JP7222023B2 - Ｃｏ汚染された水素ガスでｐｅｍ燃料電池を動作させるための方法及び装置 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池用の燃料から一酸化炭素（ＣＯ）を除去するシステム及び方法に関する。

燃料電池は、原料由来の水素ガスと空気中の酸素とを使って電気を生成する電気化学装置である。燃料電池は、水素ガスをイオン化して自由電子を生成する触媒を含むアノードを備える。同様に、燃料電池のカソードは、負電位を生成し、電気回路を介して電子をアノードからカソードに送る。従来の燃料電池では白金触媒ベースのアノードを使って水素ガスをイオン化する。

例えば合成ガスなどの燃料ガスは、一般に水素ガスの原料として使用されている。しかしながら、合成ガスはアノード上で触媒と結合する一酸化炭素を含み、その結果、一酸化炭素被毒と呼ばれる現象を引き起こす。その被毒により触媒の性能が下がり、結果的に燃料電池の性能が下がる。被毒の問題を軽減するひとつの方法として、燃料電池を高温で動作させて一酸化炭素がアノードと結合するのを阻害する方法がある。しかしながら、燃料電池を高温で動作させることにより、燃料電池の出力が低下してしまう。被毒を軽減する別の技術として、一酸化炭素がアノードと結合するのを防ぐために、純粋な水素ガスと窒素または空気のパージをアノードに使用する技術もある。しかしながら、そのような技術ではそのようなガスの継続的な供給が必要となり、それによってインフラストラクチャーや燃料電池に関連するコストが増大してしまう。さらに、そのような技術を使用することで、アノードと反応する水素ガスの流入が減り、それによって燃料電池の効率と処理量の両方が減少してしまう。

この概要は、概念の選択を簡潔なフォーマットで紹介するために提供されるものであり、その概念については本発明の詳細な説明においてさらに説明する。この概要は、本発明の鍵となる概念または本質的な発明の概念を特定しようとするものでなく、また発明の範囲を決めようとするものでもない。

本願の主題は、燃料電池に対する水素ガスの適正量を維持しながら、より少ない電力消費で純粋でない水素燃料の供給から一酸化炭素を取り除く側面に関する。本主題のその側面は新たな燃料電池に適用することができ、または、既存の燃料電池システムに組み込むこともできる。

一実施例として、燃料電池のための組立品が記載されている。この組立品は装置とバッファタンクとを含む。装置は一酸化炭素で汚染された水素ガスを含む、純粋でない水素燃料を受け入れるようになっている。装置は純粋でない水素燃料を処理するための２つのモードで動作するようになっている。すなわち、吸着モードと再生モードである。吸着モードにおいて、装置は純粋でない水素燃料から一酸化炭素を取り除き、残りの水素ガスを放出する。再生モードにおいて、吸着された一酸化炭素を含む触媒が再生および酸化され、再生されている間に追加の水素ガスが生成され、これはさらなる利用のために抽出・保管される。バッファタンクは装置と流体連結されているため、バッファタンクは装置から水素ガスを受け入れ、その水素ガスを燃料電池に供給する。再生モードの間に装置の出力が減少したとき、バッファタンクによって燃料電池への水素ガスの一定供給が確保されるようにバッファタンクが構成されている。

一実施例として、組立品のための装置が開示されている。装置は第一チャンバと第二チャンバとを含む筐体を含む。第一チャンバは、一酸化炭素と第一濃度の水素ガスとを含む第一ガス混合物の形態で純粋でない水素燃料を受け入れるように構成されている。一方で、第二チャンバは、第二濃度の水素ガスを含む第二ガス混合物を受け入れるように構成されている。

また装置は、第一チャンバと第二チャンバとを隔てる固体電解質を含む。固体電解質は、一酸化炭素吸着触媒のコーティングを含む。固体電解質は２つのタスクを行うようになっている。第一に、固体電解質は第一ガス混合物から一酸化炭素を吸着し、純粋でない水素燃料を精製することができる。第二に、固体電解質は、一酸化炭素を脱着し、一酸化炭素を酸化し、追加の水素ガスを生成することによって触媒を再生することができる。また装置は第一チャンバ内と第二チャンバ内のそれぞれに設置される一対の電極を含むため、電極に電位がかけられたときに、固体電解質を介して電位差が生じる。その電位差がかけられたときに触媒が再生されることとなる。

本主題によれば、純粋でない水素燃料から一酸化炭素を吸着する対策により、燃料電池への供給で燃料電池を腐食させないようにするとともに水素ガスの供給量を減少させないようにしている。さらに、触媒を再生することで、追加の水素ガスを生成することとなり、装置全体の処理能力を高めることができる。さらに、単一の筐体内に吸着と再生を提供することにより、コンパクト化を達成するのにも役立つ。加えて、バッファタンクを提供することでも、水素ガスを燃料電池に確実に連続して供給できるようにし、それによって燃料電池の動力出力を維持することができる。

本発明の利益と特徴についてさらに明確にするため、本発明のより具体的な説明をその具体的な実施例を参照することにより行う。この実施例は添付の図面に示されている。なお、これらの図面は本発明の代表的な実施例のみを描いたものであるため、その範囲を限定するものとはみなされないということは理解されたい。本発明について添付の図面とともにさらに具体的かつ詳細に説明する。

本発明のこれらおよびその他の特徴、側面、および利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むことで、よりよく理解できるであろう。図面において、図面全体を通して同じ符号は同じ部材を示す。
図１は、本開示の一実施例による、純粋でない水素燃料を精製するための組立品の概略図を示す。 図２は、本開示の一実施例による、純粋でない水素燃料を精製するための装置及びバッファタンクの概略図を示す。 図３は、本開示の一実施例による、純粋でない水素燃料を精製するための方法を示す。 図４は、本開示の一実施例による、純粋な水素ガスを用いた際の燃料電池の性能と装置によって供給される水素ガスを用いた際の燃料電池の性能との比較を示す。

さらに、当業者であれば、図面中の部品は簡略化されて示されており、必ずしも縮尺通りに描かれているわけではないことを理解できるであろう。例えば、フローチャートでは、本発明の側面についての理解を深めるのを補助するために、最も顕著なステップに関して方法を示している。さらに、装置の構造に関しては、装置の1つ以上の部品を通常の記号で図面に表している場合がある。また、本明細書の記載の利益を受ける当業者にとって容易に明らかになる図面と詳細が不明瞭とならないように、本発明の実施形態を理解するのに適切な具体的な詳細のみを図面に示している場合がある。

本発明の原理の理解を促すため、図に示した実施例を参照し、その実施例を説明するにあたり特定の用語を用いる。それにもかかわらず、本発明の範囲の限定は意図されておらず、示したシステムにおけるそのような変更およびさらなる修正、ならびにそこに示されている本発明の原理のそのようなさらなる適用が、本発明に関連する当業者には通常思い浮かぶように企図されていることを理解されたい。別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明の属する技術分野における当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に提供されるシステム、方法、および例は、単なる例示であり、限定することを意図するものではない。

例えば、本明細書で使用されている「いくつか」という用語は、「なし」または「１つ」または「１つ以上」または「すべて」と理解することができる。したがって、「なし」、「１つ」、「１つ以上」、「一つ以上であるが全てではない」、または「すべて」という用語は、「いくつか」の定義に該当することになる。本明細書で採用されている用語および構成は、いくつかの実施例とそれらの特定の特徴および要素を説明、教示、啓蒙するためのものであり、したがって、本開示の主旨および範囲をいかなる方法でも限定、制限、または縮小すると解釈すべきではないことを、当業者は理解しなければならない。

例えば、「含む」、「備える」、「有する」、「からなる」、および類似の文法的類義語などの本明細書で使用されている用語は、特に明記しない限り、正確な限定や制限を特定するものではなく、１つ以上の特徴や要素を追加する可能性を排除するものでは決してない。さらに、このような用語は、例えばこれに限定されないが「備えなければならない」や「含む必要がある」などの限定的用語を用いて別段の記載がない限り、記載された特徴や要素のうち１つ以上を削除する可能性を排除するものと考えてはならない。

ある特徴または要素が一度しか使用できないように制限されているかどうかにかかわらず、それを「一つ以上の特徴」または「一つ以上の要素」、あるいは「少なくとも一つの特徴」または「少なくとも一つの要素」と呼ぶことがある。さらに、「一つ以上の」または「少なくとも一つの」特徴または要素という用語の使用は、これに限定されないが、「一つ以上必要」または「一つ以上の要素が必要とされる」などの限定的な表現によって特段指定されない限り、その特徴または要素がないことを排除するものではない。

特に定義されていない限り、本明細書で使用されているすべての用語、特に技術的な用語や科学的な用語は、その技術分野の当業者が一般的に理解しているのと同じ意味を持つと考えることができる。

本明細書では、いくつかの「実施例」を参照する。なお、実施例が本開示の任意の特徴や要素の可能な実装の一例であることを理解すべきである。実施例によっては、提案した開示の特定の特徴や要素が、独自性、有用性、および非自明性の要件を満たす一つ以上の可能性のある方法を説明する目的で記載されている。

これらに限定されないが、「第１の実施形態」、「さらなる実施形態」、「代替の実施形態」、「一つの実施形態」、「実施形態」、「複数の実施形態」、「いくつかの実施形態」、「他の実施形態」、「さらなる実施形態」、「さらなる実施形態」、「追加の実施形態」、またはそれらの他の変形を含むフレーズや用語の使用は、必ずしも同じ実施形態を指すとは限らない。特に明記しない限り、一つ以上の実施形態に関連して記載された一つ以上の特定の特徴や要素は、一つの実施形態に見られるか、２つ以上の実施形態に見られるか、またはすべての実施形態に見られてもよく、または一つの実施例にも見られなくてもよい。一つ以上の特徴や要素は、本明細書において単一の実施形態のみの文脈で、または一つ以上の実施形態の文脈において、またはすべての実施形態の文脈において説明され得るが、代わりに、特徴や要素が個別に、または任意の適切な組み合わせで提供されてもよいし、全く提供されなくてもよい。逆に、別個の実施形態の文脈で説明された任意の特徴や要素が、単一の実施形態の文脈において一緒に存在するものとして代替的に実現されてもよい。

本明細書に記載されている特定のおよびすべての詳細は、いくつかの実施形態の文脈で使用されており、したがって、必ずしも要素が提案する開示に限定されるように捉えられるべきではない。

本主題の一実施例として、純粋でない水素燃料を精製するための装置が開示されている。この装置は、第１チャンバと、異なる濃度の水素ガスを受け入れる第２チャンバとを含むハウジングを備え、第１チャンバ内の水素ガスの濃度は第２チャンバ内の水素ガスの濃度よりも低くなっている。さらに、第１チャンバと第２チャンバとは、第１チャンバと第２チャンバとがバッファタンクに水素ガスを供給できるようにバッファタンクに流体的に連結されており、それによって、バッファタンクは燃料電池に水素ガスを連続して供給するための適量の水素ガスを貯蔵している。

本発明の実施例について、以下で添付の図面を参照して詳細に説明する。

明確にするために、本開示の各部品の参照数字の最初の数字は、対応する部品が示されている図番号を示している。例えば、数字「１」で始まる参照数字は、少なくとも図１に示されている。同様に、数字「２」で始まる参照数字は、少なくとも図２に示されている。

図１は、本開示の一実施例による、純粋でない水素燃料を精製するための組立品１００の模式図を示す。組立品１００は、水素ガスを必要な濃度で燃料電池または燃料電池のスタック１０２に供給するようになっている。組立品１００は、ソース１０４、前処理装置１０６、一酸化炭素を取り除くための装置１０８、バッファタンク１１０、コントローラー１１２および電源１１４を含むことができる。また組立品１００は、複数の弁１１６－１、１１６－２、１１６－３、１１６－４、１１６－５、１１６－６を含むことができ、以降はこれらをまとめて１１６とする。図２は、本開示の一実施例による、純粋でない水素燃料を精製するための装置１０８とバッファタンク１１０の詳細な模式図２００を示す。装置１０８は、これに限定されないが、第１チャンバ１２０と第２チャンバ１２２とを含む筐体１１８を含むことができる。また装置１０８は固体電解質１２４と、一対の電極１２６－１、１２６－２とを含むことができる。一実施例として、電極１２６－１はアノードであり、一方でカソード１２６－２はカソードである。

一実施例として、ソース１０４は純粋でない水素燃料を供給するようになっている。純粋でない水素燃料とは、水素ガスと、例えば燃料電池スタック１０２内で燃料電池を腐食させることによって燃料電池の性能を低下させ得る他のガスとを含むガスの混合物として理解できる。一実施例として、そのようなガスは一酸化炭素である。組立品１００は、純粋でない水素燃料中の水素ガスの損失を無くしつつ、純粋でない水素燃料から一酸化炭素を除去するようになっている。他の実施例において、純粋でない水素燃料は、天然ガス、合成天然ガス、バイオマスガス、石炭ガスであってもよい。そのようなソースは、燃料電池スタック１０２において燃料電池を腐食する成分の一つである一酸化炭素ガスを含む。示した例において、ソース１０４から出る純粋でない水素燃料の流れを一酸化炭素と第一濃度の水素ガスとを含む第一ガス混合物と称することができる。

一実施例として、前処理装置１０６はソース１０４に対して下流で、かつ、装置１０８に関して上流に設置されている。前処理装置１０６は、純粋でない水素燃料の流れに水蒸気を加えることによってその湿度を上げることができる。言い換えると、前処理装置１０６は第一ガス混合物の湿度を高めて一酸化炭素の酸化を促進することができる。

一例として、図１に示した装置１０８は、前処理装置１０６に関して下流に配置されている。装置１０８は前処理装置１０６から第一ガス混合物を受け入れるように配置されている。一例として、装置１０８は装置１０８の本体を形成する筐体１１８を含む。図示した例において、筐体１１８は一つの円筒形のタンクとして構成されている。別の例として、筐体１１８は、溶接を用いて複数の筒状部を結合させて作ることができる。筐体１１８はパイプを受け入れる弁１１６に連結することができ、これにより筐体１１８からガスを侵入させたり放出させたりすることができるようになる。装置１０８は２つのモード、すなわち吸着モードと再生モードで操作可能である。吸着モードでは、装置１０８は一酸化炭素を吸着できる一方で、再生モードでは、装置１０８は吸着された一酸化炭素を酸化することができる。各モードの詳細については以降の実施例中で説明する。

筐体１１８は第一チャンバ１２０と第二チャンバ１２２とを含み、ともに筐体１１８の体積を形成している。図１に示す第一チャンバ１２０は筐体１１８の半分の体積として形成されてもよく、一方で第二チャンバ１２２は筐体１１８の残りの半分の体積を形成することができる。第一チャンバ１２０は第一ガス混合物を受け入れることができ、一方で第二チャンバ１２２は第二濃度の水素ガスを有する第二ガス混合物を受け入れることができる。一例として、第二濃度は第一濃度よりも大きくてもよい。別の例として、水素ガスの第二濃度を９９．９容量％とすることができる。一実施形態として、第一チャンバ１２０と第二チャンバ１２２は互いから密閉されていてもよく、一方で別の一実施形態として、第一チャンバ１２０と第二チャンバ１２２とが互いに流体的に連結されていてもよい。筐体１１８内に第一チャンバ１２０と第二チャンバ１２２を設置することにより装置１０８のサイズをコンパクトにすることができる。

第一チャンバ１２０は電極１２６－１を含むことができ、一方で第二チャンバ１２２は別の電極１２６－２を含むことができ、それによって電極１２６－１、１２６－２はそれらの間に電位をかけることができる。一例として、電極１２６－１、１２６－２は、電極１２６－１、１２６－２に直流（ＤＣ）を供給することのできる電源１１４に接続されてもよい。さらに電極１２６－１はカソードで他方の電極１２６－２はアノードであってもよい。電極１２６－１、１２６－２の目的及び操作は以降の実施例にて説明する。

第一チャンバ１２０と第二チャンバ１２２は固体電解質１２４によって互いから分離されている。一実施例として、固体電解質１２４は、第一チャンバ１２０に面する第一面１２８と、第二チャンバ１２２に面する第二面１３０とを含む。固体電解質１２４は２つの役割を果たすように構成されている。まず、固体電解質１２４は第一ガス混合物から一酸化炭素を吸着する。第一ガス混合物中の一酸化炭素を吸着するため、固体電解質１２４は他の例においても、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇなどの一酸化炭素吸着触媒や遷移金属Ｍｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｗおよびそれらの組み合わせ（２つからなる／３つからなる）を含む。

一例として、第一面１２８は一酸化炭素吸着触媒のコーティングを含み、一方で別の例として、第一面１２８と第二面１３０の両方が、一酸化炭素吸着触媒のコーティングを含む。一酸化炭素吸着触媒は、異なる技術によって活性化されて一酸化炭素を吸着することができる。そのような一例として、一酸化炭素吸着触媒は電位によって活性化され得る。一酸化炭素吸着触媒は一酸化炭素を吸着するようになっていることが好ましい。本主題によれば、第一ガス混合物から一酸化炭素を吸着することにより、第三濃度の水素ガスを有する第三ガス混合物となり、第三濃度は第一濃度よりも高くなる。

一例として、バッファタンク１１０は装置１０８の下流に設置され、第一チャンバ１２０と第二チャンバ１２２の両方と流体連通している。バッファタンク１１０は、第一チャンバ１２０から出る水素ガスを、一酸化炭素が吸着された後の第三ガス混合物として保管するようになっており、かつ、水素ガスを燃料電池スタック１０２に供給するようになっている。加えて、バッファタンク１１０は、一酸化炭素吸着触媒が再生されるときに、第二チャンバ１２２から第二ガス混合物として水素ガスを受け入れるようになっている。いずれの場合もバッファタンク１１０は、第一チャンバ１２０からの水素ガスの供給の減少および第二チャンバ１２２からの水素ガスの供給の増加に適合した大きさとされており、燃料電池スタック１０２への途切れのない水素ガスの供給を確保している。バッファタンク１１０もまた、第一チャンバ１２０及び第二チャンバ１２２と同様に漏出を防ぐように密封されていてもよい。

一実施例として、コントローラー１１２は、これに限定されないが、プロセッサ、メモリ、モジュールおよびデータを含むことができる。モジュール及びメモリはプロセッサに結合することができる。プロセッサは単一の処理装置または複数の処理装置であってもよく、このすべては複数の演算装置を含むことができる。プロセッサは、一つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、マイクロコントローラー、デジタル信号プロセッサ、中央処理装置、ステートマシン、論理回路や、操作指示に基づいて信号を操作する任意の装置として実装されてもよい。他の可能性として、プロセッサは、メモリに保存されたコンピュータ読み取り可能な指示およびデータをフェッチして実行するようになっている。

メモリは、例えば、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）やダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）などの揮発性メモリや、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、消去可能型プログラマブルＲＯＭ、フラッシュ・メモリ、ハードディスク、光ディスク、磁気テープなどの不揮発性メモリを含む、当技術分野で知られている任意の一時的でないコンピュータ可読媒体を含むことができる。

数ある中で、モジュールには、特定の役割を果たしたりデータタイプを実装したりするルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などが含まれている。またモジュールは、信号処理装置、ステートマシン、論理回路や、操作指示に基づいて信号を操作する任意のデバイスやコンポーネントとして実装することもできる。

さらにモジュールは、ハードウェア、処理装置によって実行される命令またはそれらの組み合わせによって実装することができる。処理装置は、コンピュータ、プロセッサなどのプロセッサ、ステートマシン、ロジックアレイ、または命令を処理できるその他の適切なデバイスを含むことができる。処理装置は汎用プロセッサとすることができ、この汎用プロセッサが命令を実行して汎用プロセッサに要求されたタスクを実行するか、または処理装置が要求された機能を実行する専用のものとすることができる。本開示の別の一実施例として、モジュールは機械可読な命令（ソフトウェア）であってもよく、機械可読な命令（ソフトウェア）がプロセッサ／処理装置によって実行されるとき、記載された機能のうち任意のものを実行することができる。さらにこのデータは、とりわけ１つ以上のモジュールによって処理、受信、および生成されるデータを保存するためのリポジトリとして機能する。

一実施例として、コントローラー１１２は（破線で示すように）異なる構成要素に操作可能に連結されて、組立品１００の操作を実行することができる。例えば、コントローラー１１２は装置１０８を動作させて一酸化炭素を吸着し、かつ、吸着した一酸化炭素を酸化させることができる。装置１０８はまた、弁１１６を制御して組立品１００の内外の混合ガスの流れを制御することができる。コントローラー１１２が操作する態様を図３に関連して説明する。

図１及び２を合わせて参照すると、装置１０８は弁１１６によって制御される複数の入口管と出口管とを含むことができる。例えば、第一入口管２０２は、第一チャンバ１２０の上流に配置された第一弁１１６－１を介して（図１に示す）第一チャンバ１２０を（図１に示す）前処理装置１０６に連結している。さらに、第一出口管２０４は、第一チャンバ１２０の下流でかつバッファタンク１１０の上流に配置された第二弁１１６－２を介して第一チャンバ１２０をバッファタンク１１０に連結している。さらに、第二出口管２０６は、第二チャンバ１２２の下流でかつバッファタンク１１０の上流に配置された第三弁１１６－３を介して（図１に示す）第二チャンバ１２２をバッファタンク１１０に連結している。図示していないが、第二出口管２０６の一部は第一チャンバ１２０を貫通していてもよい。他方で、酸化された一酸化炭素を排出するため、第三出口管２０８は、第一チャンバ１２０の上流に配置された第四弁１１６－４を介して第一チャンバ１２０を換気構造に連結している。また装置１０８は、バッファタンク１１０の下流に配置された第五弁１１６－５を介してバッファタンク１１０を燃料電池スタック１０２に連結する第四出口管２１０を含む。また組立品１００は、純粋でない水素燃料の前処理装置１０６への流れを調節する（図１に示す）第六弁１１６－６を、前処理装置１０６の上流に含むことができる。弁１１６は、これに限定されないが、電磁弁とすることができる。

図示していないが、組立品１００は組立品１００の操作を容易にすることのできる追加の構成要素を含むことができる。例えば組立品１００は、異なる構成要素の圧力を所定の値で保持することのできる複数の圧力ポンプ（図示せず）を含むことができる。例えば、圧力ポンプを使って第一チャンバ１２０と第二チャンバ１２２の内部の圧力をＰ１値に保持しつつ、別の圧力ポンプはバッファタンク１１０内の圧力をＰ２値に保持することができる。別の圧力ポンプは燃料電池スタック１０３内の圧力をＰ３値に保持することができ、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３の関係はＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３であってもよい。追加の圧力ポンプを設置して、Ｐ５＞Ｐ１となるように前処理装置１０６内の圧力をＰ５値に保持してもよい。圧力差が形成されてガスが流れるようにしている。また前述の圧力ポンプは、圧力値を変更してガスの流れる方向を修正することができる。

組立品１００及び装置１０８の操作について図１及び２と併せて図３の方法３００に関して説明する。具体的には、図３は純粋でない水素燃料を精製する方法３００について説明している。以下で説明する方法ステップにおける順番は、制限として解釈されることを意図しておらず、説明する方法ステップのどの番号も、任意の適切な順番で組み合わせてその方法または代替方法を実行することができる。加えて、個々のステップは、本明細書で説明した主題の主旨および範囲から逸脱することなくその方法から削除することができる。

方法３００は、プログラムされた演算装置によって、例えば一時的でないコンピュータ可読媒体から取得された指示に基づいて実行することができる。コンピュータ可読媒体は、記載した方法のすべてまたは一部を実行するための、機械が実行可能な指示またはコンピュータが実行可能な指示を含むことができる。コンピュータ可読媒体は、例えばデジタルメモリ、磁気ディスクや磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ、光学的に読み取り可能なデータ記憶媒体などであってもよい。

一例として、方法３００は組立品１００によって部分的にまたは完全に実行することができる。その方法はステップ３０２で始まり、ここでは純粋でない水素燃料が第一ガス混合物としてソース１０４から受け取られる。例えばコントローラー１１２は、ソース１０４からくる純粋でない水素燃料を加圧して前処理装置１０６に流すことのできる第六弁１１６－６を作動させることができる。その後、ステップ３０４で、純粋でない水素燃料の湿度レベルを高めることができる。コントローラー１１２は前処理装置１０６を作動させて水蒸気の流れを第一ガス混合物に加えることができる。ステップ３０６で、第一ガス混合物は第一チャンバ１２０によって受け入れられる。前に述べたように、第一ガス混合物は、一酸化炭素と第一濃度の水素とを含む。第一チャンバ１２０は異なるモードで第一ガス混合物を受け入れることができる。一つのモードとして、第一ガス混合物は第一チャンバ１２０に連続供給される。別のモードとして、第一ガス混合物は、前処理装置１０６によって所定の間隔で放出される所定の体積のバッチとして受け入れられてもよい。同時に、第二濃度の水素が含まれる第二ガス混合物が第二チャンバ１２２によって受け入れられる。第二ガス混合物は、コントローラー１１２によって別の入口管（図示せず）を使って導入されてもよい。加えて、第五弁１１６－５も作動されて、バッファタンク１１０内に残った水素ガスを燃料電池スタック１０２に供給する。

その後、方法３００はステップ３０８に進む。ステップ３０８では、第一ガス混合物中の一酸化炭素が吸着される。図示したステップにおいて、固体電解質上の触媒が一酸化炭素を吸着し、それによって第一チャンバ１２０内の一酸化炭素の量を減少させ、かつ、水素ガスの相対濃度を高めることができる。触媒によって一酸化炭素を吸着することにより、第一ガス混合物を、第三濃度の水素を有する第三ガス混合物へと変換することができる。一酸化炭素の吸着により、水素ガスの第三濃度は第一濃度よりも高くなる。一例として、吸着後の第三ガス混合物における一酸化炭素の量は、水素ガスの単位体積あたり１００百万分率（ＰＰＭ）未満にすることができる。別の例として、すべての一酸化炭素を吸着してもよい。一酸化炭素が吸着される間、固体電解質１２４は第一チャンバ１２０を第二チャンバ１２２から分離している。さらに、第一チャンバ１２０内の湿度は、吸着中は一定のままとすることができる。

ステップ３１０で、第三ガス混合物はバッファタンク１１０に排出される。一例として、コントローラー１１２は第二弁１１６－２を作動させて、第二ガス混合物をバッファタンク１１０に排出させることができる。一例として、第三ガス混合物の排出は、上述したように圧力Ｐ１とＰ２の差によって引き起こされる。一旦、第三ガス混合物がバッファタンク１１０に排出されると、方法３００はステップ３１２に進む。ステップ３１２では、吸着された一酸化炭素が脱着される。コントローラー１１２は、一例として、第一弁１１６－１と第二弁１１６－２とが作動しないように（de-activate）し、それによって第一チャンバ１２０を前処理装置１０６とバッファタンク１１０とから隔離することができる。その後、コントローラー１１２は、固体電解質１２４上の触媒を作用させて、一酸化炭素を脱着することができる。そのような一例として、コントローラー１１２は、電源１１４を操作して電極１２６－１、１２６－２に電位をかけ、結果として固体電解質１２４を隔てた電位差を生じさせることができる。その結果として生じる電位差により、触媒が一酸化炭素を脱着し、かつ、酸化させる。

その後、ステップ３１４で、一酸化炭素が酸化される。一例として、コントローラー１１２は、電極１２６－１と１２６－２に電位をかけ続けることができる。湿気がある中、脱着された一酸化炭素を、電極１２６－１及び１２６－２にかけられた電位によって、次の式（１）のように酸化することができる。
CO + H₂O → CO₂ + 2H⁺ (1)

さらに、水素イオンが固体電解質１２４を通って移動し、第二チャンバ１２２内の電極１２６－２から電子を受け取り、その結果、式（２）のように水素ガスが生成される。
2H⁺ + 2e^- → H₂ (2)

したがって、追加の水素ガスが第二チャンバ１２２内に生成される。コントローラー１１２は、すべての一酸化炭素が酸化されて第一チャンバ１２２内に第四ガス混合物を形成するまでステップ３１４を継続することができる。最終的に、ステップ３１６で、追加の水素ガスがバッファタンク１１０に放出されてもよい。一例として、コントローラー１１２は、第三弁１１６－３を作動させて第二ガス混合物を第二チャンバ１２２からバッファタンク１１０へと移動させることができる。その後、コントローラー１１２は、第四弁１１６－４を作動させて第一チャンバ１２０からの第四ガス混合物の排出を調節することができる。一旦、酸化された一酸化炭素が除去されたら、コントローラー１１２は、第四弁１１６－４を作動しないようにできるとともに、上で説明したステップを再度実行してもよい。その間、バッファタンク１１０は水素ガスを所定の速度で燃料電池スタック１０２に供給することができる。

図４は、純粋な水素ガスを使用した場合と、装置１０８によって供給される１００ＰＰＭの一酸化炭素を含む水素を使用した場合とで、燃料電池スタック１０２の燃料電池の性能を比較したものを示す。グラフ４００は、燃料電池の電圧出力と時間との関係をプロットしたものである。図示したグラフにおいて、「実線の」カーブまたはカーブ１は純粋な水素ガスを示し、「ドットの」カーブまたはカーブ２は装置１０８によって供給される１００ＰＰＭの一酸化炭素を含む水素を示す。明確に示されているように、カーブ１における燃料電池の電圧出力は時間経過とともに０．６と０．５の間で留まっている。さらに、時間経過とともにカーブ２はカーブ１と大部分で一致しており、このことは、装置によって供給される水素ガスでの燃料電池の電圧出力が、燃料電池に供給される純粋な水素のときと同等であることを示している。言い換えれば、装置１０８によって供給される費用対効果のある水素ガスによれば、高価な精製水素ガスが燃料電池に提供された場合と同様の燃料電池の性能となる。

本開示を説明するために特定の言葉を使用したが、それに対していかなる限定を生じさせることも意図されていない。当業者にとって明らかなように、本明細書で教示したような発明思想を実施するため、様々な実用的な修正が施されてもよい。図面及び上述の説明は実施形態の例を示すものである。当業者であれば当然理解できることであるが、一つ以上の説明した部品をうまく組み合わせて単一の機能部品とすることができる。あるいは、特定の部品を分解して複数の機能部品とすることができる。一実施例からの部品は別の実施例に加えることができる。

Claims (8)

1. 純粋でない水素燃料を精製するための組立品（１００）であって、
   装置（１０８）を備え、装置（１０８）は、第一チャンバ（１２０）と第二チャンバ（１２２）とを含む筐体（１１８）と、固体電解質（１２４）と、一対の電極（１２６－１，１２６－２）と、前処理装置（１０６）と、バッファタンク（１１０）とを含み、
   第一チャンバ（１２０）は一酸化炭素と第一濃度の水素ガスとを含む第一ガス混合物を受け入れるようになっており、第二チャンバ（１２２）は第二濃度の水素ガスを含む第二ガス混合物を受け入れるようになっており、
   固体電解質（１２４）は筐体（１１８）内に配置されて、第一チャンバ（１２０）と第二チャンバ（１２２）とを隔てており、固体電解質（１２４）は一酸化炭素吸着触媒のコーティングを第一チャンバ（１２０）に面する表面上に含み、
   一対の電極（１２６－１，１２６－２）はそれぞれ第一チャンバ（１２０）と第二チャンバ（１２２）に配置されており、固体電解質（１２４）を介して電位差を生成しており、
   前処理装置（１０６）は第一チャンバ（１２０）の上流に設置されており、前処理装置（１０６）は第一ガス混合物の湿度を上げるようになっており、
   バッファタンク（１１０）は装置（１０８）の下流に配置されており、第一チャンバ（１２０）と第二チャンバ（１２２）と流体連通しており、
   バッファタンク（１１０）が、第一チャンバ（１２０）から第三濃度の水素を含む第三ガス混合物を受け入れるようになっており、かつ、第二チャンバ（１２２）から第二濃度の水素を含む第二ガス混合物を受け入れるようになっている組立品（１００）。
2. 請求項１に記載の組立品（１００）であって、
   第二濃度が第一濃度よりも高く、かつ、
   第三濃度が第一濃度よりも高い組立品（１００）。
3. 請求項２に記載の組立品（１００）であって、複数の弁（１１６）を備え、
   複数の弁（１１６）のうち第一弁（１１６－１）が第一チャンバ（１２０）の上流に配置されており、
   複数の弁（１１６）のうち第二弁（１１６－２）が第一チャンバ（１２０）の下流かつバッファタンク（１１０）の上流に配置されており、
   複数の弁（１１６）のうち第三弁（１１６－３）が第二チャンバ（１２２）の下流かつバッファタンク（１１０）の上流に配置されており、
   複数の弁（１１６）のうち第四弁（１１６－４）が第一チャンバ（１２０）の上流に配置されており、
   複数の弁（１１６）のうち第五弁（１１６－５）がバッファタンク（１１０）の下流に配置されている組立品（１００）。
4. 請求項３に記載の組立品（１００）であって、第四弁（１１６－４）が第一チャンバ（１２０）からの第四ガス混合物の排出を調節する組立品（１００）。
5. 請求項４に記載の組立品（１００）であって、第三ガス混合物が第一チャンバ（１２０）内での一酸化炭素の吸着により形成され、第四ガス混合物が第一チャンバ（１２０）内での一酸化炭素の酸化によって形成される組立品（１００）。
6. 装置（１０８）であって、第一チャンバ（１２０）と第二チャンバ（１２２）とを含む筐体（１１８）と、固体電解質（１２４）と、一対の電極（１２６－１，１２６－２）とを備え、
   第一チャンバ（１２０）は一酸化炭素と第一濃度の水素ガスとを含む第一ガス混合物を受け入れるようになっており、第二チャンバ（１２２）は第二濃度の水素を含む第二ガス混合物を受け入れるようになっており、
   前処理装置（１０６）が第一チャンバ（１２０）の上流に設置されており、前処理装置（１０６）は第一ガス混合物の湿度を上げるようになっており、
   固体電解質（１２４）は筐体（１１８）内に配置されて、第一チャンバ（１２０）と第二チャンバ（１２２）とを隔てており、固体電解質（１２４）は一酸化炭素吸着触媒のコーティングを第一チャンバ（１２０）に面する表面上に含み、
   一対の電極（１２６－１，１２６－２）はそれぞれ第一チャンバ（１２０）と第二チャンバ（１２２）に配置されており、固体電解質（１２４）を介して電位差を生成している装置（１０８）。
7. 方法であって、
   ソースから前処理装置へと、純粋でない水素燃料を第一ガス混合物として受け入れるステップを備え、前処理装置は筐体（１１８）の第一チャンバ（１２０）の上流に設置されており、
   前処理装置によって第一ガス混合物の湿度を上げるステップを備え、
   第一濃度の水素と一酸化炭素とを含む第一ガス混合物を筐体（１１８）の第一チャンバ（１２０）によって受け入れ、かつ、第二濃度の水素を含む第二ガス混合物を筐体（１１８）の第二チャンバ（１２２）によって受け入れるステップを備え、
   固体電解質（１２４）の表面上にコーティングされた一酸化炭素吸着触媒によって第一ガス混合物から一酸化炭素を吸着するステップを備え、固体電解質（１２４）が第一チャンバ（１２０）を第二チャンバ（１２２）から隔てており、
   第三濃度の第三ガス混合物を第一チャンバ（１２０）からバッファタンク（１１０）へと排出するステップを備え、第三ガス混合物が、コーティングによって第一ガス混合物中の一酸化炭素を吸着することによって形成されており、
   第一チャンバ（１２０）内のコーティングに吸着された一酸化炭素を脱着するステップを備え、
   第一チャンバ（１２０）と第二チャンバ（１２２）内の一対の電極（１２６－１，１２６－２）によって固体電解質（１２４）を介して電位をかけて、第二チャンバ（１２２）内に水素を生成するステップを備える方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、第二チャンバ（１２２）内に水素が生成された後に形成される第四ガス混合物を第一チャンバ（１２０）から排出するステップを備える方法。
   

Images