(57)【要約】【課題】  燃料電池のために実質的に純粋な水素を生成するための装置を提供する。【解決手段】  燃料電池のために実質的に純粋な水素を生成するための装置が使用される。本発明の装置は、少なくとも１つの炭化水素含有化合物と水とを含む出発物質を改質するための改質デバイスを具備する。さらに、本発明の装置は、改質デバイスによって生成された改質ガス流内で水性ガス転化反応を生じさせる触媒剤を含む。さらに、本発明の装置は、水素選択透過性膜により改質ガス流から水素を分離するための水素分離デバイスを具備する。水素分離デバイスは、水性ガス転化反応を生じさせる比率の触媒剤を含む。本発明によれば、改質ガス流と媒体のさらなる流れとの間で熱エネルギを交換するための熱エネルギ交換デバイスが、改質デバイスの、流れの方向に見て下流に取付けられる。熱エネルギ交換デバイスは、水性ガス転化反応を生じさせるさらなる比率の触媒剤を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のために実質的に純粋な水素を生成するための装置であって、
少なくとも１つの炭化水素含有化合物と水とを含む出発物質を改質するための改質デバイスを備え、
前記改質デバイスによって生成された改質ガス流内で水性ガス転化反応を生じさせる触媒剤を含み、
水素選択透過性の膜により、前記改質ガス流から水素を分離するための水素分離デバイスを備え、前記水素分離デバイスは、前記水性ガス転化反応を生じさせる比率の前記触媒剤を含むデバイスであって、
前記改質ガス流と媒体のさらなる流れとの間で熱エネルギを交換するための熱エネルギ交換デバイス（５）が、前記出発物質を改質するための前記改質デバイス（４）の、流れの方向に見て下流に取付けられ、前記熱エネルギ交換デバイス（５）が、前記水性ガス転化反応を生じさせるさらなる比率の前記触媒剤を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記熱エネルギ交換デバイス（５）が、前記水性ガス転化反応を生じさせる前記触媒剤で、少なくとも部分的に被覆されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記水性ガス転化反応を生じさせる比率の前記触媒剤が、前記熱エネルギ交換デバイス（５）と前記水素分離デバイス（６）との間の改質ガス側の連結部の領域内にも、配置されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の装置。
【請求項４】
前記熱エネルギ交換デバイス（５）が、主に前記改質ガスの流出領域に面する領域内、好ましくは前記流出領域に面する３分の１内に存在する、前記水性ガス転化反応を生じさせる比率の前記触媒剤を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記水素分離デバイス（６）が、複数の面状の前記水素選択透過性の前記膜（７）を有しており、該膜には、前記水性ガス転化反応を生じさせる前記触媒剤で被覆された多孔質原料が、少なくとも部分的に前記膜（７）間の、前記改質ガス側に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記多孔質原料は、同時に、前記水素選択透過性の前記膜（７）の少なくとも１つの層のための保持材料としての働きをすることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記水素選択透過性の前記膜（７）の前記層は、少なくともＰｄ及び／又は第５族の遷移元素からの元素及びその合金を含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記水性ガス転化反応を生じさせる前記触媒剤は、前記元素、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
自動車、水上輸送、または空輸車両内において、燃料電池（セルスタック２）を加熱する目的で、補助電力ユニットとして、石油またはディーゼルから実質的に純粋な水素を生成するための、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文に、より詳細に定められた種類の燃料電池のために実質的に純粋な水素を生成するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
その汎用型の装置が、特許文献１に記載されている。この装置は、改質器と、水素選択透過性膜を有する膜モジュールとを備える。膜モジュールは、改質ガスのための入口空間内に、水性ガス転化反応を生じさせる触媒を有し、いわゆる膜反応器となる。
【０００３】
この種の膜反応器は、水性ガス転化反応を膜モジュールの入口空間内に集積するという選択肢を有する。同様の構造が、特許文献２にも記載されている。
【０００４】
現在、この種の膜反応器の欠点は、水素選択性膜を生産するための、たとえばＰｄなどの現在使用可能な原料が、適切な作動状況においては非常に選択性があるものの、比較的高価なことである。したがって、最小限可能な量の膜原料を使用しなければならない。しかし、達成され得る高度な選択透過性のために、改質ガス側の入口領域内で使用可能な全空間が余りにも小さくなるので、水性ガス転化反応を生じさせる触媒を、膜反応器内に十分な量収容することができない。
【０００５】
さらに、触媒は、改質器から流出する熱い改質油によって過熱される場合があるという欠点を有する。このことにより、触媒が損傷し、水性ガス転化反応が妨げられる恐れがある。
【０００６】
一般的な先行技術の状況において、特許文献３ではまた、機械的安定度を持たせるために、実際の選択性原料が薄膜として多孔質の保持材料に適用されるような膜の構造について記載している。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２０６８７１０Ａ号公報
【特許文献２】米国特許第５，５２５，３２２号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４９８，２７８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、請求項１の前文に従って、上述の欠点を回避し、最小限の空間しか必要とせず、可能な最小限のコストで、使用される出発物質の単位体積あたりに対し、多量の実質的に純粋な水素を提供できるようにする装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴部分に列挙された特徴によって達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
改質ガス流と媒体のさらなる流れとの間で、熱エネルギを交換するためのデバイス（熱エネルギ交換デバイスということもある）は、出発物質を改質するためのデバイス（改質デバイスということもある）の、流れの方向に見て下流に取付けられる。このような熱エネルギを交換するためのデバイスは、上記改質デバイスから出てきた時の非常に高い出発温度から、水素を分離するためのデバイス（水素分離デバイスということもある）を操作するのに適した温度に、改質ガス流を冷却することを特に担当する。一般に水素分離デバイスを操作するのに適した温度レベルは、この場合、この反応を生じさせる触媒剤を使って水性ガス転化反応を操作するのにも適している。
【００１１】
媒体のさらなる流れに放たれる熱エネルギは、一般に、実質的に純粋な水素を生成するための装置を利するものであるが、この理由は、たとえば媒体のさらなる流れが、少なくともある比率の出発物質を、予熱し、気化させ、及び／又は過熱するからであり、または媒体のさらなる流れが、たとえば触媒を燃焼させるためのたとえば供給される流れの１つであり、これにより、その装置を動作させるための熱エネルギを提供するからである。
【００１２】
ここで、水性ガス転化反応を生じさせる触媒手段は、その一部が水素分離デバイス内に、及びその一部が熱エネルギ交換デバイス内に取付けられる。水性ガス転化反応に適した温度レベルが、水素分離デバイス内と、熱エネルギ交換デバイス（の少なくとも出口側の部分）内との両方に渡り、したがって、このような性質を有する構造により、水性ガス転化反応のための非常に好ましい状況を得ることが可能となる。
【００１３】
本発明による装置により、従来の構造に必要な、独立した水性ガス転化段階のための空間が節約できることが特に有利である。本発明による装置は、純粋な膜反応器を使用した場合に比べて、２つの非常に重要な利点を有する。熱エネルギ交換デバイスを使用することにより、出発物質を改質するための改質デバイスをこれに応じた高い温度で操作できるという可能性が生まれる。このことにより、出発物質を改質するための改質デバイスの作動条件に大きな変動が生じ、水素分離デバイス内で、その出口温度を水性ガス転化反応または水素の透過に適するものにする必要が必ずしもない。これは、熱エネルギ交換デバイスにより、高可変性及び高温、したがってそれに応じた改質デバイスの領域から来る水素の高収量にもかかわらず、一方では水性ガス転化反応に、他方では水素の透過に適した温度レベルが可能となるからである。
【００１４】
さらなる利点として、熱エネルギ交換デバイスの少なくとも一部と水素分離デバイスとの間で、水性ガス転化反応を生じさせるのに必要な触媒剤を分割することがある。水素分離デバイスの領域内に水性ガス転化反応を生じさせるのに必要なすべての触媒剤を含む純粋な膜反応器と比べて、これにより、水素分離デバイスを非常に小型化することができるので、所望量の水素を生産するために絶対に必要な表面積の水素選択透過性の膜しか必要としないという利点を有する。たとえばＰｄ及び／又は第５族の遷移元素に属する元素及びその合金などの、非常に水素選択透過性のある原料は比較的高価であるので、水素分離デバイス内の空間を簡単に節約できることに加えて、原料コストを相当に節約することも同時に可能となる。
【００１５】
しかし、この種の原料は余りにも選択性があるので、コスト及び設置空間に関して最適化された、この種の水素分離デバイス内で使用可能な、水素ガス転化反応を生じさせる触媒剤が、これに応じたガス量に対して十分ではないために、熱エネルギ交換デバイスの領域内に配置された、さらなる比率の触媒剤により、十分な量の物質を水性ガス転化反応によって確実に変換することができる。
【００１６】
したがって、本発明による装置は、燃料電池のために実質的に純粋な水素を生成するための、非常に簡単で、好ましく、効率的で、非常に小型の装置である。
【００１７】
請求項９に記載されている特徴が、本発明による装置の特に好ましい使用方法を表している。上記の記述により、本明細書において作られる装置は、達成されるべき水素収量に関して最小限の空間しか必要としないことが明らかである。したがって、本発明による装置は、前記使用方法に特に適している。何故なら、この場合においても、特に補助電力ユニット（ＡＰＵ）としての適用形態においても、全体の大きさが最小限で済むことにより、必要空間に関して、及び梱包に関しても、著しい利点を有する。
【００１８】
本発明のさらなる好ましい形態が、従属請求項、及び図を参照しながら、以下により詳細に説明する例示的実施形態に見いだされる。
【００１９】
唯一の添付図に非常に概略的に表された燃料電池システム１は、特に複数のＰＥＭ燃料電池に基づくセルスタック２を含む。さらに、燃料電池システム１は、セルスタック２を操作するために、実質的に純粋な水素を生成するための、非常に概略的に表された装置３を具備する。装置３はまた、非常に概略的に表された、３つの主要な構成部品に再分割される。
【００２０】
第１の構成部品は、たとえばオートサーマル改質器として、または水蒸気改質器として設計される場合のある、出発物質を改質するための改質デバイス４である。本明細書に示されている例示的実施形態によれば、液体炭化水素または炭化水素誘導体、特に石油、ディーゼル、またはメタノールから出発し、水と共に、しかるべき場合にはさらなる出発物質として空気と共に出発する、このような改質器（改質デバイス）４は、水素含有ガスを生成する。改質する種類により、この水素含有改質ガスは、５００〜９００℃の範囲の比較的高い温度で改質デバイス４を出る。次いで、改質ガス流は、この改質ガス流と媒体のさらなる流れとの間で熱エネルギを交換するためのデバイス５内に流れ込む。たとえばプレート式熱交換器として設計される場合のある、熱エネルギ交換デバイスの領域内で、媒体のさらなる流れにより、改質ガス流が、約３５０〜４５０℃の温度レベルに冷却される。その結果、媒体のさらなる流れが加熱される。これは、装置３においては、他の目的にも使用され得るので、改質ガス流から媒体のさらなる流れに移行した熱エネルギは、装置３のために利用され得る。このため、媒体のさらなる流れは、たとえば、熱エネルギ交換デバイス５の領域内で、加熱され、気化し、及び／又は過熱された、改質用の出発物質の流れであり得る。しかし、媒体のさらなる流れはまた、熱エネルギを得るためまたは回収するために、燃料電池の排ガス及び／又は燃料などを後燃えさせるための出発原料の一部であることも考えられる。この場合、媒体のさらなる流れが装置３内で利用されることが考えられるので、これに含まれている熱エネルギが、全面的に燃料電池システム１に使われ切ることはない。しかし、基本的に、装置３の機能が損なわれることなく、媒体のさらなる流れは冷却媒体の純粋な流れであり、必要な熱エネルギが燃料電池システム１に利用されないことも起こり得る。
【００２１】
熱エネルギ交換デバイス５内を流れた後、冷却された改質ガス流は、水素選択透過性を有し、この図に概略されている膜７により、改質ガス流から水素を分離するための水素分離デバイス６の領域内に流れ込む。膜７を透過した後、実質的に純粋となった水素は、セルスタック２の領域内に流れ込み、一方、留まっている残留ガスは、同図に概略されているライン８を介して、燃焼などのために供給され得る。
【００２２】
たとえば一酸化炭素などの不純物を百万水素粒子あたり数百粒子（ｐｐｍ）の範囲内でのみ含有する、最大限可能な収量の実質的に純粋な水素を生産するための装置３を使用するためには、改質デバイス４内の純粋な改質及び水素分離デバイス６内の改質ガス流からの水素の透過に加えて、水性ガス転化反応が起きることが適している。改質中に生産された一酸化炭素及び水から、二酸化炭素及び水素を生産するための、この種の水性ガス転化反応は既知である。
【００２３】
この種の水性ガス転化反応は、一般に、このような水性ガス転化反応を生じさせる適切な触媒剤の存在の下で行われる。これらの触媒剤は、特に、元素Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｒ、好ましくは、ＦｅＣｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、及び／又はＰｔを含む場合がある。水性ガス転化反応、特に所謂「高温転化」のために可能な温度は、約４００℃以下の範囲である。さらに、この温度は、十分に高い透過率で膜７を通って水素を確実に透過させるのに特に適しているので、水性ガス転化反応を生じさせる比率の触媒剤が、水素分離デバイス６の領域内に配置され、いわゆる膜反応器となる。
【００２４】
特に、適切な触媒活性材料で被覆された多孔体は、水素分離デバイス６の膜７間の改質ガス供給流の領域内に導入される場合があり、この多孔体は、たとえば形が面状であり、プレート式熱交換器の形式で上下に取付けられる。次いで、少なくとも一部の水性ガス転化反応が、これらの多孔質元素の領域内で起きるので、さらなる水素が水素分離デバイス６の領域内で直接生成される。先行技術についての上述の文献に記載されているように、純粋な水性ガス転化反応が行われることに加えて、膜７を透過する水素により、反応平衡状態においてこれに応じた転化が得られる。水性ガス転化反応の反応平衡状態における関連した転化により、連続した水性ガス転化反応が積極的に補佐されるので、水素収量が増加し得る。
【００２５】
本発明の特に適切な構造により、少なくとも改質ガス側で、多孔質原料、たとえば焼結金属及び／又は焼結セラミックを、膜７の少なくとも１つの選択透過性層のための機械的な支持構造体として機能する、１つ以上の層内に含むように、膜７を構築することが可能である。次いで、保持材料としての機能に加えて、これらの多孔質構造体は、同時に、水性ガス転化反応を生じさせる適切な触媒剤を含む被膜を有するので、水性ガス転化反応器と水素分離デバイス６、即ち膜反応器との間の理想的な共生が、構造的に最小限の経費で実現され得る。
【００２６】
現在使用可能な、非常に選択的であるばかりでなく、比較的高価な原料により、この種の水素分離デバイス６は非常に小型化され得るので、膜７の使用可能な表面積では、水性ガス転化反応を生じさせるのに必要な量の触媒剤を提供するのに、もはや十分ではない。したがって、水性ガス転化反応を生じさせるさらなる比率の触媒剤が、熱エネルギ交換デバイス５の領域内に提供される。少なくとも改質ガス流に対して出口側の小領域内、特に熱エネルギ交換デバイス５の出口側の３分の１内では、４５０℃以下の温度となり、この温度は、水性ガス転化触媒または転化触媒として既知である、水性ガス転化反応を生じさせるのに、この温度に応じた触媒剤を使用するのに適している。デバイス５が、たとえばプレート式熱交換器として設計される場合には、改質ガス流を導く領域、つまりこれらの領域のすべてか、または理想的にはその出口側の丁度３分の１のいずれかが、適切な転化触媒で被覆されることが可能である。この場合、水性ガス転化反応の一部が熱エネルギ変換デバイス５の領域内で既に起きている場合があるので、水素分離デバイス６においては、転化触媒、したがって構築される空間及び膜の表面積を節約することが可能である。さらに、装置３の設計により、熱エネルギ交換デバイス５と水素分離デバイス６とを連結する連結ラインが、改質ガス流に接触している表面上で、適切な転化触媒で被覆されることも可能である。
【００２７】
要するに、十分な量の転化触媒に、水素分離デバイス６内に最小限の空間及び膜の表面積の最小限の配置を可能にする構造により、使用される出発物質の単位量に対して比較的多量の水素が生成できるようになる。この水素は、水素分離デバイス６の下流にある実質的に純粋な水素であり、セルスタック２を動作するために、たとえばそれ自体既知である、デッドエンド系の操作において、またはアノードループ（アノードの出口を封鎖してループとすること）により、直接使用され得る。
【００２８】
空間及びコストに関して最適化されている装置３の構造は、たとえば、自動車、飛行機、または船、特にヨットにおいて使用されることが、特に好ましい。なぜなら、重量、必要な空間、及び梱包が、この種のシステムを使用する場合において、非常に重要な役割を果たすからである。これは、基本的に、１つの駆動デバイスとして、駆動デバイス（たとえばハイブリッドシステム）の一部として、またはこの駆動デバイスから完全に独立した補助電力ユニットとして、使用され得る。何故なら、装置３は、その大きさ（サイズ）を変えるだけで、対応する電力要求に適合され得るからである。プレート式熱交換器または反応器の形式の、上述した構造体の場合には、たとえば熱エネルギ変換デバイス５内のプレートの数及び水素分離デバイス６内の膜の数を変えることにより、このような性質の寸法変動が影響を受け得る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】概略的に表された燃料電池システムを示している。
【符号の説明】
【００３０】
１  燃料電池システム
２  セルスタック
３  装置
４  出発物質を改質するためのデバイス（改質デバイス）
５  熱エネルギを交換するためのデバイス（熱エネルギ交換デバイス）
６  改質ガス流から水素を分離するためのデバイス（水素分離デバイス）
７  膜
８  ライン
【図１】
2005060223.tif 000002