JP2005259354A - 断熱容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 加熱される機器から発生する熱が外部へ伝わるのを防止し、断熱性が優れ、かつ小型な断熱容器を提供する。
【解決手段】 本発明の断熱容器は、発熱体によって加熱される機器１０を収容する真空に保持した容器２０を備える。その容器はガラス製とし、その内表面に赤外線反射膜を設ける。また加熱される機器は容器内にガラス製支持部材１６、１７で保持する。さらに機器への電力供給線１４および流体の導入・排出管１２が容器を貫通する部位は、低融点ガラスで真空封止する。本発明の断熱容器は燃料電池用の燃料改質器に適用される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力および流体材料を内部に供給可能な断熱容器に関し、とくに携帯用燃料電池に用いる燃料改質器用の断熱容器に関するものである。

携帯用電子機器の普及にともなってこれらの電源に燃料電池を用いようとする気運が高まっている。燃料電池は発電自体が発熱反応であり、また燃料改質器も加熱を要するプロセスを用いるため、発電セルと燃料改質器はともに高温に曝される。したがってすべての燃料電池において断熱のための対策が行われる。とくに携帯用とするためには、小型軽量である必要があるため、断熱対策には新たな技術が必要とされる。

例えば特許文献１に開示されている燃料電池改質器の構造は、加熱用高温ガスを流す二重又は三重の円筒状容器を用い、この容器を断熱するためのその全体を厚い断熱体で覆う構造となっている。また、特許文献２に示される構造では、燃焼器の周囲を囲む形に屈曲させた改質管を設け、これを断熱材からなる外筐で覆って小型化を図っている。

しかし、一般の断熱材料で十分な断熱性を出すにはある程度厚みが必要である。上記の例のように燃料改質機能を有する部分を小型化しても、断熱を断熱材料に頼る限り、例えば改質器全体の５０％以上を占めるような断熱体が必要となり、全体が大型化し、改質器を小型化し携帯用とするのは困難である。

このような問題点を解決するために、断熱体として真空を用いることが有効であることはよく知られている。真空層は薄くても高い断熱効果を有するので、断熱体の体積を小さくすることが可能である。例えば特許文献３には真空にしたケース内に光モジュールを収容し、小型化を図った例が開示されている。
特開２００３−１５１６０７号公報 特開平８−１２３０１号公報 特開２０００−１２１８５１号公報

しかし、特許文献３に開示された構成は、外界の温度変化により光モジュールの特性が変動するのを防止するのが目的であり、内部が高温に加熱されることはない。これに対し、特許文献１および２に示される燃料改質器のような場合は、内部が高温に加熱されるため、単に容器内を真空に保つのみでは断熱効果が不十分であった。また発熱体に電力を供給する電線やメタノールなど流体である燃料を供給するためパイプを容器内に導入する必要があるが、容器内外の温度差が大きい場合にはそれらの導入部から真空もれが生じる場合があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、断熱性に優れて小型化が可能な断熱容器を提供することを目的とする。またこの断熱容器を用いた燃料電池用燃料改質器を提供することを目的とする。

本発明においては、加熱のために電気発熱体を備えた機器を収容し、この電気発熱体に電力を供給する電線を外壁を貫通して導入した断熱容器を対象とし、この容器をガラス製とし、容器内が真空に保つ。

断熱容器を熱伝導率の小さいガラス製とし、内部を真空とすることで、内部で加熱される機器及び容器を貫通する電線からの伝熱を抑え、断熱性を向上させることができ、また容器を小型化することができる。

また上記容器の内表面に赤外線反射膜を設けることが望ましい。加熱された機器から輻射される赤外線を容器内表面で反射することができ、熱が容器外へ伝わるのを抑えることができる。

さらに容器内に収容した機器を同容器内にガラス製支持部材で保持することが望ましい。熱伝導率の小さいガラス製支持部材で機器を支持することにより、機器から容器への伝熱を抑えることができる。

またさらに電力を導入するための電線が容器を貫通する部位は、低融点ガラスで真空封止することが望ましい。低融点ガラスはガラス製容器との親和性がよく、電線等の容器を貫通する部材が存在しても容器を真空に保つことができる。

また上記電線はジュメット線またはコバール線であることが望ましい。これらは他の金属材料に比べて低融点ガラスとの親和性がよく、電線の貫通部位における真空もれを防止することができる。

上記機器には流体を供給するためのパイプを容器外から容器の外壁を貫通して設けることも可能である。

上記機器を、燃料電池の燃料を加熱した触媒に接することによって改質する燃料改質ユニットとすることができる。
本発明の燃料電池用燃料改質器は、上記の真空断熱容器内に燃料改質ユニットを収容し、燃料改質ユニットが備える発熱体に電力を供給する電線と、改質すべき燃料を流入出するパイプとを、真空断熱容器の外壁を貫通して設けている。

このような構成により、断熱性に優れ小型化が可能で携帯用に適した真空断熱容器を備えた燃料電池用燃料改質器を提供することができる。

発熱する機器を収容する容器をガラス製とし内部を真空に保つことにより、小型で断熱性に優れた断熱容器を提供することができる。このような容器に燃料改質器を収容することにより、極めて小型で携帯用に適した燃料電池用燃料改質器を提供できる。

熱の伝達はつぎの３要素によって起きることは周知の通りである。
（１）空気等の気体の対流による熱伝導
（２）発熱体からの赤外線輻射
（３）部材の直接接触による熱伝導

この熱伝達を抑えるには上記各熱伝導機構に対応して下記の対策をとればよい。
（１）発熱体を真空空間に閉じこめる。
（２）断熱容器の内面に赤外線反射膜を設け、赤外線の透過を抑える。
（３）発熱体と容器の接触面積を極力小さくするとともに、容器を熱伝導率の小さい材料を用いて作製する。

本発明の燃料改質器は、これらの要素を全て包含する小型断熱容器を備えている。特に今後発展の期待される携帯機器用燃料電池の燃料改質器に用いる断熱容器として最適な構造を提供することができる。

本発明の燃料改質器の構造は図１に示す通りである。
燃料改質器の改質部本体１０は、２０ｍｍ角の薄型筐体の内部に発熱体として電気ヒータを備え、燃料導入・排出管１２を通して導入される燃料を加熱された触媒に接触させ改質する。

この改質部本体１０を真空中に保持するためにガラス製容器２０内に収容する。この容器は、それぞれガラス製の約２５ｍｍ角の底板２２上に側板２４を立て蓋板２６を被せた構造で、内部に直方体状の空間をもつ。

この容器２０の内面には赤外線を反射する金（Ａｕ）の薄膜を反射膜３０として設ける。容器を組み立てる前に予め各ガラス板の一方の面に真空蒸着法などの手段により、Ａｕ膜を形成しておく。この反射膜は金に限らずアルミ、銀など赤外線の反射率の高い他の材料を用いることもできる。

容器２０の内部は少なくとも１０^-5Ｐａ以下の高真空に保つ。容器を真空シールしたのち、側板２４に設けた排気ポート２８から排気後、シールする。容器２０と改質部本体１０の間の空間は少なくとも０．２ｍｍ以上は開けるようにするのが望ましい。しかし改質部本体１０は何らかの方法で容器２０に対して支持しなければならない。内部を高真空に保ってもこの支持に用いる部材を介しての熱伝導が大きいと断熱性が不十分となる。そこで、支持部材を熱伝導率の小さい材料で構成し、かつ容器との接触面積を極力小さくすることが望ましい。

本発明においては改質器本体１０を支える支持部材（スペーサ）を熱伝導率の小さいガラスの円柱とし、その直径を０．５ｍｍとした。図示するように容器２０の底板２２上に支持部材１６を４個以上並べ、これによって支持部材１０を容器の底板２６から浮かして支持する。

さらに改質器本体１０上面上にも支持部材１７を４個以上並べ、蓋板２６を被せて真空排気した際に改質器本体１０と容器の蓋板２６が接触しないように支持する。この支持部材の形状は円柱に限られず、角柱であってもよい。その直径または対角線の長さは、伝熱を抑えるために小さい方が望ましいが、取り扱い上０．３〜１ｍｍ程度とする。

改質器本体へは電気ヒータへの電力供給導線１４と燃料導入・排出管１２とを接続しな
ければならない、これらを容器２０の外部へ出すため、容器２０を貫通させる必要がある。この貫通部は全て低融点ガラス４０を使って真空封止を行った。なお、電力供給導線１４には鉄ニッケル合金線の心材を銅層で被覆したジュメット線を使用した。ジュメット線はガラスとの親和性が高く、温度変化に対しても封止部で真空もれが生じることはなかった。なお、ジュメット線に限らずコバール線を使用してもよい。ガラスの熱膨張係数に合わせてこれらの線材を選択することが望ましい。

上記の構造の燃料改質器に電力を投入し、各部の温度を計測した。電気ヒータに０．７Ｗの電力を投入すると、改質器本体は３００℃に加熱される。このとき、蓋板２６中央部の表面温度は４５℃、角部では４２℃であった。電気ヒータは改質器本体の上面（蓋板側）に設けたので、底板２２中央部の表面温度は蓋板側より低く、４０℃であった。

同じ構造でガラス容器内を大気圧に保って加熱すると、３００℃に加熱するには約６Ｗの電力を投入する必要があり、蓋板２６中央部の表面温度は１９０℃に達した。また同じ構造でガラス容器内面側に赤外線反射膜を具備しない場合は容器内を真空に保っても蓋板２６の中央部温度は１２０℃に達した。本発明のガラス製断熱容器は内部を真空に保つこと及び赤外線反射膜を具備することにより、大きな断熱効果を発揮することがわかる。

本発明の容器に使う材料としてはガラスが最適であるが、セラミックスや金属材料を用いることもできる。ただし金属材料など熱の良導体を使う場合は熱伝導が大きくなるので注意が必要である。

本発明は携帯用燃料電池の断熱パッケージを意図してなされたものであるが、小型、薄型が必要な内部に発熱体を有する機器の断熱容器ということであれば、用途は燃料電池に限られない。ただし容器を作製する際に低融点ガラスを使用するため通常３５０℃以上の加熱を必要とするので、内部の機器がそのような温度に耐えられない場合は適用できない。本発明の断熱容器は内部に収容する機器の温度が２００〜４００℃の範囲に加熱されるような場合にとくに好適である。

本発明の燃料電池用燃料改質器の構造を示す模式図である。

符号の説明

１０ 改質器本体
１２ 燃料導入・排出管
１４ 電力供給導線
１６、１７ 支持部材
２０ 容器
３０ 反射膜
４０ 低融点ガラス

Claims (9)

1. 加熱のために電気発熱体を備えた機器を収容し、該電気発熱体に電力を供給する電線を外壁を貫通して導入した断熱容器において、該容器がガラス製であり、該容器内が真空に保たれていることを特徴とする断熱容器。
2. 前記機器は２００〜４００℃の範囲の温度に加熱されることを特徴とする請求項１に記載の断熱容器。
3. 前記容器の内表面に赤外線反射膜を設けたことを特徴とする請求項１に記載の断熱容器。
4. 前記容器内に収容した機器を同容器内にガラス製支持部材で保持したことを特徴とする請求項１に記載の断熱容器。
5. 前記電線が前記容器を貫通する部位が、低融点ガラスで真空封止されていることを特徴とする請求項１に記載の断熱容器。
6. 前記電線がジュメット線またはコバール線であることを特徴とする請求項５に記載の断熱容器。
7. 前記機器に流体を供給するためのパイプが前記容器外から該容器の外壁を貫通して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の断熱容器。
8. 前記機器が、燃料電池の燃料を加熱した触媒に接することによって改質する燃料改質ユニットであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の断熱容器。
9. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の真空断熱容器内に燃料改質ユニットを収容し、該燃料改質ユニットが備える電気発熱体に電力を供給する電線と、改質すべき燃料を流入出するパイプとが、前記真空断熱容器の外壁を貫通して設けられていることを特徴とする燃料電池用燃料改質器。
   

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