JP2008541410A5 - - Google Patents

Description

また、図１には、断熱空間（ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ）２８を示し、これは、ハウジング１８を装置５の外壁３０から分離する。外壁は、実質的に、燃料電池装置によって電力供給される電気機器の周囲温度またはその付近の温度で維持される。固体電解質型燃料電池装置の効率的な運転のために、ハウジング内の温度は、４００℃を越えなければならず、温度が、５５０℃、６００℃、または７５０℃を超えて維持されると、さらに良好な運転効率が得られる。外部電気回路の周囲温度および燃料電池装置の外壁３０は、典型的には０℃から６０℃までの範囲であろう。従ってこの実施形態においては、介在する断熱空間２８の厚みを通じてのみならず、流体接続３２、電気接続３６に沿って、および機械支持３８に沿っても、３００℃を超過する大きな熱勾配が望ましくは維持される。

断熱空間は、断熱材を一体化してハウジングからの熱放散を実質的に削減することができる。従って、断熱空間内で部分的に真空が形成されてよく、または低熱伝導材が断熱空間に添加されてもよい。赤外放射シールド４０も、燃料電池装置の内部または上に配置されてよい。低圧または真空断熱材実施形態を製作するとき、断熱空間内の全ガス圧を必要な低いレベルに維持することが有益である。この目的のため、背景ガスを吸収し、機器の作動寿命にわたって高レベルの真空を維持する能力を有するゲッター材４２を追加することが有用である。電気的加熱の間作動され得る非蒸発性のゲッターは、この目的のために有用であり、ＳＡＥＳゲッターＳＴ１７１デバイス（ｗｗｗ．ｓａｅｓｇｅｔｔｅｒｓ．ｃｏｍ）などがある。

図１に示すように、断熱空間２８内に熱回収器３４を設置することで改善された性能が可能である。この位置において、一体型燃料電池装置と外壁との間の中間で、熱回収器のさまざまな内部温度が維持され得る。既存の断熱空間内に熱回収器を設置することで、熱回収器の周囲で別の断熱材が削除されるため、全体のシステムサイズも削減される。さらに、熱回収器の熱勾配を、一体型燃料電池装置と外壁との間の既存の熱勾配と合わせることで、熱回収器からの熱損失を減少させる。これは、熱回収器の所与の部分と隣接する断熱空間の間に、あったとしても温度差がほとんど無いからである。

固体電解質型燃料電池システムにおける断熱空間の設計は、固体電解質型燃料電池の効率を改善するための別の領域である。断熱材からの伝導によって損失する廃熱の量を最小化しつつ、外側パッケージとその周囲から高温ハウジングを隔離する機能のため、繊維状セラミックスまたは多孔質セラミックスが利用されてきた。例えば、低熱伝導率を有し、かつ８００℃の運転中に安定した０．０４Ｗ／ｍ−Ｋの低さである、エアロゲル材が利用可能である。

おそらく最も空間効率的な断熱は、特に小型パッケージにおいては真空断熱である。これにより、外壁と、ハウジング内に一体化された内容物を所望の温度に維持する断熱空間とを有する魔法瓶として、燃料電池装置の各部が機能することを可能とする。断熱空間中の全体のガス圧を１００ｍｔｏｒｒ未満に、好ましくは２０ｍｔｏｒｒ未満に、さらに好ましくは１０ｍｔｏｒｒ未満に維持することで、ガス相を通じたハウジングから出る伝導による、何らかの熱損失を実質的に除去することが可能である。外壁によって区切られた断熱空間中に、ガス放出口から真空ポンプ用いた真空引きによって、あるいは、真空引きされた雰囲気中で外壁の要素を共にシールする処理を実施することで、部分的真空が形成されてもよい。

上述した実施形態の説明において常に明確に強調しているわけではないが、前に本明細書に開示した発明の多くの構造的局面および化学的フローの局面によって、燃料電池装置の安全な運転が本来的に可能となる。例えば、上述の断熱空間は、熱を閉じ込めることで、等温ゾーンにおけるエネルギー密度を高める一方で、断熱空間は、機器のユーザーを過剰な熱から遮断する。同時に、断熱空間は、何らかの制御されない燃焼を停止する補足ゾーンとして作用し、断熱空間が破れたり他に突き通された場合には、燃料転換反応を停止するための手段として作用することができる。このような機構と他の安全機構を以下に詳細に記載する。

一般に、燃料電池装置、特に携帯型固体電解質型燃料電池装置の安全性を改善するための多数の設計戦略がある。しかし、組織上の目的のため、安全機構は、二つの広いカテゴリーにグループ化することができ、さまざまな実施形態は、両方のカテゴリーに置かれる機構を含むことができる点に注意すべきである。第１に、断熱空間の熱を閉じ込める利点等の受動的設計構造および方法がある。受動的安全機構の中には、背景において絶え間なく動作し、装置の変化に対して直接的な起動の必要がなく応答するものもある。例えば、燃焼伝搬を制御する燃料電池構成の設計的局面は、別の受動的安全機構を意味する。

受動的安全機構の中には、断熱空間および他の形態の機器断熱材、導管径を調節して揮発性物質の放出を制限すること、構造材の選択により機器内の熱エネルギーレベルを調節すること、燃料改質器と後部ガスバーナーのような機器構成要素を、燃料転換反応を制御する自己調節温度レベルが可能となるように編成すること、種々の流れ（ｆｌｏｗ ｓｔｒｅａｍ）および導管の径のような各種機器形状を調節して燃焼伝搬を制御すること、後部ガスバーナーのような機器構成要素を一体化して、揮発性燃料および／または燃料転換副産物を予反応することにより実質的に不揮発性の排気を提供すること、が含まれるものもある。

図６は、種々の能動的および受動的安全機構を一体化する燃料電池装置２００の実施形態の各部の概略図を示す。固体電解質型燃料電池２０２、燃料改質器２０４、および後部ガスバーナー２０６が、互いに流体連絡および熱連絡している。燃料電池２０２から生成された電気を集めるために使用される収集回路２０７の一部も示している。さらに、三つの構成要素全てが、ハウジング２０８の内部において、断熱空間２１０である程度区切られた等温ゾーン内で共に一体化されている。次いで、断熱空間２１０は、燃料電池装置２００の外壁２１２ならびに流体マニホールドの各部およびデバイスパッケージ２１４によってある程度規定されている。ハウジングの体積（ｖｏｌｕｍｅ）は、約０．５ｃｃから約１００ｃｃまでの範囲であり得る。一つの実施形態において、ハウジングの体積は、約０．５ｃｃから約１０ｃｃまでの範囲であり得る。別の実施形態において、ハウジングの体積は、約１ｃｃから約５ｃｃまでの範囲であり得る。さらに、断熱空間は、約２００ｃｃ以下である。

燃料電池装置の導管、シール、または壁部分の機械的破損によっては、熱いゾーンまたは熱い反応副産物を外部ユーザーまたは環境に暴露することがある。本発明の一つの実施形態においては、断熱空間において低減した圧力を使用する。この実施形態においては、機械的破損によって、部分的に真空が放散されながら必然的に断熱空間中での圧力の増加がもたらされる。その代わり、断熱空間中におけるこのような圧力の変化によって、燃料改質器、燃料電池、および、後部ガスバーナーの少なくとも一つを含むハウジングからの熱損失において劇的な増加が生じる。一つの実施形態において、断熱空間の形状は、最小動作温度を上回ってハウジングが維持される程度に低減された圧力において熱伝導が充分に低いようにされている。上述のように、この最小温度は、燃料転換反応を維持するために必要である。従って、断熱空間が大気圧またはその付近であると、断熱の利点がなくなり、ハウジングから多くの熱が追い出される。この熱損失と、それに伴って最大非動作すなわち「オフ」温度を下回るハウジング冷却により、燃料電池の動作を抑制する。

「オフ」温度は、種々の安全性または動作要求を満たすように選択されてよく、例えば温度は、傷害のリスクを最小化するように充分に低い。これは点火によって爆発が発生することがない温度レベルを設定することにより、あるいは「オフ」温度は、毒性の中間体が形成され得ないように選択することで達成される。従って、機器パッケージに破損が生じても、断熱空間温度制御と反応温度の要求は、動作中の機器から熱がユーザーに到達するリスクを削減する。

装置不具合は、燃料流量における微小変化による大きな温度スパイクまたは燃料電池効率の減少の結果としても生じる。固体断熱材を有する実施形態において、温度は、生成された熱にほぼ直線的に比例する。例えば、システムが４ワットの熱入力で８００℃において動作するように構成されており、熱入力が５ワットに増加すると、その後温度は、直線的に、１０００℃まで上昇し得る。この２００℃の温度の増加によって、材料溶解のような危険な故障状態を生じることがある。本発明において低減した圧力断熱空間（固体断熱材以外）を使用することで、および、低伝導管および電気接続要素を所望により使用することで、主な熱損失メカニズムは熱的に誘導されている放射となる。

熱放射による熱損失の大きさは、絶対温度の４乗に比例する。このように超線形的な相関性の結果として、熱入力の微小な増加は、温度が少し増加するのみの結果となる。例えば、４ワットの熱入力を有して８００℃で動作するように構成された機器において、熱放射が唯一の熱損失メカニズムであり、熱入力が５ワットに増加すると、その後温度は、８６２℃に上昇するだけである。このような過剰な熱の低下は、安全性と効率性の両方に関して重要な改善である。その結果、このような別の理由から、低圧断熱空間を使用することで、ユーザーが熱エネルギーに暴露されるリスクを制限する安全な機器実施形態が可能となる。一つの代表的な実施形態において、発明は、７００℃と９００℃との間の公称温度で動作し、２５０ｍＴ未満の真空でパッケージされ、赤外放射が主な熱損失メカニズムであるような自己制限的燃料電池機器に関する。

このような導管の寸法決めに関する形状設計要求が機器を製作するために使用され、低減された圧力断熱空間も組み込まれているとき、機器故障イベントの間に、おそらく装置の外側に火炎は伝搬しなくなる。特に、断熱空間において、低減された圧力／低酸素レベルが、伝搬を阻止する。流体接続において、小さい直径と充分な長さの制約を受けた形状は、燃焼伝搬を阻止する。最も慎重な場合であるため、水素についての燃焼形状値を使用することが理に適っている。しかし、機器に存在するガス混合物についてのさらに正確な値も予期される。例えば、ＮＦＰＡは、ブタンについてＭＳＥＧを１．０７ｍｍと記載する。

異なる機器実施は、後部ガスバーナーと流体連絡する低熱伝導流体接続要素を含むことができる。別の実施形態において、低熱伝導流体接続要素は、ミクロ機械加工された流体伝導管、同芯管、またはガラスキャピラリー管である。燃料電池と電気連絡する低熱伝導電気要素が発明の一部の実施形態に含まれている。低熱伝導電気要素は、１つの実施形態においては、約５０μｍ以下の直径を有している。あるいは、１つの実施形態においては、断熱空間がハウジングの外側に隣接して配置されている。断熱空間を有する機器については、断熱空間は、減少された圧力、断熱フォーム、熱反射体、またはそれらの組み合わせを含むことができる。１つの実施は、さらに、後部ガスバーナーと熱連絡する熱回収器を含む。さらに、熱回収器は、断熱空間中に配置されてもよい。

第８の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池を含むハウジングと、ハウジングの外側に隣接して配置された断熱空間とを含む。断熱空間は、減少された圧力におけるものである。

第９の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池を含むハウジングと、ハウジングの外側に隣接して配置された断熱空間と、固体電解質型燃料電池と熱連絡する熱交換器とを含む。熱交換器は、断熱空間内に配置されている。

第１２の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池を含むハウジングと、ハウジングの外側に隣接して配置された断熱空間と、を含む燃料電池装置に関する。断熱空間は、減少された圧力におけるものである。

第１３の代表的機器実施において、機器は、固体電解質型燃料電池を含むハウジングと、ハウジングの外側に隣接して配置された断熱空間と、固体電解質型燃料電池と熱連絡する熱交換器とを含む燃料電池装置に関する。熱交換器は、断熱空間内に配置されている。