(57)【要約】【課題】小型で断熱性能が高く効率よく化学反応を行なうことができる反応装置を提供する。【解決手段】真空空間３２に薄板３３ａが渦巻状に複数層となるように内挿された内側真空容器３０に出力の小さな燃料電池２２を収納し、この燃料電池２２を収納した内側真空容器３０をその開口端３６が真空空間４２に薄板４３ａが渦巻状に複数層となるように内挿された外側真空容器４０の閉口端４４で塞がれるよう外側真空容器４０に挿入すると共に燃料電池２２に燃料や空気を供給する燃料供給管２４と空気供給管２６とを内側真空容器３０の外周側に螺旋状に巻回するよう配置して燃料電池装置２０を構成する。これにより、燃料電池装置２０を小型で断熱性能が高いものとすることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１００℃を超える所定の高温領域で効率よく化学反応を行なう反応部を収納する小型の反応装置であって、
一端が開口端として他端が閉口端として円筒状の真空容器として形成され、前記反応部を収納する内側真空容器と、
一端が開口端として他端が閉口端として円筒状の真空容器として形成され、前記内側真空容器を該内側真空容器の開口端側から挿入して収納する外側真空容器と、
前記内側真空容器と前記外側真空容器との間に配置されて前記反応部に反応物質を供給する反応物質供給管と、
を備える反応装置。
【請求項２】
請求項１記載の反応装置であって、
前記反応部は、固体酸化物形燃料電池であり、
前記反応物質供給管は、燃料を前記固体酸化物形燃料電池の燃料極に供給する燃料供給管であり、
前記内側真空容器と前記外側真空容器との間に前記反応物質供給管と共に配置されて前記固体酸化物形燃料電池の電極に接続された電力線を備える、
反応装置。
【請求項３】
前記反応物質供給管は、前記外側真空容器と前記内側真空容器との間に前記内側真空容器に対して螺旋状に巻回するように配置されてなる請求項１または２記載の反応装置。
【請求項４】
前記外側真空容器は、外径が１０ｃｍ以下に形成されてなる請求項１ないし３のいずれか１つの請求項に記載の反応装置。
【請求項５】
前記内側真空容器および／または前記外側真空容器は、真空空間に複数層の薄板が挿入されてなる請求項１ないし４のいずれか１つの請求項に記載の反応装置。
【請求項６】
前記内側真空容器および／または前記外側真空容器は、真空空間に粒径１ｍｍ以下の粒子を充填してなる請求項１ないし５のいずれか１つの請求項に記載の反応装置。
【請求項７】
前記内側真空容器および／または前記外側真空容器は、真空空間に直径１ｍｍ以下のファイバーを充填してなる請求項１ないし５のいずれか１つの請求項に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応装置に関し、詳しくは、１００℃を超える所定の高温領域で効率よく化学反応を行なう反応部を収納する小型の反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の反応装置としては、断熱性を有する材料により直方体に形成された収納容器に高温で効率よく発電する固体酸化物形燃料電池を収納するものが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。また、湯などを保温する円筒形の金属製真空断熱容器も提案されている（例えば、特許文献５，６参照）。
【特許文献１】特開２００３−２３４１２２号公報
【特許文献２】特開２００５−２３５５２７号公報
【特許文献３】特開２００５−２８５３４０号公報
【特許文献４】特開２００６−９２８３３号公報
【特許文献５】特開平１０−４３０６５号公報
【特許文献６】特開２００５−２９６０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述の固体酸化物形燃料電池を収納する収納容器では、固体酸化物形燃料電池の出力を小さくして小型化を図ろうとした場合、直方体の形状であるために相対的に断熱材が厚くなり、小型化が困難となる。
【０００４】
また、高温領域で効率よく化学反応を行なう反応部を小型化する場合、収納容器は体積に比して相対的に表面積が大きくなるため、反応による発熱量に対する放熱損失が相対的に大きくなり、反応による発熱量によって反応温度を維持することが困難になる。このため、収納容器により高度な断熱性能が要求される。さらに、放熱損失の増大は排熱温度の低下を招くから、排熱の利用、例えば燃料の気化や燃料改質，排気による熱機関駆動などが困難になる。
【０００５】
こうした課題に、収納容器として上述の金属製真空断熱容器を用いることも考えられるが、金属製真空断熱容器を収納容器として用いることにより熱伝導による放熱損失はある程度は抑制することができるものの、反応部の温度が高く、金属製真空断熱容器の内外の温度差が大きい場合、輻射熱による放熱損失が大きくなってしまう。また、金属製真空断熱容器の軸方向に大きな温度差が発生すると、軸方向への熱伝導による放熱ロスも大きくなってしまう。
【０００６】
本発明の反応装置は、小型で断熱性能を高くして効率よく化学反応を行なうことができるものとすることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の反応装置は、少なくとも上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明の反応装置は、
１００℃を超える所定の高温領域で効率よく化学反応を行なう反応部を収納する小型の反応装置であって、
一端が開口端として他端が閉口端として円筒状の真空容器として形成され、前記反応部を収納する内側真空容器と、
一端が開口端として他端が閉口端として円筒状の真空容器として形成され、前記内側真空容器を該内側真空容器の開口端側から挿入して収納する外側真空容器と、
前記内側真空容器と前記外側真空容器との間に配置されて前記反応部に反応物質を供給する反応物質供給管と、
を備えることを要旨とする。
【０００９】
この本発明の反応装置では、１００℃を超える所定の高温領域で効率よく化学反応を行なう反応部を一端が開口端として他端が閉口端として円筒状の真空容器として形成された内側真空容器に収納し、この反応部を収納した内側真空容器を一端が開口端として他端が閉口端として円筒状の真空容器として形成された外側真空容器に内側真空容器の開口端側から挿入して収納する。このように、内側真空容器と外側真空容器の二つの真空容器を重ねて反応部を収納するから、高い断熱性能を確保することができる。しかも、内側真空容器の開口端が外側真空容器の閉口端側となるように内側真空容器を外側真空容器に挿入して収納するから、内側真空容器の開口端からの放熱を抑制することができる。また、反応部に反応物質を供給する反応物質供給管を内側真空容器と外側真空容器との間に配置するから、反応物質供給管が内側真空容器と外側真空容器とに挟まれる空間を塞ぐことになり、輻射熱の遮断を行なうことができる。これらの結果、反応装置の小型化を図ることができる。ここで、「反応部」としては固体酸化物形燃料電池とすることができ、この場合、「反応物質供給管」は燃料を固体酸化物形燃料電池の燃料極に供給する燃料供給管や空気を空気極に供給する空気供給管であり、内側真空容器と外側真空容器との間に反応物質供給管と共に配置されて固体酸化物形燃料電池の電極に接続された電力線を備えるものとすることもできる。
【００１０】
こうした本発明の反応装置において、前記反応物質供給管は、前記外側真空容器と前記内側真空容器との間に前記内側真空容器に対して螺旋状に巻回するように配置されてなるものとすることもできる。こうすれば、反応物質供給管の管路長が長くなるから、反応物質供給管の管壁の熱伝導による放熱損失を低減することができる。また、外側真空容器と内側真空容器との間の空間流路を軸方向に射出する熱放射を反応物質供給管が防ぐから、輻射による放熱損失を低減することができる。さらに、反応物質供給管の管路長が長くなるから、反応物質供給管により反応部に供給される反応物質と反応部から反応物質供給管の間を通って外部に排出される反応生成物質や未反応物質との熱交換を促進することができる。加えて外側真空容器と内側真空容器との位置決めを容易に行なうことができる。
【００１１】
また、本発明の反応装置において、前記外側真空容器は外径が１０ｃｍ以下に形成されてなるものとすることもできるし、前記外側真空容器は外径が８ｃｍ以下，５ｃｍ以下，３ｃｍ以下などとすることもできる。
【００１２】
さらに、本発明の反応装置において、前記内側真空容器および／または前記外側真空容器は真空空間に複数層の薄板が挿入されてなるものとすることもできるし、前記内側真空容器および／または前記外側真空容器は真空空間に粒径１ｍｍ以下の粒子を充填してなるものとすることもできるし、前記内側真空容器および／または前記外側真空容器は、真空空間に直径１ｍｍ以下のファイバーを充填してなるものとすることもできる。これらとすることにより、反応装置の半径方向の輻射による放熱損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００１４】
図１は本発明の一実施例としての固体酸化物形燃料電池を収納する燃料電池装置２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は燃料電池装置２０の収納容器として機能する内側真空容器３０と外側真空容器４０とを一部を破断して外観を示す破断斜視図である。
【００１５】
実施例の燃料電池装置２０は、固体酸化物形燃料電池として構成された燃料電池２２と、燃料電池２２を収納する内側真空容器３０と、この内側真空容器３０を収納する外側真空容器４０と、内側真空容器３０と外側真空容器４０との隙間に内側真空容器３０に螺旋状に巻き付けて配置されて燃料電池２２に燃料および空気を供給する燃料供給管２４および空気供給管２６と、を備える。
【００１６】
燃料電池２２は、７００℃〜１０００℃で効率よく作動する燃料極支持円筒型の固体酸化物形燃料電池として構成され、例えば、燃料極としてニッケルとイットリア安定化ジルコニアのサーメット(Ni-8YSZ)を材料とし、電解質としてイットリア安定化ジルコニア（8YSZ）を材料とし、空気極としてランタンストロンチウムマンガナイト（LSM）を材料とし、内側から燃料極，電解質，空気極のサンドイッチ構造による円筒形状に形成されて構成されている。実施例では、セルの直径が２ｍｍで空気極長さが１５ｍｍ，有効電極面積が約１ｃｍ2として形成されたものを用いた。燃料電池２２は、燃料としての水素が燃料供給管２４により円筒内の燃料極に供給されると共に酸化剤としての空気が空気供給管２６により外周部の空気極に供給されることによって発電する。
【００１７】
内側真空容器３０と外側真空容器４０は、共に耐熱性の高く熱伝導率が小さい材料、例えばＳＵＳ３０４等のステンレスにより形成された内筒と外筒とによりその間を真空な真空空間３２，４２とし、一端を開口端３６，４６とすると共に他端を閉口端３４，４４とする円筒状の真空容器として構成されている。実施例では、外側真空容器４０を外径が３ｃｍとなるよう形成した。内側真空容器３０および外側真空容器４０の外筒については、内筒より強度が求められることから、リブを形成することも効果的である。内側真空容器３０と外側真空容器４０の真空空間３２，４２には、図３に例示するように、表面にアルミニウムや銅などの放射率の低い物質がコーティングされた耐熱性の高く熱伝導率が小さい材料（例えばＳＵＳ３０４等のステンレス）の薄板３３ａ，４３ａが渦巻状に複数層となるように内挿されている。
【００１８】
実施例の燃料電池装置２０は、燃料電池２２が内側真空容器３０に収納され、内側真空容器３０の開口端３６が外側真空容器４０の開口端４６から挿入されて閉口端４４に整合するよう内側真空容器３０が外側真空容器４０に収納されて構成されている。そして、燃料電池２２に燃料を供給する燃料供給管２４と空気供給管２６は、内側真空容器３０と外側真空容器４０との間に内側真空容器３０の外周面に螺旋状に巻回されて内側真空容器３０の外筒と外側真空容器４０の内筒とに若干のクリアランスをもって接するように配置されている。なお、燃料電池２２からの電力ラインは、図示しないが、燃料供給管２４や空気供給管２６と同様に内側真空容器３０と外側真空容器４０との間に内側真空容器３０の外周面に螺旋状に巻回されて配置されている。
【００１９】
次に、こうして構成された燃料電池装置２０の機能について説明する。燃料供給管２４と空気供給管２６とにより燃料と空気とが燃料電池２２に供給されると、水素と酸素との電気化学的反応により発電を伴って水が生成される。生成された水は水蒸気として過剰に供給された空気と共に内側真空容器３０の開口端３６から内側真空容器３０と外側真空容器４０との間に燃料供給管２４と空気供給管２６とが螺旋状に巻回されて配置されたことにより形成される燃料供給管２４と空気供給管２６との間の螺旋状の空間を流路として外側真空容器４０の開口端４６から外部に排出される。このとき、排出される水蒸気および空気は、燃料供給管２４および空気供給管２６により燃料電池２２に供給される燃料および空気と熱交換を行なって燃料電池２２に供給される燃料および空気を加温し、自らは冷却される。
【００２０】
こうした燃料電池２２の発電により燃料電池２２は発熱するが、内側真空容器３０の開口端３６を外側真空容器４０の閉口端４４で塞ぐように内側真空容器３０を外側真空容器４０に挿入しているため、内側真空容器３０と外側真空容器４０とにより高精度に断熱され、燃料電池２２は高温に保持される。燃料電池２２からの熱は、燃料供給管２４および空気供給管２６の壁面の熱伝導によっても放熱されるが、燃料供給管２４と空気供給管２６とを内側真空容器３０の外周側に螺旋状に巻回するよう配置することにより、管路長が実質的に長くなり、熱伝導ロスは低減する。また、こうした燃料供給管２４と空気供給管２６の配管により、軸方向の熱放射を螺旋状の配管が遮るため、輻射による放熱損失を低減することができる。さらに、燃料供給管２４と空気供給管２６の配管により対流による放熱も抑制することができる。
【００２１】
以上説明した実施例の燃料電池装置２０によれば、出力の小さな燃料電池２２とした場合でも高い断熱性を有する装置とすることができ、装置の小型化を図ることができる。しかも、内側真空容器３０の開口端３６を外側真空容器４０の閉口端４４で塞ぐように内側真空容器３０を外側真空容器４０に挿入するから、軸方向の放熱を抑制することができる。また、円筒形の内側真空容器３０と外側真空容器４０とを用いるから、内側真空容器３０や外側真空容器４０の内筒や外筒を薄肉としても十分に強度を得ることができ、薄肉とすることにより内側真空容器３０や外側真空容器４０の壁面を通じた熱伝導の放熱量を低減することができる。さらに、燃料供給管２４と空気供給管２６とを内側真空容器３０の外周側に螺旋状に巻回するよう配置することにより、内側真空容器３０や外側真空容器４０の管壁を伝わる熱伝導ロスを低減することができると共に対流による放熱や輻射による放熱も抑制することができる。また、燃料供給管２４と空気供給管２６とを内側真空容器３０の外周側に螺旋状に巻回するよう配置することにより、内側真空容器３０と外側真空容器４０の位置決めを容易に行なうことができる。加えて、内側真空容器３０と外側真空容器４０の真空空間３２，４２には、薄板３３ａ，４３ａが渦巻状に複数層となるように内挿されているから、薄板３３ａ，４３ａを通じた熱伝導を抑制することができると共に容器の半径方向の輻射伝熱を抑制することができる。
【００２２】
実施例の燃料電池装置２０では、内側真空容器３０と外側真空容器４０の真空空間３２，４２に薄板３３ａ，４３ａを渦巻状に複数層となるように内挿するものとしたが、真空空間３２，４２における輻射伝熱を低減することができると共に熱伝導を抑制することができればよいから、内側真空容器３０と外側真空容器４０の真空空間３２，４２に内挿されるものは渦巻状の薄板３３ａ，４３ａに限定されるものではなく、例えば、図４に示すように、真空空間３２，４２に粒径１ｍｍ以下のセラミックス粒子３３ｂ，４３ｂを充填するものとしたり、図５に示すように、真空空間３２，４２に直径１ｍｍ以下のセラミックスファイバー３３ｃ，４３ｃを充填するものとしてもよい。こうしたセラミックス粒子やセラミックスファイバーとしては、アルミナやジルコニアなどの高度が高く熱伝導率の小さい物質が好ましい。また、内側真空容器３０と外側真空容器４０の両方の真空空間３２，４２に薄板３３ａ，４３ａやセラミックス粒子３３ｂ，４３ｂ，セラミックスファイバー３３ｃ，４３ｃを配置あるいは充填するものとしたが、内側真空容器３０の真空空間３２だけに或いは外側真空容器４０の真空空間４２だけに薄板３３ａ，４３ａやセラミックス粒子３３ｂ，４３ｂ，セラミックスファイバー３３ｃ，４３ｃを配置あるいは充填するものとしてもよい。また、内側真空容器３０や外側真空容器４０の真空空間３２，４２に薄板３３ａ，４３ａやセラミックス粒子３３ｂ，４３ｂ，セラミックスファイバー３３ｃ，４３ｃを配置あるいは充填しないものとしても差し支えない。あるいは、内側真空容器３０や外側真空容器４０の真空空間３２，４２に薄板３３ａ，４３ａやセラミックス粒子３３ｂ，４３ｂ，セラミックスファイバー３３ｃ，４３ｃの一部または全部を混在させて用いてもよい。
【００２３】
実施例の燃料電池装置２０では、燃料電池２２の燃料極としてニッケルとイットリア安定化ジルコニアのサーメット(Ni-8YSZ)を材料とし、電解質としてイットリア安定化ジルコニア（8YSZ）を材料とし、空気極としてランタンストロンチウムマンガナイト（LSM）を材料としたが、燃料極と電解質のイオン導電体としては、スカンジア安定化ジルコニア（ScSZ）やセリア系電解質（SDC,GDC），ランタンガレート系電解質(LaGaO3)を用いるものとしてもよいし、空気極としては、ランタンストロンチウムコバルタイト（LSC）やランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物（LSCF）などを用いるものとしてもよい。
【００２４】
実施例の燃料電池装置２０では、燃料電池２２として内側から燃料極，電解質，空気極のサンドイッチ構造による燃料極支持円筒型の固体酸化物形燃料電池として構成したが、内側から空気極，電解質，燃料極のサンドイッチ構造による円筒型の固体酸化物形燃料電池として構成するものとしてもよい。また、強度部材も燃料極である必要はなく、電解質支持や空気極支持であっても構わない。
【００２５】
実施例の燃料電池装置２０では、燃料電池２２としてセルの直径が２ｍｍで空気極長さが１５ｍｍ，有効電極面積が約１ｃｍ2として形成されたものを用いたが、こうしたサイズに限定されるものではなく、如何なるサイズの燃料電池を用いるものとしてもよい。また、燃料電池装置２０では、外側真空容器４０として外径が３ｃｍのものを用いたが、内側真空容器３０に収納する燃料電池２２のサイズによって外側真空容器４０の外径を定めればよく、外径が５ｃｍや８ｃｍ，１０ｃｍなど種々のサイズを用いることができる。
【００２６】
実施例の燃料電池装置２０では、燃料供給管２４と空気供給管２６とを内側真空容器３０の外周側に螺旋状に巻回するよう配置するものとしたが、燃料供給管２４と空気供給管２６とを内側真空容器３０の外周側に螺旋状に巻回することなく配置するものとしても差し支えない。
【００２７】
実施例では、内側真空容器３０に反応部として燃料電池２２を収納するものとしたが、反応部としては燃料電池に限定されるものではなく、内側真空容器３０に反応部として燃料改質器を収納するものとしたり、内側真空容器３０に反応部として他の化学反応を行なうものを収納するものとしても構わない。
【００２８】
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、反応装置の製造産業などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例としての固体酸化物形燃料電池を収納する燃料電池装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】燃料電池装置２０の収納容器として機能する内側真空容器３０と外側真空容器４０とを一部を破断して外観を示す破断斜視図である。
【図３】内側真空容器３０と外側真空容器４０の真空空間３２，４２に薄板３３ａ，４３ａが内挿されている様子を示す説明図である。
【図４】内側真空容器３０と外側真空容器４０の真空空間３２，４２にセラミックス粒子３３ｂ，４３ｂが充填されている様子を示す説明図である。
【図５】内側真空容器３０と外側真空容器４０の真空空間３２，４２にセラミックスファイバー３３ｃ，４３ｃが充填されている様子を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
２０  燃料電池装置、２２  燃料電池、２４  燃料供給管、２６  空気供給管、３０  内側真空容器、３２，４２  真空空間、３３ａ，４３ａ  薄板、３３ｂ，４３ｂ  セラミックス粒子、３３ｃ，４３ｃ  セラミックスファイバー、３４，４４  閉口端、３６，４６  開口端、４０  外側真空容器。
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009064639.tif 000005
【図１】
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【図２】
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