TWI389385B - 反應裝置及電子機器 - Google Patents

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Motoki Endo
Tsutomu Terasaki
Tetsushi Ishikawa
Osamu Nakamura
Masaharu Shioya
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Casio Computer Co Ltd
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Description

反應裝置及電子機器
本發明係關於收容引起反應物之反應的反應器之反應裝置及電子機器。
在化學反應之技術領域中，已知一種化學反應裝置或產生電力之電力產生器，其係將各種之混合物質供給於流路內，並被利用設於由電熱加熱器等而進行溫度管理之流路內的觸媒而產生化學反應，生成所需之反應物質。此種化學反應裝置具有：例如，產生以含氫原子之有機化合物為基礎並以氫為主成份的氣體之改質器或從氫及氧產生電力的燃料電池。
其中，為了維持所需之化學反應所需要的熱量，係藉由朝電阻發熱體供給電力而產生的發熱或觸媒燃燒反應之燃燒熱等所供給。為了抑制熱量從反應區域朝周圍環境之逸散，例如在日本特開2006-156011號公報中，揭示有將屬高溫區域之改質器收容於容器內殼內，再將容器內殼收容於容器外殼內，並將位於容器內殼與容器外殼之間的間隙層的氣壓設為低於大氣壓(1atm)的方法。
在上述化學反應裝置中，對提高昇溫速度以縮短裝置之起動時間進行了檢討。因此，可考慮將反應區域之周圍減壓至例如10Pa以下；對被供給熱量之反應區域隔熱。此情況下，隔著作為區隔上述反應區域之壁的反應氣體的壓力與被減壓之反應區域之周圍的壓力之壓力差所引起的應力將增大。另外，當提高昇溫速度時，容易在區隔反應區域之壁上產生溫度分布，使得熱應變所引起之應力增大。
如此，當提高昇溫速度時，則施加於壁上之應力增大，所以在壁厚一定的情況時，要加快昇溫速度則會有界限。另外，當減薄壁厚時，由於可削減反應區域之熱容量，所以可進一步加快昇溫速度。然而，如上述在昇溫時所施加於壁上之應力將增大，所以雖對減薄壁厚亦存在有限界。
本發明係鑒於上述情況而提出發明者，其目的在於提供一種反應裝置及電子機器，可抑制反應區域之熱容量的增大，並可加快昇溫速度。
本發明之反應裝置，其具備：
反應器，係引起反應物之反應；
第一容器，係收容該反應器；及
第二容器，係收容該第一容器，
在該反應器與該第一容器之間的空間內充填且密封有氣體；
該第一容器與該第二容器之間的空間內之氣壓係比大氣壓還低。
另外，本發明之反應裝置，其具備：
反應器，係引起反應物之反應；
第一容器，係收容該反應器；及
第二容器，係收容該第一容器；
該反應器具有流通該反應物之流路；
該反應器之流路係連通於該反應器與該第一容器之間的空間；
該第一容器與該第二容器之間的空間內之氣壓係比大氣壓還低。
本發明之電子機器，其包含有：
反應裝置，其具備：
反應器，係引起反應物之反應；
第一容器，係收容該反應器；及
第二容器，係收容該第一容器；
在該反應器與該第一容器之間的空間內充填且密封有氣體；
該第一容器與該第二容器之間的空間內之氣壓係比大氣壓還低；
該反應器係藉由燃料與氧的電化學反應而生成電力之燃料電池；
電子機器本體，其藉由燃料電池所生成之電力而進行動作。
本發明之電子機器，其包含有：
反應裝置，其具備：
反應器，係引起反應物之反應；
第一容器，係收容該反應器；及
第二容器，係收容該第一容器；
該反應器具有流通該反應物之流路；
該反應器之流路係連通於該反應器與該第一容器之間的空間；
該第一容器與該第二容器之間的空間內之氣壓係比大氣壓還低；
該反應器係藉由燃料與氧的電化學反應而生成電力之燃料電池；
電子機器本體，藉由燃料電池所生成之電力而進行動作。
本發明藉由以下之具體說明及添加圖面，可獲得充分的瞭解，但此等只是提供例示而已，並不是用於限定本發明。
以下，參照圖面說明本發明之較佳實施形態。
以下，參照圖面說明實施本發明之最佳形態。針對以下所述實施形態，為了實施本發明雖附加有技術上較佳的各種限定，但本發明之範圍並不限定於以下之實施形態及圖示例。
(第一實施形態)
第1圖為顯示在隔熱容器100內收容有燃料電池(反應器)200之反應裝置300的內部構造之縱剖視圖，第2(a)圖為沿剖面線II(a)-II(a)所切斷時之箭視剖視圖，第2(b)圖為沿切斷線II(b)-II(b)所切斷時之箭視剖視圖。
反應裝置300具備隔熱容器100及收容於隔熱容器100內之燃料電池200。
燃料電池200係固體氧化物型燃料電池；具備在固體氧化物電解質201之兩面形成有燃料極(陽極)202及氧極(陰極)203之單電池(cell)204；積層有設有對燃料極202供給改質氣體之燃料供給流路205的燃料極隔離器206及設有對氧極203供給氧之氧供給流路207的氧極隔離器208；及其外周部係由密封材料(未圖示)所密封，以保持各流路205,207內的氣密性。
在燃料供給流路205內形成有絕緣膜209，該絕緣膜209表面形成有薄膜加熱器兼溫度感測器210。另外，在氧供給流路207內亦形成有絕緣膜211，該絕緣膜211表面形成有薄膜加熱器兼溫度感測器212。
薄膜加熱器兼溫度感測器210,212，係將燃料電池200加熱至燃料電池200之動作溫度600～800℃。絕緣膜209,211係作為各隔離器206,208與薄膜加熱器兼溫度感測器210,212之電性絕緣，例如可採用SiO2 等，而薄膜加熱器兼溫度感測器210,212，例如、可採用Au、Pt、W等。另外，在薄膜加熱器兼溫度感測器210,212上連接有從外部供給電力用之薄膜加熱器用電極251,252。
固體氧化物電解質201可採用氧化鋯系之(Zr1-x Yx )O2-x/2 (YSZ)、鎵酸鑭系之(La1-x Srx )(Ga1-y-z Mgy COz )O3 、及其他之氧化鈰系電解質。燃料極202可採用La0.84 Sr0.16 MnO3 、La(Ni,Bi)O3 、(La,Sr)MnO3 、In2 O3 +SnO2 、LaCoO3 等，氧極203可採用Ni、Ni+YSZ等。另外，燃料極隔離器206及氧極隔離器208，可分別採用鑭鉻系之LaCr(Mg)O3 、(La,Sr)CrO3 等、鎳系合金之NiAl+Al2 O3 等、及其他之鐵氧體系合金、鉻系合金、鈦酸鹽系合金等。此等之構成材料係為了削減固體氧化物型燃料電池200之熱容量，且使反應區域之溫度達到均勻而被製成較為薄型。又，第1圖中，雖只例示了單電池，但亦可積層複數層此構造而作為多層電池之構造。
為了抑制因幅射而造成熱量從燃料電池200逸散，在燃料電池200之最上面及最下面，形成有幅射率比第一容器1之外壁面的幅射率還低之低幅射率層213,214。低幅射率層213,214以採用具有在紅外區域中幅射率為數%程度之較小幅射率的金屬膜為較佳，例如，可採用Au、Cu、Rh、Pt等。尤其是，Au在紅外區域中幅射率約為2%程度，此在金屬中幅射率為非常小而最適合應用於低幅射率層213,214。另外，為了提高此紅外線反射膜之密合強度，亦可在成膜之面與紅外線反射膜之間形成密合層(未圖示)。密合層例如可採用W、Mo、Ta等。
又，作為低幅射率層213,214而形成之金屬膜，亦可形成於燃料電池200之最上面及最下面的整面中的至少一部分。又，作為低幅射率層213,214，除了金屬膜，亦可施以鏡面加工等以減低幅射率。
另外，在燃料供給流路205連結有燃料供給管215及燃料排出管216，該燃料供給管215係連結於改質器(未圖示)而被供給由改質器所產生之改質氣體(氫)，而該燃料排出管216係用以排出未被使用於發電之未反應的改質氣體(氫)。另外，在氧供給流路207連結有被供給氧之氧供給管217及氧排出管218，該氧排出管218係用以排出未被使用於發電之未反應的氧。
此等之燃料供給管215、燃料排出管216、氧供給管217及氧排出管218，係貫穿於後述之第一容器1及第二容器2而突出於外部。
如上述而構成之燃料電池200，空氣係介由氧供給流路207而輸送至氧極203。在氧極203，藉由空氣中之氧及由陰極輸出電極254所供給之電子，如下式(1)所示，生成氧離子。
O2 +4e-→2O2- 　(1)
由改質器所送出之改質氣體係介由燃料供給流路205而輸送至燃料極202。在燃料極202，引起透過固體氧化物電解質201之氧離子與改質氣體之如下式(2)、(3)的反應。
H2 +O2- →H2 O+2e-　(2)
CO+O2- →CO2 +2e-　(3)
如此，在固體氧化物型燃料電池200中，因動作溫度為600～800℃之高溫，所以亦可採用一氧化碳作為燃料，而可提高發電效率。又，產生之電子係由陽極輸出電極253通過外部電路，再由陰極輸出電極254供給於氧極203。
通過燃料供給流路205之改質氣體(廢氣)被排出至外部。
隔熱容器100具備收容有燃料電池200之第一容器1及收容有第一容器1之第二容器2。第一容器1具備：上面為開口之箱狀的容器本體11；及閉塞容器本體11之開口的蓋部12，隨蓋部12閉塞容器本體11之開口，而於內部形成收容燃料電池200的空間13。第二容器2亦具備：上面為開口之箱狀的容器本體21；及閉塞容器本體21之開口的蓋部22，隨蓋部22閉塞容器本體21之開口，而於內部形成收容第一容器1的空間23。另外，第一容器1及第二容器2係藉由不鏽鋼(SUS304、SUS316、SUS316L)或科瓦鐵鎳鈷合金等之金屬板、玻璃基板、陶瓷等所形成。
為了抑制來自燃料電池200之幅射傳熱，在第一容器1之內壁面(容器本體11之內壁面及蓋部12的下面)形成有低幅射率層14。此低幅射率層14係與上述低幅射率層213,214相同之構成及材料。
又，為了抑制來自燃料電池200之幅射傳熱，在第一容器1之外壁面及第二容器2之內壁面也形成有低幅射率層15,24。此等低幅射率層15,24係與上述低幅射率層213,214相同之構成，而材料除上述材料外亦可使用Al、Ag。
另外，低幅射率層14,15,24亦可形成於第一容器1之內壁面、外壁面或第二容器2之內壁面當中之至少一部分，另外，除了金屬膜，亦可施以鏡面加工等以減低幅射率。
另外，在第一容器1之空間13內充填且密封有氣體16。氣體16係以分子量比空氣大之稀有氣體為較佳，尤其以氙氣為較佳。另外，調整氣體16之壓力，以使藉由流通於燃料電池200之燃料供給流路205或氧供給流路207內的流體之壓力與充填於第一容器1之空間13內的氣體16之壓力的差所產生而於形成各流路205,207之壁面205a,206a,207a及208a上產生之應力成為破壞應力以下。
以下，參照第3圖而作具體說明，設流路之破壞界限壓力差(破壞應力)為Δ(atm)。並設流路之出口處的壓力為p0 ，及設流路之入口與出口之流體的壓力差、即流路的壓力損失為pLoss (atm)。施加於流路之內壁的壓力，係分布在自p0 與p0 +pLoss 之間。另外，設燃料電池之動作溫度為TH (K)，室溫為TL (K)，並且此等之比TL /TH 為α(<1)。在室溫TL 下將壓力P之氣體封入第一容器內的情況，在從室溫TL 至TH 之間，第一容器內之氣體的壓力係從P變化至(1/α)P。在第3圖中，壓力P之溫度變化係由點鏈線所顯示。為了使流路內外之差壓保持在破壞界限以內，壓力P之溫度變化(點鏈線)，只要是在從TL 至TH 之溫度範圍內，落在陰影範圍內即可。亦即，只要滿足下式(4)即可。
p0 +pLoss -P<Δ、且(1/α)P-p0 <Δ　(4)
在溫度TL 下封入氣體之情況，可封入由兩箭頭之範圍所示的壓力的氣體。式可表示如下。
p0 +pLoss -Δ<P<α(p0 +Δ)　(5)
使流路中所產生之壓力差成為最小的封入氣體的壓力，在室溫下成為下式：
α(2p0 +pLoss )/(1+α)　(6)
此時產生之最大壓力差為：
{(1-α)p0 +pLoss }/(1+α)　(7)
為了抑制熱量從燃料電池經由氣體而傳熱至隔熱容器，封入之氣體可採用與空氣比較熱傳導率為較小的氣體。例如，可使用二氧化碳、氟利昂氣體等。另外，可使用分子量比Ar、Kr、Xe、Rn等的空氣之分子量還大之稀有氣體。尤其是Xe之熱傳導率小，例如，在1000℃下為1.9×10-2 (W/K‧m)，與在100℃之空氣的熱傳導率為7.6×10-2 (W/K‧m)比較，是其四分之一。
又，為了不會因在第一容器內產生氣體之自然對流而於反應區域產生溫度分布，以盡可能地減薄氣體層為較佳。例如，可使第一容器內之氣體的瑞利數Ra成為比產生自然對流之指標的臨界瑞利數Ra(=1708)還要充分地小。瑞利數Ra係由下式(8)所示。
Ra=gβρCp ΔTd3 /vk　(8)
其中，g為重力加速度9.8m/s2 ，β為氣體之熱膨脹率(1/K)(其大致為1/T)，ρ為氣體之密度(kg/m3 )，ΔT為氣體層的反應附近與第一容器附近的溫度差(k)，d為氣體層之厚度(m)，v為氣體之動態黏性係數(m2 /s)，k為氣體之熱傳導率(J/kgK)。氣體之層厚可為滿足下式之厚度：
D<<{(1708)vk/[gρCp (ΔT/T)]}1/3
以下，為了顯示本發明之效果，以環境溫度(室溫)TL =25℃，燃料電池動作溫度TH =800℃，流路出口處之流體壓力為p0 =1.05atm，流路入口處之流體壓力為1.25atm，亦即壓力損失pLoss =0.2atm之情況為例進行說明。為了使產生於流路之壓力差成為最小，只要封入將上述溫度、壓力代入式(6)中而獲得的壓力為0.5atm之氣體即可。此時，產生於流路之壓力差的最大值，依照式(7)為0.75atm。此值與在將第一容器內部設成比大氣壓還低、例如10Pa以下(即，9.87×10-5 atm以下)的真空之情況下而於流路產生的壓力差之最大值1.25atm比較，其應力被減輕約40%。
又，第一容器1與第二容器2之間的空間23的氣壓，係比大氣壓還低。此氣壓被降低之空間23的壓力係10Pa以下，更以1Pa以下為較佳。另外，第一容器1之外壁面與第二容器2的內壁面之間的距離，與氣體分子之平均自由工程比較，其中不會有若不極端接近的話，則傳熱會增大之情形，例如可設為數毫米。如此，藉由將第一容器1之外壁面與第二容器2的內壁面之間的距離設為數毫米，可將介由第一容器1至第二容器2之間隙氣體的熱傳導抑制於最小限度範圍。
其次，說明將燃料電池200收容於隔熱容器100內之步驟。第4(a)～(g)圖為將燃料電池200收容於隔熱容器100內之步驟的示意圖。又，在以下之說明中，以第一容器1至第二容器2為金屬之情況為例進行說明。
首先，在燃料電池200之最上面及最下面形成低幅射率層213,214(參照第4(a)圖)。作為低幅射率層213,214而形成之金屬膜可藉由蒸鍍或濺鍍等方法所形成。另外，為了確保低幅射率層213,214之密合強度，亦可依需要形成密合層及為了防止密合層擴散於低幅射率層213,214而依需要形成防擴散層作為多層膜構造。
接著，在第一容器1之內壁面(容器本體11之內壁面及蓋部12的下面)，藉由蒸鍍或濺鍍等的方法，形成金屬膜而作為低幅射率層14(參照第4(b)圖)。在容器本體11上形成有多個貫穿孔255，金屬膜係形成於此貫穿孔255以外之部分。然後，將燃料電池200收容於容器本體11內，並將陰極輸出電極254、陽極輸出電極253、燃料供給管215、燃料排出管216、氧供給管217及氧排出管218，貫穿於容器本體11之複數個貫穿孔255而進行安裝(參照第4(c)圖)。第一容器1與各管215～218係由絕緣材料例如玻璃材料或陶瓷材料而被氣密性地密封。然後，利用蓋部12閉塞容器本體11之開口，並放入真空室內進行真空排氣。此時，例如亦可在800℃下進行退火以將表面吸附氣體脫離，然後將氣體16導入真空室內。氣體16係可採用例如為0.27氣壓之氙氣。或是，亦可在燃料電池200的動作溫度例如800℃下充填1氣壓之氙氣。然後，在真空室內，例如採用雷射光束焊接或電弧焊接等，將容器本體11與蓋部12進行氣密性焊接(參照第4(d)圖)。
接著，在被氣密性焊接後之第一容器1之外壁面及第二容器2之內壁面(容器本體21之內壁面及蓋部22之下面)，藉由蒸鍍或濺鍍等之方法，形成金屬膜而作為低幅射率層15,24(參照第4(e)、(f)圖)。在容器本體21上形成有多個貫穿孔256，金屬膜係形成於此貫穿孔256以外之部分。在外壁面形成有低幅射率層15之第一容器1係收容於第二容器2之容器本體21內，並使燃料供給管215、燃料排出管216、氧供給管217及氧排出管218貫穿於容器本體21之複數個貫穿孔256，第二容器2與各管215～218係使用絕緣材料例如玻璃材料或陶瓷材料而被氣密性地密封。此時，亦使薄膜加熱器用電極251,252貫穿於貫穿孔256。然後，利用蓋部22閉塞容器本體21之開口，並放入真空室內進行真空排氣。此時，為了將表面吸附氣體脫離，例如，亦可在800℃下進行退火。然後，例如採用雷射光束焊接或電子束焊接等，將容器本體21與蓋部22進行氣密性焊接(參照第4(g)圖)。
其次，參照第1圖及第2圖，說明具備燃料電池200之反應裝置300的動作。
首先，對連接於薄膜加熱器兼溫度感測器210,212之薄膜加熱器用電極251,252施加電壓，以使薄膜加熱器兼溫度感測器210,212發熱，藉以將燃料電池200加熱至600～800℃程度，並在此狀態下將改質氣體從燃料供給管215供給於燃料供給流路205，驅動未圖示之空氣泵，將含氧空氣從氧供給管217供給於氧供給流路207。如此，藉由供給於燃料電池200之改質氣體及空氣進行依化學反應式(1)～(3)之電化學反應而取出電力。又，在電化學反應中未被使用之改質氣體或含氧空氣，分別從燃料排出管216或氧排出管218被排放至隔熱容器100的外部。
如上述，具備收容燃料電池200之第一容器1及收容第一容器1之第二容器2；在第一容器1與燃料電池200之間的空間13內充填且密封有氣體16，第一容器1與第二容器2之間的空間23內之氣壓係比大氣壓還低，所以，可減輕施加於燃料電池200之燃料供給流路205及氧供給流路207之壁面205a,206a,207a及208a的壓力與第一容器1之空間13內的壓力之差所產生的應力，因此可減薄壁面205a,206a,207a及208a。其結果可將燃料電池200整體薄型化，並可削減燃料電池200的熱容量。同時，藉由將內包燃料電池200之第一容器1周圍的氣壓設成低於大氣壓而進行隔熱，所以可抑制熱量從反應區域朝周邊環境的逸散，進而可加速反應區域之昇溫速度。
尤其是以產生於燃料電池200之各流路205,207的壁面205a,206a,207a及208a之應力成為破壞應力以下的方式來調整氣體16之壓力，所以，可防止各流路205,207被破壞，並可達到薄型化。
另外，藉由使封入於第一空間1之空間13內的氣體16為氙氣，可抑制熱量從燃料電池200經由氣體16而移動至第一容器1，所以，可抑制熱量從反應區域朝周邊環境的逸散，進而可加速反應區域之昇溫速度。
又，在第一容器1之內壁面、外壁面及第二容器2之內壁面分別形成有低幅射率層14,15,24，所以，可抑制來自燃料電池200之幅射傳熱。另外，利用將第一容器1及第二容器2之內部設成比大氣壓低而進行之隔熱與及低幅射率層14,15,24的幅射隔熱作組合應用的高隔熱性能，亦可加速燃料電池200之昇溫速度。
(第1變化例)
第5圖為顯示搭載有反應裝置300A的攜帶用電子機器1000A之方塊圖，其中該反應裝置300A係在隔熱容器100A內收容有燃料電池(反應器)200A、改質器(反應器)400A及觸媒燃燒器(反應器)500A；第6圖為顯示搭載於電子機器1000A之反應裝置300A的內部構造之概略剖視圖。此電子機器1000A例如係筆記型電腦、PDA、電子記事簿、數位相機、行動電話、手錶、暫存器及投影器等攜帶型電子機器。
電子機器1000A具備：電子機器本體901A、DC/DC轉換器902A、二次電池903A等、及後述之反應裝置300A。電子機器本體901A係藉由DC/DC轉換器902A或二次電池903A所供給之電力而被驅動。DC/DC轉換器902A係將藉由反應裝置300A所產生之電能轉換成適宜的電壓後供給電子機器本體901A。另外，DC/DC轉換器902A係將藉由反應裝置300A所產生之電能充電於二次電池903A，在反應裝置300A未動作時，將蓄電於二次電池903A之電能供給於電子機器本體901A。
在第1變化例中，燃料電池200A係固體氧化物型燃料電池；隔熱容器100A具備：第一容器1aA，係收容固體氧化物型燃料電池200A；及第一容器1bA，係收容改質器400A及觸媒燃燒器500A；此等二個第一容器1aA,1bA被收容於第二容器2A內。在第一容器1aA與固體氧化物型燃料電池200A之間的空間13aA內充填且密封有氣體16aA；在第一容器1bA與改質器400A及觸媒燃燒器500A之間的空間13bA內充填且密封有氣體16bA；二個第一容器1aA,1bA與第二容器2A之間的空間23A的氣壓係比大氣壓還低。改質器400A與燃料電池200A係藉由燃料供給管215A所連結，觸媒燃燒器500A與燃料電池200A係藉由燃料排出管216A及氧排出管218A所連結。另外，燃料電池200A係與連接於空氣泵(未圖示)之氧供給管217A連結；改質器400A係與混合氣供給管401A連結；觸媒燃燒器500A係與廢氣排出管501A連結。
固體氧化物型燃料電池200A、第一容器1aA,1bA及第二容器2A之構成，係與上述第一實施形態之固體氧化物型燃料電池200、第一容器1及第二容器2之構成相同，所以針對相同之構成部分，於相同之數字上附加英文字母A，或在第一容器1aA,1bA中附加aA,bA，並省略其說明。
儲存於燃料容器600A(參照第5圖)之燃料經由泵700A供給於氣化器800A，在氣化器800A中被氣化後，將氣化後之混合氣經由混合氣供給管401A被送入改質器400A內。在此，燃料係化學燃料單體或化學燃料(原燃料)與水之混合物；化學燃料可使用甲醇、乙醇等之酒精類或所謂汽油之含氫元素的化合物。又，亦可將化學燃料與水分別儲存於不同的容器內。
雖未圖示，改質器400A係在內部流路的壁面載有觸媒，並設有薄膜加熱器兼溫度感測器。藉由薄膜加熱器兼溫度感測器之熱量將從氣化器傳送來之混合氣加熱為約300～400℃程度，藉由流路內之觸媒而引起化學反應式(9)所示之改質反應，接續化學反應式(9)而依序引起化學反應式(10)。其結果可生成氫、二氧化碳及屬於副生成物之微量的一氧化碳等改質氣體。生成後之改質氣體經由燃料供給管215A被送入燃料電池200A。
CH3 OH+H2 O→3H2 +CO2 　(9)
H2 +CO2 →H2 O+CO　(10)
在燃料電池200A之燃料極，引起以下之電性化學反應式(11)、(12)所示的反應，而在氧極引起以下之電性化學反應式(13)所示的反應。另外，生成之電子被供給於陽極輸出電極，而生成之氧離子則通過電解質被供給於燃料極。
H2 +O2- →H2 O+2e-　(11)
CO+O2- →CO2 +2e-　(12)
1/2O2 +2e-→O2- 　(13)
觸媒燃燒器500A係對改質器400A進行加熱，為了良好地進行化學反應式(9)之反應而設定為必要的溫度。另外，未被使用於反應之氫及藉由反應而生成之水蒸氣或二氧化碳(即從燃料電池200A之燃料排出管216A排出的廢氣)與藉由發電而使氧濃度降低之空氣(即從氧排出管218A排出之廢氣)，被送入觸媒燃燒器500A內再度進行燃燒，並藉由此時之燃燒熱來加熱改質器400A。另外，未被使用於燃燒之氫、二氧化碳及含氧空氣等之廢氣或藉由燃燒而生成之水等，係經由廢氣排出管510A而作為排出物被排出至隔熱容器100A的外部。
又，氣化器亦與改質器400A相同，設有薄膜加熱器兼溫度感測器(未圖示)，此等之薄膜加熱器兼溫度感測器之電阻值係依存於溫度，所以薄膜加熱器兼溫度感測器亦可作為測量氣化器、改質器400A之溫度的溫度感測器。
(第2變化例)
第7圖為顯示搭載有反應裝置300D的攜帶用電子機器1000D之方塊圖，其中該反應裝置300D係在隔熱容器100D內收容有燃料電池(反應器)200D、改質器(反應器)400D及觸媒燃燒器(反應器)500D；第8圖為顯示搭載於電子機器1000D之反應裝置300D的內部構造之概略剖視圖。
第2變化例與上述第1變化例之差異在於不具備收容改質器400D及觸媒燃燒器500D的第一容器。有關第7及第8圖之各構成，分別將第5及第6圖中對應之構成的各符號的末尾[A]變更為[D]，並省略其說明。
如第7及第8圖所示，第2變化例之反應裝置300D具備：第一容器1D，係收容固體氧化物型燃料電池200D；及第二容器2D，係收容第一容器1D、改質器400D及觸媒燃燒器500D；而第一容器1D、改質器400D及觸媒燃燒器500D與第二容器2D之間的空間23D的氣壓，係比大氣壓還低。改質器400D與燃料電池200D係藉由燃料供給管215D所連結；觸媒燃燒器500D與燃料電池200D係藉由燃料排出管216D及氧排出管218D所連結。另外，連接於空氣泵(未圖示)並將含氧空氣供給於燃料電池200D之氧供給管217D係連接於燃料電池200D之氧供給流路207D(未圖示)；連接於空氣泵700D並將改質氣體供給於燃料電池200D之燃料供給管215D係連接於燃料電池200D之燃料供給流路205D(未圖示)。
在此，固體氧化物型燃料電池200D，與改質器400D及觸媒燃燒器500D比較，在更高溫下進行動作，所以要昇溫至動作溫度則需要花費更多的時間。因此，為了加快反應裝置300D及電子機器1000D之起動時間，可縮短固體氧化物型燃料電池200D的昇溫時間。
第2變化例係設置成具備收容昇溫時間越長越高溫之反應器之第一容器，所以與上述第一變化例相同，除可抑制反應區域之熱容量的增大並加快昇溫速度之外，因不具備收容改質器400D及觸媒燃燒器500D之第一容器，所以可減少零件數，進而可提升良率。
(第二實施形態)
第9圖為顯示在隔熱容器100B內收容有燃料電池(反應器)200B之反應裝置300B的內部構造之縱剖視圖，第10(a)圖為沿剖面線X(a)-X(a)所切斷時之箭視剖視圖，第10(b)圖為沿剖面線X(b)-X(b)所切斷時之箭視剖視圖。
在第二實施形態中，與第一實施形態不同，收容於第一容器1B內之燃料電池200B的氧供給流路207B，係連通於第一容器1B與燃料電池200B之間的空間13B。另外，氧供給管217B不直接連結於氧供給流路207B，而連通於第一容器1B之空間13B內。其他構成部分與第一實施形態相同，所以針對相同之構成部分，於相同之數字上附加英文字母B，並省略其說明。
又，在焊接第一容器1B之容器本體11B與蓋部12B的情況，與第一實施形態相同可在真空中進行，但亦可在惰性氣體環境中進行。焊接之方法可列舉電子束焊接，雷射焊接或電弧焊接等。
如上述，具備收容燃料電池200B之第一容器1B及收容第一容器1B之第二容器2B；燃料電池200B之氧供給流路207B連通於燃料電池200B與第一容器1B之間的空間13B，第一容器1B與第二容器2B之間的空間23B的氣壓，係比大氣壓還低，所以利用對第一容器1B之間的空間13B內輸送含氧空氣而將含氧空氣傳送至氧極203B，所以朝向形成氧供給流路207B之壁面207aB,208aB的內外壓力，始終維持為大致相同，與第一實施形態比較，可大幅減低壓力差所產生之應力而達到大致為零。另外，朝向燃料極202B側之燃料供給流路205B的壁面205aB,206aB的內外壓力，亦與充填於第一容器1B之間的空間13B內的含氧氣體之壓力及流通於燃料供給流路205B內之改質氣體的壓力大致相同，所以可使壓力差所產生之應力大致為零。藉此，此情況亦可減輕施加於燃料電池200B之各流路205B,207B的壁面205aB,206aB,207aB及208aB的壓力與第一容器1B之空間13B內的壓力之差所產生的應力，因此可減薄壁面205aB,206aB,207aB及208aB。
藉此，可將燃料電池200B整體薄型化並可削減燃料電池200B的熱容量。同時，藉由將內包燃料電池200B之第一容器1周圍的氣壓設成低於大氣壓而進行隔熱，所以可抑制熱量從反應區域朝周邊環境的逸散，進而可加速反應區域之昇溫速度。另外，利用將第一容器1及第二容器2之內部設成比大氣壓低而進行之隔熱與低幅射率層14B,15B,24B的幅射隔熱作組合應用的高隔熱性能，亦可加速燃料電池200B之昇溫速度。
(第3變化例)
第11圖為顯示搭載有反應裝置300C的攜帶用電子機器1000C之方塊圖，其中該反應裝置300C係在隔熱容器100C內收容有燃料電池(反應器)200C、改質器(反應器)400C及觸媒燃燒器(反應器)500C；第12圖為顯示搭載於電子機器1000C之反應裝置300C的內部構造之概略剖視圖。
在第3變化例中，燃料電池200C係固體氧化物型燃料電池；隔熱容器100C具備：第一容器1aC，係收容固體氧化物型燃料電池200C；及第一容器1bC，係收容改質器400C及觸媒燃燒器500C；此等二個第一容器1aC,1bC被收容於第二容器2C內。二個第一容器1aC,1bC與第二容器2C之間的空間23C的氣壓係比大氣壓還低。改質器400C與燃料電池200C係藉由燃料供給管215C所連結；觸媒燃燒器500C與燃料電池200C係藉由燃料排出管216C及氧排出管218C所連結。另外，連接於空氣泵(未圖示)且將含氧空氣供給於燃料電池200C之氧供給管217C及氧供給流路(未圖示)與第二實施形態相同，連通於第一容器1C與燃料電池200C之間的空間13C，並在氧供給管217C及氧供給流路與空間13C內共享空氣。
除此之外，固體氧化物型燃料電池200C、第一容器1C及第二容器2C之構成係與上述第一實施形態之固體氧化物型燃料電池200、第一容器1及第二容器2之構成相同，改質器400C及觸媒燃燒器500C係與第一變化例之改質器400A及觸媒燃燒器500A相同，所以於相同之數字上附加英文字母C，或在第一容器1aC,1bC中，附加aC,bC，並省略其說明。
(第4變化例)
第13圖為顯示搭載有反應裝置300E的攜帶用電子機器1000E之方塊圖，其中該反應裝置300E係在隔熱容器100E內收容有燃料電池(反應器)200E、改質器(反應器)400E、觸媒燃燒器(反應器)500E；第14圖為顯示搭載於電子機器1000E之反應裝置300E的內部構造之概略剖視圖。
第4變化例與上述第3變化例之差異在於不具備收容改質器400C及觸媒燃燒器500C的第一容器。有關第13及第14圖之各構成，分別將第11及第12圖中對應之構成的各符號的末尾[C]變更為[E]，並省略其說明。
如第13及第14圖所示，第4變化例之反應裝置300E具備：第一容器1E，係收容固體氧化物型燃料電池200E；及第二容器2E，係收容第一容器1E、改質器400E及觸媒燃燒器500E；而第一容器1E、改質器400E及觸媒燃燒器500E與第二容器2E之間的空間23E的氣壓係比大氣壓還低。改質器400E與燃料電池200E係藉由燃料供給管215E所連結；觸媒燃燒器500E與固體氧化物型燃料電池200E係藉由燃料排出管216E及氧排出管218E所連結。另外，連接於空氣泵(未圖示)並將含氧空氣供給於燃料電池200E之氧供給管217E及燃料電池200E之氧供給流路207E(未圖示)，連通於第一容器1E與固體氧化物型燃料電池200E之間的空間；連接於泵700E並將改質氣體供給於燃料電池200E之燃料供給管215E，連接於燃料電池200E之燃料供給流路205E(未圖示)。
第4變化例之反應裝置300E及電子機器1000E，具有與上述第2變化例相同之優點。亦即。第4變化例之反應裝置300E及電子機器1000E，係設置成具備收容昇溫時間越長越高溫之反應器之第一容器，所以與上述第1變化例相同，除可抑制反應區域之熱容量的增大並加快昇溫速度之外，因不具備收容改質器400E及觸媒燃燒器500E之第一容器，所以可減少零件數，進而可提升良率。
又，在上述第二實施形態之第3及第4變化例中，雖收容於第一容器1B,1C,1E內之燃料電池200B,200C,200E之氧供給流路207B,207C,207E及氧供給管217B,217C,217E，連通於第一容器1B,1C,1E與燃料電池200B,200C,200E之間的空間13B,13C,13E，但並不限定於此構成。例如，如第15及第16圖所示，亦可構成為收容於第一容器1F內之燃料電池200F之燃料供給流路205F(未圖示)，連通於第一容器1F與燃料電池200F之間的空間13F，燃料供給管215F不直接連結於燃料供給流路205F而連通於第一容器1F之空間13F內，而與氧供給管217F及氧供給流路207F(未圖示)直接連結。
另外，在上述第1變化例及第3變化例中，在一方之第一容器1aA,1D收容有燃料電池200A,200D，在另一之第一容器1bA,1bD收容有改質器400A,400D及觸媒燃燒器500A,500D，並將此等二個第一容器1aA,1bA或1D,1bD分別收容於第二容器2A,2D中，但並不限定於此種構成，亦可在一方之第一容器收容複數個反應器，並將此第一容器收容於第二容器中，另外可適宜地變更反應器及第一容器之個數。又，收容之反應器不限定於具有不同功能者，亦可係具有相同功能者。另外在上述第2變化例及第4變化例中，同樣可適宜變更。
又，在上述第一實施形態、第二實施形態、第1變化例至第4變化例中，雖以燃料電池均為固體氧化物型為例進行了說明，但本發明不限定於固體氧化物型燃料電池，亦可應用於固體高分子型燃料電池、熔融碳酸鹽型燃料電池等。
1．．．第一容器
2．．．第二容器
11．．．容器本體
12．．．蓋部
13．．．空間
14,15,24．．．低幅射率層
16．．．氣體
21．．．容器本體
22．．．蓋部
23．．．空間
100．．．隔熱容器
200．．．燃料電池
300．．．反應裝置
201．．．固體氧化物電解質
202．．．燃料極
203．．．氧極
204．．．單電池
205．．．燃料供給流路
206．．．燃料極隔離器
207．．．氧供給流路
208．．．氧極隔離器
209．．．絕緣膜
210．．．薄膜加熱器兼溫度感測器
211．．．絕緣膜
212．．．薄膜加熱器兼溫度感測器
213,214．．．低幅射率層
215．．．燃料供給管
216．．．燃料排出管
217．．．氧供給管
218．．．氧排出管
253．．．陽極輸出電極
254．．．陰極輸出電極
205a,206a,207a,208a．．．壁面
200A．．．燃料電池
300A．．．反應裝置
400A．．．改質器
500A．．．觸媒燃燒器
600A．．．燃料容器
700A．．．泵
800A．．．氣化器
901A．．．電子機器本體
902A．．．DC/DC轉換器
903A．．．二次電池
1000A．．．攜帶用電子機器
第1圖為顯示在隔熱容器100內收容有燃料電池200之反應裝置300的內部構造之縱剖視圖。
第2(a)圖為沿剖面線II(a)-II(a)所切斷時之箭視剖視圖，(b)圖為沿剖面線II(b)-II(b)所切斷時之箭視剖視圖。
第3圖為顯示充填於第一容器1之空間13內的氣體之壓力範圍的圖表。
第4(a)～(g)圖為將燃料電池200收容於隔熱容器100內之步驟的示意圖。
第5圖為顯示搭載有反應裝置300A的攜帶用電子機器1000A之方塊圖，其中該反應裝置300A係在隔熱容器100A內收容有燃料電池200A、改質器400A及觸媒燃燒器500A。
第6圖為顯示搭載於電子機器1000A之反應裝置300A的內部構造之概略剖視圖。
第7圖為顯示搭載有反應裝置300D的攜帶用電子機器1000D之方塊圖，其中該反應裝置300D係在隔熱容器100D內收容有燃料電池200D、改質器400D及觸媒燃燒器500D。
第8圖為顯示搭載於電子機器1000D之反應裝置300D的內部構造之概略剖視圖。
第9圖為顯示在隔熱容器100B內收容有燃料電池200B之反應裝置300B的內部構造之縱剖視圖。
第10(a)圖為沿剖面線X(a)-X(a)所切斷時之箭視剖視圖，(b)圖為沿剖面線X(b)-X(b)所切斷時之箭視剖視圖。
第11圖為顯示搭載有反應裝置300C的攜帶用電子機器1000C之方塊圖，其中該反應裝置300C係在隔熱容器100C內收容有燃料電池200C、改質器400C及觸媒燃燒器500C。
第12圖為顯示搭載於電子機器1000C之反應裝置300C的內部構造之概略剖視圖。
第13圖為顯示搭載有反應裝置300E的攜帶用電子機器1000E之方塊圖，其中該反應裝置300E係在隔熱容器100E內收容有燃料電池200E、改質器400E及觸媒燃燒器500E。
第14圖為顯示搭載於電子機器1000E之反應裝置300E的內部構造之概略剖視圖。
第15圖為顯示搭載有反應裝置300F的攜帶用電子機器1000F之方塊圖，其中該反應裝置300F係在隔熱容器100F內收容有燃料電池200F、改質器400F及觸媒燃燒器500F。
第16圖為顯示搭載於電子機器1000F之反應裝置300F的內部構造之概略剖視圖。
1．．．第一容器
2．．．第二容器
11．．．容器本體
12．．．蓋部
13．．．空間
14,15,24．．．低幅射率層
16．．．氣體
21．．．容器本體
22．．．蓋部
23．．．空間
100．．．隔熱容器
200．．．燃料電池
300．．．反應裝置
201．．．固體氧化物電解質
202．．．燃料極
203．．．氧極
204．．．單電池
205．．．燃料供給流路
206．．．燃料極隔離器
207．．．氧供給流路
208．．．氧極隔離器
209．．．絕緣膜
210．．．薄膜加熱器兼溫度感測器
211．．．絕緣膜
212．．．薄膜加熱器兼溫度感測器
213,214．．．低幅射率層
205a,206a,207a,208a．．．壁面

Claims (15)

  1. 一種反應裝置，其具備：反應器，係引起反應物之反應；第一容器，係收容該反應器；及第二容器，係收容該第一容器，在該反應器與該第一容器之間的空間內充填且密封有氣體；該第一容器與該第二容器之間的密封空間內之氣壓係比大氣壓還低。
  2. 如申請專利範圍第1項之反應裝置，其中該反應器具有流通反應物之流路；該氣體之壓力被調整成，因該反應物之壓力與該氣體的壓力之壓力差所致產生在構成該流路之壁上的應力會成為該壁的破壞應力以下。
  3. 如申請專利範圍第2項之反應裝置，其中在設該壁之破壞應力為△，該反應物在該流路之出口的壓力為p0 ，該反應物在該流路中之壓力損失為pLoss 時，該氣體之壓力P係於封入該氣體時滿足p0 +pLoss -△<P<α(p0 +△)。
  4. 如申請專利範圍第1項之反應裝置，其中該氣體之熱傳導率係比空氣小。
  5. 如申請專利範圍第4項之反應裝置，其中該氣體包含Ar、Kr、Xe、Rn、二氧化碳及氟利昂氣體中至少一種。
  6. 一種反應裝置，其具備：反應器，係引起反應物之反應；第一容器，係收容該反應器；及第二容器，係收容該第一容器，該反應器具有流通該反應物之流路；該反應器之流路係連通於該反應器與該第一容器之間的空間；該第一容器與該第二容器之間的密封空間之氣壓係比大氣壓還低。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之反應裝置，其中該第一容器與該第二容器之間的密封空間之壓力係10Pa以下。
  8. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之反應裝置，其中該第一容器之內壁面的一部分、該第一容器之外壁面的一部分及該第二容器之內壁面的一部分等當中至少一個的幅射率，係比該第二容器之外壁面的幅射率還低。
  9. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之反應裝置，其中該第一容器之內壁面的一部分、該第一容器之外壁面的一部分及該第二容器之內壁面的一部分等當中至少一個，係被鏡面加工。
  10. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之反應裝置，其中更具備供應管，其流通有供應給該反應器之反應物；該供應管係與該流路連接。
  11. 如申請專利範圍第6項之反應裝置，其中更具備供應管，其流通有供應給該反應器之反應物；該供應管係連通於該第一容器與該第二容器之間的密封空間。
  12. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之反應裝置，其中該反應物包含氧。
  13. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之反應裝置，其中該反應器係藉由燃料與氧的電化學反應而生成電力之燃料電池。
  14. 如申請專利範圍第13項之反應裝置，其係用於一電子機器，其中該電子機器係藉由該燃料電池所生成之電力而進行動作。
  15. 如申請專利範圍第14項之反應裝置，其中更具備：改質器，係從作為該燃料之原料的原燃料生成改質氣體；及觸媒燃燒器，係使從該燃料電池排出之廢氣燃燒；該改質器及該觸媒燃燒器係配置於該第一容器與該第二容器之間的密封空間內。
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