JP2009140917A

JP2009140917A - 燃料電池用断熱システム

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Publication number: JP2009140917A
Application number: JP2008287830A
Authority: JP
Inventors: Kenji Imae; 憲司井前
Original assignee: IMAE KOGYO KK
Current assignee: IMAE KOGYO KK
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2028-11-10
Also published as: JP5017536B2

Abstract

【課題】燃料電池用断熱システムの断熱構造全体の厚みを薄くできるとともに、断熱構造としての信頼性に優れたコンパクトな燃料電池用断熱システムを提供する。
【解決手段】酸化剤ガスと燃料ガスとを高温作動温度環境下の電池室内に供給し、この酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料電池本体及びその附帯装置の周囲に、内側から順に、マイクロポーラス断熱材層、真空断熱層、無機繊維系断熱材層からなる断熱構造を有することを特徴とする燃料電池用断熱システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システム等に組み込まれる燃料電池用断熱システムに関する。

燃料電池発電システムは、天然ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）、灯油等の化石燃料、メタノールやジメチルエーテル等の合成燃料、さらにはエチルアルコール等のバイオ燃料から、これらの燃料に含まれる水素が有する化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出す装置であり、カルノーサイクルの制約を受けずエネルギー変換効率が高いことや、燃焼過程がないためにエネルギー変換をクリーンに行えること、また、稼働中に振動や騒音を発することもないことから、次世代の発電システムとして注目されている。さらには、災害時のライフラインとして重要な電力を簡易に確保することができるコンパクトな発電システムとしても注目されている。

燃料電池発電システムは、一般に燃料電池本体と燃料電池本体の付帯装置から構成される。

燃料電池には、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池および固体高分子型燃料電池などの種類がある。そして、それぞれの燃料電池の運転温度は、固体酸化物型燃料電池で約１０００℃、溶融炭酸塩型燃料電池で約６５０℃、リン酸型燃料電池で約２５０℃および固体高分子型燃料電池で約８０℃である。燃料電池本体は、基本的に電解質に対向するように空気極と燃料極が形成されており、空気極側に酸化剤ガスとして酸素又は空気が供給され、そして、燃料極側に燃料ガスとして水素ガス又は水素リッチガスが供給されることにより、電気化学反応が起こり電力と熱を発生するものである。燃料電池の種類により上記の最適な運転温度があり、この運転温度を維持しなければ所定の電気化学反応が行われず発電効率を低下させることとなる。

一方、燃料電池本体の付帯装置には、燃料ガス処理装置、燃料ガス混合器、熱交換器、燃料ガス用ブロワ、酸化剤ガス用ブロワなどが挙げられる。付帯装置は、燃料電池の種類、使用条件等によって適宜最適な仕様、最適な組合せが検討されるものである。例えば、燃料ガス処理装置は、改質器、ＣＯ変成器などから構成されるが、一般的に改質器の運転温度は約７００〜８００℃、ＣＯ変成器の運転温度は約３５０℃であり、この運転温度を維持しなければ所定の改質反応、シフト反応が行われず、所定の組成の燃料ガスを生成することができない。熱交換器などもそれぞれに適した運転温度があり、その温度を維持する必要がある。

そして、燃料電池本体やその付帯装置の運転温度を維持するために、燃料電池本体やその付帯装置の周囲にセラミックス系断熱材の断熱層を配設してなる燃料電池発電システムの断熱構造が採用されていたが、高い運転温度を維持しようとすると、断熱構造層を厚くせざるを得ないため、燃料電池用断熱システムは大がかりなものとなっていた。したがって、特に、家庭用発電システムとして用いられる場合は、災害時のライフラインとして重要な電力を簡易に確保するためにコンパクトさが要求され、とりわけ省スペースすなわち断熱材で占められる部分のコンパクト化が求められるため、燃料電池発電システムの断熱構造としては採用できないものであった。

そこで、従来からセラミックス系断熱材の断熱層に比べて断熱層全体の厚みを薄くすることができる真空室を有する断熱構造を、燃料電池本体やその付帯装置の周囲に採用することが提案されてきた。

たとえば、特許文献１には、燃料電池本体の周囲を真空断熱構造で包囲することが提案されている。特許文献２には、断熱材層と真空断熱構造を併用して、燃料電池本体やその付帯装置の周囲を包囲することが提案されている。また、特許文献３には、ＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱性ステンレス材やインコネルやハステロイなどの耐熱性ニッケル基合金材で形成された第一壁と、ＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱性ステンレス材やインコネルやハステロイなどの耐熱性ニッケル基合金材で形成された第二壁とからなる真空断熱構造の気密空間内にセラミックス系の多孔質部材を配設することによって、気密空間を形成する壁面の厚みを薄くしても、気密空間を形成する壁面にかかる外圧に耐えることができる強度を確保できる真空断熱構造が提案されている。さらに、特許文献４には、改質器(高温の発熱部)を収納する容器内殻とこの容器内殻を覆う容器外殻との間に真空間隙層を備え、この容器内殻の内面を多孔質セラミック層の断熱材で被覆して昇温しにくい層を形成して、容器内殻の内面とこの容器内殻の内面を覆う断熱材との間に発熱部よりも温度の低いガスを流すガス流路を設けて、ガス透過量を抑制することによって、真空度を維持してなる真空断熱容器が提案されている。

特開２００１−２２９９４９号公報特開２００２−２８００４１号公報特開２００３−２８２１３５号公報特開２００６−１５６０１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池発電装置では、燃料電池本体の周囲を真空断熱構造で包囲するので断熱構造層を薄くできるものの、気密空間を形成する壁面には外圧がかかるため、この壁面には高強度の金属材料を用いる必要がある。しかしながら、燃料電池本体の高い運転温度の影響を直接に受けて気密空間を形成する壁面が高温となるため、この壁面に用いた金属材料は高温酸化腐食を受けやすく、かつ外圧も掛かることから、破損して気密性がなくなり、真空断熱構造が破れるおそれがある。また、金属材料の溶接部分の耐熱性が不十分の場合には、溶接部分の歪みや破損により壁面に変形を生じて、真空断熱構造が破れるおそれがある。

特許文献２に記載の燃料電池では、真空断熱構造を形成する気密空間の内側に断熱材層を設けて燃料電池本体やその付帯装置の周囲を包囲しているので、気密空間を形成する壁面の温度は幾分低くなるものの、断熱材層の厚みが不十分の場合には、気密空間を形成する壁面が高温となるため、破損又は変形が生じて、真空断熱構造が破れるおそれがある。

特許文献３に記載の燃料電池発電システム及び特許文献４に記載の真空断熱容器では、真空断熱構造の気密空間内に多孔質部材を充填することによって、その分、気密空間を形成する壁面の厚みを薄くできるが、気密空間を形成する壁面には外圧がかかることに変わりはないため、この壁面には高強度の金属材料を用いる必要がある。また、気密空間を形成する壁面が高温となるため、破損又は変形が生じて、真空断熱構造が破れるおそれがある。

以上のとおり、燃料電池発電システムの断熱構造として、セラミックス系断熱材を用いる場合には、燃料電池本体やその付帯装置の周囲に充填するセラミックス系断熱材を厚くせざるを得ないため、燃料電池用断熱システムは大がかりなものになる。そして、燃料電池発電システムの断熱構造として、真空断熱構造を用いる場合あるいはさらにセラミックス系断熱材を併用する場合には、気密空間を形成する壁面が高温となるため、破損又は変形が生じて、真空断熱構造が破れるおそれがあるので、断熱構造としての信頼性に欠ける。

最近、コジェネレーション型発電装置として、１ｋＷ程度の家庭設置型発電・給湯システムが普及しつつあるが、こうした装置では、とりわけ設置スペースを小型化することが求められている。しかしながら、従来の断熱システムではこうした要求に十分には応えられていなかった。

また、災害時のライフラインとして重要な電力を簡易に確保するためにコンパクトさが要求される燃料電池用断熱システムには、セラミックス系断熱材と真空断熱構造のいずれも採用できないものであった。

本願発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、真空断熱構造の気密空間を形成する壁面の温度差を少なくするとともに断熱構造全体の厚みを薄くしてなる、断熱構造としての信頼性に優れたコンパクトな燃料電池用断熱システムを提供することを目的とする。

本発明者は、燃料電池発電システムの断熱構造に関して、種々の検討と実験を繰り返した結果、次の(a)〜(f)に示す知見を得た。

(a) 燃料電池用断熱システムの断熱構造全体の厚みを薄くするためには、燃料電池本体やその付帯装置を包囲する真空断熱構造を採用すればよい。しかしながら、上述のとおり、真空断熱構造は気密空間を形成する壁面が高温となるため、その壁面に用いられる材料に熱破損又は熱変形が生じ易く、真空断熱構造が破れるおそれがあるので、断熱構造としての信頼性に欠ける。

(b) 真空断熱構造の気密空間を形成する壁面の温度を大幅に下げるためには、燃料電池本体やその付帯装置と、これらを包囲する気密空間を形成する壁面との間に断熱材を充填すればよい。しかしながら、セラミックス系断熱材を充填することによって真空断熱構造の気密空間を形成する壁面の温度を十分に下げようとする場合には、そのセラミックス系断熱材の充填厚さを増やさざるを得ないため、燃料電池用断熱システムは大がかりなものになってしまう。したがって、燃料電池本体やその付帯装置と、これらを包囲する気密空間を形成する壁面との間に充填する断熱材としては、セラミックス系断熱材以外の断熱材を採用する必要がある。

(c) セラミックス系断熱材に代わる断熱材として、燃料電池本体やその付帯装置と、これらを包囲する気密空間を形成する壁面との間の充填厚さを減らしてもその壁面の温度を十分に下げることができるものという観点で種々検討した結果、マイクロポーラス断熱材を用いるのが好ましいことが分かった。

ここで、マイクロポーラス断熱材とは、マイクロポーラスを含む断熱材をいう。そして、マイクロポーラスとは、特開平６−３００２７９号公報に記載されるように、超微細な多孔構造を有する物質であって、たとえば液相がガス相に置換えられたゲルであるエーロゲルが含まれる。そして、マイクロポーラスのセルの大きさは、標準温度および標準圧力における空気分子の平均自由工程よりも小さいもの、すなわち１００ナノメートルオーダーまたはそれより小さいものをいう。マイクロポーラス断熱材が好ましい理由としては、マイクロポーラスのセルの大きさは空気分子の平均自由工程よりも小さいので、空気分子はセルの壁に衝突して跳ね返され、そして、空気分子同士の衝突は大幅に減少するので、空気分子による熱伝導は非常に小さくなるためであると思われる。

マイクロポーラス断熱材の化学組成としては、ＳｉＯ_２：３０〜９０質量％と、ＺｒＯ_２やＴｉＯ_２等の赤外反射剤：５〜４５質量％を含有するセラミックス粉末からなる。さらに、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックスを含有させてもよい。なお、必要に応じて、３０質量％までのガラス繊維等の補強材や１０質量％までの焼結助剤を含有させてもよい。特に、ＳｉＯ_２：６０〜６５質量％と、ＴｉＯ_２：３０〜３５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：２〜３質量％を含有するマイクロポーラス断熱材が好ましい。マイクロポーラス断熱材の製造方法は、たとえば、特開平７−６９７５２号公報、特開平７−１０６５１号公報および特表２００７−５０７４１４号公報等に開示されている。

マイクロポーラス断熱材はその嵩密度が０．２２〜０．３５ｇ／ｃｍ^３程度のときに最大限の断熱性能を発揮する。この嵩密度が大きくなりすぎると十分な断熱性能を得ることができないという問題があり、逆に嵩密度が小さすぎると強度がないためにその形状を保持できないという問題がある。

そして、マイクロポーラス断熱材の形状に特に制限はなく、板状又は円筒状に成型したものや、粉状又は顆粒状の断熱材を充填したものでもよい。

板状のマイクロポーラス断熱材を用いる場合には、その嵩密度を０．２２〜０．３５ｇ／ｃｍ^３程度にして所望の形状に成型することができる。特に、燃料電池本体及びその附帯装置の周囲の形状が箱形形状の場合には、板状のマイクロポーラス断熱材を所定の形状に切り取って用いればよい。なお、燃料電池本体及びその附帯装置の周囲の形状が円筒状の場合には、可撓性を有する板状のマイクロポーラス断熱材を用いて、燃料電池本体及びその附帯装置の円筒状の周囲にその板状のマイクロポーラス断熱材を巻き付けることによって用いることができる。ただし、その嵩密度を０．２２〜０．３５ｇ／ｃｍ^３程度に調節した上に、可撓性をもたせて厚さ１０ｍｍ以下に成型することは容易ではない。

したがって、燃料電池本体及びその附帯装置の周囲の形状が円筒形状の場合には、マイクロポーラス断熱材を円筒状に成型したものを燃料電池本体及びその附帯装置の円筒状の周囲に設置してもよい。しかしながら、燃料電池本体及びその附帯装置の周囲に設置するマイクロポーラス断熱材を円筒状に一度に成型する場合には、円周に対して高さの比が大きいため、一度に成型するのは困難を伴う。また、マイクロポーラス断熱材を円筒状に成型する場合には嵩密度が０．３５ｇ／ｃｍ^３よりも大きくなり、また密度ムラが生じ十分な断熱性能を得るのに困難を伴う。また生産性が悪いため、製造コストがかかるという問題がある。

マイクロポーラス断熱材を円筒状に一度に成型する代わりに、上述した板状のマイクロポーラス断熱材から機械加工によってドーナツ状に切り出し、この複数個を縦に積み上げて円筒状に形成してもよい。この場合、板状に成型したマイクロポーラス断熱材を切り出して用いるのであるから、ドーナツ状のマイクロポーラス断熱材の嵩密度を最適の０．２２〜０．３５ｇ／ｃｍ^３程度に調節することは容易である。しかしながら、板状のマイクロポーラス断熱材から機械加工によってドーナツ状に切り出すのであるから、材料ロスが多く、したがって、製造コストがかかるという問題がある。

これらに対して、円筒形の外殻の間に粉状又は顆粒状のマイクロポーラス断熱材を充填して用いる場合は、成型プロセスを伴わないので、所定形状のマイクロポーラス断熱材を得るのが容易である。この場合、燃料電池本体及びその附帯装置の円筒状の外周と、後述する真空断熱層の内壁とが、いわゆる外殻となるので、この間に粉体や顆粒状のマイクロポーラス断熱材を充填できるという長所がある。この方法は、予め作成する場合や組み立て現場で行う場合など製造コストは比較的少なくて済む。ただし、その嵩密度を最適の０．２２〜０．３５ｇ／ｃｍ^３程度に調節することは難しく、コンパクトに仕上げる目的には反する。

さらに、円筒形の外殻に粉状又は顆粒状のマイクロポーラス断熱材を充填して用いる代わりに、短冊状のマイクロポーラス断熱材の複数個を円筒状に縦に充填して用いてもよい。この場合も、燃料電池本体及びその附帯装置の円筒状の外周と、後述する真空断熱層の内壁とが、いわゆる外殻となるので、この間に短冊状のマイクロポーラス断熱材の複数個を縦に充填することによって円筒状の全体形状にすることができるという長所がある。すなわち、燃料電池本体及びその附帯装置の円筒状の周囲を、その短冊状のマイクロポーラス断熱材の複数個でもって円筒状に充填させ取り囲むことによって、あたかも円筒状のマイクロポーラス断熱材を用いたようにすることができる。短冊状のマイクロポーラス断熱材は、台形の断面を有する短冊状のマイクロポーラス断熱材に成型することによって製造することができる。この場合の成型においては、断面が台形を有するので安定した嵩密度と均質性を確保することができる。なお、短冊状のマイクロポーラス断熱材は、上述した最適の嵩密度の板状のマイクロポーラス断熱材から機械加工によって短冊状に切り出すことによっても製造することもできる。

図６に、短冊状のマイクロポーラス断熱材を製造する手順の一例を斜視図によって示す。ここでは、板状のマイクロポーラス断熱材を機械加工によって縦方向に切断することによって、台形断面を有する短冊状のマイクロポーラス断熱材の複数個が、上底と下底を交互に変えて製造される。短冊状のマイクロポーラス断熱材の寸法は、燃料電池本体及びその附帯装置の円筒状の外周の長さとマイクロポーラス断熱材の厚さによって異なるが、例えば、上底が３５ｍｍ、下底が６５ｍｍ、そして、高さが３８ｍｍからなる台形状の断面を有し、長さが３００ｍｍからなるものを挙げることができる。この場合、板状に成型したマイクロポーラス断熱材を切り出して用いるのであるから、短冊状のマイクロポーラス断熱材の嵩密度を最適の０．２２〜０．３５ｇ／ｃｍ^３程度に調節することは容易である。製造コストも比較的少なくて済む。

(d) 真空断熱構造は内壁と外壁とに挟まれた気密空間を真空にすることによって形成することができる。気密空間は、内壁材と外壁材とを一定間隔空けて重ね合わせ、そして内壁材と外壁材の端面を溶接によって接合し、外面に設置された脱気パイプから排気して気密空間を真空にした後、これを封止することによって形成することができる。真空断熱構造の気密空間を形成する壁面は、内壁と外壁とで同じ材料を用いてもよいが、内壁と外壁とで想定される到達温度に応じて異なる材料を用いてもよい。内壁と外壁とで同じ材料を用いた場合には、内壁材と外壁材の端面の溶接性がよい。

固体酸化物型燃料電池本体の運転温度は約１００℃であるが、その附帯装置の中の改質器の運転温度は約７００〜８００℃の高温に達する。したがって、真空断熱構造の内壁と外壁に用いる材料としては、耐熱性の金属材料を用いるのが好ましく、たとえば、ＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱性ステンレス鋼材、インコネルやハステロイなどの耐熱性ニッケル基合金材、チタン材やチタン合金材を挙げることができる。

燃料電池本体及びその附帯装置の周囲に、マイクロポーラス断熱材層、真空断熱層、無機繊維系断熱材層からなる断熱構造を配設した場合には、真空断熱層がマイクロポーラス断熱材層と無機繊維系断熱材層の間に介在しているので、真空断熱層の気密空間を形成する内壁と外壁との温度差が大きいが、真空断熱構造の壁材として、耐熱性の金属材料を用いると内壁と外壁との熱歪み差を軽減させることができるので、信頼性の高い断熱構造を提供することができる。

ただし、このような附帯装置に近い内壁は、附帯装置と内壁の間に上述したマイクロポーラス断熱材層を介することによって、約５００〜６００℃の温度まで下げることができるので、上述した耐熱性ステンレス鋼材やチタン（合金）材だけでなく、ＳＵＳ３０４などの汎用ステンレス鋼材を内壁材料として用いることができる。約５００〜６００℃であればステンレス鋼材は金属結晶が粗大化することはないので、耐食性が低下することもない。また、約５００〜６００℃であれば、高価なインコネルやハステロイなどの耐熱性ニッケル基合金材を用いなくて済むので、コストもそれほどはかからない。

これに対して、外壁の温度は約１００〜２００℃位であって、それほど高温にはならないため、ＳＵＳ３０４などの汎用ステンレス鋼材で形成してもよい。ＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱性ステンレス鋼材を使用することもできる。

なお、真空断熱構造は内壁と外壁とに挟まれた気密空間を真空にすることによって形成されるものであるが、真空断熱効果を得るためには、真空断熱構造の気密空間の形状を保って剛性を確保する必要がある。たとえば、セラミックファイバーマットやＳｉＯ_２ファイバーからなるシリカマットを気密空間内に敷き詰めることによって気密空間の形状を保って剛性を確保することができる。

そして、燃料電池本体及びその附帯装置の外周を円筒状となるように形成した場合には、気密空間を形成する内壁と外壁をいずれも円筒状に成型し、これを一定間隔あけて同心円上に位置するように設置すればよい。セラミックスファイバーマットやＳｉＯ_２ファイバーからなるシリカマットを気密空間内に敷き詰めて剛性を確保してもよいが、その代わりに、外壁材を波打たせることによっても気密空間の形状を保って剛性を確保することができる。

いずれの場合も、真空断熱構造の気密空間の形状を保って剛性を確保するためには、内壁材と外壁材ともその厚みは少なくとも０．６ｍｍ程度とするのが好ましく、また内壁材と外壁材は通常１．５〜４．５ｍｍ程度の間隔をもたせるのが好ましい。

(e) 真空断熱構造の気密空間を形成する外壁の温度はそれほど高温にはならないものの、約７０〜１５０℃位にはなるから、この外壁の外側には、断熱材層を設ける必要がある。断熱材層に、無機繊維系断熱材層を設置することによって、真空断熱構造の気密空間を形成する内壁と外壁の間の温度差を緩和することができる。したがって、内壁と外壁に用いられる金属製材料の熱歪みを緩和することができるので、真空断熱構造の信頼性の向上に寄与する。なお、この無機繊維系断熱材層は、たとえば、質量％で、Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜９５％およびＳｉＯ_２：５〜９５％を含有する組成を有するものを挙げることができる。なお、真空断熱構造の気密空間を形成する外壁の外側に設置する無機繊維系断熱材層の厚みを増やすと、この外壁の外側の温度を手で触れてもやけどをしない程度の６０℃以下の温度まで低下させることができるので、特に家庭用の燃料電池発電システムの断熱システムとして用いる場合には、無機繊維系断熱材層の厚みを、この外壁の外側の温度を６０℃以下の温度まで低下させることができる程度にするのが好ましい。

無機繊維系断熱材の形状は、その形状は、ブランケット状であってもよいし、所定形状に成型されたものであってもよい。ブランケット状のものを用いると所望の厚みに巻きやすい。無機繊維系断熱材を大量に製造する場合は、予め湿式法等で成型したものを用いても良い。さらに、材質は耐熱性からはセラミックス繊維系断熱材が好ましいが、真空断熱層によって温度が３００℃以下になっているため、ガラスニードルマットやシリカ繊維製のマット、難燃性有機化合物からなるフェルトなどを用いることが出来るが、セラミックス系ブランケットが経済性面で優れている。

(f) 以上は、燃料電池本体及びその附帯装置の外周を円筒状となるように形成したときの燃料電池用断熱システムを主体に検討してきた。断熱効果の面からは、このように燃料電池本体及びその附帯装置の外周を円筒状となるように形成して、その周囲に各断熱層を円筒状に設置するのが好ましい。しかしながら、装置の設計上、燃料電池本体及びその附帯装置の外周を箱形に形成したものもあり、この場合は各断熱層を箱形形状に設置するのがよい。

本発明は、以上の知見に基づいて完成したものであり、その要旨は、次の(1)〜(5)に示す通りである。以下、それぞれ、「本発明１」〜「本発明５」といい、併せて「本発明」ということもある。

(1) 酸化剤ガスと燃料ガスとを高温作動温度環境下の電池室内に供給し、この酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料電池本体及びその附帯装置の周囲に、内側から順に、マイクロポーラス断熱材層、真空断熱層、無機繊維系断熱材層からなる断熱構造を有することを特徴とする燃料電池用断熱システム。

(2) マイクロポーラス断熱材層に用いられる材料は、質量％で、ＳｉＯ_２：３０〜９５％、赤外線反射剤：５〜４５％、補強材：０〜３０％および焼結助剤：０〜１０％からなることを特徴とする、上記(1)の燃料電池用断熱システム。

(3) 真空断熱層は、内壁と外壁とに挟まれた気密空間を真空にすることによって形成されることを特徴とする、上記(1)又は(2)の燃料電池用断熱システム。

(4) 無機繊維系断熱材層の材料は、質量％で、Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜９５％およびＳｉＯ_２：５〜９５％を含有する組成からなることを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれかの燃料電池用断熱システム。

(5) 各断熱層が円筒形状に設置されていることを特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれかの燃料電池用断熱システム。

本発明に係る断熱構造を採用することによって、真空断熱構造の気密空間を形成する壁面の温度を大幅に下げることができるとともに断熱構造全体の厚みを薄くしてなる、断熱構造としての信頼性に優れたコンパクトな燃料電池用断熱システムを提供することができる。

以下に、図面を参照して本発明を説明する。

図１に、本発明に係る燃料電池用断熱システムの一例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。

この燃料電池用断熱システムは、燃料電池本体及びその付帯装置の外周を円筒状となるように形成したときのものであって、改質器１の周囲に、内側から順に、マイクロポーラス断熱材層２、真空断熱層３、そして、無機繊維系断熱材層４が、同心円状に設けられている。なお、改質器１の外径は９５ｍｍであり、そして、マイクロポーラス断熱材層２、真空断熱層３、無機繊維系断熱材層４の厚みは、それぞれ、４０ｍｍ、４ｍｍ、２５ｍｍである。また、断熱層の高さはいずれも３５０ｍｍである。

なお、マイクロポーラス断熱材層２はドイツ・ポーレックス社製のハードボード（商品名ＷＤＳＵＬＴＲＡ：嵩密度０．２４ｇ／ｃｍ^３）から、上底が３５ｍｍ、下底が６５ｍｍ、そして、高さが３８ｍｍからなる台形状の断面を有し、長さが３５０ｍｍからなる短冊状に切り出したものを、改質器１の外周に円筒状に集積させ取り囲むようにして設置した。

次に、真空断熱層３は、象印社製の真空ジャッケットを用いた。この真空ジャッケットは、内壁が０．６ｍｍ厚のＳＵＳ３０４ステンレス鋼の平板、そして、外壁が０．６ｍｍ厚のＳＵＳ３０４ステンレス鋼の波打ち板からなり、内壁と外壁の間の気密空間の真空度は１×１０^−６Torrであった。

そして、無機繊維系断熱材層４は、イビデン製のブランケット（商品名：イビウールブランケット）を用いた。このセラミックスの化学組成は、Ａｌ_２Ｏ_３：４９％およびＳｉＯ_２：５１％であった。

このような三層の断熱構造を改質器１の外周に設置して、断熱構造内の温度分布を測定した。なお、外気温は２５℃であった。各断熱層の表面における温度の測定値は図１の下図に示したとおりであり、真空断熱層３の内壁温度は４５０℃、そして、外壁温度は３２０℃であり、真空断熱層の内外壁の温度差は１３０℃であった。また、このような三層の断熱構造の最外層になる無機繊維系断熱材層４の外壁温度は５５℃であり、手で触れてもやけどをしない温度まで低下していた。

図２に、燃料電池用断熱システムの参考例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。

この燃料電池用断熱システムは、燃料電池本体及びその付帯装置の外周を円筒状となるように形成したときのものであって、改質器１の周囲に、内側から順に、マイクロポーラス断熱材層２および真空断熱層３が、同心円状に設けられているが、図１とは異なり、無機繊維系断熱材層は設けられていない。改質器１の外径は９５ｍｍであり、そして、マイクロポーラス断熱材層２、真空断熱層３の厚みは、それぞれ、４０ｍｍ、４ｍｍである。また、断熱層の高さはいずれも３５０ｍｍである。

なお、マイクロポーラス断熱材層２は、図１に用いたのと同様に、ドイツ・ポーレックス社製のハードボード（商品名ＷＤＳＵＬＴＲＡ：嵩密度０．２４ｇ／ｃｍ^３）から、上底が３５ｍｍ、下底が６５ｍｍ、そして、高さが３８ｍｍからなる台形状の断面を有し、長さが３５０ｍｍからなる短冊状に切り出したものを、改質器１の外周に円筒状に集積させ取り囲むようにして設置した。

そして、真空断熱層３は、図１に用いたのと同様に、象印社製の真空ジャッケットを用いた。この真空ジャッケットは、内壁が０．６ｍｍ厚のＳＵＳ３０４ステンレス鋼の平板、そして、外壁が０．６ｍｍ厚のＳＵＳ３０４ステンレス鋼の波打ち板からなり、内壁と外壁の間の気密空間の真空度は１×１０^−６Torrであった。

このような二層の断熱構造を改質器１の外周に設置して、断熱構造内の温度分布を測定した。なお、外気温は２５℃であった。各断熱層の表面における温度の測定値は図２の下図に示したとおりであり、真空断熱層３の内壁温度は２８０℃、そして、外壁温度は５０℃であり、真空断熱層の内外壁の温度差は２３０℃であった。このような二層の断熱構造の最外層となる真空断熱層３の外壁温度は５０℃であって、手で触れてもやけどをしない温度まで低下していたが、無機繊維系断熱材層が設けられていないため、真空断熱層の内外壁の温度差は図１に示した三層の断熱構造における真空断熱層の内外壁の温度差に比して、１００℃も大きかった。このように、内壁と外壁に用いられるステンレス鋼板の熱歪みが大きいため、図１に示した三層の断熱構造に比して真空断熱構造の信頼性に劣る。

図３に、本発明に係る燃料電池用断熱システムの他の例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。

この燃料電池用断熱システムは、燃料電池本体及びその付帯装置の外周を円筒状となるように形成したときのものであって、改質器１の周囲に、内側から順に、マイクロポーラス断熱材層２、真空断熱層３、そして、無機繊維系断熱材層４が、同心円状に設けられている。ただし、改質器１の外径は９５ｍｍであり、断熱層の高さはいずれも３００ｍｍであるが、図１に示した三層の断熱構造とは異なり、マイクロポーラス断熱材層２、真空断熱層３、無機繊維系断熱材層４の厚みは、それぞれ、１１ｍｍ、４ｍｍ、５０ｍｍである。

なお、マイクロポーラス断熱材層２はドイツ・ポーレックス社製のハードボード（商品名ＷＤＳＵＬＴＲＡ：嵩密度０．２４ｇ／ｃｍ^３）から、上底が３５ｍｍ、下底が４５ｍｍ、そして、高さが１０ｍｍからなる台形状の断面を有し、長さが３００ｍｍからなる短冊状に切り出したものを、改質器１の外周に円筒状に集積させ取り囲むようにして設置した。

そして、無機繊維系断熱材層４は、イビデン社製のブランケット状セラミックス（商品名イビウールブランケット）を用いた。このセラミックスの化学組成は、Ａｌ_２Ｏ_３：４９％およびＳｉＯ_２：５１％であった。

このような三層の断熱構造を改質器１の外周に設置して、断熱構造内の温度分布を測定した。なお、外気温は２５℃であった。各断熱層の表面における温度の測定値は図３の下図に示したとおりであり、真空断熱層３の内壁温度は５７０℃、そして、外壁温度は３３０℃であり、真空断熱層の内外壁の温度差は２４０℃であった。また、このような三層の断熱構造の最外層になる無機繊維系断熱材層４の外壁温度は５０℃であり、手で触れてもやけどをしない温度まで低下していた。

図４に、本発明に係る燃料電池用断熱システムの他の例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。

この燃料電池用断熱システムは、図３に示した三層の断熱構造のうち、最外層の無機繊維系断熱材層４の厚みを２５ｍｍへと半減したものを用いた。マイクロポーラス断熱材層２および真空断熱層３は、いずれも、図３に示したものと同じである。また、無機繊維系断熱材層４は、単にその厚みを半減した点でのみ異なる。

このような三層の断熱構造を改質器１の外周に設置して、断熱構造内の温度分布を測定した。なお、外気温は２５℃であった。各断熱層の表面における温度の測定値は図４の下図に示したとおりであり、真空断熱層３の内壁温度は５７０℃、そして、外壁温度は２４０℃であり、真空断熱層の内外壁の温度差は２３０℃であった。なお、このような三層の断熱構造の最外層になる無機繊維系断熱材層４の外壁温度は８５℃であり、最外層になる無機繊維系断熱材層４の厚みが半減した分、図３に示した三層の断熱構造に比して外壁温度の低下は小さかった。

図５に、燃料電池用断熱システムの参考例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。

この燃料電池用断熱システムは、燃料電池本体及びその付帯装置の外周を円筒状となるように形成したときのものであって、改質器１の周囲に、内側から順に、マイクロポーラス断熱材層２および真空断熱層３が、同心円状に設けられているが、図３および図４とは異なり、無機繊維系断熱材層は設けられていない。改質器１の外径は９５ｍｍであり、そして、マイクロポーラス断熱材層２、真空断熱層３の厚みは、それぞれ、１１ｍｍ、４ｍｍである。また、断熱層の高さはいずれも３５０ｍｍである。

なお、マイクロポーラス断熱材層２は、図３および図４に用いたのと同様に、ドイツ・ポーレックス社製のハードボード（商品名ＷＤＳＵＬＴＲＡ：嵩密度０．２４ｇ／ｃｍ^３）から、上底が３５ｍｍ、下底が４５ｍｍ、そして、高さが１０ｍｍからなる台形状の断面を有し、長さが３５０ｍｍからなる短冊状に切り出したものを、改質器１の外周に円筒状に集積させ取り囲むようにして設置した。

そして、真空断熱層３は、図３および図４に用いたのと同様に、象印社製の真空ジャッケットを用いた。この真空ジャッケットは、内壁が０．６ｍｍ厚のＳＵＳ３０４ステンレス鋼の平板、そして、外壁が０．６ｍｍ厚のＳＵＳ３０４ステンレス鋼の波打ち板からなり、内壁と外壁の間の気密空間の真空度は１×１０^−６Torrであった。

このような二層の断熱構造を改質器１の外周に設置して、断熱構造内の温度分布を測定した。なお、外気温は２５℃であった。各断熱層の表面における温度の測定値は図５の下図に示したとおりであり、真空断熱層３の内壁温度は５８０℃、そして、外壁温度は５０℃であり、真空断熱層の内外壁の温度差は５３０℃であった。このような二層の断熱構造の最外層となる真空断熱層３の外壁温度は５０℃であって、手で触れてもやけどをしない温度まで低下していたが、無機繊維系断熱材層が設けられていないため、真空断熱層の内外壁の温度差は図３および図４に示した三層の断熱構造における真空断熱層の内外壁の温度差に比して、２９０〜３００℃も大きかった。このように、内壁と外壁に用いられるステンレス鋼板の熱歪みが大きいため、図３および図４に示した三層の断熱構造に比して真空断熱構造の信頼性に劣る。

本発明により、燃料電池用断熱システムの断熱構造全体の厚みを薄くできるとともに、断熱構造としての信頼性に優れたコンパクトな燃料電池用断熱システムを提供することができる。

本発明に係る燃料電池用断熱システムの一例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。燃料電池用断熱システムの参考例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。本発明に係る燃料電池用断熱システムの他の例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。本発明に係る燃料電池用断熱システムの他の例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。燃料電池用断熱システムの参考例を示す。上図に各断熱層の斜視配置を示し、そして、下図に断熱構造内の温度分布を示す。短冊状のマイクロポーラス断熱材を製造する手順の一例を斜視図によって示す。

符号の説明

１；改質器
２；マイクロポーラス断熱材層
３；真空断熱層
４；セラミックス繊維系断熱材層

Claims

酸化剤ガスと燃料ガスとを高温作動温度環境下の電池室内に供給し、この酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料電池本体及びその附帯装置の周囲に、内側から順に、マイクロポーラス断熱材層、真空断熱層、無機繊維系断熱材層からなる断熱構造を有することを特徴とする燃料電池用断熱システム。
マイクロポーラス断熱材層に用いられる材料は、質量％で、ＳｉＯ_２：３０〜９５％、赤外線反射剤：５〜４５％、補強材：０〜３０％および焼結助剤：０〜１０％からなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池用断熱システム。
真空断熱層は、内壁と外壁とに挟まれた気密空間を真空にすることによって形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池用断熱システム。
無機繊維系断熱材層の材料は、質量％で、Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜９５％およびＳｉＯ_２：５〜９５％を含有する組成からなることを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載の燃料電池用断熱システム。
各断熱層が円筒形状に設置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載の燃料電池用断熱システム。