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JP2008091095A - 化学反応システムおよび燃料電池システム - Google Patents

化学反応システムおよび燃料電池システム Download PDF

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Abstract

【課題】高温反応装置から低温反応装置に移動させる熱量を調整することができる化学反応システムを提供すること目的とする。また、燃料電池で発電した電力を外部機器で有効に利用することができる燃料電池システムを提供すること目的とする。
【解決手段】高温反応器２０と、この高温反応器２０よりよりも低温で反応を行う低温反応器３０と、高温反応器２０と低温反応器３０との間を伝熱可能に連結し、伝熱する断面積を変化させることで、高温反応器２０から低温反応器３０へ移動する熱量を調整可能な伝熱量調整機構４０を備えた熱伝導連結部材５０とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばノートパソコン、デジタルカメラ、ハンディーカメラなどの小型電子機器に適用される化学反応システムよび燃料電池システムに関する。
従来、燃料を水素リッチなガスに改質する改質器などの高温反応装置は、必要な熱量を電熱ヒータを用いて加熱して温度の制御を行っていた（例えば、特許文献１参照。）。また、従来、高温反応装置と低温反応装置を熱伝導連結部材で連結し、高温反応装置からの熱量を低温反応装置に移動させて、低温反応装置を加熱する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−８８７５４号公報 特開２０００−１５４００１号公報
しかしながら、例えば、従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池で発電した電力の一部が改質器の温度を制御するための電熱ヒータで消費されるので、電子機器などの外部機器で利用できる電力量が少なくなるなどの問題があった。また、従来の高温反応装置からの熱量を低温反応装置に移動させる構成を備えるシステムでは、移動させる熱量の調整を行うことができなかった。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高温反応装置から低温反応装置に移動させる熱量を調整することができる化学反応システムを提供すること目的とする。また、燃料電池で発電した電力を外部機器で有効に利用することができる燃料電池システムを提供すること目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、高温反応器と、前記高温反応器よりも低温で反応を行う低温反応器と、前記高温反応器と前記低温反応器との間を伝熱可能に連結し、伝熱する断面積を変化させることで、前記高温反応器から前記低温反応器へ移動する熱量を調整可能な伝熱量調整機構を備えた熱伝導連結部材とを具備することを特徴とする化学反応システムが提供される。
また、本発明の一態様によれば、燃料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する高温反応器と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる、前記高温反応器よりも低温で反応を行う低温反応器と、前記低温反応器から排出された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される未反応ガスを燃焼させる燃焼器と、前記高温反応器と前記低温反応器との間を伝熱可能に連結し、伝熱する断面積を変化させることで、前記高温反応器から前記低温反応器へ移動する熱量を調整可能な伝熱量調整機構を備えた熱伝導連結部材と、前記高温反応器または前記燃焼器の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段で検知された温度に基づいて、前記燃料電池における発電量を制御して、前記燃料電池から排出される未反応ガス中の水素量を変化させる制御装置とを具備することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
さらに、本発明の一態様によれば、燃料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する高温反応器と、前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる、前記高温反応器よりも低温で反応を行う低温反応器と、前記低温反応器から排出された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される未反応ガスを燃焼させる燃焼器と、前記高温反応器と前記低温反応器との間を伝熱可能に連結し、伝熱する断面積を変化させることで、前記高温反応器から前記低温反応器へ移動する熱量を調整可能な伝熱量調整機構を備えた熱伝導連結部材と、前記高温反応器または前記燃焼器の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段で検知された温度に基づいて、前記高温反応器に供給する前記燃料の流量を制御して、前記燃料電池から排出される未反応ガス中の水素量を変化させる制御装置とを具備することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
本発明に係る化学反応システムによれば、高温反応装置から低温反応装置に移動させる熱量を調整することができる。また、本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池で発電した電力を外部機器で有効に利用することができる。
以下、本発明の一実施の形態について図を参照して説明する。
（化学反応システム１０）
図１は、本発明に係る一実施形態の化学反応システム１０を模式的に示す斜視図である。図２は、化学反応システム１０における伝熱量調整機構４０を備える熱伝導連結部材５０の断面を模式的に示した図である。図３は、熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面と、熱伝導嵌合部材４１の表面との接触面の断面を模式的に示す図である。図４および図５は、化学反応システム１０における熱伝導連結部材５０および伝熱量調整機構４０の断面を模式的に示した図である。図６〜図９は、化学反応システム１０における他の構成の熱伝導連結部材５０および伝熱量調整機構４０の断面を模式的に示した図である。
図１に示すように、化学反応システム１０は、高温反応器２０と、低温反応器３０と、伝熱量調整機構４０を備える熱伝導連結部材５０とから主に構成されている。
高温反応器２０は、高温で反応を行う反応器であり、例えば燃料電池システムにおける燃焼器や改質器などが例示される。
低温反応器３０は、高温反応器２０よりよりも低温で反応を行う反応器であり、例えば燃料電池システムにおける、改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を低減させるＣＯ変成器などが例示される。
なお、ここでは、高温反応器２０および低温反応器３０を備える化学反応システムの具体例として、燃料電池システムにおける燃焼器や改質器、ＣＯ変成器などを例示したが、これらに限定されるものではない。そして、高温反応器２０と、この高温反応器２０よりも低温で反応を行う低温反応器３０とを備えるシステムであれば、本発明に係る化学反応システムを構成することができる。
熱伝導連結部材５０は、高温反応器２０と低温反応器３０との間を伝熱可能に連結し、高温反応器２０からの熱量を低温反応器３０へ移動するものである。また、熱伝導連結部材５０には、高温反応器２０と低温反応器３０との間に、伝熱方向に交わる方向に溝部５１が形成されている。ここで、溝部５１が形成される方向である、伝熱方向に交わる方向は、伝熱方向である、熱伝導連結部材５０の長手方向（高温反応器２０の接続部から低温反応器３０の接続部へ向かう方向）に交わる方向であればよく、例えば 図１に示すように、伝熱方向に垂直な方向でもよい。また、溝部５１の形状は、この溝部５１に嵌合する伝熱量調整機構４０の形状に対応しており、溝部５１の断面形状は、特に限定されるものではないが、溝部５１に伝熱量調整機構４０を嵌合したしたときに、溝部５１の表面と、この表面に接触する伝熱量調整機構４０の表面との接触面積が大きいことが好ましく、例えば、図２に示すように、溝部５１の断面形状は台形などに形成される。
伝熱量調整機構４０は、熱伝導連結部材５０の溝部５１に嵌合可能な柱状の熱伝導嵌合部材４１と、温度に基づいて熱伝導嵌合部材４１を熱伝導連結部材５０の溝部５１に嵌合させて押圧する温度感応部材４２とから構成されている。
熱伝導連結部材５０の溝部５１と嵌合する熱伝導嵌合部材４１の嵌合部４１ａの断面形状は、溝部５１の形状に対応して形成されている。熱伝導嵌合部材４１と熱伝導連結部材５０とは、温度感応部材４２を用いて接続される。温度感応部材４２の一方の端は固定端、他方は自由端となるように接続されている。例えば、熱伝導嵌合部材４１の上部側面には、温度感応部材４２の一端と係合する係合溝４１ｂが熱伝導嵌合部材４１の長手方向に沿って形成されている。
温度感応部材４２の一端は、例えば、ネジ止めや溶接などにより熱伝導連結部材５０に固着されている。一方、温度感応部材４２の他端は、例えば熱伝導嵌合部材４１の溝部５１への嵌合や溝部５１からの離脱にともなう上下方向への移動を容易に行えるように、係合溝４１ｂに固定せずに係合された自由端となっている。また、この温度感応部材４２の他端を熱伝導嵌合部材４１の係合溝４１ｂに係合させることで、温度感応部材４２は熱伝導嵌合部材４１を支持可能となる。この温度感応部材４２は、温度によって変形する材料で構成され、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１に嵌合させて押圧するように変形、すなわち、図２においては熱伝導嵌合部材４１を下方に移動させるように変形したり、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１から離す方向に変形、すなわち、図２においては熱伝導嵌合部材４１を上方に移動させるように変形したりする。また、温度感応部材４２は、熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面と熱伝導嵌合部材４１の表面との接触面における接触熱抵抗を小さくするために、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１に押圧可能な材料で構成されることが好ましい。具体的には、温度感応部材４２は、例えば、バイメタル、形状記憶合金などで構成される。
ここで、上記した熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面と熱伝導嵌合部材４１の表面との接触面について説明する。
図３に示すように、熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面および熱伝導嵌合部材４１の表面にはうねりや粗さが存在するため、熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面と熱伝導嵌合部材４１の表面との接触面は、固体どうしで接触している部分の他に、接触面の隙間に固体よりも熱伝導率の小さな空気による空隙Ａが介在する。このように、接触面に空隙Ａが介在することで、熱抵抗となり、接触熱抵抗が大きくなる。
また、この接触熱抵抗Ｒは、一般に次の式（１）で表される（伝熱工学資料 改訂第４版、日本機械学会、ｐ３１参照）。
Figure 2008091095
ここで、λ１は溝部５１の表面材料の熱伝導率、λ２は熱伝導嵌合部材４１の表面材料の熱伝導率、λｆは接触面に介在する空気の熱伝導率、δ０は定数、δ１は溝部５１の表面で生じるジャンプ距離、δ２は熱伝導嵌合部材４１の表面で生じるジャンプ距離、Ｐは押し付け圧、Ｈは硬度（ビッカース硬度）である。
この接触熱抵抗Ｒは、熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面と熱伝導嵌合部材４１の表面との接触面における伝熱量を大きくするために、小さくすることが好ましい。上記した式（１）から、接触面における接触熱抵抗Ｒを小さくするために、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１に押圧し、押し付け圧（Ｐ）を増すことが好ましい。また、少なくとも、溝部５１の表面および熱伝導嵌合部材４１の表面を構成する材料は、熱伝導率が高く、押し付け圧（Ｐ）によって接触面積が増加する硬度の小さいものが好ましい。具体的には、溝部５１の表面および熱伝導嵌合部材４１の表面を、ビッカース硬度が１００以下の熱伝導性に優れた材料で構成することが好ましい。また、熱伝導率が５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料で構成することが好ましい。溝部５１の表面および熱伝導嵌合部材４１の表面を構成する材料として、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。例えば、このれらの材料を、溝部５１の表面および熱伝導嵌合部材４１の表面にコーティングすることで、硬度が小さく、熱伝導性に優れた表面を形成することができる。なお、熱伝導連結部材５０および熱伝導嵌合部材４１の全体をこれらの硬度が小さい材料で構成してもよい。
ここで、硬度が小さい、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅などで熱伝導連結部材５０および熱伝導嵌合部材４１の全体を形成した場合には、熱伝導率が高いため、実際に熱伝導させたい熱量以上の熱量が、高温側の高温反応器２０から低温側の低温反応器３０に伝導する可能性がある。また、伝熱量調整機構４０や熱伝導連結部材５０は、耐腐食、耐酸化材料で構成することが好ましい。そこで、伝熱量調整機構４０や熱伝導連結部材５０を構成する材料として、熱伝導率がアルミニウム、アルミニウム合金、銅などよりは小さく（熱伝導率：５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下）、耐腐食性および耐酸化性に優れたものを使用することが好ましい。具体的には、ステンレス鋼などが挙げられるが、これに限定されるものではない。このステンレス鋼は、上記したアルミニウム、アルミニウム合金、銅などに比べて硬度が大きく、接触熱抵抗が大きくなる可能性があるため、上記したように、熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面および熱伝導嵌合部材４１の表面を、アルミニウム、アルミニウム合金、銅などのビッカース硬度が１００以下の熱伝導性に優れた材料で構成することが好ましい。
ここで、ステンレス鋼などからなる、熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面および熱伝導嵌合部材４１の表面に、ビッカース硬度が１００以下の熱伝導性に優れた材料からなる層を形成する方法として、例えば成膜や電鋳などが挙げられる。
また、式（１）に示されるように、固体面端で生じるジャンプ距離が短くなるため、接触面の表面が平坦で、表面粗さが小さいほど接触熱抵抗Ｒは小さくなる。そのため、連結時に大きな熱量を伝えるためには、熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面、および熱伝導嵌合部材４１の表面は、表面粗さがＲａにて６．３以下望ましくは１．６以下、更に望ましくは０．２以下であると良い。
次に、化学反応システム１０における熱伝導連結部材５０の伝熱量調整機構４０の動作について説明する。
例えば、低温側の低温反応器３０の温度が所定の温度より低い場合、図４に示すように、温度感応部材４２は、その温度に感応して、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１に嵌合させて押圧するように変形、すなわち、熱伝導嵌合部材４１を下方に移動させるように変形する。この温度感応部材４２の変形によって、熱伝導嵌合部材４１は、溝部５１に嵌合され、かつ所定の圧力で溝部５１に押圧される。これによって、熱伝導連結部材５０の溝部５１が形成された部分における、熱量が移動する方向に対して垂直な断面積が増加し、高温側の高温反応器２０から低温側の低温反応器３０に移動する熱量が増加する。
一方、低温側の低温反応器３０の温度が所定の温度より高い場合、図５に示すように、温度感応部材４２は、その温度に感応して、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１から離脱させ、熱伝導嵌合部材４１と溝部５１とが接触しない方向に変形、すなわち、熱伝導嵌合部材４１を上方に移動させるように変形する。この温度感応部材４２の変形によって、熱伝導嵌合部材４１は、溝部５１との間に空隙を有する位置まで移動される。これによって、熱伝導連結部材５０の溝部５１が形成された部分における、熱量が移動する方向に対して垂直な断面積が減少し、高温側の高温反応器２０から低温側の低温反応器３０に移動する熱量が減少する。ここで、熱伝導嵌合部材４１が溝部５１から離脱されても、高温反応器２０と低温反応器３０との間は熱伝導連結部材５０によって伝熱可能に連結されているので、高温反応器２０から低温反応器３０への熱量の移動は常に生じている。
なお、例えば低温側の低温反応器３０の温度が所定の温度より高い場合や低い場合において、実際の温度と所定の温度との温度差が小さいときには、図５に示すように、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１との間に空隙を有する位置まで移動しなくても、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１に押し付ける押圧力を弱め、接触熱抵抗Ｒが増大する程度に温度感応部材４２を変形させてもよい。これによって、熱伝導させる熱量の微調整を行うことができる。
ここで、上記した一実施の形態では、低温反応器３０側に温度感応部材４２を設けた一例を示したが、例えば、高温反応器２０側に温度感応部材４２を設けてもよい。また、図６および図７に示すように、低温反応器３０側およびに高温反応器２０側の双方にそれぞれ温度感応部材４２、６０を設けてもよい。
低温反応器３０側およびに高温反応器２０側の双方にそれぞれ温度感応部材４２、６０を設けた場合における熱伝導連結部材５０の伝熱量調整機構４０の動作について説明する。
例えば、低温側の低温反応器３０の温度が所定の温度より低い場合、図６に示すように、温度感応部材４２、６０は、その温度に感応して、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１に嵌合させて押圧するように変形、すなわち、熱伝導嵌合部材４１を下方に移動させるように変形する。この温度感応部材４２、６０の変形によって、熱伝導嵌合部材４１は、溝部５１に嵌合され、かつ所定の圧力で溝部５１に押圧される。これによって、熱伝導連結部材５０の溝部５１が形成された部分における、熱量が移動する方向に対して垂直な断面積が増加し、高温側の高温反応器２０から低温側の低温反応器３０に移動する熱量が増加する。
一方、低温側の低温反応器３０の温度が所定の温度より高い場合、図７に示すように、温度感応部材４２、６０は、その温度に感応して、熱伝導嵌合部材４１を溝部５１から離脱させ、熱伝導嵌合部材４１と溝部５１とが接触しない方向に変形、すなわち、熱伝導嵌合部材４１を上方に移動させるように変形する。この温度感応部材４２、６０の変形によって、熱伝導嵌合部材４１は、溝部５１との間に空隙を有する位置まで移動される。これによって、熱伝導連結部材５０の溝部５１が形成された部分における、熱量が移動する方向に対して垂直な断面積が減少し、高温側の高温反応器２０から低温側の低温反応器３０に移動する熱量が減少する。ここで、熱伝導嵌合部材４１が溝部５１から離脱されても、高温反応器２０と低温反応器３０との間は熱伝導連結部材５０によって伝熱可能に連結されているので、高温反応器２０から低温反応器３０への熱量の移動は常に生じている。
また、温度感応部材４２、６０の温度特性によっては、それぞれの変形量が異なる場合があり、この温度特性の違いを有効に利用することができる。図８に示すように、例えば、低温側の低温反応器３０の温度が所定の温度より高い場合や低い場合において、実際の温度と所定の温度との温度差が小さいときには、高温反応器２０側の熱伝導嵌合部材６０を大きく変形させ、低温反応器３０側の熱伝導嵌合部材４１を小さく変形させように構成してもよい。これによって、熱伝導嵌合部材４１は、傾いた状態で溝部５１に接触することになり、熱伝導連結部材５０の溝部５１が形成された部分における、熱量が移動する方向に対して垂直な断面積が減少し、高温側の高温反応器２０から低温側の低温反応器３０に移動する熱量が減少する。これによって、熱伝導させる熱量の微調整を行うことができる。
また、同様に高温側の高温反応器２０の温度が所定の温度より高い場合や低い場合において、その温度に感応して熱伝導嵌合部材４１は変形し、これによって、高温反応器２０から移動する熱量は増加または減少する。
上記したように、本発明の一実施の形態に係る化学反応システム１０は、高温反応器２０と低温反応器３０との間を伝熱可能に連結し、伝熱する断面積を変化させることが可能な伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を備えることで、高温反応器２０から低温反応器３０に移動する熱量を調整することができる。
また、熱伝導連結部材５０の溝部５１の表面および熱伝導嵌合部材４１の表面を、ビッカース硬度が１００以下の熱伝導性に優れた材料で構成することで、接触熱抵抗を小さくすることができ、熱伝導を向上させることができる。
ここで、熱伝導連結部材５０において伝熱方向に交わる方向で、熱伝導連結部材５０の長手方向に複数の溝部５１を形成し、各溝部５１に対して伝熱量調整機構４０を備えてもよい。また、高温反応器２０と低温反応器３０との間に、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を複数並設してもよい。また、高温反応器２０と低温反応器３０との間に、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を複数並設した場合には、隣り合う熱伝導連結部材５０との間に、さらに伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を接続してもよい。
また、図９に示すように、熱伝導嵌合部材４１を、分割可能な複数の熱伝導嵌合体７０、７１を積層した構造で構成し、それぞれの熱伝導嵌合体７０、７１に対して温度感応部材７５、７６を設けて伝熱量調整機構４０を構成してもよい。なお、上記した実施の形態と同様に、温度感応部材７５、７６の一端は、例えば、ネジ止めや溶接などにより熱伝導連結部材５０に固着されている。一方、温度感応部材７５、７６の他端は、熱伝導嵌合部材４１の溝部５１への嵌合や溝部５１からの離脱にともなう上下方向への移動を容易に行えるように、熱伝導嵌合体７０、７１の長手方向に沿って形成された係合溝７０ｂ、７１ｂに、固定せずに係合された自由端となっている。このように、熱伝導嵌合部材４１を構成し、各熱伝導嵌合体７０、７１をそれぞれの温度感応部材７５、７６の温度に基づいて、個々に上下に移動可能に構成し、熱伝導連結部材５０の溝部５１が形成された部分における、熱量が移動する方向に対して垂直な断面積を調整してもよい。
また、温度感応部材７６は熱伝導連結部材５０に固定されている例について説明したが、熱伝導嵌合体７０に固定してもよい。
また、上記したように、熱伝導連結部材５０の長手方向に複数の伝熱量調整機構４０を備えること、高温反応器２０と低温反応器３０との間に、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を複数並設すること、または熱伝導嵌合部材４１を、分割可能な複数の熱伝導嵌合体７０、７１を積層した構造で構成することで、上記した本発明の一実施の形態に係る化学反応システム１０の効果と同様の効果を得られるとともに、高温反応器２０から低温反応器３０に移動する熱量の微調整をすることができる。
（燃料電池システム）
次に、本発明の一実施の形態に係る化学反応システム１０を燃料電池システム１００に応用した一例ついて、図を参照して説明する。
図１０は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成の概要を模式的に示す図である。
図１０に示すように、燃料電池システム１００は、断熱容器１１０内に改質器１２０、ＣＯ変成器１３０、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を備え、さらに、断熱容器１１０の外部に燃料電池１４０、燃料供給手段１５０、制御手段１６０が設けられている。
断熱容器１１０として、例えば、内壁部と外壁部との間に備えた密封空間を真空にした真空断熱容器などが用いられ、その一端側は開口している。燃料タンクなどの燃料供給手段１５０から改質器１２０へ燃料を供給するために、燃料供給手段１５０と改質器１２０は、配管などからなる燃料供給路１７０を介して接続されている。なお、燃料供給手段１５０から供給される燃料が液体燃料の場合には、断熱容器１１０内における燃料供給路１７０の一部に、燃料を気化させる気化器を介在させることが好ましい。
改質器１２０は、燃料供給手段１５０から供給された燃料を、例えば、３５０℃程度の高温下で水素を含有する改質ガスに改質するものである。この改質反応は吸熱反応であるので、必要な熱エネルギを補うために、改質器１２０は、燃料電池１４０からのオフガスを燃焼させる燃焼器１２１を備えている。さらに、改質器１２０には、改質器１２０に補助的に熱エネルギを供給したり、改質器１２０の温度の微調整を行うための電熱ヒータ１２２が備えられている。また、高温反応器である燃焼器１２１には、燃焼器１２１の温度を検知する熱電対やサーミスタ、白金測温抵抗体などの温度検知手段１６１が設けられている。なお、この温度検知手段１６１は、高温反応器である改質器１２０に設けられてもよい。
なお、改質器１２０は、熱損失を低減するためと、外部への熱害を防ぐために、断熱容器１１０の開口部から離れた奥の部分に配置されている。また、改質器１２０に備える構成要素は、上記各構成要素に限定されるものではなく、燃料から改質ガスに改質するものであれば、他の構成要素を追加したり、上記各構成要素の一部を省略したり、他の構成要素に置き換えたりした構成であってもよい。
ＣＯ変成器１３０は、改質器１２０からの改質ガスに含まれる、燃料電池１４０の電極触媒を被毒する一酸化炭素（ＣＯ）を除去するものであり、配管などからなる改質ガス導出路１７１を介して改質器１２０と接続されている。このＣＯ変成器１３０において、例えば２５０℃の温度下でＣＯを除去するＣＯ変成反応を生じさせる。また、高温反応器である改質器１２０と低温反応器であるＣＯ変成器１３０との間には、前述した伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０が配設されている。なお、熱伝導連結部材５０は、高温反応器である燃焼器１２１とＣＯ変成器１３０との間に配設されてもよい。また、ＣＯ変成器１３０には、ＣＯ変成器１３０に補助的に熱エネルギを供給したり、ＣＯ変成器１３０の温度の微調整を行うための電熱ヒータ１３１が備えられている。
燃料電池１４０は、供給された燃料と酸素との酸化還元反応により電気エネルギを発生するものであり、配管などからなる改質ガス排出路１７２を介してＣＯ変成器１３０と接続されている。ＣＯ変成器１３０においてＣＯが除去された改質ガスは、この改質ガス排出路１７２を介して燃料電池１４０の燃料極に供給される。また、燃料電池１４０は、燃料電池１４０からのオフガスを燃焼器１２１へ供給するための配管などからなるオフガス供給路１７３を介して燃焼器１２１と接続されている。さらに、燃料電池１４０は、燃料電池１４０において発電された電気エネルギを供給する電子機器１８０やバッテリなどの蓄電器１８１に電気的に接続されている。この蓄電器１８１を設けることによって、燃料電池１４０における発電量を変化させることができる。また、蓄電器１８１は、電熱ヒータ１２２、１３１と電気的に接続されている。
制御手段１６０は、温度検知手段１６１からの温度情報を入力し、その温度情報に基づいて、燃料電池１４０における発電量を制御または改質器１２０に供給する燃料の流量を制御して、燃料電池１４０から排出される未反応ガスであるオフガス中の水素量を変化さる制御を行う。そのため制御手段１６０は、温度検知手段１６１、蓄電器１８１、燃料供給路１７０に介在する燃料流量調節弁１５１と電気的に接続され、蓄電器１８１や燃料流量調節弁１５１などの動作を制御している。
ここで、燃料電池１４０における発電量の制御は、例えば、蓄電器１８１に蓄電する電気エネルギ量を変化させることで実現できる。例えば、外気温度が変化し断熱容器１１０の開口部から放熱される熱量が増加すると、熱伝導連結部材５０に設けられた伝熱量調整機構４０が作動し、高温反応器である改質器１２０や燃焼器１２１からＣＯ変成器１３０に移動する熱量が増加される。この動作によって、改質器１２０や燃焼器１２１において必要とする熱量が不足して温度が低下することがある。このように、高温反応器である燃焼器１２１または改質器１２０の温度の低下を検知したときは、制御手段１６０は、燃料電池１４０の発電量を下げ、蓄電器１８１に蓄電する電気エネルギ量を減少させる。これによって、燃料電池１４０から排出されるオフガスに含まれる水素量が増加し、燃焼器１２１から供給させる熱エネルギが増加して、改質器１２０の温度が上昇する。
また、改質器１２０に供給する燃料の流量の制御は、例えば、燃料供給路１７０に介在する燃料流量調節弁１５１を調整することで実現できる。上記した場合のように、例えば、高温反応器である燃焼器１２１または改質器１２０の温度の低下を検知したときは、制御手段１６０は、燃料流量調節弁１５１を徐々に開き、改質器１２０に供給する燃料の流量を増加させる。これによって、ＣＯ変成器１３０から燃料電池１４０に供給される改質ガスの流量が増加して、燃料電池１４０に過剰な改質ガスが供給されるので、燃料電池１４０から排出されるオフガスに含まれる水素量が増加する。そのため、燃焼器１２１から供給させる熱エネルギが増加し、改質器１２０の温度が上昇する。
なお、制御手段１６０において、燃料電池１４０における発電量の制御および改質器１２０に供給する燃料の流量の制御の双方の制御を適宜切り替えて行ったり、また同時に行ってもよい。
ここで、高温反応器である改質器１２０や燃焼器１２１と、低温反応器であるＣＯ変成器１３０との間に、単に熱伝導連結部材を備えた場合と、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を備えた場合とにおける、ＣＯ変成器１３０に備えられた電熱ヒータ１３１に必要な電気エネルギ量について説明する。なお、ここでは、改質器１２０や燃焼器１２１は３５０℃の温度で作動され、ＣＯ変成器１３０は２５０℃の温度で作動されている。
燃料電池システム１００は、生活環境の一般的な外気温度環境下で使用されるため、例えば０℃〜３５℃の環境下で熱バランスを維持しなければならない。この燃料電池システム１００は、外気温度が０℃の場合には、断熱容器１１０の開口部から６Ｗ程度の熱量が放熱され、外気温度が３５℃の場合には、断熱容器１１０の開口部から３Ｗ程度の熱量が奪われる構造となっている。
単に熱伝導連結部材を備えた場合において、断熱容器１１０の開口部にて放熱される最低熱量（外気温度が３５℃の場合の放熱量）である３Ｗを、３５０℃で作動している改質器１２０や燃焼器１２１から２５０℃で作動しているＣＯ変成器１３０に１００℃の温度差で伝熱するように設計したとする。この場合、外気温度が３５℃よりが低い環境下は、断熱容器１１０の開口部からの放熱量が多くなり、ＣＯ変成器１３０で不足する熱量（０〜３Ｗ）を電熱ヒータ１３１によって補わなければならない。
一方、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を備えた場合には、３５０℃で作動している改質器１２０や燃焼器１２１から２５０℃で作動しているＣＯ変成器１３０に１００℃の温度差にて伝熱させるときには、伝熱量調整機構４０によって、外気温度が０℃のときには６Ｗ程度の熱量が移動するように、外気温度が３５℃のときには３Ｗ程度の熱量が移動するように、伝熱量を調整することができる。そのため、外気温度が３５℃より低い環境下においても、上記した単に熱伝導連結部材を備えた場合のように、ＣＯ変成器１３０に備えられた電熱ヒータ１３１によって不足する熱量（０〜３Ｗ）を積極的に供給する必要がない。したがって、電熱ヒータ１３１は、例えば、ＣＯ変成器１３０の温度の微調整をするときなどの補助的な機能として利用される。
次に、上記した、単に熱伝導連結部材を備えた場合のように、ＣＯ変成器１３０を、電力エネルギを用いる電熱ヒータ１３１で加熱する場合と、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を備えた場合のように、燃料電池１４０から排出されるオフガスに含まれる水素量を制御して、燃焼器１２１からの熱エネルギによってＣＯ変成器１３０を加熱する場合における熱効率の比較を行う。
それぞれの場合における、改質器１２０およびＣＯ変成器１３０によって改質された改質ガス中の水素に対する熱エネルギへの変換効率は、次の式（２）および式（３）で表される。
Figure 2008091095
Figure 2008091095
例えば、ＣＯ変成器１３０の温度制御に最大３Ｗの熱量が必要になる場合には、上記した熱効率に基づくと、電力エネルギを利用するときには、５.２Ｗ（３Ｗ／０.５８）の熱量が必要となり、燃焼による熱エネルギを利用するときには、３.３Ｗ（３Ｗ／０.９２）の熱量が必要となる。このことから、燃焼による熱エネルギを利用するとき、すなわち、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０を備えたときには、最大で１.９Ｗの加熱量に相当する水素量を節約することができる。
上記したように、本発明の一実施の形態に係る燃料電池システム１００によれば、制御手段１６０によって、温度検知手段１６１からの温度情報に基づいて、燃料電池１４０における発電量を制御または改質器１２０に供給する燃料の流量を制御して、燃料電池１４０から排出される未反応ガスであるオフガス中の水素量を変化さることができる。これによって、燃焼器１２１で発生する熱エネルギの調整を行うことができる。また、このような燃焼器１２１で発生する熱エネルギの調整を行うとともに、高温反応器である改質器１２０や燃焼器１２１と低温反応器であるＣＯ変成器１３０との間を、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０で伝熱可能に連結することで、高温反応器から低温反応器に移動する熱量を調整することができる。
さらに、燃料電池システム１００では、燃料電池１４０から排出されるオフガスに含まれる水素量を制御して、燃焼器１２１からの変換効率に優れた熱エネルギを用いてＣＯ変成器１３０を加熱するので、伝熱ヒータを用いた場合に比べて、その加熱量に相当する水素量を節約することができる。
（実施例）
ここでは、高温反応器２０と低温反応器３０を単に熱伝導連結部材で連結した場合（比較例１）と、高温反応器と低温反応器を伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０で連結した場合（実施例１）とにおける外気温度と低温反応器３０の温度との関係を比較した。
図１１は、実施例１である、高温反応器２０と低温反応器３０を伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０で連結した場合における温度制御の計算モデルを示す図である。なお、ここでは、比較例１である、高温反応器２０と低温反応器３０を単に熱伝導連結部材で連結した場合における温度制御の計算モデルについては図示しないが、伝熱量調整機構４０を有しない以外は図１１に示した計算モデルと同じである。図１２は、外気温度と低温反応器３０の温度との関係を示す図である。
本実施例では、高温反応器２０の温度を３５０℃、低温反応器３０の温度を２５０℃として計算を行った。また、伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０においては、温度感応部材４２としてバイメタルを使用した場合を想定して計算を行い、さらにバイメタル変位量Ｄを次の式（４）で示される変位量として計算パラメータに用いた。なお、この計算には、上述した式（１）の接触熱抵抗Ｒも計算パラメータとして用いた。また、計算は電熱ヒータによる温度制御を行わない場合について行った。なお、高温反応器２０および低温反応器３０は、一端側が開口された断熱容器１１０内に配置されているものとして計算を行った。
Figure 2008091095
 ここで、Ｋはわん曲係数、ＴＨ−ＴＬは温度差、ｌは有効長、ｔは板厚である。
図１２に示すように、外気温度が０℃から４０℃の範囲において、実施例１の場合に比べて比較例１の場合は、外気温度の変化に対して放熱量が大きく変化し、その結果、低温反応器３０の温度が外気温度の変化に対して大きく変化することがわかった。一般的な低温反応器３０の運転条件として、目標温度に対して±５℃を許容温度としている。その許容温度に対応する外気温度の許容変化領域（ΔＴ）は、実施例１の場合には２８℃程度、比較例１の場合には１７℃程度であった。このことから、実施例１の場合、すなわち高温反応器２０と低温反応器３０を伝熱量調整機構４０を有する熱伝導連結部材５０で連結した場合には、外気温度の影響を受け難く、外気温度の許容変化領域（ΔＴ）を広くとることができることが明らかになった。
以上、本発明を実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
本発明に係る一実施形態の化学反応システムを模式的に示す斜視図。 本発明に係る一実施形態の化学反応システムにおける伝熱量調整機構を備える熱伝導連結部材の断面を模式的に示した図。 熱伝導連結部材の溝部の表面と熱伝導嵌合部材の表面との接触面の断面を模式的に示す図。 本発明に係る一実施形態の化学反応システムにおける熱伝導連結部材および伝熱量調整機構の断面を模式的に示した図。 本発明に係る一実施形態の化学反応システムにおける熱伝導連結部材および伝熱量調整機構の断面を模式的に示した図。 本発明に係る一実施形態の化学反応システムにおける他の構成の熱伝導連結部材および伝熱量調整機構の断面を模式的に示した図。 本発明に係る一実施形態の化学反応システムにおける他の構成の熱伝導連結部材および伝熱量調整機構の断面を模式的に示した図。 本発明に係る一実施形態の化学反応システムにおける他の構成の熱伝導連結部材および伝熱量調整機構の断面を模式的に示した図。 本発明に係る一実施形態の化学反応システムにおける他の構成の熱伝導連結部材および伝熱量調整機構の断面を模式的に示した図。 本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの構成の概要を模式的に示す図。 高温反応器と低温反応器を伝熱量調整機構を有する熱伝導連結部材で連結した場合における温度制御の計算モデルを示す図。 外気温度と低温反応器の温度との関係を示す図。
符号の説明
１０…化学反応システム、２０…高温反応器、３０…低温反応器、４０…伝熱量調整機構、４１…熱伝導嵌合部材、４２…温度感応部材、５０…熱伝導連結部材、５１…溝部。

Claims (9)

  1. 高温反応器と、
    前記高温反応器よりも低温で反応を行う低温反応器と、
    前記高温反応器と前記低温反応器との間を伝熱可能に連結し、伝熱する断面積を変化させることで、前記高温反応器から前記低温反応器へ移動する熱量を調整可能な伝熱量調整機構を備えた熱伝導連結部材と
    を具備することを特徴とする化学反応システム。
  2. 前記熱伝導連結部材が、前記高温反応器と前記低温反応器との間において、伝熱方向に交わる方向に溝部を有し、
    前記熱量調整機構が、前記熱伝導連結部材の溝部に嵌合可能な熱伝導嵌合部材、および温度に基づいて前記熱伝導嵌合部材を前記溝部に嵌合させて押圧する温度感応部材を有していることを特徴とする請求項１記載の化学反応システム。
  3. 前記温度感応部材の一端が前記熱伝導部材に固定され、他端が自由端であり前記熱伝導嵌合部材に係合、または前記温度感応部材の一端が前記熱伝導嵌合部材に固定され、他端が自由端であり前記熱伝導部材に係合していることを特徴とする請求項２記載の化学反応システム。
  4. 前記温度感応部材が、バイメタルまたは形状記憶合金で構成されていることを特徴とする請求項２または３記載の化学反応システム。
  5. 燃料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する高温反応器と、
    前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる、前記高温反応器よりも低温で反応を行う低温反応器と、
    前記低温反応器から排出された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される未反応ガスを燃焼させる燃焼器と、
    前記高温反応器と前記低温反応器との間を伝熱可能に連結し、伝熱する断面積を変化させることで、前記高温反応器から前記低温反応器へ移動する熱量を調整可能な伝熱量調整機構を備えた熱伝導連結部材と、
    前記高温反応器または前記燃焼器の温度を検知する温度検知手段と、
    前記温度検知手段で検知された温度に基づいて、前記燃料電池における発電量を制御して、前記燃料電池から排出される未反応ガス中の水素量を変化させる制御装置と
    を具備することを特徴とする燃料電池システム。
  6. 燃料を改質して水素を含有する改質ガスを生成する高温反応器と、
    前記改質ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させる、前記高温反応器よりも低温で反応を行う低温反応器と、
    前記低温反応器から排出された改質ガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される未反応ガスを燃焼させる燃焼器と、
    前記高温反応器と前記低温反応器との間を伝熱可能に連結し、伝熱する断面積を変化させることで、前記高温反応器から前記低温反応器へ移動する熱量を調整可能な伝熱量調整機構を備えた熱伝導連結部材と、
    前記高温反応器または前記燃焼器の温度を検知する温度検知手段と、
    前記温度検知手段で検知された温度に基づいて、前記高温反応器に供給する前記燃料の流量を制御して、前記燃料電池から排出される未反応ガス中の水素量を変化させる制御装置と
    を具備することを特徴とする燃料電池システム。
  7. 前記熱伝導連結部材が、前記高温反応器と前記低温反応器との間において、伝熱方向に交わる方向に溝部を有し、
    前記熱量調整機構が、前記熱伝導連結部材の溝部に嵌合可能な熱伝導嵌合部材、および温度に基づいて前記熱伝導嵌合部材を前記溝部に嵌合させて押圧する温度感応部材を有していることを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池システム。
  8. 前記温度感応部材の一端が前記熱伝導部材に固定され、他端が自由端であり前記熱伝導嵌合部材に係合、または前記温度感応部材の一端が前記熱伝導嵌合部材に固定され、他端が自由端であり前記熱伝導部材に係合していることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
  9. 前記温度感応部材が、バイメタルまたは形状記憶合金で構成されていることを特徴とする請求項７または８記載の燃料電池システム。
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