CN101409350B - 燃料电池装置及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池装置及电子设备，所述燃料电池装置包括：发电单元，具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力；加热机构，加热所述发电单元；集电机构，从所述第1电极或所述第2电极取出电力。其中，所述加热机构设置在所述集电机构上。

Description

燃料电池装置及电子设备
本申请基于并主张申请日为2007年1月24日的日本专利申请No.2007-255036的优先权，它们的所有内容包括说明书、权利要求书、附图和摘要以参考的形式并入本申请中。
技术领域
本发明涉及通过氧化剂和还原剂的电化学反应而取出电力的燃料电池装置及具有该燃料电池装置的电子设备。
背景技术
燃料电池作为通过氧化剂和还原剂的电化学反应而取出电力的下一代将成为主流的电源系统，人们一直在进行广泛的研究与开发。在燃料电池装置的一种即固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide FuelCell，以下称为SOFC)中，采用在固体氧化物型电解质的一个表面上形成燃料极、在另一个表面上形成空气极的发电单元。
一般地说，SOFC包含将多个平板形或圆筒形的单电池通过连接器进行串联或并联电连接而成的电堆。在加热这样的电堆的各单电池时，例如在特开2002-75404号公报中，提出了通过使形成于单电池的燃料极和空气极上的电阻体自发热而作为发热源使用，从而燃料电池能够缩短到可发电的起动时间。
但是，在空气极上形成有与电极的相关性低的材料作为单电池加热用电阻体。因此，空气极中的形成有电阻体的部分不能有助于发电，或即使有助于发电也不能得到与空气极同等的发电效率。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种燃料电池装置，该燃料电池装置能够抑制因发电单元的加热机构覆盖电极表面而造成的电堆发电效率的下降。
本发明涉及一种燃料电池装置，其包括：
发电单元，其具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力；
加热机构，其加热所述发电单元；
集电机构，其从所述第1电极或所述第2电极取出电力；其中，
所述加热机构设置在所述集电机构上。
另外，本发明还涉及一种第2燃料电池装置，其包括：
发电单元，其具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力；
加热机构，其加热所述发电单元；
流路划定机构，其通过表面在与所述第1电极或所述第2电极之间划定流路；其中，
所述加热机构设置在所述流路划定机构上。
再者，本发明还涉及一种第3燃料电池装置，其包括：
多个发电单元，其具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力；
加热机构，其加热所述发电单元；
第1流路划定机构，其通过表面在与所述多个发电单元之中的一发电单元所具有的所述第1电极之间划定流过所述第1物质的第1流路；
第2流路划定机构，其通过表面在与另一发电单元所具有的所述第2电极的之间划定第2流路，所述另一发电单元与所述多个发电单元之中的所述一发电单元相邻接；其中，
所述加热机构设置在所述第1流路划定机构或所述第2流路划定机构中的一方上。
本发明涉及一种电子设备，其包括：
燃料电池装置，其具有，
发电单元，其具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力，
加热机构，其加热所述发电单元，
集电机构，其从所述第1电极或所述第2电极取出电力，其中，
所述加热机构设置在所述集电机构上；
电子设备本体，其通过所述燃料电池装置生成的电力而工作。
另外，本发明还涉及一种第2电子设备，其包括：
燃料电池装置，其具有，
发电单元，其具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力，
加热机构，其加热所述发电单元，
流路划定机构，其通过表面在与所述第1电极或所述第2电极之间划定流路，其中，
所述加热机构设置在所述流路划定机构上；
电子设备本体，其通过所述燃料电池装置生成的电力而工作。
再者，本发明还涉及一种第3电子设备，其包括：
燃料电池装置，其具有，
多个发电单元，其具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力，
加热机构，其加热所述发电单元，
第1流路划定机构，其通过表面在与所述多个发电单元之中的一发电单元所具有的所述第1电极之间划定流过所述第1物质的第1流路；
第2流路划定机构，其通过表面在与另一发电单元所具有的所述第2电极的之间划定第2流路，所述另一发电单元与所述多个发电单元之中的所述一发电单元相邻接；其中，
所述加热机构设置在所述第1流路划定机构或所述第2流路划定机构中的一方上；
电子设备本体，其通过所述燃料电池装置生成的电力而工作。
在本发明的燃料电池装置中，由于发电单元的加热机构不是设在电极上，而是设在集电机构或流路划定机构上，因此能够提供一种燃料电池装置，其不会因发电单元的加热机构覆盖电极的表面而使发电单元的发电效率下降，并且可以抑制加热机构和电极发生反应而造成的发电效率的下降。
附图说明
通过以下详细的说明和附图将充分了解本发明，但这些只是一种例示，并不限定本发明的范围。
图1是表示搭载了燃料电池装置的便携式电子设备的模块图。
图2是发电单元的示意图。
图3是表示电堆的实例的示意图。
图4是示意性地表示电堆的示意剖视图。
图5是绝热包的立体图。
图6是表示绝热包的内部结构的立体图。
图7是设有电加热器的电堆的俯视图。
图8是沿着图7的VIII-VIII线的剖视图。
图9是沿着图7的IX-IX线的剖视图。
图10是表示连接器和电加热器的结构的俯视图。
图11是沿着图10的XI-XI线的剖视图。
图12是沿着图10的XII-XII线的剖视图。
图13是表示防辐射膜和电加热器的关系的剖视图。
图14是表示防辐射膜和电加热器的关系的放大剖视图。
图15是表示防辐射膜和电加热器的关系的放大剖视图。
图16是表示加热时的发电单元温度和经过时间的关系的说明图。
图17示意性地表示变形例的电堆的示意剖视图。
图18是表示采用圆筒形的电池筒的实施方式的侧视图。
图19是沿着图18的XVIII-XVIII线的剖视图。
图20是集电极及电池筒的侧视图。
图21是表示采用电池筒的电堆的构成的侧视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的优选的实施方式进行说明。
以下，参照附图对为实施本发明而优选的方式进行说明。但是，在以下所述的实施方式中，为实施本发明附加技术上优选的各种限定，但本发明的范围并不局限于以下的实施方式及图示例。
<第1实施方式>
[电子设备]
图1是表示搭载了燃料电池装置100的便携式电子设备200的模块图。该电子设备200例如为笔记本电脑、PDA、电子记事簿、数码相机、手机、手表、寄存器及投影仪等便携式电子设备。
电子设备200具有电子设备本体201、DC/DC转换器202、二次电池203等、以及燃料电池装置100。电子设备本体201由从DC/DC转换器202或二次电池203供给的电力而驱动。DC/DC转换器202在将由燃料电池装置100生成的电力变换成适当的电压后供给至电子设备本体201。另外，DC/DC转换器202将由燃料电池装置100生成的电力对二次电池203进行充电，当燃料电池装置100不工作时，将蓄积在二次电池203中的电力供给至电子设备本体201。
[燃料电池装置]
该燃料电池装置100包括燃料容器2、泵3、绝热包10等。燃料电池装置100的燃料容器2例如以可拆卸的方式设置在电子设备200上，泵3、绝热包10例如被内装在电子设备200的主体内。
在燃料容器2中贮存有液体的原燃料(例如甲醇、乙醇、二甲醚)和水的混合液。此外，也可以将液体的原燃料和水贮存在各自的容器内。泵3吸引燃料容器2内的混合液，输送给绝热包10内的气化器4。
在绝热包10内收纳有气化器4、改质器6、发电单元8及催化燃烧器9。绝热包10内保持在内部空间低于大气压的气压(例如10Pa以下)下。由此通过减小空气的热传导而提高绝热性能。在气化器4、改质器6及催化燃烧器9上分别设有电加热器兼温度传感器4a、6a、9a。电加热器兼温度传感器4a、6a、9a的电阻值由于依赖于温度，所以该电加热器兼温度传感器4a、6a、9a还具有作为测定气化器4、改质器6及催化燃烧器9的温度的温度传感器的功能。
从泵3输送到气化器4的混合液被电加热器兼温度传感器4a的热或从催化燃烧器传播来的热加热到大约110～160℃左右，发生气化而生成混合气。将在气化器4生成的混合气输送给改质器6。
在改质器6的内部形成流路，使催化剂附载在其流路的壁面上。从气化器4送入改质器6的混合气流经改质器6的流路，被电加热器兼温度传感器6a的热、发电单元8的反应热或催化燃烧器9的热加热到大约300～400℃，通过催化剂产生改质反应。通过原燃料和水的改质反应，生成作为燃料的氢、二氧化碳、及作为副生成物的微量一氧化碳等混合气体(改质气体)。此外，在原燃料为甲醇时，在改质器6中主要产生下式(1)所示的水蒸气改质反应。
CH3OH+H2O→3H2+CO2……(1)
一氧化碳是根据紧接着化学反应式(1)依次发生的下式(2)的反应式微量副生的。
H2+CO2→H2O+CO……(2)
由化学反应式(1)、(2)生成的气体(改质气体)被输送给发电单元8。
图2是发电单元8的示意图。如图2所示，发电单元8具有固体氧化物型电解质81、形成于固体氧化物型电解质81两面的燃料极82(第2电极，阳极)及空气极83(第1电极，阴极)、与燃料极82抵接并在该抵接面上形成第1流路86的阳极集电极(集电机构、流路划定机构、第2流路划定机构)84、与空气极83抵接并在该抵接面上形成第2流路87的阴极集电极(集电机构、流路划定机构、第1流路划定机构)85。其中，发电单元彼此之间也可以采用未图示的多个螺栓连接在一起。
另外，发电单元8被收纳在框体90内。此外，固体氧化物型电解质81和形成于其两面上的燃料极82及空气极83成为一组而构成电池的基本构成单位即单电池1。此外，阳极集电极84、单电池1及阴极集电极85通过未图示的螺栓等相互紧密地连接在一起。
发电单元8被电加热器兼温度传感器9a及催化燃烧器9的热加热到大约500～1000℃左右，发生下式(3)～(5)所示的各种反应。
经由阴极集电极85的第2流路87向空气极83输送空气(氧化性气体)。在空气极83中，通过空气中的氧(第1物质或第2物质、氧化剂)和由阴极输出电极21b供给的电子，如下式(3)所示那样生成氧离子。
O2+4e-→2O2-……(3)
固体氧化物型电解质81具有氧离子的透过性，使在空气极83中通过化学反应式(3)生成的氧离子透过而到达燃料极82。
经由阳极集电极84的第1流路86向燃料极82输送从改质器6排出的改质气体(燃烧气体)。在燃料极82中产生透过固体氧化物型电解质81而来的氧离子和改质气体中的氢(第2物质或第1物质、还原剂)及一氧化碳的如下式(4)、(5)的反应。
H2+O2-→HO2+2e-……(4)
CO+O2-→CO2+2e-……(5)
通过化学反应式(4)、(5)释放的电子经由燃料极82、阳极输出电极21a、DC/DC转换器202等外部电路，由阴极输出电极21b供给至空气极83。
阳极输出电极21a、阴极输出电极21b连接在阳极集电极84及阴极集电极85上，并贯通框体90而引出。如后所述，框体90例如由Ni系合金形成，阳极输出电极21a及阴极输出电极21b通过玻璃、陶瓷等绝缘材料与框体90绝缘而引出。如图1所示，阳极输出电极21a及阴极输出电极21b例如被连接在DC/DC转换器202上。
如图3所示，也可以将发电单元8设计为电堆80。图3是表示由多个单电池1和多个阳极集电极84及阴极集电极85构成的电堆80的1个实例的示意图。也就是说，图3所示的电堆80是将具有图2所示的阳极集电极84、燃料极82、固体氧化物型电解质81、空气极83、阴极集电极85的多个发电单元8串联连接而形成电堆结构的。此时，如图3所示，将串联连接的一个端部的阳极集电极84连接在阳极输出电极21a上，将另一端部的阴极集电极85连接在阴极输出电极21b上。在此情况下，电堆80收纳在框体90内。此外，多个阳极集电极84、多个单电池1及多个阴极集电极85通过未图示的螺栓等相互紧密地连接在一起。
也可以将发电单元8设计为如图4所示的电堆80。图4所示的电堆80是示意性地表示电堆80的示意剖视图，该电堆80的结构是，经由连接器(集电机构、流路划定机构、第1流路划定机构、第2流路划定机构)88而将单电池1重叠在阳极集电极84和阴极集电极85之间。也就是说，该电堆80具有：夹持着固体氧化物型电解质81而设置有燃料极82和空气极83的多个单电池1，以及配置在各单电池1之间且用于将单电池1之间进行电连接的具有气密性的多个连接器88。而且第1流路86分别形成于阳极集电极84及各连接器88的一主面(图4中的上侧)上，第2流路87分别形成于阴极集电极85及各连接器88的另一主面(图4中的下侧)上。此外，该连接器88如图3所示，彼此一体地形成背靠背相邻的阳极集电极84和阴极集电极85的结构。其中，在单电池1的外周部、和隔板88、阳极集电极84或阴极集电极85的外周部之间，可用玻璃密封等方法确保气密性。只要能够确保气密性，也可以采用其它方法。
此外，多个阳极集电极84、多个单电池1及多个阴极集电极85通过未图示的螺栓等相互紧密地连接在一起。另外，除阳极集电极84及阴极集电极85以外，一对集电板配置在电堆的两端，也可以通过该集电板进行集电。再者，在电堆的两端配置一对连接板，也可以通过该连接板连接整个电堆。
在发电单元8或电堆80上的第1流路86内及第2流路87内，设有防辐射膜8a、和用于加热发电单元8的由电热材构成的电加热器(加热机构、电阻体)8c。在图4所示的实例中，在第1流路86及第2流路87的内表面设有防辐射膜8a及绝缘层8b，在该绝缘层8b上设有电加热器8c。因此，可通过该电加热器8c从内部加热发电单元8。此时，还加热通过第1流路86及第2流路87的燃料气体及氧化性气体。
此外，绝缘层8b也可以设在防辐射膜8a上，以取代直接设置在第1流路86及第2流路87的内表面。另外，也可以将防辐射膜8a设在第1流路86或第2流路87的任何一方上。然而，如果从更均匀地加热整个电堆80的角度考虑，优先这样地设在第1流路86及第2流路87的两者上。另外，关于电加热器8c，由于电阻值依赖于温度，因此也可以用作以温度传感器发挥作用的电加热器兼温度传感器。
在通过阳极集电极84的第1流路86的改质气体(以下将通过的改质气体称为排出气)中还含有未反应的氢，可将排出气供给催化燃烧器9。
将通过阴极集电极85的第2流路87的空气与排出气一起供给至催化燃烧器9。在催化燃烧器9的内部形成有流路，在该流路的壁面上附载有Pt系催化剂。在催化燃烧器9上设有由电热材构成的电加热器兼温度传感器9a。由于电加热器兼温度传感器9a的电阻值依赖于温度，因此该电加热器兼温度传感器9a还有作为测定催化燃烧器9的温度的温度传感器的功能。
排出气和空气的混合气体(燃烧气体)流过催化燃烧器9的流路，被电加热器兼温度传感器9a加热。在流过催化燃烧器9的流路的燃烧气体中，氢借助于催化剂而燃烧，由此产生燃烧热。燃烧后的废气可从催化燃烧器9排放到绝热包10的外部。
在该催化燃烧器9中产生的燃烧热被用于将发电单元8的温度维持在高温(大约500～1000℃的范围)。然后，将发电单元8或电堆80的热传给改质器6、气化器4，可用于气化器4中的蒸发、改质器6中的水蒸气改质反应。
[绝热包]
图5是绝热包10的立体图，图6是表示绝热包10的内部结构的立体图。如图5所示，连结部5、阳极输出电极21a及阴极输出电极21b从绝热包10的一个壁面突出出来。
在绝热包10内，按以下顺序排列有气化器4及连结部5、改质器6、连结部7、燃料电池部20。在此虽未图示，但在连结部5、改质器6、连结部7、燃料电池部20的下面，在用陶瓷等实施了绝缘处理后形成配线图形。配线图形在气化器4的下部、改质器6的下部、燃料电池部20的下部以锯齿状形成，分别成为电加热器兼温度传感器4a、6a、9a。电加热器兼温度传感器4a、6a、9a的一端被连接在共同的端子上，另一端分别与独立的3个端子连接。这4个端子形成在连结部5比绝热包10更靠外侧的端部上。
在气化器4及连结部5、改质器6、连结部7及燃料电池部20各自的下面，设有电加热器兼温度传感器4a、6a、9a及它们的引出配线。另外，在向绝热包10的外部露出的连结部5的下面，配置各电加热器兼温度传感器4a、6a、9a的各引出配线的端部，这些端部成为用于向各电加热器兼温度传感器4a、6a、9a外加电流或电压的外部端子。此外，燃料电池部20与收纳发电单元8的框体90和催化燃烧器9形成一体，从发电单元8的燃料极82将排出气供给至催化燃烧器9。
收纳气化器4、连结部5、改质器6、连结部7、燃料电池部20的发电单元8的框体90和催化燃烧器9、阳极输出电极21a及阴极输出电极21b由具有高温耐久性和适度的热传导性的金属构成，例如可以采用镍铬铁耐热耐蚀合金inconel783等Ni系合金形成。再者，为了降低随着温度上升而在气化器4、连结部5、改质器6、连结部7、燃料电池部20的框体90和催化燃烧器9之间产生的应力，优选用同一材料形成这些部件。
在绝热包10的内壁面上设有未图示的防辐射膜。在气化器4、连结部5、改质器6、连结部7、阳极输出电极21a、阴极输出电极21b、燃料电池部20的外壁面上，也形成有未图示的防辐射膜。防辐射膜可防止因辐射而产生的传热，例如可用Au等形成。优选防辐射膜至少设置在一方，更优选设置在双方。
此外，对于供给至催化燃烧器9的排出气及空气，为了充分增大从催化燃烧器9排出的废气的流路径，作为来自催化燃烧器9的废气的流路采用设在连结部7内部的3个流路中的2个，将另一个用作向发电单元8的燃料极82供给改质气体的供给流路。
阳极输出电极21a及阴极输出电极21b如图5、图6所示，具有在绝热包10的内壁面和燃料电池部20之间的空间折弯的折弯部21c、21d。该折弯部21c、21d具有借助于阳极输出电极21a、阴极输出电极21b的热膨胀形成的变形而缓和作用在燃料电池部20和绝热包10之间的应力的作用。阳极输出电极21a及阴极输出电极21b为中空的管状，内部成为向发电单元8的氧极83供给空气的空气供给流路22a、22b。
关于稳定运转时的绝热包10内的温度分布，如果通过向电加热器兼温度传感器4a、6a、9a外加电流或电压而进行加热，同时例如将燃料电池部20保持在大约800℃左右，则热从燃料电池部20经由连结部7向改质器6移动，然后从改质器6经由连结部5向气化器4、绝热包10的外面移动。其结果是，将改质器6保持在大约380℃左右，将气化器4保持在大约150℃左右。此外，发电单元8通常以包含多个单电池1的电堆80构成。因此，在以下的说明中，举例对图4的电堆80进行说明。
图7是设有电加热器8c的电堆80的俯视图，图8是沿着图7的VIII-VIII线的剖视图，图9是沿着图7的IX-IX线的剖视图。另外，图10是表示连接器88和电加热器8c的结构的俯视图，图11是沿着图10的XI-XI线的剖视图，图12是沿着图10的XII-XII线的剖视图。
如图4及图7～图12所示，电堆80的连接器88是用于电连接单电池1间的具有气密性的部件，在与燃料极82及空气极83相接的连接器88的表面上形成有槽86a、87a(参照图9)。由此，燃料气体供给用第1流路86形成于槽86a和燃料极82之间，空气供给用第2流路87形成于槽87a和空气极83之间。
在本实施方式中，在以锯齿状形成于连接器88上的槽86a、87a的内表面设有防辐射膜8a及绝缘层8b，在该绝缘层8b上设有电加热器8c。如图7所示，电加热器8c在各流路86、87的入口附近及出口附近向流路外引出，在其外侧被连接在引线8r、8r上，这些引线8r、8r被引向绝热包10的外侧。其中，在连接器88的外周部上的电加热器8c引出部分上形成有凹部，当在此形成了电加热器8c后，通过玻璃密封等密封凹部，以保持气密性。在此情况下，优选埋入与连接器88相同的材料。另外，嵌入可嵌合在凹部的盖材，也可以通过玻璃密封将凹部和盖材相抵接的部分(合模口)进行密封。
对于电堆80的空气极83并没有特别的限定，可选择公知的空气材料，例如(La1-xSrxMnO3)、(La1-xCoxO3)、(La1-xSrxFe1-yCoyO3)等。对于电堆80的燃料极82也没有特别的限定，可选择公知的燃料极材料，例如(Ni/YSZ)、(La1-xSrxCr1-yCoyO3)等。对于固体氧化物型电解质81也没有特别的限定，可选择公知的材料，例如二氧化锆系电解质、二氧化铈系电解质、镓酸镧系电解质等。
关于燃料极82、空气极83的形态，只要能使氧化性气体和燃料气体扩散就并没有特别的限定，但优选具有多孔质结构的电极。对于固体氧化物型电解质81的形态，只要是致密的结构就并没有特别的限定，可以是烧结体(多晶体)、单晶、薄膜中的任何一种或它们的组合。另外，也可以在空气极83和固体氧化物型电解质81、燃料极82和固体氧化物型电解质81的界面加入反应抑制层等与电极不同的材料。
对于将单电池1彼此之间进行电连接、且使燃料气体及空气流过燃料极82及空气极83的连接器88也没有特别的限定，可选择公知的材料，例如铬酸镧系、镍系合金、铁素体系合金、铬系合金、钛酸盐系等。
对于形成于连接器88上的第1流路86及第2流路87的流路的形状也没有特别的限定，可选择螺旋形流路、平行流路、整面仅形成槽的大致矩形状等。
设在第1流路86及第2流路87内的由电阻体构成的电加热器8c可以相对于流路宽度形成在槽的整面上，也可以只形成在局部上。对于材料并没有特别的限定，可以是陶瓷，此外也可以选择Pt、钨、Au等。作为燃料极82优选选择钨。关于电加热器8c的形成，可以涂布含有适于电加热器的材料的浆料，也可以采用溅射等来形成。
关于电加热器8c的厚度，只要比第1流路86及第2流路87的深度薄，不妨碍空气和燃烧气体的流动，不因外加的电压或电流而断线，就没有特别的限定。另外，形成于各流路内的防辐射膜8a是为高效率地利用电加热器8c的辐射热而设的，与电加热器8c同时形成。
关于该防辐射膜8a的形成，可以通过涂布浆料，也可以采用溅射等来形成。关于厚度，只要是比流路的深度薄、不妨碍气体的流动、能够反射辐射热的厚度就没有特别的限定。再者，它可以是一层，但也可以层叠多层。作为该防辐射膜8a，从辐射热的反射性或加工性等方面考虑，特别优选用Au来形成。
另外，在连接器88与防辐射膜8a以及电加热器8c的接触面上设有绝缘层8b。关于绝缘层8b，只要是与电加热器8c相比为高电阻，能够使电加热器8c和防辐射膜8a电绝缘的材料就没有特别的限定。例如，可以是SiO2、氧化铝等。关于绝缘层8b的形成，可以采用溅射法等，也可以制成浆料等进行涂布。绝缘层8b可以是一层，但也可以层叠多层。通过设置该绝缘层8b，能够以不影响防辐射膜8a的功能的方式设置电加热器8c。
图13是表示防辐射膜和电加热器的关系的剖视图，图14及图15是表示防辐射膜和电加热器的关系的放大剖视图。其中，在图13中，为简便起见而省略了绝缘膜。作为电加热器8c和防辐射膜8a的形成顺序，例如如图14所示，可以在形成防辐射膜8a后，在该防辐射膜8a上形成绝缘膜8b及电加热器8c，如图15所示，也可以在形成了绝缘膜8b及电加热器8c后，在流路内未形成电加热器8c的部分上形成防辐射膜8a。
电堆80被收纳在绝热包10内，但在绝热包10中不具有外部加热器。绝热包10的内壁可以直接是其构成材料，但优选在内壁上形成防辐射膜。
电堆80的升温(加热)通过对形成于上述连接器88内的电加热器8c外加电流或电压来进行。它不是从电堆80的外侧采用外部加热器来进行加热，而是通过设在连接器88内的电加热器8c从电堆80的内侧进行加热，因此能够以大致均匀地保持电堆80内的温度的状态进行升温。因此，可将热应力抑制在最小限度的水平，能够加快升温速度。其结果是，可缩短将电堆80整体加热到可发电的温度所需的时间，从而能够高速起动。此点对于具有图2所示的1个单电池1的发电单元8也同样。发电单元8通过设置在阳极集电极84及阴极集电极85的流路内的电加热器8c从其内部进行加热。由此，可缩短将发电单元8整体加热到可发电的温度所需的时间，从而能够高速起动。
另外，由于流路内在形成有流路的槽的壁面上设置电加热器，因此不是像专利文献1所记载的现有技术那样，在燃料极或空气极(电极)上设置电加热器。因此，不会有损发电单元8或电堆80的发电效率，而且还能抑制电加热器和电极发生反应造成的发电效率的下降。此外，氧化性气体及燃料气体可以从加热电堆80之前流入各流路86、87，也可以在达到可发电的温度后流入，还可以在加热的途中流入。
如上所述，由于通过连接器88形成第1流路86及第2流路87的内表面的一部分，而且将电加热器8c设在形成于该连接器88的表面上的槽6a、87a上，因此不会因电加热器8c覆盖燃料极或空气极等电极的表面而使电堆80的发电效率下降，另外，还能抑制电加热器和电极发生反应造成的发电效率下降。
另外，如上所述，在本实施方式中，由于在第2流路87的内表面及第1流路86的内表面两者上设置防辐射膜8a，因此能够以大致均匀地保持电堆80内的温度的状态而有效地升温。当然，即使将该防辐射膜8a设在第1流路86的内表面及第2流路87的内表面中的任何一方，也能充分发挥其功能。
此实施方式的单电池1为平板形，其在形成为膜状的固体氧化物型电解质81的单面形成燃料极82、在另一单面形成空气极83，该平板形的单电池1经由连接器88被多段层叠。由此，能够得到可从内部大致均匀升温的平板形的发电单元8或电堆80。
(实施例)
电堆构成：单电池1的构成为图4～图9所示的构成，作为空气极83采用La0.8Sr0.2MnO3(LSM)，作为固体电解质81采用平板状的8YSZ。8YSZ是用预定的温度烧结而成的。利用旋涂法在8YSZ上涂布分散有上述LSM的涂液，在预定的温度下烧成，从而形成空气极83。接着，在形成了空气极83的8YSZ电解质的背面利用刮刀法涂布分散有Ni/8YSZ的涂液，在预定的温度下烧成，从而制作出单电池1。
在各单电池1之间，为了在相邻的单电池1的燃料极82和空气极83之间进行电连接而夹持着连接器88。连接器88所使用的材料是inconel600，在与燃料极82及空气极83相接的面上形成了用于使燃料气体、氧化性气体流向各电极的第1流路86及第2流路87。
在第1流路86、第2流路87内，采用耐久性及防辐射效果等优异的Au，利用溅射法等形成了防辐射膜8a。进而在形成防辐射膜8a后，为了进行绝缘，在防辐射膜8a上利用涂布机器人形成绝缘层8b。绝缘层8b使用SiO2。
在将Pt制成浆料状，采用涂布机器人将其形成在第1流路86及第2流路87内后，在预定温度下烧成，便形成电加热器8c。将3组单电池1夹持着连接器88进行层叠，以形成电堆80。将电堆80装入SUS制的容器中，在取出与上述的空气供给流路22a、22b对应的气体供给口及排气口、与电加热器兼温度传感器4a、6a、9a的引出配线对应的加热器用电极、与阳极输出电极21a及阴极输出电极21b对应的电堆输出端子后将其密封。
(评价)
关于评价，对上述的电加热器8c外加电压，用设置在电堆80内的测温计(R热电偶)监测温度，测定了直至达到可发电的温度(本次为800℃)的时间。图16中示出了直至达到800℃的时间。评价后，用几十小时冷却到室温，确认电堆80(包括单电池1)有无破损等，但未发现破损等(参照表1)。
表1
 
实例 破损的有无
实施例 无
比较例1 无
比较例2 裂纹
(比较例1)
电堆构成：电堆80的构成与实施例1相同。但是，在连接器88的流路内没有形成电加热器8c及防辐射膜8a。将电堆80装入带有外部加热器的加热炉中，在取出与上述的空气供给流路22a、22b对应的气体供给口及排气口、与电加热器兼温度传感器4a、6a、9a的引出配线对应的加热器用电极、与阳极输出电极21a及阴极输出电极21b对应的电堆输出端子后，形成接近密封的状态。
(评价)：评价是对外部加热炉外加与实施例1相同的热量，用设在电堆80内的测温计监测温度，测定了直至达到可发电的温度800℃的时间。图16中示出了直至达到800℃的时间。评价后，用几十小时冷却到室温，确认电堆80或单电池1有无破损等，但未发现破损等(参照表1)。
其中，图16是表示实施例1及比较例1中的加热时间和电堆80内的温度的关系的曲线图。由此图得知，实施例1到达可发电温度比比较例快。因此，可缩短起动时间。
(比较例2)
按与比较例1相同的构成，使外部加热炉的热量发生变化，以达到与图16中的实施例相同的升温速度，确认电堆80的破损等的有无。用几十小时冷却到室温，确认电堆80或单电池1有无破损等，在单电池1中发现破损(参照表1)。
在比较例2中，一般认为由于升温速度过快，电堆80的温度分布变得不均匀，产生热应力而发生破损。由以上可知，在本实施例中，可在不使包含单电池1的电堆80或发电单元8发生破损的情况下，用短时间升温到可发电温度，从而可用短时间起动燃料电池。
根据本实施例，通过采用形成于连接器88的各流路86、87内的电加热器8c进行加热，可缩短将发电单元8或电堆80加热到可发电温度时所需的加热时间，进而可缩短起动时间。另外，通过形成上述结构，即使在快速加热时，也能以大致均匀地保持电堆80内的温度分布的状态进行升温，能够抑制发电单元8或电堆80的热应力的发生，进而即使进行快速升温，也能防止发电单元8或电堆80的破损。
在本实施方式中，在阴极集电极85、阳极集电极84及连接器88的各流路86、87内设置电加热器8c，但如图17所示的变形例那样，也可以将电加热器8c设在流路86、87中的一方的内部。在此情况下，也可以不在没有设置电加热器8c的一方的流路上设置防辐射膜8a及绝缘膜8b。
<第2实施方式>
以下，对另一实施方式的燃料电池装置进行说明，但后述的此实施方式的燃料电池装置当然也可适用于与上述第1实施方式同样的电子设备和绝热包。
第1实施方式设计为平板形的结构，但本发明也可适用于圆筒形的燃料电池。图17及图18示出圆筒形发电单元时的结构。图17是表示采用圆筒形的电池筒的实施方式的侧视图，图18是沿着图17的XVIII-XVIII线的剖视图。
第2实施方式的发电单元8具有：筒形的单电池(以下称为电池筒)1，其在形成为筒状的固体氧化物型电解质81的内表面设有燃料极82，在外表面设有空气极83；筒状导槽8g，其以围住该电池筒1的方式进行配置；电加热器(加热机构、电阻体)，其经由绝缘层8b设在该筒状导槽8g的内表面，用于加热电池筒1。另外，筒状导槽8g经由连接接头而与单电池的电极中的任何一方连接。在这种情况下，经由连接接头8d与燃料极82连接，或经由连接接头8e与空气极83连接。图17是表示筒状导槽8g经由连接接头8e与空气极83连接时的情况的图示。
在该第2实施方式中，在燃料极82的内周面形成第1流路86，通过筒状导槽(集电机构、流路划定机构、第1流路划定机构)8g的内周面和空气极83的外周面形成第2流路87，在该第2流路87内设有电加热器8c。在本实施方式中，在筒状导槽8g的内周面设置防辐射膜8a，在该防辐射膜8a上设置绝缘层8b，在该绝缘层8b上设置电加热器8c。此外，该第2实施方式中的电加热器8c、防辐射膜8a、绝缘层8b都用与上述的第1实施方式同样的材料构成，但也可以用其它材料构成。
图19是集电极及电池筒的侧视图。如图19所示，在形成为圆筒状的电池筒1的两端，分别装有用于分别收取来自燃料极82和空气极83的集电的阳极集电极1A和阴极集电极1B。
如图17～图20所示，在上述的圆筒形电池筒1的外周，配置有兼作连接器的筒状导槽8g，以形成使空气等氧化性气体流通的空间(第2流路87)。兼作连接器的筒状导槽8g由具有导电性的金属等材料形成。兼作连接器的筒状导槽8g和阳极集电极1A或阴极集电极1B分别通过连接接头8d或连接接头8e进行电连接。另外，在兼作连接器的筒状导槽8g的内表面侧形成防辐射膜8a，再形成绝缘层8b，在该绝缘层8b上形成电加热器8c。
图20是表示采用图17的使发电单元8模块化的电池筒的电堆80的构成的侧视图。兼作连接器的筒状导槽8g通过所需的配线分别使配置在内部的阳极集电极1A或阴极集电极1B与连接接头8d或连接接头8e进行电连接，由此经由兼作连接器的筒状导槽8g电连接相邻的电池筒1彼此之间。此外，图20是表示串联电连接多个发电单元8时的图示。
根据该第2实施方式，通过在兼作连接器的筒状导槽8g的内周面上设置电加热器8c，对该电加热器8c外加电流或电压，从第2流路87内加热电堆80，能够与上述的第1实施方式同样，缩短将电堆80加热到可发电温度时所需的加热时间，进而能够缩短起动时间。另外，通过设计为上述的构成，即使在快速加热时，也能以大致均匀地保持电堆80内的温度分布的状态进行升温，从而能够抑制电堆80或电池筒1的热应力的发生，进而即使进行快速升温，也能防止电堆80或电池筒1的破损。
另外，由于在电池筒1和筒状导槽8g之间的第2流路87内设置电加热器8c，因此与第1实施方式同样，不会因电加热器8c覆盖燃料极82或空气极83的表面而使电堆80的发电效率下降，并且还能抑制电加热器8c和各电极发生反应造成的发电效率的下降。另外，这样一来能够抑制发电效率的下降，同时能够从内部加热发电单元8，因而能够缩短将电堆80加热到可发电温度时所需的加热时间，进而能够缩短起动时间。
另外，由于在第2流路87的内表面设置防辐射膜8a，因此能够以大致均匀地保持发电单元8或电堆80内的温度的状态更有效地进行升温。
此外，在上述第2实施方式中，示出了将电池筒1的内表面侧作为燃料气体用的第1流路86，将外表面侧作为氧化性气体用的第2流路87的实例，但也可以将电池筒1的内表面侧作为氧化性气体用的第2流路87，将外表面侧作为燃料气体用的第1流路86。另外，以与兼作连接器的筒状导槽8g不同的构成对连接接头8d及连接接头8e进行了说明，但本发明并不局限于此，这些连接接头8d及连接接头8e由于是用于维持电连接的构成，因此也可包含在兼作连接器的筒状导槽8g中。
再者，在上述的实施方式中，沿着用于固体氧化物型燃料电池装置的实例对本发明进行了说明，但本发明也可用于固体高分子型燃料电池装置或熔融碳酸盐型燃料电池装置等其它形式的燃料电池装置。

Claims (10)

1.一种固体氧化物型燃料电池装置，其包括：
发电单元，其具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力；
集电机构，其具有分别与所述第1电极和所述第2电极抵接的第1表面和第2表面，在所述第1表面和所述第2表面分别划定有分别流过所述第1物质和所述第2物质的流路，并从所述第1电极或所述第2电极取出电力；
加热机构，其设置在所述集电机构的所述流路内，用于加热所述发电单元；
防辐射膜，其设置在所述集电机构的所述流路内，用于防止热辐射；
绝缘层；其中，
在所述流路的内表面设置有所述防辐射膜以及所述绝缘层，而且在该绝缘层上设置有所述加热机构；
所述加热机构由电热材料构成；
所述加热机构的厚度比所述流路的深度薄。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池装置，其中，
所述集电机构从所述第1电极及所述第2电极取出电力。
3.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池装置，其中，
具有多个所述发电单元，
通过所述集电机构使所述多个发电单元彼此之间进行电连接。
4.一种固体氧化物型燃料电池装置，其包括：
发电单元，其具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力；
流路划定机构，其具有分别与所述第1电极和所述第2电极抵接的第1表面和第2表面，在所述第1表面和所述第2表面分别划定有流路；
加热机构，其设置在所述流路划定机构的所述流路内，用于加热所述发电单元；
防辐射膜，其设置在所述流路划定机构的所述流路内，用于防止热辐射；
绝缘层；其中，
在所述流路的内表面设置有所述防辐射膜以及所述绝缘层，而且在该绝缘层上设置有所述加热机构；
所述加热机构由电热材料构成；
所述加热机构的厚度比所述流路的深度薄。
5.一种固体氧化物型燃料电池装置，其包括：
多个发电单元，其具有第1电极和第2电极，采用供给至所述第1电极的第1物质及供给至所述第2电极的第2物质而生成电力；
第1流路划定机构，其具有与所述多个发电单元之中的一发电单元所具有的所述第1电极抵接的第1表面，在所述第1表面划定有流过所述第1物质的第1流路；
第2流路划定机构，其具有与另一发电单元所具有的所述第2电极抵接的第2表面，在所述第2表面划定有流过所述第2物质的第2流路，所述另一发电单元与所述多个发电单元之中的所述一发电单元相邻接；
加热机构，其设置在所述第1流路划定机构的所述第1流路内或所述第2流路划定机构的所述第2流路内中的一方上，用于加热所述一发电单元或所述另一发电单元中的一方；
防辐射膜，其设置在所述流路划定机构的所述流路内，用于防止热辐射；
绝缘层；其中，
在所述流路的内表面设置有所述防辐射膜以及所述绝缘层，而且在该绝缘层上设置有所述加热机构；
所述加热机构由电热材料构成；
所述加热机构的厚度比所述流路的深度薄。
6.根据权利要求5所述的固体氧化物型燃料电池装置，其中，
所述第1流路划定机构兼作所述第2流路划定机构，并且分离流过所述一发电单元的所述第1流路内的所述第1物质和流过所述另一发电单元的所述第2流路内的所述第2物质。
7.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池装置，其中，
所述第1物质是氧化剂或还原剂中的任何一方，
所述第2物质是氧化剂或还原剂中的任何一方。
8.根据权利要求7所述的固体氧化物型燃料电池装置，其中，
还具有改质器，其通过原燃料和水的反应生成含有作为所述还原剂的氢的改质气体。
9.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池装置，其中，
还具有将所述发电单元收纳在内部的绝热容器。
10.一种电子设备，其包括：
权利要求1、4或5的任一项所述的固体氧化物型燃料电池装置，
通过由所述固体氧化物型燃料电池装置生成的电力而工作的电子设备本体。
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