(57)【要約】【課題】出力電極の温度上昇を抑制して、熱損失を低減する。【解決手段】断熱容器１０と、断熱容器１０に収容され、該断熱容器１０の外部より供給される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８と、一端が発電セル８に接続され、他端が断熱容器１０の壁面より外部へ引き出され、発電セル８による電力を出力する出力電極２１ａ，２１ｂと、を備える燃料電池装置１である。出力電極２１ａ，２１ｂには燃料ガスまたは酸化剤を発電セル８に供給する流路２２ａ，２２ｂが設けられている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
一端が前記発電セルに接続され、前記発電セルによる電力を出力する出力電極と、を備え、
前記出力電極には前記燃料ガスまたは前記酸化剤を前記発電セルに供給する流路が設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記出力電極は、四角管、三角管または円管の何れかの形状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記発電セルは、前記出力電極を貫通させる筐体を外部に有し、前記出力電極と前記筐体とは同一の材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
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ていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
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請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
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、前記出力電極の他端が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請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
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請求項６に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記断熱容器から前記改質器に供給される原燃料の流路が設けられた第１連結部と、前記改質器から前記発電セルに供給される燃料ガスの流路が設けられた第２連結部とをさらに備え、
前記出力電極に設けられた流路により前記酸化剤が前記発電セルに供給されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
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請求項８に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
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請求項８または９に記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
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請求項１０に記載の燃料電池装置。
【請求項１２】
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請求項１〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項１３】
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請求項７〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項１４】
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請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項１５】
断熱容器と、
前記断熱容器に収容され、該断熱容器の外部より供給される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、
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、前記発電セルによる電力を出力する出力電極と、を備え、
前記出力電極には前記燃料ガスまたは前記酸化剤を前記発電セルに供給する流路が設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項１６】
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ていることを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池装置。
【請求項１７】
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と、前記断熱容器から前記改質器に供給される原燃料の流路が設けられた第１連結部と、前記改質器から前記発電セルに供給される燃料ガスの流路が設けられた第２連結部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１５または１６に記載の燃料電池装置。
【請求項１８】
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請求項１７に記載の燃料電池装置。
【請求項１９】
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請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池装置。
【請求項２０】
断熱容器と、前記断熱容器に収容され、該断熱容器の外部より供給される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、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、前記発電セルによる電力を出力し、前記燃料ガスまたは前記酸化剤を前記発電セルに供給する流路が設けられている出力電極と、を備える燃料電池装置と、
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。
【請求項２１】
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ていることを特徴とする請求項２０に記載の電子機器。
【請求項２２】
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と、前記断熱容器から前記改質器に供給される原燃料の流路が設けられた第１連結部と、前記改質器から前記発電セルに供給される燃料ガスの流路が設けられた第２連結部と、をさらに備えることを特徴とする請求項２０または２１に記載の電子機器。
【請求項２３】
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請求項２２に記載の電子機器。
【請求項２４】
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請求項２０〜２３のいずれか一項に記載の電子機器。
【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燃料電池装置及びこれを備える電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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）。
【特許文献１】特開２００４−３０９７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、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。
【０００７】
本発明の課題は、出力電極の温度上昇を抑制して、熱損失を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、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、一端が前記発電セルに接続され、前記発電セルによる電力を出力する出力電極と、を備え、前記出力電極には前記燃料ガスまたは前記酸化剤を前記発電セルに供給する流路が設けられていることを特徴とする燃料電池装置である。
【０００９】
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、前記出力電極は、四角管、三角管または円管の何れかの形状であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池装置であって、前記発電セルは、前記出力電極を貫通させる筐体を外部に有し、前記出力電極と前記筐体とは同一の材料からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池装置であって、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ていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池装置であって、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請求項４に記載の燃料電池装置。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、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、前記出力電極の他端が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。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池装置であって、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。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池装置であって、前記断熱容器から前記改質器に供給される原燃料の流路が設けられた第１連結部と、前記改質器から前記発電セルに供給される燃料ガスの流路が設けられた第２連結部とをさらに備え、前記出力電極に設けられた流路により前記酸化剤が前記発電セルに供給されることを特徴とする。
【００１６】
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。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、請求項８または９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。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の燃料電池装置であって、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。
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか一項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。
【００２０】
請求項１３に記載の発明は、請求項７〜１２のいずれか一項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。
【００２１】
請求項１４に記載の発明は、請求項１〜１３のいずれか一項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。
【００２２】
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、該断熱容器の外部より供給される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、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、前記発電セルによる電力を出力する出力電極と、を備え、前記出力電極には前記燃料ガスまたは前記酸化剤を前記発電セルに供給する流路が設けられていることを特徴とする燃料電池装置である。
【００２３】
請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の燃料電池装置において、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ていることを特徴とする。
【００２４】
請求項１７に記載の発明は、請求項１５または１６に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と、前記断熱容器から前記改質器に供給される原燃料の流路が設けられた第１連結部と、前記改質器から前記発電セルに供給される燃料ガスの流路が設けられた第２連結部と、をさらに備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項１８に記載の発明は、請求項１７に記載の燃料電池装置において、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。
【００２６】
請求項１９に記載の発明は、請求項１５〜１８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。
【００２７】
請求項２０に記載の発明は、断熱容器と、前記断熱容器に収容され、該断熱容器の外部より供給される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、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、前記発電セルによる電力を出力し、前記燃料ガスまたは前記酸化剤を前記発電セルに供給する流路が設けられている出力電極と、を備える燃料電池装置と、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。
【００２８】
請求項２１に記載の発明は、請求項２０に記載の電子機器において、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ていることを特徴とする。
【００２９】
請求項２２に記載の発明は、請求項２０または２１に記載の電子機器において、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と、前記断熱容器から前記改質器に供給される原燃料の流路が設けられた第１連結部と、前記改質器から前記発電セルに供給される燃料ガスの流路が設けられた第２連結部と、をさらに備えることを特徴とする。
【００３０】
請求項２３に記載の発明は、請求項２２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、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。
【００３１】
請求項２４に記載の発明は、請求項２０〜２３のいずれか一項に記載の電子機器において、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。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、出力電極に燃料ガスまたは酸化剤を発電セルに供給する流路を設けて、この流路を介して発電セルに燃料ガスまたは酸化剤を供給することにより、発電セルに接続されて発電セルの熱が伝導する出力電極の温度上昇を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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。
【００３４】
〔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。
【００３５】
電子機器１００は、電子機器本体９０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２、二次電池９０３等と、燃料電池装置１とを備える。
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。
【００３６】
〔燃料電池装置〕
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、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。
【００３９】
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の熱や触媒燃焼器９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４で気化した混合気は改質器６へ送られる。
【００４０】
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）
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
固体酸化物型電解質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。
【００４４】
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。
【００４５】
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＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（４）
ＣＯ＋Ｏ2-→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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
〔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、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。
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂ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。
【００５５】
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、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。
【００５６】
連結部５は断熱パッケージ１０を貫通しており、一端が断熱パッケージ１０の外部のポンプ３に接続され、他端が改質器６に接続され、中間部に気化器４が設けられている。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。
【００５７】
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、下面が面一に形成されている。
【００５８】
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、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。
【００５９】
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。
連結部５には触媒燃焼器９から排出される排気ガスの排出流路５１，５２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が設けられている。
同様に、連結部７には触媒燃焼器９から排出される排気ガスの排出流路５１，５２と連通する排出流路（図示せず）が設けられている。また、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（図示せず）が設けられている。連結部５，７により気化器４、改質器６、燃料電池部２０への原燃料、燃料ガス、改質ガスの供給流路、及び排気ガスの排出流路が確保される。
【００６０】
なお、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、連結部７の内部には設けられた３つの流路のうち２つを触媒燃焼器９からの排気ガスの流路として用い、他の１つを発電セル８の燃料極８２への改質ガスの供給流路として用いている。
【００６１】
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の連結部７と接続される側の面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の連結部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。
【００６２】
なお、本実施の形態では、燃料電池部２０の一面の中央部に連結部７が接続され、同一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が引き出されている。このため、連結部７、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂの３点により燃料電池部２０が支持され、断熱パッケージ１０内に燃料電池部２０を安定して保持することができる。
【００６３】
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。
【００６４】
図１１はアノード出力電極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供給流路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、空気供給流路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に設けられた空気供給流路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。
【００６５】
流路８７ａ，８７ｂは一端で空気供給流路２２ａ，２２ｂと接続され、空気供給流路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。
【００６６】
図１３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１３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。
【００６７】
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。
【００６８】
しかし、本実施の形態では、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂに空気供給流路２２ａ，２２ｂを設けているため、空気供給流路２２ａ，２２ｂから空気を供給することでアノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂを冷却することができる。
【００６９】
ここで、一方の出力電極にのみ空気供給流路を形成し、他方の出力電極には空気供給流路を形成しない場合の温度分布のシミュレーションを行った。
シミュレーションの条件として、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、出力電極の素材をインコネル７８３（抵抗率ρ＝１．７×１０-6〔Ω・ｍ〕）、出力電極の長さＬを３５ｍｍ、断熱パッケージ１０内の真空度を０．０３Ｐａ、空気供給流路を形成する出力電極の断面外形を０．７５ｍｍ×０．７５ｍｍ、断面内形を０．３ｍｍ×０．３ｍｍ、空気供給流路を形成しない出力電極の断面外形を０．５ｍｍ×０．５ｍｍとした。
発電セル８の出力電力を３Ｗ、取り出し電流Ｉを５００ｍＡとした。出力電極の断面積をＳとすると抵抗ＲはρＬ／Ｓとなり、出力電極によるジュール熱損失Ｉ2Ｒを発電セル８の出力電力の３％以下に抑えることができる。
真空層厚（燃料電池部２０の外表面と断熱パッケージ１０の内壁面との最短距離）を１ｍｍ、断熱パッケージ１０の内部サイズを２２．６ｍｍ×１４．６ｍｍ×７．６ｍｍ（容積約２．５ｃｍ3）、連結部５，７の断面外形を２．２５ｍｍ×０．５ｍｍ、気化器４の断面外形を１．２×１．２ｍｍとした。
また、空気供給流路２２ａからの導入空気量を１．２×１０-4ｍｏｌ／ｓ、導入空気の温度を２０℃とした。
【００７０】
その結果、燃料電池部の温度が８００℃、改質器６の温度が３８０℃、気化器４の温度が１４８℃となった。
そして、空気を供給した出力電極の断熱パッケージ１０側の端部の温度は２３℃となったのに対し、空気を供給しない出力電極の断熱パッケージ１０側の端部の温度は３８０℃となった。
【００７１】
以上示したように、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂに空気供給流路２２ａ，２２ｂ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の断熱パッケージ１０側の端部の温度上昇を防止することができる。これにより、断熱パッケージ１０やこれを備える燃料電池装置１の表面温度を室温近くまで下げることができ、携帯用の電子機器１００への実装を容易にすることができる。また、燃料電池装置１から周辺の回路基板への熱損失を低減することができ、電子機器１００全体のエネルギー効率を向上させることができる。
【００７２】
なお、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂが温度上昇により膨張し、変形した場合には、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂの一端が燃料電池部２０に接続され、他端が断熱パッケージ１０の内壁面に接合されているため、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２１ｃ，２１ｄを有しているため、この折り曲げ部２１ｃ，２１ｄ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。
【００７３】
また、折り曲げ部２１ｃ，２１ｄ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。
【００７４】
＜変形例１＞
なお、上記の実施形態においては、燃料電池部２０の連結部７が接続された面と同一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１４、図１５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の連結部７との接続部の近傍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、空気供給流路２４ａ，２４ｂと接続される流路８７ａ，８７ｂの構造も適宜変更する。
【００７５】
＜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１６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、空気供給流路２６ａ，２６ｂと接続される流路８７ａ，８７ｂの構造を適宜変更する。
【００７６】
アノード出力電極２５ａ及びカソード出力電極２５ｂが三角管状であっても、空気供給流路２６ａ，２６ｂから空気を供給することで、同様にアノード出力電極２５ａ及びカソード出力電極２５ｂの断熱パッケージ１０側の端部の温度上昇を防止することができる。
【００７７】
＜変形例３＞
あるいは、図１７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、空気供給流路２８ａ，２８ｂと接続される流路８７ａ，８７ｂの構造も適宜変更する。
【００７８】
アノード出力電極２７ａ及びカソード出力電極２７ｂが円管状であっても、空気供給流路２８ａ，２８ｂから空気を供給することで、同様にアノード出力電極２７ａ及びカソード出力電極２７ｂの断熱パッケージ１０側の端部の温度上昇を防止することができる
【００７９】
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１７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。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】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。
【図２】発電セルの模式図である。
【図３】発電セルスタックの一例を示す模式図である。
【図４】断熱パッケージの斜視図である。
【図５】断熱パッケージの内部構造を示す斜視図である。
【図６】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７】図４のVII−VII矢視断面図である。
【図８】連結部、改質器、連結部、燃料電池部の下面図である。
【図９】図８のIX−IX矢視断面図である。
【図１０】図９のX−X矢視断面図である。
【図１１】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る。
【図１２】図１１のXII−XII矢視断面図である。
【図１３】定常運転時の断熱パッケージ内の温度分布を示す模式図である。
【図１４】断熱パッケージの内部構造を示す斜視図である。
【図１５】図１４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１６】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。
【図１７】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】
【００８１】
１  燃料電池装置
４  気化器
５  連結部（第１連結部）
６  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，２３ａ，２５ａ，２７ａ  アノード出力電極（出力電極）
２１ｂ，２３ｂ，２５ｂ，２７ｂ  カソード出力電極（出力電極）
２１ｃ，２１ｄ，２３ｃ，２３ｄ，２５ｃ，２５ｄ，２７ｃ，２７ｄ  折り曲げ部（応力緩和構造）
２２ａ，２４ａ，２６ａ，２８ａ，２２ｂ，２４ｂ，２６ｂ，２８ｂ  空気供給流路
８０  セルスタック
９０  筐体
１００  電子機器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008198372.tif 000013
【図１２】
2008198372.tif 000014
【図１３】
2008198372.tif 000015
【図１４】
2008198372.tif 000016
【図１５】
2008198372.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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