固体酸化物型燃料電池
【課題】エミッションの発生を抑制した上で、発電体を効率的に加熱できる固体酸化物型燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池システムの起動時に、発電体１０にマイクロ波Ｍを照射することによって加熱するマイクロ波加熱装置１１を設けたことを特徴とする。
【解決手段】燃料電池システムの起動時に、発電体１０にマイクロ波Ｍを照射することによって加熱するマイクロ波加熱装置１１を設けたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の固体電解質を用い、この固体電解質膜を燃料極と空気極とで両側から挟んでセルを形成した固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）が知られている。このＳＯＦＣは、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ出力密度が高く、発電性能が高い。また、燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系燃料全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が８００℃程度と高いため、反応にＰｔ（白金）のように高価な触媒を利用せずに済む、等のメリットがある。
【０００３】
このＳＯＦＣを、定置型の燃料電池システムに適用する場合には、燃料供給の容易さから天然ガス等のＨＣガス燃料を利用するのが主流である。
また近年では、燃料電池車両や携帯電子機器等の移動体の燃料電池システムに、ＳＯＦＣを適用することが検討されている。この場合には、ＨＣガス燃料に比べて密度が高く供給インフラも整っている、ガソリンやディーゼル燃料等の炭化水素系液体燃料（ＨＣ液体燃料）を利用することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２４６０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したようにＳＯＦＣを用いた燃料電池システムは作動温度が高温であるため、始動時にＳＯＦＣを加熱する必要がある。
ここで、従来の加熱方法としては、燃焼ガスやヒーター等を用いてＳＯＦＣを加熱する伝熱加熱方法がある。この伝熱加熱方法では、被加熱体（例えば、ＳＯＦＣ）に温度勾配を与えることが必要であるが、一般的な平板構造のＳＯＦＣの構成材であるセラミックスは、割れ防止の観点から大きな温度勾配を付加できないので迅速な加熱は困難である。一方、小型円筒構造を有するＳＯＦＣは大きな温度勾配を与えても割れにくいが、ＳＯＦＣの構成材であるセラミックス自体の熱拡散率が小さいため、熱移動量は小さい。したがって、伝熱加熱方法を用いるＳＯＦＣの加熱には形状の如何に関わらず時間を要する。
【０００６】
さらに、加熱源からＳＯＦＣに向かって熱が伝達されながらＳＯＦＣを加熱するために、発電に関係する部位以外（ＳＯＦＣ以外の部位）の部位も加熱されてしまう。すなわち、ＳＯＦＣが加熱源から離れている場合に、ＳＯＦＣのみの選択加熱は不可能である。そのため更に、昇温時間が長く、エネルギー消費量も多くなるという問題がある。そして、燃料電池システムの起動停止を頻繁に行う場合には、起動の度に上述した問題が発生する。なお、伝熱加熱方法のうち、燃焼ガスを用いて加熱する場合には、ＮＯｘ（窒素酸化物）、煤、未燃ガス、ＣＯ等のエミッションが発生してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、加熱時のエミッションの発生を抑制した上で、発電体を効率的に加熱できる固体酸化物型燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体酸化物型燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池システム１）の発電体（例えば、実施形態における発電体１０）を構成する燃料極（例えば、実施形態におけるアノード電極４１）、空気極（例えば、実施形態におけるカソード電極４３）、電解質（例えば、実施形態における固体電解質膜４２）のうち、少なくとも何れかが、誘電損失の十分大きい材料からなり、前記固体酸化物型燃料電池をマイクロ波照射によって加熱させるためのマイクロ波加熱装置（例えば、実施形態におけるマイクロ波加熱装置１１）を設けたことを特徴とする。なお、誘電損失とは、マイクロ波が誘電体に暴露されたときにどれだけその電界エネルギーを吸収するかを示すもので、誘電損失が大きいほどマイクロ波による吸収発熱が大きくなる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、前記マイクロ波加熱装置は、加熱部位を変更可能に構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、前記発電体は、誘電損失の大きいマイクロ波加熱材（例えば、実施形態におけるマイクロ波加熱材４００）を混入させて形成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載した発明は、前記マイクロ波加熱装置は、前記発電体における前記燃料極及び前記空気極のうち、一方の電極側から他方の電極側に向けてマイクロ波を照射し、前記一方の電極の電極面には、前記マイクロ波を通過させる開口部（例えば、実施形態における開口部４４）が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載した発明は、前記燃料極には炭素を含む燃料ガスを供給し、前記マイクロ波加熱装置は、前記固体酸化物型燃料電池の起動後、前記燃料ガスの炭化により前記燃料極側で析出される炭素を分解するべく、マイクロ波を照射して前記炭素を加熱しうるように形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載した発明は、前記発電体の周囲に誘電損失が前記発電体よりも小さい材料からなる断熱材を設け、前記断熱材の外側に前記マイクロ波加熱装置を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載した発明によれば、マイクロ波によって発電体を誘電加熱することで、従来の燃焼ガスやヒーターによる伝熱加熱方法と異なり、発電体以外の部位を加熱することなく、必要な箇所のみを選択的に加熱することができる。これにより、昇温時間を短縮できるとともに、加熱に要するエネルギーも低減できる。
また、燃焼ガスを用いて加熱する場合と異なり、加熱時にＮＯｘ等のエミッションを発生させることなく、クリーンに発電体を加熱できる。この場合、燃焼ガス成分による発電体の劣化を抑制できる。
したがって、エミッションの発生を抑制した上で、効果的に発電体を加熱できるので、始動時間の早い高性能な固体酸化物型燃料電池を提供できる。なお、本発明の構成によれば、発電体のうち、誘電損失の十分大きい材料からなる部位が効果的に加熱される。
【００１５】
請求項２に記載した発明によれば、マイクロ波による加熱部位を変更可能に構成することで、発電体全体をより均一に加熱できる。これにより、発電体の温度分布を抑制できるので、発電体の割れや劣化等を確実に抑制した上で、発電体をより効果的に加熱できる。また、発電体が均熱化され、発電体全体で有効に発電が行われることになるので、発電性能の向上を図ることができる。
【００１６】
請求項３に記載した発明によれば、マイクロ波がマイクロ波加熱材で効果的に吸収されるので、マイクロ波加熱材が混入された部位をより効果的に加熱できる。この場合、誘電損失の小さい材料にマイクロ波加熱材を混入する等して、誘電損失の異なる材料間での温度差や温度勾配を抑制できる。これにより、発電体の割れ等を確実に抑制した上で、発電体をより均一に加熱できる。また、発電体全体で有効に発電が行われるので、発電性能の向上を図ることができる。
【００１７】
請求項４に記載した発明によれば、一方の電極に開口部を設けることで、この開口部内をマイクロ波の一部が通過することになる。そのため、マイクロ波が他方の電極に照射され易くなるので、一方の電極側からマイクロ波を照射した場合でも、他方の電極を効果的に加熱できる。
【００１８】
ところで、固体酸化物型燃料電池の燃料にＨＣ系の燃料を用いる場合、燃料極付近の低温箇所（例えば５００℃以下程度の炭素析出温度領域）に未反応の燃料が長時間滞在すると、燃料極や、燃料極側の反応室内、燃料ガス供給路、燃料ガス排気通路に炭素が析出する。反応室付近の吸気排気通路に炭素が析出すると供給流路に目詰まりが発生し、燃料極に炭素が析出すると触媒の活性が失われて発電体が劣化する虞がある。その結果、発電体の発電性能が低下するという問題がある。また炭素を除去するために、流路内に酸素を導入すると、燃料極の劣化や燃料の無駄な消費に繋がる。
そこで、請求項５に記載した発明によれば、誘電損失が全ての材料中で最大の炭素析出物はマイクロ波によって選択的、かつ、効率的に加熱されることで、分解され、燃料として再利用できる。これにより、反応室付近の吸気排気通路の目詰まりや、燃料極の劣化を抑制できるので、固体酸化物型燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。
なお、反応室付近で低温になり易い箇所や、炭素の析出時期、析出量等を実験やシミュレーション等で予め特定しておくことで、反応室付近の低温箇所に対してマイクロ波を照射する際、照射タイミングや、照射時間、マイクロ波のエネルギー等を所望の条件で設定できる。これにより、析出した炭素を効果的に除去できるので、運転効率の向上を図ることができる。
【００１９】
発電体を保温するために、発電体の周囲に断熱材を設置する場合、従来の伝熱加熱方法では断熱材の外側から発電体を加熱することは不可能である。そのため、断熱材の内部にヒーターを設置したり、燃焼ガスのガス流路を引き回したりする必要があり、装置が大型化するという問題がある。
これに対して請求項６に記載した発明によれば、断熱材が誘電損失の小さい材料からなるため、マイクロ波を断熱材の外側から照射した場合であっても、マイクロ波が断熱材を透過して発電体に照射されることになる。そのため、断熱材の外側から発電体のみにマイクロ波を照射できるので、断熱材の内側に加熱源を引き回す必要がない。よって、構成の簡素化を実現することができるので、装置の小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。
また、発電体の周囲に断熱材を設けることで、発電体を保温できるので、発電体の温度低下を抑制し、高い発電性能を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムのブロック図である。
【図２】第１実施形態におけるアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
【図３】アノード電極及びカソード電極のマイクロ波の照射時間に対する温度変化を示すグラフである。
【図４】第２実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図５】第２実施形態におけるアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
【図６】チョッパー位置を基準点（０ｍｍ）から＋Ｘ方向に移動させた際のアプリケーター内での定在波の変化を示す図である。
【図７】第３実施形態における燃料電池システムのブロック図である。
【図８】第３実施形態におけるアプリケーターの内部断面図である。
【図９】チョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、アプリケーター内をＺ方向から見た側面図である。
【図１０】チョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、アプリケーター内をＹ方向から見た平面図である。
【図１１】チョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、アプリケーター内をＺ方向から見た側面図である。
【図１２】チョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、アプリケーター内をＺ方向から見た側面図である。
【図１３】第４実施形態におけるアプリケーターの内部構成を示す断面図である。
【図１４】第５実施形態におけるアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
【図１５】チョッパー位置と定在波の発生位置を示す図であり、アプリケーターをＺ方向から見た図である。
【図１６】発電部の他の構成を示すアプリケーターの断面図である。
【図１７】発電体の他の構成を示す斜視図である。
【図１８】発電体の他の構成を示す斜視図である。
【図１９】発電体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１実施形態）
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１実施形態における燃料電池システムのブロック図である。なお、アプリケーター２５内部には後述する発電体１０、アノードガス流通路５３、カソードガス流通路５１、各種電線等が設置してあるが、簡単のため図１には記載していない。
図１に示すように、燃料電池システム１は、ＳＯＦＣの発電体１０（図２参照）を用いて発電を行うものであって、マイクロ波加熱装置１１（以下、加熱装置１１という）を備えている。
加熱装置１１は、マイクロ波発生装置２１（以下、発生装置という）と、アイソレータ２２と、検出部２３と、ＥＨチューナー２４とアプリケーター２５とがマイクロ波Ｍ（図２参照）の進行方向に沿って導波管２６を介して接続されている。なお、以下の説明では、マイクロ波Ｍの進行方向を＋Ｘ方向、Ｘ方向に互いに直交する方向をそれぞれＹ方向（図１中上下方向）及びＺ方向（図１中奥行方向）とする。
【００２２】
発生装置２１は、図示しない電源部から電力を供給することで、マイクロ波Ｍを発生させるものであり、発生したマイクロ波Ｍは進行波電力として導波管２６や各構成部材（アイソレータ２２等）を伝搬してアプリケーター２５に向けて＋Ｘ方向に沿って進行する。なお、マイクロ波Ｍのうち、進行途中でインピーダンスの整合がとれていないものは、反射波電力となり発生装置２１に向けて−Ｘ方向に進行する。また、本実施形態のマイクロ波Ｍは、周波数が例えば２．４５ＧＨｚ帯のものを利用している。
【００２３】
アイソレータ２２は、発生装置２１の後段側（＋Ｘ方向側）に導波管２６を介して接続され、反射波電力を吸収することで、マイクロ波Ｍの流れを一方向に規制するためのものである。これにより、反射波電力が発生装置２１まで戻らないように構成されている。その結果、発生装置２１を保護することができ、発生装置２１からアプリケーター２５に向けて安定したマイクロ波Ｍを出力することができる。
検出部２３は、アイソレータ２２の＋Ｘ方向側に接続され、アプリケーター２５への入力エネルギー（進行波）と発生装置２１側への反射エネルギー（反射波）とを検出するためのものである。そして、検出部２３での検出結果に基づいて発生装置２１に供給される電力が制御されるようになっている。なお、検出部２３には、検出結果を表示するためのパワーモニタ２７が接続されている。
ＥＨチューナー２４は、検出部２３の＋Ｘ方向側に導波管２６を介して接続され、反射波に対して逆位相の電力を生成し、反射波を打ち消すことにより、インピーダンス整合するものである。
【００２４】
図２はアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
図２に示すように、アプリケーター２５は、ＥＨチューナー２４の＋Ｘ方向側に導波管２６を介して接続され、例えばＳＵＳ等の導電性材料からなる箱型のものであり、内部に発電部３１が収容されている。なお、アプリケーター２５のＸ方向における長さは、発生装置２１から発生する進行波と、アプリケーター２５の＋Ｘ方向側の端部で反射された反射波とが重なり合って、アプリケーター２５内で定在波が生成されるように設定されている。アプリケーター２５の寸法として、本実施形態では、例えばＸ方向の長さが１８０ｍｍ、Ｙ方向の長さ５４．６ｍｍ、Ｚ方向の長さが５４．６ｍｍに形成されている。
【００２５】
発電部３１は、ＳＯＦＣの発電体１０と、この発電体１０の外側を覆う外筒３２と、外筒３２を覆う断熱材３３とを備えている。
本実施形態の発電体１０は、アノード支持型（小型円筒構造）のチューブセルであって、例えば軸方向をアプリケーター２５のＹ方向に一致させた状態で、かつＸ方向においてアプリケーター２５内で発生する定在波の腹（加熱部位）の発生位置に合わせて配置されている。発電体１０は、円筒形状のアノード電極（燃料極）４１と、アノード電極４１の外周面に形成された固体電解質膜（電解質）４２と、固体電解質膜４２の外周面に形成されたカソード電極（空気極）４３とを備えている。固体電解質膜４２は、例えばＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）等の材料で構成されている。アノード電極４１は例えばニッケルとＹＳＺとの焼結体で構成され、カソード電極４３は例えばランタン、ストロンチウム、マンガンの焼結体で構成されている。
【００２６】
この場合、発電体１０を構成するアノード電極４１、カソード電極４３、及び固体電解質膜４２の材料は、断熱材３３や外筒３２、アプリケーター２５内に配置された他の構成部材よりも誘電損失が十分に大きい。特に、発電体１０を構成する材料のうち、アノード電極４１を構成する材料（例えば、ニッケル）は、温度が１００℃以上の範囲において、他の材料よりも誘電損失が十分大きい。なお、誘電損失とは、マイクロ波Ｍが誘電体に暴露されたときにどれだけその電界エネルギーを吸収するかを示すもので、誘電損失が大きいほどマイクロ波Ｍによる吸収発熱が大きくなる。本実施形態では、アノード電極４１を誘電損失が十分大きい材料により構成したが、これに限らず、発電体１０を構成する少なくとも何れかの材料の誘電損失が十分に大きければ構わない。
【００２７】
発電体１０の＋Ｙ方向（図２中上端部）側の開口部は、アプリケーター２５の＋Ｙ方向端面（図２中上端面）によって閉塞されている。一方、発電体１０の−Ｙ方向側（図２中下端側）には、カソード電極４３及び固体電解質膜４２は形成されておらず、アノード電極４１が露出している。そして、カソード電極４３の−Ｙ方向端部にはカソード集電材４５が接続され、アノード電極４１の−Ｙ方向端部（露出部分）にはアノード集電材４６が接続されている。これら集電材４５，４６は、アプリケーター２５との絶縁を図った状態でアプリケーター２５外に引き出されている。
【００２８】
外筒３２は、発電体１０に比べて誘電損失が小さい材料（マイクロ波Ｍを透過する材料）からなる筒状の部材であり、軸方向を発電体１０の軸方向（Ｙ方向）に一致させた状態で配置されている。そして、外筒３２は、＋Ｙ方向端部側（図２中上端部）側の開口部がアプリケーター２５の＋Ｙ方向端面により閉塞されている。また、アプリケーター２５の＋Ｙ方向端面には、外筒３２の内側に連通する複数のカソードガス供給孔４７が形成されており、アプリケーター２５の外部に設けられた図示しないカソードガス（酸化剤ガス）の供給源から外筒３２の内側に向けてカソードガス（例えば、空気）が供給される。すなわち、外筒３２とカソード電極４３との間は、カソードガスが流通するカソードガス流通路（第１反応室）５１を構成している。カソードガス流通路５１内に供給されるカソードガスは、外筒３２内を−Ｙ方向に向かって流通する（図２中矢印Ｃ参照）。
【００２９】
なお、外筒３２の−Ｙ方向端部（図２中下端部）側は、発電に供されたカソードガス（カソードオフガス）を排出するための図示しないカソードオフガス排出路に接続され、カソードオフガスはカソードオフガス排出路を通って発電部３１外に排出され、その後アプリケーター２５外に排出される。また、カソードガス供給孔４７の内径は、マイクロ波Ｍを透過させず、カソードガスのみを通過させることが可能な大きさで形成されており、例えば５ｍｍ程度に形成されている。
【００３０】
また、発電体１０（アノード電極４１）には、図示しないアノードガスの供給源から引き回された燃料導入ポート５２が接続されている。この燃料導入ポート５２は、アプリケーター２５の−Ｙ方向端面（図２中下端面）からアノード電極４１の内側に挿入され、その先端がアノード電極４１の軸方向中途部に配置されている。そして、アノード電極４１の内側には、燃料導入ポート５２を介してアノードガス（例えば、ＨＣ系燃料ガス）が供給される。すなわち、アノード電極４１の内側はアノードガスが流通するアノードガス流通路（第２反応室）５３を構成している。そして、アノードガス流通路５３内に供給されたアノードガスは、燃料供給ポート５２から＋Ｙ方向に向かって供給された後、アプリケーター２５の＋Ｙ方向端面で折り返されて−Ｙ方向に向かって流通する（図２中矢印Ａ参照）。なお、アノードガスにＨＣ系燃料ガスを用いた場合、発電体１０で発電により生成されたアノードガスのオフガス（Ｈ２Ｏや、ＣＯ２、ＣＨ等）は、燃料導入ポート５２とアノード集電材４６との間に形成されたアノードオフガス排出路５４を通って発電部３１外に排出され、その後アプリケーター２５外に排出される。
【００３１】
断熱材３３は、カオウール等のマイクロ波Ｍを透過する材料からなり、外筒３２の外側を覆うように設けられている。
【００３２】
（燃料電池システムの動作方法）
次に、上述した燃料電池システム動作方法について説明する。
図１，図２に示すように、まず発生装置２１に電力を供給し、マイクロ波Ｍを発生させる。発生装置２１で発生したマイクロ波Ｍは、導波管２６を＋Ｘ方向に向けて進行してアプリケーター２５内に伝播する。アプリケーター２５内に伝播したマイクロ波Ｍは、断熱材３３及び外筒３２を透過した後、発電体１０で吸収されることで、発電体１０が誘電加熱される。この場合、発電体１０がマイクロ波Ｍの腹の発生位置に合わせて配置されているので、発電体１０のみを効果的に加熱することができる。なお、上述した材料からなる発電体１０では、１００℃以上においてはカソード電極４３よりもアノード電極４１の方が、マイクロ波Ｍを吸収し易い（誘電損失が大きい）ため、アノード電極４１の温度が積極的に上昇する。そして、アノード電極４１の温度が所定の温度（約６００℃〜８００℃程度）まで昇温した時点で、発生装置２１を停止し、アノードガス及びカソードガスの供給を開始する。
【００３３】
カソードガスの供給源からカソードガス流通路５１内に供給されたカソードガスは、カソード電極４３の表面に倣って流通する間に、カソード電極４３において触媒反応により酸素イオンとなる。すると、カソード電極４３で発生した酸素イオンが、固体電解質膜４２を透過してアノード電極４１まで移動する。
一方、アノードガスの供給源からアノードガス流通路５３内に供給されたアノードガスは、アノード電極４１の表面に倣って流通する間に、アノード電極４１に到達したアノードガスと、アノード電極４１まで移動した酸素イオンとが結合する。この反応過程において、電子を放出することで発電が行われる（Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−）。
【００３４】
そして、カソードガス流通路５１内において発電に供されたカソードガスオフガスは、カソードオフガス排出路からアプリケーター２５外に排出される一方、アノードガス流通路５３内において発電に供されたアノードガスオフガスは、アノードオフガス排出路５４からアプリケーター２５外に排出される。
【００３５】
なお、本実施形態の燃料電池システム１では、発電が開始すると発電に関して発生する熱によって、マイクロ波Ｍで加熱しなくても、発電体１０の温度が上昇する。そして、そのまま発電を継続すると、発電量と放熱量とがバランスし、発電体１０（アノード電極４１、固体電解質膜４２及びカソード電極４３）が、何れも発電が最適に行われる温度（例えば、８００℃程度）まで上昇し、熱自立の状態になる。すなわち、外部から熱エネルギーを与えることなく、発電体１０の温度が燃料電池システム１の動作温度に維持され、保温された状態となる。
【００３６】
このように、本実施形態では、マイクロ波Ｍを照射することによって発電体１０を加熱する加熱装置１１を備えた構成とした。
この構成によれば、発生装置２１で発生したマイクロ波Ｍは、断熱材３３や外筒３２を透過して、発電体１０のみを選択的に加熱することになる。すなわち、マイクロ波Ｍによって発電体１０を誘電加熱することで、従来の燃焼ガスやヒーターによる伝熱加熱方法と異なり、発電体１０以外の部位を加熱することなく、必要な箇所のみを加熱することができる。これにより、昇温時間を短縮できるとともに、加熱に要するエネルギーも低減できる。
また、燃焼ガスを用いて加熱する場合と異なり、加熱時にＮＯｘ等のエミッションを発生させることなく、クリーンに発電体１０を加熱することができる。この場合、燃焼ガス成分による発電体１０の劣化を抑制できる。
したがって、本実施形態の燃料電池システム１によれば、エミッションの発生を抑制した上で、効果的に発電体１０を加熱することができるので、始動時間の早い高性能な燃料電池システム１を提供できる。
【００３７】
ところで、上述した従来の伝熱加熱方法を用いて急速加熱を行うと、発電体の面内で大きな温度勾配が生じ、発電体が割れる虞がある。これに対して、発電体を小さくすることで、温度勾配を抑制し、温度勾配に起因する割れを避けることも考えられるが、発電体のヒートマス（熱容量）と熱移動速度（セラミックスの低い熱伝導率）の制約から昇温時間の限界が決まってしまい、ｋＷクラス以上の出力を有する発電体の急速加熱は原理的に不可能である。
これに対して、本実施形態によれば、従来の伝熱加熱方法と異なり、マイクロ波周波数×誘電損失×電界の２乗で発電体１０を加熱できる。また、発電体１０の面内での温度勾配の発生を抑制できるので、燃料導入時等に発電体１０面内の温度の高い部位が優先的に発電、及び発熱することで発生する発電体１０の熱暴走を抑制できる。よって、発電体１０の割れや劣化等を抑制した上で、発電体１０を効果的に加熱できる。また、発電体１０を均一に加熱できるので、発電体１０全体で有効に発電を行うことができ、発電性能の向上を図ることができる。さらに、発電体１０の急速加熱を実現できるので、燃料電池システム１の始動開始までに要する時間を短縮できる。
【００３８】
図３は、アノード電極及びカソード電極のマイクロ波の照射時間に対する温度変化を示すグラフである。
図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム１では、マイクロ波Ｍの加熱開始から約９０秒程度でアノード電極４１を約６００℃まで加熱でき、発電体１０の急速加熱を実現することができた。
【００３９】
さらに、断熱材３３がマイクロ波Ｍを透過する材料からなるため、マイクロ波Ｍを断熱材３３の外側から照射した場合であっても、マイクロ波Ｍが断熱材３３を透過して発電体１０に照射されることになる。そのため、発電部３１の外部から発電体１０のみにマイクロ波Ｍを照射できるので、発電部３１の内部に加熱源を引き回す必要もない。よって、構成の簡素化を実現できるので、装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。
また、発電体１０の周囲に断熱材３３を設けることで、発電体１０を保温できるので、発電体１０の温度低下を抑制し、高い発電性能を維持できる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、アプリケーター内に複数の発電体が配列されている点で上述した実施形態と相違している。図４は第２実施形態の燃料電池システムを示すブロック図であり、図５はアプリケーターの内部構造を示す断面図である。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、図４，図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、アプリケーター２５内に上述した発電部３１が複数配列されている。各発電部３１（発電体１０）は、アプリケーター２５内におけるＸ方向及びＺ方向に沿って並んで配列されるとともに、アプリケーター２５のＹ方向に沿って互いに平行に配列されている。そして、各発電体１０のカソード電極４３及びアノード電極４１は、アプリケーター２５の−Ｙ方向側に設けられたカソード集電材４５及びアノード集電材４６にそれぞれまとめて接続されている。また、各発電体１０のアノード電極４１の内側（アノードガス流通路５３）には、アノードガス導入ポート５２が挿入されており、アノードガスの供給源から供給されるアノードガスは各アノードガス導入ポート５２に分岐された後、各アノードガス流通路５３に供給されるようになっている。
【００４１】
そして、アプリケーター２５の＋Ｘ方向側には、アプリケーター２５をＸ方向で仕切るように板状のチョッパー１０１が配置されている。このチョッパー１０１は、発生装置２１で発生したマイクロ波Ｍを進行方向とは逆方向（−Ｘ方向）に向けて反射させるものであり、モータ等の図示しない駆動手段によってＸ方向に沿って無段階に移動可能に構成されている（図５中矢印Ｑ参照）。なお、アプリケーター２５のＸ方向における長さは、チョッパー１０１が最も−Ｘ方向側に配置された状態（図５中鎖線Ｈ）で１８０ｍｍになるように設定されている。
【００４２】
この場合、チョッパー１０１の位置を変化させることで、アプリケーター２５のＸ方向における長さが変化するため、アプリケーター２５内に様々な定在波を発生させることができる。すなわち、アプリケーター２５内での腹（節）の発生位置をＸ方向で変化させることができるので、アプリケーター２５内での加熱部位を変化させることができる。
【００４３】
図６にチョッパー位置を基準点（０ｍｍ）から＋Ｘ方向に移動させた際のアプリケーター内での定在波の変化を示す。なお、図６では、アプリケーター２５内のＸ方向に沿って感熱紙を配置し、各チョッパー位置における基準点から最も近い感熱紙の加熱部位（腹の発生位置）までの距離を測定した。図中では、加熱部位（昇温部）をＫで示し、加熱されていない部位（非昇温部）をＬで示している。また、図６ではチョッパー１０１を最も−Ｘ方向側に配置した位置を基準点（０ｍｍ）としている。
図６（ａ）に示すように、チョッパー１０１を基準点に配置した場合、基準点から−Ｘ方向へ距離Ｄ１（３ｍｍ）の地点に昇温部Ｋが発生し、この地点から−Ｘ方向に沿って等間隔に昇温部Ｋが発生している。
次に、図６（ｂ）に示すように、チョッパー１０１を基準点から＋Ｘ方向に５０ｍｍの地点に配置した場合、基準点から基準点から−Ｘ方向へ距離Ｄ２（１９ｍｍ）の地点に昇温部Ｋが発生し、この地点から−Ｘ方向に沿って等間隔に昇温部Ｋが発生している。
また、図６（ｃ）に示すように、チョッパー１０１を基準点から＋Ｘ方向に１００ｍｍの地点に配置した場合、基準点から基準点から−Ｘ方向へ距離Ｄ３（４３ｍｍ）の地点に昇温部Ｋが発生し、この地点から−Ｘ方向に沿って等間隔に昇温部Ｋが発生している。
このように、チョッパー１０１を＋Ｘ方向に沿って移動させることで、アプリケーター２５内での腹の発生位置は−Ｘ方向に移動することになる。この場合、アプリケーター２５内に配列された各発電体１０の基準点からの距離を把握しておくことで、アプリケーター２５内に配列された複数の発電体１０のうち、任意の発電体１０を選択的に加熱していくことができる。
【００４４】
したがって、本実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、アプリケーター２５内に複数の発電体１０が配列されている場合であっても、各発電体１０に対して選択的にマイクロ波Ｍを照射することができる。これにより、各発電体１０の温度分布を抑制できるので、発電体１０の割れや劣化等を確実に抑制した上で、各発電体１０をより効果的に加熱できる。また、各発電体１０が均熱化され、発電体１０全体で有効に発電が行われることになるので、発電性能の向上を図ることができる。
【００４５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、マイクロ波加熱装置をＹ方向に亘って２段備えている点で上述した第２実施形態と相違している。図７は燃料電池システムのブロック図であり、図８はアプリケーターの内部断面図である。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図７，図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム１５０は、上述した加熱装置１１と同様の構成からなる加熱装置（第１加熱装置１１ａ及び第２加熱装置１１ｂ）をＹ方向に亘って２段備えている。そして、図８に示すように各アプリケーター（第１アプリケーター２５ａ及び第２アプリケーター２５ｂ）には、両者間を貫通するように複数の発電体１０が配列されている。すなわち、本実施形態の発電体１０における軸方向の長さは、アプリケーター２５ａ，２５ｂのＹ方向における長さの約２倍に形成されている。この場合、発電体１０の＋Ｙ方向側の開口部は、第２アプリケーター２５ｂの＋Ｙ方向端面によって閉塞されている。一方、発電体１０の−Ｙ方向側は、第１アプリケーター２５ａの−Ｙ方向側まで延在している。そして、カソード電極４３の−Ｙ方向端部にはカソード集電材４５が接続され、アノード電極４１の−Ｙ方向端部（露出部分）にはアノード集電材４６が接続されている。このような発電体１０が、Ｘ方向及びＺ方向に沿って並んで配列されるとともに、アプリケーター２５ａ，２５ｂのＹ方向に沿って互いに平行に配列されている。なお、上述した実施形態と同様に、発電体１０の外側には、発電体１０の周囲を取り囲むように外筒３２及び断熱材３３が設けられている。
【００４６】
第１アプリケーター２５ａにおける＋Ｙ方向端部には、外筒３２の内側に連通するカソードガス供給孔１４７が形成されるとともに、第１アプリケーター２５ａと第２アプリケーター２５ｂとを仕切る仕切壁１５１には外筒３２の内側に連通する連通孔１５２が形成され、これら連通孔１５２により各アプリケーター２５ａ，２５ｂ（カソードガス流通路５１）同士が連通している。なお、カソードガス供給孔１４７及び連通孔１５２の内径は、マイクロ波Ｍを透過させず、カソードガスのみを通過させることが可能な大きさで形成されており、例えば５ｍｍ程度に形成されている。これにより、アプリケーター２５ａ，２５ｂ間でマイクロ波Ｍが透過することがないので、各アプリケーター２５ａ，２５ｂ内で独立してマイクロ波Ｍの制御を行うことができ、発電体１０の温度制御が容易になる。
【００４７】
各アプリケーター２５ａ，２５ｂの＋Ｘ方向側には、各アプリケーター２５ａ，２５ｂのＸ方向の長さを変化させるためのチョッパー（第１チョッパー１０１ａ及び第２チョッパー１０１ｂ）がそれぞれ設けられている。これらチョッパー１０１ａ，１０１ｂは、Ｘ方向に沿って独立して移動可能に構成され、アプリケーター２５ａ，２５ｂでのＸ方向における長さを、各加熱装置１１ａ，１１ｂ間で独立して制御できるようになっている。
【００４８】
（燃料電池システムの動作方法）
次に、本実施形態の燃料電池システム１５０の動作方法として、発電体１０の選択加熱方法について説明する。
図９，図１０はチョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、図９はアプリケーター内をＺ方向から見た側面図、図１０はＹ方向から見た平面図である。なお、図９，図１０については、説明を分かり易くするため発電体及びチョッパーのみを図示している。まず、第１加熱装置１１ａ及び第２加熱装置１１ｂを同様に移動させる場合について説明する。
本実施形態のようにマイクロ波Ｍを用いて複数本の発電体１０を加熱する場合には、複数の発電体１０のうち、アプリケーター２５ａ，２５ｂ内のＸ方向中央部に配列された発電体１０から、±Ｘ方向に配列された発電体１０へと順次に加熱していくことが好ましい。すなわち、アプリケーター２５ａ，２５ｂ内にＸ方向中央部に配列された発電体１０を中心にして、Ｘ方向で対称に加熱していく。具体的に、図９（ａ），図１０（ａ）に示すように、まず各チョッパー１０１ａ，１０１ｂを位置Ｘ１に合わせると、発生装置２１から発生したマイクロ波Ｍの進行波と、チョッパー１０１ａ，１０１ｂで反射した反射波とが重ね合って定在波が生成され、アプリケーター２５内のＸ方向中央部（図９，１０中位置Ｘ１’）に腹が形成される。これにより、位置Ｘ１’の周辺に配置された発電体１０が効果的に加熱される。
【００４９】
次いで、図９（ｂ），図１０（ｂ）に示すように、位置Ｘ１’のアノード電極４１の温度が所定の温度（約６００℃〜８００℃程度）まで上昇した時点で、チョッパー１０１ａ，１０１ｂを位置Ｘ１から位置Ｘ２に移動させる（例えば、＋Ｘ方向に移動させる）。すると、定在波が変化して腹の発生位置が位置Ｘ１’から±Ｘ方向に移動する（図９，１０中位置Ｘ２’，Ｘ２”）。これにより、位置Ｘ２’，Ｘ２”の周辺に配列された発電体１０が加熱される。
同様に、図９（ｃ），図１０（ｃ）に示すように、位置Ｘ２’，Ｘ２”のアノード電極４１の温度が所定の温度まで上昇した時点で、チョッパー１０１ａ，１０１ｂを位置Ｘ２から位置Ｘ３に移動させる（例えば、＋Ｘ方向に移動させる）。すると、定在波が変化して腹の発生位置が位置Ｘ２’，Ｘ２”から±Ｘ方向に移動する（図９，１０中位置Ｘ３’，Ｘ３”）。これにより、位置Ｘ３’，Ｘ３”の周辺に配置された発電体１０が加熱される。
【００５０】
このように、チョッパー１０１ａ，１０１ｂを移動させて、アプリケーター２５ａ，２５ｂのＸ方向中央部に配列された発電体１０から、±Ｘ方向に配列された発電体１０へと順次加熱していくことで、図９（ｄ），図１０（ｄ）に示すように、アプリケーター２５ａ，２５ｂ内の全ての発電体１０を均一に加熱することができる。これにより、各発電体１０が均熱化され、発電体１０全体で有効に発電が行われるので、発電性能の向上を図ることができる。
【００５１】
また、加熱装置１１ａ，１１ｂを複数段に亘って設けることで、軸方向に大型の発電体１０を用いることが可能になり、発電性能の更なる向上を図ることができる。この場合であっても、チョッパー１０１ａ，１０１ｂの位置を変化させ、各発電体１０を選択的に加熱することで、各発電体１０を均一に、かつ迅速に加熱できる。
【００５２】
次に、各加熱装置１１ａ，１１ｂを独立して移動させる場合について説明する。図１１はアプリケーター内をＺ方向から見た側面図である。
本実施形態では、アプリケーター２５ａ，２５ｂに配列された複数の発電体１０において、Ｘ方向で温度勾配が生じた場合や、各発電体１０のＹ方向で温度勾配が生じた場合には、低温箇所の発電体１０のみを選択して加熱することができる。図１１（ａ）に示すように、例えば位置Ｘ２’，Ｘ２”に配列された発電体１０における−Ｙ方向側の温度が低下した場合には、第１加熱装置１１ａの発生装置２１のみに電力を供給するとともに、チョッパー１０１ａを位置Ｘ２に移動させる。これにより、第１アプリケーター２５ａ内における位置Ｘ２’，Ｘ２”にマイクロ波Ｍの腹が発生し、発電体１０の−Ｙ方向側を選択して加熱することができる。
同様に、例えば位置Ｘ２’，Ｘ２”に配列された発電体１０における＋Ｙ方向側の温度が低下した場合には、図１１（ｂ）に示すように、第２加熱装置１１ｂの発生装置２１のみに電力を供給するとともに、チョッパー１０１ｂを位置Ｘ２に移動させる。これにより、第２アプリケーター２５ｂ内における位置Ｘ２’，Ｘ２”にマイクロ波Ｍの腹が発生し、発電体１０の＋Ｙ方向側を選択して加熱することができる。
【００５３】
したがって、各発電体１０で温度勾配が発生した場合に、各発電体１０の低温箇所のみを選択して加熱できる。これにより、アプリケーター２５ａ，２５ｂ内の各発電体１０間での温度勾配を抑制して、各発電体１０の温度を均一に維持できるので、発電体１０の割れ等を確実に抑制できるとともに、発電体１０の温度低下に伴う発電性能の低下を抑制できる。
【００５４】
ところで、上述した燃料電池システム１５０では、アノードガスにＨＣ系の燃料を用いる場合、アノード電極４１やアノードガス流通路５３（図２参照）側の低温箇所（例えば５００℃以下程度の炭素析出温度領域）に未反応のアノードガスが長時間滞在すると、アノードガス流通路５３やアノードオフガス排出路５４、アノード電極４１に炭素が析出する。アノードガス流通路５３やアノードオフガス排出路５４に炭素が析出するとアノードガス流通路５３に目詰まりが発生し、アノード電極４１に炭素が析出すると触媒の活性が失われて発電体１０が劣化する虞がある。その結果、発電体１０の発電性能が低下するという問題がある。炭素を除去するために、アノードガス流通路５３内に酸素を導入すると、アノード電極４１の劣化やアノードガスの無駄な消費に繋がる。
【００５５】
そこで、本実施形態では、燃料電池システム１５０の起動後、発電体１０に炭素が所定量析出された時点で、発電体１０における炭素析出箇所にマイクロ波Ｍを照射して炭素を除去するようになっている。炭素析出の有無は、各発電体１０における燃料（アノードガス）使用量を個別に測定し、この燃料使用量が所定値以上であるか否かで判断する。すなわち、発電体１０の燃料使用量が所定値以上となった場合には、析出した炭素がアノード電極４１やアノードガス流通路５３等に蓄積されて発電性能の低下に繋がると判断して、炭素除去を開始する。
この場合、発電体１０のＹ方向において炭素が析出し易いのは、発電体１０の温度が低下し易いアノードガスの流通方向下流側、すなわち第１アプリケーター２５ａの−Ｙ方向端部側である。そのため、図１１（ａ）に示すように、第１加熱装置１１ａの発生装置２１のみに電力を供給し、第１アプリケーター２５ａ内にマイクロ波Ｍを入射させる。そして、炭素析出が検出された発電体１０と、定在波の腹とが一致するように、チョッパー１０１ａを移動させることで、炭素析出が検出された発電体１０の−Ｙ方向側のみが加熱される。
【００５６】
すると、アノード電極４１に析出した炭素（Ｃ）と、アノードガス流通路５３内にアノードオフガスとして残存する二酸化炭素（ＣＯ２）とが結び付き（ＣＯ２＋Ｃ）、一酸化炭素（ＣＯ）になる（ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯ）。このように、マイクロ波Ｍによって炭素を加熱することで、アノードガス流通路５３側の低温箇所で析出した炭素を分解できる。これにより、アノードガス流通路５３内の目詰まりや、アノード電極４１の劣化を抑制できるので、燃料電池システム１５０の発電性能の低下を抑制できる。なお、炭素は、アプリケーター２５内に配置された構成部材よりも、誘電損失が大きいのでマイクロ波Ｍによって選択的、かつ、効率的に加熱されるため、マイクロ波Ｍを照射することで、速やかに分解できる。
【００５７】
さらに、本実施形態では、アノードガス流通路５３内で生成された一酸化炭素（ＣＯ）が、固体電解質膜４２を透過してアノード電極４１まで移動してきた酸素イオン（Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）になる。この二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される際に、発電が行われる（ＣＯ＋Ｏ２-→ＣＯ２＋２ｅ−）。
これにより、仮に発電体１０に未反応のアノードガス等の炭化により炭素が析出した場合であっても、この炭素をエネルギー源として利用しつつ除去することができ、発電性能の更なる向上を図ることができる。そして、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように、各発電体１０で上述した動作を定期的に行うことで、炭素析出による発電性能の低下を抑制できるとともに、発電体１０の劣化も抑制できる。なお、発電体１０で低温になり易い箇所や、炭素の析出時期、析出量等を実験やシミュレーション等で予め特定しておくことで、発電体１０の低温箇所に対してマイクロ波Ｍの照射タイミングや、照射時間、マイクロ波Ｍのエネルギー等を所望の条件で設定できる。これにより、析出した炭素を効果的に除去できるので、運転効率の向上を図ることができる。
【００５８】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、上述した第２加熱装置１１ｂのさらに＋Ｙ方向側に、カソードガスを加熱するための第３マイクロ波加熱装置２１ｃを設ける点で第３実施形態と相違している。図１３は、アプリケーターの内部構成を示す断面図である。なお、以下の説明では、上述した第３実施形態と同様の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
図１３に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、第２加熱装置１１ｂの＋Ｙ方向側に、上述した第１，２加熱装置１１ａ，１１ｂと略同一の装置構成からなる第３マイクロ波加熱装置１１ｃ（以下、第３加熱装置１１ｃという）を備えている。第３加熱装置１１ｃの第３アプリケーター２５ｃは、その＋Ｙ方向端面にカソードガスの供給源に接続されたカソードガス供給孔２４７が形成されている。一方、第２アプリケーター２５ｂと第３アプリケーター２５ｃとを仕切る仕切壁２５１には、外筒３２の内側に連通する連通孔２５２が形成され、これら連通孔２５２により各アプリケーター２５ｂ，２５ｃ同士が連通している。
【００５９】
ここで、第３アプリケーター２５ｃ内には、予備加熱部２０１が設けられている。この予備加熱部２０１は、高誘電損失材料（例えば、ＳｉＣ、Ｆｅ３Ｏ４、ＮｉＯ、ＷＯ等）がポーラス状に形成されたものであり、内部にカソードガスが通過するようになっている。また、予備加熱部２０１は、Ｙ方向から見て各発電体１０に重なるように配置されるとともに、第３アプリケーター２５ｃ内のＹ方向全域に亘って形成されている。すなわち、第３アプリケーター２５ｃ内に供給されたカソードガスは、予備加熱部２０１内を通過して連通孔２５２からカソードガス流通路５１に供給されるようになっている。
【００６０】
また、予備加熱部２０１にマイクロ波Ｍを照射することで、予備加熱部２０１が加熱されるようになっており、予備加熱部２０１を通過する際にカソードガスとの間で熱交換が行われる。これにより、カソードガスが、カソードガス流通路５１に供給される前段で予め加熱されるようになっている。この場合も、チョッパー１０１ｃの位置を調整することで、第３アプリケーター２５ｃのＸ方向における任意の予備加熱部２０１を加熱することができる。
【００６１】
本実施形態によれば、上述した第３実施形態と同様の効果を奏することに加え、カソードガスが予備加熱部２０１で予め加熱された後に、発電体１０に供給されるため、カソードガスの供給時に発電体１０の温度低下を招くことなく、発電を行うことができる。よって、更なる発電性能の向上を図ることができる。
【００６２】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。上述した各実施形態では、アノード支持型のチューブセルを発電体１０に用いる構成について説明したが、第５実施形態では平板状の発電体３０１を用いる点で、上述した実施形態と相違している。図１４は第５実施形態におけるアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
図１４に示すように、本実施形態の燃料電池システム３００は、アプリケーター２５のＸ方向に沿って延在する平板構造の発電体３０１を複数備えている。発電体３０１は、アノード電極３０２とカソード電極３０３とで固体電解質膜３０４が挟持された平板状の部材である。各発電体３０１は、アプリケーター２５のＹ方向に沿って間隔を空けて配列されている。この場合、隣接する発電体３０１間では、同じ電極が対向するように配置されている。すなわち、隣接する発電体３０１のアノード電極３０２同士の間に形成された間隔が図示しないアノードガスの供給源から供給されるアノードガスが流通するアノードガス流通路３１０を構成し、カソード電極３０３同士の間に形成された間隔が図示しないカソードガスの供給源から供給されるカソードガスが流通するカソードガス流通路３１１を構成している。なお、図示しないが各発電体３０１のアノード電極３０２の端部にはアノード集電材が接続される一方、カソード電極３０３の端部にはカソード集電材が接続されている。
【００６３】
図１５は、チョッパー位置と定在波の発生位置を示す図であり、アプリケーターをＺ方向から見た図である。
図１５に示すように、本実施形態においても、チョッパー１０１を位置Ｘ１〜Ｘ３まで移動させることで、定在波の腹の発生位置を変化させることができるので、発電体１０のＸ方向における任意の位置を選択的に加熱することができる。
したがって、本実施形態によれば、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００６４】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施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において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
【００６５】
例えば、上述した第１〜４実施形態では、断熱材３３の内側に発電体１０を１本ずつ配置する構成について説明したが、これに限らず、図１６に示すように、断熱材３３の内側に複数本の発電体１０をまとめて配置しても構わない。
【００６６】
上述した第１〜４実施形態の発電体では、固体電解質膜４２のほぼ全面にカソード電極４３を形成する構成について説明したが、図１７に示すように、カソード電極４３を周方向に沿って分割したり、図１８に示すように、軸方向に沿って分割したりして、それらを直列接続するようにしてもよい。また、図示しないがカソード電極４３を島状に形成しても構わない。すなわち、発電体１０のカソード電極４３を切り欠いて、固体電解質膜４２を露出させる開口部４４を設けても構わない。
この構成によれば、カソード電極４３に開口部４４を設けることで、この開口部４４内をマイクロ波Ｍの一部が通過することになる。そのため、アノード電極４３に照射され易くなるので、カソード電極４３側からマイクロ波Ｍを照射した場合でも、アノード電極４３を効果的に加熱できる。なお、本実施形態のように周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波透過に必要な開口部は、真円の場合、円の直径と開口部厚さの関係から容易に決定できる。例えばΦ３０ｍｍの円柱開口部の場合、円柱高さが１０ｍｍ以下であればマイクロ波は確実に透過する。また開口部が長方形等の場合、真円の場合より容易にマイクロ波を透過させることができる。
【００６７】
また、図１９に示すように、マイクロ波Ｍの吸収性を向上させるために、断熱材３３よりも誘電損失の大きいマイクロ波加熱材４００を混入させても構わない。なお、マイクロ波加熱材４００の材料としては、ＣｕＯ，Ｆｅ３Ｏ４，ＮｉＯ，ＷＯ３等の粉末を用いることが可能である。
この構成によれば、断熱材３３を透過したマイクロ波Ｍがマイクロ波加熱材４００で効果的に吸収されるので、マイクロ波加熱材４００が混入された部位をより効果的に加熱できる。この場合、誘電損失の小さい材料（例えば、カソード電極４３）にマイクロ波加熱材４００を混入する等して、誘電損失の異なる材料間での温度差や温度勾配を抑制できる。これにより、発電体１０の割れ等を確実に抑制した上で、発電体１０をより効果的に加熱できる。また、発電体１０全体で有効に発電が行われるので、発電性能の向上を図ることができる。なお、マイクロ波加熱材４００は、発電体１０の全体に混入する必要はなく、積極的に加熱したい部位のみに混入させればよい。
【００６８】
さらに、上述した第３実施形態では、マイクロ波加熱装置を２段設ける構成について説明したが、これに限らず３段以上設けても構わない。
上述した実施形態では、カソード電極及びアノード電極の表面に沿ってそれぞれカソードガス及びアノードガスを供給する構成について説明したが、これに限らず、カソード電極及びアノード電極の表面に直交する方向にカソードガス及びアノードガスを供給しても構わない。
また、上述した実施形態では、マイクロ波Ｍを発電体１０の外側（カソード電極４３側）から照射した場合について説明したが、これに限らず発電体の内側（アノード電極４１側）から照射しても構わない。
また、第５実施形態に上述した第１〜４実施形態等の各構成を組み合わせることも可能である。
【００６９】
さらに、本発明は上述した実施形態に示したようなカソードガスとアノードガスを分離して、それぞれの電極（例えばアノード電極４１及びカソード電極４３）に供給する２室型燃料電池に限定されるものではなく、アノードガスとカソードガスを混合した混合ガスを発電体（例えば、発電体１０）に供給し、発電する単室型燃料電池にも全く同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１，１００，１５０，２００…燃料電体システム １１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…マイクロ波加熱装置 ４１…アノード電極（燃料極） ４２…固体電解質膜（電解質） ４３…カソード電極（空気極） ４４…開口部 ４００…マイクロ波加熱材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の固体電解質を用い、この固体電解質膜を燃料極と空気極とで両側から挟んでセルを形成した固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）が知られている。このＳＯＦＣは、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ出力密度が高く、発電性能が高い。また、燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系燃料全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が８００℃程度と高いため、反応にＰｔ（白金）のように高価な触媒を利用せずに済む、等のメリットがある。
【０００３】
このＳＯＦＣを、定置型の燃料電池システムに適用する場合には、燃料供給の容易さから天然ガス等のＨＣガス燃料を利用するのが主流である。
また近年では、燃料電池車両や携帯電子機器等の移動体の燃料電池システムに、ＳＯＦＣを適用することが検討されている。この場合には、ＨＣガス燃料に比べて密度が高く供給インフラも整っている、ガソリンやディーゼル燃料等の炭化水素系液体燃料（ＨＣ液体燃料）を利用することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２４６０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したようにＳＯＦＣを用いた燃料電池システムは作動温度が高温であるため、始動時にＳＯＦＣを加熱する必要がある。
ここで、従来の加熱方法としては、燃焼ガスやヒーター等を用いてＳＯＦＣを加熱する伝熱加熱方法がある。この伝熱加熱方法では、被加熱体（例えば、ＳＯＦＣ）に温度勾配を与えることが必要であるが、一般的な平板構造のＳＯＦＣの構成材であるセラミックスは、割れ防止の観点から大きな温度勾配を付加できないので迅速な加熱は困難である。一方、小型円筒構造を有するＳＯＦＣは大きな温度勾配を与えても割れにくいが、ＳＯＦＣの構成材であるセラミックス自体の熱拡散率が小さいため、熱移動量は小さい。したがって、伝熱加熱方法を用いるＳＯＦＣの加熱には形状の如何に関わらず時間を要する。
【０００６】
さらに、加熱源からＳＯＦＣに向かって熱が伝達されながらＳＯＦＣを加熱するために、発電に関係する部位以外（ＳＯＦＣ以外の部位）の部位も加熱されてしまう。すなわち、ＳＯＦＣが加熱源から離れている場合に、ＳＯＦＣのみの選択加熱は不可能である。そのため更に、昇温時間が長く、エネルギー消費量も多くなるという問題がある。そして、燃料電池システムの起動停止を頻繁に行う場合には、起動の度に上述した問題が発生する。なお、伝熱加熱方法のうち、燃焼ガスを用いて加熱する場合には、ＮＯｘ（窒素酸化物）、煤、未燃ガス、ＣＯ等のエミッションが発生してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、加熱時のエミッションの発生を抑制した上で、発電体を効率的に加熱できる固体酸化物型燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、固体酸化物型燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池システム１）の発電体（例えば、実施形態における発電体１０）を構成する燃料極（例えば、実施形態におけるアノード電極４１）、空気極（例えば、実施形態におけるカソード電極４３）、電解質（例えば、実施形態における固体電解質膜４２）のうち、少なくとも何れかが、誘電損失の十分大きい材料からなり、前記固体酸化物型燃料電池をマイクロ波照射によって加熱させるためのマイクロ波加熱装置（例えば、実施形態におけるマイクロ波加熱装置１１）を設けたことを特徴とする。なお、誘電損失とは、マイクロ波が誘電体に暴露されたときにどれだけその電界エネルギーを吸収するかを示すもので、誘電損失が大きいほどマイクロ波による吸収発熱が大きくなる。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、前記マイクロ波加熱装置は、加熱部位を変更可能に構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、前記発電体は、誘電損失の大きいマイクロ波加熱材（例えば、実施形態におけるマイクロ波加熱材４００）を混入させて形成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載した発明は、前記マイクロ波加熱装置は、前記発電体における前記燃料極及び前記空気極のうち、一方の電極側から他方の電極側に向けてマイクロ波を照射し、前記一方の電極の電極面には、前記マイクロ波を通過させる開口部（例えば、実施形態における開口部４４）が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載した発明は、前記燃料極には炭素を含む燃料ガスを供給し、前記マイクロ波加熱装置は、前記固体酸化物型燃料電池の起動後、前記燃料ガスの炭化により前記燃料極側で析出される炭素を分解するべく、マイクロ波を照射して前記炭素を加熱しうるように形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載した発明は、前記発電体の周囲に誘電損失が前記発電体よりも小さい材料からなる断熱材を設け、前記断熱材の外側に前記マイクロ波加熱装置を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載した発明によれば、マイクロ波によって発電体を誘電加熱することで、従来の燃焼ガスやヒーターによる伝熱加熱方法と異なり、発電体以外の部位を加熱することなく、必要な箇所のみを選択的に加熱することができる。これにより、昇温時間を短縮できるとともに、加熱に要するエネルギーも低減できる。
また、燃焼ガスを用いて加熱する場合と異なり、加熱時にＮＯｘ等のエミッションを発生させることなく、クリーンに発電体を加熱できる。この場合、燃焼ガス成分による発電体の劣化を抑制できる。
したがって、エミッションの発生を抑制した上で、効果的に発電体を加熱できるので、始動時間の早い高性能な固体酸化物型燃料電池を提供できる。なお、本発明の構成によれば、発電体のうち、誘電損失の十分大きい材料からなる部位が効果的に加熱される。
【００１５】
請求項２に記載した発明によれば、マイクロ波による加熱部位を変更可能に構成することで、発電体全体をより均一に加熱できる。これにより、発電体の温度分布を抑制できるので、発電体の割れや劣化等を確実に抑制した上で、発電体をより効果的に加熱できる。また、発電体が均熱化され、発電体全体で有効に発電が行われることになるので、発電性能の向上を図ることができる。
【００１６】
請求項３に記載した発明によれば、マイクロ波がマイクロ波加熱材で効果的に吸収されるので、マイクロ波加熱材が混入された部位をより効果的に加熱できる。この場合、誘電損失の小さい材料にマイクロ波加熱材を混入する等して、誘電損失の異なる材料間での温度差や温度勾配を抑制できる。これにより、発電体の割れ等を確実に抑制した上で、発電体をより均一に加熱できる。また、発電体全体で有効に発電が行われるので、発電性能の向上を図ることができる。
【００１７】
請求項４に記載した発明によれば、一方の電極に開口部を設けることで、この開口部内をマイクロ波の一部が通過することになる。そのため、マイクロ波が他方の電極に照射され易くなるので、一方の電極側からマイクロ波を照射した場合でも、他方の電極を効果的に加熱できる。
【００１８】
ところで、固体酸化物型燃料電池の燃料にＨＣ系の燃料を用いる場合、燃料極付近の低温箇所（例えば５００℃以下程度の炭素析出温度領域）に未反応の燃料が長時間滞在すると、燃料極や、燃料極側の反応室内、燃料ガス供給路、燃料ガス排気通路に炭素が析出する。反応室付近の吸気排気通路に炭素が析出すると供給流路に目詰まりが発生し、燃料極に炭素が析出すると触媒の活性が失われて発電体が劣化する虞がある。その結果、発電体の発電性能が低下するという問題がある。また炭素を除去するために、流路内に酸素を導入すると、燃料極の劣化や燃料の無駄な消費に繋がる。
そこで、請求項５に記載した発明によれば、誘電損失が全ての材料中で最大の炭素析出物はマイクロ波によって選択的、かつ、効率的に加熱されることで、分解され、燃料として再利用できる。これにより、反応室付近の吸気排気通路の目詰まりや、燃料極の劣化を抑制できるので、固体酸化物型燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。
なお、反応室付近で低温になり易い箇所や、炭素の析出時期、析出量等を実験やシミュレーション等で予め特定しておくことで、反応室付近の低温箇所に対してマイクロ波を照射する際、照射タイミングや、照射時間、マイクロ波のエネルギー等を所望の条件で設定できる。これにより、析出した炭素を効果的に除去できるので、運転効率の向上を図ることができる。
【００１９】
発電体を保温するために、発電体の周囲に断熱材を設置する場合、従来の伝熱加熱方法では断熱材の外側から発電体を加熱することは不可能である。そのため、断熱材の内部にヒーターを設置したり、燃焼ガスのガス流路を引き回したりする必要があり、装置が大型化するという問題がある。
これに対して請求項６に記載した発明によれば、断熱材が誘電損失の小さい材料からなるため、マイクロ波を断熱材の外側から照射した場合であっても、マイクロ波が断熱材を透過して発電体に照射されることになる。そのため、断熱材の外側から発電体のみにマイクロ波を照射できるので、断熱材の内側に加熱源を引き回す必要がない。よって、構成の簡素化を実現することができるので、装置の小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。
また、発電体の周囲に断熱材を設けることで、発電体を保温できるので、発電体の温度低下を抑制し、高い発電性能を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムのブロック図である。
【図２】第１実施形態におけるアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
【図３】アノード電極及びカソード電極のマイクロ波の照射時間に対する温度変化を示すグラフである。
【図４】第２実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図５】第２実施形態におけるアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
【図６】チョッパー位置を基準点（０ｍｍ）から＋Ｘ方向に移動させた際のアプリケーター内での定在波の変化を示す図である。
【図７】第３実施形態における燃料電池システムのブロック図である。
【図８】第３実施形態におけるアプリケーターの内部断面図である。
【図９】チョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、アプリケーター内をＺ方向から見た側面図である。
【図１０】チョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、アプリケーター内をＹ方向から見た平面図である。
【図１１】チョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、アプリケーター内をＺ方向から見た側面図である。
【図１２】チョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、アプリケーター内をＺ方向から見た側面図である。
【図１３】第４実施形態におけるアプリケーターの内部構成を示す断面図である。
【図１４】第５実施形態におけるアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
【図１５】チョッパー位置と定在波の発生位置を示す図であり、アプリケーターをＺ方向から見た図である。
【図１６】発電部の他の構成を示すアプリケーターの断面図である。
【図１７】発電体の他の構成を示す斜視図である。
【図１８】発電体の他の構成を示す斜視図である。
【図１９】発電体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１実施形態）
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は第１実施形態における燃料電池システムのブロック図である。なお、アプリケーター２５内部には後述する発電体１０、アノードガス流通路５３、カソードガス流通路５１、各種電線等が設置してあるが、簡単のため図１には記載していない。
図１に示すように、燃料電池システム１は、ＳＯＦＣの発電体１０（図２参照）を用いて発電を行うものであって、マイクロ波加熱装置１１（以下、加熱装置１１という）を備えている。
加熱装置１１は、マイクロ波発生装置２１（以下、発生装置という）と、アイソレータ２２と、検出部２３と、ＥＨチューナー２４とアプリケーター２５とがマイクロ波Ｍ（図２参照）の進行方向に沿って導波管２６を介して接続されている。なお、以下の説明では、マイクロ波Ｍの進行方向を＋Ｘ方向、Ｘ方向に互いに直交する方向をそれぞれＹ方向（図１中上下方向）及びＺ方向（図１中奥行方向）とする。
【００２２】
発生装置２１は、図示しない電源部から電力を供給することで、マイクロ波Ｍを発生させるものであり、発生したマイクロ波Ｍは進行波電力として導波管２６や各構成部材（アイソレータ２２等）を伝搬してアプリケーター２５に向けて＋Ｘ方向に沿って進行する。なお、マイクロ波Ｍのうち、進行途中でインピーダンスの整合がとれていないものは、反射波電力となり発生装置２１に向けて−Ｘ方向に進行する。また、本実施形態のマイクロ波Ｍは、周波数が例えば２．４５ＧＨｚ帯のものを利用している。
【００２３】
アイソレータ２２は、発生装置２１の後段側（＋Ｘ方向側）に導波管２６を介して接続され、反射波電力を吸収することで、マイクロ波Ｍの流れを一方向に規制するためのものである。これにより、反射波電力が発生装置２１まで戻らないように構成されている。その結果、発生装置２１を保護することができ、発生装置２１からアプリケーター２５に向けて安定したマイクロ波Ｍを出力することができる。
検出部２３は、アイソレータ２２の＋Ｘ方向側に接続され、アプリケーター２５への入力エネルギー（進行波）と発生装置２１側への反射エネルギー（反射波）とを検出するためのものである。そして、検出部２３での検出結果に基づいて発生装置２１に供給される電力が制御されるようになっている。なお、検出部２３には、検出結果を表示するためのパワーモニタ２７が接続されている。
ＥＨチューナー２４は、検出部２３の＋Ｘ方向側に導波管２６を介して接続され、反射波に対して逆位相の電力を生成し、反射波を打ち消すことにより、インピーダンス整合するものである。
【００２４】
図２はアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
図２に示すように、アプリケーター２５は、ＥＨチューナー２４の＋Ｘ方向側に導波管２６を介して接続され、例えばＳＵＳ等の導電性材料からなる箱型のものであり、内部に発電部３１が収容されている。なお、アプリケーター２５のＸ方向における長さは、発生装置２１から発生する進行波と、アプリケーター２５の＋Ｘ方向側の端部で反射された反射波とが重なり合って、アプリケーター２５内で定在波が生成されるように設定されている。アプリケーター２５の寸法として、本実施形態では、例えばＸ方向の長さが１８０ｍｍ、Ｙ方向の長さ５４．６ｍｍ、Ｚ方向の長さが５４．６ｍｍに形成されている。
【００２５】
発電部３１は、ＳＯＦＣの発電体１０と、この発電体１０の外側を覆う外筒３２と、外筒３２を覆う断熱材３３とを備えている。
本実施形態の発電体１０は、アノード支持型（小型円筒構造）のチューブセルであって、例えば軸方向をアプリケーター２５のＹ方向に一致させた状態で、かつＸ方向においてアプリケーター２５内で発生する定在波の腹（加熱部位）の発生位置に合わせて配置されている。発電体１０は、円筒形状のアノード電極（燃料極）４１と、アノード電極４１の外周面に形成された固体電解質膜（電解質）４２と、固体電解質膜４２の外周面に形成されたカソード電極（空気極）４３とを備えている。固体電解質膜４２は、例えばＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）等の材料で構成されている。アノード電極４１は例えばニッケルとＹＳＺとの焼結体で構成され、カソード電極４３は例えばランタン、ストロンチウム、マンガンの焼結体で構成されている。
【００２６】
この場合、発電体１０を構成するアノード電極４１、カソード電極４３、及び固体電解質膜４２の材料は、断熱材３３や外筒３２、アプリケーター２５内に配置された他の構成部材よりも誘電損失が十分に大きい。特に、発電体１０を構成する材料のうち、アノード電極４１を構成する材料（例えば、ニッケル）は、温度が１００℃以上の範囲において、他の材料よりも誘電損失が十分大きい。なお、誘電損失とは、マイクロ波Ｍが誘電体に暴露されたときにどれだけその電界エネルギーを吸収するかを示すもので、誘電損失が大きいほどマイクロ波Ｍによる吸収発熱が大きくなる。本実施形態では、アノード電極４１を誘電損失が十分大きい材料により構成したが、これに限らず、発電体１０を構成する少なくとも何れかの材料の誘電損失が十分に大きければ構わない。
【００２７】
発電体１０の＋Ｙ方向（図２中上端部）側の開口部は、アプリケーター２５の＋Ｙ方向端面（図２中上端面）によって閉塞されている。一方、発電体１０の−Ｙ方向側（図２中下端側）には、カソード電極４３及び固体電解質膜４２は形成されておらず、アノード電極４１が露出している。そして、カソード電極４３の−Ｙ方向端部にはカソード集電材４５が接続され、アノード電極４１の−Ｙ方向端部（露出部分）にはアノード集電材４６が接続されている。これら集電材４５，４６は、アプリケーター２５との絶縁を図った状態でアプリケーター２５外に引き出されている。
【００２８】
外筒３２は、発電体１０に比べて誘電損失が小さい材料（マイクロ波Ｍを透過する材料）からなる筒状の部材であり、軸方向を発電体１０の軸方向（Ｙ方向）に一致させた状態で配置されている。そして、外筒３２は、＋Ｙ方向端部側（図２中上端部）側の開口部がアプリケーター２５の＋Ｙ方向端面により閉塞されている。また、アプリケーター２５の＋Ｙ方向端面には、外筒３２の内側に連通する複数のカソードガス供給孔４７が形成されており、アプリケーター２５の外部に設けられた図示しないカソードガス（酸化剤ガス）の供給源から外筒３２の内側に向けてカソードガス（例えば、空気）が供給される。すなわち、外筒３２とカソード電極４３との間は、カソードガスが流通するカソードガス流通路（第１反応室）５１を構成している。カソードガス流通路５１内に供給されるカソードガスは、外筒３２内を−Ｙ方向に向かって流通する（図２中矢印Ｃ参照）。
【００２９】
なお、外筒３２の−Ｙ方向端部（図２中下端部）側は、発電に供されたカソードガス（カソードオフガス）を排出するための図示しないカソードオフガス排出路に接続され、カソードオフガスはカソードオフガス排出路を通って発電部３１外に排出され、その後アプリケーター２５外に排出される。また、カソードガス供給孔４７の内径は、マイクロ波Ｍを透過させず、カソードガスのみを通過させることが可能な大きさで形成されており、例えば５ｍｍ程度に形成されている。
【００３０】
また、発電体１０（アノード電極４１）には、図示しないアノードガスの供給源から引き回された燃料導入ポート５２が接続されている。この燃料導入ポート５２は、アプリケーター２５の−Ｙ方向端面（図２中下端面）からアノード電極４１の内側に挿入され、その先端がアノード電極４１の軸方向中途部に配置されている。そして、アノード電極４１の内側には、燃料導入ポート５２を介してアノードガス（例えば、ＨＣ系燃料ガス）が供給される。すなわち、アノード電極４１の内側はアノードガスが流通するアノードガス流通路（第２反応室）５３を構成している。そして、アノードガス流通路５３内に供給されたアノードガスは、燃料供給ポート５２から＋Ｙ方向に向かって供給された後、アプリケーター２５の＋Ｙ方向端面で折り返されて−Ｙ方向に向かって流通する（図２中矢印Ａ参照）。なお、アノードガスにＨＣ系燃料ガスを用いた場合、発電体１０で発電により生成されたアノードガスのオフガス（Ｈ２Ｏや、ＣＯ２、ＣＨ等）は、燃料導入ポート５２とアノード集電材４６との間に形成されたアノードオフガス排出路５４を通って発電部３１外に排出され、その後アプリケーター２５外に排出される。
【００３１】
断熱材３３は、カオウール等のマイクロ波Ｍを透過する材料からなり、外筒３２の外側を覆うように設けられている。
【００３２】
（燃料電池システムの動作方法）
次に、上述した燃料電池システム動作方法について説明する。
図１，図２に示すように、まず発生装置２１に電力を供給し、マイクロ波Ｍを発生させる。発生装置２１で発生したマイクロ波Ｍは、導波管２６を＋Ｘ方向に向けて進行してアプリケーター２５内に伝播する。アプリケーター２５内に伝播したマイクロ波Ｍは、断熱材３３及び外筒３２を透過した後、発電体１０で吸収されることで、発電体１０が誘電加熱される。この場合、発電体１０がマイクロ波Ｍの腹の発生位置に合わせて配置されているので、発電体１０のみを効果的に加熱することができる。なお、上述した材料からなる発電体１０では、１００℃以上においてはカソード電極４３よりもアノード電極４１の方が、マイクロ波Ｍを吸収し易い（誘電損失が大きい）ため、アノード電極４１の温度が積極的に上昇する。そして、アノード電極４１の温度が所定の温度（約６００℃〜８００℃程度）まで昇温した時点で、発生装置２１を停止し、アノードガス及びカソードガスの供給を開始する。
【００３３】
カソードガスの供給源からカソードガス流通路５１内に供給されたカソードガスは、カソード電極４３の表面に倣って流通する間に、カソード電極４３において触媒反応により酸素イオンとなる。すると、カソード電極４３で発生した酸素イオンが、固体電解質膜４２を透過してアノード電極４１まで移動する。
一方、アノードガスの供給源からアノードガス流通路５３内に供給されたアノードガスは、アノード電極４１の表面に倣って流通する間に、アノード電極４１に到達したアノードガスと、アノード電極４１まで移動した酸素イオンとが結合する。この反応過程において、電子を放出することで発電が行われる（Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−）。
【００３４】
そして、カソードガス流通路５１内において発電に供されたカソードガスオフガスは、カソードオフガス排出路からアプリケーター２５外に排出される一方、アノードガス流通路５３内において発電に供されたアノードガスオフガスは、アノードオフガス排出路５４からアプリケーター２５外に排出される。
【００３５】
なお、本実施形態の燃料電池システム１では、発電が開始すると発電に関して発生する熱によって、マイクロ波Ｍで加熱しなくても、発電体１０の温度が上昇する。そして、そのまま発電を継続すると、発電量と放熱量とがバランスし、発電体１０（アノード電極４１、固体電解質膜４２及びカソード電極４３）が、何れも発電が最適に行われる温度（例えば、８００℃程度）まで上昇し、熱自立の状態になる。すなわち、外部から熱エネルギーを与えることなく、発電体１０の温度が燃料電池システム１の動作温度に維持され、保温された状態となる。
【００３６】
このように、本実施形態では、マイクロ波Ｍを照射することによって発電体１０を加熱する加熱装置１１を備えた構成とした。
この構成によれば、発生装置２１で発生したマイクロ波Ｍは、断熱材３３や外筒３２を透過して、発電体１０のみを選択的に加熱することになる。すなわち、マイクロ波Ｍによって発電体１０を誘電加熱することで、従来の燃焼ガスやヒーターによる伝熱加熱方法と異なり、発電体１０以外の部位を加熱することなく、必要な箇所のみを加熱することができる。これにより、昇温時間を短縮できるとともに、加熱に要するエネルギーも低減できる。
また、燃焼ガスを用いて加熱する場合と異なり、加熱時にＮＯｘ等のエミッションを発生させることなく、クリーンに発電体１０を加熱することができる。この場合、燃焼ガス成分による発電体１０の劣化を抑制できる。
したがって、本実施形態の燃料電池システム１によれば、エミッションの発生を抑制した上で、効果的に発電体１０を加熱することができるので、始動時間の早い高性能な燃料電池システム１を提供できる。
【００３７】
ところで、上述した従来の伝熱加熱方法を用いて急速加熱を行うと、発電体の面内で大きな温度勾配が生じ、発電体が割れる虞がある。これに対して、発電体を小さくすることで、温度勾配を抑制し、温度勾配に起因する割れを避けることも考えられるが、発電体のヒートマス（熱容量）と熱移動速度（セラミックスの低い熱伝導率）の制約から昇温時間の限界が決まってしまい、ｋＷクラス以上の出力を有する発電体の急速加熱は原理的に不可能である。
これに対して、本実施形態によれば、従来の伝熱加熱方法と異なり、マイクロ波周波数×誘電損失×電界の２乗で発電体１０を加熱できる。また、発電体１０の面内での温度勾配の発生を抑制できるので、燃料導入時等に発電体１０面内の温度の高い部位が優先的に発電、及び発熱することで発生する発電体１０の熱暴走を抑制できる。よって、発電体１０の割れや劣化等を抑制した上で、発電体１０を効果的に加熱できる。また、発電体１０を均一に加熱できるので、発電体１０全体で有効に発電を行うことができ、発電性能の向上を図ることができる。さらに、発電体１０の急速加熱を実現できるので、燃料電池システム１の始動開始までに要する時間を短縮できる。
【００３８】
図３は、アノード電極及びカソード電極のマイクロ波の照射時間に対する温度変化を示すグラフである。
図３に示すように、本実施形態の燃料電池システム１では、マイクロ波Ｍの加熱開始から約９０秒程度でアノード電極４１を約６００℃まで加熱でき、発電体１０の急速加熱を実現することができた。
【００３９】
さらに、断熱材３３がマイクロ波Ｍを透過する材料からなるため、マイクロ波Ｍを断熱材３３の外側から照射した場合であっても、マイクロ波Ｍが断熱材３３を透過して発電体１０に照射されることになる。そのため、発電部３１の外部から発電体１０のみにマイクロ波Ｍを照射できるので、発電部３１の内部に加熱源を引き回す必要もない。よって、構成の簡素化を実現できるので、装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。
また、発電体１０の周囲に断熱材３３を設けることで、発電体１０を保温できるので、発電体１０の温度低下を抑制し、高い発電性能を維持できる。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、アプリケーター内に複数の発電体が配列されている点で上述した実施形態と相違している。図４は第２実施形態の燃料電池システムを示すブロック図であり、図５はアプリケーターの内部構造を示す断面図である。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
まず、図４，図５に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、アプリケーター２５内に上述した発電部３１が複数配列されている。各発電部３１（発電体１０）は、アプリケーター２５内におけるＸ方向及びＺ方向に沿って並んで配列されるとともに、アプリケーター２５のＹ方向に沿って互いに平行に配列されている。そして、各発電体１０のカソード電極４３及びアノード電極４１は、アプリケーター２５の−Ｙ方向側に設けられたカソード集電材４５及びアノード集電材４６にそれぞれまとめて接続されている。また、各発電体１０のアノード電極４１の内側（アノードガス流通路５３）には、アノードガス導入ポート５２が挿入されており、アノードガスの供給源から供給されるアノードガスは各アノードガス導入ポート５２に分岐された後、各アノードガス流通路５３に供給されるようになっている。
【００４１】
そして、アプリケーター２５の＋Ｘ方向側には、アプリケーター２５をＸ方向で仕切るように板状のチョッパー１０１が配置されている。このチョッパー１０１は、発生装置２１で発生したマイクロ波Ｍを進行方向とは逆方向（−Ｘ方向）に向けて反射させるものであり、モータ等の図示しない駆動手段によってＸ方向に沿って無段階に移動可能に構成されている（図５中矢印Ｑ参照）。なお、アプリケーター２５のＸ方向における長さは、チョッパー１０１が最も−Ｘ方向側に配置された状態（図５中鎖線Ｈ）で１８０ｍｍになるように設定されている。
【００４２】
この場合、チョッパー１０１の位置を変化させることで、アプリケーター２５のＸ方向における長さが変化するため、アプリケーター２５内に様々な定在波を発生させることができる。すなわち、アプリケーター２５内での腹（節）の発生位置をＸ方向で変化させることができるので、アプリケーター２５内での加熱部位を変化させることができる。
【００４３】
図６にチョッパー位置を基準点（０ｍｍ）から＋Ｘ方向に移動させた際のアプリケーター内での定在波の変化を示す。なお、図６では、アプリケーター２５内のＸ方向に沿って感熱紙を配置し、各チョッパー位置における基準点から最も近い感熱紙の加熱部位（腹の発生位置）までの距離を測定した。図中では、加熱部位（昇温部）をＫで示し、加熱されていない部位（非昇温部）をＬで示している。また、図６ではチョッパー１０１を最も−Ｘ方向側に配置した位置を基準点（０ｍｍ）としている。
図６（ａ）に示すように、チョッパー１０１を基準点に配置した場合、基準点から−Ｘ方向へ距離Ｄ１（３ｍｍ）の地点に昇温部Ｋが発生し、この地点から−Ｘ方向に沿って等間隔に昇温部Ｋが発生している。
次に、図６（ｂ）に示すように、チョッパー１０１を基準点から＋Ｘ方向に５０ｍｍの地点に配置した場合、基準点から基準点から−Ｘ方向へ距離Ｄ２（１９ｍｍ）の地点に昇温部Ｋが発生し、この地点から−Ｘ方向に沿って等間隔に昇温部Ｋが発生している。
また、図６（ｃ）に示すように、チョッパー１０１を基準点から＋Ｘ方向に１００ｍｍの地点に配置した場合、基準点から基準点から−Ｘ方向へ距離Ｄ３（４３ｍｍ）の地点に昇温部Ｋが発生し、この地点から−Ｘ方向に沿って等間隔に昇温部Ｋが発生している。
このように、チョッパー１０１を＋Ｘ方向に沿って移動させることで、アプリケーター２５内での腹の発生位置は−Ｘ方向に移動することになる。この場合、アプリケーター２５内に配列された各発電体１０の基準点からの距離を把握しておくことで、アプリケーター２５内に配列された複数の発電体１０のうち、任意の発電体１０を選択的に加熱していくことができる。
【００４４】
したがって、本実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、アプリケーター２５内に複数の発電体１０が配列されている場合であっても、各発電体１０に対して選択的にマイクロ波Ｍを照射することができる。これにより、各発電体１０の温度分布を抑制できるので、発電体１０の割れや劣化等を確実に抑制した上で、各発電体１０をより効果的に加熱できる。また、各発電体１０が均熱化され、発電体１０全体で有効に発電が行われることになるので、発電性能の向上を図ることができる。
【００４５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、マイクロ波加熱装置をＹ方向に亘って２段備えている点で上述した第２実施形態と相違している。図７は燃料電池システムのブロック図であり、図８はアプリケーターの内部断面図である。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
図７，図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム１５０は、上述した加熱装置１１と同様の構成からなる加熱装置（第１加熱装置１１ａ及び第２加熱装置１１ｂ）をＹ方向に亘って２段備えている。そして、図８に示すように各アプリケーター（第１アプリケーター２５ａ及び第２アプリケーター２５ｂ）には、両者間を貫通するように複数の発電体１０が配列されている。すなわち、本実施形態の発電体１０における軸方向の長さは、アプリケーター２５ａ，２５ｂのＹ方向における長さの約２倍に形成されている。この場合、発電体１０の＋Ｙ方向側の開口部は、第２アプリケーター２５ｂの＋Ｙ方向端面によって閉塞されている。一方、発電体１０の−Ｙ方向側は、第１アプリケーター２５ａの−Ｙ方向側まで延在している。そして、カソード電極４３の−Ｙ方向端部にはカソード集電材４５が接続され、アノード電極４１の−Ｙ方向端部（露出部分）にはアノード集電材４６が接続されている。このような発電体１０が、Ｘ方向及びＺ方向に沿って並んで配列されるとともに、アプリケーター２５ａ，２５ｂのＹ方向に沿って互いに平行に配列されている。なお、上述した実施形態と同様に、発電体１０の外側には、発電体１０の周囲を取り囲むように外筒３２及び断熱材３３が設けられている。
【００４６】
第１アプリケーター２５ａにおける＋Ｙ方向端部には、外筒３２の内側に連通するカソードガス供給孔１４７が形成されるとともに、第１アプリケーター２５ａと第２アプリケーター２５ｂとを仕切る仕切壁１５１には外筒３２の内側に連通する連通孔１５２が形成され、これら連通孔１５２により各アプリケーター２５ａ，２５ｂ（カソードガス流通路５１）同士が連通している。なお、カソードガス供給孔１４７及び連通孔１５２の内径は、マイクロ波Ｍを透過させず、カソードガスのみを通過させることが可能な大きさで形成されており、例えば５ｍｍ程度に形成されている。これにより、アプリケーター２５ａ，２５ｂ間でマイクロ波Ｍが透過することがないので、各アプリケーター２５ａ，２５ｂ内で独立してマイクロ波Ｍの制御を行うことができ、発電体１０の温度制御が容易になる。
【００４７】
各アプリケーター２５ａ，２５ｂの＋Ｘ方向側には、各アプリケーター２５ａ，２５ｂのＸ方向の長さを変化させるためのチョッパー（第１チョッパー１０１ａ及び第２チョッパー１０１ｂ）がそれぞれ設けられている。これらチョッパー１０１ａ，１０１ｂは、Ｘ方向に沿って独立して移動可能に構成され、アプリケーター２５ａ，２５ｂでのＸ方向における長さを、各加熱装置１１ａ，１１ｂ間で独立して制御できるようになっている。
【００４８】
（燃料電池システムの動作方法）
次に、本実施形態の燃料電池システム１５０の動作方法として、発電体１０の選択加熱方法について説明する。
図９，図１０はチョッパー位置と定在波（腹）の発生位置を示す図であり、図９はアプリケーター内をＺ方向から見た側面図、図１０はＹ方向から見た平面図である。なお、図９，図１０については、説明を分かり易くするため発電体及びチョッパーのみを図示している。まず、第１加熱装置１１ａ及び第２加熱装置１１ｂを同様に移動させる場合について説明する。
本実施形態のようにマイクロ波Ｍを用いて複数本の発電体１０を加熱する場合には、複数の発電体１０のうち、アプリケーター２５ａ，２５ｂ内のＸ方向中央部に配列された発電体１０から、±Ｘ方向に配列された発電体１０へと順次に加熱していくことが好ましい。すなわち、アプリケーター２５ａ，２５ｂ内にＸ方向中央部に配列された発電体１０を中心にして、Ｘ方向で対称に加熱していく。具体的に、図９（ａ），図１０（ａ）に示すように、まず各チョッパー１０１ａ，１０１ｂを位置Ｘ１に合わせると、発生装置２１から発生したマイクロ波Ｍの進行波と、チョッパー１０１ａ，１０１ｂで反射した反射波とが重ね合って定在波が生成され、アプリケーター２５内のＸ方向中央部（図９，１０中位置Ｘ１’）に腹が形成される。これにより、位置Ｘ１’の周辺に配置された発電体１０が効果的に加熱される。
【００４９】
次いで、図９（ｂ），図１０（ｂ）に示すように、位置Ｘ１’のアノード電極４１の温度が所定の温度（約６００℃〜８００℃程度）まで上昇した時点で、チョッパー１０１ａ，１０１ｂを位置Ｘ１から位置Ｘ２に移動させる（例えば、＋Ｘ方向に移動させる）。すると、定在波が変化して腹の発生位置が位置Ｘ１’から±Ｘ方向に移動する（図９，１０中位置Ｘ２’，Ｘ２”）。これにより、位置Ｘ２’，Ｘ２”の周辺に配列された発電体１０が加熱される。
同様に、図９（ｃ），図１０（ｃ）に示すように、位置Ｘ２’，Ｘ２”のアノード電極４１の温度が所定の温度まで上昇した時点で、チョッパー１０１ａ，１０１ｂを位置Ｘ２から位置Ｘ３に移動させる（例えば、＋Ｘ方向に移動させる）。すると、定在波が変化して腹の発生位置が位置Ｘ２’，Ｘ２”から±Ｘ方向に移動する（図９，１０中位置Ｘ３’，Ｘ３”）。これにより、位置Ｘ３’，Ｘ３”の周辺に配置された発電体１０が加熱される。
【００５０】
このように、チョッパー１０１ａ，１０１ｂを移動させて、アプリケーター２５ａ，２５ｂのＸ方向中央部に配列された発電体１０から、±Ｘ方向に配列された発電体１０へと順次加熱していくことで、図９（ｄ），図１０（ｄ）に示すように、アプリケーター２５ａ，２５ｂ内の全ての発電体１０を均一に加熱することができる。これにより、各発電体１０が均熱化され、発電体１０全体で有効に発電が行われるので、発電性能の向上を図ることができる。
【００５１】
また、加熱装置１１ａ，１１ｂを複数段に亘って設けることで、軸方向に大型の発電体１０を用いることが可能になり、発電性能の更なる向上を図ることができる。この場合であっても、チョッパー１０１ａ，１０１ｂの位置を変化させ、各発電体１０を選択的に加熱することで、各発電体１０を均一に、かつ迅速に加熱できる。
【００５２】
次に、各加熱装置１１ａ，１１ｂを独立して移動させる場合について説明する。図１１はアプリケーター内をＺ方向から見た側面図である。
本実施形態では、アプリケーター２５ａ，２５ｂに配列された複数の発電体１０において、Ｘ方向で温度勾配が生じた場合や、各発電体１０のＹ方向で温度勾配が生じた場合には、低温箇所の発電体１０のみを選択して加熱することができる。図１１（ａ）に示すように、例えば位置Ｘ２’，Ｘ２”に配列された発電体１０における−Ｙ方向側の温度が低下した場合には、第１加熱装置１１ａの発生装置２１のみに電力を供給するとともに、チョッパー１０１ａを位置Ｘ２に移動させる。これにより、第１アプリケーター２５ａ内における位置Ｘ２’，Ｘ２”にマイクロ波Ｍの腹が発生し、発電体１０の−Ｙ方向側を選択して加熱することができる。
同様に、例えば位置Ｘ２’，Ｘ２”に配列された発電体１０における＋Ｙ方向側の温度が低下した場合には、図１１（ｂ）に示すように、第２加熱装置１１ｂの発生装置２１のみに電力を供給するとともに、チョッパー１０１ｂを位置Ｘ２に移動させる。これにより、第２アプリケーター２５ｂ内における位置Ｘ２’，Ｘ２”にマイクロ波Ｍの腹が発生し、発電体１０の＋Ｙ方向側を選択して加熱することができる。
【００５３】
したがって、各発電体１０で温度勾配が発生した場合に、各発電体１０の低温箇所のみを選択して加熱できる。これにより、アプリケーター２５ａ，２５ｂ内の各発電体１０間での温度勾配を抑制して、各発電体１０の温度を均一に維持できるので、発電体１０の割れ等を確実に抑制できるとともに、発電体１０の温度低下に伴う発電性能の低下を抑制できる。
【００５４】
ところで、上述した燃料電池システム１５０では、アノードガスにＨＣ系の燃料を用いる場合、アノード電極４１やアノードガス流通路５３（図２参照）側の低温箇所（例えば５００℃以下程度の炭素析出温度領域）に未反応のアノードガスが長時間滞在すると、アノードガス流通路５３やアノードオフガス排出路５４、アノード電極４１に炭素が析出する。アノードガス流通路５３やアノードオフガス排出路５４に炭素が析出するとアノードガス流通路５３に目詰まりが発生し、アノード電極４１に炭素が析出すると触媒の活性が失われて発電体１０が劣化する虞がある。その結果、発電体１０の発電性能が低下するという問題がある。炭素を除去するために、アノードガス流通路５３内に酸素を導入すると、アノード電極４１の劣化やアノードガスの無駄な消費に繋がる。
【００５５】
そこで、本実施形態では、燃料電池システム１５０の起動後、発電体１０に炭素が所定量析出された時点で、発電体１０における炭素析出箇所にマイクロ波Ｍを照射して炭素を除去するようになっている。炭素析出の有無は、各発電体１０における燃料（アノードガス）使用量を個別に測定し、この燃料使用量が所定値以上であるか否かで判断する。すなわち、発電体１０の燃料使用量が所定値以上となった場合には、析出した炭素がアノード電極４１やアノードガス流通路５３等に蓄積されて発電性能の低下に繋がると判断して、炭素除去を開始する。
この場合、発電体１０のＹ方向において炭素が析出し易いのは、発電体１０の温度が低下し易いアノードガスの流通方向下流側、すなわち第１アプリケーター２５ａの−Ｙ方向端部側である。そのため、図１１（ａ）に示すように、第１加熱装置１１ａの発生装置２１のみに電力を供給し、第１アプリケーター２５ａ内にマイクロ波Ｍを入射させる。そして、炭素析出が検出された発電体１０と、定在波の腹とが一致するように、チョッパー１０１ａを移動させることで、炭素析出が検出された発電体１０の−Ｙ方向側のみが加熱される。
【００５６】
すると、アノード電極４１に析出した炭素（Ｃ）と、アノードガス流通路５３内にアノードオフガスとして残存する二酸化炭素（ＣＯ２）とが結び付き（ＣＯ２＋Ｃ）、一酸化炭素（ＣＯ）になる（ＣＯ２＋Ｃ→２ＣＯ）。このように、マイクロ波Ｍによって炭素を加熱することで、アノードガス流通路５３側の低温箇所で析出した炭素を分解できる。これにより、アノードガス流通路５３内の目詰まりや、アノード電極４１の劣化を抑制できるので、燃料電池システム１５０の発電性能の低下を抑制できる。なお、炭素は、アプリケーター２５内に配置された構成部材よりも、誘電損失が大きいのでマイクロ波Ｍによって選択的、かつ、効率的に加熱されるため、マイクロ波Ｍを照射することで、速やかに分解できる。
【００５７】
さらに、本実施形態では、アノードガス流通路５３内で生成された一酸化炭素（ＣＯ）が、固体電解質膜４２を透過してアノード電極４１まで移動してきた酸素イオン（Ｏ）と反応して、二酸化炭素（ＣＯ２）になる。この二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される際に、発電が行われる（ＣＯ＋Ｏ２-→ＣＯ２＋２ｅ−）。
これにより、仮に発電体１０に未反応のアノードガス等の炭化により炭素が析出した場合であっても、この炭素をエネルギー源として利用しつつ除去することができ、発電性能の更なる向上を図ることができる。そして、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）に示すように、各発電体１０で上述した動作を定期的に行うことで、炭素析出による発電性能の低下を抑制できるとともに、発電体１０の劣化も抑制できる。なお、発電体１０で低温になり易い箇所や、炭素の析出時期、析出量等を実験やシミュレーション等で予め特定しておくことで、発電体１０の低温箇所に対してマイクロ波Ｍの照射タイミングや、照射時間、マイクロ波Ｍのエネルギー等を所望の条件で設定できる。これにより、析出した炭素を効果的に除去できるので、運転効率の向上を図ることができる。
【００５８】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、上述した第２加熱装置１１ｂのさらに＋Ｙ方向側に、カソードガスを加熱するための第３マイクロ波加熱装置２１ｃを設ける点で第３実施形態と相違している。図１３は、アプリケーターの内部構成を示す断面図である。なお、以下の説明では、上述した第３実施形態と同様の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
図１３に示すように、本実施形態の燃料電池システム２００は、第２加熱装置１１ｂの＋Ｙ方向側に、上述した第１，２加熱装置１１ａ，１１ｂと略同一の装置構成からなる第３マイクロ波加熱装置１１ｃ（以下、第３加熱装置１１ｃという）を備えている。第３加熱装置１１ｃの第３アプリケーター２５ｃは、その＋Ｙ方向端面にカソードガスの供給源に接続されたカソードガス供給孔２４７が形成されている。一方、第２アプリケーター２５ｂと第３アプリケーター２５ｃとを仕切る仕切壁２５１には、外筒３２の内側に連通する連通孔２５２が形成され、これら連通孔２５２により各アプリケーター２５ｂ，２５ｃ同士が連通している。
【００５９】
ここで、第３アプリケーター２５ｃ内には、予備加熱部２０１が設けられている。この予備加熱部２０１は、高誘電損失材料（例えば、ＳｉＣ、Ｆｅ３Ｏ４、ＮｉＯ、ＷＯ等）がポーラス状に形成されたものであり、内部にカソードガスが通過するようになっている。また、予備加熱部２０１は、Ｙ方向から見て各発電体１０に重なるように配置されるとともに、第３アプリケーター２５ｃ内のＹ方向全域に亘って形成されている。すなわち、第３アプリケーター２５ｃ内に供給されたカソードガスは、予備加熱部２０１内を通過して連通孔２５２からカソードガス流通路５１に供給されるようになっている。
【００６０】
また、予備加熱部２０１にマイクロ波Ｍを照射することで、予備加熱部２０１が加熱されるようになっており、予備加熱部２０１を通過する際にカソードガスとの間で熱交換が行われる。これにより、カソードガスが、カソードガス流通路５１に供給される前段で予め加熱されるようになっている。この場合も、チョッパー１０１ｃの位置を調整することで、第３アプリケーター２５ｃのＸ方向における任意の予備加熱部２０１を加熱することができる。
【００６１】
本実施形態によれば、上述した第３実施形態と同様の効果を奏することに加え、カソードガスが予備加熱部２０１で予め加熱された後に、発電体１０に供給されるため、カソードガスの供給時に発電体１０の温度低下を招くことなく、発電を行うことができる。よって、更なる発電性能の向上を図ることができる。
【００６２】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。上述した各実施形態では、アノード支持型のチューブセルを発電体１０に用いる構成について説明したが、第５実施形態では平板状の発電体３０１を用いる点で、上述した実施形態と相違している。図１４は第５実施形態におけるアプリケーターの内部構造を示す断面図である。
図１４に示すように、本実施形態の燃料電池システム３００は、アプリケーター２５のＸ方向に沿って延在する平板構造の発電体３０１を複数備えている。発電体３０１は、アノード電極３０２とカソード電極３０３とで固体電解質膜３０４が挟持された平板状の部材である。各発電体３０１は、アプリケーター２５のＹ方向に沿って間隔を空けて配列されている。この場合、隣接する発電体３０１間では、同じ電極が対向するように配置されている。すなわち、隣接する発電体３０１のアノード電極３０２同士の間に形成された間隔が図示しないアノードガスの供給源から供給されるアノードガスが流通するアノードガス流通路３１０を構成し、カソード電極３０３同士の間に形成された間隔が図示しないカソードガスの供給源から供給されるカソードガスが流通するカソードガス流通路３１１を構成している。なお、図示しないが各発電体３０１のアノード電極３０２の端部にはアノード集電材が接続される一方、カソード電極３０３の端部にはカソード集電材が接続されている。
【００６３】
図１５は、チョッパー位置と定在波の発生位置を示す図であり、アプリケーターをＺ方向から見た図である。
図１５に示すように、本実施形態においても、チョッパー１０１を位置Ｘ１〜Ｘ３まで移動させることで、定在波の腹の発生位置を変化させることができるので、発電体１０のＸ方向における任意の位置を選択的に加熱することができる。
したがって、本実施形態によれば、上述した実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００６４】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施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において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
【００６５】
例えば、上述した第１〜４実施形態では、断熱材３３の内側に発電体１０を１本ずつ配置する構成について説明したが、これに限らず、図１６に示すように、断熱材３３の内側に複数本の発電体１０をまとめて配置しても構わない。
【００６６】
上述した第１〜４実施形態の発電体では、固体電解質膜４２のほぼ全面にカソード電極４３を形成する構成について説明したが、図１７に示すように、カソード電極４３を周方向に沿って分割したり、図１８に示すように、軸方向に沿って分割したりして、それらを直列接続するようにしてもよい。また、図示しないがカソード電極４３を島状に形成しても構わない。すなわち、発電体１０のカソード電極４３を切り欠いて、固体電解質膜４２を露出させる開口部４４を設けても構わない。
この構成によれば、カソード電極４３に開口部４４を設けることで、この開口部４４内をマイクロ波Ｍの一部が通過することになる。そのため、アノード電極４３に照射され易くなるので、カソード電極４３側からマイクロ波Ｍを照射した場合でも、アノード電極４３を効果的に加熱できる。なお、本実施形態のように周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波透過に必要な開口部は、真円の場合、円の直径と開口部厚さの関係から容易に決定できる。例えばΦ３０ｍｍの円柱開口部の場合、円柱高さが１０ｍｍ以下であればマイクロ波は確実に透過する。また開口部が長方形等の場合、真円の場合より容易にマイクロ波を透過させることができる。
【００６７】
また、図１９に示すように、マイクロ波Ｍの吸収性を向上させるために、断熱材３３よりも誘電損失の大きいマイクロ波加熱材４００を混入させても構わない。なお、マイクロ波加熱材４００の材料としては、ＣｕＯ，Ｆｅ３Ｏ４，ＮｉＯ，ＷＯ３等の粉末を用いることが可能である。
この構成によれば、断熱材３３を透過したマイクロ波Ｍがマイクロ波加熱材４００で効果的に吸収されるので、マイクロ波加熱材４００が混入された部位をより効果的に加熱できる。この場合、誘電損失の小さい材料（例えば、カソード電極４３）にマイクロ波加熱材４００を混入する等して、誘電損失の異なる材料間での温度差や温度勾配を抑制できる。これにより、発電体１０の割れ等を確実に抑制した上で、発電体１０をより効果的に加熱できる。また、発電体１０全体で有効に発電が行われるので、発電性能の向上を図ることができる。なお、マイクロ波加熱材４００は、発電体１０の全体に混入する必要はなく、積極的に加熱したい部位のみに混入させればよい。
【００６８】
さらに、上述した第３実施形態では、マイクロ波加熱装置を２段設ける構成について説明したが、これに限らず３段以上設けても構わない。
上述した実施形態では、カソード電極及びアノード電極の表面に沿ってそれぞれカソードガス及びアノードガスを供給する構成について説明したが、これに限らず、カソード電極及びアノード電極の表面に直交する方向にカソードガス及びアノードガスを供給しても構わない。
また、上述した実施形態では、マイクロ波Ｍを発電体１０の外側（カソード電極４３側）から照射した場合について説明したが、これに限らず発電体の内側（アノード電極４１側）から照射しても構わない。
また、第５実施形態に上述した第１〜４実施形態等の各構成を組み合わせることも可能である。
【００６９】
さらに、本発明は上述した実施形態に示したようなカソードガスとアノードガスを分離して、それぞれの電極（例えばアノード電極４１及びカソード電極４３）に供給する２室型燃料電池に限定されるものではなく、アノードガスとカソードガスを混合した混合ガスを発電体（例えば、発電体１０）に供給し、発電する単室型燃料電池にも全く同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１，１００，１５０，２００…燃料電体システム １１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…マイクロ波加熱装置 ４１…アノード電極（燃料極） ４２…固体電解質膜（電解質） ４３…カソード電極（空気極） ４４…開口部 ４００…マイクロ波加熱材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池の発電体を構成する燃料極、空気極、電解質のうち、少なくとも何れかが、誘電損失の十分大きい材料からなり、
前記固体酸化物型燃料電池をマイクロ波照射によって加熱させるためのマイクロ波加熱装置を設けたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記マイクロ波加熱装置は、加熱部位を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記発電体は、誘電損失の大きいマイクロ波加熱材を混入させて形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記マイクロ波加熱装置は、前記発電体における前記燃料極及び前記空気極のうち、一方の電極側から他方の電極側に向けてマイクロ波を照射し、
前記一方の電極の電極面には、前記マイクロ波を通過させる開口部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記燃料極には炭素を含む燃料ガスを供給し、
前記マイクロ波加熱装置は、前記固体酸化物型燃料電池の起動後、前記燃料ガスの炭化により前記燃料極側で析出される炭素を分解するべく、マイクロ波を照射して前記炭素を加熱しうるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記発電体の周囲に前記発電体よりも誘電損失が小さい材料からなる断熱材を設け、
前記断熱材の外側に前記マイクロ波加熱装置を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池の発電体を構成する燃料極、空気極、電解質のうち、少なくとも何れかが、誘電損失の十分大きい材料からなり、
前記固体酸化物型燃料電池をマイクロ波照射によって加熱させるためのマイクロ波加熱装置を設けたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記マイクロ波加熱装置は、加熱部位を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記発電体は、誘電損失の大きいマイクロ波加熱材を混入させて形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記マイクロ波加熱装置は、前記発電体における前記燃料極及び前記空気極のうち、一方の電極側から他方の電極側に向けてマイクロ波を照射し、
前記一方の電極の電極面には、前記マイクロ波を通過させる開口部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記燃料極には炭素を含む燃料ガスを供給し、
前記マイクロ波加熱装置は、前記固体酸化物型燃料電池の起動後、前記燃料ガスの炭化により前記燃料極側で析出される炭素を分解するべく、マイクロ波を照射して前記炭素を加熱しうるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記発電体の周囲に前記発電体よりも誘電損失が小さい材料からなる断熱材を設け、
前記断熱材の外側に前記マイクロ波加熱装置を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１６５５１６（Ｐ２０１１−１６５５１６Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８０１３（Ｐ２０１０−２８０１３）
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１０日（２０１０．２．１０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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