(57)【要約】      （修正有）【課題】水蒸気を含んだ反応ガスでも燃料電池本体の電池性能が損なわれず、起動運転時間をより一層短くさせた燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池発電システムにおいて、電解質２を挟んで一対の電極３，４を配置した単位電池５を積み重ねて燃料電池積層体１１を構成するとともに、前記燃料電池積層体１１の側面に反応ガス供給マニホールド１５および反応ガス排出マニホールド１７のそれぞれを配置した燃料電池本体１を組み込んだ燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体１は、前記反応ガス供給マニホールド１５および反応ガス排出マニホールド１７のうち、少なくとも反応ガス供給マニホールドの外側に発熱体２２を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟んで一対の電極を配置した単位電池を積み重ねて燃料電池積層体を構成するとともに、前記燃料電池積層体の側面に反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのそれぞれを配置した燃料電池本体を組み込んだ燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体は、前記反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのうち、少なくとも反応ガス供給マニホールドの外側に発熱体を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
電解質を挟んで一対の電極を配置した単位電池を積み重ねて燃料電池積層体を構成するとともに、前記燃料電池積層体の側面に反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのそれぞれを配置した燃料電池本体を組み込んだ燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体は、前記反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのうち、少なくとも反応ガス供給マニホールドの内部に発熱体を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
電解質を挟んで一対の電極を配置した単位電池を積み重ねて燃料電池積層を構成するとともに、前記燃料電池積層体の側面に反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのそれぞれを配置する一方、前記燃料電池積層体の両端に押圧力を与えるとともに、前記反応ガス供給マニホールドに反応ガスを供給するための反応ガス供給部または前記反応ガス排出マニホールドから反応ガスを排出するための反応ガス排出部を配置した締め付け板を備えた燃料電池本体を組み込んだ燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体は、前記燃料電池積層体の両端に備えた締め付け板のうち、少なくとも反応ガス供給部を配置した締め付け板に発熱体を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
発熱体は、電気ヒータであることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
発熱体は、熱交換器であることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
熱交換器の加熱媒体に燃料改質系からの排熱ガスを使用する構成にしたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池発電システム。
【請求項７】
発熱体は、反応ガス供給マニホールド内の反応ガスまたは内壁の温度により温度制御されることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項８】
発熱体は、供給加熱媒体の流量を制御する流量調節弁と、反応ガス供給マニホールド内の反応ガスまたは内壁の温度に基づいて前記流量調節弁を制御する流量調節系により温度制御されることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【請求項９】
発熱体は、反応ガス供給マニホールドに反応ガスを供給する前に予め設定した温度に基づき発熱しておくことを特徴とする請求項１〜３記載の燃料電池発電システム。
【請求項１０】
反応ガス供給マニホールド内の反応ガスまたは内壁の温度が反応ガスの露点温度以上となるように発熱体の出力を設定することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に、水蒸気を含んだ反応ガスでも燃料電池本体の電池性能が損なわれず、起動時間をより一層短縮させた燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学的エネルギを電気エネルギに変換する装置である。
【０００３】
このような無公害エネルギを利用する燃料電池システムに組み込まれる燃料電池本体は、イオン導電性を有する電解質を挟んで配置した燃料極および酸化剤極からなる単位電池と、それぞれの電極に反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を配流するための燃料ガス供給溝および酸化剤ガス供給溝をそれぞれ設けた導電性を有するガス不透過性の燃料ガス供給セパレータおよび酸化剤ガス供給セパレータと、冷却水供給溝を設けた冷却水供給セパレータとからなる基本構成を複数積み重ねて燃料電池積層体を構成している。
【０００４】
このような構成を有する燃料電池本体において、燃料ガス供給溝、酸化剤ガス供給溝に、燃料電池積層体の側面に設けた反応ガス供給マニホールドを介してそれぞれ反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を供給すると、単位電池の一対の電極で下記に示す電気化学反応が行われ、電極間で起電力が生じる。
【０００５】
［化１］
燃料極  ：  ２Ｈ２  →  ４Ｈ＋＋４ｅ−            ……（１）
酸化剤極：  Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−  →  ２Ｈ２Ｏ     ……（２）
【０００６】
上式において、燃料極では、式（１）に示すように、供給した水素を水素イオンと電子に解離する。その際、水素イオンは、電解質層を通り、また、電子は、外部回路を通り、酸化剤極にそれぞれ移動する。
【０００７】
一方、酸化剤極では、式（２）に示すように、供給した酸化剤ガス中の酸素と、上述の水素イオンおよび電子が反応して水を生成する。このとき、外部回路を通った電子は、電流となり、電力を供給することができる。
【０００８】
なお、式（１），式（２）により生成された水は、燃料電池本体で消費されなかった反応ガス（既反応ガス）とともに上述燃料電池積層体の側面に設けた反応ガス排出マニホールドを介して燃料電池本体の外部に排出される。
【０００９】
ところで燃料電池本体を組み込んだ燃料電池システムの起動運転時、燃料電池本体の温度が、供給される反応ガスの露点温度よりも低い場合、反応ガス中の水分は燃料電池本体の反応ガス供給マニホールド内で結露する。この結果、反応ガス供給溝が局部的に閉塞され、一部の単位電池で燃料ガスあるいは酸化剤ガスの欠乏が生じ、電池性能が著しく低下することがある。
【００１０】
この現象を防止するために、例えば、予め燃料電池本体の温度を高めておくことや供給する反応ガスに含まれる湿分を予め除去するなど燃料電池本体での反応ガス中水分の結露を防止する発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特公平７−９５４５２号公報（第２頁（第３５項）、第３カラム）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来、燃料電池発電システムは、起動運転時、反応ガスを燃料電池本体に供給する前に予め燃料電池本体全体を運転温度に昇温させる必要があるため、起動に長時間を要していた。
【００１２】
起動時間を短縮するため、上述の特許文献１では、供給する反応ガス中の水分を、水分吸着剤で氷分を除去し、起動運転時の燃料電池本体の温度を低減させ、起動時間を短縮している。
【００１３】
しかし、反応ガスの露点温度が室温となるまで水分を除去できないと、室温からの起動はできず、一定温度まで電池本体の温度を昇温させなければならず、起動時間に長時間を要する等の課題があった。
【００１４】
また、運転温度が低く、起動時間が短いことから自動車用として注目されている固体高分子形燃料電池システムには、次のような課題が含まれていた。
【００１５】
固体高分子形燃料電池は、電解質層として固体高分子膜を使用している。
【００１６】
この固体高分子膜は、水分を吸湿している時にのみ水素イオンを膜中で移動することができる、優れた性能を持っている。このため、固体高分子形燃料電池を運転する場合、反応ガスを加湿する必要がある。反応ガス中の水分は、固体高分子膜に水分を与える重要な役割を行っている。
【００１７】
したがって、固体高分子形燃料電池発電システムの起動時、従来のように、予め電池本体全体を昇温させると、本来の起動性能が損なわれるばかりか、電解質層である固体高分子膜が乾燥され、電解質層としての機能が損なわれる。
【００１８】
また、上述の特許文献１で開示されているように、反応ガス中の水分を除去すると、やはり電解質層である固体高分子膜が乾燥され、電解質層としての機能が損なわれる。
【００１９】
本発明は、このような事情に照らしてなされたものであり、水蒸気を含んだ反応ガスでも燃料電池本体の電池性能が損なわれず、起動時間をより一層短くさせた燃料電池発電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】
【００２０】
本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、電解質を挟んで一対の電極を配置した単位電池を積み重ねて燃料電池積層体を構成するとともに、前記燃料電池積層体の側面に反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのそれぞれを配置した燃料電池本体を組み込んだ燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体は、前記反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのうち、少なくとも反応ガス供給マニホールドの外側に発熱体を備えたものである。
【００２１】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、電解質を挟んで一対の電極を配置した単位電池を積み重ねて燃料電池積層体を構成するとともに、前記燃料電池積層体の側面に反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのそれぞれを配置した燃料電池本体を組み込んだ燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体は、前記反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのうち、少なくとも反応ガス供給マニホールドの内部に発熱体を備えたものである。
【００２２】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、電解質を挟んで一対の電極を配置した単位電池を積み重ねて燃料電池積層体を構成するとともに、前記燃料電池積層体の側面に反応ガス供給マニホールドおよび反応ガス排出マニホールドのそれぞれを配置する一方、前記燃料電池積層体の両端に押圧力を与えるとともに、前記反応ガス供給マニホールドに反応ガスを供給するための反応ガス供給部または前記反応ガス排出マニホールドから反応ガスを排出するための反応ガス排出部を配置した締め付け板を備えた燃料電池本体を組み込んだ燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体は、前記燃料電池積層体の両端に備えた締め付け板のうち、少なくとも反応ガス供給部を配置した締め付け板に発熱体を備えたものである。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、発熱体は、電気ヒータであることを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、発熱体は、熱交換器であることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、熱交換器の加熱媒体に燃料改質系からの排熱ガスを使用する構成にしたものである。
【００２６】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、発熱体は、反応ガス供給マニホールド内の反応ガスまたは内壁の温度に基づいて温度制御を行なう温度調節系により温度制御されることを特徴とするものである。
【００２７】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、発熱体は、供給加熱媒体の流量を制御する流量調節弁と、反応ガス供給マニホールド内の反応ガスまたは内壁の温度に基づいて前記流量調節弁を制御する温度調節系により温度制御されるものであることを特徴とするものである。
【００２８】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、発熱体は、反応ガス供給マニホールドに反応ガスを供給する前に予め設定した温度に基づき発熱しておくことを特徴とするものである。
【００２９】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、反応ガス供給マニホールド内の反応ガスまたは内壁の温度が反応ガスの露点温度以上となるように発熱体の出力を設定したものである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る燃料電池発電システムは、電解質層を挟んで燃料極と酸化剤極を備えた単位電池を積層して構成する燃料電池積層体の側面に装着した反応ガス供給マニホールドに発熱体を設け、前記反応ガス供給マニホールドを予め予熱できる構成にしたので、水蒸気を含んだ反応ガスでも燃料電池本体の電池性能が損なわれず、起動運転時間をより一層短縮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００３２】
図１〜図３は、本発明に係る燃料電池発電システムに適用される燃料電池本体１の第１実施形態を示す概略図である。
【００３３】
なお、図中、図１は、本実施形態に係る燃料電池本体１を示す概略縦断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視方向から見た側面図であり、図３は、本実施形態に係る燃料電池本体１を示す概略外観斜視図である。
【００３４】
また、本発明に係る燃料電池発電システムは、上述の燃料電池本体１のほかに燃料改質系、冷却系、加湿系、電気系、機器制御系等を備えているが、ここでは説明を省略する。
【００３５】
本実施形態に係る燃料電池本体１は、図１に示すように、イオン導電性を有する電解質２を挟んで配置した燃料極３および酸化剤極４とで構成する単位電池５と、この単位電池５の一側に設けられ、酸化剤ガス供給溝６を備えた酸化剤ガス供給セパレータ７と上述の単位電池５の他側に設けられ、燃料ガス供給溝８を備えた燃料ガス供給セパレータ９とで構成する単位セルユニット１０とを備えるとともに、この単位セルユニット１０を積み重ねた燃料電池積層体１１として構成される。
【００３６】
なお、酸化剤ガス供給セパレータ７および燃料ガス供給セパレータ９は、ともに、導電性を有し、かつ不透過性の材料で作製される。さらに、電解質２を挟んで配置した燃料極３および酸化剤極４のそれぞれの端部には、反応ガスが一方の極から他方の極にバイパスしないように、シール１２が設けられている。
【００３７】
また、燃料電池本体１には、燃料電池積層体１１の積層方向の両側から押圧力を与えて締め付けるための締め付け板１３ａ，１３ｂが設けられている。さらに、燃料電池積層体１１の一対の積層面には、燃料ガス入口１４を介して供給された燃料ガスを燃料ガス供給溝８のそれぞれに分配する外部型燃料ガス供給マニホールド１５と燃料ガス供給溝８のそれぞれから排出される既反応燃料ガスを、燃料ガス出口１６を介して外部に排出させる外部型燃料ガス排出マニホールド１７とがそれぞれ設けられる。また、図２および図３に示すように、燃料電池積層体１１の、別の一対の積層面には酸化剤ガス入口１８を介して供給された酸化剤ガスを、図１で示した酸化剤ガス供給セパレータ７の酸化剤ガス供給溝６に分配する外部型酸化剤ガス供給マニホールド１９と酸化剤ガス供給溝６から排出される既反応酸化剤ガスを酸化剤ガス出口２０を介して外部に排出させる外部型酸化剤ガス排出マニホールド２１とがそれぞれ設けられる。
【００３８】
このような構成を備えた燃料電池本体１において、外部型燃料ガス供給マニホールド１５から燃料ガス供給セパレータ７の燃料ガス供給溝８のそれぞれに分配された燃料ガスは、燃料極３で上述の式（１）に基づいて電気化学反応が行われる。
【００３９】
また、外部型酸化剤ガス供給マニホールド１９から酸化剤ガス供給セパレータ７の酸化剤ガス供給溝６のそれぞれに分配された酸化剤ガスは、酸化剤極４で上述の式（２）に基づいて電気化学反応が行われる。
【００４０】
その際、外部回路を通過した電子により電力が供給される。
【００４１】
本実施形態では、図１〜図３に示すように、燃料ガス供給マニホールド１５および酸化剤ガス供給マニホールド１９のそれぞれの外側に発熱体２２、具体的には電気ヒータを設けたものである。
【００４２】
上述の燃料電池発電システムを室温である２５℃から、起動した。起動時の、燃料電池本体１に供給する反応ガスである燃料ガスおよび空気の水蒸気の露点、温度をそれぞれ６０℃とした。反応ガス供給直前に燃料ガス供給マニホールド１５および酸化剤ガス供給マニホールド１９の内部温度が起動前に５分で６５℃となるように電気容量が設定されている。なお、電気ヒータ容量および通電時間は燃料電池本体の熱容量と熱伝導性から予め計算した。
【００４３】
従来では、燃料電池本体１の全体を温度６５℃に昇温させていたが、そのときの時間が約４０分程度、要していた。
【００４４】
このように、本実施形態は、外部型各反応ガス供給マニホールド１５，１９および外部型各反応ガス排出マニホールド１７，２１のうち、少なくとも外部型各反応ガス供給マニホールド１５，１９に発熱体２２として電気ヒータを設け、外部型各反応ガス供給マニホールド１５，１９を昇温させる構成にしたので、起動時間をより一層短縮させることができ、少ないエネルギで効果的に昇温させることができる。
【００４５】
なお、本実施形態は、外部型各反応ガス供給マニホールド１５，１９に発熱体２２として電気ヒータを設けたが、各反応ガスの露点温度の高低によっては、いずれか一方にのみ発熱体２２を設けてもよい。
【００４６】
また、本実施形態は、外部型燃料ガス供給マニホールド１５、外部型燃料ガス排出マニホールド１７、外部型酸化剤ガス供給マニホールド１９および外部型酸化剤排出マニホールド２１のうち、外部型燃料供給マニホールド１５および外部型酸化剤ガス供給マニホールド１９のそれぞれの外側に発熱体２２としての電気ヒータを設けたが、この例に限らず、例えば燃料改質器から排出される排熱ガス、あるいは熱供給用の温水等を熱源とする熱交換器を設けてもよい。この場合、燃料ガス等の反応ガスの露点温度を超えて、各外部型反応供給マニホールド１５，１９が約１０分程度で温度６５℃になるよう、熱交換器の熱容量が設定される。
【００４７】
図４〜図６は、本発明に係る燃料電池発電システムに適用される燃料電池本体１の第２実施形態を示す概略図である。
【００４８】
なお、図中、図４は、本実施形態に係る燃料電池本体１を示す概略縦断面図であり、図５は、図４のＢ−Ｂ矢視方向から切断した切断断面図であり、図６は、本実施形態に係る燃料電池本体を示す概略外観斜視図である。
【００４９】
本実施形態に係る燃料電池本体１は、第１実施形態の構成とほぼ同様の図４で示すように、イオン導電性を有する電解質２を挟んで配置した燃料極３および酸化剤極４とで構成する単位電池５と、この単位電池５の一側に設けられ、酸化剤ガス供給溝６を備えた酸化剤ガス供給セパレータ７と上述の単位電池５の他側に設けられ、燃料ガス供給溝８を備えた燃料ガス供給セパレータ９とで構成する単位セルユニット１０とを備えるとともに、この単位セルユニット１０を積み重ねた燃料電池積層体１１として構成される。
【００５０】
なお、酸化剤ガス供給セパレータ７および燃料ガス供給セパレータ９は、ともに、第１実施形態と同様に、導電性に富み、かつガス不透過性に優れた材料で作製される。さらに、燃料極３および酸化剤極４のそれぞれの端部には、各反応ガスのバイパス防止用にシール１２が設けられている。
【００５１】
また、燃料電池本体１には、燃料電池積層体１１の積層方向の両側から押圧力を与えて締め付けるための締め付け板１３ａ，１３ｂが設けられている。さらに、燃料電池積層体１１の積層面内には、燃料ガス入口１４を介して供給された燃料ガスを燃料ガス供給溝８のそれぞれに分配する内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａと燃料ガス供給溝８のそれぞれから排出される未反応燃料ガスを、燃料ガス出口１６を介して外部に排出させる内部型燃料ガス排出マニホールド１７ａとがそれぞれ設けられる。
【００５２】
また、図５および図６に示すように、燃料電池積層体１１の別の積層面内には、上述の内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａと平行に備えた内部型酸化剤ガス供給マニホールド１９ａと上述の内部型燃料ガス排出マニホールド１７ａと平行に備えた内部型酸化剤ガス排出マニホールド２１ａとがそれぞれ設けられている。
【００５３】
なお、内部型燃料供給マニホールド１５ａと内部型酸化剤ガス排出マニホールド１７ａを互いに接続させる燃料ガス供給溝８および内部型酸化剤ガス供給マニホールド１９ａと内部型酸化剤ガス排出マニホールド２１ａを互いに接続させる酸化剤ガス供給溝８のそれぞれの中間部分は、ともに、便宜上、直線の矢印ＡＲで表示したが、実際は蛇行状に形成される。なお、符号３７ａ，３７ｂは、冷却水通路である。
【００５４】
一方、燃料電池本体１には、内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ、内部型酸化剤ガス供給マニホールド１９ａ側および内部型燃料ガス排出マニホールド１７ａ、内部型酸化剤ガス排出マニホールド２１ａの外側のうち、少なくとも内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ、内部型酸化剤ガス供給マニホールド１９ａの外側には、発熱体２２、具体的に電気ヒータが設けられる。
【００５５】
発熱体２２としての電気ヒータは、燃料ガスおよび酸化剤ガスに含まれる水蒸気の露点温度をそれぞれ６０℃とし、内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａおよび内部型酸化剤ガス供給マニホールド１９ａのそれぞれが起動前、３分で６５℃になるように電気容量が設定されている。
【００５６】
なお、他の構成部品は、第１実施形態の構成部品と同一なので、同一符号を付すにとどめ、重複説明を省略する。
【００５７】
このように、本実施形態は、各内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ，１９ａの外側および各内部型燃料ガス排出マニホールド１７ａ，２１ａの外側のうち、各燃料ガス供給マニホールド１５ａ，１９ａの外側に発熱体２２としての電気ヒータを設け、各内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ，１９ａをより早く昇温させる構成にしたので、各内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ，１９ａで結露させることなく各単位電池５に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給することができ、室温からでも単位電池５間にバラツキのない発電運転を行うことができるとともに、起動時間をより一層短縮させることができる。
【００５８】
なお、本実施形態は、各内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ，１９ａの外側および各内部型燃料ガス排出マニホールド１７ａ，２１ａの外側のうち、内部型各燃料ガス供給マニホールド１５ａ，１９ａの外側に発熱体２２としての電気ヒータを設けたが、この例に限らず、例えば、図７〜図９に示すように、各内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ，１９ａ内にそれぞれ発熱体２２として熱交換器２４ａ，２４ｂを設けてもよい。
【００５９】
この場合、熱交換器２４ａ，２４ｂの入口２５ａ，出口２５ｂに給排させる熱媒体は、例えば、燃料改質系からの排熱ガスが利用される。
【００６０】
図１０〜図１２は、本発明に係る燃料電池発電システムに適用される燃料電池本体１の第４実施形態を示す概略図である。
【００６１】
なお、図中、図１０は、本実施形態に係る燃料電池本体１を示す概略縦断面図であり、図１１は、図１０のＥ−Ｅ矢視方向から見た側面図であり、図１２は、本実施形態に係る燃料電池本体１を示す概略斜視図である。
【００６２】
本実施形態に係る燃料電池本体１は、図１０に示すように、電解質層２を挟で配置した燃料極３および酸化剤極４からなる単位電池５を、燃料ガス供給溝８と酸化剤ガス供給溝６を両面にそれぞれ設けかつ内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａおよび内部型燃料ガス排出マニホールド１７ａを形成する貫通孔を設けた燃料ガス供給セパレータ９を介して複数枚積層した構造とした。また、燃料ガス入口１４を設けた側の締め付け板１３ａに発熱体２６として熱交換器を配置した。なお、本実施形態では燃料電池積層体１１に組み込まれる冷却板は省略している。
【００６３】
燃料電池発電時には水蒸気を含む燃料ガスを燃料ガス入口１４から内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａに供給する。内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａに供給された燃料ガスは、燃料電池積層体１１の各単位電池５に分配される。各単位電池５において燃料ガスは反応に寄与した後、残った燃料ガスは内部型燃料ガス排出マニホールド１７ａに集められ排出される。
【００６４】
図１１は締め付け板１３ａ側からみた燃料電池本体側面図を示す。締め付け板１３ａには発熱体２６の熱交換器を配置した。
【００６５】
上記の燃料電池発電システムを室温である２５℃から起動した。起動時の、燃料電池本体１に供給する反応ガスである改質燃料ガスおよび空気の水蒸気の露点温度をそれぞれ６０℃とした。燃料ガスを燃料電池本体１に供給する前に、燃料改質器（図示せず）から排出する燃焼排ガスを発熱体２６の熱交換器の熱媒体供給の入口２７ａから供給し、熱媒体排出の出口２７ｂから排出した。燃料ガス供給直前に締め付け板１３ａの温度が８５℃となるように５分前から熱媒体を供給した。
【００６６】
締め付け板１３ａに配置した発熱体２６の熱交換器により、燃料電池本体１の全体の温度を昇温させることなしに、締め付け板１３ａのみを８５℃とすることができた。この時の燃料電池本体１の内部の温度は約３５〜４０℃であった。
【００６７】
燃料電池本体１に供給した露点温度６０℃の水蒸気を含む燃料ガス入口１４および締め付け板１３ａを通り内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａに供給される時に、スーパーヒートされる。検討結果では、６０℃で供給した燃料ガスの温度は７０℃まで昇温できた。スーパーヒートされた燃料ガスは内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ内で結露することなしに各単位電池５に配流することができ、室温からでも単位電池間の特性バラツキがなく発電することが可能であった。
【００６８】
このように、本実施形態は、締め付け板１３ａに発熱体２６の熱交換器を配置し、熱媒体により締め付け板１３ａを予め局部的に昇温することにより、高い露点温度の水蒸気を含む燃料ガスを供給しても、安定した発電をすることが可能である。また、締め付け板１３ａのみを昇温するだけで良いため、短時間での起動が可能である。さらに、燃料電池発電システムの排熱を利用することができ、起動時に必要な電気エネルギーを少なくすることができる。特に、系統連携していないシステムでは起動時に必要となるバッテリ−の容量を小さくすることができる。
【００６９】
なお、本実施形態では、燃料電池本体１の片側の締め付け板１３ａのみに発熱体２６を配置したが、両側に配置しても良い。また、発熱体２６として電気ヒータを使用してもよい。
【００７０】
図１３〜図１５は、本発明に係る燃料電池発電システムおよびこれに適用される燃料電池本体１の第５実施形態を示す概略図である。
【００７１】
なお、図中、図１３は、本実施形態に係る燃料電池本体１を示す概略縦断面図であり、図１４は、図１３のＦ−Ｆ矢視方向切断断面図であり、図１５は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの概略系統図である。
【００７２】
本実施形態に係る燃料電池発電システムは、図１５に示すように、原燃料を水素リッチな燃料に改質させる燃料改質系２８と、この燃料改質系２８から燃料極に供給された水素リッチな燃料ガスと例えば大気から酸化剤極に供給された空気とを化学反応させて電気を生成する燃料電池本体１と、生成された電気を外部の負荷系に供給する電気制御系２９と、電気の生成の際、燃料電池本体１を冷却する冷却系３０と、燃料電池本体１の燃料極からの既燃料ガスに含まれている水を回収して燃料改質系２８のバーナ部に供給する水回収系３１等で構成されている。
【００７３】
また、燃料電池本体１には、図１３および図１４に示すように、内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ、内部型燃料ガス排出マニホールド１７ａおよび内部型酸化剤ガス供給マニホールド１９ａ、内部型酸化剤ガス排出マニホールド２１ａのうち、内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａに温度センサ３２を装着するとともに、内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａの外側に発熱体２２、具体的には電気ヒータが設けられる。
【００７４】
なお、燃料電池本体１の他の構成部品は、第２実施形態の構成部品と同一なので、同一符号を付すだけにとどめ、重複説明を省略する。
【００７５】
一方、内部型燃料供給マニホールド１５ａの外側に設けた発熱体２２としての電気ヒータは、図１５に示すように、燃料電池本体１の内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａの内部または内壁に装着した温度センサ３２から検出した温度信号に基づいて外部電源からの電流をＯＮ−ＯＦＦさせる温度調節系３３を備えている。
【００７６】
また、発熱体２２としての電気ヒータは、温度調節系３３により制御されている。
【００７７】
このように、本実施形態は、各内部型反応ガス供給マニホールド１５ａ，１９ａおよび各内部型反応ガス排出マニホールド１７ａ，２１ａのうち、内部型反応マニホールド１５ａの外側に発熱体２２としての電気ヒータを設けるとともに、外部電源から電気ヒータに供給される電流を制御する温度調節系３３を設けたので、起動時間をより一層短縮させるとともに、外部電源から電気ヒータに供給される電流を適正に制御して単位電池５から生成される電気特性のバラツキの少ない発電運転を行うことができる。
【００７８】
図１６および図１７は、本発明に係る燃料電池発電システムおよびこれに適用される燃料電池本体１の第６実施形態を示す概略図である。
【００７９】
なお、図中、図１６は、本実施形態に係る燃料電池本体１を示す概略縦断面図であり、図１７は、本実施形態に係る燃料電池発電システムの概略系統図である。
【００８０】
本実施形態に係る燃料電池本体１は、図１６に示すように、内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ、内部型燃料ガス排出マニホールド１７ａおよび内部型酸化剤ガス供給マニホールド１９ａ、内部型酸化剤ガス排出マニホールド２１ａのうち、内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ、内部型酸化剤ガス供給マニホールド１９ａのそれぞれに温度センサ３２を装着するとともに、単位セルユニット１０に積み重ねた燃料電池積層体１１の側面から押圧力を与える、締め付けるための締め付け板１３ａ，１３ｂのうち、締め付け板１３ａの外側に発熱体２２、具体的には熱交換器を設けたものである。
【００８１】
なお、燃料電池本体１の他の構成部品は、第２実施形態の構成部品と同一なので、同一符号を付すだけにとどめ、重複説明を省略する。
【００８２】
一方、締め付け板１３ａ，１３ｂのうち、締め付け板１３ａの外側に設けた発熱体２６としての熱交換器は、図１７の燃料電池発電システムの概略系統で示すように、燃料改質系２８におけるバーナ部からの排出される排熱ガスを熱媒体として求める構成になっている。
【００８３】
すなわち、熱交換器は、バーナ部から供給される排熱ガスの流量をコントロールする流量調節弁３４を途中に介装させた排熱ガス供給系３５を備えるとともに、上述内部型燃料ガス供給マニホールド１５ａ等に装着した温度センサ３２から検出した反応ガスまたはマニホールド内壁の温度信号に基づいて流量調節弁３４に適正な弁開閉信号を与える流量制御系３６を備えている。
【００８４】
なお、燃料電池発電システムの他の構成部品は、第５実施形態の構成部品と同一なので、同一符号を付すだけにとどめ、重複説明を省略する。
【００８５】
このように、本実施形態は、締め付け板１３ａ，１３ｂのうち、いずれか一方の外側に発熱体２２としての熱交換器を設けるとともに、燃料改質系２８から供給される排熱ガスの流量をコントロールする流量調節弁３４を備えたので、起動時間をより一層短縮させるとともに、流量調節系３６から熱交換器に供給される排熱ガスを適正に制御して単位電池５から生成される電気特性のバラツキの少ない発電運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明に係る燃料電池発電システムに適用される燃料電池本体の第１実施形態を示す概略縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視方向から見た側面図。
【図３】図１に示した燃料電池本体の第１実施形態の概略外観斜視図。
【図４】本発明に係る燃料電池発電システムに適用される燃料電池本体の第２実施形態を示す概略縦断面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ矢視方向から切断した切断断面図。
【図６】図４に示した燃料電池本体の第１実施形態の概略外観斜視図。
【図７】本発明に係る燃料電池発電システムに適用される燃料電池本体の第３実施形態を示す概略縦断面図。
【図８】図７のＣ−Ｃ矢視方向から切断した切断断面図。
【図９】図７のＤ−Ｄ矢視方向から見た平面図。
【図１０】本発明に係る燃料電池発電システムに適用される燃料電池本体の第４実施形態を示す概略縦断面図。
【図１１】図１０のＥ−Ｅ矢視方向から見た側面図。
【図１２】図１０に示した燃料電池本体の第４実施形態の概略外観斜視図。
【図１３】本発明に係る燃料電池発電システムに適用される燃料電池本体の第５実施形態を示す概略縦断面図。
【図１４】図１３のＦ−Ｆ矢視方向から切断した切断断面図。
【図１５】図１３に示した燃料電池本体を組み込んだ燃料電池発電システムの概略系統図。
【図１６】本発明に係る燃料電池発電システムに適用される燃料電池本体の第６実施形態を示す概略縦断面図。
【図１７】図１６に示した燃料電池本体を組み込んだ燃料電池発電システムの概略系統図。
【符号の説明】
【００８７】
１  燃料電池本体
２  電解質
３  燃料極
４  酸化剤極
５  単位電池
６  酸化剤ガス供給溝
７  酸化剤ガス供給セパレータ
８  燃料ガス供給溝
９  燃料ガス供給セパレータ
１０  単位セルユニット
１１  燃料電池積層体
１２  シール
１３ａ，１３ｂ  締め付け板
１４  燃料ガス入口
１５  外部型燃料ガス供給マニホールド
１５ａ  内部型燃料ガス供給マニホールド
１６  燃料ガス出口
１７  外部型燃料ガス排出マニホールド
１７ａ  内部型燃料ガス排出マニホールド
１８  酸化剤ガス入口
１９  外部型酸化剤ガス供給マニホールド
１９ａ  内部型酸化剤ガス供給マニホールド
２０  酸化剤ガス出口
２１  外部型酸化剤ガス排出マニホールド
２１ａ  内部型酸化剤ガス排出マニホールド
２２  発熱体
２４ａ，２４ｂ  熱交換器
２５ａ  入口
２５ｂ  出口
２６  発熱体
２７ａ  入口
２７ｂ  出口
２８  燃料改質系
２９  電気制御系
３０  冷却系
３１  水回収系
３２  温度センサ
３３  温度調節系
３４  温度調節弁
３５  排熱ガス供給系
３６  流量調節系
３７ａ，３７ｂ  冷却水通路
【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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【図１７】
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