JP2008181731A - 燃料電池装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】断熱容器に収容した燃料電池セルを適正な動作温度に維持する。
【解決手段】燃料の電気化学反応により電力を取り出す燃料電池セル８と、燃料電池セル８の熱により燃料電池セル８に用いられる流体を加熱する熱交換器２２と、燃料電池セル８及び熱交換器２２を収容する断熱容器２０と、を備える燃料電池装置である。燃料電池セル８から発生した過剰な熱を熱交換器２２により流体を加熱するのに用いるため、燃料電池セル８の温度が適正な動作温度以上に上昇することを防ぎ、断熱容器２０に収容した燃料電池セル８を適正な動作温度に維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸素の電気化学反応により電力を取り出す燃料電池セル、燃料電池セルスタック、燃料電池装置及び電子機器に関する。
燃料電池セルは燃料と酸素の電気化学反応により電力を取り出すものであり、次世代の主流となる電源システムとして、燃料電池の研究・開発が広く行われている。
燃料電池セルの種類には、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等がある。それぞれの動作温度は、固体高分子型で約８０℃（高温用に工夫されたもので約１２〜１５０℃）、燐酸型で約２００〜２５０℃、溶融炭酸塩型で約６５０〜７００℃、固体酸化物型で５００〜１０００℃である。これらの動作温度よりも低温、場合によっては高温においても、発電性能が著しく低下する。このため、燃料電池セルを断熱容器に収容することで温度を維持することが行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２２９９４９号公報
しかし、単純に断熱容器に燃料電池セルを収容した場合には、電気化学反応で発生する熱により適正な動作温度よりも高温となり、発電性能が著しく低下するおそれがある。
本発明の課題は、断熱容器に収容した燃料電池セルを適正な動作温度に維持することである。
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、燃料の電気化学反応により電力を取り出す燃料電池セルと、前記燃料電池セルの熱により前記燃料電池セルに用いられる流体を加熱する熱交換器と、前記燃料電池セル及び前記熱交換器を収容する断熱容器と、を備えることを特徴とする燃料電池装置である。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池装置であって、前記流体は、前記燃料電池セルに用いられる前に前記熱交換器により加熱されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池装置であって、前記熱交換器は前記燃料電池セルに供給される燃料を加熱することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池装置であって、前記燃料電池装置に供給する燃料を原燃料より生成する改質器を備え、前記熱交換器は前記改質器に供給する原燃料を加熱することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池装置であって、前記熱交換器は前記燃料電池セルに供給される空気を加熱することを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、前記断熱容器の内壁面は赤外線吸収率の異なる２種類以上の領域からなり、前記断熱容器を貫通して配設されて該断熱容器の外部から前記燃料電池セルへ流体を供給する配管は、前記断熱容器の壁面のうち赤外線吸収率のより高い領域を貫通していることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、前記断熱容器の内壁面は赤外線吸収率の異なる２種類以上の領域からなり、前記断熱容器を貫通して配設されて前記燃料電池セルから該断熱容器の外部へ排ガスを排出する配管は、前記断熱容器の壁面のうち赤外線吸収率のより高い領域を貫通していることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の燃料電池装置であって、前記赤外線吸収率のより低い領域には、赤外線反射膜が設けられていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の燃料電池装置であって、前記赤外線反射膜はＡｕまたはＡｇからなることを特徴とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項６〜９のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、前記赤外線吸収率のより高い領域には、赤外線吸収膜が設けられていることを特徴とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の燃料電池装置であって、前記赤外線吸収膜はＣ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｐｔ，Ｃｒのいずれかを主成分とすることを特徴とする。
請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の燃料電池装置であって、前記赤外線吸収膜はＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系のアモルファス半導体であり、そのモル比は０．６＜Ｓｉ／Ｔａ＜１．０かつ０．１５＜Ｎ／Ｏ＜４．１の範囲であり、その、吸収係数は１０００００／ｃｍ以上であることを特徴とする。
請求項１３に記載の発明は、請求項１〜１２に記載の燃料電池装置を備えることを特徴とする電子機器である。
本発明によれば、燃料電池セルから発生した熱を熱交換器により流体を加熱するのに用いるため、燃料電池セルの温度が適正な動作温度よりも高温となることを防ぎ、断熱容器に収容した燃料電池セルを適正な動作温度に維持することができる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。
〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置１を搭載した携帯用の電子機器１００を示すブロック図である。この電子機器１００はノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ及びプロジェクタ等といった携帯型の電子機器である。
電子機器１００は、燃料電池装置１と、燃料電池装置１により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２に接続される２次電池１０３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２より電気エネルギーが供給される電子機器本体１０１と、を備える。
燃料電池装置１は後述するように、電気エネルギーを生成しＤＣ／ＤＣコンバータ１０２に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は燃料電池装置１により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器本体１０１に供給する機能の他に、燃料電池装置１により生成された電気エネルギーを２次電池１０３に充電し、燃料電池装置１が動作していない時に、２次電池１０３に蓄電された電気エネルギーを電子機器本体１０１に供給する機能も果たせるようになっている。
次に、燃料電池装置１について詳細に説明する。この燃料電池装置１は、燃料容器２、ポンプ３、断熱容器１０，２０等を備える。燃料電池装置１の燃料容器２は電子機器１００に対して着脱可能に設けられており、ポンプ３、断熱容器１０，２０は電子機器１００の本体に内蔵されている。
燃料容器２には、液体の原燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）と水との混合液が貯留されている。なお、液体の原燃料と水とを別々の容器に貯留してもよい。
ポンプ３は、燃料容器２内の混合液を吸引して、断熱容器１０内の気化器４または断熱容器２０内の熱交換器２２に送液するものである。なお、ポンプ３から気化器４への流路にはバルブ３Ａが、ポンプ３から熱交換器２２への流路にはバルブ３Ｂが設けられている。
箱状の断熱容器１０内の気圧は真空圧（例えば、１０Ｐａ以下）に保たれており、内部には気化器４、改質器６、ＣＯ除去器７、燃焼器９が収容されている。
また、気化器４、改質器６には、それぞれ電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａの電気抵抗値は温度に依存するので、この電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａは、それぞれ、気化器４、改質器６を加熱するヒータとして機能するとともに、それらの温度を測定する温度センサとしても機能する。
気化器４はポンプ３から送られた混合液を電気ヒータ兼温度センサ４ａや燃焼器９から発生する熱、改質器６からの伝熱により約１１０〜１６０℃程度に加熱し、気化させる。気化器４で気化した混合気は改質器６へ送られる。
改質器６の内部の流路の壁面に触媒が担持されている。改質器６は気化器４から送られる混合気を、電気ヒータ兼温度センサ６ａや燃焼器９の熱により約３００〜４００℃程度に加熱し、流路内の触媒により改質反応を起こさせる。すなわち、原燃料と水の触媒反応によって燃料としての水素、二酸化炭素、及び、副生成物である微量な一酸化炭素等の混合気体（改質ガス）が生成される。なお、原燃料がメタノールの場合、改質器６では主に次式（１）に示すような水蒸気改質反応が起こる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 …（１）
一酸化炭素は化学反応式（１）についで逐次的に起こる次式（２）のような式によって微量に副生される。
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ …（２）
ＣＯ除去器７は改質器６で（２）式の反応により発生したＣＯを（３）式にしめす反応により除去する。
ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2・・・（３）
ＣＯ除去器７の反応は約１１０〜１６０℃程度で行われる。なお、ＣＯ除去器７は気化器４と一体に設けられており、電気ヒータ兼温度センサ４ａや燃焼器９から発生する熱、改質器６からの伝熱により加熱される。
ＣＯが除去された改質ガスは燃料電池セル８に送出される。
燃焼器９には、燃料電池セル８を通過した改質ガス（排気ガス１）と酸素が供給され、未反応の水素を燃焼させる。燃焼熱は気化器４、改質器６、ＣＯ除去器７を加熱するのに用いられる。
箱状の断熱容器２０内の気圧は真空（例えば、１０Ｐａ以下）に保たれており、内部には燃料電池セル８、熱交換器２２が収容されている。
燃料電池セル８は固体高分子型燃料電池であり、水素イオン透過性の電解質膜８１の両面に燃料極８２（アノード）及び酸素極８３（カソード）が形成された膜電極接合体８０を備え、燃料極８２に改質ガスを供給する燃料供給流路８６が形成された燃料極セパレータ８４と、酸素極８３に酸素を供給する酸素供給流路８７が形成された酸素極セパレータ８５とを備える。
燃料極８２では（４）式の反応が、酸素極８３で（５）式の反応が起こり、燃料極８２で生じた電子がアノード出力電極２１ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２、カソード出力電極２１ｂを経て酸素極８３に到達する。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-・・・（４）
２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ・・・（５）
また、燃料電池セル８には、電気ヒータ兼温度センサ８ａが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ８ａの電気抵抗値は温度に依存し、この電気ヒータ兼温度センサ８ａは、燃料電池セル８を加熱するヒータとして機能するとともに、その温度を測定する温度センサとしても機能する。
燃料電池セル８の動作は約８０℃程度で行われる。
燃料電池セル８の燃料供給流路８６を通過した改質ガス（排気ガス１）は、燃焼器９に供給される。
熱交換器２２は燃料電池セル８と一体に設けられており、定常運転時において、燃料電池セル８から発生する熱をポンプから気化器に送出される途中の混合液に吸収させ、燃料電池セル８を冷却するとともに混合液を加熱する。
次に、断熱容器２０内の具体的な構成について説明する。
図２は図１の断熱容器２０の内部構造を示す断面図である。図２に示すように、断熱容器２０内には、燃料電池セル８が設けられており、燃料極セパレータ８４側と、酸素極セパレータ８５側の両面に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２の表面には、絶縁膜３１を介して電気ヒータ兼温度センサ８ａとなる薄膜ヒータ３２が形成されている。薄膜ヒータ３２は絶縁膜３３で被覆されている。
断熱容器２０の内壁面には赤外線反射膜２３が設けられている。また、燃料電池セル８及び熱交換器２２の外壁面には、必要に応じて赤外線反射膜２４が設けられている。赤外線反射膜２３，２４は輻射による伝熱を防止するものである。なお、絶縁膜３３があるため、赤外線反射膜２４と薄膜ヒータ３２とが導通することはない。
ここで、燃料電池セル８及び熱交換器２２から輻射される電磁波の波長について検討する。図３は、室温、３００℃、６００℃、９００℃における黒体輻射の波長と輻射密度の関係を示すグラフである。３００℃では波長２μｍ以上で輻射密度が高くなり、６００℃では波長１．２４μｍ以上で輻射密度が高くなり、９００℃では波長１μｍ以上で輻射密度が高くなることがわかる。したがって、赤外線反射膜２３，２４は、波長１μｍ以上の赤外線の反射率が高いことが求められる。
次に、赤外線反射膜２３，２４の材料について検討する。
図４にＡｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｈの波長に対する反射率を示す。この中では、１μｍ以上の波長領域での反射率が高い金属として、Ａｕ，Ａｇが挙げられ、赤外線反射膜２３，２４の材料として用いることができる。
次に、燃料電池装置１の動作について説明する。
まず、電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，８ａにより気化器４、改質器６、ＣＯ除去器７、燃料電池セル８を適正な動作温度まで加熱する。気化器４、改質器６、ＣＯ除去器７、燃料電池セル８は断熱容器１０，２０内に収容されているため、電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，８ａより発生する熱は気化器４、改質器６、ＣＯ除去器７、燃料電池セル８を加熱するのに効率よく用いられ、すみやかに適正な動作温度まで温度を上昇させることができる。
次に、バルブ３Ａを開き、バルブ３Ｂを閉じた状態でポンプ３を駆動し、燃料容器２内の混合液を気化器４に送出する。気化器４で気化した混合液は改質器６で改質され、ＣＯ除去器７で一酸化炭素を除去された後、燃料電池セル８の燃料供給流路８６に送出される。
一方、図示しないエアポンプが駆動され、燃料電池セル８の酸素供給流路８７に空気が供給される。
燃料電池セル８に送出された改質ガスは電力を取り出す電気化学反応に用いられる。その後の排気ガス１は燃焼器９で燃焼される。
燃料電池装置１の動作を開始してしばらくすると、電気化学反応で生成する熱により、燃料電池セル８の温度が上昇して、そのまま動作を続けると、適正な動作温度を超えてしまう虞がある。そこで、燃料電池セル８の温度が適正な動作温度よりも高温となる前に、バルブ３Ａを閉じ、バルブ３Ｂを開くと、混合液が熱交換器２２を通して気化器４に供給される。すると、燃料電池セル８は熱交換器２２を通る混合液により冷却される。一方、混合液は熱交換器２２を通ることで加熱される。
このように、燃料電池セル８と熱交換器２２を一体に設け、燃料電池セル８から発生した過剰な熱を熱交換器２２により混合液を加熱するのに用いることができるとともに、断熱容器２０に収容した燃料電池セル８を適正な動作温度に維持することができる。
なお、図５に示すように、熱交換器２２の表面に、燃料電池セル８を加熱する燃焼器２５を設けてもよい。この場合、燃焼器２５に供給する燃料はポンプ３から供給される混合液であってもよいし、排気ガス１であってもよい。
また、上記実施形態は改質型の燃料電池装置について説明したが、燃料を直接燃料電池セルに供給するダイレクトメタノール型の燃料電池装置に本発明を適用してもよい。すなわち、熱交換器により加熱した混合液を直接、ダイレクトメタノール型の燃料電池セルに供給してもよい。
〔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。図６は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置２０１を搭載した携帯用の電子機器３００を示すブロック図である。
電子機器３００は、第１実施形態の電子機器１００と同様の電子機器本体３０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０２、２次電池３０３、及びこれらに電力を供給する燃料電池装置２０１を備える。
本実施の形態の燃料電池装置２０１は、固体酸化物型の燃料電池セル２０８が用いられており、第１実施形態と同様の燃料容器２０２、ポンプ２０３と、断熱容器２１０，２２０等を備える。
箱状の断熱容器２１０，２２０内の気圧は真空（例えば、１０Ｐａ以下）に保たれている。断熱容器２１０内には気化部２４０、改質部２６０が、断熱容器２２０内には燃料電池セル２０８、熱交換器２７０が収容されている。
気化部２４０は気化器２４１と熱交換器２４２とが一体に設けられてなり、改質部２６０は改質器２６１と熱交換器２６２とが一体に設けられてなる。気化器２４１、改質器２６１で行われる反応はそれぞれ第１実施形態の気化器４、改質器６と同様である。
燃料電池セル２０８を通過した改質ガス（排気ガス１）や空気（排気ガス２）は、断熱容器２２０外へ放出され、引き続き、断熱容器２１０内へ導入される。
熱交換器２４２，２６２には、排気ガス１及び排気ガス２の排出流路が形成されている。排気ガス１及び排気ガス２は、熱交換器２４２，２６２に形成された排出流路を通して断熱容器２１０外へ放出される。熱交換器２４２，２６２は排気ガス１及び排気ガス２が通過する際に放出される熱により、改質器２６１及び気化器２４１を昇温させる。
図７は気化部２４０または改質部２６０の断面図であり、図８（ａ）〜（ｃ）は気化部２４０または改質部２６０を形成する３枚の板材３１０，３２０，３３０を示す平面図である。
板材３１０，３３０には、葛折り状の溝３１１，３３１が対向するように形成されている。
溝３１１は気化器２４１または改質器２６１の反応流路となり、溝３１１の両端部には、他の反応器等（ポンプ２０３、気化部２４０、改質部２６０、燃料電池セル２０８）に接続される配管３１２，３１３が設けられている。
溝３３１は熱交換器２４２または熱交換器２６２内の排出流路となり、溝３３１の両端部には、他の反応器等（ポンプ２０３、気化部２４０、改質部２６０、燃料電池セル２０８）に接続される配管３３２，３３３が設けられている。
中央の仕切り板３２０には一方の面に板材３１０が、他方の面に板材３３０が、それぞれ溝部３１１，３３１側を仕切り板３２０側に向けて接合される。
なお、上述の構成物において、溝３１１内に混合液を蒸発させる多孔質体を充填した場合には気化部２４０とされる。一方、上述の構成物において、溝３１１の壁面に改質反応の触媒を担持させた場合には改質部２６０とされる。
このように、仕切り板３２０の両面に気化器２４１または改質器２６１と排出流路とが配置されることで、排出流路を通過する排気ガス１及び排気ガス２から熱を奪い、気化器２４１を流れる混合液の気化や、改質器２６１における改質反応に利用することができる。
図９（ａ）は断熱容器２２０内の構造を示す模式図である。断熱容器２２０の内壁面には、赤外線反射膜２２３が設けられている。赤外線反射膜２２３としては、赤外線反射膜２３，２４と同様の材料を用いることができる。なお、燃料電池セル２０８及び熱交換器２７０の外壁面にも赤外線反射膜を設けてもよい。
また、燃料電池セル２０８の反応温度は約５００〜１０００℃程度であり、輻射密度が高いため、図９（ｂ）に示すように、赤外線反射膜２２３の内側に空隙２２４をあけて第２の赤外線反射膜２２５を設けてもよい。第２の赤外線反射膜２２５は例えば断熱容器２２０と同じ材料からなる箱体２２６の内壁面に形成され、支持部材２２６ａにより支持される。空隙２２４をあけることで、第２の赤外線反射膜２２５から第１の赤外線反射膜２２３への熱伝導を防ぎ、断熱効率を高めることができる。
燃料電池セル２０８には、絶縁膜２３１を介して電気ヒータ兼温度センサ２０８ａとなる薄膜ヒータ２３２が形成されている。薄膜ヒータ２３２は絶縁膜２３３で被覆されている。電気ヒータ兼温度センサ２０８ａの電気抵抗値は温度に依存するので、この電気ヒータ兼温度センサ２０８ａが燃料電池セル８の温度を測定する温度センサとしても機能する。
図１０は熱交換器２７０の断面図であり、図１１（ａ）〜（ｃ）は熱交換器２７０を形成する３枚の板材３４０，３５０，３６０を示す平面図である。
板材３４０，３６０には、燃料電池セル２０８に供給する空気の流路となる葛折り状の溝３４１，３６１が対向するように形成されている。溝３４１，３６１の一方の端部には、燃料電池セル２０８または図示しない空気供給流路に接続される配管３４２，３６２が設けられている。
中央の仕切り板３５０には一方の面に板材３４０が、他方の面に板材３６０が、それぞれ溝３４１，３６１側を仕切り板３５０側に向けて接合される。また、仕切り板３５０には、溝３４１，３６１の配管３４２，３６２が設けられた側と反対側の端部に対応する位置に、貫通孔３５１が設けられている。貫通孔３５１により、溝３４１と溝３６１とがつながり、一連の空気の流路となる。
熱交換器２７０は、燃料電池セル２０８に供給する空気を、燃料電池セル２０８や電気ヒータ兼温度センサ２０８ａより生じる熱によりあらかじめ加熱する役割を果たす。
燃料電池セル２０８は電気ヒータ兼温度センサ２０８ａの熱により約５００〜１０００℃程度に加熱され、後述する電気化学反応を行う。
図１２は燃料電池セル２０８の断面図である。燃料電池セル２０８は固体酸化物型燃料電池であり、固体酸化物電解質２８１の両面に燃料極２８２（アノード）及び酸素極２８３（カソード）が形成された単電池２８０を備え、燃料極２８２に改質ガスを供給する燃料供給流路２８６が設けられた燃料極側のインターコネクタ２８４と、酸素極２８３に酸素を供給する酸素供給流路２８７が設けられた酸素極側のインターコネクタ２８５とが積層され、外周部を封止材２８９により封止されている。
燃料極セパレータ２８４または酸素極セパレータ２８５のいずれか一方の外表面には電気ヒータ兼温度センサ２０８ａが形成され、他方には熱交換器２７０が一体に形成される。
図１３（ａ）は燃料極側のインターコネクタ２８４を燃料供給流路２８６が形成された側の面から見た平面図、図１３（ｂ）は酸素極側のインターコネクタ２８５を酸素供給流路２８７が形成された側の面から見た平面図である。燃料供給流路２８６、酸素供給流路２８７は矩形に形成され、その対角の位置にガスの流出入部となる配管２８６ａ，２８６ｂ，２８７ａ，２８７ｂが設けられている。
また、燃料供給流路２８６、酸素供給流路２８７の内部には、流路を形成するとともに、燃料極２８２または酸素極２８３を支持する支持柱２８６ｃ，２８７ｃが設けられている。支持柱２８６ｃ，２８７ｃにより、燃料極２８２と燃料極側のインターコネクタ２８４との間の燃料供給流路２８６、酸素極２８３と酸素極セパレータ２８５との間の酸素供給流路２８７が確保される。
燃料極側のインターコネクタ２８４及び酸素極側のインターコネクタ２８５にはＬａ1-x，Ｓｒx）（Ｃｒ1-ｙＭｇｙ）Ｏ3、（Ｌａ1-x，Ｓｒx）ＣｒＯ3、Fe-Cr合金等を用いることができる。
酸素極２８３には、熱交換器２７０で加熱された空気が、酸素供給流路２８７を介して送られる。酸素極２８３では空気中の酸素とカソード出力電極２２１ｂより供給される電子により、次式（３）に示すように酸素イオンが生成される。
Ｏ2＋４ｅ-→２Ｏ2- …（３）
酸素極２８３には、Ｌａ（Ｎｉ1-x、Fex）Ｏ3、（Ｌａ1-x，Ｓｒx）ＭｎＯ3、（Ｌａ1-xSrx）ＣｏＯ3等を用いることができる。
固体酸化物電解質２８１は酸素イオンの透過性を有し、酸素極２８３で生成された酸素イオンを透過させて燃料極２８２に到達させる。固体酸化物電解質２８１には、ジルコニア系の（Ｚｒ1-xＹx）Ｏ2-x/2（ＹＳＺ）、ランタンガレード系の（Ｌａ1-xＳｒx）（Ｇａ1-y-zＭｇyＣｏz）Ｏ3等を用いることができる。
燃料極２８２には燃料供給流路２８６を介して改質器２６１から送出された改質ガスが送られる。酸素極２８３では固体酸化物電解質２８１を透過した酸素イオンと改質ガスとの次式（４）、（５）のような反応が起こる。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ- …（４）
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ- …（５）
燃料極２８２にはＮｉ、Ｎｉ＋ＹＳＺ等を用いることができる。
燃料極２８２はアノード出力電極２２１ａに接続されて導通しており、酸素極２８３はカソード出力電極２２１ｂと接続されて導通している。アノード出力電極２２１ａ、カソード出力電極２２１ｂはＤＣ／ＤＣコンバータ３０２に接続されているため、燃料極２８２において生成される電子はアノード出力電極２２１ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０２等の外部回路、カソード出力電極２２１ｂを経て、酸素極２８３に供給される。
また、図１４に示すように、固体酸化物電解質２８１の両面に燃料極２８２（アノード）及び酸素極２８３（カソード）が形成された単電池２８０を積層したセルスタックとしてもよい。この場合、各単電池２８０の間には、一方の面に燃料供給流路２８６、他方の面に酸素供給流路２８７が形成されたインタ−コネクタ２８８（図１４に矢印がほしい）を、燃料供給流路２８６側が燃料極２８２と、酸素供給流路２８７側が酸素極２８３と対向するように配置する。インタ−コネクタ２８９には、Ｌａ（Ｃｒ1-xＭｇx）Ｏ3、（Ｌａ1-x，Ｓｒx）ＣｒＯ3等を用いることができる。
なお、セルスタックとした場合には、両端部の燃料極側のインタ−コネクタ２８４または酸素極側のインターコネクタ２８５のいずれか一方の外表面に電気ヒータ兼温度センサ２０８ａが形成され、他方には熱交換器２７０が一体に形成される。
以上の通り、第２実施形態に係る発明は、燃料電池セル２０８と熱交換器２７０を一体に設けているので、燃料電池セル２０８から発生した過剰な熱を熱交換器２７０により混合液を加熱するのに用いることができるとともに、断熱容器２２０に収容した燃料電池セル２０８を適正な動作温度に維持することができる。特に、本実施形態の燃料電池セル２０８は固体酸化物型燃料電池であり、動作温度が固体高分子型燃料電池と比べて高いため、燃料電池の熱を有効に利用することにより、燃料電池装置の熱効率を高くすることができる。
〔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。図１５は本発明の第３の実施形態に係る燃料電池装置４０１を搭載した携帯用の電子機器５００を示すブロック図である。
本実施の形態が第２実施形態と異なるのは、燃料電池装置４０１において、燃料電池セル４０８及び熱交換器４７０を収納する断熱容器４２０が、気化部４４０、改質部４６０、とともに外側の断熱容器４１０内に収容されている点である。
図１６は断熱容器４１０内の構造を示す模式図である。図１６に示すように、断熱容器４１０の内壁面には第１の赤外線反射膜４１３が設けられている。第１の赤外線反射膜４１３の内側には空隙４１４をあけて断熱容器４２０が配置され、断熱容器４２０の内壁面には赤外線反射膜４２３が設けられている。断熱容器４２０は例えば断熱容器４１０の内壁から突出する支持部材４１５により支持される。支持部材４１５は断熱容器４１０，４２０と同じ材料からなる。
断熱容器４１０と断熱容器４２０との間の空隙４１４には気化部４４０、改質部４６０が配置され、断熱容器４２０の赤外線反射膜４２３よりも内側の空隙４２４には燃料電池セル４０８及び熱交換器４７０が配置されている。
気化器４４１に混合液を供給する燃料供給管４５１と、熱交換器４６２，４４２を通過した排ガスを排出する排ガス管４５２，４５３と、熱交換器４７０に空気を供給する空気供給管４５４とは、断熱容器４１０の同一の壁面を貫通している。また、改質器４６１から燃料電池セル４０８に改質ガスを供給する改質ガス供給管４５５と、燃料電池セル４０８から排気ガス１及び排気ガス２を熱交換器４６２，４４２に送出する排ガス管４５６，４５７と、空気供給管４５４とは、断熱容器４２０の同一の壁面を貫通している。
このように、反応温度が約５００〜１０００℃程度である燃料電池セル４０８及び熱交換器４７０を断熱容器４１０及び断熱容器４２０の内側に配置するとともに、それぞれの容器の内側に赤外線の反射膜であるAuを設けることにより、輻射による熱の逃げを低減し、断熱効率を高めることができる。また、断熱容器４１０と断熱容器４２０との間に空隙４１４をあけることで、断熱容器４２０から断熱容器４１０への固体の熱伝導による熱の逃げを低く抑えている。
＜変形例１＞
配管４５１〜４５４が貫通する断熱容器４１０の壁や、配管４５４〜４５７が貫通する断熱容器４２０の壁には、配管から熱が伝導するため、配管が貫通する部分の近傍と外周部との間に温度差が生じ、熱応力が作用する。そこで、配管が貫通する部分の近傍に、温度差を緩和する放熱促進部を設けてもよい。
放熱促進部は、断熱容器４１０や断熱容器４２０の内壁面の他の領域と比較して、最も赤外線の吸収率が高い領域であり、燃料電池セル４０８や改質器４６１、気化器４４１等の反応器から輻射される赤外線を吸収し輻射熱として断熱容器４１０や断熱容器４２０に熱伝導させる。これにより、放熱促進部が設けられた壁全体の温度を上昇させ、温度差を解消し、熱応力を低減することができる。
例えば、図１７に示すように、配管４５１〜４５４が貫通する断熱容器４１０の内壁面や、配管４５４〜４５７が貫通する断熱容器４２０の内壁面に、赤外線反射膜４１３，４２３と重ねて、赤外線を吸収する吸収膜４９１，４９２をさらに設けることで放熱促進部４９０ａ，４９０ｂを形成することができる。
ここで、吸収膜４９１，４９２としては、１μｍ以上の波長領域で反射率が比較的低いＲｈを材料の候補とすることができる（図４参照）。
この他に１．２４μｍの波長で反射率が低い金属として、Ｆｅ（反射率７５％），Ｃｏ（反射率７８％），Ｐｔ（反射率７８％），Ｃｒ（反射率６３％）などが吸収膜４９１，４９２の材料とすることができる。
また、半金属で低反射率の材料としては、グラファイト（層状炭素）がある。グラファイトの反射率は、波長１．２４μｍで４２％、２μｍで４７％と小さく、吸収膜４９１，４９２の材料とすることができる。また、活性炭と呼ばれる炭素材料は、結晶性が悪く、層状構造も乱れているので、これも吸収膜４９１，４９２の材料とすることができる。
また、非金属で低反射率の材料としては、Ｔａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系のアモルファス半導体材料からなる膜がある。抵抗率が１．０ｍΩ・cmのＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系の膜は、波長約２．４８μｍ〜３５０ｎｍの範囲内での吸収係数が１０００００／ｃｍ以上となっており、吸収膜４９１，４９２の材料とすることができる。
さらに、本出願人は、モル比が０．６＜Ｓｉ／Ｔａ＜１．０，０．１５＜Ｎ／Ｏ＜４．１の範囲の組成のＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系膜について、抵抗率が２．５ｍΩ・cm以下では、吸収係数が１０００００／ｃｍ以上となることを見出した。したがって、上記材料も吸収膜４９１，４９２の材料とすることができる。
放熱促進部４９０ａ，４９０ｂにより、燃料電池セル４０８や改質器４６１、気化器４４１等の反応器から輻射される赤外線が吸収され、輻射熱として断熱容器４１０や断熱容器４２０に伝わる。したがって、放熱促進部４９０ａ，４９０ｂが設けられた壁全体の温度を均一に上昇させることができ、これにより、配管４５１〜４５４における断熱容器４１０を貫通する部分と真空容器内部にある部分との温度差を解消し、熱応力を低減することができる。
＜変形例２＞
なお、図１８に示すように、断熱容器４１０の内壁面のうち配管４５１〜４５４が貫通する部分や、断熱容器４２０の内壁面のうち配管４５４〜４５７が貫通する部分を赤外線反射膜で覆わずに、下地を露出させることで放熱促進部４９０ｃ，４９０ｄとしてもよい。
＜変形例３＞
また、図１９に示すように、断熱容器４１０及び断熱容器４２０の内壁面の全面に吸収膜４９１，４９２を設けるとともに、断熱容器４１０の内壁面のうち配管４５１〜４５４が貫通する部分や、断熱容器４２０の内壁面のうち配管４５４〜４５７が貫通する部分を除き、赤外線反射膜４１３，４２３を設け、吸収膜４９１，４９２が赤外線反射膜４１３，４２３から露出する部分を放熱促進部４９０ｅ，４９０ｆとしてもよい。
＜変形例４＞
また、図２０に示すように、断熱容器４１０の内壁面のうち配管４５１〜４５４が貫通する部分や、断熱容器４２０の内壁面のうち配管４５４〜４５７が貫通する部分に吸収膜４９１，４９２を設けるとともに、他の部分に赤外線反射膜４１３，４２３を設けることで、吸収膜４９１，４９２が設けられた部分を放熱促進部４９０ｇ，４９０ｈとしてもよい。この場合、吸収膜４９１，４９２の外周部と赤外線反射膜４１３，４２３とが重なってもよい。
なお、断熱容器４１０の内壁面のうち配管４５１〜４５４が貫通する壁面や、断熱容器４２０の内壁面のうち配管４５４〜４５７が貫通する壁面は、断熱容器４１０，４２０の一面に限らず、複数の面に分けて貫通してもよい。その場合、各貫通面における少なくとも各配管が貫通する部分の近傍を放熱促進部とすれば、上述の変形例と同様の効果を得ることができる。また、この場合、各放熱促進部をそれ以外の部分よりも赤外線吸収率を高くなるようにすればよく、必ずしも各放熱促進部の赤外線吸収率を同じにする必要はないので、各断熱容器の内壁面は３種類以上の赤外線吸収率が異なる領域を備える構成としてもよい。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置１を搭載した携帯用の電子機器１００を示すブロック図である。 図１の断熱容器２０の内部構造を示す断面図である。 室温、３００℃、６００℃、９００℃における黒体輻射の波長と輻射密度の関係を示すグラフである。 Ａｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｒｈの波長に対する反射率を示すグラフである。 断熱容器２０の内部構造の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池装置２０１を搭載した携帯用の電子機器３００を示すブロック図である。 気化部２４０または改質部２６０の断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は気化部２４０または改質部２６０を形成する３枚の板材３１０，３２０，３３０を示す平面図である。 （ａ）は断熱容器２２０内の構造を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の変形例である。 熱交換器２７０の断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１０の熱交換器２７０を形成する３枚の板材３４０，３５０，３６０を示す平面図である。 燃料電池セル２０８の断面図である。 （ａ）は燃料極セパレータ２８４を燃料供給流路２８６が形成された側の面から見た平面図、（ｂ）は酸素極セパレータ２８５を酸素供給流路２８７が形成された側の面から見た平面図である。 セルスタック状にした燃料電池セル２０８である 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池装置２０１を搭載した携帯用の電子機器５００を示すブロック図である。 断熱容器４１０内の構造を示す模式図である。 断熱容器４１０内の構造の変形例を示す模式図である。 断熱容器４１０内の構造の変形例を示す模式図である。 断熱容器４１０内の構造の変形例を示す模式図である。 断熱容器４１０内の構造の変形例を示す模式図である。
符号の説明
４５１-４５７ 配管
１，２０１，４０１ 燃料電池装置
６，２６１，４６１ 改質器
８，２０８，４０８ 燃料電池セル
１０，２０，２１０，２２０，４１０，４２０ 断熱容器
２２，２４２，２６２，２７０，４６２，４４２，４７０ 熱交換器
２３，２４，１２１，１３１，２２３，２２５，４１３，４２３ 赤外線反射膜
３２，２３２ 薄膜ヒータ
８０ 膜電極接合体
２８０，４８０ 単電池
１００，３００，５００ 電子機器
４９０ａ〜４９０ｈ 放熱促進部
４９１，４９２ 吸収膜

Claims (13)

  1. 燃料の電気化学反応により電力を取り出す燃料電池セルと、
    前記燃料電池セルの熱により前記燃料電池セルに用いられる流体を加熱する熱交換器と、
    前記燃料電池セル及び前記熱交換器を収容する断熱容器と、を備えることを特徴とする燃料電池装置。
  2. 前記流体は、前記燃料電池セルに用いられる前に前記熱交換器により加熱されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
  3. 前記流体は前記燃料であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
  4. 前記燃料電池装置に供給する燃料を原燃料より生成する改質器を更に備え、
    前記流体は前記原燃料であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
  5. 前記流体は前記燃料電池セルに供給される空気であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
  6. 前記断熱容器の内壁面は赤外線吸収率の異なる２種類以上の領域からなり、
    前記断熱容器を貫通して配設されて該断熱容器の外部から前記燃料電池セルへ流体を供給する配管は、前記断熱容器の壁面のうち赤外線吸収率のより高い領域を貫通していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
  7. 前記断熱容器の内壁面は赤外線吸収率の異なる２種類以上の領域からなり、
    前記断熱容器を貫通して配設されて前記燃料電池セルから該断熱容器の外部へ排ガスを排出する配管は、前記断熱容器の壁面のうち赤外線吸収率のより高い領域を貫通していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
  8. 前記赤外線吸収率のより低い領域には、赤外線反射膜が設けられていることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池装置。
  9. 前記赤外線反射膜はＡｕまたはＡｇからなることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池装置。
  10. 前記赤外線吸収率のより高い領域には、赤外線吸収膜が設けられていることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
  11. 前記赤外線吸収膜はＣ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｐｔ，Ｃｒのいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池装置。
  12. 前記赤外線吸収膜はＴａ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系のアモルファス半導体であり、
    そのモル比は０．６＜Ｓｉ／Ｔａ＜１．０かつ０．１５＜Ｎ／Ｏ＜４．１の範囲であり、
    その吸収係数は１０００００／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池装置。
  13. 請求項１〜１２に記載の燃料電池装置を備えることを特徴とする電子機器。
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