JP7236200B1 - 水素生成システムおよび水素生成方法 - Google Patents
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Abstract
【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。
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。
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。
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
Claims (9)
- 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水素生成システム。 - 負荷設備に電力を供給する電力系統から供給される電力を変換して前記電解セルに供給する出力変換器を備え、
前記制御装置は、現在の時間帯が第1時間帯である場合に前記ガスタービンを停止させるとともに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して前記電解セルを運転するよう制御し、現在の時間帯が前記第1時間帯よりも前記負荷設備の電力需要量が多い第2時間帯である場合に前記ガスタービンを運転して前記ガスタービンで生成される前記燃焼ガスにより前記蓄熱構造体を加熱するよう制御する請求項1に記載の水素生成システム。 - 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前記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、セラミック材料により形成されている請求項1から請求項3のいずれか一項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から請求項3のいずれか一項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から請求項3のいずれか一項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6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、
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、
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前記水蒸気を生成し、生成された前記水蒸気を前記水素極に供給する水素生成方法。 - 前記水素生成システムは、負荷設備に電力を供給する電力系統から供給される電力を変換して前記電解セルに供給する出力変換器を備え、
前記運転工程は、現在の時間帯が第1時間帯である場合に前記ガスタービンを停止させるとともに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して前記電解セルを運転し、
前記加熱工程は、現在の時間帯が前記第1時間帯よりも前記負荷設備の電力需要量が多い第2時間帯である場合に前記ガスタービンを運転して前記ガスタービンで生成される前記燃焼ガスにより前記蓄熱構造体を加熱する請求項8に記載の水素生成方法。
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