(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物電解質膜と、前記固体酸化物電解質膜の片側に設けられたアノードと、その反対側に設けられたカソードとを有し、水素を含む燃料ガスを前記アノードに送り、酸素を含む酸化剤を前記カソードに送ることによって発電する発電セルと、
前記発電セルから排出された排ガスの一部を冷却する冷却器と、
前記発電セルの停止動作時に、前記発電セルから排出された排ガスの一部からなる前記冷却器によって冷却された第１の排ガスと、前記排ガスから前記第１の排ガスを除いた残りの第２の排ガスと、を混合して前記発電セルを冷却する、前記発電セルに接触して設けられた混合器と、を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記発電セルの動作時において、該発電セルから排出される前記排ガスが供給され、触媒による燃焼反応を起こして、該燃焼反応による燃焼熱を前記発電セルに供給する燃焼器をさらに備え、
前記発電セルの停止動作時において、前記カソードへの前記酸化剤の供給が停止され、前記燃焼器における前記燃焼反応が停止されて、前記発電セルから排出される前記排ガスが、前記燃焼器からそのまま排出されることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
組成に水素原子を含む原燃料が供給され、水素を含む前記燃料ガスを生成して、前記発電セルの前記アノードに供給する改質器をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記発電セルに設けられた、該発電セルの温度を検出する第一の温度検出器と、
前記混合器に設けられた、該混合器の温度を検出する第二の温度検出器と、
前記冷却器によって冷却される前記第１の排ガスの流量を制御する流量制御装置と、
前記第一の温度検出器によって検出した温度と、前記第二の温度検出器によって検出した温度との温度差に応じて、前記流量制御装置を制御し、前記冷却器により冷却される前記第１の排ガスの流量を制御して、前記温度差を所定の範囲内に維持させる制御部と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記温度差における所定の範囲は、３０〜８０℃の範囲であることを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
【請求項６】
前記所定の範囲は、４０〜７０℃の範囲であることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記発電セルの温度が所定温度以下になった場合に、前記発電セルの前記アノードへの前記燃料ガスの供給を停止させることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項８】
前記所定温度は、前記発電セルの温度を該所定温度より低い温度に下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする請求項７に記載の発電システム。
【請求項９】
前記所定温度は、２００〜４００℃であることを特徴とする請求項７に記載の発電システム。
【請求項１０】
発電システムの停止方法であって、
前記発電システムは、固体酸化物電解質膜と、前記固体酸化物電解質膜の片側に設けられたアノードと、その反対側に設けられたカソードとを有し、水素を含む燃料ガスを前記アノードに送り、酸素を含む酸化剤を前記カソードに送ることによって発電する発電セルと、前記発電セルから排出された排ガスの一部を冷却する冷却器と、を備え、
前記発電セルの停止動作時に、前記カソードへの酸化剤の供給を停止し、前記発電セルから排出された排ガスの一部からなる前記冷却器によって冷却された第１の排ガスと、前記排ガスから前記第１の排ガスを除いた残りの第２の排ガスと、を混合し、前記発電セルに接触して設けられる混合器によって前記発電セルを冷却する工程を含むことを特徴とする発電システムの停止方法。
【請求項１１】
前記発電セルの温度と前記混合器の温度とを検出し、前記第１の排ガスの流量を制御して、前記発電セルの温度と前記混合器の温度の温度差を所定の範囲内に維持させる工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の発電システムの停止方法。
【請求項１２】
前記温度差における所定の範囲は、３０〜８０℃の範囲であることを特徴とする請求項１１に記載の発電システムの停止方法。
【請求項１３】
前記所定の範囲は、４０〜７０℃の範囲であることを特徴とする請求項１２に記載の発電システムの停止方法。
【請求項１４】
さらに、前記発電セルの温度が所定温度以下となったときに、前記アノードへの前記燃料ガスの供給を停止させる工程を含むことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の発電システムの停止方法。
【請求項１５】
前記所定温度は、前記発電セルの温度を該所定温度より低い温度に下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする請求項１４に記載の発電システムの停止方法。
【請求項１６】
前記所定温度は、２００〜４００℃であることを特徴とする請求項１４に記載の発電システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応により発電する発電システム及び発電システムの停止方法に関する。
【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の開発が進められている。
固体酸化物型燃料電池は、酸素イオン導電性を持つ固体電解質の一方の面に酸素極が形成され、他方の面に燃料極が形成された構造をなし、高効率な発電システムとして注目されている。固体酸化物型燃料電池は、酸素極に酸化剤ガス、燃料極に燃料ガスが供給される。酸素極に供給された酸化剤ガスは電解質と酸素極との界面で電子を受け取り酸素イオンとなる。この酸素イオンは電解質内を拡散し、燃料極と電解質との界面で燃料ガスと反応し燃料極に電子を放出し、水や二酸化炭素などになる。
【０００３】
このような固体酸化物型燃料電池の運転を停止する場合、燃料極（アノード）の酸化を防止しながら運転を停止しなければならない。燃料極が酸化されると燃料極の体積が変化し、それに伴い応力が発生し、燃料電池セルの破損の要因となることがある。さらに、燃料電池セルの温度変化が大きい（例えば、昇温、降温の速度が速いような）場合には、燃料電池セル内で温度分布が生じ、熱応力（サーマルショック）により燃料電池セルが破損してしまうことがあり、降温速度にも注意する必要がある。
そこで、このような固体酸化物型燃料電池の運転を停止する運転停止動作時の燃料極の酸化を防止するため、燃料極への燃料ガス及び酸素極（カソード）への酸化剤ガスの供給を停止して、各極に窒素などの不活性ガスを供給して不活性ガスで置換する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、運転停止動作時に燃料ガスを不活性ガスで置換する代わりに燃料ガスの流量を減少させながら供給することによって、燃料極の酸化を防止する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
さらに、運転停止動作時に、燃料電池の温度と予め設定された目標温度との温度差に対応したガス流量を決定する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。この方法により燃料電池セルへの熱応力を軽減することができる。
【特許文献１】特開平２−２４４５５９号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４５０８号公報
【特許文献３】特開２００３−２２３９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１や特許文献２に示すように運転停止動作時に不活性ガスを用いる場合、燃料ガスや酸化剤ガスの他に、不活性ガス（例えば、窒素ガスや燃料電池の発電には無関係のガス）を余分に用意しておかなければならず、そのために燃料電池システムの重量や体積が増加してしまう。また、運転起動動作時や停止動作時において、燃料電池の昇温、降温速度が速かったり、窒素ガス等の不活性ガスを燃料電池セルに供給する際のガス温度が低かったりすると、急激な燃料電池セルの温度変化により破損するおそれもある。
さらに、上記特許文献３の場合には、燃料電池の起動動作や停止動作時に予め設定した目標温度と燃料電池セルとの温度差を検出することにより、供給するガス流量を決定する構成としているので、設定温度により昇温レートが予め決まっており、経過時間により目標到達温度を算出し、目標到達温度と実際の燃料電池の温度との温度差に対応したガス流量を予め測定しておかなければならないので作業が煩雑になる。また、冷却手段を持たないので、燃料電池セルの降温の際のコントロールはできないという欠点がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、アノードを酸化させることなく、発電セルスタック内の熱応力を小さくしながら発電セルスタックを降温させることができ、しかも小型化を図ることができる発電システム及び発電システムの停止動作方法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】
【０００５】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、
固体酸化物電解質膜と、前記固体酸化物電解質膜の片側に設けられたアノードと、その反対側に設けられたカソードとを有し、水素を含む燃料ガスを前記アノードに送り、酸素を含む酸化剤を前記カソードに送ることによって発電する発電セルと、
前記発電セルから排出された排ガスの一部を冷却する冷却器と、
前記発電セルの停止動作時に、前記発電セルから排出された排ガスの一部からなる前記冷却器によって冷却された第１の排ガスと、前記排ガスから前記第１の排ガスを除いた残りの第２の排ガスと、を混合して前記発電セルを冷却する、前記発電セルに接触して設けられた混合器と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発電システムにおいて、
前記発電セルの動作時において、該発電セルから排出される前記排ガスが供給され、触媒による燃焼反応を起こして、該燃焼反応による燃焼熱を前記発電セルに供給する燃焼器をさらに備え、
前記発電セルの停止動作時において、前記カソードへの前記酸化剤の供給が停止され、前記燃焼器における前記燃焼反応が停止されて、前記発電セルから排出される前記排ガスが、前記燃焼器からそのまま排出されることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発電システムにおいて、
組成に水素原子を含む原燃料が供給され、水素を含む前記燃料ガスを生成して、前記発電セルの前記アノードに供給する改質器をさらに備えることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の発電システムにおいて、
前記発電セルに設けられた、該発電セルの温度を検出する第一の温度検出器と、
前記混合器に設けられた、該混合器の温度を検出する第二の温度検出器と、
前記冷却器によって冷却される前記第１の排ガスの流量を制御する流量制御装置と、
前記第一の温度検出器によって検出した温度と、前記第二の温度検出器によって検出した温度との温度差に応じて、前記流量制御装置を制御し、前記冷却器により冷却される前記第１の排ガスの流量を制御して、前記温度差を所定の範囲内に維持させる制御部と、を備えることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４に記載の発電システムにおいて、
前記温度差における所定の範囲は、３０〜８０℃の範囲であることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項５に記載の発電システムにおいて、
前記所定の範囲は、４０〜７０℃の範囲であることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項４〜６のいずれか一項に記載の発電システムにおいて、
前記制御部は、前記発電セルの温度が所定温度以下になった場合に、前記発電セルの前記アノードへの前記燃料ガスの供給を停止させることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項７に記載の発電システムにおいて、
前記所定温度は、前記発電セルの温度を該所定温度より低い温度に下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする。
請求項９の発明は、請求項７に記載の発電システムにおいて、
前記所定温度は、２００〜４００℃であることを特徴とする。
【０００７】
請求項１０の発明は、発電システムの停止方法であって、
前記発電システムは、固体酸化物電解質膜と、前記固体酸化物電解質膜の片側に設けられたアノードと、その反対側に設けられたカソードとを有し、水素を含む燃料ガスを前記アノードに送り、酸素を含む酸化剤を前記カソードに送ることによって発電する発電セルと、前記発電セルから排出された排ガスの一部を冷却する冷却器と、を備え、
前記発電セルの停止動作時に、前記カソードへの酸化剤の供給を停止し、前記発電セルから排出された排ガスの一部からなる前記冷却器によって冷却された第１の排ガスと、前記排ガスから前記第１の排ガスを除いた残りの第２の排ガスと、を混合し、前記発電セルに接触して設けられる混合器によって前記発電セルを冷却する工程を含むことを特徴とする。
請求項１１の発明は、請求項１０に記載の発電システムの停止方法において、
前記発電セルの温度と前記混合器の温度とを検出し、前記第１の排ガスの流量を制御して、前記発電セルの温度と前記混合器の温度の温度差を所定の範囲内に維持させる工程を含むことを特徴とする。
請求項１２の発明は、請求項１１に記載の発電システムの停止方法において、
前記温度差における所定の範囲は、３０〜８０℃の範囲であることを特徴とする。
請求項１３の発明は、請求項１２に記載の発電システムの停止方法において、
前記所定の範囲は、４０〜７０℃の範囲であることを特徴とする。
請求項１４の発明は、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の発電システムの停止方法において、
さらに、前記発電セルの温度が所定温度以下となったときに、前記アノードへの前記燃料ガスの供給を停止させる工程を含むことを特徴とする。
請求項１５の発明は、請求項１４に記載の発電システムの停止方法において、
前記所定温度は、前記発電セルの温度を該所定温度より低い温度に下げたときに、前記アノードのシンタリングが起こらない温度であることを特徴とする。
請求項１６の発明は、請求項１４に記載の発電システムの停止方法において、
前記所定温度は、２００〜４００℃であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アノードを酸化させることなく、発電セルスタック内の熱応力を小さくしながら発電セルスタックを降温させることができる。また、発電システムの小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、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。
図１は、発電システム１００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。
【００１０】
発電システム１００は、燃料容器１、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、改質器２、燃料電池部４、断熱容器３、熱交換器５、冷却器６、冷却路ポンプＰ３、セル冷却容器（混合器）４９、制御部７等を備える。
燃料容器１は、例えば電子機器本体９１に対して着脱可能に設けられており、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２及び断熱容器３は例えば電子機器本体９１に内蔵されている。
【００１１】
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、ブタン等）と水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良い。また、液体燃料に限らず気体であっても良く、気体の場合には、水素ガスや天然ガス、ＬＰＧ、石炭ガス等の炭化水素を用いることができる。
燃料ポンプＰ１は、燃料容器１と改質器２との間に設けられ、燃料容器１内の液体燃料と水の混合液を吸引して、燃料供給路１０１を介して改質器２に送液するものである。
空気ポンプＰ２は、第四のバルブＶ４に接続されており、第四のバルブＶ４は第一の空気供給路１０２を介して断熱容器３内の燃料電池部４（発電セルスタック４００のカソード４３）に接続されるとともに、第二の空気供給路１０３を介して後述する第二の触媒燃焼器８に接続されている。空気ポンプＰ２は外部の空気を吸引して第一の空気供給路１０２を介して燃料電池部４に送ったり、第二の空気供給路１０３を介して第二の触媒燃焼器８に送ったりするものである。第四のバルブＶ４は、その開閉動作で外部から燃料電池部４又は第二の触媒燃焼器８への空気の流通を遮断又は許容するようになっており、発電システム１００の起動動作時に開放して空気を流通させ、停止動作時に閉鎖して空気の流通を遮断する。
【００１２】
改質器２には電気ヒータ兼温度センサ２aが設けられており、電気ヒータ兼温度センサ２a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が改質器２の温度を測定する温度センサとしても機能する。
また、改質器２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。燃料容器１から燃料ポンプＰ１を介して送られた混合液は、改質器２の流路を流れ、電気ヒータ兼温度センサ２aにより約３００〜４００℃程度に加熱されて、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２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）
【００１３】
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成される。
Ｈ2＋ＣＯ2→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ  …（２）
改質器２で生成した改質ガスは、改質ガス供給路１０４を介して断熱容器３内に収容された燃料電池部４に送られる。
なお、改質器２に供給される原燃料が液体燃料である場合、改質器２に燃料ポンプＰ１を介して送られた混合液は、改質器２内で加熱されて気化された後に、上記の水蒸気改質反応が起こるように構成されているが、改質器２の前段に、燃料ポンプＰ１を介して混合液が送られ、この混合液を加熱して気化して、気化した気体を改質器２に送る、気化器を別途設けるようにしてもよい。
【００１４】
断熱容器３内に収容された燃料電池部４は、発電セルスタック４００と第一の触媒燃焼器４８とを備える。
図２は発電セルスタック４００の一例を示す斜視図であり、図３は断熱容器３内に発電セルスタック４００、第一の触媒燃焼器４８及びセル冷却容器４９が収容された状態を示す模式図である。
発電セルスタック４００は複数の発電セル４０を直列に接続することによって構成されている。なお、本実施形態の発電セルスタック４００は三つの発電セル４０が接続されて構成されている。まず、発電セル４０の構成について説明する。図４は、発電セル４０の模式図、図５は、発電セルスタック４００の模式図である。
図４に示すように、発電セル４０は、固体酸化物電解質膜４１と、固体酸化物電解質膜４１の両面に形成されたアノード４２及びカソード４３と、アノード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、カソード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。
【００１５】
固体酸化物電解質膜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、アノード４２にはＬａ0.84Ｓｒ0.16ＭｎＯ3、Ｌａ（Ｎｉ，Ｂｉ）Ｏ3、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ3、Ｉｎ2Ｏ3＋ＳｎＯ2、ＬａＣｏＯ3等を、カソード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。
【００１６】
発電セル４０は第一の触媒燃焼器４８の熱により約５００〜１０００℃程度の動作温度に加熱され、後述する電気化学反応が起こる。
カソード集電極４５の流路４７には、第一の空気供給路１０２が接続され（図１参照）、空気ポンプＰ２を介して送られる空気が供給されるようになっており、このカソード集電極４５の流路４７を介してカソード４３に空気が送られる。カソード４３では酸素と後述のカソード出力電極７２から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）
固体酸化物電解質膜４１は酸素イオンの透過性を有し、カソード４３で生成された酸素イオンを透過させてアノード４２に到達させる。
【００１７】
アノード集電極４４の流路４６には、改質器２に繋がる改質ガス供給路１０４が接続され（図１参照）、改質器２から排出された改質ガスが供給されるようになっており、このアノード集電極４４の流路４６を介してアノード４２に改質ガスが送られる。カソード４３では固体酸化物電解質膜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。アノード４２に放出される電子は、後述のアノード出力電極７１、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２等の外部回路を経てカソード出力電極７２よりカソード４３に供給される。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-  …（４）
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ-  …（５）
【００１８】
このようにアノード集電極４４、アノード４２、固体酸化物電解質膜４１、カソード４３、カソード集電極４５からなる発電セル４０を直列に複数接続することによって発電セルスタック４００が構成される。
なお、アノード４２と固体酸化物電解質膜４１との界面やカソード４３と固体酸化物電解質膜４１との界面に反応抑制層、反応をスムーズに行わせるための反応活性層などの電極とは別の材料を設けてもよい。
【００１９】
発電セルスタック４００の表面には、発電セルスタック４００の温度を検出するための第一の温度検出器４０１（図３参照）が設けられている。第一の温度検出器４０１としては、例えばＲ（白金ロジウム合金）熱電対を使用することができる。
また、図５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にアノード出力電極７１が、他方の端部の発電セル４０のカソード集電極４５にカソード出力電極７２が接続されている。
【００２０】
アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２は、図３に示すように、断熱容器３を貫通して引き出されている。ここで、断熱容器３は例えばＮｉ系の合金で形成され、断熱容器３内の空間にはシリコン（ガラス）ウール３２が充填されている。なお、シリコンウール３２等に限らず断熱性に優れた材料であれば良く、セラミックレンガ（耐熱レンガ）を使用しても良いし、また、真空圧（例えば１０Ｐａ以下）としても良い。
また、アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２には白金線を使用し、ガラス、セラミック等の絶縁材３１により断熱容器３から絶縁されて引き出されている。なお、アノード出力電極７１及びカソード出力電極７２は白金線に限らず、電気導電性であれば特に限定されず、金属、セラミックス等を使用しても良い。また、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９２に接続される。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ９２は、発電セルスタック４００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９１に供給する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２は発電セルスタック４００により生成された電気エネルギーを二次電池９３に充電し、発電セルスタック４００が動作していない時に、二次電池９３に蓄電された電気エネルギーを電子機器本体９１に供給する。
【００２２】
一方、アノード集電極４４の流路４６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、このオフガスは第一の触媒燃焼器４８に供給される。
【００２３】
第一の触媒燃焼器４８には、上記オフガスとともに、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。第一の触媒燃焼器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。また、第一の触媒燃焼器４８にも電気ヒータ兼温度センサ４８aが設けられている。
また、第一の触媒燃焼器４８は、二つに分岐した第一の排ガス排出路１０５と第二の排ガス排出路１０６に繋がっており、さらに、第一の排ガス排出路１０５を介して断熱容器３外に設けられた熱交換器５に接続され、第二の排ガス排出路１０６を介して断熱容器３内に設けられたセル冷却容器４９に接続されている。
【００２４】
オフガスと空気の混合気体（燃焼ガス）は第一の触媒燃焼器４８の流路を流れ、第一の触媒燃焼器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反応を起こし、これにより燃焼熱が発生する。燃焼反応後の未反応の燃焼ガスは、排ガスとして、第一の触媒燃焼器４８から第二の排ガス排出路１０６（図１参照）を介して断熱容器３内のセル冷却容器４９、又は、第一の排ガス排出路１０５（図１参照）を介して断熱容器３外の熱交換器５に送られる。
【００２５】
熱交換器５は、第一のバルブＶ１と冷却器６１に接続されている。第一のバルブＶ１は、その開閉動作で熱交換器５から発電システム１００の外部へ、熱交換された排ガスの流通を遮断又は許容するようになっており、発電システム１００の起動動作時に開放して排ガスを流通させ、停止動作時に閉鎖して排ガスの流通を遮断する。
【００２６】
冷却器６１は、熱交換器５で熱交換された排ガスを冷却するものである。冷却器６１には、下流側へ順番に、冷却路ポンプＰ３、流量センサ６２、流量コントローラ６３、第二のバルブＶ２が接続されており、第二のバルブＶ２には冷却ガス流路１０７を介してセル冷却容器４９に接続されている。
冷却路ポンプＰ３は、熱交換器５で熱交換された排ガスを吸引してセル冷却容器４９へと送るものである。
流量センサ６２は、冷却路ポンプＰ３によって送られた冷却された排ガスの流量を測定するものであり、流量コントローラ６３は、発電セルスタック４００に設けられた第一の温度検出器４０１で検出した温度Ｔ１と、後述のセル冷却容器４９に設けられた第二の温度検出器４９１で検出した温度Ｔ２との温度差Ｔ１−Ｔ２が、予め設定した温度差（例えば、４５〜５０℃）になるように排ガスの流量をコントロールするものである。
第二のバルブＶ２は、その開閉動作で冷却器６１からセル冷却容器４９へ、冷却された排ガスの流通を遮断又は許容するようになっており、発電システム１００の起動動作時に閉鎖して排ガスの流通を遮断させ、停止動作時に開放して排ガスを流通させる。
【００２７】
セル冷却容器４９は、第一の触媒燃焼器４８から排出されて第二の排ガス排出路１０６をそのまま流れて送られた高温の排ガスと、第一の触媒燃焼器４８から排出されて第一の排ガス排出路１０５を介して熱交換器５に流れた後、冷却器６１で冷却された低温の排ガスと、を混合する。セル冷却容器４９内には第二の温度検出器４９１が設けられており、第二の温度検出器４９１はセル冷却容器４９の温度を検出する。この第二の温度検出器４９１で検出された温度Ｔ２と、発電セルスタック４００に設けられた第一の温度検出器４０１で検出された温度Ｔ１との温度差Ｔ１−Ｔ２を一定に保つように制御することで、発電セルスタック４００内の温度を調整している。具体的には、第一の温度検出器４０１の温度Ｔ１と、第二の温度検出器４９１の温度Ｔ２の温度差Ｔ１−Ｔ２を一定に保つように、冷却器６１から送られる冷却後の排ガスの流量を流量コントローラ６３で制御して降温させる。これによって、発電セルスタック４００内の熱応力を小さくしながら発電セルスタック４００内を降温させることができるようになっている。
さらに、セル冷却容器４９には第三の排ガス排出路１０８を介して第三のバルブＶ３が接続されており、第三のバルブＶ３には第二の触媒燃焼器８が接続されている。
第三のバルブＶ３は、その開閉動作でセル冷却容器４９から第二の触媒燃焼器８へ、混合された排ガスの流通を遮断又は許容するようになっており、発電システム１００の起動動作時に閉鎖して排ガスを遮断し、停止動作時に開放して排ガスを流通させる。
また、第二の触媒燃焼器８は、上述した空気ポンプＰ２から供給された空気が供給される第二の空気供給路１０３に繋がっている。そして、第二の触媒燃焼器８には、セル冷却容器４９で混合された排ガスが第三の排ガス排出路１０８を介して供給され、また、第二の空気供給路１０６から空気が供給されて、燃焼する。第二の触媒燃焼器８の内部には流路が形成され、その流路の壁面にＰｔ系の触媒が担持されている。また、第二の触媒燃焼器８にも電気ヒータ兼温度センサ８aが設けられている。
第二の触媒燃焼器８で燃焼された排ガスは、発電システム１００の外部に排出される。
【００２８】
なお、図３に示すように、改質ガス供給路１０４を有する改質ガス供給管２０４、第一の空気供給路１０２を有する第一の空気供給管２０２、第一の排ガス排出路１０５を有する第一の排ガス排出管２０５、第三の排ガス排出路１０８を有する第三の排ガス排出管２０８、冷却ガス流路１０７を有する冷却ガス供給管２０７は、断熱容器３を貫通して引き出されており、これら改質ガス供給管２０４、第一の空気供給管２０２、第一の排ガス排出管２０５、第三の排ガス排出管２０８及び冷却ガス供給管２０７はガラス、セラミック等の絶縁材３１により断熱容器３から絶縁されて引き出されている。
また、第二の排ガス排出路１０６を有する第二の排ガス排出管２０６は、断熱容器３内で第一の排ガス排出管２０５とセル冷却容器４９とを接続している。
第一の触媒燃焼器４８は発電セルスタック４００に接触して設けられ、第一の触媒燃焼器４８で発生した燃焼熱は発電セルスタック４００の温度を高温（約５００〜１０００℃程度）に維持するのに用いられる。セル冷却容器４９も発電セルスタック４００に接触して設けられ、発電セルスタック４００の温度を降温するのに用いられる。
【００２９】
なお、図１に示すように、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、冷却路ポンプＰ３はドライバを介して制御部７に電気的に接続されている。制御部７は、例えば汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ(Read Only Memory)等から構成されているもので、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２、冷却路ポンプＰ３に制御信号を送信し、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２及び冷却路ポンプＰ３の各ポンピング動作（送出量の調整を含む。）を制御するようになっている。
また、制御部７には、第一〜第四のバルブＶ１〜Ｖ４がドライバを介して電気的に接続されている。制御部７は、流量センサ６２（その他の流量センサは図示しない）の測定結果を受けて排ガスや空気の流量を認識することができるとともに、後述するように第一〜第四のバルブＶ１〜Ｖ４の開閉動作を制御することができるようになっている。
さらに、制御部７には、改質器２、第一の触媒燃焼器４８及び第二の触媒燃焼器８をそれぞれ加熱する電気ヒータ２a，４８a，８aがドライバを介して電気的に接続され、電気ヒータ２a，４８a，８aの発熱量とその停止とを制御するとともに、温度によって変化する電気ヒータ２a，４８a，８aの抵抗値等の電気的特性を計測することによって各反応器２，４８，８の温度を検出している。
また、制御部７には、第一の温度検出器４０１、第二の温度検出器４９１及び流量コントローラ６３がドライバを介して電気的に接続され、第一の温度検出器４０１で検出された温度Ｔ１と、第二の温度検出器４９１で検出された温度Ｔ２から温度差Ｔ１−Ｔ２を算出し、算出した温度差Ｔ１−Ｔ２が予め設定した温度差となるように、流量センサ６２で検出した排ガスの流量に基づいて流量コントローラ６３が制御するようになっている。
【００３０】
また、発電システム１００は、発電セルスタック４００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９２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２に接続される二次電池９３も備える。これらＤＣ／ＤＣコンバータ９２及び二次電池９３は制御部７に接続されて、電子機器本体９１に安定して電気エネルギーが供給されるように制御されている。
【００３１】
次に、発電システム１００の動作について説明する。
まず、起動動作時の動作を説明すると、発電システム１００が作動し、制御部７がドライバを介して改質器２及び第一の触媒燃焼器４８の電気ヒータ２a，４８aを発熱させる。ここで、発電システム１００の作動は外部電子機器から通信用端子、通信用電極を介して制御部７に作動信号が入力されることによって開始する。
【００３２】
発電システム１００の作動中、制御部７は、改質器２及び第一の触媒燃焼器４８の各電気ヒータ２a，４８aからフィードバックされた温度のデータに基づき、各電気ヒータ２a，４８aが所定の温度になるように温度制御を行う。
燃料ポンプＰ１を作動させると、燃料容器１内の燃料及び水が燃料供給路１０１を介して改質器２に送られる。また、空気ポンプＰ２を作動させると、第四のバルブＶ４の第一の空気供給路１０２側が開放されて、外気の空気が第一の空気供給路１０２を介して発電セルスタック４００のカソード４３に送られる。第四のバルブＶ４は、第二の空気供給路１０３側を閉鎖しておく。
【００３３】
改質器２では、燃料ポンプＰ１で送られた燃料及び水が気化し、その気化した燃料及び水が触媒により上記水蒸気改質反応を起こし水素及び二酸化炭素が生成される（上記化学反応式（１））。
改質器２で生成された水素等の改質ガスは、改質ガス供給路１０４を介して発電セルスタック４００のアノード４２に供給される。発電セルスタック４００においては、改質器２から送られた水素が上記化学反応式（４）に示すように水素イオンと電子とに分離する。一方、空気ポンプＰ２から送られた空気は、空気中の酸素が上記化学反応式（５）に示すように水素イオンと電子と反応し、水が生成される。
【００３４】
ここで、アノード４２側では未反応の水素はオフガスとして第一の触媒燃焼器４８に送られて燃焼されて、発電セルスタック４００の昇温のエネルギーとして利用された後、第一の排ガス排出路１０５を介して熱交換器５に送られる。ここで、第一のバルブＶ１は開放され、第二のバルブＶ２及び第三のバルブＶ３は閉鎖されているので、熱交換器５に送られた高温の排ガスは、熱交換器５で熱交換されて低温とされた後、第一のバルブＶ１を介して発電システム１００の外部に排出される。
カソード４３側では、供給された空気が副生成物である水とともに排出され、上記アノード４２側と同様に第一の触媒燃焼器４８に送られて燃焼され、発電セルスタック４００の昇温エネルギーとして利用された後、第一の排ガス排出路１０５を介して熱交換器５に送られ、その後、第一のバルブＶ１を介して発電システム１００の外部に排出される。
【００３５】
そして、発電セルスタック４００によって生成された電気エネルギーは、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２に供給され、ＤＣ／ＤＣコンバータ９２によって直流電流の所定電圧に変換され、電子機器本体９１に供給されるとともに二次電池９３にも充電される。電子機器本体９１は、供給された電気エネルギーにより動作する。
【００３６】
次に、発電システム１００の停止時の動作について説明する。図６は、停止動作時のフローチャートである。
発電システム１００の停止動作時は、まず、起動動作時に第一の空気供給路１０２に流していた空気を第四のバルブＶ４を切り替えて第二の空気供給路１０３側を開放する（ステップＳ１）。これによって空気が第二の空気供給路１０３を流れて第二の触媒燃焼器８に供給され、第一の空気供給路１０２側への空気の供給は遮断される。
また、第二の触媒燃焼器８を昇温するため、電気ヒータ８aを動作させて、この電気ヒータ８aからフィードバックされた温度のデータに基づき、電気ヒータ８aが所定温度になるように温度制御を行う。
【００３７】
次いで、第一のバルブＶ１を閉鎖し、同時に第二のバルブＶ２及び第三のバルブＶ３を開放する（ステップＳ２）。燃料ポンプＰ１は動作させておき、改質器２の電気ヒータ２aを動作させ（ステップＳ３）、改質器２に供給された燃料及び水は改質器２で改質ガスとされた後、発電セルスタック４００に供給される。このとき、発電セルスタック４００は、カソード４３への空気の供給が停止されているので発電できず、アノード４２に供給された改質ガスは反応せずに、第一の触媒燃焼器４８に送られる。第一の触媒燃焼器４８内には改質ガスだけが供給され、第一の触媒燃焼器４８内でも空気の供給がないために改質ガスは燃焼できず、未燃焼のまま第二の排出ガス排出路１０６を流れて未燃焼の改質ガスとしてセル冷却容器４９に供給される。ここで、未燃焼の改質ガスは還元ガスなので、発電セルスタック４００のアノード４２を酸化させることはない。
【００３８】
次いで、発電セルスタック４００に設けられた第一の温度検出器４０１によって温度Ｔ１を計測し、セル冷却容器４９に設けられた第二の温度検出器４９１によって温度Ｔ２を計測し（ステップＳ４）、両者の温度差Ｔ１−Ｔ２を制御部７が算出する。そして、算出した温度差Ｔ１−Ｔ２が、例えば４５℃より低いか、５０℃より高いかを判断する（ステップＳ５）。
温度差Ｔ１−Ｔ２が４５℃より小さい場合には、冷却ガス流路１０７に設けた流量コントローラ６３を動作させて、セル冷却容器４９に供給する低温の未燃焼の改質ガスの流量を増加させる（ステップＳ６）。すなわち、セル冷却容器４９内に低温の未燃焼の改質ガスの流量を増加させることによって、セル冷却容器４９内の温度は下がるので、温度差Ｔ１−Ｔ２が４５℃〜５０℃となるように、流量コントローラ６３はその流量を調整する。
一方、算出した温度差Ｔ１−Ｔ２が５０℃より高い場合には、流量コントローラ６３の出力を調整し、冷却器６１によって低温になった未燃焼の改質ガスの流量を減少させ（ステップＳ７）、温度差Ｔ１−Ｔ２が４５℃〜５０℃の範囲となるようにする。
【００３９】
その後、セル冷却容器４９に供給されて、混合された未燃焼の改質ガスは、第二の空気供給路１０３から第四のバルブＶ４を介して供給された空気とともに第二の触媒燃焼器８により燃焼された後、発電システム１００の外部に排出される。なお、第二の触媒燃焼器８は発電システム１００の動作には影響を及ぼさない。
【００４０】
そして、発電セルスタック４００に設けられた第一の温度検出器４０１で検出した温度Ｔ１が３００℃以下となったか否かを判断する（ステップＳ８）。温度Ｔ１が３００℃以下となった場合には、改質器２の電気ヒータ２aを停止し（ステップＳ９）、次いで、燃料ポンプＰ１及び空気ポンプＰ２も停止し（ステップＳ１０）、さらに流量センサ６２及び流量コントローラ６３の運転も停止する（ステップＳ１１）。最後に第二のバルブＶ２及び第三のバルブＶ３を閉鎖して（ステップＳ１２）、発電システム１００の停止動作が終了する。
【００４１】
以上のように、発電システム１００は、発電セルスタック４００、冷却器６１及びセル冷却容器４９を備えているので、発電システム１００の停止動作時に、発電セルスタック４００から排出されて、さらに第一の触媒燃焼器４８から排出された排ガスの一部を冷却器６１によって冷却し、この冷却した排ガスと、冷却させずに高温のままの排ガスとをセル冷却容器４９で混合させる。これによって、アノード４２を酸化させることなく、しかも、発電セルスタック４００の温度と大きく異なる温度の排ガスで発電セルスタック４００を冷却しないため、発電セルスタック４００内の熱応力を小さくしながら発電セルスタック４００を降温させることができる。また、従来のように不活性ガスを用意しなくても良いことから発電システム１００の小型化を図ることができる。
さらに、第一の温度検出器４０１によって検出した発電セルスタック４００の温度Ｔ１と、第二の温度検出器４９１によって検出したセル冷却容器４９の温度Ｔ２との温度差Ｔ１−Ｔ２に応じて、冷却器６１で冷却する排ガスの流量を制御するので、発電セルスタック４００を熱応力により破損させることなく、運転を停止することができる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では発電セルスタック４００を平板型としたが、円筒型であっても良い。また、カソード４３に供給する酸化剤ガスとして空気を使用したが、酸素であっても良い。また、発電セルスタック４００の上流側に熱交換器を設けて、空気や改質ガスを発電セルスタック４００に供給する前に、その熱交換器で予熱するように構成しても構わない。さらに、本実施の形態では、発電セル４０のアノード４２に供給されるガスを改質ガスとしたが、燃料として気体を用いた場合には改質する必要はなく、燃料ガスのままで良く、改質器２を備えない構成であってよい。
【００４３】
また、第一の温度検出器４０１や第二の温度検出器４９１としてＲ熱電対を使用したが、温度を測定できるものであればこれに限定されるものではなく、抵抗温度計等を使用することもできる。
また、発電セルスタック４００のスタック数は上述した三つに限定されるものではなく、適宜変更可能である。
さらに、発電システム１００の停止動作時に、発電セルスタック４００の温度Ｔ１が３００℃以下となった場合に停止動作を終了するとしたが、これは一例であって構成材料によるので適宜変更可能である。
また、流量センサ６２と流量コントローラ６３を使用して冷却させる排ガスの流量を制御したが、これに限らず流量をコントロールできるものであれば特に限定されず、例えばマスフローセンサ等を使用しても良い。
また、本実施の形態では、第一の温度検出器４０１で検出した温度Ｔ１と、第二の温度検出器４９１で検出した温度Ｔ２との温度差Ｔ１−Ｔ２の範囲が４５〜５０℃となるように調整したが、構成材料に依存するのでこの範囲に限定されるものではない。ただし、１００℃以上とすると、熱応力により発電セルスタック４００が破損する可能性があるので、８０℃より小さい方が好ましい。また、温度差が小さすぎると停止するまでに時間がかかるので、３０℃以上が好ましい。より好ましくは４０〜７０℃である。
さらに、温度検出器４０１により検出された発電セルスタック４００の温度が３００℃まで低下した場合に、発電システム１００の停止動作を終了するとしたが、この温度に限定されるものではなく、２００〜４００℃とすることが好ましい。例えば、高温にした場合、アノード４２のシンタリングが起こる可能性があり、特性低下につながり、また、低温にした場合には、改質器２の電気ヒータ２a、燃料ポンプＰ１、空気ポンプＰ２を駆動させ続けるので余分な燃料及び電力を消費してしまうためである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】発電システム１００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】発電セルスタック４００の一例を示す斜視図である。
【図３】断熱容器３内に発電セルスタック４００と触媒燃焼器４８とが収容された状態を示す模式図である。
【図４】発電セル４０の模式図である。
【図５】発電セルスタック４００の模式図である。
【図６】発電システム１００の停止動作時のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
７  制御部
４０  発電セル
４１  固体酸化物電解質膜
４２  アノード
４３  カソード
４９  セル冷却容器（混合器）
６１  冷却器
１００  発電システム
４００  発電セルスタック
４０１  第一の温度検出器
４９１  第二の温度検出器
【図１】
0005186974.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005186974.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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