JP4008051B2 - Power generation method - Google Patents

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    • Y02P20/129Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は単位燃料当たりの発電効率に優れる発電方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、騒音や振動が小さくかつ大気汚染の心配がない都市型の電源として、発電効率が60%と極めて高い燃料電池の開発が行われている。燃料電池は燃料の酸化反応と酸素の還元反応を別々に行い、電子及びイオンがそれぞれ外部回路及び電解質内を移動することにより、直接反応させれば熱になるエネルギを電気エネルギとして取り出せるようにした装置であり、燃料電池の燃料として用いる水素リッチなガスを供給するために改質装置を備えれば、全体として効率のよい燃料電池による発電を行うことができる。
【0003】
一方、改質装置を用いた水素の製造方法として、膜分離の併用技術が提案されている。例えば、米国特許第5,229,102号明細書には、触媒を充填したチューブ状の多孔質セラミック膜に炭化水素を供給することにより、生成した水素を選択的に透過させる改質器が記載されている。この方法では生成した水素を系外に取去ることにより、改質反応の平衡が水素生成系に傾く結果、従来の改質器において750〜880℃の高温が必要であったのに対し、300〜700℃の比較的低温度で改質できる旨が記載されている。また比較的低温度で改質できるので、ガスタービンやガスエンジンの排出ガス程度の温度を改質熱源として利用できることが記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このように、燃料電池による発電や改質装置による高純度水素の製造、あるいはエンジンが発生する熱エネルギの利用についてはそれぞれの技術が個々に開発され、あるいはそれらの組合せに関する技術が断片的に試みられており、単位燃料当たりの発電効率を高める努力がなされている。しかし、これらを単に組合せただけでは次のような問題点がある。すなわち、燃料電池には電解質の違いによりリン酸型、高分子型、アルカリ型、溶融炭酸塩型などに分類され、この中で高分子型は100°以下で作動するため操作性がよいとされている。しかし、電極の白金などの触媒がCOにより被毒されるため、燃料電池に供給する水素含有ガス中のCO濃度は10ppm以下にする必要がある。そのため、炭化水素やアルコールの水蒸気改質法により製造した粗製水素をCO変成器や水素精製器によりさらに精製し、CO含有量が10ppm以下の高純度とする必要がある。しかし、その工程は複雑で、かつ多量の高温熱エネルギを要し、コストの面からも問題が多い。
【0005】
また、燃料電池は総合熱効率がよいものの、それ単独では改質装置の加熱のための熱源を新たに設けなければならず、設備費の上昇並びにエネルギ効率の低下を招く。また、ガスタービンや蒸気タービンを利用する場合の他、駆動時のエンジン自体からも余剰の熱エネルギが排出されており、かかる熱エネルギの有効利用も望まれる。従って、従来技術の利点を生かし、なお抱える問題を解決し、かつ、より一層の発電効率が向上した発電方法の開発が望まれている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このような技術の現状に鑑み、本発明者らは総合的に見て単位燃料当たりの発電効率を極限まで高めることを鋭意検討した結果、既存の動力設備及び発電設備を所定方法で総合的に組合せることにより、これまで知られていた以上の極めて高い発電効率が達成されることに想到し、本発明を完成することができた。
【0007】
すなわち本発明は (1)エンジンの駆動により発電又は動力を取出すと共に、エンジンの一部に密着して水素分離透過膜を有する改質装置を設置し、エンジン駆動により発生した作動熱を前記改質装置の加熱源として用い、水素分離透過膜を有する改質装置によりメタノールを水蒸気改質させて高純度水素を製造し、得られた高純度水素を燃料電池に供給して発電することを特徴とする発電方法、(2)上記水素分離透過膜が無機多孔体の表面にパラジウム含有合金の薄膜を形成させた構造を有するものであることを特徴とする上記 (1) に記載の発電方法、(3)上記燃料電池が高分子型燃料電池であることを特徴とする上記 (1) ないし (2) のいずれかに記載の発電方法である。
【0008】
本発明で採用される改質装置としては水素分離透過膜(メンブレン)を有するものである。これにより高純度水素、例えばCO濃度が10ppm以下の高純度水素を供給でき、改質が200〜500℃の温度範囲で行えるものであれば、特に限定されるところはない。改質装置内で起こる改質反応は吸熱反応であるため、改質装置を加熱する必要があり、メタノールを主原料とする場合に必要な温度は約200〜500℃である。この加熱温度はメンブレンを使用しない通常のメタノールの改質装置でも十分改質可能な温度であるが、メンブレンを有する改質装置を用いることにより、一層低い温度にて改質を行うことができる。これは生成した水素をメンブレンの作用により系外に取出すことにより、前記のように化学平衡が水素生成系に移行するからである。
【0009】
このようなメンブレンを備えた改質装置は通常メンブレンリアクタとも称されるものであり、熱効率を考慮してより経済的な形状が種々工夫されている。メンブレンとしては水素を選択的に透過する膜で、かつ耐熱性を有する膜が用いられる。例えば膜厚100μm以上のパラジウム含有合金膜、あるいは膜厚50μm以下のパラジウム含有合金薄膜を無機多孔体、例えば金属やセラミックの多孔体あるいは金属不織布上にコーティングしたものが用いられる。無機多孔体としてはシールなどの加工性、耐衝撃性、水素透過性などの観点から、金属多孔体が好ましい。前記パラジウム含有合金としてはパラジウム単独またはパラジウムを10重量%以上含有するものが好ましく、パラジウム以外にPtなど10族元素、Rh,Irなどの9族元素、Ruなどの8族元素、Cu,Ag,Auなどの11族元素を有するものが好ましい。この他、バナジウム(V)を含有する合金膜、例えばNi−Co−V合金にパラジウムをコーティングした膜などが用いられる。
【0010】
メタノールを水蒸気改質する改質触媒としては、8〜10族金属(Fe,Co,Ni,Ru,Pd,Ptなど)を含有するものが好ましく、Ni,Ru,Rhを担持した触媒またはNiO含有触媒が特に好ましい。
【0011】
本発明で使用する具体的な改質装置としては特に限定はなく、公知のものが使用できる。例えば、特開平2−311301号公報には、触媒を充填した反応管内に水素分離機能を有する分離膜を、さらに前記反応管外側に外筒を設け、触媒を充填した反応管内に改質原料を供給して水素を発生させ、分離膜の内側に不活性ガス(スイープガス)を流入させて分離膜を透過した水素をスイープガスに同伴させて系外に取出し、燃料電池に供給する技術が記載されている。すなわち改質部を同心状の三重管とし、中間層に触媒を充填して水素を製造し、分離膜を通して管の中心部に分離された水素をスイープガスに同伴させて排出するものである。なお、改質装置から水素を分離した残りのオフガスにはCO2 や未反応メタノール、水素、CO、スチーム、副生するメタンなどが含まれるので、これをエンジンの燃料の一部として再利用することができ、発電効率の向上にも役立つ。改質装置として好ましいものは上記のとおりであるが、この他に前記米国特許明細書に記載されているようなセラミックメンブレンを用いることもできる。
【0012】
本発明で使用される燃料電池としては、前記のリン酸型、高分子型、アルカリ型、溶融炭酸塩型などが挙げられるが、これらの中では特に高分子型燃料電池が好ましい。
【0013】
本発明においては、エンジンの駆動により発電するかまたは動力を取り出すことができる。本発明で使用できるエンジンとしては、燃料の燃焼により発生するエネルギを継続的に機械的エネルギに変換する機械装置であり、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、焼き玉機関などの内燃機関を使用することができる。本発明においては、エンジンに密着して改質装置を併設、エンジン駆動により発生したエンジン自体からの発生熱エネルギをこの改質装置の加熱源として用いる。また、エンジンに密着して設置した改質装置から発生するオフガスを、エンジン駆動用燃料の一部として利用することも可能であり、無駄のない発生熱の利用ができる。なお、エンジン駆動によるエネルギは発電の代わりに、その一部または全部を動力のまま取出して利用することも可能である。
【0014】
〔参考例〕
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参考例に係る発電装置の一例の概略説明図であり、主要設備のみを示し、付属設備は省略してある。
1184048814906_1
において、エンジン駆動用燃料1はエンジン2に直接送り込まれる。さらに、エンジン2にはライン5により改質装置4から水素を分離した残りのオフガスが燃料の一部として供給される。前記オフガスにはCO2 や未反応メタノール、水素、CO、スチーム、副生するメタンなどが含まれる。エンジン2の駆動により得られた電力あるいは動力を取出した後の排ガスはライン3により排熱回収装置6に導かれるが、この排ガスは常圧であり、温度は400〜500℃の範囲である。排熱回収装置6内には改質装置4、メタノール加熱器11及びボイラ20が設置され、ライン3からの排ガスにより加熱される。改質装置4ではメタノールの改質反応により生成した水素が前記メンブレンの作用により、高純度水素としてライン7を経て燃料電池8に供給されて発電に使用される。前記改質装置4には、改質原料としてメタノール加熱器11からのメタノール蒸気とボイラ20からのスチームとが、各々ライン10、ライン12を経て供給される。なお、改質装置4内で起こる改質反応は主に下記化1の反応【化1】
である。また、燃料電池8は生成する水素を消費できる容量が必要となるが、一部の水素は他の用途に使用することもできる。なお、
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中13は煙突を示す。
【0015】
1184048814906_3
の燃料電池8においては、エンジン駆動により発生する排ガスのもつ常圧の温度400〜500℃の熱エネルギを、排熱回収装置6の加熱に使用する。この熱エネルギは改質装置4において燃料電池8の原料となる水素の製造に用いられ、あるいは改質装置4に供給するためのメタノールの加熱のためのメタノール加熱器11の加熱に使用される。エンジン2と燃料電池8との発電効率を総合的に観察すると、使用エンジン燃料及びメタノールに対する発電効率は少なくとも50%前後を達成できることとなる。
【0016】
【実施例】
以下、本発明を実施例を挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるところ はない。
〔実施例〕本実施例は本発明発電装置の実施態様であり、図2にその概略説明図を示す。図1と共通部分には同一符号を付し、説明を省略する。すなわち、図1に示すエンジンの排ガス熱エネルギの利用に加えて、エンジン2に隣接して改質装置18,19を設置し、これら改質装置18,19によって発生した水素も、ライン17を経て燃料電池8へ送られる。改質装置18及び19がエンジン2に隣接しているため、エンジン駆動による発生熱を直接利用することができることとなる。このため、改質装置18,19は改質装置4より高温を維持することができることとなる。従って改質装置18及び19にライン14により供給される燃料としてはメタノールの他に天然ガス、メタンなども使用可能となる。また、改質装置18,19から発生するオフガスは、ライン15またはライン16を経て、エンジン駆動用燃料の一部として再利用される。なお、改質装置4から発生したオフガスもライン5を経て、エンジン駆動用燃料の一部として使用される。図1ではスチーム12の改質装置18及び19への供給ラインは省略している。
【0017】
【発明の効果】
以上詳細に述べたように、本発明においては、メンブレンを用いた改質装置を使用することにより高改質率でメタノールの改質が可能であることから、エンジン駆動による熱エネルギを有効利用できる。こうして改質装置から得られた高純度水素を発電効率のよい燃料電池に供給することにより、総合的にみて単位燃料に対する極めて高い発電効率が達成されることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図1】参考例の発電方法の一実施態様を示す概略説明図。
【図2】本発明の発電方法の実施態様を示す概略説明図。
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a power generation method excellent in power generation efficiency per unit fuel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a fuel cell having an extremely high power generation efficiency of 60% has been developed as an urban power source that is low in noise and vibration and has no fear of air pollution. The fuel cell separately performs the oxidation reaction of the fuel and the reduction reaction of oxygen, and electrons and ions move through the external circuit and the electrolyte, respectively, so that the energy that becomes heat can be taken out as electrical energy if they react directly. If a reformer is provided in order to supply a hydrogen-rich gas used as fuel for the fuel cell, it is possible to perform power generation by the fuel cell with high efficiency as a whole.
[0003]
On the other hand, a combined membrane separation technique has been proposed as a method for producing hydrogen using a reformer. For example, US Pat. No. 5,229,102 describes a reformer that selectively permeates generated hydrogen by supplying hydrocarbons to a tubular porous ceramic membrane filled with a catalyst. Has been. In this method, by removing the produced hydrogen from the system, the equilibrium of the reforming reaction is inclined to the hydrogen producing system. As a result, a high temperature of 750 to 880 ° C. was required in the conventional reformer, but 300 It describes that it can be modified at a relatively low temperature of ˜700 ° C. Further, it is described that since the reforming can be performed at a relatively low temperature, a temperature about the exhaust gas of a gas turbine or a gas engine can be used as a reforming heat source.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, each technology has been developed individually for the production of high-purity hydrogen by a fuel cell, the production of high-purity hydrogen by a reformer, or the use of thermal energy generated by an engine, or the technology relating to the combination of these has been tried in pieces. Efforts are being made to increase power generation efficiency per unit fuel. However, simply combining these causes the following problems. That is, fuel cells are classified into phosphoric acid type, polymer type, alkali type, molten carbonate type, etc., depending on the electrolyte, and among them, the polymer type operates at 100 ° or less and is said to have good operability. ing. However, since the catalyst such as platinum of the electrode is poisoned by CO, the CO concentration in the hydrogen-containing gas supplied to the fuel cell needs to be 10 ppm or less. Therefore, it is necessary to further refine the crude hydrogen produced by the steam reforming method of hydrocarbons or alcohols with a CO converter or a hydrogen purifier so that the CO content is 10 ppm or less. However, the process is complicated, requires a large amount of high-temperature heat energy, and has many problems in terms of cost.
[0005]
In addition, although the fuel cell has good overall thermal efficiency, the fuel cell alone has to provide a new heat source for heating the reformer, resulting in an increase in equipment costs and a decrease in energy efficiency. Further, in addition to the case of using a gas turbine or a steam turbine, surplus thermal energy is discharged from the engine itself at the time of driving, and effective utilization of such thermal energy is also desired. Therefore, there is a demand for the development of a power generation method that takes advantage of the prior art, solves the problems, and further improves the power generation efficiency.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In view of the current state of the art, the present inventors have comprehensively studied to increase the power generation efficiency per unit fuel as a whole, and as a result, the existing power equipment and power generation equipment are comprehensively determined by a predetermined method. It was conceived that, by combining, extremely high power generation efficiency higher than hitherto known was achieved, and the present invention could be completed.
[0007]
That is, the present invention (1) takes out power generation or power by driving the engine, and installs a reformer having a hydrogen separation / permeation membrane in close contact with a part of the engine so that the operating heat generated by driving the engine is reduced by the reforming. A high-purity hydrogen is produced by steam reforming methanol with a reformer having a hydrogen separation and permeable membrane, and used as a heating source for the apparatus, and the resulting high-purity hydrogen is supplied to a fuel cell to generate electricity. power generation method, (2) power generation method according to (1), characterized in that said hydrogen separation permeable membrane is one having a thin film was formed structure of the palladium-containing alloy on the surface of the inorganic porous material to, ( 3) The power generation method as described in any one of (1) to (2 ) above, wherein the fuel cell is a polymer fuel cell .
[0008]
The reformer employed in the present invention has a hydrogen separation and permeable membrane (membrane). Accordingly, there is no particular limitation as long as high-purity hydrogen, for example, high-purity hydrogen having a CO concentration of 10 ppm or less can be supplied and reforming can be performed in a temperature range of 200 to 500 ° C. Since the reforming reaction occurring in the reformer is an endothermic reaction, it is necessary to heat the reformer, and the temperature required when methanol is used as the main raw material is about 200 to 500 ° C. This heating temperature is a temperature that can be sufficiently reformed even with a normal methanol reformer that does not use a membrane, but the reforming can be performed at a lower temperature by using a reformer having a membrane. This is because the generated hydrogen is taken out of the system by the action of the membrane, so that the chemical equilibrium is transferred to the hydrogen generation system as described above.
[0009]
A reformer equipped with such a membrane is usually called a membrane reactor, and various economical shapes are devised in consideration of thermal efficiency. As the membrane, a membrane that selectively permeates hydrogen and has heat resistance is used. For example, a palladium-containing alloy film having a film thickness of 100 μm or more, or a palladium-containing alloy thin film having a film thickness of 50 μm or less coated on an inorganic porous material, for example, a metal or ceramic porous material or a metal nonwoven fabric is used. The inorganic porous body is preferably a metal porous body from the viewpoints of workability such as sealing, impact resistance, hydrogen permeability and the like. The palladium-containing alloy is preferably palladium alone or containing 10% by weight or more of palladium, in addition to palladium, Group 10 elements such as Pt, Group 9 elements such as Rh and Ir, Group 8 elements such as Ru, Cu, Ag, Those having Group 11 elements such as Au are preferred. In addition, an alloy film containing vanadium (V), for example, a film in which palladium is coated on a Ni—Co—V alloy is used.
[0010]
As a reforming catalyst for steam reforming methanol, a catalyst containing a group 8-10 metal (Fe, Co, Ni, Ru, Pd, Pt, etc.) is preferable, a catalyst supporting Ni, Ru, Rh or containing NiO. A catalyst is particularly preferred.
[0011]
There are no particular limitations on the specific reformer used in the present invention, and known ones can be used. For example, JP-A-2-311301 discloses a separation membrane having a hydrogen separation function in a reaction tube filled with a catalyst, an outer cylinder provided outside the reaction tube, and a reforming raw material in the reaction tube filled with the catalyst. Describes technology for supplying hydrogen to generate hydrogen, allowing an inert gas (sweep gas) to flow inside the separation membrane, allowing hydrogen that has permeated through the separation membrane to be taken out of the system with the sweep gas, and supplied to the fuel cell Has been. That is, the reforming part is a concentric triple pipe, the intermediate layer is filled with a catalyst to produce hydrogen, and the hydrogen separated in the central part of the pipe through the separation membrane is accompanied by the sweep gas and discharged. The remaining off-gas from which hydrogen is separated from the reformer contains CO 2 , unreacted methanol, hydrogen, CO, steam, by-product methane, and the like, which are reused as part of engine fuel. Can also help improve power generation efficiency. The preferred reforming apparatus is as described above, but in addition to this, a ceramic membrane as described in the aforementioned US patent specification can also be used.
[0012]
Examples of the fuel cell used in the present invention include the phosphoric acid type, the polymer type, the alkali type, and the molten carbonate type. Among these, the polymer type fuel cell is particularly preferable.
[0013]
In the present invention, power can be generated or power can be extracted by driving the engine. The engine that can be used in the present invention is a mechanical device that continuously converts energy generated by fuel combustion into mechanical energy, and an internal combustion engine such as a gasoline engine, a diesel engine, or a roasted ball engine can be used. . In the present invention, a reformer is provided in close contact with the engine, and heat energy generated from the engine itself generated by driving the engine is used as a heating source of the reformer. Further, off-gas generated from a reformer installed in close contact with the engine can be used as a part of engine driving fuel, and the generated heat can be used without waste. In addition, some or all of the energy driven by the engine can be extracted and used as power instead of power generation.
[0014]
[Reference example]
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These are the schematic explanatory drawings of an example of the electric power generating apparatus which concerns on a reference example , show only main equipment, and abbreviate | omitted the attached equipment.
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The engine driving fuel 1 is fed directly into the engine 2. Further, the remaining off-gas separated from the reformer 4 by the line 5 is supplied to the engine 2 as part of the fuel. The off gas includes CO 2 , unreacted methanol, hydrogen, CO, steam, methane produced as a by-product, and the like. The exhaust gas after taking out the electric power or power obtained by driving the engine 2 is guided to the exhaust heat recovery device 6 through the line 3, and this exhaust gas is at normal pressure and the temperature is in the range of 400 to 500 ° C. In the exhaust heat recovery device 6, the reformer 4, the methanol heater 11 and the boiler 20 are installed and heated by the exhaust gas from the line 3. In the reformer 4, hydrogen generated by the reforming reaction of methanol is supplied to the fuel cell 8 through the line 7 as high-purity hydrogen by the action of the membrane and used for power generation. To the reformer 4, methanol vapor from the methanol heater 11 and steam from the boiler 20 are supplied as reforming raw materials via lines 10 and 12, respectively. The reforming reaction occurring in the reformer 4 is mainly the reaction of the following chemical formula 1
It is. Further, the fuel cell 8 needs a capacity capable of consuming the generated hydrogen, but a part of the hydrogen can be used for other purposes. In addition,
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Medium 13 indicates a chimney.
[0015]
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In the fuel cell 8, heat energy at a normal pressure of 400 to 500 ° C. of the exhaust gas generated by driving the engine is used for heating the exhaust heat recovery device 6. This thermal energy is used for producing hydrogen as a raw material for the fuel cell 8 in the reformer 4 or for heating the methanol heater 11 for heating methanol to be supplied to the reformer 4. When the power generation efficiency of the engine 2 and the fuel cell 8 is comprehensively observed, the power generation efficiency for the used engine fuel and methanol can be at least about 50%.
[0016]
【Example】
Hereinafter, although an example is given and the present invention is explained, the present invention is not limited to this .
Example 1 In this example is an embodiment of the present invention the power generation device, showing the schematic illustration in FIG. Components common to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. That is, in addition to the use of exhaust gas thermal energy of the engine shown in FIG. 1, reformers 18 and 19 are installed adjacent to the engine 2, and hydrogen generated by these reformers 18 and 19 also passes through the line 17. It is sent to the fuel cell 8. Since the reformers 18 and 19 are adjacent to the engine 2, the heat generated by driving the engine can be directly used. For this reason, the reformers 18 and 19 can maintain a higher temperature than the reformer 4. Accordingly, natural gas, methane, etc. can be used in addition to methanol as the fuel supplied to the reformers 18 and 19 via the line 14. Further, the off-gas generated from the reformers 18 and 19 is reused as part of the engine driving fuel via the line 15 or the line 16. The off-gas generated from the reformer 4 is also used as part of the engine driving fuel via the line 5. In FIG. 1, supply lines to the reformers 18 and 19 of the steam 12 are omitted.
[0017]
【The invention's effect】
As described in detail above, in the present invention, since a high reforming conversion ratio by using a modified apparatus using a membrane are possible reforming methanol, effective use of the heat energy due to engine drive it can. By supplying the high-purity hydrogen obtained from the reformer to the fuel cell with good power generation efficiency, extremely high power generation efficiency with respect to the unit fuel can be achieved comprehensively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram showing an embodiment of a power generation method of a reference example .
FIG. 2 is a schematic explanatory view showing one embodiment of the power generation method of the present invention.

Claims (3)

エンジンの駆動により発電又は動力を取出すと共に、エンジンの一部に密着して水素分離透過膜を有する改質装置を設置しエンジン駆動により発生した作動熱を前記改質装置の加熱源として用い、メタノールを水蒸気改質させて高純度水素を製造し、得られた高純度水素を燃料電池に供給して発電することを特徴とする発電方法。Taking out power generation or power by driving the engine , installing a reformer having a hydrogen separation and permeable membrane in close contact with a part of the engine, using the operating heat generated by driving the engine as a heating source of the reformer, A power generation method characterized in that methanol is steam reformed to produce high purity hydrogen, and the resulting high purity hydrogen is supplied to a fuel cell to generate electricity. 上記水素分離透過膜が無機多孔体の表面にパラジウム含有合金の薄膜を形成させた構造を有するものであることを特徴とする請求項1記載の発電方法。The power generation method according to claim 1, wherein the hydrogen separation and permeable membrane has a structure in which a thin film of a palladium-containing alloy is formed on the surface of an inorganic porous body. 上記燃料電池が高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項1ないし請求項2のいずれかに記載の発電方法。3. The power generation method according to claim 1, wherein the fuel cell is a polymer fuel cell.
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