JP2022543750A - 水素ガスおよび/または脂肪族炭化水素から一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を除去するための方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、水素ガスおよび/または脂肪族炭化水素から一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を、望ましくは低温で、複合金属水素化アルミニウムを用いて除去する方法に関する。
Description
本発明は、水素ガスおよび/または脂肪族炭化水素から一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を、好ましくは低温で、複合金属水素化アルミニウムを使用して除去する方法に関する。
水素は燃料電池にとって最も重要なエネルギーキャリアである。6種類の燃料電池のうち、高分子電解質燃料電池は近年、低温燃料電池として重要性を増している。高分子電解質燃料電池-PEFC-通常PEMと呼ばれる-は、100℃以下の動作温度で作動する。
高分子電解質燃料電池の特徴は、電解質としての、薄い、気密な、プロトン伝導性の、固体高分子膜である。このプラスチックの皮膜には酸基が組み込まれており、プロトンはすべての酸電池と同様に、膜を通ってアノードからカソードに拡散し、そこで酸素イオンと再結合して水を形成する。今日利用可能なペルフルオロポリマー膜(例えば、NAFION(登録商標)製)の伝導に必要な水分を含んでおり、操作温度が最大100℃に制限されていることを意味する。電極から双極板への電気的接触は、金属または炭素を含む集電体を介してなされる。これらの集電体は、反応ガスが内部に輸送され、反応水が遠ざかるのを可能にするために、ガスと液体の透過性が必要となる。
電気化学反応の十分な反応速度を確保するためには、低温においては触媒が必要となる。材料の面では、膜の酸性度が高い(硫酸に匹敵する)ため、白金や白金合金などの貴金属触媒を使用する必要がある。
使用する貴金属触媒および電解質は、比較的高い燃料ガス純度を必要とする。H2が唯一可能な燃料ガスである。酸化剤はO2であるが、他の燃料電池とは対照的に空気で動作させることができ、これによりPEFCの応用範囲が著しく拡大する。ISO 14687-2規格によれば、一酸化炭素(CO)は硫黄化合物と同様に触媒毒として作用するため、<0.2ppmのごく微量でしか許容されない。
水素は地球上で純粋な形ではほとんど存在せず、したがってエネルギーを消費して生産される。工業においてしばしば使用される製造方法は、他の発生源からの天然ガスまたは炭化水素の水蒸気改質である。水素は種々の改質プロセスを経て炭化水素-水素鎖から段階的に抽出される。副産物に含まれる一酸化炭素、窒素酸化物、二酸化硫黄などが発生する。
改質時に発生するガスを低温燃料電池に供給する場合は、まず一酸化炭素を分離する必要がある。熱力学的な理由から、一酸化炭素も改質の際に生成され、硫黄化合物と同様に、燃料電池内の触媒の毒物である。従来技術の工程において、精製は、いわゆる水ガスシフト反応器において、また優先的酸化のための反応器において行われる。しかしながら、これらの工程はかなり高価であり、COまたは硫黄化合物のような触媒毒から遊離した水素ガスまたはガス状脂肪族炭化水素を製造するための簡素化された工程が必要である。
本発明者らは、驚くべきことに、水素ガスおよび/または脂肪族炭化水素から、複合金属アルミニウム水素化物によって一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を除去することができることを見出した。本発明が水素ガスからの一酸化炭素の除去を指す場合、これらの記述は、水素ガスおよび/または脂肪族炭化水素中に数ppmのCOとの混合物として存在し、複合金属水素化物と接触させることができる、ガス状の硫黄化合物の除去にも、対応する形で適用可能である。
より具体的には、本発明は、一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を含むガスから一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を除去するための方法に関し、
水素ガスおよび/または1つ以上のガス状脂肪族炭化水素またはそれらの混合物から選択されたガスを、反応容器中において複合金属アルミニウム水酸化物と接触させ、金属アルミニウム水酸化物は、式I、Mex+[AlH4]- x(ここでx=1~5)の1つ以上の化合物、式II、Mey w+[AlH6]3- z(ここでw・z=3z)の1つ以上の化合物、および式III、Mep q+[AlH5]2- r(ここでp・q=2r)の一つ以上の化合物からなる群から選択され、ここで、Meは、元素の周期表からの1つ以上の金属を表す。
水素ガスおよび/または1つ以上のガス状脂肪族炭化水素またはそれらの混合物から選択されたガスを、反応容器中において複合金属アルミニウム水酸化物と接触させ、金属アルミニウム水酸化物は、式I、Mex+[AlH4]- x(ここでx=1~5)の1つ以上の化合物、式II、Mey w+[AlH6]3- z(ここでw・z=3z)の1つ以上の化合物、および式III、Mep q+[AlH5]2- r(ここでp・q=2r)の一つ以上の化合物からなる群から選択され、ここで、Meは、元素の周期表からの1つ以上の金属を表す。
反応は、バッチ式反応のための反応容器として構成された容器で行ってもよいし、好ましくは、精製すべきガスを導入し、複合金属アルミニウム水素化物と接触させ、反応後に反応容器から導出する連続式反応のための反応容器として構成された容器で行うことができる。このようにして、COや含硫化合物の残留量を0.2ppm以下にすることが長期間にわたって可能である。これにより、式I~IIIの1つ以上の複合金属アルミニウム水素化物を充填した、フロースルーフィルターユニットの形で反応容器を設計することが可能になる。このようなフロースルーフィルターユニットは、使用する水素ガス中の触媒毒から触媒を保護するために、フィルターカートリッジとして、特に燃料電池の上流において、有利に使用することができる。
また、フロースルーフィルターユニットはフィルターユニットの負荷の程度を示し、適時に交換することを可能にするインジケータ(指標)を有することができる。したがって、本発明による少なくとも1つのこのようなフロースルーフィルターユニットを有する燃料電池もまた、本発明の主題である。燃料電池を作動する際には、第1のフィルターユニットの負荷の程度に応じて、ガス流に「並列」に配置された少なくとも1つの第2のフィルターユニットにガス流を迂回することができ、その結果、燃料電池の連続動作が可能となる。同時に、第1のフィルターユニットは、複合金属水素化物をリサイクルするためのステップにかけることができる。
本発明によれば、次の式I~IIIの金属-アルミニウム水素化物は、複合水素化物として好ましい:Mex+[AlH4]-
x(ここでx=1~5)、Mey
x+[AlH6]3-
z(ここでx・z=3z)、およびMey
x+[AlH5]2-
r(ここでx・y=2r)。Meは元素の周期表から任意のアルカリまたはアルカリ土類金属を1つ以上表す。この複合水素化物は完全に脱水素されていてよいし、あるいは部分的に脱水素されていてもよい。本発明によれば、脱水素とは、例えば分解温度まで加熱するなどの脱水素手段によって、金属に結合した水素が金属水素化物から除去されたことを意味する。
上記の複合水素化物に、金属水素化物の反応性を増加させるために、金属塩、例えば金属ハロゲン化物のような金属化合物、または粒子状の金属化合物のような1つ以上の金属を補完することができる。好ましい金属は、3、4、5、6、7、8、9、10、11族、特にSc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、La、Ce、PrおよびNdからの遷移金属、またはこれらの金属同士のもしくはアルミニウムとの合金もしくは混合物、またはこれらの金属の化合物であり、例えば、金属ハロゲン化物などの金属塩として、例えば、粒径が約10nm~1000nmであり、および/または比表面積が例えば50~1000m2/gである、分布度の高い非常に小さな粒子の形態で提供される。このために、上記が好ましい遷移金属や、Ti、Zr、Sc、Y、希土類金属などの好ましくは金属が用いられる。金属は、多種多様な還元過程により、複合金属水素化物によるその場の(in-situ)還元によって直接、または最も広く異なる還元プロセスによって装置外(ex situ)で製造することができる。この点では、in-situでの製造が好ましい。
複合水素化物または金属と複合水素化物の混合物には、粒子表面に触媒と複合水素化物が良好に分布するように、粒子径10nm~1000nmの炭素(グラファイト、球形炭素、活性炭)などの添加剤、または粒子径10nm~1000nmのAl粉末などの金属粉末を加えることができる。部分的に酸化されている上記の複合水素化物も使用することができる。酸化は単に空気中のように酸素(空気)と接触することによって行われる。
本発明者らは、COが金属水素化物粉末と接触すると、COが少なくとも部分的にCH4に還元されるか、および/または錯化される反応が起こり、その結果、ガスの移動/接触後、複合金属水素化物の容量がなくなるまでガス中の一酸化炭素が存在しなくなると仮定した。
本発明によれば、CO含有水素ガスは、連続モードまたはバッチモードでも反応器中に、複合水素化物と触媒からなる金属水素化物粉末上に通され、従ってそれに接触する。接触はまた、流動床反応器またはオートクレーブのような閉鎖反応容器内で実施されることができる。連続運転では、CO含有水素ガスの流量は、複合金属水素化物上での完全な反応と吸収(吸着)が起こるように選択され、一般に1.5L/hg(複合金属水素化物)である。
また、反応容器内の圧力は重要ではなく、常圧から約0.1~15MPaの範囲であればよい。本発明によれば、反応温度は原則として-20℃~250℃である。
次に、添付の図1~図5及び製造例を用いて、本発明をより詳細に説明する。
この点に関して、図1~図4は、本発明よる方法を、本発明によらない方法と比較した実験のためのプロットを示す。図5は、試験装置を示す。
この点に関して、図4は、吸収された一酸化炭素を除去するための段階を経た、本発明による方法で使用される複合金属アルミニウム水素化物で満たされたフローチューブの再利用性を、例えば複合金属アルミニウム水素化物への周囲の空気の作用によって示している。
図5に試験装置を示し、試験方法を説明するためのものである。図5に示すように、試験装置は、複合水素化アルミニウムで満たされた吸収管4、使用されるガス混合物用の貯蔵容器5、マスフローコントローラ(質量流量計)6、真空ポンプ7およびガス混合物中のCO濃度をモニタリングするIRスペクトロメーター(IR分光計8)からなる。個々の作業工程は、バルブ1、2および3を介して不活性条件下で行うことができる。
測定を開始する前に、バルブ1および3を閉じた状態でバルブ2を介して装置全体を真空にする。次に、バルブ2を閉じ、バルブ3を介して装置に不活性ガスを充填する。混合ガスは、バルブ1と3が開いているときに供給され、マスフローコントローラ6により、必要なガス量にガス流量が調整される。ガス混合物が吸収管4を通って流れた後、CO濃度がIRスペクトロメーター8により測定される。
水素ガスから不純物を除去する際の複合水素化アルミニウムの吸収容量の減少は、バルブ1の前の吸収管4の下流の流れの方向の窓カートリッジにおける色反応によって簡単な方法で見ることができ、したがってこの方法で監視することができる。一例として、窓カートリッジの支持体に沈着した五酸化ヨウ素とCOとの反応があり、これによってCOの酸化が起こり、次の反応に従ってヨウ素が生成される。
5CO+I2O5→5CO2+I2
放出されたヨウ素は、発色反応が起こる支持体を変色させる。その結果、吸収能力の低下を光学的に観察・監視することが可能となり、吸収管を良好な時間で交換することができる。2本以上の吸収管4が、好ましくは流れの方向に並列に配置され、吸収能力が低下した場合には、ガス流量を一つの吸収管4から他の吸収管に切り替えることができる。
図4は、本発明に係る方法で使用される複合金属アルミニウム水素化物を充填したフローチューブの再利用性を示す図であり、このフローチューブは、例えば複合金属アルミニウム水素化物に対する周囲空気の作用のもと、吸収された一酸化炭素を除去する工程を経た後、再利用することができる。
材料および方法
CO濃度の測定には、ABB社製のURAS 26 NDIRスペクトロメーター(非分散型赤外分光器)を使用した。ガス濃度は、ガス封入型オプトニューマチック検出器を用いて測定した。粒子径は、レーザー回折法、または非常に小さな粒子の場合はTEM分析(透過型電子顕微鏡)により決定した。
CO濃度の測定には、ABB社製のURAS 26 NDIRスペクトロメーター(非分散型赤外分光器)を使用した。ガス濃度は、ガス封入型オプトニューマチック検出器を用いて測定した。粒子径は、レーザー回折法、または非常に小さな粒子の場合はTEM分析(透過型電子顕微鏡)により決定した。
製造例
典型的な工程では、Na3AlH6にTiCl3(2-4mol%)および任意の他の添加物を加えてボールミルで粉砕した。このようにして得られた材料を用いて、水素ガスからCOを除去した。同様に、この方法を用いて、CO2、H2O、S化合物などの他の汚染物質も水素ガスから除去することができた。
典型的な工程では、Na3AlH6にTiCl3(2-4mol%)および任意の他の添加物を加えてボールミルで粉砕した。このようにして得られた材料を用いて、水素ガスからCOを除去した。同様に、この方法を用いて、CO2、H2O、S化合物などの他の汚染物質も水素ガスから除去することができた。
例1
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製した部分脱水素化されたNa3AlH6(組成:(1-x)Na3AlH6+3xNaH+xAl)、TiCl3(4mol%)、活性炭(8mol%)およびAl粉末(8mol%)の混合物2.0gを、10ppmのCOを含む水素ガスで流速50ml/分で流した。ガス混合物を流した後、IRスペクトロスコピーを用いてCOを分析したが、当初はCOは検出できなかった。75時間後、CO濃度は3ppmに増加した。
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製した部分脱水素化されたNa3AlH6(組成:(1-x)Na3AlH6+3xNaH+xAl)、TiCl3(4mol%)、活性炭(8mol%)およびAl粉末(8mol%)の混合物2.0gを、10ppmのCOを含む水素ガスで流速50ml/分で流した。ガス混合物を流した後、IRスペクトロスコピーを用いてCOを分析したが、当初はCOは検出できなかった。75時間後、CO濃度は3ppmに増加した。
例2
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製したNa3AlH6、TiCl3(4mol%)、活性炭(8mol%)およびAl粉末(8mol%)の混合物2.0gを、3L/hの流速で水素ガス10ppmのCOと混合した。ガス混合物を流した後、IRスペクトロスコピーを用いてCOを分析したが、当初はCOは検出できなかった。46時間後、CO濃度は1.6ppmに増加した。
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製したNa3AlH6、TiCl3(4mol%)、活性炭(8mol%)およびAl粉末(8mol%)の混合物2.0gを、3L/hの流速で水素ガス10ppmのCOと混合した。ガス混合物を流した後、IRスペクトロスコピーを用いてCOを分析したが、当初はCOは検出できなかった。46時間後、CO濃度は1.6ppmに増加した。
例3
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製したNa3AlH6、TiCl3(4mol%)の混合物2.0gを、流速50ml/分で100ppmのCOを含む水素ガスで流した。流した後、ガス混合物をIRスペクトロスコピーを用いてCOについて分析した。60分間にわたってCOは検出できなかった。その後50分間でCO含量は50ppmに増加した。
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製したNa3AlH6、TiCl3(4mol%)の混合物2.0gを、流速50ml/分で100ppmのCOを含む水素ガスで流した。流した後、ガス混合物をIRスペクトロスコピーを用いてCOについて分析した。60分間にわたってCOは検出できなかった。その後50分間でCO含量は50ppmに増加した。
例4
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製したNaAlH4とTiCl3(4mol%)の混合物2.0gを、流速50ml/分で100ppmのCOを含む水素ガスで流した。流した後、ガス混合物をIRスペクトロスコピーを用いてCOについて分析した。35分間にわたってCOは検出できなかった。その後25分間でCO含量は75ppmに増加した。
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製したNaAlH4とTiCl3(4mol%)の混合物2.0gを、流速50ml/分で100ppmのCOを含む水素ガスで流した。流した後、ガス混合物をIRスペクトロスコピーを用いてCOについて分析した。35分間にわたってCOは検出できなかった。その後25分間でCO含量は75ppmに増加した。
例5
フローチューブ中において、2.0gの純NaAlH4を、50ml/分の流速で100ppmのCOを含む水素ガスに流した。流した後、ガス混合物をIRスペクトロスコピーによりCOについて調べた。3分後、CO含量は100ppmに増加した。
フローチューブ中において、2.0gの純NaAlH4を、50ml/分の流速で100ppmのCOを含む水素ガスに流した。流した後、ガス混合物をIRスペクトロスコピーによりCOについて調べた。3分後、CO含量は100ppmに増加した。
例6
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製したNa3AlH6、TiCl3(4mol%)、活性炭(8mol%)およびAl粉末(8mol%)の混合物2.0gを、30℃、流量3L/hで100ppmのCOを含む水素ガス100ppmで流した。流した後、ガス混合物をIRスペクトロスコピーによりCOについて調べた。試験開始後30分までCOは検出できなかった。その後3時間でCO含量は90ppmに増加した。次に、フローチューブをガス流から切り離し、10分間周囲の空気に曝した。この後、100ppmのCOを含む水素ガスを再びフローチューブに通した。この混合物は再びCOに対して高い吸収能力を示し、15分間にわたってCOを検出できなかった。その後、水素ガス中のCO含量は再び連続的に増加した。
フローチューブ中において、ボールミルで粉砕し調製したNa3AlH6、TiCl3(4mol%)、活性炭(8mol%)およびAl粉末(8mol%)の混合物2.0gを、30℃、流量3L/hで100ppmのCOを含む水素ガス100ppmで流した。流した後、ガス混合物をIRスペクトロスコピーによりCOについて調べた。試験開始後30分までCOは検出できなかった。その後3時間でCO含量は90ppmに増加した。次に、フローチューブをガス流から切り離し、10分間周囲の空気に曝した。この後、100ppmのCOを含む水素ガスを再びフローチューブに通した。この混合物は再びCOに対して高い吸収能力を示し、15分間にわたってCOを検出できなかった。その後、水素ガス中のCO含量は再び連続的に増加した。
Claims (10)
- 一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を含むガスから一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を除去するための方法であって、
水素ガスおよび/または1つ以上のガス状脂肪族炭化水素またはそれらの混合物から選択されたガスを、反応容器内において複合金属アルミニウム水酸化物と接触させ、
当該金属アルミニウム水酸化物は、式I、Mex+[AlH4]- x(ここでx=1~5)の1つ以上の化合物、式II、Mey w+[AlH6]3- z(ここでw・z=3z)の1つ以上の化合物、および式III、Mep q+[AlH5]2- r(ここでp・q=2r)の一つ以上の化合物からなる群から選択され、Meは1つ以上のアルカリ金属および/またはアルカリ土類金属を示す。 - 金属塩、例えば金属ハロゲン化物などの金属化合物として、または好ましくは粒子形態で、一つ以上の金属が補完された式I~IIIの複合金属アルミニウム水素化物が使用され、金属として、第3、4、5、6、7、8、9、10、11族の1つ以上の遷移金属、特にSc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、La、Ce、Pr、およびNd、特にTi、Zr、Scが使用されるか、またはこれらの金属同士もしくはアルミニウムとの合金または混合物が用いられる、請求項1に記載の一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を含むガスから一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を除去するための方法。
- 前記金属またはその化合物が、例えば、粒径が約10nm~1000nmであり、および/または比表面積が例えば50~1000m2/gである、分布度の高い、非常に小さな粒子の形態のものが使用される、請求項2に記載の一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を含むガスから一酸化炭素および/またはガス状硫黄化合物を除去するための方法。
- 完全にまたは部分的に脱水素化された式I~IIIの1つまたはそれ以上の複合金属アルミニウム水素化物が使用される、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。
- 式I~IIIの1つ以上の複合金属アルミニウム水素化物を使用し、これに粒子の形態の1つ以上の金属を加え、得られた混合物が好ましくは粒径0.5~1000nmに粉砕され、ここで、加えた一つの金属または複数の金属は、第3、4、5、6、7、8、9、10、11族からなる遷移金属、好ましくはTi、Zr、Sc、Yおよび希土類金属、またはこれらの金属同士もしくはアルミニウムとの合金または混合物から選択される、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。
- 式I~IIIの複合金属水素化アルミニウムによるその場(in situ)の還元によって、粒子の形態の一つの金属または複数の金属が製造される、請求項5に記載の方法。
- グラファイト、球形炭素、活性炭またはそれらの混合物から選択された炭素粒子が添加された複合金属水素化アルミニウムが使用される、請求項1~6のいずれか1項に記載の方法。
- 反応容器が、前記請求項1~7のいずれか一項に記載の方法で請求されている式IからIIIの1つ以上の複合金属アルミニウム水素化物を充填したフロースルーフィルターユニットの形態で構成され、任意に、粒子の形態の1つ以上の金属と組み合わせて、および/または炭素粒子と組み合わせて構成される、請求項1~7のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1~6の1つに記載の方法で使用される、式I~IIIの1つ以上の複合金属アルミニウム水素化物を、任意に粒子の形態の1つ以上の金属と組み合わせて、および/またはは炭素の粒子と組み合わせて充填しているフィルターユニット。
- 請求項9に記載のフィルターユニットを1つ以上有する燃料電池。
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