KR20070043044A - 복합 발전설비 - Google Patents

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이치 코다
후미히코 요시바
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자이단호징 덴료쿠추오켄큐쇼
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Abstract

H2를 포함하는 애노드 가스 및 O2를 포함하는 캐소드 가스의 전기화학반응에 의해 발전을 실시하는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)(2)와, MCFC(2)의 배기가스가 도입되어 연소되는 연소기(3)와, 연소기(3)로부터의 연소가스를 팽창시키는 가스터빈(4)과, 가스터빈(4)의 배기 CO2를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통(15)으로 이루어지며, 연료와 당량비의 O2만을 공급함으로써, 발전에 수반하여 발생한 이산화탄소의 전량을 회수하여 캐소드 가스의 산화제로서 CO2를 얻을 수 있는 폐 사이클의 시스템을 구축하고, 고차원으로 고효율화를 도모할 수 있는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)과 가스터빈을 조합시킨 복합 발전설비로 한다.
연료전지, 가스터빈, 발전설비

Description

복합 발전설비{COMBINED POWER GENERATION EQUIPMENT}
본 발명은 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)와 가스터빈을 조합시킨 복합 발전설비에 관한 것이다.
용융 탄산염형 연료전지(MCFC)는 예를 들면 니켈 다공질체의 연료극(애노드)과, 예를 들면 산화니켈 다공질체의 공기극(캐소드) 사이에, 전해질(탄산염)이 삽입되어 구성되어 있다. 그리고 천연가스 등의 연료로부터 수득된 수소(H2)를 애노드에 공급하는 동시에, 공기(O2)와 이산화탄소(CO2)를 캐소드에 공급함으로써 H2와 O2의 전기화학반응에 의해 발전이 이루어진다. MCFC는 고온에서 작동하기 때문에 고효율로 CO2를 회수 분리할 수 있기 때문에 환경에 대한 영향이 적다는 등의 특징을 가지고 있다. 이 때문에, 최근에는 수력, 화력, 원자력에 이은 발전 시스템으로서 주목을 받고 있다.
또, MCFC는 고온에서 작동하기 때문에, 배기를 가스터빈의 연소기에 공급하도록 구성하고, MCFC와 가스터빈을 조합시킨 복합 발전설비도 종래부터 제안되어 오고 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). MCFC와 가스터빈을 조합시킨 복합 발전설비로 하는 것에 의해, MCFC와 가스터빈으로 발전을 수행할 수 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 H11-135139호
종래부터 제안되고 있는 MCFC와 가스터빈을 조합시킨 복합 발전설비에서는 MCFC에서의 전기화학반응에 의한 발전과 가스터빈의 구동에 의한 발전에 의해, 효율적으로 에너지를 전력으로 변환시킬 수 있다. MCFC는 CO2의 농축 회수ㆍ분리가 가능하다는 등의 특징이 있기 때문에, 가스터빈과 조합시켰을 경우에는 더 한층 고효율화의 가능성을 가지고 있으므로, 고차원으로의 효율화가 요구되고 있는 것이 실제 상황이다.
본 발명은 상기 상황에 감안하여 이루어진 것으로, MCFC와 가스터빈을 조합시킨 설비에 있어서, 고효율화와 이산화탄소의 회수의 용이화, 및 저코스트화, 출력밀도의 향상을 동시에 도모할 수 있는 복합 발전설비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 청구범위 제 1 항의 복합 발전설비는, 수소를 포함하는 애노드 가스 및 산소와 이산화탄소를 포함하는 캐소드 가스의 전기화학반응에 의해 발전을 실시하는 용융 탄산염형 연료전지와, 용융 탄산염형 연료전지의 폐기 가스가 도입되어 연소되는 연소기와, 연소기로부터의 연소가스를 팽창시키는 가스터빈과, 가스터빈의 배기의 이산화탄소를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
청구범위 제 1 항에 기재된 복합 발전설비에서는, 연료와 당량비의 산소만을 공급함으로써 발전에 수반하여 발생한 이산화탄소의 전량을 회수해서 캐소드 가스의 산화제로서 이산화탄소를 얻을 수 있는 폐 사이클의 시스템을 구축 가능하게 되어, 고차원으로 고효율화를 도모할 수 있는 복합 발전설비로 할 수 있다.
본 발명의 청구범위 제 2 항에 기재된 복합 발전설비는 수소를 포함하는 애노드 가스 및 산소와 이산화탄소를 포함하는 캐소드 가스의 전기화학반응에 의해 발전을 실시하는 용융 탄산염형 연료전지와, 용융 탄산염형 연료전지의 배기가스가 도입되어 연소되는 연소기와, 연소기로부터의 연소가스를 팽창시키는 가스터빈과, 가스터빈의 배기의 이산화탄소를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통으로 이루어지며, 순환계통에는 배기로부터 이산화탄소를 얻는 분리수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구범위 제 2 항에 기재된 복합 발전설비에서는, 연료와 당량비의 산소만을 공급함으로써 발전에 따라 발생한 이산화탄소의 전량을 회수해서 캐소드 가스의 산화제로서 이산화탄소를 고농도로 얻을 수 있는 폐 사이클의 시스템을 구축 가능하게 되어, 고차원으로 고효율화를 도모할 수 있는 복합 발전설비로 할 수 있다.
본 발명의 청구범위 제 3 항에 기재된 복합 발전설비는, 청구범위 제 2항에 기재된 복합 발전설비에 있어서, 산화제로서 연료와 당량비의 산소를 사용하는 것에 의해 배기 중의 성분을 물과 이산화탄소만으로 하고 배기를 냉각하여 수분을 응축시킴으로써 고농도의 이산화탄소를 회수하는 것을 특징으로 한다.
청구범위 제 3 항에 기재의 복합 발전설비에서는, 고농도의 이산화탄소의 회수가 용이하게 된다.
본 발명의 청구범위 제 4 항에 기재의 복합 발전설비는, 청구범위 제 2 항 또는 제 3 항에 기재된 복합 발전설비에 있어서, 분리수단에서 얻은 이산화탄소의 캐소드 가스에 대한 혼합 상황을 조정하여 캐소드 가스의 산소와 탄산 가스의 비율을 소정의 상태로 하는 조정수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
청구범위 제 4 항에 기재된 복합 발전설비에서는, 이산화탄소의 혼합 상황을 조정하는 것에 의해, 산소와 이산화탄소의 비율을 소정의 상태로 할 수 있고, 용융 탄산염형 연료전지의 에너지변환 효율의 향상을 도모할 수 있다.
본 발명의 청구범위 제 5 항에 기재의 복합 발전설비는, 청구범위 제 4항에 기재의 복합 발전설비에 있어서, 캐소드 가스는 산소와 이산화탄소의 비율이 1 대 2에 근사하는 값으로 조정된 가스인 것을 특징으로 한다.
청구범위 제 5 항에 기재된 복합 발전설비에서는, 용융 탄산염형 연료전지의 에너지변환 효율의 향상과 출력밀도의 향상을 동시에 도모할 수 있다.
본 발명의 청구범위 제 6 항에 기재의 복합 발전설비는, 청구범위 제 1항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 복합 발전설비에 있어서, 가스터빈의 배기의 열 회수를 실시하는 열 회수수단을 구비하며, 열 회수수단에는 애노드 가스 및 캐소드 가스의 예열을 실시하는 예열수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구범위 제 6 항에 기재의 복합 발전설비에서는, 가스터빈의 배기열을 사용하여 애노드 가스 및 캐소드 가스를 적절하게 승온시킬 수 있다.
본 발명의 청구범위 제 7 항에 기재된 복합 발전설비는, 청구범위 제 6항에 기재된 복합 발전설비에 있어서, 탄화수소계 연료를 애노드 가스로 개질하는 전치 개질기를 구비하고, 열 회수수단에는 개질용의 증기를 발생시키는 과열기가 구비되며, 과열기에서 발생한 증기가 전치 개질기로 이송되는 것을 특징으로 한다.
청구범위 제 7 항에 기재된 복합 발전설비에서는, 가스터빈의 배기의 현열을 유효하게 사용하여 연료의 개질을 실시할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여의 본 발명의 청구범위 제 8 항에 기재된 복합 발전설비는, 탄화수소계 연료를 애노드 가스로 개질하는 전치 개질기와, 수소를 포함하는 애노드 가스 및 산소를 포함하는 캐소드 가스의 전기화학반응에 의해 발전을 실시하는 용융 탄산염형 연료전지와, 용융 탄산염형 연료전지의 배기가스가 도입되어 연소되는 연소기와, 연소기로부터의 연소가스를 팽창시키는 가스터빈과, 가스터빈의 배기의 열 회수를 실시하는 열 회수수단과, 가스터빈의 배기의 이산화탄소를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통으로 이루어지며, 순환계통에는 배기로부터 이산화탄소를 얻는 분리수단이 구비되는 동시에, 순환계통에는 분리수단에서 얻은 이산화탄소의 캐소드 가스에 대한 혼합 상황을 조정하여 캐소드 가스의 산소와 이산화탄소의 비율을 소정의 상태로 하는 조정수단이 구비되고, 열 회수수단에는 애노드 가스 및 캐소드 가스의 예열을 실시하는 예열수단, 및 전치 개질기에서의 개질용의 증기를 발생시키기 위해서 분리수단에서 이산화탄소를 얻은 후의 응축수가 이송되는 과열기가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구범위 제 8 항에 기재된 복합 발전설비에서는, 연료와 당량비의 산소만을 공급함으로써 발전에 수반하여 발생한 이산화탄소의 전량을 회수해서 캐소드 가스의 산화제로서 이산화탄소를 고농도로 얻는 할 수 있는 폐 사이클의 시스템을 구축 가능하게 되고, 고차원으로 고효율화를 도모할 수 있는 복합 발전설비로 할 수 있다. 그리고 이산화탄소의 혼합 상황을 조정하는 것에 의해, 산소와 이산화탄소의 비율을 소정의 상태로 할 수 있고, 용융 탄산염형 연료전지의 에너지변환 효율의 향상을 도모할 수 있다. 또, 가스터빈의 배기열을 사용하여 애노드 가스 및 캐소드 가스를 적절에 승온시킬 수 있다. 또한 가스터빈의 배기의 현열을 유효하게 사용하여 연료의 개질을 실시할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여의 본 발명의 청구범위 제 9 항에 기재의 복합 발전설비는, 수소를 포함하는 애노드 가스 및 산소를 포함하는 캐소드 가스의 전기화학반응에 의해 발전을 실시하는 용융 탄산염형 연료전지와, 용융 탄산염형 연료전지의 배기가스가 도입되어 연소되는 연소기와, 연소기로부터의 연소가스를 팽창시키는 가스터빈과, 가스터빈의 배기의 열 에너지에 의해 탄화수소계 연료를 애노드 가스로 개질하는 개질기와, 가스터빈의 배기의 열 회수를 실시하는 열 회수수단과, 가스터빈의 배기의 이산화탄소를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통으로 이루어지며, 순환계통에는 배기로부터 이산화탄소를 얻는 분리수단이 구비되는 동시에, 가압된 산소에 이산화탄소를 혼합하는 계통이 구비되고, 열 회수수단에는 이산화탄소가 혼합된 가압 산소를 예열하여 캐소드 가스로서 용융 탄산염형 연료전지로 이송하는 캐소드 가스 예열기가 구비되고, 열 회수수단에는 분리수단에서 이산화탄소가 분리된 후의 물이 이송되어 가스터빈의 배기에 의해 증기를 발생시키는 증기 발생기가 구비되며, 또한, 증기 발생기로부터의 증기가 연료와 함께 예열하여 애노드 가스로서 용융 탄산염형 연료전지로 이송되는 애노드 가스 예열기가 구비되고, 분리수단에서 얻은 이산화탄소의 캐소드 가스에 대한 혼합 상황을 조정하여 캐소드 가스의 산소와 이산화탄소의 비율을 1 대 2에 근사하는 값으로 조정하는 조정수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.
청구범위 제 9 항에 기재된 복합 발전설비에서는, 연료와 당량비의 산소를 가압해서 공급함으로써 발전에 수반하여 발생한 이산화탄소를 회수해서 캐소드 가스의 산화제로서 이산화탄소를 고농도로 얻을 수 있는 폐 사이클의 시스템을 구축 가능하게 되고, 용융 탄산염형 연료전지의 에너지변환 효율의 향상과 출력밀도의 향상을 동시에 도모하여, 고차원으로 고효율화를 도모할 수 있는 복합 발전설비로할 수 있다. 또한 에너지변환 효율이 높고, 가스터빈 측의 연소기에 이송되는 연소용 가스 중의 산소가 과잉이 안되므로, 온도가 지나치게 상승하지 않아, 가스터빈 측의 냉각구조 등의 설계의 자유도가 향상한다.
본 발명의 복합 발전설비는 고효율화와 이산화탄소의 회수의 용이화, 및 저코스트화, 출력밀도의 향상을 동시에 도모할 수 있는 복합 발전설비로 할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태 예에 따른 복합 발전설비의 개략 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태 예에 따른 복합 발전설비의 구체적인 계통도이다.
도 3은 효율을 설명하는 테이블이다.
도 4는 다른 실시형태 예에 따른 복합 발전설비의 구체적인 계통도이다.
<<부호의 설명>>
1; 복합 발전설비 2; 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)
3; 연소기 4; 가스터빈
5; 발전기 6; 열 회수수단
7; 냉각수단 8; 수 분리수단
9; 조정수단 10; 압축기
11; 연료극(애노드) 12; 공기극(캐소드)
13; 애노드 가스 예열수단 14; 캐소드 가스 예열수단
15; 순환계통 21; 전치 개질기
22; 과열기 23; 증발기
24; 하류 절탄기 25; 연료 예열기
26; 하류산소 예열기 27; 팽창터빈
28; 상류산소 예열기 29 상류 절탄기
30; CO2 예열기 31, 44; 드레인 분리 냉각기
32; 공기 예열기 33; 펌프
40; 블로어 41; 개질기
42; 증기 발생기 43; 캐소드 가스 예열기
45; 압축기 46; 애노드 가스 예열기
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시형태 예에 따른 복합 발전설비의 개략계통, 도2에는 본 발명의 일 실시형태 예에 따른 복합 발전설비의 구체적인 계통, 도 3에는 효율을 설명하는 표를 나타내고 있다. 또, 도 4에는 복합 발전설비의 구체적인 계통의 다른 실시형태 예를 나타내고 있다.
도 1에 의거하여 복합 발전설비의 개략을 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이 본 실시형태 예의 복합 발전설비(1)에는, 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)(2)가 구비되고, MCFC(2) 의 출구가스(배기가스)가 도입되어 연소가 이루어지는 연소기(3)가 설치되어 있다. 연소기(3)로부터의 연소가스를 팽창시켜서 구동하는 가스터빈(4)이 구비되고, 가스터빈(4)에는 발전기(5)가 동축 상에 설치되어 있다. 가스터빈(4)의 구동에 의해 발전기(5)가 작동하여 발전이 이루어진다.
가스터빈(4)의 하류에는 가스터빈(4)에서 일을 마친 배기(배기가스)의 열 회수를 실시하는 열 회수수단(6)이 구비되고, 열 회수수단(6)에서 열 회수 된 배기가스는 냉각수단(7)에서 냉각되어 수 분리수단(8)에서 응축수로서의 물(H2O)이 분리되어 비응축 가스로서의 이산화탄소(CO2)가 수득된다. 수 분리수단(8)에서 분리된 H2O는 배수되는 동시에, 일부가 연료 개질용의 증기(H2O)로서 사용된다. 즉, 냉각수단(7) 및 수 분리수단(8)에 의해 분리수단이 구성되어 있다.
수 분리수단(8)에서 H2O가 분리된 CO2는 조정수단(9)에 의해 계외(系外)로 회수되는 량(회수 CO2)과 계내(系內)에 순환되는 량이 조정된다. 계내에 순환되는 CO2는 압축기(10)에서 승압되어 MCFC(2) 측으로 이송된다.
MCFC(2)는 예를 들면 니켈 다공질체의 연료극(애노드)(11)과, 예를 들면 산화니켈 다공질체의 공기극(캐소드)(12) 사이에, 전해질(탄산염)이 삽입되어 구성되어 있다. 그리고 천연가스 등의 연료(f)로부터 얻을 수 있은 수소(H2)를 애노드(11)에 공급하는 동시에, 공기(O2)와 CO2를 캐소드(12)에 공급함으로써 H2와 O2의 전기화학반응에 의해 발전이 이루어진다.
연료(f)로서, 예를 들면 메탄을 개질하여 애노드 가스(H2를 포함하는 애노드 가스)로 하는 애노드 가스 예열수단(13)이 구비되고, 애노드 가스 예열수단(13)로부터의 애노드 가스가 MCFC(2)의 애노드(11)로 이송된다. 애노드 가스 예열수단(13)에는 수 분리수단(8)에서 분리된 H2O가 개질용의 증기로서 도입된다. 또 O2를 예열하는 동시에 압축기(10)에서 승압된 CO2가 혼합되는 캐소드 가스 예열수단(14)이 구비되고, 캐소드 가스 예열수단(14)에서 예열된 O2 및 CO2(캐소드 가스)가 MCFC(2)의 캐소드(12)로 이송된다. 그리고 MCFC(2)의 배기가스가 연소기(3)에 도입되게 되어 있다.
즉, 가스터빈(4)의 배기가스의 열 회수를 실시하는 동시에 H2O의 분리를 실시하고, H2O가 분리된 CO2를 승압하여 캐소드 가스 예열수단(14)으로 이송하는 경로 가, 가스터빈(4)의 배기가스의 CO2를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통으로 되어 있다.
MCFC(2)의 배기가스는 연소기(3)에서 미연소물이 완전 연소되어 가스터빈(4)을 구동시키고, 가스터빈(4)의 배기가스의 열이 회수(가스 예열, 개질 열원 등)되어, 냉각수단(7)에서 냉각되어 수 분리수단(8)에서 응축수(H2O)와 비응축 가스(CO2)로 분리된다. 이들 중, 전지반응 및 연소로 발생한 H2O와 CO2는 계외로 배출ㆍ회수하고, 나머지 H2O는 연료 개질용의 증기로서 사용하는 동시에, 나머지 CO2는 승압시켜 캐소드 가스로서 순환 사용한다.
이 때문에, 연료(f)와 당량비의 O2만을 공급함으로써 발전에 수반하여 발생한 CO2의 전량을 회수해서 캐소드 가스의 산화제로서 CO2를 고농도롤 얻을 수 있는 폐 사이클의 시스템을 구축 가능하게 되고, 고차원으로 고효율화를 도모할 수 있는 복합 발전설비(1)로 할 수 있다. 또, 가스터빈(4)의 배기열을 사용하여 애노드 가스 및 캐소드 가스를 적절에 승온시킬 수 있다.
또, 애노드(11)의 배기가스의 일부를 필요에 따라서 애노드 가스 예열수단(13) 측으로 순환시키는 것에 의해, 연료 개질용의 증기를 감소 또는 없애는 것이 가능하게 되어, 애노드 가스 예열수단(13)의 일부 혹은 전부를 생략할 수가 있다.
즉, 내부 개질의 경우, 용융 탄산염형 연료전지의 연료 배기가스의 일부를 연료전지의 입구 측으로 재순환하는 것에 의해, 내부 개질의 경우, 연료가스의 예열로 이용하는 열을 삭감하는 동시에, 개질 반응에 필요한 증기량을 삭감할 수 있다. 또한 외부 개질의 경우, 용융 탄산염형 연료전지의 연료 배기가스의 일부를 연료전지의 입구 측으로 재순환하는 것에 의해, 개질에 필요하게 되는 증기류를 삭감할 수 있다.
도 2에 의거하여 상기한 복합 발전설비를 구체적으로 설명한다. 도 2에 나타낸 복합 발전설비는 도 1에 개략적으로 나타낸 설비의 구체적인 예를 나타낸 것으로, 도 1에 나타낸 부재와 대응하는 동일부재에는 동일한 부호를 붙였다.
도 2에 나타내는 바와 같이, MCFC(2)의 상류측에는 전치 개질기(21)가 배치되고, MCFC(2)의 출구가스(배기가스)가 도입되어 연소되는 연소기(3)가 설치되어 있다. 연소기(3)로부터의 연소가스를 팽창시켜서 구동하는 가스터빈(4)이 구비되고, 가스터빈(4)에는 발전기(5)가 동축 상에 설치되어 있다. 가스터빈(4)의 배기가스는 열원으로서 전치 개질기(21)로 이송되고, 전치 개질기(21)에서 열 회수 된 배기가스는 과열기(22), 증발기(23), 하류 절탄기(24), 연료 예열기(25), 하류산소 예열기(26)로 차례로 이송되어 열 회수된다.
열 회수 된 배기가스는 팽창터빈(27)에서 동력이 회수된 후에, 상류 산소 예열기(28), 상류 절탄기(29), CO2 예열기(30)로 이송되어 열 회수된다. 예를 들면 과열기(22), 증발기(23), 하류 절탄기(24), 연료 예열기(25), 하류산소 예열기(26)로 하나의 열 교환기가 구성되고, 상류산소 예열기(28), 상류 절탄기(29), CO2 예열 기(30)로 다른 열 교환기가 구성되어 있다. 양쪽 열 교환기에 의해, 도 1에서 나타낸 열 회수수단(6)이 구성되어 있다. 한편, 가스터빈(4)의 배기가스의 일부가 분기되어 공기 예열기(32)로 이송되어 열 회수 되고, 과열기(22)의 하류 측에서 배기가스에 합류된다.
CO2 예열기(30)에서 열 회수된 배기가스는 드레인 분리 냉각기(31)에서 응축수(HO2)와 비응축 가스(CO2)로 분리된다. 즉, 도 1에서 나타낸 냉각수단(7) 및 수 분리수단(8)이 드레인 분리 냉각기(31)에 상당한다. 드레인 분리 냉각기(31)에서 분리된 CO2는 조정수단(9)에 의해 계외로 회수되는 량(회수 CO2)과 계내로 순환되는 량이 조정된다.
즉, 조정수단(9)에서, 캐소드(12)로 이송되는 O2에 대한 CO2의 혼합 상황이 조정되게 되어, CO2의 혼합 상황이 조정되는 것에 의해, O2와 CO2의 비율을 소정의 상태로 할 수 있고, MCFC(2)의 에너지변환 효율의 향상을 도모할 수 있다. 구체적으로는, O2와 CO2의 비율이 1 대 2에 근사하는 값으로 조정된 가스로 되어 있다. O2와 CO2의 비율이 1 대 2에 근사하는 값으로 조정된 가스로 함으로써, 출력밀도를 향상시킬 수 있고, MCFC(2)의 에너지변환 효율의 향상과 출력밀도의 향상을 동시에 도모할 수 있다.
또, O2와 CO2의 비율은 1 대 2에 근사하는 값으로 한정하지 않고, 예를 들면 1 대 3 등, 다른 비율로 조정하는 것도 가능하다.
계내로 순환되는 CO2는 CO2 예열기(30)에서 예열되어 압축기(10)에서 압축되고, 공기 예열기(32)에서 예열되어 캐소드(12)로 이송된다. 또한 O2가 상류산소 예열기(28), 하류산소 예열기(26)에서 예열되어 압축기(10)의 하류측에서 CO2에 혼합된다.
또한, 연료(f)가 연료 예열기(25)에서 예열되어 전치 개질기(21)로 이송된다. 한편, 드레인 분리 냉각기(31)에서 분리된 응축수(H2O)의 일부가 상류 절탄기(29)에서 예열되어, 펌프(33)에 의해 하류 절탄기(24)로 압송되어 예열된다. 또한 증발기(23)에서 증발된 후, 과열기(22)에서 과열 증기가 되어 전치 개질기(21)의 상류측의 연료에 혼합되고, 전치 개질기(21)에서 연료(f)가 개질된다. 이 때문에, 가스터빈(4)의 배기의 현열을 유효하게 사용하여 연료(f)의 개질을 실시할 수 있다. 그리고, MCFC(2)의 출구 측의 배기가스 온도와의 밸런스에 의해, 전치 개질기(21)를 바이패스시켜서 과열 증기가 혼합된 연료(f)를 애노드(11)로 이송하는 것도 가능하다.
즉, 전술한 바와 같이, 과열기(22), 증발기(23), 하류 절탄기(24), 연료 예열기(25), 하류산소 예열기(26)로 하나의 열 교환기가 구성되고, 상류산소 예열기(28), 상류 절탄기(29), CO2 예열기(30)로 다른 하나의 열 교환기가 구성되며, 양쪽 열 교환기에 의해, 도 1에서 나타낸 열 회수수단(6)이 구성되어 열 회수수단(6)에 의해 애노드 가스 예열수단(13) 및 캐소드 가스 예열수단(14)이 구성되어 있다.
상기 구성의 복합 발전설비(1)에서는, MCFC(2)에서의 전기화학반응에 의한 발전과, 가스터빈(4)의 구동에 의한 발전기(5)에서의 발전이 수행된다. 그리고 가스터빈(4)의 배기가 열 회수되는 동시에, 배기 CO2가 순환되어 MCFC(2)의 캐소드 가스로서 사용된다. 이 때문에, 고차원으로 고효율화를 도모할 수 있는 복합 발전설비(1)로 할 수 있다.
또한, 열 회수수단(6)의 계통은 일례이며, 각 기기의 배치나 적용 등은 주변 설비와의 관련하여 여러 가지로 변경하는 것이 가능하다. 예를 들면 가스터빈과 증기터빈을 병설시키고 있는 컴바인드 사이클의 설비에 적용하였을 경우, 증기터빈을 구동하기 위한 증기를 발생시키는 증기 발생기로서 열 회수수단(6)을 적용하는 것도 가능하다. 또한 열 에너지나 동력 등을 유효하게 회수하기 위해서, 내연기관이나 터빈 등을 적당하게 조합시키는 것도 가능하다.
복합 발전설비(1)에서 계외부로 배출되는 열의 대부분은 드레인 분리 냉각기(31)에 있어서의 냉각열이며, 이 대부분이 배기가스 중의 수분의 잠열이다. 이 때문에, 순환시키는 물의 량을 감소시킬 수 있으면, 한층 더 효율화의 도모가 가능하게 되고, O2와 CO2의 비율이 1 대 2에 근사하는 값으로 조정된 가스로 하였다. 가스터빈(4)의 입구온도가 저하되어 가스터빈(4) 및 주변기기의 설계의 자유도가 향상시킬 수 있음이 확인되었다.
MCFC(2)와 가스터빈(4)을 조합시킨 설비에서, 캐소드(12)에서의 반응에 필요하게 되는 CO2를 고농도로 용이하게 얻을 수 있는 동시에, 발전에 수반하여 발생한 CO2의 전량을 용이하게 회수하기 위해서, 산화제로서 연료(f)와 당량비의 O2만을 공 급하는 것에 의해, 가스터빈(4)의 배기가스의 성분을 CO2와 H2O만으로 할 수 있다. 또 CO2와 H2O만으로 이루어지는 배기가스를 냉각해서 H2O를 응축시켜서 분리해서 승압하고, O2와 혼합시켜서 캐소드(12)로 공급함으로써, 정상운전 상태에서는 외부로부터 CO2의 공급없이 O2와 CO2의 비율이 1 대 2에 근사하는 값으로 조정된 가스의 캐소드(12)에 대한 공급이 가능하게 된다.
따라서, MCFC(2)와 가스터빈(4)을 조합시키고, 당량비의 연료(f)와 O2만을 공급함으로써, CO2의 회수가 가능해져서 발전 효율을 70% 이상으로 하는 설비로 할 수 있다. 또 MCFC(2)의 출력밀도도 대폭적으로 높일 수 있고, 코스트 저감을 도모할 수 있다.
예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, 연료 입열 450 MW에서 발전단 출력이 351 MW의 출력이 수득되어, 78%의 발전율이 된다. 그리고 펌프 동력, 산소 제조 동력 등의 소비 출력이 합계 36 MW 필요하며, 송전단 출력은 315 MW가 된다. 이 때문에, 연료 입열의 70%의 송전단 효율을 얻을 수 있고, 발전 효율을 70% 이상으로 하는 설비로 할 수 있다.
도 4에 의거하여 복합 발전설비의 다른 실시형태 예를 설명한다. 도 4에 나타낸 복합 발전설비는 도 1에 개략적으로 나타낸 설비의 구체적인 예를 나타낸 것으로, 도 1에 나타낸 부재와 대응하는 동일부재에는 동일한 부호를 붙였다.
도 4에 나타나 있는 바와 같이, MCFC(2)의 출구 가스(배기가스)가 도입되어 연소되는 연소기(3)가 설치되고, 연소기(3)로부터의 연소가스를 팽창시켜서 구동하는 가스터빈(4)이 구비되고, 가스터빈(4)에는 발전기(5)가 동축 상에 설치되어 있다. 가스터빈(4)의 배기가스는 열원으로서 개질기(41)로 이송되고, 개질기(41)에서 열 회수된 배기가스는 증기 발생기(42), 캐소드 가스 예열기(43)로 차례로 이송되어 열 회수된다. 또한 MCFC(2)의 캐소드(12)측의 배기가스의 일부는 필요에 따라서 블로어(40)에 의해 캐소드(12)의 입구측으로 순환된다.
캐소드 가스 예열기(43)에서 열 회수된 배기가스는 드레인 분리 냉각기(44)에서 응축수(H2O)와 비응축 가스(CO2)로 분리된다. 드레인 분리 냉각기(44)에서는, 계외로 회수되는 량(회수 CO2)과 계내로 순환되는 량이 조정되어 분리된다. 즉 드레인 분리 냉각기(44)에서는 배기가스가 응축수(H2O)와 비응축 가스(CO2)로 분리되는 동시에, O2와 CO2의 혼합 비율이 1 대 2에 근사하는 값이 되도록 CO2가 계외로 분리된다. 즉, 도 1에서 나타낸 냉각수단(7), 수 분리수단(8) 및 조정수단(9)이 드레인 분리 냉각기(44)에 상당한다.
O2와 CO2의 비율이 1 대 2에 근사하는 값으로 조정된 가스로 함으로써, 출력밀도를 향상시킬 수 있고, MCFC(2)의 에너지변환 효율의 향상과 출력밀도의 향상을 동시에 도모할 수 있다.
계내로 순환되는 CO2는 외부로부터 공급되는 O2와의 비율이 1 대 2에 근사하는 값으로 된 상태에서 압축기(45)에 의해 압축된다. 압축가스는 캐소드 가스 예열 기(43)에서 예열되어 캐소드(12)로 이송된다. 드레인 분리 냉각기(44)에서 분리된 응축수(H2O)는 증기 발생기(42)로 이송되어 증기로 되어, 연료(f)와 혼합되어 애노드 가스 예열기(46), 개질기(41)를 거쳐서 MCFC(2)의 애노드(11)로 이송된다.
상기 구성의 복합 발전설비(1)에서는, MCFC(2)에서의 전기화학반응에 의한 발전과, 가스터빈(4)의 구동에 의한 발전기(5)에서의 발전이 수행된다. 그리고 가스터빈(4)의 배기가 열 회수되는 동시에, 배기 CO2가 순환되어 MCFC(2)의 캐소드 가스로서 사용된다. 또한 O2와 CO2의 비율이 1 대 2에 근사하는 값으로 조정된 가스로 함으로써, 연료 에너지를 발전에 사용하는 비율이 높아져서 출력밀도를 향상시킬 수 있고, MCFC(2)의 에너지변환 효율의 향상과 출력밀도의 향상을 동시에 도모할 수 있다. 이 때문에, 고차원으로 고효율화를 도모할 수 있는 복합 발전설비(1)로 할 수 있다.
본 발명은 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)와 가스터빈을 조합시킨 복합 발전설비의 산업분야에서 사용할 수 있다.

Claims (9)

  1. 수소를 포함하는 애노드 가스 및 산소와 이산화탄소를 포함하는 캐소드 가스의 전기화학반응에 의해 발전을 실시하는 용융 탄산염형 연료전지와,
    용융 탄산염형 연료전지의 배기가스가 도입되어 연소되는 연소기와,
    연소기로부터의 연소가스를 팽창시키는 가스터빈과,
    가스터빈의 배기의 이산화탄소를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 발전설비.
  2. 수소를 포함하는 애노드 가스 및 산소와 이산화탄소를 포함하는 캐소드 가스의 전기화학반응에 의해 발전을 실시하는 용융 탄산염형 연료전지와,
    용융 탄산염형 연료전지의 배기가스가 도입되어 연소되는 연소기와,
    연소기로부터의 연소가스를 팽창시키는 가스터빈과, 　
    가스터빈의 배기의 이산화탄소를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통으로 이루어지며, 　
    순환계통에는 배기로부터 이산화탄소를 얻는 분리수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 발전설비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    산화제로서 연료와 당량비의 산소를 사용하는 것에 의해 배기 중의 성분을 물과 이산화탄소만으로 하고 배기를 냉각하여 수분을 응축시킴으로써 고농도의 이산화탄소를 회수하는 것을 특징으로 하는 복합 발전설비.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    분리수단에서 얻은 이산화탄소의 캐소드 가스에 대한 혼합 상황을 조정하여 캐소드 가스의 산소와 탄산 가스의 비율을 소정의 상태로 하는 조정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 복합 발전설비.
  5. 제 4 항에 있어서,
    캐소드 가스는 산소와 이산화탄소의 비율이 1 대 2에 근사하는 값으로 조정된 가스인 것을 특징으로 하는 복합 발전설비.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스터빈의 배기의 열 회수를 실시하는 열 회수수단을 구비하며, 열 회수수단에는 애노드 가스 및 캐소드 가스의 예열을 실시하는 예열수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 발전설비.
  7. 제 6 항에 있어서,
    탄화수소계 연료를 애노드 가스로 개질하는 전치 개질기를 구비하고, 열 회수수단에는 개질용의 증기를 발생시키는 과열기가 구비되며, 과열기에서 발생한 증 기가 전치 개질기로 이송되는 것을 특징으로 하는 복합 발전설비.
  8. 탄화수소계 연료를 애노드 가스로 개질하는 전치 개질기와, 　
    수소를 포함하는 애노드 가스 및 산소를 포함하는 캐소드 가스의 전기화학반응에 의해 발전을 실시하는 용융 탄산염형 연료전지와, 　
    용융 탄산염형 연료전지의 배기가스가 도입되어 연소되는 연소기와, 　
    연소기로부터의 연소가스를 팽창시키는 가스터빈과, 　
    가스터빈의 배기의 열 회수를 실시하는 열 회수수단과, 　
    가스터빈의 배기의 이산화탄소를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통으로 이루어지며, 　
    순환계통에는 배기로부터 이산화탄소를 얻는 분리수단이 구비되는 동시에,
    순환계통에는 분리수단에서 얻은 이산화탄소의 캐소드 가스에 대한 혼합 상황을 조정하여 캐소드 가스의 산소와 이산화탄소의 비율을 소정의 상태로 하는 조정수단이 구비되고,
    열 회수수단에는 애노드 가스 및 캐소드 가스의 예열을 실시하는 예열수단, 및 전치 개질기에서의 개질용의 증기를 발생시키기 위해서 분리수단에서 이산화탄소를 얻은 후의 응축수가 이송되는 과열기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 발전설비.
  9. 수소를 포함하는 애노드 가스 및 산소를 포함하는 캐소드 가스의 전기화학반 응에 의해 발전을 실시하는 용융 탄산염형 연료전지와,　
    용융 탄산염형 연료전지의 배기가스가 도입되어 연소되는 연소기와, 　
    연소기로부터의 연소가스를 팽창시키는 가스터빈과,　
    가스터빈의 배기의 열 에너지에 의해 탄화 수소계 연료를 애노드 가스로 개질하는 개질기와,　
    가스터빈의 배기의 열 회수를 실시하는 열 회수수단과,　
    가스터빈의 배기의 이산화탄소를 캐소드 가스에 혼합하는 순환계통으로 이루어지며,　
    순환계통에는 배기로부터 이산화탄소를 얻는 분리수단이 구비되는 동시에,　
    가압된 산소에 이산화탄소를 혼합하는 계통이 구비되고, 　
    열 회수수단에는 이산화탄소가 혼합된 가압 산소를 예열하여 캐소드 가스로서 용융 탄산염형 연료전지로 이송하는 캐소드 가스 예열기가 구비되며, 　
    열 회수수단에는 분리수단에서 이산화탄소가 분리된 후의 물이 이송되어 가스터빈의 배기에 의해 증기를 발생시키는 증기 발생기가 구비되고, 　
    또한, 증기 발생기로부터의 증기가 연료와 함께 예열하여 애노드 가스로서 용융 탄산염형 연료전지로 이송되는 애노드 가스 예열기가 구비되며, 　
    분리수단에서 얻은 이산화탄소의 캐소드 가스에 대한 혼합 상황을 조정하여 캐소드 가스의 산소와 이산화탄소의 비율을 1 대 2에 근사하는 값으로 조정하는 조정수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 발전설비.
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