JPS63254679A - 溶融カーボネート燃料電池における含硫燃料を用いた発電法 - Google Patents

溶融カーボネート燃料電池における含硫燃料を用いた発電法

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JPS63254679A
JPS63254679A JP63071718A JP7171888A JPS63254679A JP S63254679 A JPS63254679 A JP S63254679A JP 63071718 A JP63071718 A JP 63071718A JP 7171888 A JP7171888 A JP 7171888A JP S63254679 A JPS63254679 A JP S63254679A
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レオナード・ジー・マリアノースキ
ジェラルド・エル・アンダーソン
エリアス・エッチ・カマラ
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Institute of Gas Technology
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は含硫燃料を用いる溶融カーボネート燃料電池の
安定な性能に関する。溶融カーボネート燃料電池に銅ま
たは銅合金アノードヲ用いると。
ニッケル電極と比べてH2S含有撚料に対する許容度が
高まり、このため天然の有機炭質材料(たとえば石炭)
のガス化により得ら、れる燃料がそのまま用いられる安
定な燃料電池を得ることができる。
従来の技術 ガルヴァーニ酸化法により化学エネルギーを直接電気エ
ネルギーに変換するために溶確カーボネート燃料電池を
使用することは周知である。溶融カーボネート燃料電池
は一般に集電装置を備えた電極2個、カソードおよびア
ノ−851両電極との接触をもたらすアルカリ金属カー
ボネートヲ含む電解質タイル、および電池構成部品を物
理的に保持する電池ハウジングからなる。燃料電池操作
条件下で(一般に約500〜約700℃)、電解質タイ
ル全体、すなわちカーボネートおよび不活性な支持材料
、すなわちキャリヤーはR−ス)k形成し、従ってこの
型の電解質隔膜は10)ペースト電解質10)として知
られている。電解質は電極と直接に接触し、ここで3相
(ガス−電解質−′電極)反応が行われる。高温カーボ
ネート燃料電池の構造および操作の詳細については米国 特許第4,009,321号および同第4,247,6
04号明細書ならびにそこに引用される参考文献に示さ
れており、これらすべてを参考としてここに引用する。
溶融カーボネート燃料電池に用いられる好ましい燃料の
1つは、天然の炭質材料(たとえば石炭、シエールまた
はビート)ヲ当技術分野で周知のようにガス化すること
により得られる。主として水素、二酸化炭素および一酸
化炭素からなるガス混合物である。これらの方法により
得られるガス混合物は1通常イオウ不純物、たとえば硫
化水素を含む。ガス化生成物を燃料として用いる場合、
それらが10〜35容量チの一酸化炭素を含有するため
、この生成物を燃料電池内でシフトさせて燃料の水素含
量を高めることが望ましい。通常のニッケル系溶融カー
ボネート燃料電池アノード9についての、または追加の
水素生成のために添加されるニッケル触媒についての、
初期の一酸化炭素から水素への水−ガス−シフト触媒活
性は、含硫化学物質の存在によって急速に被毒、損なわ
れる。
溶融カーボネート燃料電池の性能の損失は、不純な燃料
ガス、たとえば天然の有機炭質材料(たとえば石炭)の
ガス化により得られるものに存在する可能性のある硫化
物により多孔質ニッケルアノードが汚染されることによ
って起こることが知られている。たとえば10)溶融カ
ーボネート燃料電池に対するH2Sの影響10)、ロバ
ート・ジエイ・レミック、プログレス・レホート、米国
エネルギー省(U、S、 Department of
 Energy) コア ) ラクト/16 DE−A
C21−83MO20212;  DOE/MC/20
212−2039  (DE  86010431)(
1986年5月)を参照されたい。ニス・ダブリュー・
スミス、エッチ・アール・り/ツ、ダブりニー・エム・
フォーゲルオヨヒエス拳シェイーシマンスキー。
盲1溶融カーボネート燃料電池に対するイオウの影響”
 (1982年5月、カナダ、モントリオール電気化学
会会議において提示された一文)には、ニツケルアノー
ビを備えた溶融カーボネート燃料電池において硫化水素
2ppm(容量)が燃料ガス中に存在すると電池の電圧
が完全に損われることを報告している。燃料ガス中にご
く少量の硫化水素が存在すると溶融カーボネート燃料電
池の性能が満足できない水準にまで低下することは、幾
つかの調査により報告されている。10)溶融カーボネ
ート燃料電池パワープラント技術の進歩u 、 DOE
/ET/15440−8  季刊テクニカル・プログレ
ス・レボ−148,米国エネルギー省用として作成。
コア トラクト/16DE−ACol−79ET154
40゜1983年2月;ダブリュー・エム・フォーゲル
およびニス・ダブリュー・スミス 10)溶融L1□C
O3−に2C03ノアノートゝ用H2(N1)電極K 
650℃でイオウが与える影響10).ジエイ、エレク
トロケミ、ソサ、 (J、 Electrochecn
、 5oc)、  129(7)1441−45(19
82);  ティー・イー−タン、ティー・ディー・フ
ラールおよびエル・ジー・マリアノフスキー、10)含
硫ガスが溶融カーボネート燃料電池に与える影褥!1.
中間報告書FM−1699、電力研究所(Electr
ic Power Re5ea−rch 工n5tit
ute)に対しガス技術研究所(Insti−tute
 of Gas Technology)が作成、19
81年2月;ニー・エフーサンメルス、ニス拳ヒー・ニ
コルソンおよびピー・シー・ピー・アン10)溶融カー
ボネート燃料電池用のイオウ許容部品の開発I+。
ジェイ・エレクトロケミ、ソサ、 (J、 Elect
ro−chem、5oc)、127.350(1980
):ならびにティー、ディー、クラール、エル・ジー・
マリアノフスキーおよびニー・エフ・サンメルス。
10)第二世代溶融カーボネート燃料電池用のイオウ許
容部品の開発10).中間報告書 FM−10)14゜
電力研究所用に対しガス技術研究所が作成。
1969年7月。金儲化金物が溶融カーボネート燃料電
池に与える影響についての総説はエル・ジー・マリアノ
フスキー I+溶融カーボネート燃料電池のイオウ許容
度の最新情報I+、高温の石炭由来ガス流における汚染
物質制御、第3年回(kンシルバニア州ワシントン、1
983年5月)において提示された報文に示されている
。金儲汚染物質を多くの通常のアノード材料について満
足すべき燃料電池の操作が維持される水準にまで十分に
除去する費用が高いため、純粋な水素ガス燃料使用の経
費は高い。
米国特許第3,431,146号明細書は、ニッケル、
コバルトまたは鉄の燃料電極を備えた溶融カーボネート
燃料電池が、硫化水素を水素系燃料ガスに添加すること
によって少なくとも一時的な電力増加を示すことを教示
している。具体例においてこの明細書には水素系燃料ガ
スに添加された2、0容量係の硫化水素は添加された硫
化水素が1分間流れる間に出力を50%高めることが教
示されている。
米国特許第4,404,267号明細書には溶融カーボ
ネート燃料電池用のアノード複合材料が教示されている
。その場合、銅またはニッケル/銅合金でめっきしたセ
ラミック粒子が多孔質アノード複合材料を形成し5その
バブル圧カバリヤー(bubble pressure
 barrier)  が電解質タイルに隣接しており
、その細孔はアノードの細孔よりも著しく小さく、電解
質で充填される寸法である。
米国特許第4,448,857号明細書にはカンード複
合材料として適した同様のめっきセラミック粒子多孔質
構造物が教示されており、米国特許第4,423,12
2号および第4,386,960号明細書には溶融カー
ボネート燃料電池用の電極に用いる同様なめっきセラミ
ック粒子多孔質構造物が教示されており、米国特許第4
,361,631号明細書にはこの種の電極の製法が教
示されている。
米国特許第4,507,262号明細書には多孔質アノ
ードの表面に付着した多孔質焼結銅ブランクプレート(
blank plate)が教示され、その場合細孔は
有機金属前駆物質の使用により金属酸化物で充填されて
、バブル圧カバリヤーを与えている。
米国特許第3,970,474号明細書には酸化銅で被
覆されたセラミック材料製の多孔質カンービを備えた電
池において、炭素質燃料から電気化学的に発電すること
が教示されている。酸化銅製の酸素電極は米国特許第2
,830,109号明細書により教示されるように燃料
電池に用いられている。
発明の要約 ニッケルまたはニッケル/クロム多孔質アノードを用い
た溶融カーボネート燃料電池の性能は。
燃料ガス中のH2Sまたはこれに類するイオウ化合物の
pm当たり少なくとも10mV低下することが見い出さ
れている。この燃料電池劣化の直接の原因は分かってい
ないが、イオウ濃度(pH28/pH2)がメルクニッ
ケルの硫化に必要なものよりも大幅に低い場合に燃料電
池の操作条件下で触媒毒作用が起こることが認められて
いる。溶融カーボネート燃料電池のアノードは他の触媒
反応ときわめて異なった特異な環境で作動するので、イ
オウによる毒作用を予想することはできない。活性な水
−ガス−シフト触媒(water−gas−shift
 catalyst)を含む本発明の溶融カーボネート
燃料電池アノード9は、約10pInまでのH2Sを含
む・燃料を用いる場合、それらの水−ガス−シフト触媒
活性の実質的割合を維持する。約10〜100重景チの
銅を含む多孔質アノードを用いる本発明方法は、炭素質
材料(たとえば石炭)のガス化によって直接に得られた
。−酸化炭素および約1010)10)1までのH2S
を含有する燃料が作動中の溶融カーボネート燃料電池の
多孔質アノードにおける現場での水−ガス−シフトおよ
び電気化学反応を受けるのを可能にする。
本発明の目的は、天然炭素質材料のガス化(たとえば石
炭のガス化)により得られる燃料ガス混合物をそのまま
使用して溶融カーボネート燃料電池を操作するための改
良法を提供することである。
本発明の他の目的は、−酸化炭素含量約10〜約35容
量チの燃料ガスを用いて溶融カーボネート燃料電池を操
作する方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、燃料ガス混合物中に存在す
る一酸化炭素の実質的部分が約10p1”(容量)まで
の硫化水素の存在下で燃料電池内において内部水−ガス
−シフト反応により追加の水素に転化される。溶融カー
ボネート・燃料電池の操作法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、燃料ガス中約10p−まで
のH2Sの存在下で、銅、銅−ニッケル、銅−コバルト
、およびそれらの混合物からなる多孔質金属アノードを
用いることによる。溶融カーボネート燃料電池の安定な
操作法を提供することである。
本発明の他の目的は、溶融カーボネート燃料電池におい
て約xoppmまでのH2Sの存在下で燃料の水素を増
加させるための内部水−ガス−シフト反応法を提供する
ことである。
これらの目的は銅、銅−ニッケル、銅−コバルトおよび
それらの混合物からなる多孔質金属アノード9を用いる
ことによって達成される。
石炭ガス化/溶融カーボネート燃料電池による発電装置
は、汚染物質制御のために現在必要とされる煙道ガスス
クラビングを含む通常の石炭だき発電所よりも高いエネ
ルギー変換効率を与え、かつ重大な汚染物質の放出がよ
り低い。しかしごく低い濃度の硫化水素が燃料ガス中に
存在しても。
燃料電池の性能は実質的に低下する。本発明者らは90
 wlo Ni −10w10  Cr  7ノービを
用いる溶融カーボネート燃料電池の性能が燃料ガス中の
H2Sの卑当たり少なくとも約10mV低下することを
認めた。
溶融カーボネート燃料電池の操作温度は石炭のガス化装
置により産生される粗製燃料ガスの温度に相当するので
、ガス化装置から製造されたガスをそのまま使用するの
は魅力がある。この種の燃料ガスは一般に水素、−酸化
炭素、可変量のメタンその他の炭化水素、ならびに稀釈
成分、たとえば二酸化炭素、水および窒素を含有する。
水素は溶融カーボネート燃料電池のアノード反応帯域に
おいて有効な燃料である。さらに、燃料ガス中の一酸化
炭素および炭化水素も、燃料電池内で追加量の水素に変
換されることによって、電気に変換される。溶融カーボ
ネート燃料電池のアノード金属で水−ガス−シフト反応
が行われることは、天然炭素質材料に由来する燃料ガス
を用いる場合。
きわめて重要である。石炭に由来する燃料ガスの化学エ
ネルギー含量の50%までが一酸化炭素の形であると思
われるからである。−酸化炭素を含有する燃料を溶融カ
ーボネート燃料電池に用いる場合、水−ガス−シフト反
応が行われることは燃料電池の性能物性および操作電圧
を維持するために必要である。きわめて望ましいのは、
水−ガス−シフト反応が現場で、作動中の溶融カーボネ
ート燃料電池のアノ−ど帯域において、アノード金属を
水−ガス−シフト反応触媒として用いて行われることで
ある。
30チ以下という低い燃料ガス利用率においては、水−
ガス−シフト反応が平衡状態にある電池と水−ガス−シ
フト反応がない電池との差は10mV以下であることは
、一般的な低Btu石炭由来の燃料ガスを用いて計算す
ることができる。しかし燃料ガス利用率が64%に近づ
くのに伴って(水素利用率100%、および−酸化炭素
利用率ゼロに相当)、水−ガス−シフト反応が被毒、損
なわれている電池の電圧は、水−ガス−シフト反応が平
衡状態で持続している電池と比較して、急速に低下する
。燃料ガス利用率60チにおいて。
水−ガス−シフト反応を伴わない電池からのアノード排
出物中の水素は1.18%であり、一方水一ガスーシフ
ト反応が進行している電池においては燃料ガス混合物中
に存在する一酸化炭素から生じる追加の水素のため、排
出ガスの水素含量は5f14チに維持される。これらの
計算は刊行物llH2Sが溶融カーボン燃料電池に与え
る影響I+ (アール。
ジェイ、レミックおよびジー、エル、アンダーソン)中
に説明されている。これはコントラクト16 DE−A
C21−83MC20212において、ガス技術研究所
により米国エネルギー省、化石エネルギー局に対しなさ
れた研究である(1985年。
1月)。溶融カーボネート燃料電池の多孔質アノードの
金属、または多孔質アノードにおける別個の触媒物質が
、現場シフト触媒(in 5itue 5hiftca
talyst)  として用いられる。
多孔質ニッケルアノードを用いた溶融カーボネート燃料
電池はメルク金属の硫化、たとえば2 H2S +3 
N i→N i 3 S 2 + 2 H2に必要なも
のよりも大幅に低い燃料ガス硫化水素濃度(pH23/
pH2)において、電力の損失および触媒毒作用を示す
従って、より低いイオウ濃度(pH2S/pH2)にお
いて起こる表面硫化物の生成、または金属表面における
イオウの吸収が触媒毒作用の原因であると考えられる。
アノ−どの還元条件下では、他のガス状イオム化合物も
H2Sと同様な挙動を示す。
表面硫化物の安定性はバルク硫化物よりも著しく大ぎい
。これは表面硫化物を形成するために要求されるpH2
S/pH2の比率がバルク硫化物を形成するために要求
される比率よりも著しく低いことを意味する。(触媒の
進歩、31巻、ディー・ディー・イーライ、ヘルマン・
パイ/ズおよびポール・ビー・ワイツ編、アカデミツク
・プレス。
1982年、イオウによる金属毒作用、シー・エッチ・
バルソロメウ、ピー・ケー・アグローワルおよびジエイ
・アール・カッフェル。166−170頁)。これらの
文献には、ニッケルのノζルク硫化および表面硫化はそ
れぞれ銅の場合よりも容易に進行することが示されてい
る。約650℃。
すなわち溶融カーボネート燃料電池の操作温度における
硫化反応中の自由エネルギー変化の比較を以下に示す。
銅        −50−90 ニツケル   −80−160 それぞれの場合1表面硫化はバルク硫化よりも容易に起
こる。上記の自由エネルギーの変化に基づけば、ニッケ
ルのメルク硫化は銅の表面硫化が起こるのとほぼ同濃度
のH2Sにおいて起こると思われる。
溶融カーボネート燃料電池の操作条件下でアノーヒ表面
における表面硫化物生成の自由エネルギーが低下すると
、硫化水素または他のガス状イオウ化合物が存在する場
合のアノードの分極が少なくなる。銅を含有するアノー
ドを用いると、ニッケル表面硫化物よりも安定性が約9
200倍低い硫化物を形成する銅アノード表面が得られ
る。従ってニッケルアノードと比較して銅アノード上に
同様な硫化物表面付着量を生じるためには、燃料ガスに
おいて約9200倍の濃度(pH28/1)H2)が要
求される。たとえばニッケル表面硫化についてf’) 
(1)H2S/I)H2)が0.010)ain H2
Sである条件下で。
銅表面硫化についての(pH2S/pH2)は92咽H
2Sのオーダーである。本発明者らは、イオウ不含の燃
料ガスを用いた溶融カーボネート燃料電池の操作に際し
ては、銅アノードは電気化学的にニッケルアノードと類
似することを認めた。
電気化学反応のための、および−酸化炭素の内部水−ガ
ス−シフトのための触媒として機能する多孔質金属製の
溶融カーボネート燃料電池用アノ−ビは、好ましくはニ
ッケルー銅またはコバルト−銅、銅、およびそれらの混
合物である効率的な水−ガス−シフト触媒の合金、物理
的混合物、被膜などからなることができる。本発明のア
ノードは約10〜100重量%の金属銅からなる。好ま
しくはアノード金属は約40〜約80重量%の割合が銅
であり、残部は実質的にニッケル、銅またはそれらの混
合物である。10)残部は実質的に10)という用語は
1本発明のアノード9がより少量の他の添加物、たとえ
ば安定剤であるクロムまたはジルコニウム(たとえば米
国特許第4,247,604号明細書により教示される
もの)およびアルミニウムをも含有しうろことを意味°
する。この種の金属からなる溶融カーボネート燃料電池
用アノード9の電気化学的特性は満足すべき状態を維持
する。純粋な銅製のアノード9は電気化学的観点からみ
て満足すべきものであり、−酸化炭素から水素への変換
がより多量に行われる。
好ましくは約40〜約80重量%の銅がニッケルもしく
はコバルトと混合もしくは合金しているか、または多孔
質アノードの有効表面に取込まれており、残部は実質的
にニッケル、コバルトおよびそれらの混合物よりなる群
から選ばれる金属である場合、溶融カーボネート燃料電
池は一酸化炭素および硫化水素を含有する燃料ガスを用
いて操作することができ、ニッケルまたはコバルトアノ
ード9材料が触媒として機能して、アノード帯域で続行
する。現場での水−ガス−シフト反応が実質的に維持さ
れる。硫化水素を含有する燃料を用いる溶融カーボネー
ト燃料電池の有効多孔質金属アノード9に、より活性な
水−ガス−シフト触媒(好ましくはニッケル)と共に銅
を用いると1表面硫化物形成の自由エネルギーが低下し
、硫化水素または金儲化合物によるアノード分極がより
少なくなる。−酸化炭素および硫化水素を含有する燃料
について操作する除に1本発明による溶融カーボネート
燃料電池は燃料ガス中に一般に10〜35容量チの量含
有される一酸化炭素を現場で実質的に水素に変換し、こ
れにより追加の水素が燃料ガスに供給され、十分な操作
水準の電池電圧が得られる。本発明による溶融カーボネ
ート燃料電池操作法によれば、燃料ガス中の実質量の一
酸化炭素を追加の水素に変換するために、700℃以下
好ましくは約500−F1650℃において電池を操作
することができる。一般にi化水索が存在しない場合に
達成される25容量係以上、好ましくは50容量係以上
という水−ガス−シフト反応による追加水素の平衡生成
が、燃料ガス中に硫化水素5〜10plXl(容量)ま
での硫化水素が存在する際にも維持される。水素が・燃
料電池の電気化学反応により消費されて水蒸気を生成す
るのに伴って。
アノード9自体の表面または内部で起こる水−ガス−シ
フト反応によって反応に追加の水素が供給され、その結
果石炭のガス化により得られるガス中に存在する量の一
酸化炭素を含有する燃料を用いて、105〜10)5%
に及ぶ水素利用率が燃料電池によって達成される。
溶融カーボネート燃料電池の場合アノード9における通
常の気相滞留時間は一般に約1秒間であるが1本発明者
らはアノードにおける気相滞留時間を約2秒間以上に高
めるのが望ましいことを見出した。好ましくは本発明方
法において目的とする追加水素を生成するのに十分な水
−ガス−シフト反応時間を得るためには、アノード9に
おける気相滞留時間は約2〜約4秒間である。本発明の
方法によれば、約1〜約10兜、好ましくは約1〜約5
pp(容量)の硫化水素を含有する燃料ガスを用いた場
合、アノード帯域において目的とする一酸化炭素から追
加水素への水−ガスーシ7ト反応による変換が得られる
本発明の方法に用いられる適切なアノードは米   ′
国特許第4,247,604号明細書に教示される方法
により、テープキャスティング層を用い、続いて焼結す
る既知の方法により、また粉末冶金法により製造するこ
とができる。米国特許 第4,009,321号および同第4,247,604
号明細書により教示される他の燃料電池部品および他の
操作法が1本発明により考慮される燃料電池および方法
に適している。
本発明による好ましく・態様にお(・では、水素、約2
0〜25容量チの一酸化炭素、および約4〜6ppのH
2Sからなる燃料ガスを、約50重量%の銅を含有し、
残部が実質的にニッケルからなる多孔質アノードに導通
ずることによって、溶融アルカリ金属カーボネート燃料
電池を操作することができろ。アノードは多孔質電極製
造技術の分野で知られている粉末冶金および焼結法によ
り銅およびニッケルの粉末を物理的に混合することによ
って製造される。この燃料電池は約650℃で操作され
、燃料ガスはアノード帯域で約3秒間の滞留時間をもつ
。この電池は長期間にわたって、著しいアノード分極な
しに操作することができ、一方ではH2Sが存在しない
場合と同様に約25容量チを越えるCOからH2への水
−ガス−シフト平衡変換率が得られる。
以上において本発明をその特定の好ましい態様に関連し
て記述し、説明のために多数の細部を示したが、当業者
に明らかなように本発明につき他の態様が可能であり、
ここに記述した細部のあるものは本発明の基本原理から
逸脱することなくかなり変更しうる。
(外3名)

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)約10ppm(容量)までのH_2Sを含有する
    燃料ガスを約10〜約100重量%の銅からなる多孔質
    アノードに導通することよりなるアノード゛分極低下工
    程を特徴とする、含硫燃料ガスを用いた溶融アルカリ金
    属カーボネート燃料電池における発電法。
  2. (2)アノードの残部が実質的にニッケル、コバルトお
    よびそれらの混合物よりなる群から選ばれる金属からな
    る特許請求の範囲第1項に記載の方法。
  3. (3)燃料ガスが約10〜約35容量%のCOおよび約
    1〜約10ppm(容量)のH_2Sからなる特許請求
    の範囲第2項に記載の方法。
  4. (4)多孔質アノードが水−ガス−シフト触媒を構成し
    、これによりH_2Sの不在下で得られる約25容量%
    以上の、COからH_2への水−ガス−シフト平衡変換
    率がH_2Sの存在下で維持される特許請求の範囲第3
    項に記載の方法。
  5. (5)多孔質アノードが水−ガス−シフト触媒を構成し
    、これによりH_2Sの不在下で得られる約50容量%
    以上の、COからH_2への水−ガス−シフト平衡変換
    率がH_2Sの存在下で維持される特許請求の範囲第3
    項に記載の方法。
  6. (6)アノードが約40〜約80重量%の銅からなり、
    該アノードの残部が実質的にニッケルからなる特許請求
    の範囲第2項に記載の方法。
  7. (7)燃料電池が約500〜約650℃において操作さ
    れる特許請求の範囲第1項に記載の方法。
  8. (8)燃料ガスがアノード帯域において約2秒間以上の
    滞留時間を有する特許請求の範囲第1項に記載の方法。
  9. (9)燃料ガスが約1〜約5ppm(容量)のH_2S
    を含有する特許請求の範囲第1項に記載の方法。
  10. (10)燃料ガスが約10〜約35容量%のCOおよび
    約1〜約10ppm(容量)のH_2Sからなり;アノ
    ードが約40〜約80重量%の銅からなり、その残部が
    実質的にニッケルからなり;燃料電池が約500〜約6
    50℃において操作され;H_2Sの不在下で得られる
    約25容量%以上の、COからH_2への水−ガス−シ
    フト平衡変換率がH_2Sの存在下で維持される特許請
    求の範囲第1項に記載の方法。
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