JP2009094058A - 燃料電池装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】積層された各発電セルに供給されるガス流量のバラツキを簡易な方法で高精度に抑制すること。
【解決手段】酸化剤と還元剤との電気化学反応により電力を取り出す発電セル８を複数積層した燃料電池装置であって、各発電セル８に電気化学反応に供する反応ガスを導く複数のガス流路８６，８７と、各ガス流路に反応ガスを供給するためのガス供給マニホールド８１０，８３０と、各ガス流路を経由した反応ガスを回収するガス排出マニホールド８２０，８４０と、各ガス供給マニホールドと各ガス流路とを接続する複数の流入口８１１，８３１と、を備える。各流入口８１１，８３１は、その断面の大きさがガス供給マニホールドの上流側から下流側に向かうに従って小さく形成されている。
【選択図】図２２

Description

本発明は、酸化剤と還元剤との電気化学反応により電力を取り出す燃料電池装置及びこれを備える電子機器に関する。

燃料電池は、酸化剤と還元剤との電気化学反応により電力を取り出す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。燃料電池装置には、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell）、溶融炭酸塩型燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、以下ＳＯＦＣという）等があり、それぞれ酸化剤又は還元剤として使用される物質やそれを含む材料が異なっている。

例えば、ＳＯＦＣでは固体酸化物型電解質の一方の面に燃料極が、他方の面に空気極が形成された発電セルが用いられる。空気極には酸素を含む酸化性ガスが供給され、空気極に供給された酸化性ガスに含まれる酸素はイオン（Ｏ^2-）となり固体酸化物型電解質を透過し燃料極に到達する。燃料極には水素を含む燃料ガスが供給され、酸素イオンＯ^2-は燃料極に供給された燃料ガスに含まれる水素を酸化し電子を放出する。ここで、酸化性ガスは例えば空気である。また、燃料ガスは水素を主成分とするガスであり、例えばメタノール等の水素原子を組成中に含む燃料を改質した水素ガスや副生成物の一酸化炭素が用いられる。

ところで、ＳＯＦＣには、大きく分けて平板型と円筒型の２種類があるが、平板型のように複数の発電セルを積層して構成する燃料電池においては、その発電効率を高めるために、各発電セルのガス流路へ供給する反応ガス量のバラツキを抑制する必要がある。特許文献１には、この反応ガス量のバラツキを抑制することで、燃料電池全体としての発電効率が低下するのを抑制する技術が記載されている。

即ち、この特許文献１に記載の燃料電池は、積層された各発電セルに反応ガスを供給するガス供給マニホールドと、各発電セルから排出される反応ガスを回収するガス排出マニホールドと、反応ガスを電極へ供給するガス流路と、ガス供給マニホールドとガス流路とを接続するガス供給連通部と、ガス流路とガス排出マニホールドとを接続するガス排出連通部とを備えている。

そして、ガス供給連通部における反応ガスの圧力損失と、ガス排出連通部における反応ガスの圧力損失との合計が、ガス流路（カソードガス流路）における反応ガスの圧力損失よりも大きくなるように設定することで、ガス流路内のガス流量のバラツキを抑制する方法としている。
特開２００６−２９４５０３号公報

しかし、この方法では、特に、ガス排出連通部における圧力損失を、ガス流路の圧力損失よりも十分に大きく（例えば１０倍以上に）することで、ガス流路の占める圧力損失の割合を相対的に小さくしてガス流量のバラツキを抑制している。

しかしながら、特許文献１に記載された技術のように複数のガス流路が並列接続されている場合、ガス流路に供給されるガス流量が、各ガス流路間で均一ではないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、複数の発電セルが備える各ガス流路に流通するガスの流量の、各流路間でのバラツキを抑制することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
酸化剤と還元剤との電気化学反応により電力を生成する複数の発電セルと、
前記複数の発電セルに電気化学反応に供する反応ガスをそれぞれ導く複数のガス流路と、を備え、
前記複数のガス流路は前記反応ガスが流入する流入口をそれぞれ有し、
前記複数の流入口のうち前記反応ガスの流通方向における下流側に配置された流入口は、上流側に配置された流入口よりも、断面の大きさが小さいことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池装置において、
前記各流入口を介して前記各ガス流路とそれぞれ接続された共通供給路を備えることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池装置において、
前記複数の発電セルは互いに積層されていて、
前記共通供給路に対する反応ガスの供給手段を更に備え、
前記供給手段から吐出される反応ガスの吐出方向が前記発電セルの積層方向に向いていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記複数の発電セルは、所定の物質を透過する電解質層と、前記電解質層を挟んで設けられた燃料極及び空気極と、前記燃料極に当接してその当接面にアノードガス流路を形成したアノード集電極と、前記空気極に当接してその当接面にカソードガス流路を形成したカソード集電極とをそれぞれ備えることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の燃料電池装置において、
前記複数のカソードガス流路は、前記各流入口を介して前記共通供給路にそれぞれ接続されていることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項４に記載の燃料電池装置において、
前記複数のアノードガス流路は、前記各流入口を介して前記共通供給路にそれぞれ接続されていることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項４〜６のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記アノードガス流路の断面形状のうち短い方の幅は、前記カソードガス流路の断面形状のうち短い方の幅よりも小さいことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記複数のガス流路は前記反応ガスが排出される複数の排出口をそれぞれ有し、
前記各流出口の断面の大きさが等しく形成されていることを特徴とする。

請求項９に係る発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記反応ガスは、酸化剤を含む酸化性ガス又は還元剤を含む燃料ガスのいずれかであることを特徴とする。

請求項１０に係る発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記複数の発電セルを内部に収容し、内部空間が大気圧より低い気圧とされた断熱容器を更に備えていることを特徴としている。

請求項１１に係る発明は、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池装置と、
前記燃料電池装置により発電された電気により動作する電子機器本体と、
を備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池装置によれば、複数の発電セルにそれぞれ反応ガスを導く複数のガス流路は、それぞれ反応ガスの流入口を有し、これら複数の流入口のうち反応ガスの流通方向における下流側に配置された流入口は、上流側に配置された流入口よりも、断面の大きさを小さくしたので、複数の発電セルが備える各ガス流路に流通するガスの流量の、各流路間でのバラツキを抑制することができる。

以下に、本発明を実施するために好ましい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、本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。

〔電子機器〕
図１は燃料電池装置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、例えば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、電子機器本体９０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２、二次電池９０３等と、燃料電池装置１とを備える。電子機器本体９０１はＤＣ／ＤＣコンバータ９０２または二次電池９０３により供給される電力により駆動する。ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２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９０１に供給する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２は燃料電池装置１により生成された電気エネルギーを二次電池９０３に充電し、燃料電池装置１が動作していない時に、二次電池９０３に蓄電された電気エネルギーを電子機器本体９０１に供給する。

〔燃料電池装置〕
この燃料電池装置１は、燃料容器２、ポンプ３、断熱パッケージ（断熱容器）１０等を備える。燃料電池装置１の燃料容器２は、例えば電子機器１００に対して着脱可能に設けられており、ポンプ３、断熱パッケージ１０は、例えば電子機器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、断熱パッケージ１０内の気化器４に送液するものである。

断熱パッケージ１０内には気化器４、改質器６、発電セル８及び触媒燃焼器９が収容されている。断熱パッケージ１０内は、断熱効果を高めるために内部空間が大気圧より低い気圧の真空圧（例えば、１０Ｐａ以下）に保たれている。
気化器４、改質器６、触媒燃焼器９にはそれぞれ電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，９ａが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，９ａ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，９ａが気化器４、改質器６、触媒燃焼器９の温度を測定する温度センサとしても機能する。

ポンプ３から気化器４に送られた混合液は電気ヒータ兼温度センサ４ａの熱や触媒燃焼器９から伝播した熱により約１１０〜１６０℃程度に加熱され、気化し、混合気が生成される。気化器４で生成された混合気は改質器６へ送られる。

改質器６の内部には流路が形成され、その流路の壁面に触媒が担持されている。気化器４から改質器６に送られる混合気は、改質器６の流路を流れ、電気ヒータ兼温度センサ６ａの熱、発電セル８の反応熱や触媒燃焼器９の熱により約３００〜４００℃程度に加熱されて、触媒により改質反応を起こす。原燃料と水の改質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）
化学反応式（１），（２）により生成した気体（改質ガス）は発電セル８に送出される。

図２は発電セル８の模式図であり、図３は発電セルスタックの一例を示す模式図である。図２に示すように、発電セル８は、固体酸化物型電解質８１と、固体酸化物型電解質８１の両面に形成された燃料極８２（アノード）及び酸素極８３（カソード）と、燃料極８２に当接してその当接する側の主面（当接面）にアノードガス流路８６を形成したアノード集電極８４と、酸素極８３に当接してその当接する側の主面（当接面）にカソードガス流路８７を形成したカソード集電極８５とを備える。また、発電セル８は筐体９０内に収容される。

固体酸化物型電解質８１には、ジルコニア系の（Ｚｒ_1-xＹ_x）Ｏ_2-x/2（ＹＳＺ）、ランタンガレード系の（Ｌａ_1-xＳｒ_x）（Ｇａ_1-y-zＭｇ_yＣｏ_z）Ｏ₃等を、燃料極８２には、 Ｌａ_0.84Ｓｒ_0.16ＭｎＯ₃、Ｌａ（Ｎｉ，Ｂｉ）Ｏ₃、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃＋ ＳｎＯ₂、ＬａＣｏＯ₃等を、酸素極８３にはＮｉ、Ｎｉ＋ＹＳＺ等を、アノード集電極８４及びカソード集電極８５にはＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ₃、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ₃、ＮｉＡｌ＋Ａｌ₂Ｏ₃等を、それぞれ用いることができる。

発電セル８は電気ヒータ兼温度センサ９ａや触媒燃焼器９の熱により約５００〜１０００℃程度に加熱され、以下の式（３）〜（５）に示す各反応が起こる。

酸素極８３にはカソード集電極８５のカソードガス流路８７を介して空気（反応ガス、酸化性ガス）が送られる。酸素極８３では酸素（酸化剤）とカソード出力電極２１ｂ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^-→２Ｏ^2- …（３）
固体酸化物型電解質８１は酸素イオンの透過性を有し、酸素極８３で化学反応式（３）により生成された酸素イオンを透過させて燃料極８２に到達させる。

燃料極８２にはアノード集電極８４のアノードガス流路８６を介して改質器６から排出された改質ガス（反応ガス、燃料ガス）が送られる。燃料極８２では固体酸化物型電解質８１を透過した酸素イオンと改質ガス中の水素（還元剤）及び一酸化炭素との次式（４）、（５）のような反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（４）
ＣＯ＋Ｏ^2-→ＣＯ₂＋２ｅ^- …（５）
化学反応式（４），（５）により放出される電子は、燃料極８２、アノード出力電極２１ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２等の外部回路を経てカソード出力電極２１ｂより酸素極８３に供給される。

アノード集電極８４及びカソード集電極８５には、アノード出力電極２１ａ、カソード出力電極２１ｂが接続され、筐体９０を貫通して引き出される。ここで、後述するように、筐体９０は例えばＮｉ系の合金で形成され、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂはガラス、セラミック等の絶縁材により筐体９０から絶縁されて引き出される。図１に示すように、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ９０２に接続される。

図３は複数の発電セル８で構成されるセルスタック８０の一例を示す模式図である。本発明では、この図に示すように、アノード集電極８４、燃料極８２、固体酸化物型電解質８１、酸素極８３、カソード集電極８５からなる発電セル８を複数積層すると共に、電気的に直列に接続したセルスタック８０として構成している。この場合、直列に接続された一方の端部の発電セル８のアノード集電極８４をアノード出力電極２１ａに、他方の端部の発電セル８のカソード集電極８５をカソード出力電極２１ｂに接続する。更に、セルスタック８０は筐体９０内に収容される。

アノード集電極８４のアノードガス流路８６を通過した改質ガス（以下、通過した改質ガスのことを、オフガスという。）には、未反応の水素も含まれている。オフガスは触媒燃焼器９に供給される。

触媒燃焼器９には、オフガスとともに、カソード集電極８５のカソードガス流路８７を通過した空気が供給される。触媒燃焼器９の内部には流路が形成され、その流路の壁面にＰｔ系の触媒が担持されている。触媒燃焼器９には、電熱材からなる電気ヒータ兼温度センサ９ａが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ９ａの電気抵抗値が温度に依存するので、この電気ヒータ兼温度センサ９ａが触媒燃焼器９の温度を測定する温度センサとしても機能する。

オフガスと空気の混合気体（燃焼ガス）は触媒燃焼器９の流路を流れ、電気ヒータ兼温度センサ９ａにより加熱される。触媒燃焼器９の流路を流れている燃焼ガスのうち水素が触媒により燃焼され、これにより燃焼熱が発生する。燃焼後の排ガスは触媒燃焼器９から断熱パッケージ１０の外部に放出される。

この触媒燃焼器９で発生した燃焼熱は発電セル８の温度を高温（約５００〜１０００℃程度）に維持するのに用いられる。そして、発電セル８の熱は、改質器６、気化器４に伝導し、気化器４における蒸発、改質器６における水蒸気改質反応に用いられる。

〔断熱パッケージ〕
次に、断熱パッケージ１０の具体的な構成について説明する。
図４は断熱パッケージ１０の斜視図であり、図５は図４のV−V矢視断面図である。図６は断熱パッケージ１０の内部構造を示す斜視図であり、図７は図６の断熱パッケージ１０の内部構造を下側から見た斜視図である。

図４に示すように、断熱パッケージ１０の一つの壁面からは、連結部５、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂが突出している。なお、図５に示すように、断熱パッケージ１０のアノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂが貫通する部分は、絶縁材１０ａ，１０ｂにより絶縁されている。

図５〜図７に示すように、断熱パッケージ１０内には、気化器４及び連結部５、改質器６、連結部７、燃料電池部２０がこの順番に配列されている。なお、燃料電池部２０は発電セル８を収容する筐体９０と触媒燃焼器９とが一体に形成されてなり、発電セル８の燃料極８２からオフガスが触媒燃焼器９に供給される。

気化器４及び連結部５、改質器６、連結部７、燃料電池部２０の発電セル８を収納する筐体９０及び触媒燃焼器９、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂは高温耐久性と適度な熱伝導性がある金属からなり、例えばインコネル７８３等のＮｉ系の合金を用いて形成することができる。特に、燃料電池部２０のアノード集電極８４及びカソード集電極８５に接続され、筐体９０から引き出されるアノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂが、発電セル８の温度上昇に伴い、熱膨張率の違いによる応力を受けて破損することを抑制するために、少なくとも、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂと筐体９０とを同一の材料により形成することが好ましい。更に、温度上昇に伴い気化器４及び連結部５、改質器６、連結部７、燃料電池部２０の筐体９０及び触媒燃焼器９の間に生じる応力を低減するために、これらを同一の材料により形成することが好ましい。

断熱パッケージ１０の内壁面には輻射防止膜１１が、気化器４及び連結部５、改質器６、連結部７、アノード出力電極２１ａ、カソード出力電極２１ｂ、燃料電池部２０の外壁面には、輻射防止膜１２が形成されている。輻射防止膜１１，１２は輻射による伝熱を防止するものであり、例えばＡｕ、Ａｇ等を用いることができる。輻射防止膜１１，１２は少なくとも一方を設けることが好ましく、両方設けることがより好ましい。

連結部５は断熱パッケージ１０を貫通しており、一端が断熱パッケージ１０の外部のポンプ３に接続され、他端が改質器６に接続され、中間部に気化器４が設けられている。改質器６と燃料電池部２０とは連結部７により接続されている。

図６，図７に示すように、気化器４及び連結部５、改質器６、連結部７、燃料電池部２０は一体に形成されており、下面が面一に形成されている。

図８は連結部５、改質器６、連結部７、燃料電池部２０の下面図である。なお、図８では、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂを省略している。
図８に示すように、連結部５、改質器６、連結部７、燃料電池部２０の下面には、セラミック等で絶縁処理が施された後に配線パターンが形成されている。配線パターンは、気化器４の下部、改質器６の下部、燃料電池部２０の下部に葛折り状に形成され、それぞれ電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，９ａとなる。電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，９ａの一端は共通の端子１３ａに接続され、他端は独立した３つの端子１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにそれぞれ接続されている。これら４つの端子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、連結部５の断熱パッケージ１０よりも外側となる端部に形成されている。

図９は図８のIX−IX矢視断面図であり、図１０は図９のX−X矢視断面図である。
連結部５には触媒燃焼器９から排出される排気ガスの排出流路５１，５２が設けられている。また、連結部５には気化器４から改質器６に送出される混合気の供給流路５３が設けられている。
同様に、連結部７には触媒燃焼器９から排出される排気ガスの排出流路５１，５２と連通する排出流路（図示せず）が設けられている。また、連結部７には改質器６から発電セル８の燃料極８２に送出される改質ガスの供給流路（図示せず）が設けられている。連結部５，７により気化器４、改質器６、燃料電池部２０への原燃料、混合気、改質ガスの供給流路、及び排気ガスの排出流路が確保される。

なお、触媒燃焼器９に供給されるオフガス及び空気に対して、触媒燃焼器９から排出される排気ガスの流路径を充分大きくするために、連結部７の内部に設けられた３つの流路のうち２つを触媒燃焼器９からの排気ガスの流路として用い、他の１つを発電セル８の燃料極８２への改質ガスの供給流路として用いている。

アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂの一端は、図６、図７に示すように、燃料電池部２０の連結部７と接続される側の面から引き出されている。アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂの他端は、図４に示すように、断熱パッケージ１０の連結部５が突出する壁面と同一の壁面から外部に突出している。

なお、本実施の形態では、燃料電池部２０の一面の中央部に連結部７が接続され、同一面の対角部からアノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂが引き出されている。このため、連結部７、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂの３点により燃料電池部２０が支持され、断熱パッケージ１０内に燃料電池部２０を安定して保持することができる。

アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂは、図６，図７に示すように、断熱パッケージ１０の内壁面と燃料電池部２０との間の空間で折り曲げられた折り曲げ部２１ｃ，２１ｄを有している。この折り曲げ部２１ｃ，２１ｄは、アノード出力電極２１ａ、カソード出力電極２１ｂを介して燃料電池部２０と断熱パッケージ１０との間に作用する熱膨張差による応力を緩和する役割を果たす。

アノード出力電極２１ａは発電セル８のアノード集電極８４から、カソード出力電極２１ｂは発電セル８のカソード集電極８５から引き出されている。アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂは中空の管状であり、内部が発電セル８の酸素極８３に空気を供給する空気供給流路２２ａ，２２ｂとなっている。

図１１及び図１２は発電セル８におけるアノードガス流路８６の形状を示す断面図及び平面図である。図１３及び図１４は発電セル８におけるカソードガス流路８７の形状を示す断面図及び平面図である。図１５は発電セル８を積層してセルスタック８０とした場合のアノードガス流路８６及びカソードガス流路８７の構成を示す断面図である。

アノード集電極８４に設けられているアノードガス流路８６は、図１１及び図１２に示すように、葛折り状に形成されている。カソード集電極８５に設けられているカソードガス流路８７は、図１３及び図１４に示すように、同じく葛折り状に形成されている。

カソードガス流路８７は一端で後述するカソードガス供給マニホールド（共通供給路）を介して空気供給流路２２ａ，２２ｂと接続され、空気供給流路２２ａ，２２ｂから供給された空気を通過させながら酸素極８３に供給する。カソードガス流路８７の他端には触媒燃焼器９に通じる後述のカソードガス排出マニホールド（共通排出路）が設けられている。酸素極８３における化学反応式（３）の反応に用いられずに残った空気はこのカソードガス排出マニホールドから触媒燃焼器９に供給される。

発電セル８を複数積層してセルスタック８０とする場合は、ガス流路の圧力損失低減の観点から、各発電セルのガス流路が直列になるようにスタックするよりも、図１５に示すように並列になるようにスタックする方が有利である。ガス流路を並列にすることで、ガス流路を短くしてその分、圧力損失を小さくすることができるからである。

この点に配慮し、実施形態のセルスタック８０は、積層された各発電セル８の各アノードガス流路８６に水素を含む改質ガスを一様に分散させて並列供給するためのアノードガス供給マニホールド８１０と、各アノードガス流路８６を経由した改質ガスを合流させて排出するアノードガス排出マニホールド８２０と、を備えている。

さらに、積層された各発電セル８の各カソードガス流路８７に酸素を含む空気を一様に分散させて並列供給するためのカソードガス供給マニホールド８３０と、各カソードガス流路８７を経由した空気を合流させて排出するカソードガス排出マニホールド８４０と、を備えている。

図１６は筐体９０内に収容されるセルスタック８０の斜視図である。図１７はセルスタック８０自体を上から見た斜視図であり、図１８は下から見た斜視図である。図１９はセルスタック８０の要部の立体形状を概念的に示す拡大図である。

アノード集電極８４及びカソード集電極８５は何れも平面矩形状であって、その四隅のうちの対角線方向で相対する二隅の部分には、一方にガス供給マニホールドの一部を形成する突出部８４ａ、８５ａが設けられ、他方にガス排出マニホールドの一部を形成する突出部８４ｂ、８５ｂがそれぞれ設けられている（図１９参照）。

実施形態では、アノードガス供給マニホールド８１０とカソードガス供給マニホールド８３０とがアノード集電極８４及びカソード集電極８５の一側に並べて設けられ、アノードガス排出マニホールド８２０とカソードガス排出マニホールド８４０とがアノード集電極８４及びカソード集電極８５の他側に並べて設けられている。

図２０はセルスタックの側断面図であり、図２１はセルスタックの流入口、流出口及びカソードガス流路を示す平面図であり、図２２はセルスタックの各流入口の狭窄ピッチを示す側断面図である。また、図２３はセルスタックの各流入口の狭窄ピッチを示す平面図である。アノードガス供給マニホールド８１０及びカソードガス供給マニホールド８３０はセルスタック８０の厚さ方向（発電セル８の積層方向）に直線状に延びている。アノードガス排出マニホールド８２０及びカソードガス排出マニホールド８４０もセルスタック８０の厚さ方向に直線状に延びている。カソードガス流路８７のガスである空気の流入、流出を図１８、図２０及び図２２においてそれぞれ矢印で示している。

カソードガス供給マニホールド８３０と、セルスタック８０の各発電セル８のカソードガス流路８７との間には、図２０〜図２３に示すように流量調整用の流入口８３１がそれぞれ設けられている。したがって、カソードガス供給マニホールド８３０から各発電セル８のカソードガス流路８７に並列に流入口８３１がそれぞれ設けられている。

各流入口８３１は、それぞれ断面積の異なる平面矩形状に形成されている。即ち、各流入口８３１は、その断面の大きさが、カソードガス供給マニホールド８３０の上流側から下流側に向かうに従って小さくなるように形成されている。この流入口８３１の断面の形状は、平面矩形状に限定されず、円形や三角形、四角形以上の多角形としても良い。

なお、図示しない空気ポンプによって空気供給流路２２ａ，２２ｂからカソードガス供給マニホールド８３０に供給（吐出）される空気は、その吐出方向が図２２に示すように、発電セル８の積層方向（カソードガス供給マニホールドの長さ方向）に向くように設定されている。空気の吐出方向をカソードガス供給マニホールドの長さ方向に向かせると共に、各流入口８３１の断面の大きさを、カソードガス供給マニホールド８３０の上流側から下流側に向かうに従って小さくなるように形成することで、各カソードガス流路８７における空気の流量をバラツキ無くほぼ均一にすることができるからである。ここで、空気供給流路２２ａ，２２ｂ、空気ポンプ等により空気の供給手段が構成されている。

また、実施形態では、アノードガス供給マニホールド８１０と、セルスタック８０の各発電セル８のアノードガス流路８６との間にも、それぞれ流量調整用の流入口８１１（図１５参照）が設けられている。

各カソードガス流路８７とカソードガス排出マニホールド８４０との間には流出口８３２がそれぞれ設けられている。各流出口８３２のそれぞれの断面の大きさはこの実施形態では等しく形成されている。また、各アノードガス流路８６とアノードガス排出マニホールド８２０との間にも流出口８１２がそれぞれ設けられている。各流出口８１２のそれぞれの断面の大きさも等しく形成されている。各流出口の断面の大きさを一定にすることで、各ガス流路における空気の流量をバラツキ無くほぼ均一にできるだけでなく、各流入口の断面の大きさの設定も容易になるからである。

ここで、空気流通の上流側から、即ち、カソードガス供給マニホールド８３０の空気供給側からｎ番目の発電セル８のカソードガス流路８７への流入口８３１の断面寸法を図２１に示すようにEn、Fnとする。En＝Fn＝２ｍｍとして、カソードガス流路８７の蛇行流路断面寸法５ｍｍ×０．３ｍｍ、流路内部隔壁数５、スタック数１０の場合において空気流量７７００ｃｃｍの各発電セル８の酸化性ガスの流速を流体シミュレーションにより計算した。その結果を図２４のグラフに示した。ここで、凡例のgr-xはEnの方向における初期値２ｍｍとの差分（流路狭窄ピッチ）を表しており、gr-yはFnの方向における初期値２ｍｍとの差分（流路狭窄ピッチ）を表している。

図２４から明らかなように、gr-x＝０、gr-y＝０の場合が、全ての流入口８３１の断面寸法が同一のときのスタック間流速分布を示しており、空気流通の上流側から下流側に流速が早くなる分布になる。このような流速分布では、各発電セル８の出力が不均一になってしまい、セルスタック８０の本来の性能が出ない。

また、図２４から、gr-xとgr-yを変化させて流入口８３１の大きさを徐々に小さくしていくと、スタック間流速分布が変化していく様子が分かる。本実施形態の場合では、gr-x＝０．２、gr-y＝０．０５程度でほぼ均一になっている。上述のように、本実施形態によれば、複数の発電セル８が備えるカソードガス流路又はアノードガス流路に流通する酸化性ガス又は燃料ガスの流量の、各流路間でのバラツキを抑制することができる。

なお、アノードガス供給マニホールド８１０と、各発電セル８のアノードガス流路８６との間に設けられている流量調整用の流入口８１１についても、上記と同様にして各流入口の大きさが設定される。但し、アノードガス流路８６では、カソードガス流路８７に比べて反応ガスの流速が小さい。通常、１／３〜１／１０程度である。したがって、反応ガスの流量のバラツキも小さいので、それに対応して、各流入口８１１の断面の大きさも設定される。

ところで、触媒燃焼器９からはオフガス内の燃料を燃焼しきった場合はＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏ、Ｎ₂ 、Ｏ₂ が排出される。ＳＯＦＣへ供給されるガス流路は、アノードガス及びカソードガスの２系統あるが、ＳＯＦＣから排気されるガス流路は、１系統である。このため、入力系統と同一のパイプ径で排気すると、ガス量が多いため流路圧力損失の原因になる。これを防止するため、排気流路径を大きくすることが望ましい。あるいは、ガス供給流路の断面積を例えば２倍とするため、ガス供給流路と略同一流路径のものを２本使用して排気することが望ましい。本実施形態では排出流路５１、５２からなる２本の排気流路を採用しているので、流路圧力損失を効果的に防止することができる。

また、カソード流路では、アノード流路よりも圧力損失が大きい。ここで、断面形状が矩形状の流路では、流路高さ（流路断面の短い方の幅）の略３乗に逆比例して圧力損失が低減するので、図２５に示すように、カソード流路の高さを、アノード流路の高さよりも大きくすることにより、流路圧力損失をより効果的に防止することができる。

なお、以上の実施形態においては、アノードガス流路８６及びカソードガス流路８７の何れも、内部流路隔壁によって葛折り状に蛇行する流路とした例を示したが、この内部流路隔壁のない、いわゆるプール形状流路としてもよい。そうした場合には、カソードガス流路８７と接続される空気供給流路２２ａ、２２ｂの接続位置や接続構造を変更することが容易になる利点がある。

燃料電池装置を搭載した携帯用の電子機器を示すブロック図である。 発電セルの模式図である。 発電セルスタックの一例を示す模式図である。 断熱パッケージの斜視図である。 図４のV−V矢視断面図である。 断熱パッケージの内部構造を示す斜視図である。 図５の断熱パッケージの内部構造を下側から見た斜視図である。 連結部、改質器、連結部、燃料電池部の下面図である。 図８のIX−IX矢視断面図である。 図９のX−X矢視断面図である。 発電セルのアノードガス流路の形状を示す断面図である。 発電セルのアノードガス流路の形状を示す平面図である。 発電セルのカソードガス流路の形状を示す断面図である。 発電セルのカソードガス流路の形状を示す平面図である。 セルスタックとした場合のアノードガス流路及びカソードガス流路の構成を示す断面図である。 筐体内に収容されるセルスタックの斜視図である。 セルスタックを上から見た斜視図である。 セルスタックを下から見た斜視図である。 セルスタックの要部の立体形状を概念的に示す拡大図である。 セルスタックの側断面図である。 セルスタックの流入口、流出口及びカソードガス流路を示す平面図である。 セルスタックの各流入口の狭窄ピッチを示す側断面図である。 セルスタックの各流入口の狭窄ピッチを示す平面図である。 各発電セルのカソードガス流速を流体シミュレーションした結果を示すグラフである。 発電セルの他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池装置
４ 気化器
５ 連結部（第１連結部）
６ 改質器
７ 連結部（第２連結部）
８ 発電セル
９ 触媒燃焼器
１０ 断熱パッケージ（断熱容器）
２０ 燃料電池部
２１ａ アノード出力電極（出力電極）
２１ｂ カソード出力電極（出力電極）
２１ｃ，２１ｄ 折り曲げ部（応力緩和構造）
２２ａ，２２ｂ 空気供給流路
８０ セルスタック
８１ 固体酸化物型電解質
８１０ アノードガス供給マニホールド
８１１ 流入口
８１２ 流出口
８２ 燃料極（アノード）
８２０ アノードガス排出マニホールド
８３ 空気極（カソード）
８３０ カソードガス供給マニホールド（共通供給路）
８３１ 流入口
８３２ 流出口
８４ アノード集電極
８４０ カソードガス排出マニホールド（共通排出路）
８５ カソード集電極
８６ アノードガス流路
８７ カソードガス流路
９０ 筐体
９０１ 電子機器本体
１００ 電子機器

Claims (11)

1. 酸化剤と還元剤との電気化学反応により電力を生成する複数の発電セルと、
   前記複数の発電セルに電気化学反応に供する反応ガスをそれぞれ導く複数のガス流路と、を備え、
   前記複数のガス流路は前記反応ガスが流入する流入口をそれぞれ有し、
   前記複数の流入口のうち前記反応ガスの流通方向における下流側に配置された流入口は、上流側に配置された流入口よりも、断面の大きさが小さいことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記各流入口を介して前記各ガス流路とそれぞれ接続された共通供給路を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記複数の発電セルは互いに積層されていて、
   前記共通供給路に対する反応ガスの供給手段を更に備え、
   前記供給手段から吐出される反応ガスの吐出方向が前記発電セルの積層方向に向いていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
4. 前記複数の発電セルは、所定の物質を透過する電解質層と、前記電解質層を挟んで設けられた燃料極及び空気極と、前記燃料極に当接して前記燃料極との当接面にアノードガス流路を形成したアノード集電極と、前記空気極に当接して前記空気極との当接面にカソードガス流路を形成したカソード集電極とをそれぞれ備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
5. 前記複数のカソードガス流路は、前記各流入口を介して前記共通供給路にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記複数のアノードガス流路は、前記各流入口を介して前記共通供給路にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
7. 前記アノードガス流路の断面形状の２つの辺のうち短い方の幅は、前記カソードガス流路の断面形状の２つの辺のうち短い方の幅よりも小さいことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
8. 前記複数のガス流路は前記反応ガスが排出される複数の排出口をそれぞれ有し、
   前記各流出口の断面の大きさが等しく形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
9. 前記反応ガスは、酸化剤を含む酸化性ガス又は還元剤を含む燃料ガスのいずれかであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
10. 前記複数の発電セルを内部に収容する断熱容器を更に備えていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池装置と、
    前記燃料電池装置により発電された電気により動作する電子機器本体と、
    を備えることを特徴とする電子機器。

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