(57)【要約】【課題】燃焼器の手前に冷却部や水溜めを設けることなく、流路内で凝縮した水滴が燃焼器に入ることによる燃焼器の温度や圧力の急激な変動を防止する。【解決手段】燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セル８と、発電セル８から排出される未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器９と、発電セル８から燃焼器９へ未反応の燃料ガスを搬送する燃焼燃料供給流路６１，６８とを備える燃料電池システム１である。燃焼燃料供給流路の内壁面には親水加工が施されているので、水滴の接触角が小さくなり、内壁面に形成される水滴が大きくなる前に内壁面に沿って流路方向へ流れるので、流路を塞ぐような大きな水滴が発生することを避けることができ、燃焼燃料供給流路の内部で凝縮した水が少量ずつ燃焼器へ搬送されるため、燃焼器の温度や圧力の急激な変動を防止することができる。【選択図】図１
2008059844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
前記発電セルから排出される未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記発電セルから前記燃焼器へ未反応の燃料ガスを搬送する燃焼燃料供給流路と、を備え、
前記燃焼燃料供給流路の内壁面には親水加工が施されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システムは、更に、前記燃焼燃料供給流路に、前記燃焼器において前記未反応の燃料ガスを燃焼させるための酸化剤を含む気体を供給する酸化剤供給流路を備え、
前記酸化剤供給流路には、前記酸化剤を含む気体を加熱する加熱部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記加熱部は、前記発電セルの熱により前記酸化剤を含む気体を加熱する熱交換器からなることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システムは、前記燃焼器の全体を覆い、内部空間が大気圧より低い気圧とされる断熱容器を備え、
前記燃焼器と前記燃焼燃料供給流路とは前記断熱容器を貫通する管材により接続され、
前記燃焼燃料供給流路の流路断面積は前記管材との接続部側に向かって連続的に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムは、更に、原燃料が供給されて前記燃料ガスを生成する化学反応器を備え、
前記化学反応器は前記断熱容器に収納され、前記燃焼器は該化学反応器を所定の温度に加熱することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、
前記発電セルから排出される未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記発電セルから前記燃焼器へ未反応の燃料ガスを搬送する燃焼燃料供給流路と、
前記燃焼燃料供給流路に、前記燃焼器において前記未反応の燃料ガスを燃焼させるための酸化剤を含む気体を供給する酸化剤供給流路を備え、
前記酸化剤を含む気体の湿度は、前記発電セルから排出される未反応の燃料ガスの湿度より低くされていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化剤供給流路には、前記酸化剤を含む気体を加熱する加熱部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記加熱部は前記発電セルの熱により前記酸化剤を含む気体を加熱する熱交換器からなることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記酸化剤を含む気体は空気であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムは、前記燃焼器の全体を覆い、内部空間が大気圧より低い気圧とされる断熱容器を備え、
前記燃焼器と前記燃焼燃料供給流路とは前記断熱容器を貫通する管材により接続され、
前記燃焼燃料供給流路の流路断面積は前記管材との接続部側に向かって連続的に小さくなることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池システムは、更に、前記断熱容器及び前記発電セルが配置され、少なくとも前記燃焼燃料供給流路が設けられたプレートを備え、
前記プレートは前記燃焼燃料供給流路となる溝が形成された第一基板と、
前記第一基板の前記溝が形成された面に接合され、前記溝の端部に対応する位置に前記管材と等しい内径の貫通孔が設けられた第二基板とからなり、
前記第一基板における前記溝の幅は、端部に向かって前記第二基板における前記貫通孔の内径まで連続的に狭くなっていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池システムは、更に、原燃料が供給されて前記燃料ガスを生成する化学反応器を備え、
前記化学反応器は前記断熱容器に収納され、前記燃焼器は該化学反応器を所定の温度に加熱することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を改質して生成された水素を用いて、電気化学反応により電力を取り出す燃料電池システムに関する。
【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いる。燃料電池に用いる燃料は水素ガスであり、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器で改質することでその水素ガスを生成している（特許文献１、特許文献２参照。）。また、エネルギーの利用効率を高めるために、発電セル（燃料電池本体）から排出される未反応の水素ガス（オフガス）をバーナー等の燃焼器で燃焼させ、その燃焼熱によって改質器を加熱することが行われている（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
ところで、オフガスには水蒸気や水滴が含まれており、発電セルから燃焼器間の流路内で凝縮した水滴が燃焼器に入ると燃焼器の温度が急激に変動する。また、燃焼器内に入った水滴が蒸発すると水蒸気により燃焼器内の圧力が急激に変動する。これを避けるため、燃焼器の手前にオフガスを冷却する冷却部を設け、それにより凝縮した水を溜める水溜めを冷却部の下方に設けることが行われている（特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−５０７９８号公報
【特許文献２】特開２００１−２２９９５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このような燃料電池を用いた電源システム（燃料電池システム）を、ノートパソコンや携帯電話等の小型で携帯可能な電子機器（携帯機器）等に搭載するために、燃料電池システムの小型化を図るための開発が進められている。このような携帯機器に搭載する燃料電池システムでは、小型化を図るために、燃焼器の手前に冷却部や水溜めを設けることが困難である。また、携帯機器では使用時の機器の向きが様々に変化するため、冷却部に対する水溜めの位置が定まらず、実用化できないという問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、燃焼器の手前に冷却部や水溜めを設けることなく、流路内で凝縮した水滴が燃焼器に入ることによる燃焼器の温度や圧力の急激な変動を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、前記発電セルから排出される未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、前記発電セルから前記燃焼器へ未反応の燃料ガスを搬送する燃焼燃料供給流路と、を備え、前記燃焼燃料供給流路の内壁面には親水加工が施されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、更に、前記燃焼燃料供給流路に、前記燃焼器において前記未反応の燃料ガスを燃焼させるための酸化剤を含む気体を供給する酸化剤供給流路を備え、前記酸化剤供給流路には、前記酸化剤を含む気体を加熱する加熱部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記加熱部は、前記発電セルの熱により前記酸化剤を含む気体を加熱する熱交換器からなることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、前記燃焼器の全体を覆い、内部空間が大気圧より低い気圧とされる断熱容器を備え、前記燃焼器と前記燃焼燃料供給流路とは前記断熱容器を貫通する管材により接続され、前記燃焼燃料供給流路の流路断面積は前記管材との接続部側に向かって連続的に小さくなることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、更に、原燃料が供給されて前記燃料ガスを生成する化学反応器を備え、前記化学反応器は前記断熱容器に収納され、前記燃焼器は該化学反応器を所定の温度に加熱することを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、燃料ガスの電気化学反応により電力を取り出す発電セルと、前記発電セルから排出される未反応の燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、前記発電セルから前記燃焼器へ未反応の燃料ガスを搬送する燃焼燃料供給流路と、前記燃焼燃料供給流路に、前記燃焼器において前記未反応の燃料ガスを燃焼させるための酸化剤を含む気体を供給する酸化剤供給流路を備え、前記酸化剤を含む気体の湿度は、前記発電セルから排出される未反応の燃料ガスの湿度より低くされていることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤供給流路には、前記酸化剤を含む気体を加熱する加熱部が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、前記加熱部は前記発電セルの熱により前記酸化剤を含む気体を加熱する熱交換器からなることを特徴とする。
【００１４】
請求項９に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記酸化剤を含む気体は空気であることを特徴とする。
【００１５】
請求項１０に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、前記燃焼器の全体を覆い、内部空間が大気圧より低い気圧とされる断熱容器を備え、前記燃焼器と前記燃焼燃料供給流路とは前記断熱容器を貫通する管材により接続され、前記燃焼燃料供給流路の流路断面積は前記管材との接続部側に向かって連続的に小さくなることを特徴とする。
【００１６】
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、更に、前記断熱容器及び前記発電セルが配置され、少なくとも前記燃焼燃料供給流路が設けられたプレートを備え、前記プレートは前記燃焼燃料供給流路となる溝が形成された第一基板と、前記第一基板の前記溝が形成された面に接合され、前記溝の端部に対応する位置に前記管材と等しい内径の貫通孔が設けられた第二基板とからなり、前記第一基板における前記溝の幅は、端部に向かって前記第二基板における前記貫通孔の内径まで連続的に狭くなっていることを特徴とする。
【００１７】
請求項１２に記載の発明は、請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、更に、原燃料が供給されて前記燃料ガスを生成する化学反応器を備え、前記化学反応器は前記断熱容器に収納され、前記燃焼器は該化学反応器を所定の温度に加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、発電セルから燃焼器へ未反応の燃料ガスを搬送する燃焼燃料供給流路の内壁面に親水加工が施されているので、水滴の接触角が小さくなり、燃焼燃料供給流路の内壁面に形成される水滴が大きくなる前に内壁面に沿って流路方向へ流れるので、流路を塞ぐような大きな水滴が発生することを避けることができ、燃焼燃料供給流路の内部で凝縮した水は少量ずつ燃焼器へ搬送されるため、燃焼器の温度や圧力の急激な変動を防止することができる。また、燃焼燃料供給流路に酸化剤を含む気体を供給して、発電セルから排出される未反応の燃料ガスの湿度を下げることにより、燃焼燃料供給流路内での水滴の発生を抑えることができて、燃焼器の温度や圧力の急激な変動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】
【００１９】
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。
【００２０】
図１は、本発明に係わる実施形態における燃料電池システム１のブロック図である。この燃料電池システム１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電子機器に搭載されるものである。この燃料電池システム１は、電子機器本体に対して着脱可能な燃料容器２と、電子機器本体に内蔵されたポンプ３、気化器４、改質器５、一酸化炭素除去器６、発電セル（燃料電池本体）８、触媒燃焼器９、エアポンプ３１等を備える。燃料容器２が電子機器本体に装着されると燃料容器２とポンプ３が接続される。
【００２１】
燃料容器２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）と水が混合した状態又は別々に貯留されている。
【００２２】
ポンプ３は、燃料容器２内の原燃料と水を吸引して、原燃料と水の混合液を気化器４に送液するものである。
【００２３】
気化器４には電熱材からなる電気ヒータ兼温度センサ４ａが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ４ａは、電気抵抗値が温度に依存するものであり、温度センサとしても機能する。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の熱により気化される。気化器４で気化した混合気は改質器５へ送られる。
【００２４】
改質器５には、電気抵抗値が温度に依存する電熱材からなる電気ヒータ兼温度センサ５ａが設けられている。改質器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。気化器４から改質器５に送られる混合気は、改質器５の流路を流れ、電気ヒータ兼温度センサ５ａや触媒燃焼器９により加熱されて、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、後述の副生成物である微量な一酸化炭素等）が生成される。なお、原燃料がメタノールの場合、改質器５では主に次式（１）に示すような反応が起こる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2  …（１）
【００２５】
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）
一酸化炭素除去器６には、電気抵抗値が温度に依存する電熱材からなる電気ヒータ兼温度センサ６ａが設けられている。一酸化炭素除去器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。改質器５で生成された改質ガス（燃料ガス）は一酸化炭素除去器６へ送られる。更に、外部の空気が一酸化炭素除去器６へ送られる。改質器５から一酸化炭素除去器６に送られた改質ガスが空気と混合して一酸化炭素除去器６の流路を流れ、電気ヒータ兼温度センサ６ａや触媒燃焼器９により加熱される。そして、改質ガスのうち一酸化炭素が触媒により次式（３）のように優先的に酸化される。これにより二酸化炭素が生成され、改質ガスから一酸化炭素が除去される。例えば、改質ガス中の一酸化炭素の濃度が１０ｐｐｍ以下になる。
２ＣＯ＋Ｏ2→２ＣＯ2  …（３）
【００２６】
上記気化器４、改質器５及び一酸化炭素除去器６は箱状の断熱パッケージ２０内に収容されている。断熱パッケージ２０内の気圧は大気圧より低い気圧とされ、例えば、１０Ｐａ以下の真空圧に保たれている。
【００２７】
発電セル８は、電解質膜８２と、電解質膜８２の一方の面に接合された燃料極８１と、電解質膜８２の他方の面に接合された酸素極８３と、燃料極８１に接合してその接合面に流路を形成した燃料極セパレータ８５と、酸素極８３に接合してその接合面に流路を形成した酸素極セパレータ８６とを備える。電解質膜８２、燃料極８１、酸素極８３を接合したものが膜電極接合体８４である。
【００２８】
一酸化炭素除去器６から排出された改質ガスは発電セル８の燃料極セパレータ８５の流路に送られる。もう一方の酸素極セパレータ８６の流路には空気が送られる。そして、燃料極８１に供給された改質ガス中の水素が、酸素極８３を介して、酸素極８３に供給された空気中の酸素と電気化学反応することによって、燃料極８１と酸素極８３との間で電力が生じる。なお、電解質膜８２が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、燃料極８１では次式（４）のような反応が起き、燃料極８１で生成された水素イオンが電解質膜８２を透過し、酸素極８３では次式（５）のような反応が起こる。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-  …（４）
２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ  …（５）
【００２９】
燃料極８１と酸素極８３は、負荷７に接続され、発電セル８で取り出された電力により負荷７が動作する。負荷７としては、例えば、モータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、二次電池等が挙げられる。
【００３０】
燃料極セパレータ８５の流路を通過した改質ガス（オフガス）には、未反応の水素が含まれている。オフガスは、外部の空気と混合された後、触媒燃焼器９に供給される。
【００３１】
オフガスと混合される空気は例えばエアポンプ３１によって外部から吸引されて供給される。熱交換器（加熱部）３２には発電セル８の熱が伝導し、熱交換器３２を通過する空気が温められる。熱交換器３２で温められた空気はオフガスと混合され、触媒燃焼器９に供給される。
【００３２】
触媒燃焼器９は、改質器５の背面側に設置され、触媒燃焼器９で得られる反応熱によって改質器内の流路を加熱するようになっている。また、電熱材からなる電気ヒータ９ａが設けられている。
【００３３】
また、触媒燃焼器９の内部には流路が形成され、その流路の壁面に触媒が担持されている。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２０の外部に放出される。
【００３４】
この触媒燃焼器９が断熱パッケージ２０内に収容され、触媒燃焼器９で発生した燃焼熱は気化器４における気化、改質器５における改質反応、一酸化炭素除去器６における選択酸化反応に用いられる。
図２は、プレート１０の上に設けられた、本実施形態における燃料電池システム１の概略断面図であり、図３（ａ）はプレート１０を形成する第二基板１２の平面図、図３（ｂ）はプレート１０を形成する第一基板１１の平面図、図３（ｃ）は図３（ｂ）の切断線Ｃ−Ｃに沿った面の矢視断面図である。プレート１０の上には、断熱パッケージ２０、発電セル８が配置される。また、断熱パッケージ２０内では、気化器４、改質器５、一酸化炭素除去器６及び触媒燃焼器９が熱伝導材２１に接するように搭載され、触媒燃焼器９の燃焼熱が熱伝導材２１によって気化器４、改質器５、一酸化炭素除去器６に伝導される。熱伝導材２１は後述する５本の管材（改質燃料供給管５５、一酸化炭素除去用空気供給管５６、アノードガス供給管５７、燃焼燃料供給管５８、排ガス管５９）により支持され、断熱パッケージ２０の内壁から離間するように配置されている。
【００３５】
プレート１０は、第一基板１１と、第一基板１１の上に重ねられる第二基板１２とにより形成される。第一基板１１及び第二基板１２には、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の樹脂による板材を用いることができる。ＰＥＥＫは半結晶性のエンジニアリングプラスチックであり、２００℃以上の温度で連続使用が可能であり、ガス不透過性、耐薬品性、成形性、切削性に優れ、機械的強度も高く、電気絶縁性を有するため、プレート１０に適している。
【００３６】
第一基板１１には、複数の溝４１〜４９が設けられている。第二基板１２には、第一基板１１に設けられた溝４１〜４９の端部へ通じる貫通孔７１〜７９が設けられている。なお、第二基板１２に設けられる貫通孔７１〜７９の内径は管材５５〜５９の内径と等しい。
【００３７】
第一基板１１の上に第二基板１２を重ねて接合することにより、これらの溝４１〜４９が第二基板１２により蓋されるとともに、貫通孔７１〜７９と一体となり、流路が形成される。すなわち、溝４１及び貫通孔７１がアノードガス排出流路６１、溝４２及び貫通孔７２ａ，７２ｂがカソードガス供給流路６２、溝４３及び貫通孔７３ａ，７３ｂがカソードガス排出流路６３、溝４４及び貫通孔７４が燃焼用空気供給流路（酸化剤供給流路）６４、溝４５及び貫通孔７５ａ，７５ｂが改質燃料供給流路６５、溝４６及び貫通孔７６ａ，７６ｂが一酸化炭素除去用空気供給流路６６、溝４７及び貫通孔７７ａ，７７ｂがアノードガス供給流路６７、溝４８及び貫通孔７８が混合流路６８、溝４９及び貫通孔７９ａ，７９ｂが排ガス流路６９となる。
【００３８】
アノードガス排出流路６１の一端の貫通孔７１は燃料極セパレータ８５の流路の一端と接続される。アノードガス排出流路６１の他端は燃焼用空気供給流路６４及び混合流路６８と接続される。
【００３９】
カソードガス供給流路６２の一端の貫通孔７２ａは図示しないエアポンプと接続され、他端の貫通孔７２ｂは酸素極セパレータ８６の流路の一端と接続される。
カソードガス排出流路６３の一端の貫通孔７３ａは酸素極セパレータ８６の流路の他端と接続され、他端の貫通孔７３ｂは図示しない排気流路に接続される。
【００４０】
燃焼用空気供給流路６４の一端の貫通孔７４は図２，図３に図示しないエアポンプ３１と接続され、他端はアノードガス排出流路６１及び混合流路６８と接続される。
【００４１】
改質燃料供給流路６５の一端の貫通孔７５ａは図示しないポンプ３と接続され、他端の貫通孔７５ｂは改質燃料供給管５５の下端と接続される。改質燃料供給管５５の上端は、気化器４と接続される。
【００４２】
一酸化炭素除去用空気供給流路６６の一端の貫通孔７６ａは図示しないエアポンプに接続され、他端の貫通孔７６ｂは一酸化炭素除去用空気供給管５６の下端と接続される。一酸化炭素除去用空気供給管５６の上端は熱伝導材２１に設けられた流路２２により一酸化炭素除去器６に接続される。
【００４３】
アノードガス供給流路６７の一端の貫通孔７７ａはアノードガス供給管５７に接続され、他端の貫通孔７７ｂは燃料極セパレータ８５の流路の他端と接続される。アノードガス供給管５７の他端は熱伝導材２１に設けられた流路２３により一酸化炭素除去器６と接続される。
【００４４】
混合流路６８の一端の貫通孔７８は燃焼燃料供給管５８の下端と接続され、他端はアノードガス排出流路６１及び燃焼用空気供給流路６４と接続される。燃焼燃料供給管５８の上端は熱伝導材２１に設けられた流路２４により触媒燃焼器９と接続される。
排ガス流路６９の一端の貫通孔７９ａは排ガス管５９と接続され、他端の貫通孔７９ｂは図示しない排気流路に接続される。排ガス管５９の他端は熱伝導材２１に設けられた流路２５により触媒燃焼器９と接続される。
【００４５】
熱伝導材２１には流路２２，２３，２４，２５の他に、気化器４と改質器５とを接続する流路２６、改質器５と一酸化炭素除去器６とを接続する流路２７が設けられる。
【００４６】
次に、燃料極セパレータ８５の流路を通過したオフガスの処理について説明する。
燃焼用空気供給流路６４は発電セル８の下部を通っており、発電セル８の下部に熱交換器が設けられている。熱交換器を通る空気は、発電セル８から伝導した熱により加熱される。加熱された空気はアノードガス排出流路６１を流れるオフガスと合流し、混合されて混合流路６８を流れる。
【００４７】
熱交換器で加熱された空気がアノードガス排出流路６１を流れるオフガスと混合されることで、混合流路６８を流れる気体の湿度を低下させるため、混合流路６８内での水滴の発生を抑えることができる。
【００４８】
例えば、発電セル８に供給される改質ガスのＨ2成分が７０％、発電セル８のＨ2利用率が８０％、発電セル８から排出されるオフガスの温度が７０℃、露点が６５℃とし、エアポンプ３１が取り込んだ空気の温度を２５℃、相対湿度を４０％、熱交換器で昇温した後の空気の温度を６５℃、空気の流量をオフガスに残留するＨ2を完全燃焼させる最低流量（モル流量比１：０．８）とすると、混合後の温度は約６８℃、相対湿度は５５％となり、露点を５５℃まで低下させることができる。
【００４９】
なお、発電セル８で生じた熱を利用して空気を加熱するため、空気を温めるのに新たな熱源は不要であり、燃料電池システム全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００５０】
アノードガス排出流路６１及び混合流路６８の内壁面には、親水加工が施されている。プレート１０に上記のようにＰＥＥＫ等の樹脂による板材を用いる場合においては、親水加工として、例えば、サンドブラストにより表面に微細な凹凸を形成することによって親水性を向上させる方法を適用することができる。このような樹脂材においては、水の接触角が９０度未満であって親水性を有しており、このような親水性を有する材料の表面に微細な凹凸を形成することによって、親水性を高められることが知られている。このようにして内壁面の親水性が高められていることにより、内壁面に水滴が形成された場合においても、水滴が大きくなる前に内壁面に沿って流路方向へ流れるので、流路を塞ぐような大きな水滴が発生することを避けることができる。したがって、アノードガス排出流路６１及び混合流路６８の内部で凝縮した水は大きな水滴を形成せずに混合気体とともに少量ずつ触媒燃焼器９へ搬送される。なお、親水加工としては、上記の方式の他、例えば酸化チタン膜等の親水化処理用コーティング剤を内壁面に塗布して、親水性を向上させる方式を適用してもよい。
【００５１】
もし、流路を塞ぐような大きな水滴が触媒燃焼器９に流入すると、水滴が気化するのに触媒燃焼器９の熱が用いられ、触媒燃焼器９の温度が急低下するおそれや、気化した水蒸気により触媒燃焼器９の圧力が急上昇するおそれがある。
本実施の形態では、混合流路６８の内部で凝縮した水が大きな水滴を形成せずに混合気体とともに少量ずつ触媒燃焼器９へ搬送されるので、触媒燃焼器９の温度が急低下することを防止することができる。
【００５２】
次に、図４は燃焼燃料供給管５８とプレート１０との接続部の構造を示す鉛直断面図である。図４に示すように、管材５５〜５９と断熱パッケージ２０との間は封止材９１により封止されている。また、第二基板１２に設けられた貫通孔７１〜７９の外周部には、Ｏリング９２が埋め込まれており、第二基板１２と燃焼燃料供給管５８との間はＯリング９２により封止される。
【００５３】
図５は図４の、切断線V−Vに沿った面の矢視断面図である。図４に示すように、混合流路６８となる溝は、深さが一定であるが、燃焼燃料供給管５８との接続部に向かうにつれて貫通孔７８の内径まで連続的に幅が小さくなるように形成されている。このため、混合流路６８の断面積は燃焼燃料供給管５８との接続部側に向かって連続的に小さくなる。
【００５４】
混合流路６８を含む第一基板１１に設けられた流路は、圧力損失を低減するため、流路断面積を大きくしている。一方、燃焼燃料供給管５８を含む断熱パッケージ２０を貫通する管材５５〜５９は、管材５５〜５９を介して熱伝導材２１からプレート１０へ伝導する熱を低減するために、断面を小さくしている。その結果、燃焼燃料供給管５８の内径が小さくなり、混合流路６８と燃焼燃料供給管５８との流路断面積が大きく異なっている。本実施の形態では、燃焼燃料供給管５８との接続部に向けて混合流路６８の幅を徐々に狭くすることで、混合流路６８から燃焼燃料供給管５８へ続く流路の断面積が連続的に変化するようにしている。
【００５５】
もし、混合流路６８から燃焼燃料供給管５８へ続く流路の断面積の変化が不連続であれば、その不連続となる部分の流速が不均一になり、混合流路６８内で生成する水滴が溜まり、大きな水滴が形成されやすくなる。大きく成長した水滴が燃焼燃料供給管５８を通って触媒燃焼器９に流入すると、水滴が気化するのに触媒燃焼器９の熱が用いられ、触媒燃焼器９の温度が急低下するおそれや、気化した水蒸気により触媒燃焼器９の圧力が急上昇するおそれがある。本実施の形態では、混合流路６８から燃焼燃料供給管５８へ続く流路の断面積が連続的に変化するようにしているため、水滴が大きく成長せずに混合気体とともに少量ずつ触媒燃焼器９へ搬送されるので、触媒燃焼器９の温度が急低下することを防止することができる。
【００５６】
次に、燃料電池システム１の動作について説明する。
電気ヒータ兼温度センサ４ａ、電気ヒータ兼温度センサ５ａ、電気ヒータ兼温度センサ６ａ、及び電気ヒータ９ａに電力が供給されて、電気ヒータ兼温度センサ４ａ、電気ヒータ兼温度センサ５ａ、電気ヒータ兼温度センサ６ａ、及び電気ヒータ９ａが発熱した状態で、ポンプ３が作動し、更にエアポンプ３１が作動する。ポンプ３によって原燃料と水が送液され、気化器４から改質器５、一酸化炭素除去器６、発電セル８の燃料極（燃料極セパレータ８５）を経由して触媒燃焼器９への流れが生じる。気化器４においては原燃料と水が気化し、改質器５では原燃料と水から改質ガスが生成され、一酸化炭素除去器６では改質ガス中の一酸化炭素が除去され、発電セル８では改質ガス中の水素の電気化学反応により電力が取り出され、触媒燃焼器９ではオフガス中の発電に使われずに残った水素が燃焼される。
【００５７】
そして、気化器４、改質器５、一酸化炭素除去器６、発電セル８、触媒燃焼器９の動作状態が安定し、改質ガス等の流れも安定し、発電セル８が定常発電状態で動作する。この定常発電状態では、電気ヒータ兼温度センサ４ａ、電気ヒータ兼温度センサ５ａ、電気ヒータ兼温度センサ６ａ、及び電気ヒータ９ａにヒータとして動作させるための電力供給を止めることができる。このような安定状態では電気ヒータ９ａの測定温度は所定値（設計値）であり、エアポンプ３１の空気の供給量が所定の一定量に保つ。例えば、発電セル８がある発電状態で動作している場合に水素の消費率を８０％で行うとすると、２０％の未反応の水素が触媒燃焼器９に送られる。そして、この２０％の水素が触媒燃焼器９で燃焼されるようにエアポンプ３１により一定量の空気が送られる。
【００５８】
以上のように、コントローラ３０によって定常発電状態で、エアポンプ３１の空気供給量が一定量に制御されることで、触媒燃焼器９における水素の燃焼量が制御され、断熱パッケージ２０内の温度制御を容易に行うことができる。
【００５９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更をおこなっても良い。
【００６０】
例えば、上記各実施形態では、触媒燃焼器には簡単のために空気を供給する場合について説明したが、空気に限らず酸素等の酸化剤を含む気体でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係わる実施形態における燃料電池システム１のブロック図である。
【図２】本実施形態における燃料電池システム１の概略断面図である。
【図３】（ａ）は第二基板１２、（ｂ）は第一基板１１を示す概略平面図であり、（ｃ）は第一基板１１及び第二基板１２を積層した状態の（ａ），（ｂ）における切断線ｃ−ｃに沿った面の矢視断面図である。
【図４】燃焼燃料供給管５８とプレート１０との接続部の構造を示す鉛直断面図である。
【図５】図４の切断線V−Vに沿った面の矢視断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃料電池システム
８  発電セル
９  触媒燃焼器（燃焼器）
１０  プレート
２０  断熱パッケージ
３２  熱交換器（加熱部）
４１〜４９  溝
７１〜７９  貫通孔
５８  燃焼燃料供給管（管材）
６１  アノードガス排出流路（燃焼燃料供給流路）
６４  燃焼用空気供給流路（酸化剤供給流路）
６８  混合流路（燃焼燃料供給流路）
【図１】
2008059844.tif 000003
【図２】
2008059844.tif 000004
【図３】
2008059844.tif 000005
【図４】
2008059844.tif 000006
【図５】
2008059844.tif 000007