JP6439540B2 - 燃料利用率センサ及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、検出用燃料電池を備えた燃料利用率センサ及び燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいては、水素ガス等のアノードガスが、燃料電池のアノード（燃料極）に供給され、空気等のカソードガスが、燃料電池のカソード（空気極）に供給される。そして、燃料電池は、供給されたアノードガス及びカソードガスを使用して発電する。燃料電池に供給されたアノードガスは、燃料電池で発電に使用された後、アノードオフガスラインを介して、燃料電池から排出される。また、燃料電池に供給されたカソードガスは、燃料電池で発電に使用された後、カソードオフガスラインを介して、燃料電池から排出される。

このような燃料電池システムにおいて、アノードオフガスラインやカソードオフガスラインに検出用燃料電池を配置し、燃料電池から排出されるアノードオフガスやカソードオフガスを検知する技術が知られている（特許文献１参照。）。

特許第３６６４９２５号公報

ところで、燃料電池システムにおいて、燃料電池が安定して発電を行うためには、適量のアノードガス及びカソードガスが燃料電池に供給される必要がある。そして、適量のアノードガス及びカソードガスが燃料電池に供給されている場合、燃料電池のアノードオフガスラインには、適量のアノードオフガスが排出され、カソードオフガスラインには、適量のカソードオフガスが排出される。そのため、燃料電池システムにおいては、アノードオフガスラインにおけるアノードオフガスが適量か否かを検知したり、カソードオフガスラインにおけるカソードオフガスが適量か否かを検知したりすれば、燃料電池が安定して発電しているか否かを知ることができる。

しかし、特許文献１に記載された上記技術は、アノードオフガスやカソードオフガスを検知する技術ではあるものの、アノードオフガスラインにおけるカソードオフガスの漏れと、カソードオフガスラインにおけるアノードオフガスの漏れと、を検知するための技術である。そのため、上記技術は、アノードオフガスラインにおけるアノードオフガスが適量か否かを検知することはできないし、カソードオフガスラインにおけるカソードオフガスが適量か否かを検知することもできない。また、特許文献１に記載された上記技術においては、アノードオフガスラインやカソードオフガスラインの他に、２本の参照ラインを配置する必要があるため、燃料電池システムの構成が複雑になる。

また、アノードオフガスラインにおけるアノードオフガスや、カソードオフガスラインにおけるカソードオフガスは、高温である。このため、アノードオフガスが適量か否かを検知したり、カソードオフガスラインにおけるカソードオフガスが適量か否かを検知したりするための装置には、高い耐熱性が要求され、且つ、当該装置の部分から大気へアノードオフガスや、カソードオフガスが漏れないようにするための、高温におけるシール性が要求される。

本発明は、耐熱性及び高温におけるシール性を有する簡単な構成で、オフガスラインにおけるオフガスが適量か否かを判断することができる燃料利用率センサ及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、第１の燃料電池と、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池からのアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、前記アノードオフガスラインから分岐されて延出するアノードオフガス検出ラインと、を備える燃料電池システムにおける、前記アノードオフガス検出ラインに接続される、燃料利用率センサであって、第２の燃料電池と、一端部に開口部を有し、前記開口部が塞がれるように前記一端部に前記第２の燃料電池が載置され、前記第２の燃料電池のアノードと電気的に接続される管部材と、前記管部材に電気的に接続され導電性を有する保持部材であって、前記管部材の一端部と保持部材とで前記第２の燃料電池を保持する保持部材と、一端部が前記管部材の一端部に係合し、他端部が前記保持部材に係合し、前記管部材及び前記保持部材よりも低い熱膨張係数を有する材料により構成された連結部材と、を備え、前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通するアノードオフガスに接触し、前記管部材は、管内壁及び管外壁を備える筒状を有し、前記管内壁により、大気に連通する管内空間が形成される燃料利用率センサに関する。

また、前記連結部材は、タングステンにより構成されていることが好ましい。また、前記管部材及び前記保持部材は、ステンレス鋼により構成されていることが好ましい。

また、前記連結部材の一端部は、一端部フランジ部を有し、前記連結部材の他端部は、他端部フランジ部を有し、前記一端部フランジ部は、前記管部材の前記一端部に係合し、前記他端部フランジ部は、前記保持部材に係合することが好ましい。

また、本発明は、第１の燃料電池と、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池からのアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、前記アノードオフガスラインから分岐されて延出するアノードオフガス検出ラインと、前記アノードオフガス検出ラインに接続される、上記燃料利用率センサと、を備える燃料電池システムに関する。

本発明は、耐熱性及び高温におけるシール性を有する簡単な構成で、オフガスラインにおけるオフガスが適量か否かを判断することができる燃料利用率センサ及び燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。 本発明の実施形態による燃料利用率センサ４０を示す拡大断面図である。 本発明の実施形態による燃料利用率センサ４０の安全装置４８を示す要部拡大断面図である。 本発明の実施形態による燃料利用率センサ４０を示す要部拡大断面図である。 本発明の実施形態による燃料利用率センサ４０を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。図２は、本発明の実施形態による燃料利用率センサ４０を示す拡大断面図である。図３は、本発明の実施形態による燃料利用率センサ４０の安全装置４８を示す要部拡大断面図である。図４は、本発明の実施形態による燃料利用率センサ４０を示す要部拡大断面図である。図５は、本発明の実施形態による燃料利用率センサ４０を示す平面図である。
以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、第１の燃料電池としての燃料電池１１と、電圧計１３と、制御部１４と、改質器１５と、燃焼器１６と、燃料ガス供給部２１と、改質水供給部２２と、空気供給部２３と、燃料利用率センサ４０と、を有する。

また、燃料電池システム１は、アノードガス供給ラインＬ１と、カソードガス供給ラインＬ２と、アノードオフガスラインＬ３と、アノードオフガス検出ラインＬ４と、カソードオフガスラインＬ５と、大気開放ラインＬ６と、燃料ガス供給ラインＬ７と、改質水供給ラインＬ８と、排ガスラインＬ９と、を有する。

アノードガス供給ラインＬ１の一端部は、改質器１５に接続されている。アノードガス供給ラインＬ１の他端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードガス供給ラインＬ１には、改質器１５において生成された水素や一酸化炭素、未反応のメタン、未利用の水蒸気等のアノードガスＧ１が流通する。

カソードガス供給ラインＬ２の一端部は、ブロワ（図示しない）やフィルタ（図示しない）等で構成された空気供給部２３に接続されている。カソードガス供給ラインＬ２の他端部は、燃料電池１１に接続されている。カソードガス供給ラインＬ２には、空気供給部２３から供給された空気等のカソードガスＧ２が流通する。

アノードオフガスラインＬ３の一端部は、燃料電池１１に接続されている。アノードオフガスラインＬ３の他端部は、燃焼器１６に接続されている。アノードオフガスラインＬ３の途中には、分岐部Ｊ１としての穴が設けられている。分岐部Ｊ１には、筒状のアノードオフガス検出ラインＬ４の一端部の開口が、この穴と連通するように、アノードオフガスラインＬ３に接続されている。アノードオフガス検出ラインＬ４は、アノードオフガスラインＬ３から分岐されて下方へ延出している。

アノードオフガス検出ラインＬ４の他端部（下端部）である延出端部の外周面には、図２及び図３に示すように、雄ネジ４９が設けられている。アノードオフガス検出ラインＬ４の他端部である延出端部の開口は、燃料利用率センサ４０を構成するキャップ４７及び蓋体４６により塞がれている。アノードオフガスラインＬ３、アノードオフガス検出ラインＬ４は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）又はセラミックチューブなどからなるもので形成されている。このうち、強度の点において、アノードオフガスラインＬ３、アノードオフガス検出ラインＬ４は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）で形成されることが好ましい。

図２に示すように、アノードオフガス検出ラインＬ４の途中には、断熱材５１が設けられている。断熱材５１は、アノードオフガス検出ラインＬ４の外周を取り囲むように設けられている。これにより、アノードオフガス検出ラインＬ４、燃料利用率センサ４０を構成する管部材４２は、断熱材５１を境に、アノードオフガス検出ラインＬ４、及び、管部材４２の一端側の高温領域Ｈと、アノードオフガス検出ラインＬ４、及び、管部材４２の他端側の常温領域Ｌとに分けられている。アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４には、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３が流通する。

図１に示すように、カソードオフガスラインＬ５の一端部は、燃料電池１１に接続されている。カソードオフガスラインＬ５の他端部は、燃焼器１６に接続されている。カソードオフガスラインＬ５には、燃料電池１１から排出されるカソードオフガスＧ４が流通する。

図２に示すように、大気開放ラインＬ６の一端部は、燃料利用率センサ４０を構成する蓋体４６の貫通孔４６３に接続されている。大気開放ラインＬ６の他端部は、大気開放されている。大気開放ラインＬ６には、大気Ａ１が流通する。大気開放ラインＬ６は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）又はセラミックチューブなどからなるもので形成されている。このうち、強度の点において、大気開放ラインＬ６は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）で形成されることが好ましい。

図１に示すように、燃料ガス供給ラインＬ７の一端部は、都市ガス等の燃料ガスＧ５を供給可能な燃料ガス供給部２１に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ７の他端部は、改質器１５に接続されている。燃料ガス供給ラインＬ７には、燃料ガス供給部２１から供給された燃料ガスＧ５が流通する。

改質水供給ラインＬ８の一端部は、改質水（水蒸気）Ｗ１を供給可能な改質水供給部２２に接続されている。改質水供給ラインＬ８の他端部は、改質器１５に接続されている。改質水供給ラインＬ８には、改質水供給部２２から供給された改質水（水蒸気）Ｗ１が流通する。

排ガスラインＬ９の一端部は、燃焼器１６に接続されている。排ガスラインＬ９の他端部は、熱交換器等（図示せず）に接続されている。排ガスラインＬ９には、燃焼器１６から排出される排ガスＧ６が流通する。

燃料電池１１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）である。燃料電池１１は、複数の燃料電池セルが積層配置されて、燃料電池スタックとされたものである。燃料電池１１は、改質器１５から供給されたアノードガスＧ１及び空気供給部２３から供給されたカソードガスＧ２を使用して発電する。より具体的には、燃料電池１１は、アノードガスＧ１に含まれる水素及びカソードガスＧ２に含まれる酸素を使用して発電する。

図２〜図５に示すように、燃料利用率センサ４０は、第２の燃料電池としての検出用燃料電池４１と、管部材４２と、保持部材４３と、連結部材４４と、蓋体４６と、キャップ４７と、安全装置４８とを有している。燃料利用率センサ４０は、アノードオフガス検出ラインＬ４に接続され、アノードオフガスラインＬ３の下方に配置されている。

蓋体４６は、ゴム製であり、弾性変形可能である。図３に示すように、蓋体４６は、上部筒状部４６１と栓部４６２とを有している。上部筒状部４６１は、上方に延びる円筒状を有している。栓部４６２は、上部筒状部４６１の下端部を塞いでいる。栓部４６２には、栓部４６２を上下方向に貫通し、後述の管内空間４２１に連通する貫通孔４６３が形成されている。貫通孔４６３は、管内空間４２１に大気Ａ１を連通させる。

キャップ４７は、キャップ筒状部４７１と下端蓋板４７２とを有している。キャップ筒状部４７１は、上部筒状部４６１の外径よりも大きな内径を有する円筒状を有している。キャップ筒状部４７１の内周面には、雌ネジ４７３が設けられており、雌ネジ４７３は、アノードオフガス検出ラインＬ４の延出端部の外周面に設けられた雄ネジ４９に噛合っている。この噛合いにより、キャップ４７はアノードオフガス検出ラインＬ４に固定されている。また、アノードオフガス検出ラインＬ４の内周面が上部筒状部４６１の外周面に密着しているため、アノードオフガス検出ラインＬ４を流通するアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス検出ラインＬ４の外部へ流出しないようにシールされている。下端蓋板４７２は、円盤状を有している。下端蓋板４７２の中央には、キャップ貫通孔４７４が形成されている。キャップ貫通孔４７４には、蓋体４６の下部が貫通している。

管部材４２は、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）により構成されており、管部材４２の熱膨張係数は、１７．２（１０^−６／Ｋ）である。管部材４２は、管部材４２の内周面を有する管内壁４２３、及び、管部材４２の外周面を有する管外壁４２４を備える円筒状を有している。管部材４２の一端部及び他端部は、それぞれ開口部を有する。

管部材４２の他端部としての下端部の管外壁４２４は、蓋体４６の上部筒状部４６１の内周面に密着している。管部材４２の下端部と、蓋体４６の上部筒状部４６１と栓部４６２との接続部分を形成している蓋体４６の部分との間には、管下方空間４６６が形成されている。管部材４２の下端部は、電圧計１３に電気的に接続されている。管部材４２の管内壁４２３により形成される空間は、管内空間４２１を構成する。管内空間４２１は、大気開放ラインＬ６を通して大気Ａ１に連通する。管部材４２の下端部は、電極線４１８を介して電圧計１３に電気的に接続されている。

図４に示すように、管部材４２の一端部は、開口部の周囲において管部材４２の半径方向外方へ突出するフランジ部４２５を有している。フランジ部４２５の周縁部には、フランジ部４２５の周方向に等間隔で４つの切欠き４２７が形成されている。切欠き４２７は、それぞれ、フランジ部４２５の周縁からフランジ部４２５の中心へ向う方向へ切り欠かれたような形状を有しており、フランジ部４２５を上下方向へ貫通している。また、管部材４２の一端部には、開口部の周囲を取り巻くように、管部材４２の他端部へ向う方向へ窪んだ周囲凹部が形成されており、周囲凹部には、環状の板状を有するガスケット４１３が、開口部と同軸的な位置関係で、嵌め込まれている。ガスケット４１３としては、例えば、サーミキュライト（登録商標）を用いることができる。また、ガスケット４１３の中央の貫通孔には、筒状絶縁部４１６とフランジ状絶縁部４１７とを有する筒状絶縁材４１５の筒状絶縁部４１６が挿入されている。筒状絶縁材４１５は、絶縁セラミックスにより構成されており、筒状絶縁材４１５のフランジ状絶縁部４１７は、筒状絶縁部４１６の上端に一体的に接続されている。フランジ状絶縁部４１７は、ガスケット４１３の中央の貫通孔の周囲の部分に当接し、載置されている。

ガスケット４１３に当接する筒状絶縁材４１５のフランジ状絶縁部４１７の下面に対するフランジ状絶縁部４１７の上面には、ガスケット４１４の下面が当接し載置されている。ガスケット４１４は、ガスケット４１３と同一形状を有する環状の板状を有している。ガスケット４１４の上面には、検出用燃料電池４１の下面が当接して載置されている。ガスケット４１４としては、例えば、サーミキュライト（登録商標）を用いることができる。

検出用燃料電池４１は、アノードとカソードとの間に固体電解質を挟んだ一つの燃料電池セルである略円盤形状を有するボタンセルで構成されている。例えば、燃料電池セルは、燃料電池１１を構成する燃料電池セルと同じ組成のものが使用される。検出用燃料電池４１の熱膨張係数は、約１２（１０^−６／Ｋ）程度である。検出用燃料電池４１は、管部材４２の開口部が塞がれるように管部材４２の一端部に載置されている。検出用燃料電池４１の下面を構成するカソードには、電極線４１９の一端部が電気的に接続されている。電極線４１９の他端部は、電圧計１３に電気的に接続されている。また、検出用燃料電池４１のカソードは、大気開放ラインＬ６を介して大気Ａ１に接触する。検出用燃料電池４１の上面を構成するアノードは、アノードオフガス検出ラインＬ４を介してアノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に接触する。検出用燃料電池４１は、アノードに接触するアノードオフガスＧ３及びカソードに接触する大気Ａ１を使用して発電する。より具体的には、検出用燃料電池４１は、アノードオフガスＧ３に含まれる水素、及び、大気Ａ１に含まれる酸素を使用して発電する。

検出用燃料電池４１の上面を構成するアノードには、保持部材４３が当接し、載置されている。これにより、燃料電池１１の上面を構成するアノードは、保持部材４３に電気的に接続されている。保持部材４３は、導電性を有する材料、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）により構成されており、保持部材４３の熱膨張係数は、１７．２（１０^−６／Ｋ）である。保持部材４３は、略円盤形状を有しており、保持部材４３の中央には、上下方向に保持部材４３を貫通する貫通孔４３１が形成されている。保持部材４３の上面には、上方に向かって拡径するすり鉢状部４３２が形成されている。保持部材４３の周縁部には、図５に示すように、保持部材４３の周方向に等間隔で４つの切欠き４３４が形成されている。切欠き４３４は、それぞれ、保持部材４３の周縁から保持部材４３の中心へ向う方向へ切り欠かれたような形状を有しており、保持部材４３を上下方向へ貫通している。

管部材４２のフランジ部４２５と保持部材４３とは、連結部材４４によって連結されている。連結部材４４は、管部材４２及び保持部材４３よりも低い熱膨張係数を有する材料により構成されている。本実施形態では、連結部材４４は、例えば、タングステンにより構成されている。連結部材４４の熱膨張係数は、４．５（１０^−６／Ｋ）である。

連結部材４４は、切削加工により形成され、軸部４４１と一端部フランジ部４４２と他端部フランジ部４４３とを有している。軸部４４１は、円柱状を有している。常温での軸部４４１の軸方向における軸部４４１の長さは、５ｍｍ程度であり、直径は、１．０ｍｍ程度である。一端部フランジ部４４２は、軸部４４１の一端部としての上端部に一体的に接続されて当該一端部を構成している。他端部フランジ部４４３は、軸部４４１の他端部としての下端部に一体的に接続されて当該他端部を構成している。即ち、連結部材４４の一端部は、一端部フランジ部４４２を有しており、連結部材４４の他端部は、他端部フランジ部４４３を有している。常温での一端部フランジ部４４２、他端部フランジ部４４３の直径は、それぞれ２．０ｍｍ程度であり、軸部４４１の軸方向における一端部フランジ部４４２、他端部フランジ部４４３の厚さは、それぞれ１ｍｍ程度である。また、常温での軸部４４１の軸方向における連結部材４４の長さは、７ｍｍ程度である。

軸部４４１は、保持部材４３の切欠き４３４と、フランジ部４２５の切欠き４２７とにそれぞれ嵌め込まれる。一端部フランジ部４４２は、保持部材４３の上面に当接する。また、他端部フランジ部４４３は、管部材４２のフランジ部４２５の下面に当接する。これにより、一端部フランジ部４４２は、保持部材４３に係合し、他端部フランジ部４４３は、管部材４２の一端部のフランジ部４２５に係合し、管部材４２の一端部と保持部材４３とで、第２の燃料電池としての検出用燃料電池４１を挟持するようにして保持する。また、保持部材４３は、連結部材４４を介して、管部材４２に電気的に接続されている。このため、検出用燃料電池４１の上面を構成するアノードは、保持部材４３、連結部材４４、及び、管部材４２を介して、電圧計１３に電気的に接続されている。

図２に示すように、安全装置４８は、常温領域Ｌに位置している管部材４２の管内壁４２３に存在している。安全装置４８は、溶融部材４８１と、落下部材４８２と、受止部材４８３とを有している。溶融部材４８１は、管部材４２の常温領域Ｌの管内壁４２３（管部材４２の内周面）に設けられている。溶融部材４８１は、管内壁４２３から突出しているが、管部材４２を一周するようには設けられておらず、管部材４２の直径位置において対をなして設けられている。溶融部材４８１は、例えば、ロウ材や、ガラス材により構成され、例えば１００〜７００℃程度の融点（軟化点）を有する。溶融部材４８１は、検出用燃料電池４１が破損した場合に、管内空間４２１にアノードオフガスＧ３が流入することで溶融する。

落下部材４８２は、管部材４２の内径よりも径の小さい球形を有している。図３に示すように、落下部材４８２は、直径方向に延びる貫通孔４８５を有している。貫通孔４８５には、電極線４１９が貫通している。落下部材４８２は、溶融部材４８１の上方側に、溶融部材４８１に当接して載置される。落下部材４８２は、アノードオフガスＧ３の熱により溶融されない材料、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３１０）により形成される。落下部材４８２は、溶融部材４８１が溶融することで管内空間４２１を落下する。受止部材４８３は、溶融部材４８１の下方側に存在しており、管部材４２の内径が縮径するように、管部材４２の内方へ突出している。受止部材４８３は、管部材４２と一体成形されて構成されている。受止部材４８３は、管内壁４２３の周方向に沿って全周にわたって形成されている。

受止部材４８３は、溶融部材４８１が溶融することにより落下部材４８２が落下した場合に、上方側から落下する溶融部材４８１及び落下部材４８２を受け止める。これにより、落下部材４８２は、受止部材４８３との間に隙間がない状態で、且つ、貫通孔４８５が溶融部材４８１により塞がれた状態で、受止部材４８３の全周にわたって当接する。そして、管内空間４２１は、受止部材４８３、溶融部材４８１、及び落下部材４８２によって塞がれ、受止部材４８３は、落下した落下部材４８２と共に管内空間４２１の大気Ａ１への連通を遮断する。

電圧計１３は、前述のように検出用燃料電池４１のカソード及びアノードに電気的に接続されており、検出用燃料電池４１で発生した電圧を検出値Ｖ１として検出する。電圧計１３は、制御部１４に電気的に接続されており、検出値Ｖ１を制御部１４に出力する。
制御部１４は、燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１に電気的に接続されている。制御部１４は、電圧計１３から出力された検出値Ｖ１に基づいて、制御信号を生成し、この制御信号を燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１に出力する。

燃料ガス供給部２１は、燃料ガス供給ラインＬ７に都市ガス等の燃料ガスＧ５を供給する。また、燃料ガス供給部２１は、制御部１４から出力される制御信号に応じて、燃料ガス供給ラインＬ７に供給する燃料ガスＧ５の量を調整することが可能な構成となっている。例えば、燃料ガス供給部２１は、制御信号に基づいて燃料ガスＧ５の流量を調整することができる流量調整弁等を含んで構成される。
また、燃料電池１１は、制御部１４から出力される制御信号に応じて、発電量を調整することが可能な構成を有している。

改質器１５は、図示しない熱交換器を有している。改質器１５は、熱交換器によって発生した８００℃程度の高温において、燃料ガス供給部２１から供給された燃料ガスＧ５と、改質水供給部２２から供給された改質水（水蒸気）Ｗ１とから、アノードガスＧ１を生成する。このアノードガスＧ１は、燃料電池１１に供給される。
燃焼器１６は、燃料電池１１から排出されるアノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４を燃焼させて、排ガスＧ６として排ガスラインＬ９に排出する。

本実施形態による燃料電池システム１は、以下のように動作する。
燃料電池システム１が起動されると、燃料ガスＧ５は、燃料ガス供給部２１から燃料ガス供給ラインＬ７を介して改質器１５に供給される。また、改質水Ｗ１は、改質水供給部２２から改質水供給ラインＬ８を介して改質器１５に供給される。改質器１５は、燃料ガスＧ５と改質水Ｗ１とから、アノードガスＧ１を生成し、アノードガス供給ラインＬ１を介して、このアノードガスＧ１を燃料電池１１に供給する。空気供給部２３は、カソードガス供給ラインＬ２を介して、カソードガスＧ２を燃料電池１１に供給する。

燃料電池１１は、アノードガスＧ１及びカソードガスＧ２を使用して発電する。発電に使用されなかったアノードガスＧ１は、アノードオフガスＧ３として燃料電池１１からアノードオフガスラインＬ３に排出される。発電に使用されなかったカソードガスＧ２は、カソードオフガスＧ４として燃料電池１１からカソードオフガスラインＬ５に排出される。
アノードオフガスＧ３及びカソードオフガスＧ４は、燃焼器１６で燃焼し、排ガスＧ６として排ガスラインＬ９に排出される。

アノードオフガスラインＬ３に排出されたアノードオフガスＧ３は、アノードオフガス検出ラインＬ４を介して検出用燃料電池４１のアノードに接触する。一方、大気開放ラインＬ６を介して、大気Ａ１が検出用燃料電池４１のカソードに接触する。これにより、検出用燃料電池４１は、アノードオフガスＧ３及び大気Ａ１を使用して発電する。

アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４に流通する、燃料電池１１から排出されたアノードオフガスＧ３の温度は、８００℃程度の高温である。このため、燃料利用率センサ４０の管部材４２のフランジ部４２５、保持部材４３等は、それぞれ熱膨張する。この際、ステンレス鋼よりも熱膨張率の小さいタングステンにより構成されている連結部材４４は、フランジ部４２５及び保持部材４３よりも熱膨張が小さい。

具体的には、図４の上下方向における、フランジ部４２５、保持部材４３の厚さ（図４の長さＡからガスケット４１３、４１４、検出用燃料電池４１、及び、フランジ状絶縁部４１７の厚さを差し引いた厚さ）は、常温では、１．８ｍｍであるが、８００℃では１．８２５ｍｍであり、上下方向に０．０２５ｍｍも膨張している。これに対して、連結部材４４においては、常温から８００℃に温度変化した際の膨張は、遙かに小さい。

実際には、図４に示すように、保持部材４３の上面からフランジ部４２５の下面までの長さＡは、常温では、５．１５ｍｍであるが、８００℃では、５．１１４ｍｍである。常温における長さよりも８００℃における長さの方が短いのは、ガスケット４１３、４１４が８００℃に加熱されたときに、収縮するためである。これに対して、図４に示す、軸部４４１の上端から下端までの長さＢは、常温では、５．０ｍｍであるが、８００℃では、５．０１７ｍｍである。このように収縮する部材を間に挟む構成とした場合であっても、連結部材４４の熱膨張率が管部材４２のフランジ部４２５及び保持部材４３の熱膨張率よりも十分小さいため、フランジ部４２５及び保持部材４３は、フランジ部４２５と保持部材４３との間に配置された検出用燃料電池４１を十分に強く挟んでいる。この結果、管部材４２のフランジ部４２５、ガスケット４１３、筒状絶縁材４１５、ガスケット４１４、検出用燃料電池４１、保持部材４３のそれぞれの間のシール性は、十分に維持される。これにより、アノードオフガスラインＬ３、アノードオフガス検出ラインＬ４を流通するアノードオフガスＧ３が、管内空間４２１へ流出することを防止する。

電圧計１３は、検出用燃料電池４１で発生した電圧の値を検出値Ｖ１として検出し、この検出値Ｖ１を制御部１４に出力する。制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回る値であるか、所定の範囲を上回る値であるか、あるいは、所定の範囲に収まる値であるか、を判断する。ここで、所定の範囲とは、燃料電池システム１が正常に動作している状態（以下、正常な状態ということがある。）において、検出用燃料電池４１から発生する電圧の値が、取り得る範囲のことである。所定の範囲は、例えば、以下のように決定される。燃料電池システム１が所定の状態であることを、作業者が確認した上で、検出用燃料電池４１で発生する電圧の値を測定する。そして、この電圧の値に許容誤差等のマージンが加味されて、所定の範囲は決定される。なお、所定の状態としては、例えば、燃料電池１１が発電する前の初期状態等のアノードオフガスＧ３の量及びカソードオフガスＧ４の量が既知の状態が考えられる。
所定の範囲の決定は、燃料電池システム１が起動されるたびに、毎回行われるようにしてもよい。

検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であると制御部１４が判断した場合、制御部１４は、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、燃料ガス供給部２１は、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増やすように制御されるため、改質器１５に供給される燃料ガスＧ５は増加する。

制御部１４が、このような制御信号を出力する理由は以下の通りである。検出値Ｖ１が所定の範囲を下回るということは、検出用燃料電池４１のアノードに接触するアノードオフガスＧ３の水素濃度が、正常な状態におけるアノードオフガスＧ３の水素濃度に比べて低いということを意味する。また、アノードオフガスＧ３の水素濃度が、正常な状態における水素濃度に比べて低いということは、アノードオフガスＧ３の量が、正常な状態における量に比べて少ないということを意味し、すなわち、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が不足していることを意味する。そして、アノードガスＧ１の供給量は、改質器１５への燃料ガスＧ５の供給量によって決まる。よって、制御部１４は、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量を増加させるために、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を増加させるための制御信号を出力する。

同様の理由により、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合には、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を減少させるための制御信号を出力する。
また、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値であると判断した場合には、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。
なお、燃料電池システム１の起動時においては、制御部１４は、燃料ガス供給部２１に対して所定の初期制御信号を出力する。燃料ガス供給部２１は、この所定の初期制御信号に基づいた量の燃料ガスＧ５を改質器１５に供給する。

燃料電池システム１において、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が不足していると、燃料電池１１のスタックが破損することがある。そのため、燃料電池システム１において、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回った場合、改質器１５に対する燃料ガスＧ５の供給量を増加させる必要がある。
一方、燃料電池１１へのアノードガスＧ１の供給量が過剰になっても、燃料電池１１は、必ずしも破損しない。そのため、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合に、燃料ガス供給部２１に対して、改質器１５に供給する燃料ガスＧ５の量を現在の状態に維持させるための制御信号を出力してもよい。

そのため、所定の範囲は、上限を有さず、下限のみを有する範囲とされてもよい。上述したように、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値である場合及び検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値である場合において、制御部１４は、同じ制御（燃料ガス供給部２１に対して、現在の状態に維持させる制御）を行うことがあるからである。
例えば、所定の範囲は、０．９Ｖ以上である範囲に設定されてもよい。このように所定の範囲が設定された場合、制御部１４は、所定の範囲を下回る値（すなわち、所定の範囲外の値）であるか、所定の範囲に収まる値（すなわち、所定の範囲内の値）であるかを判断し、制御信号を出力することになる。
表１は、所定の範囲が０．９Ｖ以上である範囲に設定された場合における制御部１４の動作を例示した表である。

さらに、制御部１４は、燃料電池１１に対しても、制御信号を出力する。制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を下回る値であると判断した場合、燃料電池１１に対して、燃料電池１１の出力を低下させるための制御信号を出力する。この制御信号によって、燃料電池１１は、発電量が減少するように制御されるため、燃料電池１１の発電量は減少する。検出値Ｖ１が所定の範囲を下回るということは、燃料電池１１が、アノードガスＧ１の供給量に対して、過剰な発電量で発電していることを意味する。よって、制御部１４は、燃料電池１１の発電量を減少させるために、燃料電池１１に対して、燃料電池１１の出力を低下させるための制御信号を出力する。

そして、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると制御部１４が判断した場合、及び、検出値Ｖ１が所定の範囲に収まる値であると制御部１４が判断した場合においては、制御部１４は、燃料電池１１に対して、現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。検出値Ｖ１が所定の範囲を上回るということは、燃料電池１１が、アノードガスＧ１の供給量に対して、不足する発電量で発電していることを意味する。しかし、燃料電池１１の発電量が不足していても、燃料電池１１は、必ずしも破損しない。よって、制御部１４は、検出値Ｖ１が所定の範囲を上回る値であると判断した場合、燃料電池１１に対して、現在の状態に維持させるための制御信号を出力する。

なお、制御部１４は、燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１の両方に制御信号を出力してもよいし、燃料ガス供給部２１及び燃料電池１１のいずれか一方に制御信号を出力してもよい。

上記構成の実施形態に係る燃料利用率センサ及び燃料電池システム１によれば、以下のような効果を得ることができる。
上述のように、第１の燃料電池としての燃料電池１１と、燃料電池１１に接続され、燃料電池１１からのアノードオフガスＧ３が流通するアノードオフガスラインＬ３と、アノードオフガスラインＬ３から分岐されて延出するアノードオフガス検出ラインＬ４と、を備える燃料電池システム１における、アノードオフガス検出ラインＬ４に接続される、燃料利用率センサ４０は、第２の燃料電池としての検出用燃料電池４１と、一端部に開口部を有し、開口部が塞がれるように一端部に検出用燃料電池４１が載置され、検出用燃料電池４１のアノードと電気的に接続される管部材４２と、管部材４２に電気的に接続され導電性を有する保持部材４３であって、管部材４２の一端部と保持部材４３とで検出用燃料電池４１を保持する保持部材４３と、一端部が管部材４２の一端部に係合し、他端部が保持部材４３に係合し、管部材４２及び保持部材４３よりも低い熱膨張係数を有する材料により構成された連結部材４４と、を備える。
検出用燃料電池４１のアノードは、直接又はアノードオフガス検出ラインＬ４を介して、アノードオフガス検出ラインＬ４を流通するアノードオフガスＧ３に接触する。
管部材４２は、管内壁４２３及び管外壁４２４を備える筒状を有し、管内壁４２３により、大気に連通する管内空間４２１が形成される。

この構成により、アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４に流通する、燃料電池１１から排出された高温のアノードオフガスＧ３により、燃料利用率センサ４０の管部材４２のフランジ部４２５と保持部材４３とが、熱膨張した場合に、管部材４２のフランジ部４２５及び保持部材４３よりも熱膨張が小さい連結部材４４により、管部材４２のフランジ部４２５と保持部材４３とで、検出用燃料電池４１を適切な強度で挟み続け、保持し続けることが可能となる。このため、管部材４２のフランジ部４２５と保持部材４３との間にガスケット４１３、４１４のような、高温で収縮する部材が介在する場合であっても、燃料利用率センサ４０が耐熱性を有し、且つ、アノードオフガスラインＬ３及びアノードオフガス検出ラインＬ４の内部の空間に対する、管内空間４２１の気密性（シール性）を高めた状態を維持することができ、アノードオフガスＧ３が管内空間４２１へ流出することを防止することができる。
また、アノードオフガスＧ３と大気中の酸素とを用いて簡単な構成により検出用燃料電池４１において電圧を発生させることができる。これにより、検出用燃料電池４１において発生する電圧を検出することにより、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３の量が適量か否かを判断することができる。

また、連結部材４４は、タングステンにより構成されている。この構成により、連結部材４４を、熱膨張率が極めて小さい構成とすることができる。

また、管部材４２及び保持部材４３は、ステンレス鋼により構成されている。この構成により、連結部材４４の熱膨張率と、管部材４２及び保持部材４３の熱膨張率と、の差を大きい構成とすることができる。この結果、アノードオフガスＧ３が管内空間４２１へ流出することを、より確実に防止することができる。

また、連結部材４４の一端部は、一端部フランジ部４４２を有し、連結部材４４の他端部は、他端部フランジ部４４３を有する。一端部フランジ部４４２は、管部材４２の一端部としてのフランジ部４２５に係合し、他端部フランジ部４４３は、保持部材４３に係合する。

この構成により、簡単な構成で、管部材４２の一端部のフランジ部４２５への連結部材４４の係合をより確実にすることができる。同様に、簡単な構成で、保持部材４３への連結部材４４の係合をより確実にすることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、燃料利用率センサの構成は、本実施形態における燃料利用率センサ４０の構成に限定されない。例えば、連結部材４４はタングステンにより構成されていたが、この構成に限定されない。同様に、管部材４２及び保持部材４３はステンレス鋼により構成されていたが、この構成に限定されない。また、例えば、燃料利用率センサ４０は、フランジ部４２５、ガスケット４１３、筒状絶縁材４１５、ガスケット４１４、保持部材４３等を有していたが、これらを全て有する構成に限定されない。

また、本実施形態において、制御部１４は、燃料ガス供給部２１や燃料電池１１の制御を行っていたが、これに限定されない。例えば、空気供給部２３や空気調整弁等の制御を行ってもよい。本発明において、検出用燃料電池４１で得られた検出値Ｖ１は、燃料ガス供給部２１や空気供給部２３や燃料電池１１の制御に限られず、様々な用途に使用され得る。例えば、制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回った場合や上回った場合に、アラーム信号を出力して、作業者に注意を促すようにし、燃料ガス供給部２１や空気供給部２３や燃料電池１１を制御しないこともあり得る。また、制御部１４は、検出値Ｖ１が、所定の範囲を下回った場合や上回った場合に、燃料電池システム全体を停止させる制御を行うこともあり得る。
すなわち、本発明においては、アノードオフガスラインＬ３におけるアノードオフガスＧ３が適量か否かを判断した後、その判断結果を様々な用途に使用可能である。

また、本実施形態においては、検出値として電圧が使用されていたが、電流又は抵抗値が使用されてもよい。また、電圧、電流及び抵抗値から選択されるいずれか２つ又はすべてが使用されてもよい。例えば、電力が検出値として使用されてもよい。すなわち、検出値は、電流、電圧及び抵抗値のいずれか一つ以上が使用されていればよい。

また、本実施形態においては、検出用燃料電池４１のアノードは、アノードオフガス検出ラインＬ４を介してアノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に接触したが、この構成に限定されない。例えば、第２の燃料電池としての検出用燃料電池４１のアノードは、アノードオフガスラインＬ３を流通するアノードオフガスＧ３に、直接接触してもよい。

また、本実施形態においては、燃料電池１１は、ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）であったが、これに限定されない。また、検出用燃料電池４１は、一つの燃料電池セルで構成されていたが、２つ以上の燃料電池をスタック化したものであってもよい。検出用燃料電池４１を構成する燃料電池セルは、燃料電池１１を構成する燃料電池セルと同じ構成のものを用いていたが、これに限定されない。例えば、検出用燃料電池４１を構成する燃料電池セルは、燃料電池１１を構成する燃料電池セルと異なる種類のものであってもよい。

１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池（第１の燃料電池）
４０ 燃料利用率センサ
４１ 検出用燃料電池（第２の燃料電池）
４２ 管部材
４３ 保持部材
４４ 連結部材
４２１ 管内空間
４２３ 管内壁
４２４ 管外壁
４２５ フランジ部（管部材の一端部）
４４２ 一端部フランジ部
４４３ 他端部フランジ部
Ａ１ 大気
Ｇ３ アノードオフガス
Ｌ３ アノードオフガスライン
Ｌ４ アノードオフガス検出ライン

Claims (5)

1. 第１の燃料電池と、前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池からのアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、前記アノードオフガスラインから分岐されて延出するアノードオフガス検出ラインと、を備える燃料電池システムにおける、前記アノードオフガス検出ラインに接続される、燃料利用率センサであって、
   第２の燃料電池と、
   一端部に開口部を有し、前記開口部が塞がれるように前記一端部に前記第２の燃料電池が載置され、前記第２の燃料電池のアノードと電気的に接続される管部材と、
   前記管部材に電気的に接続され導電性を有する保持部材であって、前記管部材の一端部と保持部材とで前記第２の燃料電池を保持する保持部材と、
   一端部が前記管部材の一端部に係合し、他端部が前記保持部材に係合し、前記管部材及び前記保持部材よりも低い熱膨張係数を有する材料により構成された連結部材と、を備え、
   前記第２の燃料電池のアノードは、直接又は前記アノードオフガス検出ラインを介して、前記アノードオフガスラインを流通するアノードオフガスに接触し、
   前記管部材は、管内壁及び管外壁を備える筒状を有し、前記管内壁により、大気に連通する管内空間が形成される燃料利用率センサ。
2. 前記連結部材は、タングステンにより構成されている請求項１に記載の燃料利用率センサ。
3. 前記管部材及び前記保持部材は、ステンレス鋼により構成されている請求項１又は請求項２に記載の燃料利用率センサ。
4. 前記連結部材の一端部は、一端部フランジ部を有し、
   前記連結部材の他端部は、他端部フランジ部を有し、
   前記一端部フランジ部は、前記管部材の前記一端部に係合し、前記他端部フランジ部は、前記保持部材に係合する、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の燃料利用率センサ。
5. 第１の燃料電池と、
   前記第１の燃料電池に接続され、前記第１の燃料電池からのアノードオフガスが流通するアノードオフガスラインと、
   前記アノードオフガスラインから分岐されて延出するアノードオフガス検出ラインと、
   前記アノードオフガス検出ラインに接続される、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の燃料利用率センサと、を備える燃料電池システム。

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