DE112017003988T5

DE112017003988T5 - Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017003988T5
Application number: DE112017003988.6T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Kurashina
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-08-09
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2019-04-18
Also published as: CN109563634B; CN109563634A; WO2018029994A1; US20200087801A1; JPWO2018029994A1

Abstract

Eine Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung (12) ist versehen mit einer Elektrolytfolie (32), die ein protonenleitfähiges Oxid enthält, einer Anodenelektrode (34a) und einer Kathodenelektrode (34c), wobei ein Wasserdampf und ein Kohlenwasserstoff enthaltendes Mischgas der Anodenkammer (36a) zugeführt wird und an den Elektrodenfilm (32) ein elektrisches Potential angelegt wird, wodurch in der Anodenkammer (36a) modifizierter Wasserstoff zur Kathodenkammer (36c) bewegt wird. Die Anodenelektrode (34a) enthält eine Katalysatorschicht (40) mit einer Reinigungsfunktion und eine zweite Katalysatorschicht (42) mit einer Modifizierungsfunktion.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung, in der ein protonenleitfähiges Oxid verwendet wird.
Technischer Hintergrund
Herkömmlich werden allgemein, als Methoden zum Herstellen von Wasserstoff durch Reformieren von natürlichem Gas, autothermes Reformieren (ATR), Dampfreformieren (SR), eine partielle Oxidationsreformierungsreaktion (POX) und dergleichen verwendet. Da, abgesehen vom Wasserstoff, Verunreinigungen (CO und dergleichen) in dem von einem Reformer abgegebenes Gas enthalten sind, der natürliches Gas durch diese Reformierungsmethoden reformiert, wird durch weiteren Durchlauf durch einen Umwandler und einen Reiniger Wasserstoff hochrein verfeinert und gereinigt. Der Wasserstoff, der auf diese Weise gereinigt ist, wird zum Beispiel als Brenngas für ein Brennstoffzellenfahrzeug und dergleichen verwendet. Allgemein werden häufig Edelmetalle wie etwa Platin und dergleichen in Katalysatoren verwendet, die in den Reformern und Umwandlern verwendet werden.
In der allgemeinen Methode der Wasserstoffherstellung, wie oben beschrieben, ist vom Standpunkt der Verbesserung der thermischen Effizienz eine Wasserstoffproduktion im großen Maßstab üblich, und daher besteht ein Problem darin, dass das Wasserstoffherstellungssystem, wegen der Komplexität des Reaktionsprozesses und der großen Abmessung und dem Maßstab des Systems, sehr teuer wird. Ferner ist es, im Vergleich zu einem groß bemessenen Reinigungsprozess, bei der Durchführung des Prozesses im kleineren Maßstab eher wahrscheinlich, dass Verunreinigungen ausfließen und daher Schwierigkeiten bei der Herstellung von hochreinem Wasserstoff entstehen. Ferner werden in dem Reformer und dem Umwandler Edelmetallkatalysatoren verwendet, was zu einem Kostenanstieg führt.
Andererseits ist in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. JP 2005-048247 A eine Vorrichtung zum Wiedergewinnen von Wasserstoffmethangas und Wasserdampfgas offenbart, die eine protonenselektive Durchlässigkeitsfunktion eines Protonenleiters nutzt. Insbesondere wird in dieser Vorrichtung ein Festelektrolyt in einen angeregten Zustand versetzt, und wird ein Mischgas, in dem das Wasserdampfgas und das Methangas als Gemisch vorliegt, einer Anodenelektrode der Protonenelektrolysezelle zugeführt, wodurch Protonen, die durch den Festelektrolyten wandern, von der Kathodenelektrode in der Form von Wasserstoffgas wiedergewonnen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in Bezug auf die oben beschriebene herkömmliche Technik erdacht worden, und hat zum Ziel, eine Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung anzugeben, die in der Lage ist, Wasserstoff mit höherer Effizienz herzustellen.
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist die vorliegende Erfindung durch eine Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung gekennzeichnet, welche enthält: eine Elektrolytmembran, die ein protonenleitfähiges Oxid enthält; eine Anodenelektrode, die auf einer Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist; und eine Kathodenelektrode, die auf der anderen Seite der Elektrolytmembran angeordnet ist; wobei ein Wasserdampf und ein Kohlenwasserstoffgas enthaltendes Mischgas einer Anodenkammer zugeführt wird, in der die Anodenelektrode angeordnet ist, und ein elektrisches Potential an die Elektrolytmembran angelegt wird, wodurch Wasserstoff, der in der Anodenkammer reformiert wird, in die Kathodenkammer bewegt wird, in der die Kathodenelektrode angeordnet ist; und die Anodenelektrode eine erste Katalysatorschicht mit einer Reinigungsfunktion und eine zweite Katalysatorschicht mit einer Reform ierungsfunktion enthält.
Gemäß der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, in der die oben beschriebene Konfiguration verwendet wird, ist es durch Anlegen eines elektrischen Potentials an die Elektrolytmembran, während das Reformieren des Wasserstoff an der Anodenseite über die das protonenleitfähige Oxid enthaltende Elektrolytmembran ausgeführt wird, möglich, dass nur Wasserstoff an der Kathodenseite gereinigt wird, da sich nur der Wasserstoff von der Anodenseite zur Kathodenseite hin bewegt. Da sich nur der Wasserstoff an der Anodenseite zur Kathodenseite bewegt, unterliegt ferner das Gleichgewicht der Reformierungsreaktion an der Anodenseite auch einer Bewegung oder Verschiebung, und wird die Wasserstoffherstellungseffizienz aufgrund eines Ungleichgewichts der Reaktion verbessert. Da ferner die Anodenelektrode die zwei Katalysatorenschichten mit unterschiedlichen Funktionen enthält, ist es möglich, die Reaktionen (eine Reformierungsreaktion und eine Verschiebungsreaktion) weiter zu begünstigen, die an der Anodenelektrode stattfindet. Daher kann gemäß der vorliegenden Erfindung Wasserstoff mit höherer Effizienz hergestellt werden.
Die oben beschriebene Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung kann ferner eine Stromerzeugungszelle enthalten, der ein Kohlenwasserstoff-haltiges Brenngas und ein Sauerstoff-haltiges Gas zugeführt werden, und die konfiguriert ist, um elektrochemisch elektrische Energie zu erzeugen; wobei ein Verarbeitungsstapel durch Stapeln der Stromerzeugungszelle und einer Wasserstoffherstellungszelle, welche die Elektrolytmembran, die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode enthält, aufgebaut sein kann.
Gemäß dieser Konfiguration wird während der Herstellung von Wasserstoff Abwärme während der Stromerzeugung in der Stromerzeugungszelle als Wärme geliefert, die für die Wasserstoffherstellung in der Wasserstoffherstellungszelle benötigt wird. Daher ist es nicht notwendig, Wärme von außen her zuzuführen, und kann der Wasserstoff effizient hergestellt werden.
Wenn in der oben beschriebenen Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung eine Anforderung zur Wasserstoffherstellung vorliegt, kann, wenn eine Anforderung zur Wasserstoffherstellung vorliegt, die von der Stromerzeugungszelle erzeugte elektrische Energie der Wasserstoffherstellungszelle zugeführt werden.
Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, durch Nutzung der von der Stromerzeugungszelle erzeugten elektrischen Energie Wasserstoff mit hoher Effizienz herzustellen.
Wenn in der oben beschriebenen Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung keine Anforderung zur Wasserstoffherstellung vorliegt, braucht die von der Stromerzeugungszelle erzeugte elektrische Energie der Wasserstoffherstellungszelle nicht zugeführt werden.
Gemäß dieser Konfiguration kann die erzeugte elektrische Energie direkt einer externen Last zugeführt werden.
Gemäß der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung kann Wasserstoff mit höherer Effizienz hergestellt werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm eines Wasserstoffherstellungssystems, das eine Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung enthält;
2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung;
3 ist ein Diagramm, das das Prinzip eines Wasserstoffherstellungsprozesses darstellt, der in der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung stattfindet;
4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem an eine Elektrolytmembran angelegten Stromwert und einer Gesamtwasserstoffkonzentration einer Anode und einer Kathode zeigt; und
5 ist ein Graph, der eine Differenz in einer Methanumwandlungsrate zwischen einem Fall, in dem eine zweite Katalysatorschicht vorhanden ist, und einem Fall, in dem die zweite Katalysatorschicht nicht vorhanden ist, zeigt.

Beschreibung der Ausführungen
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführung einer Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail und in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen aufgezeigt und beschrieben.
Ein in 1 gezeigtes Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 10 umfasst eine Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 (Verarbeitungs-Stack) gemäß der vorliegenden Ausführung, sowie ein Hilfsgerät 14, das an der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 angebracht ist. Die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 ist mit einer Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 16 und einer Mehrzahl von Wasserstoffherstellungszellen 18 ausgestattet. Die Stromerzeugungszellen 16 und die Wasserstoffherstellungszellen 18 sind abwechselnd gestapelt.
Die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 erhält die Zufuhr von Brenngas und sauerstoffhaltigem Gas von dem Hilfsgerät 14 und führt die elektrische Stromerzeugung durch eine elektrochemische Reaktion aus, zusammen mit dem Erhalt der Zufuhr eines Mischgases, das Wasserdampf und Methangas enthält, von dem Hilfsgerät 14, um hierdurch Wasserstoff herzustellen (zu reinigen). Wärme, die durch den Betrieb der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 erzeugt wird, wird als Abwärme wiedergewonnen, und kann zum Beispiel zur Herstellung von Heißwasser verwendet werden.
Wasser (Leitungswasser oder dergleichen) wird dem Hilfsgerät 14 über eine Wasserleitung 15a zugeführt, Luft wird über eine Luftleitung 15b zugeführt und ein Rohgas (natürliches Gas oder dergleichen), welches Methangas enthält, wird über eine Rohgasleitung 15c zugeführt. Darüber hinaus kann das Rohgas, das über die Rohgasleitung 15c zugeführt wird, ein Kohlenwasserstoff-haltiges Gas sein oder kann ein Biogas sein. Da es möglich ist, nicht nur Methangas, sondern auch Biogas zu verwenden, kann die vorliegende Erfindung zur Minderung von CO₂-Emissionen beitragen. Das Hilfsgerät 14 ist eine periphere Vorrichtung in der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 und erzeugt Wasserdampf aus dem zugeführten Wasser und mischt, zusammen damit, den Wasserdampf und das Rohgas, und führt das erhaltene Mischgas der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 zu. Ferner erhöht das Hilfsgerät 14 die Temperatur der zugeführten Luft und führt sie als Sauerstoff-haltiges Gas der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 zu.
Wie in 2 gezeigt, sind in der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 eine Mehrzahl der Stromerzeugungszellen 16 (Einheits-Brennstoffzellen) und eine Mehrzahl der Wasserstoffherstellungszellen 18 mit dazwischen eingefügten Separatoren 19 abwechselnd gestapelt, um hierdurch einen gestapelten Körper 20 aufzubauen, zusammen mit Endplatten 22a und 22b, die an beiden Enden in der Stapelrichtung des gestapelten Körpers 20 angeordnet sind.
Jede der Stromerzeugungszellen 16 ist als Festoxidbrennstoffzelle (SOFC) konfiguriert. Insbesondere ist jede der Stromerzeugungszellen 16 ausgestattet mit einer Elektrolytmembran 24, die aus Festelektrolyt hergestellt ist, einer Anodenelektrode 26a, die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran 24 angeordnet (gestapelt) ist, und einer Kathodenelektrode 26c, die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran 24 angeordnet (gestapelt) ist. Die Elektrolytmembran 24, die Anodenelektrode 26a und die Kathodenelektrode 26c bilden eine Membranelektrodenanordnung 28 (MEA).
Die Elektrolytmembran ist aus einem Oxidionenleiter aufgebaut, der zum Beispiel aus stabilisiertem Zirkonium, einem Cerium-basierten Material, einem Lanthanum-Gallat-basierten Material oder dergleichen hergestellt ist.
Die Anodenelektrode 26a ist eine Elektrodenkatalysatorschicht, die in einer Anodenkammer 30a vorgesehen ist, welche ein Brenngasfließfeld definiert, durch welches das Brenngas fließt. Eine EinlassAnodenseitenkammer 30a steht mit einem nicht dargestellten Brenngaszuführkanal in Verbindung, der so angeordnet ist, dass er sich durch den gestapelten Körper 20 in dessen Stapelrichtung erstreckt, und das Brenngas wird von dem Brenngaszuführkanal zugeführt. Eine AuslassAnodenseitenkammer 30a steht mit einem nicht dargestellten Brenngasabführkanal in Verbindung, der so angeordnet ist, dass er sich durch den gestapelten Körper 20 in dessen Stapelrichtung erstreckt, und das Brenngas wird von dem Brenngasabführkanal abgeführt.
Als das Material der Anodenelektrode 26a kann ein Material ausgewählt werden, das allgemein in einer Festoxidbrennstoffzelle verwendet wird. Typische Beispiele davon enthalten Ni-YSZ-Cermet und Ni-SSZ-Cermet. Alternativ kann das Material ein Cermet von Ni- und Yttrium-dotiertem Cerium (YDC), ein Cermet von Ni- und Samarium-dotiertem Cerium (SDC), ein Cermet von Ni- und Gadolinium-dotiertem Cerium (GDC) oder dergleichen sein.
Die Kathodenelektrode 26c ist eine Elektrodenkatalysatorschicht, die in einer Kathodenkammer 30c vorgesehen ist, die ein Sauerstoff-haltiges-Gas-Fließfeld definiert, durch das das Sauerstoff-haltige Gas fließt. Eine EinlassKathodenseitenkammer 30c steht mit einem nicht dargestellten Sauerstoff-haltiges-Gas-Zuführkanal in Verbindung, der so angeordnet ist, dass er sich durch den gestapelten Körper 20 in dessen Stapelrichtung erstreckt, und das Sauerstoff-haltige Gas wird von dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Zuführkanal zugeführt. Eine AuslassKathodenseitenkammer 30c steht mit einem nicht dargestellten Sauerstoff-haltiges-Gas-Abführkanal in Verbindung, der so angeordnet ist, dass er sich durch den gestapelten Körper 20 in dessen Stapelrichtung erstreckt, und das Sauerstoff-haltige Gas wird von dem Sauerstoff-haltiges-Gas-Abführkanal abgeführt.
Als das Material der Kathodenelektrode 26c kann ein Material ausgewählt werden, das allgemein in einer Festoxidbrennstoffzelle verwendet wird. Als repräsentative Beispiele davon können insbesondere genannt werden eines, das aus der Gruppe von La-Sr-Co-O (LSC)-basiertem Perovskit-artigem Oxid, La-Sr-Co-Fe-O (LSCF)-basiertem Perovskit-artigem Oxid, La-Sr-Mn-O (LSM)-basiertem Perovskit-artigem Oxid und Ba-Sr-Co-Fe-O (BSCF)-basiertem Perovskit-artigem Oxid ausgewählt ist, oder Gemische, die durch Mischen eines Oxidionenleiters, der ein Cerium-basiertes Oxid wie etwa SDC, YDC, GDC, LDC oder dergleichen enthält, in Bezug auf solche Perovskit-artigen Oxide hergestellt sind.
Unter der Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 16 sind deren Anodenelektroden 26a elektrisch miteinander verbunden. Ferner sind unter der Mehrzahl von Stromerzeugungszellen 16 deren Kathodenelektroden 26c elektrisch miteinander verbunden.
Die Wasserstoffherstellungszelle 18 enthält eine Elektrolytmembran 32, eine Anodenelektrode 34a, die auf einer Seite (einer Oberfläche) 32a der Elektrolytmembran 32 angeordnet ist, sowie eine Kathode 34c, die auf der anderen Seite (anderen Oberfläche) 32b der Elektrolytmembran 32 angeordnet ist. Die Elektrolytmembran 32 ist ein Festelektrolyt, der ein protonenleitfähiges Oxid enthält und zum Beispiel aus einem Keramikmaterial mit einer Perovskit-Struktur hergestellt ist.
Die Anodenelektrode 34a ist eine Elektrodenkatalysatorschicht, die in einer Anodenkammer 36a vorgesehen ist, durch die ein Mischgas fließt, das Wasserdampf und Methangas enthält. Die Anodenelektrode 34a kann über ein Schaltelement 38a (Leiter) mit der Kathodenelektrode 26c der Stromerzeugungszelle 16 elektrisch verbunden werden. Die Kathodenelektrode 34c ist eine Elektrodenkatalysatorschicht, die in einer Kathodenkammer 36c vorgesehen ist. Die Kathodenelektrode 34c kann über ein Schaltelement 38b (Leiter) mit der Anodenelektrode 26a der Stromerzeugungszelle 16 elektrisch verbunden werden.
Wie in 3 gezeigt, ist die Anodenelektrode 34a aufgebaut aus einer ersten Katalysatorschicht 40 (Elektrodenschicht) mit einer Reinigungsfunktion (Wasserstoffreinigungsfunktion) und einer zweiten Katalysatorschicht 42 (Trägerkatalysatorschicht) mit einer Reformierungsfunktion (Dampfreformierungsfunktion). Die erste Katalysatorschicht 40 reinigt Wasserstoff durch eine Verschiebungsreaktion, die mit dem folgenden Ausdruck (1) dargestellt ist. Die zweite Katalysatorschicht 42 reformiert das Wasserdampf und Methangas enthaltende Mischgas durch eine Reformierungsreaktion, die durch den folgenden Ausdruck (2) ausgedrückt ist. CO + H₂O → CO₂ + H₂ (1) CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (2)
Die erste Katalysatorschicht 40 ist auf der einen Oberfläche 32a der Elektrolytmembran 32 ausgebildet. Die zweite Katalysatorschicht 42 ist auf einer Oberfläche der ersten Katalysatorschicht 40 an einer von der Elektrolytmembran 32 entgegengesetzten Seite (an der Anodenseitenkammer 36a) ausgebildet. Insbesondere ist die erste Katalysatorschicht 40 zwischen der Elektrolytmembran und der zweiten Katalysatorschicht 42 ausgebildet.
Die erste Katalysatorschicht 40 ist aus einem Material aufgebaut, das zum Beispiel Ni (Nickel), Pt (Platin), Pd (Palladium), Ag (Silber) oder dergleichen enthält. Die erste Katalysatorschicht 40 wird zum Beispiel mit einer Cermet-Methode hergestellt. Im Falle einer solchen Cermet-Methode wird zum Beispiel die erste Katalysatorschicht 40 gebildet, indem eine Ni-haltige Paste auf eine Oberfläche der Elektrolytmembran 32 durch Siebdruck oder dergleichen aufgebracht wird, und die Paste gebacken wird. Die erste Katalysatorschicht 40 kann ein Cermet oder dergleichen sein, in der gleichen Weise wie die Anodenelektrode 26a, die die oben beschriebene Membranelektrodenanordnung 28 darstellt.
Die zweite Katalysatorschicht 42 übernimmt eine Funktion, um die Dampfreformierungsreaktion an der Anodenseite zu unterstützen. Insbesondere findet auch in dem Fall, in dem die zweite Katalysatorschicht 42 nicht vorgesehen ist, die Reformierungsreaktion aufgrund einer Reaktion zwischen dem heißen Dampf und dem Methangas in der Anodenkammer 36a statt. Jedoch wird wegen der Gegenwart der zweiten Katalysatorschicht 42 die Reformierungsreaktion signifikant begünstigt. Die zweite Katalysatorschicht 42 ist aus einem Material aufgebaut, das zum Beispiel Ni (Nickel), Pt (Platin), Pd (Palladium), Ag (Silber) oder dergleichen enthält.
Die Kathodenelektrode 34c ist aus einem Material aufgebaut, das zum Beispiel Ni (Nickel), Pt (Platin), Pd (Palladium), Ag (Silber) oder dergleichen enthält. Die Kathodenelektrode 34c wird zum Beispiel mit einer Cermet-Methode hergestellt. Im Falle einer solchen Cermet-Methode wird zum Beispiel die Kathodenelektrode 34c gebildet, indem eine Ni-haltige Paste auf die andere Oberfläche der Elektrolytmembran 32 durch Siebdruck oder dergleichen aufgebracht wird, und die Paste gebacken wird. Die erste Katalysatorschicht 40 kann ein Cermet oder dergleichen sein, in der gleichen Weise wie die Kathodenelektrode 26c, die die oben beschriebene Membranelektrodenanordnung 28 darstellt.
Nun werden die Betriebsweisen der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 beschrieben, die in der oben beschriebenen Weise konfiguriert ist.
In 1 werden Wasser, Luft und das Rohgas dem Hilfsgerät 14 zugeführt. Das Hilfsgerät 14 erzeugt Wasserdampf aus dem zugeführten Wasser, zusammen damit, den Wasserdampf und das Rohgas zu vermischen, um hierdurch ein Mischgas zu erhalten, das Wasserdampf und Methangas enthält, und führt das Mischgas der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 zu. Ferner erhöht das Hilfsgerät 14 die Temperatur der Luft und des Rohgases und führt diese der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 zu.
Falls eine Anforderung nach Wasserstoffproduktion in Bezug auf die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 vorliegt, erzeugt die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 elektrische Energie in den Stromerzeugungszellen 16, zusammen damit, die erzeugte elektrische Energie den Wasserstoffherstellungszellen 18 zuzuführen.
Insbesondere wird in den Stromerzeugungszellen 16, wie in 2 gezeigt, das Brenngas (Rohgas) der Anodenkammer 30a zugeführt, während das Sauerstoff-haltige Gas (Luft) der Kathodenkammer 30c zugeführt wird. Demzufolge wird in der Membranelektrodenanordnung 28 das Brenngas der Anodenelektrode 26a zugeführt und wird das Sauerstoff-haltige Gas der Kathodenelektrode 26c zugeführt.
Daher bewegen sich die Oxidionen (O^2-) von der Kathodenelektrode 26c und durch die Elektrolytmembran 24 zur Anodenelektrode 26a, und wird durch eine elektrochemische Reaktion Strom erzeugt. Ferner wird in den Stromerzeugungszellen 16 einhergehend mit der Erzeugung der elektrischen Energie Wärme erzeugt. Darüber hinaus kann das Mischgas von Dampf und Rohgas als Brenngas der Anodenkammer 30a zugeführt werden. In diesem Fall wird eine interne Reformierung begünstigt, in der Methan in dem Rohgas mit dem Dampf reagiert, und in Wasserstoff und Kohlenmonoxid zersetzt wird.
Andererseits wird in den Wasserstoffherstellungszellen 18 das Wasserdampf und Methangas enthaltende Mischgas der Anodenkammer 36a zugeführt. Ferner wird in den Wasserstoffherstellungszellen 18 an die Elektrolytmembran 32 durch die in den Stromerzeugungszellen 16 erzeugte elektrische Energie eine Spannung angelegt, und wird Wärme zugeführt, die einhergehend mit der Erzeugung der Stromerzeugung der Stromerzeugungszellen 16 erzeugt wird. Demzufolge wird in der Anodenelektrode 34a durch die Reformierungsreaktion und die Verschiebungsreaktion, die oben beschrieben wurden, Wasserstoff erzeugt. Darüber hinaus bewegt sich der an der Anodenseite erzeugte Wasserstoff zur Kathodenseite. Die Reaktionstemperatur in den Wasserstoffherstellungszellen 18 wird zum Beispiel auf 600°C bis 800°C eingestellt. Obwohl die Reaktion in den Wasserstoffherstellungszellen 18 eine endotherme Reaktion ist, wird die zur Reaktion erforderliche Wärme durch die von den Stromerzeugungszellen 16 erzeugte Abwärme gedeckt.
Insbesondere findet, wie in 3 gezeigt, in der zweiten Katalysatorschicht 42 die Reformierungsreaktion des oben beschriebenen Ausdrucks 2 statt, woraufhin das Methangas Dampf-reformiert wird, und Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H₂) erzeugt werden. Ferner findet in der erste Katalysatorschicht 40 die Verschiebungsreaktion des oben beschriebenen Ausdrucks 1 statt, woraufhin Kohlendioxid (CO₂) und Wasserstoff (H₂) erzeugt werden. Darüber hinaus werden Protonen (H⁺) und Elektronen (e^-) aus dem Wasserstoff erzeugt, der sich an der Grenze zwischen der ersten Katalysatorschicht 40 und der Elektrolytmembran 32 befindet.
Hierbei werden die zwei Schaltelemente 38a und 38b (siehe 2) derart gesteuert, dass sie geschlossen und in einen angeregten Zustand versetzt werden, und da die Anodenelektrode 26a und die Kathodenelektrode 26c mit der Stromerzeugungszelle 16 elektrisch verbunden sind, wird an die Elektrolytmembran 24 eine Spannung angelegt. Daher wandern Protonen durch die Elektrolytmembran 24 und bewegen sich von der Anodenelektrode 26a zur Kathodenelektrode 26c, und zusammen damit wandern Elektronen durch die elektrische Schaltung und bewegen sich von der Anodenelektrode 26a zur Kathodenelektrode 26c.
Demzufolge vereinigen sich die Protonen und die Elektronen an der Grenze zwischen der Elektrolytmembran 24 und der Kathodenelektrode 26c und erzeugen hierdurch Wasserstoff. Dementsprechend ist es an der Kathode möglich, dass in der Abwesenheit von Verunreinigungen (CO, CO₂, etc.), die durch die Reformierungsreaktion erzeugt werden, nur feuchter Wasserstoff erzeugt wird. Der an der Kathode erzeugte Wasserstoff wird von der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 nach außen abgeführt und wiedergewonnen und wird für einen vorbestimmten Zweck (zum Beispiel als Brenngas für ein Brennstoffzellenfahrzeug) genutzt.
Falls andererseits keine Anforderung einer Wasserstoffherstellung in Bezug auf die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 vorliegt, dann führt, wie in 2 gezeigt, die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 die Erzeugung von elektrischer Energie in den Stromerzeugungszellen 16 aus, zusammen damit, die zwei Schaltelemente 38a und 38b auf OFFEN zu steuern (sie in einen nicht-angeregten Zustand zu versetzen). Weil daher die von den Stromerzeugungszellen 16 erzeugte elektrische Energie der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 nicht zugeführt wird, kann die erzeugte elektrische Energie direkt einer externen Last zugeführt werden.
In diesem Fall wird, gemäß der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 gemäß der vorliegenden Ausführung, das Wasserdampf und Methangas enthaltende Mischgas der Anodenkammer 36a zugeführt, in der die Anodenelektrode 34a angeordnet ist, und wird an die Elektrolytmembran 32 ein elektrisches Potential angelegt, wodurch Wasserstoff, der in der Anodenkammer 36a erzeugt wird, in eine Kathodenkammer 36c bewegt wird, in der die Kathodenelektrode 34c angeordnet ist. Darüber hinaus enthält die Anodenelektrode 34a die erste Katalysatorschicht 40 mit der Reinigungsfunktion und die zweite Katalysatorschicht 42 mit der Reform ierungsfunktion.
Indem eine Spannung an die Elektrolytmembran 32 angelegt wird, während die Reformierung des Methangases an der Anodenseite über die das protonenleitfähige Oxid enthaltende Elektrolytmembran 32 stattfindet, bewegt sich daher nur der Wasserstoff von der Anodenseite zur Kathodenseite. Somit ist es an der Kathodenseite möglich, dass nur der Wasserstoff, der keine in der Reformierungsreaktion erzeugten Verunreinigungen enthält, gereinigt wird. Da ferner nur der Wasserstoff an der Anodenseite zur Kathodenseite bewegt wird, unterliegt das Gleichgewicht der Reform ierungsreaktion an der Anodenseite einer Bewegung oder Verschiebung, und wird die Wasserstoffherstellungseffizienz wegen einer nicht im Gleichgewicht stehenden Reaktion verbessert. Da insbesondere der an der Anodenseite erzeugte Wasserstoff an der Kathodenseite abgetrennt wird, wird die Verschiebungsreaktion an der Anodenseite weiter begünstigt.
Da ferner die Anodenelektrode 34a die zwei Katalysatorschichten (die erste Katalysatorschicht 40 und die zweite Katalysatorschicht 42) mit den unterschiedlichen Funktionen enthält, ist es möglich, die Reaktionen (die Reformierungsreaktion und die Verschiebungsreaktion) weiter zu begünstigen, die an der Anodenelektrode 34a stattfinden. Somit kann gemäß der vorliegenden Erfindung Wasserstoff mit höherer Effizienz erzeugt werden.
In diesem Fall ist in 4 eine Beziehung zwischen dem an die Elektrolytmembran 32 angelegten Stromwert und der Wasserstoffkonzentration in der Anodenkammer 36a und der Kathodenelektrode 36c gezeigt. Wie in 4 gezeigt, nimmt die gesamte Wasserstoffkonzentration in der Anodenkammer 36a und der Kathodenkammer 36c einhergehend mit dem Anstieg der Stromstärke zu, die an die Wasserstoffherstellungszelle 18 angelegt wird. Daher versteht es sich, dass lediglich durch Anlegen des Stroms an die Elektrolytmembran 24 die Wasserstoffmenge gemäß dem Stromwert aufgrund der Verschiebung des Gleichgewichts im Volumen zunimmt. Dieses Merkmal zeigt, dass gemäß der vorliegenden Erfindung Wasserstoff mit einer hohen Effizienz hergestellt werden kann.
Es wurde ein Test durchgeführt, um den Effekt der Verbesserung der Methan-Konversionsrate durch die zweite Katalysatorschicht 42 zu bestätigen. Die Ergebniss dieses Tests sind in 5 gezeigt. Wie in 5 gezeigt, bestätigte sich in dem Fall, in dem die zweite Katalysatorschicht 42 vorgesehen war, dass die Methan-Konversionsrate signifikant besser war als in einem Fall, in dem die zweite Katalysatorschicht 42 nicht vorgesehen war. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung, weil nicht nur die erste Katalysatorschicht 40 mit der Verfeinerungsfunktion, sondern auch die zweite Katalysatorschicht 42 mit der Reformierungsfunktion auf der Anodenelektrode 34a vorgesehen sind, die Dampfreformierung an der Anodenelektrode 34a geeignet begünstigt, und daher ist es möglich, Wasserstoff mit hoher Effizienz herzustellen.
Ferner sind gemäß der vorliegenden Ausführung in der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 die Wasserstoffherstellungszellen 18 und die Stromerzeugungszellen 16 abwechselnd gestapelt, um hierdurch einen Verarbeitungsstapel zu bilden. Darüber hinaus wird während der Herstellung des Wasserstoffs Abwärme während der Stromerzeugung in den Stromerzeugungszellen 16 genutzt und als Wärme zugeführt, die für die Herstellung von Wasserstoff in der Wasserstoffherstellungszelle 18 benötigt wird. Daher ist es nicht notwendig, Wärme von außen her zuzuführen, und kann der Wasserstoff effizient hergestellt werden. Weil darüber hinaus ein thermischer Ausgleich im Inneren der Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 erzielt werden, kann eine günstige Wärmebeständigkeit erreicht werden.
Wenn ferner gemäß der vorliegenden Erfindung eine Anforderung nach Wasserstoffherstellung vorliegt, werden die Schaltelemente 38a und 38b derart gesteuert, dass die von den Stromerzeugungszellen 16 erzeugte elektrische Energie den Wasserstoffherstellungszellen 18 zugeführt wird. Daher ist es möglich, mittels der von den Stromerzeugungszellen 16 erzeugten elektrischen Energie Wasserstoff mit hoher Effizienz herzustellen. Falls andererseits keine Anforderung nach Wasserstoffherstellung vorliegt, ist es, da die Schaltelemente 38a und 38b derart gesteuert werden, dass die von den Stromerzeugungszellen 16 erzeugte elektrische Energie den Wasserstoffherstellungszellen 18 nicht zugeführt wird, möglich, die erzeugte elektrische Energie direkt einer externen Last 44 zuzuführen. Dementsprechend kann die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung 12 als Brennstoffzellensystem benutzt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführung beschränkt, und es können daran zahlreiche Modifikationen innerhalb eines Bereichs vorgenommen werden, der nicht vom Wesen und der Idee der vorliegenden Erfindung abweicht, wie sie in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005048247 A [0004]

Claims

Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung (12), welche aufweist: eine Elektrolytmembran (32), die ein protonenleitfähiges Oxid enthält; eine Anodenelektrode (34a), die auf einer Seite der Elektrolytmembran (32) angeordnet ist; und eine Kathodenelektrode (34c), die auf der anderen Seite der Elektrolytmembran (32) angeordnet ist; wobei ein Wasserdampf und ein Kohlenwasserstoffgas enthaltendes Mischgas einer Anodenkammer (36a) zugeführt wird, in der die Anodenelektrode (34a) angeordnet ist, und ein elektrisches Potential an die Elektrolytmembran (32) angelegt wird, wodurch Wasserstoff, der in der Anodenkammer (36a) reformiert wird, in die Kathodenkammer (36c) bewegt wird, in der die Kathodenelektrode (34c) angeordnet ist; und die Anodenelektrode (34a) eine erste Katalysatorschicht (40) mit einer Reinigungsfunktion und eine zweite Katalysatorschicht (42) mit einer Reform ierungsfunktion enthält.
Die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung (12) nach Anspruch 1, die ferner aufweist: eine Stromerzeugungszelle (16), der ein Kohlenwasserstoff-haltiges Brenngas und ein Sauerstoff-haltiges Gas zugeführt werden, und die konfiguriert ist, um elektrochemisch elektrische Energie zu erzeugen; wobei ein Verarbeitungsstapel aufgebaut ist durch Stapeln der Stromerzeugungszelle (16) und einer Wasserstoffherstellungszelle (18), welche die Elektrolytmembran (12), die Anodenelektrode (34a) und die Kathodenelektrode (34c) enthält.
Die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung (12) nach Anspruch 2, wobei, wenn eine Anforderung nach Wasserstoffherstellung vorliegt, die von der Stromerzeugungszelle (16) erzeugte elektrische Energie der Wasserstoffherstellungszelle (18) zugeführt wird.
Die Wasserstoffverarbeitungsvorrichtung (12) nach Anspruch 2 oder 3, wobei, wenn keine Anforderung nach Wasserstoffherstellung vorliegt, die von der Stromerzeugungszelle (16) erzeugte elektrische Energie der Wasserstoffherstellungszelle (18) nicht zugeführt wird.