JP6741830B2

JP6741830B2 - 発電システム

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Publication number: JP6741830B2
Application number: JP2019141937A
Authority: JP
Inventors: 武内　幸久; 幸久武内; 酒井　均; 均酒井; 博史菅; 誠大森; 中村　俊之; 俊之中村
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: JP2020024917A

Description

本発明は、発電システムに関する。

燃料電池は、排出物が少ないため、環境負荷の小さい発電装置として注目されている。

燃料電池は、電解質の種類に応じて、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、及びリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などに分類される。

一般に、ＳＯＦＣ、ＭＣＦＣ、ＰＡＦＣ、ＰＥＦＣでは水素が燃料として用いられ、ＤＭＦＣではメタノールが燃料として用いられる（特許文献１参照）。

特開２０１６−０７１９４８号公報

ところで、近年、大気中に含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）による環境負荷を低減するための取り組みが行われており、燃料電池からの二酸化炭素排出量を削減したいという要請がある。

本発明は、二酸化炭素排出量を削減可能な発電システムの提供を目的とする。

本発明に係る発電システムは、二酸化炭素を排出する燃料電池と、メタノールを合成するメタノール合成部を含むメタノール合成装置とを備える。燃料電池は、メタノール合成装置において合成されたメタノールを用いて発電する。メタノール合成装置は、水素と、燃料電池から排出される二酸化炭素との合成ガスからメタノールを合成する。

本発明によれば、二酸化炭素排出量を削減可能な発電システムを提供することができる。

実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す模式図変形例７に係る発電システムの構成の一例を示す模式図変形例８に係る発電システムの構成の一例を示す模式図変形例９に係る発電システムの構成の一例を示す模式図変形例１１に係る発電システムの構成の一例を示す模式図変形例１１に係る発電システムの構成の一例を示す模式図変形例１１に係る発電システムの構成の一例を示す模式図

（発電システム１の構成）
図１は、発電システム１の構成を示す模式図である。

発電システム１は、内部で発生する二酸化炭素（ＣＯ_２）が大気中に排出されることを抑えた状態で発電できるため、大気中に含まれる二酸化炭素による環境負荷の低減に有用である。

発電システム１は、直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ）１０、メタノール合成装置２０及び水素生成装置３０を備える。

［直接メタノール形燃料電池１０］
直接メタノール形燃料電池１０は、燃料電池の一例である。直接メタノール形燃料電池１０は、比較的低温で作動するアルカリ形燃料電池（ＡＦＣ：ＡｌｋａｌｉｎｅＦｕｅｌＣｅｌ）の一種である。直接メタノール形燃料電池１０は、カソード１２、アノード１４、及び電解質１６を備える。

直接メタノール形燃料電池１０は、下記の電気化学反応式に基づいて、比較的低温（例えば、５０℃〜２５０℃）で発電することが好ましい。

・カソード１２：３／２Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻→６ＯＨ⁻
・アノード１４：ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→６ｅ⁻＋ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ
・全体：ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ

カソード１２は、一般に空気極と呼ばれる陽極である。直接メタノール形燃料電池１０の発電中、カソード１２には、酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤が酸素供給部１３から供給される。酸化剤としては、空気を用いるのが好ましく、空気は加湿されていることがより好ましい。カソード１２は、内部に酸化剤を拡散可能な多孔質体である。カソード１２の気孔率は特に制限されない。カソード１２の厚みは特に制限されないが、例えば１０〜２００μｍとすることができる。酸素供給部１３には、外部から酸素が供給される。カソード１２における反応に用いられなかった酸素は、酸素供給部１３から外部に排出される。

カソード１２は、アルカリ形燃料電池に使用される公知の空気極触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード触媒の例としては、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）等の第８〜１０族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第８〜１０族に属する元素）、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の第１１族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第１１族に属する元素）、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Ｃｏサレン、Ｎｉサレン（サレン＝Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）エチレンジアミン）、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。カソード１２における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは０．０５〜１０ｍｇ／ｃｍ^２、より好ましくは、０．０５〜５ｍｇ／ｃｍ^２である。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード１２ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、白金コバルト担持カーボン（ＰｔＣｏ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

カソード１２の作製方法は特に限定されないが、例えば、空気極触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質１６の一方の面に塗布することにより形成することができる。

アノード１４は、一般に燃料極と呼ばれる陰極である。直接メタノール形燃料電池１０の発電中、アノード１４には、燃料としてのメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）がメタノール供給部１５から供給される。アノード１４は、内部にメタノールを拡散可能な多孔質体である。アノード１４の気孔率は特に制限されない。アノード１４の厚みは特に制限されないが、例えば１０〜５００μｍとすることができる。メタノール供給部１５には、後述するメタノール合成装置２０において合成されたメタノールが供給される。アノード１４において発生する二酸化炭素及び水（Ｈ_２Ｏ）とアノード１４において用いられなかった残メタノールとは、メタノール供給部１５からメタノール合成装置２０に排出される。

アノード１４は、アルカリ形燃料電池に使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、及びＰｄ等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、この有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。アノード１４及びそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、白金ルテニウム担持カーボン（ＰｔＲｕ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

アノード１４の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を電解質１６の他方の面に塗布することにより形成することができる。

電解質１６は、カソード１２とアノード１４との間に配置される。電解質１６は、カソード１２及びアノード１４のそれぞれに接続される。電解質１６は、膜状、層状、或いは、シート状に形成される。

電解質１６は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料を含む。このようなセラミックス材料としては、水酸化物イオン伝導性を有する周知のセラミックスを用いることができるが、以下に説明する層状複水酸化物（ＬＤＨ：ＬａｙｅｒｅｄＤｏｕｂｌｅＨｙｄｒｏｘｉｄｅ）が特に好適である。

ＬＤＨは、Ｍ^２＋ _１−ｘＭ^３＋ _ｘ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ−ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ｍ^２＋は２価の陽イオン、Ｍ^３＋は３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、ｘは０．１〜０．４、ｍは水のモル数を意味する任意の整数である）の一般式で示される基本組成を有する。Ｍ^２＋の例としてはＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋、Ｓｒ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｍｎ^２＋、及びＺｎ^２＋が挙げられ、Ｍ^３＋の例としては、Ａｌ^３＋、Ｆｅ^３＋、Ｔｉ^３＋、Ｙ^３＋、Ｃｅ^３＋、Ｍｏ^３＋、及びＣｒ^３＋が挙げられ、Ａｎ⁻の例としてはＣＯ_３ ^２−及びＯＨ⁻が挙げられる。Ｍ^２＋及びＭ^３＋としては、それぞれ１種単独で又は２種以上を組み合わせて用いることもできる。

ＬＤＨは、複数の水酸化物基本層と、これら複数の水酸化物基本層間に介在する中間層とから構成される。中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。水酸化物基本層は、例えば金属ＭがＮｉ、Ａｌ、Ｔｉの場合には、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む。以下、ＬＤＨの水酸化物基本層がＮｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を含む場合について説明する。

ＬＤＨ中のＮｉはニッケルイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のニッケルイオンは典型的にはＮｉ^２＋であると考えられるが、Ｎｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＡｌはアルミニウムイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のアルミニウムイオンは典型的にはＡｌ^３＋であると考えられるが、他の価数もありうるため、特に限定されない。ＬＤＨ中のＴｉはチタンイオンの形態を採りうる。ＬＤＨ中のチタンイオンは典型的にはＴｉ^４＋であると考えられるが、Ｔｉ^３＋等の他の価数もありうるため、特に限定されない。水酸化物基本層は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉ及びＯＨ基を主要構成要素として含むのが好ましいが、他の元素ないしイオンを含んでいてもよいし、不可避不純物を含んでいてもよい。不可避不純物は、製法上不可避的に混入されうる任意元素であり、例えば原料や基材に由来してＬＤＨ中に混入しうる。

ＬＤＨの中間層は、陰イオン及びＨ_２Ｏで構成される。陰イオンは１価以上の陰イオン、好ましくは１価又は２価のイオンである。好ましくは、ＬＤＨ中の陰イオンはＯＨ⁻及び／又はＣＯ_３ ^２−を含む。

上記のとおり、Ｎｉ、Ａｌ及びＴｉの価数は必ずしも定かではないため、ＬＤＨを一般式で厳密に特定することは非実際的又は不可能である。仮に水酸化物基本層が主としてＮｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋及びＯＨ基で構成されるものと想定した場合、ＬＤＨは、一般式：Ｎｉ^２＋ _{１−ｘ−ｙ}Ａｌ^３＋ _ｘＴｉ^４＋ _ｙ（ＯＨ）_２Ａ^ｎ− _{（ｘ＋２ｙ）／ｎ}・ｍＨ_２Ｏ（式中、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオン、ｎは１以上の整数、好ましくは１又は２であり、０＜ｘ＜１、好ましくは０．０１≦ｘ≦０．５、０＜ｙ＜１、好ましくは０．０１≦ｙ≦０．５、０＜ｘ＋ｙ＜１、ｍは０以上、典型的には０を超える又は１以上の実数である）なる基本組成で表すことができる。もっとも、上記一般式はあくまで「基本組成」と解されるべきであり、Ｎｉ^２＋、Ａｌ^３＋、Ｔｉ^４＋等の元素がＬＤＨの基本的特性を損なわない程度に他の元素又はイオン（同じ元素の他の価数の元素又はイオンや製法上不可避的に混入されうる元素又はイオンを含む）で置き換え可能なものとして解されるべきである。

電解質１６は、基材としての多孔質体と、多孔質体内の孔に充填された水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料（例えば、上述したＬＤＨ）との複合体であってもよい。多孔質体は、金属材料、セラミックス材料及び高分子材料によって構成することができる。金属材料としては、例えば、ステンレス、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、チタンなどが挙げられる。セラミックス材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、カルシア、コージェライト、ゼオライト、ムライト、酸化亜鉛、炭化ケイ素などが挙げられる。高分子材料としては、例えば、ポリスチレン、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂、セルロース、ナイロン、ポリエチレン、ポリイミドなどが挙げられる。

また、電解質１６は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックス材料の粒子群と、この粒子群の緻密化又は硬化を助ける補助成分との複合体であってもよい。

［メタノール合成装置２０］
メタノール合成装置２０は、メタノール合成部２１及び気液分離タンク２２を備える。

メタノール合成部２１は、合成空間２３、水分離膜２４及び透過側空間２５を有する。

合成空間２３は、直接メタノール形燃料電池１０のメタノール供給部１５に接続される。合成空間２３には、メタノール供給部１５から排出される二酸化炭素と水と残メタノールとが供給される。

合成空間２３は、後述する水素生成装置３０の電解装置３１に接続される。合成空間２３には、電解装置３１において生成される水素（Ｈ_２）が供給される。

合成空間２３には、水素と二酸化炭素との合成ガスからメタノールが合成される化学反応を促進する触媒（不図示）が配置される。触媒としては、金属触媒や酸化物触媒などを用いることができる。金属触媒としては、銅、パラジウムなどが挙げられる。酸化物触媒としては、酸化亜鉛、ジルコニア、酸化ガリウムなどが挙げられる。触媒は、金属触媒と酸化物触媒との複合触媒であってもよい。複合触媒としては、銅−酸化亜鉛、銅−酸化亜鉛−アルミナ、銅−酸化亜鉛−酸化クロム−アルミナなどが挙げられる。触媒は、合成空間２３内に充填されていてもよいし、水分離膜２４の合成空間側表面に担持されていてもよい。

合成空間２３では、下記の反応式に基づいて、メタノールが合成されるとともに、副生成物として水が生成される。

・ＣＯ＋２Ｈ_２ → ＣＨ_３ＯＨ
・ＣＯ_２＋３Ｈ_２ → ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ
・ＣＯ_２＋Ｈ_２ → ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ

なお、合成空間２３におけるメタノールの合成条件は、例えば、１５０℃〜３００℃、１ＭＰａ〜５０ＭＰａとすることができる。

水分離膜２４は、メタノール合成部２１内に配置される。水分離膜２４は、合成空間２３と透過側空間２５との間に配置される。水分離膜２４は、合成空間２３において生成されるメタノールと水との混合物から、主として水を選択的に透過させる。水分離膜２４の構成材料は特に制限されないが、水分離膜２４としては無機膜が好適である。無機膜としては、ゼオライト膜、シリカ膜、アルミナ膜、或いは、これらの複合膜などが挙げられる。

水分離膜２４を介して水が透過側空間２５に透過すると、合成空間２３における生成物量が減少するため、平衡シフト効果が発現してメタノール合成効率が向上する。透過側空間２５に透過した水は、透過側空間２５から外部に排出される。

気液分離タンク２２には、合成空間２３から排出される非透過流体が流入する。非透過流体には、合成空間２３において合成されたメタノールのほか、未反応の合成ガス（二酸化炭素及び水素）と微量の水とが含まれる。気液分離タンク２２では、冷却された非透過流体が、液状に凝縮したメタノールと、メタノール以外の残留流体とに分離される。

気液分離タンク２２は、直接メタノール形燃料電池１０のメタノール供給部１５に接続されており、分離された液状のメタノールは、メタノール供給部１５に供給される。メタノール以外の残留流体は、合成空間２３に戻されて、メタノールの合成に再利用される。

［水素生成装置３０］
水素生成装置３０は、水から水素を生成する。本実施形態に係る水素生成装置３０は、電解装置３１及び太陽光発電装置３２を備える。

電解装置３１は、アノード、カソード及び隔壁を備える。アノード及びカソードには、水の電気分解に使用される公知の電極を使用できる。太陽光発電装置３２が発電した直流電流によってアノードとカソードとの間に電圧差が付与されると、外部から供給される水が電気分解される。これにより、アノードでは酸素が生成され、カソードでは水素ガスが生成される。

電解装置３１において生成された水素は、メタノール合成部２１の合成空間２３に供給されて、メタノールの合成に利用される。電解装置３１において生成された酸素は、外部に排出される。

なお、太陽光発電装置３２としては、公知の太陽光発電装置を用いることができる。

［特徴］
発電システム１は、二酸化炭素を排出する直接メタノール形燃料電池１０と、メタノールを合成するメタノール合成部２１を含むメタノール合成装置２０とを備える。直接メタノール形燃料電池１０は、メタノール合成装置２０において合成されたメタノールを用いて発電する。メタノール合成装置２０は、水素と、直接メタノール形燃料電池１０から排出される二酸化炭素との合成ガスからメタノールを合成する。

このように、直接メタノール形燃料電池１０から排出される二酸化炭素がメタノール合成装置２０におけるメタノールの合成に利用されるため、直接メタノール形燃料電池１０から二酸化炭素が大気中に放出されることを抑制できる。そのため、発電システム１からの二酸化炭素排出量を削減して、大気中に含まれる二酸化炭素による環境負荷を低減することができる。

また、発電システム１は、水を電気分解することによって水素を生成する水素生成装置３０を備える。そのため、メタノール合成装置２０におけるメタノールの合成に利用される水素を簡便に取得することができる。

また、メタノール合成部２１内には、メタノールの合成に伴って発生する水をメタノールから分離する水分離膜２４が配置されている。そのため、合成空間２３におけるメタノールの合成反応に平衡シフト効果が発現して、メタノール合成効率を向上させることができるとともに、メタノール合成及び水分離を１つの反応器でコンパクトに実施できる。

また、メタノール合成部２１は、メタノールの合成に用いられなかった残留流体を、メタノールの合成に再利用する。そのため、メタノール合成部２１における合成ガスの利用効率を向上させることができる。

（他の実施形態）
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。

［変形例１］
上記実施形態において、発電システム１は、燃料電池の一例として直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）を備えることとしたが、これに限られない。発電システム１が備える燃料電池としては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、或いはリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などが挙げられる。ＳＯＦＣ、ＰＥＦＣ、ＭＣＦＣ、及びＰＡＦＣでは、メタノール合成装置２０において合成されたメタノールを改質することによって水素を生成し、生成された水素を燃料として発電することができる。また、ＳＯＦＣでは、メタノール合成装置２０において合成されたメタノールをそのまま燃料として発電することもできる。本明細書において、「メタノールを用いて発電する燃料電池」には、メタノールをそのまま燃料として用いる燃料電池と、燃料としての水素を生成するためにメタノールを用いる燃料電池とが含まれる。

［変形例２］
上記実施形態において、発電システム１は、水素生成装置３０を備えることとしたが、水素生成装置３０を備えていなくてもよい。この場合、メタノール合成装置２０におけるメタノールの合成に用いられる水素を外部から供給すればよい。

［変形例３］
上記実施形態において、水素生成装置３０は、水を電気分解することによって水素を生成することとしたが、水素生成装置３０における水素の生成方法は特に限られない。例えば、水素生成装置３０は、太陽光の熱エネルギーを利用して水を熱分解することによって水素を生成してもよいし、光触媒に太陽光を照射して水を分解することによって水素を生成してもよい。

［変形例４］
上記実施形態において、水素生成装置３０は、太陽光発電装置３２が発電した直流電流を用いて水を電気分解することとしたが、直流電流の発電方法は特に限られない。例えば、太陽熱、地熱、風力、水力などを用いて発電してもよいし、外部の発電設備において発電された交流電流を直流電流に変換して利用してもよい。

［変形例５］
上記実施形態において、水素生成装置３０において生成された酸素は外部に排出されることとしたが、直接メタノール形燃料電池１０のカソード１２における電気化学反応に利用されてもよい。
［変形例６］
上記実施形態において、水分離膜２４を透過側空間２５側に透過した水は外部に排出されることとしたが、電解装置３１における水素ガスの生成に利用してもよいし、カソード１２に供給される酸化剤又はアノード１４に供給されるメタノールの加湿に利用してもよい。

［変形例７］
上記実施形態では、発電システム１において生産される電力の用途について特に触れていないが、図２に示すように、蓄電装置１７を備える発電システム１ａを構築することによって、発電システム１ａにおいて生産される電力を幅広い用途に利用することができる。

発電システム１ａのうち蓄電装置１７以外の構成は、上記実施形態にて説明したとおりである。蓄電装置１７は、直接メタノール形燃料電池１０と電気的に接続される。蓄電装置１７は、直接メタノール形燃料電池１０が生産する直流電力を蓄電する。蓄電装置１７としては、液系の二次電池、全固体形の二次電池、及びキャパシタなどを用いることができるが、特に限定されない。液系の二次電池には、有機溶媒を含む非水系電解液を用いた二次電池（例えば、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、空気亜鉛電池など）と、有機溶媒を含まない水系電解液を用いた二次電池（例えば、ニッケル亜鉛二次電池）とが含まれる。なお、全固体形の二次電池とは、正極層と負極層との間に固体電解質層が配置された構造を有し、構成成分が固体である二次電池をいう。全固体形の二次電池としては、例えばリチウムイオン全固体形の二次電池、ナトリウムイオン全固体形の二次電池、カルシウムイオン全固体形の二次電池などが挙げられる。

発電システム１ａは、例えば、電力貯蔵システム、分散型電源及び電気自動車用発電システムなどに使用することができる。

［変形例８］
上記実施形態において、発電システム１では、気液分離タンク２２において分離された液状のメタノールは、直接メタノール形燃料電池１０のメタノール供給部１５に直接供給されることとしたが、これに限られない。

例えば、図３に示すように、メタノールタンク２６を備える発電システム１ｂを構築してもよい。発電システム１ｂのうちメタノールタンク２６以外の構成は、上記実施形態にて説明したとおりである。メタノールタンク２６は、メタノール合成部２１の下流側かつ直接メタノール形燃料電池１０の上流側に配置される。図３に示す例において、メタノールタンク２６は、気液分離タンク２２の下流側かつメタノール供給部１５の上流側に配置されている。メタノールタンク２６は、気液分離タンク２２を介してメタノール合成部２１から供給されるメタノールを貯留する。

このようなメタノールタンク２６を設けることによって、メタノール合成部２１においてメタノールが合成されない場合であっても、メタノール供給部１５にメタノールを供給することができる。従って、例えば夜間などに太陽光発電装置３２から十分な電力が得られず、電解装置３１において水素を生成できなくても、直接メタノール形燃料電池１０の発電を継続させることができる。

［変形例９］
上記実施形態において、発電システム１では、直接メタノール形燃料電池１０のメタノール供給部１５から排出される二酸化炭素は、メタノール合成部２１の合成空間２３に直接供給されることとしたが、これに限られない。

例えば、図４に示すように、二酸化炭素タンク２７を備える発電システム１ｃを構築してもよい。二酸化炭素タンク２７は、メタノール供給部１５の下流側かつ合成空間２３の上流側に配置される。二酸化炭素タンク２７は、メタノール供給部１５から排出される二酸化炭素を貯留する。二酸化炭素タンク２７は、メタノール供給部１５から排出される水を二酸化炭素とともに貯留してもよい。ただし、二酸化炭素タンク２７の上流側に水及び残メタノールと二酸化炭素との分離手段（気液分離タンク）を設けた場合、二酸化炭素タンク２７には二酸化炭素のみが貯留される。

このような二酸化炭素タンク２７を設けることによって、直接メタノール形燃料電池１０を一旦停止した後に改めて起動させる際、合成空間２３におけるメタノールの合成を速やかに開始させることができる。

［変形例１０］
上記実施形態において、直接メタノール形燃料電池１０は、メタノールの合成に伴って発生する水をメタノールから分離する水分離膜２４を備えることとしたが、水分離膜２４を備えていなくてもよい。この場合、メタノールとともに水も直接メタノール形燃料電池１０に供給されることとなるが、アノード１４における電気化学反応への影響は小さい。

［変形例１１］
上記実施形態において、水分離膜２４は、メタノール合成部２１内に配置されることとしたが、図５に示すように、メタノール合成部２１の下流側かつ直接メタノール形燃料電池１０の上流側に水分離膜２４が配置された発電システム１ｄを構築してもよい。

この場合、メタノール合成部２１は、合成空間２３のみによって構成される。メタノール合成部２１におけるメタノールの合成条件は、例えば、２５０℃〜４００℃、２００ａｔｍ〜３００ａｔｍとすることができる。

水分離膜２４は、水分離装置２８内に配置される。水分離装置２８は、供給空間２９、水分離膜２４及び透過側空間２５を有する。

供給空間２９には、メタノール合成部２１において合成されるメタノールと、メタノールの合成に伴って生成される水とが供給される。水分離膜２４及び透過側空間２５は、上記実施形態で説明したとおりの構成を有する。

このように、メタノール合成部２１の下流側かつ直接メタノール形燃料電池１０の上流側に水分離膜２４を配置することによって、水分離膜２４に要求される耐熱性及び耐圧性を緩和することができる。また、直接メタノール形燃料電池１０から排出される二酸化炭素などの冷却プロセスや、メタノール合成部２１において生成されるメタノールの再加熱プロセスが必要ないため、全体的な熱効率を向上させることができる。

ここで、図５に示す例において、水分離膜２４は、メタノール合成部２１の下流側かつ気液分離タンク２２の上流側に配置されているが、気液分離タンク２２の配置位置は適宜変更可能である。

例えば、図６に示すように、メタノール合成部２１の下流側かつ水分離装置２８の上流側に気液分離タンク２２が配置された発電システム１ｅを構築してもよい。発電システム１ｅによれば、水分離膜２４に要求される耐熱性を緩和できるとともに、直接メタノール形燃料電池１０から排出される二酸化炭素などの冷却プロセスを設ける必要がない。

或いは、図７に示すように、直接メタノール形燃料電池１０の下流側かつメタノール合成部２１の上流側に気液分離タンク２２が配置された発電システム１ｆを構築してもよい。発電システム１ｆによれば、メタノール合成部２１の上流側で残メタノールから二酸化炭素を分離できるため、メタノール合成部２１に残メタノールが流入することを抑制できる。そのため、メタノール合成部２１におけるメタノール合成反応を促進させることができる。

なお、図６に示した発電システム１ｅ及び図７に示した発電システム１ｆは、変形例８において説明したメタノールタンク２６（図３参照）を備えているが、メタノールタンク２６を備えていなくてもよい。

１発電システム
１０直接メタノール形燃料電池
２０メタノール合成装置
２１メタノール合成部
２２気液分離タンク
２３合成空間
２４水分離膜
２５透過側空間
２６メタノールタンク
２７二酸化炭素タンク
２８水分離装置
２９供給空間
３０水素生成装置
３１電解装置
３２太陽光発電装置

Claims

二酸化炭素を排出する燃料電池と、
メタノールを合成するメタノール合成部を含むメタノール合成装置と、
前記メタノール合成部におけるメタノールの合成に伴って発生する水をメタノールから分離する水分離膜と、
を備え、
前記燃料電池は、前記メタノール合成装置において合成されたメタノールを用いて発電し、
前記メタノール合成装置は、水素と、前記燃料電池から排出される二酸化炭素との合成ガスからメタノールを合成し、
前記水分離膜は、前記メタノール合成部の下流側かつ前記燃料電池の上流側に配置される、
発電システム。
水を電気分解することによって水素を生成する水素生成装置を更に備える、
請求項１に記載の発電システム。
前記メタノール合成部は、メタノールの合成に用いられなかった残留流体を、メタノールの合成に再利用する、
請求項１又は２に記載の発電システム。
前記メタノール合成装置は、合成したメタノールを貯留するメタノールタンクを有する、
請求項１乃至３のいずれかに記載の発電システム。
前記メタノール合成装置は、前記燃料電池から排出される二酸化炭素を貯留する二酸化炭素タンクを有する、
請求項１乃至４のいずれかに記載の発電システム。
前記燃料電池と電気的に接続され、前記燃料電池からの電力を蓄電する蓄電装置を備える、
請求項１乃至５のいずれかに記載の発電システム。
前記燃料電池は、アルカリ形燃料電池である、
請求項１乃至６のいずれかに記載の発電システム。