JP2024076031A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 バイオ燃料に適した燃料電池発電システムを提供することにある。【解決手段】 燃料電池発電システム１０は、バイオエタノール又はバイオメタノールであるバイオ燃料により発電する燃料電池１と、バイオ燃料を蓄えるバイオ燃料タンク３ａと、バイオ燃料よりも水分濃度の低い液体燃料又は水である濃度調整用液体を蓄える濃度調整用液体タンク３ｂ，３ｃと、バイオ燃料タンク３ａから燃料電池１に供給されるバイオ燃料の水分濃度を調整するために、バイオ燃料に濃度調整用液体タンク３ｂ，３ｃから供給される濃度調整用液体を混合する燃料電池用ミキサー２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。

一般に、燃料電池の燃料として、水素、液化天然ガス（ＬＮＧ、liquefied natural gas）又は液化石油ガス（ＬＰＧ、liquefied petroleum gas）を使用することが知られている。一方、地球環境への影響の観点から、植物を原料とした植物由来のアルコールであるバイオエタノール又はバイオメタノール等のバイオ燃料が注目されている。

しかしながら、バイオ燃料は、燃料電池の燃料としては、ほとんど使用されていない。このため、バイオ燃料に適した燃料電池発電システムの具体的な構成は、知られていない。
本発明の実施形態の目的は、バイオ燃料に適した燃料電池発電システムを提供することにある。

本発明の観点に従った燃料電池発電システムは、バイオエタノール又はバイオメタノールであるバイオ燃料により発電する燃料電池と、前記バイオ燃料を蓄えるバイオ燃料タンクと、前記バイオ燃料よりも水分濃度の低い液体燃料又は水である濃度調整用液体を蓄える濃度調整用液体タンクと、前記バイオ燃料タンクから前記燃料電池に供給される前記バイオ燃料の水分濃度を調整するために、前記バイオ燃料に前記濃度調整用液体タンクから供給される前記濃度調整用液体を混合する燃料電池用ミキサーとを備える。

本発明の実施形態によれば、バイオ燃料に適した燃料電池発電システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す構成図。 第１の実施形態に係るエタノールに含める水分濃度の調整方法を示すフロー図。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す構成図。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す構成図。 第３の実施形態に係る燃料電池から排出された水蒸気に含まれる水素を再利用する構成を示す構成図。 第３の実施形態に係る二酸化炭素液化装置の構成を示す構成図。 本発明の第４の実施形態に係る船舶の構成を示す側面図。 第４の施形態に係る船舶の構成を示す上面図。 本発明の第５の実施形態に係る船舶の構成を示す側面図。 第５の実施形態に係る船舶の構成を示す上面図。 本発明の第６の実施形態に係る船舶の構成を示す側面図。 第６の実施形態に係る船舶の構成を示す上面図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

燃料電池発電システム１０は、陸上又は海上等に固定されて設置される場合に限らず、船舶、車両、又は、航空機等の移動体に設けられてもよい。また、燃料電池１等の燃料は、バイオ燃料であるバイオエタノールを使用する構成について主に説明するが、同じくアルコール成分を主成分とするバイオ燃料であるバイオメタノールを使用する場合も同様に構成することができる。バイオメタノールを使用する場合、以降の説明は、エタノールをメタノールに置き換えることで、同様に構成することができる。

燃料電池発電システム１０は、燃料電池１、燃料供給部２、バイオエタノールタンク３ａ、高純度エタノールタンク３ｂ、水タンク３ｃ、及び、制御装置４を備える。

燃料電池１は、エタノールを燃料として発電する。例えば、燃料電池１は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ、polymer electrolyte fuel cell）である。ＰＥＦＣは、燃料として、エタノールの他に、水が必要である。以降では、燃料電池１は、ＰＥＦＣとして主に説明するが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ、solid oxide fuel cell）でもよいし、その他の形式の燃料電池でもよい。

燃料供給部２は、各タンク３ａ～３ｃから供給される各種液体を混合し、燃料電池１に最適な状態の燃料を供給する。例えば、燃料供給部２は、０～７０％の水分を含むエタノールを燃料電池１に供給する。燃料供給部２は、制御装置４からの指令に基づいて、水分濃度を調整したエタノールを生成する。また、燃料供給部２は、燃料を燃料電池１に供給する最適な温度に加熱してもよい。

ここでは、特に言及しない限り、各タンク３ａ～３ｃの液体は、水及びエタノール以外の成分を含まないものとして、説明する。また、水分濃度は、エタノール濃度に換算して置き換えてもよいし、エタノール濃度は、水分濃度に換算して置き換えてもよい。この場合、水分濃度とエタノール濃度の和が１００％となるように、数値を変換することができる。

バイオエタノールタンク３ａは、バイオエタノールを蓄えるタンクである。例えば、バイオエタノールは、５～１５％の水分を含む。バイオエタノールは、生成過程において水分が含まれる。バイオエタノールから水分を取り除いて高純度に精製するには、精製するための設備投資と追加エネルギーが必要になる。このため、高純度のバイオエタノールを準備しようとすると、コストが増加する。したがって、バイオエタノールタンク３ａに蓄えるバイオエタノールは、高純度でなく、ある程度の水分が含まれることを許容した濃度でよい。

高純度エタノールタンク３ｂは、エタノール成分が高純度の高純度エタノールを蓄えるタンクである。例えば、高純度エタノールに含まれる水分は、１％未満である。高純度エタノールは、化学合成により生成された合成エタノールでもよいし、無水エタノールでもよい。高純度エタノールは、燃料電池１に供給するエタノールに含まれる水分濃度を減らすために使用される濃度調整用液体である。したがって、濃度調整用液体として使用できるエタノールは、高純度と呼ばれるエタノールに限らず、バイオエタノールよりもエタノール濃度が高ければ（即ち、水分濃度が低ければ）よい。

水タンク３ｃは、水を蓄えるタンクである。水は、燃料電池１に供給するエタノールに含まれる水分濃度を増やすために使用される濃度調整用液体である。水タンク３ｃに蓄える水は、燃料電池１に影響を与えない程度の不純物が含まれてもよく、純水でなくてもよい。また、燃料電池を運転して生成される水を利用してもよい。

制御装置４は、燃料供給部２を構成する各機器を制御して、燃料電池１に供給する燃料の状態を制御する。例えば、制御装置４は、燃料電池１に供給するエタノールに含まれる水分濃度を調整する。制御装置４は、燃料電池１に供給する燃料の温度を調整してもよい。なお、制御装置４は、燃料電池１の運転を制御する機能を備えてもよい。

燃料供給部２は、３つのポンプ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ、ミキサー２２、及び、ヒータ２３を備える。なお、燃料供給部２には、任意の箇所に、ポンプ、弁又は配管等が設けられてもよいし、任意の液体が流れる任意の経路が設けられてもよい。

３つのポンプ２１ａ～２１ｃは、３つのタンク３ａ～３ｃのそれぞれに対応して設けられる。各ポンプ２１ａ～２１ｃは、対応するタンク３ａ～３ｃの外部又は内部のいずれに設けられてもよい。第１ポンプ２１ａは、バイオエタノールタンク３ａからバイオエタノールを汲み上げるためのポンプである。第２ポンプ２１ｂは、高純度エタノールタンク３ｂから高純度エタノールを汲み上げるためのポンプである。第３ポンプ２１ｃは、水タンク３ｃから水を汲み上げるためのポンプである。

例えば、各ポンプ２１ａ～２１ｃは、制御装置４からの指令に基づいて、対応するタンク３ａ～３ｃから汲み上げる液体の量を調節する。各タンク３ａ～３ｃから汲み上げられた液体は、ミキサー２２に供給される。

ミキサー２２は、燃料電池１に供給する燃料を生成するために、各タンク３ａ～３ｃから供給された液体が均一に混ざるように撹拌する装置である。これにより、ミキサー２２は、均一の濃度のエタノールを生成する。なお、バイオエタノールタンク３ａから供給されるバイオエタノールをそのまま燃料電池１に供給する場合、ミキサー２２は、撹拌動作を行わなくてもよい。また、ミキサー２２は、制御装置４により運転を制御されてもよい。

ヒータ２３は、ミキサー２２から供給されるエタノールを燃料電池１の燃料として最適な温度に加熱する。ヒータ２３は、加熱したエタノールを燃料電池１に供給する。なお、ヒータ２３は、設けられなくてもよい。この場合、ミキサー２２から燃料電池１に燃料が直接供給される。

図２を参照して、燃料電池１に供給するエタノールに含める水分濃度の調整方法について説明する。

制御装置４は、バイオエタノールタンク３ａに蓄えられたバイオエタノールに含まれる水分濃度を把握する（ステップＳ１０１）。例えば、水分濃度が制御装置４に設定されてもよいし、バイオエタノールタンク３ａに設けられた濃度センサにより計測された濃度が制御装置４に送信されてもよい。濃度センサは、水分濃度を測定するセンサでもよいし、エタノール濃度を測定するセンサでもよい。また、予め所定の濃度に調整されたバイオエタノールがバイオエタノールタンク３ａに注入されるようにしてもよい。

制御装置４は、燃料電池１に供給されるエタノールに含める水分濃度を決定する（ステップＳ１０２）。決定される水分濃度には、一定の許容範囲が含まれる。水分濃度は、予め決められていてもよい。例えば、燃料電池１がＳＯＦＣの場合、燃料としての水は必要ないため、制御装置４は、バイオエタノールに含まれる水分濃度が低くなるように水分濃度を決定する。燃料電池１がＰＥＦＣの場合、制御装置４は、ＰＥＦＣに適切な水分がエタノールに含まれるように、水分濃度を決定する。

制御装置４は、燃料電池１の運転状態に基づいて、水分濃度を決定してもよい。例えば、運転状態により最適な水分濃度が変化するタイプの燃料電池１の場合に、制御装置４は、運転状態に基づいて、水分濃度を決定する。燃料電池１の運転状態は、燃料電池１の運転モード又は負荷状態等により判断される。具体的には、制御装置４は、燃料電池１の負荷電流を検出して、運転状態を判断してもよいし、燃料電池１から運転モードを含む情報を受信してもよい。

制御装置４は、決定した水分濃度に基づいて、バイオエタノールに混合する濃度調整用液体の割合を決定する（ステップＳ１０３）。制御装置４は、バイオエタノールに含まれる水分濃度が、決定した水分濃度になるように、濃度調整用液体の割合を演算する。バイオエタノールに含まれる水分濃度が、燃料電池１に供給されるエタノールに含める水分濃度よりも高い場合、制御装置４は、バイオエタノールに混合する高純度エタノールの割合を演算する。バイオエタノールに含まれる水分濃度が、燃料電池１に供給されるエタノールに含める水分濃度よりも低い場合、制御装置４は、バイオエタノールに混合する水の割合を演算する。

燃料供給部２は、バイオエタノールに、決定した割合の濃度調整用液体を混合する（ステップＳ１０４）。具体的には、制御装置４は、燃料電池１に供給する燃料の量、及び、決定した濃度調整用液体の割合に基づいて、各タンク３ａ～３ｃからミキサー２２にバイオエタノール及び濃度調整用液体を供給するように、各ポンプ２１ａ～２１ｃを制御する。ミキサー２２は、成分が均一になるように、バイオエタノールと濃度調整用液体を混合する。これにより、決定された所定の水分濃度のエタノールが得られる。

燃料供給部２は、混合して得られた所定の水分濃度のエタノールを燃料として、燃料電池１に供給する（ステップＳ１０５）。燃料供給部２は、燃料電池１が使用するのに最適な温度になるように、ヒータ２３により燃料を加熱してから、燃料電池１に供給してもよい。燃料を加熱する目標の温度は、予め決められていてもよいし、燃料電池１の運転状態に基づいて変化させてもよい。例えば、制御装置４は、燃料電池１の運転状態に基づいて、燃料が所望の温度になるように、ヒータ２３を制御する。なお、燃料供給部２は、燃料を加熱せずに、そのまま燃料電池１に供給してもよい。

本実施形態によれば、エタノール又はメタノールを主成分とするバイオ燃料を濃度調整用液体と混合することで、燃料電池１の燃料として最適な水分を含むバイオ燃料を燃料電池１に供給することができる。また、燃料電池１の燃料として、植物由来のバイオ燃料を使用することで、燃料電池発電システム１０から排出される二酸化炭素による環境への影響を抑制することができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ａの構成を示す構成図である。

燃料電池発電システム１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１０において、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２を追加し、燃料供給部２及び制御装置４をそれぞれ燃料供給部２Ａ及び制御装置４Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

燃料電池発電システム１０Ａは、移動体に実装されるシステムである。ここでは、船舶に適用されるシステムとして主に説明するが、適用される移動体は、地上、水中又は空中等、何処を移動する移動体でもよい。

ディーゼル発電機１１は、ディーゼル機関で燃料を燃焼させて発電する発電機である。例えば、ディーゼル発電機１１は、燃料電池１による発電電力を補うために設けられてもよいし、補機に電力供給するために設けられてもよい。ここで、補機は、主機以外の任意の機器である。なお、ディーゼル発電機１１の代わりに、ディーゼル機関を用いない他の方式の発電機が設けられてもよい。

ディーゼル主機１２は、ディーゼル機関で燃料を燃焼させて、船舶の推進力を発生させる動力源となる機関である。なお、ディーゼル主機１２の代わりに、ディーゼル機関を用いない他の方式の主機を設けてもよい。

なお、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２は、燃料として、ＬＮＧ又はＬＰＧ等の化石燃料を使用してもよい。化石燃料は、バイオエタノールと併用して常に使用されてもよいし、非常時に使用されるようにしてもよい。

また、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２の少なくとも一方は、設けられなくてもよい。例えば、ディーゼル主機１２の代わりに、推進モータを設け、燃料電池１及びディーゼル発電機１１の少なくとも１つにより発電された電力により、推進モータを駆動するようにしてもよい。また、ディーゼル発電機１１を設けずに、燃料電池１により船内の全ての電力を供給するようにしてもよい。

さらに、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２に限らず、バイオ燃料により動作する任意の機器が設けられてもよい。このような機器に対しても、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２と同様に燃料供給をすることができる。

燃料供給部２Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る燃料供給部２において、２つのミキサー２２ａ，２２ｂ、及び、２つのヒータ２３ａ，２３ｂを追加したものである。

ここでは、燃料供給部２Ａのポンプ２１ａ～２１ｃは、燃料電池１、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２にそれぞれ燃料を供給するために、共通で使用されるものとして説明するが、ポンプ２１ａ～２１ｃは、いくつ設けられてもよい。例えば、燃料電池１、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２のそれぞれのために別々に用いるために、個別に３つの用途のポンプ２１ａ～２１ｃが設けられ、合計９つのポンプが設けられてもよいし、その他のポンプを追加して、１０以上のポンプが設けられてもよい。

また、第１の実施形態に係る燃料供給部２と同様に、燃料供給部２Ａには、任意の箇所に、ポンプ、弁又は配管等が設けられてもよいし、任意の液体が流れる任意の経路が設けられてもよい。その他の点については、燃料供給部２Ａは、第１の実施形態に係る燃料供給部２と同様である。

ミキサー２２ａは、ディーゼル発電機１１に供給する燃料を生成するために設けられる。ミキサー２２ｂは、ディーゼル主機１２に供給する燃料を生成するために設けられる。その他の点については、ミキサー２２ａ，２２ｂは、第１の実施形態で説明したミキサー２２と同様である。

ヒータ２３ａは、ディーゼル発電機１１に供給する燃料を最適な温度に加熱するために設けられる。ヒータ２３ｂは、ディーゼル主機１２に供給する燃料を最適な温度に加熱するために設けられる。その他の点については、ヒータ２３ａ，２３ｂは、第１の実施形態で説明したヒータ２３と同様である。なお、ヒータ２３，２３ａ，２３ｂは、設けられなくてもよい。

制御装置４Ａは、第１の実施形態に係る制御装置４と同様に、燃料供給部２Ａを制御する。その他の点については、制御装置４Ａは、第１の実施形態に係る制御装置４と同様である。

次に、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２に供給するエタノールに含める水分濃度の調整方法について説明する。本調整方法は、基本的には、図２に示す燃料電池１に供給するエタノールに含める水分濃度の調整方法と同様であるため、ここでは異なる部分について主に説明する。なお、水分は、エンジンの燃焼としては不要なものの、排ガスからの窒素酸化物を減少させるための添加物として利用される。例えば、エンジン起動時は、水分の少ないエタノールを使用し、また、通常運転時は、窒素酸化物減少と燃料消費の最適化を図るために、エンジン負荷に応じて水分を増減させるなど、エンジンの運転状態に応じて、燃料の水分濃度を調整する必要がある。水分量の最適値は、製造環境等により生じるエンジンの個別の特性又はエンジン負荷により異なるため、以下のように制御を行う。

制御装置４Ａは、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２にそれぞれ供給されるエタノールに含める水分濃度を決定する。エタノールに含める水分濃度は、予め決められていてもよい。例えば、ディーゼル発電機１１の場合、エタノールに含める水分濃度は、通常時では、１０％～５０％であり、始動時では、５％未満である。ディーゼル主機１２の場合、エタノールに含める水分濃度は、通常時では、５％～５０％であり、始動時では、５％未満である。

バイオエタノールの水分濃度が許容範囲（例えば、１０％～５０％又は５％～５０％）内であれば、濃度調整用液体を混合せずに、バイオエタノールをディーゼル発電機１１又はディーゼル主機１２にそのまま供給する。一方、バイオエタノールの水分濃度が許容範囲外であれば、水分濃度が許容範囲内になるように、ミキサー２２ａ，２２ｂにより、バイオエタノールに水又は高純度エタノールを濃度調整用液体として混合する。

始動時のディーゼル発電機１１又はディーゼル主機１２に供給する場合について説明する。バイオエタノールの水分濃度が許容範囲（例えば、５％未満）内であれば、濃度調整用液体を混合せずに、バイオエタノールをディーゼル発電機１１又はディーゼル主機１２にそのまま供給する。一方、バイオエタノールの水分濃度が許容範囲外であれば、水分濃度が許容範囲内になるように、ミキサー２２ａ，２２ｂにより、バイオエタノールに高純度エタノールを濃度調整用液体として混合する。

なお、ディーゼル発電機１１又はディーゼル主機１２に供給するエタノールに含める水分濃度についても、燃料電池１と同様に、運転状態に基づいて変化させてもよい。

燃料供給部２Ａにヒータ２３ａ，２３ｂが設けられている場合、燃料供給部２Ａは、供給対象であるディーゼル発電機１１又はディーゼル主機１２に最適な温度になるように、燃料を加熱する。なお、制御装置４Ａは、供給対象の運転状態に基づいて、燃料が所定の温度になるように、ヒータ２３ａ，２３ｂを制御してもよい。

本実施形態によれば、燃料電池１と共に、ディーゼル発電機１１又はディーゼル主機１２の少なくとも１つに燃料としてバイオエタノールを使用する場合についても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ｂの構成を示す構成図である。

燃料電池発電システム１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１０において、蒸気タービン５、復水器６、二酸化炭素分離装置７、二酸化炭素液化装置８、及び、二酸化炭素貯蔵タンク９を追加したものである。その他に、任意の位置にポンプ又はコンプレッサ等の機器を設けてもよい。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

なお、ここでは、第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１０を基本構成とした構成について説明するが、第２の実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ａを基本構成として、同様に構成してもよい。

燃料電池１は、二酸化炭素及び水素を含む水蒸気を排出する。水蒸気に含まれる水素は、燃料電池１で反応せずに排出されたものである。燃料電池１から排出された水蒸気は、蒸気タービン５に送られる。

蒸気タービン５は、燃料電池１から排気される水蒸気により、蒸気タービン発電を行う。蒸気タービン５による発電は、どのように利用されてもよい。例えば、蒸気タービン５は、発電電力を燃料電池１による発電電力とともに負荷に供給してもよい。なお、蒸気タービン５を設けずに、燃料電池１から排気される水蒸気が復水器６に直接送り込まれてもよい。

復水器６は、蒸気タービン５に接続されている。復水器６は、燃料電池１から蒸気タービン５を介して送られてきた水蒸気を水に戻し、水蒸気に含まれる水素及び二酸化炭素を抽出する。このようにして、復水器６から抽出された水素及び二酸化炭素を含む混合ガスは、二酸化炭素分離装置７に送られる。

例えば、復水器６から二酸化炭素分離装置７に混合ガスを送る経路（例えば、パイプライン）には、混合ガスを圧縮するためのコンプレッサＣ１が設けられる。コンプレッサＣ１は、混合ガスを圧縮して、二酸化炭素分離装置７に送り込む。なお、復水器６から抽出された水は、水タンク３ｃに蓄えられる水として再利用されてもよい。

二酸化炭素分離装置（ＣＣＳ、carbon capture system）７は、復水器６から送り込まれた水素と二酸化炭素の混合ガスを、二酸化炭素ガスと水素ガスに物理的に分離する。例えば、二酸化炭素分離装置７は、圧力変動吸着（ＰＳＡ、pressure swing adsorption)方式で、混合ガスを分離するが、どのような方式で、混合ガスを分離してもよい。二酸化炭素分離装置７は、混合ガスを分離後、水素ガスを燃料電池１に供給し、二酸化炭素ガスを二酸化炭素液化装置８に送る。

例えば、二酸化炭素分離装置７は、分離した水素ガスを燃料供給部２から燃料電池１に送る経路（例えば、パイプライン）に送り込む。このようにして、二酸化炭素分離装置７から燃料電池１に水素が供給されることで、燃料電池１で反応せずに排出された水素が再利用される。なお、二酸化炭素分離装置７から燃料電池１に水素ガスを送る経路（例えば、パイプライン）には、水素ガスを圧縮するためのコンプレッサが設けられてもよい。

二酸化炭素液化装置８は、二酸化炭素分離装置７から送られてきた二酸化炭素ガスを冷却して、二酸化炭素を液化する。二酸化炭素液化装置８は、液化された二酸化炭素を二酸化炭素貯蔵タンク９に貯蔵する。なお、二酸化炭素液化装置８は、二酸化炭素ガスが液化できれば、どのように構成されてもよい。

二酸化炭素貯蔵タンク９に貯蔵された二酸化炭素は、任意の場所で、自由に処分することができる。例えば、二酸化炭素は、地中又は海中に埋めて処分されてもよいし、装置等で処理されるようにしてもよいし、資源として二酸化炭素を必要とする用途に利用されてもよい。なお、二酸化炭素貯蔵タンク９を設けずに、二酸化炭素液化装置８により液化された二酸化炭素をそのまま処分するようにしてもよい。

図５は、本実施形態に係る燃料電池１から排出された水蒸気に含まれる水素を再利用する構成を示す構成図である。なお、ここで説明する構成は、一例であり、どのように構成されてもよい。

復水器６から二酸化炭素分離装置７に水素及び二酸化炭素を含む混合ガスを供給する経路（例えば、パイプライン）には、真空ポンプＰ１及びセパレータＳＰが設けられる。

真空ポンプＰ１には、復水器６から水素及び二酸化炭素を含む混合ガスが供給される。真空ポンプＰ１は、復水器６を真空に保ちながら、復水器６から供給される水素及び二酸化炭素を含む混合ガスをセパレータＳＰに送る。

セパレータＳＰは、真空ポンプＰ１から供給された混合ガスから水素ガス及び二酸化炭素ガス以外の不純物（例えば、水）を取り除く。セパレータＳＰは、抽出した水素及び二酸化炭素を含む混合ガスを二酸化炭素分離装置７に供給する。二酸化炭素分離装置７は、混合ガスを水素ガスと二酸化炭素ガスに分離する。分離された水素ガスは、燃料電池１の燃料として再利用される。分離された二酸化炭素ガスは、二酸化炭素液化装置８を介して、二酸化炭素貯蔵タンク９に貯蔵される。

なお、真空ポンプＰ１及びセパレータＳＰを設けずに、復水器６から排出された混合ガスが二酸化炭素分離装置７に直接送られてもよい。

図６は、本実施形態に係る二酸化炭素液化装置８の構成を示す構成図である。なお、ここで説明する二酸化炭素液化装置８の構成は、一例であり、二酸化炭素ガスが液化できれば、どのような構成でもよい。

二酸化炭素液化装置８は、二酸化炭素圧縮機８１、脱湿装置８２、熱交換器８３、二酸化炭素液化器８４、冷凍機８５、及び、冷媒コンデンサ８６を備える。

二酸化炭素圧縮機８１は、二酸化炭素分離装置７により分離された二酸化炭素ガスを取り込んで、圧縮する。二酸化炭素圧縮機８１は、圧縮した二酸化炭素ガスを脱湿装置８２に送る。二酸化炭素圧縮機８１は、二酸化炭素分離装置７からの二酸化炭素ガスに加えて、二酸化炭素貯蔵タンク９の内部で気化した二酸化炭素も取り込んで、一緒に圧縮してもよい。

脱湿装置８２は、二酸化炭素圧縮機８１から送り込まれた二酸化炭素ガスを乾燥させる。これにより、二酸化炭素ガスからパージガスが抜ける。脱湿装置８２は、乾燥させた二酸化炭素ガスを熱交換器８３に送る。なお、脱湿装置８２は、設けなくてもよい。

熱交換器８３は、脱湿装置８２から送り込まれた二酸化炭素ガスを水により冷却する。熱交換器８３は、冷却した二酸化炭素ガスを二酸化炭素液化器８４に送る。なお、二酸化炭素ガスを冷却する水は、どのような水でもよい。例えば、燃料電池発電システム１０が船舶に実装される場合、冷却に用いる水は、船外から汲み上げた水（海水等）でもよい。

二酸化炭素液化器８４は、熱交換器８３から送り込まれた二酸化炭素ガスを冷媒により冷却して液化する。これにより、凝縮されない非凝縮ガスが二酸化炭素から抜ける。二酸化炭素液化器８４は、液化した二酸化炭素を二酸化炭素貯蔵タンク９に送る。二酸化炭素ガスの冷却に使用された冷媒は、冷凍機８５に送られて、冷却される。冷凍機８５で冷却された冷媒は、冷媒コンデンサ８６に送られて、圧縮される。冷媒コンデンサ８６で圧縮された冷媒は、二酸化炭素液化器８４に供給され、二酸化炭素ガスの冷却に使用される。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、復水器６及び二酸化炭素分離装置７を設けることで、燃料電池１から排出される水蒸気に含まれる水素及び二酸化炭素を別々に取り出すことができる。取り出した水素は、燃料電池１の燃料として再利用することができる。取り出した二酸化炭素は、任意の処理をすることができる。

例えば、二酸化炭素液化装置８及び二酸化炭素貯蔵タンク９を設けて、二酸化炭素を液化することで、排出された二酸化炭素の取り扱いを容易にすることができ、大気中に二酸化炭素を排出しないようにすることができる。

燃料電池１から復水器６に水蒸気が排出される経路の途中に、蒸気タービン５を設けることで、燃料電池１から排出される水蒸気により発電することができる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る船舶２０の構成を示す側面図である。図８は、本実施形態に係る船舶２０の構成を示す上面図である。なお、船舶２０における各構成機器の配置は、おおよその位置を表したものであり、単なる一例である。また、各構成機器の大きさは、必ずしも実物の大きさを反映したものではない。

船舶２０には、第２の実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ａを基本構成とした第３の実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ｂが実装されている。また、ディーゼル発電機１１が設けられ、ディーゼル主機１２は設けられていない。船舶２０は、電気エネルギーにより推進力を得る電気推進船である。なお、船舶２０には、ディーゼル発電機１１が設けられていない第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１０が実装されてもよい。

船舶２０には、任意の場所に、太陽光により電気エネルギーを得るための太陽電池が設けられてもよい。また、船舶２０には、蓄電池又は配電盤等の電気に関する機器が設けられてもよい。

船舶２０は、船尾側に居住区を有するブリッジＢｒを備える。ブリッジＢｒよりも船尾側の甲板上には、燃料電池１が設けられる。ブリッジＢｒの近傍には、二酸化炭素分離装置７及び二酸化炭素貯蔵タンク９が設けられる。ブリッジＢｒの下方には、機関室が設けられる。機関室には、２つのミキサー２２，２２ａ、２つの推進モータ１３、二酸化炭素液化装置８、及び、ディーゼル発電機１１が設けられる。例えば、船舶２０の船体内部の大部分には、貨物を積載するカーゴタンクが設けられる。

バイオエタノールタンク３ａ及び高純度エタノールタンク３ｂは、船尾側の両舷で機関室に隣接しない位置に設けられる。バイオエタノールタンク３ａは、高純度エタノールタンク３ｂよりも多くの容量が蓄えられるように設けられる。バイオエタノールタンク３ａ及び高純度エタノールタンク３ｂは、シングルハル(single hull)でもよいし、ダブルハル(double hull)でもよい。水タンク３ｃは、何処に設けられてもよく、船舶で一般的に設けられる清水（freshwater）を蓄えるタンクと共用にしてもよい。

バイオエタノールタンク３ａ及び高純度エタノールタンク３ｂの上部（例えば、甲板上）には、タンク３ａ，３ｂ内で気化したエタノールを液化するためのガス液化装置３１が設けられてもよい。ガス液化装置３１により液化されたエタノールは、バイオエタノールタンク３ａ又は高純度エタノールタンク３ｂに戻される。

推進モータ１３は、電気エネルギーから船舶２０の推進力を発生させるモータである。推進モータ１３は、燃料電池１により発電される電力を動力源として駆動する。例えば、推進モータ１３が駆動することで、船舶を推進させるプロペラーが回転する。なお、推進モータ１３は、どのような推進器を駆動させてもよい。推進モータ１３は、２つに限らず、いくつ設けられてもよい。また、推進モータ１３は、ディーゼル発電機１１、太陽電池又は蓄電池など、燃料電池１以外から電力が供給されてもよい。

ディーゼル発電機１１は、補機に電力供給するための発電機であるが、推進モータ１３に電力供給してもよい。補機は、燃料電池１、太陽電池又は蓄電池など、ディーゼル発電機１１以外から電力が供給されてもよい。

本実施形態によれば、船舶２０において、第２の実施形態及び第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
図９は、本発明の第５の実施形態に係る船舶２０Ａの構成を示す側面図である。図１０は、本実施形態に係る船舶２０Ａの構成を示す上面図である。なお、船舶２０Ａにおける各構成機器の配置は、おおよその位置を表したものであり、単なる一例である。また、各構成機器の大きさは、必ずしも実物の大きさを反映したものではない。

船舶２０Ａには、第２の実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ａを基本構成とした第３の実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ｂが実装されている。また、ディーゼル発電機１１が設けられ、ディーゼル主機１２は設けられていない。船舶２０Ａは、電気エネルギーにより推進力を得る電気推進船である。なお、船舶２０Ａには、ディーゼル発電機１１が設けられていない第１の実施形態に係る燃料電池発電システム１０が実装されてもよい。

船舶２０Ａには、任意の場所に、太陽光により電気エネルギーを得るための太陽電池が設けられてもよい。また、船舶２０Ａには、蓄電池又は配電盤等の電気に関する機器が設けられてもよい。

船舶２０Ａは、船首側に居住区を有するブリッジＢｒを備える。船舶２０Ａは、機関室を備えず、最も船尾側に位置する船尾側機械室(Aft machinery room)を備える。船尾側機械室には、推進モータ１３、及び、２つのミキサー２２，２２ａを備える。船尾側機械室の上方の甲板上には、燃料電池１及びディーゼル発電機１１が設けられる。例えば、船舶２０Ａの船体内部の大部分には、貨物を積載するカーゴタンクが設けられる。

一般的に機関室が設けられる位置であって、船尾側機械室の船首側の空間には、カーゴタンク３ｃｇが設けられる。カーゴタンク３ｃｇの両舷には、バイオエタノールタンク３ａ及び高純度エタノールタンク３ｂが設けられる。バイオエタノールタンク３ａ、高純度エタノールタンク３ｂ、及び、水タンク３ｃは、第４の実施形態に係る船舶２０と同様に構成される。カーゴタンク３ｃｇの上方の甲板上には、二酸化炭素分離装置７及び二酸化炭素液化装置８が設けられる。二酸化炭素貯蔵タンク９は、二酸化炭素液化装置８の近傍で甲板上に設けられる。ガス液化装置３１は、バイオエタノールタンク３ａ又は高純度エタノールタンク３ｂの近傍で甲板上に設けられる。

船舶２０Ａは、船首側と船尾側のそれぞれにポンプ室Ｒｐを備える。船首側のポンプ室Ｒｐは、ブリッジＢｒの近傍の船体内に設けられる。船尾側のポンプ室Ｒｐは、船尾側機械室とカーゴタンク３ｃｇとの間に設けられる。各ポンプ室Ｒｐは、船底から上方に吸い上げるように垂直方向に延びる長軸のポンプを採用することで、省スペース化が図られている。例えば、ポンプ室Ｒｐに設けられるポンプは、電動油圧型ポンプ又は電動型ポンプ等である。

推進モータ１３は、電気エネルギーから船舶２０Ａの推進力を発生させるモータである。推進モータ１３は、燃料電池１により発電される電力により駆動する。例えば、推進モータ１３が駆動することで、船舶２０Ａに設けられたアジマススラスター等の推進器が駆動する。なお、推進モータ１３は、どのような推進器を駆動させてもよい。推進モータ１３は、いくつ設けられてもよい。また、推進モータ１３は、ディーゼル発電機１１、太陽電池又は蓄電池など、燃料電池１以外から電力が供給されてもよい。

ディーゼル発電機１１は、補機に電力供給するための発電機であるが、推進モータ１３に電力供給してもよい。補機は、燃料電池１、太陽電池又は蓄電池など、ディーゼル発電機１１以外から電力が供給されてもよい。

本実施形態によれば、機関室を設けていない船舶２０Ａにおいて、第２の実施形態及び第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第６の実施形態）
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る船舶２０Ｂの構成を示す側面図である。図１２は、本実施形態に係る船舶２０Ｂの構成を示す上面図である。なお、船舶２０Ｂにおける各構成機器の配置は、おおよその位置を表したものであり、単なる一例である。また、各構成機器の大きさは、必ずしも実物の大きさを反映したものではない。

船舶２０Ｂには、第２の実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ａを基本構成とした第３の実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ｂが実装されている。また、ディーゼル発電機１１及びディーゼル主機１２は、共に設けられている。なお、ディーゼル発電機１１は、設けられなくてもよい。

船舶２０Ｂは、図７及び図８に示す第４の実施形態に係る船舶２０において、２つの推進モータ１３の代わりに、ディーゼル主機１２を設けたものである。船舶２０Ｂは、ディーゼル主機１２により推進力を得る船舶である。以降では、第４の実施形態に係る船舶２０と異なる部分について主に説明する。

機関室には、３つのミキサー２２，２２ａ，２２ｂ、ディーゼル発電機１１、及び、ディーゼル主機１２が設けられる。二酸化炭素液化装置８は、ブリッジＢｒの近傍に設けられる。

燃料電池１及びディーゼル発電機１１は、補機に電力供給するための発電機である。補機は、太陽電池又は蓄電池などから電力が供給されてもよい。

本実施形態によれば、ディーゼル主機１２が設けられた船舶２０Ｂにおいて、第２の実施形態及び第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、追加の利点及び修正について当業者により容易に生じることがある。したがって、そのより広い態様における本発明は、本明細書に示して説明される特定の詳細で代表的な実施形態に限定されない。したがって、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物により定義される一般的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な修正を行うことができる。

１…燃料電池、２…燃料供給部、３ａ…バイオエタノールタンク、３ｂ…高純度エタノールタンク、３ｃ…水タンク、４…制御装置、１０…燃料電池発電システム、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…ポンプ、２２…ミキサー、２３…ヒータ。

Claims (11)

1. バイオエタノール又はバイオメタノールであるバイオ燃料により発電する燃料電池と、
   前記バイオ燃料を蓄えるバイオ燃料タンクと、
   前記バイオ燃料よりも水分濃度の低い液体燃料又は水である濃度調整用液体を蓄える濃度調整用液体タンクと、
   前記バイオ燃料タンクから前記燃料電池に供給される前記バイオ燃料の水分濃度を調整するために、前記バイオ燃料に前記濃度調整用液体タンクから供給される前記濃度調整用液体を混合する燃料電池用ミキサーと
   を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記濃度調整用液体タンクは、前記液体燃料を蓄える液体燃料タンク及び前記水を蓄える水タンクを含むこと
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記バイオ燃料により動作する機器と、
   前記バイオ燃料タンクから前記機器に供給される前記バイオ燃料の水分濃度を調整するために、前記バイオ燃料に前記濃度調整用液体タンクから供給される前記濃度調整用液体を混合する機器用ミキサーと
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記機器は、発電機であること
   を特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記機器は、前記バイオ燃料を燃焼させることにより動作すること
   を特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記燃料電池から排出される水素を前記燃料電池の燃料として再利用する水素再利用手段
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
7. 前記燃料電池から排出される二酸化炭素を液化する二酸化炭素液化手段
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
8. 前記燃料電池から排出される水蒸気により発電する蒸気タービン
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
9. 動力を得るための推進器と、
   バイオエタノール又はバイオメタノールであるバイオ燃料により発電する燃料電池と、
   前記バイオ燃料を蓄えるバイオ燃料タンクと、
   前記バイオ燃料よりも水分濃度の低い液体燃料又は水である濃度調整用液体を蓄える濃度調整用液体タンクと、
   前記バイオ燃料タンクから前記燃料電池に供給される前記バイオ燃料の水分濃度を調整するために、前記バイオ燃料に前記濃度調整用液体タンクから供給される前記濃度調整用液体を混合する燃料電池用ミキサーと、
   を備えることを特徴とする船舶。
10. 前記推進器は、前記燃料電池により発電された電力により駆動すること
    を特徴とする請求項９に記載の船舶。
11. 前記バイオ燃料を燃焼させることにより、前記推進器を駆動する主機と、
    前記バイオ燃料タンクから前記主機に供給される前記バイオ燃料の水分濃度を調整するために、前記バイオ燃料に前記濃度調整用液体タンクから供給される前記濃度調整用液体を混合する主機用ミキサーと
    を備えることを特徴とする請求項９に記載の船舶。

Images