JP2016018750A - 燃料電池スタック及び燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに対して温度センサを容易に位置決めすること。
【解決手段】燃料電池スタック１２は、厚さ方向に積層された複数の単セル１１と、複数の単セル１１の積層方向の両端に配置されるとともに複数の単セル１１をその積層方向に締め付けて固定するエンドプレート１５，１６と、温度測定用ユニット４０とを備える。温度測定用ユニット４０は、絶縁板４６及び絶縁管４７からなる治具４１と、燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接して位置決めされる当接部４２，４３と、治具４１において当接部４２，４３とは別の部位に設けられたセンサ保持部４４と、センサ保持部４４に保持される熱電対４５とを有する。温度測定用ユニット４０において、センサ保持部４４が当接部４２を基準位置とした所定の位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層された複数の単セルと、複数の単セルの積層方向の両端に配置されるとともに複数の単セルをその積層方向に固定する集電板とを備えた燃料電池スタック、及びその燃料電池スタックを備えた燃料電池モジュールに関するものである。

従来より、発電装置の一種である燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。固体酸化物形燃料電池は、エネルギー変換効率が５０％以上と非常に高く、かつ、小型化が可能であるため、家庭用コジェネレーションシステムや自動車の動力源として開発が行われている。

具体的には、固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とが固体電解質層の両側に配置された平板状の単セルを備えている。なお、燃料ガスは水素を生成するためのものであり、酸化剤ガスは酸素を生成するためのものである。そして、水素と酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気極を正極、燃料極を負極とする直流の電力が発生するようになっている。

一般に、固体酸化物形燃料電池は、平板形の発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックの形態で使用され、その発電時には７００℃〜１０００℃の高温となる。このため、燃料電池スタックを断熱容器内に収納して保温することで固体酸化物形燃料電池の発電効率が高められている。また、固体酸化物形燃料電池のような高温タイプの燃料電池では、発電効率を良好な状態に保つために、熱電対によって燃料電池スタックの温度を検出し、その検出結果に基づいて燃料電池スタックの温度を管理している（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、シース熱電対を用いて燃料電池の温度を検出する手法が開示されている。具体的には、シース熱電対は、金属チューブ内に絶縁材を介して一対の熱電体素線を配して構成される。そして、シース熱電対の一端部側（先端部側）における金属チューブの外面全体に電気絶縁性ペーストが塗布され、そのシース熱電対の一端部に電気絶縁性を有する第１保護管及び第２保護管が外装される。また、燃料電池スタックにおいて、金属セパレータの外周部には挿入孔が穿設されており、その挿入孔に、金属チューブと第１保護管との間、及び第１保護管と第２保護管との間に隙間を設けた状態でシース熱電対の一端部が挿入されている。

特開２０１０−２３８４３５号公報

ところで、特許文献１に開示されている従来の燃料電池スタックでは、金属セパレータの部分に、温度測定部であるシース熱電対の一端部を保持するために絶縁性ペーストや保護管を取り付けている。この手法では、金属セパレータに挿入孔を設けるための加工が必要であり、その挿入孔にシース熱電対を取り付ける際には、絶縁性保護が必要となる。さらに、シース熱電対の金属チューブと金属セパレータの金属成分との高温による相互拡散を防ぐために、絶縁性ペーストや絶縁性の保護管を二重に設ける必要があり、絶縁処理を行うのは容易ではなかった。また、シース熱電対が断線した場合やシース熱電対の固定が不安定となった場合には、燃料電池スタックと断線部分とが接触することによりショート故障が生じることが懸念される。さらには、シース熱電対の固定が外れた場合には、測定温度の検出精度が低下して、燃料電池の温度管理を正確に行うことができなくなる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックに対して温度センサを容易に位置決めすることができる燃料電池スタック、及びその燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールを提供することにある。

そして上記課題を解決するための手段（手段１）としては、燃料極、空気極及び電解質層を有し、積層された複数の単セルと、前記複数の単セルの積層方向の両端に配置されるとともに前記複数の単セルをその積層方向に固定する集電板とを備える燃料電池スタックであって、絶縁材料からなり前記燃料電池スタックの側面に当接して配置される治具と、前記治具の一部であって前記燃料電池スタックの側面に当接して位置決めされる当接部と、前記治具において前記当接部とは別の部位に設けられたセンサ保持部と、前記センサ保持部に保持された温度センサと、を有する温度測定用ユニットを備え、前記温度測定用ユニットにおいて、前記センサ保持部が前記当接部を基準位置とした所定の位置に配置されていることを特徴とする燃料電池スタックがある。

手段１に記載の発明によると、温度測定用ユニットの治具における当接部が燃料電池スタックの側面に当接して位置決めされる。また、治具において当接部とは別の部位であって、その当接部を基準位置とした所定の位置に、温度センサを保持するセンサ保持部が設けられている。このような温度測定用ユニットを用いると、従来技術のように燃料電池スタックに対して煩雑な絶縁処理を施す必要がなく、燃料電池スタックにおいて温度測定が必要な所望の位置に、温度センサを容易に位置決めすることができる。

当接部は、治具を燃料電池スタックの側面に固定するための治具固定部を兼ねていてもよい。この場合、当接部と治具固定部とを別々に設ける必要がなく、燃料電池スタックの側面に治具を位置精度よく固定することができる。

治具固定部には固定穴が設けられるとともに、固定穴を用いてねじ止めすることにより、治具が集電板の側端面に当接した状態で固定されていてもよい。ここで、集電板は、各単セルを締め付けるために十分な強度を有する。このため、治具の治具固定部に設けられた固定穴を用いて集電板の側端面に当接した状態でねじ止めすることにより、治具を確実に固定することができる。また、集電板は燃料電池スタックの端部に配置されるため、その集電板との当接部にある固定穴を基準としてセンサ保持部を設けることにより、燃料電池スタックにおいて温度測定が必要な所望の位置に温度センサを配置することができる。さらに、集電板にねじ止めして治具を固定しているので、燃料電池スタックに対する温度測定用ユニットの着脱を容易に行うことができる。このため、温度センサの交換を容易に行うことができ、メンテナンスコストを低く抑えることができる。

固定穴を有する治具固定部は、治具において離間した複数箇所に設けられ、複数の固定穴を用いてねじ止めすることにより、治具が両端の集電板の側端面に各々当接した状態で固定されていてもよい。より詳しくは、単セルは平板状部材として構成されおり、燃料電池スタックにおいて、複数の単セルは、上下方向に積層される。この場合、治具は、単セルの積層方向の上端に配置される集電板と下端に配置される集電板とにねじ止めされる。このようにすると、燃料電池スタックにおける上端及び下端の各集電板に温度測定用ユニットの治具を確実に固定することができる。

センサ保持部は、治具において単セルの積層方向に沿った異なる位置に複数形成されていてもよい。この場合、治具における複数のセンサ保持部に複数の温度センサがそれぞれ保持され、各温度センサの測定結果によって、燃料電池スタックにおける単セルの積層方向の温度分布を確認することができる。

温度センサとしては、高温での使用が可能な熱電対を挙げることができる。また、温度センサとして熱電対を用いる場合、センサ保持部には、熱電対の温度測定部（温接点がある先端部）が保持される。

治具は、耐熱性の絶縁材料からなる。また、治具の形状としては、特に限定されるものではないが、燃料電池スタックの側面に対する絶縁性を確保する上で、平板状であることが好ましい。なおこの場合、治具は複数の絶縁板を積層してなる平板状であってもよい。

また、センサ保持部は、温度センサを挿入可能な構造を有することが好ましい。具体的には、温度センサとして熱電対を用いる場合、熱電対の先端に設けられる温度測定部がセンサ保持部に挿入された状態で保持される。この場合、熱電対の温度測定部を確実に固定できるため、燃料電池スタックの温度を正確に測定することができる。

また、上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、手段１に記載の燃料電池スタックと、断熱部材を用いて構成され、前記燃料電池スタックを収容する断熱容器とを備えたことを特徴とする燃料電池モジュールがある。

従って、手段２に記載の発明によると、上述した温度測定用ユニットを用いることで、燃料電池スタックにおいて温度測定が必要な所望の位置に、温度センサを容易に位置決めすることができる。この場合、温度センサによって燃料電池スタックの温度を正確に測定することができ、その測定結果に基づいて、燃料電池モジュールを効率よく運転させることが可能となる。

本発明の燃料電池モジュールは、断熱容器内において燃料電池スタックの下方に配置され、発電のための補助的な処理を行う発電補助部をさらに備えていてもよい。そして、温度測定用ユニットの治具は、燃料電池スタックの下方の発電補助部に対向する位置まで設置されるとともに、燃料電池スタックに対応する位置と発電補助部に対応する位置とにセンサ保持部がそれぞれ形成されていてもよい。この温度測定用ユニットを用いると、燃料電池スタックの温度に加えて、発電補助部の温度も測定することができ、それら測定結果に基づいて、燃料電池モジュールを効率よく運転させることができる。

なお、断熱容器内に収納される発電補助部としては、燃料ガスを改質する改質器と、燃料電池スタックから排出される排ガスを浄化する燃焼器とが含まれていてもよい。この場合、温度測定用ユニットの温度センサにより改質器や燃焼器の温度を測定することができ、改質器や燃焼器の温度に基づいて、燃料電池モジュールを効率よく運転させることができる。

第１の実施の形態の燃料電池モジュールを示す概略構成図。 第１の実施の形態の燃料電池スタックを示す概略断面図。 第１の実施の形態の温度測定用ユニットを示す平面図。 第１の実施の形態の温度測定用ユニットを示す断面図。 第２の実施の形態の燃料電池モジュールを示す概略構成図。 第２の実施の形態の温度測定用ユニットを構成する各絶縁板を示す平面図。 第２の実施の形態のセンサ保持部を示す断面図。 第２の実施の形態の窓部を示す断面図。 第３の実施の形態の燃料電池モジュールを示す概略構成図。 第３の実施の形態の温度測定用ユニットを構成する各絶縁板を示す平面図。 幅が広い温度測定用ユニットを有する別の実施の形態の燃料電池モジュールを示す概略構成図。 発電補助部まで治具が設置された温度測定用ユニットを有する別の実施の形態の燃料電池モジュールを示す概略構成図。

［第１の実施の形態］
以下、本発明を燃料電池モジュールに具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１に示される本実施の形態の燃料電池モジュール１０は、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）を有する電池モジュールである。燃料電池モジュール１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池スタック１２と、発電のための補助的な処理を行う発電補助部１３と、断熱材料を用いて構成され、燃料電池スタック１２及び発電補助部１３を収容する断熱容器１４とを備える。

燃料電池スタック１２は、単セル１１をその厚さ方向（図１では上下方向）に複数積層してなり、例えば縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ１２０ｍｍの略直方体形状をなしている。本実施の形態において、燃料電池スタック１２を構成する単セル１１の積層数は、２０枚程度となっている。また、燃料電池スタック１２には、単セル１１の積層方向における両端（図１では上端と下端）に、エンドプレート１５，１６（集電板）が配置されている。さらに、燃料電池スタック１２の周縁部には、同スタック１２を厚さ方向に貫通する複数の貫通穴が形成されている。そして、各貫通穴に締結ボルト１８を挿通させ、燃料電池スタック１２の下面から突出するボルト１８の下端部分にナット１９が螺着されている。このように締結ボルト１８及びナット１９を用いて各エンドプレート１５，１６を各単セル１１の積層方向に締め付けることで、複数の単セル１１が固定されるようになっている。また、燃料電池スタック１２の両端に配置されるエンドプレート１５，１６が、燃料電池スタック１２から出力される電流の出力端子となっている。

図２に示されるように、燃料電池スタック１２を構成する単セル１１は、空気極２１、燃料極２２及び固体電解質層２３を有する平板状部材として構成される。また、燃料電池スタック１２には、単セル１１に加えて、インタコネクタ２４、セパレータ２５、空気極側集電体２７及び燃料極側集電体２８等が設けられ、それらが複数個ずつ積層されている。

より詳しくは、インタコネクタ２４は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されており、単セル１１の厚み方向の両側に一対配置される。各インタコネクタ２４により板厚方向での単セル１１間の導通が確保される。単セル１１の間に配置されるインタコネクタ２４は、隣り合う単セル１１を区分する。

セパレータ２５は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されており、矩形状の開口部２９を中央部に有する略矩形枠状をなしている。セパレータ２５は、単セル１１間の仕切り板として機能する。

固体電解質層２３は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料（酸化物）によって矩形板状に形成されている。固体電解質層２３は、セパレータ２５の下面に固定されるとともに、セパレータ２５の開口部２９を塞ぐように配置されている。固体電解質層２３は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。

また、固体電解質層２３の上面には、燃料電池スタック１２に供給された酸化剤ガスに接する空気極２１が形成され、固体電解質層２３の下面には、同じく燃料電池スタック１２に供給された燃料ガスに接する燃料極２２が形成されている。即ち、空気極２１及び燃料極２２は、固体電解質層２３の両側に配置されている。また、空気極２１は、セパレータ２５の開口部２９内に配置され、セパレータ２５と接触しないようになっている。なお、本実施の形態の単セル１１では、セパレータ２５の下方に燃料室３１が形成されるとともに、セパレータ２５の上方に空気室３２が形成されている。

本実施の形態の単セル１１において、空気極２１は、金属の複合酸化物であるＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）によって矩形板状に形成されている。また、燃料極２２は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって矩形板状に形成されている。空気極２１は、空気極側集電体２７によってインタコネクタ２４に電気的に接続される。燃料極２２は、燃料極側集電体２８によってインタコネクタ２４に電気的に接続されている。空気極側集電体２７は、例えばＳＵＳ４３０系フェライト合金等の緻密な金属板からなる。一方、燃料極側集電体２８は、燃料ガスの通過が可能なように、例えばニッケル製の多孔体からなる。

図１に示されるように、本実施の形態の発電補助部１３は、改質器３６と燃焼器３７とを含んで構成されており、燃料電池スタック１２の下方に配置されている。改質器３６は、燃料ガスと水蒸気とを改質反応させることで水素濃度の高い燃料ガスに改質し、その燃料ガスを燃料電池スタック１２に供給する。この燃料ガスは、燃料電池スタック１２において、各単セル１１の燃料室３１に供給されて、燃料極２２に接することで発電反応に使用される。燃焼器３７は、燃焼触媒を有し、燃料電池スタック１２（単セル１１の燃料室３１）から排出される排ガスをその触媒を用いて燃焼させて浄化する。燃焼器３７で浄化された排ガスは、図示しない排気管を通じて断熱容器１４の外部に排出される。

本実施の形態の燃料電池スタック１２は、発電時の温度を測定するための温度測定用ユニット４０を備えている。温度測定用ユニット４０は、燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接して配置される平板状の治具４１と、治具４１の一部（上端部及び下端部）であって燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接して位置決め固定される当接部４２，４３と、当接部４２，４３とは別の部位に設けられたセンサ保持部４４と、センサ保持部４４に保持された熱電対４５とを有する。

センサ保持部４４は、治具４１において、単セル１１の積層方向に沿った異なる位置に複数形成されている。本実施の形態で使用される熱電対４５はシース熱電対であり、治具４１の各センサ保持部４４には、熱電対４５の先端に設けられた温度測定部４５ａ（温接点がある先端部）が保持されるようになっている。

図１、図３及び図４に示されるように、治具４１は、長方形状の１枚の絶縁板４６と、その絶縁板４６に固定された２つの絶縁管４７とからなる。絶縁板４６として、耐熱性の絶縁材料からなる耐熱絶縁板（本実施の形態ではマイカからなる雲母板）が使用される。絶縁板４６の長さは、燃料電池スタック１２の高さとほぼ等しく１２０ｍｍ程度であり、絶縁板４６の幅は、燃料電池スタック１２の幅よりも狭く９０ｍｍ程度である。また、絶縁板４６の厚さは２ｍｍ程度である。

絶縁管４７は、耐熱性の絶縁材料であるアルミナを用いて有底円筒状に形成された焼結体であり、外径が５ｍｍ程度、内径が２ｍｍ程度、長さは３０ｍｍ程度のサイズを有している。本実施の形態では、各絶縁管４７内の収納空間がセンサ保持部４４となっており、そのセンサ保持部４４に、熱電対４５の先端にある温度測定部４５ａが配置される。つまり、熱電対４５の温度測定部４５ａが絶縁管４７の開口側からセンサ保持部４４に挿入されて保持されるようになっている。治具４１におけるセンサ保持部４４（各絶縁管４７）は、当接部４２を基準位置とした所定の位置に配置される。そして、絶縁板４６と絶縁管４７とはセラミックボンド５０を用いて固定されている。

治具４１における当接部としての上端部４２及び下端部４３は、治具４１を燃料電池スタック１２の側面１２ａに固定するための治具固定部を兼ねる。具体的には、治具４１を構成する絶縁板４６において、上端部４２及び下端部４３には、固定穴４８，４９がそれぞれ１つずつ設けられている（図３参照）。本実施の形態では、絶縁板４６において、上端部４２側の固定穴４８の中心を基準位置にして、単セル１１の積層方向（図３では上下方向）に所定の間隔Ｘ１，Ｘ２をあけた位置に各絶縁管４７（センサ保持部４４）が設置されている。

また、燃料電池スタック１２におけるエンドプレート１５，１６の側端面１５ａ，１６ａには、ねじ穴（図示略）が形成されている。そして、治具４１の上端部４２及び下端部４３の固定穴４８，４９と各エンドプレート１５，１６のねじ穴との中心が一致して各穴が連通するように、治具４１の位置合わせを行う。その後、治具４１の固定穴４８，４９を介してエンドプレート１５，１６のねじ穴にねじ５５を差し込み、治具４１をねじ止め固定する。このように、各固定穴４８，４９を用いてねじ止めすることにより、燃料電池スタック１２の上端に配置されるエンドプレート１５と下端に配置されるエンドプレート１６との各側端面１５ａ，１６ａに、治具４１の上端部４２及び下端部４３が当接した状態で固定される。またこのとき、燃料電池スタック１２の側面１２ａに対して治具４１の絶縁板４６全体が面状に接触した状態となる。

本実施の形態において、温度測定用ユニット４０における各熱電対４５の配線部分４５ｂは、燃料電池モジュール１０の外部に設けられた制御装置（図示略）に接続される。その制御装置は、各熱電対４５の検出信号に基づいて燃料電池スタック１２の温度を判定する。そして、制御装置は、燃料電池スタック１２の温度に基づいて、改質水などを供給する給水ポンプ、燃料ガスを供給する燃料ポンプ、酸化剤ガスを供給するエアポンプ等の駆動を制御する。この結果、燃料電池スタック１２の各単セル１１において発電反応が効率よく行われる。

従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施の形態の燃料電池モジュール１０において、温度測定用ユニット４０は、治具４１の上端部４２及び下端部４３（当接部）が燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接して位置決め固定される。また、治具４１において、上端部４２（固定穴４８）を基準位置とした所定の位置に、熱電対４５を保持するセンサ保持部４４が設けられている。このような温度測定用ユニット４０を用いると、従来技術のように燃料電池スタック１２に対して煩雑な絶縁処理を施す必要がなく、燃料電池スタック１２において温度測定が必要な所望の位置に、熱電対４５を容易に位置決めすることができる。

（２）本実施の形態の燃料電池モジュール１０では、治具４１において当接部となる上端部４２及び下端部４３に固定穴４８，４９が設けられており、上端部４２及び下端部４３が、治具４１を燃料電池スタック１２の側面１２ａに固定するための治具固定部を兼ねていている。このようにすると、治具４１において当接部と治具固定部とを別々に設ける必要がなく、燃料電池スタック１２の側面１２ａに治具４１を位置精度よく固定することができる。

（３）本実施の形態の燃料電池モジュール１０では、治具４１において離間した複数箇所に固定穴４８，４９が設けられる。そして、それら固定穴４８，４９を用いてねじ止めすることにより、燃料電池スタック１２におけるエンドプレート１５，１６の側端面１５ａ，１６ａに当接した状態で治具４１が固定される。燃料電池スタック１２において、エンドプレート１５，１６は、各単セル１１を締め付けるために十分な強度を有する。また、治具４１を構成する絶縁板４６の表面がエンドプレート１５，１６の側端面１５ａ，１６ａに当接することで、治具４１とエンドプレート１５，１６とが面同士の接触となる。従って、複数の固定穴４８，４９を用いてエンドプレート１５，１６の側端面１５ａ，１６ａにねじ止めすることにより、治具４１を確実に固定することができる。また、エンドプレート１５，１６は燃料電池スタック１２の端部に配置される。このため、治具４１において、そのエンドプレート１５との当接部にある固定穴４８を基準としてセンサ保持部４４を設けることにより、燃料電池スタック１２において温度測定が必要な所望の位置に熱電対４５を配置することができる。さらに、エンドプレート１５，１６にねじ止めして治具４１を固定しているので、燃料電池スタック１２に対する温度測定用ユニット４０の着脱を容易に行うことができる。このため、熱電対４５の交換を容易に行うことができ、メンテナンスコストを低く抑えることができる。

（４）本実施の形態の燃料電池モジュール１０では、温度測定用ユニット４０の治具４１において、単セル１１の積層方向に沿った異なる位置にセンサ保持部４４が複数形成されている。この場合、各センサ保持部４４に保持された熱電対４５の測定結果によって、燃料電池スタック１２における単セル１１の積層方向の温度分布を確認することができる。

（５）本実施の形態の燃料電池モジュール１０では、温度測定用ユニット４０の治具４１は、耐熱性の絶縁材料である絶縁板４６（雲母板）及び絶縁管４７（アルミナの焼結体）によって構成されている。この場合、絶縁板４６及び絶縁管４７は、燃料電池モジュール１０の運転温度（７００℃程度の高温）でも化学的に安定であるため、熱電対４５や燃料電池スタック１２と治具４１との間での反応を防止することができる。

（６）本実施の形態の燃料電池モジュール１０において、温度測定用ユニット４０は、絶縁板４６と絶縁管４７とからなる比較的簡単な構成の治具４１を有している。このため、その治具４１を用いることにより、燃料電池スタック１２に対して熱電対４５を容易に固定することができる。

（７）本実施の形態の燃料電池モジュール１０において、温度測定用ユニット４０を構成する治具４１は平板状である。このため、治具４１のセンサ保持部４４から熱電対４５が外れた場合や熱電対４５が断線して熱電対４５の固定が外れた場合であっても、平板状の治具４１により、熱電対４５と燃料電池スタック１２との絶縁が確保される。このため、従来のような燃料電池スタック１２と熱電対４５とのショートを確実に防止することができる。
［第２の実施の形態］

次に、本発明を燃料電池モジュールに具体化した第２の実施の形態を図５〜図８に基づき説明する。

図５に示されるように、本実施の形態の燃料電池モジュール１０Ａでは、燃料電池スタック１２に備えられる温度測定用ユニット４０Ａが上記第１の実施の形態と異なり、それ以外の構成は上記第１の実施の形態と同じである。以下、本実施の形態の温度測定用ユニット４０Ａの構成について詳述する。

本実施の形態の温度測定用ユニット４０Ａも、燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接して配置される平板状の治具４１Ａと、治具４１の一部（上端部及び下端部）であって燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接して位置決め固定される当接部４２Ａ，４３Ａと、当接部４２Ａ，４３Ａとは別の部位に設けられたセンサ保持部４４Ａと、センサ保持部４４Ａに保持された熱電対４５とを有する。

図５〜図８に示されるように、本実施の形態の治具４１Ａは、長方形状の３枚の絶縁板５１，５２，５３を積層一体化して形成される。より詳しくは、治具４１は、燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接する内側絶縁板５１と、燃料電池スタック１２の側面１２ａの反対側に配置される外側絶縁板５２と、内側絶縁板５１と外側絶縁板５２との間に配置される中間絶縁板５３とを有する。各絶縁板５１〜５３は、耐熱性の絶縁材料からなる耐熱絶縁板（本実施の形態ではマイカからなる雲母板）が使用されている。

燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接する内側絶縁板５１は、他の絶縁板（外側絶縁板５２及び中間絶縁板５３）よりも厚みが薄く形成されている。具体的には、内側絶縁板５１の厚さは０．５ｍｍ程度であり、外側絶縁板５２及び中間絶縁板５３の厚さは２．０ｍｍ程度である。また、各絶縁板５１〜５３の長さは、燃料電池スタック１２の高さとほぼ等しく１２０ｍｍ程度であり、各絶縁板５１〜５３の幅は、燃料電池スタック１２の幅よりも狭く９０ｍｍ程度である。

外側絶縁板５２には、センサ保持部４４Ａを構成する穴部であり熱電対４５の温度測定部４５ａ（先端部）が挿入されるスリット状の第１貫通穴６１が３箇所に形成されている。外側絶縁板５２において、スリット状の第１貫通穴６１は、絶縁板５２の幅方向（図６の左右方向）に延びるように形成されている。各第１貫通穴６１は、絶縁板５２の長さ方向（図６の上下方向）に等間隔の距離をあけてそれぞれ平行に形成されている。また、中間絶縁板５３には、センサ保持部４４Ａを構成する穴部であり外側絶縁板５２の第１貫通穴６１に連通するとともに第１貫通穴６１よりも長いスリット状の第２貫通穴６２が３箇所に形成されている。中間絶縁板５３において、スリット状の第２貫通穴６２は、絶縁板５３の幅方向（図６の左右方向）に延びるように形成されている。各第２貫通穴６２は、絶縁板５３の長さ方向（図６の上下方向）に等間隔の距離（各第１貫通穴６１と同じ距離）をあけてそれぞれ平行に形成されている。これら外側絶縁板５２の第１貫通穴６１や中間絶縁板５３の第２貫通穴６２は、例えばレーザ加工によって形成される。なお、レーザ加工以外にパンチング加工等の他の加工によって各貫通穴６１，６２を形成してもよい。

そして、各絶縁板５１〜５３を重ね合わせて積層し、それら絶縁板５１〜５３を一体化させる。その結果、燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接する内側絶縁板５１がセンサ保持部４４Ａ（各貫通穴６１，６２）を塞ぐ形で、治具４１Ａが構成される。本実施の形態の治具４１Ａも熱電対４５を挿入可能な構造を有する。具体的には、図７に示されるように、治具４１Ａにおいて、センサ保持部４４Ａは袋小路状の穴部となり、その端部に熱電対４５の先端にある温度測定部４５ａが配置される。また、治具４１Ａにおいて、内側絶縁板５１の表面がセンサ保持部４４Ａを塞ぐことにより、センサ保持部４４Ａが燃料電池スタック１２の側面１２ａに露出しないようになっている。治具４１Ａにおけるセンサ保持部４４Ａは、当接部４２Ａを基準位置とした所定の位置に配置される。そして、治具４１Ａにおける各センサ保持部４４Ａには、複数の熱電対４５がそれぞれ着脱可能な状態で保持される。

図５及び図８に示されるように、本実施の形態の治具４１Ａには、熱電対４５における温度測定部４５ａ以外の配線部分４５ｂがねじれ位置となるように配線部分４５ｂを屈曲させて配置させる窓部６５が形成されている。図６及び図８に示されるように、窓部６５は、外側絶縁板５２に形成された矩形状の貫通穴６６と、中間絶縁板５３に形成された矩形状の切欠部６７とによって構成される。なお、窓部６５を構成する貫通穴６６や切欠部６７も、センサ保持部４４Ａの各貫通穴６１，６２と同様に、レーザ加工によって形成される。

中間絶縁板５３において、切欠部６７は、絶縁板５３の下端から外側絶縁板５２の貫通穴６６と重なる位置まで形成されている。また、内側絶縁板５１が窓部６５（切欠部６７）を塞ぐことにより、窓部６５が燃料電池スタック１２の側面１２ａに露出しないようになっている。そして、熱電対４５の配線部分４５ｂは、窓部６５における外側絶縁板５２の貫通穴６６から中間絶縁板５３の切欠部６７に沿って挿入され、さらに外側絶縁板５２の下端に沿って折り曲げられている。この結果、熱電対４５における配線部分４５ｂは、絶縁が確保されるとともに、ねじれ位置となるように固定される。

治具４１Ａを構成する各絶縁板５１〜５３において、当接部となる上端部４２Ａ及び下端部４３Ａには、固定穴５８，５９がそれぞれ１つずつ設けられている（図６参照）。本実施の形態では、各絶縁板５２，５３における上端部４２Ａ側の固定穴５８の中心を基準位置にして、単セル１１の積層方向に所定の間隔をあけた位置にセンサ保持部４４Ａ（第１貫通穴６１及び第２貫通穴６２）が設けられている。そして、各固定穴５８，５９を用いてねじ止めすることにより、図５に示されるように、燃料電池スタック１２の上端に配置されるエンドプレート１５と下端に配置されるエンドプレート１６との各側端面１５ａ，１６ａに、治具４１Ａの上端部４２Ａ及び下端部４３Ａが当接した状態で固定される。また、治具４１Ａを各エンドプレート１５，１６にねじ止めすることで、各絶縁板５１〜５３が一体化された状態で接着剤を用いることなく互いに固定される。

本実施の形態の燃料電池モジュール１０Ａにおいても、上記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池モジュール１０Ａの温度測定用ユニット４０Ａにおいて、治具４１Ａは、外側絶縁板５２、中間絶縁板５３、及び内側絶縁板５１を積層してなる簡単な構造を有し、かつ外側絶縁板５２の第１貫通穴６１、中間絶縁板５３の第２貫通穴６２、及びそれらを塞ぐ内側絶縁板５１によってセンサ保持部４４Ａを容易に形成することができる。さらに、温度測定用ユニット４０Ａでは、ねじ止めによる治具４１Ａの固定と同時に複数の絶縁板５１〜５３を積層一体化して治具４１Ａを構成できる。このため、複数の絶縁板５１〜５３を一体化するための部材と固定部材とを別々に設ける必要がなく、治具４１Ａの部品コストを抑えることができる。

また、治具４１Ａを構成する複数の絶縁板５１〜５３のうち、燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接する内側絶縁板５１は、他の絶縁板５２，５３よりも厚みが薄く形成される。このようにすると、センサ保持部４４Ａに保持される熱電対４５は、薄い内側絶縁板５１を介して燃料電池スタック１２の温度を測定することとなるため、温度測定の精度を高めることができる。また、燃料電池スタック１２の側面１２ａに当接しない外側絶縁板５２及び中間絶縁板５３を厚くすることで、治具４１Ａの強度を十分に確保することができる。

さらに、燃料電池モジュール１０Ａにおいて、温度測定用ユニット４０Ａの治具４１Ａには、熱電対４５における配線部分４５ｂがねじれ位置となるように配線部分４５ｂを屈曲させて配置させる窓部６５が形成されている。この場合、熱電対４５の配線部分４５ｂに引っ張る方向の力が作用した場合でも窓部６５の部分でその力が抑制されるため、熱電対４５がセンサ保持部４４Ａから抜け難くなる。また、窓部６５に配線部分４５ｂを通すことにより、複数の熱電対４５の配線部分４５ｂを１つに束ねることができるため、他の部材の邪魔になることなく各配線部分４５ｂの配置を容易に行うことができる。
［第３の実施の形態］

次に、本発明を燃料電池モジュールに具体化した第３の実施の形態を図９及び図１０に基づき説明する。

図９に示されるように、本実施の形態の燃料電池モジュール１０Ｂでは、燃料電池スタック１２に備えられる温度測定用ユニット４０Ｂが上記第２の実施の形態と異なり、それ以外の構成は上記第２の実施の形態と同じである。以下、本実施の形態の温度測定用ユニット４０Ｂの構成について詳述する。

温度測定用ユニット４０Ｂの治具４１Ｂも、内側絶縁板５１Ａ、外側絶縁板５２Ａ及び中間絶縁板５３Ａの３枚の絶縁板を積層して形成される（図１０参照）。治具４１Ｂには、上記第２の実施の形態の治具４１Ａと同様に、３つのセンサ保持部４４Ａ及び１つの窓部６５が形成されている。これらセンサ保持部４４Ａ及び窓部６５は、配置及びサイズも第２の実施の形態の治具４１Ａと同じであり、治具４１Ｂの固定方法が治具４１Ａと異なっている。

詳しくは、上記第２の実施の形態の治具４１Ａは、上端部４２Ａ及び下端部４３Ａの２箇所でねじ止めすることで各絶縁板５１〜５３が一体化された状態で互いに固定されていた。これに対して、本実施の形態の治具４１Ｂは、各絶縁板５１Ａ〜５３Ａの外周部分がセラミックボンド６０によって互いに接合されて一体化される。また、上記第２の実施の形態の各絶縁板５１〜５３において当接部（治具固定部）としての上端部４２Ａ及び下端部４３Ａに固定穴５８，５９が形成されていたが、本実施の形態の治具４１Ｂでは、外側絶縁板５２Ａのみに当接部としての治具固定部７１が形成されている。

具体的には、外側絶縁板５２Ａにおける上端の角部に、タブ状の治具固定部７１が突設されるとともに、その治具固定部７１には、ボルト固定用の固定穴７２が設けられている。本実施の形態では、外側絶縁板５２Ａにおける固定穴７２の中心を基準位置にして、単セル１１の積層方向（図１０では上下方向）の所定の位置に各センサ保持部４４Ａ（第１貫通穴６１及び第２貫通穴６２）が設置されている。また、燃料電池スタック１２におけるエンドプレート１５の端部には、電流出力用の端子（図示しない電流棒）を固定するための部位であって、厚さが他の部位よりも厚く形成された肉厚部７４が形成されており、肉厚部７４の側端面７４ａに、ボルト固定用のねじ穴（図示略）が形成されている。

そして、治具４１Ｂにおける外側絶縁板５２Ａの治具固定部７１をエンドプレート１５の肉厚部７４の側端面７４ａに当接させる。なおここでは、治具固定部７１の固定穴７２とエンドプレート１５のねじ穴との中心が一致して各穴が連通するように、治具４１Ｂの位置合わせを行う。その後、治具固定部７１の固定穴７２を介してねじ穴にボルト７５を差し込み、治具４１Ｂをねじ止め固定する。この結果、本実施の形態における温度測定用ユニット４０Ｂの治具４１Ｂが燃料電池スタック１２に固定されて、燃料電池モジュール１０Ｂが構成される。燃料電池モジュール１０Ｂにおいても、上記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、温度測定用ユニット４０Ｂでは、治具４１Ｂの固定穴７２は１箇所であるが、サイズの大きなボルト７５を用いて固定することで治具４１Ｂを確実に固定することができる。

なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。

・上記各実施の形態の燃料電池モジュール１０,１０Ａ，１０Ｂにおいて、温度測定用ユニット４０,４０Ａ,４０Ｂの治具４１,４１Ａ,４１Ｂにおけるセンサ保持部４４，４４Ａ及び熱電対４５の個数は適宜変更してもよい。また、治具４１,４１Ａ,４１Ｂにおいて単セル１１の積層方向に沿った異なる位置に複数のセンサ保持部４４，４４Ａを形成していたが、これに限定されるものではない。図１１に示される燃料電池モジュール１０Ｃの温度測定用ユニット４０Ｃのように、治具４１Ｃにおいて単セル１１の積層方向（上下方向）に加えて左右方向の異なる位置にもセンサ保持部４４Ａを形成してもよい。なお、治具４１Ｃには、左右３箇所ずつ合計で６箇所にセンサ保持部４４Ａが形成されている。治具４１Ｃでも、外側絶縁板７７において、治具固定部７１（当接部）の固定穴７２の中心を基準位置にした所定の位置に各センサ保持部４４Ａ（第１貫通穴６１及び第２貫通穴６２）が設置されている。また、治具４１Ｃの外側絶縁板７７には、右上の端部に加えて左下の端部にタブ状の治具固定部７１が設けられるとともに、その治具固定部７１に固定穴７２が形成されている。治具４１Ｃは、外側絶縁板７７に加えて、内側絶縁板及び中間絶縁板の３枚の絶縁板からなる。そして、右上の治具固定部７１に形成された固定穴７２を用いて上側の肉厚部７４にねじ止めされるとともに、左下の治具固定部７１に形成された固定穴７２を用いて下側の肉厚部７４にねじ止めされる。このねじ止めによって、治具４１Ｃが燃料電池スタック１２の側面１２ａに固定される。

燃料電池モジュール１０Ｃにおいても、上記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池モジュール１０Ｃでは、温度測定用ユニット４０Ｃにおける６箇所のセンサ保持部４４Ａに保持された各熱電対４５の測定結果によって、燃料電池スタック１２における温度分布をより正確に確認することができる。さらに、温度測定用ユニット４０Ｃを用いる場合、燃料電池スタック１２の側面１２ａのほぼ全体が治具４１Ｃの絶縁板７７で覆われている。このため、センサ保持部４４Ａから熱電対４５が外れた場合等にて、燃料電池スタック１２と熱電対４５とがショートすることをより確実に防止することができる。

・上記各実施の形態の燃料電池モジュール１０,１０Ａ〜１０Ｃにおいて、温度測定用ユニット４０，４０Ａ〜４０Ｃの治具４１，４１Ａ〜４１Ｃは、燃料電池スタック１２の高さとほぼ等しい長さの各絶縁板４６，５１〜５３，５１Ａ〜５３Ａ，７７を用いて形成されていたが、各絶縁板の長さは適宜変更してもよい。具体的には、例えば、図１２に示される燃料電池モジュール１０Ｄの温度測定用ユニット４０Ｄのように、各絶縁板（外側絶縁板７８、中間絶縁板及び内側絶縁板）が燃料電池スタック１２の下方の発電補助部１３（改質器３６及び燃焼器３７）に対応する位置まで設置された治具４１Ｄを用いて温度測定用ユニット４０Ｄを構成してもよい。温度測定用ユニット４０Ｄの治具４１Ｄには、燃料電池スタック１２に対応する位置と発電補助部１３に対応する位置とに複数のセンサ保持部４４Ａが形成されている。治具４１Ｄでも、各絶縁板７８において、当接部である上端部４２Ａの固定穴５８を基準位置にした所定の位置に各センサ保持部４４Ａ（第１貫通穴６１及び第２貫通穴６２）が設置されている。この温度測定用ユニット４０Ｄを用いれば、燃料電池スタック１２の温度に加えて、発電補助部１３の温度を容易に測定することができる。そして、それら温度の測定結果に基づいて、燃料電池モジュール１０Ｄを効率よく運転させることができる。

・上記各実施の形態では、温度測定用ユニット４０,４０Ａ〜４０Ｄの治具４１，４１Ａ〜４１Ｄにおいて、固定穴４８，４９，５８，５９，７２は１箇所または２箇所に設けられていたが、これに限定されるものではない。治具の３箇所以上に固定穴を設け、それら固定穴を用いて治具４１，４１Ａ〜４１Ｄを固定してもよい。

・上記各実施の形態の温度測定用ユニット４０,４０Ａ〜４０Ｄでは、絶縁板４６，５１〜５３，５１Ａ〜５３Ａ，７７，７８を用いて平板状の治具４１，４１Ａ〜４１Ｄを形成していたが、これに限定されるものではない。セラミック等の絶縁材料を用いて立体的な形状を有する治具を形成してもよい。

・上記各実施の形態の温度測定用ユニット４０,４０Ａ〜４０Ｄでは、治具４１,４１Ａ〜４１Ｄの各センサ保持部４４,４４Ａに、温度センサとしての熱電対４５を保持するものであったが、これに限定されるものではない。熱電対４５以外に、例えばサーミスタなどの半導体からなる温度センサを各センサ保持部４４,４４Ａに保持するものであってもよい。

・上記各実施の形態の燃料電池モジュール１０,１０Ａ〜１０Ｄでは、燃料電池スタック１２における１つの側面１２ａに温度測定用ユニット４０,４０Ａ〜４０Ｄが設けられていたが、これに限定されるものではない。燃料電池スタック１２における複数の側面１２ａにそれぞれ温度測定用ユニット４０,４０Ａ〜４０Ｄが設けられていてもよい。

・上記各実施の形態では、固体酸化物形燃料電池を有する燃料電池モジュール１０,１０Ａ〜１０Ｄに具体化するものであったが、これ以外に溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）などの他の燃料電池を有する燃料電池モジュールに具体化してもよい。

・上記各実施の形態では、燃料電池スタック１２を構成する単セル１１は、空気極２１、燃料極２２及び固体電解質層２３を有する平板状部材として構成されていたが、これに限定されるものではない。平板形状の単セル１１以外には、例えば、円筒形状、扁平筒形状などの形状の単セルを複数個スタックしてもよい。

・上記各実施の形態では、発電補助部１３は、断熱容器１４の内部に設置されたが、これに限定されるものではない。発電補助部１３は、例えば、断熱容器１４の外部に設置されてもよい。

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）手段１において、前記単セルは平板状部材として構成されることを特徴とする燃料電池スタック。

（２）手段１において、前記温度センサは熱電対であり、前記センサ保持部には、前記熱電対の温度測定部が保持されていることを特徴とする燃料電池スタック。

（３）手段１において、前記温度センサは熱電対であり、複数の前記センサ保持部には、複数の前記熱電対がそれぞれ保持されていることを特徴とする燃料電池スタック。

（４）手段１において、前記治具は、耐熱性の絶縁材料からなることを特徴とする燃料電池スタック。

（５）手段１において、前記治具は平板状であることを特徴とする燃料電池スタック。

（６）手段１において、前記治具は複数の絶縁板を積層してなる平板状であることを特徴とする燃料電池スタック。

（７）手段１において、前記センサ保持部は、前記温度センサを挿入可能な構造を有することを特徴とする燃料電池スタック。

（８）手段１において、前記複数の単セルは、上下方向に積層され、前記治具は、前記単セルの積層方向の上端に配置される前記集電板と下端に配置される前記集電板とにねじ止めされることを特徴とする燃料電池スタック。

（９）手段１において、前記電解質層は、固体酸化物からなる固体電解質層であることを特徴とする燃料電池スタック。

(１０)手段２において、前記断熱容器内における前記燃料電池スタックの下方に配置され、前記発電のための補助的な処理を行う発電補助部をさらに備え、前記治具は、前記燃料電池スタックの下方の前記発電補助部に対向する位置まで設置されるとともに、前記燃料電池スタックに対応する位置と前記発電補助部に対応する位置とに前記センサ保持部がそれぞれ形成されていることを特徴とする燃料電池モジュール。

(１１)技術的思想（１０）において、前記発電補助部には、前記燃料ガスを改質する改質器と、前記燃料電池スタックから排出される排ガスを浄化する燃焼器とが含まれることを特徴とする燃料電池モジュール。

１０,１０Ａ〜１０Ｄ…燃料電池モジュール
１１…単セル
１２…燃料電池スタック
１２ａ…燃料電池スタックの側面
１４…断熱容器
１５，１６…集電板としてのエンドプレート
１５ａ，１６ａ，７４ａ…集電板の側端面
２１…空気極
２２…燃料極
２３…電解質層としての固体電解質層
４０，４０Ａ〜４０Ｄ…温度測定用ユニット
４１，４１Ａ〜４１Ｄ…治具
４２，４２Ａ…当接部及び治具固定部としての上端部
４３，４３Ａ…当接部及び治具固定部としての下端部
４４，４４Ａ…センサ保持部
４５…温度センサとしての熱電対
４８，４９，５８，５９，７２…固定穴
７１…当接部としての治具固定部

Claims (6)

1. 燃料極、空気極及び電解質層を有し、積層された複数の単セルと、前記複数の単セルの積層方向の両端に配置されるとともに前記複数の単セルをその積層方向に固定する集電板とを備える燃料電池スタックであって、
   絶縁材料からなり前記燃料電池スタックの側面に当接して配置される治具と、
   前記治具の一部であって前記燃料電池スタックの側面に当接して位置決めされる当接部と、
   前記治具において前記当接部とは別の部位に設けられたセンサ保持部と、
   前記センサ保持部に保持された温度センサと、を有する温度測定用ユニットを備え、
   前記温度測定用ユニットにおいて、前記センサ保持部が前記当接部を基準位置とした所定の位置に配置されている
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記当接部は、前記治具を前記燃料電池スタックの側面に固定するための治具固定部を兼ねることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記治具固定部には固定穴が設けられるとともに、前記固定穴を用いてねじ止めすることにより、前記治具が前記集電板の側端面に当接した状態で固定されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記固定穴を有する前記治具固定部は、前記治具において離間した複数箇所に設けられ、複数の前記固定穴を用いてねじ止めすることにより、前記治具が両端の前記集電板の側端面に各々当接した状態で固定されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタック。
5. 前記センサ保持部は、前記治具において前記単セルの積層方向に沿った異なる位置に複数形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックと、
   断熱部材を用いて構成され、前記燃料電池スタックを収容する断熱容器と
   を備えたことを特徴とする燃料電池モジュール。

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