(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、
前記燃料電池セルの前記アノードと前記カソードと前記固体電解質の領域とのいずれかが、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部であり、
前記燃焼部は火炎が形成される部分であることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記アノード側と前記カソード側との間に差圧を生じさせる圧力制御手段をさらに備えている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御することによって、前記固体電解質の温度を、有効なイオン導電性が得られる発電作動温度以上に維持させる制御手段をさらに備えている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記固体電解質におけるイオン導電率に応じて、燃料ガスと酸素とによる前記燃焼の強さを制御する請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記アノード側と前記カソード側との間の差圧を調整することで、前記固体電解質を透過する燃料ガス又は酸素の量を調整し、前記燃焼の強さを制御する請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記固体電解質は多孔質とされている請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記燃焼部は、カソードとされている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
燃料ガスと酸素とによる前記燃焼反応が行われる前記アノード側又は前記カソード側に、着火手段をさらに備えている請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、
燃料ガスと酸素とによる前記燃焼反応が行われる前記アノード側又は前記カソード側に、着火手段をさらに備えていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１０】
燃料電池装置と、この燃料電池装置による電力によって動作する動作部と、を備え、
前記燃料電池装置は、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、
前記燃料電池セルの前記アノードと前記カソードと前記固体電解質の領域とのいずれかが、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部であり、
前記燃焼部は火炎が形成される部分であることを特徴とする車両。
【請求項１１】
燃料電池装置と、この燃料電池装置による電力によって動作する動作部と、を備え、
前記燃料電池装置は、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、
前記燃料電池装置は、さらに、燃料ガスと酸素とによる前記燃焼反応が行われる前記アノード側又は前記カソード側に、着火手段を備えていることを特徴とする車両。
【請求項１２】
走行用の燃料を貯蔵する燃料タンクと、
前記走行用の燃料によって駆動する走行駆動部と、
前記走行用の燃料の一部を、前記燃料電池装置が備えている前記燃料電池セルの前記アノード側に、前記燃料ガスとして供給する燃料供給部と、をさらに備えている請求項１０又は１１に記載の車両。
【請求項１３】
燃料電池装置と、この燃料電池装置から排出される排出ガスの熱を利用する手段と、を備え、
前記燃料電池装置は、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、
前記燃料電池セルの前記アノードと前記カソードと前記固体電解質の領域とのいずれかが、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部であり、
前記燃焼部は火炎が形成される部分であることを特徴とする熱電併給装置。
【請求項１４】
燃料電池装置と、この燃料電池装置から排出される排出ガスの熱を利用する手段と、を備え、
前記燃料電池装置は、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、
前記燃料電池装置は、さらに、燃料ガスと酸素とによる前記燃焼反応が行われる前記アノード側又は前記カソード側に、着火手段を備えていることを特徴とする熱電併給装置。
【請求項１５】
アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する際に、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、
前記燃料電池セルの前記アノードと前記カソードと前記固体電解質の領域とのいずれかが、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部であり、
前記燃焼部は火炎が形成される部分であることを特徴とする燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、固体酸化物型の燃料電池セル、固体酸化物型の燃料電池装置、これを備えた車両及び熱電併給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を用いて発電を行う装置として従来知られているものに、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）がある。固体酸化物型燃料電池は固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）に比べて長期的な安定性、信頼性に優れており、エネルギー変換効率も高い。
しかし、固体酸化物電解質に使用されている固体電解質は、低温でイオン導電性が低く、有効な発電を行うために固体電解質の温度を１０００℃〜８００℃と非常に高くする必要がある。また、従来の固体酸化物型燃料電池は、その熱損失により、高い発電効率を維持したまま熱自立運転を行うことが困難であるという問題点がある。
そこで、このような固体酸化物型燃料電池を備えており、熱自立運転を図る装置が、特開２００４−７１３１２号公報、特開２００４−７１３１５号公報において、提案されている。なお、熱自立運転とは、外部から熱を加えることなく自ら発生した熱のみによって燃料電池を、有効な発電を行うことができる発電作動温度以上に維持させるものである。また、装置が小型のものほど熱損失の割合が大きいことから、小型機ほど熱自立運転は難しく、また、発電効率が低下する傾向にある。
【発明の開示】
【０００３】
このような燃料電池装置において、発電開始のために装置を始動させる際、固体電解質の温度を前記発電作動温度まで加熱する必要がある。そのために、従来の装置では、バーナーやヒーターなどの加熱手段が別途必要とされている。しかし、このような加熱手段を用いて固体電解質を加熱したとしても、前記のような高い温度となるまでに長時間が必要とされる。したがって、従来では安定した電力が得られるまでに始動から１０〜３０分、小型のものであっても５〜１０分が必要とされている。つまり、従来の装置ではスタートアップ（立ち上がり）が非常に遅いという問題点を有している。さらに、従来、固体電解質が一旦高温となることで熱自立運転が可能となるものもあるが、熱自立運転といっても加熱手段が必要とされている。つまり、熱自立運転が行われるためには、初期において固体電解質を高温とするために加熱手段が必要とされている。
【０００４】
さらに、通常運転の際においても、１ｋｗ級などの小規模用の燃料電池装置では特に熱損失が大きいため、高い発電効率を維持したまま熱自立運転を行うことが困難であるという問題点がある。つまり、固体電解質を適切な温度に維持することが困難とされている。
また、従来の燃料電池装置では、図７に示しているように、発電効率を向上させるために燃料電池セルの他に、燃料電池セルの外部に別の燃焼器や、熱交換機などの付帯設備が多く必要とされ、装置全体が大型化する傾向がある。
【０００５】
そこでこの発明は、有効な発電を行うため、電解質の温度を適切な温度とすることができる燃料電池セル、燃料電池装置、これを備えた車両及び熱電併給装置を提供することを目的とする。
【０００６】
この発明の燃料電池装置は、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、前記燃料電池セルの前記アノードと前記カソードと前記固体電解質の領域とのいずれかが、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部であり、前記燃焼部は火炎が形成される部分である。
【０００７】
また、この発明の燃料電池セルは、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する際に、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、前記燃料電池セルの前記アノードと前記カソードと前記固体電解質の領域とのいずれかが、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部であり、前記燃焼部は火炎が形成される部分である。
なお、この発明における燃焼反応は、燃料ガスと酸素とによる燃焼を意味するものであり、電池反応を起こすためにアノード側で行われる電池反応とは異なる。
【０００８】
このような燃料電池装置及び燃料電池セルによれば、燃料電池セルのアノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する際に、固体電解質は、アノード側とカソード側との内の一方側にある燃料ガス又は酸素の一部を他方側へ透過させることができる。そして、この透過により燃料ガスと酸素とが混合され、これらの燃料反応で生じた熱により固体電解質を加熱することができる。つまり、電池反応を起こすための燃料ガスと酸素とを、燃焼反応による固体電解質の加熱に用いることができる。
そして、固体電解質をイオン導電性が確保される温度に保つ又は当該温度まで加熱するために必要なエネルギーを燃焼反応によって得ることができる。
また、燃料ガス又は酸素が固体電解質を透過し、こられによる燃焼反応が燃料電池セルの部分又はその近傍において生じる。このため、燃焼反応による熱を固体電解質に与えることができ、迅速に固体電解質を高温にできる。
さらに、従来では別途必要であった固体電解質を加熱するためのバーナーやヒーターなどの加熱手段や、この加熱手段のための燃料の供給手段や電気配線を不要とできる。これにより、燃料電池装置及び燃料電池セルを含む装置の小型化、軽量化が図れる。
また、前記燃料電池セルの前記アノードと前記カソードと前記固体電解質の領域とのいずれかが、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部であることにより、固体電解質の一面にあるアノード、他面側にあるカソード、又は固体電解質の領域において、燃料ガスと酸素とによる燃焼反応が起こることから、固体電解質を迅速に高温にできる。
そして、前記燃焼部は火炎が形成される部分であるため、火炎を伴う燃焼反応によって高いエネルギーが得られ、これにより、イオン導電性を確保できる温度に固体電解質を昇温することができる。
【０００９】
また、前記燃料電池装置において、前記アノード側と前記カソード側との間に差圧を生じさせる圧力制御手段をさらに備えているのが好ましい。
この圧力制御手段によれば、固体電解質を間に挟んだアノード側とカソード側との間に差圧を生じさせることができる。そしてこの差圧により、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素との内の一方の一部が、固体電解質を通じて、他方側へ透過できる。これにより、燃料電池装置の起動時には所定の差圧を生じさせて迅速に固体電解質を昇温でき、電池反応が生じている定常運転時では、前記差圧を小さくして経済的で効率の良い電池反応を継続させることができる。
【００１０】
また、この燃料電池装置において、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御することによって、前記固体電解質の温度を、有効なイオン導電性が得られる発電作動温度以上に維持させる制御手段をさらに備えているのが好ましい。
これによれば、制御手段は、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御することで、固体電解質の温度を所望の発電作動温度以上に維持することができる。
【００１１】
さらに、この場合において、前記制御手段は、前記固体電解質におけるイオン導電率に応じて、燃料ガスと酸素とによる前記燃焼の強さを制御する構成とできる。
この構成によれば、固体電解質におけるイオン導電率は、固体電解質の温度に影響することから、固体電解質におけるイオン導電率が低くなれば、制御手段は燃焼の強さを強める制御を行うことで固体電解質の温度を高め、所定のイオン導電率を得ることができる。一方、固体電解質におけるイオン導電率が所定の値よりも高くなれば、制御手段は燃焼の強さを弱め、発電効率を維持させることができ、又は、燃焼を停止させる制御を行うことで、燃料電池セルにおける電池反応により自ら発生した熱によって熱自立運転が可能となる。
【００１２】
さらに、この場合において、前記制御手段は、前記アノード側と前記カソード側との間の差圧を調整することで、前記固体電解質を透過する燃料ガス又は酸素の量を調整し、前記燃焼の強さを制御する構成とできる。
アノード側とカソード側との間の差圧により燃料ガス又は酸素は固体電解質を透過でき、その差圧の大小により固体電解質を透過する燃料ガス又は酸素の量が調整される。このことから、制御手段はアノード側とカソード側との間の差圧、つまり燃料ガス側と酸素側との差圧を調整することで燃料ガス又は酸素の透過量が調整され、燃焼の強さが制御される。
【００１３】
また、前記燃料電池装置において、前記固体電解質は多孔質とされているのが好ましい。これによれば、固体電解質の全体にわたって燃料ガス又は空気が透過することができ、固体電解質のアノード側又はカソード側の一方の全面において燃焼反応が生じ、固体電解質全体を迅速に高温にできる。
【００１４】
さらに、前記燃焼部は、カソードとされているのが好ましい。このように燃焼部をカソード側とすることで、ＯＨ、Ｏラジカルなどのエネルギーポテンシャルの高い中間生成物が燃焼反応によってカソード側で多く生成され、アノード側への酸素イオンの導電率を高めることができる。そして、カソードにおける活性化分極を抑えることができ、電極触媒として多く使用される触媒の使用量を低減することができる。
【００１５】
また、前記燃料電池装置において、燃料ガスと酸素とによる前記燃焼反応が行われる前記アノード側又は前記カソード側に、着火手段をさらに備えているのが好ましい。
この着火手段の動作により、燃料ガスと酸素とによる燃焼反応を開始できる。特に、燃料電池装置の起動時に、燃料ガスと酸素の一方について固体電解質を透過させるとともに、着火手段を動作させることにより、アノード側又は前記カソード側において燃焼を生じさせることができる。そして、その熱によって固体電解質を迅速に高温とできる。つまり、簡単な構成により迅速なスタートアップ特性を備えた装置が得られる。
【００１６】
また、この発明の燃料電池装置は、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを電池反応させて発電する燃料電池セルを備え、この燃料電池セルは、前記アノード側と前記カソード側との間で前記燃料ガス又は前記酸素の一部を気体として透過させ得る固体電解質を有し、この固体電解質を透過して混合した前記燃料ガスと前記酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質が加熱され、燃料ガスと酸素とによる前記燃焼反応が行われる前記アノード側又は前記カソード側に、着火手段をさらに備えている。
【００１７】
また、この発明の車両は、前記燃料電池装置と、この燃料電池装置による電力によって動作する動作部とを備えた構成とできる。これによれば、前記動作部を車両に搭載させた電気機器とし、燃料電池装置をこの電気機器の動力源となる補助電源とできる。または、前記動作部を車両の走行用の駆動部（走行用モータ）とし、燃料電池装置をこの駆動部の動力源となる主電源とできる。
【００１８】
さらに、この車両は、走行用の燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記走行用の燃料によって駆動する走行駆動部と、前記走行用の燃料の一部を、前記燃料電池装置が備えている前記燃料電池セルの前記アノード側に、前記燃料ガスとして供給する燃料供給部とを備えている構成とできる。
これによれば、燃料タンクにある走行用の燃料を燃料供給部が燃料電池装置へ供給することで、この走行用の燃料を燃料電池装置は発電用の前記燃料ガスとして利用できる。
【００１９】
また、この発明の熱電併給装置は、前記燃料電池装置と、この燃料電池装置から排出される排出ガスの熱を利用する手段とを備えた構成とできる。これにより、燃料電池装置の高温となる排熱を有効に利用でき、エネルギー効率のさらに優れた装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の燃料電池装置の実施の一形態を示す概略構成図である。
【図２】この燃料電池装置の一部を示している模式図である。
【図３】燃料電池装置の全体の構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の燃料電池装置の他の実施の形態の概略を示す断面図である。
【図５】この発明の燃料電池装置を搭載した車両の概略構成を示す説明図である。
【図６】この発明の燃料電池装置を熱電併給装置に用いた概略構成を示す説明図である。
【図７】従来の燃料電池装置の概略構成図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明の燃料電池装置の実施の一形態を示す概略構成図であり、図２はこの燃料電池装置の一部を示している模式図である。図３は燃料電池装置の全体の構成を示すブロック図である。
この燃料電池装置３１は固体酸化物型（固体電解質型）燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、燃料電池セル１は、酸素イオン導電性がある固体電解質２と、その一面側にあるアノード３と、他面側にあるカソード４とを有している。
【００２２】
図２において、燃料電池セル１はケース１０内に収容されており、ケース１０の内部は、この燃料電池セル１によってアノード３側とカソード４側とに区画されている。これにより、ケース１０内において、燃料電池セル１のアノード３側に第一空室部１４が形成され、カソード側４に第二空室部１５が形成されている。
ケース１０は、アノード３側（第一空室部１４）において、燃料ガス（水素又は天然ガスなどの炭化水素ガス）を供給するための第一供給口１１と、第一空室部１４にある燃料ガスを外部に排出することができる排気口２６とが設けられている。また、ケース１０は、カソード４側（第二空室部１５）において、酸素を含む空気を供給するための第二供給口１２と、カソード４側（第二空室部１５）で生じた排気ガスを排出するための排気口１３とが設けられている。これにより、アノード３は燃料ガス側の電極（燃料極）とされ、カソード４が酸素側の電極（空気極）とされている。
【００２３】
そして、燃料電池セル１は、カソード４側の酸素を、固体電解質２において酸素イオンとしてアノード３へ導電させることにより、アノード３側の燃料ガスとによって電池反応させて発電する。
さらに、この固体電解質２はイオン導電性を有しているとともに、アノード３側とカソード４側との間で燃料ガス又は酸素の一部を、気体として透過させることができる構造とされている。従来、固体電解質はアノード３側とカソード４側との間において燃料ガスや空気の移動（通過）を防止している構造（気密構造）とされていた。しかし、この発明では、固体電解質２は、アノード３側とカソード４側との間において燃料ガス又は空気の移動を許容する流路が設けられている構造とされている。具体的には、固体電解質２は多孔質とされており、これにより、アノード３側とカソード４側との間において流路が形成される。なお、アノード３及びカソード４は共に従来燃料電池として使用されているものを用いることができ、両者とも多孔質とされている。これにより、アノード３及びカソード４のそれぞれにおいても、一面側と他面側との間に流路が形成されている。これにより、燃料電池セル１のアノード３側とカソード４側との間に、燃料ガス又は空気の移動を許容する流路が設けられる。
【００２４】
このような固体電解質２によれば、ケース１０内において、第一空室部１４と第二空室部１５との間は燃料電池セル１を介してのみ燃料ガス又は酸素（空気）が移動できる。また、固体電解質２を多孔質とする以外に、図示しないが、燃料ガス又は酸素が移動できる小さな貫通孔を固体電解質２に複数形成した構造とすることもできる。
【００２５】
そして、図２と図３とにおいて、この燃料電池装置３１は、アノード３側（第一空室部１４）とカソード４側（第二空室部１５）との間に差圧を生じさせる圧力制御手段５を備えている。この圧力制御手段５は、アノード３側に燃料ガスを供給するガス供給制御部１６と、カソード４側に空気を供給する空気供給制御部１７とを有している。ガス供給制御部１６は、図外の燃料貯蔵部と繋がっており、燃料貯蔵部からの燃料を燃料ガスとして、その流量、流速、圧力などを調整して第一空室部１４へ供給することができる。また、空気供給制御部１７は、大気側から空気を、その流量、流速、圧力などを調整して第二空室部１５へ供給することができる。
そして、この圧力制御手段５は、アノード３側とカソード４側との差圧を検出する差圧計（図示せず）を有しており、ガス供給制御部１６と空気供給制御部１７との内の少なくとも一方は、この差圧計の計測結果に応じて開閉するサーボ弁（流量調整弁：図示せず）を有している。つまり、差圧計による計測結果を用いて、圧力制御手段５は両者の差圧を調整する。
【００２６】
図２と図３において、アノード３側とカソード４側との差圧の調整を、圧力制御手段５が有している排気制御部１８によっておこなってもよい。この場合、排気制御部１８は流量調整弁２７を備えており、この流量調整弁２７はアノード３側の燃料ガスをケース１０の外部に排出することができる排気口２６と繋がっている。この流量調整弁２７は、アノード３側とカソード４側との差圧が所定の値となるように、燃料ガスの排出量（流量）を制御する。具体的に説明すると、この流量調整弁２７を絞る又は閉じると、第一空室部１４に供給されてくる燃料ガスの内圧が高くなり、燃料ガスの固体電解質２における透過量が増加し、燃焼反応が活発となる。これにより、固体電解質２の温度を上昇させることができ、また起動の際に燃焼反応を生じさせることができる。一方、固体電解質２が所定の温度に達し、連続運転を維持する程度の燃焼（発熱）が必要とされると、又は、熱自立運転が開始されると、流量調整弁２７を開き、第一空室部１４における燃料ガスの内圧を下げ、燃料ガスの透過量を減少又は停止させ、燃焼反応を弱めることができる。このように、流量調整弁２７の開度を調整することで、燃料ガスの透過量が変化し、燃焼反応の強さが調整され、固体電解質２の温度調整が可能となる。
または、前記排気制御部１８は流量調整弁２７を有しており、この流量調整弁２７は、カソード４側（第二空室部１５）で生じた排気ガスを排出する排気口１３と繋がっている構造とすることもできる。この場合、流量調整弁２７が、アノード３側とカソード４側との差圧が所定の値となるように、排気ガスの排出量（流量）を制御する。つまり、流量調整弁２７の開度を調整することで、第二空室部１５側の内圧を調整し、燃料ガスの透過量を変化させる。これにより燃焼反応の強さが調整され、固体電解質２の温度調整が可能となる。
【００２７】
以上の圧力制御手段５によれば、例えば、アノード３側の燃料ガスの圧力をカソード４側の空気の圧力よりも大きくすることによって、その燃料ガスの一部は多孔質とされた固体電解質２を透過してカソード４側へ流れる。そして、この燃料電池セル１では、カソード４側へ透過した燃料ガスと、カソード側４にある空気とが混合し、これらによりカソード４側において燃焼反応を発生させることができ、発生する熱によって固体電解質２は加熱される。さらに、圧力制御手段５は、アノード３側とカソード４側との差圧の変化度を調整することによって、固体電解質２における昇温速度も制御できる。これにより、急激な昇温によって固体電解質２を破損させることが防止される。
このように、この燃料電池セル１において、アノード３側の燃料ガスとカソード４側の酸素とを電池反応させて発電する際に、アノード３側の燃料ガスの一部を固体電解質２を通じてカソード３側へ透過させ、透過して混合した燃料ガスと酸素とによる燃焼反応により当該固体電解質２を加熱する。
【００２８】
さらに、アノード３側の燃料ガスの一部は、電池反応により生成された既反応ガスとともに、カソード４側へ固体電解質２を透過する。そして、電池反応により生成された既反応ガスと、カソード４側の燃焼によって生じた燃焼ガスとはカソード側４の排気口１３から排出される。これによれば、従来アノード３側で電池反応によって生成された既反応ガスは燃料としての燃料ガスと混合され電池反応効率を低下させる原因となっていたが、本発明によれば、既反応ガスをカソード４側へ透過させることができ、電池反応効率を高めることができる。
【００２９】
以上のように、図２に示している実施の形態では、第二空室部１５は燃焼室とされており、燃料電池セル１のカソード４が、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部とされている。このように、固体電解質２に積層状にあるカソード４が燃焼部とされ、この部分及びその近傍部で燃料ガスと酸素とによる燃焼反応が起こることから、固体電解質２をこの熱によって迅速に高温にできる。そして、固体電解質２についてイオン導電性を確保できる温度にまで高温にするために必要なエネルギーを、燃焼反応によって得ることができる。
さらに、このカソード４側が燃焼部とされていることで、ＯＨ、Ｏラジカルなどのエネルギーポテンシャルの高い中間生成物が燃焼反応によって、燃焼過程でカソード４側に多く生成される。これにより、アノード３側への酸素イオンの導電度を高めることができる。そして、カソード４における活性化分極を抑えることができ、電極触媒として使用される触媒の使用量を低減することができる。
【００３０】
さらに、この燃焼部において生じる燃焼反応を、火炎を伴わない燃焼又は火炎を伴う燃焼とすることができる。そして、固体電解質２、その両側のアノード３及びカソード４は多孔質とされていることから、固体電解質２及び両電極の全面にわたって燃料ガスが透過でき、燃料電池セル１の全面において燃焼反応が生じ、固体電解質２全体を迅速に高温にできる。そして、火炎を伴う燃焼の場合、その火炎は拡散火炎や平面火炎として形成される。また、火炎による熱の伝導の点で、燃焼部は固体電解質２の下面側とされるのが好ましい。
このように、燃焼部において定常的に燃焼反応（火炎）を燃料電池セル１上に保持させることができ、固体電解質２を適切な温度、つまり、固体電解質２がイオン導電性を確保できる温度に昇温させることができる。
【００３１】
図３において、この燃料電池装置３１は、燃料ガスと酸素とによる燃焼反応が行われるアノード３側又はカソード４側に、着火手段８を備えている。図２の実施の形態では、カソード４側に着火手段８が設けられる。着火手段８は、例えばカソード４に対してスパークを生じさせるスパークプラグとできる。
この着火手段８の起動により、燃料ガスと酸素とによる燃焼反応を開始できる。特に燃料電池装置の起動時に、アノード３側の燃料ガスについて固体電解質２を透過させるとともに、この着火手段８を起動させることで、カソード４側で燃焼が開始される。そして、この燃焼による熱によって、固体電解質２を、有効なイオン導電性が得られる発電作動温度まで迅速に高温とできる。つまり、迅速なスタートアップが可能となる。
【００３２】
図３において、この燃料電池装置３１は、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御する制御手段（コントローラ）７を備えている。制御手段７は、燃焼の強さ（燃焼の度合い）を制御することで、固体電解質２の温度を、有効なイオン導電性が得られる発電作動温度以上に維持させる。この発電作動温度は燃料電池装置３１において任意に設定することができ、使用する固体電解質２における温度とイオン導電特性との関係などに応じて設定できる。例えば、発電作動温度を３００℃に設定したり、８００℃〜１０００℃に設定したりできる。
【００３３】
この制御手段７によって行われる固体電解質２の温度制御についてさらに説明する。
固体電解質２におけるイオン導電率は固体電解質２の温度に影響することから、固体電解質２におけるイオン導電率が低くなれば、制御手段７は燃焼の強さを強める制御を行う。これにより固体電解質２の温度を高めることができ、所定のイオン導電率を得ることができる。
一方、固体電解質２におけるイオン導電率が所定の値よりも高くなれば、制御手段７は燃焼の強さを弱め、発電効率を維持させることができる。または、制御手段７が燃焼を停止させる制御を行うことで、燃料電池セル１において電池反応で自ら発生した熱のみによる熱自立運転が可能となる。
このように、制御手段７は、固体電解質２におけるイオン導電率に応じて、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御する構成とされている。
【００３４】
そして、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御するための具体的な手段について説明する。
制御手段７は、燃焼の強さを制御するために、アノード３側とカソード４側との間の差圧を調整することで、固体電解質２を透過する燃料ガス又は酸素の量を調整している。つまりアノード３側とカソード４側との間の差圧により燃料ガスは固体電解質２を透過でき、その差圧の大小により固体電解質２を透過する燃料ガスの量が調整される。このことから、制御手段７はアノード３側とカソード４側との間の差圧、つまり燃料ガス側と酸素側との差圧を調整することで固体電解質２を透過する燃料ガスの量を調整し、燃焼（火炎）の強弱の調整を行っている。
【００３５】
さらに具体的に説明すると、図３において、燃料電池セル１には固体電解質２の温度を計測できる温度センサ１９が設けられている。温度センサ１９の計測結果は制御手段７に入力される。制御手段７は温度センサ１９の計測値と、予め制御手段７において設定されている固体電解質２における必要温度（発電作動温度）の設定値とを比較する。計測値が設定値以下であると制御手段７が判定した場合、アノード３とカソード４との間の差圧が大きくなるように圧力制御手段５を動作させる。つまり、制御手段７は、アノード３側の圧力がカソード４側よりもさらに高まるようにガス供給制御部１６又は（及び）空気供給制御部１７、さらには排気制御部１８を動作させる。これにより、固体電解質２における燃料ガスの透過量が増加し、カソード４側における燃焼反応が活発となり、この熱を固体電解質２へ与えて固体電解質２の温度を設定値となるまで上昇させる。
【００３６】
前記温度センサ１９における計測値が設定値を越えていると制御手段７が判定した場合、アノード３とカソード４との間の差圧が小さくなる、又は差圧をゼロとするように圧力制御手段５を動作させる。つまり、制御手段７は、アノード３側とカソード４側との差圧が固体電解質２において燃料ガスが透過しない程度の値となるように、ガス供給制御部１６又は（及び）空気供給制御部１７、さらには排気制御部１８を動作させる。これにより、固体電解質２における燃料ガスの透過が減少、停止し、カソード４側において燃焼反応は弱まり又は、生じない。
【００３７】
さらに、前記温度センサ１９における計測値が設定値以下になったことを制御手段７が判定した場合、制御手段７からの信号によって、圧力制御手段５が前記と同様の動作することで、固体電解質２において燃料ガスの透過が可能となる差圧をアノード３側とカソード４側との間で生じさせるとともに、前記着火手段８が作動し、カソード４側で燃焼反応が生じる。これにより、カソード４側における燃焼による熱を固体電解質２へ与えて固体電解質２の温度を、設定値を越えるまで上昇させる。
このように、制御手段７は、燃料ガスと酸素とによる燃焼の強さを制御することで、固体電解質２の温度を所望の温度以上に維持させることができる。
【００３８】
ここで、本発明の燃料電池セル１が備えている固体電解質２、アノード３、及び、カソード４の具体例について説明する。
固体電解質２としては、例えば、ジルコニア系固体電解質｛Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２（ＹＳＺ）：イットリア安定化ジルコニア、Ｓｃ２Ｏ３−ＺｒＯ２（ＳｃＳＺ）：スカンジア安定化ジルコニアなど｝、ランタンガレート系固体電解質｛（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｇａ，Ｍｇ，Ｃｏ）Ｏ３など｝、又は、セリア系固体電解質｛Ｓｍ２Ｏ３−ＣｅＯ２（ＳＤＣ）、Ｇｄ２Ｏ３−ＣｅＯ２（ＧＤＣ）、Ｙ２Ｏ３−ＣｅＯ２（ＹＤＣ）など｝とすることができる。
【００３９】
アノード３（燃料極）としては、白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、又は、ニッケルなどの金属や、酸化ニッケル、酸化コバルト、又は、酸化銅などの金属酸化物とすることができる。または、サーメットとして、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｎｉ−Ｃｅ（Ｇｄ）Ｏ２−ＹＳＺ、Ｒｕ−ＹＳＺ、Ｐｔ−ＹＳＺ、又は、Ｃｕ−ＣｅＯ２−ＹＳＺなどとすることができる。
カソード４（空気極）としては、白金、金、銀、パラジウム、ルテニウム、又は、ニッケルなどの金属や、酸化ニッケル、酸化コバルト、又は、酸化銅などの金属酸化物や、ランタンマンガナイト｛（Ｌａ）（Ｓｒ）ＭｎＯ：ランタンストロンチウムマンガナイト｝や、ランタンコバルトタイト｛（Ｌａ）（Ｓｒ）ＣｏＯ３：ランタンストロンチウムコバルタイト、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ＬＳＣＦ）など｝とすることができる。または、サーメットとして、Ｎｉ−ＹＳＺ、Ｎｉ−Ｃｅ（Ｇｄ）Ｏ２−ＹＳＺ、Ｒｕ−ＹＳＺ、Ｐｔ−ＹＳＺ、又は、Ｃｕ−ＣｅＯ２−ＹＳＺなどとすることができる。
【００４０】
燃料電池セル１の構造について説明する。
図２において、固体電解質２の厚さｔ１を１０μｍ〜１ｍｍとすることができる。このように、固体電解質２の厚さｔ１を薄くすることによって、固体電解質２における熱容量を極めて小さくできる。これにより、前記燃焼反応によって固体電解質２を簡単に高温にすることができ、僅かなエネルギー（燃料ガス）によって固体電解質２において短時間で適切なイオン導電性が得られる。
また、アノード３とカソード４とを含む燃料電池セル１の厚さｔ２を０．５ｍｍ〜３ｍｍ程度とすることができる。
【００４１】
図４は、本発明の燃料電池セル１を用いた燃料電池装置の他の実施の形態の概略を示す断面図である。この燃料電池セル１は、有底筒状に形成されている複数本の筒状部２１と、この筒状部２１の開口部を相互連結している板状部２２とを有する構造とされている。
この円筒部２１において、その内周面に前記アノード３が設けられ、固体電解質２が介在して、外周面にカソード４が設けられている。
【００４２】
この燃料電池セル１はケース２３内に収容されており、図２の実施の形態と同様に、ケース２３内は、燃料電池セル１によってアノード３側とカソード４側とに区画されている。そして、ケース２３内において、燃料電池セル１のアノード３側に燃料ガスが供給される第一空室部１４が形成され、カソード側４に空気が供給される第二空室部１５が形成されている。
そして、ケース２３は、アノード３側（第一空室部１４）に燃料としての燃料ガスを供給するための第一供給口１１と、カソード４側（第二空室部１５）に酸素を含む空気を供給するための第二供給口１２と、カソード４側（第二空室部１５）で生じた排気ガス（燃焼ガス）を排出するための排気口１３とが設けられている。
この燃料電池セル１を備えた燃料電池装置において、その他の構成、及び、動作は前記実施の形態と同様であり、図３に示した、温度センサ１９、圧力制御手段５、制御手段７及び着火手段８を備えている。
【００４３】
以上の各実施形態の燃料電池装置によって行われる燃料電池作動方法は、固体電解質２を介してアノード４側の燃料ガスとカソード３側の酸素とを電池反応させて発電する際に、一方側にある燃料ガス又は酸素の一部を他方側へ気体として供給し、その供給による前記燃料ガスと前記酸素との燃焼反応により固体電解質２を加熱することによって行われる。そして、図２と図４に示した各実施の形態では、アノード３側の燃料ガスのカソード側４への供給方法は、固体電解質２をガス透過性のある構造、つまり、多孔質構造とすることで行われる。なお、アノード３側の燃料ガス又はカソード４側の酸素の前記供給方法は、図示しないが、一方（第一空室部１４）から他方（第二空室部１５）へ連通させた流量調整バルブ付きのバイパス管によるものがある。または、固体電解質２とは別体で、燃料電池セル１の一部に多孔質の部分を設け、この部分においてアノード３側とカソード４側との間で燃料ガスの透過を行わせる構造とすることもできる。また、この燃料ガスには霧状とされたものを含む。
【００４４】
このような燃料電池装置及び燃料電池作動方法は、化学エネルギーを電気エネルギーへ直接変換することができる固体酸化物型燃料電池において、この化学エネルギーの一部を燃焼によって熱エネルギーに変換するものである。
そして、この装置及び方法によれば、固体電解質２をイオン導電性が確保される温度に保つ又は加熱するために必要なエネルギーを燃焼反応によって得ることができ、固体電解質２を所望の高温にできる。また、この燃焼反応は、電池反応を起こすための燃料ガスと酸素とをケース１０（２３）内においてそのまま用いることができる。このため、従来では別途必要であったバーナーやヒーターなどの加熱手段を不要とできる。
【００４５】
さらに、燃料電池装置を起動するに際し、この燃料電池作動方法を用いて、前記燃焼反応により固体電解質２を加熱するのが好ましい。つまり、本発明の燃料電池装置により、前記燃料電池作動方法を用いることで、固体電解質２は迅速に高温となることができ、発電開始が可能となる。従来では燃料電池装置の起動から発電開始までの起動時間が１０〜３０分、小型の装置であっても５〜１０分が必要とされていたが、本発明によれば、燃料電池セル１部分における燃焼反応の熱によって固体電解質２を迅速に加熱でき、起動時間を５〜３０秒とすることが可能となり、迅速なスタートアップが図れる。
【００４６】
そして、前記各実施の形態による燃料電池装置が搭載された車両について、図５により説明する。この車両は、前記燃料電池装置３１と、この燃料電池装置３１による電力によって動作する動作部３２とを備えている。
この動作部３２を車両に搭載された電気機器とした場合について説明する。このような電気機器については様々なものとすることができるが、この電気機器を空調設備（カーエアコン）３３とした場合について説明する。この場合、燃料電池装置３１をこの空調設備３３の動力源となる補助電源とすることができる。
【００４７】
ここで、従来車両において、空調設備３３を例えば冷房として作動させるためには、停車中であってもエンジンを動作状態（アイドリング状態）とすることが必要とされている。つまり、空調設備３３は、エンジンの回転によって電力を得ている。特に車両がタクシーである場合、客待ち状態では停車状態にあるが、空調設備３３を動作させるためにエンジンを動作させておく必要がある。このようにエンジンを動作させておくために多くの燃料が消費されている。
しかし、前記燃料電池装置３１を補助電源（アイドルストップ用補助電力源）として車両に搭載させることで、エンジン３４を停止させた状態であっても、この燃料電池装置３１からの電力によって空調設備３３を動作させることができる。この発電のための燃料消費は、エンジン３４を動作させておくために消費する燃料よりも少なくて済む。
【００４８】
特に、タクシーの場合、客待ちなどの停車時間が長く、走行のため以外に燃料消費が多く生じていたが、本発明によればこれを解消できる。これにより、例えば夏期において、エンジン３４を停止させた状態で、空調設備３３を動作させて客待ちができ、乗客に快適な室内を常時提供できる。
【００４９】
さらに、この車両において、走行用の燃料を貯蔵する燃料タンク３５と、この走行用の燃料によって駆動する駆動部としてのエンジン３４と、走行用の燃料の一部を前記燃料ガスとして供給する燃料供給部（ポンプ）３６とを備えており、この燃料供給部３６は、燃料電池装置３１が備えている燃料電池セルのアノード側に走行用の燃料の一部を供給する。この構成によれば、燃料供給部３６が走行用の燃料を燃料電池装置３１へ供給することで、この走行用の燃料の一部を燃料電池装置３１において発電用の燃料ガスとして利用している。
つまり、ＬＰＧ（液化石油ガス）車両や、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）車両の場合、エンジン３４のための走行用の燃料を、そのまま燃料電池装置３１において発電用の燃料としても利用できる。
【００５０】
また、本発明の燃料電池装置が搭載された車両の他の実施の形態として、燃料電池装置３１による電力によって動作する動作部３２を車両走行用のモータ３４とし、燃料電池装置３１をこのモータ３４の動力源となる主電源とすることもできる。
ここで、従来このような燃料電池を搭載する燃料電池自動車（ＦＣＶ）では、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が採用されている。これは、１００℃程度の温度で燃料電池が動作可能であるために、その起動性が良好であるからである。しかし、本発明によれば、クイックスタートが可能とされるため、主電源として採用できる。
【００５１】
さらに、従来の固体高分子型燃料電池に用いられている水素イオン導電性ポリマーは長期安定性に劣るため電池性能が劣化しやすく、また、燃料として９９．９９％以上の高純度な水素が必要であり、燃料の製造、運搬及び貯蔵方法などの困難性が課題とされている。しかし、本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、長期的な安定性、信頼性があり、エネルギー変換効率も高く、さらに、電池反応用の燃料として、走行用の炭化水素系燃料を直接用いることができ、燃料電池自動車に好適なものとなる。
【００５２】
また、本発明の燃料電池装置３１を車両以外の他の装置へ用いた場合の実施の形態について図６により説明する。例えば、この燃料電池装置３１を熱電併給装置に用いることができる。この熱電併給装置は、前記燃料電池装置３１と、この燃料電池装置３１から排出される排出ガスの熱を利用する手段（熱交換器）３８とを備えている。これによれば、燃料電池装置３１において迅速な起動が可能であると共に、燃料電池セル１からの高い排熱温度を利用でき、エネルギー効率のより優れた装置が得られる。
【００５３】
以上のように、本発明の燃料電池装置は様々な装置に適用、搭載可能とされる。つまり、迅速な起動性を有し、外部から別途加熱を必要としない熱自立運転が可能であるため、家庭用コジェネレーションシステムのような定置型小型装置のみならず、燃料電気自動車の動力発生システムとしても採用できる。
また、燃料電池装置の大きさも、１ｋｗ級の小規模用のものから、大規模のものも可能となる。そして、燃料として炭化水素系燃料を用いることができ、発電効率は５０％を越えることが期待できる。さらに、定置型の装置として用いた場合、この燃料電池装置によれば、発電時に発生し排気された排出ガス温度が高いため、この排熱を有効に利用でき、コジェネレーションシステムに好適とされる。または、大型とした燃料電池装置とガスタービンエンジンとを組み合わせることで、大型の発電装置の発電効率をより向上させることができる。
【００５４】
また、本発明の燃料電池セルは、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであっても良く、燃料電池セルのアノードとカソードと固体電解質の領域とのいずれかを、燃料ガスと酸素とによって前記燃焼反応が行われる燃焼部とすることができる。つまり、前記の各実施の形態では燃焼部をカソード側としたが、アノード側又は固体電解質の領域としてもよい。
アノード側を燃焼部とした場合、図２と図３を参考に説明すると、圧力制御手段５は、空気極であるカソード４側を燃料極であるアノード３側よりも圧力（内圧）を高くした状態とし、酸素をアノード３側へ多孔質とされた固体電解質２を透過させればよい。そしてこの場合、着火手段８をアノード３側へ設け、制御手段７によって、前記実施形態と同様に制御を行えばよい。なお、燃焼部における排気の点を考慮すると、燃焼反応による排気ガスを残余の空気とともに外部へ排出できるため、燃焼部を空気側であるカソード側とするのが好ましい。
また固体電解質の領域を燃焼部とできる。つまり、アノード側の燃料ガスとカソード側の酸素とを共に、多孔質とされた固体電解質を両側からそれぞれ透過させ、この固体電解質の領域内で燃料ガスと酸素とを混合させ、燃焼反応を行わせても良い。
【００５５】
以上のように、この発明によれば、電池反応を生じさせるための燃料ガスと酸素とを用いて、燃料電池セルにおいて燃焼反応を生じさせ、その燃焼反応による熱を固体電解質に与えることができるため、固体電解質を迅速に高温にすることができる。
【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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