(57)【要約】 【課題】起動から停止までの段階において、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して、耐久性の向上を実現することが可能である燃料電池スタック構造体の温度制御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、複数の部位に熱電対３２を設けると共に、この熱電対３２で得た温度情報に基づいて温度分布を均一にすべく各部位の熱量収支を制御可能とした。【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の起動から停止までの段階において、複数の部位の温度を測定し、この測定して得た温度情報に基づいて、温度分布を均一にすべく各部位の熱量収支を制御することを特徴とする燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【請求項２】
少なくとも熱容量の異なる２箇所の温度を測定し、この測定して得た温度情報に基づいて燃料電池スタック構造体に対するガス流入量及びガス排出量のうちの少なくともいずれか一方を調整して両位置における熱量収支を制御する請求項１に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【請求項３】
２箇所で測定した温度の差を小さくすべく、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を加熱すると共に、必要に応じて燃料電池スタック構造体に対するガス流入量を増加させる請求項２に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【請求項４】
２箇所で測定した温度のうち少なくとも一方の測定温度が設定温度以上になった段階において、ガス流路を通して排出していた高温ガスの全てを固体電解質型燃料電池の各空間に供給し、燃料電池スタック構造体に対するガス流入量のみを調整する請求項２又は３に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【請求項５】
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又は４に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【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３〜５のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【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３〜５のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【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３〜５のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【請求項９】
あらかじめ設定した昇温時間又は昇温率から算出される任意時間における予定温度と、測定して得た複数の温度情報のうちの最も高い測定温度との差を小さくするべく燃料電池スタック構造体に対するガス流入量及びガス排出量のうちの少なくともいずれか一方を調整する請求項１〜８いずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【請求項１０】
あらかじめ設定した降温時間又は降温率から算出される任意時間における予定温度と、測定して得た複数の温度情報のうちの最も低い測定温度との差を小さくするべく燃料電池スタック構造体に対するガス流入量及びガス排出量のうちの少なくともいずれか一方を調整する請求項１〜８いずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【請求項１１】
複数の部位の温度を測定して得た温度情報に基づいて、固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する発電用のガス流路とは別の温度調節用のガス流路に高温ガス又は低温ガスを流して各部位の熱量収支を制御する請求項１〜１０いずれか一つの項にに記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【請求項１２】
冷却用の低温ガスとして、放熱器における空気又は水との熱交換により冷却されたガスを用いる請求項１１に記載の燃料電池スタック構造体の温度制御方法。
【請求項１３】
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、複数の部位に温度測定手段を設けると共に、この温度測定手段で得た温度情報に基づいて温度分布を均一にすべく各部位の熱量収支を制御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１４】
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と、温度測定手段で得た温度情報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１３に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項１５】
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１４又は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を備えている請求項１４又は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１４又は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１４〜１８のいずれか一つの項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各空間にガスを供給する発電用のガス流路とは別に、高温ガス又は低温ガスを流す温度調節用のガス流路を設けた請求項１３〜１９のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
【請求項２１】
温度調節用のガス流路を循環流路とし、この温度調節用のガス流路に、空気又は水との熱交換により低温ガスを得る放熱器を設けた請求項２０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１２〜２１のいずれか一つの項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温度制御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、燃料電池にディストリビュータを介して酸化剤ガスを供給する酸化剤予熱管に冷却管を接続し、燃料電池に設けた温度センサの検出出力に基づいて冷却管を通る冷却ガスの流量を調整する温度制御システムや、燃料電池モジュールと、その周囲に設置した断熱材との間に流体流路を設置して、燃料電池モジュールの冷却及び温度調節を燃料電池モジュールの外部から行うようにした温度制御システムが提案されている。
【特許文献１】特開２００２−２６０６９７号公報
【特許文献２】特開２００２−２８９２５０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、前者の温度制御システムでは、温度センサを一箇所のみに設置していることから、スタック構造体に熱容量差がある場合には、温度差による破損が発生し兼ねないという問題があり、後者の温度制御システムでは、燃料電池モジュール及び断熱材間に流体流路を設置する都合上、構造の複雑化を招いてしまううえ、燃料電池モジュールの中央部分の熱容量が大きい場合には、冷却することが困難であるという問題を有しており、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、起動から停止までの段階において、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、その結果、耐久性の向上を実現することが可能である燃料電池スタック構造体の温度制御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、熱容量の大きい部分や小さい部分に温度測定手段を設け、この温度測定手段で得られるデータにしたがって、温度差がなくなるようにガスの流れを制御することで、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の起動から停止までの段階において、複数の部位の温度を測定し、この測定して得た温度情報に基づいて、温度分布を均一にすべく各部位の熱量収支を制御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温度制御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、複数の部位に熱電対やサーモビュアなどの温度測定手段を設けると共に、この温度測定手段で得た温度情報に基づいて温度分布を均一にすべく各部位の熱量収支を制御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、往復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、本発明における温度分布を均一にするための熱量収支において、加熱の場合には、高温ガスの流量や温度、あるいはヒータの発熱などを用い、冷却の場合には、冷却用ガスの流量や温度を用いる。
【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、起動から停止までの段階において、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、その結果、耐久性の向上を実現する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】
燃料電池スタック構造体において、ガス流路などが組み込まれている部位は、シール性や構造体としての強度を確保するため、熱容量が大きくなり、一方、セルを搭載する部位は、熱容量を小さくしてセルとの温度差を減らし、セルとセパレータとの接合部の熱膨張差による破損やセル自体の破損を防止しているので、本発明において、少なくとも熱容量の異なる２箇所の温度を測定し、この測定して得た温度情報に基づいて燃料電池スタック構造体に対するガス流入量及びガス排出量のうちの少なくともいずれか一方を調整して両位置における熱量収支を制御する構成とすることができる。
【００１７】
この構成を用いると、熱容量差に起因した温度差を小さくすることができるので、破損を阻止し得るうえ、シミュレーションの結果などに基づいた制御よりも、精度の高いリアルタイムな制御が可能となる。
【００１８】
燃料電池スタック構造体において、図１２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１３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】
これに対して、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と、温度測定手段で得た温度情報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して、起動から停止までの段階において、２箇所で測定した温度の差を小さくすべく、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を加熱すると共に、必要に応じて燃料電池スタック構造体に対するガス流入量を増加させることとした。
【００２１】
具体的には、図１９の昇温時における温度分布制御フローチャートに示すように、温度測定手段としての熱電対をガス流路近傍の熱容量大の部分と熱容量小の部分との２箇所に固定して、ステップＳ１においてそれぞれの箇所の温度をモニタし、ステップＳ２，Ｓ３において熱容量大の部分及び熱容量小の部分の温度差が設定値以上で且つ熱容量大の部分の温度が低い場合には、ステップＳ４において流路変更手段を操作して（排気側のバルブを開けて）、高温ガスをガス流路を通して排出することで、ステップＳ５，Ｓ６において上記温度差が減少するまで固体電解質型燃料電池のガス流路近傍の熱容量大の部分を加熱し、上記温度差が減少しない場合には、ステップＳ７において必要に応じて燃料電池スタック構造体に対するガス流入量を増加させる。
【００２２】
そして、ステップＳ２，Ｓ３において熱容量大の部分及び熱容量小の部分の温度差が設定値以上で且つ熱容量大の部分の温度が高くなった段階で、ステップＳ８において流路変更手段の操作すれば（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、熱容量大の部分の加熱に連続して熱容量小の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。
【００２３】
一方、図１０の降温時における温度分布制御フローチャートに示すように、ステップＳ１においてそれぞれの箇所の温度をモニタし、ステップＳ２，Ｓ３において熱容量大の部分及び熱容量小の部分の温度差が設定値以上で且つ熱容量大の部分の温度が高い場合には、ステップＳ４において流路変更手段を操作して（排気側のバルブを開けて）、ガス流路を通して排出することで、ステップＳ５，Ｓ６において上記温度差が減少するまで排気側のバルブを開け続け、上記温度差が減少しない場合には、ステップＳ７において必要に応じて燃料電池スタック構造体に対するガス流入量を増加させる。
【００２４】
そして、ステップＳ２，Ｓ３において熱容量大の部分及び熱容量小の部分の温度差が設定値以上で且つ熱容量大の部分の温度が低くなった段階で、ステップＳ８において流路変更手段の操作すれば（排気側のバルブを閉じれば）、熱容量大の部分の冷却及び熱容量小の部分の冷却が可能となる、すなわち、全体の急速な冷却が可能となり、降温時においても温度分布が均一になる。
【００２５】
このような構成を用いると、高温となる部分に耐熱材よりなる複雑な可動部などを設置する必要がない分だけ構造がシンプルなものとなり、流路変更手段の操作だけで（例えばバルブの開度調節だけで）、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。
【００２６】
そして、２箇所で測定した温度のうち少なくとも一方の測定温度が設定温度以上になった段階において、すなわち、発電可能な状態になった段階において、ガスを有効に発電に利用するため、ガス流路を通して排出していた高温ガスの全てを固体電解質型燃料電池の各空間に供給し、燃料電池スタック構造体に対するガス流入量のみを調整してガス流路近傍の加熱を停止する構成を採用することができる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
さらにまた、本発明において、固体電解質型燃料電池の各空間にガスを供給する発電用のガス流路とは別に、高温ガス又は低温ガスを流す温度調節用のガス流路を設けた構成とすることができ、この場合には、定常的な発電中でも、スタック構造体内の分圧やガス流路を変更することなく温度調節を行い得ることとなる。
【００３４】
この際、低温ガスを流す温度調節用のガス流路を循環流路とし、この温度調節用のガス流路に、空気又は水との熱交換により低温ガスを得る放熱器を設けた構成とすることが可能である。例えば、熱容量が小さく且つ受熱面積が大きい、全体で放熱器として機能する自動車用ラジエータのような循環流路を温度調節用のガス流路としたり、このような構造の放熱器を循環流路に設置して温度調節用のガス流路としたりすることができ、この構成を採用すると、冷凍器やペルチェなどの冷却素子を採用した場合と比較して、消費電力が少なく抑えられることとなる。
【００３５】
なお、高温ガスの循環流路及び低温ガスを流す温度調節用の循環流路を設ける場合、短絡流路とこれらの循環流路とを切り替える必要があることから、流路変更手段として、２個のバルブ、又は三方弁を用いることが望ましい。
【００３６】
ここで、スタック構造体の昇降温速度の制御は、熱媒体となるガスの流量を調節して行う。上記したように、スタック構造体は、熱容量大の部分と熱容量小の部分との温度差が少なくなるように制御しているので、最も高い温度をモニタして制御することにより、スタック構造体全体の温度を均一に保ちながら、設定の昇温レートにあわせることができる。
【００３７】
そこで、本発明において、図１１の昇降速度制御に関するフローチャートに示すように、ステップ１，２においてあらかじめ設定した昇温時間又は昇温率から算出される任意時間における予定温度（あらかじめ設定した降温時間又は降温率から算出される任意時間における予定温度）と、ステップ３において測定して得た複数の温度情報のうちの最も高い測定温度（測定して得た複数の温度情報のうちの最も低い測定温度）とをステップ４，５において比較し、ステップ６〜１２において予定温度と測定温度との差を小さくするべく燃料電池スタック構造体に対するガス流入量及びガス排出量のうちの少なくともいずれか一方を調整する構成を採用することもできる。
【００３８】
この際、限界の昇温速度及び到達温度は、高温ガスの流量、圧力、温度に依存するので、昇温速度及び到達温度を高くするためには、高温ガスの流量、圧力、温度を高くする必要がある。
【００３９】
上記した構成を採用すると、スタック構造体の昇降温を制御し得ることから、熱膨張の急激な変化に伴うスタック構造体の破損を防止することができ、加えて、構成材料の相転移や結晶構造変化などの物性変化の発生する温度域の滞在時間を少なくすることが可能なので、スタック構造体の耐久性が向上することとなる。
【００４０】
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。
【００４１】
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】
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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、流入ガスの流量を制御する流入バルブ２０（図５にのみ示す）を具備した供給側ガス配管４がフランジ３Ｕを介して接続してあり、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
また、この燃料電池スタック構造体１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箇所にステンレスパテで接着した温度測定手段としてのシース熱電対３２と、このシース熱電対３２と接続して電位差を温度に変換する制御部３３と、この制御部３３からの指令を受けて流入バルブ２０や排気バルブ２１を作動させるバルブコントローラ３４を備えており、シース熱電対３２から得たデータに基づいて制御部３３で変換される中心部分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により排気バルブ２１を閉じることで、高温ガスＧを固体電解質型燃料電池１０内へ流入させて、中心部分１０ａの加熱に連続して外周部分１０ｂを加熱することができるようにしてある、すなわち、全体の急速な加熱を行って昇温時の温度分布を均一にすることができるようにしてある。
【００５１】
さらに、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を循環流路２５を介して熱交換器２４に戻して再加熱して利用すると共に、燃料電池スタック構造体１から排出した高温ガスを循環流路２５Ａを介して流入バルブ２０の上流側に戻して再利用するようにしている。加えて、排気バルブ２１と流入バルブ２０の上流側の供給側ガス配管４とを結ぶ温度調節用の循環流路２８が設けてあり、この循環流路２８には、空気又は水との熱交換により低温ガスを得る放熱器２９が設けてある。
【００５２】
さらにまた、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、例えば、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を設けていると共に、燃料電池スタック構造体１から排出した高温ガスを流入バルブ２０の上流側に戻して再利用する循環流路２７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８１は角型を成している。セパレータ８２の中心部には集電体８３を収納する凹部８２ａが形成してあるので、熱容量小の部分となっており、周縁部は熱容量大の部分となっている。この燃料電池スタック構造体８１において、燃料流路８４及び空気流路８５とは別に、温度調節用のガス流路８６を周縁部に配置しており、これにより熱容量大の周縁部の冷却を行うようにしている。温度測定手段としての熱電対９２の熱容量小の部分をモニタする方は、セパレータ８２にその中心部に向けて形成した貫通孔８２ｂ挿入し、熱電対９２の熱容量大の部分をモニタする方は、セパレータ８２の外面に設置し、いずれもＰｔペースト又はセラミックパテで接着する。
【００６１】
このように、この燃料電池スタック構造体８１では、温度調節用のガス流路８６を燃料流路８４及び空気流路８５から独立して有していることから、起動から停止までの段階において、上記ガス流路８６に流れる低温ガスの流量を調整することで、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得ることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【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分解斜視説明図である。（実施例２）
【図９】本発明の燃料電池スタック構造体の昇温時における温度分布制御フローチャートである。
【図１０】本発明の燃料電池スタック構造体の降温時における温度分布制御フローチャートである。
【図１１】本発明の燃料電池スタック構造体の昇降速度制御に関するフローチャートである。
【図１２】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１３】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】
【００６３】
１，８１   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
１２，８２  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）
２８，８６  温度調節用のガス流路
２９  放熱器
３２，９２  シース熱電対（温度測定手段）
３３  制御部
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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