固体電解質型燃料電池システム
【課題】起動時に必要なエネルギーを低減でき、しかも迅速な起動が可能であり、移動体や家庭用として好適に適用できる固体電解質型燃料電池スタック、固体電解質型燃料電池モジュール、固体電解質型燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池スタック１では、第１燃料電池セル１７と第２燃料電池セル１９の間に、両燃料電池セル１７、１９を分離する様にセラミック製インターコネクタ２１が配置され、それらが積層方向に一体となる様に接合されている。インターコネクタ２１は、隔壁３５と第１セパレータ３７と第２セパレータ３９を備える。隔壁３５は上板部４１と下板部４３の間にヒータ４５を配置したものである。つまり、ヒータ４５は、隔壁３５の内部にて隔壁３５の長手方向（即ち燃料ガス流路）に沿って伸びる様に配置されている。
【解決手段】燃料電池スタック１では、第１燃料電池セル１７と第２燃料電池セル１９の間に、両燃料電池セル１７、１９を分離する様にセラミック製インターコネクタ２１が配置され、それらが積層方向に一体となる様に接合されている。インターコネクタ２１は、隔壁３５と第１セパレータ３７と第２セパレータ３９を備える。隔壁３５は上板部４１と下板部４３の間にヒータ４５を配置したものである。つまり、ヒータ４５は、隔壁３５の内部にて隔壁３５の長手方向（即ち燃料ガス流路）に沿って伸びる様に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体を備えた複数の燃料電池セルが積層された固体電解質型燃料電池スタック、このスタックを複数備えた固体電解質型燃料電池モジュール、及びこの固体電解質型燃料電池モジュールを用いて発電を行う固体電解質型燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。
このＳＯＦＣは、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。
【０００３】
このＳＯＦＣは、プロトン伝導型（ＰＥＭ）燃料電池と比較して、発電効率が高く、かつ、水素以外の燃料の利用が可能なことから、将来の分散型電源の最有力の候補として考えられている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４６１２９号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、１００℃以下の低温でも発電可能なＰＥＭ燃料電池と比較し、ＳＯＦＣの発電には、セル・スタック温度を６００℃以上の高温に保つ必要がある。
そのため、ＳＯＦＣシステムの起動時には、例えばスタックの周囲に配置したヒータを用いて加熱するために大量の電力を必要としたり、スタックを周囲から加熱するために多くの加熱ガスが必要であり、しかも、通常は、その加熱に５時間以上かかるという問題があった。
【０００６】
こうした問題は、ＳＯＦＣシステムを、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に適用する場合などに、大きな問題となる。
【０００７】
すなわち、こうした用途においては、ＳＯＦＣシステムの起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であるので、また、ＳＯＦＣシステムの起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるので、移動体や家庭用に適用するためには、一層の改善が必要である。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、起動時に必要なエネルギーを低減でき、しかも迅速な起動が可能であり、移動体や家庭用として好適に適用できる固体電解質型燃料電池スタック、固体電解質型燃料電池モジュール、及び固体電解質型燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）請求項１の発明（固体電解質型燃料電池スタック）は、燃料ガスに接する燃料極及び支燃性ガスに接する空気極を有する固体電解質体を備えた燃料電池セルが、複数個積層された固体電解質型燃料電池スタックにおいて、前記スタックの内部に、ヒータを配置したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体電解質型燃料電池スタックは、その内部にヒータを備えているので、従来のガスやヒータによって外部から加熱する装置に比べて、効率良くスタックを加熱することができる。これによって、ＳＯＦＣシステムの起動時に、少ない電力で速やかに発電に必要な温度まで加熱できるので、特に、ＳＯＦＣシステムを、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に好適に適用できる。
【００１１】
つまり、こうした用途においては、ＳＯＦＣシステムの起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であり、また、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるが、本発明では、低電力で速やかに加熱できるので、移動体や家庭用に好適に利用することができる。
【００１２】
また、セラミックである固体電解質体を主要な構成とするスタックには、燃料ガスを供給する箇所や燃料ガスの排ガス（燃料排ガス）を排出する箇所に、通常は、ろう付けなどにより金属製のジョイントが接合されているが、その接合部分は、セラミック部分に比べると耐熱性が低い。
【００１３】
しかし、本発明は、スタック内部から加熱する構造であるので、スタックの表面側の温度は内部の温度と比べて低い。よって、スタック内部が発電可能な高温に達した場合でも、その接合部分の温度を低く保つことが可能であるので、接合部分の劣化を抑制することができる。
【００１４】
尚、前記ヒータは、スタックの燃料ガスの供給側及び排出側よりも、その供給側と排出側とに挟まれた中間領域を高めに加熱するように形成することが好ましい。つまり、ヒータをスタック内部を重点的に加熱するように構成することにより、金属製のジョイントが接合されている燃料ガスの供給側と排気側の温度を低くすることができる。これによって、スタック内部が発電可能な高温に達した場合でも、その接合部分の温度を一層低く保つことができるので、接合部分の劣化を効果的に抑制することができる。
【００１５】
（２）請求項２の発明は、前記各燃料電池セル間に、セラミック製のインターコネクタを備えるとともに、前記インターコネクタは、第１燃料電池セルの燃料極に供給する燃料ガスの流路と第２燃料電池セルの空気極に供給する支燃性ガスの流路とを分離する構成（例えば隔壁）と、前記第１燃料電池セルの燃料極と第２燃料電池セルの空気極とを電気的に接続する導通部（例えば電池ビア導通部）とを備えるとともに、前記ヒータを備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明では、各燃料電池セル間に、流路の分離及び電極間の電気的導通を行うインターコネクタを備え、このインターコネクタにヒータが配置されている。
従って、ヒータを、スタック内部において加熱に最適な箇所、即ち燃料電池セルに近接した箇所に配置できる。また、ヒータの形成は、インターコネクタの形成時に行うことができるので、その製造が容易である。
【００１７】
尚、前記「第１」、「第２」等の序数は、複数存在する同種の部材を区別するために付したものである（以下同様）。
（３）請求項３の発明は、前記インターコネクタの内部（例えば隔壁の内部）に、前記ヒータを備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明は、ヒータの好適な配置箇所を例示している。これにより、ヒータが劣化しにくく、また、ヒータを備えたスタックの製造が容易である。例えば隔壁の形成時にヒータを形成することができるので、その製造が容易である。
【００１９】
（４）請求項４の発明（固体電解質型燃料電池モジュール）は、燃料ガスに接する燃料極及び支燃性ガスに接する空気極を有する固体電解質体を備えた燃料電池セルが、複数個積層された固体電解質型燃料電池スタックを、複数個備えた固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記複数の固体電解質型燃料電池スタックのうち、少なくとも１個のスタックを、前記請求項１〜３のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池スタックとしたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールは、内部にヒータを備えたスタックを、少なくとも１個有している。
従って、ヒータを備えたスタックを、少ない電力で速やかに加熱して発電可能な状態にすることが可能である。よって、例えばこのスタックから排出される高温の燃料排ガスを利用して他のスタックを加熱することができる。また、他のスタックにもヒータを備えている場合には、このスタックによって発電された電力を他のヒータに供給して、他のスタックを加熱することができる。
【００２１】
（５）請求項５の発明は、前記各固体電解質型燃料電池スタックにおいて、少なくとも燃料ガスの供給を、前記各スタック独立して調節可能な構成としたことを特徴とする。
本発明では、燃料ガスの供給を各スタック独立して調整可能である。従って、例えばヒータにより加熱されたスタックから排出される燃料排ガスを、他のスタックに供給して加熱するように調節することができる。
【００２２】
（６）請求項６の発明は、第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに（好ましくはその燃料供給側に）供給可能な構成としたことを特徴とする。
【００２３】
本発明では、例えばヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックが、例えば発電可能な温度まで加熱された場合には、その燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給することができる。
【００２４】
従って、第２固体電解質型燃料電池スタックがヒータを備えていない場合であっても（或いはヒータを備えていても）、第２固体電解質型燃料電池スタックを効率良く加熱することができる。
【００２５】
（７）請求項７の発明は、前記第１固体電解質型燃料電池スタックの燃料排ガスの排気路を、第２固体電解質型燃料電池スタックの燃料ガスの供給路に接続するとともに、前記燃料排ガスを第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する経路に、当該経路の開閉を制御する制御弁を備えたことを特徴とする。
【００２６】
本発明は、第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する好ましい形態を例示したものである。
（８）請求項８の発明は、前記複数の固体電解質型燃料電池スタックを、１つの断熱容器内に配置したことを特徴とする。
【００２７】
これにより、断熱容器内に配置された全ての固体電解質型燃料電池スタックを効率良く加熱できるので、熱効率の優れた装置となる。尚、前記金属製のジョイントを、断熱容器
の外に配置すると、接合部分の劣化を一層好適に抑制できる。
【００２８】
（９）請求項９の発明（固体電解質型燃料電池システム）は、前記請求項４〜８のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池モジュールの駆動を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２９】
本発明の固体電解質型燃料電池システムでは、例えばマイコン等の制御手段により、起動時のヒータの制御、燃料ガスの供給の制御、燃料排ガスの流路の制御、発電の制御等を行うことができる。
【００３０】
（１０）請求項１０の発明は、前記固体電解質型燃料電池システムの起動時に、前記ヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックのヒータに通電する通電制御手段と、前記第１固体電解質型燃料電池スタックの温度を検知する温度検知手段と、前記検知手段によって検知された温度が所定の温度に達した場合に、前記第１固体電解質型燃料電池スタックが発電可能なように、前記燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態を制御するガス供給制御手段と、前記燃料ガスの供給に伴って前記第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される高温の燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する排ガス供給制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００３１】
本発明では、第１固体電解質型燃料電池スタックの温度（例えば発電可能な温度）を検知し、発電可能な温度にて、燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態（特に燃料ガスの供給状態）を制御し、第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される高温の燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する。
【００３２】
従って、所定の（例えばヒータの加熱によって発電可能な状態となった）固体電解質型燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを利用して、他の固体電解質型燃料電池スタックの加熱を効率良く行うことができる。これによって、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に好適に適用できる。つまり、本発明は、起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であったり、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるＳＯＦＣシステムに好適である。
【００３３】
尚、前記ガス供給制御手段としては、例えばＳＯＦＣモジュールを空気中に配置し、燃料ガスの供給を制御して発電状態を制御するような制御内容も含まれる。つまり、ガス供給制御手段とは、発電に必要なガス状態を実現できる制御手段である（以下同様）。
【００３４】
（１１）請求項１１の発明は、前記固体電解質型燃料電池システムの起動時に、前記ヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックのヒータに通電する通電制御手段と、前記第１固体電解質型燃料電池スタックの温度を検知する温度検知手段と、前記検知手段によって検知された温度が所定の温度に達した場合に、前記第１固体電解質型燃料電池スタックが発電可能なように、前記燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態を制御するガス供給制御手段と、前記第１固体電解質型燃料電池スタックの作動によって発電された電力を、前記ヒータを備えた前記第２固体電解質型燃料電池スタックのヒータに供給するヒータ電力供給制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００３５】
本発明では、第１固体電解質型燃料電池スタックの温度（例えば発電可能な温度）を検知し、発電可能な温度にて、燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態（特に燃料ガスの供給状態）を制御し、第１固体電解質型燃料電池スタックの作動によって発電された電力を、第２固体電解質型燃料電池スタックのヒータに供給する。
【００３６】
従って、所定の（例えばヒータの加熱によって発電可能な状態となった）固体電解質型
燃料電池スタックによって発電された電力を、他の固体電解質型燃料電池スタックの加熱に用いるので、その加熱を効率良く行うことができる。これによって、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に好適に適用できる。つまり、本発明は、起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であったり、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるＳＯＦＣシステムに好適である。
【００３７】
尚、第１固体電解質型燃料電池スタックにて発電した電力及び燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給すると、第２固体電解質型燃料電池スタックを迅速に加熱できるので、一層好適である。
【００３８】
・ここで、固体電解質体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される支燃性ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる支燃性ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
【００３９】
・固体電解質体の材料としては、例えばＺｒＯ2系セラミック、ＬａＧａＯ3系セラミック、ＢａＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＺｒＯ3系セラミック、及びＣａＺｒＯ3系セラミック等が挙げられる。
【００４０】
・インターコネクタを構成するセラミックとしては、酸化物系セラミック、窒化物系セラミック、炭化物系セラミック等の各種のセラミックを用いることができる。酸化物系セラミックとしては、アルミナ、ムライト、ジルコニア、スピネル等が挙げられる。また、窒化物系セラミックとしては、窒化ケイ素、サイアロン、窒化チタン、窒化アルミニウム等が挙げられる。更に、炭化物系セラミックとしては、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化アルミニウム等が挙げられる。
【００４１】
尚、アルミナを含有するインターコネクタでは、アルミナの含有量は７０質量％以上、特に８０質量％以上、更に９０質量％以上であることが好ましく、１００質量％であることがより好ましい。インターコネクタは緻密化されていることが好ましく、例えばアルミナの場合、その相対密度が９０％以上、特に９３％以上、更に９５％以上であることが好ましい。
【００４２】
・インターコネクタがアルミナを主成分とする場合、固体電解質体としては、ジルコニア、或いはアルミナを含むジルコニアを採用できる。このようにジルコニアにアルミナを含有させることで、固体電解質体とインターコネクタとをより強固に接合させることができる。
【００４３】
また、アルミナを含むジルコニアを採用した場合には、アルミナは０．１〜２０質量％、特に０．５〜１０質量％、更に１〜６質量％が好ましい。この場合、固体電解質体とインターコネクタとは、例えばアルミナとジルコニアとを含有する中間セラミック層を介して接合されていることが好ましい。この中間セラミック層におけるアルミナの含有量は、例えば３０〜６０質量％、特に４０〜５０質量％とすることができる。中間セラミック層を用いることで、固体電解質体とインターコネクタとをより強固に接合させることができる。
【００４４】
尚、上記「アルミナを主成分とする」とは、アルミナが７０質量％以上、特に８０質量％以上、更に９０質量％（１００質量％であってもよい。）であることを意味する。
・燃料極の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ2系セラミック、ＣｅＯ2系セラミック及び酸化マンガン等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。
【００４５】
・空気極の材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ2Ｏ3、ＳｒＯ、Ｃｅ2Ｏ3、Ｃｏ2Ｏ3、ＭｎＯ2及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＦｅＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3系複酸化物、Ｐｒ1-xＢａxＣｏＯ3系複酸化物及びＳｍ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物等）が挙げられる。
【００４６】
・燃料極と空気極とは、例えばインターコネクタを貫くように形成された導電性を有する材料（例えば電池ビア導体部の構成材料）により接続される。また、ヒータは、例えばインターコネクタを貫くように形成された導電性を有する材料（例えばヒータビア導電部の構成材料）により電力を印加できるように接続されている。
【００４７】
この導電性を有する材料としては、金属及び導電性セラミック等を採用できる。この金属としては、銀、銅、パラジウム、白金、ニッケル、金及びタングステン等が挙げられる。この金属は、単体であってもよいし、２種以上の金属が含有される合金であってもよい。
【００４８】
更に、導電性セラミックとしては、Ｌａ1-xＭxＣｒＯ3（ＭはＣａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属である。）などが挙げられ、単体でもよく、上記金属との複合体でもよい。また、ビア導体を導電性セラミックにより形成し、且つ燃料極及び空気極との接触面に白金等からなる金属層を設けることで、接触抵抗を低減させた態様とすることもできる。
【００４９】
・ヒータの材料としては、白金、タングステン、二硫化モリブデン等を採用できる。
・ＳＯＦＣスタック等を用いて発電させる場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には支燃性ガスを導入する。燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
【００５０】
支燃性ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの支燃性ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】固体電解質型燃料電池スタック及びその燃料供給ジョイント等を示す斜視図である。
【図２】固体電解質型燃料電池スタックの要部を分解して示す斜視図である。
【図３】インターコネクタの隔壁を示す平面図である。
【図４】固体電解質型燃料電池スタックの要部を分解し拡大して示す斜視図である。
【図５】（ａ）は固体電解質型燃料電池スタックの要部を図３のＤ２にて破断して示す断面図、（ｂ）は固体電解質型燃料電池スタックの要部を図３のＤ１にて破断して示す断面図である。
【図６】未焼成燃料電池セル用積層シートを分解して示す模式的な平面図である。
【図７】インターコネクタの隔壁となる未焼成セラミックシートを分解して示す説明図である。
【図８】未焼成セラミックインターコネクタ用積層シートを分解して示す模式的な平面図である。
【図９】複数の未焼成ユニットセル用複合シートが積層されてなる複合体が圧着された圧着体の模式的な斜視図である。
【図１０】圧着体を図９のＤ３にて切断した断面を模式的に示す断面図である。
【図１１】固体電解質型燃料電池システムを示す説明図である。
【図１２】固体電解質型燃料電池システムの電気的構成を示す説明図である。
【図１３】固体電解質型燃料電池システムの制御内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について、すなわち、固体電解質型燃料電池スタック、固体電解質型燃料電池モジュール、及び固体電解質型燃料電池システムの実施例について説明する。
【実施例１】
【００５３】
［１］まず、固体電解質型燃料電池スタック（ＳＯＦＣスタック）について説明する。
尚、以下では、「固体電解質型」を省略する
図１に示す様に、燃料電池スタック１は、直方体形状であり、長尺の長方形で板状（短冊状）の燃料電池セル３等を、その厚み方向に多数積層したものである。
【００５４】
この燃料電池スタック１は、矢印Ａ方向に燃料ガスを供給するとともに、（矢印Ａ方向と垂直の）矢印Ｂ方向に支燃料ガスである空気を供給するものである。また、燃料ガスの供給側の開口端５と排出側の開口端７とは、それぞれ一方が開口した箱状の金属製の燃料供給ジョイント９、１１で覆われている。尚、各燃料供給ジョイント９、１１には、ガス流路となるガス配管（パイプ）１３、１５が接続されている。
【００５５】
図２に一部を分解して示す様に、燃料電池スタック１では、短冊状の第１燃料電池セル１７と同形状の第２燃料電池セル１９との間に、両燃料電池セル１７、１９を分離するように、短冊状のセラミック製インターコネクタ２１が配置され、それらが積層方向に一体となるように接合されている。尚、両燃料電池セル１７、１９及びインターコネクタ２１の平面形状は、縦１５ｍｍ×横１００ｍｍの同一形状である。
【００５６】
第１燃料電池セル１７は、短冊状の第１固体電解質体２３を備え、その一面（図２の上面）に第１燃料極２５を有するとともに、他面（下面）に第１空気極２７を有している。同様に、第２燃料電池セル１９は、短冊状の第２固体電解質体２９を備え、その一面（図２の上面）に第１燃料極３１を有するとともに、他面（下面）に第２空気極３３を有している。
【００５７】
このうち、各燃料極２５、３１は、第１固体電解質体２３よりも幅が狭く、第１固体電解質体２３の長手方向に伸びる帯状の電極である。一方、各空気極２７、３３は、それぞれ５個のブロックに分離されており、各燃料極２５、３１と直交するように並列に配置された長方形の電極である。
【００５８】
また、インターコネクタ２１は、セラミック製の短冊状の隔壁３５と、その隔壁３５の一面に配置された６個のセラミック製の第１セパレータ３７と、他面に配置された一対のセラミック製の第２セパレータ３９とを備えている。尚、インターコネクタ２１を構成するセラミック材料としては同一の材料を用いることが好ましい。
【００５９】
このうち、隔壁３５は、上板部４１及び下板部４３の間にヒータ４５が配置された構成である。つまり、ヒータ４５は、上板部４１及び下板部４３に挟まれるようにして隔壁３５の内部に形成されている。
【００６０】
また、第１セパレータ３７は、隔壁３５に密着して、隔壁３５の長手方向と垂直にそれぞれ平行となるように配置されており、ここでは、５個の第１空気極２７の両側（隔壁３５の長手方向の両側）に位置するように６箇所に配置されている。一方、第２セパレータ３９は、下板部４３の長手方向に沿って、第２燃料極３１の左右両側（図５参照）に位置するように２個配置されている。
【００６１】
この第１セパレータ３７によって空気流路ａが形成され、第２セパレータ３９によって燃料ガス流路ｆが形成される（図４及び図５（ａ）参照）。つまり、第１空気極２７の下面とインターコネクタ２１の上面との間に空間が形成され、これが空気流路ａとなる。一方、第２燃料極３１の上面とインターコネクタ２１の下面との間に空間が形成され、これが燃料ガス流路ｆとなる。尚、１つのインターコネクタ２１において、６個の第１セパレータ３７によって５箇所の空気流路ａが形成され、２個の第２セパレータ３９によって１箇所の燃料ガス流路ｆが形成される。
【００６２】
特に本実施例では、インターコネクタ２１の隔壁３５の内部にヒータ４５が配置されているが、このヒータ４５は、図３に示す様に、隔壁３５の長手方向に沿って（即ち燃料ガス流路ｆに沿って）伸びるように配置されている。
【００６３】
つまり、ヒータ４５は、ヒータ４５に電力を供給するための左右のヒータビア導体部４７、４８からリード部５１、５３が伸びており、このリード部５１、５３から先端側（図３右側）に発熱部５５が形成されている。詳しくは、燃料ガスが供給される側である図３の左端の第１ブロックＢ１まではリード部５１、５３が伸びており、それより先の第２〜４ブロックＢ２〜Ｂ４に発熱部３５が形成されており、燃料ガスの排出側の第５ブロックＢ５には、ヒータ４５が形成されていない。尚、第１〜５ブロックＢ１〜Ｂ５とは、５個の空気極２７、３３（従って空気流路ａ）に対応した領域を示している。
【００６４】
更に、図４に要部を拡大し分解して示す様に、第１燃料電池セル１７の下面側の第１空気極２７からセル表面に沿って伸びる空気極接続端子５７と、第２燃料電池セル１９の上面側の第２燃料極３１からセル表面に沿って伸びる燃料極接続端子５７とは、インターコネクタ２１をその板厚方向に貫通する電池ビア導体部５９により電気的に接続されている。これにより、第１燃料電池セル１７と第２燃料電池セル１７とが直列に接続される。
【００６５】
前記電池ビア導体部５９は、インターコネクタ２１の所要箇所に設けられたビアホール６０に導電材料を充填し、焼成することにより形成することができる。この電池ビア導体部５９は、少なくとも１個形成されておればよいが、第１空気極２７と第２燃料極３１との電気的な導通の観点からは、多数個形成されていることが好ましく、例えば、２〜８個形成されていることが好ましい。
【００６６】
尚、第１空気極２７は、第１燃料電池セル１７の発電効率の観点からは、インターコネクタ２１が接合されている部分以外の全面に設けられていることが好ましく、第２燃料極
３１も、第２燃料電池セル１９の発電効率の観点からは、インターコネクタ２１が接合されている部分以外の全面に設けられていることが好ましい。
【００６７】
また、ヒータビア導体部４７、４８は、前記図４及び図５（ｂ）に示す様に、燃料電池スタック１をその積層方向に貫く様に、左右一対形成されている。つまり、ヒータビア導体部４７、４８は、インターコネクタ２１の燃料供給側（図４の手前）の第１セパレータ３７、隔壁３５の燃料供給側の端部、左右の第２セパレータ３９の燃料供給側の端部を貫くとともに、第１燃料電池セル１７の第１固体電解質体２３の燃料供給側の端部、第２燃料電池セル１９の第２固体電解質体２９の燃料供給側の端部を貫くように形成されている。
【００６８】
このヒータビア導体部４７、４８は、インターコネクタ２１や第１固体電解質体２３及び第２固体電解質体２９などの所要箇所に設けられたビアホール６１、６２を用いて、電池ビア導体部５９と同様にして形成される。
【００６９】
尚、図５（ｂ）に示す様に、ビアホール６１、６２のうち、第１固体電解質体２３及び第２固体電解質体２９を貫く部分には、絶縁性を確保するために、ヒータビア導体部４７、４８の外周を覆う様に、環状の絶縁層６４が形成されている。
【００７０】
［２］次に、上述した燃料電池スタック１の製造方法について説明する。
燃料電池スタック１の製造方法は、以下に述べる様に、未焼成燃料電池セル用積層シート作製工程、未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート作製工程、未焼成ユニットセル用複合シート作製工程、複合体形成工程、圧着体形成工程、未焼成燃料電池スタック作製工程、及び燃料電池スタック作製工程、を備える。
（Ａ）未焼成燃料電池セル用積層シートの作製
ａ）未焼成固体電解質シートの形成
固体電解質として８ＹＳＺ（８モル％のＹ2Ｏ3により安定化されたＺｒＯ2）粉末１００質量部（以下、「部」という。）、アルミナ粉末１部、有機バインダとしてポリビニルアルコール、及び有機溶媒としてブチルカルビトールを混合し、未焼成固体電解質シート用スラリーを調製した。その後、このスラリーを用いてドクターブレード法によりポリエステルフィルムの表面に、各々１１０ｍｍ×１００ｍｍ×１５０μｍ（厚さ）の寸法の未焼成固体電解質シート７１を形成した（図６参照）。
【００７１】
また、パンチング（打ち抜き）により、表面における開口径が１０００μｍ（１ｍｍ）の５対のビアホール６１、６２を穿設した。そして、そのビアホール６１、６３の中に、外径１０００μｍ、内径５００μｍのドーナツ状に、アルミナを主成分とする絶縁ペーストを塗布乾燥し、その後、導電粉末として８０質量％の白金粉末を含有する導体ペーストを、穴埋め印刷によりビアホール６１、６２（詳しくは、絶縁ペーストを塗布した内側の貫通孔）内に充填した。次いで、１２０℃で３０分間乾燥してペーストに含有される有機溶媒を除去することで、未焼成固体電解質シート７１における５対の未焼成ヒータビア導体部７３、７４を形成した。
【００７２】
ｂ）未焼成燃料極用帯状シートの形成
酸化ニッケル（ＮｉＯ）粉末８０部、上記８ＹＳＺ粉末２０部、分散剤としてジエチルアミン、及び有機溶媒としてトルエンとメチルエチルケトン、を混合し、その後、可塑剤としてジブチルフタレート、有機バインダとしてポリビニルアルコールを更に配合し、混合して未焼成燃料極用スラリーを調製した。次いで、このスラリーを、上記ａ）において形成した未焼成固体電解質シート７１のそれぞれの一面にスクリーン印刷し、１２ｍｍ×９０ｍｍ×１０μｍ（厚さ）の寸法の未焼成燃料極用帯状シート７３を各々５本並行に形成した。尚、それぞれの帯状の未焼成シートの間隔は６ｍｍとした。
【００７３】
ｃ）未焼成空気極用帯状シートの形成
平均粒径２μｍの市販のＬａ0.6Ｓｒ0.4（Ｃｏ0.2Ｆｅ0.8）Ｏ3（以下、「ＬＳＣＦ」と表記する。）粉末１００部に、バインダとしてポリビニルアルコール１３部及び有機溶媒としてブチルカルビトール３５部を混合して未焼成空気極用スラリーを調製した。その後、このスラリーを、上記ａ）において形成した未焼成固体電解質シート７１の他面にスクリーン印刷し、１２ｍｍ×９０ｍｍ×１０μｍ（厚さ）の寸法の未焼成空気極用帯状シート７５を各々５本並行に形成した。
【００７４】
尚、これらの未焼成空気極用帯状シート７５は、それぞれ上記ｂ）において形成した未焼成燃料極用帯状シート７３と直交する方向に配列させた。また、各々の帯状の未焼成空気極用シート７５の間隔は６ｍｍとした。
【００７５】
このようにして、未焼成燃料電池セル用積層シート７７を作製した。
（Ｂ）未焼成セラミックインターコネクタ用積層シートの作製
ａ）未焼成積層シートの形成
アルミナ粉末１００部、上記８ＹＳＺ粉末２０部、マグネシア粉末２部及びシリカ粉末２部を混合し、ボールミルにより１０時間湿式粉砕し、その後、脱水し、乾燥した。次いで、この混合粉末と、有機バインダとしてメタクリル酸イソブチルエステル及びニトロセルロース、並びに可塑剤としてジオクチルフタレート、更に有機溶媒としてトリクロールエチレン及びｎ−ブタノールを配合し、ボールミルにより混合して未焼成インターコネクタ用スラリーを調製した。このスラリーを減圧脱泡させ、その後、流延させてシートとし、次いで、有機溶媒を揮発させ、１１０ｍｍ×１００ｍｍ×５０μｍ（厚さ）の寸法の１対の未焼成セラミックシート７９、８１（図７参照）を形成した。
【００７６】
この一対の未焼成セラミックシート７９、８１のうち、一方の未焼成セラミックシート８１の表面に、図８に示す様なヒータパターン８３を形成した。
具体的には、白金スポンジ７５重量部、白金ブラック２０重量部、アルミナ５重量部の合計１００重量部に対して、有機バインダとしてニトロセルロース、溶媒としてｎ−ブタノールを加え、スクリーン印刷用に粘度を適切に調整した導電ペーストを作成し、この導電ペーストを用いてスクリーン印刷してヒータパターン８３を形成した。つまり、同図の左右方向に、後に形成される各インターコネクタ２１に対応する様に、５列のヒータパターン８３を形成した。
【００７７】
次に、ヒータパターン８３を間に挟む様にして一対の未焼成セラミックシート７９、８１を積層し、１枚の未焼成セラミックシート８５とした。尚、図８ではヒータパターン８３の位置が明瞭となる様に、実線で示している。
【００７８】
一方、同様にして同寸法（但し、厚さは１５０μｍである。）の未焼成セラミックシートを２枚形成し、この２枚の未焼成セラミックシートの各々に、パンチングによって、上記（Ａ）、ｃ）で形成した未焼成燃料極用帯状シート７３及び未焼成空気極用帯状シート７５と同寸法の１２ｍｍ×９０ｍｍの開口部を等間隔に５本並設し、未焼成第１セラミック開口シート８７及び未焼成第２セラミック開口シート８９を形成した。その後、未焼成セラミックシート８５の一面及び他面のそれぞれに、未焼成第１セラミック開口シート８７と未焼成第２セラミック開口シート８９とを、各々が有する帯状の開口部の方向が直交するように積層した。
【００７９】
ｂ）ビア導体部の形成
上記のようにして形成された未焼成積層シート、即ち、未焼成セラミックシート８５と未焼成第１及び第２セラミック開口シート８７、８９とが重なっている部分の所定箇所に、パンチングにより表面における開口径が５００μｍの（電池ビア導体部用の）ビアホール６０を穿設した。その後、導電粉末として８０質量％の白金粉末を含有する導体ペーストを、穴埋め印刷によりビアホール６０内に充填した。次いで、１２０℃で３０分間乾燥してペーストに含有される有機溶媒を除去することで、未焼成電池ビア導体部９１を形成した。
【００８０】
また、同様にして、（ヒータビア導体部用の）５対のビアホール６１、６２を穿設した。その後、同様な導体ペーストをビアホール６１、６２内に充填し、有機溶媒を除去して、未焼成ヒータビア導体部９３、９４を形成した。
【００８１】
このようにして未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５を作製した。
（Ｃ）未焼成ユニットセル用複合シートの作製
３個の未焼成燃料電池用積層シート７７と、２個の未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５とを交互に積層した。
【００８２】
つまり、未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５の未焼成第１セラミック開口シート８７の側に、未焼成燃料電池セル用積層シート７７の未焼成空気極用帯状シート７５が嵌め込まれるように積層するとともに、未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５の未焼成第２セラミック開口シート８９の側に、他の未焼成燃料電池セル用積層シート７７の未焼成燃料極用帯状シート７３が嵌め込まれるように積層した。以下、同様にして順次積層した。
【００８３】
そして、これらの５層からなる積層体の外側に、未焼成セラミック端面シート（図示せず）を積層して未焼成ユニットセル用複合シート（図示せず）を作製した。
（Ｄ）複合体の形成
上記（Ｃ）で作製した３０個の未焼成ユニットセル用複合シートを積層し、仮圧着して複合体とした。各々の未焼成ユニットセル用複合シートは、それぞれ３層の未焼成燃料電池セル用積層シート７７を有するため、この複合体は、合計９０層の未焼成燃料電池セル用積層シート７７を備えることになる。
（Ｅ）圧着体形成工程
上記（Ｄ）で形成した複合体を、シリコンゴム製の型枠内に配置し、その後、８５℃に昇温させ、減圧下、積層方向に９８ＭＰａの圧力で圧着し、直方体形状の圧着体９７を形成した（図９参照）。尚、図１０に圧着体の断面を示す様に、未焼成燃料電池セル用積層シート７７と未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５とは、アルミナとジルコニアとを含有する中間セラミック層９８を介して接合されている。
（Ｆ）未焼成燃料電池スタックの作製
上記（Ｅ）で形成した圧着体９７を、前記図９に示す様に、平面形状が長方形（短冊状）の燃料電池スタック１の形状に合わせて、圧着方向（同図下方）に、短冊状に切断して未焼成燃料電池スタック９９を作製した。
【００８４】
具体的には、圧着体９７を、ワイヤーソー切断装置のステージに固定し、その後、ステージを上昇させて圧着体９７の上端面に切断用ワイヤーを当接させ、研削液を液供給装置より供給しながら、ワイヤーを平均速度４００ｍ／分で走行させて一方向に切断し、縦１８ｍｍ×横１１０ｍｍ×高さ５０ｍｍの柱状の未焼成燃料電池スタック９９を５本作製した。
【００８５】
尚、未焼成燃料電池スタック９９の切断に先立ち、圧着体９７の４辺の端部も所定幅（２ｍｍの幅）で切断して除去しておく。
（Ｇ）燃料電池スタックの作製
上記（Ｆ）で作製した未焼成燃料電池スタック９９を、焼成炉に収容し、大気雰囲気下、２６０℃で５時間保持して有機バインダを除去し、引き続いて、炉内の温度を１４３０℃まで昇温させ、この温度で２時間保持して焼成を行い、燃料電池スタック１を作製した。
【００８６】
この燃料電池スタック１には、前記図１に示す様に、その燃料ガスの供給及び排出を行う両開口端５、７に、ＳＵＳ３０４製の燃料供給ジョイント９、１１を接合する。詳しくは、燃料供給ジョイント９、１１の内壁と接する燃料電池スタック１の開口端５、７の外周部に、ニッケルを主成分とするメッキ層（図示せず）を形成し、その表面に、ＡｇとＣｕの合金を用いたロー付けによって、燃料供給ジョイント９、１１を接合する。尚、ロー付けの温度は７５０℃程度で、ジョイント部の酸化を防止するため、水素雰囲気ないし窒素雰囲気下でロー付けを行うことが望ましい。
【００８７】
また、図示しないが、燃料電池スタック１の上部には、燃料電池スタック１により発電された電力を取り出すため及びヒータ４５に電力を供給するために、配線パターンが設けられた下端側基板が配置され、下部にも所定の配線パターンが設けられた上端側基板が配置される。
【００８８】
［３］次に、燃料電池モジュールを備えた燃料電池システムについて説明する。
本実施例の燃料電池システムは、図１１に示す様に、（複数の燃料電池スタック１０１、１０３からなる）燃料電池モジュールの各燃料電池スタック１０１、１０３を順次起動させるものである。
【００８９】
具体的には、例えば、第１燃料電池スタック１０１の起動時に、ヒータ４５により第１燃料電池スタック１０１を加熱して、その起動を促進し、第１燃料電池スタック１０１による発電が可能な温度に達したら発電を行って、その電力を第２燃料電池スタック１０３のヒータ４５に供給する。同時に、第１燃料電池スタック１０１から排出される燃料排ガスを、第２燃料電池スタック１０３に供給し、第２燃料電池スタック１０３の加熱を促進するものである。
【００９０】
ａ）まず、燃料電池システムの全体構成について説明する。
本実施例では、燃料電池スタック１０１、１０３が複数個配置され、それらが電気的に直列に接続されて、所定の出力２５０Ｖが得られる燃料電池モジュールが構成されている。尚、以下では、説明を簡易化するために２個の燃料電池スタック１０１、１０３について説明する。
【００９１】
まず、第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック１０３は、１つの断熱容器１０５に収容されており、断熱容器１０５には空気が充填されて、各燃料電池スタック１０１、１０３の空気流路ａに空気が供給されるようになっている。
【００９２】
第１燃料電池スタック１０１の燃料供給側（同図右側）には、第１燃料供給ジョイント１０７が接合され、第１燃料供給ジョイント１０７には、第１パイプ１０９が接続されている。この第１パイプ１０９には、電磁弁である第１開閉弁１１１が配置されている。また、第１燃料電池スタック１０１の燃料排出側（同図左側）には、第２燃料供給ジョイント１１３が接合され、第２燃料供給ジョイント１１３には、第２パイプ１１５が接続されている。この第２パイプ１１５には、電磁弁である第１三方向切替弁１１７が配置されている。
【００９３】
従って、第１燃料電池スタック１０１では、燃料ガスは、同図右方の燃料供給源から、第１パイプ１０９及び第１燃料供給ジョイント１０７を介して、第１燃料電池スタック１０１の燃料流路ｆに供給される。また、その排出ガスは、第２燃料供給ジョイント１１３から第２パイプ１１５を介して外部に排出されるか、第１三方向切替弁１１７により、第２燃料電池スタック１０３側に供給される。
【００９４】
一方、第２燃料電池スタック１０３の燃料供給側には、第３燃料供給ジョイント１１９が接合され、第３燃料供給ジョイント１１９には、第３パイプ１２１が接続されている。この第３パイプ１２１には、電磁弁である第２開閉弁１２３及び第２三方向切替弁１２５が配置されている。また、第２燃料電池スタック１０３の燃料排出側には、第４燃料供給ジョイント１２５が接合され、第４燃料供給ジョイント１２５には、第４パイプ１２７が接続されている。この第４パイプ１２７には、電磁弁である第３三方向切替弁１２９が配置されている。
【００９５】
従って、第２燃料電池スタック１０３では、燃料ガスは、同図右方の燃料供給源から、第３パイプ１２１及び第３燃料供給ジョイント１１９を介して、第２燃料電池スタック１０３の燃料流路ｆに供給され、その排出ガスは、第４燃料供給ジョイント１２５から第４パイプ１２７を介して外部等に排出される。
【００９６】
更に、本実施例では、第１三方向切替弁１１７と第２三方向切替弁１２５とを接続するように第５パイプ１３１が接続されている。
従って、第１三方向切替弁１１７により、第１燃料電池スタック１０１から排出される排ガスの流路を、外部への排出経路１３３と第５パイプ１３１への経路とに切り換えることができる。また、第２三方向切替弁１２５により、燃料ガスの原料供給経路１３５から第３燃料供給ジョイント１１９に到る経路（燃料ガスを第２燃料電池スタック１０３に供給する経路）と、第４パイプ１３１から第３燃料供給ジョイント１１９に到る経路（排ガスを第２燃料電池スタック１０３に供給する経路）とを切り換えることができる。
【００９７】
ｂ）次に、燃料電池システムを制御する電気的構成について説明する。
本実施例の燃料電池システムは、図１２に示す様に、電子制御装置１４１により制御される。
【００９８】
この電子制御装置１４１は、周知のマイコン１４３を主要部とする装置であり、その入力部１４５には、第１燃料電池スタック１０１の内部温度を検出する第１温度検出部１４７と、第２燃料電池スタック１０３の内部温度を検出する第２温度検出部１４９と、第１燃料電池スタック１０１の電圧（又は電流）を測定する第１電圧測定部１５１と、第２燃料電池スタック１０３の電圧（又は電流）を測定する第２電圧測定部１５３とが接続されている。
【００９９】
一方、出力部１５５には、第１燃料電池スタック１０１のヒータ４５の通電制御を行う第１ヒータ制御部（制御回路）１５７と、第２燃料電池スタック１０３のヒータ４５の通電制御を行う第２ヒータ制御部（制御回路）１５９と第１、２開閉弁１１１、１２３と、第１〜３三方向切替弁１１７、１２５、１２９とが接続されている。
【０１００】
ここで、前記温度検出部１４７としては、周知の温度センサを用いることができるが、ヒータ４５の抵抗又は電力を取り出すための導電経路における抵抗から、温度を求めるようしてもよい。
【０１０１】
ｃ）次に、燃料電池システムにおける制御内容について説明する。
図１３のフローチャートに示す様に、まず、ステップ（Ｓ）１００にて、第１燃料電池スタック１０１を加熱するために、第１ヒータ制御部１５７を駆動して、第１燃料電池スタック１０１内の各セルのヒータ４５に通電する。
【０１０２】
続くＳ１１０では、第１燃料電池スタック１０１の内部温度Ｔ１が、所定の起動温度（例えば７００℃）を上回ったか否かを判定する。ここで肯定判断されるとＳ１２０に進み、そうでない場合は待機する。
【０１０３】
Ｓ１２０では、第１燃料電池スタック１０１の内部温度Ｔ１が７００℃を上回ったので、第１燃料電池スタック１０１に燃料ガスを供給するために、第１開閉弁１１１を開く。また、燃料排ガスを第２パイプ１１５側から第５パイプ側１３１に供給するように第１三方向切替弁１１７を切り替えるとともに、同燃料排ガスを第５パイプ側から第３燃料供給ジョイント１１９側に供給するために第２三方向切替弁１２５を切り替える。それとともに、第２燃料電池スタック１０３から排出される燃料排ガスが外部に排出されるように第３三方向切替弁１２９を切り替える。
【０１０４】
続くＳ１３０では、第１燃料電池スタック１０１が発電可能か否かを、第１燃料電池スタック１０１の開放電圧Ｖ１が、所定の基準電圧Ｖ０を上回るか否かで判定する。ここで肯定判断されるとＳ１４０に進み、一方否定判断されるとＳ１８０に進む。
【０１０５】
尚、第１燃料電池スタック１０１の開放電圧Ｖ１が、所定の基準電圧Ｖ０を上回ると、第１燃料電池スタック１０１の作動が開始されたことになる。
Ｓ１８０では、燃料ガスを供給してからの時間ｔが所定時間ｔ０経過したか否かを判定し、経過しない場合は前記Ｓ１２０に戻る。
【０１０６】
一方、所定時間ｔ０が経過した場合は、何らかの異常が発生したと見なして、Ｓ１９０にて、第１燃料電池スタック１０１による発電を停止する。具体的には、例えば第１開閉弁１１１を閉じる等の処理を行い、一旦本処理を終了する。
【０１０７】
また、前記Ｓ１４０では、第２燃料電池スタック１０３を加熱するために、第２ヒータ制御部１５９を駆動して、第１燃料電池スタック１０３内の各セルのヒータ４５に通電する。
【０１０８】
続くＳ１５０では、第２燃料電池スタック１０３の内部温度Ｔ２が、所定の起動温度（例えば７００℃）を上回ったか否かを判定する。ここで肯定判断されるとＳ１６０に進み、そうでない場合は待機する。
【０１０９】
Ｓ１６０では、第２燃料電池スタック１０３の内部温度Ｔ１が７００℃を上回ったので、第２燃料電池スタック１０３に燃料ガスを供給するために、第２開閉弁１２３を開く。また、燃料排ガスの（第１燃料電池スタック１０１側への）供給を停止するために、第２パイプ１１５から排出経路１３３を介して外部に燃料排ガスを排出するように第１三方向切替弁１１７を切り替える。また、燃料排ガスの供給を止めて燃料ガスのみを第３燃料供給ジョイント１１９側に供給するために第２三方向切替弁１２５を切り替える。
【０１１０】
続くＳ１７０では、第２燃料電池スタック１０３が発電可能か否かを、第２燃料電池スタック１０３の開放電圧Ｖ２が、所定の基準電圧Ｖ０を上回るか否かで判定する。ここで肯定判断されると、以降の各燃料電池スタックの起動の処理に進む、一方否定判断されるとＳ２００に進む。
【０１１１】
尚、第２燃料電池スタック１０３の開放電圧Ｖ２が、所定の基準電圧Ｖ０を上回ると、第１燃料電池スタック１０１の作動が開始されたことになる。
Ｓ２００では、燃料ガスを供給してからの時間ｔが所定時間ｔ０経過したか否かを判定し、経過しない場合は前記Ｓ１７０に戻る。
【０１１２】
一方、所定時間ｔ０が経過した場合は、何らかの異常が発生したと見なして、Ｓ２１０にて、第２燃料電池スタック１０３による発電を停止する。具体的には、例えば第２開閉弁１２３を閉じる等の処理を行い、一旦本処理を終了する。
【０１１３】
以下、同様に、他の燃料電池スタックの起動のための処理を、燃料電池スタックの数だけ繰り返して順次行う。
［４］次に、本実施例の効果について説明する。
【０１１４】
本実施例では、第１燃料電池スタック１０１の内部に配置されたヒータ４５に通電し、第１燃料電池スタック１０１の温度が発電可能な温度に達した場合には、第１燃料電池スタック１０１に燃料ガスを供給し、第１燃料電池スタック１０１にて発電を開始している。そして、第１燃料電池スタック１０１にて発電した電力を、第２燃料電池スタック１０３のヒータ４５に供給して、第２燃料電池スタック１０３を加熱している。それとともに、第１燃料電池スタック１０１から排出され高温の燃料排ガスを、第２燃料電池スタック１０３に供給している。
【０１１５】
従って、本実施例では、従来の外部から加熱する装置に比べて効率良く各燃料電池スタック１０１、１０３を加熱することができる。これによって、ＳＯＦＣシステムの起動時に、少ない電力で速やかに発電に必要な温度まで加熱できるので、特に、ＳＯＦＣシステムを、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に好適に適用できる。
【０１１６】
つまり、こうした用途においては、ＳＯＦＣシステムの起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であり、また、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるが、本実施例では、低電力で速やかに加熱できるので、移動体や家庭用に好適に利用することができる。
【０１１７】
また、金属製の燃料供給ジョイント１０７、１１３、１１９、１２５の接合部分は、セラミック部分に比べると耐熱性が低いが、本実施例では、ヒータ４５は、各燃料電池スタック１０１、１０３の内部を重点的に加熱するように配置されている。よって、各燃料電池スタック１０１、１０３内部が発電可能な高温に達した場合でも、その接合部分の温度を一層低く保つことができるので、接合部分の劣化を効果的に抑制することができる。
【０１１８】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば前記実施例では、第１燃料電池スタックにて発電された電力及び燃料排ガスを、第２燃料電池スタックに供給しているが、電力及び燃料排ガスの一方のみを第２燃料電池スタックに供給してもよい。また、第２燃料電池スタックには、ヒータを配置しなくてもよい。
【符号の説明】
【０１１９】
１、１０１、１０３…固体電解質型燃料電池スタック
９、１１、１０７、１１３、１１９、１２５…燃料供給ジョイント
１７、１９…固体電解質型燃料電池セル
２３、２９…固体電解質体
２５、３１…燃料極
２７、３３…空気極
３５…インターコネクタ
４５…ヒータ
１１１、１２３…開閉弁
１１７、１２３、１２９…三方向切替弁
１４１…電子制御装置
１４７、１４９…温度検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体を備えた複数の燃料電池セルが積層された固体電解質型燃料電池スタック、このスタックを複数備えた固体電解質型燃料電池モジュール、及びこの固体電解質型燃料電池モジュールを用いて発電を行う固体電解質型燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。
このＳＯＦＣは、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。
【０００３】
このＳＯＦＣは、プロトン伝導型（ＰＥＭ）燃料電池と比較して、発電効率が高く、かつ、水素以外の燃料の利用が可能なことから、将来の分散型電源の最有力の候補として考えられている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４６１２９号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、１００℃以下の低温でも発電可能なＰＥＭ燃料電池と比較し、ＳＯＦＣの発電には、セル・スタック温度を６００℃以上の高温に保つ必要がある。
そのため、ＳＯＦＣシステムの起動時には、例えばスタックの周囲に配置したヒータを用いて加熱するために大量の電力を必要としたり、スタックを周囲から加熱するために多くの加熱ガスが必要であり、しかも、通常は、その加熱に５時間以上かかるという問題があった。
【０００６】
こうした問題は、ＳＯＦＣシステムを、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に適用する場合などに、大きな問題となる。
【０００７】
すなわち、こうした用途においては、ＳＯＦＣシステムの起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であるので、また、ＳＯＦＣシステムの起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるので、移動体や家庭用に適用するためには、一層の改善が必要である。
【０００８】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、起動時に必要なエネルギーを低減でき、しかも迅速な起動が可能であり、移動体や家庭用として好適に適用できる固体電解質型燃料電池スタック、固体電解質型燃料電池モジュール、及び固体電解質型燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）請求項１の発明（固体電解質型燃料電池スタック）は、燃料ガスに接する燃料極及び支燃性ガスに接する空気極を有する固体電解質体を備えた燃料電池セルが、複数個積層された固体電解質型燃料電池スタックにおいて、前記スタックの内部に、ヒータを配置したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の固体電解質型燃料電池スタックは、その内部にヒータを備えているので、従来のガスやヒータによって外部から加熱する装置に比べて、効率良くスタックを加熱することができる。これによって、ＳＯＦＣシステムの起動時に、少ない電力で速やかに発電に必要な温度まで加熱できるので、特に、ＳＯＦＣシステムを、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に好適に適用できる。
【００１１】
つまり、こうした用途においては、ＳＯＦＣシステムの起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であり、また、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるが、本発明では、低電力で速やかに加熱できるので、移動体や家庭用に好適に利用することができる。
【００１２】
また、セラミックである固体電解質体を主要な構成とするスタックには、燃料ガスを供給する箇所や燃料ガスの排ガス（燃料排ガス）を排出する箇所に、通常は、ろう付けなどにより金属製のジョイントが接合されているが、その接合部分は、セラミック部分に比べると耐熱性が低い。
【００１３】
しかし、本発明は、スタック内部から加熱する構造であるので、スタックの表面側の温度は内部の温度と比べて低い。よって、スタック内部が発電可能な高温に達した場合でも、その接合部分の温度を低く保つことが可能であるので、接合部分の劣化を抑制することができる。
【００１４】
尚、前記ヒータは、スタックの燃料ガスの供給側及び排出側よりも、その供給側と排出側とに挟まれた中間領域を高めに加熱するように形成することが好ましい。つまり、ヒータをスタック内部を重点的に加熱するように構成することにより、金属製のジョイントが接合されている燃料ガスの供給側と排気側の温度を低くすることができる。これによって、スタック内部が発電可能な高温に達した場合でも、その接合部分の温度を一層低く保つことができるので、接合部分の劣化を効果的に抑制することができる。
【００１５】
（２）請求項２の発明は、前記各燃料電池セル間に、セラミック製のインターコネクタを備えるとともに、前記インターコネクタは、第１燃料電池セルの燃料極に供給する燃料ガスの流路と第２燃料電池セルの空気極に供給する支燃性ガスの流路とを分離する構成（例えば隔壁）と、前記第１燃料電池セルの燃料極と第２燃料電池セルの空気極とを電気的に接続する導通部（例えば電池ビア導通部）とを備えるとともに、前記ヒータを備えたことを特徴とする。
【００１６】
本発明では、各燃料電池セル間に、流路の分離及び電極間の電気的導通を行うインターコネクタを備え、このインターコネクタにヒータが配置されている。
従って、ヒータを、スタック内部において加熱に最適な箇所、即ち燃料電池セルに近接した箇所に配置できる。また、ヒータの形成は、インターコネクタの形成時に行うことができるので、その製造が容易である。
【００１７】
尚、前記「第１」、「第２」等の序数は、複数存在する同種の部材を区別するために付したものである（以下同様）。
（３）請求項３の発明は、前記インターコネクタの内部（例えば隔壁の内部）に、前記ヒータを備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明は、ヒータの好適な配置箇所を例示している。これにより、ヒータが劣化しにくく、また、ヒータを備えたスタックの製造が容易である。例えば隔壁の形成時にヒータを形成することができるので、その製造が容易である。
【００１９】
（４）請求項４の発明（固体電解質型燃料電池モジュール）は、燃料ガスに接する燃料極及び支燃性ガスに接する空気極を有する固体電解質体を備えた燃料電池セルが、複数個積層された固体電解質型燃料電池スタックを、複数個備えた固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記複数の固体電解質型燃料電池スタックのうち、少なくとも１個のスタックを、前記請求項１〜３のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池スタックとしたことを特徴とする。
【００２０】
本発明の固体電解質型燃料電池モジュールは、内部にヒータを備えたスタックを、少なくとも１個有している。
従って、ヒータを備えたスタックを、少ない電力で速やかに加熱して発電可能な状態にすることが可能である。よって、例えばこのスタックから排出される高温の燃料排ガスを利用して他のスタックを加熱することができる。また、他のスタックにもヒータを備えている場合には、このスタックによって発電された電力を他のヒータに供給して、他のスタックを加熱することができる。
【００２１】
（５）請求項５の発明は、前記各固体電解質型燃料電池スタックにおいて、少なくとも燃料ガスの供給を、前記各スタック独立して調節可能な構成としたことを特徴とする。
本発明では、燃料ガスの供給を各スタック独立して調整可能である。従って、例えばヒータにより加熱されたスタックから排出される燃料排ガスを、他のスタックに供給して加熱するように調節することができる。
【００２２】
（６）請求項６の発明は、第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに（好ましくはその燃料供給側に）供給可能な構成としたことを特徴とする。
【００２３】
本発明では、例えばヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックが、例えば発電可能な温度まで加熱された場合には、その燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給することができる。
【００２４】
従って、第２固体電解質型燃料電池スタックがヒータを備えていない場合であっても（或いはヒータを備えていても）、第２固体電解質型燃料電池スタックを効率良く加熱することができる。
【００２５】
（７）請求項７の発明は、前記第１固体電解質型燃料電池スタックの燃料排ガスの排気路を、第２固体電解質型燃料電池スタックの燃料ガスの供給路に接続するとともに、前記燃料排ガスを第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する経路に、当該経路の開閉を制御する制御弁を備えたことを特徴とする。
【００２６】
本発明は、第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する好ましい形態を例示したものである。
（８）請求項８の発明は、前記複数の固体電解質型燃料電池スタックを、１つの断熱容器内に配置したことを特徴とする。
【００２７】
これにより、断熱容器内に配置された全ての固体電解質型燃料電池スタックを効率良く加熱できるので、熱効率の優れた装置となる。尚、前記金属製のジョイントを、断熱容器
の外に配置すると、接合部分の劣化を一層好適に抑制できる。
【００２８】
（９）請求項９の発明（固体電解質型燃料電池システム）は、前記請求項４〜８のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池モジュールの駆動を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２９】
本発明の固体電解質型燃料電池システムでは、例えばマイコン等の制御手段により、起動時のヒータの制御、燃料ガスの供給の制御、燃料排ガスの流路の制御、発電の制御等を行うことができる。
【００３０】
（１０）請求項１０の発明は、前記固体電解質型燃料電池システムの起動時に、前記ヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックのヒータに通電する通電制御手段と、前記第１固体電解質型燃料電池スタックの温度を検知する温度検知手段と、前記検知手段によって検知された温度が所定の温度に達した場合に、前記第１固体電解質型燃料電池スタックが発電可能なように、前記燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態を制御するガス供給制御手段と、前記燃料ガスの供給に伴って前記第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される高温の燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する排ガス供給制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００３１】
本発明では、第１固体電解質型燃料電池スタックの温度（例えば発電可能な温度）を検知し、発電可能な温度にて、燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態（特に燃料ガスの供給状態）を制御し、第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される高温の燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する。
【００３２】
従って、所定の（例えばヒータの加熱によって発電可能な状態となった）固体電解質型燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを利用して、他の固体電解質型燃料電池スタックの加熱を効率良く行うことができる。これによって、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に好適に適用できる。つまり、本発明は、起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であったり、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるＳＯＦＣシステムに好適である。
【００３３】
尚、前記ガス供給制御手段としては、例えばＳＯＦＣモジュールを空気中に配置し、燃料ガスの供給を制御して発電状態を制御するような制御内容も含まれる。つまり、ガス供給制御手段とは、発電に必要なガス状態を実現できる制御手段である（以下同様）。
【００３４】
（１１）請求項１１の発明は、前記固体電解質型燃料電池システムの起動時に、前記ヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックのヒータに通電する通電制御手段と、前記第１固体電解質型燃料電池スタックの温度を検知する温度検知手段と、前記検知手段によって検知された温度が所定の温度に達した場合に、前記第１固体電解質型燃料電池スタックが発電可能なように、前記燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態を制御するガス供給制御手段と、前記第１固体電解質型燃料電池スタックの作動によって発電された電力を、前記ヒータを備えた前記第２固体電解質型燃料電池スタックのヒータに供給するヒータ電力供給制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００３５】
本発明では、第１固体電解質型燃料電池スタックの温度（例えば発電可能な温度）を検知し、発電可能な温度にて、燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態（特に燃料ガスの供給状態）を制御し、第１固体電解質型燃料電池スタックの作動によって発電された電力を、第２固体電解質型燃料電池スタックのヒータに供給する。
【００３６】
従って、所定の（例えばヒータの加熱によって発電可能な状態となった）固体電解質型
燃料電池スタックによって発電された電力を、他の固体電解質型燃料電池スタックの加熱に用いるので、その加熱を効率良く行うことができる。これによって、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に好適に適用できる。つまり、本発明は、起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であったり、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるＳＯＦＣシステムに好適である。
【００３７】
尚、第１固体電解質型燃料電池スタックにて発電した電力及び燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給すると、第２固体電解質型燃料電池スタックを迅速に加熱できるので、一層好適である。
【００３８】
・ここで、固体電解質体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される支燃性ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる支燃性ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。
【００３９】
・固体電解質体の材料としては、例えばＺｒＯ2系セラミック、ＬａＧａＯ3系セラミック、ＢａＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＺｒＯ3系セラミック、及びＣａＺｒＯ3系セラミック等が挙げられる。
【００４０】
・インターコネクタを構成するセラミックとしては、酸化物系セラミック、窒化物系セラミック、炭化物系セラミック等の各種のセラミックを用いることができる。酸化物系セラミックとしては、アルミナ、ムライト、ジルコニア、スピネル等が挙げられる。また、窒化物系セラミックとしては、窒化ケイ素、サイアロン、窒化チタン、窒化アルミニウム等が挙げられる。更に、炭化物系セラミックとしては、炭化ケイ素、炭化チタン、炭化アルミニウム等が挙げられる。
【００４１】
尚、アルミナを含有するインターコネクタでは、アルミナの含有量は７０質量％以上、特に８０質量％以上、更に９０質量％以上であることが好ましく、１００質量％であることがより好ましい。インターコネクタは緻密化されていることが好ましく、例えばアルミナの場合、その相対密度が９０％以上、特に９３％以上、更に９５％以上であることが好ましい。
【００４２】
・インターコネクタがアルミナを主成分とする場合、固体電解質体としては、ジルコニア、或いはアルミナを含むジルコニアを採用できる。このようにジルコニアにアルミナを含有させることで、固体電解質体とインターコネクタとをより強固に接合させることができる。
【００４３】
また、アルミナを含むジルコニアを採用した場合には、アルミナは０．１〜２０質量％、特に０．５〜１０質量％、更に１〜６質量％が好ましい。この場合、固体電解質体とインターコネクタとは、例えばアルミナとジルコニアとを含有する中間セラミック層を介して接合されていることが好ましい。この中間セラミック層におけるアルミナの含有量は、例えば３０〜６０質量％、特に４０〜５０質量％とすることができる。中間セラミック層を用いることで、固体電解質体とインターコネクタとをより強固に接合させることができる。
【００４４】
尚、上記「アルミナを主成分とする」とは、アルミナが７０質量％以上、特に８０質量％以上、更に９０質量％（１００質量％であってもよい。）であることを意味する。
・燃料極の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ2系セラミック、ＣｅＯ2系セラミック及び酸化マンガン等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。
【００４５】
・空気極の材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ2Ｏ3、ＳｒＯ、Ｃｅ2Ｏ3、Ｃｏ2Ｏ3、ＭｎＯ2及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＦｅＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3系複酸化物、Ｐｒ1-xＢａxＣｏＯ3系複酸化物及びＳｍ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物等）が挙げられる。
【００４６】
・燃料極と空気極とは、例えばインターコネクタを貫くように形成された導電性を有する材料（例えば電池ビア導体部の構成材料）により接続される。また、ヒータは、例えばインターコネクタを貫くように形成された導電性を有する材料（例えばヒータビア導電部の構成材料）により電力を印加できるように接続されている。
【００４７】
この導電性を有する材料としては、金属及び導電性セラミック等を採用できる。この金属としては、銀、銅、パラジウム、白金、ニッケル、金及びタングステン等が挙げられる。この金属は、単体であってもよいし、２種以上の金属が含有される合金であってもよい。
【００４８】
更に、導電性セラミックとしては、Ｌａ1-xＭxＣｒＯ3（ＭはＣａ、Ｓｒ等のアルカリ土類金属である。）などが挙げられ、単体でもよく、上記金属との複合体でもよい。また、ビア導体を導電性セラミックにより形成し、且つ燃料極及び空気極との接触面に白金等からなる金属層を設けることで、接触抵抗を低減させた態様とすることもできる。
【００４９】
・ヒータの材料としては、白金、タングステン、二硫化モリブデン等を採用できる。
・ＳＯＦＣスタック等を用いて発電させる場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には支燃性ガスを導入する。燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
【００５０】
支燃性ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの支燃性ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】固体電解質型燃料電池スタック及びその燃料供給ジョイント等を示す斜視図である。
【図２】固体電解質型燃料電池スタックの要部を分解して示す斜視図である。
【図３】インターコネクタの隔壁を示す平面図である。
【図４】固体電解質型燃料電池スタックの要部を分解し拡大して示す斜視図である。
【図５】（ａ）は固体電解質型燃料電池スタックの要部を図３のＤ２にて破断して示す断面図、（ｂ）は固体電解質型燃料電池スタックの要部を図３のＤ１にて破断して示す断面図である。
【図６】未焼成燃料電池セル用積層シートを分解して示す模式的な平面図である。
【図７】インターコネクタの隔壁となる未焼成セラミックシートを分解して示す説明図である。
【図８】未焼成セラミックインターコネクタ用積層シートを分解して示す模式的な平面図である。
【図９】複数の未焼成ユニットセル用複合シートが積層されてなる複合体が圧着された圧着体の模式的な斜視図である。
【図１０】圧着体を図９のＤ３にて切断した断面を模式的に示す断面図である。
【図１１】固体電解質型燃料電池システムを示す説明図である。
【図１２】固体電解質型燃料電池システムの電気的構成を示す説明図である。
【図１３】固体電解質型燃料電池システムの制御内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について、すなわち、固体電解質型燃料電池スタック、固体電解質型燃料電池モジュール、及び固体電解質型燃料電池システムの実施例について説明する。
【実施例１】
【００５３】
［１］まず、固体電解質型燃料電池スタック（ＳＯＦＣスタック）について説明する。
尚、以下では、「固体電解質型」を省略する
図１に示す様に、燃料電池スタック１は、直方体形状であり、長尺の長方形で板状（短冊状）の燃料電池セル３等を、その厚み方向に多数積層したものである。
【００５４】
この燃料電池スタック１は、矢印Ａ方向に燃料ガスを供給するとともに、（矢印Ａ方向と垂直の）矢印Ｂ方向に支燃料ガスである空気を供給するものである。また、燃料ガスの供給側の開口端５と排出側の開口端７とは、それぞれ一方が開口した箱状の金属製の燃料供給ジョイント９、１１で覆われている。尚、各燃料供給ジョイント９、１１には、ガス流路となるガス配管（パイプ）１３、１５が接続されている。
【００５５】
図２に一部を分解して示す様に、燃料電池スタック１では、短冊状の第１燃料電池セル１７と同形状の第２燃料電池セル１９との間に、両燃料電池セル１７、１９を分離するように、短冊状のセラミック製インターコネクタ２１が配置され、それらが積層方向に一体となるように接合されている。尚、両燃料電池セル１７、１９及びインターコネクタ２１の平面形状は、縦１５ｍｍ×横１００ｍｍの同一形状である。
【００５６】
第１燃料電池セル１７は、短冊状の第１固体電解質体２３を備え、その一面（図２の上面）に第１燃料極２５を有するとともに、他面（下面）に第１空気極２７を有している。同様に、第２燃料電池セル１９は、短冊状の第２固体電解質体２９を備え、その一面（図２の上面）に第１燃料極３１を有するとともに、他面（下面）に第２空気極３３を有している。
【００５７】
このうち、各燃料極２５、３１は、第１固体電解質体２３よりも幅が狭く、第１固体電解質体２３の長手方向に伸びる帯状の電極である。一方、各空気極２７、３３は、それぞれ５個のブロックに分離されており、各燃料極２５、３１と直交するように並列に配置された長方形の電極である。
【００５８】
また、インターコネクタ２１は、セラミック製の短冊状の隔壁３５と、その隔壁３５の一面に配置された６個のセラミック製の第１セパレータ３７と、他面に配置された一対のセラミック製の第２セパレータ３９とを備えている。尚、インターコネクタ２１を構成するセラミック材料としては同一の材料を用いることが好ましい。
【００５９】
このうち、隔壁３５は、上板部４１及び下板部４３の間にヒータ４５が配置された構成である。つまり、ヒータ４５は、上板部４１及び下板部４３に挟まれるようにして隔壁３５の内部に形成されている。
【００６０】
また、第１セパレータ３７は、隔壁３５に密着して、隔壁３５の長手方向と垂直にそれぞれ平行となるように配置されており、ここでは、５個の第１空気極２７の両側（隔壁３５の長手方向の両側）に位置するように６箇所に配置されている。一方、第２セパレータ３９は、下板部４３の長手方向に沿って、第２燃料極３１の左右両側（図５参照）に位置するように２個配置されている。
【００６１】
この第１セパレータ３７によって空気流路ａが形成され、第２セパレータ３９によって燃料ガス流路ｆが形成される（図４及び図５（ａ）参照）。つまり、第１空気極２７の下面とインターコネクタ２１の上面との間に空間が形成され、これが空気流路ａとなる。一方、第２燃料極３１の上面とインターコネクタ２１の下面との間に空間が形成され、これが燃料ガス流路ｆとなる。尚、１つのインターコネクタ２１において、６個の第１セパレータ３７によって５箇所の空気流路ａが形成され、２個の第２セパレータ３９によって１箇所の燃料ガス流路ｆが形成される。
【００６２】
特に本実施例では、インターコネクタ２１の隔壁３５の内部にヒータ４５が配置されているが、このヒータ４５は、図３に示す様に、隔壁３５の長手方向に沿って（即ち燃料ガス流路ｆに沿って）伸びるように配置されている。
【００６３】
つまり、ヒータ４５は、ヒータ４５に電力を供給するための左右のヒータビア導体部４７、４８からリード部５１、５３が伸びており、このリード部５１、５３から先端側（図３右側）に発熱部５５が形成されている。詳しくは、燃料ガスが供給される側である図３の左端の第１ブロックＢ１まではリード部５１、５３が伸びており、それより先の第２〜４ブロックＢ２〜Ｂ４に発熱部３５が形成されており、燃料ガスの排出側の第５ブロックＢ５には、ヒータ４５が形成されていない。尚、第１〜５ブロックＢ１〜Ｂ５とは、５個の空気極２７、３３（従って空気流路ａ）に対応した領域を示している。
【００６４】
更に、図４に要部を拡大し分解して示す様に、第１燃料電池セル１７の下面側の第１空気極２７からセル表面に沿って伸びる空気極接続端子５７と、第２燃料電池セル１９の上面側の第２燃料極３１からセル表面に沿って伸びる燃料極接続端子５７とは、インターコネクタ２１をその板厚方向に貫通する電池ビア導体部５９により電気的に接続されている。これにより、第１燃料電池セル１７と第２燃料電池セル１７とが直列に接続される。
【００６５】
前記電池ビア導体部５９は、インターコネクタ２１の所要箇所に設けられたビアホール６０に導電材料を充填し、焼成することにより形成することができる。この電池ビア導体部５９は、少なくとも１個形成されておればよいが、第１空気極２７と第２燃料極３１との電気的な導通の観点からは、多数個形成されていることが好ましく、例えば、２〜８個形成されていることが好ましい。
【００６６】
尚、第１空気極２７は、第１燃料電池セル１７の発電効率の観点からは、インターコネクタ２１が接合されている部分以外の全面に設けられていることが好ましく、第２燃料極
３１も、第２燃料電池セル１９の発電効率の観点からは、インターコネクタ２１が接合されている部分以外の全面に設けられていることが好ましい。
【００６７】
また、ヒータビア導体部４７、４８は、前記図４及び図５（ｂ）に示す様に、燃料電池スタック１をその積層方向に貫く様に、左右一対形成されている。つまり、ヒータビア導体部４７、４８は、インターコネクタ２１の燃料供給側（図４の手前）の第１セパレータ３７、隔壁３５の燃料供給側の端部、左右の第２セパレータ３９の燃料供給側の端部を貫くとともに、第１燃料電池セル１７の第１固体電解質体２３の燃料供給側の端部、第２燃料電池セル１９の第２固体電解質体２９の燃料供給側の端部を貫くように形成されている。
【００６８】
このヒータビア導体部４７、４８は、インターコネクタ２１や第１固体電解質体２３及び第２固体電解質体２９などの所要箇所に設けられたビアホール６１、６２を用いて、電池ビア導体部５９と同様にして形成される。
【００６９】
尚、図５（ｂ）に示す様に、ビアホール６１、６２のうち、第１固体電解質体２３及び第２固体電解質体２９を貫く部分には、絶縁性を確保するために、ヒータビア導体部４７、４８の外周を覆う様に、環状の絶縁層６４が形成されている。
【００７０】
［２］次に、上述した燃料電池スタック１の製造方法について説明する。
燃料電池スタック１の製造方法は、以下に述べる様に、未焼成燃料電池セル用積層シート作製工程、未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート作製工程、未焼成ユニットセル用複合シート作製工程、複合体形成工程、圧着体形成工程、未焼成燃料電池スタック作製工程、及び燃料電池スタック作製工程、を備える。
（Ａ）未焼成燃料電池セル用積層シートの作製
ａ）未焼成固体電解質シートの形成
固体電解質として８ＹＳＺ（８モル％のＹ2Ｏ3により安定化されたＺｒＯ2）粉末１００質量部（以下、「部」という。）、アルミナ粉末１部、有機バインダとしてポリビニルアルコール、及び有機溶媒としてブチルカルビトールを混合し、未焼成固体電解質シート用スラリーを調製した。その後、このスラリーを用いてドクターブレード法によりポリエステルフィルムの表面に、各々１１０ｍｍ×１００ｍｍ×１５０μｍ（厚さ）の寸法の未焼成固体電解質シート７１を形成した（図６参照）。
【００７１】
また、パンチング（打ち抜き）により、表面における開口径が１０００μｍ（１ｍｍ）の５対のビアホール６１、６２を穿設した。そして、そのビアホール６１、６３の中に、外径１０００μｍ、内径５００μｍのドーナツ状に、アルミナを主成分とする絶縁ペーストを塗布乾燥し、その後、導電粉末として８０質量％の白金粉末を含有する導体ペーストを、穴埋め印刷によりビアホール６１、６２（詳しくは、絶縁ペーストを塗布した内側の貫通孔）内に充填した。次いで、１２０℃で３０分間乾燥してペーストに含有される有機溶媒を除去することで、未焼成固体電解質シート７１における５対の未焼成ヒータビア導体部７３、７４を形成した。
【００７２】
ｂ）未焼成燃料極用帯状シートの形成
酸化ニッケル（ＮｉＯ）粉末８０部、上記８ＹＳＺ粉末２０部、分散剤としてジエチルアミン、及び有機溶媒としてトルエンとメチルエチルケトン、を混合し、その後、可塑剤としてジブチルフタレート、有機バインダとしてポリビニルアルコールを更に配合し、混合して未焼成燃料極用スラリーを調製した。次いで、このスラリーを、上記ａ）において形成した未焼成固体電解質シート７１のそれぞれの一面にスクリーン印刷し、１２ｍｍ×９０ｍｍ×１０μｍ（厚さ）の寸法の未焼成燃料極用帯状シート７３を各々５本並行に形成した。尚、それぞれの帯状の未焼成シートの間隔は６ｍｍとした。
【００７３】
ｃ）未焼成空気極用帯状シートの形成
平均粒径２μｍの市販のＬａ0.6Ｓｒ0.4（Ｃｏ0.2Ｆｅ0.8）Ｏ3（以下、「ＬＳＣＦ」と表記する。）粉末１００部に、バインダとしてポリビニルアルコール１３部及び有機溶媒としてブチルカルビトール３５部を混合して未焼成空気極用スラリーを調製した。その後、このスラリーを、上記ａ）において形成した未焼成固体電解質シート７１の他面にスクリーン印刷し、１２ｍｍ×９０ｍｍ×１０μｍ（厚さ）の寸法の未焼成空気極用帯状シート７５を各々５本並行に形成した。
【００７４】
尚、これらの未焼成空気極用帯状シート７５は、それぞれ上記ｂ）において形成した未焼成燃料極用帯状シート７３と直交する方向に配列させた。また、各々の帯状の未焼成空気極用シート７５の間隔は６ｍｍとした。
【００７５】
このようにして、未焼成燃料電池セル用積層シート７７を作製した。
（Ｂ）未焼成セラミックインターコネクタ用積層シートの作製
ａ）未焼成積層シートの形成
アルミナ粉末１００部、上記８ＹＳＺ粉末２０部、マグネシア粉末２部及びシリカ粉末２部を混合し、ボールミルにより１０時間湿式粉砕し、その後、脱水し、乾燥した。次いで、この混合粉末と、有機バインダとしてメタクリル酸イソブチルエステル及びニトロセルロース、並びに可塑剤としてジオクチルフタレート、更に有機溶媒としてトリクロールエチレン及びｎ−ブタノールを配合し、ボールミルにより混合して未焼成インターコネクタ用スラリーを調製した。このスラリーを減圧脱泡させ、その後、流延させてシートとし、次いで、有機溶媒を揮発させ、１１０ｍｍ×１００ｍｍ×５０μｍ（厚さ）の寸法の１対の未焼成セラミックシート７９、８１（図７参照）を形成した。
【００７６】
この一対の未焼成セラミックシート７９、８１のうち、一方の未焼成セラミックシート８１の表面に、図８に示す様なヒータパターン８３を形成した。
具体的には、白金スポンジ７５重量部、白金ブラック２０重量部、アルミナ５重量部の合計１００重量部に対して、有機バインダとしてニトロセルロース、溶媒としてｎ−ブタノールを加え、スクリーン印刷用に粘度を適切に調整した導電ペーストを作成し、この導電ペーストを用いてスクリーン印刷してヒータパターン８３を形成した。つまり、同図の左右方向に、後に形成される各インターコネクタ２１に対応する様に、５列のヒータパターン８３を形成した。
【００７７】
次に、ヒータパターン８３を間に挟む様にして一対の未焼成セラミックシート７９、８１を積層し、１枚の未焼成セラミックシート８５とした。尚、図８ではヒータパターン８３の位置が明瞭となる様に、実線で示している。
【００７８】
一方、同様にして同寸法（但し、厚さは１５０μｍである。）の未焼成セラミックシートを２枚形成し、この２枚の未焼成セラミックシートの各々に、パンチングによって、上記（Ａ）、ｃ）で形成した未焼成燃料極用帯状シート７３及び未焼成空気極用帯状シート７５と同寸法の１２ｍｍ×９０ｍｍの開口部を等間隔に５本並設し、未焼成第１セラミック開口シート８７及び未焼成第２セラミック開口シート８９を形成した。その後、未焼成セラミックシート８５の一面及び他面のそれぞれに、未焼成第１セラミック開口シート８７と未焼成第２セラミック開口シート８９とを、各々が有する帯状の開口部の方向が直交するように積層した。
【００７９】
ｂ）ビア導体部の形成
上記のようにして形成された未焼成積層シート、即ち、未焼成セラミックシート８５と未焼成第１及び第２セラミック開口シート８７、８９とが重なっている部分の所定箇所に、パンチングにより表面における開口径が５００μｍの（電池ビア導体部用の）ビアホール６０を穿設した。その後、導電粉末として８０質量％の白金粉末を含有する導体ペーストを、穴埋め印刷によりビアホール６０内に充填した。次いで、１２０℃で３０分間乾燥してペーストに含有される有機溶媒を除去することで、未焼成電池ビア導体部９１を形成した。
【００８０】
また、同様にして、（ヒータビア導体部用の）５対のビアホール６１、６２を穿設した。その後、同様な導体ペーストをビアホール６１、６２内に充填し、有機溶媒を除去して、未焼成ヒータビア導体部９３、９４を形成した。
【００８１】
このようにして未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５を作製した。
（Ｃ）未焼成ユニットセル用複合シートの作製
３個の未焼成燃料電池用積層シート７７と、２個の未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５とを交互に積層した。
【００８２】
つまり、未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５の未焼成第１セラミック開口シート８７の側に、未焼成燃料電池セル用積層シート７７の未焼成空気極用帯状シート７５が嵌め込まれるように積層するとともに、未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５の未焼成第２セラミック開口シート８９の側に、他の未焼成燃料電池セル用積層シート７７の未焼成燃料極用帯状シート７３が嵌め込まれるように積層した。以下、同様にして順次積層した。
【００８３】
そして、これらの５層からなる積層体の外側に、未焼成セラミック端面シート（図示せず）を積層して未焼成ユニットセル用複合シート（図示せず）を作製した。
（Ｄ）複合体の形成
上記（Ｃ）で作製した３０個の未焼成ユニットセル用複合シートを積層し、仮圧着して複合体とした。各々の未焼成ユニットセル用複合シートは、それぞれ３層の未焼成燃料電池セル用積層シート７７を有するため、この複合体は、合計９０層の未焼成燃料電池セル用積層シート７７を備えることになる。
（Ｅ）圧着体形成工程
上記（Ｄ）で形成した複合体を、シリコンゴム製の型枠内に配置し、その後、８５℃に昇温させ、減圧下、積層方向に９８ＭＰａの圧力で圧着し、直方体形状の圧着体９７を形成した（図９参照）。尚、図１０に圧着体の断面を示す様に、未焼成燃料電池セル用積層シート７７と未焼成セラミックインターコネクタ用積層シート９５とは、アルミナとジルコニアとを含有する中間セラミック層９８を介して接合されている。
（Ｆ）未焼成燃料電池スタックの作製
上記（Ｅ）で形成した圧着体９７を、前記図９に示す様に、平面形状が長方形（短冊状）の燃料電池スタック１の形状に合わせて、圧着方向（同図下方）に、短冊状に切断して未焼成燃料電池スタック９９を作製した。
【００８４】
具体的には、圧着体９７を、ワイヤーソー切断装置のステージに固定し、その後、ステージを上昇させて圧着体９７の上端面に切断用ワイヤーを当接させ、研削液を液供給装置より供給しながら、ワイヤーを平均速度４００ｍ／分で走行させて一方向に切断し、縦１８ｍｍ×横１１０ｍｍ×高さ５０ｍｍの柱状の未焼成燃料電池スタック９９を５本作製した。
【００８５】
尚、未焼成燃料電池スタック９９の切断に先立ち、圧着体９７の４辺の端部も所定幅（２ｍｍの幅）で切断して除去しておく。
（Ｇ）燃料電池スタックの作製
上記（Ｆ）で作製した未焼成燃料電池スタック９９を、焼成炉に収容し、大気雰囲気下、２６０℃で５時間保持して有機バインダを除去し、引き続いて、炉内の温度を１４３０℃まで昇温させ、この温度で２時間保持して焼成を行い、燃料電池スタック１を作製した。
【００８６】
この燃料電池スタック１には、前記図１に示す様に、その燃料ガスの供給及び排出を行う両開口端５、７に、ＳＵＳ３０４製の燃料供給ジョイント９、１１を接合する。詳しくは、燃料供給ジョイント９、１１の内壁と接する燃料電池スタック１の開口端５、７の外周部に、ニッケルを主成分とするメッキ層（図示せず）を形成し、その表面に、ＡｇとＣｕの合金を用いたロー付けによって、燃料供給ジョイント９、１１を接合する。尚、ロー付けの温度は７５０℃程度で、ジョイント部の酸化を防止するため、水素雰囲気ないし窒素雰囲気下でロー付けを行うことが望ましい。
【００８７】
また、図示しないが、燃料電池スタック１の上部には、燃料電池スタック１により発電された電力を取り出すため及びヒータ４５に電力を供給するために、配線パターンが設けられた下端側基板が配置され、下部にも所定の配線パターンが設けられた上端側基板が配置される。
【００８８】
［３］次に、燃料電池モジュールを備えた燃料電池システムについて説明する。
本実施例の燃料電池システムは、図１１に示す様に、（複数の燃料電池スタック１０１、１０３からなる）燃料電池モジュールの各燃料電池スタック１０１、１０３を順次起動させるものである。
【００８９】
具体的には、例えば、第１燃料電池スタック１０１の起動時に、ヒータ４５により第１燃料電池スタック１０１を加熱して、その起動を促進し、第１燃料電池スタック１０１による発電が可能な温度に達したら発電を行って、その電力を第２燃料電池スタック１０３のヒータ４５に供給する。同時に、第１燃料電池スタック１０１から排出される燃料排ガスを、第２燃料電池スタック１０３に供給し、第２燃料電池スタック１０３の加熱を促進するものである。
【００９０】
ａ）まず、燃料電池システムの全体構成について説明する。
本実施例では、燃料電池スタック１０１、１０３が複数個配置され、それらが電気的に直列に接続されて、所定の出力２５０Ｖが得られる燃料電池モジュールが構成されている。尚、以下では、説明を簡易化するために２個の燃料電池スタック１０１、１０３について説明する。
【００９１】
まず、第１燃料電池スタック１０１及び第２燃料電池スタック１０３は、１つの断熱容器１０５に収容されており、断熱容器１０５には空気が充填されて、各燃料電池スタック１０１、１０３の空気流路ａに空気が供給されるようになっている。
【００９２】
第１燃料電池スタック１０１の燃料供給側（同図右側）には、第１燃料供給ジョイント１０７が接合され、第１燃料供給ジョイント１０７には、第１パイプ１０９が接続されている。この第１パイプ１０９には、電磁弁である第１開閉弁１１１が配置されている。また、第１燃料電池スタック１０１の燃料排出側（同図左側）には、第２燃料供給ジョイント１１３が接合され、第２燃料供給ジョイント１１３には、第２パイプ１１５が接続されている。この第２パイプ１１５には、電磁弁である第１三方向切替弁１１７が配置されている。
【００９３】
従って、第１燃料電池スタック１０１では、燃料ガスは、同図右方の燃料供給源から、第１パイプ１０９及び第１燃料供給ジョイント１０７を介して、第１燃料電池スタック１０１の燃料流路ｆに供給される。また、その排出ガスは、第２燃料供給ジョイント１１３から第２パイプ１１５を介して外部に排出されるか、第１三方向切替弁１１７により、第２燃料電池スタック１０３側に供給される。
【００９４】
一方、第２燃料電池スタック１０３の燃料供給側には、第３燃料供給ジョイント１１９が接合され、第３燃料供給ジョイント１１９には、第３パイプ１２１が接続されている。この第３パイプ１２１には、電磁弁である第２開閉弁１２３及び第２三方向切替弁１２５が配置されている。また、第２燃料電池スタック１０３の燃料排出側には、第４燃料供給ジョイント１２５が接合され、第４燃料供給ジョイント１２５には、第４パイプ１２７が接続されている。この第４パイプ１２７には、電磁弁である第３三方向切替弁１２９が配置されている。
【００９５】
従って、第２燃料電池スタック１０３では、燃料ガスは、同図右方の燃料供給源から、第３パイプ１２１及び第３燃料供給ジョイント１１９を介して、第２燃料電池スタック１０３の燃料流路ｆに供給され、その排出ガスは、第４燃料供給ジョイント１２５から第４パイプ１２７を介して外部等に排出される。
【００９６】
更に、本実施例では、第１三方向切替弁１１７と第２三方向切替弁１２５とを接続するように第５パイプ１３１が接続されている。
従って、第１三方向切替弁１１７により、第１燃料電池スタック１０１から排出される排ガスの流路を、外部への排出経路１３３と第５パイプ１３１への経路とに切り換えることができる。また、第２三方向切替弁１２５により、燃料ガスの原料供給経路１３５から第３燃料供給ジョイント１１９に到る経路（燃料ガスを第２燃料電池スタック１０３に供給する経路）と、第４パイプ１３１から第３燃料供給ジョイント１１９に到る経路（排ガスを第２燃料電池スタック１０３に供給する経路）とを切り換えることができる。
【００９７】
ｂ）次に、燃料電池システムを制御する電気的構成について説明する。
本実施例の燃料電池システムは、図１２に示す様に、電子制御装置１４１により制御される。
【００９８】
この電子制御装置１４１は、周知のマイコン１４３を主要部とする装置であり、その入力部１４５には、第１燃料電池スタック１０１の内部温度を検出する第１温度検出部１４７と、第２燃料電池スタック１０３の内部温度を検出する第２温度検出部１４９と、第１燃料電池スタック１０１の電圧（又は電流）を測定する第１電圧測定部１５１と、第２燃料電池スタック１０３の電圧（又は電流）を測定する第２電圧測定部１５３とが接続されている。
【００９９】
一方、出力部１５５には、第１燃料電池スタック１０１のヒータ４５の通電制御を行う第１ヒータ制御部（制御回路）１５７と、第２燃料電池スタック１０３のヒータ４５の通電制御を行う第２ヒータ制御部（制御回路）１５９と第１、２開閉弁１１１、１２３と、第１〜３三方向切替弁１１７、１２５、１２９とが接続されている。
【０１００】
ここで、前記温度検出部１４７としては、周知の温度センサを用いることができるが、ヒータ４５の抵抗又は電力を取り出すための導電経路における抵抗から、温度を求めるようしてもよい。
【０１０１】
ｃ）次に、燃料電池システムにおける制御内容について説明する。
図１３のフローチャートに示す様に、まず、ステップ（Ｓ）１００にて、第１燃料電池スタック１０１を加熱するために、第１ヒータ制御部１５７を駆動して、第１燃料電池スタック１０１内の各セルのヒータ４５に通電する。
【０１０２】
続くＳ１１０では、第１燃料電池スタック１０１の内部温度Ｔ１が、所定の起動温度（例えば７００℃）を上回ったか否かを判定する。ここで肯定判断されるとＳ１２０に進み、そうでない場合は待機する。
【０１０３】
Ｓ１２０では、第１燃料電池スタック１０１の内部温度Ｔ１が７００℃を上回ったので、第１燃料電池スタック１０１に燃料ガスを供給するために、第１開閉弁１１１を開く。また、燃料排ガスを第２パイプ１１５側から第５パイプ側１３１に供給するように第１三方向切替弁１１７を切り替えるとともに、同燃料排ガスを第５パイプ側から第３燃料供給ジョイント１１９側に供給するために第２三方向切替弁１２５を切り替える。それとともに、第２燃料電池スタック１０３から排出される燃料排ガスが外部に排出されるように第３三方向切替弁１２９を切り替える。
【０１０４】
続くＳ１３０では、第１燃料電池スタック１０１が発電可能か否かを、第１燃料電池スタック１０１の開放電圧Ｖ１が、所定の基準電圧Ｖ０を上回るか否かで判定する。ここで肯定判断されるとＳ１４０に進み、一方否定判断されるとＳ１８０に進む。
【０１０５】
尚、第１燃料電池スタック１０１の開放電圧Ｖ１が、所定の基準電圧Ｖ０を上回ると、第１燃料電池スタック１０１の作動が開始されたことになる。
Ｓ１８０では、燃料ガスを供給してからの時間ｔが所定時間ｔ０経過したか否かを判定し、経過しない場合は前記Ｓ１２０に戻る。
【０１０６】
一方、所定時間ｔ０が経過した場合は、何らかの異常が発生したと見なして、Ｓ１９０にて、第１燃料電池スタック１０１による発電を停止する。具体的には、例えば第１開閉弁１１１を閉じる等の処理を行い、一旦本処理を終了する。
【０１０７】
また、前記Ｓ１４０では、第２燃料電池スタック１０３を加熱するために、第２ヒータ制御部１５９を駆動して、第１燃料電池スタック１０３内の各セルのヒータ４５に通電する。
【０１０８】
続くＳ１５０では、第２燃料電池スタック１０３の内部温度Ｔ２が、所定の起動温度（例えば７００℃）を上回ったか否かを判定する。ここで肯定判断されるとＳ１６０に進み、そうでない場合は待機する。
【０１０９】
Ｓ１６０では、第２燃料電池スタック１０３の内部温度Ｔ１が７００℃を上回ったので、第２燃料電池スタック１０３に燃料ガスを供給するために、第２開閉弁１２３を開く。また、燃料排ガスの（第１燃料電池スタック１０１側への）供給を停止するために、第２パイプ１１５から排出経路１３３を介して外部に燃料排ガスを排出するように第１三方向切替弁１１７を切り替える。また、燃料排ガスの供給を止めて燃料ガスのみを第３燃料供給ジョイント１１９側に供給するために第２三方向切替弁１２５を切り替える。
【０１１０】
続くＳ１７０では、第２燃料電池スタック１０３が発電可能か否かを、第２燃料電池スタック１０３の開放電圧Ｖ２が、所定の基準電圧Ｖ０を上回るか否かで判定する。ここで肯定判断されると、以降の各燃料電池スタックの起動の処理に進む、一方否定判断されるとＳ２００に進む。
【０１１１】
尚、第２燃料電池スタック１０３の開放電圧Ｖ２が、所定の基準電圧Ｖ０を上回ると、第１燃料電池スタック１０１の作動が開始されたことになる。
Ｓ２００では、燃料ガスを供給してからの時間ｔが所定時間ｔ０経過したか否かを判定し、経過しない場合は前記Ｓ１７０に戻る。
【０１１２】
一方、所定時間ｔ０が経過した場合は、何らかの異常が発生したと見なして、Ｓ２１０にて、第２燃料電池スタック１０３による発電を停止する。具体的には、例えば第２開閉弁１２３を閉じる等の処理を行い、一旦本処理を終了する。
【０１１３】
以下、同様に、他の燃料電池スタックの起動のための処理を、燃料電池スタックの数だけ繰り返して順次行う。
［４］次に、本実施例の効果について説明する。
【０１１４】
本実施例では、第１燃料電池スタック１０１の内部に配置されたヒータ４５に通電し、第１燃料電池スタック１０１の温度が発電可能な温度に達した場合には、第１燃料電池スタック１０１に燃料ガスを供給し、第１燃料電池スタック１０１にて発電を開始している。そして、第１燃料電池スタック１０１にて発電した電力を、第２燃料電池スタック１０３のヒータ４５に供給して、第２燃料電池スタック１０３を加熱している。それとともに、第１燃料電池スタック１０１から排出され高温の燃料排ガスを、第２燃料電池スタック１０３に供給している。
【０１１５】
従って、本実施例では、従来の外部から加熱する装置に比べて効率良く各燃料電池スタック１０１、１０３を加熱することができる。これによって、ＳＯＦＣシステムの起動時に、少ない電力で速やかに発電に必要な温度まで加熱できるので、特に、ＳＯＦＣシステムを、自動車やトラックなどの移動体に搭載する場合や、電力需要が生活のスタイルにより変動する家庭用コジェネ発電機に好適に適用できる。
【０１１６】
つまり、こうした用途においては、ＳＯＦＣシステムの起動、停止、或いは出力の調整が頻繁であり、また、起動に利用できる最大電力や燃料に制限があるが、本実施例では、低電力で速やかに加熱できるので、移動体や家庭用に好適に利用することができる。
【０１１７】
また、金属製の燃料供給ジョイント１０７、１１３、１１９、１２５の接合部分は、セラミック部分に比べると耐熱性が低いが、本実施例では、ヒータ４５は、各燃料電池スタック１０１、１０３の内部を重点的に加熱するように配置されている。よって、各燃料電池スタック１０１、１０３内部が発電可能な高温に達した場合でも、その接合部分の温度を一層低く保つことができるので、接合部分の劣化を効果的に抑制することができる。
【０１１８】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば前記実施例では、第１燃料電池スタックにて発電された電力及び燃料排ガスを、第２燃料電池スタックに供給しているが、電力及び燃料排ガスの一方のみを第２燃料電池スタックに供給してもよい。また、第２燃料電池スタックには、ヒータを配置しなくてもよい。
【符号の説明】
【０１１９】
１、１０１、１０３…固体電解質型燃料電池スタック
９、１１、１０７、１１３、１１９、１２５…燃料供給ジョイント
１７、１９…固体電解質型燃料電池セル
２３、２９…固体電解質体
２５、３１…燃料極
２７、３３…空気極
３５…インターコネクタ
４５…ヒータ
１１１、１２３…開閉弁
１１７、１２３、１２９…三方向切替弁
１４１…電子制御装置
１４７、１４９…温度検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスに接する燃料極及び支燃性ガスに接する空気極を有する固体電解質体を備えた燃料電池セルが、複数個積層された固体電解質型燃料電池スタックにおいて、
前記スタックの内部に、ヒータを配置したことを特徴とする固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項２】
前記各燃料電池セル間に、セラミック製のインターコネクタを備えた固体電解質型燃料電池スタックであって、
前記インターコネクタは、第１燃料電池セルの燃料極に供給する燃料ガスの流路と第２燃料電池セルの空気極に供給する支燃性ガスの流路とを分離する構成と、前記第１燃料電池セルの燃料極と第２燃料電池セルの空気極とを電気的に接続する導通部とを備えるとともに、前記ヒータを備えたことを特徴とする前記請求項１に記載の固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項３】
前記インターコネクタの内部に、前記ヒータを備えたことを特徴とする前記請求項２に記載の固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項４】
燃料ガスに接する燃料極及び支燃性ガスに接する空気極を有する固体電解質体を備えた燃料電池セルが、複数個積層された固体電解質型燃料電池スタックを、複数個備えた固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
前記複数の固体電解質型燃料電池スタックのうち、少なくとも１個のスタックを、前記請求項１〜３のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池スタックとしたことを特徴とする固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記各固体電解質型燃料電池スタックにおいて、少なくとも燃料ガスの供給を、前記各スタック独立して調節可能な構成としたことを特徴とする前記請求項４に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項６】
第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給可能な構成としたことを特徴とする前記請求項４又は５に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記第１固体電解質型燃料電池スタックの燃料排ガスの排気路を、第２固体電解質型燃料電池スタックの燃料ガスの供給路に接続するとともに、前記燃料排ガスを第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する経路に、当該経路の開閉を制御する制御弁を備えたことを特徴とする前記請求項６に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記複数の固体電解質型燃料電池スタックを、１つの断熱容器内に配置したことを特徴とする前記請求項４〜７のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記請求項４〜８のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池モジュールの駆動を制御する制御手段を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。
【請求項１０】
前記固体電解質型燃料電池システムの起動時に、前記ヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックのヒータに通電する通電制御手段と、
前記第１固体電解質型燃料電池スタックの温度を検知する温度検知手段と、
前記検知手段によって検知された温度が所定の温度に達した場合に、前記第１固体電解質型燃料電池スタックが発電可能なように、前記燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態を制御するガス供給制御手段と、
前記燃料ガスの供給に伴って前記第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される高温の燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する排ガス供給制御手段と、
を備えたことを特徴とする前記請求項９に記載の固体電解質型燃料電池システム。
【請求項１１】
前記固体電解質型燃料電池システムの起動時に、前記ヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックのヒータに通電する通電制御手段と、
前記第１固体電解質型燃料電池スタックの温度を検知する温度検知手段と、
前記検知手段によって検知された温度が所定の温度に達した場合に、前記第１固体電解質型燃料電池スタックが発電可能なように、前記燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態を制御するガス供給制御手段と、
前記第１固体電解質型燃料電池スタックの作動によって発電された電力を、前記ヒータを備えた前記第２固体電解質型燃料電池スタックのヒータに供給するヒータ電力供給制御手段と、
を備えたことを特徴とする前記請求項９又は１０に記載の固体電解質型燃料電池システム。
【請求項１】
燃料ガスに接する燃料極及び支燃性ガスに接する空気極を有する固体電解質体を備えた燃料電池セルが、複数個積層された固体電解質型燃料電池スタックにおいて、
前記スタックの内部に、ヒータを配置したことを特徴とする固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項２】
前記各燃料電池セル間に、セラミック製のインターコネクタを備えた固体電解質型燃料電池スタックであって、
前記インターコネクタは、第１燃料電池セルの燃料極に供給する燃料ガスの流路と第２燃料電池セルの空気極に供給する支燃性ガスの流路とを分離する構成と、前記第１燃料電池セルの燃料極と第２燃料電池セルの空気極とを電気的に接続する導通部とを備えるとともに、前記ヒータを備えたことを特徴とする前記請求項１に記載の固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項３】
前記インターコネクタの内部に、前記ヒータを備えたことを特徴とする前記請求項２に記載の固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項４】
燃料ガスに接する燃料極及び支燃性ガスに接する空気極を有する固体電解質体を備えた燃料電池セルが、複数個積層された固体電解質型燃料電池スタックを、複数個備えた固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、
前記複数の固体電解質型燃料電池スタックのうち、少なくとも１個のスタックを、前記請求項１〜３のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池スタックとしたことを特徴とする固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記各固体電解質型燃料電池スタックにおいて、少なくとも燃料ガスの供給を、前記各スタック独立して調節可能な構成としたことを特徴とする前記請求項４に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項６】
第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給可能な構成としたことを特徴とする前記請求項４又は５に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記第１固体電解質型燃料電池スタックの燃料排ガスの排気路を、第２固体電解質型燃料電池スタックの燃料ガスの供給路に接続するとともに、前記燃料排ガスを第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する経路に、当該経路の開閉を制御する制御弁を備えたことを特徴とする前記請求項６に記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記複数の固体電解質型燃料電池スタックを、１つの断熱容器内に配置したことを特徴とする前記請求項４〜７のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記請求項４〜８のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池モジュールの駆動を制御する制御手段を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池システム。
【請求項１０】
前記固体電解質型燃料電池システムの起動時に、前記ヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックのヒータに通電する通電制御手段と、
前記第１固体電解質型燃料電池スタックの温度を検知する温度検知手段と、
前記検知手段によって検知された温度が所定の温度に達した場合に、前記第１固体電解質型燃料電池スタックが発電可能なように、前記燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態を制御するガス供給制御手段と、
前記燃料ガスの供給に伴って前記第１固体電解質型燃料電池スタックから排出される高温の燃料排ガスを、第２固体電解質型燃料電池スタックに供給する排ガス供給制御手段と、
を備えたことを特徴とする前記請求項９に記載の固体電解質型燃料電池システム。
【請求項１１】
前記固体電解質型燃料電池システムの起動時に、前記ヒータを備えた第１固体電解質型燃料電池スタックのヒータに通電する通電制御手段と、
前記第１固体電解質型燃料電池スタックの温度を検知する温度検知手段と、
前記検知手段によって検知された温度が所定の温度に達した場合に、前記第１固体電解質型燃料電池スタックが発電可能なように、前記燃料ガス及び支燃性ガスの供給状態を制御するガス供給制御手段と、
前記第１固体電解質型燃料電池スタックの作動によって発電された電力を、前記ヒータを備えた前記第２固体電解質型燃料電池スタックのヒータに供給するヒータ電力供給制御手段と、
を備えたことを特徴とする前記請求項９又は１０に記載の固体電解質型燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１７８３５６（Ｐ２０１２−１７８３５６Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１０６０２１（Ｐ２０１２−１０６０２１）
【出願日】平成２４年５月７日（２０１２．５．７）
【分割の表示】特願２００５−２８７６５５（Ｐ２００５−２８７６５５）の分割
【原出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月７日（２０１２．５．７）
【分割の表示】特願２００５−２８７６５５（Ｐ２００５−２８７６５５）の分割
【原出願日】平成１７年９月３０日（２００５．９．３０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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