウジング部ＣＲの内壁には位置Ｃよりも発電室ＦＣ１側からハウジング部ＣＲの突出方向にかけて親水処理を施す必要がある。
【００７６】
そこで、図１０に示すように起動初期は冷却水流路ＣＬＲに冷却水を流さず、ハウジング部ＣＲの位置Ｂが１００℃に近くなった時刻ｔ２に冷却水を供給し始め徐々に流量を増やすようにする。
【００７７】
このようにすることで、時刻ｔ１において燃料電池セルＣＥの温度が２５０℃程度となり、起電力が発生し始めた時にハウジング部ＣＲの位置Ａは１００℃以下であるが、位置Ｂ、位置Ｃはともに１００℃を上回っており、位置Ｂよりも発電室ＦＣ１側ではハウジング部ＣＲの内部に流れ込んでくるガス中に含まれる水蒸気が結露することはない。よって親水処理は位置Ｃに施す必要はなく、位置Ｂからハウジング部ＣＲの突出方向にかけて施しておけばよい。
【符号の説明】
【００７８】
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
ＣＬＲ：冷却水流路
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
ＣＲ  ：ハウジング部
ＣＲｆ：放熱フィン
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
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
ＨＹ  ：親水処理範囲
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
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】
2012182013.tif 000009
【図８】
2012182013.tif 000010
【図９】
2012182013.tif 000011
【図１０】
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