JP2004335164A - 固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電セルの割れを防止しつつ短時間で予熱を行うことのできる固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法を提供する。
【解決手段】シールレス構造の固体電解質型燃料電池１において、運転開始の際の予熱時に、燃料電池スタック３の外部に設けた外部熱源を利用して発電セル７を初期加熱するとともに、当該発電セル７に発電反応が生じ得る温度を反応開始温度として、この反応開始温度に当該発電セル７の温度が到達した後に、当該発電セル７に向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セル７に発電反応を生じさせ、この発電反応に伴うジュール発熱により当該発電セル７を予め設定された運転温度まで昇温させるようにした。
【選択図】 図１
【解決手段】シールレス構造の固体電解質型燃料電池１において、運転開始の際の予熱時に、燃料電池スタック３の外部に設けた外部熱源を利用して発電セル７を初期加熱するとともに、当該発電セル７に発電反応が生じ得る温度を反応開始温度として、この反応開始温度に当該発電セル７の温度が到達した後に、当該発電セル７に向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セル７に発電反応を生じさせ、この発電反応に伴うジュール発熱により当該発電セル７を予め設定された運転温度まで昇温させるようにした。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールレス構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転開始時の予熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造の発電セルを持つ固体電解質型燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。発電セルでは、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極側には燃料ガス（Ｈ２ 、ＣＨ４ 等）が供給される。空気極と燃料極は、酸素および燃料ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。
【０００３】
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ２−）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２ Ｏ 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に起電力として取り出すことができる。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極： １／２ Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｏ２−
燃料極： Ｈ２ ＋ Ｏ２− → Ｈ２ Ｏ＋２ｅ−
全体 ： Ｈ２ ＋ １／２ Ｏ２ → Ｈ２ Ｏ
【０００５】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
【０００６】
一方、電極である空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、少なくとも７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ３ もしくはＬａＣｏＯ３ 、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的である。
【０００７】
固体電解質型燃料電池には、１０００℃前後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温作動型の固体電解質型燃料電池は、例えば電解質であるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚さを１０μｍ程度まで薄膜化して、電解質の抵抗を低くして、低温でも燃料電池として発電するように改良された固体電解質層を使用する。
【０００８】
高温の固体電解質型燃料電池では、セパレータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３ ）等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、低温作動型の固体電解質型燃料電池では、ステンレス等の金属材料を使用することができる。
【０００９】
また、固体電解質型燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物型燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が適している。
【００１０】
平板積層型の固体電解質型燃料電池のスタックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料極集電体には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用することができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【００１１】
セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスとしての空気をセパレータ外周面から導入してセパレータの空気極層に対向する面から吐出させる酸化剤通路とをそれぞれ有している。
【００１２】
この種の固体電解質型燃料電池のなかに、発電セルの外周部のガス漏れ防止シール（従来では主にガラスシールが使用されている）を無くしたシールレス構造の固体電解質型燃料電池がある。シールレス構造の固体電解質型燃料電池は、発電セルの外周部のシールを無くしたので、構造の単純化及び製造の容易化が図れる上、各構成部材の外周縁が自由端になるために、構成部材間の熱膨脹差に基づくトラブルを無くすことができるというメリットがある。
【００１３】
ところで、固体電解質型燃料電池を運転する場合には、発電セルを作動温度（例えば、６５０〜８００℃付近）まで予熱してから運転を開始する必要があり、従来では、スタックの外周に配置したヒータで昇温させる予熱方法が考えられている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池スタックの外周からヒータによって昇温させる予熱方法にあっては、当該スタックの外周は比較的短時間で昇温されるものの、発電セルや空気極および燃料極が積層状に組み上げられた上記スタックの内部に上記ヒータによる熱が到達するまでには長時間を要し、スタックを構成する部材の面内に大きな温度分布が生じる結果、特に熱歪みに対して脆弱な発電セルが破損してしまうという問題点があった。そこで、このようなスタックの内外における温度差の発生を極力防止しつつ、予熱昇温を行おうとすると、スタック内部への熱伝達速度に合わせて上記昇温を行わなければならず、運転までの待機時間に長時間を要するという問題が生じる。
【００１５】
また、昇温時間をできるだけ少なくするために、シールレス構造の場合、上記のヒータによる昇温中に、スタックの中心部に高温ガス（例えば、７００℃の高温ガス）を導入して、発電セルの中心部から外周部に高温ガスを拡散・流通させることで、発電セルの昇温を促進させるという考えもある。しかし、そうすると、温度の未だ高くなっていない低温の発電セル中心部にいきなり高温のガスが導入されることになるので、発電セルの割れを引き起こすことになりかねない。また、上記高温ガスを供給するための配管として、７００℃以上の高温にも耐え得る配管（例えば、インコネル６０１などの耐熱合金製の配管など）を用いなければならず、汎用の金属製の配管等を用いることができないことから、当該配管にコストがかかるという問題点もあった。
【００１６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、発電セルの割れを防止しつつ短時間で予熱を行うことのできる固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、運転時に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給してスタックの内部から外周部に向かってガスを拡散させることにより発電セルに発電反応を生じさせるとともに、発電反応に使用されなかった残余のガスをスタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱するとともに、当該発電セルに発電反応が生じ得る温度を反応開始温度として、この反応開始温度に当該発電セルの温度が到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせ、この発電反応に伴うジュール発熱により当該発電セルを予め設定された運転温度まで昇温させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１８】
ここで、運転温度とは、固体電解質型燃料電池の定常運転時（通常発電時）に保たれる温度（例えば、６５０〜８００℃）のことである。
反応開始温度は、発電セルに発電反応が生じ得る温度（例えば、４００〜６００℃）であり、固体電解質型燃料電池の運転温度より低い温度となる。
外部熱源を利用して発電セルを初期加熱する方法としては、スタックの外周に配置したヒータで昇温させる方法や、スタックの内部に加熱用のガスを導入して、発電セルの中心部から外周部に加熱用のガスを拡散・流通させることで、発電セルの昇温を促進させる方法などが挙げられる。また、スタックの内部に加熱用のガスを導入して初期加熱する方法には、燃料電池モジュールのハウジングの外部で加熱用のガスを所定の設定温度に加熱する方法と、ハウジング内に設けたヒータ等で加熱用のガスを所定の設定温度に加熱する方法とが含まれる。
【００１９】
この請求項１に記載の発明によれば、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱するとともに、発電セルの温度が反応開始温度に到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせ、この発電反応に伴うジュール発熱（自己発熱）により当該発電セルを予め設定された運転温度まで昇温させるようにしたので、スタックの外周部と内部との温度差を小さく抑えながら、発電セルの昇温を促進することができる。したがって、発電セルの割れを防ぎながら、発電セルを効率よく昇温させることができる。
【００２０】
すなわち、上記発電反応においては、電流のセパレータ面内分布が殆ど生じないので、セパレータ面内にほぼ均一にジュール発熱が生じて、セパレータ面内の温度が均一化する。したがって、スタック全体の温度を速やかに上昇させることができ、よって、スタック全体を短時間で昇温できるとともに、熱応力により発電セルに割れが生じるのを防止することができる。また、外部熱源による加熱温度が低くなることから、発電セルを初期加熱する際にスタックの内部に加熱用のガスを供給する配管として、汎用の配管（例えば、ＳＵＳ３１６などのステンレス製の配管）を用いることが可能となり、当該配管に係るコストを低減することが可能となる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、運転時に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給してスタックの内部から外周部に向かってガスを拡散させることにより発電セルに発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスをスタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が運転温度より低い所定の設定温度に到達した後に、スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給するとともに、スタックの外周部から外に放出される燃料ガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、その燃焼熱を利用して当該発電セルを上記運転温度まで昇温させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２２】
ここで、所定の設定温度は、固体電解質型燃料電池の運転温度未満の温度であれば如何なる温度であってもよく、例えば、請求項３に記載の発明のように、発電セルの予熱にジュール発熱と燃焼熱を併用する場合には、当該設定温度が上記反応開始温度となる。着火手段には、例えば、イグナイタや酸化触媒等を用いることができる。
【００２３】
この請求項２に記載の発明によれば、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が所定の設定温度に到達した後に、スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給するとともに、スタックの外周部から外に放出される燃料ガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、その燃焼熱を利用して当該発電セルを上記運転温度まで昇温させるようにしたので、外部熱源による加熱温度が低くなり、発電セルを初期加熱する際にスタックの内部に加熱用のガスを供給する配管として、汎用の配管を用いることが可能となる。また、スタックの近傍で燃料ガスが急激に燃焼を開始することを防止でき、この燃料ガスの急激な燃焼による発電セルの破損を防止することができる。したがって、発電セルの破損を防ぎながら、発電セルを効率よく昇温させることができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、運転時に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給してスタックの内部から外周部に向かってガスを拡散させることにより発電セルに発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスをスタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が発電反応を生じ得る反応開始温度に到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせるとともに、この発電反応に使用されなかった残余のガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、この燃焼熱と、上記発電反応に伴うジュール発熱とにより当該発電セルを予め設定された運転温度まで昇温させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２５】
この請求項３に記載の発明によれば、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が反応開始温度に到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせるとともに、この発電反応に使用されなかった残余のガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、この燃焼熱と、上記発電反応に伴うジュール発熱とにより当該発電セルを運転温度まで昇温させるようにしたので、スタックの外周部と内部との温度差を小さく抑えながら、発電セルの昇温を促進することができる。したがって、発電セルの割れを防ぎながら、発電セルを効率よく昇温させることができる。
【００２６】
すなわち、上記発電反応においては、電流のセパレータ面内分布が殆ど生じないので、セパレータ面内にほぼ均一にジュール発熱が生じて、セパレータ面内の温度が均一化する。したがって、スタック全体の温度を速やかに上昇させることができ、よって、スタック全体を短時間で昇温できるとともに、熱応力により発電セルに割れが生じるのを防止することができる。しかも、発電反応に使用されなかった残余のガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させて、この燃焼熱も発電セルの昇温に用いるようにしたので、発電セルの昇温効率をさらに高めることができるのに加えて、スタックの近傍で燃料ガスが急激に燃焼を開始することを防止でき、この燃料ガスの急激な燃焼による発電セルの破損を防止することができる。また、外部熱源による加熱温度が低くなることから、発電セルを初期加熱する際にスタックの内部に加熱用のガスを供給する配管として、汎用の配管を用いることが可能となり、当該配管に係るコストを低減することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態を示すもので、図中符号１は燃料電池（燃料電池モジュールとも呼ばれる）、２はハウジング、３は積層方向を縦にしてハウジング２内に配置された燃料電池スタックである。この燃料電池スタック３は、固体電解質層４の両面に燃料極層５及び空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル（発電部）７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）９と、各集電体８、９の外側のセパレータ（最上層及び最下層のものは端板である）１０とを順番に積層した構造を持つ。
【００２８】
ここで、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ３ 、ＬａＣｏＯ３ 等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。
【００２９】
また、燃料電池スタック３の側方には、各セパレータ１０の燃料通路（図示略）に接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１３と、各セパレータ１０の酸化剤通路（図示略）に接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。また、上記マニホールド１３、１４の外周側には、各マニホールド１３、１４につながる燃料ガス予熱管１５、酸化剤ガス予熱管１６と、各予熱管１５、１６及び燃料電池スタック３を予熱するためのヒータ２０が設けられている。ヒータ２０及び予熱管１５、１６は、燃料電池１のハウジング２の内部に収容されており、ハウジング２内の各予熱管１５、１６に対して、外部の燃料ガス供給管１７、酸化剤ガス供給管１８がそれぞれ接続されている。さらに、酸化剤ガス予熱管１６には、冷却用の酸化剤ガス（冷却空気）を導入するための冷却管２７が接続され、この冷却管２７には、冷却用の酸化剤ガスの流量を調整するための流量調整バルブ２８が設けられている。また、ハウジング２の下部と上部には、排ガスを外部に誘導するための排気管（排気穴）２２ａ、２２ｂが設けられている。
【００３０】
また、この燃料電池１では、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないことにより、運転時に、セパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給する燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５及び空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応に消費されなかった残余のガスを、発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。また、ハウジング２には、その内部空間２１に放出された余剰ガスに着火して当該余剰ガスを燃焼させるためのイグナイタ（着火手段）２５が、各発電セル７のガス放出口の近傍にそれぞれ配設されている。つまり、燃料ガスと酸化剤ガスは、発電セル７の略中心部から外周方向に拡散するように流れながら、固体電解質層４との界面に到達して電気化学反応を起こし、発電に使用されなかった余剰ガスは、そのまま発電セル７の外周部から外へ放出された後、イグナイタ２５によって緩やかに燃焼されるようになっている。
【００３１】
また、燃料電池スタック３には、その内部の温度を検出するための温度センサ２６が取り付けられ、この温度センサ２６の検出信号が図示省略のコントローラに出力されるようになっている。このコントローラは、温度センサ２６からの検出信号等に基づいて、燃料ガスの流量調整バルブ、酸化剤ガスの流量調整バルブ、冷却ガスの流量調整バルブ２８等を制御することにより、燃料ガスの濃度や温度等を調整するとともに、運転開始の際の予熱時には、イグナイタ２５の作動状態を制御するようになっている。
【００３２】
次に、上記構成からなる固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法の一実施形態を説明する。
この予熱方法は、前述したシールレス構造の固体電解質型燃料電池の構造的な特徴を利用して、燃料電池スタック３（特に発電セル７）の予熱を行うものである。
【００３３】
すなわち、運転開始の際の予熱時に、先ず、燃料電池スタック３の外部に設けた外部熱源を利用して発電セル７を初期加熱する。具体的には、燃料電池スタック３の外周に配置したヒータ２０を作動させるとともに、燃料ガス予熱管１５および酸化剤ガス予熱管１６を用いて燃料電池スタック３の内部に加熱用のガス（例えば、約６５０℃の空気、微量のＨ２ を混入した不活性ガスなど）を導入して、発電セル７の中心部から外周部に加熱用のガスを拡散・流通させることで、発電セル７を昇温させる。なお、上記加熱用のガスは、予熱管１５、１６を通過する過程でハウジング２内のヒータ２０で加熱するようにしても、ハウジング２の外部の熱源で加熱するようにしてもよい。また、後者の場合には、ハウジング２の外部から燃料電池スタック３の内部に至る配管を予熱管１５、１６とは別に設けて、当該配管により、ハウジング２の外部から燃料電池スタック３の内部に上記加熱用のガスを供給するようにしてもよい。
【００３４】
そして、上記初期加熱により発電セル７の温度が発電反応を生じ得る反応開始温度（例えば、４００〜６００℃）に到達したら、当該発電セル７に向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セル７に発電反応を生じさせるとともに、この発電反応に使用されなかった残余のガスをイグナイタ２５で燃焼させ、この燃焼熱と、上記発電反応に伴うジュール発熱とにより当該発電セル７を予め設定された運転温度（例えば、６５０〜８００℃）まで昇温させる。この際に、コントローラは、温度センサ２６からの検出信号に基づいて、各流量調整バルブを調整することにより燃料ガスの濃度や温度等を制御するとともに、イグナイタ２５の作動状態を適宜変換することにより上記残余のガスの燃焼状態を制御し、これによって、燃料電池スタック３内部の温度分布をほぼ均一に保ちつつ発電セル７を上記運転温度まで速やかに昇温させる制御を行うようになっている。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、外部熱源を利用した初期加熱により、発電セル７を上記反応開始温度（例えば、４００〜６００℃）まで昇温させた後、上記発電反応に伴うジュール発熱と、上記残余のガスの燃焼熱とを利用して、燃料電池スタック３（特に発電セル７）を運転温度まで昇温させるようにしたので、燃料電池スタック３の外周部と内部との温度差を小さく抑えながら、発電セル７の昇温を促進することができる。したがって、発電セル７の割れを防ぎながら、発電セル７を効率よく昇温させることができる。
【００３６】
すなわち、上記発電反応においては、電流のセパレータ１０面内分布が殆ど生じないので、セパレータ１０面内にほぼ均一にジュール発熱が生じて、セパレータ１０面内の温度が均一化する。したがって、燃料電池スタック３全体の温度を速やかに上昇させることができ、よって、燃料電池スタック３全体を短時間で昇温できるとともに、熱応力により発電セル７に割れが生じるのを防止することができる。しかも、発電反応に使用されなかった残余のガスを、燃料電池スタック３の近傍に設けたイグナイタ２５により燃焼させて、この燃焼熱も発電セル７の昇温に用いるようにしたので、発電セル７の昇温効率をさらに高めることができるのに加えて、燃料電池スタック３の近傍で燃料ガスが急激に燃焼を開始することを防止でき、この燃料ガスの急激な燃焼による発電セル７の破損を防止することもできる。また、外部熱源による加熱温度が低くなることから、発電セル７を初期加熱する際に燃料電池スタック３の内部に加熱用のガスを供給する配管（例えば、予熱管１５、１６など）に、汎用の配管（例えば、ＳＵＳ３１６などのステンレス製の配管）を用いることが可能となり、当該配管に係るコストを低減することが可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法によれば、外部熱源を利用した初期加熱により、発電セルを反応開始温度まで昇温させた後、発電反応に伴うジュール発熱と、残余のガスを燃焼したときの燃焼熱の何れか一方または両方を利用して、発電セルを運転温度まで昇温させるようにしたので、スタックの外周部と内部との温度差を小さく抑えながら、発電セルの昇温を促進することができる。その結果、発電セルの割れを防止しつつ短時間で発電セルの予熱を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体電解質型燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 固体電解質型燃料電池
３ 燃料電池スタック
７ 発電セル
１０ セパレータ
１５ 燃料ガス予熱管
１６ 酸化剤ガス予熱管
２０ ヒータ
２５ イグナイタ（着火手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールレス構造の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転開始時の予熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
酸化物イオン伝導体からなる固体電解質層を空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造の発電セルを持つ固体電解質型燃料電池は、第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。発電セルでは、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極側には燃料ガス（Ｈ２ 、ＣＨ４ 等）が供給される。空気極と燃料極は、酸素および燃料ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質とされている。
【０００３】
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で、空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ２−）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ２ Ｏ 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に起電力として取り出すことができる。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極： １／２ Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｏ２−
燃料極： Ｈ２ ＋ Ｏ２− → Ｈ２ Ｏ＋２ｅ−
全体 ： Ｈ２ ＋ １／２ Ｏ２ → Ｈ２ Ｏ
【０００５】
固体電解質層は、酸化物イオンの移動媒体であると同時に、燃料ガスと空気を直接接触させないための隔壁としても機能するので、ガス不透過性の緻密な構造となっている。この固体電解質層は、酸化物イオン伝導性が高く、空気極側の酸化性雰囲気から燃料極側の還元性雰囲気までの条件下で化学的に安定で、熱衝撃に強い材料から構成する必要があり、かかる要件を満たす材料として、イットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が一般的に使用されている。
【０００６】
一方、電極である空気極（カソード）層と燃料極（アノード）層はいずれも電子伝導性の高い材料から構成する必要がある。空気極材料は、少なくとも７００℃前後の高温の酸化性雰囲気中で化学的に安定でなければならないため、金属は不適当であり、電子伝導性を持つペロブスカイト型酸化物材料、具体的にはＬａＭｎＯ３ もしくはＬａＣｏＯ３ 、または、これらのＬａの一部をＳｒ、Ｃａ等に置換した固溶体が一般に使用されている。また、燃料極材料は、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属、或いはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺなどのサーメットが一般的である。
【０００７】
固体電解質型燃料電池には、１０００℃前後の高温で作動させる高温作動型のものと、７００℃前後の低温で作動させる低温作動型のものとがある。低温作動型の固体電解質型燃料電池は、例えば電解質であるイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の厚さを１０μｍ程度まで薄膜化して、電解質の抵抗を低くして、低温でも燃料電池として発電するように改良された固体電解質層を使用する。
【０００８】
高温の固体電解質型燃料電池では、セパレータには、例えばランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３ ）等の電子伝導性を有するセラミックスが用いられるが、低温作動型の固体電解質型燃料電池では、ステンレス等の金属材料を使用することができる。
【０００９】
また、固体電解質型燃料電池の構造には、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されている。それらの構造のうち、低温作動型の固体酸化物型燃料電池には、金属のセパレータを使用できることから、金属のセパレータに形状付与しやすい平板積層型の構造が適している。
【００１０】
平板積層型の固体電解質型燃料電池のスタックは、発電セル、集電体、セパレータを交互に積層した構造を持つ。一対のセパレータが発電セルを両面から挟んで、一方は空気極集電体を介して空気極と、他方は燃料極集電体を介して燃料極と接している。燃料極集電体には、Ｎｉ基合金等のスポンジ状の多孔質体を使用することができ、空気極集電体には、Ａｇ基合金等の同じくスポンジ状の多孔質体を使用することができる。スポンジ状多孔質体は、集電機能、ガス透過機能、均一ガス拡散機能、クッション機能、熱膨脹差吸収機能等を兼ね備えるので、多機能の集電体材料として適している。
【００１１】
セパレータは、発電セル間を電気接続すると共に、発電セルに対してガスを供給する機能を有するもので、燃料ガスをセパレータ外周面から導入してセパレータの燃料極層に対向する面から吐出させる燃料通路と、酸化剤ガスとしての空気をセパレータ外周面から導入してセパレータの空気極層に対向する面から吐出させる酸化剤通路とをそれぞれ有している。
【００１２】
この種の固体電解質型燃料電池のなかに、発電セルの外周部のガス漏れ防止シール（従来では主にガラスシールが使用されている）を無くしたシールレス構造の固体電解質型燃料電池がある。シールレス構造の固体電解質型燃料電池は、発電セルの外周部のシールを無くしたので、構造の単純化及び製造の容易化が図れる上、各構成部材の外周縁が自由端になるために、構成部材間の熱膨脹差に基づくトラブルを無くすことができるというメリットがある。
【００１３】
ところで、固体電解質型燃料電池を運転する場合には、発電セルを作動温度（例えば、６５０〜８００℃付近）まで予熱してから運転を開始する必要があり、従来では、スタックの外周に配置したヒータで昇温させる予熱方法が考えられている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池スタックの外周からヒータによって昇温させる予熱方法にあっては、当該スタックの外周は比較的短時間で昇温されるものの、発電セルや空気極および燃料極が積層状に組み上げられた上記スタックの内部に上記ヒータによる熱が到達するまでには長時間を要し、スタックを構成する部材の面内に大きな温度分布が生じる結果、特に熱歪みに対して脆弱な発電セルが破損してしまうという問題点があった。そこで、このようなスタックの内外における温度差の発生を極力防止しつつ、予熱昇温を行おうとすると、スタック内部への熱伝達速度に合わせて上記昇温を行わなければならず、運転までの待機時間に長時間を要するという問題が生じる。
【００１５】
また、昇温時間をできるだけ少なくするために、シールレス構造の場合、上記のヒータによる昇温中に、スタックの中心部に高温ガス（例えば、７００℃の高温ガス）を導入して、発電セルの中心部から外周部に高温ガスを拡散・流通させることで、発電セルの昇温を促進させるという考えもある。しかし、そうすると、温度の未だ高くなっていない低温の発電セル中心部にいきなり高温のガスが導入されることになるので、発電セルの割れを引き起こすことになりかねない。また、上記高温ガスを供給するための配管として、７００℃以上の高温にも耐え得る配管（例えば、インコネル６０１などの耐熱合金製の配管など）を用いなければならず、汎用の金属製の配管等を用いることができないことから、当該配管にコストがかかるという問題点もあった。
【００１６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、発電セルの割れを防止しつつ短時間で予熱を行うことのできる固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、運転時に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給してスタックの内部から外周部に向かってガスを拡散させることにより発電セルに発電反応を生じさせるとともに、発電反応に使用されなかった残余のガスをスタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱するとともに、当該発電セルに発電反応が生じ得る温度を反応開始温度として、この反応開始温度に当該発電セルの温度が到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせ、この発電反応に伴うジュール発熱により当該発電セルを予め設定された運転温度まで昇温させるようにしたことを特徴とするものである。
【００１８】
ここで、運転温度とは、固体電解質型燃料電池の定常運転時（通常発電時）に保たれる温度（例えば、６５０〜８００℃）のことである。
反応開始温度は、発電セルに発電反応が生じ得る温度（例えば、４００〜６００℃）であり、固体電解質型燃料電池の運転温度より低い温度となる。
外部熱源を利用して発電セルを初期加熱する方法としては、スタックの外周に配置したヒータで昇温させる方法や、スタックの内部に加熱用のガスを導入して、発電セルの中心部から外周部に加熱用のガスを拡散・流通させることで、発電セルの昇温を促進させる方法などが挙げられる。また、スタックの内部に加熱用のガスを導入して初期加熱する方法には、燃料電池モジュールのハウジングの外部で加熱用のガスを所定の設定温度に加熱する方法と、ハウジング内に設けたヒータ等で加熱用のガスを所定の設定温度に加熱する方法とが含まれる。
【００１９】
この請求項１に記載の発明によれば、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱するとともに、発電セルの温度が反応開始温度に到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせ、この発電反応に伴うジュール発熱（自己発熱）により当該発電セルを予め設定された運転温度まで昇温させるようにしたので、スタックの外周部と内部との温度差を小さく抑えながら、発電セルの昇温を促進することができる。したがって、発電セルの割れを防ぎながら、発電セルを効率よく昇温させることができる。
【００２０】
すなわち、上記発電反応においては、電流のセパレータ面内分布が殆ど生じないので、セパレータ面内にほぼ均一にジュール発熱が生じて、セパレータ面内の温度が均一化する。したがって、スタック全体の温度を速やかに上昇させることができ、よって、スタック全体を短時間で昇温できるとともに、熱応力により発電セルに割れが生じるのを防止することができる。また、外部熱源による加熱温度が低くなることから、発電セルを初期加熱する際にスタックの内部に加熱用のガスを供給する配管として、汎用の配管（例えば、ＳＵＳ３１６などのステンレス製の配管）を用いることが可能となり、当該配管に係るコストを低減することが可能となる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、運転時に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給してスタックの内部から外周部に向かってガスを拡散させることにより発電セルに発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスをスタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が運転温度より低い所定の設定温度に到達した後に、スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給するとともに、スタックの外周部から外に放出される燃料ガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、その燃焼熱を利用して当該発電セルを上記運転温度まで昇温させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２２】
ここで、所定の設定温度は、固体電解質型燃料電池の運転温度未満の温度であれば如何なる温度であってもよく、例えば、請求項３に記載の発明のように、発電セルの予熱にジュール発熱と燃焼熱を併用する場合には、当該設定温度が上記反応開始温度となる。着火手段には、例えば、イグナイタや酸化触媒等を用いることができる。
【００２３】
この請求項２に記載の発明によれば、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が所定の設定温度に到達した後に、スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給するとともに、スタックの外周部から外に放出される燃料ガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、その燃焼熱を利用して当該発電セルを上記運転温度まで昇温させるようにしたので、外部熱源による加熱温度が低くなり、発電セルを初期加熱する際にスタックの内部に加熱用のガスを供給する配管として、汎用の配管を用いることが可能となる。また、スタックの近傍で燃料ガスが急激に燃焼を開始することを防止でき、この燃料ガスの急激な燃焼による発電セルの破損を防止することができる。したがって、発電セルの破損を防ぎながら、発電セルを効率よく昇温させることができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明は、運転時に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給してスタックの内部から外周部に向かってガスを拡散させることにより発電セルに発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスをスタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が発電反応を生じ得る反応開始温度に到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせるとともに、この発電反応に使用されなかった残余のガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、この燃焼熱と、上記発電反応に伴うジュール発熱とにより当該発電セルを予め設定された運転温度まで昇温させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２５】
この請求項３に記載の発明によれば、運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が反応開始温度に到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせるとともに、この発電反応に使用されなかった残余のガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、この燃焼熱と、上記発電反応に伴うジュール発熱とにより当該発電セルを運転温度まで昇温させるようにしたので、スタックの外周部と内部との温度差を小さく抑えながら、発電セルの昇温を促進することができる。したがって、発電セルの割れを防ぎながら、発電セルを効率よく昇温させることができる。
【００２６】
すなわち、上記発電反応においては、電流のセパレータ面内分布が殆ど生じないので、セパレータ面内にほぼ均一にジュール発熱が生じて、セパレータ面内の温度が均一化する。したがって、スタック全体の温度を速やかに上昇させることができ、よって、スタック全体を短時間で昇温できるとともに、熱応力により発電セルに割れが生じるのを防止することができる。しかも、発電反応に使用されなかった残余のガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させて、この燃焼熱も発電セルの昇温に用いるようにしたので、発電セルの昇温効率をさらに高めることができるのに加えて、スタックの近傍で燃料ガスが急激に燃焼を開始することを防止でき、この燃料ガスの急激な燃焼による発電セルの破損を防止することができる。また、外部熱源による加熱温度が低くなることから、発電セルを初期加熱する際にスタックの内部に加熱用のガスを供給する配管として、汎用の配管を用いることが可能となり、当該配管に係るコストを低減することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態を示すもので、図中符号１は燃料電池（燃料電池モジュールとも呼ばれる）、２はハウジング、３は積層方向を縦にしてハウジング２内に配置された燃料電池スタックである。この燃料電池スタック３は、固体電解質層４の両面に燃料極層５及び空気極層（酸化剤極層）６を配した発電セル（発電部）７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）９と、各集電体８、９の外側のセパレータ（最上層及び最下層のものは端板である）１０とを順番に積層した構造を持つ。
【００２８】
ここで、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ３ 、ＬａＣｏＯ３ 等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０はステンレス等で構成されている。
【００２９】
また、燃料電池スタック３の側方には、各セパレータ１０の燃料通路（図示略）に接続管１１を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１３と、各セパレータ１０の酸化剤通路（図示略）に接続管１２を通して酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤用マニホールド１４とが、発電セル７の積層方向に延在して設けられている。また、上記マニホールド１３、１４の外周側には、各マニホールド１３、１４につながる燃料ガス予熱管１５、酸化剤ガス予熱管１６と、各予熱管１５、１６及び燃料電池スタック３を予熱するためのヒータ２０が設けられている。ヒータ２０及び予熱管１５、１６は、燃料電池１のハウジング２の内部に収容されており、ハウジング２内の各予熱管１５、１６に対して、外部の燃料ガス供給管１７、酸化剤ガス供給管１８がそれぞれ接続されている。さらに、酸化剤ガス予熱管１６には、冷却用の酸化剤ガス（冷却空気）を導入するための冷却管２７が接続され、この冷却管２７には、冷却用の酸化剤ガスの流量を調整するための流量調整バルブ２８が設けられている。また、ハウジング２の下部と上部には、排ガスを外部に誘導するための排気管（排気穴）２２ａ、２２ｂが設けられている。
【００３０】
また、この燃料電池１では、発電セル７の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないことにより、運転時に、セパレータ１０の略中心部から発電セル７に向けて供給する燃料ガス及び酸化剤ガス（空気）を、発電セル７の外周方向に拡散させながら燃料極層５及び空気極層６の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応に消費されなかった残余のガスを、発電セル７の外周部から外に自由に放出するようになっている。また、ハウジング２には、その内部空間２１に放出された余剰ガスに着火して当該余剰ガスを燃焼させるためのイグナイタ（着火手段）２５が、各発電セル７のガス放出口の近傍にそれぞれ配設されている。つまり、燃料ガスと酸化剤ガスは、発電セル７の略中心部から外周方向に拡散するように流れながら、固体電解質層４との界面に到達して電気化学反応を起こし、発電に使用されなかった余剰ガスは、そのまま発電セル７の外周部から外へ放出された後、イグナイタ２５によって緩やかに燃焼されるようになっている。
【００３１】
また、燃料電池スタック３には、その内部の温度を検出するための温度センサ２６が取り付けられ、この温度センサ２６の検出信号が図示省略のコントローラに出力されるようになっている。このコントローラは、温度センサ２６からの検出信号等に基づいて、燃料ガスの流量調整バルブ、酸化剤ガスの流量調整バルブ、冷却ガスの流量調整バルブ２８等を制御することにより、燃料ガスの濃度や温度等を調整するとともに、運転開始の際の予熱時には、イグナイタ２５の作動状態を制御するようになっている。
【００３２】
次に、上記構成からなる固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法の一実施形態を説明する。
この予熱方法は、前述したシールレス構造の固体電解質型燃料電池の構造的な特徴を利用して、燃料電池スタック３（特に発電セル７）の予熱を行うものである。
【００３３】
すなわち、運転開始の際の予熱時に、先ず、燃料電池スタック３の外部に設けた外部熱源を利用して発電セル７を初期加熱する。具体的には、燃料電池スタック３の外周に配置したヒータ２０を作動させるとともに、燃料ガス予熱管１５および酸化剤ガス予熱管１６を用いて燃料電池スタック３の内部に加熱用のガス（例えば、約６５０℃の空気、微量のＨ２ を混入した不活性ガスなど）を導入して、発電セル７の中心部から外周部に加熱用のガスを拡散・流通させることで、発電セル７を昇温させる。なお、上記加熱用のガスは、予熱管１５、１６を通過する過程でハウジング２内のヒータ２０で加熱するようにしても、ハウジング２の外部の熱源で加熱するようにしてもよい。また、後者の場合には、ハウジング２の外部から燃料電池スタック３の内部に至る配管を予熱管１５、１６とは別に設けて、当該配管により、ハウジング２の外部から燃料電池スタック３の内部に上記加熱用のガスを供給するようにしてもよい。
【００３４】
そして、上記初期加熱により発電セル７の温度が発電反応を生じ得る反応開始温度（例えば、４００〜６００℃）に到達したら、当該発電セル７に向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セル７に発電反応を生じさせるとともに、この発電反応に使用されなかった残余のガスをイグナイタ２５で燃焼させ、この燃焼熱と、上記発電反応に伴うジュール発熱とにより当該発電セル７を予め設定された運転温度（例えば、６５０〜８００℃）まで昇温させる。この際に、コントローラは、温度センサ２６からの検出信号に基づいて、各流量調整バルブを調整することにより燃料ガスの濃度や温度等を制御するとともに、イグナイタ２５の作動状態を適宜変換することにより上記残余のガスの燃焼状態を制御し、これによって、燃料電池スタック３内部の温度分布をほぼ均一に保ちつつ発電セル７を上記運転温度まで速やかに昇温させる制御を行うようになっている。
【００３５】
このように、本実施形態によれば、外部熱源を利用した初期加熱により、発電セル７を上記反応開始温度（例えば、４００〜６００℃）まで昇温させた後、上記発電反応に伴うジュール発熱と、上記残余のガスの燃焼熱とを利用して、燃料電池スタック３（特に発電セル７）を運転温度まで昇温させるようにしたので、燃料電池スタック３の外周部と内部との温度差を小さく抑えながら、発電セル７の昇温を促進することができる。したがって、発電セル７の割れを防ぎながら、発電セル７を効率よく昇温させることができる。
【００３６】
すなわち、上記発電反応においては、電流のセパレータ１０面内分布が殆ど生じないので、セパレータ１０面内にほぼ均一にジュール発熱が生じて、セパレータ１０面内の温度が均一化する。したがって、燃料電池スタック３全体の温度を速やかに上昇させることができ、よって、燃料電池スタック３全体を短時間で昇温できるとともに、熱応力により発電セル７に割れが生じるのを防止することができる。しかも、発電反応に使用されなかった残余のガスを、燃料電池スタック３の近傍に設けたイグナイタ２５により燃焼させて、この燃焼熱も発電セル７の昇温に用いるようにしたので、発電セル７の昇温効率をさらに高めることができるのに加えて、燃料電池スタック３の近傍で燃料ガスが急激に燃焼を開始することを防止でき、この燃料ガスの急激な燃焼による発電セル７の破損を防止することもできる。また、外部熱源による加熱温度が低くなることから、発電セル７を初期加熱する際に燃料電池スタック３の内部に加熱用のガスを供給する配管（例えば、予熱管１５、１６など）に、汎用の配管（例えば、ＳＵＳ３１６などのステンレス製の配管）を用いることが可能となり、当該配管に係るコストを低減することが可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法によれば、外部熱源を利用した初期加熱により、発電セルを反応開始温度まで昇温させた後、発電反応に伴うジュール発熱と、残余のガスを燃焼したときの燃焼熱の何れか一方または両方を利用して、発電セルを運転温度まで昇温させるようにしたので、スタックの外周部と内部との温度差を小さく抑えながら、発電セルの昇温を促進することができる。その結果、発電セルの割れを防止しつつ短時間で発電セルの予熱を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体電解質型燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 固体電解質型燃料電池
３ 燃料電池スタック
７ 発電セル
１０ セパレータ
１５ 燃料ガス予熱管
１６ 酸化剤ガス予熱管
２０ ヒータ
２５ イグナイタ（着火手段）
Claims (3)
- 運転時に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給してスタックの内部から外周部に向かってガスを拡散させることにより発電セルに発電反応を生じさせるとともに、発電反応に使用されなかった残余のガスをスタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、
運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱するとともに、当該発電セルに発電反応が生じ得る温度を反応開始温度として、この反応開始温度に当該発電セルの温度が到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせ、この発電反応に伴うジュール発熱により当該発電セルを予め設定された運転温度まで昇温させるようにしたことを特徴とする固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法。 - 運転時に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給してスタックの内部から外周部に向かってガスを拡散させることにより発電セルに発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスをスタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、
運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が運転温度より低い所定の設定温度に到達した後に、スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給するとともに、スタックの外周部から外に放出される燃料ガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、その燃焼熱を利用して当該発電セルを上記運転温度まで昇温させるようにしたことを特徴とする固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法。 - 運転時に、発電セルとセパレータを交互に積層してなる燃料電池スタックの内部に燃料ガスと酸化剤ガスを供給してスタックの内部から外周部に向かってガスを拡散させることにより発電セルに発電反応を生じさせると共に、発電反応に使用されなかった残余のガスをスタックの外周部から外に放出するシールレス構造の固体電解質型燃料電池において、
運転開始の際の予熱時に、スタックの外部に設けた外部熱源を利用して発電セルを初期加熱し、この初期加熱により当該発電セルの温度が発電反応を生じ得る反応開始温度に到達した後に、当該発電セルに向けて燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより当該発電セルに発電反応を生じさせるとともに、この発電反応に使用されなかった残余のガスを、スタックの近傍に設けた着火手段により燃焼させ、この燃焼熱と、上記発電反応に伴うジュール発熱とにより当該発電セルを予め設定された運転温度まで昇温させるようにしたことを特徴とする固体電解質型燃料電池の運転開始時の予熱方法。
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