JP2007246953A - Electrolytic cell and hydrogen supply system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolytic cell for producing high purity hydrogen from a water soluble organic compound and water by electrochemical reaction. <P>SOLUTION: The electrolytic cell 10 has an anode section 5 to which an aqueous solution of a water soluble organic compound is supplied, an anode 6 arranged in the anode section and having electrode catalyst, an electrolyte film 7 arranged adjacent to the anode 6 and having proton conductivity, a cathode 8 arranged adjacent to the electrolyte film 7 and having an electrode catalyst, a hydrogen selectively permeable part 18 comprising a hydrogen separation film such as a palladium film arranged adjacent to the cathode to selectively permeate hydrogen produced on the cathode 8 and a cathode section 9 in which the cathode 8 and the hydrogen selectively permeable part 18 are arranged and to which hydrogen permeated through the hydrogen selectively permeable part 18 is supplied. High purity hydrogen is recovered as a cathode outlet gas 24 from a hydrogen recovery apparatus 12 adjacent to the cathode section 9. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、水溶性有機化合物と水とから水素を製造するために用いられる電解セルと、このような電解セルを有して水溶性有機化合物と水とから水素を製造して供給する水素供給システムとに関し、特に、高純度の水素製造が可能な電解セルと、効率的な水素製造、水素回収、及び二酸化炭素回収を行うことが可能な水素供給システムに関する。   The present invention relates to an electrolytic cell used for producing hydrogen from a water-soluble organic compound and water, and a hydrogen supply having such an electrolytic cell and producing and supplying hydrogen from the water-soluble organic compound and water. More particularly, the present invention relates to an electrolytic cell capable of producing high-purity hydrogen and a hydrogen supply system capable of performing efficient hydrogen production, hydrogen recovery, and carbon dioxide recovery.

近年、水素を燃料とする燃料電池やコージェネレーションシステムについての開発が進んでいる。例えば、水素を燃料とする燃料電池を用いる電気自動車(水素燃料電池自動車)が公道を走行するようになってきている。さらには、ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話機などの携帯機器において、水素を燃料とする燃料電池を電源として用いることが検討されている。水素燃料電池自動車の普及のためには、現在のガソリン自動車やディーゼル自動車に対して燃料を供給するガソリンスタンドのように、水素燃料電池自動車に対して水素を供給する水素供給ステーション、すなわち、水素供給システムを各地に設置する必要がある。そこで、水素燃料電池自動車あるいは水素を燃料とするコージェネレーションシステムに代表される水素消費機器に対して水素を供給する水素供給システムについての検討が進められている。   In recent years, development of fuel cells and cogeneration systems using hydrogen as fuel has been progressing. For example, an electric vehicle (hydrogen fuel cell vehicle) using a fuel cell that uses hydrogen as a fuel is traveling on a public road. Furthermore, in portable devices such as notebook personal computers and mobile phones, it has been studied to use a fuel cell using hydrogen as a power source. In order to popularize hydrogen fuel cell vehicles, hydrogen supply stations that supply hydrogen to hydrogen fuel cell vehicles, that is, hydrogen supply stations like gasoline stations that supply fuel to current gasoline vehicles and diesel vehicles It is necessary to install the system in various places. Therefore, a hydrogen supply system that supplies hydrogen to hydrogen consuming equipment represented by a hydrogen fuel cell vehicle or a cogeneration system that uses hydrogen as a fuel is being studied.

水素供給システムの一形態として、オフサイトで水素を製造し、すなわち、水素供給システム以外の場所で水素を製造し、製造された水素を高圧水素(気体)または液体水素の形で水素の消費サイトまで輸送して貯蔵設備に貯蔵した後に水素消費機器に供給する水素供給システムが、非特許文献1、2に開示されている。この形態の水素供給システムは、化学プラントなどで発生する副生水素を利用することを念頭に置いているので、水素製造時に発生する地球温暖化排出ガスである二酸化炭素を水素の製造サイトで一括回収できるという利点を有する。しかしながら、水素の製造サイトから水素の消費サイトまでパイプラインを敷設して水素を輸送する場合を除いて、特に気体の場合にエネルギー密度の低い燃料である水素をタンクローリーで水素の製造サイトから水素の消費サイトまで輸送する必要があり、輸送に伴うエネルギー損失が大きいという問題点を有する。液体水素は、高圧水素よりもエネルギー密度は高いものの、輸送や取り扱いに極低温を必要とし、極めて取り扱いが煩雑であり、輸送及び貯蔵コストが高くなる。なお、水素輸送のためのパイプラインの敷設には莫大なコストがかかるため、水素消費量があまり多くない現状では、オフサイトで水素を製造しパイプラインで水素の消費サイトまで輸送する水素供給システムは、経済性の面で現実的ではない。   As one form of the hydrogen supply system, hydrogen is produced off-site, that is, hydrogen is produced at a place other than the hydrogen supply system, and the produced hydrogen is used as a high-pressure hydrogen (gas) or liquid hydrogen consumption site. Non-Patent Documents 1 and 2 disclose a hydrogen supply system that supplies a hydrogen consuming device after transporting to a storage facility. This type of hydrogen supply system is intended to use by-product hydrogen generated in chemical plants, etc., so carbon dioxide, which is a global warming exhaust gas generated during hydrogen production, is collected at the hydrogen production site. It has the advantage that it can be recovered. However, except for the case where a pipeline is laid from the hydrogen production site to the hydrogen consumption site to transport hydrogen, especially in the case of gas, hydrogen, which is a low energy density fuel, is transferred from the hydrogen production site using a tank lorry. It is necessary to transport to a consumption site, and there is a problem that energy loss accompanying transportation is large. Although liquid hydrogen has a higher energy density than high-pressure hydrogen, it requires extremely low temperatures for transportation and handling, is extremely cumbersome, and increases transportation and storage costs. In addition, since the construction of a pipeline for transporting hydrogen costs enormous costs, the hydrogen supply system that produces hydrogen off-site and transports it to the hydrogen-consuming site in a situation where hydrogen consumption is not very high. Is not realistic in terms of economy.

また、従来の水素供給システムの他の一形態として、水素の消費サイト、すなわち、オンサイトで、脱硫ガソリン、液化石油ガス(LPガス)、天然ガス(都市ガス)、メタノール、ナフサ等の燃料を改質することによって水素を製造し、製造された水素を貯蔵または加圧・貯蔵した後に水素消費機器に供給する水素供給システムが、非特許文献3〜7にそれぞれ開示されている。これらの燃料のうち、天然ガスは、メタンを主成分とするものであって都市ガスとして広く用いられており、このため天然ガスを輸送するパイプラインも普及しているので、容易にパイプラインで供給可能である。液化石油ガスは、常温においてせいぜい0.8MPa程度の圧力で液体となり、また、その他の燃料は、常温、常圧で液体であり、これらはいずれも水素と比較してエネルギー密度が高いため、タンクローリーで輸送してもエネルギー損失を小さく抑えることが可能である。オンサイトで燃料を改質して水素を製造するこれらの水素供給システムでは、水素の消費サイトで効率的に水素を製造することが可能であるが、燃料を改質することによって生成する二酸化炭素、水蒸気等を含む改質ガスからの水素の分離と加圧が必要であり、多くのエネルギーを消費するという問題点を有する。また、改質ガスから水素を分離した後の二酸化炭素、水蒸気、水素等を含む排ガスを空気と燃焼させて燃料の改質に必要な熱を得るため、二酸化炭素を含む燃焼排出ガス中には多量の窒素が含まれており、地球温暖化防止の観点から二酸化炭素を分離回収しようとすると、大規模な二酸化炭素の分離回収装置が必要で、二酸化炭素の分離回収に多くのエネルギーを消費するという問題点もある。   As another form of the conventional hydrogen supply system, fuel such as desulfurized gasoline, liquefied petroleum gas (LP gas), natural gas (city gas), methanol, naphtha, etc. is consumed on-site, that is, on-site. Non-Patent Documents 3 to 7 disclose hydrogen supply systems that produce hydrogen by reforming and supply the produced hydrogen to a hydrogen consuming device after storage or pressurization / storage, respectively. Of these fuels, natural gas is mainly composed of methane and is widely used as city gas. For this reason, pipelines for transporting natural gas are also widely used. It can be supplied. Liquefied petroleum gas becomes liquid at a pressure of about 0.8 MPa at room temperature, and other fuels are liquid at room temperature and normal pressure, both of which have a higher energy density than hydrogen. It is possible to keep energy loss small even if transported with In these hydrogen supply systems that produce hydrogen by reforming the fuel on-site, it is possible to efficiently produce hydrogen at the hydrogen consumption site, but the carbon dioxide produced by reforming the fuel In addition, it is necessary to separate and pressurize hydrogen from the reformed gas containing water vapor and the like, which has a problem of consuming a lot of energy. In addition, in order to obtain the heat required for fuel reforming by burning the exhaust gas containing carbon dioxide, water vapor, hydrogen, etc. after separating hydrogen from the reformed gas with air, the combustion exhaust gas containing carbon dioxide contains A large amount of nitrogen is contained, and if carbon dioxide is to be separated and recovered from the viewpoint of preventing global warming, a large-scale carbon dioxide separation and recovery device is required, and a large amount of energy is consumed for the separation and recovery of carbon dioxide. There is also a problem.

以下、前述した従来の水素供給システムの現状と問題点の詳細について、非特許文献5に開示された天然ガスを燃料とする水素供給システムを例に取り上げて説明する。   Hereinafter, details of the current situation and problems of the conventional hydrogen supply system described above will be described by taking a hydrogen supply system using natural gas as a fuel disclosed in Non-Patent Document 5 as an example.

図6は、天然ガスを燃料とする従来の水素供給システムの構成を示している。この水素供給システムは、主な構成要素として、燃料改質装置59と、流量制御弁43〜46、57,65と、ブロワ47,58と、水素精製装置25と、水素加圧装置27と、水素貯蔵部28,40と、水素供給装置30,41と、ポンプ48とを備えている。燃料改質装置59は、脱硫器49と、改質器50と、改質器50を加熱する燃焼バーナ51と、CO(一酸化炭素)変成器52と、ボイラ53と、ボイラ53を加熱する燃焼バーナ54と、を備えている。   FIG. 6 shows a configuration of a conventional hydrogen supply system using natural gas as fuel. This hydrogen supply system includes, as main components, a fuel reformer 59, flow control valves 43 to 46, 57, 65, blowers 47, 58, a hydrogen purifier 25, a hydrogen pressurizer 27, Hydrogen storage units 28 and 40, hydrogen supply devices 30 and 41, and a pump 48 are provided. The fuel reformer 59 heats the desulfurizer 49, the reformer 50, the combustion burner 51 that heats the reformer 50, the CO (carbon monoxide) converter 52, the boiler 53, and the boiler 53. And a combustion burner 54.

燃料である天然ガス42は、流量制御弁43を介して脱硫器48に供給され、流量制御弁44を介して燃焼バーナ54に供給され、流量制御弁45を介して燃焼バーナ51に供給される。ボイラ53の燃焼バーナ54には、天然ガス42のほかに、ブロワ47及び流量制御弁46を介して空気67が供給される。改質器50の燃焼バーナには、天然ガス42のほかに、後述する水素精製装置25からの排出ガス(水素精製装置排出ガス29)が供給されるとともに、ブロワ58及び流量制御弁57を介して空気56が供給される。燃焼バーナ51,54は、それぞれ、燃焼に伴って燃焼バーナ排出ガス69,70を排出する。ボイラ53には、ポンプ48を介して補給水55が供給される。   Natural gas 42 as fuel is supplied to the desulfurizer 48 via the flow control valve 43, supplied to the combustion burner 54 via the flow control valve 44, and supplied to the combustion burner 51 via the flow control valve 45. . In addition to the natural gas 42, air 67 is supplied to the combustion burner 54 of the boiler 53 via the blower 47 and the flow control valve 46. The combustion burner of the reformer 50 is supplied with exhaust gas (hydrogen purifier exhaust gas 29), which will be described later, in addition to the natural gas 42, and through a blower 58 and a flow control valve 57. Then, air 56 is supplied. The combustion burners 51 and 54 discharge combustion burner exhaust gas 69 and 70, respectively, with combustion. The boiler 53 is supplied with makeup water 55 via a pump 48.

脱硫器49には、天然ガスのほかに、CO変成器52の出口ガス(CO変成器出口ガス64)からリサイクルされる脱硫器リサイクルガス66が、流量制御弁65を介して供給される。脱硫器49からの脱硫された(硫黄成分が除去された)天然ガス62とボイラ53からの水蒸気61は改質器50に供給され、改質器50で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(改質器出口ガス60)は、次にCO変成器52に供給される。CO変成器出口ガス64は、前述したように、一部が脱硫器49にリサイクルされるほかは、燃料改質装置出口ガス63として水素精製装置25に供給される。   In addition to natural gas, a desulfurizer recycle gas 66 recycled from the outlet gas of the CO converter 52 (CO converter outlet gas 64) is supplied to the desulfurizer 49 through a flow control valve 65. Desulfurized natural gas 62 from the desulfurizer 49 (the sulfur component is removed) and steam 61 from the boiler 53 are supplied to the reformer 50, and steam reforming of a hydrocarbon such as methane, which will be described later, is performed in the reformer 50. A quality reaction occurs. The outlet gas from the reformer 50 (reformer outlet gas 60) is then supplied to the CO converter 52. As described above, the CO converter outlet gas 64 is supplied to the hydrogen purifier 25 as the fuel reformer outlet gas 63 except that a part thereof is recycled to the desulfurizer 49.

水素精製装置25は、燃料改質装置出口ガス63に含まれる水素を精製するものであり、精製された水素(高純度水素26)は、水素加圧装置27及び水素貯蔵部40に供給される。水素精製装置25での水素精製に伴って発生する水素精製装置排出ガス29は、前述したように、燃焼バーナ51に供給される。水素加圧装置27で加圧された水素(加圧高純度水素71)は、水素貯蔵部28に供給される。水素貯蔵部28,40は、いずれも高純度水素を一時的に貯蔵するものであり、それぞれ、外部の水素消費機器31に対して水素貯蔵部28,40内の高純度水素を供給するための水素供給装置30,41を備えている。   The hydrogen purifier 25 purifies hydrogen contained in the fuel reformer outlet gas 63, and the purified hydrogen (high purity hydrogen 26) is supplied to the hydrogen pressurizer 27 and the hydrogen storage unit 40. . The hydrogen purifier exhaust gas 29 generated along with the hydrogen purification in the hydrogen purifier 25 is supplied to the combustion burner 51 as described above. Hydrogen pressurized by the hydrogen pressurizer 27 (pressurized high-purity hydrogen 71) is supplied to the hydrogen storage unit 28. Each of the hydrogen storage units 28 and 40 temporarily stores high-purity hydrogen, and supplies the high-purity hydrogen in the hydrogen storage units 28 and 40 to the external hydrogen consuming device 31, respectively. Hydrogen supply devices 30 and 41 are provided.

次に、図6に示した水素供給システムの動作を説明する。   Next, the operation of the hydrogen supply system shown in FIG. 6 will be described.

パイプラインなどを介して都市ガスとして供給された天然ガス42は、脱硫器49、改質器50、CO変成器52などを備える燃料改質装置59に供給されて改質され、燃料改質装置59からは、水素、二酸化炭素、水蒸気、メタン、及び一酸化炭素からなる水素リッチな改質ガス(主成分は、水素、二酸化炭素、及び水蒸気)である燃料改質装置出口ガス63が生成する。以下、燃料改質装置59における反応工程を具体的に説明する。   The natural gas 42 supplied as city gas through a pipeline or the like is supplied to a fuel reformer 59 having a desulfurizer 49, a reformer 50, a CO converter 52, and the like, and is reformed. 59, a fuel reformer outlet gas 63 that is a hydrogen-rich reformed gas (main components are hydrogen, carbon dioxide, and steam) made of hydrogen, carbon dioxide, steam, methane, and carbon monoxide is generated. . Hereinafter, the reaction process in the fuel reformer 59 will be specifically described.

天然ガス42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50に充填された改質触媒の劣化原因となる硫黄成分を含んでいる。そこで、この燃料改質装置59では、天然ガス42はまず脱硫器49に供給される。脱硫器49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42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脱硫器49に供給するために、一酸化炭素濃度を低減させた水素リッチな改質ガスであるCO変成器出口ガス64の一部が、前述したように、脱硫器リサイクルガス66として脱硫器49にリサイクルされる。脱硫器49への脱硫器リサイクルガス66の供給量は、流量制御弁65の開度を調節することによって制御する。また、硫化水素の生成反応と硫化亜鉛の生成反応はともに吸熱反応であり、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変成器52でのCO変成反応によって発生する熱をCO変成器52から脱硫器49に供給することによってまかなう。この熱の移動を効率的に行うために、脱硫器49とCO変成器52は、一体化することが望ましい。脱硫器49への天然ガス42の供給量は、流量制御弁43の開度を調節することによって制御する。   The natural gas 42 contains a odorant such as mercaptan, and this odorant contains a sulfur component that causes deterioration of the reforming catalyst charged in the reformer 50. Therefore, in the fuel reformer 59, the natural gas 42 is first supplied to the desulfurizer 49. In the desulfurizer 49, the sulfur component in the natural gas 42 is adsorbed and removed by hydrodesulfurization by the action of the cobalt-molybdenum-based catalyst of the filled desulfurization catalyst and the zinc oxide adsorbent. 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 the hydrogen necessary for the production of hydrogen sulfide to the desulfurizer 49, as described above, a part of the CO converter outlet gas 64, which is a hydrogen-rich reformed gas with a reduced carbon monoxide concentration, It is recycled to the desulfurizer 49 as desulfurizer recycle gas 66. The supply amount of the desulfurizer recycle gas 66 to the desulfurizer 49 is controlled by adjusting the opening degree of the flow control valve 65. Both 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 CO shift reaction in the CO shift converter 52, which is an exothermic reaction described later. This can be done by supplying the desulfurizer 49 from the CO converter 52. In order to efficiently perform this heat transfer, it is desirable that the desulfurizer 49 and the CO converter 52 be integrated. The supply amount of the natural gas 42 to the desulfurizer 49 is controlled by adjusting the opening degree of the flow control valve 43.

脱硫器49において硫黄成分が除去された天然ガス62は、水蒸気61とともに、ニッケル系触媒やルテニウム系触媒が改質触媒として充填された改質器50に供給される。改質器50に供給される水蒸気61は、ボイラ53の燃焼バーナ54に天然ガス42と空気67を供給し、天然ガス42を空気67中の酸素とともに燃焼させることによって発生した熱を利用して、ポンプ48によってボイラ53に供給された補給水55を気化させて生成させる。空気67は、ブロワ47によってボイラ53の燃焼バーナ54に供給される。燃焼バーナ54への天然ガス42の供給量は、流量制御弁44の開度を調節することによって制御し、空気67の供給量は、流量制御弁46の開度を調節することによって制御する。   The natural gas 62 from which the sulfur component is removed in the desulfurizer 49 is supplied together with the steam 61 to the reformer 50 filled with a nickel-based catalyst or a ruthenium-based catalyst as a reforming catalyst. The steam 61 supplied to the reformer 50 supplies natural gas 42 and air 67 to the combustion burner 54 of the boiler 53, and uses heat generated by burning the natural gas 42 together with oxygen in the air 67. The make-up water 55 supplied to the boiler 53 by the pump 48 is vaporized and generated. The air 67 is supplied to the combustion burner 54 of the boiler 53 by the blower 47. The supply amount of the natural gas 42 to the combustion burner 54 is controlled by adjusting the opening degree of the flow control valve 44, and the supply amount of the air 67 is controlled by adjusting the opening degree of the flow control valve 46.

改質器50では、充填された改質触媒の働きにより、天然ガス42に含まれるメタン等の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である改質器出口ガス60がつくられる。   In the reformer 50, a steam reforming reaction of a hydrocarbon such as methane contained in the natural gas 42 is performed by the action of the packed reforming catalyst, and a reformer outlet gas 60 that is a hydrogen-rich reformed gas. Is made.

天然ガス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。   The steam reforming reaction of methane, which is the main component of natural gas, is expressed by equation (1).

(メタンの水蒸気改質反応)
CH4+H2O → CO+3H2 (1)
(1)式で示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は、一般に大きな吸熱反応であるので、改質器50で効率的に水素を生成させるためには、水蒸気改質反応に必要な反応熱を外部から改質器50に供給し、改質器50の温度を例えば700〜750℃に維持しなければならない。このため、後述する水素と、不純物である二酸化炭素、水蒸気、メタン、及び一酸化炭素とからなる水素精製装置排出ガス29と空気56を改質器50の燃焼バーナ51に供給し、水素精製装置排出ガス29中の水素もしくはメタンを空気56中の酸素と燃焼反応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50に供給し、改質器50の温度を700〜750℃に維持する。その結果、改質器50では、炭化水素の水蒸気改質反応による効率的な水素生成が行われる。空気56は、ブロワ58を用いて改質器50の燃焼バーナ51に供給される。改質器50の燃焼バーナ51への空気56の供給量は、流量制御弁57の開度を調節することによって制御する。
(Methane steam reforming reaction)
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
Since the steam reforming reaction of hydrocarbons such as the steam reforming reaction of methane represented by the equation (1) is generally a large endothermic reaction, in order to efficiently generate hydrogen in the reformer 50, steam reforming is performed. The heat of reaction necessary for the quality reaction must be supplied to the reformer 50 from the outside, and the temperature of the reformer 50 must be maintained at, for example, 700 to 750 ° C. For this reason, a hydrogen purifier exhaust gas 29 and air 56 consisting of hydrogen, which will be described later, and carbon dioxide, water vapor, methane, and carbon monoxide as impurities are supplied to the combustion burner 51 of the reformer 50, and the hydrogen purifier By reacting hydrogen or methane in the exhaust gas 29 with oxygen in the air 56, the reaction heat necessary for the steam reforming reaction is supplied to the reformer 50, and the temperature of the reformer 50 is set to 700 to 750 ° C. To maintain. As a result, in the reformer 50, efficient hydrogen generation is performed by a hydrocarbon steam reforming reaction. Air 56 is supplied to the combustion burner 51 of the reformer 50 using a blower 58. The amount of air 56 supplied to the combustion burner 51 of the reformer 50 is controlled by adjusting the opening degree of the flow control valve 57.

水素リッチな改質ガスである改質器出口ガス60には、10体積%程度の一酸化炭素が含まれているので、改質器出口ガス60は、銅−亜鉛系触媒等のCO変成触媒が充填されたCO変成器52に供給され、CO変成触媒の働きにより(2)式に示すCO変成反応を行わせることによって、改質器出口ガス60中の一酸化炭素濃度を1体積%以下まで低減させる。   Since the reformer outlet gas 60, which is a hydrogen-rich reformed gas, contains about 10% by volume of carbon monoxide, the reformer outlet gas 60 is a CO shift catalyst such as a copper-zinc catalyst. The carbon monoxide concentration in the reformer outlet gas 60 is reduced to 1% by volume or less by supplying the gas to the CO converter 52 filled with gas and causing the CO conversion reaction shown in the formula (2) to be performed by the action of the CO conversion catalyst. To reduce.

(CO変成反応)
CO+H2O → CO2+H2 (2)
ここでのCO変成反応は発熱反応であるので、発生した熱を脱硫器49に供給し、前述したように、吸熱反応である脱硫器49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。一酸化炭素濃度を1体積%以下に低減させた水素リッチな改質ガスであるCO変成器出口ガス64の一部は、前述したように、脱硫器リサイクルガス66として脱硫器49に供給され、残りは、燃料改質装置出口ガス63として水素精製装置25に供給される。
(CO conversion reaction)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)
Since the CO shift reaction here is an exothermic reaction, the generated heat is supplied to the desulfurizer 49, and as described above, the hydrogen sulfide generation reaction and the zinc sulfide generation reaction in the desulfurizer 49, which is an endothermic reaction, are performed. As reaction heat for use. A part of the CO converter outlet gas 64, which is a hydrogen-rich reformed gas whose carbon monoxide concentration is reduced to 1% by volume or less, is supplied to the desulfurizer 49 as the desulfurizer recycle gas 66 as described above. The rest is supplied to the hydrogen purifier 25 as the fuel reformer outlet gas 63.

燃料改質装置59で生成された、一酸化炭素濃度を1体積%以下に低減させた水素リッチな改質ガスである燃料改質装置出口ガス63の水素濃度は約70体積%であり、燃料改質装置出口ガス63は、前述したように、不純物として二酸化炭素、水蒸気、メタン、及び一酸化炭素を含んでいる。そこで、水素精製装置25で燃料改質装置出口ガス63中の不純物を除去する。水素精製装置25としては、例えば、PSA(Pressure Swing Adsorption:圧力スウィング吸着)による精製装置が用いられるが、他の形式の精製装置を用いてもよい。水素精製装置25で不純物が除去された高純度水素26(たとえば水素純度99.999体積%以上)は、水素貯蔵部28,40に供給されて貯蔵される。   The hydrogen concentration of the fuel reformer outlet gas 63, which is a hydrogen-rich reformed gas produced by the fuel reformer 59 and having a carbon monoxide concentration reduced to 1% by volume or less, is about 70% by volume. As described above, the reformer outlet gas 63 contains carbon dioxide, water vapor, methane, and carbon monoxide as impurities. Therefore, impurities in the fuel reformer outlet gas 63 are removed by the hydrogen purifier 25. As the hydrogen purification device 25, for example, a purification device using PSA (Pressure Swing Adsorption) is used, but other types of purification devices may be used. The high-purity hydrogen 26 (for example, hydrogen purity 99.999 volume% or more) from which impurities have been removed by the hydrogen purifier 25 is supplied to and stored in the hydrogen storage units 28 and 40.

図6に示した水素貯蔵部40は、高圧ガス保安法の規制を受けない1MPa未満の圧力で高純度水素26を貯蔵する水素吸蔵合金タンクであり、水素吸蔵合金タンクへの水素吸蔵時は冷却水(32℃以下)で合金を冷却し、水素吸蔵合金タンクからの水素放出時は温水(70℃以上)を用いて合金を加温する。また、水素貯蔵部28は高圧タンクで、例えば高純度水素26を水素加圧装置27で40MPaに加圧した後に貯蔵する。水素貯蔵部28,40にそれぞれ貯蔵された加圧高純度水素71及び高純度水素26は、それぞれ水素供給装置30,41を用いて、水素燃料電池自動車、戸建て住宅の家庭用燃料電池コージェネレーションシステム、集合住宅の家庭用燃料電池コージェネレーションシステム、商店や工場の業務用燃料電池コージェネレーションシステム等の水素消費機器31に対して、直接あるいはパイプラインを用いて供給される。なお、水素供給装置30,41では、水素消費機器31の定格等に合わせ、必要に応じて、加圧高純度水素71の減圧及び高純度水素26の加圧を行う。   The hydrogen storage unit 40 shown in FIG. 6 is a hydrogen storage alloy tank that stores high-purity hydrogen 26 at a pressure of less than 1 MPa that is not subject to the regulations of the High Pressure Gas Safety Law. Cooling is performed when storing hydrogen in the hydrogen storage alloy tank. The alloy is cooled with water (32 ° C. or lower), and when releasing hydrogen from the hydrogen storage alloy tank, the alloy is heated using warm water (70 ° C. or higher). The hydrogen storage unit 28 is a high-pressure tank and stores, for example, high-purity hydrogen 26 after being pressurized to 40 MPa by a hydrogen pressurizer 27. The pressurized high-purity hydrogen 71 and the high-purity hydrogen 26 stored in the hydrogen storage units 28 and 40, respectively, are respectively supplied to the hydrogen fuel cell vehicle and the home fuel cell cogeneration system of a detached house using the hydrogen supply devices 30 and 41. Supplied directly or using a pipeline to hydrogen consuming equipment 31 such as a residential fuel cell cogeneration system in a housing complex or a commercial fuel cell cogeneration system in a store or factory. In the hydrogen supply devices 30 and 41, the pressurized high-purity hydrogen 71 is depressurized and the high-purity hydrogen 26 is pressurized as necessary according to the rating of the hydrogen consuming equipment 31.

このような水素供給システムにおいて、水素精製装置25で精製された水素と不純物である二酸化炭素、水蒸気、メタン、及び一酸化炭素とからなる水素精製装置排出ガス29は、前述したように、改質器50の燃焼バーナ51に供給され、天然ガス42中の炭化水素の改質反応に必要な反応熱を改質器50に供給するために利用される。なお、水素精製装置排出ガス29を改質器50の燃焼バーナ51で燃焼させるだけでは熱が不足し、改質器50に供給された天然ガス42中の炭化水素を改質反応により反応させるのに必要な量の反応熱を改質器50に供給することができない場合には、天然ガス42を改質器50の燃焼バーナ51に追加供給し、天然ガス42を空気56と燃焼させることによって改質器50に供給する熱量を増加させ、改質器50で天然ガス42中の炭化水素の水蒸気改質反応を行わせる。その場合、改質器50の燃焼バーナ51への天然ガス42の供給量は、流量制御弁45の開度を調節することによって制御する。   In such a hydrogen supply system, the hydrogen purifier exhaust gas 29 consisting of hydrogen purified by the hydrogen purifier 25 and impurities carbon dioxide, water vapor, methane, and carbon monoxide is reformed as described above. It is supplied to the combustion burner 51 of the reformer 50 and used to supply the reformer 50 with reaction heat necessary for the reforming reaction of hydrocarbons in the natural gas 42. Note that heat is insufficient only by burning the hydrogen purifier exhaust gas 29 with the combustion burner 51 of the reformer 50, and the hydrocarbons in the natural gas 42 supplied to the reformer 50 are reacted by a reforming reaction. When the necessary amount of reaction heat cannot be supplied to the reformer 50, the natural gas 42 is additionally supplied to the combustion burner 51 of the reformer 50, and the natural gas 42 is combusted with the air 56. The amount of heat supplied to the reformer 50 is increased, and the reformer 50 performs a steam reforming reaction of hydrocarbons in the natural gas 42. In that case, the supply amount of the natural gas 42 to the combustion burner 51 of the reformer 50 is controlled by adjusting the opening degree of the flow control valve 45.

次に、図6に示したような改質による水素供給システムの問題点について述べる。図6に示した従来の水素供給システムでは、燃料改質装置59の改質器50内で天然ガス42中の炭化水素の水蒸気改質反応を行わせ水素を生成させるのに必要な反応熱は、水素と不純物である二酸化炭素、水蒸気、メタン、及び一酸化炭素とからなる水素精製装置排出ガス29を空気56とともに改質器50の燃焼バーナ51に供給して燃焼させることにより、あるいは、水素精製装置排出ガス29と天然ガス42とを空気56とともに改質器50の燃焼バーナ51に供給して燃焼させることにより、改質器50に供給される。また、改質器50内で炭化水素の水蒸気改質反応を行わせ水素を生成させるのに必要な水蒸気をつくるために、天然ガス42を空気67とともにボイラ53の燃焼バーナ54に供給して燃焼させる。その結果、改質器50の燃焼バーナ51からの燃焼バーナ排出ガス69とボイラ53の燃焼バーナ54からの燃焼バーナ排出ガス70には、水素精製装置排出ガス29及び天然ガス42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バーナ排出ガス69,70を供給すれば、これら燃焼バーナ排出ガス69,70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。   Next, problems of the hydrogen supply system by reforming as shown in FIG. 6 will be described. In the conventional hydrogen supply system shown in FIG. 6, the reaction heat required to generate hydrogen by performing the steam reforming reaction of hydrocarbons in the natural gas 42 in the reformer 50 of the fuel reformer 59 is as follows. The hydrogen purifier exhaust gas 29 comprising hydrogen and impurities carbon dioxide, water vapor, methane, and carbon monoxide is supplied to the combustion burner 51 of the reformer 50 together with the air 56 and burned, or hydrogen The refiner exhaust gas 29 and the natural gas 42 are supplied to the reformer 50 by being supplied to the combustion burner 51 of the reformer 50 together with the air 56 and combusting. In addition, natural gas 42 is supplied to the combustion burner 54 of the boiler 53 together with air 67 in order to produce steam necessary for generating hydrogen by performing a steam reforming reaction of hydrocarbons in the reformer 50 and burning. Let As a result, the combustion burner exhaust gas 69 from the combustion burner 51 of the reformer 50 and the combustion burner exhaust gas 70 from the combustion burner 54 of the boiler 53 are generated by the combustion of the hydrogen purifier exhaust gas 29 and the natural gas 42. In addition to carbon dioxide and water vapor, a large amount of nitrogen in the air will be included, and for the separation and recovery of carbon dioxide, a global warming gas, an expensive and large-scale carbon dioxide separation and recovery device is required. It becomes. 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 burner exhaust gas 69, 70 by supplying the combustion burner exhaust gas 69, 70 to the combustion chamber. There is a problem that it is necessary to newly install a carbon dioxide absorption / release device to perform continuous absorption / release of carbon dioxide, resulting in an increase in system cost. 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. .

さらに、燃料改質装置59から排出される燃料改質装置出口ガス63は、天然ガスから生成され一酸化炭素濃度を低減させた水素リッチな改質ガスではあるが、このガス中における水素濃度は約70体積%と低いため、高純度水素26を生成させるのに水素精製装置25での処理が必要であり、水素精製装置25での水素の損失や水素精製のためのエネルギー損失が大きいという問題点もある。
広谷 龍一、“オフサイト方式水素供給ステーション”、クリーンエネルギー、第13巻第8号、25〜29頁(2004)、日本工業出版 橋本 辰彦、“液体水素貯蔵水素ステーション”、クリーンエネルギー、第13巻第8号、30〜34頁(2004)、日本工業出版 服部 禎之、“脱硫ガソリン改質水素ステーション”、クリーンエネルギー、第13巻第8号、20〜24頁(2004)、日本工業出版 吉田 博貴、“千住水素ステーション”、クリーンエネルギー、第13巻第9号、22〜26頁(2004)、日本工業出版 森 哲哉 他、“天然ガス改質水素ステーション(WE−NET)”、クリーンエネルギー、第13巻第9号、27〜31頁(2004)、日本工業出版 真鍋 岳史、“メタノール改質水素ステーション”、クリーンエネルギー、第13巻第9号、32〜36頁(2004)、日本工業出版 池松 正樹、“ナフサ改質水素供給ステーション”、クリーンエネルギー、第13巻第9号、37〜40頁(2004)、日本工業出版
Further, the fuel reformer outlet gas 63 discharged from the fuel reformer 59 is a hydrogen-rich reformed gas generated from natural gas and having a reduced carbon monoxide concentration, but the hydrogen concentration in this gas is Since it is as low as about 70% by volume, a process in the hydrogen purifier 25 is necessary to produce the high purity hydrogen 26, and there is a problem that the loss of hydrogen in the hydrogen purifier 25 and the energy loss for hydrogen purification are large. There is also a point.
Ryuichi Hirotani, “Off-site hydrogen supply station”, Clean Energy, Vol. 13, No. 8, pages 25-29 (2004), Nihon Kogyo Publishing Akihiko Hashimoto, “Liquid Hydrogen Storage Hydrogen Station”, Clean Energy, Vol. 13, No. 8, pp. 30-34 (2004), Nihon Kogyo Publishing Masayuki Hattori, “Desulfurized Gasoline Reforming Hydrogen Station”, Clean Energy, Vol. 13, No. 8, pp. 20-24 (2004), Nihon Kogyo Publishing Hiroki Yoshida, “Senju Hydrogen Station”, Clean Energy, Vol. 13, No. 9, pp. 22-26 (2004), Nihon Kogyo Publishing Tetsuya Mori et al., “Natural Gas Reforming Hydrogen Station (WE-NET)”, Clean Energy, Vol. 13, No. 9, pp. 27-31 (2004), Nihon Kogyo Publishing Takeshi Manabe, “Methanol reforming hydrogen station”, Clean Energy, Vol. 13, No. 9, pp. 32-36 (2004), Nihon Kogyo Publishing Masaki Ikematsu, “Naphtha reforming hydrogen supply station”, Clean Energy, Vol. 13, No. 9, pp. 37-40 (2004), Nihon Kogyo Publishing

前述したように、ガソリン、液化石油ガス、天然ガス、メタノール、ナフサなどの炭化水素系燃料あるいはアルコール系燃料を改質して水素を製造する水素供給システムには、改質で得られる水素の純度が高くないという問題点と、水素製造、水素回収、及び二酸化炭素回収を効率的に行うことが難しいという問題点とがある。   As described above, the hydrogen supply system that produces hydrogen by reforming hydrocarbon fuels such as gasoline, liquefied petroleum gas, natural gas, methanol, naphtha, or alcohol fuels has a purity of hydrogen obtained by reforming. Are not high, and there are problems that it is difficult to efficiently perform hydrogen production, hydrogen recovery, and carbon dioxide recovery.

そこで、本発明の目的は、水溶性有機化合物と水とから高純度の水素を生成させることができる電解セルを提供することにある。   Then, the objective of this invention is providing the electrolytic cell which can produce | generate high purity hydrogen from a water-soluble organic compound and water.

本発明の別の目的は、水溶性有機化合物と水とから高純度の水素を得ることができるとともに、水素製造、水素回収、及び二酸化炭素回収を効率的に行うことが可能な水素供給システムを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a hydrogen supply system that can obtain high-purity hydrogen from a water-soluble organic compound and water, and that can efficiently perform hydrogen production, hydrogen recovery, and carbon dioxide recovery. It is to provide.

本発明の電解セルは、水溶性有機化合物の水溶液の電気分解を行う電解セルにおいて、水溶液が供給されるアノード室と、アノード室に配置されるとともに、水溶液の電気化学反応により二酸化炭素、プロトン、電子を生成させるのに有効な電極触媒を有するアノードと、アノードに隣接して配置されたプロトン導電性を有する電解質膜と、電解質膜に隣接して配置されるともに、アノードで生成されたプロトンと電子との電気化学反応により水素を生成させるのに有効な電極触媒を有するカソードと、カソードに隣接して配置されたカソードで生成された水素を選択的に透過させる水素選択透過手段と、カソード及び水素選択透過手段が配置されるとともに、水素選択透過手段を透過した水素が供給されるカソード室と、を有する。   The electrolytic cell of the present invention is an electrolytic cell that performs electrolysis of an aqueous solution of a water-soluble organic compound, and is disposed in an anode chamber to which an aqueous solution is supplied; and an anode chamber, and carbon dioxide, protons, An anode having an electrocatalyst effective for generating electrons, an electrolyte membrane having proton conductivity disposed adjacent to the anode, and a proton disposed adjacent to the electrolyte membrane and generated at the anode; A cathode having an electrocatalyst effective to generate hydrogen by an electrochemical reaction with electrons, hydrogen selective permeation means for selectively permeating hydrogen generated at a cathode disposed adjacent to the cathode, A hydrogen selective permeation means is disposed, and a cathode chamber to which hydrogen permeated through the hydrogen selective permeation means is supplied.

本発明の電解セルにおいて、水素選択透過手段としては、例えば、水素分子のみを選択的に透過させることができるパラジウム膜や高分子膜などが用いられる。   In the electrolytic cell of the present invention, as the hydrogen selective permeation means, for example, a palladium film or a polymer film that can selectively permeate only hydrogen molecules is used.

本発明の第1の水素供給システムは、水溶性有機化合物と水とから水素を製造して供給する水素供給システムにおいて、水溶性有機化合物の水溶液を貯蔵する燃料貯蔵手段と、前述した本発明の電解セルを有し、燃料貯蔵手段から供給された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、水素回収手段で回収された水素を水素の供給先に供給する水素供給手段と、を有する。   The first hydrogen supply system of the present invention is a hydrogen supply system for producing and supplying hydrogen from a water-soluble organic compound and water, and a fuel storage means for storing an aqueous solution of the water-soluble organic compound; An electrolytic cell having an electrolysis cell, electrolyzing an aqueous solution supplied from a fuel storage unit to separate and produce hydrogen and carbon dioxide, and collecting carbon dioxide separated and produced by the electrolytic unit, Carbon dioxide recovery means for supplying to the storage means, hydrogen recovery means for recovering the hydrogen separated and generated by the electrolysis means, hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to a hydrogen supply destination, Have

本発明の第2の水素供給システムは、水溶性有機化合物と水とから水素を製造して供給する水素供給システムにおいて、前述した本発明の電解セルを有し、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、水素回収手段で回収された水素を水素の供給先に供給する水素供給手段と、を有することを特徴とする。   A second hydrogen supply system of the present invention is a hydrogen supply system that produces and supplies hydrogen from a water-soluble organic compound and water, and has the above-described electrolysis cell of the present invention. Electrolytic means for separating and producing hydrogen and carbon dioxide by decomposition, carbon dioxide collecting means for collecting the carbon dioxide produced by separating by the electrolytic means, and carbon dioxide collected by the carbon dioxide collecting means for carbon dioxide Carbon dioxide supply means for supplying to the supply destination, hydrogen recovery means for recovering the hydrogen separated and generated by the electrolysis means, and hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to the hydrogen supply destination It is characterized by having.

本発明の水素供給システムにおいて、水素の供給先とは、典型的には水素を消費する機器、例えば、水素燃料電池自動車、水素を燃料とする燃料電池を有する各種の携帯機器、さらには、水素を燃料とするコージェネレーションシステムである。また、二酸化炭素の供給先とは、例えば、各種の二酸化炭素処理装置であり、このような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する装置も含まれる。   In the hydrogen supply system of the present invention, the hydrogen supply destination is typically a device that consumes hydrogen, such as a hydrogen fuel cell vehicle, various portable devices having a fuel cell using hydrogen as a fuel, and hydrogen. Is a cogeneration system that uses fuel as fuel. The carbon dioxide supply destination is, for example, various types of carbon dioxide processing apparatuses. Among such carbon dioxide processing apparatuses, there is an apparatus that processes the carbon dioxide without releasing carbon dioxide into the environment. Is also included.

本発明の水素供給システムでは、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や、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、さらには、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。   The hydrogen supply system of the present invention may be provided with a hydrogen pressurizing unit that pressurizes hydrogen recovered by the hydrogen recovery unit, a hydrogen storage unit that stores hydrogen pressurized by the hydrogen pressurizing unit, Hydrogen storage means for storing hydrogen recovered by the hydrogen recovery means may be provided.

また、本発明の水素供給システムでは、二酸化炭素回収手段で回収された二酸化炭素を加圧する二酸化炭素加圧手段を設けてもよく、二酸化炭素加圧手段で加圧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く、さらには、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。   In the hydrogen supply system of the present invention, a carbon dioxide pressurizing unit that pressurizes the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery unit may be provided, and the carbon dioxide that stores the carbon dioxide pressurized by the carbon dioxide pressurizing unit may be provided. Carbon storage means may be provided, and further, carbon dioxide storage means for storing carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means may be provided.

さらに、本発明の水素供給システムでは、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設けてもよい。酸素反応手段を設ける場合、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てもよい。   Further, in the hydrogen supply system of the present invention, hydrogen recovered by the hydrogen recovery means and carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means are supplied, and oxygen and hydrogen contained in the supplied carbon dioxide are reacted. An oxygen reaction means for generating water or water vapor may be provided. When the oxygen reaction means is provided, a water recovery means for recovering water or water vapor generated by the oxygen reaction means may be provided.

本発明において用いられる水溶性有機化合物は、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種の化合物である。   The water-soluble organic compound used in the present invention is, for example, at least one compound selected from the group consisting of methanol, ethanol, and 2-propanol.

本発明の電解セルでは、水素生成極であるカソードに隣接して水素選択透過手段を設けることにより、電解セルのカソード室から高純度の水素を回収することができるようになり、高純度水素を得るために個別に水素精製装置を設ける必要がなくなる。   In the electrolysis cell of the present invention, by providing hydrogen selective permeation means adjacent to the cathode that is the hydrogen generation electrode, it becomes possible to recover high-purity hydrogen from the cathode chamber of the electrolysis cell. It is not necessary to provide a separate hydrogen purifier for obtaining the product.

本発明の水素供給システムでは、電解装置(電解手段)を構成する電解セルで水溶性有機化合物の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、上述した本発明の電解セルを用いていることにより、対極のカソードで選択的に高純度の水素からなるカソード室出口ガスを生成させることができる。したがって、本発明の水素供給システムは、水溶性有機化合物と水とからの効率的な水素製造、水素回収、及び二酸化炭素回収が可能であり、経済的に水素を水素消費機器に供給することができるという利点を有する。   In the hydrogen supply system of the present invention, an electrolytic cell (electrolytic means) is electrolyzed with an aqueous solution of a water-soluble organic compound, so that the anode of the electrolysis cell can be produced with less electrolysis power than water electrolysis. The anode chamber outlet gas containing carbon dioxide with a high concentration can be selectively produced by using the above-described electrolysis cell of the present invention, so that high purity hydrogen can be selectively produced from the cathode at the counter electrode. The cathode chamber outlet gas can be generated. Therefore, the hydrogen supply system of the present invention can efficiently produce hydrogen from a water-soluble organic compound and water, recover hydrogen, and recover carbon dioxide, and economically supply hydrogen to hydrogen consuming equipment. It has the advantage of being able to.

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、本発明の第1の実施形態の水素供給システムの構成を示している。図1に示した水素供給システムは、主な構成要素として、燃料であるメタノール水溶液3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1と、メタノール水溶液3の電気分解反応を行わせる電解装置2と、ポンプ4と、メタノール水溶液3の電気分解反応に必要な直流電流を出力する直流電源11と、電解装置2で生成させた水素をカソード室出口ガス24として回収する水素回収装置(図では「H2回収」と表記)12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17として回収する二酸化炭素回収装置(図では「CO2回収」と表記)13と、流量制御弁21,22と、カソード室出口ガス24を加圧して加圧カソード室出口ガス68をつくる水素加圧装置27と、水素加圧装置27でつくられた加圧カソード室出口ガス68を貯蔵する水素貯蔵部28と、カソード室出口ガス24を貯蔵する水素貯蔵部40と、水素貯蔵部28,40に貯蔵されているカソード室出口ガスを水素消費機器31に対して高純度水素として供給する水素供給装置30,41と、二酸化炭素回収装置13で回収されたアノード室出口ガス17を加圧し加圧アノード室出口ガス37をつくる二酸化炭素加圧装置35と、酸素反応装置72と、酸素反応装置72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73と、を備えている。図1に示した水素供給システムは、図6に示した従来の水素供給システムとは、水素精製装置25を不要とし、燃料改質装置59の代わりに燃料貯蔵部1、電解装置2、水素回収装置12、及び二酸化炭素回収装置13を設けるとともに、新たに二酸化炭素加圧装置35、酸素反応装置72、及び水分回収装置73を設けた点で大きく異なっている。 FIG. 1 shows a configuration of a hydrogen supply system according to a first embodiment of the present invention. The hydrogen supply system shown in FIG. 1 performs an electrolysis reaction of the methanol aqueous solution 3 and the fuel storage unit 1 that stores the methanol aqueous solution 3 as a fuel and also stores the recovered carbon dioxide as main components. The electrolysis apparatus 2, the pump 4, the DC power source 11 that outputs a DC current required for the electrolysis reaction of the aqueous methanol solution 3, and the hydrogen recovery apparatus that recovers the hydrogen generated in the electrolysis apparatus 2 as the cathode chamber outlet gas 24 ( In the figure, indicated as “H 2 recovery” 12, a carbon dioxide recovery apparatus (indicated as “CO 2 recovery” in the figure) 13 for recovering carbon dioxide generated by the electrolysis apparatus 2 as the anode chamber outlet gas 17, and a flow rate Control valves 21, 22, a hydrogen pressurizer 27 that pressurizes the cathode chamber outlet gas 24 to produce a pressurized cathode chamber outlet gas 68, and a pressurization cap produced by the hydrogen pressurizer 27. The hydrogen storage unit 28 that stores the sword chamber outlet gas 68, the hydrogen storage unit 40 that stores the cathode chamber outlet gas 24, and the cathode chamber outlet gas stored in the hydrogen storage units 28 and 40 to the hydrogen consuming device 31. Hydrogen supply devices 30 and 41 that supply high purity hydrogen, a carbon dioxide pressurizing device 35 that pressurizes the anode chamber outlet gas 17 recovered by the carbon dioxide recovery device 13 to produce a pressurized anode chamber outlet gas 37, oxygen A reaction device 72 and a water recovery device 73 for recovering water or water vapor from the effluent or exhaust gas of the oxygen reaction device 72 are provided. The hydrogen supply system shown in FIG. 1 differs from the conventional hydrogen supply system shown in FIG. 6 in that the hydrogen purifier 25 is unnecessary, and the fuel storage unit 1, the electrolyzer 2, and the hydrogen recovery instead of the fuel reformer 59. The apparatus 12 and the carbon dioxide recovery device 13 are provided, and the difference is that a carbon dioxide pressurizing device 35, an oxygen reaction device 72, and a water recovery device 73 are newly provided.

燃料貯蔵部1は、携帯機器以外の水素消費機器に対して水素を供給するためにこの水素供給システムを使用する場合には、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3を貯蔵する交換可能なタンクとする。携帯機器に対して水素を供給するためにこの水素供給システムを使用する場合には、燃料貯蔵部1は、メタノール水溶液3を貯蔵する容易に交換可能なカートリッジとする。メタノール水溶液3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−プロバノール水溶液等を用いてもよい。メタノール水溶液3におけるメタノールと水のモル比は、後述するように、メタノールと水と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に限定されるものではない。   When the fuel storage unit 1 uses this hydrogen supply system to supply hydrogen to a hydrogen consuming device other than a portable device, the fuel storage unit 1 replaces the methanol aqueous solution 3 that is one of the aqueous solutions of water-soluble organic compounds. A possible tank. When this hydrogen supply system is used to supply hydrogen to a portable device, the fuel storage unit 1 is an easily replaceable cartridge that stores the aqueous methanol solution 3. Instead of the aqueous methanol solution 3, 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 3 is preferably 1: 1 because methanol and water are reacted in an equimolar amount to generate hydrogen, but is not necessarily limited to 1: 1. is not.

燃料貯蔵部1に貯蔵されたメタノール水溶液3は、ポンプ4によって、電解装置2を構成する電解セル10のアノード室5に供給される。電解セル10の構成は図2に示されている。電解セル10は、本発明に基づくものであり、アノード6と、アノード6を備えるアノード室5と、電解質膜7と、カソード8と、水素選択透過部18と、カソード室9と、から構成されている。カソード8と水素選択透過部18は、カソード室9に配置されている。電解質膜7は、アノード室5とカソード室9とを分離しており、アノード6とカソード8は、電解質膜7を挟むように電解質膜7に接して設けられている。アノード6の表面には、メタノール水溶液3の電気化学反応により二酸化炭素(CO2)、プロトン(H+)、電子(e-)を生成させるのに有効な電極触媒が被着されている。同様に、カソード8の表面には、アノード6で生成したプロトンと電子との電気化学反応により水素(H2)を生成させるのに有効な電極触媒が被着されている。アノード6で発生した水素イオン(プロトン)は、電解質膜7中を移動してカソード8にまで到達するようになっている。 The aqueous methanol solution 3 stored in the fuel storage unit 1 is supplied by a pump 4 to the anode chamber 5 of the electrolysis cell 10 constituting the electrolysis apparatus 2. The configuration of the electrolysis cell 10 is shown in FIG. The electrolysis cell 10 is based on the present invention, and includes an anode 6, an anode chamber 5 including the anode 6, an electrolyte membrane 7, a cathode 8, a hydrogen selective permeation unit 18, and a cathode chamber 9. ing. The cathode 8 and the hydrogen selective permeation unit 18 are disposed in the cathode chamber 9. The electrolyte membrane 7 separates the anode chamber 5 and the cathode chamber 9, and the anode 6 and the cathode 8 are provided in contact with the electrolyte membrane 7 so as to sandwich the electrolyte membrane 7. An electrode catalyst effective for generating carbon dioxide (CO 2 ), protons (H + ), and electrons (e ) by an electrochemical reaction of the aqueous methanol solution 3 is deposited on the surface of the anode 6. Similarly, an electrode catalyst effective to generate hydrogen (H 2 ) by an electrochemical reaction between protons and electrons generated at the anode 6 is deposited on the surface of the cathode 8. Hydrogen ions (protons) generated at the anode 6 move through the electrolyte membrane 7 and reach the cathode 8.

水素選択透過部18は、カソード8で生成された水素を選択的に透過させる性質を有するものであり、例えば、パラジウム膜によって代表される水素分離膜から構成されている。パラジウム膜の代わりに、水素を選択的に透過させる性質を有する高分子膜も使用することができる。このような水素選択透過部18は、典型的には、膜状の部材として、カソード8のカソード室6側の表面に設けられ、これにより、カソード8から水素のみが水素選択透過部18を透過してカソード室6に供給されるようになっている。   The hydrogen selective permeation unit 18 has a property of selectively permeating hydrogen generated at the cathode 8 and is composed of, for example, a hydrogen separation membrane represented by a palladium membrane. Instead of the palladium membrane, a polymer membrane having a property of selectively permeating hydrogen can also be used. Such a hydrogen selective permeation part 18 is typically provided on the surface of the cathode 8 on the cathode chamber 6 side as a membrane-like member, whereby only hydrogen permeates the hydrogen selective permeation part 18 from the cathode 8. Then, it is supplied to the cathode chamber 6.

なお、図2では、電解装置2が一組の電解セル10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10から電解装置2を構成してもよい。   In FIG. 2, the electrolysis apparatus 2 is constituted by a set of electrolysis cells 10, but is not necessarily limited to one set, and the electrolysis apparatus 2 may be constituted by a plurality of sets of electrolysis cells 10. .

直流電源11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14が供給される。直流電源11に供給された電力14は、直流電源11で所定の変換が行われ直流電力15の形で電解セル10に供給され、電解セル10のアノード室5に供給されたメタノール水溶液3の電気分解に使用される。すなわち、直流電源11から電解セル10に供給された直流電力15により、電解セル10のアノード6とカソード8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6では(3)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 supply 11 is supplied with electric power 14 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 14 supplied to the DC power supply 11 is subjected to predetermined conversion by the DC power supply 11, supplied to the electrolysis cell 10 in the form of DC power 15, and the electricity of the aqueous methanol solution 3 supplied to the anode chamber 5 of the electrolysis cell 10. Used for disassembly. That is, an electrolysis voltage is applied between the anode 6 and the cathode 8 of the electrolysis cell 10 by the DC power 15 supplied from the DC power source 11 to the electrolysis cell 10, and an electrolysis current flows, thereby electrolyzing the aqueous methanol solution 3. Happens. At the anode 6, an electrochemical reaction of methanol (CH 3 OH) and water (H 2 O) shown in the formula (3) occurs, and carbon dioxide (CO 2 ), protons (H + ), and electrons (e ) are generated. .

CH3OH+H2O → CO2 +6H++6e- (3)
アノード6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。前述したようにこの触媒は、電極触媒としてアノード6の表面に被着されている。(3)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6で生成したプロトンは、プロトン伝導性を有する電解質膜7中を移動し、カソード室9内のカソード8に到達する。このプロトン伝導性を有する電解質膜7には、一般的に、ガス気密性が高い、スルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸膜がよく用いられている。また、(3)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6で生成した電子は、直流電源11を含む外部回路を移動し、カソード8に到達する。カソード8では、(4)式に示すように、電解質膜7中をアノード6から移動してきたプロトンと外部回路をアノード6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 (3)
A catalyst is required to advance the electrochemical reaction of methanol and water at the anode 6, and a platinum catalyst or a platinum-ruthenium alloy catalyst in which platinum or a platinum-ruthenium alloy is supported on a carbon support or the like is generally used. ing. As described above, this catalyst is deposited on the surface of the anode 6 as an electrode catalyst. Protons generated at the anode 6 by the electrochemical reaction of methanol and water shown in the formula (3) move through the electrolyte membrane 7 having proton conductivity and reach the cathode 8 in the cathode chamber 9. For the electrolyte membrane 7 having proton conductivity, a perfluorosulfonic acid membrane having a sulfonic acid group and having high gas tightness is generally used. Further, the electrons generated at the anode 6 by the electrochemical reaction of methanol and water shown in the equation (3) move through the external circuit including the DC power supply 11 and reach the cathode 8. At the cathode 8, as shown in the equation (4), an electrochemical reaction occurs between protons moving from the anode 6 in the electrolyte membrane 7 and electrons moving from the anode 6 in the external circuit, and hydrogen is generated.

6H++6e- → 3H2 (4)
なお、カソードにおいて(4)式に示す電気化学反応を進行させるためにも触媒が必要であり、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。前述したようにこの触媒は、電極触媒としてカソード8の表面に被着されている。
6H + + 6e - → 3H 2 (4)
In addition, a catalyst is also required to advance the electrochemical reaction represented by the formula (4) at the cathode, and a platinum catalyst or a platinum-ruthenium alloy catalyst in which platinum or a platinum-ruthenium alloy is supported on a carbon carrier or the like is generally used. It is used. As described above, this catalyst is deposited on the surface of the cathode 8 as an electrode catalyst.

メタノール水溶液3の電気分解反応は、全体として、(3)式に示したアノード6での反応と、(4)式に示したカソード8での反応を組み合わせたものであって、(5)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。   The electrolysis reaction of the aqueous methanol solution 3 as a whole is a combination of the reaction at the anode 6 shown in the formula (3) and the reaction at the cathode 8 shown in the formula (4). As shown in the above, methanol and water react to produce carbon dioxide and hydrogen.

CH3OH+H2O → CO2+3H2 (5)
前述したように、電解装置2の電解セル10のアノード6で二酸化炭素が生成し、カソード8で水素が生成する。アノード6で生成した二酸化炭素は、アノード室5に隣接して設けられた二酸化炭素回収装置13において、未反応メタノール水溶液16と分離されて、アノード室出口ガス17として回収される。一方、カソード8で生成した水素は、パラジウム膜で代表される水素分離膜などの水素選択透過部18を透過してカソード室9に到達し、図2に示したように、水素回収装置12によりカソード出口ガス24として回収される。電解セル10のカソードに隣接して水素選択透過部18を設けたことにより、アノード6からカソード8への電解質膜7を介してのメタノール水溶液3の透過と、アノード6において(3)式に示した電気化学反応によって生成した二酸化炭素の透過とが抑制される。したがって、この水素供給システムでは、高純度水素をカソード室出口ガス24として電解装置2から回収することが可能であり、水素精製装置を別途設ける必要がなくなる。また、カソード室9へのメタノール水溶液3の透過がないので、カソード室9へ透過してきたメタノール水溶液をアノード室6または燃料貯蔵部1にリサイクルすることも不要となる。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 (5)
As described above, carbon dioxide is generated at the anode 6 of the electrolysis cell 10 of the electrolysis apparatus 2, and hydrogen is generated at the cathode 8. The carbon dioxide generated at the anode 6 is separated from the unreacted aqueous methanol solution 16 and recovered as the anode chamber outlet gas 17 in the carbon dioxide recovery device 13 provided adjacent to the anode chamber 5. On the other hand, the hydrogen generated at the cathode 8 permeates the hydrogen selective permeation section 18 such as a hydrogen separation membrane represented by a palladium membrane and reaches the cathode chamber 9, and as shown in FIG. It is recovered as cathode outlet gas 24. By providing the hydrogen selective permeation section 18 adjacent to the cathode of the electrolytic cell 10, the permeation of the methanol aqueous solution 3 from the anode 6 to the cathode 8 through the electrolyte membrane 7, and the anode 6 as shown in the formula (3) Permeation of carbon dioxide generated by the electrochemical reaction is suppressed. Therefore, in this hydrogen supply system, high-purity hydrogen can be recovered from the electrolysis apparatus 2 as the cathode chamber outlet gas 24, and it is not necessary to provide a separate hydrogen purification apparatus. Further, since there is no permeation of the methanol aqueous solution 3 to the cathode chamber 9, it is not necessary to recycle the methanol aqueous solution permeated to the cathode chamber 9 to the anode chamber 6 or the fuel storage unit 1.

二酸化炭素回収装置13でアノード室出口ガス17と分離された未反応メタノール水溶液16のメタノール濃度は、電解セル10のアノード室5に供給されたメタノール水溶液3のメタノール濃度にほぼ等しいので、未反応メタノール水溶液16は、ポンプ4を用いて必要に応じて燃料貯蔵部1あるいは電解セル10のアノード室5にリサイクルされる。二酸化炭素回収装置13の未反応メタノール水溶液16を排出する出口は2分岐し、一方は流量制御弁21を介して燃料貯蔵部1に通じ、他方は流量制御弁22を介してポンプ4と電解装置2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13で分離された未反応メタノール水溶液16の燃料貯蔵部1及びアノード室5へのリサイクル量は、それぞれ、流量制御弁21,22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 aqueous methanol solution 16 separated from the anode chamber outlet gas 17 by the carbon dioxide recovery device 13 is substantially equal to the methanol concentration of the aqueous methanol solution 3 supplied to the anode chamber 5 of the electrolysis cell 10. The aqueous solution 16 is recycled to the fuel storage unit 1 or the anode chamber 5 of the electrolysis cell 10 as necessary using the pump 4. The outlet for discharging the unreacted methanol aqueous solution 16 of the carbon dioxide recovery device 13 is branched into two branches, one leading to the fuel storage unit 1 via the flow control valve 21 and the other via the flow control valve 22 to the pump 4 and the electrolyzer. 2 is connected to the supply line connecting the two. Therefore, the recycle amounts of the unreacted aqueous methanol solution 16 separated by the carbon dioxide recovery device 13 to the fuel storage unit 1 and the anode chamber 5 are controlled by adjusting the opening degree of the flow control valves 21 and 22, respectively. .

高純度水素からなるカソード室出口ガス24は、必要に応じて、水素加圧装置27に供給して加圧された後に加圧カソード室出口ガス68として高圧タンク等の水素貯蔵部28に供給され貯蔵される。水素貯蔵部28に貯蔵された加圧カソード室出口ガス68は、水素供給装置30を用いて、高純度水素として、必要に応じて、水素燃料電池自動車、戸建て住宅の家庭用燃料電池コージェネレーションシステム、集合住宅の家庭用燃料電池コージェネレーションシステム、商店や工場の業務用燃料電池コージェネレーションシステム、携帯機器等の水素消費機器31に供給される。なお、水素供給装置30では、水素消費機器31の定格等に応じて、加圧カソード室出口ガス68の減圧を行う。   The cathode chamber outlet gas 24 made of high-purity hydrogen is supplied to the hydrogen pressurizing device 27 and pressurized as necessary, and then supplied as a pressurized cathode chamber outlet gas 68 to the hydrogen storage unit 28 such as a high-pressure tank. Stored. The pressurized cathode chamber outlet gas 68 stored in the hydrogen storage unit 28 is converted into high-purity hydrogen by using a hydrogen supply device 30, as necessary, as a hydrogen fuel cell automobile, a residential fuel cell cogeneration system for a detached house. The fuel cell cogeneration system for households in apartment houses, the fuel cell cogeneration system for commercial use in shops and factories, and the hydrogen consuming equipment 31 such as portable devices. In the hydrogen supply device 30, the pressurized cathode chamber outlet gas 68 is depressurized according to the rating of the hydrogen consuming equipment 31.

また、高純度水素からなるカソード室出口ガス24は、そのまま常圧で水素吸蔵合金タンク等の水素貯蔵部40に貯蔵してもよい。この場合も、水素貯蔵部40に貯蔵されたカソード出口ガス24は、水素供給装置41を用いて、高純度水素として、必要に応じて、水素燃料電池自動車、戸建て住宅の家庭用燃料電池コージェネレーションシステム、集合住宅の家庭用燃料電池コージェネレーションシステム、商店や工場の業務用燃料電池コージェネレーションシステム、携帯機器等の水素消費機器31供給される。なお、水素供給装置30では、水素消費機器31の定格等に応じて、カソード室出口ガスの加圧を行う。   The cathode chamber outlet gas 24 made of high-purity hydrogen may be stored as it is in a hydrogen storage unit 40 such as a hydrogen storage alloy tank at normal pressure. Also in this case, the cathode outlet gas 24 stored in the hydrogen storage unit 40 is converted into high-purity hydrogen by using a hydrogen supply device 41, as necessary, as a hydrogen fuel cell vehicle, a residential fuel cell cogeneration system for a detached house. Hydrogen fuel consumption equipment 31 such as a system, a fuel cell cogeneration system for residential use in an apartment house, a fuel cell cogeneration system for commercial use in shops and factories, and portable equipment. Note that the hydrogen supply device 30 pressurizes the cathode chamber outlet gas in accordance with the rating of the hydrogen consuming device 31 and the like.

電解装置2の電解セル10のアノード6で生成した二酸化炭素を含むアノード室出口ガス17の二酸化炭素濃度は、90体積%以上と高い。そのため、本実施形態の水素供給システムでは、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17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。   The carbon dioxide concentration of the anode chamber outlet gas 17 containing carbon dioxide generated at the anode 6 of the electrolysis cell 10 of the electrolysis device 2 is as high as 90% by volume or more. Therefore, in the hydrogen supply 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 is used to separate and recover carbon dioxide. There is no need to consume. By recovering the anode chamber outlet gas 17 as it is, it is possible to efficiently recover carbon dioxide.

なお、電解装置2の電解セル10のアノード6では、(3)式に示したメタノールと水の電気化学反応以外に、(6)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13で回収されたアノード室出口ガス17中には、若干の酸素(O2)が含まれる可能性がある。 In addition, in the anode 6 of the electrolysis cell 10 of the electrolysis apparatus 2, in addition to the electrochemical reaction of methanol and water shown in the formula (3), an electrolysis reaction of water shown in the formula (6) also occurs. The anode chamber outlet gas 17 recovered in 13 may contain some oxygen (O 2 ).

2O → (1/2)O2+2H++2e- (6)
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72を設け、アノード出口ガス17と高濃度の水素を含むカソード室出口ガス24とを酸素反応装置72に供給し、アノード室出口ガス17中の酸素とカソード室出口ガス24中の水素を(7)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17中の酸素を除去する。
H 2 O → (1/2) O 2 + 2H + + 2e (6)
Therefore, in the present embodiment, an oxygen reaction device 72 such as a catalytic combustor using a noble metal catalyst such as platinum is provided, and the anode outlet gas 17 and the cathode chamber outlet gas 24 containing high-concentration hydrogen are provided in the oxygen reaction device 72. Then, oxygen in the anode chamber outlet gas 17 and hydrogen in the cathode chamber outlet gas 24 are combusted by a combustion reaction represented by the formula (7) to generate water or water vapor, and oxygen in the anode chamber outlet gas 17 is Remove.

(1/2)O2+H2 → H2O (7)
酸素反応装置72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73を設けて回収される。水分回収装置73で水または水蒸気が回収されたアノード室出口ガス17は、必要に応じて、二酸化炭素加圧装置35で加圧された後に、加圧アノード室出口ガス37として燃料貯蔵部1に貯蔵される。燃料貯蔵部1に貯蔵され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37は、燃料貯蔵部1に貯蔵されたメタノール水溶液3がなくなった時点で、燃料貯蔵部1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17は、電解装置2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35を設けてアノード室出口ガス17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17を燃料貯蔵部1に供給することも可能である。
(1/2) O 2 + H 2 → H 2 O (7)
The water or water vapor generated by the oxygen reaction device 72 is collected by providing a water collecting device 73 such as a condenser or a water adsorber (filled with silica gel or the like) as necessary. The anode chamber outlet gas 17 from which water or water vapor has been recovered by the moisture recovery device 73 is pressurized by the carbon dioxide pressurizing device 35 as necessary, and then supplied to the fuel storage unit 1 as the pressurized anode chamber outlet gas 37. Stored. The pressurized anode chamber outlet gas 37 stored in the fuel storage unit 1 and containing high-concentration carbon dioxide is replaced by replacing the fuel storage unit 1 with the methanol aqueous solution 3 stored in the fuel storage unit 1. It can be recovered. Since the anode chamber outlet gas 17 can be pressurized to about several atmospheres (several hundred kPa) by the electrolysis apparatus 2, carbon dioxide is directly supplied without pressurizing the anode chamber outlet gas 17 by providing a carbon dioxide pressurizing device 35. It is also possible to supply the anode chamber outlet gas 17 to the fuel storage unit 1.

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3を貯蔵する燃料貯蔵部1の気相部分に貯蔵しても危険はない。燃料貯蔵部1は、メタノール水溶液3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17を燃料貯蔵部1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3をポンプ4でスムースに電解装置2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 1 that stores the aqueous methanol solution 3. Since the fuel storage unit 1 is in a depressurized state as the methanol aqueous solution 3 is consumed, if the carbon dioxide, that is, the anode chamber outlet gas 17 is supplied to the fuel storage unit 1, the depressurization can be suppressed. There is also an advantage that the electrolytic device 2 can be smoothly supplied.

なお、図1に示した第1の実施形態の水素供給システムにおいて、水素加圧装置27、水素貯蔵部28,40、酸素反応装置72、水分回収装置73、及び二酸化炭素加圧装置35については、これらのうちの一部または全部は必ずしも設けられる必要はなく、水素供給システムの使用目的にあわせて、それぞれ、適宜設ければよい。   In the hydrogen supply system of the first embodiment shown in FIG. 1, the hydrogen pressurization device 27, the hydrogen storage units 28 and 40, the oxygen reaction device 72, the moisture recovery device 73, and the carbon dioxide pressurization device 35 are described. Some or all of these are not necessarily provided, and may be provided as appropriate in accordance with the purpose of use of the hydrogen supply system.

本実施形態の水素供給システムでは、電解装置2の電解セル10のカソード室9に隣接した水素回収装置12により、高純度水素をカソード室出口ガス24として回収できるので、水素精製装置を設ける必要がなくなり、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。また、本実施形態の水素供給システムでは、電解装置2の電解セル10のアノード室5に隣接した二酸化炭素回収装置13で二酸化炭素濃度が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17として回収でき、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等が不要となる。また、本実施形態の水素供給システムでは、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1に回収された二酸化炭素を貯蔵するので、燃料貯蔵部1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等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水素供給システムが実現できる。   In the hydrogen supply system of the present embodiment, high-purity hydrogen can be recovered as the cathode chamber outlet gas 24 by the hydrogen recovery device 12 adjacent to the cathode chamber 9 of the electrolysis cell 10 of the electrolysis device 2, so it is necessary to provide a hydrogen purification device. The system cost and energy cost can be reduced. Further, in the hydrogen supply system of the present embodiment, high concentration carbon dioxide having a carbon dioxide concentration of 90% by volume or more is discharged from the anode chamber outlet gas by the carbon dioxide recovery device 13 adjacent to the anode chamber 5 of the electrolysis cell 10 of the electrolysis device 2. The carbon dioxide absorption / release device for absorbing and releasing carbon dioxide for separating and recovering carbon dioxide is not necessary. Further, in the hydrogen supply 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 1 that stores an aqueous methanol solution as fuel. By exchanging the fuel storage unit 1, fuel supply and carbon dioxide recovery can be easily performed simultaneously. Therefore, according to the present embodiment, the system cost necessary for installing the carbon dioxide absorption / release device and 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. Therefore, it is possible to reduce the system cost required for this, and it is possible to realize a hydrogen supply system capable of recovering carbon dioxide economically.

なお、本実施形態の水素供給システムでは、電解装置2において電解セル10によりメタノール水溶液3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14を直流電源11で所定の直流電力15に変換して電解セル10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、本実施形態の水素供給システムでは、従来の水の電気分解を用いた水素供給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10のアノード6の触媒に白金−ルテニウム触媒(メタノール水溶液3の電気分解)または白金触媒(水の電気分解)を、カソード8の触媒に白金触媒を、電解質膜7にパーフルオロスルホ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10のアノード室5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5ml/分とした。また、電解セル10のアノード6及びカソード8の有効電極表面積は、それぞれ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 hydrogen supply system of the present embodiment, in order to electrolyze the aqueous methanol solution 3 by the electrolytic cell 10 in the electrolysis apparatus 2, the power 14 obtained from a predetermined energy source is converted into the predetermined DC power 15 by the DC power source 11. Although it is necessary to convert and supply to the electrolytic cell 10, 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 42%. Therefore, the hydrogen supply system of this embodiment does not cause an increase in energy cost accompanying an increase in energy consumption, as compared with a hydrogen supply system using conventional water electrolysis. 3 shows a platinum-ruthenium catalyst (electrolysis of aqueous methanol solution 3) or platinum catalyst (electrolysis of water) as a catalyst for the anode 6 of the electrolytic cell 10, a platinum catalyst as a catalyst for the cathode 8, and the electrolyte membrane 7. 2 shows the relationship between the electrolysis voltage and electrolysis current when electrolysis of aqueous methanol solution and electrolysis of water are performed using perfluorosulfonic acid membranes respectively. The concentration of the aqueous methanol solution supplied to the anode chamber 5 of the electrolysis cell 10 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 ml / min. The effective electrode surface areas of the anode 6 and the cathode 8 of the electrolytic cell 10 were 23 cm 2 , respectively. 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.

次に、本発明の第2の実施形態の水素供給システムについて説明する。図5に構成を示す第2の実施形態の水素供給システムは、主な構成要素として、第1の実施形態のものと同様に、燃料貯蔵部1、電解装置2、ポンプ4、直流電源11、水素回収装置12、二酸化炭素回収装置13、流量制御弁21,22、水素加圧装置27、水素貯蔵部28,40、水素供給装置30,41、二酸化炭素加圧装置35、酸素反応装置72、及び水分回収装置73を備えるとともに、さらに、二酸化炭素貯蔵部36及び二酸化炭素供給装置38を設けたものである。そして、この水素供給システムでは、二酸化炭素加圧装置35で加圧され二酸化炭素を主成分とする加圧アノード室出口ガス37は、燃料貯蔵部1に戻されるのではなく、二酸化炭素貯蔵部36に供給される。二酸化炭素供給装置38は、二酸化炭素貯蔵部36に接して設けられており、二酸化炭素貯蔵部36に貯蔵された二酸化炭素を二酸化炭素処理装置39に向けて供給する。図5において、前述した図1におけるものと同一の構成要素には同一の参照符号を付し、これらのものについては重複する説明は省略する。二酸化炭素処理装置39は、例えば、環境中に二酸化炭素を放出することなく二酸化炭素を回収して処理する装置である。   Next, a hydrogen supply system according to a second embodiment of the present invention will be described. The hydrogen supply system according to the second embodiment shown in FIG. 5 has, as main components, the fuel storage unit 1, the electrolyzer 2, the pump 4, the DC power source 11, as in the first embodiment. Hydrogen recovery device 12, carbon dioxide recovery device 13, flow rate control valves 21, 22, hydrogen pressurization device 27, hydrogen storage units 28, 40, hydrogen supply devices 30, 41, carbon dioxide pressurization device 35, oxygen reaction device 72, In addition, a carbon dioxide storage unit 36 and a carbon dioxide supply device 38 are provided. In this hydrogen supply system, the pressurized anode chamber outlet gas 37 pressurized by the carbon dioxide pressurizing device 35 and containing carbon dioxide as a main component is not returned to the fuel storage unit 1, but is supplied to the carbon dioxide storage unit 36. To be supplied. The carbon dioxide supply device 38 is provided in contact with the carbon dioxide storage unit 36 and supplies the carbon dioxide stored in the carbon dioxide storage unit 36 toward the carbon dioxide processing device 39. In FIG. 5, the same components as those in FIG. 1 described above are denoted by the same reference numerals, and duplicate descriptions thereof are omitted. The carbon dioxide processing device 39 is, for example, a device that collects and processes carbon dioxide without releasing it into the environment.

本実施形態の水素供給システムでは、二酸化炭素回収装置13で未反応メタノール水溶液16と分離されたアノード室出口ガス17は、酸素反応装置72に供給され、酸素反応装置72において、アノード室出口ガス17に含まれる酸素が、水または水蒸気に変換される。酸素反応装置72で生成した水または水蒸気は、必要に応じて水分回収装置73で回収される。水分回収装置73で水または水蒸気が回収されたアノード室出口ガス17は、必要に応じて二酸化炭素加圧装置35によって加圧された後に、加圧アノード室出口ガス37として二酸化炭素貯蔵部36に貯蔵される。二酸化炭素貯蔵部36に貯蔵された加圧アノード室出口ガス37は、必要に応じて二酸化炭素供給装置38によって減圧され、二酸化炭素処理装置39に供給される。なお、二酸化炭素貯蔵部36や二酸化炭素加圧装置35は必ずしも必要であるわけではなく、必要に応じて設けられる。例えば、含有する酸素が酸素反応装置72において水または水蒸気の形に変換され、必要に応じて水分回収装置72によってこれらの水または水蒸気が回収されたアノード室出口ガス17を、二酸化炭素供給装置38によりそのまま二酸化炭素処理装置39に供給してもよい。   In the hydrogen supply system of the present embodiment, the anode chamber outlet gas 17 separated from the unreacted methanol aqueous solution 16 by the carbon dioxide recovery device 13 is supplied to the oxygen reactor 72, and in the oxygen reactor 72, the anode chamber outlet gas 17 is supplied. Is converted into water or water vapor. Water or water vapor generated by the oxygen reaction device 72 is recovered by the water recovery device 73 as necessary. The anode chamber outlet gas 17 from which water or water vapor has been recovered by the moisture recovery device 73 is pressurized by the carbon dioxide pressurizing device 35 as necessary, and then supplied to the carbon dioxide storage unit 36 as the pressurized anode chamber outlet gas 37. Stored. The pressurized anode chamber outlet gas 37 stored in the carbon dioxide storage unit 36 is decompressed by the carbon dioxide supply device 38 as necessary and supplied to the carbon dioxide processing device 39. In addition, the carbon dioxide storage part 36 and the carbon dioxide pressurizing apparatus 35 are not necessarily required, and are provided as needed. For example, the oxygen gas contained in the anode chamber outlet gas 17 is converted into water or water vapor by the oxygen reaction device 72 and the water recovery device 72 collects the water or water vapor as necessary. The carbon dioxide processing device 39 may be supplied as it is.

図5に示した第2の実施形態の水素供給システムにおいて、水素加圧装置27、水素貯蔵部28,40、酸素反応装置72、及び水分回収装置73についても、これらのうちの一部または全部は必ずしも設けられる必要はなく、水素供給システムの使用目的にあわせてそれぞれ適宜設ければよい。   In the hydrogen supply system of the second embodiment shown in FIG. 5, the hydrogen pressurizing device 27, the hydrogen storage units 28 and 40, the oxygen reaction device 72, and the moisture recovery device 73 are also part or all of them. Are not necessarily provided, and may be appropriately provided in accordance with the purpose of use of the hydrogen supply system.

本実施形態の水素供給システムにおいても、電解装置2の電解セル10のカソード室9に隣接した水素回収装置12により、高純度水素をカソード室出口ガス24として回収できるので、水素精製装置を設ける必要がなくなり、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。また、電解装置2の電解セル10のアノード室5に隣接した二酸化炭素回収装置13で二酸化炭素濃度が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17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等が不要となり、二酸化炭素吸収放出器等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。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、経済的に二酸化炭素の回収が可能な水素供給システムが実現できる。   Also in the hydrogen supply system of the present embodiment, high-purity hydrogen can be recovered as the cathode chamber outlet gas 24 by the hydrogen recovery device 12 adjacent to the cathode chamber 9 of the electrolysis cell 10 of the electrolysis device 2, so it is necessary to provide a hydrogen purification device The system cost and energy cost can be reduced. Further, since the carbon dioxide recovery device 13 adjacent to the anode chamber 5 of the electrolysis cell 10 of the electrolysis device 2 can recover high-concentration carbon dioxide having a carbon dioxide concentration of 90% by volume or more as the anode chamber outlet gas 17, A carbon dioxide absorption / release device that absorbs and releases carbon dioxide for separation / recovery is not necessary, and system costs necessary for installing the carbon dioxide absorption / release device, etc., and running costs such as maintenance costs and energy costs can be reduced. . Therefore, according to the present 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 hydrogen supply capable of recovering carbon dioxide economically. A system can be realized.

以上、本発明の好ましい実施形態による電解セル及び水素供給システムについて説明したが、本発明に係る電解セル及び水素供給システムにおいては、水素を生成させるための燃料として、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用いることもできる。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。   As described above, the electrolysis cell and the hydrogen supply system according to the preferred embodiment of the present invention have been described. However, in the electrolysis cell and the hydrogen supply system according to the present invention, as the fuel for generating hydrogen, instead of the methanol aqueous solution, other An aqueous solution of an aqueous organic compound can also be used. 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.

本発明の第1の実施形態の水素供給システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the hydrogen supply system of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態であ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 which is one Embodiment of this invention. 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. 本発明の第2の実施形態の水素供給システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the hydrogen supply system of the 2nd Embodiment of this invention. 天然ガスを燃料とする従来の水素供給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 hydrogen supply system which uses natural gas as a fuel.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料貯蔵部
2 電解装置
3 メタノール水溶液
4,48 ポンプ
5 アノード室
6 アノード
7 電解質膜
8 カソード
9 カソード室
10 電解セル
11 直流電源
12 水素回収装置(H2回収)
13 二酸化炭素回収装置(CO2回収)
14 電力
15 直流電力
16 未反応メタノール水溶液
17 アノード室出口ガス
18 水素選択透過部
21,22,43〜46,57,65 流量制御弁
24 カソード室出口ガス
25 水素精製装置
26 高純度水素
27 水素加圧装置
28,40 水素貯蔵部
29 水素精製装置排出ガス
30,41 水素供給装置
31 水素消費機器
35 二酸化炭素加圧装置
36 二酸化炭素貯蔵部
37 加圧アノード室出口ガス
38 二酸化炭素供給装置
39 二酸化炭素処理装置
42 天然ガス
47,58 ブロワ
49 脱硫器
50 改質器
51,54 燃焼バーナ
52 CO変成器
53 ボイラ
55 補給水
56,67 空気
59 燃料改質装置
60 改質器出口ガス
61 水蒸気
62 硫黄成分が除去された天然ガス
63 燃料改質装置出口ガス
64 CO変成器出口ガス
66 脱硫器リサイクルガス
68 加圧カソード室出口ガス
69,70 燃焼バーナ排出ガス
71 加圧高純度水素
72 酸素反応装置
73 水分回収装置
1 fuel reservoir 2 electrolysis device 3 methanol solution 4,48 pump 5 the anode chamber 6 anode 7 electrolyte membrane 8 cathode 9 cathode compartment 10 electrolytic cell 11 DC power supply 12 hydrogen recovery device (H 2 recovery)
13 Carbon dioxide recovery device (CO 2 recovery)
14 Electric power 15 DC power 16 Unreacted methanol aqueous solution 17 Anode chamber outlet gas 18 Hydrogen selective permeation part 21, 22, 43 to 46, 57, 65 Flow control valve 24 Cathode chamber outlet gas 25 Hydrogen purifier 26 High purity hydrogen 27 Hydrogenation Pressure device 28, 40 Hydrogen storage unit 29 Hydrogen purifier exhaust gas 30, 41 Hydrogen supply device 31 Hydrogen consuming equipment 35 Carbon dioxide pressurizing device 36 Carbon dioxide storage unit 37 Pressurized anode chamber outlet gas 38 Carbon dioxide supply device 39 Carbon dioxide Processing unit 42 Natural gas 47, 58 Blower 49 Desulfurizer 50 Reformer 51, 54 Combustion burner 52 CO converter 53 Boiler 55 Make-up water 56, 67 Air 59 Fuel reformer 60 Reformer outlet gas 61 Steam 62 Sulfur component Gas from which gas was removed 63 Fuel reformer outlet gas 64 CO converter Outlet gas 66 Desulfurizer recycle gas 68 Pressurized cathode chamber outlet gas 69, 70 Combustion burner exhaust gas 71 Pressurized high purity hydrogen 72 Oxygen reactor 73 Moisture recovery device

Claims (13)

水溶性有機化合物の水溶液の電気分解を行う電解セルにおいて、
前記水溶液が供給されるアノード室と、
前記アノード室に配置されるとともに、前記水溶液の電気化学反応により二酸化炭素、プロトン、電子を生成させるのに有効な電極触媒を有するアノードと、
前記アノードに隣接して配置されたプロトン導電性を有する電解質膜と、
前記電解質膜に隣接して配置されるともに、前記アノードで生成されたプロトンと前記電子との電気化学反応により水素を生成させるのに有効な電極触媒を有するカソードと、
前記カソードに隣接して配置された前記カソードで生成された水素を選択的に透過させる水素選択透過手段と、
前記カソード及び前記水素選択透過手段が配置されるとともに、前記水素選択透過手段を透過した前記水素が供給されるカソード室と、
を有することを特徴とする電解セル。
In an electrolysis cell for electrolysis of an aqueous solution of a water-soluble organic compound,
An anode chamber to which the aqueous solution is supplied;
An anode having an electrocatalyst disposed in the anode chamber and effective to generate carbon dioxide, protons, and electrons by an electrochemical reaction of the aqueous solution;
An electrolyte membrane having proton conductivity disposed adjacent to the anode;
A cathode having an electrocatalyst disposed adjacent to the electrolyte membrane and effective for generating hydrogen by an electrochemical reaction between protons generated at the anode and the electrons;
Hydrogen selective permeation means for selectively permeating hydrogen generated at the cathode disposed adjacent to the cathode;
A cathode chamber in which the cathode and the hydrogen selective permeation means are arranged, and the hydrogen that has permeated the hydrogen selective permeation means is supplied;
An electrolysis cell comprising:
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に記載の電解セル。   The electrolytic cell according to claim 1, wherein the water-soluble organic compound is at least one compound selected from the group consisting of methanol, ethanol, and 2-propanol. 水溶性有機化合物と水とから水素を製造して供給する水素供給システムにおいて、
前記水溶性有機化合物の水溶液を貯蔵する燃料貯蔵手段と、
請求項1に記載の電解セルを有し、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、
前記水素回収手段で回収された前記水素を水素の供給先に供給する水素供給手段と、
を有することを特徴とする水素供給システム。
In a hydrogen supply system that produces and supplies hydrogen from a water-soluble organic compound and water,
Fuel storage means for storing an aqueous solution of the water-soluble organic compound;
An electrolysis unit comprising the electrolysis cell according to claim 1, and electrolyzing the aqueous solution supplied from the fuel storage unit to generate hydrogen and carbon dioxide separately.
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;
Hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to a hydrogen supply destination;
A hydrogen supply system comprising:
水溶性有機化合物と水とから水素を製造して供給する水素供給システムにおいて、
請求項1に記載の電解セルを有し、前記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、
前記水素回収手段で回収された前記水素を水素の供給先に供給する水素供給手段と、
を有することを特徴とする水素供給システム。
In a hydrogen supply system that produces and supplies hydrogen from a water-soluble organic compound and water,
An electrolysis unit comprising the electrolysis cell according to claim 1, wherein the aqueous solution of the water-soluble organic compound is electrolyzed to separate and generate 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;
Hydrogen supply means for supplying the hydrogen recovered by the hydrogen recovery means to a hydrogen supply destination;
A hydrogen supply system comprising:
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3または4に記載の水素供給システム。   The hydrogen supply system according to claim 3, further comprising a hydrogen pressurization unit that pressurizes the hydrogen recovered by the hydrogen recovery 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5に記載の水素供給システム。   The hydrogen supply 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3乃至6のいずれか1項に記載の水素供給システム。   The hydrogen supply system according to any one of claims 3 to 6, further comprising a hydrogen storage unit that stores the hydrogen recovered by the hydrogen recovery unit. 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3乃至7のいずれか1項に記載の水素供給システム。   The hydrogen supply system according to any one of claims 3 to 7, further comprising carbon dioxide pressurizing means for pressurizing the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means. 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8に記載の水素供給システム。   The hydrogen supply system according to claim 8, further comprising carbon dioxide storage means for storing the carbon dioxide pressurized by the carbon dioxide pressurizing 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3乃至7のいずれか1項に記載の水素供給システム。   The hydrogen supply system according to any one of claims 3 to 7, further comprising carbon dioxide storage means for storing the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means. 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をさらに有する、請求項3乃至10のいずれか1項に記載の水素供給システム。   The hydrogen recovered by the hydrogen recovery means and the carbon dioxide recovered by the carbon dioxide recovery means are supplied, and oxygen contained in the supplied carbon dioxide reacts with the hydrogen to produce water or water vapor. The hydrogen supply system according to any one of claims 3 to 10, further comprising oxygen reaction means to be generated. 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11に記載の水素供給システム。   The hydrogen supply system according to claim 11, further comprising a water recovery unit that recovers the water or water vapor generated by the oxygen reaction unit. 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3乃至12のいずれか1項に記載の電解セル。   The electrolytic cell according to any one of claims 3 to 12, 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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