JP5223501B2 - 燃料電池装置及び電子機器 - Google Patents

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。

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。

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（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。Ｏ^２−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。

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。

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）。

しかしながら、ＳＯＦＣでは発電セルの動作温度が高温であるため、発電セルに接続されるアノード出力電極及びカソード出力電極に発電セルの熱が伝導して、アノード出力電極及びカソード出力電極の温度が上昇して、電子機器への実装が困難になったり、この出力電極の熱が発電セルを収容する断熱容器に伝導して断熱容器の温度が上昇し、熱損失が増加したりするおそれがあった。
特開２００４−３０９７２号公報

ここで、発電セルの特性として、所定の温度以下になってしまうと活性化過電圧や抵抗分極が増大し、発電効率を急激に減少させるため、所望の発電性能を実現できない。一方、発電セルの温度が所定温度以上になってしまうと発電セルの構成部材や触媒の劣化が進行し易くなり、長期的な発電性能の維持ができなくなる。このように、発電セルの反応温度制御は、セルの発電性能や性能維持において特に重要である。

上記の出力電極の流路に流体を流通させた場合、流体の昇温に必要な熱量は、発電セルの発熱および触媒燃焼室の反応熱によってまかなわれるが、供給する流体の温度が低下したり、断熱容器外部への放熱量が増大したりすると、発電セルと触媒燃焼の熱量だけでは発電セルを所定の温度まで昇温させることができない可能性がある。この場合には、ヒータ等の熱源により不足の熱量を供給する必要があり、余分な電力を消費してしまう。
逆に、供給する流体の温度が上昇したり、外部への放熱量が減少したりすると、発電セルが所定の温度を超えてしまうおそれもある。このような場合には、例えば、流体の供給量を増やすなどして余剰熱量を吸収させる必要があるが、空気流量は発電に必要な酸素量を供給するためにそもそも多く、圧力損失が大きくなりがちであり、流量を増大させるのは、流体供給用のポンプの負荷をさらに増大させてしまうし、また消費電力も増大する。
つまり、熱源を稼動させるにしろ、流体供給用のポンプの負担を増加させるにしろ、消費電力の増加を誘発させることになっていた。

本発明の課題は、消費電力の増加を抑えつつ、発電セルの反応温度制御を可能とすることである。

請求項１記載の発明に係る燃料電池装置は、
燃料ガスと酸化剤との電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
前記酸化剤を前記発電セルに供給するための第一の酸化剤用流路が形成され、前記発電セルの電力を外部に取り出す出力電極と、
前記酸化剤を前記発電セルに供給するための第二の酸化剤用流路及び前記発電セルにおける発電反応を経た後のオフガスを外部に排出する排出流路が併設された流路基板と、
前記第一の酸化剤用流路及び前記第二の酸化剤用流路に対して前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
前記酸化剤供給部から、前記第一の酸化剤用流路に供給する前記酸化剤の流量と、前記第二の酸化剤用流路に供給する前記酸化剤の流量との比からなる酸化剤分配比を調整する分配比調整部とを備えることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池装置において、
前記発電セルの温度を検出する温度センサを有し、
前記分配比調整部は、前記温度センサにより検出された前記発電セルの温度の変化に基づいて、前記酸化剤分配比を調整することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の燃料電池装置において、
前記第二の酸化剤用流路と前記排出流路とは、前記流路基板の厚み方向に積層するように形成されていることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、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、
前記流路基板には、さらに前記燃料ガスを前記発電セルまで案内する燃料流路が形成されていることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
前記流路基板は、前記発電セルにおける前記発電反応後に該発電セルから排出される未反応の前記燃料ガスを、触媒を介した燃焼反応によって燃焼させる燃焼部をさらに備え、前記排出流路には前記燃焼部による燃焼反応を経た後に残留する未反応の前記燃料ガスが前記オフガスとして流れて、外部に排出されることを特徴としている。

請求項６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において、
前記発電セルを収容し、内部空間が大気圧より低い気圧とされた断熱容器をさらに備え、
前記出力電極の一端は該断熱容器の壁面より外部へ引き出されていることを特徴としている。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の燃料電池装置において、
前記断熱容器に収容され、原燃料が供給されて前記発電セルに供給する燃料ガスを生成する改質器をさらに備えることを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項７記載の燃料電池装置において、
前記断熱容器に収容され、前記原燃料を気化して前記燃料ガスを生成する気化器をさらに備えることを特徴としている。

請求項９記載の発明は、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している。

請求項１０記載の発明に係る電子機器は、
燃料ガスと酸化剤との電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、前記酸化剤を前記発電セルに供給するための第一の酸化剤用流路が形成され、前記発電セルの電力を外部に取り出す出力電極と、前記酸化剤を前記発電セルに供給するための第二の酸化剤用流路及び前記発電セルにおける発電反応を経た後のオフガスを外部に排出する排出流路が併設された流路基板と、前記第一の酸化剤用流路及び前記第二の酸化剤用流路に対して前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記酸化剤供給部から前記第一の酸化剤用流路に供給する前記酸化剤の流量と前記第二の酸化剤用流路に供給する前記酸化剤の流量との比からなる酸化剤分配比を調整する分配比調整部と、を備える燃料電池装置と、
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電子機器本体と、を備えることを特徴としている。

請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の電子機器において、
前記燃料電池装置は前記発電セルの温度を検出する温度センサを有し、
前記分配比調整部は、前記温度センサにより検出された前記発電セルの温度の変化に基づいて、前記酸化剤分配比を調整することを特徴としている。

請求項１２記載の発明は、請求項１０又は１１記載の電子機器において、
前記燃料電池装置における前記流路基板は、前記発電セルにおける前記発電反応後に該発電セルから排出される未反応の前記燃料ガスを、触媒を介した燃焼反応によって燃焼させる燃焼部をさらに備え、前記排出流路には前記燃焼部による燃焼反応を経た後に残留する未反応の前記燃料ガスが前記オフガスとして流れて、外部に排出されることを特徴としている。

請求項１３記載の発明は、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の電子機器において、
前記燃料電池装置は、前記発電セルを収容し、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、前記出力電極の一端は該断熱容器の壁面より外部へ引き出されていることを特徴としている。

発電セルに対して酸化剤を供給する流路として、発電セルの電力を取り出す出力電極に設けられた第一の酸化剤用流路と、流路基板に発電セルから排出されるオフガスが流れる排出流路に併設されて設けられる第二の酸化剤用流路とを備えて、一の酸化剤用流路に流れる酸化剤の流量と第二の酸化剤用流路に流れる酸化剤の流量との比を適宜調整することで、加熱用のヒータを使ったり酸化剤の供給用ポンプの動作を制御したりすることなく、消費電力の増加を抑えながら、発電セルの温度の調整を調整することができる。

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。

〔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には、電子機器本体９０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２、二次電池９０３及び燃料電池装置１が備えられている。
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には、燃料容器２、液体ポンプ３１、空気ポンプ３２及び断熱パッケージ１０等が備えられている。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、液体ポンプ３１、空気ポンプ３２及び断熱パッケージ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。
液体ポンプ３１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。
空気ポンプ３２は、酸化剤としての空気を、断熱パッケージ１０内の発電セル８に供給するものである。

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内は内部空間が大気圧より低い気圧の真空圧（例えば、１００Ｐａ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。

気化器４では、液体ポンプ３１から送られた混合液を電気ヒータ兼温度センサ４ａの熱等により約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。

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、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^-→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では固体酸化物型電解質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。
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から引き出されている。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ている。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、固体酸化物型電解質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。

アノード集電極８４の流路８６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。

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。

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は断熱パッケージ１０の内部構造を示す斜視図であり、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、流路基板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７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、改質器６、燃料電池部２０がこの順番に配列されていて、これらは流路基板５上に配置されている。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、改質器６及び燃料電池部２０を収納する筐体９０は、高温耐久性と適度な熱伝導性がある金属から形成されている。同様に、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も高温耐久性と適度な熱伝導性がある金属から形成されている。この金属としては、例えばインコネル７８３等のＮｉ系の合金が挙げられる。ここで、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。
また、流路基板５は、上記したＮｉ系の合金以外にも、ＳＵＳ等の鉄基合金、或いはセラミックスなどから形成してもよい。
なお、温度上昇に伴い気化器４、流路基板５、改質器６、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。

図７に示すように、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、流路基板５、改質器６、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。

流路基板５は、平板形状に形成されていて、その先端部が断熱パッケージ１０を貫通している。この流路基板５には、図６に示すように、気化器４が搭載された気化器領域５１と、改質器６が搭載された改質器領域５２と、発電セル８が搭載された発電セル領域５３とが設けられている。

図８は流路基板５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、流路基板５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、気化器領域５１の下部、改質器領域５２の下部、発電セル領域５３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、流路基板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。
流路基板５の内部には、３系統の流路が当該流路基板５の厚み方向に積層されるように形成されている。３系統の流路は、発電セル８まで燃料ガスを案内する燃料流路５５と、空気を発電セル８まで供給するための空気流路（第二の酸化剤用流路）５６と、触媒燃焼器９による燃焼反応後のオフガスを外部に排出するための排出流路５７とであり、上から順に燃料流路５５、空気流路５６、排出流路５７と積層されている。

ここで、図１０に示すように、流路基板５における気化器領域５１には、燃料流路５５により供給された混合燃料を気化器４に流入させる流入口５５１が形成されるとともに、気化器４により気化された燃料ガスを燃料流路５５に戻す流出口５５２が形成されている。
流路基板５における改質器領域５２には、燃料流路５５により供給された燃料ガスを改質器６に流入させる流入口５５３が形成されるとともに、改質器６からの改質ガスを燃料流路５５に戻す流出口５５４が形成されている。
流路基板５における発電セル領域５３には、燃料流路５５により供給された改質ガスと、空気流路５６により供給された空気とを混合して発電セル８に供給する混合口５５５が形成されるとともに、発電セル８において発電反応後に、当該発電セル８から排出される未反応の燃焼ガスを、触媒を介した燃焼反応によって燃焼する上記の触媒燃焼器９が形成されている。触媒燃焼器９と排出流路５７とは連通していて、触媒燃焼器９から排出されたオフガスは排出流路５７を流れるようになっている。つまり、触媒燃焼器９が本発明に係る燃焼部である。

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５、図６に示すように、燃料電池部２０の改質器６に対向する側の面における対角となる位置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の流路基板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。

アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂは、図５，図６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の熱膨張による変形により燃料電池部２０と断熱パッケージ１０との間に作用する応力を緩和する役割を果たす。

図１１は、説明のために、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂ、発電セル８のみの構造を示す斜視図であり、図１２は図１１のXII−XII矢視断面図である。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流路（第一の酸化剤用流路）２２ａ，２２ｂとなっている。
図１２に示すように、カソード集電極８５には、空気流路２２ａ，２２ｂと接続される葛折り状の流路８７ａ，８７ｂが設けられている。なお、アノード出力電極２１ａに設けられた空気流路２２ａは、アノード集電極８４側より固体酸化物型電解質８１を貫通する流路（図示せず）を介して流路８７ａに接続されている。

流路８７ａ，８７ｂは一端で空気流路２２ａ，２２ｂと接続され、空気流路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。
流路８７ａ，８７ｂの他端には触媒燃焼器９に通じる挿通孔８７ｃ，８７ｄ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挿通孔８７ｃ，８７ｄから触媒燃焼器９に供給される。

図１３は、各流路の概略構成を示す説明図である。図１３に示すように、燃料流路５５には液体ポンプ３１が接続されていて、この液体ポンプ３１によって燃料容器２内の原燃料が燃料流路５５に供給されるようになっている。

一方、空気ポンプ３２と、各空気流路２２ａ，２２ｂ，５６との間には、空気ポンプ３２から、流路基板５の空気流路５６に供給する空気の流量と、両電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂ供給する空気の流量との比からなる空気分配比（酸化剤分配比）を調整することで、発電セル８の温度を調整する分配比調整部７０が設けられている。

分配比調整部７０には、空気ポンプ３２から各空気流路２２ａ，２２ｂ，５６まで連通する流路６０が設けられている。この流路６０は、流路基板５の空気流路５６に連通する基板用流路６１と、両電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂに連通する電極用流路６２とに分岐されている。この分岐点にはバルブ７１が配設されていて、このバルブ７１をバルブ駆動回路７２によって駆動して、各空気流路２２ａ，２２ｂ，５６に対する空気分配比を調整するようになっている。
また、電極用流路６２は、アノード出力電極２１ａの空気流路２２ａと、カソード出力電極２１ｂの空気流路２２ｂとに連通するように分岐している。なお、電極用流路６２は、アノード出力電極２１ａと、カソード出力電極２１ｂとを電気的に導通させないように、形成されている。
また、基板用流路６１、電極用流路６２のそれぞれには、流量を検出する流量センサ６３，６４が設けられている。

また、分配比調整部７０には、流量センサ６３，６４、電気ヒータ兼温度センサ９ａ及びバルブ駆動回路７２と電気的に接続された分配比調整回路７３が設けられている。分配比調整回路７３は、流量センサ６３，６４及び電気ヒータ兼温度センサ９ａの検出結果を基に、バルブ駆動回路７２を制御することで、各空気流路２２ａ，２２ｂ，５６に対する空気分配比を調整する。この電気ヒータ兼温度センサ９ａが、発電セル８の温度を検出する、本発明に係る温度センサである。

ここで、出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂを通過する空気と、流路基板５の空気流路５６を通過する空気とでは、その昇温のされ方が異なる。出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂでは、発電セル８に直接空気を導入するため、空気の昇温に必要な熱量は発電セル８から供給されるのに対し、流路基板５の空気流路５６では、触媒燃焼器９から排出された高温のオフガスが流通する排出流路５７と隣接しているため、空気の昇温に必要な熱量の一部をオフガスとの熱交換によって得ることができる。すなわち、出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂと流路基板５の空気流路５６において、流通する空気の昇温に消費される発電セル８の熱量が異なっており、その大きさは出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂを流通する空気の方が、流路基板５の空気流路５６を流通するそれに比べて大きい。したがって、上記したように分配比調整回路７３の制御によって、発電セル８に供給する所定の空気流量のうち、出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂを通じて供給する空気量と、流路基板５の空気流路５６を通じて供給する空気分配比率を調整することによって、発電セル８の温度をコントロールすることができる。

具体的に空気分配比率と、発電セル８の温度との関係をシミュレーションにより導き出した。なお、本シミュレーションでは、解析モデルを図１４に示すように出力電極２１ａ，２１ｂを直線状とした。また、気化器４の温度は１５０℃、改質器６の温度は３５０℃、発電セルの温度は７５０℃、外気温２５℃にそれぞれ固定した条件で行い、発電セル８の温度維持に必要な熱量を算出した。また、発電セル８の発電効率は６０％であり、燃料利用率はＨ_２＝８０％、ＣＯ＝８０％、発電量は２５Ｗとした。発電セル８及び触媒燃焼器９の反応熱量は２９．５Ｗとした。空気の総量は１３３０ｃｃｍで、酸素利用率は５０％とした。また、原燃料はメタノール水であり、液体ポンプ３１により２０．０７ｍｌ／ｍｉｎで気化器４に送られて、当該気化器４でスチーム/カーボン比が２．０の燃料ガスに変換されているものとした。

まず、第１条件として出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂと、流路基板５の空気流路５６との空気分配比を１：１（６６５ｃｃｍずつ）とした場合には、断熱パッケージ１０の内部空間への伝熱量は１３．２Ｗ、改質器６への伝熱量は３．０Ｗ、出力電極２１ａ，２１ｂへの伝熱量は６．１Ｗ、反応ガスの昇温顕熱は７．３Ｗとなり、発電セル８を７５０℃に維持したときに周囲に散逸する熱量は、これらの総和で２９．６Ｗとなった。

次に、第２条件として、出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂと、流路基板５の空気流路５６との空気分配比を１：０とした場合、すなわち、空気流路２２ａ，２２ｂにのみ空気を流すようにした場合には、断熱パッケージ１０の内部空間への伝熱量は１６．３Ｗ、改質器６への伝熱量は３．０Ｗ、出力電極２１ａ，２１ｂへの伝熱量は９．７Ｗ、反応ガスの昇温顕熱は１０．５Ｗとなり、発電セル８を７５０℃に維持したときに周囲に散逸する熱量は、これらの総和で３９．５Ｗとなった。

そして、第３条件として、出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂと、流路基板５の空気流路５６との空気分配比を０：１とした場合、すなわち、空気流路５６にのみ空気を流すようにした場合には、断熱パッケージ１０の内部空間への伝熱量は１０．６Ｗ、改質器６への伝熱量は３．０Ｗ、出力電極２１ａ，２１ｂへの伝熱量は２．１Ｗ、反応ガスの昇温顕熱は１０．５Ｗとなり、発電セル８を７５０℃に維持したときに周囲に散逸する熱量は、これらの総和で２６．２Ｗとなった。

このように、図１４の解析モデルにおいては、出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂと、流路基板５の空気流路５６と、に発電に必要な空気流量１３３０ｃｍｍを半分ずつ導入すると（第１条件）、発電セル８の温度を７５０℃に維持する熱量が、発電セル８及び触媒燃焼器９の反応熱量とほぼ等しくなる。すなわち、電気ヒータ等で余分な熱量を供給しなくとも、発電セル８を７５０℃に維持して運転することができる。また、発電セル８の温度変動が生じた場合には、空気分配比を１：１から変化させることで、発電セル８の温度を調整することができる。発電セル８の温度が所定温度よりも上昇した場合には、出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂに対する分配比率を高めることによって、上記の解析モデルでは最大で９．９Ｗの吸熱による冷却をすることが可能となる。一方、発電セル８の温度が所定温度から低下した場合には、流路基板５の空気流路５６に対する分配比立を高めることによって、上記の解析モデルでは最大で３．４Ｗの発熱による加熱をすることができる。

以下、具体的に分配比調整回路７３による温度調整制御について説明する。なお、初期稼動状態として、出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂと、流路基板５の空気流路５６との空気分配比は１：１で、燃料電池装置１が稼動しているものとする。

分配比調整回路７３は、まず、電気ヒータ兼温度センサ９ａの検出結果から発電セル８の温度を取得する。分配比調整回路７３は、取得した温度と、目標とする温度（所定温度）とを比較して、取得した温度の方が高いときは、出力電極２１ａ，２１ｂ側の分配比率が従前の比率よりも大きくなるように、バルブ駆動回路７２を介してバルブ７１を駆動する。これにより、発電セル８の温度が低下することになる。
また、取得した温度と、目標とする温度（所定温度）とを比較して、取得した温度の方が低いときは、分配比調整回路７３は、流路基板５側の分配比率が従前の比率よりも大きくなるように、バルブ駆動回路７２を介してバルブ７１を駆動する。これにより、発電セル８の温度が上昇することになる。

なお、分配比調整回路７３は、各流量センサ６３，６４の検出結果を基にして、分配比立を調整することが、正確な温度制御を実行するうえで好ましい。

以上のように、出力電極２１ａ，２１ｂの空気流路２２ａ，２２ｂと、流路基板５の空気流路５６との空気分配比が、分配比調整部７０によって調整されるので、従来のようにヒータを稼動させたり、空気ポンプ３２の負担を増大させたりすることなく、発電セル８の温度の調整が可能となる。分配比調整部７０の消費電力は、液体ポンプ３１やヒータの消費電力よりも僅かなものであるため、消費電力の増加を抑えることもできる。

また、流路基板が平板状であって、その厚み方向に積層するように燃料流路５５、空気流路５６及び排出流路５７が形成されているので、各々の流路が流路形状(例えば蛇行流路など)によって互いに干渉することが無いため流路形状の自由度を高めることができる。また、流路間で隣接する面積を大きくすることができるため、効率の良い流体間の熱交換を可能にする。

そして、流路基板５内に触媒燃焼器９が形成されているので、これらを別体に構成するよりも部品点数を削減することが可能となる。

なお、上記実施形態において、流路基板５上に気化器４及び改質器６が設けられているものとしたが、図１５（ａ）に示すように、流路基板５上に気化器４や改質器６が設けられていないものであってもよい。この場合、例えば、気化器４や改質器６が外部に設けられているものであってもよいし、あるいは、燃料容器２より燃料ガスとして水素ガスが供給される構成を備えるものであって気化器４や改質器６を必要としないものであってもよい。

また、上記実施形態においては、アノード出力電極２１ａとカソード出力電極２１ｂの両方に空気流路２２ａ，２２ｂが設けられるものとしたが、本発明はこれに限るものではなく、図１５（ｂ）に示すように、アノード出力電極２１ａ又はカソード出力電極２１ｅの何れか一方にのみ（図１５（ｂ）においてはアノード出力電極２１ａにのみ）に空気流路が設けられるものであってもよく、この場合でも、上記と同等の効果を奏することができる。

＜変形例１＞
なお、上記の実施形態においては、燃料電池部２０における改質器６と対向する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を引き出していたが、例えば図１６、図１７に示すように、アノード出力電極２３ａ及びカソード出力電極２３ｂの折り曲げ部２３ｃ，２３ｄの折り曲げ回数を調節し、燃料電池部２０の略中央付近からアノード出力電極２３ａ及びカソード出力電極２３ｂを引き出してもよい。この場合、空気流路２４ａ，２４ｂと接続される流路８７ａ，８７ｂの構造も適宜変更する。

＜変形例２＞
また、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１８に示すような折り曲げ部２５ｃ，２５ｄを有する三角管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。この場合、空気流路２６ａ，２６ｂと接続される流路８７ａ，８７ｂの構造を適宜変更する。
＜変形例３＞
あるいは、図１９に示すような円管状のアノード出力電極２７ａ及びカソード出力電極２７ｂを用いてもよい。この場合、空気流路２８ａ，２８ｂと接続される流路８７ａ，８７ｂの構造も適宜変更する。

また、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を直角に屈曲させて折り曲げ部２１ｃ，２１ｄを形成していたが、図１９に示すように、折り曲げ部２７ｃ，２７ｄ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２７ｃ，２７ｄ全体に分散させるようにすることができ、アノード出力電極２７ａ及びカソード出力電極２７ｂの応力による破損を抑制することができる。

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。 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。 図４のVII−VII矢視断面図である。 流路基板の下面図である。 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。 アノード出力電極及びカソード出力電極、発電セルのみの構造を示す斜視図である。 図１１のXII−XII矢視断面図である。 各流路（燃料流路、空気流路及び排出流路）の概略構成を示す説明図である。 空気分配比率と、発電セルの温度との関係を導き出すシミュレーションの解析モデルを示す斜視図である。 断熱パッケージと内部構造の他の構成例を示す斜視図である。 変形例１としての断熱パッケージの内部構造を示す斜視図である。 図１６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。 変形例２としての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。 変形例３としての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。

符号の説明

１ 燃料電池装置
４ 気化器
５ 流路基板
６ 改質器
８ 発電セル
９ 触媒燃焼器（燃焼部）
９ａ 電気ヒータ兼温度センサ（温度センサ）
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）
２２ａ，２２ｂ 空気流路（第一の酸化剤用流路）
３２ 空気ポンプ（酸化剤供給部）
５５ 燃料流路
５６ 空気流路（第二の酸化剤用流路）
５７ 排出流路
６３，６４ 流量センサ
７０ 分配比調整部
７１ バルブ
７２ バルブ駆動回路
７３ 分配比調整回路
８０ セルスタック
９０ 筐体
１００ 電子機器

Claims (13)

1. 燃料ガスと酸化剤との電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
   前記酸化剤を前記発電セルに供給するための第一の酸化剤用流路が形成され、前記発電セルの電力を外部に取り出す出力電極と、
   前記酸化剤を前記発電セルに供給するための第二の酸化剤用流路及び前記発電セルにおける発電反応を経た後のオフガスを外部に排出する排出流路が併設された流路基板と、
   前記第一の酸化剤用流路及び前記第二の酸化剤用流路に対して前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
   前記酸化剤供給部から、前記第一の酸化剤用流路に供給する前記酸化剤の流量と、前記第二の酸化剤用流路に供給する前記酸化剤の流量との比からなる酸化剤分配比を調整する分配比調整部とを備えることを特徴とする燃料電池装置。
2. 請求項１記載の燃料電池装置において、
   前記発電セルの温度を検出する温度センサを有し、
   前記分配比調整部は、前記温度センサにより検出された前記発電セルの温度の変化に基づいて、前記酸化剤分配比を調整することを特徴とする燃料電池装置。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池装置において、
   前記第二の酸化剤用流路と前記排出流路とは、前記流路基板の厚み方向に積層するように形成されていることを特徴とする燃料電池装置。
4. 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、
   前記流路基板には、さらに前記燃料ガスを前記発電セルまで案内する燃料流路が形成されていることを特徴とする燃料電池装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
   前記流路基板は、前記発電セルにおける前記発電反応後に該発電セルから排出される未反応の前記燃料ガスを、触媒を介した燃焼反応によって燃焼させる燃焼部をさらに備え、前記排出流路には前記燃焼部による燃焼反応を経た後に残留する未反応の前記燃料ガスが前記オフガスとして流れて、外部に排出されることを特徴とする燃料電池装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池装置において、
   前記発電セルを収容し、内部空間が大気圧より低い気圧とされた断熱容器をさらに備え、
   前記出力電極の一端は該断熱容器の壁面より外部へ引き出されていることを特徴とする燃料電池装置。
7. 請求項６記載の燃料電池装置において、
   前記断熱容器に収容され、原燃料が供給されて前記発電セルに供給する燃料ガスを生成する改質器をさらに備えることを特徴とする燃料電池装置。
8. 請求項７記載の燃料電池装置において、
   前記断熱容器に収容され、前記原燃料を気化して前記燃料ガスを生成する気化器をさらに備えることを特徴とする燃料電池装置。
9. 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燃料電池装置。
10. 燃料ガスと酸化剤との電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、前記酸化剤を前記発電セルに供給するための第一の酸化剤用流路が形成され、前記発電セルの電力を外部に取り出す出力電極と、前記酸化剤を前記発電セルに供給するための第二の酸化剤用流路及び前記発電セルにおける発電反応を経た後のオフガスを外部に排出する排出流路が併設された流路基板と、前記第一の酸化剤用流路及び前記第二の酸化剤用流路に対して前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、前記酸化剤供給部から前記第一の酸化剤用流路に供給する前記酸化剤の流量と前記第二の酸化剤用流路に供給する前記酸化剤の流量との比からなる酸化剤分配比を調整する分配比調整部と、を備える燃料電池装置と、
    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電子機器本体と、を備えることを特徴とする電子機器。
11. 請求項１０記載の電子機器において、
    前記燃料電池装置は前記発電セルの温度を検出する温度センサを有し、
    前記分配比調整部は、前記温度センサにより検出された前記発電セルの温度の変化に基づいて、前記酸化剤分配比を調整することを特徴とする電子機器。
12. 請求項１０又は１１記載の電子機器において、
    前記燃料電池装置における前記流路基板は、前記発電セルにおける前記発電反応後に該発電セルから排出される未反応の前記燃料ガスを、触媒を介した燃焼反応によって燃焼させる燃焼部をさらに備え、前記排出流路には前記燃焼部による燃焼反応を経た後に残留する未反応の前記燃料ガスが前記オフガスとして流れて、外部に排出されることを特徴とする電子機器。
13. 請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の電子機器において、
    前記燃料電池装置は、前記発電セルを収容し、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、前記出力電極の一端は該断熱容器の壁面より外部へ引き出されていることを特徴とする電子機器。

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