JP2009064578A - 燃料電池システム及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを発電可能な温度に迅速に昇温させることを可能にする。
【解決手段】セパレータ２８は、電解質・電極接合体２６を挟持するとともに、燃料ガス通路４６及び酸化剤ガス通路６２を形成する挟持部３６と、前記挟持部３６に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路４６に供給するための燃料ガス供給通路５４が形成される第１橋架部３４と、前記第１橋架部３４に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路５４に供給するための燃料ガス供給連通孔３０が積層方向に形成されるマニホールド部３２とを備え、起動時に、加熱された空気が、前記電解質・電極接合体２６の周縁部を経由して前記酸化剤ガス通路６２と前記燃料ガス通路４６とに分配供給される。
【選択図】図５

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池スタックを備える燃料電池システム及びその起動方法に関する。

通常、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（単セル）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

この種の固体電解質形燃料電池は、作動温度が数百℃（例えば、７００℃前後）と高温であるため、起動時に前記燃料電池を急速に昇温させる必要がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている固体酸化物形燃料電池では、セパレータの酸化剤ガス通路に燃料酸化触媒を配置し、運転開始時の予熱の際に、加熱手段により発電セルを外部から加熱するとともに、酸化剤ガスと爆発下限未満の燃料ガスの混合ガスを前記酸化剤ガス通路に供給し、当該混合ガスを前記燃料酸化触媒にて触媒燃焼させ、その熱で前記発電セルを内部から加熱する技術が開示されている。

また、特許文献２に開示されている固体電解質燃料電池では、空気供給路側に燃焼器を配置するとともに、燃料ガス路側にも燃焼器を配置しており、起動時に、両方の燃焼器で燃焼を行ってその燃焼排ガスを前記空気供給路及び前記燃料ガス路に供給して、電池部の加熱を行う技術が開示されている。

さらにまた、特許文献３では、燃料電池スタックを構成する各セル板の間に、燃焼ヒーター板を配設する燃料電池が開示されている。

特開２００４−３３５１６１号公報 特開２００１−１５５７５４号公報 特開２００３−１３２９３３号公報

上記の特許文献１では、酸化剤ガス通路に燃料酸化触媒を配置しており、この酸化剤ガス通路で混合ガスを燃焼させることによって、発電セルを加熱している。このため、燃料ガス通路側の温度は、酸化剤ガス通路側の温度に比べて相当に低温となってしまう。これにより、発電セルには、温度分布が発生して均一な加熱が困難になり、急速な昇温を良好に行うことができないという問題がある。

また、上記の特許文献２では、燃料電池の両側に燃焼器が配置されるとともに、各燃焼器からの燃焼ガスによって前記燃料電池が昇温されている。従って、燃焼排ガスにより燃料電池が劣化し易くなるという問題がある。しかも、２台の燃焼器が配置されており、燃料電池全体が相当に大型化するという問題がある。

さらにまた、上記の特許文献３では、燃料電池スタックのセル板間に燃焼ヒーター板が配設されている。このため、セルの積層枚数が増加するのに伴って、燃焼ヒーター板の数も増加し、燃料電池スタックの積層方向の寸法が相当に長尺化するとともに、構造が複雑化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを発電可能な温度に迅速に昇温させることが可能な燃料電池システム及びその起動方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関するものである。

セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路、及びカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成し、且つ使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部と、前記橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成されるマニホールド部とを備えている。

そして、燃料電池スタックには、酸化剤ガスを加熱する加熱機構と、前記加熱機構により加熱された酸化剤ガスを、電解質・電極接合体の周縁部を経由して酸化剤ガス通路と燃料ガス通路とに分配供給するための加熱媒体供給路とが設けられている。

また、複数の挟持部は、マニホールド部を中心にして同心円上に配置されるとともに、燃料電池スタックは、複数の前記挟持部が積層方向に沿って同一位相上に配置されることが好ましい。従って、複数の挟持部に設けられている各燃料ガス通路で着火させることにより、燃料電池スタック全体を同時に加熱することができる。このため、急速昇温による熱応力及び熱歪みの発生を抑制することができ、耐久性の向上を図ることが可能になる。

さらに、燃料電池システムは、酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給するとともに、積層方向に延在する酸化剤ガス供給通路を備え、加熱媒体供給路は、前記酸化剤ガス供給通路に連通することが好ましい。これにより、加熱された酸化剤ガスは、加熱媒体供給路から酸化剤ガス供給通路に送られるため、カソード電極及びアノード電極をセパレータ上で直接加熱することができる。従って、簡単な構成で、発電可能な温度まで急速に昇温することが可能になり、始動性が向上する。

さらにまた、加熱機構は、電気ヒータを備えることが好ましい。これにより、酸化剤ガスを所望の温度に急速加熱することができ、始動性の向上を図るとともに、燃焼排ガスによる加熱とは異なり、電解質・電極接合体の劣化を有効に阻止することが可能になる。

また、本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池スタックを備え、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成し、且つ使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部と、前記橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成されるマニホールド部とを備える燃料電池システムの起動方法に関するものである。

この起動方法では、酸化剤ガスを加熱する工程と、加熱された前記酸化剤ガスを、電解質・電極接合体の周縁部を経由して酸化剤ガス通路と燃料ガス通路とに分配供給する工程と、前記燃料ガス通路に燃料ガスを供給することにより、前記燃料ガスを着火させる工程とを有している。

さらに、複数の挟持部は、マニホールド部を中心にして同心円上に配置されるとともに、燃料電池スタックは、複数の前記挟持部が積層方向に沿って同一位相上に配置され、複数の前記挟持部に設けられている各燃料ガス通路で燃料ガスを着火させることにより、前記燃料電池スタックを加熱することが好ましい。このため、急速昇温による熱応力及び熱歪みの発生を抑制することができ、耐久性の向上を図ることが可能になる。

さらにまた、酸化剤ガス通路に酸化剤ガスを供給するとともに、積層方向に延在する酸化剤ガス供給通路を有し、加熱媒体供給路は、前記酸化剤ガス供給通路に連通して加熱された酸化剤ガスを供給することが好ましい。カソード電極及びアノード電極をセパレータ上で直接加熱することができ、簡単な工程で、発電可能な温度まで急速に昇温することが可能になり、始動性が向上する。

また、加熱機構は、電気ヒータにより酸化剤ガスを加熱することが好ましい。従って、始動性の向上を図るとともに、電解質・電極接合体の劣化を有効に阻止することが可能になる。

本発明によれば、加熱された酸化剤ガスを介してカソード電極及びアノード電極が加熱されるため、前記カソード電極及び前記アノード電極が均一に加熱され、熱応力や熱歪みの発生を抑制することができる。

しかも、加熱された酸化剤ガスが燃料ガス通路に供給されるため、この燃料ガス通路に燃料ガスが供給されると、前記燃料ガスが着火される。従って、カソード電極及びアノード電極は、セパレータ上で直接加熱されるとともに、電解質・電極接合体及びセパレータは、燃料ガスの燃焼によって発電可能な温度まで急速に昇温され、燃料電池スタックの始動性が良好に向上する。

その上、燃料ガスは、セパレータ上で高温酸化剤ガス雰囲気で燃焼するため、前記燃料ガスが完全燃焼することになる。これにより、ＣＯの発生を阻止することができ、ＣＯ除去装置が不要になって経済的である。さらに、加熱された酸化剤ガスが使用されるため、例えば、燃焼器からの燃焼排ガスを用いることがなく、セパレータの耐食性が良好に向上する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１１を組み込む燃料電池システム１０の一部断面説明図である。

燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１４と、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１６と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４及び前記改質器１６を収容する筐体１８とを備える。

筐体１８内では、燃料電池スタック１２の一方の側に、少なくとも熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９が配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の他方の側に、燃料電池１１の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１が配設される。流体部１９及び荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。

燃料電池１１は、固体電解質形燃料電池であり、この燃料電池１１は、図２及び図３に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも内側周端部（セパレータ２８の中央側）には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

アノード電極２４は、例えば、Ｎｉを構成材料とする多孔質材である。カソード電極２２の表面積は、アノード電極２４の表面積よりも小さく設定される。なお、カソード電極２２の表面積とアノード電極２４の表面積とは、同一に設定してもよい。

燃料電池１１は、一対のセパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に８個の電解質・電極接合体２６が配列される。

セパレータ２８は、図２に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成するマニホールド部３２を有する。マニホールド部３２から外方に等角度間隔ずつ離間して複数の第１橋架部３４が放射状に延在するとともに、前記第１橋架部３４には、比較的大径な挟持部３６が一体的に設けられる。

各挟持部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されており、燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口３８が、例えば、前記挟持部３６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。

各挟持部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する複数の突起部４８が設けられる。突起部４８は、面３６ａに、例えば、エッチングにより形成される中実部で構成される。突起部４８の断面形状は、矩形状、円形状、三角形状又は長方形状等、種々の形状に設定可能であるとともに、位置や密度は、燃料ガスの流れ状態等によって任意に変更される。

第１橋架部３４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス導入口３８に連通する燃料ガス供給通路５４が形成される。

図２に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成するマニホールド部５８を備える。このマニホールド部５８から放射状に８本の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０は、セパレータ２８の第１橋架部３４から挟持部３６の面３６ｂに燃料ガス導入口３８を覆って固着される（図４参照）。

挟持部３６の面３６ｂには、図２及び図４に示すように、カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路６２を形成し且つ前記カソード電極２２に密着する変形可能な弾性通路部、例えば、導電性メッシュ部材６４が配設される。メッシュ部材６４は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の線材で構成され、略円板状を有する。メッシュ部材６４は、積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して所望の弾性変形が可能な厚さに設定されるとともに、通路部材５６の第２橋架部６０を避けるために切欠部６６を設ける。

図４に示すように、メッシュ部材６４及びカソード電極２２の外周直径は、面３６ａ側の突起部４８が設けられる範囲、すなわち、前記カソード電極２２の外周からアノード電極２４に回り込む排ガスの酸化剤ガスに曝される前記アノード電極２４の外周縁部を除く領域に設定される。

メッシュ部材６４に設けられる酸化剤ガス通路６２は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路６７に連通する。この酸化剤ガス供給通路６７は、各挟持部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向に延在している。

各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール６９が設けられる。絶縁シール６９は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。燃料電池１１には、挟持部３６の外方に位置して排ガス通路６８が形成される。

図１に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１１の積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置する。エンドプレート７０ａは、略円板状を有しており、このエンドプレート７０ａの外周縁部に周回溝部７４が形成される。エンドプレート７０ａの中心部に対応して、円柱状凸部７６が膨出形成され、前記凸部７６の中央部に段付き孔部７８が形成される。凸部７６の周囲には、酸化剤ガス供給通路６７に連通する複数の孔部８０が形成される。

筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部８６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部８６ｂとを備える。第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間は、エンドプレート７０ｂの第２筐体部８６ｂ側に絶縁材を介装してねじ８８及びナット９０により締め付けられる。エンドプレート７０ｂは、流体部１９から荷重付与機構２１に高温の排ガスや空気が流入することを阻止するガス遮蔽部を構成する。

第２筐体部８６ｂには、リング状壁板９２の一端部が接合されるとともに、前記壁板９２の他端部には、ヘッド板９４が固着される。流体部１９は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。具体的には、略リング状の熱交換器１４の内側に、略円筒状の改質器１６が同軸的に配設される。

エンドプレート７０ａの周回溝部７４に壁板９６が固定されて流路部材９８が構成されるとともに、この流路部材９８には、熱交換器１４及び改質器１６が直結される。流路部材９８内に形成されるチャンバ９８ａには、熱交換器１４を通って加熱された空気が一旦充填される。孔部８０は、チャンバ９８ａに一旦充填された空気を燃料電池スタック１２に供給するための開口部を構成する。

改質器１６には、燃料ガス供給管１００と改質ガス供給管１０２とが設けられる。燃料ガス供給管１００は、ヘッド板９４を介して外部に延在する一方、改質ガス供給管１０２は、エンドプレート７０ａの段付き孔部７８に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。

ヘッド板９４には、空気供給管１０４と排ガス管１０６とが接続される。筐体１８内には、空気供給管１０４から熱交換器１４を介して流路部材９８に直接開口する通路１０８と、燃料電池スタック１２の排ガス通路６８から熱交換器１４を介して排ガス管１０６に至る通路１１０とが設けられる。

荷重付与機構２１は、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１１２ａと、電解質・電極接合体２６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１１２ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。

第１筐体部８６ａには、酸化剤ガスである空気を加熱する加熱機構、例えば、電気ヒータ（トーチヒータ）１１４が配置される。この電気ヒータ１１４には、酸化剤ガス供給通路６７に連通し、加熱された空気を前記酸化剤ガス供給通路６７に供給する１又は複数の加熱媒体供給路１１６が接続される。この加熱媒体供給路１１６の途上には、切換弁１１８が設けられる。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、第１の実施形態に係る起動方法との関連で、以下に説明する。

燃料電池システム１０を起動する際には、先ず、燃料電池スタック１２に対する酸化剤ガス及び燃料ガスの供給を開始する前に、電気ヒータ１１４が駆動される。電気ヒータ１１４は、空気が供給されるとともに、通電されることにより駆動され、空気を即座に高温（５００℃〜８００℃）に加熱することができる。

加熱された空気は、切換弁１１８の開放作用下に、加熱媒体供給路１１６を通って酸化剤ガス供給通路６７に供給される。このため、図５に示すように、酸化剤ガス供給通路６７に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、メッシュ部材６４に形成された酸化剤ガス通路６２に送られる。

その際、酸化剤ガス供給通路６７と燃料ガス通路４６との間には、シール部材が設けられておらず、シールレス構造が採用されている。従って、燃料ガス通路４６に燃料ガスが供給されていない状態では、酸化剤ガス供給通路６７を流れる空気の供給圧を介し、この空気が電解質・電極接合体２６の内側周端部を経由して前記燃料ガス通路４６に導入される。この空気は、酸化剤ガス通路６２を流れる空気と同様に、矢印Ｂ方向に流動する。

この場合、第１の実施形態では、電気ヒータ１１４を介して高温（５００℃〜８００℃）に加熱された空気が、電解質・電極接合体２６の内側周端部を経由して酸化剤ガス通路６２及び燃料ガス通路４６に沿って流動している。これにより、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２及びアノード電極２４は、セパレータ２８上で高温の空気を介して加熱されるため、前記カソード電極２２及び前記アノード電極２４が均一に加熱され、熱応力や熱歪みの発生を抑制することができる。

次いで、図１に示すように、燃料ガス供給管１００から燃料（メタン、エタン又はプロパン等）及び必要に応じて水が供給される。燃料が改質器１６を通って改質されることにより燃料ガス（水素含有ガス）が得られ、この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給される。燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１１を構成するセパレータ２８内の燃料ガス供給通路５４に導入される（図４参照）。

燃料ガスは、第１及び第２橋架部３４、６０間を燃料ガス供給通路５４に沿って移動し、挟持部３６に形成された燃料ガス導入口３８から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口３８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口３８からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４６に沿って該アノード電極２４の外周部に向かって移動する。

その際、燃料ガス通路４６には、上記のように、高温の空気が供給されている。従って、燃料ガス通路４６に供給された燃料ガスは、自然発火（着火）して燃焼するため、発熱源となってカソード電極２２及びアノード電極２４がセパレータ２８上で直接加熱されるとともに、電解質・電極接合体２６及び前記セパレータ２８は、発電可能な温度まで急速に昇温される。これにより、燃料電池スタック１２の始動性が良好に向上するという効果が得られる。

しかも、燃料ガス通路４６では、燃料ガスが高温の酸化剤ガス雰囲気で燃焼するため、前記燃料ガスが完全燃焼することになる。このため、ＣＯの発生を阻止することができ、ＣＯ除去装置が不要になって経済的であるという利点がある。さらに、加熱された酸化剤ガスを使用するため、例えば、燃焼器（図示せず）からの燃焼排ガスを用いることがなく、セパレータ２８の耐食性が良好に向上する。

また、複数の挟持部３６は、マニホールド部３２を中心にして同心円上に配置されるとともに、燃料電池スタック１２は、複数の前記挟持部３６が積層方向に沿って同一位相上に配置されている。このため、複数の挟持部３６に設けられている各燃料ガス通路４６を発熱源として着火させることにより、燃料電池スタック１２全体を同時に加熱することができる。従って、急速昇温による熱応力及び熱歪みの発生を抑制することができ、耐久性の向上を図ることが可能になる。

さらに、燃料電池スタック１２は、酸化剤ガス通路６２に酸化剤ガスを供給するとともに、積層方向に延在する酸化剤ガス供給通路６７を備え、加熱媒体供給路１１６は、前記酸化剤ガス供給通路６７に連通している。これにより、加熱された酸化剤ガスは、加熱媒体供給路１１６から酸化剤ガス供給通路６７に送られるため、カソード電極２２及びアノード電極２４をセパレータ２８上で直接加熱することができる。このため、簡単な構成で、発電可能な温度まで急速に昇温することが可能になり、始動性が向上する。

さらにまた、加熱機構として、例えば、電気ヒータ１１４を備えている。従って、酸化剤ガスを所望の温度に急速加熱することができ、始動性の向上を図るとともに、燃焼排ガスによる加熱とは異なり、電解質・電極接合体２６の劣化を有効に阻止することが可能になる。

次いで、燃料電池システム１０の動作について、説明する。

図１に示すように、燃料ガス供給管１００から燃料及び必要に応じて水が供給されるとともに、空気供給管１０４から空気が供給される。燃料は、上記のように、燃料ガスに改質された後、燃料ガス通路４６に導入される。図４に示すように、燃料ガスは、燃料ガス通路４６に沿ってアノード電極２４の外周部に向かって移動する。

一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１０４から熱交換器１４の通路１０８を通って一旦チャンバ９８ａに導入される。この空気は、チャンバ９８ａに連通する孔部８０を通って各燃料電池１１の略中央側に設けられている酸化剤ガス供給通路６７に供給される。その際、熱交換器１４では、後述するように、排ガス通路６８に排気される排ガスが通路１１０を通るため、使用前の空気と熱交換が行われ、この空気が予め所望の燃料電池運転温度に加温されている。

酸化剤ガス供給通路６７に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、メッシュ部材６４に形成された酸化剤ガス通路６２に送られる。図４に示すように、酸化剤ガス通路６２では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。

なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される排ガスは、排ガス通路６８を介して積層方向に移動し、熱交換器１４の通路１１０を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１０６から排出される。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システム１２０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１２０は、筐体１８内に収容される燃料電池スタック１２２を備える。燃料電池スタック１２２は、矢印Ａ方向に複数積層される燃料電池１２４を備え、前記燃料電池１２４がエンドプレート７０ａ、７０ｂ間に挟持されている。

燃料電池１２４は、図７及び図８に示すように、電解質・電極接合体２６を構成するカソード電極２２に沿って供給される酸化剤ガスの流れ方向が、第１の実施形態とは反対に設定され、この酸化剤ガスは、前記カソード電極２２の外側周端部から内側周端部に向かって矢印Ｃ方向に流動する。

燃料電池１２４を構成するセパレータ１２５では、挟持部３６の外方に位置して、酸化剤ガス供給通路６７が設けられるとともに、前記挟持部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して、排ガス通路６８が積層方向に延在して設けられる。各挟持部３６には、両側の挟持部３６に向かって突出する突片部１２６ａ、１２６ｂが設けられる。互いに隣り合う突片部１２６ａ、１２６ｂ間には、空間部１２８が形成され、この空間部１２８には、邪魔板部材１３０が積層方向に延在して配設される。

図９に示すように、酸化剤ガス通路６２は、電解質・電極接合体２６の外周端部と挟持部３６の外周端部との間から矢印Ｃ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路６７に連通する。この酸化剤ガス供給通路６７は、各挟持部３６の外周側端部の外方に設けられる（図７参照）。

図６に示すように、エンドプレート７０ａ側には、排ガス通路６８に孔部８０を介して連通するチャンバ１３２ａを設ける流路部材１３２が形成される。チャンバ１３２ａには、燃料電池１２４から排出された排ガスが一旦充填されるとともに、この排ガスは、前記チャンバ１３２ａに直接開口する開口部１３３を通って熱交換器１４内の通路１１０を通過する。

ヘッド板９４には、空気供給管１３４と排ガス管１３６とが接続される。空気供給管１３４は、改質器１６の近傍まで延在する一方、排ガス管１３６の端部は、ヘッド板９４に接続される。

電気ヒータ１１４には、切換弁１１８を介装して１又は複数の加熱媒体供給路１１６ａ、１１６ｂが接続されるとともに、前記加熱媒体供給路１１６ａは、エンドプレート７０ｂに接続されて挟持部３６の外側周端部の外方で酸化剤ガス供給通路６７に連通する。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池システム１２０を起動する際には、先ず、電気ヒータ１１４が駆動されて空気が加熱される。この加熱された空気は、切換弁１１８の開放作用下に、加熱媒体供給路１１６ａ、１１６ｂを通って酸化剤ガス供給通路６７に供給される。このため、図１０に示すように、酸化剤ガス供給通路６７に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の外側周端部と挟持部３６の外側周端部との間から矢印Ｃ方向に流入し、メッシュ部材６４に形成された酸化剤ガス通路６２に送られる。

その際、酸化剤ガス供給通路６７と燃料ガス通路４６との間には、シール部材が設けられていない。従って、燃料ガス通路４６に燃料ガスが供給されていない状態では、酸化剤ガス供給通路６７を流れる空気の供給圧を介し、この空気が電解質・電極接合体２６の外側周端部を経由して前記燃料ガス通路４６に導入される。この空気は、酸化剤ガス通路６２を流れる空気と同様に、矢印Ｃ方向に流動する。

この場合、第２の実施形態では、電気ヒータ１１４を介して高温に加熱された空気が、電解質・電極接合体２６の外側周端部を経由して酸化剤ガス通路６２及び燃料ガス通路４６に沿って流動した後、前記燃料ガス通路４６に燃料ガスが供給されて前記燃料ガスが着火されている。

このため、カソード電極２２及びアノード電極２４が均一に加熱されるとともに、電解質・電極接合体２６及びセパレータ２８を発電可能な温度まで急速に昇温させることができ、燃料電池スタック１２２の始動性が良好に向上する等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

次いで、燃料電池システム１２０の動作について説明すると、図６に示すように、先ず、燃料は、燃料ガス供給管１００から改質器１６を通って燃料ガス供給連通孔３０に供給される。一方、酸化剤ガスである空気は、空気供給管１３４から熱交換器１４の通路１０８を通って各燃料電池１２４の外周側に設けられている酸化剤ガス供給通路６７に供給される。

図９に示すように、空気は、電解質・電極接合体２６の外周端部と挟持部３６の外周端部との間から矢印Ｃ方向に流入し、メッシュ部材６４の酸化剤ガス通路６２に送られる。これにより、電解質・電極接合体２６では、発電が行われ、この発電に使用された反応後の燃料ガス及び空気が混在する排ガスは、セパレータ１２５内に形成される排ガス通路６８を介して積層方向に移動する。

そして、排ガスは、孔部８０を通ってエンドプレート７０ａ側に形成されている流路部材１３２内のチャンバ１３２ａに一旦充填される（図６参照）。さらに、排ガスは、通路１１０を介して熱交換器１４を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１３６から排出される。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記燃料電池の起動時の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記燃料電池の起動時の動作を説明する概略断面説明図である。

符号の説明

１０、１２０…燃料電池システム １１、１２４…燃料電池
１２、１２２…燃料電池スタック １４…熱交換器
１６…改質器 １８…筐体
２０…電解質 ２１…荷重付与機構
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６…電解質・電極接合体 ２８、１２５…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３２、５８…マニホールド部
３４、６０…橋架部 ３６…挟持部
３８…燃料ガス導入口 ４６…燃料ガス通路
５４…燃料ガス供給通路 ６２…酸化剤ガス通路
６４…メッシュ部材 ６７…酸化剤ガス供給通路
６８…排ガス通路 １１４…電気ヒータ
１１６、１１６ａ、１１６ｂ…加熱媒体供給路
１１８…切換弁

Claims (8)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成し、且つ使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、
   前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部と、
   前記橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成されるマニホールド部と、
   を備え、
   前記燃料電池スタックには、酸化剤ガスを加熱する加熱機構と、
   前記加熱機構により加熱された前記酸化剤ガスを、前記電解質・電極接合体の周縁部を経由して前記酸化剤ガス通路と前記燃料ガス通路とに分配供給するための加熱媒体供給路と、
   が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、複数の前記挟持部は、前記マニホールド部を中心にして同心円上に配置されるとともに、
   前記燃料電池スタックは、複数の前記挟持部が積層方向に沿って同一位相上に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガスを供給するとともに、積層方向に延在する酸化剤ガス供給通路を備え、
   前記加熱媒体供給路は、前記酸化剤ガス供給通路に連通することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記加熱機構は、電気ヒータを備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池スタックを備え、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成し、且つ使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部と、前記橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成されるマニホールド部とを備える燃料電池システムの起動方法であって、
   酸化剤ガスを加熱する工程と、
   加熱された前記酸化剤ガスを、前記電解質・電極接合体の周縁部を経由して前記酸化剤ガス通路と前記燃料ガス通路とに分配供給する工程と、
   前記燃料ガス通路に前記燃料ガスを供給することにより、前記燃料ガスを着火させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
6. 請求項５記載の起動方法において、複数の前記挟持部は、前記マニホールド部を中心にして同心円上に配置されるとともに、
   前記燃料電池スタックは、複数の前記挟持部が積層方向に沿って同一位相上に配置され、
   複数の前記挟持部に設けられている各燃料ガス通路で前記燃料ガスを着火させることにより、前記燃料電池スタックを加熱することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
7. 請求項５記載の起動方法において、前記酸化剤ガス通路に前記酸化剤ガスを供給するとともに、積層方向に延在する酸化剤ガス供給通路を有し、
   前記加熱媒体供給路は、前記酸化剤ガス供給通路に連通して加熱された前記酸化剤ガスを供給することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
8. 請求項５記載の起動方法において、前記加熱機構は、電気ヒータにより前記酸化剤ガスを加熱することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。

Images