JP5496494B2

JP5496494B2 - 発電システム

Info

Publication number: JP5496494B2
Application number: JP2008301113A
Authority: JP
Inventors: 充生豊田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: JP2010129286A

Description

本発明は、発電システムに関し、特にアノードとカソードとを有する燃料電池を備え、この燃料電池の燃料の一部として火力発電所から排出される発電所排ガスを利用する発電システムに関する。

火力発電所は、石炭や液化天然ガス等の燃料をボイラで燃焼させて水蒸気を生成し、この水蒸気によってタービンを駆動して発電を行う。火力発電所は、この発電に伴って二酸化炭素を、例えば、１５％程度含む排ガスを排出する。火力発電所から排出される排ガスに含まれる二酸化炭素は、地球温暖化の原因物質となるため、従来から、大気中での二酸化炭素残存量を低減する試みが行われている。

火力発電所から発生する二酸化炭素を低減させる技術としては、多孔質のカソードに火力発電所の排ガスを供給して電気化学反応を行わせ、二酸化炭素を一酸化炭素と炭酸イオンとに分解して二酸化炭素を低減する二酸化炭素分解方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−７９０４０号公報

ここで、アノード排ガスは、燃料電池の種類にもよるが、例えば、６００℃以上の高温でアノードから排出されるため、一般に、アノード排ガスから二酸化炭素を回収することは容易ではない。

このため、例えば、上記特許文献１の二酸化炭素分解方法は、アノードから排出されるアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する手段を備えておらず、アノード排ガスは、廃棄されるか、別工程に供給されるとしている。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、火力発電所から排出された発電所排ガスを利用して発電を行いつつ、この発電所排ガスに含まれる二酸化炭素ガスを効率的に回収できる発電システムを提供することである。

本発明者らは、アノードから排出されたアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置を設けるとともに、この二酸化炭素回収装置とアノードとの間に、アノード排ガスを予め冷却する冷却器を設けることによって、火力発電所から排出された発電所排ガスを利用して発電を行いつつ、この発電所排ガスから二酸化炭素を効率的に回収できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、以下の解決手段により、前記課題を解決する。
請求項１の発明は、火力発電所から排出された二酸化炭素ガスを含む発電所排ガスが供給されるカソードと、水素ガスが供給されるアノードとを有する燃料電池と、前記アノードから排出されたアノード排ガスから、前記アノード排ガスに含まれる二酸化炭素ガスの一部を液化又は固体化して回収する二酸化炭素回収装置と、前記アノードと前記二酸化炭素回収装置との間に設けられ、前記二酸化炭素回収装置に供給される前記アノード排ガスを予め冷却する冷却器とを備える発電システムである。

請求項１に記載の発電システムは、燃料電池が火力発電所から排出された発電所排ガスを燃料の一部として発電を行いつつ、発電所排ガスを分解して二酸化炭素を取り出す。そして、二酸化炭素回収装置が、この二酸化炭素を液化又は固体化して回収する。

ここで、アノード排ガスの温度は、燃料電池の種類にもよるが、例えば、６００℃以上であるが、請求項１に記載の発電システムは、アノード排ガスを予め冷却する冷却器を備えているので、二酸化炭素回収装置の負荷を軽減でき、二酸化炭素を効率的に回収することができる。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発電システムにおいて、前記アノードと前記冷却器との間に熱交換器を備え、前記熱交換器は、前記二酸化炭素回収装置から戻されかつ未反応ガスを含むリターンガスと、前記アノード排ガスとの熱交換を行うことによって、前記冷却器に供給される前記アノード排ガスを予め降温させることを特徴とする発電システムである。

請求項２に記載の発電システムは、冷却器においてアノード排ガスを冷却する前に、熱交換器において予めアノード排ガスを降温させる。ここで、熱交換器は、冷却器及び二酸化炭素回収装置で冷却されたリターンガスを利用して熱交換を行うので、効率よくアノード排ガスを降温させることができる。

請求項３の発明は、請求項２に記載の発電システムにおいて、前記熱交換器に戻された前記リターンガスを、前記熱交換器における熱交換後に前記カソードに戻すガス循環手段をさらに備えることを特徴とする発電システムである。

請求項３に記載の発電システムは、リターンガスをカソードに戻して燃料電池と二酸化炭素回収装置との間でガスを循環させるので、外気に排出されるガス量を低減できる。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の発電システムにおいて、前記燃料電池は、前記アノードと前記カソードとの間に配置され、溶融炭酸塩を電解質として用いた電解質板を備えることを特徴とする発電システムである。

請求項４に記載の発電システムは、溶融炭酸塩形燃料電池によって発電を行うので、発電効率がよい。

本発明に係る発電システムによれば、火力発電所から排出された発電所排ガスを利用して発電を行いつつ、この発電所排ガスに含まれる二酸化炭素ガスを効率的に回収できる。

以下、本発明を適用した発電システムの実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、実施形態の発電システムの構成を示す図である。
図２は、図１に示す発電システムに備えられたＭＣＦＣ（ＭｏｌｔｅｎＣａｒｂｏｎａｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）の構造を示す図である。

実施形態の発電システム１０は、火力発電所１００から排出される発電所排ガス（石炭炊きボイラ１０１から排出される燃焼ガス）を燃料電池（ＭＣＦＣ２３）に供給することによって発電を行うとともに、発電所排ガスに含まれる二酸化炭素ガスを液化して回収するものである。発電所から排出される発電所排ガスの温度は、例えば、５９３℃程度となっており、この中には、二酸化炭素ガスが、例えば、１５％程度含まれている。

発電システム１０は、図１に示すように、第１発電部２０、水回収部３０、第２発電部４０、カソードリサイクルブロワ５０、及び、二酸化炭素回収部６０を備えている。発電システム１０を形成するこれらの各要素は、配管等によって接続されており、発電所排ガス、水蒸気、水素ガス、カソード排ガス、アノード排ガス等の各気体、及び、水等の液体は、配管を介して上記各要素間を移動する。

第１発電部２０は、火力発電所１００から排出される発電所排ガスを燃料の一部として発電を行う部分であり、燃料予熱器２１、改質器２２（改質室２２ａ、加熱室２２ｂ）、ＭＣＦＣ２３（カソード２３ａ、アノード２３ｂ）、及び、触媒燃焼室２４を備えている。

燃料予熱器２１は、外部から供給される天然ガス及び水蒸気と、後述する改質器２２の改質室２２ａで生成された水素ガスとの熱交換を行って、天然ガス及び水蒸気を、例えば、５８０℃程度に昇温する部分である。一方、燃料予熱器２１から排出された水素ガスは、アノード２３ｂに供給される。

改質器２２は、触媒を有する改質室２２ａを備えている。この改質室２２ａは、燃料予熱器２１から供給される天然ガスに含まれるメタンと水蒸気とを反応させて水素ガスを生成する水素ガス生成装置として機能する。また、改質器２２は、加熱室２２ｂを備え、改質室２２ａは、この加熱室２２ｂによって、天然ガスの改質反応に適した所定の温度（例えば、７８０℃程度）以上に保たれる。

改質室２２ａにおいて生成された水素ガスは、燃料予熱器２１に戻されて、例えば、５８０℃程度に昇温された後、後述するＭＣＦＣ２３のアノード２３ｂに供給される。

ＭＣＦＣ２３は、図２に示すように、カソード２３ａとアノード２３ｂとを備えるとともに、これらの電極の間に溶融炭酸塩を電解質として用いた電解質板２３ｃが備えられた溶融炭酸塩形燃料電池である。ＭＣＦＣ２３は、例えば、６５０℃程度で作動するようになっている。

カソード２３ａは、後述するカソードリサイクルブロワ５０によって供給される混合ガス（発電所排ガス及び空気）に含まれる酸素及び二酸化炭素ガスから、（式１）に示す電気化学反応によって炭酸イオンを生成し、水蒸気と未反応ガスとを含むカソード排ガスを排出する。カソード２３ａから排出されるカソード排ガスの温度は、例えば、６５０℃程度である。

１／２Ｏ_２＋ＣＯ_２＋２ｅ⁻→ＣＯ_３ ^２−・・・（式１）

カソード排ガスは、適宜その一部が後述する触媒燃焼室２４に供給される。また、カソード排ガスは、他の一部がカソードリサイクルブロワ５０に戻される。これは、カソード２３ａに導入されるガス量を増加させて、発熱反応を行うＭＣＦＣ２３が過熱することを防止するためである。

触媒燃焼室２４及びカソードリサイクルブロワ５０に供給されない残りのカソード排ガスは、後述する水回収部３０に供給される。

アノード２３ｂは、カソード２３ａによって生成された炭酸イオンと、燃料予熱器２１から供給された水素とを反応（（式２）参照）させ、水蒸気や未反応ガスを含むアノード排ガスを排出する。アノード排ガスの温度は、アノード２３ｂの出口付近で、例えば、６５６℃程度となっている。

Ｈ_２＋ＣＯ_３ ^２−→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻・・・（式２）

アノード排ガスは、適宜その一部が後述する触媒燃焼室２４に供給される。また、触媒燃焼室２４に供給されないカソード排ガスは、後述する二酸化炭素回収部６０に備えられた熱交換器６１に供給される。

触媒燃焼室２４は、アノード排ガス及びカソード排ガスを改質する部分であり、これらの排ガスは、例えば、７９０℃程度に昇温され、前述した改質器２２の加熱室２２ｂに供給される。この加熱室２２ｂに供給されたアノード排ガス及びカソード排ガスは、後述するカソードリサイクルブロワ５０に戻される。

水回収部３０は、カソード２３ａから排出されたカソード排ガスに含まれる水蒸気を液化して回収する部分であり、補助燃焼室３１、廃熱回収ボイラ３２、及び、気水分離器３３を備えている。

補助燃焼室３１は、カソード排ガスの温度が低い場合に天然ガスを補助燃料にしてカソード排ガスを昇温するものである。なお、補助燃焼室３１には、発電システム１０の起動時等、カソード排ガスの温度が特に低い場合、火力発電所１００から排出される発電所排ガスと空気との混合ガスが導入される。

この補助燃焼室３１で昇温されたカソード排ガスは、後述する第２発電部４０に備えられたガスタービン４１を通過して、廃熱回収ボイラ３２に供給される。ガスタービン４１については、後に説明する。

廃熱回収ボイラ３２は、補助燃焼室３１を通過したカソード排ガス（例えば、５００℃程度）と、後述する気水分離器３３から排出された水（例えば、１５℃程度）との熱交換を行って、水蒸気を生成する部分である。これによって、補助燃焼室３１を通過したカソード排ガスは、例えば、１９３℃程度に降温される。ここで、本明細書において、単に水といった場合は、液体の水を意味し、気体の水蒸気とは区別するものとする。

廃熱回収ボイラ３２で生成された水蒸気は、第１発電部２０に備えられた燃料予熱器２１の入り口まで戻され、天然ガスとともに燃料予熱器２１に供給される。なお、この廃熱回収ボイラ３２の近傍に蒸気タービンを設け、廃熱回収ボイラ３２が生成した水蒸気を利用して発電を行ってもよい。

気水分離器３３は、補助燃焼室３１及び廃熱回収ボイラ３２を通過し、予め降温されたカソード排ガスを、さらに、例えば、１５℃程度に冷却して、カソード排ガスに含まれる一酸化炭素と水分とを分離する水回収装置である。一酸化炭素は、排ガスとして、例えば、大気中に放出される。

気水分離器３３によって取り出された水は、ポンプＰによって前述の廃熱回収ボイラ３２に戻されて水蒸気化される。

第２発電部４０は、カソード２３ａから排出されるカソード排ガスを利用して発電を行う部分であり、ガスタービン４１、コンプレッサ４２、及び、ジェネレータ４３を備えている。

ガスタービン４１は、補助燃焼室３１から廃熱回収ボイラ３２に向けて供給されるカソード排ガスを利用して駆動される。

コンプレッサ４２は、ガスタービン４１に連動して駆動される。このコンプレッサ４２は、火力発電所１００から排出される発電所排ガスと空気とを混合し、この混合ガスをカソード２３ａに供給するものである。

ジェネレータ４３は、ガスタービン４１に連動して駆動されることによって発電を行うようになっている。このジェネレータ４３は、例えば、カソードリサイクルブロワ５０に備えられた電動モータＭに電気を供給する。

カソードリサイクルブロワ５０は、電動モータＭを備えた送風装置であり、コンプレッサ４２から排出された混合ガス、カソード２３ａから排出されたカソード排ガスの一部、及び、加熱室２２ｂから排出されたガスをカソード２３ａに供給するようになっている。

二酸化炭素回収部６０は、アノード排ガスに含まれる二酸化炭素ガスを液化して回収する部分であり、熱交換器６１、冷却器６２、及び、二酸化炭素回収装置６３を備えている。熱交換器６１は、アノード２３ｂと冷却器６２との間に、冷却器６２は、熱交換器６１と二酸化炭素回収装置６３との間にそれぞれ設けられている。

ここで、本明細書において、熱交換器６１がアノード２３ｂと冷却器６２との間に設けられているとは、アノード排ガスが流れる方向に沿って、アノード２３ｂ、熱交換器６１、冷却器６２が、この順番で設けられていることを意味し、実際に熱交換器６１がアノード２３ｂと冷却器６２との間に配置されていることを意味するものではない。冷却器６２についても同様とする。

熱交換器６１は、アノード２３ｂから排出された、例えば、６３６℃程度のアノード排ガスの熱と、後述する二酸化炭素回収装置６３から戻された、例えば、３０℃程度のリターンガスの熱とを交換する部分であり、リターンガスを昇温させるとともに、アノード排ガスを降温させるようになっている。

冷却器６２は、熱交換器６１によって降温されたアノード排ガスを、例えば、液化窒素等の冷媒を用いてさらに冷却する部分であり、アノード排ガスは、例えば、３０℃程度に冷却される。アノード排ガスに含まれる水蒸気は、これによって液化し、アノード排ガスから除去される。

二酸化炭素回収装置６３は、図示しない耐圧容器を備え、冷却器６２から供給されたアノード排ガスは、この耐圧容器内に収容される。二酸化炭素回収装置６３は、耐圧容器内に収容されたアノード排ガスを加圧・冷却することによって、アノード排ガスに含まれる二酸化炭素ガスを液化して回収することができるようになっている。

これに対し、二酸化炭素回収装置６３で回収されない水素ガス等の未反応ガスを含むアノード排ガス（例えば、３０℃程度）は、リターンガスとして前述の熱交換器６１に戻され、アノード２３ｂから排出されたアノード排ガス（例えば、６３６℃程度）と熱交換を行うことによって、例えば、５８０℃程度に昇温される。

この昇温されたリターンガスは、第１発電部２０に設けられた触媒燃焼室２４に戻され、例えば、７９０℃程度に昇温される。リターンガスは、この後に加熱室２２ｂに供給され、燃料予熱器２１から改質室２２ａに供給された天然ガス及び水蒸気を改質反応させる。このリターンガスは、天然ガスを改質することによって、例えば、６３６℃程度に降温される。

降温されたリターンガスは、カソードリサイクルブロワ５０に供給され、カソードリサイクルブロワ５０によって、再びカソード２３ａに戻される。このようにアノード２３ｂから排出されたアノード排ガスは、その一部が二酸化炭素回収部６０とカソード２３ａとを介して循環され、カソードリサイクルブロワ５０は、ガス循環手段の一部として機能する。

次に、本実施形態の発電システム１によって火力発電所１００から排出される二酸化炭素を回収する際の流れを説明する。

火力発電所１００に備えられた石炭炊きボイラ１０１から排出された発電所排ガスは、コンプレッサ４２によって空気と混合され、この混合ガスがＭＣＦＣ２３に備えられたカソード２３ａに供給される。

カソード２３ａに供給された混合ガスは、ＭＣＦＣ２３において燃料の一部として使用され、ＭＣＦＣ２３は、これによって発電を行い、アノード２３ｂから二酸化炭素ガスを含むアノード排ガスを排出する。アノード２３ｂから排出されたアノード排ガスは、二酸化炭素回収部６０に供給され、二酸化炭素回収部６０は、アノード排ガスに含まれる二酸化炭素ガスを液化して回収する。

ここで、ＭＣＦＣ２３は、発電反応後において、発電反応前よりもガス中の二酸化炭素濃度が高濃度になるという二酸化炭素濃縮機能を有しており（図２参照）、アノード排ガスには、発電所排ガスに含まれていた二酸化炭素の大部分が濃縮される。

本実施形態の発電システム１０では、アノード排ガスに含まれる二酸化炭素ガスを液化することによって、発電所排ガスに含まれる二酸化炭素ガスの、約７０％を二酸化炭素回収装置６３で回収できた。この二酸化炭素回収装置６３において回収された二酸化炭素（液体）の使用用途は、特に限定されず、例えば、他の工業用途に用いてもよいし、海底（海中）に放出してもよい。

以上説明した実施形態の発電システム１０は、以下の効果を得ることができる。
（１）火力発電所１００から排出される発電所排ガスは、二酸化炭素ガスの他にも水蒸気や窒素ガス等の各種成分を含んでいるが、ＭＣＦＣ２３の二酸化炭素濃縮機能によってアノード排ガスに二酸化炭素が濃縮されるので、発電所排ガスから容易かつ効率的に二酸化炭素を回収することができる。

（２）ＭＣＦＣ２３は、例えば、６５０℃程度で作動するものであるが、予め温度が、例えば、５９３℃程度の発電所排ガスを燃料の一部として発電を行うので、発電効率がよい。

（３）二酸化炭素を二酸化炭素回収装置６３で回収する前段階で、熱交換器６１及び冷却器６２によってアノード排ガスを予め冷却するので、二酸化炭素回収装置６３に対する負荷を軽減できる。

（４）熱交換器６１は、冷却器６２及び二酸化炭素回収装置６３で冷却されたリターンガス（３０℃程度）を利用してアノード排ガスを降温させるので、効率がよい。

（５）二酸化炭素回収装置６３で回収されなかった未反応ガスをリターンガスとしてＭＣＦＣ２３に戻すので、大気中に放出されるガス量を低減できる。

（６）燃料電池として、特に発電効率が高いＭＣＦＣ２３を使用したので、発電効率がよい。

［変形形態］
本発明は、以上説明した実施形態に記載した構成に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）本発明の発電システムの構成は、実施形態に記載したものに限らず、適宜変更が可能である。例えば、実施形態の二酸化炭素回収装置は、二酸化炭素ガスを液化して回収するものであったが、これに限らず、例えば、二酸化炭素を固体化（ドライアイス化）して回収するものであってもよい。

（２）二酸化炭素の回収方法は、実施形態に記載した方法に限らず、例えば、化学吸収法（アミン法等）、吸着法（ＰＳＡ法等）、膜分離法（高分子膜等）等の、その他の公知の二酸化炭素回収方法を用いてもよい。

（３）火力発電所から排出される発電所排ガスは、例えば、石炭を燃焼して発生させたものであっても天然ガスを燃焼して発生させたものであってもよい。また、その他の燃料を燃焼させて発生させたものであってもよい。

実施形態の発電システムの構成を示す図である。図１に示す発電システムに備えられたＭＣＦＣの構造を示す図である。

符号の説明

１０発電システム
２０第１発電部
２３ＭＣＦＣ
２３ａカソード
２３ｂアノード
３０水回収部
３２気水分離器
４０第２発電部
５０カソードリサイクルブロワ
６０二酸化炭素回収部
６１熱交換器
６２冷却器
６３二酸化炭素回収装置
１００火力発電所

Claims

火力発電所から排出された二酸化炭素ガスを含む発電所排ガスが供給されるカソードと、水素ガスが供給されるアノードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置され、溶融炭酸塩を電解質として用いた電解質板と、を有する燃料電池と、
前記アノードから排出されたアノード排ガスから、前記アノード排ガスに含まれる二酸化炭素ガスの一部を液化又は固体化して回収する二酸化炭素回収装置と、
前記アノードと前記二酸化炭素回収装置との間に設けられ、液化窒素を冷媒として用いて、前記二酸化炭素回収装置に供給される前記アノード排ガスを予め冷却する冷却器と、
前記アノードと前記冷却器との間に設けられ、前記二酸化炭素回収装置から前記冷却器を通らずに戻されかつ未反応ガスを含むリターンガスと前記アノード排ガスとの熱交換を行うことによって、前記冷却器に供給される前記アノード排ガスを予め降温させる熱交換器と、
前記熱交換器に戻された前記リターンガスを、前記熱交換器における熱交換後に前記カソードに戻すガス循環手段と、
前記カソードと、前記カソードから排出されたカソード排ガスが供給されるガスタービンとの間に設けられる補助燃焼室と、を備える発電システムであり、
前記補助燃焼室は、前記カソード排ガスの温度が第１の温度より低い場合には、天然ガスを補助燃料にして前記カソード排ガスを昇温し、前記カソード排ガスの温度が前記第１の温度より低い第２の温度より低い場合には、前記発電所排ガスと空気との混合ガスが導入されるものである発電システム。