JPH02503968A - 電気化学的に作動する燃料電池により燃料から電気エネルギーを発生する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 電気化学的に作動する燃料電池により 燃料から電気エネルギーを発生する装置この発明は、例えば百科全書「自然科学 及び技術」、ッパイブルゲン出版、パインハイム、第１巻、１９７９年、５８５ 頁乃至５９８頁から上位概念の技術レベルとして結論されるように、請求項１の 上位概念に従う電気化学的に作動する燃料電池により燃料から電気エネルギーを 発生する装置に関する。

上記した文献から、電解質（Ｅｌｅｋｔｒｏｌｙｔｅｎ）により相互に分離され 、触媒として用いられる２個の電極から構成されている燃料電池は公知のものと なっている。燃料電池用の燃料として、既に、従来の化石燃料が考慮に入れられ ている。燃料電極には、例えば水蒸気、燃料蒸気及び触媒ガスからなる混合物が 供給され、この混合物の影響の下で、炭酸ガス、水素イオン及び電子が発生する 。

水素イオンは電解質を通過し、燃焼用空気が供給される空気電極へ移動し、ここ で水素イオン／酸素反応を行って水蒸気を発生する。比較的大きな電気的出力を 得るために、直列接続された成層燃料電池が形成される。このような燃料電池を 作動するためには、勿論、反応する物質とを電極面に接する空間へ供給し、この 空間から排出する装置や、熱制御する装置例えば熱交換器が必要になる。しかし ながら、今日作動している装置は、経済性に欠陥があるため、個々の制限された 特別な適用を越えているものではない。このことは、プロセスに関与する物質の 徹底した再処理及び再使用と、得られた熱量の利用とが行われないという点があ る。

この発明は、高い効率を示し、経済的にかつ環境に適合して作動することができ る燃料電池を使用して電気よる。

この課題は、上記した上位概念の装置において、請求項１の特徴事項により解決 される。適切な熱交換器及び装置により、プロセスにおいて得られた熱量が、燃 料電池に供給されるべき物質（Ｓｔｏｆｆ）の流れを加熱するために再利用され る。物質のその他の部分は、燃料のほの際に得られる燃料ガスをガス洗浄器によ り浄化し、燃料の余剰成分を燃料電池に再び供給し、高価な触媒ガスを再取得す るのに役立つ。従属請求項に従う特に合目的な装ガス洗浄器やその他の装置、な らびにマイクロプロセッサを用いた特別な制御技術により一層向上される。

この発明の実施例は、図面に示されている。唯一つの図面は、電気エネルギーを 発生するための電気化学的燃料電池を具備する装置の全体構造を概略的に示して いる。

この図面に示された装置は、燃料の化学的エネルギーを電気エネルギーに直接電 気化学的に変換するものである。この装置は、例えばデイゼル油、灯油、ベンジ ン、種々のアルコールや、ブタン、プロパン及びメタンのような数多（の従来の 燃料からエネルギーに変換するのに適用される。この装置は、１２０℃及び２５ ０℃の間の使用温度において酸化剤としての空気とともに作動する。多数の成層 配列された個々の燃料電池１から形成される燃料電池コアの燃料電極には、水蒸 気、燃料蒸気及び触媒ガスからなる混合物が供給される。電極反応により、燃料 電極の表面には、電流を担持し、電解質を通って空気電極へ移動し、ここでプロ トン／酸素反応を行って放電し、水蒸気に変わるプロトンが形成される。この燃 料電極には、プロトンが連鎖反応的に形成される。この場合水蒸気が消費され、 燃料は２酸化炭素に変えられる。従って、空気中の酸素及び燃料を完全に消費し た場合には、排出ガスは窒素／水蒸気混合物（消費された空気）、もしくは水蒸 気／触媒ガス／２酸化炭素混合物（消費された燃料）からなる。

燃焼用空気及び燃料ガス混合物は、必要な温度に加熱されればならない。この装 置を始動するためには、燃料電池１を特別に加熱しなければならない蒸気発生器 １６を具備する加熱装置が必要となる。固宵の使用温度に維持するために、運転 中は、燃料電池１が損失による十分な熱を発生する。こｌれに加え、燃料電池１ に供給されるべき物質流を加熱し気化するため、凝縮物の分離から発生される凝 縮熱及び燃料電池ｌから排出された物質流の冷却により得られる熱とが形成され る熱交換器２が用いられる。しかも、熱の一部は排出されねばならない、このこ とは後述するガス洗浄器１１．２０及び場合によっては熱交換器２における付加 的な冷却媒体を介して達成される。さらに、使用温度に制御するための熱ポンプ ２３を設けることができる。熱交換器２における凝縮物を生成する事により、ガ ス洗浄器１１．２０は負荷を軽減される。熱交換器２における燃料ガスから形成 される凝縮物はポンプ１４により吸引され、閉じた循環ループにおいて熱交換器 ２における流入燃料ガス混合物に再び注入される。

この凝縮物の一部は、凝縮タンク１５に貯溜され、特別な蒸気発生器１６により 制御されて供給される。これにより、燃料ガスの圧力が制御される。消費された 燃焼用空気から得られる凝縮物は、一部分はガス洗浄器】１に必要とされ、幾ら かは排出物として排出される純水からなるｉプロセスにおいて、大気空間におけ るよりも実質的により多くの水が生成され、消費される。

ガス洗浄器１１は、燃料電池１より排出される燃料ガスから触媒ガス及び燃料の 余剰成分を分離するのに使用される。触媒ガス及び燃料余剰成分は、閉じた循環 ループにおいて再び燃料電池１に注入される。上記した物質は、酸性の中間生成 物が洗浄器２０の塩基性搬送流体に不利な効果を及ぼすことになるため、逆流の 原理にもとずきガスから水によって洗いだされる。

別の洗浄器２０は、ガス洗浄器１１より排出される残余ガスから２酸化炭素を分 離するのに使用する。２酸化炭素は、搬送流体に溶解されていて一残余ガス混合 物から排出される。この残余ガスは、閉じた循環ループにおいてポンプ１３を介 して再び燃料電池ｌに注入される。搬送流体として、比較的低い温度で２酸化炭 素と強力に結合するが、比較的高い温度で２酸化炭素を再び完全に釈放する流体 が使用される。ガス洗浄器１１及び２０を冷却するのに、熱交換器２５．２７が 用いられる。

２酸化炭素を大気中に分離するための装置２１は、搬送流体を再処理するのに用 いられる。この装置２１においては搬送流体は熱交換器２４により加熱される。

搬送流体は、閉じられた循環ループにおいてガス洗浄器２０と装置２１との間を 循環する、この場合熱交換器２６が熱制御するために設けられている。搬送流体 は、熱交換器２６において再生された搬送流体により逆流原理にて加熱される。

洗浄器１１の能力を越える場合でも、触媒ガスの残滓痕跡（Ｒｅｓｔｓｐｕｒｅ ｎ）が洗浄器２０に至り、ここで搬送流体を次第に阻止してしまうことは避けら れない。加えて、燃料は、通常、硫黄から遊離しているものではない。硫黄は、 ２酸化硫黄として最終的に洗浄器２０に達し、同様に搬送流体を阻止する。触媒 酸及び２酸化硫黄は、その強力な酸性特性のため加熱によっても追い出さない。

このため、同等の燃料において、両成分を搬送流体から分離し、気ずかうことの ないようにするために、図示しない付加的装置が場合によっては必要となる。こ のような技術は、公知である。このような装置は、保守の際に、搬送流体を交換 し、新たな搬送流体が充填されれば、省略することができる。その場合、気ずか うことのない搬送流体は、化学機械にて再処理される。

熱ポンプ２３は、ガス洗浄器１１．２０と凝結温度を幾分越える温度に冷却する ために使用する。再生された熱は、搬送流体を再処理する装置２１及び蒸気発生 器１６を加熱するのに用いる。このシステムの損失熱は、大気もしくは消費装置 へ排出される。

マイクロプロ・セッサは、ガス及び流体の流れの制御、ならびに使用温度の制御 及び監視、作動の確実性の判断基準の厳守に用いられる。すべての弁及びポンプ は、マイクロプロセッサにより制御される。燃料電池１の空気は供給は、空気フ ィルター７、コンプレッサ６、空気タンク５ならびに弁８．９を介し行われる。

弁８，９により一マイクロプロセッサにより制御される一燃料空間の圧力と同一 で、電池構造の剛性により規定された圧力が、燃料電池１の大気空間に維持され る。流れの流量は、理論的に必要とされる値を僅かに越えるように制御される。

燃料ガスの貫流は、弁１０の作動と蒸気発生器１６における蒸気発生制御とによ り制御される。弁１０が閉止されるに と、ガス洗浄器１１．２０には、弁１０に解放する際に燃料電池１から熱交換器 ２を通過する燃料ガスを吸引する真空が発生する。燃料空間の圧力は、弁１８． １９と接続する蒸気発生器１６により、そして燃料の注入により再び形成される 。ポンプ１４と熱交換器２への凝縮物の注入とは、閉じられた循環ループに対し 配慮を行う。燃料ガスの貫流は、燃料の分圧が幅広い領域において変えられるか ら、燃料の注入と無関係に制御される。

燃料の注入は、使用される燃料の揮発性に応じ、点Ａ。

Ｂ又はＣにおいて行うことが可能となる。好ましくは、供給されるべき燃料ガス 混合物が相次いで、成層配列した燃料電池１を貫流して行く。燃料電池電圧は、 燃料の分圧のぢ数に関係している。しかしながら、蛇行する流れの中での最初の 群と最後の群との燃料電池電圧の差は、容易に測定され、これにより燃料の減少 が正確に決定される。従って、供給された全燃料の殆どが消費されるように燃料 の注入が制御されるために、燃料電池の電圧が関係させられる。僅かな過剰燃料 のみが燃料ガスとともに逸出するから、ガス洗浄器１１と２０は僅かに負荷され る。

燃料電極には、ガス洗浄器１１の洗浄水から取り出される水が使用される。この 水は熱交換器２に供給された凝縮物に付加される。水の供給は、燃料凝縮物の濃 度が一定に保持されるように制御される。

搬送流体からの２酸化炭素の分離は、ポンプ２２と熱ボンブ２３との制御により 制御される。この量は、ガス洗浄器１１の排出側もしくは搬送流体における２酸 化炭素の濃度にもとすいて制御される。

作動プロセスを制御するために設けられたマイクロプロセッサは、さらに、電池 構造破損の際に突然の圧力降下があるかどうか、燃料電池の漏れの際に触媒酸が 空気凝縮物中に現れるかどうか、もしくは維持されているかどうかの圧力監視に 用いられる。誤動作の場合には、図示しない安全弁が開放される。この安全弁は 、例えば窒素もしくは２酸化炭素のような安全なガスによりそこに存在するガス を排除するために、電池の両半分における圧力が同一になるようにする。装置の 休止状態においては、燃料電池１はこのガスにより充填されている。始動の際に 始めて、このガスは蒸気発生器１６からの蒸気コンプレッサ６からの空気とによ り次第に排出されて行く。

国際調査報告 １ｍ−−””＝　ＰＣＴ／ＤＥ　８９１００２０９　２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　反応する物質及び生成物質を燃料電池の電極面に接する反応空間へ供給し、 この反応空間から排出する装置、ならびに物質の流れの熱制御をしかつ処理する 装置を具備し、電気化学的に作動する燃料電池により燃料から電気エネルギーを 発生する装置において、燃料電池（１）には、燃料電池（１）から排出される物 質の流れを冷却し、これに含まれる凝縮物を分離するために用いられ、これから 得られた熱を、燃料電池（１）に供給されるべき物質の流れを加熱し気化するた めに使用される熱交換器（２）が設けられ、 さらに、燃料電池（１）に使用された触媒ガスと、燃料電池（１）より排出され た燃料ガスからの燃料余剰成分とを分離するために用いられるガス洗浄器（１１ ）、ならびに、得られた凝縮物を燃料電池（１）に再注入する装置 を具備することを特徴とする電気化学的に作動する燃料電池により燃料から電気 エネルギーを発生する装置。 ２　別のガス洗浄器（２０）が設けられ、該ガス洗浄器においては燃料ガスに含 まれる２酸化炭素が搬送流体に溶解されて排出され、かつ適切な装置により再び 燃料電池（１）に注入される余剰ガス混合物が分離されることを特徴とする請求 項１に従う装置。 ３　周囲空気に２酸化炭素を排出する際に搬送流体を再処理するための装置（２ １）が設けられ、この場合搬送流体は閉じられた循環ループにおいてガス洗浄器 （２０）及び装置（２１）の間に導入され、 流体の流れの間で熱交換するための熱交換器（２６）が設けちれている ことを特徴とする請求項２に従う装置。 ４　余剰触媒ガスの再生及び搬送流体から毒性ガスを分離する装置が設けられて いる ことを特徴とする請求項３に従う装置。 ５　　熱交換器（２７，２５）を介しガス洗浄器（１１，２０）を冷却するため に用いられる熱ポンプ（２３）が設けられており、該熱交換器は蒸気発生器（１ ６）及び搬送流体を再処理する装置（２１）を加熱するための発生された熱を使 用することができる ことを特徴とする請求項１乃至４の一つに従う装置。 ６　燃焼用空気気流が燃料電池（１）への供給及び排出導管における弁（８，９ ）により制御されることを特徴とする請求項１乃至５の一つに従う装置。 ７燃料電池（１）への燃料ガス混合物の流れが、ガス洗浄器（１１）に至る排出 導管における弁（１０）と供給導管における蒸気発生器（１６）による蒸気発生 の制御とにより制御される ことを特徴とする請求項１乃至６の一つに従う装置。 ８　燃料の注入が電池電圧を測定する装置により制御される ことを特徴とする請求項１乃至７の一つに従う装置。 ９　成層配置した燃料電池（１）において、反応する物質から少なくとも燃料を 含むガス混合物が蛇行状に順次、成層された個々の燃料電池（１）を通って導入 されることを特徴とする請求項８に従う装置。 １０　燃料電池（１）の燃料ガス混合物側の電極への水の供給が、熱交換器（２ ）に沈澱している燃料凝縮物の濃度に関係して制御される ことを特徴とする請求項１乃至９の一つに従う装置。 １１　物質の流れを燃料電池（１）に供給し、燃料電池（１）から排出するため のポンプ（３，１３，１４，２２）及び弁（８，９，１０，１２，１８，１９） がマイクロプロセッサにより制御されることを特徴とする請求項１乃至１０の一 つに従う装置。