(57)【要約】  燃料電池システムのアノード排ガスを酸化するための酸化器触媒アセンブリにおいて、第１触媒部材がガス流れ流路に沿って配置され、第２触媒部材が第１触媒部材に続くガス流れ流路の下流に沿って配置されている。各触媒部材はガスが通過する複数の流路と各流路中に堆積した酸化触媒とを含む。第２の触媒部材の流路の流路密度は、第１の触媒部材の流路の流路密度より大きく、第２の触媒部材の流路の流路幅は、第１の触媒部材の流路の流路幅より広い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを酸化するための酸化器触媒アセンブリであって、
ガス流路に沿って配置された第１触媒部材と、
前記第１触媒部材に続く前記ガス流路の下流に沿って配置された第２触媒部材とを有し、
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれは、ガスを通過させるための複数の貫通流路と前記複数の貫通流路のそれぞれ中に配置された酸化触媒とを含み、
前記第２触媒部材の前記複数の貫通流路は、前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の流路密度より大きな流路密度と、前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の流路幅より狭い流路幅とを有することを特徴とする酸化器触媒アセンブリ。
【請求項２】
前記ガスは燃料電池システムのアノード排ガスであることを特徴とする請求項１に記載の酸化器触媒アセンブリ。
【請求項３】
前記第２触媒部材は、前記第１触媒部材から距離ｎだけ離れて配置されていることを特徴とする請求項２に記載の酸化器触媒アセンブリ。
【請求項４】
前記距離ｎは０〜６インチであることを特徴とする請求項３に記載の酸化器触媒アセンブリ。
【請求項５】
前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり２００流路またはそれ未満であり、前記第２触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり２５０流路またはそれより大きく、
前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路幅は、０．０７１インチまたはそれより広く、
前記第２触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路幅は、０．０６３インチまたはそれ未満であることを特徴とする請求項２に記載の酸化器触媒アセンブリ。
【請求項６】
前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり１００流路であり、前記第２触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり４００流路であることを特徴とする請求項５に記載の酸化器触媒アセンブリ。
【請求項７】
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれは、セラミックモノリス基体と金属モノリス基体のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の酸化器触媒アセンブリ。
【請求項８】
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれの前記モノリス基体は、酸化触媒コーティングを含むことを特徴とする請求項７に記載の酸化器触媒アセンブリ。
【請求項９】
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれの前記モノリス基体は、前記酸化触媒コーティングの下層に基材コーティングを含むことを特徴とする請求項８に記載の酸化器触媒アセンブリ。
【請求項１０】
前記酸化触媒コーティングは、Ｐｔ、ＰｄおよびＲｈのうちの少なくとも１つであり、前記基材コーティングがアルミナ、シリカ、ジルコニア、アルミナ−セリアおよびセリアのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項９に記載の酸化器触媒アセンブリ。
【請求項１１】
ガスを酸化する方法であって、
ガス流路に沿って配置された第１触媒部材の、酸化触媒を内部に有する複数の流路を通って前記ガスを通過させる工程と、
前記ガス流路の前記第１触媒部材に続く下流に沿って配置された第２触媒部材の、酸化触媒を内部に有する複数の流路を通して、前記ガスを通過させる工程とを有し、
前記第２触媒部材の前記複数の流路が、前記第１触媒部材の前記複数の流路の流路密度より大きな流路密度と、前記第１触媒部材の前記複数の流路の流路幅より狭い流路幅とを有することを特徴とするガスを酸化する方法。
【請求項１２】
前記ガスは燃料電池システムのアノード排ガスであり、
更に、前記第１触媒部材および前記第２触媒部材を通して酸化ガスと前記アノード排ガスとの混合物を通過させる前に、前記アノード排ガスと前記酸化ガスとを混合する工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載のガスを酸化する方法。
【請求項１３】
前記第２触媒部材は、前記第１触媒部材から距離ｎだけ離れて配置されていることを特徴とする請求項１２に記載のガスを酸化する方法。
【請求項１４】
前記距離ｎは０〜６インチであることを特徴とする請求項１３に記載のガスを酸化する方法。
【請求項１５】
前記第１触媒部材の前記複数の流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり２００流路またはそれ未満であり、前記第２触媒部材の前記複数の流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり２５０流路またはそれより大きく、
前記第１触媒部材の前記複数の流路の前記流路幅は、０．０７１インチまたはそれより広く、
前記第２触媒部材の前記複数の流路の前記流路幅は、０．０６３インチまたはそれ未満であることを特徴とする請求項１２に記載のガスを酸化する方法。
【請求項１６】
前記第１触媒部材の前記複数の流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり１００流路であり、前記第２触媒部材の前記複数の流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり４００流路であることを特徴とする請求項１５に記載のガスを酸化する方法。
【請求項１７】
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれは、セラミックモノリス基体と金属モノリス基体のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１２に記載のガスを酸化する方法。
【請求項１８】
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれの前記モノリス基体は、酸化触媒コーティングと、酸化触媒コーティングおよび前記酸化触媒コーティングの下層に基材コーティングとのうちのいずれかを含むことを特徴とする請求項１７に記載のガスを酸化する方法。
【請求項１９】
前記酸化触媒コーティングは、Ｐｔ、ＰｄおよびＲｈのうちの少なくとも１つであり、前記基材コーティングがアルミナ、シリカ、ジルコニア、アルミナ−セリアおよびセリアのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１８に記載のガスを酸化する方法。
【請求項２０】
燃料電池システムであって、
アノードとカソードとを含む燃料電池と前記アノードの出口からのアノード排ガスを酸化して前記カソードに対する酸化剤ガスを生成する酸化器触媒アセンブリとを有し、
前記アノードは、燃料を受け入れる入口と、燃料ガスを含むアノード排ガスを放出する出口とを備え、
前記カソードは、酸化剤ガスを受け入れる入口と、酸化剤排ガスを放出する出口とを備え、
前記酸化器触媒アセンブリは、
ガス流路に沿って配置された第１触媒部材と、
前記第１触媒部材に続く前記ガス流路の下流に沿って配置された第２触媒部材とを有し、
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれは、ガスを通過させるための複数の貫通流路と前記複数の貫通流路のそれぞれ中に配置された酸化触媒とを含み、
前記第２触媒部材の前記複数の貫通流路は、前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の流路密度より大きな流路密度と、前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の流路幅より狭い流路幅とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】
前記第２触媒部材は、前記第１触媒部材から距離ｎだけ離れて配置されていることを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記距離ｎは０〜６インチであることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり２００流路またはそれ未満であり、前記第２触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり２５０流路またはそれより大きく、
前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路幅は、０．０７１インチまたはそれより広く、
前記第２触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路幅は、０．０６３インチまたはそれ未満であることを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記第１触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり１００流路であり、前記第２触媒部材の前記複数の貫通流路の前記流路密度は、１平方インチ当たり４００流路であることを特徴とする請求項２３に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれは、セラミックモノリス基体と金属モノリス基体のうちの１つを含むことを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれの前記モノリス基体は、酸化触媒コーティングを含むことを特徴とする請求項２５に記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
前記第１触媒部材および前記第２触媒部材のそれぞれの前記モノリス基体は、前記酸化触媒コーティングの下層に基材コーティングを含むことを特徴とする請求項２６に記載の燃料電池システム。
【請求項２８】
前記酸化触媒コーティングは、Ｐｔ、ＰｄおよびＲｈのうちの少なくとも１つであり、前記基材コーティングがアルミナ、シリカ、ジルコニア、アルミナ−セリアおよびセリアのうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２７に記載の燃料電池システム。
【請求項２９】
前記酸化器触媒アセンブリは、更に、前記アノード排ガスを酸化剤ガスと混合するための混合器を有し、前記混合器の出口ガスは、前記酸化器触媒アセンブリに供給されることを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池システム。
【請求項３０】
前記燃料電池は溶融炭酸塩燃料電池であることを特徴とする請求項２９に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムで使用されるガス酸化器で使用する触媒アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応によって炭化水素燃料中に貯蔵された化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は電解質によって分離されたアノードとカソードを含み、電解質は電気的に帯電されたイオンを伝導するために役立つ。燃料電池は、アノードに反応剤の燃料ガスを通し、カソードに酸化剤ガスを通すことによって作動する。役に立つ出力レベルを生成するために、多くの個別の燃料電池は、各燃料電池間に電気伝導分離板を設けて直列に積層して燃料電池積層体を形成する。
【０００３】
溶融炭酸塩燃料電池(以下「ＭＣＦＣ」称す場合もある)は、カソードで酸化剤ガス中の酸素と自由電子との反応によって炭酸イオンを形成し、炭酸イオンが溶融炭酸塩電解質を横切ってアノードまで移動して水素と反応して水と炭酸ガスと電力とを生成することによって作動する。ＭＣＦＣおよび他の高温燃料電池では、カソードに供給される酸化剤ガスは、燃料電池積層体の運転温度まで加熱される必要がある。いくつかのＭＣＦＣシステムでは、燃料電池のアノード側下流にアノード排ガスの酸化器を含んでおり、酸化器はアノードからアノード排ガスを受け入れ、酸化剤供給部から酸化剤ガスを受け入れ、アノード排ガス中の未使用燃料を燃焼し、燃料電池のカソード側で使用のに適した加熱された酸化剤ガスを生成する。特に、通常のアノード排ガス酸化器は、水素、一酸化炭素、および未反応炭化水素を酸化するあるいは燃焼させるための酸化器触媒アセンブリを含んでいる。ある場合には、アノード排気酸化器はまたアノード排ガスと酸化剤ガスが酸化触媒に曝される前に最初に混合される混合器を含んでいる。
【０００４】
ＭＣＦＣのアノードから出るアノード排ガスは、通常はガス相にＭＣＦＣ作動中に燃料電池の電解質層からアノード排気流れ中に放出される電解質分子を含んでいる。高温のアノード排ガスが低温の酸化剤ガスと混合すると、排気流れ中の電解質分子はガス相から固体電解質微粒子に変換する。これらの電解質微粒子は混合器の壁上および酸化器触媒アセンブリの入口表面に堆積する。電解質微粒子の堆積物は酸化触媒中に入って通過するガス混合物の流路の部分的な障壁を形成し、その結果、触媒アセンブリを横切る圧力の増加をもたらして、アノード排ガス流れの圧力とカソード入口流れの間の圧力差が増加する。さらに、電解質の堆積物による閉塞は、触媒アセンブリを通る流れの分布を変え、アセンブリの一端から他端までの温度分布における大きな差をもたらす。
【０００５】
燃料電池積層体の性能と効率は燃料電池積層体中の圧力変化に敏感である。特に、酸化器触媒アセンブリ上における電解質微粒子の堆積物の上記説明した堆積によるアノード流れとカソードの流れの間の圧力差の増加は、燃料電池積層体の温度プロフィールと電圧変化に影響する。そのうえ、電解質微粒子の堆積物は、炭化水素の酸化効率に影響を与える酸化触媒を失活させる。
【０００６】
現在、アノード出口とカソード入口の流れの圧力差を一定に維持するために、酸化器触媒アセンブリから電解質微粒子の堆積物が取り除かれている。通常、電解質微粒子は、酸化触媒から炭酸アルカリ化合物を除去するために適した溶媒で触媒を洗浄することによって取り除かれる。この電解質粒子除去方法は、酸化触媒を取り除くために燃料電池プラントの閉鎖と酸化剤アセンブリの分解を必要とする。さらに、米国特許出願第１１/０２２,９１４号公報は、酸化剤アセンブリから酸化触媒を取り外さない、その場での電解質粒子の除去方法を開示している。しかしながら、米国特許出願第１１/０２２,９１４号公報に記載されたその場での電解質粒子除去方法でさえ、燃料電池プラントを一時的にオフラインとする必要があり、その結果として、発電と配送が中断される。
【特許文献１】米国特許出願第１１／０２２，９１４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、燃料電池アセンブリの表面に堆積する電解質微粒子を低減する酸化器触媒アセンブリを提供することである。
【０００８】
更なる本発明の目的は、堆積した電解質微粒子によって酸化器触媒アセンブリを通るガス流れの妨害を遅らせる酸化器触媒アセンブリを提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、米国特許出願第１１/０２２,９１４号公報に記載された電解質除去を行う時に共に使用することができる酸化器触媒アセンブリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の原理に基づいて、上記および他の目的は、アノード排ガスを酸化するために燃料電池システムにおいて使用される酸化器触媒アセンブリにおいて実現される。この酸化器触媒アセンブリでは、第１触媒部材がガス流路に沿って配置され、第２触媒部材が第１触媒部材に続くこのガス流路の下流に沿って配置されている。第１触媒部材および第２触媒部材のそれぞれは、通過するガスのために複数の貫通流路と複数の貫通流路のそれぞれ中に配置された酸化触媒とを含む。第１触媒部材および第２触媒部材は更に、第１触媒部材の複数の貫通流路の流路密度が第２触媒部材の複数の貫通流路の流路密度より小さく、第１触媒部材の複数の貫通流路の流路幅が第２触媒部材の複数の貫通流路の流路幅より広いように構成されている。このような方法で、第１触媒部材の触媒アセンブリにおける閉塞が第１触媒部材の流路の減少した流路密度と大きな流路幅によって避けられ、一方、所望の酸化を実現するための十分な触媒活性が第２触媒部材の増やされた流路密度と減らされた流路によって得られる。
【００１１】
また、酸化器触媒アセンブリを使用するアノード排ガスを酸化する方法と酸化器触媒アセンブリを使う燃料電池システムもまた開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の上記および他の特徴と態様は、添付の図面に関連する以下の詳細な説明を読むことによってより明白となるであろう。
【００１３】
図１は本発明の原理に基づく酸化器触媒アセンブリ１１８を使用するために適合された燃料電池システム１００の概略図を示している。燃料電池システムはアノード１０４とカソード１０６を有する燃料電池１０２を含んでいる。天然ガスなどの燃料ガスは燃料供給部１０８から燃料電池システム１００に供給される。燃料は、アノード１０４に輸送される前に燃料浄化部１１０で燃料の浄化処理がなされ、熱交換器１１２で水と混合されかつ加熱される。処理され加熱された燃料は、アノード入口１０４ａを通ってアノード１０４に入って電気化学反応を受ける。使用済燃料はアノード排ガスとしてアノード出口１０４ｂを通ってアノードを出る。
【００１４】
図示された例において、酸化器触媒アセンブリ１１８は、入口１１４ａがアノード１０４の出口１０４ｂに結合しているアノード排ガス酸化器１１４中に含まれる。アノード排ガス酸化器１１４は混合器１１６も含み、混合器１１６は入口１１４ａからアノード排ガスを受けて、それを空気などの酸化剤ガスと混合する。混合器は次に、混合したガスを酸化器触媒アセンブリ１１８に提供し、酸化器触媒アセンブリ１１８ではアノード排ガス中の水素、炭化水素および一酸化炭素を含む未反応成分が酸化されて炭酸ガスと空気の混合物が生成する。混合物は酸化器触媒アセンブリの出口１１４ｂを通ってアノード排ガス酸化器１１４を出て、カソードの入口１０６ａを通ってカソード１０６に入る。カソード１０６を通過後に消費した酸化剤ガスは、カソード１０６を出て熱交換器１１２に輸送され、燃料電池システム１００を出る前に浄化した燃料と水とを加熱する。
【００１５】
図２は図１に示された酸化器触媒アセンブリ１１８のさらに詳細な概略図である。図示されたように、酸化器触媒アセンブリ１１８は、ガス流れ２００の方向に沿って次々に配置されている第１および第２触媒部材２０２と２０４を含んでいる。各触媒部材はそこを通過するガス中の未反応成分を酸化する酸化触媒をそれぞれ担持している複数の貫通流路を含んでいる。
【００１６】
本発明の原理に基づいて、第１触媒部材２０２の貫通流路は第２触媒部材２０４の貫通流路の流路幅と流路密度と比べて、異なる流路幅（対向する流路壁間の距離）と異なる流路密度（単位面積当たりの流路数）を有する。特に、第１触媒部材２０２の貫通流路の流路密度は、第２触媒部材２０４の貫通流路の流路密度よりも小さく、第１触媒部材２０２の貫通流路の流路幅は、第２触媒部材２０４の貫通流路の流路幅よりも広い。第１および第２触媒部材に対する上記構成とともに本明細書で以下に詳細に説明されるように、電解質粒状物質および他の固体のゴミによる第１触媒部材２０２の入口での酸化器触媒アセンブリ１１８の閉塞は、第１触媒部材の貫通流路の流路幅を大きくしかつ流路密度を小さくすることにより避けられる。同時に、所望程度の酸化を実現するのに十分な酸化器触媒アセンブリ１１８の触媒活性が第２触媒部材の貫通流路の流路幅を小さくしかつ流路密度を大きくすることにより得られる。
【００１７】
特に、図２に示されているように、第１触媒部材２０２は貫通流路２０３を含み、第２触媒部材２０４は貫通流路２０５を含む。貫通流路２０３は、入口側または入口表面２０２ａから第１触媒部材２０２の出口側または出口表面２０２ｂまで延び、アノード排ガスと酸化剤ガスの入口ガスの混合気体が触媒部材を通って流れるのを可能にする。同様に、第２触媒部材２０４中の貫通流路２０５は、入口側２０４ａから第２触媒部材の出口側２０４ｂまで延び、アノード排ガスと酸化剤ガスの入口ガスの混合気体が触媒部材２０２を通って流れるのを可能にする。酸化触媒は、流路２０３、２０５の壁２０３ａと２０５ａにそれぞれ配置またはコーティングされ、流路２０３と２０５を通過する混合気体中の未使用燃料を酸化して炭酸ガスと空気を生成する。
【００１８】
上記説明したように、酸化器触媒アセンブリ１１８中で２個の触媒部材２０２と２０４を使用することは、酸化器触媒アセンブリが入口ガスの混合気体中の未使用燃料を所望程度まで酸化するのを可能にする。また、酸化器触媒アセンブリは、時間がたつにつれて堆積する電解質微粒子と他のゴミが酸化器触媒アセンブリの流路を制限したり閉塞するのを防ぐ。このことにより酸化器触媒アセンブリを横切る圧力増加を避けることができる。特に、電解質微粒子と他のゴミの堆積は主として第１触媒部材２０２の先頭端部２０２ａと隣接する流路壁２０３ａの位置で起こる。従って、第１触媒部材２０２の流路２０３は電解質微粒子と他のゴミの堆積が流路を制限するのを防ぐために十分な流路密度と流路幅ｗ１を持つように選択される。
【００１９】
同様に、第２触媒部材２０４の流路密度と流路幅ｗ２は、未使用燃料の所望程度の酸化を実現のに十分な触媒活性を得るために、第１触媒部材２０２の流路密度より大きく、第１触媒部材２０２の流路幅ｗ１より狭くなるように選択される。
【００２０】
このように、酸化器触媒アセンブリ１１８を通るガス流れはある程度まで制限されないので所望程度の酸化が達成される。その結果、酸化器触媒アセンブリ１１８は、燃料電池１０２のアノード出口１０４ｂとカソード入口１０６ａの間の好ましくない圧力差を生成することなく所望の酸化を提供する。
【００２１】
第１触媒部材の貫通流路２０３の通常の流路密度は１平方インチ当たり１００流路であり、通常の範囲は１平方インチ当たり２００流路またはそれ未満であり、第２触媒部材の貫通流路２０４の貫通流路２０５の通常の流路密度は１平方インチ当たり１４００流路であり、通常の範囲は１平方インチ当たり２５０流路またはそれより大きい。さらに、第１触媒部材２０２の貫通流路２０３の流路幅ｗ１は好ましくは０.０７１インチまたはそれより広く、第２触媒部材２０４の貫通流路２０５の流路幅ｗ２は好ましくは０.０６３インチまたはそれ未満である。
【００２２】
図２に示されるように、第１触媒部材２０２の出口側２０２ｂは予め決められた距離ｎによって第２触媒部材２０４の入口側２０４ａから分離されている。触媒部材２０２の流路２０３によって細分されている酸化器触媒アセンブリ１１８への入口ガスは、こうしてこの空間を通過して次に、第２触媒部材２０４中の流路２０５を通過するように再び細分される。距離ｎが応用によって異なり、通常の変動範囲は０(その場合、部材は隣接している)から６であることが理解される。
【００２３】
第１および第２触媒部材２０２と２０４はさまざまな形状であり得る。通常の形状は、筒状または長方形であり得る。また、流路２０３と２０５は様々な構造または形状を持つことができる。また、通常の構造は、丸形または正方形であり得る。各触媒部材は酸化触媒でコーティングされている流路を有するモノリス基体であり得る。モノリス基体に対して使用可能な材料の例は、例えば、ステンレス鋼などの金属および/またはセラミックである。通常の触媒は、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｈであり得る。コーティングは、一定の厚みを持ち得る、または厚さおよび／または活性に等級付けすることができる。また、モノリス基体は、酸化触媒でモノリス基体をコーティングする前にモノリス基体の表面に付けられる支持体コーティングがあり得る。支持体コーティングの使用は酸化触媒の幾何学的形状と活性表面積を増加し、その結果として触媒活性を増加させる。支持体コーティングはアルミナ、シリカ、ジルコニア、アルミナセリアまたはセリアで形成され得る。
【００２４】
上記説明した流路の閉塞機構の十分な説明が以下でなされる。図３Ａは触媒部材３０２によって形成されている従来の酸化器触媒アセンブリ３００の先頭の端部を示しており、触媒部材３０２は酸化触媒でコーティングされた流路壁３０３ａを持つ貫通流路３０３を有する。燃料電池システム１００では、酸化器触媒アセンブリ３００は、本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８と同様のアノード排ガス酸化器１１４中に混合器を伴う。アノード排ガスと酸化剤ガスを含むガス混合物は、こうして従来の酸化器触媒アセンブリ３００に入り、ガス混合物中に存在する電解質微粒子および他のゴミが先頭の端部３０２ａとその周囲の触媒部材３０２の流路壁３０３ａ上に堆積する。堆積物は既にガス中に存在する電解質微粒子とゴミとに由来する。また、触媒部材３０２の先頭の端部３０２ａの温度は通常は混合ガスの温度より低いので、混合ガス中に存在する電解質蒸気が凝縮して先頭の端部３０２ａおよび隣接する流路壁３０３ａに付着する追加の電解質微粒子を同様に生成する。
【００２５】
その結果、時間がたつにつれて、電解質微粒子とゴミが堆積する。図３Ａの曲線２０６、２０８、および２１０によって時間による堆積が示される。２０６は第１時間における堆積、２０８は第１時間より遅い第２時間における堆積、２１０は第２時間より遅う第３時間における堆積をそれぞれ示している。曲線２１０で示されるように、堆積物は結局それぞれの流路３０３に隣接している壁３０３ａ上の堆積物と混合又は架橋して、その結果、先頭の端部３０２ａまたはその近くで流路を遮蔽する。この流路３０３の遮蔽は、触媒部材を通るガス流れに対する抵抗を増加し、時間が経過するとともに、触媒部材を横切る測定可能な圧力増加をもたらす。
【００２６】
図３Ｂは、本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８の触媒部材２０２における電解質微粒子と他のゴミの同様の堆積物を示している。図３Ｂで示されるように、流路幅ｗ１の選択により、先頭の端部２００ａと隣接する壁２０３ａでの堆積物は流路２０３をある程度まで遮蔽しない。したがって、触媒部材２０２を横切る圧力増加、従って本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８を横切る圧力増加は、図３Ａの従来のアセンブリ３００における圧力増加と比べてわずかである。
【００２７】
図２と図３Ｂの本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８の性能がテストされ、図３Ａの酸化器触媒アセンブリ３００のような酸化器触媒アセンブリの性能と比較された。この場合、触媒部材２０２は１平方インチ当たり２００流路の流路密度と０.０７１インチの流路幅ｗ１を持ち、触媒部材２０４は１平方インチ当たり４００流路の流路密度と０.０６３インチの流路幅ｗ２を持つ。従来の触媒アセンブリの触媒部材は、同様に１平方インチ当たり４００流路の流路密度と０.０６３インチの流路幅を持つ。
【００２８】
１０００時間動作後の比較性能は、従来の酸化器触媒アセンブリに対しては図３Ａで示されるような電解質とゴミの堆積物という結果となり、本発明の酸化器触媒アセンブリに対しては図３Ｂで示されるような同様の電解質とゴミの堆積物という結果となった。したがって、従来の酸化器触媒アセンブリは、流路開口をかなり閉塞し、その結果、酸化器触媒アセンブリを通るガス流れの低下をもたらす。このことは同様に、入口側(アノード出口側)での圧力増加と出口側(カソード入口側)での圧力低下を引き起こす。他方、本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８の酸化触媒部材２０２は、ほとんど流路開口の閉塞が起こないので、結果として、酸化器触媒アセンブリ(アノード出口側からカソード入口側まで)を横切る圧力差はほとんど無かった。
【００２９】
また、本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８と従来の酸化器触媒アセンブリの性能の差は図４と図５に示される。図４は、従来の酸化器触媒アセンブリを使う燃料電池システム１００と本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８を使う燃料電池システム１００のような燃料電池システムで測定されたカソードとアノード間の圧力差データを示す図である。図４では、Ｘ軸は全負荷条件での燃料電池システムの運転時間を示し、Ｙ軸がカソードとアノード間の圧力差、すなわち、酸化器触媒アセンブリの出口側１１４ｂの圧力と酸化器触媒アセンブリの入口側１１４ａの圧力を示す。図４では、酸化器触媒アセンブリの流路が電解質微粒子とゴミの堆積物の堆積によって目詰まりが増加するので、測定される圧力差は、よりマイナスとなる。図４では測定される圧力差がよりマイナスになるにつれて、カソード側の圧力とアノード側の圧力差が増加する。
【００３０】
図４から理解されるように、約８００時間動作後に従来の酸化器触媒アセンブリを使用する燃料電池システムのカソード側の圧力とアノード側の圧力差は４０１として囲まれたマイナスのデータの傾向によって示されるように急激に増加し始める。しかしながら、本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８を使う燃料電池システムの圧力差は１７００時間作動後でさえ４０２で囲まれたデータによって示されるように比較的一定にとどまる。そのうえ、図４で示されるように、本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８を使用する燃料電池システムにおける運転時間の始めにおける圧力差は従来の酸化器触媒アセンブリを使うシステムの圧力差より小さい。
【００３１】
図５は従来の酸化触媒のサンプルと本発明に基づく酸化触媒のサンプルの測定された圧力損失を示す図である。圧力損失データは３インチの直径を持つ触媒サンプルを使う実験室試験で測定された。各試験されたシステムでは通常の燃料電池作動と比べて加速された堆積を提供する濃度の燃料電池電解質を含むガス流れが提供される。図５では、Ｘ軸は試験運転時間を示しＹ軸は測定された圧力損失を示す。
【００３２】
図５で示されるように、試験された従来の触媒のサンプルを横切る圧力損失は、試験開始後、ただちに急激に増加する。特に、約７５時間後の従来の触媒のサンプルの圧力損失は約１.０８であり、２００時間後は約１.５まで増加し２７５時間後に１.８まで増加した。本発明に基づいて調製された触媒サンプルを横切る測定された圧力損失は１,０００時間を超えて約０.８で比較的一定に保持されている。
【００３３】
図４と図５に示されるように、図２で示されたような本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８の配置構成は、酸化器触媒アセンブリを通るガス流れの閉塞を減少し、酸化器触媒アセンブリの運転寿命を増加させる。その結果、従来の酸化器触媒アセンブリと比べて、本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８に堆積する電解質とゴミ堆積物は、しばしばの除去を必要としない。このことは、酸化器触媒アセンブリの洗浄を実行するために燃料電池プラントを頻繁にオフラインとする必要がないので、燃料電池システム１００がより連続的に作動することが可能となる。その結果、電力配送における多くの中断をかなり減少することができる。
【００３４】
運転時間のある期間の後で、触媒ユニット１１８の先頭の端部上に堆積した堆積物は除去する必要があり、上記説明した米国特許出願第１１/０２２,９１４号公報で開示されたその場での方法は、そのような除去のために使用され得る。
【００３５】
理解されるように、本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８は第１及び第２触媒部材２０２、２０４だけを含むように例示されたが、酸化器触媒アセンブリの酸化能を更に最適化するためにそれぞれ選択された流路密度と流路幅を有する一個またはそれより多い追加の触媒部材が触媒部材２０４に続く酸化器触媒アセンブリ中に含むことができる。したがって、例えば、本発明の酸化器触媒アセンブリ１１８は第２触媒部材と同じ流路密度と流路幅を持つ第３触媒部材を含くことができる。代替手段において、第３触媒部材は第２代触媒部材より大きな流路密度と少ない流路幅を持つことができる。更に、触媒部材は、未反応燃料成分のかなり高い濃度を持つガスを酸化させるために提供され得る。
【００３６】
すべての場合において、上記説明された配置構成は本発明の応用を示す多くの可能な実施例の単なる例示であることが理解される。付随の特許請求の範囲で定められるような本発明の趣旨と範囲から逸脱せずに、本発明の原理に基づいて多くの様々な他の構成が容易に誘導されることが理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の原理に基づく酸化器触媒アセンブリを使用するために適合した燃料電池システムの概略を示す図である。
【図２】図１の燃料電池システムの酸化器触媒アセンブリをより詳細に示した図である。
【図３Ａ】従来の酸化器触媒アセンブリの表面における電解質微粒子の堆積物の堆積を示す図である。
【図３Ｂ】図２の酸化器触媒アセンブリの表面における電解質微粒子の堆積物の堆積を示す図である。
【図４】図２の酸化器触媒アセンブリを使用する燃料電池システムと従来の酸化器触媒アセンブリを使用する燃料電池システムにおける測定されたカソードとアノード間の圧力差を示す図である。
【図５】従来の酸化触媒のサンプルと本発明に基づく酸化触媒のサンプルにおける測定された圧力損失を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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