JP2001502105A - 一酸化炭素含有水素の組み合わされた純化と圧縮のための装置及び方法、並びに燃料電池備え付けの際のそれらの使用 - Google Patents

一酸化炭素含有水素の組み合わされた純化と圧縮のための装置及び方法、並びに燃料電池備え付けの際のそれらの使用

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、一酸化炭素含有水素の組み合わされた純化と圧縮のための装置に関する。この装置は、プロトン伝導性高分子膜(3)を含む高分子電解膜(ＰＥＭ)電池と、当該膜の一方の側上のアノード及びその他方側上のカソード(4)を含む。このアノードは二層アノード(５)中にあり、かつ、この二層アノード(５)は前記電解膜に面しない側にある一酸化炭素選択的触媒層(１)及び前記電解膜に面する側にある(水素をプロトンに酸化するための)電気化学的活性層(２)を含む。、このＰＥＭ電池は、アノード側に設けられ、集電器と接している平板状で多孔質のガス分配層を有する。これにより、このＰＥＭ電池は約１０バールを越える圧力差に耐える。本発明は、この装置により一酸化炭素含有水素の組み合わされた純化と圧縮を行うための方法にも関する。一酸化炭素含有水素中の一酸化炭素は、このＰＥＭ電池中で選択的に酸化されて二酸化炭素を生ずる。続いて、この一酸化炭素フリーとなった水素は、前記ＰＥＭ電池により約１０バールを越える圧力差にまで電気化学的に圧縮される。得られた水素は、乗り物のためのＰＥＭ燃料電池の燃料として好適である。

Description

【発明の詳細な説明】 一酸化炭素含有水素の組み合わされた純化と圧縮のための装置及び方法、並び に燃料電池備え付けの際のそれらの使用 発明の記述 本発明は、一酸化炭素含有水素の組み合わされた純化と圧縮のための装置及び 方法、並びに高分子電解膜(PEM)燃料電池において燃料ガスとして得られる水素 の使用に関する。 燃料電池は高い電力効率、低公害及び低いノイズレベルという特質を有し、そ うであるがゆえに、乗り物を動かすのに非常に適している。本出願のために好ま しいことは、高分子電解膜(PEM)燃料電池において、その実行温度範囲、その丈 夫さ及び圧力変動に対する耐性が発見されたことである。しかしながら、PEM燃 料電池は、燃料として、純粋な水素ガスが絶対に用いられなければならない。そ の一方で、酸素の代替として、空気が酸化剤として使用できるという利点がある 。一酸化炭素含有率が20ppmを超える水素が燃料として使用された場合には、電 極の汚染と過剰の固有エネルギー消費が生じたときに発生するマークドロップ(m arked drop)とを引き起こす。 水素は、従来より、圧力振動吸着(PSA)によって不連続的に純化している。し かしながら、この技術に基づくプロセスは、高い個有エネルギー消費を伴い、か つ、嵩高い構造を必要とするので、乗り物用に適さない。 水素圧縮のための公知の機械的方法としては、例えば、ピストンコンプレッサ ー、スクリューコンプレッサー及びロータリーコンプレッサーの使用があげられ る。しかしながら、これらの方法は、高いノイズレベル、特に備え付けの際に10 kwもの電気的負荷がかけられ、高い個有エネルギー入力が必要である。 GB-A-2 268 322は、PEM電池の使用により、電気化学的に５バール(bar)の圧力 差に至るまで純粋な水素が圧縮され得ることを開示している。そのような圧力差 を超えた場合には、公知のPEM電池の電極実装物にひび割れが生じてしま う。メタノールもしくは他の炭化水素類からの改質ガスとして製造された水素は 、様々な量の一酸化炭素(ＣＯ)を含んでいる。超純粋水素(即ち、そのような改 質ガス類からの一酸化炭素フリーな水素)の供給(特に、同時にミリ秒から秒のレ ンジのタイムスケールにおけるロードチェインジ運転を確保する燃料電池車のコ ールドスタートフェイズのための水素の供給)は、まだ技術的に不可能である。 それゆえに、本発明の目的は、低ノイズで高エネルギー効率の装置を提供する と共に、一酸化炭素含有水素の組み合わされた純化と圧縮のための方法(少なく とも１０バールの圧力差が達成可能な方法)を提供することにある。 この目的は、請求項１の装置及び請求項９の方法に係る本発明によって達成さ れる。本発明の主題に関する有利な改良もしくは特に好適な改良は、従属項にて 特記されている。 本発明は、一酸化炭素含有水素の組み合わされた純化と圧縮のための装置に関 する。この装置は、プロトン伝導性高分子膜を含む高分子電解液膜(ＰＥＭ)電池 、当該膜の一方の側のアノードと他方側のカソード、当該膜に面しない側の一酸 化炭素選択的触媒層を含む二層構造アノード中のアノード、及び、当該膜に面す る側の、水素をプロトンに酸化するための電気的活性層を含む。更にこの装置は 、アノード側に設置されかつ集電器に隣接する平板で多孔質の支持層を含む。こ れにより、このＰＥＭ電池は、少なくとも１０バールの圧力差に耐えられること になる。 本発明は更に、本発明に係る装置により実現される、一酸化炭素含有水素の組 み合わされた純化と圧縮のための方法に関する。ここで、一酸化炭素含有水素の 中の一酸化炭素は、その一酸化炭素含有量に対応した量の酸素と当該一酸化炭素 含有水素が混合されることにより、第一のＰＥＭ電池中で選択的に二酸化炭素へ と酸化される。二層アノードの一酸化炭素選択的酸化触媒層上において酸化触媒 的に一酸化炭素を酸化するこの酸素は二酸化炭素を生じさせ、同時に多量の一酸 化炭素フリーの水素が、約１０バール以上の圧力差に対するＰＥＭ電池により電 気化学的に圧縮される。これは、超純粋水素を与える圧力下で放出される(カソ ード側にて膜を通過している)水素をプロトンに酸化する二層アノード電気化学 的活性層の力によるものである。 最後に本発明は、本発明に係るプロセスにより得られる水素の燃料電池(特に 、乗り物用の燃料電池)における燃料ガスとしての使用に関する。 本発明は、添付の図面を参照しながら、より詳細に説明される。図１に、本発 明により使用される二層アノード(高分子膜及びカソードと共に複合配置されて いる)の概略構成を示す。 本発明によれば、二層アノードの形態で電極を含み、その二層アノードのうち の一層は、水素ガス中に存在する一酸化炭素を、混合された酸素により触媒的に 酸化して二酸化炭素にするＰＥＭ電池を使用した電気化学的圧縮による簡易な手 法により、一酸化炭素含有水素ガスの純化は達成できる。一酸化炭素の含有率に 基づいて、水素ガスには、例えば１０００ｐｐｍまでの酸素が混合され得る。こ の純化の効果により、二層アノードの第二層(即ち、電気化学反応を起こす電極 層)が一酸化炭素により汚染されないほどまでに、水素ガスの一酸化炭素含有量 が引き下げられる。それゆえに第二の電極層は、従来からのＰＥＭアノードとし て振る舞うことができ、その際に多量の一酸化炭素フリー水素をプロトンに酸化 し、そのプロトンが高分子膜を通過して、圧力がかけられているカソードに放出 され、超純粋水素を与える。それゆえに、ＰＥＭ電池は、継続的な一酸化炭素ゲ ッターとして機能する。 本発明に係る装置によれば、純粋な水素を、少なくとも１０バールは圧縮する ことができる。約５バールの圧力差を越えた場合に従来のＰＥＭ電池において電 極実装物に生ずるひび割れは、本発明においては、当該ＰＥＭ電池のアノード側 からの十分な補強により防止される。これは、(例えばガス分配ダクトのような) 孔により生じるムラがないものが製造されるような方法において、平面で、低粗 度のガス分配層により、電極−膜−電極ユニットでアノード側(低圧側もしくは 水素ガス供給側)を支持することにより達成される。このガス分配層は、平面も しくは平滑な集電板に隣接する。 一つの実施態様によると、集電板がガス分配ダクトを有さず、ガス分配層(少 なくとも適用される圧力と特定の最終水素圧力の合計圧力に抗し、平滑もしくは 平面の表面を有する)と共に備え付けられる。別の実施態様によると、集電板は 、表面側上にガス分配ダクトを有し、ガス分配層(少なくとも適用される圧力と 特 定の最終水素圧力の合計圧力に抗し、平滑もしくは平面の表面を有する)と共に 備え付けられ、たとえガスダクトが存在するにしても、膜にかかる圧力が全領域 にわたって均一に分散するように十分な屈曲強度を有する。ガス分配層は、例え ば、金属繊維板も敷くは金属フェルト板から形成することができる。 二層アノードの一酸化炭素選択的触媒層は、電気的に導電性のマトリックス及 び酸化物の支持部材を適当に含み、純度の高い、金属製の、一酸化炭素酸化選択 的触媒粒子と共にコーティングされる。電気的に導電性のマトリックスの好適な 物質の例としては、金属フェルトもしくはグラファイトが挙げられる。 酸化物の支持部材は触媒反応の活性を高めるものであり(溢れ出し効果)、例え ば、酸化ジルコニウム、二酸化チタン、酸化コバルト、酸化セリウム、酸化プラ セオジウム、酸化イットリウム、それらの混合物もしくはそれらが混合された酸 化物から形成される。これらの酸化物の支持部材の特異的な表面の面積は、１ｍ2 ／ｇから１００ｍ2／ｇが適当であり、１０ｍ2／ｇを超えることが好ましい。 一酸化炭素選択的触媒の粒子は、金、ルテニウム、ロジウムもしくはそれらの 合金から形成される。 二層アノードの第二の電極層(これは、電気化学的反応を行う)は、慣用的にＰ ＥＭアノードのために使用されるものと同等の部材から形成される。 本発明に係る装置は、単一のＰＥＭ電池を含んでいてもよい。しかしながら、 約１５バールを越える圧力差にするためには、第二のＰＥＭ電池は第一のＰＥＭ 電池と直列に接続されているのが好ましい。この第二の、及び、そこに存在して いる、更なるＰＥＭ電池のぞれぞれは、プロトン伝導性高分子膜、この高分子膜 の一方の側上のアノードと他方側上のカソード、並びに、平板状で多孔性のガス 分配層(これはアノード側に設けられ、集電板に隣接し、これによって前記電池 は約１５バールを越える圧力差に耐えられるようになる)を含んでいる。 本発明に係る装置において採用されているプロトン伝導性高分子膜は、ＰＥＭ 電池に慣用的に採用されている物質(例えば、商標Nafionとして入手できるよう なもの)で作製される。この高分子膜は、それ自体公知の方法により、それぞれ 一つの電極(例えばカーボンブラック及びポリテトラフルオロエチレンのような 触媒的に活性化された支持部材及びバインダーを適当に含有する)と共に両サイ ドに設けられる。元来、触媒として適切なのは、水素の酸化もしくは水素の還元 のための高い活性を十分に示すそれ自体公知の物質であり、白金属の金属及び合 金類が好ましい。 ＰＥＭ電池の圧縮効果のコントロールは、適宜、制御信号により行うことがで きる。この目的のために、圧縮に必要な電流を供給する電圧源は短間隔で周期的 に分断され、それ自身の終了時もしくは当該分断時間の間に確定された電位が測 定される。この電位により、ネルンスト式による活性圧の決定が行われる。従来 のコントロール装置を介しで、この電位は、ターゲット圧でそれ自身が確定され た電位と比較され、当該電池電流もしくは電池電圧の両方の違いに基づいて予め 設定される。使用される制御方法に特別な制限はないが、ｏｎ／ｏｆｆ制御もし くはＰＩＤ制御法(比例積分制御法)に対して与えられるのが好ましい。 このＰＩＤ(Proportional-Integral-Differential)法は公知の方法であり、( ｉ)制御された可変量と参照可変量の間の相違に対する信号比から、(ii)(ｉ)か ら形成された積分信号から、及び、(iii)から形成された差信号から、手動によ る付加的な可変量のセッティングを含む。制御の好ましい瞬間応答は、信号構成 を適宜セッティングすることにより達成することができ、これにより、(i)、(ii )及び(iii)から、手動による可変まで得られる。 本発明で採用されている二層アノードの構成は、実施例にかかる図１に示され 、５は二層アノードを示し、１は一酸化炭素酸化触媒層を示し、２は水素をプロ トンに酸化するための電気化学的活性層を示す。触媒層１はここでは電気的に導 電性の金属フェルトマトリックス６で構成されており、触媒活性を高め、かつ、 １０ｍ2／ｇより大きい特異的表面領域を有する酸化サポートメタル７を担持す る。酸化サポートメタルは、きめ細かく分配された金属触媒粒子８で、かわるが わるコーティングされる。電気化学的活性層２は、例えば、白金／ルテニウムの 薄膜アノードで構成する。二層アノード５は、高分子膜３と白金／炭素カソード ４の混成体である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/02 Ｈ０１Ｍ 8/02 Ｅ (72)発明者 スコルタ ジヨアヒム ドイツ国 ウルム州 ノイエシュトラーセ 77 (72)発明者 シュトロエベル ライムント ドイツ国 ウルム州 カールスプラッツ ５／１ 【要約の続き】 好適である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．プロトン伝導性高分子膜(3)を含む高分子電解膜(ＰＥＭ)電池と、当該膜の 一方の側上のアノード及びその他方側上のカソード(4)と、を含み、このアノー ドは二層アノード(５)中にあり(二層アノード(５)は前記電解膜に面しない側に ある一酸化炭素選択的触媒層(１)及び前記電解膜に面する側にある(水素をプロ トンに酸化するための)電気化学的活性層(２))、及び、平板状で多孔質のガス分 配層(これはアノード側に設けられ、集電器と隣接し、それゆえに、このＰＥＭ 電池は１０バールを越える圧力差に耐えることが可能である)を更に含む一酸化 炭素含有水素の組み合わされた純化と圧縮のための装置。 ２．請求の範囲第１項に記載の装置において、前記二層アノード(５)の前記一酸 化炭素酸化選択的触媒層(１)は、電気的伝導性マトリックス(６)、及び、金属製 の一酸化炭素酸化選択的触媒粒子(6)でコーティングされた酸化物の支持部材(７ )を含む。 ３．請求の範囲第１項または第２項に記載の装置において、前記第一のＰＥＭ電 池に直列に接続されている第二のＰＥＭ電池を少なくとも一つは含み、純化され かつプレ圧縮された水素を固有の最終圧に圧縮するために、前記第二のＰＥＭ電 池はプロトン伝導性高分子膜を含み、前記電解膜の一方の側のアノード及び前記 電解膜のその他方側のカソードと、並びに、平板状で多孔質のガス分配層(これ はアノード側に設けられ、集電器と隣接し、それゆえに、この第二のＰＥＭ電池 は１５バールを越える圧力差に耐えることが可能である)を含む。 ４．請求の範囲第１項から第３項いずれかに記載の装置において、前記ＰＥＭ電 池の前記アノード側上の前記集電器は、ガス分配ダクトのない平面な表面を備え 、前記ガス分配層は、少なくとも、その適用圧力と固有最終水素圧の少なくとも 合計圧力に対する耐性を有する。 ５．請求の範囲第１項から第３項いずれかに記載の装置において、前記ＰＥＭ電 池の前記アノード側上の前記集電器は、表面側上にガス分配ダクトを備え、前記 ガス分配層は、少なくとも、その適用圧力と固有最終水素圧の少なくとも合計圧 力に対する耐性を有し、前記ガス分配ダクトの孔の上に均一な膜適用圧がかかる ことによる曲げ強度を有する。 ６．請求の範囲第１項から第５項いずれかに記載の装置において、前記ガス分配 層は金属繊維板で形成されている。 ７．請求の範囲第１項から第６項いずれかに記載の装置において、更に、この電 池のそのときの測定電圧のネルンストの式から導かれる電圧からのずれ値及びこ の電池の電圧源の不連続により規則的な間隔で発生する制御信号によって前記Ｐ ＥＭ電池の個有最終水素圧を制御する手段を備える。 ８．請求の範囲第７項に記載の装置において、前記制御信号はｏｎ／ｏｆｆもし くはＰＩＤ法により形成される。 ９．請求の範囲第１項から第８項いずれかに記載の装置により一酸化炭素含有水 素の組み合わされた純化と圧縮を行うための方法であって、 一酸化炭素含有水素中の一酸化炭素は、その一酸化炭素含有量に対応する量の 酸素が混合され、この酸素が前記二層アノードの一酸化炭素酸化選択的触媒層上 で触媒的に一酸化炭素を二酸化炭素に酸化することにより、前記第一のＰＥＭ電 池中で選択的に二酸化炭素に酸化され、並びに、その際の大量の一酸化炭素フリ ーな水素が前記ＰＥＭ電池により約１０バールを越える圧力差にまで電気化学的 に圧縮され、前記二層アノードの前記電気化学的活性層の力により水素をプロト ンに酸化し、前記高分子電解膜を通過し、圧力がかかっているカソード側に放出 され、超純粋な水素が得られる方法。 １０．請求の範囲第９項に記載の方法において、使用される一酸化炭素含有水素 はメタノール改質ガスである。 １１．請求の範囲第９項もしくは１０項に記載の方法で得られる水素のＰＥＭ燃 料電池内での燃料ガスとしての使用。
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