(57)【要約】 【課題】起動時において、熱容量の大きい部分の昇温速度を向上させることで、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差を少なくして応力集中が生じるのを抑制することができ、ガス流路の温度が低いことによるガス温度の低下を防ぐことが可能である燃料電池スタック構造体の起動方法及び燃料電池スタック構造体を提供する。【解決手段】金属薄板状のセパレータ１２，１３で囲まれた空間Ｓ内に収容されて一方の面を外部に露出させた固体電解質型の単セル１１を備えた複数の固体電解質型燃料電池１０を積層して成り、これらの固体電解質型燃料電池１０を貫通するガス流路２から固体電解質型燃料電池１０の各空間Ｓにガスを供給する燃料電池スタック構造体１において、起動時における複数の固体電解質型燃料電池１０を昇温させる段階で、熱容量の大きい部分１０ａに優先的に高温ガスＧを流して加熱可能とした。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄板状のセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた固体電解質型の単セルを備えた複数の固体電解質型燃料電池を積層して成り、これらの固体電解質型燃料電池を貫通する少なくとも１つのガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する燃料電池スタック構造体を起動するに際して、複数の固体電解質型燃料電池を昇温させる段階で、熱容量の大きい部分を選択的に加熱することを特徴とする燃料電池スタック構造体の起動方法。
【請求項２】
熱容量の大きい部分に優先的に高温ガスを流して加熱する請求項１に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。
【請求項３】
ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に供給すべき高温ガスを該ガス流路を通して排出することで、固体電解質型燃料電池のガス流路近辺に位置する熱容量の大きい部分のみを加熱する請求項１又は２に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。
【請求項４】
排出した高温ガスをガス流路にもどして循環させる請求項３に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。
【請求項５】
固体電解質型燃料電池内の少なくとも１箇所の温度に基づいて、ガス流路を通して排出する高温ガスの流量を制御する請求項３又は４に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。
【請求項６】
ガス流路に流す加熱用の高温ガスとして、燃料ガスを燃焼させて生じた燃焼熱を利用した熱交換により加熱されたガスを用いる請求項２〜５に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。
【請求項７】
ガス流路に流す加熱用の高温ガスとして、燃料ガスの燃焼により生じた高温の燃焼排ガスを用いる請求項２〜５に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。
【請求項８】
ガス流路に流す加熱用の高温ガスとして、上記ガス流路に結合するガス配管に設置した電気的加熱機構により加熱されたガスを用いる請求項２〜５に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。
【請求項９】
固体電解質型燃料電池のガス流路近辺に位置する熱容量の大きい部分に発熱体を設置して加熱する請求項１に記載の燃料電池スタック構造体の起動方法。
【請求項１０】
金属薄板状のセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた固体電解質型の単セルを備えた複数の固体電解質型燃料電池を積層して成り、これらの固体電解質型燃料電池を貫通する少なくとも１つのガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する燃料電池スタック構造体において、起動時における複数の固体電解質型燃料電池を昇温させる段階で、熱容量の大きい部分を選択的に加熱可能としたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
【請求項１１】
熱容量の大きい部分に優先的に高温ガスを流して加熱可能とした請求項１０に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１２】
ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に供給すべき高温ガスの大半をそのまま排出する短絡流路と、この短絡流路を閉じてガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に高温ガスを供給する状態に戻す流路変更手段を備えている請求項１１に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１３】
短絡流路から排出した高温ガスをガス流路にもどして循環させる循環流路を備えている請求項１２に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１４】
固体電解質型燃料電池内の少なくとも１箇所に配置した温度センサと、この温度センサで検知した温度に基づいて流路変更手段を作動させて短絡流路を通して排出する高温ガスの流量を調節する制御部を備えている請求項１２又は１３に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１５】
ガス流路と固体電解質型燃料電池の空間とを連通するガス供給口を開閉する開閉手段を備えている請求項１１〜１４に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１６】
燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で生じた燃焼熱でガス流路に流すガスを加熱する熱交換器を備えている請求項１１〜１５に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１７】
燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスをガス流路に流す燃焼器備えている請求項１１〜１５に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１８】
ガス流路に結合するガス配管に設置してガス流路に流すガスを加熱する電気的加熱機構を備えている請求項１１〜１５に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１９】
ガス流路の路壁面に凹凸が形成してある請求項１１〜１８に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項２０】
固体電解質型燃料電池のガス流路近辺に位置する熱容量の大きい部分以外の領域を２００μｍ以下の金属薄板形成することで、固体電解質型燃料電池のガス流路から離れた部分を熱伝導により加熱可能とした請求項１０〜１９に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項２１】
固体電解質型燃料電池の近辺に位置する熱容量の大きい部分に発熱体を設けた請求項１０に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項２２】
固体電解質型燃料電池のセパレータ及びこれを貫通するガス流路をＮｉ又はＦｅを主成分とし且つＣｒを含有する耐熱合金材料により形成した請求項１０〜２１に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項２３】
固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分を厚さ０．０５〜０．５ｍｍの圧延薄板で形成した請求項１０〜２２に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項２４】
固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分に固体酸化物型の単セルを搭載した請求項１０〜２３に記載の燃料電池スタック構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池を積層して成る燃料電池スタック構造体の起動方法及び燃料電池スタック構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記したような燃料電池スタック構造体を自動車に搭載する場合、起動停止が頻繁に繰り返されることから、熱容量が小さいことが望ましいが、ガス流路部分の強度やシール性の確保のために、部分的に熱容量の大きい部分が不可避的に形成される。
【０００３】
このような熱容量の大きい部分では、起動時において昇温が遅れ、熱容量の小さい部分では急激に加熱される。その結果、温度差が大きくなって応力集中が発生し、固体電解質型燃料電池のセパレータや単セルの破損を引き起こす。
【０００４】
また、熱容量の大きいガス流路部分の温度が低いため、発電用ガスの温度が低下して出力が低下し、温度の不均一による出力のばらつきが発生する。
【０００５】
従来において、上記した不具合を解消するために、バーナーで燃料ガスを燃焼させてその高温の燃焼排ガスを燃料極通路に流して加熱し、この際、バーナーで不完全燃焼させることにより燃焼排ガスに還元性を持たせて燃料極の還元性を維持するようにした起動方法や、円筒状のセルの内部の空気流路に触媒燃焼部を設けて、高温のガスを送り込むだけでなく触媒燃焼部の熱を効率よくセルに伝えるようにした発電システムが提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１６２４９２号公報
【特許文献２】特開２００４−１１９２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来において、前者の起動方法では、対象物の熱容量が大きいことから、加熱に時間がかかるうえ、ガス流の上流側に対して下流側で昇温が遅れるため、温度差が発生してしまうという問題があり、後者の発電システムでは、円筒型のセルに限定されるのでセルの製造が難しく、また、スタックの集積度を上げることができないという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００７】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、起動時において、熱容量の大きい部分の昇温速度を向上させることで、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差を少なくして応力集中が生じるのを抑制することができ、加えて、ガス流路の温度が低いことによるガス温度の低下を防ぐことが可能である燃料電池スタック構造体の起動方法及び燃料電池スタック構造体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明者らは、熱容量の大きいガス流路部分を選択的に加熱し、一方、熱容量の小さい部分は、熱容量の大きい部分からの熱伝導により昇温させるようにしたり、熱容量の大きい部分が昇温した後に小さい部分が昇温するように高温ガスの流れを変更したりすることで、上記目的が達成されることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明は、金属薄板状のセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた固体電解質型の単セルを備えた複数の固体電解質型燃料電池を積層して成り、これらの固体電解質型燃料電池を貫通する少なくとも１つのガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する燃料電池スタック構造体を起動するに際して、複数の固体電解質型燃料電池を昇温させる段階で、熱容量の大きい部分を選択的に加熱する構成としたことを特徴としており、この燃料電池スタック構造体の起動方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
一方、本発明の燃料電池スタック構造体は、金属薄板状のセパレータで囲まれた空間内に収容されて一方の面を外部に露出させた固体電解質型の単セルを備えた複数の固体電解質型燃料電池を積層して成り、これらの固体電解質型燃料電池を貫通する少なくとも１つのガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する燃料電池スタック構造体において、起動時における複数の固体電解質型燃料電池を昇温させる段階で、熱容量の大きい部分を選択的に加熱可能とした構成としたことを特徴としており、この燃料電池スタック構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
本発明において、例えば、中心に金属製のガス流路を形成し、その周囲に単セルを固定した円形の金属薄板状セパレータを配置して成る燃料電池スタック構造体である場合、中心付近の熱容量が大きくなる。
【００１２】
この際、スタック構造体の外周側からヒーター又は高温ガスで熱を供給すると、熱容量が小さく且つ熱源に近い外周部分が先行して昇温され、熱容量の大きい中心付近は昇温が遅れる。また、中心から高温ガスを発電時と同様の流路で流したとしても、熱容量の小さい部分が先行して加熱される。
【００１３】
このスタック構造体の中心のガス流路の寸法は１５〜２５ｍｍφ、排出流路を含む熱容量の大きい部分の寸法は４０〜６０ｍｍφ、１つの固体電解質型燃料電池の厚さは１〜５ｍｍ程度であり、本発明では、熱容量の大きい４０〜６０ｍｍφの部分を選択的に加熱する。
【００１４】
なお、以下においては、燃料ガスを固体電解質型燃料電池の内部空間に流し、空気ガスを固体電解質型燃料電池の外部に流す発電システムであることを前提とした記述とするが、ガスの種類を入れ替えても同様に適用可能である。また、スタック構造体についても、中心に金属製のガス流路を形成した中心流路型のスタック構造体を前提として記述するが、熱容量の面内分布があるスタック構造体であれば、形状や流路の位置は問わない。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、上記した構成としているので、起動時において、熱容量の大きい部分の昇温速度を向上させることができ、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差による応力集中の発生を抑えることが可能であり、加えて、ガス流路を流れるガスの温度低下を防ぐことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明において、熱容量の大きい部分を選択的に加熱するためには、熱容量の大きい部分に優先的に高温ガスを流して加熱する構成を採用することができるほか、固体電解質型燃料電池の近辺に位置する熱容量の大きい部分に発熱体を設けて加熱する構成を採用することができ、前者の場合は、ガスとの熱交換により熱容量の大きい部分が加熱されて昇温速度が上がり、結果として、スタック構造体全体の昇温速度が上がることとなる。
【００１７】
後者の場合は、例えば、固体電解質型燃料電池の中心部分に上下方向の貫通孔を形成して、この貫通孔にヒーター線（抵抗線）を挿入すると、中心部分が加熱されて昇温速度が上がることとなり、ヒーター線には、Ｎｉ−Ｃｒなどの一般的なヒーター線を利用することが可能である。この構成とすると、循環流路などを設置する必要がなく、システムの単純化が図られることとなる。なお、ヒーター線の数が多いほど、また、ヒーターの発熱量が大きいほど中心部分の昇温速度は上がるが、昇温に関わる消費電力が大きくなる。
【００１８】
ここで、燃料電池スタック構造体において、図１５に示すように、高温ガスｇａは熱容量の大きい流路部分Ａを通過して、積層した固体電解質型燃料電池１０１に分配される。そして、図１６に示すように、固体電解質型燃料電池１０１を通過した発電済みガスｇｂは、熱容量の大きい中心部分に形成された排気流路Ｂによって固体電解質型燃料電池１０１の外に排出され、これが発電時の流路である。
【００１９】
これに対し、高温ガスが固体電解質型燃料電池を通過せずに、熱容量の大きい中心部分のみを通過して外部に排気するような短絡流路を形成すると、中心部分のみを選択して加熱し得るようになる。
【００２０】
そこで、本発明において、ガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に供給すべき高温ガスの大半をそのまま排出する短絡流路と、この短絡流路を閉じてガス流路から固体電解質型燃料電池の各空間に高温ガスを供給する状態に戻す流路変更手段を備えている構成を採用して、起動時には、固体電解質型燃料電池のガス流路近辺に位置する熱容量の大きい部分のみを加熱することとした。
【００２１】
この構成を用いると、高温となる部分に複雑な可動部などを設置する必要がなく、ガスの流入部分、すなわち、加熱部分を簡単に変更し得ることとなる。
【００２２】
この場合、短絡流路から排出した高温ガスをガス流路にもどして循環させる循環流路を設けて、高温ガスを循環できるようにすれば、排ガス量を低減して、効率よく中心部のみを昇温し得ることとなる。
【００２３】
また、固体電解質型燃料電池と上記短絡流路とに流れる高温ガスの比率は、固体電解質型燃料電池への流路と短絡流路との各抵抗の大きさによって決まる。固体電解質型燃料電池へのガス供給口は、その開口面積がガス流路に比べて小さいうえ、固体電解質型燃料電池の内部空間にはメッシュ状や発泡体の集電体が挿入されているため、流路抵抗が大きい。 したがって、短絡流路の流路抵抗が固体電解質型燃料電池への流路抵抗より小さくなれば、短絡流路の流れが支配的となり、結果として、中心部分のみが加熱される。
【００２４】
この短絡流路へ流れるガス流、すなわち、排気側の流路変更手段としてのバルブの開度は、時間又は固体電解質型燃料電池の温度によって切り替えることが望ましく、本発明において、固体電解質型燃料電池内の少なくとも１箇所に配置した温度センサと、この温度センサで検知した温度に基づいて流路変更手段を作動させて短絡流路を通して排出する高温ガスの流量を調節する制御部を備えている構成を採用することができる。
【００２５】
例えば、温度センサとしての熱電対を熱容量の大きい部分（中心部分）と小さい部分（外周部分）との２箇所に固定し、それぞれの箇所の温度をモニタする。中心部分の温度が一定温度以上になった段階で排気側のバルブを閉じれば、ガスの行き場がなくなって、固体電解質型燃料電池内へ流入する。その結果、中心部分の加熱に連続して外周部分の加熱が可能となる、すなわち、全体の急速な加熱が可能となり、また、昇温時の温度分布が均一になる。
【００２６】
したがって、外周部分の昇温レートは、排気側のバルブの開度により調整が可能ということになる。中心部分の昇温レートに関しても、中心のガス流路に流れる高温ガスの流速が過剰に速いと、熱交換がされにくくレートが低くなるので、中心部分の加熱の際も、昇温速度の調整のために、排気側のガス流量の調整を必要とする場合がある。
【００２７】
このとき、固体電解質型燃料電池への流路と短絡流路との各抵抗に差がないと、固体電解質型燃料電池への高温ガスの流入量が多くなり、中心部分を選択的に加熱することが不可能になる。このようなスタック構造体の場合は、ガス流路と固体電解質型燃料電池の空間とを連通するガス供給口を開閉するシャッターなどの開閉手段を設けることが望ましく、この構成を用いることにより、流路の抵抗差がない場合でも、加熱部分を変更し得ることとなる。
【００２８】
例えば、中心のガス流路の路壁面に密着する金属製円筒を用意し、この金属製円筒にガス供給口に合わせた位置に孔を設けて、円筒を昇降又は回転させることにより、ガス供給口の開閉を行うことができる。
【００２９】
また、ガス供給口の近傍又はガス供給口内部に熱膨張係数の異なる材料を積層して成る小片の一端を接合し、中心部分が加熱された段階において、小片の熱膨張差による変形でガス供給口を開放するように成せば、上記と同様のシャッター機能を得ることが可能である。具体的には、５０μｍ厚程度の耐熱ステンレスにアルミナなどのセラミック材料を１０μｍ程度成膜すると、温度上昇に伴って熱膨張差による熱変形を起こす。セラミックの成膜には、スパッタ法やＣＶＤ法や溶射法ＡＤ法を用いることが望ましい。
【００３０】
なお、ガス流路の路壁面にザグリなどの凹凸を形成して受熱面積を大きくする構成を合わせて採用することができ、この場合には、受熱面積の拡大とともに乱流が発生し易くなり、したがって、高温ガスのガス流路の路壁面での滞留時間が長くなって、熱交換しやすくなる。特に、スタック構造体の上下に設置されるフランジも熱容量が大きいことから、この近辺のガス流路の路壁面に凹凸を形成することが望ましい。
【００３１】
また、本発明において、燃料ガスと空気ガスとを燃焼器に入れて燃焼させることにより熱を生じさせ、これを熱媒として熱交換器でガス流路に流すガスを加熱して、スタック構造体昇温用の高温ガスとする構成、すなわち、燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、この燃焼器で生じた燃焼熱でガス流路に流すガスを加熱して高温ガスとする熱交換器を備えている構成を採用することができる。
【００３２】
この構成を採用した場合には、燃料ガス以外のガスや電気を使用せずに高温のガスが得られる。この際、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよく、固体電解質型燃料電池の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。
【００３３】
さらに、本発明において、燃焼器で発生した高温の燃焼排ガスをそのまま加熱用のガスとして使用することができる、すなわち、燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスをガス流路に流す燃焼器を備えている構成とすることができ、電気や燃料ガス以外のガスを使用せずに、高温のガスが得られる。ただし、固体電解質型燃料電池の内部に酸化ガスが流入することになるので、内部が燃料極の場合は、燃料極や集電体やセパレータ内部のコーティングなどの酸化に注意する必要がある。
【００３４】
さらにまた、本発明において、ガス流路に結合するガス配管に設置してガス流路に流すガスを加熱する電気的加熱機構を備えている構成とすることができ、具体的には、ガス流路に結合するガス配管の外側に抵抗線又は電気ヒーターを巻くことで高温ガスを得る。この場合も、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよく、固体電解質型燃料電池の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。
【００３５】
さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、中心部分を加熱した後、流路の変更により固体電解質型燃料電池を加熱することも可能であるが、固体電解質型燃料電池の熱容量が小さい場合には、中心部分からの熱伝導によって中心部分に追従して昇温させることができる。
【００３６】
すなわち、固体電解質型燃料電池のガス流路近辺に位置する熱容量の大きい部分以外の領域を２００μｍ以下の金属薄板形成することで、固体電解質型燃料電池のガス流路から離れた部分を熱伝導により加熱可能とした構成を採用することができ、この場合には、シャッターなどの機能部品を必要とせずに、燃料電池スタック構造体の加熱が可能であり、中心部分の温度変化に追従してガス流路の切り替え動作などを必要としないので、高速に昇温させ得ることとなる。
【００３７】
さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池のセパレータ及びこれを貫通するガス流路をＮｉ又はＦｅを主成分とし且つＣｒを含有する耐熱合金材料により形成した構成とすることができ、この構成を採用すると、固体電解質型燃料電池の長期耐久性を確保し得ることとなる。
【００３８】
材料としては、動作温度が４００℃以上の高い単セルを搭載した固体電解質型燃料電池では、ＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ４３０、ＺＭＧ、ＦｅＣｒＷなどのＦｅ−Ｃｒ系の合金を用いることがのぞましい。インコネルなどのＮｉ系合金も利用可能だが、セパレータに固定する単セルの材料との熱膨張係数のミスマッチが少なくなるような材料を選ぶ必要がある。
【００３９】
さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分での板厚の増加は、重量や熱容量の増加につながるころから、なるべく薄いことが望ましい。しかし、薄すぎると強度が低下して、セルの保持に支障をきたすことから、固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分を厚さ０．０５〜０．５ｍｍの圧延薄板で形成した構成とすることが望ましい。
【００４０】
このような構成とすることで、昇温速度を高くすることが可能であり、加熱された中心部分からの熱伝達がよく、中心部分の温度変化に追従した昇温も可能であり、軽量化をも実現可能で車載用に適当である。
【００４１】
さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池の熱容量の小さい部分に固体酸化物型の単セルを搭載した構成とすることができ、この場合には、起動及び停止時の熱衝撃に強く、構造耐久性も高いことから、車載にふさわしいものとなる。
【００４２】
なお、単セルは電極支持型でも電解質支持型でも構わない。単セルの形状は、セパレータの熱容量の小さい部分に入る寸法であれば不問である。金属製のセパレータであるため、動作温度は７００℃以下が望ましい。 
【実施例】
【００４３】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４４】
図１〜図５は、本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示しており、図１に示すように、この燃料電池スタック構造体１は、１０枚の固体電解質型燃料電池１０を積層して成っている。重なり合う固体電解質型燃料電池１０同士は、アルミナが主成分のセラミック接着剤によって接合してあって、この際、両者間のガスシール及び絶縁性も確保しており、この燃料電池スタック構造体１では、固体電解質型燃料電池１０の内部に燃料ガスを導入し、固体電解質型燃料電池１０の外部に空気ガスを流すことにより発電するようになっている。
【００４５】
固体電解質型燃料電池１０は、図２に示すように、複数個の単セル１１と、円形の金属薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔１２ａ及びガス排出孔１２ｂを有すると共に上記単セル１１を取付けた一方のセパレータ１２と、この一方のセパレータ１２と同じく円形の金属薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔１３ａ及びガス排出孔１３ｂを有する他方のセパレータ１３を備えており、両セパレータ１２，１３は、互いに対向した状態で各々の周縁部同士を接合するようにしてある。
【００４６】
この場合、両セパレータ１２，１３の各中央部分には、両セパレータ１２，１３間に形成される空間Ｓ内に対するガス供給及びガス排出を行う中央流路部品１４が設けてあり、この中央流路部品１４は、一方のセパレータ１２のガス排出孔１２ｂと連通するガス排出口１５ｂを有するガス排出部１５及び他方のセパレータ１３のガス導入孔１３ａと連通するガス導入口１６ａを有するガス導入部１６同士を接合して成っている。
【００４７】
この実施例において、円形の金属薄板状を成すセパレータ１２，１３には、外径１２０ｍｍ、肉厚が０．１ｍｍのＳＵＳ４３０を用い、この圧延板にプレス加工を行ってダイヤフラム状に形成した。また、中央流路部品１４のガス排出部１５及びガス導入部１６にもＳＵＳ４３０を用い、エッチング又はＭＩＭによりガス排出口１５ｂガス導入口１６ａを形成した。これらのガス排出部１５及びガス導入部１６は、いずれも拡散接合によってセパレータ１２，１３に接合した。さらに、単セル１１は、一方の電極を外部に露出させた状態で一方のセパレータ１２に固定してある。
【００４８】
この燃料電池スタック構造体１において、図３及び図４に示すように、固体電解質型燃料電池１０を積層することで中心に形成されるガス流路２の上端には、フランジ３Ｕを介して供給側ガス配管４が接続してあり、一方、ガス流路２の下端には、排出ガスの流量を制御する流路変更手段としての排気バルブ２１を具備した短絡流路２２がフランジ３Ｌを介して接続してある。
【００４９】
この短絡流路２２は、燃料電池スタック構造体１の起動時において、排気バルブ２１を開くことで（図３に示す状態とすることで）ガス流路２から固体電解質型燃料電池１０の各空間Ｓに供給すべき高温ガスＧの大半をそのまま排出して、固体電解質型燃料電池１０のガス流路２の近辺に位置する熱容量の大きい部分のみを加熱するようにしている。
【００５０】
そして、燃料電池スタック構造体１では、固体電解質型燃料電池１０のガス流路２の近辺に位置する熱容量の大きい部分を昇温させた後、上記排気バルブ２１を閉じることで（図４に示す状態とすることで）高温ガスＧを固体電解質型燃料電池１０の各空間Ｓに供給するようにしており、これにより、熱容量の小さい部分を昇温させて発電可能な状態にするようにしている。
【００５１】
また、この燃料電池スタック構造体１は、図５に示すように、燃料ガスを燃焼させる燃焼器２３と、この燃焼器２３で生じた燃焼熱で供給側ガス配管４を介してガス流路２に流す燃料ガスを加熱して高温ガスとする熱交換器２４を備えており、この実施例では、短絡流路２２から排出した高温ガスも循環流路２５を介して熱交換器２４に戻し、再加熱して利用するようにしている。
【００５２】
さらに、この燃料電池スタック構造体１では、図３の拡大円内に示すように、熱容量が大きいフランジ３Ｌ近辺のガス流路２の路壁面２ａに鋸刃状の凹凸２６を形成することで受熱面積を大きくするようにしている。つまり、受熱面積の拡大とともに乱流を生じ易くして、高温ガスのガス流路２の路壁面２ａでの滞留時間を長くするように成すことにより、熱交換を行い易くしている。
【００５３】
上記した燃料電池スタック構造体１では、ガス流路２の下端に、排出ガスの流量を制御する流路変更手段としての排気バルブ２１を具備した短絡流路２２を接続しているので、上記したごとく排気バルブ２１を動作させて排気ガスの流量制御行えば、起動時において、選択的に熱容量の大きい部分の昇温速度を向上させることができ、その結果、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差による応力集中の発生を抑えることが可能であり、加えて、ガス流路を流れるガスの温度低下を阻止し得ることとなる。
【００５４】
また、排気バルブ２１の開閉動作で、熱容量の大きい部分の選択的な加熱を行い得るので、したがって、高温となる部分に複雑な可動部などを設置することなく、加熱部分を簡単に変更し得ることとなる。
【００５５】
さらに、上記した燃料電池スタック構造体１では、短絡流路２２から排出した高温ガスを熱交換器２４に戻して循環させる循環流路２５を設けているので、排ガス量を低減して効率よく中心部分のみを昇温し得ることとなる。
【００５６】
さらにまた、上記した燃料電池スタック構造体１では、燃料ガスを燃焼させる燃焼器２３で生じた燃焼熱でガス流路２に流すガスを加熱して高温ガスとする熱交換器２４を備えた構成としているので、燃料ガス以外のガスや電気を使用せずに高温のガスが得られることとなる。この際、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよく、固体電解質型燃料電池１０の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。
【００５７】
上記燃料電池スタック構造体１では、燃料ガスを燃焼させる燃焼器２３と、この燃焼器２３で生じた燃焼熱でガス流路２に流すガスを加熱して高温ガスとする熱交換器２４を備えた構成を採用しているが、加熱用ガスの他の生成手段として、図６に示すように、燃料ガスを燃焼させて生じた高温の燃焼排ガスをガス流路２に流す燃焼器２３Ａを備えた構成や、図７に示すように、ガス流路２に接続するガス配管４の外側に抵抗線や電気ヒーターなどの電気的加熱機構２７を設けた構成を適宜採用することができる。
【００５８】
前者の構成を用いると、燃焼器２３Ａで発生した高温の燃焼排ガスをそのまま加熱用のガスとして使用することになるので、電気や燃料ガス以外のガスを用いずに高温のガスが得られる。ただし、固体電解質型燃料電池１０の内部に酸化ガスが流入することになるので、内部が燃料極の場合は、燃料極や集電体やセパレータ内部のコーティングなどの酸化に注意する必要がある。
【００５９】
一方、後者の構成を用いると、加熱用のガスは、酸化剤ガス及び燃料ガスのどちらでもよいこととなり、固体電解質型燃料電池１０の内部が燃料極であり、還元性のガスを流入させて昇温したい場合に適当である。
【００６０】
図８は、本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示しており、図８に示すように、この燃料電池スタック構造体３１が、先の実施例における燃料電池スタック構造体３１と相違するところは、固体電解質型燃料電池１０内の熱容量の大きい中心部分１０ａと小さい外周部分１０ｂとの２箇所に配置した温度センサとしての熱電対３２と、この熱電対３２と接続したモニタ３３と、このモニタ３３で表示される熱電対３２で検知した温度データに基づいてバルブ２１を作動させて短絡流路２１を通して排出する高温ガスＧの流量を調節するバルブコントローラ（制御部）３４を設けた点にあり、他の構成は先の実施例における燃料電池スタック構造体３１と同じである。
【００６１】
この燃料電池スタック構造体３１では、モニタ３３で表示される中心部分１０ａの温度が一定温度以上になった段階において、バルブコントローラ３４を操作して排気側のバルブ２１を閉じれば、高温ガスＧの行き場がなくなって、固体電解質型燃料電池１０内へ流入する。その結果、中心部分１０ａの加熱に連続して外周部分１０ｂの加熱が可能となる、すなわち、全体の急速な加熱が可能となり、また、昇温時の温度分布が均一になる。
【００６２】
したがって、外周部分１０ｂの昇温レートは、排気側のバルブ２１の開度により調整が可能ということになる。中心部分１０ａの昇温レートに関しても、中心のガス流路２に流れる高温ガスＧの流速が過剰に速いと、熱交換がされにくくレートが低くなるので、中心部分１０ａの加熱の際にも、昇温速度の調整のために、排気側のガス流量の調整を必要とする場合がある。
【００６３】
図９及び図１０は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図９及び図１０に示すように、この燃料電池スタック構造体４１は、固体電解質型燃料電池１０への流路と短絡流路２２との各抵抗に差がない場合、言い換えれば、固体電解質型燃料電池１０への高温ガスＧの流入量が多くなって、中心部分１０ａを選択的に加熱することが不可能になる場合に用いるのに好適な構成を成している。
【００６４】
すなわち、この燃料電池スタック構造体４１では、中心のガス流路２の路壁面２ａに密着する金属製円筒４２を設け、この金属製円筒４２に複数の固体電解質型燃料電池１０の各ガス導入口１６ａに合わせた位置に孔４２ａを設けて昇降又は回転させることにより、ガス導入口１６ａの開閉を行うようにしており、このような構成とすることで、流路の抵抗差がない場合でも、加熱部分を変更し得ることとなる。
【００６５】
図１１は、上記した燃料電池スタック構造体４１の変形例を示しており、この実施例では、ガス導入口１６ａの近傍に熱膨張係数の異なる材料を積層して成る小片４３の一端を接合し、中心部分１０ａが加熱された段階において、小片４３の熱膨張差による変形でガス導入口１６ａを開放するようにしている。このように成せば、上記した金属製円筒４２を備えた燃料電池スタック構造体４１と同様のシャッター機能を得ることが可能である。具体的には、５０μｍ厚程度の耐熱ステンレスにアルミナなどのセラミック材料を１０μｍ程度成膜すると、温度上昇に伴って熱膨張差による熱変形を起こす。セラミックの成膜には、スパッタ法やＣＶＤ法や溶射法ＡＤ法を用いることが望ましい。
【００６６】
図１２は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図１２に示すように、この燃料電池スタック構造体５１では、固体電解質型燃料電池１０の中心部分１０ａに上下方向の貫通孔１４ａを形成して、この貫通孔１４ａにヒーター線（発熱体）５２を挿入するようにしている。
【００６７】
この燃料電池スタック構造体５１では、ヒーター線５２に電源を供給すると、中心部分１０ａが加熱されて昇温速度が上がることとなる。ヒーター線５２には、Ｎｉ−Ｃｒなどの一般的なヒーター線を利用することが可能である。この構成とすると、上述した循環流路２５などを設置する必要がなく、システムの単純化が図られることとなる。なお、ヒーター線の数や発熱量は、昇温に関わる消費電力を考慮して決定する。
【００６８】
そこで、上記した燃料電池スタック構造体１，３１，４１，５１の起動時における中心部分及び外周部分の温度変化と、従来の燃料電池スタック構造体の起動時において外部にヒーターを設置して加熱した際の中心部分及び外周部分の温度変化とを測定したところ、以下の結果を得た。
【００６９】
図１４に示すように、外部にヒーターを置いた場合には、中心部分の熱容量が大きく、また、ヒーターの輻射熱が直接当たりにくいことから、昇温中の中心部分及び外周部分の温度差が大きくなっているのに対して、図１３に示すように、上記した燃料電池スタック構造体１，３１，４１，５１の場合は、熱容量が大きい中心部分を優先して加熱するので、中心部分は迅速に昇温し、熱容量が小さい外周部分は熱伝導で中心部分に追従して昇温しており、昇温中の中心部分及び外周部分の温度差が小さくなっている。
【００７０】
したがって、上記した燃料電池スタック構造体１，３１，４１，５１では、起動時において、選択的に熱容量の大きい部分の昇温速度を向上させることで、熱容量の大きい部分と小さい部分との温度差を小さくすることが実証できた。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示す全体斜視説明図である。（実施例１）
【図２】図１の燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の分解斜視説明図である。（実施例１）
【図３】図１の燃料電池スタック構造体のバルブを開いた状態を示す図１のａ−ａ線位置に基づく断面説明図である。（実施例１）
【図４】図１の燃料電池スタック構造体のバルブを閉じた状態を示す図１のａ−ａ線位置に基づく断面説明図である。（実施例１）
【図５】図１の燃料電池スタック構造体に対する加熱ガスの流路を示す配管説明図である。（実施例１）
【図６】図１の燃料電池スタック構造体に対する加熱ガスの他の流路を示す配管説明図である。
【図７】図１の燃料電池スタック構造体に対する加熱ガスのさらに他の流路を示す配管説明図である。
【図８】本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示すバルブを閉じた状態における図１のａ−ａ線相当位置に基づく断面説明図である。（実施例２）
【図９】本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す金属製円筒でガス導入口を閉じた状態における図１のａ−ａ線相当位置に基づく断面説明図である。（実施例３）
【図１０】図９の燃料電池スタック構造体のガス導入口を開いた状態における図１のａ−ａ線相当位置に基づく断面説明図である。（実施例３）
【図１１】本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す小片でガス導入口を閉じた状態における図１のａ−ａ線相当位置に基づく断面説明図である。（実施例４）
【図１２】本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す図１のｃ−ｃ線相当位置に基づく断面説明図である。（実施例５）
【図１３】本発明の燃料電池スタック構造体の起動時における中心部分及び外周部分の温度変化を示すグラフである。
【図１４】従来の燃料電池スタック構造体の起動時において外部にヒーターを設置して加熱した際の中心部分及び外周部分の温度変化を示すグラフである。
【図１５】優先的に加熱を行わない燃料電池スタック構造体の図１のａ−ａ線相当位置に基づく断面説明図である。
【図１６】優先的に加熱を行わない燃料電池スタック構造体の図１のｂ−ｂ線相当位置に基づく断面説明図である。
【符号の説明】
【００７２】
１，３１，４１，５１   燃料電池スタック構造体
２  ガス流路
２ａ  路壁面
４  ガス配管
１０  固体電解質型燃料電池
１０ａ  熱容量の大きい中央部分
１１  単セル
１２  一方のセパレータ
１３  他方のセパレータ
１６ａ  ガス導入口（ガス供給口）
２１  排気バルブ（流路変更手段）
２２  短絡流路
２３，２３Ａ  燃焼器
２４  熱交換器
２５  循環流路
２６  凹凸
２７  ヒーター（電気的加熱機構）
３２  熱電対（温度センサ）
３４  バルブコントローラ（制御部）
４２  金属製円筒（開閉手段）
４３  小片（開閉手段）
５２  ヒーター線（発熱体）
Ｓ  空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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