JP2020024918A

JP2020024918A - 発電システム

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Publication number: JP2020024918A
Application number: JP2019141938A
Authority: JP
Inventors: 武内　幸久; Yukihisa Takeuchi; 幸久武内; 酒井　均; Hitoshi Sakai; 均酒井; 博史菅; Hiroshi Suga; 誠大森; Makoto Omori; 中村　俊之; Toshiyuki Nakamura; 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: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: JP6746763B2

Abstract

【課題】二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を有効利用できる発電システムを提供する。【解決手段】発電システム１は、直接メタノール形燃料電池１０と、メタノール合成装置２０とを備える。メタノール合成装置２０は、発電所、製鉄所、工業プラントなどから排出された二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜２４と、水素と二酸化炭素分離膜２４によって分離された二酸化炭素との合成ガスからメタノールを合成するメタノール合成部２１とを有する。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。【選択図】図１

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、発電所、製鉄所、工業プラントなどから排出される排ガス中、或いは、空気中に含まれる二酸化炭素の有効利用が望まれている。

本発明者等は、鋭意検討の結果、排ガスや空気などの二酸化炭素含有ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮することができれば、二酸化炭素から燃料電池に用いられる燃料を効率的に生成できるため、二酸化炭素を有効利用できる発電システムを構築できるという着想を得た。

本発明は、上述した着想に基づいてなされたものであり、二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を有効利用できる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、メタノール合成装置と、燃料電池とを備える。メタノール合成装置は、二酸化炭素を含む二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜と、水素と二酸化炭素分離膜によって分離された二酸化炭素との合成ガスからメタノールを合成するメタノール合成部とを有する。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。

本発明によれば、二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素を有効利用できる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１０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、発電所、製鉄所、工業プラントなどから排出される排ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮し、濃縮された二酸化炭素から燃料電池に用いられる燃料を効率的に生成することによって、二酸化炭素を発電に有効利用するものである。排ガスは、二酸化炭素含有ガスの一例である。

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と水（Ｈ_２Ｏ）は、メタノール供給部１５から外部に排出される。

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、供給空間２３、二酸化炭素分離膜２４及び合成空間２５を有する。

供給空間２３には、外部の発電所、製鉄所、工業プラントなどから排出される排ガスが供給される。排ガスから二酸化炭素が分離された非透過流体（主に、水）は、供給空間２３から外部に排出される。

二酸化炭素分離膜２４は、メタノール合成部２１内に配置される。二酸化炭素分離膜２４は、供給空間２３と合成空間２５との間に配置される。二酸化炭素分離膜２４は、供給空間２３に供給される排ガスから、主として二酸化炭素を選択的に透過させる。これにより、濃縮された二酸化炭素が合成空間２５に供給される。

二酸化炭素分離膜２４の構成材料は特に制限されないが、二酸化炭素分離膜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。

二酸化炭素分離膜２４として使用されるゼオライト膜には、ＬＴＡ、ＭＦＩ、ＭＯＲ、ＦＥＲ、ＦＡＵ、ＤＤＲなどの結晶構造が異なる数多くの種類（型）が存在する。これらのうち、シリカを主成分とし、酸素８員環からなる比較的小さい細孔（４．４×３．６Å）を含む多面体により形成されるＤＤＲ型ゼオライトは、二酸化炭素を選択的かつ効率的に分離できるため、二酸化炭素分離膜に好適である。二酸化炭素分離膜としてＤＤＲ型ゼオライト膜を用いる場合、ＤＤＲ型ゼオライト膜の膜厚は、二酸化炭素分離能の観点から０．１μｍ以上が好ましく、二酸化炭素透過能の観点から２０μｍ以下が好ましい。二酸化炭素分離膜としてＤＤＲ型ゼオライト膜を用いる場合、ＤＤＲ型ゼオライト膜のＣＯ_２分離係数は、３以上が好ましく、１０以上がより好ましく、１００以上が特に好ましい。なお、ＣＯ_２分離係数は、等モル量のＣＨ_４とＣＯ_２の混合ガスを０．６ＭＰａの圧力で二酸化炭素分離膜の外側に供給し、内側に透過してくるガス組成を測定することによって算出される。

合成空間２５は、二酸化炭素分離膜２４を挟んで、供給空間２３の反対側に配置される。合成空間２５には、二酸化炭素分離膜２４を介して、供給空間２３から二酸化炭素が供給される。

合成空間２５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２５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２５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２５内に充填されていてもよいし、二酸化炭素分離膜２４の合成空間側表面に担持されていてもよい。

合成空間２５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２５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。

気液分離タンク２２には、合成空間２５から排出されるメタノール含有流体が流入する。メタノール含有流体には、合成空間２５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、冷却されたメタノール含有流体が、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２５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２５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、直接メタノール形燃料電池１０と、メタノール合成装置２０とを備える。メタノール合成装置２０は、発電所、製鉄所、工業プラントなどから排出された排ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜２４を有する。メタノール合成装置２０は、水素と、二酸化炭素分離膜２４によって分離された二酸化炭素との合成ガスからメタノールを合成する。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。

このように、発電システム１では、排ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮してメタノールを合成し、合成されたメタノールを直接メタノール形燃料電池１０における発電に利用できるため、排ガス中の二酸化炭素を有効利用することができる。

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、メタノール合成装置２０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、メタノール合成装置２０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。このように、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、発電システム１は、二酸化炭素含有ガスの一例である排ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮して発電に利用することとしたが、これに限られない。二酸化炭素含有ガスとしては、排ガスのほかに、空気を挙げることができる。すなわち、発電システム１は、空気中に数百ｐｐｍ含まれる二酸化炭素を濃縮して発電に利用してもよい。

［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から供給されるメタノールを貯留する。

このように、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を合成でき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］
上記実施形態では、直接メタノール形燃料電池１０のアノード１４において発生する二酸化炭素は、メタノール供給部１５から外部に排出されることとしたが、図４に示すように、メタノール供給部１５からメタノール合成部２１に二酸化炭素を供給する発電システム１ｃを構築してもよい。これにより、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の有効利用を図ることができる。なお、発電システム１ｃでは、必要に応じて、外部からメタノール合成部２１へ排ガスを供給してもよい。

［変形例１０］
上記実施形態において、二酸化炭素分離膜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、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の上流側に二酸化炭素分離膜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２５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。

二酸化炭素分離膜２４は、二酸化炭素分離装置２７内に配置される。二酸化炭素分離装置２７は、供給空間２３、二酸化炭素分離膜２４及び透過側空間２８を有する。

供給空間２３及び二酸化炭素分離膜２４の構成は、上記実施形態で説明したとおりである。透過側空間２８は、二酸化炭素分離膜２４を介して供給空間２３の反対側に設けられる。透過側空間２８には、二酸化炭素分離膜２４を透過した二酸化炭素が流入する。

このように、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の上流側に二酸化炭素分離膜２４を配置することによって、二酸化炭素分離膜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。

なお、図５に示した発電システム１ｄ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供給空間
２４二酸化炭素分離膜
２５合成空間
２６メタノールタンク
２７二酸化炭素分離装置
２８透過側空間
３０水素生成装置
３１電解装置
３２太陽光発電装置

Claims

二酸化炭素を含む二酸化炭素含有ガスから二酸化炭素を分離する二酸化炭素分離膜と、水素と前記二酸化炭素分離膜によって分離された二酸化炭素との合成ガスからメタノールを合成するメタノール合成部とを有するメタノール合成装置と、
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する燃料電池と、
を備える発電システム。
前記二酸化炭素分離膜は、ゼオライト膜である、
請求項１に記載の発電システム。
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又は２に記載の発電システム。
前記二酸化炭素分離膜は、前記メタノール合成部内に配置される、
請求項１乃至３のいずれかに記載の発電システム。
前記二酸化炭素分離膜は、前記燃料電池の下流側かつ前記メタノール合成部の上流側に配置される、
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乃至５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、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６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７のいずれかに記載の発電システム。