JP2004507064A - 燃料電池の作動方法 - Google Patents
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Abstract
導管（２６）に沿って酸素を供給されるカソードと、導管（２８）に沿って、補充燃料及び消費されたアノードガスの混合物を供給されるアノードとを備え、約８００℃で作動する固体酸化物形燃料電池（４）に関する。この混合物中、実質上混合物の体積の８０〜９９％が消費されたアノードガスである。消費されたアノードガスは、導管（３２）に沿って電池から放出され、二酸化炭素及び水蒸気を含む。水蒸気は、コンデンサ（３４）によって液化され、二酸化炭素をより多く含む消費されたアノードガスを分離する。この濃縮されたガスは、ポンプ（３６）によって給送され、リザーバ（５２）内の補充液体燃料（５０）中にバブリング（５６）される。リザーバ（５２）において、ガスの泡の流れは、液体燃料バルク（５０）からその気体の状態又は蒸気の状態で補充燃料を収集し、脱硫ユニット（２９）を含む導管（２８）のリザーバに放出される混合物を形成する。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の作動方法に関し、また燃料電池システムに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高級炭化水素及び難燃性燃料の利用を可能とするが、同時に電池内又は電池の外に析出する炭素を減少させるか又は少なくとも過度に増加させることのない、燃料電池の作動方法、又は燃料電池システムの提供を課題とする。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、燃料電池の作動方法は、酸素を燃料電池のカソードに供給し、燃料電池のアノードに、消費されたアノードガス及び補充燃料の気体状混合物又は蒸気状混合物を供給するステップと、この混合物は、体積で少なくとも実質上８０％の消費されたアノードガスを含み、燃料は、酸素イオンと反応可能であり、電流を発生する電子をもたらし、燃料と消費されたアノードガスを含む気体状混合物又は蒸気状混合物を形成するステップと、燃料電池が、アノードから気体状の排気ガスとして前記の消費されたアノードガスをもたらし、この消費されたアノードガスが二酸化炭素からなることを含む。
【０００４】
本願で使用する「補充燃料」という表現は、燃料電池のアノードに供給される燃料であって、アノードにあらかじめ供給されて燃料電池によって消費された燃料を少なくとも部分的に置き換える燃料を意味する。
【０００５】
消費されたアノードガスは二酸化炭素を顕著に含む。この二酸化炭素は体積において卓越している。
【０００６】
また消費されたアノードガスは、水蒸気、未反応燃料又は部分的に酸化された燃料のいずれか、あるいはこれらの二つもしくはそれ以上の組み合わせからなる。
【０００７】
混合物は、混合物の体積の実質上８０％〜実質上９９％の範囲にある消費されたアノードガスを含み、又は体積において、実質上８０％、実質上８５％、実質上９０％の下限と、下限及び実質上８５％よりも大きな上限、すなわち体積において、実質上９０％、実質上９５％、実質上９９％の上限を有するいずれかの範囲内（あるいは限界）にある消費されたアノードガスを含む。
【０００８】
所望であれば、消費されたアノードガスは、水抽出過程を経て、例えば水抽出手段を使用することによって、ガスから水を抽出し、二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスを放出させることができる。消費されたアノードガスは、液化過程を経て、ガスから液相の水を凝結させ、二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスを放出させることができる。
【０００９】
気体状混合物又は蒸気状混合物の形成は、二酸化炭素を含む前記の消費されたアノードガスを液体状態にある燃料に加えることからなる。
【００１０】
燃料は、リザーバ内の燃料レベルの上方に空間を残す密閉式リザーバに供給され、消費されたアノードガスは上方の空間を通過し、混合物は上方の空間に残り、アノードに供給される。したがって少なくともある量に対して、二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスは、燃料の上方の空間をパージングする効果を有する。
【００１１】
消費されたアノードガスは燃料内にバブリングされる。所望であれば、消費されたアノードガスは燃料内に給送される。
【００１２】
所望であれば、消費されたアノードガス又は混合物を脱硫処理することができる。
【００１３】
燃料電池を固体酸化物形燃料電池とすることができる。所望であれば、燃料電池は、固体酸化物形電解質からなる管状壁を含む管状電池から構成することができる。前記の固体酸化物形電解質は、酸化ジルコニウム及び／又は酸化セリウム及び／又は一つもしくはそれ以上の他のイオン伝導体からなる。
【００１４】
アノードはサーメット材料からなる。サーメット材料は、ニッケル、セリウム、ジルコニウム及び／又は例えば酸化セリウムや酸化ジルコニウムであるこれらの金属の酸化物の一つもしくはそれ以上、及び／又は他の触媒及び／又は金属添加物を含む。
【００１５】
カソードは、ランタン−ストロンチウム−マンガナイト材料及び／又は他の種類の混合導電材料からなる。
【００１６】
燃料電池は、少なくとも実質上６００℃の温度で作動される。好ましくは、燃料電池は実質上８００℃の温度で作動される。
【００１７】
燃料電池は利用可能な電力を生成することが好ましい。
【００１８】
消費されたアノードガスは、前記利用可能な電力の少なくとも一部分によって作動する電動ポンプ手段によって給送される。
【００１９】
好ましくは、燃料電池は利用可能な相当な量の熱を発生する。この相当な量の熱は、熱せられた冷却剤から回収され、引き続き、冷却剤は燃料電池から熱を取りだして冷却するのに利用される。相当な量の熱は、消費されたアノードガスから熱せられた水として凝結した水より回収される。
【００２０】
前記の消費されたアノードガスを導く経路は、流体圧力開放弁を含む。
【００２１】
燃料は酸素イオンと発熱反応をおこし得る。
【００２２】
燃料は生物燃料を含む。所望であれば、この生物燃料は、動物又は家畜の糞尿を含む。例えば動物又は家畜の糞尿は豚の糞尿である。この生物燃料は、糞尿を含むスラリーからなることもある。生物燃料を発酵生成物とすることができる。発酵生成物は、腐敗した野菜であり、腐敗した野菜を含み、腐敗した野菜に由来する。発酵生成物をスラリーの形態とすることができる。
【００２３】
好適な燃料は、以下に挙げるものであり、又は以下に挙げるもののいずれか一つを含み、あるいは以下に挙げるもののいずれか二つもしくはそれ以上からなる混合物である。
【００２４】
（１）メタノール及び／又は、例えばエタノール、プロパノール等の他のアルコール、
（２）ホルムアルデヒド及び／又は、例えばアセトアルデヒドなどの他のアルデヒド、
（３）蟻酸及び／又は、例えば酢酸、酪酸等の他の有機酸、
（４）例えばメタン、エタン、ブタン、ペンタン等の、アルカン、
（５）例えばオクタン、ノナン、…セタン、…等の高級アルカン、
（６）最適化された混合物（例えば最適化された混合物は、上記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）の一つ又はそれ以上を含む）、ここで一つもしくはそれ以上の低分子量の燃料は、一つもしくはそれ以上の高分子量の燃料の処理を促進する、
（７）有毒分子及び／又は有害分子、有毒混合物及び／又は有害混合物、例えば一つもしくはそれ以上のアミン、アンモニア、一つもしくはそれ以上のダイオキシン。
【００２５】
燃料が熱せられることが好ましい。二酸化炭素を含む消費されたアノードガスが混合される前に、燃料は熱せられ、及び／又は、二酸化炭素を含む消費されたアノードガスと混合されると同時に、燃料は熱せられる。温度は制御される。温度は、燃料電池への燃料の供給を最適化するように制御される。
【００２６】
本発明の第２の態様によれば、燃料電池システムは、少なくとも一つの燃料電池と、燃料電池のカソードに酸素を供給する手段と、燃料電池のアノードに、消費されたアノードガス及び補充燃料の気体状混合物又は蒸気状混合物を供給する手段であって、この混合物が消費されたアノードガスを体積で少なくとも実質上８０％含む手段と、気体状混合物又は蒸気状混合物を形成する手段とからなり、燃料が酸素イオンと反応して電流を生成することができ、燃料電池が前記の消費されたアノードガスをアノードから気体状の排気ガスとしてもたらし、消費されたアノードガスが二酸化炭素を含む。
【００２７】
燃料電池システムは、補充燃料を熱する加熱手段を含む。この加熱手段は、前記の消費されたアノードガスと補充燃料が混合される前に、補充燃料を加熱し、及び／又は消費されたアノードガスと補充燃料が混合されると同時に、補充燃料を加熱する。
【００２８】
所望であれば、燃料電池の少なくとも一つの電極の電気導電性接触子を適所に留める手段が設けられる。この接触子は燃料電池の内部に対して留められている。接触子は燃料電池と弾力をもって係合している。接触子を管状とすることができる。所望であれば、燃料電池を管状の燃料電池とすることができる。接触子は、この管状の燃料電池の内部と係合する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
さらに本発明を、例示を目的として、添付の図面を参照して詳説する。
【００３０】
添付の図面を参照すると、燃料電池システムが参照番号２によって示され、このシステムは、公知の方法で電気的に接続されている一つ又は、好ましくは複数の燃料電池からなるバッテリー４を含む。一つの又は各燃料電池は、電解質が適切な固体電解質、例えば酸化ジルコニウムである固体酸化物形燃料電池である。固体酸化物形電解質は、酸素イオンを透過するが、実質上酸素原子又は酸素分子を透過しないと見なされる。一つ又は各燃料電池は、ニッケルサーメット材料からなる又はニッケルサーメット材料を含むアノードと、ランタン−ストロンチウム−マンガナイト材料からなる又はランタン−ストロンチウム−マンガナイト材料を含むカソードを有する。
【００３１】
バッテリー４で使用される一つ又は各固体酸化物形燃料電池の例を、図２の参照番号６で示す。固体酸化物形燃料電池６は管状の燃料電池であり、固体酸化物形電解質、例えば酸化ジルコニウムの電解質が円筒形状の管状壁部８を形成し、この管状壁部は、その内側表面に、例えばニッケルサーメット材料のアノード被覆１０と、その外側表面に、例えばランタン−ストロンチウム−マンガナイト材料のカソード被覆１２を有する。燃料電池６の内部に挿入されている開放端管状電気電導性接触子１４は、アノード１０に対して留められる又は弾力をもって係合し、燃料電池内に押し込まれた際、そこで電気的接触を形成するバルジ又は球形壁部部分１６を有する。弾力をもった係合は、バルジ１６における接触子１４の壁部の複数のスリット１７（ただ１つのみを示す）によって補助される。もう一方の電気導電性接触子１８は、カソード１２と電気的に接触する。接触子１４、１８は、外部回路（図示せず）、例えば回路板と電気的接触又は接続を形成し、それによってバッテリー４を形成する燃料電池の所望の並列及び／又は直列接続がもたらされる。使用において、（所望の酸素イオンが抽出される）必要とされる酸素を供給する空気が、燃料電池６の外部に、矢印Ａ１、Ａ２により示されるように供給され、同時に酸素イオンと反応し、電流を生成する電子をもたらすことのできる適切な燃料（補充燃料）が、矢印Ｂにより示されるように、管状接触子１４を介して燃料電池の内部に供給される。
【００３２】
固体酸化物形燃料電池バッテリー４は、少なくとも実質上６００℃の温度で作動し、より好ましくは実質上８００℃又はおおよそ８００℃の温度で作動する。
【００３３】
所望の作動温度に燃料電池（単数又は複数）を維持するために、適切な冷却剤が流入導管２２を介してバッテリー４に供給され、バッテリーから熱を取り出し、戻り導管２４を介して放出され、冷却剤は、何らかの適切な公知の方法により、冷却剤から熱を抽出する熱交換手段（図示せず）を通過することによって冷却された後、流入導管２２に戻され再循環される。抽出された相当な量の熱は、何らかの適合した用途、例えば他の流体、例えば空間又は他のものを熱するための空気、水などの液体を熱するのに利用される。このような熱せられた水は、空間又は他のものを熱するのに利用することができ、あるいは蒸気及び／又は熱処理水及び／又は洗浄水を供給するために利用することができる。必要とされる酸素を供給する大気は、流入導管２６を介して燃料電池バッテリー４に供給され、気体又は蒸気の形態の適切な燃料は、脱硫ユニット２９を含む燃料流入導管２８を介してバッテリーに供給される。
【００３４】
燃料電池（単数又は複数）からの消費されたアノードガスは、コンデンサ３４及び蠕動ポンプである電動ポンプ３６を含む排気導管３２を介してバッテリー４から放出される。
【００３５】
燃料電池バッテリー４によって発生された電力は、制御４０に電線３８を介して供給され、制御４０は、適切な電力量を電線４２を介してポンプ３６に供給し作動する。残る電力は、制御４０によって電線４４に供給され、電線４４から、電力を必要とする何らかの有効な用途に対して電力が供給される。
【００３６】
導管３２内の消費されたアノードガスは、未反応の燃料、部分的に酸化された燃料、二酸化炭素及び、熱水蒸気又は水蒸気を含む。水の蒸気又は水蒸気は、消費されたアノードガスから水を抽出して二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスを放出する水抽出手段によって抽出される。図において、熱水蒸気又は水蒸気は、コンデンサ３４内で熱い液体状の水に凝結し、コンデンサ３４から熱水は水流出導管４６を介して放出され、それによって二酸化炭素ガスを多く含む消費されたアノードガス及び、未反応又は部分的に酸化された燃料とが放出され、これはポンプ３６によって導管伸長部分３２Ａ内に給送される。導管伸長部分３２Ａは、バッテリー４に達する補充燃料及び消費されたアノードガスの気体状混合物又は蒸気状混合物の圧力が予め決められた所望の最大値を超過しないことを確実にする圧力開放弁３０を含む。導管４６からの熱水による相当な量の熱が、公知の熱交換手段を利用して抽出され、何らかの適切な有効な用途、例えば熱せられた流体、例えば熱せられた空気、熱せられた水又は蒸気を提供するといった用途に対して使用される。
【００３７】
導管３４の上流及び／又は下流において、導管３２内の消費されたアノードガスは、二酸化炭素を顕著に含む。二酸化炭素は体積において卓越する。
【００３８】
導管伸長部分３２Ａは、密閉式タンク又は密閉式リザーバ５２内の液体燃料５０の液面４８よりも下方３２Ｂで終端し、この密閉式リザーバ内では、気体状態又は蒸気の状態の燃料が、液面４８よりも上方のリザーバの上部空間５４に存在する。二酸化炭素（及び未反応又は部分的に酸化された再循環されるべき燃料）を含む給送された消費されたアノードガスは、伸長部分３２Ａに伝達され、泡５６の流れとして端部３２Ｂから現れる。このガスの流れは、流体燃料バルク５０から気体状態又は蒸気の状態で補充燃料を収集し、気体状態の補充燃料と混合する。消費されたアノードガス（二酸化炭素を多く含む）は、リザーバの上部空間５４を介するパージガスとして作用する。気体状の燃料及び消費されたアノードガスの混合物は、上部空間５４から放出され、導管２８に沿ってバッテリー４へ移動する。混合物は、混合物の体積の実質上８０％から実質上９９％の範囲にある消費されたアノードガスを含み、又は体積において、実質上８０％、実質上８５％、実質上９０％の下限と、下限及び実質上８５％よりも大きな上限、すなわち体積において、実質上９０％、実質上９５％、実質上９９％の上限を有するいずれかの範囲内あるいは限界にある消費されたアノードガスを含む。
【００３９】
所望であれば、液体燃料バルク５０の気化又は蒸発は、燃料を熱することによって、例えばヒータ５８を使用することによって促進することができる。ヒータ５８は電気的に、例えばバッテリー４からの電力により熱し、又はバッテリーの作動に由来する熱を利用して熱することができる。
【００４０】
所望であれば、手段、例えば導管６０を、リザーバ５２内に液体燃料バルク５０を補充するために設けることができる。所望であれば、導管６０を介して供給される液体燃料を予熱することができる。
【００４１】
いずれかの適切な液体燃料又は燃料の混合物は、高級炭化水素を含んで使用することができる。好ましくは生物燃料が利用される。生物燃料によって、我々は生物学的な物質からの燃料を意図する。生物燃料としては、
（ａ）動物又は家畜の糞尿を含むスラリー及び／又は
（ｂ）発酵生成物
を挙げることができる。
【００４２】
動物又は家畜の糞尿は、飼育場の動物又は家畜の糞尿、例えば豚の糞尿である。発酵生成物は、腐敗した野菜であり、腐敗した野菜を含み、腐敗した野菜に由来し、スラリーの形態とすることができる。
【００４３】
例１
液体燃料５０は室温における水溶液中のメタノールであり、液体燃料を介して排出ガス生成物を参照番号５６においてバブリングし、それによってガスの流れがメタノールの蒸気を収集し、メタノールの蒸気と排出ガス生成物の混合物が固体酸化物形燃料電池バッテリー４に燃料として供給された。
【００４４】
例２
液体燃料５０は、エタノール溶液、酢酸溶液、蟻酸溶液又はこれらのうちのいずれか２つの組み合わせ又は３つ全部である。好ましくは液体燃料５０は、適切な蒸気圧を得るために熱せられ、気体状の流れが導管２８に沿ってバッテリー４へ流れる。
【００４５】
例３
液体燃料５０はアンモニア溶液である。好ましくは、例２と同じ理由で、アンモニア溶液は熱せられる。
【００４６】
例４
液体燃料５０は、豚の糞尿を含むスラリーである。好ましくは、例２と同じ理由で、スラリーは熱せられる。
【００４７】
本発明に特有の利点は、燃料電池バッテリー４が、廃棄物スラリー、例えば発酵した廃棄物又は飼育場の廃棄物により燃料供給され得ることであり、飼育場の廃棄物の例では、飼育場の動物又は家畜からの糞尿を含むスラリーが挙げられる。これは、有害な又は有毒の廃棄物生成物を利用するという利点を有する。
【００４８】
他の利点は、一つの燃料の流れのみ、すなわち導管２８内の気体状の混合物の流れのみを制御及び／又は維持するだけでよいことにある。
【００４９】
さらなる利点は、本システムが、補充燃料及び消費されたアノードガスの混合物の中に、体積を基準として実質上２０％までの補充燃料を含む、又は好ましくは体積で実質上１０％の補充燃料、場合によっては混合物中の体積で実質上５％〜１％の補充燃料を含む希釈燃料又は劣化燃料を使用可能であることにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様による方法に従って作動する本発明の第２の態様により形成されている燃料電池の概略図である。
【図２】図１のシステムに使用されている燃料電池の断片的な断面図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の作動方法に関し、また燃料電池システムに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高級炭化水素及び難燃性燃料の利用を可能とするが、同時に電池内又は電池の外に析出する炭素を減少させるか又は少なくとも過度に増加させることのない、燃料電池の作動方法、又は燃料電池システムの提供を課題とする。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様によれば、燃料電池の作動方法は、酸素を燃料電池のカソードに供給し、燃料電池のアノードに、消費されたアノードガス及び補充燃料の気体状混合物又は蒸気状混合物を供給するステップと、この混合物は、体積で少なくとも実質上８０％の消費されたアノードガスを含み、燃料は、酸素イオンと反応可能であり、電流を発生する電子をもたらし、燃料と消費されたアノードガスを含む気体状混合物又は蒸気状混合物を形成するステップと、燃料電池が、アノードから気体状の排気ガスとして前記の消費されたアノードガスをもたらし、この消費されたアノードガスが二酸化炭素からなることを含む。
【０００４】
本願で使用する「補充燃料」という表現は、燃料電池のアノードに供給される燃料であって、アノードにあらかじめ供給されて燃料電池によって消費された燃料を少なくとも部分的に置き換える燃料を意味する。
【０００５】
消費されたアノードガスは二酸化炭素を顕著に含む。この二酸化炭素は体積において卓越している。
【０００６】
また消費されたアノードガスは、水蒸気、未反応燃料又は部分的に酸化された燃料のいずれか、あるいはこれらの二つもしくはそれ以上の組み合わせからなる。
【０００７】
混合物は、混合物の体積の実質上８０％〜実質上９９％の範囲にある消費されたアノードガスを含み、又は体積において、実質上８０％、実質上８５％、実質上９０％の下限と、下限及び実質上８５％よりも大きな上限、すなわち体積において、実質上９０％、実質上９５％、実質上９９％の上限を有するいずれかの範囲内（あるいは限界）にある消費されたアノードガスを含む。
【０００８】
所望であれば、消費されたアノードガスは、水抽出過程を経て、例えば水抽出手段を使用することによって、ガスから水を抽出し、二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスを放出させることができる。消費されたアノードガスは、液化過程を経て、ガスから液相の水を凝結させ、二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスを放出させることができる。
【０００９】
気体状混合物又は蒸気状混合物の形成は、二酸化炭素を含む前記の消費されたアノードガスを液体状態にある燃料に加えることからなる。
【００１０】
燃料は、リザーバ内の燃料レベルの上方に空間を残す密閉式リザーバに供給され、消費されたアノードガスは上方の空間を通過し、混合物は上方の空間に残り、アノードに供給される。したがって少なくともある量に対して、二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスは、燃料の上方の空間をパージングする効果を有する。
【００１１】
消費されたアノードガスは燃料内にバブリングされる。所望であれば、消費されたアノードガスは燃料内に給送される。
【００１２】
所望であれば、消費されたアノードガス又は混合物を脱硫処理することができる。
【００１３】
燃料電池を固体酸化物形燃料電池とすることができる。所望であれば、燃料電池は、固体酸化物形電解質からなる管状壁を含む管状電池から構成することができる。前記の固体酸化物形電解質は、酸化ジルコニウム及び／又は酸化セリウム及び／又は一つもしくはそれ以上の他のイオン伝導体からなる。
【００１４】
アノードはサーメット材料からなる。サーメット材料は、ニッケル、セリウム、ジルコニウム及び／又は例えば酸化セリウムや酸化ジルコニウムであるこれらの金属の酸化物の一つもしくはそれ以上、及び／又は他の触媒及び／又は金属添加物を含む。
【００１５】
カソードは、ランタン−ストロンチウム−マンガナイト材料及び／又は他の種類の混合導電材料からなる。
【００１６】
燃料電池は、少なくとも実質上６００℃の温度で作動される。好ましくは、燃料電池は実質上８００℃の温度で作動される。
【００１７】
燃料電池は利用可能な電力を生成することが好ましい。
【００１８】
消費されたアノードガスは、前記利用可能な電力の少なくとも一部分によって作動する電動ポンプ手段によって給送される。
【００１９】
好ましくは、燃料電池は利用可能な相当な量の熱を発生する。この相当な量の熱は、熱せられた冷却剤から回収され、引き続き、冷却剤は燃料電池から熱を取りだして冷却するのに利用される。相当な量の熱は、消費されたアノードガスから熱せられた水として凝結した水より回収される。
【００２０】
前記の消費されたアノードガスを導く経路は、流体圧力開放弁を含む。
【００２１】
燃料は酸素イオンと発熱反応をおこし得る。
【００２２】
燃料は生物燃料を含む。所望であれば、この生物燃料は、動物又は家畜の糞尿を含む。例えば動物又は家畜の糞尿は豚の糞尿である。この生物燃料は、糞尿を含むスラリーからなることもある。生物燃料を発酵生成物とすることができる。発酵生成物は、腐敗した野菜であり、腐敗した野菜を含み、腐敗した野菜に由来する。発酵生成物をスラリーの形態とすることができる。
【００２３】
好適な燃料は、以下に挙げるものであり、又は以下に挙げるもののいずれか一つを含み、あるいは以下に挙げるもののいずれか二つもしくはそれ以上からなる混合物である。
【００２４】
（１）メタノール及び／又は、例えばエタノール、プロパノール等の他のアルコール、
（２）ホルムアルデヒド及び／又は、例えばアセトアルデヒドなどの他のアルデヒド、
（３）蟻酸及び／又は、例えば酢酸、酪酸等の他の有機酸、
（４）例えばメタン、エタン、ブタン、ペンタン等の、アルカン、
（５）例えばオクタン、ノナン、…セタン、…等の高級アルカン、
（６）最適化された混合物（例えば最適化された混合物は、上記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）の一つ又はそれ以上を含む）、ここで一つもしくはそれ以上の低分子量の燃料は、一つもしくはそれ以上の高分子量の燃料の処理を促進する、
（７）有毒分子及び／又は有害分子、有毒混合物及び／又は有害混合物、例えば一つもしくはそれ以上のアミン、アンモニア、一つもしくはそれ以上のダイオキシン。
【００２５】
燃料が熱せられることが好ましい。二酸化炭素を含む消費されたアノードガスが混合される前に、燃料は熱せられ、及び／又は、二酸化炭素を含む消費されたアノードガスと混合されると同時に、燃料は熱せられる。温度は制御される。温度は、燃料電池への燃料の供給を最適化するように制御される。
【００２６】
本発明の第２の態様によれば、燃料電池システムは、少なくとも一つの燃料電池と、燃料電池のカソードに酸素を供給する手段と、燃料電池のアノードに、消費されたアノードガス及び補充燃料の気体状混合物又は蒸気状混合物を供給する手段であって、この混合物が消費されたアノードガスを体積で少なくとも実質上８０％含む手段と、気体状混合物又は蒸気状混合物を形成する手段とからなり、燃料が酸素イオンと反応して電流を生成することができ、燃料電池が前記の消費されたアノードガスをアノードから気体状の排気ガスとしてもたらし、消費されたアノードガスが二酸化炭素を含む。
【００２７】
燃料電池システムは、補充燃料を熱する加熱手段を含む。この加熱手段は、前記の消費されたアノードガスと補充燃料が混合される前に、補充燃料を加熱し、及び／又は消費されたアノードガスと補充燃料が混合されると同時に、補充燃料を加熱する。
【００２８】
所望であれば、燃料電池の少なくとも一つの電極の電気導電性接触子を適所に留める手段が設けられる。この接触子は燃料電池の内部に対して留められている。接触子は燃料電池と弾力をもって係合している。接触子を管状とすることができる。所望であれば、燃料電池を管状の燃料電池とすることができる。接触子は、この管状の燃料電池の内部と係合する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
さらに本発明を、例示を目的として、添付の図面を参照して詳説する。
【００３０】
添付の図面を参照すると、燃料電池システムが参照番号２によって示され、このシステムは、公知の方法で電気的に接続されている一つ又は、好ましくは複数の燃料電池からなるバッテリー４を含む。一つの又は各燃料電池は、電解質が適切な固体電解質、例えば酸化ジルコニウムである固体酸化物形燃料電池である。固体酸化物形電解質は、酸素イオンを透過するが、実質上酸素原子又は酸素分子を透過しないと見なされる。一つ又は各燃料電池は、ニッケルサーメット材料からなる又はニッケルサーメット材料を含むアノードと、ランタン−ストロンチウム−マンガナイト材料からなる又はランタン−ストロンチウム−マンガナイト材料を含むカソードを有する。
【００３１】
バッテリー４で使用される一つ又は各固体酸化物形燃料電池の例を、図２の参照番号６で示す。固体酸化物形燃料電池６は管状の燃料電池であり、固体酸化物形電解質、例えば酸化ジルコニウムの電解質が円筒形状の管状壁部８を形成し、この管状壁部は、その内側表面に、例えばニッケルサーメット材料のアノード被覆１０と、その外側表面に、例えばランタン−ストロンチウム−マンガナイト材料のカソード被覆１２を有する。燃料電池６の内部に挿入されている開放端管状電気電導性接触子１４は、アノード１０に対して留められる又は弾力をもって係合し、燃料電池内に押し込まれた際、そこで電気的接触を形成するバルジ又は球形壁部部分１６を有する。弾力をもった係合は、バルジ１６における接触子１４の壁部の複数のスリット１７（ただ１つのみを示す）によって補助される。もう一方の電気導電性接触子１８は、カソード１２と電気的に接触する。接触子１４、１８は、外部回路（図示せず）、例えば回路板と電気的接触又は接続を形成し、それによってバッテリー４を形成する燃料電池の所望の並列及び／又は直列接続がもたらされる。使用において、（所望の酸素イオンが抽出される）必要とされる酸素を供給する空気が、燃料電池６の外部に、矢印Ａ１、Ａ２により示されるように供給され、同時に酸素イオンと反応し、電流を生成する電子をもたらすことのできる適切な燃料（補充燃料）が、矢印Ｂにより示されるように、管状接触子１４を介して燃料電池の内部に供給される。
【００３２】
固体酸化物形燃料電池バッテリー４は、少なくとも実質上６００℃の温度で作動し、より好ましくは実質上８００℃又はおおよそ８００℃の温度で作動する。
【００３３】
所望の作動温度に燃料電池（単数又は複数）を維持するために、適切な冷却剤が流入導管２２を介してバッテリー４に供給され、バッテリーから熱を取り出し、戻り導管２４を介して放出され、冷却剤は、何らかの適切な公知の方法により、冷却剤から熱を抽出する熱交換手段（図示せず）を通過することによって冷却された後、流入導管２２に戻され再循環される。抽出された相当な量の熱は、何らかの適合した用途、例えば他の流体、例えば空間又は他のものを熱するための空気、水などの液体を熱するのに利用される。このような熱せられた水は、空間又は他のものを熱するのに利用することができ、あるいは蒸気及び／又は熱処理水及び／又は洗浄水を供給するために利用することができる。必要とされる酸素を供給する大気は、流入導管２６を介して燃料電池バッテリー４に供給され、気体又は蒸気の形態の適切な燃料は、脱硫ユニット２９を含む燃料流入導管２８を介してバッテリーに供給される。
【００３４】
燃料電池（単数又は複数）からの消費されたアノードガスは、コンデンサ３４及び蠕動ポンプである電動ポンプ３６を含む排気導管３２を介してバッテリー４から放出される。
【００３５】
燃料電池バッテリー４によって発生された電力は、制御４０に電線３８を介して供給され、制御４０は、適切な電力量を電線４２を介してポンプ３６に供給し作動する。残る電力は、制御４０によって電線４４に供給され、電線４４から、電力を必要とする何らかの有効な用途に対して電力が供給される。
【００３６】
導管３２内の消費されたアノードガスは、未反応の燃料、部分的に酸化された燃料、二酸化炭素及び、熱水蒸気又は水蒸気を含む。水の蒸気又は水蒸気は、消費されたアノードガスから水を抽出して二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスを放出する水抽出手段によって抽出される。図において、熱水蒸気又は水蒸気は、コンデンサ３４内で熱い液体状の水に凝結し、コンデンサ３４から熱水は水流出導管４６を介して放出され、それによって二酸化炭素ガスを多く含む消費されたアノードガス及び、未反応又は部分的に酸化された燃料とが放出され、これはポンプ３６によって導管伸長部分３２Ａ内に給送される。導管伸長部分３２Ａは、バッテリー４に達する補充燃料及び消費されたアノードガスの気体状混合物又は蒸気状混合物の圧力が予め決められた所望の最大値を超過しないことを確実にする圧力開放弁３０を含む。導管４６からの熱水による相当な量の熱が、公知の熱交換手段を利用して抽出され、何らかの適切な有効な用途、例えば熱せられた流体、例えば熱せられた空気、熱せられた水又は蒸気を提供するといった用途に対して使用される。
【００３７】
導管３４の上流及び／又は下流において、導管３２内の消費されたアノードガスは、二酸化炭素を顕著に含む。二酸化炭素は体積において卓越する。
【００３８】
導管伸長部分３２Ａは、密閉式タンク又は密閉式リザーバ５２内の液体燃料５０の液面４８よりも下方３２Ｂで終端し、この密閉式リザーバ内では、気体状態又は蒸気の状態の燃料が、液面４８よりも上方のリザーバの上部空間５４に存在する。二酸化炭素（及び未反応又は部分的に酸化された再循環されるべき燃料）を含む給送された消費されたアノードガスは、伸長部分３２Ａに伝達され、泡５６の流れとして端部３２Ｂから現れる。このガスの流れは、流体燃料バルク５０から気体状態又は蒸気の状態で補充燃料を収集し、気体状態の補充燃料と混合する。消費されたアノードガス（二酸化炭素を多く含む）は、リザーバの上部空間５４を介するパージガスとして作用する。気体状の燃料及び消費されたアノードガスの混合物は、上部空間５４から放出され、導管２８に沿ってバッテリー４へ移動する。混合物は、混合物の体積の実質上８０％から実質上９９％の範囲にある消費されたアノードガスを含み、又は体積において、実質上８０％、実質上８５％、実質上９０％の下限と、下限及び実質上８５％よりも大きな上限、すなわち体積において、実質上９０％、実質上９５％、実質上９９％の上限を有するいずれかの範囲内あるいは限界にある消費されたアノードガスを含む。
【００３９】
所望であれば、液体燃料バルク５０の気化又は蒸発は、燃料を熱することによって、例えばヒータ５８を使用することによって促進することができる。ヒータ５８は電気的に、例えばバッテリー４からの電力により熱し、又はバッテリーの作動に由来する熱を利用して熱することができる。
【００４０】
所望であれば、手段、例えば導管６０を、リザーバ５２内に液体燃料バルク５０を補充するために設けることができる。所望であれば、導管６０を介して供給される液体燃料を予熱することができる。
【００４１】
いずれかの適切な液体燃料又は燃料の混合物は、高級炭化水素を含んで使用することができる。好ましくは生物燃料が利用される。生物燃料によって、我々は生物学的な物質からの燃料を意図する。生物燃料としては、
（ａ）動物又は家畜の糞尿を含むスラリー及び／又は
（ｂ）発酵生成物
を挙げることができる。
【００４２】
動物又は家畜の糞尿は、飼育場の動物又は家畜の糞尿、例えば豚の糞尿である。発酵生成物は、腐敗した野菜であり、腐敗した野菜を含み、腐敗した野菜に由来し、スラリーの形態とすることができる。
【００４３】
例１
液体燃料５０は室温における水溶液中のメタノールであり、液体燃料を介して排出ガス生成物を参照番号５６においてバブリングし、それによってガスの流れがメタノールの蒸気を収集し、メタノールの蒸気と排出ガス生成物の混合物が固体酸化物形燃料電池バッテリー４に燃料として供給された。
【００４４】
例２
液体燃料５０は、エタノール溶液、酢酸溶液、蟻酸溶液又はこれらのうちのいずれか２つの組み合わせ又は３つ全部である。好ましくは液体燃料５０は、適切な蒸気圧を得るために熱せられ、気体状の流れが導管２８に沿ってバッテリー４へ流れる。
【００４５】
例３
液体燃料５０はアンモニア溶液である。好ましくは、例２と同じ理由で、アンモニア溶液は熱せられる。
【００４６】
例４
液体燃料５０は、豚の糞尿を含むスラリーである。好ましくは、例２と同じ理由で、スラリーは熱せられる。
【００４７】
本発明に特有の利点は、燃料電池バッテリー４が、廃棄物スラリー、例えば発酵した廃棄物又は飼育場の廃棄物により燃料供給され得ることであり、飼育場の廃棄物の例では、飼育場の動物又は家畜からの糞尿を含むスラリーが挙げられる。これは、有害な又は有毒の廃棄物生成物を利用するという利点を有する。
【００４８】
他の利点は、一つの燃料の流れのみ、すなわち導管２８内の気体状の混合物の流れのみを制御及び／又は維持するだけでよいことにある。
【００４９】
さらなる利点は、本システムが、補充燃料及び消費されたアノードガスの混合物の中に、体積を基準として実質上２０％までの補充燃料を含む、又は好ましくは体積で実質上１０％の補充燃料、場合によっては混合物中の体積で実質上５％〜１％の補充燃料を含む希釈燃料又は劣化燃料を使用可能であることにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様による方法に従って作動する本発明の第２の態様により形成されている燃料電池の概略図である。
【図２】図１のシステムに使用されている燃料電池の断片的な断面図である。
Claims (32)
- 燃料電池の作動方法であって、
当該燃料電池のカソードに酸素を供給し、当該燃料電池のアノードに消費されたアノードガス及び補充燃料の気体状混合物又は蒸気状混合物を供給するステップと、前記混合物が、体積で少なくとも実質上８０％の消費されたアノードガスを含み、前記燃料が酸素イオンと反応して電流を生成する電子をもたらすことができ、
前記燃料及び消費されたアノードガスからなる気体状混合物又は蒸気状混合物を形成するステップと、前記燃料電池が、前記アノードから気体状の排気として前記消費されたアノードガスをもたらし、前記消費されたアノードガスが二酸化炭素を含む方法。 - 少なくとも一つの燃料電池を含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソードに酸素を供給する手段、
前記燃料電池のアノードに、消費されたアノードガス及び補充燃料の気体状混合物又は蒸気状混合物を供給する手段であって、前記混合物が、体積で少なくとも実質上８０％の消費されたアノードガスを含む手段、
前記気体状混合物又は蒸気状混合物を形成する手段とを含み、
前記燃料が酸素イオンと反応して電流を生成することができ、前記燃料電池が、前記アノードから気体状の排気として前記消費されたアノードガスをもたらし、前記気体状の排気が二酸化炭素を含むシステム。 - 前記消費されたアノードガスが二酸化炭素を顕著に含む請求項１に記載の方法又は請求項２に記載のシステム。
- 前記混合物が、前記混合物の体積の実質上８０％〜実質上９９％の範囲にある消費されたアノードガスを含み、又は体積において、実質上８０％、実質上８５％、実質上９０％の下限と、下限及び実質上８５％よりも大きな上限、すなわち体積において、実質上９０％、実質上９５％、実質上９９％の上限を有するいずれかの範囲内又は限界にある消費されたアノードガスを含む請求項１又は３に記載の方法、あるいは請求項２又は３に記載のシステム。
- 前記気体状の排気がさらに水の蒸気を含み、前記気体状の排気から水を抽出して、二酸化炭素を多く含む前記消費されたアノードガスを放出するステップを含み、この二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスが、前記補充燃料と実質上混合されて前記アノードに供給される前記混合物を形成する請求項１、３、４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記気体状の排気がさらに水の蒸気を含み、前記気体状の排気から水を凝結して、二酸化炭素を多く含む前記消費されたアノードガスを放出するステップを含み、この二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスが、前記補充燃料と実質上混合されて前記アノードに供給される前記混合物を形成する請求項１、３、４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記気体状の排気がさらに水の蒸気を含み、前記システムが、前記気体状の排気から水を抽出して、二酸化炭素を多く含む前記消費されたアノードガスを放出する水抽出手段を含み、この二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスが、前記補充燃料と実質上混合されて前記アノードに供給される前記混合物を形成する請求項２〜４のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記気体状の排気がさらに水の蒸気を含み、前記システムが、前記気体状の排気から水を凝結して、二酸化炭素を多く含む前記消費されたアノードガスを放出するコンデンサを含み、この二酸化炭素を多く含む消費されたアノードガスが、前記補充燃料と実質上混合されて前記アノードに供給される前記混合物を形成する請求項２〜４のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記気体状混合物又は混合物の蒸気を形成するステップが、前記消費されたアノードガスを液体状態の前記燃料に加えるステップからなる請求項１又は３〜６のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４又は７のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記燃料が密閉式リザーバに供給され、当該リザーバがその中の燃料液面の上方に上部空間を有し、前記消費されたアノードガスがこの上部空間を通過し、前記混合物がこの上部空間から前記アノードに供給される請求項９の方法。
- 前記上部空間を通過する前記消費されたアノードガスが、前記上部空間をパージする効果をもたらす請求項１０記載の方法。
- 前記システムが使用される際、密閉式リザーバは、燃料液面の上方にリザーバ上部空間を有するように前記燃料を保持し、当該リザーバ内に消費されたアノードガスを、このガスが前記上部空間を通過するように供給する手段と、前記上部空間から前記アノードに前記混合物を供給する手段を有する請求項９のシステム。
- 前記消費されたアノードガスが前記燃料内にバブリングされる請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
- 前記消費されたアノードガスが、さらに未反応の燃料又は部分的に酸化された燃料のいずれか、あるいはこれらの組み合わせを含む請求項１、３〜６、９〜１１、１３のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２、１３のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記消費されたアノードガスが脱硫処理を受ける請求項１、３〜６、９〜１１、１３、１４のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記燃料がスラリーを含む請求項１、３〜６、９〜１１、１３〜１５のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜１５のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記燃料が動物又は家畜の糞尿からなる請求項１、３〜６、９〜１１、１３〜１６のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜１６のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記燃料が豚の糞尿からなる請求項１７の方法。
- 前記燃料が発酵生成物からなる請求項１、３〜６、９〜１１、１３〜１６のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜１６のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記発酵生成物が、腐敗した野菜を含む、又は腐敗した野菜に由来する請求項１９の方法、又は請求項１９のシステム。
- 前記燃料が、以下に挙げるもののいずれか一つを含む、あるいは以下に挙げるもののいずれか２つ又はそれ以上を含む混合物からなる請求項１、３〜６、９〜１１、１３〜２０のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜２０のいずれか１項に記載のシステム。
（１）メタノール及び／又は、一つもしくはそれ以上の他のアルコール、
（２）ホルムアルデヒド及び／又は、一つもしくはそれ以上の他のアルデヒド、
（３）蟻酸及び／又は、一つもしくはそれ以上の他の有機酸、
（４）一つ又はそれ以上のアルカン、
（５）一つ又はそれ以上の高級アルカン、
（６）最適化された混合物、ここで一つ又はそれ以上の低分子量の燃料は、一つ又はそれ以上の高分子量の燃料の処理を促進する、
（７）一つもしくはそれ以上の有毒分子及び／又は、一つもしくはそれ以上の有害分子又は混合物。 - 前記最適化された混合物が、前記（１）及び／又は（２）及び／又は（３）及び／又は（４）及び／又は（５）に示されるいずれかの化合物の一つもしくはそれ以上からなる請求項２１記載の方法、又は請求項２１記載のシステム。
- 一つもしくはそれ以上の有毒分子及び／又は、一つもしくはそれ以上の有害分子又は混合物が、アンモニア、及び／又はアミン、及び／又はダイオキシンからなる群より選択される請求項２１又は２２の方法、あるいは請求項２１又は２２のシステム。
- 前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池である請求項１、３〜６、９〜１１、１３〜２３のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜２３のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記燃料電池が、固体酸化物形電解質からなる管状壁部を含む管状電池から構成されている請求項２４の方法、又は請求項２４のシステム。
- 前記燃料電池の少なくとも一つの電極の電導性接触子が適所に留められている請求項１、３〜６、９〜１１、１３〜２５のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜２５のいずれか１項に記載のシステム。
- 前記接触子が前記燃料電池の内部に対して留められている請求項２５又は２６の方法、あるいは請求項２５又は２６のシステム。
- 前記接触子が管状である請求項２７の方法、又は請求項２７のシステム。
- 前記燃料電池が、少なくとも実質上６００℃の温度で作動する請求項１、３〜６、９〜１１、１３〜２８のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜２８のいずれか１項に記載のシステム。
- 記燃料電池が、少なくとも実質上８００℃の温度で作動する請求項２９の方法、又は請求項２９のシステム。
- 前記消費されたアノードガスを導く経路が流体圧力開放弁を含む請求項１、３〜６、９〜１１、１３〜３０のいずれか１項に記載の方法、
あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜３０のいずれか１項に記載のシステム。 - 加熱手段が設けられ、前記消費されたアノードガスと前記補充燃料が混合される前に、前記補充燃料を加熱する、及び／又は、前記消費されたアノードガスと前記補充燃料が混合されると同時に、前記補充燃料を加熱する請求項１、３〜６、９〜１１、１３〜３１のいずれか１項に記載の方法、あるいは請求項２〜４、７〜９、１２〜３１のいずれか１項に記載のシステム。
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