JP4678025B2 - 反応装置及び電子機器 - Google Patents
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Description
ここで、所望の化学反応を持続させるためには、高温の反応領域を必要とする。例えば、メタノールを水蒸気改質反応によって水素に改質する場合には約300℃、固体酸化物燃料電池によって水素と酸素から電力を得る場合には約800℃に、反応領域の温度を保持しなければならない。これらの温度への昇温あるいは温度維持に必要な熱量は、抵抗発熱体への電力供給による発熱や、触媒燃焼反応の燃焼熱などによって供給される。システムの熱効率を良くするためには、反応温度への昇温及び温度維持に必要な熱量をできる限り抑制する必要がある。反応領域から周囲環境への熱の散逸を抑えるために、例えば、高温領域である改質器を容器内殻に収容し、さらに容器内殻を容器外殻に収容し、容器内殻及び容器外殻の間に位置する間隙層を大気圧(1atm)よりも低く真空圧にする方法が知られている(特許文献参照)。
一方、昇温速度を上げる手段として、熱量が供給される反応領域を断熱して、反応領域から周囲環境への熱の散逸を抑制することが考えられる。そのためには、反応領域の周囲を例えば10Pa以下となるように減圧するとよいが、この場合、上述の反応領域を画定する壁を挟んだ反応ガスの圧力と減圧された反応領域の周囲の圧力との圧力差に起因する応力が増大する。さらに、昇温速度を上げることにより、反応領域を画定する壁に温度分布が生じやすくなり、このためにも、熱ひずみに起因する応力が増大する。そして、これらの増大した応力が反応領域を画定する壁に加わることとなる。
従って、従来昇温速度を速くするため真空圧にすることにより断熱を行うと、壁に加えられる応力が増大するため、壁の厚みをある程度厚くする必要があり、これにより壁の熱容量が増大してしまい、これに伴い昇温速度も遅くなってしまうというジレンマがあった。 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、反応領域の熱容量が増大することを抑制しつつ昇温速度を速くすることができる反応装置及び電子機器を提供することを目的としている。
反応物の反応を起こす反応器と、
前記反応器を収容する第一の容器と、
前記第一の容器を収容する第二の容器と、
前記反応器に供給する反応物が流通する供給管と、
前記反応器からの排出物が流通する排出管と、
を備え、
前記反応器は燃料と酸素の電気化学反応により電力を生成する燃料電池であって、
前記反応器は、前記反応物が流通する流路を有し、
前記反応器の流路の一端部は、前記反応器と前記第一の容器との間の空間に連通しており、
前記供給管は、前記第二の容器及び前記第一の容器を貫通して配置され、前記空間に連通しており、
前記排出管は、前記第二の容器及び前記第一の容器を貫通して配置され、前記流路の他端部と連通しており、
前記第一の容器と前記第二の容器との間の空間の気圧は大気圧よりも低いことを特徴とする。
前記第一の容器と前記第二の容器との間の空間の圧力が、10Pa以下であることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の反応装置において、
前記第一の容器の内壁面の一部と、前記第一の容器の外壁面の一部と、前記第二の容器の内壁面の一部と、のうちいずれか少なくとも一つが、前記第二の容器の外壁面よりも輻射率が低いことを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1又は3に記載の反応装置において、
前記第一の容器の内壁面の一部と、前記第一の容器の外壁面の一部と、前記第二の容器の内壁面の一部と、のうちいずれか少なくとも一つが、鏡面加工されていることを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応物は、酸素を含むことを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の反応装置において、
前記反応物は、水素を含むことを特徴とする。
請求項7の発明の電子機器は、
請求項1に記載の反応装置と、
前記燃料電池により生成された電力により動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項7に記載の電子機器において、
前記燃料のもととなる原燃料から改質ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼する触媒燃焼器と、を更に備え、
前記改質器及び前記触媒燃焼器は、前記第一の容器と前記第二の容器との間の空間に配置されていることを特徴とする。
図1は、断熱容器100内に燃料電池(反応器)200が収容された反応装置300の内部構造を示す縦断面図、図2(a)は、切断線II(a)−II(a)に沿って切断した際の矢視断面図、図2(b)は、切断線II(b)−II(b)に沿って切断した際の矢視断面図である。
反応装置300は、断熱容器100と、断熱容器100内に収容された燃料電池200と、を備える。
燃料供給流路205内には、絶縁膜209が形成され、絶縁膜209の表面に薄膜ヒータ兼温度センサ210が形成されている。また。酸素供給流路207内にも、絶縁膜211が形成され、絶縁膜211の表面に薄膜ヒータ兼温度センサ212が形成されている。
薄膜ヒータ兼温度センサ210,212は燃料電池200の動作温度である600〜800℃まで燃料電池200を加熱する。絶縁膜209,211は、各セパレータ206,208と薄膜ヒータ兼温度センサ210,212との電気的絶縁をしており、例えばSiO2等を用いることができ、薄膜ヒータ兼温度センサ210,212には、例えば、Au、Pt、W等を使用することができる。また、薄膜ヒータ兼温度センサ210,212に、外部から電力を供給するための薄膜ヒータ用電極251,252が接続されている。
なお、低輻射率層213,214として形成する金属膜は、燃料電池200の最上面及び最下面の全面のうち少なくとも一部に形成すれば良い。さらに、低輻射率層213,214として、金属膜以外に鏡面加工を施すなどして輻射率を低減しても良い。
これら燃料供給管215、燃料排出管216、酸素供給管217及び酸素排出管218は、後述の第一の容器1及び第二の容器2を貫通して外部に突出している。
O2+4e-→2O2-・・・(1)
燃料極202には燃料供給流路205を介して、改質器から送出された改質ガスが送られる。酸素極207では固体酸化物電解質201を透過した酸素イオンと、改質ガスとの次式(2)、(3)のような反応が起こる。
H2+O2-→H2O+2e-・・・(2)
CO+O2-→CO2+2e-・・・(3)
燃料供給流路205を通過した改質ガス(オフガス)は外部に排出される。
第一の容器1の内壁面(容器本体11の内壁面及び蓋部12の下面)には、燃料電池200からの輻射伝熱を抑えるために、低輻射率層14が形成されている。この低輻射率層14は、上述の低輻射率層213,214と同様の構成及び材料である。
さらに、第一の容器1の外壁面及び第二の容器2の内壁面にも、燃料電池200からの輻射伝熱を抑えるために、低輻射率層15,24が形成されている。これら低輻射率層15,24は、上述の低輻射率層213,214と同様の構成であり、材料は上述の材料に加えてAl,Agを使用することができる。
また、低輻射率層14,15,24は、第一の容器1の内壁面、外壁面や第二の容器2の内壁面の少なくとも一部に形成すれば良く、また、金属膜以外に鏡面加工を施すことによって輻射率を低減させても良い。
具体的に図3を用いて説明すると、流路の破壊限界圧力差をΔ(atm)とする。また、流路の出口における圧力をp0、流路で入口と出口における流体の圧力差、すなわち、流路の圧力損失をpLoss(atm)とする。流路の内壁にかかる圧力は、p0からp0+pLossの間で分布している。また、燃料電池の動作温度をTH(K)、室温をTL(K)、またこれらの比TL/THをα(<1)とする。第一の容器内に室温TLにおいて圧力Pのガスを封入した場合、第一の容器内の気体の圧力は室温TLからTHまでの間にPから(1/α)Pまで変化する。図3において圧力Pの温度変化は一点鎖線で示されている。流路の内外の差圧を破壊限界以内にするためには、圧力Pの温度変化(一点鎖線)が、TLからTHの温度範囲内で網掛けの中に入っていれば良い。すなわち、
p0+pLoss−P<Δ、かつ、(1/α)P−p0<Δ・・・(4)
であれば良い。例えば、温度TLにおいて気体を封入する場合には、両矢印の範囲で示された圧力の気体を封入することができる。式では以下のように表すことができる。
p0+pLoss−Δ<P<α(p0+Δ)・・・(5)
流路に生じる圧力差を最小にする封入気体の圧力は、室温において、
α(2p0+pLoss)/(1+α)・・・(6)
となり、このとき生じる最大圧力差は、
{(1−α)p0+pLoss}/(1+α)・・・(7)
である。
封入する気体には、燃料電池から気体を介して断熱容器へと伝熱する熱量を抑えるため、空気と比較して熱伝導率の小さい気体を用いる。例えば、二酸化炭素、フレオンガスなどを用いることができる。また、Ar、Kr、Xe、Rnなどの空気より分子量の大きい希ガスを用いることができる。特にXeは熱伝導率が小さく、例えば1000℃において1.9×10−2(W/K・m)であり、空気の100℃における熱伝導率が7.6×10−2(W/K・m)と比較すると1/4である。
さらに、第一の容器内で気体の自然対流が生じることによって反応領域に温度分布が生じないようにするために、気体の層はできるだけ薄くすることが好ましい。例えば、第一の容器内の気体のレイリー数Raが、自然対流発生の指標である臨界レイリー数Ra(=1708)よりも十分小さくなるようにすることができる。レイリー数Raは次式(8)で表される。
Ra=gβρCpΔTd3/vk・・・(8)
ここで、gは重力加速度9.8m/s2、βはガスの熱膨張率(1/K)(これはほぼ1/T)、ρはガスの密度(kg/m3)、ΔTは気体の層の反応近傍と第一の容器の近傍の温度差(K)、dはガス層の厚さ(m)、vはガスの動粘性係数(m2/s)、kは気体の熱伝導率(J/kgK)である。気体の層の厚さは、
d<<{(1708)vk/[gρCp(ΔT/T)]}1/3
を満たすような厚みにすることができる。
まず、燃料電池200の最上面及び最下面に低輻射率層213,214を形成する(図4(a)参照)。低輻射率層213,214として形成する金属膜は、蒸着あるいはスパッタ等の手法で形成することができる。また、必要に応じて、低輻射率層213,214の密着強度を確保するために密着層を、さらには密着層が低輻射率層213,214に拡散することを防ぐため拡散防止層を形成し、多層膜構造としても良い。
次に、第一の容器1の内壁面(容器本体11の内壁面及び蓋部12の下面)に蒸着あるいはスパッタ等の手法で低輻射率層14として金属膜を形成する(図4(b)参照)。容器本体11には複数の貫通孔255が形成されていて、金属膜はこの貫通孔255以外の部分に形成する。そして、燃料電池200を容器本体11に収容するとともに、カソード出力電極254、アノード出力電極253、燃料供給管215、燃料排出管216、酸素供給管217及び酸素排出管218を容器本体11の複数の貫通孔255を貫通させて取り付ける(図4(c)参照)。第一の容器1と各管215〜218とは絶縁材、例えば、ガラス材やセラミック材で気密封止する。その後、蓋部12で容器本体11の開口を塞ぎ、真空チャンバ内に入れて真空排気する。このとき表面吸着ガスを脱離するために例えば800℃でアニールしても良い、その後、真空チャンバ内に気体16を導入する。気体16としては、例えば、0.27気圧のキセノンガスを用いることができる。あるいは、燃料電池200の動作温度、例えば800℃において1気圧のキセノンガスを充填しても良い。その後、真空チャンバ内において、例えばレーザビーム溶接、アーク溶接などを用いて容器本体11と蓋部12とを気密溶接する(図4(d)参照)。
まず、薄膜ヒータ兼温度センサ210,212に接続された薄膜ヒータ用電極251,252に電圧を印加して薄膜ヒータ兼温度センサ210,212を発熱させることにより燃料電池200を600〜800℃程度に加熱した状態で、改質ガスを燃料供給管215から燃料供給流路205に供給し、図示しない空気ポンプを駆動して、酸素を含む空気を酸素供給管217から酸素供給流路207に供給する。このようにして燃料電池200に供給された改質ガス及び空気による化学反応式(1)〜(3)の電気化学反応により電力が取り出される。なお、電気化学反応で使用されなかった改質ガスや酸素を含む空気は、それぞれ燃料排出管216や酸素排出管218から断熱容器100の外部に排出される。
特に、燃料電池200の各流路205,207の壁面205a,206a,207aおよび208aに生じる応力が、破壊応力以下となるように気体16の圧力が調整されているので、各流路205,207が破壊されることを防止しながら、薄型化を図ることができる。
また、第一の容器1の空間13内に封入する気体16をキセノンとすることにより、燃料電池200から気体16を介した第一の容器1への熱量の移動を抑制することができるので、反応領域から周囲環境への熱の散逸を抑制し、ひいては、反応領域の昇温速度を速くすることができる。
さらに、第一の容器1の内壁面、外壁面及び第二の容器2の内壁面に、低輻射率層14,15,24がそれぞれ形成されているので、燃料電池200からの輻射伝熱を抑えることができる。そして、第一の容器1及び第二の容器2の内部を大気圧よりも低くすることによる断熱と低輻射率層14,15,24による輻射断熱を組み合わせた高い断熱性能によっても、燃料電池200の昇温速度を速くすることができる。
図5は断熱容器100A内に燃料電池(反応器)200A、改質器(反応器)400A、触媒燃焼器(反応器)500Aが収容された反応装置300Aを搭載した携帯用の電子機器1000Aを示すブロック図であり、図6は、電子機器1000Aに搭載された反応装置300Aの内部構造を示す概略断面図である。この電子機器1000A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。
固体酸化物型燃料電池200A、第一の容器1aA,1bA及び第二の容器2Aの構成は、上述した第一の実施の形態の固体酸化物型燃料電池200、第一の容器1及び第二の容器2と同様のため、同様の構成部分については同様の数字に英字A、又は第一の容器1aA,1bAにおいてはaA,bAを付してその説明を省略する。
改質器400Aは、図示しないが、内部の流路の壁面に触媒が担持されており、また、薄膜ヒータ兼温度センサが設けられている。そして、気化器から送られてきた混合気を、薄膜ヒータ兼温度センサの熱により約300〜400℃程度に加熱し、流路内の触媒により化学反応式(9)に示すように改質反応が起こり、化学反応式(9)についで逐次的に化学反応式(10)が起こる。その結果、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改質ガスが生成される。生成された改質ガスは、燃料供給管215Aを介して燃料電池200Aに送り込まれる。
CH3OH+H2O→3H2+CO2・・・(9)
H2+CO2→H2O+CO・・・(10)
H2+O2-→H2O+2e- …(11)
CO+O2-→CO2+2e- …(12)
1/2O2+2e-→O2- …(13)
図7は、断熱容器100D内に燃料電池(反応器)200D、改質器(反応器)400D、触媒燃焼器(反応器)500Dが収容された反応装置300Dを搭載した携帯用の電子機器1000Dを示すブロック図であり、図8は、電子機器1000Dに搭載された反応装置300Dの内部構造を示す概略断面図である。
変形例2と上述の変形例1との違いは、改質器400D及び触媒燃焼器500Dを収容する第一の容器を備えない点である。図7及び図8における各構成に関しては、それぞれ図5及び図6において対応する構成の各符号の末尾「A」を「D」に変更したものを付してその説明を省略する。
変形例2は、昇温時間がより短いより低温の反応装置を収容する第一の容器を備えずに、昇温時間がより長いより高温の反応装置を収容する第一の容器を備えるようにしたので、上述の変形例1と同様、反応領域の熱容量が増大することを抑制しつつ昇温速度を速くすることができることに加えて、改質器400D及び触媒燃焼器500Dを収容する第一の容器を備えないので、部品点数を減らすことができ、ひいては、歩留まりを低減することができる。
図9は、断熱容器100B内に燃料電池(反応器)200Bが収容された反応装置300Bの内部構造を示す縦断面図、図10(a)は、切断線X(a)−X(a)に沿って切断した際の矢視断面図、図10(b)は、切断線X(b)−X(b)に沿って切断した際の矢視断面図である。
第二の実施の形態では、第一の実施の形態と異なり、第一の容器1B内に収容された燃料電池200Bの酸素供給流路207Bが、第一の容器1Bと燃料電池200Bとの間の空間13Bに連通している。そして、酸素供給管217Bは、酸素供給流路207Bに直接、連結しておらず、第一の容器1Bの空間13B内に連通している。その他は、第一の実施の形態と同様の構成であるので、同様の構成部分には同様の数字に英字Bを付してその説明を省略する。
したがって、燃料電池200B全体の薄型化を図ることができるとともに、燃料電池200Bの熱容量を削減することができる。同時に、燃料電池200Bを内包する第一の容器1の周囲を大気圧よりも低くすることにより断熱しているので、反応領域から周辺環境への熱の散逸を抑制することができ、ひいては、反応領域の昇温速度を速くすることができる。そして、第一の容器1及び第二の容器2の内部を大気圧よりも低くすることによる断熱と低輻射率層14B,15B,24Bによる輻射断熱を組み合わせた高い断熱性能によっても、燃料電池200Bの昇温速度を速くすることができる。
図11は、断熱容器100C内に燃料電池(反応器)200C、改質器(反応器)400C、触媒燃焼器(反応器)500Cが収容された反応装置300Cを搭載した携帯用の電子機器1000Cを示すブロック図であり、図12は、電子機器1000Cに搭載された反応装置300Cの内部構造を示す概略断面図である。
変形例3では、燃料電池200Cは、固体酸化物型燃料電池であり、断熱容器100Cは、固体酸化物型燃料電池200Cを収容する第一の容器1aCと、改質器400C及び触媒燃焼器500Cを収容する第一の容器1bCと、を備え、これら二つの第一の容器1aC,1bCが第二の容器2Cに収容されている。二つの第一の容器1aC,1bCと第二の容器2Cとの間の空間23Cの気圧は大気圧よりも低くされている。改質器400Cと燃料電池200Cとは燃料供給管215Cにより連結され、触媒燃焼器500Cと燃料電池200Cとは燃料排出管216C及び酸素排出管218Cにより連結されている。また、空気ポンプ(図示しない)に接続されて燃料電池200Cに酸素を含む空気を供給する酸素供給管217C及び酸素供給流路(図示しない)は、第二の実施の形態と同様に、第一の容器1Cと燃料電池200Cとの間の空間13Cに連通し、酸素供給管217C及び酸素供給流路と、空間13C内とで空気が共有されている。
その他、固体酸化物型燃料電池200C、第一の容器1C及び第二の容器2Cの構成は、上述した第一の実施の形態の固体酸化物型燃料電池200、第一の容器1及び第二の容器2と同様であり、改質器400Cや触媒燃焼器500Cは変形例1の改質器400Aや触媒燃焼器500Aと同様のため、同様の数字に英字C、又は第一の容器1aC,1bCにおいてはaC,bCを付してその説明を省略する。
図13は、断熱容器100E内に燃料電池(反応器)200E、改質器(反応器)400E、触媒燃焼器(反応器)500Eが収容された反応装置300Eを搭載した携帯用の電子機器1000Eを示すブロック図であり、図14は、電子機器1000Eに搭載された反応装置300Eの内部構造を示す概略断面図である。
変形例4と上述の変形例3との違いは、改質器400C及び触媒燃焼器500Cを収容する第一の容器を備えない点である。図13及び図14における各構成に関しては、それぞれ図11及び図12において対応する構成の各符号の末尾「C」を「E」に変更したものを付してその説明を省略する。
さらに、上述の第一の実施の形態、第二の実施の形態、変形例1乃至4においては、燃料電池はいずれも固体酸化物型であるとして説明したが、本発明は、固体酸化物型燃料電池に限らず、固体高分子型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池等にも適用できる。
2,2A,2B,2C,2D,2E,2F 第二の容器
13,13aA,13bA,13B,13aC,13bC,13D,13E,13F 空間
14,14aA,14bA,14B,14aC,14bC,14D,14E,14F 低輻射率層
15,15aA,15bA,15B,15aC,15bC,15D,15E,15F 低輻射率層
23,23A,23B,23C,23D,23E,23F 空間
24,24A,24B,24C,24D,24E,24F 低輻射率層
16,16aA,16bA,16B,16aC,16bC,16D,16E,16F 気体
100,100A,100B,100C,100D,100E,100F 断熱容器
200,200A,200B,200C,200D,200E,200F 燃料電池(反応器)
205,205A,205B,205C,205D,205E,205F 燃料供給流路
207,207A,207B,207C,207D,207E,207F 酸素供給流路
300,300A,300B,300C,300D,300E,300F 反応装置
400A,400C,400D,400E,400F 改質器(反応器)
500A,500C,500D,500E,500F 触媒燃焼器(反応器)
901A,901C,901D,901E,901F 電子機器本体
1000A,1000C,1000D,1000E,1000F 電子機器
Claims (8)
- 反応物の反応を起こす反応器と、
前記反応器を収容する第一の容器と、
前記第一の容器を収容する第二の容器と、
前記反応器に供給する反応物が流通する供給管と、
前記反応器からの排出物が流通する排出管と、
を備え、
前記反応器は燃料と酸素の電気化学反応により電力を生成する燃料電池であって、
前記反応器は、前記反応物が流通する流路を有し、
前記反応器の流路の一端部は、前記反応器と前記第一の容器との間の空間に連通しており、
前記供給管は、前記第二の容器及び前記第一の容器を貫通して配置され、前記空間に連通しており、
前記排出管は、前記第二の容器及び前記第一の容器を貫通して配置され、前記流路の他端部と連通しており、
前記第一の容器と前記第二の容器との間の空間の気圧は大気圧よりも低いことを特徴とする反応装置。 - 前記第一の容器と前記第二の容器との間の空間の圧力が、10Pa以下であることを特徴とする請求項1に記載の反応装置。
- 前記第一の容器の内壁面の一部と、前記第一の容器の外壁面の一部と、前記第二の容器の内壁面の一部と、のうちいずれか少なくとも一つが、前記第二の容器の外壁面よりも輻射率が低いことを特徴とする請求項1又は2に記載の反応装置。
- 前記第一の容器の内壁面の一部と、前記第一の容器の外壁面の一部と、前記第二の容器の内壁面の一部と、のうちいずれか少なくとも一つが、鏡面加工されていることを特徴とする請求項1又は3に記載の反応装置。
- 前記反応物は、酸素を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の反応装置。
- 前記反応物は、水素を含むことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の反応装置。
- 請求項1に記載の反応装置と、
前記燃料電池により生成された電力により動作する電子機器本体と、を備えることを特徴とする電子機器。 - 前記燃料のもととなる原燃料から改質ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池から排出されたオフガスを燃焼する触媒燃焼器と、を更に備え、
前記改質器及び前記触媒燃焼器は、前記第一の容器と前記第二の容器との間の空間に配置されていることを特徴とする請求項7に記載の電子機器。
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