(57)【要約】【課題】燃料電池の排ガスから分離した二酸化炭素ガスを効率よく液化して液化二酸化炭素として回収することを可能とする、液化二酸化炭素回収型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、炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、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、オフガスから二酸化炭素ガスを分離する凝縮器２６と、排出されたオフガスを駆動用熱源として用い、水を冷却して冷却水を生成する排熱投入型吸収式冷凍機３６と、発電された電力で駆動可能とされ、二酸化炭素ガスを圧縮する圧縮機６８と、圧縮された二酸化炭素ガスを冷却水で冷却して液化二酸化炭素を生成する冷却装置７０と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、オフガスを排出する燃料電池と、
前記オフガスから二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素ガス分離部と、
前記オフガスを駆動用熱源として用い水を冷却して冷却水を生成する排熱投入型吸収式冷凍機若しくは吸着式冷凍機、および前記燃料電池の発電により得られた電力で駆動され冷熱を生成する電動ターボ冷凍機の少なくとも一方と、
前記燃料電池で発電された電力で駆動可能とされ、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記二酸化炭素ガスを圧縮する圧縮機と、
圧縮された前記二酸化炭素ガスを前記冷却水および前記冷熱の少なくとも一方で冷却して液化二酸化炭素を生成する冷却装置と、
を備えた液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項２】
炭素化合物を含み第１燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み第１空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記第１燃料極から第１燃料極オフガスを第１燃料極オフガス流路へ送出する第１燃料電池と、第２燃料極へ供給される前記第１燃料極オフガスと第２空気極へ供給される酸化剤ガスとを用いて発電し、前記第２燃料極から第２燃料極オフガスを第２燃料極オフガス流路へ送出する第２燃料電池とを含んで構成される前記燃料電池と、
前記第１空気極及び前記第２空気極の少なくとも一方から空気極オフガスを送出する空気極オフガス流路と、
前記空気極オフガス流路と連結されて前記空気極オフガスが供給され、前記空気極オフガスから酸素を分離する酸素分離部と、
前記第２燃料極オフガス流路を通過した前記第２燃料極オフガスが供給されると共に、前記酸素分離部で分離された前記酸素が供給され、前記第２燃料極オフガスを前記酸素により燃焼反応させる燃焼部と、
を備え、
前記二酸化炭素ガス分離部は、前記燃焼部から送出される燃焼オフガスを前記冷却水、または前記冷熱で冷却して前記二酸化炭素ガスと水とを分離する、請求項１に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項３】
前記第１燃料電池、および前記第２燃料電池は、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池である、請求項２に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記酸素分離部は、酸素を選択的に透過させる酸素透過膜を有し、
前記燃焼部は、前記酸素透過膜の透過側に燃焼空間が配置されて前記酸素分離部と一体化している、請求項２または請求項３に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記酸素分離部は、ＰＳＡ装置を含んで構成されており、
前記ＰＳＡ装置は、前記燃料電池で発電された電力で駆動可能とされている、
請求項２または請求項３に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項６】
前記圧縮機は、前記二酸化炭素ガスを４ＭＰａ以上に圧縮し、
前記排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機は、二酸化炭素ガスの臨界温度よりも低い温度の前記冷却水を前記冷却装置に供給する、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項７】
前記冷却装置で生成された前記液化二酸化炭素を貯留するタンクを有し、
前記二酸化炭素ガス分離部、前記圧縮機、前記冷却装置、及び前記タンクは、前記二酸化炭素ガス分離部、前記圧縮機、前記冷却装置、前記タンクの順で配管によって連結されている、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項８】
前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水を、前記排熱投入型吸収式冷凍機の冷却水経路、前記吸着式冷凍機の冷却水経路、又は前記電動ターボ冷凍機の冷却水経路に供給する供給部を備え、
前記排熱投入型吸収式冷凍機の前記冷却水経路、前記吸着式冷凍機の前記冷却水経路、又は前記電動ターボ冷凍機の冷却水経路の冷却水の一部に、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水が用いられる、請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【請求項９】
前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水を、前記排熱投入型吸収式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路、または前記吸着式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路に供給する供給部を備え、
前記排熱投入型吸収式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水、または前記吸着式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水の一部に、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水が用いられる、請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムに関し、特に炭素化合物燃料を用いて発電を行い、発電に伴って発生した二酸化炭素を効率よく液化して回収することを可能とする、液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許５５８１２４０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９６８９０号公報
【特許文献３】特許５４１３７１９９号公報
【特許文献４】特開２０１２−１６４４２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、排熱や発電システムの発電電力を有効利用して二酸化炭素ガスを効率的に液化するとはいえず、改善の余地がある。
【０００５】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、燃料電池の排ガスから分離した二酸化炭素ガスを排熱および燃料電池発電システムの発電電力を利用して効率的に液化して液化二酸化炭素とすることが可能な液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムは、炭素化合物を含み燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、オフガスを排出する燃料電池と、前記オフガスから二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素ガス分離部と、前記オフガスを駆動用熱源として用い水を冷却して冷却水を生成する排熱投入型吸収式冷凍機若しくは吸着式冷凍機、および前記燃料電池の発電により得られた電力で駆動され冷熱を生成する電動ターボ冷凍機の少なくとも一方と、前記燃料電池で発電された電力で駆動可能とされ、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記二酸化炭素ガスを圧縮する圧縮機と、圧縮された前記二酸化炭素ガスを前記冷却水および前記冷熱の少なくとも一方で冷却して液化二酸化炭素を生成する冷却装置と、を備えている。
【０００７】
請求項１に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムにおいて、燃料電池は、燃料極へ供給された燃料ガスと空気極へ供給された酸化剤ガスにより発電が行われ、オフガスを排出する。
燃料電池から排出されたオフガスは、二酸化炭素ガス分離部で二酸化炭素ガスが分離される。
二酸化炭素ガス分離部で分離された二酸化炭素ガスは、燃料電池で発電された電力で駆動可能とされる圧縮機で圧縮される。圧縮機を燃料電池で発電された電力で駆動することができるので、発電中に、商用電源等からの外部電力を用いる必要が無く、送電損失も伴わないので、効率よく圧縮機を駆動することができるほか、商用電源等の停電時も継続して、液化二酸化炭素を回収しながら、高効率な燃料電池発電を継続することができる。
排熱投入型吸収式冷凍機若しくは吸着式冷凍機は、燃料電池から排出されたオフガスを駆動用熱源として用い、水を冷却して冷却水を生成する。オフガスは、高温であるため、排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機を効率的に駆動することができる。なお、排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機は、オフガスの排熱を用いて冷熱を生成し、水を冷却しているため、外部電力で駆動されるモータでコンプレッサーを駆動して冷媒の圧縮、膨張を行なうタイプの冷凍機で冷熱を生成する場合に比較して、少ない電力で効率的に冷熱（水を冷却して冷却水とするために用いる）を生成することができる。
また、電動ターボ冷凍機は、燃料電池の発電により得られた電力により駆動される。電動ターボ冷凍機は、一般的に冷却効率が高いため、発電した電力を用いても、高効率で液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムを運転することができる。なお、発電した電力を交流に変換することなく効率よく利用するために、電動ターボ冷凍機を直流電流にて駆動させることが好ましい。
圧縮機で圧縮された二酸化炭素ガスは、冷却装置において、排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機で生成された冷却水、および電動ターボ冷凍機で生成された冷熱の少なくとも一方により冷却されて液化二酸化炭素となる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムにおいて、炭素化合物を含み第１燃料極へ供給される燃料ガスと、酸素を含み第１空気極へ供給される酸化剤ガスと、により発電し、前記第１燃料極から第１燃料極オフガスを第１燃料極オフガス流路へ送出する第１燃料電池と、第２燃料極へ供給される前記第１燃料極オフガスと第２空気極へ供給される酸化剤ガスとを用いて発電し、前記第２燃料極から第２燃料極オフガスを第２燃料極オフガス流路へ送出する第２燃料電池とを含んで構成される前記燃料電池と、前記第１空気極及び前記第２空気極の少なくとも一方から空気極オフガスを送出する空気極オフガス流路と、前記空気極オフガス流路と連結されて前記空気極オフガスが供給され、前記空気極オフガスから酸素を分離する酸素分離部と、前記第２燃料極オフガス流路を通過した前記第２燃料極オフガスが供給されると共に、前記酸素分離部で分離された前記酸素が供給され、前記第２燃料極オフガスを前記酸素により燃焼反応させる燃焼部と、を備え、前記二酸化炭素ガス分離部は、前記燃焼部から送出される燃焼オフガスを前記冷却水、または前記冷熱で冷却して前記二酸化炭素ガスと水とを分離する。
【０００９】
請求項２に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池では、燃料電池が、第１燃料電池と第２燃料電池とを含んで構成されている。
第１燃料電池では、第１燃料極へ供給された燃料ガスと第１空気極へ供給された酸化剤ガスとにより発電が行われる。第２燃料電池では、第１燃料極から第２燃料極へ供給された第１燃料極オフガスと第２空気極へ供給された酸化剤ガスとにより発電が行われる。
【００１０】
第１空気極及び第２空気極の少なくとも一方からは、空気極オフガス流路へ空気極オフガスが送出され、空気極オフガス流路を経由して酸素分離部へ空気極オフガスが供給される。酸素分離部では、空気極オフガスから酸素が分離され、分離された酸素は燃焼部へ供給される。
【００１１】
また、第２燃料極からは、燃料極オフガス流路へ第２燃料極オフガスが送出され、燃料極オフガス流路を経由して燃焼部へ第２燃料極オフガスが供給される。燃焼部では、第２燃料極オフガス中の可燃成分と酸素とで燃焼反応が生じ、燃焼部から燃焼オフガスが送出される。
【００１２】
燃焼オフガスは二酸化炭素分離部へ送出され、燃焼オフガスから二酸化炭素が分離される。
【００１３】
請求項２に係る燃料電池発電システムでは、第２燃料電池から送出された後の第２燃料極オフガスが燃焼部で燃焼されるので、第２燃料電池での発電に供される前の第１燃料極オフガスを燃焼する場合と比較して、第２燃料電池に供給される未反応燃料ガス量が多くなる。したがって、第２燃料電池での発電効率を高めることができる。
【００１４】
また、燃焼部では、第２燃料極オフガスに含まれている可燃成分と酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。
【００１５】
また、第２燃料極オフガスは、第１燃料極オフガスと比較して含まれる未反応の燃料ガス量が少なく、二酸化炭素の含有率が高い。したがって、燃焼部で未反応の燃料ガスを燃焼させる量を少なくすることができると共に、未反応の燃料ガスを燃焼させるために必要となる酸素量を少なくすることができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムにおいて、前記第１燃料電池、および前記第２燃料電池は、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）である。
【００１７】
水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池では、空気極側で発電反応による水蒸気が生成される。したがって、第１燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量は少なくなるため、第２燃料極へ供給される燃料ガスの濃度低下が小さく、第２燃料電池での発電効率を向上させることができる。また、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量も少なくなるため、第２燃料極オフガスから除去する水蒸気の量を少なくすることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムにおいて、前記酸素分離部は、酸素を選択的に透過させる酸素透過膜を有し、前記燃焼部は、前記酸素透過膜の透過側に燃焼空間が配置されて前記酸素分離部と一体化している。
【００１９】
請求項４に係る液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムによれば、燃焼部を酸素分離部の酸素透過膜と隣接配置することができ、燃焼部と酸素分離部をコンパクトに構成することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムにおいて、前記酸素分離部は、ＰＳＡ装置を含んで構成されており、前記ＰＳＡ装置は、前記燃料電池で発電された電力で駆動可能とされている。
【００２１】
請求項５に係る液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムによれば、酸素分離部は、ＰＳＡ装置で空気極オフガスから酸素を分離するので、外部電力を用いずに酸素を分離することができる。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムにおいて、前記圧縮機は、前記二酸化炭素ガスを４ＭＰａ以上に圧縮し、前記排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機は、−５℃〜２０℃の範囲で、かつ二酸化炭素ガスの臨界温度よりも低い温度の前記冷却水を前記冷却装置に供給する。
【００２３】
請求項６に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、圧縮機で、二酸化炭素ガスを４ＭＰａ以上に圧縮する。
排熱投入型吸収式冷凍機、または吸着式冷凍機は、−５℃〜２０℃の範囲で、かつ二酸化炭素ガスの臨界温度（３１．１℃）よりも低い温度の冷却水を前記冷却装置に供給する。これにより、圧縮された二酸化炭素ガスを、臨界温度よりも低い温度に冷却することができる。
【００２４】
炭酸ガスの状態図から、４ＭＰａ以上に圧縮した二酸化炭素ガスは、臨界温度（３１．１℃）よりも低い温度に冷却すれば液化するので、請求項５に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、冷却水を用いて二酸化炭素ガスを容易に液化二酸化炭素にすることができる。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムにおいて、前記冷却装置で生成された前記液化二酸化炭素を貯留するタンクを有し、前記二酸化炭素ガス分離部、前記圧縮機、前記冷却装置、及び前記タンクは、前記二酸化炭素ガス分離部、前記圧縮機、前記冷却装置、前記タンクの順で配管によって連結されている。
【００２６】
請求項７に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、冷却装置で生成された液化二酸化炭素を貯留するタンクを設け、二酸化炭素ガス分離部、圧縮機、冷却装置、及びタンクを、二酸化炭素ガス分離部、圧縮機、冷却装置、タンクの順で配管で連結しているので、発電しながら二酸化炭素ガスを液化して貯留するまでの工程をオンサイトで効率的に行なうことができる。
【００２７】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の液化二酸化炭素回収型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で分離された前記水を、前記排熱投入型吸収式冷凍機の冷却水経路、前記吸着式冷凍機の冷却水経路、又は前記電動ターボ冷凍機の冷却水経路に供給する供給部を備え、前記排熱投入型吸収式冷凍機の前記冷却水経路、前記吸着式冷凍機の前記冷却水経路、又は前記電動ターボ冷凍機の冷却水経路の冷却水の一部に、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水が用いられる。
【００２８】
請求項８に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、二酸化炭素ガス分離部で分離された水を、排熱投入型吸収式冷凍機の冷却水経路、吸着式冷凍機の冷却水経路、又は電動ターボ冷凍機の冷却水経路に供給部で供給することができる。したがって、冷却水経路の冷却水が不足した場合等に、外部の上水道等から水を供給する必要が無くなり、水の外部依存量を削減できる。
【００２９】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の液化二酸化炭素回収型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で分離された前記水を、前記排熱投入型吸収式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路、又は前記吸着式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路に供給する供給部を備え、前記排熱投入型吸収式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水、又は前記吸着式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水の一部に、前記二酸化炭素ガス分離部で分離された前記水が用いられる。
【００３０】
請求項９に記載の液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムでは、二酸化炭素ガス分離部で分離された水を、排熱投入型吸収式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路、又は吸着式冷凍機を構成する冷却塔の冷却水補水経路に供給部で供給することができる。したがって、冷却塔の冷却水補水経路の冷却水が不足した場合に、外部の上水道等から水を供給する必要が無くなり、水の外部依存量を削減できる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システムによれば、発電効率を向上させつつ、効率的に液化二酸化炭素を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】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。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池発電システムの制御系のブロック図である。
【図３】第１実施形態の流量調整処理のフローチャートである。
【図４】第１実施形態の冷却水温度調整処理のフローチャートである。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】第５実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図９】第６実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図１０】第７実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図１１】第８実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図１２】第９実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【図１３】二酸化炭素の状態図である。
【図１４】第１実施形態の変形例に係る燃料電池発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
〔第１実施形態〕
図１には、本発明の二酸化炭素回収型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、酸素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６、第１熱交換器３０、第２熱交換器３２、排熱投入型吸収式冷凍機３６、水タンク２７、二酸化炭素ガス液化部６６、タンク８４等を備え、これらがオンサイトで設けられている。また、燃料電池発電システム１０Ａは、図２に示されるように、燃料電池発電システム１０Ａを制御する制御部４０を備えている。
【００３５】
図１に示すように、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（燃料極）１２Ａ、及び第１空気極（空気極）１２Ｂと、を有している。
【００３６】
なお、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。
【００３７】
第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａには、燃料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、燃料ガス管Ｐ１の他端は図示しない燃料ガス源に接続されている。燃料ガス源からは、燃料供給ブロワＢ１により燃料ガスが第１燃料極１２Ａへ送出される。なお、本実施形態では、燃料ガスとしてメタンを用いるが、改質により水素を生成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）、バイオガス、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。原料ガスに不純物が含まれる場合、脱硫器等が必要になるが、図では省略されている。
【００３８】
燃料ガス管Ｐ１には、水蒸気管Ｐ２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。メタン及び水蒸気は燃料ガス管Ｐ１で合流され、第１燃料極１２Ａへ供給される。なお、本実施形態では、後述するように第２燃料極オフガスの一部が第１燃料極１２Ａへ戻されて水蒸気が再利用されるため、水蒸気管Ｐ２からの水蒸気は、燃料電池発電システム１０Ａの起動や停止工程において、必要時に補充的に供給される。
【００３９】
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。
【００４０】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ  …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２  …（２）
【００４１】
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。
【００４２】
（燃料極反応）
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−…（３）
【００４３】
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。
【００４４】
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Ｐ５から酸化剤ガス（空気）が供給される。酸化剤ガス管Ｐ５へは、酸化剤ガスブロワＢ２により空気が導入されている。酸化剤ガス管Ｐ５には、第２熱交換器３２が設けられており、酸化剤ガス管Ｐ５を流れる空気が、後述する空気極オフガス管Ｐ６を流れる空気極オフガスと熱交換により加熱される。加熱された空気は、第１空気極１２Ｂへ供給される。
【００４５】
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。
【００４６】
（空気極反応）
２Ｈ＋＋２ｅ−＋１／２Ｏ２ →Ｈ２Ｏ  …（４）
【００４７】
また、第１空気極１２Ｂには、空気極オフガス管Ｐ６が接続されている。第１空気極１２Ｂから空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが排出される。なお、酸化剤ガス管Ｐ５及び空気極オフガス管Ｐ６は、第２空気極１４Ｂとも同様に接続されており、第１空気極１２Ｂ及び第２空気極１４Ｂは、並列的に接続されている。
【００４８】
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Ｐ７の一端が接続されており、第１燃料極オフガス管Ｐ７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Ｐ７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。
【００４９】
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Ｐ７−２の一端が接続されており、第２燃料極１４Ａから、第２燃料極オフガスが送出される。第２燃料極オフガス管Ｐ７−２の他端は、酸素透過膜付燃焼器２０と接続されている。第２燃料極オフガス管Ｐ７−２からは、循環ガス管Ｐ３が分岐されており、循環ガス管Ｐ３は、第１燃料極１２Ａへ接続される燃料ガス管Ｐ１と接続されている。循環ガス管Ｐ３には、循環ガスブロアＢ３が設けられている。
【００５０】
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から空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。第２空気極１４Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６は、第１空気極１２Ｂと接続された空気極オフガス管Ｐ６との合流部よりも上流側で分岐されており、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２が形成されている。分岐空気極オフガス管Ｐ６−２には、流量調整可能な流量調整バルブ４２が設けられている。流量調整バルブ４２は、制御部４０と接続されている。流量調整バルブ４２は、制御部４０により制御され、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐する空気極オフガス流量が調整される。分岐空気極オフガス管Ｐ６−２の下流端は、酸素透過膜付燃焼器２０と接続されている。
【００５１】
（酸素透過膜付燃焼器）
酸素透過膜付燃焼器２０は、多重円筒状とされており、多重円筒の外周筒を形成する燃焼部２２と、燃焼部２２の径方向内側に配置された酸素分離部２４を有している。燃焼部２２内には、燃焼空間２２Ａが形成されている。
【００５２】
酸素分離部２４は、燃焼部２２の径方向内側に配置されており、燃焼空間２２Ａに隣接して空気流路２４Ａが形成されている。空気流路２４Ａと燃焼空間２２Ａとは、酸素透過膜２３により仕切られている。酸素透過膜２３には、例えば、ＬＳＣＦなどの電子と酸素イオンの混合導電性セラミクスや、ＹＳＺなどの酸素イオン導電性のセラミクス緻密膜を用いることができる。第２燃料極オフガス管Ｐ７−２の他端は、燃焼空間２２Ａの入口に接続され、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２の下流端は、空気流路２４Ａの入口に接続されている。燃焼空間２２Ａの内部には、酸化触媒が配されている。酸化触媒としては、例えば、ニッケルやルテニウムなどを用いることができる。
【００５３】
第２空気極オフガスは、空気流路２４Ａに供給され、第２空気極オフガスに含まれている酸素が酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａへ移動する。燃焼空間２２Ａへ移動しない第２空気極オフガスは、空気流路２４Ａの出口側に接続された排気管Ｐ１２から外部へ排気される。
【００５４】
第２燃料極オフガスは、燃焼空間２２Ａに供給され、酸素分離部２４から酸素透過膜２３を透過して移動した酸素と混合される。これにより、酸化触媒を介して、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼空間２２Ａの出口側には、燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、燃焼空間２２Ａから燃焼オフガスが送出される。
【００５５】
燃焼オフガス管Ｐ８は、第１熱交換器３０を経由し、他端が凝縮器２６に接続されている。第１熱交換器３０では、燃料ガスと燃焼オフガスとの熱交換により、燃料ガスが加熱される。凝縮器２６には、冷却水循環流路２６Ａが配管されており、後述する排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水がポンプ２６Ｐの駆動により循環供給され、燃焼オフガスが冷却される。これにより、燃焼オフガス中の水蒸気が凝縮する。凝縮した水は水配管Ｐ９を介して水タンク２７へ送出される。
【００５６】
水蒸気が分離除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出される。凝縮器２６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、当該燃焼オフガスを二酸化炭素リッチガスと称する。二酸化炭素ガス管Ｐ１０には、組成検出部４４が設けられている。組成検出部４４では、凝縮器２６から送出された二酸化炭素リッチガスの組成が検出される。具体的には、メタン、一酸化炭素、水素などの可燃ガスの濃度、二酸化炭素、酸素のうち、何れか一つ以上の濃度が検出される。組成検出部４４は、制御部４０と接続されており、検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報が制御部４０へ送信される。なお、制御部４０は、二酸化炭素ガスの濃度を高めるように種々の制御を行う。
【００５７】
なお、二酸化炭素ガス管Ｐ１０の下流側には、後述する二酸化炭素ガス液化部６６が設けられている。
【００５８】
第１空気極１２Ｂ及び第２空気極１４Ｂからの空気極オフガス管Ｐ６が合流された合流部よりも下流側には、第２熱交換器３２が設けられている。第２熱交換器３２では、空気極オフガス管Ｐ６を流れる空気極オフガスと酸化剤ガス管Ｐ５を流れる酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、酸化剤ガスが加熱され、空気極オフガスが冷却される。空気極オフガスは、第２熱交換器３２を経て、排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。
【００５９】
（排熱投入型吸収式冷凍機）
排熱投入型吸収式冷凍機３６は、排熱を用いて冷熱を生成するヒートポンプであり、一例として蒸気／排熱投入型吸収式冷凍機を用いることができる。蒸気／排熱投入型吸収式冷凍機では、空気極オフガスの熱により、水蒸気を吸収した吸収液（例えば、臭化リチウム水溶液やアンモニア水溶液）を加熱することにより吸収液から水を分離させて再生する。吸収液を加熱して冷却された空気極オフガスは、水蒸気が凝縮され、凝縮水は水配管Ｐ３６−２により水タンク２７へ供給される。水蒸気が凝縮除去された後の空気極オフガスは、排気管Ｐ３６−１に送出され、排熱投入型吸収式冷凍機３６の外部に排気される。
【００６０】
なお、排熱投入型吸収式冷凍機３６の内部には、吸収液を循環させるポンプ、及び吸収液から分離した水を循環させるポンプ（何れも図示せず）が設けられている。これらのポンプは、直流モータで駆動され、直流モータは、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で発電された直流電力によって駆動することができる。
【００６１】
加熱により再生された吸収液は、水蒸気を吸収することにより水の蒸発を促進し、冷熱の生成に寄与する。排熱投入型吸収式冷凍機３６は、放熱回路３７を介して冷却塔３８と接続されている。放熱回路３７には、ポンプ３７Ｐが設置されており、ポンプ３７Ｐにより放熱回路３７に冷却水が供給される。排熱投入型吸収式冷凍機３６で吸収液が水蒸気を吸収するときに生じる吸収熱は、放熱回路３７を流れる冷却水を介して冷却塔３８から大気へ放出される。
【００６２】
排熱投入型吸収式冷凍機３６で生成された冷熱は、冷却水循環流路２６Ａを流れる冷却水を介して凝縮器２６へ送られ、凝縮器２６で燃焼オフガスが冷却され、さらに燃焼オフガス中の水蒸気が凝縮除去される。
【００６３】
水タンク２７は、冷却水循環流路２６Ａ、放熱回路３７、及び、排熱投入型吸収式冷凍機３６の熱媒としての水が流れる熱媒流路（不図示）と接続されている。冷却水循環流路２６Ａ、放熱回路３７、及び、熱媒流路では、水が不足した場合に、水タンク２７から、以下に説明する補充系統６７を介して適宜水が補充される。
なお、排熱投入型吸収式冷凍機３６は、一例として、−５℃〜１２℃の冷却水を生成する能力を有している。
【００６４】
（補充系統）
水タンク２７には、配管Ｐ１１、ポンプ２７Ａ等を含んで構成される補充系統６７が接続されている。水タンク２７には、配管Ｐ１１の一端が接続されており、配管Ｐ１１の他端は、３分岐されて、冷却塔３８、冷却水循環流路２６Ａ、及び後述する液化用冷却水循環路７０Ａと接続されている。なお、ポンプ２７Ａは、分岐前の配管Ｐ１１に設けられており、３分岐された各々の配管には、電磁弁（図示省略）が取り付けられている。なお、ポンプ２７Ａ、及び電磁弁は、後述する制御部４０で制御される。
【００６５】
なお、冷却塔３８、冷却水循環流路２６Ａ、及び液化用冷却水循環路７０Ａには、各々冷却水を貯留するバッファタンク（図示せず）を備えており、バッファタンクには、冷却水の貯留量を検出する液面センサ（図示せず）が設けられている。この液面センサは、後述する制御部４０に接続されており、液面レベル（冷却水の貯留量）の検出データが制御部４０に出力される。これにより、制御部４０は、冷却塔３８、冷却水循環流路２６Ａ、及び液化用冷却水循環路７０Ａの各々の冷却水の貯留量を把握することができる。
【００６６】
（二酸化炭素ガス液化部）
二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出された二酸化炭素リッチガスは、圧縮機６８、及び冷却装置７０等を含んで構成された二酸化炭素ガス液化部６６へ送られる。
二酸化炭素ガス液化部６６へ送られた二酸化炭素リッチガスは、最初に圧縮機６８で圧縮される。なお、圧縮機６８は、図示しない直流モータで稼動され、二酸化炭素ガスを４ＭＰａ以上に圧縮可能とされている。また、圧縮機６８の直流モータは、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で得られた電力で駆動されるが、例えば、システムの起動時においては、外部の商用電源を用いて駆動したり、図示しない再生可能エネルギー発電で得られた電力（余剰電力）で駆動することもできる。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。
【００６７】
圧縮機６８の直流モータは、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で得られた直流電力を用いて直接的に駆動可能であるので、例えば、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で得られた直流電力を交流電力に変換し、交流電力で交流モータを駆動する場合に比較して、エネルギー損失が少なく、効率的である。なお、圧縮機６８の直流モータは、後述する制御部４０で制御される。
【００６８】
圧縮機６８で圧縮された二酸化炭素ガスは、配管Ｐ１４を介して冷却装置７０へ送られる。配管Ｐ１４には、温度センサ７４と圧力センサ７６が設けられており、温度センサ７４で計測された二酸化炭素ガスの温度データ、及び圧力センサ７６で計測された二酸化炭素ガスの圧力データは、各々制御部４０に送られる。
【００６９】
冷却装置７０には、液化用冷却水循環路７０Ａが配管されており、液化用冷却水循環路７０Ａには、制御部４０で制御される循環ポンプ７８が取り付けられている。液化用冷却水循環路７０Ａは排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水が循環供給され、圧縮機６８から供給された圧縮された二酸化炭素リッチガスを冷却して液化二酸化炭素を生成する。
【００７０】
液化用冷却水循環路７０Ａには、冷却装置７０に流入する冷却水の温度を検出する温度センサ８０が設けられている。温度センサ８０で計測された冷却水の温度データは、制御部４０に送られる。なお、液化用冷却水循環路７０Ａに、冷却水の流量を計測する流量センサ（図示せず）を設けても良い。
【００７１】
冷却装置７０で生成された液化二酸化炭素は、配管Ｐ１５、ポンプ８２を介してタンク８４に送られて貯留される。
【００７２】
（制御部）
制御部４０は燃料電池発電システム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、後述する流量調整処理、冷却水温度調整処理や、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。図２に示されるように、制御部４０は、流量調整バルブ４２、組成検出部４４、排熱投入型吸収式冷凍機３６等と接続されている。流量調整バルブ４２、組成検出部４４、排熱投入型吸収式冷凍機３６等は、制御部４０により制御される。なお、図２は、燃料電池発電システム１０Ａにおける制御部４０の接続関係の一部を示すものであり、制御部４０は、図２では図示していない他の機器とも接続されている。
【００７３】
燃料電池発電システム１０Ａにおいて、ポンプ、ブロワ、その他の補機は、燃料電池発電システム１０Ａで発電された電力により駆動される。燃料電池発電システム１０Ａで発電された電力を直流のままで交流に変換することなく効率よく利用するために、補機は直流電流により駆動するものであることが好ましい。
【００７４】
（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。
【００７５】
燃料電池発電システム１０Ａにおいては、燃料供給ブロワＢ１により、燃料ガス源からメタンが燃料ガス管Ｐ１へ送出され、第１熱交換器３０を経ることで加熱され、第１燃料極１２Ａへ供給される。水蒸気管Ｐ２からは、水蒸気改質用の水蒸気が燃料ガス管Ｐ１を介して第１燃料極１２Ａへ供給される。なお、水蒸気の供給は、起動時及び不足時であり、定格運転時には、後述するように、循環ガス管Ｐ３から戻される第２燃料極オフガス中の水蒸気が利用される。
【００７６】
第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａでは、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、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。
【００７７】
第１燃料電池セルスタック１２の第１空気極１２Ｂには、空気が酸化剤ガス管Ｐ５を経て供給される。第１燃料電池セルスタック１２では、第１燃料極１２Ａ及び第１空気極１２Ｂにおいて水素イオンが移動すると共に前述の反応が生じ、発電が行われる。第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａからは、第１燃料極オフガス管Ｐ７へ第１燃料極オフガスが送出される。また、第１空気極１２Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。
【００７８】
第１燃料極１２Ａから送出された第１燃料極オフガスは、第１燃料極オフガス管Ｐ７に導かれ、第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａへ供給される。第２燃料電池セルスタック１４の第２空気極１４Ｂには、空気が酸化剤ガス管Ｐ５を経て供給される。第２燃料電池セルスタック１４でも第１燃料電池セルスタック１２と同様に発電が行われる。第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａからは、第２燃料極オフガス管Ｐ７−２へ第２燃料極オフガスが送出される。また、第２空気極１４Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出される。第２空気極１４Ｂから送出された空気極オフガスは、一部が分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐され、その他は第１空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスと合流される。
【００７９】
空気極オフガスは、第２熱交換器３２を経て排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給される。第２熱交換器３２では、空気極オフガスと酸化剤ガスとの間で熱交換が行われ、空気極オフガスによって酸化剤ガスが加熱される。排熱投入型吸収式冷凍機３６では、前述のように、空気極オフガスの熱を利用して冷熱が生成される。
【００８０】
第２燃料極オフガスは、一部が循環ガス管Ｐ３へ分岐し、第１燃料極１２Ａへ戻される。その他の第２燃料極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２へ供給され、燃焼空間２２Ａを流れる。
【００８１】
分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐された空気極オフガスは、酸素透過膜付燃焼器２０の酸素分離部２４へ供給される。酸素分離部２４へ供給された空気極オフガスは、空気流路２４Ａを流れる。空気流路２４Ａにおいて、空気極オフガスに含まれる酸素は、酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａ側へ移動する。燃焼空間２２Ａでは、第２燃料極オフガス中の可燃ガス（メタン、水素、一酸化炭素等）と酸素の燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。二酸化炭素及び水蒸気を含む燃焼オフガスは、燃焼空間２２Ａから燃焼オフガス管Ｐ８へ送出される。燃焼オフガス管Ｐ８へ送出された燃焼オフガスは、第１熱交換器３０を経て凝縮器２６へ供給される。
【００８２】
凝縮器２６へ供給された燃焼オフガスは、冷却水循環流路２６Ａを介して循環供給される排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水により冷却され、燃焼オフガス内の水蒸気が凝縮される。凝縮された水は水配管Ｐ９を介して水タンク２７へ送出され、水タンク２７に貯留される。
【００８３】
凝縮器２６で水蒸気が除去された燃焼オフガスは、二酸化炭素濃度の高い二酸化炭素リッチガスとなり、二酸化炭素用ブロアＢ４により二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出され、組成検出部４４に送られる。組成検出部４４では、二酸化炭素リッチガスの組成が検出され、検出された情報が制御部４０へ送信される。
【００８４】
制御部４０は、組成検出部４４から送信された組成情報に基づいて、流量調整バルブ４２を制御して分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐する空気極オフガス量を調整すると共に、排熱投入型吸収式冷凍機３６で冷却水循環流路２６Ａ等へ送る冷却水の温度を制御する。具体的には、制御部４０では、以下の流量調整処理、冷却水温度調整処理が実行される。
【００８５】
図３に示されるように、流量調整処理では、ステップＳ１０で、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、可燃ガスの濃度が閾値Ｇ１以内かどうかを判断する。ここで、閾値Ｇ１は、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり０．１〜５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．１〜１ｖｏｌ％の範囲であることがより好ましい。可燃ガスの濃度が閾値Ｇ１よりも高い場合には、ステップＳ１２で流量調整バルブ４２を制御して、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐する空気極オフガスの流量を増加させる。これにより、酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａへ移動する酸素の量が増加し、燃焼空間２２Ａで燃焼反応させることにより、二酸化炭素リッチガスに含まれる可燃ガスを減少させることができる。
【００８６】
ステップＳ１０で、可燃ガスの濃度が閾値Ｇ１以下の場合には、ステップＳ１４で、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、酸素の濃度が閾値Ｏ１以内かどうかを判断する。ここで、閾値Ｏ１は、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり０．１〜５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．１〜１ｖｏｌ％の範囲であることがより好ましい。酸素の濃度が閾値Ｏ１よりも高い場合には、ステップＳ１６で流量調整バルブ４２を制御して、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐する空気極オフガスの流量を減少させる。これにより、酸素透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａへ移動する酸素の量が減少し、燃焼空間２２Ａで燃焼反応に供されずに残る酸素を減少させることができる。
【００８７】
ステップＳ１２、Ｓ１４、Ｓ１６の後、ステップＳ１０へ戻り、前述の処理を繰り返す。この流量調整処理は、燃料電池発電システム１０Ａの運転開始により開始され、運転中は継続され、運転停止により終了する。
【００８８】
また、図４に示されるように、凝縮量調整処理では、ステップＳ２０で、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報において、水蒸気の濃度が閾値Ｍ以内かどうかを判断する。ここで、閾値Ｍは、二酸化炭素リッチガスにおいて十分に低い濃度であり０．１〜５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．１〜１ｖｏｌ％の範囲であることがより好ましい。水蒸気の濃度が閾値Ｍよりも高い場合には、ステップＳ２２で、凝縮強化を行う。具体的には、排熱投入型吸収式冷凍機３６を制御して冷却水循環流路２６Ａへ送る冷却水の温度を低下させたり、冷却水の循環流量を増加させたりする。これにより、凝縮器２６で凝縮により燃焼オフガスから分離される水の量が増加し、二酸化炭素リッチガスに含有される水蒸気の割合を小さくすることができる。
【００８９】
ステップＳ２０、Ｓ２２の後、ステップＳ２０へ戻り、前述の処理を繰り返す。本凝縮量調整処理は、燃料電池発電システム１０Ａの運転開始により開始され、運転中は継続され、運転停止により終了する。
【００９０】
二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出された二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素ガス液化部６６の圧縮機６８へ送られて圧縮され、圧縮された二酸化炭素リッチガスは、冷却装置７０へ送られる。冷却装置７０は、排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水で圧縮された二酸化炭素リッチガスを冷却して液化二酸化炭素を生成する。
【００９１】
排熱投入型吸収式冷凍機３６は、空気極オフガスの排熱を用いて冷熱を生成しているため、モータでコンプレッサーを駆動して冷媒の圧縮、膨張を行なうタイプの冷凍機（例えば、ターボ冷凍機等）で冷熱を生成する場合に比較して、少ない電力で効率的に冷熱（水を冷却して冷却水とするために用いる）を生成することができる。
【００９２】
図１３に示す炭酸ガスの状態図から、一例として、４ＭＰａ以上に圧縮した二酸化炭素ガスは、二酸化炭素ガスの臨界温度（３１．１℃）よりも低い温度に冷却すれば、液化する。
本実施形態の二酸化炭素ガス液化部６６では、一例として二酸化炭素ガスを圧縮機６８で４ＭＰａに圧縮し、その後、冷却装置７０において、圧縮された二酸化炭素ガスを−５℃〜１２℃の冷却水で冷却することで液化二酸化炭素を得ている。なお、二酸化炭素ガスの圧力、及び冷却温度は、上記値に限定されることはなく、適宜変更可能である。
【００９３】
（液化の制御）
なお、圧縮機６８を通過した高圧の二酸化炭素ガスの温度（温度センサ７４で計測）、及び圧力（圧力センサ７６で計測）、または液化せずに残留する二酸化炭素ガス量のうち、何れか一つ以上の測定結果に応じて、制御部４０は、冷却装置７０へ供給する冷却水の温度（温度センサ８０で計測）や流量（流量センサ（図示せず）で計測）など、排熱投入型吸収式冷凍機３６の運転と、循環ポンプ７８の運転を制御し、二酸化炭素ガスを効率的に液化二酸化炭素とする。
【００９４】
即ち、本実施形態では、回収した二酸化炭素ガスの温度や圧力、または液化時の残留二酸化炭素ガス量に応じて、二酸化炭素ガスの液化量を最大化するための冷熱量を制御部４０で算出し、これに応じた冷却水の温度を低温化させるか、循環する冷却水の流量を増やすか、これらの両方を併用することができる。
【００９５】
なお、冷却装置７０の内部においては、液化二酸化炭素が下方に溜まり、液化二酸化炭素の上方に液化していない二酸化炭素ガスが残存するため、冷却装置７０の内部に溜まった液化二酸化炭素の液面レベルを測定することで、冷却装置７０の内部で液化せずに残留する二酸化炭素ガスの量を間接的に計測することができる（なお、冷却装置７０の内部空間容積は既知）。
【００９６】
このようにして二酸化炭素ガス液化部６６で生成された液化二酸化炭素は、配管Ｐ１５、ポンプ８２を介してタンク８４に送られて貯留される。なお、タンク８４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。
【００９７】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａ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からタンク８４までが連続的に繋がって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８４に貯留することができる。なお、タンク８４に貯留した液化二酸化炭素は、ローリー８６等で輸送してもよく、パイプライン等で輸送してもよい。
【００９８】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、第２燃料電池セルスタック１４の第２燃料極１４Ａから送出された第２燃料極オフガスが燃焼部２２で燃焼されるので、第２燃料電池セルスタック１４での発電に供される前の第１燃料極オフガスを燃焼する場合と比較して、第２燃料電池セルスタック１４の発電に供される未反応燃料ガス量が多くなる。したがって、第２燃料電池セルスタック１４での発電効率を高めることができる。
【００９９】
また、燃焼部２２では、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収することができる。また、燃焼部２２へは、空気極オフガス中の酸素のみが供給されまた、第２燃料極オフガスには、第１燃料極オフガスと比較して含まれる未反応の燃料ガス量が少なく、二酸化炭素の含有率が高い。したがって、燃焼部２２で未反応の燃料ガスを燃焼させる量と、当該未反応の燃料ガスを燃焼させるために必要となる酸素の量を少なくすることができる。
【０１００】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、空気極オフガス管Ｐ６から分岐された分岐空気極オフガス管Ｐ６−２を有しているので、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報に基づいて、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐させる空気極オフガス流量を容易に調整することができる。これにより、燃焼オフガスに含まれる可燃ガス及び酸素の量が所定の閾値よりも低くなるように、燃焼部２２の燃焼空間２２Ａへ流入する酸素量を調整することができる。
【０１０１】
さらに、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、組成検出部４４で検出された二酸化炭素リッチガスの組成情報に基づいて、凝縮器２６で凝縮させる水の量を調整することにより、二酸化炭素リッチガスの二酸化炭素濃度を高くすることができる。
【０１０２】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃料電池セルスタックに水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池を用いているので、第１燃料極１２Ａで水蒸気が生成されない。したがって、第１燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量が少なくなるため、第２燃料電池での発電効率を向上させることができる。また、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気の量も少なくなるため、第２燃料極オフガスから除去する水蒸気の量を少なくすることができる。
【０１０３】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃焼部２２よりも上流側から第２燃料極オフガスの一部を第１燃料極１２Ａへ供給する循環ガス管Ｐ３を備えている。したがって、第２燃料極オフガス中の未反応燃料ガス及び水蒸気の一部を、発電及び燃料ガスの水蒸気改質に、それぞれ再利用することができる
【０１０４】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、燃焼部２２を酸素分離部２４の酸素透過膜２３と隣接配置することにより、燃焼部２２と酸素分離部２４が一体形成されたコンパクトな酸素透過膜付燃焼器２０を構成することができる。
【０１０５】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、空気極オフガスの熱を排熱投入型吸収式冷凍機３６での冷熱生成に用いるので、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からの排熱を有効利用することができる。また、空気極オフガスには、水蒸気が多く含まれているので、排熱投入型吸収式冷凍機３６において当該水蒸気が熱交換時に凝縮することにより、凝縮熱も有効に用いることができる。
【０１０６】
また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、制御部４０が、冷却塔３８、冷却水循環流路２６Ａ、及び液化用冷却水循環路７０Ａの各バッファタンクの冷却水の貯留量を液面センサからの検出データに基づき把握しており、冷却水の貯留量が予め設定した下限値よりも不足している判断したときに、電磁弁、及びポンプ２７Ａを制御し、冷却水に用いる水を水タンク２７から補充することができる。このように、冷却水が不足した場合、外部の上水道等から水を供給する必要が無くなり、水の外部依存量を削減できる。
【０１０７】
なお、本実施形態では、燃焼オフガス内の水蒸気を凝縮器２６で凝縮させて除去することにより、燃焼オフガスから二酸化炭素を分離したが、その他の手段、例えば、二酸化炭素分離膜で二酸化炭素を分離してもよいし、吸着剤を用いて圧力を変化させることによりガスを分離・製造する、所謂ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption：圧力変動吸着）装置により二酸化炭素を分離してもよい。
【０１０８】
［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。
【０１０９】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂは、図５に示すように、第１実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２以外の構成については、第１実施形態と同様である。
【０１１０】
高温酸素製造装置５０の入口側には、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２の下流端が接続されている。高温酸素製造装置５０は、空気極オフガスから酸素を分離する装置であり、一例として、高温下で吸着と脱着を行うＰＳＡ装置を用いることができる。高温酸素製造装置５０の酸素出口側には、酸素供給管ＰＯの一端が接続されている。高温酸素製造装置５０の酸素が分離された後の空気極オフガス出口側には、排気管Ｐ１３が接続されている。酸素供給管ＰＯの他端は、燃焼器５２の入口側に接続されている。排気管Ｐ１３は、燃料電池発電システム１０Ｂの外部に開放されている。なお、この高温酸素製造装置５０は、
一例として、吸着材にペロブスカイト型酸化物を用いたＨＴ−ＰＳＡ（High Temperature - Pressure Swing Adsorption）装置であり、高温の空気極オフガスを利用して酸素を効率的に製造することができる。また、この高温酸素製造装置５０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で発電された直流電力によって駆動することができる。
【０１１１】
燃焼器５２の入口側には、前述の酸素供給管ＰＯの他端と、第２燃料極オフガス管Ｐ７−２の下流端が接続されている。燃焼器５２の内部では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素供給管ＰＯから供給される酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼器５２の出口側には、燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、燃焼器５２から燃焼オフガスが送出される。
【０１１２】
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂの動作について説明する。
【０１１３】
本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、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での発電が行われる。第２空気極１４Ｂから送出され、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐された第２空気極オフガスは、高温酸素製造装置５０へ供給される。高温酸素製造装置５０では、第２空気極オフガスから酸素が分離され、分離された酸素は、酸素供給管ＰＯを介して燃焼器５２へ供給される。酸素が分離された後の空気極オフガスは、排気管Ｐ１３から外部へ排出される。
【０１１４】
燃焼器５２では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼オフガスは、燃焼オフガス管Ｐ８へ送出され、第１実施形態と同様にして凝縮器２６で水が分離され、分離された水が水タンク２７に回収され、二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素ガス液化部６６へと供給される。
【０１１５】
本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
【０１１６】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では、第１、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。
【０１１７】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃは、主に改質器５４を備えている点、循環ガス管Ｐ３を備えていない点、及び、これらの構成に関連する配管流路が、第１実施形態と異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【０１１８】
図６に示すように、燃料電池発電システム１０Ｃは、改質器５４を備えている。改質器５４の入口側には、燃料ガス管Ｐ１−１の一端が接続されている。また、改質器５４の入口側には、水供給管Ｐ２−２の一端が接続されている。水供給管Ｐ２−２の他端は、水タンク２７と接続されている。水供給管Ｐ２−２には、イオン交換樹脂５６及びポンプ２７Ｂが設けられている。ポンプ２７Ｂを駆動させることにより、水タンク２７に貯留された水がイオン交換樹脂５６を経て改質器５４へ供給される。
【０１１９】
改質器５４の出口側には、改質ガス管Ｐ１−２の一端が接続されている。改質ガス管Ｐ１−２の他端は、第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａと接続されている。
【０１２０】
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃの動作について説明する。
【０１２１】
改質器５４では、燃料ガスと水蒸気の混合ガスが燃焼オフガスとの熱交換により加熱され、水蒸気改質反応により、水素と一酸化炭素が生成される。また、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。未反応の燃料ガス（メタン）、水素、一酸化炭素、二酸化炭素を含んだ改質ガスが、改質ガス管Ｐ１−２を通って第１燃料極１２Ａへ供給される。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では、第１実施形態と同様に発電が行われる。
【０１２２】
第２燃料極１４Ａからは、第２燃料極オフガス管Ｐ７−２へ第２燃料極オフガスが送出される。第２燃料極オフガスは、分岐されることなく酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２へ供給される。第２空気極１４Ｂからは、空気極オフガス管Ｐ６へ空気極オフガスが送出され、第１実施形態と同様に、空気極オフガスの一部が分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐され、その他は第１空気極１２Ｂから送出された空気極オフガスと合流される。
【０１２３】
酸素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６では、第１実施形態と同様に処理が行われ、二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素ガス液化部６６へと供給される。
【０１２４】
本実施形態においても、酸素透過膜付燃焼器２０において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
【０１２５】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜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。
【０１２６】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄは、第３実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、第２実施形態の高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２以外の構成については、第３実施形態と同様である。
【０１２７】
図７に示すように、高温酸素製造装置５０の入口側には、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２の下流端が接続され、高温酸素製造装置５０の酸素出口側には、酸素供給管ＰＯの一端が接続されている。高温酸素製造装置５０の酸素が分離された後の空気極オフガス出口側には、排気管Ｐ１３が接続されている。酸素供給管ＰＯの他端は、燃焼器５２の入口側に接続されている。排気管Ｐ１３は、燃料電池発電システム１０Ｄの外部に開放されている。
【０１２８】
燃焼器５２の入口側には、前述の酸素供給管ＰＯの他端と、第２燃料極オフガス管Ｐ７−２の下流端が接続されている。燃焼器５２の内部では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素供給管ＰＯから供給される酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼器５２の出口側には、燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、燃焼器５２から燃焼オフガスが送出される。
【０１２９】
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｄの動作について説明する。
【０１３０】
本実施形態においても、第３実施形態の燃料電池発電システム１０Ｃと同様に、改質器５４で燃料ガスが水蒸気改質されて改質ガスが生成され、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での発電が行われる。第２空気極１４Ｂから送出され、分岐空気極オフガス管Ｐ６−２へ分岐された第２空気極オフガスは、高温酸素製造装置５０へ供給される。高温酸素製造装置５０では、第２空気極オフガスから酸素が分離され、分離された酸素は、酸素供給管ＰＯを介して燃焼器５２へ供給される。酸素が分離された後の空気極オフガスは、排気管Ｐ１３から外部へ排出される。
【０１３１】
燃焼器５２では、第２燃料極オフガス中の可燃ガス成分（未改質のメタン、未反応の水素、未反応の一酸化炭素等）と、酸素とで燃焼反応が生じ、二酸化炭素と水蒸気が生成される。燃焼オフガスは、燃焼オフガス管Ｐ８へ送出され、第１実施形態と同様にして凝縮器２６で水が分離され、分離された水が水タンク２７に回収され、二酸化炭素リッチガスは、二酸化炭素ガス液化部６６へと供給される。
【０１３２】
本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
【０１３３】
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第４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。
【０１３４】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｅでは、第１燃料極オフガス管Ｐ７の経路に、第３熱交換器３４及び凝縮器３５が設けられている点が第１実施形態と異なっている。
【０１３５】
図８に示すように、第１燃料極オフガス管Ｐ７は、第１燃料極１２Ａから延出され、第３熱交換器３４を経て凝縮器３５と接続されている。第１燃料極１２Ａから凝縮器３５までの第１燃料極オフガス管Ｐ７を符号Ｐ７Ａで示す。第１燃料極オフガス管Ｐ７Ａは、凝縮器３５の気体側出口から延出され、第３熱交換器３４を経て第２燃料極１４Ａと接続されている。凝縮器３５から第２燃料極１４Ａまでの第１燃料極オフガス管Ｐ７を符号Ｐ７Ｂで示す。凝縮器３５の液体側出口には、水配管Ｐ９−２の一端が接続されている。水配管Ｐ９−２の他端は水タンク２７に接続されている。凝縮器３５には、冷却水循環流路３５Ａが配管されており、排熱投入型吸収式冷凍機３６からの冷却水がポンプ３５Ｐの駆動により循環供給されている。これにより、第１燃料極オフガスが冷却され、第１燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮する。凝縮した水は水配管Ｐ９−２を介して水タンク２７へ送出される。
【０１３６】
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｅの動作について説明する。
【０１３７】
本実施形態においても、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に、第１燃料電池セルスタック１２での発電が行われる。第１燃料極１２Ａから第１燃料極オフガス管Ｐ７−１へ送出された第１燃料極オフガスは、第３熱交換器３４で後述する再生燃料ガスと熱交換により冷却され、凝縮器３５へ供給される。凝縮器３５では、冷却水循環流路３５Ａを循環する冷却水により、第１燃料極オフガスが更に冷却され、第１燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮する。ここで、冷却水循環流路３５Ａを循環する冷却水の温度は、再生燃料ガス中に残る水蒸気量が第２燃料電池セルスタック１４での発電効率を向上させる程度に第１燃料極オフガス中の水蒸気が凝縮するように設定されている。凝縮した水は水配管Ｐ９−２を介して水タンク２７へ送出される。
【０１３８】
凝縮水が分離された第１燃料極オフガスは、再生燃料ガスとして第１燃料極オフガス管Ｐ７Ｂへ送出され、第３熱交換器３４で水が分離される前の第１燃料極オフガスとの熱交換により加熱され、第２燃料極１４Ａへ供給される。第２燃料電池セルスタック１４では、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａと同様に発電が行われる。
【０１３９】
本実施形態では、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【０１４０】
また、本実施形態においても、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
【０１４１】
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第５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。
【０１４２】
図９に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｆでは、第１燃料電池セルスタック６２及び第２燃料電池セルスタック６４は、第１実施形態の水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池に代えて固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）を用いている。したがって、第１燃料極６２Ａ（燃料極）、及び第１空気極６２Ｂ（空気極）では、以下のように反応が生じる。なお、第２燃料極６４Ａ、及び第２空気極６４Ｂでも同様である。
【０１４３】
第１空気極６２Ｂでは、下記（５）式に示すように、酸化剤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６２Ｃを通って第１燃料電池セルスタック６２の第１燃料極６２Ａに到達する。
【０１４４】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  …（５）
【０１４５】
一方、第１燃料電池セルスタック６２の第１燃料極６２Ａでは、下記（６）式及び（７）式に示すように、電解質層６２Ｃ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、水蒸気及び二酸化炭素と電子が生成される。第１燃料極６２Ａで生成された電子が第１燃料極６２Ａから外部回路を通って第１空気極６２Ｂに移動することで、発電される。
【０１４６】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …(６)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  …(７)
【０１４７】
固体酸化物形燃料電池では、第１燃料極６２Ａ、第２燃料極６４Ａで水蒸気が生成されることから、水素イオン伝導型固体酸化物形燃料電池と比較して、第１燃料極オフガス、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気量が多い。一方、第１空気極６２Ｂ、第２空気極６４Ｂでは、水蒸気が生成されない。排熱投入型吸収式冷凍機３６へ供給された空気極オフガスは、熱交換後に排気管Ｐ３６−１から排気される。
【０１４８】
本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｆでは、その他の構成については、第５実施形態と同様であり、第１燃料極オフガス管Ｐ７の経路に、第３熱交換器３４及び凝縮器３５が設けられている。ここで、第１燃料極オフガス、第２燃料極オフガスに含まれる水蒸気量は、燃料電池発電システム１０Ｅと比較して多いため、凝縮器３５での凝縮により除去する水蒸気量が多くなるように、冷却水循環流路３５Ａを循環する冷却水の温度が設定されている。凝縮した水は水配管Ｐ９−２を介して水タンク２７へ送出される。
【０１４９】
本実施形態では、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【０１５０】
また、本実施形態においても、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
【０１５１】
［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第６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。
【０１５２】
図１０に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｇでは、第６実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、第２実施形態と同様の高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、燃焼器５２、及び、これらに関連する配管以外の構成については、第６実施形態と同様である。
【０１５３】
本実施形態においても、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【０１５４】
また、本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
【０１５５】
［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第７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。
【０１５６】
図１１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｈでは、第３実施形態と同様に、改質器５４を備えている点、循環ガス管Ｐ３を備えていない点、及び、これらの構成に関連する配管流路が、第６実施形態と異なっている。その他の構成は第６実施形態と同様である。
【０１５７】
本実施形態においても、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【０１５８】
また、本実施形態においても、燃焼部２２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
【０１５９】
［第９実施形態］
次に、本発明の第９実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第８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。
【０１６０】
図１１に示すように、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｉでは、第８実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０に代えて、第７実施形態の高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２を備えている。高温酸素製造装置５０、及び、燃焼器５２以外の構成については、第８実施形態と同様である。
【０１６１】
本実施形態においても、第１燃料極オフガスから水蒸気の一部を分離して生成された再生燃料ガスを第２燃料極１４Ａへ供給するので、第２燃料電池セルスタック１４における発電効率を向上させることができる。
【０１６２】
また、本実施形態においても、燃焼器５２において、第２燃料極オフガスに含まれている可燃ガスと酸素との燃焼反応により二酸化炭素及び水蒸気が生成される。したがって、第２燃料極オフガスから可燃ガスを減じて、高濃度の二酸化炭素を回収し、効率的に液化二酸化炭素を得ることができる。
【０１６３】
［その他の実施形態］
以上、本発明の液化二酸化炭素回収型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。
【０１６４】
本発明の燃料電池としては、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)、固体高分子形燃料電池(PEFC)を用いることもできる。
【０１６５】
前述の第１〜第９実施形態では、排熱投入型吸収式冷凍機３６を用いて冷熱を生成したが、排熱投入型吸収式冷凍機３６に代えて、例えば、公知の吸着式冷凍機を用いて冷熱を生成してもよい。
【０１６６】
さらに、排熱投入型吸収式冷凍機３６に代えて、排熱を利用せず、電力を利用することによって冷熱を生成する電動ターボ冷凍機６０を用いる燃料電池発電システム１０Ｊとしてもよい。図１４では、一例として、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ａについて、排熱投入型吸収式冷凍機３６を電動ターボ冷凍機６０に置き換えた構成が示されている。第２〜第９実施形態でも同様に置き換えることができる。燃料電池発電システム１０Ｊでは、空気極オフガスは、第２熱交換器３２での熱交換後にシステム外へ排気される。電動ターボ冷凍機６０は、燃料電池発電システム１０Ｊで発電された電力により駆動することができる。電動ターボ冷凍機６０は、一般的に冷却効率が高いため、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１０Ｊを運転することができる。なお、この場合にも、発電した電力を交流に変換することなく効率よく利用するために、電動ターボ冷凍機６０を直流電流にて駆動させることが好ましい。
【符号の説明】
【０１６７】
１０Ａ〜１０Ｊ  燃料電池発電システム（液化二酸化炭素回収型燃料電池発電システム）
１２、６２  第１燃料電池セルスタック（第１燃料電池）
１２Ａ、６２Ａ  第１燃料極
１２Ｂ、６２Ｂ  第１空気極
１４、６４  第２燃料電池セルスタック（第２燃料電池）
１４Ａ、６４Ａ  第２燃料極
１４Ｂ、６４Ｂ  第２空気極
２０  酸素透過膜付燃焼器
２２  燃焼部、
２２Ａ  燃焼空間
２３  酸素透過膜、
２４  酸素分離部
２６  凝縮器（二酸化炭素分離部）
３５  凝縮器（燃料再生部）
３６  排熱投入型吸収式冷凍機
５０  高温酸素製造装置（酸素分離部）
５２  燃焼器（燃焼部）、
５４  改質器、
６０  電動ターボ冷凍機
６７  補充系統（供給部）
６８  圧縮機
７０  冷却装置
８４  タンク
Ｐ３  循環ガス管（循環流路）
Ｐ６  空気極オフガス管（空気極オフガス流路）
Ｐ６−２  分岐空気極オフガス管（分岐空気極オフガス流路）
Ｐ７  第２燃料極オフガス管（第２燃料極オフガス流路）
【図１】
2020030893.tif 000003
【図２】
2020030893.tif 000004
【図３】
2020030893.tif 000005
【図４】
2020030893.tif 000006
【図５】
2020030893.tif 000007
【図６】
2020030893.tif 000008
【図７】
2020030893.tif 000009
【図８】
2020030893.tif 000010
【図９】
2020030893.tif 000011
【図１０】
2020030893.tif 000012
【図１１】
2020030893.tif 000013
【図１２】
2020030893.tif 000014
【図１３】
2020030893.tif 000015
【図１４】
2020030893.tif 000016