(57)【要約】本発明は、受動希釈ユニットに関し、燃料用流路を備えており、流路は、触媒を有する膜がはめ込まれる少なくとも一つの窓を有する。拡散処理の方法で、例えば大気中の酸素は、膜を通じて燃料流に浸透できて、触媒による酸化処理の方法で反応が生じて、反応中に燃料が水になるように酸化される。これによって、生成水は、燃料流に直接残って、燃料を直接希釈する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水で燃料（１）を受動希釈するための希釈ユニット（１０）であって、
ａ）少なくとも一つの燃料（１）用流路（５）を備え、
ｂ）前記流路は、少なくとも一つの触媒（４）を有する相（３）としての領域が少なくとも構成されていることを特徴とする希釈ユニット（１０）。
【請求項２】
前記相（３）は、膜及び／又は織物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の希釈ユニット（１０）。
【請求項３】
前記膜及び／又は前記織物は、燃料に抵抗力のあるプラスチック材料からなる群、例えば、ｓＰＥＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、セラミック材、被覆織物、半透過性膜、多孔性膜、及び／又は、イオン交換膜、から選択されることを特徴とする請求項２に記載の希釈ユニット（１０）。
【請求項４】
前記相（３）は、前記触媒（４）で被覆及び／又は充満されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の希釈ユニット（１０）。
【請求項５】
前記触媒（４）は、プラチナ、スズ、ルテニウム、オスミウム、コバルト、鉄、ニッケル、ロジウム、銅、亜鉛、クロム、及び／又は、合金、及び／又は、これらの組み合わせからなる群から選択されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の希釈ユニット（１０）。
【請求項６】
前記相（３）は、ガスを拡散して透過できることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の希釈ユニット（１０）。
【請求項７】
前記ガスは、ガス状オキシダント（６）、好ましくは酸素又は空気、及び/又は、ガス状反応生成物（７）、好ましくは二酸化炭素からなる群から選択されることを特徴とする請求項６に記載の希釈ユニット（１０）。
【請求項８】
前記相（３）は、水、燃料及び／又は燃料混合物に対して透過性が少なくなっており、好ましくは、水、燃料及び／又は燃料混合物に対して透過性がないことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の希釈ユニット（１０）。
【請求項９】
燃料（１）又は水との燃料混合物（１’）を受動希釈する方法であって、
ａ）濃縮燃料（１）又は濃縮燃料混合物（１’）の流れが、少なくとも一つの触媒（４）を有する相（３）を通過するように導かれ、これによって、前記燃料（１）又は前記燃料混合物（１’）の少なくとも一部が、相（３）及び触媒（４）に接触されて、
ｂ）少なくとも一つのオキシダント（３）が、拡散過程を通じて前記相に供給され、前記燃料（１）又は前記燃料混合物（１’）の一部が、触媒作用で水組成物によって酸化され、
ｃ）前記燃料（１）又は前記燃料混合物（１’）を希釈する反応中に前記水が生成されることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載の希釈ユニットが用いられることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料（１）は、液体状及び／又はガス状の燃料、及び／又は、その混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料（１）は、炭化水素からなる群、例えば天然ガス、ガソリン、ディーゼル、ケロシン、メタン、エタン、プロパン、ブタン、水素、バイオガス、バイオディーゼル、植物オイル、そして、アルコール、例えばメタノール、エタノール、変性アルコール、飲料アルコール、及び／又は、それらの混合物、から選択されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記オキシダント（６）は、大気中の酸素、酸素、及び／又は、その混合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
反応中に生成される副産物（７）、例えば二酸化炭素は、前記相を通じて拡散することを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料（１）又は前記燃料混合物（１’）は、化学量的に必要な水の含有量まで希釈されるようになっていることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
燃料又は水で希釈された燃料混合物をさらに再処理するために請求項１〜８のいずれかに記載の希釈ユニット（１０）を備えることを特徴とする改質装置（２１）。
【請求項１７】
燃料又は水で希釈された燃料混合物を酸化するために請求項１〜８のいずれかに記載の希釈ユニット（１０）を備えることを特徴とする燃料電池（２２）。
【請求項１８】
前記燃料電池（２２）は、複数の電気化学的単電池を備えることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池（２２）。
【請求項１９】
前記燃料電池（２２）は、複数の電気化学的単電池を積層構造で備え、前記希釈ユニット（１０）は、前記積層に組み込まれていることを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池（２２）。
【請求項２０】
燃料又は水との燃料混合物を希釈するために、燃料又は燃料混合物中の精製された水の含有量を調整するために、食品産業でアルコール溶液を希釈するために、燃料を精製及び／又は加工するために、請求項１〜８のいずれかに記載の希釈ユニット（１０）、請求項１６に記載の改質装置、及び／又は、請求項１７〜１９のいずれかに記載の燃料電池を使用することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、受動希釈ユニットに関するもので、燃料用流路を備えており、この流路は少なくとも一つの窓を有しており、触媒を備えた膜がこの窓にはめ込まれている。拡散処理の方法によって、例えば、大気中の酸素が膜を通じて燃料流に浸透し、触媒による酸化作用によって反応を起して、この反応で燃料が酸化して水になる。これによって生成された水は、燃料流に保有されて、燃料を直接希釈する。
【０００２】
エネルギー技術、例えば燃料電池での使用に対して、液体状又は気体状の炭化水素、例えばアルコール、ガソリン等が燃料として用いられる。これらは、例えば直接電気化学的に、燃料電池等で電気エネルギーに変換され、また、更なる処理を経て、水素に改質すること等によって高電子価の燃料を形成する。これら工業的処理変換の過程を行うために、この変換のための反応相手として、水を追加することがよく行われる。この水をタンクから個別に計量するか、水で希釈した燃料をタンクに貯留する必要がある。この２つの処理では、別のタンクを必要とするか、希釈した燃料を貯留する必要がある。これでは、不必要に別のタンクを用意しなければならないか、同質の燃料を保持するためにより大きな容積のタンクを用意しなければならない、という不都合を有する。
【０００３】
従来の商業設備では、水が別のタンクに貯留されるか、燃料に混合されている。直接アルコール型燃料電池では、反応に必要な水との希釈を達成できる結果、得られる生成水をさらに燃料流に導入できることが知られている。
【０００４】
従って、本発明の目的は、できるだけ簡単な構造で、できるだけメンテナンスをすることなく動作できるような、燃料を希釈するための希釈ユニットを提供することである。
【発明の開示】
【０００５】
この目的は、請求項１の特徴によって実行される。請求項９では、燃料を受動希釈するための方法が示されており、請求項１６又は１７では、希釈ユニットを含む応用ユニット、例えば改質装置又は燃料電池が言及されている。請求項２０では、応用可能性が言及されている。各従属項は有利な展開を示す。
【０００６】
本発明では、水で燃料を受動希釈するために希釈ユニットを提供するものであり、少なくとも一つの燃料用流路を備え、流路は、少なくとも一つの触媒を有する相（phase）としての領域が少なくとも構成されている。
【０００７】
提案するシステムは、機械的移動装置や追加の水タンクを必要とすることなく、アルコール等の高濃度燃料を希釈できる。その結果、設備の技術的な複雑さは減少し、燃料を消費するときに、作業者は単に燃料タンクを充填するだけでよく、さらに水タンクは不要となる。本発明によって、局所的に必要な濃度に対応して、流れ方向において局所的に異なる水濃度を生成できる。別の水タンクを使った解決策の場合、投入濃度を調整できるが、次の過程で、流れ方向における濃度に影響を与えることはできない。
【０００８】
このようなユニットを備えた工業処理設備の静止実施の場合、希釈ユニット自身の大きさで燃料希釈を調整できる。
【０００９】
好ましくは、この相は、膜又は織物からなり、燃料に抵抗力のあるプラスチック材料、例えば、ｓＰＥＥＫまたはＰＥＥＫのようなポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロチレン（ＰＴＦＥ）、及び／又は、同様の高耐熱性又は耐衝撃性の熱可塑性物質、セラミック材、被覆織物、半透過性膜、多孔性膜、及び／又は、イオン交換膜が用いられる。
【００１０】
好ましくは、この相、即ち、膜や織物等に触媒を塗布し、この相は触媒で被覆及び／又は充満させる。
【００１１】
酸化のために使用される触媒は限定されることがなく、当業者は、通常有する知識に基づいて、用いる燃料の機能に従って選択できる。
【００１２】
好ましくは、触媒は、プラチナ、スズ、ルテニウム、オスミウム、コバルト、鉄、ニッケル、ロジウム、銅、亜鉛、クロム、及び／又は、合金、及び／又は、これらの組み合わせから選択される。例えばこれらの組み合わせによって、触媒の領域は金属又は合金から形成され、他の領域は他の金属又は他の合金からなることが理解できる。触媒は、多孔性の固体又はネットのような粒子形、パレット形で構成できる。
【００１３】
この相は、特に、ガスを散漫に透過できるように構成されている。
【００１４】
好ましい実施形態では、ガスは、燃料流方向に拡散して相を透過するガス状オキシダント、好ましくは酸素又は空気、及び/又は、ガス状反応生成物、好ましくは二酸化炭素からなる群から選択される。一方で、ガスは、相を通じて燃料流から外へ拡散するガス状反応生成物、好ましくは二酸化炭素である。
【００１５】
この相における更に好ましい特性は、水、燃料及び／又は燃料混合物に対して透過性が少なくなっており、又は、水に対して非常に低い、即ちほとんど透過性がないようになっている。
【００１６】
本発明は、燃料又は水との燃料混合物を受動希釈する方法であり、濃縮燃料又は濃縮燃料混合物の流れが、少なくとも一つの触媒を有する相を通過するように導かれ、これによって、燃料又は燃料混合物の少なくとも一部が、相及び触媒に接触されて、少なくとも一つのオキシダントが、拡散過程を通じて相に供給され、燃料又は燃料混合物の一部が、触媒作用で水組成物（water formation）によって酸化され、燃料又は燃料混合物を希釈する反応中に水が生成される。従って、生成水は、燃料流に直接保有されて、後で溶かされるか乳化される。特に、上記した希釈ユニットが用いられる。本発明で重要なことは、酸化処理中に生成される水が燃料流で遅くなり、燃料流の直接希釈が生じる。この技術で知れられていることと異なり、供給パイプを通じて燃料流に対して計量される水の要求や、（例えば燃料電池において）酸化処理によって生成される水の要求はなしで済まされるが、それでも、それは次のパイプによって燃料流に追加される。
【００１７】
燃料は、酸化処理の方法で水を出すものであれば特に制限するものではない。特に、燃料は、液体状、及び／又は、ガス状の燃料、及び／又は、その混合物からなる群から選択される。特に好ましい実施形態では、炭化水素、例えば天然ガス、ガソリン、ディーゼル、ケロシン、メタン、エタン、プロパン、ブタン、水素、バイオガス、バイオディーゼル、植物オイル、そして、アルコール、例えばメタノール、エタノール、変性アルコール（denaturated alcohols）、飲料アルコール、及び／又は、それらの混合物である。
【００１８】
この方法では、燃料混合物が化学量的に必要な水の含有量まで希釈されるようになっている。これより、希釈ユニットに続く処理、例えば変質処理の最適な水の含有量に一致するように、受動希釈方法によって水の含有量が調整されることがわかる。これより、次の変質処理で最適範囲及び反応過程を実行できるようにするために、水の含有量は、燃料含有量に対して非常に特殊な化学量的割合を取ることが重要になる。
【００１９】
本発明において、次に燃料を処理又は消費するユニット、例えば改良装置又は燃料電池を備え、これらのユニットは、上記した希釈ユニットによって特徴づけられる。
【００２０】
燃料を改質装置でさらに処理又は精製できる。燃料電池では、複数の電気化学単電池を備え、これらの単電池は積層構造で配置され、希釈ユニットがこの積層に組み込まれている。
【００２１】
本発明について、添付図面に符号を付して後で更に詳述に説明する。後で説明する特徴は、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る受動希釈ユニットの概略構成を示す。
【図２】希釈燃料を後で処理するユニットを示し、ユニットは、燃料タンク８に加えて、連続的に希釈ユニット１０を接続し、工業処理設備を接続する。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
新規な解決法を提案するものとして、触媒、例えば膜又は織物で一方側を被覆した分割相（separating phase）をベースとする希釈ユニットが、局所的に水を生成できるようになっている。この目的のために、燃料がこのユニットを通じて導かれて、オキシダント、例えば酸素が分割相を通じて燃料に（拡散的に）通じるようになっている。燃料側触媒層、例えばプラチナでは、化学反応が生じて、反応物として水が生成される。この水は燃料流で一緒に搬送されて、希釈効果を有する。希釈燃料を要求する次のユニットでは、このような形で存在する。同時に分割相を通じてガス状反応副生物を除去することができる。図１において、分割相を概略的に示す。
【００２４】
希釈ユニット１０は、入口側で高濃縮された燃料１のための流路５を備える。流路の壁は、一方側が相３によって形成され、燃料側のもう一方側が触媒層４によって形成されている。相３及び触媒層４の双方は、ガスを拡散的に透過するものである。オキシダント６、例えば大気中の酸素が相を通じて触媒層に向けて拡散し、触媒による酸化反応を通じて、水になるように酸化させることができる。一方で、反応中に生成される反応物７、例えばＣＯ２が、触媒層４及び相３の双方を通じて外部に拡散できるようになっている。ＣＯ２による燃料混合物の汚染又は不純物が回避される。触媒層４も相３も水を透過しないので、流路５に残って高濃度燃料に混合される。その後、水で希釈された燃料混合物２が流路５から現れる。膜はプラスチック材料から選択され、燃料に反応せず、被覆織物、半透過性膜、多孔膜、イオン交換膜である。特に、ＰＴＦＥプラスチック材料のNafion（登録商標）、Gore Select（登録商標）、Flemion（登録商標）、及びFumion（登録商標）も用いられる。
【００２５】
この希釈ユニットは、工業処理設備、例えば改質装置又は直接アルコール型燃料電池で用いることができる。この目的のため、希釈ユニットは、燃料タンクと希釈燃料を要求する工業処理設備との間で接続される。図２において、概略図を示す。後の処理、例えば精製するための、又は燃料や水で希釈した燃料を消費するための工業処理ユニットをここで示す。ユニット２０は、純粋燃料又は高濃度燃料混合物のための燃料タンク８と、このタンクにパイプを通じて接続された本発明に係る希釈ユニット１０とを備える。その後、この発生した希釈燃料は、後のユニット、例えば燃料精製に利用する改質装置２１、又は希釈燃料で作動する燃料電池２２に供給される。
【００２６】
提案の希釈ユニットは、特に直接アルコール型燃料電池に有利である。標準の積層燃料電池では、ユニットが実際の電気化学電池の前に配置されるように、希釈ユニットを積層に組み込むことができる。どこにでも存在するオキシダント、例えば大気中の酸素をユニットに供給することによって、工業設備をさらに複雑にすることがない。しかし、実際に電気化学変換ユニットが低濃度を要求する場合であっても、このようなユニットを組み込み高濃度の燃料を使用する燃料電池システムにおいて可能となる。その結果、燃料電池システムに対する非常に有利な点として、水タンクを追加して組み込む必要がなく、計量ユニットを要求することがない。
【００２７】
積層燃料電池システムに提案されるこの構造は、平らな燃料電池システムにも移転できる。
【００２８】
本発明に係る希釈ユニットは一般に燃料を希釈するために用いられ、特に工業処理利用、例えば燃料電池で燃焼するために用いられる燃料の改質処理又は希釈中に用いられる。その他に、食品産業で、例えばアルコール濃度を希釈するために用いる可能性も考えられる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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