(57)【要約】  第１の電極、電解質及び第２の電極を備える燃料電池又は電解電池のガス／液体流を浄化する方法であって、燃料電池若しくは電解電池の第１の電極の入口側で、ガス／液体流中にスクラバを設けるステップ、及び／又は燃料電池若しくは電解電池の第２の電極の入口側で、ガス／液体流中にスクラバを設けるステップと、第１及び第２の電極に向かうガス／液体流を浄化するステップとを含み、第１の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバ、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、但し、燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極、電解質、及び第２の電極を少なくとも備える燃料電池又は電解電池のガス／液体流を浄化するための方法であって、
前記燃料電池若しくは電解電池の前記第１の電極の入口側で、前記ガス／液体流中に少なくとも１つのスクラバを設けるステップ、及び／又は前記燃料電池若しくは電解電池の前記第２の電極の入口側で、前記ガス／液体流中に少なくとも１つのスクラバを設けるステップと、
前記第１及び第２の電極に向かう前記ガス／液体流を浄化するステップとを含み、
前記第１の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記少なくとも１つのスクラバ、及び／又は前記第２の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記少なくとも１つのスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、前記電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、前記少なくとも１つのスクラバを用いて前記ガス／液体流が浄化される前記電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、
但し、前記燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、方法。
【請求項２】
前記第１の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記スクラバが、前記第１の電極の前記電解質材料及び電極材料として使用されるのと同じ材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記スクラバが、前記第２の電極の前記電解質材料及び電極材料として使用されるのと同じ材料を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料電池若しくは電解電池の、前記第１の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記スクラバ、及び／又は前記第２の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記スクラバが、前記第１及び／又は第２の電極の動作温度と同じ温度で動作する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
第１の電極、
電解質、及び
第２の電極を備える、燃料電池又は電解電池と、
前記第１の電極に向かうガス／液体入口と、
前記第２の電極に向かうガス／液体入口と、
前記第１の電極の前記ガス／液体入口に位置する少なくとも１つのスクラバを備える浄化手段、及び／又は前記第１の電極の前記ガス／液体入口に位置する少なくとも１つのスクラバを備える浄化手段とを備え、
前記第１の電極の前記入口側でガス／液体流中にある前記少なくとも１つのスクラバ、及び／又は前記第２の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記少なくとも１つのスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、前記電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、前記少なくとも１つのスクラバを用いて前記ガス／液体流が浄化される前記電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、
但し、前記燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、燃料電池又は電解電池中のガス／液体流を浄化するシステム。
【請求項６】
前記第１の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記スクラバが、前記第１の電極の前記電解質材料及び電極材料として使用されるのと同じ材料を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記第２の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記スクラバが、前記第２の電極の前記電解質材料及び電極材料として使用されるのと同じ材料を含む、請求項５又は６に記載のシステム。
【請求項８】
燃料電池若しくは電解電池の第１及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流に使用される、前記第１及び／又は第２の電極に向かう前記ガス／液体流を浄化するためのスクラバであって、
前記第１の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記スクラバ、及び／又は前記第２の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記スクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、前記電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、少なくとも１つの前記スクラバを用いて前記ガス／液体流が浄化される前記電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、
但し、前記燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、スクラバ。
【請求項９】
前記第１の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記少なくとも１つのスクラバが、前記第１の電極の前記電解質材料及び電極材料として使用されるのと同じ材料を含む、請求項８に記載のスクラバ。
【請求項１０】
前記第２の電極の前記入口側で前記ガス／液体流中にある前記スクラバが、前記第２の電極の前記電解質材料及び電極材料として使用されるのと同じ材料を含む、請求項８に記載のスクラバ。
【請求項１１】
電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含む組成物の、燃料電池又は電解電池中のガス／液体流を浄化するために適したスクラバとしての使用であって、
但し、前記燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、前記使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池又は電解電池のための流入ガス／液体流を浄化する方法及びシステムに関する。より詳細には、本発明は、燃料電池又は電解電池内の粒界及び反応性電極部位を毒することがある不純物を除去することによって、燃料電池又は電解電池の電極へのガス／液体流を浄化する方法及びシステムに関する。本発明は、燃料電池又は電解電池の電極へのガス／液体流を浄化するため、スクラバを使用することに関する。
【背景技術】
【０００２】
高度な電極触媒システムでは、燃料電池又は電解電池に見られるように、界面化学が動作中の重要な役割を果たし、個々の表面に不純物／添加物が存在することは、デバイスの全体的な性能及び耐久性に対して多大な影響がある。
【０００３】
燃料電池及び電解電池の一例は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体酸化物電解電池（ＳＯＥＣ）など、一般的に異なる用途向けに設計された電池を含む、固体酸化物電池である。２つの電極層、すなわちアノード層及びカソード層によって挟まれた電解質層を基本構成要素として含む、上記電池に共通した基本構造により、同じ電池が、ＳＯＦＣ用途並びにＳＯＥＣ用途に使用されるように設計されてもよい。ＳＯＣは、したがって、固体酸化物燃料電池及び固体酸化物電解電池に対する総称であり、基本的には、ＳＯＦＣ及びＳＯＥＣの両方のモードで可逆的に働くことができる同一電池である。ＳＯＦＣモードでは、燃料が電池に供給されて電力に変換され、ＳＯＥＣモードでは、電力を加えて燃料が生成される。したがって、これらの電池は「可逆的」ＳＯＣと呼ばれる。
【０００４】
例えば、電解モードでの動作の際、電極では次の反応が起こる。
ＣＯ２  Ｃａｔｈｏｄｅ→ＣＯＣａｔｈｏｄｅ＋１／２Ｏ２  Ａｎｏｄｅ
Ｈ２ＯＣａｔｈｏｄｅ→Ｈ２  Ｃａｔｈｏｄｅ＋１／２Ｏ２  Ａｎｏｄｅ、及び、
ＣＯＡｎｏｄｅ＋１／２Ｏ２  Ｃａｔｈｏｄｅ→ＣＯ２  Ａｎｏｄｅ
Ｈ２  Ａｎｏｄｅ＋１／２Ｏ２  Ｃａｔｈｏｄｅ→Ｈ２ＯＡｎｏｄｅ
【０００５】
固体酸化物電池は、固体酸化物材料を電解質として使用することによって定義される電池の分類である。固体酸化物電池では、電解質が負酸素イオンをカソードからアノードへと伝導する。固体酸化物電池の代表例が、例えば、国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０００７９３に開示されている。
【０００６】
燃料電池又は電解電池の別の例は、特殊ポリマーの電解質膜を備える、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭ）燃料電池又はＰＥＭ電解電池である。これによって、低温範囲での使用が可能になる。他の例としては、２つの電極間にアルカリ性溶液で飽和した多孔質マトリックスを備える、アルカリ形燃料電池／電解電池が挙げられる。更なる例としては、金属水素化物燃料電池、ダイレクトボロハイドライド燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、ダイレクトエタノール燃料電池、リン酸電池、溶融炭酸塩型燃料電池、及びプロトンセラミック燃料電池が挙げられ、これらの大部分は、燃料電池及び電解電池の両方に適用することができる。
【０００７】
燃料電池又は電解電池の動作中、カソードとして機能する電極において、空気、Ｏ２、ＣＯ２、若しくはＨ２Ｏなどの供給された酸素含有ガスから酸素イオンが形成され、電解質層を通って移動して、アノードとして機能する電極において、供給されたガス／液体と化合する。しかし、電気化学的に活性な領域は、いわゆる三相境界と呼ばれる、電解質材料、ガス／液体、及び電極材料（アノード又はカソード）が同時に存在する、多孔質電極内の反応性電極部位に限定される。
【０００８】
各電極に向けて供給されたガス／液体に含まれる様々な不純物が存在することによって、粒界の位置に起因する活性の減少、三相境界が閉塞されることによる触媒活性の減少という不利な点がもたらされる場合がある。したがって、不純物が電池構成要素と接触する前に、流入ガス／液体から除去しなければならない。
【０００９】
反応物のフロー中に自然に存在する望ましくない汚染物質としては、硫黄、塩素、リン光体、ＮＨ３、及びアルカリ高分子を含む種が挙げられる。しかし、これらの有害種の除去は、通常、フィルタ処理のための様々な手段、前記浄化手段が求められ、コストが掛かることに起因して、エネルギー及び空間の要求が厳しい。
【００１０】
特に、アルカリ形燃料電池では、二酸化炭素が炭酸塩への変換を通じて電解質を毒する可能性がある。したがって、浄化された電池が必要であり、前記プロセスにコストが掛かり、扱いが困難になる。
【００１１】
ＰＥＭ電池は、一酸化炭素に対して高感度であり、燃料ガス／液体にＣＯが含まれる場合、触媒材料の有効性が大幅に低減されることがある。
【００１２】
最も顕著にはＨ２Ｓ及びＣＯＳである、硫黄を含有する種の除去は、アルカリ性溶液を用いた湿式スクラビングによって実施される場合が多い。燃料電池又は電解電池に対して適用される供給流は、反応物としてのＣＯ２を含有することがあるので、これらのガス／液体流に対して特定の要件が当てはまり、選択吸着／吸着のみを適用することができる。適切な吸着剤は、Ｃａ（約５０ｐｐｍ）、Ｍｎ（約５ｐｐｍ）、Ｆｅ（約１ｐｐｍ）、Ｎｉ（０．１ｐｐｍ未満）、Ｃｕ（１ｐｐｍ未満）、Ｚｎ（０．３ｐｐｍ未満）を含む成分であり、括弧内は、浄化されたガス／液体流における達成可能な最終Ｈ２Ｓ濃度である。しかし、これらの吸収剤のほとんどは再生処理することができず、使用後に廃棄しなければならない。
【００１３】
塩素及びリン光体の除去プロセスとしては、２つの一般的な方法、すなわち乾式プロセス及び湿式プロセスが挙げられる。乾式プロセスでは、不純物は吸着剤を用いて除去され、湿式プロセスでは、不純物はスクラビング液を用いて除去される。乾式除去については、通常は酸化ナトリウム又は酸化カルシウム系である、二種類の吸着剤が市販されており、それらを用いて不純物濃度を１ｐｐｍ未満に低減することができる。湿式スクラビングプロセスは、通常、アルカリ性水溶液に基づく。湿式スクラビングは、塩素及びリン光体だけではなくＣＯ２などの他の成分も除去してしまうことが不利な点である。ＳＯＣに適用される供給流はＣＯ２を含有することがあるので、したがって、反応物の湿式スクラビングは、ＳＯＣ向けのガス／液体流の清浄化には適さない。
【００１４】
ガス／液体が燃料電池又は電解電池に入る前に様々な不純物を除去しなければならないので、すべての不純物が１つの浄化プロセスのみで信頼性高く除去されるとは限らないことから、不純物毎に異なる浄化ステップが必要であり、そのことによってコスト及び労力が掛かることが不利な点である。更に、従来技術は、流入ガス／液体中に存在することが分かっている主な不純物にのみ焦点を当てている。しかし、今日まで、まだフィルタ処理されていない電池に入り込むことがあるが、それでもなお電極の毒作用に寄与し、それによって電池の寿命を低減する、流入ガス／液体にやはり含まれる他の不純物についてはほとんど知られていない。
【００１５】
欧州特許出願公開第１２３１６６３号は、硫黄などの特定の物質及び不純物並びに他の未知の不純物をガス／液体流から除去する、捕捉システムを備えるエネルギー変換デバイスと共に使用されるトラップを開示している。
【００１６】
欧州特許出願公開第１４６９５４４号は、前記酸化剤に含まれる空気が浄化され、前記浄化が、汚染物質を酸化するステップと、酸化された汚染物質を吸着及び／又は除去するステップとを含むことを特徴とする、反応物として空気を含有する液体を使用して燃料電池を動作させる方法に関する。
【００１７】
米国特許出願公開第２００６／００６３０５６号は、電解質としてのプロトン伝導性固体高分子膜と、プロトン伝導性固体高分子膜を間に介在させて互いに面するように配置されたアノード及びカソードを含む電池部分と、金属イオンを液体燃料から除去するためのフィルタと、フィルタを通して液体燃料を電池部分に供給するための燃料供給ラインと、酸素を電池部分に供給するための酸素供給ラインとを含み、フィルタが無機イオン交換材料を含む、液体燃料直接供給形の燃料電池システムに関する。
【００１８】
米国特許出願公開第２００４／００３５０５５号は、アノードを含む燃料電池スタックアセンブリと、電池スタックアセンブリのアノードに対して水素豊富な改質油／燃料流を供給する燃料処理システムとを有する、燃料電池発電所を開示している。比較的活性の金属触媒は、アノード及び燃料処理システムの一方又は両方と関連付けられ、システムに硫黄が存在することによって劣化しやすい。燃料流中の硫黄を吸着し、更にそのレベルを引き出すことによって触媒を保護するための、ガード材料を含有するガード床が燃料処理システムに設けられる。
【００１９】
従来技術の方法及びシステムはすべて、他の潜在的な不純物がガス又は液体流中に存在するかに係わらず、非常に具体的な不純物からガス又は液体流を浄化する手段を提供することにのみ焦点を当てており、これらの方法及びシステムは、ガス又は液体流が浄化される、個々の電極の任意の特定の構造又は構成要素を考慮に入れていない。上述のことに照らして、結果として、今日までの従来技術によってもたらされるよりもコスト効率的なやり方でデバイスの全体的な性能を改善するために、粒界及び反応性電極部位における不純物の量を低減することが強く望まれ、必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明の目的は、燃料電池又は電解電池の粒界及び反応性電極部位を毒することがある不純物を除去することによって、燃料電池又は電解電池の電極に対するガス／液体流を浄化する方法及びシステムを提供することであった。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、実施形態において、第１の電極、電解質、及び第２の電極を少なくとも備える燃料電池又は電解電池のガス／液体流を浄化する方法であって、
燃料電池若しくは電解電池の第１の電極の入口側で、ガス／液体流中に少なくとも１つのスクラバを設けるステップ、及び／又は燃料電池若しくは電解電池の第２の電極の入口側で、ガス／液体流中に少なくとも１つのスクラバを設けるステップと、
第１及び第２の電極に向かうガス／液体流を浄化するステップとを含み、
第１の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバ、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、少なくとも１つのスクラバを用いてガス／液体流が浄化される電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、
但し、燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、方法を提供する。
【００２２】
より詳細には、本発明は、実施形態において、第１の電極、電解質、及び第２の電極を少なくとも備える燃料電池又は電解電池のガス／液体流を浄化する方法であって、
燃料電池若しくは電解電池の第１の電極の入口側で、ガス／液体流中に少なくとも１つのスクラバを設けるステップ、及び／又は燃料電池若しくは電解電池の第２の電極の入口側で、ガス／液体流中に少なくとも１つのスクラバを設けるステップと、
第１及び第２の電極に向かうガス／液体流を浄化するステップとを含み、
第１の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバ、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、少なくとも１つのスクラバを用いてガス／液体流が浄化される電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、
但し、燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、方法を提供する。
【００２３】
本発明は更に、
第１の電極、
電解質、及び
第２の電極を備える、燃料電池又は電解電池と、
第１の電極に向かうガス／液体入口と、
第２の電極に向かうガス／液体入口と、
第１の電極のガス／液体入口に位置する少なくとも１つのスクラバを備える浄化手段、及び／又は第１の電極のガス／液体入口に位置する少なくとも１つのスクラバを備える浄化手段とを備え、
第１の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバ、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、少なくとも１つのスクラバを用いてガス／液体流が浄化される電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、
但し、燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、燃料電池又は電解電池中のガス／液体流を浄化するシステムを提供する。
【００２４】
本発明はまた、燃料電池若しくは電解電池の第１及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流に使用される、第１及び／又は第２の電極に向かうガス／液体流を浄化するためのスクラバであって、
第１の電極の入口側でガス／液体中にあるスクラバ、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、少なくとも１つのスクラバを用いてガス／液体流が浄化される電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、
但し、燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、スクラバに関する。
【００２５】
本発明は、最後に、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含む組成物の、燃料電池又は電解電池中のガス／液体流を浄化するために適したスクラバとしての使用であって、
但し、燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、使用に関する。
【００２６】
好ましい実施形態は、従属クレームに記載する。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、一般的には、少なくとも燃料電池又は電解電池の（１つ若しくは複数の）電極への入口側における、ガス／液体流の浄化に関し、ガス／液体流は、個々の電極の三相境界と類似した又は同一の三相境界を備える材料との接触によって浄化される。電極の活性部位を毒する場合があるあらゆる不純物が、浄化に使用される材料の三相境界に対する親和性によって、ガス／液体流から有効に除去される。
【００２８】
本発明では、ガス／液体流が浄化される個々の用途の電極材料と電解質材料との混合物として適した材料組成が、ガス／液体流の浄化に使用されることが有利である。前記材料は、個々の電極の三相境界と少なくとも類似しており、同一であることが最も好ましい三相境界を形成し、前記三相境界の構造が同一ではないにしても非常に類似していることにより、実際の電極の三相境界に悪影響を及ぼすであろう任意の不純物が、ガス／液体流から予め除去される。したがって、本発明の浄化に使用される特定の材料の選択は、用いられる材料は個々の電極構造の三相境界を理想的に反映することから、ガス／液体流が浄化されるデバイス又は用途の電極に使用される材料に応じて変わる。
【００２９】
より詳細には、本発明は、第１の電極、電解質、及び第２の電極を少なくとも備える燃料電池又は電解電池のガス／液体流を浄化する方法であって、
燃料電池若しくは電解電池の第１の電極の入口側で、ガス／液体流中に少なくとも１つのスクラバを設けるステップ、及び／又は燃料電池若しくは電解電池の第２の電極の入口側で、ガス／液体流中に少なくとも１つのスクラバを設けるステップと、
第１及び第２の電極に向かうガス／液体流を浄化するステップとを含み、
第１の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバ、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、少なくとも１つのスクラバを用いてガス／液体流が浄化される電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、
但し、燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、方法を提供する。
【００３０】
本発明の方法を用いて、具体的な特定の不純物に対して微調整する必要なしに、活性の三相境界部位を閉塞することによって、燃料電池又は電解電池の劣化を引き起こすすべての重大な不純物に関して、燃料電池又は電解電池に向かうガス／液体が浄化されることが有利である。したがって、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含む１つのみのスクラバを使用するのにも係わらず、現在当該分野で知られている手段を用いて浄化されたガス／液体流に依然として残っているすべての不純物をガス／液体流から浄化することができ、このことは、空間及び重量に関する要件の点でシステムを最小限に抑えるという今日の要望においても有利である。より詳細には、燃料電池若しくは電解電池の第１の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバ、及び／又は燃料電池若しくは電解電池の第２の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバは、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、それによって、反応性部位に似た構造が、すなわち、電極の個々の反応性部位と類似した又は同一の三相境界が形成される。電極中の反応性部位を毒するであろうあらゆる不純物が、スクラバの個々の構造に代わりに吸着されて、電極に向かう流入ガス／液体から有効に除去される。
【００３１】
したがって、本発明の方法は、電池の材料を更に修正する必要なしに、すなわち、電池を不純物に対してより回復力に富むものにする必要なしに、燃料電池又は電解電池の寿命を延ばす、コスト効率的なやり方を提供する。これによって、引き換えに、電池の耐久性を犠牲にすることなく、電池材料に関するより多くの自由度が認められる。
【００３２】
本発明の燃料電池及び電解電池の具体的な例としては、アルカリ電池、金属水素化物燃料電池、ダイレクトボロハイドライド燃料電池、ダイレクトメタノール燃料電池、ダイレクトエタノール燃料電池、プロトン交換膜燃料電池燃料電池、リン酸電池、及び溶融炭酸塩型電池が挙げられ、これらの大部分は、燃料電池及び電解電池の両方に適用することができる。
【００３３】
本発明では、燃料電池及び電解電池は固体酸化物電池ではない。除外された固体酸化物電池は、電解質として固体酸化物材料を使用することによって定義される電池の分類である。本発明で除外された固体酸化物電池の例は、特に、国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０００７９３に開示される固体酸化物電池である。
【００３４】
本発明の方法（及びシステム）に用いられるスクラバは、ガス／液体通路、例えばモノリシックハニカム構造を備える、多孔質材料である。浄化されるガス／液体は、個々の電極に至る途中で多孔質材料を通過する。スクラバは、燃料電池又は電解電池の電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含むので、スクラバは、燃料電池又は電解電池の電極層にある三相境界にしたがって、電解質材料と、電極材料と、ガス／液体とで形成された三相境界を備える構造を備える。
【００３５】
同様又は同一の構造により、不純物は、燃料電池又は電解電池に入る前に、スクラバ材料に堆積することになり、すなわち、電池を不純物に対してより回復力に富むものにする必要がある。これによって、引き換えに、電池の耐久性を犠牲にすることなく、電池材料に関するより多くの自由度が認められる。
【００３６】
好ましい一実施形態では、第１の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバは第１の電極と同じ材料を含み、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバは第２の電極と同じ材料を含む。
【００３７】
スクラバ材料が同一の三相境界部位を、すなわち、個々の電極と同じ材料を含むか、或いはスクラバ材料が、「耐性がより低い（ｌｅｓｓ  ｔｏｌｅｒａｎｔ）」、すなわち実際の電極よりも不純物に対する反応性がより高いものさえある三相境界部位を含むことが、最も好ましい。
【００３８】
酸化剤ガス／液体流、例えば、空気又はＯ２の場合、電池の種類及び所望の用途に応じて、当業者に知られている共通の材料が用いられてもよい。本発明のより好ましい実施形態では、スクラバの具体的な材料は、個々の電極に使用される材料に応じて決まる。任意の可能な材料は、電極と同じ構造を、すなわち同じ三相構造を形成するスクラバである。したがって、スクラバの材料の選択は、主に、電極に使用される材料に応じて変わる。
【００３９】
適切な材料のより具体的な例としては、その用途を燃料ガス／液体流の清浄化に限定することなく、Ｈ２／Ｈ２Ｏ、ＣＯ／ＣＯ２、ＣＨ４が挙げられる。
【００４０】
燃料ガス／液体流のためのスクラバの活性材料は、一般に、電池の種類及び電極のタイプに応じて、当該分野で知られている任意の材料であってもよい。より好ましい材料としては、Ａｌ、Ｂａ、Ｂｉ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｇｄ、Ｌａ、Ｍｎ、Ｍｍ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｉ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｙ、Ｚｎ、及び／又はＺｒ、並びにそれらの合金が挙げられる。
【００４１】
本発明の方法の更なる好ましい実施形態では、燃料電池若しくは電解電池の第１の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバ及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバは、第１及び／又は第２の電極の動作温度と同じ温度で、若しくはわずかに低い温度で動作する。このことによって、スクラバに含まれる材料が、燃料電池又は電解電池の電極材料と同じ化学的及び電気化学的挙動を示すので、ガス／液体流の最適な浄化が担保される。
【００４２】
本発明は更に、
第１の電極、
電解質、及び
第２電極を備える、燃料電池又は電解電池と、
第１の電極に向かうガス／液体入口と、
第２の電極に向かうガス／液体入口と、
第１の電極のガス／液体入口に位置する少なくとも１つのスクラバを備える浄化手段、及び／又は第１の電極のガス／液体入口に位置する少なくとも１つのスクラバを備える浄化手段とを備え、
第１の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバ、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含み、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料が、少なくとも１つのスクラバを用いてガス／液体流が浄化される電極の三相境界と類似するか又は同一である三相境界を形成し、
但し、燃料電池又は電解電池が固体酸化物電池ではない、燃料電池又は電解電池中のガス／液体流を浄化するシステムを提供する。
【００４３】
本発明の方法に関して上述したように、具体的な特定の不純物に対して微調整する必要なしに、活性の三相境界部位を閉塞することによって、燃料電池又は電解電池の劣化を引き起こすすべての重大な不純物に関して、システムのガス／液体流中にあるスクラバがガス／液体を浄化することが有利である。したがって、単一のスクラバ、すなわち本発明によるスクラバを使用することで、ガス／液体流のすべての不純物を有効に浄化することができ、このことは、空間及び重量に関する要件の点でシステムを最小限に抑えるという今日の要望においても有益である。
【００４４】
更に、スクラバは、燃料電池又は電解電池の一部を形成することなく、ガス／液体流中の燃料電池又は電解電池システムに取り付けられ、したがって、必要な場合に、電池スタックそれ自体を取り扱う必要なしに簡単に交換することができる。したがって、スクラバの浄化効率が所望の最小限を下回るまで減少した場合、スクラバの単純な交換を時間効率的な手法で実施することができ、それによって電池の寿命が延びると共に、システムの安価な部品の交換が提示されて、システム全体がよりコスト効率的になる。
【００４５】
好ましい一実施形態では、第１の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバは第１の電極と同じ材料を含み、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバは第２の電極と同じ材料を含む。
【００４６】
スクラバ材料が同一の三相境界部位を、すなわち、個々の電極と同じ材料を含むか、或いはスクラバ材料が、「耐性がより低い」、すなわち実際の電極よりも不純物に対する反応性がより高いものでさえある三相境界を含むことが、最も好ましい。
【００４７】
好ましい材料に関しては、本発明の方法に関して上述したのと同じ材料が、システムにも使用されることが好ましい。
【００４８】
本発明の方法及びシステムを用いて、燃料電池又は電解電池の電気化学的に活性の部位における不純物を、電池の電極に向かうガス／液体流から効率的に除去することができ、結果として、長時間にわたって延びた寿命及び向上した性能を有する燃料電池又は電解電池が得られることが有利である。
【００４９】
本発明の方法は、単純で非常に効率的なやり方で、固体電気化学デバイスの粒界及び反応性電極部位の不純物を不動化及び除去がもたらされて、プロセスがよりコスト効率的になる一方で、従来技術の燃料電池又は電解電池に比べて改善された燃料電池又は電解電池の寿命が可能になり、従来技術に比べて不純物の除去に要する空間及び重量の低減が可能になることが有利である。
【００５０】
本発明はまた、燃料電池若しくは電解電池の第１及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流に使用される、第１及び／又は第２の電極に向かうガス／液体流を浄化するためのスクラバであって、
第１の電極の入口側でガス／液体中にあるスクラバ、及び／又は第２の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバが、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含む、スクラバに関する。
【００５１】
最後に、本発明は、電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含む組成物の、燃料電池又は電解電池中のガス／液体流を浄化するために適したスクラバとしての使用に関する。
【００５２】
電解質材料として適した材料及び電極材料として適した材料を含む組成物は、電極に向かうガス／液体と共に三相境界を形成することが有利である。材料が個々の電極に使用される材料と類似しているか、又はより好ましい場合では、材料が個々の電極に使用される材料と同一であるとき、形成された三相境界は、電極自体に形成される三相境界と類似しているか、又は更には同一である。三相境界が形成された実際の電極の個々の部位にとって不利益である、ガス／液体流に含まれるあらゆる不純物は、このようにして、上述の組成物を用いたスクラバの部位に既に引きつけられており、電極に入る前にガス／液体流から効率的に除去され、超時間にわたって延びた寿命及び向上した性能を有する燃料電池又は電解電池が得られる。
【００５３】
第１の電極の入口側でガス／液体流中にある少なくとも１つのスクラバは、第１の電極の電解質材料及び電極材料として使用されるのと同じ材料を含むことが好ましい。また、第２の電極の入口側でガス／液体流中にあるスクラバは、第２の電極の電解質材料及び電極材料として使用されるのと同じ材料を含むことが好ましい。
【国際調査報告】
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