(57)【要約】【課題】水素の処理方法を提供する。【解決手段】本発明は、燃料電池用水素タンク中に残存する水素ガスの処理方法であって、前記水素タンクに水素吸蔵可能なポリオキソメタレートの含有液を導入後、該水素タンクから水素を吸蔵した該ポリオキソメタレートの含有液を取り出す第１工程、第１工程において水素を吸蔵した前記ポリオキソメタレートの含有液を水素メディエーターとしてレドックスフロー燃料電池のアノードへ導入する第２工程、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用水素タンク中に残存する水素ガスの処理方法であって、
前記水素タンクに水素吸蔵可能なポリオキソメタレートの含有液を導入後、該水素タンクから水素を吸蔵した該ポリオキソメタレートの含有液を取り出す第１工程、
第１工程において水素を吸蔵した前記ポリオキソメタレートの含有液を水素メディエーターとしてレドックスフロー燃料電池のアノードへ導入する第２工程、
を有することを特徴とする、水素ガスの処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素の処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気的に接続された２つの電極のうち、アノード側に燃料、またカソード側に酸化剤をそれぞれ供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。
水素ガスを燃料として稼働する燃料電池システムでは、燃料電池のアノードに水素ガスを供給するための水素タンクを備えている。このような燃料電池システムでは、燃料電池の修理、整備、または、廃棄等の際に、水素タンクから水素ガスを除去して安全な状態にすることが必要な場合がある。
しかし、水素タンク内の水素ガスを自然排出すると安全性に問題があるだけでなく、水素タンク内圧が大気圧まで低下すると排出が停止してしまうためタンク内の全ての水素ガスを除去できないという問題も生じる。
上記問題に対処するには、一般的に大型の水素抜き取り装置を用いる必要があるため、整備・廃棄業者にとって大きな負担となっている。
特許文献１には、水素タンクから水素を排出するための専用設備を設けることなく、簡易に水素の排出操作をすることが可能な燃料電池システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−３４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、安全性の観点から、水素ガスを空気や不活性ガスで希釈し水素ガス濃度を着火限界濃度以下にしてから大気中に放出処理するため、排出には非常に時間がかかり、また、水素ガスが回収されないので無駄になる。
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、速く、安全に水素タンクから水素ガスを排出すること、及び、排出した水素ガスを有効利用することを両立した水素ガスの処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料電池用水素タンク中に残存する水素ガスの処理方法であって、前記水素タンクに水素吸蔵可能なポリオキソメタレートの含有液を導入後、該水素タンクから水素を吸蔵した該ポリオキソメタレートの含有液を取り出す第１工程、第１工程において水素を吸蔵した前記ポリオキソメタレートの含有液を水素メディエーターとしてレドックスフロー燃料電池のアノードへ導入する第２工程、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の方法によれば、ポリオキソメタレート（以下、ＰＯＭと称する場合がある）含有液を水素タンクに導入し、残存する水素ガスをＰＯＭに吸蔵させた状態で取り出すことによって、水素タンク中に残存する水素ガスを速く安全に排出することができ、また、水素を吸蔵したＰＯＭ含有液を水素メディエーターとして直接レドックスフロー燃料電池のアノードに導入することによって、残存する水素ガスを有効利用しつつ簡便に処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の方法の第１工程の概要を示した図である。
【図２】本発明の方法により水素を吸蔵したＰＯＭを第１実施形態のレドックスフロー燃料電池に供給した際の作動状態の概要を示した図である。
【図３】本発明の方法により水素を吸蔵したＰＯＭを第２実施形態のレドックスフロー燃料電池に供給した際の作動状態の概要を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の水素の処理方法について説明する。
【０００９】
本発明は、燃料電池用水素タンク中に残存する水素ガスの処理方法であって、前記水素タンクに水素吸蔵可能なポリオキソメタレートの含有液を導入後、該水素タンクから水素を吸蔵した該ポリオキソメタレートの含有液を取り出す第１工程、第１工程において水素を吸蔵した前記ポリオキソメタレートの含有液を水素メディエーターとしてレドックスフロー燃料電池のアノードへ導入する第２工程、を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明で用いる水素タンクは、水素ガスを燃料として稼働する燃料電池用の水素タンクであって、気体の水素を貯蔵するものである。
【００１１】
本発明の水素ガスの処理方法の第１工程について説明する。
【００１２】
本発明で用いるＰＯＭは、水素吸蔵可能であれば特に制限はないが、レドックスフロー燃料電池のアノードで水素メディエーターとして使用する観点から、放電時にはスムーズに水素を放出できることが好ましい。具体的には、水素をプロトンと電子の形で保存することができるタングステン系のＰＯＭである、Ｈ４ＳｉＷ１２Ｏ４０やＨ６Ｐ２Ｗ１８Ｏ６２等を使用することができる。
【００１３】
本発明で用いるＰＯＭは、液体に含有させた状態で使用する。液体であることで、圧縮水素ガスの中にも加圧しながら注入することができるほか、そのままアノライトとしてレドックスフロー燃料電池に導入できる。
本発明で用いるＰＯＭを含有する液体に特に制限はないが、ＰＯＭ含有液をそのままレドックスフロー燃料電池に導入できるという観点から、ｐＨ２以下の強酸性の溶媒であることが好ましい。
ＰＯＭ含有液のＰＯＭ濃度は、通常、０．１〜２．０ｍｏｌ／Ｌで使用する。
水素の吸蔵や放出を促進するために、ＰＯＭ含有液には触媒を共存させてもよい。触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、及びＩｒ等を使用することができる。
【００１４】
本発明において水素タンクに水素吸蔵可能なＰＯＭ含有液を導入する方法は、水素ガスの漏洩がなければ特に制限はないが、通常、水素ガスを充填するために水素タンクに備えられている水素ガスの注入口から導入する。タンクに孔をあけるなどしてＰＯＭ含有液を注入することは、整備、修理、リサイクル等、水素ガスタンクを使用し続ける場合に、水素ガスのシール性能等に問題が出るため好ましくない。
また、本発明において水素タンクから水素を吸蔵したＰＯＭ含有液を取り出す方法にも、特に制限はなく、通常、前述した水素ガスの注入口から取り出す。
【００１５】
水素タンク内でのＰＯＭ含有液への水素ガスの吸蔵は常温で行うことができるが、温度を調整することにより、効率的にＰＯＭに水素ガスを吸蔵することも可能である。また、ＰＯＭ含有液を噴霧しながら水素タンクに導入するなどの手段によって、ＰＯＭ含有液の表面積が大きくなり、より効率的にＰＯＭに水素ガスを吸蔵させることもできる。
残存する水素ガスがＰＯＭに吸蔵されたか否かは水素タンク内の圧力や水素センサー等で判定する。
【００１６】
本発明の方法によれば、第１工程に要する時間は、タンク内へのＰＯＭ含有液の導入し取り出す時間のみであるため、速やかに水素タンク内に残存したガスを除去することが可能となる。
取り出した水素吸蔵ＰＯＭ含有液は安定なため、第２工程で、レドックスフロー燃料電池に導入するまで貯蔵することもできるし、運搬することもできる。
【００１７】
本発明の水素ガスの処理方法の第２工程について説明する。
【００１８】
第１工程で水素を吸蔵したＰＯＭ含有液は、第２工程でレドックスフロー燃料電池のアノードに導入する。水素を吸蔵したＰＯＭ含有液を、水素メディエーターとしてレドックスフロー燃料電池のアノードに導入することによって、水素タンクに残存した水素を無駄なく回収し再利用することができる。
第２工程で用いるレドックスフロー燃料電池は、第１工程で水素を吸蔵したＰＯＭ含有液を、水素メディエーターを含有するアノライト溶液として使用することが可能なレドックスフロー燃料電池である。
プロトン透過型電解質膜、アノード及びカソードで構成された膜電極複合体を備えているレドックスフロー燃料電池セルは、平板型でも円筒型でも良く、通常は、これらのセルを複数組み合わせた燃料電池モジュールとして使用する。プロトン透過型電解質膜は、固体高分子材料により形成された高分子電解質膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有するものを使用する。
また、第２工程で用いるレドックスフロー燃料電池は、水素吸蔵ＰＯＭ含有液をアノードへ供給・循環させることで、吸蔵された水素を消費し、発電することができるものであれば、特に制限はないので、カソードで酸化剤として酸素ガスを使用する燃料電池でも良いし、メディエーター含有液をカソライトとして使用するレドックスフロー燃料電池でも良い。
【００１９】
以下、図を参照しながら実施形態ごとに説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。また、本発明は、以下に説明する全ての工程を含まなければならないものでもない。
【００２０】
［第１実施形態］
第１実施形態では、空気中の酸素を酸化剤とするレドックスフロー燃料電池を用いて、水素タンク内に残存した水素ガスを処理する。
【００２１】
（第１工程）
図１に水素ガスが残存する水素タンク１００に、水素吸蔵可能な状態のＰＯＭ含有液を導入する模式図を示す。上述したように、ＰＯＭ含有液は水素ガス注入口１より、水素タンク内に導入する。
水素タンク内に導入された水素吸蔵可能な状態のＰＯＭは、以下の式（１）に従って、速やかに水素ガスと反応し、水素から生成されたプロトン及び電子の状態で吸蔵する。なお、ここでは、一分子あたりそれぞれ１個のプロトン及び電子と反応することができるＰＯＭを使用した場合を例示する。
４ＰＯＭ＋２Ｈ２→（４ＰＯＭ＋４Ｈ＋＋４ｅ−→）４ＰＯＭ−＋４Ｈ＋・・・・式（１）
圧力や水素センサーによりＰＯＭへの水素の吸蔵を確認し、水素ガス注入口１より水素吸蔵ＰＯＭの含有液を取り出す。
【００２２】
（第２工程）
図２に水素を吸蔵したＰＯＭ含有液をアノードに、酸化剤として酸素ガスをカソードに供給するレドックス燃料電池２００の稼働状況の模式図を示す。
第１工程で水素を吸蔵し水素タンクから取り出されたＰＯＭ含有液は、アノード側循環槽２へ収容する。
【００２３】
アノード側循環槽からセル集合部３のアノードに、水素メディエーターとして供給された水素を吸蔵した状態のＰＯＭは、以下の式（２）に従い酸化されプロトンと電子を放出する。
４ＰＯＭ−＋４Ｈ＋→４ＰＯＭ＋４Ｈ＋＋４ｅ−・・・・式（２）
酸化されたＰＯＭは水素ガスの吸蔵に再使用することができる。
発生したプロトンは電解質膜を透過してカソードへ移行し、電子は外部回路を通してカソードへ移行する。
気体供給装置５からカソードに供給された空気中の酸素は、前記カソードへ移行したプロトン及び電子と反応し、以下の式（３）に従い還元され、水分子となり燃料電池外へ排出される。
４ｅ−＋４Ｈ＋＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ・・・・式（３）
【００２４】
本発明の水素処理方法の第１実施形態における式（１）から（３）の収支を合わせると、全反応は式（４）となる。
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ・・・・式（４）
本発明の方法により、水素タンクに残存した水素は最終的に電気エネルギーと水に変換されるため、有効利用することができる。
【００２５】
［第２実施形態］
第２実施形態では、カソードにおいてメディエーターを酸化剤とするレドックスフロー燃料電池３００を用いて、水素タンク内に残存した水素ガスを電気エネルギーと水に変換する。
【００２６】
第２実施形態でも、第１工程とセル集合部３のアノードで行われる反応は第１実施形態と同じであるが、カソードで酸素ではなくメディエーターが還元される点が異なる。
メディエーター含有液はカソード側循環反応槽４に収容される。
カソード側循環反応槽４からセル集合部３のカソードに供給された酸化型のメディエーター（Ｍｅｄ）は外部回路を通してカソードへ移行した電子により、以下の式（５）に従い還元され、還元型のメディエーター（Ｍｅｄ−）となる。なお、ここでは、一分子あたり１個の電子と反応することができるメディエーターを使用した場合を例示する。
４Ｍｅｄ＋４ｅ−→４Ｍｅｄ−・・・・式（５）
式（２）で生成し電解質膜を透過してカソード移行したプロトン及び式（５）で生成した還元型のメディエーターは、カソード側循環反応槽４へ戻り、気体供給装置５から供給された空気中の酸素と以下の式（６）に従い反応する。
４Ｍｅｄ−＋４Ｈ＋＋Ｏ２→４Ｍｅｄ＋２Ｈ２Ｏ・・・・式（６）
カソード側循環反応槽４には、生成した水分をシステム外に排出する装置を設置してもよい。生成した水分をシステム外に排出する装置としては、例えば、ミニヒーターやポーラスフィルムなどを使用することができる。
【００２７】
本発明の第２実施形態の水素処理方法における式（１）、（２）、（５）及び（６）の収支を合わせると、第１実施形態と同様に全反応は上述の式（４）となる。
【００２８】
以上のように、本発明の水素の処理方法によれば、水素タンク中に残存した水素ガスをポリオキソメタレートに吸蔵させることによって速く安全に排出することが可能となり、この水素を吸蔵したレドックスフロー燃料電池のアノードに導入することにより電気エネルギーと水に変換できる状態にすることによって、無駄なく水素ガスを処理することが可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１  水素ガス注入口、２  アノード側循環槽、３  セル集合部、４  カソード側循環反応槽、５  気体供給装置、１００  水素タンク、２００  酸素を酸化剤とするレドックス燃料電池、３００  メディエーターを酸化剤とするレドックスフロー燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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