(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の容器と、前記第一の容器内に収容された第二の容器と、前記第二の容器の外側であって前記第一の容器の内側に配置され原燃料から燃料を生成する反応器と、前記第二の容器内に収容され前記燃料の反応により発電する発電セルと、前記第二の容器内に収容され前記発電セルから送られるガスを燃焼する燃焼器と、前記反応器を加熱する加熱手段と、前記反応器の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料のもとなる原燃料を貯留する燃料容器と、前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るポンプと、を備える発電装置の制御装置であって、
前記加熱手段により前記反応器を加熱するステップと、
前記温度検出手段により前記反応器の温度を検出するステップと、
前記反応器の温度を判定条件として、前記燃焼器が前記発電セルから送られるガスを燃焼できる温度を超えたと判定し、前記ポンプにより前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るステップと、を実行する発電装置の制御装置。
【請求項２】
第一の容器と、前記第一の容器内に収容された第二の容器と、前記第二の容器の外側であって前記第一の容器の内側に配置され原燃料から燃料を生成する反応器と、前記第二の容器内に収容され前記燃料の反応により発電する発電セルと、前記第二の容器内に収容され前記発電セルから送られるガスを燃焼する燃焼器と、前記反応器を加熱する加熱手段と、前記反応器の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料のもとなる原燃料を貯留する燃料容器と、前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るポンプと、を備える発電装置の動作方法であって、
前記加熱手段により前記反応器を加熱し、
前記温度検出手段により前記反応器の温度を検出し、
前記反応器の温度を判定条件として、前記燃焼器が前記発電セルから送られるガスを燃焼できる温度を超えたと判定し、前記ポンプにより前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送り、前記反応器で前記原燃料から燃料を生成し、前記燃焼器で前記燃料又は前記原燃料が気化されたものを燃焼することを特徴とする発電装置の動作方法。
【請求項３】
第一の容器と、
前記第一の容器内に収容された第二の容器と、
前記第二の容器の外側であって前記第一の容器の内側に配置され原燃料から燃料を生成する反応器と、
前記第二の容器内に収容され前記燃料の反応により発電する発電セルと、
前記第二の容器内に収容され前記発電セルから送られるガスを燃焼する燃焼器と、
前記反応器を加熱する加熱手段と、
前記反応器の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料のもとなる原燃料を貯留する燃料容器と、
前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るポンプと、
前記加熱手段により前記反応器を加熱するステップと、前記温度検出手段により前記反応器の温度を検出するステップと、前記反応器の温度を判定条件として、前記燃焼器が前記発電セルから送られるガスを燃焼できる温度を超えたと判定し、前記ポンプにより前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るステップと、を実行する制御装置と、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の発電装置と、
前記発電装置により取り出された電力によって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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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発電装置、その制御装置、動作方法及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学反応の技術分野では、種々の混合物質を流路に供給し、電熱ヒータなどで温度管理された流路内に設けられた触媒による化学反応を起こさせて、所望の反応物質を生成する化学反応装置あるいは電力を発生する電力発生器が知られている。このような化学反応装置には、例えば、水素原子を含む有機化合物をもとに水素を主成分とするガスを生成する改質器や、水素と酸素から電力を発生する燃料電池がある。
ここで、所望の化学反応を持続させるためには、高温の反応領域を必要とする。例えば、メタノールを水蒸気改質反応によって水素に改質する場合には約３００℃、固体酸化物燃料電池によって水素と酸素から電力を得る場合には約８００℃に、反応領域の温度を保持しなければならない。これらの温度への昇温あるいは温度維持に必要な熱量は、抵抗発熱体への電力供給による発熱や、触媒燃焼反応の燃焼熱などによって供給される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−９２８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１に記載の発電装置では、一つの断熱容器内に燃料電池セルや改質器、スパーク電極等の燃焼器が全て一緒に収容されているので、高い燃料電池セルから断熱材料外部の大気雰囲気への伝導による伝熱量が抑制されていないため、発電装置のエネルギー効率が低くなってしまうという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池セルから大気雰囲気への伝導による伝熱量を抑制することにより、発電装置のエネルギー効率の低下を抑制することのできる発電装置及び電子機器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、請求項１の発明に係る発電装置の制御装置は、第一の容器と、前記第一の容器内に収容された第二の容器と、前記第二の容器の外側であって前記第一の容器の内側に配置され原燃料から燃料を生成する反応器と、前記第二の容器内に収容され前記燃料の反応により発電する発電セルと、前記第二の容器内に収容され前記発電セルから送られるガスを燃焼する燃焼器と、前記反応器を加熱する加熱手段と、前記反応器の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料のもとなる原燃料を貯留する燃料容器と、前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るポンプと、を備える発電装置の制御装置であって、前記加熱手段により前記反応器を加熱するステップと、前記温度検出手段により前記反応器の温度を検出するステップと、前記反応器の温度を判定条件として、前記燃焼器が前記発電セルから送られるガスを燃焼できる温度を超えたと判定し、前記ポンプにより前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るステップと、を実行することを特徴とする。
請求項２の発明に係る発電装置の動作方法は、第一の容器と、前記第一の容器内に収容された第二の容器と、前記第二の容器の外側であって前記第一の容器の内側に配置され原燃料から燃料を生成する反応器と、前記第二の容器内に収容され前記燃料の反応により発電する発電セルと、前記第二の容器内に収容され前記発電セルから送られるガスを燃焼する燃焼器と、前記反応器を加熱する加熱手段と、前記反応器の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料のもとなる原燃料を貯留する燃料容器と、前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るポンプと、を備える発電装置の動作方法であって、前記加熱手段により前記反応器を加熱し、前記温度検出手段により前記反応器の温度を検出し、前記反応器の温度を判定条件として、前記燃焼器が前記発電セルから送られるガスを燃焼できる温度を超えたと判定し、前記ポンプにより前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送り、前記反応器で前記原燃料から燃料を生成し、前記燃焼器で前記燃料又は前記原燃料が気化されたものを燃焼することを特徴とする。
【０００５】
請求項３の発明に係る発電装置は、第一の容器と、前記第一の容器内に収容された第二の容器と、前記第二の容器の外側であって前記第一の容器の内側に配置され原燃料から燃料を生成する反応器と、前記第二の容器内に収容され前記燃料の反応により発電する発電セルと、前記第二の容器内に収容され前記発電セルから送られるガスを燃焼する燃焼器と、前記反応器を加熱する加熱手段と、前記反応器の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料のもとなる原燃料を貯留する燃料容器と、前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るポンプと、前記加熱手段により前記反応器を加熱するステップと、前記温度検出手段により前記反応器の温度を検出するステップと、前記反応器の温度を判定条件として、前記燃焼器が前記発電セルから送られるガスを燃焼できる温度を超えたと判定し、前記ポンプにより前記燃料容器から前記反応器に前記原燃料を送るステップと、を実行する制御装置と、を備えることを特徴とする。
請求項４の発明に係る発電装置は、請求項３に記載の発電装置と、前記発電装置により取り出された電力によって動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、発電セル及び前記発電セルのオフガスを燃焼する燃焼器を第二の容器の内部に収容し、第二の容器を第一の容器の内部に収容することにより、燃焼器によって発電セルを効率よく加熱するとともに、発電セルから大気雰囲気への伝導による伝熱を抑制することができ、ひいては、発電装置のエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
［第一の実施の形態］
図１は、発電装置１を搭載した携帯用の電子機器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、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。
発電装置１００は、燃料容器１、ポンプＰ１、ポンプＰ２、気化器（反応器）２、改質器（反応器）３、燃料電池部４、第一の容器５及び第二の容器６、制御装置２００、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２、二次電池９０３等を備える。
燃料容器１は、例えば電子機器に対して着脱可能に設けられており、ポンプＰ１や第一の容器５は例えば電子機器本体に内蔵されている。
【０００８】
燃料容器１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Ｐ１は、燃料容器１内の混合液を吸引して、第一の容器５内の気化器２に送液するものである。
【０００９】
第一の容器５は箱状をなし、気化器２、改質器３及び第二の容器６が収容されている。第一の容器５内であって第二の容器６の外側の気圧は大気圧よりも低い気圧とされ、例えば１０Ｐａ以下といった真空圧に保たれている。
第二の容器６は、後述する図４に示すように燃料電池部４及び出力電極部７１，７２の一部が収容された箱状部６１を備えている。第二の容器６内は、窒素等の不活性ガスを充填しても良いし、空気を充填しても良い。また、気化器２、改質器３、燃料電池部４は後述の連結部８１，８２（図４参照）によって一体化されている。
【００１０】
気化器２、改質器３には、後述するがそれぞれ電気ヒータ兼温度センサ（加熱手段、温度検出手段）２ａ,３ａが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ２ａ,３ａ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２ａ,３ａが気化器２、改質器３の温度を測定する温度センサとしても機能する。
気化器２は、電気ヒータ兼温度センサ２ａにより１１０℃（第四の所定温度）より高く１６０℃以下程度に加熱されているときに、ポンプＰ１から送られた混合液を気化して原燃料と水の混合気を生成する。気化器２には改質器３に混合気を送る後述の連結部８１が連結されており、気化器２で気化した混合気は連結部８１を介して改質器３へ送られる。ここで、気化器２の温度は、原燃料と水の混合気が生成できる温度範囲であればよく、上述の温度範囲に必ずしも限定されるものではない。従って、１１０℃以下や１７０℃を超える温度範囲であっても、気化器２において、原燃料と水の混合気が生成されていればよい。
【００１１】
改質器３の内部には流路（図示しない）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３が電気ヒータ兼温度センサ３ａにより３００℃（第三の所定温度）より高く４００℃以下程度に加熱されているときに、気化器２から送られて改質器３の流路を流れる混合気が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、燃料ガス）が生成される。なお、原燃料がメタノールの場合、改質器３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）
ここで、改質器３の温度は、式（１）に示すような水蒸気改質反応が起こる温度範囲であればよく、上述の温度範囲に必ずしも限定されるものではない。従って、３００℃以下や４００℃を超える温度範囲であっても、改質器３において、式（１）に示すような水蒸気改質反応が生じればよい。
【００１２】
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）
改質器２には燃料電池部４の発電セル４０に、生成した改質ガスを送る連結部８２が連結されており、改質器３で生成した改質ガスは連結部８２を介して発電セル４０に送られる。
【００１３】
燃料電池部４は、発電セル４０と、発電セル４０を間に挟んで設けられた二つの触媒燃焼器４８,４８とを備える。
図２は発電セル４０の模式図であり、図３は発電セルスタック４００の一例を示す模式図である。図２に示すように、発電セル４０は、固体酸化物電解質４１と、固体酸化物電解質４１の一方の面に形成された燃料極４２（アノード）と、固体酸化物電解質４１の他方の面に形成された酸素極４３（カソード）と、燃料極４２に接合してその接合面に流路４６を形成したアノード集電極４４と、酸素極４３に接合してその接合面に流路４７を形成したカソード集電極４５とを備える。
【００１４】
固体酸化物電解質４１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４２にはＬａ0.84Ｓｒ0.16ＭｎＯ3、Ｌａ（Ｎｉ，Ｂｉ）Ｏ3、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3、Ｉｎ2Ｏ3＋ＳｎＯ2、ＬａＣｏＯ3等を、酸素極４３にはＮｉ、Ｎｉ＋ＹＳＺ等を、アノード集電極４４及びカソード集電極４５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。
【００１５】
発電セル４０では、触媒燃焼器４８の熱により５００℃（第一の所定温度）より高く１０００℃以下程度に加熱されているときに、後述する反応が起こる。
酸素極４３にはカソード集電極４５の流路４７を介して空気が送られる。酸素極４３では酸素とカソード出力電極７２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）
ここで、発電セル４０の温度は、式（３）に示すような反応が起こる温度範囲であればよく、上述の温度範囲に必ずしも限定されるものではない。従って、５００℃以下や１０００℃を超える温度範囲であっても、発電セル４０において、式（３）に示すような反応が生じればよい。
固体酸化物電解質４１は酸素イオンの透過性を有し、酸素極４３で生成された酸素イオンを透過させて燃料極４２に到達させる。
【００１６】
燃料極４２にはアノード集電極４４の流路４６を介して改質器３から排出された改質ガスが送られる。酸素極４３では固体酸化物電解質４１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４２に放出される電子はアノード出力電極７１、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７２より酸素極４３に供給される。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（４）
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ-  …（５）
【００１７】
アノード集電極４４及びカソード集電極４５には、アノード出力電極７１、カソード出力電極７２が接続され、第一の容器５（図４参照）を貫通して引き出される。ここで、後述するように、第一の容器５は例えばＮｉ系の合金で形成され、アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２はガラス、セラミック等の絶縁材６２，６３により第一の容器５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７１及びカソード出力電極７２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４４、燃料極４２、固体酸化物電解質４１、酸素極４３、カソード集電極４５からなる複数の発電セル４０を直列に接続することによって構成した発電セルスタック４００を使用しても良い。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４０のアノード集電極４４をアノード出力電極７１に、他方の端部の発電セル４０のカソード集電極４５をカソード出力電極７２に接続する。本実施形態では後述の図５に示すように発電セルスタック４００を適用しており、この場合、発電セルスタック４００は第二の容器６内に収容される。
【００１８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２は、発電セル４０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４０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４０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。
【００１９】
一方、アノード集電極４４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おり、このオフガスは触媒燃焼器４８に供給される。
【００２０】
触媒燃焼器４８には、オフガスとともに、カソード集電極４５の流路４７を通過した空気が供給されて燃焼する。触媒燃焼器４８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。
【００２１】
触媒燃焼器４８が１００℃（第二の所定温度）より高い温度に加熱されているときに、原燃料及び水の混合気、又は、オフガス及び空気の混合気体（燃焼ガス）が触媒燃焼器４８の流路を流れると、触媒燃焼器４８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４８から連結部８１，８２を介して第一の容器５の外部に放出される。ここで、触媒燃焼器４８の温度は、原燃料及び水の混合気、又は、オフガス及び空気の混合気体の触媒燃焼反応が起こる温度範囲であればよく、上述の温度範囲に必ずしも限定されるものではない。従って、１００℃以下であっても、触媒燃焼器４８において、上述の触媒燃焼反応が生じればよい。
この触媒燃焼器４８で発生した燃焼熱は発電セル４０の温度を高温（約５００〜１０００℃程度）に維持するのに用いられる。
【００２２】
次に、第一及び第二の容器５，６の構成について説明する。
図４は、発電装置１００の内部構造を示す概略平断面図、図５は、図４の切断線V−Vに沿って切断した際の矢視断面図、図６は、図４の切断線VI−VIに沿って切断した際の矢視断面図である。
図４に示すように、第一の容器５の燃料電池部４とは最も離れた位置にある壁面５ａからは燃料を供給する気化器２の入口２１、空気を供給及び排出する配管部８３、アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２が突出している。
図４〜図６に示すように、第一の容器５内には、気化器２及び配管部８３、連結部８１、改質器３、連結部８２及び第二の容器６がこの順に配列されて収容されている。
第二の容器６内には、アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２のうち燃料電池部４に接続された端部、燃料電池部４がこの順に配列されて収容されている。なお、燃料電池部４は複数の発電セル４０を備えた発電セルスタック４００と触媒燃焼器４８とが一体に形成されており、オフガスが複数の発電セル４０の燃料極４２から触媒燃焼器４８にそれぞれ供給される。
【００２３】
第一の容器５及び第二の容器６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４のアノード集電極４４及びカソード集電極４５に接続され、第一の容器５から引き出されるアノード出力電極７１及びカソード出力電極７２が、発電セル４０の温度上昇に伴い、熱膨張率の違いによる応力（熱応力）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７１及びカソード出力電極７２と第一の容器５とを同一の材料により形成することが好ましい。さらに、温度上昇に伴い、配管部８３、気化器２、連結部８１、改質器３、連結部８２、第一の容器５及び第二の容器６の間に生じる熱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。
【００２４】
気化器２、連結部８１、改質器３及び連結部８２の各外壁面には、輻射防止膜９１が形成されている。また、配管部８３の第一の容器５内に収容されている部分の外壁面にも輻射防止膜９１が形成されている。輻射防止膜９１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。
【００２５】
配管部８３は第一の容器５の一つの面５ａに形成された貫通穴（図示しない）を貫通している。また、連結部８１により気化器２と改質器３とが接続されている。改質器３と燃料電池部４とは連結部８２により接続されている。
【００２６】
配管部８３、気化器２、連結部８１、改質器３、連結部８２及び燃料電池部４は一体に形成されており、配管部８３、連結部８１、連結部８２及び燃料電池部４の下面は面一に形成されている。
また、配管部８３は、第一の容器５の内と外とに跨って配されており、連結部８１は第一の容器５内に収容されている。さらに、連結部８３は、第一の容器５の内と第二の容器６の内とに跨って配されている。
【００２７】
図７は、図６の切断線VII−VIIに沿って切断した際の一部を透過図とした矢視断面図である。
図７に示すように、配管部８３、連結部８１、連結部８２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９３が形成されている。配線パターン９３は葛折り状に形成され、一端は共通の端子９３ａに接続され、他端は独立した二つの端子９３ｂ, ９３ｃにそれぞれ接続されている。これら３つの端子９３ａ, ９３ｂ, ９３ｃは、配管部８３の第一の容器５よりも外側となる端部に形成されている。なお、端子９３ｂに接続される配線パターン９３は、気化器２の電気ヒータ兼温度センサ２ａとなり、端子９３ｃに接続される配線パターン９３は、改質器３の電気ヒータ兼温度センサ３ａとなる。
【００２８】
配管部８３、連結部８１及び連結部８２には発電セル４０の酸素極８３に供給する空気の供給流路（図示しない）、触媒燃焼器４８から排出される排気ガスの排出流路（図示しない）が設けられている。また、配管部８３には気化器２に送出される液体燃料の供給流路（図示しない）が設けられ、連結部８１には気化器２から改質器３に送出される気体燃料の供給流路（図示しない）が設けられ、連結部８２には改質器３から発電セル４０の燃料極４２に送出される改質ガスの供給流路（図示しない）が設けられている。
【００２９】
図４〜図６に示すように、第二の容器６の外壁面にも輻射防止膜９２が形成されている。輻射防止膜９２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。
第二の容器６は、燃料電池部４を収容する箱状部６１を備えている。
【００３０】
図４及び図６に示すように、アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２は、第二の容器６の箱状部６１の壁面６ａに形成された貫通孔６ｂ及び第一の容器５の壁面５ａに形成された貫通孔５ｂを貫通している。アノード出力電極７１が貫通した各貫通孔５ｂ、６ｂの封止は、ガラスあるいはセラミック等の絶縁材５１，６２によって行われて、気密封止されている。同様に、カソード出力電極７２が貫通した各貫通孔５ｂ，６ｂの封止も、ガラスあるいはセラミック等の絶縁材５２，６３によって行われている。
【００３１】
次に、発電装置１００の動作について説明する。
図８は、定常運転時の第一の容器５内の温度分布を示す模式図である。
発電装置１００の起動時に、制御装置２００は、気化器２の電気ヒータ兼温度センサ２ａと、改質器３の電気ヒータ兼温度センサ３ａに二次電池９０３に蓄えられた電力を供給し、気化器２の温度が約１５０℃、改質器３の温度が約３７５℃となるように制御する。ここで、制御装置２００は、例えば１０秒おきといった所定の時間間隔で電気ヒータ兼温度センサ３ａの電気抵抗値を検出することによって、改質器３の温度を定期的に測定する。そして、制御装置２００は、この測定結果に基づいて電気ヒータ兼温度センサ３ａに流す電流の大きさを変化させるフィードバック制御を行う。なお、電気ヒータ兼温度センサ３ａによる加熱を行わない場合、制御装置２００は、電気ヒータ兼温度センサ３ａに所定の時間間隔でパルス電流を流すことによって、改質器３の温度を測定する。
【００３２】
ここで、気化器２の温度が約１５０℃、改質器３の温度が３７５℃（第一の既定の温度）程度のときに、連結部８２を介した伝導伝熱により発電セル４０及び触媒燃焼器４８の温度は１００℃程度となる。この場合、発電セル４０及び触媒燃焼器４８には温度センサが設けられていないため、制御装置２００は、気化器２の電気ヒータ兼温度センサ２ａ及び改質器３の電気ヒータ兼温度センサ３ａの測定結果に基づいて、発電セル４０及び触媒燃焼器４８において後述する燃焼反応が可能となる所定温度となったものと判定する。
【００３３】
次に、制御装置２００がポンプＰ１を駆動すると、燃料容器１に貯留されたメタノールと水との混合液が気化器２の流路に供給される。気化器２の温度が約１５０℃であるので、混合液が気化器２の流路を流動している時に、混合液が気化して混合気が生成される。気化されて高圧になったその混合気は改質器３の流路に供給され、流路において混合気が流動して、混合気が触媒に接触する。改質器３の温度が約３７５℃であるので、メタノールと水が触媒の作用を受けて、上述の化学反応式（１）のような水蒸気改質反応が起こり、水素ガスが生成される。また、化学反応式（１）に次いで上記化学反応式（２）によって微量の一酸化炭素が副生される。
【００３４】
改質器３から排出された改質ガスは、発電セル４０の燃料極４２にアノード集電極４４の流路４６を介して送られる。一方、ポンプＰ２により、電子機器１０００外部の空気が取り込まれ、発電セル４０の酸素極４３にカソード集電極４５の流路４７を介して送られる。この場合、発電セル４０の温度は約１００℃であるので、発電セル４０では上述の化学反応式（４）、（５）の反応が起こらないため、電力は取り出されず、改質ガス及び空気がそのまま触媒燃焼器４８に送られる。そして、触媒燃焼器４８の温度は１００℃程度と高くなっているので、改質ガスが触媒燃焼器４８で燃焼され、この燃焼熱により、発電セル４０の温度が上がる。
ポンプＰ１を駆動している間、上述の動作が続くため、発電セル４０の温度が次第に上昇し、そして、発電セル４０がその動作温度である８００℃程度にまで昇温されると、発電セル４０で上述の化学反応式（４）、（５）の反応が起こるようになり、電力が取り出される。そして、発電セル４０のオフガスが触媒燃焼器４８に送られるとともに、触媒燃焼器４８の温度も８００℃程度と高くなっているので、発電セル４０から送られるオフガスが触媒燃焼器４８で燃焼される。
【００３５】
このように、本実施の形態では、まず、各電気ヒータ兼温度センサ２ａ，３ａにより気化器２及び改質器３をそれぞれ動作温度まで昇温することによって、連結部８２を介した伝導伝熱により発電セル４０を１００℃程度まで昇温し、次に、改質器３で生成された改質ガスを触媒燃焼器４８で燃焼させることにより発電セル４０を約１００℃から約８００℃に昇温することが可能である。発電セル４０を動作温度まで昇温する際、触媒燃焼器４８を用いるため、ヒータで昇温する場合と比べて、昇温に必要な電力量を抑制できる。これにより、二次電池９０３の電池容量を小さくでき、ひいては、発電装置１００を小型化することができる。
また、制御装置２００は、改質器３及び気化器２の温度に基づいて発電セル４０の温度が所定温度となったものと判定するので、発電セル４０の動作温度である約８００℃といった非常に高温となる領域に温度センサを設ける必要がなく、比較的低温である改質器３の動作温度範囲で動作する温度センサを利用できる。この場合、比較的低温でのみ測定を行うため、温度センサが加熱により劣化したり、熱応力によって破損する可能性を低減することができる。
さらに、発電セル４０にヒータや温度センサを設けない場合、ヒータや温度センサに電力を供給するための配線を連結部８２に形成する必要がない。従って、配線と第二の容器６との間を絶縁するため、これらの間に絶縁性の部材を介することがなく、同一の材料同士を直接接続することができるので、第二の容器と連結部８２との間の熱応力を低減することができる。
【００３６】
＜変形例１＞
変形例１では、第一の実施の形態と同様の構成については、同符号を付して説明する。変形例１の発電装置１００は、気化器２の温度が約１３０℃、改質器３の温度が２８０℃（第二の既定の温度）程度のときに、連結部８２を介した伝導伝熱により発電セル４０及び触媒燃焼器４８の温度が１００℃程度となり、その起動時に、以下の通り動作する。
まず、制御装置２００は、気化器２の温度が約１３０℃、改質器３の温度が約２８０℃となるように制御する。ここで、制御装置２００は、気化器２の電気ヒータ兼温度センサ２ａ及び改質器３の電気ヒータ兼温度センサ３ａの測定結果に基づいて、発電セル４０及び触媒燃焼器４８において後述する燃焼反応が可能となる所定温度となったものと判定する。次に、制御装置２００がポンプＰ１を駆動すると、燃料容器１に貯留されたメタノールと水との混合液が気化器２の流路に供給され、混合液が気化して混合気が生成される。
【００３７】
気化されたメタノールと水との混合気が改質器３の流路に供給されると、改質器３の温度は約２８０℃であるので、改質器３では上述の化学反応式（１）、（２）の反応が起こらないため、混合気はそのまま発電セル４０に送られる。発電セル４０の温度は約１００℃であり、改質ガスも供給されないので、発電セル４０では上述の化学反応式（４）、（５）の反応は起こらないため、電力は取り出されず、混合気はそのまま触媒燃焼器４８に送られる。触媒燃焼器４８の温度は１００℃程度と高くなっているので、混合気が触媒燃焼器４８で燃焼され、この燃焼熱により、発電セル４０の温度が上がる。
【００３８】
ポンプＰ１を駆動している間、上述の動作が続くため、発電セル４０の温度が次第に上昇するともに、連結部８２を介した伝導伝熱により改質器３の温度が次第に上昇する。そして、上述の化学反応式（１）、（２）の反応が起こる温度である３７５℃程度まで改質器３が昇温されると、改質器３において改質ガスが生成されるようになり、生成された改質ガスは発電セル４０に送られる。さらに、発電セル４０がその動作温度である８００℃程度にまで昇温されると、発電セル４０で上述の化学反応式（４）、（５）の反応が起こるようになり、電力が取り出される。そして、発電セル４０のオフガスが触媒燃焼器４８に送られるとともに、触媒燃焼器４８の温度も８００℃程度と高くなっているので、発電セル４０から送られるオフガスが触媒燃焼器４８で燃焼される。この変形例１においても、上述の実施形態と同様の各効果が得られる。
【００３９】
［第二の実施の形態］
図９は、第二の実施の形態の発電装置１Ａを搭載した携帯用の電子機器１０００Ａを示すブロック図であり、図１０は定常運転時の第一の容器５Ａ内の温度分布を示す模式図である。以下において、第一の実施の形態と同様の構成については、同符号の末尾にＡを付して説明を割愛する。
【００４０】
発電セル４０Ａは、熔融炭酸塩電解質４１Ａと、熔融炭酸塩電解質４１Ａの一方の面に形成された燃料極４２Ａ（アノード）と、熔融炭酸塩電解質４１Ａの他方の面に形成された酸素極４３Ａ（カソード）と、燃料極４２Ａに接合してその接合面に流路４６Ａを形成したアノード集電極４４Ａと、酸素極４３Ａに接合してその接合面に流路４７Ａを形成したカソード集電極４５Ａとを備える。
【００４１】
発電セル４０Ａは触媒燃焼器４８の熱により約６００〜７００℃程度に加熱され、後述する反応が起こる。
酸素極４３Ａにはカソード集電極４５Ａの流路４７Ａを介して触媒燃焼器４８Ａから送られる水蒸気、酸素（空気）及び二酸化炭素の混合気体が送られる。酸素極４３Ａでは酸素及び二酸化炭素と、カソード出力電極７２Ａより供給される電子により、次式（６）に示すように炭酸イオンが生成される。
２ＣＯ2＋Ｏ2＋４ｅ-→２ＣＯ32-  …（６）
熔融炭酸塩電解質４１Ａは炭酸イオンの透過性を有し、酸素極４３Ａで生成された炭酸イオンを透過させて燃料極４２Ａに到達させる。
【００４２】
燃料極４２Ａにはアノード集電極４４Ａの流路４６Ａを介して改質器３Ａから排出された改質ガスが送られる。酸素極４３Ａでは熔融炭酸塩電解質４１Ａを透過した炭酸イオンと改質ガスとの次式（７）、（８）のような反応が起こる。燃料極４２Ａに放出される電子はアノード出力電極７１Ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２Ａ等の外部回路を経てカソード出力電極７２Ａより酸素極４３Ａに供給される。
Ｈ2＋ＣＯ32-→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2＋２ｅ-  …（７）
ＣＯ＋ＣＯ32-→２ＣＯ2＋２ｅ-  …（８）
【００４３】
アノード集電極４４Ａ及びカソード集電極４５Ａには、アノード出力電極７１Ａ、カソード出力電極７２Ａが接続され、第一の容器５Ａを貫通して引き出される。図９に示すように、アノード出力電極７１Ａ及びカソード出力電極７２Ａは、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ９０２Ａに接続される。
【００４４】
図１０は、定常運転時の第一の容器５Ａ内の温度分布を示す模式図である。
発電装置１００Ａの起動時に、制御装置２００Ａは、気化器２Ａの電気ヒータ兼温度センサ２ａＡと、改質器３Ａの電気ヒータ兼温度センサ３ａＡに二次電池９０３Ａに蓄えられた電力を供給し、気化器２Ａの温度が約１５０℃、改質器３Ａの温度が約３７５℃となるように制御する。第二の実施の形態の発電装置１００Ａは、気化器２Ａの温度が約１５０℃、改質器３Ａの温度が３７５℃（第一の既定の温度）程度のときに、連結部８２Ａを介した伝導伝熱により発電セル４０Ａ及び触媒燃焼器４８Ａの温度は１００℃程度となる。
【００４５】
次に、制御装置２００ＡがポンプＰ１Ａを駆動すると、燃料容器１Ａに貯留されたメタノールと水との混合液が気化器２Ａの流路に供給される。気化器２Ａの温度が約１５０℃であるので、混合液が気化器２Ａの流路を流動している時に、混合液が気化して混合気が生成される。気化されて高圧になったその混合気は改質器３Ａの流路に供給され、流路において混合気が流動して、混合気が触媒に接触する。改質器３Ａの温度が約３７５℃であるので、メタノールと水が触媒の作用を受けて、上述の化学反応式（１）のような水蒸気改質反応が起こり、水素ガスが生成される。また、化学反応式（１）に次いで上記化学反応式（２）によって微量の一酸化炭素が副生される。
【００４６】
改質器３Ａから排出された改質ガスは、発電セル４０Ａの燃料極４２Ａにアノード集電極４４Ａの流路４６Ａを介して送られる。一方、ポンプＰ２Ａにより、電子機器１０００Ａ外部の空気が取り込まれ、発電セル４０Ａの酸素極４３Ａにカソード集電極４５Ａの流路４７Ａを介して送られる。この場合、発電セル４０Ａの温度は約１００℃であるので、発電セル４０Ａでは上述の化学反応式（７）、（８）の反応が起こらないため、電力は取り出されず、改質ガス及び空気がそのまま触媒燃焼器４８Ａに送られる。そして、触媒燃焼器４８Ａの温度は１００℃程度と高くなっているので、改質ガスが触媒燃焼器４８Ａで燃焼され、この燃焼熱により、発電セル４０Ａの温度が上がる。
ポンプＰ１Ａを駆動している間、上述の動作が続くため、発電セル４０Ａの温度が次第に上昇し、そして、発電セル４０Ａがその動作温度である６５０℃程度にまで昇温されると、発電セル４０Ａで上述の化学反応式（７）、（８）の反応が起こるようになり、電力が取り出される。そして、発電セル４０Ａのオフガスが触媒燃焼器４８Ａに送られるとともに、触媒燃焼器４８Ａの温度も６５０℃程度と高くなっているので、発電セル４０Ａから送られるオフガスが触媒燃焼器４８Ａで燃焼される。
【００４７】
このように、本実施の形態では、まず、各電気ヒータ兼温度センサ２ａＡ，３ａＡにより気化器２Ａ及び改質器３Ａをそれぞれ動作温度まで昇温することによって、連結部８２Ａを介した伝導伝熱により発電セル４０Ａを１００℃程度まで昇温し、次に、改質器３Ａで生成された改質ガスを触媒燃焼器４８Ａで燃焼させることにより発電セル４０Ａを約１００℃から約６５０℃に昇温することが可能である。この第二の実施の形態においては、上述の第一の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４８】
＜変形例２＞
変形例２では、第二の実施の形態と同様の構成については、同符号を付して説明する。変形例２の発電装置１００Ａは、気化器２Ａの温度が約１３０℃、改質器３Ａの温度が２８０℃（第二の既定の温度）程度のときに、連結部８２Ａを介した伝導伝熱により発電セル４０Ａ及び触媒燃焼器４８Ａが１００℃程度となり、その起動時に、以下の通り動作する。
まず、制御装置２００Ａは、気化器２Ａの温度が約１３０℃、改質器３Ａの温度が約２８０℃となるように制御する。ここで、制御装置２００Ａは、気化器２Ａの電気ヒータ兼温度センサ２ａＡ及び改質器３Ａの電気ヒータ兼温度センサ３ａＡの測定結果に基づいて、発電セル４０Ａ及び触媒燃焼器４８Ａが所定温度となったものと判定する。次に、制御装置２００ＡがポンプＰ１Ａを駆動すると、燃料容器１Ａに貯留されたメタノールと水との混合液が気化器２Ａの流路に供給され、混合液が気化して混合気が生成される。
【００４９】
気化されたメタノールと水との混合気が改質器３Ａの流路に供給されると、改質器３Ａの温度は約２８０℃であるので、改質器３Ａでは上述の化学反応式（１）、（２）の反応が起こらないため、混合気はそのまま発電セル４０Ａに送られる。発電セル４０Ａの温度は約１００℃であり、改質ガスも供給されないので、発電セル４０Ａでは上述の化学反応式（７）、（８）の反応は起こらないため、電力は取り出されず、混合気はそのまま触媒燃焼器４８Ａに送られる。触媒燃焼器４８Ａの温度は１００℃程度と高くなっているので、混合気が触媒燃焼器４８Ａで燃焼され、この燃焼熱により、発電セル４０Ａの温度が上がる。
【００５０】
ポンプＰ１Ａを駆動している間、上述の動作が続くため、発電セル４０Ａの温度が次第に上昇するともに、連結部８２Ａを介した伝導伝熱により、改質器３Ａの温度が次第に上昇する。そして、上述の化学反応式（１）、（２）の反応が起こる温度である３７５℃程度まで改質器３Ａが昇温されると、改質器３Ａにおいて改質ガスが生成されるようになり、生成された改質ガスは発電セル４０Ａに送られる。これとともに、発電セル４０Ａがその動作温度である６５０℃程度にまで昇温されると、発電セル４０Ａで上述の化学反応式（７）、（８）の反応が起こるようになり、電力が取り出される。そして、発電セル４０Ａのオフガスが触媒燃焼器４８Ａに送られるとともに、触媒燃焼器４８Ａの温度も６５０℃程度と高くなっているので、発電セル４０Ａから送られるオフガスが触媒燃焼器４８Ａで燃焼される。この変形例２においても、上述の変形例１と同様の各効果が得られる。
【００５１】
以上のように、発電セル４０を第二の容器６内に収容しているので、発電セル４０の各接合部からガス漏れが生じた場合でも、第一の容器５内の真空度を維持することができ、ひいては、発電セル４０から第一の容器５を介した伝導による伝熱を抑制し、熱損失をできる限り小さくすることができるため、発電装置１００全体のエネルギー効率が良くなる。
また、第二の容器６がアノード出力電極７１及びカソード出力電極７２と接続されているので、これによって第二の容器６が支持される。
また、気化器２や改質器３を第二の容器６の外側であって第一の容器５の内側に収容しているので、従来のように一つの容器内に発電セル、気化器及び改質器を一緒に収容する場合に比して、動作温度の高い発電セル４０と、発電セル４０よりも動作温度の低い気化器２や改質器３を最適な温度分布としやすい。
また、第二の容器６は輻射線を反射する反射膜を有するので、輻射による伝熱を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】発電装置１を搭載した携帯用の電子機器１０００を示すブロック図である。
【図２】発電セル４０の模式図である。
【図３】発電セルスタック４００の一例を示す模式図である。
【図４】発電装置１００の内部構造を示す概略平断面図である。
【図５】図４の切断線V−Vに沿って切断した際の矢視断面図である。
【図６】図４の切断線VI−VIに沿って切断した際の矢視断面図である。
【図７】図６の切断線VII−VIIに沿って切断した際の一部を透過図とした矢視断面図である。
【図８】定常運転時の第一の容器５内の温度分布を示す模式図である。
【図９】発電装置１Ａを搭載した携帯用の電子機器１０００Ａを示すブロック図である。
【図１０】定常運転時の第一の容器５Ａ内の温度分布を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
２，２Ａ  気化器（反応器）
２ａ，２ａＡ  電気ヒータ兼温度センサ（加熱手段、温度検出手段）
３，３Ａ  改質器（反応器）
３ａ，３ａＡ  電気ヒータ兼温度センサ（加熱手段、温度検出手段）
４，４Ａ  燃料電池部
５，５Ａ  第一の容器
５ａ，５ａＡ  壁面
６，６Ａ  第二の容器
６ａ，６ａＡ  壁面
４０，４０Ａ  発電セル
４８，４８Ａ  触媒燃焼器
８２，８２Ａ  連結部
９１，９２，９１Ａ，９２Ａ  輻射防止膜
９３，９３Ａ  配線パターン
１００，１００Ａ  発電装置
２００，２００Ａ  制御装置
９０１，９０１Ａ  電子機器本体
１０００，１０００Ａ  電子機器
Ｐ１，Ｐ１Ａ，Ｐ２，Ｐ２Ａ  ポンプ
【図１】
0005396718.tif 000002
【図２】
0005396718.tif 000003
【図３】
0005396718.tif 000004
【図４】
0005396718.tif 000005
【図５】
0005396718.tif 000006
【図６】
0005396718.tif 000007
【図７】
0005396718.tif 000008
【図８】
0005396718.tif 000009
【図９】
0005396718.tif 000010
【図１０】
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