JPWO2006043494A1 - 複合発電設備 - Google Patents
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Abstract
H２を含むアノードガス及びO２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（ＭＣＦＣ）２と、ＭＣＦＣ２の排気ガスが導入されて燃焼される燃焼器３と、燃焼器３からの燃焼ガスを膨張するガスタービン４と、ガスタービン４の排気のCO２をカソードガスに混合する循環系統１５とからなり、燃料と当量比のO２だけを供給することで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CO２を得ることができる閉サイクルのシステムを構築し、高次元で高効率化を図ることができる溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）とガスタービンを組み合わせた複合発電設備とする。
Description
本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）とガスタービンを組み合わせた複合発電設備に関する。
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（H２）をアノードに供給すると共に、空気（O２）と二酸化炭素（CO２）をカソードに供給することで、H２とO２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、CO２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。
従来から提案されているＭＣＦＣとガスタービンとを組み合わせた複合発電設備では、ＭＣＦＣでの電気化学反応による発電とガスタービンの駆動による発電とにより、効率よくエネルギーを電力に変換することができる。ＭＣＦＣはCO２の濃縮回収・分離が可能である等といった特徴があるため、ガスタービンと組み合わせた場合には更なる高効率化の可能性を有しており、高次元での効率化が求められているのが実情である。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ＭＣＦＣとガスタービンとを組み合わせた設備において、高効率化と二酸化炭素の回収の容易化、及び低コスト化、出力密度の向上を同時に図ることができる複合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本発明の請求の範囲１に記載の複合発電設備は、水素を含む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ることを特徴とする。
請求の範囲１に記載の複合発電設備では、燃料と当量比の酸素だけを供給することで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。
本発明の請求の範囲２に記載の複合発電設備は、水素を含む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、排気から二酸化炭素を得る分離手段が備えられていることを特徴とする。
請求の範囲２に記載の複合発電設備では、燃料と当量比の酸素だけを供給することで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とすることができる。
本発明の請求の範囲３に記載の複合発電設備は、請求の範囲２に記載の複合発電設備において、酸化剤として燃料と当量比の酸素を用いることにより排気中の成分を水と二酸化炭素だけとして排気を冷却して水分を凝縮させることで高濃度の二酸化炭素を回収することを特徴とする。
請求の範囲３に記載の複合発電設備では、高濃度の二酸化炭素の回収が容易となる。
本発明の請求の範囲４に記載の複合発電設備は、請求の範囲２または請求の範囲３のいずれかに記載の複合発電設備において、分離手段で得た二酸化炭素のカソードガスへの混合状況を調整してカソードガスの酸素と炭酸ガスの割合を所定状態にする調整手段を備えたことを特徴とする。
請求の範囲４に記載の複合発電設備では、二酸化炭素の混合状況を調整することにより、酸素と二酸化炭素の割合を所定状態にすることができ、溶融炭酸塩形燃料電池のエネルギー変換効率の向上を図ることができる。
本発明の請求の範囲５に記載の複合発電設備は、請求の範囲４に記載の複合発電設備において、カソードガスは、酸素と二酸化炭素の割合が１対２に近似する値に調整されたガスであることを特徴とする。
請求の範囲５に記載の複合発電設備では、溶融炭酸塩形燃料電池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。
本発明の請求の範囲６に記載の複合発電設備は、請求の範囲１乃至請求の範囲５のいずれかに記載の複合発電設備において、ガスタービンの排気の熱回収を行う熱回収手段を備え、熱回収手段にはアノードガス及びカソードガスの予熱を行う予熱手段が備えられていることを特徴とする。
請求の範囲６に記載の複合発電設備では、ガスタービンの排気熱を用いてアノードガス及びカソードガスを適切に昇温させることができる。
本発明の請求の範囲７に記載の複合発電設備は、請求の範囲６に記載の複合発電設備において、炭化水素系燃料をアノードガスに改質する前置改質器を備え、熱回収手段には改質用の蒸気を発生させる過熱器が備えられ、過熱器で発生した蒸気が前置改質器に送られることを特徴とする。
請求の範囲７に記載の複合発電設備では、ガスタービンの排気の顕熱を有効に利用して燃料の改質を行うことができる。
上記目的を達成するための本発明の請求の範囲８に記載の複合発電設備は、炭化水素系燃料をアノードガスに改質する前置改質器と、水素を含む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熱回収を行う熱回収手段と、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、排気から二酸化炭素を得る分離手段が備えられると共に、循環系統には、分離手段で得た二酸化炭素のカソードガスへの混合状況を調整してカソードガスの酸素と二酸化炭素の割合を所定状態にする調整手段が備えられ、熱回収手段には、アノードガス及びカソードガスの予熱を行う予熱手段、及び前置改質器での改質用の蒸気を発生させるため分離手段で二酸化炭素を得た後の凝縮水が送られる過熱器が備えられていることを特徴とする。
請求の範囲８に記載の複合発電設備では、燃料と当量比の酸素だけを供給することで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とすることができる。そして、二酸化炭素の混合状況を調整することにより、酸素と二酸化炭素の割合を所定状態にすることができ、溶融炭酸塩形燃料電池のエネルギー変換効率の向上を図ることができる。また、ガスタービンの排気熱を用いてアノードガス及びカソードガスを適切に昇温させることができる。また、ガスタービンの排気の顕熱を有効に利用して燃料の改質を行うことができる。
上記目的を達成するための本発明の請求の範囲９に記載の複合発電設備は、水素を含む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熱エネルギーにより炭化水素系燃料をアノードガスに改質する改質器と、ガスタービンの排気の熱回収を行う熱回収手段と、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、排気から二酸化炭素を得る分離手段が備えられると共に、加圧された酸素に二酸化炭素を混合する系統が備えられ、熱回収手段には、二酸化炭素が混合された加圧酸素を予熱してカソードガスとして溶融炭酸塩形燃料電池に送るカソードガス予熱器が備えられ、熱回収手段には、分離手段で二酸化炭素が分離された後の水が送られてガスタービンの排気により蒸気を発生させる蒸気発生器が備えられ、更に、蒸気発生器からの蒸気が燃料と共に予熱してアノードガストして溶融炭酸塩形燃料電池に送るアノードガス予熱器が備えられ、分離手段で得た二酸化炭素のカソードガスへの混合状況を調整してカソードガスの酸素と二酸化炭素の割合を１対２に近似する値に調整する調整手段が備えられていることを特徴とする。
請求の範囲９に記載の複合発電設備では、燃料と当量比の酸素を加圧して供給することで発電に伴って発生した二酸化炭素を回収してカソードガスの酸化剤として二酸化炭素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、溶融炭酸塩形燃料電池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。また、エネルギー変換効率が高く、ガスタービン側の燃焼器に送られる燃焼用ガス中の酸素が過剰にならないので、温度が上がり過ぎることがなく、ガスタービン側の冷却構造などの設計の自由度が向上する。
本発明の複合発電設備は、高効率化と二酸化炭素の回収の容易化、及び低コスト化、出力密度の向上を同時に図ることができる複合発電設備とすることができる。
１ 複合発電設備
２ 溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
３ 燃焼器
４ ガスタービン
５ 発電機
６ 熱回収手段
７ 冷却手段
８ 水分離手段
９ 調整手段
１０ 圧縮機
１１ 燃料極（アノード）
１２ 空気極（カソード）
１３ アノードガス予熱手段
１４ カソードガス予熱手段
１５ 循環系統
２１ 前置改質器
２２ 過熱器
２３ 蒸発器
２４ 下流節炭器
２５ 燃料予熱器
２６ 下流酸素予熱器
２７ 膨張タービン
２８ 上流酸素予熱器
２９ 上流節炭器
３０ CO２予熱器
３１、４４ ドレン分離冷却器
３２ 空気予熱器
３３ ポンプ
４０ ブロワ
４１ 改質器
４２ 蒸気発生器
４３ カソードガス予熱器
４５ 圧縮機
４６ アノードガス予熱器
２ 溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）
３ 燃焼器
４ ガスタービン
５ 発電機
６ 熱回収手段
７ 冷却手段
８ 水分離手段
９ 調整手段
１０ 圧縮機
１１ 燃料極（アノード）
１２ 空気極（カソード）
１３ アノードガス予熱手段
１４ カソードガス予熱手段
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２１ 前置改質器
２２ 過熱器
２３ 蒸発器
２４ 下流節炭器
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２６ 下流酸素予熱器
２７ 膨張タービン
２８ 上流酸素予熱器
２９ 上流節炭器
３０ CO２予熱器
３１、４４ ドレン分離冷却器
３２ 空気予熱器
３３ ポンプ
４０ ブロワ
４１ 改質器
４２ 蒸気発生器
４３ カソードガス予熱器
４５ 圧縮機
４６ アノードガス予熱器
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図１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、図２には本発明の一実施形態例に係る複合発電設備の具体的な系統、図３には効率を説明する表を示してある。また、図４には複合発電設備の具体的な系統の他の実施形態例を示してある。
図１に基づいて複合発電設備の概略を説明する。
図１に示すように、本実施形態例の複合発電設備１には、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２が備えられ、ＭＣＦＣ２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３が設けられている。燃焼器３からの燃焼ガスを膨張して駆動するガスタービン４が備えられ、ガスタービン４には発電機５が同軸上に設けられている。ガスタービン４の駆動により発電機５が作動して発電が行われる。
ガスタービン４の下流にはガスタービン４で仕事を終えた排気（排気ガス）の熱回収を行う熱回収手段６が備えられ、熱回収手段６で熱回収された排気ガスは冷却手段７で冷却されて水分離手段８で凝縮水としての水（Ｈ２Ｏ）が分離されて非凝縮ガスとしての二酸化炭素（ＣＯ２）が得られる。水分離手段８で分離されたH２Oは排水されると共に、一部が燃料改質用の蒸気（H２O）として使用される。つまり、冷却手段７及び水分離手段８により分離手段が構成されている。
水分離手段８でＨ２Ｏが分離されたＣＯ２は調整手段９により系外で回収される量（回収ＣＯ２）と系内に循環される量とが調整される。系内に循環されるCO２は圧縮機１０で昇圧されてＭＣＦＣ２側に送られる。
ＭＣＦＣ２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、天然ガス等の燃料ｆから得られた水素（H２）をアノード１１に供給すると共に、空気（Ｏ２）とCO２をカソード１２に供給することで、Ｈ２とＯ２の電気化学反応により発電が行われる。
燃料ｆとして、例えば、メタンを改質してアノードガス（H２を含むアノードガス）とするアノードガス予熱手段１３が備えられ、アノードガス予熱手段１３からのアノードガスがＭＣＦＣ２のアノード１１に送られる。アノードガス予熱手段１３には水分離手段８で分離されたH２Oが改質用の蒸気として導入される。また、Ｏ２を予熱すると共に圧縮機１０で昇圧されたＣＯ２が混合されるカソードガス予熱手段１４が備えられ、カソードガス予熱手段１４で予熱されたＯ２及びＣＯ２（カソードガス）がＭＣＦＣ２のカソード１２に送られる。そして、ＭＣＦＣ２の排気ガスが燃焼器３に導入されるようになっている。
つまり、ガスタービン４の排気ガスの熱回収を行うと共にＨ２Ｏの分離を行い、Ｈ２Ｏが分離されたＣＯ２を昇圧してカソードガス予熱手段１４に送る経路が、ガスタービン４の排気ガスのＣＯ２をカソードガスに混合する循環系統１５となっている。
ＭＣＦＣ２の排気ガスは燃焼器３で未燃分が完全燃焼されてガスタービン４を駆動し、ガスタービン４の排気ガスの熱が回収（ガス予熱、改質熱源等）され、冷却手段７で冷却されて水分離手段８で凝縮水（Ｈ２Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ２）に分離される。これらのうち、電池反応及び燃焼で生じたＨ２ＯとＣＯ２は系外に排出・回収し、残りのＨ２Ｏは燃料改質用の蒸気として使用すると共に、残りのＣＯ２は昇圧してカソードガスとして循環使用する。
このため、燃料ｆと当量比のＯ２だけを供給することで発電に伴って発生したCO２の全量を回収してカソードガスの酸化剤としてＣＯ２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１とすることができる。また、ガスタービン４の排気熱を用いてアノードガス及びカソードガスを適切に昇温させることができる。
尚、アノード１１の排気ガスの一部を必要に応じてアノードガス予熱手段１３側に循環させることにより、燃料改質用の蒸気を減らす、もしくは、なくすことが可能になり、アノードガス予熱手段１３の一部もしくは全部を省略することができる場合がある。
即ち、内部改質の場合、溶融炭酸塩形燃料電池の燃料排気ガスの一部を燃料電池の入口側に再循環することにより、内部改質の場合、燃料ガスの予熱に用いる熱を削減すると共に、改質反応に必要な蒸気量を削減することができる。また、外部改質の場合、溶融炭酸塩形燃料電池の燃料排気ガスの一部を燃料電池の入口側に再循環することにより、改質に必要となる蒸気流オを削減することができる。
図２に基づいて上述した複合発電設備を具体的に説明する。図２に示した複合発電設備は、図１に概略的に示した設備の具体例を示したものであり、図１に示した部材と対応する同一部材には同一の符号を付してある。
図２に示すように、ＭＣＦＣ２の上流側には前置改質器２１が配置され、ＭＣＦＣ２の出口ガス（排気ガス）が導入されて燃焼される燃焼器３が設けられている。燃焼器３からの燃焼ガスを膨張して駆動するガスタービン４が備えられ、ガスタービン４には発電機５が同軸上に設けられている。ガスタービン４の排気ガスは熱源として前置改質器２１に送られ、前置改質器２１で熱回収された排気ガスは、過熱器２２、蒸発器２３、下流節炭器２４、燃料予熱器２５、下流酸素予熱器２６に順に送られて熱回収される。
熱回収された排気ガスは膨張タービン２７で動力が回収された後に、上流酸素予熱器２８、上流節炭器２９、ＣＯ２予熱器３０に送られて熱回収される。例えば、過熱器２２、蒸発器２３、下流節炭器２４、燃料予熱器２５、下流酸素予熱器２６で一つの熱交換器が構成され、上流酸素予熱器２８、上流節炭器２９、ＣＯ２予熱器３０で他の熱交換器が構成されている。両熱交換器により、図１で示した熱回収手段６が構成されている。一方、ガスタービン４の排気ガスの一部が分岐されて空気予熱器３２に送られて熱回収され、過熱器２２の下流側で排気ガスに合流される。
ＣＯ２予熱器３０で熱回収された排気ガスはドレン分離冷却器３１で凝縮水（H２O）と非凝縮ガス（ＣＯ２）に分離される。つまり、図１で示した冷却手段７及び水分離手段８がドレン分離冷却器３１に相当する。ドレン分離冷却器３１で分離されたCO２は調整手段９により系外で回収される量（回収ＣＯ２）と系内に循環される量とが調整される。
即ち、調整手段９で、カソード１２に送られるO２に対するＣＯ２の混合状況が調整されることになり、ＣＯ２の混合状況が調整されることにより、Ｏ２とＣＯ２の割合を所定状態にすることができ、ＭＣＦＣ２のエネルギー変換効率の向上を図ることができる。具体的には、Ｏ２とＣＯ２の割合が１対２に近似する値に調整されたガスとされている。Ｏ２とＣＯ２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。
尚、Ｏ２とＣＯ２の割合は１対２に近似する値に限らず、例えば、１対３等、他の割合に調整することも可能である。
系内に循環されるＣＯ２はＣＯ２予熱器３０で予熱されて圧縮機１０で圧縮され、空気予熱器３２で予熱されてカソード１２に送られる。また、Ｏ２が上流酸素予熱器２８、下流酸素予熱器２６で予熱されて圧縮機１０の下流側でＣＯ２に混合される。
また、燃料ｆが燃料予熱器２５で予熱されて前置改質器２１に送られる。一方、ドレン分離冷却器３１で分離された凝縮水（Ｈ２Ｏ）の一部が上流節炭器２９で予熱され、ポンプ３３で下流節炭器２４に圧送されて予熱される。更に、蒸発器２３で蒸発された後過熱器２２で過熱蒸気とされ前置改質器２１の上流側の燃料ｆに混合され、前置改質器２１で燃料ｆが改質される。このため、ガスタービン４の排気の顕熱を有効に利用して燃料ｆの改質を行うことができる。尚、ＭＣＦＣ２の出口側の排気ガス温度とのバランスにより、前置改質器２１をバイパスさせて過熱蒸気が混合された燃料ｆをアノード１１に送ることも可能である。
つまり、前述したように、過熱器２２、蒸発器２３、下流節炭器２４、燃料予熱器２５、下流酸素予熱器２６で一つの熱交換器が構成され、上流酸素予熱器２８、上流節炭器２９、ＣＯ２予熱器３０で他の一つの熱交換器が構成され、両熱交換器により、図１で示した熱回収手段６が構成されて熱回収手段６によりアノードガス予熱手段１３及びカソードガス予熱手段１４が構成されている。
上記構成の複合発電設備１では、ＭＣＦＣ２での電気化学反応による発電と、ガスタービン４の駆動による発電機５での発電とが行われる。そして、ガスタービン４の排気が熱回収されると共に、排気ＣＯ２が循環されてＭＣＦＣ２のカソードガスとして使用される。このため、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備１とすることができる。
尚、熱回収手段６の系統は一例であり、各機器の配置や適用等は周辺設備との関連で種々変更することが可能である。例えば、ガスタービンと蒸気タービンを併設しているコンバインドサイクルの設備に適用した場合、蒸気タービンを駆動するための蒸気を発生させる蒸気発生器として熱回収手段６を適用することも可能である。また、熱エネルギーや動力等を有効に回収するために、内燃機関やタービン等を適宜組み合わせることも可能である。
複合発電設備１で系外に排出する熱の大部分はドレン分離冷却器３１における冷却熱であり、この大部分が排気ガス中の水分の潜熱である。このため、循環させる水の量を減らすことができればより一層の効率化が可能になり、Ｏ２とＣＯ２の割合が１対２に近似する値に調整されたガスとした。ガスタービン４の入り口温度が低下してガスタービン４及び周辺機器の設計の自由度が向上することが確認された。
ＭＣＦＣ２とガスタービン４を組み合わせた設備で、カソード１２での反応に必要となるＣＯ２を高濃度で容易に得ると共に、発電に伴って発生したＣＯ２の全量を容易に回収するため、酸化剤として燃料ｆと当量比のＯ２だけを供給することにより、ガスタービン４の排気ガスの成分をＣＯ２とＨ２Ｏだけとすることができる。また、ＣＯ２とＨ２Ｏだけからなる排気ガスを冷却してＨ２Ｏを凝縮させて分離して昇圧し、Ｏ２と混合してカソード１２に供給することで、定常運転状態では外部からＣＯ２の供給なしにＯ２とＣＯ２の割合が１対２に近似する値に調整されたガスのカソード１２への供給が可能になる。
従って、ＭＣＦＣ２とガスタービン４を組み合わせ、当量比の燃料ｆとＯ２だけを供給することで、ＣＯ２の回収が可能であり発電効率を７０％以上とする設備とすることができる。また、ＭＣＦＣ２の出力密度も大幅に高めることができ、コスト低減を図ることができる。
例えば、図３に示すように、燃料入熱４５０ＭＷで発電端出力が３５１ＭＷの出力が得られ、７８％の発電率となる。そして、ポンプ動力、酸素製造動力等の消費出力が合計３６ＭＷ必要で、送電端出力は３１５ＭＷとなる。このため、燃料入熱の７０％の送電端効率が得られ、発電効率を７０％以上とする設備とすることができる。
図４に基づいて複合発電設備の他の実施形態例を説明する。図４に示した複合発電設備は、図１に概略的に示した設備の具体例を示したものであり、図１に示した部材と対応する同一部材には同一の符号を付してある。
図４に示すように、ＭＣＦＣ２の出口ガス（排気ガス）が導入されて燃焼される燃焼器３が設けられ、燃焼器３からの燃焼ガスを膨張して駆動するガスタービン４が備えられ、ガスタービン４には発電機５が同軸上に設けられている。ガスタービン４の排気ガスは熱源として改質器４１に送られ、改質器４１で熱回収された排気ガスは、蒸気発生器４２、カソードガス予熱器４３に順に送られて熱回収される。また、ＭＣＦＣ２のカソード１２側の排気ガスの一部は、必要に応じてブロワ４０によりカソード１２の入口側に循環される。
カソードガス予熱器４３で熱回収された排気ガスはドレン分離冷却器４４で凝縮水（Ｈ２Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ２）に分離される。ドレン分離冷却器４４では、系外で回収される量（回収ＣＯ２）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４４では排気ガスが凝縮水（Ｈ２Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ２）に分離されると共に、Ｏ２とＣＯ２の混合割合が１対２に近似する値になるようにＣＯ２が系外に分離される。つまり、図１で示した冷却手段７、水分離手段８及び調整手段９がドレン分離冷却器４４に相当する。
Ｏ２とＣＯ２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。
系内に循環されるＣＯ２は、外部から供給されるＯ２との割合が１対２に近似する値にされた状態で圧縮機４５により圧縮される。圧縮ガスは、カソードガス予熱器４３で予熱されてカソード１２に送られる。ドレン分離冷却器４４で分離された凝縮水（Ｈ２Ｏ）は、蒸気発生器４２に送られて蒸気とされ、燃料ｆと混合されてアノードガス予熱器４６、改質器４１を経てＭＣＦＣ２のアノード１１に送られる。
上記構成の複合発電設備１では、ＭＣＦＣ２での電気化学反応による発電と、ガスタービン４の駆動による発電機５での発電とが行われる。そして、ガスタービン４の排気が熱回収されると共に、排気ＣＯ２が循環されてＭＣＦＣ２のカソードガスとして使用される。また、Ｏ２とＣＯ２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、燃料エネルギーを発電に用いる割合が高くなって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。このため、高次元で高効率化を図ることができる複合発電設備１とすることができる。
本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）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。
Claims (9)
- 水素を含む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
からなることを特徴とする複合発電設備。 - 水素を含む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、排気から二酸化炭素を得る分離手段が備えられている
ことを特徴とする複合発電設備。 - 請求の範囲1に記載の複合発電設備において、
酸化剤として燃料と当量比の酸素を用いることにより排気中の成分を水と二酸化炭素だけとして排気を冷却して水分を凝縮させることで高濃度の二酸化炭素を回収することを特徴とする複合発電設備。 - 請求の範囲２または請求の範囲３のいずれかに記載の複合発電設備において、
分離手段で得た二酸化炭素のカソードガスへの混合状況を調整してカソードガスの酸素と炭酸ガスの割合を所定状態にする調整手段を備えた
ことを特徴とする複合発電設備。 - 請求の範囲4に記載の複合発電設備において、
カソードガスは、酸素と二酸化炭素の割合が１対２に近似する値に調整されたガスである
ことを特徴とする複合発電設備。 - 請求の範囲１乃至請求の範囲５のいずれかに記載の複合発電設備において、
ガスタービンの排気の熱回収を行う熱回収手段を備え、熱回収手段にはアノードガス及びカソードガスの予熱を行う予熱手段が備えられている
ことを特徴とする複合発電設備。 - 請求の範囲６に記載の複合発電設備において、
炭化水素系燃料をアノードガスに改質する前置改質器を備え、熱回収手段には改質用の蒸気を発生させる過熱器が備えられ、過熱器で発生した蒸気が前置改質器に送られる
ことを特徴とする複合発電設備。 - 炭化水素系燃料をアノードガスに改質する前置改質器と、
水素を含む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熱回収を行う熱回収手段と、
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、排気から二酸化炭素を得る分離手段が備えられると共に、
循環系統には、分離手段で得た二酸化炭素のカソードガスへの混合状況を調整してカソードガスの酸素と二酸化炭素の割合を所定状態にする調整手段が備えられ、
熱回収手段には、アノードガス及びカソードガスの予熱を行う予熱手段、及び前置改質器での改質用の蒸気を発生させるため分離手段で二酸化炭素を得た後の凝縮水が送られる過熱器が備えられている
ことを特徴とする複合発電設備。 - 水素を含む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熱エネルギーにより炭化水素系燃料をアノードガスに改質する改質器と、
ガスタービンの排気の熱回収を行う熱回収手段と、
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、排気から二酸化炭素を得る分離手段が備えられると共に、
加圧された酸素に二酸化炭素を混合する系統が備えられ、
熱回収手段には、二酸化炭素が混合された加圧酸素を予熱してカソードガスとして溶融炭酸塩形燃料電池に送るカソードガス予熱器が備えられ、
熱回収手段には、分離手段で二酸化炭素が分離された後の水が送られてガスタービンの排気により蒸気を発生させる蒸気発生器が備えられ、
更に、蒸気発生器からの蒸気が燃料と共に予熱してアノードガストして溶融炭酸塩形燃料電池に送るアノードガス予熱器が備えられ、
分離手段で得た二酸化炭素のカソードガスへの混合状況を調整してカソードガスの酸素と二酸化炭素の割合を１対２に近似する値に調整する調整手段が備えられている
ことを特徴とする複合発電設備。
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