JP6624123B2

JP6624123B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6624123B2
Application number: JP2017042913A
Authority: JP
Inventors: 明石　照久; 照久明石; 船橋　博文; 博文船橋; 松尾　秀仁; 秀仁松尾
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2037-03-07
Also published as: US10840519B2; US20180261856A1; JP2018147784A

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池と、燃料電池に設けられたヒータと、バッテリを備えており、ヒータが、バッテリから供給される電力によって燃料電池を加熱する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池を起動する際に、ヒータによる加熱によって、燃料電池の温度を所定の反応温度まで上昇させる。

特開２００４−１１１３０７号公報

発電能力が大きい燃料電池は、それだけサイズが大きくなるため、燃料電池自体の熱容量も大きくなる。このため、燃料電池を起動する際に、発電反応が開始する温度まで燃料電池を加熱するのに要する時間が長くなる。特に、バッテリからヒータへの通電によって燃料電池を加熱する形態では、バッテリが小型のものである場合、ヒータの加熱能力をそれほど大きくできないため、燃料電池の温度上昇に長時間を要し、燃料電池を速やかに起動することが困難である。

本明細書では、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、発電能力が大きい燃料電池を、短時間で起動することが可能な技術を提供する。

本明細書は燃料電池システムを開示する。燃料電池システムは、第１基板に設けられた第１燃料電池と、第２基板に設けられており、第１燃料電池よりも発電能力が大きい第２燃料電池と、第１燃料電池に設けられた第１ヒータと、第２燃料電池に設けられた第２ヒータと、バッテリを備えている。燃料電池システムでは、第１ヒータが、バッテリから供給される電力によって第１燃料電池を加熱し、第２ヒータが、第１燃料電池から供給される電力によって第２燃料電池を加熱する。

上記の燃料電池システムを起動する際には、まずバッテリから第１ヒータへの通電によって、発電能力が小さい第１燃料電池を加熱する。バッテリは小型のものであってよく、例えば乾電池であってもよい。補機である第１燃料電池は、発電能力が小さく、従ってサイズが小型であり、熱容量も小さい。従って、バッテリからの電力によって駆動する第１ヒータの加熱能力がそれほど大きくなくても、補機である第１燃料電池は速やかに温度上昇して、第１燃料電池での発電は速やかに開始される。補機である第１燃料電池が発電を開始すると、第１燃料電池から第２ヒータへの通電によって、発電能力が大きい第２燃料電池が加熱される。主機である第２燃料電池は、発電能力が大きく、従ってサイズが大型であり、熱容量も大きい。しかしながら、第２ヒータを、バッテリからの電力ではなく、補機である第１燃料電池からの電力によって駆動することで、第２ヒータの加熱能力を大きくすることができる。これにより、主機である第２燃料電池を速やかに温度上昇させて、第２燃料電池の発電を速やかに開始させることができる。上記の燃料電池システムによれば、発電能力が大きい燃料電池を、短時間で起動することができる。

上記の燃料電池システムでは、第１基板と第２基板がこれらの基板とは異なる第３基板上に設けられていてもよい。

上記の燃料電池システムでは、第２燃料電池を加熱する際に、第１燃料電池からの電力を用いた第２ヒータによる加熱に加えて、第１燃料電池が発電に伴って生成する熱が、第１基板から第３基板を介して第２基板へ伝熱することによっても、第２燃料電池が加熱される。このような構成とすることによって、第２燃料電池をさらに速やかに起動することができる。

上記の燃料電池システムでは、第１基板と第２基板が継ぎ目なく連続していてもよい。

上記の燃料電池システムでは、第２燃料電池を加熱する際に、第１燃料電池からの電力を用いた第２ヒータによる加熱に加えて、第１燃料電池が発電に伴って生成する熱が、第１基板から第２基板へ直接的に伝熱することによっても、第２燃料電池が加熱される。このような構成とすることによって、第２燃料電池をさらに速やかに起動することができる。

上記の燃料電池システムでは、第１ヒータが、第１基板上に設けられていてもよく、第２ヒータが、第２基板上に設けられていてもよい。

上記の燃料電池システムによれば、第１燃料電池を加熱する第１ヒータと、第２燃料電池を加熱する第２ヒータを、簡素な構成によって実現することができる。

上記の燃料電池システムは、第１ヒータが第１燃料電池を加熱する際に、第１燃料電池からの燃料ガスおよび／または空気の排出を禁止してもよい。

上記の燃料電池システムによれば、第１燃料電池を起動するために第１ヒータによって第１燃料電池を加熱している間、燃料ガスや空気の排出によって第１燃料電池から放熱してしまうことを抑制することができる。これによって第１燃料電池を速やかに温度上昇させることができる。

実施例１の燃料電池システム２のブロック図である。実施例１の第１燃料電池４および第２燃料電池１４の外観を模式的に示す斜視図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で見た断面図である。実施例１の第１燃料反応経路１２および第２燃料反応経路２０の形状を示す平面図である。実施例２の燃料電池システム８２のブロック図である。実施例１の燃料電池システム２および実施例２の燃料電池システム８２の用途の例を示す図である。実施例１の燃料電池システム２および実施例２の燃料電池システム８２の用途の別の例を示す図である。実施例１の燃料電池システム２および実施例２の燃料電池システム８２の用途のさらに別の例を示す図である。

（実施例１）
図１は、本実施例の燃料電池システム２の構成を模式的に示している。燃料電池システム２は、空気中の酸素と、燃料ガス中の水素を反応させて、電気と熱と水蒸気を生成する。

燃料電池システム２は、補機である第１燃料電池４と、第１燃料電池４に設けられ、第１燃料電池４を５００−７００℃に加熱する第１ヒータ６と、第１ヒータ６に電力を供給する小型のバッテリ８と、第１燃料電池４内で空気が流れる第１空気反応経路１０と、第１燃料電池４内で燃料ガスが流れる第１燃料反応経路１２を備えている。第１燃料電池４は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であって、第１空気反応経路１０内の空気中の酸素と、第１燃料反応経路１２内の燃料ガス中の水素の化学反応によって、電気と熱と水蒸気を生成する。バッテリ８は、可搬性のある乾電池である。

燃料電池システム２は、主機である第２燃料電池１４と、第２燃料電池１４に設けられ、第２燃料電池１４を５００−７００℃に加熱する第２ヒータ１６と、第２燃料電池１４内で空気が流れる第２空気反応経路１８と、第２燃料電池１４内で燃料ガスが流れる第２燃料反応経路２０を備えている。第２燃料電池１４は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であって、第２空気反応経路１８内の空気中の酸素と、第２燃料反応経路２０内の燃料ガス中の水素の化学反応によって、電気と熱と水蒸気を生成する。主機である第２燃料電池１４は、補機である第１燃料電池４よりも大型の燃料電池であって、第１燃料電池４よりも大きな発電能力を有する。第２ヒータ１６には、補機である第１燃料電池４で発電した電力が供給される。主機である第２燃料電池１４が発電した電力は、対象負荷Ｌに供給される。

燃料電池システム２において、第１燃料電池４と、第１ヒータ６と、第１空気反応経路１０と、第１燃料反応経路１２とは、第１基板２５に設けられている。また、第２燃料電池１４と、第２ヒータ１６と、第２空気反応経路１８と、第２燃料反応経路２０とは、第２基板２７に設けられている。そして、第１基板２５と第２基板２７は、基板２３の上に設けられている。すなわち、本実施例の燃料電池システム２では、第１燃料電池４と第２燃料電池１４が同一の基板２３に設けられているということが言える。さらに、本実施例の燃料電池システム２では、第１燃料電池４が設けられた第１基板２５と、第２燃料電池１４が設けられた第２基板２７とを、継ぎ目なく連続して形成して基板２３を構成してもよい。逆に、基板２３を設けずに、第１基板２５と第２基板２７とを分離して形成してもよい。

燃料電池システム２は、燃料ガスとして水素が充填された水素カートリッジ２１と、燃料ガスの供給先を第１燃料電池４と第２燃料電池１４の間で切り換える三方弁２２と、水素カートリッジ２１から三方弁２２に燃料ガスを供給する燃料供給経路２４と、燃料供給経路２４に設けられた減圧弁２６と、三方弁２２から第１燃料電池４の第１燃料反応経路１２へ燃料ガスを供給する第１燃料供給経路２８と、第１燃料電池４の第１燃料反応経路１２から燃料電池システム２の外部に反応後の燃料ガスを排出する第１燃料排出経路３０と、第１燃料排出経路３０に設けられた封止弁３２と、三方弁２２から第２燃料電池１４の第２燃料反応経路２０へ燃料ガスを供給する第２燃料供給経路３４と、反応後の燃料ガスを水素と水蒸気に分離する燃料回収器３６と、第２燃料電池１４の第２燃料反応経路２０から燃料回収器３６に反応後の燃料ガスを排出する第２燃料排出経路３８と、第２燃料排出経路３８に設けられた封止弁４０と、燃料回収器３６で分離した水素を燃料ガスとして減圧弁２６よりも下流側の燃料供給経路２４に供給する燃料回収経路４２と、燃料回収器３６で分離した水蒸気を燃料電池システム２の外部に排出する水蒸気排出経路４４を備えている。

燃料電池システム２は、燃料電池システム２の外部から第１燃料電池４の第１空気反応経路１０に空気を供給する第１空気供給経路４６と、第１空気供給経路４６に設けられた開閉弁４８と、第１燃料電池４の第１空気反応経路１０から燃料電池システム２の外部に反応後の空気を排出する第１空気排出経路５０と、第１空気排出経路５０に設けられた封止弁５２と、燃料電池システム２の外部から第２燃料電池１４の第２空気反応経路１８に空気を供給する第２空気供給経路５４と、第２空気供給経路５４に設けられた開閉弁５６と、第２燃料電池１４の第２空気反応経路１８から燃料電池システム２の外部に反応後の空気を排出する第２空気排出経路５８と、第２空気排出経路５８に設けられた封止弁６０を備えている。

燃料電池システム２を起動する際には、三方弁２２を第１燃料電池４側に切り換えた状態で、減圧弁２６を開く。そして、燃料ガスが第１燃料電池４の第１燃料反応経路１２に充満したところで、封止弁３２を閉じるとともに、減圧弁２６を閉じる。また、開閉弁４８を開き、空気が第１燃料電池４の第１空気反応経路１０に充満したところで、封止弁５２を閉じるとともに、開閉弁４８を閉じる。そして、バッテリ８から第１ヒータ６への通電を開始し、第１ヒータ６による第１燃料電池４の加熱を開始する。本実施例の燃料電池システム２では、第１ヒータ６が第１燃料電池４を加熱している間、減圧弁２６、封止弁３２が閉じられているので、第１燃料電池４への燃料ガスの流入および第１燃料電池４からの燃料ガスの流出が禁止されている。また、本実施例の燃料電池システム２では、第１ヒータ６が第１燃料電池４を加熱している間、開閉弁４８、封止弁５２が閉じられているので、第１燃料電池４への空気の流入および第１燃料電池４からの空気の流出が禁止されている。これによって、第１燃料電池４からの燃料ガスや空気を介した放熱が抑制され、第１燃料電池４を速やかに温度上昇させることができる。

第１ヒータ６による加熱によって、第１燃料電池４が所定の反応温度、例えば６００℃となると、第１燃料電池４において、第１空気反応経路１０内の空気中の酸素と、第１燃料反応経路１２内の燃料ガス中の水素の化学反応によって、発電が開始される。酸素と水素の化学反応は発熱反応でもあるので、発電が開始した後は、第１ヒータ６による加熱をオフにしても、第１燃料電池４は高温に維持されて、発電は継続される。その後、封止弁３２や封止弁５２を開いて、第１燃料電池４において反応に寄与しなかったガスや反応で発生した水蒸気を燃料電池システム２の外部に排出するとともに、減圧弁２６や開閉弁４８を開いて、第１燃料電池４内に燃料ガスと空気を再び供給する。これを繰り返すことで、第１燃料電池４による発電が継続される。

第１燃料電池４が発電した電力は、第２燃料電池１４の第２ヒータ１６に供給される。第１燃料電池４が発電している間、第２燃料電池１４は第２ヒータ１６により加熱される。また、第１燃料電池４と第２燃料電池１４は同一の基板２３に設けられているので、第１燃料電池４の発電に伴って発生した熱が、第２燃料電池１４に伝熱することによっても、第２燃料電池１４は加熱される。

上記のように、第１燃料電池４が発電を行うことで、第２燃料電池１４の温度が上昇し、第２燃料電池１４が所定の反応温度、例えば６００℃になると、燃料電池システム２は、第１燃料電池４での発電を終了して、第２燃料電池１４での発電を開始する。すなわち、三方弁２２を第２燃料電池１４側に切り換えた状態で、減圧弁２６を開く。そして、燃料ガスが第２燃料電池１４の第２燃料反応経路２０に充満したところで、封止弁４０を閉じるとともに、減圧弁２６を閉じる。また、開閉弁５６を開き、空気が第２燃料電池１４の第２空気反応経路１８に充満したところで、封止弁６０を閉じるとともに、開閉弁５６を閉じる。第２燃料電池１４は、すでに所定の反応温度、例えば６００℃となっているので、第２燃料電池１４において、第２空気反応経路１８内の空気中の酸素と、第２燃料反応経路２０内の燃料ガス中の水素の化学反応によって、発電が開始される。酸素と水素の化学反応は発熱反応でもあるので、発電が開始した後は、第２ヒータ１６による加熱や第１燃料電池４からの伝熱がなくても、第２燃料電池１４は高温に維持されて、発電は継続される。その後、封止弁４０や封止弁６０を開いて、第２燃料電池１４において反応に寄与しなかったガスや反応で発生した水蒸気を排出するとともに、減圧弁２６や開閉弁５６を開いて、第２燃料電池１４内に燃料ガスと空気を再び供給する。これを繰り返すことで、第２燃料電池１４による発電が継続される。第２燃料電池１４が発電した電力は、対象負荷Ｌに供給される。

第２燃料電池１４から排出された反応後の燃料ガスは、燃料回収器３６において水素と水蒸気に分離される。燃料回収器３６で分離された水蒸気は、水蒸気排出経路４４を介して燃料電池システム２の外部に排出される。燃料回収器３６で分離された水素は、燃料ガスとして燃料供給経路２４に再び供給される。

なお、図示はしていないが、燃料供給経路２４や第１燃料供給経路２８、第１燃料排出経路３０、第２燃料供給経路３４、第２燃料排出経路３８、燃料回収経路４２等に、燃料ガスの流動を制御するためのポンプを備えていてもよい。同様に、図示はしていないが、第１空気供給経路４６や第１空気排出経路５０、第２空気供給経路５４、第２空気排出経路５８等に、空気の流動を制御するためのポンプを備えていてもよい。また、図示はしていないが、第１燃料電池４や第２燃料電池１４からの放熱を制御するためのヒートシンクを備えていてもよい。

図２、図３および図４は、第１燃料電池４と、第１ヒータ６と、第１空気反応経路１０と、第１燃料反応経路１２と、第２燃料電池１４と、第２ヒータ１６と、第２空気反応経路１８と、第２燃料反応経路２０が設けられた基板２３の構成を模式的に示している。上述したように、第１燃料電池４と、第１ヒータ６と、第１空気反応経路１０と、第１燃料反応経路１２とが、第１基板２５に設けられており、第２燃料電池１４と、第２ヒータ１６と、第２空気反応経路１８と、第２燃料反応経路２０とが、第２基板２７に設けられている。図２、図３および図４に示す例では、第１基板２５と第２基板２７とは継ぎ目なく連続して形成されており、基板２３を構成している。

図２に示すように、第１燃料電池４は、１×２のアレイ状に配置された２つの第１発電要素４ａを備えている。第２燃料電池１４は、３×３のアレイ状に配置された９つの第２発電要素１４ａを備えている。なお、第１燃料電池４が備える第１発電要素４ａの個数や、第２燃料電池１４が備える第２発電要素１４ａの個数は、これに限定されるものではない。第１発電要素４ａの個数よりも、第２発電要素１４ａの個数の方が多ければ、どのような個数であってもよい。

図３に示すように、基板２３は、第１シリコン基板６２と、第２シリコン基板６４と、第１電極膜６６と、電解質膜６８と、第２電極膜７０と、絶縁膜７２が順に積層された積層基板である。

第１シリコン基板６２と第２シリコン基板６４は、ノンドープの高抵抗のシリコン基板である。図３、図４に示すように、第２シリコン基板６４の内部には、エッチングによって、第１燃料電池４の第１燃料反応経路１２と、第２燃料電池１４の第２燃料反応経路２０が形成されている。第１燃料反応経路１２は、第１燃料入口１２ａと第１燃料出口１２ｂを備えている。第１燃料反応経路１２には、第１燃料入口１２ａを介して燃料ガスが供給される。第１燃料反応経路１２において、第１発電要素４ａに対応する箇所には、それぞれ、第１燃料反応室１２ｃが形成されている。また、反応後の燃料ガスは、第１燃料出口１２ｂを介して第１燃料反応経路１２から排出される。第２燃料反応経路２０は、第２燃料入口２０ａと第２燃料出口２０ｂを備えている。第２燃料反応経路２０には、第２燃料入口２０ａを介して燃料ガスが供給される。第２燃料反応経路２０において、第２発電要素１４ａに対応する箇所には、それぞれ、第２燃料反応室２０ｃが形成されている。また、反応後の燃料ガスは、第２燃料出口２０ｂを介して第２燃料反応経路２０から排出される。図２、図３に示すように、第２シリコン基板６４の内部に形成された第１燃料反応経路１２と第２燃料反応経路２０は、第１シリコン基板６２によって下面側を気密に封止されている。

図３に示すように、第２シリコン基板６４の上面には、第１電極膜６６が積層されている。第１電極膜６６は、触媒および集電効果を持つ電極膜であって、Ｐｔ、Ｃｒ／Ｎｉ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｃｒ／Ｐｔ、またはこれらを含む混合物あるいは積層膜で形成された金属膜である。あるいは、第１電極膜６６は、これらの金属の粒子を含む、またはこれらの金属の粒子が担持された、導電性を持つ膜、例えば導電性セラミックス膜であってもよい。第１電極膜６６は、第１燃料電池４および第２燃料電池１４において、燃料極として機能する。第１燃料電池４の第１電極膜６６と第２燃料電池１４の第１電極膜６６は、互いに絶縁されている。第１電極膜６６は、ポーラス（多孔質）構造を有している。第１電極膜６６の下面は、第２シリコン基板６４の内部に形成された、第１燃料反応経路１２の第１燃料反応室１２ｃおよび第２燃料反応経路２０の第２燃料反応室２０ｃに、露出している。第１電極膜６６の上面には、電解質膜６８が積層されている。電解質膜６８は、ＬＳＯ（ランタンシリケート）、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＬａＧａＯ３（ランタンガレート）等の薄膜である。電解質膜６８の膜厚は、２０−２０００ｎｍ程度である。電解質膜６８の上面には、第２電極膜７０が積層されている。第２電極膜７０は、触媒および集電効果を持つ電極膜であって、Ｐｔ、Ｃｒ／Ｎｉ、Ｎｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｃｒ／Ｐｔ、またはこれらを含む混合物あるいは積層膜で形成された金属膜である。あるいは、第２電極膜７０は、これらの金属の粒子を含む、またはこれらの金属の粒子が担持された、導電性を持つ膜、例えば導電性セラミックス膜であってもよい。第２電極膜７０は、第１燃料電池４および第２燃料電池１４において、空気極として機能する。第１燃料電池４の第２電極膜７０と第２燃料電池１４の第２電極膜７０は、互いに絶縁されている。第２電極膜７０は、ポーラス（多孔質）構造を有している。

第２電極膜７０の上面には、絶縁膜７２が積層されている。絶縁膜７２は、例えば酸化シリコンの薄膜である。絶縁膜７２の上方の空間は、第１燃料電池４の第１空気反応経路１０および第２燃料電池１４の第２空気反応経路１８を構成している。絶縁膜７２には、複数の貫通孔７２ａが形成されている。図２に示すように、複数の貫通孔７２ａは、第１発電要素４ａおよび第２発電要素１４ａのそれぞれにおいて、４×３のアレイ状に配置されている。なお、第１発電要素４ａおよび第２発電要素１４ａのそれぞれにおける複数の貫通孔７２ａの個数は、これに限定されるものではない。第１基板２５において絶縁膜７２に貫通孔７２ａが形成された箇所では、第１燃料反応経路１２（第１燃料反応室１２ｃ）と第１空気反応経路１０が、第１電極膜６６と、電解質膜６８と、第２電極膜７０を介して対向している。第２基板２７において絶縁膜７２に複数の貫通孔７２ａが形成された箇所では、第２燃料反応経路２０（第２燃料反応室２０ｃ）と第２空気反応経路１８は、第１電極膜６６と、電解質膜６８と、第２電極膜７０を介して対向している。

第１燃料電池４や第２燃料電池１４が所定の反応温度、例えば６００℃まで加熱されると、絶縁膜７２に複数の貫通孔７２ａが形成された箇所において、空気中の酸素は、ポーラス構造の第２電極膜７０を通過して電解質膜６８に到達する。そして、電解質膜６８の表面で触媒反応によって酸素は酸化物イオン（Ｏ^２−）となり、電解質膜６８を通過して、第１電極膜６６に到達する。一方、燃料ガス中の水素は、ポーラス（多孔質）構造の第１電極膜６６を通過して電解質膜６８に到達し、そこで酸化物イオンと反応して水蒸気が生成されるとともに、電子が放出される。放出された電子は、第１電極膜６６に集電される。このようにして、第１燃料電池４や第２燃料電池１４は発電を行なう。なお、反応に伴って生成された水蒸気は、第１燃料反応経路１２（第１燃料反応室１２ｃ）や第２燃料反応経路２０（第２燃料反応室２０ｃ）に放出される。

図２や図３に示すように、第１ヒータ６および第２ヒータ１６は、絶縁膜７２の上面に配置されている。第１ヒータ６および第２ヒータ１６は、例えば、Ｐｔ、Ｔａ、Ｗ、ＷＳｉ等の金属膜である。第１ヒータ６は、第１発電要素４ａの複数の貫通孔７２ａの間を蛇行するように配置されている。第２ヒータ１６は、第２発電要素１４ａの複数の貫通孔７２ａの間を蛇行するように配置されている。

乾電池であるバッテリ８からの電力は、電極パッド７４ａ、７４ｂを介して、第１ヒータ６に供給される。第１燃料電池４からの電力は、電極パッド７６ａ、７６ｂを介して、第２ヒータ１６に供給される。電極パッド７６ａは、第１基板２５の第１電極膜６６の上面に配置されており、電極パッド７６ｂは、第１基板２５の第２電極膜７０の上面に配置されている。第２燃料電池１４からの電力は、電極パッド７８ａ、７８ｂを介して、出力用電極パッド８０ａ、８０ｂに供給される。電極パッド７８ａは、第２基板２７の第１電極膜６６の上面に配置されており、電極パッド７８ｂは、第２基板２７の第２電極膜７０の上面に配置されている。出力用電極パッド８０ａ、８０ｂは、対象負荷Ｌ（図１参照）に接続されている。電極パッド７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂ、７８ａ、７８ｂ、出力用電極パッド８０ａ、８０ｂ、およびこれらを接続する配線は、５００−７００℃の高温に対して耐性を有する導電性材料であればよく、例えば、Ｐｔ／Ｃｒ、Ｐｔ／Ｎｉ、Ｐｔ／Ｔｉ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、ＷＳｉ等の金属から構成されている。

本実施例の燃料電池システム２では、第１基板２５と第２基板２７のそれぞれが、シリコン基板の積層板から構成されており、第１基板２５と第２基板２７が継ぎ目なく連続している。シリコン基板は熱伝導率が高く、第１基板２５と第２基板２７が継ぎ目なく連続しているので、第１燃料電池４の発電に伴って発生した熱を、第２燃料電池１４に良好に伝熱することができる。なお、第１基板２５と第２基板２７は、第１シリコン基板６２および第２シリコン基板６４の少なくとも一方が継ぎ目なく連続していればよく、第１シリコン基板６２および第２シリコン基板６４の他方や、第１電極膜６６や、電解質膜６８や、第２電極膜７０や、絶縁膜７２は、第１基板２５と第２基板２７に別体で設けられていてもよい。また、第１基板２５と第２基板２７とが物理的に分離され、別のシリコン基板（図示せず）上に第１基板２５と第２基板２７とがそれぞれ設けられた構成としてもよい。

（実施例２）
図５は、本実施例の燃料電池システム８２の構成を模式的に示している。本実施例の燃料電池システム８２は、実施例１の燃料電池システム２と略同様の構成を備えている。以下では、本実施例の燃料電池システム８２について、実施例１の燃料電池システム２と相違する点について説明する。

本実施例の燃料電池システム８２では、三方弁２２に、改質器８４から燃料ガスとして水素が供給される。改質器８４は、図示しないアンモニアガスカートリッジから供給されるアンモニアガスを分解して窒素と水素を生成する。そして、改質器８４は、水素を燃料供給経路２４に供給するとともに、窒素を燃料電池システム２の外部に排出する。なお、アンモニアガスの分解反応は吸熱反応であるため、改質器８４は、アンモニアガスを分解するためのヒータ８６と、ヒータ８６に電力を供給するバッテリ８８を備えている。なお、改質器８４は、実施例１の燃料電池システム２と同様に、第２燃料電池１４から排出された反応後の燃料ガスを水蒸気と水素に分離する燃料回収器を内蔵していてもよい。この場合、反応後の燃料ガスから分離された水素は、アンモニアガスから分解された水素とともに、燃料ガスとして燃料供給経路２４に供給され、反応後の燃料ガスから分離された水蒸気は、アンモニアガスから分解された窒素とともに、燃料電池システム２の外部に排出される。

実施例１の燃料電池システム２および実施例２の燃料電池システム８２によって、短時間で燃料電池を起動させることが可能となる。そのため、短時間で起動と停止を繰り返すことが可能な燃料電池を実現することができる。従って、実施例１の燃料電池システム２および実施例２の燃料電池システム８２は、従来にない用途に用いることができる。例えば、図６に示すように、燃料電池システム２、８２は、充電ケーブル９０を介してタブレット等のモバイル機器９２に接続可能な、充電器として用いることができる。この場合、モバイル機器９２が備えるバッテリ９４と、モバイル機器９２の電力負荷と、燃料電池システム２、８２を、電気的に並列に接続し、切り替えスイッチによって電力の供給先を切替可能な構成とすることで、燃料電池システム２、８２によって、バッテリ９４の充電を行なうこともできるし、モバイル機器９２の電力負荷に電力を供給することもできる。

あるいは、図７に示すように、燃料電池システム２、８２は、電力によって駆動する小型のモビリティ９６（例えばシニアカー）に搭載されるサブバッテリとして用いることができる。この場合、燃料電池システム２、８２は、電力供給線９８を介して、モビリティ９６が備えるバッテリ１００に接続される。この場合、モビリティ９６が備えるバッテリ１００と、モビリティ９６のモータ１０２と、燃料電池システム２、８２を、電気的に並列に接続し、切り替えスイッチによって電力の供給先を切替可能な構成とすることで、燃料電池システム２、８２によって、バッテリ１００の充電を行なうこともできるし、モータ１０２に電力を供給することもできる。

あるいは、図８に示すように、燃料電池システム２、８２は、電力によって駆動する歩行支援ロボット１０４のサブバッテリとして用いることができる。この場合、燃料電池システム２、８２は、電力供給線１０６を介して、歩行支援ロボット１０４が備えるバッテリ１０８に接続される。この場合、歩行支援ロボット１０４が備えるバッテリ１０８と、歩行支援ロボット１０４のモータ１１０と、燃料電池システム２、８２を、電気的に並列に接続し、切り替えスイッチによって電力の供給先を切替可能な構成とすることで、燃料電池システム２、８２によって、バッテリ１０８の充電を行なうこともできるし、モータ１１０に電力を供給することもできる。

上記の各実施例では、第１燃料電池４と第２燃料電池１４が、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である場合について説明したが、第１燃料電池４や第２燃料電池１４は、発電反応を開始する際に常温よりも高い温度まで加熱する必要がある燃料電池であれば、どのようなものであってもよく、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）であってもよいし、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）であってもよいし、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：燃料電池システム、４：第１燃料電池、４ａ：第１発電要素、６：第１ヒータ、８：バッテリ、１０：第１空気反応経路、１２：第１燃料反応経路、１２ａ：第１燃料入口、１２ｂ：第１燃料出口、１２ｃ：第１燃料反応室、１４：第２燃料電池、１４ａ：第２発電要素、１６：第２ヒータ、１８：第２空気反応経路、２０：第２燃料反応経路、２０ａ：第２燃料入口、２０ｂ：第２燃料出口、２０ｃ：第２燃料反応室、２１：水素カートリッジ、２２：三方弁、２３：基板、２４：燃料供給経路、２５：第１基板、２６：減圧弁、２７：第２基板、２８：第１燃料供給経路、３０：第１燃料排出経路、３２：封止弁、３４：第２燃料供給経路、３６：燃料回収器、３８：第２燃料排出経路、４０：封止弁、４２：燃料回収経路、４４：水蒸気排出経路、４６：第１空気供給経路、４８：開閉弁、５０：第１空気排出経路、５２：封止弁、５４：第２空気供給経路、５６：開閉弁、５８：第２空気排出経路、６０：封止弁、６２：第１シリコン基板、６４：第２シリコン基板、６６：第１電極膜、６８：電解質膜、７０：第２電極膜、７２：絶縁膜、７２ａ：貫通孔、７４ａ：電極パッド、７４ｂ：電極パッド、７６ａ：電極パッド、７６ｂ：電極パッド、７８ａ：電極パッド、７８ｂ：電極パッド、８０ａ：出力用電極パッド、８０ｂ：出力用電極パッド、８２：燃料電池システム、８４：改質器、８６：ヒータ、８８：バッテリ、９０：充電ケーブル、９２：モバイル機器、９４：バッテリ、９６：モビリティ、９８：電力供給線、１００：バッテリ、１０２：モータ、１０４：歩行支援ロボット、１０６：電力供給線、１０８：バッテリ、１１０：モータ

Claims

第１基板に設けられた第１燃料電池と、
第２基板に設けられており、第１燃料電池よりも発電能力が大きい第２燃料電池と、
第１燃料電池に設けられた第１ヒータと、
第２燃料電池に設けられた第２ヒータと、
バッテリを備えており、
第１ヒータが、バッテリから供給される電力によって第１燃料電池を加熱し、
第２ヒータが、第１燃料電池から供給される電力によって第２燃料電池を加熱し、
第２燃料電池での発電を開始すると、第１燃料電池での発電を終了する、燃料電池システム。
第１基板と第２基板がこれらの基板とは異なる第３基板上に設けられている、請求項１の燃料電池システム。
第１基板と第２基板が継ぎ目なく連続している、請求項１または２の燃料電池システム。
第１ヒータが、第１基板上に設けられており、
第２ヒータが、第２基板上に設けられている、請求項１から３の何れか一項の燃料電池システム。
第１ヒータが第１燃料電池を加熱する際に、第１燃料電池からの燃料ガスおよび／または空気の排出を禁止する、請求項１から４の何れか一項の燃料電池システム。