以下、本発明に係る平板積層型の固体酸� ��物形燃料電池の実施形態を、図1~図7Bを用い て説明する。

 本実施形態に係る燃料電池は、図5に示すよ うに、固体電解質層11の一方の面に燃料極層1 2が配置されるとともに、他方の面に空気極� �(酸化剤極層)13が配置された発電セル16を、� �パレータ2を介して複数積層した外観視略矩� ��柱状の燃料電池スタック10を有して構成さ� �ている。
 また、発電セル16の燃料極層12とセパレータ 2との間には、燃料極集電体14が配置されると ともに、空気極層13とセパレータ2との間には 、空気極集電体15が配置されている。

 ここで、この固体電解質層11は、イットリ� �を添加した安定化ジルコニア(YSZ)あるいはラ ンタンガレート材料(LaGaO ₃ )等で円板状に構成され、燃料極層12はNi等の� ��属あるいはNi-YSZ等のサーメットで円状に形� ��され、空気極層13はLaMnO ₃ 、LaCoO ₃ 等で円状に形成されている。また、燃料極集 電体14はNi等のスポンジ状の多孔質焼結金属� �で円板状に構成され、空気極集電体15はAg等� ��スポンジ状の多孔質焼結金属板で円板状に� ��成されている。

 さらに、セパレータ2は、図6に示すよう� �、厚さ数mmの略方形状のステンレス製の板材 で構成されており、上述した発電セル16、各� ��電体14、15が積層される中央のセパレータ本 体21と、このセパレータ本体21より面方向に� �設されて、当セパレータ本体21の対向縁部を 2箇所で支持する一対のセパレータアーム24、 25とで構成されている。

 そして、セパレータ本体21は、集電体14、 15を介して発電セル16間を電気的に接続する� �共に、発電セル16に対して反応用ガスを供給 する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパ レータ2の縁部から導入してセパレータ2の燃� ��極集電体14に対向する面の中央部の吐出口2x から噴出させる燃料ガス通路22と、酸化剤ガ� ��(空気)をセパレータ2の縁部から導入してセ� ��レータ2の空気極集電体15に対向する面の中� ��部の吐出口2yから噴出させる酸化剤ガス通� �23とを有する。

 また、各セパレータアーム24、25は、それぞ れセパレータ本体21の外周辺に沿って僅かな� ��間を持って対向角隅部に延設される細長帯� ��として積層方向に可撓性を持たせた構造と� ��れると共に、これらセパレータアーム24、25 の端部26、27に板厚方向に貫通する一対のガ� �孔28x、28yが設けてある。
 一方のガス孔28xはセパレータ2の燃料ガス通 路22に連通し、他方のガス孔28yはセパレータ2 の酸化剤ガス通路23に連通し、各々のガス孔2 8x、28yからこれらのガス通路22、23を通して各 発電セル16の各電極12、13面に燃料ガスや酸化 剤ガスを供給するようになっている。

 そして、各セパレータ2の本体21間にそれ� ��れ発電セル16および集電体14、15を介在させ� ��とともに、各セパレータ2のガス孔28x、28y間 に各々絶縁性のマニホールドリング29を介在� ��せることによって、ガス孔28xおよびマニホ� ��ルドリング29によって構成された燃料ガス� �ニホールド48と、ガス孔28yおよびマニホール ドリング29によって構成された空気マニホー� ��ド54とを有する外観視略矩形柱状の燃料電� �スタック10が構成される。

 このようにして構成された燃料電池スタ� ��ク10は、矩形筒状の側板3aと天板と底板とに よって構成された内部缶体3内の中央部に、� �横方向に複数行(本実施形態においては2行)� �数列(本実施形態においては2列)に並べて多� �配置されるとともに、各燃料電池スタック10 が外周面を側板3a面と平行に、かつ互いの間� ��隙間を空けて、架台33に載置された状態で� �置される。これにより、平面的に多数(本実� ��形態においては4個)配置され、さらに、上� �高さ方向にも複数(本実施形態においては4個 )配置されることによって、内部缶体3内には� ��上下高さ方向に向けて配置された複数の燃� ��電池スタック10によって構成される燃料電� �スタック群1a~1dが配置されている。

 そして、これらのスタック群1a~1dの隙間に� �、横断面十字状の改質器45が配置されており 、この改質器45は、最上段の燃料電池スタッ� ��10同士の間から最下段の燃料電池スタック10 同士の間まで延在する高さを有している。
 一方、内部缶体3の一方の対向側板3aに沿っ� ��、直方体状の筺体からなる2つの燃料熱交換 器44a、44bが配設されており、これらの燃料熱 交換器44a、44bは、それぞれ2つのスタック群1a および1b、または1cおよび1dに対向するように 配設されている。そして、これらの燃料熱交 換器44a、44bの導入側には、それぞれ内部缶体 3の外部に燃料ガスの導入口を有する燃料配� �39が接続されるとともに、燃料熱交換器44a、 44bの排出側は、それぞれ改質器45に接続され� ��いる。
 このため、改質器45の天井面には、燃料熱� �換器44a、44bから接離方向に延在している翼� �45a、45bの燃料熱交換器44a、44b側の端部に、� �れぞれ燃料配管49が接続されており、これら 燃料配管49の他端部がそれぞれ燃料熱交換器4 4a、44bの上部に接続されている。

 また、内部缶体3は、外周が断熱材31によっ� ��覆われており、4枚の側板3aには、それぞれ� ��方向中央部、かつ上下方向中央部に、缶体� ��に向けて放熱する起動用の赤外線バーナ6a~6 dが背面側を断熱材31に埋設した状態で設置さ れている。
 そして、これら4基の赤外線バーナ6a~6dは、� ��々図7Aおよび図7Bに示すように、細長箱形に 形成されたSUS製の内箱61と、その前面開口部� ��取り付けられた多孔質セラミックス製板材� ��燃焼プレート66と、内箱61の背面部に形成さ れたガス導入口63に接続されたバーナ用燃焼� ��スを供給する供給配管67とによって構成さ� �ている。この内箱61は、その背面部に一回り 大きい同形状のSUS製の外箱62が重ねられると� ��もに、これら内箱61と外箱62は、それぞれの 周縁部に設けたフランジ61m、62mが重なり合っ て一体的に固定されることにより、両者の間 に空気流路69が形成されている。

 加えて、外箱62の長手一端部における空気� �路69の導入口には、内部缶体3外部に空気導� �口を有する空気配管64が接続され、かつ空気 流路69の他端部は、空気配管65を介して後述� �空気熱交換器52a、52bの導入側に接続されて� �る。
 これによって、この供給配管67から混合ガ� �が供給されることにより、内箱61は混合ガス が充満した燃焼用の混合ガス室として機能す るとともに、起動時に空気配管64から空気流� ��69に空気が供給されることにより、空気流� �69の空気が加熱されることから、各赤外線バ ーナ6a~6dと外箱62とによってそれぞれ起動用� �気加熱器51a~51dが構成される。また、各外箱6 2は、それぞれ赤外線バーナ6の冷却機構とし� ��も機能する。

 そして、この赤外線バーナ6a、6cの燃焼プレ ート66と、上記燃料熱交換器44a、44bとの間に� ��、直方体状の筺体からなる起動用水蒸気発� ��器43a、43bが配設されており、この起動用水� ��気発生器43a、43bは、燃焼プレート66からの� �射熱を効率的に吸収すべく、側面視におい� �燃焼プレート66と重なる位置、特に、本実施 形態においては水蒸気発生器43a、43bの上下方 向中央部に燃焼プレート66が位置するように� ��置されている。
 そして、この起動用水蒸気発生器43a、43bは� ��それぞれ排出側が図示されない水蒸気配管� ��介して燃料配管39に接続されているととも� �、それぞれ導入側に水蒸気バッファタンク42 がその上流側に水蒸気発生器41を配して接続� ��れている。

 他方、内部缶体3の他方の対向側板3aに沿� ��て、直方体状の筺体からなる2つの空気熱交 換器52a、52bが配設されており、これらの空気 熱交換器52a、52bは、それぞれ2つの燃料電池� �タック群1bおよび1c、または1dおよび1aに対向 するように配設されている。そして、これら の空気熱交換器52a、52bの上部に接続された空 気配管56の他端部は、それぞれ燃料電池スタ� ��ク群1aおよび1b、または1cおよび1dに酸化剤� �スを供給する空気バッファタンク53a、53bに� �続されている。従って、空気バッファタン� �53a、53bの導入側には、各々空気熱交換器52a� �52bが接続され、さらに、内部缶体3の外部に� ��気の導入口を有する空気配管59がそれぞれ� �続されている。

 また、各空気熱交換器52a、52bと、赤外線� ��ーナ6b、6dの燃焼プレート66との間には、そ� ��ぞれ直方体状の筺体からなる起動用改質器4 6a、46bが配設されており、各起動用改質器46a� ��46bは、それぞれ燃焼プレート66からの輻射� �を効率的に吸収すべく、側面視において燃� �プレート66と重なる位置、特に、本実施形態 においては起動用改質器46a、46bの上下方向中 央部に燃焼プレート66が位置するように配置� ��れている。そして、各起動用改質器46a、46b� ��下部には、各々改質器45の下部の排出口に� �続された燃料配管(図示を略す)の他端部が接 続されており、各起動用改質器46a、46bの上部 の排出口に接続された燃料配管(図示を略す)� ��他端部は、それぞれ燃料電池スタック群1b� �よび1c、または1dおよび1aに燃料ガスを供給� �る燃料バッファタンク47a、47bにそれぞれ接� �されている。

 これにより、燃料ガスの導入口を有する燃� ��配管39と、燃料熱交換器44a、44b、改質器45、 起動用改質器46a、46bおよび燃料バッファタン ク47a、47bを上流側から下流側に向けて順に接 続して、各燃料電池スタック10に燃料ガスを� ��質した改質ガスを供給する配管49などの燃� �配管とによって燃料ガス供給ライン40が構成 されている。また、上流側から下流側に向け て、水蒸気発生器41、水蒸気バッファタンク4 2および起動用水蒸気発生器43a、43bを順に接� �して、燃料ガス供給ライン40に水蒸気を供給 する水蒸気配管によって水蒸気供給ライン60� ��構成されている。
 他方、空気の導入口を有する空気配管64と� �起動用空気加熱器51a~d、空気熱交換器52a、52b および空気バッファタンク53a、53bを上流側か ら下流側に向けて順に接続して、空気を各燃 料電池スタック10に供給する配管65、56などの 空気配管とによって起動時空気供給ライン50� ��構成されている。また、空気の導入口を有� ��る空気配管59と、空気バッファタンク53a、53 bおよび燃料電池スタック10を接続する空気配 管とによって運転時空気供給ライン55が構成� ��れている。

 次いで、上記固体酸化物形燃料電池の作用� ��ついて説明する。
 燃料電池を起動する際に、まず、供給配管6 7にバーナ燃料ガスを供給して、赤外線バー� �6a~6dを点火する。これと並行して、燃料ガス を、燃料配管39の導入口から燃料ガス供給ラ� ��ン40に供給するとともに、外部空気を、空� �配管64の導入口から起動時空気供給ライン50� ��供給し、かつ水蒸気発生器41を作動させる� �

 すると、赤外線バーナ6a~6dの燃焼プレート66 からの放熱により、漸次燃焼電池スタック10� ��昇温するとともに、内部缶体3内の温度も上 昇する。それと同時に、水蒸気発生器41の作� ��により水蒸気供給ライン60を通じて供給さ� �る水蒸気は、水蒸気バッファタンク42で加熱 されつつ二分されて、起動用水蒸気発生器43a 、43bに供給される。次いで、この起動用水蒸 気発生器43a、43bにおいて赤外線バーナ6a、6c� �よって十分に加熱されて燃料ガス供給ライ� �40に供給されて、燃料配管39の排出側におい� ��燃料ガスと混合される。
 一方、燃料ガス供給ライン40に供給された� �料ガスは、燃料配管39の導入側において二分 された後に、それぞれ水蒸気供給ライン60か� ��供給された水蒸気と混合されつつ燃料熱交� ��器44a、44bに供給されて、内部缶体3内の温度 雰囲気によって間接的に加熱され、次いで燃 料配管49を通じて翼部45aと45bとからそれぞれ� ��質器45に導入される。

 これにより、燃料ガスは、改質器45にお� �て一部改質された状態で図示されない2本の� ��料配管を通じて、それぞれ赤外線バーナ6b� �6dによって直接的に輻射熱で加熱される起動 用改質器46a、46bに供給され、次いで、起動用 改質器46a、46bによって十分に改質されて改質 ガスとなって燃料バッファタンク47a、47bに供 給される。すると、この改質ガスは、燃料バ ッファタンク47a、47bから燃料電池スタック群 1bおよび1c、または1dおよび1aの各燃料電池ス� ��ック10の燃料ガスマニホールド48に分散供給 される。そして、燃料ガスマニホールド48か� ��セパレータ2の燃料ガス通路22を通じて吐出� ��2xに至り、この吐出口2xから燃料極集電体14� ��拡散移動し、さらに、燃料極層12を固体電� �質層11側に向けて移動する。

 他方、上記起動時空気供給ライン50に供給� �れた空気は、空気配管64から各起動用空気加 熱器51a~51dに供給されて、赤外線バーナ6a~6dを 冷却しつつ直接的に加熱された後に合流して 、2基の空気熱交換器52a、52bによって間接的� �加熱され、その後、空気バッファタンク53a� �53bに供給される。
 すると、この空気は、空気バッファタンク5 3a、53bから燃料電池スタック群1aおよび1b、ま たは1cおよび1dの各燃料電池スタック10の空気 マニホールド54に分散供給される。そして、� ��気マニホールド54からセパレータ2の酸化剤� ��ス通路23を通じて吐出口2yに至り、この吐出 口2yから空気極集電体15を拡散移動し、さら� �、空気極層13において空気中の酸素が電子を 受け取って酸化物イオンとなる。この酸化物 イオンは、燃料極層12に向かって固体電解質� ��11内を拡散移動し、これによって、燃料極� �12との界面近傍に到達した酸化物イオンは、 この部分で改質ガスと反応して水蒸気などの 反応生成物を生じ、燃料極層12に電子を放出� ��る。

 このような電極反応は、起動時では空気温� ��や改質ガス温度が低いことに加えて、燃料� ��池スタック10の温度も低いために進行が遅� �なるものの、内部缶体3内の温度が高くなる� ��連れて速くなる。
 そこで、内部缶体3内の温度が高くなった発 電時には、上記空気の供給を起動時空気供給 ライン50から運転時空気供給ライン55に、す� �わち、空気配管64から空気配管59に切り換え� ��とともに、赤外線バーナ6a~6dの作動を停止� �る。
 すると、上記空気は、空気配管59において� �分されて、2基の空気バッファタンク53a、53b� ��供給される。次いで、起動時と同様に、空� ��バッファタンク53a、53bから燃料電池スタッ� ��群1aおよび1b、または1cおよび1dの各燃料電� �スタック10の空気マニホールド54に分散供給� ��れて、改質器45によって十分に改質された� �質ガスと固体電解質層11の燃料極層12との界� ��近傍で反応する。
 その際、燃料ガスは、赤外線バーナ6a~6dの� �動停止によって起動用水蒸気発生器43a、43b� �起動用改質器46a、46bにおいて充分に加熱さ� �なくても、改質器45や水蒸気バッファタンク 42において充分に加熱されることから、改質� ��スとなって上述のように酸化物イオンと反� ��する。

 本実施形態の固体酸化物形燃料電池によれ� ��、燃料ガス供給ライン40に起動用改質器46a� �46bを介装し、水蒸気供給ライン60に起動用水 蒸気発生器43a、43bを介装し、かつこれらを赤 外線バーナ6a~6dに臨む位置に設置したため、� ��置全体の温度が低い起動時にもバーナ6a~6d� �用いて起動用改質器46a、46bと起動用水蒸気� �生器43a、bとを加熱することができる。この� ��め、水蒸気発生器41によって水蒸気が生成� �れず、改質器45によって燃料ガスが改質され なくても、燃料ガス供給ライン40の導入口に� ��料ガスを供給することによって、起動用水� ��気発生器43a、43bを用いて水蒸気を生成して� ��起動用改質器46a、46bによって燃料ガスを改� ��することができる。
 このため、この燃料ガス供給ライン40には� �起動時に導入口から水素や窒素を供給する� �となく、燃料ガスをそのまま供給すること� �でき、水素や窒素の貯蔵庫を設置すること� �よって装置全体が必要以上に大型化するこ� �を防止できる。

 また、この起動用改質器46a、46bを改質器4 5の下流側に設置しているため、内部缶体3内� ��温度変化にあわせて、瞬時に起動用改質器4 6a、46bに対する赤外線バーナ6b、6dによる加熱 温度の調整を行うことができ、同様に、瞬時 に起動用水蒸気発生器43a、43bに対する赤外線 バーナ6a、6cによる加熱温度の調整を行うこ� �ができ、各燃料電池スタタック10に供給され る改質ガスを必要以上に加熱せずに、必要最 低限のエネルギーを使用して燃料電池を起動 させることができる。