JP2004296366A - 発電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水素分離膜を配設せずに改質ガス中から純度の高い水素を取り出す。
【解決手段】本発明に係る発電装置は、燃料を改質して二酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する改質器42と、改質ガス中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器43と、改質ガス中の水素を用いて発電する燃料電池と、を備えている。そして、二酸化炭素除去器43の内部には、改質ガス中の二酸化炭素を選択的に透過させて改質ガス中から二酸化炭素を分離する中空糸膜72を有する二酸化炭素除去モジュール71と、改質ガス中の二酸化炭素を選択的に吸着する二酸化炭素吸着剤76とが配設されている。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池式の発電装置に係り、特に、水素と二酸化炭素を含む混合気(改質ガス)から純度の高い水素を取り出して発電する発電装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
今日では、一次電池及び二次電池の代替えのために、燃料電池式の発電システムについての研究・開発が盛んにおこなわれている。この発電システムというのは、燃料と大気中の酸素とを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであって、将来性に富む有望な発電システムであると位置付けられている。
【0003】
燃料電池式の発電システムのなかには、燃料を二酸化炭素と水素とに改質して改質ガス中の水素を選択的に取り出し、取り出した水素を用いて発電する燃料改質型のものがある(例えば特許文献1参照。)。具体的に特許文献1の発電システムでは、改質器(10)と燃料電池(30)との間に水素分離膜(20)を介在させ、改質器で生成された改質ガスのうち水素分離膜を透過した成分(水素)だけを改質器から燃料電池に供給するようになっている。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−118594号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1の発電システムでは、水素分離膜の温度や膜厚、膜の内側と外側との圧力差等の各種条件を最適化しなければ水素分離膜の性能を充分に発揮させることができず、水素分離膜の性能を引き出すための各種条件の維持・管理に手間がかかる。
【0006】
本発明の課題は、水素分離膜を配設しなくても改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる発電装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載の発明の発電装置は、
燃料を改質して二酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガス中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器と、
前記改質ガス中の水素を用いて発電する燃料電池と、
を備えることを特徴とする。
【0008】
請求項1に記載の発明では、二酸化炭素除去器を備えるため、改質器で生成された改質ガス中から二酸化炭素を除去することができ、改質ガス中に占める二酸化炭素の割合を低減することができる。これにより、水素分離膜を配設しなくても改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる。
【0009】
請求項2に記載の発明は、
請求項1に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素除去器は、前記改質ガス中から二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を有することを特徴とする。
【0010】
請求項2に記載の発明では、二酸化炭素除去器が二酸化炭素分離膜を有するため、二酸化炭素分離膜により改質ガス中から二酸化炭素を分離させることができ、改質ガス中に占める二酸化炭素の割合を低減することができる。これにより、改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる。
【0011】
請求項3に記載の発明は、
請求項2に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素分離膜は、酢酸セルロース、ポリイミド又はポリスルホン酸から構成されていることを特徴とする。
【0012】
請求項3に記載の発明では、二酸化炭素分離膜が、二酸化炭素に対して高透過性を有する酢酸セルロース、ポリイミド又はポリスルホン酸からなる高分子膜で構成されているため、改質ガス中から多量の二酸化炭素を分離させることができる。さらに、二酸化炭素分離膜が上記高分子膜で構成されているため、二酸化炭素分離膜そのものの乾燥による劣化・機能低下を防止することができる。
【0013】
請求項4に記載の発明は、
請求項2又は3に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素除去器は、前記二酸化炭素分離膜を介在させた一方の空間と他方の空間との間に圧力差を生じさせることを特徴とする。
【0014】
請求項4に記載の発明では、二酸化炭素除去器が、二酸化炭素分離膜を介在させた一方の空間と他方の空間との間に圧力差を生じさせるため、改質ガス中の二酸化炭素に二酸化炭素分離膜を確実に透過させることができる。これにより、改質ガス中から二酸化炭素を確実に分離させることができる。
【0015】
請求項5に記載の発明は、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素除去器は、前記改質ガス中の二酸化炭素を吸着する二酸化炭素吸着剤を備えることを特徴とする発電装置。
【0016】
請求項5に記載の発明では、二酸化炭素除去器が二酸化炭素吸着剤を備えるため、二酸化炭素吸着剤により改質ガス中の二酸化炭素を吸着することができ、改質ガス中に占める二酸化炭素の割合を低減することができる。これにより、改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる。
【0017】
請求項6に記載の発明は、
請求項5に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素吸着剤は、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、ゼオライト又は活性炭から構成されていることを特徴とする。
【0018】
請求項6に記載の発明では、二酸化炭素吸着剤が、二酸化炭素に対して高吸着性を有する酸化カルシウム、水酸化カルシウム、ゼオライト又は活性炭から構成されているため、多量の二酸化炭素を吸着させることができる。
【0019】
請求項7に記載の発明は、
請求項5又は6に記載の発電装置において、
前記二酸化炭素吸着剤は着脱自在に備えられていることを特徴とする。
【0020】
請求項7に記載の発明では、二酸化炭素吸着剤が着脱自在に備えられているため、所定期間の使用により二酸化炭素吸着剤が二酸化炭素を吸着して飽和したら、新規の二酸化炭素吸着剤に取り替えることができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の具体的な態様について説明する。ただし、発明の範囲は図示例に限定されない。
始めに、図1を参照しながら本発明に係る発電装置について説明する。図1は発電装置1の一部破断斜視図である。
【0022】
図1に示す発電装置1は燃料電池を用いて発電する燃料電池式発電装置であって、燃料99を貯蔵する燃料貯蔵モジュール2と、燃料貯蔵モジュール2に貯蔵された燃料99を用いて発電をおこなう発電モジュール3と、を備えている。
【0023】
燃料貯蔵モジュール2は略円筒状の筐体4を有しており、筐体4が発電モジュール3に対して着脱自在に取り付けられるようになっている。筐体4の頭頂部には円形の貫通孔5が形成されており、筐体4の外周側には、発電モジュール3で生成された副生成物の水を流通させるための第一排水管6が形成されている。燃料貯蔵モジュール2の底部には、排水用の水を貯留する排水容器7(図示略)が配設されており、排水容器に上記第一排水管6が接続されている。
【0024】
筐体4の内部には燃料タンク8が着脱自在に収納されており、燃料タンク8の外周面の一部が筐体4の外部に露出している。燃料タンク8の内部には液体の燃料99が貯蔵されている。燃料タンク8は、内部空間を有した透明又は半透明な略円筒状の容器であって、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アクリル、生分解性プラスチック等の材料から構成されている。「生分解性プラスチック」としては、石油系又は植物系原料から合成される化学合成型の有機化合物を含む高分子材料(ポリ乳酸、脂肪族系ポリエステル、共重合ポリエステル等),微生物産生型のバイオポリエステル,トウモロコシやサトウキビ等の植物系原料から抽出されるデンプン、セルロース、キチン、キトサン等からなる天然物利用型の高分子材料等を適用できる。
【0025】
このように燃料貯蔵モジュール2では、燃料タンク8の外周面の一部が筐体4の外部に露出するとともに燃料タンク8が透明又は半透明な容器から構成されているため、燃料タンク8の燃料99の有無及び残量を容易に確認できるようになっている。また、燃料タンク8が着脱自在に筐体4の内部に収納されているため、燃料タンク8内の燃料99が無くなったら、燃料99を貯蔵した新規の燃料タンク8に容易に取り替えることができる。さらに、燃料タンク8を生分解性プラスチックで構成した場合には、燃料タンク8を自然界に投棄しても大気や水質、土壌等を汚染することはないし、生分解性プラスチックそのものの熱量が低いので、燃料タンク8を焼却処理したとしても環境・焼却施設に与える負荷を大幅に抑えることができる。
【0026】
燃料99は、液状の化学燃料と水との混合物であり、化学燃料としてはメタノール,エタノール等のアルコール類やガソリン等の炭化水素の混合物が適用可能である。本実施形態では、燃料99としてメタノールと水とを等モルで均一に混合した混合液を用いている。
【0027】
燃料タンク8の頭頂部には、燃料99を発電モジュール3に供給するための供給口10が突出して筐体4の貫通孔5にまで挿入されるように配設されており、供給口10の内部には、供給口10全体を閉塞する閉塞膜11が配設されている。燃料タンク8の内部には、図1において上下方向に延在して供給口10に挿入された供給管12が配設されている。供給管12は、燃料タンク8の底部から供給口10内の閉塞膜9のすぐ下方にまで延在している。燃料タンク8では、閉塞膜11により供給口10を閉塞し、燃料99が燃料タンク8の外部に漏出するのを防止できる構造となっている。
【0028】
次に、発電モジュール3について説明する。
図1に示す通り、発電モジュール3は略円筒状の筐体30を有している。筐体30の内部には、気化器41、改質器42及び二酸化炭素除去器43の三つの反応器が配設されている。発電モジュール3では、気化器41、改質器42及び二酸化炭素除去器43を取り囲むように燃料電池44が配設されている。燃料電池44は、触媒微粒子を含有又は付着させた燃料極(カソード)と、触媒微粒子を含有又は付着させた空気極(アノード)とを有し、燃料極と空気極との間にフィルム状のイオン伝導膜が介在した構造を有している。
【0029】
燃料電池44の外側であって筐体30の外周面には、外気中の酸素を吸気するための複数のスリット31,31,…が互いに平行に並んだ状態で形成されている。筐体30の頭頂部には、外部のデバイスに電気エネルギーを供給するための端子32が配設されており、端子32の周囲であって筐体30の頭頂部には、副生成物の二酸化炭素等を排気するための複数の通気孔33,33,…が形成されている。
【0030】
筐体30の外周側には第二排水管34が配設されている。第二排水管34は、筐体30の底部から下方に突出し、燃料貯蔵モジュール2の第一排水管6に対応する位置に配されている。第二排水管34は燃料電池44で生成された副生成物の水を流通させるためのものであり、燃料電池44で生成された副生成物の水は第二排水管34及び第一排水管6を通じて排水容器へ排水・貯留されるようになっている。
【0031】
筐体30の底部であってその中央部には、吸入ニップル部37が下方に突出するように配設されている。吸入ニップル部37には、先端から中心線に沿って貫通する流路が形成されている。吸入ニップル部37は、燃料貯蔵モジュール2の貫通孔5に対応する位置に配されており、燃料タンク8から燃料99を吸入するためのものである。
【0032】
以上のような燃料貯蔵モジュール2及び発電モジュール3において、燃料タンク8を収納した燃料貯蔵モジュール2を発電モジュール3に取り付ける(接続する)と、両モジュール2,3の接続箇所の外周側では、燃料貯蔵モジュール2の第一排水管6が発電モジュール3の第二排水管34に接続される。これにより、第一排水管6と第二排水管34とが互いに通じ合い、発電モジュール3の燃料電池44で生成された副生成物の水を、第二排水管34から第一排水管6へと流通させて排水容器7に排水可能な状態となる。
【0033】
一方、両モジュール2,3の接続箇所の中央部では、発電モジュール3の吸入ニップル部37が燃料貯蔵モジュール2の貫通孔5及び燃料タンク8の供給口10に挿入され、供給口10の閉塞膜11を突き破る。これにより、吸入ニップル部37が燃料タンク8の供給管12と通じ合い、燃料タンク8に貯蔵された燃料99を供給管12から吸入ニップル部37へと供給可能な状態となる。
【0034】
続いて、図2及び図3を参照しながら上記気化器41、改質器42及び二酸化炭素除去器43の各反応器について詳細に説明する。図2は、気化器41、改質器42及び二酸化炭素除去器43の各反応器の断面図である。
【0035】
図2に示す通り、気化器41の上部に改質器42が積み重ねられ、改質器42の上方に二酸化炭素除去器43が配設されている。気化器41及び改質器42の各反応器は、内部空間を形成した断熱パッケージ45を有している。各断熱パッケージ45はともに、ガラス等の比較的熱伝導率の低い断熱材から構成されており、各断熱パッケージ45の内壁には、Au,Ag,Al等で形成された輻射反射膜(図示略)が成膜されている。
【0036】
輻射反射膜は、赤外線を含む電磁波に対して高い反射率を有しており、各断熱パッケージ45の内部で発された電磁波を反射するようになっている。したがって、気化器41及び改質器42の各反応器においては、断熱パッケージ45に熱がほとんど伝熱されず、各反応器内で発生する熱損失を抑えることができるようになっている。
【0037】
また、各断熱パッケージ45の内部は完全に密閉された空間とされており、真空とされているか、又はフッ素を含むメタン若しくはエタンの多ハロゲン化誘導体ガス(フレオン(商品名)ガス)又は炭酸ガスで置換されている。フッ素を含むメタン又はエタンの多ハロゲン化誘導体ガスとしては、トリクロロフルオロメタン,ジクロロジフルオロメタン等がある。
【0038】
各断熱パッケージ45の内壁の各入隅には支持体46,46,…がそれぞれ配設されており、小型反応器51が、各支持体46に支持された状態で気化器41及び改質器42の各反応器毎に一つずつ配設されている。
【0039】
各小型反応器51は、シリコン結晶,アルミニウム,ガラス等の材料で構成された二枚の基板53,54を互いに重ね合わせて接合した構造を有している。
【0040】
図3には、各小型反応器51の一方の基板54の断面図(中段)と、基板54の上面の平面図(上段)と、基板54の下面の平面図(下段)とが図示されている。図3の上段に示す通り、基板54の上面(他方の基板53との接合面の反対の面)には、葛折り状のヒータ55が配設されている。ヒータ55は、電気抵抗性発熱体,半導体性発熱体等を薄膜状に成膜したものであり、電流が流れたり電圧が印加されたりすることで発熱するものである。ヒータ55は、後述のマイクロ流路56に対向していることが好ましいが、必ずしも葛折り状に蛇行していなくてもよい。
【0041】
ヒータ55の両端部には、断熱パッケージ45を貫通して断熱パーケージ45の外部にまで延出するリード線(図示略)がそれぞれ接続されており、各リード線を介してヒータ55に電気エネルギーが供給されるようになっている。また、各リード線が断熱パッケージ45を貫通している箇所は完全に密閉されており、断熱パッケージ45の内部空間と外部との間で気体が出入りしない構造になっている。
【0042】
図3の下段に示す通り、基板54の下面(他方の基板53との接合面)には、葛折り状のマイクロ流路56が形成されている。図3の中段に示す通り、マイクロ流路56は、断面視したときの形状が弓形状を呈した溝であって、具体的には基板54の下面にフォトリソグラフィー,エッチング等を適宜施すことによって形成されたものである。またマイクロ流路56は、一端部56aから他端部56bにかけて同様の幅を有しながら延在している。
【0043】
特に改質器42の小型反応器51においては、図2に示す通り、マイクロ流路56の内壁に沿う円弧状の触媒60がマイクロ流路56に配設されている。具体的に触媒60は、一又は複数種類の無機担体に一又は複数種類の金属種又は金属酸化物を担持した不均一系触媒である。改質器42の小型反応器51においては、触媒60は一種類の触媒で形成されていてもよいし、複数種類の触媒で形成されていてもよいし、マイクロ流路56内の配置箇所によって触媒の種類が異なっていてもよい。
【0044】
図2に示す通り、二酸化炭素除去器43は、内部空間を形成したパッケージ70を有している。パッケージ70の内部は完全に密閉された空間とされており、パッケージ70の内部には、混合気(二酸化炭素を含む。)中から二酸化炭素を選択的に分離する二酸化炭素除去モジュール71が配設されている。二酸化炭素除去モジュール71は、パッケージ70の内部に配設された支持体(図示略)により支持されている。
【0045】
具体的に、二酸化炭素除去モジュール71は、略円筒状を呈した中空糸膜72の両端部を一対の略円板状の蓋体73,74で閉じた構造を有している。二酸化炭素分離膜としての中空糸膜72は、二酸化炭素に対して高透過係数を有する高分子膜であって、酢酸セルロース,ポリイミド,ポリスルホン酸等の高分子や無機キセロゲルから構成された膜である。中空糸膜72を構成する高分子として酢酸セルロースを適用する場合には、酢化度55%(置換度2.4)のセルロースジアセテートや酢化度61%(置換度2.9)のセルローストリアセテート等を適用するのが好ましい。
【0046】
本実施形態では、中空糸膜72に対する二酸化炭素の透過量が、中空糸膜72の内側と外側との圧力差や中空糸膜72の膜面積に比例し、中空糸膜72の膜厚に反比例するようになっているため、中空糸膜72の膜厚を薄くすることにより、中空糸膜72に対する二酸化炭素の透過量(混合気中からの二酸化炭素の除去量)を向上させることができる。
【0047】
二酸化炭素除去モジュール71の一方の蓋体74には、中空糸膜72の内側に通じる排気管75が接続されている。排気管75は、二酸化炭素除去器73のパッケージ70を貫通した状態で上記各通気孔33に通じており、中空糸膜72を外側から内側に透過した二酸化炭素を各通気孔33から排気できるようになっている。また、二酸化炭素除去器43には、流入管61に流入する流体のうち、二酸化炭素除去モジュール71により二酸化炭素が除去されて残った水素を、燃料電池44に供給する流出管62が設けられている。
【0048】
パッケージ70の底壁には、二酸化炭素吸着剤76が着脱自在に配設されている。二酸化炭素吸着剤76は、混合気(二酸化炭素を含む。)中から二酸化炭素を選択的に吸着するものであって、酸化カルシウム(生石灰),水酸化カルシウム(消石灰),ゼオライト,活性炭等から構成されている。本実施形態では、図2に示す通り、二酸化炭素吸着剤76はパッケージ70の底壁に配設されているが、パッケージ70の内部の上壁や側壁に配設されてもよい。また本実施形態では、パッケージ70は開閉自在な容器とされており、パッケージ70を開けることで、二酸化炭素を吸着して飽和した二酸化炭素吸着剤76を新規の二酸化炭素吸着剤76に適宜取り替える(交換する)ことができるようになっている。
【0049】
上記構成を具備する気化器41、改質器42及び二酸化炭素除去器43の各反応器においては、図2に示す通り、流入管61と流出管62とが断熱パッケージ45及びパッケージ70を貫通した状態で一本ずつ配設されている。
【0050】
気化器41の流入管61は、上記吸入ニップル部37と小型反応器51のマイクロ流路56の一端部56aとに通じており、燃料タンク8に貯蔵された燃料99が吸入ニップル部37及び流入管61を通じてマイクロ流路56に供給されるようになっている。ただし、気化器41の流入管61と吸入ニップル部37との間にはポンプ63が介在しており、ポンプ63によって気化器41の流入管61に流入する燃料99の流量を調節できるようになっている。気化器41の流出管62は、小型反応器51のマイクロ流路56の他端部56bと改質器42の流入管61とに通じている。
【0051】
改質器42の流入管61は、気化器41の流出管62と小型反応器51のマイクロ流路56の他端部56bとに通じている。改質器42の流出管62は、小型反応器51のマイクロ流路56の一端部56aと二酸化炭素除去器43の流入管61とに通じている。ただし、改質器42の流出管62と二酸化炭素除去器43の流入管61との間にはポンプ64が介在しており、ポンプ64によって二酸化炭素除去器43の流入管61に流入する流体の流量を調節できるようになっている。
【0052】
二酸化炭素除去器43の流入管61は、改質器42の流出管62とパッケージ70の内部とに通じている。二酸化炭素除去器43の流出管62は、パッケージ70の内部と上記燃料電池44の燃料極とに通じている。ただし、流出管78の途中には流量制御弁77が配設されており、二酸化炭素除去器43の流出管62から流出する水素の流量が規制されるようになっている。そして、上記ポンプ64によるパッケージ70への流体の流入量の調節と流量制御弁77による流体の流量規制とによって、パッケージ70の内部圧(中空糸膜72の外側の圧力)が常に中空糸膜72の内側の圧力よりも高く維持することができるようになっている。
【0053】
次に、発電装置1における発電システムについて説明する。
燃料タンク8に貯蔵された燃料99は、まず気化器41に供給される。気化器41では、供給された燃料99が加熱されて気化(蒸発)し、メタノール及び水(水蒸気)の混合気(混合気体)となって改質器42に供給される。
【0054】
改質器42では、気化器41で気化した燃料99から水素及び二酸化炭素が生成される。具体的には、化学反応式(1)のように、気化器41で混合気とされたメタノールと水蒸気が反応して二酸化炭素及び水素が生成される。
CHOH+HO→3H+CO … (1)
改質器42で生成された二酸化炭素及び水素は二酸化炭素除去器43に供給される。
【0055】
二酸化炭素除去器43では、改質器42より供給された二酸化炭素及び水素の混合気が二酸化炭素と水素とに分離される。混合気から分離された二酸化炭素は副生成物として各通気孔33を通じて外気中に排気され、混合気から分離された水素は燃料電池44の燃料極に供給される。
【0056】
燃料電池44では、電気化学反応式(2)に示すように、二酸化炭素除去器43から供給された水素が、燃料極の触媒微粒子の作用を受けて水素イオンと電子とに分離する。水素イオンはイオン伝導膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。
3H→6H+6e … (2)
【0057】
さらに燃料電池44では、上記各スリット31を介して外気中の酸素が取り込まれ、この酸素が空気極に供給される。そして、電気化学反応式(3)に示すように、外気中から取り込まれた酸素と、イオン伝導膜を通過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが反応して水が副生成物として生成される。生成された副生成物としての水は、第二排水管34及び第一排水管6を通じて排水容器に排水・貯留される。
6H+3/2O+6e→3HO … (3)
【0058】
以上のように、発電装置1では、燃料電池44で上記(2),(3)に示す電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。
【0059】
続いて、発電装置1の動作について説明する。
発電装置1が起動すると発電装置1の発電システムが機能し始め、気化器41及び改質器42の各反応器のヒータ55が発熱する。これと同時に、各ポンプ63,64等の部材が作動し、燃料タンク8に貯蔵された燃料99が、吸入ニップル部37からポンプ63に吸引され、ポンプ63から気化器41の流入管61に流入して気化器41の小型反応器51のマイクロ流路56に供給されるとともに、外気中の酸素が各スリット31から吸引されて燃料電池44の空気極に供給される。
【0060】
気化器41に供給された燃料99は、マイクロ流路56の内部を一端部56aから56bに向けて流動しながらヒータ55の熱を受けて気化し、メタノールと水蒸気の混合気(以下「第一混合気」という。)に相変化する。すると、マイクロ流路56の内部圧が上昇して対流が生じ、第一混合気は、気化器41の流出管62から改質器42の流入管61に流入して改質器42に供給される。
【0061】
改質器42では、第一混合気が、小型反応器51のマイクロ流路56の内部を他端部56bから一端部56aに向けて流動する。このとき、第一混合気は、ヒータ55により加熱されながら触媒60の触媒作用を受けて上記化学反応式(1)のような反応を起こし、第一混合気から水素及び二酸化炭素を含む改質ガスが生成される。生成された改質ガスとしての混合気(以下「第二混合気」という。)は、改質器42の流出管62からポンプ64に吸引され、ポンプ64から二酸化炭素除去器43の流入管61に流入して二酸化炭素除去器43に供給される。
【0062】
二酸化炭素除去器43では、第二混合気がパッケージ70の内部に順次貯留されるとともに流量制御弁77により二酸化炭素除去器43の流出管62を流動する流体の流量が規制されるため、中空糸膜72の内側と外側とで圧力差が生じ、パッケージ70の内部圧(中空糸膜72の外側の圧力)が中空糸膜72の内側の圧力より常に高くなる。
【0063】
この状態において、第二混合気中の二酸化炭素が中空糸膜72を外側から内側に透過して、第二混合気中から二酸化炭素が分離される。さらに、第二混合気中の二酸化炭素は二酸化炭素吸着剤76にも吸着される。中空糸膜72を透過した二酸化炭素は副生成物として、排気管75を通じて各通気孔33から外気中に排気される。そして、第二混合気中から二酸化炭素が分離・吸着された混合気(水素)が、気化器41、改質器42及び二酸化炭素除去器43の各反応器を経て生成された主生成物として、二酸化炭素除去器43の流出管62及び流量制御弁77を通じて燃料電池44の燃料極に供給される。
【0064】
燃料電池44では、二酸化炭素除去器43から供給された水素が、燃料極で上記電気化学反応式(2)に示すような反応を起こして水素イオンと電子とに分離する。水素イオンはイオン伝導膜を通じて空気極に伝導し、電子は燃料極により取り出される。また燃料電池44では、上記各スリット31を介して外気中の酸素が取り込まれて、この酸素が空気極に供給される。そして、外気中から取り込まれた酸素と、イオン伝導膜を通過した水素イオンと、燃料極により取り出された電子とが、空気極で上記電気化学反応式(3)に示すような反応を起こし、副生成物としての水が生成される。
【0065】
燃料電池44では、上記電気化学反応式(2),(3)のような電気化学反応が起こることにより電気エネルギーが生成される。生成された電気エネルギーは、端子32を通じて外部デバイス(図示略)に供給されたり、各ヒータ55、各ポンプ63,64その他の部材を駆動するためのエネルギーとして利用されたり、発電装置1の内部に蓄電されたりする。また、燃料電池44の空気極で生成された水は副生成物として、第二排水管34及び第一排水管6を通じて排水容器に排水・貯留される。
【0066】
以上のような発電装置1では、二酸化炭素除去器43に二酸化炭素除去モジュール71が配設されてパッケージ70の内部圧が中空糸膜72の内側より高く維持されるため、第二混合気中から二酸化炭素を分離・除去することができ、改質ガスとしての第二混合気中に占める二酸化炭素の割合を低減できるようになっている。さらに発電装置1では、二酸化炭素除去器43に二酸化炭素吸着剤76が配設されているため、第二混合気中から二酸化炭素を吸着・除去することもできるようになっている。したがって、従来のような水素分離膜を配設しなくても、改質ガスとしての第二混合気中から純度の高い水素を取り出すことができ、取り出された水素を二酸化炭素除去器43の流出管62から燃料電池44に供給することができる。
【0067】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々の改良及び設計の変更をおこなってもよい。
【0068】
例えば本実施形態では、ポンプ64と流量制御弁77との作用により中空糸膜72の外側から内側に向かって加圧する(パッケージ70の内部圧を中空糸膜72の内側より高くする)構成としたが、図2に示す通り、排気管75の途中にポンプ80を配設してポンプ80により中空糸膜72の内側を減圧し、中空糸膜72の内側と外側とに圧力差を生じさせる構成にしてもよい。また、二酸化炭素除去モジュール71の中空糸膜72や蓋体73,74の形状は、それぞれ略円筒状、略円板状に限らず適宜異なる形状でもよい。
【0069】
ところで、上記化学反応式(1)の反応は可逆反応であるため、第二混合気中から二酸化炭素をできるだけ速やかに分離することが望ましい。上記実施形態では、改質器42と二酸化炭素除去器43とが流入管61及び流出管62で連結されているため、流入管61や流出管62の内部で上記化学反応式(1)の可逆反応が起こり、第二混合気中の一部の水素及び二酸化炭素が元の燃料99の成分になってしまう可能性がある。そこで、図4に示す通り、改質器42の内部に二酸化炭素除去器81を配設することでこれを回避するようにしてもよい。
【0070】
二酸化炭素除去器81は、改質器42の基板54に形成された空間部82を有しており、空間部82には、改質器42のマイクロ流路56の端部が連結している。二酸化炭素除去器81の空間部82には、図2に示す二酸化炭素除去モジュール71と略同様の二酸化炭素除去モジュール83が支持体(図示略)に支持された状態で配設されている。二酸化炭素除去モジュール83は、上記中空糸膜72と同様の中空糸膜84の両端部を略円板状の蓋体85,86で閉じた構造を有している。一方の蓋体86には、中空糸膜84の内側に通じる排気管87が接続されており、排気管87は、改質器42の基板54及び断熱パッケージ45を貫通した状態で各通気孔33に通じている。また、二酸化炭素除去器81には水素流出管88が配設されており、水素流出管88は、改質器42の基板54及び断熱パッケージ45を貫通した状態で燃料電池44の燃料極と空間部82とに連結している。水素流出管88の途中には上記流体制御弁77が配設されている。
【0071】
なお、空間部82には、水素流出管88の端部と改質器42のマイクロ流路56の端部とが互いに離間した状態で連結しているが、二酸化炭素除去器81では、二酸化炭素除去モジュール83が、空間部82に連結した改質器42のマイクロ流路56の端部と、空間部82に連結した水素流出管88の端部との間に介在するように配置されている。そのため、マイクロ流路56の端部から空間部82に流入した流体(つまり第二混合気)は、二酸化炭素除去モジュール83の近傍を通過して水素流出管88に至るようになっている。
【0072】
このような構成を具備する二酸化炭素除去器81では、改質器42で生成された第二混合気が、マイクロ流路56の端部から空間部82に流入し、二酸化炭素除去モジュール83の近傍を通過しながら空間部82に順次貯留される。ここで、二酸化炭素除去器81の水素流出管88には流量制御弁77が配設されており、水素流出管88を流動する流体の流量が規制されるため、空間部82への第二混合気の流入に伴い中空糸膜84の内側と外側とで圧力差が生じ、空間部82の内部圧(中空糸膜84の外側の圧力)が中空糸膜84の内側の圧力よりも常に高くなる。
【0073】
この状態において、第二混合気中の二酸化炭素が中空糸膜84を外側から内側に透過して、第二混合気中から二酸化炭素が分離される。中空糸膜84を透過した二酸化炭素は、排気管87を通じて各通気孔33から外気中に排気され、第二混合気中から二酸化炭素が分離された混合気(水素)は、水素流出管88及び流体制御弁77を介して燃料電池44の燃料極に供給される。このような構成により、二酸化炭素除去器81では、第二混合気中の二酸化炭素を選択的に中空糸膜84を透過させて第二混合気を水素と二酸化炭素とに分離することができる。また上記構成では、二酸化炭素除去器81が改質器42のマイクロ流路56に直結されているため、第二混合気中から即座に二酸化炭素を分離することができ、上記化学反応式(1)の可逆反応が起こるのを防止することができる。
【0074】
なお、図2に示す二酸化炭素除去器43と同様に、上記二酸化炭素除去器81でも、排気管87の途中にポンプ80を配設してポンプ80により中空糸膜84の内側を減圧し、中空糸膜84の内側と外側とに圧力差を生じさせる構成にしてもよい。また、二酸化炭素除去モジュール83の中空糸膜84や蓋体85,86の形状は、それぞれ略円筒状、略円板状に限らず適宜異なる形状でもよい。
【0075】
【発明の効果】
本発明によれば、改質器で生成された改質ガス中から二酸化炭素を除去することができ、改質ガス中に占める二酸化炭素の割合を低減することができる。これにより、水素分離膜を配設しなくても改質ガス中から純度の高い水素を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発電装置の一部破断斜視図である。
【図2】気化器、改質器及び二酸化炭素除去器の各反応器の断面図である。
【図3】気化器及び改質器に配設された各小型反応器の一方の基板を示す図面であって、(上段)基板の上面を示す平面図であり、(中段)基板の断面図であり、(下段)基板の下面を示す平面図である。
【図4】図2の気化器、改質器及び二酸化炭素除去器の変形例を示す気化器、改質器及び二酸化炭素除去器の断面図である。
【符号の説明】
1…発電装置 2…燃料貯蔵モジュール 3…発電モジュール 4…筐体 5…貫通孔 6…第一排水管 8…燃料タンク 10…供給口 11…閉塞膜 12…供給管 30…筐体 31…スリット 32…端子 33…通気孔 34…第二排水管 37…吸入ニップル部 41…気化器 42…改質器 43,81…二酸化炭素除去器 44…燃料電池 45…断熱パッケージ 46…支持体 51…小型反応器 53,54…基板 55…ヒータ 56…マイクロ流路 56a…一端部 56b…他端部 61…流入管 62…流出管 63,64,80…ポンプ 70…パッケージ 71,83…二酸化炭素除去モジュール 72,84…中空糸膜(二酸化炭素分離膜) 73,74,85,86…蓋体 75,87…排気管 76…二酸化炭素吸着剤 77…流量制御弁 82…空間部 88…水素流出管 99…燃料

Claims (7)

  1. 燃料を改質して二酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
    前記改質ガス中の二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去器と、
    前記改質ガス中の水素を用いて発電する燃料電池と、
    を備えることを特徴とする発電装置。
  2. 請求項1に記載の発電装置において、
    前記二酸化炭素除去器は、前記改質ガス中から二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜を有することを特徴とする発電装置。
  3. 請求項2に記載の発電装置において、
    前記二酸化炭素分離膜は、酢酸セルロース、ポリイミド又はポリスルホン酸から構成されていることを特徴とする発電装置。
  4. 請求項2又は3に記載の発電装置において、
    前記二酸化炭素除去器は、前記二酸化炭素分離膜を介在させた一方の空間と他方の空間との間に圧力差を生じさせることを特徴とする発電装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の発電装置において、
    前記二酸化炭素除去器は、前記改質ガス中の二酸化炭素を吸着する二酸化炭素吸着剤を備えることを特徴とする発電装置。
  6. 請求項5に記載の発電装置において、
    前記二酸化炭素吸着剤は、酸化カルシウム、水酸化カルシウム、ゼオライト又は活性炭から構成されていることを特徴とする発電装置。
  7. 請求項5又は6に記載の発電装置において、
    前記二酸化炭素吸着剤は着脱自在に備えられていることを特徴とする発電装置。
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