(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池システムに関し、高速且つ均一な燃料電池の暖機を実現できるようにする。【解決手段】  昇温用ガスが流される反応ガス流路１１３と並んで冷却媒体流路１１７を設け、少なくとも燃料電池１１０の暖機時には、反応ガス流路１１３内の昇温用ガスの流れと並行に冷却媒体流路１１７に冷却媒体を流す。これにより、反応ガス流路１１３の上流側の熱を冷却媒体によって下流側に運び、昇温用ガスの流れ方向における温度勾配の発生を抑制する。【選択図】      図１
2006019038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に設けられたアノード側反応ガス流路とカソード側反応ガス流路のうち少なくとも一方の反応ガス流路に昇温用ガスを流すことで前記燃料電池を暖機するように構成された燃料電池システムにおいて、
昇温用ガスが流される前記反応ガス流路と並んで冷却媒体流路が設けられ、少なくとも前記燃料電池の暖機時には、前記反応ガス流路内の昇温用ガスの流れと並行に前記冷却媒体流路に冷却媒体が流されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノード側反応ガス流路内のガスの流れと前記カソード側反応ガス流路内のガスの流れは対向しており、
前記燃料電池の暖機時には、前記アノード側反応ガス流路と前記カソード側反応ガス流路の何れか一方の反応ガス流路に昇温用ガスが供給され、もう一方の反応ガス流路への反応ガスの供給は停止されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記アノード側反応ガス流路内のガスの流れと前記カソード側反応ガス流路内のガスの流れは並行しており、
前記燃料電池の発電時には、前記アノード側反応ガス流路内の反応ガスの流れ、及び前記カソード側反応ガス流路内の反応ガスの流れと対向するように前記冷却媒体流路内の冷却媒体の流れ方向が切り換えられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に設けられたアノード側反応ガス流路とカソード側反応ガス流路のうち、少なくとも一方の反応ガス流路に高温の昇温用ガスを供給することで燃料電池を暖機する暖機機能を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な燃料電池は、電解質を挟んで一対の電極が配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが供給され、カソードに酸素を含む酸化ガスが供給されることで、両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。
【０００３】
燃料電池には、十分な電池性能が得られるための作動温度があり、この作動温度は電解質膜の種類によって決まる。例えば、固体高分子型（ＰＥＭ）では約８０℃、リン酸型（ＰＡＦＣ）では約２００℃、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）では６００〜８００℃、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）では８００〜１０００℃が作動温度となる。また、特許文献１で提案されているように、水素分離膜（例えばパナジウム上にパラジウムが積層された膜）にプロトン伝導性材料（例えばジルコニアセラミックス）を積層した構造の電解質膜を用いる水素分離膜型燃料電池（ＨＭＦＣ）では作動温度は４００〜６００℃となる。
【０００４】
上記のように、現在提案されている燃料電池のほとんどは、その作動温度は常温よりも高い。燃料電池は内部での反応熱によって自ら暖機されていくが、起動後、速やかに所望の電池性能を得られるようにするには、作動温度に達するように外部から強制的に暖機する必要がある。燃料電池を暖機する技術としては、例えば特許文献２に提案されたものが知られている。
【０００５】
特許文献２に記載された従来システムには、改質器が備えられている。燃料電池の発電時には、改質器による炭化水素原料の改質によってアノードに供給する燃料ガスが生成されるとともに、カソードから排出されるカソードオフガスが改質用エアとして改質器に供給される。このシステムでは、起動時には、カソードを介して改質器に供給される空気量が理論空燃比の数倍に調整されることで、炭化水素系原料はリーン燃焼によって完全酸化し、これによって水蒸気を含む高温の昇温用ガスが生成されるようになっている。そして、この昇温用ガスがアノード流路に流されることで、燃料電池が強制的に暖機されるようになっている。
【特許文献１】特開２００４−１４６３３７号公報
【特許文献２】特開２００３−１５１５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２に記載された従来システムには、次のような課題がある。暖機時、アノード流路には高温の昇温用ガスが供給されるが、燃料電池が昇温用ガスから受ける熱量はアノード流路の上流側ほど大きいため、上流側から下流側へかけてセル面内に温度勾配が生じてしまう。特に、上記の従来システムの場合、カソード流路内のガスの流れ方向とアノード流路内のガスの流れ方向が逆方向に設定されているため、暖機時には昇温用ガスと対向して低温（常温）の酸化ガスが燃料電池内を流れている。酸化ガスによって奪われる熱量はカソード流路の上流側、すなわち、アノード流路の下流側ほど大きいため、酸化ガスの流通によってセル面内の温度勾配はさらに助長されることになる。セル面内に生じる温度勾配は、燃料電池の暖機に要する時間（作動温度に達するまでの時間）を増長させてしまう。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高速且つ均一な燃料電池の暖機を実現できるようにした、燃料電池システム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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池に設けられたアノード側反応ガス流路とカソード側反応ガス流路のうち少なくとも一方の反応ガス流路に昇温用ガスを流すことで前記燃料電池を暖機するように構成された燃料電池システムにおいて、
昇温用ガスが流される前記反応ガス流路と並んで冷却媒体流路が設けられ、少なくとも前記燃料電池の暖機時には、前記反応ガス流路内の昇温用ガスの流れと並行に前記冷却媒体流路に冷却媒体が流されることを特徴としている。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記アノード側反応ガス流路内のガスの流れと前記カソード側反応ガス流路内のガスの流れは対向しており、
前記燃料電池の暖機時には、前記アノード側反応ガス流路と前記カソード側反応ガス流路の何れか一方の反応ガス流路に昇温用ガスが供給され、もう一方の反応ガス流路への反応ガスの供給は停止されることを特徴としている。
【００１０】
また、第３の発明は、第１の発明において、前記アノード側反応ガス流路内のガスの流れと前記カソード側反応ガス流路内のガスの流れは並行しており、
前記燃料電池の発電時には、前記アノード側反応ガス流路内の反応ガスの流れ、及び前記カソード側反応ガス流路内の反応ガスの流れと対向するように前記冷却媒体流路内の冷却媒体の流れ方向が切り換えられることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明によれば、昇温用ガスの流れと並行に冷却媒体が流されることで、反応ガス流路の上流側の熱を冷却媒体によって反応ガス流路の下流側に運ぶことができる。これにより、反応ガス流路の上流側と下流側の供給熱量の差を低減してセル面内の温度勾配の発生を抑制することができ、高速且つ均一に燃料電池を暖機することが可能になる。
【００１２】
また、アノード側反応ガス流路内のガスの流れとカソード側反応ガス流路内のガスの流れが対向している場合は、燃料電池の暖機時、何れか一方の反応ガス流路に昇温用ガスが供給されたときもう一方の反応ガス流路に反応ガスが流れていると、セル面内における温度勾配は助長されることになる。第２の発明によれば、昇温用ガスに対して対向流となる反応ガスの供給は停止されるので、温度勾配の発生を抑制することができる。
【００１３】
また、アノード側反応ガス流路内のガスの流れとカソード側反応ガス流路内のガスの流れが並行している場合は、燃料電池の発電時、発電に伴う反応熱によって反応ガスの下流側が上流側よりも高温となり、暖機時とは逆の温度勾配が生じてしまう。第３の発明によれば、冷却媒体の流れ方向の切り換えによって反応ガスに対向して冷却媒体が流されるので、反応ガス流路の下流側の熱を冷却媒体によって反応ガス流路の上流側に運ぶことができる。これにより、燃料電池の発電時でも反応ガス流路の上流側と下流側の供給熱量の差を低減してセル面内の温度勾配の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
以下、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１は本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成図である。図１に示すように、本燃料電池システムは、炭化水素原料（以下、燃料という）を改質して水素を含む燃料ガス（以下、改質ガスという）を生成する改質器１００と、改質器１００で生成された改質ガスを利用して発電する燃料電池１１０を備えている。以下、燃料電池１１０、改質器１００のそれぞれの構造と機能について説明する。
【００１５】
燃料電池１１０は、複数の単位セルが積層された燃料電池スタックとして構成されている。各単位セルは電解質膜をアノードとカソードで挟み、さらにその両側をセパレータで挟んで構成されている。アノードでは、水素を含む改質ガスが供給されると、以下の（１）式の化学反応が生じて水素イオンが生成される。
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-  ・・・（１）
生成された水素イオンは電解質膜を通ってカソードに供給される。カソードでは、酸素を含む酸化ガスが供給されると、以下の（２）式の化学反応が生じ、アノードで生成された水素イオンと酸素から水（水蒸気）が生成される。
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ  ・・・（２）
上記の反応がアノードとカソードの双方で連続して起きることで、アノードとカソードとの間に起電力が生じ、これが燃料電池の発生電力となる。
【００１６】
改質器１００は、触媒を備えた改質部と改質部を加熱する加熱部を備えている。例えば、原料としてガソリン（主成分はＣ8Ｈ18）が供給される場合、改質部では以下の（３）式及び（４）の化学反応によって燃料の改質が行われる。
Ｃ8Ｈ18＋８Ｈ2Ｏ  →  １７Ｈ2＋８ＣＯ  ・・・（３）
Ｃ8Ｈ18＋４Ｏ2  →  ９Ｈ2＋８ＣＯ  ・・・（４）
上記の（３）式で表わされる反応は水蒸気改質反応と言い、吸熱反応である。（４）式で表わされる反応は部分酸化反応と言い、発熱反応である。触媒はこれら反応を促進するために設けられている。改質部では双方の反応が同時に起こっていると考えられるが、主となるのは水蒸気改質反応であり、改質部での改質反応全体としては吸熱反応となる。このため、改質反応を促進させるためには熱の供給が必要になるが、そのための熱として加熱部から加熱用燃料の燃焼熱が供給される。なお、図１では、加熱部への加熱燃料や燃焼用エアの供給系統は図示を省略している。また、改質器１００には、改質反応により生成されたＣＯを水と反応させてＣＯ2に変成させるシフト部や、ＣＯを酸化してＣＯ2に変成させるＣＯ選択酸化部も備えられているが、これらは本発明の主要部ではないので詳しい説明は省略する。
【００１７】
改質器１００は、燃料電池１１０を暖機するための高温の昇温用ガスの供給源としても用いられる。燃料電池１１０の発電時には、上記の（３）式及び（４）式の化学反応が起きるように、改質用エアの供給量が調整されるが、燃料電池１１０の暖機時には、以下の（５）式の化学反応が起きるように改質用エアの供給量が調整される。
Ｃ8Ｈ18＋（２５／２）Ｏ2  →  ８ＣＯ2＋９Ｈ2Ｏ  ・・・（５）
すなわち、燃料供給量との関係において理論空燃比よりもリーンになるように改質用エアの供給量が調整される。これにより、改質部での燃料の燃焼はリーン燃焼となり、上記の（５）式で示す完全酸化反応が起きる。この完全酸化反応は発熱反応であるので、生成された燃焼ガスは高温であり、この高温の燃焼ガスを昇温用ガスとして燃料電池１１０のアノードに供給することで燃料電池１１０の暖機が行われる。
【００１８】
次に、本燃料電池システムにおける、流体の流れについて説明する。
燃料電池１１０には、アノードへ供給されるガスが流れる反応ガス流路（以下、アノード流路という）１１３と、カソードへ供給されるガスが流れる反応ガス流路（以下、カソード流路という）１１５と、燃料電池１１０を冷却するための冷却ガスが流れる冷却ガス流路１１７が設けられている。本燃料電池システムでは、アノード流路１１３、カソード流路１１５、及び冷却ガス流路１１７はセルの一端から他端に向けて同方向に設けられている。なお、ここでは冷却媒体として冷却ガスを用いているが、冷却水等の他の媒体を用いてもよい。ただし、冷却媒体が冷却水等の液体の場合、気体である冷却ガスに比べ比熱、比重が大きいため、熱量も大きくなる。したがって、使用する液体によっては、始動性確保のために冷却媒体の循環流量の低減等が必要となる場合があり、本発明における冷却媒体としては、冷却ガスの方が望ましい。
【００１９】
アノード流路１１３の入口１１３ａには改質器１００が接続されている。改質器１００から供給されたガス（改質ガス或いは昇温用ガス）はアノード流路１１３内を通り、アノード流路１１３の出口１１３ｂから外部に排出される。本燃料電池システムでは、燃料電池１１０の発電時には、改質器１００からアノード流路１１３に改質ガスが供給され、燃料電池１１０の暖機時には、改質器１００からアノード流路１１３に昇温用ガスが供給される。
【００２０】
カソード流路１１５の入口１１５ａにはエアポンプ１２０が接続されている。エアポンプ１２０から供給された酸化ガス（空気）はカソード流路１１５内を通り、カソード流路１１５の出口１１５ｂから外部に排出さる。カソード流路１１５の入口１１５ａと出口１１５ｂの位置関係は、アノード流路１１３の入口１１３ａと出口１１３ｂの位置関係と逆であり、カソード流路１１５内のガスの流れ方向は、アノード流路１１３内のガスの流れ方向と逆方向になっている。本燃料電池システムでは、燃料電池１１０の発電時には、エアポンプ１２０からカソード流路１１５に酸化ガスが供給されるが、燃料電池１１０の暖機時には、エアポンプ１２０は停止されカソード流路１１５内への酸化ガスの供給は行われない。
【００２１】
冷却ガス流路１１７の入口１１７ａにはエアポンプ１６０が接続されている。エアポンプ１６０から供給された冷却ガス（空気）は冷却ガス流路１１７内を通り、冷却ガス流路１１７の出口１１７ｂから外部に排出される。冷却ガス流路１１７の入口１１７ａと出口１１７ｂの位置関係は、アノード流路１１３の入口１１３ａと出口１１３ｂの位置関係と一致しており、冷却ガス流路１１７内の冷却媒体の流れ方向はアノード流路１１３内のガスの流れ方向と同方向になっている。本燃料電池システムでは、燃料電池１１０の発電時も暖機時もともに、エアポンプ１６０から冷却ガス流路１１７に冷却ガスが供給される。
【００２２】
上記のように、本燃料電池システムでは、燃料電池１１０の暖機時、アノード流路１１３内の昇温用ガスの流れと並行に冷却ガス流路１１７に冷却ガスが流される。また、昇温用ガスに対して対向流となる酸化ガスの供給は停止される。このように燃料電池１１０の暖機時における各流体の流れが設定されることで、次のような効果が得られる。
【００２３】
図２は、暖機開始から一定時間経過後の燃料電池１１０のセル面内の温度分布を示すグラフである。図２の上に示すグラフは昇温用ガスのみが流れ冷却ガスは流れていない場合の温度分布であり、図２の下に示すグラフは冷却ガスが昇温用ガスと並行に流れている場合の温度分布である。何れも定常状態におけるものである。２つのグラフを比較して分かるように、冷却ガスを供給されない場合にはセル面内の温度分布に偏りが生じ、ガスの流れ方向における上流側では温度が非常に高くなる一方で下流側の温度上昇は小さい。これに対し、冷却ガスが昇温用ガスと並行に流れる場合には、ガスの流れ方向の温度勾配の発生は抑制される。
【００２４】
暖機時、アノード流路１１３には高温の昇温用ガスが供給される。供給されたガスはアノード流路１１３内を入口１１３ａから出口１１３ｂへ流れるが、当然、ガスから受ける熱量はアノード流路１１３の入口１１３ａ側ほど高い。したがって、通常は図２の上グラフに示すように、アノード流路１１３の入口１１３ａ側から出口１１３ｂ側へかけて大きな温度勾配ができやすい。しかし、冷却ガス流路１１７を流れる冷却ガスは低温（常温）のため、冷却ガスが昇温用ガスと並行に流れる場合には、高温の入口１１３ａ側では冷却ガス流路１１７を流れる冷却ガスによって熱を奪われ、奪われた熱は冷却ガス流路１１７内の冷却ガスの流れによって低温の出口１１３ｂ側へ運ばれていく。これにより、アノード流路１１３の上流側から下流側への熱伝導が促進されることになり、図２の下グラフに示すように昇温用ガスの流れ方向における温度分布の偏りは解消される。
【００２５】
燃料電池１１０が十分な電池性能を発揮するためには、燃料電池１１０の全体が等しく作動温度まで暖機される必要がある。このためには、燃料電池１１０の全体を均一に温度上昇させる必要がある。この点において、図２の２つのグラフを比較して分かるように、冷却ガスを昇温用ガスと並行に流すことで燃料電池１１０の全体を略均一に温度上昇させることが可能になる。
【００２６】
また、燃料電池１１０の暖機を促進する方法として、アノード流路１１３へ供給する昇温用ガスの温度をより高温にすることが考えられる。図３は、昇温用ガスの温度をより高温に設定したときの暖機開始から一定時間経過後の燃料電池１１０のセル面内の温度分布を示すグラフである。図３の上に示すグラフは昇温用ガスのみが流れ冷却ガスは流れていない場合の温度分布であり、図３の下に示すグラフは冷却ガスが昇温用ガスと並行に流れている場合の温度分布である。何れも定常状態におけるものである。２つのグラフを比較して分かるように、冷却ガスが供給されない場合は、アノード流路１１３の入口温度が極めて高温になって材料の許容温度を超えてしまう可能性があるのに対し、冷却ガスが昇温用ガスと並行に流れる場合には、アノード流路１１３の入口温度の上昇は抑制される。したがって、冷却ガスを昇温用ガスと並行に流すことで昇温用ガスをより高温にすることができ、暖気速度を高めることができる。
【００２７】
以上説明したように、本燃料電池システムによれば、昇温用ガスと並行に冷却ガスが流されることで、アノード流路１１３上流側の熱を冷却ガスによってアノード流路１１３の下流側に運ぶことができる。これにより、アノード流路１１３の上流側と下流側の供給熱量の差を低減することができる。また、昇温用ガスの流れと対向する低温ガスの流れはセル面内における温度勾配を助長することになるが、本燃料電池システムでは、暖機時にはカソード流路１１５への酸化ガスの供給は停止されるので、セル面内の温度勾配が助長されることはない。したがって、本燃料電池システムによれば、セル面内の温度勾配の発生を抑制することができ、その結果、高速且つ均一に燃料電池１１０を暖機することが可能になる。
【００２８】
実施の形態２.
以下、図４乃至図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。なお、上述した実施の形態１と同一の部位については、図中、同一の符号を付して示し、その説明は省略するものとする。
【００２９】
図４は本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの概略構成図である。本実施形態の燃料電池システムは、アノード流路１１３内のガスの流れ方向とカソード流路１１５内のガスの流れ方向の関係、及び、アノード流路１１３内のガスの流れ方向と冷却ガス流路１１７内のガスの流れ方向の関係に特徴がある。カソード流路１１５の入口１１５ａと出口１１５ｂの位置関係は、アノード流路１１３の入口１１３ａと出口１１３ｂの位置関係と一致しており、カソード流路１１５内のガスの流れ方向は、アノード流路１１３内のガスの流れ方向と同方向になっている。本燃料電池システムでは、燃料電池１１０の発電時も暖機時もともに、エアポンプ１２０からカソード流路１１５に常温の酸化ガス（空気）が供給される。
【００３０】
冷却ガス流路１１７とエアポンプ１６０との間には２つの三方弁（切換弁）１７０，１８０が配置されている。三方弁１７０は、三つのポート１７１，１７２，１７３を有しており、第１ポート１７１の連通先を第２ポート１７２と第３ポート１７３との間で切り換えることができるようになっている。他方の三方弁１８０も同様であり、第１ポート１８１の連通先を第２ポート１８２と第３ポート１８３との間で切り換えることができるようになっている。一方の三方弁１７０の第１ポート１７１は、冷却ガス流路１１７の入口１１７ａに接続され、他方の三方弁１８０の第１ポート１８１は、カソード流路１１５の出口１１７ｂに接続されている。また、各三方弁１７０，１８０の第２ポート１７２，１８２は、それぞれエアポンプ１６０に接続されており、各三方弁１７０，１８０の第３ポート１７３，１８３は、それぞれシステム外部に連通している。
【００３１】
冷却ガス流路１１７とエアポンプ１６０が三方弁１７０，１８０を介して接続されることにより、三方弁１７０，１８０の連通状態を切り換えることで、冷却ガス流路１１７を流れる冷却ガスの流れ方向を制御することができる。本燃料電池システムでは、図５及び図６に示すように、燃料電池１１０の発電時と暖機時とで冷却ガス流路１１７内の冷却ガスの流れ方向を切り換えるようにしている。
【００３２】
図５は本燃料電池システムの暖機時におけるガスの流れを示す図である。燃料電池の発電時には、冷却ガス流路１１７の入口１１７ａに接続される三方弁１７０では、第１ポート１７１と第２ポート１７２が連通し、冷却ガス流路１１７の出口１１７ｂに接続される三方弁１８０では、第１ポート１８１と第３ポート１８３が連通する。これにより、エアポンプ１６０から供給される冷却ガスは、三方弁１８０を介して冷却ガス流路１１７の入口１１７ａに流入し、冷却ガス流路１１７内を通って出口１１７ｂから排出される。
【００３３】
一方、図６は本燃料電池システムの発電時におけるガスの流れを示す図である。燃料電池の暖機時には、冷却ガス流路１１７の入口１１７ａに接続される三方弁１７０では、第１ポート１７１と第３ポート１７３が連通し、冷却ガス流路１１７の出口１１７ｂに接続される三方弁１８０では、第１ポート１８１と第２ポート１８２が連通する。これにより、エアポンプ１６０から供給される冷却ガスは、三方弁１７０を介して冷却ガス流路１１７の出口１１７ｂに流入し、冷却ガス流路１１７内を通って入口１１７ａから排出される。
【００３４】
上記のように冷却ガス流路１１７内の冷却ガスの流れ方向が制御される結果、燃料電池１１０の暖機時には、図５に示すように冷却ガス流路１１７内の冷却ガスの流れと、アノード流路１１３内の昇温用ガスの流れと、カソード流路１１５内の酸化ガス流れとの関係は互いに並行流となる。高温の昇温用ガスと並行に低温の冷却ガス、及び酸化ガスが流されることで、アノード流路１１３の上流側の熱を冷却ガスと酸化ガスの双方によってアノード流路１１３の下流側に運ぶことができる。つまり、本燃料電池システムによれば、実施の形態１の燃料電池システムに比較して、酸化ガスが昇温用ガスと並行に流れる分、アノード流路１１３の上流側の熱をより効率的に下流側に運ぶことができ、セル面内の温度勾配の発生をより効率的に抑制することができる。
【００３５】
図７は、本燃料電池システムにおいて暖機開始から一定時間経過後の燃料電池１１０のセル面内の温度分布を示すグラフである。図７のグラフでは、昇温用ガスの温度は図３のグラフにおける温度よりもさらに高温に設定されている。昇温用ガスの温度を上昇させると、アノード流路１１３の入口温度が上昇して材料の許容温度を超えてしまう可能性があるが、本燃料電池システムでは、冷却ガスに加えて酸化ガスも昇温用ガスと並行に流れているので、アノード流路１１３の入口温度の上昇はより効果的に抑えられる。つまり、本燃料電池システムによれば、昇温用ガスの温度をより高温に設定することができる。
【００３６】
一方、燃料電池１１０の発電時、燃料電池１１０内では発電に伴う反応熱が生じるが、アノード流路１１３内の改質ガスの流れ方向とカソード流路１１５内の酸化ガスの流れ方向が並行流の場合、反応ガスの流れに沿った熱伝導によって反応ガス流路１１３，１１５の下流側が上流側よりも高温になりやすい。このため、暖機時と同様に冷却ガスが改質ガスや酸化ガスと並行に流れていると、セル面内の温度勾配を助長させてしまうことになりかねない。
【００３７】
この点に関し本燃料電池システムでは、燃料電池１１０の発電時には、図６に示すように冷却ガス流路１１７内の冷却ガスの流れと、アノード流路１１３内の改質ガスの流れ及びカソード流路１１５内の酸化ガスの流れとの関係は対向流に切り換えられる。改質ガスや酸化ガスに対向して冷却ガスが流れることで、反応ガス流路１１３，１１５の下流側の熱を冷却ガスによって反応ガス流路１１３，１１５の上流側に運ぶことができ、セル面内の温度勾配の発生を抑制することができる。
【００３８】
以上説明したように、本燃料電池システムによれば、燃料電池１１０の暖機時には冷却ガスに加えて酸化ガスも昇温用ガスと並行に流されるので、セル面内の温度勾配の発生をより効果的に抑制することができ、より高速且つ均一に燃料電池１１０を暖機することが可能になる。さらに、暖機時と発電時とで冷却ガス流路１１７内の冷却ガスの流れ方向が切り換えられることで、燃料電池１１０の暖機時のみならず発電時におけるセル面内の温度勾配の発生も効果的に抑制することができ、燃料電池１１０の発電効率の低下を抑制することもできる。
【００３９】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【００４０】
本発明の適用は、上記実施の形態のように改質器１００を備えた燃料電池システムには限定されない。専用の加熱装置で加熱された昇温用ガスをアノード流路１１３に供給するようにしてもよい。また、昇温用ガスの供給先はアノード流路１１３に限定されず、カソード流路１１５に昇温用ガスを供給するようにしてもよい。アノード流路１１３のガスの流れとカソード流路１１５のガスの流れが並行流であれば、アノード流路１１３とカソード流路１１５の双方に昇温用ガスを供給するようにしてもよい。何れにしても、昇温用ガスの流れと並行に冷却ガスを流すようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】昇温用ガスの温度が比較的低温のとき、暖機開始から一定時間経過後のセル面内の温度分布を冷却ガスが供給されない場合（左グラフ）と、冷却ガスが昇温用ガスと並行に供給される場合（右グラフ）とで比較した図である。
【図３】昇温用ガスの温度が比較的高温のとき、暖機開始から一定時間経過後のセル面内の温度分布を冷却ガスが供給されない場合（左グラフ）と、冷却ガスが昇温用ガスと並行に供給される場合（右グラフ）とで比較した図である。
【図４】本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの暖機時におけるガスの流れを示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２としての燃料電池システムの発電時におけるガスの流れを示す図である。
【図７】昇温用ガスと並行に冷却ガス及び酸化ガスが供給される場合の暖機開始から一定時間経過後のセル面内の温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１００  改質器
１１０  燃料電池
１１３  アノード流路
１１５  カソード流路
１１７  冷却ガス流路
１２０，１６０  エアポンプ
１７０，１８０  三方弁
【図１】
2006019038.tif 000003
【図２】
2006019038.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006019038.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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