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JP4945158B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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JP4945158B2
JP4945158B2 JP2006088313A JP2006088313A JP4945158B2 JP 4945158 B2 JP4945158 B2 JP 4945158B2 JP 2006088313 A JP2006088313 A JP 2006088313A JP 2006088313 A JP2006088313 A JP 2006088313A JP 4945158 B2 JP4945158 B2 JP 4945158B2
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Description

本発明は、水素と酸素を電気化学反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムに関し、特に、発電に必要な水素を生成させる過程で生成する地球温暖化ガスである二酸化炭素の回収が容易であって、高効率発電が可能な、地球環境に優しい燃料電池発電システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell power generation system that generates power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and in particular, it is easy to recover carbon dioxide, which is a global warming gas generated in the process of generating hydrogen necessary for power generation. The present invention relates to a fuel cell power generation system that is capable of high-efficiency power generation and is environmentally friendly.

近年、炭化水素系の燃料から水素を生成させ、この生成させた水素と空気とを燃料電池セルスタックに供給し、水素と空気中の酸素との燃料電池反応によって発電を行う燃料電池発電システムが、注目されている。このような燃料電池発電システムは、例えば、特開2002−372199号公報(特許文献1)に開示されている。   In recent years, there has been a fuel cell power generation system that generates hydrogen from a hydrocarbon-based fuel, supplies the generated hydrogen and air to a fuel cell stack, and generates power by a fuel cell reaction between hydrogen and oxygen in the air. ,Attention has been paid. Such a fuel cell power generation system is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-372199 (Patent Document 1).

図5は、燃料から生成させた水素を燃料電池セルスタックに供給し発電を行う従来の燃料電池発電システムの構成の一例を示している。図5に示した燃料電池発電システムでは、燃料電池セルスタックとして、3組の固体高分子形燃料電池セルスタックを用いている。この燃料電池発電システムは、炭化水素(図示した例では天然ガス1)と水蒸気(H2O)155とが供給され、炭化水素の水蒸気改質反応によって水素58を発生させる部分と、3組の固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108を含む燃料電池部分とに大別される。 FIG. 5 shows an example of the configuration of a conventional fuel cell power generation system that generates power by supplying hydrogen generated from fuel to a fuel cell stack. In the fuel cell power generation system shown in FIG. 5, three sets of polymer electrolyte fuel cell stacks are used as the fuel cell stack. This fuel cell power generation system is supplied with hydrocarbons (natural gas 1 in the illustrated example) and steam (H 2 O) 155, and generates three parts of hydrogen 58 by steam reforming reaction of hydrocarbons. It is roughly divided into fuel cell portions including solid polymer fuel cell stacks 9, 95, and 108.

まず、水蒸気改質反応によって水素を生成させる部分について説明する。   First, the part which produces | generates hydrogen by steam reforming reaction is demonstrated.

水素を生成する部分は、主な構成要素として、脱硫器2、改質器3、COシフトコンバータ4、水素分離器53、凝縮器55、流量制御弁27,33,162,164,167,171,174、空気供給用ブロワ12、改質器バーナ156、気化器157、気化器用ポンプ158、水タンク159、補給水ポンプ161、気化器バーナ170を備えている。   The part that generates hydrogen includes, as main components, a desulfurizer 2, a reformer 3, a CO shift converter 4, a hydrogen separator 53, a condenser 55, flow control valves 27, 33, 162, 164, 167, and 171. 174, an air supply blower 12, a reformer burner 156, a vaporizer 157, a vaporizer pump 158, a water tank 159, a makeup water pump 161, and a vaporizer burner 170.

燃料である天然ガス1は、流量制御弁27を介して脱硫器2に供給され、流量制御弁164を介して改質器バーナ156に供給され、流量制御弁171を介して気化器バーナ170に供給される。気化器バーナ170は、水蒸気改質反応に必要な水蒸気を水から生成させる気化器157を加熱するためのものであり、天然ガス1のほかに、空気供給用ブロア12からの空気14が流量制御弁167を介して供給され、燃焼排出ガス175を排出する。改質器バーナ156は、水蒸気改質反応を行わせる改質器3を加熱するためのものであり、天然ガス1のほかに、空気供給用ブロア12からの空気14が流量制御弁164を介して供給され、燃焼に伴って燃焼排出ガス166を排出する。この燃焼排出ガス166は、高温であるので、気化器157において水蒸気を気化するための熱源として用いるために気化器157に送られ、気化器157から、排出ガス176として排出されるようになっている。気化器157に対しては、水タンク159から気化器用ポンプ158を介して水173が供給される。水173は気化器157において気化し、水蒸気155として気化器157から排出される。水タンク159には、補給水ポンプ161を介して補給水160が供給されるようになっている。   Natural gas 1 as fuel is supplied to the desulfurizer 2 via the flow control valve 27, supplied to the reformer burner 156 via the flow control valve 164, and supplied to the vaporizer burner 170 via the flow control valve 171. Supplied. The vaporizer burner 170 is for heating the vaporizer 157 for generating water vapor necessary for the steam reforming reaction from water. In addition to the natural gas 1, the air 14 from the air supply blower 12 controls the flow rate. Supplied through a valve 167 and exhausts combustion exhaust gas 175. The reformer burner 156 is for heating the reformer 3 for performing the steam reforming reaction. In addition to the natural gas 1, the air 14 from the air supply blower 12 passes through the flow control valve 164. The combustion exhaust gas 166 is exhausted with combustion. Since this combustion exhaust gas 166 has a high temperature, it is sent to the vaporizer 157 for use as a heat source for vaporizing water vapor in the vaporizer 157, and is discharged from the vaporizer 157 as an exhaust gas 176. Yes. Water 173 is supplied to the vaporizer 157 from the water tank 159 via the vaporizer pump 158. The water 173 is vaporized in the vaporizer 157 and discharged from the vaporizer 157 as water vapor 155. The water tank 159 is supplied with makeup water 160 via a makeup water pump 161.

脱硫器2には、天然ガス1のほかに、COシフトコンバータ出口ガス21からリサイクルされる脱硫器リサイクルガス32が、流量制御弁33を介して供給される。脱硫器2からの脱硫された天然ガス、すなわち、脱硫天然ガス24は、気化器157から流量制御弁174を介して供給された水蒸気155とが混合され、混合ガス154として改質器3に供給されるようになっている。改質器3では、後述するメタン等の炭化水素の水蒸気改質反応が起こる。改質器50からの出口ガス(すなわち水素リッチな改質ガス22)は、次にCOシフトコンバータ4に供給される。COシフトコンバータ出口ガス21は、一酸化炭素濃度を1体積%以下に低減させた改質ガスであり、前述したように、一部が脱硫器2に脱硫器リサイクルガス32としてリサイクルされるほかは、水素分離器供給ガス52として、水素分離器53に供給される。なお、「水素リッチ]とは、燃料電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。   In addition to the natural gas 1, a desulfurizer recycle gas 32 that is recycled from the CO shift converter outlet gas 21 is supplied to the desulfurizer 2 via a flow control valve 33. The desulfurized natural gas from the desulfurizer 2, that is, the desulfurized natural gas 24, is mixed with the steam 155 supplied from the vaporizer 157 via the flow control valve 174 and supplied to the reformer 3 as a mixed gas 154. It has come to be. In the reformer 3, a steam reforming reaction of a hydrocarbon such as methane described later occurs. The outlet gas from the reformer 50 (ie, the hydrogen-rich reformed gas 22) is then supplied to the CO shift converter 4. The CO shift converter outlet gas 21 is a reformed gas whose carbon monoxide concentration is reduced to 1% by volume or less. As described above, a part of the gas is recycled to the desulfurizer 2 as the desulfurizer recycle gas 32. The hydrogen separator supply gas 52 is supplied to the hydrogen separator 53. “Hydrogen-rich” means containing hydrogen at a concentration sufficient to contribute to power generation by the fuel cell reaction.

水素分離器53は、水素分離器供給ガス52から水素58を分離するものであり、水素58が分離された残りのガスすなわち水素分離器排出ガス54は、凝縮器(コンデンサ)55に供給される。凝縮器53で凝縮した水(凝縮水57)は、水タンク159にリサイクルされる。凝縮器53で水が凝縮除去された水素分離器排出ガス54は、水素分離器乾燥排出ガス56として、凝縮器55から排出される。   The hydrogen separator 53 separates the hydrogen 58 from the hydrogen separator supply gas 52, and the remaining gas from which the hydrogen 58 has been separated, that is, the hydrogen separator exhaust gas 54, is supplied to a condenser (condenser) 55. . The water condensed in the condenser 53 (condensed water 57) is recycled to the water tank 159. The hydrogen separator exhaust gas 54 from which water has been condensed and removed by the condenser 53 is discharged from the condenser 55 as a hydrogen separator dry exhaust gas 56.

次に、固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108を含む燃料電池部分について説明する。   Next, the fuel cell portion including the polymer electrolyte fuel cell stack 9, 95, 108 will be described.

固体高分子形燃料電池セルスタック9は、流量制御弁86を介して水素58が供給される燃料極6、空気供給用ブロア115から流量制御弁10を介して空気25が供給される空気極8と、燃料極6および空気極8によって挟まれた固体高分子電解質7と、を備えている。燃料電池反応に伴って、空気極8からは、空気極排出ガス13と生成水30が排出されるようになっている。燃料極6には、燃料極6内のガスをパージガス61としてパージするために、パージ弁60が設けられている。このような固体高分子形燃料電池スタック9で発生する直流電力(燃料電池直流出力18)は、出力調整装置16に供給されて交流電力に変換され、送電端交流出力19として負荷17に供給されるようになっている。   The polymer electrolyte fuel cell stack 9 includes a fuel electrode 6 to which hydrogen 58 is supplied via a flow control valve 86, and an air electrode 8 to which air 25 is supplied from an air supply blower 115 via a flow control valve 10. And a solid polymer electrolyte 7 sandwiched between the fuel electrode 6 and the air electrode 8. Along with the fuel cell reaction, the air electrode 8 discharges the air electrode exhaust gas 13 and the produced water 30 from the air electrode 8. The fuel electrode 6 is provided with a purge valve 60 for purging the gas in the fuel electrode 6 as the purge gas 61. The DC power (fuel cell DC output 18) generated in such a polymer electrolyte fuel cell stack 9 is supplied to the output adjusting device 16 and converted to AC power, and supplied to the load 17 as the AC power output 19 at the transmission end. It has become so.

同様に、固体高分子形燃料電池セルスタック95,108は、それぞれ、流量制御弁87,88を介して水素58が供給される燃料極92,105と、固体高分子電解質93,106と、空気供給用ブロア89,102から流量制御弁90,103を介して空気91,104が供給される空気極94,107とを備えている。燃料極92,105には、パージガス120,123を排出するためのパージ弁119,122が取り付けられている。空気極94,107からは、空気極排出ガス100,113と生成水116,117が排出されるようになっている。固体高分子形燃料電池セルスタック95,108からの燃料電池直流出力98,111は、出力調整装置96,109に送られて交流電力に変換され、送電端交流出力99,112として負荷97,110に供給されるようになっている。   Similarly, the polymer electrolyte fuel cell stacks 95 and 108 include fuel electrodes 92 and 105 to which hydrogen 58 is supplied via flow control valves 87 and 88, solid polymer electrolytes 93 and 106, and air, respectively. Air electrodes 94 and 107 to which air 91 and 104 are supplied from supply blowers 89 and 102 through flow control valves 90 and 103 are provided. Purge valves 119 and 122 for discharging purge gases 120 and 123 are attached to the fuel electrodes 92 and 105. From the air electrodes 94 and 107, the air electrode exhaust gas 100 and 113 and the generated water 116 and 117 are discharged. Fuel cell DC outputs 98 and 111 from the polymer electrolyte fuel cell stacks 95 and 108 are sent to the output adjusting devices 96 and 109 to be converted into AC power, and loads 97 and 110 are used as power transmission end AC outputs 99 and 112, respectively. To be supplied.

図5においては、各固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108は、いずれも、1組の燃料極6,92,105、固体高分子電解質7,93,106および空気極8,94,107からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には、これらの固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108は、単セルを複数組み合わせることに、所定の直流電流および直流電圧を出力できるように構成されている。   In FIG. 5, each of the polymer electrolyte fuel cell stacks 9, 95, 108 has a set of fuel electrodes 6, 92, 105, solid polymer electrolytes 7, 93, 106 and air electrodes 8, 94. , 107, the solid polymer fuel cell stacks 9, 95, and 108 are actually combined with a plurality of single cells in a predetermined manner. A direct current and a direct voltage can be output.

次に、図5に示した従来の燃料電池発電システムの動作を説明する。   Next, the operation of the conventional fuel cell power generation system shown in FIG. 5 will be described.

燃料の天然ガス1は、脱硫器2、気化器バーナ170、及び改質器バーナ156に供給される。脱硫器2に供給される天然ガスは、固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108での発電に用いられる水素58を生成するためのものであり、その供給量は、固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108の燃料電池直流出力18,98,111の電池電流の合計と流量制御弁27の開度(すなわち脱硫器2への天然ガス供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁27の開度を制御することによって、燃料電池直流出力18,98,111の電池電流の合計に見合った値に設定される。   The natural gas 1 of the fuel is supplied to the desulfurizer 2, the vaporizer burner 170, and the reformer burner 156. The natural gas supplied to the desulfurizer 2 is for generating hydrogen 58 used for power generation in the polymer electrolyte fuel cell stacks 9, 95, 108, and the supply amount thereof is solid polymer type. Pre-setting between the sum of the battery currents of the fuel cell DC outputs 18, 98, 111 of the fuel cell stacks 9, 95, 108 and the opening of the flow control valve 27 (that is, the amount of natural gas supplied to the desulfurizer 2) By controlling the opening degree of the flow rate control valve 27 based on the relationship, the value is set in accordance with the sum of the battery currents of the fuel cell DC outputs 18, 98, and 111.

天然ガス1には、メルカプタン等の腐臭剤が含まれており、この腐臭剤は、改質器3に充填された改質触媒や固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108の燃料極6,92,105の電極触媒の劣化原因となる硫黄成分を含んでいる。そこでまず、天然ガス1を脱硫器2に供給する。脱硫器2では、充填された脱硫触媒のコバルト−モリブデン系触媒と酸化亜鉛吸着剤の働きにより、天然ガス1中の硫黄成分が水添脱硫により吸着除去される。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により、最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させて、硫黄成分を除去する。硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、一酸化炭素濃度を1%以下に低減させた水素リッチな改質ガスであるCOシフトコンバータ出口ガス21の一部を、脱硫器リサイクルガス32として脱硫器2にリサイクルしている。脱硫器リサイクルガス32の供給量は、流量制御弁27の開度(すなわち、発電用の天然ガスの供給量)と流量制御弁33の開度(すなわち、脱硫器リサイクルガス32の供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁33の開度を制御することによって、発電用の天然ガスの供給量と見合った値に設定される。硫化水素の生成反応と硫化亜鉛の生成反応は吸熱反応であり、これらの反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるCOシフトコンバータ4での水性シフト反応によって発生する熱をCOシフトコンバータ4から脱硫器2に供給することによってまかなう。   The natural gas 1 contains a odorant such as mercaptan, and this odorant is the reforming catalyst filled in the reformer 3 or the fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell stack 9, 95, 108. It contains a sulfur component that causes deterioration of the electrode catalyst of 6,92,105. Therefore, first, the natural gas 1 is supplied to the desulfurizer 2. In the desulfurizer 2, the sulfur component in the natural gas 1 is adsorbed and removed by hydrodesulfurization by the action of the cobalt-molybdenum-based catalyst and the zinc oxide adsorbent of the filled desulfurization catalyst. That is, with a cobalt-molybdenum-based catalyst, sulfur and hydrogen are first reacted to generate hydrogen sulfide, and then hydrogen sulfide and zinc oxide are reacted to generate zinc sulfide, thereby removing the sulfur component. In order to supply hydrogen necessary for the generation of hydrogen sulfide, a part of the CO shift converter outlet gas 21, which is a hydrogen-rich reformed gas whose carbon monoxide concentration is reduced to 1% or less, is removed from the desulfurizer recycle gas 32. As a desulfurizer 2. The supply amount of the desulfurizer recycle gas 32 includes the opening degree of the flow control valve 27 (that is, the supply amount of natural gas for power generation) and the opening degree of the flow control valve 33 (that is, the supply amount of the desulfurizer recycle gas 32). By controlling the opening degree of the flow rate control valve 33 based on a preset relationship between the values, the value is set to a value commensurate with the supply amount of the natural gas for power generation. The hydrogen sulfide formation reaction and the zinc sulfide formation reaction are endothermic reactions, and the reaction heat necessary for these reactions is the heat generated by the aqueous shift reaction in the CO shift converter 4 which is an exothermic reaction described later. 4 is supplied to the desulfurizer 2.

脱硫器2で脱硫された天然ガス、すなわち、脱硫天然ガス24は、気化器157から供給された水蒸気155と混合され、水蒸気155と脱硫天然ガス24との混合ガス154として、ニッケル系触媒やルテニウム系触媒を改質触媒として充填した改質器3に供給される。脱硫天然ガス24と混合する水蒸気155の供給量は、流量制御弁27の開度(すなわち、発電用の天然ガスの供給量)と流量制御弁174の開度(すなわち、水蒸気155の供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁174の開度を制御することによって、混合ガス154のスチームカーボン比(水蒸気の炭素に対するモル比)が予め設定された値となるように、設定される。   The natural gas desulfurized by the desulfurizer 2, that is, the desulfurized natural gas 24, is mixed with the water vapor 155 supplied from the vaporizer 157, and as a mixed gas 154 of the water vapor 155 and the desulfurized natural gas 24, a nickel catalyst or ruthenium It is supplied to a reformer 3 filled with a system catalyst as a reforming catalyst. The supply amount of the steam 155 mixed with the desulfurized natural gas 24 includes the opening degree of the flow control valve 27 (that is, the supply amount of natural gas for power generation) and the opening degree of the flow control valve 174 (that is, the supply amount of steam 155). The steam carbon ratio (molar ratio of water vapor to carbon) of the mixed gas 154 becomes a preset value by controlling the opening degree of the flow control valve 174 based on the preset relationship between To be set.

気化器157では、水タンク159から気化器用ポンプ158で供給された水173を気化させる。水173の気化に必要な熱は、改質器バーナ156のからの高温の燃焼排出ガス166を気化器157に供給し、水173と熱交換させることによって供給する。気化器157において水173と熱交換を行った燃焼排出ガス166は、排出ガス176として、気化器157から排出される。気化器157での水173の気化に必要な熱の供給が、改質器バーナ156の燃焼排出ガス166との熱交換だけでは不足する場合には、天然ガス1を気化器バーナ170に供給するとともに、空気供給用ブロワ12で取り込んだ空気14の一部である空気172を気化器バーナ170に供給し、両者を燃焼させることによって、気化器157にさらに熱を供給する。気化器バーナ170からは燃焼排出ガス175が排出される。
気化器バーナ170に供給される天然ガスの供給量は、気化器157の温度と流量制御弁171の開度(すなわち、気化器バーナ用の天然ガスの供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁171の開度を制御することによって、予め設定された所定の気化器温度となるように設定する。また、気化器バーナ170に供給される空気172の供給量は、流量制御弁171の開度(すなわち、気化器バーナ170への天然ガス168の供給量)と流量制御弁167の開度(すなわち、気化器バーナ170の空気172の供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁167の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比(空気対燃料比)となるように設定される。
In the vaporizer 157, the water 173 supplied from the water tank 159 by the vaporizer pump 158 is vaporized. The heat necessary for vaporizing the water 173 is supplied by supplying the high-temperature combustion exhaust gas 166 from the reformer burner 156 to the vaporizer 157 and exchanging heat with the water 173. The combustion exhaust gas 166 that has exchanged heat with the water 173 in the vaporizer 157 is discharged from the vaporizer 157 as the exhaust gas 176. When supply of heat necessary for vaporization of the water 173 in the vaporizer 157 is insufficient only by heat exchange with the combustion exhaust gas 166 of the reformer burner 156, the natural gas 1 is supplied to the vaporizer burner 170. At the same time, air 172 which is a part of the air 14 taken in by the air supply blower 12 is supplied to the vaporizer burner 170, and both are combusted, whereby further heat is supplied to the vaporizer 157. A combustion exhaust gas 175 is discharged from the vaporizer burner 170.
The supply amount of the natural gas supplied to the vaporizer burner 170 is set in advance between the temperature of the vaporizer 157 and the opening of the flow control valve 171 (that is, the supply amount of natural gas for the vaporizer burner). Based on the relationship, the opening degree of the flow rate control valve 171 is controlled to set a predetermined vaporizer temperature. Further, the supply amount of the air 172 supplied to the vaporizer burner 170 includes the opening degree of the flow control valve 171 (that is, the supply amount of natural gas 168 to the vaporizer burner 170) and the opening degree of the flow control valve 167 (ie, the supply amount). And a predetermined air / fuel ratio (air-to-fuel) that is set in advance by controlling the opening degree of the flow rate control valve 167 based on a preset relationship with the supply amount of air 172 from the carburetor burner 170. Ratio).

水タンク159には、凝縮器55で凝縮させた凝縮水57が供給される。これだけでは水タンク159の水が不足する場合には、必要に応じて補給水ポンプ161を作動させ、補給水160を水タンク159に供給する。   Condensed water 57 condensed by the condenser 55 is supplied to the water tank 159. If the water in the water tank 159 is insufficient by this alone, the makeup water pump 161 is operated as necessary to supply the makeup water 160 to the water tank 159.

改質器3では、充填された改質触媒の働きにより、天然ガスに含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス22がつくられる。天然ガス1の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は、(1)式で表される。   In the reformer 3, the steam reforming reaction of hydrocarbons contained in natural gas is performed by the action of the filled reforming catalyst, and the hydrogen-rich reformed gas 22 is produced. The steam reforming reaction of methane, which is the main component of natural gas 1, is expressed by equation (1).

(メタンの水蒸気改質反応)
CH4 +H2O → CO + 3H2 (1)
(1)式に示したメタンの水蒸気改質反応などの炭化水素水蒸気改質反応は、一般に吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器3の外部から必要な反応熱を供給し、改質器3の温度を700〜750℃に維持しなければならない。このため、天然ガス1を燃料として改質器バーナ156に供給するとともに、空気165を改質器バーナ156に供給し、両者を燃焼させることによって、水蒸気改質反応に必要な反応熱を改質器3に供給する。改質器バーナ156への天然ガスの供給量は、予め設定された流量制御弁27の開度(すなわち、発電用の天然ガスの供給量)と流量制御弁162の開度(すなわち、改質器バーナ156への天然ガスの供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁162の開度を制御することによって、発電用の天然ガスの供給量に見合った値に設定する。また、改質器バーナ156への空気165の供給量は、流量制御弁162の開度(すなわち、改質器バーナ156への天然ガスの供給量)と流量制御弁164の開度(すなわち、改質器バーナ156への空気165の供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁164の開度を制御することによって、予め設定された所定の空燃比となるように設定される。
(Methane steam reforming reaction)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
The hydrocarbon steam reforming reaction such as the steam reforming reaction of methane shown in the formula (1) is generally an endothermic reaction, and is necessary from the outside of the reformer 3 in order to efficiently generate hydrogen. Heat must be supplied and the temperature of the reformer 3 maintained at 700-750 ° C. Therefore, the natural gas 1 is supplied to the reformer burner 156 as fuel, and the air 165 is supplied to the reformer burner 156, and both are combusted to reform the reaction heat necessary for the steam reforming reaction. Supply to vessel 3. The supply amount of the natural gas to the reformer burner 156 includes a preset opening degree of the flow control valve 27 (that is, supply amount of natural gas for power generation) and an opening degree of the flow control valve 162 (that is, reforming). By controlling the opening degree of the flow rate control valve 162 based on a preset relationship with the supply amount of the natural gas to the generator burner 156, a value corresponding to the supply amount of the natural gas for power generation is obtained. Set. Further, the supply amount of the air 165 to the reformer burner 156 includes the opening degree of the flow control valve 162 (that is, the supply amount of natural gas to the reformer burner 156) and the opening degree of the flow control valve 164 (that is, The amount of air 165 supplied to the reformer burner 156 is controlled based on a preset relationship with the reformer burner 156 so that the predetermined air-fuel ratio is set in advance by controlling the opening degree of the flow control valve 164. Set to

改質器3の排出ガスである水素リッチな改質ガス22中には、固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108の燃料極6,92,105の電極触媒の劣化原因となる一酸化炭素が含まれているので、この水素リッチな改質ガス22は、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたCOシフトコンバータ4に供給される。シフト触媒の働きにより(2)式に示す水性シフト反応を行わせることによって、水素リッチな改質ガス22中の一酸化炭素濃度が1%以下まで低減される。   The hydrogen-rich reformed gas 22, which is the exhaust gas of the reformer 3, is a cause of deterioration of the electrode catalyst of the fuel electrodes 6, 92, and 105 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9, 95, and 108. Since carbon oxide is contained, the hydrogen-rich reformed gas 22 is supplied to the CO shift converter 4 filled with a shift catalyst such as a copper-zinc catalyst. By performing the aqueous shift reaction shown in the formula (2) by the action of the shift catalyst, the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich reformed gas 22 is reduced to 1% or less.

(水性シフト反応)
CO + H2O → CO2 + H2 (2)
水性シフト反応は発熱反応であるので、発生した熱を脱硫器2に供給し、前述したように、吸熱反応である脱硫器2での硫化水素の生成反応と硫化亜鉛の生成反応のための反応熱として利用する。
(Water-based shift reaction)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)
Since the aqueous shift reaction is an exothermic reaction, the generated heat is supplied to the desulfurizer 2, and as described above, the reaction for generating hydrogen sulfide and the reaction for generating zinc sulfide in the desulfurizer 2 which is an endothermic reaction. Use as heat.

一酸化炭素濃度を1%体積以下に低減させた改質ガスであるCOシフトコンバータ出口ガス21の一部は、前述したように脱硫器リサイクルガス32として脱硫器2に供給され、残りは、水素分離器供給ガス52として、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器53に供給される。水素分離器53では、水素分離器供給ガス52から水素58が分離される。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器供給ガス52の加圧を行う。水素分離器排出ガス54は、凝縮器55で凝縮水57を凝縮させた後に、水素分離器乾燥排出ガス56として排出される。水素分離器53で分離した水素58は、流量制御弁86を介して固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6に供給され、流量制御弁87を介して固体高分子形燃料電池セルスタック95の燃料極92に供給され、流量制御弁88を介して固体高分子形燃料電池セルスタック108の燃料極105に供給される。   A part of the CO shift converter outlet gas 21 which is a reformed gas whose carbon monoxide concentration is reduced to 1% volume or less is supplied to the desulfurizer 2 as the desulfurizer recycle gas 32 as described above, and the rest is hydrogen The separator supply gas 52 is supplied to a hydrogen separator 53 having a hydrogen separation membrane such as a palladium membrane. In the hydrogen separator 53, hydrogen 58 is separated from the hydrogen separator supply gas 52. At that time, in order to perform efficient hydrogen separation, the hydrogen separator supply gas 52 is pressurized as necessary. The hydrogen separator exhaust gas 54 is discharged as a hydrogen separator dry exhaust gas 56 after condensing condensed water 57 with a condenser 55. The hydrogen 58 separated by the hydrogen separator 53 is supplied to the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 through the flow control valve 86, and the polymer electrolyte fuel cell stack through the flow control valve 87. 95 is supplied to the fuel electrode 92 of the polymer electrolyte fuel cell stack 108 through the flow control valve 88.

固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6への水素58の供給量は、燃料電池直流出力18での電池電流と流量制御弁86の開度(すなわち、燃料極6への水素58の供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁86の開度を制御することによって、燃料電池直流出力18の電池電流に見合った値に設定される。固体高分子形燃料電池セルスタック9の空気極8には、空気供給用ブロワ115で取り込んだ空気25が供給されるが、この空気25の供給量は、燃料電池直流出力18の電池電流と流量制御弁10の開度(すなわち、空気極8への空気25の供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁10の開度を制御することによって、燃料電池直流出力18の電池電流に見合った値に設定される。固体高分子形燃料電池セルスタック9の発電温度は、60〜80℃が一般的であり、電池反応による発熱によりこの発電温度が維持される。   The amount of hydrogen 58 supplied to the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 is determined by the battery current at the fuel cell DC output 18 and the opening of the flow control valve 86 (that is, the amount of hydrogen 58 to the fuel electrode 6). By controlling the opening degree of the flow control valve 86 based on a preset relationship with the supply amount), a value corresponding to the battery current of the fuel cell DC output 18 is set. The air 25 taken in by the air supply blower 115 is supplied to the air electrode 8 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9. The supply amount of the air 25 is the battery current and flow rate of the fuel cell DC output 18. By controlling the opening degree of the flow control valve 10 based on a preset relationship with the opening degree of the control valve 10 (that is, the supply amount of the air 25 to the air electrode 8), the fuel cell DC output It is set to a value commensurate with 18 battery currents. The power generation temperature of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 is generally 60 to 80 ° C., and this power generation temperature is maintained by heat generated by the battery reaction.

なお、図5には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック9の発電温度を60〜80℃に維持するためには、冷却水による固体高分子形燃料電池セルスタック9の冷却が必要であり、この冷却過程で得られた温水を給湯に利用することが可能である。   Although not shown in FIG. 5, in order to maintain the power generation temperature of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 at 60 to 80 ° C., the polymer electrolyte fuel cell stack 9 is cooled with cooling water. It is possible to use hot water obtained in this cooling process for hot water supply.

固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6では、白金系電極触媒の働きで、水素(H2)の約80%が、(3)式に示す燃料極反応によりプロトン(H+)と電子(e-)に変わる。 In the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9, about 80% of hydrogen (H 2 ) is converted into proton (H + ) by the fuel electrode reaction shown in the formula (3) by the action of the platinum-based electrode catalyst. changes to - electronic (e).

(燃料極反応)
2 → 2H+ +2e- (3)
燃料極6で生成したプロトンは、固体高分子電解質7の内部を移動し、空気極8に到達する。固体高分子電解質7は、例えば、スルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される。そのような固体高分子電解質7の例として、商品名「ナフィオン」と呼ばれるものがある。一方、燃料極6で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極8に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力18として取り出すことができる。
(Fuel electrode reaction)
H 2 → 2H + + 2e - (3)
Protons generated at the fuel electrode 6 move inside the solid polymer electrolyte 7 and reach the air electrode 8. The solid polymer electrolyte 7 is made of, for example, a fluorine-based polymer having a sulfonic acid group. As an example of such a solid polymer electrolyte 7, there is a product called “Nafion”. On the other hand, the electrons generated at the fuel electrode 6 travel through the external circuit and reach the air electrode 8. Electric energy can be taken out as the fuel cell DC output 18 in the process of the electrons moving through the external circuit.

固体高分子形燃料電池セルスタック9の空気極8では、白金系電極触媒の働きで、燃料極6から固体高分子電解質7の内部を空気極8に移動してきたプロトン、燃料極6から外部回路を空気極8に移動してきた電子、及び空気極8に供給された空気25中の酸素(O2)が、(4)式に示す空気極反応により反応し、水(H2O)が生成する。この水は、電池反応による生成水30として、外部に排出される。 In the air electrode 8 of the solid polymer fuel cell stack 9, protons that have moved from the fuel electrode 6 to the air electrode 8 by the action of the platinum-based electrode catalyst, and an external circuit from the fuel electrode 6. Electron that has moved to the air electrode 8 and oxygen (O 2 ) in the air 25 supplied to the air electrode 8 react by the air electrode reaction shown in the formula (4) to produce water (H 2 O). To do. This water is discharged to the outside as produced water 30 by the battery reaction.

(空気極反応)
2H+ + (1/2)O2 + 2e- → H2O (4)
(3)式と(4)式をまとめると、固体高分子形燃料電池セルスタック9の電池反応は、(5)式に示す水素と酸素から水ができる、水の電気分解の逆反応として表すことができる。
(Air electrode reaction)
2H + + (1/2) O 2 + 2e → H 2 O (4)
Summarizing the equations (3) and (4), the battery reaction of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 is expressed as the reverse reaction of water electrolysis, which is water generated from hydrogen and oxygen shown in equation (5). be able to.

(電池反応)
2 + (1/2)O2 → H2O (5)
固体高分子形燃料電池セルスタック9の発電によって得られた燃料電池直流出力18は、負荷17に合わせて出力調整装置16で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力19として負荷17に供給される。なお、図5では、出力調整装置16で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置16で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷17に供給してもよい。また、図5には示されていないが、固体高分子形燃料電池セルスタック9の発電によって得られた燃料電池直流出力18を、負荷17,97,110の少なくとも一つ以上に合わせて出力調整装置16で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力19として負荷17,97,110の少なくとも一つ以上に供給してもよい。さらに、出力調整装置16で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷17,97,110の少なくとも一つ以上に供給してもよい。
(Battery reaction)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (5)
The fuel cell direct current output 18 obtained by the power generation of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 is subjected to voltage conversion and direct current to alternating current conversion by the output adjusting device 16 in accordance with the load 17, and then the alternating current at the power transmission end. The output 19 is supplied to the load 17. In FIG. 5, the output adjustment device 16 performs conversion from direct current to alternating current. However, only the voltage conversion may be performed by the output adjustment device 16 to supply the power transmission end DC output to the load 17. Although not shown in FIG. 5, the output of the fuel cell DC output 18 obtained by the power generation of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 is adjusted according to at least one of the loads 17, 97, and 110. After the voltage conversion and the conversion from direct current to alternating current are performed by the device 16, the power transmission end AC output 19 may be supplied to at least one of the loads 17, 97, and 110. Further, only the voltage conversion may be performed by the output adjustment device 16, and the power transmission end DC output may be supplied to at least one of the loads 17, 97, and 110.

固体高分子形燃料電池セルスタック9の空気極8では、供給された空気25は、酸素の一部を(4)式に示した空気極反応により消費した後に、空気極排出ガス13として排出される。一方、燃料極6では、供給された水素の約80%が(3)式に示した燃料極反応により消費された後に、残りに水素が燃料極水素排出ガス59として排出される。この未反応水素からなる燃料極水素排出ガス59は、固体高分子形燃料電池セルスタック9の送電端効率を向上させるために、すペて燃料極6にリサイクルして発電に利用する。しかし、燃料極水素排出ガス59中には水素以外の不純物が若干含まれるので、次第にこの不純物が燃料極6に蓄積する。そこで、パージ弁60を間欠的に開け、パージガス61を放出することにより、燃料極6に蓄積された不純物ガスを系外に排出する。   In the air electrode 8 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9, the supplied air 25 is exhausted as the air electrode exhaust gas 13 after a part of oxygen is consumed by the air electrode reaction shown in the equation (4). The On the other hand, in the fuel electrode 6, about 80% of the supplied hydrogen is consumed by the fuel electrode reaction shown in the equation (3), and then the remaining hydrogen is discharged as the fuel electrode hydrogen exhaust gas 59. The fuel electrode hydrogen exhaust gas 59 made of unreacted hydrogen is recycled to the fuel electrode 6 and used for power generation in order to improve the power transmission end efficiency of the polymer electrolyte fuel cell stack 9. However, since the fuel electrode hydrogen exhaust gas 59 contains some impurities other than hydrogen, these impurities gradually accumulate in the fuel electrode 6. Therefore, the purge valve 60 is intermittently opened and the purge gas 61 is released, whereby the impurity gas accumulated in the fuel electrode 6 is discharged out of the system.

固体高分子形燃料電池セルスタック95,108においても、固体高分子形燃料電池セルスタック9の場合と同様に、水素58と空気25,91,104の供給量が調整され、前述の電池反応に基づいて発電が行われ、燃料電池直流電力98,111が出力調製装置96,109に供給され、それにより、送電端交流出力99,112として負荷に電力が供給される。この場合、未反応の水素を含んで燃料極92,105から排出される燃料極水素排出ガス118,121は、前述と同様に燃料極92,105にリサイクルされるが、燃料極92,105内への不純物の蓄積を抑えるために、パージ弁119,122を間欠的に開け、パージガス120,123を放出する。   In the polymer electrolyte fuel cell stacks 95 and 108, as in the case of the polymer electrolyte fuel cell stack 9, the supply amounts of hydrogen 58 and air 25, 91, and 104 are adjusted, and the above-described battery reaction is performed. Based on this, power generation is performed, and fuel cell DC power 98, 111 is supplied to the output adjusting devices 96, 109, whereby power is supplied to the load as power transmission end AC outputs 99, 112. In this case, the fuel electrode hydrogen exhaust gas 118, 121 containing unreacted hydrogen and discharged from the fuel electrodes 92, 105 is recycled to the fuel electrodes 92, 105 in the same manner as described above. In order to suppress the accumulation of impurities in the gas, the purge valves 119 and 122 are opened intermittently and the purge gases 120 and 123 are released.

次に、前述したような従来の技術による燃料電池発電システムの問題点について説明する。図5に示した従来の燃料電池発電システムでは、改質器3において発電用の天然ガスに含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせるために、天然ガスを改質器バーナ156に供給して燃焼させる必要があった。また、気化器157を設け、改質器バーナ156の燃焼排出ガス166と熱交換を行わせるとともに、気化器バーナ170において天然ガス168を燃焼させることによって、水173の気化に必要な熱を外部から気化器157に供給し、改質器3での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気155を生成させなければならなかった。このように、従来の燃料電池発電システムでは、改質器バーナ156および気化器バーナ170に対して天然ガスと空気とを供給し、天然ガスと空気中の酸素との燃焼反応を行わせることによって、炭化水素の水蒸気改質反応を行わせ水素を生成させるために必要な熱を得る必要があった。このとき、改質器バーナ156の燃焼排出ガス166と気化器バーナ170の燃焼排出ガス175には、天然ガスの燃焼により生成した二酸化炭素と水蒸気の他に、空気中の窒素が多量に含まれることになり、地球温暖化ガスである二酸化炭素の分離回収のためには、高価で大規模な二酸化炭素の分離回収装置が必要となる。例えば、予め定められた温度になると二酸化炭素を吸収し予め定められた高温度になると吸収していた二酸化炭素を放出する性質を有するリチウム化合物等のガス吸収放出剤を充填した二酸化炭素吸収放出器に燃焼排出ガス166,175を供給すれば、これら燃焼排出ガス166,175中の二酸化炭素を回収することは可能であるが、連続的に水素生成を行うためには、最低2組の二酸化炭素吸収放出器を新たに設けて二酸化炭素の連続的な吸収放出を行う必要があり、システムコストが上昇するといった問題点がある。また、ガス吸収放出剤の交換等のために保守コストが上昇するといった問題点や、二酸化炭素吸収放出器では温度により二酸化炭素の吸収放出を行わせるので、エネルギー消費が増大するといった問題点もある。
特開2002−372199号公報
Next, problems of the conventional fuel cell power generation system as described above will be described. In the conventional fuel cell power generation system shown in FIG. 5, natural gas is supplied to the reformer burner 156 in order to cause the reformer 3 to perform a steam reforming reaction of hydrocarbons contained in the natural gas for power generation. It was necessary to burn. Further, a vaporizer 157 is provided to exchange heat with the combustion exhaust gas 166 of the reformer burner 156, and the natural gas 168 is combusted in the vaporizer burner 170, so that heat necessary for vaporizing the water 173 is externally supplied. To the vaporizer 157 to generate the steam 155 necessary for the hydrocarbon steam reforming reaction in the reformer 3. As described above, in the conventional fuel cell power generation system, natural gas and air are supplied to the reformer burner 156 and the vaporizer burner 170, and the combustion reaction between natural gas and oxygen in the air is performed. It was necessary to obtain the heat necessary to generate hydrogen by performing a steam reforming reaction of hydrocarbons. At this time, the combustion exhaust gas 166 of the reformer burner 156 and the combustion exhaust gas 175 of the vaporizer burner 170 contain a large amount of nitrogen in the air in addition to carbon dioxide and water vapor generated by the combustion of natural gas. Therefore, in order to separate and collect carbon dioxide, which is a global warming gas, an expensive and large-scale carbon dioxide separation and collection device is required. For example, a carbon dioxide absorption / release device filled with a gas absorption / release agent such as a lithium compound having the property of absorbing carbon dioxide at a predetermined temperature and releasing the absorbed carbon dioxide at a predetermined high temperature. It is possible to recover the carbon dioxide in the combustion exhaust gas 166, 175 by supplying the combustion exhaust gas 166, 175 to the gas. However, in order to continuously generate hydrogen, at least two sets of carbon dioxide are required. It is necessary to newly install an absorption / release device to perform continuous absorption / release of carbon dioxide, resulting in a problem that the system cost increases. In addition, there is a problem that the maintenance cost increases due to replacement of the gas absorption / release agent, and the carbon dioxide absorption / release device causes absorption / release of carbon dioxide depending on the temperature, resulting in an increase in energy consumption. .
JP 2002-372199 A

本発明の目的は、燃料から発電に必要な水素を生成させる過程で生成する地球温暖化ガスである二酸化炭素の回収が容易であって、高効率発電が可能な、地球環境に優しい燃料電池発電システムを提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell power generation that is friendly to the global environment, capable of recovering carbon dioxide, which is a global warming gas generated in the process of generating hydrogen necessary for power generation from fuel, and capable of high-efficiency power generation. To provide a system.

本発明の第1の燃料電池発電システムは、水素と酸素を電気化学反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、水溶性有機化合物水溶液を貯蔵する燃料貯蔵手段と、燃料貯蔵手段から供給された水溶性有機化合物水溶液を電気分解して水素と二酸化炭素とを分離して生成させる電解手段と、電解手段で分離して生成させた二酸化炭素を回収し、燃料貯蔵手段に供給する二酸化炭素回収手段と、電解手段で分離して生成させた水素を回収する水素回収手段と、燃料電池セルスタックと、水素回収手段で回収された水素を燃料電池セルスタックに供給する水素供給手段と、を有し、燃料電池セルスタックは水素供給手段により供給された水素と酸素とを電気化学反応させることによって発電を行うことを特徴とする。   A first fuel cell power generation system according to the present invention is a fuel cell power generation system that generates power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen. The fuel storage unit stores a water-soluble organic compound aqueous solution, and is supplied from the fuel storage unit. Electrolysis means that electrolyzes the water-soluble organic compound aqueous solution to separate and produce hydrogen and carbon dioxide, and carbon dioxide recovery that collects the carbon dioxide produced by separation by the electrolysis means and supplies it to the fuel storage means Means, a hydrogen recovery means for recovering the hydrogen separated and generated by the electrolysis means, a fuel cell stack, and a hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to the fuel cell stack. The fuel cell stack performs power generation by causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen supplied by the hydrogen supply means.

本発明の第2の燃料電池発電システムは、水素と酸素を電気化学反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、水溶性有機化合物の水溶液を電気分解して水素と二酸化炭素とを分離して生成させる電解手段と、電解手段で分離して生成させた二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段と、二酸化炭素回収手段で回収された二酸化炭素を二酸化炭素の供給先に供給する二酸化炭素供給手段と、電解手段で分離して生成させた水素を回収する水素回収手段と、燃料電池セルスタックと、水素回収手段で回収した水素を燃料電池セルスタックに供給する水素供給手段と、を有し、燃料電池セルスタックは水素供給手段により供給された水素と酸素とを電気化学反応させることによって発電を行うことを特徴とする。この燃料電池発電システムでは、二酸化炭素回収手段で回収された二酸化炭素を貯蔵する二酸化炭素貯蔵手段を設けてもよい。   A second fuel cell power generation system according to the present invention is a fuel cell power generation system that generates power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen to separate hydrogen and carbon dioxide by electrolyzing an aqueous solution of a water-soluble organic compound. Generating means, carbon dioxide recovery means for recovering carbon dioxide separated and generated by the electrolytic means, and carbon dioxide supply means for supplying the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means to the carbon dioxide supply destination And hydrogen recovery means for recovering the hydrogen separated and generated by the electrolysis means, a fuel cell stack, and a hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to the fuel cell stack, The fuel cell stack is characterized in that it generates electric power by causing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen supplied by a hydrogen supply means. In this fuel cell power generation system, carbon dioxide storage means for storing carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means may be provided.

本発明の燃料電池発電システムでは、水素回収手段で回収された水素を精製する水素精製手段を設けてもよく、その場合、水素精製手段で精製された水素を貯蔵する水素貯蔵手段や、水素精製手段で精製された水素を加圧する水素加圧手段を設けてもよい。   In the fuel cell power generation system of the present invention, a hydrogen purification means for purifying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means may be provided. In that case, a hydrogen storage means for storing the hydrogen purified by the hydrogen purification means, a hydrogen purification means You may provide the hydrogen pressurization means to pressurize the hydrogen refine | purified by the means.

上述の本発明の第1及び第2の燃料電池発電システムは、水素回収手段で回収された水素と二酸化炭素回収手段で回収された二酸化炭素とが供給され、供給された二酸化炭素に副成分として含まれる酸素と水素とを反応させて水もしくは水蒸気を生成させる酸素反応手段をさらに有する。水素精製手段が設けられている場合には、酸素反応手段は、水素回収手段で回収された水素の代わりに、水素精製手段からの排出ガスが供給されて、この排出ガス中に含まれる水素を二酸化炭素中の酸素と反応させる。いずれの場合も、酸素反応手段で生成された水または水蒸気を回収する水分回収手段を設けることが好ましい。 Above the first and second fuel cell power generation system of the present invention, the carbon dioxide recovered by the in recovered hydrogen and carbon dioxide recovery means hydrogen recovery unit is supplied, the sub-components of the supplied carbon dioxide It further has an oxygen reaction means for reacting oxygen and hydrogen contained therein to generate water or water vapor. In the case where hydrogen purification means is provided, the oxygen reaction means is supplied with exhaust gas from the hydrogen purification means instead of hydrogen recovered by the hydrogen recovery means, and removes hydrogen contained in the exhaust gas. Ru is reacted with oxygen in the carbon dioxide. In any case, it is preferable to provide a water recovery means for recovering water or water vapor generated by the oxygen reaction means.

本発明の燃料電池発電システムでは、水素回収手段で回収された水素を加圧する水素加圧手段を設けてもよく、水素加圧手段で加圧された水素を貯蔵する水素貯蔵手段を設けてもよく、水素回収手段で回収された水素を貯蔵する水素貯蔵手段を設けてもよい。   In the fuel cell power generation system of the present invention, a hydrogen pressurizing unit that pressurizes the hydrogen recovered by the hydrogen recovery unit may be provided, or a hydrogen storage unit that stores the hydrogen pressurized by the hydrogen pressurizing unit may be provided. It is also possible to provide hydrogen storage means for storing hydrogen recovered by the hydrogen recovery means.

本発明において、燃料電池セルスタックとしては、例えば、固体高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池セルスタック、または、りん酸を電解質とするりん酸形燃料電池セルスタックが用いられる。水溶性有機化合物としては、例えば、メタノール、エタノール、2−プロパノールからなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物が用いられる。   In the present invention, as the fuel cell stack, for example, a solid polymer fuel cell stack using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte or a phosphoric acid fuel cell stack using phosphoric acid as an electrolyte is used. As the water-soluble organic compound, for example, at least one compound selected from the group consisting of methanol, ethanol, and 2-propanol is used.

本発明によれば、燃料電池発電システムの電解装置を構成する電解セルで水溶性有機化合物水溶液を電気分解することによって、水の電気分解と比較して少ない電解電力で、電解セルのアノードで選択的に高濃度の二酸化炭素を含むアノード室出口ガスを生成させることができ、また、対極のカソードで選択的に高濃度の水素を含むカソード室出口ガスを生成させることができるので、水素の分離回収と二酸化炭素の分離回収が容易である。このため、地球温暖化ガスである二酸化炭素の回収のためのシステムコストと保守コスト、エネルギーコスト等のランニングコストの削減が可能である。さらに、本発明によれば、回収したカソード室出口ガスの水素濃度が高いので、水素精製手段での水素の損失を抑制するとともに、水素精製手段のコンパクト化によるシステムコストとの削減が可能である。従って、木発明によれば、二酸化炭素の回収が容易で、高効率発電が可能であるという利点がある。   According to the present invention, by electrolyzing a water-soluble organic compound aqueous solution in an electrolysis cell constituting an electrolysis device of a fuel cell power generation system, the electrolysis cell anode can be selected with less electrolysis power than water electrolysis. Separation of hydrogen because it is possible to generate an anode chamber outlet gas containing a high concentration of carbon dioxide and to selectively generate a cathode chamber outlet gas containing a high concentration of hydrogen at the cathode of the counter electrode. Recovery and separation and recovery of carbon dioxide are easy. For this reason, it is possible to reduce running costs such as system cost, maintenance cost, and energy cost for collecting carbon dioxide, which is a global warming gas. Furthermore, according to the present invention, since the hydrogen concentration in the recovered cathode chamber outlet gas is high, it is possible to suppress the loss of hydrogen in the hydrogen purification means and to reduce the system cost by making the hydrogen purification means compact. . Therefore, according to the wood invention, there is an advantage that carbon dioxide can be easily recovered and high-efficiency power generation is possible.

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。   Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態の燃料電池発電システムの構成を示している。図1に示す例では、3組の固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108を用いているが、固体高分子形燃料電池セルスタックの数は必ずしも3組に限定されるわけではなく、固体高分子形燃料電池セルスタックはいくつあっても構わない。   FIG. 1 shows the configuration of a fuel cell power generation system according to an embodiment of the present invention. In the example shown in FIG. 1, three sets of polymer electrolyte fuel cell stacks 9, 95, 108 are used, but the number of polymer electrolyte fuel cell stacks is not necessarily limited to three. Any number of polymer electrolyte fuel cell stacks may be used.

図1に示した燃料電池発電システムは、主な構成要素として、固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108と、メタノール水溶液5を貯蔵するとともに回収した二酸化炭素の貯蔵も行う燃料貯蔵部11と、固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108で発生した直流電力を交流電力に変換する出力調整装置16,96,109と、メタノール水溶液5に電気分解反応を行わせる電解装置20と、ポンプ23,77と、メタノール水溶液5の電気分解に必要な直流電力46を電解装置20に供給する直流電源26と、電解装置2で生成させた水素をカソード室出口ガス65として回収する水素回収装置28(図1では「H2回収」と表示)と、電解装置2で生成させた二酸化炭素をアノード室出口ガス64として回収する二酸化炭素回収装置29(図1では「CO2回収」と表示)と、流量制御弁31,34〜36と、カソード室出口ガス65を精製して高純度水素78を得る水素精製装置67と、カソード室出口ガス65を加圧して加圧カソード室出口ガス75を生成する水素加圧装置62と、高純度水素78を加圧して加圧高純度水素79を生成する水素加圧装置37と、加圧高純度水素79、高純度水素78および加圧カソード室出口ガス75をそれぞれ所蔵する水素貯蔵部38,39,63と、水素貯蔵部38,39に貯蔵された高純度水素を固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108に供給する水素供給装置40,41と、水素貯蔵部63に貯蔵されたカソード室出口ガスを固体高分子形燃料電池セルスタックに供給する水素供給装置84と、二酸化炭素回収装置29で回収されたアノード室出口ガス64を加圧して加圧アノード室出口ガス66を生成して燃料貯蔵部11に供給する二酸化炭素加圧装置42と、アノード室出口ガス64中の酸素を反応させる酸素反応装置43と、酸素反応装置43の排出液または排出ガスから水または水蒸気を回収する水分回収装置44と、パージ弁60,119,122と、流量制御弁10,76,86〜88,90,103と、空気供給用ブロワ89,102,115と、を備えている。すなわち、図1に示した本実施形態の燃料電池発電システムは、図5に示した従来の燃料電池発電システムとは、脱硫器2、改質器3、COシフトコンバータ4、水素分離器53、凝縮器55、気化器157、水タンク159、および気化器バーナ170を不要とし、その代わりに、燃料貯蔵部11、電解装置20、直流電源26、水素回収装置28、二酸化炭素回収装置29、水素加圧装置37,62、水素貯蔵部38,39,63、水素供給装置40,41,84、二酸化炭素加圧装置42、酸素反応装置43、水分回収装置44、および水素精製装置67を設けた点で大きく異なっている。 The fuel cell power generation system shown in FIG. 1 includes, as main components, a polymer electrolyte fuel cell stack 9, 95, 108 and a fuel storage unit that stores the methanol aqueous solution 5 and also stores the recovered carbon dioxide. 11, output regulators 16, 96, and 109 that convert DC power generated in the polymer electrolyte fuel cell stacks 9, 95, and 108 into AC power, and an electrolytic device 20 that causes the aqueous methanol solution 5 to perform an electrolysis reaction The pumps 23 and 77, the DC power source 26 for supplying the DC power 46 necessary for the electrolysis of the aqueous methanol solution 5 to the electrolysis device 20, and the hydrogen generated by the electrolysis device 2 to be recovered as the cathode chamber outlet gas 65 a recovery device 28 (FIG. 1 labeled "H 2 recovery"), to recover the carbon dioxide was generated by the electrolysis apparatus 2 as the anode chamber outlet gas 64 diacid Carbon recovery device 29 (labeled in FIG. 1 "CO 2 recovery"), and flow control valve 31,34~36, a hydrogen purification device 67 to purify the cathode chamber outlet gas 65 obtain highly pure hydrogen 78, cathode A hydrogen pressurizer 62 that pressurizes the chamber outlet gas 65 to generate a pressurized cathode chamber outlet gas 75; a hydrogen pressurizer 37 that pressurizes the high purity hydrogen 78 to generate pressurized high purity hydrogen 79; Hydrogen storage units 38, 39, and 63 that hold pressurized high-purity hydrogen 79, high-purity hydrogen 78, and pressurized cathode chamber outlet gas 75, respectively, and high-purity hydrogen stored in the hydrogen storage units 38 and 39 in solid polymer form Hydrogen supply devices 40, 41 for supplying the fuel cell stacks 9, 95, 108, a hydrogen supply device 84 for supplying the cathode chamber outlet gas stored in the hydrogen storage unit 63 to the polymer electrolyte fuel cell stack, two The carbon dioxide pressurizing device 42 that pressurizes the anode chamber outlet gas 64 recovered by the carbonized carbon recovery device 29 to generate the pressurized anode chamber outlet gas 66 and supplies the pressurized anode chamber outlet gas 66 to the fuel storage unit 11, and the anode chamber outlet gas 64 An oxygen reaction device 43 for reacting oxygen, a water recovery device 44 for recovering water or water vapor from the effluent or exhaust gas of the oxygen reaction device 43, purge valves 60, 119, 122, and flow control valves 10, 76, 86 to 88, 90, 103 and air supply blowers 89, 102, 115 are provided. That is, the fuel cell power generation system of the present embodiment shown in FIG. 1 is different from the conventional fuel cell power generation system shown in FIG. 5 in that the desulfurizer 2, the reformer 3, the CO shift converter 4, the hydrogen separator 53, The condenser 55, the vaporizer 157, the water tank 159, and the vaporizer burner 170 are not necessary. Instead, the fuel storage unit 11, the electrolysis device 20, the DC power supply 26, the hydrogen recovery device 28, the carbon dioxide recovery device 29, hydrogen Pressurization devices 37, 62, hydrogen storage units 38, 39, 63, hydrogen supply devices 40, 41, 84, carbon dioxide pressurization device 42, oxygen reaction device 43, moisture recovery device 44, and hydrogen purification device 67 were provided. It is very different in terms.

図1において、前述した図5と同一のものは同一の符号で表し、これらのものについてはその詳細についての説明を省略する。特に、図1に示した燃料電池発電システムにおいて、流量制御弁86から固体高分子形燃料電池セルスタック9側の部分の構成、流量制御弁87から固体高分子形燃料電池セルスタック95側の部分の構成、および、流量制御弁88から固体高分子形燃料電池セルスタック108側の部分の構成は、図5に示した該当部分の構成と完全に同一である。   In FIG. 1, the same parts as those in FIG. 5 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description of these parts is omitted. In particular, in the fuel cell power generation system shown in FIG. 1, the configuration of the part on the polymer electrolyte fuel cell stack 9 side from the flow control valve 86, and the part on the polymer electrolyte fuel cell stack 95 side from the flow control valve 87. 5 and the configuration of the portion on the polymer electrolyte fuel cell stack 108 side from the flow rate control valve 88 are completely the same as the configuration of the corresponding portion shown in FIG.

燃料貯蔵部11は、水溶性有機化合物の水溶液のひとつであるメタノール水溶液5を貯蔵する交換可能なタンクとする。メタノール水溶液5の代わりに、水溶性有機化合物の水溶液として、エタノール水溶液、2−プロパノール水溶液等を用いてもよい。メタノール水溶液5におけるメタノールと水のモル比は、後述するように、メタノールと水が等モル反応して水素が生成することから、1:1が望ましいが、必ずしも1:1に限定させるものではない。燃料貯蔵部11に貯蔵したメタノール水溶液5は、ポンプ23によって、電解装置30を構成する電解セル74のアノード室68に供給される。電解セル74の構成は、図2に示されている。   The fuel storage unit 11 is a replaceable tank that stores an aqueous methanol solution 5 that is one of aqueous solutions of water-soluble organic compounds. Instead of the aqueous methanol solution 5, an aqueous ethanol solution, an aqueous 2-propanol solution, or the like may be used as an aqueous solution of the water-soluble organic compound. As will be described later, the molar ratio of methanol and water in the aqueous methanol solution 5 is 1: 1 because methanol and water are reacted in an equimolar amount to generate hydrogen, but is not necessarily limited to 1: 1. . The aqueous methanol solution 5 stored in the fuel storage unit 11 is supplied by the pump 23 to the anode chamber 68 of the electrolysis cell 74 constituting the electrolysis apparatus 30. The configuration of the electrolysis cell 74 is shown in FIG.

電解セル74は、アノード69と、アノード69を備えるアノード室68と、電解質膜70と、カソード71と、カソード71を備えるカソード室72と、から構成されている。電解質膜70は、アノード室68とカソード室72とを分離しており、アノード69とカソード71は、電解質膜70を挟むように電解質膜70に接して設けられている。アノード69で発生したプロトン(H+)は、電解質膜7中を移動してカソード69にまで到達するようになっている。なお、図2では、電解装置20が一組の電解セル74から構成されているが、必ずしも一組に限定されるわけではなく、複数組の電解セル74から電解装置2を構成してもよい。 The electrolysis cell 74 includes an anode 69, an anode chamber 68 including the anode 69, an electrolyte membrane 70, a cathode 71, and a cathode chamber 72 including the cathode 71. The electrolyte membrane 70 separates the anode chamber 68 and the cathode chamber 72, and the anode 69 and the cathode 71 are provided in contact with the electrolyte membrane 70 so as to sandwich the electrolyte membrane 70. Proton (H + ) generated at the anode 69 moves through the electrolyte membrane 7 and reaches the cathode 69. In FIG. 2, the electrolysis apparatus 20 is configured by a set of electrolysis cells 74, but is not necessarily limited to one set, and the electrolysis apparatus 2 may be configured by a plurality of sets of electrolysis cells 74. .

電解セル74のアノード室68へのメタノール水溶液5の供給量は、燃料電池直流出力18,98,111の電池電流の合計とポンプ23の回転数(すなわち、メタノール水溶液5の供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、ポンプ23の回転数を制御することによって、燃料電池直流出力18,98,111の電池電流の合計に見合った値に設定される。   The supply amount of the methanol aqueous solution 5 to the anode chamber 68 of the electrolysis cell 74 is between the sum of the battery currents of the fuel cell DC outputs 18, 98, 111 and the rotational speed of the pump 23 (that is, the supply amount of the methanol aqueous solution 5). By controlling the rotational speed of the pump 23 based on the previously set relationship, the value is set to a value corresponding to the sum of the battery currents of the fuel cell DC outputs 18, 98, and 111.

直流電源26には、太陽電池、風力発電機、燃料電池、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン等の自家発電機や商用電源などの所定のエネルギー源から得た電力45が供給される。直流電源26に供給された電力45は、直流電源26で所定の変換が行われ直流電力46の形で電解セル74に供給され、電解セル74のアノード室68に供給されたメタノール水溶液5の電気分解に使用される。電解セル74に供給される直流電力46の電流量は、燃料電池直流出力18,98,111の電池電流の合計と直流電力46の電流量との間の予め設定された関係に基づいて、直流電源26を制御することによって、燃料電池直流出力18,98,111の電池電流の合計に見合った値に設定される。   The DC power source 26 is supplied with electric power 45 obtained from a predetermined energy source such as a private power generator such as a solar cell, a wind power generator, a fuel cell, a gas engine, a diesel engine, or a gas turbine, or a commercial power source. The electric power 45 supplied to the DC power supply 26 is subjected to predetermined conversion by the DC power supply 26, supplied to the electrolysis cell 74 in the form of DC power 46, and the electricity of the aqueous methanol solution 5 supplied to the anode chamber 68 of the electrolysis cell 74. Used for disassembly. The amount of DC power 46 supplied to the electrolysis cell 74 is determined based on a preset relationship between the sum of the battery currents of the fuel cell DC outputs 18, 98, and 111 and the amount of DC power 46 current. By controlling the power supply 26, the value is set to a value corresponding to the sum of the battery currents of the fuel cell DC outputs 18, 98, and 111.

直流電源26から電解セル74に供給された直流電力46により、電解セル74のアノード69とカソード71との間には電解電圧が印加され、電解電流が流れることによって、メタノール水溶液3の電気分解が起こる。アノード69では(6)式に示すメタノール(CH3OH)と水(H2O)の電気化学反応が起こり、二酸化炭素(CO2)とプロトン(H+)と電子(e-)が生成する。 The DC power 46 supplied from the DC power source 26 to the electrolysis cell 74 applies an electrolysis voltage between the anode 69 and the cathode 71 of the electrolysis cell 74, and an electrolysis current flows, thereby electrolyzing the aqueous methanol solution 3. Occur. At the anode 69, an electrochemical reaction of methanol (CH 3 OH) and water (H 2 O) shown in the formula (6) occurs, and carbon dioxide (CO 2 ), proton (H + ), and electrons (e ) are generated. .

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ +6e- (6)
アノード69でのメタノールと水の電気化学反応を進行させるためには触媒が必要であり、カーボン担体等に白金や白金−ルテニウム合金を担持した白金触媒や、白金−ルテニウム合金触媒が一般的に用いられている。(6)式に示したメタノールと水の電気化学反応によりアノード69で生成したプロトン(H+)は、プロトン伝導性を有する電解質膜70中を移動し、カソード71に到達する。このプロトン伝導性を有する電解質膜70には、スルフォン酸基を有するパーフルオロスルフォン酸膜がよく用いられている。また、(6)式に示したメタノールと水の電気化学反応によりアノード69で生成した電子(e-)は、直流電源26を含む外部回路を移動し、カソード71に到達する。カソード71では、(4)式に示すように、電解質膜70中をアノード69から移動してきたプロトンと外部回路をアノード69から移動してきた電子との電気化学反応が起こり、水素が生成する。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e - (6)
A catalyst is required to advance the electrochemical reaction of methanol and water at the anode 69, and a platinum catalyst in which platinum or a platinum-ruthenium alloy is supported on a carbon carrier or the like, or a platinum-ruthenium alloy catalyst is generally used. It has been. Proton (H + ) generated at the anode 69 by the electrochemical reaction of methanol and water shown in the formula (6) moves through the electrolyte membrane 70 having proton conductivity and reaches the cathode 71. For the electrolyte membrane 70 having proton conductivity, a perfluorosulfonic acid membrane having a sulfonic acid group is often used. Further, the electrons (e ) generated at the anode 69 by the electrochemical reaction of methanol and water shown in the equation (6) travel through an external circuit including the DC power supply 26 and reach the cathode 71. In the cathode 71, as shown in the equation (4), an electrochemical reaction occurs between protons moving from the anode 69 in the electrolyte membrane 70 and electrons moving from the anode 69 in the external circuit, and hydrogen is generated.

6H+ + 6e- → 3H2 (7)
メタノール水溶液5の電気分解反応は、全体として、(6)式に示したアノード69での反応と、(7)式に示したカソード71での反応を組み合わせたものであって、(8)式に示すような、メタノールと水が反応して二酸化炭素と水素が生成する反応となる。
6H + + 6e - → 3H 2 (7)
The electrolysis reaction of the aqueous methanol solution 5 is a combination of the reaction at the anode 69 shown in the formula (6) and the reaction at the cathode 71 shown in the formula (7). As shown in the above, methanol and water react to produce carbon dioxide and hydrogen.

CH3OH + H2O → CO2 + 3H2 (8)
前述したように、電解装置20の電解セル74のアノード69で二酸化炭素が生成し、カソード71で水素が生成する。電解セル74の電解質膜70のガス気密性が高いので、アノード69で生成した二酸化炭素とカソード71で生成した水素とが混合する可能性は低い。したがって、このような電解装置20を用いることにより、電解セル74から水素と二酸化炭素とを分離して回収することができる。アノード69で生成した二酸化炭素は、アノード室68に隣接して設けられた二酸化炭素回収装置29において、未反応メタノール水溶液47と分離されて、アノード室出口ガス64として回収される。電解セル74のアノード室68に供給されたメタノール水溶液の一部は、電解質膜70を透過してカソード室72に移動するおそれがあるが、その場合は、カソード71で生成した水素は、カソード室72に隣接して設けられた水素回収装置28において電解質膜70を透過したメタノール水溶液73から分離されて、カソード室出口ガス65として回収される。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 (8)
As described above, carbon dioxide is generated at the anode 69 of the electrolysis cell 74 of the electrolysis device 20, and hydrogen is generated at the cathode 71. Since the gas tightness of the electrolyte membrane 70 of the electrolytic cell 74 is high, the possibility that carbon dioxide generated at the anode 69 and hydrogen generated at the cathode 71 are mixed is low. Therefore, by using such an electrolysis apparatus 20, hydrogen and carbon dioxide can be separated and recovered from the electrolysis cell 74. The carbon dioxide generated at the anode 69 is separated from the unreacted methanol aqueous solution 47 and recovered as the anode chamber outlet gas 64 in the carbon dioxide recovery device 29 provided adjacent to the anode chamber 68. A part of the methanol aqueous solution supplied to the anode chamber 68 of the electrolysis cell 74 may permeate the electrolyte membrane 70 and move to the cathode chamber 72. In this case, hydrogen generated in the cathode 71 is transferred to the cathode chamber. 72 is separated from the aqueous methanol solution 73 that has permeated through the electrolyte membrane 70 in the hydrogen recovery device 28 provided adjacent to 72 and recovered as the cathode chamber outlet gas 65.

二酸化炭素回収装置29でアノード室出口ガス64と分離された未反応メタノール水溶液47のメタノール濃度と、水素回収装置28でカソード室出口ガス65と分離された電解質膜70を透過したメタノール水溶液73のメタノール濃度は、電解セル74のアノード室68に供給されたメタノール水溶液5のメタノール濃度にほぼ等しいので、二酸化炭素回収装置29で分離された未反応メタノール水溶液47と水素回収装置28で分離された電解質膜70を透過したメタノール水溶液73は、必要に応じて燃料貯蔵部11あるいは電解セル74のアノード室68にリサイクルされる。水素回収装置28で分離された電解質膜70を透過したメタノール水溶液73は、ポンプ77に送られる。ポンプ77の出口は2分岐し、一方は流量制御弁35を介して燃料貯蔵部11に通じ、他方は流量制御弁36を介してポンプ23と電解装置20を結ぶ供給管路に接続している。同様に、二酸化炭素回収装置29の未反応メタノール水溶液47を排出する出口は2分岐し、一方は流量制御弁31を介して燃料貯蔵部11に通じ、他方は流量制御弁34を介してポンプ23と電解装置20を結ぶ供給管路に接続している。したがって、二酸化炭素回収装置29で分離された未反応メタノール水溶液47の燃料貯蔵部11及び電解セル74のアノード室68へのリサイクル量は、それぞれ、流量制御弁31,34の開度を調節することによって制御される。同様に、水素回収装置28で分離された電解質膜70を透過したメタノール水溶液73の燃料貯蔵部11及び電解セル74のアノード室68へのリサイクル量は、それぞれ、流量制御弁35,36の開度を調節することによって制御される。   The methanol concentration of the unreacted methanol aqueous solution 47 separated from the anode chamber outlet gas 64 by the carbon dioxide recovery device 29 and the methanol of the methanol aqueous solution 73 permeated through the electrolyte membrane 70 separated from the cathode chamber outlet gas 65 by the hydrogen recovery device 28. Since the concentration is substantially equal to the methanol concentration of the aqueous methanol solution 5 supplied to the anode chamber 68 of the electrolytic cell 74, the unreacted aqueous methanol solution 47 separated by the carbon dioxide recovery device 29 and the electrolyte membrane separated by the hydrogen recovery device 28. The methanol aqueous solution 73 that has permeated 70 is recycled to the fuel storage unit 11 or the anode chamber 68 of the electrolysis cell 74 as necessary. The aqueous methanol solution 73 that has passed through the electrolyte membrane 70 separated by the hydrogen recovery device 28 is sent to a pump 77. The outlet of the pump 77 branches into two branches, one leading to the fuel storage unit 11 via the flow control valve 35 and the other connected to the supply line connecting the pump 23 and the electrolyzer 20 via the flow control valve 36. . Similarly, the outlet for discharging the unreacted methanol aqueous solution 47 of the carbon dioxide recovery device 29 branches into two branches, one leading to the fuel storage unit 11 via the flow control valve 31 and the other via the flow control valve 34 to the pump 23. And a supply pipe connecting the electrolyzer 20. Therefore, the recycle amounts of the unreacted aqueous methanol solution 47 separated by the carbon dioxide recovery device 29 to the fuel storage unit 11 and the anode chamber 68 of the electrolysis cell 74 are adjusted by adjusting the opening degree of the flow control valves 31 and 34, respectively. Controlled by. Similarly, the recycle amounts of the aqueous methanol solution 73 permeated through the electrolyte membrane 70 separated by the hydrogen recovery device 28 to the fuel storage unit 11 and the anode chamber 68 of the electrolysis cell 74 are the opening amounts of the flow control valves 35 and 36, respectively. Is controlled by adjusting.

電解装置20の電解セル74のカソード71で生成した水素を含むカソード室出口ガス65は、必要に応じて、例えばパラジウム膜で代表される水素分離膜を有する水素分離器などの水素精製装置67に供給され、高純度水素78がつくられる。水素精製装置67でつくられた高純度水素78は、必要に応じて、水素加圧装置37に供給して加圧された後に加圧高純度水素79として高圧タンク等の水素貯蔵部38に供給され貯蔵される。一方、水素精製装置67で分離除去された不純物を含むガスは、水素精製装置排出ガス80として水素精製装置67から排出される。水素貯蔵部38に貯蔵された加圧高純度水素79は、水素供給装置40を用いて、必要に応じて固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6、固体高分子形燃料電池セルスタック95の燃料極92、固体高分子形燃料電池セルスタック108の燃料極105に供給される。水素供給装置40では、必要に応じて加圧高純度水素79の減圧を行う。なお、水素加圧装置37と水素貯蔵部38を設けず、高純度水素78を水素供給装置40を用いてそのまま固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6、固体高分子形燃料電池セルスタック95の燃料極92、固体高分子形燃料電池セルスタック108の燃料極105に供給してもよい。   The cathode chamber outlet gas 65 containing hydrogen generated at the cathode 71 of the electrolysis cell 74 of the electrolysis device 20 is supplied to a hydrogen purification device 67 such as a hydrogen separator having a hydrogen separation membrane represented by a palladium membrane, for example. Supply high purity hydrogen 78. The high-purity hydrogen 78 produced by the hydrogen purification device 67 is supplied to the hydrogen pressurization device 37 and pressurized as necessary, and then supplied as the pressurized high-purity hydrogen 79 to the hydrogen storage unit 38 such as a high-pressure tank. And stored. On the other hand, the gas containing impurities separated and removed by the hydrogen purification device 67 is discharged from the hydrogen purification device 67 as a hydrogen purification device exhaust gas 80. The pressurized high-purity hydrogen 79 stored in the hydrogen storage unit 38 is supplied to the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 or the polymer electrolyte fuel cell stack using the hydrogen supply device 40 as necessary. 95 fuel electrodes 92 and the fuel electrode 105 of the polymer electrolyte fuel cell stack 108 are supplied. In the hydrogen supply device 40, the pressurized high-purity hydrogen 79 is depressurized as necessary. The hydrogen pressurizing device 37 and the hydrogen storage unit 38 are not provided, and the high-purity hydrogen 78 is directly used as the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 and the polymer electrolyte fuel cell using the hydrogen supply device 40. The fuel electrode 92 of the stack 95 and the fuel electrode 105 of the polymer electrolyte fuel cell stack 108 may be supplied.

また、水素精製装置67でつくられた高純度水素78は、水素加圧装置37で加圧することなく、水素吸蔵合金タンク等の水素貯蔵部39に常圧で貯蔵してもよい。この場合も、水素貯蔵部39に貯蔵された高純度水素78は、水素供給装置41を用いて、そのまま、固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6、固体高分子形燃料電池セルスタック95の燃料極92、固体高分子形燃料電池セルスタック108の燃料極105に供給される。水素供給装置41では、必要に応じて、高純度水素78の加圧を行う。なお、水素貯蔵部39を設けず、高純度水素78を水素供給装置41を用いてそのまま固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6、固体高分子形燃料電池セルスタック95の燃料極92、固体高分子形燃料電池セルスタック108の燃料極105に供給してもよい。   The high-purity hydrogen 78 produced by the hydrogen purifier 67 may be stored at normal pressure in the hydrogen storage unit 39 such as a hydrogen storage alloy tank without being pressurized by the hydrogen pressurizer 37. Also in this case, the high-purity hydrogen 78 stored in the hydrogen storage unit 39 is used as it is, using the hydrogen supply device 41, as the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9, the polymer electrolyte fuel cell stack. 95 fuel electrodes 92 and the fuel electrode 105 of the polymer electrolyte fuel cell stack 108 are supplied. The hydrogen supply device 41 pressurizes the high purity hydrogen 78 as necessary. The hydrogen storage unit 39 is not provided, and high-purity hydrogen 78 is directly supplied to the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 and the fuel electrode 92 of the polymer electrolyte fuel cell stack 95 using the hydrogen supply device 41. Alternatively, the fuel electrode 105 of the polymer electrolyte fuel cell stack 108 may be supplied.

さらに、カソード室出口ガス65をそのまま水素加圧装置62に供給して加圧した後に加圧カソード室出口ガス75として水素貯蔵部63に供給し、水素貯蔵部63内に貯蔵してもよい。この場合には、水素貯蔵部63に貯蔵された加圧カソード室出口ガス75は、水素供給装置84を用いて、必要に応じて固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6、固体高分子形燃料電池セルスタック95の燃料極92、固体高分子形燃料電池セルスタック108の燃料極105に供給される。水素供給装置84では、必要に応じて加圧カソード室出口ガス75の減圧を行う。なお、水素加圧装置62と水素貯蔵部63を設けず、カソード室出口ガス65を水素供給装置84を用いてそのまま固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6、固体高分子形燃料電池セルスタック95の燃料極92、固体高分子形燃料電池セルスタック108の燃料極105に供給してもよい。   Further, the cathode chamber outlet gas 65 may be supplied to the hydrogen pressurizing device 62 as it is and then pressurized, and then supplied as the pressurized cathode chamber outlet gas 75 to the hydrogen storage unit 63 and stored in the hydrogen storage unit 63. In this case, the pressurized cathode chamber outlet gas 75 stored in the hydrogen storage section 63 is supplied to the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9, the solid high The fuel electrode 92 of the molecular fuel cell stack 95 and the fuel electrode 105 of the polymer electrolyte fuel cell stack 108 are supplied. In the hydrogen supply device 84, the pressurized cathode chamber outlet gas 75 is depressurized as necessary. The hydrogen pressurizing device 62 and the hydrogen storage unit 63 are not provided, and the cathode chamber outlet gas 65 is directly used as the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 and the polymer electrolyte fuel cell using the hydrogen supply device 84. The fuel electrode 92 of the cell stack 95 and the fuel electrode 105 of the polymer electrolyte fuel cell stack 108 may be supplied.

なお、カソード室出口ガス83を精製することなく、そのまま固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6、固体高分子形燃料電池セルスタック95の燃料極92、固体高分子形燃料電池セルスタック108の燃料極105に供給する場合には、カソード室出口ガス83における水素の純度が高純度水素78よりも低いことから、燃料極59,92,105からの燃料極水素排出ガス59,118,121中には水素以外の不純物が含まれている可能性がある。そこで、カソード室出口ガス83をそのままで燃料極59,92,105に供給する場合には、燃料極水素排出ガス59,118,121を燃料極6,92,105にリサイクルさせずにそのまま放出することが好ましい。   Without purifying the cathode chamber outlet gas 83, the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9, the fuel electrode 92 of the polymer electrolyte fuel cell stack 95, the polymer electrolyte fuel cell stack as it is. When the fuel electrode 105 is supplied to the fuel electrode 105, the purity of hydrogen in the cathode chamber outlet gas 83 is lower than that of the high-purity hydrogen 78, so that the fuel electrode hydrogen exhaust gas 59, 118, There is a possibility that impurities other than hydrogen are contained in 121. Therefore, when the cathode chamber outlet gas 83 is supplied as it is to the fuel electrodes 59, 92, 105, the fuel electrode hydrogen exhaust gas 59, 118, 121 is released as it is without being recycled to the fuel electrodes 6, 92, 105. It is preferable.

固体高分子形燃料電池セルスタック9の燃料極6への高純度水素81または高純度水素82またはカソード室出口ガス83の供給量は、燃料電池直流出力18の電池電流と流量制御弁86の開度(すなわち、燃料極6への高純度水素81または高純度水素82またはカソード室出口ガス83の供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁86の開度を制御することによって、燃料電池直流出力18の電池電流に見合った値に設定される。同様に、固体高分子形燃料電池セルスタック95の燃料極92への高純度水素81または高純度水素82またはカソード室出口ガス83の供給量は、予め設定された関係に基づいて、流量制御弁87の開度を制御することによって、燃料電池直流出力98の電池電流に見合った値に設定され、固体高分子形燃料電池セルスタック108の燃料極105への高純度水素81または高純度水素82またはカソード室出口ガス83の供給量は、予め設定された関係に基づいて、流量制御弁88の開度を制御することによって、燃料電池直流出力111の電池電流に見合った値に設定される。   The supply amount of the high purity hydrogen 81 or the high purity hydrogen 82 or the cathode chamber outlet gas 83 to the fuel electrode 6 of the polymer electrolyte fuel cell stack 9 depends on the battery current of the fuel cell DC output 18 and the opening of the flow control valve 86. The degree of opening of the flow rate control valve 86 is controlled based on a preset relationship between the degree of flow (that is, the supply amount of the high purity hydrogen 81 or the high purity hydrogen 82 or the cathode chamber outlet gas 83 to the fuel electrode 6). By doing so, a value corresponding to the battery current of the fuel cell DC output 18 is set. Similarly, the supply amount of the high-purity hydrogen 81, the high-purity hydrogen 82, or the cathode chamber outlet gas 83 to the fuel electrode 92 of the polymer electrolyte fuel cell stack 95 is determined based on a preset relationship. By controlling the opening degree of 87, it is set to a value commensurate with the battery current of the fuel cell DC output 98, and high purity hydrogen 81 or high purity hydrogen 82 to the fuel electrode 105 of the polymer electrolyte fuel cell stack 108 is set. Alternatively, the supply amount of the cathode chamber outlet gas 83 is set to a value commensurate with the battery current of the fuel cell DC output 111 by controlling the opening degree of the flow rate control valve 88 based on a preset relationship.

本実施形態の燃料電池発電システムでは、電解装置20の電解セル74のアノード69で生成した二酸化炭素を含むアノード室出口ガス64の二酸化炭素濃度は、90体積%以上と高い。そのため、本実施形態の燃料電池発電システムでは、二酸化炭素を分離回収するために二酸化炭素を吸収放出させる二酸化炭素吸収放出器を新たに設ける必要はなく、また、二酸化炭素を分離回収するためにエネルギーを消費する必要もない。アノード室出口ガス64をそのまま回収することによって、二酸化炭素の効率的な回収が可能である。   In the fuel cell power generation system of this embodiment, the carbon dioxide concentration of the anode chamber outlet gas 64 containing carbon dioxide generated at the anode 69 of the electrolysis cell 74 of the electrolysis device 20 is as high as 90% by volume or more. Therefore, in the fuel cell power generation system of this embodiment, it is not necessary to newly provide a carbon dioxide absorption / release device that absorbs and releases carbon dioxide in order to separate and recover carbon dioxide, and energy to separate and recover carbon dioxide. There is no need to consume. By recovering the anode chamber outlet gas 64 as it is, it is possible to efficiently recover carbon dioxide.

なお、電解装置20の電解セル74のアノード69では、(6)式に示したメタノールと水の電気化学反応以外に、(9)式に示す水の電気分解反応も起こるため、二酸化炭素回収装置29で回収された高濃度の二酸化炭素を含有するアノード室出口ガス64中には、若干の酸素が含まれる可能性がある。   In addition, in the anode 69 of the electrolysis cell 74 of the electrolysis apparatus 20, in addition to the electrochemical reaction of methanol and water shown in the formula (6), an electrolysis reaction of water shown in the formula (9) also takes place. The anode chamber outlet gas 64 containing the high concentration carbon dioxide recovered in 29 may contain some oxygen.

2O → (1/2)O2 + 2H+ +2e- (9)
そこで、本実施形態では、白金等の貴金属触媒を用いた触媒燃焼器等の酸素反応装置43を必要に応じて設け、アノード出口ガス64と高濃度の水素を含むカソード室出口ガス65とを酸素反応装置72に供給し、アノード室出口ガス64中の酸素とカソード室出口ガス65中の水素を(10)式に示す燃焼反応により燃焼させることによって水または水蒸気を生成させ、アノード室出口ガス64中の酸素を除去する。
H 2 O → (1/2) O 2 + 2H + + 2e (9)
Therefore, in this embodiment, an oxygen reaction device 43 such as a catalytic combustor using a noble metal catalyst such as platinum is provided as necessary, and an anode outlet gas 64 and a cathode chamber outlet gas 65 containing high concentration hydrogen are provided as oxygen. Supplying to the reactor 72, the oxygen in the anode chamber outlet gas 64 and the hydrogen in the cathode chamber outlet gas 65 are combusted by the combustion reaction shown in the equation (10) to generate water or water vapor, and the anode chamber outlet gas 64 Remove oxygen inside.

(1/2)O2 +H2 → H2O (10)
酸素反応装置43へのカソード室出口ガス65の供給量は、燃料電池直流出力18,98,111の電池電流の合計と流量制御弁76の開度(すなわち、酸素反応装置43へのカソード室出口ガス65の供給量)との間の予め設定された関係に基づいて、流量制御弁76の開度を制御することによって、燃料電池直流出力18,98,111の電池電流の合計に見合った値に設定される。なお、カソード室出口ガス65の代わりに水素を含む水素精製装置排出ガス80を同様に酸素反応装置43に供給してもよい。
(1/2) O 2 + H 2 → H 2 O (10)
The supply amount of the cathode chamber outlet gas 65 to the oxygen reactor 43 is the sum of the battery currents of the fuel cell DC outputs 18, 98, 111 and the opening of the flow control valve 76 (that is, the cathode chamber outlet to the oxygen reactor 43). The value corresponding to the sum of the battery currents of the fuel cell DC outputs 18, 98, and 111 by controlling the opening degree of the flow control valve 76 based on a preset relationship with the gas 65 supply amount). Set to In addition, instead of the cathode chamber outlet gas 65, the hydrogen purifier exhaust gas 80 containing hydrogen may be supplied to the oxygen reactor 43 in the same manner.

酸素反応装置43で生成した水または水蒸気は、必要に応じて、凝縮器、水分吸着器(シリカゲルなどを充填)等の水分回収装置44を設けて回収される。水分回収装置44で水または水蒸気が回収されたアノード室出口ガス64は、必要に応じて、二酸化炭素加圧装置42で加圧された後に、加圧アノード室出口ガス66として燃料貯蔵部11に貯蔵される。燃料貯蔵部11に貯蔵された高濃度の二酸化炭素を含有する加圧アノード室出口ガス66は、燃料貯蔵部11に貯蔵されたメタノール水溶液5がなくなった時点で、燃料貯蔵部11ごと交換することによって回収することができる。アノード室出口ガス64は、電解装置20によって数気圧程度(数百kPa)程度まで加圧できるので、二酸化炭素加圧装置42を設けてアノード室出口ガス64を加圧することなく、そのまま二酸化炭素を含むアノード室出口ガス64を燃料貯蔵部11に供給することも可能である。   Water or water vapor generated in the oxygen reaction device 43 is recovered by providing a water recovery device 44 such as a condenser or a water adsorber (filled with silica gel or the like) as necessary. The anode chamber outlet gas 64 from which water or water vapor has been recovered by the moisture recovery device 44 is pressurized by the carbon dioxide pressurizing device 42 as necessary, and then supplied to the fuel storage unit 11 as a pressurized anode chamber outlet gas 66. Stored. The pressurized anode chamber outlet gas 66 containing high-concentration carbon dioxide stored in the fuel storage unit 11 is replaced with the fuel storage unit 11 when the methanol aqueous solution 5 stored in the fuel storage unit 11 runs out. Can be recovered. Since the anode chamber outlet gas 64 can be pressurized to about several atmospheres (several hundred kPa) by the electrolyzer 20, carbon dioxide is directly supplied without providing the carbon dioxide pressurizing device 42 to pressurize the anode chamber outlet gas 64. It is also possible to supply the anode chamber outlet gas 64 including the fuel storage unit 11.

なお、二酸化炭素は不活性ガスであるので、メタノール水溶液5を貯蔵する燃料貯蔵部11の気相部分に貯蔵しても危険はない。燃料貯蔵部11は、メタノール水溶液5の消費とともに減圧状態になるので、二酸化炭素、すなわち、アノード室出口ガス64を燃料貯蔵部11に供給すると減圧を抑えることができ、メタノール水溶液5をポンプ23でスムースに電解装置20に供給することができるようになるという利点もある。   Since carbon dioxide is an inert gas, there is no danger even if it is stored in the gas phase portion of the fuel storage unit 11 that stores the aqueous methanol solution 5. Since the fuel storage unit 11 is in a depressurized state as the methanol aqueous solution 5 is consumed, if the carbon dioxide, that is, the anode chamber outlet gas 64 is supplied to the fuel storage unit 11, the depressurization can be suppressed. There is also an advantage that the electrolytic device 20 can be smoothly supplied.

本実施形態では、加圧アノード室出口ガス66またはアノード室出口ガス64を燃料貯蔵部11に貯蔵するが、別途、二酸化炭素貯蔵部と二酸化炭素供給装置とを設け、加圧アノード室出口ガス66またはアノード室出口ガス64を二酸化炭素貯蔵部に貯蔵し、二酸化炭素貯蔵部に貯蔵された加圧アノード室出口ガス66またはアノード室出口ガス64を、二酸化炭素供給装置を用いて必要に応じてタンクローリー等で二酸化炭素処理装置に供給しても本実施形態と同様な効果が得られる。ここでいう二酸化炭素処理装置の中には、環境中に二酸化炭素を放出することなくこの二酸化炭素を処理したり固定したりする装置も含まれる。また、別途、二酸化炭素供給装置を設け、加圧アノード室出口ガス66またはアノード室出口ガス64を二酸化炭素供給装置を用いてパイプラインで二酸化炭素処理装置に供給しても、本実施形態と同様な効果が得られる。   In the present embodiment, the pressurized anode chamber outlet gas 66 or the anode chamber outlet gas 64 is stored in the fuel storage unit 11, but a carbon dioxide storage unit and a carbon dioxide supply device are separately provided, and the pressurized anode chamber outlet gas 66 is provided. Alternatively, the anode chamber outlet gas 64 is stored in the carbon dioxide storage section, and the pressurized anode chamber outlet gas 66 or the anode chamber outlet gas 64 stored in the carbon dioxide storage section is stored in a tank truck as required using a carbon dioxide supply device. Even if it supplies to a carbon dioxide processing apparatus by the above, the same effect as this embodiment is acquired. The carbon dioxide treatment device here includes a device for treating and fixing the carbon dioxide without releasing the carbon dioxide into the environment. Further, even if a carbon dioxide supply device is separately provided and the pressurized anode chamber outlet gas 66 or the anode chamber outlet gas 64 is supplied to the carbon dioxide processing device by a pipeline using the carbon dioxide supply device, the same as in the present embodiment. Effects can be obtained.

図1に示した本実施形態の燃料電池発電システムにおいて、水素加圧装置37,62、水素貯蔵部38,39,63、二酸化炭素加圧装置42、酸素反応装置43、水分回収装置44、および水素精製装置67については、本発明の実施のために不可欠というものではなく、必要に応じてそれぞれ適宜に設けることができるものである。   In the fuel cell power generation system of this embodiment shown in FIG. 1, hydrogen pressurization devices 37 and 62, hydrogen storage units 38, 39, and 63, a carbon dioxide pressurization device 42, an oxygen reaction device 43, a moisture recovery device 44, and The hydrogen purifier 67 is not indispensable for carrying out the present invention, and can be appropriately provided as necessary.

本実施形態の燃料電池発電システムでは、電解装置20の電解セル74のアノード室68に隣接した二酸化炭素回収装置29により、二酸化炭素濃度が90体積%以上である高濃度二酸化炭素をアノード室出口ガス64として回収できるので、二酸化炭素の分離回収のための二酸化炭素を吸収放出させる二酸化炭素吸収放出器が不要となる。また、本実施形態の燃料電池発電システムでは、二酸化炭素のみを貯蔵するための貯蔵タンクなどを設ける必要がなく、燃料であるメタノール水溶液を貯蔵する燃料貯蔵部11に、回収された二酸化炭素を貯蔵するので、燃料貯蔵部11を交換することによって、燃料の補給と二酸化炭素の回収とを同時に容易に行うことができる。したがって、本実施形態によれば、二酸化炭素吸収放出器を設置するために必要なシステムコスト、及びメンテナンスコスト、エネルギーコスト等のランニングコストが削減できるとともに、二酸化炭素のみを貯蔵するタンクを設置するのに必要なシステムコストの削減も可能で、経済的に二酸化炭素の回収が可能な燃料電池発電システムが実現できる。   In the fuel cell power generation system of this embodiment, the carbon dioxide recovery device 29 adjacent to the anode chamber 68 of the electrolysis cell 74 of the electrolysis device 20 converts high-concentration carbon dioxide having a carbon dioxide concentration of 90% by volume or more into the anode chamber outlet gas. Therefore, a carbon dioxide absorption / release device for absorbing and releasing carbon dioxide for separating and recovering carbon dioxide is not necessary. Further, in the fuel cell power generation system of the present embodiment, it is not necessary to provide a storage tank for storing only carbon dioxide, and the recovered carbon dioxide is stored in the fuel storage unit 11 that stores the methanol aqueous solution as fuel. Therefore, by replacing the fuel storage unit 11, fuel supply and carbon dioxide recovery can be easily performed simultaneously. Therefore, according to this embodiment, the system cost necessary for installing the carbon dioxide absorption / release device, the running cost such as the maintenance cost, and the energy cost can be reduced, and the tank for storing only carbon dioxide is installed. It is possible to reduce the system cost required for the fuel cell, and it is possible to realize a fuel cell power generation system capable of recovering carbon dioxide economically.

さらに、本実施形態の燃料電池発電システムでは、電解装置20の電解セル74のカソード室72に隣接した水素回収装置28により、水素濃度が90体積%以上の高濃度水素をカソード室出口ガス65として回収できるので、このカソード室出口ガスをそのまま固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108に供給することができる。また、カソード室出口ガス65を水素精製装置67で精製して得られる高純度水素81または高純度水素82を固体高分子形燃料電池セルスタック9,95,108に供給する場合でも、電解セル74での電気分解を利用してカソード室出口ガス65を数気圧(数百kPa)まで加圧することが可能であるので、膜分離を用いた水素精製装置67に必要な圧力とするためにカソード室出口ガス65を加圧する個別の加圧装置を不要にすることができる。また、カソード室出口ガス65における水素濃度が高いので、水素精製装置のコンパクト化も可能である。したがって、燃料電池発電システムのシステムコストとエネルギーコストの削減が可能である。   Furthermore, in the fuel cell power generation system of the present embodiment, the hydrogen recovery device 28 adjacent to the cathode chamber 72 of the electrolysis cell 74 of the electrolysis device 20 causes high concentration hydrogen having a hydrogen concentration of 90% by volume or more as the cathode chamber outlet gas 65. Since the cathode chamber outlet gas can be recovered, it can be supplied to the polymer electrolyte fuel cell stack 9, 95, 108 as it is. Even when the high purity hydrogen 81 or the high purity hydrogen 82 obtained by refining the cathode chamber outlet gas 65 with the hydrogen purifier 67 is supplied to the polymer electrolyte fuel cell stack 9, 95, 108, the electrolysis cell 74 is used. The cathode chamber outlet gas 65 can be pressurized to several atmospheres (several hundred kPa) by using electrolysis in the cathode chamber, so that the cathode chamber is used to obtain a pressure required for the hydrogen purifier 67 using membrane separation. A separate pressurizing device for pressurizing the outlet gas 65 can be eliminated. Further, since the hydrogen concentration in the cathode chamber outlet gas 65 is high, the hydrogen purifier can be made compact. Therefore, the system cost and energy cost of the fuel cell power generation system can be reduced.

なお、本実施形態の燃料電池発電システムでは、電解装置20において電解セル74によりメタノール水溶液5の電気分解を行うために、所定のエネルギー源から得た電力45を直流電源26で所定の直流電力45に変換して電解セル74に供給する必要があるが、図3に示すように、メタノール水溶液の電気分解の電解電圧は、水の電気分解の電解電圧の30〜42%である。電解電力は電解電圧によって決まるので、同じモル数の水素を得るために必要な電解電力を考えると、メタノール水溶液の電気分解の場合の電解電力は、水の電気分解の場合の電解電力の30〜42%である。したがって、本実施形態の燃料電池発電システムでは、従来の水の電気分解を用いた燃料電池発電システムと比較して、消費エネルギーの増加に伴うエネルギーコストの上昇を招くことはない。なお、図3は、電解セル74のアノード69の触媒に白金−ルテニウム触媒(メタノール水溶液の電気分解)または白金触媒(水の電気分解)を、カソード71の触媒に白金触媒を、電解質膜70にパーフルオロスルフォン酸膜をそれぞれ用いてメタノール水溶液の電気分解及び水の電気分解を行った場合の電解電圧と電解電流の関係を表したものである。電解セル74のアノード室68に供給したメタノール水溶液の濃度は17mol/l(メタノールと水のモル比が1:1)とし、メタノール水溶液3の供給量は5cm3/分とした。また、電解セル74のアノード69およびカソード71の有効電極表面積は、23cm2とした。なお、メタノール水溶液の電気分解の電解電圧は、水の電気分解の電解電圧と比較して30〜42%に低下したが、図4に示すように、メタノール水溶液の電気分解において、電解電流に見合った理論生成速度で水素が生成することを確認した。 In the fuel cell power generation system of this embodiment, in order to electrolyze the methanol aqueous solution 5 by the electrolytic cell 74 in the electrolysis apparatus 20, the electric power 45 obtained from a predetermined energy source is supplied from the DC power source 26 to the predetermined DC power 45. However, as shown in FIG. 3, the electrolysis voltage of the aqueous methanol solution is 30 to 42% of the electrolysis voltage of water. Since the electrolysis power is determined by the electrolysis voltage, considering the electrolysis power necessary for obtaining the same number of moles of hydrogen, the electrolysis power in the case of electrolysis of aqueous methanol solution is 30 to 30% of the electrolysis power in the case of electrolysis of water. 42%. Therefore, the fuel cell power generation system of this embodiment does not cause an increase in energy cost due to an increase in energy consumption, as compared with a conventional fuel cell power generation system using water electrolysis. 3 shows a platinum-ruthenium catalyst (electrolysis of aqueous methanol solution) or platinum catalyst (electrolysis of water) as the catalyst of the anode 69 of the electrolytic cell 74, a platinum catalyst as the catalyst of the cathode 71, and the electrolyte membrane 70. It shows the relationship between electrolysis voltage and electrolysis current when electrolysis of aqueous methanol solution and electrolysis of water are performed using perfluorosulfonic acid films, respectively. The concentration of the aqueous methanol solution supplied to the anode chamber 68 of the electrolysis cell 74 was 17 mol / l (molar ratio of methanol to water was 1: 1), and the supply amount of the aqueous methanol solution 3 was 5 cm 3 / min. The effective electrode surface areas of the anode 69 and the cathode 71 of the electrolytic cell 74 were 23 cm 2 . Note that the electrolysis voltage of the aqueous methanol solution was reduced to 30 to 42% compared to the electrolysis voltage of water. However, as shown in FIG. It was confirmed that hydrogen was produced at the theoretical production rate.

以上の説明では、燃料電池セルスタックとして固体高分子燃料形燃料電池セルスタックが用いられているが、本発明の燃料電池発電システムで用いられる燃料電池セルスタックはこれに限られるものではない。本発明に係る燃料電池発電システムでは、固体高分子燃料形燃料電池セルスタックの代わりに、りん酸電解質を電解質に用いたりん酸形燃料電池セルスタックを用いても、同様な効果が得られる。その際、固体高分子燃料形燃料電池セルスタックのすべてをりん酸形燃料電池セルスタックに置き換えてもよいし、一部をりん酸形燃料電池セルスタックに置き換えて固体高分子形燃料電池セルスタックとりん酸形燃料電池セルスタックを混在させてもよい。なお、りん酸形燃料電池セルスタックを用いた場合には、燃料極反応、空気極反応、および電池反応は、電極反応式としては固体高分子形燃料電池セルスタックを用いた場合と同じであるが、動作温度が約200℃と高いために、電池反応により水蒸気が生成する。この水蒸気は、給湯の他に空調にも利用することができる。   In the above description, the polymer electrolyte fuel cell stack is used as the fuel cell stack, but the fuel cell stack used in the fuel cell power generation system of the present invention is not limited to this. In the fuel cell power generation system according to the present invention, the same effect can be obtained by using a phosphoric acid fuel cell stack using a phosphoric acid electrolyte as an electrolyte instead of the solid polymer fuel fuel cell stack. At that time, all of the polymer electrolyte fuel cell stack may be replaced with a phosphoric acid fuel cell stack, or part of the polymer electrolyte fuel cell stack may be replaced with a phosphoric acid fuel cell stack. And phosphoric acid fuel cell stack may be mixed. When a phosphoric acid fuel cell stack is used, the fuel electrode reaction, the air electrode reaction, and the battery reaction are the same as those when the polymer electrolyte fuel cell stack is used as the electrode reaction formula. However, since the operating temperature is as high as about 200 ° C., water vapor is generated by the battery reaction. This water vapor can be used for air conditioning in addition to hot water supply.

以上説明した本発明に係る燃料電池発電システムは、メタノール水溶液の代わりに、他の水溶液有機化合物の水溶液を燃料として用いても実現することができる。本発明に用いられる水溶性有機化合物としては、水溶性を有する有機化合物であれば特に限定されるものではないが、中でも水に対して任意の割合で溶解する有機化合物が好ましい。また、構成元素が、水素、炭素、及び所望により酸素である有機化合物が好ましい。具体的に本発明で用いることができる水溶性有機化合物としては、水溶性を有するアルコール、有機酸、ケトン、アミン、ニトロアルカン、エーテル(環状エーテルを含む)、もしくはアルデヒド、またはそれらの誘導体などが挙げられる。アルコール、有機酸、ケトン、アミン、ニトロアルカン、エーテル、及びアルデヒドの炭素原子数は1〜20程度が好ましい。また、環状エーテルは、4〜6員環骨格であることが好ましく、環状エーテルの炭素原子数は5〜10程度が好ましい。   The fuel cell power generation system according to the present invention described above can also be realized by using an aqueous solution of another aqueous organic compound as a fuel instead of an aqueous methanol solution. The water-soluble organic compound used in the present invention is not particularly limited as long as it is a water-soluble organic compound, but among them, an organic compound that dissolves in an arbitrary ratio with respect to water is preferable. Also preferred are organic compounds whose constituent elements are hydrogen, carbon, and optionally oxygen. Specific examples of water-soluble organic compounds that can be used in the present invention include water-soluble alcohols, organic acids, ketones, amines, nitroalkanes, ethers (including cyclic ethers), aldehydes, or derivatives thereof. Can be mentioned. Alcohols, organic acids, ketones, amines, nitroalkanes, ethers, and aldehydes preferably have about 1 to 20 carbon atoms. The cyclic ether preferably has a 4- to 6-membered ring skeleton, and the number of carbon atoms in the cyclic ether is preferably about 5 to 10.

水溶性を有するアルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、ノルマルプロパノール、イソブロパノール(2−プロパノール)、ノルマルブタノール、イソブタノール、sec−ブタノール、tert−ブタノール、1−ペンタノール、2−ペンタノール、3−ペンタノール、1−へキサノール、2−へキサノール、3−へキサノール、5−メチル−1−へキサノール、イソアミルアルコール(3−メチル−1−ブタノール)、sec−イソアミルアルコール(3−メチル−2−ブタノール)、イソウンデシレンアルコール、イソオクタノール、イソペンタノール、イソゲランオール、イソへキサノール、2,4−ジメチル−1−ペンタノール、2,4,4−トリメチル−1−ペンタノール等の炭素原子数1〜20の一価アルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、1,2−プロパンジオール,1,2−ペンタンジオール等の二価アルコール類、または、ブタントリオール、グリセリン、ジグリセリン等の炭素原子数3〜10の多価アルコール等が挙げられる。   Examples of the water-soluble alcohol include methanol, ethanol, normal propanol, isobropanol (2-propanol), normal butanol, isobutanol, sec-butanol, tert-butanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 1-hexanol, 2-hexanol, 3-hexanol, 5-methyl-1-hexanol, isoamyl alcohol (3-methyl-1-butanol), sec-isoamyl alcohol (3-methyl- 2-butanol), isoundecylene alcohol, isooctanol, isopentanol, isogeranol, isohexanol, 2,4-dimethyl-1-pentanol, 2,4,4-trimethyl-1-pentanol, etc. Monovalent alcohol with 1-20 atoms , Dihydric alcohols such as ethylene glycol, propylene glycol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 1,2-propanediol, 1,2-pentanediol, or butanetriol, glycerin, di Examples thereof include polyhydric alcohols having 3 to 10 carbon atoms such as glycerin.

水溶性を有する有機酸としては、例えば、酢酸、プロピオン酸等が挙げられる。水溶性を有するケトンとしては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、シクロへキサノン、シクロオクタノン、シクロデカノン、イソホロン等が挙げられる。水溶性を有するアミンとしては、例えば、メチルアミン、エチルアミン等が挙げられる。水溶性を有するニトロアルカンとしては、例えば、ニトロエタン等が挙げられる。水溶性を有するエーテルとしては、例えば、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ポリオキシエチレンフェニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル等が挙げられる。水溶性を有する環状エーテルとしては、例えば、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,3−ジオキサン等が挙げられる。水溶性を有するアルデヒドとしては、例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド等が挙げられる。   Examples of the water-soluble organic acid include acetic acid and propionic acid. Examples of the water-soluble ketone include acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, cyclooctanone, cyclodecanone, and isophorone. Examples of the water-soluble amine include methylamine and ethylamine. Examples of the nitroalkane having water solubility include nitroethane. Examples of the water-soluble ether include dimethyl ether, diethyl ether, polyoxyethylene phenyl ether, polyoxyethylene octyl phenyl ether, and the like. Examples of the water-soluble cyclic ether include tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,3-dioxane and the like. Examples of the water-soluble aldehyde include formaldehyde and acetaldehyde.

その他、本発明で用いることができる水溶性有機化合物としては、酢酸エチル等のエステル類、メチルセロソルブ、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ等のエチレングリコールアルキルエーテル類及びそのアセテート類、エチルカルビトール、ブチルカルビトール等のジエチレングリコールアルキルエーテル類及びそのアセテート類、プロピレングリコールアルキルエーテル類及びそのアセテート類、炭素原子数4〜30の一価アルコール、炭素原子数6〜30のフェノール系化合物、炭素原子数6〜30のアルキレングリコール、炭素原子数6〜30の多価アルコール、エチレンジアミン、ジエチレンポリアミン等の炭素原子数2〜6のポリアミン(窒素原子数2〜4)等からなる活性水素含有化合物にエチレンオキシド及び/またはプロピレンオキシドを付加した水溶性液状アルキレンオキシド付加物(エチレンオキシドのモル数が1〜10)、ポリビニルアルコール等の水溶性高分子、サッカロース、グルコース等の各種糖類、メチルセルロース、水溶性でんぷん等の水溶性多糖類もしくはその誘導体等も挙げられる。   Other water-soluble organic compounds that can be used in the present invention include esters such as ethyl acetate, ethylene glycol alkyl ethers such as methyl cellosolve, ethyl cellosolve, and butyl cellosolve, and acetates thereof, ethyl carbitol, butyl carbitol, and the like. Diethylene glycol alkyl ethers and acetates thereof, propylene glycol alkyl ethers and acetates thereof, monohydric alcohols having 4 to 30 carbon atoms, phenolic compounds having 6 to 30 carbon atoms, alkylene having 6 to 30 carbon atoms An active hydrogen-containing compound composed of a polyamine having 2 to 6 carbon atoms (2 to 4 nitrogen atoms) such as glycol, polyhydric alcohol having 6 to 30 carbon atoms, ethylenediamine, diethylenepolyamine, etc. Water-soluble liquid alkylene oxide adducts with added pyrene oxide (1 to 10 moles of ethylene oxide), water-soluble polymers such as polyvinyl alcohol, various sugars such as saccharose and glucose, water-soluble polymers such as methyl cellulose and water-soluble starch Examples thereof include saccharides or derivatives thereof.

なかでも、本発明で用いる水溶性有機化合物としては、炭素原子数3〜10の多価アルコール、炭素原子数1〜20の一価アルコール、及び炭素原子数3〜20のケトンが好ましく、さらに、メタノール、エタノール、2−プロパノール等のアルコールがより好ましい。なお、本発明で用いる水溶性有機化合物は、前述したような化合物1種類のみを単独に用いてもよいし、前述したような化合物を2種類以上組み合わせて用いてもよい。また、本発明では、水溶性有機化合物の水溶液には、前述したような水溶性有機化合物が含まれていれば、それ以外の他の成分を含んでいてもよい。   Especially, as a water-soluble organic compound used by this invention, a C3-C10 polyhydric alcohol, a C1-C20 monohydric alcohol, and a C3-C20 ketone are preferable, Furthermore, Alcohols such as methanol, ethanol and 2-propanol are more preferable. As the water-soluble organic compound used in the present invention, only one kind of compound as described above may be used alone, or two or more kinds of compounds as described above may be used in combination. In the present invention, the aqueous solution of the water-soluble organic compound may contain other components as long as it contains the water-soluble organic compound as described above.

なお、本発明は、前述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることは勿論である。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications are made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の一実施形態の燃料電池発電システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the fuel cell power generation system of one Embodiment of this invention. 図1に示す燃料電池発電システム内の電解装置で用いられる電解セルの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrolysis cell used with the electrolysis apparatus in the fuel cell power generation system shown in FIG. メタノール水溶液の電気分解と水の電気分解における電解電圧と電解電流の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the electrolysis voltage and the electrolysis current in the electrolysis of methanol aqueous solution and the electrolysis of water. メタノール水溶液の電気分解における水素生成速度と電解電流の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the hydrogen production | generation rate and electrolysis current in the electrolysis of methanol aqueous solution. 従来の燃料電池発電システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional fuel cell power generation system.

符号の説明Explanation of symbols

1 天然ガス
2 脱硫器
3 改質器
4 COシフトコンバータ
5 メタノール水溶液
6,92,105 燃料極
7,93,106 固体高分子電解質
8,94,107 空気極
9,95,108 固体高分子形燃料電池セルスタック
10,27,31,33〜36,76,86〜88,90,103,162,164,167,171,174 流量制御弁
11 燃料貯蔵部
12,89,102,115 空気供給用ブロワ
13,100,113 空気極排出ガス
14,25,91,104,165,172 空気
16,96,109 出力調整装置
17,97,110 負荷
18,98,111 燃料電池直流出力
19,99,112 送電端交流出力
20 電解装置
21 COシフトコンバータ出口ガス
22 水素リッチな改質ガス
23,77 ポンプ
24 脱硫天然ガス
26 直流電源
28 水素回収装置
29 二酸化炭素回収装置
30,116,117 生成水
32 脱硫器リサイクルガス
37,62 水素加圧装置
38,39,63 水素貯蔵部
40,41,84 水素供給装置
42 二酸化炭素加圧装置
43 酸素反応装置
44 水分回収装置
45 電力
46 直流電力
47 未反応メタノール水溶液
52 水素分離器供給ガス
53 水素分離器
54 水素分離器排出ガス
55 凝縮器
56 水素分離器乾操排出ガス
57 凝縮水
58 水素
59,118,121 燃料極水素排出ガス
60,119,122 パージ弁
61,120,123 パージガス
64 アノード室出口ガス
65,83 カソード室出口ガス
66 加圧アノード室出口ガス
67 水素精製装置
68 アノード室
69 アノード
70 電解質膜
71 カソード
72 カソード室
73 電解質膜を透過したメタノール水溶液
74 電解セル
75 加圧カソード室出口ガス
78,81,82 高純度水素
79 加圧高純度水素
80 水素精製装置排出ガス
154 混合ガス
155 水蒸気
156 改質器バーナ
157 気化器
158 気化器用ポンプ
159 水タンク
160 補給水
161 補給水ポンプ
166,175 燃焼排出ガス
170 気化器バーナ
173 水
176 排出ガス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Natural gas 2 Desulfurizer 3 Reformer 4 CO shift converter 5 Methanol aqueous solution 6,92,105 Fuel electrode 7,93,106 Solid polymer electrolyte 8,94,107 Air electrode 9,95,108 Solid polymer fuel Battery cell stack 10, 27, 31, 33 to 36, 76, 86 to 88, 90, 103, 162, 164, 167, 171, 174 Flow control valve 11 Fuel storage unit 12, 89, 102, 115 Air supply blower 13, 100, 113 Air electrode exhaust gas 14, 25, 91, 104, 165, 172 Air 16, 96, 109 Output regulator 17, 97, 110 Load 18, 98, 111 Fuel cell DC output 19, 99, 112 Power transmission End AC output 20 Electrolytic device 21 CO shift converter outlet gas 22 Hydrogen-rich reformed gas 23,77 Pump 4 Desulfurized natural gas 26 DC power supply 28 Hydrogen recovery device 29 Carbon dioxide recovery device 30, 116, 117 Product water 32 Desulfurizer recycle gas 37, 62 Hydrogen pressurization device 38, 39, 63 Hydrogen storage unit 40, 41, 84 Hydrogen supply Equipment 42 Carbon dioxide pressurizing equipment 43 Oxygen reactor 44 Moisture recovery equipment 45 Power 46 DC power 47 Unreacted methanol aqueous solution 52 Hydrogen separator supply gas 53 Hydrogen separator 54 Hydrogen separator exhaust gas 55 Condenser 56 Hydrogen separator dry operation Exhaust gas 57 Condensed water 58 Hydrogen 59, 118, 121 Fuel electrode hydrogen exhaust gas 60, 119, 122 Purge valve 61, 120, 123 Purge gas 64 Anode chamber outlet gas 65, 83 Cathode chamber outlet gas 66 Pressurized anode chamber outlet gas 67 Hydrogen purification equipment 68 Anode chamber 69 Anode 70 Electrolysis Membrane 71 Cathode 72 Cathode chamber 73 Methanol aqueous solution permeated through electrolyte membrane 74 Electrolysis cell 75 Pressurized cathode chamber outlet gas 78, 81, 82 High purity hydrogen 79 Pressurized high purity hydrogen 80 Hydrogen purifier exhaust gas 154 Mixed gas 155 Water vapor 156 reformer burner 157 vaporizer 158 vaporizer pump 159 water tank 160 makeup water 161 makeup water pumps 166, 175 combustion exhaust gas 170 vaporizer burner 173 water 176 exhaust gas

Claims (17)

水素と酸素を電気化学反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
水溶性有機化合物の水溶液を貯蔵する燃料貯蔵手段と、
前記燃料貯蔵手段から供給された前記水溶液を電気分解して水素と二酸化炭素とを分離して生成させる電解手段と、
前記電解手段で分離して生成させた前記二酸化炭素を回収し、前記燃料貯蔵手段に供給する二酸化炭素回収手段と、
前記電解手段で分離して生成させた前記水素を回収する水素回収手段と、
燃料電池セルスタックと、
前記水素回収手段で回収された前記水素を前記燃料電池セルスタックに供給する水素供給手段と、
前記水素回収手段で回収された前記水素と前記二酸化炭素回収手段で回収された前記二酸化炭素とが供給され、供給された前記二酸化炭素に副成分として含まれる酸素と前記水素とを反応させて水もしくは水蒸気を生成させる酸素反応手段と、
を有し、前記燃料電池セルスタックは前記水素供給手段により供給された前記水素と酸素とを電気化学反応させることによって発電を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。
In a fuel cell power generation system that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen,
A fuel storage means for storing an aqueous solution of a water-soluble organic compound;
Electrolysis means for electrolyzing the aqueous solution supplied from the fuel storage means to separate and produce hydrogen and carbon dioxide;
Carbon dioxide recovery means for recovering the carbon dioxide separated and produced by the electrolysis means and supplying the fuel storage means;
Hydrogen recovery means for recovering the hydrogen separated and generated by the electrolysis means;
A fuel cell stack,
Hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to the fuel cell stack;
The hydrogen recovered by the hydrogen recovery means and the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means are supplied, and oxygen contained as a subcomponent in the supplied carbon dioxide reacts with the hydrogen to produce water. Or oxygen reaction means for generating water vapor,
The fuel cell stack performs power generation by causing an electrochemical reaction between the hydrogen and oxygen supplied by the hydrogen supply means.
水素と酸素を電気化学反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
水溶性有機化合物の水溶液を電気分解して水素と二酸化炭素とを分離して生成させる電解手段と、
前記電解手段で分離して生成させた前記二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段と、
前記二酸化炭素回収手段で回収された前記二酸化炭素を二酸化炭素の供給先に供給する二酸化炭素供給手段と、
前記電解手段で分離して生成させた前記水素を回収する水素回収手段と、
燃料電池セルスタックと、
前記水素回収手段で回収した前記水素を前記燃料電池セルスタックに供給する水素供給手段と、
前記水素回収手段で回収された前記水素と前記二酸化炭素回収手段で回収された前記二酸化炭素とが供給され、供給された前記二酸化炭素に副成分として含まれる酸素と前記水素とを反応させて水もしくは水蒸気を生成させる酸素反応手段と、
を有し、前記燃料電池セルスタックは前記水素供給手段により供給された前記水素と酸素とを電気化学反応させることによって発電を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。
In a fuel cell power generation system that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen,
Electrolysis means for electrolyzing an aqueous solution of a water-soluble organic compound to separate and produce hydrogen and carbon dioxide;
Carbon dioxide recovery means for recovering the carbon dioxide separated and generated by the electrolysis means;
Carbon dioxide supply means for supplying the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means to a carbon dioxide supply destination;
Hydrogen recovery means for recovering the hydrogen separated and generated by the electrolysis means;
A fuel cell stack,
Hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to the fuel cell stack;
The hydrogen recovered by the hydrogen recovery means and the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means are supplied, and oxygen contained as a subcomponent in the supplied carbon dioxide reacts with the hydrogen to produce water. Or oxygen reaction means for generating water vapor,
The fuel cell stack performs power generation by causing an electrochemical reaction between the hydrogen and oxygen supplied by the hydrogen supply means.
前記二酸化炭素回収手段で回収された前記二酸化炭素を貯蔵する二酸化炭素貯蔵手段を有する、請求項2に記載の燃料電池発電システム。   The fuel cell power generation system according to claim 2, further comprising carbon dioxide storage means for storing the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means. 前記酸素反応手段で生成された前記水または水蒸気を回収する水分回収手段を有する、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a water recovery unit that recovers the water or water vapor generated by the oxygen reaction unit. 前記水素回収手段で回収された前記水素を加圧する水素加圧手段を有する、請求項1乃至のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 4 , further comprising a hydrogen pressurizing unit that pressurizes the hydrogen recovered by the hydrogen recovery unit. 水素と酸素を電気化学反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
水溶性有機化合物の水溶液を貯蔵する燃料貯蔵手段と、
前記燃料貯蔵手段から供給された前記水溶液を電気分解して水素と二酸化炭素とを分離して生成させる電解手段と、
前記電解手段で分離して生成させた前記二酸化炭素を回収し、前記燃料貯蔵手段に供給する二酸化炭素回収手段と、
前記電解手段で分離して生成させた前記水素を回収する水素回収手段と、
燃料電池セルスタックと、
前記水素回収手段で回収された前記水素を前記燃料電池セルスタックに供給する水素供給手段と、
前記水素回収手段で回収された前記水素を精製する水素精製手段と、
前記水素精製手段からの排出ガスと前記二酸化炭素回収手段で回収された前記二酸化炭素とが供給され、供給された前記二酸化炭素に副成分として含まれる酸素と供給された前記水素精製手段からの排出ガスに含まれる前記水素とを反応させて水もしくは水蒸気を生成させる酸素反応手段と、
を有し、前記燃料電池セルスタックは前記水素供給手段により供給された前記水素と酸素とを電気化学反応させることによって発電を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。
In a fuel cell power generation system that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen,
A fuel storage means for storing an aqueous solution of a water-soluble organic compound;
Electrolysis means for electrolyzing the aqueous solution supplied from the fuel storage means to separate and produce hydrogen and carbon dioxide;
Carbon dioxide recovery means for recovering the carbon dioxide separated and produced by the electrolysis means and supplying the fuel storage means;
Hydrogen recovery means for recovering the hydrogen separated and generated by the electrolysis means;
A fuel cell stack,
Hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to the fuel cell stack;
Hydrogen purification means for purifying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means ;
Emission gas from the hydrogen purification means and the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means are supplied, and oxygen contained as a subcomponent in the supplied carbon dioxide and discharge from the hydrogen purification means supplied. Oxygen reaction means for reacting the hydrogen contained in the gas to produce water or water vapor;
The a, the fuel cell stack fuel cell power generation system characterized by performing power generation by electrochemical reaction between the hydrogen and oxygen supplied by the hydrogen supply means.
水素と酸素を電気化学反応させることによって発電を行う燃料電池発電システムにおいて、
水溶性有機化合物の水溶液を電気分解して水素と二酸化炭素とを分離して生成させる電解手段と、
前記電解手段で分離して生成させた前記二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段と、
前記二酸化炭素回収手段で回収された前記二酸化炭素を二酸化炭素の供給先に供給する二酸化炭素供給手段と、
前記電解手段で分離して生成させた前記水素を回収する水素回収手段と、
燃料電池セルスタックと、
前記水素回収手段で回収した前記水素を前記燃料電池セルスタックに供給する水素供給手段と、
前記水素回収手段で回収された前記水素を精製する水素精製手段と、
前記水素精製手段からの排出ガスと前記二酸化炭素回収手段で回収された前記二酸化炭素とが供給され、供給された前記二酸化炭素に副成分として含まれる酸素と供給された前記水素精製手段からの排出ガスに含まれる前記水素とを反応させて水もしくは水蒸気を生成させる酸素反応手段と、
を有し、前記燃料電池セルスタックは前記水素供給手段により供給された前記水素と酸素とを電気化学反応させることによって発電を行うことを特徴とする燃料電池発電システム。
In a fuel cell power generation system that generates electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen,
Electrolysis means for electrolyzing an aqueous solution of a water-soluble organic compound to separate and produce hydrogen and carbon dioxide;
Carbon dioxide recovery means for recovering the carbon dioxide separated and generated by the electrolysis means;
Carbon dioxide supply means for supplying the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means to a carbon dioxide supply destination;
Hydrogen recovery means for recovering the hydrogen separated and generated by the electrolysis means;
A fuel cell stack,
Hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to the fuel cell stack;
Hydrogen purification means for purifying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means;
Emission gas from the hydrogen purification means and the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means are supplied, and oxygen contained as a subcomponent in the supplied carbon dioxide and discharge from the hydrogen purification means supplied. Oxygen reaction means for reacting the hydrogen contained in the gas to produce water or water vapor ;
The a, the fuel cell stack fuel cell power generation system characterized by performing power generation by electrochemical reaction between the hydrogen and oxygen supplied by the hydrogen supply means.
前記二酸化炭素回収手段で回収された前記二酸化炭素を貯蔵する二酸化炭素貯蔵手段を有する、請求項7に記載の燃料電池発電システム。The fuel cell power generation system according to claim 7, further comprising carbon dioxide storage means for storing the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means. 前記酸素反応手段で生成された前記水または水蒸気を回収する水分回収手段を有する、請求項6乃至のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 6 to 8 , further comprising a water recovery unit that recovers the water or water vapor generated by the oxygen reaction unit. 前記水素精製手段で精製された前記水素を貯蔵する水素貯蔵手段を有する、請求項乃至9のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 6 to 9, further comprising a hydrogen storage unit that stores the hydrogen purified by the hydrogen purification unit. 前記水素精製手段で精製された前記水素を加圧する水素加圧手段を有する、請求項乃至10のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to any one of claims 6 to 10, further comprising a hydrogen pressurizing unit that pressurizes the hydrogen purified by the hydrogen purifying unit. 前記水素加圧手段で加圧された前記水素を貯蔵する水素貯蔵手段を有する、請求項または11に記載の燃料電池発電システム。 The fuel cell power generation system according to claim 5 , further comprising a hydrogen storage unit that stores the hydrogen pressurized by the hydrogen pressurization unit. 前記水素回収手段で回収された前記水素を貯蔵する水素貯蔵手段を有する、請求項1乃至12のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。   The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 12, further comprising hydrogen storage means for storing the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means. 前記二酸化炭素回収手段で回収された前記二酸化炭素を加圧する二酸化炭素加圧手段を有する、請求項1乃至13のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。   The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 13, further comprising a carbon dioxide pressurizing unit that pressurizes the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery unit. 前記二酸化炭素加圧手段で加圧された前記二酸化炭素を貯蔵する二酸化炭素貯蔵手段を有する、請求項14に記載の燃料電池発電システム。   The fuel cell power generation system according to claim 14, further comprising a carbon dioxide storage unit that stores the carbon dioxide pressurized by the carbon dioxide pressurizing unit. 前記燃料電池セルスタックは、固体高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池セルスタック、または、りん酸を電解質とするりん酸形燃料電池セルスタックである、請求項1乃至15のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。   16. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel cell stack is a solid polymer fuel cell stack using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte, or a phosphoric acid fuel cell stack using phosphoric acid as an electrolyte. The fuel cell power generation system according to claim 1. 前記水溶性有機化合物が、メタノール、エタノール、2−プロパノールからなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物である、請求項1乃至16のいずれか1項に記載の燃料電池発電システム。   The fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 16, wherein the water-soluble organic compound is at least one compound selected from the group consisting of methanol, ethanol, and 2-propanol.
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