JP4068151B2 - 燃料セル発電システム - Google Patents

Description

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触媒酸化装置（第１の触媒酸化装置）が加熱されるように空気／燃料ガスの混合気を触媒酸化装置へ分配する手段と、触媒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（燃料セルチューブ）と、燃料セルへ空気と燃料ガスを分配する手段とを備え、燃料セルは、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ようになっている、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、触媒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、触媒酸化装置は、導管内の燃料セルの上流側に直列に接続される。
さらに、別の触媒酸化装置（第２の触媒酸化装置）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。その第２の触媒酸化装置もしくはそれぞれの触媒酸化装置は、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、第１の触媒酸化装置の上流側に設けられてもよく、触媒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粒状物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、制御された量の空気を開口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、プラチナ触媒を含む大表面積を有する多孔性の触媒栓８（第１の触媒酸化装置）を通過する。燃料ガスと空気の混合物は反応し、結果として触媒栓８が加熱され、該触媒栓８と装置の残りの部分を通るガスを加熱する。触媒栓８、開口７、および燃料ガスの流速は、触媒栓８から出てくるガスが実質的に酸素を含まないように構成及び設定される。
加熱されたガスは、触媒栓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内を通る。燃料セルチューブ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、空気を燃料セルチューブ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、燃料セルチューブ９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、燃料セルチューブ９内の燃料ガスと燃料セルチューブ９の周りの酸素との間の電子化学反応の結果として発生せしめられる。
プラチナを含む大表面積のセラミックの別の触媒栓１２（第２の触媒酸化装置）が、燃料セルチューブ９の開放端に隣接して配置されており、燃料セルチューブ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。
燃料セルチューブ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燃料セルチューブ９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、燃料セルチューブ９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、或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。
触媒栓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。
装置の運転を中断させる前記硫黄をガス流から除去するフィルタ４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に設けられたチューブを形成する金属メッシュの間に巻かれた。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。Ａｇ／Ｐｄ陽極と、銀ワイヤ集電器を備えたランタン・ストロンチウム・亜マンガン酸塩陰極とを有するジルコニアの燃料セルチューブは、加熱される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。

Claims (7)

1. 第１の触媒酸化装置の加熱が燃料セルチューブの加熱をもたらすように、絶縁ハウジング内で互いに隣接して配置された該燃料セルチューブ及び触媒酸化装置と、中で、触媒酸化装置と燃料セルチューブとが直列に接続されるガス流路を規定する手段と、触媒酸化装置における燃料ガスの酸化によって該触媒酸化装置が加熱されるように、且つ、その結果、酸素を含まないガスが燃料セルチューブに直接分配されるように、空気／燃料の混合物を上記ガス流路に分配する手段と、上記燃料セルチューブ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. 上記燃料ガスのガス源は、上記ガス流路に接続された導管内へ、該導管の周りの空気をベンチュリ効果に基づき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、該空気と燃料ガスとが該導管内で混合される請求項１記載の電力源。
3. 上記燃料セルチューブの下流側で上記ガス流路内に、第２の触媒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. 上記燃料セルチューブが、少なくとも一つのセラミックチューブで形成される請求項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. 上記触媒酸化装置は、プラチナ触媒を支持する多孔性のセラミック繊維の塊から形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の電力源。
7. 上記第１の触媒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。

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