JPH05306838A

JPH05306838A - 集光集熱装置および燃料電池発電装置

Info

Publication number: JPH05306838A
Application number: JP2118572A
Authority: JP
Inventors: Isao Fujii; 勲藤井; Osao Okamura; 長生岡村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-10
Filing date: 1990-05-10
Publication date: 1993-11-19

Abstract

(57)【要約】電子出願以前の出願であるので要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は太陽から来る平行光線を焦点に集め、この光線による熱を利用して水蒸気および原料ガスを供給して水素リッチガスが得られる集光集熱装置、および、該水素リッチガスをアノードに供給して所望の電力を得る燃料電池発電装置に関する。

（従来の技術）従来、太陽熱あるいは太陽光を利用した発電装置および発電システムとしては種々のものがある。第３図は公知［機械工学便覧応用編、日本機械学会編、丸善（株），Ｓ６１発行］の太陽熱発電システムの代表例を示すものである。

第３図において、太陽光１を多数の平面鏡あるいは放物面鏡によって焦点に集め、蓄熱・熱交換器４の熱媒体を加熱し熱媒体は循環用ポンプあるいはブロアー３により循環させ、蓄熱・熱交換器４に入り蓄熱され別の媒体に熱交換する。別の媒体は循環ブロアーあるいはポンプ５により循環され、媒体で駆動するタービン６を回転させ、これと同軸で連結した発電機８を回転させて発電する。

タービンから出た媒体はさらに復水器などの媒体冷却器８を経由して循環ブロアー５にもどる。

（発明が解決しようとする課題）第３図のような太陽熱発電システムではタービン６と発電機７を使用しているため、規模が小さい装置は非常にコストが高いもとのなり、また発電効率も低くなる。

多くの集光・集熱システムから得られた熱媒体を更に集めて、蓄熱・熱交換器４を大きな容量にした場合で、太陽熱発電システムの総合効率は高々２２％程度になってしまう。

また、タービン６と発電機７は回転機械であるため容量の大小にかかわらず、他にくらべて高価な装置である。

本発明は、従来のシステムに比べて小形で安全な集光集熱装置と、効率が高く安価な燃料電池発電装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、前記目的を達成するため、多数の平面鏡または回転放物面鏡により太陽から来る平行光線を焦点に集める集光集熱装置本体と、前記焦点に該中心または該中心軸が一致するように配設され、前記集光集熱装置本体によって集められた光線を内部に導く透明材料からなる球形状または円筒状の容器と、この容器内部に同心状に配設され、該外表面が球形状であって、該肉厚が均一な耐熱材料からなる多孔性固体と、前記集光集熱装置本体からの太陽光の熱によって給水系からの水を水蒸気とする水蒸気発生器と、前記多孔性固体の外表面に担持され、該壁面に前記水蒸気発生器からの水蒸気および原料ガスを通過させることにより水素リッチガスに改質する水素改質用触媒体とからなる集光集熱装置である。

また、本発明は前記集光集熱装置によって得られる水素リッチガスをアノード電極側に入れて電力を得る燃料電池とから燃料電池発電装置を構成したものである。

（作用）本発明の集光集熱装置によれば、集光集熱装置本体からの太陽光の熱により、生成される水蒸気と原料ガスを水素改質用触媒体に通過させることにより、水素リッチガスが得られる。このように水素リッチガスを得るのに、太陽光の熱を利用しているので、火を燃やす必要がないことから、火災や爆発の心配がなく安全で、小形化が図れる。

また、本発明の燃料電池発電装置によれば、集光集熱装置により改質された水素リッチガスを、燃料電池のアノード電極に入れ、またカソード電極には圧縮した空気を入れることによって、効率よい発電が可能であり、従来のタービンと発電機を用いる必要がないので、比較的安価となり、さらに、一家庭に一台程度小規模なものから、あるいは、水素リッチガスを中央に集めて多段に積層した燃料電池に供給することにより、大規模な発電システムを得る事もできる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。第１図は本発明による燃料電池発電装置の一実施例を示す構成図であり、太陽光線１は矢印の方向に入射している。この太陽光１を集光集熱するために、本実施例での集光集熱装置本体２は、その底面が回転放物面鏡面１１で構成されている。この鏡面１１の焦点１２の位置に、耐熱性透明材料例えば透明プラスチックあるいは石英ガラスからなる球形状容器１３を、この中心が一致するように配設されている。この球形状容器１３の一部には、円筒状の外管１４が連結され、この外管１４の中心軸は回転放物面鏡１１の回転軸と一致している。

集光集熱装置本体２は、第１図の紙面に垂直な方向に２箇所に立てられたブラケット１６によって回転自由に支えている。このブラケット１６の回転動は、トルクモータ１７によって連結ロッド１８をシリンダ１９の内部に出入れすることによって行なわれる。この連結ロッド１８の出入れによって集光集熱装置本体２は東西方向に東から西に回転する。また、前記ブラケット１６の下端部は台板１５に固定され、この台板１５の両端には回転軸２０を設けられ、この回転軸２０は左右のブラケツト２１に回転自在に取付られている。

第１図には図示してないが、回転軸２０を軸として台板１５は南北方向に回転できる駆動装置が設けられ、またトルクモータ１７と共に集光集熱装置本体２の外管１４の方向を太陽光の方向に一致させる太陽光追従装置が設けられている。この太陽光追従置の詳細については公知であり、一般の天体望遠鏡についているものと同じなので、ここではその説明を省略する。

第２図は第１図の球形状容器１３の内部構造を示す断面図である。球形状容器１３は透明プラスチックあるいは石英ガラスなどの耐熱材で作られ、外部の光を１００％近く内部に透過できるようになっている。球形状容器１３は、上部容器５０と下部容器５１に分離でき、それぞれの端部にフランジ５２が形成されており、この両フランジ５２は締結ボルトナット５３で締結されている。

下部容器５１は、その下部の一部が開口され、この開口部に小径のフランジ５４が一体に形成され、このフランジ５４に外管１４の端部に形成されているフランジ６１が当接され、両フランジ５４，６１は締結ボルトナット５５で締結されている。

この外管１４はステンレス鋼などの耐熱鋼で作られている。外管１４の内部には、内管５６が同心状に配置され、内管５６の上端外周側には、伸縮可能なベローズ５７を介して金属管５８が同心状に配置され、かつ両者が連結されている。容器１３の内部には、外周面が球形状の多孔性触媒体５９が収納され、この一部が開口され、この開口部には前記金属管５８が接着されている。多孔性触媒体５９はその表面が球形状で厚さが均一なアルミナなどの多孔性耐熱焼成材で作られ、この多孔性固体に、その表面に水素改質用触媒体（図示せず）が担持されている。

この水素改質用触媒体としては、ニッケルなどの触媒を担持すると一般にその多孔性の表面の色は灰褐色になるが、これを光が良く吸収するように黒色に塗装したものをすると、さらに改質効果が上がる。

多孔性触媒体５９は、その球の中心を前記容器１３の中心に一致させるために多孔性触媒体５９の外表面の複数個所に設けたスプリング６０によって偏心を防止している。スプリング６０は、インコネルあるいはハステロイなどの耐熱合金によって構成している。なお、スプリング６０の紙面垂直方向幅としては、幅がせまいものである。

しかして、前記外管１４および内管５６には、それぞれフレキシブルホース２２、２３の一端がが接続され、このフレキシブルホース２２、２３の他端がそれぞれ蒸発器２４に接続されている。

このように、フレキシブルホース２２、２３が設けられているのは、集光集熱装置本体２が回転しても外れることがないようになっている。

蒸発器２４は、その内部に多孔性固体２５が配設され、この上部に水槽２６が設けられ、絞り弁２７からわずかな水分を多孔性固体２５に注入する事によって水蒸気を発生させることができるようになっている。この多孔性固体２５を加熱する熱源は、フレキシブルホース２３から出る高温ガス、すなわち、集光集熱装置本体２からの太陽光による熱と熱交換されるように構成されている。

蒸発器２４には後述のように動作する自動制御弁２８を介して天然ガスあるいはメタンガスボンベ２９から原料ガスを入れることができるようになっている。蒸発器２４の熱交換側はブロアー３０、チエツキ弁３１を介して貯蔵タンク３２に入れる。

燃料電池３４はアノード側３５に自動制御弁３３を介して貯蔵タンク３２から水素リッチガスを供給し、カソード側に空気をブロア４０によって供給することによって電極構成材３５と３７との間に電力が発生し電力供給装置３８に送ることができるようになっている。

以上のように構成された本実施例の動作を説明すると、集光集熱装置本体２は昼間は常に太陽光の方向に追従制御する装置に連動してその向きを変える。多孔性触媒体５９の温度を常に測定し、ある温度以上になると自動制御弁２８と絞り弁２７を開にして水蒸気と天然ガスを送り込む。改質した水素リッチガスは蒸発器２４を加熱して貯蔵タンク３２に集められる。自動制御弁３３は電力が必要なときに開けて水素リッチガスをアノード側に送り込み、カソード側に圧縮空気を送る事によって発電が可能になる。

小規模な発電の場合には、燃料電池３４のアノード側から出た水素リッチガスはまだ多量の水が残っているので、これを燃焼させてタービン４１を廻わし、これに連結してブロアー３０、ブロアー４０を回転させる。

大規模な発電の場合には、容量の大きな水素貯蔵タンク３２を使用する事によって夜間でも発電が可能である。

以上述べた実施例の集光集熱装置によれば、集光集熱装置本体２からの太陽光１の熱により、生成される水蒸気と原料ガスを多孔性触媒体５９に通過させることにより、水素リッチガスが得られる。このように水素リッチガスを得るのに、太陽光の熱を利用しているので、火を燃やす必要がないことから、火災や爆発の心配がなく安全で、小形化が図れる。

また、実施例の燃料電池発電装置によれば、集光集熱装置により改質された水素リッチガスを、燃料電池３４のアノード電極に入れ、またカソード電極には圧縮した空気を入れることによって、効率よい発電が可能であり、従来のタービンと発電機を用いる必要がないので、比較的安価となり、さらに、一家庭に一台程度小規模なものから、あるいは、水素リッチガスを中央に集めて多段に積層した燃料電池３４に供給することにより、大規模な発電システムを得る事もできる。

以上述べたことを実験してみると次のようになる。すなわち入射太陽エネルギの大きさＥは０．１Ｗ／cm²として、外径２ｍの放物面反鏡をつけると面積は３．１４×１０^４cm²なので３．１４ｋＷのエネルギになる。メタンガス０．３１２Ｎm³／Ｈを入れて効率を充分余裕をみて、発生する水素量は１．０８Ｎm³／ｈがえられ電池の出力は約１．０ｋＷがえられる。この量は受熱面積に比例して増加する。このことから、発電効率が約３２％と向上する。

以上の述べた実施例では、多孔性触媒体５９を収納する容器１３は、球形状のものを上げたが、これに限らず、例えば第１図の紙面対して垂直な軸を有する円筒形とし、これに伴って多孔性触媒体５９の形状も円筒形状として太陽光１を吸収する集光集熱装置を構成するようにしてもよい。

［発明の効果］以上述べた本発明によれば、従来のシステムに比べて小形で安全な集光集熱装置と、効率が高く安価な燃料電池発電装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池発電装置の一実施例を示す構成図、第２図は第１図の集光集熱装置の一例を示す断面図、第３図は従来の太陽熱発電システムの一例を示す構成図である。１…太陽光線、２…集光集熱装置本体、１１ …回転放物面鏡、１２…焦点、１３…球形状容器、１４…外管、２２，２３…フレキシブルホース、２４…蒸発器、２５…多孔性固体、２６…水槽、２９…天然ガスボンベ、３０…貯蔵タンク、３４ …燃料電池、３５…アノード側、３６…アノード電極構成材、３７…カソード電極構成材、５９… 多孔性触媒体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の平面鏡または回転放物面鏡により
太陽から来る平行光線を焦点に集める集光集熱装置本体と、前記焦点に該中心または該中心軸が一致するように配設され、前記集光集熱装置本体によって集められた光線を内部に導く透明材料からなる球形状または円筒状の容器と、この容器内部に同心状に配設され、該外表面が球形状であって、該肉厚が均一な耐熱材料からなる多孔性固体と、前記集光集熱装置本体からの太陽光の熱によって給水系からの水を水蒸気とする水蒸気発生器と、前記多孔性固体の外表面に担持され、該壁面に前記水蒸気発生器からの水蒸気および原料ガスを通過させることにより水素リッチガスに改質する水素改質用触媒体とからなる集光集熱装置。
【請求項２】太陽から来る平行光線を焦点に集める多
数の平面鏡または回転放物面鏡と、前記焦点に該中心または該中心軸が一致するように配設され、透明材料からなる球形状または円筒状の容器と、この容器内部に同心状に配設され、該外表面が球形状であって、該肉厚が均一な耐熱材料からなる多孔性固体と、この多孔性固体の外表面に担持され、該壁面に水蒸気および原料ガスを通過させることにより水素リッチガスに改質する水素改質用触媒体とからなる集光集熱装置この集光集熱装置によって得られる水素リッチガスをアノード電極側に入れて電力を得る燃料電池とからなる燃料電池発電装置。