JP5294291B2

JP5294291B2 - 発電設備

Info

Publication number: JP5294291B2
Application number: JP2007129864A
Authority: JP
Inventors: 史彦吉葉
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2027-05-15
Also published as: JP2008287941A

Description

本発明は、石炭ガス化ガスにより得られた水素及び酸素との電気化学反応により電力を得る溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備に関する。

水素と酸素との電気化学反応により電力を得る溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、天然ガス等の燃料から得られた水素（Ｈ_２）をアノードに供給すると共に、空気（Ｏ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）をカソードに供給することで、Ｈ_２とＯ_２の電気化学反応により発電が行われる。ＭＣＦＣは高温で作動するため、高効率でＣＯ_２を回収分離でき、環境への影響が少ない等の特徴を有している。このため、近年は、水力、火力、原子力に続く発電システムとして注目されてきている。

水素と酸素との電気化学反応により電力を得るＭＣＦＣでは、燃料としての水素を得るために、天然ガス等の燃料ガスを改質して水素ガスを得ることが考えられる。一方、供給安定性が高く、発熱量あたりの価格が低廉である石炭をガス化して燃料電池の燃料とする技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。石炭は世界の広い地域に存在し、可採埋蔵量が多く、価格が安定しているため、エネルギーの確保、エネルギー価格の安定に重要な役割を果たしている。

しかし、石炭は発熱量あたりのＣＯ_２の排出量が天然ガスより多いため、ＣＯ_２の削減を考慮した発電設備を構築する必要があるのが現状であり、ＭＣＦＣの性能を維持しつつＣＯ_２の削減を考慮した石炭ガス化ガスを用いた発電設備の実現が求められているのが実情である。また一方で、ＣＯ_２を分離回収し、地中や海底に隔離する技術が種々研究されてきている。このため、ＣＯ_２の削減に留まらず、ＣＯ_２の分離回収の容易性も考慮した発電設備が求められているのが実情である。

石炭ガス化ガスを用いた発電設備を構築するに際し、ＭＣＦＣの性能を維持した状態で、ＣＯ_２の削減、ＣＯ_２の分離回収の容易性を考慮した場合、発電設備全体の効率を低下させることは避けなければならない。このため、石炭ガス化ガスを用いた発電設備であっても、ＣＯ_２を有効に利用し、発電効率を高く維持した状態でＣＯ_２の分離回収の容易性を両立できる発電設備を構築することが求められている。

特開２０００−４８８４４号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、石炭ガス化ガスを用いた溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備にあって、ＣＯ_２を有効に利用し、しかも、ＣＯ_２の分離回収を容易に行うことができる発電設備を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の発電設備は、Ｏ_２を吹き込むことで石炭を燃焼してガス化ガスを得る石炭ガス化炉と、石炭ガス化炉で得られたガス化ガスがアノードガスとしてアノードに供給されると共に純Ｏ_２及びＣＯ_２ガスを含むカソードガスがカソードに供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、カソードのカソード排気及びアノードのアノード排気を燃焼する燃焼器と、燃焼器の燃焼ガスを常圧まで達しない圧力に維持して膨張して動力を得る膨張タービンと、膨張タービンで仕事を終えた排気ガスを冷却して水及びＣＯ_２ガスに分離する凝縮手段と、凝縮手段で分離されたＣＯ_２ガスを回収のために圧縮する回収ＣＯ_２圧縮機と、前記回収ＣＯ _２圧縮機で圧縮された高圧のＣＯ _２ガスを回収する回収設備とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、Ｏ_２を吹き込むことで石炭を石炭ガス化炉で燃焼させてガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをアノードガスとして溶融炭酸塩形燃料電池のアノードに供給し、アノードガスと純Ｏ_２及びＣＯ_２ガスを含むカソードガスとの電気化学反応により溶融炭酸塩形燃料電池で発電を行い、溶融炭酸塩形燃料電池の排気を燃焼器で燃焼させ、燃焼器の燃焼ガスを常圧まで達しない圧力に維持して膨張して膨張タービンで動力を得て、膨張タービンの排気ガスを凝縮手段で冷却してＣＯ_２ガスを分離し、分離されたＣＯ_２ガスの一部をＣＯ_２圧縮機で圧縮し、所定圧力の純Ｏ_２と共にカソードに圧送すると共に、分離されたＣＯ_２ガスの一部を回収ＣＯ_２圧縮機で圧縮して高圧状態のＣＯ_２として回収設備で回収する。

このため、高い発電効率が維持された状態でＣＯ_２を有効に利用することができ、しかも、高圧状態のＣＯ_２として回収されたＣＯ_２の分離回収を容易に行なうことができ、例えば、隔離のための動力を要することなく地中や海底へのＣＯ_２の隔離が容易になり、発電設備を構築するための立地に対する自由度が向上する。

そして、請求項２に係る本発明の発電設備は、請求項１に記載の発電設備において、凝縮手段は、膨張タービンで仕事を終えた排気ガスの熱回収を行なう排熱回収手段に収容され、排熱回収手段には排気ガスの熱回収を行なって蒸気を発生させる蒸気発生手段が備えられ、蒸気発生手段で熱回収された排気ガスが凝縮手段に送られることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、排気ガスとしてのＣＯ_２の熱エネルギーを排熱回収手段の蒸気発生手段により有効に回収して蒸気を発生させることができる。

また、請求項３に係る本発明の発電設備は、請求項２に記載の発電設備において、蒸気発生手段で発生した蒸気により動力を得る蒸気タービンと、蒸気タービンで仕事を終えた排気蒸気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を蒸気発生手段に給水する給水系とを備えたことを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、蒸気発生手段で発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して蒸気タービンによりエネルギーを得ることができ、蒸気タービンで仕事を終えた排気蒸気が復水手段で復水されて給水系により蒸気発生手段に給水される。

また、請求項４に係る本発明の発電設備は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発電設備において、凝縮手段で分離されたＣＯ_２ガスの一部を圧縮してカソードに圧送するＣＯ_２圧縮機と、所定圧力の純Ｏ_２をＣＯ_２圧縮器で圧縮されたＣＯ_２ガスに供給する酸素供給系とを備えたことを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、膨張タービンの排気ガスのＣＯ_２を回収し、ＣＯ_２圧縮器で昇圧してカソードガスとして用いることができる。

また、請求項５に係る本発明の発電設備は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発電設備において、回収ＣＯ_２圧縮機で圧縮されたＣＯ_２を冷却して液体ＣＯ_２とする冷却手段を備えたことを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、排気ガスとしてのＣＯ_２を冷却手段で冷却することで高圧の液体ＣＯ_２として回収することができ、例えば、隔離のための動力を要することなく地中や海底にへのＣＯ_２の隔離が容易になり、発電設備を構築するための立地に対する自由度が大幅に向上する。

また、請求項６に係る本発明の発電設備は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発電設備において、純Ｏ_２は、深冷分離方式により得られた純Ｏ_２であることを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、加圧状態のＯ_２を容易に得ることができ、Ｏ_２を加圧する設備を備える必要がない発電設備とすることができる。

本発明の発電設備は、石炭ガス化ガスを用いた溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備にあって、高い発電効率を維持した状態でＣＯ_２を有効に利用し、しかも、ＣＯ_２の分離回収を容易に行なうことができる発電設備となる。

本発明の一実施形態例に係る発電設備は、Ｏ_２を吹き込むことで石炭を燃焼して得られるガス化ガス（アノードガス）と、純Ｏ_２及びＣＯ_２ガスを含むカソードガスとで発電を行なう溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を備え、ＭＣＦＣの排気ガス（ＣＯ_２ガス）を膨張タービンで膨張させて発電を行ない、膨張タービンの排気ガスを熱回収して蒸気タービンで発電を行い、ＣＯ_２ガスの一部をＣＯ_２圧縮機で圧縮して純Ｏ_２と共にカソードガスとして循環させる。これにより、ＣＯ_２の排出量が多い石炭をガス化したガスを用いた場合でも、ＣＯ_２ガスを有効に利用してＭＣＦＣの性能を維持しつつ、高い発電効率を維持してＣＯ_２の削減を考慮した発電設備となる。

また、ＣＯ_２ガスの一部を回収ＣＯ_２圧縮機で圧縮し、更に、冷却して高圧の液体ＣＯ_２の状態で回収するようになっている。これにより、高圧の液体ＣＯ_２としてＣＯ_２を回収することができ、地中や海底に隔離するための動力分の圧力を確保した状態でＣＯ_２の回収が可能になり、ＣＯ_２の削減に留まらず、高い発電効率を維持した状態でＣＯ_２の分離回収の容易性も考慮した発電設備となる。

この結果、石炭ガス化ガスを用いた発電の高効率化とＣＯ_２の回収の容易性を両立させたＭＣＦＣを備えた発電設備の構築が可能になる。

図１に基づいて本発明の一実施形態例に係る発電設備を具体的に説明する。図１には本発明の一実施形態例に係る発電設備の概略系統を示してある。

図に示すように、本実施形態例の発電設備には、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）１が備えられている。ＭＣＦＣ１は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）１１と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）１２との間に、電解質（炭酸塩）が挟まれて構成されている。そして、石炭ガス化ガスから得られた水素（Ｈ_２）をアノード１１に供給すると共に、純Ｏ_２とＣＯ_２をカソード１２に供給することで、Ｈ_２とＯ_２の電気化学反応により発電が行われる。

ＭＣＦＣ１の出口ガス（排気ガス）が導入されて燃焼が行なわれる燃焼器３が設けられ、燃焼器３で燃焼された燃焼ガスを膨張する膨張タービン（ガスタービン）３１が設けられている。ガスタービン３１には発電機３２が同軸上に設けられ、ガスタービン３１の駆動により発電機３２が作動して発電が行なわれる。

ガスタービン３１の下流にはガスタービン３１で仕事を終えた排気ガスの熱回収を行なう排熱回収手段としての排熱回収ボイラ４が備えられ、排熱回収ボイラ４は蒸気発生手段としての蒸気発生器５及び凝縮手段としての凝縮器６を備えている。

蒸気発生器５で発生した蒸気が送られる蒸気タービン７が設けられ、蒸気タービン７には発電機８が同軸上に設けられ、蒸気タービン７の駆動により発電機８が作動して発電が行なわれる。蒸気タービン７で仕事を終えた排気蒸気は復水手段としての復水器９で復水され、給水ポンプ１０により蒸気発生器５に給水される（給水系）。蒸気発生器５で熱回収された排気ガスは凝縮器６で凝縮されて水（Ｈ_２Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ_２）に分離される。

凝縮器６で分離されたＣＯ_２の一部はＣＯ_２圧縮機１３で圧縮され、ＣＯ_２圧縮機１３で圧縮されたＣＯ_２に所定の圧力の純Ｏ_２を供給する酸素供給系として酸素製造装置１４が備えられている。ＣＯ_２圧縮機１３で圧縮されたＣＯ_２に所定の圧力の純Ｏ_２が供給されてカソードガスが生成され、カソードガスはＭＣＦＣ１のカソード１２に供給される。酸素製造装置１４は、深冷分離方式により純Ｏ_２を得る深冷設備からの純Ｏ_２を所定圧力に加圧して供給する装置で構成されている。

一方、酸素製造装置１４で得られた純Ｏ_２と共に石炭を燃焼して石炭ガス化ガス（炭化水素系のガス化ガス）を得るガス化設備としての石炭ガス化炉１５（Ｏ_２吹きのガス化炉）が備えられ、石炭ガス化炉１５で得られた石炭ガス化ガスは、ガス冷却器１６で冷却された後、ポーラスフィルタ１７を通って脱硫装置１８で脱硫される。石炭ガス化炉１５で発生した蒸気は蒸気タービン７に供給される（図中※２）。

脱硫装置１８で脱硫された石炭ガス化ガスは、シフト反応器１９で化学反応（発熱反応）によりＨ_２とＣＯ_２に反応され、所望のアノードガスを得てＭＣＦＣ１のアノード１１に供給される。脱硫後の石炭ガス化ガスに異物が残留した場合、異物をシフト反応器１９でトラップすることができる。

シフト反応器１９は石炭ガス化ガスが流通する配管内に所望の触媒が配されたもので、石炭ガス化ガスを発熱反応によりＨ_２とＣＯ_２に反応させて電気化学反応に用いられるＨ_２を含むアノードガスとされる。シフト反応器１９では、
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋ＣＯ_２の発熱反応が行なわれる。

発熱反応によりＨ_２を得ているので、アノードガスを所望の温度に昇温させるための熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を用いることなく、即ち、他の機器からの熱を必要とせずにＨ_２を含むアノードガスをＭＣＦＣ１のアノード１１に供給することができる。このため、発熱量を維持することでアノードガスの温度を所望温度に維持することができ、アノードガスの温度を調整するための余分な熱交換用の熱源や冷却源（アノード排ガスの循環等）をなくした状態で、放射熱が生じない状態でアノードガスを得ることができる。

また、従来までＭＣＦＣ１の内部で起こっていたシフト反応による発熱をＭＣＦＣ１の外部で行うため、シフト反応による発熱分だけ、ＭＣＦＣ１での冷却が不要となり、カソードガスによる電池の冷却動力が削減される。

脱硫装置１８は湿式の装置で、前述した排熱回収ボイラ４の凝縮器６で凝縮された凝縮水（回収水）の一部が導入される。また、凝縮器６で凝縮された凝縮水（回収水）はポンプ２１によりガス冷却器１６に送られ、石炭ガス化ガスの冷却用の媒体とされる。凝縮水（回収水）はガス冷却器１６で熱交換により加熱されて蒸気とされ、脱硫装置１８で脱硫された石炭ガス化ガスに供給される。

燃焼器３に送られるＭＣＦＣ１のカソード排気の一部を冷却する冷却器２３が備えられ、冷却器２３で冷却されたカソード排気はブロア２４でカソード１２の入口側のカソードガス（純Ｏ_２とＣＯ_２ガスを含むカソードガス）に供給され、カソードガスが所望の温度に昇温される。冷却器２３には冷却媒体として給水ポンプ１０で蒸気発生器５に送られる給水の一部が送られ、熱回収された冷却媒体である給水は冷却器２３に送られ（図中※１）、冷却器２３で蒸気とされて蒸気タービン７に送られる。

このため、カソードガスを所望の温度に昇温させるための熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を用いることなくカソードガスをＭＣＦＣ１のカソード１２に供給することができる。尚、ブロア２４に代えてエジェクタを設けることも可能である。

アノードガスはシフト反応器１９で昇温され、カソードガスはカソード排気の循環により昇温されているので、ＭＣＦＣ１に熱交換器（ガス／ガス熱交換器）を備える必要がなく、機器の設置スペースを省略して設計の自由度が増すと共にコンパクト化を図ることが可能になる。

一方、凝縮器６で分離されてＣＯ_２圧縮機１３で圧縮される一部のＣＯ_２以外のＣＯ_２（ＣＯ_２の一部）は回収系を構成する回収ＣＯ_２圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮され、冷却器２７で冷却されて液体ＣＯ_２（Ｌ・ＣＯ_２）として回収設備２８に回収される。ＭＣＦＣ１の排気ガスは膨張タービン３１で任意の圧力（完全には常圧までに達しない圧力）に膨張され、常圧まで達しない任意の圧力が維持された状態でＣＯ_２ガスに分離され、圧力が維持されたＣＯ_２ガスの一部が回収ＣＯ_２圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮されている。

ＣＯ_２の回収系では、膨張タービン３１で任意の圧力（常圧に達しない圧力）に膨張された後ＣＯ_２ガスの一部が回収ＣＯ_２圧縮機２６で回収のために圧縮され、更に、冷却器２７で冷却されて高圧の液体ＣＯ_２を得ることができる。このため、最小限の圧縮動力の回収ＣＯ_２圧縮機２６により回収用の高圧の圧縮ＣＯ_２ガスを得て液体ＣＯ_２としてＣＯ_２を回収することができる。高圧の液体ＣＯ_２としてＣＯ_２が回収されるため、地中や海底に隔離するための動力分の圧力を確保した状態でＣＯ_２が回収され、ＣＯ_２の分離回収の容易性が考慮された発電設備となる。また、膨張タービン３１は、ＭＣＦＣ１の排気ガスの膨張後の圧力を完全に常圧には達しない任意の圧力に膨張するように設定することができるので、膨張タービン３１での膨張状態の設定を任意に行なうことにより、ＣＯ_２の利用形態の自由度を増すことができる。

尚、圧力が維持された状態のＣＯ_２ガスの一部を回収ＣＯ_２圧縮機２６で圧縮せずに、そのままの圧力状態で回収することも可能である。

上述した発電設備では、石炭を石炭ガス化炉１５で燃焼させ、ガス冷却器１６で石炭ガス化ガスが冷却されると共にポーラスフィルタ１７を通って脱硫装置１８で脱硫処理されてアノードガスが生成される。石炭ガス化ガスはシフト反応器１９で発熱反応によりＨ_２とＣＯ_２に反応され、Ｈ_２を含むアノードガスがＭＣＦＣ１のアノード１１に供給される。ＭＣＦＣ１では、Ｈ_２を含むアノードガスと純Ｏ_２及びＣＯ_２ガスを含むカソードガスとの電気化学反応により発電が行なわれる。

このため、余分な熱源及び熱交換源をなくした状態で、石炭ガス化ガスから所望のアノードガスを得ることができる。

ＭＣＦＣ１の排気は燃焼器３で燃焼され、膨張タービンで膨張されることなく圧力が維持された状態で排熱回収ボイラ４の蒸気発生器５で熱回収され、凝縮器６で冷却されてＣＯ_２ガスと水に分離される。分離されたＣＯ_２ガスはＣＯ_２圧縮機１３で圧縮され、酸素製造装置１４からの純Ｏ_２と共にカソードガスとしてカソード１２に圧送される。カソードガスにはカソード側の排気が冷却器２３で冷却されてブロア２４で循環供給され、カソードガスが所望の温度に維持される。

上述した発電設備では、アノードガスをシフト反応器１９で発熱反応させているので、他の機器からの熱源がないため冷却の必要がない。このため、ＣＯ_２ガスと純Ｏ_２からなるカソードガスを適用している場合でも（限られた流量のカソードガスを用いている場合でも）、ＭＣＦＣ１の性能を維持した状態でＣＯ_２の削減を考慮した設備とすることができる。

一方、凝縮器６で分離されたＣＯ_２の一部は回収ＣＯ_２圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮され、冷却器２７で冷却されて液体ＣＯ_２（Ｌ・ＣＯ_２）として回収設備２８に回収される。ＭＣＦＣ１の排気ガスはガスタービン３１で膨張されて発電動力とされ、ＣＯ_２ガスに分離されて回収ＣＯ_２圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮されている。

ＭＣＦＣ１の排気ガスの圧力、即ち、ＭＣＦＣ１に供給されるアノードガス及びカソードガスの圧力（運転圧力）は、ガスタービン３１の負荷、ＣＯ_２圧縮機１３及び回収ＣＯ_２圧縮機２６の回転数を調整して圧縮比を変更することで任意の圧力に調整することができる。そして、ガスタービン３１の負荷が変更された際には、ＣＯ_２圧縮機１３及び回収ＣＯ_２圧縮機２６の動力を調整し、即ち、ガスタービン３１の出力を減少させて排気ガスの圧力が高い状態に維持されている際には、ＣＯ_２圧縮機１３及び回収ＣＯ_２圧縮機２６の動力を減少させて所望の圧力を確保し、効率よく任意の負荷で運転を行なうことができる。

このため、発電効率を高く維持した状態で、回収ＣＯ_２圧縮機２６により回収用の高圧の圧縮ＣＯ_２ガスを得て液体ＣＯ_２としてＣＯ_２を回収することができる。高圧の液体ＣＯ_２としてＣＯ_２が回収されるため、地中や海底に隔離するための動力分の圧力を確保した状態でＣＯ_２が回収され、ＣＯ_２の分離回収の容易性が考慮された発電設備となる。

従って、地中や海底にＣＯ_２を隔離することを想定した発電設備を構築する場合に、ＣＯ_２の圧送動力や圧送経路（手段）を考慮することなく、所望の隔離場所に発電設備を建設することが可能になり、発電設備の構築に対する自由度が向上する。しかも、ＣＯ_２を有効に用いた発電設備とされているため、高い効率を維持した状態でＣＯ_２の回収を容易性が考慮された設備とすることができる。

このため、石炭ガス化ガスを用いた発電の高効率化とＣＯ_２の回収の容易性を両立させたＭＣＦＣ１を備えた発電設備の構築が可能になる。

上述した発電設備は、ガスタービン３１の負荷を下げた場合に発電効率が低下すると考えられる。しかし、ガスタービン３１の負荷を下げた分だけ排気ガスの圧力が高くなり、排気ガスの潜熱回収エネルギーが多くなって、蒸気タービン７側での熱回収量を多くして高い熱効率を維持することができる。

ＣＯ_２ガスの一部が回収ＣＯ_２圧縮機２６で所定の圧力（例えば、１０ＭＰａ）に圧縮されているので、ＣＯ_２を高圧状態で回収することができる。そして、ガスタービン３１の負荷に応じて蒸気タービン７側での熱回収量を適宜確保し、蒸気タービン７の出力を維持している。更に、ガスタービン３１の負荷に応じて水分が凝縮する際に最大限の温度の温水として潜熱回収が行なわれ、潜熱損失が最小限にされて蒸気タービン７での出力向上に寄与している。

上述した発電設備では、５７％（ＨＨＶ）を超える送電端効率での運転が可能である。図２〜図４に基づいて発電設備の性能を説明する。図２にはＭＣＦＣ１の運転条件、性能、ガス化効率の一例、図３には発電設備の性能及び動力の一例、図４には発電設備の熱損失と動力損失の一例、図５には本実施形態例の発電設備の効率の内訳の一例を示してある。図に示した数値の一例は実際の設備に適用したと仮定した時の試算値であり、本願発明の発電設備の効率を定量的に説明したものである。このため、実際の設備とした場合には、機器の配置や適用種類により数値は変化するものであるが、全体の傾向は（概略）同程度であり、トータルでの効率である５７％（ＨＨＶ）を超える送電端効率は確保できるものである。

図２に示すように、ＭＣＦＣ１の運転条件は、燃料利用率が９２．３％、酸素利用率及びＣＯ_２利用率が１０．９％（カソードリサイクルの内側の利用率）、電流密度が２０００Ａ／ｍ^２、ＣＯ_２分圧が１．７ＭＰａ、カソードリサイクル率が９８．９％、ガス化炉空気比が０．３９、冷ガス効率が８３．３％、熱ガス効率が９８．１％となっている。

発電設備の性能及び動力は、図３に示す通りであり、発電設備の熱損失と動力損失は、図４に示す通りとなり、発電端効率が６８．５％、送電端効率が５８．２％（いずれもＨＨＶ）となる。つまり、２．２ＭＰａの高圧で運転し、２０００Ａ／ｍ^２の高い運転密度を維持し、１０ＭＰａの液体ＣＯ_２の回収を行なった場合でも、ＣＯ_２の液化動力を含めて５８．２％の送電端効率を達成することができる。

つまり、図５に示すように、送電端出力が３００ＭＷ級で、運転圧力が２．２ＭＰａ、運転電流密度が２０００Ａ／ｍ^２、ＭＣＦＣ１の出力割合が６１．８％、ガスタービン３１の出力割合が１８．６％、蒸気タービン７の出力割合が１９．６％となる。そして、ＣＯ_２圧縮機１３の動力割合が４．４％、回収ＣＯ_２圧縮機２６の動力割合が３．７％、酸素製造動力割合が９．２％であり、ＣＯ_２の液化動力を含んだ送電端効率が５８．２％（ＨＨＶ）となる。

例えば、地中に液体ＣＯ_２を貯留するためには８ＭＰａ程度の圧力が必要とされるが、１０ＭＰａの液体ＣＯ_２として回収することで、地中貯留に対応できる充分な圧力状態で回収されている。これにより、石炭火力の発電設備をＣＯ_２地下貯留のしやすい任意の場所に建設することが可能になる。

以上が石炭から動力に変わった割合（ｇｒｏｓｓ）の変換効率に対し、石炭から生成された電気の消費動力、その他プラント全体補機動力、機器の損失（図３、図４参照）を差し引いて送電端効率が５８．２％（ＨＨＶ）となる。５８．２％を算出するにあたり用いた数値は、既存の機器による運転により過去に得られた既知の数値であるので、技術は日々進歩しているものであり、運転条件の最適化も日々向上していることにより、５８．２％は最低限の値であるといえる。このため、ＭＣＦＣ１、蒸気タービン７、ガスタービン３１の運転条件を変更することなく高い側の数値の発電効率（例えば、６０％）を達成することが可能である。

上述した発電設備は、ＭＣＦＣ１とガスタービン３１及び蒸気タービン７を用いて高出力の高圧のシステムを構築し、更に、ＣＯ_２を高圧の液体ＣＯ_２として回収すると共にカソードガスとして循環させて閉サイクルを構成して高出力が維持され、高い熱効率を達成して高い発電効率を達成している。

このため、石炭ガス化ガスを用いたＭＣＦＣ１を備えた発電設備であっても、発電効率を高く維持してＣＯ_２を有効に利用し、しかも、分離したＣＯ_２を回収ＣＯ_２圧縮機２６で圧縮してＣＯ_２の分離回収を高圧の状態で容易に行ない、回収したＣＯ_２の用途の自由度が高い発電設備となる。

上述した実施形態例では、ＭＣＦＣ１の排気をガスタービン３１で動力を回収した後にＣＯ_２に分離し、分離したＣＯ_２をカソードガスとして用いて閉サイクルの設備としているが、ガスタービン３１で動力を回収した後の排気を全量回収し、他の設備からのＣＯ_２をカソードガスとして用いる設備を構築することも可能である。

本発明は、石炭ガス化ガスにより得られた水素及び酸素との電気化学反応により電力を得る溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備の産業分野で利用することができる。

本発明の一実施形態例に係る発電設備の概略系統図である。ＭＣＦＣ１の運転条件、性能、ガス化効率の一例を示す表図である。発電設備の性能及び動力の一例を示す表図である。発電設備の熱損失と動力損失の一例を示す表図である。本実施形態例の発電設備の効率の内訳の一例を示す表図である。

符号の説明

１溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
３燃焼器
４排熱回収ボイラ
５蒸気発生器
６凝縮器
７蒸気タービン
８、３２発電機
９復水器
１０給水ポンプ
１１燃料極（アノード）
１２空気極（カソード）
１３ＣＯ_２圧縮機
１４酸素製造装置
１５石炭ガス化炉
１６ガス冷却器
１７ポーラスフィルタ
１８脱硫装置
１９シフト反応器
２１ポンプ
２３、２７冷却器
２４ブロア
２６回収ＣＯ_２圧縮機
２８回収設備
３１膨張タービン

Claims

Ｏ_２を吹き込むことで石炭を燃焼してガス化ガスを得る石炭ガス化炉と、
石炭ガス化炉で得られたガス化ガスがアノードガスとしてアノードに供給されると共に純Ｏ_２及びＣＯ_２ガスを含むカソードガスがカソードに供給され、アノードガス及びカソードガスの電気化学反応により発電を行う溶融炭酸塩形燃料電池と、
カソードのカソード排気及びアノードのアノード排気を燃焼する燃焼器と、
燃焼器の燃焼ガスを常圧まで達しない圧力に維持して膨張して動力を得る膨張タービンと、
膨張タービンで仕事を終えた排気ガスを冷却して水及びＣＯ_２ガスに分離する凝縮手段と、
凝縮手段で分離されたＣＯ_２ガスを回収のために圧縮する回収ＣＯ_２圧縮機と、
前記回収ＣＯ _２圧縮機で圧縮された高圧のＣＯ _２ガスを回収する回収設備とを備えた
ことを特徴とする発電設備。
請求項１に記載の発電設備において、
凝縮手段は、膨張タービンで仕事を終えた排気ガスの熱回収を行なう排熱回収手段に収容され、排熱回収手段には排気ガスの熱回収を行なって蒸気を発生させる蒸気発生手段が備えられ、蒸気発生手段で熱回収された排気ガスが凝縮手段に送られる
ことを特徴とする発電設備。
請求項２に記載の発電設備において、
蒸気発生手段で発生した蒸気により動力を得る蒸気タービンと、
蒸気タービンで仕事を終えた排気蒸気を復水する復水手段と、
復水手段からの復水を蒸気発生手段に給水する給水系とを備えた
ことを特徴とする発電設備。
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発電設備において、
凝縮手段で分離されたＣＯ_２ガスの一部を圧縮してカソードに圧送するＣＯ_２圧縮機と、
所定圧力の純Ｏ_２をＣＯ_２圧縮器で圧縮されたＣＯ_２ガスに供給する酸素供給系とを備えた
ことを特徴とする発電設備。
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発電設備において、
回収ＣＯ_２圧縮機で圧縮されたＣＯ_２を冷却して液体ＣＯ_２とする冷却手段を備えた
ことを特徴とする発電設備。
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発電設備において、
純Ｏ_２は、深冷分離方式により得られた純Ｏ_２である
ことを特徴とする発電設備。