JP2004507048A - 水と燃料との混合物から二酸化炭素を分離する方法および付属装置 - Google Patents

Abstract

特に燃料電池においては、燃料電池に存在する水−燃料混合物から二酸化炭素を除去する必要がある。本発明によれば、分離のために電気浸透の原理に基づいて作動する分離装置が使用され、その分離装置には燃料透過性および水透過性の膜が存在する。付属装置では電気浸透の原理に基づいて作動する分離装置が全燃料電池装置の一部である。

Description

【０００１】
本発明は、水と燃料との混合物、特に燃料電池内に存在する水−燃料混合物から二酸化炭素を分離する方法に関する。また、本発明は水−燃料混合物から二酸化炭素を分離する分離装置を備えた、本発明による方法を実施するための装置にも関する。本発明では燃料は特にメタノールであるが、必ずしもそれに限定されない。
【０００２】
燃料電池は液状もしくはガス状の燃料により作動される。燃料電池が水素により動作する場合、液体燃料からガス状の水素を発生させるための水素インフラもしくは改質器が必要である。液状燃料は例えばガソリン、エタノールもしくはメタノールである。いわゆるＤＭＦＣ（“Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ”＝直接メタノール型燃料電池）は燃料としてのメタノールにより直接動作する。ＤＭＦＣの機能および状態は“ＶＩＫ報告”２１４号、１９９９年発行、ｐ５５〜６２に詳細に記載されている。
【０００３】
水とメタノールとの混合物から二酸化炭素を分離することは、メタノール作動型燃料電池のアノード液体の循環における重大な問題である。できるだけ高い温度で、すなわちできるだけ燃料電池の作動温度で液状メタノール−水混合物からガス状二酸化炭素を分離する必要がある。できるだけ高い温度が望ましい。というのは、二酸化炭素の溶解性は温度が上昇するにつれて低下し、液体混合物を冷却するための費用が不必要ではあるが、装置全体の効率を低下させるからである。しかし、二酸化炭素は補助的な冷却を行わないとメタノールの高い分圧（沸点Ｔｓ＝６５℃）に起因して大量のメタノールを搬出するので、液体混合物を補助的に冷却することが必要となる。
【０００４】
従来の技術においては液体−ガス混合物がメタノールの沸点を著しく下回るまで冷却され、二酸化炭素が活性表面で泡にされ、次に液体−ガス混合物がタンク内で分離される。従って、ガス空間には原則的に常にそのつどの温度でメタノールの分圧および全圧力と分圧との比により与えられる量のガス状メタノールが存在する。しかし、これによって燃料電池装置から貴重な燃料が利用されずに送出され、（触媒における付加的な空気との接触燃焼により二酸化炭素と水とに変換されない限り）周囲へ排出される。メタノールの放出は内燃機関の条件と同様の条件を課せられており、従って炭化水素の総額に加算されなければならない。
【０００５】
このため、本発明の課題は、水−燃料混合物からの二酸化炭素の分離が改善される方法を提案し、付属装置を提供することにある。
【０００６】
本発明によれば、この課題は冒頭に挙げた種類の方法で請求項１の特徴事項により解決される。付属装置は請求項９に記載されている。本発明による方法の有利な実施態様および付属装置は従属請求項の対象である。
【０００７】
本発明では分離のために、電気浸透の原理に基づいて動作する分離装置が使用される。すなわち、燃料電池におけるメタノール透過性および水透過性の膜の現在の欠点を利点に転じることにより、燃料の損失が回避される。
【０００８】
本発明の別の詳細および利点について実施例の記述に基づいて説明する。燃料としてメタノールが用いられるＤＭＦＣに基づいて本発明を詳細に記載する。
【０００９】
燃料電池の主要部分はメタノール透過性および水透過性の特殊な膜を有する膜‐電解質ユニット（ＭＥＡ＝Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）であり、この膜は化学的にポリペルフルオロアルキスルホン酸と表記される。この種の膜は商品名ナフィオンとして市販されている。このナフィオン膜は通常その当量により特色付けられ、特にＤＭＦＣ燃料電池の場合は通常いわゆるナフィオン１１７膜が使用される。燃料電池での使用ではこの膜は疎水化される。
【００１０】
本発明による方法ではアノード液体は１つの別のセルもしくは複数の別のセルを通じて、通常のナフィオン１１７膜よりも薄いナフィオン膜、すなわちナフィオン１１５もしくはナフィオン１１２により案内される。当量のより大きいナフィオン材料、すなわちナフィオン１０５もしくはナフィオン１０２も使用可能である。
【００１１】
追加のセルの抵抗が小さくなるほどそれだけ損失が少なくなる。この装置は以下においては分離装置と呼ばれる。このセルもしくは大きいスタックの場合追加的なセルユニットにおいて、アノード液体はアノードを通過後に案内され、電流密度がきわめて高い場合には能動的に作動される。
【００１２】
分離装置は電気浸透装置として作動される。カソードで水素が発生する。当量のより小さなないしは密度のより小さなナフィオン膜の小さい抵抗によって、電圧が低い場合でも電流密度はきわめて高くなり、その結果電気浸透が特に顕著になる。メタノールは水と一緒にカソードへ供給され、次にアノードではメタノールの減少した液体が残留する。このようにして、分離装置のカソードへ供給された液体から二酸化炭素が完全に分離される。この段階でカソード液体は燃料電池のアノード回路に再び使用できる。
【００１３】
従って、この装置では、透過しすぎる膜というＤＭＦＣの現在の主要な欠点が利点に転じる。この種の装置は追加的ユニットないしはセル装置として燃料電池システムに直接使用可能である。
【００１４】
燃料としてのメタノールにより作動されるＤＭＦＣに基づいて上述した、水−燃料混合物から二酸化炭素を分離するという課題の解決法は、別の燃料により作動される燃料電池にも転用可能である。

Claims (12)

1. 水と燃料との混合物、特に燃料電池内に存在する水−燃料混合物から二酸化炭素を分離する方法において、分離のために、電気浸透の原理に基づいて動作する分離装置が使用されることを特徴とする水と燃料との混合物から二酸化炭素を分離する方法。
2. 燃料がメタノールであることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 分離装置において膜を通してアノード液体が案内されることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. メタノールが水と一緒にカソードへ供給され、アノードに二酸化炭素を含んでいる液体が残留することを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 分離装置のアノードに残留し二酸化炭素を含んでいる液体がガス分離器においてガスと水とに分離されることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. アノード液体が循環し、生成されたカソード液体が水−メタノール混合物として回収されることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
7. 電気浸透の原理によりメタノールが水と一緒にカソードへ供給され、アノードに、メタノールの減少した液体がアノード液体として残留することを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 電気浸透の原理により二酸化炭素が、分離装置のカソードへ搬送された液体から完全に分離されることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 水−メタノール混合物から二酸化炭素を分離する分離装置を備え、この分離装置が燃料電池の原理に基づいて動作する電気浸透セルであることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法を実施するための装置。
10. 燃料電池がプロトン伝導膜を有することを特徴とする請求項９記載の装置。
11. プロトン伝導膜が１２０以下、特に１１０以下の当量を有することを特徴とする請求項９記載の装置。
12. 膜がポリペルフルオロアルキスルホン酸に基づく材料から成ることを特徴とする請求項１０又は１１記載の装置。