JP7065918B2 - 二酸化炭素供給システム - Google Patents

Description

本発明は二酸化炭素供給システムに関する。

従来、二酸化炭素は、主にアンモニア合成時や製鉄時に生じる副生ガスを精製して回収することで製造（例えば、特許文献１）し、タンク等に貯留して消費場所へ輸送されている。通常、二酸化炭素の製造場所と、二酸化炭素を消費する消費場所は異なるため、輸送のコストがかかる。また、二酸化炭素の需要先では、事業用装置運転等のために、二酸化炭素の安定した供給が求められる。

特開２０１７－１５５９７７号公報

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、二酸化炭素の輸送コストを抑えると共に需要先で二酸化炭素を安定して供給することが可能な二酸化炭素供給システムを提供することが目的である。

請求項１記載の二酸化炭素供給システムは、炭素化合物燃料を用いて発電する発電機と、前記発電機で発電された電力を電力需要部へ供給する電力ラインと、前記発電機から排出される二酸化炭素を、二酸化炭素需要部へ供給する二酸化炭素ラインと、二酸化炭素を貯留し、貯留した二酸化炭素を前記二酸化炭素需要部へ供給可能な二酸化炭素貯留部と、を備えている。

請求項１に係る二酸化炭素供給システムは、炭素化合物燃料を用いた発電機での発電により、電力ラインを介して電力需要部へ電力が供給される。ここでの炭素化合物燃料は、二酸化炭素を発生させる燃料であればよく、炭化水素系燃料、一酸化炭素ガスなどを含んでいる。そして、発電機から排出される二酸化炭素が、二酸化炭素ラインを介して二酸化炭素需要部へ供給される。発電機を、二酸化炭素需要部へ直接二酸化炭素を供給可能な場所に設置することにより、二酸化炭素の輸送コストを抑えることができる。

また、二酸化炭素貯留部に、二酸化炭素が貯留され、貯留された二酸化炭素が二酸化炭素需要部へ供給可能とされているので、要求発電量や、消費する二酸化炭素量等との関係で、発電機から排出される二酸化炭素の量が必要とされる二酸化炭素量よりも少なくなった場合でも、安定して二酸化炭素需要部へ二酸化炭素を供給することができる。

請求項２に記載の二酸化炭素供給システムは、前記二酸化炭素貯留部は、前記発電機から排出される二酸化炭素の量が前記二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも少ない場合に、貯留した二酸化炭素を前記二酸化炭素需要部へ供給する。

請求項２に係る二酸化炭素供給システムは、発電機から排出される二酸化炭素の量が二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも少ない場合に、二酸化炭素貯留部から二酸化炭素需要部へ二酸化炭素が供給される。したがって、二酸化炭素需要部での二酸化炭素不足を回避することができる。

二酸化炭素供給システムは、前記二酸化炭素貯留部は、前記発電機と異なるシステム外部から供給された二酸化炭素を貯留する外部充填タンク、を有していてもよい。

この二酸化炭素供給システムによれば、発電機から排出される二酸化炭素の流量に係わらず、安定して外部充填タンクから二酸化炭素需要部へ二酸化炭素を供給することができる。

請求項３に記載の二酸化炭素供給システムは、前記二酸化炭素貯留部は、前記発電機から排出される二酸化炭素を貯留可能とされた内部充填タンク、を有する。

請求項３に係る二酸化炭素供給システムによれば、発電機の発電時に二酸化炭素の需要要求がなかったり、少なかったりする場合でも、内部供給タンクに二酸化炭素を貯留することにより、二酸化炭素を回収することができる。

請求項３に記載の二酸化炭素供給システムは、前記二酸化炭素貯留部は、前記発電機と異なるシステム外部から供給された二酸化炭素を貯留する外部充填タンクを有し、前記二酸化炭素需要部への二酸化炭素の供給は、前記内部充填タンクからの供給を前記外部充填タンクからの供給よりも優先させること、を特徴とする。

請求項３に係る二酸化炭素供給システムによれば、内部充填タンクに貯留された二酸化炭素を優先的に使用するので、外部充填タンクの二酸化炭素使用量を抑え、発電機から排出された二酸化炭素を効率よく使用することができる。

請求項４に記載の二酸化炭素供給システムは、前記内部充填タンクは、前記発電機から排出される二酸化炭素の量が前記二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも多い場合に、前記発電機から排出される二酸化炭素を貯留する。

請求項４に係る二酸化炭素供給システムでは、発電機から排出される二酸化炭素の量が二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも多い場合に、発電機から排出される二酸化炭素が内部充填タンクに貯留される。したがって、二酸化炭素需要部への二酸化炭素供給不足を生じさせることなく、二酸化炭素を貯留することができる。

請求項５に記載の二酸化炭素供給システムは、前記発電機は、前記電力需要部からの電力要求量に応じて発電し、前記内部充填タンクにおける二酸化炭素の貯留量を検知する内部貯留量検知部を備え、前記内部貯留量検知部で検知された二酸化炭素の貯留量が、所定の満量以上の場合、且つ前記発電機から排出される二酸化炭素の量が前記二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも多い場合に、前記発電機から排出される二酸化炭素を廃棄する。

請求項５に係る二酸化炭素供給システムでは、発電機は、電力需要部からの電力要求量に応じて発電するので、二酸化炭素の排出量が二酸化炭素要求量よりも多くなる場合が生じるが、二酸化炭素の貯留量が所定の満量以上の場合には、発電機から排出される二酸化炭素を廃棄することにより、内部充填タンクへの過剰な二酸化炭素の貯留を防止することができる。

請求項６に記載の二酸化炭素供給システムは、前記二酸化炭素貯留部における二酸化炭素の貯留量を検知する貯留量検知部を備え、前記発電機は、前記貯留量検知部で検知された二酸化炭素の貯留量が、所定の低残量以下になった場合に、前記二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも多く二酸化炭素を排出するように駆動されること、を特徴とする。

請求項６に係る二酸化炭素供給システムでは、二酸化炭素貯留部における二酸化炭素の貯留量が所定の低残量以下になった場合に、発電機が二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも多く二酸化炭素を排出するように駆動されるので、二酸化炭素需要部における二酸化炭素の不足を防止することができる。

二酸化炭素供給システムは、前記二酸化炭素貯留部における二酸化炭素の貯留量を検知すると貯留量検知部と、前記貯留量検知部で検知された貯留量が所定の低貯留量にまで低下した場合に、通知する通知部と、を備えていてもよい。

この二酸化炭素供給システムによれば、二酸化炭素貯留部における二酸化炭素の貯留量が所定の低貯留量まで低下した場合に、通知部により通知される。したがって、二酸化炭素貯留部の二酸化炭素貯留量低下に対処することができる。

二酸化炭素供給システムは、前記発電機は、燃料電池であること、を特徴としてもよい。

この二酸化炭素供給システムによれば、燃料電池において、炭素化合物燃料を用いる場合に、排出される二酸化炭素を二酸化炭素需要部へ供給することができる。

二酸化炭素供給システムは、前記燃料電池の燃料極から送出されるアノードオフガスから二酸化炭素を分離するオフガス分離部を有し、前記オフガス分離部で分離された二酸化炭素を前記二酸化炭素ラインへ送出する。

この二酸化炭素供給システムによれば、燃料極から送出されるアノードオフガスから二酸化炭素を分離することにより、二酸化炭素を得ることができる。

二酸化炭素供給システムは、前記発電機は、炭素化合物燃料により駆動する発電機であること、を特徴としてもよい。

この二酸化炭素供給システムによれば、炭素化合物燃料により駆動する発電機において、排出される二酸化炭素を二酸化炭素需要部へ供給することができる。

二酸化炭素供給システムは、前記発電機の燃焼排ガスから二酸化炭素を分離する排ガス分離部を有し、前記排ガス分離部で分離された二酸化炭素を前記二酸化炭素ラインへ送出してもよい。

この二酸化炭素供給システムによれば、燃焼排ガスから二酸化炭素を分離することにより、二酸化炭素を得ることができる。

二酸化炭素供給システムは、前記発電機から排出される熱を熱需要部へ供給する熱供給管、を備えていてもよい。

この二酸化炭素供給システムによれば、発電機から排出される熱を、熱需要部で有効に利用することができる。

二酸化炭素供給システムは、前記発電機から排出される水を水需要部へ供給する水供給管、を備えていてもよい。

この二酸化炭素供給システムによれば、発電機から排出される水を、水需要部で有効に利用することができる。

請求項１に記載の二酸化炭素供給システムは、前記発電機として分散型発電機が用いられ、系統電力をＷ１使用した場合の系統電力由来二酸化炭素排出量をＥＭ１、電力Ｗ１を前記分散型発電機で発電した場合の分散型発電機由来二酸化炭素排出量をＥＭ２、分散型発電機の電力Ｗ１の発電により排出される二酸化炭素の回収率をＫ３とすると、ＥＭ１＞ＥＭ２×（１－Ｋ３）、となるように、分散型発電機の発電効率及び二酸化炭素回収率の少なくとも一方を制御する。

請求項１に記載の二酸化炭素供給システムによれば、事業用電力を系統電力で賄う場合の二酸化炭素排出量よりも、二酸化炭素排出量を少なくすることができる。
なお、分散型発電機の制御は、予め発電効率及び二酸化炭素回収率がＥＭ１＞ＥＭ２×（１－Ｋ３）、となるように設定されていてもよい。

本発明に係る二酸化炭素供給システムによれば、二酸化炭素の輸送コストを抑えると共に需要先へ二酸化炭素を安定して供給することができる。

第１実施形態に係る二酸化炭素供給システムの概略構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態の二酸化炭素供給システムの制御系に係るブロック図である。 第１実施形態の二酸化炭素供給処理のフローチャートである。 第１実施形態の変形例に係る二酸化炭素供給システムの概略構成図である。 第１実施形態の他の変形例に係る二酸化炭素供給システムの概略構成図である。 第２実施形態に係る二酸化炭素供給システムの概略構成図である。 第２実施形態のガスエンジン発電機の概略構成図である。 第１実施形態の他の変形例に係る二酸化炭素供給システムの概略構成図である。 第２実施形態の変形例に係る二酸化炭素供給システムの概略構成図である。

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。

〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態に係る二酸化炭素供給システム１０Ａの概略ブロック図が示されている。二酸化炭素供給システム１０Ａは、主要な構成として、燃料電池システム２０、第１二酸化炭素タンク３０、第２二酸化炭素タンク３２、パワーコンディショナー（Power Conditioning System：ＰＣＳ)３４、及び制御部５０（図２参照）を備えている。二酸化炭素供給システム１０Ａは、電力及び二酸化炭素をオンサイトで利用者Ｕの、二酸化炭素需要部４０、電力需要部４２へ供給するものであり、利用者Ｕと上記の各構成要素は、近接配置されている。

燃料電池システム２０は、分散型発電機の一例であり、図２に示されるように、気化器１２、改質器１４、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８、分離部２２、第１熱交換器ＨＥ１、第２熱交換器ＨＥ２、燃焼器２４、水タンク２６、吸引ポンプ２８を備えている。なお、分散型発電機とは、消費地に設置される分散型電源として用いられる発電機である。本実施形態では、分散型発電機が好適に利用されるが、本発明の発電機は、従来の火力発電所などの系統電力を供給する発電所における発電機も含んでいる。

改質器１４には、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は図示しないガス源に接続されている。ガス源からは、ブロアＢ１によりメタンが改質器１４へ送出される。なお、本実施形態では、原料ガスとしてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよく、上述した低級炭化水素ガスは天然ガス、都市ガス、ＬＰガス等のガスであってもよい。また、バイオガスを用いてもよい。

気化器１２には、水供給管Ｐ２が接続されており、ポンプＰＯ１により、水（液相）が送り込まれる。気化器１２では、水が気化される。気化には、後述する燃焼器２４の熱が用いられる。気化器１２からは、水蒸気が送出され、水蒸気を送出する水蒸気管Ｐ３は、原料ガス管Ｐ１と合流されている。

メタン及び水蒸気は原料ガス管Ｐ１で合流され、改質器１４へ供給される。改質器１４は、燃焼器２４、第１燃料電池セルスタック１６、及び第２燃料電池セルスタック１８と隣接されており、これらとの間で熱交換を行うことで加熱される。

改質器１４では、メタンを改質し、水素を含む６００℃程度の温度の燃料ガスを生成する。改質器１４は、第１燃料電池セルスタック１６のアノード（燃料極）１６Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ４を介して第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに供給される。なお、改質器１４で未反応の原料ガス成分も、燃料ガスに含まれてアノード１６Ａへ供給される。

第１燃料電池セルスタック１６は固体酸化物形の燃料電池セルスタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。第１燃料電池セルスタック１６は本発明における燃料電池（第１燃料電池）の一例である。個々の燃料電池セルは、電解質層１６Ｃと、当該電解質層１６Ｃの表裏面にそれぞれ積層されたアノード１６Ａ、及びカソード（空気極）１６Ｂと、を有している。

なお、第２燃料電池セルスタック１８についての基本構成は、第１燃料電池セルスタック１６と同様であり、アノード１６Ａに対応するアノード１８Ａ、カソード１６Ｂに対応するカソード１８Ｂ、及び電解質層１６Ｃに対応する電解質層１８Ｃを有している。

第１燃料電池セルスタック１６のカソード１６Ｂには、酸化ガス管Ｐ５から酸化ガス（空気）が供給される。酸化ガス管Ｐ５へは、酸化ガスブロワＢ２により空気が導入されている。酸化ガス管Ｐ５には、第２熱交換器ＨＥ２が設けられており、空気が後述する非燃料ガスとの熱交換により加熱され、カソード１６Ｂへ供給される。

カソード１６Ｂでは、下記（１）式に示すように、酸化ガス中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質層を通って第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａに到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ_２＋２ｅ^－ →Ｏ^２－ …（１）

また、カソード１６Ｂには、カソード１６Ｂから排出されるカソードオフガスを第２燃料電池セルスタック１８のカソード１８Ｂへ案内するカソードオフガス管Ｐ６が接続されている。

一方、第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質層を通ってきた酸素イオンが燃料ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード１６Ａで生成された電子がアノード１６Ａから外部回路を通ってカソード１６Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。第１燃料電池セルスタック１６には、電力を取り出す電力ケーブル１６Ｄが接続されている。電力ケーブル１６Ｄは、ＰＣＳ３４へ電力を送出する。第１燃料電池セルスタック１６での発電量は、制御部５０で制御されている。

（燃料極反応）
Ｈ_２ ＋Ｏ^２－ →Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－ …(２)
ＣＯ＋Ｏ^２－ →ＣＯ_２＋２ｅ^－ …(３)

第１燃料電池セルスタック１６のアノード１６Ａにはアノードオフガス管Ｐ７の一端が接続されており、アノードオフガス管Ｐ７には、アノード１６Ａからアノードオフガスが排出される。アノードオフガスには、未改質の原料ガス成分、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。

なお、本発明の燃料電池としては、固体酸化物形の燃料電池(SOFC：Solid Oxide Fuel Cell)に限られるものではなく、アノードオフガスに二酸化炭素及が含まれる他の燃料電池、例えば溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸形燃料電池(PAFC)、高分子電解質形燃料電池(PEFC)であってもよい。

アノードオフガス管Ｐ７の他端は、後述する第１熱交換器ＨＥ１を経て分離部２２の流入部２２Ａと接続されている。分離部２２は、アノードオフガスから二酸化炭素及び水を分離膜２２Ｃで分離するものである。分離膜２２Ｃは、二酸化炭素及び水を透過する機能を有している。分離部２２は、流入部２２Ａ及び透過部２２Ｂを有している。流入部２２Ａと透過部２２Ｂは、分離膜２２Ｃで区画されている。流入部２２Ａがアノードオフガスの非透過側となり、透過部２２Ｂが透過側となる。

アノードオフガスは、アノードオフガス管Ｐ７を経て分離部２２の流入部２２Ａへ供給される。アノードオフガスに含まれる二酸化炭素及び水は、分離膜２２Ｃを透過して透過部２２Ｂへ移動する。二酸化炭素及び水の濃度が低減されて流入部２２Ａ側に残ったアノードオフガスは、再生燃料ガスとなって、流入部２２Ａから送出される。再生燃料ガス管Ｐ９は、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａと接続されており、再生燃料ガスは、再生燃料ガス管Ｐ９を経て、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａに供給される。

アノードオフガス管Ｐ７を流れるアノードオフガスと再生燃料ガス管Ｐ９を流れる再生燃料ガスとは、第１熱交換器ＨＥ１で熱交換が行われる。第１熱交換器ＨＥ１では、アノードオフガスが冷却され、再生燃料ガスが加熱される。加熱された再生燃料ガスは、第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａへ供給される。

第２燃料電池セルスタック１８のアノード１８Ａ及びカソード１８Ｂでは、第１燃料電池セルスタック１６と同様の反応により発電が行われる。第２燃料電池セルスタック１８には、電力を取り出す電力ケーブル１８Ｄが接続されている。電力ケーブル１８Ｄは、ＰＣＳ３４へ電力を送出する。第２燃料電池セルスタック１８での発電量は、制御部５０で制御されている。

アノード１８Ａ及びカソード１８Ｂから排出された使用済のガスは、配管Ｐ１１、カソードオフ燃焼導入管Ｐ１２により燃焼器２４へ送出され、燃焼器２４で焼却に供される。本実施形態の燃料電池システム２０は、第１燃料電池セルスタック１６で使用された燃料であるアノードオフガスが再生されて、燃料ガスとして第２燃料電池セルスタック１８で再利用される２段式の燃料電池システム２０となっている。

燃焼器２４からは、燃焼排ガスが送出される。燃焼排ガスは、燃焼排ガス管Ｐ１０内を流通し、気化器１２を経て排出される。

分離部２２の透過部２２Ｂには、水タンク２６に一端が接続された配管Ｐ１６の他端が接続されている。分離膜２２Ｃを透過した二酸化炭素、及び水は、透過部２２Ｂから送出され、配管Ｐ１６により、第２熱交換器ＨＥ２を経て水タンク２６へ送出される。

第２熱交換器ＨＥ２では、透過部２２Ｂから送出された二酸化炭素及び水を含むガスと空気とで熱交換が行われ、空気は加熱され、二酸化炭素及び水を含むガスは冷却される。冷却により水が凝縮し、水タンク２６へ貯留される。水が分離され、二酸化炭素濃度が高くなった二酸化炭素リッチガスは、導出管Ｐ１８から送出される。

導出管Ｐ１８には、吸引ポンプ２８が接続されている。吸引ポンプ２８は、上流側の気体を吸引して下流側へ送出する。

導出管Ｐ１８の他端には、ＰＳＡ装置２９が接続されている。ＰＳＡ装置２９では、二酸化炭素リッチガスから二酸化炭素以外の成分が吸着により除去され（以下このガスを「二酸化炭素ガス」という）、ＣＯ２管Ｐ２０へ送出する。ＣＯ２管Ｐ２０の一端はＰＳＡ装置２９に接続されている。ＰＳＡ装置２９で精製された二酸化炭素ガスは、ＣＯ２管Ｐ２０を経て燃料電池システム２０から送出される。ＣＯ２管Ｐ２０には、流量計３１が設けられており、燃料電池システム２０で生成されてＣＯ２管Ｐ２０から排出される排出二酸化炭素量Ｈが計測される。流量計３１は、制御部５０と接続されており、排出二酸化炭素量Ｈが制御部へ出力される。

ＣＯ２管Ｐ２０は、供給配管Ｐ２２と貯留用配管Ｐ２４に分岐されている。供給配管Ｐ２２は、二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素ガスを供給する。貯留用配管Ｐ２４は、第１二酸化炭素タンク３０の入口側と接続されており、二酸化炭素ガスを第１二酸化炭素タンク３０へ送出する。

二酸化炭素需要部４０は、二酸化炭素の消費が行われる所であり、例えば、溶接工場や炭酸飲料製造工場などにおける装置を挙げることができる。

供給配管Ｐ２２には第１バルブＶ１が設けられ、貯留用配管Ｐ２４には第２バルブＶ２が設けられている。第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２は、制御部５０と接続されている。第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２は、流量調整可能な開閉バルブであり、制御部５０によって制御されている。

第１二酸化炭素タンク３０には、貯留用配管Ｐ２４を経て流入された二酸化炭素ガスが貯留される。第１二酸化炭素タンク３０には、貯留量検知部としての圧力計３０Ａが設けられている。圧力計３０Ａにより、第１二酸化炭素タンク３０内の圧力が計測される。圧力計３０Ａは、制御部５０と接続されており、圧力計３０Ａにより計測された圧力は、制御部５０へ送られる。圧力計３０Ａで測定された圧力により、第１二酸化炭素タンク３０内に貯留されている二酸化炭素量を検知する。第１二酸化炭素タンク３０の出口側には、第１配管Ｐ２６の一端が接続され、第１配管Ｐ２６の他端は、供給配管Ｐ２２の第１バルブＶ１よりも下流側と接続されている。

第１配管Ｐ２６には第３バルブＶ３が設けられている。第３バルブＶ３は、制御部５０と接続されている。第３バルブＶ３は、流量調整可能な開閉バルブであり、制御部５０によって制御されている。

第２二酸化炭素タンク３２は、第１二酸化炭素タンク３０と別に設けられており、内部には、外部（燃料電池システム２０から排出される二酸化炭素以外）から供給された二酸化炭素が貯留されている。ここで、外部からの供給は、外部充填されたタンクを運搬してきたものであってもよいし、外部のラインから供給される二酸化炭素を設置されたタンクに充填するものであってもよい。二酸化炭素としては、気相状態で貯留してあってもよいし、液相状態のものを適宜気相へ戻して使用してもよい。本実施形態では、気相状態での貯留を例に説明する。

第２二酸化炭素タンク３２には、貯留量検知部としての圧力計３２Ａが設けられている。圧力計３２Ａにより、第２二酸化炭素タンク３２内の圧力が計測される。圧力計３２Ａは、制御部５０と接続されており、圧力計３２Ａにより計測された圧力は、制御部５０へ送られる。圧力計３２Ａで測定された圧力により、第２二酸化炭素タンク３２内に貯留されている二酸化炭素量を検知する。第２二酸化炭素タンク３２の出口側には、第２配管Ｐ２８の一端が接続され、第２配管Ｐ２８の他端は、供給配管Ｐ２２の第１バルブＶ１よりも下流側と接続されている。

第２配管Ｐ２８には第４バルブＶ４が設けられている。第４バルブＶ４は、制御部５０と接続されている。第４バルブＶ４は、流量調整可能な開閉バルブであり、制御部５０によって制御されている。

第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８から出力された電力は、電力ケーブル１６Ｄ、１８Ｄを経てＰＣＳ３４へ送出され、電力ラインＬ１を経て電力需要部４２へ供給される。電力需要部４２には、系統電力からの電力も、電力ラインＬ２を経て供給されてもよい。

制御部５０は、二酸化炭素供給システム１０Ａの全体を制御するものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する二酸化炭素供給処理や、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。

制御部５０では、通常、電力需要部４２からの要求電力に基づいて、燃料電池システム２０を運転し、第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８において発電する。第１燃料電池セルスタック１６、第２燃料電池セルスタック１８から出力された電力は、電力ケーブル１６Ｄ、１８Ｄを経てＰＣＳ３４へ送出され、電力ラインＬ１を経て電力需要部４２へ供給される。

電力需要部４２は、電力の消費が行われる所であり、二酸化炭素需要部４０と同様の、例えば、溶接工場や炭酸飲料製造工場などにおける装置を挙げることができる。

制御部５０は、二酸化炭素需要部４０から二酸化炭素要求量Ｄを取得すると共に、流量計３１から排出二酸化炭素量Ｈを取得する。ここで、二酸化炭素要求量Ｄは、利用者Ｕから要求される二酸化炭素の流量に対応するものであり、本実施形態では利用者Ｕから要求される二酸化炭素の流量と二酸化炭素要求量Ｄと同一となっている。
また、制御部５０は、圧力計３０Ａから第１二酸化炭素タンク３０の内圧を取得する。当該内圧により、第１二酸化炭素タンク３０で貯留されている二酸化炭素量Ｒ１が検知される。また、制御部５０は、圧力計３２Ａから第２二酸化炭素タンク３０の内圧を取得する。当該内圧により、第２二酸化炭素タンク３２で貯留されている二酸化炭素量Ｒ２が検知される。

制御部５０は、第２二酸化炭素タンク３２で貯留されている二酸化炭素量Ｒ２が所定の最低量Ｒ２ｍｉｎ以下になった場合には、補充要求信号を送信する。補充要求信号は、利用者Ｕへ第２二酸化炭素タンク３２への二酸化炭素の補充を要求するものであってもよいし、外部の業者へ、満タン状態の第２二酸化炭素タンク３２との交換を要求するものであってもよい。

制御部５０は、二酸化炭素要求量Ｄ、排出二酸化炭素量Ｈ、二酸化炭素量Ｒ１に応じて、第１バルブＶ１～第４バルブＶ４を制御して、二酸化炭素供給処理を実行する。

二酸化炭素供給処理では、排出二酸化炭素量Ｈが二酸化炭素要求量Ｄ以上である場合には、ＣＯ２管Ｐ２０から排出される二酸化炭素は、二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素要求量Ｄが供給されると共に、余剰の二酸化炭素が第１二酸化炭素タンク３０へ貯留される。この時、第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２は開放され、二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素要求量Ｄが供給されると共に、余剰の二酸化炭素が第１二酸化炭素タンク３０へ貯留されるように各々の流用が調整される。第３バルブＶ３及び第４バルブＶ４は閉鎖される。

また、二酸化炭素供給処理では、排出二酸化炭素量Ｈが、二酸化炭素要求量Ｄよりも少ない場合には、ＣＯ２管Ｐ２０から排出される二酸化炭素は、全量が二酸化炭素需要部４０へ供給されると共に、第１二酸化炭素タンク３０または第２二酸化炭素タンク３２から二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素が供給される。第１二酸化炭素タンク３０と第２二酸化炭素タンク３２では、第１二酸化炭素タンク３０からの二酸化炭素供給が優先される。ここでの優先供給は、第１二酸化炭素タンク３０内に貯留された二酸化炭素量が所定の量Ｒ１ｍｉｎ以上の場合には、第１二酸化炭素タンク３０から供給され、Ｒ１ｍｉｎ未満の場合には、第２二酸化炭素タンク３２から二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素が供給されることで実行される。所定の量Ｒ１ｍｉｎは、例えば、平均して事業用に供給が必要な二酸化炭素の流量を、所定時間継続して供給可能な量に設定することができる。

第１二酸化炭素タンク３０から二酸化炭素が供給される場合には、第１バルブＶ１及び第３バルブＶ３は開放され、二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素要求量Ｄが供給される。第２バルブＶ２及び第４バルブＶ４は閉鎖される。第２二酸化炭素タンク３２から二酸化炭素が供給される場合には、第１バルブＶ１及び第４バルブＶ４は開放され、二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素要求量Ｄが供給される。第２バルブＶ２及び第３バルブＶ３は閉鎖される。

なお、電力需要部４２からの電力要求はあるが、二酸化炭素需要部からの二酸化炭素要求がない場合には、ＣＯ２管Ｐ２０から排出される二酸化炭素は、全量が第１二酸化炭素タンク３０へ貯留される。この場合には、第１バルブＶ１、第３バルブＶ３、第４バルブＶ４が閉鎖され、第２バルブＶ２が開放される。

二酸化炭素供給処理は、図４に示すフローチャートで実行することができる。燃料電池システム２０の駆動が開始されると、まず、ステップＳ１０で、二酸化炭素需要部４０から二酸化炭素要求量Ｄを取得し、ステップＳ１２で、二酸化炭素要求量Ｄが０よりも大きいかどうか、即ち、二酸化炭素の要求があるかどうかを判断する。

ステップＳ１２での判断が否定された場合には、二酸化炭素需要部４０から二酸化炭素の需要がないため、ステップＳ１４へ進み、第１バルブＶ１、第３バルブＶ３、第４バルブＶ４を閉鎖し、第２バルブＶ２を開放する。これにより、燃料電池システム２０から排出された二酸化炭素は、全量が第１二酸化炭素タンク３０へ貯留される。

ステップＳ１２での判断が肯定された場合には、ステップＳ１６へ進み、排出二酸化炭素量Ｈを取得する。そして、ステップＳ１８で、排出二酸化炭素量Ｈが二酸化炭素要求量Ｄ以上かどうかを判断する。ステップＳ１８での判断が肯定された場合には、ステップＳ２０へ進み、第１バルブＶ１、第２バルブＶ２を流量調整しつつ開放し、第３バルブＶ３及び第４バルブＶ４を閉鎖する。第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２は、二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素要求量Ｄが供給されると共に、余剰の二酸化炭素が第１二酸化炭素タンク３０へ貯留されるように流量調整される。

ステップＳ１８での判断が否定された場合には、ステップＳ２２で、第１二酸化炭素タンク３０内の圧力を取得し、ステップＳ２４で、第１二酸化炭素タンク３０に貯留された二酸化炭素がＲ１ｍｉｎ以上かどうかを判断する。ステップＳ２４での判断が肯定された場合には、ステップＳ２６へ進み、第１バルブＶ１、第３バルブＶ３を開放し、第２バルブＶ２及び第４バルブＶ４を閉鎖する。第３バルブＶ３は、排出二酸化炭素量Ｈに第１二酸化炭素タンク３０からの二酸化炭素を加えて二酸化炭素要求量Ｄとなるように流量調整される。これにより、燃料電池システム２０及び第１二酸化炭素タンク３０から二酸化炭素需要部４０へ、二酸化炭素要求量Ｄの二酸化炭素が供給される。

ステップＳ２４での判断が否定された場合には、ステップＳ２８へ進み、第１バルブＶ１、第４バルブＶ４を開放し、第２バルブＶ２及び第３バルブＶ３を閉鎖する。第４バルブＶ４は、排出二酸化炭素量Ｈに第２二酸化炭素タンク３２からの二酸化炭素を加えて二酸化炭素要求量Ｄとなるように流量調整される。これにより、燃料電池システム２０及び第２二酸化炭素タンク３２から二酸化炭素需要部４０へ、二酸化炭素要求量Ｄの二酸化炭素が供給される。

ステップＳ１４、ステップＳ２０、ステップＳ２６、ステップＳ２８の実行後、ステップＳ３０で、燃料電池システム２０の運転終了指示があったかどうかを判断し、判断が肯定された場合には、二酸化炭素供給処理を終了する。ステップＳ３０の判断が否定された場合には、ステップＳ１０へ戻って上記の処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施形態の二酸化炭素供給システム１０Ａは、燃料電池システム２０での発電により、電力ラインＬ１を介して電力需要部４２へ要求された電力が供給される。そして、当該発電に起因して燃料電池システム２０から排出される二酸化炭素が、ＣＯ２管Ｐ２０を介して二酸化炭素需要部４０へ供給される。このように、オンサイトで電力の供給のみならず二酸化炭素の供給も行うことができるので、二酸化炭素の輸送コストを抑えることができる。

また、二酸化炭素が貯留された、第１二酸化炭素タンク３０、第２二酸化炭素タンク３２を有しているので、要求発電量や、消費する二酸化炭素量等との関係で、燃料電池システム２０から排出される二酸化炭素の量が必要とされる二酸化炭素量よりも少なくなった場合でも、安定して二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素を供給することができる。

なお、本実施形態では、第１二酸化炭素タンク３０と第２二酸化炭素タンク３２を備えた例について説明したが、いずれか一方のみを備えているものであってもよい。

また、本実施形態では、第１二酸化炭素タンク３０へ、燃料電池システム２０から排出される二酸化炭素を貯留することができるので、発電時に二酸化炭素需要部４０から二酸化炭素の需要要求がなかったり、少なかったりする場合でも、二酸化炭素を回収することができる。

また、本実施形態では、ＣＯ２管Ｐ２０から排出される二酸化炭素は、二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素要求量Ｄが供給された余剰分が、第１二酸化炭素タンク３０へ貯留される。したがって、二酸化炭素需要部４０への二酸化炭素供給不足を生じさせることなく、二酸化炭素を貯留することができる。

また、本実施形態では、外部で充填される第２二酸化炭素タンク３２を有しているので、燃料電池システム２０から排出される二酸化炭素に係わらず、安定して第２二酸化炭素タンク３２から二酸化炭素需要部４０へ二酸化炭素を供給することができる。

また、本実施形態では、二酸化炭素需要部４０への二酸化炭素の供給は、第１二酸化炭素タンク３０からの供給を、第２二酸化炭素タンクからの供給よりも優先させるので、外部充填された二酸化炭素の使用量を抑え、燃料電池システム２０から排出された二酸化炭素を効率よく使用することができる。

また、本実施形態では、第２二酸化炭素タンク３２で貯留されている二酸化炭素量Ｒ２が所定の最低量Ｒ２ｍｉｎ以下になった場合には、補充要求信号が送信されるので、利用者Ｕは、二酸化炭素の貯留量低下に対処することができる。

また、本実施形態の二酸化炭素供給システム１０Ａから、さらに熱を取りだし、図５に示すように、熱需要部４３へ熱エネルギーを供給してもよい。熱としては、例えば、燃焼排ガス管Ｐ１０からの燃焼排ガスを用いることができる。また、当該取りだした熱は、第２二酸化炭素タンク３２において液相の二酸化炭素を貯留し、適宜気化して用いる場合に、減圧時に冷却された二酸化炭素ガスを昇温するために用いてもよい。

また、本実施形態では、第１燃料電池セルスタック１６で生成された水を水タンク２６で回収して改質水とし再利用したが、水タンク２６から配管Ｐ１９Ａで水を取り出し、図６に示すように、水需要部４５へ供給してもよい。また、第２熱交換器ＨＥ２での熱交換前に水蒸気を取り出して工場などへ供給してもよい。

なお、本実施形態では、燃料電池システム２０として、２段式の燃料電池システムを例に説明したが、２段以上の多段式の燃料電池システムや、循環式の燃料電池システムを、本発明の二酸化炭素供給システムに適用することもできる。

また、本実施形態の二酸化炭素供給システム１０Ａは、二酸化炭素の排出と関連して、以下の（式４）を満たすように運転されることが好ましい。

ＥＭ１＞ＥＭ２×（１－Ｋ３） （式４）

ここで、ＥＭ１は、系統電力から供給される電力量Ｗ１[kWh]を使用した場合の系統電力由来二酸化炭素排出量[kg]、ＥＭ２は、電力量Ｗ１を、燃料電池システム２０で発電した場合の燃料電池システム由来二酸化炭素排出量[kg]、Ｋ３は、燃料電池システム２０の電力量Ｗ１の発電により排出される二酸化炭素の回収率[%]である。

燃料電池システム２０で発電した場合の燃料電池システム由来二酸化炭素排出量ＥＭ２は、本来系統電力から供給される電力量Ｗ１を燃料電池システム２０の電力で置き換えるので、電力量Ｗ１に燃料電池システム２０の二酸化炭素排出係数Ｃ１[kg/kWh]を乗じて算出することができる（式５参照）。

系統電力由来のＣＯ２排出量ＥＭ１は、電力量Ｗ１に系統電力二酸化炭素排出係数Ｃ０[kg/kWh]を乗じて求めることができる。なお、系統電力二酸化炭素排出係数Ｃ０は、使用する系統電力に応じて決まる固定値である。

また、燃料電池システム２０の二酸化炭素排出係数Ｃ１は、使用する燃料の二酸化炭素排出係数ＣＨ[kg/m3]を、使用する燃料の熱量Ｈ[kWh/m3]と燃料電池システム２０の発電効率ＰＥ[%]とで除して求めることができる。

ＥＭ２＝Ｗ１×Ｃ１ （式５）
ＥＭ１＝Ｗ１×Ｃ０ （式６）
Ｃ１＝ＣＨ／（Ｈ×ＰＥ） （式７）

電力量Ｗ１を燃料電池システム２０で発電した場合に掛かる燃料電池システム由来二酸化炭素排出量ＥＭ２に関連する式５、６、７の中で、燃料電池システム２０において制御可能なものは、発電効率ＰＥである。また、式４の中で、燃料電池システム２０の発電により排出される二酸化炭素の回収率であるＫ３についても、制御可能である。そこで、発電効率ＰＥ、燃料電池システム２０の発電により排出される二酸化炭素の回収率Ｋ３の少なくとも一方を制御することにより、式１を満たすように運転する。なお、式１を満たすように運転が制御されるように予め設定しておいてもよい。また、二酸化炭素を分離、製造するためには、補機類を動かすための電力が必要であるので、燃料電池システム２０の発電効率ＰＥ[%]としては、二酸化炭素を分離、製造するための電力を加味した値が採用される。

上記のように燃料電池システム２０を運転して電力需要部４２へ電力を供給することにより、電力需要部４２で消費する電力を系統電力から賄う場合と比較して、二酸化炭素排出量を少なくすることができる。

〔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、その詳細な説明を省略する。

図７に示されるように、本実施形態の二酸化炭素供給システム１０Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム２０に代えて、分散型発電機として、ガスエンジン発電機６０を備えている。

ガスエンジン発電機６０は、図８に示されるように、ガスエンジン６２、発電機６４、及び排ガス分離部６６を備えている。ガスエンジン６２は、不図示のガス源から供給される燃料ガスにより駆動され、動力が発電機６４へ伝達される。発電機６４では、ガスエンジン６２から伝達された動力により発電が行われる。発電機６４で発電された電力は、電力ケーブル６８を経てＰＣＳ２４へ送出される。

ガスエンジン６２には、排ガス管Ｐ６２が接続されており、ガスエンジン６２から排ガス管Ｐ６２へ燃焼排ガスが排出される。燃焼排ガスは、排ガス分離部６６で二酸化炭素が分離され、分離された二酸化炭素は、ＣＯ２管Ｐ２０へ排出される。二酸化炭素が分離された燃焼排ガスは、排気管Ｐ６４から外部へ排出される。排ガス分離部６６には、二酸化炭素を選択透過させる分離膜や、ＰＳＡ装置を用いることができる。

二酸化炭素供給システム１０Ｂにおいて、二酸化炭素の供給／貯留に係るＣＯ２管Ｐ２０から下流側の構成、及び、電力の供給に係るＰＣＳ２４よりも下流側の構成については、第１実施形態と同様である。本実施形態でも、第１実施形態と同様の二酸化炭素供給処理が実行される。

本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本実施形態では、分散型発電機としてガスエンジン発電機を用いたが、他の内燃機関を用いた発電機、例えば、内燃機関としてガスタービンを用いたガスタービン発電機を用いてもよいし、ディーゼルエンジン発電機を用いてもよい。さらに、燃料電池システムとして、多段式や循環式のものでないものを、本実施形態のガスエンジン発電機に代えて使用し、同様の構成とすることもできる。

また、前述の第１、第２実施形態において、燃料電池システム２０、ガスエンジン発電機６０での発電量が電力需要部４２からの要求電力を超える場合に、系統電力へ逆潮してもよい。

さらに、燃料電池システム２０やガスエンジン発電機６０において、二酸化炭素を分離ために、ＰＳＡ装置以外の手段、例えば分離膜等を用いてもよい。この場合には、二酸化炭素をＣＯ２管Ｐ２０へ送出するために、ブロワを用いることが必要となる。

また、第１二酸化炭素タンク３０への二酸化炭素の充填は、昇圧して行ってもよい。

また、第１、第２実施形態では、第１二酸化炭素タンク３０、第２二酸化炭素タンク３２の貯留量を内部の圧力により検出したが、各タンクの重量により、第１二酸化炭素タンク３０、第２二酸化炭素タンク３２の貯留量を検出してもよい。

また、第１、第２実施形態では、第１二酸化炭素タンク３０、第２二酸化炭素タンク３２を別々に設けたが、これらを両者の機能（内部での二酸化炭素の充填、外部からの二酸化炭素の充填の両方が可能）を備えた１つのタンクで構成してもよい。

また、第１、第２実施形態の二酸化炭素供給システムについて、図９及び図１０に示すように、貯留用配管Ｐ２４から分岐させたベント管Ｐ２５及び第５バルブＶ５を設け、第１二酸化炭素タンク３０の貯留量が所定の満量以上で、二酸化炭素需要部４０からの二酸化炭素要求量よりも多い場合に、二酸化炭素を外部へ廃棄してもよい。この場合には、第２バルブＶ２を閉鎖し、第５バルブＶ５を開放する。

また、第１二酸化炭素タンク３０の貯留量が、所定の低残量以下となった場合に、電力需要部４２からの電力要求量に関係なく、二酸化炭素需要部４０からの二酸化炭素要求量よりも多くの二酸化炭素が排出されるように、燃料電池システム２０、ガスエンジン発電機６０を駆動させてもよい。このように駆動させることにより、第１二酸化炭素タンク３０に貯留用の二酸化炭素を供給することができる。

１０Ａ、１０Ｂ 二酸化炭素供給システム
１６Ｄ、１８Ｄ 電力ケーブル（電力ライン）
Ｌ１ 電力ライン
２０ 燃料電池システム（発電機）
１６ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
１６Ａ アノード（燃料極）
２２ 分離部（オフガス分離部）
３０ 第１二酸化炭素タンク（二酸化炭素貯留部、内部充填タンク）
３０Ａ、３２Ａ 圧力計（貯留用検知部）、 ３１ 流量計
３２ 第２二酸化炭素タンク（外部充填タンク）
４０ 二酸化炭素需要部
４２ 電力需要部
５０ 制御部（通知部）
６０ ガスエンジン発電機（発電機）
６２ ガスエンジン（エンジン）
６６ 排ガス分離部
６８ 電力ケーブル（電力ライン）
Ｐ２０ ＣＯ２管（二酸化炭素ライン）
Ｐ２２ 供給配管（二酸化炭素ライン）

Claims (6)

1. 炭素化合物燃料を用いて発電する発電機と、
   前記発電機で発電された電力を電力需要部へ供給する電力ラインと、
   前記発電機から排出される二酸化炭素を、二酸化炭素需要部へ供給する二酸化炭素ラインと、
   二酸化炭素を貯留し、貯留した二酸化炭素を前記二酸化炭素需要部へ供給可能な二酸化炭素貯留部と、
   を備え、
   前記発電機として分散型発電機が用いられ、系統電力をＷ１使用した場合の系統電力由来二酸化炭素排出量をＥＭ１、電力Ｗ１を前記分散型発電機で発電した場合の分散型発電機由来二酸化炭素排出量をＥＭ２、分散型発電機の電力Ｗ１の発電により排出される二酸化炭素の回収率をＫ３とすると、
   ＥＭ１＞ＥＭ２×（１－Ｋ３）、となるように、分散型発電機の発電効率及び二酸化炭素回収率の少なくとも一方を制御する、
   二酸化炭素供給システム。
2. 前記二酸化炭素貯留部は、前記発電機から排出される二酸化炭素の量が前記二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも少ない場合に、貯留した二酸化炭素を前記二酸化炭素需要部へ供給する、請求項１に記載の二酸化炭素供給システム。
3. 前記二酸化炭素貯留部は、前記発電機から排出される二酸化炭素を貯留可能とされた内部充填タンクと、前記発電機と異なるシステム外部から供給された二酸化炭素を貯留する外部充填タンクと、を有し、
   前記二酸化炭素需要部への二酸化炭素の供給は、前記内部充填タンクからの供給を前記外部充填タンクからの供給よりも優先させること、を特徴とする、請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素供給システム。
4. 前記内部充填タンクは、前記発電機から排出される二酸化炭素の量が前記二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも多い場合に、前記発電機から排出される二酸化炭素を貯留する、請求項３に記載の二酸化炭素供給システム。
5. 前記発電機は、前記電力需要部からの電力要求量に応じて発電し、
   前記内部充填タンクにおける二酸化炭素の貯留量を検知する内部貯留量検知部を備え、
   前記内部貯留量検知部で検知された二酸化炭素の貯留量が、所定の満量以上の場合、且つ前記発電機から排出される二酸化炭素の量が前記二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも多い場合に、前記発電機から排出される二酸化炭素を廃棄する、請求項３に記載の二酸化炭素供給システム。
6. 前記二酸化炭素貯留部における二酸化炭素の貯留量を検知する貯留量検知部を備え、
   前記発電機は、前記貯留量検知部で検知された二酸化炭素の貯留量が、所定の低残量以下になった場合に、前記二酸化炭素需要部における二酸化炭素要求量よりも多く二酸化炭素を排出するように駆動されること、を特徴とする請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の二酸化炭素供給システム。

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