(57)【要約】特に燃料電池においては、燃料電池に存在する水‐燃料混合物から二酸化炭素を分離する必要がある。本発明によれば、分離のために燃料電池の原理に基づいて動作する分離装置が使用され、その分離装置には燃料透過性および水透過性の膜が存在する。付属装置では分離装置として使用される燃料電池ユニットが全燃料電池装置の一部である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と燃料の混合物、特に燃料電池に存在する水‐燃料混合物から二酸化炭素を分離する方法において、分離のために、アノードとカソードとを備えた燃料電池の原理に基づいて動作する分離装置が使用されることを特徴とする水と燃料との混合物から二酸化炭素を分離する方法。
【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】
メタノールが水と一緒にカソードへ供給され、アノードに二酸化炭素を含んでいる液体が残留することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
アノード液体が膜を通して案内されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
分離装置のアノードに残留し二酸化炭素を含んでいる液体がガス分離器においてガスと水とに分離されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
アノード液体が循環し、生成されたカソード液体が水‐メタノール混合物として回収されることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
【請求項７】
水‐メタノール混合物から二酸化炭素を分離するための分離装置を備え、この分離装置が燃料電池の原理に基づいて動作することを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の方法を実施するための装置。
【請求項８】
燃料電池がプロトン伝導膜を有することを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
プロトン伝導膜が１２０以下、特に１１０以下の当量を有することを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１０】
膜がポリペルフルオロアルキスルホン酸に基づく材料から成ることを特徴とする請求項８又は９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、水と燃料の混合物、特に燃料電池内に存在する水‐燃料混合物から二酸化炭素を分離する方法に関する。また、本発明は水‐燃料混合物から二酸化炭素を分離する分離装置を備えた、本発明による方法を実施するための装置にも関する。本発明では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。
【０００２】
燃料電池は液体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、液体燃料からガス状の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。液体燃料はたとえばガソリン、エタノールもしくはメタノールである。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年発行、ｐ５５〜６２に詳細に記載されている。
【０００３】
水とメタノールとの混合物から二酸化炭素を分離することは、メタノール作動型燃料電池のアノード液体の循環における重大な問題である。できるだけ高い温度で、すなわちできるだけ燃料電池の作動温度で液体メタノール‐水混合物からガス状二酸化炭素を分離する必要がある。できるだけ高い温度が望ましい。というのは、二酸化炭素の溶解性は温度が上昇するにつれて低下し、液体混合物を冷却するための費用が不必要ではあるが、装置全体の効率を低下させるからである。しかし、二酸化炭素は補助的な冷却を行わないとメタノールの高い分圧（沸点Ｔｓ＝６５℃）に起因して大量のメタノールが搬出するので、液体混合物を補助的に冷却することが必要となる。
【０００４】
従来の技術においては液体‐ガス混合物がメタノールの沸点を著しく下回るまで冷却され、二酸化炭素が活性表面で泡にされ、次に液体‐ガス混合物がタンク内で分離される。従って、ガス空間には原則的に常にそのつどの温度でメタノールの分圧および全圧力と分圧との比により与えられる量のガス状のメタノールが存在する。しかし、これによって燃料電池装置から貴重な燃料が利用されずに送出され、さらに、触媒において付加的な空気により接触燃焼により二酸化炭素と水に変換されない場合は周囲へ排出される。メタノールの放出は内燃機関の条件と同様の条件を課されており、従って炭化水素の総額に加算されなければならない。
【０００５】
このため、本発明の課題は、水‐燃料混合物からの二酸化炭素の分離が改善される方法を提案し、付属装置を提供することにある。
【０００６】
本発明によれば、この課題は冒頭に挙げた種類の方法において請求項１の特徴事項により解決される。付属装置は請求項７に記載されている。本発明による方法および付属装置の有利な実施態様は従属請求項の対象である。
【０００７】
本発明では分離のために、燃料電池の原理に基づいて動作する分離装置が使用される。すなわち、燃料電池における燃料透過性および水透過性の膜の現在の欠点を利点に転じることにより、燃料の損失が回避される。
【０００８】
本発明の別の詳細および利点について実施例の記述に基づいて説明する。燃料としてメタノールが用いられるＤＭＦＣに基づいて本発明を詳細に記載する。
【０００９】
燃料電池の主要部分はメタノール透過性および水透過性の特殊な膜を有する膜‐電解質ユニット（ＭＥＡ＝Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）であり、この膜は化学的にポリペルフルオロアルキスルホン酸と表記される。この種の膜は商品名ナフィオンとして市販されている。このナフィオン膜は通常、その当量により特色付けられ、特にＤＭＦＣ燃料電池の場合は通常いわゆるナフィオン１１７膜が使用される。燃料電池での使用ではこの膜は疎水化される。
【００１０】
本発明による方法ではアノード液体は１つの別のセルもしくは複数の別のセルを通じて通常のナフィオン１１７膜よりも薄いナフィオン膜、すなわちナフィオン１１５もしくはナフィオン１１２により案内されるということにこれからはなる。当量のより小さいナフィオン材料、すなわちナフィオン１０５もしくは１０２も使用可能である。
【００１１】
追加のセルの抵抗が小さくなるほどそれだけ分離の費用が少なくなる。このセルもしくはスタックが比較的大きい場合のセルの追加的ユニットへは、アノード液体がアノードの通過後に案内され、できるだけ高い電流密度で作動される。
【００１２】
カソードにはスタックと同様に空気を供給され、それによってセル自体が電流を生じさせる。電流密度が高くなることにより電気浸透が特にはっきり現れ、メタノールが水と一緒にカソードへ供給される。次に、アノード側では二酸化炭素を含んでいる液体が残留する。このようにして二酸化炭素はカソードに搬送された液体から完全に分離される。その結果得られた液体は次にスタックのアノード回路内で再び使用することができる。このため、二酸化炭素を含んでいる、分離装置のアノード側の残留液体は、ガス分離器においてガスと水とへより簡単に分離可能となる。アノード液体はこのような付加装置内を循環することが可能であり、生成されたカソード液体は水‐メタノール混合物として回収される。その場合、電気浸透のためのエネルギー所要量をできるだけ小さくするために、セル電圧はできるだけ低くし、電流密度はできるだけ高くした方が良い。
【００１３】
ＤＭＦＣ燃料電池において、交換器内のナフィオン膜よりメタノール透過性および水透過性が著しく小さい膜が使用される場合、この方法は特に重要になる。また、ナフィオン膜とは異なったプロトン伝導膜を分離装置に使用することも可能である。
【００１４】
従って、この装置では透過しすぎる膜というＤＭＦＣの現在の主要な欠点が利点に転じる。この種の装置は追加的ユニットないしセル装置として燃料電池システムに直接使用可能である。
【００１５】
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課題の解決法は、別の燃料により作動される燃料電池にも転用可能である。
【国際公開パンフレット】
2004507047.tif 000002
2004507047.tif 000003
2004507047.tif 000004
2004507047.tif 000005
2004507047.tif 000006
2004507047.tif 000007
2004507047.tif 000008
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004507047.tif 000009
【国際調査報告】
2004507047.tif 000010
2004507047.tif 000011
2004507047.tif 000012
2004507047.tif 000013