(57)【要約】【課題】  本発明は、燃料電池に送られる燃料の流量及び／又は圧力の急激な上昇を抑制することを可能とする燃料流量調整器及び調整法を提供する。【解決手段】  本発明によれば、燃料電池流量調整器（３６）は、燃料電池燃料流路（２６）を有しており、該燃料流路（２６）は、吸着によって燃料の流れを調整するための固体材料（３８）を前記燃料流路（２６）に沿って含んでいる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池燃料流路（２６）を具備し、
前記燃料流路（２６）が、燃料の流量を吸着によって調整する固体材料（３８）を前記燃料流路（２６）に沿って含んでいる燃料電池（２２）用の燃料流量調整器（３６）。
【請求項２】
前記燃料流路（２６）が、管状カラム（４０）からなり、前記固体材料（３８）が、前記管状カラム（４０）上を被覆しているガス吸着層からなる請求項１に記載の燃料電池用の流量調整器。
【請求項３】
前記固体材料（３８）が、カーボワックスを含んでいる請求項２に記載の燃料電池流量調整器。
【請求項４】
前記固体材料（３８）が、前記燃料流路内に配置されている多孔質基材（５０）を被覆している請求項１に記載の燃料電池用の流量調整器。
【請求項５】
前記固体材料（３８）が、金属箔を含んでいる請求項１に記載の燃料電池用の流量調整器。
【請求項６】
前記固体材料（３８）が、多孔性基質を含んでいる請求項１に記載の燃料電池用の流量調整器。
【請求項７】
電気負荷（３２）に電力を供給する燃料電池（２２）と、
燃料源（２４）と、
前記燃料電池（２２）と前記燃料源（２４）との間の燃料流路（２６）と、
固体吸着材料（３８）を含み、前記燃料流路（２６）内に配置されている燃料流量調整器（３６）と、
を具備する電気機器（２０）。
【請求項８】
燃料電池（２２）と燃料源（２４）との間に固体吸着材料（３８）を配置するステップを有する、燃料電池（２２）と燃料源（２４）との間の流量を調整する方法。
【請求項９】
前記燃料源（２４）から流れる燃料を前記固体材料（３８）によって吸着するステップをさらに有する請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記固体材料（３８）が、ガスクロマトグラフィカラム、即ち気−固クロマトグラフィカラム（４０）内に配置されている請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、燃料電池用の燃料流量調整に関する。
【背景技術】
【０００２】
この一世紀の間にエネルギーの需要は指数関数的に増大した。このエネルギー需要の増大により、多くの様々なエネルギー源が調査され開発された。炭化水素の燃焼は、過去並びに現在において、主要なエネルギー源の１つとなっている。しかしながら、一般的に、炭化水素の燃焼は不完全であり、スモッグならびに他の汚染物質の原因となる様々な量の不燃性物質を放出する。
【０００３】
炭化水素の燃焼によって汚染物質が生成された結果、近年、よりクリーンなエネルギー源への要望が高まっている。よりクリーンなエネルギー源への関心の高まりにより、燃料電池はより注目を集め、且つ広く認識されるようになった。燃料電池に関する研究開発により、燃料電池は、近いうちに、都市用の大規模発電用ガスタービン、自動車に動力を供給する内燃機関、及び大小様々な電気機器を動作させるバッテリと競合することになるであろうと誰もが予想し得るレベルにまで達している。
【０００４】
燃料電池は、水素あるいは他の燃料と酸素から、電気と熱への電気化学的なエネルギー変換を利用する。いくつかの事例において、炭化水素燃料の水素への変換は、「内部改質」として知られるプロセスによって、燃料電池内で行われる。燃料電池は、バッテリと似ているが、電力を供給しながら「充電」することができる。
【０００５】
燃料電池は、モータ、ライトあるいは多数の電気機器に使用できるＤＣ（直流）電圧を供給する。燃料電池には、それぞれ異なる化学反応を使用するいくつかの異なる種類がある。燃料電池は、通常、利用される電解質の種類によって分類され、一般的に、固体高分子形（ＰＥＭ）燃料電池、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）、及び溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）の５つのグループのいずかに分類される。
【０００６】
ほとんどの燃料電池は、一般的に、燃料極、空気極、電解質、及び電解質の両側に配置されている触媒の４つの基本要素から構成される。燃料極は燃料電池の負極として機能し、水素分子から遊離された電子を伝導するため、外部回路で前記電子が使用できる。燃料極は、触媒表面に燃料ガスをできるだけ均一に分散させるためのチャネルを有している。
【０００７】
空気極は、燃料電池の正極として機能し、一般に、触媒表面に酸化剤（通常は空気）を均一に分散させるために、エッチングにより形成されたチャネルを有している。また、空気極は、電子を外部回路から触媒に戻し、そこで、電子は水素イオン及び酸素と再結合して水を生成する。
【０００８】
燃料電池が直面している課題の１つに、燃料電池へ燃料の供給を行う燃料源からの過大な流量及び／又は圧力の調整がある。燃料電池が作動している間、燃料源からの流量又は圧力が急激に増大することがよくある。このような流量の変動は、始動、温度変化、燃料電池の電力需要の変動、又は他の現象の結果起こる。流量増大及び圧力の急激な増大は、作動を不安定なものとし、また燃料電池に燃料が過剰供給されるため、燃料を効率よく使用することができない。
【０００９】
そのため、圧力及び／又は流量の急激な増大を抑制するために、燃料電池内に流量調整器が使用される場合もある。流量調整器は、多くの場合、一組の毛細管からなる。しかしながら、毛細管の流量調整器は、ダイナミックレンジが小さく、また典型的な調整器は、燃料送出システムのコストを大幅に高めてしまう。また、燃料電池に送られる流量及び／又は圧力を調整するために、ブラダーとゴムのダイアフラムが使用される場合もあるが、そのようなシステムは、長期間使用するには頑強さが不十分で、また燃料の種類によって有効性が制限される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、当技術分野において、燃料電池に送られる燃料の流量及び／又は圧力を調整する手段が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態によれば、本発明は、燃料電池燃料流路を有している燃料電池用の流量調整器を提供する。該燃料流路は、燃料の流量を調整するための固体材料を燃料流路に沿って含んでいる。
【００１２】
他の実施形態によれば、本発明は、燃料電池と燃料源との間に、固体吸着層を配置するステップを有する燃料電池と燃料源との間の流量を調整する方法を提供する。
【００１３】
さらに他の実施形態によれば、本発明は、カラムあるいは充填材料をガス吸着材料で被覆し、そのカラムあるいは充填材料を燃料電池流路に挿入するステップを有する、燃料電池用の燃料流量調整器を作製する方法を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によって、燃料源から送られる燃料の流量及び／又は圧力の急激な上昇を抑制することが可能な燃料流量調整器及び調整方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
添付の図面は、本発明の様々な実施形態を示している。以下の説明と共に、図面は、本発明の原理を示し例示するものである。また、以下に記載する実施形態は、本発明を単に例示するだけのものであり、本発明の範囲は、それによって限定されるものではない。
【００１６】
添付図面に関して、同一の符号で示されるものは、少なくとも類似のものではあるが、必ずしも同一のものとは限らないことに注意されたい。
【００１７】
以下に、本発明の例示的な実施形態を示す。当業者によって理解されるように、本発明は、限定はしないが、ＳＯＦＣ、ＰＥＭ燃料電池、ＡＦＣ、ＰＡＦＣ及びＭＣＦＣを構成要素として含む様々な燃料電池応用例に実施することができる。
【００１８】
次に図１を参照すると、本発明の一実施形態による燃料電池発電システムを使用する電気機器（２０）の概要を示している。図１の実施形態によれば、燃料電池（２２）は、燃料源（２４）と流体連通している。燃料源（２４）は、矢印（２６）で表された燃料流路に沿って燃料を供給する。また、外部空気によって提供される酸素供給源は、もう１つの矢印（２８）で表されたように燃料電池（２２）と流体連通している。図１に示したように、燃料電池（２２）が作動する際、副生物として水（Ｈ２０）が生成される。
【００１９】
燃料電池（２２）は、外部回路（３０）を通じて電気負荷（３２）に電力を供給することができる。電気負荷（３２）には、限定はしないが、モータ、ライト、ディジタルカメラ、ラップトップコンピュータ、及び電気を消費するその他の装置を含む任意の電気を駆動源とする装置が含まれる。また、外部回路（３０）は、燃料電池（２２）と電気的に並列に図示されている任意の電気キャパシタ又はバッテリ（３４）と接続することができる。電気キャパシタ又はバッテリ（３４）は、電気負荷（３２）に補助電力を供給することができる。
【００２０】
図１の実施形態によれば、燃料の圧力及び／又は流量を調整するために、燃料流路（２６）内に燃料流量調整器（３６）を配置することができる。燃料流量調整器（３６）は、燃料電池（２２）に流れる燃料の圧力及び／又は流量の変動をならすために、燃料源（２４）と燃料電池（２２）との間に配置することができる。本実施形態の燃料流量調整器は、例えば、受動的な調整器／アキュムレータである。
【００２１】
図２を参照すると、本発明の一実施形態による燃料流量調整器（３６）の断片の断面が詳細に示されている。燃料流量調整器（３６）は、カラム（燃料電池までの燃料の流路）内に設けられている固定相（３８）のような固体層を有している。用語「カラム」が、必ずしも特定の幾何学形状を意味しないことは、この開示の恩恵を受ける当業者には理解されよう。
【００２２】
図２では、カラム（４０）は、固定相（３８）が例えばカラム（４０）の管（４２）の内面に沿って被覆していたり、又は配置されている管であるとして、その断面が示されている。図２に示している「管」（４２）は、例えば、カラム基材内の多数の孔のうちの１つに過ぎない。カラム（４０）は、例えばガスクロマトグラフィカラム、即ち気−固クロマトグラフィカラム（４０）である。また、カラム（４０）は、例えば、固定相（３８）により被覆されており、且つ燃料流路（図１の２６）に挿入することができる充填材料である。
【００２３】
固定相（３８）は移動しないガス吸着材料層である。使用される燃料（移動体又は移動相）にもよるが、燃料の固定相への吸着親和性が、生じる圧力又は流量の急激な上昇を燃料流路（図１の２６）に沿って打ち消す。固定相（３８）は、燃料又は燃料成分などの特定の化学物質を、該化学物質と固定相材料との親和性によって、ある時間、吸着又は保持し、その後吸着した物質を燃料の流れに戻す働きがある。
【００２４】
前述のように、燃料源（図１の２４）からの燃料流量の増大及び／又は圧力の急激な上昇は、いくつかの要因のうちの１つ又は複数によって生じる。その急激な上昇は、始動条件、温度変化、燃料電池（図１の２２）の負荷需要の変化、又は他の現象によって生じる。液体／固体相互作用、又は熱による放出あるいは火花による放出によって、例えば水素やアセチレンなどの気体燃料が固体から発生する場合は、圧力超過（スパイキング）が起こる可能性が高い。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、固体層、即ち固定相（３８）を燃料流路（図１の２６）に導入することで、圧力の急激な上昇を抑制することができる。ガスクロマトグラフィカラムにおいて最も一般的な固定相はポリシロキサンであり、これは相の極性を変化させる様々な置換基を含んでいる。その中で最も極性の低いものはポリジメチルシロキサンであり、これは重合体上のフェニル基の割合を高めることによって極性を高めることができる。非極性検体（燃料）の場合は、固定相として、ポリエチレングリコール又はカーボワックスを使用することができる。一般に燃料電池に電力を供給するために使用されるほとんどの炭化水素や他の燃料は、非極性である。したがって、本発明のいくつかの実施形態において、固体層、即ち固定相に、パラフィンなどのカーボワックスを用いることができる。固定相として使用される吸着材料一式（前述のものを含む）は、様々な分析化学部品供給業者から入手可能である。
【００２６】
しかしながら、本発明の代替の実施形態によれば、固体層、即ち固定相（３８）に、金属箔又は多孔性金属基質を用いることもできる。そのような金属箔又は金属基質は、例えば、主にパラジウムからなるか、あるいは薄いパラジウム被覆物を造作とする。
【００２７】
固体層、即ち固定相を利用して燃料電池燃料源（図１の２４）のスパイキングを打ち消すために、固体層、即ち固定相（３８）を、管状基材、多孔質基材、又は支持体上に薄く被覆することができる。いくつかの実施形態において、支持体には、例えば、成型ゼオライトや珪藻土が含まれる。図２の実施形態によれば、支持体は、充填材又は管状カラム（４０）として構成されている。この他に、ガスが吸着層（３８）と相互作用しつつ流れる狭い複雑な経路を与える他の類似の構造も、燃料電池（図１の２２）への圧力及び／又は流量の急激な上昇を抑制し分散させるのに用いることができる。
【００２８】
本発明のいくつかの実施形態によれば、固定相（３８）は、カラム（４０）上又はカラム（４０）内を被覆した後で、熱安定性を高めるために架橋処理される。固定相（３８）を架橋処理すると、燃料が流れているときに固定相（３８）が徐々に流出するのを阻止するか、あるいは抑制させることができる。
【００２９】
前述のガスクロマトグラフィ被覆カラム及び充填材は、大きな細孔領域（４２）を介して燃料電池（図１の２２）への速くて規則的な流れを可能にする様々な寸法を有利に有することができるが、依然として、カラムは、径の大きい細孔の割合が少なく、燃料（水素や炭化水素など）の拡散及び吸着が多数の小さい細孔で起こるため、総流量が制限される。
【００３０】
一般に、ガスクロマトグラフィカラム、即ち気−固クロマトグラフィカラムは、ガス混合物の個々の成分を分離し検出するために使用される。しかしながら、本発明は、燃料電池（図１の２２）に達する前に燃料の圧力及び／又は流量の急激な上昇を調整するために、クロマトグラフィカラムを使用している。クロマトグラフィとは、通常、固定相によって、分離すべき物質を分配することによって実現される分離方法を意味する。移動相の様々な元素と化合物が、固定相に優先的に引き付けられ、固定相によってある一定の時間保持される。それぞれの元素又は化合物が固定相によって保持される時間は、元素又は化合物と固定相との親和性によって異なる。したがって、元素及び／又は化合物によって、保持される時間が異なり、別々のバンド又はグループとして類似の元素が放出されるので、元素及び／又は化合物をクロマトグラフィカラムによって分離することができる。
【００３１】
しかしながら、本発明の実施形態によれば、クロマトグラフィカラムは、独特且つ有利な方法で利用されている。本発明は、クロマトグラフィカラム（４０）の固定相（３８）などの固体層を、燃料電池の燃料流路（図１の２６）に挿入するステップを有している。燃料流路（図１の２６）に流量及び／又は圧力の急激な上昇が起こったとき、固定相（３８）を通過する燃料の様々な成分が、異なる時間、固定相によって保持又は吸着されるので、スパイキングが打ち消される。燃料成分が保持されることにより、燃料が固定相内を移動して燃料電池（図１の２２）まで進むときに、流量及び／又は圧力は低下する傾向がある。
【００３２】
燃料電池は、最大燃料流量を超えては燃料を利用することができないので、固体層調整器を導入することにより、燃料の浪費が減少し効率が向上する。本発明の調整器を使用することにより、普通ならば使用されずに燃料電池（図１の２２）内を通過するスパイキングによる燃料を、完全に利用することができる。さらに、本発明の固層は不活性で且つ安価であり、監視装置、制御装置又は電気装置を必要としない。
【００３３】
次に図３を参照すると、本発明のもう１つの実施形態による燃料流量調整器が示されている。図３の実施形態において、固定相は、カラム（４０）によって形成された燃料流路（５２）内に配置されている平面多孔性網状組織（５０）である。前述のように、「カラム」は、特定の幾何学形状を意味せず、図示したような長方形、管状、又は任意の他の形状でよい。平面多孔性網状組織（５０）は、燃料流路（５２）内を通過する分子を吸着して圧力の急激な上昇を打ち消すのに適合した繊維又は他の材料を表している。平面多孔性網状組織（５０）に使用される材料一式は、前述のように、使用される特定の燃料に適合するように選択することができる。
【００３４】
本発明の実施形態に使用される固層調整器は、特に、内部改質を行う固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）に有用である。これは、この燃料電池が、様々な燃料（例えば、水素、炭化水素、アルコールなど）を利用することができ、純水素源に限定されないためである。
【００３５】
次に図４を参照すると、本発明の実施形態による燃料電池（２２）が詳細に示されている。燃料電池（２２）は、燃料極（４２）、空気極（４４）、及び電解質（４６）の３つの基本要素からなる。燃料極（４２）及び空気極（４４）は、電解質（４６）の両側に配置されている。燃料極（４２）は、燃料電池（２２）の負極として機能し、燃料から遊離された電子を外部回路（３０）まで伝導する。空気極（４４）は、燃料電池の正極として機能し、酸素供給源（通常は、周囲の空気）に露出している。空気極（４４）は、また、外部回路から電子を戻し、そこで電子は酸素分子と結合して酸素イオンを形成する。
【００３６】
この実施形態の電解質（４６）は、固体酸化物膜である。この膜は、一般に、酸素イオンだけを透過する耐熱セラミック材料である。この膜（２４）は、また電子の通過を防止する。
【００３７】
いくつかの実施形態において、燃料極（４２）は、セラミック／金属混合物（サーメット）（例えば、イットリア安定化ジルコニア／ニッケル、サマリウムドープドセリア／ニッケルなど）を含む。燃料極（４２）は、また、特定の燃料電池用途に応じて、他又は代替の材料を含むことができる。燃料極（４２）は、三相境界を最大にするため、多孔質である。三相境界とは、燃料、燃料極（４２）及び電解質（４６）が接触する領域である。燃料極（４２）は、燃料の酸化を促進する触媒として機能する前述のセラミック／金属混合物を含むことができる。
【００３８】
空気極（４４）は、例えば、電極触媒と酸素イオン伝導体（例えば、ランタンストロンチウムマンガネイト／イットリア安定化ジルコニア、サマリウムストロンチウム揮コバルト鉱／サマリアドープドセリアなど）の複合混合物を構成要素として含んでいる。空気極（４４）は、また、三相境界を最大にするように多孔質でもよいが、必ずしも多孔性でなくてもよい。空気極（４４）側の三相境界は、空気、空気極（４４）及び電解質（４６）が接触する部分と定義される。前述の空気極（４４）材料は、酸化剤の還元を促進する。
【００３９】
本発明の実施形態として本明細書に示した燃料流量調整器は、図４に示している燃料電池への燃料の流量を調整するのに有益である。しかしながら、前述のようなガスクロマトグラフィカラム内の固体吸着材料は、前述の燃料電池の種類のどれか又は全てに使用することができ、ＳＯＦＣに限定されないことは、本開示の恩恵を受ける当業者によって理解されよう。さらに、一般に、クロマトグラフィカラムが、パックドカラムとキャピラリーカラムの２種類のいずれかに分類できることは、当業者に明らかである。本発明の実施形態によれば、燃料電池用の燃料流量調整器としてどちらのタイプのカラムも利用することができる。
【００４０】
以上の説明は、本発明の実施例を示し説明するためにのみ示した。以上の説明は、網羅的ではなく、明示された形態に本発明を限定することを意図したものではない。以上の説明から、多くの修正及び変更が案出できる。
【００４１】
以上の実施形態は、本発明の原理及びいくつかの実際の応用例を例示するために選択され示された。以上の説明を基に、当業者は、所望の用途に適合するように、本発明を様々な実施形態で、及び様々な修正を施して利用することができる。本発明の範囲は、併記の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池システムの概略図
【図２】本発明の一実施形態であるクロマトグラフィカラムの断面図
【図３】本発明の他の実施形態であるクロマトグラフィカラムの斜視図
【図４】本発明の一実施形態である燃料電池の斜視図
【符号の説明】
【００４３】
２０  電気機器
２２  燃料電池
２４  燃料源
２６  燃料電池燃料流路
２８  酸素流路
３０  外部回路
３２  電気負荷
３４  電気キャパシタあるいはバッテリ
３６  燃料流量調整器
３８  固体材料
４０  カラム
４２  燃料極
４４  空気極
４６  電解質
５０  多孔質基材
５２  燃料流路
【図１】
2004152770.tif 000002
【図２】
2004152770.tif 000003
【図３】
2004152770.tif 000004
【図４】
2004152770.tif 000005