JP5688777B2

JP5688777B2 - 複合発電設備

Info

Publication number: JP5688777B2
Application number: JP2013035038A
Authority: JP
Inventors: 栄一幸田; 吉葉　史彦; 史彦吉葉
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-12
Also published as: JP2013140805A

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池装置とガスタービンを組み合わせた複合発電設備に関する。

水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池、例えば、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を回収分離できるため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。

また、ＭＣＦＣは高温で作動するため、排気をガスタービンの燃焼器に供給するように構成して、ＭＣＦＣとガスタービンとを組み合わせた複合発電設備も従来から提案されてきている（例えば、特許文献１参照）。ＭＣＦＣとガスタービンとを組み合わせた複合発電設備とすることにより、ＭＣＦＣとガスタービンとで発電を行うことができる。

ＭＣＦＣをはじめとして水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池装置では、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手段に送り、改質手段に燃料ガスの２倍から３倍程度の蒸気を投入し、燃料ガスを改質して水素ガスを得ている。蒸気を得るためには水を蒸気に換える熱源が必要であるが、水が気体に変化する領域の温度に対して常に高い温度の熱が必要であり、蒸気を得るためのエネルギーを多大に必要としている。

このため、燃料電池は、高効率で発電が行え、環境に対しても影響が少ない発電システムとして注目されてきているが、反面、発電に対して損失が少なからず存在しているのが現状であり、更なる高効率化の可能性を有しているのが実情である。

このように、燃料ガスを改質して変成燃料とする場合、例えば、バイオマスを燃焼した燃料ガスから水素を製造する場合等、大量の蒸気を必要としているのが実情である。

特開２００９−３２４６３号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化を図ることができる燃料電池設備とガスタービンとを組み合わせた複合発電設備を提供することを目的とする。

本発明では、燃料を増湿する増湿手段と、増湿手段で増湿された燃料を改質して水素リッチのアノードガスを得る改質手段と、改質手段で得られたアノードガス及び酸素を含むカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池とを備えた燃料電池設備が適用される。

これにより、増湿手段で増湿した燃料を改質手段で改質して水素リッチのアノードガスを得るようにしたので、燃料を増湿するための最小限のエネルギーで、即ち、発生させるために多くのエネルギーを要する蒸気を用いずに、水素リッチのアノードガスを得ることができ、発電効率を高めることができる。

また、増湿手段は、加温水に燃料を接触させることで燃料を加湿するものであり、燃料電池の排気ガスの熱を回収する熱回収手段を備え、増湿手段の加温水の熱源を熱回収手段とした燃料電池設備が適用される。

これにより、燃料電池の排気ガスの熱を加温水の加温源として燃料の加湿を行うことができる。

また、熱回収手段は、燃料電池の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器である燃料電池設備が適用される。

これにより、燃料電池の排気ガスを燃焼した熱を加温水の加温源として燃料の加湿を行うことができる。

また、燃料電池は溶融炭酸塩形燃料電池が適用される。これにより、溶融炭酸塩形燃料電池の発電効率を高めることができる。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の複合発電設備は、燃料を増湿する増湿手段と、増湿手段で増湿された燃料を改質して水素リッチのアノードガスを得る改質手段と、改質手段で得られたアノードガス及び酸素を含むカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスを膨張するガスタービンと、ガスタービンの排気の熱回収を行う排熱回収ボイラとを備え、増湿手段は、加温水に燃料を接触させることで燃料を加湿するものであり、増湿手段の加温水の熱源は、排熱回収ボイラで熱回収されて大気放出される排気であることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、増湿手段で増湿した燃料を改質手段で改質して水素リッチのアノードガスを得て燃料電池で発電を行うと共に、燃料電池の排気ガスを燃焼してガスタービンで膨張させることで発電を行うことができ、燃料を増湿するための最小限のエネルギーで、即ち、発生させるために多くのエネルギーを要する蒸気を用いずに、水素リッチのアノードガスを得ることができ、発電効率を高めることができる複合発電設備となる。
そして、大気放出される排気を加温水の加温源として燃料を増湿させることができる。

また、請求項２に係る本発明の複合発電設備は、請求項１に記載の複合発電設備において、排熱回収ボイラで発生した蒸気を動力源とする蒸気タービンと、蒸気タービンの排気蒸気を凝縮する復水手段と、復水手段で凝縮された復水を排熱回収ボイラに供給する給水系とを備えたことを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、排熱回収ボイラで発生した蒸気を蒸気タービンの駆動源とした設備に適用することができる。

また、請求項３に係る本発明の複合発電設備は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の複合発電設備において、燃料電池は溶融炭酸塩形燃料電池であることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、溶融炭酸塩形燃料電池の発電効率を高めることができる。

また、請求項４に係る本発明の複合発電設備は、燃料を増湿する増湿手段と、増湿手段で増湿された燃料を改質して水素リッチのアノードガスを得る改質手段と、改質手段で得られたアノードガス及び酸素と二酸化炭素を含む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、溶融炭酸塩形燃料電池の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスを膨張するガスタービンと、ガスタービンの排気の二酸化炭素をカソードガスに混合する循環系統とからなり、循環系統には、排気から、回収するための二酸化炭素を得ると共に凝縮水が生成される分離手段が備えられ、ガスタービンの排気の熱回収を行う排熱回収手段を備え、増湿手段は、加温水に燃料を接触させることで燃料を加湿するものであり、増湿手段の加温水の熱源は、排熱回収手段で熱回収されて分離手段に送られる排気であることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、増湿手段で増湿した燃料を改質手段で改質して水素リッチのアノードガスを得るようにしたので、燃料を増湿するための最小限のエネルギーで、即ち、発生させるために多くのエネルギーを要する蒸気を用いずに、水素リッチのアノードガスを得ることができ、発電に伴って発生した二酸化炭素の全量を回収してカソードガスの酸化剤として二酸化炭素を得ることができる閉サイクルのシステムを構築することが可能になり、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備とすることができる。
そして、ガスタービンの排気を加温水の加温源として燃料を増湿させることができる。

本発明では、燃料を増湿する増湿手段と、増湿手段で増湿された燃料を改質して水素リッチの変成燃料を得る改質手段備え、増湿手段により燃料を増湿（加温）することにより、多くのエネルギーを要する蒸気の量を抑制して変成燃料を得ることができる。

本発明の複合発電設備は、発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化を図ることができる燃料電池設備とガスタービンとを組み合わせた複合発電設備とすることができる。

燃料電池設備の概略系統図である。本発明の一実施形態例に係る複合発電設備の概略系統図である。本発明の他の実施形態例に係る複合発電設備の概略系統図である。

図１には燃料電池設備の概略系統を示してある。
図に示すように、水素と酸素の電気化学反応により電力を得る燃料電池１、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）や酸化物固体電解質型（ＳＯＦＣ）には天然ガス等の燃料ｆから得られた水素（Ｈ_２）がアノード極側に供給されると共に、空気（Ｏ_２）がカソード極側に供給され、Ｈ_２とＯ_２の電気化学反応により発電が行われる。燃料電池１の排気ガスは熱回収手段としての燃焼器２で未燃分が完全燃焼されて熱回収される。

天然ガス等の燃料ｆを増湿する増湿手段３が備えられ、増湿手段３には、例えば、８０℃程度の加温水４が貯留されている。燃料ｆは増湿手段３の加温水４の内部に導入され、加温水４を流通して加温水４に接触することで、例えば、水分が７５％含まれる状態に増湿される。増湿手段３で増湿された燃料ｆを改質する改質手段５が備えられ、増湿手段３で増湿された燃料ｆが改質手段５に送られて水素リッチのアノードガスとされる。

増湿手段３の加温水４の熱源として、燃焼器２の燃焼エネルギーが用いられる。増湿手段３の加温水４は、例えば、８０℃程度であるので、大型の燃焼器２を備えることなく加温水４のための燃焼エネルギーが得られる。また、他の用途（例えば、ガスタービンの膨張ガスを得るため）で燃焼器２が用いられている場合、加温水４を得るための熱エネルギーは僅かであるので、他の用途に影響を及ぼすことがない。

上述した燃料電池設備では、増湿手段３で増湿された燃料ｆが改質されてアノードガスとされるので、改質のための高温の蒸気が不要であり、高温の蒸気を生成するための機器（蒸気発生設備）やエネルギーを必要としない。

このため、例えば、他の用途のために燃焼器２が備えられていれば、既存の設備に対して増湿手段３を付加することにより、燃料ｆを絞っても十分な出力を得ることができる。また、加温水４のために専用の熱回収手段（燃焼器１３）を備える場合には、小型の熱回収手段を適用することができ、加温水４を生成するためのエネルギーを得るための機器を小さくすることができる。

従って、増湿手段３で増湿した燃料ｆを改質手段５で改質して水素リッチのアノードガスを得るようにしたので、燃料を増湿するための最小限のエネルギーで、即ち、発生させるために多くのエネルギーを要する蒸気を用いずに、水素リッチのアノードガスを得ることができ、発電効率を高めることができる。

このため、発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化を図ることができる燃料電池設備となる。

尚、増湿手段としては、加温水４に燃料ｆを通す構成に限らず、燃料ｆにシャワー状または霧状に水分を供給する構成のものを適用することも可能である。また、燃料電池としては、酸化物固体電解質型（ＳＯＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、高分子固体電解質型（ＰＥＦＣ）のものを適用することも可能である。

図２には本発明の一実施形態例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。

図に示すように、本実施形態例の複合発電設備１１には、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）１２が備えられ、ＭＣＦＣ１２の出口ガス（排気ガス）が導入されて燃焼が行われる燃焼器１３が設けられている。燃焼器１３からの燃焼ガスを膨張して駆動するガスタービン１４が備えられ、ガスタービン１４には発電機１５が同軸上に設けられている。ガスタービン１４の駆動により発電機１５が作動して発電が行われる。

ガスタービン１４の下流にはガスタービン１４で仕事を終えた排気（排気ガス）の熱回収を行う改質手段としての改質器１６、排熱回収手段としての蒸気発生器１７、カソードガス予熱器１８が備えられ、熱回収された排気ガスはドレン分離冷却器１９で凝縮水（Ｈ_２Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ_２）に分離される。

ドレン分離冷却器１９では、系外で回収される量（回収ＣＯ_２）と系内に循環される量とが調整されて分離される。即ち、ドレン分離冷却器１９では排気ガスが凝縮水（Ｈ_２Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ_２）に分離されると共に、Ｏ_２とＣＯ_２の混合割合が、例えば、１対２に近似する値になるようにＣＯ_２が系外に分離される。

Ｏ_２とＣＯ_２の割合が１対２に近似する値に調整されたガスとすることで、出力密度を向上させることができ、ＭＣＦＣ２のエネルギー変換効率の向上と出力密度の向上とを同時に図ることができる。

ＭＣＦＣ１２は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）２１と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）２２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ｆから得られた水素（Ｈ_２）をアノード２１に供給すると共に、空気（Ｏ_２）とＣＯ_２をカソード２２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。また、ＭＣＦＣ１２のカソード２２側の排気ガスの一部は、必要に応じてブロワ２３によりカソード２２の入口側に循環され。

系内に循環されるＣＯ_２は、外部から供給されるＯ_２との割合が１対２に近似する値にされた状態で圧縮機２４により圧縮される。圧縮ガスは、カソードガス予熱器１８で予熱されてカソード１２に送られる（循環系統）。ドレン分離冷却器１９で分離された凝縮水（Ｈ_２Ｏ）は、蒸気発生器１７に送られて蒸気とされ、必要に応じてエネルギーが回収される。

天然ガス等の燃料ｆを増湿する増湿手段３１が備えられ、増湿手段３１には、例えば、８０℃程度の加温水３２が貯留されている。燃料ｆは増湿手段３１の加温水３２の内部に導入され、加温水３２を流通して加温水３２に接触することで、例えば、水分が７５％含まれる状態に増湿される。増湿手段３１で増湿された燃料ｆが改質器１６に送られて水素リッチのアノードガスとされる。

増湿手段３１の加温水３２の熱源として、蒸気発生器１７の熱源が用いられる。増湿手段３１の加温水３２は、例えば、８０℃程度であるので、蒸気発生器１７の蒸気を発生させるための熱エネルギーの極一部が使用され、蒸気発生器１７としての機能に影響を及ぼすことがない。このため、ガスタービン１４の排気を用いて加温水３２を得ることができる。

尚、加温水３２の熱源として燃焼器１３の燃焼エネルギーを用いることも可能である。この場合も、燃焼器１３を大型化することなく加温水３２のための燃焼エネルギーを得ることができる。

上述した複合発電設備１１では、ＭＣＦＣ１２による発電と、ガスタービン１４による発電により電力を得ることができる。そして、増湿手段３１で増湿された燃料ｆが改質されてアノードガスとされるので、改質のための高温の蒸気が不要であり、高温の改質用蒸気を生成するための機器やエネルギーを必要としない。

また、燃料ｆと当量比のＯ_２だけを供給することで発電に伴って発生したＣＯ_２の全量を回収してカソードガスの酸化剤としてＣＯ_２を高濃度で得ることができる閉サイクルのシステムを構築することが可能になり、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備１１とすることができる。

このため、発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化を図ることができる燃料電池設備とガスタービン１４とを組み合わせた複合発電設備１１となる。

尚、増湿手段としては、加温水３２に燃料ｆを通す構成に限らず、燃料ｆにシャワー状または霧状に水分を供給する構成のものを適用することも可能である。

図３には本発明の他の実施形態例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。
図に示すように、本実施形態例の複合発電設備４１には、圧縮機４２で圧縮された圧縮空気及び改質手段４３で改質された水素リッチのアノードガスが送られる燃料電池４４が備えられ、燃料電池４４ではＨ_２とＯ_２の電気化学反応により発電が行われる。燃料電池４４の排気ガスは必要に応じて燃焼されてガスタービン４５に導入され、燃焼ガスはガスタービン４５で膨張されて動力が回収され、発電機４６により発電が行われる。

ガスタービン４５で仕事を終えた排気ガスは排熱回収ボイラ４７に送られ、熱回収されて煙突から大気に放出される。排熱回収ボイラ４７で発生した蒸気は蒸気タービン４８に送られて動力が回収され、発電機４９により発電が行われる。蒸気タービン４８の排気蒸気は復水器５１で凝縮され、復水器５１で凝縮された復水は給水ポンプ５２により排熱回収ボイラ４７の低圧側のドラムに送られる（給水系）。

排熱回収ボイラ４７の出口部位には天然ガス等の燃料ｆを増湿する増湿手段５５が備えられ、増湿手段５５には加温水５６が貯留されている。加温水５６は排熱回収ボイラ４７で熱回収されて大気放出される排気により、例えば、８０℃程度の加温水５６とされる。燃料ｆは増湿手段５５の加温水５６の内部に導入され、加温水５６を流通して加温水５６に接触することで、例えば、水分が７５％含まれる状態に増湿される。増湿手段５５で増湿された燃料ｆは改質手段５７に送られ、増湿された燃料ｆが改質手段５７で改質されて水素リッチのアノードガスとされ、燃料電池４４に送られる。

上述した複合発電設備４１では、燃料電池４４、ガスタービン４５及び蒸気タービン４８による発電により電力を得ることができる。そして、増湿手段５５で増湿された燃料ｆが改質されてアノードガスとされるので、改質のための高温の蒸気が不要であり、排熱回収ボイラ４７で熱回収されて大気に放出される排気の熱を用い、高温の蒸気を生成するための機器やエネルギーを必要としない。このため、既存の設備を改造することなく増湿のエネルギーを得て発電を行うことができる。

従って、燃料を増湿するための最小限のエネルギーで、即ち、発生させるために多くのエネルギーを要する蒸気を用いずに、水素リッチのアノードガスを得ることができ、発電効率を高めた複合発電設備４１とすることができる。

このため、発電に対する損失を極力抑えて高次元での効率化を図ることができる燃料電池設備とガスタービン４５とを組み合わせた複合発電設備４１となる。

尚、増湿手段としては、加温水５６に燃料ｆを通す構成に限らず、燃料ｆにシャワー状または霧状に水分を供給する構成のものを適用することも可能である。また、増湿のための熱エネルギーを得るために、燃料電池４４の排気ガスの熱を利用したり、燃料電池４４の排気側に小型の燃焼器を設けることも可能である。また、燃料電池としては、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、酸化物固体電解質型（ＳＯＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、高分子固体電解質型（ＰＥＦＣ）のものを適用することが可能である。

本発明の燃料変成装置は、例えば、石炭やバイオマスをガス化したガス化燃料を増湿する増湿手段を備え、増湿手段で増湿された燃料を改質して水素リッチの変成燃料を得る改質手段を備えたものである。そして、変成燃料は、例えば、水素製造設備で製造される水素とされたり、ガスタービンの燃焼器に投入される水素リッチの燃料とされる。ガス化燃料を増湿手段で加湿することで、改質手段で使用する蒸気の量を大幅に削減することができる。このため、例えば、蒸気タービンの駆動源とする蒸気の一部を改質用に使用する設備では、蒸気タービンの出力を低下させずに所望の水素リッチの変成燃料を得ることが可能になる。

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電力を得る燃料電池装置とガスタービンを組み合わせた複合発電設備の産業分野で利用することができる。

１、４４燃料電池
２、１３燃焼器
３、３１、５５増湿手段
４、３２、５６加温水
５、５７改質手段
１１、４１複合発電設備
１２溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
１４、４５ガスタービン
１５、４６、４９発電機
１６改質器
１７蒸気発生器
１８カソードガス予熱器
１９ドレン分離冷却器
２１燃料極（アノード）
２２空気極（カソード）
２４、４２圧縮機
４７排熱回収ボイラ
４８蒸気タービン
５１復水器
５２給水ポンプ

Claims

燃料を増湿する増湿手段と、
増湿手段で増湿された燃料を改質して水素リッチのアノードガスを得る改質手段と、
改質手段で得られたアノードガス及び酸素を含むカソードガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
燃料電池の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスを膨張するガスタービンと、
ガスタービンの排気の熱回収を行う排熱回収ボイラとを備え、
増湿手段は、加温水に燃料を接触させることで燃料を加湿するものであり、
増湿手段の加温水の熱源は、排熱回収ボイラで熱回収されて大気放出される排気である
ことを特徴とする複合発電設備。
請求項１に記載の複合発電設備において、
排熱回収ボイラで発生した蒸気を動力源とする蒸気タービンと、
蒸気タービンの排気蒸気を凝縮する復水手段と、
復水手段で凝縮された復水を排熱回収ボイラに供給する給水系とを備えた
ことを特徴とする複合発電設備。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の複合発電設備において、
燃料電池は溶融炭酸塩形燃料電池である
ことを特徴とする複合発電設備。
燃料を増湿する増湿手段と、
増湿手段で増湿された燃料を改質して水素リッチのアノードガスを得る改質手段と、
改質手段で得られたアノードガス及び酸素と二酸化炭素を含む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、
溶融炭酸塩形燃料電池の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスを膨張するガスタービンと、
ガスタービンの排気の二酸化炭素をカソードガスに混合する循環系統とからなり、
循環系統には、排気から、回収するための二酸化炭素を得ると共に凝縮水が生成される分離手段が備えられ、
ガスタービンの排気の熱回収を行う排熱回収手段を備え、
増湿手段は、加温水に燃料を接触させることで燃料を加湿するものであり、
増湿手段の加温水の熱源は、排熱回収手段で熱回収されて分離手段に送られる排気である
ことを特徴とする複合発電設備。