JP3180915U - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタックと、その上端部から排出されるオフガスを燃焼させるオフガス燃焼部の温度を検知する温度検知デバイスとの干渉を防止する燃料電池装置を提供する。
【解決手段】温度検知デバイス１０は、筐体１を貫通してオフガス燃焼部３に臨み、オフガス燃焼部３の温度（火炎）を検知する。温度検知デバイス１０は、その基端部側である筐体１の貫通部（固定支持部１１）にて筐体１に固定される一方、温度検知デバイス１０の先端部側に対峙させて位置規制部１３が設けられる。位置規制部１３は、燃料電池スタック２の上端部より上方に配置されて温度検知デバイス１０の燃料電池スタック２側への移動を規制する。
【選択図】図１

Description

本考案は、燃料電池装置に関し、特に固体酸化物形の燃料電池装置に関する。

燃料電池装置は、燃料電池システムの中核をなすもので、水素含有燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルと、燃料電池セルの上端部から排出されるオフガスを燃焼させて燃料電池セルを高温状態に維持するオフガス燃焼部と、燃料電池セル及びオフガス燃焼部を内包する筐体と、を含んで構成される。

また、燃料電池装置は、一般には、筐体内のオフガス燃焼部の上方に配置され、水素含有燃料を改質して燃料電池セルに供給する燃料改質器を更に含んで構成され、オフガス燃焼部は、燃料電池セルと共に燃料改質器を加熱する。

また、燃料電池装置は、筐体を貫通してオフガス燃焼部に臨み、オフガス燃焼部の温度を検知する温度検知デバイス（温度センサ）を更に含んで構成され、この温度検知デバイスは、オフガス燃焼部での火炎（着火）の検知のために用いられる。
尚、上記のような燃料電池装置は、特許文献１に開示されている。

特開２０１１−００９０３６号公報

上記の温度検知デバイスは、その基端部側である筐体の貫通部にて、筐体に固定されて支持される。このような片持ち構造では、温度検知デバイスの筐体内での突出長さが長くなった場合に、温度検知デバイスの先端部側が変形し、燃料電池セルに干渉して、燃料電池セルを傷付ける恐れがあった。また、温度検知デバイスが燃料電池セルに接触することにより漏電が発生し、温度検知デバイスの配線や、当該配線を介して電気的につながっている燃料電池システムの各種部品を損傷する恐れがあった。

本考案は、このような実状に鑑み、温度検知デバイスと燃料電池セルとの干渉を防止できる燃料電池装置を提供することを課題とする。

本考案に係る燃料電池装置は、水素含有燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルと、前記燃料電池セルの上端部から排出されるオフガスを燃焼させて前記燃料電池セルを高温状態に維持するオフガス燃焼部と、前記燃料電池セル及び前記オフガス燃焼部を内包する筐体と、前記筐体を貫通して前記オフガス燃焼部に臨み、前記オフガス燃焼部の温度を検知する温度検知デバイスと、を備える。

ここにおいて、前記温度検知デバイスは、その基端部側である前記筐体の貫通部にて前記筐体に固定される一方、前記温度検知デバイスの先端部側に対峙させて位置規制部が設けられる。
前記位置規制部は、前記燃料電池セルの上端部より上方に配置されて前記温度検知デバイスの前記燃料電池セル側への移動を規制する。

本考案によれば、温度検知デバイスの先端部側に対し、位置規制部を設けることにより、温度検知デバイスの変形を抑制し、温度検知デバイスと燃料電池セルとの干渉を防止できるという効果を奏する。

本考案の第１実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図 同上第１実施形態の燃料電池装置の概略側面図 本考案の第２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図 本考案の第３実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図 同上第３実施形態の燃料電池装置の概略側面図 本考案の第４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図 同上第４実施形態の燃料電池装置の概略側面図 本考案の第５実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図 同上第５実施形態の燃料電池装置の概略側面図 本考案の第６実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図

以下、本考案の実施の形態について、詳細に説明する。
先ず本考案の第１実施形態について図１及び図２により説明する。図１は本考案の第１実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図２は同上第１実施形態の燃料電池装置の概略側面図である。

本実施形態の燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）方式であり、筐体１内に、複数の燃料電池セルの集合体である燃料電池スタック２、オフガス燃焼部３、及び、燃料改質器４を備える。これらは筐体１内に下から上へ配置される。

筐体１は、耐熱性金属により形成されており、その内面及び／又は外面には必要により断熱材が配置される。

燃料改質器４は、改質触媒を用いた改質反応により、水素含有燃料を改質して、水素リッチな改質燃料（改質ガス）を生成する。このため、燃料改質器４には筐体１外の燃料ポンプ（図示せず）により燃料が供給される。

水素含有燃料（原燃料）としては、一般に炭化水素系燃料が用いられる。ここでいう炭化水素系燃料とは、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物をいい、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。

燃料改質器４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質（ＳＲ）、部分酸化改質（ＰＯＸ）、自己熱改質（ＡＴＲ）、その他の改質方式を採用できる。水蒸気改質を用いる場合は、燃料改質器４内（又はこれとは別）に水気化部を設け、筐体１外から供給される水を気化して、水蒸気を生成する。

燃料改質器４の出口側からは、生成された改質燃料の供給管が導出され、燃料電池スタック２の台座（燃料分配部）５に接続されている。

燃料電池スタック２は、複数の固体酸化物形燃料電池セルを集合し直列（及び並列）に接続してなる組立体である。燃料電池セルの形状及び配列は任意に選択することができるため、図中の燃料電池スタック２は、それらを省略して概略的に示したものである。各燃料電池セルは固体酸化物電解質の両面に燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）を積層してなり、燃料極には台座５から改質燃料が供給され、酸化剤極には筐体１外の酸化剤ポンプ（図示せず）により酸化剤導入口６を通じて酸化剤（一般に空気）が供給される。

従って、燃料電池セルの各々において、酸化剤極にて、下記（１）式の電極反応が生起され、燃料極にて、下記（２）式の電極反応が生起されて、発電がなされる。
酸化剤極： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質） ・・・（１）
燃料極： Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（２）

オフガス燃焼部３は、燃料電池スタック２での余剰の改質燃料（発電未反応ガスとして排出されるオフガス）を余剰の酸化剤の存在下で燃焼させ、燃料電池スタック２及び燃料改質器４を高温状態に維持する。ここで、燃料電池スタック２の上端部が燃料電池スタック２からのオフガスの排出部となり、このオフガスは着火デバイス（点火ヒータ、点火プラグ等；図示せず）により着火されて燃焼する。従って、燃料電池スタック２の上端部側がオフガス燃焼部３となる。オフガス燃焼部３での燃焼熱により燃料電池スタック２及び燃料改質器４は発電可能及び改質可能な高温状態に維持される。燃焼によって生成された高温の排気ガスは排気出口７を通じて筐体１外に排出されるが、その廃熱は適宜熱利用される。

制御装置（図示せず）は、マイクロコンピュータを含んで構成され、燃料ポンプ及び酸化剤ポンプによる燃料及び酸化剤の供給量を制御すると共に、燃料電池スタック２の出力側に設けられるパワーコンディショナー（図示せず）を介して、燃料電池スタック２からの電流掃引を制御し、これらによって発電電力を制御する。

本実施形態の燃料電池装置は、また、オフガス燃焼部３の温度を検知する温度検知デバイス１０を備える。
温度検知デバイス１０は、筐体１の側壁を水平方向に貫通して、燃料電池スタック２と燃料改質器４との間のオフガス燃焼部３に臨む。

温度検知デバイス１０としては、具体的には熱電対が用いられ、鞘管内に収納した状態で使用される。そして、熱電対先端部の測定点１０ａが所望の温度検知位置となるように配置される。但し、温度検知デバイス１０として、熱電対に代えて、サーミスタを用いてもよい。以下の実施形態においても同様である。

温度検知デバイス１０は、その基端部側である筐体１の貫通部（固定支持部１１）にて、筐体１に固定されて支持される。
そして、温度検知デバイス１０の先端部側に対峙させて、垂下部材１２に形成された位置規制部１３が設けられる。

垂下部材１２は、燃料改質器４の底面に固定されて垂下され、燃料電池スタック２の上端部より上方に固定配置される。
位置規制部１３は、垂下部材１２の側部に横向きの切欠き溝（特にその下縁）として形 成され、燃料電池スタック２の上端部より上方に配置されて、温度検知デバイス１０の燃料電池スタック２側への移動を規制する。

従って、温度検知デバイス１０の先端部側が変形しても、位置規制部１３に当接することにより、それ以上の変形が抑制され、燃料電池スタック２に接触して、これを傷付ける恐れはなくなる。

温度検知デバイス１０の検知信号は、制御装置（図示せず）に入力される。制御装置は、燃料電池システムの起動時及び通常運転時には、温度検知デバイス１０の信号を火炎（着火）を検知するために用いる。すなわち、前記着火デバイスを用いた着火制御において、オフガス燃焼部３の温度が所定温度以上となったときに、火炎（着火）を検知する。従って、温度検知デバイス１０はオフガス燃焼部３の火炎を検知する火炎検知デバイスとして用いられる。また、燃料電池システムの通常運転時には、温度検知デバイス１０の信号を火炎温度の検出のために用いることもできる。制御装置は、この火炎温度を、オフガスの燃焼状態を把握して燃料電池システムのより安定的な運転を行うための情報の１つとして活用する。

次に本考案の第２実施形態について図３により説明する。図３は本考案の第２実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。

本実施形態では、長さの異なる２本の温度検知デバイス１０、１０’が設けられ、測定点１０ａ、１０ａ’の位置を異ならせてある。これにより、燃料電池スタック２の異なる位置の温度（火炎）を検知できる。特に、燃料電池スタック２を構成する複数の燃料電池セルが例えば２つのグループに分かれているような場合に、各グループごとにオフガス燃焼部の温度（火炎）を検知できる。

固定支持部１１は、１つで、２本の温度検知デバイス１０、１０’の基端部側を固定している。このように、２本の温度検知デバイス１０、１０’を筐体１の１つの面にまとめて取付けることで、組立性、及び、メンテナンス性を向上することができる。すなわち、組立面及びメンテナンス面が１面となり、表裏２面の場合に比べ、組立及びメンテナンスが容易となり、しかもシステムの設置の際も設置スペースの制約を受けることが少なくなる。また、１つにまとめることで、耐熱用シール費や気密管理費などのコストも低減できる。

垂下部材１２、１２’及び位置規制部１３、１３’は、２つずつ、２本の温度検知デバイス１０、１０’の先端部側に対応させて設けている。

従って、温度検知デバイス１０、１０’の先端部側が変形しても、位置規制部１３、１３’に当接することにより、それ以上の変形が抑制され、燃料電池スタック２に接触して、これを傷付ける恐れはなくなる。

特に、２本の温度検知デバイス１０、１０’を筐体１の１つの面にまとめて取付け、長さを異ならせて、異なる位置の温度（火炎）を検知する場合、長い方の温度検知デバイス１０’は先端部側の変形量が多くなるので、位置規制部１３’による位置規制は極めて有効である。逆に、短い方の温度検知デバイス１０については、位置規制部１３（垂下部材１２）を省略してもよい。

尚、図３では便宜上、２つの温度検知デバイス１０、１０’の高さを異ならせて示しているが、必ずしも高さを異ならせる必要はなく、同一高さで横方向（紙面の奥行き方向）に並べてもよい。

次に本考案の第３実施形態について図４及び図５により説明する。図４は本考案の第３実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図５は同上第３実施形態の燃料電池装置の概略側面図である。

本実施形態での燃料改質器４は、平行に配置される複数（本例では３つ）の円筒型改質器により構成される。この場合、燃料が並列に流れるように接続してもよいし、折り返して直列に流れるように接続してもよい。

本実施形態の温度検知デバイス１０は、１本で、複数（本例では３つ）の測定点１０ａを持っている。具体的には、長さの異なる３本の熱電対を１本の鞘管に収納して一体化している。

温度検知デバイス１０は、その基端部側である筐体１の貫通部（固定支持部１１）にて、筐体１に固定されて支持される。
そして、温度検知デバイス１０の先端部側の２箇所に対峙させて、垂下部材１４、１４’に形成された位置規制部１５、１５’が設けられる。

垂下部材１４、１４’は、筐体１の上壁面（天板）に固定されて垂下され、燃料電池スタック２の上端部より上方に固定配置される。
位置規制部１５、１５’は、垂下部材１４、１４’に貫通孔（詳しくは貫通孔の下縁）として形成され、燃料電池スタック２の上端部より上方に配置されて、温度検知デバイス１０の燃料電池スタック２側への移動を規制する。尚、位置規制部１５、１５’を構成する貫通孔は真円ではなく、位置規制側（下縁）を直線部として略半円状に形成することで、より正確な位置規制を可能としている。尚、貫通孔は、温度検知デバイス１０の挿入に支障がない程度であれば、多角形であってもよい。

従って、温度検知デバイス１０の先端部側が変形しても、位置規制部（貫通孔の下縁）１５、１５’に当接することにより、それ以上の変形が抑制され、燃料電池スタック２に接触して、これを傷付ける恐れはなくなる。

特に、本実施形態の温度検知デバイス１０のように、１本で複数の測定点１０ａを持つ場合、温度検知デバイス１０が長くなって先端側の変形量が多くなるので、位置規制部１５、１５’（垂下部材１４、１４’）による位置規制は極めて有効である。但し、片持部から近い方の測定点に対応する位置規制部１５（垂下部材１４）については省略してもよい。

次に本考案の第４実施形態について図６及び図７により説明する。図６は本考案の第４実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図７は同上第４実施形態の燃料電池装置の概略側面図である。

本実施形態の燃料改質器４は、平行に配置される複数（本例では２つ）の円筒型改質器により構成される。この場合も、燃料が並列に流れるように接続してもよいし、折り返して直列に流れるように接続してもよい。

本実施形態では、燃料電池スタック２への酸化剤の供給のため、酸化剤供給部材１６が用いられる。尚、図６では酸化剤供給部材１６を断面で示している。図７では酸化剤供給部材１６をその手前側にあるセルを省略して示している。

酸化剤供給部材１６は、上面が開口し垂直な扁平面を有する矩形の容器で、筐体１の上壁面に予め形成されたスリットより筐体１内に挿入され、上端の開口部１７は筐体１外の酸化剤の供給源に接続され、酸化剤の導入口をなす。

そして、扁平な矩形の容器の下端側は、燃料電池スタック２を構成する複数の燃料電池セルを２つのグループに分断するように、燃料電池スタック２の内部に配置されている。
そして、扁平な容器の底部近傍の両側面に複数の酸化剤噴出口１８が形成され、両側面の酸化剤噴出口１８より各グループの燃料電池セルに酸化剤を供給するように構成されている。

従って、酸化剤は、酸化剤導入口１７より酸化剤供給部材１６の内部に流入し、酸化剤噴出口１８から噴出して、燃料電池スタック２のカソードに供給される。
尚、排気通路７は、筐体１の底面側に形成され、この排気出口７へ排気を案内するため、筐体１内に流路壁１９が形成されている。

本実施形態での温度検知デバイス１０は、１本で、複数（本例では２つ）の測定点１０ａを持っている。具体的には、長さの異なる２本の熱電対を１本の鞘管に収納して一体化している。

温度検知デバイス１０は、その基端部側である筐体１の貫通部（固定支持部１１）にて、筐体１に固定されて支持される。
そして、温度検知デバイス１０の先端部側に対峙させて、酸化剤供給部材１６に形成された位置規制部２０が設けられる。

位置規制部２０は、酸化剤供給部材１６に貫通孔（詳しくは貫通孔の下縁）として形成され、燃料電池スタック２の上端部より上方に配置されて、温度検知デバイス１０の燃料電池スタック２側への移動を規制する。

従って、温度検知デバイス１０の先端部側が変形しても、位置規制部（貫通孔の下縁）２０に当接することにより、それ以上の変形が抑制され、燃料電池スタック２に接触して、これを傷付ける恐れはなくなる。

また、本実施形態のような構成であれば、酸化剤供給部材１６によってオフガス燃焼部３が分断される場合でも、分断された各オフガス燃焼部の温度（火炎）を確実に検知することができる。

尚、酸化剤供給部材１６に設ける貫通孔は、オフガス燃焼部３の範囲内であれば、酸化剤供給部材１６の長手方向のいずれに設けてもよい。

次に本考案の第５実施形態について図８及び図９により説明する。図８は本考案の第５実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図、図９は同上第５実施形態の燃料電池装置の概略側面図である。

本実施形態の温度検知デバイス１０は、１本で、複数（本例では２つ）の測定点１０ａを持っている。具体的には、長さの異なる２本の熱電対を１本の鞘管に収納して一体化している。

温度検知デバイス１０は、その基端部側である筐体１の貫通部（固定支持部１１）にて、筐体１に固定されて支持される。
そして、温度検知デバイス１０の先端部側に対峙させて、立設部材２１に形成された位置規制部２２が設けられる。

立設部材２１は、燃料電池スタック２を構成する燃料電池セル間に設けられて燃料電池スタック２の上端部より上方へ突出する。この立設部材２１は、燃料電池スタック２の台座５に固定してもよいし、筐体１の底壁面（底板）に固定してもよい。
位置規制部２２は、立設部材２１の上端部に窪み部（窪み状の受け部）として形成され、燃料電池スタック２の上端部より上方に配置されて、温度検知デバイス１０の燃料電池スタック２側への移動を規制する。

従って、温度検知デバイス１０の先端部側が変形しても、位置規制部（受け部）２２に当接することにより、それ以上の変形が抑制され、燃料電池スタック２に接触して、これを傷付ける恐れはなくなる。

次に本考案の第６実施形態について図１０により説明する。図１０は本考案の第６実施形態を示す燃料電池装置の概略正面図である。

本実施形態では、温度検知デバイス１０の先端部側に対峙させて、立設部材２３に形成された位置規制部２４が設けられる。

本実施形態の立設部材２３は、断熱材又はセラミック含有部材であり、燃料電池スタック２を構成する燃料電池セル間に設けられて燃料電池スタック２の上端部より上方へ突出する。この立設部材２３も、燃料電池スタック２の台座５に固定してもよいし、筐体１の底壁面（底板）に固定してもよい。

位置規制部２４は、前述の第５実施形態と同様、立設部材２３の上端部に窪み部（窪み状の受け部）として形成され、燃料電池スタック２の上端部より上方に配置されて、温度検知デバイス１０の燃料電池スタック２側への移動を規制する。

従って、温度検知デバイス１０の先端部側が変形しても、位置規制部（受け部）２４に当接することにより、それ以上の変形が抑制され、燃料電池スタック２に接触して、これを傷付ける恐れはなくなる。

尚、上記の実施形態では、水素含有燃料として炭化水素系燃料を用い、燃料改質器４により、水素リッチな改質燃料に改質して、燃料電池スタック２のアノードに供給する構成としたが、水素含有燃料として、有機ハイドライドを用い、燃料改質器４を脱水素反応型に代え、有機ハイドライドの脱水素反応によって生じる水素リッチガスを燃料電池スタック２のアノードに供給してもよい。また、水素含有燃料として、純水素を用いることも可能である。この場合には、燃料改質器４を省略し、筐体１外の水素タンクなどから燃料電池スタック２のアノードに水素含有燃料を直接供給することができる。

また、上述の実施形態では、燃料改質器４として、箱型容器又は円筒型容器いずれかを用いた形態を例示したが、これに限らず、例えば多角柱状容器であってもよい。そして、第１〜第６実施形態において、任意の形状の燃料改質器を選択することができる。

また、第３〜第６実施形態においては、１本の温度検知デバイス１０が複数の測定点１０ａを備える形態を示したが、測定点１０ａは１つであってもよい。
また、図示の実施形態はあくまで本考案を例示するものであり、本考案は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 筐体
２ 燃料電池スタック（複数の燃料電池セルの集合体）
３ オフガス燃焼部
４ 燃料改質器
５ 台座（燃料分配部）
６ 酸化剤導入口
７ 排気出口
１０、１０’ 温度検知デバイス
１０ａ、１０ａ’ 測定点
１１ 固定支持部
１２、１２’ 垂下部材
１３、１３’ 位置規制部
１４、１４’ 垂下部材
１５、１５’ 位置規制部（貫通孔）
１６ 酸化剤供給部材
１７ 酸化剤導入口
１８ 酸化剤噴出口
１９ 流路壁
２０ 位置規制部（貫通孔）
２１ 立設部材
２２ 位置規制部
２３ 立設部材（断熱材又はセラミック含有部材）
２４ 位置規制部

Claims (10)

1. 水素含有燃料と酸化剤とを反応させて発電を行う複数の燃料電池セルと、
   前記燃料電池セルの上端部から排出されるオフガスを燃焼させて前記燃料電池セルを高温状態に維持するオフガス燃焼部と、
   前記燃料電池セル及び前記オフガス燃焼部を内包する筐体と、
   前記筐体を貫通して前記オフガス燃焼部に臨み、前記オフガス燃焼部の温度を検知する温度検知デバイスと、
   を備える、燃料電池装置であって、
   前記温度検知デバイスは、その基端部側である前記筐体の貫通部にて前記筐体に固定される一方、前記温度検知デバイスの先端部側に対峙させて位置規制部が設けられ、
   前記位置規制部は、前記燃料電池セルの上端部より上方に配置されて前記温度検知デバイスの前記燃料電池セル側への移動を規制することを特徴とする、燃料電池装置。
2. 前記燃料電池セルの上端部より上方に固定配置される垂下部材を備え、前記位置規制部部は前記垂下部材に設けられることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記垂下部材は、前記筐体の上壁面に固定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。
4. 前記垂下部材は、前記燃料電池セルに酸化剤を供給する酸化剤供給部材であることを特徴とする、請求項３記載の燃料電池装置。
5. 前記筐体内の前記オフガス燃焼部の上方に配置され、前記水素含有燃料を改質して前記燃料電池セルに供給する燃料改質器を備え、
   前記垂下部材は、前記燃料改質器に固定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。
6. 前記位置規制部は、前記温度検知デバイスを貫通させて位置規制する貫通孔であることを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
7. 前記燃料電池セル間に設けられて前記燃料電池セルの上端部より上方へ突出する立設部材を備え、
   前記位置規制部は、前記立設部材に設けられることを特徴とする、請求項１記載の燃料電池装置。
8. 前記立設部材は、断熱材であることを特徴とする、請求項７記載の燃料電池装置。
9. 前記立設部材は、セラミック含有部材であることを特徴とする、請求項７記載の燃料電池装置。
10. 前記温度検知デバイスは、前記オフガス燃焼部での火炎を検知する火炎検知デバイスとして用いられることを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載の燃料電池装置。