JP2001504980A - 水素燃料電池、熱電力発生器と触媒型バーナーを組み込んでいる複合型内蔵式加熱及び電力供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 燃料電池積層体（58）、熱電モジュール（40）とバーナー・モジュール（34）から成る電力供給装置。燃料電池積層体は、一次電源と二次熱源を発生させる。熱電モジュールは、二次電源を発生させる。バーナー・モジュールは、燃料電池積層体と熱電モジュールに対して並置されているので、一次熱をシステムに供給し、また熱電モジュールの全域に温度差を発生させ、燃料と燃料電池積層体に対する酸化剤を予め暖める。バーナー・モジュールは、与えられたシステムの温度を維持するためか、又は熱電力発生器により二次発電のために要求されたときに制御される。

Description

【発明の詳細な説明】 水素燃料電池、熱電力発生器と触媒型バーナーを組み込んでいる複合型内蔵式加 熱及び電力供給装置 発明の属する技術分野 本発明は、水素燃料の供給を受け、電力と熱を発生させるタイプの水素動力源 に関する。具体的には、本発明は、特に氷点下の環境に適合する複合型電力供給 装置に関する。 発明の背景 熱電力発生器、太陽電池パネル等光起電装置及び一次電池は、通常の電源が不 適切であるか又は利用できない遠隔地、機器のサービスと保守が限られている地 域又は燃料の輸送費がシステムの操業コストの大部分を占めるような遠隔地域で 、一次電源として使用される。遠隔地での応用の例として無人の通信中継器、航 路標識並びに気象及び海洋局が含まれる。上記の応用例においては、電源システ ムは、内蔵式で、信頼度が高いものでなければならない。大型（250KWより大き い）の定置施設及びスペースで使用されている燃料電池は、信頼性が無く、また 停止されたときの低温に対する影響に対する懸念のために、今日まで一般的に遠 隔地では使用されていない。 一般的に、燃料電池は、化学反応のエネルギーを電力に変換する装置である。 燃料電池は、燃料と酸化剤が供給されている間は、電力を生成することが出来る 点でバッテリーと異なる。燃料電池は、燃料と酸化剤を適当な２本の電極と電解 質に接触させることで起電力を生成する。水素ガスのような燃料は、第１電極に 導入され、該電極の所で、該燃料は、電解質の存在の下で電気化学的に反応して 、電子と陽イオンを該第１電極の中に生成する。電子は、電極相互間を連結する 電気回路を経由して第１電極から第２電極に循環する。陽イオンは電解質を介し て第２電極に通り抜ける。同時に、酸素ガス又は空気のような酸化剤は、第２電 極に導入され、該電極の所で、酸化剤は、電気回路と第２電極の所にある陽イオ ンを経由して循環する電子を消費しながら、電解質の存在の下で電気化学的に反 応 する。陰極の所で形成された陰イオンは、陽イオンと反応して、反応成生物を形 成する。第１電極を、酸化又は、燃料電極と、また第２電極を、酸化剤又は還元 電極と呼ぶことができる。２本の電極の所の半電池の反応は、それぞれ次のとお りである： H₂⇒2H⁺+2e^- 1/2O₂+2H⁺+2e^-⇒H₂O 外部の電気回路は、電流を取り出し、そこで電池から電力を受ける。全体的な 燃料電池の反応は、前記の別個の半電池の反応の合計である電気エネルギーを生 成する。水と熱は、一般的に反応の副産物である。 実際の応用に当たっては、燃料電池は、単一で運転されず、直列に接続され、 上下に積み重ねられるか又は横に並べて置かれる。燃料電池積層体と呼ばれる一 連の燃料電池は、普通はハウジングの中に納められる。燃料と酸化剤は、反応物 又は冷却媒体による冷却が行われながら、多岐管を経由して電極に直接向けられ る。また該積層体の中には、電流収集装置、電池対電池密封、絶縁体、配管、と 計器がある。積層体、ハウジングと関連ハードウエアは、燃料電池モジュールを 作り上げている。 燃料電池を、液体か固体かの電解質のタイプにより分類することができる。プ ロトン交換膜と呼ばれる固体の重合体のような固体電解質を使用する燃料電池は 、該膜が乾燥しているとき有効に作動しないので、水により湿気が保たれる。該 膜は、燃料電池の運転の間、該膜／電極組立体の各側を膜によって通過する反応 ガス、通常は水素と酸素ガスに水を加えることで常に湿気をもたせることが必要 である。 固体重合体燃料電池の中に使用されているプロトン交換膜は、電解質とまた同 時に諸反応ガスの混合を防ぐ隔壁として働く。適当な膜の例は、フッ化炭素基連 鎖とスルフォン基を含む酸を含有している共重合体過フッ化炭化水素材である。 この膜の分子形態には色々あるが、燃料電池が、完全に水和し、基本的に水で飽 和された状態と大気温度で作動される場合は、これらの膜を使用することで優れ た性能を得ることができる。従って、膜は、常に湿気を帯びさせなければならな い。更に、燃料電池積層体の温度は、凍結点以上で作動して、積層体の氷結を防 止しなければならない。 冷却、加湿と加圧の必要条件は、燃料電池のコストと複雑さを増大し、多くの 応用アスペクトでの代替エネルギー供給源としての該電池の商品価値を減ずる。 従って、燃料電池の研究の進歩により、燃料電池を、反応体の調整、流れ場を準 備することなく、通風と大気の状態で、使用可能な出力を維持しながら使用でき るようにすることができる。 燃料電池の現在の技術は、簡素化されたエアブレッシング即ち通風大気設計に 重点を絞ってはいるが、設計を更に複雑にする氷結点以下の温度の運転に対して 適切に取り組まれていない。例えば、熱交換器と熱遮断材と、更に追加の運転開 始、停止のための追加の制御プロトコルと反応体加湿装置が必要である。 触媒型バーナーは、加速された運動速度と高い温度であることを除いて、燃料 電池と同様の原理により運転される。例えば水素のような燃料は、例えば表面に 小量のプラチナを含んでいる、２個の反応体を分離するセラミック球のような触 媒床により誘導される速度で、酸素又は空気と直接接触することで酸化される。 化学反応の副産物は、燃料電池の副産物と同様である。即ち： 1/2O₂+H₂=H₂O+HEAT より高い反応体の消費速度とそれに伴う発熱は、プロトン／電子処理を通じて ではなく、直接接触を通じて反応が起こっているという事実を反映している。触 媒の燃焼は、無発火であり、燃料電池の「冷燃焼」の温度と裸火即ち開炎燃焼の 温度の間の温度で起こる。温度の輪郭を変化させるために、流量を脈流させたり 変調させたりすることができる。水素触媒燃焼には、それを開始させるための口 火や火花を必要としない。 熱電力発生器のペルチエ効果モジュールは、起電力（emf）電位が、モジュー ルの温度の温度差に比例するゼーベック効果を基礎として機能する。即ち： dE=αdT 通常使用されている一つの熱電エレメントは、MELCORにより製造された固相装 置である。 加熱された触媒型バーナーと氷点下以下の冷気又は熱電エレメントの冷却フィ ン側の間の温度差は、負荷を提供することができる低い電位の電流を生成する。 発電に当たって、燃料電池と熱電力発生器は、各々長短の特徴を持っている。 例えば、燃料電池と比較して、熱電力発生器は、燃料から得られる化学的エネル ギーの4%以下しか電力に変換しない、燃料の大部分を未使用の燃料のエネルギー として大気に排出し、電気的に非効率である。該発電機は、水素以外の燃料で運 転されるとき点火するためにまた花火又は点火源を必要とする。熱電の非常に低 い効率、低い出力と膨大な燃料電池の必要条件は、特に、山頂又は北極地方での 応用のような燃料を長距離で到達できない距離に輸送を必要とするような場合に その応用が出来ない。他方、熱電力発生器は、非常に信頼性があり、経済的であ り、運動部分を持たず、触媒型バーナーの発熱特性のために、寒冷な気候で運転 可能である。 それとは対照的に、燃料電池は、量販前の不確実性、限られた寿命と氷点より 非常に低い温度での自己発進の不能という欠点を持っている。停止直後の氷点以 下の温度は、積層体を凍結させ、構造部材と電極構成部品を破損する可能性があ る。他方、燃料電池は、燃料の科学的エネルギーを電力に変換するに当たって、 熱電の4%と比較して、40%から60%を変換する著しく高い効率を提供する。 別個に使用される、燃料電池、熱電力発生器又は触媒型バーナーは、市販され ている。例えばHamada他の米国特許第5,314,762号のような従来の技術例は、双 方が水素で運転され、バーナーが燃料を予熱するのに使用される触媒型バーナー と燃料電池の組合せを提供している。更にBromberg他の国際公開WO95/17021のよ うな従来の技術は、プラズマトロンと燃料電池との組合せを提供している。しか し、該従来の技術の何れも、極限の気候の中での、送電網無しの、発電の独特の 利点を提供する、燃料電池、熱電力発生器と触媒型バーナーの組合せを開示して いない。 発明の概要 本発明の目的は、従来の技術の少なくとも一つの欠点を回避するか軽減する新 規の電力供給装置を提供することである。 大きな複雑性と資本投資の増大無しで、内蔵システムを、氷点下で運転して、 従来の技術では達成できない信頼性、燃費と運転性能のレベルを達成できるよう に、互いにある程度の相互の余力を提供しながら、電力と熱源を提供することが 好ましい。 本発明の一つのアスペクトに従って、燃料電池積層体、電熱モジュールとバー ナー・モジュールから成る電力供給装置を提供する。該燃料電池は、一次電源と 二次熱源を生成する。該電熱モジュールは、二次電源を生成する。該モジュール は、該燃料電池積層体と該熱伝モジュールに対して並置されていることで、シス テムのための一次熱源を供給し、該燃料電池積層体のための燃料と酸化剤を予熱 し、また熱電モジュール全域の温度差を生成する。該バーナーモジュールを制御 して、システムの運転温度を維持することができる。 本発明の更に一つのアスペクトに従って、システムを加熱して、熱電エレメン トの加熱されている側の温度を上昇させるための触媒型バーナー、発電するため の熱電力発生器と発電と加熱のための燃料電池を提供する。 本発明の更に一つのアスペクトに従って、バーナーに供給される燃料は、ソレ ノイド又は燃料電池積層体の中央芯又はシステムの中の他の有利な位置にある温 度計測に対する比例配分弁で制御することで、間欠的に供給される。 本発明の更に一つのアスペクトに従って、触媒型バーナーは、例えばアルミ板 のような熱質量を経由して、熱電エレメントの加熱されている側に連結されてい る。エレメントの加熱されていない側は、綿密に冷却フィン、又は他の強制的／ 消極的冷却装置に接着され、エレメント全域の温度差を増大させている。 本発明の更に一つのアスペクトに従って、単体の熱電エレメントを、複数のエ レメントで、直列又は並列の段階式として、特定の電圧又は電流の定格を達成す ることができる。 本発明の更に一つのアスペクトに従って、燃料電池の燃料は、大気に近い定圧 か又は大気圧下で、行き止り、即ち非循環、酸化電極に導入される。 本発明の更に一つのアスペクトに従って、熱と電気エネルギーを生成するため の方法が提供される。該方法は、（i）燃料をバーナーに供給して、熱電エレメ ント全域の温度差を生成させ、該作用で二次電源を生成させる段階、（ii）シス テムの囲い又は微気候(micro-climate)を加熱する段階、（iii）燃料電池積層体 による消費のために燃料を予熱する段階、（iv）予熱された燃料を加熱された燃 料電池積層体に供給して、一次電源と二次熱源を生成する段階、とまた（v）バ ーナーに供給される燃料を制御して、システムの囲いの中と熱電エレメントの加 熱された側と燃料電池積層体の中の設定された温度を維持するする段階から成る 。 本発明の更につのアスペクトに従って、比較的高温発熱状態で運転されて、熱 電エレメントの加熱された側の温度を上昇させるる裸火即ち開炎バーナーが提供 される。 本発明の更に一つのアスペクトに従って、燃料電池のための燃料と酸化剤を、 酸化剤、空気又は酸素を燃料の圧力より高圧にして、大気圧より高い圧力下に導 入させることができる。 本発明の更に一つのアスペクトに従って、熱電エレメントは、電気的に燃料電 池積層体に連結されることで、燃料電池の電流を、ペルチエ・モジュールにかけ て、該エレメント全域の温度の勾配又は差を生成させることができ、また燃料電 池から熱電エレメントに供給された電流の方向を逆にすることで、電源を、一部 の応用で求められているとおりに、ある程度の表面の加熱と冷却を行うことがで きる。 図面の簡単な説明 一例としてのみ、別添の図を引用して本発明の好ましい実施例をここで説明す る。 図１は、本発明の第１実施例の分解平面図である。 図２は、図１の実施例の組み立てられたシステムの平面図である。 図３は、図１の実施例のシステムの電気、熱と化学的交流の略図である。 図４は、電源の諸パラメータの一般的なグラフを示している図１の実施例のコ ンピュータのディスプレーである。 図５は、本発明の第２実施例の略図である。 図６は、熱交換器と図５の燃料電池積層体の作動部分を経由して結合された冷 却水の流れ経路の略図である。 図７は、本発明の第３実施例の略図である。 発明の詳細な説明 図１と２を参照して、電力供給装置10と該装置の構成要素、即ち、燃料電池積 層体58、バーナー・モジュール34と熱電モジュール40が、該諸図の中に示さ れている。熱電モジュール40は、フィン14が外側に、また空洞16が内側に付いて いるハウジング12を有している。熱電エレメント18は、空洞16の中に取り付けら れており、該空洞は、熱質量20で閉じられている。ネジ22は、熱物質20をハウジ ング12に固定している。 バーナー・モジュール34は、バーナー28と触媒球31の床を受け入れるための軸 方向の空洞26を有するハウジング24から成る。ハウジング24には、該バーナー・ モジュール34と熱電モジュール40との間隔を持たせるためのフランジ33が付いて いる。該フランジ33には、複数の通風と吸気孔35が付いており、該孔を経由して 、適量な酸化剤と燃料を触媒球31の床に送り、また同時に発生した水蒸気を逃が す。軸方向の空洞26には、バーナー・モジュール34に行く吸入パイプ３が付いて いる。 組み立てられた熱電モジュール34は、ハウジング24にネジ止めされている。ハ ウジング24は、燃料のバーナー・モジュール34への供給を制御するためのソレノ イド又は比例弁37を支えるための中央空洞を有している。ハウジング24は、熱質 量としての役割を果たして、バーナー28により発生した熱を燃料電池積層体58に 分散する。 ハウジング24には、熱電モジュール40との嵌合と同様な方法で、燃料電池積層 体58を、ネジ込み嵌合で受け入れるためのネジ山が付いた開口部７が設けられて いるので、図２の中で図示されているとおりに、３個の構成部品を組み立てて、 一体構造のシステムを形成することができる。 燃料パイプ２は、燃料電池58の燃料を吸入パイプ９に導入する。二次燃料パイ プ３は、ソレノイド37に枝別れしている。該ソレノイド37の排出パイプは、燃料 パイプ４により燃料をバーナー28に送り込む。 図３は、熱電発電システムを基礎とする一体化された燃料電池の化学的、熱的 と電力の関係の流路略図である。発電システムは、燃料電池積層体58、触媒型バ ーナー・モジュール34、熱電モジュール40、とまた熱交換器44から成る。システ ム構成部品の他に、一体化されたシステムは、燃料（水素）回路30と酸化剤(空 気を含んだ酸素)回路32から成る。空気を含んだ酸素と共に燃料から得られる化 学的エネルギーは、触媒型バーナー・モジュール34の中で熱に変換される。該反 応から生成された熱は、該熱を熱電モジュール40を通過させることで電力に変換 される。燃料の電力への変換は、一般的に、大部分のエネルギーが、熱42に変換 され、残りのエネルギーが、排気通風口50、48と46を経由して逃がされて、得ら れたエネルギーの4%以下を変換する、非効率的な過程であるが、この廃熱の利点 は、該廃熱を、利用して燃料電池積層体58と周辺機器を暖めることができ、また 電力52を利用して、周辺機器に立ち上がり電力を供給したり、又は、該電力を緊 急予備電源として利用できるということである。処理された（加熱された）酸化 剤の流れ56を伴う処理された（加熱された）燃料の流れ54は、燃料電池58に送り 込まれ、該燃料電池は、得られるエネルギーの60%以上を電力60に変換できる。 一部のエネルギーは、熱66として消費され、一部は、廃棄通風口64を経由して逃 げる。 図４のディスプレーは、好ましい実施例の性能を示しており、該ディスプレー の中で、２個のサブシステムの、バーナーの温度の輸郭と共通な時間目盛りに対 する電圧が、作図されている。熱電構成部品の電圧が、熱板の温度と共に上昇す ること、とまた冷却フィンが大気温度の摂氏５度以内に維持されていることを観 察することができる。燃料電池の電圧出力は、バーナーの温度幅と非常に少なく 又は全く相関関係を持つことなく、システムにかけられた負荷と関数関係にある 。 図示された実験の中で、燃料電池積層体58は、６枚セル、通風重合体交換膜燃 料電池積層体であり、熱電エレメント18は、MELCORのFRIGICHIP(登録商標)であ る。該実証のための反応ガスの能動的循環はなかった。標準温度と気圧での大気 は、燃料電池積層体と触媒型バーナーにより大気環境から対流で消費されていた 。99.995%の純粋な水素が行き止まりで、一定の大気圧に近い状態で電源にに送 り込まれていた。該システムは、内蔵型であり、グラフに示されている反復サイ クルを通じて要求に応じて電力を供給していた。バーナーの熱板の温度（熱電モ ジュールの加熱された側）は、水素を補給する小型の比例弁のオン／オフ変調を 通じて摂氏15度の以下の帯域の範囲内と摂氏250度以上に維持されていた。 図５の中で図示されている、第２実施例の中で、本発明は、触媒型バーナーを 設けて熱電エレメントの加熱側を加熱し、また燃料電池積層体を暖める、Watkin s他の米国特許第5,200,278号により開示されたような一般的燃料電池システム を進歩させている。該実施例は、バス又は自動車向けに改造されたもので一般的 であり、燃料電池が停止している間、待機熱と二次電源を設けることで、設計を 進歩させている。燃料電池が停止している間、送電網からでなく燃料から補助熱 と電力が供給される、常設燃料電池応用でも一般的である。 図５は、水素の熱電電力発電システム200をベースとする一体化された燃料電 池の略図であり、該システムには燃料電池積層体100と水素熱電触媒発生器204、 101、123が組み込まれている。燃料電池積層体100と水素熱電触媒バーナー組立 体101と123は、それぞれの可変負荷103と152から成る回路にそれぞれ属しており 、接触子スイッチ105と154は、電気的に接続されている。燃料電池積層体100と 水素熱電触媒発電機モジュール123と101の他に、該一体化されたシステムは、燃 料（水素）回路、酸化剤（空気を含んでいる酸素）回路と冷却液（水）回路から 成る。 図５の中で示されている、システム200の燃料回路は、燃料補給パイプ114が連 結されている加圧されたほぼ純粋な水素供給装置112から成る。オン／オフ弁116 は、該供給装置112からの燃料の流れを作動させる。燃料の吸入の流れ118は、熱 交換器204に入り、該交換器の所で、燃料が該燃料電池積層体100に入る前に、燃 料を、触媒型バーナー123から発生した熱で予熱することができる。加湿された 燃料の流出する流れ120は、燃料電池積層体100を出て、消イオンフィルター122 を通過する。加湿された燃料の流出する流れ124は、水分離装置126に送り込まれ 、該分離装置の中で、該流れ124から水分が除去され、タンク128に溜められる。 該除去された水は、定期的に該タンク128から、作動弁132により、ドレン・パイ プ130、134、136を経由して排水される。 除湿された燃料の流れ138は、ポンプ140により、戻りパイプ142と150を経由し て、燃料の吸入の流れ118に再循環させられる。戻りパイプ150には、できれば逆 止弁151が挿入されることが好ましい。燃料の流れパイプ142の定期的な清掃は、 清掃弁146が付いているパイプ144を使用して、148を経由して汚染物を取り除く ことで達成される。 システム200の酸化剤回路は、連結されている酸化剤供給パイプ168を有するエ ア・コンプレッサ162から成る。酸化剤吸入の流れ168は、熱交換器204に 入り、該交換器の所で、酸化剤を、燃料電池積層体100に入る前に予熱すること ができる。燃料電池積層体100を出て行く酸化剤流出の流れ170には、反応してい ないガスの他に、加湿と同伴水からの水が含まれている。熱電対172は、酸化剤 の流出の流れ170の温度を計測する。下記に説明されているとおり、該温度が高 すぎる場合は、該温度計測で、冷却液熱交換器222と連動する空気循環システム を作動させたり、又は、冷却始動状態に対して、流入する酸化剤の流れを予熱す る触媒型バーナー水素オン−オフ弁119を作動させたりすることができる。 燃料電池積層体100から出て行く加湿された酸化剤の流れ170は、水分離装置17 4に向けられる。該水分離装置174は、吸収され同伴する水を該流れ170から除去 する。該除去された水は、タンク176に溜められる。該水は、定期的に該タンク1 76から、ドレン・パイプ134、136と弁188を経由して排水される。例示されてい る実施例の中の酸化剤は、希薄化されている反応物であるので、循環されない。 代わりに、空気の流れが、排出パイプ178、弁180とパイプ182を経由して大気に 通風される。 例示されている実施例の中のシステム200の冷却液回路は、その冷却溶液を加 湿された酸化剤の流れ170から除去され、タンク176に溜められた水から取り込む 。図５の中で示されているとおり、冷却水の流れ192は、タンク176を出て、水循 環ポンプ194で、パイプ196を経由して消イオンフィルター198に送り込まれる。 消イオン化された冷却液の流れ202は、水素熱交換器204に送り込まれる。寒冷気 候のときの始動の間にしばしば起こる、冷却水の流れ192が、積層体100の運転温 度以下になった場合は、水素又は水素−空気混合物を、水素の流れ117から流す ことができるようにすることで、触媒型バーナー123は、オンとなる。該触媒型 バーナー123により発生した熱は、熱エレメント101の加熱される側に伝達され、 該熱は、次に、冷却水の流れ202の流量により熱交換器204に電導される。生成さ れた電気は水循環ポンプ194を動かすのに使用される。予熱された冷却水の流れ2 02は、そこで燃料電池積層体100に導かれる。空気循環ファン222は、該燃料電池 積層体100から出る冷却水の流れが、予め設定された数値以上になるとオフとな る。代案としての温度制御も可能である。 図６は、熱交換器204と燃料電池積層体100の作動部分を経由する結合された 冷却水の流れの流路略図である。水流入の流れ202は、該熱交換器204に入り、該 交換器の所で、水素触媒型バーナー123がオンである場合は、冷却水の流れ202は 、燃料電池積層体100を予熱するのに必要であるか、又は、故障又は寒冷気候の 間に必要な停止の場合、加熱して燃料電池積層体100を支えるのに必要な、該バ ーナーにより発生した熱を吸収する。水の流れ206は、燃料電池積層体100に入っ てから、水流入枝別れ管94を経由して、燃料電池積層体100の作動部分の中にあ る冷却水チャンネル96に向けられる。寒冷気候の間の始動又は燃料電池積層体10 0の故障の場合は、該冷却水チャンネル96内の水の流れは、熱交換器204の中で吸 収された熱を、燃料電池積層体100の作動部分に伝達することができる。水枝別 れ管102は、冷却水チャンネルを出る水の流れを冷却水流出の流れ104に向ける。 図７の中で図示されている、通気性水素行き止まり燃料電池積層体301、熱電 力発生器101と触媒型バーナー123は、組み合わされて、一体化された発電システ ムを形成しており、該システムを氷点下の温度で運転することができる。燃料電 池積層体301、熱電力発生器101と触媒型バーナー123の他に、該一体化されたシ ステムは、燃料（水素）回路、酸化剤（酸素を含んだ空気）と熱伝達溶液（エチ レン・グリコール）回路から成る。オプションとして、該熱伝達溶液を、燃料電 池積層体301を加湿するために使用される水と同じ水とすることができる。 図７の中で示されているシステム300の燃料回路は、燃料補給パイプ114が連結 されている加圧されたほぼ純粋な水素供給装置112から成る。オン／オフ弁116は 、該供給装置112からの燃料の流れを作動させる。燃料の吸入の流れ118は、熱交 換器204に入り、該交換器の所で、該流れを、触媒型バーナー123から発生した熱 で予熱してから、燃料電池積層体301に入れることができる。燃料電池積層体301 の定期的な清掃は、清掃弁246を使用して、バーナー123により消費される汚染物 を取り除くことで達成される。 システム300の酸化剤回路には、該通風式設計のために、如何なるコンプレッ サ又は加圧された酸素供給装置をも必要としない。空気は、空気流入口224を経 由して燃料電池積層体301に入る。 図示されている実施例の中のシステム300の熱伝達回路は閉ループ回路である 。 図７の中で示されているとおり、熱伝達溶液の流れ196は、パイプ202を経由して 水循環ポンプ194により送り込まれる。熱伝達溶液は、熱交換器204に送り込まれ る。条件が整い、水素バーナー123が作動して、熱電力発生器101から熱と電力を 発生している場合は、熱交換器204の中の熱伝達溶液は、熱を吸収してから、燃 料電池積層体301を経由して分散され、図５の冷却液の流れのパターンと同様に 燃料電池積層体301の作動部分を加熱する。燃料電池積層体301の温度が、一旦約 摂氏60度の予め設定された数値に達すると、弁119を閉じて水素のバーナーへの 流れを止めることで、水素バーナー123をオフとすることができる。 寒冷な気候の中での運転中の燃料電池の故障のような特別の場合は、システム の水素熱電バーナー組立体は、単に供給パイプ117からの燃料の流れを起こすオ ン／オフ弁119を開くことで作動する。触媒型バーナー123から発生した熱は、熱 電力発生器101に供給され、該発電機は、システムに応急電力を供給する。 図６のとおりに、燃料電池積層体301を経由して、熱を熱伝達溶液に伝達させ てから、循環させることで、該積層体301の温度を保って氷点下の温度による破 損を防ぐことができる。該システムからの、更なる利点として、循環ファン125 を作動させて、熱を、システムの囲い302全体にわたって分布させて、該システ ムの最適運転温度に保つことで、氷点下温度から確実に該システムを保護するの に使用することができる。 前記の燃料電池積層体と燃料電池構成部品ユニットの説明は、好ましい実施例 に対するものであり、本発明が、特定の例示された材料に限定されてはならない ことは明らかである。例えば、燃料電池積層体を、Wilsonの特許第5,514,486号 又はDahrの方形“煙突”溝特許第5,242,764号の環状給気通風設計のように組み 立てることができる。更に、バーナーの触媒球床又はパッドを、例えば触媒メッ シュ面と取り替えることができる。MELCORの熱電エレメントを、例えばBrown-Te ledyneエレメントと取り替えることができる。燃料を、加圧されたボンベの代わ りに、Colorado州LittletonにあるHydrogen Consultants Inc.,又はNew-Jersey 州RingwooｄにあるAF Sammerから入手できる複合型キャニスタから供給させるこ とができる。更に、燃料に、メタン又は水素を取り出すことができる他の如何な る燃料をも含めることができる。 本発明の前記の説明は、あくまでも例示とその説明を目的とするものであり、本 発明の全てを説明し尽したり又は詳細にわたって開示を限定することを意図して おらず、言うまでもなく、前記の解説に照らして、多くの改造と変形が可能であ る。該実施例は、本発明の原理と実地の応用を分かりやすく解説して、当業者が 、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、意図している特定の使用に向くよう に、種々の実施と種々の改造又は省略を行うことで、本発明を活用できるように するために選択され説明された。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 リバード、ピエール カナダ国 エム３エム ２ブイ２ オンタ リオ州 トロント サンフィールド ロー ド 107 (72)発明者 テイラー、ボイド カナダ国 エル４ジー ４ティー４ オン タリオ州 オーロラ チャドバーン クレ セント ９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一次電源と二次熱源を発生させるための燃料電池積層体と、 二次電源を発生させるための熱電モジュールと、 該熱電モジュールを加熱して相互間に温度差を発生させ、また燃料電池積層体 のための燃料と酸化剤を予熱するためのバーナー・モジュールと を備えて成ることを特徴とする電力供給装置。 ２．該熱電モジュールが、熱質量及び熱電エレメントを冷却するための手段の間 に並置されている該熱電エレメントから成ることを特徴とする、請求項１に記載 されている電力供給装置。 ３．該冷却手段が、受動的冷却システムであることを特徴とする、請求項２に記 載されている電力供給装置。 ４．該冷却手段が、能動的冷却システムであることを特徴とする、請求項２に記 載されている電力供給装置。 ５．該受動的冷却システムが、熱電エレメントから伸びている１組の冷却フィン から成ることを特徴とする、請求項４に記載されている電力供給装置。 ６．該バーナー・モジュールが、触媒型バーナーから成ることを特徴とする、請 求項１に記載されている電力供給装置。 ７．該触媒型バーナーと該燃料電池が、共通の燃料源を分け合っていることを特 徴とする、請求項６に記載されている電力供給装置。 ８．該触媒型バーナーが、該燃料電池により消費される該燃料と異なる二次燃料 を燃焼させることを特徴とする、請求項６に記載されている電力供給装置。 ９．該触媒型バーナーが、触媒球床から成ることを特徴とする、請求項６に記載 されている電力供給装置。 １０．該バーナー・モジュールが、裸火バーナーから成ることを特徴とする、請 求項１に記載されている電力供給装置。 １１．該バーナー・モジュールが、該バーナー・モジュールにより発生した熱を 制限して、該電力供給装置の最適の運転温度を維持するための手段を有している ことを特徴とする、請求項１に記載されている電力供給装置。 １２．該電力供給装置が、予め設定された最低温度を超えたとき、該電力供給装 置が、更に、該バーナー・モジュールによる燃料の消費量を制限するために作動 するように制御装置に連結されてる温度計測手段から成ることを特徴とする、請 求項１に記載されている電力供給装置。 １３．該電力供給装置が、該燃料電池からの燃料排出の流れから未消費燃料を取 り出すためと、また該未消費燃料を該燃料電池積層体の流入口に送り込む再循環 手段から成ることを特徴とする、請求項１に記載されている電力供給装置。 １４．該再循環手段が、水を該燃料排出の流れから分離するための水分離装置か ら成ることを特徴とする、請求項１３に記載されている電力供給装置。 １５．該燃料が水素であることを特徴とする、請求項１に記載されている電力供 給装置。 １６．該燃料電池が、行き止まり燃料電池であることを特徴とする、請求項１に 記載されている電力供給装置。 １７．該燃料電池が、再循環燃料タイプであることを特徴とする、請求項１に記 載されている電力供給装置。 １８．該酸化剤が、大気であることを特徴とする、請求項１に記載されている電 力供給装置。 １９．該酸化剤が、酸素であることを特徴とする、請求項１に記載されている電 力供給装置。 ２０．該燃料が、水素であることを特徴とする、請求項１に記載されている電力 供給装置。 ２１．該燃料が、水素発生燃料であることを特徴とする、請求項１に記載されて いる電力供給装置。 ２２．該バーナー・モジュールが、該燃料電池と該熱電モジュールの間で並置さ れていることを特徴とする、請求項１に記載されている電力供給装置。 ２３．(i)二次電源を発生させるためと、一次加熱から成る予熱で、二次燃料を 予熱するための熱電エレメントの全域に温度差を発生させるために、第１燃料を バーナーに供給する段階と (ii)一次電源及び二次熱源を発生させるために、該二次燃料を燃料積層体に供給 する段階から成ることを特徴とする、熱と電気エネルギーを発生させるための方 法。 ２４．該方法が、更に、該熱電エレメントの一方の側を冷却して、該温度差を増 大させる段階から成ることを特徴とする、請求項２３に記載されている方法。 ２５．該第１燃料と該第２燃料が、共通の燃料源から送り込まれることを特徴と する、請求項２３に記載されている方法。 ２６．該方法が、更に、該第１燃料を制御して、最適の運転温度を維持する段階 から成ることを特徴とする、請求項２３に記載されている方法。 ２７．該方法が、更に、一次と二次電力と熱を引き出す段階から成ることを特徴 とする、請求項２３に記載されている方法。