(57)【要約】 【課題】低温反応部と、低温反応部よりも高温で反応する高温反応部とを備える反応装置において、システム効率の低下を抑制する。【解決手段】反応装置には、低温反応部と、低温反応部よりも高温で反応する高温反応部と、低温反応部と前記高温反応部とを連結する連結部と、一端部が低温反応部と熱伝導可能な第一の位置と接離可能に設けられ、他端部が高温反応部と熱伝導可能な第二の位置に固定された熱伝導部材とが設けられている。熱伝導部材は、高温反応部の温度が高温反応部の反応温度よりも低い一の所定温度よりも低い温度であるときに、一端部が第一の位置から離間し、高温反応部の温度が前記一の所定温度以上であるときに、一端部が第一の位置と接触する。【選択図】図２
2010150074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温反応部と、
前記低温反応部よりも高温で反応する高温反応部と、
前記低温反応部と前記高温反応部とを連結する連結部と、
一端部が前記低温反応部と熱伝導可能な第一の位置と接離可能に設けられ、他端部が前記高温反応部と熱伝導可能な第二の位置に固定された熱伝導部材とを備え、
前記熱伝導部材は、前記高温反応部の温度が前記高温反応部の反応温度よりも低い一の所定温度よりも低い温度であるときに、一端部が前記第一の位置から離間し、前記高温反応部の温度が前記一の所定温度以上であるときに、前記一端部が前記第一の位置と接触することを特徴とする反応装置。
【請求項２】
請求項１記載の反応装置において、
前記低温反応部を加熱する第一の加熱手段及び前記高温反応部を加熱する第二の加熱手段を更に備えることを特徴とする反応装置。
【請求項３】
請求項１記載の反応装置において、
前記低温反応部及び前記高温反応部が搭載された基板を更に備え、
前記基板は、
前記低温反応部が搭載された第一の基板領域と、
前記高温反応部が搭載された第二の基板領域と、
前記第一の基板領域と前記第二の基板領域とを連結する、前記連結部としての連結領域とを含むことを特徴とする反応装置。
【請求項４】
請求項３記載の反応装置において、
前記熱伝導部材の前記一端部は、前記第一の基板領域に対して接離可能であることを特徴とする反応装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の反応装置において、
前記基板のうち前記第一の基板領域は、前記低温反応部を加熱する第一の加熱手段を有し、
前記基板のうち前記第二の基板領域は、前記高温反応部を加熱する第二の加熱手段を有していることを特徴とする反応装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記連結領域に形成され、前記低温反応部で生成された第一の生成物が流れる第一の流路と、
前記連結領域に形成され、前記高温反応部で生成された第二の生成物が流れる第二の流路とを有することを特徴とする反応装置。
【請求項７】
請求項２、５及び６のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記第一の加熱手段及び前記第二の加熱手段は、電熱材からなることを特徴とする反応装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記熱伝導部材の前記一端部は、前記低温反応部に対して接離可能であることを特徴とする反応装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記熱伝導部材の前記他端部は、前記高温反応部又は前記高温反応部と接触する支持部材のいずれか一方に固定されていることを特徴とする反応装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記低温反応部、前記高温反応部、前記連結部及び前記熱伝導部材を内部に収容する断熱容器をさらに備えることを特徴とする反応装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記低温反応部は、原燃料と水から燃料を生成する改質器であり、
前記高温反応部は、前記燃料に含まれる水素と酸素との反応により電力を生成する発電セルであることを特徴とする反応装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の反応装置において、
前記発電セルは固体酸化物型燃料電池又は炭酸溶融塩型燃料電池であることを特徴とする反応装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の反応装置において、
単位時間当たりにおける、前記低温反応部と前記高温反応部との間の前記熱伝導部材を介した伝熱量が、前記連結部を介した伝熱量よりも大きいことを特徴とする反応装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の反応装置に備わる熱伝導部材であって、
前記低温反応部の温度が前記高温反応部の反応温度よりも低い一の所定温度以上であるときの形状が、前記一の所定温度よりも低い温度であるときの形状に対して湾曲することにより、前記一端部が前記第一の位置に配置されることを特徴とする熱伝導部材。
【請求項１５】
請求項１４記載の熱伝導部材において、
タンタル層と銅層とを含むバイメタル構造であることを特徴とする熱伝導部材。
【請求項１６】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の反応装置に備わる熱伝導部材であって、
前記高温反応部の温度が前記高温反応部の反応温度よりも低い一の所定温度以上であるときの形状が、前記一の所定温度よりも低い温度であるときの形状に対して伸張することにより、前記一端部が前記第一の位置に配置されることを特徴とする熱伝導部材。
【請求項１７】
原燃料及び水を気化する蒸発器と、気化された原燃料と水から水素を含む燃料を生成する改質器と、前記燃料に含まれる水素と酸素との反応により電力を生成し未反応の水素を含むオフガスを生成する発電セルと、前記発電セルから送られるオフガスを含む燃焼ガス燃焼する燃焼器と、前記改質器と前記発電セルとを連結する連結部と、一端部が前記改質器と熱伝導可能な第一の位置と接離可能に設けられ、他端部が前記発電セルと熱伝導可能な第二の位置に固定された熱伝導部材と、前記蒸発器を加熱する第三の加熱手段と、前記改質器を加熱する第一の加熱手段と、前記発電セルを加熱する第二の加熱手段と、前記蒸発器に原燃料を送る燃料ポンプと、前記燃料ポンプと前記蒸発器との間に設けられた第一のバルブと、前記蒸発器に水を送る水ポンプと、前記水ポンプと前記蒸発器との間に設けられた第二のバルブと、を備える反応装置の制御部であって、
前記反応装置の起動時に、前記熱伝導部材が前記第一の位置から離間した状態のままで、前記蒸発器を前記第三の加熱手段により加熱して前記蒸発器の温度を前記蒸発器の反応温度まで昇温するとともに、前記改質器を前記第一の加熱手段により加熱して前記改質器の温度を前記改質器の反応温度まで昇温し、
次いで、前記発電セルを前記第二の加熱手段により加熱して前記発電セルの温度を前記発電セルの反応温度よりも低い一の所定温度まで昇温し、
次いで、前記第一のバルブを開状態とし前記燃料ポンプを駆動して原燃料を前記蒸発器に送るとともに前記第二のバルブを開状態とし前記水ポンプを駆動して水を前記蒸発器に送り、気化された原燃料及び水をもとに前記改質器で生成された燃料が前記燃焼器で燃焼されて生じる燃焼熱により前記発電セルを昇温することで、前記熱伝導部材を変形させて前記一端部を前記第一の位置と接触させることを特徴とする反応装置の制御部。
【請求項１８】
請求項１７記載の反応装置の制御部において、
前記第一乃至第三の加熱手段は、電熱材からなることを特徴とする反応装置の制御部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応装置、熱伝導部材及び反応装置の制御部に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料から水素を生成する改質器といった反応部を含む反応装置としては、異なる温度でそれぞれ反応を行う複数の反応部と、両端部がそれぞれ別の反応部に固定された熱伝導部材とを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。上記従来の反応装置は、熱伝導部材の熱伝導率を変更する伝熱量調整機構が設けられている。伝熱量調整機構は、熱伝導部材に連結された複数の反応部のうち、より低温で反応が行われる低温反応部が所定温度よりも低い場合には、他方のより高温で反応が行われる高温反応部から低温反応部へ移動する熱量を大きくする。また、伝熱量調整機構は、低温反応部が所定温度よりも高い場合には高温反応器から低温反応器へ移動する熱量を小さくする。
【特許文献１】特開２００８−９１０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記従来の反応装置を起動する際は、まず、低温反応部に形成された電気ヒーターへの通電により、低温反応部をその動作温度まで上昇する必要がある。しかしながら、上記従来の反応装置の熱伝導部材を用いると、反応装置の起動時に、低温反応部が所定温度より低い場合、低温反応部から高温反応部に伝熱しやすい状態になるため、低温反応部をその反応温度まで昇温するための時間が長くなったり、低温反応部の電気ヒーターへの通電のために必要以上に電力を消費してしまい、システム効率が低下するという問題があった。
一方、反応装置の起動時における上述の伝熱量を抑えるべく、発電セルと改質器との間の熱伝導量を固定的に小さくすると、反応装置の定常運転時には高温反応部から低温反応部への伝熱量が不足することがある。この不足を補うため、低温反応部を加熱するための電力を消費しなければならず、システム効率低下の一因となってしまう。
このような実状に鑑み、本発明の課題は、低温反応部と、低温反応部よりも高温で反応する高温反応部とを備える反応装置において、システム効率の低下を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
以上の課題を解決するため、本発明の一の態様によれば、
低温反応部と、
前記低温反応部よりも高温で反応する高温反応部と、
前記低温反応部と前記高温反応部とを連結する連結部と、
一端部が前記低温反応部と熱伝導可能な第一の位置と接離可能に設けられ、他端部が前記高温反応部と熱伝導可能な第二の位置に固定された熱伝導部材とを備え、
前記熱伝導部材は、前記高温反応部の温度が前記高温反応部の反応温度よりも低い一の所定温度よりも低い温度であるときに、一端部が前記第一の位置から離間し、前記高温反応部の温度が前記一の所定温度以上であるときに、前記一端部が前記第一の位置と接触することを特徴とする反応装置が提供される。
【０００５】
上記反応装置において、好ましくは、前記低温反応部を加熱する第一の加熱手段及び前記高温反応部を加熱する第二の加熱手段を更に備える。
上記反応装置において、好ましくは、前記低温反応部及び前記高温反応部が搭載された基板を更に備え、
前記基板は、
前記低温反応部が搭載された第一の基板領域と、
前記高温反応部が搭載された第二の基板領域と、
前記第一の基板領域と前記第二の基板領域とを連結する、前記連結部としての連結領域とを含む。
上記反応装置において、好ましくは、前記熱伝導部材の前記一端部は、前記第一の基板領域に対して接離可能である。
上記反応装置において、好ましくは、前記基板のうち前記第一の基板領域は、前記低温反応部を加熱する第一の加熱手段を有し、
前記基板のうち前記第二の基板領域は、前記高温反応部を加熱する第二の加熱手段を有している。
上記反応装置において、好ましくは、前記連結領域に形成され、前記低温反応部で生成された第一の生成物が流れる第一の流路と、
前記連結領域に形成され、前記高温反応部で生成された第二の生成物が流れる第二の流路とを有する。
上記反応装置において、好ましくは、前記第一の加熱手段及び前記第二の加熱手段は、電熱材からなる。
上記反応装置において、好ましくは、前記熱伝導部材の前記一端部は、前記低温反応部に対して接離可能である。
上記反応装置において、好ましくは、前記熱伝導部材の前記他端部は、前記高温反応部又は前記高温反応部と接触する支持部材のいずれか一方に固定されている。
上記反応装置において、好ましくは、前記低温反応部、前記高温反応部、前記連結部及び前記熱伝導部材を内部に収容する断熱容器をさらに備える。
上記反応装置において、好ましくは、前記低温反応部は、原燃料と水から燃料を生成する改質器であり、
前記高温反応部は、前記燃料に含まれる水素と酸素との反応により電力を生成する発電セルである。
上記反応装置において、好ましくは、前記発電セルは固体酸化物型燃料電池又は炭酸溶融塩型燃料電池である。
上記反応装置において、好ましくは、単位時間当たりにおける、前記低温反応部と前記高温反応部との間の前記熱伝導部材を介した伝熱量が、前記連結部を介した伝熱量よりも大きい。
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明の他の態様によれば、上記反応装置に備わる熱伝導部材であって、
前記低温反応部の温度が前記高温反応部の反応温度よりも低い一の所定温度以上であるときの形状が、前記一の所定温度よりも低い温度であるときの形状に対して湾曲することにより、前記一端部が前記第一の位置に配置されることを特徴とする熱伝導部材が提供される。
【０００７】
上記熱伝導部材において、好ましくは、タンタル層と銅層とを含むバイメタル構造である。
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明の他の態様によれば、上記反応装置に備わる熱伝導部材であって、
前記高温反応部の温度が前記高温反応部の反応温度よりも低い一の所定温度以上であるときの形状が、前記一の所定温度よりも低い温度であるときの形状に対して伸張することにより、前記一端部が前記第一の位置に配置されることを特徴とする熱伝導部材が提供される。
【０００９】
以上の課題を解決するため、本発明の他の態様によれば、
原燃料及び水を気化する蒸発器と、気化された原燃料と水から水素を含む燃料を生成する改質器と、前記燃料に含まれる水素と酸素との反応により電力を生成し未反応の水素を含むオフガスを生成する発電セルと、前記発電セルから送られるオフガスを含む燃焼ガス燃焼する燃焼器と、前記改質器と前記発電セルとを連結する連結部と、一端部が前記改質器と熱伝導可能な第一の位置と接離可能に設けられ、他端部が前記発電セルと熱伝導可能な第二の位置に固定された熱伝導部材と、前記蒸発器を加熱する第三の加熱手段と、前記改質器を加熱する第一の加熱手段と、前記発電セルを加熱する第二の加熱手段と、前記蒸発器に原燃料を送る燃料ポンプと、前記燃料ポンプと前記蒸発器との間に設けられた第一のバルブと、前記蒸発器に水を送る水ポンプと、前記水ポンプと前記蒸発器との間に設けられた第二のバルブと、を備える反応装置の制御部であって、
前記反応装置の起動時に、前記熱伝導部材が前記第一の位置から離間した状態のままで、前記蒸発器を前記第三の加熱手段により加熱して前記蒸発器の温度を前記蒸発器の反応温度まで昇温するとともに、前記改質器を前記第一の加熱手段により加熱して前記改質器の温度を前記改質器の反応温度まで昇温し、
次いで、前記発電セルを前記第二の加熱手段により加熱して前記発電セルの温度を前記発電セルの反応温度よりも低い一の所定温度まで昇温し、
次いで、前記第一のバルブを開状態とし前記燃料ポンプを駆動して原燃料を前記蒸発器に送るとともに前記第二のバルブを開状態とし前記水ポンプを駆動して水を前記蒸発器に送り、気化された原燃料及び水をもとに前記改質器で生成された燃料が前記燃焼器で燃焼されて生じる燃焼熱により前記発電セルを昇温することで、前記熱伝導部材を変形させて前記一端部を前記第一の位置と接触させることを特徴とする反応装置の制御部が提供される。
【００１０】
上記の反応装置の制御部において、好ましくは、前記第一乃至第三の加熱手段は、電熱材からなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低温反応部と、低温反応部よりも高温で反応する高温反応部とを備える反応装置において、システム効率の低下を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。ただし、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。
【００１３】
図１は燃料電池装置１を搭載した電子機器１００を示すブロック図である。
図１に示すように、電子機器１００は、カートリッジ１３０と、電子機器本体１１０と、燃料電池部１２０とを備える。
【００１４】
カートリッジ１３０は、燃料及び水がそれぞれ個別に収容されるものである。カートリッジ１３０には、燃料を貯蔵する燃料貯蔵部１３２と、水を貯蔵する水貯蔵部１３３とを有する。また、カートリッジ１３０は、燃料貯蔵部１３２から燃料を流出させる燃料流出口１３４と、水貯蔵部から水を流出させる水流出口１３５と、燃料電池部１２０から送られた水を含む生成物が流入される水流入口１３６とが設けられている。水流出口１３５にはフィルター１３７が設けられており、水貯蔵部１３３内の水は、水流出口１３５からフィルター１３７を介して外部に流出することになる。また、カートリッジ１３０は、水流入口１３６から水貯蔵部１３３までを結び、生成物を冷却して生成物に含まれた水蒸気を液化する冷却部１３８を備える。また、水貯蔵部１３３には、液化しなかった生成物を外部に放出するための気液分離膜１３９が設けられている。
【００１５】
燃料電池部１２０は、ＤＣ／ＤＣコンバーター９０２、二次電池９０３、制御部７０等と、燃料電池装置１とを備える。
電子機器本体１１０はＤＣ／ＤＣコンバーター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コンバーター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１１０に供給する。また、ＤＣ／ＤＣコンバーター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１１０に供給する。
【００１６】
燃料電池装置１は、反応装置１０と、カートリッジ１３０から反応装置１０に原燃料及び水を供給したり、反応装置１０で生成された生成物を回収してカートリッジ１３０に送ったりする供給回収部３０と、反応装置１０に空気を供給する空気供給部９０とを有する。
【００１７】
反応装置１０は、反応装置本体１１と、反応装置本体１１を内部に収容する断熱容器１２とを備える。
反応装置本体１１は、蒸発器１３、改質器１４、発電セル１５、触媒燃焼器１６、第１熱交換器２１、第２熱交換器２２及び第３熱交換器２３といった複数の反応部を含む。これらの複数の反応部は基板１７に搭載されている。この基板１７を介して各反応部間の熱伝導が行われる。図１では基板１７における熱伝導箇所を熱伝導部１７１と記載している。また、第１熱交換器２１と改質器１４間にはバイメタル８０が設けられており、このバイメタル８０を介しても熱伝導が行われている。
蒸発器１３、改質器１４、発電セル１５には、それぞれ通電により発熱する電熱材からなる電気ヒーター兼温度計１３ａ，１４ａ，１５ａが設けられている。電気ヒーター兼温度計１３ａ，１４ａ，１５ａの電気抵抗値は温度に依存するので、この電気ヒーター兼温度計１３ａ，１４ａ，１５ａが蒸発器１３、改質器１４、発電セル１５の温度を測定する温度計としても機能する。
【００１８】
第３熱交換器２３は、発電セル１５で生成された生成物、空気供給部９０から供給された空気、供給回収部３０から供給された水及び原燃料が通過するものである。これらの通過時に、生成物と、空気、水及び原燃料との間で熱交換が行われることによって、生成物が降温される一方で、空気、水及び原燃料がそれぞれ昇温される。
【００１９】
蒸発器１３は、発電セル１５からの伝熱により１００〜１５０℃（蒸発器の反応温度範囲）程度に加熱され、供給回収部３０から第３熱交換器２３を介して供給された１００℃程度に加熱された部分で原燃料と水を予熱するとともに、１５０℃程度に加熱された部分で原燃料と水を気化して、第２熱交換器２２に送るようになっている。また、蒸発器１３を通過することで水蒸気と気化燃料が混ざった混合気が生成される。
【００２０】
第２熱交換器２２は、発電セル１５で生成された生成物、第３熱交換器２３を通過した空気、蒸発器１３から送られた混合気が通過するものである。これらの通過時に、生成物と、空気、混合気との間で熱交換が行われることによって、生成物が降温される一方で、空気、混合気がそれぞれ昇温される。
【００２１】
改質器１４（低温反応部）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。改質器１４に送られた混合気は、改質器１４の流路を流れ、電気ヒーター兼温度計１４ａの熱及び発電セル１５からの伝熱により３００〜４００℃（改質器の反応温度）程度に加熱されて、触媒により改質反応を起こす。気化された原燃料と水蒸気の改質反応によって水素、二酸化炭素及び副生成物である微量な一酸化炭素等を含む混合気体（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１４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）
【００２２】
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）により生成した改質ガスは第１熱交換器２１に送られる。
【００２３】
第１熱交換器２１は、発電セル１５で生成された生成物、空気供給部９０から供給された空気、改質器１４から送られた改質ガスが通過するものである。これらが通過する際に、生成物と、空気及び改質ガスとの間で熱交換が行われることによって、生成物が降温される一方で、空気及び改質ガスがそれぞれ昇温される。
【００２４】
発電セル１５（高温反応部）は、固体酸化物型電解質と、固体酸化物型電解質の両面に形成された燃料極（アノード）及び空気極（カソード）と、燃料極に接合してその接合面に流路を形成したアノード集電極と、空気極に接合してその接合面に流路を形成したカソード集電極とを備える。
【００２５】
固体酸化物型電解質には、ジルコニア系の（Ｚｒ１−ｘＹｘ）Ｏ２−ｘ／２（ＹＳＺ）等が用いられる。空気極にはＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３（ＬＳＭ）やＬａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３（ＬＳＣ）等が用いられる。燃料極にはＮｉ＋ＹＳＺ等を用いる。アノード集電極及びカソード集電極にはＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３、ＮｉＡｌ＋Ａｌ３Ｏ３等が用いられる。
【００２６】
発電セル１５は電気ヒーター兼温度計１５ａや触媒燃焼器１６の熱により５００〜８００℃（発電セルの反応温度）程度に加熱され、後述する反応が起こる。
【００２７】
空気極にはカソード集電極の流路を介して空気が送られる。空気極では空気中の酸素とカソード出力電極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。
【００２８】
Ｏ２＋４ｅ−→２Ｏ２−  …（３）
【００２９】
固体酸化物型電解質は酸素イオンの透過性を有し、空気極で化学反応式（３）により生成された酸素イオンを透過させて燃料極に到達させる。
燃料極にはアノード集電極の流路を介して第１熱交換器２１から改質ガスが送られる。空気極では固体酸化物型電解質を透過した酸素イオンと改質ガスに含まれる水素との次式（４）、（５）のような反応が起こる。
【００３０】
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …（４）
ＣＯ＋Ｏ２−→ＣＯ２＋２ｅ−  …（５）
【００３１】
化学反応式（４）、（５）により放出される電子は、燃料極、アノード出力電極、ＤＣ／ＤＣコンバーター９０２等の外部回路を経てカソード出力電極より空気極に供給される。
【００３２】
アノード集電極及びカソード集電極には、アノード出力電極、カソード出力電極が接続されている。アノード出力電極及びカソード出力電極は、例えばＤＣ／ＤＣコンバーター９０２に接続される。
【００３３】
アノード集電極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１６に供給される。
【００３４】
触媒燃焼器１６には、オフガスとともに、カソード集電極の流路を通過した空気が供給される。触媒燃焼器１６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。
【００３５】
オフガスと空気の混合気体（燃焼ガス）は触媒燃焼器１６の流路を流れる。触媒燃焼器１６の流路を流れている燃焼ガスのうち水素、一酸化炭素、燃料などの可燃性ガスが触媒により燃焼され、これにより燃焼熱が発生する。燃焼後の生成物は、触媒燃焼器１６から第１熱交換器２１、第２熱交換器２２及び第３熱交換器２３を通過して反応装置１０の外部に放出される。この生成物は、水蒸気を含む。
【００３６】
この触媒燃焼器１６で発生した燃焼熱は発電セル１５の温度を高温（５００〜８００℃程度）に維持するのに用いられる。
【００３７】
供給回収部３０は、カートリッジＩ／Ｆ１２６、燃料供給部３１と、水送り部４１とを備える。
【００３８】
カートリッジＩ／Ｆ１２６は、カートリッジ１３０が接続されるものである。カートリッジ１３０がカートリッジＩ／Ｆ１２６に接続されると、カートリッジ１３０の燃料流出口１３４と燃料供給部３１とが連通し、水流出口１３５及び水流入口１３６と水送り部４１とが連通する。
【００３９】
燃料供給部３１は、カートリッジＩ／Ｆ１２６に接続されたカートリッジ１３０から反応装置１０まで燃料を供給するものである。燃料供給部３１は、カートリッジＩ／Ｆ１２６を最上流とし、反応装置１０を最下流としている。燃料供給部３１には、上流側から順に燃料ポンプ３２、第１バルブ（第一のバルブ）３３、第１流量計３４及び逆止弁３５が配設されており、これらの間は基板１７内に形成された配管によって接続されている。
【００４０】
水送り部４１は、水供給部４２及び水回収部５０を備える。
【００４１】
水供給部４２は、カートリッジＩ／Ｆ１２６に接続されたカートリッジ１３０から反応装置１０まで水を供給するものである。水供給部４２は、カートリッジＩ／Ｆ１２６を最上流とし、反応装置１０を最下流としている。水供給部４２には、上流側から順に、水ポンプ４３、第２バルブ（第二のバルブ）４４、第２流量計４５及び逆止弁４６が配設されており、これらの間は配管によって接続されている。
【００４２】
水回収部５０は、反応装置１０から排出された生成物を、カートリッジＩ／Ｆ１２６に接続されたカートリッジ１３０に回収させるものである。水回収部５０は、反応装置１０を最上流とし、カートリッジＩ／Ｆ１２６を最下流としている。水回収部５０には、上流側から順に、逆止弁５１、冷却器５２が配設されている。
【００４３】
空気供給部９０は、外部の空気を反応装置１０に供給するものである。空気供給部９０には、外部の空気をフィルター９１を介して送り出す空気ポンプ９２、空気流量を調整する可変バルブ９３、第３流量計９４及び逆止弁９５が設けられている。
【００４４】
次に、反応装置１０の具体的構成について説明する。
図２は、反応装置１０の内部構成を側面から見た図３のＩＩ−ＩＩ断面図である。図３は、反応装置１０の内部構成を上面から見た図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
図２，３に示すように、反応装置１０は、反応装置本体１１と、反応装置本体１１を収容する断熱容器１２とを備える。
【００４５】
断熱容器１２は、複数の反応部（蒸発器１３、改質器１４、発電セル１５、触媒燃焼器１６、第１熱交換器２１、第２熱交換器２２及び第３熱交換器２３）で生じた熱量が断熱容器１２の外部に伝導しにくい構造となっている。例えば、断熱容器１２は、内壁及び外壁を有する二重の壁部材を備えるとともに、これらの間を大気圧よりも低い気圧（例えば、１０Ｐａ以下）に保たれた内部空間とすることにより、断熱容器を形成すればよい。また、断熱容器１２は、一重の壁部材を備え、壁部材の内部空間が大気圧より低い低気圧（例えば、１０Ｐａ以下）に保たれるようにしてもよい。
【００４６】
反応装置本体１１の下部には基板１７が設けられている。この基板１７には、改質器１４及び蒸発器１３が搭載される第１基板領域１７２（第一の基板領域）と、発電セル１５が搭載される第２基板領域１７３（第二の基板領域）と、第１基板領域１７２及び第２基板領域１７３を連結する連結部としての連結領域１７４とが設けられている。本実施形態においては第２基板領域１７３、第１基板領域１７２、連結領域１７４という順に幅が狭くなるように基板１７が形成されている。このため連結領域１７４の熱伝導量が他の領域よりも小さく設定されることになる。また、基板１７の内部には、図示は省略するが、改質器で生成された燃料（第一の生成物）が流れる流路（第一の流路）、発電セルで生成されたオフガス（第二の生成物）が流れる流路（第二の流路）を含む、各反応部を連通する複数の流路や、各熱交換器２１〜２３が形成されている。
【００４７】
第１基板領域１７２は、その上面における発電セル１５に近い箇所に改質器１４が搭載され、遠い箇所に蒸発器１３が搭載されている。また、第１基板領域１７２は、その下面における蒸発器１３、改質器１４にそれぞれ対向する箇所に電気ヒーター兼温度計１３ａ，１４ａを有している。第１基板領域１７２における連結領域１７４近傍には、上方に向け突出した突出部１７５が設けられている。突出部１７５は熱伝導性を有しており、基板１７を介して改質器１４と熱伝導可能となっている。この突出部１７５が第一の位置である。
【００４８】
第２基板領域１７３は、その下面に電気ヒーター兼温度計１５ａを有し、上面に発電セル１５が搭載されている。また、第２基板領域１７３の内部には、触媒燃焼器１６が設けられている。第２基板領域１７３における連結領域１７４近傍には、バイメタル８０を固定する支持部材１７６が設けられている。支持部材１７６は熱伝導性部材であり、その一部が発電セル１５に接触しているため、発電セル１５で生じた熱量は支持部材１７６を介してバイメタル８０に伝導する。この支持部材１７６が第二の位置である。
【００４９】
バイメタル８０は、基板１７の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導部材であり、上面視矩形状の板部材である。このバイメタル８０は、一端部が突出部１７５に対して接離可能となるように、他端部が支持部材１７６により固定されている。支持部材１７６は熱伝導性を有する部材であり、発電セル１５に接触している。これにより、発電セル１５の熱量が支持部材１７６を介してバイメタル８０に伝導する。
【００５０】
図４はバイメタル８０の側面図である。この図４に示すように、バイメタル８０は二層の金属層８１，８２により形成されている。上層の金属層８１は下層の金属層８２よりも熱膨張率の高い材料が用いられている。
【００５１】
ここで、一般的なバイメタルでは、耐熱温度が５００℃以下と低く発電セル１５の反応温度には適用不可能である。このため、本実施形態では、図５に示す耐熱性バイメタルの候補材料から発電セル１５の反応温度に耐えうる材料としてタンタル（Ｔａ）と銅（Ｃｕ）を選択した。そして、バイメタル８０の上層の金属層８１が銅層であり、下層の金属層８２がタンタル層となっている。これにより、８００℃程度の耐熱性が確保され、さらに発電セル１５の反応温度よりも低い一の所定温度（例えば、４００℃）で熱変形するようになっている。つまり、発電セル１５の反応温度よりも低い一の所定温度よりも低い場合は、バイメタル８０は変形せずに一端部が突出部１７５から離間しており、この一の所定温度より高い場合は、バイメタル８０は熱変形して湾曲し、一端部が突出部１７５に接触する（図２における二点鎖線部Ｐ１参照）。
【００５２】
このバイメタル８０の湾曲係数Ｋは式（６）で表される。なお式（６）においてα１は銅の線熱膨張係数、α２はタンタルの線熱膨張係数、ｍは弾性係数比＝Ｅ１／Ｅ２（Ｅ１：銅のヤング率、Ｅ２：タンタルのヤング率、ｎは板厚比＝ｈ１／ｈ２（ｈ１：銅層の厚み、ｈ２：タンタル層の厚み）である。
【００５３】
Ｋ＝３(α２−α１)／｛３＋(１＋ｍｎ)（１＋ｎ３ｍ）／ｍｎ（１＋ｎ２）｝・・・（６）
【００５４】
この式（６）を基に湾曲係数Ｋの絶対値が最大となる板厚比ｎを求める。図６は板厚比と湾曲係数の絶対値との関係を示すグラフである。この図６に示すように板厚比１．２近傍で、湾曲係数Ｋの絶対値が最大（８．０２５×１０−６）となることが分かる。ここで、Ｋが負の場合は、Ｋが正の場合とは逆の方向に曲がることを表している。
【００５５】
そして、バイメタル８０の変位量Ｄは、式（７）で示される。ここで、式７においては図７に示すように、Ｌはバイメタル８０の長さ、ｔはバイメタル８０の厚み、Ｋが湾曲係数、（Ｔ２−Ｔ１）が温度差である。湾曲係数Ｋは８．０２５×１０−６を代入する。
【００５６】
Ｄ＝（Ｔ２−Ｔ１）Ｌ２Ｋ／ｔ・・・（７）
【００５７】
図８は、式（７）を基に、温度差が４００℃、６００℃であるときの変位量と板厚との関係を示したグラフである。図８からも明らかなように、例えば板厚ｔが０．５ｍｍであると、いずれの温度差であっても変位量Ｄは０．５ｍｍ以上を確保することが分かる。つまり、銅とタンタルからなるバイメタル８０の場合は、非変形時における一端部と突出部１７５との間隔を０．５ｍｍ程度にしておけば、バイメタル８０が熱変形した際に、バイメタル８０と突出部１７５とが接触することになる。
【００５８】
また、発電セル１５の一端面には、発電セル１５の電極に対して電気的に接続された一対の出力電極９９が設けられている。この出力電極９９の一部は屈曲していて、その一端部が、断熱容器１２から露出している。そして、出力電極９９は、ＤＣ／ＤＣコンバーター９０２に電気的に接続されていて、発電セル１５で発生した電力をＤＣ／ＤＣコンバーター９０２に送電する。
【００５９】
次に、電子機器１００の主制御構成について説明する。
図１に示すように、制御部７０は、Ｉ／Ｆ回路７１を介して電子機器本体１１０に電気的に接続されている。また、制御部７０は、ＤＣ／ＤＣコンバーター９０２、電気ヒーター兼温度計１３ａ，１４ａ，１５ａ、燃料ポンプ３２、水ポンプ４３、空気ポンプ９２、第１バルブ３３、第２バルブ４４、可変バルブ９３、第１流量計３４、第２流量計４５、第３流量計９４に電気的に接続されていて、これらを制御するようになっている。図１では、簡略化のため、制御部７０と、電気ヒーター兼温度計１３ａ，１４ａ，１５、燃料ポンプ３２、水ポンプ４３、空気ポンプ９２、第１バルブ３３、第２バルブ４４、可変バルブ９３、第１流量計３４、第２流量計４５及び第３流量計９４との電気的接続を示す実線を不図示とした。
【００６０】
以下、具体的に制御部７０の制御手順について説明する。図９は制御部７０の制御手順を示すフローチャートである。
図９のステップＳ１に示すように、制御部７０は、反応装置１０の起動時には、二次電池９０３から電気ヒーター兼温度計１４ａに対して電気供給を行い、改質器１４がその反応温度に含まれる所定の第１温度（例えば、４００℃）まで昇温するように、温度制御を行う。このとき、バイメタル８０は突出部１７５から離間した状態のままである。
【００６１】
ステップＳ２では、制御部７０は、二次電池９０３から電気ヒーター兼温度計１３ａに対して電気供給を行い、蒸発器１３がその反応温度に含まれる所定の第２温度（例えば、１５０℃）まで昇温するように、温度制御を行う。
【００６２】
ステップＳ３では、制御部７０は、電気ヒーター兼温度計１３ａの検出結果を基に蒸発器１３が第２温度以上であるか否かを判断し、第２温度未満である場合にはそのままの状態で待機し、第２温度以上である場合にはステップＳ４に移行する。
【００６３】
ステップＳ４では、制御部７０は、電気ヒーター兼温度計１４ａの検出結果を基に改質器１４が第１温度以上であるか否かを判断し、第１温度未満である場合にはそのままの状態で待機し、第１温度以上である場合にはステップＳ５に移行する。
【００６４】
ステップＳ５では、制御部７０は、二次電池９０３から電気ヒーター兼温度計１５ａに対して電気供給を行い、発電セル１５がその反応温度に含まれる所定の第３温度（例えば、７００℃）まで昇温するように、温度制御を行う。本実施形態では、電力の集中を緩和するために、蒸発器１３、改質器１４及び発電セル１５の温度制御を時間的にずらして個別に行っているが、二次電池９０３の容量に余裕がある場合にはこれらの温度制御を一括して行うことも可能である。こうした場合、起動時間を短縮することができる。
【００６５】
ステップＳ６では、制御部７０は、可変バルブ９３を開状態としてから空気ポンプ９２を駆動して、反応装置１０に空気を供給する。
【００６６】
ステップＳ７では、制御部７０は、第２バルブ４４を開状態としてから水ポンプ４３を駆動して、反応装置１０に水を供給する。
【００６７】
ステップＳ８では、制御部７０は、第１バルブ３３を開状態としてから燃料ポンプ３２を駆動して、反応装置１０に燃料を供給する。これにより改質器１４で改質反応が開始され、水素リッチな改質ガスが生成される。改質ガスは発電セル１５に送り込まれるが、発電セル１５はまだ第３温度になっていないので発電は行なえず、電力も取り出していない。したがって、改質ガスは消費されることなく全て触媒燃焼器１６に送り込まれ全て燃焼されその燃焼エネルギーが発電セル１５の昇温に使われる。この時の改質に必要なエネルギーは電気ヒーター兼温度計１４ａから供給されている。
【００６８】
ステップＳ９では、制御部７０は、電気ヒーター兼温度計１５ａの検出結果を基に発電セル１５が第３温度以上であるか否かを判断し、第３温度未満である場合にはそのままの状態で待機し、第３温度以上である場合には起動処理を終了し、定常運転に移行する。
【００６９】
ここで、バイメタルは発電セル１５の昇温に伴って湾曲しだし、例えば４００℃といった、発電セルの反応温度よりも低いが改質器とほぼ同じ温度を超えると、バイメタル８０の一端部が突出部１７５に接触する。この接触状態は、定常運転時においても継続される。
【００７０】
以上のように、本実施形態によれば、発電セル１５の温度がその動作温度であるときに、バイメタル８０によって発電セル１５から改質器１４に伝導する熱量を増大することができ、システム効率の低下を抑制することが可能となる。
【００７１】
また、バイメタル８０の熱伝導率が、連結領域１７４の熱伝導率よりも高いので、バイメタル８０の一端部が突出部１７５から離間している場合、つまり昇温時においては、電気ヒーター兼温度計１３ａ，１４ａの熱量が連結領域１７４を介して発電セル１５に伝導してしまうことを抑制できる。一方、バイメタル８０の一端部が突出部１７５に接触した場合、つまり定常運転時には発電セル１５の熱量をバイメタル８０及び連結領域１７４を介して効率的に改質器１４に供給することが可能となる。
【００７２】
なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、発電セル１５として固体酸化物型燃料電池を例示して説明したが、炭酸熔解塩型燃料電池であってもよい。
また、本実施形態ではバイメタル８０が上面視矩形状の板状部材である場合を例示して説明したが、その材質や内部スペース、変形量により、上面視台形状、側面視Ｕ字形、側面視Ｌ字形等のその他の形でもよい。また全体でなく一部をバイメタル構造としてもよいし、複数枚のバイメタルで構成してもよい。
また、本実施形態では、バイメタル８０がタンタル層と銅層とからなる場合を例示して説明したが、適度に線膨張率の差が有り、所定の耐熱性と弾性係数とを有する材料であれば、例えば図５記載の低熱膨張材料（モリブデン、タングステン、タンタル等）と、高熱膨張材料（金、銀、Ｉｎｃｏｎｅｌ等）との組合せでもよい。
また、バイメタル８０は、基板１７の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、上面視矩形状の板部材である場合を例示して説明したが、単位時間当たりにおける、発電セル１５と改質器１４との間のバイメタル８０を介して伝熱量が、基板１７を介した伝熱量よりも大きくなっていればよい。例えば、バイメタル８０の熱伝導率が基板１７の熱伝導率と同じか又は低いときには、バイメタル８０の断面積を十分大きくすることにより、基板１７を介した伝熱量よりも、バイメタル８０を介した伝熱量の方を大きくすることができる。
【００７３】
また、上記実施形態では、バイメタル８０の一端部が突出部１７５に対して接離可能であって他端部が支持部材１７６に固定されている場合を例示して説明したが、図１０，１１の反応装置１０Ａに示すように、バイメタル８０Ａの一端部が改質器１４に対して接離可能であって他端部が発電セル１５に直接接触するように固定されていてもよい。なお、この場合においては、バイメタル８０Ａの長さを上記実施形態のバイメタル８０よりも長く取れるので変形量を大きくすることができる。また、発電セル１５の温度が直接バイメタル８０Ａに伝導するので、バイメタル８０Ａの動作温度を上記のバイメタル８０よりも低めに設定することができ、バイメタル８０Ａの材料選択の幅が広がる。
【００７４】
また、上記実施形態では、熱伝導部材としてバイメタル８０を例示して説明したが、単に熱膨張をする金属部材を熱伝導部材として用いることも可能である。例えば、図１２，１３に示す反応装置１０Ｂでは、熱膨張率の大きな金属（例えば金、銀、銅等）からなる板状の熱伝導部材８０Ｂが複数設けられている。この熱伝導部材８０Ｂは、その一端部が突出部１７５に対して隙間を空けるように、他端部が発電セル１５に直接固定されている。そして、隙間の長さは、発電セル１５の温度上昇とともに熱伝導部材８０Ｂが熱膨張して伸張し、発電セル１５が第３温度以上となったときに突出部１７５に接触する長さに設定されている。したがって、発電セル１５の温度がその動作温度であるときに、熱伝導部材８０Ｂによって発電セル１５から改質器１４に伝導する熱量を増大することができ、システム効率の低下を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本実施形態におけ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２】図１の燃料電池装置に備わる反応装置の内部構成を側面から見た図３のＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図３】図１の燃料電池装置に備わる反応装置の内部構成を上面から見た図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】図２の反応装置に備わるバイメタルの側面図である。
【図５】耐熱性バイメタルの候補材料の一覧を示す表である。
【図６】板厚比と湾曲係数との関係を示すグラフである。
【図７】式（７）の各項を説明するための説明図である。
【図８】式（７）を基に、温度差が４００℃、６００℃であるときの変位量と板厚との関係を示したグラフである
【図９】反応装置の制御部における制御手順を示すフローチャートである。
【図１０】図２の反応装置の変形例を示す断面図である。
【図１１】図３の反応装置の変形例を示す断面図である。
【図１２】図２の反応装置の変形例を示す断面図である。
【図１３】図３の反応装置の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１      燃料電池装置
１０      反応装置
１１      反応装置本体
１２      断熱容器
１３      蒸発器
１３ａ    電気ヒーター兼温度計（第三の加熱手段）
１４      改質器（低温反応部）
１４ａ    電気ヒーター兼温度計（第一の加熱手段）
１５      発電セル（高温反応部）
１５ａ    電気ヒーター兼温度計（第二の加熱手段）
１６      触媒燃焼器
１７      基板
２１      第１熱交換器
２２      第２熱交換器
２３      第３熱交換器
３３      第１バルブ（第一のバルブ）
４４      第２バルブ（第二のバルブ）
７０      制御部
８０      バイメタル（熱伝導部材）
８１      金属層（銅層）
８２      金属層（タンタル層）
９９      出力電極
１００      電子機器
１１０      電子機器本体
１７２      第１基板領域（第一の基板領域）
１７３      第２基板領域（第二の基板領域）
１７４      連結領域（連結部）
１７５      突出部
１７６      支持部材
【図１】
2010150074.tif 000003
【図２】
2010150074.tif 000004
【図３】
2010150074.tif 000005
【図４】
2010150074.tif 000006
【図５】
2010150074.tif 000007
【図６】
2010150074.tif 000008
【図７】
2010150074.tif 000009
【図８】
2010150074.tif 000010
【図９】
2010150074.tif 000011
【図１０】
2010150074.tif 000012
【図１１】
2010150074.tif 000013
【図１２】
2010150074.tif 000014
【図１３】
2010150074.tif 000015