JP7181065B2 - 反応装置、及び燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は反応装置、及び反応装置を備え炭素化合物燃料を用いて発電を行う燃料電池発電システムに関する。

燃料電池発電システムにおいて、炭素化合物燃料を用いる場合には、燃料電池から排出される排ガスに二酸化炭素ガスが含まれている。この排ガスから二酸化炭素ガスを分離することが考えられている（例えば、特許文献１～５参照）。

特許５５８１２４０号公報 特開２０１３－１９６８９０号公報 特許５４１３７１９９号公報 特開２０１２－１６４４２３号公報 特許３３３４５６７号公報

二酸化炭素ガスは、液化して液化二酸化炭素とすることで、輸送や貯留層への圧入固定化、および商工業利用をしやすくなる。
排ガスには、二酸化炭素ガス以外の気体（不純物）が含まれているため、不純物の少ない液化二酸化炭素を得るには、二酸化炭素ガス以外の気体を除去する必要がある。排ガスの未燃焼成分と酸素とを反応させることにより高濃度の二酸化炭素ガスを得る装置はあるが、二酸化炭素ガスを得る際の反応を促進することが要望されている。

また、二酸化炭素ガスを大気に放出させないために、分離した二酸化炭素ガスから炭素を生成して貯蔵することが知られている。二酸化炭素ガスと水素とを触媒下で反応（還元反応）させて炭素を製造する炭素製造装置が知られている（例えば、特許文献５参照）。還元反応には、高温が必要であり、還元反応を開始するにあたっては、例えば、水素を燃焼させて、燃焼ガスの熱で二酸化炭素ガス、水素、及び触媒を迅速に加熱する必要がある。
このように、燃料電池発電システムにおいては、種々の反応が行なわれており、反応を促進させることが要望されている。

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、反応の促進を可能とする反応装置、及びその反応装置を備えた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

第１の態様に係る反応装置は、筒状を成し、内側の第１流路と外側の第２流路とを隔てる隔壁と、前記第１流路及び前記第２流路の少なくとも一方に設けられ、気体同士の反応を促進する触媒と、前記第１流路及び前記第２流路の少なくとも一方に設けられ、流路内部を、筒軸方向に向けて直線状に形成した流路に比較して該筒軸方向の一端から他端までの流路長が長くなるように筒軸の方向に向けて螺旋状とする仕切り部材と、を備えている。

第１の態様に係る反応装置では、一乃至複数種類の気体を第１流路に流すことができ、一乃至複数種類の気体を第２流路に流すことができる。なお、第１流路、及び第２流路には、同じ気体を流すこともでき、異なる気体を流すこともできる。
また、螺旋状に形成された第１流路、または第２流路において、異なる種類の気体同士を反応させることができる。

第１流路、及び第２流路の少なくとも一方は、筒軸方向に向けて螺旋状に形成することができ、形態としては、例えば、第１流路を筒軸方向に向けて直線状として第２流路を筒軸方向に向けて螺旋状とする第１の形態、第１流路を筒軸方向に向けて螺旋状として第２流路を筒軸方向に向けて直線状とする第２の形態、及び第１流路を筒軸方向に向けて螺旋状として第２流路も筒軸方向に向けて螺旋状とする第３の形態がある。

筒軸方向に向けて螺旋状に形成した流路は、筒軸方向に向けて直線状に形成した流路に比較して、一端から他端までの流路長を長くすることができるので、流路内において、気体同士を反応させる時間や、気体の滞留時間、及び気体同士が反応して生成された反応物の滞在時間を長くすることができる。

例えば、第１流路または第２流路の一方を螺旋状に形成し、螺旋状とした流路の一端側から種類の異なる２つの気体を流入させ、一方の気体と他方の気体との発熱反応によって生成された反応物を長い流路で時間をかけて流し、発熱反応によって生成された熱を長時間に渡って（直線状の流路対比で）隣接する第１流路または第２流路の他方に十分に付与することができる。
また、第１流路または第２流路の一方で生成された熱を、隣接する第１流路または第２流路の他方に十分に付与することができるので、隣接する第１流路または第２流路の他方における流路内で、異なる気体同士の吸熱反応を確実に生じさせることもできる。

また、螺旋状とした流路の一端側から種類の異なる２つの気体を流入させ、一方の気体と他方の気体とを長い流路内で時間をかけて反応させることが出来る。

第２の態様は、第１の態様に係る反応装置において、前記隔壁は、前記第１流路及び前記第２流路の一方から他方へ反応に供される気体を透過させる気体透過膜を備える。

第２の態様に係る反応装置では、第１流路と第２流路とを隔てる隔壁が、第１流路及び第２流路の一方から他方へ反応に供される気体を透過させる気体透過膜を備えているので、第１流路の気体を気体透過膜を透過させて第２流路に流入させたり、第２流路の気体を気体透過膜を透過させて第１流路に流入させることができる。
したがって、第１流路の気体と第２流路の気体とを、第１流路内または第２流路内で、反応させることができる。また、気体同士の反応は、触媒によって促進することができる。

第３の態様は、第２の第２の態様に係る反応装置において、前記触媒は、前記気体透過膜における気体透過側に積層されている。

第３の態様に係る反応装置では、気体透過膜における気体透過側に触媒が設けられているので、気体透過側の流路において、気体同士の反応を促進することができる。

また、気体同士の反応を生じさせる流路が螺旋状に形成されていれば、螺旋状の流路内において反応時間を長く取ることができる。

第４の態様に係る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、前記燃料極から未反応の前記燃料ガス、及び第１の二酸化炭素ガスを含む燃料極オフガスが排出され、前記空気極から酸素を含む空気極オフガスが排出される燃料電池と、前記第１流路及び前記第２流路の一方が、前記触媒としての酸化触媒及び前記仕切り部材が設けられた反応路とされ、前記気体透過膜が酸素透過膜とされ、前記第１流路及び前記第２流路の他方が空気極オフガス通過路とされた第３の態様に係る反応装置と、前記反応路に前記燃料極オフガスを導入する第１導入路と、前記空気極オフガス通過路に前記空気極オフガスを導入する第２導入路と、を備え、前記反応路で、前記燃料極オフガス中の前記炭素化合物と、前記第１流路から前記酸素透過膜を透過した酸素との酸化反応により第２の二酸化炭素が生成される。

第４の態様に係る燃料電池発電システムでは、炭素化合物を含む燃料ガスが燃料電池の燃料極へ供給され、酸素を含む酸化剤ガスが空気極へ供給されることで、燃料電池は発電し、燃料極からは未反応の燃料ガス、及び第１の二酸化炭素ガスを含む燃料極オフガスが排出され、空気極からは酸素を含む空気極オフガスが排出される。

反応装置において、一例として、燃料極オフガスが第１導入路を介して反応路としての第１流路に導入され、空気極オフガスが第２導入路を介して空気極オフガス通過路としての第２流路に導入されると、第１流路においては、酸化触媒が、気体透過膜を透過した酸素と燃料ガスの未反応の炭素化合物との酸化反応を促進させて第２の二酸化炭素ガスが生成される。これにより、第１流路は、燃料極オフガスに含まれる第１の二酸化炭素ガスと、酸化反応により生成された第２の二酸化炭素ガスとを排出することができる。
また、第１流路を螺旋状に形成することで、流路内において、酸化反応時間を長く取ることができる。これにより、高濃度の二酸化炭素ガスを得ることができる。
なお、第２流路を、第１流路と同様に螺旋状に形成してもよい。

第５の態様に係る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、前記燃料極から二酸化炭素ガスが排出され、前記空気極から酸素を含む空気極オフガスが排出される燃料電池と、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを生成する水電解装置と、筒状を成し、外側の第１流路と隔壁を隔てて配置される内側の第２流路とを有し、前記第１流路に流路内部を、筒軸方向に向けて直線状に形成した流路に比較して該筒軸方向の一端から他端までの流路長が長くなるように筒軸の方向に向けて螺旋状とする仕切り部材が形成され、前記第１流路で前記水素ガスと前記酸素ガスとを反応させると共に、前記第２流路に前記二酸化炭素ガスと前記水素ガスとが供給される反応装置と、前記第２流路から前記二酸化炭素ガスと前記水素ガスとが供給され、前記二酸化炭素ガスから炭素が生成される炭素析出部と、を有する。

第５の態様に係る燃料電池発電システムでは、炭素化合物を含む燃料ガスが燃料電池の燃料極へ供給され、酸素を含む酸化剤ガスが空気極へ供給されることで、燃料電池は発電し、燃料極からは二酸化炭素ガスが排出され、空気極からは酸素を含む空気極オフガスが排出される。

水電解装置は、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを生成する。

反応装置では、螺旋状とされた第１流路に水電解装置から供給される水素ガス及び酸素ガスを供給して燃焼反応を生じさせることができる。水素と酸素とを燃焼反応させることで高温の水蒸気が生成され、その水蒸気の熱が隔壁を介して第２流路に伝達される。燃料電池から供給された二酸化炭素ガスと水電解装置から供給される水素ガスとは、第２流路の内部で混合されて混合ガスとなり、前記燃焼反応による熱で加熱される。

ここで、高温の水蒸気は、螺旋状に形成された通路長の長い第１流路を通過して他端側から排出されるので、他端側から水蒸気が排出されるまでに時間を要することとなり、水蒸気の熱を時間をかけて十分に第２流路の他方側へ伝達させることができる。これによって、第２流路の二酸化炭素ガスと水素ガスとを含む混合ガスを確実に加熱することができる。

加熱された混合ガスは、下流側の炭素析出部に供給され、内部で二酸化炭素ガスから炭素が生成される。

本発明に係る反応装置、及び燃料電池発電システムによれば、効率的に反応を生じさせることができる。

第１実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。 酸素透過膜付燃焼器を示す軸線に沿った断面図である。 二酸化炭素の状態図である。 第２実施形態に係る燃料電池発電システムの概略図である。 第２実施形態に係る燃料電池発電システムの粉末炭素生成器を示す構成図である。

［第１実施形態］
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。
図１には、本発明の第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、反応装置としての酸素透過膜付燃焼器２０、凝縮器２６、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、図示しない制御部を備えている。

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。

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。

第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａには、改質ガス管Ｐ１－２の一端が接続されており、燃料ガス管Ｐ１－１の他端は後述する改質器５４に接続されている。改質器５４からは、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、石炭ガス化ガス、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１では省略されている。

改質ガス管Ｐ１－２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、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。

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。

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→３Ｈ_２＋ＣＯ …（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（２）

そして、第１燃料極１２Ａにおいて、下記（３）式に示すように、水素が水素イオンと電子とに分離される。

（燃料極反応）
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－…（３）

水素イオンは、電解質層１２Ｃを通って第１空気極１２Ｂへ移動する。電子は、外部回路（不図示）を通って第１空気極へ移動する。これにより、第１燃料電池セルスタック１２において発電される。発電時に、第１燃料電池セルスタック１２は、発熱する。

第１燃料電池セルスタック１２の第１空気極１２Ｂには、酸化剤ガス管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。

第１空気極１２Ｂでは、下記（４）式に示すように、電解質層１２Ｃを通って第１燃料極１２Ａから移動してきた水素イオン、外部回路を通って第１燃料極１２Ａから移動した電子が、酸化剤ガス中の酸素と反応して水蒸気が生成される。

（空気極反応）
２Ｈ^＋＋２ｅ^－＋１／２Ｏ_２ →Ｈ_２Ｏ …（４）

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。

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。

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、制御部と接続されている。流量調整バルブ４２は、制御部により制御され、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。

（酸素透過膜付燃焼器）
図２に示すように、酸素透過膜付燃焼器２０は、外筒２０Ａと、外筒２０Ａの内側に配置された円筒形状の気体透過膜２３と、外筒２０Ａ及び円筒形状の気体透過膜２３の筒軸方向端側の開口部分を閉塞する閉塞部材２０Ｂとを有して構成された内部が密閉された多重円筒状とされている。

外筒２０Ａと気体透過膜２３との間は環状の燃焼部２２とされ、円筒形状の気体透過膜２３の内周側は酸素分離部２４とされており、燃焼部２２と酸素分離部２４とは隔壁としての気体透過膜２３で隔離されている。

燃焼部２２は、内部に螺旋形状とされた外側螺旋通路形成部材２８が設けられ、外筒２０Ａの筒軸方向に向けて螺旋状とされた本発明の第１流路としての燃焼空間２２Ａが形成されている。
外側螺旋通路形成部材２８は、一例として、帯状部材を螺旋状に形成したものであり、内周縁が気体透過膜２３の外周面に固定され、外周縁が外筒２０Ａの内周面に固定されている。

酸素分離部２４は、内部に螺旋形状とされた内側螺旋通路形成部材２９が設けられ、外筒２０Ａの筒軸方向に向けて螺旋状とされた本発明の第２流路としての空気流路２４Ａが形成されている。
内側螺旋通路形成部材２９は、一例として、帯状部材を螺旋状に形成したものであり、外周縁が気体透過膜２３の内周面に固定されている。なお、内側螺旋通路形成部材２９は、内周縁を軸芯部分に設けた図示しない軸の外周面に固定した螺旋階段形状としてもよい。

なお、気体透過膜２３には、いわゆる高温酸素透過膜が用いられており、ＬＳＣＦ（ランタン・ストロンチウム・コバルト・鉄複合酸化物）など、電子と酸素イオンの混合導電性セラミクス緻密膜（電子導電性を示す酸化物）を用いることができ、ＬＳＣＦ以外のものを用いることもできる。

気体透過膜２３の燃焼空間２２Ａ側には、酸化触媒膜２３Ａが積層されている。酸化触媒膜２３Ａは、例えば、ニッケルやルテニウムなどの材料からなる触媒膜状に形成された多孔体である。

図１、及び図２に示すように、燃焼空間２２Ａの入口には、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２の他端が接続され、空気流路２４Ａの入口には、分岐空気極オフガス管Ｐ６－２の下流端が接続されている。

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気体透過膜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。

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から気体透過膜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Ｐ８－１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。

図１に示すように、燃焼オフガス管Ｐ８－１は、後述する改質器５４の内側流路５５Ｂに接続されている。

（改質器）
本実施形態の改質器５４は、多重円筒状とされており、径方向外側に配置された環状の気化流路５５Ａ、気化流路５５Ａの径方向内側に隣接して配置された内側流路５５Ｂとを有している。なお、気化流路５５Ａと内側流路５５Ｂとは、隔壁５７で隔てられている。

気化流路５５Ａは、上側の環状空間に改質触媒５８が充填されており、下側が、円筒形状の筒軸方向に向けて螺旋状に形成された螺旋流路５５Ａ－２とされている。
気化流路５５Ａの下端（流路上流側）には、燃料ガス管Ｐ１－１の一端と、水供給管Ｐ２－２の一端が接続されている。
燃料ガス管Ｐ１－１の他端には、燃料供給ブロワＢ１が接続されており、燃料ガス源のメタンが燃料供給ブロワＢ１によって改質器５４の気化流路５５Ａへ供給される。
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。

気化流路５５Ａの上端（流路下流側）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。

内側流路５５Ｂの上端（流路上流側）には、燃焼オフガス管Ｐ８－１の一端が接続されており、燃焼オフガス管Ｐ８－１の他端は、酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼空間２２Ａに接続されている。内側流路５５Ｂには、燃焼空間２２Ａから送出された高温の燃焼オフガスが燃焼オフガス管Ｐ８－１を介して供給される。

内側流路５５Ｂの下端（流路下流側）には、燃焼オフガス管Ｐ８－２の一端が接続されており、燃焼オフガス管Ｐ８－２の他端は後述する凝縮器２６に接続されている。内側流路５５Ｂから排出された燃焼オフガスは、燃焼オフガス管Ｐ８－２を介して後述する凝縮器２６に送出される。

内側流路５５Ｂには、高温の燃焼オフガスが通過するので、気化流路５５Ａと内側流路５５Ｂとを隔てる隔壁５７は、燃焼オフガスによって加熱される。このため、内側流路５５Ｂに隣接する気化流路５５Ａにおいて、改質触媒５８、燃料ガス、及び水が燃焼オフガスの熱で加熱され、燃料ガスが水蒸気改質され、水蒸気改質された燃料ガスが改質ガス管Ｐ１－２を介して第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａに送出される。

（凝縮器）
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、改質器５４から送出された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。

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へ送信される。なお、制御部は、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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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、後述する制御部で制御される。

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に出力される。これにより、制御部は、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。

（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。なお、圧縮機６８は、直流モータで駆動される形態に限定されず、交流モータで駆動される形態であってもよい。

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、制御部で制御される。

圧縮機６８で圧縮された二酸化炭素ガスは、配管Ｐ１１４を介して冷却装置７０へ送られる。配管Ｐ１１４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、各々制御部に送られる。

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。

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。

冷却装置７０で生成された液化二酸化炭素は、配管Ｐ１１５、ポンプ８２を介してタンク８４に送られて貯留される。

燃料電池発電システム１０Ａには全体を制御する図示しない制御部が設けられている。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。制御部は、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、制御部により制御される。なお、制御部は、上記以外の他の機器とも接続されている。

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。

（作用、効果）
次に、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａの動作について説明する。

燃料電池発電システム１０Ａにおいては、燃料供給ブロワＢ１により、燃料ガス源から燃料ガス（メタン）が燃料ガス管Ｐ１－１を介して改質器５４へ送出され、改質器５４で燃料ガスの改質が行われる。
改質された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ１－２を介して第１燃料電池セルスタック１２の第１燃料極１２Ａへ供給される。
水蒸気管Ｐ２からは、水蒸気改質用の水蒸気が燃料ガス管Ｐ１－２を介して第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。

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。

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。

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。

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。

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、気体透過膜２３を透過して燃焼空間２２Ａ側へ移動する。燃焼部２２の燃焼空間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。

酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼部２２においては、酸化触媒が、気体透過膜２３を透過した酸素と燃料ガスの未反応の可燃ガスとの酸化反応を促進させて二酸化炭素ガスを生成する。さらに、燃焼空間２２Ａは螺旋状に形成されて流路長が長くなっているので、酸化反応させる時間を長く取ることが出来、空気流路２４Ａから燃焼空間２２Ａ側へ、十分な量の酸素を移動させて酸化反応を十分、且つ効率的に行なうことができる。これにより、二酸化炭素ガスの濃度を高めた燃焼オフガスを燃焼部２２から排出することができる。

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、改質器５４の内側流路５５Ｂを経て凝縮器２６へ供給される。

改質器５４では、気化流路５５Ａにおいて、燃料ガスと水蒸気の混合ガス、及び改質触媒５８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は、改質ガス管Ｐ１－２を通って第１燃料極１２Ａへ供給される。

気化流路５５Ａは、下側が、円筒形状の筒軸方向に向けて螺旋状に形成された長い螺旋流路５５Ａ－２とされているため、燃料ガスと共に供給された水が長い螺旋流路５５Ａ－２を時間をかけて通過する間に十分に加熱されて水蒸気となる。そして、加熱された燃料ガスと水蒸気は、螺旋流路５５Ａ－２を流れた後、燃焼オフガスの熱で加熱された改質触媒５８を通過するので、効率的、かつ確実に改質反応が生じる。

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。

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、二酸化炭素ガス管Ｐ１０を介して組成検出部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へ送信される。

制御部は、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、及び流量を制御する。

流量調整処理では、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０．０１～５ｖｏｌ％程度を設定することができ、０．０１～１ｖｏｌ％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、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、気体透過膜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。

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。

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。

図３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。

（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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の気体透過膜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。

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。

また、本実施形態の燃料電池発電システム１０Ａでは、制御部が、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。

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。

また、本実施形態の酸素透過膜付燃焼器２０では、外側が燃焼部２２とされ、内側が酸素分離部２４とされていたが、外側を酸素分離部２４とし、内側を燃焼部２２としてもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。

図４には、本発明の第２実施形態に係る燃料電池発電システム１０Ｂが示されている。燃料電池発電システム１０Ｂは、二酸化炭素ガスから炭素を生成するシステムである。二酸化炭素ガス管Ｐ１０の下流側には、第１実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂの二酸化炭素ガス液化部６６の代わりに炭素製造部１６６が設けられている。

本実施形態では、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。
また、本実施形態では、第２燃料極オフガス管Ｐ７－２から、循環ガス管Ｐ３が分岐されており、循環ガス管Ｐ３は、燃料ガス管Ｐ１と接続されている。なお、循環ガス管Ｐ３には、循環ガスブロワＢ３が設けられている。

燃料ガス管Ｐ１の中間部には、第１熱交換器３０が設けられている。酸素透過膜付燃焼器２０の燃焼空間２２Ａの出口側には、燃焼オフガスを送出する燃焼オフガス管Ｐ８が接続されており、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。

第１熱交換器３０を経由した燃焼オフガスは凝縮器２６に送出され、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、二酸化炭素用ブロワ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へ送信される。

制御部は、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へ送る冷却水の温度を制御する。具体的には、制御部では、流量調整処理、冷却水温度調整処理が実行される。
二酸化炭素ガス管Ｐ１０へ送出された二酸化炭素ガスは、炭素製造部１６６へ送出される。

（炭素製造部の構成）
炭素製造部１６６は、水電解装置１７０、配管Ｐ１１４、水素ブロワ１７２、配管Ｐ１１５、酸素ブロワ１７４、酸素タンク１７６、粉末炭素生成器１７８等を含んで構成されている。

水電解装置１７０には、配管Ｐ１１６、ポンプ１８０、及び水浄化装置１８２を経た水タンク２７の水が供給される。水浄化装置１８２は、水タンク２７からの水を浄化（異物除去、ＰＨ調整等）する。水電解装置１７０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で得られた電力を用いて浄化した水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを生成することができる。なお、水電解装置１７０は、図示しない再生可能エネルギー発電で得られた電力（いわゆる「クリーンエネルギー」）を用いて水を電気分解することもできる。再生可能エネルギー発電として、一例として、太陽光発電、太陽熱発電、水力発電、風力発電、地熱発電、波力発電、温度差発電、バイオマス発電等を挙げることができるが、他のものであってもよい。即ち、大気中の二酸化炭素を削減、或いは大気への二酸化炭素の放出を抑制するという見地から、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や、再生可能エネルギー発電で得られた電力を用いることが好ましい。

水電解装置１７０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や、再生可能エネルギー発電で得られた電力を用いて水を電気分解するので、例えば、二酸化炭素ガスを放出する発電装置の交流電力を直流電力に変換して電気分解に用いる場合に比較して、効率的に水を電気分解することができる。なお、水電解装置１７０は、制御部で制御される。

水電解装置１７０で生成された水素ガスは、配管Ｐ１１４、水素ブロワ１７２を介して粉末炭素生成器１７８へ送られ、酸素ガスは配管Ｐ１１５、酸素ブロワ１７４を介して酸素タンク１７６へ送られ、酸素タンク１７６に貯留される。なお、水素ブロワ１７２、及び酸素ブロワ１７４は、制御部で制御される。

（粉末炭素生成器の構成）
図５に示すように、粉末炭素生成器１７８は、昇温器１８４、シフト反応器１８６、冷却器１８８、炭素析出分離部２００を含んで構成されている。

昇温器１８４は、外筒２０２と、外筒２０２の内側に配置された円筒形状の隔壁２０４と、外筒２０２及び円筒形状の隔壁２０４の筒軸方向端側の開口部分を閉塞する閉塞部材２０６とで構成された内部が密閉された多重円筒状とされている。

外筒２０２と隔壁２０４との間は、本発明の第１流路としてのガス燃焼流路２０８とされ、円筒形状の隔壁２０４の内周側は、本発明の第２流路としての昇温部２１０とされており、ガス燃焼流路２０８と昇温部２１０とは隔壁２０４で隔離されている。

ガス燃焼流路２０８には、内部に螺旋形状とされた螺旋通路形成部材２１２が配置されており、昇温器１８４の筒軸方向に向けて螺旋状に形成されている。

昇温器１８４では、水電解装置１７０から送られた水素ガスと酸素ガスがガス燃焼流路２０８に供給され、凝縮器２６から送られた二酸化炭素ガスと、水電解装置１７０から送られた水素ガスとが昇温部２１０に供給されるようになっている。
ガス燃焼流路２０８では、水素ガスと酸素ガスとが燃焼反応され、燃焼反応よって生成された熱で、昇温部２１０を通過する二酸化炭素ガスと水素ガスとを高温、例えば、１０００～１２００℃に加熱することができる。

昇温器２０１の下流側にはシフト反応器１８６が配置されており、このシフト反応器１８６に高温に加熱された二酸化炭素ガスと水素ガスとが供給される。
シフト反応器１８６では、下記（５）式に示すように、二酸化炭素ガスを水素ガス雰囲気下にて一酸化炭素にシフト反応させることができる。
ＣＯ_２＋Ｈ_２ → ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ …（５）
ここでは、公知の触媒を用いて反応を促進することができる。

シフト反応器１８６の下流側には、冷却器１８８が配置されており、シフト反応器１８６から排出された一酸化炭素ガス及び水蒸気が冷却器１８８で冷却され、所定の温度、例えば、６００℃以下となるように温度調節される。

冷却器１８８の下流側には、炭素析出分離部２００が配置されており、冷却器１８８から排出された温度調節された一酸化炭素ガス及び水蒸気が炭素析出分離部２００に導入される。炭素析出分離部２００には、螺旋状に形成され、通路長が長くされた螺旋流路２１４が設けられている。

炭素析出分離部２００では、流路長が長くされた螺旋流路２１４において、ガス中の一酸化炭素が下記（６）式により炭素と二酸化炭素とに変換される。
２ＣＯ → Ｃ＋ＣＯ_２ …（６）
なお、上記（６）式は発熱反応である。
さらに、炭素析出分離部２００の螺旋流路２１４では、上記（６）式の反応と同時に下記（７）式により二酸化炭素ガスと水素ガスから炭素と水とを生成する反応が進む。
ＣＯ_２＋２Ｈ_２ → Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ …（７）
なお、炭素析出分離部２００では、前記反応を促進するために、螺旋流路２１４の内部に公知の還元触媒が設けられている。

このようにして、炭素析出分離部２００では、炭素を析出させて固定化を可能としている。
なお、上記（６）式の還元反応で生じるＣは、粉末炭素であり、螺旋流路２１４の下部から排出することができる。また、上記（６）式の還元反応で生じるＨ_２０は、具体的には水蒸気であり、該水蒸気は、配管Ｐ１１７を介して凝縮器２６へ送られる。

本実施形態の制御部のメモリには、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。制御部は、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、制御部により制御される。

燃料電池発電システム１０Ｂ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１０Ｂ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１０Ｂ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。

（作用、効果）
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。

水電解装置１７０は、水浄化装置１８２から送られた水を電気分解し、水素ガスと酸素ガスとを生成し、生成された水素ガス、及び酸素ガスは、粉末炭素生成器１７８の昇温器１８４へ供給される。また、昇温器１８４の昇温部２１０には、凝縮器２６から排出された二酸化炭素リッチガスと、水浄化装置１８２から送られた水素ガスが供給される。

粉末炭素生成器１７８を起動するには、先ず、昇温器１９４のガス燃焼流路２０８において、水素ガスと酸素ガスとを反応（燃焼）させる。水素ガスと酸素ガスとの燃焼反応によって生成された燃焼炎、及び高熱の排ガス（水蒸気）は、ガス燃焼流路２０８を通過する際に、燃焼炎、及び排ガスの熱が隔壁２０４を介して昇温部２１０に伝達される。ガス燃焼流路２０８は、昇温器１８４の筒軸方向に向けて螺旋状に形成され、流路長が長くなっているため、上記反応による燃焼炎、及び排ガスの熱を、時間をかけて昇温部２１０へ充分に付与することができる。即ち、昇温器１８４において、燃焼炎、及び排ガスの滞留時間を長くとることができる。これにより、昇温部２１０に供給された二酸化炭素ガスと水素ガスとを充分に加熱することができ、二酸化炭素ガスと水素ガスとを所定の温度（例えば、１０００～１２００℃）に確実に昇温させることができる。なお、ガス燃焼流路２０８において、水素ガスと酸素ガスとの反応によって生じた水（水蒸気）は、下端から外部へ排出される。

昇温部２１０で所定の温度に昇温された二酸化炭素ガスと水素ガスとはシフト反応器１８６に供給され、二酸化炭素ガスが水素ガス雰囲気下にて一酸化炭素にシフト反応され、一酸化炭素と水とが生成される。

シフト反応器１８６から排出された一酸化炭素ガス及び水蒸気は、冷却器１８８に送られて所定の温度（例えば、６００℃以下）に冷却された後、炭素析出分離部２００へ供給される。
炭素析出分離部２００では、螺旋流路２１４の内部で二酸化炭素ガスと水素ガスから粉末炭素と水（水蒸気）とが生成される。
螺旋流路２１４は、螺旋状に形成されて流路長が長くなっているので、内部に導入した気体の滞留時間を長くとることができ、上記（６）式、および上記（７）式の反応の時間を充分にとることができ、二酸化炭素ガスを無駄にすることなく効率的に粉末炭素を得ることができる。
なお、炭素析出分離部２００水蒸気は、配管Ｐ１１７を介して凝縮器２６へ送られ、凝縮器２６で冷却されて水となる。

本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂ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から炭素製造部１６６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、連続的に粉末炭素を効率的に製造することができる。
粉末炭素は、着火して燃焼しないかぎり、大気中に二酸化炭素ガスとなって放出されることは無く、二酸化炭素ガスの大気への放出を抑制することができる。

また、粉末炭素は貯留サイトへの輸送も容易であり、着火源と酸素が揃う条件下に置かなければ、地下に埋め立て処分したり、地上に野積みするだけでも、長期安定的な炭素固定化が可能となる。なお、製造された粉末炭素は、カーボンブラック等として商工業利用することもできる。

本実施形態の燃料電池発電システム１０Ｂでは、二酸化炭素ガスから粉末炭素を生成したが、粉末炭素をグラファイト、カーボンナノチューブまたはダイヤモンド等にする炭素製品製造装置２１６を更に付加してもよい。炭素製品製造装置２１６では、例えば、回収した粉末炭素を、燃料電池発電システム１０Ｂで発電された電力、または再生可能エネルギーによる電力等を活用して高温（電気ヒータ昇温）、高圧（電動高圧プレス）環境下におくことで、公知の技術により合成ダイヤモンドの粉末を得ることができる。また、例えば、回収した粉末炭素を、燃料電池発電システム１０Ｂで発電された電力、または再生可能エネルギーによる電力等を活用して、アーク放電法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法等、公知の技術によりカーボンナノチューブを得ることができる。さらに、回収した粉末炭素を、燃料電池発電システム１０Ｂで発電された電力、または再生可能エネルギーによる電力等を活用して、公知の技術により、グラファイトを得ることができる。

炭素粉末をグラファイトやカーボンナノチューブまたはダイヤモンド粉末とすることで、着火源や酸素があっても容易に燃焼することはなく、地上に野積みしても、安全かつ長期安定的に炭素を固定することが可能となり、貯留場所の制限もなくなり、輸送や圧入のエネルギーロスやコストを低減できる。なお、グラファイトは鉛筆の芯や自動車用のブレーキパッド等に、カーボンナノチューブは半導体や構造材料として、合成ダイヤモンド粉末は、工事、工作機械のダイヤモンドカッターの刃材等に、それぞれ商工業利用することもできる。

なお、この炭素製品製造装置２１６も炭素製造部１６６の一部であり、燃料電池発電システム１０Ｂにオンサイトで設けられている。また、粉末炭素を利用して製造する物も、上記の炭素製品に限らず、カーボンナノホーンやフラーレンといった炭素材料を、公知の技術により製造して商工業利用しても良い。

本実施形態の昇温器１８４では、外側が螺旋状のガス燃焼流路２０８とされ、内側が螺旋状とされていない昇温部２１０とされていたが、内側を螺旋状のガス燃焼流路２０８とし、外側を螺旋状とされていない昇温部２１０としてもよい。

また、本実施形態の昇温器１８４では、昇温部２１０が、螺旋状の流路となっていないが、昇温部２１０を螺旋状の流路としてもよい。

［その他の実施形態］
以上、本発明の燃料電池発電システムの一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

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。

１０Ａ 燃料電池発電システム
１０Ｂ 燃料電池発電システム
１２ 第１燃料電池セルスタック（燃料電池）
１２Ａ 第１燃料極（燃料極）
１２Ｂ 第１空気極（空気極）
１４ 第２燃料電池セルスタック（燃料電池）
１４Ａ 第２燃料極（燃料極）
１４Ｂ 第２空気極（空気極）
２０ 酸素透過膜付燃焼器（反応装置）
２２Ａ 燃焼空間（第１流路、反応路）
２３ 気体透過膜（隔壁）
２３Ａ 酸化触媒膜（触媒）
２４Ａ 空気流路部（第２流路、空気極オフガス通過路）
２８ 外側螺旋通路形成部材（仕切り部材）
２９ 内側螺旋通路形成部材（仕切り部材）
１７０ 水電解装置
１８４ 昇温器（反応装置）
２００ 炭素析出分離部（炭素析出部）
２０４ 隔壁
２０８ ガス燃焼流路（第１流路）
２１２ 螺旋通路形成部材（仕切り部材）
２１０ 昇温部（第２流路）
Ｐ６－２ 分岐空気極オフガス管（第２導入路）
Ｐ７－２ 第２燃料極オフガス管（第１導入路）

Claims (4)

1. 筒状を成し、内側の第１流路と外側の第２流路とを隔てる隔壁と、
   前記第１流路及び前記第２流路の少なくとも一方に設けられ、気体同士の反応を促進する触媒と、
   前記第１流路及び前記第２流路の少なくとも一方に設けられ、流路内部を、筒軸方向に向けて直線状に形成した流路に比較して該筒軸方向の一端から他端までの流路長が長くなるように筒軸の方向に向けて螺旋状とする仕切り部材と、
   を備え、
   前記隔壁は、前記第１流路及び前記第２流路の一方から他方へ反応に供される気体を透過させる気体透過膜を備えている、
   反応装置。
2. 前記触媒は、前記気体透過膜における気体透過側に積層されている、請求項１に記載の反応装置。
3. 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、前記燃料極から未反応の前記燃料ガス、及び第１の二酸化炭素ガスを含む燃料極オフガスが排出され、前記空気極から酸素を含む空気極オフガスが排出される燃料電池と、
   前記第１流路及び前記第２流路の一方が、前記触媒としての酸化触媒及び前記仕切り部材が設けられた反応路とされ、前記気体透過膜が酸素透過膜とされ、前記第１流路及び前記第２流路の他方が空気極オフガス通過路とされた請求項２に記載の反応装置と、
   前記反応路に前記燃料極オフガスを導入する第１導入路と、
   前記空気極オフガス通過路に前記空気極オフガスを導入する第２導入路と、
   を備え、
   前記反応路で、前記燃料極オフガス中の前記炭素化合物と、前記第１流路から前記酸素透過膜を透過した酸素との酸化反応により第２の二酸化炭素が生成される、燃料電池発電システム。
4. 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、前記燃料極から二酸化炭素ガスが排出され、前記空気極から酸素を含む空気極オフガスが排出される燃料電池と、
   水を電気分解して水素ガスと酸素ガスとを生成する水電解装置と、
   筒状を成し、外側の第１流路と隔壁を隔てて配置される内側の第２流路とを有し、前記第１流路に、流路内部を筒軸方向に向けて直線状に形成した流路に比較して該筒軸方向の一端から他端までの流路長が長くなるように筒軸の方向に向けて螺旋状とする仕切り部材が形成され、前記第１流路で前記水素ガスと前記酸素ガスとを反応させると共に、前記第２流路に前記二酸化炭素ガスと前記水素ガスとが供給される反応装置と、
   前記第２流路から前記二酸化炭素ガスと前記水素ガスとが供給され、前記二酸化炭素ガスから炭素が生成される炭素析出部と、
   を有する、燃料電池発電システム。

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