JP2005009553A - ガス充填体の断熱構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】真空断熱構造の断熱性を低下させることなくガス充填体を断熱することができるガス充填体の断熱構造を提供する。
【解決手段】内部に水素２が封入されたガス充填体１の外側に真空二重構造の断熱体３を配設し、該断熱体３とガス充填体１との間に通気層４を設けた。
【選択図】 図１
【解決手段】内部に水素２が封入されたガス充填体１の外側に真空二重構造の断熱体３を配設し、該断熱体３とガス充填体１との間に通気層４を設けた。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水素やヘリウム等のガスが充填されたガス充填体の外側を断熱する断熱構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市ガス等の原燃料から生成した水素と酸素を反応させて発電する燃料電池が開発されている。この燃料電池には、脱硫した原燃料に水蒸気を加えて反応させることにより水素を生成する改質器と、該改質器で得られた水素を利用して発電するセルスタックとが設けられているが、これらは約７００℃の高温になるため、断熱構造が採用されている。断熱構造としては、断熱材のほか、真空断熱構造が考えられる。
【０００３】
燃料電池のセルスタックの少なくとも一部を真空断熱容器で覆うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）し、また燃料電池本体の周囲に配置される断熱材層の少なくとも一部に真空断熱層を設けるものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１３８７２１号公報
【特許文献２】
特開２００２−２８００４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述のような真空断熱構造は、改質器やセルスタックから遊離する水素が真空断熱構造の壁を透過して内部に浸入し、内圧を上げて断熱性を低下させるという問題がある。このような問題は、燃料電池だけでなく、大型水素タンク（球形）の外表面に配設される断熱パネルにおいても生じている。
【０００６】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、真空断熱構造の断熱性を低下させることなくガス充填体を断熱することができるガス充填体の断熱構造を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、内部に水素が封入されたガス充填体の外側に真空二重構造の断熱体を配設し、該断熱体と前記ガス充填体との間に通気層を設けたものである。
【０００８】
ここで、ガス充填体は、燃料電池の改質器やセルスタックのような水素を取り扱う機器のほか、球形タンクのような容器、ガス配管を含む。断熱体は、有底筒状の容器、板状のパネルを含む。通気層は、ガスが通過する隙間や空間、あるいはその隙間に配置された多孔性材料を含む概念である。
【０００９】
前記構成により、ガス充填体から遊離するガスは、通気層で拡散して濃度と温度が低下し、該通気層を通って外部に排出されるので、真空二重構造の断熱体の内部にはほとんど浸入しない。したがって、断熱体の断熱性は維持される。
【００１０】
前記通気層は、前記断熱体と前記ガス充填体との間に存在する隙間とすることができる。
【００１１】
また、前記通気層は、前記断熱体と前記ガス充填体との間に介在させた多孔性材料とすることもできる。
【００１２】
この場合、前記多孔性材料と前記断熱体との間にガラス板を介在させてもよいし、また、前記ガス充填体と前記多孔性材料との間にガラス板を介在させてもよい。
【００１３】
前記多孔性材料は、セラミックボードとすることが好ましい。また、前記ガラス板は石英ガラスとすることが好ましい。
【００１４】
前記断熱体の内側部材と外側部材はステンレス鋼とすることができる。
【００１５】
前記断熱体の内側部材と外側部材はガラスとすることもできる。この場合、前記ガラスは石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスであることが好ましい。
【００１６】
前記断熱体の内側部材と外側部材の間にゲッターを設置することができる。
【００１７】
前記断熱体は有底筒状の容器であり、該容器の中に前記ガス充填体を挿入することができる。この場合、前記容器の上端開口縁の上方に前記通気層と連通する隙間を設けることが好ましい。
【００１８】
前記断熱体は板状のパネルであり、前記ガス充填体は球形であってその外側に前記パネルを複数配設することができる。この場合、前記複数のパネルの相互間に前記通気層と連通する隙間を設けることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態によるガス充填体の断熱構造を示す。１は、ガス充填体であり、具体的には燃料電池の改質器の一部である。ガス充填体１の内部には約７００℃の高温の水素２が充填されている。ガス充填体１は断熱体３により通気層４を介して断熱されている。断熱体３は、ステンレス鋼等の金属からなる内側部材５と外側部材６との間の空間を真空引きしてなる真空二重構造を有し、有底筒状の容器である。通気層４は、断熱体３の内側部材５と、断熱体３内に挿入されるガス充填体１との間に存在する隙間７からなっている。断熱体３の上端開口縁８とガス充填体１の間にも隙間９が形成されている。
【００２１】
この第１実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２は通気層４に入り、ここで拡散して濃度と温度が低下し、該通気層４を上方に流動して断熱体３の上端開口縁８の上方の隙間９から外部に排出されるので、断熱体３の真空層１０にはほとんど浸入しない。したがって、断熱体３の断熱性は維持される。
【００２２】
以下の実施形態において、前記第１実施形態と同一の部材には同一の符号を附して説明を省略する。
【００２３】
図２は、本発明の第２実施形態によるガス充填体１の断熱構造を示す。ガス充填体１と断熱体３の間には、内容器１１が挿入されている。この内容器１１は、多孔性材料であるセラミックボードからなり、有底筒状に形成されるとともに、上端開口縁１２にフランジ１３が形成されている。ガス充填体１は断熱体３により内容器１１を介して断熱されている。
【００２４】
この第２実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２は破線矢印で示すようにセラミックボードの内容器１１に入り、ここで拡散して濃度と温度が低下し、該内容器１１内を拡散して上方に流動し、フランジ１３から外部に排出されるので、断熱体３の真空層１０にはほとんど浸入しない。したがって、断熱体３の断熱性は維持される。
【００２５】
図３は、本発明の第３実施形態によるガス充填体の断熱構造を示す。ガス充填体１と断熱体３の間には、内容器１４が挿入されている。この内容器１４は、多孔性材料であるセラミックボードからなる内層１５と石英ガラス板からなる外層１６とで、有底筒状に形成されるとともに、上端開口縁１７にフランジ１８が形成されている。ガス充填体１は断熱体３により内容器１４を介して断熱されている。
【００２６】
この第３実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２は破線矢印で示すように内容器１４のセラミックボードからなる内層１５に入り、ここで拡散して濃度と温度が低下し、該内層１５内を拡散して上方に流動し、フランジ１８から外部に排出されるので、断熱体３の真空層１０にはほとんど浸入しない。一般にガラスは金属に比べて水素透過が少ないので、石英ガラス板からなる外層１６は、水素透過の障壁となる。したがって、断熱体３の断熱性は維持される。また、石英ガラスはホウ珪酸ガラスに比べて高温にも耐える。
【００２７】
図４は、本発明の第４実施形態によるガス充填体の断熱構造を示す。ガス充填体１と断熱体３の間には、内容器１９が挿入されている。この内容器１９は、多孔性材料であるセラミックボードからなる内層２０と、石英ガラス板からなる中間層２１と、多孔性材料であるセラミックボードからなる外層２２とで、有底筒状に形成されるとともに、上端開口縁２３にフランジ２４が形成されている。ガス充填体１は断熱体３により内容器１９を介して断熱されている。
【００２８】
この第４実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２は内容器１９のセラミックボードからなる内層２０に入り、ここで拡散して濃度と温度が低下し、該内層２０内を拡散して上方に流動し、フランジ２４から外部に排出されるので、断熱体３の真空層１０にはほとんど浸入しない。また、石英ガラス板からなる中間層２１は、水素透過の障壁となる。水素が内層２０および中間層２１を透過したとしても、さらに外層２２で拡散してフランジ２４から排出される。したがって、断熱体３の断熱性は維持される。
【００２９】
なお、前記図１〜図４の第１、第２、第３、第４実施形態において、断熱体３の内側部材５と外側部材６の間にゲッターを配設して、水素が少しでも浸入すれば当該ゲッターで吸着するようにしてもよい。
【００３０】
図５から図８の第５、第６、第７、第８実施形態は、それぞれ前記第１、第２、第３、第４実施形態に対応しており、断熱体２５の内側部材２６と外側部材２７がステンレス鋼等の金属ではなくてガラスである点、断熱体２５の内側部材２６と外側部材２７の内部にゲッター２８を配設した点が相違する。
【００３１】
断熱体２５の内側部材２６と外側部材２７のガラス材料は、具体的には、石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスである。ゲッター２８は少しでも浸入した水素ガスを吸着し、真空度を上げる働きをする。
【００３２】
これらの第５、第６、第７、第８実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２が破線矢印で示すように拡散して外部に排出される点は、前記第１、第２、第３、第４実施形態と同様である。遊離した水素２の温度に合わせて、断熱体３として石英ガラスまたはホウ珪酸ガラス等のガラス材を使用することができる。
【００３３】
以上の実施形態は、ガス充填体１が燃料電池の改質器の一部であり、断熱体３，２５が容器形状の場合の例であるが、本発明はこれに限らず、図９に示すように、ガス充填体３１が球形タンクであり、断熱体３２が前記球形タンク３１の外側に配設される板状のパネルである場合にも適用することができる。この場合、ガス充填体３１と断熱体３２の間に通気層３３を設け、断熱体３２の相互間に前記通気層３３と連通する隙間３４を設ける。また、通気層３３として、多孔性材料であるセラミックボード３５のほか、単なる隙間としたり、セラミックボードと石英ガラス板との積層体、セラミックボードと石英ガラス板とセラミックボードの積層体を設けることができる。作用としては、前記実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、内部に水素が封入されたガス充填体の外側に真空二重構造の断熱体を配設し、該断熱体とガス充填体との間に通気層を設けたので、ガス充填体から遊離した水素が当該通気層を介して拡散し外部に排出されて、真空二重構造の断熱体の内部への浸入量がきわめて少なくなる。したがって、断熱体の断熱性は維持され、ガス充填体を確実に断熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の断面図。
【図２】本発明の第２実施形態の断面図。
【図３】本発明の第３実施形態の断面図。
【図４】本発明の第４実施形態の断面図。
【図５】本発明の第５実施形態の断面図。
【図６】本発明の第６実施形態の断面図。
【図７】本発明の第７実施形態の断面図。
【図８】本発明の第８実施形態の断面図。
【図９】本発明の第９実施形態の一部断面図。
【符号の説明】
１ ガス充填体
２ 水素
３ 断熱体
４ 通気層
５ 内側部材
６ 外側部材
７ 隙間
８ 上端開口縁
９ 隙間
１０ 真空層
【発明の属する技術分野】
本発明は水素やヘリウム等のガスが充填されたガス充填体の外側を断熱する断熱構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、都市ガス等の原燃料から生成した水素と酸素を反応させて発電する燃料電池が開発されている。この燃料電池には、脱硫した原燃料に水蒸気を加えて反応させることにより水素を生成する改質器と、該改質器で得られた水素を利用して発電するセルスタックとが設けられているが、これらは約７００℃の高温になるため、断熱構造が採用されている。断熱構造としては、断熱材のほか、真空断熱構造が考えられる。
【０００３】
燃料電池のセルスタックの少なくとも一部を真空断熱容器で覆うものが提案されている（例えば、特許文献１参照）し、また燃料電池本体の周囲に配置される断熱材層の少なくとも一部に真空断熱層を設けるものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−１３８７２１号公報
【特許文献２】
特開２００２−２８００４１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述のような真空断熱構造は、改質器やセルスタックから遊離する水素が真空断熱構造の壁を透過して内部に浸入し、内圧を上げて断熱性を低下させるという問題がある。このような問題は、燃料電池だけでなく、大型水素タンク（球形）の外表面に配設される断熱パネルにおいても生じている。
【０００６】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、真空断熱構造の断熱性を低下させることなくガス充填体を断熱することができるガス充填体の断熱構造を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、内部に水素が封入されたガス充填体の外側に真空二重構造の断熱体を配設し、該断熱体と前記ガス充填体との間に通気層を設けたものである。
【０００８】
ここで、ガス充填体は、燃料電池の改質器やセルスタックのような水素を取り扱う機器のほか、球形タンクのような容器、ガス配管を含む。断熱体は、有底筒状の容器、板状のパネルを含む。通気層は、ガスが通過する隙間や空間、あるいはその隙間に配置された多孔性材料を含む概念である。
【０００９】
前記構成により、ガス充填体から遊離するガスは、通気層で拡散して濃度と温度が低下し、該通気層を通って外部に排出されるので、真空二重構造の断熱体の内部にはほとんど浸入しない。したがって、断熱体の断熱性は維持される。
【００１０】
前記通気層は、前記断熱体と前記ガス充填体との間に存在する隙間とすることができる。
【００１１】
また、前記通気層は、前記断熱体と前記ガス充填体との間に介在させた多孔性材料とすることもできる。
【００１２】
この場合、前記多孔性材料と前記断熱体との間にガラス板を介在させてもよいし、また、前記ガス充填体と前記多孔性材料との間にガラス板を介在させてもよい。
【００１３】
前記多孔性材料は、セラミックボードとすることが好ましい。また、前記ガラス板は石英ガラスとすることが好ましい。
【００１４】
前記断熱体の内側部材と外側部材はステンレス鋼とすることができる。
【００１５】
前記断熱体の内側部材と外側部材はガラスとすることもできる。この場合、前記ガラスは石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスであることが好ましい。
【００１６】
前記断熱体の内側部材と外側部材の間にゲッターを設置することができる。
【００１７】
前記断熱体は有底筒状の容器であり、該容器の中に前記ガス充填体を挿入することができる。この場合、前記容器の上端開口縁の上方に前記通気層と連通する隙間を設けることが好ましい。
【００１８】
前記断熱体は板状のパネルであり、前記ガス充填体は球形であってその外側に前記パネルを複数配設することができる。この場合、前記複数のパネルの相互間に前記通気層と連通する隙間を設けることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態によるガス充填体の断熱構造を示す。１は、ガス充填体であり、具体的には燃料電池の改質器の一部である。ガス充填体１の内部には約７００℃の高温の水素２が充填されている。ガス充填体１は断熱体３により通気層４を介して断熱されている。断熱体３は、ステンレス鋼等の金属からなる内側部材５と外側部材６との間の空間を真空引きしてなる真空二重構造を有し、有底筒状の容器である。通気層４は、断熱体３の内側部材５と、断熱体３内に挿入されるガス充填体１との間に存在する隙間７からなっている。断熱体３の上端開口縁８とガス充填体１の間にも隙間９が形成されている。
【００２１】
この第１実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２は通気層４に入り、ここで拡散して濃度と温度が低下し、該通気層４を上方に流動して断熱体３の上端開口縁８の上方の隙間９から外部に排出されるので、断熱体３の真空層１０にはほとんど浸入しない。したがって、断熱体３の断熱性は維持される。
【００２２】
以下の実施形態において、前記第１実施形態と同一の部材には同一の符号を附して説明を省略する。
【００２３】
図２は、本発明の第２実施形態によるガス充填体１の断熱構造を示す。ガス充填体１と断熱体３の間には、内容器１１が挿入されている。この内容器１１は、多孔性材料であるセラミックボードからなり、有底筒状に形成されるとともに、上端開口縁１２にフランジ１３が形成されている。ガス充填体１は断熱体３により内容器１１を介して断熱されている。
【００２４】
この第２実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２は破線矢印で示すようにセラミックボードの内容器１１に入り、ここで拡散して濃度と温度が低下し、該内容器１１内を拡散して上方に流動し、フランジ１３から外部に排出されるので、断熱体３の真空層１０にはほとんど浸入しない。したがって、断熱体３の断熱性は維持される。
【００２５】
図３は、本発明の第３実施形態によるガス充填体の断熱構造を示す。ガス充填体１と断熱体３の間には、内容器１４が挿入されている。この内容器１４は、多孔性材料であるセラミックボードからなる内層１５と石英ガラス板からなる外層１６とで、有底筒状に形成されるとともに、上端開口縁１７にフランジ１８が形成されている。ガス充填体１は断熱体３により内容器１４を介して断熱されている。
【００２６】
この第３実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２は破線矢印で示すように内容器１４のセラミックボードからなる内層１５に入り、ここで拡散して濃度と温度が低下し、該内層１５内を拡散して上方に流動し、フランジ１８から外部に排出されるので、断熱体３の真空層１０にはほとんど浸入しない。一般にガラスは金属に比べて水素透過が少ないので、石英ガラス板からなる外層１６は、水素透過の障壁となる。したがって、断熱体３の断熱性は維持される。また、石英ガラスはホウ珪酸ガラスに比べて高温にも耐える。
【００２７】
図４は、本発明の第４実施形態によるガス充填体の断熱構造を示す。ガス充填体１と断熱体３の間には、内容器１９が挿入されている。この内容器１９は、多孔性材料であるセラミックボードからなる内層２０と、石英ガラス板からなる中間層２１と、多孔性材料であるセラミックボードからなる外層２２とで、有底筒状に形成されるとともに、上端開口縁２３にフランジ２４が形成されている。ガス充填体１は断熱体３により内容器１９を介して断熱されている。
【００２８】
この第４実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２は内容器１９のセラミックボードからなる内層２０に入り、ここで拡散して濃度と温度が低下し、該内層２０内を拡散して上方に流動し、フランジ２４から外部に排出されるので、断熱体３の真空層１０にはほとんど浸入しない。また、石英ガラス板からなる中間層２１は、水素透過の障壁となる。水素が内層２０および中間層２１を透過したとしても、さらに外層２２で拡散してフランジ２４から排出される。したがって、断熱体３の断熱性は維持される。
【００２９】
なお、前記図１〜図４の第１、第２、第３、第４実施形態において、断熱体３の内側部材５と外側部材６の間にゲッターを配設して、水素が少しでも浸入すれば当該ゲッターで吸着するようにしてもよい。
【００３０】
図５から図８の第５、第６、第７、第８実施形態は、それぞれ前記第１、第２、第３、第４実施形態に対応しており、断熱体２５の内側部材２６と外側部材２７がステンレス鋼等の金属ではなくてガラスである点、断熱体２５の内側部材２６と外側部材２７の内部にゲッター２８を配設した点が相違する。
【００３１】
断熱体２５の内側部材２６と外側部材２７のガラス材料は、具体的には、石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスである。ゲッター２８は少しでも浸入した水素ガスを吸着し、真空度を上げる働きをする。
【００３２】
これらの第５、第６、第７、第８実施形態では、ガス充填体１から遊離する水素２が破線矢印で示すように拡散して外部に排出される点は、前記第１、第２、第３、第４実施形態と同様である。遊離した水素２の温度に合わせて、断熱体３として石英ガラスまたはホウ珪酸ガラス等のガラス材を使用することができる。
【００３３】
以上の実施形態は、ガス充填体１が燃料電池の改質器の一部であり、断熱体３，２５が容器形状の場合の例であるが、本発明はこれに限らず、図９に示すように、ガス充填体３１が球形タンクであり、断熱体３２が前記球形タンク３１の外側に配設される板状のパネルである場合にも適用することができる。この場合、ガス充填体３１と断熱体３２の間に通気層３３を設け、断熱体３２の相互間に前記通気層３３と連通する隙間３４を設ける。また、通気層３３として、多孔性材料であるセラミックボード３５のほか、単なる隙間としたり、セラミックボードと石英ガラス板との積層体、セラミックボードと石英ガラス板とセラミックボードの積層体を設けることができる。作用としては、前記実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、内部に水素が封入されたガス充填体の外側に真空二重構造の断熱体を配設し、該断熱体とガス充填体との間に通気層を設けたので、ガス充填体から遊離した水素が当該通気層を介して拡散し外部に排出されて、真空二重構造の断熱体の内部への浸入量がきわめて少なくなる。したがって、断熱体の断熱性は維持され、ガス充填体を確実に断熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の断面図。
【図２】本発明の第２実施形態の断面図。
【図３】本発明の第３実施形態の断面図。
【図４】本発明の第４実施形態の断面図。
【図５】本発明の第５実施形態の断面図。
【図６】本発明の第６実施形態の断面図。
【図７】本発明の第７実施形態の断面図。
【図８】本発明の第８実施形態の断面図。
【図９】本発明の第９実施形態の一部断面図。
【符号の説明】
１ ガス充填体
２ 水素
３ 断熱体
４ 通気層
５ 内側部材
６ 外側部材
７ 隙間
８ 上端開口縁
９ 隙間
１０ 真空層
Claims (15)
- 内部に水素が封入されたガス充填体の外側に真空二重構造の断熱体を配設し、該断熱体と前記ガス充填体との間に通気層を設けたことを特徴とするガス充填体の断熱構造。
- 前記通気層は、前記断熱体と前記ガス充填体との間に存在する隙間であることを特徴とする請求項１に記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記通気層は、前記断熱体と前記ガス充填体との間に介在させた多孔性材料からなることを特徴とする請求項１に記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記多孔性材料と前記断熱体との間にガラス板を介在させたことを特徴とする請求項３に記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記ガス充填体と前記多孔性材料との間にガラス板を介在させたことを特徴とする請求項３または４に記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記多孔性材料は、セラミックボードである請求項３から５のいずれかに記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記ガラス板は石英ガラスからなることを特徴とする請求項４または５に記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記断熱体の内側部材と外側部材はステンレス鋼からなることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記断熱体の内側部材と外側部材はガラスからなることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記ガラスは石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスであることを特徴とする請求項９に記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記断熱体の内側部材と外側部材の間に、ゲッターを設置したことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記断熱体は有底筒状の容器であり、該容器の中に前記ガス充填体を挿入することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記容器の上端開口縁の上方に前記通気層と連通する隙間を設けたことを特徴とする請求項１２に記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記断熱体は板状のパネルであり、前記ガス充填体は球形であってその外側に前記パネルを複数配設することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のガス充填体の断熱構造。
- 前記複数のパネルの相互間に前記通気層と連通する隙間を設けたことを特徴とする請求項１４に記載のガス充填体の断熱構造。
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