燃料電池発電設備
【課題】低コストの設備で、短時間に移動式燃料タンクの内部の気化炭化水素ガスをスタックから大気に放出ことができる燃料電池発電設備を提供する。
【解決手段】燃料電池発電設備は、移動式燃料タンクに収容された液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池と、液化炭化水素ガス混合物を加熱した炭化水素ガス混合物を生成し、移動式燃料タンク内の液化炭化水素ガス混合物の上部を炭化水素ガス混合物によって加圧する加圧蒸発器と、加圧された液化炭化水素ガス混合物を液状の状態を維持したまま収容する固定式燃料タンクと、加圧蒸発器と移動式燃料タンクとの間の経路上から分岐された炭化水素ガス混合物を収容するバッファータンクと、固定式燃料タンクからの液化炭化水素ガス混合物を気化させて燃料電池に供給する気化器とを備える。バッファータンクは、バッファータンクに収容された炭化水素ガス混合物を気化器と燃料電池との間の経路に供給する。
【解決手段】燃料電池発電設備は、移動式燃料タンクに収容された液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池と、液化炭化水素ガス混合物を加熱した炭化水素ガス混合物を生成し、移動式燃料タンク内の液化炭化水素ガス混合物の上部を炭化水素ガス混合物によって加圧する加圧蒸発器と、加圧された液化炭化水素ガス混合物を液状の状態を維持したまま収容する固定式燃料タンクと、加圧蒸発器と移動式燃料タンクとの間の経路上から分岐された炭化水素ガス混合物を収容するバッファータンクと、固定式燃料タンクからの液化炭化水素ガス混合物を気化させて燃料電池に供給する気化器とを備える。バッファータンクは、バッファータンクに収容された炭化水素ガス混合物を気化器と燃料電池との間の経路に供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料を化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池であり、従来用いられている乾電池等の一次電池や、鉛蓄電池等の二次電池よりも、高い発電効率を有するものとされている。燃料電池は、その小形化によっても発電効率が低下しないものとされ、将来的には製造コストを低く抑えることができるものと考えられているため、従来の大型発電設備の代替となる発電設備として利用されることが期待されている。
【０００３】
一般に、燃料電池としては、これが利用する燃料や電解質の種類に応じて、種々の燃料電池が知られている。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（以下「ＭＣＦＣ」ともいう。）は、溶融した炭酸塩を電解質として用いた燃料電池であり、火力発電設備に代替する燃料電池としての利用が期待されている。
【０００４】
ここで、燃料電池を駆動する燃料としては、一般には、水素、低級アルコール、及び炭化水素ガス等を挙げることができる。このうち、水素を燃料として利用する場合には、例えば、天然ガス等の炭化水素ガスを、高温条件及び金属触媒存在条件の下において水蒸気と反応させて、水素を生産することができるものとされている（水蒸気改質）。
【０００５】
天然ガスの炭化水素ガスを、必要に応じて水蒸気改質等を行うことにより燃料電池の燃料に使用する場合、その燃料電池を備える発電設備の施設内に燃料タンクを設け、これに収容された液化炭化水素ガスを気化させて使用する。
【０００６】
ここで、溶融炭酸塩形燃料電池は、水素と酸素の電気化学的な反応により発電するが、酸素と共に二酸化炭素が必要であり、その二酸化炭素を、例えば、石炭火力発電所から排出される発電所の排ガスから取得することが可能である。
【０００７】
出願人は、非特許文献１及び２に記載されているように、二酸化炭素排出抑制に向けた技術開発の一環として、溶融炭酸塩形燃料電池を使用し、発電所排ガスを活用した二酸化炭素回収型のＭＣＦＣ発電システムの開発を行っている。
【０００８】
溶融炭酸塩形燃料電池に供給される天然ガスは、まず、液化炭化水素ガスを積載しているタンクコンテナのような移動式燃料タンクからサテライト設備に供給される。次に、サテライト施設では、供給された液化炭化水素ガスを、気化させ天然ガスにする。そして、気化された天然ガスは、蒸気改質により水素として、燃料電池アノードへ供給される。
【０００９】
移動式燃料タンクは、その積載量が少なくなると、液化炭化水素ガスを充填するためにＬＮＧ出荷基地に移動する必要がある。移動式燃料タンクが移動している間も燃料電池への燃料供給は連続して行う必要があるので、予め、液化炭化水素ガスをサテライト施設内に設置したコールドエバポレータにも供給しておき、移動式燃料タンクが移動している間は、供給源を移動式燃料タンクからコールドエバポレータに切り替える。
【００１０】
具体的には、まず、ＬＮＧ移動式燃料タンクの液化炭化水素ガスをコールドエバポレータへの液移送工程をし、コールドエバポレータの貯蔵量を１００％にする。
【００１１】
次に、供給源を移動式燃料タンクからコールドエバポレータに切り替える。そして、移動式燃料タンクを切離し作業を行う。
【００１２】
その際、液化炭化水素ガスの液移送は、移動式燃料タンクの内部の圧力とコールドエバポレータの容器の圧力との間の差により、行われる（この液移送は、通常のＬＮＧローリーによるサテライト設備への供給も同様である。）。そのため、液移送が完了した時点で、移動式燃料タンクの内部は、高い圧力（例えば、０．６５ＭＰａ）の気化炭化水素ガスで充満されている。
【００１３】
移動式燃料タンクは、その内部の気化炭化水素ガスをスタックから大気に放出して、圧力を所定の圧力（０．３ＭＰａ）まで脱圧してから、移送される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】二酸化炭素回収型溶融炭酸塩形燃料電池発電システム ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｅｒｇｉａ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／０７／ｐ０７１０１９−１．ｈｔｍｌ
【非特許文献２】システム全景及びシステムフロー ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｅｒｇｉａ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／０７／ｐ０７１０１９−１．ｐｄｆ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
スタックからの気化炭化水素ガスの放出速度は、所定の法令、設置コスト等により、制約されるので、移動式燃料タンクの内部の気化炭化水素ガスをスタックから大気に放出する大気放出作業は、数時間と長時間に及ぶ。したがって、移動式燃料タンクは、液化炭化水素ガスをコールドエバポレータに移し替えた後、大気放出作業が終えるまで、長時間、サテライト施設にとどまる必要がある。
【００１６】
本発明は、低コストの設備で、短時間に移動式燃料タンクの内部の気化炭化水素ガスをスタックから大気に放出ことができる燃料電池発電設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、上記課題に鑑み、鋭意研究を行った。その結果、以下の本発明を完成するに至った。
【００１８】
本発明に係る燃料電池発電設備は、移動式燃料タンクに収容された液化炭化水素ガス混合物であって沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池と、前記液化炭化水素ガス混合物を加熱して加圧された炭化水素ガス混合物を生成し、前記移動式燃料タンク内の前記液化炭化水素ガス混合物の上部を前記炭化水素ガス混合物によって加圧する加圧蒸発器と、前記加圧蒸発器によって加圧された前記液化炭化水素ガス混合物を液状の状態を維持したまま収容する固定式燃料タンクと、前記加圧蒸発器と前記移動式燃料タンクとの間の経路上から分岐された前記炭化水素ガス混合物を収容するバッファータンクと、前記固定式燃料タンクからの液化炭化水素ガス混合物を気化させて前記燃料電池に供給する気化器とを備える。前記バッファータンクは、前記バッファータンクに収容された炭化水素ガス混合物を前記気化器と前記燃料電池との間の経路に供給する。
【００１９】
前記バッファータンクは、複数のバッファータンク部で構成されている。
【００２０】
前記バッファータンクは、複数のバッファータンク領域と、前記複数のバッファータンク領域のそれぞれを増減させる増減機構とを備える。
【００２１】
本発明に係る燃料電池発電設備は、さらに、前記加圧蒸発器と前記移動式燃料タンクとの間の経路にパージガスを供給するパージガスタンクを備える。前記バッファータンクは、前記炭化水素ガス混合物と前記パージガスとの混合気体を収容する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃料電池発電設備は、移動式燃料タンクの内部にある高圧の気化炭化水素ガスをバッファータンクに供給することができるので、短時間に移動式燃料タンクを燃料電池発電設備から離れることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池発電設備を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に何ら限定されるものではない。
【００２５】
図１は、本実施形態に係る燃料電池発電設備１の概要を示す図面である。
【００２６】
本実施形態に係る燃料電池発電設備１は、移動式燃料タンク２と、固定式燃料タンクＣＥと、気化器３と、改質室４を有する燃料電池５と、排気部６とを備える。
【００２７】
燃料電池発電設備１は、さらに、加圧蒸発器７と、バッファータンク８とを備える。
【００２８】
燃料電池発電設備１には、石炭火力発電所から排出された石炭火力排ガスに含まれている硫黄酸化物等の不純物を取り除く排ガス前処理装置５７と、燃料電池５から出る二酸化炭素、水素、水分を含む燃料電池出口ガス成分から水分を除去し、水素と二酸化炭素を分離して、二酸化炭素を回収し、水素を燃料として燃料電池５に戻す二酸化炭素回収装置５６とが設置されている。
【００２９】
燃料電池発電設備１は、これらを接続する以下の接続経路を備える。すなわち、燃料電池発電設備１は、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１と、固定式燃料タンク−気化器接続経路１２と、気化器−改質室接続経路１３と、ボイルオフガス流通経路１４と、ボイルオフガス排出経路１５と、改質室−燃料極接続経路１６と、使用済み燃料排出経路１７と、空気供給経路１８と、空気排出経路１９とを備える。
【００３０】
燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１は、移動式燃料タンク２と固定式燃料タンクＣＥとを接続している。
【００３１】
固定式燃料タンク−気化器接続経路１２は、固定式燃料タンクＣＥと気化器３とを接続している。
【００３２】
気化器−改質室接続経路１３は、気化器３と改質室４とを接続している。
【００３３】
ボイルオフガス流通経路１４は、移動式燃料タンク２の内部に生じた炭化水素ガス混合物が充満している領域から気化器３を介さずに気化器−改質室接続経路１３に合流している。
【００３４】
ボイルオフガス排出経路１５は、ボイルオフガス流通経路１４から分岐して排気部６に通じている。
【００３５】
改質室−燃料極接続経路１６は、改質室４とアノードとして作用する燃料極５１とを接続している。
【００３６】
使用済み燃料排出経路１７は、燃料極５１内部の使用済み燃料を排出し、二酸化炭素回収装置５６と触媒燃焼器５３とを接続している。
【００３７】
空気供給経路１８は、排ガス前処理装置５７とカソードとして作用する空気極５２とを接続している。
【００３８】
空気排出経路１９は、空気極５２内部の気体を排出すべく、開放している。
【００３９】
また、燃料電池発電設備１は、さらに、ボイルオフガス流通経路１４から分岐しバッファータンク８に接続する燃料タンク−バッファータンク接続経路２２と、バッファータンク８に収容されたボイルオフガスを気化器−改質室接続経路１３に供給するボイルオフガス供給経路２４と、移動式燃料タンク２と加圧蒸発器７を介してボイルオフガス流通経路１４とに接続している加圧蒸発経路２５とを備える。
【００４０】
さらに、燃料電池発電設備１においては、気化器−改質室接続経路１３上、気化器３、及びボイルオフガス流通経路１４との合流点の間に第一自圧調整弁４０が、ボイルオフガス流通経路１４上、移動式燃料タンク２、及びボイルオフガス排出経路１５への分岐点の間に第二自圧調整弁４１が設けられている。さらに、必要に応じて、ボイルオフガス流通経路１４上、ボイルオフガス排出経路１５への分岐点、及び気化器−改質室接続経路１３への合流点の間に、第三自圧調整弁４２が、ボイルオフガス排出経路１５上に第四自圧調整弁４３が、設けられていることが好ましい。また、加圧蒸発経路２５上に第五自圧調整弁４４が、設けられている。
【００４１】
そして、気化器−改質室接続経路１３上、ボイルオフガス流通経路１４との合流点、及び改質室４との間には、燃料流量制御弁５０が設けられ、気化器−改質室接続経路１３上、燃料流量制御弁５０、及び改質室４との間には、蒸気供給口５４が設けられている。ボイルオフガス供給経路２４上には、ボイルオフガス供給弁２３が設けられている。
【００４２】
移動式燃料タンク２は、沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を収容する。移動式燃料タンク２としては、特に限定されるものではなく、タンクコンテナのような移動式であり、液化炭化水素ガス混合物を貯蔵可能であり、所定の圧力に耐えうる容器であれば、どのようなものであってもよい。移動式燃料タンク２としては、金属性の容器を用いることが好ましく、例えば、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼製の容器を用いることができる。
【００４３】
固定式燃料タンクＣＥは、移動式燃料タンク２から供給される液化炭化水素ガス混合物を液状の状態を維持したまま収容する。固定式燃料タンクＣＥとしては、例えば、公知のものを使用することができ、コールドエバポレータを用いることができる。移動式燃料タンク２の内部にある液化炭化水素ガス混合物は、後述する加圧蒸発器３０によって加圧され、その圧力により、移動式燃料タンク２の内部にある液化炭化水素ガス混合物が移動式燃料タンク２から固定式燃料タンクＣＥに供給され、収容する。
【００４４】
気化器３は、固定式燃料タンクＣＥから供給される液化炭化水素ガス混合物を気化させ燃料電池５に供給する。すなわち、気化器３は、固定式燃料タンクＣＥから供給された液化炭化水素ガス混合物に熱を供給することにより、液化炭化水素ガスを気化するために用いられるものである。このような気化器３としては、公知のものを使用することができ、特に限定されるものではないが、例えば、微細な細管群からなる気化器３であって、液化炭化水素ガス混合物と、熱源との間の接触面積が大きく、液化天然ガス混合物と、熱源との間で、熱交換を効率的に行うことができる気化器３を挙げることができる。上記気化器３における熱源としては、特に限定されるものではないが、例えば、外気、又は水若しくは温水等を挙げることができる。これらの中でも、温水を熱源として用いることが好ましい。
【００４５】
燃料電池発電設備１に用いられる燃料電池５は、特に限定されるものではなく、従来公知の燃料電池５でを使用することができる。燃料電池５としては、具体的には、固体高分子形燃料電池、アルカリ電解質形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及びバイオ燃料電池等を挙げることができる。これらの中でも、特に、火力発電設備等の発電設備に代替する燃料電池発電設備１に用いられる燃料電池５としては、溶融炭酸塩形燃料電池を用いることが好ましい。
【００４６】
改質室４は、必要に応じて設けられ、炭化水素ガス混合物及びボイルオフガスと、水蒸気と、を高温条件及び金属触媒存在条件下で反応させ、水素を発生させる。すなわち、改質室４は、天然ガス等のメタンを主成分とする燃料と水蒸気を反応させ、水素を製造する装置である。改質室４は、燃料極５１から排出される未反応の燃料を触媒燃焼器５３で燃焼させ反応熱源として利用する。
【００４７】
溶融炭酸塩形燃料電池は、燃料極５１と、空気極５２と、燃料極５１及び空気極５２に挟持される電解質層とを有する。
【００４８】
電解質層は、電解質としての溶融塩を浸み込ませた多孔質平板であり、例えば、リチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ２）により構成したマトリックスに、電解質である炭酸塩を主成分とする溶融塩を含浸させたものを用いる。炭酸塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、炭酸リチウム、炭酸カリウム、及び炭酸ナトリウム等の炭酸アルカリ金属塩、並びに、炭酸マグネシウム、及び炭酸カルシウム等の炭酸アルカリ土類金属塩等を挙げることができる。
【００４９】
燃料極５１及び空気極５２としては、高温且つ酸化雰囲気に耐えられる導電性金属酸化物として、酸化ニッケル、酸化鉄、或いは酸化銅その他の金属酸化物に、リチウムがドープされたものを単独で、又は複数種を混合して用いることができる。
【００５０】
なお、溶融炭酸塩形燃料電池において、電気化学反応が円滑に進行するためには、溶融炭酸塩形燃料電池が、６００℃から７００℃の温度に維持されることが好ましい。
【００５１】
溶融炭酸塩形燃料電池は、以下のように作用する。溶融炭酸塩形燃料電池においては、空気極５２側では、下記化学式（１）で表される電気化学反応が行われ、炭酸イオンが生成される。空気極５２で未反応の二酸化炭素と酸素を含むガスは、空気極５２の出口より排出される。
ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→ＣＯ３２− ・・・（１）
【００５２】
生成された炭酸イオンは、電解質層を泳動して燃料極５１に達し、燃料極５１側で、下記化学式（２）で表される電気化学反応が行われ、電子が奪われることにより、炭酸イオンから二酸化炭素が濃縮分離され、ガス出口から排出される。
Ｈ２＋ＣＯ３２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ− ・・・（２）
【００５３】
これらの電気化学反応が進行することにより、発電が行われると共に、水素が酸化されて、水が生成する。
【００５４】
燃料電池５に使用する液化炭化水素ガス混合物としては、入手の容易性の観点等から、液化天然ガスを用いることが好ましい。液化天然ガスにおいては、メタン等が低沸点の炭化水素として含まれている。このため、液化天然ガスを液化炭化水素ガス混合物として用いた場合には、メタンガスを含む炭化水素ガス混合物が発生する。
【００５５】
排気部６は、移動式燃料タンク２内部で発生する炭化水素ガス混合物を外部に排気するスタックである。排気部６としては、例えば、排気筒等、炭化水素ガスを排出するための従来公知の手段を用いることができ、特に限定されるものではない。ここで、排気部６は、排気した炭化水素ガス混合物が地上に至るまでに十分に拡散するよう、排気口が十分に高度のある位置に設けられていることが好ましい。
【００５６】
燃料電池発電設備１に設けられる自圧調整弁は、これが設けられた各経路の弁への流入側の圧力に応じて、その開閉状態を変化させることができるようになっている。例えば、第二自圧調整弁４１は、ボイルオフガス流通経路１４上、弁への流入側の圧力が所定の圧力（第二の圧力：例えば、０．６５Ｍｐａ）以上となったときに、開弁するように設定されており、第四自圧調整弁４３は、ボイルオフガス排出経路１５上、弁への流入側の圧力が、第二の圧力よりも低い所定の圧力（第四の圧力：例えば、０．４０Ｍｐａ）以上となったときに、開弁するように設定されていることが好ましい。
【００５７】
また、第一自圧調整弁４０は、気化器−改質室接続経路１３上、弁への流入側の圧力が、所定の圧力（第一の圧力：例えば、０．３０Ｍｐａ）以上となったときに、閉弁するように設定されており、第三自圧調整弁４２は、ボイルオフガス流通経路１４上、弁の流入側の圧力が、第四の圧力よりも低い所定の圧力（第三の圧力：例えば、０．３５Ｍｐａ）以上となったときに、閉弁するように設定されており、第五自圧調整弁４４は、加圧蒸発経路２５上、弁の流入側の圧力が、所定の圧力（第五の圧力：例えば、０．５０Ｍｐａ）以上となったときに、閉弁するように設定されていることが好ましい。
【００５８】
燃料電池発電設備１は、ボイルオフガス供給弁２３を備える。ボイルオフガス供給弁２３は、その開度を調整するアクチュエーター等に接続され、その開度が調整されるようになっている。ボイルオフガス供給弁２３の開度を調整することにより、気化器−改質室接続経路１３に供給するバッファータンク８に収容された炭化水素ガス混合物の流量を調整することができ、燃料電池５にかかる負荷の変動を抑えることができる。
【００５９】
燃料電池発電設備１は、燃料流量制御弁５０を備える。燃料流量制御弁５０は、その開度を調整するアクチュエーター等に接続され、その開度が調整されるようになっている。燃料流量制御弁５０の開度を調整することにより、気化器−改質室接続経路１３を通過して、改質室４に到達する炭化水素ガス混合物の流量を調整することができ、燃料電池５にかかる負荷の変動を抑えることができる。
【００６０】
蒸気供給口５４は、水蒸気を供給可能な構造を有するものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、蒸気発生装置と、気化器−改質室接続経路１３とを接続し、開度を調整可能な弁が取り付けられた管状の構造物を挙げることができる。
【００６１】
加圧蒸発器７は、液化炭化水素ガス混合物を加熱して加圧された炭化水素ガス混合物を生成し、移動式燃料タンク２の内部にある液化炭化水素ガス混合物の上部を炭化水素ガス混合物によって加圧する。
【００６２】
バッファータンク８は、加圧蒸発器３０と移動式燃料タンク２との間の経路上から分岐された炭化水素ガス混合物を収容する。
【００６３】
上記燃料電池発電設備１は、基本的には、以下のように作用する。
【００６４】
まず、液化炭化水素ガス混合物を満載した移動式燃料タンク２が燃料電池発電設備１に到着したら、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１を移動式燃料タンク２に接続し、移動式燃料タンク２の内部にある液化炭化水素ガス混合物を燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１を介してコールドエバポレータＣＥに供給する。このとき、移動式燃料タンク２の液化炭化水素ガス混合物の一部を加圧蒸発器７に供給可能となるように、移動式燃料タンク２に加圧蒸発経路２５を接続する。
【００６５】
次に、加圧蒸発器７は、液化炭化水素ガス混合物を加熱し、気化させ、炭化水素ガス混合物として、第五自圧調整弁４４を介して、再び、移動式燃料タンク２の上部に送る。これにより、移動式燃料タンク２の内部の圧力は、コールドエバポレータＣＥの内部の圧力よりも高くなるので、移動式燃料タンク２の液化炭化水素ガス混合物は、炭化水素ガス混合物に押され、ほとんどが、コールドエバポレータＣＥに送られる。
【００６６】
次に、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１を移動式燃料タンク２から切り離す。このとき、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１と移動式燃料タンク２との連結部分から炭化水素ガス混合物が大気に放出しないように、図示しないパージガスタンクとこれに接続したパージガス供給口から窒素ガスのようなパージガスを充填する。この際、パージガスは、この連結部分に充満するだけでなく、移動式燃料タンク２の内部にも入り込む。そして、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１と移動式燃料タンク２との連結部分を切り離して、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１と移動式燃料タンク２とを分離する。
【００６７】
次に、移動式燃料タンク２の液化炭化水素ガス混合物のほとんどがコールドエバポレータＣＥに送られると、移動式燃料タンク２の内部は、高圧（例えば、０．６ＭＰａ）の炭化水素ガス混合物で充満している。
【００６８】
このような液化炭化水素ガスが空な移動式燃料タンク２は、公共道路等を通って、液化炭化水素ガスの出荷基地に移動し、液化炭化水素ガスの充填をする必要がある。しかし、移動式燃料タンク２が公共道路等を通るときは、安全上の理由から、その内部圧力を０．３ＭＰａに脱圧する必要がある。
【００６９】
そこで、燃料タンク−バッファータンク接続経路２２を移動式燃料タンク２に接続し、移動式燃料タンク２の内部の圧力を利用してその内部にある炭化水素ガス混合物を燃料タンク−バッファータンク接続経路２２を介して、バッファータンク８に供給する。このバッファータンク８に供給されたガスを脱圧ガスともいう。
【００７０】
こうして、移動式燃料タンク２の内部の圧力を例えば、０．３ＭＰａまで減圧したら、燃料タンク−バッファータンク接続経路２２を移動式燃料タンク２から外し、移動式燃料タンク２を液化炭化水素ガスの出荷基地に移動させる。
【００７１】
一方、コールドエバポレータＣＥの内部の炭化水素ガス混合物の圧力が、第二の圧力以下に抑えられている場合には、液化炭化水素ガス混合物が気化器３に送られ、送られた液化炭化水素ガス混合物が気化器３で気化されて生成される炭化水素ガス混合物のみが燃料電池５の燃料として供給される。すなわち、コールドエバポレータＣＥ内の液化炭化水素ガス混合物は、気化器３で熱交換を行うことにより炭化水素ガス混合物となり、気化器−改質室接続経路１３上を、改質室４に向かって流通する。また、移動式燃料タンク２内の液化炭化水素ガス混合物は、コールドエバポレータＣＥを介して気化器３に送られるので、コールドエバポレータＣＥ内に所定の量の液化炭化水素ガス混合物をストックすることができる。
【００７２】
この際、気化器−改質室接続経路１３上に備えられる、第一自圧調整弁４０の作用により、第一の圧力未満のときにのみ炭化水素ガス混合物が流通するようになっている。そして、第一自圧調整弁４０を通過した炭化水素ガス混合物は、次いで燃料流量制御弁５０を通過し、バッファータンク８からボイルオフガス供給経路２４を介して供給される脱圧ガスと、水蒸気とが混合されて改質室４に至る。燃料流量制御弁５０では、後述する燃料流量制御システムの制御の下、燃料電池５の負荷が一定となるように、燃料の流量を制御する。
【００７３】
改質室４においては、燃焼室から供給される熱を熱源として、炭化水素ガス混合物と、蒸気供給口５４から供給される水蒸気とが反応し、水蒸気改質が行われる。これにより、炭化水素ガスと水蒸気から水素が生成する。生成した水素は、燃料電池５の燃料極５１に送られ、上記化学式（２）で示す電気化学反応により、水素と炭酸イオンから、水と二酸化炭素を生成する。
【００７４】
ここで、移動式燃料タンク２が、外気の熱により温められ、液化炭化水素ガス混合物に含まれる低沸点の液化炭化水素が沸騰を起こすと、沸騰の結果生じた気体は、炭化水素ガス混合物として移動式燃料タンク２内に蓄積する。この移動式燃料タンク２内の炭化水素ガス混合物の圧力が第二の圧力以上となった場合、第二自圧調整弁４１が開弁し、ボイルオフガス流通経路１４上を炭化水素ガス混合物が流通する。ボイルオフガス流通経路１４を流通した炭化水素ガス混合物は、気化器−改質室接続経路１３上を流通する炭化ガス混合物と合流し、炭化水素ガス混合物と、炭化水素ガス混合物との混合物が、燃料流量制御弁５０を通過して、改質室４及び燃料電池５に至る。このとき、燃料流量制御弁５０は、後述する燃料流量制御システムの作用により、体積あたりの熱量が低い炭化水素ガス混合物の流入量を考慮した上で、炭化水素ガス混合物と炭化水素ガス混合物との混合物を用いた場合の燃料電池５の負荷が一定となるように流量を制御する。
【００７５】
次に、移動式燃料タンク２において、炭化水素ガス混合物の圧力が第二の圧力を超えて大幅に高まった場合、第二自圧調整弁４１以降のボイルオフガス流通経路１４を流通する炭化水素ガス混合物の圧力が、第三の圧力以上となることがある。このような場合、第三自圧調整弁４２は閉弁することが好ましい。そして、この閉弁に次いで、第二自圧調整弁４１、第三自圧調整弁４２、及び第四自圧調整弁４３で囲まれるボイルオフガス流通経路１４上及びボイルオフガス排出経路１５上の部位での、炭化水素ガス混合物の圧力が、第四の圧力以上となった場合、第四自圧調整弁４３が開弁して、排気部６から炭化水素ガス混合物を排気することが好ましい。
【００７６】
このようにして、移動式燃料タンク２が、液化炭化水素ガスの出荷基地を往復している間であっても、また、次の移動式燃料タンク２を設置している間であっても、コールドエバポレータＣＥに収容された液化炭化水素ガス混合物を燃料電池５に供給することができる。
【００７７】
さらに、燃料電池発電設備１は、バッファータンク８を設置したので、脱圧ガスを回収し、回収した脱圧ガスを燃料電池５の燃料として供給することで経済的な運転が可能となる。
【００７８】
また、従来は、脱圧時の流量を移動式燃料タンク２に設けられたベントスタックからの拡散を考慮した配管設計による流量制限のため、脱圧は、１時間程度時間を要したが、バッファータンク８に脱圧ガスを回収することで移動式燃料タンク２からの流量を増加させることができ、脱圧作業時間の短縮が可能となる。
【００７９】
また、移動式燃料タンク２が出荷基地で液化炭化水素ガス混合物を充填し燃料電池発電設備１への接続を行う時は、移動式燃料タンク２の内部圧力はほぼ０ＭＰａであるが、送液するためには、移動式燃料タンク２の内部を加圧する必要がある。従来は、最初は移動式燃料タンク２の内部圧力のヘッド差により加圧を行うため数時間を要していた。そこで、バッファータンク８に回収した天然ガスを加圧用ガスとして利用することで、加圧時間を短縮することができ、しかも大気放出していたガスを使用することから経済的な運転が可能な燃料供給システムが構築できる。
【００８０】
燃料電池５は、窒素ガスのようなパージガスに対して、他の発電設備であるガスタービンや内燃機関と比較して直接燃焼させないことから尤度を持っていた。しかし、バッファータンク８に、移動式燃料タンク２を切離す際に必要となる空気・窒素と、天然ガスとの置換の際に発生する窒素が混入した天然ガスもバッファータンク８に回収し燃料電池５の燃料として使用することができ、高効率な燃料電池発電設備１を提供することができる。
【００８１】
なお、バッファータンク８は、複数のバッファータンク部で構成されていても良い。この場合、一方を通常時に使用し、他方を移動式燃料タンク２の内部の圧力が所定の圧力（例えば、０．３ＭＰａ）以下にならない場合に、協働して使用する。
【００８２】
また、バッファータンクは、複数のバッファータンク領域と、複数のバッファータンク領域のそれぞれを増減させる増減機構とを備えてもよい。この場合、移動式燃料タンク２の容量に応じて、増減機構を制御することにより、移動式燃料タンク２の内部にある脱圧ガスを最適な時間でバッファータンク８に供給することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１ 燃料電池発電設備
２ 移動式燃料タンク
３ 気化器
４ 改質室
５ 燃料電池
６ 排気部
７ 加圧蒸発器
８ バッファータンク
３０ 加圧蒸発器
５０ 燃料流量制御弁
５１ 燃料極
５２ 空気極
５３ 触媒燃焼器
５４ 蒸気供給口
５６ 二酸化炭素回収装置
５７ 排ガス前処理装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料を化学的に酸化することにより、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池であり、従来用いられている乾電池等の一次電池や、鉛蓄電池等の二次電池よりも、高い発電効率を有するものとされている。燃料電池は、その小形化によっても発電効率が低下しないものとされ、将来的には製造コストを低く抑えることができるものと考えられているため、従来の大型発電設備の代替となる発電設備として利用されることが期待されている。
【０００３】
一般に、燃料電池としては、これが利用する燃料や電解質の種類に応じて、種々の燃料電池が知られている。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（以下「ＭＣＦＣ」ともいう。）は、溶融した炭酸塩を電解質として用いた燃料電池であり、火力発電設備に代替する燃料電池としての利用が期待されている。
【０００４】
ここで、燃料電池を駆動する燃料としては、一般には、水素、低級アルコール、及び炭化水素ガス等を挙げることができる。このうち、水素を燃料として利用する場合には、例えば、天然ガス等の炭化水素ガスを、高温条件及び金属触媒存在条件の下において水蒸気と反応させて、水素を生産することができるものとされている（水蒸気改質）。
【０００５】
天然ガスの炭化水素ガスを、必要に応じて水蒸気改質等を行うことにより燃料電池の燃料に使用する場合、その燃料電池を備える発電設備の施設内に燃料タンクを設け、これに収容された液化炭化水素ガスを気化させて使用する。
【０００６】
ここで、溶融炭酸塩形燃料電池は、水素と酸素の電気化学的な反応により発電するが、酸素と共に二酸化炭素が必要であり、その二酸化炭素を、例えば、石炭火力発電所から排出される発電所の排ガスから取得することが可能である。
【０００７】
出願人は、非特許文献１及び２に記載されているように、二酸化炭素排出抑制に向けた技術開発の一環として、溶融炭酸塩形燃料電池を使用し、発電所排ガスを活用した二酸化炭素回収型のＭＣＦＣ発電システムの開発を行っている。
【０００８】
溶融炭酸塩形燃料電池に供給される天然ガスは、まず、液化炭化水素ガスを積載しているタンクコンテナのような移動式燃料タンクからサテライト設備に供給される。次に、サテライト施設では、供給された液化炭化水素ガスを、気化させ天然ガスにする。そして、気化された天然ガスは、蒸気改質により水素として、燃料電池アノードへ供給される。
【０００９】
移動式燃料タンクは、その積載量が少なくなると、液化炭化水素ガスを充填するためにＬＮＧ出荷基地に移動する必要がある。移動式燃料タンクが移動している間も燃料電池への燃料供給は連続して行う必要があるので、予め、液化炭化水素ガスをサテライト施設内に設置したコールドエバポレータにも供給しておき、移動式燃料タンクが移動している間は、供給源を移動式燃料タンクからコールドエバポレータに切り替える。
【００１０】
具体的には、まず、ＬＮＧ移動式燃料タンクの液化炭化水素ガスをコールドエバポレータへの液移送工程をし、コールドエバポレータの貯蔵量を１００％にする。
【００１１】
次に、供給源を移動式燃料タンクからコールドエバポレータに切り替える。そして、移動式燃料タンクを切離し作業を行う。
【００１２】
その際、液化炭化水素ガスの液移送は、移動式燃料タンクの内部の圧力とコールドエバポレータの容器の圧力との間の差により、行われる（この液移送は、通常のＬＮＧローリーによるサテライト設備への供給も同様である。）。そのため、液移送が完了した時点で、移動式燃料タンクの内部は、高い圧力（例えば、０．６５ＭＰａ）の気化炭化水素ガスで充満されている。
【００１３】
移動式燃料タンクは、その内部の気化炭化水素ガスをスタックから大気に放出して、圧力を所定の圧力（０．３ＭＰａ）まで脱圧してから、移送される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】二酸化炭素回収型溶融炭酸塩形燃料電池発電システム ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｅｒｇｉａ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／０７／ｐ０７１０１９−１．ｈｔｍｌ
【非特許文献２】システム全景及びシステムフロー ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｎｅｒｇｉａ．ｃｏ．ｊｐ／ｐｒｅｓｓ／０７／ｐ０７１０１９−１．ｐｄｆ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
スタックからの気化炭化水素ガスの放出速度は、所定の法令、設置コスト等により、制約されるので、移動式燃料タンクの内部の気化炭化水素ガスをスタックから大気に放出する大気放出作業は、数時間と長時間に及ぶ。したがって、移動式燃料タンクは、液化炭化水素ガスをコールドエバポレータに移し替えた後、大気放出作業が終えるまで、長時間、サテライト施設にとどまる必要がある。
【００１６】
本発明は、低コストの設備で、短時間に移動式燃料タンクの内部の気化炭化水素ガスをスタックから大気に放出ことができる燃料電池発電設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者は、上記課題に鑑み、鋭意研究を行った。その結果、以下の本発明を完成するに至った。
【００１８】
本発明に係る燃料電池発電設備は、移動式燃料タンクに収容された液化炭化水素ガス混合物であって沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池と、前記液化炭化水素ガス混合物を加熱して加圧された炭化水素ガス混合物を生成し、前記移動式燃料タンク内の前記液化炭化水素ガス混合物の上部を前記炭化水素ガス混合物によって加圧する加圧蒸発器と、前記加圧蒸発器によって加圧された前記液化炭化水素ガス混合物を液状の状態を維持したまま収容する固定式燃料タンクと、前記加圧蒸発器と前記移動式燃料タンクとの間の経路上から分岐された前記炭化水素ガス混合物を収容するバッファータンクと、前記固定式燃料タンクからの液化炭化水素ガス混合物を気化させて前記燃料電池に供給する気化器とを備える。前記バッファータンクは、前記バッファータンクに収容された炭化水素ガス混合物を前記気化器と前記燃料電池との間の経路に供給する。
【００１９】
前記バッファータンクは、複数のバッファータンク部で構成されている。
【００２０】
前記バッファータンクは、複数のバッファータンク領域と、前記複数のバッファータンク領域のそれぞれを増減させる増減機構とを備える。
【００２１】
本発明に係る燃料電池発電設備は、さらに、前記加圧蒸発器と前記移動式燃料タンクとの間の経路にパージガスを供給するパージガスタンクを備える。前記バッファータンクは、前記炭化水素ガス混合物と前記パージガスとの混合気体を収容する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃料電池発電設備は、移動式燃料タンクの内部にある高圧の気化炭化水素ガスをバッファータンクに供給することができるので、短時間に移動式燃料タンクを燃料電池発電設備から離れることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池発電設備を示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に何ら限定されるものではない。
【００２５】
図１は、本実施形態に係る燃料電池発電設備１の概要を示す図面である。
【００２６】
本実施形態に係る燃料電池発電設備１は、移動式燃料タンク２と、固定式燃料タンクＣＥと、気化器３と、改質室４を有する燃料電池５と、排気部６とを備える。
【００２７】
燃料電池発電設備１は、さらに、加圧蒸発器７と、バッファータンク８とを備える。
【００２８】
燃料電池発電設備１には、石炭火力発電所から排出された石炭火力排ガスに含まれている硫黄酸化物等の不純物を取り除く排ガス前処理装置５７と、燃料電池５から出る二酸化炭素、水素、水分を含む燃料電池出口ガス成分から水分を除去し、水素と二酸化炭素を分離して、二酸化炭素を回収し、水素を燃料として燃料電池５に戻す二酸化炭素回収装置５６とが設置されている。
【００２９】
燃料電池発電設備１は、これらを接続する以下の接続経路を備える。すなわち、燃料電池発電設備１は、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１と、固定式燃料タンク−気化器接続経路１２と、気化器−改質室接続経路１３と、ボイルオフガス流通経路１４と、ボイルオフガス排出経路１５と、改質室−燃料極接続経路１６と、使用済み燃料排出経路１７と、空気供給経路１８と、空気排出経路１９とを備える。
【００３０】
燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１は、移動式燃料タンク２と固定式燃料タンクＣＥとを接続している。
【００３１】
固定式燃料タンク−気化器接続経路１２は、固定式燃料タンクＣＥと気化器３とを接続している。
【００３２】
気化器−改質室接続経路１３は、気化器３と改質室４とを接続している。
【００３３】
ボイルオフガス流通経路１４は、移動式燃料タンク２の内部に生じた炭化水素ガス混合物が充満している領域から気化器３を介さずに気化器−改質室接続経路１３に合流している。
【００３４】
ボイルオフガス排出経路１５は、ボイルオフガス流通経路１４から分岐して排気部６に通じている。
【００３５】
改質室−燃料極接続経路１６は、改質室４とアノードとして作用する燃料極５１とを接続している。
【００３６】
使用済み燃料排出経路１７は、燃料極５１内部の使用済み燃料を排出し、二酸化炭素回収装置５６と触媒燃焼器５３とを接続している。
【００３７】
空気供給経路１８は、排ガス前処理装置５７とカソードとして作用する空気極５２とを接続している。
【００３８】
空気排出経路１９は、空気極５２内部の気体を排出すべく、開放している。
【００３９】
また、燃料電池発電設備１は、さらに、ボイルオフガス流通経路１４から分岐しバッファータンク８に接続する燃料タンク−バッファータンク接続経路２２と、バッファータンク８に収容されたボイルオフガスを気化器−改質室接続経路１３に供給するボイルオフガス供給経路２４と、移動式燃料タンク２と加圧蒸発器７を介してボイルオフガス流通経路１４とに接続している加圧蒸発経路２５とを備える。
【００４０】
さらに、燃料電池発電設備１においては、気化器−改質室接続経路１３上、気化器３、及びボイルオフガス流通経路１４との合流点の間に第一自圧調整弁４０が、ボイルオフガス流通経路１４上、移動式燃料タンク２、及びボイルオフガス排出経路１５への分岐点の間に第二自圧調整弁４１が設けられている。さらに、必要に応じて、ボイルオフガス流通経路１４上、ボイルオフガス排出経路１５への分岐点、及び気化器−改質室接続経路１３への合流点の間に、第三自圧調整弁４２が、ボイルオフガス排出経路１５上に第四自圧調整弁４３が、設けられていることが好ましい。また、加圧蒸発経路２５上に第五自圧調整弁４４が、設けられている。
【００４１】
そして、気化器−改質室接続経路１３上、ボイルオフガス流通経路１４との合流点、及び改質室４との間には、燃料流量制御弁５０が設けられ、気化器−改質室接続経路１３上、燃料流量制御弁５０、及び改質室４との間には、蒸気供給口５４が設けられている。ボイルオフガス供給経路２４上には、ボイルオフガス供給弁２３が設けられている。
【００４２】
移動式燃料タンク２は、沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を収容する。移動式燃料タンク２としては、特に限定されるものではなく、タンクコンテナのような移動式であり、液化炭化水素ガス混合物を貯蔵可能であり、所定の圧力に耐えうる容器であれば、どのようなものであってもよい。移動式燃料タンク２としては、金属性の容器を用いることが好ましく、例えば、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼製の容器を用いることができる。
【００４３】
固定式燃料タンクＣＥは、移動式燃料タンク２から供給される液化炭化水素ガス混合物を液状の状態を維持したまま収容する。固定式燃料タンクＣＥとしては、例えば、公知のものを使用することができ、コールドエバポレータを用いることができる。移動式燃料タンク２の内部にある液化炭化水素ガス混合物は、後述する加圧蒸発器３０によって加圧され、その圧力により、移動式燃料タンク２の内部にある液化炭化水素ガス混合物が移動式燃料タンク２から固定式燃料タンクＣＥに供給され、収容する。
【００４４】
気化器３は、固定式燃料タンクＣＥから供給される液化炭化水素ガス混合物を気化させ燃料電池５に供給する。すなわち、気化器３は、固定式燃料タンクＣＥから供給された液化炭化水素ガス混合物に熱を供給することにより、液化炭化水素ガスを気化するために用いられるものである。このような気化器３としては、公知のものを使用することができ、特に限定されるものではないが、例えば、微細な細管群からなる気化器３であって、液化炭化水素ガス混合物と、熱源との間の接触面積が大きく、液化天然ガス混合物と、熱源との間で、熱交換を効率的に行うことができる気化器３を挙げることができる。上記気化器３における熱源としては、特に限定されるものではないが、例えば、外気、又は水若しくは温水等を挙げることができる。これらの中でも、温水を熱源として用いることが好ましい。
【００４５】
燃料電池発電設備１に用いられる燃料電池５は、特に限定されるものではなく、従来公知の燃料電池５でを使用することができる。燃料電池５としては、具体的には、固体高分子形燃料電池、アルカリ電解質形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、及びバイオ燃料電池等を挙げることができる。これらの中でも、特に、火力発電設備等の発電設備に代替する燃料電池発電設備１に用いられる燃料電池５としては、溶融炭酸塩形燃料電池を用いることが好ましい。
【００４６】
改質室４は、必要に応じて設けられ、炭化水素ガス混合物及びボイルオフガスと、水蒸気と、を高温条件及び金属触媒存在条件下で反応させ、水素を発生させる。すなわち、改質室４は、天然ガス等のメタンを主成分とする燃料と水蒸気を反応させ、水素を製造する装置である。改質室４は、燃料極５１から排出される未反応の燃料を触媒燃焼器５３で燃焼させ反応熱源として利用する。
【００４７】
溶融炭酸塩形燃料電池は、燃料極５１と、空気極５２と、燃料極５１及び空気極５２に挟持される電解質層とを有する。
【００４８】
電解質層は、電解質としての溶融塩を浸み込ませた多孔質平板であり、例えば、リチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ２）により構成したマトリックスに、電解質である炭酸塩を主成分とする溶融塩を含浸させたものを用いる。炭酸塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、炭酸リチウム、炭酸カリウム、及び炭酸ナトリウム等の炭酸アルカリ金属塩、並びに、炭酸マグネシウム、及び炭酸カルシウム等の炭酸アルカリ土類金属塩等を挙げることができる。
【００４９】
燃料極５１及び空気極５２としては、高温且つ酸化雰囲気に耐えられる導電性金属酸化物として、酸化ニッケル、酸化鉄、或いは酸化銅その他の金属酸化物に、リチウムがドープされたものを単独で、又は複数種を混合して用いることができる。
【００５０】
なお、溶融炭酸塩形燃料電池において、電気化学反応が円滑に進行するためには、溶融炭酸塩形燃料電池が、６００℃から７００℃の温度に維持されることが好ましい。
【００５１】
溶融炭酸塩形燃料電池は、以下のように作用する。溶融炭酸塩形燃料電池においては、空気極５２側では、下記化学式（１）で表される電気化学反応が行われ、炭酸イオンが生成される。空気極５２で未反応の二酸化炭素と酸素を含むガスは、空気極５２の出口より排出される。
ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→ＣＯ３２− ・・・（１）
【００５２】
生成された炭酸イオンは、電解質層を泳動して燃料極５１に達し、燃料極５１側で、下記化学式（２）で表される電気化学反応が行われ、電子が奪われることにより、炭酸イオンから二酸化炭素が濃縮分離され、ガス出口から排出される。
Ｈ２＋ＣＯ３２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ− ・・・（２）
【００５３】
これらの電気化学反応が進行することにより、発電が行われると共に、水素が酸化されて、水が生成する。
【００５４】
燃料電池５に使用する液化炭化水素ガス混合物としては、入手の容易性の観点等から、液化天然ガスを用いることが好ましい。液化天然ガスにおいては、メタン等が低沸点の炭化水素として含まれている。このため、液化天然ガスを液化炭化水素ガス混合物として用いた場合には、メタンガスを含む炭化水素ガス混合物が発生する。
【００５５】
排気部６は、移動式燃料タンク２内部で発生する炭化水素ガス混合物を外部に排気するスタックである。排気部６としては、例えば、排気筒等、炭化水素ガスを排出するための従来公知の手段を用いることができ、特に限定されるものではない。ここで、排気部６は、排気した炭化水素ガス混合物が地上に至るまでに十分に拡散するよう、排気口が十分に高度のある位置に設けられていることが好ましい。
【００５６】
燃料電池発電設備１に設けられる自圧調整弁は、これが設けられた各経路の弁への流入側の圧力に応じて、その開閉状態を変化させることができるようになっている。例えば、第二自圧調整弁４１は、ボイルオフガス流通経路１４上、弁への流入側の圧力が所定の圧力（第二の圧力：例えば、０．６５Ｍｐａ）以上となったときに、開弁するように設定されており、第四自圧調整弁４３は、ボイルオフガス排出経路１５上、弁への流入側の圧力が、第二の圧力よりも低い所定の圧力（第四の圧力：例えば、０．４０Ｍｐａ）以上となったときに、開弁するように設定されていることが好ましい。
【００５７】
また、第一自圧調整弁４０は、気化器−改質室接続経路１３上、弁への流入側の圧力が、所定の圧力（第一の圧力：例えば、０．３０Ｍｐａ）以上となったときに、閉弁するように設定されており、第三自圧調整弁４２は、ボイルオフガス流通経路１４上、弁の流入側の圧力が、第四の圧力よりも低い所定の圧力（第三の圧力：例えば、０．３５Ｍｐａ）以上となったときに、閉弁するように設定されており、第五自圧調整弁４４は、加圧蒸発経路２５上、弁の流入側の圧力が、所定の圧力（第五の圧力：例えば、０．５０Ｍｐａ）以上となったときに、閉弁するように設定されていることが好ましい。
【００５８】
燃料電池発電設備１は、ボイルオフガス供給弁２３を備える。ボイルオフガス供給弁２３は、その開度を調整するアクチュエーター等に接続され、その開度が調整されるようになっている。ボイルオフガス供給弁２３の開度を調整することにより、気化器−改質室接続経路１３に供給するバッファータンク８に収容された炭化水素ガス混合物の流量を調整することができ、燃料電池５にかかる負荷の変動を抑えることができる。
【００５９】
燃料電池発電設備１は、燃料流量制御弁５０を備える。燃料流量制御弁５０は、その開度を調整するアクチュエーター等に接続され、その開度が調整されるようになっている。燃料流量制御弁５０の開度を調整することにより、気化器−改質室接続経路１３を通過して、改質室４に到達する炭化水素ガス混合物の流量を調整することができ、燃料電池５にかかる負荷の変動を抑えることができる。
【００６０】
蒸気供給口５４は、水蒸気を供給可能な構造を有するものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、蒸気発生装置と、気化器−改質室接続経路１３とを接続し、開度を調整可能な弁が取り付けられた管状の構造物を挙げることができる。
【００６１】
加圧蒸発器７は、液化炭化水素ガス混合物を加熱して加圧された炭化水素ガス混合物を生成し、移動式燃料タンク２の内部にある液化炭化水素ガス混合物の上部を炭化水素ガス混合物によって加圧する。
【００６２】
バッファータンク８は、加圧蒸発器３０と移動式燃料タンク２との間の経路上から分岐された炭化水素ガス混合物を収容する。
【００６３】
上記燃料電池発電設備１は、基本的には、以下のように作用する。
【００６４】
まず、液化炭化水素ガス混合物を満載した移動式燃料タンク２が燃料電池発電設備１に到着したら、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１を移動式燃料タンク２に接続し、移動式燃料タンク２の内部にある液化炭化水素ガス混合物を燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１を介してコールドエバポレータＣＥに供給する。このとき、移動式燃料タンク２の液化炭化水素ガス混合物の一部を加圧蒸発器７に供給可能となるように、移動式燃料タンク２に加圧蒸発経路２５を接続する。
【００６５】
次に、加圧蒸発器７は、液化炭化水素ガス混合物を加熱し、気化させ、炭化水素ガス混合物として、第五自圧調整弁４４を介して、再び、移動式燃料タンク２の上部に送る。これにより、移動式燃料タンク２の内部の圧力は、コールドエバポレータＣＥの内部の圧力よりも高くなるので、移動式燃料タンク２の液化炭化水素ガス混合物は、炭化水素ガス混合物に押され、ほとんどが、コールドエバポレータＣＥに送られる。
【００６６】
次に、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１を移動式燃料タンク２から切り離す。このとき、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１と移動式燃料タンク２との連結部分から炭化水素ガス混合物が大気に放出しないように、図示しないパージガスタンクとこれに接続したパージガス供給口から窒素ガスのようなパージガスを充填する。この際、パージガスは、この連結部分に充満するだけでなく、移動式燃料タンク２の内部にも入り込む。そして、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１と移動式燃料タンク２との連結部分を切り離して、燃料タンク−固定式燃料タンク接続経路１１と移動式燃料タンク２とを分離する。
【００６７】
次に、移動式燃料タンク２の液化炭化水素ガス混合物のほとんどがコールドエバポレータＣＥに送られると、移動式燃料タンク２の内部は、高圧（例えば、０．６ＭＰａ）の炭化水素ガス混合物で充満している。
【００６８】
このような液化炭化水素ガスが空な移動式燃料タンク２は、公共道路等を通って、液化炭化水素ガスの出荷基地に移動し、液化炭化水素ガスの充填をする必要がある。しかし、移動式燃料タンク２が公共道路等を通るときは、安全上の理由から、その内部圧力を０．３ＭＰａに脱圧する必要がある。
【００６９】
そこで、燃料タンク−バッファータンク接続経路２２を移動式燃料タンク２に接続し、移動式燃料タンク２の内部の圧力を利用してその内部にある炭化水素ガス混合物を燃料タンク−バッファータンク接続経路２２を介して、バッファータンク８に供給する。このバッファータンク８に供給されたガスを脱圧ガスともいう。
【００７０】
こうして、移動式燃料タンク２の内部の圧力を例えば、０．３ＭＰａまで減圧したら、燃料タンク−バッファータンク接続経路２２を移動式燃料タンク２から外し、移動式燃料タンク２を液化炭化水素ガスの出荷基地に移動させる。
【００７１】
一方、コールドエバポレータＣＥの内部の炭化水素ガス混合物の圧力が、第二の圧力以下に抑えられている場合には、液化炭化水素ガス混合物が気化器３に送られ、送られた液化炭化水素ガス混合物が気化器３で気化されて生成される炭化水素ガス混合物のみが燃料電池５の燃料として供給される。すなわち、コールドエバポレータＣＥ内の液化炭化水素ガス混合物は、気化器３で熱交換を行うことにより炭化水素ガス混合物となり、気化器−改質室接続経路１３上を、改質室４に向かって流通する。また、移動式燃料タンク２内の液化炭化水素ガス混合物は、コールドエバポレータＣＥを介して気化器３に送られるので、コールドエバポレータＣＥ内に所定の量の液化炭化水素ガス混合物をストックすることができる。
【００７２】
この際、気化器−改質室接続経路１３上に備えられる、第一自圧調整弁４０の作用により、第一の圧力未満のときにのみ炭化水素ガス混合物が流通するようになっている。そして、第一自圧調整弁４０を通過した炭化水素ガス混合物は、次いで燃料流量制御弁５０を通過し、バッファータンク８からボイルオフガス供給経路２４を介して供給される脱圧ガスと、水蒸気とが混合されて改質室４に至る。燃料流量制御弁５０では、後述する燃料流量制御システムの制御の下、燃料電池５の負荷が一定となるように、燃料の流量を制御する。
【００７３】
改質室４においては、燃焼室から供給される熱を熱源として、炭化水素ガス混合物と、蒸気供給口５４から供給される水蒸気とが反応し、水蒸気改質が行われる。これにより、炭化水素ガスと水蒸気から水素が生成する。生成した水素は、燃料電池５の燃料極５１に送られ、上記化学式（２）で示す電気化学反応により、水素と炭酸イオンから、水と二酸化炭素を生成する。
【００７４】
ここで、移動式燃料タンク２が、外気の熱により温められ、液化炭化水素ガス混合物に含まれる低沸点の液化炭化水素が沸騰を起こすと、沸騰の結果生じた気体は、炭化水素ガス混合物として移動式燃料タンク２内に蓄積する。この移動式燃料タンク２内の炭化水素ガス混合物の圧力が第二の圧力以上となった場合、第二自圧調整弁４１が開弁し、ボイルオフガス流通経路１４上を炭化水素ガス混合物が流通する。ボイルオフガス流通経路１４を流通した炭化水素ガス混合物は、気化器−改質室接続経路１３上を流通する炭化ガス混合物と合流し、炭化水素ガス混合物と、炭化水素ガス混合物との混合物が、燃料流量制御弁５０を通過して、改質室４及び燃料電池５に至る。このとき、燃料流量制御弁５０は、後述する燃料流量制御システムの作用により、体積あたりの熱量が低い炭化水素ガス混合物の流入量を考慮した上で、炭化水素ガス混合物と炭化水素ガス混合物との混合物を用いた場合の燃料電池５の負荷が一定となるように流量を制御する。
【００７５】
次に、移動式燃料タンク２において、炭化水素ガス混合物の圧力が第二の圧力を超えて大幅に高まった場合、第二自圧調整弁４１以降のボイルオフガス流通経路１４を流通する炭化水素ガス混合物の圧力が、第三の圧力以上となることがある。このような場合、第三自圧調整弁４２は閉弁することが好ましい。そして、この閉弁に次いで、第二自圧調整弁４１、第三自圧調整弁４２、及び第四自圧調整弁４３で囲まれるボイルオフガス流通経路１４上及びボイルオフガス排出経路１５上の部位での、炭化水素ガス混合物の圧力が、第四の圧力以上となった場合、第四自圧調整弁４３が開弁して、排気部６から炭化水素ガス混合物を排気することが好ましい。
【００７６】
このようにして、移動式燃料タンク２が、液化炭化水素ガスの出荷基地を往復している間であっても、また、次の移動式燃料タンク２を設置している間であっても、コールドエバポレータＣＥに収容された液化炭化水素ガス混合物を燃料電池５に供給することができる。
【００７７】
さらに、燃料電池発電設備１は、バッファータンク８を設置したので、脱圧ガスを回収し、回収した脱圧ガスを燃料電池５の燃料として供給することで経済的な運転が可能となる。
【００７８】
また、従来は、脱圧時の流量を移動式燃料タンク２に設けられたベントスタックからの拡散を考慮した配管設計による流量制限のため、脱圧は、１時間程度時間を要したが、バッファータンク８に脱圧ガスを回収することで移動式燃料タンク２からの流量を増加させることができ、脱圧作業時間の短縮が可能となる。
【００７９】
また、移動式燃料タンク２が出荷基地で液化炭化水素ガス混合物を充填し燃料電池発電設備１への接続を行う時は、移動式燃料タンク２の内部圧力はほぼ０ＭＰａであるが、送液するためには、移動式燃料タンク２の内部を加圧する必要がある。従来は、最初は移動式燃料タンク２の内部圧力のヘッド差により加圧を行うため数時間を要していた。そこで、バッファータンク８に回収した天然ガスを加圧用ガスとして利用することで、加圧時間を短縮することができ、しかも大気放出していたガスを使用することから経済的な運転が可能な燃料供給システムが構築できる。
【００８０】
燃料電池５は、窒素ガスのようなパージガスに対して、他の発電設備であるガスタービンや内燃機関と比較して直接燃焼させないことから尤度を持っていた。しかし、バッファータンク８に、移動式燃料タンク２を切離す際に必要となる空気・窒素と、天然ガスとの置換の際に発生する窒素が混入した天然ガスもバッファータンク８に回収し燃料電池５の燃料として使用することができ、高効率な燃料電池発電設備１を提供することができる。
【００８１】
なお、バッファータンク８は、複数のバッファータンク部で構成されていても良い。この場合、一方を通常時に使用し、他方を移動式燃料タンク２の内部の圧力が所定の圧力（例えば、０．３ＭＰａ）以下にならない場合に、協働して使用する。
【００８２】
また、バッファータンクは、複数のバッファータンク領域と、複数のバッファータンク領域のそれぞれを増減させる増減機構とを備えてもよい。この場合、移動式燃料タンク２の容量に応じて、増減機構を制御することにより、移動式燃料タンク２の内部にある脱圧ガスを最適な時間でバッファータンク８に供給することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１ 燃料電池発電設備
２ 移動式燃料タンク
３ 気化器
４ 改質室
５ 燃料電池
６ 排気部
７ 加圧蒸発器
８ バッファータンク
３０ 加圧蒸発器
５０ 燃料流量制御弁
５１ 燃料極
５２ 空気極
５３ 触媒燃焼器
５４ 蒸気供給口
５６ 二酸化炭素回収装置
５７ 排ガス前処理装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動式燃料タンクに収容された液化炭化水素ガス混合物であって沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池と、
前記液化炭化水素ガス混合物を加熱して加圧された炭化水素ガス混合物を生成し、前記移動式燃料タンク内の前記液化炭化水素ガス混合物の上部を前記炭化水素ガス混合物によって加圧する加圧蒸発器と、
前記加圧蒸発器によって加圧された前記液化炭化水素ガス混合物を液状の状態を維持したまま収容する固定式燃料タンクと、
前記加圧蒸発器と前記移動式燃料タンクとの間の経路上から分岐された前記炭化水素ガス混合物を収容するバッファータンクと、
前記固定式燃料タンクからの液化炭化水素ガス混合物を気化させて前記燃料電池に供給する気化器とを備え、
前記バッファータンクは、前記バッファータンクに収容された炭化水素ガス混合物を前記気化器と前記燃料電池との間の経路に供給することを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項２】
前記バッファータンクは複数のバッファータンク部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備。
【請求項３】
前記バッファータンクは、複数のバッファータンク領域と、前記複数のバッファータンク領域のそれぞれを増減させる増減機構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設備。
【請求項４】
さらに、前記加圧蒸発器と前記移動式燃料タンクとの間の経路にパージガスを供給するパージガスタンクを備え、
前記バッファータンクは、前記炭化水素ガス混合物と前記パージガスとの混合気体を収容することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池発電設備。
【請求項１】
移動式燃料タンクに収容された液化炭化水素ガス混合物であって沸点の異なる複数種の液化炭化水素ガスを含有する液化炭化水素ガス混合物を原料として駆動される燃料電池と、
前記液化炭化水素ガス混合物を加熱して加圧された炭化水素ガス混合物を生成し、前記移動式燃料タンク内の前記液化炭化水素ガス混合物の上部を前記炭化水素ガス混合物によって加圧する加圧蒸発器と、
前記加圧蒸発器によって加圧された前記液化炭化水素ガス混合物を液状の状態を維持したまま収容する固定式燃料タンクと、
前記加圧蒸発器と前記移動式燃料タンクとの間の経路上から分岐された前記炭化水素ガス混合物を収容するバッファータンクと、
前記固定式燃料タンクからの液化炭化水素ガス混合物を気化させて前記燃料電池に供給する気化器とを備え、
前記バッファータンクは、前記バッファータンクに収容された炭化水素ガス混合物を前記気化器と前記燃料電池との間の経路に供給することを特徴とする燃料電池発電設備。
【請求項２】
前記バッファータンクは複数のバッファータンク部で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電設備。
【請求項３】
前記バッファータンクは、複数のバッファータンク領域と、前記複数のバッファータンク領域のそれぞれを増減させる増減機構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設備。
【請求項４】
さらに、前記加圧蒸発器と前記移動式燃料タンクとの間の経路にパージガスを供給するパージガスタンクを備え、
前記バッファータンクは、前記炭化水素ガス混合物と前記パージガスとの混合気体を収容することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池発電設備。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−１９０３４０（Ｐ２０１０−１９０３４０Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３６３９１（Ｐ２００９−３６３９１）
【出願日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]