TWI438336B - 發電裝置及發電方法 - Google Patents

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TWI438336B
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Atsushi Tsutsumi
Kaduo Tsutsumi
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Univ Tokyo
Exergy Power Systerms Inc
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Description

發電裝置及發電方法
本發明係關於一種使以碳系燃料作為原料之氣化爐與燃料電池組合之發電裝置，詳細而言係關於一種高效率發電裝置及發電方法。
近年來，出於對環境之考慮，提出有使用燃料電池作為汽車或電車等車輛用之動力源或發電設備(例如專利文獻1)。燃料電池係可藉由自外部將氫及氧分別供給至負極及正極，使其進行反應而連續地提取電力之發電裝置。另一方面，由於一次電池及二次電池係將還原劑及氧化劑填充至電池內之電極，故而電容存在界限。與此相對，燃料電池由於自外部供給還原劑及氧化劑，故而電容無限制，於可連續地進行發電之方面具有明顯特徵。
燃料電池之特徵在於其發電過程中不存在燃燒過程，且氫與氧進行反應生成水，故而被認為係對環境之負載較小之發電裝置。
作為氫之製造方法，廣為人知的有使用流動層將煤等化石燃料進行氣化，於轉化反應中生成氫之技術。即，專利文獻2中揭示有與如下流動層氣化燃燒爐相關之技術：即便為炭產生量較大之燃料，該燃燒爐亦可容易地控制炭之輸送量，而且無配管內部之阻塞等問題，可利用簡單之設備燃燒炭， 進而將炭之燃燒熱用作氣化用熱源。
專利文獻3中揭示有包含流動層氣體爐及燃料電池之燃料電池複合循環發電系統。即，供給至流動層氣體爐之燃料於高溫之溫度範圍內接受熱分解，生成包含一氧化碳及用於燃料電池發電之有效氣體成分即氫之氣體。於此情況下，自燃料投入時之溫度至高溫之溫度範圍之升溫係藉由使燃料部分燃燒而進行。出自流動層氣體爐之生成氣體經集塵裝置除去灰分等，並於反應器中生成氫氣，送至燃料電池而發電。
又，專利文獻4中揭示有如下技術：煤氣化爐內生成之氣化氣體於轉化反應器中改質成氫氣，供給至燃料電池進行發電，並且供給至氣體渦輪機進行發電。繼而，利用氣體渦輪機之排熱產生蒸汽，並將該蒸汽供給至蒸汽渦輪機進行發電。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利特開2006-092920號公報
專利文獻2：日本專利特開2009-019870號公報
專利文獻3：國際公開第2000-027951號公報
專利文獻4：日本專利特開2008-291081號公報
燃料電池之對環境性能優異，但係發熱反應，有效能量率 並不高。於發電時產生之熱例如用於地域冷暖房等，熱之回收並不充分。自燃料電池本體釋放之熱從能量角度而言係難以作為動力回收之能量。即，現狀為由燃料電池於發電時產生之熱並不一定能有效地加以利用。
於流動層氣體爐中，必須供給為了將成為原料之化石燃料氣化而必需之熱，加熱所必需之熱能係藉由使原料之一部分燃燒而獲得。因此，燃燒導致原本可作為電氣提取之能量之一部分轉換為熱，可提取之電力量減少。而且，減少之能量部分成為熱而產生熱損耗。
於利用化學反應提取電力之情況下，若將燃料原本具有之能量設為△H，則可將△G作為電氣提取，可將T△S作為熱提取。△H被稱為反應生成熱，若為燃燒反應等發熱反應則為負值，亦被稱為發熱量。△H為△G與T△S之和(△H=△G+T△S)。△G被稱為自由能量，係可作為功提取之能量，作為有效之能量被稱為有效能量。T△S係伴隨反應而產生之熱，以熵變化與溫度之積表示。繼而，將作為提取有效之能量之能力之△G/△H稱為有效能量率。有效能量率可稱為理論效率。
熱轉換為電能之比例依存於溫度。於圖1中表示溫度T與有效能量率△G/△H之關係。根據圖1，1500℃之氣體之有效能量率為65%，600℃之氣體為43%左右。即便累加廢熱發電亦無法超過該效率。即，作為具有氣體之能量轉換為 電能之比例之有效能量率於產生熱之時間點降低。其結果為，具有氣體之能量轉換為電能之比例下降。
又，有效能量率亦依存於壓力。若壓力提高，則有效能量率亦提高。藉此，若於反應製程中可維持較高之溫度與較高之壓力，則可使有效能量率本身接近1。
本發明係為了解決上述課題而成者，目的在於使發電效率接近有效能量率△G/△H。換言之，藉由減少△G對熱之比例而使有效能量△G儘可能地轉換為電能，藉此提供發電效率較高之發電裝置。進而，藉由使有效能量率接近1而提高發電效率。
為了達成上述目的，本發明之發電裝置具有：將含有碳及/或烴之原料進行加熱而生成氣體之流動層氣體爐、利用於上述流動層氣體爐內氣化之生成氣體而生成氫之轉化反應器、及使用於上述轉化反應器內生成之氫發電之燃料電池，且上述燃料電池設置於上述流動層氣體爐內。
根據該構成，流動層氣體爐包含配備有流動介質之流動層及設置於流動層之上部空間之自由板部。而且，供給至流動層氣體爐之原料中包含碳、烴、或碳與烴之混合物。原料為碳源，亦為還原材料。
本發明之發電裝置中，較佳為於上述流動層氣體爐中配備有流動層，進而，於上述流動層之下部配備有分散板，上述 燃料電池配置於上述流動層內且上述分散板之下游。根據該構成，於流動層中填充有流動介質，流動介質藉由分散板而得以保持。藉此，於作為流動層氣體爐之構成要素之流動層中配置有燃料電池。於流動層之內部配備有作為流動介質之包含適當大小之砂粒等之固體粒子。自流動層之下部吹入氣體，藉此使流動介質浮動至某高度為止，形成激烈回旋之狀態。
因此，於上述流動層氣體爐中，較佳為使用藉由上述燃料電池之發電而產生之熱作為使上述原料氣化所必需之熱。即，根據該構成，由於燃料電池設置於流動層內，故而燃料電池於反應(發電)時生成之熱將沒有浪費地直接經由流動介質傳遞至流動層，有效地供給流動層氣體爐內之原料之氣化所必需之熱。通常，於流動層氣化爐中，利用原料之部分燃燒產生之熱實現原料之氣化。然而，於本發明之發電裝置中，原料之氣化所必需之熱並非使用由原料之燃燒產生之熱，而是使用由燃料電池之反應(發電)產生之熱。於本發明之發電裝置中，具有不存在燃燒過程之特徵。本發明之意圖在於將排除燃燒過程作為使發電效率接近有效能量率△G/△H之手段。藉此，省去提取熱之操作，發電效率成為作為理論效率之有效能量率△G/△H。
進而，有使T△S減少而增加△G之手段。即，由於△G由溫度及壓力決定，故而藉由組合製程提高溫度及壓力，可 減少T△S而提高△G/△H之值。
通常，於氣化爐中之原料之氣化中必須有將原料氣化之熱。該熱藉由原料之燃燒而獲得。本發明之特徵在於無須為了原料之氣化而燃燒原料。此處所謂燃燒，係指包含部分燃燒之廣義燃燒過程。
本發明所謂之原料不僅指煤、石油、及天然氣等化石燃料，亦可為生質及家畜之糞尿等，為氫以外之還原材料。原料較佳為利用料斗等投入至流動層氣體爐內。
又，本發明之發電裝置較佳為將上述燃料電池發電時產生之蒸汽自配備於上述分散板之上游之風箱供給至流動層氣體爐。根據該構成，於流動層氣體爐之底部具有風箱，自風箱將流動介質之流動化所必需之蒸汽吹入至流動層。
通常之流動層氣體爐中，藉由自位於爐子底部之風箱吹入空氣，使高溫之砂粒等流動介質於層內藉由熱風而流動化，並於其中藉由將原料等熱分解而進行氣化。若利用送風機等將空氣送入至流動層內，則空氣中所含之氧引起原料燃燒。若燃燒過程參與於發電中，則如上所述產生有效能量損耗，導致有效能量率△G/△H降低。又，若流動化使用空氣，則氮亦加熱。然而，於本發明之發電裝置中之流動層氣化爐中，流動化係使用藉由燃料電池之反應(發電)而產生之蒸汽。由於無須為了流動化而自外部抽取空氣，故而可防止有效能量率△G/△H之值降低。
藉由使用高壓蒸汽可將流動層氣體爐及其下游之壓力維持為較高。若反應之壓力較高，則有效能量率變高。
本發明之發電裝置較佳為對上述轉化反應器供給藉由上述燃料電池之發電產生之水蒸汽，利用該水蒸汽之熱，自上述生成氣體而生成氫。此處，轉化反應器將生成氣體改質，生成供給至燃料電池之氫。此處所謂改質，係指自生成氣體中之一氧化碳製出氫，通常供給水蒸汽作為熱源，借助觸媒進行轉化反應。亦可自上述生成氣體僅生成氫。
根據該構成，燃料電池於發電時產生高溫度之水蒸汽。藉由將該水蒸汽用於氣化反應及轉化反應，可不浪費燃料電池產生之熱而有效地加以利用。此處，氣化反應由下式(1)表示，轉化反應由下式(2)表示。
C+2H2 O=CO2 +2H2 (1)
CO+H2 O=CO2 +H2 (2)
本發明之發電裝置較佳為將藉由上述燃料電池之發電產生之蒸汽導入至蒸汽渦輪機，且該發電裝置具有由該蒸汽渦輪機所驅動之發電機。
根據該構成，亦可於蒸汽渦輪機之下游設置冷凝器。藉由設置冷凝器，熱落差變大，可自蒸汽渦輪機提取較大之電力。
本發明之發電裝置較佳為於上述蒸汽渦輪機之排氣出口連接有將上述蒸汽渦輪機之排氣進行電分解且具有密閉構造之電分解槽，將藉由電分解產生之氫及氧供給至上述燃料 電池而發電。藉由設置電分解槽，可利用剩餘電力製造並積蓄氫。又，由於可有效地利用排氣之排熱，故而可抑制熱損耗。
若於常壓下產生氫及氧，則成為對大氣做功，將產生損耗。根據該構成，由於電分解槽具有密閉構造，故而其內部之壓力保持為高於大氣之壓力。因此，於電分解槽中藉由水之電分解製造氫，藉此可防止若為常壓時將產生之對大氣壓之膨脹量之損耗。即，電分解槽之壓力提高，相應地有效能量率提高。
本發明之發電裝置較佳為將來自上述轉化反應器之氫供給至上述燃料電池，並且可提取至系統外。於該構成中，所謂系統外，係指本發明之發電裝置之外部，貯存用之儲箱或氣體輸送用之管線等。
本發明之發電裝置較佳為於上述轉化反應器與上述燃料電池之間設置有調節供給至上述燃料電池之氫量之調節閥。藉由調節調節閥，可於原料之供給時確保均衡之熱量，調節供給至燃料電池之氫量。
本發明之發電裝置具備測定上述原料之重量之秤量器、及控制上述調節閥之控制裝置，上述控制裝置較佳為具有：熱量計算電路，其基於來自上述秤量器之信號而計算上述原料氣化所必需之熱量；氫量計算器，其基於來自該熱量計算電路之信號計算上述燃料電池發電所必需之氫量；及調節閥控 制電路，其根據該氫量計算電路之輸出而控制上述調節閥。
本發明之發電裝置具有：將包含碳及/或烴之原料進行加熱生成氣體之流動層氣體爐、利用於上述流動層氣體爐內氣化之生成氣體而生成氫之轉化反應器、及使用於上述轉化反應器內生成之氫進行發電之燃料電池，上述原料之氣化所必需之熱並非藉由上述原料之燃燒，而是使用藉由上述燃料電池之發電而產生之熱。
本發明之發電裝置具有：將包含碳及/或烴之原料進行加熱生成氣體之流動層氣體爐、利用於上述流動層氣體爐內氣化之生成氣體而生成氫之轉化反應器、及使用於上述轉化反應器內生成之氫進行發電之燃料電池，上述流動層氣化爐中之用於流動化之氣體並非自外部供給，而是使用藉由上述燃料電池之發電產生之蒸汽。
本發明之發電方法包括如下步驟：藉由燃料電池進行發電之步驟；藉由於上述燃料電池發電時產生之熱，將上述原料氣化而生成生成氣體之步驟；藉由於上述燃料電池發電時產生之熱，將上述生成氣體改質而生成氫之轉化反應步驟；將於上述轉化反應步驟中生成之氫供給至上述燃料電池而發電之步驟；及將藉由上述燃料電池之發電產生之蒸汽供給至蒸汽渦輪機而發電之步驟。根據該方法，燃料電池設置於流動層內。原料包含碳及/或烴。
又，本發明之發電方法較佳為包括如下步驟：藉由燃料電 池進行發電之步驟；藉由於上述燃料電池發電時產生之熱，將上述原料氣化而生成生成氣體之步驟；藉由於上述燃料電池發電時產生之熱，將上述生成氣體改質而生成氫之轉化反應步驟；將於上述轉化反應步驟中生成之氫根據供給至上述流動層氣體爐之上述原料量而供給至上述燃料電池進行發電之步驟；及自於上述轉化反應步驟中生成之氫之中將不供給至上述燃料電池之氫提取之步驟。根據該方法，燃料電池設置於流動層內，且原料包含碳及/或烴。而且，由於可將於流動層氣化爐及轉化反應器內生成之氫之一部分供給至燃料電池進行發電，剩餘之氫作為生成物而提取，故而可稱為氫並產之發電方法。
藉由將利用燃料電池發電產生之熱用作原料之氣化及改質反應所必需之熱，可將具有原料之有效能量儘可能地轉化為電能，藉此提供發電效率較高之發電裝置。
以下，根據圖式說明本發明之實施形態，但本發明並不限定於該實施形態。
圖2係表示本發明之實施形態之發電裝置的基本構成之圖。流動層氣體爐8具有如下主要構成要素：成為動作氣體之吸入口之風箱3、位於風箱3之下游側之流動層2、及位於流動層2之下游側之自由板部7。風箱3與流動層2由分 散板4而隔開。
原料1自原料給料器(未圖示)供給至流動層2，於400℃至1000℃之溫度範圍內接受熱分解，生成包含氫、一氧化碳、及若干烴之氣體。其中氫成為用於藉由燃料電池6之發電之有效氣體成分。此時，由投入時之溫度至400℃~1000℃之升溫係利用藉由燃料電池6之反應(發電)產生之熱而進行。又，原料1中混入之不燃物自流動層2排出。作為原料1，只要為碳、烴及該等之混合物即可。於本實施形態中使用煤，但亦可為煤以外之化石燃料或生質燃料。既可為甲醇及乙醇，亦可為塑膠等高分子化合物。
於原料1為碳(例如煤)之情況下，利用水還原原料而製作氫。反應式為下式(3)。
C+2H2 O=CO2 +2H2 (3)
於原料1為天然氣之情況下亦相同。反應式為下式(4)。
CH4 +2H2 O=CO2 +4H2 (4)
由於該等反應為還原性故而反應時需要熱，該熱由燃料電池6供給。
將來自燃料電池6之過熱蒸汽送入至風箱3，於分散板4上使包含固體粒子之流動介質5懸浮。流動介質5為矽砂、氧化鋁或鐵粒子等之粉粒體，或該等之混合物。又，於流動介質5中亦可擔載將水還原而製造氫之觸媒。流動介質5具有於流動層2中對原料1進行傳熱之功能。於流動介質中 5中設置有燃料電池6。
於流動層2生成之氣體(以下稱為生成氣體GG)中包含二氧化碳、水蒸汽、一氧化碳、氫、灰塵。生成氣體GG經由自由板部7通過配管11而送至集塵機12。
送至集塵機12之生成氣體GG於集塵機12之入口處成為大致400℃~650℃之溫度。於流動層2之下游部，即自由板部7中，由於進行熱分解吸熱反應，故而氣體溫度低於流動層部。例如，即便流動層溫度為950℃，自由板部7中之氣體溫度亦可能低於650℃。於氣體溫度為400℃以下之情況下，為了避免焦油困擾，有將空氣或氧供給至自由板部7，使氣體溫度上升之情況。
作為集塵機12可使用旋風集塵方式，亦可採用過濾方式。過濾方式集塵性較高，就此方面而言較佳。於400℃~650℃之溫度範圍內，可使用袋式過濾器作為集塵機12，亦可使用旋風集塵機，並進而於其下游配置陶瓷過濾器。
利用集塵機12除去之灰及鹼金屬鹽類等固形份自排出路13排出至系統外。已除去灰分等之生成氣體GG經由配管14而送至轉化反應器17。亦可於集塵機12與轉化反應器17之間設置用於除去生成氣體GG中所含之氯化氫或硫化氫之類腐蝕性氣體之腐蝕性氣體除去裝置(未圖示)。
於處於轉化反應器17之內部，生成氣體GG流通之配管內，填充有用於提高反應速度之觸媒，例如磁鐵礦(Fe3 O4 ) 或鉑等。而且，藉由燃料電池6中之反應(發電)產生之高溫蒸汽供給至轉化反應器17。轉化反應器17使用該高溫蒸汽具有之熱及水分，使生成氣體GG中之一氧化碳與水反應而生成氫。該氫供給至燃料電池6之陽極(負極)。該反應式示於下式(5)。
CO+H2 O → H2 +CO2 (5)
以轉化反應器17中生成之氫作為主要成分之燃料氣體(以下稱為燃料氣體FG)經由配管18送至氫氣箱21。又，二氧化碳自配管19排出至系統外。
以氫氣箱21中積蓄之氫作為主要成分之燃料氣體FG直接於高壓下送至燃料電池6之陽極。氧自氧氣箱23經由配管25供給至氧燃料電池6之陰極。通常，燃料電池內部之燃料氣體FG之利用效率並非100%，故而於來自燃料電池6之陽極之排氣中包含作為主要成分之水蒸汽及或多或少之未反應燃料氣體。未反應燃料氣體中之氫將回收並再次供給至燃料電池。
又，由於藉由燃料電池6產生之熱大致等於氣化反應之吸熱量，故而可將該熱用於流動層氣體爐8中之氣化之熱源。藉此，於流動層氣體爐8中，可不使原料1部分燃燒而氣化，故而可達成能量效率較高之發電。
於氫氣箱21中，自轉化反應器17供給有氫，並且自電分解槽26亦供給有氫。蒸汽渦輪機31之排氣經由配管35連 接於電分解槽26。供給至電分解槽26之排氣與常溫相比較溫，又，空氣含有率亦較小，為電分解提供適當之水。於水不足之情況下，自未圖示之系統將補償用之水供給至電分解槽26。
若藉由常壓下之電分解產生氫及氧，則成為對大氣做功，將產生損耗。然而，根據本發明之實施形態，由於電分解槽26具有密閉構造，故而其內部之壓力保持為高於大氣之壓力。因此，藉由電分解槽26中水之電分解製造氫，藉此可防止若為常壓下將產生之對大氣壓之膨脹量之損耗。電分解槽26中製造之氧經由配管28送至氧氣箱23。電分解必需之電力46亦可自燃料電池6之發電電力42而供給。
於燃料電池6中產生電力42及水蒸汽及熱。電力42可自燃料電池6經由電力系統而輸送。產生之熱經由流動介質5傳熱至原料1成為用於氣化之熱源。又，產生之水蒸汽之一部分作為流動層2之流動化用氣體及用於氣化之熱源而自流動層2之分散板4投入。
於燃料電池6中產生之高溫蒸汽(過熱蒸汽)之一部分經由配管34自流動層2之風箱3投入，供給至流動介質5而有助於流動層2內之吸熱氣化反應。另一部分供給至蒸汽渦輪機31，可驅動蒸汽渦輪發電機32，並作為蒸汽渦輪機之發電電力44而提取。
於蒸汽渦輪機31之下游設置有冷凝器33，藉由降低排氣 壓力增大熱落差以實現蒸汽渦輪發電機32之產生電力之增加。又，自蒸汽渦輪機31釋出之蒸汽係經由配管35送至電分解槽26，成為熱及電分解用之水之供給源。電分解必需之直流電力46可以剩餘電力等其他途徑供給，亦可利用燃料電池6之發電電力42之一部分。
氫亦自電分解槽26經由配管27供給至氫氣箱21中。此時，經由配管27供給之氫之溫度較低，故而期待與氫氣箱21之高溫之氫進行熱交換。熱交換器29係用於使低溫之氫藉由熱交換而升溫者。於本發明之實施形態中，利用燃料電池6中產生之蒸汽之剩餘量驅動蒸汽渦輪機31而進行發電，但該剩餘蒸汽亦可用於冷暖房，即亦可構築地域冷暖房系統。於此意義上，本實施形態可視為電熱聯產系統。
圖3表示本發明之另一實施形態之基本構成圖。於圖3中，本發明之發電裝置之主要構成要素包括：於流動層2內設置有燃料電池6之流動層氣體爐8、集塵機12及轉化反應器17。轉化反應器17中生成之氫暫時貯存於氫氣箱21內，其一部分供給至燃料電池6，剩餘部分可經由配管38供給至其他設備。
再者，亦可於燃料電池6與氫氣箱21之間之配管22之中途配置調節閥36，調節供給至燃料電池6之氫量。具體而言，亦可如圖4所示設置控制裝置52，調節調節閥36。使用秤量器51測定供給至流動層氣體爐8之原料1之重量。 繼而，根據來自秤量器51之信號、及來自原料特性表53之信號，計算熱量計算電路54之氣化及轉化反應所必需之熱量。於原料特性表53中包含有原料1具有之發熱量之統計資料。繼而，藉由氫量計算電路56而計算產生藉由熱量計算電路54求得之熱量必需之氫量。於氫量之計算中，利用保持燃料電池6之發熱量與供給氫量之關係之燃料電池特性表55。控制裝置52經由調節閥控制電路57而控制調節閥36，以成為由計算求得之氫量之方式進行調節。
本實施形態係藉由燃料電池6進行發電並且亦生產氫之設備，故而可作為電力與氫之共產系統而利用。圖2所示之實施形態中，燃料電池6之熱供給至蒸汽渦輪機31，熱之一部分被回收，經由冷凝器33而廢棄，故而無法避免能量損耗之產生。然而，如圖3所示，根據氫並產之發電裝置，由於無廢熱引起之能量損耗，故而可達成較高之發電效率。
於圖5(a)中表示將電力與熱並產之電熱聯產之流程圖。又，於圖5(b)中表示將電力與氫並產之電氫共產之流程圖。圖中之數值表示將煤持有之能量設為100之情況下各階段之能量，括號內之數值表示能量比例及有效能量比例。電熱之聯產(圖5(a))中11%之能量被排氣。另一方面，電氫之共產(圖5(b))無如此之能量損耗。
產業革命以來，電能、動能、勢能等係將煤或石油、生質、太陽光、原子能轉換為熱而提取。由於電能、動能、勢能等 可相互轉換，故而此處以電能表現。熱能係藉由蒸汽機、攪拌機等外燃機器或氣體渦輪機引擎、柴油引擎、火花點火機器等而提取電能。又，於燃料電池將氫轉換為電能時伴隨熱之產生。
利用上述發電方法一定會產生熱，用作熱實施聯產，或利用產生之熱使溫度水準更低之熱機器動作。又，將產生之熱與燃燒用空氣進行熱交換，實現進行熱之再利用等一次能量之有效利用。
產生上述熱之形式之發電裝置係進行熱交換而傳熱至燃料或空氣，或者作為熱之級聯利用，設置於更低之溫度範圍內動作之熱機器以產生更多之電能，雖然有這些措施，但並不算充分。
於負載變化之情況下，可使燃料供給量變化而改變發電量。以固定之比例控制相對於燃料之空氣量而進行空燃比控制，藉此將排氣損耗設為固定，若負載降低，則相對於發熱量之放熱量降低較少，故而發電效率降低，鍋爐渦輪機發電機中於100%之負載下發電效率為40%之發電機於負載為33%時發電效率降低至30%左右。
於使用燃料電池將氫轉換為電能時，氫之發熱量之17%成為熱。若利用該熱藉由煤、石油、生質、天然氣將水還原而製造氫，則可抑制熱之產生，並可提高發電效率。
於使用燃料電池將氫轉換為電能時，氫之發熱量之17% 成為熱。若為了降低該熱之產生量而將高壓氫送入燃料電池製造氫，則可抑制熱之產生，並可提高發電效率。
於使用燃料電池利用電能製造氫時，氫之發熱量之17%之熱成為必需，此時若於常壓下產生氫及氧，則成為對大氣做功，將產生損耗。因此，可於密閉空間內進行電分解，減少17%之T△S。
至今為止之部分燃燒氣化燃料電池複合發電中，計算上為70%之發電效率，於本發明之發電裝置中，藉由利用燃料電池之發熱而進行氣化，發電效率增加至89%。
圖1表示溫度與有效能量率之關係。若藉由化學反應而生成熱能，則該過程使有效能量減少。若溫度較高則有效能量率較高。
圖6係將本發明之實施形態中發揮中心作用之流動層爐(gasifier)與轉化反應器(shift reactor)及燃料電池取出之概略構成圖。於圖6中，將煤(coal)投入至高溫之流動層中將水蒸汽還原而產生氫及一氧化碳。一氧化碳與水反應成為氫及二氧化碳，故而整體為下式(6)。
C+2H2 O+Q=CO2 +2H2 (6)
此處Q表示反應必需之熱量，以藉由設置於流動層內之燃料電池產生之熱量而供給。於燃料電池中產生下式(7)之反應。
2H2 +O2 =2H2 O+Q+W (7)
此處Q表示伴隨發電之發熱量，係與碳氣化時之熱量相等之值。W為電能。若將該二式合併則成為下式(8)，碳與氧反應轉換為二氧化碳與電能。
C+O2 =CO2 +W (8)
圖7表示將煤、石油、生質燃料等氣化並利用燃料電池而發電之情況下之能量轉換圖式。將原料具有之能量示於上段，將有效能量示於下段。能量為100之煤具有95之有效能量。藉由燃料電池將有效能量為17能量為35之水蒸汽及熱供給至煤，生成900℃之有效能量率為83%有效能量為112能量為135之氫。氫於燃料電池(SOFC，solid oxide fuel cell，固體氧化物燃料電池)中以60%之效率成為81之電能，將剩餘之有效能量為17能量為35之水蒸汽及熱供給至流動層，利用有效能量為10能量為19之熱及氫藉由蒸汽渦輪機發電以40%之效率獲得8之電。產生合計89之電，於發電效率為89%之有效能量基礎上成為94%之發電裝置。
(產業上之可利用性)
本發明之發電裝置可較佳地用作商用電力系統之發電場所中之發電裝置。又，可較佳地用作自家發電設備中之發電裝置或連接於微型電網之發電裝置。
1‧‧‧原料
2‧‧‧流動層
3‧‧‧風箱
4‧‧‧分散板
5‧‧‧流動介質
6‧‧‧燃料電池
7‧‧‧自由板部
8‧‧‧流動層氣體爐
11、14、18、19、22、24、25、27、28、34、35、38‧‧‧配管(a生成氣體)
12‧‧‧集塵機
13‧‧‧排出路
17‧‧‧轉化反應器
21‧‧‧氫氣箱
23‧‧‧氧氣箱
26‧‧‧電分解槽
29‧‧‧熱交換器
31‧‧‧蒸汽渦輪機
32‧‧‧蒸汽渦輪發電機
33‧‧‧冷凝器
36‧‧‧調節閥
42‧‧‧燃料電池發電電力
44‧‧‧蒸汽渦輪機發電電力
46‧‧‧直流電力
51‧‧‧秤量器
52‧‧‧控制裝置
53‧‧‧原料特性表
54‧‧‧熱量計算電路
55‧‧‧燃料電池特性表
56‧‧‧氫量計算電路
57‧‧‧調節閥控制電路
圖1係表示有效能量率與溫度之關係之圖表。
圖2係本發明之實施形態之發電裝置之基本構成圖。
圖3係本發明之另一實施形態之發電裝置之基本構成圖。
圖4係控制圖3之調節閥之控制系統圖。
圖5係本發明之實施形態之發電裝置之流程圖。(a)係圖2之實施形態之流程圖，(b)係圖3之實施形態之流程圖。
圖6係煤氣化燃料電池發電裝置之概略構成圖。
圖7係表示煤氣化燃料電池發電能量轉換之圖式。
1‧‧‧原料
2‧‧‧流動層
3‧‧‧風箱
4‧‧‧分散板
5‧‧‧流動介質
6‧‧‧燃料電池
7‧‧‧自由板部
8‧‧‧流動層氣體爐
11、14、18、19、22、24、25、27、28、34、35‧‧‧配管(a生成氣體)
12‧‧‧集塵機
13‧‧‧排出路
17‧‧‧轉化反應器
21‧‧‧氫氣箱
23‧‧‧氧氣箱
26‧‧‧電分解槽
29‧‧‧熱交換器
31‧‧‧蒸汽渦輪機
32‧‧‧蒸汽渦輪發電機
33‧‧‧冷凝器
36‧‧‧調節閥
42‧‧‧燃料電池發電電力
44‧‧‧蒸汽渦輪機發電電力
46‧‧‧直流電力

Claims (14)

  1. 一種發電裝置，其具有：流動層氣體爐，其將包含碳及/或烴之原料進行加熱而生成氣體；轉化反應器，其自於上述流動層氣體爐中氣化之生成氣體而生成氫；及燃料電池，其使用於上述轉化反應器中生成之氫而發電；且上述燃料電池設置於上述流動層氣體爐內。
  2. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，於上述流動層氣體爐中配備有流動層，進而，於上述流動層之下部配備有分散板；且上述燃料電池配置於上述流動層內且上述分散板之下游。
  3. 如申請專利範圍第2項之發電裝置，其中，將於上述燃料電池發電時產生之蒸汽自配備於上述分散板之上游之風箱供給至流動層氣體爐。
  4. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，於上述流動層氣體爐中，使用藉由上述燃料電池之發電而產生之熱作為將上述原料氣化所必需之熱。
  5. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，藉由上述燃料電池之發電而產生之水蒸汽供給至上述轉化反應器，且利用該水蒸汽之熱自上述生成氣體生成氫。
  6. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，將藉由上述燃料電池之發電而產生之蒸汽導入至蒸汽渦輪機，且該發電裝置具有由該蒸汽渦輪機所驅動之發電機。
  7. 如申請專利範圍第6項之發電裝置，其中，於上述蒸汽渦輪機之排氣出口連接有將上述蒸汽渦輪機之排氣進行電分解且具有密閉構造之電分解槽，且將藉由電分解而產生之氫及氧供給至上述燃料電池進行發電。
  8. 如申請專利範圍第1項之發電裝置，其中，來自上述轉化反應器之氫供給至上述燃料電池，並且可提取至系統外。
  9. 如申請專利範圍第8項之發電裝置，其中，於上述轉化反應器與上述燃料電池之間，設置有調節供給至上述燃料電池之氫之量之調節閥。
  10. 如申請專利範圍第9項之發電裝置，其具有：測定上述原料之重量之秤量器、及控制上述調節閥之控制裝置；且上述控制裝置具有：熱量計算電路，其基於來自上述秤量器之信號計算上述原料之氣化所必需之熱量；氫量計算電路，其基於來自該熱量計算電路之信號計算上述燃料電池之發電所必需之氫之量；及調節閥控制電路，其根據該氫量計算電路之輸出而控制上述調節閥。
  11. 一種發電裝置，其具有： 流動層氣體爐，其將包含碳及/或烴之原料進行加熱而生成氣體；轉化反應器，其自於上述流動層氣體爐中氣化之生成氣體而生成氫；及燃料電池，其使用於上述轉化反應器中生成之氫而發電；上述燃料電池設置於上述流動層氣體爐內，且使用藉由上述燃料電池之發電而非藉由上述原料之燃燒產生之熱作為上述原料氣化所必需之熱。
  12. 一種發電裝置，其具有：流動層氣體爐，其將包含碳及/或烴之原料進行加熱而生成氣體；轉化反應器，其自於上述流動層氣體爐中氣化之生成氣體而生成氫；及燃料電池，其使用於上述轉化反應器中生成之氫而發電；上述燃料電池設置於上述流動層氣體爐內，且使用藉由上述燃料電池之發電產生之蒸汽作為用於上述流動層氣體爐中之流動化之氣體，而非自外部供給。
  13. 一種發電方法，其包括如下步驟：藉由設置於流動層氣體爐內之燃料電池而進行發電之步驟；藉由於上述燃料電池發電時產生之熱，使含有碳及/或烴之原料氣化而生成生成氣體之步驟； 藉由於上述燃料電池發電時產生之熱，使上述生成氣體改質而生成氫之轉化反應步驟；將於上述轉化反應步驟中生成之氫供給至上述燃料電池而發電之步驟；及將藉由上述燃料電池之發電而產生之蒸汽供給至蒸汽渦輪機而發電之步驟。
  14. 一種氫並產之發電方法，其包括如下步驟：藉由設置於流動層氣體爐內之燃料電池而進行發電之步驟；藉由於上述燃料電池發電時產生之熱，使含有碳及/或烴之原料氣化而生成生成氣體之步驟；藉由於上述燃料電池發電時產生之熱，使上述生成氣體改質而生成氫之轉化反應步驟；根據供給至上述流動層氣體爐之上述原料之量，將於上述轉化反應步驟中生成之氫供給至上述燃料電池而發電之步驟；及將於上述轉化反應步驟中生成之氫之中未供給至上述燃料電池之氫提取之步驟。
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