JP3640887B2 - 燃料電池作動用の作動媒体を受け入れる容器 - Google Patents

燃料電池作動用の作動媒体を受け入れる容器 Download PDF

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Description

【０００１】
本発明は、燃料電池を作動させるための作動媒体を受け入れる容器に関する。
【０００２】
燃料電池のエネルギーは、水素と酸素の間の制御された反応によって得られる。この反応中に、水素イオンと酸素イオンが結合して燃料電池内部の膜のところに水が形成される。燃料電池に属するタンクから気体の状態の作動媒体を供給することが知られている。作動媒体である酸素を周囲の空気から得ることも周知である。
【０００３】
特に燃料電池が非定置型装置、例えば車両などで使用されているときには、比較的大量の水素ガスの輸送および／または貯蔵に関して、使用可能な空間と安全上の問題の両面について制約がある。さらに、特に燃料電池車では、作動媒体、具体的には水素の供給が十分に広く行き渡ることが保証される必要がある。
【０００４】
水素を含む、または炭化水素を含む作動媒体から必要な水素を得ることが既に提案されている。例えば液体メタノールを使用することが好ましい。反応のための水素は、ガス発生システム中での蒸気メタノール改質によって好都合に得られる。
【０００５】
メタノールを使用する重要な利点は、燃料補給所で、例えば水素ガスよりもはるかに低いコストで入手できるようにすることが可能な点である。作動媒体中の望ましくない混和物が化学的に活性な領域を害する可能性があるため、燃料電池車の試作品は化学的に高純度のメタノールで動く。それに対して、燃料補給所でメタノールを満タンにすることが可能な燃料電池車の経済運用では、慣行の輸送距離および輸送方法は、燃料電池のさまざまな化学的活性領域での許容範囲を超えるメタノール汚染を考慮する必要があることを意味する。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池の作動媒体を受け入れる容器であって、低純度のメタノールに適した容器を提供することにある。
【０００７】
この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。本発明のその他の利点および構成は、その他の請求項および本明細書の記述から明らかとなろう。
【０００８】
本発明に基づく容器は、媒体、好ましくは作動媒体用の少なくとも１つの入口、第１の出口および第２の出口を有し、少なくとも１つの通過手段によって、少なくとも、入口側の内部スペースと入口から遠い内部スペースとに分割され、第１の出口が入口側内部スペースに配置され、第２の出口が入口から遠い内部スペースに配置される。
【０００９】
好ましい一実施形態では、作動媒体から不純物を分離するための通過手段が提供される。
【００１０】
他の好ましい実施形態では、通過手段が、第１のタイプの作動媒体と入口側内部スペースで接触し、第２のタイプの作動媒体と入口から遠い内部スペースで接触し、第１のタイプの作動媒体の純度が第２のタイプの作動媒体の純度よりも低い。
【００１１】
他の好ましい実施形態では、第１のタイプの作動媒体が、第２のタイプの作動媒体とは異なる化学組成を有する。
【００１２】
他の好ましい実施形態では、通過手段が、作動媒体と入口側内部スペースで接触し、作動媒体中の不純物と入口から遠い内部スペースで接触する。
【００１３】
通過手段が、半透膜および／またはモレキュラー・シーブおよび／またはセラミック・ボディおよび／または粒子フィルタを有すると有利である。
【００１４】
容器の入口から遠い内部スペースに真空ポンプへの接続を備えると都合がよい。一方の側の分圧を低くすることによって、通過手段を通過する媒体の透過量を高めることができる。
【００１５】
他の都合のよい構成は、容器の出口側の内部スペースにパージ装置への接続を備えることである。入口から遠い内部スペースをパージ媒体でパージすることによって、通過手段を通過する媒体の透過量を高めることができる。
【００１６】
特に好ましい構成では、作動媒体がメタノールを含む。精製されたメタノールを、水素を得るためのガス発生システムに供給できると都合がよい。さらに、不純物を触媒燃焼ユニットに供給できると都合がよい。このようにすると、メタノール精製から得られた炭化水素不純物を有利に使用して、任意の改質器、蒸発器および／またはガス浄化装置のプロセス熱を得ることができる。
【００１７】
この容器を燃料電池車上で使用することが好ましい。
【００１８】
この容器の好ましい使用法にはこの他、燃料電池車用燃料補給装置での使用が含まれる。この場合、精製された作動媒体または少なくとも予備的に精製された作動媒体を、車両に充てんすることができる。
【００１９】
図面を参照して以下に本発明を詳細に説明する。
【００２０】
本文では以下、使用する作動媒体がメタノールである燃料電池車上の容器をベースに本発明を説明する。しかし、本発明はこの応用に限定されるものではなく、定置型燃料電池システムでも、または非定置型燃料電池システムでも使用することができる。また、メタノールの代わりに、水素を含むその他の液体または気体媒体を使用することもできる。
【００２１】
燃料電池車の大規模かつ迅速な展開のためには、適当な作動媒体、好ましくはメタノールに対して、対応する燃料補給インフラストラクチャを生み出されなければならない。しかし、内燃機関を有する車両が長期間同時に稼働することを容認しなければならないため、メタノールの長距離輸送および／または広域配給は、ガソリンおよびディーゼル燃料の輸送にも使用されるパイプラインおよび／またはタンカーを介して実施されるものと考えなければならない。
【００２２】
したがって、高級炭化水素、例えばアルカン、アルケン、芳香族炭火水素などによる、数容量パーセント（ｖｏｌ％）、具体的には２ｖｏｌ％までのメタノール汚染を計算に入れなければならない。これらの炭化水素は、メタノールから水素を得るのに使用する改質触媒の活性を低下させる可能性があり、したがって、改質プロセスの前にメタノールからこれらを除去しておかなければならない。
【００２３】
好ましい解決策は、このようにして汚染されたメタノールを、特に無極性物質から有極性物質を分離することができる通過手段、具体的には膜の助けを借りて精製することにある。有利な膜材料は、ポリマー、モレキュラー・シーブおよび／または多孔質セラミックである。１つの物質に対する透過性が別の物質に対する透過性よりも大きい通過手段、具体的には膜が適当である。
【００２４】
特有の利点は、作動媒体の精製を燃料電池車上で実施できることである。あるいは、対応する作動媒体の精製を、燃料補給装置、例えば充てんポンプ中で直接に実施することもできる。特に作動媒体がメタノールである場合には、高級炭化水素が不純物として抽出され、ガソリン燃料中でさらに使用するためこれらを現場で供給することができ、有利である。
【００２５】
他の好ましい解決策は、物質の混合物を化学転化させて作動媒体を形成することができる膜を使用することにあり、この目的には特にモレキュラー・シーブを使用することができる。
【００２６】
本発明に基づく通過手段を有する配置の概要を図１の詳細図に示す。容器１には、作動媒体２としてメタノールが不純物３とともに入口Ｅを通して供給される。作動媒体は液体であることが好ましい。部品Ｖ、好ましくはバルブおよび／またはポンプを入口領域に配置することができる。容器１の内部には通過手段４が、容器１の内部を少なくとも２つの領域、すなわち入口側の内部スペース５と入口から遠い内部スペース６とに分割するように配される。第１の出口Ａ１が入口側内部スペース５に、第２の出口Ａ２が入口から遠い内部スペース６に配置され、これらの出口を通して、精製された作動媒体２および／または不純物３を容器１から取り出すことができる。
【００２７】
通過手段４が作動媒体２中の不純物３に対してより透過性である場合、不純物３は通過手段４を通り抜け、出口Ａ２を通して排出される。作動媒体２は精製された生成物として保持され、出口Ａ１を通して取り出すことができる。透過物の透過量を増大させるため、入口から遠い内部スペース６を真空ポンプまたはパージ装置、好ましくはパージ・ガスに便宜的に接続することができる。入口から遠いスペース６の透過物の分圧を低くすると、通過手段４を通過する透過物の透過量を増大させることができる。
【００２８】
しかし、作動媒体２を選択的に透過させる好ましい通過手段４を使用することも可能である。この場合には、作動媒体２が出口Ａ２から取り出され、不純物３が出口Ａ１から取り出される。
【００２９】
図２に、燃料電池作動システム中での本発明に基づく配置の有利な構成を示す。メタノール２は不純物３とともにバルブＶを介して、図１に記載した通りに設計された容器１の入口Ｅに送られる。通過手段４は、容器の内部を入口側内部スペース５と入口から遠い内部スペース６とに分割する。不純物３は、通過手段４を通り抜け、出口Ａ２を通して排出される。不純物３は、触媒燃焼ユニット７に送られ、空気の供給下で燃やされる。生じた熱は、このシステム中のさまざまなプロセス装置のプロセス熱として使用することができる。
【００３０】
精製されたメタノール２は、入口側内部スペース５の出口Ａ１を通してガス発生システム８に供給され、ガス発生システム中で、供給された水および／または蒸気で湿らされ、改質される。次いで、メタノールから得られた水素が燃料電池または燃料電池スタック９に供給される。
【００３１】
図３に、他の有利な構成を示す。メタノール２は不純物３とともにバルブあるいはポンプＶを介して、図１および図２に記載した通りに設計された容器１の入口Ｅに送られる。通過手段４は、容器の内部を入口側内部スペース５と入口から遠い内部スペース６とに分割する。精製されたメタノール２は、入口側内部スペース５の出口Ａ１を通してガス発生システム８に供給され、ガス発生システム中で、供給された水および／または蒸気で湿らされ、改質される。次いで、メタノールから得られた水素が燃料電池または燃料電池スタック９に供給される。
【００３２】
これに対して不純物３は、通過手段４を通り抜け、出口Ａ２を通して排出される。不純物３の透過量を高めるため、パーベーパレーション（ｐｅｒｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）・プロセスを使用することが好ましい。パーベーパレーション中、透過物は液体から気体への相転移を受ける。他の膜プロセスと同様に、成分のパーベーパレーションの推進力はその化学ポテンシャルの勾配である。パーベーパレーションの場合、この勾配は、好ましくは、透過物側の分圧を操作温度に関連した飽和蒸気圧よりも低くすることによって達成でき、その結果、脱着中に透過物が蒸発する。したがって、入口から遠い容器１の内部スペース６は便宜的に、入口から遠い内部スペース６を真空排気する真空ポンプ１０に接続される。次いで、分離された不純物３の流れは、不純物３を予熱するため加熱装置１１に供給される。不純物との熱交換のため、加熱装置にはさらに、燃料電池９からの排気ガスおよび触媒バーナ７からの熱排気ガスが供給される。加熱された不純物３は、加熱装置１１から触媒バーナ７に供給され、または冷却された排気ガスが加熱装置１１から排出される。
【００３３】
図４に、他の有利な構成を示す。この構造は図３に示した構造と実質的に一致する。メタノール２は不純物３とともにバルブＶを介して容器１の入口Ｅに送られる。通過手段４は、容器の内部を入口側内部スペース５と入口から遠い内部スペース６とに分割する。精製されたメタノール２は、入口側内部スペース５の出口Ａ１を通してガス発生システム８に供給され、ガス発生システム中で、供給された水および／または蒸気で湿らされ、改質される。次いで、メタノールから得た水素が燃料電池または燃料電池スタック９に供給される。
【００３４】
これに対して不純物３は、通過手段４を通り抜け、出口Ａ２を通して排出される。不純物３の透過量を高めるため、パーベーパレーション・プロセスを使用することが好ましい。この場合、真空ポンプではなしに、パージ装置によって分圧が下げられる。このとき、入口Ｓを通して燃料電池９からのアノード排気ガスが、容器の入口から遠い内部スペース６にパージ・ガスとして導入されることが好ましい。
【００３５】
次いで、分離された不純物３の流れが、予熱のため加熱装置１１に供給される。この加熱装置にはさらに、触媒バーナ７からの熱排気ガスが供給される。加熱された不純物３は、加熱装置１１から触媒バーナ７に供給され、または冷却された排気ガスが加熱装置１１から排出される。
【００３６】
作動媒体を選択的に透過させる通過手段４を選択した場合には、これに応じて出口Ａ２をガス発生システム８に接続し、出口Ａ１を、触媒燃焼装置７に直接にまたは間接的に接続することができる。
【００３７】
供給された媒体中のさまざまな物質を所望の作動媒体２から選択的に分離できるように、通過手段４を、複数の選択透過性ボディから形成することもできる。好ましくは、複数の通過手段４を前後に直列に接続する。ただし、複数の通過手段４を横に並べて配置すること、または通過手段４を並列に、かつ前後に配置することも可能である。このようにすると、作動媒体からの複数の異なる物質の選択分離を最適化することができる。
【００３８】
好ましい通過手段４は粒子フィルタであり、粒子フィルタに加えて他の膜を用いることが好ましい。
【００３９】
酸素を含む化合物、例えばメタノールおよび／またはジメチルエーテルおよび／または水を、炭化水素を含む混合物から分離するための通過手段の有利な実施形態を以下に簡単に説明する。好ましい通過手段４は膜であり、好ましい膜材料は、酢酸セルロースおよび／または酢酸酪酸セルロースおよび／またはポリエチレンおよび／またはポリ酢酸ビニルおよび／またはポリ塩化ビニルおよび／または塩素化ポリエチレンおよび／またはポリ塩化ビニルおよび／またはポリ塩化ビニリデンを含む。
【００４０】
メタノールが支配的透過物である場合の好ましい膜は、少なくとも、酢酸セルロースおよび／または酢酸酪酸セルロースを含む。
【００４１】
メタノールが支配的保持物である場合の好ましい膜は、ポリ塩化ビニルおよび／またはポリ塩化ビニリデンおよび／またはポリエチレンから成るグループから選択されることが好ましい。
【００４２】
選択した通過手段によっては、メタノールの透過性を高め、または低下させるために、例えばエーテルなどの化合物を追加したほうがよい場合がある。入口側内部スペース５と入口から遠い内部スペース６との間の圧力差が有利である場合がある。この場合、入口から遠い側に減圧を生じさせ、または、入口に近い側に過圧を生じさせる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく通過手段を有する配置を示す概略図である。
【図２】 本発明に基づく通過手段を有する本発明に基づく配置の一構成を示す図である。
【図３】 本発明に基づく通過手段を有する本発明に基づく配置の他の構成を示す図である。
【図４】 本発明に基づく配置の他の構成を示す図である。

Claims (13)

  1. 容器（１）が媒体（２、３）の入口（Ｅ）、第１の出口（Ａ１）および第２の出口（Ａ２）を有すること、および、容器（１）が少なくとも１つの通過手段（４）によって、少なくとも、入口側の内部スペース（５）と入口から遠い内部スペース（６）とに分割されること、および、第１の出口（Ａ１）が入口側内部スペース（５）に配置され、第２の出口（Ａ２）が入口から遠い内部スペース（６）に配置される、燃料電池（９）を作動させるための作動媒体（２）を受け入れる容器（１）であって、容器（１）が、燃料電池（９）へ供給する目的で作動媒体から水素を得るために設けられたガス発生システム（８）の上流に配置され、通過手段（４）によって精製されまたは物質の混合物から通過手段（４）によって化学的に転化された作動媒体（２）が、第１または第２の出口（Ａ１、Ａ２）を介してガス発生システム（８）に供給され得ること、および前記作動媒体（２）がメタノールを含むことを特徴とする容器。
  2. 通過手段（４）の意図が、作動媒体（２）から不純物（３）を分離することにあることを特徴とする、請求項１に記載の容器。
  3. 通過手段（４）が、供給された第１のタイプの媒体（２、３）と入口側内部スペース（５）で接触し、供給された第２のタイプの媒体（２）と入口から遠い内部スペースで接触することを特徴とする、請求項１に記載の容器。
  4. 供給された第１のタイプの媒体（２、３）の純度が、供給された第２のタイプの媒体（２）の純度よりも低いことを特徴とする、請求項３に記載の容器。
  5. 供給された第１のタイプの媒体（２、３）が、供給された第２のタイプの媒体（２）とは異なる化学組成を有することを特徴とする、請求項３に記載の容器。
  6. 通過手段（４）が、作動媒体（２）の不純物（３）と入口から遠い内部スペースで接触することを特徴とする、請求項１または２に記載の容器。
  7. 通過手段（４）が、少なくとも１つの半透膜またはモレキュラー・シーブまたはセラミック・ボディまたは粒子フィルタを有することを特徴とする、請求項１に記載の容器。
  8. 容器（１）の入口から遠い内部スペース（６）に真空ポンプ（１０）への接続を備えることを特徴とする、請求項１に記載の容器。
  9. 容器（１）の入口から遠い内部スペースにパージ装置への接続を備えることを特徴とする、請求項１に記載の容器。
  10. 水素を得るためのガス発生システム（８）にメタノール（２）を供給することができることを特徴とする、請求項１に記載の容器。
  11. 不純物（２）を触媒燃焼ユニット（７）に供給することができることを特徴とする、請求項２に記載の容器。
  12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の容器を使用する燃料電池車。
  13. 請求項１〜１１のいずれかに記載の容器を使用する燃料電池車用燃料補給装置。
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