JP2020087600A - 燃料電池発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】低温液体燃料の冷熱、及び低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーの少なくとも一方を有効活用する燃料電池発電システムを提供する。【解決手段】燃料電池発電システム１０Ａは、温度０℃以下の低温液体燃料が供給される酸化剤ガス管Ｐ１と、低温液体燃料が気化した燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとにより発電し、第１の二酸化炭素ガスを含むオフガスを排出する第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４と、低温液体燃料の冷熱および膨張エネルギーを用いて二酸化炭素ガスを圧縮冷却により液化する、二酸化炭素ガス液化部２４とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池発電システムに関し、特に低温液体燃料を用いて発電を行い、低温液体燃料の冷熱、及び低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーの少なくとも一方を有効活用可能とする、燃料電池発電システムに関する。
燃料電池発電システムにおいて、炭素化合物燃料を用いる場合には、燃料電池から排出される排ガスに二酸化炭素ガスが含まれている。この排ガスから二酸化炭素ガスを分離することが考えられている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特許５５８１２４０号公報 特開２０１３−１９６８９０号公報 特許５４１３７１９９号公報 特開２０１２−１６４４２３号公報
二酸化炭素ガスは、液化して液化二酸化炭素とすることで、輸送や貯留層への圧入固定化、および商工業利用をしやすくなるが、二酸化炭素ガスを液化するには、圧縮機と冷却装置とが必要である。
しかしながら、圧縮機、及び冷却装置に商用電源、即ち、外部エネルギーを用いた場合、二酸化炭素ガスを効率的に液化するとはいえず、外部エネルギーの利用に伴って二酸化炭素が排出され、正味の二酸化炭素削減量が減少する恐れがある。
また、二酸化炭素ガスを分解して炭素を生成し、二酸化炭素ガスの大気への放出を抑制することが考えられるが、二酸化炭素ガスを分解して炭素を生成する装置は、商用電源、即ち、外部エネルギーを用いた場合、炭素を効率的に生成するとはいえず、外部エネルギーの利用に伴って二酸化炭素が排出され、正味の二酸化炭素削減量が減少する恐れがある。
従来の燃料電池発電システムでは、低温液体燃料の気化工場などから気化供給された気体の燃料ガスを供給することが一般的であるが、低温液体燃料を供給して低温液体燃料の持つ冷熱や、気化時の膨張エネルギーを燃料電池発電システムの発電や、燃料電池発電システムの発電時に排出される二酸化炭素の分離回収、および回収した二酸化炭素の液化や粉末炭素回収に有効利用する技術はなかった。
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、低温液体燃料の冷熱、及び低温液体燃料の気化時の膨張エネルギーの少なくとも一方を、燃料電池発電システムの発電や、燃料電池発電システムの発電時に排出される二酸化炭素の分離回収、および回収した二酸化炭素の液化や粉末炭素回収に有効活用する燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
請求項１記載の燃料電池発電システムは、温度０℃以下の低温液体燃料が供給される液体燃料供給部と、前記低温液体燃料が気化した燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとにより発電し、第１の二酸化炭素ガスを含むオフガスを排出する燃料電池と、前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギー、及び前記低温液体燃料の冷熱の少なくとも一方を用いて、前記第１の二酸化炭素ガスを非ガス化処理する非ガス化処理装置と、を備えている。
請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、液体燃料供給部には、液化水素または液化天然ガスに代表される、冷熱を保有する低温液体燃料が供給される。
燃料電池においては、液体燃料供給部から送られた低温液体燃料が気化した燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとにより発電が行なわれ、第１の二酸化炭素ガスを含むオフガスが排出される。
非ガス化処理装置は、低温液体燃料の気化時の膨張エネルギー、及び低温液体燃料の冷熱の少なくとも一方を用いて、第１の二酸化炭素ガスを非ガス化処理する。
非ガス化処理装置は、低温液体燃料の気化時の膨張エネルギー、及び低温液体燃料の冷熱の少なくとも一方を用いて第１の二酸化炭素ガスを非ガス化処理するので、商用電源等の外部エネルギーを用いて第１の二酸化炭素ガスを非ガス化処理する場合に比較して、効率的に第１の二酸化炭素ガスを非ガス化処理することができ、非ガス化処理に要するエネルギー損失を削減できる。
なお、本発明における非ガス化処理とは、気体である第１の二酸化炭素ガスを、気体以外の形態にする処理のことであり、例えば二酸化炭素ガスを圧縮または冷却して液化二酸化炭素とする処理、または二酸化炭素を反応させて炭素を生成する処理等のことである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記非ガス化処理装置は、前記非ガス化処理として、少なくとも前記第１の二酸化炭素ガスを液化する。
請求項２に記載の燃料電池発電システムでは、非ガス化処理装置が、非ガス化処理として、少なくとも第１の二酸化炭素ガスを液化する。
低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギー、及び低温液体燃料の冷熱の少なくとも一方を用いて第１の二酸化炭素ガスを液化するので、システム外部のエネルギーを用いて第１の二酸化炭素ガスを液化する場合に比較して、液化に要するエネルギー損失を削減できる。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記非ガス化処理装置は、前記非ガス化処理として、少なくとも前記第１の二酸化炭素ガスから炭素を生成する。
請求項３に記載の燃料電池発電システムでは、非ガス化処理装置が、非ガス化処理として、少なくとも第１の二酸化炭素ガスから炭素を生成する。
低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギー、及び低温液体燃料の冷熱の少なくとも一方を用いて第１の二酸化炭素ガスから炭素を生成するので、システム外部のエネルギーを用いて第１の二酸化炭素ガスから炭素を生成する場合に比較して、炭素生成に要するエネルギー損失を削減できる。
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記非ガス化処理装置は、前記低温液体燃料の冷熱で空気を冷却して液体空気を生成した後、前記液体空気から酸素を分離する深冷分離式酸素製造装置と、前記燃料電池の燃料極から排出される未燃焼の炭素化合物を含んだオフガスと前記深冷分離式酸素製造装置で分離された前記酸素とが供給され、前記オフガス中の未燃焼の前記炭素化合物を前記酸素により燃焼反応させて生成された第２の二酸化炭素ガス、及び前記第１の二酸化炭素ガスを含んだ燃焼オフガスを排出する燃焼部と、を備えている。
請求項４に記載の燃料電池発電システムでは、深冷分離式酸素製造装置が、低温液体燃料の冷熱で空気を冷却して液化した後に酸素を分離する。深冷分離式酸素製造装置は、低温液体燃料の冷熱を用いて空気を液化した後、酸素とそれ以外（窒素）との沸点の違いから酸素を分離するので、酸素のみを効率的に得ることができる。
また、燃焼部は、燃料電池の燃料極から排出される未燃焼の炭素化合物を含んだオフガスと、深冷分離式酸素製造装置で分離された酸素とが供給され、オフガス中の未燃焼の炭素化合物を酸素により燃焼反応させて生成された第２の二酸化炭素ガス、及び第１の二酸化炭素ガスを含んだ燃焼オフガスを排出する。燃料電池の燃料極から排出される未燃焼の炭素化合物を酸素で燃焼させることで、二酸化炭素ガスの濃度の高い燃焼オフガスを得ることができる。
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記非ガス化処理装置は、前記燃焼オフガスを冷却して、前記燃焼オフガスから水分を凝縮すると共に、前記燃焼オフガス中に含まれる前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素ガス分離部を備えている。
燃焼オフガスには、水分（水蒸気）と、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスが含まれているため、燃焼オフガスを冷却すると、水分が凝縮されて液化し、気体である第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスと液体である水とを簡単に分離できる。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記二酸化炭素ガス分離部は、前記低温液体燃料の前記冷熱で前記燃焼オフガスを冷却する。
請求項６に記載の燃料電池発電システムでは、低温液体燃料の冷熱を利用して燃料オフガスを冷却して第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスを分離するので、電力を用いて燃焼オフガスを冷却する場合に比較して、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの分離に要するエネルギー損失を削減できる。
さらに、請求項６に記載の燃料電池発電システムでは、発電中に、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの分離に電力を用いる必要が無いので、商用電源等の停電時も継続して第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの分離を行なうことができ、また、燃料電池で発電した電力を用いることもないので、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの分離を行ないながら、高効率な燃料電池発電を継続することができる。
請求項７に記載の発明は、請求項２を引用する請求項４〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記非ガス化処理装置は、前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、動力を発生する駆動装置と、前記駆動装置の前記動力で駆動され、前記二酸化炭素ガス分離部から排出された前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを圧縮する第１圧縮機と、前記低温液体燃料の冷熱を用いて前記第１圧縮機で圧縮された前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを冷却して液化二酸化炭素を得る冷却装置と、を備えている。
請求項７に記載の燃料電池発電システムでは、駆動装置が、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、第１圧縮機を駆動する動力を発生する。
第１圧縮機は、駆動装置から動力を得て駆動され、二酸化炭素ガス分離部から排出された第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスを圧縮する。
冷却装置は、低温液体燃料の冷熱を用いて第１圧縮機で圧縮された第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスを冷却して液化二酸化炭素を得る。
請求項７に記載の燃料電池発電システムでは、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスを圧縮する第１圧縮機を、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動される駆動装置で駆動するので、システム外部の電力を用いて第１圧縮機を駆動する場合に比較して、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガス二酸化炭素ガスの圧縮に要するエネルギー損失を削減できる。
さらに、請求項７に記載の燃料電池発電システムでは、発電中に、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの圧縮にシステム外部の電力を用いる必要が無いので、商用電源等の停電時も継続して第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの圧縮を行なうことができ、また、燃料電池で発電した電力を用いることもないので、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの圧縮を行ないながら、高効率な燃料電池発電を継続することができる。
請求項８に記載の発明は、請求項２を引用する請求項４〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記非ガス化処理装置は、前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、動力を発生する駆動装置と、前記駆動装置の前記動力で駆動され、電力を生成する発電機と、前記発電機で生成された電力で駆動される電気モータと、前記電気モータで駆動され、前記二酸化炭素ガス分離部から排出された前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを圧縮する第２圧縮機と、前記低温液体燃料の冷熱を用いて前記第１圧縮機で圧縮された前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを冷却して液化二酸化炭素を得る冷却装置と、を備えている。
請求項８に記載の燃料電池発電システムでは、駆動装置が、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、発電機を駆動する動力を発生する。
発電機は、駆動装置から動力を得て駆動され、電力を発生する。
電気モータは、発電機で生成された電力で駆動され、第２圧縮機を駆動する動力を発生する。
第２圧縮機は、電気モータから動力を得て駆動され、二酸化炭素ガス分離部から排出された第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスを圧縮する。
冷却装置は、低温液体燃料の冷熱を用いて第２圧縮機で圧縮された第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスを冷却して液化二酸化炭素を得る。
請求項８に記載の燃料電池発電システムでは、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動装置を駆動し、該駆動装置で発電機を駆動し、該発電機で生成された電力で電気モータを駆動し、該電気モータで第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスを圧縮する第２圧縮機を駆動するので、システム外部の電力を用いて電気モータを駆動する場合に比較して、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの圧縮に要するエネルギー損失を削減できる。
さらに、請求項８に記載の燃料電池発電システムでは、発電中に、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの圧縮にシステム外部の電力を用いる必要が無いので、商用電源等の停電時も継続して第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの圧縮を行なうことができ、また、燃料電池で発電した電力を用いることもないので、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスの圧縮を行ないながら、高効率な燃料電池発電を継続することができる。
請求項９に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記非ガス化処理装置は、前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、動力を発生する駆動装置と、前記駆動装置の前記動力で駆動され、電力を生成する発電機と、前記発電機で生成された電力を用いて水を電気分解して水素ガスを生成する水電解装置と、前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスと前記水素ガスとを触媒状で反応させ、炭素を生成する炭素生成部と、を備えている。
請求項９に記載の燃料電池発電システムでは、駆動装置が、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、発電機を駆動する動力を発生する。
発電機は、駆動装置から動力を得て駆動され、電力を発生する。
水電解装置は、発電機で生成された電力を用いて水を電気分解して水素ガスを生成する。
炭素生成部は、第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスと水素ガスとを触媒上で反応させ、炭素を生成する。
請求項９に記載の燃料電池発電システムでは、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動装置を駆動し、該駆動装置で発電機を駆動し、該発電機で生成された電力で水電解装置を駆動するので、システム外部の電力を用いて水電解装置を駆動する場合に比較して、水の電気分解に要するエネルギー損失を削減できる。
さらに、請求項９に記載の燃料電池発電システムでは、発電中に、水の電気分解にシステム外部の電力を用いる必要が無いので、商用電源等の停電時も継続して水の電気分解を行なうことができ、また、燃料電池で発電した電力を用いることもないので、水の電気分解を行ないながら、高効率な燃料電池発電を継続することができる。
また、炭素生成部で生成された炭素は、着火して燃焼しないかぎり、大気中に二酸化炭素ガスとなって放出されることが無いので、二酸化炭素ガスの大気への放出を抑制することができ、長期安定的な炭素固定化が可能となる。
請求項１０に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記非ガス化処理装置は、前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、動力を発生する駆動装置と、前記駆動装置の前記動力で駆動され、電力を生成する発電機と、前記発電機で生成された電力を用いて駆動される電動ターボ冷凍機と、前記発電機で生成された電力を用いて水を電気分解して水素ガスを生成する水電解装置と、前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスと前記水素ガスとを触媒上で反応させ、炭素を生成する炭素生成部と、を備え、前記二酸化炭素ガス分離部は、前記燃焼部から排出される燃焼オフガスを前記電動ターボ冷凍機で生成された冷熱で冷却する。
請求項１０に記載の燃料電池発電システムでは、駆動装置が、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動されて動力を発生する。
発電機は、駆動装置での動力で駆動され、電力を生成する。
電動ターボ冷凍機は、発電機で生成された電力を用いて駆動され、冷熱を生成する。
水電解装置は、発電機で生成された電力を用いて水を電気分解して水素ガスを生成する。
二酸化炭素ガス分離部は、燃焼部から排出される燃焼オフガスを電動ターボ冷凍機で生成された冷熱で冷却し、水分を凝縮すると共に第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスを分離する。
また、炭素生成部は、第１の二酸化炭素ガス、及び第２の二酸化炭素ガスと水素ガスとを触媒上で反応させ、炭素と水蒸気とを生成する。
請求項１０に記載の燃料電池発電システムでは、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動装置を駆動し、該駆動装置で発電機を駆動し、該発電機で生成された電力で電動ターボ冷凍機を駆動するので、システム外部の電力を用いて電動ターボ冷凍機を駆動する場合に比較して、冷熱の生成に要するエネルギー損失を削減できる。
なお、電動ターボ冷凍機は、一般的に冷却効率が高いため、発電機で発電した電力を用いても、高効率で燃料電池発電システムを運転することができる。
さらに、請求項１０に記載の燃料電池発電システムでは、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動装置を駆動し、該駆動装置で発電機を駆動し、該発電機で生成された電力で水電解装置を駆動するので、システム外部の電力を用いて水電解装置を駆動する場合に比較して、水の電気分解に要するエネルギー損失を削減できる。
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記低温液体燃料が気化する際の前記膨張エネルギーを用いて駆動され、前記酸化剤ガスを大気圧を超える圧力に圧縮して前記燃料電池に供給する酸化剤ガス圧縮装置を備え、前記燃料電池は、前記酸化剤ガス圧縮装置で圧縮した高圧の前記酸化剤ガスと、前記低温液体燃料が気化膨張した後の大気圧を超える圧力とされた高圧の燃料ガスとが供給されて発電する前記燃料電池と、を有する。
請求項１１に記載の燃料電池発電システムでは、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて酸化剤ガス圧縮装置を駆動し、該酸化剤ガス圧縮装置で生成された大気圧を超える圧力とされた酸化剤ガスと、低温液体燃料が気化して生成された大気圧を超える圧力とされた高圧の燃料ガスとで、燃料電池を加圧環境下で駆動するので、常圧（大気圧）で駆動する燃料電池発電システムに比較して、燃料電池の発電性能を高めて発電運転を行うことができ、発電出力や効率を向上させるとともに、二酸化炭素の分離回収や非ガス化に係るエネルギー損失を削減できる。
さらに、請求項１１に記載の燃料電池発電システムでは、低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて酸化剤ガス圧縮装置を駆動し、燃料電池を該酸化剤ガス圧縮装置で生成された高圧の酸化剤ガスと、低温液体燃料が気化して生成した高圧の燃料ガスで駆動するので、商用電源等の停電時も継続して加圧環境下で、高効率な燃料電池発電を継続することができる。
本発明に係る燃料電池発電システムによれば、低温液体燃料の冷熱、及び低温液体燃料の気化時の膨張エネルギーの少なくとも一方を有効活用することができる。
第１実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。 二酸化炭素の状態図である。 第２実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。 第３実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。 第４実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
図１には、本発明の燃料電池発電システムの一例としての第１実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ａが示されている。燃料電池発電システム１０Ａは、主要な構成として、第１燃料電池セルスタック１２、第２燃料電池セルスタック１４、酸素製造装置１６、酸素燃焼器１８、凝縮器２０、水タンク２２、二酸化炭素ガス液化部２４、タンク２６等を備え、これらがオンサイト（２点鎖線で囲む）で設けられている。
本実施形態の第１燃料電池セルスタック１２は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池（ＰＣＦＣ：Proton Ceramic Solid Oxide Fuel Cell）であり、電解質層１２Ｃと、当該電解質層１２Ｃの表裏面にそれぞれ積層された第１燃料極１２Ａ、及び第１空気極１２Ｂと、を有している。
第２燃料電池セルスタック１４についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１２と同様であり、第１燃料極１２Ａに対応する第２燃料極１４Ａ、第１空気極１２Ｂに対応する第２空気極１４Ｂ、及び電解質層１２Ｃに対応する電解質層１４Ｃを有している。
なお、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４の詳細は後述する。
本実施形態の酸素製造装置１６は、いわゆる深冷分離式酸素製造装置であり、空気から酸素を分離する方式のものである。深冷分離式酸素製造装置としは公知の構成のものを使用することができる。本実施形態の酸素製造装置１６には、空気（大気）、及び空気の冷却等に使用される低温液体燃料（ＬＦ）が供給される。また、この酸素製造装置１６の駆動には、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４で発電された電力を用いることができる。
酸素製造装置１６には、空気が供給される酸化剤ガス管Ｐ１、及び低温液体燃料が供給される液体燃料管Ｐ２、及び低温液体燃料が気化した燃料ガス（ＧＦ）を第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａへ送出する配管Ｐ１２が接続されている。なお、配管Ｐ１２の先端は、後述する配管Ｐ８の途中に接続されている。
低温液体燃料としては、一例として、大気圧下では気体であり、圧縮して低温液化する燃料、より具体的には、低温のＬＮＧ（液化天然ガス）やＬＨ２（液化水素）またはその両方を用いることができるが、気化時に冷熱と膨張エネルギーを放出し、改質により水素を生成可能なものであれば特に限定されない。
ここで「低温液体燃料」の「低温」とは、少なくとも、０℃以下のことを意味する。
酸素製造装置１６で製造された酸素は、配管Ｐ３を介して酸素燃焼器１８に供給される。また、酸素燃焼器１８には、第２燃料極オフガス管Ｐ４を介して第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａから排出された第２燃料極オフガスが供給される。
酸素燃焼器１８では、第２燃料極オフガスが酸素により燃焼され、二酸化炭素と水蒸気とを含んだ燃焼ガスを排出する。燃焼ガスは、配管Ｐ５を介して凝縮器２０に供給される。
酸素製造装置１６に接続された配管Ｐ２の途中には、後述する冷却装置３２に接続される配管Ｐ６が接続されており、この配管Ｐ６の途中には、低温液体燃料を凝縮器２０に供給する配管Ｐ７が接続されている。
配管Ｐ７は、中間部が凝縮器２０の内部を通過しており、その先端が後述する駆動装置２８から排出された燃料ガスを第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａへ送出する配管Ｐ８の途中に接続されている。
凝縮器２０では、配管Ｐ５を介して供給された燃焼オフガスが、配管Ｐ７を通過する低温液体燃料の冷熱で冷却され、これにより、燃焼オフガス中の水蒸気が凝縮する。凝縮した水は配管Ｐ９を介して水タンク２２へ送出される。
凝縮器２０で水（液相）が除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素濃度の高いガスとなっており、当該燃焼オフガスは二酸化炭素リッチガスと称することができる。凝縮器２０から排出された二酸化炭素ガスは、配管Ｐ１０を介して二酸化炭素ガス液化部２４へ送出される。
また、凝縮器２０では、配管Ｐ７を通過する低温液体燃料（ＬＦ）が燃焼オフガスで加熱されることで気化して燃料ガス（ＧＦ：気体燃料）となり、配管Ｐ６を介して第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａへ送出される
（二酸化炭素ガス液化部の構成）
二酸化炭素ガス液化部２４には、駆動装置２８、駆動装置２８で駆動される第１圧縮機としての第１圧縮機としての圧縮機３０、及び二酸化炭素ガスを冷却する冷却装置３２が設けられている。
二酸化炭素ガス液化部２４へ送られた二酸化炭素ガスは、圧縮機３０で圧縮され、圧縮された二酸化炭素ガスは配管Ｐ１１を介して冷却装置３２へ送出される。
圧縮機３０を駆動する本実施形態の駆動装置２８は、高圧の気体が供給され、高圧の気体が膨張する際の膨張エネルギーを回転エネルギー（回転駆動力）に変換する装置である。本実施形態の駆動装置２８は、高圧の燃料ガスが膨張する際の膨張エネルギーで回転する膨張タービンを有しているが、燃料ガスが膨張する際の膨張エネルギーを回転エネルギーに変換する装置であれば膨張タービンに限らず、ピストン式エアモータ、ロータリーベーン式エアモータ等の他の種類の駆動装置を用いることができる。
また、圧縮機３０は、気体を圧縮できるものであればよく、羽根車若しくはロータの回転運動、又はピストンの往復運動によって気体を圧縮する機械、例えば、ロータリー圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機、レシプロ圧縮機等の公知の構造のものを用いることができる。
冷却装置３２は、圧縮機３０で圧縮されて大気圧よりも高圧となり、かつ温度上昇した二酸化炭素ガスと、低温液体燃料との間で熱交換を行なう。冷却装置３２に供給された二酸化炭素ガスは、低温液体燃料の冷熱で冷却されて液化二酸化炭素となり、低温液体燃料は温度上昇した二酸化炭素ガスで加熱されてガス化して大気圧よりも高圧の燃料ガスとなる。
このようにして冷却装置３２で生成された高圧の燃料ガスが駆動装置２８に供給され、高圧の燃料ガスが膨張する際の膨張エネルギーで駆動装置２８の膨張タービンが回転されて、圧縮機３０が駆動される。
駆動装置２８を駆動した後の燃料ガスは、配管Ｐ８を介して第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａへ送出される。
冷却装置３２で生成された液化二酸化炭素は、配管Ｐ１１、ポンプ３４を介してタンク２６に送られて貯留される。
（燃料電池の構成）
第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａには、配管Ｐ８を介して燃料ガスが供給される。なお、配管Ｐ８には、図示しない水蒸気管が合流接続されており、不図示の水蒸気源から、起動時や停止時などに、適宜水蒸気が送り込まれる。
第１燃料極１２Ａでは、下記（１）式に示すように、燃料ガスが水蒸気改質され、水素と一酸化炭素が生成される。また、下記（２）式に示すように、生成された一酸化炭素と水蒸気とのシフト反応により二酸化炭素と水素が生成される。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２ …（２）
そして、第１燃料極１２Ａにおいて、下記（３）式に示すように、水素が水素イオンと電子とに分離される。
（燃料極反応）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−…（３）
水素イオンは、電解質層１２Ｃを通って第１空気極１２Ｂへ移動する。電子は、外部回路（不図示）を通って第１空気極へ移動する。これにより、第１燃料電池セルスタック１２において発電される。発電時に、第１燃料電池セルスタック１２は、発熱する。
第１燃料電池セルスタック１２の第１空気極１２Ｂには、酸化剤ガス管Ｐ１３から酸化剤ガス（空気）が供給される。酸化剤ガス管Ｐ１３へは、図示しない酸化剤ガスブロワにより空気が導入されている。
第１空気極１２Ｂでは、下記（４）式に示すように、電解質層１２Ｃを通って第１燃料極１２Ａから移動してきた水素イオン、外部回路を通って第１燃料極１２Ａから移動した電子が、酸化剤ガス中の酸素と反応して水蒸気が生成される。
（空気極反応）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２ →Ｈ２Ｏ …（４）
また、第１空気極１２Ｂには、空気極オフガス管Ｐ１４が接続されている。第１空気極１２Ｂから空気極オフガス管Ｐ１４へ空気極オフガスが排出され、空気極オフガスは第２燃料電池セルスタック１４の第２空気極１４Ｂへ送出される。
第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａには第１燃料極オフガス管Ｐ１５の一端が接続されており、第１燃料極オフガス管Ｐ１５の他端は第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａに接続されている。第１燃料極１２Ａから第１燃料極オフガス管Ｐ１５へ第１燃料極オフガスが送出される。燃料極オフガスには、未改質の燃料ガス成分、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。
第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａには、第２燃料極オフガス管Ｐ４の一端が接続されており、第２燃料極１４Ａから、第２燃料極オフガスが酸素燃焼器１８へ送出される。
第２燃料電池セルスタック１４では、第１燃料電池セルスタック１２と同様の発電反応が行われ、第２空気極１４Ｂからは空気極オフガス管Ｐ１６を介して空気極オフガスがシステム外部（大気）へ排出される。
（作用、効果）
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａの動作について説明する。
燃料電池発電システム１０Ａに低温液体燃料、及び空気が供給されると、空気は酸化剤ガス管Ｐ１を介して酸素製造装置１６に供給され、低温液体燃料は、酸素製造装置１６、凝縮器２０及び二酸化炭素ガス液化部２４の冷却装置３２へ送出される。
酸素製造装置１６では、空気が低温液体燃料の冷熱で冷却された後、酸素（ガス）が分離され、酸素は、配管Ｐ３を介して酸素燃焼器１８へ送出される。なお、酸素以外の残りの気体（窒素等）は、外部（大気）へ排出される。低温液体燃料は、酸素燃焼器１８で空気を冷却した後に気体の燃料ガスとなり、配管Ｐ１２を介して第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａへ送出される。なお、配管Ｐ１２には、下流側で、凝縮器２０を通過した後の燃料ガス、及び圧縮機３０を通過した後の燃料ガスも流入する。
この酸素製造装置１６は、深冷分離式酸素製造装置であり、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４で発電された電力で駆動され、低温液体燃料の冷熱を用いて空気を液化した後、酸素を分離するので、酸素を効率的に得ることができる。また、酸素製造装置１６は、外部の電力を用いずに稼動できるため、酸素製造に要するエネルギー損失を削減でき、商用電源等の停電時も継続して酸素を製造できる。
なお、配管Ｐ１２を介して燃料ガスが第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａへ供給され、酸化材ガス管Ｐ１３を介して酸化剤ガス（空気）が第１空気極１２Ｂへ供給されることで第１燃料電池セルスタック１２で発電が行われる。
第２燃料電池セルスタック１４では、第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａから排出された第１燃料極オフガスが第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａに供給され、第１燃料電池セルスタック１２の第１空気極１２Ｂから排出された第１空気極オフガスが第２燃料電池セルスタック１４の第２空気極１４Ｂへ供給され、発電が行われる。
第２空気極１４Ｂで生成された空気極オフガスは、空気極オフガス管Ｐ１６を介してシステム外部（大気）へ排出される。
一方、第２燃料極１４Ａから排出された第２燃料極オフガス（未燃焼の炭素化合物、及び二酸化炭素ガス（本発明の第１の二酸化炭素ガス）を含む）は、第２燃料極オフガス管Ｐ４を介して酸素燃焼器１８へ送出され、第２燃料極オフガス中の未燃焼の炭素化合物が、酸素により燃焼され二酸化炭素ガス（本発明の第２の二酸化炭素ガス）が生成される。
これにより、酸素燃焼器１８からは、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４の発電に伴って生成された二酸化炭素ガス（第１の二酸化炭素ガス）と、第２燃料極オフガス中の未燃焼の炭素化合物が酸素で燃焼されて生成された二酸化炭素ガス（第２の二酸化炭素ガス）と、水蒸気とを含んだ燃焼ガスが排出される。この燃焼ガスは、配管Ｐ５を介して凝縮器２０に供給される。
なお、酸素燃焼器１８から排出される第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４の発電に伴って生成された二酸化炭素ガス（第１の二酸化炭素ガス）と、空気極オフガス中の未燃焼の炭素化合物が酸素で燃焼されて生成された二酸化炭素ガス（第２の二酸化炭素ガス）とが混合したものは、以後、単に二酸化炭素ガスと呼ぶ。
凝縮器２０では、燃焼オフガスが低温液体燃料の冷熱で冷却され、燃焼オフガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮した水は配管Ｐ９を介して水タンク２２へ送出される。凝縮器２０では、水（液相）が除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素濃度の高いガスとなって配管Ｐ１０を介して二酸化炭素ガス液化部２４の圧縮機３０へ送出される。
また、凝縮器２０では、配管Ｐ７を通過する低温液体燃料が燃焼オフガスで加熱されることで気化して燃料ガスとなり、配管Ｐ６を介して第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａへ送出される。
このように、本実施形態の凝縮器２０では、燃焼オフガス中の水蒸気を凝縮させ、水分と二酸化炭素ガスとを分離する際に低温液体燃料の冷熱を用いており、商用電源等のシステム外部の電力を用いた電動式の冷凍機等で生成した冷熱を使用しないので、エネルギー損失を削減でき、商用電源等の停電時も継続して水分と二酸化炭素ガスとの分離を行なうことができる。
凝縮器２０から排出された二酸化炭素ガスは、配管Ｐ１０を介して二酸化炭素ガス液化部２４の圧縮機３０へ送出されて圧縮され、高圧となった二酸化炭素ガスは、配管Ｐ１１を介して冷却装置３２へ送出される。
冷却装置３２では、高圧となった二酸化炭素ガス（ＣＯ２）が、低温液体燃料（ＬＦ）の冷熱によって冷却されて液化二酸化炭素（ＬＣＯ２）となり、低温液体燃料が、圧縮されて温度上昇した二酸化炭素ガスで加熱されて気化し、高圧の燃料ガス（ＧＦ）となる。このようにして生成された高圧の燃料ガスは、駆動装置２８へ送出される。駆動装置２８は、高圧の燃料ガスが膨張する際の膨張エネルギーを回転エネルギーに変換し、圧縮機３０を駆動する。
このように、本実施形態の圧縮機３０は、高圧の燃料ガスが膨張する際の膨張エネルギーを回転エネルギー（回転駆動力）に変換する駆動装置２８で駆動されるので、商用電源等のシステム外部の電力を用いた電気モータ等で駆動した場合に比較してエネルギー損失が少なく、商用電源等の停電時も継続して二酸化炭素ガスの圧縮を行なうことができる。
冷却装置３２では、図２の炭酸ガスの状態図で示すように、沸騰線と溶解線とで囲まれる液体と記載されている領域の圧力、及び温度となるように、二酸化炭素ガスを圧縮すると共に冷却することで、二酸化炭素ガスを液化して液化二酸化炭素とすることができる。
二酸化炭素ガス液化部２４で生成された液化二酸化炭素は、配管Ｐ１１、ポンプ３４を介してタンク２６に送られて貯留される。なお、タンク２６に貯留された液化二酸化炭素は、従来通り、商工業用等として利用することもできる。
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａは、オンサイトで設けられているので、発電中は、連続的に液化二酸化炭素を効率的に製造し、タンク２６に貯留することができる。なお、タンク２６に貯留した液化二酸化炭素は、ローリー３６等で輸送してもよく、パイプライン等で輸送してもよい。
また、図示は省略するが、冷却装置３２と駆動装置２８との間の配管Ｐ６に、流量調整弁、圧力調整弁、圧力センサ、流量センサ等を設け、駆動装置２８に送出される燃料ガスの圧力、及び流量を、圧力センサ、及び流量センサからの情報に基づいて制御装置で流量調整弁、圧力調整弁をコントロールし、駆動装置２８の回転速度を調整することができる。
以上のように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａによれば、低温液体燃料を利用可能な環境下において、低温液体燃料の冷熱、及び低温液体燃料の気化時の膨張エネルギーを有効活用することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
図３に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂは、第１の実施形態の燃料電池発電システム１０Ａとは、二酸化炭素ガス液化部２４の構成が異なっている。
本実施形態の二酸化炭素ガス液化部２４は、駆動装置２８が発電機３８を駆動し、発電機３８で生成された電力で電気モータ４０を駆動し、電気モータ４０の駆動力で第２圧縮機としての圧縮機３０を駆動する構成となっている。
このように、本実施形態の圧縮機３０も第１の実施形態と同様に、商用電源等のシステム外部の電力を用いた電気モータ等で駆動されないので、商用電源等のシステム外部の電力を用いた電気モータ等で駆動した場合に比較してエネルギー損失が少なく、商用電源等の停電時も継続して二酸化炭素ガスの圧縮を行なうことができる。
なお、本実施形態では、発電機３８で生成された電力で酸素製造装置１６を駆動することもできる。
なお、その他の作用、効果は第１の実施形態と同様である。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ｃを図４にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃは、発電を行なうと共に、発電で生じた二酸化炭素ガスの大気への放出を抑制するために炭素粉末を製造するものである。なお、第１実施形態、及び第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃでは、供給された低温液体燃料の一部が、配管Ｐ２の途中に接続された配管Ｐ１７を介して蒸発器４２に送出される。蒸発器４２では、低温液体燃料が空気（大気）の熱によって気化（蒸発）されて燃料ガスとなる。なお、蒸発器４２に、第２燃料電池セルスタック１４の第２空気極１４Ｂから排出される空気極オフガスの熱、酸素燃焼器１８の熱等、システム内部で発生した熱を供給して低温液体燃料の気化を促進してもよい。
蒸発器４２から排出された燃料ガスは、配管Ｐ１８を介して駆動装置２８へ送出され、駆動装置２８を駆動する。なお、駆動装置２８を駆動した後の燃料ガスは、配管Ｐ１９を介して第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａへ送出される。
本実施形態の駆動装置２８は発電機３８を駆動し、発電機３８で生成された電力は、後述する電動ターボ冷凍機４４、及び炭素製造部４６の水電解装置４８等に用いられる。
本実施形態の凝縮器２０には、電動ターボ冷凍機４４との間で冷却水を循環させる冷却水循環流路２０Ａが配管されており、冷却水循環流路２０Ａには電動ターボ冷凍機４４で冷却された冷却水が図示しないポンプの駆動により循環供給される。
本実施形態の凝縮器２０では、燃焼オフガスが、電動ターボ冷凍機４４で生成された冷却水の冷熱で冷却される。凝縮器２０で凝縮した水は一部が水配管Ｐ９を介して水タンク２２へ送出され、水タンク２２の水の一部が、水配管Ｐ２０を介して後述する炭素製造部４６の水電解装置４８に送出される。
（炭素製造部）
炭素製造部４６は、水電解装置４８、配管Ｐ２１、水素ブロワ５０、配管Ｐ２２、酸素ブロワ５２、酸素タンク５４、粉末炭素生成器５６等を含んで構成されている。
水電解装置４８には、水配管Ｐ２０、ポンプ５８、及び水浄化装置６０を経た水タンク２２の水が供給される。水浄化装置６０は、水タンク２２からの水を浄化（異物除去、ＰＨ調整等）する。水電解装置４８は、発電機３８で得られた交流電力を直流電力に変換し、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを生成することができる。
水電解装置４８で生成された水素ガスは、配管Ｐ２１、水素ブロワ５０を介して粉末炭素生成器５６へ送られ、酸素ガスは、配管Ｐ２２、酸素ブロワ５２を介して酸素タンク５４へ送られ、酸素タンク５４に貯留される。
なお、水素ブロワ５０、及び酸素ブロワ５２は、発電機３８で得られた交流電力で駆動することができるが、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４で発電された電力で駆動してもよい。
粉末炭素生成器５６は、一例として、多重円筒状とされており、平面視で円環状とされたガス流路５６Ａと、ガス流路５６Ａの径方向内側に配置された炭素固定化部５６Ｂとを有している。
炭素固定化部５６Ｂでは、配管Ｐ２４を凝縮器２０から送られた二酸化炭素ガスと、水電解装置４８から送られた水素ガスとが供給される。炭素固定化部５６Ｂで二酸化炭素ガスと水素ガスとに対し触媒を用いて下記（５）式のような還元反応を生じさせるようになっている。
ＣＯ２+２Ｈ２→Ｃ+２Ｈ２Ｏ …（５）
上記還元反応で生じるＣは、粉末炭素であり、炭素固定化部５６Ｂの下部から排出することができる。また、上記還元反応で生じるＨ２０は、具体的には水蒸気であり、該水蒸気は、配管Ｐ２３を介して凝縮器２０へ送られる。
（作用、効果）
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃの作用を説明する。
本実施形態では、凝縮器２０に付与する冷熱を低温液体燃料の冷熱ではなく、電動ターボ冷凍機４４で生成した冷熱を用いているが、電動ターボ冷凍機４４は、一般的に冷却効率が高いため、発電機３８で発電した電力を用いても、高効率で燃料電池発電システム１０Ｃを運転することができる。
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃでは、水電解装置４８が、燃料ガスの膨張エネルギーで駆動される駆動装置２８で駆動される発電機３８で得られた交流電力を直流電力に変換して水を電気分解しているので、商用電源等のシステム外部の電力を用いて水を電気分解する場合に比較してエネルギー損失が少なく、商用電源等の停電時も継続して水の電気分解を行なうことができる。
なお、水電解装置４８は、二酸化炭素ガスを大気中に放出しない図示しない再生可能エネルギー発電で得られた電力（いわゆる「クリーンエネルギー」）を用いて水を電気分解することもできる。再生可能エネルギー発電として、一例として、太陽光発電、太陽熱発電、水力発電、風力発電、地熱発電、波力発電、温度差発電、バイオマス発電等を挙げることができるが、他のものであってもよい。
炭素固定化部５６Ｂでは、凝縮器２０から送られた二酸化炭素ガスと、水電解装置４８から送られた水素ガスとが供給されて前記（５）式のような還元反応が生じる。上記反応を開始させるには、雰囲気温度を高温にする必要があるが、該反応により熱が生じるので、一旦反応が開始された後には、外部より熱を加える必要はない。なお、粉末炭素生成器５６を起動する際には、最初に、ガス流路５６Ａに水素ガスと酸素ガスとを供給して着火する。着火後、前記（５）式の反応により熱が生じれば、酸素ガスと水素ガスの供給は停止する。
炭素固定化部５６Ｂでは、二酸化炭素ガスと水素ガスとを連続して供給することで、粉末炭素（前記（５）式の「Ｃ」）を連続して生成することができる。生成された粉末炭素は、炭素固定化部５６Ｂの下方から取り出すことができる。また、二酸化炭素ガスと水素ガスとが反応して生成された水蒸気（前記（５）式のＨ２Ｏ）は、炭素固定化部５６Ｂの下方から排出される。なお、炭素固定化部５６Ｂから排出された水蒸気は、配管Ｐ２５を介して凝縮器２０へ送られ、凝縮器２０で冷却されて水となる。
なお、凝縮器２０で生成されて水タンク２２に貯留された水は、冷却水循環流路２０Ａの冷却水の補充に用いることができる。
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃは、オンサイトで設けられているので、発電中は、連続的に粉末炭素を効率的に製造することができる。
粉末炭素は、着火して燃焼しないかぎり、大気中に二酸化炭素ガスとなって放出されることは無く、二酸化炭素ガスの大気への放出を抑制することができる。
また、粉末炭素は貯留サイトへの輸送も容易であり、着火源と酸素が揃う条件下に置かなければ、地下に埋め立て処分したり、地上に野積みするだけでも、長期安定的な炭素固定化が可能となる。なお、製造された粉末炭素は、カーボンブラック等として商工業利用することもできる。
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃでは、二酸化炭素ガスから粉末炭素を生成したが、粉末炭素をグラファイト、カーボンナノチューブまたはダイヤモンド等にする炭素製品製造装置６２を更に付加してもよい。炭素製品製造装置６２では、例えば、回収した粉末炭素を、燃料電池発電システム１０Ｃで発電された電力、または再生可能エネルギーによる電力等を活用して高温（電気ヒータ昇温）、高圧（電動高圧プレス）環境下におくことで、公知の技術により合成ダイヤモンドの粉末を得ることができる。また、例えば、回収した粉末炭素を、燃料電池発電システム１０Ｃで発電された電力、または再生可能エネルギーによる電力等を活用して、アーク放電法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法等、公知の技術によりカーボンナノチューブを得ることができる。さらに、回収した粉末炭素を、燃料電池発電システム１０Ｃで発電された電力、または再生可能エネルギーによる電力等を活用して、公知の技術により、グラファイトを得ることができる。
炭素粉末をグラファイトやカーボンナノチューブまたはダイヤモンド粉末とすることで、着火源や酸素があっても容易に燃焼することはなく、地上に野積みしても、安全かつ長期安定的に炭素を固定することが可能となり、貯留場所の制限もなくなり、輸送や圧入のエネルギーロスやコストを低減できる。なお、グラファイトは鉛筆の芯や自動車用のブレーキパッド等に、カーボンナノチューブは半導体や構造材料として、合成ダイヤモンド粉末は、工事、工作機械のダイヤモンドカッターの刃材等に、それぞれ商工業利用することもできる。
なお、この炭素製品製造装置６２も炭素製造部４６の一部であり、燃料電池発電システム１０Ｃにオンサイトで設けられている。また、粉末炭素を利用して製造する物も、上記の炭素製品に限らず、カーボンナノホーンやフラーレンといった炭素材料を、公知の技術により製造して商工業利用しても良い。
以上のように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂによれば、低温液体燃料を利用可能な環境下において、低温液体燃料の気化時の膨張エネルギーを有効活用することができる。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ｄを図５にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄは、発電システムの出力および効率を向上させるために、低温液体燃料の気化時に発生する膨張エネルギーを用いて圧縮装置を駆動し、燃料電池発電システムに供給する酸化剤ガスを圧縮して大気圧を超えた圧力とされた高圧の圧縮酸化剤ガスを生成し、該圧縮酸化剤ガスを燃料電池発電システムの酸化剤ガスとして供給するとともに、低温液体燃料の気化時に生成する大気圧よりも高圧の燃料ガスを燃料ガスとして供給することで、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４を加圧環境下で運転させることにより、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４の出力および効率を向上させるものである。なお、第１実施形態、第２実施形態、及び第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄは、冷却装置３２を通過した大気圧を超える高圧の燃料ガスで駆動される駆動装置６３、駆動装置６３で駆動される圧縮機６５を備えている。この駆動装置６３と圧縮機６５とで本発明の酸化剤ガス圧縮装置が構成されている。
冷却装置３２を通過した高圧の燃料ガスは、配管Ｐ３７を介して駆動装置６３に送出され、駆動装置６３を駆動する。なお、駆動装置６３を駆動して駆動装置６３から排出された燃料ガスは、配管Ｐ３８を介して配管Ｐ８へ送出される。
駆動装置６３で駆動される圧縮機６５は、酸化剤ガス管Ｐ１３の中間部に設けられており、供給された酸化剤ガス（空気）を圧縮して大気圧よりも高圧の圧縮酸化剤ガスを第１燃料電池セルスタック１２の第１空気極１２Ｂに供給することができる。
なお、ここでいう「大気圧よりも高圧」とは、０．１ＭＰａを超える圧力であることが好ましい。
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄに用いられる第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４は、０．１ＭＰａを超える圧力に加圧された酸化剤ガス、及び燃料ガスによって発電を行なうことができるものであり、一般的には、加圧駆動型燃料電池と呼ばれるものである。
（作用、効果）
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄの作用を説明する。
本実施形態では、燃料電池発電システムに供給する圧縮酸化剤ガスを、商用電源等のシステム外部の電力を用いて駆動する圧縮装置を用いるのではなく、低温燃料が気化する際の膨張エネルギーを利用して駆動する酸化材ガス圧縮装置、即ち、駆動装置６３、及び圧縮機６５を用いるため、高効率に発電できる加圧駆動型燃料電池である第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４を、外部の電力を用いることなく、効率よく実現することができる。なお、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４は、０．１ＭＰａを超える圧力に加圧された高圧の圧縮酸化剤ガス、及び０．１ＭＰａを超える圧力に加圧された高圧の燃料ガスを供給することで、常圧の酸化剤ガス、及び常圧の燃料ガスを供給する場合に比較して、発電量を増加させることができる。
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄでは、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４を加圧駆動するための酸化剤ガスとして、燃料ガスの膨張エネルギーで駆動される駆動装置６３、及び圧縮機６５で得られた圧縮酸化剤ガスを利用しており、燃料ガスも低温液体燃料の気化時に生成する高圧の燃料ガスを利用するため、商用電源等の停電時も継続して効率の良い加圧環境下で燃料電池発電を行なうことができる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
上記実施形態では、発電で生じた二酸化炭素ガスを液化二酸化炭素として有効活用したり、炭素として二酸化炭素ガスの大気への放出を抑制したが、発電で生じた二酸化炭素ガスを他の物質とを反応させて二酸化炭素ガス以外の物質にする処理を行い、これによって、発電で生じた二酸化炭素ガスの大気への放出を抑制してもよい。
第１の実施形態、及び第２の実施形態では、低温液体燃料の冷熱と、低温液体燃料の気化時の膨張エネルギーとを燃料電池システムで活用し、第３の実施形態では、低温液体燃料の気化時の膨張エネルギーを燃料電池システムで活用したが、本発明はこれに限らず、低温液体燃料の冷熱のみを燃料電池発電システムに活用してもよい。低温液体燃料の冷熱のみを燃料電池発電システムに活用するだけでも、低温液体燃料の冷熱を使用しない場合に比較してエネルギー損失を少なくできる。
第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４には、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池が用いられていたが、本発明の燃料電池発電システムで用いる燃料電池としては、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、固体高分子形燃料電池(PEFC)等の他の種類の燃料電池を用いることもできる。
第２実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂでは、発電機３８で発電した電力で電気モータ４０を駆動したが、第２実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂに電動ターボ冷凍機４４を設け、電動ターボ冷凍機４４で生成された冷熱を、低温液体燃料の冷熱の代わりに凝縮器２０や冷却装置３２に用いこともできる。
上記第１〜４実施形態の燃料電池発電システム１０Ａ〜Ｄでは、液体燃料管Ｐ２を介してシステム外から低温液体燃料が供給される構成であったが、システム内に低温液体燃料を貯留する液体燃料タンクを設け、液体燃料タンクから低温液体燃料が供給される構成としてもよい。
なお、図示は省略するが、上記実施形態の燃料電池発電システム１０Ａ〜Ｄにおいては、第１燃料電池セルスタック１２、及び第２燃料電池セルスタック１４に供給する酸化剤ガス、及び燃料ガスの流量、圧力、温度等をコンロールするために、酸化剤ガス、及び燃料ガスの配管途中に、制御部に接続した圧力センサ、流量センサ、温度センサ、圧力調整弁、流量調整弁等を設けることができる。
１０ 燃料電池発電システム
１２ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１２Ａ 第１燃料極（燃料極）
１４ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池）
１４Ａ 第２燃料極（燃料極）
１６ 深冷分離式酸素製造装置（酸素分離部、非ガス化処理装置）
１８ 酸素燃焼器（燃焼部、非ガス化処理装置）
２０ 凝縮器（二酸化炭素分離部、非ガス化処理装置）
２８ 駆動装置（非ガス化処理装置）
３０ 圧縮機（第１圧縮機、第２圧縮機）
３２ 冷却装置（非ガス化処理装置）
３８ 発電機（非ガス化処理装置）
４０ 電気モータ（非ガス化処理装置）
４４ 電動ターボ冷凍機（非ガス化処理装置）
４８ 水電解装置（非ガス化処理装置）
５６ 粉末炭素生成器（炭素生成部）
６３ 駆動装置（酸化剤ガス圧縮装置）
６５ 圧縮機（酸化剤ガス圧縮装置）

Claims (11)

  1. 温度０℃以下の低温液体燃料が供給される液体燃料供給部と、
    前記低温液体燃料が気化した燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとにより発電し、第１の二酸化炭素ガスを含むオフガスを排出する燃料電池と、
    前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギー、及び前記低温液体燃料の冷熱の少なくとも一方を用いて、前記第１の二酸化炭素ガスを非ガス化処理する非ガス化処理装置と、
    を備えた燃料電池発電システム。
  2. 前記非ガス化処理装置は、前記非ガス化処理として、少なくとも前記第１の二酸化炭素ガスを液化する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  3. 前記非ガス化処理装置は、前記非ガス化処理として、少なくとも前記第１の二酸化炭素ガスから炭素を生成する、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  4. 前記非ガス化処理装置は、
    前記低温液体燃料の冷熱で空気を冷却して液体空気を生成した後、前記液体空気から酸素を分離する深冷分離式酸素製造装置と、
    前記燃料電池の燃料極から排出される未燃焼の炭素化合物を含んだオフガスと前記深冷分離式酸素製造装置で分離された前記酸素とが供給され、前記オフガス中の未燃焼の前記炭素化合物を前記酸素により燃焼反応させて生成された第２の二酸化炭素ガス、及び前記第１の二酸化炭素ガスを含んだ燃焼オフガスを排出する燃焼部と、
    を備えた請求項２または請求項３に記載の燃料電池発電システム。
  5. 前記非ガス化処理装置は、前記燃焼オフガスを冷却して、前記燃焼オフガスから水分を凝縮すると共に、前記燃焼オフガス中に含まれる前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素ガス分離部を備えている、請求項４に記載の燃料電池発電システム。
  6. 前記二酸化炭素ガス分離部は、前記低温液体燃料の前記冷熱で前記燃焼オフガスを冷却する、請求項５に記載の燃料電池発電システム。
  7. 前記非ガス化処理装置は、
    前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、動力を発生する駆動装置と、
    前記駆動装置の前記動力で駆動され、前記二酸化炭素ガス分離部から排出された前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを圧縮する第１圧縮機と、
    前記低温液体燃料の冷熱を用いて前記第１圧縮機で圧縮された前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを冷却して液化二酸化炭素を得る冷却装置と、を備えている、請求項２を引用する請求項４〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池発電システム。
  8. 前記非ガス化処理装置は、
    前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、動力を発生する駆動装置と、
    前記駆動装置の前記動力で駆動され、電力を生成する発電機と、
    前記発電機で生成された電力で駆動される電気モータと、
    前記電気モータで駆動され、前記二酸化炭素ガス分離部から排出された前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを圧縮する第２圧縮機と、
    前記低温液体燃料の冷熱を用いて前記第１圧縮機で圧縮された前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスを冷却して液化二酸化炭素を得る冷却装置と、を備えている、請求項２を引用する請求項４〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池発電システム。
  9. 前記非ガス化処理装置は、
    前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、動力を発生する駆動装置と、
    前記駆動装置の前記動力で駆動され、電力を生成する発電機と、
    前記発電機で生成された電力を用いて水を電気分解して水素ガスを生成する水電解装置と、
    前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスと前記水素ガスとを触媒状で反応させ、炭素を生成する炭素生成部と、を備えている、請求項４に記載の燃料電池発電システム。
  10. 前記非ガス化処理装置は、
    前記低温液体燃料が気化する際の膨張エネルギーを用いて駆動され、動力を発生する駆動装置と、
    前記駆動装置の前記動力で駆動され、電力を生成する発電機と、
    前記発電機で生成された電力を用いて駆動される電動ターボ冷凍機と、
    前記発電機で生成された電力を用いて水を電気分解して水素ガスを生成する水電解装置と、
    前記第１の二酸化炭素ガス、及び前記第２の二酸化炭素ガスと前記水素ガスとを触媒上で反応させ、炭素を生成する炭素生成部と、を備え、
    前記二酸化炭素ガス分離部は、
    前記燃焼部から排出される燃焼オフガスを前記電動ターボ冷凍機で生成された冷熱で冷却する、請求項５に記載の燃料電池発電システム。
  11. 前記低温液体燃料が気化する際の前記膨張エネルギーを用いて駆動され、前記酸化剤ガスを大気圧を超える圧力に圧縮して前記燃料電池に供給する酸化剤ガス圧縮装置を備え、
    前記燃料電池は、前記酸化剤ガス圧縮装置で圧縮した高圧の前記酸化剤ガスと、前記低温液体燃料が気化膨張した後の大気圧を超える圧力とされた高圧の燃料ガスとが供給されて発電する前記燃料電池と、
    を有する、請求項１〜１０に記載の燃料電池発電システム。
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