JP4311430B2 - FUEL CELL DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE EQUIPPED WITH THE SAME - Google Patents
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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装置及びこれを備える電子機器に関する。 The present invention relates to a fuel cell device that extracts electric power by an electrochemical reaction between fuel gas and oxygen, and an electronic device including the same.
燃料電池は水素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おり、中でも、高温作動のため発電効率が高い固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,以下SOFCという)の開発が進められている。 Fuel cells take out electric power through the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and research and development of fuel cells are widely conducted as the next-generation mainstream power supply system. Development of a high solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC) is in progress.
SOFCでは固体酸化物型電解質の一方の面に燃料極が、他方の面に酸素極が形成された発電セルが用いられる。
酸素極に供給された酸素はイオン(O2-)となり固体酸化物型電解質を透過し燃料極に到達する。O2-は燃料極に供給された燃料ガスを酸化し電子を放出する。ここで、燃料ガスは主に水素ガスであり、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。
The SOFC uses a power generation cell in which a fuel electrode is formed on one surface of a solid oxide electrolyte and an oxygen electrode is formed on the other surface.
Oxygen supplied to the oxygen electrode becomes ions (O 2− ) and permeates the solid oxide electrolyte and reaches the fuel electrode. O 2− oxidizes the fuel gas supplied to the fuel electrode and emits electrons. Here, the fuel gas is mainly hydrogen gas. For example, hydrogen gas obtained by reforming a fuel containing hydrogen atoms such as methanol in its composition or carbon monoxide as a by-product is used.
電子は燃料極と接続されたアノード出力電極より外部回路を経て酸素極と接続されたカソード出力電極より酸素極に戻り、酸素をイオン化する。以上により、燃料ガスと酸素の化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。 Electrons return to the oxygen electrode from the cathode output electrode connected to the oxygen electrode via the external circuit from the anode output electrode connected to the fuel electrode, and ionize oxygen. Thus, the chemical energy of the fuel gas and oxygen is converted into electric energy.
SOFCの反応は高温(約500〜1000℃程度)で行われるため、発電セルは断熱容器に収容され、燃料ガスや酸素の供給流路、排ガスの排出流路となる配管や、アノード出力電極及びカソード出力電極は断熱容器を貫通して発電セルに接続される(例えば、特許文献1参照)。
ところで、SOFCでは発電セルの動作温度が高温であるため、外部に露出した配管や、アノード出力電極及びカソード出力電極と発電セルとの温度差が大きく、これらを介した熱損失が大きくなり易い。また、例えば起動時に発電セルを昇温するに連れて配管や出力電極が熱膨張するため、熱応力により装置が破損するおそれがある。 By the way, in SOFC, since the operating temperature of the power generation cell is high, the temperature difference between the piping exposed outside, the anode output electrode, the cathode output electrode, and the power generation cell is large, and the heat loss through these tends to increase. In addition, for example, as the temperature of the power generation cell is increased at startup, the piping and the output electrode are thermally expanded, so that the apparatus may be damaged due to thermal stress.
本発明の課題は、燃料電池装置の熱損失を低減するとともに、熱応力による装置の破損を防止することである。 An object of the present invention is to reduce heat loss of a fuel cell device and prevent damage to the device due to thermal stress.
以上の課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、断熱容器と、前記断熱容器に収容され、原燃料が供給されて燃料ガスを生成する改質器と、前記断熱容器に収容され、前記改質器よりも高温に設定され、前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、一端が前記発電セルに接続され、他端が前記断熱容器の壁面より外部へ引き出される出力電極と、を備え、前記出力電極は、複数の屈曲箇所を備えた応力緩和構造を有し、前記断熱容器の前記出力電極が引き出される前記壁面から前記発電セルまでの距離は、該壁面から前記改質器までの距離より長いことを特徴とする燃料電池装置である。 In order to solve the above-described problems, the invention described in claim 1 includes a heat insulating container, a reformer that is housed in the heat insulating container and is supplied with raw fuel to generate fuel gas, and is housed in the heat insulating container. The power generation cell is set to a temperature higher than that of the reformer, the fuel gas is supplied, and electric power is taken out by an electrochemical reaction of the fuel gas, one end is connected to the power generation cell, and the other end is the heat insulating container. An output electrode that is led out from the wall surface, the output electrode has a stress relaxation structure having a plurality of bent portions, and from the wall surface from which the output electrode of the heat insulating container is drawn to the power generation cell. The distance is longer than the distance from the wall surface to the reformer.
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、前記出力電極の断面形状は、四角形、三角形及び円形の何れかであることを特徴とする。 A second aspect of the present invention is the fuel cell device according to the first aspect, wherein the cross-sectional shape of the output electrode is any one of a square, a triangle, and a circle.
請求項3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、前記燃料電池装置は、前記発電セルを収容し、前記出力電極が貫通する筐体を有し、前記出力電極と前記筐体は同一の材料からなることを特徴とする。 Invention of Claim 3 is a fuel cell apparatus of Claim 1, Comprising: The said fuel cell apparatus has the housing | casing which accommodates the said electric power generation cell, and the said output electrode penetrates, The said output electrode And the casing is made of the same material.
請求項4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、前記応力緩和構造は、前記断熱容器の前記出力電極が引き出される前記壁面と前記改質器との間の空間内に設けられることを特徴とする。
Invention of
請求項5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、前記応力緩和構造における前記出力電極の屈曲箇所において、前記出力電極は直角に折り曲げられていることを特徴とする。 A fifth aspect of the present invention is the fuel cell device according to the first aspect , wherein the output electrode is bent at a right angle at a bent portion of the output electrode in the stress relaxation structure. .
請求項6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、前記応力緩和構造における前記出力電極の屈曲箇所において、前記出力電極は円弧状に折り曲げられていることを特徴とする。
The invention according to
請求項7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、前記応力緩和構造における前記出力電極の屈曲箇所において、前記出力電極は葛折り状に折り曲げられていることを特徴とする。 A seventh aspect of the present invention is the fuel cell device according to the first aspect , wherein the output electrode is bent in a distorted manner at a bent portion of the output electrode in the stress relaxation structure. And
請求項8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、前記燃料電池装置は、前記断熱容器と前記改質器との間を連結する第1連結部と、前記改質器と前記発電セルとの間を連結する第2連結部とを備え、前記発電セルに接続される前記出力電極の一端の前記断熱容器の前記壁面からの距離は、該壁面から前記第2連結部までの距離より長いことを特徴とする。
The invention according to
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、前記燃料電池装置は、前記発電セルを収容し、前記出力電極が貫通する筐体を有し、前記第1連結部、前記改質器、前記第2連結部、前記筐体及び前記出力電極は同一の材料からなることを特徴とする。
The invention according to
請求項10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、前記燃料電池装置は、前記発電セルを収容し、前記出力電極が貫通する筐体を有し、前記第1連結部、前記改質器、前記第2連結部、前記筐体及び前記出力電極はNi系合金からなることを特徴とする。 A tenth aspect of the present invention is the fuel cell apparatus according to the eighth aspect , wherein the fuel cell apparatus includes a housing that houses the power generation cell and through which the output electrode passes, The connecting portion, the reformer, the second connecting portion, the casing, and the output electrode are made of a Ni-based alloy.
請求項11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、前記第1連結部には、前記改質器から伝播する熱により前記原燃料を気化させる気化器が設けられていることを特徴とする。
The invention according to
請求項12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、前記燃料電池装置は、前記発電セルから排出される未反応の燃料ガスを燃焼する燃焼器をさらに備えることを特徴とする。
The invention described in
請求項13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、前記改質器は前記発電セルから伝播する熱により改質反応を行うことを特徴とする。 A thirteenth aspect of the present invention is the fuel cell device according to the first aspect, wherein the reformer performs a reforming reaction by heat propagated from the power generation cell.
請求項14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、前記発電セルには固体酸化物型電解質が用いられていることを特徴とする。 A fourteenth aspect of the present invention is the fuel cell device according to the first aspect, wherein a solid oxide electrolyte is used for the power generation cell.
請求項15に記載の発明は、断熱容器と、前記断熱容器に収容され、原燃料が供給されて燃料ガスを生成する改質器と、前記断熱容器に収容され、前記改質器よりも高温に設定され、前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、一端が前記発電セルに接続され、他端が前記断熱容器の壁面より外部へ引き出される出力電極と、を備え、前記出力電極は、複数の屈曲箇所を備えた応力緩和構造を有し、前記断熱容器の前記出力電極が引き出される前記壁面から前記発電セルまでの距離が該壁面から前記改質器までの距離より長い燃料電池装置と、前記燃料電池装置の前記出力電極の他端に接続され、前記発電セルから取り出される前記電力により駆動される負荷と、を備えることを特徴とする電子機器である。 The invention according to claim 15 is a heat insulating container, a reformer that is housed in the heat insulating container and is supplied with raw fuel to generate fuel gas, and is housed in the heat insulating container and is hotter than the reformer. And a power generation cell that is supplied with the fuel gas and extracts power by an electrochemical reaction of the fuel gas, and an output electrode that has one end connected to the power generation cell and the other end drawn out from the wall surface of the heat insulating container And the output electrode has a stress relaxation structure having a plurality of bent portions, and the distance from the wall surface from which the output electrode of the heat insulating container is drawn to the power generation cell is from the wall surface to the reforming And a load connected to the other end of the output electrode of the fuel cell device and driven by the electric power taken out from the power generation cell. It is.
請求項16に記載の発明は、請求項15に記載の電子機器であって、前記燃料電池装置は、前記断熱容器と前記改質器との間を連結する第1連結部と、前記改質器と前記発電セルとの間を連結する第2連結部とを備え、前記発電セルに接続される前記出力電極の一端の前記断熱容器の前記壁面からの距離は、該壁面から前記第2連結部までの距離より長いことを特徴とする。 The invention according to claim 16 is the electronic device according to claim 15 , wherein the fuel cell device includes a first connecting portion that connects the heat insulating container and the reformer, and the reforming. And a second connecting portion that connects between the generator and the power generation cell, and the distance from the wall surface of the heat insulating container to one end of the output electrode connected to the power generation cell is the second connection from the wall surface. It is characterized by being longer than the distance to the part.
請求項17に記載の発明は、請求項15に記載の電子機器であって、前記燃料電池装置は、前記発電セルを収容し、前記出力電極が貫通する筐体を有し、前記出力電極と前記筐体は同一の材料からなることを特徴とする。 The invention according to claim 17 is the electronic device according to claim 15 , wherein the fuel cell device includes a housing that houses the power generation cell and through which the output electrode passes, The casing is made of the same material.
請求項18に記載の発明は、請求項15に記載の電子機器であって、前記燃料電池装置における前記発電セルには固体酸化物型電解質が用いられていることを特徴とする。 The invention according to claim 18 is the electronic apparatus according to claim 15 , wherein a solid oxide electrolyte is used for the power generation cell in the fuel cell device.
本発明によれば、発電セルの熱損失を低減するとともに、熱応力による装置の破損を防止することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while reducing the heat loss of a power generation cell, the failure | damage of the apparatus by a thermal stress can be prevented.
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。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
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。
FIG. 1 is a block diagram showing a portable
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。
The fuel cell device 1 includes a
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。
The
The pump 3 sucks the liquid mixture in the
箱状の断熱パッケージ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内の気圧は真空圧(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。
A box-shaped
The
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や触媒燃焼器9の熱により約110〜160℃程度に加熱され、蒸発する。気化器4で気化した混合気は改質器6へ送られる。
The liquid mixture sent from the pump 3 to the
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、触媒により反応を起こす。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)
A flow path is formed inside the
CH 3 OH + H 2 O → 3H 2 + CO 2 (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)
生成した改質ガスは発電セル8に送出される。
Carbon monoxide is by-produced in a trace amount by an equation such as the following equation (2) that occurs sequentially following the chemical reaction equation (1).
H 2 + CO 2 → H 2 O + CO (2)
The generated reformed gas is sent to the
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、固体酸化物電解質81と、固体酸化物電解質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に接合してその接合面に流路86を形成したアノード集電極84と、酸素極83に接合してその接合面に流路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。
FIG. 2 is a schematic diagram of the
固体酸化物電解質81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、燃料極82にはLa0.84Sr0.16MnO3、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。
The
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、後述する反応が起こる。
酸素極83にはカソード集電極85の流路87を介して空気が送られる。酸素極83では酸素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-→2O2- …(3)
固体酸化物電解質81は酸素イオンの透過性を有し、酸素極83で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。
The
Air is sent to the
O 2 + 4e − → 2O 2− (3)
The
燃料極82にはアノード集電極84の流路86を介して改質器6から排出された改質ガスが送られる。酸素極83では固体酸化物電解質81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。燃料極82に放出される電子はアノード出力電極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。
H2+O2-→H2O+2e- …(4)
CO+O2-→CO2+2e- …(5)
The reformed gas discharged from the
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (4)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (5)
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。
なお、図3に示すように、アノード集電極84、燃料極82、固体酸化物電解質81、酸素極83、カソード集電極85からなる複数の発電セル8を直列に接続したセルスタック80としてもよい。この場合、図3に示すように、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。この場合、セルスタック80は筐体90内に収容される。
An
As shown in FIG. 3, a cell stack 80 in which a plurality of
DC/DCコンバータ902は発電セル8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は発電セル8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、発電セル8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。
The DC /
アノード集電極84の流路を通過した改質ガス(オフガス)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。
The reformed gas (off-gas) that has passed through the flow path of the
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。
Air that has passed through the
The
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。
A mixed gas (combustion gas) of off gas and air flows through the flow path of the
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。
The combustion heat generated in the
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は断熱パッケージ10の内部構造を示す透視図であり、図6は図5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り、図7は図4のVII−VII矢視断面図である。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、気化器4の入口、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。
Next, a specific configuration of the
4 is a perspective view of the
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。
As shown in FIGS. 5 to 7, the
気化器4、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、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。
The
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、連結部5、改質器6、連結部7、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。
A
気化器4は連結部5とともに断熱パッケージ10を貫通しており、連結部5により気化器4と改質器6とが接続されている。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。
The
図5,図6に示すように、気化器4、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、連結部5、改質器6、連結部7、燃料電池部20の下面は面一に形成されている。
As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the
図8は連結部5、改質器6、連結部7、燃料電池部20の下面図であり、図9は図8のIX−IX矢視断面図である。なお、図8,図9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、図9に示すように、改質器6、燃料電池部20の下側の外縁部には、アノード出力電極21a、カソード出力電極21bが配置されるための凹部61a,61b,22a,22bが形成されている。
8 is a bottom view of the connecting
As shown in FIGS. 8 and 9, at the lower outer edge portion of the
また、改質器6の連結部7と接続される箇所は、燃料電池部20に対向する面に対して後退している。このため、連結部7を長くして燃料電池部20から改質器6への熱伝導を低減しながら、燃料電池部20と改質器6との距離を短くして装置を小型化することができる。
Further, the portion connected to the connecting
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13が形成されている。配線パターン13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。
As shown in FIG. 8, a
図10は図8のX−X矢視断面図であり、図11は図10のXI−XI矢視断面図である。
連結部5,7には発電セル8の酸素極83に供給する空気の供給流路51,71、触媒燃焼器9のから排出される排気ガスの排出流路52a,52b,72a,72b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に送出される気体燃料の供給流路53が設けられ、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73が設けられている。
10 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 8, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of FIG.
The connecting
なお、図9に示すように、連結部7の内部には4つの流路71,72a,72b,73が設けられているが、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、このうち2つを触媒燃焼器9からの排気ガスの流路72a,72bとして用い、他の2つを発電セル8の燃料極82への改質ガスの供給流路73、酸素極83への空気の供給流路71として用いている。
As shown in FIG. 9, four
アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bは、燃料電池部20の連結部7より断熱パッケージ10のアノード出力電極21aが及びカソード出力電極21b貫通する壁面との距離が長くなる位置に接続され、好ましくは、連結部7とは反対側の端部に接続されて引き出されている。アノード出力電極21aはアノード集電極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は燃料電池部20及び改質器6の凹部61a,61b,22a,22bに沿って配設され、図5,図6に示すように、断熱パッケージ10の内壁面と改質器6との間の空間で4箇所折り曲げられ、気化器4の入口、連結部5が突出する断熱パッケージ10の壁面と同一の壁面から外部に突出している。
この折り曲げ部分23a,23bは、アノード出力電極21a、カソード出力電極21bの変形により燃料電池部20と断熱パッケージ10との間の応力緩和構造としての役割を果たす。
The
The
図12は定常運転時の断熱パッケージ10内の温度分布を示す模式図である。図12に示すように、例えば燃料電池部20を約800℃程度に保つと、燃料電池部20から連結部7を介して改質器6に、改質器6から連結部5を介して気化器4、断熱パッケージ10の外に熱が移動する。その結果、改質器6は約380℃程度、気化器4は約150℃程度に保たれる。
FIG. 12 is a schematic diagram showing the temperature distribution in the
また、燃料電池部20の熱はアノード出力電極21a及びカソード出力電極21bを介しても断熱パッケージ10の外に移動する。このため、燃料電池装置1を起動した後には、温度上昇により出力電極21a,21bが伸張する。
Further, the heat of the
図13は温度上昇によるアノード出力電極21a及びカソード出力電極21bの変形を示すシミュレーション図である。アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bは燃料電池部20の温度上昇により膨張し、図13の二点鎖線で示す形状から実線で示す形状に変形する。
FIG. 13 is a simulation diagram showing deformation of the
このときアノード出力電極21a及びカソード出力電極21bの折り曲げ部分23a,23bよりも燃料電池部20側の部分24a,24bの方が温度が高いため、より大きく伸張する。ここで、アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bは、一端が燃料電池部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、他端が断熱パッケージ10の気化器4側の壁面に接合されて、外部に突出するように構成されているため、アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bは、この伸張による応力を受ける。しかしながら、アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bは折り曲げ部分23a,23bを有しているため、この折り曲げ部分23a,23bで伸張による変形を吸収することができて、断熱パッケージ10と燃料電池部20との間に作用する応力を緩和することができる。
At this time, since the temperatures of the
また、折り曲げ部分23a,23bを設けることでアノード出力電極21a及びカソード出力電極21bによる伝熱経路が長くなるため、アノード出力電極21a及びカソード出力電極21bを経て燃料電池部20から断熱パッケージ10へ放出される熱損失を低減することができる。
Moreover, since the heat transfer path by the
<変形例>
図14、図15、図16は断熱パッケージの内部構造の変形例を示す斜視図である。上記の実施形態においては、断面四角形状のアノード出力電極21a及びカソード出力電極21bを用いたが、例えば図14に示すような断面三角形状のアノード出力電極25a及びカソード出力電極25bを用いてもよい。また、図15に示すような断面円形状のアノード出力電極26a及びカソード出力電極26bを用いてもよい。また、折り曲げ部分23a,23bにおいて、上記の実施形態においては、図5,図6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を3箇所、直角に屈曲させた形状としたが、図14、図15に示すように、折り曲げ部分における屈曲箇所を円弧状にして、滑らかに曲げるようにしてもよい。この場合、応力が屈曲箇所に集中することを抑制して、応力を折り曲げ部分全体に分散させるようにすることができて、応力による破損を抑制することができる。
<Modification>
14, FIG. 15 and FIG. 16 are perspective views showing modifications of the internal structure of the heat insulation package. In the above embodiment, the
あるいは、図16に示すように、断熱パッケージ10の内壁面と改質器6との間の空間で応力緩和構造をコイル状に形成したアノード出力電極27a及びカソード出力電極27bを用いてもよい。この場合、折り曲げ部分における応力の吸収を更に良好に行うことができて、応力による破損を良好に防止することができる。
Alternatively, as illustrated in FIG. 16, an
また、断熱パッケージ10を薄型にするために、薄型にした気化器104、改質器106、燃料電池部120を用いる場合は、図17に示すように、葛折り状の折り曲げ部分29a,29bを形成したアノード出力電極28a及びカソード出力電極28bを用いてもよい。
Further, in the case of using the
1 燃料電池装置
4,104 気化器
5 連結部(第1連結部)
6,106 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)
20,120 燃料電池部
21a,25a,26a,27a,28a アノード出力電極(出力電極)
21b,25b,26b,27b,28b カソード出力電極(出力電極)
23a,23b,24a,24b,29a,29b 折り曲げ部分(応力緩和構造)
80 セルスタック
100 電子機器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell apparatus 4,104
6,106
8
20, 120
21b, 25b, 26b, 27b, 28b Cathode output electrode (output electrode)
23a, 23b, 24a, 24b, 29a, 29b Bent part (stress relaxation structure)
80
Claims (18)
前記断熱容器に収容され、原燃料が供給されて燃料ガスを生成する改質器と、
前記断熱容器に収容され、前記改質器よりも高温に設定され、前記燃料ガスが供給され、該燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
一端が前記発電セルに接続され、他端が前記断熱容器の壁面より外部へ引き出される出力電極と、を備え、
前記出力電極は、複数の屈曲箇所を備えた応力緩和構造を有し、
前記断熱容器の前記出力電極が引き出される前記壁面から前記発電セルまでの距離は、該壁面から前記改質器までの距離より長いことを特徴とする燃料電池装置。 An insulated container;
A reformer housed in the heat insulating container and supplied with raw fuel to generate fuel gas;
A power generation cell housed in the heat insulating container, set at a higher temperature than the reformer, supplied with the fuel gas, and taking out electric power by an electrochemical reaction of the fuel gas;
An output electrode having one end connected to the power generation cell and the other end drawn out from the wall surface of the heat insulating container;
The output electrode has a stress relaxation structure having a plurality of bent portions,
The fuel cell device, wherein a distance from the wall surface from which the output electrode of the heat insulating container is drawn to the power generation cell is longer than a distance from the wall surface to the reformer.
前記発電セルに接続される前記出力電極の一端の前記断熱容器の前記壁面からの距離は、該壁面から前記第2連結部までの距離より長いことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池装置。 The fuel cell device includes a first connection part that connects the heat insulating container and the reformer, and a second connection part that connects the reformer and the power generation cell,
2. The fuel cell according to claim 1, wherein a distance from the wall surface of the heat insulating container to one end of the output electrode connected to the power generation cell is longer than a distance from the wall surface to the second connecting portion. apparatus.
前記燃料電池装置の前記出力電極の他端に接続され、前記発電セルから取り出される前記電力により駆動される負荷と、を備えることを特徴とする電子機器。 A heat insulating container, a reformer housed in the heat insulating container and supplied with raw fuel to generate fuel gas, and housed in the heat insulating container, set at a higher temperature than the reformer, and supplied with the fuel gas is a power generation cell draw power by an electrochemical reaction of the fuel gas, one end connected to said power generation cells includes an output electrode to which the other end is pulled out to the outside from the wall surface of the heat insulating container, wherein the output electrode A fuel cell device having a stress relaxation structure having a plurality of bent portions, wherein a distance from the wall surface from which the output electrode of the heat insulating container is drawn to the power generation cell is longer than a distance from the wall surface to the reformer When,
An electronic device comprising: a load connected to the other end of the output electrode of the fuel cell device and driven by the electric power taken out from the power generation cell.
前記発電セルに接続される前記出力電極の一端の前記断熱容器の前記壁面からの距離は、該壁面から前記第2連結部までの距離より長いことを特徴とする請求項15に記載の電子機器。 The fuel cell device includes a first connection part that connects the heat insulating container and the reformer, and a second connection part that connects the reformer and the power generation cell,
The electronic device according to claim 15 , wherein a distance from the wall surface of the heat insulating container to one end of the output electrode connected to the power generation cell is longer than a distance from the wall surface to the second connecting portion. .
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