JP2014071959A - 固体酸化物形燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モジュール内部の温度環境に依らず温度センサーの検知精度を維持し、最適な運転を実行できる固体酸化物形燃料電池装置を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池の燃料電池モジュールは、燃料電池セル、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応の双方を行う改質器２０と、改質器燃焼室と、改質ガス供給手段と、改質用水供給手段と、燃料電池セル用酸化剤ガス供給手段と、燃料電池モジュール内温度取得手段と、温度に基づいて燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで昇温させる起動制御手段とを備え、温度取得手段は改質器温度センサー１４８を備え、熱電対を燃料電池モジュールの側面から挿入して改質器の側面に押し当てるよう配設された改質器の側面の温度を検知するものであり、改質器の側面にはさらに熱電対１４８ａの下方に配置され、熱電対を支持するとともに改質器の温度を熱電対に伝熱する支持伝熱板２０ａが配設されている
【選択図】図９

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う固体酸化物形燃料電池装置に関す
る。

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」ともいう）は、電
解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側
に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で
発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。

具体的には、ＳＯＦＣは、一般に、内側電極層である燃料極層と外側電極層である空気
極層との間に固体電解質層が挟持されてなる管状の燃料電池セルを複数有する燃料電池セ
ル集合体（燃料電池セルスタック）を備えており、燃料ガスと酸化剤ガス（空気、酸素等
）とが、その燃料電池セルの一端側から他端側へと流れることによって作動する。ＳＯＦ
Ｃの外部からは、原料ガスである被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その被改質ガス
を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に、それが
燃料電池セル集合体へ供給されるように構成されている。

また、ＳＯＦＣは、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程
、すなわち、部分酸化改質（Partial Oxidation Reforming：ＰＯＸ）反応工程（以下、
ＰＯＸ反応工程ともいう）、オートサーマル改質（Auto Thermal Reforming：ＡＴＲ）反
応工程（以下、ＡＴＲ反応工程ともいう）、及び、水蒸気改質（Steam Reforming：ＳＲ
）反応工程（以下、ＳＲ反応工程ともいう）を経て、発電工程へ移行するように構成され
ている。ＳＯＦＣでは、これらの工程を順に実行することにより、改質器や燃料電池セル
スタック等を動作温度まで昇温させることができる（特許文献１）。

各工程は、モジュール内部に配設した温度センサーの検知結果に応じて順次実行される。
従来、改質触媒の温度を検知するためには、改質器を貫通して熱電対を改質器内部へと挿入し、さらに改質器の内部雰囲気が漏れ出さないようシールをしたものが一般的であった。しかし、温度センサーを構成する熱電対はメンテナンス時に交換できる仕様にする必要があるため、メンテナンス時には一回シールを外して、メンテナンス後には再度シールをする必要があるが、メンテナンス後に再度シールをすることは非常に困難なので、メンテナンス性を向上させるため、改質器の外表面に熱電対を接触させて温度を検知する燃料電池が検討された（特許文献２）。

特開２００４−１０４１１号公報 特開２０１０−６７３８４号公報

改質器の温度を検知するにあたり、改質触媒が改質器の中に充填された際、改質器内部の底面側では改質触媒の密度が密に、上面側では疎になる傾向があるため、改質触媒による温度影響は改質器の上面側より底面側に顕著に生じる。そのため、上面側の温度より側面側の温度の方が応答性が高く、側面側の温度を検知することが好ましいといえる。一方、側面側から改質器の温度を計測するには、熱電対は改質器の側面外表面に押し当てることになるが、起動停止を繰り返した後は、熱電対とモジュール構成部材の温度分布や線膨張係数の違いにより熱電対が改質器側面から離れてしまう虞がある。また、熱電対の形状が細い棒状のため、高温に長時間晒されるとクリープ変形により垂れてしまい、熱電対が改質器側面から離れてしまう虞もある。さらに側面に配置した場合、燃焼ガスの気流の影響が出やすく、高温になってやわらかくなった熱電対がさらに気流によって曲げられてしまう虞がある、といった課題を発見した。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、モジュール内部の温度環境に依らず温度センサーの検知精度を維持し、最適な運転を実行することができる固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置は、固体酸化物型燃料電池装置において、表面がカソード電極で、内部がアノード電極となるよう、内部に燃料ガス通路が形成された燃料電池セルと、その燃料電池セルを内部に収納する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュール内に配置され、被改質ガスと酸化剤ガスを化学反応させることにより被改質ガスを部分酸化改質する改質反応及び、被改質ガスと水蒸気を化学反応させる水蒸気改質反応の双方によって水素を含む燃料ガスを生成可能な改質器と、燃料電池モジュール内に配置され、燃料電池セルを通過した残余の燃料ガスを燃焼させて発生した燃焼ガスにより、改質器を加熱する燃焼室と、改質器に被改質ガスを供給することにより、改質器で改質された燃料ガスを前記燃料電池セルに送り込む燃料ガス供給手段と、改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、燃料電池モジュール内の温度を取得する温度取得手段と、温度取得手段が取得した燃料電池モジュール内の温度に基づいて、燃料供給手段、水供給手段、及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御し、燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで昇温させる起動制御を実行する制御手段と、を備え、温度取得手段は改質器の温度を検知する改質器温度センサーを備え、改質器温度センサーは熱電対を燃料電池モジュールの側面から挿入して改質器の側面に押し当てるよう配設された改質器の側面の温度を検知するものであり、改質器の側面にはさらに熱電対の下方に配置され、熱電対を支持するとともに改質器の温度を熱電対に伝熱する支持伝熱板が配設されていることを特徴とするものである。

このように本発明では、改質器の側面にはさらに熱電対の下方に配置され、熱電対を支持するとともに改質器の温度を熱電対に伝熱する支持伝熱板が配設されているため、改質器の側面、若しくは支持伝熱板に対して熱電対を確実に押し当てることができる。そのため、温度環境に依らず、確実に改質器の温度を検知することが可能となり、最適な運転を行うことができる。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、更に支持伝熱板は、両側が上方に向かって湾曲する変曲点を有する形状をしており、熱電対を下方から支持することを特徴とする。

この好ましい形態では、両側が上方に向かって湾曲する変曲点に熱電対が落ち込むように支持されるため、常に同じ位置での温度検知が可能となる。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池装置では、更に支持伝熱板は、上方を覆う被覆部を有し、熱電対を囲う筒形状を呈していることを特徴とする。

この好ましい形態では、万が一排ガスの気流によって熱電対がＵ字やＶ字から外れそうになったとしても、被覆部によって外れることを防止できるため、より確実に変曲点に熱電対が落ち込むように支持され、常に同じ位置での温度検知が可能となる。さらに、熱電対の周囲を完全に被覆するため、改質器下部で残燃料を燃焼する際に発生する燃焼ガスからの熱伝達を極力抑えることができるため、より正確な改質器の温度検知が可能となる。

本発明によれば、モジュール内部の温度環境に依らず温度センサーの検知精度を維持し、最適な運転を実行することができる

本発明の実施形態における燃料電池モジュールの外観を示す斜視図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面を示す断面図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＢ方向から見た断面を示す断面図である。 図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。 図２に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。 本実施形態に用いられる燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。 本実施形態における燃料電池セルスタックの構成を示す斜視図である。 図１の中央近傍における断面図であって、図１のＡ方向から見た断面の部分拡大図である。 図１のケーシングから一部の外板を取り除いた状態において、Ｂ方向に見た部分拡大図である。 図１に示す燃料電池モジュールを含む固体電解質形燃料電池装置を示す全体構成図である。 図１１に示す固体電解質形燃料電池装置の制御的な構成を示すブロック構成図である。

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。

本発明の実施形態である固体電解質形燃料電池装置に用いられる燃料電池モジュールに
ついて、図１を参照しながら説明する。図１に示す燃料電池モジュール２は、固体電解質
形燃料電池装置の一部を構成するものである。固体電解質形燃料電池装置は、燃料電池モ
ジュール２と、補機ユニットとを備える。固体電解質形燃料電池装置及び補機ユニットに
ついては、詳細を後述する。

図１においては、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に
直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った
方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としてい
る。図２以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図１におけるｘ軸、
ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸
の正方向に沿った方向をＢ方向としている。

燃料電池モジュール２は、燃料電池セル（詳細は後述する）を収容するケーシング５６
を備えている。ケーシング５６の上部に、熱交換器２２が設けられている。ケーシング５
６の内部は密封空間となっている。ケーシング５６には、被改質ガス供給管６０と、水供
給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼
ガス排出管８２とが繋げられている。

被改質ガス供給管６０は、ケーシング５６の内部に都市ガスといった改質用の被改質ガ
スを供給する管路である。水供給管６２は、被改質ガスを水蒸気改質する際に用いられる
水を供給する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こ
させるための発電用空気（酸化剤ガス）を供給する管路である。燃焼ガス排出管８２は、
発電反応後の燃料ガスを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。

続いて、図２〜図４を参照しながら、燃料電池モジュール２の内部について説明する。
図２は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図１のＡ方向から見た断面図であ
る。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図
である。図４は、図１に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体を覆うケーシ
ング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。

図２〜図４に示すように、燃料電池モジュール２の燃料電池セル集合体１２は、ケーシ
ング５６により、全体が覆われている。図４に示すように、燃料電池セル集合体１２は、
全体としてＢ方向よりＡ方向の方が長いほぼ直方体形状であり、改質器２０側の上面、燃
料ガスタンク６８側の下面、図４のＡ方向に沿って延びる長辺側面と、図４のＢ方向に沿
って延びる短辺側面と、を備えている。

図６に示すように、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器２３
は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器２３は、燃焼ガスにより加熱され、
水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と被改質ガスである燃料ガス（都市ガス）と空気と
を混合するためのものである。

被改質ガス供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に
改質器２０に繋がれている。より具体的には、図３に示すように、改質器２０の上流端で
ある図中右側の端部に繋がれている。

改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配
置されている。したがって、改質器２０は、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による
燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器２３としての役割と、燃料ガスと酸化剤ガスを化学
反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応及び、燃料と水蒸気を化学反応さ
せることにより水蒸気改質反応の双方によって水素を生成可能な改質器としての役割とを
果たすように構成されている。

改質器２０の下流端（図３の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。こ
の燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されて
いる。

図２〜図４に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設
けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａ
の外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改
質器２０で改質された燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタン
ク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給さ
れた燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側
にある燃料ガス流路（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上
昇して、燃焼室１８に至るようになっている。

続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図２〜図
６を参照しながら説明する。図５は、図２に対応する模式図であって、発電用空気及び燃
焼ガスの流れを示す図である。図６は、図３に対応する模式図であって、同様に発電用空
気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に熱
交換器２２が設けられ、改質器２０と熱交換器２２の間には断熱層８１が設けられている
。この断熱層８１とは別に、ケーシング５６は断熱材８０で覆われている。熱交換器２２
には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気
流路７２とが設けられている。

熱交換器２２の上面における一端側（図３における右端）には、発電用空気導入管７４
が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット
（詳細は後述する）から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている
。

熱交換器２２の上側の他端側（図３における左端）には、図２に示すように、発電用空
気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の
連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方
向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている
。

したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び
連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７
７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側
であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室１０内の燃料電池
セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数
の吹出口７８ａ，７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ，７８ｂから吹き出さ
れた発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側に沿って、下方から上方へ流れる
ようになっている。

熱交換器２２と改質器２０の間には、図６に示すように、断熱層８１が形成されている
。断熱層８１は、熱交換器底面２２ｂに沿って、熱交換器２２に燃焼ガスが流入する燃焼
ガス流入口２２aの下端から燃焼ガスを排出するための燃焼ガス排出管８２の下端まで形
成され、燃焼室１８内で発生した燃焼ガスから熱交換器２２への熱伝達を抑制するように
構成されている。断熱層８１は、燃焼ガスの熱が熱交換器２２の外表面から伝熱されて熱
交換器２２の内部に至るのを抑制する機能を有すればよく、その態様は燃焼ガスの温度や
熱交換器２２の外側を形成する部材の材質や厚みによって様々なものが選択されうる。従
って、断熱層８１は、金属板によって囲われた空間内に空気のみを充填した空気層として
形成してもよく、金属板によって囲われた空間内に断熱部材を配置してもよい。

続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造
を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方にある燃焼室１８では、発電反応に使用さ
れなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガ
スは、燃焼室１８内を上昇し整流板２１に至る。整流板２１には、図６に示すように、開
口２１aが設けられており、開口２１a内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１aを通った
燃焼ガスは、断熱層８１の下方領域に設けられた排気通路２００を通って熱交換器２２の
燃焼ガス流入口２２aに至る。排気通路２００内には、発電用空気導入管７４の対応する
領域に、燃焼ガスが淀むように熱溜部２０５が形成されている。熱交換器２２内には、燃
焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０（燃焼ガス流路）が設けられている。こ
れらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外
部に排出されるようになっている。

このように熱交換器２２と改質器２０との間に断熱層８１を設けたことにより、燃焼ガ
スが熱交換器２２の燃焼ガス流入口２２aに流入するまでに、熱交換器２２への熱伝達を
抑制することができる。その結果、燃焼ガスを高温の状態で熱交換器２２へ流入させるこ
とができ、発電用空気と燃焼ガスとの熱交換効率を向上させることができる。これにより
、発電用空気を高温の状態でモジュール室内に供給することができるので、改質器２０を
早期に水蒸気改質の可能な温度に上昇させ、部分酸化改質反応に起因する改質器の過昇温
を抑制することができる。

さらに、断熱層８１は、空気の対流を防止する断熱材により形成しても良い。具体的に
、空気の対流を防止する断熱材としては、例えば真空断熱層やシリカ系材料の断熱材を用
いることができる。このように構成することにより、断熱層８１を空気の断熱層で設けた
ものよりも、断熱性能を向上させることができるので、燃焼ガスをより高温の状態で熱交
換器に供給することができ、発電用酸化剤ガスとの熱交換効率を高めることができる。

なお、本実施形態において、断熱層８１は、燃焼ガス流入口２２aの下端から燃焼ガス
排出管８２の下端まで形成されているが、熱交換器２２ｂの下方領域の少なくとも一部に
断熱材を形成するように構成しても良い。例えば、発電用空気導入管７４に対応する領域
にのみ、断熱材を形成してもよい。

このように発電用空気導入管７４に対応する領域に断熱層８１を構成することにより、
発電用空気導入管７４より流入する低温の発電用酸化剤ガスが、高温の燃焼室内に熱伝達
することを防ぐことができるので、モジュール室内を高温に維持することができ、改質器
の温度を上昇させることができる。その結果、改質器における部分酸化改質反応を抑え、
過昇温を抑制することができる。

続いて、図７を参照しながら燃料電池セルユニット１６について説明する。図７は、本
実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。

図７に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池
セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。

燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を
形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側
電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガス
が通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空
気極であり、（＋）極となっている。

燃料電池セルユニット１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同
一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的
に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露
出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシ
ール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０
の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている
。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガ
ス流路９８が形成されている。

内側電極層９０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ドとの混合体、の少なくとも一種から
形成される。

電解質層９４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。

外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた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から選ばれた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から選ばれた少なくとも一種をドープしたラ
ンタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。

続いて、図８を参照しながら燃料電池セルスタック１４について説明する。図８は、本
発実施形態の燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。

図８に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６
を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミッ
ク製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃
料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴
がそれぞれ形成されている。

さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付け
られている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電
極端子８６と、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周
面とを電気的に接続するものである。

さらに、燃料電池セルスタック１４の端に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の
上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。
これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セル
ユニット１６の外部端子１０４に接続され、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全て
が直列接続されるようになっている。

続いて、上述した燃料電池モジュール２を含む固体電解質形燃料電池装置について、図
１３及び図１２を参照しながら説明する。図１１は、燃料電池モジュール２を含む固体電
解質形燃料電池装置を示す全体構成図である。図１２は、図１１に示す固体電解質形燃料
電池装置の制御的な構成を示すブロック構成図である。図１１に示すように、固体電解質
形燃料電池１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。

燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備えている。このハウジング６内部には、断
熱材３０（図５参照）に囲まれて密封空間８が形成されている。この密封空間８の下方部
分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電
池セル集合体１２が配置されている。

この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４を備えている。こ
の燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（単セル、図７参照
）から構成されている。燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１
６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。

燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形
成されている。この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の
酸化剤ガス（空気）とが燃焼し、燃焼ガス（排気ガス）を生成するようになっている。

この燃焼室１８の上方には、被改質ガスを改質して燃料ガスを生成する改質器２０が配
置されている。上述した燃焼ガスの燃焼熱によって、改質器２０を改質反応が可能な温度
となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼ガスの熱により外
部から導入される酸化剤ガス（発電用空気）を加熱する熱交換器２２が配置されている。

補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水と
する純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユ
ニット２８（本発明の水供給手段に相当する。モータで駆動される「水ポンプ」等を含む
。）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給され
た燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６
と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（本発明の燃料ガス供給手段に
相当する。モータで駆動される「燃料ポンプ」等を含む。）を備えている。

さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤ガスである空気を遮
断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４（本発明の
改質用酸化剤ガス供給手段に相当する。モータで駆動される「空気ブロア」等を含む。）
及び発電用空気流量調整ユニット４５（本発明の発電用酸化剤ガス供給手段に相当する。
モータで駆動される「空気ブロア」等を含む。）と、改質器２０に供給される改質用空気
を加熱する第１ヒーター４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒーター
４８とを備えている。これらの第１ヒーター４６と第２ヒーター４８は、起動時の昇温を
効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。

燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている
。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガ
スの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっ
ている。燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス
５２が取り付けられている。燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電
された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバーター５４が
接続されている。

図１２に示すように、固体電解質形燃料電池１は、制御部１１０（本発明の制御手段に
相当する）を備えている。この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「
ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデ
ータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を
発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管
理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。

制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサーからの信号が入力されるようになっ
ている。可燃ガス検出センサー１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モ
ジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。ＣＯ検出センサー１２２は、本来
燃焼ガス排出室８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール
２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するた
めのものである。貯湯状態検出センサー１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度
や水量を検知するためのものである。

電力状態検出センサー１２６は、インバーター５４及び分電盤（図示せず）の電流及び
電圧等を検知するためのものである。電力状態検出センサー１２６は、開回路電圧も検出
できるように構成されている。発電用空気流量検出センサー１２８は、発電室１０に供給
される発電用空気の流量を検出するためのものである。改質用空気流量センサー１３０は
、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。燃料流量セン
サー１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。

水流量センサー１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するた
めのものである。水位センサー１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのもので
ある。圧力センサー１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのもので
ある。排気温度センサー１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出す
るためのものである。

発電室温度センサー１４２（本発明の温度取得手段に相当する）は、燃料電池セル集合
体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検
出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するため
のものである。

燃焼室温度センサー１４４（本発明の温度取得手段に相当する）は、燃焼室１８の温度
を検出するためのものである。燃焼室温度センサー１４４は、燃料電池セル集合体１２と
点火装置８３との間に設けられている。燃焼室温度センサー１４４は、燃料電池セル８４
に点火されたか否かを判断するための点火確認用の温度センサーとしても機能している。
排気ガス室温度センサー１４６は、燃焼ガス排出室の排気ガスの温度を検出するためのも
のである。

改質器温度センサー１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものである。改質器温度センサー１４８は、改質器の側面に設けられている。具体的な構成については後述する。

外気温度センサー１５０は、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配
置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定する
センサーを設けるようにしても良い。

これらのセンサー類からの信号は、制御部１１０に送られる。制御部１１０は、これら
の信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改
質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、
これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。また、制御部１１０は、
インバーター５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。

ここで、改質器２０及び改質器温度センサー１４８のより具体的な構成について図１、２、３、９を参照しながら説明する。
改質器２０には、改質器温度センサー１４８の熱電対１４８ａを支持するセンサーホルダー２０ａ（支持伝熱板）を備えている。センサーホルダー２０ａは改質器２０と同じ材料で構成されており、同等の熱伝導性を有する。またセンサーホルダー２０ａは、改質器温度センサー１４８の外径より数倍大きな円筒状の形状で、下方側には両側が上方に向かって湾曲する変曲点を有する曲面、例えばＵ字形状やＶ字形状の一部を有しており、上方側は下方と連なり上方側を覆う被覆部を備えている。さらにセンサーホルダー２０ａは、図１におけるＢ方向の手前側に位置する改質器２０の下流側側面に、円筒軸方向が側面に対して垂直になるよう固定されている。
改質器温度センサー１４８は燃料電池モジュール２のケーシング５６のうち、図１におけるＢ方向の手前側の側面から、同側面対して垂直に、Ｂ方向逆向きに伸びた円筒形状の改質器温度センサー挿入管５６ａを介して燃料電池モジュール２内部へと挿入され、さらに前述したセンサーホルダー２０ａの円筒内に熱電対１４８ａの先端を挿入し、熱電対１４８ａの先端が改質器２０の側面に突き当てられた状態で固定されている。熱電対１４８ａは改質器温度センサー挿入管５６ａの先端部にねじ固定された金属継手によって固定されており、金属継手は改質器温度センサー挿入管５６ａと改質器温度センサー１４８との間隙を塞ぐシーリングとしても機能している。

次に、上述した改質器温度センサー１４８を支持するセンサーホルダー２０ａの作用効果について、図９、１０を参照しながら説明する。
燃料電池モジュール２の運転中の改質器２０は残燃料を燃焼させる燃焼室１８内に配置されており、常に高温環境下に置かれている。そのため、センサーホルダー２０ａがない場合、改質器温度センサー１４８は長期間の運転によるクリープ変形、起動停止時の熱疲労によるによる変形により、燃料電池モジュール２のケーシング５６と改質器２０の側面との間で徐々に垂れ下がってしまい、最終的には改質器２０の側面から改質器温度センサー１４８が離れてしまい改質器２０の温度を検知することができなくことが懸念される（図９ｂの状態）。
しかしながら、センサーホルダー２０ａを配置することにより改質器温度センサー１４８が垂れ下がる環境下においてもセンサーホルダー２０ａが熱電対１４８ａの先端を下方側から支持し、垂れ下がりを防止することができる（図９ａの状態）。さらに、センサーホルダー２０ａは改質器と同じ材質で同等の熱伝導性を有するため、改質器２０と一体化されたセンサーホルダー２０ａと接触してさえいれば改質器の温度を正確に測定できる。さらに、両側が上方に向かって湾曲する変曲点を有するため、クリープ変形や熱疲労による変形などによって熱電対１４８ａが垂れ下がろうとしても、垂れ下がる方向は変曲点に向かうよう規制されるため、検知する位置がずれることを抑制することができ、温度検知結果のバラツキを抑制することができる。さらに加えて、温度センサー先端をセンサーホルダー２０ａにより被覆するため、燃焼ガスからの熱伝達の影響を極力抑えることができるため、変形を抑制することができる。このようにして、センサーホルダー２０ａによって、温度検知の信頼性を大きく向上することができる。

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およびその配置、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。

２ 燃料電池モジュール
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２０a センサーホルダー（支持伝熱板）
２１ 整流板
２１a 開口
２２ 熱交換器
２２a 燃焼ガス流入口
２２b 熱交換器底面
２３ 蒸発混合器
８０ 断熱材
８１ 断熱層
２００ 排気通路
２０５ 熱溜部
５６ ケーシング
５６a 改質器温度センサー挿入管
６０ 被改質ガス供給管
６２ 水供給管
６６ 燃料供給管
６６ａ 下端側
６８ 燃料ガスタンク
６８ａ 燃料ガスタンク上板
７０ 燃焼ガス配管
７１ 乱流生成部材
７１ａ 端部
７１ｂ 端部
７２ 発電用空気流路
７４ 発電用空気導入管
７６ 連絡流路
７６ａ 出口ポート
７７ 発電用空気供給路
７８ａ，７８ｂ 吹出口
８２ 燃焼ガス排出管
８４ 燃料電池セル
８６ 内側電極端子
８８ 燃料ガス流路
９０ 内側電極層
９０ａ 上部
９０ｂ 外周面
９０ｃ 上端面
９２ 外側電極層
９４ 電解質層
９６ シール材
９８ 燃料ガス流路
１００ 上支持板
１０２ 集電体
１０４ 外部端子
１４８ 改質器温度センサー
１４８a 熱電対

Claims (3)

1. 固体酸化物型燃料電池装置において、
   表面がカソード電極で、内部がアノード電極となるよう、内部に燃料ガス通路が形成された燃料電池セルと、その燃料電池セルを内部に収納する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュール内に配置され、被改質ガスと酸化剤ガスを化学反応させること
   により被改質ガスを部分酸化改質する改質反応及び、被改質ガスと水蒸気を化学反応させ
   る水蒸気改質反応の双方によって水素を含む燃料ガスを生成可能な改質器と、
   前記燃料電池モジュール内に配置され、前記燃料電池セルを通過した残余の燃料ガスを
   燃焼させて発生した燃焼ガスにより、前記改質器を加熱する燃焼室と、
   前記改質器に被改質ガスを供給することにより、前記改質器で改質された燃料ガスを前
   記燃料電池セルに送り込む燃料ガス供給手段と、
   前記改質器に改質用の水を供給する水供給手段と、
   前記燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池モジュール内の温度を取得する温度取得手段と、
   前記温度取得手段が取得した前記燃料電池モジュール内の温度に基づいて、前記燃料供
   給手段、前記水供給手段、及び前記発電用酸化剤ガス供給手段を制御し、前記燃料電池セルスタックを発電可能な温度まで昇温させる起動制御を実行する制御手段と、を備え、
   前記温度取得手段は前記改質器の温度を検知する改質器温度センサーを備え、
   前記改質器温度センサーは熱電対を前記燃料電池モジュールの側面から挿入して前記改質器の側面に押し当てるよう配設された改質器の側面の温度を検知するものであり、
   前記改質器の側面にはさらに前記熱電対の下方に配置され、前記熱電対を支持するとともに前記改質器の温度を前記熱電対に伝熱する支持伝熱板が配設されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
2. 前記支持伝熱板は、両側が上方に向かって湾曲する変曲点を有する形状をしており、前記熱電対を下方から支持することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池装置。
3. 前記支持伝熱板はさらに、上方を覆う被覆部を有し、前記熱電対を囲う筒形状を呈していることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池装置。

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