JP2000512424A - 燃料セル発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 システム内へ周りの空気を引き込むインジェクタ（５）を通って燃料ガス（２）が供給される小型のセラミック燃料セルシステムである。空気／燃料ガスの混合気は接触酸化装置（８）内を通され、そのことによって加熱され且つ燃料セル（９）を加熱する。空気と燃料ガスは、燃料セルで反応して電気出力を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】 燃料セル発電システム 本発明は、電源に関するものである。 主電源を取ることのできない電気設備に対して、電力供給を可能にしなければ ならない状況は数多くある。例えば、電力供給は、通信設備、電子センサ及びそ の他のデバイス、小型モータや照明に必要とされる。そのような装置の多くはミ リワットまたはデカワットの電力を要し、過去において、そのような状況に対す る選択は電池しかなかった。電池は、それら装置の使用にとって大きな欠点とな る定期的交換を必要とする。 プラチナ製の電極を有するセラミック電解質を備えた電子センサは知られてい る。残念ながら、それらは一般にミリワットの電力しか発生せず、多くの適用に 対して小さ過ぎる。 本発明の目的は、電源として、電池に代る燃料セルシステムを提供することに ある。 本発明によれば、燃料ガス源と、燃料ガスの酸化によって接触酸化装置が加熱 されるように空気／燃料ガスの混合気を接触酸化装置へ分配する手段と、接触酸 化装置の加熱の結果として熱せられるように配置された燃料セルと、燃料セルへ 空気と燃料ガスを分配する手段と、空気と燃料を供給されて加熱されるときに電 気出力を発生する燃料セルとを備えた電力源が提供される。 この電力源は、壜から、あるいはその他の利用できる燃料ガス源から燃料ガス が供給される。この燃料ガス源は、接触酸化装置に接続された導管内へ周囲の空 気を引き込むように配置されたインジェクタに接続され、その空気と燃料ガスは 導管内で混合される。好ましくは、接触酸化装置は、導管内の燃料セルの上流側 に直列に接続される。 さらに接触酸化装置は、残りの全ての燃料ガスを消費するように、燃料セルの 下流側に設けられる。燃料セルは、燃料ガスが中を通る一本もしくはそれ以上の セラミックチューブで形成される。その接触酸化装置もしくはそれぞれの接触酸 化装置は、プラチナ触媒を支持する多孔性のセラミックファイバの塊から形成さ れる。 硫黄吸収フィルタが、接触酸化装置の上流側に設けられてもよく、接触酸化装 置および燃料セルは断熱ジャケット内に配置されてもよい。 本発明の一実施形態をについて、添付図面を参照して例示する方法により以下 に説明する。 図は、０．５ボルトの出力電圧で３０ｍＡの電流を出力できる本発明の実施例 を模式的に示している。燃料ガスは、ＬＰＧまたはＬＮＧの容器（図示せず）か らパイプ１を経て矢印２で示すように供給される。気体の如何なる炭化水素燃料 も使用できる点が好都合である。ガスの供給はバルブ３によって制御され、バル ブ開のときガスがフィルタ４およびインジェクタ５を通って導管６内へ通る。フ ィルタは、装置の運転を中断させる硫黄のような好ましくない成分を取り除く。 フィルタは、モリブデンを含む硝子繊維の栓であってもよく、あるいはガスから 硫黄を吸収することのできる他の小球とすることもできる。 導管６には開口７が形成されている。インジェクタ５から発生する燃料ガスの 流れはベンチュリ効果をもたらして、制御された量の大気を開口７から導管６内 へ引き込む。空気および燃料ガスは導管内で混合され、プラチナ触媒を含んで大 表面積を有する多孔性の栓を通過する。燃料ガスと空気の混合物は反応し、結果 として栓８が加熱され、栓と装置の残りの部分を通るガスを加熱する。栓８、開 口７、および燃料ガスの流速は、栓８から出てくるガスが実質的に酸素を含まな いように選択される。 加熱されたガスは、栓８から、端子１０に接続された１対のセラミック燃料セ ルチューブ９内へ通る。チューブ９と、触媒栓８を組み込んだ導管の部分とが、 絶縁体１１によって規定されて一端が開放されているハウジング内に配置される 。この系から熱が漏れる率は限られているが、絶縁ハウジング１１内に規定され る空間は、空気をチューブ９の周りの領域内へ容易に抜き取れるようにするには 十分なものである。このように、チューブは、それらが燃料セルとして作用する のに十分な温度に保たれ、電圧は、チューブ９内の燃料ガスとチューブ９の周り の酸素との間の電子化学反応の結果として伸ばされる。 プラチナを含む大表面積のセラミックの別の栓１２が、チューブ９の開放端に 隣接して配置されており、チューブ９から出てくる全ての残りの燃料ガスはさら に反応する。したがって、このアセンブリからリークする燃料ガスはない。 上述の装置においては、アセンブリ自体が、燃料セルの運転に必要な運転温度 にまで自分で加熱し、その運転を確立するための別の熱源を必要としない点が好 ましい。さらには、如何なる外部電力源も加圧空気源ないし酸素源も設ける必要 がない。 チューブ９は、国際特許出願ＧＢ９４／００５４９明細書に述べられたタイプ のものとすることができる。セラミックは、良好なイオン伝導率を与えるイット リアがドープされた酸化ジルコニウムが好適である。しかし、他のセラミック電 解質も用いることができ、それらにはセリアやガドリニア、あるいはその他の酸 化物が含まれる。さらには、スカンディアやマグネシア、或いはカルシアを含む 他のドーパントも使用できる。種々のタイプの電極および集電器構造がチューブ のために用いられ得るものであり、例えば、上述した国際特許出願の中で述べら れているものの一つを用いることができる。プラチナは、その長寿命ゆえに電極 には好ましい材料であるが、プラチナや他の金属の合金も使用できる。金や銀の 合金は、或る条件のもとでは十分に満足なものである。亜マンガン酸塩、ストロ ンチウム、ランタンのようなペロブスキー石は、性能向上のために、チューブに よって規定される陰極表面上に用いることもできる。ランタン、ストロンチウム 、亜クロム酸塩、成いは他の安定な酸化物も、性能向上のために、陽電極表面上 に用いることもできる。 栓８および１２を規定するように用いられている触媒材は、塩化白金酸から出 る（deposited）５重量％のプラチナで充填され（loaded）て大表面積を有する サフィル（saffil）アルミナ繊維から作られてもよい。或いは、触媒効果を与え るために白金黒でコーティングされた金属メッシュであってもよい。 崩壊しやすい硫黄（potentially disruptive sulphur）をガス流から除去する フィルタ５は、モリブデンまたは他の適当な粒状物を含んでいるガラス繊維で作 られてもよい。 添付図面に示された装置の例は、サフィル（saffil）触媒グレードのアルミナ 繊維に、５重量％のプラチナと等価なＨ₂ＰｔＣ₁₆を充填することによって与え られた。これは、６００℃に下がる大気の中で乾燥され且つ加熱された。１ｇの この触媒物質が、アルミナの支持チューブの状態にされたチューブを形成するよ うに、金属メッシュの間で巻かれた。天然ガスが、チューブ内に空気を引き込む ようにインジェクタを通過した。触媒は熱くなって７００℃で安定した。ジルコ ニアの燃料セルチューブは、Ａｇ／Ｐｄ陽極およびランタン・ストロンチウム・ 亜マンガン酸塩陰極と銀ワイヤ集電器とを備えたジルコニア燃料セルチューブが 、加熱された触媒の下流側の高温領域内に挿入されて天然ガスが供給された。燃 料セルは３０ｍＡで０.５ボルトを生じた。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年８月１３日（１９９８．８．１３） 【補正内容】 請求の範囲 １．接触酸化装置の加熱が燃料セルの加熱をもたらすように、断熱ジャケット内 で互いに隣接して配置された燃料セルと接触酸化装置と、中で、上記接触酸化装 置と燃料セルとが直列に接続されているガス流路を規定する手段と、上記燃料ガ スの酸化によって上記接触酸化装置が加熱されるように、且つその結果物として 酸素が消尽されたガスが燃料セルに直接分配されるように、空気／燃料の混合物 を上記流路に分配する手段と、上記燃料セル内における燃料ガスの燃焼の結果と して電気出力を発生する手段と、を備えた電力源。 ２．上記燃料ガス源は、上記ガス流路に接続された導管内へ、周りの空気を引き 込むように配置されたインジェクタに接続されており、該空気と燃料ガスが該導 管内で混合される請求項１記載の電力源。 ３．上記燃料セルの下流側で上記ガス流路内に、接触酸化装置がさらに設けられ た請求項１または２記載の電力源。 ４．上記燃料セルが、少なくとも一つのセラミックチューブで規定される請求項 １ないし３のいずれかに記載の電力源。 ５．上記チューブまたは各チューブが、イットリアがドープされた酸化ジルコニ ウムから形成される請求項４記載の電力源。 ６．プラチナ触媒を支持する多孔性のセラミック繊維の塊から形成される接触酸 化装置をさらに備えている請求項１ないし５のいずれかに記載の電力源。 ７．上記接触酸化装置の上流側に硫黄吸収フィルタを備えている請求項１ないし ６のいずれかに記載の電力源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃料ガス源と、燃料ガスの酸化によって接触酸化装置が加熱されるように空 気／燃料ガスの混合気を接触酸化装置へ分配する手段と、接触酸化装置の加熱の 結果として熱せられるように配置された燃料セルと、燃料セルへ空気と燃料ガス を分配する手段と、空気と燃料の混合物を供給されて加熱されるときに電気出力 を発生する燃料セルとを備えた電力源。 ２．上記燃料ガス源は、上記接触酸化装置に接続された導管内へ、周りの空気を 引き込むように配置されたインジェクタに接続されており、該空気と燃料ガスが 該導管内で混合される請求項１記載の電力源。 ３．上記接触酸化装置が、上記燃料セルの上流側に直列に接続される請求項１ま たは２記載の電力源。 ４．上記燃料セルの下流側に、さらに接触酸化装置が設けられる請求項３記載の 電力源。 ５．上記燃料セルが、少なくとも一つのセラミックチューブで規定される請求項 １ないし４のいずれかに記載の電力源。 ６．上記チューブまたは各チューブが、イットリアがドープされた酸化ジルコニ ウムから形成される請求項５記載の電力源。 ７．プラチナ触媒を支持する多孔性のセラミック繊維の塊から形成される接触酸 化装置をさらに備えている請求項１ないし６のいずれかに記載の電力源。 ８．上記接触酸化装置の上流側に硫黄吸収フィルタを備えている請求項１ないし ７のいずれかに記載の電力源。 ９．上記接触酸化装置および燃料セルが、断熱ジャケット内に収納されている請 求項１ないし８のいずれかに記載の電力源。 １０．添付図面を参照して実質的にここに述べられた電力源。