JP4508338B2

JP4508338B2 - 発電システム

Info

Publication number: JP4508338B2
Application number: JP2000040043A
Authority: JP
Inventors: 剛花田; 淳一入谷; 敏郎西; 啓一岩本; 雅幸深川; 健一郎小阪; 長生久留; 康森
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2020-02-17
Also published as: JP2001229961A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電した電力を貯蔵しておける発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力の需要は、一日のうちでは日中の方が夜間よりも大きいのが通常であり、こうした変動は、近年さらに拡大しつつある。発電所は、図１に示すように、日中の最大ピーク時（図１中ａ）に対応させた運転をしているが、こうすると稼働率の低下を招いたり、発電・停止を高頻度で行うためのトラブルを招いていた。
そのため、高効率な発電装置と、大電力を貯蔵可能な電力貯蔵装置とを組み合わせた発電システムを用いて、夜間に発電した電力を貯蔵しておき、日中にこうした電力を放出するようにして、負荷率を低減させる（図１中ｂ）ような試みがなされている。
【０００３】
こうした大電力を貯蔵可能な二次電池として、ナトリウム電池（以下「Ｎａ電池」という）が注目されている。
このＮａ電池は、一方の電極にナトリウムを用い、固体電解質により溶融状態の両極活物質を混合しないようにした二次電池で、３００〜４００℃、通常は３５０℃前後といった高温で作動するものである。固体電解質としては、βアルミナ等が用いられる。Ｎａ電池は、自己放電がない、電極活物質が液状であるため高性能である、電解質が固体なので長寿命である、完全密閉型であるためメンテナンスフリー化が図れる、等の利点を有しており、次世代の大電力貯蔵用電池として最も期待が寄せられている。
【０００４】
一方、発電装置としては、従来からの火力発電装置等に替わるものとして、燃料電池がある。この燃料電池は、水素、一酸化炭素等の燃料が有する化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出す装置であり、カルノーサイクルの制約を受けずエネルギー変換効率が高いことや、エネルギー変換をクリーンに行えること等から、次世代の発電装置として注目されている。中でも、固体電解質型燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」という）は、発電効率が約６０％と非常に高い、使用する燃料を幅広く選択できる、等といった利点を有しており、実用化に向けてとりわけ大きな期待が寄せられている。このＳＯＦＣは、例えば酸素イオン伝導性を有する安定化ジルコニア等、特定のイオン種を伝導させる性質を持つ固体を電解質として用いるもので、固体のイオン伝導率が著しく高まるような高温下（１０００℃前後）で作動させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、Ｎａ電池は上記の通り、３００〜４００℃で、通常は３５０℃前後といった高温で作動する電池である。このため、電熱ヒータ等の加熱手段により加熱する必要がある。これまで、高温の排熱を放出する発電装置とＮａ電池とを組み合わせた発電システムの場合には、発電装置とＮａ電池とは電気的に連結されてはいても、熱的には連結されていなかった。図７にその一例を示すように、発電装置であるＳＯＦＣ１０１から排出される排熱を蓄えた排ガスは、配管１０５によってガスタービン発電機１０４や蒸気タービン発電機１０３に送られるのみで、Ｎａ電池１０２には送られない。そのため、Ｎａ電池１０２を加熱するための電熱ヒータ１０２ａが、Ｎａ電池１０２とほぼ一体的に設けられていた。
このように、発電装置の排熱は、他の発電装置を作動させるために用いられても、電力貯蔵のためには用いられず、そのため、電熱ヒータ１０２ａに電力を食われる分だけ、Ｎａ電池１０２の総合効率は低下していた。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高効率な発電装置と大電力貯蔵可能な電力貯蔵装置とを組み合わせ、排熱を有効利用して総合効率を高めた発電システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る発電システムは、燃料を用いて発電する固体電解質型燃料電池と、該固体電解質型燃料電池と電気的に接続され前記発電された電力を貯蔵するナトリウム電池とを備えた発電システムであって、前記ナトリウム電池には、該ナトリウム電池を加熱するための加熱部が設けられ、該加熱部と前記固体電解質型燃料電池との間には、該固体電解質型燃料電池からの排熱を該加熱部に導入するための熱流路が流量調整可能に設けられ、前記熱流路は、前記固体電解質型燃料電池からの排熱を蓄えた状態で排出された排ガスが流れるための排ガス流路とされ、ガスタービン発電機及び蒸気タービン発電機のうち少なくとも一方に前記排ガスが導入され、前記固体電解質型燃料電池に導入される燃料及び空気を予熱する熱交換器を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような構成としたことで、高温で作動するナトリウム電池に固体電解質型燃料電池からの排熱を送り、この排熱でナトリウム電池を作動させることができる。そのため、排熱を有効に利用して、これまでナトリウム電池を加熱するために必要であった電力を不要とでき、総合効率を向上させることができる。
また、上記のような構成としたことで、３００〜４００℃、通常は３５０℃前後の温度で作動するＮａ電池を、固体電解質型燃料電池からの排熱を用いて加熱できる。
また、上記のような構成としたことで、固体電解質型燃料電池をより高効率とでき、またＳＯＦＣから排出されたとりわけ高温の排ガスを、様々な用途に利用できる。
【００１０】
また、上記のような構成としたことで、排ガスによって他の固体電解質型燃料電池を作動させることができ、発電効率を更に高めることができる。
【００１３】
また、前記固体電解質型燃料電池は、前記排ガスを空気極側と燃料極側とから排出する構成とされ、前記空気極側と前記燃料極側とのうち、一方から排出された前記排ガスが前記排ガス流路を流れ、他方から排出された前記排ガスが前記加熱部を経た前記排ガスと合流することを特徴とする。
【００１７】
また、上記のうちいずれかに記載の発電システムにおいて、前記固体電解質型燃料電池に代えて溶融炭酸塩型燃料電池を備えたことを特徴とする。
【００１８】
このような構成としたことで、通常６００℃以上の高温で作動する燃料電池である溶融炭酸塩型燃料電池（ＭｏｌｔｅｎＣａｒｂｏｎａｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下「ＭＣＦＣ」という）からの排ガスに蓄えられた排熱を利用して、ナトリウム電池を加熱することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る発電システムの実施の形態について、図１乃至図６を用いて説明する。
【００２０】
［第１の実施形態］
先ず、本発明に係る発電システムの第１の実施形態を、図２乃至図４を用いて説明する。
この発電システムには、図２に示すように、ＳＯＦＣ（発電装置）１と、Ｎａ電池（電力貯蔵装置）２と、蒸気タービン発電機３とが、各々隣接するようにして設けられている。そして、図４に示すように、ＳＯＦＣ１とＮａ電池２との間には第１排ガス流路（熱流路）５Ａが設けられ、Ｎａ電池２と蒸気タービン発電機３との間には第２排ガス流路５Ｂが設けられている。ＳＯＦＣ１からの排ガスは、第１排ガス流路５Ａ及び第２排ガス流路５Ｂを流れて、Ｎａ電池２及び蒸気タービン発電機３に各々導入されるようになっている。
【００２１】
ＳＯＦＣ１には、燃料入側配管１１、燃料出側配管１２、空気入側配管１３及び空気出側配管１４が連結されている。各々燃料及び空気が出入するようになっている。燃料は、燃料入側配管１１を流れてＳＯＦＣ１内の燃料極側に導入され、反応後、すなわち発電後は、燃料極側からの排ガスとして燃料出側配管１２を流れてＳＯＦＣ１外部に排出される。ここで用いる燃料としては、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ₂）、石炭ガス等が挙げられる。空気は、空気入側配管１３を流れてＳＯＦＣ１内の空気極側に導入され、発電後は、空気極側からの排ガスとして空気出側配管１４を通ってＳＯＦＣ１外部に排出される。
また、燃料入側配管１１と燃料出側配管１２とはバーナ用配管１５で連結されており、燃料入側配管１１からの燃料をＳＯＦＣ１を経ないで燃料出側配管１２に流せるようになっている。このバーナ用配管１５の途中にはバーナ（ガス加熱手段）１５ａが設けられており、燃料を燃焼させることができる。また、バーナ１５ａの両側には、バーナ入側バルブ１５ｂ及びバーナ出側バルブ１５ｃが各々設けられている。これらバーナ入側バルブ１５ｂ及びバーナ出側バルブ１５ｃは、通常にＳＯＦＣ１が作動している時には全閉とされて燃料の全量がＳＯＦＣ１に流れるようになっているが、ＳＯＦＣ１が停止した時には開とされて、燃料はバーナ１５ｂに流れるようになる。
【００２２】
ＳＯＦＣ１内部は、図示は省略するが、固体電解質を挟んで多孔質の燃料極と空気極とを対峙させた三層構造になっている。固体電解質としては、例えば、安定化ジルコニアが用いられる。この固体電解質は、１０００℃程度の高温下では酸素イオン（Ｏ^2-）の伝導率が著しく高まるものである。空気極側では、外部から空気極に供給された電子と空気中の酸素が反応して、酸素イオン（Ｏ^2-）を発生させ、このＯ^2-は固体電解質に選択的に透過されて燃料極側に運搬される。そして、この燃料極側でＯ^2-は燃料と反応し、電子が放出されることで、ＳＯＦＣ１は発電する。この電力は、配線Ｗを通ってＮａ電池２に送られて貯蔵される。
【００２３】
燃料出側配管１２と空気出側配管１４とは合流部５１で合流され、ここから配管はＮａ電池２に至る。これら燃料出側配管１２、空気出側配管１４、及び合流部５１からＮａ電池２に至るまでの配管によって、第１排ガス流路５Ａは構成されている。
【００２４】
Ｎａ電池２は、電力を貯蔵する電池部２１と、この電池部２１を加熱するための加熱部２２を有している。加熱部２２には、第１排ガス流路５Ａ及び第２排ガス流路５Ｂが各々連結されており、排ガスが、第１排ガス流路５Ａから加熱部２２を経て第２排ガス流路５Ｂに流出するようになっている。
第１排ガス流路５Ａには第１バルブ２３が、第２排ガス流路５Ｂには第２バルブ２４が、各々設けられている。また、排ガスが加熱部２２をバイパスして第１排ガス流路５Ａから直接第２排ガス流路５Ｂに流れることができるように、バイパスバルブ２５が設けられている。
Ｎａ電池２は、充電時には吸熱し放電時には発熱するので、温度を３５０℃前後に保つためには、加熱部２２に導入する排ガスの流量を調整しなければならない。こうした排ガス流量の調整を、第１バルブ２３、第２バルブ２４及びバイパスバルブ２５によって行う。例えば、充電時には、第１バルブ２３、第２バルブ２４及びバイパスバルブ２５の開閉度を調節し、排ガスの一部あるいは全てが加熱部２２に導入されるようにする。逆に放電時には、第１バルブ２３、第２バルブ２４及びバイパスバルブ２５の開閉度を調節し、排ガスを加熱部２２に導入しない、あるいは一部を導入するようにする。
【００２５】
蒸気タービン発電機３は、排ガスボイラ３１、蒸気タービン３２、発電機３３及び復水器３４を備えている。排ガスボイラ３１、蒸気タービン３２及び復水器３４の各々は、水又は蒸気が循環する配管によって連結されている。
排ガスボイラ３１には第２排ガス流路５Ｂが連結されており、ＳＯＦＣ１からの排ガスによってこの排ガスボイラ３１は蒸気を発生させる。発生された蒸気は蒸気タービン３２に送られてこの蒸気タービン３２を回転させる。蒸気タービン３２が回転することにより、蒸気タービン３２と一体に設けられた発電機３３が駆動されて電力が発生する。その後、蒸気は復水器３４によって復水され、排ガスボイラ３１に戻される。このように、水又は蒸気が蒸気タービン発電機３内を循環することにより、蒸気タービン発電機３は発電する。
【００２６】
ＳＯＦＣ１が作動している時は、１０００℃程度の高温の排ガスが、第１排ガス流路５Ａを流れてＮａ電池２を加熱し、また、第２排ガス流路５Ｂを流れて蒸気タービン発電機３を作動させる。ＳＯＦＣ１が停止した場合には、バーナ入側バルブ１５ｂ及びバーナ出側バルブ１５ｃを開として、ＳＯＦＣ１に送られるための燃料をバーナ１５ａに導入して燃焼させる。燃焼して高温となった燃料ガスは、排ガスとして第１排ガス流路５Ａを流れてＮａ電池２を加熱し、また、第２排ガス流路５Ｂを流れて蒸気タービン発電機３を作動させる。
【００２７】
本実施形態に係る発電システムにおいては、高効率のＳＯＦＣ１と大電力貯蔵可能なＮａ電池２とを組み合わせるようにし、ＳＯＦＣ１からの排ガスによってＮａ電池２を加熱することができる。そのため、Ｎａ電池２を加熱するための電熱ヒータ等が不要となり、図３に示すように、Ｎａ電池２の総合効率を向上させることができる。
また、ＳＯＦＣ１の排熱で蒸気タービン発電機３も作動させるようにしているので、発電システムとしての発電効率を高めることができ、負荷率を低下させることができる。
更に、燃料をバーナ１５ａで燃焼させてＮａ電池２及び蒸気タービン発電機３に送ることができるようにしているので、ＳＯＦＣ１が停止した場合でも、Ｎａ電池２を加熱することができ、Ｎａ電池２の作動は確保できる。
【００２８】
［第２の実施形態］
次に、本発明に係る発電システムの第２の実施形態について、図５を用いて説明する。
なお、本実施形態においては、第１の実施形態と異なる特徴部分についてのみ説明し、同一の構成要素には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。特徴部分とは、第１排ガス流路５Ａに熱交換器１８が設けられている点、及びガスタービン発電機４が設けられている点である。
【００２９】
ＳＯＦＣ１とＮａ電池２との間には第１排ガス流路５Ａが設けられ、Ｎａ電池２とガスタービン発電機４との間には第２排ガス流路５Ｂが設けられ、ガスタービン発電機４と蒸気タービン発電機３との間には第３排ガス流路５Ｃが設けられている。ＳＯＦＣ１からの排ガスは、第１排ガス流路５Ａ、第２排ガス流路５Ｂ及び第３排ガス流路５Ｃを流れて、Ｎａ電池２、ガスタービン発電機４及び蒸気タービン発電機３に各々導入されるようになっている。
【００３０】
第１排ガス流路５Ａは、熱交換器１８を経てＮａ電池２に至る空気出側配管１４によって構成されている。
熱交換器１８には、燃料入側配管１１、空気入側配管１３、及び空気出側配管１４が通っている。空気極側からの高温の排ガスと、ＳＯＦＣ１に導入される燃料及び空気とは熱交換され、空気極側からの排ガス温度は低下するとともに、燃料及び空気は過熱された状態でＳＯＦＣ１に導入されるようになる。ここで、空気極からの排ガス温度は、例えば１０００℃程度から５００℃以下まで低下する。
燃料出側配管１２とＮａ電池２からの配管とは合流部５１で合流され、ここから配管はガスタービン発電機４に至る。これら燃料出側配管１２及びＮａ電池２からガスタービン発電機４に至るまでの配管によって、第２排ガス流路５Ｂが構成されている。
【００３１】
ガスタービン発電機４は、ガスタービン４１、発電機４２、及び図示しない圧縮機や燃焼器から構成されている。
第２排ガス流路５Ｂから送られた排ガスは、圧縮機で圧縮され燃焼器で燃焼されて、高温高圧の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはガスタービン４１に送られてこのガスタービン４１を回転させる。ガスタービン４１が回転することにより、ガスタービン４１と一体に設けられた発電機４２が駆動されて、ガスタービン発電機４は発電する。
ガスタービン発電機４から排ガスとして放出された燃焼ガスは、第３排ガス流路５Ｃを流れて排ガスボイラ３１に送られ、これにより蒸気タービン発電機３は発電する。
【００３２】
本実施形態に係る発電システムにおいては、ＳＯＦＣ１に導入される燃料及び空気を、空気極側の排ガスを用いて熱交換し、この排ガスをＮａ電池２の加熱に用いるようにしている。そのため、燃料及び空気が予め加熱された状態でＳＯＦＣ１に導入されるので、ＳＯＦＣの作動効率が向上するとともに、Ｎａ電池２を加熱するのに適度な温度の排ガスを加熱部２２に送ることができる。これにより、Ｎａ電池２の加熱をより効率的に行える。
また、ガスタービン発電機４と蒸気タービン発電機３といった２つの発電装置を、ＳＯＦＣ１の排ガスによって作動させるようにしているので、発電システムの発電効率が更に高いものとなる。
更に、燃料極側の排ガスは熱交換させずに、１０００℃程度の高温を保ったままガスタービン発電機４手前の合流部５１まで送るようにしているので、高温の排ガスをガスタービン発電機４に導入し、排ガスを燃焼させるためのエネルギーを低減でき、ガスタービン発電機４の効率を高めることができる。
【００３３】
［第３の実施形態］
更に、本発明に係る発電システムの第３の実施形態について、図６を用いて説明する。
なお、本実施形態においては、第２の実施形態と異なる特徴部分についてのみ説明し、同一の構成要素には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。異なる構成要素とは、ＳＯＦＣ１からＮａ電池２に至る第１排ガス流路５Ａの途中に、ガスタービン発電機４が設けられている点である。
【００３４】
ＳＯＦＣ１からガスタービン発電機４を経てＮａ電池２までの間には、第１排ガス流路５Ａが設けられ、Ｎａ電池２と蒸気タービン発電機３との間には第２排ガス流路５Ｂが設けられている。ＳＯＦＣ１からの排ガスは、第１排ガス流路５Ａ及び第２排ガス流路５Ｂを流れて、ガスタービン発電機４、Ｎａ電池２及び蒸気タービン発電機３に各々導入されるようになっている。
【００３５】
燃料出側配管１２と空気出側配管１４とは合流部５１で合流され、ここから配管はガスタービン発電機４に至り、更にガスタービン発電機４からＮａ電池２に至る。これら燃料出側配管１２、空気出側配管１４及び合流部５１からＮａ電池２に至るまでの配管によって、第１排ガス流路５Ａは構成されている。
【００３６】
本実施形態においては、ＳＯＦＣ１からの排ガス、すなわち燃料極側及び空気極側からの排ガスを熱交換等せずに合流させて、ガスタービン発電機４に送るようにしている。そのため、非常に高温の排ガスをガスタービン発電機４に送ることができるので、ガスタービン発電機４において排ガスを燃焼させるためのエネルギーを低減できる。
【００３７】
なお、上記第２及び第３本実施形態において、第１実施形態におけるバーナを用いても、差し支えない。
また、上記各実施形態においては、発電装置としてＳＯＦＣのみを用いて説明したが、これに限定する意図ではなく、他の発電装置、例えばＭＣＦＣを用いても、差し支えない。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る発電システムによれば、発電装置からの排ガスを用いて電力貯蔵装置を加熱するようにしているので、高効率な発電装置と大電力貯蔵可能な電力貯蔵装置とを組み合わせ、排熱を有効利用して総合効率を高めた発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電力負荷率の時間変化の一例を示すグラフ図である。
【図２】本発明に係る発電システムの第１実施形態を示す部分断面斜視図である。
【図３】本発明に係る発電システムにおけるナトリウム電池の総合効率と、ナトリウム電池単独の場合の総合効率との比較を示すグラフ図である。
【図４】本発明に係る発電システムの第１実施形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明に係る発電システムの第２実施形態を示す概略構成図である。
【図６】本発明に係る発電システムの第３実施形態を示す概略構成図である。
【図７】従来の発電システムの一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ＳＯＦＣ（発電装置）
２Ｎａ電池（電力貯蔵装置）
３蒸気タービン発電機
４ガスタービン発電機
５Ａ第１排ガス流路（熱流路）
５Ｂ第２排ガス流路
１５ａバーナ（ガス加熱手段）
２２加熱部

Claims

燃料を用いて発電する固体電解質型燃料電池と、該固体電解質型燃料電池と電気的に接続され前記発電された電力を貯蔵するナトリウム電池とを備えた発電システムであって、前記ナトリウム電池には、該ナトリウム電池を加熱するための加熱部が設けられ、該加熱部と前記固体電解質型燃料電池との間には、該固体電解質型燃料電池からの排熱を該加熱部に導入するための熱流路が流量調整可能に設けられ、
前記熱流路は、前記固体電解質型燃料電池からの排熱を蓄えた状態で排出された排ガスが流れるための排ガス流路とされ、ガスタービン発電機及び蒸気タービン発電機のうち少なくとも一方に前記排ガスが導入され、前記固体電解質型燃料電池に導入される燃料及び空気を予熱する熱交換器を備えることを特徴とする発電システム。
前記固体電解質型燃料電池は、前記排ガスを空気極側と燃料極側とから排出する構成とされ、
前記空気極側と前記燃料極側とのうち、一方から排出された前記排ガスが前記排ガス流路を流れ、他方から排出された前記排ガスが前記加熱部を経た前記排ガスと合流することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
請求項１又は２に記載の発電システムにおいて、前記固体電解質型燃料電池に代えて溶融炭酸塩型燃料電池を備えたことを特徴とする発電システム。