(57)【要約】特に燃料電池では排気ガスは主として二酸化炭素を含有し、そのほかにメタノールも含有している。本発明によれば、二酸化炭素−メタノールガス混合物は多孔性材料を通って案内され、逆流の水により洗浄される。付属装置にはガス洗浄器（２０，３０）が存在する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主として二酸化炭素を含有し、そのほかに燃料も含有している排気ガス、特に燃料電池のアノード排気ガスから燃料を分離する方法において、二酸化炭素−燃料混合物を有する排気ガスが多孔性材料を通って案内され、ポンプにより水が逆流で供給され、この水が二酸化炭素−燃料混合物の燃料をほぼ全部吸収することを特徴とする排気ガスから燃料を分離する方法。
【請求項２】
燃料がメタノールであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
排気ガスがアノード排気ガスであり、カソードでカソード排気ガス冷却器が使用されるメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）に適用され、水として、カソード排気ガス冷却器で生成する水の一部が用いられ、この水がアノード回路に供給されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
垂直流で動作することを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
水平流で動作することを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
流体を交換するためのガス洗浄器（２０，３０）を備え、このガス洗浄器（２０，３０）によってガス相と液体とをそれぞれ変換する請求項１乃至５の１つに記載の方法を実施するための装置。
【請求項７】
ガス洗浄器（２０）が充填材で充満された鋼管（２１）から成る垂直式装置であることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
ガス洗浄器（３０）が、互いに向かい合ってずらされて中断されているないしは開放されている垂直に配置された薄片（３２）を有することを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項９】
ガス洗浄器（３０）内に水平に配置された薄片がいずれもずらされて中断されているないしは開放されていることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項１０】
ガス洗浄器（３０）がそれぞれずらされて互いに向かい合って配置された孔明き金属薄板及び／又は金網から成ることを特徴とする請求項６記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、主として二酸化炭素を含有し、そのほかに燃料も含有している排気ガス、特に燃料電池のアノード排気ガスから燃料を分離する方法に関する。また、本発明は本発明による方法を実施するための手段を有する付属装置にも関する。本発明において燃料は特にメタノールであるが、必ずしもそれに限定されない。特にメタノールはメタノール濃度に応じてメタノールと水との混合物として液化可能である。
【０００２】
燃料電池は液状もしくはガス状の燃料により作動される。燃料電池が水素により動作する場合、液状燃料からガス状水素を発生させるための水素インフラもしくは改質器が必要である。液状燃料は例えばガソリン、エタノールもしくはメタノールである。これに対して、いわゆるＤＭＦＣ（“Ｄｉｒｅｃｔ　Ｍｅｔｈａｎｏｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ”＝直接メタノール型燃料電池）は燃料としてのメタノール（ＣＨ３ＯＨ）により直接動作する。ＤＭＦＣの機能および状態は“ＶＩＫ報告”２１４号、１９９９年１１月発行、ｐ５５〜６２に詳細に記載されている。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）のアノードにおける排気ガスはアノード反応により生成する二酸化炭素である。８０℃以上というＤＭＦＣの通常の作動温度では、この排気ガスはメタノール濃度に相当する割合のメタノールと水を有する。このメタノールがアノード排気ガスによって燃料電池装置から放出される場合、燃料利用が減少する。従って、ＤＭＦＣのアノード回路からアノード排気ガスを分離する前にこの液体−ガス混合物が冷却され、液体とガスとが分離される、ないしは飽和で遊離した二酸化炭素がガス分離器により液体から除去される。その際、ここでも温度が低い場合に排気ガス中に、アノード液体における圧力、温度およびメタノール濃度に相当するメタノール分圧が生じる。
【０００４】
メタノールの体積割合は４０℃の温度および周囲圧力の際にも、このメタノール割合がガソリンエンジン自動車の炭化水素排出の許容限界値を著しく超えるほど高い。このため、排気ガスからメタノールをできる限り十分に回収する方法が必要である。
【０００５】
アノード排気ガスがカソード排気ガスと混合される場合には、メタノール排出を少なくとも見かけ上は減少させることができる。ガス流を著しく拡大することにより、メタノール割合は全体積に対して相対的に小さくなる。ただし、メタノール絶対量は一定に保たれる。
【０００６】
従って、本発明の課題は、排気ガス中のメタノール絶対量を減少させる方法を提案し、付属装置を提供することにある。
【０００７】
本発明によれば、この課題は請求項１の特徴事項により解決される。本発明による方法を実施するための手段を備えた付属装置は請求項６の対象である。本発明による方法ないしはこれに関する装置の実施態様については従属請求項に記載されている。
【０００８】
本発明では、二酸化炭素−燃料混合物を有する排気ガスが多孔性材料を通って案内され、ポンプにより水が逆流で供給され、この水が二酸化炭素−燃料混合物の燃料をほぼ全部吸収する。アノード液体の冷却が生じ、それによって燃料の排除が減少する。
【０００９】
残留ガス中に含まれている燃料残留成分を回収し、再びプロセスに供給するために、熱交換器およびガス洗浄器が存在するような燃料電池もすでに西独特許第３８１２８１２号明細書から公知である。これは排気ガス中の二成分混合物を処理するものであり、反応水が輸送液体として用いられる。これに対し、本発明ではＣＯ２とメタノール蒸気とを逆流の水により処理する三成分混合物が処理され、その結果ＣＯ２が純粋排気ガスとして生成するだけでなく、液状メタノールおよび水が液体混合物として生成する。しかし、この混合物はＤＭＦＣ用の燃料−電解質混合物である。
【００１０】
本発明の別の詳細および利点は以下の実施例の図面の説明から明らかになる。
【００１１】
燃料としてメタノールが使用されるＤＭＦＣに基づいて本発明を詳細に記述する。図１には後続の配量ポンプ２および加熱器３を備えたメタノールタンク１が示されており、これらの配量ポンプ２および加熱器３を通って燃料である液状メタノールが燃料電池ユニット１０へ到達する。燃料電池ユニット１０は変形されて直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）として実現されており、主としてアノード１１、膜１２およびカソード１３により表されている。アノード部分には冷却器４、ＣＯ２分離器５、精留ユニット６およびメタノールセンサ７が付設されている。
【００１２】
カソード側には空気用圧縮機１４、カソード液体用の冷却器ないしは水分離器１５およびＣＯ２センサ１６が存在する。そのほかに、装置の作動のために燃料電池ユニット１０の制御および調節ユニット２５ならびに最適にはインバータ２６が存在する。
【００１３】
燃料電池ユニット１０は、専門的には“スタック”と呼ばれる燃料電池積層体の個々のユニットを形成している燃料電池装置の一部である。これによって、図１による周辺装置にはなんら変更がなされない。
【００１４】
図１には個々のユニットの作動温度が示されている。アノード回路では４０〜８０℃の範囲の温度が生じ、一方カソード回路では温度は４０℃以下であり、冷却器ないしは水分離器１５の後では約２０℃である。
【００１５】
ＤＭＦＣ燃料電池の作動の際にはアノード側で以下のことが観察されねばならない。すなわち、スタックを離れた後のアノード液体の冷却はメタノールの排除を減少させる。ただし、ＣＯ２分離器５の温度低下は二酸化炭素濃度の上昇を引き起こす。というのは、二酸化炭素は温度が低い場合、水中に溶解しやすくなるからである。このため、さらにスタックにおける温度勾配が大きくなりすぎないようにするためにスタック前でアノード液体を熱交換器により加熱する必要がある。
【００１６】
スタックのアノード出口の後ろにある事前圧力調節器の直後で二酸化炭素の分離を行うほうがはるかに有利である。温度が比較的高い場合、水中への二酸化炭素の溶解性は低下するので、アノード液体における二酸化炭素濃度は低下する。従って、この場合、気泡の形成はスタック内ではやや遅れて生じる。
【００１７】
ＣＯ２分離器５から排出される排気ガスの二酸化炭素中のメタノールの割合が高いことが欠点である。
【００１８】
次に、この二酸化炭素−メタノールガス混合物が逆流で流体貫流管を通って案内され、カソード排気ガス冷却器において生成する水の一部がポンプにより案内されると、この水がメタノールをほぼ全部吸収する。この水はアノード回路に供給される。この結果、アノード回路では二酸化炭素濃度が僅かに上昇するが、メタノールは十分定量的に回収される。この種のガス洗浄器の作動には管が直立式構造であると有利である。
【００１９】
図２にはこの種の装置が示されている。ガス洗浄器２０は主として充填材２２で充満されている垂直に配置された鋼管２１から成る。配管２３を介して水は上からガス洗浄器２０を通って洗浄され、一方二酸化炭素を含有するメタノール蒸気は別の配管２４を通って下から供給される。ガス洗浄の結果として鋼管２１の下部出口２７で水とメタノールとが搬出され、一方鋼管２１の上部出口２８ではＣＯ２が排出される。
【００２０】
図２による装置は公知のガス洗浄器の通常の構成と同じである。しかし、この構造方式は燃料電池、特にＤＭＦＣで所望されるコンパクトな構造に反している。ガス洗浄器のよりふさわしい水平構造が図３に示されている。
【００２１】
図３では水平に配置されたガス洗浄器３１は一方側に水の供給管３３および二酸化炭素を含有するメタノール蒸気の供給管３４を有する。その結果として、メタノールを含有する水が排出管３７を通って排出され、プロセスへ戻され、一方ＣＯ２はタンク３１の他方側にある排出管３８を通って排出される。
【００２２】
図３におけるガス洗浄器３０は垂直に配置された薄片３２を有する水平に配置されたタンク３１から成る。垂直に配置された薄片３２はいずれもずらされて中断されているないしは開放されているので、ガス相と液体の強烈な交換を行うことができる。このようにして水平配置の場合でも精留が達成される。費用の安い構造方式にするにはずらされて配置された孔明き金属薄板もしくは金網も適用可能であり、あるいは両者を併用することもできる。
【００２３】
従って、図２および３は、液体と蒸気との分離および水とは逆流するガスに精留を適用する有用な例を示している。これらによって、液状燃料により作動される燃料電池に本発明による装置を利用することが可能になる。特に直接メタノール型燃料電池の作動を改善することができる。
【００２４】
燃料としてのメタノールにより作動されるＤＭＦＣに基づいて上述した水−燃料混合物から二酸化炭素を分離するという問題解決法はその他の燃料により作動される燃料電池にも転用可能である。重要なことは、燃料としてメタノール−水混合物を用いたＤＭＦＣに適用する場合、三成分すなわち二酸化炭素（ＣＯ２），メタノール（ＣＨ３ＯＨ）および水（Ｈ２Ｏ）を別々の成分として処理することである。この場合、排気ガスの蒸気状メタノールが水との混合物としての液体メタノールへ移行すると有利である。後者の混合物は燃料−電解質混合物としてアノード回路に直接供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池を作動させるための装置構成要素の機能ブロック図
【図２】図１で使用されているガス洗浄器の第１の実施例を示す概略図
【図３】図１で使用されているガス洗浄器の第２の実施例を示す概略図
【符号の説明】
１　　メタノールタンク
２　　配量ポンプ
４　　冷却器
５　　ＣＯ２分離器
６　　精留ユニット
８　　メタノールセンサ
１０　燃料電池ユニット
１１　アノード
１２　膜
１３　カソード
２１　鋼管
２６　インバータ
３０　ガス洗浄器
３１　タンク
３２　薄片
３３　供給管
３４　供給管
３７　排出管
３８　排出管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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