(57)【要約】【課題】温度センサが内部に配置された保護管、及び保護管内部の空気が、容器外部の空気によって冷却されてしまうことを防止し、複数の燃料電池セルが収容された容器内部の温度を正確に測定することができる燃料電池装置を提供すること。【解決手段】この燃料電池装置は、容器８０の内側に突出する保護管８２０を容器８０の壁面に対して固定し、保護管８２０が固定される壁面の外側に当接するように断熱材８を配置し、断熱材８に形成された第二の挿入穴８５２の開口面積は、壁面に形成された第一の挿入穴８５１の開口面積よりも小さい。【選択図】図７
2013055008.tif 000002
【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装置において、
内部流路を有し、前記内部流路に対して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの一方が供給される複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルを内部に収容する容器と、
前記容器の壁面に対して、外側から当接するように配置された断熱材と、
前記壁面に形成された第一の挿入穴及び前記断熱材に形成された第二の挿入穴を通じて、先端に設けられた熱電対が前記容器の内側に位置するように前記容器の内側に突出して配置された棒状の温度センサと、
前記容器の内側において、前記温度センサ及び前記第一の挿入穴を覆うように前記壁面に対して固定された保護管と、
を備え、
前記第二の挿入穴の開口面積は、前記第一の挿入穴の開口面積よりも小さいことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記断熱材の外側には前記断熱材を覆うカバー部材を有し、前記温度センサは、前記カバー部材に対して固定されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記カバー部材には、前記第二の挿入穴と対応する位置において第三の挿入穴が形成されており、前記第三の挿入穴には、前記容器外部の気体が前記保護管内部に流入する経路を遮断した状態で、前記温度センサを保持するためのブッシュが挿入されていることを特徴とする、請求項２記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記カバー部材には、前記第三の挿入穴と対応する位置において螺子部が形成されており、前記螺子部に対して螺合し締結されるキャップ部材を更に有し、前記ブッシュは、前記キャップ部材の締結に伴い前記キャップ部材によって加圧されることにより、前記第三の挿入穴と前記温度センサとの間に嵌入されていることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記第一の挿入穴は、前記保護管の軸方向と垂直な断面における内縁の形状と略同一の形状となるように形成されていることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置として、複数の燃料電池セルを互いに電気的に接続してなる燃料電池セル集合体を、容器内部に収容した構造のものが知られている。このような構造の燃料電池装置においては、燃料電池装置の運転中における容器内部の温度を測定するために、温度センサが容器内部に配置される。しかし、以下に述べるように、燃料電池装置の容器内部は温度センサにとって過酷な環境であるため、温度センサを直接容器内部に配置すること望ましくない。
【０００３】
燃料電池装置の運転中においては、燃料電池セルが発電可能な温度を保つ必要があるため、容器内部は高温に維持されている。例えば固体酸化物形燃料電池の場合は、運転中における容器の内部温度は約７００℃にまで達する。また、容器内部は高温であることに加えて、発電反応に寄与しなかった残余の燃料ガスや酸化剤ガス、及び発電反応で生じた水蒸気といった、反応性の高いガスで満たされた状態となっている。このため、温度センサを容器内部に直接配置すると、かかる過酷な環境に曝される結果、短期間で温度センサは破損してしまう。
【０００４】
一般に、過酷な環境の容器内部に温度センサを配置する際は、一端側が開口し他端側が封止された保護管を容器の内壁に配置し、当該保護管の内部に温度センサを配置することが行われている（下記特許文献１参照）。このような構成とすることによって、温度センサは保護管によって覆われて過酷な環境から保護された状態となるため、長期間に渡り温度を測定することが可能となる。
【０００５】
しかしながら、保護管の内部に温度センサを配置する場合においては、実際に温度を測定すべき容器内部の空間と、温度センサが配置されている空間とが、保護管によって隔てられた状態となっている。このため、容器外部の空気が保護管の開口部を通じて保護管内部に流入してしまうと、温度センサの周囲の温度が低下し、容器内部の温度を正確に測定することができなくなる。これを防ぐために、下記特許文献１には、保護管の開口部に対して蓋体を取り付けることにより保護管を密閉し、容器外部の空気が保護管内部に流入することを防止する構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２１０９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
保護管の開口部に対して蓋体を取り付けることによって保護管を密閉した場合、容器外部の空気が保護管内部に流入することは防止することができる。しかし、蓋体が容器外部の空気に触れて冷却されるため、蓋体を介した熱伝導によって保護管が冷却されてしまい、容器内部の温度を正確に測定することができなかった。
【０００８】
この問題を解決するための対策としては、保護管の開口部に対して蓋体を直接取り付けるのではなく、温度センサを挿入するための挿入穴が形成された断熱材を介して蓋体を取り付けることにより、保護管を密閉することが考えられる。このような構成とすれば、蓋体を介した熱伝導によって保護管が冷却されることを防止することができる。しかし、蓋体を介した熱伝導によって保護管内部の空気が直接冷却されてしまうことは防止することができず、この影響により、やはり容器内部の温度を正確に測定することができなかった。
【０００９】
特に、容器内部の温度が約７００度と非常に高温となる燃料電池装置においては、保護管の内面に温度センサが接触すると両者が焼き付いてしまい、温度センサを保護管から取り出すことができなくなるという問題が生じる。これを防止するために、保護管の内面と温度センサとの距離を大きくとる必要があり、保護管の容積及び蓋体が大きくなる結果、蓋体を介した熱伝導によって保護管内部の空気が冷却される影響は無視できないものとなっていた。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度センサが内部に配置された保護管、及び保護管内部の空気が、容器外部の空気によって冷却されてしまうことを防止し、燃料電池セル集合体が収容された容器内部の温度を正確に測定することができる燃料電池装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池装置は、燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行う燃料電池装置において、内部流路を有し、前記内部流路に対して前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの一方が供給される複数の燃料電池セルと、前記複数の燃料電池セルを内部に収容する容器と、前記容器の壁面に対して、外側から当接するように配置された断熱材と、前記壁面に形成された第一の挿入穴及び前記断熱材に形成された第二の挿入穴を通じて、先端に設けられた熱電対が前記容器の内側に位置するように前記容器の内側に突出して配置された棒状の温度センサと、前記容器の内側において、前記温度センサ及び前記第一の挿入穴を覆うように前記壁面に対して固定された保護管と、を備え、前記第二の挿入穴の開口面積は、前記第一の挿入穴の開口面積よりも小さいことを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、保護管が容器の壁面に対して固定されており、更に壁面の外側には断熱材が当接するように配置されている。従って、容器外部の空気からの熱伝導によって保護管及び保護管内部の空気が冷却されてしまうことを防止することができる。更に、容器の壁面に形成された第一の挿入穴の開口面積よりも、断熱材に形成された第二の挿入穴の開口面積が小さいため、保護管内部の空気と容器外部の空気とが、断熱材によって隔てられることとなる。従って、蓋体を介した熱伝導によって保護管内部の空気が直接冷却されてしまうことも防止することができる。以上のように、容器外部の空気が温度測定に対して影響を及ぼしてしまうことが防止されるため、容器内部の温度を正確に測定することが可能となる。
【００１３】
特に、保護管の容積を大きく形成した場合であっても、それにより保護管の温度が下がることはなく、保護管内部の空気の温度が下がることもない。従って、保護管の容積を大きく形成することで保護管と温度センサとの焼き付きを確実に防止しながら、容器内部の温度を正確に測定することができる。
【００１４】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記断熱材の外側には前記断熱材を覆うカバー部材を有し、前記温度センサは、前記カバー部材に対して固定されていることも好ましい。
【００１５】
燃料電池装置の運転中においては、容器の壁面は非常に高温となっている。このため、容器の壁面に対して温度センサを固定した場合は、壁面からの熱伝導によって温度センサが加熱されてしまい、容器内部の温度を正確に測定することが困難となる。そこで、この好ましい態様では、容器の壁面ではなくカバー部材に対して温度センサを固定している。カバー部材は、高温となる容器の壁面に対して断熱材を介して設けられているため、熱伝導によって温度センサが加熱されてしまうことがない。従って、容器内部の温度を更に正確に測定することができる。
【００１６】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記カバー部材には、前記第二の挿入穴と対応する位置において第三の挿入穴が形成されており、前記第三の挿入穴には、前記容器外部の気体が前記保護管内部に流入する経路を遮断した状態で、前記温度センサを保持するためのブッシュが挿入されていることも好ましい。
【００１７】
この好ましい態様では、カバー部材に対して温度センサを固定するにあたり、カバー部材に形成された第三の挿入穴に、カバー部材とは別の部材であるブッシュが挿入されており、かかるブッシュが温度センサを保持している。このように構成することにより、例えば、カバー部材は、断熱材を強固に覆うという機能を考慮し、剛性の高い材料によって形成することができる。一方、ブッシュは、容器外部の空気が保護管内部に流入することを確実に防止するために温度センサを密封した状態で保持するという機能を考慮し、弾性の高い材料によって形成することができる。すなわち、それぞれを最適化した材料によって形成することが可能となる。
【００１８】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記カバー部材には、前記第三の挿入穴と対応する位置において螺子部が形成されており、前記螺子部に対して螺合し締結されるキャップ部材を更に有し、前記ブッシュは、前記キャップ部材の締結に伴い前記キャップ部材によって加圧されることにより、前記第三の挿入穴と前記温度センサとの間に嵌入されていることを特徴も好ましい。
【００１９】
この好ましい態様では、簡易な構成によって温度センサをカバー部材に対して密封した状態で固定し、容器外部の空気が保護管内部に流入することを防止することができる。
【００２０】
また本発明に係る燃料電池装置では、前記第一の挿入穴は、前記保護管の軸方向と垂直な断面における内縁の形状と略同一の形状となるように形成されていることも好ましい。
【００２１】
この好ましい態様では、壁面に形成される第一の挿入穴は、当該部分に固定される保護管の内縁の形状と略同一の形状となるように形成されている。このような構成とすることにより、壁面に対して保護管を溶接する作業が容易となるため、溶接のミスにより保護管と壁面との間にリーク穴が形成されることが防止される。従って、かかるリーク穴を通じて保護管の外部から気体が流入することがないため、容器内部の温度を正確に測定することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、温度センサが内部に配置された保護管、及び保護管内部の空気が、容器外部の空気によって冷却されてしまうことを防止し、燃料電池セル集合体が収容された容器内部の温度を正確に測定することができる燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】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。
【図２】図１に示す燃料電池装置から燃料電池セル集合体を覆う流路部材を取り外した状態を示す燃料電池装置の斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図４】図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。
【図５】燃料電池セルユニットを説明するための図である。
【図６】燃料電池セルスタックを説明するための図である。
【図７】温度センサ及び保護管の具体的な構造及び配置について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
図１は、本発明に係る燃料電池装置の一実施形態である燃料電池装置ＦＣを示す斜視図であって、カバー部材１及び断熱材８を取り外した状態を示す図である。図２は、図１に示す燃料電池装置ＦＣから燃料電池セル集合体５００を覆う流路部材７を取り外した状態を示す燃料電池装置ＦＣの斜視図である。図３は、燃料電池装置ＦＣの断面図であって、図１の矢印Ａ方向において、燃料電池装置ＦＣの中央近傍における断面図である。図４は、燃料電池装置ＦＣの断面図であって、図１の矢印Ｂ方向において、燃料電池装置ＦＣの中央近傍における断面図である。尚、図３及び図４においては、断面のハッチングを省略している。
【００２６】
燃料電池セル集合体５００は、流路部材７及び仕切り板１５によって形成される容器８０の内部に収容された状態で配置されている。容器８０とカバー部材１との間に形成された空間は、後に説明する排ガス通路が形成された部分を除き、容器８０の全体を覆うように断熱材８が配置されている。すなわち、容器８０の壁面を構成する流路部材７に対して断熱材８が外側から当接するように配置されている。このように断熱材８を配置することによって、容器８０から外部への熱の放散を抑制している。また、断熱材８の外側にはカバー部材１が当接するように配置されており、断熱材８を固定している。
【００２７】
図３に示したように、燃料電池装置ＦＣの運転中における容器８０の内部の温度を測定するために、温度センサ８００が設けられている。温度センサ８００は棒状の形状であって、その一端に測温部である熱電対８０１を有しており、他端にリード線８０２を有している。熱電対８０１が容器８０の内部に位置し、リード線８０２がカバー部材１の外部に位置するよう、温度センサ８００は、流路部材７、断熱材８、カバー部材１を貫通した状態で配置されている。容器８０の内部においては、熱電対８０１を覆うように保護管８２０が配置されている。これら温度センサ８００及び保護管８２０の具体的な構造及び配置については、後に詳しく説明する。
【００２８】
カバー部材１は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材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。カバー部材１とベース部材２とはボルト（図示しない）によって固定され、そのボルトがカバー部材１に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。
【００２９】
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、他方の空間が排出ガス室１７である。尚、カバー部材１の内壁面と仕切り板１５とは、直接若しくは何らかの密着用部材（例えば、可撓性のある薄板部材）を介して間接的に密着している。
【００３０】
仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ，１５ａ間には隙間１５ｂが形成されている。カバー部材１の壁面に設けられた排出ガス通路（図示しない）を通った排出ガスは、この隙間１５ｂから排出ガス室１７へと導入される。
【００３１】
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の上には、燃料電池セルスタック４００が１０個並べて配置され、燃料電池セル集合体５００を構成している。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部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。
【００３４】
ここで、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５を参照しながら説明する。図５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。
【００３５】
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燃料ガス流路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。燃料ガス流路５０は、管内流路３０ｃの一部として機能する。内側電極露出周面４４ａは、内側の電極層４４と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面４８ａは、外側の電極層４８と電気的に通じる外側電極外周面でもある。
【００３６】
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。
【００３７】
内側電極端子４０は、内側電極露出周面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、燃料ガス流路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。
【００３８】
外側電極端子４２は、外側電極露出周面４８ａ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、燃料ガス流路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。
【００３９】
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。
【００４０】
内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の燃料ガス流路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。
【００４１】
続いて、燃料電池セルユニット３０を含む燃料電池セルスタック４００について、図６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。
【００４２】
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行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。
【００４３】
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。
【００４４】
図５及び図６を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック４００において、燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が設けられている端部４ａと外側電極端子４２が設けられている端部４ｂとは上下交互になるように配置されている。
【００４５】
ここで、図１〜４に戻り、燃料電池装置ＦＣの説明を続ける。本実施形態では、燃料電池セルスタック４００の上方に位置するように、改質器５が配置されている。改質器５には、配管６Ｃと配管６Ｄとが繋がれていて、これらの配管６Ｃ及び配管６Ｄによって、改質器５は燃料電池セルスタック４００と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管６Ｃは、改質器５に被改質ガスとしての都市ガス、空気、及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板１５に対して立設されている。配管６Ｄは、改質器５において改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管であって、ガスタンク３に対して立設されている。
【００４６】
配管６Ｃを通して改質器５に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管６Ａを通って燃料電池装置ＦＣ内に導入される。また、配管６Ｃを通して改質器５に供給される水蒸気は、水蒸気供給管６Ｂを通って燃料電池装置ＦＣ内に導入される。被改質ガス供給管６Ａ及び水蒸気供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっている。被改質ガス供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、この混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。
【００４７】
図１〜４には明示しないが本実施形態では、被改質ガス供給管６Ａと水蒸気供給管６Ｂとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器５に供給する被改質ガスと空気と水蒸気の比率を変更可能なように構成されている。
【００４８】
改質器５に導入された被改質ガスとしての都市ガス（水蒸気が混合されている場合もあり）及び空気（被改質ガスのみの場合もあり）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６Ｄを通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して配管６Ｃが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｄ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及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。
【００４９】
改質器５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。これらの改質触媒は球体である。
【００５０】
本実施形態では、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路外壁７１，７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４，７５と、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂと、外壁７８，７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路外壁７１，７２が、短手方向に外壁７８，７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器５及び各燃料電池セルスタック４００を覆うように、仕切り板１５に立設されている。続く説明では、流路部材７の仕切り板１５に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。
【００５１】
空気分配室７３は、外壁７９の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室７３は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、空気供給管７Ａが繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室７３には、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂも繋がれている。
【００５２】
空気流路管７６ａ，７６ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路外壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ，７６ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７４に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ，７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。
【００５３】
空気流路管７７ａ，７７ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路外壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ，７７ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７５に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ，７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。
【００５４】
空気集約室７４，７５は、外壁７８の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室７４，７５は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は空気流路外壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気は空気流路外壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は空気流路外壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は空気流路外壁７２へと流れ出すように構成されている。
【００５５】
空気流路外壁７１，７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁７１は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７１１、第二室７１２、第三室７１３として形成されている。空気集約室７４から流れ込んだ空気は、第一室７１１に流れ込んだ後、第二室７１２に流れ込み、その後第三室７１３に流れ込む。同様に、空気流路外壁７２も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室７２１、第二室７２２、第三室７２３として形成されている。空気集約室７５から流れ込んだ空気は、第一室７２１に流れ込んだ後、第二室７２２に流れ込み、その後第三室７２３に流れ込む。
【００５６】
第三室７１３，７２３にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔７１３ａ，７２３ａが形成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａは、燃料電池セルスタック４００が連設されている方向に、各燃料電池セル４間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル４に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。
【００５７】
空気流路外壁７１，７２に流れ込んだ空気は、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って発電室１６内の燃料電池セル４近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込んだ空気は、燃料電池セル４の外側を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。すなわち、燃料電池セル４の外側に沿った空間が、燃料電池セル４の外部に形成された酸化剤ガス流路５１として機能している。各燃料電池セル４の上方に至った空気は、各上支持板４００ａの間に形成された隙間である通気部１００を通過して、燃焼部１８へ流入し、各燃料電池セル４の燃料ガス流路５０を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。
【００５８】
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４の燃料ガス流路５０を通り、上側に配置された電極端子の接続流路（４０ｃ又は４２ｃ）を経由して、燃焼部１８に向けて上昇する。すなわち、接続流路４０ｃ又は接続流路４２ｃのうち、上方に開口した部分が、残余ガス排出口として機能する。
【００５９】
また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、酸化剤ガス流路５１を通り、燃焼部１８に向けて上昇する。空気流路外壁７２の燃焼部１８に対応する部分には点火装置挿入穴７２４が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための着火プラグＦＰが点火装置挿入穴７２４から燃焼部１８に突出されている。この着火プラグＦＰが発生する火花により、燃料ガスと空気とが混合した混合気の燃焼が誘起され点火されて燃焼する。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。また、空気流入孔７１３ａ，７２３ａを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ、空気流路外壁７１，７２を通る間に、燃焼部１８における燃焼によって加熱される。
【００６０】
燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。より具体的には、燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、カバー部材１に形成された排出ガス流路（図に明示しない）を通って下方に向い、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。排出ガス室１７に流入した排出ガスは、排気口１１から外部へ排出される。
【００６１】
次に、図７を参照しながら、温度センサ８００及び保護管８２０の具体的な構造及び配置について説明する。図７においては、容器８０の壁面を構成する空気流路外壁７１に対して温度センサ８００が取り付けられた部分の構造を、模式的に示している。尚、同図においては、二重壁構造である空気流路外壁７１のうち、内側に設けられる方の壁は図示を省略している。
【００６２】
既に説明したように、容器８０の壁面を構成する空気流路外壁７１は、その外側に断熱材８が配置され、更にその外側にはカバー部材１が配置されている。これらを貫通した状態で温度センサ８００を配置するために、空気流路外壁７１には第一の挿入穴８５１が形成されており、断熱材８には第二の挿入穴８５２が形成されており、カバー部材１には第三の挿入穴８５３が形成されている。これらはいずれも円形の形状に形成されており、空気流路外壁７１に垂直な方向に沿って、これらの中心位置が一直線上に並ぶように配置されている。
【００６３】
温度センサ８００は、円形の断面を有する棒状の形状であって、その中心軸が、第一の挿入穴８５１の中心位置、第二の挿入穴８５２の中心位置、第三の挿入穴８５３の中心位置の全てを通るように配置されている。温度センサ８００の一端に配置された熱電対８０１は測温部であるため、容器８０の内部で温度を測定すべき所望の位置となるように配置されている。ただし、次に説明する保護管８２０が燃料電池セル４等と干渉することがないように、温度センサ８００は、容器８０の内部に配置された全ての構造物から所定距離だけ離間した位置に配置される。
【００６４】
保護管８２０は、温度センサ８００を保護する目的で、温度センサ８００を覆うように配置された円筒状の管である。保護管８２０はその一端側８２１が開口しており、この開口した一端側８２１が空気流路外壁７１に対して溶接されている。これにより、保護管８２０は容器８０の内側に向けて突出した状態で、空気流路外壁７１に対して固定されている。保護管８２０の他端側８２２は封止されているため、容器８０の内部から保護管８２０の内部に向けて、高温の酸化剤ガス等が流入することが防止される。
【００６５】
本実施形態においては、保護管８２０が容器８０の壁面、すなわち空気流路外壁７１に対して固定されており、更に空気流路外壁７１の外側には断熱材８が当接するように配置されているため、容器８０外部の空気からの熱伝導によって保護管８２０及び保護管８２０内部の空気が冷却されてしまうことを防止することができる。更に、断熱材８に形成された第二の挿入穴８５２の開口面積が、空気流路外壁７１に形成された第一の挿入穴８５１の開口面積よりも小さく形成されている。これにより、保護管８２０の内部の空気と容器８０の外部の空気とが、断熱材８によって隔てられている。従って、キャップ部材９０２やブッシュ９２０を介した熱伝導によって保護管８２０内部の空気が直接冷却されてしまうことも防止することができる。
【００６６】
本実施形態においては、以上のように、容器８０の外部の空気が温度測定に対して影響を及ぼしてしまうことが防止されるため、温度センサ８００によって容器８０の内部の温度を正確に測定することが可能となっている。
【００６７】
特に、保護管８２０の容積を大きく形成した場合、すなわち、保護管８２０の内径を大きく形成した場合であっても、それにより保護管８２０の温度が下がることはなく、保護管８２０の内部の空気の温度が下がることもない。従って、保護管８２０の容積を大きく形成することで保護管８２０と温度センサ８００との焼き付きを確実に防止しながら、容器８０の内部を正確に測定することができる。
【００６８】
次に、温度センサ８００の固定するための具体的な構造について説明する。カバー部材１の外側には、第三の挿入穴８５３を取り囲むように円筒状のキャップ受け９００が形成されており、このキャップ受け９００に対して、中心に第四の挿入穴８５４が形成されたキャップ部材９０２が装着される。
【００６９】
温度センサ８００を固定する際は、まず、キャップ部材９０２を取り外した状態において、第一の挿入穴８５１、第二の挿入穴８５２、第三の挿入穴８５３、を通し、熱電対８０１の位置が適切な位置となるように温度センサ８００を配置する。続いて、キャップ受け９００の内側に形成された空間９０４に、弾性の高い材料からなるブッシュ９２０を配置する。本実施形態においては、セラミックペーパーによってブッシュ９２０を形成している。このブッシュ９２０は、後の工程において、温度センサ８００とカバー部材１との間に形成された隙間９０５に嵌入し、当該隙間９０５の全体を密封するものであるから、少なくとも温度センサ８００の周囲を連続して囲むように配置される。
【００７０】
続いて、キャップ受け９００に対して、キャップ部材９０２を装着する。キャップ受け９００の外側面には第一の螺子部９０１が形成されており、キャップ部材９０２の内側面には、第一の螺子部９０１と螺合する第二の螺子部９０３が形成されている。キャップ部材９０２に形成された第四の挿入穴８５４に温度センサ８００を通した後、第一の螺子部９０１と第二の螺子部９０３を螺合させる。その状態から、両者を更に締結するように力を加えながらキャップ部材９０２を回転させると、キャップ部材９０２はカバー部材１に向かって（図７において左側に向かって）進行することとなる。
【００７１】
ここで、キャップ部材９０２の底面には突起部９０６が設けられている。このため、キャップ部材９０２がカバー部材１に向かって進行するに伴い、ブッシュ９２０が突起部９０６によって加圧されてゆく。さらに力を加えてキャップ部材９０２を回転させると、ブッシュ９２０はさらに加圧されて変形し、第三の挿入穴８５３と温度センサ８００との間に嵌入されて行く。その結果、温度センサ８００は、カバー部材１に対してブッシュ９２０を介して固定された状態となる。更に、温度センサ８００とカバー部材１との間に形成された隙間９０５は、変形したブッシュ９２０によって完全に密閉された状態となっている。
【００７２】
以上に示したように、本実施形態においては、温度センサ８００はカバー部材１に対して固定されている。カバー部材１は、高温となる空気流路外壁７１に対して断熱材８を介して設けられているため、熱伝導によって温度センサ８００が加熱されてしまうことがない。従って、容器８０の内部の温度を正確に測定することができる。また、温度センサ８００をカバー部材１に直接固定するのではなく、カバー部材１に形成された第三の挿入穴８５３に、カバー部材１とは別の部材であるブッシュ９２０が挿入されており、かかるブッシュ９２０が温度センサ８００を保持している。従って、カバー部材１よりも弾性の高い材料を介して温度センサ８００を固定することができ、容器８０の外部の空気が保護管８２０の内部に流入することを確実に防止することが可能となる。
【００７３】
更に、カバー部材１に形成された第一の螺子部９０１に螺合し締結されるキャップ部材９０２を更に有しており、このキャップ部材９０２の締結に伴いキャップ部材９０２によってブッシュ９２０が加圧されることにより、ブッシュ９２０が隙間９０５に対して嵌入されている。従って、簡易な構成によって温度センサ８００をカバー部材１に対して密封した状態で固定し、容器８０の外部の空気が保護管８２０の内部に流入することを防止することができる。
【００７４】
また、本実施形態においては、空気流路外壁７１に形成される第一の挿入穴８５１を、保護管８２０の内縁の形状と略同一の形状となるように形成している。このような構成とすることにより、空気流路外壁７１に対して保護管８２０を溶接する作業が容易となるため、溶接のミスにより保護管８２０と空気流路外壁７１との間にリーク穴が形成されることが防止される。従って、かかるリーク穴を通じて保護管８２０の外部から気体が流入することがないため、温度センサ８００によって容器８０の内部の温度を正確に測定することが可能となる。
【００７５】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７６】
１：カバー部材
２：ベース部材
２ａ：穴
３：ガスタンク
４：燃料電池セル
４ａ：端部
４ｂ：端部
５：改質器
６Ａ：被改質ガス供給管
６Ｂ：水蒸気供給管
６Ｃ：配管
６Ｄ：配管
７：流路部材
７Ａ：空気供給管
８：断熱材
１１：排気口
１３，１４：電極棒
１５：仕切り板
１５ａ：支持部材
１５ｂ：隙間
１５ｃ：混合室
１６：発電室
１７：排出ガス室
１８：燃焼部
３０：燃料電池セルユニット
３０ｃ：管内流路
４０：内側電極端子
４０ａ：本体部分
４０ｂ：管状部分
４０ｃ：接続流路
４０ｄ：段部
４２：外側電極端子
４２ａ：本体部分
４２ｂ：管状部分
４２ｃ：接続流路
４２ｄ：段部
４４：電極層
４４ａ：内側電極露出周面
４４ｂ：端面
４４ｃ：端面
４６：電解質層
４６ａ：電解質露出周面
４８：電極層
４８ａ：外側電極露出周面
５０：燃料ガス流路
５１：酸化剤ガス流路
５２：絶縁部材
５４：シール材
７１：空気流路外壁
７２：空気流路外壁
７３：空気分配室
７４：空気集約室
７５：空気集約室
７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ：空気流路管
７８：外壁
７９：外壁
８０：容器
１００：通気部
４００：燃料電池セルスタック
４００ａ：上支持板
４００ｂ：下支持板
４００ｃ：接続部材
４００ｄ：外部端子
５００：燃料電池セル集合体
７１１：第一室
７１２：第二室
７１３：第三室
７１３ａ，７２３ａ：空気流入孔
７２１：第一室
７２２：第二室
７２３：第三室
７２４：点火装置挿入穴
７２５：燃焼検知部挿入穴
８００：温度センサ
８０１：熱電対
８０２：リード線
８２０：保護管
８２１：一端側
８２２：他端側
８５１：第一の挿入穴
８５２：第二の挿入穴
８５３：第三の挿入穴
８５４：第四の挿入穴
９００：キャップ受け
９０１：第一の螺子部
９０２：キャップ部材
９０３：第二の螺子部
９０４：空間
９０５：隙間
９０６：突起部
９２０：ブッシュ
ＦＣ：燃料電池装置
ＦＰ：着火プラグ
ＦＳ：燃焼検知部
【図１】
2013055008.tif 000003
【図２】
2013055008.tif 000004
【図３】
2013055008.tif 000005
【図４】
2013055008.tif 000006
【図５】
2013055008.tif 000007
【図６】
2013055008.tif 000008
【図７】
2013055008.tif 000009