JP2009082810A - 断熱装置及び燃料電池システム並びに断熱容器の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】断熱容器の過熱したものとしても、そのような過熱状態の時間を短縮できるようにする。
【解決手段】燃料電池システム５０は、燃料を水素に改質する改質器７１と、改質器７１を加熱する触媒燃焼器７３と、改質器７１で生成された水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池５９と、改質器７１及び触媒燃焼器７３を収容した断熱容器３と、断熱容器３に接する第２容器４と、第２容器４に水を供給する水供給器７と、断熱容器３の温度を検出する温度センサ１１と、温度センサ１１の検出温度が所定閾値以上となった場合に、水供給器７に水供給を行わす制御回路１２と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、断熱装置及び燃料電池システム並びに断熱容器の冷却方法に関し、特に燃料電池の周辺機器として用いられる断熱装置、燃料電池を用いた燃料電池システム、それらに用いられる断熱容器を冷却する冷却方法に関する。

近年、エネルギー変換効率の高いクリーンな電源として燃料電池が注目されるようになり、燃料電池自動車や電化住宅などへの実用化が進められてきている。また、携帯電話機やノート型パソコンといった携帯型電子機器においても、燃料電池を電源として用いる研究・開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。

燃料電池は水素と酸素の電気化学反応により発電する装置である。燃料電池に供給する水素はメタノールといった燃料から生成されるので、燃料と水から水素を生成する改質器等が燃料電池に接続されている。改質器において燃料が効率よく水素に改質するために、改質器を電気ヒータや燃焼器で加熱することが行われており、その熱源とともに改質器が断熱容器に収容されている（例えば、特許文献２参照）。改質器等が断熱容器に収容されることで、熱エネルギーの利用効率が高まる。
特開２００５−１０３３９９号公報 特開２００４−３１９４６７号公報

ところで、何らかの原因により断熱容器が過熱する虞がある。
そこで、本発明は、断熱容器の過熱したものとしても、そのような過熱状態の時間を短縮できるようにすることを課題とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に係る発明によれば、
発熱する熱源を収容した断熱容器と、
前記断熱容器から熱伝導可能に配置された第２容器と、
前記第２容器に収容され、水と反応して吸熱する吸熱剤と、
前記第２容器に水を供給する水供給器と、
前記断熱容器の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の検出温度が所定閾値以上となった場合に、前記水供給器に水供給を行わせる制御部と、を備え、
前記吸熱剤が吸熱するときに前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする断熱装置が提供される。

請求項２に係る発明によれば、
前記吸熱剤は、熱溶融又は熱昇華するカプセルに封入されていることを特徴とする請求項１に記載の断熱装置が提供される。

請求項３に係る発明によれば、
発熱する熱源を収容した断熱容器と、
前記断熱容器から熱伝導可能に配置され、水を収容する第２容器と、
前記第２容器に収容され、熱溶融又は熱昇華するカプセルと、
前記カプセルに封入され、水と反応して吸熱する吸熱剤と、を備え、
前記吸熱剤が吸熱するときに前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする断熱装置が提供される。

請求項４に係る発明によれば、
前記断熱容器と前記第２容器とが接することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の断熱装置が提供される。

請求項５に係る発明によれば、
燃料を水素に改質する改質器と、
熱を発して前記改質器を加熱する加熱器と、
前記改質器で生成された水素と酸素の電気化学反応により発電し、水を生成する燃料電池と、
前記改質器及び前記加熱器を収容した断熱容器と、
前記断熱容器から熱伝導可能に配置された第２容器と、
前記第２容器に収容され、水と反応して吸熱する吸熱剤と、
前記第２容器に水を供給する水供給器と、
前記断熱容器の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部の検出温度が所定閾値以上となった場合に、前記水供給器に水供給を行わせる制御部と、を備え、
前記吸熱剤が吸熱するときに前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする燃料電池システムが提供される。

請求項６に係る発明によれば、
前記吸熱剤は、熱溶融又は熱昇華するカプセルに封入されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項７に係る発明によれば、
水を収容する水容器を更に備え、
前記水供給器が前記水容器内の水を前記第２容器に供給することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項８に係る発明によれば、
前記燃料電池のオフガスに含まれる水が前記水容器に収容されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項９に係る発明によれば、
前記加熱器が、前記燃料電池のオフガスを燃焼させる燃焼器であり、
前記燃焼器から送出されたガスに含まれる水が前記水容器に収容されることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１０に係る発明によれば、
前記燃料電池のオフガスに含まれる水が前記第２容器に送られることを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１１に係る発明によれば、
前記加熱器が、前記燃料電池のオフガスを燃焼させる燃焼器であり、
前記燃焼器から送出されたガスに含まれる水が前記第２容器に送られることを特徴とする請求項７、８又は１０に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１２に係る発明によれば、
前記断熱容器と前記第２容器とが接することを特徴とする請求項５〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１３に係る発明によれば、
燃料を水素に改質する改質器と、
熱を発して前記改質器を加熱する加熱器と、
前記改質器で生成された水素と酸素の電気化学反応により発電し、水を生成する燃料電池と、
前記改質器及び前記加熱器を収容した断熱容器と、
前記断熱容器から熱伝導可能に配置され、水を収容する第２容器と、
前記第２容器に収容され、熱溶融又は熱昇華するカプセルと、
前記カプセルに封入され、水と反応して吸熱する吸熱剤と、を備え、
前記吸熱剤が吸熱するときに前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする燃料電池システムが提供される。

請求項１４に係る発明によれば、
前記加熱器が、前記燃料電池のオフガスを燃焼させる燃焼器であり、
前記第２容器に供給される水が、前記オフガスに含まれるか又は前記オフガスの燃焼により生成されたものであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１５に係る発明によれば、
前記断熱容器と前記第２容器とが接することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の燃料電池システムが提供される。

請求項１６に係る発明によれば、
発熱する熱源を収容した断熱容器が過熱したら、前記断熱容器から熱伝導可能に配置された第２容器内で吸熱剤と水の吸熱反応を起こして、前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする断熱容器の冷却方法が提供される。

請求項１７に係る発明によれば、
前記断熱容器が過熱したら、前記第２容器内に水を供給して、その水と前記吸熱剤の吸熱反応を起こすことを特徴とする請求項１６に記載の断熱容器の冷却方法が提供される。

請求項１８に係る発明によれば、
前記断熱容器が過熱したら、前記吸熱剤が封入されているとともに熱溶融又は熱昇華するカプセルをその熱により溶融又は昇華させて、前記吸熱剤と水の吸熱反応を起こすことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の断熱容器の冷却方法が提供される。

請求項１９に係る発明によれば、
前記断熱容器と前記第２容器とが接することを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の断熱容器の冷却方法が提供される。

本発明によれば、断熱容器が過熱して、その温度が所定温度以上になると、水が第２容器に供給される。そうすると、第２容器内に収容された吸熱剤が水と反応して吸熱し、断熱容器から第２容器に熱伝導することによって、第２容器に接した断熱容器が冷却される。そのため、断熱容器が過熱した状態の時間を必要最小限に抑えることができる。

また、本発明によれば、断熱容器が過熱して、その温度が所定温度以上になると、第２容器内のカプセルが溶融する。カプセルに封入された吸熱剤が第２容器内の水と反応して吸熱し、断熱容器から第２容器に熱伝導することによって、第２容器に接した断熱容器が冷却される。そのため、断熱容器が過熱した状態の時間を必要最小限に抑えることができる。

以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

＜第１の実施の形態＞
図１は、断熱装置１をマイクロリアクタ２とともに示した概略断面図である。図２は、この断熱装置１及びマイクロリアクタ２を用いた燃料電池システム５０の構成を示したブロック図である。

断熱装置１は、マイクロリアクタ２を収容した断熱容器３と、断熱容器３に接した第２容器４と、第２容器４内に収容された吸熱剤５と、水を貯留する水容器６と、第２容器４に水を供給する水供給器７と、断熱容器３の温度を検出して、検出温度を電気信号に変換する温度センサ１１と、温度センサ１１の検出温度を入力するとともに水供給器７を制御する制御回路１２と、を備える。

断熱容器３はガラス又は金属からなる剛性容器である。断熱容器３内の空間１３が排気された状態であって真空圧（例えば、１０Ｐａ以下であり、好ましくは１Ｐａ以下）となっており、これにより内部空間１３が真空断熱層となっている。断熱容器３の内面には、金といった輻射シールド膜が成膜されており、これにより断熱容器３の輻射率が低く抑えられ、断熱容器３の外側への放熱が小さく抑えられる。なお、キセノン等の希ガスといった低熱伝導率の断熱ガスが内部空間１３に充填されることで、内部空間１３が断熱層となってもよい。

断熱容器３の外面には温度センサ１１が取り付けられている。なお、断熱容器３の内面に温度センサ１１が取り付けられてもよいが、温度測定精度の観点から、また、配線の観点から、温度センサ１１は断熱容器３の外側に設けられていることが好ましい。

断熱容器３内には、発熱する機器であるマイクロリアクタ（熱源）２が収容されている。マイクロリアクタ２は、燃料を水素に改質する改質器７１と、改質器７１において生成された水素に混じった一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器７２と、一酸化炭素除去器７２や改質器７１を燃焼熱により加熱する触媒燃焼器７３と、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６と、を有する。ここで、触媒燃焼器７３が改質器７１を加熱する加熱器であり、温度依存性抵抗ヒータ７４も改質器７１を加熱する加熱器である。

改質器７１は、気化した水と燃料から水素ガス等を触媒反応により生成し、更に微量ながら一酸化炭素ガスを生成する。即ち、改質器７１の内部には流路が形成され、その流路の壁面に改質触媒（例えば、Ｃｕ／ＺｎＯ系触媒）が担持されており、燃料と水の混合気は改質器７１の流路を流れて、改質触媒により反応を起こす。燃料がメタノールの場合には、次式（１）、（２）のような化学反応が改質器７１で起こる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ …（２）

改質器７１で生成された水素ガス等は一酸化炭素除去器７２に送出され、更に外部の空気が一酸化炭素除去器７２に送られる。一酸化炭素除去器７２は、一酸化炭素を触媒により優先的に酸化させることで、一酸化炭素を選択的に除去する。即ち、一酸化炭素除去器７２の内部には流路が形成され、その流路の壁面に選択酸化触媒（例えば、白金）が担持され、改質器７１から一酸化炭素除去器７２に送られた水素ガス等が空気と混合して一酸化炭素除去器７２の流路を流れ、水素ガスに混じった一酸化炭素が選択酸化触媒により次式（３）のように優先的に酸化される。これにより二酸化炭素が生成され、一酸化炭素が除去される。なお、一酸化炭素が酸化する反応は発熱反応であるので、一酸化炭素除去器７２は発熱する機器（熱源）である。
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）

触媒燃焼器７３には、水素ガス等が空気と混合された状態で供給される。触媒燃焼器７３は、触媒により水素を燃焼させる。即ち、触媒燃焼器７３の内部には流路が形成され、その流路の壁面に燃焼触媒（例えば、白金）が担持され、水素ガス等が空気と混合された状態で触媒燃焼器７３の流路を流れ、水素が燃焼触媒により燃焼し、これにより燃焼熱が発する。触媒燃焼器７３も発熱する機器（熱源）である。

改質器７１において改質反応が起こる温度は２８０〜４００℃であり、一酸化炭素除去器７２で選択酸化反応が起こる温度は１００〜１８０℃である。そのような適切な温度範囲に保つべく、改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３の設置位置、形状、大きさ等が設計されている。更には、触媒燃焼器７３への燃焼ガス（詳細には、水素）の供給流量、改質器７１への燃料と水の供給流量等が調整される。改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３には、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６が設けられ、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６の電熱によって改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３が加熱され、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６の出力電力が調整される。これにより、改質器７１、一酸化炭素除去器７２の温度が適切な温度範囲に保たれる。温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６はその電気抵抗値が温度に依存する電熱材からなり、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６は電気抵抗値から温度を読み取る温度センサとしても機能する。温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６による検出温度は、改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３の温度を閉ループ制御するために用いられる。なお、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６のようにヒータと温度センサを兼ねたものを用いずに、ヒータ（例えば、電熱線、セラミックヒータ）と温度センサ（例えば、熱電対、サーミスタ）の両方を改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３に設けてもよい。

改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３は断熱容器３の内面から離れている。具体的には、反応物や生成物を通すパイプ７７〜８１が断熱容器３を貫通し、それらパイプ７７〜８１によって改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３が支持されることで、改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３が断熱容器３の内面から離れている。なお、支持部材をパイプ７７〜８１とは別に、又は、パイプ７７〜８１と併用して、その支持部材を改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３と断熱容器３の間に挟み込んで、改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３が断熱容器３の内面から離れるよう支持されてもよい。

パイプ７７は水と燃料の混合気を改質器７１に送るためのものであり、パイプ７９は空気を一酸化炭素除去器７２に送るためのものであり、パイプ７８は一酸化炭素除去器７２を経た生成物を一酸化炭素除去器７２から送出するものであり、パイプ８０は空気と水素等の混合気を触媒燃焼器７３に送るためのものであり、パイプ８１は触媒燃焼器７３を経た生成物を触媒燃焼器７３から送出するものである。

断熱容器３の外側において、第２容器４が断熱容器３に接している。第２容器４は剛性容器であってもよいし、可撓性容器であってもよい。図１では、断熱容器３の外面が第２容器４の内部空間１４に面していないが、第２容器４が開口を有し、その開口が断熱容器３によって塞がれ、断熱容器３の外面の一部が第２容器４の内部空間１４に面してもよい。また、第２容器４は、複数の基板を積層したものであって、その積層体に内部空間１４を形成したものでもよい。なお、第２容器４が断熱容器３に接着されて又は密着されて、第２容器４と断熱容器３との間で熱伝導し得るようにしてもよいし、第２容器４と断熱容器３との間に金属材料を挟持して、第２容器４と断熱容器３との間で熱伝導し得るようにしてもよい。

第２容器４内には、吸熱剤５が収容されている。吸熱剤５は、水と反応することで吸熱するものである。吸熱剤５はアンモニウム塩（例えば、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム、臭化アンモニウム）、アルカリ金属塩（例えば、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム）若しくは尿素又はこれらの混合物であり、好ましくは硝酸アンモニウムと尿素の混合物である。硝酸アンモニウムと尿素の混合物である場合、硝酸アンモニウムの混合比の範囲が５０〜９０重量％であり、尿素の混合比の範囲が残りの１０〜５０重量％であることが好ましい。図１においては、吸熱剤５が粉末状であるが、粉末状、ペースト状、粒状、繊維状の何れであってもよい。

水容器６には水１５が液体の状態で貯留されている。水容器６と第２容器４はパイプ１８によって連結され、そのパイプ１８にはポンプ１９とバルブ２０が設けられている。バルブ２０は電気駆動式の開閉バルブであり、ポンプ１９は電気駆動式のポンプであり、バルブ２０及びポンプ１９が制御回路１２によって制御される。水供給器７はこれらポンプ１９及びバルブ２０を有するものであり、バルブ２０が開いた状態でポンプ１９が作動すると、水容器６内の水が第２容器４に供給される。なお、ポンプ１９とバルブ２０の何れか一方がパイプ１８に設けられてもよい。バルブ２０が設けられず、ポンプ１９が設けられている場合、ポンプ１９が停止していれば、水容器６内の水１５が第２容器４に送られず、ポンプ１９が作動していれば、水容器６内の水１５が第２容器４に送られる。一方、ポンプ１９が設けられず、バルブ２０が設けられている場合、バルブ２０が閉じていると、水容器６内の水が第２容器４に送られず、バルブ２０が開いていると、水容器６内の水がその自重や毛細管現象により第２容器４に送られる。

水１５は、予め水容器６に貯留されたものでもよいし、図２に示された燃料電池システム５０の各部で生成されて液化したものであってもよい。水１５が生成される過程について図２を用いて詳細に説明する。

図２に示すように、この燃料電池システム５０は、マイクロリアクタ２及び断熱装置１のほかに、燃料カートリッジ５１、気化器５３及び燃料電池５９等も具備する。制御回路１２は、断熱装置１の制御を司るほか、燃料電池システム５０の制御も司る。

この燃料電池システム５０は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電子機器に搭載されている。図２に示された構成要素のうち燃料カートリッジ５１が電子機器本体に対して着脱可能とされ、他の構成要素は電子機器本体に内蔵され、燃料カートリッジ５１が電子機器本体に装着されると燃料カートリッジ５１と燃料ポンプ５２が接続される。

燃料カートリッジ５１には、液体燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）が貯留されている。なお、燃料カートリッジ５１には、液体燃料と水の混合液が貯留されていてもよい。

燃料ポンプ５２は、燃料カートリッジ５１から液体燃料を吸い上げ、吸い上げた液体燃料を気化器５３へ送り出すものである。燃料ポンプ５２は電気駆動式ポンプであり、燃料ポンプ５２の作動・停止・速度は制御回路１２によって制御される。

また、燃料ポンプ５２から送り出された液体燃料は水と混合されて、気化器５３に送られる。液体燃料と混合される水は、水容器６内の水である。つまり、水容器６内の水がポンプ６０によって吸い上げられ、気化器５３へ送られる。なお、燃料カートリッジ５１内の液体燃料が水と混合されたものであるのなら、ポンプ６０は無くてもよい。水容器６内の水を用いるのではなく、別の水容器内の水をポンプ６０によって気化器５３へ送るようにしてもよいし、その別の水容器が燃料カートリッジ５１と同様に電子機器本体に対して着脱可能であってもよい。

ポンプ６０は電気駆動式ポンプであり、ポンプ６０の作動・停止・速度は制御回路１２によって制御される。

気化器５３は、燃料と水の混合液を気化させるものである。気化器５３には、電熱材からなる電気ヒータが設けられ、気化器５３に送られた混合液は電気ヒータの熱により蒸発される。気化器５３で気化した混合気は改質器７１へ送出される。

改質器７１、一酸化炭素除去器７２を経て生成された水素ガス等は燃料電池５９に送られる。燃料電池５９は、アノード５８と、カソード５６と、アノード５８とカソード５６の間に挟まれた電解質膜５７とを有する。一酸化炭素除去器７２から送出された水素ガス等はアノード５８に送られ、更に外部の空気がカソード５６に送られる。アノード５８に供給された水素が、電解質膜５７を介して、カソード５６に供給された空気中の酸素と電気化学反応することによって、アノード５８とカソード５６との間で電力が生じる。

電解質膜５７が水素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）の場合には、アノード５８で生成された水素イオンが電解質膜５７を透過し、カソード５６では次式（５）のような反応が起こる。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（４）
２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ …（５）

一方、電解質膜５７が酸素イオン透過性の電解質膜（例えば、固体酸化物電解質膜）の場合には、カソード５６では次式（６）のような反応が起き、カソード５６で生成された酸素イオンが電解質膜５７を透過し、アノード５８では次式（７）のような反応が起こる。
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→２Ｏ^2-・・・（６）
Ｈ₂＋２Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-・・・（７）
なお、電解質膜５７が固体酸化物電解質膜である場合、一酸化炭素除去器７２が無くともよく、その場合、改質器７１で生成された水素ガス等がそのままアノード５８に送られ、燃料電池５９全体が改質器７１とともに断熱容器３に収容されている。

燃料電池５９のアノード５８とカソード５６との間で生じた電力は、蓄電部６２に蓄電される。蓄電部６２は例えば二次電池である。発生した電力は、蓄電部６２に蓄電されるほか、図２に示された各種アクチュエータ、ヒータ、回路にも供給され、更には電子機器本体にも供給される。

アノード５８で電気化学反応せずに残った水素ガス等（オフガス）が触媒燃焼器７３に送られる。更に、外部の空気が未反応の水素ガスと混合されて触媒燃焼器７３に送られる。そして、上述したように、触媒燃焼器７３において、水素が触媒により燃焼し、水が生成される。

一酸化炭素除去器７２、カソード５６及び触媒燃焼器７３に空気を供給するべく、エアポンプ５４及び流量制御バルブ５５が設けられている。エアポンプ５４は外部の空気を一酸化炭素除去器７２、カソード５６及び触媒燃焼器７３に送るものであり、流量制御バルブ５５はエアポンプ５４によって送られる空気の流量を制御するものである。エアポンプ５４及び流量制御バルブ５５は電気駆動式であり、エアポンプ５４及び流量制御バルブ５５は制御回路１２によって制御される。なお、エアポンプ５４の代わりに、ブロワを用いてもよい。

以上のように、改質器７１、カソード５６、アノード５８、触媒燃焼器７３等において水が生成される。生成された水は気体状又は蒸気状であるため、その水を液化すべく、凝縮器６１が設けられている。図２においては、燃料電池５９のカソード５６及び触媒燃焼器７３の下流に凝縮器６１が設けられている。そのため、改質器７１、カソード５６、アノード５８、触媒燃焼器７３等で生成された水が他の生成物等とともに凝縮器６１に送られる。そして、水が凝縮器６１において冷却され、液化する。

凝縮器６１で液化した水は、他の生成物とともに水容器６に送られて、水容器６内に貯留される。そして、ポンプ６０によって水が循環する。

図１に示すように、水容器６には、アウトレット孔１６が形成され、アウトレット孔１６が気液分離膜１７によって閉塞されている。この気液分離膜１７は気体透過性を有するとともに、液体遮断性を有する。そのため、凝縮器６１で液化した水が水容器６内に滞留するが、気体が気液分離膜１７を透過して外部に排出される。

なお、凝縮器６１が設けられる箇所はカソード５６及び触媒燃焼器７３の下流に限らない。例えば、凝縮器６１がアノード５８と触媒燃焼器７３の間に設けられてもよいし、凝縮器６１が改質器７１と一酸化炭素除去器７２の間であって断熱容器３の外側に設けられてもよいし、これらの凝縮器６１を併用してもよい。凝縮器６１が改質器７１と一酸化炭素除去器７２の間に設けられる場合、水容器６は凝縮器６１と一酸化炭素除去器７２の間に設けられ、アウトレット孔１６がパイプ等を介して一酸化炭素除去器７２に通じている。そのため、凝縮器６１で液化した水（主に、改質器７１において未反応の水）が水容器６に貯留されるが、水素ガス等の気体は気液分離膜１７を透過して、一酸化炭素除去器７２に送られる。凝縮器６１がアノード５８と触媒燃焼器７３の間に設けられる場合、水容器６は凝縮器６１と触媒燃焼器７３の間に設けられ、アウトレット孔１６がパイプ等を介して触媒燃焼器７３に通じている。そのため、凝縮器６１で液化した水が水容器６に貯留されるが、水素ガス等の気体は気液分離膜１７を透過して、触媒燃焼器７３に送られる。

図２に示された経路は微小パイプや微小ホースによって構成されてもよいし、溝、穴、スリット等が形成された複数の基板を積層したものによって構成されてもよい。ここで、複数の基板が積層されることによって、溝、穴、スリット等が基板によって覆われ、溝、穴、スリット等が流路となって、図２に示された経路が形成される。

制御回路１２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有する。そして、制御回路１２は燃料ポンプ５２、気化器５３、エアポンプ５４、ポンプ１９，６０、流量制御バルブ５５、バルブ２０、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６を制御する。制御回路１２は、これらの制御に際しては、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６、温度センサ１１の検出温度に基づいて閉ループ制御を行う。
インターフェース６３は、制御回路１２と電子機器本体の制御部との間でデータ転送を行うものである。

次に、制御回路１２の制御動作、それに伴う断熱装置１及び燃料電池システム５０の動作について説明する。
制御回路１２が、気化器５３の電気ヒータや温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６に電力を供給するとともに、ポンプ５２，６０及びエアポンプ５４を駆動する。ここで、制御回路１２は、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６による検出温度に基づき、気化器５３の電気ヒータや温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６への供給電力、ポンプ５２の動作速度、ポンプ６０の動作速度、流量制御バルブ５５の流量を閉ループ制御する。

これにより、気化器５３では液体燃料と水が気化され、改質器７１では燃料が水素に改質され、一酸化炭素除去器７２では一酸化炭素が除去され、燃料電池５９では発電が起こり、触媒燃焼器７３では未反応の水素等が燃焼し、凝縮器６１では水が凝縮し、凝縮した水が水容器６に貯まっていき、排ガスが気液分離膜１７を透過して排出される。

以上のように、反応物や生成物が流れて、燃料電池５９において発電が起こっている時には、断熱容器３の温度が温度センサ１１によって検出され、その検出温度を表す信号が制御回路１２に入力されている。

気化器５３、改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３、燃料電池５９等が定常的に動作し、発電が起こっている時には、断熱容器３の温度は約４０℃に保たれている。そのため、温度センサ１１から制御回路１２に入力される温度信号のレベルは、約４０℃に対応するものとなっている。ここで、制御回路１２は、温度センサ１１の検出温度を所定の閾値αと比較している。閾値αは、断熱容器３の過熱状態と過熱していない状態とを仕切るものであり、その値は例えば１００℃である。比較の結果、検出温度がその閾値α未満である場合には、制御回路１２はポンプ１９の停止を維持するとともに、バルブ２０を閉じた状態にする。更に、制御回路１２は、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６による検出温度に基づく気化器５３の電気ヒータや温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６への供給電力、ポンプ５２の動作速度、ポンプ６０の動作速度、流量制御バルブ５５の流量の制御を継続する。そのため、発電が継続して起こる。

一方、断熱容器３内の真空度が低下したり、または、改質器７１、一酸化炭素除去器７２、触媒燃焼器７３が各定常状態とある程度乖離した高温になると、断熱容器３の温度が上昇していく。そうしたなか、断熱容器３が過熱して、断熱容器３の温度が閾値α以上になると、制御回路１２は温度センサ１１の検出温度がその閾値α以上になったと判定する。

温度センサ１１の検出温度がその閾値α以上になったら、制御回路１２が燃料ポンプ５２、ポンプ６０、エアポンプ５４を停止するとともに、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６への電力供給も停止する。更に、制御回路１２は、バルブ２０を開くとともに、ポンプ１９を駆動する。ポンプ１９が作動すると、水容器６内の水１５が第２容器４へ供給され、吸熱剤５と水１５が第２容器４内で混合される。そして、吸熱剤５が水１５と反応して吸熱する。そして、断熱容器３から第２容器４に熱伝導することによって、断熱容器３が冷却される。
なお、断熱容器から第２容器に熱伝導することにより、断熱容器の過熱した状態を抑制することができるのであれば、第２容器と断熱容器とが直接接している必要はなく、第２容器と断熱容器とが接着剤で接着されていても良い。また、第２容器と断熱容器とを熱伝導可能に近接して配置したり、また、第２容器と断熱容器との間に空気よりも熱伝導率の高い他の部材を介在するようにしてもよい。

断熱容器３内の真空度が低下したり、または、改質器７１等が各定常状態とある程度乖離した高温にならないように、燃料電池システム５０が最適に設計されている。しかし、仮に断熱容器３が過熱するようなことが生じたとしても、吸熱剤５の吸熱反応によって断熱容器３が緊急的に冷却されるので、断熱容器３が過熱している時間を必要最小限に抑えることができる。

また、吸熱剤５が吸熱反応するために用いる水１５は、燃料電池５９や触媒燃焼器７３で生成された水であるから、別途水を予め準備しておかなくても済む。特に、水容器６内の水は改質反応のために循環しているものであり、その循環水を吸熱剤５の吸熱反応のために用いているから、燃料電池システム５０の構成が複雑にならない。

＜第２の実施の形態＞
図３は、断熱装置１Ａをマイクロリアクタ２とともに示した概略断面図である。図４は、この断熱装置１Ａ及びマイクロリアクタ２を用いた燃料電池システム５０Ａの構成を示したブロック図である。図１〜２と図３〜４との間で互いに対応する構成要素には同一の符号を付す。図１〜２と図３〜４との間で互いに対応する構成要素は、以下に説明することを除いて同様に設けられている。

図３〜４に示された断熱装置１Ａにおいては、吸熱剤５が熱溶融性のカプセル２５に封入されている。そして、吸熱剤５が封入されたカプセル２５が第２容器４に収容されている。

このカプセル２５の融点は、第１実施形態においてポンプ１９が作動する温度（閾値α：例えば、１００℃）以上である。このカプセル２５は不水溶性の材料からなり、具体的にはデンプン類、ゼラチン類、寒天類の中から選択された少なくとも一種による水親和性天然高分子からなる。なお、カプセル２５が熱により昇華する昇華剤からなるものでもよく、その昇華温度は閾値α以上である。

図３〜４に示された断熱装置１Ａには、図１〜図２に示された断熱装置１と異なり、水供給器７やパイプ１８が設けられていないので、水容器６内の水が第２容器４に供給されない。その代わり、第２容器４内には水２６が貯留されている。水２６は、予め第２容器４に貯留されたものでもよいし、図４に示された燃料電池システム５０Ａの各部で生成されて液化したものであってもよい。燃料電池システム５０Ａの各部で生成された生成水が第２容器４内の水２６として貯留される場合について図４を用いて説明する。

第２容器４は、凝縮器６１の下流であって水容器６の上流に設けられている。そのため、凝縮器６１で液化した水は他の生成物とともに第２容器４に送られ、第２容器４内に貯留される。また、凝縮器６１で液化した水の一部は第２容器４内に貯留されずに、他の生成物とともに水容器６にも送られる。このようにして、燃料電池５９のカソード５６のオフガスに含まれる水は凝縮器６１及び第２容器４を介して水容器６に収容される。触媒燃焼器７３から送出されるガスに含まれる水も凝縮器６１及び第２容器を介して水容器６に収容される。そして、ポンプ６０によって水が循環する。

図３に示すように、第２容器４と凝縮器６１を連結するパイプ２７の内直径はカプセル２５の直径よりも小さく、第２容器４と水容器６を連結するパイプ２８の内直径もカプセル２５の直径よりも小さい。そのため、第２容器４内のカプセル２５は第２容器４から流出しない。

次に、制御回路１２の制御動作、それに伴う断熱装置１Ａ及び燃料電池システム５０Ａの動作について説明する。
発電時においては、制御回路１２の制御は第１実施形態の場合と同様である。そのため、気化器５３では液体燃料と水が気化され、改質器７１では燃料が水素に改質され、一酸化炭素除去器７２では一酸化炭素が除去され、燃料電池５９では発電が起こり、触媒燃焼器７３では未反応の水素等が燃焼し、凝縮器６１では水が凝縮し、凝縮した水が第２容器４や水容器６に貯まっていき、排ガスが気液分離膜１７を透過して排出される。

そして、発電中に断熱容器３の温度が上昇していき、温度センサ１１の検出温度が閾値α以上になったら、制御回路１２が燃料ポンプ５２、ポンプ６０、エアポンプ５４を停止するとともに、温度依存性抵抗ヒータ７４〜７６への電力供給も停止する。

一方、断熱容器３の昇温に伴い、第２容器４や内部の水２６・カプセル２５も昇温する。そして、断熱容器３が過熱すると、カプセル２５が溶融する。そうすると、カプセル２５内の吸熱剤５が水２６と反応して吸熱する。そして、第２容器４と断熱容器３との間で熱交換することによって、断熱容器３が冷却される。
なお、断熱容器から第２容器に熱伝導することにより、断熱容器の過熱した状態を抑制することができるのであれば、第２容器と断熱容器とが直接接している必要はなく、第２容器と断熱容器とが接着剤で接着されていても良い。また、第２容器と断熱容器とを熱伝導可能に近接して配置したり、また、第２容器と断熱容器との間に空気よりも熱伝導率の高い他の部材を介在するようにしてもよい。

上述の通り、本実施形態では、水供給器７やパイプ１８、温度センサ１１が不要であるため、燃料電池システムを簡略化することができる。また、断熱容器３の温度上昇に伴って自動的に吸熱を行うので、電気的制御が不要であり、断熱容器３の過熱したときに、より確実に冷却することができる。
なお、第２容器４内に貯留された水２６が少ないことも考えられるので、図５に示すように、第１実施形態の場合と同様に、水供給器７やパイプ１８が設けられ、温度センサ１１による検出温度が閾値α以上となった場合に、制御回路１２が水供給器７を制御して、水供給器７によって水容器６内の水が第２容器４に供給されるものとしてもよい。

本実施形態においても、仮に断熱容器３が過熱するようなことが生じたとしても、カプセル２５から出てきた吸熱剤５の吸熱反応によって断熱容器３が緊急的に冷却されるので、断熱容器３が過熱している時間を必要最小限に抑えることができる。また、第２容器４内の水２６は、燃料電池５９や触媒燃焼器７３で生成された水であるから、別途水を予め準備しておかなくても済む。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、上記各実施形態に対して種々の設計変更を行ってもよい。
例えば、改質器７１、一酸化炭素除去器７２及び触媒燃焼器７３が断熱容器３とは別の断熱容器に収容され、燃料電池５９が断熱容器３内に収容されてもよい。燃料電池５９が断熱容器３内に収容されている場合においても、燃料電池５９は水素と酸素の電気化学反応により発熱するので、燃料電池５９がその定常状態とある程度乖離した高温になって、断熱容器３が過熱すると、第２容器４に収容された吸熱剤５と水が吸熱反応することにより冷却されるとともに、第２容器４と断熱容器３との間で熱交換することによって、第１実施形態又は第２実施形態の場合と同様に断熱容器３が冷却される。

図１は、第１実施形態における断熱装置をマイクロリアクタとともに示した断面図である。 図２は、図１に示された断熱装置を用いた燃料電池システムの構成を示したブロック図である。 図３は、第２実施形態における断熱装置をマイクロリアクタとともに示した断面図である。 図４は、図３に示された断熱装置を用いた燃料電池システムの構成を示したブロック図である。 図５は、変形例の断熱装置を用いた燃料電池システムの構成を示したブロック図である。

符号の説明

１、１Ａ 断熱装置
２ マイクロリアクタ
３ 断熱容器
４ 第２容器
５ 吸熱剤
６ 水容器
７ 水供給器
１１ 温度センサ
１２ 制御回路
１５、２６ 水
２５ カプセル
５０、５０Ａ 燃料電池システム
５９ 燃料電池
７１ 改質器
７２ 一酸化炭素除去器
７３ 触媒燃焼器
７４〜７６ 温度依存性抵抗ヒータ

Claims (19)

1. 発熱する熱源を収容した断熱容器と、
   前記断熱容器から熱伝導可能に配置された第２容器と、
   前記第２容器に収容され、水と反応して吸熱する吸熱剤と、
   前記第２容器に水を供給する水供給器と、
   前記断熱容器の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部の検出温度が所定閾値以上となった場合に、前記水供給器に水供給を行わせる制御部と、を備え、
   前記吸熱剤が吸熱するときに前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする断熱装置。
2. 前記吸熱剤は、熱溶融又は熱昇華するカプセルに封入されていることを特徴とする請求項１に記載の断熱装置。
3. 発熱する熱源を収容した断熱容器と、
   前記断熱容器から熱伝導可能に配置され、水を収容する第２容器と、
   前記第２容器に収容され、熱溶融又は熱昇華するカプセルと、
   前記カプセルに封入され、水と反応して吸熱する吸熱剤と、を備え、
   前記吸熱剤が吸熱するときに前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする断熱装置。
4. 前記断熱容器と前記第２容器とが接することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の断熱装置。
5. 燃料を水素に改質する改質器と、
   熱を発して前記改質器を加熱する加熱器と、
   前記改質器で生成された水素と酸素の電気化学反応により発電し、水を生成する燃料電池と、
   前記改質器及び前記加熱器を収容した断熱容器と、
   前記断熱容器から熱伝導可能に配置された第２容器と、
   前記第２容器に収容され、水と反応して吸熱する吸熱剤と、
   前記第２容器に水を供給する水供給器と、
   前記断熱容器の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部の検出温度が所定閾値以上となった場合に、前記水供給器に水供給を行わせる制御部と、を備え、
   前記吸熱剤が吸熱するときに前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする燃料電池システム。
6. 前記吸熱剤は、熱溶融又は熱昇華するカプセルに封入されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 水を収容する水容器を更に備え、
   前記水供給器が前記水容器内の水を前記第２容器に供給することを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池のオフガスに含まれる水が前記水容器に収容されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記加熱器が、前記燃料電池のオフガスを燃焼させる燃焼器であり、
   前記燃焼器から送出されたガスに含まれる水が前記水容器に収容されることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池のオフガスに含まれる水が前記第２容器に送られることを特徴とする請求項７〜９の何れか一項に記載の燃料電池システム。
11. 前記加熱器が、前記燃料電池のオフガスを燃焼させる燃焼器であり、
    前記燃焼器から送出されたガスに含まれる水が前記第２容器に送られることを特徴とする請求項７、８又は１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記断熱容器と前記第２容器とが接することを特徴とする請求項５〜１１のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
13. 燃料を水素に改質する改質器と、
    熱を発して前記改質器を加熱する加熱器と、
    前記改質器で生成された水素と酸素の電気化学反応により発電し、水を生成する燃料電池と、
    前記改質器及び前記加熱器を収容した断熱容器と、
    前記断熱容器から熱伝導可能に配置され、水を収容する第２容器と、
    前記第２容器に収容され、熱溶融又は熱昇華するカプセルと、
    前記カプセルに封入され、水と反応して吸熱する吸熱剤と、を備え、
    前記吸熱剤が吸熱するときに前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする燃料電池システム。
14. 前記加熱器が、前記燃料電池のオフガスを燃焼させる燃焼器であり、
    前記第２容器に供給される水が、前記オフガスに含まれるか又は前記オフガスの燃焼により生成されたものであることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記断熱容器と前記第２容器とが接することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の燃料電池システム。
16. 発熱する熱源を収容した断熱容器が過熱したら、前記断熱容器から熱伝導可能に配置された第２容器内で吸熱剤と水の吸熱反応を起こして、前記断熱容器から前記第２容器へ熱伝導することを特徴とする断熱容器の冷却方法。
17. 前記断熱容器が過熱したら、前記第２容器内に水を供給して、その水と前記吸熱剤の吸熱反応を起こすことを特徴とする請求項１６に記載の断熱容器の冷却方法。
18. 前記断熱容器が過熱したら、前記吸熱剤が封入されているとともに熱溶融又は熱昇華するカプセルをその熱により溶融又は昇華させて、前記吸熱剤と水の吸熱反応を起こすことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の断熱容器の冷却方法。
19. 前記断熱容器と前記第２容器とが接することを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の断熱容器の冷却方法。

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