(57)【要約】【課題】  白金の如き触媒に吸着した一酸化炭素を選択的に酸化するとともに、空気供給手段を用いることなく理想的な酸化反応によって一酸化炭素を除去する。【解決手段】  一酸化炭素除去装置１に供給された水素及び微量の一酸化炭素のうち、一酸化炭素は触媒層２に含まれる一酸化炭素吸着体６に吸着する。水の電気分解によって生成した酸素は、酸素吸着体５に吸着する。酸素吸着体５と一酸化炭素吸着体６とは近接していることから一酸化炭素に吸着された一酸化炭素が選択的に酸化される。【選択図】  図１
2005032605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体部と、
前記媒体部に配置されて酸素を選択的に吸着する酸素吸着体と、
前記酸素吸着体と近接するように前記媒体部に配置されて一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着体とを備えること
を特徴とする一酸化炭素除去装置。
【請求項２】
前記酸素は、水を電気分解することによって生成されること
を特徴とする請求項１記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項３】
前記酸素吸着体はルテニウムを主たる材料とすること
を特徴とする請求項１記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項４】
前記一酸化炭素吸着体は白金を主たる材料とすること
を特徴とする請求項１記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項５】
酸素を選択的に吸着する酸素吸着体と、一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着体とが近接するように配置される第１の媒体部と、
電解質膜と、
前記第１の媒体部との間で前記電解質膜を挟持する第２の媒体部とを備えること
を特徴とする一酸化炭素除去装置。
【請求項６】
前記第１の媒体部は、前記第２の媒体部に比べて電位が高いこと
を特徴とする請求項５記載の一酸化炭素除去装置。
【請求項７】
媒体部と、前記媒体部に配置されて酸素を選択的に吸着する酸素吸着体と、前記酸素吸着体と近接するように前記媒体部に配置されて一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着体とを備える一酸化炭素除去装置と、
前記一酸化炭素除去装置を介して燃料が供給される燃料電池とを備えること
を特徴とする燃料電池装置。
【請求項８】
第１の媒体部と、前記第１の媒体部に配置されて酸素を選択的に吸着する酸素吸着体と、前記酸素吸着体と近接するように前記第１の媒体部に配置されて一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着体と、電解質膜と、前記第１の媒体部との間で前記電解質膜を挟持する第２の媒体部とを備える燃料電池であって、
前記第１の媒体部と前記第２の媒体部との電位差を時分割で切り替えることによって燃料に含まれる一酸化炭素を除去すること
を特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料に含まれる一酸化炭素を選択的に除去して発電を行うことができる燃料電池に関する。さらに詳しくは水を分解することによって生成された酸素を用いて燃料に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化することができる一酸化炭素除去装置、及びこれを備える燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極に燃料を供給し、空気極に酸化剤とされる酸素を含む空気を供給することにより発電を行う発電装置であり、発電により生成される生成物が水であることから環境を汚染することがない発電装置として近年注目されている。
【０００３】
このような燃料電池においては、燃料電池で発電する際の燃料として直接水素ガスを用いる場合だけでなく、メタノール、メタン、或いはプロパンの如き炭化水素を改質して取り出された水素ガスを燃料として発電を行う発電方法も知られている。例えば、メタノールに水蒸気を加えて水素ガスを取りだす水蒸気改質においては、式（１）の如き化学反応によって、メタノールから水素ガスが取り出される。
【０００４】
【化１】
2005032605.tif 000003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料を改質して水素ガスを取り出す際には、通常、微量の一酸化炭素が発生する。一酸化炭素が燃料電池に供給された場合には、この一酸化炭素は触媒層に含まれる触媒として通常用いられている白金に吸着することによって白金の触媒活性を低下させる。このような一酸化炭素による触媒活性の低下は触媒被毒と呼ばれ、従来から燃料電池の発電効率を高めるためには改善すべき重要な問題となっていた。
【０００６】
具体的には、水蒸気改質によって水素ガスを取り出す際には、化学式（１）で示す化学反応とともに水素ガス中に数百から数千ｐｐｍの一酸化炭素が含まれることとなり、この一酸化炭素を全て除去するためには、化学式（２）に示す化学反応によって一酸化炭素と酸素（酸素）を反応させることが重要となる。例えば、改質によって生成された水素ガスに含まれる一酸化炭素が３０００ｐｐｍである場合、一酸化炭素の体積比率は０．３ｖｏｌ％であり、この一酸化炭素を化学式（２）で示す化学反応によって酸化するための理想酸素量は０．１５ｖｏｌ％となる。
【０００７】
【化２】
2005032605.tif 000004
【０００８】
ところが、一酸化炭素は水素ガスと同時に生成されることから、一酸化炭素を酸化する際には通常水素ガスも酸化されることとなり、酸素量を制御して化学式（２）に示す理想的な酸化反応によって一酸化炭素を選択的に酸化することは従来から困難であった。
【０００９】
さらに、上述した一酸化炭素を酸化するための酸素を供給するためにエアコンプレッサやポンプの如き空気供給手段を用いた場合には、この空気供給手段を駆動するための駆動電力が必要となるとともに、空気供給手段を設けるためのスペースを燃料電池に確保する必要が生じる場合がある。さらに、このような空気供給手段の体積、重量、駆動時の振動及び騒音などの弊害も生じることとなる。
【００１０】
したがって、本発明は上述した問題点を鑑みてなされたものであり、白金の如き触媒に吸着した一酸化炭素を選択的に酸化するとともに、空気供給手段を用いることなく理想的な酸化反応によって一酸化炭素を除去することができる一酸化炭素除去装置、燃料電池及び燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明にかかる一酸化炭素除去装置は、媒体部と、前記媒体部に配置されて酸素を選択的に吸着する酸素吸着体と、前記酸素吸着体と近接するように前記媒体部に配置されて一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着体とを備えることを特徴とする。本発明にかかる一酸化炭素除去装置によれば、燃料に含まれる水素が酸化される前に一酸化炭素吸着体に吸着した一酸化炭素と酸素吸着体に吸着した酸素とが素早く反応する程度の距離をおいて酸素吸着体と一酸化炭素吸着体とが近接して配置されている。これにより、酸素を用いて一酸化炭素を酸化することができ、理想的な化学反応によって一酸化炭素を除去することができる。さらに、酸素を吸着する酸素吸着体と一酸化炭素を吸着する一酸化炭素が近接していることから、一酸化炭素を選択的に酸化することが可能となる。したがって、理想的な化学反応によって一酸化炭素を除去することができるうえ、エアコンプレッサやポンプの如き空気供給手段を用いて酸素を供給する電力に比べて格段に小さい電力で一酸化炭素を除去することができる。さらに、空気供給手段を用いた場合の各種弊害を生じることもない。また、酸素吸着体に吸着する酸素は、水を電気分解して生成されたものでも良く、生成される酸素量を精度良く制御することができる。
【００１２】
本発明にかかる一酸化炭素除去装置は、酸素を選択的に吸着する酸素吸着体と、一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着体とが近接するように配置される第１の媒体部と、電解質膜と、前記第１の媒体部との間で前記電解質膜を挟持する第２の媒体部とを備えることを特徴とする。酸素が吸着する酸素吸着体と、一酸化炭素が吸着する一酸化炭素吸着体とが燃料に含まれる水素が酸化される前に一酸化炭素吸着体に吸着した一酸化炭素と酸素吸着体に吸着した酸素とが即座に反応する程度の距離をおいて酸素吸着体と一酸化炭素吸着体とが近接して配置されている。さらに、これら酸素吸着体及び一酸化炭素吸着体を含む第１の媒体部で酸素を生成することができるうえ、生成量が正確に制御された酸素を用いることによって理想的な化学反応に近い状態で一酸化炭素を酸化することができる。
【００１３】
本発明にかかる燃料電池装置は、媒体部と、前記媒体部に配置されて酸素を選択的に吸着する酸素吸着体と、前記酸素吸着体と近接するように前記媒体部に配置されて一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着体とを備える一酸化炭素除去装置と、前記一酸化炭素除去装置を介して燃料が供給される燃料電池とを備えることを特徴とする。本発明にかかる燃料電池装置によれば、一酸化炭素を殆ど含まない燃料を燃料電池に供給することができることから触媒被毒を殆ど生じることがなく、効率良く発電を行うことができる。
【００１４】
本発明にかかる燃料電池は、第１の媒体部と、前記第１の媒体部に配置されて酸素を選択的に吸着する酸素吸着体と、前記酸素吸着体と近接するように前記第１の媒体部に配置されて一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着体と、電解質膜と、前記第１の媒体部との間で前記電解質膜を挟持する第２の媒体部とを備える燃料電池であって、前記第１の媒体部と前記第２の媒体部との電位差を時分割で切り替えることによって燃料に含まれる一酸化炭素を除去することを特徴とする。本発明にかかる燃料電池によれば、発電と、燃料に含まれる一酸化炭素の除去という２つの機能を燃料電池に付与することができ、小型、且つ発電効率が良好な燃料電池を提供することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる一酸化炭素除去装置によれば、燃料に含まれる一酸化炭素を選択的に酸化して除去することが可能となる。さらに、理想的な化学反応によって一酸化炭素を除去することができるうえ、エアコンプレッサやポンプの如き空気供給手段を用いて酸素を供給する電力に比べて格段に小さい電力で一酸化炭素を除去することができる。
【００１６】
本発明にかかる燃料電池装置によれば、一酸化炭素を殆ど含まない燃料を燃料電池に供給することができることから触媒被毒を殆ど生じることがなく、効率良く発電を行うことができる。さらに、本発明にかかる燃料電池によれば、発電と、燃料に含まれる一酸化炭素の除去という２つの機能を燃料電池に付与することができ、小型、且つ発電効率が良好な燃料電池を提供することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明にかかる一酸化炭素除去装置、燃料電池装置、及び燃料電池について説明する。
【００１８】
図１は、本発明にかかる一酸化炭素除去装置の断面を模式的に示した模式図である。本発明にかかる一酸化炭素除去装置は、触媒層２と、触媒層２と電解質膜３を挟持する触媒層４から構成されている。
【００１９】
触媒層２は電解質膜３に接する媒体部であり、酸素を吸着する酸素吸着体５及び一酸化炭素を吸着する一酸化炭素吸着体６を備える。酸素吸着体５及び一酸化炭素吸着体６は触媒層２中で近接するように配置されており、図１に模式的に示すように触媒層２と電解質膜３との界面付近においても近接して配置されている。触媒層２中で酸素吸着体５及び一酸化炭素吸着体６を近接して配置するためには、酸素吸着体５及び一酸化炭素吸着体６を形成する主たる材料を触媒層２を形成する材料に混合して所要の形状に成膜すれば良い。また、触媒層２に酸素吸着体５及び一酸化炭素吸着体６を形成する主たる材料を所定の分布で配置されるように体積させても良い。また、触媒層２に直接酸素吸着体５及び一酸化炭素吸着体６を埋め込むこともできる。なお、触媒層２は所要量の水を含んでいる。また、本明細書において、酸素吸着体５と一酸化炭素吸着体６とが近接して配置されるものとは、燃料に含まれる水素が酸化される前に一酸化炭素吸着体に吸着した一酸化炭素と酸素吸着体に吸着した酸素とが素早く反応する程度の距離のことである。
【００２０】
酸素吸着体５はルテニウムを主たる材料として形成することができ、一酸化炭素吸着体６は白金を主たる材料として形成することができる。ルテニウムや白金で酸素吸着体５及び一酸化炭素吸着体６を形成する際には、ルテニウムや白金の合金微粒子をカーボンブラックに混合して担持することにより、これらルテニウムや白金を近接して配置することができる。
【００２１】
電解質膜３は、水素イオンを伝導させることができ、例えば、プロトン交換膜（ＰＥＭ：Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を用いることができる。また、電解質膜３は水素イオンを伝導させるものに限定されず、酸素イオンを伝導させる電解質膜を用いることもできる。また、電解質膜３として固体高分子型電解質膜や固体酸化物型電解質膜を用いることもでき、燃料電池の発電セルに用いられる電解質膜であれば如何なるものも用いることが可能である。
【００２２】
触媒層２，４は制御電源８に接続されており、制御電源８によって触媒層２，４の間に電位差を生じさせて触媒層２に含まれる水の電気分解を行う。触媒層２の電位が触媒層４の電位に比べて高くなるように、制御電源８の陽極を触媒層２に接続し、陰極を触媒層４に接続する。なお、水の電気分解を行う際には制御電源が触媒層２，４間に印加する電圧は１．２〜１．５Ｖ程度とされる。また、図１で制御電源８が触媒層２，４に直接接続されているが、触媒層２，４に形成された所要の電極を介して触媒層２，４と制御電源８を接続しても良い。
【００２３】
ここで、本実施形態の一酸化炭素除去装置１の動作について説明すると、燃料７が触媒２に対して供給される前後の時点で、触媒層２と触媒層４の間に制御電源８による電圧を印加して、触媒層２に含まれている水を電気分解させる。この電気分解によって、触媒層２には、酸素と水素が発生し、このうち酸素は酸素吸着体５に吸着される。水素は水素イオンとして電解質膜３中を伝導して他方の触媒層４に到達する。燃料７は、微量の不要なガスとして一酸化炭素を含んでいることがあり、このような一酸化炭素が含まれている場合であっても、本実施形態の一酸化炭素除去装置によって除去されてしまうものである。
【００２４】
すなわち、触媒層２中を拡散した一酸化炭素は一酸化炭素吸着体６に吸着し、酸素吸着体５と一酸化炭素吸着体６の間では、それぞれに吸着した酸素と一酸化炭素が反応して二酸化炭素が生成される。ここで、配置された酸素吸着体５及び一酸化炭素吸着体６は近接して配置されているので、酸素吸着体５に吸着した酸素と燃料７に含まれる水素が反応する前にこの酸素と一酸化炭素とが素早く反応することになる。
【００２５】
なお、燃料７は、メタノールの如き液体燃料であっても良く、一酸化炭素除去装置１は、ダイレクトメタノール型燃料電池に燃料を供給する際にこの液体燃料に含まれる一酸化炭素を除去することも可能である。
【００２６】
燃料に含まれる水素を酸化することなく、理想的な反応式に沿ったモル比で一酸化炭素を酸化するためには、一酸化炭素を酸化する酸素が純粋であること、一酸化炭素と酸素のモル比が２：１であること、及び燃料に含まれる水素と酸素が近接しないことが重要なポイントになる。本発明にかかる一酸化炭素除去器によれば、酸素は水の電気分解で生成されたものを用いることができ、水の電気分解を制御することによって生成される酸素量を精度良く制御することができる。さらに水の電気分解が行われる領域が酸素吸着体５及び一酸化炭素吸着体６の近傍であり、且つ酸素吸着体５及び一酸化炭素吸着体６が近接していることにより燃料に含まれる水素が酸化されることが殆どない。よって、水の電気分解によって生成された酸素によって一酸化炭素が優先的に酸化され、理想的な反応式に沿ったモル比で一酸化炭素を酸化することが可能となる。
【００２７】
また、本発明にかかる一酸化炭素除去装置１によれば、一酸化炭素を酸化するための酸素を装置外部から取り入れることがないため、装置外部とほぼ隔絶された閉鎖系内で一酸化炭素を酸化するための酸素を賄うことできる。さらに、装置外部から空気を取り入れることがないことから、窒素やその他の不純物が装置内部に侵入することを防止することができ、且つ窒素酸化物のごとき二次的な生成物が生成されることもない。
【００２８】
図２は、図１に示した一酸化炭素除去装置１を応用し、一酸化炭素が除去された燃料を燃料電池に供給することができる燃料電池装置９の構成図である。燃料電池装置９は、一酸化炭素除去装置１と略同様の構成を備える一酸化炭素除去装置１０及び燃料電池２０から構成される。
【００２９】
一酸化炭素除去装置１０は、一酸化炭素を含む水素の如き燃料が触媒層１２に供給された状態で、制御電源１８によって触媒層１２の電位が触媒層１４の電位に比べて高くなるように電圧が印加される。電解質膜１３は、触媒層１４と触媒層１２によって挟持されている。触媒層１２には、酸素吸着体１５と一酸化炭素吸着体１６とが近接するように配置されており、水の電気分解によって生成する酸素によって一酸化炭素吸着体１６に吸着された一酸化炭素を選択的に酸化する。これにより、一酸化炭素が除去された水素が燃料電池２０の燃料極側媒体部２２に供給される。
【００３０】
燃料電池２０は電解質膜２３を燃料極側媒体部２２と酸素極側媒体部２４によって挟持してなる。一酸化炭素除去装置９から供給された燃料は、燃料極側媒体部２２に供給される。これにより、燃料電池２０は、一酸化炭素が除去された燃料によって発電を行うことができ、触媒被毒を殆ど生じることなく効率良く発電を行うことができ、電力ＯＰ１を出力する。
【００３１】
このような燃料電池装置９によれば、コンプレッサやポンプの如き空気供給手段によって燃料電池に空気を供給する場合に比べて、効率良く発電を行うことができる。メタノールを水蒸気改質して生成される水素を例に挙げて具体的に説明すると、化学式（１）に示した化学反応によって水素を生成する場合には、水素と二酸化炭素、一酸化炭素とを合わせておおよそ４モルのガスが生成される。この４モルのガスのうち、発電の燃料として用いられる水素は３モルである。
【００３２】
また、既に述べたように化学式（１）の化学反応によって０．３ｖｏｌ％の一酸化炭素が発生する。化学式（２）に従うことで一酸化炭素を酸化して一酸化炭素２を生成するための理想酸素量は０．１５ｖｏｌであり、化学式（３）に示す水の電気分解によって酸素を生成させる際に要する電力量は、式（１）に示すように水素量電荷換算で０．４ｖｏｌ％となる。
【００３３】
【数１】
2005032605.tif 000005
【００３４】
したがって、全発電量の０．４％に相当する電力を用いて水の電気分解を行うことで発電に用いられる酸素を生成することが可能となる。このような電力は、エアコンプレッサやポンプの如き空気供給手段によって空気を供給する場合に比べて格段に低い電力であり、燃料電池の発電効率を高めることが可能となる。
【００３５】
図３は、本発明にかかる燃料電池２９の構成を示す構成図である。燃料電池２９は、図１に示す一酸化炭素除去装置１と同様の構成とし、制御電源３８によって触媒層３２，３４に印加する電圧の大きさを時分割で切り替えることによって、一酸化炭素を除去する機能と、発電を行う機能の両方を備えた燃料電池とされる。このような燃料電池２９においては、触媒層３２側に形成された電極が燃料極とされ、触媒層３４側に形成された電極が酸素極とされる。
【００３６】
このような燃料電池２９においては、燃料に水素及び一酸化炭素が含まれている場合でも、制御電源３８によって酸素吸着体３５及び一酸化炭素吸着体３６が近接するように配置された触媒層３２と、触媒層３４間に電圧を１．２〜１．５Ｖ程度印加して燃料に含まれる一酸化炭素を除去することができる。続いて、触媒層３２，３４間に印加する電圧を下げ、一酸化炭素が除去された水素を用いて発電を行い、電力ＯＰ２を出力する。なお、水を電気分解して一酸化炭素を除去する際には、空気極側とされる触媒層３４で水素が生成する。このとき、水素が過剰に増大しないように水の電気分解を発電時間に比べて短時間で行うことが好ましい。なお、図２及び図３を参照しながら説明した燃料電池装置９、燃料電池２９は、ダイレクトメタノール型燃料電池であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明にかかる一酸化炭素除去装置の断面を模式的に示した模式図である。
【図２】本発明にかかる燃料電池装置の構成図である。
【図３】本発明にかかる燃料電池の構成図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  一酸化炭素除去装置
２，４  触媒層
３  電解質膜
５  酸素吸着体
６  一酸化炭素吸着体
７  燃料
８  制御電源
【図１】
2005032605.tif 000006
【図２】
2005032605.tif 000007
【図３】
2005032605.tif 000008