JP5228739B2

JP5228739B2 - 反応装置及び電子機器

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Publication number: JP5228739B2
Application number: JP2008245629A
Authority: JP
Inventors: 忠夫山本
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: JP2010076964A

Description

本発明は、反応装置及び電子機器に関する。

燃料電池は燃料の電気化学反応により電力を取り出すものであり、燃料電池の研究・開発が広く行われている。このような燃料電池において、発電に用いる燃料は水素ガスであり、改質型の燃料電池においては、反応装置として、メタノール等の原燃料を改質することでその水素ガスを生成する改質器を備える。なお、反応装置として、改質器の他、改質器の副生成物として発生する一酸化炭素による発電セルの発電特性の低下を防ぐために、一酸化炭素を選択的に酸化して除去する一酸化炭素除去器を有する。

改質器では約３００〜４００℃で水蒸気改質反応が行われ、一酸化炭素除去器では約１１０〜１６０℃で一酸化炭素の選択酸化反応が行われる。この温度を維持するとともに熱効率を向上させるために、反応装置において、改質器や一酸化炭素除去器は断熱容器内に収容される。
このように常温よりも反応温度が高く、かつ、異なる反応温度の複数の反応部を有する化学反応装置には、より高温の反応部からより低温の反応部への熱伝導、または断熱容器への熱伝導により、各反応部の温度を制御する構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１７１８９２号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載される技術であると、各反応部を接続する接続部が外部に露出しているために、その部分でどうしても外部の環境温度の変化の影響を受けてしまい、各反応部の温度が不安定となっていた。反応部の温度が不安定であると、生成される燃料ガスの量も不安定になってしまう。
本発明の課題は、反応部の温度を安定化させることであり、ひいては、反応部において生成される生成物の生成量を安定させることである。

以上の課題を解決するため、本発明の一の態様によれば、
反応物を反応させて生成物を生成する反応部を有する反応装置本体と、
前記反応装置本体を収容する容器と、
前記反応装置本体の一端側に配置されて、前記反応装置本体を支持する基板と、
前記容器を貫通し、前記反応装置本体の一端部と前記基板とを接続する接続部と、
前記基板上において前記反応装置が設けられた面と逆の面上における前記接続部に対応する領域の少なくとも一部に配置されて、前記接続部を加熱する加熱部と、
前記反応装置本体に含まれ、気化した燃料と水との混合ガスの反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記容器の外側に配置され、前記燃料ガスの反応により電力を生成する発電セルと、を備えることを特徴とする反応装置が提供される。
以上の課題を解決するため、本発明の他の態様によれば、
反応物を反応させて生成物を生成する反応部を有する反応装置本体と、
前記反応装置本体を収容する容器と、
前記反応装置本体の一端側に配置されて、前記反応装置本体を支持する基板と、
前記容器を貫通し、前記反応装置本体の一端部と前記基板とを接続する接続部と、
前記基板上において前記反応装置が設けられた面と逆の面上における前記接続部に対応する領域の少なくとも一部に配置されて、前記接続部を加熱する加熱部と、
前記反応部に含まれ、気化した燃料と水との混合ガスの反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記容器の外側に配置され、前記燃料ガスの反応により電力を生成する発電セルと、を備えることを特徴とする反応装置が提供される。

上記反応装置において、好ましくは、前記基板には、前記反応部に対して前記反応物を送るための流路が形成されている。
上記反応装置において、好ましくは、前記加熱部は、前記流路を加熱する。
上記反応装置において、好ましくは、容器は、前記基板に接している。
上記反応装置において、好ましくは、前記接続部には、前記反応部に対して前記反応物を送るための流路又は前記反応部から前記生成物を送るための流路が形成されている。
上記反応装置において、好ましくは、前記反応装置本体には、
前記反応部よりも高い温度で反応物の反応を起こす第２の反応部と、
前記反応部と前記第２の反応部とを連結する連結部とが更に備えられている。
上記反応装置において、好ましくは、前記反応部には、前記反応物の一酸化炭素濃度を低減して燃料ガスを生成する一酸化炭素除去部が含まれる。
上記反応装置において、好ましくは、前記発電セルが、前記基板上に配置されている。
上記反応装置において、好ましくは、前記反応装置本体には、前記改質ガスの反応により電力を生成する前記第２の反応部としての発電セルが更に含まれている。

また、本発明の他の態様によれば、上記反応装置と、前記発電セルによって生成された電力により駆動する電子機器本体とを備える電子機器が提供される。

本発明によれば、加熱部が基板のうち反応装置が設けられた面と逆の面上における接続部に対応する領域の少なくとも一部に配置されているので、この加熱部によって接続部を加熱し、接続部の温度を安定化することができる。これにより、接続部を介して各反応部の温度を安定化して、ひいては、各反応部において生成される生成物の生成量を安定させることが可能となる。

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実施形態に係る電子機器１０００を示すブロック図である。この電子機器１０００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、ゲーム機器等といった携帯型の電子機器である。

電子機器１０００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１００２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００２に接続される二次電池１１０３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００２より電気エネルギーが供給される電子機器本体１００１と、を備える。

燃料電池装置１は本発明に係る反応装置であり、当該燃料電池装置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１００２に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１００２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１００１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二次電池１１０３に充電する機能を有する。これにより電子機器１０００は、燃料電池装置１が動作していない時に、二次電池１１０３に蓄電された電気エネルギーを電子機器本体１００１に供給することができる。

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、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００２に出力する電気エネルギーを生成するものであり、燃料容器２、気化器３、改質器（反応部、第２の反応部）４、一酸化炭素除去器（反応部）５、発電セル７、触媒燃焼器（反応部）８、断熱容器（容器）１０等を備える。

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。燃料容器２内の混合液は、液体ポンプ８２により気化器３に送液される。

気化器３は燃料容器２から送られた混合液を加熱装置（加熱部）３ａ、改質器４及び一酸化炭素除去器５等からの伝熱等により約１１０〜１６０℃程度に加熱し、気化させる。気化器３で気化した混合ガス（生成物、反応物）は改質器４へ送られる。

改質器４は内部に流路が形成され、流路の壁面に触媒が担持されている。改質器４は気化器３から送られる混合ガスを触媒燃焼器８や加熱装置４ａ等からの伝熱等により約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ガス体（改質ガス、生成物、反応物）が生成される。

ここで、原燃料がメタノールの場合、改質器４では主に次式（１）に示すような主反応である水蒸気改質反応が起こる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
なお、化学反応式（１）についで逐次的に起こる次式（２）のような副反応によって、副生成物として一酸化炭素が微量に生成される。この場合、生成される一酸化炭素濃度は反応条件にもよるが、例えば１％程度である。
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ …（２）
上記式（１）及び式（２）の反応によって生成された改質ガスは一酸化炭素除去器５に送出される。

一酸化炭素除去器５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。一酸化炭素除去器５には改質器４で生成された改質ガス及び、外部の空気が送られる。一酸化炭素除去器５は約１１０〜１６０℃程度に維持され、改質ガスのうちの一酸化炭素が触媒により次式（３）のような主反応（選択酸化反応）により優先的に酸化される。これにより主生成物として二酸化炭素が生成され、改質ガス中の一酸化炭素を発電セル７に供給可能な１０ｐｐｍ程度まで低濃度化することができる。
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）
なお、一酸化炭素除去器５は起動時には加熱装置５ａからの伝熱等により、定常運転時には式（３）の反応及び改質器４等からの伝熱等により加熱される。
一酸化炭素除去器５を通過した改質ガスは燃料ガスとして発電セル７に送出される。

改質器４及び一酸化炭素除去器５は、後述する触媒燃焼器８とともに断熱容器１０内に収容されている。

断熱容器１０は、ステンレス（ＳＵＳ３０４）やコバール合金等の金属板や、ガラス基板等により形成された筐体の内壁面に熱線反射膜を形成してなる。断熱容器１０の内部空間は気体分子による熱伝導や対流を防ぐため、例えば１０Ｐａ以下、より好ましくは１Ｐａ以下といった、大気圧より低い気圧に保たれている。

加熱装置３ａ，４ａ，５ａは、薄膜抵抗体であり、電力を消費して熱を発生させるヒーターの役割を果たす。また、温度に依存して電気抵抗が変化するため、抵抗値を計測することで温度計測にも用いられ、温度センサの役割を果たす。

発電セル７は固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜７１と、固体高分子電解質膜７１の両面に形成された燃料極７２（アノード）及び酸素極７３（カソード）と、燃料極７２に改質ガスを供給する燃料供給流路７４ａが設けられた燃料極セパレータ７４と、酸素極７３に酸素を供給する酸素供給流路７５ａが設けられた酸素極セパレータ７５と、が積層されている。

固体高分子電解質膜７１は水素イオンを透過するが、酸素分子や水素分子、電子を通さない性質を有する。
燃料極７２には燃料供給流路７４ａを介して一酸化炭素除去器５から送出された改質ガスが送られる。燃料極７２では改質ガス中の水素による次式（４）のような反応が起こる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）
生成した水素イオンは固体高分子電解質膜７１を透過して酸素極７３に到達する。生成した電子はアノード出力電極７６に供給される。

酸素極７３には、空気が酸素供給流路７５ａを介して送られる。酸素極７３では固体高分子電解質膜７１を透過した水素イオンと、空気中の酸素とカソード出力電極７７より供給される電子とにより、次式（５）に示すように水が生成される。
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（５）
アノード出力電極７６及びカソード出力電極７７は外部回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ１００２と接続されており、アノード出力電極７６に到達した電子はＤＣ／ＤＣコンバータ１００２を通ってカソード出力電極７７に供給される。

触媒燃焼器８は断熱容器１０の内部に設けられ、触媒燃焼器８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。触媒燃焼器８には燃料供給流路７４ａを通過した未反応の改質ガス（オフガス、生成物）及び外部の空気が送られ、改質ガスを酸化する燃焼反応によって改質ガス中に残留する水素が空気により燃焼される。触媒燃焼器８は改質器４と隣接するように設けられ、これにより改質器４における改質反応に用いられる熱量が伝導されやすくなる。なお、触媒燃焼器８に供給する空気の量を調整したり、改質器４の加熱装置４ａで生じる熱量を変化させて、改質器４から触媒燃焼器８への伝熱量を調整することで、供給される反応熱の量が調整される。また、この燃焼反応において水が生成されるため、触媒燃焼器８から排出される排ガスには水が含まれている。

ここで、断熱容器１０、発電セル７、ポンプ群８１及び二次電池１１０３は基板８０上に実装されている。図２は、基板８０に実装される各部を示す斜視図である。基板８０には、断熱容器１０、発電セル７及び二次電池１１０３以外にもポンプ群８１が実装されている。

ポンプ群８１には、燃料容器２から気化器３に混合液を供給する液体ポンプ８２、一酸化炭素除去器５に酸化剤としての空気を送る第１空気ポンプ８３と、触媒燃焼器８に空気を送る第２空気ポンプ８４と、発電セル７の酸素供給流路７５ａに空気を送る第３空気ポンプ８５とが備えられている（図１参照）。

また、基板８０には、複数の流路プレートを積層して形成されたものである。流路プレートは、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルホン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等といった樹脂基板（例えば、厚さ１００〜３００μｍ）の表面に銅等の金属箔（例えば、厚さ１８μｍ）を成膜し、その金属膜をエッチングにより形状加工することで配線パターンを形成したものである。これら流路プレートを積み重ねて一括で熱融着することで基板８０が構成される。基板８０の層間の電気的な接続は、スルーホールやバイア（Ｖｉａ）によって実現される。ＰＥＥＫは結晶性のエンジニアリングプラスチックであり、アウトガスや金属イオンの溶出が極めて少なく、その連続使用温度が２６０℃である。ＰＥＥＫはガス透過性もＰＳ（ポリスチレン）やＰＣ（ポリカーボネート）の１０００分の１〜１００分の１程度であり、液体が流れる流路を形成するのに適している。

この流路プレートによって、基板８０の内部には各部間を連通する複数の流路が配設されている。基板８０内に配設される流路には、燃料容器２と改質器４とを連通する第１流路（流路）８０１、第１空気ポンプ８３と一酸化炭素除去器５とを連通する第２流路（流路）８０２、一酸化炭素除去器５と発電セル７とを連通する第３流路（流路）８０３、連結部８６を介して触媒燃焼器８と第２空気ポンプ８４とを連通する第４流路（流路）８０４の一部、連結部８６を介して発電セル７と触媒燃焼器８とを連通する第５流路（流路）８０５の一部、連結部８６を介して触媒燃焼器８と外部とを連通する第６流路（流路）８０６の一部等が含まれている。

図３は断熱容器１０と基板８０とを示す概略断面図である。この図３に示すように、断熱容器１０の内部には、断熱容器１０の内壁面との間に隙間をあけて反応装置本体３０が設けられている。反応装置本体３０は、改質器４、一酸化炭素除去器５、触媒燃焼器８及び連結部８６を有する。改質器４と一酸化炭素除去器５とは連結部８６によって連結されている。連結部８６内には、第４流路８０４、第５流路８０５及び第６流路８０６それぞれの残りの部分と改質器４で生成された改質ガスを一酸化炭素除去器５に供給するための第７流路（流路）８０７とが形成されている。

図３に示すように、基板８０は改質器４、一酸化炭素除去器５及び触媒燃焼器８の下端側（一端側）に配置されていてこれらを支持している。反応装置本体３０のうち一酸化炭素除去器５と基板８０とは接続部８８により接続されている。接続部８８は、断熱容器１０を貫通していて、その内部には、第１流路８０１〜第６流路８０６が配設されている。なお、図３においては、第２流路８０２、第４流路８０４及び第６流路８０６の図示を省略している。

また、接続部８８における第１流路８０１内部には、加熱装置３ａが配置されており、この第１流路８０１を通過する混合液が加熱装置３ａによって気化されるようになっている。つまり、この部分が上記の気化器３として機能する。なお、ここでは、気化器３が接続部８８内に配置される例を示しているが、気化器３を断熱容器１０内に配置してもよい。

図４は、基板８０の裏面側を示す裏面図である。この図４に示すように、基板８０の裏面には、本発明に係る加熱部としての加熱装置１１が設けられている。加熱装置１１は、上記した加熱装置３ａ，４ａ，５ａと同様に、薄膜抵抗体であり、電力を消費して熱を発生させ、接続部８８を加熱するヒータの役割を果たす。また、温度に依存した電気抵抗が変化するため、抵抗値を計測することで温度計測にも用いられ、温度センサの役割を果たす。この加熱装置１１は、二次電池１１０３に接続されている。また、加熱装置１１は、基板８０のうち反応装置本体３０が設けられた面と逆の面上における接続部８８に対応する領域に配設されている。なお、接続部８８を加熱することができるのであれば、加熱装置１１が接続部８８の全体に対応していなくとも、その一部に対応していればよい。

次に、燃料電池装置１の動作について説明する。
まず、加熱装置３ａ，４ａ，５ａを駆動し、気化器３、改質器４及び一酸化炭素除去器５を動作温度まで加熱する。これに伴って、加熱装置１１も駆動して基板８０及び接続部８８を加熱する。
次に、液体ポンプ８２を駆動し、燃料容器２内の混合液を気化器３に送出するとともに、第１空気ポンプ８３、第２空気ポンプ８４、第３空気ポンプ８５を駆動し、一酸化炭素除去器５、発電セル７の酸素供給流路７５ａ、触媒燃焼器８に外部の空気を送出する。

混合液は気化器３で気化され、改質器４で改質され、一酸化炭素除去器５で一酸化炭素を除去された後、発電セル７の燃料供給流路７４ａに送出される。そして、発電セル７に送出された改質ガス及び空気による化学反応式（５），（６）の電気化学反応により、電力が取り出される。

ここで、接続部８８を加熱する加熱装置１１がない場合における温度分布について説明する。加熱装置４ａによって改質器４が所定の温度Ｔ１（例えば３７５℃）に調整されていると、図３に示すように熱量Ｑ１が連結部８６を介して一酸化炭素除去器５に移動する。その熱量Ｑ１のうち、熱量Ｑ２は一酸化炭素除去器５の昇温に用いられ、残りの熱量Ｑ３は断熱容器１０及び基板８０に移動する。連結部８６の長さ、伝熱断面積、材料の熱伝導率及び各流路８０１〜８０６の長さ、伝熱断面積、材料の熱伝導率で決まる熱平衡状態になると移動熱量Ｑ２はゼロになり温度Ｔ２で安定する。この状態ではＱ１＝Ｑ３になり、外部への伝熱は、断熱容器１０に伝熱する熱量Ｑ４と基板８０に伝熱する熱量Ｑ５に分散される。熱平衡状態ではＴ４≒Ｔ５になるため、基板８０の温度によって移動熱量Ｑ３が決まり、その結果一酸化炭素除去器５の温度Ｔ２が決まってしまう。つまり、外部の環境温度が変化した場合、環境温度に応じて基板８０の温度も変化する。これによって一酸化炭素除去器５の温度Ｔ２が変動してしまい、一酸化炭素除去器５において安定的に一酸化炭素を除去することができなくなる。これによって一酸化炭素濃度が例えば１０ｐｐｍ以上となると、発電セル７の燃料極７２を被毒してしまうことになる。

次に、上記したように加熱装置１１が基板８０及び接続部８８を加熱する場合における温度分布について説明する。まず、基板８０の温度が７０℃〜８０℃のときに、一酸化炭素除去器５の温度Ｔ２がその動作温度になるように、連結部８６や接続部８８内の各流路８０１〜８０６の寸法や物性を予め決定し、設計しておく。そして、上述の熱平衡状態においては、基板８０及び接続部８８が７０℃〜８０℃になるように、加熱装置１１によって基板８０及び接続部８８を加熱する。これによって、外部の環境温度が変化した場合であっても、一酸化炭素除去器５の温度Ｔ２をその動作温度を維持することができる。

ここで、固体高分子型燃料電池である発電セル７の最適動作温度は７０℃〜８０℃であるが、反応装置本体３０側から発電セル７側に移動する改質ガスは接続部８８を通過する際に加熱装置１１によって７０℃〜８０℃の温度に調整される。加熱装置１１が設けられていない場合、第３流路内を流れる間に、改質ガスの温度が例えば室温といった外部の環境温度により降下してしまう。従って、発電セル７における改質ガスが供給される領域の温度が、他の領域の温度と比べて低下し、発電セル７全体を一様な温度に維持することが困難となり、ひいては、発電セル７における発電効率が低下するおそれがある。しかしながら、加熱装置１１を設けたことにより、改質ガスの温度を発電セル７の動作温度と同程度である７０℃〜８０℃に調整してから、改質ガスを発電セル７に供給することができるので、発電セル７の一領域の温度を供給される改質ガスによって降下させること抑制し、ひいては、本実施形態の燃料電池装置１の発電セル７における発電効率が低下することを抑制することができる。

また、システム起動時には、各部が動作温度以下となっている。このような起動時においても、加熱装置１１によって基板８０及び接続部８８の温度がそれぞれ７０℃〜８０℃となるように調整することができ、安定して一酸化炭素除去器５をその動作温度に維持することが可能となる。

そして、反応装置本体３０側で生成された改質ガスは、第３流路８０３を通過して発電セル７に供給されるが、基板８０の温度が室温近傍であると改質ガス中の水蒸気が第３流路８０３内で結露してしまう。さらに、オフガス燃焼用の未反応の水素ガスも発電セル７から第５流路８０５を通過して反応装置本体３０側に供給されるが、この場合においても基板８０の温度が室温付近であると第５流路８０５内で結露してしまい、各流路８０３，８０５内に水滴が存在することによって圧力損失が増大してしまうという問題がある。しかしながら、基板８０及び接続部８８が加熱装置１１によって加熱し、各流路８０１〜８０６が７０℃〜８０℃の温度に調整することによって、流路８０３，８０５内における結露が生じることを抑制し、これにより各流路８０３，８０５における圧力損失が増大することを抑制することができる。

以上のように、本実施形態によれば、加熱装置１１が基板８０のうち反応装置本体３０が設けられた面と逆の面上における接続部８８に対応する領域の少なくとも一部に配置されていて、この加熱装置１１によって基板８０及び接続部８８が加熱されるので、外部の環境温度による影響を抑制し、基板８０及び接続部８８の温度を安定化することができる。また、接続部８８を介した伝熱により基板８０上に接続された改質器４、一酸化炭素除去器５及び触媒燃焼器８の温度も安定化することができるため、各反応部において生成される生成物の生成量を安定させることが可能となる。特に、接続部８８と直接接続された一酸化炭素除去器５の温度を安定化することができるので、外部の環境温度が変化した場合であっても、環境温度に応じて一酸化炭素除去器５の温度が変化することを抑制し、一酸化炭素除去器５において安定的に一酸化炭素を除去することができる。

また、加熱装置１１は、基板８０に形成された流路８０１〜８０６を加熱するので、各流路８０１〜８０６内を通過する通過物をも加熱することができる。特に、上述したようにこれらの流路８０１〜８０６が接続部８８内に形成されていれば、各通過物を効率的に加熱することができる。

さらに、接続部８８に気化器３が設けられているので、気化器３から改質器４に供給される混合ガスも加熱装置１１によって加熱されることになり、混合ガスが外部の環境温度の影響を受けることを抑制することができる。

また、基板８０のうち反応装置本体３０が設けられた面と逆の面上における接続部８８に対応する領域に、加熱装置１１が配設されているので、接続部８８が外部の環境温度に影響されて温度変化を生じてしまうことを抑制することができる。さらに、断熱容器１０に基板８０が接しているために、基板８０の表面が外部に露出する面積を小さくすることができ、基板８０が外部の環境温度に影響されて温度変化を生じてしまうことを抑制することができる。

また、接続部８８は、断熱容器１０内において一酸化炭素除去器５と直接接続され、一酸化炭素除去器５は、連結部８６を介して改質器４及び触媒燃焼器８と連結されているので、接続部８８の温度を調整することによって、改質器４、触媒燃焼器８及び一酸化炭素除去器５が外部の環境温度に影響されて温度変化しまうことをも抑制することができる。特に、一酸化炭素除去器５の温度変化を抑制することによって、一酸化炭素除去器において安定的に一酸化炭素を除去することができ、ひいては、発電セル７に供給される改質ガス中の一酸化炭素濃度が例えば１０ｐｐｍ以上と高濃度になって、発電セル７の燃料極７２を被毒してしまうことを抑制することができる。

そして、発電セル７が断熱容器１０の外側に配置されるとともに、基板８０上に配置されているので、発電セル７の温度が改質器４や一酸化炭素除去器５、触媒燃焼器８の温度によって影響を受けることを抑制することができる。

〔第２実施形態〕
第１実施形態では発電セル７が固体高分子型燃料電池である場合を例示して説明したが、この第２実施形態では発電セルが固体酸化物型燃料電池である場合を例示して説明する。なお、以下の説明において第１実施形態と同一の部分は同一の符号を付してその説明を省略する。

図５は燃料電池装置１Ａを搭載した携帯用の電子機器２０００を示すブロック図である。この電子機器２０００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２０００は、電子機器本体１００１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００２、二次電池１１０３等と、燃料電池装置１Ａとを備える。
この燃料電池装置１は、燃料容器２、液体ポンプ８２、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、液体ポンプ８２、断熱容器１０は、例えば電子機器１００の本体に内蔵されている。

断熱容器１０内には気化器３、改質器４、発電セル（反応部、第２の反応部）１２及び触媒燃焼器８が収容されている。断熱容器１０内は内部空間が例えば１０Ｐａ以下といった大気圧より低い気圧に保たれている。
気化器３、改質器４、触媒燃焼器８にはそれぞれ加熱装置３ａ，４ａ，８ａが設けられている。加熱装置３ａ，４ａ，８の電気抵抗値は温度に依存するので、この加熱装置３ａ，４ａ，８ａが気化器３、改質器４、触媒燃焼器８の温度を測定する温度センサとしても機能する。

液体ポンプ８２から気化器３に送られた混合液は加熱装置３ａの熱や触媒燃焼器８から伝播した熱により約１１０〜１６０℃程度に加熱され、気化する。気化器３で気化した混合ガス（生成物、反応物）は改質器４へ送られる。

改質器４において上述の式（１）及び式（２）の反応によって生成された改質ガス（生成物、反応物）は発電セル１２に送出される。
図６は発電セル１２の模式図である。図６では、触媒燃焼器８は図示を省略している。図６に示すように、発電セル１２は、固体酸化物型電解質１２１と、固体酸化物型電解質１２１の両面に形成された燃料極１２２（アノード）及び空気極１２３（カソード）と、燃料極１２２に接合してその接合面に流路１２６を形成したアノード集電極１２４と、空気極１２３に接合してその接合面に流路１２７を形成したカソード集電極１２５とを備える。また、発電セル１２は筐体９１内に収容される。さらに、発電セル１２を加熱するために、アノード集電極１２４上における流路１２６の内部及びカソード集電極１２５上における流路１２７の内部には、薄膜抵抗体である加熱装置１２８，１２９が、図示しない絶縁膜を介してそれぞれ設けられている。

固体酸化物型電解質１２１には、ジルコニア系の（Ｚｒ_１−ｘＹ_ｘ）Ｏ_{２−ｘ／２}（ＹＳＺ）等を、空気極１２３にはＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３（ＬＳＭ）やＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３（ＬＳＣ）等を、燃料極１２２にはＮｉ＋ＹＳＺ等を、アノード集電極１２４及びカソード集電極１２５にはＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ_３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ_３、ＮｉＡｌ＋Ａｌ_３Ｏ_３等を、それぞれ用いることができる。

発電セル１２は加熱装置８ａや触媒燃焼器８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。

空気極１２３にはカソード集電極１２５の流路１２７を介して空気が送られる。空気極１２３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（６）に示すように酸素イオンが生成される。

Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｏ_２ ⁻ …（６）

固体酸化物型電解質１２１は酸素イオンの透過性を有し、空気極１２３で化学反応式（６）により生成された酸素イオンを透過させて燃料極１２２に到達させる。
燃料極１２２にはアノード集電極１２４の流路１２６を介して改質器４から排出された改質ガスが送られる。空気極１２３では固体酸化物型電解質１２１を透過した酸素イオンと改質ガスとの次式（７）、（８）のような反応が起こる。

Ｈ_２＋Ｏ_２ ⁻→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（７）
ＣＯ＋Ｏ_２ ⁻→ＣＯ_２＋２ｅ⁻ …（８）

化学反応式（７）、（８）により放出される電子は、燃料極１２２、アノード出力電極２１ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００２等の外部回路を経てカソード出力電極２１ｂより空気極１２３に供給される。

アノード集電極１２４及びカソード集電極１２５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９１を貫通して引き出される。ここで、筐体９１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９１から絶縁されて引き出される。図５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１００２に接続される。

アノード集電極１２４の流路を通過した未反応の水素を含む改質ガス（オフガス、生成物）は、触媒燃焼器８に供給される。オフガスと空気の混合気体（燃焼ガス、反応物）は触媒燃焼器８の流路を流れ、加熱装置８ａにより加熱される。触媒燃焼器８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８から断熱容器１０の外部に放出される。また、排ガスは燃焼反応において生成される水蒸気を含んでおり、水蒸気のうち一部は凝集されて、水回収器１４において凝集された水が回収される。一部の水が凝集された残りの排ガスは、燃料電池装置１Ａの外部に排出される。

この触媒燃焼器８で発生した燃焼熱は発電セル１２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１２の熱は、改質器４、気化器３に伝導し、気化器３における混合液の気化、改質器４における水蒸気改質反応に用いられる。

ここで、断熱容器１０、水回収器１４、ポンプ群８１及び二次電池１１０３は基板８０Ａ上に実装されている。図７は、基板８０Ａに実装される各部を示す斜視図である。

ポンプ群８１には、燃料容器２から気化器３に混合液を供給する液体ポンプ８２、発電セル１２に空気を送る空気ポンプ（図示省略）が備えられている。

また、基板８０Ａの内部には各部間を連通する複数の流路が配設されている。基板８０Ａ内に配設される流路には、液体ポンプ８２と気化器３とを連通する第１流路（流路）８０１ａ、空気ポンプと発電セル１２とを連通する第２流路（流路）８０２ａ、水回収器１４を介して発電セル１２と外部とを連通する第３流路（流路）８０３ａ等が含まれている。

図８は断熱容器１０と基板８０とを示す概略断面図である。この図８に示すように、断熱容器１０の内部には、断熱容器１０の内壁面との間に隙間をあけて反応装置本体３０Ａが設けられている。反応装置本体３０Ａは、気化器３、改質器４、発電セル１２、触媒燃焼器８、第１連結部１５及び第２連結部１６を有する。気化器３と改質器４とは第１連結部（連結部）１５によって連結されていて、第１連結部１５には気化器３で生成された混合ガスを改質器４に供給する流路が形成されている。また、改質器４と発電セル１２とは第２連結部（連結部）１６によって連結されていて、第２連結部１６には改質器４で生成された改質ガスを発電セル１２に供給する流路が形成されている。また、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂは、基板８０Ａ上の電極（図示省略）を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１００２に接続されている。尚、第１連結部１５及び第２連結部１６には、発電セルのオフガスを水回収器１４に供給する流路もそれぞれ形成されている。

また、基板８０Ａは反応装置本体３０Ａの下端側（一端側）に配置されていて、気化器３、改質器４及び発電セル１２を支持している。反応装置本体３０Ａのうち気化器３と、基板８０Ａとは接続部８８Ａにより接続されている。接続部８８Ａは、断熱容器１０を貫通していて、その内部には、第１流路８０１ａ〜第３流路８０３ａが配設されている。なお、図８においては、第２流路８０２ａ、第３流路８０３ａの図示を省略している。

図９は、基板８０Ａの裏面側を示す裏面図である。この図９に示すように、基板８０Ａの裏面には、本発明に係る加熱部としての加熱装置１１が設けられている。加熱装置１１は、二次電池１１０３に接続されている。また、加熱装置１１は、基板８０Ａのうち反応装置本体３０Ａが設けられた面と逆の面上における接続部８８Ａに対応する領域に配設されている。

以上のように、本実施形態によれば、加熱装置１１が基板８０Ａのうち反応装置本体３０Ａが設けられた面と逆の面上における接続部８８Ａに対応する領域の少なくとも一部に配置されていて、この加熱装置１１によって基板８０Ａ及び接続部８８Ａが加熱されるので、固体酸化物型燃料電池を用いる場合においても、外部の環境温度が変化した場合であっても、基板８０Ａ及び接続部８８Ａの温度を安定化することができる。これにより、接続部８８Ａを介して基板８０Ａに接続された気化器３、改質器４及び発電セル１２の温度も安定化することができるため、各反応部において生成される生成物の生成量を安定させることが可能となる。

第１の実施形態に係る燃料電池装置を搭載した電子機器を示すブロック図である。図１の燃料電池装置に備わる基板に実装される各部を示す斜視図である。図２の基板と断熱容器とを示す概略断面図である。図３の基板の裏面側を示す裏面図である。第２の実施形態に係る燃料電池装置を搭載した電子機器を示すブロック図である。図５の燃料電池装置に備わる発電セルの模式図である。図５の燃料電池装置に備わる基板に実装される各部を示す斜視図である。図７の基板と断熱容器とを示す概略断面図である。図８の基板の裏面側を示す裏面図である。

符号の説明

１燃料電池装置（反応装置）
２燃料容器
３気化器（気化部）
４改質器（反応部、第２の反応部）
５一酸化炭素除去器（反応部）
７発電セル
８触媒燃焼器（反応部）
１０断熱容器（容器）
１１加熱装置（加熱部）
１２発電セル（反応部、第２の反応部）
１５第１連結部（連結部）
１６第２連結部（連結部）
３０，３０Ａ反応装置本体
８０基板
８１ポンプ群
８６連結部
８８接続部
８０１，８０１ａ第１流路（流路）
８０２，８０２ａ第２流路（流路）
８０３，８０３ａ第３流路（流路）
８０４第４流路（流路）
８０５第５流路（流路）
８０６第６流路（流路）
８０７第７流路（流路）
１０００電子機器

Claims

反応物を反応させて生成物を生成する反応部を有する反応装置本体と、
前記反応装置本体を収容する容器と、
前記反応装置本体の一端側に配置されて、前記反応装置本体を支持する基板と、
前記容器を貫通し、前記反応装置本体の一端部と前記基板とを接続する接続部と、
前記基板上において前記反応装置が設けられた面と逆の面上における前記接続部に対応する領域の少なくとも一部に配置されて、前記接続部を加熱する加熱部と、
前記反応装置本体に含まれ、気化した燃料と水との混合ガスの反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記容器の外側に配置され、前記燃料ガスの反応により電力を生成する発電セルと、を備えることを特徴とする反応装置。
反応物を反応させて生成物を生成する反応部を有する反応装置本体と、
前記反応装置本体を収容する容器と、
前記反応装置本体の一端側に配置されて、前記反応装置本体を支持する基板と、
前記容器を貫通し、前記反応装置本体の一端部と前記基板とを接続する接続部と、
前記基板上において前記反応装置が設けられた面と逆の面上における前記接続部に対応する領域の少なくとも一部に配置されて、前記接続部を加熱する加熱部と、
前記反応部に含まれ、気化した燃料と水との混合ガスの反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質部と、
前記容器の外側に配置され、前記燃料ガスの反応により電力を生成する発電セルと、を備えることを特徴とする反応装置。
請求項１又は２記載の反応装置において、
前記基板には、前記反応部に対して前記反応物を送るための流路が形成されていることを特徴とする反応装置。
請求項３記載の反応装置において、
前記加熱部は、前記流路を加熱することを特徴とする反応装置。
請求項４記載の反応装置において、
前記容器は、前記基板に接していることを特徴とする反応装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記接続部には、前記反応部に対して前記反応物を送るための流路又は前記反応部から前記生成物を送るための流路が形成されていることを特徴とする反応装置。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応装置本体には、
前記反応部よりも高い温度で反応物の反応を起こす第２の反応部と、
前記反応部と前記第２の反応部とを連結する連結部とが更に備えられていることを特徴とする反応装置。
請求項７に記載の反応装置において、
前記反応部には、前記反応物の一酸化炭素濃度を低減して燃料ガスを生成する一酸化炭素除去部が含まれることを特徴とする反応装置。
請求項１に記載の反応装置において、
前記発電セルが、前記基板上に配置されていることを特徴とする反応装置。
請求項２に記載の反応装置において、
前記発電セルが、前記反応装置本体に含まれていることを特徴とする反応装置。
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の反応装置と、
前記発電セルによって生成された電力により駆動する電子機器本体とを備えることを特とする電子機器。