(57)【要約】【課題】燃料電池の発電部を早期に昇温させることが可能な燃料電池装置を提供する。【解決手段】固体電解質体１１１ａがカソード電極１１１ｂおよびアノード電極１１１ｃにて狭持されて構成される板状の発電部１１１、およびアノード電極１１１ｃの外周縁部に当接して発電部を支持する板状の支持体１１２を含んで構成される平板型の発電セル１１０を少なくとも１つ有する燃料電池１００と、支持体１１２の板面方向の一端側から他端側へと電流が流れるように、支持体１１２に電圧を印加する電圧印加回路１２１と、を備える。そして、支持体１１２は、アノード電極１１１ｃに電気的に接続され、且つ、支持体１１２の板面方向における電気抵抗Ｒｆがアノード電極１１１ｃの板面方向の電気抵抗Ｒｃよりも高くなるように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体（１１１ａ）がカソード電極（１１１ｂ）およびアノード電極（１１１ｃ）にて狭持されて構成される板状の発電部（１１１）、および前記アノード電極の外周縁部に当接して前記発電部を支持する板状の支持体（１１２）を含んで構成される平板型の発電セル（１１０）を少なくとも１つ有する燃料電池（１００）と、
前記支持体の板面方向の一端側から他端側へと電流が流れるように、前記支持体に電圧を印加する電圧印加回路（１２１）と、を備え、
前記支持体は、前記アノード電極に電気的に接続され、且つ、前記支持体の板面方向における電気抵抗が前記アノード電極の板面方向の電気抵抗よりも高くなるように構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記支持体は、前記支持体の板面方向に流れる電流の電流経路が、前記アノード電極の板面方向に流れる電流の電流経路よりも長くなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記支持体は、前記支持体の板面方向の一端側から他端側において、少なくとも一部が前記アノード電極よりも電気抵抗率の高い材料で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記支持体は、前記支持体の板面方向に流れる電流の電流経路における少なくとも一部の断面積が、前記アノード電極の板面方向に流れる電流の電流経路における断面積よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記支持体における前記アノード電極の外周縁部と当接する部位に設けられ、前記支持体および前記アノード電極よりも電気伝導率が高い材料で構成される電気伝導促進部材（１１２ｃ）を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記電圧印加回路にて電圧を印加した際に、前記支持体の板面方向の一端側から他端側へと流れる電流を検出する電流検出手段（１２４）と、
前記電流検出手段の検出値から前記発電セルの温度を推定する温度推定手段（１２３ｂ）と、
を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型の発電セルを有する燃料電池を備える燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温で作動する高温型の燃料電池として、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）や溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）が存在する。
【０００３】
この種の高温型の燃料電池は、発電時に発熱反応を伴うと共に、発電時の作動温度が高い程、発電部における酸素イオンの導電性が高くなるので、高い発電効率が得られるといったメリットがある。
【０００４】
一方、高温型の燃料電池は、作動温度が５００℃〜１０００℃となることから、燃料電池の起動時に、燃料電池の予熱に要する時間（起動時間）が長くなってしまうといった課題がある。
【０００５】
これに対して、例えば、特許文献１には、板状の発電部を支持する金属製の支持体を電気絶縁保護酸化物膜で被覆し、燃料電池の起動時に、支持体に電流を流して発熱させることで、支持体を介して発電部を加熱する燃料電池装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−５１３９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、電気絶縁保護酸化物膜で被覆された支持体を介して間接的に発電部を加熱する構造であり、熱効率が悪く、依然として発電セルを早期に昇温させることが難しいといった問題がある。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、燃料電池の発電部を早期に昇温させることが可能な燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、固体電解質体（１１１ａ）がカソード電極（１１１ｂ）およびアノード電極（１１１ｃ）にて狭持されて構成される板状の発電部（１１１）、およびアノード電極の外周縁部に当接して発電部を支持する板状の支持体（１１２）を含んで構成される平板型の発電セル（１１０）を少なくとも１つ有する燃料電池（１００）と、支持体の板面方向の一端側から他端側へと電流が流れるように、支持体に電圧を印加する電圧印加回路（１２１）と、を備え、支持体は、アノード電極に電気的に接続され、且つ、支持体の板面方向における電気抵抗がアノード電極の板面方向の電気抵抗よりも高くなるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
これによれば、電圧印加回路により支持体に電圧が印加された際に、支持体の板面を流れる電流がアノード電極に流れる。そして、アノード電極に流れる電流により、アノード電極自体が発熱することで、直接的に発電部が加熱される。このため、従来技術の如く、支持体を介して間接的に発電部を加熱する構成に比べて、燃料電池の発電部を早期に昇温させることが可能となる。
【００１１】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池装置を含むシステムの全体構成図である。
【図２】第１実施形態に係る発電セルのセル構造および暖機装置を説明するための断面図である。
【図３】第１実施形態に係る発電セルの要部を説明するための断面図である。
【図４】第１実施形態に係る発電セルにおける発電部の正面図である。
【図５】第１実施形態に係る燃料電池の暖機運転を説明するための断面図である。
【図６】第２実施形態に係る発電セルにおける発電部の正面図である。
【図７】第３実施形態に係る発電セルにおける発電部の正面図である。
【図８】図７におけるXIII−XIII断面を示す断面図である。
【図９】第４実施形態に係る発電セルのセル構造および暖機装置を説明するための断面図である。
【図１０】第４実施形態に係る燃料電池の温度調整処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態において説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。
【００１４】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。本実施形態では、図１に示す燃料電池システム１に本発明の燃料電池装置１０を適用している。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池装置１０は、主たる構成要素として、発電セル１１０を複数有する燃料電池１００、およびシステムの起動時等に燃料電池１００を暖機する暖機装置１２０を備えている。
【００１６】
燃料電池１００は、燃料ガスと酸化剤ガス（本実施形態では空気）との電気化学反応により電気エネルギを出力する平板型の発電セル１１０を複数積層したスタック構造で構成されている。また、本実施形態の燃料電池１００は、作動温度が高温（例えば、５００℃〜１０００℃）となる固体酸化物型の燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成されている。
【００１７】
発電セル１１０は、図２に示すように、発電部１１１、支持体１１２、カソード側集電体１１３、アノード側集電体１１５、一対のセパレータ１１４、１１６を含んで構成されている。
【００１８】
発電部１１１は、図３に示すように、固体電解質体１１１ａの両側をカソード電極（酸素極）１１１ｂとアノード電極１１１ｃで狭持した状態で接合した板状の接合体として構成されている。
【００１９】
固体電解質体１１１ａは、酸化物イオンをカソード電極１１１ｂ側からアノード電極１１１ｃ側へ伝導する機能を有する酸化物イオン伝導体で構成されている。固体電解質体１１１ａは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成することができる。
【００２０】
カソード電極１１１ｂは、反応ガス（酸化剤ガス）を固体電解質体１１１ａまで通すことが可能な導電性を有する多孔質体で構成されている。カソード電極１１１ｂは、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（ＬＳＣＦ）等で構成することができる。
【００２１】
また、アノード電極１１１ｃは、反応ガス（燃料ガス）を固体電解質体１１１ａまで通すことが可能な導電性を有する多孔質体で構成されている。アノード電極１１１ｃは、ニッケル（Ｎｉ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のサーメット（Ｎｉ−ＹＳＺ）等で構成することができる。
【００２２】
このように構成される発電部１１１では、水素および酸素が供給されることで、以下の反応式［化１］、［化２］に示す電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（アノード）２Ｈ２＋２Ｏ２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−・・・［化１］
（カソード）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−…Ｆ２・・・［化２］
また、発電部１１１では、一酸化炭素（ＣＯ）および酸素が供給されることで、以下の反応式［化３］、［化４］に示す電気化学反応により、電気エネルギが出力される。
（アノード）２ＣＯ＋２Ｏ２−→２ＣＯ２＋４ｅ−・・・［化３］
（カソード）Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−・・・［化４］
続いて、支持体１１２は、アノード電極１１１ｃの外周縁部と当接して発電部１１１を支持する板状部材である。この支持体１１２は、アノード電極１１１ｃと電気的に接続されるように、導電性を有する材料で構成されている。なお、本実施形態の支持体１１２は、その板面が発電部１１１（アノード電極１１１ｃ）の板面と同一平面上に位置するように配置されている。
【００２３】
本実施形態の支持体１１２は、図４に示すように、発電部１１１の外周を囲むようにロの字形状となっている。なお、図４では、発電セル１１０の積層方向から発電部１１１を見た際の形状を正面図として図示している。
【００２４】
また、本実施形態の支持体１１２には、互いに対向する外縁部の一辺（一端側）および他辺（他端側）に、後述する暖機装置１２０の電圧印加回路１２１を接続する一対の接続端子１１２ａ、１１２ｂが設けられている。
【００２５】
ここで、互いに電気的に接続された発電部１１１および支持体１１２は、一対の接続端子１１２ａ、１１２ｂ間に、図４中に示すような電気回路を構成する。このため、一対の端子１１２ａ、１１２ｂ間に電圧が印加されると、支持体１１２の板面方向の一端側（接続端子１１２ａ側）から他端側（接続端子１１２ｂ）へと支持体１１２の板面方向（板面に沿う方向）に電流が流れる。
【００２６】
本実施形態の支持体１１２は、支持体１１２の板面方向における電気抵抗Ｒｆがアノード電極１１１ｃの板面方向における電気抵抗Ｒｃよりも高くなるように構成されている（Ｒｆ＞＞Ｒｃ）。
【００２７】
具体的には、本実施形態の支持体１１２は、支持体１１２の板面方向の一端側（接続端子１１２ａ側）から他端側（接続端子１１２ｂ）において、アノード電極１１１ｃよりも電気抵抗率の高い材料（例えば、アルミ系材料やステンレス）で構成されている。
【００２８】
これにより、一対の端子１１２ａ、１１２ｂ間に電圧が印加された際には、アノード電極１１１ｃを介して、支持体１１２の板面方向の一端側（接続端子１１２ａ側）から他端側（接続端子１１２ｂ）へと電流を流すことが可能となっている。なお、支持体１１２の電気抵抗Ｒｆがアノード電極１１１ｃの電気抵抗Ｒｃよりも高ければ、支持体１１２における板面方向の一端側から他端側において、部分的にアノード電極１１１ｃよりも電気抵抗率の高い材料で構成するようにしてもよい。
【００２９】
ここで、本実施形態では、アノード電極１１１ｃと支持体１１２との接触抵抗を小さくするために、図３に示すように、支持体１１２とアノード電極１１１ｃとの間にペースト状の導電材１１２ｃを介在させている。この導電材１１２ｃは、アノード電極１１１ｃおよび支持体１１２よりも電気伝導率が高い材料で構成されており、アノード電極１１１ｃと支持体１１２との間の電気伝導を促進させる電気伝導促進部材を構成している。なお、導電材１１２ｃは、ペースト状に限らず、固形状の材料で構成してもよい。
【００３０】
図２に戻り、カソード側集電体１１３は、導電性を有する多孔質体で構成され、カソード電極１１１ｂ側における集電機能に加え、発電部１１１における電気化学反応に関与する物質の拡散させる拡散層としても機能する。
【００３１】
アノード側集電体１１５は、カソード側集電体１１３と同様に、導電性を有する多孔質体で構成され、アノード電極１１１ｃ側における集電機能に加え、発電部１１１における電気化学反応に関与する物質の拡散させる拡散層としても機能する。
【００３２】
各セパレータ１１４、１１６は、導電性を有する材料（例えば、導電性セラミック）で構成され、各発電セル１１０間を電気的に接続すると共に、発電部１１１へ反応ガスを供給する供給路として機能する。なお、各セパレータ１１４、１１６には、カソード電極１１１ｂと対向する面に酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路１１４ａ、１１６ａが形成され、アノード電極１１１ｃと対向する面に燃料ガスが流通する燃料ガス流路１１４ｂ、１１６ｂが形成されている。各ガス流路１１４ａ、１１４ｂ、１１６ａ、１１６ｂには、図示しないマニホールドを介して反応ガスが供給される。
【００３３】
ここで、各セパレータ１１４、１１６と支持体１１２との間が電気的に接続されていると、例えば、発電部１１１からの出力電流の漏れ等の不具合が生じてしまう可能性がある。このため、各セパレータ１１４、１１６と支持体１１２との間には、絶縁体１１７、１１８が設けられている。なお、絶縁体１１７、１１８は、耐熱性に優れるガラス等の材料で構成されている。
【００３４】
続いて、暖機装置１２０は、各発電セル１１０の支持体１１２に対して電圧を印加する電圧印加回路１２１、および電圧印加回路１２１を制御する制御回路１２３で構成されている。なお、暖機装置１２０は、後述する燃料電池システム１の制御装置８に接続され、制御装置８からの制御信号により制御される。
【００３５】
電圧印加回路１２１は、各発電セル１１０における支持体１１２の板面方向の一端側から他端側へと電流が流れるように、支持体１１２の一対の接続端子１１２ａ、１１２ｂ間に電圧を印加する回路である。
【００３６】
本実施形態の電圧印加回路１２１は、印加する電圧を生成する電源１２１ａ、および支持体１１２の接続端子１１２ａと電源１２１ａとの間の導通状態を切り替えるスイッチ１２１ｂで構成されている。
【００３７】
制御回路１２３は、スイッチ１２１ｂのオンオフを制御することで、燃料電池１００の暖機処理を実行する回路である。本実施形態では、制御回路１２３における燃料電池１００の暖機処理を実行する構成（ハードウェアおよびソフト）が、暖機実行手段１２３ａを構成している。なお、制御回路１２３がスイッチ１２１ｂをオンすることで、電圧印加回路１２１により支持体１１２に電圧が印加され、制御回路１２３がスイッチ１２１ｂをオフすることで、電圧印加回路１２１による支持体１１２への電圧印加が停止される。
【００３８】
ここで、説明の便宜上、図２では、単一の発電セル１１０の支持体１１２に電圧を印加する例を図示しているが、実際の電圧印加回路１２１は、各発電セル１１０の支持体１１２に電圧が印加されるように構成されている。具体的には、電圧印加回路１２１は、各発電セル１１０の支持体１１２の接続端子１１２ａと電源１２１ａとの間の導通状態を切り替える複数のスイッチ１２１ｂを備えて構成されている。
【００３９】
以上までが燃料電池装置１０の構成であり、以下、燃料電池装置１０を除く燃料電池システム１の全体構成について説明する。
【００４０】
図１に示すように、燃料電池装置１０の入口側には、酸化剤ガスを供給するための空気供給経路３が接続されている。この空気供給経路３には、上流側から順に、塵や埃等を除去する空気フィルタ３１、燃料電池１００へと空気を圧送する空気用ブロワ３２、空気予熱器３３が設けられている。なお、空気予熱器３３は、空気用ブロワ３２から圧送された空気を、後述する燃焼器７１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。
【００４１】
また、燃料電池装置１０の入口側には、燃料ガスを供給するための燃料供給経路４が接続されている。この燃料供給経路４には、上流側から順に、燃料（例えば、メタンＣＨ４）に含まれる硫黄成分を除去する脱硫器４１、燃料電池１００側へ燃料を圧送する燃料ポンプ４２、燃料予熱器４３、燃料改質器４４が設けられている。
【００４２】
燃料予熱器４３は、燃料改質器４４における改質反応の促進するために、燃料ポンプ４２から圧送された燃料を後述する燃焼器７１で生成した燃焼ガスと熱交換させて加熱するものである。
【００４３】
燃料改質器４４は、燃料予熱器４３にて加熱された燃料および水蒸気を混合した混合ガスを燃焼ガスと熱交換させて加熱すると共に、以下の反応式［化５］に示す改質反応、および反応式［化６］に示すシフト反応により燃料ガス（水素、一酸化炭素）を生成する。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２・・・［化５］
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２・・・［化６］
ここで、燃料改質器４４は、水供給経路５に接続されており、水供給経路５に設けられた気化器５３にて生成された水蒸気が供給される。水供給経路５は、上流側から順に、純水器５１、水ポンプ５２、気化器５３が設けられており、気化器５３の出口側が燃料改質器４４に接続されている。なお、気化器５３は、水ポンプ５２から供給される水を後述する燃焼器７１で生成した燃焼ガスと熱交換させて蒸発させる蒸発器である。
【００４４】
一方、燃料電池装置１０の出口側には、燃料電池１００からの排出空気（酸化剤ガスのオフガス）が流れる空気排出経路７ａ、および排出燃料（燃料ガスのオフガス）が流れる燃料排出経路７ｂが接続されている。各排出経路７ａ、７ｂは、燃焼器７１に接続されている。
【００４５】
燃焼器７１は、排出燃料と排出空気とを混合した混合ガスを可燃ガスとして燃焼させることで、燃料電池１００に供給する空気や燃料ガスの予熱等の熱源として利用される高温（例えば、９００℃〜１０００℃）の燃焼ガスを生成するものである。
【００４６】
この燃焼器７１には、高温の燃焼ガスを排出する燃焼ガス経路７が接続されている。この燃焼ガス経路７は、内部を流れる燃焼ガスの熱を有効利用すべく、上流側から順に燃料改質器４４、空気予熱器３３、気化器５３、燃料予熱器４３といった機器に接続されている。また、図示しないが、燃焼ガス経路７における燃料予熱器４３の下流側には、給湯水を加熱する熱交換器を設けられており、燃焼ガスが有する熱にて、給湯水等を加熱するようになっている。なお、燃焼ガスを各機器３３、４３、４４、５３に流す順序は、各機器にて必要とされる熱量等に応じて変更してもよい。
【００４７】
続いて、燃料電池システム１における電子制御部を構成する制御装置８について説明する。制御装置８は、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭといった記憶手段等からなる周知のマイクロコンピュータと、その周辺回路にて構成されている。制御装置８は、記憶手段に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い出力側に接続された各種制御機器の作動を制御する制御手段を構成している。具体的には、制御装置８の出力側には、制御機器として空気用ブロワ３２、燃料ポンプ４２、水ポンプ５２、暖機装置１２０等が接続されている。これら制御機器は、制御装置８から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。
【００４８】
次に、本実施形態の燃料電池システム１の作動を説明する。本実施形態の燃料電池システム１では、発電運転の開始前のシステム起動時等に、燃料電池装置１０の暖機装置１２０により燃料電池１００の暖機処理を行う。
【００４９】
具体的には、燃料電池装置１０は、制御装置８から燃料電池１００の暖機を指示する制御信号が入力されると、暖機装置１２０の制御回路１２３が電圧印加回路１２１の各スイッチ１２１ｂをオンする。
【００５０】
制御回路１２３が各スイッチ１２１ｂをオンすると、電圧印加回路１２１により各発電セル１１０の支持体１１２の両端（一対の接続端子１１２ａ、１１２ｂ間）に電圧が印加される。
【００５１】
ここで、本実施形態では、支持体１１２の板面方向における電気抵抗Ｒｆをアノード電極１１１ｃの板面方向における電気抵抗Ｒｃよりも高くなるように設定している（Ｒｆ＞＞Ｒｃ）。
【００５２】
このため、支持体１１２の両端に電圧が印加されると、図５に示すように、支持体１１２の一端側の接続端子１１２ａ→支持体１１２→発電部１１１（アノード電極１１１ｃ）→支持体１１２→他端側の接続端子１１２ｂへと板面方向に沿って電流が流れる。
【００５３】
この際、支持体１１２に流れる電流により、支持体１１２が発熱することで、間接的に発電部１１１が加熱されて昇温する。さらに、アノード電極１１１ｃに流れる電流により、アノード電極１１１ｃ自体が発熱することで、直接的に発電部１１１が加熱されて昇温する。
【００５４】
制御回路１２３は、暖機処理の開始からの経過時間が所定の基準時間を越えると各スイッチ１２１ｂをオフする。換言すれば、制御回路１２３は、暖機処理の開始から基準時間が経過するまで各スイッチ１２１ｂをオンに維持する。なお、基準時間は、燃料電池１００の温度が予熱完了温度となるのに要する時間に設定されている。
【００５５】
その後、制御回路１２３は、燃料電池システム１に対して暖機処理の完了したことを示す制御信号を出力して、暖機処理を終了する。
【００５６】
続いて、燃料電池システム１は、燃料電池１００における発電運転を行う。この発電運転では、制御装置８が各制御機器へ作動開始を指示する制御信号を出力する。
【００５７】
これにより、空気供給経路３では、空気用ブロワ３２にて圧送された空気が空気予熱器３３にて所望の温度となるまで加熱された後、当該加熱された空気が燃料電池１００に供給される。
【００５８】
一方、燃料供給経路４では、燃料ポンプ４２から供給された燃料が燃料予熱器４３にて所望の温度まで加熱された後、燃料改質器４４内部にて気化器５３で生成された水蒸気と混合されると共に、水蒸気改質により燃料ガスに改質されて燃料電池１００に供給される。
【００５９】
燃料電池１００は、燃料ガスおよび空気が供給されると、水素および一酸化炭素を燃料ガスとして前述の反応式［化１］〜［化４］に示す電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
【００６０】
燃料電池１００から排出された各オフガスは、各排出経路７ａ、７ｂを介して燃焼器７１に供給される。燃焼器７１に供給された各オフガスは、燃焼器７１で燃焼される。その後、燃焼器７１にて生成された高温の燃焼ガスは、燃焼ガス経路７を介して燃料改質器４４、空気予熱器３３、気化器５３、燃料予熱器４３に流れ、各機器における熱源として利用された後に外部へ排出される。
【００６１】
以上説明した本実施形態の燃料電池装置１０では、各発電セル１１０の支持体１１２をアノード電極１１１ｃに電気的に接続すると共に、支持体１１２の板面方向の電気抵抗Ｒｆをアノード電極１１１ｃの板面方向の電気抵抗Ｒｃよりも高くなるように構成している。
【００６２】
これによれば、電圧印加回路１２１により発電セル１１０の支持体１１２に電圧を印加した際に、支持体１１２の板面を流れる電流がアノード電極１１１ｃに流れる。そして、アノード電極１１１ｃに流れる電流により、アノード電極１１１ｃ自体が発熱することで、直接的に発電部１１１が加熱される。
【００６３】
従って、本実施形態の燃料電池装置１０によれば、従来技術の如く、支持体１１２の熱により間接的に発電部１１１を昇温させる構成に比べて、燃料電池１００の各発電セル１１０の発電部１１１を早期に昇温させることが可能となる。
【００６４】
また、本実施形態では、支持体１１２におけるアノード電極１１１ｃと当接する部位に、支持体１１２およびアノード電極１１１ｃよりも電気伝導率が高い導電材１１２ｃを設ける構成としている。
【００６５】
これによれば、電圧印加回路１２１により発電セル１１０の支持体１１２に電圧を印加した際に、支持体１１２の板面を流れる電流がアノード電極１１１ｃへ流れ易くなる。この結果、アノード電極１１１ｃの発熱量を増加させて、各発電セル１１０の発電部１１１の昇温に要する時間を短縮させることが可能となる。
【００６６】
なお、本実施形態では、複数の発電セル１１０を積層したスタック構造の燃料電池１００における例を説明したが、燃料電池１００は、スタック構造となっていない構造（例えば、単一の発電セル１１０により構成される単セル構造）であってもよい。このことは、後述する第２、第３実施形態においても同様である。
【００６７】
また、本実施形態では、電圧印加回路１２１により各発電セル１１０の支持体１１２に対して電圧を印加して、発電部１１１を昇温させる例について説明したが、これに限定されない。例えば、各発電セル１１０のうち、両端側、および中段側に位置する発電セル１１０の支持体１１２に対して電圧を印加して、発電部１１１を昇温させるようにしてもよい。このことは、後述する第２、第３実施形態においても同様である。
【００６８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態では、第１実施形態に対して、支持体１１２の形状を変更した例について説明する。本実施形態の支持体１１２は、支持体１１２の板面方向に流れる電流の電流経路Ｌｆが、アノード電極１１１ｃの板面方向に流れる電流の電流経路Ｌｃよりも長くなるように構成されている。
【００６９】
具体的には、本実施形態の支持体１１２は、図６に示すように、各接続端子１１２ａ、１１２ｂが設けられていない外周の２辺に、外側から内側へ向かう切欠き部１１２ｄ、内側から外側へ向かう切欠き部１１２ｅが交互に設けられている。
【００７０】
このように、支持体１１２における電流経路Ｌｆを蛇行上の経路とすることで、支持体１１２における電流経路Ｌｆを、アノード電極１１１ｃにおける電流経路Ｌｃよりも長くしている。
【００７１】
その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。本実施形態の構成では、第１実施形態で説明した作用効果に加えて、次の効果を奏する。すなわち、本実施形態では、支持体１１２における電流経路Ｌｆを、アノード電極１１１ｃにおける電流経路Ｌｃよりも長くなるように構成しているので、支持体１１２の電気抵抗Ｒｆをアノード電極１１１ｃの電気抵抗Ｒｃよりも充分に高くすることができる。
【００７２】
これにより、支持体１１２の板面を流れる電流をアノード電極１１１ｃへ一層流し易くすることができる。この結果、アノード電極１１１ｃの発熱量を増加させて、各発電セル１１０の発電部１１１の昇温に要する時間を短縮させることが可能となる。
【００７３】
ここで、本実施形態では、支持体１１２を電気抵抗率の高い材料で構成すると共に、支持体１１２の電流経路Ｌｆを長くすることで、支持体１１２の電気抵抗Ｒｆをアノード電極１１１ｃの電気抵抗Ｒｃよりも高くしているが、これに限定されない。支持体１１２の電気抵抗Ｒｆがアノード電極１１１ｃの電気抵抗Ｒｃよりも高ければ、例えば、支持体１１２の電流経路Ｌｆをアノード電極１１１ｃの電流経路Ｌｃよりも長くするだけでもよい。
【００７４】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態では、第１実施形態に対して、支持体１１２の形状を変更した例について説明する。本実施形態の支持体１１２は、支持体１１２の板面方向に流れる電流の電流経路における一部の断面積が、アノード電極１１１ｃの板面方向に流れる電流の電流経路における断面積よりも小さくなるように構成されている。
【００７５】
具体的には、支持体１１２には、図７に示すように、各接続端子１１２ａ、１１２ｂが設けられていない２辺を構成する部位に、外側から内側へ向かう切欠き部１１２ｄが設けられている。さらに、支持体１１２には、図８に示すように、当該切欠き部１１２ｄを設けた部位の板厚が薄くなるように溝部１１２ｆが形成されている。なお、溝部１１２ｆは、支持体１１２の板厚がアノード電極１１１ｃの板厚よりも薄くなるように、その深さが設定されている。
【００７６】
その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。本実施形態の構成では、第１実施形態で説明した作用効果に加えて、次の効果を奏する。すなわち、本実施形態では、支持体１１２における一部の断面積がアノード電極１１１ｃにおける断面積よりも小さくなるように構成しているので、支持体１１２の電気抵抗Ｒｆをアノード電極１１１ｃの電気抵抗Ｒｃよりも充分に高くすることができる。
【００７７】
これにより、支持体１１２の板面を流れる電流をアノード電極１１１ｃへ一層流し易くすることができる。この結果、アノード電極１１１ｃの発熱量を増加させて、各発電セル１１０の発電部１１１の昇温に要する時間を短縮させることが可能となる。
【００７８】
ここで、本実施形態では、支持体１１２を電気抵抗率の高い材料で構成すると共に、支持体１１２の電流経路の断面積を小さくすることで、支持体１１２の電気抵抗Ｒｆをアノード電極１１１ｃの電気抵抗Ｒｃよりも高くしているが、これに限定されない。支持体１１２の電気抵抗Ｒｆがアノード電極１１１ｃの電気抵抗Ｒｃよりも高ければ、例えば、支持体１１２の電流経路の断面積をアノード電極１１１ｃの電流経路の断面積よりも小さくするだけでもよい。
【００７９】
なお、支持体１１２の電流経路の全域における断面積がアノード電極１１１ｃの電流経路における断面積よりも小さくなる構成とすることで、支持体１１２の電気抵抗Ｒｆをアノード電極１１１ｃの電気抵抗Ｒｃよりも高くするようにしてもよい。
【００８０】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態では、第１実施形態に対して、暖機装置１２０の構成を変更した例について説明する。本実施形態の暖機装置１２０は、図９に示すように、電圧印加回路１２１にて各発電セル１１０に電圧が印加された際に、各発電セル１１０の支持体１１２の一対の接続端子１１２ａ、１１２ｂ間に流れる電流を検出する電流センサ（電流検出手段）１２４を備える。この電流センサ１２４は、電流センサ１２４の検出結果が制御回路１２３に入力されるように、制御回路１２３に接続されている。なお、電流センサ１２４は、各発電セル１１０それぞれに対応して複数設けられている。
【００８１】
また、本実施形態の制御回路１２３は、電流センサ１２４の検出値から発電セル１１０の温度を推定するように構成されている。具体的には、制御回路１２３は、電流センサ１２４の検出値と発電セル１１０の温度との相関特性が予め規定された制御マップを参照し、電流センサ１２４の検出値に基づいて発電セル１１０の温度を推定する。なお、制御回路１２３における発電セル１１０の温度推定は、前述の制御マップに限らず、例えば、電流センサ１２４の検出値と発電セル１１０の温度との相関特性を数式化した関数を用いて行うようにしてもよい。なお、本実施形態では、制御回路１２３における発電セル１１０の温度を推定する構成（ハードウェアおよびソフト）が、温度推定手段１２３ｂを構成している。
【００８２】
さらに、本実施形態の制御回路１２３は、暖機処理時や暖機処理の完了後等に、各発電セル１１０における温度バラツキを均等化する温度均等化処理を実行するように構成されている。
【００８３】
制御回路１２３が実行する温度均等化処理については、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。なお、図１０に示す制御ルーチンは、例えば、暖機処理の完了後であって、発電処理の開始される前に実行される。
【００８４】
まず、電圧印加回路１２１の各スイッチ１２１ｂをオンして各発電セル１１０に対して電圧を印加し（Ｓ１０）、各発電セル１１０に対して電圧を印加した際の各電流センサ１２４の検出値を読み込む（Ｓ２０）。
【００８５】
続いて、ステップＳ２０にて読み込んだ各電流センサ１２４の検出値に基づいて、各発電セル１１０の温度を推定する（Ｓ３０）。この際、各発電セル１１０のうち、最高温度Ｔｍａｘとなる発電セル１１０、および最低温度Ｔｍｉｎとなる発電セル１１０を特定する。
【００８６】
そして、最高温度Ｔｍａｘと最低温度Ｔｍｉｎとの温度差（＝Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）が、予め設定された温度閾値ΔＴよりも大きいか否かを判定する（Ｓ４０）。なお、温度閾値ΔＴは、各発電セル１１０における温度バラツキの許容範囲内の値（例えば、５℃）が設定されている。
【００８７】
ステップＳ４０の判定処理の結果、最高温度Ｔｍａｘと最低温度Ｔｍｉｎとの温度差が温度閾値ΔＴ以下と判定された場合、各発電セル１１０における温度バラツキが生じていないと考えられるので、その後の処理をスキップして温度均等化処理を終える。
【００８８】
一方、ステップＳ４０の判定処理の結果、最高温度Ｔｍａｘと最低温度Ｔｍｉｎとの温度差が温度閾値ΔＴよりも大きいと判定された場合、電圧印加回路１２１にて最低温度Ｔｍｉｎとなる発電セル１１０への電圧印加を所定時間Δｔ継続する（Ｓ５０）。なお、ステップＳ５０の処理において最低温度Ｔｍｉｎとなる発電セル１１０への電圧印加を継続する所定時間Δｔとしては、温度閾値分の温度を上昇させるのに要する時間（例えば、５秒間）が設定されている。
【００８９】
続いて、ステップＳ１０、Ｓ２０の処理と同様に、電圧印加回路１２１の各スイッチ１２１ｂをオンして各発電セル１１０に対して電圧を印加し（Ｓ６０）、各発電セル１１０に対して電圧を印加した際の各電流センサ１２４の検出値を読み込む（Ｓ７０）。
【００９０】
そして、ステップＳ３０の処理と同様に、各発電セル１１０の温度を推定する（Ｓ８０）。この際、各発電セル１１０のうち、最高温度Ｔｍａｘとなる発電セル１１０、および最低温度Ｔｍｉｎとなる発電セル１１０を特定する。
【００９１】
続いて、最高温度Ｔｍａｘと最低温度Ｔｍｉｎとの温度差が、温度閾値ΔＴよりも大きいか否かを判定する（Ｓ９０）。この結果、最高温度Ｔｍａｘと最低温度Ｔｍｉｎとの温度差が温度閾値ΔＴ以下と判定された場合、ステップＳ５０の処理により、各発電セル１１０における温度バラツキが解消したと考えられるので、温度均等化処理を終える。
【００９２】
一方、ステップＳ９０の判定処理の結果、最高温度Ｔｍａｘと最低温度Ｔｍｉｎとの温度差が温度閾値ΔＴより大きいと判定された場合、依然として各発電セル１１０における温度バラツキが生じていると考えられるので、ステップＳ５０の処理に戻る。
【００９３】
その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の構成では、第１実施形態で説明した作用効果に加えて、次の効果を奏する。
【００９４】
すなわち、本実施形態では、電圧印加回路１２１にて電圧を印加した際、電流センサ１２４にて発電セル１１０内部を流れる電流を検出し、制御回路１２３にて、電流センサ１２４の検出値に基づいて発電セル１１０の温度を推定する構成としている。
【００９５】
これによれば、発電セル１１０の温度状態を把握することができるので、燃料電池１００の発電セル１１０の温度管理を行って、発電セル１１０の昇温を適切に実施することが可能となる。
【００９６】
また、本実施形態では、各発電セル１１０の温度の推定結果を用いて、各発電セル１１０の温度バラツキを均等化する温度均等化処理を実行する構成としているので、各発電セル１１０における温度バラツキを低減することが可能となる。この結果、各発電セル１１０の温度バラツキに起因して生ずる発電セル１１０内部の温度歪みによる破損や発電時の出力低下等を効果的に抑制可能となる。
【００９７】
なお、本実施形態では、各発電セル１１０の温度の推定結果から最高温度および最低温度となる発電セル１１０を決定し、最高温度と最低温度との温度差が大きい場合に、最低温度となる発電セル１１０の支持体１１２に電圧を印加する例について説明したが、これに限定されない。例えば、各発電セル１１０のうち、両端側、および中段側に位置する発電セル１１０の温度を推定し、両端側の発電セル１１０の推定温度と中段側の発電セル１１０の温度差が大きい場合に、温度低い方の発電セル１１０の支持体１１２に電圧を印加するようにしてもよい。
【００９８】
また、本実施形態では、各発電セル１１０の温度の推定結果を用いて、各発電セル１１０の温度バラツキを均等化する温度均等化処理を実行する例について説明したが、これに限定されない。例えば、各発電セル１１０の暖機処理時に、各発電セル１１０の温度を推定し、この推定結果に基づいて、各発電セル１１０の暖機処理を終了するか否かを決定するようにしてもよい。この場合、各発電セル１１０の推定温度が予熱完了温度まで上昇したか否かを判定し、各発電セル１１０の推定温度が予熱完了温度まで上昇した際に、暖機処理を終了すればよい。
【００９９】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。
【０１００】
（１）上述の各実施形態では、燃料電池１０として高温で作動する固体酸化物型の燃料電池を用いる例について説明したが、これに限らず、例えば、燃料電池１０として高温で作動する溶融炭酸塩型の燃料電池を用いてもよい。
【０１０１】
（２）上述の各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、明示していなくとも、各実施形態同士を部分的に組み合わせることが可能である。
【０１０２】
（３）上述の各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【０１０３】
（４）上述の各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。
【０１０４】
（５）上述の各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。
【符号の説明】
【０１０５】
１００      燃料電池
１１０      発電セル
１１１ａ    電解質体
１１１ｂ    カソード電極
１１１ｃ    アノード電極
１１２      支持体
１２１      電圧印加回路
【図１】
2014235890.tif 000003
【図２】
2014235890.tif 000004
【図３】
2014235890.tif 000005
【図４】
2014235890.tif 000006
【図５】
2014235890.tif 000007
【図６】
2014235890.tif 000008
【図７】
2014235890.tif 000009
【図８】
2014235890.tif 000010
【図９】
2014235890.tif 000011
【図１０】
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