JP2010123288A - 燃料電池システム及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な工程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】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、燃料ガス供給装置９０と、酸化剤ガス供給装置９２とを備える。酸化剤ガス供給装置９２は、エアポンプ９６に接続され、前記燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔６７に連通して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路９８と、前記酸化剤ガス供給通路９８から三方弁１０２を介して分岐するとともに、前記酸化剤ガス供給連通孔６７に連通する複数の分岐通路１０６と、各分岐通路１０６毎に設けられ、前記分岐通路１０６から前記酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される前記酸化剤ガスを加熱するための電気ヒータ１１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と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、固体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（ＭＥＡ）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、電解質・電極接合体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、燃焼ヒータ板を配設する燃料電池が開示されている。

また、特許文献４では、燃料ガスを供給して燃料電池の発電を行い、その発電電力を利用して内部負荷である負荷昇温用ヒータを加熱し、このヒータの熱によって燃料電池を昇温する可搬型燃料電池電源の起動方法において、昇温が開始して電池電流が上限値まで増加する間は、電池電圧が下限値に維持されるように電池電流の増加に応じて内部負荷を制御する電圧基準制御ステップと、電池電流が上限値に達してから後は、電池電流が上限値に維持されるように電池電圧の増加に応じて内部負荷を制御する電流基準制御ステップとからなることを特徴としている。

特開２００４−３３５１６１号公報 特開２００１−１５５７５４号公報 特開２００３−１３２９３３号公報 特開平７−２９５８５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。

また、上記の特許文献４では、電池電流に応じて内部負荷であるヒータの制御が必要であり、制御が煩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、簡単な工程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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置とを備える燃料電池システムに関するものである。

酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガスポンプに接続され、燃料電池スタックの燃料電池積層方向に延在する酸化剤ガス供給連通孔に連通して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路と、前記酸化剤ガス供給通路から通路切替機構を介して分岐するとともに、前記酸化剤ガス供給連通孔に連通する複数の分岐通路と、各分岐通路毎に設けられ、前記分岐通路から前記酸化剤ガス供給連通孔に供給される前記酸化剤ガスを加熱するための加熱機構とを備えている。

また、加熱機構は、酸化剤ガスを加熱する加熱部と、加熱された酸化剤ガスの温度を測定する温度検出部とを備えることが好ましい。このため、酸化剤ガスの加熱温度を確実に検出することができ、燃料電池スタックを適正な発電温度まで急速且つ正確に昇温させることが可能になる。

さらに、加熱機構は、温度検出部により測定された温度が、設定温度以上になった際、加熱部の駆動を停止させる切断部を備えることが好ましい。従って、加熱部は、必要以上の高温に曝されることがなく、前記加熱部を良好に保護することができる。

さらにまた、通路切替機構は、酸化剤ガス供給通路と主分岐通路との間に介装されるとともに、前記主分岐通路から複数の分岐通路が分岐することが好ましい。これにより、主分岐通路から複数の分岐通路に酸化剤ガスが供給され、各分岐通路で所定の温度に加熱された酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給連通孔に供給することが可能になる。

また、主分岐通路と各分岐通路との間には、それぞれ通路切替機構が介装されることが好ましい。このため、各分岐通路に設けられる各加熱機構を介して、燃料電池スタックの温度を高精度に温度制御することができる。

さらに、酸化剤ガス供給通路の開口断面積は、複数の分岐通路の総開口断面積と同等以下に設定されることが好ましい。従って、酸化剤ガスは、分岐通路に供給される際に、圧力損失が高くなることがなく、燃料電池スタックを良好に昇温させることが可能になる。

さらにまた、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスポンプに接続され、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向に延在する酸化剤ガス供給連通孔に連通して前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路を設け、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置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。

この起動方法は、酸化剤ガスポンプを、酸化剤ガス供給通路から分岐する複数の分岐通路に連通させる工程と、前記酸化剤ガスポンプの作用下に、前記複数の分岐通路に酸化剤ガスを供給するとともに、各分岐通路に設けられる各加熱機構を介して前記酸化剤ガスを加熱し、加熱された該酸化剤ガスを酸化剤ガス供給連通孔に供給する工程とを有している。

また、この起動方法は、加熱機構の温度を検出する工程と、検出された前記温度が、設定温度以上になった際、前記加熱機構の駆動を停止させる工程とを有することが好ましい。これにより、酸化剤ガスの加熱温度を確実に検出することができ、燃料電池スタックを適正な発電温度まで急速且つ正確に昇温させることが可能になる。

さらに、この起動方法は、複数の加熱機構のうち、１つの前記加熱機構の温度が、設定温度以上になった際、全ての前記加熱部の駆動を停止させることが好ましい。このため、加熱部は、必要以上の高温に曝されることがなく、前記加熱部を良好に保護する一方、燃料電池スタックの急速昇温が容易に遂行される。

さらにまた、この起動方法は、加熱機構が停止される一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス供給通路を介して酸化剤ガス供給連通孔に供給されることが好ましい。従って、燃料電池スタックの昇温後には、酸化剤ガス供給通路に酸化剤ガスを供給することにより、加熱機構が停止されて発電電力を余分に消費することがなく、効率の向上が図られる。

本発明によれば、複数の分岐通路に対応して複数の加熱機構を備えるため、燃料電池スタックの全面にわたって均一に加熱し、ＭＥＡやセパレータに温度分布が生じることを防止できることから、コンパクトな構成で、燃料電池スタックを急速に昇温させることができる。しかも、複数の分岐通路を有するため、圧力損失が高くなることを抑制した状態で、燃料電池スタックを良好に昇温させることが可能になる。

さらに、通路切替機構を設けることにより、燃料電池スタックの昇温後には、分岐通路から酸化剤ガス供給通路に酸化剤ガスを供給することができる。これにより、加熱機構が停止されるため、発電電力を余分に消費することがなく、効率を有効に向上させることが可能になる。この他にも、１台の酸化剤ガスポンプで酸化剤ガス供給通路あるいは分岐通路に酸化剤ガスを供給することができるため、コストや余分な電力も削減できる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム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、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器１５と、前記混合燃料を改質して改質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、前記蒸発器１５及び前記改質器１６を収容する筐体１８とを備える。

改質器１６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

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、蒸発器１５及び改質器１６を含む流体部２０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、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２２が配設されて燃料電池モジュール２３が構成される。流体部２０及び荷重付与機構２２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。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２４を積層している。燃料電池２４は、固体電解質形燃料電池であり、この燃料電池２４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）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体３６を備える。電解質・電極接合体３６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３８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３４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３２の表面積は、アノード電極３４の表面積よりも小さく設定される。なお、カソード電極３２の表面積とアノード電極３４の表面積とは、同一に設定してもよい。

燃料電池２４は、一対のセパレータ３８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３８間には、このセパレータ３８の中心部であり且つ燃料電池積層方向（矢印Ａ方向）に延在する燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される。

セパレータ３８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３８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成するマニホールド部４２を有する。マニホールド部４２から外方に等角度間隔ずつ離間して複数の第１橋架部４４が放射状に延在するとともに、前記第１橋架部４４には、比較的大径な挟持部４６が一体的に設けられる。

各挟持部４６は、電解質・電極接合体３６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４８が、例えば、前記挟持部４６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４６のアノード電極３４に接触する面４６ａには、前記アノード電極３４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５０を形成する複数の突起部５２が設けられる。突起部５２は、面４６ａ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５２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４４には、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス導入口４８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３８のカソード電極３２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４０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３８の第１橋架部４４から挟持部４６の面４６ｂに燃料ガス導入口４８を覆って固着される（図４参照）。

挟持部４６の面４６ｂには、図２及び図４に示すように、カソード電極３２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３２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３２の外周直径は、面４６ａ側の突起部５２が設けられる範囲、すなわち、前記カソード電極３２の外周からアノード電極３４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３４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３６の内側周端部と挟持部４６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連通孔６７に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔６７は、各挟持部４６の内方と第１橋架部４４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３８間には、燃料ガス供給連通孔４０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２４には、挟持部４６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２４の積層方向両端に円板状のエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置する。エンドプレート７０ａの中心部には、燃料ガス供給連通孔４０に連通する孔部７２が形成されるとともに、前記孔部７２の周囲には、酸化剤ガス供給連通孔６７に連通する複数の孔部７４が形成される。

筐体１８は、荷重付与機構２２を収容する第１筐体部７６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部７６ｂとを備える。第１及び第２筐体部７６ａ、７６ｂ間は、エンドプレート７０ｂの第２筐体部７６ｂ側に絶縁材を介装してねじ７８及びナット８０により締め付けられる。エンドプレート７０ｂは、流体部２０から荷重付与機構２２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７６ｂには、リング状壁板８２の一端部が接合されるとともに、前記壁板８２の他端部には、ヘッド板８４が固着される。筐体１８内には、燃料電池スタック１２の温度を検出するための温度センサ８６が配設される。

図５は、燃料電池システム１０の機械系回路の概略構成を示しており、この燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール２３と、前記燃料電池モジュール２３に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する燃料ガス供給装置９０と、前記燃料電池モジュール２３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置９２と、前記燃料電池モジュール２３に水を供給する水供給装置９３とを備える。

燃料ガス供給装置９０は、原燃料（メタン、エタン又はプロパン等）を供給する原燃料供給部（図示せず）に連結される燃料ガス供給管９４を設け、この燃料ガス供給管９４は、蒸発器１５に接続される。蒸発器１５の出口は、改質器１６の入口に連通する。燃料ガス供給管９４に近接して、排ガス管１０９が配置される。

酸化剤ガス供給装置９２は、図１及び図５に示すように、エアポンプ（酸化剤ガスポンプ）９６を設け、このエアポンプ９６に酸化剤ガス供給通路９８が連通する。酸化剤ガス供給通路９８は、筐体１８内の通路１００を通って熱交換器１４から孔部７４を介して酸化剤ガス供給連通孔６７に連通する。酸化剤ガス供給通路９８の途上には、三方弁（通路切替機構）１０２を介して主分岐通路１０４が接続される。

主分岐通路１０４は、第１筐体部７６ａ側から筐体１８内に挿入されるとともに、前記主分岐通路１０４の先端が、複数の分岐通路１０６に分岐する。分岐通路１０６の数は、酸化剤ガス供給連通孔６７に対応して、例えば、８本に設定される（図６参照）。

各分岐通路１０６には、前記分岐通路１０６から酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される空気を加熱するための加熱機構１０８を構成する加熱部、例えば、電気ヒータ（電気トーチ）１１０が配置される。各電気ヒータ１１０は、図６に示すように、各酸化剤ガス供給連通孔６７に対応して配置される。酸化剤ガス供給通路９８の開口断面積Ｓ１は、８本の電気ヒータ１１０の総開口断面積Ｓ２と同等以下に設定される（Ｓ１≦Ｓ２）。

図７に示すように、加熱機構１０８は、コントローラ１１２を備え、このコントローラ１１２には、各電気ヒータ１１０の温度、すなわち、加熱された空気の温度を測定する温度センサ（温度検出部）１１４と、前記温度センサ１１４のいずれかにより測定された温度が、設定温度以上になった際、全ての前記電気ヒータ１１０の駆動を停止させる切断部、例えば、サイリスタ１１６が接続される。このサイリスタ１１６は、電源１１８に接続される。コントローラ１１２は、燃料電池システム１０全体の制御を行ってもよく、また、個別の全体制御用コントローラを備えていてもよい。

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、図８に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

燃料電池システム１０を起動する際には、先ず、酸化剤ガス供給装置９２を構成するエアポンプ９６が起動（オン）される（ステップＳ１）。次いで、コントローラ１１２（又は他のコントローラ、以下、単にコントローラ１１２という）は、温度センサ８６から燃料電池スタック１２の温度（スタック温度）を検出し、このスタック温度が、設定温度Ｔ１と比較される（ステップＳ２）。この設定温度Ｔ１は、燃料電池スタック１２を定常運転させることが可能な温度である。

そして、スタック温度が、設定値Ｔ１未満であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、三方弁１０２の切替作用下に、エアポンプ９６が主分岐通路１０４に連通する。このため、図１に示すように、エアポンプ９６により吐出された空気は、主分岐通路１０４に供給され、この主分岐通路１０４の先端から分岐される８本の分岐通路１０６を介して各電気ヒータ１１０に供給される。

この場合、第１の実施形態では、１台のエアポンプ９６によって酸化剤ガス供給通路９８あるいは主分岐通路１０４に酸化剤ガスを供給することができるため、前記エアポンプ９６に係るコストや消費電力を削減することが可能になる。さらに、酸化剤ガス供給通路９８及び主分岐通路１０４を二重に配管する場合に比べて、通路によって占有される面積を少なくできるため、燃料電池システム１０全体を小型化することが可能になる。

加熱機構１０８では、図７に示すように、サイリスタ１１６がオンされることにより（ステップＳ４）、各電気ヒータ１１０が加熱される（ステップＳ５）。このため、電気ヒータ１１０に供給される空気は、即座に高温に加熱され、前記加熱された空気は、各電気ヒータ１１０の先端から各酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される。

これにより、図９に示すように、酸化剤ガス供給連通孔６７に供給された空気は、電解質・電極接合体３６の内側周端部と挟持部４６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、酸化剤ガス供給連通孔６７と燃料ガス通路５０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５０に燃料ガスが供給されていない状態では、酸化剤ガス供給連通孔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３６の内側周端部を経由して前記燃料ガス通路５０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、複数の電気ヒータ１１０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３６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５０に沿って流動している。これにより、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２及びアノード電極３４は、セパレータ３８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３２及び前記アノード電極３４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、電気ヒータ１１０は、複数、例えば８つの酸化剤ガス供給連通孔６７に対応して８本配置されており、燃料電池スタック１２全体にわたって加熱された酸化剤ガスを均一に供給することが可能になる。このため、セパレータ３８や電解質・電極接合体３６に温度分布による歪みが生じることを防止することができ、コンパクトな構成で、燃料電池スタック１２を迅速に昇温させることが可能になる。

さらに、第１の実施形態では、複数の分岐通路１０６を有し、各分岐通路１０６に電気ヒータ１１０が配置されている。このため、主分岐通路１０４を介して供給される空気の圧力損失が高くなることを抑制した状態で、燃料電池スタック１２を良好に昇温させることができる。

特に、酸化剤ガス供給通路９８の開口断面積Ｓ１は、８本の電気ヒータ１１０の総開口断面積Ｓ２と同等以下に設定されている。従って、空気は、分岐通路１０６に供給される際に、圧力損失が高くなることを可及的に阻止することが可能になり、燃料電池スタック１２の昇温機能が一層向上するという効果が得られる。

次いで、加熱機構１０８では、図７に示すように、各電気ヒータ１１０に取り付けられる温度センサ１１４を介して、加熱された空気の温度が測定されている（ステップＳ６）。そして、各電気ヒータ１１０のいずれか１つのヒータ温度Ｔ３が、設定温度Ｔ２以上であると判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ８に進んで、サイリスタ１１６がオフされ、全ての電気ヒータ１１０による加熱が停止される（ステップＳ９）。ここで、設定温度Ｔ２は、電気ヒータ１１０が、例えば、断線しない温度に選択される。

全ての電気ヒータ１１０による加熱が停止された状態では、予熱を介して各電気ヒータ１１０から酸化剤ガス供給連通孔６７に空気が供給される（ステップＳ１０）。

なお、ステップＳ７において、ヒータ温度Ｔ３が、設定温度Ｔ２未満であれば（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ１０に進む。このため、電気ヒータ１１０の加熱作用下に、加熱された空気は継続して各酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される。

このように、加熱機構１０８は、空気を加熱する電気ヒータ１１０と、加熱された空気の温度を測定する温度センサ１１４とを備えている。これにより、空気の加熱温度を確実に検出することができ、燃料電池スタック１２を適正な発電温度まで急速且つ正確に昇温させることが可能になる。

しかも、加熱機構１０８は、電気ヒータ１１０の内いずれかのヒータ温度Ｔ３が、設定温度Ｔ２以上となった際、サイリスタ１１６をオフして全ての電気ヒータ１１０による加熱が停止されている。従って、電気ヒータ１１０は、必要以上の温度、すなわち、設定温度Ｔ２以上に曝されることがなく、前記電気ヒータ１１０を良好に保護することができる。

一方、ステップＳ２において、燃料電池スタック１２の温度が、設定温度Ｔ１以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ１１に進む。このステップＳ１１では、三方弁１０２の切替作用下に、エアポンプ９６は、主分岐通路１０４から酸化剤ガス供給通路９８に接続される。このため、エアポンプ９６により吐出された空気は、酸化剤ガス供給通路９８から筐体１８内の通路１００に供給され、熱交換器１４から複数の孔部７４を通って、酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される（図４参照）。

そして、ステップＳ１３に進んで、燃料電池スタック１２が定常運転される。

具体的には、図１及び図５に示すように、燃料ガス供給装置９０の作用下に、燃料ガス供給管９４から改質器１６に原燃料（メタン、エタン又はプロパン等）が供給されるとともに、水供給装置９３の作用下に、前記燃料ガス供給管９４から前記改質器１６に水が供給される。

原燃料が改質器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４０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２４を構成するセパレータ３８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４４、６０間を燃料ガス供給通路５４に沿って移動し、挟持部４６に形成された燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路５０に導入される。燃料ガス導入口４８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４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４８からアノード電極３４の略中心に供給され、燃料ガス通路５０に沿って該アノード電極３４の外周部に向かって移動する。

その際、燃料ガス通路５０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５０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３２及びアノード電極３４がセパレータ３８上で直接加熱されるとともに、電解質・電極接合体３６及び前記セパレータ３８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５０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。

一方、空気は、熱交換器１４を通って孔部７４から各燃料電池２４の略中央側に設けられている酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される。その際、熱交換器１４では、排ガスを介して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。

酸化剤ガス供給連通孔６７に供給された空気は、電解質・電極接合体３６の内側周端部と挟持部４６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３６のカソード電極３２の内側周端部（セパレータ３８の中央部）側から外側周端部（セパレータ３８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３６では、アノード電極３４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３２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３０を通ってアノード電極３４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３６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を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１０９から排出される。

図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０の要部概略説明図である。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。また、以下に説明する第３以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１２０は、酸化剤ガス供給装置１２２を備え、この酸化剤ガス供給装置１２２は、酸化剤ガス供給通路９８と主分岐通路１０４の連結部分に可変バルブ（通路切替機構）１２４を備えている。

この第２の実施形態では、主分岐通路１０４から各分岐通路１０６を介して電気ヒータ１１０に供給される空気が、前記電気ヒータ１１０を介して加熱された後、燃料電池スタック１２に供給される。そして、燃料電池スタック１２の温度が、設定温度Ｔ１以上になった際には、可変バルブ１２４が駆動される。このため、主分岐通路１０４に送られていた空気は、酸化剤ガス供給通路９８に流量をコントロールされながら供給される。これにより、主分岐通路１０４から酸化剤ガス供給通路９８に空気が急速に流れることがなく、空気の流量をより精密に制御することができ、燃料電池スタック１２の温度を一定に保持することが可能になるという効果が得られる。

図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１３０の要部概略説明図である。

燃料電池システム１３０は、酸化剤ガス供給装置１３２を備える。酸化剤ガス供給装置１３２は、酸化剤ガス供給通路９８と主分岐通路１０４とが可変バルブ１２４を介して切替可能に構成されるとともに、前記主分岐通路１０４から分岐する各分岐通路１０６には、切替弁（通路切替機構）１３４が配設される。

この第３の実施形態では、各電気ヒータ１１０毎にヒータ温度を検出するとともに、検出されたヒータ温度Ｔ３が、設定温度Ｔ２以上となった前記電気ヒータ１１０では、サイリスタ１１６がオフされるとともに、切替弁１３４が閉塞される。

その際、切替弁１３４の閉塞動作と同期して可変バルブ１２４が調整され、分岐通路１０６が閉塞されることによって減少する空気流量分を、酸化剤ガス供給通路９８に流している。従って、主分岐通路１０４側の圧力損失が高くなることを確実に阻止することができる。これにより、より精密に燃料電池スタック１２の温度管理が遂行されるという効果が得られる。

図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１４０の一部断面説明図である。

燃料電池システム１４０は、筐体１８内に収容される燃料電池スタック１４２を備える。燃料電池スタック１４２は、矢印Ａ方向に複数積層される燃料電池１４４を備え、前記燃料電池１４４がエンドプレート７０ａ、７０ｂ間に挟持されている。

燃料電池１４４は、図１３及び図１４に示すように、電解質・電極接合体３６を構成するカソード電極３２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３２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１４４を構成するセパレータ１４５では、挟持部４６の外方に位置して、酸化剤ガス供給連通孔６７が設けられるとともに、前記挟持部４６の内方と第１橋架部４４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４６には、両側の挟持部４６に向かって突出する突片部１４６ａ、１４６ｂが設けられる。互いに隣り合う突片部１４６ａ、１４６ｂ間には、空間部１４８が形成され、この空間部１４８には、邪魔板部材１５０が積層方向に延在して配設される。

図１５に示すように、酸化剤ガス通路６２は、電解質・電極接合体３６の外周端部と挟持部４６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連通孔６７に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔６７は、各挟持部４６の外周側端部の外方に設けられる（図１３参照）。

図１２に示すように、燃料電池システム１４０は、燃料電池スタック１４２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置９０と、前記燃料電池スタック１４２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１５２とを備える。

酸化剤ガス供給装置１５２は、酸化剤ガス供給通路９８の途上に、三方弁１０２（又は可変バルブ１２４）を介して主分岐通路１０４が接続される。主分岐通路１０４の先端から複数の分岐通路１５４が分岐するとともに、前記分岐通路１５４は、酸化剤ガス供給連通孔６７に対応して、例えば、８本に設定される。

各分岐通路１５４には、前記分岐通路１５４から酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される空気を加熱するための加熱機構１５６を構成する加熱部、例えば、電気ヒータ（電気トーチ）１５８が配置される。各電気ヒータ１５８は、図１６に示すように、各酸化剤ガス供給連通孔６７に対応して配置される。酸化剤ガス供給通路９８の開口断面積Ｓ１は、８本の電気ヒータ１５８の総開口断面積Ｓ２と同等以下に設定される（Ｓ１≦Ｓ２）。

このように構成される第４の実施形態では、燃料電池システム１４０を起動する際には、先ず、加熱機構１５６を構成する電気ヒータ１５８が駆動されて空気が加熱される。この加熱された空気は、酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される。このため、図１７に示すように、酸化剤ガス供給連通孔６７に供給された空気は、電解質・電極接合体３６の外側周端部と挟持部４６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、酸化剤ガス供給連通孔６７と燃料ガス通路５０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５０に燃料ガスが供給されていない状態では、酸化剤ガス供給連通孔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３６の外側周端部を経由して前記燃料ガス通路５０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４の実施形態では、第１の実施形態と同様に、図８に示すフローチャートに沿って起動される。これにより、カソード電極３２及びアノード電極３４が均一に加熱されるとともに、電解質・電極接合体３６及びセパレータ３８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１４２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１４０の動作について説明すると、図１２に示すように、先ず、燃料は、燃料ガス供給装置９０の作用下に、燃料ガス供給管９４から改質器１６を通って燃料ガス供給連通孔４０に供給される。

一方、酸化剤ガス供給装置１５２では、三方弁１０２の切替作用下に、エアポンプ９６から酸化剤ガス供給通路９８に空気が供給され、この空気は、熱交換器１４を通って各燃料電池１４４の外周側に設けられている酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される。

図１５に示すように、空気は、電解質・電極接合体３６の外周端部と挟持部４６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３６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１４５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、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１０９から排出される。

図１８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１６０の一部断面説明図である。

燃料電池システム１６０は、酸化剤ガス供給装置１６２を備えるとともに、前記酸化剤ガス供給装置１６２は、主分岐通路１０４の先端から複数、例えば、８本の分岐通路１６４が分岐する。各分岐通路１６４には、前記分岐通路１６４から導出される空気を加熱するための加熱機構１６６を構成する加熱部、例えば、電気ヒータ（電気トーチ）１６８が配置される。

各電気ヒータ１６８は、筐体１８を構成する第１筐体部７６ａに固定され、それぞれの端部が、前記第１筐体部７６ａ内に進入して荷重付与機構２２に向かって開口する。

このように構成される第５の実施形態では、燃料電池システム１６０を起動する際には、先ず、加熱機構１６６を構成する各電気ヒータ１６８が駆動されて空気が加熱される。この加熱された空気は、第１筐体部７６ａ内で荷重付与機構２２を通過して酸化剤ガス供給連通孔６７に供給される。

従って、第５の実施形態では、各電気ヒータ１６８から導出される空気は、荷重付与機構２２によって拡散されるため、燃料電池スタック１２を一層均一に加熱することが可能になるという効果が得られる。

なお、上記の第１〜第５の実施形態では、同一平面状に８個の電解質・電極接合体３６が配列されているが、これに限定されるものではなく、例えば、４個の電解質・電極接合体３６が配列される構成を採用してもよい。その際、電気ヒータ１１０、１５８、１６８は、好ましくは４個に設定される。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。 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。 前記燃料電池システムの機械系回路を示す概略構成説明図である。 前記燃料電池システムを構成する電気ヒータの配置状態説明図である。 前記燃料電池システムを構成する加熱機構の説明図である。 本実施形態に係る起動方法を説明するフローチャートである。 前記電気ヒータにより加熱された空気による前記燃料電池スタックを加熱する際の動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの要部概略説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの要部概略説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る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。 前記燃料電池システムを構成する電気ヒータの配置状態説明図である。 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５の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。

符号の説明

１０、１２０、１３０、１４０、１６０…燃料電池システム
１２、１４２…燃料電池スタック １４…熱交換器
１５…蒸発器 １６…改質器
２３…燃料電池モジュール ２４、１４４…燃料電池
３０…電解質 ３２…カソード電極
３４…アノード電極 ３６…電解質・電極接合体
３８、１４５…セパレータ ６７…酸化剤ガス供給連通孔
６８…排ガス通路 ９０…燃料ガス供給装置
９２、１２２、１３２、１５２、１６２…酸化剤ガス供給装置
９３…水供給装置 ９４…燃料ガス供給管
９６…エアポンプ ９８…酸化剤ガス供給通路
１０２…三方弁 １０４…主分岐通路
１０６、１５４、１６４…分岐通路 １０８、１５６、１６６…加熱機構
１１０、１５８、１６８…電気ヒータ １１２…コントローラ
１１４…温度センサ １１６…サイリスタ
１１８…電源 １２４…可変バルブ
１３４…切替弁

Claims (10)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガスポンプに接続され、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向に延在する酸化剤ガス供給連通孔に連通して前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路と、
   前記酸化剤ガス供給通路から通路切替機構を介して分岐するとともに、前記酸化剤ガス供給連通孔に連通する複数の分岐通路と、
   各分岐通路毎に設けられ、前記分岐通路から前記酸化剤ガス供給連通孔に供給される前記酸化剤ガスを加熱するための加熱機構と、
   を備え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、前記加熱機構は、前記酸化剤ガスを加熱する加熱部と、
   加熱された前記酸化剤ガスの温度を測定する温度検出部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記加熱機構は、前記温度検出部により測定された温度が、設定温度以上になった際、前記加熱部の駆動を停止させる切断部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記通路切替機構は、前記酸化剤ガス供給通路と主分岐通路との間に介装されるとともに、
   前記主分岐通路から複数の前記分岐通路が分岐することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記主分岐通路と各分岐通路との間には、それぞれ通路切替機構が介装されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤ガス供給通路の開口断面積は、複数の前記分岐通路の総開口断面積と同等以下に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
7. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   酸化剤ガスポンプに接続され、前記燃料電池スタックの燃料電池積層方向に延在する酸化剤ガス供給連通孔に連通して前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路を設け、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   を備える燃料電池システムの起動方法であって、
   前記酸化剤ガスポンプを、前記酸化剤ガス供給通路から分岐する複数の分岐通路に連通させる工程と、
   前記酸化剤ガスポンプの作用下に、前記複数の分岐通路に前記酸化剤ガスを供給するとともに、各分岐通路に設けられる各加熱機構を介して前記酸化剤ガスを加熱し、加熱された該酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔に供給する工程と、
   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。
8. 請求項７記載の起動方法において、前記加熱機構の温度を検出する工程と、
   検出された前記温度が、設定温度以上になった際、前記加熱機構の駆動を停止させる工程と、
   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。
9. 請求項８記載の起動方法において、複数の前記加熱機構のうち、１つの前記加熱機構の温度が、前記設定温度以上になった際、全ての前記加熱部の駆動を停止させることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
10. 請求項８又は９記載の起動方法において、前記加熱機構が停止される一方、前記酸化剤ガスが前記酸化剤ガス供給通路を介して前記酸化剤ガス供給連通孔に供給されることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。

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