JP2012530010A - Ｌｎｇ運搬船の電気生産装置及び方法 - Google Patents

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ジン キム，ヒョン
ホ チェ，チョン
ソク チェ，ヨン
ゴン イ，ソン
ソン キム，ビョン
ソク キム，キ
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大宇造船海洋株式会社
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Abstract

【課題】ＬＮＧ運搬船の電気生産装置及び方法を提供する。
【解決手段】生産地で天然ガスが極低温に液化されたＬＮＧをＬＮＧ貯蔵タンクに貯蔵して運搬するＬＮＧ運搬船で必要な電気を生産する装置であり、前記ＬＮＧ貯蔵タンクで発生するボイルオフガスを改質反応させて合成ガスを生成する改質反応器と、前記改質反応器でボイルオフガスが改質反応されて生成された合成ガスを電気化学的に反応させて電気を生産する燃料電池と、を含むことを特徴とするＬＮＧ運搬船の電気生産装置が提供される。
【選択図】図４

Description

本発明はＬＮＧ運搬船の電気生産装置及び方法に関し、さらに詳しくは、生産地から極低温に液化された液化天然ガスをＬＮＧ貯蔵タンクに貯蔵して運搬するＬＮＧ運搬船で必要な電気を生産する装置及び方法に関する。
一般に、ＬＮＧ運搬船は生産地で天然ガスが極低温に液化された液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ：ＬＮＧ）をＬＮＧ貯蔵タンクに貯蔵して運搬する船舶である。
このようなＬＮＧ運搬船の推進装置としては蒸気を使用する蒸気タービン推進装置と、推進用ディーゼルエンジンを具備するディーゼルエンジン推進装置と、デュアルフューエルエンジン、発電機及び推進用電気モータを具備するデュアルフューエル電気推進装置などがある。蒸気タービン推進装置は推進効率が低い。したがって、最近ではＬＮＧ運搬船の推進装置として推進効率の高いディーゼルエンジン推進装置やデュアルフューエル電気推進装置が主に使用される。
ディーゼルエンジン推進装置を適用したＬＮＧ運搬船の場合は、船舶内電気設備、すなわち、電気を使用する船舶の基本電気設備及び貨物系統電気設備に電気を供給するために別途の発電用ディーゼルエンジンと発電機を設置して電気を生産している。
また、デュアルフューエル電気推進装置を適用したＬＮＧ運搬船の場合は、デュアルフューエルエンジンと発電機で電気を生産して、推進用電気モータに電気を供給するだけでなく船舶内電気設備にも電気を供給しているが、これに必要な電気を得るためにデュアルフューエルエンジンと発電機の数を所望する電気量に応じてさらに増加させて設置して稼動させている。
一方、船舶で必要な電気を生産する装置として環境に優しい燃料電池を採用する場合がある。燃料電池は燃料電池用燃料（例えば、水素を含む合成ガス又は水素）を電気化学的に反応させて電気を得るものである。従来は燃料電池用燃料が、例えば、水素の場合、船舶に水素タンクを設置し、この水素タンクに水素を貯蔵し、水素タンクから水素を燃料電池へ供給していた。しかし、このような水素タンクはその大きさに制限があるため貯蔵される水素の量が制限される短所がある。
したがって、従来の燃料電池を採用した船舶は、燃料電池用燃料の供給に限界があるため燃料電池も容量の少ないものしか使用できず短距離を運航する小型船舶のみに適用され、また、燃料電池による電気生産容量が少ないため燃料電池で生産された電気を船舶内電気設備で使用することは困難であった。特に、従来の燃料電池を採用した船舶で別途の発電用エンジンを備えることなく燃料電池で生産された電気のみで推進用電気モータを稼動させる場合、燃料電池による電気生産容量が少ないため推進用電気モータも出力の小さいものを使用するしかなく船舶の速度が遅い上、推進用電気モータが電力の大部分を消費してしまうため剰余電力が少なく燃料電池で生産された電気を船舶内電気設備で使用することはさらに困難であった。
したがって、本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためのものであり、ＬＮＧ運搬船のように長距離を運航する大型船舶で必要な電気を生産する装置として燃料電池を採用した場合に運航期間中に燃料電池に燃料電池用燃料を持続的に供給できるように構成された電気生産装置及び方法を提供することをその目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の一側面によれば、生産地で天然ガスが極低温に液化されたＬＮＧをＬＮＧ貯蔵タンクに貯蔵して運搬するＬＮＧ運搬船で必要な電気を生産する装置として、前記ＬＮＧ貯蔵タンクで発生するボイルオフガスを改質反応させて合成ガスを生成する改質反応器と、前記改質反応器でボイルオフガスが改質反応されて生成された合成ガスを電気化学的に反応させて電気を生産する燃料電池と、を含むことを特徴とするＬＮＧ運搬船の電気生産装置が提供される。
前記改質反応器は前記ボイルオフガスを蒸気と改質反応させて合成ガスを生成する蒸気改質反応器であるのが好ましい。
前記燃料電池で合成ガスを電気化学的に反応させる過程で付随して発生する蒸気を前記蒸気改質反応器に供給する蒸気供給ラインを含むことが好ましい。
前記蒸気改質反応器の後端にはボイルオフガスを改質反応させる過程で付随して発生する灰（ａｓｈ）を分離除去する分離器が設置されることが好ましい。
前記燃料電池に空気を圧縮して供給する圧縮機を含むことが好ましい。
前記燃料電池には前記燃料電池で生産された電気を貯蔵する電気貯蔵部が連結されることが好ましい。
前記改質反応器と前記分離器と前記燃料電池と前記圧縮機と前記電気貯蔵部とは一つの燃料電池モジュールとして形成されることが好ましい。
前記燃料電池は溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型燃料電池のうちいずれか一つであるのが好ましい。
前記燃料電池が固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池には前記固体酸化物型燃料電池で合成ガスを電気化学的に反応させる過程で発生する二酸化炭素を捕集する二酸化炭素捕集器及び前記二酸化炭素捕集器で捕集された二酸化炭素を貯蔵する二酸化炭素貯蔵タンクがさらに設置されることが好ましい。
前記燃料電池が高分子電解質型燃料電池である場合、前記分離器の後端には合成ガスの中の一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変換させて一酸化炭素を除去する水性ガス変換反応器がさらに設置されることが好ましい。
前記水性ガス変換反応器の後端には前記水性ガス変換反応器で一酸化炭素を除去する過程で発生する二酸化炭素を捕集する二酸化炭素捕集器及び前記二酸化炭素捕集器で捕集された二酸化炭素を貯蔵する二酸化炭素貯蔵タンクがさらに設置されることが好ましい。
前記改質反応器と前記分離器と前記燃料電池と前記二酸化炭素捕集器と前記二酸化炭素貯蔵タンクと前記圧縮機と前記電気貯蔵部とは一つの燃料電池モジュールとして形成されることが好ましい。
前記改質反応器と前記分離器と前記燃料電池と前記水性ガス変換反応器と前記二酸化炭素捕集器と前記二酸化炭素貯蔵タンクと前記圧縮機と前記電気貯蔵部とは一つの燃料電池モジュールとして形成されることが好ましい。
前記ＬＮＧ運搬船は推進装置を具備することが好ましい。
前記推進装置はデュアルフューエルエンジン、発電機及び推進用電気モータを具備するデュアルフューエル電気推進装置であり、前記発電機は船舶内電気設備及び前記推進用電気モータに連結され、前記燃料電池モジュールは前記発電機に並列に連結されることが好ましい。
前記推進装置は推進用ディーゼルエンジンを具備するディーゼルエンジン推進装置であり、前記燃料電池モジュールは船舶内電気設備に連結されることが好ましい。
前記推進用ディーゼルエンジンはＭＥＧＩエンジンであるのが好ましい。
前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池には前記燃料電池で発生する熱を回収する廃熱回収装置が付着、設置され、前記廃熱回収装置には蒸気タービンと凝縮器が連結され、前記蒸気タービンは前記電気貯蔵部に連結されることが好ましい。
前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池には前記燃料電池で発生する熱を回収する廃熱回収装置が付着、設置され、前記廃熱回収装置には船舶内蒸気使用先と凝縮器が連結されることが好ましい。
前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池には前記燃料電池から排出される高温の合成ガスが供給される燃焼機が連結され、前記燃焼機にはガスタービンが連結され、前記ガスタービンは電気貯蔵部に連結され、前記燃焼機と前記ガスタービンには前記圧縮機が連結されることが好ましい。
また、上記の目的を達成するための本発明の他の一側面によれば、生産地から天然ガスが極低温に液化されたＬＮＧをＬＮＧ貯蔵タンクに貯蔵して運搬するＬＮＧ運搬船で必要な電気を生産する方法として、合成ガスを電気化学的に反応させて電気を生産する燃料電池を前記ＬＮＧ運搬船に設置し、前記ＬＮＧ貯蔵タンクで発生するボイルオフガスを改質反応させて合成ガスを生成し、前記改質反応されて生成された合成ガスを前記燃料電池へ供給して前記燃料電池で電気化学的に反応させて電気を生産することを特徴とするＬＮＧ運搬船の電気生産方法が提供される。
前記ボイルオフガスを蒸気改質反応させて合成ガスを生成することが好ましい。
前記燃料電池で合成ガスを電気化学的に反応させる過程で発生する蒸気を前記蒸気改質反応に使用することが好ましい。
前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、合成ガスの中の一酸化炭素を水素とともに前記燃料電池へ供給することが好ましい。
前記燃料電池が高分子電解質型燃料電池である場合、合成ガスの中の一酸化炭素を除去して水素のみを前記燃料電池へ供給することが好ましい。
前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池で発生する熱を利用して蒸気を生成し、このように生成された蒸気を用いて蒸気タービンを回転させることによって電気を生産することが好ましい。
前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池で発生する熱を利用して蒸気を生成し、このように生成された蒸気を船舶内蒸気使用先に使用することが好ましい。
前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池から排出される高温の合成ガスを燃焼させて生成される高温、高圧のガスを利用してガスタービンを回転させることによって電気を生産することが好ましい。
前記ＬＮＧ運搬船は推進装置によって推進されることが好ましい。
前記推進装置はデュアルフューエルエンジン、発電機及び推進用電気モータを具備するデュアルフューエル電気推進装置であり、前記燃料電池で生産された電気は、前記発電機で生産された電気と合わせて、船舶内電気設備及び前記推進用電気モータへ供給されることが好ましい。
前記推進装置は推進用ディーゼルエンジンを具備するディーゼルエンジン推進装置であり、前記燃料電池で生産された電気は、船舶内電気設備へ供給されることが好ましい。
上述したように、本発明の実施形態によるＬＮＧ運搬船の電気生産装置によれば、ＬＮＧ運搬船で発生されるボイルオフガスを改質反応させて燃料電池用燃料を生成し、このように生成された燃料電池用燃料を燃料電池に持続的に供給できるので、ＬＮＧ運搬船のように長距離を運航する大型船舶で必要な電気を生産する装置として燃料電池を採用することができる。
本発明の実施形態によるＬＮＧ運搬船の概略図である。 本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを構成する要素をブロックで表示したブロック構成図である。 本発明の他の一実施形態による燃料電池モジュールを構成する要素をブロックで表示したブロック構成図である。 本発明のさらに他の一実施形態による燃料電池モジュールを構成する要素をブロックで表示したブロック構成図である。 本発明の実施形態による燃料電池で捨てられる廃熱を用いて発電効率を上げる装置を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による燃料電池で捨てられる廃熱を用いて生成された蒸気を船舶内蒸気使用先で使用可能にする装置を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による燃料電池から排出される高温の合成ガスを用いて発電効率を上げる装置を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるＬＮＧ運搬船の推進装置がデュアルフューエル電気推進装置である場合に船舶内での各構成要素の連結関係を概略的に示す図である。 本発明の実施形態によるＬＮＧ運搬船の推進装置がディーゼルエンジン推進装置である場合に船舶内での各構成要素の連結関係を概略的に示す図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態によるＬＮＧ運搬船の概略図である。図１に示すＬＮＧ運搬船１はＬＮＧ貯蔵タンク１０と燃料電池モジュール２０と燃料用ディーゼル貯蔵タンク３０と推進装置４０とプロペラ５０とを含む。
ＬＮＧ貯蔵タンク１０には天然ガスが極低温に液化された液化天然ガス（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ：ＬＮＧ）が貯蔵されるが、天然ガスの液化温度は常圧で−１６３℃の極低温であるので、ＬＮＧはその温度が常圧で−１６３℃より少しだけ高くても蒸発する。
ＬＮＧ貯蔵タンク１０の場合、断熱処理が行われているが、外部の熱がＬＮＧに持続的に伝わるので、ＬＮＧ運搬船によってＬＮＧを輸送する間にＬＮＧがＬＮＧ貯蔵タンク１０内で持続的に気化してＬＮＧ貯蔵タンク１０内にボイルオフガス（Ｂｏｉｌ−Ｏｆｆ Ｇａｓ）が発生する。
ＬＮＧ貯蔵タンク１０で発生するボイルオフガスは燃料電池モジュール２０と推進装置４０へ供給される。
図２は、本発明の一実施形態による燃料電池モジュールを構成する要素をブロックで表示したブロック構成図である。図２に示すように、本発明の一実施形態による燃料電池モジュール２０は蒸気改質反応器２１と分離器２２と燃料電池２３と圧縮機２７と電気貯蔵部２９とを含む。
ＬＮＧ貯蔵タンク１０で発生するボイルオフガスは蒸気改質反応器２１へ供給される。本発明の実施形態では改質反応器としてボイルオフガスを蒸気と改質反応させて合成ガスを生成する蒸気改質反応器を例示したが、蒸気改質反応器の他にもボイルオフガスを蒸気及び酸素と自己熱改質反応させて合成ガスを生成する自己熱改質反応器、ボイルオフガスを二酸化炭素と改質反応させて合成ガスを生成する二酸化炭素改質反応器、ボイルオフガスを酸素と部分酸化改質反応させて合成ガスを生成する部分酸化改質反応器、ボイルオフガスを蒸気及び二酸化炭素と改質反応させて合成ガスを生成する蒸気及び二酸化炭素改質反応器などでも可能であることが分かるはずである。
蒸気改質反応器２１でボイルオフガスを蒸気改質反応させて合成ガスを生成する過程を表す反応式は次のとおりである。ボイルオフガスはＬＮＧが蒸発された天然ガス（ＣＨ４）である。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ

ここで、蒸気改質反応はニッケル（Ｎｉ）などの触媒によって触発される。蒸気改質反応器２１では合成ガスである水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）が生成され、このようにボイルオフガスを改質反応させる過程でその他の物質が付随して発生する。本明細書では水素と一酸化炭素のみを合成ガスということにする。その他の物質には灰（ａｓｈ）と、ボイルオフガスを改質反応させる過程でボイルオフガスに含まれた硫黄（Ｓ）成分が変換されて発生する硫化水素（Ｈ２Ｓ）が含まれている。
蒸気改質反応器２１でボイルオフガスが改質反応されて生成された合成ガスは燃料電池用燃料として燃料電池２３に供給され、燃料電池２３は蒸気改質反応器２１から供給された燃料電池用燃料である合成ガスを電気化学的に反応させて電気を生産する。
蒸気改質反応器２１の後端には分離器２２が設置されている。分離器２２は蒸気改質反応器２１でボイルオフガスを改質反応させる過程で付随して発生するその他の物質のうち灰を分離除去する。
燃料電池２３は分離器２２の後端に設置されている。
圧縮機２７は燃料電池２３へ空気を圧縮して供給する。
電気貯蔵部２９は燃料電池２３に連結されて燃料電池２３で生産された電気を貯蔵する。
蒸気改質反応器２１と分離器２２と燃料電池２３と圧縮機２７と電気貯蔵部２９とは一つの燃料電池モジュール２０として形成される。
また、このような蒸気改質反応器、分離器、圧縮機、燃料電池及び電気貯蔵部は公知の技術であるので本明細書ではその構成に対する詳しい説明を省略する。
一方、燃料電池２３は溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ： ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）、高分子電解質型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ／Ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）のうちいずれか一つであるのが好ましい。
燃料電池２３が溶融炭酸塩型燃料電池である場合、合成ガスから一酸化炭素を除去することなく一酸化炭素を水素とともに燃料電池２３へ供給する。溶融炭酸塩型燃料電池で合成ガスである水素と一酸化炭素を電気化学的に反応させて電気を生産する過程を表す反応式は次のとおりである。
燃料極：Ｈ２＋ＣＯ３ −２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ−
ＣＯ＋ＣＯ３ −２→２ＣＯ２＋２ｅ−
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
空気極：０．５Ｏ２＋ＣＯ２＋２ｅ−→ＣＯ３ −２
燃料電池の全体反応：Ｈ２＋０．５Ｏ２＋ＣＯ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２

ここで、水素とともに燃料電池２３へ供給される一酸化炭素は、燃料極で水と反応して水素を生産する反応に使用される。この時発生した二酸化炭素（ＣＯ２）は空気極へ送られ空気極で三酸化炭素（ＣＯ３ −２）を生成する反応に使用される。すなわち、燃料電池２３が溶融炭酸塩型燃料電池である場合には、電気を生産する過程で発生する二酸化炭素が外部へ排出されることなく燃料電池の内部で循環される。
また、燃料電池２３が固体酸化物型燃料電池である場合、合成ガスから一酸化炭素を除去することなく一酸化炭素を水素とともに燃料電池２３へ供給する。固体酸化物型燃料電池で合成ガスである水素と一酸化炭素を電気化学的に反応させて電気を生産する過程を表す反応式は次のとおりである。
燃料極：Ｈ２＋Ｏ−２→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−
ＣＯ＋Ｏ−２→ＣＯ２＋２ｅ−
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２
空気極：０．５Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ−２
燃料電池の全体反応：Ｈ２＋０．５Ｏ２→Ｈ２Ｏ

ここで、水素とともに燃料電池２３へ供給される一酸化炭素は、燃料極で水と反応して水素を生産する反応に使用される。この時発生した二酸化炭素（ＣＯ２）は別途の装置によって処理されなければならない。
このように燃料電池２３が固体酸化物型燃料電池である場合に、燃料電池で合成ガスを電気化学的に反応させる過程で発生する二酸化炭素を処理するために、図３に示すように、燃料電池２３には二酸化炭素を捕集する二酸化炭素捕集器２５が設置されており、二酸化炭素捕集器２５には二酸化炭素捕集器２５で捕集された二酸化炭素（ＣＯ２）を貯蔵する二酸化炭素貯蔵タンク２６が連結されている。図３は、本発明の他の一実施形態による燃料電池モジュールを構成する要素をブロックで表示したブロック構成図である。図３に示す実施形態の燃料電池モジュール２０'で図２の実施形態の燃料電池モジュール２０と同じ構成要素に対しては同じ符号を使用することにする。
本発明の他の一実施形態による燃料電池モジュールによれば、燃料電池２３が固体酸化物型燃料電池である場合、燃料電池モジュール２０’に二酸化炭素捕集器２５と二酸化炭素貯蔵タンク２６が設置されているので、燃料電池で合成ガスを電気化学的に反応させる過程で発生する二酸化炭素を大気中へ排出しないので二酸化炭素の排出による環境汚染の問題を解決することができる。
また、燃料電池２３が固体酸化物型燃料電池である場合、図３に示すように、蒸気改質反応器２１と分離器２２と燃料電池２３と二酸化炭素捕集器２５と二酸化炭素貯蔵タンク２６と圧縮機２７と電気貯蔵部２９とは他の一つの燃料電池モジュール２０’として形成される。
また、燃料電池２３が高分子電解質型燃料電池である場合、合成ガスの中の一酸化炭素を除去して水素のみを燃料電池２３へ供給する。高分子電解質型燃料電池から水素を電気化学的に反応させて電気を生産する過程を表す反応式は次のとおりである。
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極：０．５Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池の全体反応：Ｈ２＋０．５Ｏ２→Ｈ２Ｏ

ここで、合成ガスの中の一酸化炭素を除去するために、図４に示すように、分離器２２の後端には合成ガスの中の一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変換させて一酸化炭素を除去する水性ガス変換反応器２４がさらに設置される。図４は、本発明のさらに他の一実施形態による燃料電池モジュールを構成する要素をブロックで表示したブロック構成図である。図４に示す実施形態の燃料電池モジュール２０”で図２の実施形態の燃料電池モジュール２０と同じ構成要素に対しては同じ符号を使用することにする。
また、水性ガス変換反応器２４では、ボイルオフガスを改質反応させる過程でボイルオフガスに含まれた硫黄（Ｓ）成分が変換されて発生する硫化水素（Ｈ２Ｓ）を水と反応させて硫酸（Ｈ２ＳＯ４）に変換させて硫化水素（Ｈ２Ｓ）を除去する。液体形態の硫酸（Ｈ２ＳＯ４）は水性ガス変換反応器２４へ排出されて別途の貯蔵容器（図示せず）に貯蔵される。
＊合成ガスの中の一酸化炭素と硫化水素を水性ガス変換反応器２４で二酸化炭素と硫酸へ変換させる過程を表す反応式は次のとおりである。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
Ｈ２Ｓ＋４Ｈ２Ｏ→Ｈ２ＳＯ４＋４Ｈ２
水性ガス変換反応器２４で発生された水素（Ｈ２）は燃料電池用燃料として燃料電池２３に供給される。
水性ガス変換反応器２４の後端には二酸化炭素捕集器２５が設置されている。二酸化炭素捕集器２５は水性ガス変換反応器２４で発生する二酸化炭素（ＣＯ２）を捕集する。
二酸化炭素捕集器２５には二酸化炭素捕集器２５で捕集された二酸化炭素（ＣＯ２）を貯蔵する二酸化炭素貯蔵タンク２６が連結されている。本発明のさらに他の一実施形態による燃料電池モジュールによれば、燃料電池２３が高分子電解質型燃料電池である場合、燃料電池モジュール２０”に二酸化炭素捕集器２５と二酸化炭素貯蔵タンク２６が設置されているので、燃料電池２３へ供給される合成ガスの中に含まれた一酸化炭素を除去する過程で発生する二酸化炭素を大気中へ排出しないので二酸化炭素排出による環境汚染の問題を解決することができる。
水性ガス変換反応器２４で発生された水素（Ｈ２）は燃料電池用燃料として燃料電池２３に供給される。
また、燃料電池２３が高分子電解質型燃料電池である場合、図４に示すように、蒸気改質反応器２１と分離器２２と燃料電池２３と水性ガス変換反応器２４と二酸化炭素捕集器２５と二酸化炭素貯蔵タンク２６と圧縮機２７と電気貯蔵部２９とはさらに他の一つの燃料電池モジュール２０”として形成される。
このような水性ガス変換反応器及び二酸化炭素捕集器は公知の技術であるので本明細書ではその構成に対する詳しい説明を省略する。
一方、燃料電池２３で合成ガスを電気化学的に反応させる過程で蒸気（Ｈ２Ｏ）が付随して発生し、この蒸気は蒸気供給ラインＬ２３を通して蒸気改質反応器２１に供給されて蒸気改質反応器２１でボイルオフガスを改質反応させるために使用される。
そして、溶融炭酸塩型燃料電池は作動温度が６５０℃で、固体酸化物型燃料電池は作動温度が６５０−１．０００℃であるので、燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、燃料電池では相当高温の熱が発生する。しかし、このような燃料電池で発生する高温の熱は一般に捨てられる。
したがって、本発明では、燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、燃料電池から捨てられる廃熱を用いて発電効率を上げる方法を提案する。
図５は、燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、燃料電池から捨てられる廃熱を用いて発電効率を上げる装置を概略的に示す図である。図５に示すように、燃料電池２３には燃料電池２３で発生する熱を回収する廃熱回収装置３０が付着、設置される。廃熱回収装置３０は熱交換器であるのが好ましい。廃熱回収装置３０には蒸気タービン３１と凝縮器３３が連結されており、蒸気タービン３１は電気貯蔵部２９に連結されている。
廃熱回収装置３０は燃料電池２３で発生する熱を利用して水を高温、高圧の蒸気に変換させる。
廃熱回収装置３０で生成された高温、高圧の蒸気は蒸気タービン３１へ送られて蒸気タービン３１を回転させて電気を生産する。蒸気タービン３１で生産された電気は電気貯蔵部２９に貯蔵される。
蒸気タービン３１を回転させた後の蒸気は凝縮器３３へ送られて凝縮された後廃熱回収装置３０へ送られる。
また、廃熱回収装置３０で生成された高温、高圧の蒸気は船舶内蒸気使用先で使用されることもできる。図６に示す装置は、廃熱回収装置３０で発生した蒸気が船舶内蒸気使用先３２へ送られるように構成されたものである。したがって、廃熱回収装置３０には船舶内蒸気使用先３２と凝縮器３３が連結される。船舶内蒸気使用先３２で使われた後の蒸気は凝縮器３３へ送られて凝縮された後再び廃熱回収装置３０へ送られる。
また、燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、燃料電池へ供給された合成ガスの中の一部は燃料電池で電気化学的に反応することなく高温の状態で排出されるが、このように燃料電池から排出される高温の合成ガスを利用して発電効率を上げることもできる。
図７は、燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、燃料電池から排出される高温の合成ガスを利用して発電効率を上げる装置を概略的に示す図である。図７に示すように、燃料電池２３には燃料電池２３から排出される高温の合成ガスが供給される燃焼機８０が連結される。燃焼機８０にはガスタービン８１が連結されており、ガスタービン８１は電気貯蔵部２９に連結されている。また、燃焼機８０とガスタービン８１には圧縮機２７が連結されているので、圧縮機２７から燃焼機８０とガスタービン８１へ高圧の空気が供給される。
燃焼機８０は燃料電池２３から排出される高温の合成ガスを高圧の空気と燃焼させて高温、高圧のガスへ変換させる。
燃焼機８０で生成された高温、高圧のガスはガスタービン８１へ送られてガスタービン８１を回転させて電気を生産する。ガスタービン８１で生産された電気は電気貯蔵部２９に貯蔵される。
ガスタービン８１を回転させた後のガスは外部へ排出される。
図８は、本発明の実施形態によるＬＮＧ運搬船の推進装置がデュアルフューエル電気推進装置である場合に船舶内での各構成要素の連結関係を概略的に示す図である。
ＬＮＧ運搬船でデュアルフューエル電気推進装置はデュアルフューエルエンジン４１、発電機４３、交流／交流コンバータ４５、変圧器４７及び推進用電気モータ４９を具備する。推進用電気モータ４９はクラッチ４８を介してプロペラ５０を駆動させる。
発電機４３は船舶内電気設備、すなわち、船舶の基本電気設備及び貨物系統電気設備と推進用電気モータ４９に連結されている。図８でデュアルフューエルエンジン４１と発電機４３はそれぞれ二つずつ設置されたものを例示しており、燃料電池モジュール２０は一つが設置された場合を例示しており、燃料電池モジュール２０は発電機４３に並列に連結されている。したがって、燃料電池モジュール２０で生産された電気は、発電機４３で生産された電気と合わせて、船舶内電気設備、すなわち、船舶の基本電気設備及び貨物系統電気設備と推進用電気モータ４９へ供給される。燃料電池モジュール２０と発電機４３にはバッテリ６０が並列に設置されており、燃料電池モジュール２０とバッテリ６０の後端にはそれぞれ直流／交流コンバータ７０が配置されている。例えば、船舶が入出港する時は動力消耗が少なく、また港近くでは排気ガスの排出をなるべく減らさなければならないので、電気生産容量が相対的に大きく排気ガスの排出の多いデュアルフューエルエンジン４１は稼動させず電気生産容量が相対的に少なく環境に優しい燃料電池モジュール２０のみを稼動させて燃料電池モジュール２０で生産された電気とバッテリ６０に充電された電気だけで推進用電気モータ４９と船舶内電気設備を作動させる。一方、船舶が正常な航海を行っている時は動力消耗が多く、また排気ガスの排出量も比較的に自由であるのでデュアルフューエルエンジン４１と燃料電池モジュール２０をすべて稼動させてデュアルフューエルエンジン４１と燃料電池モジュール２０で生産された電気で推進用電気モータ４９と船舶内電気設備を作動させ、この時、デュアルフューエルエンジン４１と燃料電池モジュール２０で生産された電気はバッテリ６０を共に充電させる。
推進装置がデュアルフューエル電気推進装置であるＬＮＧ運搬船の場合、従来はデュアルフューエルエンジン４１と発電機４３をそれぞれ３つずつ設置していたが、本発明ではデュアルフューエルエンジン４１と発電機４３をそれぞれ１つずつ減らし一つの燃料電池モジュール２０に取り替えた。
図９は、本発明の実施形態によるＬＮＧ運搬船の推進装置がディーゼルエンジン推進装置である場合に船舶内での各構成要素の連結関係を概略的に示す図である。
ＬＮＧ運搬船でディーゼルエンジン推進装置はディーゼルエンジン４２を具備する。ディーゼルエンジン４２はクラッチ４８を通してプロペラ５０を駆動させる。
図９で燃料電池モジュール２０は二つが設置された場合を例示しており、燃料電池モジュール２０は船舶内電気設備、すなわち、船舶の基本電気設備及び貨物系統電気設備に連結されている。したがって、燃料電池モジュール２０で生産された電気は、船舶内電気設備、すなわち、船舶の基本電気設備及び貨物系統電気設備へ供給される。燃料電池モジュール２０の後端には直流／交流コンバータ７０が配置されている。
推進装置がディーゼルエンジン推進装置であるＬＮＧ運搬船の場合、従来は発電用ディーゼルエンジンと発電機をそれぞれ二つずつ設置していたが、本発明では発電用ディーゼルエンジンと発電機を一切設置せず二つの燃料電池モジュール２０に取り替えた。
ここで、推進用ディーゼルエンジンとしてはＭａｎ Ｂ＆Ｗ Ｄｉｅｓｅｌ社が製作した高圧ガス噴射エンジンであるＭＥＧＩ（Ｍａｎ Ｂ＆Ｗ Ｅｎｇｉｎｅ Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）エンジンであるのが好ましい。
本発明の実施形態によるＬＮＧ運搬船の電気生産装置によれば、ＬＮＧ運搬船で発生するボイルオフガスを改質反応させて燃料電池用燃料を生成し、このように生成された燃料電池用燃料を燃料電池に持続的に供給できるので、ＬＮＧ運搬船のように長距離を運航する大型船舶で必要な電気を生産する装置として燃料電池を採用できる。
以上の実施形態では、ＬＮＧ運搬船がデュアルフューエルエンジン又は推進用ディーゼルエンジンなどの燃料燃焼エンジンを具備しながら、ＬＮＧ運搬船で発生するボイルオフガスを改質反応させて生成された燃料電池用燃料を燃料電池に持続的に供給できるように構成された燃料電池モジュールを具備した場合を例示したが、ＬＮＧ運搬船がデュアルフューエルエンジン又はディーゼルエンジンなどの別途の燃料燃焼エンジンを具備することなく燃料電池モジュールのみを具備して燃料電池モジュールで生産された電気のみで推進用電気モータを作動させて船舶を推進させるとともに船舶内電気設備を作動させることもできることがわかるはずである。
以上、本発明を特定の実施形態を中心に説明したが、本発明の趣旨及び添付された特許請求の範囲内での様々な変形、変更又は修正が、本発明の属する技術分野ではあり得る。したがって、上述した説明及び図面は本発明の技術思想を限定するものでなく、本発明を例示するものとして解釈されるべきである。

Claims (31)

  1. 生産地で天然ガスが極低温に液化されたＬＮＧをＬＮＧ貯蔵タンクに貯蔵して運搬するＬＮＧ運搬船で必要な電気を生産する装置であり、
    前記ＬＮＧ貯蔵タンクで発生するボイルオフガスを改質反応させて合成ガスを生成する改質反応器と、
    前記改質反応器でボイルオフガスが改質反応されて生成された合成ガスを電気化学的に反応させて電気を生産する燃料電池と、を含むことを特徴とするＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  2. 前記改質反応器は前記ボイルオフガスを蒸気と改質反応させて合成ガスを生成する蒸気改質反応器であることを特徴とする請求項１に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  3. 前記燃料電池で合成ガスを電気化学的に反応させる過程で付随して発生する蒸気を前記蒸気改質反応器に供給する蒸気供給ラインを含むことを特徴とする請求項２に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  4. 前記蒸気改質反応器の後端にはボイルオフガスを改質反応させる過程で付随して発生する灰（ａｓｈ）を分離除去する分離器が設置されることを特徴とする請求項２に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  5. 前記燃料電池に空気を圧縮して供給する圧縮機を含むことを特徴とする請求項４に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  6. 前記燃料電池には前記燃料電池で生産された電気を貯蔵する電気貯蔵部が連結されることを特徴とする請求項５に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  7. 前記改質反応器と前記分離器と前記燃料電池と前記圧縮機と前記電気貯蔵部とは一つの燃料電池モジュールとして形成されることを特徴とする請求項６に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  8. 前記燃料電池は溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型燃料電池のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項７に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  9. 前記燃料電池が固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池には前記固体酸化物型燃料電池で合成ガスを電気化学的に反応させる過程で発生する二酸化炭素を捕集する二酸化炭素捕集器及び前記二酸化炭素捕集器で捕集された二酸化炭素を貯蔵する二酸化炭素貯蔵タンクがさらに設置されることを特徴とする請求項８に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  10. 前記燃料電池が高分子電解質型燃料電池である場合、前記分離器の後端には合成ガスの中の一酸化炭素を水と反応させて二酸化炭素に変換させて一酸化炭素を除去する水性ガス変換反応器がさらに設置されることを特徴とする請求項８に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  11. 前記水性ガス変換反応器の後端には前記水性ガス変換反応器で一酸化炭素を除去する過程で発生する二酸化炭素を捕集する二酸化炭素捕集器及び前記二酸化炭素捕集器で捕集された二酸化炭素を貯蔵する二酸化炭素貯蔵タンクがさらに設置されることを特徴とする請求項１０に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  12. 前記改質反応器と前記分離器と前記燃料電池と前記二酸化炭素捕集器と前記二酸化炭素貯蔵タンクと前記圧縮機と前記電気貯蔵部とは一つの燃料電池モジュールとして形成されることを特徴とする請求項９に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  13. 前記改質反応器と前記分離器と前記燃料電池と前記水性ガス変換反応器と前記二酸化炭素捕集器と前記二酸化炭素貯蔵タンクと前記圧縮機と前記電気貯蔵部とは一つの燃料電池モジュールとして形成されることを特徴とする請求項１１に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  14. 前記ＬＮＧ運搬船は推進装置を具備することを特徴とする請求項７、１２、及び１３のうちいずれか一つに記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  15. 前記推進装置はデュアルフューエルエンジン、発電機及び推進用電気モータを具備するデュアルフューエル電気推進装置であり、
    前記発電機は船舶内電気設備及び前記推進用電気モータに連結され、
    前記燃料電池モジュールは前記発電機に並列に連結されることを特徴とする請求項１４に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  16. 前記推進装置は推進用ディーゼルエンジンを具備するディーゼルエンジン推進装置であり、
    前記燃料電池モジュールは船舶内電気設備に連結されることを特徴とする請求項１４に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  17. 前記推進用ディーゼルエンジンはＭＥＧＩエンジンであることを特徴とする請求項１６に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  18. 前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池には前記燃料電池で発生する熱を回収する廃熱回収装置が付着、設置され、前記廃熱回収装置には蒸気タービンと凝縮器が連結され、前記蒸気タービンは前記電気貯蔵部に連結されることを特徴とする請求項８に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  19. 前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池には前記燃料電池で発生する熱を回収する廃熱回収装置が付着、設置され、前記廃熱回収装置には船舶内蒸気使用先と凝縮器が連結されることを特徴とする請求項８に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  20. 前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池には前記燃料電池から排出される高温の合成ガスが供給される燃焼機が連結され、前記燃焼機にはガスタービンが連結され、前記ガスタービンは電気貯蔵部に連結され、前記燃焼機と前記ガスタービンには前記圧縮機が連結されることを特徴とする請求項８に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産装置。
  21. 生産地で天然ガスが極低温に液化されたＬＮＧをＬＮＧ貯蔵タンクに貯蔵して運搬するＬＮＧ運搬船で必要な電気を生産する方法であり、
    合成ガスを電気化学的に反応させて電気を生産する燃料電池を前記ＬＮＧ運搬船に設置し、
    前記ＬＮＧ貯蔵タンクで発生するボイルオフガスを改質反応させて合成ガスを生成し、
    前記改質反応されて生成された合成ガスを前記燃料電池へ供給して前記燃料電池で電気化学的に反応させて電気を生産することを特徴とするＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  22. 前記ボイルオフガスを蒸気改質反応させて合成ガスを生成することを特徴とする請求項２１に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  23. 前記燃料電池で合成ガスを電気化学的に反応させる過程で発生する蒸気を前記蒸気改質反応に使用することを特徴とする請求項２２に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  24. 前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、合成ガスの中の一酸化炭素を水素とともに前記燃料電池へ供給することを特徴とする請求項２１に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  25. 前記燃料電池が高分子電解質型燃料電池である場合、合成ガスの中の一酸化炭素を除去して水素のみを前記燃料電池へ供給することを特徴とする請求項２１に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  26. 前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池で発生する熱を利用して蒸気を生成し、このように生成された蒸気を用いて蒸気タービンを回転させることによって電気を生産することを特徴とする請求項２１に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  27. 前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池で発生する熱を利用して蒸気を生成し、このように生成された蒸気を船舶内蒸気使用先に使用することを特徴とする請求項２１に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  28. 前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池又は固体酸化物型燃料電池である場合、前記燃料電池から排出される高温の合成ガスを燃焼させて生成される高温、高圧のガスを利用してガスタービンを回転させることによって電気を生産することを特徴とする請求項２１に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  29. 前記ＬＮＧ運搬船は推進装置によって推進されることを特徴とする請求項２１に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  30. 前記推進装置はデュアルフューエルエンジン、発電機及び推進用電気モータを具備するデュアルフューエル電気推進装置であり、
    前記燃料電池で生産された電気は、前記発電機で生産された電気と合わせて、船舶内電気設備及び前記推進用電気モータへ供給されることを特徴とする請求項２９に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
  31. 前記推進装置は推進用ディーゼルエンジンを具備するディーゼルエンジン推進装置であり、
    前記燃料電池で生産された電気は、船舶内電気設備へ供給されることを特徴とする請求項２９に記載のＬＮＧ運搬船の電気生産方法。
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