JPWO2008096623A1 - 発電設備 - Google Patents

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Abstract

石炭を石炭ガス化炉２２で反応させることで石炭ガス化炉を得て、ガス冷却器２３で石炭ガス化ガスを冷却すると共にポーラスフィルタ２４を通して脱硫装置２５で脱硫処理してＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成し、ＣＯガス含有ガスをシフト反応器２６で発熱反応によりＨ２とＣＯ２に反応させ、Ｈ２を含むアノードガスをＭＣＦＣ２のアノード７に供給し、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て、ＭＣＦＣ２の発熱を抑制して性能を維持した状態でＣＯ２の削減を考慮し、実質的にＣＯガスを含有した石炭ガス化燃料を用いることができるＭＣＦＣ２を備えた発電設備とする。

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（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発電設備（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。
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２参照）。
しかし、石炭をガス化して燃料とする燃料電池は作動温度が高い固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が主であり、高効率で運転が可能なＭＣＦＣの分野では石炭をガス化して燃料とする技術は構築されていないのが実情である。そして、石炭は発熱量あたりのＣＯ２の排出量が天然ガスより多いため、ＣＯ２の削減を考慮した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ＣＯ２の削減を考慮した石炭ガス化燃料を用いた設備の実現が求められているのが実情である。
また、石炭に拘わらず、天然ガス以外で、バイオマス等の固体燃料を燃焼したガス化ガスや、ガソリン、軽油等の液体燃料を燃焼したガス化ガス等、即ち、実質的にＣＯガス含有ガスを用いる場合でも、ＭＣＦＣの性能を維持しつつＣＯ２の削減を考慮した設備の実現が求められているのが実情である。
特開平１１−１３５１３９号公報 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、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）の発熱を抑制して性能を維持した状態でＣＯ２排出量の削減を考慮し、実質的にＣＯガスを含有するＣＯガス含有ガス、特に、石炭ガス化燃料を用いることができる溶融炭酸塩形燃料電池を備えた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、実質的にＣＯガスを含有するＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成するアノードガス生成手段と、純酸素及びＣＯ２ガスをカソードガスとして生成するカソードガス生成手段と、アノードガス生成手段で生成されたアノードガスがアノードに供給されると共に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、溶融炭酸塩形燃料電池での発熱反応を抑制するためにアノードの入口側に備えられ、ＣＯガス含有ガスからＨ２リッチガスを得る冷却機能手段とを備えたことを特徴とする。
このため、溶融炭酸塩形燃料電池の排気のＣＯ２ガスを回収することを可能にしてカソードガスとして生成することができ、最小限のカソードガスを用いた場合でも、ＭＣＦＣの発熱を抑制して性能に影響を与えることなくＣＯ２の循環を図って実質的にＣＯガス含有ガスを用いることができる溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備となる。
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、冷却機能手段は、化学反応によりＣＯガス含有ガスをＨ２とＣＯ２に反応させるシフト反応機器であり、溶融炭酸塩形燃料電池の外部に発熱反応が生じるシフト反応機器を備えて相対的な冷却を行なうことを特徴とする。
このため、シフト反応機器を設けたことにより、溶融炭酸塩形燃料電池の内部でのシフト反応による発熱反応を無くして相対的な冷却を行い、シフト反応機器により、ＣＯガス含有ガスを発熱反応によりＨ２とＣＯ２に反応させ、余分な熱源及び熱交換源をなくした状態で所望のアノードガスを得ることができる。また、シフト反応機器によりＣＯガス含有ガスに含まれる未除去の異物のトラップが可能になる。
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、カソードガス生成手段で生成されるＣＯ２ガスは、溶融炭酸塩形燃料電池で仕事を終えた排気ガスを冷却して水分が分離されて回収されたＣＯ２ガスであることを特徴とする。
このため、溶融炭酸塩形燃料電池の排気のＣＯ２ガスを回収してカソードガスとして生成することができる。
また、請求項４に係る本発明の発電設備は、請求項２もしくは請求項３に記載の発電設備において、アノードガス生成手段は、ＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成するガス化設備であることを特徴とする。
このため、ガス化設備で生成されたＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成することができる。
また、請求項５に係る本発明の発電設備は、請求項４に記載の発電設備において、ガス化設備は、固体燃料を燃焼させてＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成する設備であることを特徴とする。
このため、固体燃料、例えば、石炭やバイオマスをガス化設備で燃焼させてＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成することができる。
また、請求項６に係る本発明の発電設備は、請求項５に記載の発電設備において、ガス化設備で燃焼させる固体燃料は、石炭であることを特徴とする。
このため、石炭をガス化設備（ガス化炉）で石炭を燃焼させてＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成することができる。
また、請求項７に係る本発明の発電設備は、請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の発電設備において、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、燃焼器からの燃焼ガスを膨張して動力を得るタービンと、タービンの排気の熱回収を行って蒸気を発生させ、蒸気を膨張させてタービンを駆動し動力を得ると共に、熱回収された排気を冷却して水及びＣＯ２ガスに分離する排熱回収設備と、排熱回収設備で分離されたＣＯ２ガスを圧縮してカソードに圧送するＣＯ２圧縮機とを備えたことを特徴とする。
このため、溶融炭酸塩形燃料電池の排気を燃焼してタービンで膨張することで動力を得ることができ、タービンの排ガスを排熱回収設備で熱回収してＣＯ２を分離回収し、ＣＯ２圧縮機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８に係る本発明の発電設備は、請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載の発電設備において、カソードガス生成手段は、所定圧力の純酸素を供給する酸素供給系を含み、ＣＯ２と酸素の比が所定の量論比率で供給されて溶融炭酸塩形燃料電池が運転されることを特徴とする。
このため、所望量の酸素を供給して、ＣＯ２に対する酸素の比を所望の比率で運転することができる溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備とすることができる。
また、請求項９に係る本発明の発電設備は、請求項８に記載の発電設備において、酸素供給系で供給される所定圧力の純酸素は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された酸素、並びに深冷分離方式により得られた酸素であることを特徴とする。
このため、加圧状態の酸素を容易に得ることができ、酸素を加圧する設備を備える必要がない溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備とすることができる。
上記目的を達成するための請求項１０に係る本発明の発電設備は、石炭を燃焼して燃料ガスを得る石炭ガス化炉と、石炭ガス化炉で得られた燃料ガスを所望のＣＯガス含有ガスとするガス処理手段と、ガス処理手段で得られたＣＯガス含有ガスを化学反応によりＨ２とＣＯ２に反応させるシフト反応手段と、シフト反応手段で得られたＨ２を含むアノードガスがアノードに供給されると共に純酸素及びＣＯ２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、燃焼器からの燃焼ガスを膨張して動力を得るタービンと、タービンの排気の熱回収を行って蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動することにより動力を得ると共に、熱回収された排気を冷却して水及びＣＯ２ガスに分離する排熱回収設備と、排熱回収設備で分離されたＣＯ２ガスを圧縮してカソードに圧送するＣＯ２圧縮機と、所定圧力の純酸素をＣＯ２圧縮器で圧縮されたＣＯ２ガスに供給する酸素供給系とを備え、ガス処理手段は、石炭ガス化炉で得られた燃料ガスを排熱回収設備で分離された水で冷却するガス冷却手段と、ガス冷却手段で冷却された燃料ガスを脱硫して所望のＣＯガス含有ガスとする脱硫手段と、ガス冷却手段でガスを冷却することで得られた蒸気を脱硫手段で脱硫されたＣＯガス含有ガスに供給する蒸気供給系とを備え、更に、カソード排気をカソードの入口側の純酸素及びＣＯ２ガスを含むカソードガスに供給して昇温させる昇温手段とを備えたことを特徴とする。
このため、石炭を石炭ガス化炉で反応させてＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成し、シフト反応手段によりＣＯガス含有ガスを発熱反応によりＨ２とＣＯ２に反応させ、溶融炭酸塩形燃料電池の発熱を抑制（相対的な冷却）すると共に、余分な熱源及び熱交換源をなくした状態で所望のアノードガスを得て、シフト反応手段で得られたＨ２を含むアノードガスと純酸素及びＣＯ２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て燃焼ガスをタービンで膨張させて発電を行い、タービンの排気を排熱回収設備で熱回収すると共に冷却してＣＯ２ガスを分離し、分離されたＣＯ２ガスをＣＯ２圧縮機で圧縮し、所定圧力の純酸素と共にカソードに圧送する。
ＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成するに際し、燃料ガスを排熱回収設備で分離された水で冷却し（ガス冷却手段）、脱硫手段で所望のＣＯガス含有ガスとし、蒸気供給系で蒸気を供給してシフト反応手段で反応させる。また、カソード排気をカソードの入口側で純酸素及びＣＯ２ガスを含むカソードガスに供給して昇温させる（昇温手段）。
シフト反応手段を溶融炭酸塩形燃料電池の外部に設けて発熱反応を行い、溶融炭酸塩形燃料電池の発熱を抑制しているので（相対的に冷却しているので）、溶融炭酸塩形燃料電池の冷却のために使用するカソードガスの量を減らす（場合によっては無くす）ことができ、発電反応に必要な最小限の量の純酸素及びＣＯ２ガスにより発電設備を運転することができる。
これにより、ＭＣＦＣの発熱を抑制して性能を維持した状態でＣＯ２の削減を考慮し、実質的にＣＯガスを含有した石炭ガス化燃料を用いることができる溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備となる。
そして、請求項１１に係る本発明の発電設備は、請求項１０に記載の発電設備において、蒸気供給系の後流側にシフト反応手段を並列に複数系統備えたことを特徴とする。
このため、複数系統のシフト反応手段を交代で運転することにより、連続運転を継続したままメンテナンスを行うことができる。
本発明の発電設備は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）の性能を維持した状態でＣＯ２の削減を考慮し、実質的にＣＯガスを含有するＣＯガス含有ガス、特に、石炭ガス化燃料を用いることができる溶融炭酸塩形燃料電池を備えた発電設備とすることができる。
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。 各機器の出力状況の一例を示す表図である。 発熱量の内訳の一例を示す表図である。 損失熱量の内訳の一例を示す表図である。
本発明の実施形態例の発電設備は、石炭ガス化炉で石炭を燃焼して得られた石炭ガス化燃料ガスを脱硫して実質的にＣＯガスを含有するＣＯガス含有ガスとし、シフト反応手段での化学反応によりＣＯガス含有ガスをＨ２とＣＯ２に反応させ、発熱反応により所望の温度に昇温されたアノードガスを得て溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のアノードに供給する。ＭＣＦＣのカソードには純酸素及びＣＯ２ガスをカソードガスとして供給する。
カソードに供給されるカソードガスは、純酸素及びＣＯ２ガスを含むガスであり、最小限の使用量（発電反応に必要な最小限の量）で運用することが、酸素製造動力等での損失を抑制するため、ならびにカソード循環ブロワの動力を抑制するため、ならびにカソードガスの圧力損失を低く維持することによるガスリーク抑制に好ましい。シフト反応手段を溶融炭酸塩形燃料電池の外部に設けて発熱反応を行い（冷却機能手段）、溶融炭酸塩形燃料電池の発熱を抑制している（相対的に冷却している）。これにより、溶融炭酸塩形燃料電池の冷却のために使用するカソードガスの量を減らす（場合によっては無くす）ことができ、発電反応に必要な最小限の量の純酸素及びＣＯ２ガスにより、即ち、酸素製造動力等での損失を抑制した状態で、発電設備を運転することができる。
これにより、ＭＣＦＣの排気ガスを凝縮して得られたＣＯ２ガスを回収してアノードガスとすることができ、ＣＯ２の循環を考慮した設備となる。そして、シフト反応手段による発熱反応により所望の温度に昇温されたアノードガスを得ることで、シフト反応手段での発熱反応を燃料の加熱手段として利用することができ、加熱用の熱源を必要とするガス／ガス熱交換器を持たない簡素なシステムを構成でき、加熱のための動力を用いずに、しかもアノードガスを冷却するために排ガスを循環させる等をすることなく、ＭＣＦＣの性能を維持することができる。
また、シフト反応手段を用いて水素を発生させることは、従来まで溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）内部でシフト反応を起こさせていた場合と比較して、シフト反応による発熱量分だけ電池での冷却が不要となる。更に、シフト反応手段は、配管内に触媒物質を置くだけの簡素な設備で構築が可能で、上流側で脱硫等が不十分となった場合でもシフト反応手段の内部の触媒である程度異物を吸着することができるので、この点においてもＭＣＦＣの性能悪化要因を回避して性能を維持することができる。
第１実施形態例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）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タービン４が備えられ、タービン４には発電機５が同軸上に設けられている。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。
ＭＣＦＣ２は、例えば、ニッケル多孔質体の燃料極（アノード）７と、例えば、酸化ニッケル多孔質体の空気極（カソード）８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（Ｈ２）をアノード７に供給すると共に、空気（Ｏ２）とＣＯ２をカソード８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。
タービン４の下流にはタービン４で仕事を終えた排気（排気ガス）の熱回収を行う排熱回収手段（排熱回収ボイラ）９が備えられ、排熱回収手段９は蒸気発生器１１及び凝縮器１２を備えている。排熱回収手段９の凝縮器１２には蒸気発電設備４１からの給水、例えば、蒸気タービンで仕事を終えた蒸気を凝縮した復水が冷却媒体（給水加熱用）として送られ、蒸気発生器１１で熱回収された排気ガスは凝縮器１２で凝縮されて水（Ｈ２Ｏ）と非凝縮ガス（ＣＯ２）に分離される。蒸気発生器１１で発生した蒸気は蒸気発電設備４１に送られ、蒸気タービンを駆動することにより動力が得られる。
凝縮器１２で分離されたＣＯ２はＣＯ２圧縮機１３で圧縮され、ＣＯ２圧縮機１３で圧縮されたＣＯ２に所定の圧力の純Ｏ２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。ＣＯ２圧縮機１３で圧縮されたＣＯ２に所定の圧力の純Ｏ２が供給されてカソードガスが生成され（カソードガス生成手段）、カソードガスはＭＣＦＣ２のカソード８に供給される。
酸素製造装置１４は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されてＯ２を製造する構成とされている（ＰＳＡ方式）。酸素供給系としては深冷設備からの純Ｏ２を所定圧力に加圧して供給する手段とすることも可能である。酸素製造装置１４からＯ２を所望量のＯ２を供給することで、ＣＯ２に対するＯ２の比を所望の比率で運転することができるＭＣＦＣ２を備えた発電設備となる。
一方、実質的にＣＯガスを含有するＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成するアノードガス生成手段２１が備えられ、アノードガス生成手段２１で生成されたアノードガスがＭＣＦＣ２のアノード７に供給される。
アノードガス生成手段２１は、酸素製造装置１４で得られた純Ｏ２と共に固体燃料としての石炭を燃焼して燃料ガスを得るガス化設備としての石炭ガス化炉２２を備え、石炭ガス化炉２２で得られた石炭ガス化ガスは、ガス冷却器２３で冷却された後、ポーラスフィルタ２４を通って脱硫装置２５で脱硫される（ガス処理手段）。脱硫装置２５で脱硫された石炭ガス化ガス（ＣＯガス含有ガス：ＣＯリッチガス）は、シフト反応手段としてのシフト反応器２６（シフト反応機器）で化学反応（発熱反応）によりＨ２とＣＯ２に反応され、所望のアノードガスを得てＭＣＦＣ２のアノード７に供給される。
つまり、シフト反応器２６をＭＣＦＣ２の外部に設けて発熱反応を行い、ＭＣＦＣ２の発熱を抑制している（相対的に冷却している：冷却機能手段）。脱硫後の石炭ガス化ガス（ＣＯガス含有ガス）に異物が残留した場合、異物をシフト反応器２６でトラップすることができる。
シフト反応器２６は石炭ガス化ガス（ＣＯガス含有ガス）が流通する配管内に所望の触媒が配されたもので、ＣＯガス含有ガスを発熱反応によりＨ２とＣＯ２に反応させて電気化学反応に用いられるＨ２を含むアノードガス（所望のアノードガス）とされる。即ち、シフト反応器２６では、
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋ＣＯ２の発熱反応が行なわれる。
シフト反応器２６は、配管内に所望の触媒を直接配したり、配管内に網部材を設けて網部材に所望の触媒を配する構成とすることができる。
発熱反応によりＨ２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Ｈ２を含むアノードガスをＭＣＦＣ２のアノード７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ＭＣＦＣ２の内部で起こっていたシフト反応による発熱をＭＣＦＣ２の外部で行うため、シフト反応による発熱分だけ、ＭＣＦＣ２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。つまり、カソード８に供給されるカソードガスは、純酸素及びＣＯ２ガスを含むガスであり、最小限の使用量（発電反応に必要な最小限の量）で運用することが、酸素製造装置１４での損失を抑制するために好ましい。また、カソードガスを循環させる必要がある場合でも、ブロワ動力３２を抑制するために好ましい。シフト反応による発熱をＭＣＦＣ２の外部で行うことで、ＭＣＦＣ２の発熱が抑制され（相対的に冷却され）、ＭＣＦＣ２の冷却のために使用するカソードガスの量を減らすことができ、発電反応に必要な最小限の量の純酸素及びＣＯ２ガスにより、即ち、酸素製造装置１４での損失を抑制することができる。
アノードガス生成手段２１の脱硫装置２５は湿式の装置で、前述した排熱回収手段９の凝縮器１２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１２で凝縮された凝縮水（回収水）はポンプ２７によりガス冷却器２３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２３で熱交換により加熱されて蒸気とされ、脱硫装置２５で脱硫された石炭ガス化ガス（ＣＯガス含有ガス）に供給される（蒸気供給系）。排熱回収手段９の凝縮器１２で分離されたＣＯ２のうち余剰の部分は外部に回収される。
燃焼器３に送られるＭＣＦＣ２のカソード排気の一部を冷却する冷却器３１が備えられ、冷却器３１で冷却されたカソード排気は昇温手段としてのブロア３２でカソード８の入口側のカソードガス（純Ｏ２とＣＯ２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。ブロア３２に代えてエジェクタを設けることも可能である。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ＭＣＦＣ２のカソード８に供給することができる。
アノードガスはシフト反応器２６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、ＭＣＦＣ２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。
この結果、ＣＯ２とＯ２をカソードガスとして供給しカソードガスの量を最小限に抑制しているＭＣＦＣ２であっても、冷却に必要な熱量が抑制された設備となり、ＭＣＦＣ２の能力や性能に影響を及ぼすことなくアノードガス及びカソードガスを得ることができる。
上述した発電設備では、石炭を石炭ガス化炉２２で反応させて石炭ガス化ガスを生成し、ガス冷却器２３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２４を通って脱硫装置２５で脱硫処理されてＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成される。ＣＯガス含有ガスはシフト反応器２６で発熱反応によりＨ２とＣＯ２に反応され、Ｈ２を含むアノードガスがＭＣＦＣ２のアノード７に供給される。ＭＣＦＣ２では、Ｈ２を含むアノードガスと純酸素及びＣＯ２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。
ＭＣＦＣ２の排気は燃焼器３で燃焼されてタービン４で膨張され、発電機５で発電が行なわれる。タービン４の排気は排熱回収手段９の蒸気発生器１１で熱回収され、凝縮器１２で冷却されてＣＯ２ガスと水に分離される。分離されたＣＯ２ガスはＣＯ２圧縮機１３で圧縮され、酸素製造装置１４からの純Ｏ２と共にカソードガスとしてカソード８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されてブロア３２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。
カソードガスはＣＯ２ガスと純Ｏ２であるため流量が限られ、ＭＣＦＣ２の性能を維持するためにアノードガスの冷却等、他の冷却に用いることを避ける必要がある。上述した発電設備では、アノードガスをシフト反応器２６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、ＣＯ２ガスと純Ｏ２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）、ＭＣＦＣ２の発熱を抑制して性能を維持した状態でＣＯ２の削減を考慮した設備とすることができる。
つまり、シフト反応による発熱をＭＣＦＣ２の外部で行うことで、ＭＣＦＣ２の発熱が抑制され（相対的に冷却され）、ＭＣＦＣ２の冷却のために使用するカソードガスの量を減らすことができ、発電反応に必要な最小限の量の純酸素及びＣＯ２ガスにより、即ち、酸素製造装置１４での損失を抑制した状態で、ＭＣＦＣ２の運転を行うことができる。また、カソードガスの循環３２が必要な場合でもその動力を抑制した状態で、ＭＣＦＣ２の運転を行うことができる。
ＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成するに際し、燃料ガスを排熱回収手段９の凝縮器１２で分離された水（回収水）がポンプ２７によりガス冷却器２３に送られて石炭ガス化ガスが冷却され、脱硫装置２５で所望のＣＯガス含有ガス（ＣＯリッチガス）とされる。ＣＯリッチガスにはガス冷却器２３で得られた蒸気が供給されシフト反応器２６に送られる。
これにより、ＭＣＦＣの性能を維持した状態で、新たに動力を必要とせずにＣＯ２を全量回収してＣＯ２の循環を考慮し、実質的にＣＯガスを含有した石炭ガス化燃料を用いることができるＭＣＦＣ２を備えた発電設備となる。
上述した発電設備では、５５％〜６０％の送電端効率での運転が可能である。図２〜図４に基づいて発電効率の導出例を具体的に説明する。図２には各機器の出力状況の一例、図３には発熱量の内訳の一例、図４には損失熱量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５５％〜６０％の送電端効率は確保できるものである。
図１及び図２〜図４に示すように、投入石炭の発熱量を１００％とし、カソードガスにＣＯ２とＯ２を用いているため、カソード８での反応抵抗は少なく、運転電流密度を２０００Ａ／ｍ２に設定したときに、セル電圧が９２０ｍＶを示す。セル電圧が高いため、ＭＣＦＣ２での出力は４４．７５％（図３参照）となる。ＭＣＦＣ２のアノード排ガスとカソード排ガスは燃焼器３で混合された後に燃焼し、９００℃程度の燃焼ガスが生成されてタービン４を駆動する。
このタービン４での出力は９．５４％（図３参照）となり、タービン４の出力は、タービン４での出力から圧縮機１３の動力を差し引いた後に発電機５の効率を掛け合わせた数値である。タービン４から排気された排気ガスは５００℃程度の温度を維持し、排気ガスの熱源とカソードの循環流路に設けた蒸気発生器（ガス冷却器）１１、及び、石炭ガス化ガスのガス冷却器２３を熱源として生成された蒸気により、蒸気発電設備４１の蒸気タービンが駆動される。蒸気タービンの出力は１２．２４％（図３参照）となり、以上が石炭から動力に変わった割合（ｇｒｏｓｓ）の変換効率を示し、合計で６６．５３％となる。
石炭から生成された電気は、ガス化用酸素製造動力として３．５９％（図４参照）が消費され、カソードガスの酸素製造動力（酸素製造装置１４の動力）として５．５７％（図４参照）が消費される。また、蒸気タービン用のポンプに０．２８％（図４参照）、その他プラント全体補機動力として２％（図４参照）が消費される。尚、図４に示したその他の損失はＭＣＦＣ２の放散熱やインバータロス、発電機ロス、復水損失等であり、熱として外気に廃棄されるものである。
損失熱量（動力損失）の数値は全て投入石炭の熱量に対する割合であり、ＭＣＦＣ２、タービン４、蒸気タービンの出力合計からこれらの動力損失を差し引くと、５５％となる。５５％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、５５％は最低限の値であるといえる。このため、ＭＣＦＣ２、タービン４、蒸気タービン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。
上述した発電設備において、シフト反応器２６を脱硫装置２５の後流側に並列に複数系統備え、バルブによりＣＯリッチガスの切換えを行なうようにすることも可能である。これにより、複数系統のシフト反応器２６を交代で運転することができ、コストを上げることなく、連続運転を継続したまま運転を停止したシフト反応器２６のメンテナンスを行うことができる。
上述した実施形態例では、実質的にＣＯガスを含有するＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成するアノードガス生成手段２１として、石炭を燃焼して石炭ガス化燃料をアノードガスとして用いる場合を例に挙げて説明したが、アノードガス生成手段としては、固体燃料として生物資源（バイオマス）を燃焼させてガス化ガスを得るガス化設備を用いることも可能である。また、固体燃料の他に、実質的にＣＯガスを含有するＣＯガス含有ガスを得る燃料としては、軽油やガソリン、メタノール、エタノール等のアルコール類等の液体燃料を用いることが可能である。
また、ＭＣＦＣ２の排気ガスでタービン４を駆動し、タービン４の排気ガスを冷却してＣＯ２ガスを分離回収し、分離回収したＣＯ２ガス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、ＭＣＦＣ２の排気ガスを別途回収すると共に、他の設備からのＣＯ２ガス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、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を備えた発電設備の産業分野で利用することができる。

Claims (11)

  1. 実質的にＣＯガスを含有するＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成するアノードガス生成手段と、
    純酸素及びＣＯ２ガスをカソードガスとして生成するカソードガス生成手段と、
    アノードガス生成手段で生成されたアノードガスがアノードに供給されると共に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、
    溶融炭酸塩形燃料電池での発熱反応を抑制するためにアノードの入口側に備えられ、ＣＯガス含有ガスからＨ２リッチガスを得る冷却機能手段と
    を備えたことを特徴とする発電設備。
  2. 請求項１に記載の発電設備において、
    冷却機能手段は、化学反応によりＣＯガス含有ガスをＨ２とＣＯ２に反応させるシフト反応機器であり、溶融炭酸塩形燃料電池の外部に発熱反応が生じるシフト反応機器を備えて相対的な冷却を行なう
    ことを特徴とする発電設備。
  3. 請求項２に記載の発電設備において、
    カソードガス生成手段で生成されるＣＯ２ガスは、溶融炭酸塩形燃料電池で仕事を終えた排気ガスを冷却して水分が分離されて回収されたＣＯ２ガスであることを特徴とする発電設備。
  4. 請求項２もしくは請求項３に記載の発電設備において、
    アノードガス生成手段は、ＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成するガス化設備であることを特徴とする発電設備。
  5. 請求項４に記載の発電設備において、
    ガス化設備は、固体燃料を燃焼させてＣＯガス含有ガスをアノードガスとして生成する設備であることを特徴とする発電設備。
  6. 請求項５に記載の発電設備において、
    ガス化設備で燃焼させる固体燃料は、石炭であることを特徴とする発電設備。
  7. 請求項２〜請求項６のいずれか一項に記載の発電設備において、
    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、
    燃焼器からの燃焼ガスを膨張して動力を得るタービンと、
    タービンの排気の熱回収を行って蒸気を発生させ、蒸気を膨張させてタービンを駆動し動力を得ると共に、熱回収された排気を冷却して水及びＣＯ２ガスに分離する排熱回収設備と、
    排熱回収設備で分離されたＣＯ２ガスを圧縮してカソードに圧送するＣＯ２圧縮機と
    を備えたことを特徴とする発電設備。
  8. 請求項２〜請求項７のいずれか一項に記載の発電設備において、
    カソードガス生成手段は、所定圧力の純酸素を供給する酸素供給系を含み、
    ＣＯ２と酸素の比が所定の量論比率で供給されて溶融炭酸塩形燃料電池が運転される
    ことを特徴とする発電設備。
  9. 請求項８に記載の発電設備において、
    酸素供給系で供給される所定圧力の純酸素は、圧力スウィング吸着により窒素ガスが濃縮されて空気から除去されて製造された酸素、並びに深冷分離方式により得られた酸素である
    ことを特徴とする発電設備。
  10. 石炭を燃焼して燃料ガスを得る石炭ガス化炉と、
    石炭ガス化炉で得られた燃料ガスを所望のＣＯガス含有ガスとするガス処理手段と、
    ガス処理手段で得られたＣＯガス含有ガスを化学反応によりＨ２とＣＯ２に反応させるシフト反応手段と、
    シフト反応手段で得られたＨ２を含むアノードガスがアノードに供給されると共に純酸素及びＣＯ２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、
    燃焼器からの燃焼ガスを膨張して動力を得るタービンと、
    タービンの排気の熱回収を行って蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動することにより動力を得ると共に、熱回収された排気を冷却して水及びＣＯ２ガスに分離する排熱回収設備と、
    排熱回収設備で分離されたＣＯ２ガスを圧縮してカソードに圧送するＣＯ２圧縮機と、
    所定圧力の純酸素をＣＯ２圧縮器で圧縮されたＣＯ２ガスに供給する酸素供給系と
    を備え、
    ガス処理手段は、
    石炭ガス化炉で得られた燃料ガスを排熱回収設備で分離された水で冷却するガス冷却手段と、
    ガス冷却手段で冷却された燃料ガスを脱硫して所望のＣＯガス含有ガスとする脱硫手段と、
    ガス冷却手段でガスを冷却することで得られた蒸気を脱硫手段で脱硫されたＣＯガス含有ガスに供給する蒸気供給系と
    を備え、
    更に、カソード排気をカソードの入口側の純酸素及びＣＯ２ガスを含むカソードガスに供給して昇温させる昇温手段と
    を備えたことを特徴とする発電設備。
  11. 請求項１０に記載の発電設備において、
    蒸気供給系の後流側にシフト反応手段を並列に複数系統備えたことを特徴とする発電設備。
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