JP2008021597A - 固体電解質形燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質形燃料電池において、燃料電池セルを劣化させることなく、燃料電池セルを短時間で効率よく加熱できるようにする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成している複数の燃料電池セルの燃料極に燃焼触媒を形成する。発電開始時には、燃料ガスと空気との混合ガスをバーナ５３に供給して燃焼させ、その燃焼ガスを、燃料ガス導入口１１から燃料電池スタック１０に供給することにより、内部の燃料電池セル２０を加熱させ、燃料電池セル２０が触媒接触燃焼温度に達した時点で、燃焼ガスに空気を混合させる。すると、燃焼ガスに含まれる未燃焼燃料ガスと空気中の酸素とが燃料電池セルの燃料極に形成された燃焼触媒にて燃焼して、燃料電池セルが直接加熱され、燃料電池セルが発電可能温度にまで急上昇し、発電可能となる。そして、燃料電池セルの加熱は、燃料極側から行うので、セルの劣化も抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質体からなる燃料電池セルを備えた固体電解質形燃料電池、及びこの燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。

従来より、固体電解質体からなる燃料電池セル（所謂ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を備えた固体電解質形燃料電池（固体酸化物形燃料電池とも呼ばれる）においては、燃料電池セルを所定温度以上に加熱しないと発電できないことから、燃料電池セルの周囲に電気ヒータを設けて、燃料電池セルを周囲から加熱するとか、燃料電池セルに燃料ガスや酸化剤ガスを供給する供給ラインに加熱装置を設けて、燃料電池セルへ供給するガスを加熱することにより、燃料電池セルをガスを介して加熱する、といったことが行われている。

また、こうした加熱方法では、燃料電池セルをその内部で直接加熱することができず、加熱効率が悪いことから、燃料電池セルの空気極に燃焼触媒を設け、発電開始時には、酸化剤ガスに燃料ガスを混合した混合ガスを空気極に供給することにより、その混合ガスを燃焼触媒にて燃焼させ、その燃焼により燃料電池セルを直接加熱する、といったことも提案されている（例えば、特許文献１，２等参照）。
特開２００４−１１９２９８号公報 特開２００４−２８１３００号公報

しかしながら、上記提案の燃料電池システムでは、燃焼触媒が空気極に形成されていることから、燃料電池セルが、空気極を構成する多孔質電極基材に固体電解質を形成した空気極支持膜型であれば、燃料電池セルを良好に加熱することができるが、燃料電池セルが、燃料極を構成する多孔質電極基材に固体電解質体を形成した燃料極支持膜型、若しくは、固体電解質体の基材に燃料極及び前記空気極を形成した自立膜型である場合には、燃料電池セルを良好に加熱することができず、燃料電池セルを劣化させてしまうことがあった。

つまり、燃料電池セルの燃料極に供給される燃料ガスには、炭素析出を防止するために、通常、水蒸気が添加される。このため、燃料電池セルの温度が上昇すると、燃料極側で水蒸気改質が開始され、その反応は吸熱反応であるため、セルの温度が低下する。

従って、上記提案の燃料電池システムのように、空気極に設けた触媒により混合ガスを燃焼させるようにした場合、その燃焼と同時に、燃料極側で吸熱反応が起こると、空気極側と燃料極側とに温度差が生じることになる。

またこのように温度差が生じても、空気極支持膜型の燃料電池セルでは、燃料極や固体電解質体に比べて空気極の熱容量が大きく、空気極側から燃料極を加熱できるので、特に問題とはならない。

しかし、燃料極支持膜型の燃料電池セルや、自立膜型の燃料電池セルでは、燃料極や固体電解質体の熱容量が空気極に比べて大きくなるので、上記のように、空気極側での混合ガスの燃焼と同時に、燃料極側で吸熱反応が起こると、空気極側と燃料極側との間に大きな温度差が生じ、その温度差により燃料電池セルが破損することがある。

一方、燃料電池セルにおいて、空気極側での酸化剤ガスのガス流量は、通常、燃料極側での燃料ガスのガス流量の５〜１０倍に設定されていることから、空気極側では、燃料極に比べて、流れるガスによって熱が奪われ易い。

このため、上記提案の燃料電池システムのように空気極側で混合ガスを燃焼させた際には、燃焼による熱が酸化剤ガスの流れによって奪われ、燃料電池セルの加熱効率が悪いという問題もある。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、固体電解質形燃料電池において、燃料電池セルを劣化させることなく、燃料電池セルを短時間で効率よく加熱できるようにすることを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、燃料極に供給された燃料ガスと空気極に供給された酸化剤ガスとを固体電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生する燃料電池セルと、該燃料電池セルの燃料極及び空気極にそれぞれ接続され、これら各電極から電力を取り出す集電体と、を備えた固体電解質形燃料電池であって、前記燃料電池セルは、燃料極となる多孔質電極基材に固体電解質体及び空気極を形成してなる燃料極支持膜型、又は、前記固体電解質体となる基材に燃料極及び空気極を形成してなる自立膜型であり、前記燃料極には、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼触媒が設けられていることを特徴とする。

このように、本発明の固体電解質形燃料電池においては、燃料電池セルが、燃料極支持膜型又は自立膜型の燃料電池セルにて構成されており、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼触媒は、燃料極側に設けられている。

このため、発電のために、燃料電池セルを発電可能温度まで上昇させる際には、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを燃料極側に供給すればよく、この混合ガスの供給によって燃料電池セルが劣化することもない。

つまり、燃料極に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが燃焼触媒にて燃焼した際、燃料極側では、燃料ガスに混入された水蒸気による吸熱反応も起こるが、この吸熱反応による温度低下は燃焼触媒での混合ガスの燃焼による温度上昇により相殺される。

また、空気極の熱容量は、燃料極や固体電解質体の熱容量に比べて小さいことから、燃料極側の温度が上昇すると、固体電解質体を介して伝達される熱によって空気極も速やかに温度上昇する。

このため、本発明によれば、従来のように燃料極と空気極との温度差が大きくなって、燃料電池セルが劣化するようなことはなく、燃料極に供給した混合ガスによって燃料電池セルを短時間で効率よく加熱することができるようになる。

また特に、燃料電池セルに燃料極支持膜型のものを使用するようにすれば、空気極に燃焼触媒を形成した従来のものに比べて、低コストで実現できる。
つまり、空気極に燃焼触媒を形成する際には、燃料電池セルを空気極支持膜型にすればよいが、通常、燃料極はＮｉ、ＹＳＺ、空気極はＬａ，Ｓｒ，ＭｎやＬａ，Ｓｒ，Ｃｏ，Ｆｅのペロブスカイト型酸化物にて構成されることから、燃料電池セルを燃料極支持膜型にすれば、空気極支持膜型のものよりも材料コストを抑えることができる。

また、燃料極よりも空気極材料の方が焼成温度が低いため、空気極と固体電解質体とを同じ温度で焼成することが難しい。また、空気極材料と電解質材料は反応性が高く、空気極と固体電解質体とを同時に焼成することは困難である。従って、空気極支持膜型の燃料電池セルを製造する際には、焼成した空気極上にＰＶＤなどの方法で固体電解質体を形成していることが多い。これに対し、燃料極支持膜型の燃料電池セルでは、基材となる燃料極と固体電解質体とを同時に焼成できるので、空気極支持膜型のものに比べて、製造コストを抑えることができる。

一方、燃料電池セルの加熱に要する時間をより短くするには、請求項２に記載のように、燃料極に加えて空気極にも燃焼触媒を設けるようにしてもよい。
つまり、燃料電池セルをこのように構成すれば、発電を開始する際、燃料極と空気極の両方に、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを供給して、各電極側の燃焼触媒にて混合ガスを燃焼させる、といったことが可能となり、その燃焼により燃料電池セルをより短時間で発電可能温度まで上昇させることができる。

またこの場合、燃料電池セルを、燃料極と空気極との両方から加熱することができるので、加熱によって生じる温度差をより小さくすることができ、その温度差により生じる燃料電池セルの劣化をより確実に防止することができる。

ここで、燃焼触媒は、混合ガスを燃焼させて燃料電池セルを直接加熱できればよいことから、請求項３に記載のように、対象となる電極（つまり、燃料極、又は、燃料極と空気極）の表面に触媒層として設けるようにしてもよく、或いは、請求項５に記載のように、その電極内に形成してもよい。

なお、燃焼触媒を電極の表面に形成する場合には、請求項４に記載のように、燃料電池セルとしての発電機能を妨げることのないよう、燃焼触媒を、電極の表面に網目状に形成することが望ましく、電極上に複数の集電体が分散して配置されている場合には、各集電体同士を電気的に接続するように形成することで、集電抵抗も低減できる。

また、請求項６に記載のように、燃焼触媒は、対象となる電極（燃料極、又は、燃料極と空気極）に接続される集電体として機能するよう構成してもよい。なお、このように燃焼触媒を集電体として機能させるには、例えば、上記のように電極表面に形成した燃焼触媒を集電体として利用するようにしてもよく、或いは、電極とは別体で構成される集電体に触媒を形成することで、これら両機能を有する部材を作製し、これを電極に設けるようにしてもよい。

次に、請求項７に記載の発明は、本発明（請求項１〜請求項６の何れか）の固体電解質形燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関する発明であり、この燃料電池システムには、燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段が備えられている。

そして、この燃料電池システムでは、制御手段が、燃料電池セルにおいて燃焼触媒が形成された電極に燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを供給することにより、その混合ガスを燃焼触媒にて燃焼させ、その後、温度検出手段による検出温度が発電可能温度になると、燃料極及び空気極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して、通常発電に移行させる。

従って、この燃料電池システムによれば、本発明（請求項１〜請求項６）の固体電解質形燃料電池を用いて発電を開始する際、燃料電池セルを発電可能温度まで速やかに加熱して、発電を開始させることができ、起動時間が短く、使い勝手のよい燃料電池システムを実現できることになる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明が適用された燃料電池システムの構成を模式的に表す説明図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に接続された多数の配管と、これらの配管に設けられた多数の装置とから構成されている。

そこで、まず、燃料電池スタック１０について説明する。
燃料電池スタック１０は、図２に示すように、燃料極２１と空気極２２とを有する固体電解質体２３からなる平板状の燃料電池セル２０を、インターコネクタ３０を挟んで複数積層したものであり、本発明の固体酸化物形燃料電池に相当する。

また、燃料電池セル２０は、燃料極２１となる多孔質基板上に、固体電解質体２３を形成し、更に、固体電解質体２３の上に空気極２２を形成した、燃料極支持膜型のものである。

そして、本実施形態では、燃料電池セル２０の燃料極２１及び空気極２２の表面（つまり固体電解質体２３とは反対側の面）に、それぞれ、燃焼触媒２４及び２５を形成することで、これら各電極２１、２２に燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給された際に、その混合ガスを燃焼触媒２４、２５で燃焼できるようにされている。

なお、燃焼触媒２４、２５は、発電時に各電極２１、２２への燃料ガス又は酸化剤ガスの拡散が妨げられないために、図３に示すようにメッシュ状（網目状）に形成されている。

また、燃料電池セル２０には、燃料極２１に積層された固体電解質体２３の周囲を囲むように、金属製のセパレータ３５が接合されている。そして、このセパレータ３５の周囲は、金属製の燃料極フレーム３７と、金属製の空気極フレーム３８とで挟まれており、更に、これら各フレーム３７、３８の上下には、金属プレートであるインターコネクタ３０が配置されている。

このため、燃料電池セル２０の各電極２１、２２側には、セパレータ３５と、燃料極フレーム３７又は空気極フレーム３８と、インターコネクタ３０とで囲まれた燃料ガス流路２８及び酸化剤ガス流路２９がそれぞれ形成されることになる。

なお、燃料電池セル２０の上下に配置されるインターコネクタ３０間を絶縁するために、空気極フレーム３８とセパレータ３５との間には、セラミックス製の絶縁フレーム３６が設けられている。

また、燃料電池セル２０の各電極２１、２２は、上下のインターコネクタ３０と対向することになるが、これらの間には、各電極２１、２２とインターコネクタ３０とを電気的に接続するために、多孔質で導電性を有する集電体２６、２７が配置されている。

次に、燃料電池スタック１０は、上記のように２枚のインターコネクタ３０に挟まれた燃料電池セル２０を、インターコネクタ３０を共用させて、順に積層することにより作製されるが、その積層された複数の燃料電池セル２０を収納する燃料電池スタック１０のケースには、図１に示すように、各燃料電池セル２０の燃料極２１に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口１１と、燃料極２１に供給した燃料ガスを排出するための燃料ガス排出口１２と、燃料電池セル２０の空気極２２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス導入口１３と、空気極２２に供給した酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出口１４とが設けられている。

そして、燃料電池スタック１０内で燃料電池セル２０を支持するセパレータ３５、絶縁フレーム３６、燃料極フレーム３７、空気極フレーム３８、及びインターコネクタ３０には、燃料ガス導入口１１、燃料ガス排出口１２、酸化剤ガス導入口１３、及び酸化剤ガス排出口１４にそれぞれ連通したマニホールド３１、３２、３３、３４を形成する孔が穿設されており（図３参照）、燃料電池セル２０の燃料ガス流路２８は、マニホールド３１、３２を介して、燃料ガス導入口１１及び燃料ガス排出口１２と連通し、燃料電池セル２０の酸化剤ガス流路２９は、マニホールド３３、３４を介して、酸化剤ガス導入口１３及び酸化剤ガス排出口１４と連通している。

従って、本実施形態の燃料電池スタック１０においては、燃料ガス導入口１１から燃料ガスを供給すれば、燃料電池スタック１０内の複数の燃料電池セル２０の燃料極２１に燃料ガスを供給でき、酸化剤ガス導入口１３から酸化剤ガスを供給すれば、燃料電池スタック１０内の複数の燃料電池セル２０の空気極２２に酸化剤ガスを供給できる。

なお、図２は、燃料電池スタック１０内に積層された燃料電池セル２０の断面図であり、図３は、燃料電池スタック１０を図２に示すＡ−Ａ線で切断して、燃料電池セル２０を燃料極２１側から見た状態を表す断面図である。そして、図２には、２つの燃料電池セル２０を記載しているが、燃料電池スタック１０内には、実際にはより多く（例えば１０個）の燃料電池セル２０が組み込まれる。また、図２は、各部の構成を解りやすく記載したものであるため、各部の寸法（大きさ）は実際のものとは異なる。

次に、本実施形態の燃料電池セル２０の製造手順について説明する。
（１）燃料極グリーン基板の作成
酸化ニッケル（ＮｉＯ）粉末６０重量部と、イットリアを８モル％固溶させたジルコニア（８ＹＳＺ）粉末４０重量部とを混合して成分原料とし、気孔形成材として人造黒鉛粉を３０重量部加えた。

次に、分散剤１重量部、及び、有機溶媒としてトルエンとメチルエチルケトン（ＭＥＫ）を２：３の割合で混合した溶液３５重量部をそれぞれ加え、アルミナ製ポットミルを用いて２４時間混合した。

その後、可塑剤としてＤＢＰを７重量部、バインダーとしてポリビニルアルコール１６重量部加えて、更に３時間混合し、スラリーとした。
そのスラリーをドクターブレード法にて、厚さ２００μｍのグリーンシートを得た。

このグリーンシート７枚を積層圧着し、１５０ｍｍ×１５０ｍｍに切断して、厚さ１３００μｍの燃料極グリーン基板を得た。
（２）電解質層及びセリア系酸化物層（反応防止層）の形成
電解質層には８ＹＳＺ粉末を用いた。

この８ＹＳＺ粉末１００重量部に、バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部及びブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して、固体電解質のスラリーを調製し、これを燃料極グリーン基板の一方の面に、厚さ２５μｍとなるようにスクリーン印刷した。

セリア系酸化物層（反応防止層）には、サマリアをドープしたセリア（Ｓｍ０．２Ｃｅ０．８Ｏ１．９以下ＳＤＣ）を用いた。
原料粉末には、酸化サマリウム、酸化セリウムを用い、それぞれを所定量秤量し、エタノールを溶媒として湿式混合後、１４００°Ｃ、６時間の条件で仮焼し、ＳＤＣ粉末を得た。

その後、エタノール溶媒を加え湿式粉砕して、平均粒径を０．５３μｍのＳＤＣ粉末を得た。
このＳＤＣ粉末１００重量部に、バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部 及びブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して、反応防止層スラリーを調整し、これを電解質層上に、厚さが１０μｍ、１２０ｍｍ×１２０ｍｍのサイズとなるようにスクリーン印刷し、燃料極基板、電解質層、反応防止層の三成分積層体の成形体を得た。

そして、この三成分積層体の成形体は、１４００°Ｃ、１時間の条件で同時焼成を行い、三成分積層体の焼結体を得た。
（３）空気極とセパレータの形成
空気極材料には、平均粒径２μｍの市販のＬａ０．６Ｓｒ０．４Ｃｏ０．２Ｆｅ０．８Ｏｘ（以下ＬＳＣＦと表記）粉末と、上記ＳＤＣ粉末と同様の手法により任意の粒径に調整したＳＤＣ粉末を用いた。

上記ＬＳＣＦ粉末とＳＤＣ粉末の混合粉１００重量部に、バインダーとしてポリビニルアルコール１３重量部及びブチルカルビトール３５重量部をそれぞれ混合して空気極スラリーを調整し、これを上記電解質層上に１００ｍｍ×１００ｍｍのサイズで、３０μｍ厚となるように印刷した。そして、１２００°Ｃ、１時間の条件で焼き付けた。
（４）燃焼触媒の形成
上述した（１）〜（３）の手順で作製した燃料極支持膜型燃料電池セル２０の燃料極２１と空気極２２の表面に、平均粒径９μｍからなる白金粉末を空気極材料と同様の手法にてペースト状に調整し、これを、図３のようなパターンにてメッシュ状にスクリーン印刷し、１０００°Ｃで焼き付けた。

この結果、燃料極２１及び空気極２２の表面にメッシュ状の燃焼触媒２４及び２５を形成してなる本実施形態の燃料電池セル２０が完成した。
次に、図１に戻り、本実施形態の燃料電池スタック１０のケースには、上述した複数の燃料電池セル２０の積層方向両端に位置するインターコネクタ３０から電力を取り出すための正極端子１５及び負極端子１６が設けられており、これら各端子１５、１６には、燃料電池スタック１０にて発電された電力を電気負荷に供給するための給電線１７が接続されている。

そして、この給電線１７のうち、負極端子１６に接続された給電線には、電気負荷への給電経路を導通／遮断するための燃料電池スイッチ１８が設けられている。また、燃料電池スタック１０には、燃料電池セル２０の温度を検出するセル温度センサ１９が設けられている。

また、燃料電池スタック１０の燃料ガス導入口１１には、燃料電池セル２０の燃料極２１に燃料ガスとしての炭化水素化合物（例えばメタン）および水蒸気を供給するための燃料供給管４１が接続され、酸化剤ガス導入口１３には、燃料電池セル２０の空気極２２に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給管４２が接続されている。

そして、この燃料供給管４１及び空気供給管４２には、それぞれ、これら各管の開度を調整して燃料電池スタック１０に供給されるガスの流量を制御するための燃料供給バルブ５１及び空気供給バルブ５２が設けられている。

また、この２つのバルブ５１、５２の内、燃料供給バルブ５１は、制御信号により燃料供給管４１の開度を調整可能な電磁弁にて構成されており、空気供給バルブ５２は、制御信号に応じて空気供給管４２の開度を調整できるだけでなく、空気の通過経路を酸化剤ガス導入口１３から燃料供給管４１側へと切換可能な方向制御弁にて構成されている。

つまり、本実施形態では、燃料供給管４１の燃料供給バルブ５１よりも下流側には、空気供給バルブ５２を介して空気供給管４２から空気を導入するための空気導入管４３が連結されており、空気供給バルブ５２での空気の通過経路を切り換えることで、外部から空気供給管４２に供給された空気を各燃料電池セル２０の空気極２２に供給するか燃料極２１に供給するかを切り換えることができるようにされている。

また、燃料供給管４１において、空気導入管４３との連結部よりも更に下流には、燃料ガスを燃焼させるためのバーナ５３が設けられており、そのバーナ５３よりも更に下流には、第２の空気供給管４４が連結されている。そして、この第２の空気供給管４４には、その開度を調整可能な電磁弁からなる空気混合バルブ５４が設けられている。

従って、燃料供給管４１では、燃料供給バルブ５１を介して外部から供給された燃料ガスに対して、バーナ５３の上流側及び下流側でそれぞれ空気を混合させることができる。このため、例えば、バーナ５３の上流側で燃料ガスと空気とを混合させて、バーナ５３を点火すれば、その混合ガスをバーナ５３にて燃料させ、その燃焼により高温となったガスを燃料電池スタック１０に供給して、燃料電池セル２０を加熱することができる。

また、例えば、バーナ５３の下流側で燃料ガスと空気とを混合させ、その混合ガスを燃料電池スタック１０に供給すれば、その混合ガスを、燃料電池セル２０の燃料極２１に形成された燃焼触媒２４にて燃料させ、その燃焼により燃料電池セル２０を直接加熱することができる。

なお、バーナ５３は、例えば、外部から供給される別の燃料を燃焼させることにより種火を生成し、燃料供給管４１の上流側から流入した燃料ガスと空気との混合ガスに引火させることにより、この混合ガスを燃焼させるものである。

次に、燃料電池スタック１０の燃料ガス排出口１２には、複数の燃料電池セル２０の燃料極２１を通過したガスを排出するための燃料排出管４５が接続され、酸化剤ガス排出口１４には、複数の燃料電池セル２０の空気極２２を通過したガスを排出するための空気排出管４６が接続されている。そして、これら各排出管４５、４６は、各排出口１２、１４から排出されたガスを混合して外部に排出する共通の排気管４７に連結されている。

また、この排気管４７には、排気中の燃料ガス成分を燃焼させて、排気を浄化するための触媒５５が設けられており、その触媒５５よりも上流側には、排気の温度を検出する排気温度センサ５６、及び、排気中の酸素濃度（換言すれば空気過剰率λ）を検出するための全領域空燃比センサ５７が設けられている。なお、触媒５５は、例えば、公知の三元触媒として構成されている。

次に、図４は、本実施形態の燃料電池システム１の制御系の構成を表すブロック図である。
図４に示すように、燃料電池システム１の制御系は、マイクロコンピュータからなる制御部６０を中心に構成されている。また、この制御部６０には、燃料電池スタック１０からの出力（電圧や電流）をモニタする電圧測定部６２および発電電力量測定部６４としての測定回路が内蔵されている。

そして、この制御部６０は、使用者により操作される指令入力部６１を介して、燃料電池スタック１０による発電開始指令が入力されると、上述したセル温度センサ１９、排気温度センサ５６、全領域空燃比センサ５７からの検出信号に基づいて、燃料供給バルブ５１、空気供給バルブ５２、空気混合バルブ５４、及び、バーナ５３を制御することにより、燃料電池スタック１０を発電可能な状態（温度）に制御し、その後、燃料電池スイッチ１８をオンして、燃料電池スタック１０から電気負荷への電源供給を開始させる。

以下、このように制御部６０にて実行される燃料電池制御処理について、図５に示すフローチャートに沿って説明する。
図５に示すように、この燃料電池制御処理が開始されると、まずＳ１１０（Ｓはステップを表す）にて、空気供給バルブ５２の空気の通過経路を空気導入管４３側に切り換えると共に、空気供給バルブ５２と燃料供給バルブ５１とを予め設定された第１基準量だけ開くことにより、燃料供給管４１に設けられたバーナ５３に、燃料ガスと空気との混合ガスを供給し、続くＳ１２０にて、バーナ５３を点火させる。

そして、続くＳ１３０では、排気温度センサ５６からの検出信号に基づき、バーナ５３の点火後、排気温度が上昇しているか否かを判断する。
つまり、燃料ガスと空気との混合ガスをバーナ５３に供給して、バーナ５３を点火すれば、バーナ５３にて混合ガスが燃焼し、その燃焼ガスが、燃料ガス導入口１１から燃料電池スタック１０内に流入して、各燃料電池セル２０の燃料ガス流路２８を通過し、燃料ガス排出口１２から排出されることから、Ｓ１３０では、バーナ５３点火後の排気温度の変化から、バーナ５３にて混合ガスが正常に燃焼しているか否かを判断するのである。

そして、Ｓ１３０にて、排気温度は上昇していないと判断された場合（つまりバーナ５３にて混合ガスが正常に燃焼していない場合）には、Ｓ１４０にて、燃料供給バルブ５１及び空気供給バルブ５２を閉じ、バーナ５３を消化して、当該燃料電池制御処理を終了する。

一方、Ｓ１３０にて、排気温度は正常に上昇していると判断された場合（つまりバーナ５３にて混合ガスが正常に燃焼している場合）には、Ｓ１５０に移行して、全領域空燃比センサ５７からの検出信号に基づき、バーナ５３に供給された混合ガスの空燃比は予め設定された第１目標空燃比（例えば、空気過剰率λ：０．８±０．１）に制御できているか否かを判断する。

そして、Ｓ１５０にて、混合ガスの空燃比は第１目標空燃比に制御されていないと判断されると、Ｓ１６０にて、空燃比が第１目標空燃比になるように、燃料供給バルブ５１又は空気供給バルブ５２の開度（若しくはこれら両バルブの開度）を調整し、再度Ｓ１３０に移行する。

この結果、Ｓ１３０、Ｓ１５０、Ｓ１６０の処理は、バーナ５３に供給される混合ガスの空燃比が第１目標空燃比になるまで繰り返し実行されることになる。
一方、Ｓ１５０にて、混合ガスの空燃比は第１目標空燃比に制御されていると判断されると、Ｓ１７０に移行し、セル温度センサ１９からの検出信号に基づき、燃料電池セル２０の温度が、燃料電池セル２０の電極２１、２２に形成された燃焼触媒２４、２５にて混合ガスが燃焼可能な温度（触媒接触燃焼温度：例えば、３００°Ｃ）以上であるか否かを判断する。

つまり、Ｓ１７０では、バーナ５３からの燃焼ガスが燃料電池スタック１０内を通過することによって、燃料電池セル２０が、触媒接触燃焼温度まで加熱されたか否かを判断するのである。

そして、Ｓ１７０にて、燃料電池セル２０が触媒接触燃焼温度に達していないと判断されると、再度このＳ１７０の判定処理を実行することにより、燃料電池セル２０の温度が触媒接触燃焼温度まで上昇するのを待ち、Ｓ１７０にて、燃料電池セル２０が触媒接触燃焼温度以上になったと判断されると、Ｓ１８０に移行して、空気混合バルブ５４を開き、バーナ５３を通過した燃焼ガス（詳しくはリッチ空燃比の混合ガスを燃焼させることによって生成された未燃焼燃料を含む燃焼ガス）に空気を混合させ、続くＳ１９０に移行する。

なお、Ｓ１８０では、燃焼ガス中に含まれる未燃焼燃料（つまり燃料ガス）を燃焼触媒（ここでは燃料極２１に形成された燃焼触媒２４）にて燃焼させるのに必要な量の空気が通過するように、予め設定されたデューティ比にて空気混合バルブ５４を周期的に開弁させる。

そして、このようにＳ１８０にて空気混合バルブ５４が開弁され、空気混合バルブ５４を通過した空気が燃焼ガスに混合されると、燃料電池セル２０の燃料極２１に形成された燃焼触媒２４にて、燃焼ガス中の未燃焼燃料（燃料ガス）と空気中の酸素とが反応して燃焼し、その燃焼により燃料電池セル２０が直接加熱されて、燃料電池セル２０がより急速に温度上昇することになる。

そこで、続くＳ１９０では、セル温度センサ１９からの検出信号に基づき、燃料電池セル２０が予め設定された変化速度以上で正常に温度上昇しているか否かを判断する。そして、Ｓ１９０にて、燃料電池セル２０が正常に温度上昇していないと判断されると、燃料電池セル２０が触媒接触燃焼温度にまで充分加熱されていないと判断して、Ｓ２００に移行し、Ｓ２００にて空気混合バルブ５４を閉じた後、再度Ｓ１７０に移行する。

一方、Ｓ１９０にて、燃料電池セル２０が正常に温度上昇していると判断されると、今度は、Ｓ２１０に移行して、セル温度センサ１９からの検出信号に基づき、燃料電池セル２０は、予め設定された発電可能温度（例えば、７００°Ｃ）以上であるか否かを判断する。

そして、Ｓ２１０にて、燃料電池セル２０が発電可能温度に達していないと判断されると、再度このＳ２１０の判定処理を実行することにより、燃料電池セル２０の温度が発電可能温度まで上昇するのを待ち、Ｓ２１０にて、燃料電池セル２０が発電可能温度以上になったと判断されると、Ｓ２２０に移行して、空気混合バルブ５４を閉じ、続くＳ２３０に移行する。

Ｓ２３０では、燃料電池セル２０による発電を開始させために、空気供給バルブ５２の空気の通過経路を空気導入管４３側から酸化剤ガス導入口１３側に切り換え、空気供給バルブ５２と燃料供給バルブ５１とを予め設定された第２基準量だけ開くことにより、燃料電池スタック１０に対し、酸化剤ガス導入口１３から空気を供給させ、燃料ガス導入口１１から燃料を供給させる。

すると、燃料電池スタック１０内では、各燃料電池セル２０が発電を開始することになるので、続くＳ２４０では、電圧測定部６２を介して燃料電池スタック１０からの出力電圧をモニタリングし、出力電圧が正常であるか否かを判定することにより、出力電圧が正常になるのを待つ。

次に、Ｓ２４０にて、燃料電池スタック１０からの出力電圧が正常であると判断されると、Ｓ２５０にて、全領域空燃比センサ５７からの検出信号に基づき、燃料電池スタック１０に供給された空気と燃料ガスとの比（空燃比）は予め設定された第２目標空燃比（例えば、空気過剰率λ：１．０）に制御できているか否かを判断する。

そして、Ｓ２５０にて、空燃比は第２目標空燃比に制御されていないと判断されると、Ｓ２６０にて、空燃比が第２目標空燃比になるように、燃料供給バルブ５１又は空気供給バルブ５２の開度（若しくはこれら両バルブの開度）を調整し、再度Ｓ２５０に移行する。

一方、Ｓ２５０にて、空燃比は第２目標空燃比に制御されていると判断されると、Ｓ２７０に移行して、燃料電池スイッチ１８を遮断状態から通電状態に切り替える。つまり、燃料電池スイッチ１８は、当該燃料電池制御処理の開始時には、遮断状態に切り換えられており、上記の処理により、燃料電池スタック１０が発電可能状態となって、燃料電池スタック１０からの出力電圧が正常になった時点で、通電状態（つまりＯＮ状態）に切り換えられるのである。

そして、このように、燃料電池スイッチ１８がＯＮされ、燃料電池スタック１０に電気負荷が接続されると、Ｓ２８０に移行し、電気負荷での電力消費量に応じて、燃料供給バルブ５１及び空気供給バルブ５２の開度を制御する発電制御処理を実行する。

なお、この発電制御処理は、発電電力量測定部６４にて測定した発電電力量（つまり電気負荷側での電力消費量）に基づき、燃料電池スタック１０での発電に必要な燃料量を算出し、燃料供給バルブ５１からの燃料供給量がこの算出結果と一致するよう、燃料供給バルブ５１の開度を制御すると共に、全領域空燃比センサ５７からの検出信号に基づき、燃料電池スタック１０に供給された空気と燃料ガスとの比（空燃比）が空気過剰率λ：１の目標空燃比となるように、空気供給バルブ５２の開度を制御する、といった手順で実行される。

また、この発電制御処理の実行中に、指令入力部６１から発電停止指令が入力されると、制御部６０は、燃料供給バルブ５１及び空気供給バルブ５２を閉じて、燃料電池スイッチ１８を遮断状態に切り換える。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１においては、燃料電池スタック１０を構成している複数の燃料電池セル２０の燃料極２１と空気極２２とに、それぞれ、燃焼触媒２４、２５が形成されている。

そして、この燃料電池スタック１０を使用する際には、まず、燃料ガスと空気との混合ガスをバーナ５３に供給して燃焼させ、その燃焼ガスを、燃料ガス導入口１１から燃料電池スタック１０に供給することにより、内部の燃料電池セル２０を加熱させ、その後、燃料電池セル２０が触媒接触燃焼温度に達した時点で、燃焼ガスに空気を混合させる。

また、この燃焼ガスは、空燃比リッチの混合ガスを燃焼させたものであり、未燃焼燃料が含まれていることから、燃料ガス導入口１１から燃料電池スタック１０内に供給されると、燃料電池セル２０の燃料ガス流路２８を通過する際に、燃焼触媒２４にて、未燃焼燃料と空気中の酸素とが反応して燃焼し、その燃焼により燃料電池セル２０が直接加熱されて、その温度が急上昇する。

従って、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１０による発電の開始指令を受けてから、実際に発電を開始するのに要する、燃料電池セル２０の加熱時間を、従来システムに比べて、短くすることができる。

また、本実施形態では、燃料電池スタック１０を、空気極２２や固体電解質体２３に比べて燃料極２１の熱容量が大きい燃料極支持膜型の燃料電池セル２０にて構成し、しかも、発電のために燃料電池セル２０を温度上昇させる際には、この燃料電池セル２０の燃料極２１側にバーナ５３からの燃焼ガス（未燃焼燃料を含む）と空気との混合ガスを供給して、燃料電池セル２０を燃料極２１側から加熱するようにしている。

このため、例えば、燃料電池セル２０の空気極２２側にバーナ５３からの燃焼ガス（未燃焼燃料を含む）と空気との混合ガスを供給して、燃料電池セル２０を空気極２２側から加熱するようにした場合に比べて、燃料電池セル２０に熱応力を発生させることなく、効率よく加熱することができる。

なお、本実施形態においては、セル温度センサ１９が、本発明の温度検出手段に相当し、マイクロコンピュータにて構成された制御部６０が、本発明の制御手段に相当する。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にで、種々の態様をとることができる。

例えば、上記実施形態では、燃料電池スタック１０において、燃料電池セル２０には、燃料極２１と空気極２２の両方に燃焼触媒２４、２５が形成されているものとして説明したが、上記実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池セル２０を加熱する際、燃料電池セル２０の燃料極２１側にだけ、未燃焼燃料を含む燃焼ガスと空気との混合ガスを供給するようにしているので、空気極２２に燃焼触媒２５が形成されていない燃料電池セルを用いても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態のように、燃料極２１と空気極２２の両方に燃焼触媒２４、２５が形成された燃料電池セル２０からなる燃料電池スタック１０を用いる場合、燃料電池セル２０が触媒接触燃焼温度に達した際には、燃料ガス導入口１１及び酸化剤ガス導入口１３の両方から、燃料ガスに空気を混合させた混合ガス（若しくは上記実施形態のように未燃焼燃料を含む燃焼ガスに空気を混合させた混合ガス）を供給して、その混合ガスを、燃料電池セル２０の燃料極２１側燃焼触媒２４と空気極２２側燃焼触媒２５との両方で燃焼させ、燃料電池セル２０を各電極２１、２２側から同時に加熱するようにしてもよい。そしてこのようにすれば、燃料電池セル２０をより早く発電可能温度まで上昇させることができ、燃料電池スタック１０による発電開始をより速めることができる。

また次に、上記実施形態では、燃料電池セル２０の電極表面（燃料極２１、空気極２２の表面）に、燃焼触媒２４、２５を形成するものとして説明したが、燃焼触媒は、その電極内に形成するようにしてもよい。

なお、このように電極（燃料極２１、空気極２２）内に燃焼触媒を形成するには、例えば、上述した（４）の工程に変えて、上述した（１）〜（３）の工程にて作製した燃料電池セル２０の燃料極２１と空気極２２に対し、塩化白金酸水溶液をエタノールで希釈し白金濃度を５ｇ／Ｌとしたものを滴下塗布して乾燥させる工程を、２回繰り返し行うことで、各電極２１、２２に白金を担持させるようにすればよい。

また、上記実施形態のように、燃料電池セル２０の電極表面（燃料極２１、空気極２２の表面）に、燃焼触媒２４、２５を形成する場合、この燃焼触媒２４，２５を集電体として機能させてもよく、或いは、上記実施形態の集電体２６、２７に燃焼触媒を形成することで、燃焼触媒と集電体との機能を有する部材（図示せず）を作製し、これを燃料電池セル２０の電極（燃料極２１、空気極２２）とインターコネクタ３０との間に設けるようにしてもよい。

そして、このように各集電体２６、２７に燃焼触媒を形成することで、燃焼触媒と集電体との機能を有する部材（図示せず）を作製する際には、次のようにすればよい。
つまり、例えば、燃料極２１とインターコネクタ３０との間に設けられる集電体２６は、ニッケルフェルト等にて構成され、空気極２２とインターコネクタ３０との間に設けられる集電体２７は、ＬＳＣＦの導電性セラミック多孔体や金属フェルト等にて構成されるが、これら各集電体２６、２７に燃焼触媒を形成する際には、上記各電極２１、２２に白金を担持させるのと同様の手順で、塩化白金酸水溶液をエタノールで希釈し白金濃度を５ｇ／Ｌとしたものを滴下塗布して乾燥させる工程を、２回繰り返し行い、各集電体２６、２７に白金を担持させればよい。

また、例えば、ニッケルフェルトからなる集電体２６（燃料極２１側）に燃焼触媒を形成する際には、平均粒径９μｍからなる白金粉末を１ｇ、フェルト内にまぶし、ＬＳＣＦの導電性セラミックからなる集電体２７（空気極２２側）に燃焼触媒を形成する際には、平均粒径９μｍからなる白金粉末を１ｇ、ＬＳＣＦ粉末と混合して、１２００°Ｃで焼成するようにしてもよい。

なお、燃焼触媒の材料としては、上述した白金（Ｐｔ）に限らず、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｅ等の他の貴金属系触媒を使用することができる。また、燃料電池セル２０は、燃料極支持膜型に限らず、自立膜型のものであっても、上記と同様に燃焼触媒を形成することで、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

一方、上記実施形態では、燃料極２１に形成された燃焼触媒２４にて燃料ガスと空気を供給して触媒燃焼させる前に、バーナ５３にて混合ガスを燃焼させた高温の燃焼ガスを燃料電池スタック１０に供給することで、燃料電池セル２０を、燃焼触媒２４が混合ガスを燃焼させることのできる温度（触媒接触燃焼温度）まで加熱するようにしているが、これは、燃料電池スタック１０が発電を停止しているときに、燃料電池セル２０の温度が触媒接触燃焼温度よりも低下することを想定しているためであり、燃料電池セル２０が触媒接触燃焼温度よりも低下することのない使用条件下で使用される場合には、このような予備加熱は不要である。

また、このような予備加熱を行う場合には、必ずしも上記実施形態のようなバーナ５３を使用する必要はなく、燃料電池スタック１０の周囲に設けた電気ヒータにて燃料電池セル２０を加熱するようにしてもよい。

また次に、上記実施形態では、燃料電池スイッチ１８を導通状態（ＯＮ状態）にして、燃料電池スタック１０から電気負荷への給電を開始した後は、発電制御処理により、燃料電池スタック１０に供給する燃料ガスや空気の量を、電気負荷の消費電力量や排気中の酸素濃度に応じて制御するものとして説明したが、発電開始後、燃料電池セル２０が発生するジュール熱では温度維持が困難な場合や、負荷変動により燃料電池セル２０を加熱する必要がある場合には、空気混合バルブ５４を一時的に開いて、燃料極２１に空気を供給し、燃焼触媒２４にて接触燃焼を行い、更に、その空気量を調整することで、燃料電池セル２０を、発電に適した目標温度に制御するようにしてもよい。

実施形態の燃料電池システムの構成を模式的に表す説明図である。 燃料電池セルの構成及びその積層状態を表す断面図である。 燃料電池セルを図２に示すＡ−Ａ線で切断した状態を表す断面図である。 燃料電池システムの制御系の構成を表すブロック図である。 制御部にて実行される燃料電池制御処理を表すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…燃料電池スタック、１１…燃料ガス導入口、１２…燃料ガス排出口、１３…酸化剤ガス導入口、１４…酸化剤ガス排出口、１５…正極端子、１６…負極端子、１７…給電線、１８…燃料電池スイッチ、１９…セル温度センサ、２０…燃料電池セル、２１…燃料極（電極）、２２…空気極（電極）、２３…固体電解質体、２４，２５…燃焼触媒、２６，２７…集電体、２８…燃料ガス流路、２９…酸化剤ガス流路、３０…インターコネクタ、３１〜３４…マニホールド、３５…セパレータ、３６…絶縁フレーム、３７…燃料極フレーム、３８…空気極フレーム、４１…燃料供給管、４２…空気供給管、４３…空気導入管、４４…第２の空気供給管、４５…燃料排出管、４６…空気排出管、４７…排気管、５１…燃料供給バルブ、５２…空気供給バルブ、５３…バーナ、５４…空気混合バルブ、５５…触媒（三元触媒）、５６…排気温度センサ、５７…全領域空燃比センサ、６０…制御部、６１…指令入力部、６２…電圧測定部、６４…発電電力量測定部。

Claims (7)

1. 燃料極に供給された燃料ガスと空気極に供給された酸化剤ガスとを固体電解質体を介して化学反応させることにより電力を発生する燃料電池セルと、
   該燃料電池セルの燃料極及び空気極にそれぞれ接続され、これら各電極から電力を取り出す集電体と、
   を備えた固体電解質形燃料電池であって、
   前記燃料電池セルは、燃料極となる多孔質電極基材に固体電解質体及び空気極を形成してなる燃料極支持膜型、又は、前記固体電解質体となる基材に燃料極及び空気極を形成してなる自立膜型であり、
   前記燃料極には、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの混合ガスを燃焼させる燃焼触媒が設けられていることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
2. 前記燃料極に加えて前記空気極にも前記燃焼触媒が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。
3. 前記燃焼触媒は、設置対象となる電極の表面に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体電解質形燃料電池。
4. 前記燃焼触媒は、設置対象となる電極の表面に網目状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の固体電解質形燃料電池。
5. 前記燃焼触媒は、設置対象となる電極内に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体電解質形燃料電池。
6. 前記燃焼触媒は、設置対象となる電極に接続される集電体として機能することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の固体電解質形燃料電池。
7. 請求項１〜請求項６の何れかに記載の固体電解質形燃料電池と、
   該固体電解質形燃料電池の燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段と、
   前記固体電解質形燃料電池において前記燃焼触媒が形成された電極に燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを供給し、その後、前記温度検出手段による検出温度が発電可能温度になると、前記燃料極及び前記空気極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して、通常発電に移行させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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