JPWO2019163991A1 - 燃料電池システム及びこれを用いた発電システム - Google Patents

Abstract

本発明は、ＳＯＦＣを用いた燃料電池システムと蒸気発電システムとを複合した発電システムとしての発電効率を向上させることができる技術を提供するものである。排気ライン１２は、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用のライン１２２と、ＳＯＦＣ発電プラント１１以外の外部用のライン１２１とに分岐されている。未利用燃料ライン１３は、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用のライン１３２と、ＳＯＦＣ発電プラント１１以外の外部用のライン１３１とに分岐されている。

Description

本発明は、燃料電池システム及びこれを用いた発電システムに関するものである。

ボイラと蒸気タービンの組合せにより構成される従来の天然ガス焚き発電プラントの発電効率は３５％程度であることが知られている。このような発電プラントは、日本国内で約２０００万ｋＷの発電能力があり、依然として重要な発電設備であるが、一般に、運転開始からかなりの年数が経過している古いプラントである。

また、従来から、微粉炭焚きあるいは石油焚きの火力発電プラントも知られているが、これらのプラントの発電効率は３５〜４０％程度であり、老朽化が進んでいるとともに、ＣＯ_２排出が多いことが課題となっている。

固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という）とガスタービンとのハイブリッドシステムも知られている。このシステムでは、ＳＯＦＣが高圧となるため、耐熱性と耐圧性のある容器や配管を用いる必要があり、そのことがシステムの大型化とコスト増加の要因となっていた。

ＳＯＦＣと蒸気発電システムとのハイブリッドシステムも従来から提案されている。従来提案されているシステムでは、ＳＯＦＣからの排気の温度調整をすることなく、中温かつ大量の排気をそのまま蒸気発電システムに導入し駆動している。このため、既設の蒸気発電システムを用いてこのハイブリッドシステムを構築するためには、既設プラントの大幅な設計変更や改修が必要になるという課題があった。

また、下記特許文献１に記載されたハイブリッドシステムでは、ＳＯＦＣと蒸気発電システムの燃料を一系統としているため、ＳＯＦＣと蒸気発電システムに異なる燃料を用いることができない。ＳＯＦＣはガス化された燃料（例えば天然ガス、改質ガス、バイオガス等）を燃料として用いる必要があるため、下記特許文献１の技術では、微粉炭や石油を用いた従来の蒸気発電システムと組み合わせることができないという課題があった。

特開２００３−３６８７２号公報

本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的の一つは、ＳＯＦＣと蒸気発電システムとを複合した発電システムとしての発電効率を向上させることができる技術を提供することである。本発明の他の目的は、既存の蒸気発電システムを用いた場合でも、既存システムの設計変更を少なく抑えつつＳＯＦＣを用いた複合発電システムを構築できる技術を提供することである。

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。

（項目１）
ＳＯＦＣ発電プラントと、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排気される空気を通過させる排気ラインと、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排出される未利用燃料を通過させる未利用燃料ラインとを備えており、
前記排気ラインは、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用と、前記ＳＯＦＣ発電プラント以外の外部用とに分岐されており、
前記未利用燃料ラインは、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用と、前記ＳＯＦＣ発電プラント以外の外部用とに分岐されている
ことを特徴とする燃料電池システム。

（項目２）
さらに温度調整装置を備えており、
前記外部用に分岐された前記排気ラインは、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のためにさらに分岐されており、
前記温度調整装置は、前記高温用に分岐された前記排気ラインと、前記外部用に分岐された前記未利用燃料ラインとに接続されており、
かつ、前記温度調整装置は、前記未利用燃料ラインにより送られた未利用燃料を用いて前記排気ラインより送られた前記高温用の空気を加熱する構成となっている
項目１に記載の燃料電池システム。

（項目３）
項目２に記載の燃料電池システムと、蒸気発電システムとを備えており、
前記蒸気発電システムは、熱交換器を備えており、
前記温度調整装置により加熱された空気は、前記熱交換器に向けて供給される構成となっている
発電システム。

（項目４）
前記蒸気発電システムは、蒸気生成用の蒸発器を備えており、
前記低温用の空気は、前記蒸発器に向けて供給される構成となっている
項目３に記載の発電システム。

（項目５）
前記蒸気発電システムは、前記熱交換器を出た排気により空気を加熱する空気予熱器を備えており、
前記空気予熱器を出た前記排気は、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用に供給される構成となっている
項目３又は４に記載の発電システム。

（項目６）
前記蒸発器を出た排気は、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用に供給される構成となっている
項目４に記載の発電システム。

（項目７）
前記蒸気発電システムは、蒸気タービンを用いて駆動される回転機器を備えており、前記蒸気タービンは、前記蒸発器で発生した余剰蒸気を用いて駆動される構成となっている
項目４又は６に記載の発電システム。

（項目８）
ＳＯＦＣ発電プラントからの排気を、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のために分岐するステップと、
前記高温用の前記排気を、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排出される未利用燃料を用いて加熱するステップと、
前記加熱された前記排気を蒸気発電システムの熱交換器に供給するステップと、
前記低温用の前記排気を用いて前記蒸気発電システムの蒸発器を駆動するステップと
を備えることを特徴とする発電方法。

（項目９）
項目１又は２に記載の燃料電池システムにおける前記外部用の前記排気ラインと、前記外部用の前記未利用燃料ラインとを、既設の蒸気発電システムに接続することにより、複合した発電システムを構築することを特徴とする
発電システムの構築方法。

本発明によれば、ＳＯＦＣと蒸気発電システムとを複合した発電システムとしての発電効率を向上させることが可能になる。また、本発明によれば、既存の蒸気発電システムを用いた場合でも、既存システムの設計変更を少なく抑えつつＳＯＦＣを用いた複合発電システムを構築することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る発電システムの概略的な構成を示す説明図である。 図１の発電システムを用いた場合に得られる発電効率の一例を示すグラフであって、横軸は、全体の出力に対するＳＯＦＣ発電プラントの出力比（％）、縦軸は、全体の発電効率（％）である。

以下、本発明の一実施形態に係る発電システムを、添付の図面を参照しながら説明する。

（全体的構成）
本実施形態の発電システムは、燃料電池システム１と、蒸気発電システム２とを備えた複合発電システムとなっている（図１参照）。

（燃料電池システム）
燃料電池システム１は、ＳＯＦＣ発電プラント１１と、ＳＯＦＣ発電プラント１１から排気される空気を通過させる排気ライン１２と、ＳＯＦＣ発電プラント１１から排出される未利用燃料を通過させる未利用燃料ライン１３とを備えている。この燃料電池システム１は、さらに温度調整装置１４と熱機関１５とを備えている。ＳＯＦＣ発電プラント１１としては、基本的に従来と同様のものを用いることができるので、これ以上詳しい説明は省略する。

（排気ライン）
排気ライン１２は、ＳＯＦＣ発電プラント１１以外の外部用のライン１２１と、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用ライン１２２とに分岐されている。

排気ライン１２における外部用のライン１２１は、高温用のライン１２１１と、低温用のライン１２１２とに、複数の用途に応じてさらに分岐されている。なお、これらの分岐されたラインにおいては、基本的に、分岐した段階での排気温度は同じであり、その後の下流での使用条件などによって排気温度が変わるものである。すなわち、このように分岐されたラインごとの排気温度の調整は、供給先の各要素における導入量や導入条件、ラインの長さや形状など、各種の条件を調整することにより行うことができる。

（未利用燃料ライン）
未利用燃料ライン１３は、ＳＯＦＣ発電プラント１１以外の外部用のライン１３１と、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用のライン１３２との二つに分岐されている。この外部用のライン１３１は、その下流側においてさらに二つのライン１３１１と１３１２とに分岐されている。

（温度調節装置）
温度調整装置１４は、排気ライン１２における高温用のライン１２１１と、未利用燃料ライン１３における外部用のライン１３１１とに接続されている。温度調整装置１４は、排気ライン１２経由でＳＯＦＣ発電プラント１１から送られた高温用の（例えば約８００℃〜１０００℃の）排気を、未利用燃料ライン１３により送られた未利用燃料を用いて、例えば約１３００℃に加熱する構成となっている。

温度調整装置１４により加熱された排気は、熱交換器２１２（後述）に向けて供給される。

（熱機関）
熱機関１５は未利用燃料ライン１３１２によって、駆動することができるようになっている。このような熱機関１５の例としてはガスエンジン等がある。

（蒸気発電システム）
蒸気発電システム２は、ボイラ本体２１と、蒸発器２２と、空気予熱器２３と、回転機器２４とを備えている。

（ボイラ本体）
ボイラ本体２１は、火炉（燃焼室）２１１と、熱交換器２１２とを備えている。火炉２１１は、燃料（例えば天然ガス、石炭、石油のいずれか又は組み合わせ）を燃焼させることによって、空気を加熱するための部分である。通常の蒸気発電システムの場合、火炉２１１では、空気を１３００℃付近まで加熱する。

熱交換器２１２は、一般には、過熱器を備えており、さらに再熱器や節炭器を備えている場合がある。

このようなボイラ本体２１としては、従来と同様の構成でよいので、これ以上詳しい説明を省略する。また、本実施形態の発電システムは、既設のボイラ本体２１に対して燃料電池システム１を追加することにより構成されたものである。

（蒸発器）
蒸発器２２には、ボイラ本体２１を経由することで、予熱された蒸気生成用の水が送られるようになっている。蒸発器２２は、相対的に低温用のライン１２１２を介して送られた排気を利用して蒸気を生成するようになっている。蒸発器２２で生成された蒸気は、ボイラ本体２１の熱交換器２１２に送られて過熱されるようになっている。

蒸発器２２を出た（つまり蒸発器２２を通過した）排気の一部は、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用に供給されるようになっている。

（空気予熱器）
空気予熱器２３は、熱交換器２１２を出た排気により、火炉２１１に導入される常温の空気（つまり低温の空気）を加熱するものである。

また、空気予熱器２３を出た排気の一部は、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用に供給されるようになっている。空気予熱器２３を出た排気の残部は、この実施形態では、煙突２３１経由で外部に放出されるようになっている。

（回転機器）
回転機器２４は、蒸気タービン２４１を用いて駆動されるものである。蒸気タービン２４１は、蒸発器２２で発生した余剰蒸気を用いて駆動されるようになっている。

（本実施形態の動作）
つぎに、前記した構成を持つ発電システムの動作について説明する。

まず、燃料電池システム１のＳＯＦＣ発電プラント１１に空気と燃料（本例では天然ガス）を供給して、ＳＯＦＣ発電プラント１１を稼働させる。これによりＳＯＦＣ発電プラント１１での発電を行うことができる。

このとき、ＳＯＦＣ発電プラント１１の排気ライン１２には、通常、８００℃〜１０００℃程度の排気が送られる。また、未利用燃料ライン１３には、未利用燃料が送られる。なお、ＳＯＦＣ発電プラントでは、一般に、１００％の燃料利用率を得ることはできず、未利用燃料が発生する。

ＳＯＦＣ発電プラント１１からの未利用燃料は、例えばガスエンジン等の熱機関１５を駆動させる。

ＳＯＦＣ発電プラント１１からの排気のうち高温用のライン１２１１と、未利用燃料１３１１とは、温度調整装置１４に送られる。温度調整装置１４では、未利用燃料を用いて、排気の温度を上昇させる。好ましくは、ボイラ本体２１の火炉２１１の内部におけるガスと同程度（例えば１３００℃）に上昇させる。ついで、温度上昇させられた排気は、熱交換器２１２に供給される。

排気のうち低温用のライン１２１２は、蒸発器２２に送られる。蒸発器２２では、ボイラ本体２１経由で送られた水を加熱して水蒸気を生成することができる。また、蒸発器２２で作られた蒸気の一部は、回転機器２４の蒸気タービン２４１に送られ、この回転機器２４を動作させることができる。さらに、本例では、蒸発器２２を出た排気を、ＳＯＦＣ発電プラント１１の自己予熱用に供給することにより、システム全体としての発電効率を向上させることができるという利点もある。

ボイラ本体２１の熱交換器２１２に到達した排気は、熱交換器２１２において、過熱水蒸気の生成や水の加熱など、必要な動作を行うことができる。ここで、本実施形態では、ボイラ本体２１に供給される排気を、温度調整装置１４により予め加熱しているので、既設のボイラ本体２１を用いた場合においても、従来と同様に動作させることができる。つまり、この実施形態によれば、ボイラ本体２１を新設することなく、燃料電池システムと組み合わせることができるという利点がある。

一般的に、ＳＯＦＣ発電プラントから発生する排気は大量である。さらに、この排気の温度は、ボイラ本体２１の火炉２１１における空気温度より低い８００℃から１０００℃程度である。このため、ＳＯＦＣ発電プラント１１からの排気を直接にボイラ本体２１に供給すると、既設のボイラ本体２１の利用を前提とした場合、ボイラ本体２１の動作に悪影響を生じるおそれがある。これに対して、本実施形態では、排気を用途に応じて複数に分岐した上で、所定温度に加熱された高温の排気をボイラ本体２１に供給しているので、既設のボイラ本体２１の利用が容易になるという利点がある。

さらに、本実施形態では、高温用の排気ガスと低温用の排気ガスとを分岐し、加熱した高温の排気ガスをボイラ本体２１に送っているので、発電システム全体の効率を向上させることができる。すなわち、仮に、中温の（つまり分岐されない）排気ガスをそのまま、あるいは高温と低温に分けずに加熱してボイラ本体２１に送る構成とした場合には、システム全体としての効率は低下する。本実施形態では、分岐された高温の排気ガスをボイラ本体２１に送ることにより、高い効率を得ることができる。この点を、下記の実施例により、さらに詳しく説明する。

本実施形態では、未利用燃料自体を火炉２１１に供給するものではないので、火炉２１１における燃料としては、各種のもの（例えば微粉炭や石油や天然ガスなど）を使用することができるという利点もある。

さらに、本実施形態では、ＳＯＦＣ発電プラント１１として、常圧で動作する通常のＳＯＦＣを用いることができるので、ＳＯＦＣ発電プラント１１の構築や維持に要するコストを抑制することができるという利点もある。

（実施例）
下記の条件を用いて、シミュレーションにより、本実施形態のシステムにおける発電効率を計算した。なお、下記において、「天然ガス焚き火力プラント」は、本実施形態のボイラ本体に対応し、「ＳＯＦＣ発電モジュール」は、本実施形態のＳＯＦＣ発電プラントに対応する。特記しない他の条件については、一般的な燃料電池システムあるいは蒸気発電システムと同様である。なお、下記の例では、熱交換器システム２１２として、節炭器は使用するが再熱器は使用しないものとなっている。

（シミュレーション条件）

結果を図２に実線（ＳＯＢＴ）で示す。参考のため、ＳＯＦＣ発電プラント１１単体での発電効率を、破線（ＳＯＦＣ）で示している。ＳＯＦＣ発電プラント自体の発電効率は通常６０％程度であることが知られている。また、この例では、蒸気発電システム２単体（つまりＳＯＦＣ出力比＝０％）での発電効率は約３５％である。

図２から分かるように、ＳＯＦＣ発電プラント１１の出力比を高くすることにより、発電システム全体の発電効率を向上させることができる。ＳＯＦＣ発電プラント１１の出力比を６０％程度にすると、発電システム全体の発電効率は、ＳＯＦＣ発電プラント１１単体での発電効率と同等程度まで向上する。

さらにＳＯＦＣ発電プラント１１の出力比を上げると、発電システム全体の発電効率は、ＳＯＦＣ発電プラント１１単体での発電効率を越え、約７０％程度にまで達する。このことから、本実施形態の発電システムによれば、システム全体として高い効率を得られることがわかる。

ＳＯＦＣ発電プラント１１の出力比が１００％近くになると、ＳＯＦＣ発電プラント１１自体の発電効率に近づく。

以上から明らかなように、本実施形態によれば、既存の蒸気発電システムの効率を大きく向上させることができ、したがって、社会的に高い波及効果を与えることができる。

本実施形態における発電方法は、以下のように記述できる。

ＳＯＦＣ発電プラント１１を出た排気を、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のために分岐するステップと、高温用の排気を、ＳＯＦＣ発電プラント１１から排出される未利用燃料を用いて加熱するステップと、加熱された空気を蒸気発電システム２の熱交換器２１２に供給するステップと、低温用の排気を用いて蒸気発電システム２の蒸発器２２を駆動するステップとを備える発電方法。

本実施形態における発電システムの構築法は、以下のように記述できる。

燃料電池システム１における外部用の排気ライン１２１と、外部用の未利用燃料ライン１３１とを、既設の蒸気発電システム２に接続することにより、複合した発電システムを構築する、発電システムの構築方法。

なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。

１ 燃料電池システム
１１ ＳＯＦＣ発電プラント
１２ 排気ライン
１２１ 外部用の排気ライン
１２１１ 高温用ライン
１２１２ 低温用ライン
１２２ 自己予熱用の排気ライン
１３ 未利用燃料ライン
１３１ 外部用の未利用燃料ライン
１３１１ 温度調整装置用の未利用燃料ライン
１３１２ 熱機関用の未利用燃料ライン
１３２ 自己予熱用の未利用燃料ライン
１４ 温度調整装置
１５ 熱機関
２ 蒸気発電システム
２１ ボイラ本体
２１１ 火炉（燃焼室）
２１２ 熱交換器
２２ 蒸発器
２３ 空気予熱器
２３１ 煙突
２４ 回転機器
２４１ 蒸気タービン

Claims (9)

1. ＳＯＦＣ発電プラントと、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排気される空気を通過させる排気ラインと、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排出される未利用燃料を通過させる未利用燃料ラインとを備えており、
   前記排気ラインは、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用と、前記ＳＯＦＣ発電プラント以外の外部用とに分岐されており、
   前記未利用燃料ラインは、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用と、前記ＳＯＦＣ発電プラント以外の外部用とに分岐されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. さらに温度調整装置を備えており、
   前記外部用に分岐された前記排気ラインは、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のためにさらに分岐されており、
   前記温度調整装置は、前記高温用に分岐された前記排気ラインと、前記外部用に分岐された前記未利用燃料ラインとに接続されており、
   かつ、前記温度調整装置は、前記未利用燃料ラインにより送られた未利用燃料を用いて前記排気ラインより送られた前記高温用の空気を加熱する構成となっている
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムと、蒸気発電システムとを備えており、
   前記蒸気発電システムは、熱交換器を備えており、
   前記温度調整装置により加熱された空気は、前記熱交換器に向けて供給される構成となっている
   発電システム。
4. 前記蒸気発電システムは、蒸気生成用の蒸発器を備えており、
   前記低温用の空気は、前記蒸発器に向けて供給される構成となっている
   請求項３に記載の発電システム。
5. 前記蒸気発電システムは、前記熱交換器を出た排気により空気を加熱する空気予熱器を備えており、
   前記空気予熱器を出た前記排気は、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用に供給される構成となっている
   請求項３又は４に記載の発電システム。
6. 前記蒸発器を出た排気は、前記ＳＯＦＣ発電プラントの自己予熱用に供給される構成となっている
   請求項４に記載の発電システム。
7. 前記蒸気発電システムは、蒸気タービンを用いて駆動される回転機器を備えており、前記蒸気タービンは、前記蒸発器で発生した余剰蒸気を用いて駆動される構成となっている
   請求項４又は６に記載の発電システム。
8. ＳＯＦＣ発電プラントからの排気を、少なくとも高温用と低温用とを含む複数の用途のために分岐するステップと、
   前記高温用の前記排気を、前記ＳＯＦＣ発電プラントから排出される未利用燃料を用いて加熱するステップと、
   前記加熱された前記排気を蒸気発電システムの熱交換器に供給するステップと、
   前記低温用の前記排気を用いて前記蒸気発電システムの蒸発器を駆動するステップと
   を備えることを特徴とする発電方法。
9. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおける前記外部用の前記排気ラインと、前記外部用の前記未利用燃料ラインとを、既設の蒸気発電システムに接続することにより、複合した発電システムを構築することを特徴とする
   発電システムの構築方法。