(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの線状の導電体と、
前記導電体の一端部の近傍において前記導電体に溶着され、前記導電体の他端部の近傍において直接的にあるいは間接的に前記導電体に結合された内部封止管と、前記導電体の前記一端部は大気中にあり、
前記内部封止管内に充填された絶縁性の酸化物と、
高温固体電解質型燃料電池の高温部中でモジュールからの素線を前記導電体の前記他端部に接続するための端子部と
を具備し、
前記導電体の前記他端部は、結露の生じない高温部中にある
電極構造体。
【請求項２】
請求項１に記載の電極構造体において、
前記内部封止管は、
前記導電体の前記一端部の近傍で前記導電体に溶着された第１管状部と、
前記第１管状部に接続された第１絶縁管状部と、
前記第１絶縁管状部に接続された第２管状部と、
前記第２管状部に接続された第２絶縁管状部と、
前記第２絶縁管状部と接続され、前記導電体の前記他端部の近傍で前記導電体に溶着された第３管状部とを具備する
電極構造体。
【請求項３】
請求項２に記載の電極構造体において、
前記第２の管状部に接続され、前記電極構造体を前記高温固体電解質型燃料電池に固定するためのフランジを更に具備する
電極構造体。
【請求項４】
請求項３に記載の電極構造体において、
前記内部封止管は、
前記第１管状部と、前記第２の管状部との間に設けられたベローズ部を更に具備する
電極構造体。
【請求項５】
請求項３または４に記載の電極構造体において、
前記導電体の前記他端部の近傍に設けられた断熱封止部と、
前記フランジと前記断熱封止部に結合された外部封止管とを更に具備する
電極構造体。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の電極構造体において、
前記モジュールは、燃料電池モジュールであり、前記素線は、前記燃料電池モジュールの集電線である
電極構造体。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の電極構造体において、
前記モジュールは、前記高温固体電解質型燃料電池の内部温度を測定するための熱電対である
電極構造体。
【請求項８】
請求項１乃至５のいずれかに記載の電極構造体において、
前記モジュールは、前記高温固体電解質型燃料電池の燃料電池モジュールで発生される電圧を計測するための電圧測定モジュールである
電極構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温固体電解質型燃料電池で使用される電極構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温固体電解質型燃料電池では、メタンガス等の炭化水素を含有するガスを燃料ガスとして使用することが検討されている。メタンガスが燃料ガスとして使用される場合には、
ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  ３Ｈ２  −Ｑ
で表される反応式に基づいて、メタンガスは、水素ガスを含むガスに改質される。生成された水素ガスが酸素ガスとともに発電に使用される。なお、この反応は吸熱反応である。
【０００３】
この改質は、燃料電池の外部で行われる場合もあるが、燃料電池の内部で行われる場合もある。この改質では、上記の反応式に示されるように、水分が必要である。水分が関与してメタンガスが一酸化炭素と水素に分解されている。この反応は１００％進行する訳ではないので、改質器を通った燃料ガスは、メタン、水分、一酸化炭素、水素を含むことになる。これらのガス成分のうち水素ガスだけ抽出して燃料電池に導入することは実際的ではないので、水分を含む燃料ガスが燃料電池に供給されることになる。
【０００４】
高温固体電解質型燃料電池の動作温度は８００℃から１０００℃を想定している。このため、水分のほとんどは、水蒸気として存在することになる。この場合、飽和水蒸気となっていると考えられる。従って、上記の温度より低い部分では、水蒸気は、結露して水滴となる。
【０００５】
高温固体電解質型燃料電池の構造の一例が特開平９−１２９２５６で知られている。この引例では、燃料電池モジュールは、上部管板と下部管板に固定されて、下部管板の下方に延びている。水分を含む燃料ガスは、天板と上部管板の間に供給されている。燃料ガスは燃料電池モジュールに供給され発電に使用される。発電後の燃料ガスは、燃料電池モジュールから上部管板と下部管板との間に排出され、更に外部に排出される。下部管板の下には酸化剤ガスが充満している。なお、燃料電池モジュールは、改質機能を持っている。しかしながら、以上の燃料電池構造では、燃料電池モジュールが改質機能を持っていてもよいし、持っていなくともよい。
【０００６】
燃料電池モジュールで発生された電力を外部に取り出すためには、天板と上部管板を貫通して燃料電池モジュール内の集電棒から電気を取り出す必要がある。このため、従来では、図６に示されるように、天板を貫通するように電極が設けられていた。図７に示されるように、電極は、天板のすぐ下の比較的低温部（１００℃から２００℃）に設けられた電極コイルと電極構造体を介して燃料電池モジュールからの集電帯と結合されている。電極コイルは比較的低温部に設けられている。この電極の数は、ほぼ燃料電池モジュールの数と等しいか、数分の１であり、込み入っている。
【０００７】
上記のように、燃料電池モジュールが連続して電力を発生するためには、燃料電池モジュールは、８００℃から１０００℃の温度に保たれる必要がある。また、天板と上部管板との間には水分を含む燃料ガスが供給されている。上記のように水分は、飽和蒸気となっている。このため、温度が低い場所では水分は結露する。即ち、電極コイルの部分では結露が発生していた。このため、従来の燃料電池では、結露のため絶縁不良を起こす場合があった。このため、従来では、トレースヒーターを用いて水分を加熱蒸散を行っていた。しかしながら、この方法では、十分に絶縁不良を防ぐのは困難であった。
【０００８】
また、天板と上部管板との間には燃料ガスが供給されている。これらの燃料ガスがリークすることは燃料ガスの圧力低下となり、電力発生のための反応の効率を低下させる。従って、燃料ガスのリークはさけるべきである。
【０００９】
以上のような問題が解決された集電棒のための電極構造体が望まれている。また、燃料電池では、集電棒のための電極構造体ばかりでなく、燃料電池の運転を管理するために燃料電池モジュール内の温度を測定するための熱電対や燃料電池モジュール内での電圧を測定するための電極も必要である。それらの電極に対しても上記と同様の要求が存在する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、絶縁不良の問題を起こすことなく確実に信号・電圧を伝達することができる電極構造体を提供することである。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、高温固体電解質型燃料電池の高温部に接続端子部が設けられ、水分の凝結による絶縁不良を避けることができる電極構造体を提供することである。
【００１２】
更に、本発明の他の目的は、燃料ガスのリークを起こさずに、絶縁を確保できる電極構造体を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以下に、本発明の課題を解決するための手段を説明する。その説明中の技術的事項は、以下の実施の形態の説明における対応する技術的事項を説明するために使用される参照番号あるいは参照記号を添付して説明される。しかしながら、それらの参照番号あるいは参照記号を特許請求の範囲の記載の解釈に用いてはならない。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の電極構造体は、少なくとも１つの線状の導電体（２，８８，９０）と、前記導電体（２，８８，９０）の一端部の近傍において前記導電体に溶着され、前記導電体の他端部の近傍において直接的にあるいは間接的に前記導電体の前記他端部に結合された内部封止管（４）と、前記導電体の前記一端部は大気中にあり、前記内部封止管（４）内に充填された絶縁性の酸化物（８）と、高温固体電解質型燃料電池の内部の燃料ガス中でモジュールからの素線（７８）を前記導電体（２，８８，９０）の前記他端部に接続するための端子部（７２，７４，７６、８９，９９）とを具備し、前記導電体の前記一端部は、結露の生じない雰囲気中にある。
【００１５】
上記において、前記内部封止管（４）は、前記導電体の前記一端部の近傍で前記導電体に溶着された第1管状部（１２，１４）、前記第1管状部に接続された第1絶縁管状部（１６）、前記第1絶縁管状部に接続された第2管状部（１８，２２、３２）、前記第２管状部に接続された第２絶縁管状部（３４）、及び前記第２絶縁管状部（３４）と接続され、前記導電体の前記他端部の近傍で前記導電体に溶着された第３管状部（３６，４０）とを具備してもよい。
【００１６】
この場合、前記第2の管状部（１８，２２、３２）に接続され、前記電極構造体を前記高温固体電解質型燃料電池に固定するためのフランジ（２６）を更に具備してもよい。また、前記内部封止管（４）は、前記第1管状部（１２，１４）と、前記第2の管状部（１８，２２、３２）との間にベローズ部（２０）を更に具備することが望ましい。
【００１７】
また、電極構造体は、前記導電体（２）の前記他端部の近傍に設けられた断熱封止部（７０）と、前記フランジ（２６）と前記断熱封止部（７０）に結合された外部封止管（６）とを更に具備することが望ましい。
【００１８】
このような電極構造体において、前記モジュールは、燃料電池モジュールであり、前記素線は、前記燃料電池モジュールの集電線であってもよいし、前記モジュールは、前記高温固体電解質型燃料電池の内部温度を測定するための熱電対であってもよい。さらには、前記モジュールは、前記高温固体電解質型燃料電池の燃料電池モジュールで発生される電圧を計測するための電圧測定モジュールであってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の電極構造体を詳細に説明する。この電極構造体は、例えば高温固体電解質型燃料電池で使用される。上記のように、高温固体電解質型燃料電池では、燃料電池モジュールは８００℃から１０００℃の温度で動作する。本発明の電極構造体は、燃料電池モジュールの近傍の３００℃から５００℃の高温部から１００℃から２００℃の比較的低温部を経て大気中に曝される位置まで信号／電圧を取り出すために使用される。
【００２０】
図１は、本発明の電極構造体が適用される温度計測、電圧計測を示す図である。ベルマウス１００と防爆用短管１０２と溶接用スリーブ１０４は大気中にある。各配線は溶接用スリーブを介して保温材１２０と断熱材１２２で囲まれた空間内に導かれる。各配線は、本発明の電極構造体に接続され、電極構造体からの端子は、端子固定用絶縁板１０６の取り合い端子に接続されている。
【００２１】
断熱材１２２を通して燃料電池の内部からの配線が延びて、端子固定用絶縁板１０６において取り合い端子に接続されている。
【００２２】
図２は、取り合い端子部の拡大図である。電極構造体（シース）からは端子１３８が延びている。燃料電池からの素線は、アルミナ製の豆碍子とアルミナクロスにより端子部まで延びている。素線のコンタクトピンは、電極構造体の端子に接続されている。
【００２３】
なお、上記の空間の周囲にはトレースヒーターが設けられ、空間内部を加熱できるようになっている。また、窒素ガスが供給され、電極構造体を乾燥させることができるようになっている。
【００２４】
図３は、本発明の高温固体電解質型燃料電池で使用される集電用の電極構造体を示している。この電極構造体は、電極棒２と、内部封止部４と、外部封止部６と、端子部からなる。
【００２５】
電極棒２は、この例では、Ｎｉでできているが、他の材料でできていてもよい。電極棒２の上端部の近傍には上部キャップ部１２がろう付けや溶接等で接続されている。上部キャップ部は大きな径を有する円筒部と上面と上面の中央部に設けられ上方にのびる小さい径の円筒部とからなる。小さい径の円筒部の上端は、電極棒２に接続されている。上部キャップ部１２の大きな径の円筒部の下端部は円筒部１４に接続されている。円筒部の下端部は、絶縁性の円筒部１６に接続されている。
【００２６】
この絶縁性の円筒部１６の下端部は円筒部１８にろう付けされている。円筒部１８の下には長尺のシース円筒部２２が設けられている。シース円筒部２２の上部には、スリーブ２４を介してＬ字状のフランジ２６が取り付けられている。この電極構造体がフランジ２６により金属製の筐体に固定されても、絶縁性の円筒部１６があるので、電極棒２が筐体と導通になることはない。
【００２７】
円筒部１８と長尺のシース円筒部２２の間には、ベローズ部２０が設けられている。この電極構造体がフランジ２６により金属製の筐体に固定される場合、電極棒２は上部の外部端子に固定されているので、筐体の温度変化による膨張収縮による応力変化がそのまま電極構造体に加わってしまう。また、電極棒２自体が膨張収縮する。このような場合、電極構造体の破損を招くことになる。そのため、ベローズ部２０が設けられ、固体電解質型燃料電池内での温度変化による応力の変化を吸収することとしている。
【００２８】
長尺のシース円筒部２２の下部には円筒部３２が設けられている。円筒部３２とシース円筒部２２の間にはベローズ部３０が設けられている。円筒部３２の下部には絶縁性の円筒部３４にろう付けされている。この絶縁性の円筒部３４の下端部は円筒部３６にろう付けされている。円筒部３６は、電極棒２の下端部の近傍において、下部キャップ部４０とろう付けされている。下部キャップ部４０は大きな径を有する円筒部と下面と下面の中央部に設けられ下方にのびる小さい径の円筒部とからなる。小さい径の円筒部は、電極棒２の下端部の近傍においてろう付けされている。
【００２９】
この例では、電極棒２は下端部において端子部７４に固定的に接続され、端子部７４はモジュールからの素線７８に固定的に接続されている。従って、電極構造体には応力の逃げ場がない。そのために、ベローズ部３０が設けられている。また、フランジ２６が筐体に接続されることを考えて、電極棒２と筐体管の絶縁のために絶縁性の円筒部３４が提供されている。
【００３０】
上述のように電極棒２の上端部の近傍から下端部の近傍まで電極棒２を囲む閉空間が形成されている。この閉空間には、絶縁性の酸化物、この例では酸化マグネシウム８が充填されている。
【００３１】
フランジ２６は、平形の円板フランジである。フランジ２６の肉厚部の内部封止管４に近い側面から下方に外部封止管６が形成されている。この外部封止管６は、フランジ２６にボルト止めされている。
【００３２】
外部封止管６は、フランジ２６に接続された円筒部５２を有する。円筒部５２の下端部は、円筒部５４に接続されている。円筒部５４の下方には円筒部５８が設けられている。円筒部５４と円筒部５８の間にはベローズ部５６が設けられている。このベローズ部５６も固体電解質型燃料電池の筐体と電極棒２の膨張伸縮による応力を吸収するためのものである。
【００３３】
円筒部５８の下方には円筒部６０が設けられている。円筒部５８の下端部は、円筒部６０に接続されている。円筒部６０の下方には円筒部６４が設けられている。円筒部６０と円筒部６４の間にはフランジ６２が設けられている。フランジ６２は、円筒部６０と円筒部６４に接続されている。
【００３４】
円筒部６４と内部封止管４との間には断熱部材７０が設けられている。こうして、外部封止管６が構成されている。内部封止管４と外部封止管６により燃料電池からの燃料ガスなどのリークは完全に防がれている。
【００３５】
集電棒２は、断熱部材７０を貫通している。集電棒２の下端部には集電棒２と同じ材質のボルト７２により端子部７４が接続されている。端子部７４の先端は、燃料電池モジュールの集電棒７８に接続されている。
【００３６】
このように、本発明の電極構造体では、集電棒２の上端部は大気中に置かれている。また、集電棒２の下端部は高温ガス中に置かれている。このため、集電棒の下端部に設けられた端子部に水分が結露して絶縁不良を起こすことがない。また、高温部から低温部まで電極構造体が延びていても、途中での温度低下による結露の心配がない。
【００３７】
また、ベローズ部が設けられているので、固体電解質型燃料電池の筐体電極構造体特に集電棒に膨張収縮が発生しても応力により破損することがない。また、二重包囲構造を採用しているので、燃料ガス当が漏れることもない。
【００３８】
なお、上記の例では、外部封止管６の内部には１つの内部封止管４が設けられているが、内部封止管４が複数設けられてもよい。
【００３９】
次に、図４を参照して、本発明の電極構造体を温度計測に適用した例を説明する。固体電解質型燃料電池では、燃料電池モジュール内の温度を管理するために熱電対が使用されている。この熱電対の素線も外部に延ばす必要がある。しかしながら、上記のように、結露がある場合には、温度を正しく測定することができない。
【００４０】
本発明の電極構造体では、折り曲げ可能なシース管８２（内部封止管４に対応する）が用いられている。シース管８２の途中には電極構造体を固定するためのフランジがスリーブを介して設けられている。シース管８２の先端は、セラミック端子８６により封止されている。シース管８２の内部には絶縁性の酸化物８４、例えばＭｇＯが充填されている。
【００４１】
熱電対用の２本の電極線８８は、シース管８２とセラミック端子８６により形成される閉空間中を延び、セラミック端子８６を貫いている。セラミック端子８６を貫通した電極線８８には端子ピン８９が付けられている。燃料電池モジュールから延びている熱電対の素線には、コンタクトピンが形成されている。端子ピン８９とコンタクトピンは互いに結合される。燃料電池モジュールまでの熱電対の素線は、図４（ａ）に示されるように、豆碍子、アルミナ繊維スリーブ、アルミナ絶縁管で覆われている。下部のセラミック端子８６は、固体電解質型燃料電池の高温部に置かれる。こうして、第１の実施の形態と同様に、結露が問題となることはない。
【００４２】
次に、図５を参照して、本発明の電極構造体を電圧測定に適用した例を説明する。固体電解質型燃料電池では、燃料電池モジュール内の発生電圧を管理するために電圧測定装置が使用されている。この電圧測定装置の素線も外部に延ばす必要がある。しかしながら、上記のように、結露がある場合には、電圧を正しく測定することができない。
【００４３】
本発明の電極構造体では、折り曲げ可能なシース管９４（内部封止管４に対応する）が用いられている。シース管９４の途中には電極構造体を固定するためのフランジがスリーブを介して設けられている。シース管９４の先端は、セラミック端子９８により封止されている。シース管９８の内部には絶縁性の酸化物９６、例えばＭｇＯが充填されている。
【００４４】
電圧測定モジュール用の１本の電極線９０は、シース管９４とセラミック端子９８により形成される閉空間中を延び、セラミック端子９８を貫いている。セラミック端子９８を貫通した電極線９０には端子ピン９９が付けられている。燃料電池モジュールから延びている電圧測定モジュールの素線には、コンタクトピンが形成されている。端子ピン９８とコンタクトピンは互いに結合される。電圧測定モジュールの素線は、図５（ａ）に示されるように、豆碍子、アルミナ繊維スリーブ、アルミナ絶縁管で覆われている。下部のセラミック端子９８は、固体電解質型燃料電池の高温部に置かれる。こうして、第１の実施の形態と同様に、結露が問題となることはない。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の電極構造体によれば、絶縁不良の問題を起こすことなく確実に信号・電圧・電流が伝達されることができる。また、高温固体電解質型燃料電池の高温部に接続端子部が設けられているので、水分の凝結による絶縁不良を避けることができる。更に、燃料ガスなどのリークを起こさずに、絶縁を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の電極構造体による温度計測、電圧計測を示す図である。
【図２】図２は、図１に示される電極構造体の端子部の拡大図である。
【図３】図３は、本発明の電極構造体を示す図である。
【図４】図４は、本発明の電極構造体による温度計測を示す図である。
【図５】図５は、本発明の電極構造体による電圧計測示す図である。
【図６】図６は、従来の電極構造体による温度計測、電圧計測を示す図である。
【図７】図７において、モジュールの素線の絶縁構造を示す図である。
【符号の説明】
２：電極棒
４：内部封止管
６：外部封止管
８：酸化マグネシウム
１２：上部キャップ部
１６、３４：絶縁性の円筒部
２０、３０、５６：ベローズ部
２２：シース円筒部
２６、６２：フランジ
４０：下部キャップ部
７０：断熱部材（絶縁性部材）
７４：端子部
８２：シース管
１００：ベルマウス
１０２：防爆用短管
１０４：溶接用スリーブ
１２０：保温材
１２２：断熱材
１０６：端子固定用絶縁板
１３８：端子
【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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