JP2607682B2 - 燃料電池に供給する水素ガスの精製装置 - Google Patents
燃料電池に供給する水素ガスの精製装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池に供給する水素ガスの精製装置に
関し、特に、比較的低温で作動する固体高分子電解質型
燃料電池に供給するために、微量の一酸化炭素を除去す
るのに適した水素ガス精製装置に関する。
関し、特に、比較的低温で作動する固体高分子電解質型
燃料電池に供給するために、微量の一酸化炭素を除去す
るのに適した水素ガス精製装置に関する。
（従来の技術） 従来の固体高分子電解質型燃料電池では、水素及び一
酸化炭素を含有するメタノール改質ガスに水蒸気を添加
して、一酸化炭素シフト触媒と接触させることにより、
一酸化炭素を二酸化炭素に転化してから燃料電池に供給
し、発電する方式が採用されていた。
酸化炭素を含有するメタノール改質ガスに水蒸気を添加
して、一酸化炭素シフト触媒と接触させることにより、
一酸化炭素を二酸化炭素に転化してから燃料電池に供給
し、発電する方式が採用されていた。
ここで、一酸化炭素シフト触媒反応は、次式のような
可逆反応である。
可逆反応である。
CO＋H2O＝CO2＋H2 その際、残留一酸化炭素濃度は、反応温度が低いほ
ど、また、反応圧力が高いほど、水蒸気／カーボン比が
高いほど、低下させることができ、例えば、Fe−Cr系触
媒を用い、反応温度を200℃、反応圧力を20atm、水蒸気
／カーボン比を４として一酸化炭素シフト触媒反応を行
えば、残留一酸化炭素濃度を約0.1％（1000ppm）とする
こともできるが、小型の燃料電池装置にまとめことを前
提にすると、種々の制約があるため、水素ガス精製装置
の一酸化炭素除去性能は、現実的には１％前後が限界で
ある。
ど、また、反応圧力が高いほど、水蒸気／カーボン比が
高いほど、低下させることができ、例えば、Fe−Cr系触
媒を用い、反応温度を200℃、反応圧力を20atm、水蒸気
／カーボン比を４として一酸化炭素シフト触媒反応を行
えば、残留一酸化炭素濃度を約0.1％（1000ppm）とする
こともできるが、小型の燃料電池装置にまとめことを前
提にすると、種々の制約があるため、水素ガス精製装置
の一酸化炭素除去性能は、現実的には１％前後が限界で
ある。
（発明が解決しようとする課題） 一方、100℃前後で動作する固体高分子電解質膜を用
いる燃料電池では、ガス拡散電極が水素ガス中の一酸化
炭素により被毒され、発電性能を低下させる。これを防
止するためには、水素ガス中の一酸化炭素濃度を10ppm
以下に抑える必要がある。
いる燃料電池では、ガス拡散電極が水素ガス中の一酸化
炭素により被毒され、発電性能を低下させる。これを防
止するためには、水素ガス中の一酸化炭素濃度を10ppm
以下に抑える必要がある。
しかし、上記の一酸化炭素シフト触媒反応法では、一
酸化炭素濃度を十分に低下させることができず、このよ
うな微量の一酸化炭素を除去するのに適した方法が他に
なかった。
酸化炭素濃度を十分に低下させることができず、このよ
うな微量の一酸化炭素を除去するのに適した方法が他に
なかった。
本発明は、上記の問題点を解消し、微量の一酸化炭素
を除去することのできる水素ガス精製装置を提供しよう
とするものである。
を除去することのできる水素ガス精製装置を提供しよう
とするものである。
（課題を解決するための手段） 本発明は、水蒸気含有水素ガスから一酸化炭素を除去
して燃料電池に供給するための、水素ガス精製装置にお
いて、一酸化炭素を吸着可能な２枚のガス拡散電極で電
解質を挟み、該電極表面に水素ガス流路を設け、電極に
対して間欠的に通電するための電源を設けたことを特徴
とする水素ガス精製装置である。
して燃料電池に供給するための、水素ガス精製装置にお
いて、一酸化炭素を吸着可能な２枚のガス拡散電極で電
解質を挟み、該電極表面に水素ガス流路を設け、電極に
対して間欠的に通電するための電源を設けたことを特徴
とする水素ガス精製装置である。
上記電解質は、燃料電池本体に組み込む固体高分子電
解質膜やイオン交換膜を用いることもできるが、硫酸や
リン酸等の液体電解質を用いることも可能である。液体
電解質の中で、水酸化カリウムのようなアルカリ電解質
を用いるときには、水素ガス精製装置の脱着時に電解酸
化により発生する二酸化炭素をアルカリ電解質に吸収さ
せることができるので、アルカリ燃料電池に組み込むの
に適している。
解質膜やイオン交換膜を用いることもできるが、硫酸や
リン酸等の液体電解質を用いることも可能である。液体
電解質の中で、水酸化カリウムのようなアルカリ電解質
を用いるときには、水素ガス精製装置の脱着時に電解酸
化により発生する二酸化炭素をアルカリ電解質に吸収さ
せることができるので、アルカリ燃料電池に組み込むの
に適している。
なお、上記ガス拡散電極は、白金族金属、白金族金属
の合金、例えば、Pt−Sn等、白金族金属の酸化物、若し
くはそれらを組み合わせて公知の方法で作ることができ
る。
の合金、例えば、Pt−Sn等、白金族金属の酸化物、若し
くはそれらを組み合わせて公知の方法で作ることができ
る。
（作用） 第１図は本発明の水素ガス精製装置の概念図である。
ガス拡散電極１及び２で電解質３を挟み、２つの電極の
表面にガス流路を設け、メタノール水蒸気改質装置から
の水素リッチガスを導入し、一酸化炭素を除去した後、
燃料電池本体の水素極に供給される。
ガス拡散電極１及び２で電解質３を挟み、２つの電極の
表面にガス流路を設け、メタノール水蒸気改質装置から
の水素リッチガスを導入し、一酸化炭素を除去した後、
燃料電池本体の水素極に供給される。
一酸化炭素を吸着したガス拡散電極は、２つの電極に
接続された電圧計で急激な電圧降下を検知したときに、
これに対応して上記電極に電源４を接続して短時間通電
し、容易に電極の再生を行うことができる。なお、処理
条件に大きな変動がないときには、上記の電圧計によら
ず、定期的な通電により再生することも可能である。こ
れらの通電の切り換えは、制御器５による。
接続された電圧計で急激な電圧降下を検知したときに、
これに対応して上記電極に電源４を接続して短時間通電
し、容易に電極の再生を行うことができる。なお、処理
条件に大きな変動がないときには、上記の電圧計によら
ず、定期的な通電により再生することも可能である。こ
れらの通電の切り換えは、制御器５による。
上記の電圧測定は、例えば、微量な電流（例えば0.01
A/cm2）を２つのガス拡散電極間に常時流しながら、該
電極間の電位差をモニターする。COの吸着量が少ないと
きには、正極では、H2→２H+＋2eの反応が、負極では２
H+＋2e→H2の反応が起こり、電極間でほとんど電位差を
生じないが、CO吸着量が多くなると、上記の反応が起こ
りにくくなり、急激に電位差が生ずる。即ち、電流方向
に電圧降下が生ずるので、これをモニターすることによ
り、COを酸化するための通電時期を知ることができる。
A/cm2）を２つのガス拡散電極間に常時流しながら、該
電極間の電位差をモニターする。COの吸着量が少ないと
きには、正極では、H2→２H+＋2eの反応が、負極では２
H+＋2e→H2の反応が起こり、電極間でほとんど電位差を
生じないが、CO吸着量が多くなると、上記の反応が起こ
りにくくなり、急激に電位差が生ずる。即ち、電流方向
に電圧降下が生ずるので、これをモニターすることによ
り、COを酸化するための通電時期を知ることができる。
被処理ガスである水蒸気含有水素ガスを拡散電極に流
すときは、電極がガス中の水蒸気を容易に含浸し、電極
に通電すると、正極では含浸された水と一酸化炭素の間
で次の反応が起きる。また、このときに生成したH+は負
極に移動して次の反応により水素を発生する。
すときは、電極がガス中の水蒸気を容易に含浸し、電極
に通電すると、正極では含浸された水と一酸化炭素の間
で次の反応が起きる。また、このときに生成したH+は負
極に移動して次の反応により水素を発生する。
正極:CO＋H2O→CO2＋２H2＋2e 負極:2H+＋2e→H2 このように、正極では吸着した一酸化炭素は電解酸化
されて、燃料電池原料ガスとして無害な二酸化炭素に転
化して脱離される。その際、水素イオンは電解質膜を通
過し、負極で電子を受けとり水素を発生する。次に、負
極に一酸化炭素が飽和に近く吸着すると、負極と正極と
を切り換えて、同様に通電し多孔質電極の再生を行う。
されて、燃料電池原料ガスとして無害な二酸化炭素に転
化して脱離される。その際、水素イオンは電解質膜を通
過し、負極で電子を受けとり水素を発生する。次に、負
極に一酸化炭素が飽和に近く吸着すると、負極と正極と
を切り換えて、同様に通電し多孔質電極の再生を行う。
通電の条件は、水素ガス精製装置の構成により異なる
が、およそ５〜10分間隔で0.5〜1.5A/cm2,0.6〜0.8Vで
１〜２秒通電することが好ましい。
が、およそ５〜10分間隔で0.5〜1.5A/cm2,0.6〜0.8Vで
１〜２秒通電することが好ましい。
第2,3図は本発明の水素ガス精製装置の内部構造を具
体的に示した図である。
体的に示した図である。
第２図は、平板状電極を用いた水素ガス精製装置の斜
視図であり、平板状の正極１と負極２で電解質３を挟
み、両方の電極表面に装置ケース７により、水素ガス流
路６を形成する。電極は制御器５を介して電源４と接続
される。なお、上記の装置を積層し、処理ガスを並列的
に流すことにより、処理量を増加させることも可能であ
る。
視図であり、平板状の正極１と負極２で電解質３を挟
み、両方の電極表面に装置ケース７により、水素ガス流
路６を形成する。電極は制御器５を介して電源４と接続
される。なお、上記の装置を積層し、処理ガスを並列的
に流すことにより、処理量を増加させることも可能であ
る。
第３図は、円筒状電極を用いた水素ガス精製装置本体
の概念図であって、円筒状のガス拡散電極1,2を同軸的
に配置し、その間に電解質３を配置し、上記電極１とそ
の外側の装置ケース７との間隙、及び、上記電極２の内
側を水素ガス流路６としたものである。
の概念図であって、円筒状のガス拡散電極1,2を同軸的
に配置し、その間に電解質３を配置し、上記電極１とそ
の外側の装置ケース７との間隙、及び、上記電極２の内
側を水素ガス流路６としたものである。
（実施例） 第２図の水素ガス精製装置を用いて、メタノール水蒸
気改質ガスから一酸化炭素を除去して、燃料電池用水素
ガスを製造した。水素ガス精製装置のガス拡散電極は、
白金触媒を0.5mg/cm2担持した有効面積121cm2で、厚さ
0.5mmのガス拡散電極を用い、電解質はデュポン製のナ
フィオン117（登録商標）を用いた。水蒸気改質ガスの
組成は、水素68mol％，水10mol％，二酸化炭素22mol
％，一酸化炭素100ppmであり、ガスの温度は150℃で供
給速度を1.0mol/minに調節して、該水蒸気改質ガスを60
分間流した。
気改質ガスから一酸化炭素を除去して、燃料電池用水素
ガスを製造した。水素ガス精製装置のガス拡散電極は、
白金触媒を0.5mg/cm2担持した有効面積121cm2で、厚さ
0.5mmのガス拡散電極を用い、電解質はデュポン製のナ
フィオン117（登録商標）を用いた。水蒸気改質ガスの
組成は、水素68mol％，水10mol％，二酸化炭素22mol
％，一酸化炭素100ppmであり、ガスの温度は150℃で供
給速度を1.0mol/minに調節して、該水蒸気改質ガスを60
分間流した。
その間に得た精製ガスの一酸化炭素濃度は、10ppmま
で低下させることができた。その間に、10分間隔で上記
電極を電源に正負交互に接続し、60A、0.8Vで２秒間通
電した。なお、この再生のための通電に要した電力は燃
料電池の発電量の１％以下という僅かなものであった。
で低下させることができた。その間に、10分間隔で上記
電極を電源に正負交互に接続し、60A、0.8Vで２秒間通
電した。なお、この再生のための通電に要した電力は燃
料電池の発電量の１％以下という僅かなものであった。
（発明の効果） 本発明は、上記の構成を採用することにより、残留一
酸化炭素濃度を10ppm以下とする水素ガスの製造が容易
となった。また、メタノール水蒸気改質ガスから一酸化
炭素を除去するのに適したものであり、かつ、100℃前
後で動作する燃料電池装置への組み込みに適のである。
また、装置構造を極めて簡単にすることができ、メタノ
ール水蒸気改質装置との整合性もよいところから、燃料
電池装置の小型化に大きく寄与するものである。さら
に、アルカリ電解質を用いるときには、電極から脱離す
る二酸化炭素を該アルカリ電解質に吸収させることがで
きるので、アルカリ燃料電池に適用することもできる。
酸化炭素濃度を10ppm以下とする水素ガスの製造が容易
となった。また、メタノール水蒸気改質ガスから一酸化
炭素を除去するのに適したものであり、かつ、100℃前
後で動作する燃料電池装置への組み込みに適のである。
また、装置構造を極めて簡単にすることができ、メタノ
ール水蒸気改質装置との整合性もよいところから、燃料
電池装置の小型化に大きく寄与するものである。さら
に、アルカリ電解質を用いるときには、電極から脱離す
る二酸化炭素を該アルカリ電解質に吸収させることがで
きるので、アルカリ燃料電池に適用することもできる。
第１図は本発明の水素ガス精製装置の概念図であり、第
２及び３図は第１図の水素ガス精製装置の具体的な構造
を示した斜視図である。
２及び３図は第１図の水素ガス精製装置の具体的な構造
を示した斜視図である。
Claims (3)
- 【請求項１】水蒸気含有水素ガスから一酸化炭素を除去
して燃料電池に供給するための、水素ガス精製装置にお
いて、一酸化炭素を吸着可能な２枚のガス拡散電極で電
解質を挟み、該電極表面に水素ガス流路を設け、電極に
対して間欠的に通電するための電源を設けたことを特徴
とする水素ガス精製装置。 - 【請求項２】アルカリ電解質をガス拡散電極で挟み、電
極から脱離する二酸化炭素を上記アルカリ電解質に吸収
させることを特徴とする請求項（１）記載の水素ガス精
製装置。 - 【請求項３】２つの電極に電圧計を接続し、該電圧計の
急激な電圧降下を検知し、上記電極に電源を接続して短
時間通電させる制御手段を付設したことを特徴とする請
求項（１）又は（２）記載の水素ガス精製装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1130049A JP2607682B2 (ja) | 1989-05-25 | 1989-05-25 | 燃料電池に供給する水素ガスの精製装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1130049A JP2607682B2 (ja) | 1989-05-25 | 1989-05-25 | 燃料電池に供給する水素ガスの精製装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02311302A JPH02311302A (ja) | 1990-12-26 |
| JP2607682B2 true JP2607682B2 (ja) | 1997-05-07 |
Family
ID=15024846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1130049A Expired - Fee Related JP2607682B2 (ja) | 1989-05-25 | 1989-05-25 | 燃料電池に供給する水素ガスの精製装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2607682B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19615562C1 (de) * | 1996-04-19 | 1997-10-09 | Zsw | Vorrichtung und Verfahren zur kombinierten Reinigung und Kompression von CO-haltigem Wasserstoff sowie Verwendung des mit dem Verfahren erhaltenen Wasserstoffs als Brenngas in Brennstoffzellen |
| US6001499A (en) * | 1997-10-24 | 1999-12-14 | General Motors Corporation | Fuel cell CO sensor |
| US6063516A (en) * | 1997-10-24 | 2000-05-16 | General Motors Corporation | Method of monitoring CO concentrations in hydrogen feed to a PEM fuel cell |
| US6245214B1 (en) * | 1998-09-18 | 2001-06-12 | Alliedsignal Inc. | Electro-catalytic oxidation (ECO) device to remove CO from reformate for fuel cell application |
| JP4534278B2 (ja) * | 1999-10-07 | 2010-09-01 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池装置 |
| JP3606514B2 (ja) | 2000-04-13 | 2005-01-05 | 松下電器産業株式会社 | 積層型燃料電池システム |
| DE10111560C1 (de) * | 2001-03-10 | 2002-06-06 | Xcellsis Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Entfernung von Kohlenmonoxid aus einem Gasstrom |
| CA2390293A1 (en) | 2001-06-13 | 2002-12-13 | Ballard Power Systems Inc. | Method and device for improved catalytic activity in the purification of fluids |
| WO2003067696A2 (en) | 2002-02-06 | 2003-08-14 | Battelle Memorial Institute | Methods of removing contaminants from a fuel cell electrode |
| JP2011032128A (ja) * | 2009-07-31 | 2011-02-17 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | 水素の精製方法、水素の出荷設備、及び水素ステーション |
| EP4197620A1 (en) * | 2021-12-15 | 2023-06-21 | AVL List GmbH | Purification device and purification method for co removal from hydrogen based fuel gas |
-
1989
- 1989-05-25 JP JP1130049A patent/JP2607682B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02311302A (ja) | 1990-12-26 |
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