(57)【要約】【課題】  起動時間を短縮化し、さらに局部加熱や面内温度差による熱歪みを原因とする発電セルの破損等を防止できる燃料電池の提供を課題とする。【解決手段】  装置本体（１）内に、複数の発電セルを積層した燃料電池スタック（３）と、この燃料電池スタックの周囲に設けられ、上記発電セルを起動時に発電反応開始温度以上に昇温させる放熱手段（４）と、この放熱手段と上記燃料電池スタックとの間に配設され、上記放熱手段から放出された熱を一時的に吸収して上記発電セルへ輻射する輻射板（５）とを設けた。また、この輻射板（５）は、上記放熱手段と対向する面（５１）より上記燃料電池スタックに向かう面（５２）の輻射率を高くして、好ましくはその外法を放熱手段（４）の外法以上の大きさにして、複数の燃料電池スタックが設けられている場合には燃料電池スタック間に配設した。【選択図】  図１
2007026929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置本体内に、複数の発電セルを積層した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの周囲に設けられ、上記発電セルを起動時に発電反応開始温度以上に昇温させる放熱手段と、この放熱手段と上記燃料電池スタックとの間に配設され、上記放熱手段から放出された熱を一時的に吸収して上記発電セルへ輻射する輻射板とが設けられており、
上記輻射板は、上記放熱手段と対向する面より上記燃料電池スタックに向かう面が、輻射率が高いことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
上記放熱手段は、その上端が上記燃料電池スタック上端より下方に位置し、かつ、その下端が上記燃料電池スタック下端と同一高さ又はそれより下方に位置するように配設されており、
上記輻射板は、その外法が放熱手段の外法以上の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
上記燃料電池スタックは、上記装置本体内に複数配設されており、かつ、
上記放熱手段及び輻射板は、上記燃料電池スタック間の外方に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起動時に燃料電池スタックを効率的に予熱することができる燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料電池の一種として、固体電解質層の両側を空気極層（カソード）及び燃料極層（アノード）で挟んだ積層構造を有する発電セルと、セパレータとが直列的に複数段積層された燃料電池スタックを具備する燃料電池が開発されている。
【０００３】
この空気極層及び燃料極層は多孔質層からなり、燃料極層には、燃料ガス（Ｈ2ＣＨ4等）が供給される。
他方、空気極層には、空気（Ｏ2）が供給され、この空気は、電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）になりながら、空気極層の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に達する。さらに、この酸化物イオンは、固体電解質層内を燃料極層の方向に向かって拡散移動して、燃料極層の近傍に到達すると、上記燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ）を生じ、燃料極層に電子を放出する。この放出された電子が燃料電池の起電力となる。
【０００４】
一方、上述の発電セルの反応を開始するためには、特許文献１に示すように、４００℃〜６００℃の温度が必要とされるため、例えば、燃料電池スタックの外周に、起動時に上記燃料電池スタックを上記温度まで昇温させるための電気ヒータやバーナー等の加熱装置を設けた燃料電池が開発されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３３５１６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この燃料電池は、上記加熱装置によって発電セルを直接的に加熱するため、加熱装置の正面に位置する発電セルの一部を急速に昇温させるものの、その他の部分を昇温させるのに時間がかかり、起動時間が必要になるという問題がある。
【０００７】
また、この発電セルは、直接的に加熱されて局部的に高温になることによる熱歪みや、上記面内温度差による熱歪みにより、破損等の恐れがある。
【０００８】
そこで、本発明は、起動時間を短縮化し、さらに局部加熱や面内温度差による熱歪みを原因とする発電セルの破損等を防止できる燃料電池の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記請求項１に記載の発明は、装置本体内に、複数の発電セルを積層した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの周囲に設けられ、上記発電セルを起動時に発電反応開始温度以上に昇温させる放熱手段と、この放熱手段と上記燃料電池スタックとの間に配設され、上記放熱手段から放出された熱を一時的に吸収して上記発電セルへ輻射する輻射板とが設けられており、上記輻射板は、上記放熱手段と対向する面より上記燃料電池スタックに向かう面が、輻射率が高いことを特徴とする燃料電池である。
【００１０】
上記請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池において、上記放熱手段の上端が上記燃料電池スタック上端より下方に位置し、かつ、放熱手段の下端が上記燃料電池スタック下端と同一高さ又はそれより下方に位置するように配設されており、上記輻射板の外法が放熱手段の外法以上の大きさであることを特徴とするものである。
【００１１】
上記請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池において、上記燃料電池スタックが、上記装置本体内に複数配設されており、かつ、上記放熱手段及び輻射板が、上記燃料電池スタック間の外方に配設されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
上述の請求項１に記載の発明によれば、放熱手段と燃料電池スタックとの間に設けられた輻射板は、放熱手段から放出された熱を一時的に吸収して上記発電セルへ輻射するため、放熱手段から放出された熱を、輻射板の燃料電池スタックに向かう面から輻射熱として、装置本体中央部に向けて供給して、残部の熱を、輻射板の周囲から装置本体内全体へ供給する。そして、燃料電池スタックは、これら両方の熱により加熱されることにより、均一的に加熱される。その結果、燃料電池の起動時間を短縮することができる。
【００１３】
また、この輻射板は、放熱手段と対向する面より発電セルに向かう面の輻射率が高いため、放熱手段から吸収した熱を、専ら燃料電池スタックに向かう面から輻射する。このため、放熱手段からの熱を効率的に燃料電池スタックへ供給することができる。
【００１４】
一方、燃料電池スタックは、放熱手段と燃料電池スタックとの間に輻射板が設けられているため、直接的に放熱手段から放出された熱に触れることがなく、発電セルの局部加熱による熱歪みが防止される。また、上記のように均一的に加熱されるため、発電セルの面内温度差による熱歪みも防止され、これらの熱歪みを原因とする破損が阻止される。
【００１５】
その結果、燃料電池は、放熱手段からの放熱量を多くしても、発電セルの破損の恐れがないため、放熱量を調整することにより、起動時間をより短縮することができる。
【００１６】
上述の請求項２に記載の発明によれば、上記放熱手段は、その上端が上記燃料電池スタック上端より下方に位置し、かつ、その下端が上記燃料電池スタックの下端と同一高さ又はそれより下方に位置するように配設されているため、通常、温度上昇し難い装置本体下部に位置する発電セルを、効率的に発電反応開始温度以上に昇温させることができる。
【００１７】
また、上記輻射板は、その外法が放熱手段の外法以上の大きさであるため、燃料電池スタックへの直接的な加熱を確実に防止することができる。
【００１８】
上述の請求項３に記載の発明によれば、上記放熱手段及び輻射板は、上記燃料電池スタック間の外方に配設されているため、輻射板の燃料電池スタックに向かう面から燃料電池スタック間へ輻射して、燃料電池スタックの放熱手段近傍部だけでなく、燃料電池スタック間に輻射熱を行き渡らせることにより、燃料電池スタックのその他の部分を効率的に昇温させることができる。これにより、装置本体内に設けられた燃料電池スタック全体を均一的に昇温させることができる。
また、燃料電池スタック毎に配設されるよりも上記放熱手段及び輻射板の設置数が減少するため、装置本体を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る燃料電池の一実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。
【００２０】
本実施形態における燃料電池は、装置本体１が略直方体（立方体を含む、以下同様）状であり、周縁部１０に断熱部材２が設けられている。また、中央部１１は、略直方体状の空洞になっており、４基の燃料電池スタック３が装置本体１の中心部に点対称に配設されている。
この燃料電池スタック３は、円形の発電セルと方形のセパレータとが、交互に複数段積層されることにより、略直方体状に組まれたものである。
【００２１】
さらに、この発電セルは、固体電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ積層構造体に対して、燃料極層外側に燃料極集電体を、空気極層外側に空気極集電体を設けてなる。また、外周部にガス漏れ防止用シールを敢えて設けないシールレス構造を採用しており、発電セルからの排ガスが外周部より放出されるようになっている。
【００２２】
ここで、固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等、燃料極層はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメット、空気極層はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で各々構成されている。また、燃料極集電体はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板（発泡金属板）、空気極集電体はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板（発泡金属板）で各々構成されている。
他方、上記セパレータは、ステンレス板（部材）で構成されている。
【００２３】
一方、上記断熱部材２のうち装置本体１の四側面に設けられた断熱部材２は、燃料電池スタック３間に臨む位置に、各々直方体状の空洞２０が設けられている。
この空洞２０には、各々バーナー４（放熱手段）が設置されており、このバーナー４は、燃料電池スタック３側に向けて放熱する方形板状の燃焼面４０を備えている。
この燃焼面４０は、空洞２０の開口部を塞いで、断熱部材２の内壁面１２と連続した面を構成している。
【００２４】
また、この燃焼面４０は、図２に示すように、その上端が燃料電池スタック３の上端より下方に位置し、かつ、その下端が燃料電池スタック３の下端より下方に位置するように配設されている。
このようにして、バーナー４は、４箇所に設置されており、各々起動時に上記発電セルを発電反応開始温度（例えば５５０℃）以上に昇温させるに十分な加熱容量を有している。
【００２５】
一方、バーナー４と燃料電池スタック３との間には、各々バーナー４の燃焼面４０と平行に、バーナー４から放出された熱を一時的に吸収する輻射板５が設けられている。この輻射板５は、その寸法幅がバーナー４よりも大きい板状の例えばステンレス鋼からなり、燃料電池スタック３に向かう輻射面５２には、例えば黒色耐熱塗料を塗布して、輻射率が高くなるように表面処理が施されている。この結果、バーナー４と対向する吸熱面５１の輻射率より輻射面５２の輻射率が高く、一時的に吸収した熱を専ら輻射面５２から輻射するようになっている。
【００２６】
また、この輻射板５は、その上下端部がバーナー４の燃焼面４０の上下端部と同一高さであり、その左右端部がバーナー４の燃焼面４０より外側に位置する。
さらに、この輻射板５は、吸熱面５１がバーナー４の燃焼面４０から５０ｍｍ〜９０ｍｍに位置する範囲内で、バーナー４に対して離接する方向に移動可能に設けられている。
【００２７】
次に、上述の燃料電池の作用及び効果について、説明する。
燃料電池を起動する際に、まず、装置本体１の外部から高温ガスを燃料電池スタック３の内部に供給するとともに、バーナー４を点火する。
【００２８】
すると、上記高温ガスは、セパレーターを通じて発電セルに供給され、内部から燃料電池スタック３を加熱する。
これと並行して、バーナー４の燃焼面４０から、中央部１１側に熱が放出される。この熱の多くは、バーナー４と燃料電池スタック３との間に設けられた輻射板５の吸熱面５１に一時的に吸収されて、輻射面５２から燃料電池スタック３へ輻射熱として供給される。
この際、燃焼面４０の下端が燃料電池スタック３の下端より下方に位置するように配設されているため、装置本体１下部に位置する燃料電池スタック３の発電セルを効率的に加熱する。さらに、吸熱面５１より輻射面５２の輻射率が高いため、バーナー４から吸収した熱が、専ら輻射面５２から輻射され、４基の燃料電池スタック３間に設けられた隙間に効率的に行き渡る。
一方、燃焼面４０から放出された残部の熱は、吸熱面５１の周囲から装置本体１内全体へ供給される。
【００２９】
この残部熱と輻射熱との割合は、輻射板５を、吸熱面５１がバーナー４の燃焼面４０から５０ｍｍ〜９０ｍｍに位置する範囲内で、バーナー４に対して離接する方向に移動させることにより調整される。
【００３０】
その結果、燃料電池スタック３全体は、その内部に供給される熱に加えて、輻射板５の輻射面５２から輻射される輻射熱と、吸熱面５１の周囲から装置本体１内全体へ供給される熱とにより、均一的に昇温される。これにより、燃料電池を、例えば４時間で起動させることが可能となる。
【００３１】
その上、燃料電池スタック３は、バーナー４と燃料電池スタック３との間に、左右端部が燃焼面４０より外側に位置する輻射板５が設けられているため、燃焼面４０の左右端部からも直接的に加熱されることなく、発電セルの局部加熱による熱歪みが確実に防止される。また、上記のように均一的に加熱されるため、発電セルの面内温度差による熱歪みも防止され、これらの熱歪みを原因とする発電セルの破損が阻止される。
その結果、燃料電池は、バーナー４の燃焼面４０からの放熱量を多くすることができ、起動時間の一層の短縮が可能となる。
【００３２】
また、バーナー４が、燃料電池スタック３間に臨む位置に各々配設（合計４台）されているため、各々燃料電池スタック３の側面に臨む位置に配設（合計８台）されるよりも設置台数が減少して、燃料電池の装置本体１を小型化することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものではなく、例えば、燃料電池スタック３は、４台に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態として示した燃料電池スタック３の平断面模式図であり、かつ、図２のＩ−Ｉ平断面図である。
【図２】本発明の一実施形態として示した燃料電池スタック３の従断面模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・装置本体
３・・・燃料電池スタック
４・・・バーナー（放熱手段）
５・・・輻射板
５１・・・吸熱面（放熱手段と対向する面）
５２・・・輻射面（燃料電池スタックに向かう面）
【図１】
2007026929.tif 000003
【図２】
2007026929.tif 000004