JP2017137212A - 発電装置および発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エクセルギーΔＧを可能限り電気エネルギーに変換し、発電効率が高く、原料に含まれる炭素分の水素への変換率が高く、且つタール分による燃料電池の損傷の無い水素併産発電システムの提供。【解決手段】炭素及び／又は炭化水素を含む原料Ｇを熱分解して固形物とガス分に分ける熱分解炉１６と、固形物を燃料電池６が設置された流動層ガス炉１２内において、燃料電池６の発電時の熱を利用してガス化する一方、流動層ガス炉１２で未処理の炭素分を送出管９により燃焼炉１２に導きガス化して熱分解炉１５へ循環させ、熱分解炉６及び流動層ガス炉１２で生成されたガスをタール分離装置２１においてタール分を除去してシフト反応器２３において一酸化炭素を水素に変換し、生成ガスから二酸化炭素、水蒸気を分離した水素ガスをタンク２７に貯留し、一部を燃料電池６に供給する水素併産発電装置。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素系燃料を原料とするガス化炉と燃料電池とを組み合わせた発電装置に関し、詳しくは高効率の発電装置および発電方法に関する。

近年、環境への配慮から、自動車または電車などの車両用の動力源または発電設備として、燃料電池を用いることが提案されている（例えば、特許文献１）。燃料電池は、外部から水素および酸素を、それぞれ、負極および正極に供給して、反応させることにより継続的に電力を取り出すことができる発電装置である。一方、一次電池および二次電池は、還元剤と酸化剤が電池内の電極に充填されているので、電気容量に限界がある。これに対して、燃料電池は、還元剤と酸化剤を外部から供給するので、電気容量に制限がなく、発電を継続的に行うことが可能な点で大きな特徴を有している。

燃料電池は、その発電過程において燃焼過程が存在しないことを特徴としており、水素と酸素が反応して水を生成するので、環境への負荷が小さい発電装置と言われている。

特許文献２には、流動層ガス炉と燃料電池とを備えた燃料電池複合サイクル発電システムが開示されている。すなわち、流動層ガス炉へ供給される燃料は高温の温度域で熱分解を受け、一酸化炭素と燃料電池発電のための有効ガス成分である水素を含んだガスを生成する。この場合、燃料投入時の温度から高温の温度域への昇温は、燃料を部分燃焼させることにより行われる。流動層ガス炉から出た生成ガスは集塵装置で灰分等が除去され、反応器において水素ガスが生成され、燃料電池へと送られ発電する。

また特許文献３には、炭素を含む原料をガス化する流動層ガス炉と、流動層ガス炉内に設置された燃料電池と、流動層ガス炉でガス化された生成ガスから水素を生成するシフト反応器を有し、燃料電池はシフト反応器にて生成された水素を用いて発電するガス化設備が開示されている。

また特許文献４には、石炭ガス化炉で生成されたガス化ガスが、シフト反応器において水素ガスに改質されて、燃料電池に供給して発電するとともに、ガスタービンに供給されて発電する技術が開示されている。

特開２００６−０９２９２０号公報 国際公開第２０００／０２７９５１号公報 国際公開第２０１３／００５６９９号公報 特開２００８−２９１０８１号公報

燃料電池は耐環境性能に優れるが、燃料電池から発電の際に発生する熱は動力として回収されず、必ずしも有効に利用されているとはいえない。

特許文献３に開示の発電装置によれば、燃料電池が流動層ガス炉内に設置されているので、燃料電池から発電の際に発生する熱は有効に利用されているが、原料に含まれる炭素分が十分に利用されているとは言えず、水素への変換率が十分とは言えない。すなわち、シフト反応器から排出されるガス等には炭素もしくは炭化水素が含まれており、炭素が有効に変換・回収されていない。

また、特許文献４に開示のガス化設備によれば、シフト反応器で生成された水素ガスが燃料電池に供給されるところ、シフト反応器から排出されるガス中にはタール分が残留しており、このタール分は燃料電池の動作に悪影響を与えるばかりでなく、燃料電池を損傷するおそれがある。
更に、炭素もしくは炭化水素にタールが付着していると、シフト反応が進みにくいという問題もある。

本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、エクセルギーΔＧを可能な限り電気エネルギーに変換することで、発電効率の高い発電装置を提供することにある。また、原料に含まれる炭素分の水素への変換率を上げることにより、資源の有効利用を図ることにある。更には、タール分により、燃料電池の動作が妨げられたり燃料電池が損傷することがないようにすることにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係る発電装置は、炭素および／または炭化水素を含む原料を加熱して熱分解して、熱分解ガスと第１固形物を排出する熱分解炉と、前記第１固形物を熱分解して第１生成ガスを生成する流動層ガス炉と、前記流動層ガス炉からの第２固形物を加熱して第２生成ガスを生成する燃焼炉と、前記熱分解ガスと前記第１生成ガスから水素を生成するシフト反応器と、前記シフト反応器で生成された水素を用いて発電する燃料電池を有する発電装置であって、前記燃料電池が前記流動層ガス炉内に設置されている。

この構成において、熱分解炉に供給される原料として、炭素、炭化水素、または炭素と炭化水素の混合物およびバイオマスおよび家畜の糞尿等が考えられる。原料は炭素源であって、還元材でもある。原料は好ましくはホッパー等から熱分解炉内に投入される。そして、熱分解炉からは気体である熱分解ガスと固体である第１固形物が排出される。熱分解ガスからシフト反応器で水素が生成される。第１固形物は流動層ガス炉に供給されて第１生成ガスを生成する。

本発明に係る発電装置は、前記第２生成ガスが前記熱分解炉に供給されることが好ましい。この構成によれば、燃焼炉と熱分解炉とで炭素が熱分解を受けるので、炭素の水素への変換効率が向上する。

本発明に係る発電装置は、前記熱分解ガスおよび前記第１生成ガスに含まれるタール分を分解するタール分解装置が前記シフト反応器の上流側に設置されていることが好ましい。
この構成によれば、燃料電池に供給される水素にはタール分が除去されるので、燃料電池の動作が妨げられ、損傷を受けることがない。

本発明に係る発電装置は、前記燃焼炉と前記流動層ガス炉の間にマテリアルシールが設けられていて、前記燃焼炉に供給される空気および水蒸気が前記流動層ガス炉に流れないようになっている。この構成によれば、燃焼炉に供給される空気等は流動層ガス炉に逆流することがない。

本発明に係る発電装置は、前記流動層ガス炉には、流動層が配備されていて、更に、前記流動層の下部には分散板が配備されていて、前記燃料電池が前記流動層内であって前記分散板の上方に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、流動層には流動媒体が充填されていて、流動媒体は分散板により保持されている。これにより、流動層ガス炉の構成要素である流動層に燃料電池が配置される。流動層には，適当な大きさの砂などからなる固体粒子が流動媒体としてその内部に配備されている。流動層の下部から気体を吹き込むことにより、流動媒体をある高さまで浮遊させ、激しく動き回る状態にする。

本発明に係る発電装置は、前記流動層ガス炉において、前記第１固形物を熱分解するのに必要な熱を前記燃料電池の発電により生じた熱を用いることが好ましい。

この構成によれば、燃料電池が流動層内に設置されているので、燃料電池が反応（発電）に際して生成する熱は無駄なく直接流動媒体を介して流動層に伝達され、効果的に流動層ガス炉内の第１固形物のガス化に必要な熱を供給する。

本発明の特徴とするところは、第１固形物のガス化に必要な熱は、第１固形物の燃焼による熱を用いるのではなく、燃料電池の反応（発電）により生じた熱を用いる。

本発明に係る発電装置は、前記燃料電池の発電の際に生じた蒸気が、前記分散板の上流に配備したウインドボックスに供給される。この構成によれば、流動層ガス炉の底部にウインドボックスがあり、ウインドボックスから流動媒体の流動化に必要な蒸気を流動層に吹き込む。また、流動層の浮遊懸濁のための気体として、水蒸気を用い、空気を用いないことを特徴とする。

一般の流動層ガス炉においては、炉の底部にあるウインドボックスから空気を吹き込むことにより、高温の砂などの流動媒体を層内で熱風により流動化させ、その中で原料等を熱分解することによりガス化を行っている。空気を送風機等で流動層内に送り込めば、空気に含まれる酸素により原料が燃焼する。発電に燃焼過程が関与すれば、エクセルギー損失が発生して、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨの低下を招く。また流動化に空気を使えば、窒素も加熱することとなる。しかし、本発明に係る発電装置における流動層ガス炉において、流動化は、燃料電池の反応（発電）により生じた蒸気を用いている。流動化のために空気を外部から取り入れることは行っていないので、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨの値の低下を防ぐことができる。この結果、発電効率は理論効率であるエクセルギー率ΔＧ／ΔＨになる。ここで燃焼とは、部分燃焼を含む広い燃焼過程を意味する
高圧の蒸気を用いることにより、流動層ガス炉およびその下流の圧力を高く維持することが可能となる。

本発明に係る発電装置は、前記シフト反応器からの水素が前記燃料電池に供給されることが好ましい。

シフト反応器は、水蒸気の熱を利用して、前記生成ガスから水素を生成する。ここに、シフト反応器は生成ガスを改質して、燃料電池に供給する水素を生成する。ここに改質とは生成ガス中の一酸化炭素から水素を作り出すことであり、通常は水蒸気を熱源として供給され、触媒の助けを借りてシフト反応が進む。

この構成によれば、燃料電池は発電に際して高温度の水蒸気を発生する。この水蒸気をガス化反応およびシフト反応に利用することにより、燃料電池の発生する熱を無駄にすることなく、有効に利用することができる。ここに、シフト反応は（１）式で表される。一方、ガス化反応は（２）式で表される。
ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂＋Ｈ₂ （１）
Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂＋２Ｈ₂ （２）

本発明に係る水素併産発電システムは、炭素および／または炭化水素を含む原料を加熱して熱分解して、熱分解ガスと第１固形物を排出する熱分解炉と、前記第１固形物を熱分解して第１生成ガスを生成する流動層ガス炉と、前記流動層ガス炉からの第２固形物を加熱して第２生成ガスを生成する燃焼炉と、前記熱分解ガスと前記第１生成ガスから水素を生成するシフト反応器と、前記流動層ガス炉内に設置された燃料電池と、を有する水素併産発電システムであって、前記水素の一部を前記燃料電池に供給して発電する。

本発明に係る発電方法は、炭素および／または炭化水素を含む原料と第２生成ガスとを加熱して、熱分解ガスと第１固形物を排出する原料熱分解ステップと、前記第１固形物を熱分解して第１生成ガスを生成する流動層ガス化ステップと、前記流動層ガス炉からの第２固形物を燃焼炉に導き加熱して第２生成ガスを生成する加熱燃焼ステップと、前記第１生成ガスと前記熱分解ガスを加熱してタール分を分離除去するタール分除去ステップと、タール分解ステップから排出されたガスをシフト反応により水素を生成するシフト反応ステップと、前記シフト反応ステップにおいて生成された水素を燃料電池に供給して発電するステップを有する。この方法によれば、燃料電池は、流動層内に設置されている。原料熱分解ステップにおける原料は炭素および／または炭化水素を含む。

本発明に係る発電方法は、炭素および／または炭化水素を含む原料と第２生成ガスとを加熱して、熱分解ガスと第１固形物を排出する原料熱分解ステップと、前記第１固形物を熱分解して第１生成ガスを生成する流動層ガス化ステップと、前記流動層ガス炉からの第２固形物を燃焼炉に導き加熱して第２生成ガスを生成する加熱燃焼ステップと、前記第１生成ガスと前記熱分解ガスを加熱してタール分を分離除去するタール分除去ステップと、タール分解ステップから排出されたガスをシフト反応により水素を生成するシフト反応ステップと、前記シフト反応ステップにおいて生成された水素を燃料電池に供給して発電すると共に、前記シフト反応ステップにおいて生成された水素のうち、前記燃料電池に供給されない水素を取り出すステップを有する。この方法によれば、流動層ガス炉およびシフト反応器で生成された水素の一部が燃料電池に供給されて発電を行い、残りの水素は生産物として取り出すことができるので、水素併産の発電方法ということができる。

燃料電池発電によって発生する熱を原料のガス化および改質反応に必要な熱に利用することにより、発電効率の高い発電装置を提供することが可能となる。また、流動層ガス炉、燃焼炉および熱分解炉で炭素源のガス化を行うので、変換効率の高いガス化が可能となる。更に、ガスからタール分を除去することにより、ガス化の反応を容易にし、燃料電池の損傷を防ぐことができる。

本発明の実施形態に係る発電装置の基本的構成図である。 基本構成図における炭素のマスバランスを示す図である。 本発明の実施形態に係る発電装置のフローシートである。（ａ）は燃料電池で発生した蒸気で蒸気タービンを駆動する実施形態に係るフローシートで、（ｂ）は図１の実施形態に係るフローシートである。 石炭ガス化燃料電池発電装置の概略構成図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は本発明の実施形態に係る発電装置の基本的構成を示す図である。流動層ガス炉８は、作動気体の取り入れ口となるウインドボックス３、ウインドボックス３の上方に位置する流動層２、および流動層２の上方に位置するフリーボード部７を主な構成要素として有している。ウインドボックス３と流動層２は分散板４により仕切られている。

固形燃料である原料Ｇは、熱分解炉１６の上部に位置する原料投入部１５から水蒸気Ｓ１と共に熱分解炉１６に投入される。水蒸気は水素を生成するための水（Ｈ₂Ｏ）の供給源となる。原料Ｇとしては、炭素、炭化水素または有機物およびこれらの混合物であればよい。本実施形態では石炭を使用するが、石炭以外の化石燃料やバイオマスであってもよい。メタノールおよびエタノールであってもよく、プラスチック等の高分子化合物であってもよい。食用油や重質油であってもよい。

燃焼炉１２から運ばれてきた、ガスおよび固形物が熱分解炉１６の上部から供給される。熱分解炉１６は移動層を形成しており、原料投入部１５から供給された原料Ｇ、燃焼炉１２送られてきた炭素、流動媒体５及び灰分等の固形物は、重力の影響を受けて、熱分解炉１６の中を下降する。

原料Ｇおよび燃焼炉１２からの炭素は、降下の過程で、水蒸気Ｓ１および燃焼炉１２からの熱により、熱分解炉１６の中で加熱されることにより熱分解されて、固形分とガス分とに分かれる。前者には固定カーボンである炭素が含まれており、後者にはタール分および炭化水素が含まれている。両者は燃焼炉１２の出口に配した分離部１７にて、固形分である固形物（第１固形物）とガス分である熱分解ガスに分離され、前者は流動層ガス炉８に送出され、後者はタール分解装置２１に送出される。この結果、第１固形物にはタール分が含まれていない。

熱分解炉１６における反応は（２‘）式に示す改質反応であり、炭素と水とから二酸化炭素と水素を生成する。このとき反応に必要な熱（Ｑ）は、燃料電池６から供給される熱を利用する。
Ｑ＋Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋２Ｈ₂ （２‘）

熱分解炉１６から流動層ガス炉８送られてきた固形物には、炭素、流動媒体５および灰分等が含まれており、このうち炭素は、流動層２で９００℃〜１０００℃の温度域で熱分解を受け、水で還元されて水素を生成する。その反応式を（３）式に示す。
Ｃ ＋ Ｈ₂Ｏ ＝ ＣＯ ＋ Ｈ₂ （３）
このうち水素は、燃料電池６による発電のための有効ガス成分となる。このとき、流動層２の温度維持には、燃料電池６の反応（発電）により生じた熱を利用して行う。また原料Ｇ中に混入した不燃物および灰は、流動層２から排出される。
流動層ガス炉８でのガス化に際して、固形物にタールが付着しているとガス化反応を阻害する。しかし、熱分解炉１６でタール分が分離されて固形物にはタール分がほとんど付着していないので、ガス化反応がタールにより阻害されることはない。

ガス化の反応は還元であるので反応に熱を必要とし、その熱は流動媒体中５に設置された燃料電池６から供給される。ここに燃料電池６としては、ガス化の熱源となるので高温度で作動するものが好ましい。具体的には、８００〜１，０００℃の動作温度を必要とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であることが好ましい。

燃料電池６からの水蒸気Ｓ２がウインドボックス３に送り込まれ、分散板４上で固体粒子からなる流動媒体５を浮遊懸濁させて流動化させる。流動媒体５は珪砂、アルミナまたは鉄粒子等の粉粒体、もしくはこれらの混合物である。また、流動媒体５には、水を還元して水素を製造する触媒が担持されていてもよい。これらの触媒としては、例えば、灰分、ナトリウム、カリウムおよびカルシュームが上げられる。流動媒体５にアルミナを担持してもよい。流動媒体５は、流動層２において、炭素への伝熱を行う働きを有する。

流動層２でガス化されたガス（以下、第１生成ガスと称す）には二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素、ダスト、炭化水素が含まれている。第１生成ガスは、流動層ガス炉８の上部からタール分解装置２１に送られる。第１生成ガスには若干のタール分が含まれている。

流動層２の下流部、即ちフリーボード部７では、熱分解吸熱反応が進むため、ガス温度が流動層部よりも低下する。たとえば、流動層温度が９５０℃であっても、フリーボード部７でのガス温度は６５０℃より低温になる可能性がある。ガス温度が４００℃以下になる場合には、タールトラブルを避けるためにフリーボード部７に空気もしくは酸素を供給し、ガス温度を上げることがある。

流動層２の下部には送出管９が接続されていて、流動媒体５とその中に混じっている炭素分である粉体が、燃焼炉１２に送られるようになっている。ここに、炭素分は流動層ガス炉８において処理されなかった炭素分（チャー）である。なお、流動媒体５は、触媒を下流に供給するとともに熱容量を有する顕熱として下流に熱を伝える役割を果たす。燃焼炉１２の下部には空気と水蒸気の供給口１３が設けられていて、流動層２から送られてきた粉体を、燃焼炉１２中に浮遊懸濁させる。燃焼炉１２は循環流動層を形成する。

このとき、水蒸気はガス化反応に必要な水を供給し、空気は粉体中の炭素と反応（燃焼）して、燃焼炉１２内の温度を高温に維持するのに資する。すなわち、粉体に含まれる炭素は部分燃焼して一酸化炭素と熱となる。熱は燃焼炉１２におけるガス化反応に利用され、一酸化炭素は水蒸気と反応して二酸化炭素と水素を生成する。

粉体に含まれる炭素分は、４００℃から１０００℃の温度域で熱分解を受け、水素、一酸化炭素、及び若干の炭化水素を含んだガス（以下、第２生成ガスと称す）を生成する。なお、流動層ガス炉８と燃焼炉１２の間にはマテリアルシール１１が配置されていて、供給口１３から供給された空気と水蒸気は、マテリアルシール１１でブロックされて、流動層２に逆流しないようになっている。

供給口１３から流動層２に空気が逆流すると、空気に含まれる酸素により炭素が燃焼して、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨの低下を招く。また空気に含まれる窒素を加熱することになる。マテリアルシール１１は流動層２における、高い熱効率を実現することを可能にしている。

燃焼炉１２の上部には集合管１４が設けられていて、燃焼炉１２からの第２生成ガスが集合管１４に流入するようになっている。第２生成ガスは二酸化炭素、水蒸気、一酸化炭素、水素、窒素、流動媒体５、未燃分の炭素、及びダストを含んだ粉体とガスの混合した流体となっている。流入した第２生成ガス中の二酸化炭素と窒素は、排ガスＷＧとして集合管１４から系外に廃棄される。排ガスＷＧを取り除いた第２生成ガスは、熱分解炉１６の頂部から、熱分解炉１６に送られる。

原料投入部１５から投入された原料Ｇと水蒸気Ｓ１は、熱分解炉１６の中を下降する間に固形分とガス分に熱分解される。分離部１７は固形分とガス分を分離する役割を担っている。集合管１５から排出されたガス中の固形分である固形物は流動層ガス炉８内に送出され、ガス分である熱分解ガスはタール分解装置２１に流れる。なお、熱分解ガスは炭化水素を主成分とするタールの他に微量の流動媒体５を含んでいる。

流動層ガス炉８の上流でタールが分離されているので、流動層ガス炉８における反応（（３）式）がタールにより阻害されることはない。また、原料Ｇ中の炭素が流動層ガス炉８→燃焼炉１２→流動層ガス炉８と循環することにより、原料に含まれる炭素分の水素への変換率の向上を図ることが可能となった。

熱分解ガスと第１生成ガスとはタール分解装置２１で加熱され、一酸化炭素と水素に分解され次段のガスクリーニング装置２２に送られる。

バイオマスや廃棄物を原料とした生成ガスにはタールやダイオキシン、重金属類、軽金属類、酸性ガス類等不特定の多種の不純物が含まれている。タール分解装置２１では、熱分解ガスと第１生成ガスが高温のニッケル系もしくはコバルト系触媒を担持したハニカム通路に流通されることで、熱分解性の不純物であるタール・芳香族炭化水素等の不飽和炭化水素及びダイオキシン類等の有機塩素化合物が熱分解により除去される。

ガスクリーニング装置２２に送られたガス（以下、タールフリーガス；ＴＦガスと称す）は、ガスクリーニング装置２２の入口で概ね４００℃〜６５０℃の温度となっている。
ガスクリーニング装置２２としてはサイクロン方式を用いることができるが、フィルター方式を採用してもよい。フィルター方式は集塵性が高い点から好ましい。４００℃〜６５０℃の温度域では、ガスクリーニング装置２２としてバグフィルターを用いることができるが、サイクロンを用い、更にその下流にセラミックフィルターを配置してもよい。ここで、ダストやタール分が除去される。

ガスクリーニング装置２２で除去された灰及びアルカリ金属塩類等の固形分は排出路（図示せず）から系外に排出される。灰分等が除去されたＴＦガスは、シフト反応器２３に送られる。ガスクリーニング装置２２とシフト反応器２３の間に、ＴＦガス中に含まれる塩化水素や硫化水素といった腐食性ガスを除去するための腐食性ガス除去装置（図示せず）を設けてもよい。

シフト反応器２３の内部であって、ＴＦガスが流通する配管内に、反応速度を高めるための触媒、例えばマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）もしくは白金等が充填されている。燃料電池６での反応（発電）により生じた高温の蒸気が、シフト反応器２３に供給されてもよい。この高温の水蒸気の有する水分を用いて、シフト反応器２３は、ＴＦガス中の一酸化炭素と水を反応させて、水素を生成する。この反応式を（４）式に示す。
ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → Ｈ₂ ＋ ＣＯ₂ （４）

熱分解炉１６におけるガス分（熱分解ガス）は、シフト反応器２３の下流に設置されたＩＤＦ２４により吸引されて、タール分解装置２１を経由してシフト反応器２３に送られる。

シフト反応器２３で処理されたＴＦガスは、ＩＤＦ２４を経て、次段のＣＯ２分離装置２５で、二酸化炭素が分離除去されて、二酸化炭素は系外に排出される。水素は次段の水素分離装置２６に送られる。

水素分離装置２６で、水素ガスは水蒸気と分離されて、燃料タンク２７を経由して、燃料電池６のアノード（負極）に供給される。燃料電池６に供給される水素ガスにはタールが含まれていないので、タールにより燃料電池６の動作が妨げられ、損傷を受けることがない。一方、水蒸気は流動層ガス炉８のウインドボックス３から流動層２に供給されて流動媒体５の流動化に資する。

燃料電池６には酸素ガスも供給されるところ、燃料電池６に供給される燃料ガス（酸素および水素）は、水素リッチとなっているので、燃料電池６の排気には未反応の水素ガスと反応により生じた水蒸気が含まれる。燃料電池6の排気は水素分離装置２６に流れ、ここで水素ガスが分離されて燃料電池６の発電に資することは前述の通りである。

燃料電池６から発生する熱は、ガス化反応の吸熱分にほぼ等しいので、この熱を流動層ガス炉８におけるガス化の熱源に用いることができる。これにより、流動層ガス炉８において、炭素を部分燃焼させることなくガス化が可能となるので、エネルギー効率の高い発電が達成できる。

水素併産発電システムは、炭素および／または炭化水素を含む原料を加熱して熱分解して、熱分解ガスと第１固形物を排出する熱分解炉１６と、第１固形物を熱分解して第１生成ガスを生成する流動層ガス炉８と、流動層ガス炉８からの第２固形物を加熱して第２生成ガスを生成する燃焼炉１２と、熱分解ガスと第１生成ガスから水素を生成するシフト反応器２３と、流動層ガス炉内８に設置された燃料電池６とを有している。そして、水素分離装置２６から水素の一部が燃料電池に供給されて発電するとともに水素タンク２７に貯留された水素は他の設備に供給可能になっている。

図２に基本構成図におけるマスバランスを示す。原料投入部１５から投入される固形燃料の炭素を１００モル（Ｃ：１００）とすると、３０モルの炭素がタール分解装置２１に流れ、７０モルの炭素が流動ガス炉８に流れる。流動層２には２００モルの水蒸気が供給される。燃焼炉１２において、ガス化反応で２００モルの水素が生成される。シフト反応器２３からは１００モルの二酸化炭素と２００モルの水素が排出される。そして、二酸化炭素分離装置２５において１００モルの二酸化炭素と２００モルの水素に分離される。燃料電池６からの２００モルの水蒸気と二酸化炭素分離装置２５からの２００モルの水素は、水素分離装置２６にて、２００モルの水蒸気と２００モルの水素に分離排出される。

図３（ａ）に、電力と熱を併産する、電力−熱のコジェネレーションのフローシートを示す。また、図３（ｂ）に、電力と水素を併産する、電力−水素のコプロダクションのフローシートを示す。図中の数値は石炭の持つエネルギーを１００とした場合の、各段階におけるエネルギーを示しており、カッコ内の数値は、エネルギー割合とエクセルギー割合を示す。電力−熱のコジェネレーション（図３（ａ））は、１１％のエネルギーが排気されている。一方、電力−水素のコプロダクション（図３（ｂ））は、このようなエネルギー損失がない。なお、電力−水素のコプロダクションシステムを水素併産発電システムと称することもある。

産業革命以来、電気エネルギー、運動エネルギー、位置エネルギーなどは石炭や石油、バイオマス、太陽光、原子力を熱に変換して取り出してきた。電気エネルギー、運動エネルギー、位置エネルギーなどは相互に変換することができるのでここでは電気エネルギーで表現する。熱エネルギーは蒸気機関、スターリング機関などの外燃機関やガスタービンエンジン、ディーゼルエンジン、火花点火機関などで電気エネルギーを取り出してきた。また燃料電池は水素を電気エネルギーにする際には熱の発生を伴ってきた。

上記発電方法では必ず熱が発生し、熱として利用するコジェネレーションを実施するか、または発生した熱を利用して更に温度レベルが低い熱機関を作動させてきた。また発生した熱を、燃焼用空気と熱交換して、熱の再利用をするなどの一次エネルギーの有効利用が図られてきた。

このような熱が発生する形式の発電装置は、熱交換を行い燃料や空気に伝熱させたり、熱のカスケード利用として、より低い温度域で作動する熱機関を設置してより多くの電気エネルギーを発生する工夫がなされているが、十分とはいえない。

負荷が変化する場合は、燃料供給量を変化させ発電量を変えている。燃料に対して空気量は一定の割合で制御する空燃比制御を行うことにより、排ガス損失を一定にしているが、負荷が下がると発熱量に対して放熱量は低下が少ないので発電効率が低下し、ボイラタービン発電機で１００％負荷で４０％の発電効率の発電機は、負荷３３％では発電効率は３０％程度に低下する。

燃料電池を使用して水素を電気エネルギーに変換するときには水素の発熱量の１７％が熱となって発生する。この熱を利用して石炭、石油、バイオマス、天然ガスで水を還元して水素を製造すれば、熱の発生を抑えることができ、発電効率を上げることが可能となる。

燃料電池を使用して水素を電気エネルギーに変換するときには水素の発熱量の１７％が熱となって発生する。この熱の発生量を低くするためには高圧水素を燃料電池に送り込み、水素を製造すれば熱の発生を抑えることができ、発電効率を上げることが可能となる。

燃料電池を使用して水素を電気エネルギーから製造するときには水素の発熱量の１７％の熱が必要となり、その時常圧で水素と酸素を発生させると大気に対して仕事をすることになり損失となる。そこで電気分解を密閉空間で行なわせ、１７％のＴΔＳを小さくすることができる。

これまでの部分燃焼ガス化燃料電池複合発電で計算上７０％の発電効率であったものが、本発明に係る発電装置では、燃料電池の発熱を利用してガス化を行なうことにより、発電効率が８９％に増加する。

図４は本発明の実施形態において中心的な役割を果たす流動層炉（ｇａｓｉｆｉｅｒ）とシフト反応器（ｓｈｉｆｔ ｒｅａｃｔｏｒ）および燃料電池を抜き出した概略構成図である。図４において、石炭（ｃｏａｌ）は高温の流動層に投入されて水蒸気を還元して水素と一酸化炭素を発生させる。一酸化炭素は水と反応して水素と二酸化炭素になるので全体では（５）式となる。
Ｃ ＋ ２Ｈ₂Ｏ ＋ Ｑ ＝ ＣＯ₂ ＋ ２Ｈ₂ （５）

ここでＱは反応に必要な熱量を示していて、流動層内に設置された燃料電池より発生する熱量で供給される。燃料電池では（６）式の反応が起こる。
２Ｈ₂ ＋ Ｏ₂ ＝ ２Ｈ₂Ｏ ＋ Ｑ ＋ Ｗ （６）

ここでＱは発電に伴う発熱量を示していて、炭素がガス化するときの熱量と同じ値である。Ｗは電気エネルギーである。この二つの式を足し合わせると（７）式となり、炭素は酸素と反応して二酸化炭素と電気エネルギーに変換される。
Ｃ ＋ Ｏ₂ ＝ ＣＯ₂ ＋ Ｗ （７）

本発明に係る発電装置は、商用電力系統の発電所における発電装置として好適に用いることができる。また、自家発電設備における発電装置やマイクログリッドに接続する発電装置としても好適に用いることができる。

Ｇ 原料
Ｓ 水蒸気
２ 流動層
３ ウインドボックス
４ 分散板
５ 流動媒体
６ 燃料電池
７ フリーボード部
８ 流動層ガス炉
９ 送出管
１１ マテリアルシール
１２ 燃焼炉
１３ 供給口
１４ 集合管
１５ 原料投入部
１６ 熱分解炉
１７ 分離部
２１ タール分解装置
２２ ガスクリーニング装置
２３ シフト反応器
２４ ＩＤＦ
２５ 二酸化炭素分離装置
２６ 水素分離装置
２７ 水素タンク
３０ 燃料電池発電電力

Claims (11)

1. 炭素および／または炭化水素を含む原料を加熱して熱分解して、熱分解ガスと第１固形物を排出する熱分解炉と、
   前記第１固形物を熱分解して第１生成ガスを生成する流動層ガス炉と、
   前記流動層ガス炉からの第２固形物を加熱して第２生成ガスを生成する燃焼炉と、
   前記熱分解ガスと前記第１生成ガスから水素を生成するシフト反応器と、
   前記シフト反応器で生成された水素を用いて発電する燃料電池を有する発電装置であって、
   前記燃料電池が前記流動層ガス炉内に設置されている発電装置。
2. 前記第２生成ガスが前記熱分解炉に供給される請求項１に記載の発電装置。
3. 前記熱分解ガスおよび前記第１生成ガスに含まれるタール分を分解するタール分解装置が前記シフト反応器の上流側に設置されている請求項２に記載の発電装置。
4. 前記燃焼炉と前記流動層ガス炉の間にマテリアルシールが設けられていて、前記燃焼炉に供給される空気および水蒸気が前記流動層ガス炉に流れないようになっている請求項３に記載の発電装置。
5. 前記流動層ガス炉には、流動層が配備されていて、更に、前記流動層の下部には分散板が配備されていて、
   前記燃料電池が前記流動層内であって前記分散板の上方に配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。
6. 前記流動層ガス炉において、前記第１固形物を熱分解するのに必要な熱を前記燃料電池の発電により生じた熱を用いる請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。
7. 前記燃料電池の発電の際に生じた蒸気が、前記分散板の上流に配備したウインドボックスに供給される請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。
8. 前記シフト反応器からの水素が前記燃料電池に供給される請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。
9. 炭素および／または炭化水素を含む原料を加熱して熱分解して、熱分解ガスと第１固形物を排出する熱分解炉と、
   前記第１固形物を熱分解して第１生成ガスを生成する流動層ガス炉と、
   前記流動層ガス炉からの第２固形物を加熱して第２生成ガスを生成する燃焼炉と、
   前記熱分解ガスと前記第１生成ガスから水素を生成するシフト反応器と、
   前記流動層ガス炉内に設置された燃料電池と、を有する水素併産発電システムであって、
   前記水素の一部を前記燃料電池に供給して発電する水素併産発電システム。
10. 炭素および／または炭化水素を含む原料と第２生成ガスとを加熱して、熱分解ガスと第１固形物を排出する原料熱分解ステップと、
    前記第１固形物を熱分解して第１生成ガスを生成する流動層ガス化ステップと、
    前記流動層ガス炉からの第２固形物を燃焼炉に導き加熱して第２生成ガスを生成する加熱燃焼ステップと、
    前記第１生成ガスと前記熱分解ガスを加熱してタール分を分離除去するタール分除去ステップと、
    タール分解ステップから排出されたガスをシフト反応により水素を生成するシフト反応ステップと、
    前記シフト反応ステップにおいて生成された水素を燃料電池に供給して発電するステップと、を有する発電方法。
11. 炭素および／または炭化水素を含む原料と第２生成ガスとを加熱して、熱分解ガスと第１固形物を排出する原料熱分解ステップと、
    前記第１固形物を熱分解して第１生成ガスを生成する流動層ガス化ステップと、
    前記流動層ガス炉からの第２固形物を燃焼炉に導き加熱して第２生成ガスを生成する加熱燃焼ステップと、
    前記第１生成ガスと前記熱分解ガスを加熱してタール分を分離除去するタール分除去ステップと、
    タール分解ステップから排出されたガスをシフト反応により水素を生成するシフト反応ステップと、
    前記シフト反応ステップにおいて生成された水素を燃料電池に供給して発電すると共に、前記シフト反応ステップにおいて生成された水素のうち、前記燃料電池に供給されない水素を取り出すステップと、を有する水素併産の発電方法。
    
    
    
    

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