JP2023150541A - 水素生成システムおよび水素生成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】水素を生成する際に停止することのあるガスタービンで発生した熱を有効に利用して水素を生成する。【解決手段】圧縮機１１により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器１２で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに燃焼ガスによりタービン１３およびタービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービン１０と、タービンを駆動した燃焼ガスにより加熱される蓄熱構造体３０と、蓄熱構造体３０に蓄熱された熱により水蒸気を生成するボイラ４０と、水素極５１と、酸素極５２と、水素極と酸素極との間に配置される電解質層５３と、を有し、ボイラ４０により生成された水蒸気を水素極５１に供給して水蒸気電解により水素を生成する固体酸化物形電解セル５０と、を備える発電システム１００を提供する。【選択図】図１
Description
本開示は、水素生成システムおよび水素生成方法に関する。
従来、太陽光発電などの再生可能エネルギー発電設備で生じた余剰電力等を利用して水素を製造する装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１は、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ）を備えた装置に関するものであり、ＳＯＥＣで生成した水素を用いて発電する燃料電池の反応熱を蓄熱装置に回収し、ＳＯＥＣへ供給される水蒸気を加熱することが開示されている。また、特許文献２には、ガスタービンシステムの排気出力から回収した熱により発生した蒸気を電解ユニットに供給し、蒸気から水素ガスを発生させることが開示されている。
しかしながら、特許文献１では、ＳＯＥＣが動作する際に同時に動作する燃料電池の反応熱を利用している。そのため、ＳＯＥＣが動作する際には停止することのある他の装置で発生した熱を有効に利用することができない。
また、特許文献２では、ガスタービンシステムの排気出力から回収した熱を利用して水素ガスを発生させ、発生した水素ガスをガスタービンシステムの燃料として利用している。そのため、ガスタービンシステムが動作する際には停止することのある他の装置で発生した熱を有効に利用することができない。
以上のように、特許文献１および特許文献２のいずれも、水素を生成する際に停止することのある他の装置で発生した熱を有効に利用することができない。例えば、再生可能エネルギー発電設備から供給される余剰電力を利用して水素を生成する場合、再生可能エネルギー発電設備から供給される電力量が減少する時間帯（太陽光発電であれば夜間）にのみ動作する他の発電装置で発生する熱を有効に利用することができない。
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、水素を生成する際に停止することのガスタービンで発生した熱を有効に利用して水素を生成することが可能な水素生成システムおよび水素生成方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示は以下の手段を採用する。
本開示に係る水素生成システムは、圧縮機により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービンおよび前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービンと、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより加熱される蓄熱構造体と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成部と、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、前記水蒸気生成部により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解セルと、を備える。
本開示に係る水素生成システムは、圧縮機により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービンおよび前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービンと、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより加熱される蓄熱構造体と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成部と、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、前記水蒸気生成部により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解セルと、を備える。
本開示に係る水素生成方法は、水素生成システムにより水素を生成する水素生成方法であって、前記水素生成システムは、圧縮機により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービンおよび前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービンと、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有する電解セルと、を備え、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより蓄熱構造体を加熱する加熱工程と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成工程と、前記水蒸気生成工程により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成するように前記電解セルを運転する運転工程と、を備える。
本開示によれば、水素を生成する際に停止することのあるガスタービンで発生した熱を有効に利用して水素を生成することが可能な水素生成システムおよび水素生成方法を提供することができる。
〔第１実施形態〕
以下に、本開示の一実施形態に係る発電システム（水素生成システム）１００について、図１を参照して説明する。本実施形態の発電システム１００は、ガスタービン１０と、発電機２０と、蓄熱構造体３０と、ボイラ（水蒸気生成部）４０と、固体酸化物形電解セル５０と、水素分離設備６０と、水素貯蔵設備（貯蔵部）７０と、制御装置（制御部）８０と、を備える。
以下に、本開示の一実施形態に係る発電システム（水素生成システム）１００について、図１を参照して説明する。本実施形態の発電システム１００は、ガスタービン１０と、発電機２０と、蓄熱構造体３０と、ボイラ（水蒸気生成部）４０と、固体酸化物形電解セル５０と、水素分離設備６０と、水素貯蔵設備（貯蔵部）７０と、制御装置（制御部）８０と、を備える。
発電システム１００は、発電機２０が生成する電力を電力系統ＰＳに供給するとともに、電力系統ＰＳから供給される電力により固体酸化物形電解セル５０を動作させる。電力系統ＰＳには、太陽光発電設備等の再生可能エネルギー発電設備２００から出力変換器２１０および変圧器２２０を介して電力が供給される。
電力系統ＰＳに出力された電力は負荷設備３００に供給される。また、電力系統ＰＳに供給される電力は、変圧器１２０および出力変換器１１０を介して発電システム１００の固体酸化物形電解セル５０に供給される。電力系統ＰＳは、例えば、負荷設備３００で要求される電力よりも再生可能エネルギー発電設備２００から供給される電力が大きく、余剰電力が発生する場合に、余剰電力を発電システム１００の固体酸化物形電解セル５０に供給する。
ガスタービン１０は、圧縮機１１と、燃焼器１２と、タービン１３と、回転軸１４と、を有する。圧縮機１１は、空気を取り込んで圧縮し、燃焼器１２へ燃焼用空気として供給する。燃焼器１２は、圧縮機１１から供給される空気と燃料ガスＧ１を混合して燃焼させて燃焼ガスＧ２を生成し、燃焼ガスＧ２をタービン１３に供給する。タービン１３は、燃焼ガスＧ２により回転し、回転軸１４を介して連結された圧縮機１１および発電機２０を駆動する。
制御装置８０が制御弁１２ａを開状態に制御した場合、燃焼器１２には、燃料ガスＧ１が供給される。また、制御装置８０が制御弁１２ｂを開状態に制御した場合、燃焼器１２には、水素貯蔵設備７０から水素が供給される。燃料ガスＧ１は、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素ガス、及び炭素質原料（石油や石炭等）のガス化設備により製造されたガス等である。
発電機２０は、回転軸１４を介してタービン１３に連結されるとともにタービン１３の回転に応じて発電する装置である。発電機２０が生成した電力は、電力系統ＰＳに供給される。発電機２０が生成した電力は、電力系統ＰＳとはことなる他の電力系統や他の負荷設備に供給されてもよい。
蓄熱構造体３０は、タービン１３を駆動した燃焼ガスＧ２により加熱される構造体である。蓄熱構造体３０は、例えば、レンガ等のセラミック材料により形成されており、燃焼ガスＧ２を通気可能な流路が内部に設けられている。蓄熱構造体３０は、カプセルに封止されるとともに燃焼ガスＧ２により加熱されて溶融して溶融塩または溶融金属となる蓄熱材を有するものとしてもよい。図１に示すように、蓄熱構造体３０は、燃焼ガスＧ２の流通方向である第１方向Ｄｒ１に沿ってＬ１の長さを有する。
蓄熱材として、例えば、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ３）と硝酸カリウム（ＫＮＯ３）とを混合した溶融塩を用いることができる。また、蓄熱材として、例えば、アルミニウム合金を含む溶融金属と用いることができる。
本実施形態の発電システム１００は、蓄熱構造体３０に燃焼ガスＧ２を流入させる燃焼ガス流入配管（第１配管）３１を備える。燃焼ガス流入配管３１は、ガスタービン１０から排出される燃焼ガスＧ２を、第１方向Ｄｒ１に沿って第１面３０ａから蓄熱構造体３０に流入させる。第１面３０ａから蓄熱構造体３０に流入した燃焼ガスＧ２は、第１方向Ｄｒ１に沿って蓄熱構造体３０の各部を加熱し、第２面３０ｂから外部へ排出される。
本実施形態の発電システム１００は、蓄熱構造体３０に空気（熱媒体）Ａ１を流入させる空気流入配管（第２配管）３２を備える。空気流入配管３２は、空気Ａ１を、第１方向Ｄｒ１と対向する（逆向きの）第２方向Ｄｒ２に沿って第２面３０ｂから蓄熱構造体３０に流入させる。第２面３０ｂから蓄熱構造体３０に流入した空気Ａ１は、第２方向Ｄｒ２に沿って蓄熱構造体３０の各部から加熱され、第１面３０ａから空気供給配管３３へ排出される。空気供給配管３３へ排出された空気Ａ１は、ボイラ４０へ導かれる。
ボイラ４０へ供給する空気Ａ１を第２方向Ｄｒ２に沿って蓄熱構造体３０に流入させているのは、最も蓄熱されやすい第１方向Ｄｒ１の上流側（第２方向Ｄｒ２の下流側）から空気Ａ１を流出させ、空気Ａ１の温度を安定して高い温度に維持するためである。図２は、蓄熱構造体の第１面から第１方向の距離と温度との関係を示すグラフである。図２において、Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅは、蓄熱構造体３０に燃焼ガスＧ２を通気させる経過時間を示し、Ｔａ＜Ｔｂ＜Ｔｃ＜Ｔｄ＜Ｔｅの関係を有する。
図２において、温度ＴＥｍａｘは、燃焼ガス流入配管３１から蓄熱構造体３０に流入する燃焼ガスＧ２の温度であり、例えば、５００℃以上かつ７５０℃以下の温度である。温度ＴＥｍｉｎは、蓄熱構造体３０に燃焼ガスＧ２が流入する前の環境温度であり、例えば、１０℃以上かつ３０℃以下の温度である。
図２に示すように、時刻Ｔａにおいて、蓄熱構造体３０の第１面３０ａからの第１方向Ｄｒ１の距離が０（すなわち、第１面３０ａそのもの）の部分の温度はＴＥｍａｘである。そして、第１面３０ａからの第１方向Ｄｒ１の距離が長くなるにしたがって温度が低下する。時刻Ｔｂにおいて、蓄熱構造体３０の第１面３０ａからの第１方向Ｄｒ１の距離が０からＬｂまでの領域の温度はＴＥｍａｘとなり、時刻Ｔａよりも温度がＴＥｍａｘとなる領域が増加する。
そして、時刻Ｔａ、時刻Ｔｂ、時刻Ｔｃ、時刻Ｔｄ、時刻Ｔｅと蓄熱構造体３０に燃焼ガスＧ２を通気させる経過時間が長くなるにしたがって、蓄熱構造体３０の温度ＴＥｍａｘとなる領域が漸次増加する。このように、蓄熱構造体３０は、第１面３０ａからの第１方向Ｄｒ１の距離が短いほど熱が蓄熱されやすい。
空気Ａ１は、空気流入配管３２から蓄熱構造体３０の第２面３０ｂに流入するが、蓄熱構造体３０から空気Ａ１が流出する第２方向Ｄｒ２の下流側は第１方向Ｄｒ１の上流側となっている。蓄熱構造体３０の第１面３０ａから第１方向Ｄｒ１の距離と温度との関係を示すグラフである図２において、Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ，Ｔｄ，Ｔｅは、蓄熱構造体３０に空気Ａ１を通気させる経過時間を示し、Ｔｅ＜Ｔｄ＜Ｔｃ＜Ｔｂ＜Ｔａの関係を有する。空気Ａ１が最も加熱されやすい第１方向Ｄｒ１の上流側の第１面３０ａから空気供給配管３３に流出するため、空気Ａ１の温度を安定して高い温度に維持して流出させることができる。空気供給配管３３に流出する空気Ａ１の温度は、例えば、５００℃以上かつ７５０℃以下である。
ボイラ４０は、蓄熱構造体３０に蓄熱された熱により水蒸気を生成し、固体酸化物形電解セル５０に供給する装置である。蓄熱構造体３０に蓄熱された熱は、蓄熱構造体３０により加熱された空気Ａ１としてボイラ４０に供給される。ボイラ４０は、水供給配管４１から供給される水を、空気供給配管３３から供給される空気Ａ１により加熱して水蒸気Ｓ１を生成する。水蒸気Ｓ１は、水蒸気供給管４２により固体酸化物形電解セル５０の水素極５１に供給される。水素極５１に供給される水蒸気Ｓ１の温度は、例えば、４００℃以上である。
固体酸化物形電解セル５０は、ボイラ４０により生成された水蒸気Ｓ１を水素極５１に供給して水蒸気電解により水素および酸素を生成する装置である。固体酸化物形電解セル５０は、水素極５１と、酸素極５２と、水素極５１と酸素極５２との間に配置される電解質層５３と、を有する。
水素極５１は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。酸素極５２は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。電解質層５３は、例えば、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。
図１に示す固体酸化物形電解セル５０は、水素極５１と、酸素極５２と、電解質層５３との関係を模式的に示したものである。固体酸化物形電解セル５０としては、例えば、円筒形状で多孔質材料からなる管体に水素極５１を配置し、水素極５１の上に電解質層５３を配置し、電解質層５３の上に酸素極５２を配置した円筒形セルスタックを用いることができる。
水素極５１と酸素極５２との間に電力系統ＰＳから供給される電力を供給すると、水素極５１に供給された高温の水蒸気Ｓ１の一部は電子を受けて水素と酸素イオンに分離され水素を生成する。分離された酸素イオンは電解質層５３の内部を酸素極５２へ移動し、電子を放出して酸素が生成される。
水素分離設備６０は、固体酸化物形電解セル５０の水素極５１で生成された水素と水蒸気との混合気から水蒸気を除去して水素を分離する設備である。水素分離設備６０は、混合気から分離された水素を水素貯蔵設備へ供給する。
水素貯蔵設備７０は、水素分離設備６０から供給される水素を貯蔵し、水素供給配管７１を介して水素供給先へ水素を供給する設備である。また、水素貯蔵設備７０は、水素供給配管７２を介してガスタービン１０の燃焼器１２に水素を供給することができる。水素貯蔵設備７０は、制御装置８０が制御弁１２ｂを開状態に制御した場合に、燃焼器１２の燃料として水素を供給する。
制御装置８０は、発電システム１００を制御する装置である。制御装置８０は、制御プログラムを記憶する記憶部（図示略）とプログラムを実行する演算部（図示略）とを有し、記憶部から読み出したプログラムを演算部で実行することにより、発電システム１００を制御する各種の動作を実行する。
次に、本実施形態の発電システム１００が実行する動作について図面を参照して説明する。図３は、本実施形態の発電システム１００が実行する動作を示すフローチャートである。図４は、所定時刻からの経過時間と供給電力量および需要電力量との関係の一例を示すグラフである。
図４において、所定時刻とは例えば午前３時であり、経過時間は所定時刻からの２４時間を経過するまでの時間を示す。図４に示す実線は、負荷設備３００の需要電力量の一例を示す。負荷設備３００の需要電力量は、深夜から朝の時間帯ＴＺｍの一部と、夕方から深夜までの時間帯ＴＺｎの一部で特に多い。負荷設備３００の需要電力量は、昼間の時間帯ＴＺｄではどの時刻であっても、時間帯ＴＺｍのピーク電力量Ｐｍおよび時間帯ＴＺｎのピーク電力量Ｐｎよりも少ない。
図４に示す点線は、再生可能エネルギー発電設備２００から供給される供給電力量を示す。再生可能エネルギー発電設備２００の供給電力量は、時間帯ＴＺｄで多く、時間帯ＴＺｍおよび時間帯ＴＺｎでは少ないかゼロとなる。再生可能エネルギー発電設備２００の供給電力量は、時間帯ＴＺｄにおいて、負荷設備３００の需要電力量を上回る。図４に示す例では、時間帯ＴＺｄにおいて、再生可能エネルギー発電設備２００の供給電力量から負荷設備３００の需要電力量を減算した分の余剰電力量が生じる。
図３のステップＳ１０１において、制御装置８０は、現在の時間帯がＴＺｄであるかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０２に処理を進め、ＮＯであればステップＳ１０５に処理を進める。
ステップＳ１０２において、制御装置８０は、時間帯がＴＺｄでは再生可能エネルギー発電設備２００の余剰電力が発生するため、ガスタービン１０を停止させるよう制御する。
ステップＳ１０３において、後述するステップＳ１０７で燃焼ガスＧ２により加熱された蓄熱構造体３０に空気流入配管３２から空気Ａ１を供給し、加熱された空気Ａ１をボイラ４０へ供給する。ボイラ４０は、水供給配管４１から供給される水を空気Ａ１により加熱して水蒸気Ｓ１を生成し、水素極５１へ導く。
ステップＳ１０４において、制御装置８０は、再生可能エネルギー発電設備２００から電力系統ＰＳに出力される余剰電力を固体酸化物形電解セル５０に供給し、固体酸化物形電解セル５０を運転状態とする。固体酸化物形電解セル５０は、水素を生成して水素貯蔵設備７０へ貯蔵する。
ステップＳ１０４で固体酸化物形電解セル５０が運転する際に、水素極５１に供給される水蒸気Ｓ１の熱源として、ガスタービン１０から供給される燃焼ガスＧ２により加熱された蓄熱構造体３０の熱が用いられる。固体酸化物形電解セル５０が運転する際には、ガスタービン１０が停止しているが、蓄熱構造体３０に蓄熱された熱を水蒸気Ｓ１を生成する熱源として利用することができる。
ステップＳ１０５において、制御装置８０は、時間帯がＴＺｍまたはＴＺｎであり、再生可能エネルギー発電設備２００の余剰電力が生じないため、固体酸化物形電解セル５０を停止させる。
ステップＳ１０６において、制御装置８０は、時間帯がＴＺｍまたはＴＺｎであり、再生可能エネルギー発電設備２００の供給電力量よりも負荷設備３００の需要電力量が多いことから、需要電力量を満たすために、ガスタービン１０を運転するよう制御する。ガスタービン１０が運転することにより、発電機２０が駆動されて電力が生成され、電力系統ＰＳを介して負荷設備３００に供給される。
ステップＳ１０７において、制御装置８０は、水素貯蔵設備７０から水素供給配管７２を介して燃焼器１２へ水素を供給することが可能かどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０８に処理を進め、ＮＯであればステップＳ１０９に処理を進める。制御装置８０は、例えば、水素貯蔵設備７０に所定の閾値よりも多い水素が貯蔵されている場合に、燃焼器１２へ水素を供給することが可能と判断する。
ステップＳ１０８において、制御装置８０は、制御弁１２ｂを開状態とし、水素貯蔵設備７０から水素供給配管７２を介して燃焼器１２へ水素を供給する。燃焼器１２は、水素貯蔵設備７０から供給される水素と圧縮機１１から供給される空気とを混合して燃焼させる。
ステップＳ１０９において、制御装置８０は、制御弁１２ａを開状態とし、燃焼器１２へ燃料ガスを供給する。燃焼器１２は、水素貯蔵設備７０から供給される水素と圧縮機１１から供給される空気とを混合して燃焼させる。
ステップＳ１１０において、運転中のガスタービン１０で生成される燃焼ガスＧ２を蓄熱構造体３０へ供給し、蓄熱構造体３０を加熱する。蓄熱構造体３０は、ガスタービン１０から供給される燃焼ガスＧ２の熱量および供給時間に応じて加熱され、燃焼ガスＧ２の熱を蓄熱する。
ステップＳ１０８およびステップＳ１０９において燃焼器１２で生成される燃焼ガスＧ２は、ステップＳ１１０において蓄熱構造体３０に供給されて蓄熱される。ガスタービン１０の運転中には固体酸化物形電解セル５０が停止しているため、固体酸化物形電解セル５０の運転時に用いる水蒸気Ｓ１の熱源として、燃焼ガスＧ２を直接的には用いることができない。そこで、ステップＳ１１０において、燃焼ガスＧ２の熱を蓄熱構造体３０に蓄熱することで、固体酸化物形電解セル５０の運転時に用いる水蒸気Ｓ１の熱源として燃焼ガスＧ２を間接的に用いることができる。
ステップＳ１１１で、制御装置８０は、発電システム１００を停止させる停止条件を満たしているかどうかを判断し、ＹＥＳであれば発電システム１００を停止させて本フローチャートの処理を終了させる。制御装置８０は、ステップＳ１１１の判断がＮＯであれば、ステップＳ１０１からの処理を繰り返し実行する。
以上で説明した本実施形態の発電システム１００が奏する作用および効果について説明する。
本実施形態の発電システム１００によれば、ガスタービン１０で燃料ガスＧ１を燃焼させて生成された燃焼ガスＧ２により蓄熱構造体３０が加熱されて燃焼ガスＧ２の熱が保持される。ボイラ４０は、蓄熱構造体３０に蓄熱された熱により水蒸気Ｓ１を生成し、固体酸化物形電解セル５０の水素極５１に供給する。固体酸化物形電解セル５０は、水素極５１に供給された水蒸気Ｓ１を水蒸気電解することにより水素を生成する。
本実施形態の発電システム１００によれば、ガスタービン１０で燃料ガスＧ１を燃焼させて生成された燃焼ガスＧ２により蓄熱構造体３０が加熱されて燃焼ガスＧ２の熱が保持される。ボイラ４０は、蓄熱構造体３０に蓄熱された熱により水蒸気Ｓ１を生成し、固体酸化物形電解セル５０の水素極５１に供給する。固体酸化物形電解セル５０は、水素極５１に供給された水蒸気Ｓ１を水蒸気電解することにより水素を生成する。
固体酸化物形電解セル５０が水蒸気電解を行う際に必要な電力として、例えば、再生可能エネルギー発電設備２００から供給される余剰電力が利用される。余剰電力が利用できる時間帯ＴＺｄに固体酸化物形電解セル５０を動作させる場合に、ガスタービン１０は停止しているが、ガスタービン１０の動作中に発生した燃焼ガスＧ２の熱は蓄熱構造体３０に蓄熱されている。そのため、ボイラ４０は、蓄熱構造体３０に蓄熱された熱により水蒸気Ｓ１を生成し、固体酸化物形電解セル５０に供給することができる。このように、本実施形態の発電システム１００によれば、水素を生成する際に停止することのある他の装置であるガスタービン１０で発生した燃焼ガスＧ２の熱を有効に利用することができる。
また、本実施形態の発電システム１００によれば、ガスタービン１０から排出される燃焼ガスＧ２が第１方向Ｄｒ１に沿って蓄熱構造体３０に流入するため、第１方向Ｄｒ１の上流側が最も蓄熱されやすく上流側から下流側に向けて燃焼ガスＧ２の熱が伝播する。一方、空気Ａ１が第１方向Ｄｒ１と対向する第２方向Ｄｒ２に沿って蓄熱構造体３０に流入するため、蓄熱構造体３０から空気Ａ１が流出する第２方向Ｄｒ２の下流側は第１方向Ｄｒ１の上流側となっている。空気Ａ１が最も蓄熱されやすい第１方向Ｄｒ１の上流側から流出するため、空気Ａ１の温度を安定して高い温度に維持して流出させることができる。
また、本実施形態の発電システム１００によれば、蓄熱構造体３０が比較的安価なレンガ等のセラミック材料により形成されているため、蓄熱構造体３０の製造コストを低減することができる。
また、本実施形態の発電システム１００によれば、蓄熱構造体３０が燃焼ガスＧ２により加熱されて溶融して溶融塩または溶融金属となる蓄熱材を有するため、セラミック材料により蓄熱構造体３０を形成する場合に比べ、蓄熱構造体３０の設置面積を小さくすることができる。
また、本実施形態の発電システム１００によれば、固体酸化物形電解セル５０により生成された水素を水素貯蔵設備７０に貯蔵し、ガスタービン１０を動作させるタイミングで水素供給配管７２から燃焼器１２へ水素を供給することができる。そのため、ガスタービン１０で生成された燃焼ガスＧ２の熱を利用して生成された水素を、ガスタービン１０の燃焼器１２の燃料として活用し、発電システム１００の燃料消費量を低減することができる。
以上説明した各実施形態に記載の発電システムは例えば以下のように把握される。
本開示に係る水素生成システム（１００）は、圧縮機（１１）により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器（１２）で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービン（１３）および前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービン（１０）と、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより加熱される蓄熱構造体（３０）と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成部（４０）と、水素極（５１）と、酸素極（５２）と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層（５３）と、を有し、前記水蒸気生成部により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解セル（５０）と、を備える。
本開示に係る水素生成システム（１００）は、圧縮機（１１）により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器（１２）で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービン（１３）および前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービン（１０）と、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより加熱される蓄熱構造体（３０）と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成部（４０）と、水素極（５１）と、酸素極（５２）と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層（５３）と、を有し、前記水蒸気生成部により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解セル（５０）と、を備える。
本開示に係る水素生成システムによれば、ガスタービンで燃料ガスを燃焼させて生成された燃焼ガスにより蓄熱構造体が加熱されて燃焼ガスの熱が保持される。水蒸気生成部は、蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成し、電解セルの水素極に供給する。電解セルは、水素極に供給された水蒸気を水蒸気電解することにより水素を生成する。
電解セルが水蒸気電解を行う際に必要な電力として、例えば、再生可能エネルギー発電設備等から供給される余剰電力が利用される。余剰電力が利用できる時間帯に電解セルを動作させる場合に、ガスタービンは停止している可能性があるが、ガスタービンの動作中に発生した燃焼ガスの熱は蓄熱構造体に蓄熱されている。そのため、水蒸気生成部は、蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成し、電解セルに供給することができる。このように、本開示に係る水素生成システムによれば、水素を生成する際に停止することのあるガスタービンで発生した燃焼ガスの熱を有効に利用して水素を生成することができる。
本開示に係る水素生成システムにおいては、前記ガスタービンから排出される前記燃焼ガスを第１方向に沿って前記蓄熱構造体に流入させる第１配管（３１）と、前記第１方向と対向する第２方向に沿って前記水蒸気を加熱するための熱媒体を前記蓄熱構造体に流入させる第２配管（３２）と、を備える構成としてもよい。
本構成に係る水素生成システムによれば、ガスタービンから排出される燃焼ガスが第１方向に沿って蓄熱構造体に流入するため、第１方向の上流側が最も蓄熱されやすく上流側から下流側に向けて燃焼ガスの熱が伝播する。一方、熱媒体（例えば、空気）が第１方向と対向する第２方向に沿って蓄熱構造体に流入するため、蓄熱構造体から熱媒体が流出する第２方向の下流側は第１方向の上流側となっている。熱媒体が最も蓄熱されやすい第１方向の上流側から流出するため、熱媒体の温度を安定して高い温度に維持して流出させることができる。
上記構成に係る水素生成システムにおいては、前記蓄熱構造体は、セラミック材料により形成されている構成としてもよい。
本構成の水素生成システムによれば、蓄熱構造体が比較的安価なレンガ等のセラミック材料により形成されているため、蓄熱構造体の製造コストを低減することができる。
本構成の水素生成システムによれば、蓄熱構造体が比較的安価なレンガ等のセラミック材料により形成されているため、蓄熱構造体の製造コストを低減することができる。
本開示に係る水素生成システムにおいて、前記蓄熱構造体は、カプセルに封止されるとともに前記燃焼ガスにより加熱されて溶融して溶融塩または溶融金属となる蓄熱材を有する構成としてもよい。
本構成の水素生成システムによれば、蓄熱構造体が燃焼ガスにより加熱されて溶融して溶融塩または溶融金属となる蓄熱材を有するため、セラミック材料により蓄熱構造体を形成する場合に比べ、蓄熱構造体の設置面積を小さくすることができる。
本構成の水素生成システムによれば、蓄熱構造体が燃焼ガスにより加熱されて溶融して溶融塩または溶融金属となる蓄熱材を有するため、セラミック材料により蓄熱構造体を形成する場合に比べ、蓄熱構造体の設置面積を小さくすることができる。
本開示に係る水素生成システムにおいては、前記電解セルにより生成された水素を貯蔵する貯蔵部（７０）と、前記貯蔵部に貯蔵された水素を前記燃焼器へ供給する供給配管（７２）と、を備える構成としてもよい。
本構成に係る水素生成システムによれば、電解セルにより生成された水素を貯蔵部に貯蔵し、ガスタービンを動作させるタイミングで供給配管から燃焼器へ水素を供給することができる。そのため、ガスタービンで生成された燃焼ガスの熱を利用して生成された水素を、ガスタービンの燃焼器の燃料として活用し、発電システムの燃料消費量を低減することができる。
本構成に係る水素生成システムによれば、電解セルにより生成された水素を貯蔵部に貯蔵し、ガスタービンを動作させるタイミングで供給配管から燃焼器へ水素を供給することができる。そのため、ガスタービンで生成された燃焼ガスの熱を利用して生成された水素を、ガスタービンの燃焼器の燃料として活用し、発電システムの燃料消費量を低減することができる。
本開示に係る水素生成システムは、前記タービンに連結されるとともに前記タービンの回転に応じて発電する発電機を備える構成としてもよい。
本構成の水素生成システムによれば、タービンの回転に応じて発電する発電機により電力を生成することができる。
本構成の水素生成システムによれば、タービンの回転に応じて発電する発電機により電力を生成することができる。
本開示に係る水素生成方法は、水素生成システムにより水素を生成する水素生成方法であって、前記水素生成システムは、圧縮機により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービンおよび前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービンと、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有する電解セルと、を備え、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより蓄熱構造体を加熱する加熱工程と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成工程と、前記水蒸気生成工程により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成するように前記電解セルを運転する運転工程と、を備える。
本開示に係る水素生成方法によれば、ガスタービンで燃料ガスを燃焼させて生成された燃焼ガスにより蓄熱構造体が加熱されて燃焼ガスの熱が保持される。水蒸気生成工程は、蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成し、電解セルの水素極に供給する。電解セルは、水素極に供給された水蒸気を水蒸気電解することにより水素を生成する。
電解セルが水蒸気電解を行う際に必要な電力として、例えば、再生可能エネルギー発電設備等から供給される余剰電力が利用される。余剰電力が利用できる時間帯に電解セルを動作させる場合に、ガスタービンは停止している可能性があるが、ガスタービンの動作中に発生した燃焼ガスの熱は蓄熱構造体に蓄熱されている。そのため、水蒸気生成工程は、蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成し、電解セルに供給することができる。このように、本開示に係る水素生成方法によれば、水素を生成する際に停止することのあるガスタービンで発生した燃焼ガスの熱を有効に利用して水素を生成することができる。
１０ ガスタービン
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１２ａ，１２ｂ 制御弁
１３ タービン
１４ 回転軸
２０ 発電機
３０ 蓄熱構造体
３０ａ 第１面
３０ｂ 第２面
３１ 燃焼ガス流入配管（第１配管）
３２ 空気流入配管（第２配管）
３３ 空気供給配管
４０ ボイラ（水蒸気生成部）
４１ 水供給配管
４２ 水蒸気供給管
５０ 固体酸化物形電解セル
５１ 水素極
５２ 酸素極
５３ 電解質層
６０ 水素分離設備
７０ 水素貯蔵設備（貯蔵部）
７１，７２ 水素供給配管
８０ 制御装置
１００ 発電システム（水素生成システム）
２００ 再生可能エネルギー発電設備
３００ 負荷設備
Ａ１ 空気
Ｄｒ１ 第１方向
Ｄｒ２ 第２方向
Ｇ１ 燃料ガス
Ｇ２ 燃焼ガス
ＰＳ 電力系統
Ｐｍ，Ｐｎ ピーク電力量
Ｓ１ 水蒸気
ＴＺｄ，ＴＺｍ，ＴＺｎ 時間帯
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１２ａ，１２ｂ 制御弁
１３ タービン
１４ 回転軸
２０ 発電機
３０ 蓄熱構造体
３０ａ 第１面
３０ｂ 第２面
３１ 燃焼ガス流入配管（第１配管）
３２ 空気流入配管（第２配管）
３３ 空気供給配管
４０ ボイラ（水蒸気生成部）
４１ 水供給配管
４２ 水蒸気供給管
５０ 固体酸化物形電解セル
５１ 水素極
５２ 酸素極
５３ 電解質層
６０ 水素分離設備
７０ 水素貯蔵設備（貯蔵部）
７１，７２ 水素供給配管
８０ 制御装置
１００ 発電システム（水素生成システム）
２００ 再生可能エネルギー発電設備
３００ 負荷設備
Ａ１ 空気
Ｄｒ１ 第１方向
Ｄｒ２ 第２方向
Ｇ１ 燃料ガス
Ｇ２ 燃焼ガス
ＰＳ 電力系統
Ｐｍ，Ｐｎ ピーク電力量
Ｓ１ 水蒸気
ＴＺｄ，ＴＺｍ，ＴＺｎ 時間帯
上記課題を解決するために、本開示は以下の手段を採用する。
本開示に係る水素生成システムは、圧縮機により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービンおよび前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービンと、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより加熱される蓄熱構造体と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成部と、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、前記水蒸気生成部により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解セルと、前記ガスタービンおよび前記電解セルの運転状態を制御する制御装置と、を備え、前記ガスタービンを停止させかつ前記電解セルを運転するよう前記制御装置が制御する状態で、前記燃焼ガスにより加熱された前記蓄熱構造体に熱媒体を流入させ、前記蓄熱構造体により加熱された前記熱媒体を前記水蒸気生成部に供給して前記水蒸気を生成し、前記水蒸気生成部で生成された前記水蒸気を前記水素極に供給する。
本開示に係る水素生成システムは、圧縮機により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービンおよび前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービンと、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより加熱される蓄熱構造体と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成部と、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、前記水蒸気生成部により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解セルと、前記ガスタービンおよび前記電解セルの運転状態を制御する制御装置と、を備え、前記ガスタービンを停止させかつ前記電解セルを運転するよう前記制御装置が制御する状態で、前記燃焼ガスにより加熱された前記蓄熱構造体に熱媒体を流入させ、前記蓄熱構造体により加熱された前記熱媒体を前記水蒸気生成部に供給して前記水蒸気を生成し、前記水蒸気生成部で生成された前記水蒸気を前記水素極に供給する。
本開示に係る水素生成方法は、水素生成システムにより水素を生成する水素生成方法であって、前記水素生成システムは、圧縮機により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービンおよび前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービンと、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより加熱される蓄熱構造体と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成部と、水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、前記水蒸気部により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解セルと、を備え、前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより前記蓄熱構造体を加熱する加熱工程と、前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により前記水蒸気を生成する水蒸気生成工程と、前記水蒸気生成工程により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成するように前記電解セルを運転する運転工程と、を備え、前記ガスタービンを停止させかつ前記運転工程が前記電解セルを運転する状態で、前記水蒸気生成工程は、前記燃焼ガスにより加熱された前記蓄熱構造体に熱媒体を流入させ、前記蓄熱構造体により加熱された前記熱媒体を前記水蒸気生成部に供給して水蒸気を生成し、生成された前記水蒸気を前記水素極に供給する。
Claims (7)
- 圧縮機により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービンおよび前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービンと、
前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより加熱される蓄熱構造体と、
前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成部と、
水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有し、前記水蒸気生成部により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成する電解セルと、を備える水素生成システム。 - 前記ガスタービンから排出される前記燃焼ガスを第１方向に沿って前記蓄熱構造体に流入させる第１配管と、
前記第１方向と対向する第２方向に沿って前記水蒸気を加熱するための熱媒体を前記蓄熱構造体に流入させる第２配管と、を備える請求項１に記載の水素生成システム。 - 前記蓄熱構造体は、セラミック材料により形成されている請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
- 前記蓄熱構造体は、カプセルに封止されるとともに前記燃焼ガスにより加熱されて溶融して溶融塩または溶融金属となる蓄熱材を有する請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。
- 前記電解セルにより生成された水素を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部に貯蔵された水素を前記燃焼器へ供給する供給配管と、を備える請求項１または請求項２に記載の水素生成システム。 - 前記タービンに連結されるとともに前記タービンの回転に応じて発電する発電機を備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の水素生成システム。
- 水素生成システムにより水素を生成する水素生成方法であって、
前記水素生成システムは、
圧縮機により圧縮された空気と燃料ガスとを燃焼器で燃焼させて燃焼ガスを生成するとともに前記燃焼ガスによりタービンおよび前記タービンに連結された圧縮機を駆動するガスタービンと、
水素極と、酸素極と、前記水素極と前記酸素極との間に配置される電解質層と、を有する電解セルと、を備え、
前記タービンを駆動した前記燃焼ガスにより蓄熱構造体を加熱する加熱工程と、
前記蓄熱構造体に蓄熱された熱により水蒸気を生成する水蒸気生成工程と、
前記水蒸気生成工程により生成された前記水蒸気を前記水素極に供給して水蒸気電解により水素を生成するように前記電解セルを運転する運転工程と、を備える水素生成方法。
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