発電システム
【課題】 発電システムを高効率化すると共に設備の簡素化を図る。
【解決手段】 本発明にかかる発電システムは、石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させて燃料ガスを生成するガス化部（１０）と、ガス化部により生成された燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池（２００）と、燃料電池を収容する圧力容器（２１０）と、空気から酸素と窒素とを分離する分離部（３０）と、分離部で分離された酸素をガス化部に供給する酸素供給部（３０）と、分離部で分離された窒素を冷媒として圧力容器内に供給し、電気化学反応で発熱する燃料電池の温度を作動温度に維持する窒素供給部（３０）とを有する。
【解決手段】 本発明にかかる発電システムは、石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させて燃料ガスを生成するガス化部（１０）と、ガス化部により生成された燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池（２００）と、燃料電池を収容する圧力容器（２１０）と、空気から酸素と窒素とを分離する分離部（３０）と、分離部で分離された酸素をガス化部に供給する酸素供給部（３０）と、分離部で分離された窒素を冷媒として圧力容器内に供給し、電気化学反応で発熱する燃料電池の温度を作動温度に維持する窒素供給部（３０）とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭のもつエネルギーを効率よく利用するための発電形態として、例えば、石炭ガス化燃料電池複合発電（ＩＧＦＣ;Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle）が知られている。ＩＧＦＣでは、石炭をガス化して水素や一酸化炭素等を含む燃料ガスを生成し、この燃料ガスを利用して燃料電池を作動させると共に、ガスタービン及び蒸気タービンを駆動させて複合的に発電を行う。
【０００３】
ＩＧＦＣを行う発電システムとしては、酸素を用いて石炭を部分燃焼させ燃料ガスを生成するガス化部と、空気から酸素を分離してガス化部に供給する分離部と、燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、燃料ガスや燃料電池の排ガスによって発電するガスタービン及び蒸気タービンとを備えたものが知られている。
【０００４】
上記の燃料電池としては、例えば、溶融状態の炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ;Molten Carbonate Fuel Cell）が用いられる。このＭＣＦＣの作動温度は約６５０度であるが、作動時の電気化学反応によって温度が上昇するため、作動温度を維持するために冷媒ガスが供給される。よって、この発電システムでは、冷媒ガスを燃料電池へ供給すべく、冷媒ガスを生成する冷媒ガス生成装置や別途に調達した冷媒ガスを貯蔵する貯蔵タンク等が更に備えられる（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７７１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した発電システムでは、燃料電池に冷媒ガスを供給するために、冷媒ガスの生成装置又は貯蔵タンク等を備える分、設備が複雑化するという問題があった。
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電システムを高効率化すると共に設備の簡素化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための本発明の発電システムは、石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させて燃料ガスを生成するガス化部と、前記ガス化部により生成された燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池を収容する圧力容器と、空気から酸素と窒素とを分離する分離部と、前記分離部で分離された酸素を前記ガス化部に供給する酸素供給部と、前記分離部で分離された窒素を冷媒として前記圧力容器内に供給し、前記電気化学反応で発熱する前記燃料電池の温度を作動温度に維持する窒素供給部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
この発電システムでは、分離部において副生される窒素が、燃料電池を冷却する冷媒ガスとして燃料電池を収容する圧力容器内に供給される。このため、分離部からの窒素を有効に活用することができ、発電システムの効率を向上させることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システムの設備を簡素化することができる。さらに、不活性ガスである窒素が冷媒ガスとして圧力容器内に供給されるため、燃料電池から燃料ガスがリークした場合であっても、燃焼ガスが燃焼反応を起こすことを防止でき、安全性を高めることができる。
【０００９】
かかる発電システムにおいて、前記ガス化部は、前記炭素に酸素を反応させることで、一酸化炭素及び水素を含む中間燃料ガスを生成するガス化炉と、前記中間燃料ガスの生成時における排熱によって水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、前記中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、前記水蒸気発生部により発生させた水蒸気とを反応させることで、前記中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素の量を減少させると共に水素の量を増加させて前記燃料ガスを生成するシフト反応器と、を有することが好ましい。
【００１０】
この発電システムでは、シフト反応器において、ガス化炉で生成された中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、水蒸気発生部で発生させた水蒸気とから、二酸化炭素及び水素を生成するシフト反応を生じさせることができる。つまり、シフト反応器によって、一酸化炭素が減少し水素が増加するように中間燃料ガスの組成を変化させて、燃料ガスを生成することができる。この燃料ガスを燃料電池に供給して電気化学反応させることで、燃料電池の発電効率を高めることができ、発電システムの効率を向上させることができる。
【００１１】
かかる発電システムにおいて、前記分離部は、前記空気を前記酸素及び前記窒素が液化するまで冷却した後、前記酸素が液体の状態を維持し、前記窒素が気体となるまで温度を上昇させることで、前記空気から前記酸素と前記窒素とを分離することが好ましい。
【００１２】
この発電システムでは、いわゆる深冷分離方式で空気から酸素と窒素とを分離するため、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素を得ることができる。これによって、酸素及び窒素を夫々ガス化部及び圧力容器に効率よく搬送できると共に、燃料電池を効率よく冷却することができる。その結果、発電システムの効率を向上させることができる。
【００１３】
かかる発電システムにおいて、前記燃料電池は、加圧下で前記燃料ガスと前記酸化剤との電気化学反応を行うものであり、前記圧力容器から排出される前記窒素の流量を調整することで、前記圧力容器内の圧力と前記電気化学反応の圧力との差を抑制する調整器をさらに有することが好ましい。
【００１４】
この発電システムでは、燃料電池を加圧運転する際に、燃料電池の内部と外部との間に圧力差を生じさせないように、調整器によって圧力容器内の圧力を調整できる。よって、効率よく燃料電池を加圧運転することができ、発電システムの効率を向上させることができる。
【００１５】
かかる発電システムにおいて、前記酸化剤としては、空気中の酸素及び二酸化炭素が好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発電システムを高効率化できると共に設備の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る発電システムの構成例を示す模式図である。
【図２】燃料電池の電気化学反応を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
===発電システムについて===
以下、図１及び図２を参照しつつ、本発明の実施形態に係る発電システム１について説明する。図１は、本実施形態に係る発電システム１の構成例を示す模式図である。図２は、図１に示す発電システム１に備えられた溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２００の電気化学反応について説明するための図である。
【００１９】
発電システム１は、ガス化部１０と、ＭＣＦＣ２００及び圧力容器２１０を有する第１発電部２０と、深冷分離装置３０（分離部、酸素供給部、窒素供給部）とを備える。更に、発電システム１は、後述するＭＣＦＣ２００のカソード２０１から排出されるカソード排ガスを利用して発電する第２発電部４０と、水蒸気を利用して発電する第３発電部５０と、二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部６０とを備えている。
【００２０】
この発電システム１では、ＭＣＦＣ２００、第２発電部４０、及び、第３発電部５０による複合的な発電を行う。すなわち、ガス化部１０において石炭をガス化して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを利用して第１発電部２０のＭＣＦＣ２００を作動させる。また、カソード排ガスを用いて第２発電部４０を駆動させ、ガス化部１０やＭＣＦＣ２００からの熱で水蒸気を発生させて第３発電部５０を駆動させる。以下、発電システム１の各構成について夫々説明する。
【００２１】
<<<深冷分離装置>>>
深冷分離装置３０は、二酸化炭素及び水分を吸着除去した空気を酸素及び窒素が液化するまで冷却した後、酸素が液体の状態を維持し、窒素が気体となるまで温度を上昇させることで、空気から酸素と窒素とを分離する。よって、この深冷分離装置３０では、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素が得られる。そして、深冷分離装置３０は、得られた酸素をガス化部１０に供給すると共に、得られた窒素をＭＣＦＣ２００の冷媒として圧力容器２１０内に供給する。この際、酸素及び窒素は圧縮された状態であるため、深冷分離装置３０は、酸素をガス化部１０へ効率よく搬送できると共に、窒素を圧力容器２１０内に効率よく搬送できる。また、深冷分離装置３０は、冷却された状態の窒素を冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給できるため、ＭＣＦＣ２００を効率よく冷却して作動温度に維持できる。よって、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００２２】
<<<ガス化部>>>
ガス化部１０は、石炭ガス化炉（ガス化炉）１００と、蒸気発生部１１０と、シフト反応器１４０とを備え、更に脱塵装置１２０と、脱硫装置１３０とを備えている。
【００２３】
石炭ガス化炉１００は、石炭を炭素等に熱分解し、得られた炭素と深冷分離装置３０から供給された酸素とを反応させて水素、一酸化炭素、二酸化炭素等を含む中間燃料ガスを生成する。
【００２４】
水蒸気発生部１１０は、石炭ガス化炉１００から排出された中間燃料ガスの排熱を利用して水蒸気を発生させるもので、ガス冷却器１０１と、復水器１０２とを備えている。ガス冷却器１０１は、復水器１０２から供給される水と、中間燃料ガスとを熱交換させることで、中間燃料ガスを冷却すると共に、水蒸気を発生させる。尚、ガス冷却器１０１で発生させた水蒸気は、一部がシフト反応器１４０へ供給され、残りが第３発電部５０に供給される。復水器１０２は、第３発電部５０で使用された水蒸気を回収して液体の水に変化させ、再度ガス冷却器１０１へ供給する。つまり、水蒸気発生部１１０では、ガス冷却器１０１と復水器１０２とを、水が液体及び気体に変化しながら循環している。
【００２５】
脱塵装置１２０は、例えばポーラスフィルタを備え、ポーラスフィルタにガス冷却器１０１から排出された中間燃料ガスを通過させることによって、中間燃料ガスに含まれる固形の不純物を除去する。脱硫装置１３０は、例えば、脱塵装置１２０から排出された中間燃料ガスと、石灰水や炭酸カルシウム等の硫黄吸収剤とを接触させて、中間燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する。
【００２６】
シフト反応器１４０は、次式に示すように、脱硫装置１３０から排出される中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、ガス冷却器１０１から供給される水蒸気とをシフト反応させて、二酸化炭素及び水素を発生させる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００２７】
このシフト反応器１４０では、一酸化炭素が減少し水素が増加するように、中間燃料ガスの組成を変化させて燃料ガスを生成する。尚、シフト反応器１４０から排出される燃料ガスは、例えば、約６５０度のＭＣＦＣ２００の作動温度（以下単に作動温度と称する）と略同じ温度となる。そして、第１発電部２０のＭＣＦＣ２００に供給される。
【００２８】
<<<第１発電部>>>
第１発電部２０は、ＭＣＦＣ２００と、圧力容器２１０と、調整器２２０と、燃焼器２３０と、コンプレッサ２４０と、循環ブロワ２５０と、熱交換器２６０とを備えている。
【００２９】
コンプレッサ２４０は、ＭＣＦＣ２００に空気を搬送する。ＭＣＦＣ２００は、例えばシフト反応器１４０から燃料ガスが供給されることによって作動温度となり、この作動温度において、燃料ガスと、コンプレッサ２４０から供給される空気とを電気化学反応させて発電する。
【００３０】
このＭＣＦＣ２００では、燃料ガス及び空気を効率よく電気化学反応させて発電効率を高めるべく、加圧された燃料ガス及び空気が供給されて加圧運転を行う。
【００３１】
例えば、ＭＣＦＣ２００は、図２に示すように、多孔質の酸化ニッケル板からなるカソード２０１と、多孔質のニッケル板からなるアノード２０２と、炭酸リチウム及び炭酸ナトリウムの混合物の炭酸塩からなる電解質２０３とを有している。そして、カソード２０１とアノード２０２との間は、ＭＣＦＣ２００で得られる電力を消費する負荷２０５を介して、外部回路２０４により接続されている。
【００３２】
カソード２０１では、コンプレッサ２４０から供給される空気に含まれる酸素（Ｏ２，酸化剤）及び二酸化炭素（ＣＯ２，酸化剤）と、外部回路２０４から供給される電子（２ｅ−）とが反応して、炭酸イオン（ＣＯ３２−）が発生する。また、カソード２０１からは、後述する燃焼排ガスに由来する水蒸気や、未反応の二酸化炭素及び酸素等を含む空気がカソード排ガスとして排出される。このカソード排ガスは、例えば作動温度となっている。カソード排ガスの一部は、燃焼器２３０に供給される。残りのカソード排ガスの一部は、循環ブロア２５０によって、カソード２０１に戻され、ＭＣＦＣ２００の電気化学反応に再利用される。このように、カソード排ガスの一部をカソード２０１に戻すことで、カソード２０１に供給される空気の温度を作動温度付近まで上昇させることができ、発電システム１の効率を高めることができる。残りのカソード排ガスは、第２発電部４０に供給される。
【００３３】
電解質２０３は、作動温度において溶融状態となり、カソード２０１で発生させた炭酸イオンをアノード２０２に移動させる。
【００３４】
アノード２０２では、シフト反応器１４０から供給された燃料ガス中の水素（Ｈ２）と、電解質２０３を介してカソード２０１から移動してきた炭酸イオンとが反応することで、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水蒸気（Ｈ２Ｏ）が発生し、同時に電子（２ｅ−）が放出される。放出された電子は、外部回路２０４を通ってカソード２０１に移動し、これが繰り返されることで電気が発生する。また、アノード２０２からは、二酸化炭素及び水蒸気と、未反応の燃料ガスとを主に含み、例えば作動温度となったアノード排ガスが排出される。アノード排ガスの一部は、燃焼器２３０に供給され、残りのアノード排ガスは、熱交換器２６０を介して第３発電部５０に供給される。
【００３５】
燃焼器２３０は、カソード排ガス中の酸素とアノード排ガス中の燃料ガスとを燃焼反応させ、二酸化炭素及び水蒸気を主に含む燃焼排ガスを排出する。燃焼排ガスは、循環ブロア２５０によって、カソード２０１に供給される。これによって、カソード２０１に供給される二酸化炭素の濃度を増加させてＭＣＦＣ２００の発電効率を高めることができる。
【００３６】
循環ブロア２５０は、前述したようにカソード排ガスの一部及び燃焼排ガスを循環させてカソード２０１に供給する。
【００３７】
圧力容器２１０は、ＭＣＦＣ２００及び燃焼器２３０を収容している。また、圧力容器２１０の内部には、作動温度よりも低い温度の窒素が冷媒ガスとして深冷分離装置３０から供給されている。この冷媒ガスによって、ＭＣＦＣ２００では、電気化学反応の発熱に伴う温度上昇が抑制され、作動温度に維持される。よって、深冷分離装置３０で空気から酸素を分離する際に副生される窒素を、ＭＣＦＣ２００の冷媒ガスとして有効に利用でき、発電システム１の発電効率を向上させることができる。
【００３８】
また、発電システム１は、深冷分離装置３０からの窒素が圧力容器２１０内に供給されるため、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を備える必要がない。その結果、設備を簡素化できる。
【００３９】
尚、圧力容器２１０内に供給された窒素は、ＭＣＦＣ２００を冷却することで、例えば約３００度〜４００度となり、調整器２２０を介して、後述する二酸化炭素回収部６０の熱交換器６０３に供給される。
【００４０】
調整器２２０は、例えば流量調整弁からなり、圧力容器２１０から排出される窒素の流量を調整して、圧力容器２１０内の圧力を、ＭＣＦＣ２００に供給される燃料ガス及び空気の圧力と同程度若しくはこの圧力よりも高い圧力に調整する。これによって、ＭＣＦＣ２００の内部から外部へ燃料ガス等がリークすることを防止でき、ＭＣＦＣ２００を効率よく加圧運転することができる。その結果、ＭＣＦＣ２００の発電効率を高め、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００４１】
熱交換器２６０は、例えば作動温度のアノード排ガスと、後述する二酸化炭素回収部６０の吸収塔６０１から排出されるＣＯ２分離ガスとを熱交換させ、アノード排ガスを冷却すると共に、ＣＯ２分離ガスを加熱する。尚、熱交換器２６０から排出されたアノード排ガスは第３発電部５０に供給され、ＣＯ２分離ガスはアノード２０２に供給される。
【００４２】
<<<第２発電部>>>
第２発電部４０は、カソード排ガスを利用して発電するものであり、同一の回転軸に接続された、ガスタービン４０１及び発電機４０２を備えている。ガスタービン４０１は、カソード排ガスが供給されることによって回転軸を回転させる。発電機４０２は、ガスタービン４０１が回転軸を回転させることによって発電する。尚、コンプレッサ２４０も、ガスタービン４０１及び発電機４０２と同一の回転軸に接続されており、ガスタービン４０１の回転に連動して駆動される。
【００４３】
<<<第３発電部>>>
前述したように第３発電部５０は、水蒸気を利用して発電する。すなわち、第１発電部２０の熱交換器２６０から排出されるアノード排ガス及び第２発電部４０のガスタービン４０１から排出されるカソード排ガスを利用して発生させた水蒸気と、ガス化部１０のガス冷却器１０１から排出される水蒸気とを用いて発電する。
【００４４】
この第３発電部５０は、排熱回収ボイラ５０１、５０２と、気水分離器５０３と、循環ポンプ５０４と、発電機５０５と、蒸気タービン５０６、５０７と、復水器５０８とを備えている。
【００４５】
排熱回収ボイラ５０１は、熱交換器２６０から排出されたアノード排ガスと、循環ポンプ５０４によって供給される水とを熱交換させることで、アノード排ガスを例えば約４０度（吸収温度）に冷却すると共に、水蒸気を発生させる。尚、排熱回収ボイラ５０１で発生させた水蒸気は、蒸気タービン５０７に供給される。また、排熱回収ボイラ５０１で例えば吸収温度とされたアノード排ガスは、二酸化炭素回収部６０の吸収塔６０１に供給される。
【００４６】
排熱回収ボイラ５０２は、ガスタービン４０１から排出されるカソード排ガスと、循環ポンプ５０４によって供給される水とを熱交換させることで、カソード排ガスを冷却すると共に、水蒸気を発生させる。そして、排熱回収ボイラ５０２で発生させた水蒸気は、排熱回収ボイラ５０１で発生させた水蒸気と共に、蒸気タービン５０７に供給される。また、排熱回収ボイラ５０２で冷却されたカソード排ガスは、気水分離器５０３に供給される。
【００４７】
気水分離器５０３は、排熱回収ボイラ５０２で冷却されることで液化した水をカソード排ガスから分離する。尚、気水分離器５０３で水が分離されたカソード排ガスは排気される。また、気水分離器５０３で取り出された水は循環ポンプ５０４によって排熱回収ボイラ５０１、５０２に供給される。
【００４８】
蒸気タービン５０７は、蒸気タービン５０６及び発電機５０５と同一の回転軸に接続され、排熱回収ボイラ５０１、５０２から供給される水蒸気によって回転軸を回転させる。尚、蒸気タービン５０７から排出された水蒸気は、復水器５０８に供給される。
【００４９】
蒸気タービン５０６は、ガス化部１０のガス冷却器１０１から供給される水蒸気によって回転軸を回転させる。尚、蒸気タービン５０６から排出された水蒸気は、ガス化部１０の復水器１０２に供給される。発電機５０５は、蒸気タービン５０６、５０７が回転軸を回転させることで発電する。
【００５０】
復水器５０８は、蒸気タービン５０７から供給された水蒸気を液体の水に変化させる。復水器５０８から排出される水は、循環ポンプ５０４によって、気水分離器５０３から排出される水と共に、排熱回収ボイラ５０１、５０２に供給される。
【００５１】
<<<二酸化炭素回収部>>>
二酸化炭素回収部６０は、アルカノールアミン水溶液等の吸収液を利用して、第３発電部５０の排熱回収ボイラ５０１から排出されるアノード排ガスから二酸化炭素を回収する。吸収液は、約４０度の吸収温度ではアミノ基に二酸化炭素が結合するため、二酸化炭素を吸収する。また、吸収液は、約１２０度の再生温度においてアミノ基に結合していた二酸化炭素が脱離するため、二酸化炭素を放出する。
【００５２】
二酸化炭素回収部６０は、吸収塔６０１と、再生塔６０２と、熱交換器６０３、６０４と、分離器６０５とを備えている。二酸化炭素回収部６０において吸収液は、吸収塔６０１で二酸化炭素を吸収した後、熱交換器６０３、６０４で再生温度以上に加熱され、再生塔６０２で二酸化炭素を放出する。そして、再度、熱交換器６０４で冷却されて、吸収塔６０１に戻される。
【００５３】
吸収塔６０１では、吸収液と、排熱回収ボイラ５０１によって例えば吸収温度まで冷却されたアノード排ガスとを接触させ、次式に示すように、アノード排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる。尚、式中に示すＲはアルキル基である。
Ｒ−ＮＨ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２→Ｒ−ＮＨ３ＨＣＯ３
【００５４】
吸収塔６０１によってアノード排ガスから二酸化炭素が分離された結果、主に水素を含むＣＯ２分離ガスが生成される。このＣＯ２分離ガスは、第１発電部２０の熱交換器２６０によって加熱された後、ＭＣＦＣ２００のアノード２０２に供給されて、電気化学反応に再利用される。これによって、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００５５】
熱交換器６０４は、吸収塔６０１から排出される吸収温度の吸収液と、再生塔６０２から排出される再生温度の吸収液とを熱交換させる。そして、熱交換器６０４は、吸収塔６０１から排出された吸収液を加熱して再生塔６０２に供給し、再生塔６０２から排出された吸収液を冷却して吸収塔６０１に供給する。
【００５６】
再生塔６０２では、熱交換器６０４によって吸収温度以上に加熱され、更に熱交換器６０３によって再生温度以上に維持される吸収液を貯留する。そして、再生塔６０２では、次式に示すように、吸収液から二酸化炭素を放出させる。尚、式中に示すＲはアルキル基である。
Ｒ−ＮＨ３ＨＣＯ３→Ｒ−ＮＨ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
【００５７】
再生塔６０２において、吸収液から放出された二酸化炭素は、水蒸気等の気体成分と共に分離器６０５に供給される。
【００５８】
熱交換器６０３は、再生塔６０２に貯留される吸収液と、第１発電部２０の調整器２２０から供給される約３００度〜４００度の冷媒ガスとを熱交換させ、再生塔６０２に貯留される吸収液を再生温度以上に維持する。熱交換器６０３によって、冷却された冷媒ガスは排気される。
【００５９】
分離器６０５は、再生塔６０２から供給された二酸化炭素及び水蒸気等を冷却して、水蒸気等を液体とし、気液分離によって、二酸化炭素と水等とを分離する。分離器６０５によって分離された二酸化炭素は、例えば不図示のタンクなどに回収される。また、分離器６０５によって分離された水等は、再生塔６０２に戻される。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態に係る発電システム１では、深冷分離装置３０によって、石炭ガス化炉１００に供給する酸素を空気から分離する際に副生される窒素が、ＭＣＦＣ２００を冷却する冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給される。このため、深冷分離装置３０で副生される窒素を有効に活用することができ、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００６１】
また、深冷分離装置３０によって、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素を得ることができるため、酸素を石炭ガス化炉１００に効率よく搬送できると共に、窒素を圧力容器２１０に効率よく搬送することができる。また、圧力容器２１０に供給された窒素によってＭＣＦＣ２００を効率よく冷却することができる。
【００６２】
更に、深冷分離装置３０から窒素を圧力容器２１０内に冷媒ガスとして供給することができるため、冷媒ガスを生成するための装置や、別途に調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を備える必要がない分、発電システム１の設備を簡素化することができる。
【００６３】
また、不活性ガスである窒素が冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給されるため、燃料ガスがＭＣＦＣ２００からリークした場合であっても、燃料ガスと冷媒ガスとが燃焼反応を起こすことを防止でき、安全性を高めることができる。
【００６４】
また、この発電システム１では、シフト反応器１４０によって、一酸化炭素が減少し水素が増加するように、中間燃料ガスの組成を変化させて燃料ガスを生成する。そして、この燃料ガスをＭＣＦＣ２００に供給して電気化学反応させるため、ＭＣＦＣ２００の発電効率を高めることができる。よって、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００６５】
また、発電システム１では、ＭＣＦＣ２００の内部と外部との間に圧力差を生じさせないように、調整器２２０によって圧力容器２１０内の圧力を調整して、ＭＣＦＣ２００を加圧運転することができる。よって、ＭＣＦＣ２００から燃料ガス等がリークすることを抑制でき、効率よくＭＣＦＣ２００を加圧運転することができる。その結果、発電効率を向上させることができ、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００６６】
===その他の実施形態===
前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
【００６７】
例えば、前述した発電システム１では、深冷分離装置３０によって空気から酸素と窒素とを分離することとした。しかし、特にこれに限定されるものではなく、例えば、高分子膜中のガス成分毎の透過速度の違いを利用する膜分離方式等によって、空気を酸素と窒素とに分離してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１…発電システム １０…ガス化部 ２０…第１発電部 ３０…深冷分離装置
４０…第２発電部 ５０…第３発電部 ６０…二酸化炭素回収部
１００…石炭ガス化炉 １０１…ガス冷却器 １０２、５０８…復水器
１１０…水蒸気発生部 １２０…脱塵装置 １３０…脱硫装置
１４０…シフト反応器 ２００…ＭＣＦＣ ２０１…カソード
２０２…アノード ２０３…電解質 ２０４…外部回路 ２０５…負荷
２１０…圧力容器 ２２０…調整器 ２３０…燃焼器 ２４０…コンプレッサ
２５０…循環ブロア ２６０、６０３、６０４…熱交換器
４０１…ガスタービン ４０２、５０５…発電機
５０１、５０２…排熱回収ボイラ ５０３…気水分離器
５０４…循環ポンプ ５０６、５０７…蒸気タービン ６０１…吸収塔
６０２…再生塔 ６０５…分離器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石炭のもつエネルギーを効率よく利用するための発電形態として、例えば、石炭ガス化燃料電池複合発電（ＩＧＦＣ;Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle）が知られている。ＩＧＦＣでは、石炭をガス化して水素や一酸化炭素等を含む燃料ガスを生成し、この燃料ガスを利用して燃料電池を作動させると共に、ガスタービン及び蒸気タービンを駆動させて複合的に発電を行う。
【０００３】
ＩＧＦＣを行う発電システムとしては、酸素を用いて石炭を部分燃焼させ燃料ガスを生成するガス化部と、空気から酸素を分離してガス化部に供給する分離部と、燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、燃料ガスや燃料電池の排ガスによって発電するガスタービン及び蒸気タービンとを備えたものが知られている。
【０００４】
上記の燃料電池としては、例えば、溶融状態の炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ;Molten Carbonate Fuel Cell）が用いられる。このＭＣＦＣの作動温度は約６５０度であるが、作動時の電気化学反応によって温度が上昇するため、作動温度を維持するために冷媒ガスが供給される。よって、この発電システムでは、冷媒ガスを燃料電池へ供給すべく、冷媒ガスを生成する冷媒ガス生成装置や別途に調達した冷媒ガスを貯蔵する貯蔵タンク等が更に備えられる（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２７７１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した発電システムでは、燃料電池に冷媒ガスを供給するために、冷媒ガスの生成装置又は貯蔵タンク等を備える分、設備が複雑化するという問題があった。
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電システムを高効率化すると共に設備の簡素化を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための本発明の発電システムは、石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させて燃料ガスを生成するガス化部と、前記ガス化部により生成された燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池を収容する圧力容器と、空気から酸素と窒素とを分離する分離部と、前記分離部で分離された酸素を前記ガス化部に供給する酸素供給部と、前記分離部で分離された窒素を冷媒として前記圧力容器内に供給し、前記電気化学反応で発熱する前記燃料電池の温度を作動温度に維持する窒素供給部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
この発電システムでは、分離部において副生される窒素が、燃料電池を冷却する冷媒ガスとして燃料電池を収容する圧力容器内に供給される。このため、分離部からの窒素を有効に活用することができ、発電システムの効率を向上させることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システムの設備を簡素化することができる。さらに、不活性ガスである窒素が冷媒ガスとして圧力容器内に供給されるため、燃料電池から燃料ガスがリークした場合であっても、燃焼ガスが燃焼反応を起こすことを防止でき、安全性を高めることができる。
【０００９】
かかる発電システムにおいて、前記ガス化部は、前記炭素に酸素を反応させることで、一酸化炭素及び水素を含む中間燃料ガスを生成するガス化炉と、前記中間燃料ガスの生成時における排熱によって水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、前記中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、前記水蒸気発生部により発生させた水蒸気とを反応させることで、前記中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素の量を減少させると共に水素の量を増加させて前記燃料ガスを生成するシフト反応器と、を有することが好ましい。
【００１０】
この発電システムでは、シフト反応器において、ガス化炉で生成された中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、水蒸気発生部で発生させた水蒸気とから、二酸化炭素及び水素を生成するシフト反応を生じさせることができる。つまり、シフト反応器によって、一酸化炭素が減少し水素が増加するように中間燃料ガスの組成を変化させて、燃料ガスを生成することができる。この燃料ガスを燃料電池に供給して電気化学反応させることで、燃料電池の発電効率を高めることができ、発電システムの効率を向上させることができる。
【００１１】
かかる発電システムにおいて、前記分離部は、前記空気を前記酸素及び前記窒素が液化するまで冷却した後、前記酸素が液体の状態を維持し、前記窒素が気体となるまで温度を上昇させることで、前記空気から前記酸素と前記窒素とを分離することが好ましい。
【００１２】
この発電システムでは、いわゆる深冷分離方式で空気から酸素と窒素とを分離するため、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素を得ることができる。これによって、酸素及び窒素を夫々ガス化部及び圧力容器に効率よく搬送できると共に、燃料電池を効率よく冷却することができる。その結果、発電システムの効率を向上させることができる。
【００１３】
かかる発電システムにおいて、前記燃料電池は、加圧下で前記燃料ガスと前記酸化剤との電気化学反応を行うものであり、前記圧力容器から排出される前記窒素の流量を調整することで、前記圧力容器内の圧力と前記電気化学反応の圧力との差を抑制する調整器をさらに有することが好ましい。
【００１４】
この発電システムでは、燃料電池を加圧運転する際に、燃料電池の内部と外部との間に圧力差を生じさせないように、調整器によって圧力容器内の圧力を調整できる。よって、効率よく燃料電池を加圧運転することができ、発電システムの効率を向上させることができる。
【００１５】
かかる発電システムにおいて、前記酸化剤としては、空気中の酸素及び二酸化炭素が好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発電システムを高効率化できると共に設備の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る発電システムの構成例を示す模式図である。
【図２】燃料電池の電気化学反応を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
===発電システムについて===
以下、図１及び図２を参照しつつ、本発明の実施形態に係る発電システム１について説明する。図１は、本実施形態に係る発電システム１の構成例を示す模式図である。図２は、図１に示す発電システム１に備えられた溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）２００の電気化学反応について説明するための図である。
【００１９】
発電システム１は、ガス化部１０と、ＭＣＦＣ２００及び圧力容器２１０を有する第１発電部２０と、深冷分離装置３０（分離部、酸素供給部、窒素供給部）とを備える。更に、発電システム１は、後述するＭＣＦＣ２００のカソード２０１から排出されるカソード排ガスを利用して発電する第２発電部４０と、水蒸気を利用して発電する第３発電部５０と、二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部６０とを備えている。
【００２０】
この発電システム１では、ＭＣＦＣ２００、第２発電部４０、及び、第３発電部５０による複合的な発電を行う。すなわち、ガス化部１０において石炭をガス化して燃料ガスを生成し、この燃料ガスを利用して第１発電部２０のＭＣＦＣ２００を作動させる。また、カソード排ガスを用いて第２発電部４０を駆動させ、ガス化部１０やＭＣＦＣ２００からの熱で水蒸気を発生させて第３発電部５０を駆動させる。以下、発電システム１の各構成について夫々説明する。
【００２１】
<<<深冷分離装置>>>
深冷分離装置３０は、二酸化炭素及び水分を吸着除去した空気を酸素及び窒素が液化するまで冷却した後、酸素が液体の状態を維持し、窒素が気体となるまで温度を上昇させることで、空気から酸素と窒素とを分離する。よって、この深冷分離装置３０では、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素が得られる。そして、深冷分離装置３０は、得られた酸素をガス化部１０に供給すると共に、得られた窒素をＭＣＦＣ２００の冷媒として圧力容器２１０内に供給する。この際、酸素及び窒素は圧縮された状態であるため、深冷分離装置３０は、酸素をガス化部１０へ効率よく搬送できると共に、窒素を圧力容器２１０内に効率よく搬送できる。また、深冷分離装置３０は、冷却された状態の窒素を冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給できるため、ＭＣＦＣ２００を効率よく冷却して作動温度に維持できる。よって、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００２２】
<<<ガス化部>>>
ガス化部１０は、石炭ガス化炉（ガス化炉）１００と、蒸気発生部１１０と、シフト反応器１４０とを備え、更に脱塵装置１２０と、脱硫装置１３０とを備えている。
【００２３】
石炭ガス化炉１００は、石炭を炭素等に熱分解し、得られた炭素と深冷分離装置３０から供給された酸素とを反応させて水素、一酸化炭素、二酸化炭素等を含む中間燃料ガスを生成する。
【００２４】
水蒸気発生部１１０は、石炭ガス化炉１００から排出された中間燃料ガスの排熱を利用して水蒸気を発生させるもので、ガス冷却器１０１と、復水器１０２とを備えている。ガス冷却器１０１は、復水器１０２から供給される水と、中間燃料ガスとを熱交換させることで、中間燃料ガスを冷却すると共に、水蒸気を発生させる。尚、ガス冷却器１０１で発生させた水蒸気は、一部がシフト反応器１４０へ供給され、残りが第３発電部５０に供給される。復水器１０２は、第３発電部５０で使用された水蒸気を回収して液体の水に変化させ、再度ガス冷却器１０１へ供給する。つまり、水蒸気発生部１１０では、ガス冷却器１０１と復水器１０２とを、水が液体及び気体に変化しながら循環している。
【００２５】
脱塵装置１２０は、例えばポーラスフィルタを備え、ポーラスフィルタにガス冷却器１０１から排出された中間燃料ガスを通過させることによって、中間燃料ガスに含まれる固形の不純物を除去する。脱硫装置１３０は、例えば、脱塵装置１２０から排出された中間燃料ガスと、石灰水や炭酸カルシウム等の硫黄吸収剤とを接触させて、中間燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する。
【００２６】
シフト反応器１４０は、次式に示すように、脱硫装置１３０から排出される中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、ガス冷却器１０１から供給される水蒸気とをシフト反応させて、二酸化炭素及び水素を発生させる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００２７】
このシフト反応器１４０では、一酸化炭素が減少し水素が増加するように、中間燃料ガスの組成を変化させて燃料ガスを生成する。尚、シフト反応器１４０から排出される燃料ガスは、例えば、約６５０度のＭＣＦＣ２００の作動温度（以下単に作動温度と称する）と略同じ温度となる。そして、第１発電部２０のＭＣＦＣ２００に供給される。
【００２８】
<<<第１発電部>>>
第１発電部２０は、ＭＣＦＣ２００と、圧力容器２１０と、調整器２２０と、燃焼器２３０と、コンプレッサ２４０と、循環ブロワ２５０と、熱交換器２６０とを備えている。
【００２９】
コンプレッサ２４０は、ＭＣＦＣ２００に空気を搬送する。ＭＣＦＣ２００は、例えばシフト反応器１４０から燃料ガスが供給されることによって作動温度となり、この作動温度において、燃料ガスと、コンプレッサ２４０から供給される空気とを電気化学反応させて発電する。
【００３０】
このＭＣＦＣ２００では、燃料ガス及び空気を効率よく電気化学反応させて発電効率を高めるべく、加圧された燃料ガス及び空気が供給されて加圧運転を行う。
【００３１】
例えば、ＭＣＦＣ２００は、図２に示すように、多孔質の酸化ニッケル板からなるカソード２０１と、多孔質のニッケル板からなるアノード２０２と、炭酸リチウム及び炭酸ナトリウムの混合物の炭酸塩からなる電解質２０３とを有している。そして、カソード２０１とアノード２０２との間は、ＭＣＦＣ２００で得られる電力を消費する負荷２０５を介して、外部回路２０４により接続されている。
【００３２】
カソード２０１では、コンプレッサ２４０から供給される空気に含まれる酸素（Ｏ２，酸化剤）及び二酸化炭素（ＣＯ２，酸化剤）と、外部回路２０４から供給される電子（２ｅ−）とが反応して、炭酸イオン（ＣＯ３２−）が発生する。また、カソード２０１からは、後述する燃焼排ガスに由来する水蒸気や、未反応の二酸化炭素及び酸素等を含む空気がカソード排ガスとして排出される。このカソード排ガスは、例えば作動温度となっている。カソード排ガスの一部は、燃焼器２３０に供給される。残りのカソード排ガスの一部は、循環ブロア２５０によって、カソード２０１に戻され、ＭＣＦＣ２００の電気化学反応に再利用される。このように、カソード排ガスの一部をカソード２０１に戻すことで、カソード２０１に供給される空気の温度を作動温度付近まで上昇させることができ、発電システム１の効率を高めることができる。残りのカソード排ガスは、第２発電部４０に供給される。
【００３３】
電解質２０３は、作動温度において溶融状態となり、カソード２０１で発生させた炭酸イオンをアノード２０２に移動させる。
【００３４】
アノード２０２では、シフト反応器１４０から供給された燃料ガス中の水素（Ｈ２）と、電解質２０３を介してカソード２０１から移動してきた炭酸イオンとが反応することで、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水蒸気（Ｈ２Ｏ）が発生し、同時に電子（２ｅ−）が放出される。放出された電子は、外部回路２０４を通ってカソード２０１に移動し、これが繰り返されることで電気が発生する。また、アノード２０２からは、二酸化炭素及び水蒸気と、未反応の燃料ガスとを主に含み、例えば作動温度となったアノード排ガスが排出される。アノード排ガスの一部は、燃焼器２３０に供給され、残りのアノード排ガスは、熱交換器２６０を介して第３発電部５０に供給される。
【００３５】
燃焼器２３０は、カソード排ガス中の酸素とアノード排ガス中の燃料ガスとを燃焼反応させ、二酸化炭素及び水蒸気を主に含む燃焼排ガスを排出する。燃焼排ガスは、循環ブロア２５０によって、カソード２０１に供給される。これによって、カソード２０１に供給される二酸化炭素の濃度を増加させてＭＣＦＣ２００の発電効率を高めることができる。
【００３６】
循環ブロア２５０は、前述したようにカソード排ガスの一部及び燃焼排ガスを循環させてカソード２０１に供給する。
【００３７】
圧力容器２１０は、ＭＣＦＣ２００及び燃焼器２３０を収容している。また、圧力容器２１０の内部には、作動温度よりも低い温度の窒素が冷媒ガスとして深冷分離装置３０から供給されている。この冷媒ガスによって、ＭＣＦＣ２００では、電気化学反応の発熱に伴う温度上昇が抑制され、作動温度に維持される。よって、深冷分離装置３０で空気から酸素を分離する際に副生される窒素を、ＭＣＦＣ２００の冷媒ガスとして有効に利用でき、発電システム１の発電効率を向上させることができる。
【００３８】
また、発電システム１は、深冷分離装置３０からの窒素が圧力容器２１０内に供給されるため、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を備える必要がない。その結果、設備を簡素化できる。
【００３９】
尚、圧力容器２１０内に供給された窒素は、ＭＣＦＣ２００を冷却することで、例えば約３００度〜４００度となり、調整器２２０を介して、後述する二酸化炭素回収部６０の熱交換器６０３に供給される。
【００４０】
調整器２２０は、例えば流量調整弁からなり、圧力容器２１０から排出される窒素の流量を調整して、圧力容器２１０内の圧力を、ＭＣＦＣ２００に供給される燃料ガス及び空気の圧力と同程度若しくはこの圧力よりも高い圧力に調整する。これによって、ＭＣＦＣ２００の内部から外部へ燃料ガス等がリークすることを防止でき、ＭＣＦＣ２００を効率よく加圧運転することができる。その結果、ＭＣＦＣ２００の発電効率を高め、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００４１】
熱交換器２６０は、例えば作動温度のアノード排ガスと、後述する二酸化炭素回収部６０の吸収塔６０１から排出されるＣＯ２分離ガスとを熱交換させ、アノード排ガスを冷却すると共に、ＣＯ２分離ガスを加熱する。尚、熱交換器２６０から排出されたアノード排ガスは第３発電部５０に供給され、ＣＯ２分離ガスはアノード２０２に供給される。
【００４２】
<<<第２発電部>>>
第２発電部４０は、カソード排ガスを利用して発電するものであり、同一の回転軸に接続された、ガスタービン４０１及び発電機４０２を備えている。ガスタービン４０１は、カソード排ガスが供給されることによって回転軸を回転させる。発電機４０２は、ガスタービン４０１が回転軸を回転させることによって発電する。尚、コンプレッサ２４０も、ガスタービン４０１及び発電機４０２と同一の回転軸に接続されており、ガスタービン４０１の回転に連動して駆動される。
【００４３】
<<<第３発電部>>>
前述したように第３発電部５０は、水蒸気を利用して発電する。すなわち、第１発電部２０の熱交換器２６０から排出されるアノード排ガス及び第２発電部４０のガスタービン４０１から排出されるカソード排ガスを利用して発生させた水蒸気と、ガス化部１０のガス冷却器１０１から排出される水蒸気とを用いて発電する。
【００４４】
この第３発電部５０は、排熱回収ボイラ５０１、５０２と、気水分離器５０３と、循環ポンプ５０４と、発電機５０５と、蒸気タービン５０６、５０７と、復水器５０８とを備えている。
【００４５】
排熱回収ボイラ５０１は、熱交換器２６０から排出されたアノード排ガスと、循環ポンプ５０４によって供給される水とを熱交換させることで、アノード排ガスを例えば約４０度（吸収温度）に冷却すると共に、水蒸気を発生させる。尚、排熱回収ボイラ５０１で発生させた水蒸気は、蒸気タービン５０７に供給される。また、排熱回収ボイラ５０１で例えば吸収温度とされたアノード排ガスは、二酸化炭素回収部６０の吸収塔６０１に供給される。
【００４６】
排熱回収ボイラ５０２は、ガスタービン４０１から排出されるカソード排ガスと、循環ポンプ５０４によって供給される水とを熱交換させることで、カソード排ガスを冷却すると共に、水蒸気を発生させる。そして、排熱回収ボイラ５０２で発生させた水蒸気は、排熱回収ボイラ５０１で発生させた水蒸気と共に、蒸気タービン５０７に供給される。また、排熱回収ボイラ５０２で冷却されたカソード排ガスは、気水分離器５０３に供給される。
【００４７】
気水分離器５０３は、排熱回収ボイラ５０２で冷却されることで液化した水をカソード排ガスから分離する。尚、気水分離器５０３で水が分離されたカソード排ガスは排気される。また、気水分離器５０３で取り出された水は循環ポンプ５０４によって排熱回収ボイラ５０１、５０２に供給される。
【００４８】
蒸気タービン５０７は、蒸気タービン５０６及び発電機５０５と同一の回転軸に接続され、排熱回収ボイラ５０１、５０２から供給される水蒸気によって回転軸を回転させる。尚、蒸気タービン５０７から排出された水蒸気は、復水器５０８に供給される。
【００４９】
蒸気タービン５０６は、ガス化部１０のガス冷却器１０１から供給される水蒸気によって回転軸を回転させる。尚、蒸気タービン５０６から排出された水蒸気は、ガス化部１０の復水器１０２に供給される。発電機５０５は、蒸気タービン５０６、５０７が回転軸を回転させることで発電する。
【００５０】
復水器５０８は、蒸気タービン５０７から供給された水蒸気を液体の水に変化させる。復水器５０８から排出される水は、循環ポンプ５０４によって、気水分離器５０３から排出される水と共に、排熱回収ボイラ５０１、５０２に供給される。
【００５１】
<<<二酸化炭素回収部>>>
二酸化炭素回収部６０は、アルカノールアミン水溶液等の吸収液を利用して、第３発電部５０の排熱回収ボイラ５０１から排出されるアノード排ガスから二酸化炭素を回収する。吸収液は、約４０度の吸収温度ではアミノ基に二酸化炭素が結合するため、二酸化炭素を吸収する。また、吸収液は、約１２０度の再生温度においてアミノ基に結合していた二酸化炭素が脱離するため、二酸化炭素を放出する。
【００５２】
二酸化炭素回収部６０は、吸収塔６０１と、再生塔６０２と、熱交換器６０３、６０４と、分離器６０５とを備えている。二酸化炭素回収部６０において吸収液は、吸収塔６０１で二酸化炭素を吸収した後、熱交換器６０３、６０４で再生温度以上に加熱され、再生塔６０２で二酸化炭素を放出する。そして、再度、熱交換器６０４で冷却されて、吸収塔６０１に戻される。
【００５３】
吸収塔６０１では、吸収液と、排熱回収ボイラ５０１によって例えば吸収温度まで冷却されたアノード排ガスとを接触させ、次式に示すように、アノード排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる。尚、式中に示すＲはアルキル基である。
Ｒ−ＮＨ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２→Ｒ−ＮＨ３ＨＣＯ３
【００５４】
吸収塔６０１によってアノード排ガスから二酸化炭素が分離された結果、主に水素を含むＣＯ２分離ガスが生成される。このＣＯ２分離ガスは、第１発電部２０の熱交換器２６０によって加熱された後、ＭＣＦＣ２００のアノード２０２に供給されて、電気化学反応に再利用される。これによって、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００５５】
熱交換器６０４は、吸収塔６０１から排出される吸収温度の吸収液と、再生塔６０２から排出される再生温度の吸収液とを熱交換させる。そして、熱交換器６０４は、吸収塔６０１から排出された吸収液を加熱して再生塔６０２に供給し、再生塔６０２から排出された吸収液を冷却して吸収塔６０１に供給する。
【００５６】
再生塔６０２では、熱交換器６０４によって吸収温度以上に加熱され、更に熱交換器６０３によって再生温度以上に維持される吸収液を貯留する。そして、再生塔６０２では、次式に示すように、吸収液から二酸化炭素を放出させる。尚、式中に示すＲはアルキル基である。
Ｒ−ＮＨ３ＨＣＯ３→Ｒ−ＮＨ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
【００５７】
再生塔６０２において、吸収液から放出された二酸化炭素は、水蒸気等の気体成分と共に分離器６０５に供給される。
【００５８】
熱交換器６０３は、再生塔６０２に貯留される吸収液と、第１発電部２０の調整器２２０から供給される約３００度〜４００度の冷媒ガスとを熱交換させ、再生塔６０２に貯留される吸収液を再生温度以上に維持する。熱交換器６０３によって、冷却された冷媒ガスは排気される。
【００５９】
分離器６０５は、再生塔６０２から供給された二酸化炭素及び水蒸気等を冷却して、水蒸気等を液体とし、気液分離によって、二酸化炭素と水等とを分離する。分離器６０５によって分離された二酸化炭素は、例えば不図示のタンクなどに回収される。また、分離器６０５によって分離された水等は、再生塔６０２に戻される。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態に係る発電システム１では、深冷分離装置３０によって、石炭ガス化炉１００に供給する酸素を空気から分離する際に副生される窒素が、ＭＣＦＣ２００を冷却する冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給される。このため、深冷分離装置３０で副生される窒素を有効に活用することができ、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００６１】
また、深冷分離装置３０によって、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素を得ることができるため、酸素を石炭ガス化炉１００に効率よく搬送できると共に、窒素を圧力容器２１０に効率よく搬送することができる。また、圧力容器２１０に供給された窒素によってＭＣＦＣ２００を効率よく冷却することができる。
【００６２】
更に、深冷分離装置３０から窒素を圧力容器２１０内に冷媒ガスとして供給することができるため、冷媒ガスを生成するための装置や、別途に調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を備える必要がない分、発電システム１の設備を簡素化することができる。
【００６３】
また、不活性ガスである窒素が冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給されるため、燃料ガスがＭＣＦＣ２００からリークした場合であっても、燃料ガスと冷媒ガスとが燃焼反応を起こすことを防止でき、安全性を高めることができる。
【００６４】
また、この発電システム１では、シフト反応器１４０によって、一酸化炭素が減少し水素が増加するように、中間燃料ガスの組成を変化させて燃料ガスを生成する。そして、この燃料ガスをＭＣＦＣ２００に供給して電気化学反応させるため、ＭＣＦＣ２００の発電効率を高めることができる。よって、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００６５】
また、発電システム１では、ＭＣＦＣ２００の内部と外部との間に圧力差を生じさせないように、調整器２２０によって圧力容器２１０内の圧力を調整して、ＭＣＦＣ２００を加圧運転することができる。よって、ＭＣＦＣ２００から燃料ガス等がリークすることを抑制でき、効率よくＭＣＦＣ２００を加圧運転することができる。その結果、発電効率を向上させることができ、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００６６】
===その他の実施形態===
前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
【００６７】
例えば、前述した発電システム１では、深冷分離装置３０によって空気から酸素と窒素とを分離することとした。しかし、特にこれに限定されるものではなく、例えば、高分子膜中のガス成分毎の透過速度の違いを利用する膜分離方式等によって、空気を酸素と窒素とに分離してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１…発電システム １０…ガス化部 ２０…第１発電部 ３０…深冷分離装置
４０…第２発電部 ５０…第３発電部 ６０…二酸化炭素回収部
１００…石炭ガス化炉 １０１…ガス冷却器 １０２、５０８…復水器
１１０…水蒸気発生部 １２０…脱塵装置 １３０…脱硫装置
１４０…シフト反応器 ２００…ＭＣＦＣ ２０１…カソード
２０２…アノード ２０３…電解質 ２０４…外部回路 ２０５…負荷
２１０…圧力容器 ２２０…調整器 ２３０…燃焼器 ２４０…コンプレッサ
２５０…循環ブロア ２６０、６０３、６０４…熱交換器
４０１…ガスタービン ４０２、５０５…発電機
５０１、５０２…排熱回収ボイラ ５０３…気水分離器
５０４…循環ポンプ ５０６、５０７…蒸気タービン ６０１…吸収塔
６０２…再生塔 ６０５…分離器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させて燃料ガスを生成するガス化部と、
前記ガス化部により生成された燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池を収容する圧力容器と、
空気から酸素と窒素とを分離する分離部と、
前記分離部で分離された酸素を前記ガス化部に供給する酸素供給部と、
前記分離部で分離された窒素を冷媒として前記圧力容器内に供給し、前記電気化学反応で発熱する前記燃料電池の温度を作動温度に維持する窒素供給部と、
を有することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記ガス化部は、
前記炭素に酸素を反応させることで、一酸化炭素及び水素を含む中間燃料ガスを生成するガス化炉と、
前記中間燃料ガスの生成時における排熱によって水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、
前記中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、前記水蒸気発生部により発生させた水蒸気とを反応させることで、前記中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素の量を減少させると共に水素の量を増加させて前記燃料ガスを生成するシフト反応器と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記分離部は、前記空気を前記酸素及び前記窒素が液化するまで冷却した後、前記酸素が液体の状態を維持し、前記窒素が気体となるまで温度を上昇させることで、前記空気から前記酸素と前記窒素とを分離する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記燃料電池は、加圧下で前記燃料ガスと前記酸化剤との電気化学反応を行うものであり、
前記圧力容器から排出される前記窒素の流量を調整することで、前記圧力容器内の圧力と前記電気化学反応の圧力との差を抑制する調整器をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の発電システム。
【請求項５】
前記酸化剤は、空気中の酸素及び二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の発電システム。
【請求項１】
石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させて燃料ガスを生成するガス化部と、
前記ガス化部により生成された燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池を収容する圧力容器と、
空気から酸素と窒素とを分離する分離部と、
前記分離部で分離された酸素を前記ガス化部に供給する酸素供給部と、
前記分離部で分離された窒素を冷媒として前記圧力容器内に供給し、前記電気化学反応で発熱する前記燃料電池の温度を作動温度に維持する窒素供給部と、
を有することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記ガス化部は、
前記炭素に酸素を反応させることで、一酸化炭素及び水素を含む中間燃料ガスを生成するガス化炉と、
前記中間燃料ガスの生成時における排熱によって水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、
前記中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、前記水蒸気発生部により発生させた水蒸気とを反応させることで、前記中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素の量を減少させると共に水素の量を増加させて前記燃料ガスを生成するシフト反応器と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記分離部は、前記空気を前記酸素及び前記窒素が液化するまで冷却した後、前記酸素が液体の状態を維持し、前記窒素が気体となるまで温度を上昇させることで、前記空気から前記酸素と前記窒素とを分離する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記燃料電池は、加圧下で前記燃料ガスと前記酸化剤との電気化学反応を行うものであり、
前記圧力容器から排出される前記窒素の流量を調整することで、前記圧力容器内の圧力と前記電気化学反応の圧力との差を抑制する調整器をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の発電システム。
【請求項５】
前記酸化剤は、空気中の酸素及び二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の発電システム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−１０３２１２（Ｐ２０１１−１０３２１２Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５７３９６（Ｐ２００９−２５７３９６）
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１０日（２００９．１１．１０）
【出願人】（０００２１１３０７）中国電力株式会社 (6,505)
【Ｆターム（参考）】
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