JP4345320B2 - Fuel cell power generation system - Google Patents

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JP4345320B2 JP2003046111A JP2003046111A JP4345320B2 JP 4345320 B2 JP4345320 B2 JP 4345320B2 JP 2003046111 A JP2003046111 A JP 2003046111A JP 2003046111 A JP2003046111 A JP 2003046111A JP 4345320 B2 JP4345320 B2 JP 4345320B2
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水の分解により発生した水素、或いは水素と酸素を、水素分子化合物、酸素分子化合物として貯蔵し、燃料電池の水素、酸素源として利用する燃料電池発電システム、更には、燃料電池で発生した水を回収して、これを分解することにより発生した水素及び酸素を分子化合物として貯蔵して循環使用する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び先行技術】
近年、ＣＯ２排出に伴う地球環境問題に対処する方策として、水素をエネルギー媒体とする新しいクリーンエネルギーシステムが提案されている。中でも燃料電池は、燃料が有するエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質を挟んで設けられた一対の電極のうちの陽極に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に、他方の陰極に酸素を含有する燃料ガスを供給し、これら一対の電極の電解質側の表面で生じる下記の化学反応エネルギーを電気エネルギーとして取り出すエネルギー変換技術であり、自動車のガソリンエンジンに替わる動力源、家庭用オンサイト発電、ＩＴ用の直流給電設備等として、次世代の最も重要な技術の１つとして注目されている。
陽極反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
陰極反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【０００３】
燃料電池には、使用する電解質の種類によってリン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子型がある。リン酸型はすでに実用化レベルにあり、工場、病院、オフィス、集合住宅、ホテルなど業務自家発電機として導入が進んでおり、小型の発電所用として１０００ｋＷ級のものも開発されている。一方、固体高分子型は、電気自動車用電源として注目されており、自動車メーカーを中心に燃料電池自動車の開発が進められている。
【０００４】
燃料の酸素源としては、空気が用いられている。一方、水素源としては、天然ガス、メタノール等と水蒸気との反応で得られる水素含有ガス（改質ガス）を用いるものと、水素ガスを直接用いるものとがあるが、メタノール等を水蒸気で改質して用いる燃料電池では、水素と共に二酸化炭素が発生するという問題がある。これに対して、水素ガスを直接用いる燃料電池であれば、二酸化炭素の発生の問題はなく、環境維持に有効である。
【０００５】
しかしながら、水素燃料の最大の問題は、その貯蔵法と運搬法にある。即ち、従来、水素の貯蔵法としては、様々な方法が提案され、その一つとして、高圧ガスボンベに水素を気体として貯蔵する方法がある。しかし、このような高圧貯蔵は、単純ではあるが、厚肉の容器が必要であり、そのため容器の重量が重く、貯蔵・運搬効率が低いために、例えば軽量化が重視される自動車等への適用は困難である。一方、水素を液体として貯蔵する場合には、気体水素に比較して貯蔵・運搬効率は向上するが、液体水素の製造には高純度の水素が必要であること、また液化温度が−２５２．６℃という低温であり、このような超低温用の特殊な容器が必要であることなど、経済的に問題がある。また、水素貯蔵合金を用いることも提案されているが、合金自体の重量が重く、しかもＭｇ系の軽量な水素貯蔵合金では水素を放出させる使用温度が３００℃近い高温であるなどの問題がある。更には、カーボンナノチューブなどの多孔性炭素素材などを用いることも提案されているが、水素貯蔵の再現性が低く、高圧条件での貯蔵となるなど多くの問題がある。
【０００６】
従来、上述のような水素貯蔵技術を利用した燃料電池発電システムも既に提案されており、例えば、特開平７−９９７０７号公報には水素貯蔵合金を用いた燃料電池が、また、特開２００１−５９４７２号公報には、液体水素を燃料電池の水素源とすることが記載されているが、いずれも水素の貯蔵・運搬効率において問題が残されている。
【０００７】
ところで、分子化合物は、２種類以上の化合物が水素結合やファンデルワールス力などに代表される、共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物であり、簡単な操作によってもとの各成分化合物に解離する性質を有するため、選択的分離、化学的安定化、不揮発化、徐放化、粉末化などの技術に応用することができる。そして、分子化合物の一つである包接化合物の技術により、複数成分からなるガス状流体から特定成分を分離回収する方法も報告されている（特開平４−１５０９１７号公報）。また、包接化合物の技術により、比較的軽量にしかも常温常圧に近い状態で水素を貯蔵できることについても提案もなされている（特願２００２−１７８７５５）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平７−９９７０７号公報
【特許文献２】
特開２００１−５９４７２号公報
【特許文献３】
特開平４−１５０９１７号公報
【特許文献４】
特願２００２−１７８７５５
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の問題点を解決し、水素燃料、更には酸素燃料の貯蔵、有効利用効率に優れた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池発電システムは、水を水素と酸素とに分解する分解装置と、水素を水素分子化合物として貯蔵する水素貯槽と、燃料電池と、前記分解装置で発生した水素を該水素貯槽に導入する手段と、該水素貯槽からの水素を該燃料電池に導入する手段とを備える燃料電池発電システムであって、該水素分子化合物は、ホスト分子と水素分子との接触により水素分子を包接した水素分子包接化合物であり、該ホスト分子は、フェノール系の多分子系ホスト化合物であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池発電システムでは、水の分解装置で発生した水素を比較的軽量で常温に近い条件で安定に保持し得る水素分子化合物として貯蔵するため、貯蔵効率に優れる。しかも、水素分子化合物は、水素と水素分子化合物を形成する化合物（以下「成分化合物」と称す場合がある。）に水素を接触させるのみで容易に得ることができ、しかも、この水素分子化合物からは比較的低温の加熱等の簡単な操作で水素を放出させ、放出させた水素を燃料電池の水素燃料として利用することができる。
【００１２】
本発明においては、更に、酸素を酸素分子化合物として貯蔵する酸素貯槽と、前記分解装置で発生した酸素を該酸素貯槽に導入する手段と、該酸素貯槽からの酸素を前記燃料電池に導入する手段とを備え、水の分解装置で発生した酸素も酸素分子化合物として貯蔵し、この酸素分子化合物から放出させた酸素を燃料電池の酸素燃料として利用することが好ましい。
【００１３】
本発明において、酸素分子化合物としては、ホスト分子と酸素分子との接触により酸素分子を包接した酸素分子包接化合物が挙げられ、このホスト分子としては、多分子系ホスト化合物が好ましい。
【００１４】
また、燃料電池において発生する水を、水の分解装置に供給する手段を設け、燃料電池で発生した水を循環利用することが好ましい。
【００１５】
水の分解装置としては、水を電気、又は光触媒を利用して分解する装置が挙げられる。
【００１６】
また、燃料電池及び／又は水の分解装置の排熱を、水素貯槽に供給する手段を設け、燃料電池及び／又は水の分解装置の排熱により水素分子化合物を加熱して水素を放出させるようにすることが好ましい。同様に、燃料電池及び／又は水の分解装置の排熱を、酸素貯槽に供給する手段を設け、燃料電池及び／又は水の分解装置の排熱により酸素分子化合物を加熱して酸素を放出させるようにすることが好ましい。
【００１７】
燃料電池としては、固体高分子型、アルカリ水溶液電解質型、リン酸塩水溶液型、溶融炭酸塩電解質型、固体酸化物電解質型など各種のものを用いることができるが、自動車搭載用としては固体高分子型燃料電池が好適である。ただし、これに限定されるものではない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の燃料電池発電システムの実施の形態を詳細に説明する。
【００１９】
図１，２は本発明の燃料電池発電システムの実施の形態を示す系統図である。
【００２０】
図１の燃料電池発電システムは、水の分解装置１と、水素貯槽２と、燃料電池３とを備え、水の分解装置１には電気エネルギー源４が接続されている。また、水素貯槽２内には水素分子化合物が貯蔵されている。この水素貯槽２には、水の分解装置１からの排熱を有効利用するための排熱循環ライン１４Ａ，１４Ｂが設けられている。また、燃料電池３で発生した水を水の分解装置１に送給して分解するための水回収ライン１３が設けられている。
【００２１】
この燃料電池発電システムでは、燃料電池３から水の分解装置１に送給された水が、水の分解装置１において電気エネルギー源４からの電気エネルギーで電気分解される。そして、水の電気分解で発生した水素が配管１１より水素貯槽２に送給される。水素貯槽２では、成分化合物がこの水素と接触して水素分子化合物が形成される。この水素貯槽２内の水素分子化合物を、水の分解装置１の排熱により加熱することにより水素分子化合物から水素を放出させ、放出させた水素を配管１２より燃料電池３に供給する。燃料電池３では、この水素を水素燃料として用いて発電を行う。
【００２２】
この燃料電池発電システムでは、水素貯槽２内の水素分子化合物から水素が放出され、水素放出能がなくなった場合には、水素貯槽２内に水の分解装置１から水素を供給して水素貯槽２内で水素と成分化合物とを接触させて水素分子化合物を生成させる。
【００２３】
図２の燃料電池発電システムは、更に酸素分子化合物が貯蔵された酸素貯槽５を有し、この酸素貯槽５に水の分解装置１で発生した酸素を送給する配管１５と、酸素貯槽５からの酸素を燃料電池３に送給する配管１６と、水の分解装置１の排熱を酸素貯槽５で有効利用するための廃熱循環ライン１７Ａ，１７Ｂが設けられている点が図１に示す燃料電池発電システムと異なり、その他は同様の構成とされている。
【００２４】
この燃料電池発電システムでは、燃料電池３から水の分解装置１に送給された水が、水の分解装置１において電気エネルギー源４からの電気エネルギーで電気分解される。そして、水の電気分解で発生した水素が配管１１より水素貯槽２に送給されると共に、酸素が配管１５より酸素貯槽５に送給される。水素貯槽２では、成分化合物がこの水素と接触して水素分子化合物が形成される。同様に、酸素貯槽５では成分化合物がこの酸素と接触して酸素分子化合物が形成される。この水素貯槽２内の水素分子化合物及び酸素貯槽５内の酸素分子化合物を、それぞれ水の分解装置１の排熱により加熱することにより、水素分子化合物から水素を放出させると共に酸素分子化合物から酸素を放出させ、放出させた水素及び酸素を各々配管１２，１６より燃料電池３に供給する。燃料電池３では、この水素及び酸素を水素燃料及び酸素燃料として用いて発電を行う。
【００２５】
次に、本発明の燃料電池発電システムで用いられる水素貯槽又は酸素貯槽の構成について、図３を参照して説明する。図３は本発明に係る水素又は酸素貯槽の実施の形態を示す系統図である。
【００２６】
図３において、２１は、水素又は酸素分子化合物１２を内蔵する水素又は酸素貯槽であり、水素又は酸素ガスの導入口と水素又は酸素ガスの排出口を有し、各々、水素又は酸素ガスの導入ライン２１ａ及び排出ライン２１ｂが接続されている。この水素又は酸素ガスの導入ライン２１ａ及び排出ライン２１ｂに各々制御弁Ｖａ，Ｖｂが設けられ、弁Ｖａ，Ｖｂの開閉ないし開度により、水素又は酸素ガスの導入又は排出ないしはその流量が制御可能とされている。
【００２７】
また、水素又は酸素貯槽２１には、水素分子化合物２２を加熱するための加熱手段２３と、水素又は酸素分子化合物２２を冷却するための冷却手段２４が設けられている。この加熱手段２３及び冷却手段２４は、温水等の加熱媒体、冷却水等の冷却媒体がそれぞれ流通する熱交換用のコイル状配管より構成される。更に、水素又は酸素貯槽２１内の水素又は酸素分子化合物２２を撹拌する撹拌手段２５と、ポンプＰを備える水素又は酸素ガスの循環ライン２６が設けられている。
【００２８】
水素又は酸素貯槽２１内の水素又は酸素分子化合物２２を、撹拌手段５による撹拌下、加熱手段２３で加熱することにより、水素又は酸素分子化合物２２から水素又は酸素ガスを放出させ、放出させた水素又は酸素ガスを排出ライン２１ｂから取り出すことができる。また、水素又は酸素ガスの放出後は、導入ライン２１ａから水素又は酸素ガスを導入して水素又は酸素貯槽２１内に残留する成分化合物を水素又は酸素と接触させて再び水素又は酸素分子化合物を形成させることができ、これにより、水素又は酸素分子化合物の形成、水素又は酸素分子化合物からの水素又は酸素ガスの放出を繰り返し行うことができる。
【００２９】
水素又は酸素貯槽２１としては水素又は酸素分子化合物を収納することができる容器であれば良く、特に制限はないが、素材としては水素又は酸素分子化合物から水素又は酸素を放出させるために加熱を行うため、１００℃、好ましくは２００℃までの加熱に耐えられる材質が好ましい。また、熱効率を良くするために、断熱材等を設けた容器であっても良い。また、この容器は水素又は酸素が常圧条件で貯蔵できるように設定することが、容器重量を軽量化できるのでより好ましいが、耐圧性の容器であっても良い。
【００３０】
また、加熱手段２３としては、水素又は酸素貯槽２１内の水素又は酸素分子化合物を加熱できるものであれば特に制限はない。例えば、図３に示すような加熱媒体を循環させるものの他、電気炉などを用いることもできるが、水の分解装置１又は燃料電池３の排熱を利用する場合には、図３に示すように、水の分解装置１又は燃料電池３で発生する排熱を加熱媒体に吸収させて（好ましくは水を温水化して）循環させるものが好ましい。
【００３１】
制御弁Ｖａ，Ｖｂとしては、開閉又は開度によりガスの流れや流量を制御することができるものであれば良く、特に制限はないが、水素又は酸素貯槽２１を加圧条件で使用する場合には耐圧性の弁を使用することが好ましい。
【００３２】
図３の水素又は酸素貯槽２１は、内部の水素又は酸素分子化合物２２を冷却する冷却手段２４を有し、水素又は酸素分子化合物２２を加熱後、冷却手段２４により冷却して、水素又は酸素ガスの放出を直ちに停止することができるように構成されている。
【００３３】
即ち、水素又は酸素貯槽２１内の水素又は酸素分子化合物２２を加熱して水素又は酸素ガスを放出させた後、水素又は酸素ガスの放出を停止させる際に、水素又は酸素貯槽２１内の水素又は酸素分子化合物２２を常温に戻す際、水素又は酸素貯槽２１の素材が非断熱性のものであれば、自然放冷で比較的早期に冷却することが可能であるが、水素又は酸素貯槽２１の素材が断熱性である場合、或いは急速冷却が必要な場合には、図３に示す如く、水素又は酸素貯槽２１内の水素又は酸素分子化合物２２を冷却する冷却手段２４を設けることが好ましい。この冷却手段２４としては特に制限はなく、図３では、冷却水等の冷却媒体が流通する熱交換用のコイル状配管を用いているが、何らこれに限定されるものではない。
【００３４】
また、一般に、水素又は酸素分子化合物２２、及び水素又は酸素ガスを放出した後の成分化合物は、後述の如く粉体であるため、水素又は酸素分子化合物２からの水素又は酸素ガスの放出、或いは、水素又は酸素ガスを放出した後の成分化合物と水素又は酸素ガスとの接触による水素又は酸素分子化合物の形成（水素又は酸素の貯蔵）に際しては、撹拌手段２５により、撹拌を行うことが水素又は酸素ガスの放出効率、水素又は酸素ガスと成分化合物との接触効率を高める上で好ましい。このため、図３の水素又は酸素貯槽２１では撹拌手段２５を備える。
【００３５】
また、水素又は酸素ガスと成分化合物とを接触させて水素又は酸素分子化合物を形成させる際には、導入ライン２１ａから水素又は酸素貯槽２１内に水素又は酸素ガスを導入し、排出ライン２１ｂから排出される排ガスをポンプＰにより循環ライン２６で導入口側へ循環することが、水素又は酸素ガスの回収効率、水素又は酸素分子化合物の形成効率を高める上で好ましい。
【００３６】
水素又は酸素分子化合物２２を内蔵し、加熱手段２３、更には冷却手段２４及び／又は撹拌手段２５を備える水素又は酸素貯槽２１は、複数個直列に接続して配置して用いても良く、複数個並列に配置して用いても良い。特に、複数の水素又は酸素貯槽を並列に配置してこれらを多方弁で連結した場合には、弁の流路切り換えにより、水素又は酸素ガスを放出させる水素又は酸素貯槽と、水素又は酸素ガスを貯蔵させる水素又は酸素貯槽とを切り換えることにより、連続稼動を行うことも可能である。
【００３７】
なお、図１，２に示す燃料電池発電システム及び図３の水素又は酸素貯槽は、本発明の実施の形態の一例を示すものであって、何ら本発明を制限するものではない。例えば、水素又は酸素貯槽は、加熱手段と撹拌手段及び／又は循環ラインとを有し、冷却手段を有しないものであっても良い。また、水素又は酸素の放出と水素又は酸素の貯蔵をより効率的に行うために、水素又は酸素分子化合物又は成分化合物を水素又は酸素貯槽内に保持するための棚部を設けたり、水素又は酸素ガスを水素又は酸素貯槽内に分散供給するための通気機構等を設けても良い。
【００３８】
また、図１，２の燃料電池発電システムでは、水の分解装置１の排熱を水素貯槽２や酸素貯槽５に循環させて加熱を行うが、水の分解装置１の排熱の代りに燃料電池３の排熱を利用しても良く、水の分解装置１と燃料電池３の排熱を共に利用しても良い。また、これらの排熱のみでは、加熱エネルギーが不足する場合には、水素貯槽２や酸素貯槽５に別途加熱手段を設けても良い。
【００３９】
水の分解装置１としては、水の電気分解装置の他、光触媒による分解装置を用いても良い。水を電気分解する装置の場合、太陽電池、風力、水力などの自然エネルギーを利用するものが工業的に有利である。なお、水素を発生する手段としては、炭化水素系燃料（メタン、ＬＰＧ、都市ガスなど）の水蒸気改質等による水素発生装置もあるが、このものはＣＯ２発生の問題があり、好ましくない。このため、本発明では、水の分解装置を用いる。
【００４０】
また、水の分解装置１から発生する酸素は、酸素分子化合物として貯蔵しなくても、空気中に含まれる酸素を利用することによって燃料電池は稼動が可能であるが、水の分解装置１より発生した純度の高い酸素を貯蔵して、これを放出して純度の高い酸素として使用した方が燃料電池としての効率は高くなるので、図２に示す如く、酸素も酸素分子化合物として貯蔵するものが好適である。
【００４１】
次に、本発明で用いる水素分子化合物及び酸素分子化合物について説明する。
【００４２】
本発明でいう分子化合物とは、単独で安定に存在することのできる化合物の２種類以上の化合物が水素結合やファンデルワールス力などに代表される、共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物であり、水化物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物などが含まれる。
【００４３】
水素分子化合物は、水素分子化合物を形成する成分化合物と水素との接触により形成することができ、比較的軽量で常温常圧に近い状態で水素を貯蔵することができ、かつ簡単な加熱等で水素を放出することが可能である。また、酸素分子化合物は、酸素分子化合物を形成する成分化合物と酸素との接触により形成することができ、比較的軽量で常温常圧に近い状態で酸素を貯蔵することができ、かつ簡単な加熱等で酸素を放出することが可能である。
【００４４】
水素分子化合物のうち、水素分子をホスト分子で包接した水素分子包接化合物を形成するホスト分子については、水素を包接できるものであれば良く、特に限定はされない。また、酸素分子化合物のうち、酸素分子をホスト分子で包接した酸素分子包接化合物を形成するホスト分子については、酸素を包接できるものであれば良く、特に限定はされない。
【００４５】
ホスト分子としては、単分子系、多分子系、高分子系、無機系ホスト化合物などが知られている。
【００４６】
単分子系ホスト化合物としては、シクロデキストリン類、クラウンエーテル類、クリプタンド類、シクロファン類、アザシクロファン類、カリックスアレン類、シクロトリべラトリレン類、スフェランド類、環状オリゴペプチド類などが挙げられる。また多分子系ホスト化合物としては、尿素類、チオ尿素類、デオキシコール酸類、ペルヒドロトリフェニレン類、トリ−ｏ−チモチド類、ビアンスリル類、スピロビフルオレン類、シクロフォスファゼン類、モノアルコール類、ジオール類、アセチレンアルコール類、ヒドロキシベンゾフェノン類、フェノール類、ビスフェノール類、トリスフェノール類、テトラキスフェノール類、ポリフェノール類、ナフトール類、ビスナフトール類、ジフェニルメタノール類、カルボン酸アミド類、チオアミド類、ビキサンテン類、カルボン酸類、イミダゾール類、ヒドロキノン類などが挙げられる。また、高分子系ホスト化合物としては、セルロース類、デンプン類、キチン類、キトサン類、ポリビニルアルコール類、１，１，２，２−テトラキスフェニルエタンをコアとするポリエチレングリコールアーム型ポリマー類、α，α，α’，α’−テトラキスフェニルキシレンをコアとするポリエチレングリコールアーム型ポリマー類などが挙げられる。さらに、無機系ホスト化合物としては、粘土鉱物類、モンモリロナイト類、ゼオライト類などが挙げられる。
【００４７】
これらのホスト化合物のうち、包接能力がゲスト化合物の分子の大きさに左右されにくい多分子系ホスト化合物が好適である。
【００４８】
多分子系ホスト化合物としては、具体的には、１，１，６，６−テトラフェニル−２，４−ヘキサジイン−１，６−ジオール、１，１−ビス（２，４−ジメチルフェニル）−２−プロピン−１−オール、１，１，４，４−テトラフェニル−２−ブチン−１，４−ジオール、１，１，６，６−テトラキス（２，４−ジメチルフェニル）−２，４−ヘキサジイン−１，６−ジオール、９，１０−ジフェニル−９，１０−ジヒドロアントラセン−９，１０−ジオール、９，１０−ビス（４−メチルフェニル）−９，１０−ジヒドロアントラセン−９，１０−ジオール、１，１，２，２−テトラフェニルエタン−１，２−ジオール、４−メトキシフェノール、２，４−ジヒドロキシベンゾフェノン、４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノン、２，２’−ジヒドロキシベンゾフェノン、２，２’，４，４’−テトラヒドロキシベンゾフェノン、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサン、４，４’−スルホニルビスフェノール、２，２’−メチレンビス（４−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、４，４’−エチリデンビスフェノール、４，４’−チオビス（３−メチル−６−ｔ−ブチルフェノール）、１，１，３−トリス（２−メチル−４−ヒドロキシ−５−ｔ−ブチルフェニル）ブタン、１，１，２，２−テトラキス（ヒドロキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（３−メチル−４−ヒドロキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（３−フルオロ−４−ヒドロキシフェニル）エタン、α，α，α’，α’−テトラキス（４−ヒドロキシフェニル）−ｐ−キシレン、３，６，３’，６’−テトラメトキシ−９，９’−ビ−９Ｈ−キサンテン、３，６，３’，６’−テトラアセトキシ−９，９’−ビ−９Ｈ−キサンテン、３，６，３’，６’−テトラヒドロキシ−９，９’−ビ−９Ｈ−キサンテン、没食子酸、没食子酸メチル、カテキン、ビス−β−ナフトール、α，α，α’，α’−テトラフェニル−１，１’−ビフェニル−２，２’−ジメタノール、ジフェン酸ビスジシクロヘキシルアミド、フマル酸ビスジシクロヘキシルアミド、コール酸、デオキシコール酸、１，１，２，２−テトラキス（４−カルボキシフェニル）エタン、１，１，２，２−テトラキス（３−カルボキシフェニル）エタン、２，４，５−トリフェニルイミダゾール、１，２，４，５−テトラフェニルイミダゾール、２−ｔ−ブチルヒドロキノン、２，５−ジ−ｔ−ブチルヒドロキノン、２，５−ビス（２，４−ジメチルフェニル）ヒドロキノン、などが挙げられるが、中でも１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサンのようなフェノール系のホスト化合物が包接能力、及び工業的な入手の面で有利である。
【００４９】
このようなホスト化合物に水素又は酸素を包接させて水素又は酸素分子包接化合物を製造する方法としては、水素又は酸素とホスト化合物を直接接触させる方法、水素又は酸素雰囲気の状態でホスト化合物を粉砕しながら直接反応させる方法、ホスト化合物を溶媒に溶解して再結晶する際に水素又は酸素と接触反応させる方法などがあるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００５０】
このようにして得られる水素又は酸素分子包接化合物は、用いたホスト化合物の種類、水素又は酸素との接触条件等によっても異なるが、通常ホスト化合物１モルに対して水素又は酸素分子０．２〜２０モルを包接した水素又は酸素分子包接化合物である。
【００５１】
この水素又は酸素分子包接化合物は、常温常圧において、長期に亘り水素又は酸素を安定に包接する。しかも、この水素又は酸素分子包接化合物は、水素貯蔵合金と比べ、軽量で取り扱い性にも優れ、この水素又は酸素分子包接化合物はガラス、金属、プラスチック等の容器に入れて容易に貯蔵・運搬することができる。
【００５２】
このような水素又は酸素分子包接化合物は、固体状であるため、粒径０．０１〜１ｍｍ程度の粉体として、図３に示すような水素又は酸素貯槽に貯蔵して用いることができる。
【００５３】
そして、この水素又は酸素分子包接化合物から水素又は酸素を放出させるには、ホスト化合物の種類にもよるが、３０〜２００℃、特に４０〜１００℃程度に加熱すれば良く、これにより容易に水素又は酸素分子包接化合物中から水素又は酸素を放出させて燃料電池の水素又は酸素燃料として用いることができる。
【００５４】
水素又は酸素分子包接化合物から水素又は酸素を放出した後のホスト化合物は、水素又は酸素の選択的包接能を有し、有効に再利用可能である。
【００５５】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００５６】
実施例１
図２の燃料電池発電システムにおいて、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサン１モルに水素１０モルを包接させた水素分子包接化合物を、水素貯槽２に入れ、また、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサン１モルに酸素１モルを包接させた酸素分子包接化合物を、酸素貯槽５に入れ、各々水素燃料源、酸素燃料源として用いて固体高分子型燃料電池３を発電させる試験を行った。
【００５７】
なお、燃料電池３で発生した水は水の分解装置１に送給し、この分解装置１で水を電気分解し、発生した水素と酸素を各々水素貯槽２、酸素貯槽５に送給した。
【００５８】
水素貯槽２内の水素分子包接化合物及び酸素貯槽５内の酸素分子包接化合物を各々撹拌下、５０℃に加熱することにより、水素ガスと酸素ガスを放出させ、水素ガスを１．１７ｍｇ／ｍｉｎの割合、酸素ガスを１．３６ｍｇ／ｍｉｎの割合で燃料電池に供給した。その結果、０．０８Ｗ／ｈｒの電力を取り出すことができた。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の燃料電池発電システムは、水の分解装置で発生した水素を水素分子化合物として貯蔵し、この水素分子化合物から水素を放出させて燃料電池の水素燃料として利用するもの、更には、水の分解装置で発生した酸素を酸素分子化合物として貯蔵し、この酸素分子化合物から酸素を放出させて燃料電池の酸素燃料として利用するものであり、
▲１▼ 水素、更には酸素を比較的簡単に軽量に、常温、常圧条件で貯蔵することができる。
▲２▼ 水素分子化合物として貯蔵した水素を、更には酸素分子化合物として貯蔵した酸素を比較的低い温度の加熱等により放出させて、燃料電池に供給することができる。
▲３▼ 水素分子化合物からの水素、酸素分子化合物からの酸素の放出に必要な熱は、燃料電池や水の分解装置の排熱を利用することができ、エネルギーコストを低減することができる。
▲４▼ 水分解用の電気エネルギーとして自然エネルギーを利用することができ、ＣＯ２の発生の問題を解消できる。
▲５▼ 燃料電池で発生した水を回収して分解することができ、燃料電池自動車などの移動物体に適用する場合に水素源及び酸素源を水として保存できる（走行に必要な水素及び酸素分だけを発生させて水素分子化合物、酸素分子化合物として貯蔵すれば良く、危険な水素、更には酸素を多量貯蔵する必要がない。）ので、安全である。
といった優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの実施の形態を示す系統図である。
【図２】本発明の燃料電池発電システムの別の実施の形態を示す系統図である。
【図３】本発明に係る水素又は酸素貯槽の実施の形態を示す系統図である。
【符号の説明】
１ 水の分解装置
２ 水素貯槽
３ 燃料電池
４ 電気エネルギー源
５ 酸素貯槽
２１ 水素又は酸素貯槽
２２ 水素又は酸素分子化合物
２３ 加熱手段
２４ 冷却手段
２５ 撹拌手段
２６ 循環ライン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell power generation system in which hydrogen generated by the decomposition of water or hydrogen and oxygen is stored as a hydrogen molecular compound or oxygen molecular compound and used as a hydrogen or oxygen source for a fuel cell, and further in a fuel cell The present invention relates to a fuel cell system that collects generated water and decomposes it to store hydrogen and oxygen generated as molecular compounds for circulation.
[0002]
[Prior art and prior art]
In recent years, CO2A new clean energy system using hydrogen as an energy medium has been proposed as a measure to deal with global environmental problems associated with emissions. Among them, a fuel cell is a device that directly converts the energy of fuel into electrical energy, and supplies a fuel gas containing hydrogen to the anode of a pair of electrodes provided with an electrolyte in between, and the other cathode. It is an energy conversion technology that supplies oxygen-containing fuel gas and extracts the following chemical reaction energy generated on the electrolyte side surface of these pair of electrodes as electrical energy. It is attracting attention as one of the most important technologies of the next generation, such as power generation and DC power supply equipment for IT.
Anodic reaction: H2→ 2H++ 2e−
Cathode reaction: 2H++ 2e−+ (1/2) O2→ H2O
[0003]
Fuel cells include phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, and solid polymer type depending on the type of electrolyte used. The phosphoric acid type has already been put to practical use, and has been introduced as a business-use private power generator for factories, hospitals, offices, apartment houses, hotels, etc., and a 1000 kW class for a small power plant has also been developed. On the other hand, the solid polymer type is attracting attention as a power source for electric vehicles, and fuel cell vehicles are being developed mainly by automobile manufacturers.
[0004]
Air is used as an oxygen source for fuel. On the other hand, hydrogen sources include those using hydrogen-containing gas (reformed gas) obtained by the reaction of natural gas, methanol, etc. with water vapor, and those using hydrogen gas directly. The fuel cell used for quality has a problem that carbon dioxide is generated together with hydrogen. On the other hand, a fuel cell that directly uses hydrogen gas has no problem of carbon dioxide generation and is effective in maintaining the environment.
[0005]
However, the biggest problem with hydrogen fuel lies in its storage and transportation methods. That is, conventionally, various methods for storing hydrogen have been proposed, and one of them is a method for storing hydrogen as a gas in a high-pressure gas cylinder. However, although such high-pressure storage is simple, a thick container is required, and therefore the weight of the container is heavy, and the storage and transport efficiency is low. Application is difficult. On the other hand, when hydrogen is stored as a liquid, the storage / transport efficiency is improved as compared with gaseous hydrogen, but high-purity hydrogen is required for the production of liquid hydrogen, and the liquefaction temperature is −252. There is an economical problem such as a low temperature of 6 ° C. and the need for such a special container for ultra-low temperatures. It has also been proposed to use a hydrogen storage alloy, but the weight of the alloy itself is heavy, and there is a problem that the operating temperature for releasing hydrogen is high at a temperature close to 300 ° C. in a lightweight Mg-based hydrogen storage alloy. . Furthermore, it has been proposed to use porous carbon materials such as carbon nanotubes, but there are many problems such as low reproducibility of hydrogen storage and storage under high pressure conditions.
[0006]
Conventionally, a fuel cell power generation system using the hydrogen storage technology as described above has already been proposed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-99707 discloses a fuel cell using a hydrogen storage alloy and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-99707. Japanese Patent No. 59472 describes that liquid hydrogen is used as a hydrogen source of a fuel cell. However, in both cases, a problem remains in the efficiency of storing and transporting hydrogen.
[0007]
By the way, a molecular compound is a compound in which two or more kinds of compounds are bonded by a relatively weak interaction other than a covalent bond, represented by hydrogen bonds and van der Waals forces. Since it has the property of dissociating into compounds, it can be applied to techniques such as selective separation, chemical stabilization, non-volatization, sustained release, and powdering. And the method of isolate | separating and recovering a specific component from the gaseous fluid which consists of multiple components by the technique of the inclusion compound which is one of the molecular compounds is also reported (Unexamined-Japanese-Patent No. 4-1501717). In addition, it has also been proposed that hydrogen can be stored in a state of being relatively light and close to normal temperature and pressure by the clathrate compound technique (Japanese Patent Application No. 2002-178755).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-7-99707
[Patent Document 2]
JP 2001-59472 A
[Patent Document 3]
JP-A-4-1501717
[Patent Document 4]
Japanese Patent Application No. 2002-178755
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to provide a fuel cell power generation system which is excellent in storage and effective utilization efficiency of hydrogen fuel and further oxygen fuel.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  The fuel cell power generation system of the present invention includes a decomposition apparatus that decomposes water into hydrogen and oxygen, a hydrogen storage tank that stores hydrogen as a hydrogen molecular compound, a fuel cell, and hydrogen generated by the decomposition apparatus in the hydrogen storage tank. Means for introducing, and means for introducing hydrogen from the hydrogen storage tank into the fuel cell.A fuel cell power generation system, wherein the hydrogen molecule compound is a hydrogen molecule inclusion compound in which a hydrogen molecule is included by contact between the host molecule and the hydrogen molecule, and the host molecule is a phenol-based multimolecular host compound IsIt is characterized by that.
[0011]
In the fuel cell power generation system of the present invention, the hydrogen generated in the water decomposing apparatus is stored as a hydrogen molecular compound that is relatively light and can be stably held under conditions close to room temperature, and therefore has excellent storage efficiency. Moreover, the hydrogen molecular compound can be easily obtained by simply bringing hydrogen into contact with a compound that forms hydrogen molecular compound with hydrogen (hereinafter sometimes referred to as “component compound”). Can release hydrogen by a simple operation such as heating at a relatively low temperature, and the released hydrogen can be used as hydrogen fuel for a fuel cell.
[0012]
In the present invention, an oxygen storage tank for storing oxygen as an oxygen molecular compound, means for introducing oxygen generated in the decomposition apparatus into the oxygen storage tank, and means for introducing oxygen from the oxygen storage tank into the fuel cell It is preferable that oxygen generated by the water decomposing apparatus is also stored as an oxygen molecular compound, and oxygen released from the oxygen molecular compound is used as oxygen fuel for the fuel cell.
[0013]
  In the present invention,acidElementary molecular compounds include contact between host molecules and oxygen molecules.To touchExamples of the oxygen molecule inclusion compound include oxygen molecules. A multimolecular host compound is preferable as the host molecule.
[0014]
In addition, it is preferable to provide means for supplying water generated in the fuel cell to the water decomposing device, and to circulate and use the water generated in the fuel cell.
[0015]
Examples of the water decomposing apparatus include an apparatus for decomposing water using electricity or a photocatalyst.
[0016]
In addition, a means for supplying the exhaust heat of the fuel cell and / or water decomposition apparatus to the hydrogen storage tank is provided, and the hydrogen molecular compound is heated by the exhaust heat of the fuel cell and / or water decomposition apparatus to release hydrogen. It is preferable to make it. Similarly, a means for supplying the exhaust heat of the fuel cell and / or water decomposition apparatus to the oxygen storage tank is provided, and the oxygen molecular compound is heated by the exhaust heat of the fuel cell and / or water decomposition apparatus to release oxygen. It is preferable to do so.
[0017]
Various types of fuel cells such as solid polymer type, alkaline aqueous electrolyte type, phosphate aqueous solution type, molten carbonate electrolyte type and solid oxide electrolyte type can be used. Molecular fuel cells are preferred. However, it is not limited to this.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a fuel cell power generation system according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0019]
1 and 2 are system diagrams showing an embodiment of a fuel cell power generation system of the present invention.
[0020]
The fuel cell power generation system of FIG. 1 includes a water decomposing apparatus 1, a hydrogen storage tank 2, and a fuel cell 3, and an electric energy source 4 is connected to the water decomposing apparatus 1. A hydrogen molecular compound is stored in the hydrogen storage tank 2. The hydrogen storage tank 2 is provided with exhaust heat circulation lines 14A and 14B for effectively using the exhaust heat from the water decomposition apparatus 1. In addition, a water recovery line 13 for supplying water generated in the fuel cell 3 to the water decomposition apparatus 1 for decomposition is provided.
[0021]
In this fuel cell power generation system, the water fed from the fuel cell 3 to the water decomposing apparatus 1 is electrolyzed by the electric energy from the electric energy source 4 in the water decomposing apparatus 1. Then, hydrogen generated by water electrolysis is supplied to the hydrogen storage tank 2 from the pipe 11. In the hydrogen storage tank 2, the component compounds come into contact with the hydrogen to form hydrogen molecule compounds. The hydrogen molecular compound in the hydrogen storage tank 2 is heated by the exhaust heat of the water decomposing apparatus 1 to release hydrogen from the hydrogen molecular compound, and the released hydrogen is supplied to the fuel cell 3 through the pipe 12. The fuel cell 3 generates power using this hydrogen as hydrogen fuel.
[0022]
In this fuel cell power generation system, when hydrogen is released from the hydrogen molecular compound in the hydrogen storage tank 2 and the hydrogen releasing ability is lost, the hydrogen storage tank 2 supplies hydrogen from the water decomposition apparatus 1 to the hydrogen storage tank 2. The hydrogen and the component compound are brought into contact with each other to form a hydrogen molecule compound.
[0023]
The fuel cell power generation system of FIG. 2 further includes an oxygen storage tank 5 in which oxygen molecular compounds are stored. From the oxygen storage tank 5, a pipe 15 that supplies oxygen generated in the water decomposition apparatus 1 to the oxygen storage tank 5. FIG. 1 shows that a pipe 16 for supplying the oxygen to the fuel cell 3 and waste heat circulation lines 17A and 17B for effectively using the exhaust heat of the water decomposition apparatus 1 in the oxygen storage tank 5 are shown. Unlike the fuel cell power generation system, the rest is configured similarly.
[0024]
In this fuel cell power generation system, the water fed from the fuel cell 3 to the water decomposing apparatus 1 is electrolyzed by the electric energy from the electric energy source 4 in the water decomposing apparatus 1. Then, hydrogen generated by electrolysis of water is supplied from the pipe 11 to the hydrogen storage tank 2, and oxygen is supplied from the pipe 15 to the oxygen storage tank 5. In the hydrogen storage tank 2, the component compounds come into contact with the hydrogen to form hydrogen molecule compounds. Similarly, in the oxygen storage tank 5, the component compounds come into contact with this oxygen to form molecular oxygen compounds. The hydrogen molecular compound in the hydrogen storage tank 2 and the oxygen molecular compound in the oxygen storage tank 5 are heated by the exhaust heat of the water decomposing device 1, respectively, thereby releasing hydrogen from the hydrogen molecular compound and oxygen from the oxygen molecular compound. The released hydrogen and oxygen are supplied to the fuel cell 3 through the pipes 12 and 16, respectively. In the fuel cell 3, electric power is generated using the hydrogen and oxygen as hydrogen fuel and oxygen fuel.
[0025]
Next, the configuration of the hydrogen storage tank or oxygen storage tank used in the fuel cell power generation system of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a system diagram showing an embodiment of the hydrogen or oxygen storage tank according to the present invention.
[0026]
In FIG. 3, reference numeral 21 denotes a hydrogen or oxygen storage tank containing hydrogen or an oxygen molecular compound 12, which has an inlet for hydrogen or oxygen gas and an outlet for hydrogen or oxygen gas, and introduces hydrogen or oxygen gas, respectively. The line 21a and the discharge line 21b are connected. The control valve V is respectively connected to the hydrogen or oxygen gas introduction line 21a and the discharge line 21b.a, VbAnd the valve Va, VbThe introduction or discharge of hydrogen or oxygen gas or the flow rate thereof can be controlled by opening / closing or opening of the gas.
[0027]
Further, the hydrogen or oxygen storage tank 21 is provided with a heating means 23 for heating the hydrogen molecular compound 22 and a cooling means 24 for cooling the hydrogen or oxygen molecular compound 22. The heating means 23 and the cooling means 24 are configured by a coiled pipe for heat exchange through which a heating medium such as warm water and a cooling medium such as cooling water flow. Furthermore, a stirring means 25 for stirring the hydrogen or oxygen molecular compound 22 in the hydrogen or oxygen storage tank 21 and a hydrogen or oxygen gas circulation line 26 provided with a pump P are provided.
[0028]
Hydrogen or oxygen molecular compound 22 in hydrogen or oxygen storage tank 21 is heated by heating means 23 under stirring by stirring means 5 to release hydrogen or oxygen gas from hydrogen or oxygen molecular compound 22 and release hydrogen. Or oxygen gas can be taken out from the discharge line 21b. After the release of hydrogen or oxygen gas, hydrogen or oxygen gas is introduced from the introduction line 21a, and the component compound remaining in the hydrogen or oxygen storage tank 21 is brought into contact with hydrogen or oxygen to form hydrogen or oxygen molecular compounds again. Thereby, formation of hydrogen or an oxygen molecular compound and release of hydrogen or oxygen gas from the hydrogen or oxygen molecular compound can be repeatedly performed.
[0029]
The hydrogen or oxygen storage tank 21 may be any container that can store hydrogen or an oxygen molecular compound, and is not particularly limited. However, the material is heated to release hydrogen or oxygen from the hydrogen or oxygen molecular compound. Therefore, a material that can withstand heating up to 100 ° C., preferably up to 200 ° C. is preferable. Moreover, in order to improve thermal efficiency, the container provided with the heat insulating material etc. may be sufficient. In addition, it is more preferable to set the container so that hydrogen or oxygen can be stored under normal pressure conditions because the weight of the container can be reduced, but a pressure-resistant container may be used.
[0030]
Further, the heating means 23 is not particularly limited as long as it can heat hydrogen or hydrogen in the oxygen storage tank 21 or an oxygen molecular compound. For example, an electric furnace or the like can be used in addition to the heating medium circulating as shown in FIG. 3. However, when the exhaust heat of the water decomposition apparatus 1 or the fuel cell 3 is used, as shown in FIG. In addition, it is preferable that the waste heat generated in the water decomposing apparatus 1 or the fuel cell 3 is absorbed by a heating medium (preferably water is warmed) and circulated.
[0031]
Control valve Va, VbAs long as the gas flow and flow rate can be controlled by opening and closing or opening, there is no particular limitation, but when the hydrogen or oxygen storage tank 21 is used under pressurized conditions, a pressure-resistant valve Is preferably used.
[0032]
The hydrogen or oxygen storage tank 21 of FIG. 3 has a cooling means 24 for cooling the internal hydrogen or oxygen molecular compound 22, and after heating the hydrogen or oxygen molecular compound 22, the cooling means 24 cools the hydrogen or oxygen molecular compound 22. It is configured to be able to immediately stop the release of.
[0033]
That is, after the hydrogen or oxygen molecular compound 22 in the hydrogen or oxygen storage tank 21 is heated to release hydrogen or oxygen gas, the hydrogen or oxygen gas in the hydrogen or oxygen storage tank 21 is stopped when the release of hydrogen or oxygen gas is stopped. When the oxygen molecular compound 22 is returned to room temperature, if the material of the hydrogen or oxygen storage tank 21 is non-adiabatic, it can be cooled by natural cooling relatively early. When the material is adiabatic or when rapid cooling is required, it is preferable to provide a cooling means 24 for cooling the hydrogen or oxygen molecular compound 22 in the hydrogen or oxygen storage tank 21 as shown in FIG. The cooling means 24 is not particularly limited. In FIG. 3, a heat exchange coiled pipe through which a cooling medium such as cooling water flows is used. However, the cooling means 24 is not limited to this.
[0034]
In general, since the hydrogen or oxygen molecular compound 22 and the component compound after releasing the hydrogen or oxygen gas are powder as described later, the release of hydrogen or oxygen gas from the hydrogen or oxygen molecular compound 2, or In the formation of hydrogen or an oxygen molecular compound (storage of hydrogen or oxygen) by contacting the component compound after releasing the hydrogen or oxygen gas with hydrogen or oxygen gas, the stirring means 25 may perform stirring. It is preferable in terms of increasing the oxygen gas release efficiency and the contact efficiency between hydrogen or oxygen gas and component compounds. For this reason, the hydrogen or oxygen storage tank 21 of FIG.
[0035]
Further, when hydrogen or oxygen gas and a component compound are brought into contact with each other to form a hydrogen or oxygen molecular compound, hydrogen or oxygen gas is introduced into the hydrogen or oxygen storage tank 21 from the introduction line 21a and discharged from the discharge line 21b. It is preferable that the exhaust gas to be circulated by the pump P to the inlet side through the circulation line 26 in order to increase the recovery efficiency of hydrogen or oxygen gas and the formation efficiency of hydrogen or oxygen molecular compound.
[0036]
A plurality of hydrogen or oxygen storage tanks 21 containing hydrogen or oxygen molecular compounds 22 and having heating means 23 and further cooling means 24 and / or stirring means 25 may be arranged and used in series. They may be used in parallel. In particular, when a plurality of hydrogen or oxygen storage tanks are arranged in parallel and these are connected by a multi-way valve, a hydrogen or oxygen storage tank that releases hydrogen or oxygen gas and a hydrogen or oxygen gas are switched by switching the flow path of the valve. It is also possible to perform continuous operation by switching the hydrogen or oxygen storage tank to be stored.
[0037]
The fuel cell power generation system shown in FIGS. 1 and 2 and the hydrogen or oxygen storage tank shown in FIG. 3 show an example of the embodiment of the present invention, and do not limit the present invention. For example, the hydrogen or oxygen storage tank may include a heating unit, a stirring unit, and / or a circulation line, and no cooling unit. In order to release hydrogen or oxygen and store hydrogen or oxygen more efficiently, a shelf for holding the hydrogen or oxygen molecular compound or component compound in the hydrogen or oxygen storage tank is provided. A ventilation mechanism or the like for dispersing and supplying gas into the hydrogen or oxygen storage tank may be provided.
[0038]
In the fuel cell power generation system shown in FIGS. 1 and 2, the exhaust heat of the water decomposition apparatus 1 is circulated to the hydrogen storage tank 2 and the oxygen storage tank 5 for heating. The exhaust heat of the battery 3 may be used, and the exhaust heat of the water decomposition apparatus 1 and the fuel cell 3 may be used together. In addition, when the heating energy is insufficient with only the exhaust heat, a heating means may be separately provided in the hydrogen storage tank 2 and the oxygen storage tank 5.
[0039]
As the water decomposing apparatus 1, in addition to the water electrolyzing apparatus, a photocatalytic decomposing apparatus may be used. In the case of an apparatus for electrolyzing water, it is industrially advantageous to use natural energy such as solar cells, wind power, and hydropower. As a means for generating hydrogen, there is a hydrogen generator by steam reforming of hydrocarbon fuel (methane, LPG, city gas, etc.).2There is a problem of occurrence, which is not preferable. For this reason, in the present invention, a water decomposing apparatus is used.
[0040]
In addition, the oxygen generated from the water decomposing apparatus 1 can be operated by using oxygen contained in the air without storing it as an oxygen molecular compound. Since it is more efficient to store the generated high purity oxygen, release it and use it as high purity oxygen, as shown in FIG. 2, oxygen is also stored as an oxygen molecular compound. Is preferred.
[0041]
Next, the hydrogen molecular compound and oxygen molecular compound used in the present invention will be described.
[0042]
The term “molecular compound” as used in the present invention means that two or more kinds of compounds that can exist stably alone are bonded by a relatively weak interaction other than a covalent bond, such as a hydrogen bond or van der Waals force. And includes hydrates, solvates, addition compounds, inclusion compounds, and the like.
[0043]
  A hydrogen molecule compound is a contact between a component compound that forms a hydrogen molecule compound and hydrogen.To touchIt is possible to store hydrogen in a relatively lightweight state close to normal temperature and pressure, and it is possible to release hydrogen by simple heating or the like. The oxygen molecule compound is a contact between the component compound forming the oxygen molecule compound and oxygen.To touchIt is possible to store oxygen in a relatively light and near normal temperature and normal pressure state, and it is possible to release oxygen by simple heating or the like.
[0044]
Among the hydrogen molecule compounds, the host molecule forming the hydrogen molecule inclusion compound in which the hydrogen molecule is included by the host molecule is not particularly limited as long as it can include hydrogen. Further, among the oxygen molecular compounds, the host molecules forming the oxygen molecule inclusion compound in which the oxygen molecules are included by the host molecules are not particularly limited as long as they can include oxygen.
[0045]
As the host molecule, a monomolecular system, a polymolecular system, a polymer system, an inorganic host compound, and the like are known.
[0046]
Examples of monomolecular host compounds include cyclodextrins, crown ethers, cryptands, cyclophanes, azacyclophanes, calixarenes, cyclotriveratrilens, spherands, and cyclic oligopeptides. Examples of the multi-molecular host compound include ureas, thioureas, deoxycholic acids, perhydrotriphenylenes, tri-o-thymotides, beansryls, spirobifluorenes, cyclophosphazenes, monoalcohols, Diols, acetylene alcohols, hydroxybenzophenones, phenols, bisphenols, trisphenols, tetrakisphenols, polyphenols, naphthols, bisnaphthols, diphenylmethanols, carboxylic acid amides, thioamides, bixanthenes, Examples thereof include carboxylic acids, imidazoles, and hydroquinones. In addition, examples of the polymer host compound include celluloses, starches, chitins, chitosans, polyvinyl alcohols, polyethylene glycol arm type polymers having 1,1,2,2-tetrakisphenylethane as a core, α, Examples include polyethylene glycol arm type polymers having α, α ′, α′-tetrakisphenylxylene as a core. Furthermore, examples of the inorganic host compound include clay minerals, montmorillonites, and zeolites.
[0047]
Of these host compounds, multi-molecular host compounds whose inclusion ability is hardly influenced by the molecular size of the guest compound are preferable.
[0048]
Specific examples of the multimolecular host compound include 1,1,6,6-tetraphenyl-2,4-hexadiyne-1,6-diol, 1,1-bis (2,4-dimethylphenyl)- 2-propyn-1-ol, 1,1,4,4-tetraphenyl-2-butyne-1,4-diol, 1,1,6,6-tetrakis (2,4-dimethylphenyl) -2,4 Hexadiyne-1,6-diol, 9,10-diphenyl-9,10-dihydroanthracene-9,10-diol, 9,10-bis (4-methylphenyl) -9,10-dihydroanthracene-9,10 -Diol, 1,1,2,2-tetraphenylethane-1,2-diol, 4-methoxyphenol, 2,4-dihydroxybenzophenone, 4,4'-dihydroxybenzophenone, 2,2 ' Dihydroxybenzophenone, 2,2 ′, 4,4′-tetrahydroxybenzophenone, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane, 4,4′-sulfonylbisphenol, 2,2′-methylenebis (4-methyl-6) -T-butylphenol), 4,4'-ethylidenebisphenol, 4,4'-thiobis (3-methyl-6-tert-butylphenol), 1,1,3-tris (2-methyl-4-hydroxy-5- t-butylphenyl) butane, 1,1,2,2-tetrakis (hydroxyphenyl) ethane, 1,1,2,2-tetrakis (3-methyl-4-hydroxyphenyl) ethane, 1,1,2,2 Tetrakis (3-fluoro-4-hydroxyphenyl) ethane, α, α, α ′, α′-tetrakis (4-hydroxyphenyl) -P-xylene, 3,6,3 ', 6'-tetramethoxy-9,9'-bi-9H-xanthene, 3,6,3', 6'-tetraacetoxy-9,9'-bi-9H -Xanthene, 3,6,3 ', 6'-tetrahydroxy-9,9'-bi-9H-xanthene, gallic acid, methyl gallate, catechin, bis-β-naphthol, α, α, α', α '-Tetraphenyl-1,1'-biphenyl-2,2'-dimethanol, diphenic acid bisdicyclohexylamide, fumaric acid bisdicyclohexylamide, cholic acid, deoxycholic acid, 1,1,2,2-tetrakis (4 -Carboxyphenyl) ethane, 1,1,2,2-tetrakis (3-carboxyphenyl) ethane, 2,4,5-triphenylimidazole, 1,2,4,5-tetraphenylimidazole, 2 -T-butylhydroquinone, 2,5-di-t-butylhydroquinone, 2,5-bis (2,4-dimethylphenyl) hydroquinone, and the like, among others, 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) Phenolic host compounds such as cyclohexane are advantageous in terms of inclusion capacity and industrial availability.
[0049]
As a method for producing hydrogen or oxygen molecule inclusion compound by including hydrogen or oxygen in such a host compound, a method in which hydrogen or oxygen is directly brought into contact with the host compound, a host compound in a hydrogen or oxygen atmosphere state is used. There are a method of direct reaction while pulverization, a method of contact reaction with hydrogen or oxygen when the host compound is dissolved in a solvent and recrystallization, but it is not particularly limited thereto.
[0050]
The hydrogen or oxygen molecule clathrate compound thus obtained varies depending on the type of host compound used, the contact conditions with hydrogen or oxygen, etc., but usually hydrogen or oxygen molecule is 0.2 per mol of the host compound. It is a hydrogen or oxygen molecule clathrate compound containing ˜20 mol.
[0051]
This hydrogen or oxygen molecular clathrate compound stably clathrates hydrogen or oxygen over a long period of time at normal temperature and pressure. In addition, this hydrogen or oxygen molecule inclusion compound is lighter and easier to handle than hydrogen storage alloys, and this hydrogen or oxygen molecule inclusion compound can be easily stored and stored in containers such as glass, metal, and plastic. Can be transported.
[0052]
Since such a hydrogen or oxygen molecule inclusion compound is solid, it can be stored and used in a hydrogen or oxygen storage tank as shown in FIG. 3 as a powder having a particle size of about 0.01 to 1 mm.
[0053]
And in order to release hydrogen or oxygen from this hydrogen or oxygen molecular inclusion compound, depending on the type of the host compound, it may be heated to 30 to 200 ° C., particularly about 40 to 100 ° C. Hydrogen or oxygen can be released from the hydrogen or oxygen molecular inclusion compound and used as hydrogen or oxygen fuel in a fuel cell.
[0054]
The host compound after releasing hydrogen or oxygen from the hydrogen or oxygen molecular inclusion compound has a selective inclusion ability of hydrogen or oxygen and can be effectively reused.
[0055]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0056]
Example 1
In the fuel cell power generation system of FIG. 2, a hydrogen molecule inclusion compound in which 10 mol of hydrogen is included in 1 mol of 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane is placed in the hydrogen storage tank 2, and 1,1 -A polymer electrolyte fuel cell in which an oxygen molecule inclusion compound in which 1 mol of oxygen is included in 1 mol of bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane is placed in an oxygen storage tank 5 and used as a hydrogen fuel source and an oxygen fuel source, respectively. A test to generate power 3 was conducted.
[0057]
The water generated in the fuel cell 3 was sent to the water decomposing apparatus 1, the water was electrolyzed by the decomposing apparatus 1, and the generated hydrogen and oxygen were supplied to the hydrogen storage tank 2 and the oxygen storage tank 5, respectively.
[0058]
The hydrogen molecule clathrate compound in the hydrogen storage tank 2 and the oxygen molecule clathrate compound in the oxygen storage tank 5 are each heated to 50 ° C. with stirring to release hydrogen gas and oxygen gas. Min fuel and oxygen gas were supplied to the fuel cell at a rate of 1.36 mg / min. As a result, electric power of 0.08 W / hr could be taken out.
[0059]
【The invention's effect】
The fuel cell power generation system of the present invention stores hydrogen generated in a water decomposition apparatus as a hydrogen molecular compound, releases hydrogen from the hydrogen molecular compound, and uses it as a hydrogen fuel for a fuel cell. Oxygen generated in the cracking device is stored as an oxygen molecular compound, and oxygen is released from the oxygen molecular compound to be used as oxygen fuel for a fuel cell.
(1) Hydrogen and oxygen can be stored relatively easily and lightly at room temperature and atmospheric pressure.
{Circle around (2)} Hydrogen stored as a hydrogen molecule compound and further oxygen stored as an oxygen molecule compound can be released by heating at a relatively low temperature and supplied to the fuel cell.
{Circle around (3)} The heat necessary for releasing hydrogen from the hydrogen molecular compound and oxygen from the oxygen molecular compound can utilize the exhaust heat of the fuel cell or water decomposition apparatus, and can reduce the energy cost.
(4) Natural energy can be used as electrical energy for water splitting, CO2The problem of the occurrence of can be solved.
(5) The water generated in the fuel cell can be recovered and decomposed, and the hydrogen source and oxygen source can be stored as water when applied to a moving object such as a fuel cell vehicle (the hydrogen and oxygen content required for traveling). Therefore, it is not necessary to store a large amount of dangerous hydrogen and oxygen.
Such excellent effects are exhibited.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of a fuel cell power generation system of the present invention.
FIG. 2 is a system diagram showing another embodiment of the fuel cell power generation system of the present invention.
FIG. 3 is a system diagram showing an embodiment of a hydrogen or oxygen storage tank according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Water decomposition equipment
2 Hydrogen storage tank
3 Fuel cell
4 Electric energy sources
5 Oxygen storage tank
21 Hydrogen or oxygen storage tank
22 Hydrogen or oxygen molecular compounds
23 Heating means
24 Cooling means
25 Stirring means
26 Circulation line

Claims (9)

水を水素と酸素とに分解する分解装置と、
水素を水素分子化合物として貯蔵する水素貯槽と、
燃料電池と、
前記分解装置で発生した水素を該水素貯槽に導入する手段と、
該水素貯槽からの水素を該燃料電池に導入する手段と
を備える燃料電池発電システムであって、
該水素分子化合物は、ホスト分子と水素分子との接触により水素分子を包接した水素分子包接化合物であり、
該ホスト分子は、フェノール系の多分子系ホスト化合物であることを特徴とする燃料電池発電システム。A decomposing device for decomposing water into hydrogen and oxygen;
A hydrogen storage tank for storing hydrogen as a molecular hydrogen compound;
A fuel cell;
Means for introducing hydrogen generated in the cracking device into the hydrogen storage tank;
Means for introducing hydrogen from the hydrogen storage tank into the fuel cell,
The hydrogen molecule compound is a hydrogen molecule inclusion compound in which a hydrogen molecule is included by contact between a host molecule and a hydrogen molecule,
The fuel cell power generation system , wherein the host molecule is a phenol-based multimolecular host compound . 請求項１において、該ホスト分子が、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサンであることを特徴とする燃料電池発電システム。2. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the host molecule is 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane. 請求項１又は２において、更に酸素を酸素分子化合物として貯蔵する酸素貯槽と、前記分解装置で発生した酸素を該酸素貯槽に導入する手段と、該酸素貯槽からの酸素を前記燃料電池に導入する手段とを備えることを特徴とする燃料電池発電システム。 3. The oxygen storage tank that further stores oxygen as an oxygen molecular compound, means for introducing oxygen generated in the decomposition apparatus into the oxygen storage tank, and oxygen from the oxygen storage tank is introduced into the fuel cell. And a fuel cell power generation system. 請求項３において、該酸素分子化合物は、ホスト分子と酸素分子との接触により酸素分子を包接した酸素分子包接化合物であり、該ホスト分子は、フェノール系の多分子系ホスト化合物であることを特徴とする燃料電池発電システム。In claim 3, the oxygen molecular compound, Ri oxygen molecules clathrate compound der that clathrate more oxygen molecules in contact touch of the host molecules and oxygen molecules, the host molecules, multi-molecular host compound phenolic fuel cell power generation system characterized in that it. 請求項４において、該ホスト分子は、１，１−ビス（４−ヒドロキシフェニル）シクロヘキサンであることを特徴とする燃料電池発電システム。5. The fuel cell power generation system according to claim 4 , wherein the host molecule is 1,1-bis (4-hydroxyphenyl) cyclohexane . 請求項１ないし５のいずれか１項において、前記燃料電池において発生する水を前記分解装置に供給する手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。  6. The fuel cell power generation system according to claim 1, further comprising means for supplying water generated in the fuel cell to the decomposition apparatus. 請求項１ないし６のいずれか１項において、前記分解装置が、水を電気又は光触媒を利用して分解する装置であることを特徴とする燃料電池発電システム。  7. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein the decomposition device is a device that decomposes water using electricity or a photocatalyst. 請求項１ないし７のいずれか１項において、前記燃料電池及び／又は水の分解装置の排熱を前記水素貯槽に供給する手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。  8. The fuel cell power generation system according to claim 1, further comprising means for supplying exhaust heat of the fuel cell and / or water decomposition apparatus to the hydrogen storage tank. 請求項２ないし８のいずれか１項において、前記燃料電池及び／又は水の分解装置の排熱を前記酸素貯槽に供給する手段を有することを特徴とする燃料電池発電システム。  9. The fuel cell power generation system according to claim 2, further comprising means for supplying exhaust heat of the fuel cell and / or water decomposition apparatus to the oxygen storage tank.
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