KR102565809B1 - 반응 장치 및 연료 전지 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

연료 가스가 공급되는 제1 유로, 산소를 포함하는 가스가 공급되는 제2 유로, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 이격시키며 상기 제1 유로에 공급되는 상기 연료 가스에 포함되는 수소를 상기 제2 유로측으로 투과하는 수소 투과막, 및 상기 제2 유로에 설치되며 상기 산소와 상기 수소 투과막을 투과하는 수소의 산화 반응을 촉진하는 촉매를 구비하고, 상기 수소 투과막은 산화바륨 지르코늄막을 구비하는 반응 장치에 관한 것이다.

Description

반응 장치 및 연료 전지 발전 시스템
본 발명은 반응 장치 및 연료 전지 발전 시스템에 관한 것이다.
연료 전지 발전 시스템에서 탄소 화합물 연료를 사용하는 경우에는 연료 전지로부터 배출되는 배기 가스에 이산화탄소 가스가 포함되어 있다. 이 배기 가스로부터 이산화탄소 가스를 분리하는 것이 고려되고 있다(예컨대 특허문헌 1 내지 5 참조).
일본 특허공보 제5581240호 일본 특허공개공보 제2013-196890호 일본 특허공보 제5137199호 일본 특허공개공보 제2012-164423호 일본 특허공보 제3334567호
이산화탄소 가스는 액화하여 액화 이산화탄소로 만듦으로써 수송이나 저장층에의 압입 고정화, 및 상공업적 이용을 용이하게 한다.
배기 가스에는 이산화탄소 가스 이외의 기체(불순물)가 포함되어 있기 때문에, 불순물이 적은 액화 이산화탄소를 얻으려면 이산화탄소 가스 이외의 기체를 제거할 필요가 있다. 배기 가스의 미반응 성분과 산소를 반응시킴으로써 고농도의 이산화탄소 가스를 얻는 장치는 있지만, 이산화탄소 가스를 얻을 때의 반응을 촉진하는 것이 요망되고 있다.
또한 이산화탄소 가스를 대기로 방출시키지 않기 위해, 분리한 이산화탄소 가스로부터 탄소를 생성하여 저장하는 것이 알려져 있다. 이산화탄소 가스와 수소를 촉매 하에 반응(환원 반응)시켜 탄소를 제조하는 탄소 제조 장치가 알려져 있다(예컨대 특허문헌 5 참조). 환원 반응에 사용하는 이산화탄소 가스를 효율적으로 얻는 관점에서도 이산화탄소 가스를 얻을 때의 반응을 촉진하는 것이 요망되고 있다.
이산화탄소 가스를 얻을 때의 반응을 촉진하기 위해, 산소 투과막을 사용하여 산소를 포함하는 가스로부터 산소를 선택적으로 분리하고, 분리된 산소와 배기 가스의 미반응 성분을 산화시켜 이산화탄소를 생성하는 경우가 있다. 이때, 산소 투과막으로는 LSCF(La, Sr, Co, Fe 및 산소로 이루어진 화합물), BSCF(Ba, Sr, Co, Fe 및 산소로 이루어진 화합물) 등을 포함하는 혼합 도전성 세라믹막이 사용된다.
그런데 이러한 혼합 도전성 세라믹막을 사용한 경우, 배기 가스에 포함되는 이산화탄소 또는 산소와 배기 가스의 미반응 성분의 산화에 의해 생성되는 이산화탄소는 LSCF, BSCF 등과 반응하고, 혼합 도전성 세라믹막 상에 탄산염이 생성 및 축적되어 산소 투과막에서의 산소 투과성이 현저히 떨어질 우려가 있다. 그 결과, 이러한 혼합 도전성 세라믹막을 사용한 경우 고농도의 이산화탄소 가스를 얻지 못할 우려가 있다.
이에 이산화탄소 가스를 분리하는 방법으로서 이산화탄소 내성이 높은 수소 투과막을 사용하여 수소를 포함하는 연료극 오프 가스로부터 수소를 선택적으로 분리함으로써 고농도의 이산화탄소 가스를 생성하고, 분리된 수소는 공기극 가스 중의 산소와 반응시키는 방법도 있다.
수소 투과막으로는 수소의 높은 수송 특성을 구현 가능한 것이 요구되고 있다.
본 발명의 일형태는 전술한 내용을 감안하여 이루어진 것이며, 수소 투과성이 뛰어난 수소 투과막이 탑재되어 연료 가스의 미반응 성분의 산화 반응을 촉진하는 반응 장치 및 그 반응 장치를 구비한 연료 전지 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
<1>　연료 가스가 공급되는 제1 유로, 산소를 포함하는 가스가 공급되는 제2 유로, 상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 이격시키며 상기 제1 유로에 공급되는 상기 연료 가스에 포함되는 수소를 상기 제2 유로측으로 투과하는 수소 투과막, 및 상기 제2 유로에 설치되며 상기 산소와 상기 수소 투과막을 투과하는 수소의 산화 반응을 촉진하는 촉매를 구비하고, 상기 수소 투과막은 산화바륨 지르코늄막을 구비하는 반응 장치.
상기 <1>의 구성에 의하면, 산화바륨 지르코늄막을 사용함으로써 LSCF(La, Sr, Co, Fe 및 산소로 이루어진 화합물), BSCF(Ba, Sr, Co, Fe 및 산소로 이루어진 화합물) 등을 포함하는 세라믹막을 사용하는 경우와 비교하여 이산화탄소와 막 성분의 반응에 의한 탄산염의 생성 및 축적이 억제되기 때문에, 이산화탄소 내성이 뛰어난 경향이 있다. 나아가 수소 투과막이 산화바륨 지르코늄막을 구비함으로써 수소 투과막 안이 내부 단락 상태가 되는 특성이 있기 때문에, 수소 투과막은 높은 수소 투과성을 갖고 있는 동시에 수소 투과막에서의 수소 투과성 저하를 억제할 수 있다. 또한 연료 가스 중에 일산화탄소, 수증기가 포함되는 경우, 수소가 선택적으로 분리됨으로써 화학 평형이 변화하고, 연료 가스 중의 수증기와 일산화탄소가 시프트 반응을 일으켜 이산화탄소와 수소로 변화하기 때문에, 연료 가스 중의 일산화탄소도 이산화탄소로 변화해 간다. 그러므로 연료 가스 중의 수소를 제2 유로측으로 분리시켜 효율적으로 이산화탄소를 농축하는 것도 가능하다. 또, <1>의 구성에서는, 연료 가스는 연료극으로부터 배출된 미반응된 연료 가스를 포함하는 연료극 오프 가스일 수도 있고, 산소를 포함하는 가스는 공기극으로부터 배출된 미반응된 산소를 포함하는 공기극 오프 가스일 수도 있다. 또한 연료 가스는 이산화탄소를 포함하고 있을 수도 있다.
<2>　상기 <1>에 있어서, 상기 산화바륨 지르코늄막은 이트륨(Y), 이터븀(Yb), 셀레늄(Se), 스트론튬(Sr), 스칸듐(Sc), 가돌리늄(Gd) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 금속 산화물 중 적어도 1종을 산화바륨 지르코늄에 도핑한 막인 반응 장치.
상기 <2>의 구성에 의하면, 산화바륨 지르코늄막에 대해 높은 내구성과 수소의 높은 수송 특성을 구현할 수 있다는 효과를 발휘한다.
<3>　상기 <2>에 있어서, 상기 산화바륨 지르코늄막에서 상기 금속 산화물을 구성하는 금속에 대한 산화바륨 지르코늄의 몰 비율(산화바륨 지르코늄/금속 산화물을 구성하는 금속)은 70/30 ~ 90/10인 반응 장치.
상기 <3>의 구성에 의하면, 산화바륨 지르코늄막에 대해 전술한 몰 비율이 70/30 이상임으로써 높은 화학 안정성을 구현할 수 있고, 전술한 몰 비율이 90/10 이하임으로써 수소의 높은 수송 특성을 구현할 수 있다.
<4>　상기 <1> 내지 <3> 중 어느 하나에 있어서, 상기 산화바륨 지르코늄막은 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면이 전기적으로 단락되어 있는 반응 장치.
<5> 상기 <4>에 있어서, 상기 산화바륨 지르코늄막은 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면을 관통하는 마이크로 비아 구조를 구비하며, 상기 마이크로 비아 구조에 전자 전도성을 갖는 재료가 매립되어 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면이 내부 단락되어 있거나, 또는 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면에 집전체를 더 구비하며, 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면이 외부 단락되어 있는 반응 장치.
상기 <4> 및 <5>의 구성에 의하면, 산화바륨 지르코늄막에 전자 전도성을 갖게 하고, 제1 유로측으로 공급된 수소를 수소 이온(H+)으로서 제2 유로측으로 투과시킴으로써 수소 투과성을 높일 수 있다.
<6>　상기 <1> 내지 <5> 중 어느 하나에 있어서, 상기 촉매는 상기 수소 투과막의 상기 제2 유로측에 적층되어 있는 반응 장치.
상기 <6>의 구성에 의하면, 산소와 수소 투과막을 투과한 수소를 적합하게 산화 반응시킬 수 있다.
<7> 상기 <1> 내지 <6> 중 어느 하나에 따른 반응 장치, 및 연료극, 공기극 및 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 배치된 전해질층을 구비하고, 상기 연료극으로 공급되는 상기 연료 가스 및 상기 공기극으로 공급되는 산소를 포함하는 산화제 가스에 의해 발전하고, 상기 연료극으로부터 미반응된 상기 연료 가스를 포함하는 연료극 오프 가스가 배출되고, 상기 공기극으로부터 산소를 포함하는 공기극 오프 가스가 배출되는 연료 전지를 구비하고, 상기 제1 유로에 상기 연료극 오프 가스가 공급되고, 상기 제2 유로에 상기 공기극 오프 가스가 공급되며, 상기 반응 장치의 상기 제2 유로에서 상기 산소와 상기 수소 투과막을 투과하는 수소가 산화 반응하여 물이 생성되고, 상기 연료극 오프 가스로부터 미반응된 수소가 분리되는 연료 전지 발전 시스템.
상기 <7>의 구성에 의하면, 반응 장치의 제1 유로에 연료극 오프 가스가 공급되고, 반응 장치의 제2 유로에 공기극 오프 가스가 공급된다. 그리고 반응 장치 내에서 연료극 오프 가스에 포함되는 수소가 수소 투과막을 투과하여 제2 유로측으로 공급되고, 공기극 오프 가스에 포함되는 산소와의 산화 반응에 제공된다. 이때, 이산화탄소 농도가 높은 가스를 얻을 수 있다.
나아가 연료극 오프 가스 중에 일산화탄소도 포함되어 있는 경우, 수소가 선택적으로 분리됨으로써 화학 평형이 변화하고, 연료극 오프 가스 중의 수증기와 일산화탄소가 시프트 반응을 일으켜 이산화탄소와 수소로 변화한다. 그러므로 연료극 오프 가스 중의 수소가 제2 유로측으로 분리됨으로써 효율적으로 이산화탄소 농도가 보다 높은 가스를 얻을 수 있다.
<8>　상기 <7>에 있어서, 상기 연료 전지를 복수개 구비하고, 복수개의 상기 연료 전지에서의 연료극은 직렬로 배치되어 있고, 보다 상류측 연료극으로부터 배출된 상기 연료극 오프 가스는 보다 하류측 연료극으로 공급되고, 최하류측 연료극으로부터 배출된 상기 연료극 오프 가스가 상기 제1 유로에 공급되고, 복수개의 상기 연료 전지에서의 공기극 중 적어도 어느 하나로부터 배출된 상기 공기극 오프 가스가 상기 제2 유로에 공급되는 연료 전지 발전 시스템.
상기 <8>의 구성에 의하면, 복수개의 연료 전지를 구비하고, 보다 상류측 연료극으로부터 배출된 연료극 오프 가스가 보다 하류의 연료극으로 공급되어 재이용됨으로써 연료 전지 발전 시스템의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
<9>　상기 <7> 또는 <8>에 있어서, 상기 반응 장치의 상기 제1 유로에서 배출된 가스로부터 수증기를 분리하는 수증기 분리부를 더 구비하는 연료 전지 발전 시스템.
상기 <9>의 구성에 의하면, 제1 유로로부터 배출된 가스는 수증기 및 이산화탄소를 주요 성분으로 포함하기 때문에, 이 가스로부터 수증기를 분리함으로써 고농도의 이산화탄소를 회수할 수 있다.
<10>　상기 <7> 내지 <9> 중 어느 하나에 있어서, 재생 가능 에너지를 이용하여 발전하는 발전 장치, 상기 발전 장치에서의 발전을 통해 발생한 전력을 사용하여 물을 전기 분해하는 수전해 장치, 및 상기 수전해 장치에서 생성된 수소와 상기 반응 장치의 상기 제1 유로로부터 배출된 가스에 포함되는 이산화탄소의 환원 반응에 의해 탄소를 생성하는 탄소 생성부를 더 구비하는 연료 전지 발전 시스템.
상기 <10>의 구성에 의하면, 회수된 고농도의 이산화탄소와 재생 가능 에너지에서 유래된 수소(CO2 프리 수소)의 환원 반응에 의해 탄소를 생성할 수 있다.
<11>　상기 <7> 내지 <10> 중 어느 하나에 있어서, 상기 반응 장치의 상기 제1 유로로부터 배출된 가스에 포함되는 이산화탄소를 압축하는 압축부, 및 상기 압축부에서 압축된 이산화탄소를 액화하는 액화 장치를 더 구비하는 연료 전지 발전 시스템.
상기 <11>의 구성에 의하면, 회수된 고농도의 이산화탄소로부터 액화 이산화탄소를 효율적으로 얻을 수 있다.
본 발명의 일형태에 의하면, 수소 투과성이 뛰어난 수소 투과막이 탑재되어 연료 가스의 미반응 성분의 산화 반응을 촉진하는 반응 장치 및 그 반응 장치를 구비한 연료 전지 발전 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 연료 전지 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 수소 투과막이 부착된 산화 반응기를 나타낸 축선을 따른 단면도이다.
도 3은 수소 투과막을 나타낸 확대 단면도이다.
도 4는 이산화탄소의 상태도이다.
도 5는 외부 단락된 수소 투과막을 나타낸 확대 단면도이다.
도 6은 제2 실시형태에 따른 연료 전지 발전 시스템의 개략도이다.
도 7은 제3 실시형태에 따른 연료 전지 발전 시스템의 개략도이다.
도 8은 제4 실시형태에 따른 연료 전지 발전 시스템의 개략도이다.
본 개시에 있어서 ‘~’를 사용하여 표시되는 수치 범위는 ‘~’ 앞뒤로 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로 포함하는 범위를 의미한다.
본 개시 중에 단계적으로 기재되어 있는 수치 범위에서 하나의 수치 범위로 기재된 상한값 또는 하한값은 다른 단계적인 기재의 수치 범위의 상한값 또는 하한값으로 바꿀 수도 있다.
[제1 실시형태]
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태의 일례를 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 연료 전지 발전 시스템(10A)이 나타나 있다. 연료 전지 발전 시스템(10A)은 주요 구성으로서 제1 연료 전지 셀 스택(12), 제2 연료 전지 셀 스택(14), 반응 장치로서의 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20), 응축기(수증기 분리부)(26), 제2 열교환기(32), 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36), 물탱크(27), 이산화탄소 가스 액화부(66), 탱크(84) 등을 구비하고, 이것들이 온사이트에 설치되어 있다. 또한 연료 전지 발전 시스템(10A)은 도시하지 않은 제어부를 구비하고 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이 제1 연료 전지 셀 스택(12)은 수소 이온 전도형 고체 산화물형 연료 전지(PCFC: Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell)이며, 전해질층(12C), 해당 전해질층(12C)의 표면, 이면에 각각 적층된 제1 연료극(연료극)(12A), 및 제1 공기극(공기극)(12B)을 갖고 있다.
또, 제2 연료 전지 셀 스택(14)의 기본 구성은 제1 연료 전지 셀 스택(12)과 동일하다. 제2 연료 전지 셀 스택(14)은 제1 연료극(12A)에 대응하는 제2 연료극(14A), 제1 공기극(12B)에 대응하는 제2 공기극(14B), 및 전해질층(12C)에 대응하는 전해질층(14C)을 갖고 있다.
제1 연료 전지 셀 스택(12)의 제1 연료극(12A)에는 개질 가스관(P1-2)의 일단이 접속되어 있고, 연료 가스관(P1-1)의 타단은 후술하는 개질기(54)에 접속되어 있다. 개질기(54)로부터는 연료 가스가 제1 연료극(12A)으로 송출된다. 또, 본 실시형태에서는 연료 가스로 메탄을 사용하지만, 개질에 의해 수소를 생성 가능한 가스라면 특별히 한정되지 않고 탄화수소 연료를 사용할 수 있다. 탄화수소 연료로는 천연 가스, LP 가스(액화 석유 가스), 바이오 가스, 석탄 개질 가스, 저급 탄화수소 가스 등이 예시된다. 저급 탄화수소 가스로는 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 부탄 등의 탄소수 4 이하의 저급 탄화수소를 예로 들 수 있고, 본 실시형태에서 사용하는 메탄이 바람직하다. 또, 탄화수소 연료로는 상술한 저급 탄화수소 가스를 혼합한 것일 수도 있고, 상술한 저급 탄화수소 가스는 천연 가스, 도시 가스, LP 가스 등의 가스일 수도 있다. 연료 가스에 불순물이 포함되는 경우, 탈황기 등이 필요하게 되지만 도 1에서는 생략되어 있다.
개질 가스관(P1-2)에는 수증기관(P2)이 합류 접속되어 있고, 도시하지 않은 수증기원으로부터 기동 시, 정지 시 등에 적절히 수증기가 보내진다. 메탄 및 수증기는 연료 가스관(P1-1)에서 합류되어 제1 연료극(12A)으로 공급된다. 또, 수증기관(P2)으로부터의 수증기는 연료 전지 발전 시스템(10A)의 기동 시, 정지 시 등에 있어서 필요할 때 보충적으로 공급된다.
제1 연료극(12A)에서는 하기 (1) 식에 나타낸 바와 같이 연료 가스가 수증기 개질되어 수소와 일산화탄소가 생성된다. 또한 하기 (2) 식에 나타낸 바와 같이 생성된 일산화탄소와 수증기의 시프트 반응에 의해 이산화탄소와 수소가 생성된다.
CH4+H2O → 3H2+CO …(1)
CO+H2O → CO2+H2 …(2)
그리고 제1 연료극(12A)에서 하기 (3) 식에 나타낸 바와 같이 수소가 수소 이온과 전자로 분리된다.
(연료극 반응)
H2 → 2H++2e- …(3)
수소 이온은 전해질층(12C)을 통과하여 제1 공기극(12B)으로 이동한다. 전자는 외부 회로(미도시)를 통과하여 제1 공기극(12B)으로 이동한다. 이에 따라 제1 연료 전지 셀 스택(12)에서 발전된다. 발전 시에 제1 연료 전지 셀 스택(12)은 발열한다.
제1 연료 전지 셀 스택(12)의 제1 공기극(12B)에는 산화제 가스관(P5)으로부터 산화제 가스(공기)가 공급된다. 산화제 가스관(P5)으로는 산화제 가스 블로워(B2)에 의해 공기가 도입되어 있다. 산화제 가스관(P5)에는 제2 열교환기(32)가 설치되어 있고, 산화제 가스관(P5)을 흐르는 공기가 후술하는 공기극 오프 가스관(P6)을 흐르는 공기극 오프 가스와 열교환에 의해 가열된다. 가열된 공기는 제1 공기극(12B)으로 공급된다.
제1 공기극(12B)에서는 하기 (4) 식에 나타낸 바와 같이 전해질층(12C)을 통과하여 제1 연료극(12A)으로부터 이동해 온 수소 이온, 외부 회로를 통과하여 제1 연료극(12A)으로부터 이동한 전자가 산화제 가스 중의 산소와 반응하여 수증기가 생성된다.
(공기극 반응)
2H++2e-+1/2O2 → H2O　 …(4)
또한 제1 공기극(12B)에는 공기극 오프 가스관(P6)이 접속되어 있다. 제1 공기극(12B)으로부터 공기극 오프 가스관(P6)으로 공기극 오프 가스가 배출된다. 또, 산화제 가스관(P5) 및 공기극 오프 가스관(P6)은 제2 공기극(14B)과도 동일하게 접속되어 있고, 제1 공기극(12B) 및 제2 공기극(14B)은 병렬로 접속되어 있다.
제1 연료 전지 셀 스택(12)의 제1 연료극(12A)에는 제1 연료극 오프 가스관(P7)의 일단이 접속되어 있고, 제1 연료극 오프 가스관(P7)의 타단은 제2 연료 전지 셀 스택(14)의 제2 연료극(14A)에 접속되어 있다. 제1 연료극(12A)으로부터 제1 연료극 오프 가스관(P7)으로 제1 연료극 오프 가스가 송출된다. 연료극 오프 가스에는 미개질된 연료 가스 성분, 미반응된 수소, 미반응된 일산화탄소, 이산화탄소 및 수증기 등이 포함되어 있다.
제2 연료 전지 셀 스택(14)의 제2 연료극(14A)에는 제2 연료극 오프 가스관(P7-2)의 일단이 접속되어 있고, 제2 연료극(14A)으로부터 제2 연료극 오프 가스가 송출된다. 제2 연료극 오프 가스관(P7-2)의 타단은 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)와 접속되어 있다.
제2 연료 전지 셀 스택(14)에서는 제1 연료 전지 셀 스택(12)과 동일한 발전 반응이 수행되어 제2 공기극(14B)으로부터 공기극 오프 가스관(P6)으로 공기극 오프 가스가 송출된다. 제2 공기극(14B)과 접속된 공기극 오프 가스관(P6)은 제1 공기극(12B)과 접속된 공기극 오프 가스관(P6)과의 합류부보다 더 상류측에서 분기되어 있고, 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)이 형성되어 있다. 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)에는 유량 조절 가능한 유량 조절 밸브(42)가 설치되어 있다. 유량 조절 밸브(42)는 제어부와 접속되어 있다. 유량 조절 밸브(42)는 제어부에 의해 제어되고, 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)으로 분기하는 공기극 오프 가스 유량이 조절된다. 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)의 하류단은 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)와 접속되어 있다.
(수소 투과막이 부착된 산화 반응기)
도 2에 나타낸 바와 같이 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)는 외통(20A), 외통(20A)의 내측에 배치된 원통 형상의 수소 투과막(23), 및 외통(20A) 및 원통 형상의 수소 투과막(23)의 통축 방향 단측의 개구 부분을 폐색하는 폐색 부재(20B)를 가지며 구성된 내부가 밀폐된 다중 원통형으로 되어 있다.
외통(20A)과 수소 투과막(23) 사이는 환형의 수소 분리부(22)가 되며, 원통 형상의 수소 투과막(23)의 내주측은 산화 반응부(24)로 되어 있고, 수소 분리부(22)와 산화 반응부(24)는 수소 투과막(23)으로 격리되어 있다.
수소 분리부(22)는 내부에 나선 형상으로 된 외측 나선 통로 형성 부재(28)가 설치되고, 외통(20A)의 통축 방향을 향해 나선형으로 된 수소 분리 공간(22A)이 형성되어 있다.
외측 나선 통로 형성 부재(28)는 일례로 띠형 부재를 나선형으로 형성한 것이며, 내주연이 수소 투과막(23)의 외주면에 고정되고, 외주연이 외통(20A)의 내주면에 고정되어 있다.
산화 반응부(24)는 내부에 나선 형상으로 된 내측 나선 통로 형성 부재(29)가 설치되고, 외통(20A)의 통축 방향을 향해 나선형으로 된 공기 유로(24A)가 형성되어 있다.
내측 나선 통로 형성 부재(29)는 일례로 띠형 부재를 나선형으로 형성한 것이며, 외주연이 수소 투과막(23)의 내주면에 고정되어 있다. 또, 내측 나선 통로 형성 부재(29)는 내주연을 축심 부분에 설치한 도시하지 않은 축의 외주면에 고정한 나선 계단 형상으로 할 수도 있다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 본 실시형태의 수소 투과막(23)은 다공질의 세라믹막(23A), 세라믹막(23A)의 수소 분리 공간(22A)측에 설치되는 산화바륨 지르코늄막(23B), 및 세라믹막(23A)의 공기 유로(24A)측에 설치되는 다공질의 반응 촉매막(23C)을 포함하여 구성되고, 산화 반응부(24)로부터 수소 분리부(22)로, 반응 촉매막(23C), 세라믹막(23A), 산화바륨 지르코늄막(23B)의 순서로 적층되어 있다. 또, 세라믹막(23A)과 산화바륨 지르코늄막(23B)으로 고온 수소 투과막이 구성되어 있다. 또한 세라믹막(23A)은 산화바륨 지르코늄막(23B)의 지지체로 기능하고 있고, 세라믹막(23A) 대신에 다공질의 지지체를 설치할 수도 있다.
다공질의 세라믹막(23A)으로는 안정화 지르코니아, 부분 안정화 지르코니아 등을 포함하는 다공질의 막을 들 수 있다. 안정화 지르코니아의 구체적인 예로는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 등을 들 수 있다. 부분 안정화 지르코니아의 구체적인 예로는 이트리아 부분 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 부분 안정화 지르코니아(ScSZ) 등을 들 수 있다. 안정화 지르코니아, 부분 안정화 지르코니아 등은 니켈, 코발트, 루테늄 등이 도핑된 것일 수도 있고, 예컨대 Ni-YSZ 등일 수 있다.
산화바륨 지르코늄막(23B)으로는 산화바륨 지르코늄을 포함하는 막이며, 산화바륨 지르코늄을 포함하는 치밀막일 수도 있다. 산화바륨 지르코늄막(23B)은 LSCF(La, Sr, Co, Fe 및 산소로 이루어진 화합물), BSCF(Ba, Sr, Co, Fe 및 산소로 이루어진 화합물) 등을 포함하는 세라믹막과 비교하여 이산화탄소와 막 성분의 반응에 의한 탄산염의 생성 및 축적이 억제되기 때문에, 이산화탄소 내성이 뛰어난 경향이 있다. 나아가 수소 투과막(23)이 산화바륨 지르코늄막(23B)을 구비함으로써 수소 투과막(23) 안이 내부 단락 상태가 되는 특성이 있기 때문에, 수소 투과막(23)은 높은 수소 투과성을 갖고 있는 동시에 수소 투과막(23)에서의 수소 투과성 저하를 억제할 수 있다. 이에 따라 수소 분리 공간(22A)측에서 이산화탄소 농도가 높은 가스를 얻을 수 있다.
산화바륨 지르코늄막(23B)은 높은 내구성과 수소의 높은 수송 특성을 구현할 수 있는 관점에서 이트륨(Y), 이터븀(Yb), 셀레늄(Ce), 스트론튬(Sr), 스칸듐(Sc), 가돌리늄(Gd) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 금속 산화물 중 적어도 1종을 산화바륨 지르코늄에 도핑한 막인 것이 바람직하고, 이트륨 및 이터븀 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두를 포함하는 금속 산화물을 산화바륨 지르코늄에 도핑한 막인 것이 보다 바람직하다.
산화바륨 지르코늄막(23B)은 높은 내구성과 수소의 높은 수송 특성을 구현할 수 있는 관점에서 산화이트륨(Y2O3), 산화이터븀(Yb2O3), 산화셀레늄(SeO2), 산화스트론튬(SrO), 산화스칸듐(Sc2O3), 산화가돌리늄(Gd2O3), 및 산화인듐(In2O3)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속 산화물을 산화바륨 지르코늄에 도핑한 막인 것이 바람직하고, 산화이트륨 및 산화이터븀 중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두를 포함하는 금속 산화물을 산화바륨 지르코늄에 도핑한 막인 것이 보다 바람직하다.
산화바륨 지르코늄막(23B)에서 전술한 금속 산화물에 대한 산화바륨 지르코늄의 몰 비율(산화바륨 지르코늄/금속 산화물을 구성하는 금속)은 70/30 ~ 90/10인 것이 바람직하고, 75/25 ~ 85/15인 것이 보다 바람직하다. 전술한 몰 비율이 70/30 이상임으로써 높은 화학 안정성을 구현할 수 있고, 전술한 몰 비율이 90/10 이하임으로써 수소의 높은 수송 특성을 구현할 수 있다.
산화바륨 지르코늄막(23B)에 전자 전도성을 갖게 하고, 수소 분리 공간(22A)측으로 공급된 수소를 수소 이온(H+)으로서 산화 반응부(24)측으로 투과시킴으로써 수소 투과성을 높이는 관점에서 산화바륨 지르코늄막(23B)은 수소 분리 공간(22A)측 및 공기 유로(24A)측의 면이 전기적으로 단락되어 있는 것이 바람직하다. 또, ‘수소 분리 공간(22A)측 및 공기 유로(24A)측의 면이 전기적으로 단락되어 있다’란, 산화바륨 지르코늄에서 유래되지 않은 단락이 발생하고 있는 것을 의미하고, 예컨대 후술하는 마이크로 비아 구조, 외부 단락된 구조 등을 갖는 것을 의미한다. 또한 산화바륨 지르코늄막은 높은 전자 전도성을 갖고 있기 때문에, 산화바륨 지르코늄에서 유래되지 않은 단락이 발생하고 있는 구성은 없을 수도 있다.
예컨대 산화바륨 지르코늄막(23B)이 수소 분리 공간(22A)측 및 공기 유로(24A)측의 면을 관통하는 마이크로 비아 구조를 구비하고, 이 마이크로 비아 구조에 전자 전도성을 갖는 재료가 매립되어 있음으로써 수소 분리 공간(22A)측 및 공기 유로(24A)측의 면이 내부 단락되어 있을 수도 있다. 마이크로 비아 구조로는 예컨대 미소 원통공 구조일 수도 있다.
마이크로 비아 구조에 매립되는 재료로는 금속 산화물, 금속을 도핑한 금속 산화물, 금속, 이들의 조합 등을 예로 들 수 있다. 보다 구체적으로 SrFeO3-δ 등의 금속 산화물, Sr, Ca, Mg 등을 도핑한 LaCrO3-δ, Sr, Co 등을 도핑한 LaFeO3-δ, Sr, Co 등을 도핑한 BaFeO3-δ 등의 금속을 도핑한 금속 산화물, Pd, Pd-Ag 합금, Ni, Co 등의 금속, 이들 2종 이상의 조합 등을 예로 들 수 있다. 또한 이들을 2종 이상 조합하는 경우, 마이크로 비아 구조에 있어서의 수소 분리 공간(22A)측 및 공기 유로(24A)측에 다른 재료를 각각 매립할 수도 있고, 예컨대 수소 분리 공간(22A)측에 금속을 매립할 수도 있고, 공기 유로(24A)측에 금속 산화물, 금속을 도핑한 금속 산화물 등을 매립할 수도 있다.
혹은 도 5에 나타낸 바와 같이 산화바륨 지르코늄막(23B)은 수소 분리 공간(22A)측 및 공기 유로(24A)측의 면에 집전체(미도시)를 구비하고, 공기 유로(24A)측의 면과 수소 분리 공간(22A)측의 면을 도선(25) 등으로 외부 단락시킨 것일 수도 있다.
반응 촉매막(23C)은 수소와 산소의 산화 반응을 촉진하는 촉매라면 특별히 한정되지 않고, 예컨대 니켈, 루테늄 등의 재료로 이루어진 막 형상으로 형성된 다공체일 수도 있다. 또한 반응 촉매막(23C)을 배치하는 대신에 공기 유로(24A)의 적어도 일부에 전술한 산화 반응 촉매가 배치 또는 충전되어 있을 수도 있다.
수소 투과막(23)의 두께는 특별히 한정되지 않고, 수소 투과성 및 기계적 강도의 관점에서 10μm ~ 3000μm의 범위가 바람직하고, 10μm ~ 500μm의 범위가 보다 바람직하고, 15μm ~ 150μm의 범위가 더욱 바람직하다.
산화바륨 지르코늄막(23B)의 두께는 수소 투과성을 적합하게 확보하는 관점에서 100nm ~ 100μm의 범위가 바람직하고, 100nm ~ 50μm의 범위가 보다 바람직하다.
　또한 세라믹막(23A)의 두께(산화바륨 지르코늄막(23B)의 두께보다 더 큰 것이 바람직하다)는 10μm ~ 500μm의 범위가 바람직하고, 30μm ~ 300μm의 범위가 보다 바람직하다.
도 1, 및 도 2에 나타낸 바와 같이 수소 분리 공간(22A)의 입구에는 제2 연료극 오프 가스관(P7-2)의 타단이 접속되고, 공기 유로(24A)의 입구에는 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)의 하류단이 접속되어 있다.
제2 연료극 오프 가스는 수소 분리 공간(22A)으로 공급되고, 제2 연료극 오프 가스에 포함되어 있는 수소가 수소 투과막(23)을 투과하여 공기 유로(24A)로 이동한다.
제2 공기극 오프 가스는 공기 유로(24A)에 공급되고, 수소 투과막(23)을 투과하여 이동한 수소와 혼합된다. 이에 따라 투과하여 이동한 수소와 산소로 산화 반응이 생겨 수증기가 생성된다. 수증기, 미반응된 성분 등을 포함하는 제2 공기극 오프 가스는 공기 유로(24A)의 출구측에 접속된 배기관(P12)으로부터 외부로 배기된다.
제2 연료극 오프 가스는 수소 분리 공간(22A)에서 수소가 분리됨으로써 이산화탄소 농도가 높아진 수소 분리 가스가 된다. 수소 분리 공간(22A)의 출구측에는 수소 분리 가스관(P8-1)이 접속되어 있고, 수소 분리 공간(22A)으로부터 수소 분리 가스가 송출된다.
제2 연료극 오프 가스 중에 일산화탄소도 포함되어 있는 경우, 수소가 선택적으로 분리됨으로써 화학 평형이 변화하고, 제2 연료극 오프 가스 중의 수증기와 일산화탄소가 시프트 반응을 일으켜 이산화탄소와 수소로 변화한다. 그러므로 제2 연료극 오프 가스 중의 수소가 공기 유로(24A)측으로 분리됨으로써 효율적으로 이산화탄소 농도가 더 높은 가스를 얻을 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이 수소 분리 가스관(P8-1)은 후술하는 개질기(54)의 내측 유로(55B)에 접속되어 있다.
(개질기)
본 실시형태의 개질기(54)는 다중 원통형으로 되어 있고, 직경 방향 외측에 배치된 환형 기화 유로(55A), 기화 유로(55A)의 직경 방향 내측에 인접하게 배치된 내측 유로(55B)를 갖고 있다. 또, 기화 유로(55A)와 내측 유로(55B)는 격벽(57)으로 이격되어 있다.
기화 유로(55A)는 상측의 환형 공간에 개질 촉매(58)가 충전되어 있고, 하측이 원통 형상의 통축 방향을 향해 나선형으로 형성된 나선 유로(55A-2)로 되어 있다.
기화 유로(55A)의 하단(유로 상류측)에는 연료 가스관(P1-1)의 일단과 물공급관(P2-2)의 일단이 접속되어 있다.
연료 가스관(P1-1)의 타단에는 연료 공급 블로워(B1)가 접속되어 있고, 연료 가스원인 메탄이 연료 공급 블로워(B1)에 의해 개질기(54)의 기화 유로(55A)로 공급된다.
물공급관(P2-2)의 타단은 물탱크(27)와 접속되어 있다. 물공급관(P2-2)에는 이온 교환 수지(56) 및 펌프(27B)가 설치되어 있다. 펌프(27B)를 구동시킴으로써 물탱크(27)에 저장된 물이 이온 교환 수지(56)를 거쳐 개질기(54)로 공급된다.
기화 유로(55A)의 상단(유로 하류측)에는 개질 가스관(P1-2)의 일단이 접속되어 있다. 개질 가스관(P1-2)의 타단은 수증기관(P2)과 접속되어 있다.
내측 유로(55B)의 상단(유로 상류측)에는 수소 분리 가스관(P8-1)의 일단이 접속되어 있고, 수소 분리 가스관(P8-1)의 타단은 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)의 수소 분리 공간(22A)에 접속되어 있다. 내측 유로(55B)에는 수소 분리 공간(22A)으로부터 송출된 고온의 수소 분리 가스가 수소 분리 가스관(P8-1)을 통해 공급된다.
내측 유로(55B)의 하단(유로 하류측)에는 수소 분리 가스관(P8-2)의 일단이 접속되어 있고, 수소 분리 가스관(P8-2)의 타단은 후술하는 응축기(26)에 접속되어 있다. 내측 유로(55B)로부터 배출된 수소 분리 가스는 수소 분리 가스관(P8-2)을 통해 후술하는 응축기(26)로 송출된다.
내측 유로(55B)에는 고온의 수소 분리 가스가 통과하므로, 기화 유로(55A)와 내측 유로(55B)를 이격시키는 격벽(57)은 수소 분리 가스에 의해 가열된다. 이 때문에 내측 유로(55B)에 인접하는 기화 유로(55A)에서 개질 촉매(58), 연료 가스, 및 물이 수소 분리 가스의 열로 가열되어 연료 가스가 수증기 개질되고, 수증기 개질된 연료 가스가 개질 가스관(P1-2) 및 수증기관(P2)을 통해 제1 연료 전지 셀 스택(12)의 제1 연료극(12A)으로 송출되는 동시에 고온의 수소 분리 가스의 온도를 저하시켜 수소 분리 가스 중에 포함되는 수증기의 일부를 응축 분리시킬 수 있다.
(응축기)
응축기(26)에는 냉각수 순환 유로(26A)가 배관되어 있고, 후술하는 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)로부터의 냉각수가 펌프(26P)의 구동에 의해 순환 공급되어 개질기(54)로부터 송출된 수소 분리 가스가 더욱 냉각된다. 이에 따라 수소 분리 가스 중의 수증기를 응축시켜 수소 분리 가스에 포함되는 수증기의 대부분을 분리 제거한다. 응축한 물은 물배관(P9)을 통해 물탱크(27)로 송출된다.
응축기(26)에서 물(액상)이 제거된 수소 분리 가스는 이산화탄소 농도가 높은 가스로 되어 있고, 해당 가스를 이산화탄소 리치 가스라 칭한다. 이산화탄소 리치 가스는 이산화탄소 가스관(P10)으로 송출된다. 이산화탄소 가스관(P10)에는 조성 검출부(44)가 설치되어 있다. 조성 검출부(44)에서는 응축기(26)로부터 송출된 이산화탄소 리치 가스의 조성이 검출된다. 구체적으로 메탄, 일산화탄소, 수소 등의 연료 가스의 농도, 이산화탄소, 산소 중 어느 하나 이상의 농도가 검출된다. 조성 검출부(44)는 제어부와 접속되어 있고, 검출된 이산화탄소 리치 가스의 조성 정보가 제어부로 송신된다. 또, 제어부는 이산화탄소 리치 가스에서의 이산화탄소 가스의 농도를 최대화하고 이산화탄소 이외의 성분을 최소화하도록 여러 가지 제어를 수행하는 것이 바람직하다.
또, 이산화탄소 가스관(P10)의 하류측에는 후술하는 이산화탄소 가스 액화부(66)가 설치되어 있다.
제1 공기극(12B) 및 제2 공기극(14B)으로부터의 공기극 오프 가스관(P6)이 합류하는 합류부보다 더 하류측에는 제2 열교환기(32)가 설치되어 있다. 제2 열교환기(32)에서는 공기극 오프 가스관(P6)을 흐르는 공기극 오프 가스와 산화제 가스관(P5)을 흐르는 산화제 가스 사이에 열교환이 수행되어, 산화제 가스가 가열되고 공기극 오프 가스가 냉각된다. 공기극 오프 가스는 제2 열교환기(32)를 거쳐 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)로 공급된다.
(배기열 투입형 흡수식 냉동기)
배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)는 배기열을 사용하여 냉열을 생성하는 히트 펌프이며, 일례로 증기/배기열 투입형 흡수식 냉동기를 사용할 수 있다. 증기/배기열 투입형 흡수식 냉동기에서는 공기극 오프 가스의 열에 의해 수증기를 흡수한 흡수액(예컨대 브롬화 리튬 수용액, 암모니아 수용액 등)을 가열함으로써 흡수액으로부터 물을 분리시켜 재생한다. 흡수액을 가열하여 냉각된 공기극 오프 가스는 수증기가 응축되고, 응축수는 물배관(P36-2)에 의해 물탱크(27)로 공급된다. 수증기가 응축 제거된 후의 공기극 오프 가스는 배기관(P36-1)으로 송출되어 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)의 외부로 배기된다.
또, 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)의 내부에는 흡수액을 순환시키는 펌프, 및 흡수액으로부터 분리한 물을 순환시키는 펌프(모두 미도시)가 설치되어 있다. 이들 펌프는 직류 모터로 구동되고, 직류 모터는 제1 연료 전지 셀 스택(12), 및 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서 발전된 직류 전력에 의해 구동할 수 있다. 또, 이들 펌프는 교류 모터로 구동되는 형태일 수도 있지만, 에너지 손실이 적고 효율적이라는 관점에서 직류 모터로 구동되는 형태가 바람직하다.
가열에 의해 재생된 흡수액은 수증기를 흡수함으로써 물의 증발을 촉진하여 냉열의 생성에 기여한다. 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)는 방열 회로(37)를 통해 냉각탑(38)과 접속되어 있다. 방열 회로(37)에는 펌프(37P)가 설치되어 있고, 펌프(37P)에 의해 방열 회로(37)에 냉각수가 공급된다. 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)에서 흡수액이 수증기를 흡수할 때에 발생하는 흡수열은 방열 회로(37)를 흐르는 냉각수를 통해 냉각탑(38)으로부터 대기로 방출된다.
배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)에서 생성된 냉열은 냉각수 순환 유로(26A)를 흐르는 냉각수를 통해 응축기(26)로 보내지고, 응축기(26)에서 수소 분리 가스가 냉각되어 추가로 수소 분리 가스 중의 수증기가 응축 제거된다.
물탱크(27)는 냉각수 순환 유로(26A), 방열 회로(37), 및 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)의 열매체로서의 물이 흐르는 열매체 유로(미도시)와 접속되어 있다. 냉각수 순환 유로(26A), 방열 회로(37), 및 열매체 유로에서는 물이 부족한 경우에, 물탱크(27)로부터 이하에 설명하는 보충 계통(67)을 통해 적절히 물이 보충된다.
또, 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)는 일례로 -5℃ ~ 12℃의 냉각수를 생성하는 능력을 갖고 있다.
(보충 계통)
물탱크(27)에는 배관(P11), 펌프(27A) 등을 포함하여 구성되는 보충 계통(67)이 접속되어 있다. 물탱크(27)에는 배관(P11)의 일단이 접속되어 있고, 배관(P11)의 타단은 3 분기되어, 냉각탑(38), 냉각수 순환 유로(26A), 및 후술하는 액화용 냉각수 순환로(70A)와 접속되어 있다. 또, 펌프(27A)는 분기 전 배관(P11)에 설치되어 있고, 3 분기된 각각의 배관에는 전자 밸브(도시 생략)가 장착되어 있다. 또, 펌프(27A), 및 전자 밸브는 후술하는 제어부로 제어된다.
또, 냉각탑(38), 냉각수 순환 유로(26A), 및 액화용 냉각수 순환로(70A)에는 각각 냉각수를 저장하는 버퍼 탱크(미도시)를 구비하고 있고, 버퍼 탱크에는 냉각수의 저장량을 검출하는 액면 센서(미도시)가 설치되어 있다. 이 액면 센서는 후술하는 제어부에 접속되어 있고, 액면 레벨(냉각수의 저장량)의 검출 데이터가 제어부로 출력된다. 이에 따라 제어부는 냉각탑(38), 냉각수 순환 유로(26A), 및 액화용 냉각수 순환로(70A) 각각의 냉각수의 저장량을 파악할 수 있다.
(이산화탄소 가스 액화부)
이산화탄소 가스관(P10)으로 송출된 이산화탄소 리치 가스는 압축기(압축부)(68), 및 냉각 장치(액화 장치)(70) 등을 포함하여 구성된 이산화탄소 가스 액화부(66)로 보내진다.
이산화탄소 가스 액화부(66)로 송출된 이산화탄소 리치 가스는 먼저 압축기(68)에서 압축된다. 또, 압축기(68)는 도시하지 않은 직류 모터로 구동되어 이산화탄소 가스를 4MPa 이상으로 압축 가능하다. 또한 압축기(68)의 직류 모터는 제1 연료 전지 셀 스택(12), 및 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서 얻어진 전력으로 구동되지만, 예컨대 시스템 기동 시에는 외부의 상용 전원을 사용하여 구동하거나, 도시하지 않은 재생 가능 에너지 발전으로 얻어진 전력(잉여 전력)으로 구동할 수도 있다. 재생 가능 에너지 발전으로서 일례로 태양광 발전, 태양열 발전, 수력 발전, 풍력 발전, 지열 발전, 파력 발전, 온도차 발전, 바이오매스 발전 등을 들 수 있고, 다른 발전일 수도 있다. 압축기(68)는 직류 모터로 구동되는 형태에 한정되지 않고 교류 모터로 구동되는 형태일 수도 있다.
압축기(68)의 직류 모터는 제1 연료 전지 셀 스택(12), 및 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서 얻어진 직류 전력을 사용하여 직접적으로 구동 가능하므로, 예컨대 제1 연료 전지 셀 스택(12), 및 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서 얻어진 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 전력으로 교류 모터를 구동하는 경우와 비교하여 에너지 손실이 적고 효율적이다. 또, 압축기(68)의 직류 모터는 제어부로 제어된다.
압축기(68)에서 압축된 이산화탄소 가스는 배관(P14)을 통해 냉각 장치(70)로 보내진다. 배관(P14)에는 온도 센서(74)와 압력 센서(76)가 설치되어 있고, 온도 센서(74)로 계측된 이산화탄소 가스의 온도 데이터, 및 압력 센서(76)로 계측된 이산화탄소 가스의 압력 데이터는 각각 제어부로 보내진다.
냉각 장치(70)에는 액화용 냉각수 순환로(70A)가 배관되어 있고, 액화용 냉각수 순환로(70A)에는 제어부로 제어되는 순환 펌프(78)가 장착되어 있다. 액화용 냉각수 순환로(70A)는 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)로부터의 냉각수가 순환 공급되고, 압축기(68)로부터 공급된 압축된 이산화탄소 리치 가스를 냉각하여 액화 이산화탄소를 생성한다.
액화용 냉각수 순환로(70A)에는 냉각 장치(70)로 유입하는 냉각수의 온도를 검출하는 온도 센서(80)가 설치되어 있다. 온도 센서(80)로 계측된 냉각수의 온도 데이터는 제어부로 보내진다. 또, 액화용 냉각수 순환로(70A)에 냉각수의 유량을 계측하는 유량 센서(미도시)를 설치할 수도 있다.
냉각 장치(70)에서 생성된 액화 이산화탄소는 배관(P15), 펌프(82)를 통해 탱크(84)로 보내져 저장된다.
연료 전지 발전 시스템(10A)에는 전체를 제어하는 도시하지 않은 제어부가 설치되어 있다. 제어부는 CPU, ROM, RAM, 메모리 등을 포함하여 구성되어 있다. 메모리에는 후술하는 유량 조절 처리, 냉각수 온도 조절 처리, 통상 운전 시의 처리에 필요한 데이터나 순서 등이 기억되어 있다. 제어부는 유량 조절 밸브(42), 조성 검출부(44), 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36) 등과 접속되어 있다. 유량 조절 밸브(42), 조성 검출부(44), 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36) 등은 제어부에 의해 제어된다. 또, 제어부는 상기 이외의 다른 기기와도 접속되어 있다.
연료 전지 발전 시스템(10A)에서 펌프, 블로워, 그 밖의 보조 기기는 연료 전지 발전 시스템(10A)에서 발전된 전력에 의해 구동된다. 연료 전지 발전 시스템(10A)에서 발전된 전력을 직류인 채로 교류로 변환하지 않고도 효율적으로 이용하기 위해, 보조 기기는 직류 전류에 의해 구동하는 것인 것이 바람직하다.
(작용 및 효과)
다음으로 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)의 동작에 대해 설명한다.
연료 전지 발전 시스템(10A)에서는 연료 공급 블로워(B1)에 의해 연료 가스원으로부터 연료 가스(메탄)가 연료 가스관(P1-1)을 통해 개질기(54)로 송출되고, 개질기(54)에서 연료 가스의 개질이 수행된다.
개질된 연료 가스는 개질 가스관(P1-2)을 통해 제1 연료 전지 셀 스택(12)의 제1 연료극(12A)으로 공급된다.
수증기관(P2)으로부터는 수증기 개질용 수증기가 개질 가스관(P1-2)을 통해 제1 연료극(12A)으로 공급된다.
제1 연료 전지 셀 스택(12)의 제1 연료극(12A)에서는 연료 가스가 수증기 개질되어 수소와 일산화탄소가 생성된다. 또한 생성된 일산화탄소와 수증기의 시프트 반응에 의해 이산화탄소와 수소가 생성된다.
제1 연료 전지 셀 스택(12)의 제1 공기극(12B)에는 공기가 산화제 가스관(P5)을 거쳐 공급된다. 제1 연료 전지 셀 스택(12)에서는 제1 연료극(12A) 및 제1 공기극(12B)에서 수소 이온이 이동하는 동시에 전술한 반응이 생겨 발전이 수행된다. 제1 연료 전지 셀 스택(12)의 제1 연료극(12A)으로부터는 제1 연료극 오프 가스관(P7)으로 제1 연료극 오프 가스가 송출된다. 또한 제1 공기극(12B)으로부터는 공기극 오프 가스관(P6)으로 공기극 오프 가스가 송출된다.
제1 연료극(12A)으로부터 송출된 제1 연료극 오프 가스는 제1 연료극 오프 가스관(P7)으로 유도되어 제2 연료 전지 셀 스택(14)의 제2 연료극(14A)으로 공급된다. 제2 연료 전지 셀 스택(14)의 제2 공기극(14B)에는 공기가 산화제 가스관(P5)을 거쳐 공급된다.
제2 연료 전지 셀 스택(14)에서도 제1 연료 전지 셀 스택(12)과 동일하게 발전이 수행된다. 제2 연료 전지 셀 스택(14)의 제2 연료극(14A)으로부터는 제2 연료극 오프 가스관(P7-2)으로 제2 연료극 오프 가스가 송출된다. 또한 제2 공기극(14B)으로부터는 공기극 오프 가스관(P6)으로 공기극 오프 가스가 송출된다.
공기극 오프 가스는 제2 열교환기(32)를 거쳐 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)로 공급된다. 제2 열교환기(32)에서는 공기극 오프 가스와 산화제 가스 사이에 열교환이 수행되어 공기극 오프 가스에 의해 산화제 가스가 가열된다. 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)에서는 전술한 바와 같이 공기극 오프 가스의 열을 이용하여 냉열이 생성된다.
제2 연료극 오프 가스는 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)의 수소 분리부(22)로 공급되어 수소 분리 공간(22A)을 흐른다. 제2 연료극 오프 가스에 포함되어 있는 수소가 수소 투과막(23)을 투과하여 공기 유로(24A)로 이동한다.
분기 공기극 오프 가스관(P6-2)으로 분기된 공기극 오프 가스는 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)의 산화 반응부(24)로 공급된다. 산화 반응부(24)로 공급된 공기극 오프 가스는 공기 유로(24A)를 흐른다. 공기 유로(24A)에서 공기극 오프 가스에 포함되는 산소는 수소 투과막(23)을 투과하여 공기 유로(24A)측으로 이동한 수소와 산화 반응하여 수증기가 생성된다.
수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)에서 수소 투과막(23)이 산화바륨 지르코늄막(23B)을 포함함으로써 LSCF(La, Sr, Co, Fe 및 산소로 이루어진 화합물), BSCF(Ba, Sr, Co, Fe 및 산소로 이루어진 화합물) 등을 포함하는 세라믹막을 사용하는 경우와 비교하여 이산화탄소와 막 성분의 반응에 의한 탄산염의 생성 및 축적이 억제되기 때문에, 이산화탄소 내성이 뛰어난 경향이 있다. 나아가 수소 투과막이 산화바륨 지르코늄막을 구비함으로써 수소 투과막 안이 내부 단락 상태가 되는 특성이 있기 때문에, 수소 투과막은 높은 수소 투과성을 갖고 있는 동시에 수소 투과막에서의 수소 투과성 저하를 억제할 수 있다.
수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)의 산화 반응부(24)에서는 반응 촉매막(23C)이 수소 투과막(23)을 투과한 수소와 산소의 산화 반응을 촉진시켜 수증기를 생성한다. 나아가 공기 유로(24A)는 나선형으로 형성되어 유로 길이가 길어져 있으므로, 산화 반응시키는 시간을 길게 취할 수 있고, 수소 분리 공간(22A)으로부터 공기 유로(24A)측으로 충분한 양의 수소를 이동시켜 산화 반응을 충분하면서 효율적으로 수행할 수 있다. 이에 따라 이산화탄소 가스의 농도를 높인 수소 분리 가스를 수소 분리부(22)로부터 배출할 수 있다.
이산화탄소 및 수증기를 포함하는 수소 분리 가스는 수소 분리 공간(22A)으로부터 수소 분리 가스관(P8-1)으로 송출된다. 수소 분리 가스관(P8-1)으로 송출된 수소 분리 가스는 개질기(54)의 내측 유로(55B)를 거쳐 응축기(26)로 공급된다.
개질기(54)에서는 기화 유로(55A)에서 연료 가스와 수증기의 혼합 가스, 및 개질 촉매(58)가 수소 분리 가스와의 열교환에 의해 가열되고, 수증기 개질 반응에 의해 수소와 일산화탄소가 생성된다. 또한 생성된 일산화탄소와 수증기의 시프트 반응에 의해 이산화탄소와 수소가 생성된다. 미반응된 연료 가스(메탄), 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등을 포함한 개질 가스는 개질 가스관(P1-2)을 통과하여 제1 연료극(12A)으로 공급된다.
기화 유로(55A)는 하측이 원통 형상의 통축 방향을 향해 나선형으로 형성된 긴 나선 유로(55A-2)로 되어 있기 때문에, 연료 가스와 함께 공급된 물이 긴 나선 유로(55A-2)를 시간을 들여 통과하는 동안에 충분히 가열되어 수증기가 된다. 그리고 가열된 연료 가스와 수증기는 나선 유로(55A-2)를 흐른 후, 수소 분리 가스의 열로 가열된 개질 촉매(58)를 통과하므로 효율적이면서 확실하게 개질 반응이 생긴다. 한편, 고온의 수소 분리 가스는 열이 유효하게 활용되는 과정에서 온도가 떨어져 수소 분리 가스에 포함되는 수증기의 일부를 응축 회수할 수 있거나, 또는 약간의 냉열 공급으로 수소 분리 가스에 포함되는 대부분의 수증기를 간이하게 응축 분리할 수 있도록 저온화된다.
응축기(26)로 공급된 수소 분리 가스는 냉각수 순환 유로(26A)를 통해 순환 공급되는 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)로부터의 냉각수에 의해 냉각되어 수소 분리 가스 내의 수증기가 응축된다. 응축된 물은 물배관(P9)을 통해 물탱크(27)로 송출되어 물탱크(27)에 저장된다.
응축기(26)에서 수증기가 제거된 수소 분리 가스는 이산화탄소 농도가 높은 이산화탄소 리치 가스가 되며, 이산화탄소 가스관(P10)을 통해 조성 검출부(44)로 보내진다. 조성 검출부(44)에서는 이산화탄소 리치 가스의 조성이 검출되고, 검출된 정보가 제어부로 송신된다.
제어부는 조성 검출부(44)로부터 송신된 조성 정보를 기초로 유량 조절 밸브(42)를 제어하여 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)으로 분기하는 공기극 오프 가스량을 조절하는 동시에 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)에서 냉각수 순환 유로(26A) 등으로 보내는 냉각수의 온도를 제어한다.
유량 조절 처리에서는 조성 검출부(44)에서 검출된 이산화탄소 리치 가스의 조성 정보에서 연료 가스의 농도가 임계값(G1) 이내인지 여부를 판단한다. 여기서, 임계값(G1)은 이산화탄소 리치 가스에서 충분히 낮은 농도이면 되고, 예컨대 0.1 부피% ~ 5 부피%의 범위가 바람직하고, 0.1 부피% ~ 1 부피%의 범위인 것이 보다 바람직하다. 연료 가스의 농도가 임계값(G1)보다 더 높은 경우에는 유량 조절 밸브(42)를 제어하여 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)으로 분기하는 공기극 오프 가스의 유량을 증가시킨다. 이에 따라 수소 투과막(23)을 투과하여 공기 유로(24A)로 이동하는 수소의 양이 증가하고, 공기 유로(24A)에서 산화 반응시킴으로써 이산화탄소 리치 가스에 포함되는 미반응된 연료 가스를 감소시킬 수 있다.
이산화탄소 가스관(P10)으로 송출된 이산화탄소 리치 가스는 이산화탄소 가스 액화부(66)의 압축기(68)로 보내져 압축되고, 압축된 이산화탄소 리치 가스는 냉각 장치(70)로 보내진다. 냉각 장치(70)는 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)로부터의 냉각수로 압축된 이산화탄소 리치 가스를 냉각하여 액화 이산화탄소를 생성한다.
배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)는 공기극 오프 가스의 배기열을 사용하여 냉열을 생성하고 있기 때문에, 모터로 컴프레서를 구동하여 냉매의 압축, 팽창을 수행하는 타입의 냉동기(예컨대 터보 냉동기 등)로 냉열을 생성하는 경우와 비교하여 적은 전력으로 효율적으로 냉열(물을 냉각하여 냉각수로 만들기 위해 사용함)을 생성할 수 있다.
도 4에 나타낸 탄산 가스의 상태도로부터, 일례로 4MPa 이상으로 압축한 이산화탄소 가스는 이산화탄소 가스의 임계 온도(31.1℃)보다 더 낮은 온도로 냉각하면 액화한다.
본 실시형태의 이산화탄소 가스 액화부(66)에서는 일례로 이산화탄소 가스를 압축기(68)에서 4MPa로 압축하고, 그 후 냉각 장치(70)에서 압축된 이산화탄소 가스를 -5℃ ~ 12℃의 냉각수로 냉각함으로써 액화 이산화탄소를 얻고 있다. 또, 이산화탄소 가스의 압력, 및 냉각 온도는 상기 값에 한정되지 않고 적절히 변경 가능하다.
(액화의 제어)
또, 압축기(68)를 통과한 고압의 이산화탄소 가스의 온도(온도 센서(74)로 계측), 및 압력(압력 센서(76)로 계측), 또는 액화하지 않고 잔류하는 이산화탄소 가스량 중 어느 하나 이상의 측정 결과에 따라, 제어부는 냉각 장치(70)로 공급하는 냉각수의 온도(온도 센서(80)로 계측), 유량(유량 센서(미도시)로 계측) 등 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)의 운전과 순환 펌프(78)의 운전을 제어하여 이산화탄소 가스를 효율적으로 액화 이산화탄소로 만든다.
즉, 본 실시형태에서는 회수한 이산화탄소 가스의 온도, 압력, 또는 액화 시의 잔류 이산화탄소 가스량에 따라, 이산화탄소 가스의 액화량을 최대화하기 위한 냉열량을 제어부에서 산출하고, 이에 따른 냉각수의 온도를 저온화시키거나, 순환하는 냉각수의 유량을 늘리거나, 이들 양자를 병용할 수 있다.
또, 냉각 장치(70)의 내부에서는 액화 이산화탄소가 하방에 모이고, 액화 이산화탄소의 상방에 액화하지 않은 이산화탄소 가스가 잔존하기 때문에, 냉각 장치(70)의 내부에 모인 액화 이산화탄소의 액면 레벨을 측정함으로써 냉각 장치(70)의 내부에서 액화하지 않고 잔류하는 이산화탄소 가스의 양을 간접적으로 계측할 수 있다(또, 냉각 장치(70)의 내부 공간 용적은 이미 주지임).
이와 같이 해서 이산화탄소 가스 액화부(66)에서 생성된 액화 이산화탄소는 배관(P15), 펌프(82)를 통해 탱크(84)로 보내져 저장된다. 또, 탱크(84)에 저장된 액화 이산화탄소는 종래대로 상공업용 등으로 이용할 수도 있다.
본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)은 제1 연료 전지 셀 스택(12), 및 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서 탱크(84)까지가 연속적으로 연결되어 온사이트에 설치되어 있으므로, 발전 중에는 연속적으로 액화 이산화탄소를 효율적으로 제조하여 탱크(84)에 저장할 수 있다. 또, 탱크(84)에 저장한 액화 이산화탄소는 롤리(86) 등으로 수송할 수도 있고, 파이프라인 등으로 수송할 수도 있다.
또한 산화 반응부(24)에서는 수소 투과막(23)을 투과한 수소와 산소의 산화 반응에 의해 수증기가 생성된다. 따라서 제2 연료극 오프 가스로부터 수소를 줄여 고농도의 이산화탄소를 회수할 수 있다.
또한 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)에서는 공기극 오프 가스관(P6)으로부터 분기된 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)을 갖고 있으므로, 조성 검출부(44)에서 검출된 이산화탄소 리치 가스의 조성 정보를 기초로 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)으로 분기시키는 공기극 오프 가스 유량을 용이하게 조절할 수 있다. 이에 따라 수소 분리 가스에 포함되는 미반응된 연료 가스의 양이 소정의 임계값보다 낮아지도록 유량 조절 밸브(42)를 제어하여 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)으로 분기하는 공기극 오프 가스의 유량을 조절할 수도 있다.
나아가 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)에서는 조성 검출부(44)에서 검출된 이산화탄소 리치 가스의 조성 정보를 기초로 응축기(26)에서 응축시키는 물의 양을 조절함으로써 이산화탄소 리치 가스의 이산화탄소 농도를 높일 수 있다.
또한 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)에서는 연료 전지 셀 스택에 수소 이온 전도형 고체 산화물형 연료 전지를 사용하고 있으므로, 제1 연료극(12A)에서 수증기가 생성되지 않는다. 따라서 제1 연료극 오프 가스에 포함되는 수증기의 양이 적어지기 때문에, 제2 연료 전지에서의 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 제2 연료극 오프 가스에 포함되는 수증기의 양도 적어지기 때문에, 제2 연료극 오프 가스로부터 제거하는 수증기의 양을 적게 할 수 있다.
또한 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)에서는 산화 반응부(24)를 수소 분리부(22)의 수소 투과막(23)과 인접 배치함으로써 산화 반응부(24)와 수소 분리부(22)가 일체로 형성된 컴팩트한 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)를 구성할 수 있다.
또한 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)에서는 공기극 오프 가스의 열을 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)에서의 냉열 생성에 사용하므로, 제1 연료 전지 셀 스택(12), 제2 연료 전지 셀 스택(14)으로부터의 배기열을 유효하게 이용할 수 있다. 또한 공기극 오프 가스에는 수증기가 많이 포함되어 있으므로, 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)에서 해당 수증기가 열교환 시에 응축함으로써 응축열도 유효하게 사용할 수 있다.
또한 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)에서는 제어부가 냉각탑(38), 냉각수 순환 유로(26A), 및 액화용 냉각수 순환로(70A)의 각 버퍼 탱크의 냉각수의 저장량을 액면 센서로부터의 검출 데이터를 기초로 파악하고 있고, 냉각수의 저장량이 미리 설정한 하한값보다 더 부족하다고 판단했을 때에, 전자 밸브, 및 펌프(27A)를 제어하여 냉각수에 사용하는 물을 물탱크(27)로부터 보충할 수 있다. 이와 같이 냉각수가 부족한 경우, 외부의 상수도 등으로부터 물을 공급할 필요가 없어져 물의 외부 의존량을 삭감할 수 있다.
또, 본 실시형태에서는 수소 분리 가스 내의 수증기를 응축기(26)에서 응축시켜 제거함으로써 수소 분리 가스로부터 이산화탄소를 분리했지만, 그 밖의 수단, 예컨대 이산화탄소 분리막으로 이산화탄소를 분리할 수도 있으며, 흡착제를 사용하여 압력을 변화시킴으로써 가스를 분리·제조하는 소위 PSA(Pressure Swing Adsorption: 압력 변동 흡착) 장치에 의해 이산화탄소를 분리할 수도 있다.
또한 본 실시형태의 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)에서는 외측이 수소 분리부(22)가 되며, 내측이 산화 반응부(24)로 되어 있지만, 외측을 산화 반응부(24)로 하고, 내측을 수소 분리부(22)로 할 수도 있다. 외측을 산화 반응부(24)로 하고, 내측을 수소 분리부(22)로 하는 경우, 외측의 산화 반응부(24)로부터 내측의 수소 분리부(22)로, 반응 촉매막(23C), 세라믹막(23A), 산화바륨 지르코늄막(23B)의 순서로 적층되어 있다.
[제2 실시형태]
다음으로 본 발명의 제2 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태에서는 제1 실시형태와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
도 6에는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 연료 전지 발전 시스템(10B)이 나타나 있다. 연료 전지 발전 시스템(10B)은 이산화탄소 가스로부터 탄소를 생성하는 시스템이다. 이산화탄소 가스관(P10)의 하류측에는 제1 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10B)의 이산화탄소 가스 액화부(66) 대신에 탄소 제조부(166)가 설치되어 있다.
본 실시형태에서는 제1 연료 전지 셀 스택(12)의 제1 연료극(12A)에는 연료 가스관(P1)의 일단이 접속되어 있고, 연료 가스관(P1)의 타단은 도시하지 않은 연료 가스원에 접속되어 있다.
또한 본 실시형태에서는 제2 연료극 오프 가스관(P7-2)으로부터 순환 가스관(P3)이 분기되어 있고, 순환 가스관(P3)은 연료 가스관(P1)과 접속되어 있다. 또, 순환 가스관(P3)에는 순환 가스 블로워(B3)가 설치되어 있다.
연료 가스관(P1)의 중간부에는 제1 열교환기(30)가 설치되어 있다. 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)의 수소 분리 공간(22A)의 출구측에는 수소 분리 가스를 송출하는 수소 분리 가스관(P8)이 접속되어 있고, 수소 분리 가스관(P8)은 제1 열교환기(30)를 경유하여 타단이 응축기(26)에 접속되어 있다. 제1 열교환기(30)에서는 연료 가스와 수소 분리 가스의 열교환에 의해 연료 가스가 가열되는 한편, 고온의 수소 분리 가스는 냉각되어 수소 분리 가스 중에 포함되는 수증기의 일부를 응축 분리할 수 있거나, 또는 약간의 냉열 공급으로 대부분의 수증기를 응축 분리할 수 있도록 저온화된다.
제1 열교환기(30)를 경유한 수소 분리 가스는 응축기(26)로 송출되고, 응축기(26)에서 수증기가 제거된 수소 분리 가스는 이산화탄소 농도가 높은 이산화탄소 리치 가스가 되고, 이산화탄소용 블로워(B4)에 의해 이산화탄소 가스관(P10)으로 송출되어 조성 검출부(44)로 보내진다. 조성 검출부(44)에서는 이산화탄소 리치 가스의 조성이 검출되고, 검출된 정보가 제어부로 송신된다.
제어부는 조성 검출부(44)로부터 송신된 조성 정보를 기초로 유량 조절 밸브(42)를 제어하여 분기 공기극 오프 가스관(P6-2)으로 분기하는 공기극 오프 가스량을 조절하는 동시에 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)에서 냉각수 순환 유로(26A)로 보내는 냉각수의 온도를 제어한다. 구체적으로 제어부에서는 유량 조절 처리, 냉각수 온도 조절 처리가 실행된다.
이산화탄소 가스관(P10)으로 송출된 이산화탄소 가스는 탄소 제조부(166)로 송출된다.
(탄소 제조부의 구성)
탄소 제조부(166)는 수전해 장치(170), 배관(P114), 수소 블로워(172), 배관(P115), 산소 블로워(174), 산소 탱크(176), 분말 탄소 생성기(탄소 생성부)(178) 등을 포함하여 구성되어 있다.
수전해 장치(170)에는 배관(P116), 펌프(180), 및 물정화 장치(182)를 거친 물탱크(27)의 물이 공급된다. 물정화 장치(182)는 물탱크(27)로부터의 물을 정화(이물질 제거, pH 조절 등)한다. 수전해 장치(170)는 제1 연료 전지 셀 스택(12), 및 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서 얻어진 전력을 사용하여 정화한 물을 전기 분해하여 수소 가스와 산소 가스를 생성할 수 있다. 또, 수전해 장치(170)는 도시하지 않은 재생 가능 에너지 발전으로 얻어진 전력(이른바 ‘클린 에너지’)을 사용하여 물을 전기 분해할 수도 있다. 재생 가능 에너지 발전으로서 일례로 태양광 발전, 태양열 발전, 수력 발전, 풍력 발전, 지열 발전, 파력 발전, 온도차 발전, 바이오매스 발전 등을 들 수 있지만, 다른 발전일 수도 있다. 즉, 대기 중의 이산화탄소를 삭감, 혹은 대기로의 이산화탄소의 방출을 억제한다고 하는 관점에서 제1 연료 전지 셀 스택(12), 및 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서 얻어진 직류 전력, 재생 가능 에너지 발전으로 얻어진 전력 등을 사용하는 것이 바람직하다.
수전해 장치(170)는 제1 연료 전지 셀 스택(12), 및 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서 얻어진 직류 전력, 재생 가능 에너지 발전으로 얻어진 전력 등을 사용하여 물을 전기 분해하므로, 예컨대 이산화탄소 가스를 방출하는 발전 장치의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 전기 분해에 사용하는 경우와 비교하여 효율적으로 물을 전기 분해할 수 있다. 또, 수전해 장치(170)는 제어부로 제어된다.
수전해 장치(170)에서 생성된 수소 가스는 배관(P114), 수소 블로워(172)를 통해 분말 탄소 생성기(178)로 보내지고, 산소 가스는 배관(P115), 산소 블로워(174)를 통해 산소 탱크(176)로 보내져 산소 탱크(176)에 저장된다. 또, 수소 블로워(172), 및 산소 블로워(174)는 제어부로 제어된다.
(분말 탄소 생성기의 구성)
분말 탄소 생성기(178)는 외통(171), 외통(171)의 내측에 배치된 원통 형상의 격벽(173), 및 외통(171) 및 원통 형상의 격벽(173)의 통축 방향 단측의 개구 부분을 폐색하는 폐색 부재(175)로 구성된 내부가 밀폐된 다중 원통형으로 되어 있다.
외통(171)과 격벽(173) 사이는 가스 유로(178A)가 되며, 원통 형상의 격벽(173)의 내주측은 탄소 고정화부(178B)로 되어 있고, 가스 유로(178A)와 탄소 고정화부(178B)는 격벽(173)으로 격리되어 있다.
가스 유로(178A)는 내부에 나선 형상으로 된 나선 통로 형성 부재(177)가 배치되어 있고, 분말 탄소 생성기(178)의 통축 방향을 향해 나선형으로 형성되어 있다.
탄소 고정화부(178B)에서는 응축기(26)로부터 보내진 이산화탄소 가스와 수전해 장치(170)로부터 보내진 수소 가스가 공급된다. 탄소 고정화부(178B)에서 이산화탄소 가스와 수소 가스에 대해 환원 촉매를 사용하여 하기 (5) 식과 같은 환원 반응을 일으키도록 되어 있다.
CO2+2H2 → C+2H2O　 …(5)
상기 환원 반응으로 생기는 C는 분말 탄소이며, 탄소 고정화부(178B)의 하부로부터 배출할 수 있다. 또한 상기 환원 반응으로 생기는 H2O는 구체적으로 수증기이며, 그 수증기는 배관(P117)을 통해 응축기(26)로 보내진다.
본 실시형태의 제어부의 메모리에는 후술하는 유량 조절 처리, 냉각수 온도 조절 처리나, 통상 운전 시의 처리에 필요한 데이터나 순서 등이 기억되어 있다. 제어부는 유량 조절 밸브(42), 조성 검출부(44), 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36) 등과 접속되어 있다. 유량 조절 밸브(42), 조성 검출부(44), 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36) 등은 제어부에 의해 제어된다.
연료 전지 발전 시스템(10B)에서 펌프, 블로워, 그 밖의 보조 기기는 연료 전지 발전 시스템(10B)에서 발전된 전력에 의해 구동된다. 연료 전지 발전 시스템(10B)에서 발전된 전력을 직류인 채로 교류로 변환하지 않고도 효율적으로 이용하기 위해, 보조 기기는 직류 전류에 의해 구동하는 것인 것이 바람직하다.
(작용 및 효과)
다음으로 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10B)의 동작에 대해 설명한다.
수전해 장치(170)는 물정화 장치(182)로부터 보내진 물을 전기 분해하여 수소 가스와 산소 가스를 생성한다. 이산화탄소 가스관(P10)으로 송출된 이산화탄소 리치 가스는 분말 탄소 생성기(178)로 보내진다.
탄소 고정화부(178B)에서는 응축기(26)로부터 보내진 이산화탄소 가스와 수전해 장치(170)로부터 보내진 수소 가스가 공급되어 전술한 (5) 식과 같은 환원 반응을 발생시킨다.
상기 반응을 개시시키려면 분위기 온도를 고온으로 만들 필요가 있지만, 그 반응에 의해 열이 생기므로 일단 반응이 개시된 후에는 외부로부터 열을 가할 필요는 없다.
분말 탄소 생성기(178)를 기동하려면, 먼저 가스 유로(178A)에 수소 가스와 산소 가스를 공급하여 착화한다. 수소 가스와 산소 가스의 연소 반응에 의해 생성된 연소 불꽃, 및 고열의 배기 가스(수증기)는 가스 유로(178A)를 통과할 때에, 연소 불꽃, 및 배기 가스의 열이 격벽(173)을 통해 탄소 고정화부(178B)로 전달된다. 또, 가스 유로(178A)의 단부로부터는 배기 가스(수증기)가 배출된다.
본 실시형태의 가스 유로(178A)는 분말 탄소 생성기(178)의 통축 방향을 향해 나선형으로 형성되어 유로 길이가 길어져 있기 때문에, 상기 연소 불꽃, 및 배기 가스의 열을 시간을 들여 탄소 고정화부(178B)로 충분히 부여할 수 있다. 이에 따라 상기 (5) 식과 같은 환원 반응을 확실하게 발생시킬 수 있다.
착화 후, 상기 (5) 식의 반응에 의한 열이 발생하면, 가스 유로(178A)로의 산소 가스와 수소 가스의 공급은 정지된다.
고열이 된 탄소 고정화부(178B)에서는 이산화탄소 가스와 수소 가스를 연속해서 공급함으로써 분말 탄소((5) 식의 ‘C’)를 연속해서 생성할 수 있다. 생성된 분말 탄소는 탄소 고정화부(178B)의 하방으로부터 꺼낼 수 있다. 또한 이산화탄소 가스와 수소 가스가 반응하여 생성된 수증기((5) 식의 H2O)는 탄소 고정화부(178B)의 하방으로부터 배출된다. 또, 탄소 고정화부(178B)로부터 배출된 수증기는 배관(P117)을 통해 응축기(26)로 보내지고, 응축기(26)에서 냉각되어 물이 된다.
본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10B)은 제1 연료 전지 셀 스택(12), 및 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서 탄소 제조부(166)까지가 연속적으로 연결되어 온사이트로 설치되어 있으므로, 발전 중에는 연속적으로 분말 탄소를 효율적으로 제조할 수 있다.
분말 탄소는 착화하여 연소하지 않는 한, 대기 중으로 이산화탄소 가스가 되어 방출되지는 않아 이산화탄소 가스의 대기로의 방출을 억제할 수 있다.
또한 분말 탄소는 저장 사이트로의 수송도 용이하며, 착화원과 산소가 갖춰진 조건 하에 두지 않으면, 지하에 매립 처분하거나 지상에 야적하거나 하는 것만으로도 장기 안정적인 탄소 고정화가 가능해진다. 또, 제조된 분말 탄소는 카본 블랙 등으로서 상공업적으로 이용할 수도 있다.
본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10B)에서는 이산화탄소 가스로부터 분말 탄소를 생성했지만, 분말 탄소를 그래파이트, 카본 나노 튜브 또는 다이아몬드 등으로 만드는 탄소 제품 제조 장치(184)를 추가로 부가할 수도 있다. 탄소 제품 제조 장치(184)에서는 예컨대 회수한 분말 탄소를 연료 전지 발전 시스템(10B)에서 발전된 전력, 또는 재생 가능 에너지에 의한 전력 등을 활용하여 고온(전기 히터 승온), 고압(전동 고압 프레스) 환경 하에 둠으로써 공지된 기술에 의해 합성 다이아몬드의 분말을 얻을 수 있다. 또한 예컨대 회수한 분말 탄소를 연료 전지 발전 시스템(10B)에서 발전된 전력, 또는 재생 가능 에너지에 의한 전력 등을 활용하여 아크 방전법, 레이저 어블레이션법, CVD법 등 공지된 기술에 의해 카본 나노 튜브를 얻을 수 있다. 나아가 회수한 분말 탄소를 연료 전지 발전 시스템(10B)에서 발전된 전력, 또는 재생 가능 에너지에 의한 전력 등을 활용하여 공지된 기술에 의해 그래파이트를 얻을 수 있다.
탄소 분말을 그래파이트나 카본 나노 튜브 또는 다이아몬드 분말로 만듦으로써 착화원이나 산소가 있어도 쉽게 연소하지는 않아 지상에 야적해도 안전하면서 장기 안정적으로 탄소를 고정하는 것이 가능해지며, 저장 장소의 제한도 없어져 수송이나 압입의 에너지 손실이나 비용을 저감할 수 있다. 또, 그래파이트는 연필심이나 자동차용 브레이크 패드 등에, 카본 나노 튜브는 반도체나 구조 재료로서, 합성 다이아몬드 분말은 공사, 공작 기계의 다이아몬드 커터 칼날 재료 등에 각각 상공업적으로 이용할 수도 있다.
또, 이 탄소 제품 제조 장치(184)도 탄소 제조부(166)의 일부이며, 연료 전지 발전 시스템(10B)에 온사이트로 설치되어 있다. 또한 분말 탄소를 이용하여 제조하는 것도 상기의 탄소 제품에 한정하지 않고, 카본 나노 혼이나 풀러렌과 같은 탄소 재료를 공지된 기술에 의해 제조하여 상공업적으로 이용할 수도 있다.
본 실시형태의 분말 탄소 생성기(178)에서는 외측이 가스 유로(178A)가 되며, 내측이 탄소 고정화부(178B)로 되어 있지만, 내측을 나선형의 유로로 한 가스 유로(178A)로 하고, 외측을 탄소 고정화부(178B)로 할 수도 있다.
[제3 실시형태]
다음으로 본 발명의 제3 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태에서는 제1, 제2 실시형태와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10C)에서는 제1 연료극 오프 가스관(P7)의 경로에 제3 열교환기(34) 및 응축기(35)가 설치되어 있는 점이 제1 실시형태와 주요하게 다르다.
도 7에 나타낸 바와 같이 제1 연료극 오프 가스관(P7)은 제1 연료극(12A)으로부터 연장되어 있고, 제3 열교환기(34)를 거쳐 응축기(35)와 접속되어 있다. 제1 연료극(12A)에서 응축기(35)까지의 제1 연료극 오프 가스관(P7)을 부호 P7A로 나타낸다. 제1 연료극 오프 가스관(P7A)은 응축기(35)의 기체측 출구로부터 연장되어 있고, 제3 열교환기(34)를 거쳐 제2 연료극(14A)과 접속되어 있다. 응축기(35)에서 제2 연료극(14A)까지의 제1 연료극 오프 가스관(P7)을 부호 P7B로 나타낸다. 응축기(35)의 액체측 출구에는 물배관(P9-2)의 일단이 접속되어 있다. 물배관(P9-2)의 타단은 물탱크(27)에 접속되어 있다. 응축기(35)에는 냉각수 순환 유로(35A)가 배관되어 있고, 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)로부터의 냉각수가 펌프(35P)의 구동에 의해 순환 공급되고 있다. 이에 따라 제1 연료극 오프 가스가 냉각되어 제1 연료극 오프 가스 중의 수증기가 응축한다. 응축한 물은 물배관(P9-2)을 통해 물탱크(27)로 송출된다.
(작용 및 효과)
다음으로 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10C)의 동작에 대해 설명한다.
본 실시형태에서도 제1 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)과 동일하게 제1 연료 전지 셀 스택(12)에서의 발전이 수행된다. 제1 연료극(12A)으로부터 제1 연료극 오프 가스관(P7A)으로 송출된 제1 연료극 오프 가스는 제3 열교환기(34)에서 후술하는 재생 연료 가스와 열교환에 의해 냉각되어 응축기(35)로 공급된다. 응축기(35)에서는 냉각수 순환 유로(35A)를 순환하는 냉각수에 의해 제1 연료극 오프 가스가 더욱 냉각되어 제1 연료극 오프 가스 중의 수증기가 응축한다. 여기서, 냉각수 순환 유로(35A)를 순환하는 냉각수의 온도는 재생 연료 가스 중에 남는 수증기량이 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서의 발전 효율을 향상시킬 정도로 제1 연료극 오프 가스 중의 수증기가 응축하도록 설정되어 있다. 응축한 물은 물배관(P9-2)을 통해 물탱크(27)로 송출된다.
응축수가 분리된 제1 연료극 오프 가스는 재생 연료 가스로서 제1 연료극 오프 가스관(P7B)으로 송출되고, 제3 열교환기(34)에서 물이 분리되기 전의 제1 연료극 오프 가스와의 열교환에 의해 가열되어 제2 연료극(14A)으로 공급된다. 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서는 제1 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10A)과 동일하게 발전이 수행된다.
본 실시형태에서는 제1 연료극 오프 가스로부터 수증기의 일부를 분리하여 생성된 재생 연료 가스를 제2 연료극(64A)으로 공급하므로, 제2 연료 전지 셀 스택(14)에서의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시형태에서도 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)의 산화 반응부(24)에서 수소 투과막(23)을 투과한 수소와 산소의 산화 반응에 의해 수증기가 생성된다. 따라서 제2 연료극 오프 가스로부터 수소를 줄여 고농도의 이산화탄소를 회수하고, 효율적으로 액화 이산화탄소를 얻을 수 있다.
[제4 실시형태]
다음으로 본 발명의 제4 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태에서는 제1 내지 제3 실시형태와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명을 생략한다.
도 8에 나타낸 바와 같이 본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10D)에서는 제1 연료 전지 셀 스택(62) 및 제2 연료 전지 셀 스택(64)은 제1 실시형태의 수소 이온 전도형 고체 산화물형 연료 전지 대신에 고체 산화물형 연료 전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)를 사용하고 있다. 따라서 제1 연료극(62A)(연료극), 및 제1 공기극(62B)(공기극)에서는 이하와 같이 반응이 생긴다. 또, 제2 연료극(64A), 및 제2 공기극(64B)에서도 동일하다.
제1 공기극(62B)에서는 하기 (6) 식에 나타낸 바와 같이 산화제 가스 중의 산소와 전자가 반응하여 산소 이온이 생성된다. 생성된 산소 이온은 전해질층(62C)을 통과하여 제1 연료 전지 셀 스택(62)의 제1 연료극(62A)에 도달한다.
(공기극 반응)
1/2O2+2e- → O2-　 …(6)
한편, 제1 연료 전지 셀 스택(62)의 제1 연료극(62A)에서는 하기 (7) 식 및 (8) 식에 나타낸 바와 같이 전해질층(62C)을 통과해 온 산소 이온이 연료 가스 중의 수소 및 일산화탄소와 반응하여 수증기 및 이산화탄소와 전자가 생성된다. 제1 연료극(62A)에서 생성된 전자가 제1 연료극(62A)으로부터 외부 회로를 통과하여 제1 공기극(62B)으로 이동함으로써 발전된다.
(연료극 반응)
H2+O2- → H2O+2e-　 …(7)
CO+O2- → CO2+2e-　 …(8)
고체 산화물형 연료 전지에서는 제1 연료극(62A), 제2 연료극(64A)에서 수증기가 생성되기 때문에, 수소 이온 전도형 고체 산화물형 연료 전지와 비교하여 제1 연료극 오프 가스, 제2 연료극 오프 가스에 포함되는 수증기량이 많다. 한편, 제1 공기극(62B), 제2 공기극(64B)에서는 수증기가 생성되지 않는다. 배기열 투입형 흡수식 냉동기(36)로 공급된 공기극 오프 가스는 열교환 후에 배기관(P36-1)으로부터 배기된다.
본 실시형태의 연료 전지 발전 시스템(10D)에서는 그 밖의 구성에 대해서는 제3 실시형태와 동일하고, 제1 연료극 오프 가스관(P7)의 경로에 제3 열교환기(34) 및 응축기(35)가 설치되어 있다. 여기서, 제1 연료극 오프 가스, 제2 연료극 오프 가스에 포함되는 수증기량은 연료 전지 발전 시스템(10C)과 비교하여 많기 때문에, 응축기(35)에서의 응축에 의해 제거하는 수증기량이 많아지도록 냉각수 순환 유로(35A)를 순환하는 냉각수의 온도가 설정되어 있다. 응축한 물은 물배관(P9-2)을 통해 물탱크(27)로 송출된다.
본 실시형태에서는 제1 연료극 오프 가스로부터 수증기의 일부를 분리하여 생성된 재생 연료 가스를 제2 연료극(14A)으로 공급하므로, 제2 연료 전지 셀 스택(64)에서의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시형태에서도 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(20)의 산화 반응부(24)에서 수소 투과막(23)을 투과한 수소와 산소의 산화 반응에 의해 수증기가 생성된다. 따라서 제2 연료극 오프 가스로부터 수소를 줄여 고농도의 이산화탄소를 회수하고, 효율적으로 액화 이산화탄소를 얻을 수 있다.
[그 밖의 실시형태]
이상 본 발명의 연료 전지 발전 시스템의 일실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기에 한정되지 않고 상기 이외에도 그 주요 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시 가능한 것은 물론이다.
본 발명에서 연료 전지로서 다른 연료 전지, 예컨대 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 고체 고분자형 연료 전지(PEFC)를 사용할 수도 있다.
본 발명의 연료 전지 발전 시스템에서의 연료 전지는 공기극, 전해질 및 연료극을 구비하는 연료 전지 셀일 수도 있고, 연료 전지 셀을 복수개 적층한 연료 전지 스택일 수도 있다.
예컨대 본 발명의 연료 전지 발전 시스템은 연료 전지를 2개 구비하는 구성에 한정되지 않고, 연료 전지를 1개 또는 연료 전지를 3개 이상 구비하는 구성일 수도 있다. 본 발명의 연료 전지 발전 시스템이 연료 전지를 복수개 구비하는 경우, 복수개의 연료 전지에서의 연료극은 직렬로 배치되어 있고, 보다 상류측 연료극으로부터 배출된 연료극 오프 가스는 보다 하류측 연료극으로 공급되고, 최하류측 연료극으로부터 배출된 연료극 오프 가스가 제1 유로에 공급되며, 복수개의 연료 전지에서의 공기극 중 적어도 어느 하나로부터 배출된 공기극 오프 가스가 제2 유로에 공급되는 구성일 수도 있다.
또한 제1 유로로부터 송출되는 가스는 미반응된 연료 가스가 모두 산화된 가스에 한정되지 않고, 일부 미반응된 연료 가스가 포함된 가스일 수도 있다.
2019년 1월 22일에 출원된 일본 특허출원 제2019-008561호의 개시는 그 전체가 참조로써 본 명세서에 포함된다.
본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허출원, 및 기술 규격은 개개의 문헌, 특허출원, 및 기술 규격이 참조로써 포함되는 것이 구체적이면서 개개로 기록된 경우와 동일한 정도로 본 명세서 중에 참조로써 포함된다.
10A, 10B, 10C, 10D 연료 전지 발전 시스템
12, 62 제1 연료 전지 셀 스택(연료 전지)
12A, 62A 제1 연료극(연료극)
12B, 62B 제1 공기극(공기극)
14, 64 제2 연료 전지 셀 스택(연료 전지)
14A, 64A 제2 연료극(연료극)
14B, 64B 제2 공기극(공기극)
20 수소 투과막이 부착된 산화 반응기(반응 장치)
22A 수소 분리 공간(제1 유로)
23 수소 투과막
23C 반응 촉매막(촉매)
24A 공기 유로(제2 유로)
26 응축기(수증기 분리부)
68 압축기(압축부)
70 냉각 장치(액화 장치)
170 수전해 장치
178 분말 탄소 생성기(탄소 생성부)

Claims (12)

  1. 연료 가스가 공급되는 제1 유로,
    산소를 포함하는 가스가 공급되는 제2 유로,
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 이격시키며 상기 제1 유로에 공급되는 상기 연료 가스에 포함되는 수소를 상기 제2 유로측으로 투과하는 수소 투과막, 및
    상기 제2 유로에 설치되며 상기 산소와 상기 수소 투과막을 투과하는 수소의 산화 반응을 촉진하는 촉매
    를 구비하고,
    상기 수소 투과막은 산화바륨 지르코늄막을 구비하고,
    상기 산화바륨 지르코늄막은 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면이 전기적으로 단락되어 있고,
    상기 산화바륨 지르코늄막은 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면을 관통하는 마이크로 비아 구조를 구비하며, 상기 마이크로 비아 구조에 전자 전도성을 갖는 재료가 매립되어 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면이 내부 단락되어 있거나, 또는 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면에 집전체를 더 구비하며, 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면이 외부 단락되어 있는 반응 장치.
  2. 연료 가스가 공급되는 제1 유로,
    산소를 포함하는 가스가 공급되는 제2 유로,
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 이격시키며 상기 제1 유로에 공급되는 상기 연료 가스에 포함되는 수소를 상기 제2 유로측으로 투과하는 수소 투과막, 및
    상기 제2 유로에 설치되며 상기 산소와 상기 수소 투과막을 투과하는 수소의 산화 반응을 촉진하는 촉매
    를 구비하고,
    상기 수소 투과막은 산화바륨 지르코늄막을 구비하고,
    상기 촉매는 상기 수소 투과막의 상기 제2 유로측에 적층되어 있는 반응 장치.
  3. 청구항 1 및 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화바륨 지르코늄막은 이트륨(Y), 이터븀(Yb), 셀레늄(Se), 스트론튬(Sr), 스칸듐(Sc), 가돌리늄(Gd) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종의 금속을 포함하는 금속 산화물 중 적어도 1종을 산화바륨 지르코늄에 도핑한 막인 반응 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 산화바륨 지르코늄막에서 상기 금속 산화물을 구성하는 금속에 대한 산화바륨 지르코늄의 몰 비율(산화바륨 지르코늄/금속 산화물을 구성하는 금속)은 70/30 ~ 90/10인 반응 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 산화바륨 지르코늄막은 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면이 전기적으로 단락되어 있는 반응 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 산화바륨 지르코늄막은 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면을 관통하는 마이크로 비아 구조를 구비하며, 상기 마이크로 비아 구조에 전자 전도성을 갖는 재료가 매립되어 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면이 내부 단락되어 있거나, 또는 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면에 집전체를 더 구비하며, 상기 제1 유로측의 면 및 상기 제2 유로측의 면이 외부 단락되어 있는 반응 장치.
  7. 청구항 1 및 청구항 2 중 어느 한 항에 따른 반응 장치, 및
    연료극, 공기극 및 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 배치된 전해질층을 구비하고, 상기 연료극으로 공급되는 상기 연료 가스 및 상기 공기극으로 공급되는 산소를 포함하는 산화제 가스에 의해 발전하고, 상기 연료극으로부터 미반응된 상기 연료 가스를 포함하는 연료극 오프 가스가 배출되고, 상기 공기극으로부터 산소를 포함하는 공기극 오프 가스가 배출되는 연료 전지
    를 구비하고,
    상기 제1 유로에 상기 연료극 오프 가스가 공급되고, 상기 제2 유로에 상기 공기극 오프 가스가 공급되며,
    상기 반응 장치의 상기 제2 유로에서 상기 산소와 상기 수소 투과막을 투과하는 수소가 산화 반응하여 물이 생성되고, 상기 연료극 오프 가스로부터 미반응된 수소가 분리되는 연료 전지 발전 시스템.
  8. 반응 장치, 및
    연료극, 공기극 및 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 배치된 전해질층을 구비하고, 상기 연료극으로 공급되는 연료 가스 및 상기 공기극으로 공급되는 산소를 포함하는 산화제 가스에 의해 발전하고, 상기 연료극으로부터 미반응된 상기 연료 가스를 포함하는 연료극 오프 가스가 배출되고, 상기 공기극으로부터 산소를 포함하는 공기극 오프 가스가 배출되는 연료 전지
    를 구비하고,
    상기 반응 장치는,
    연료 가스가 공급되는 제1 유로,
    산소를 포함하는 가스가 공급되는 제2 유로,
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로를 이격시키며 상기 제1 유로에 공급되는 상기 연료 가스에 포함되는 수소를 상기 제2 유로측으로 투과하는 수소 투과막, 및
    상기 제2 유로에 설치되며 상기 산소와 상기 수소 투과막을 투과하는 수소의 산화 반응을 촉진하는 촉매
    를 구비하고,
    상기 수소 투과막은 산화바륨 지르코늄막을 구비하고,
    상기 제1 유로에 상기 연료극 오프 가스가 공급되고, 상기 제2 유로에 상기 공기극 오프 가스가 공급되며,
    상기 반응 장치의 상기 제2 유로에서 상기 산소와 상기 수소 투과막을 투과하는 수소가 산화 반응하여 물이 생성되고, 상기 연료극 오프 가스로부터 미반응된 수소가 분리되는 연료 전지 발전 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료 전지를 복수개 구비하고,
    복수개의 상기 연료 전지에서의 연료극은 직렬로 배치되어 있고, 보다 상류측 연료극으로부터 배출된 상기 연료극 오프 가스는 보다 하류측 연료극으로 공급되고,
    최하류측 연료극으로부터 배출된 상기 연료극 오프 가스가 상기 제1 유로에 공급되며, 복수개의 상기 연료 전지에서의 공기극 중 적어도 어느 하나로부터 배출된 상기 공기극 오프 가스가 상기 제2 유로에 공급되는 연료 전지 발전 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 반응 장치의 상기 제1 유로에서 배출된 가스로부터 수증기를 분리하는 수증기 분리부를 더 구비하는 연료 전지 발전 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    재생 가능 에너지를 이용하여 발전하는 발전 장치,
    상기 발전 장치에서의 발전을 통해 발생한 전력을 사용하여 물을 전기 분해하는 수전해 장치, 및
    상기 수전해 장치에서 생성된 수소와 상기 반응 장치의 상기 제1 유로로부터 배출된 가스에 포함되는 이산화탄소의 환원 반응에 의해 탄소를 생성하는 탄소 생성부
    를 더 구비하는 연료 전지 발전 시스템.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 반응 장치의 상기 제1 유로로부터 배출된 가스에 포함되는 이산화탄소를 압축하는 압축부, 및
    상기 압축부에서 압축된 이산화탄소를 액화하는 액화 장치
    를 더 구비하는 연료 전지 발전 시스템.
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