特許 6812192 発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6812192

(24)【登録日】2020年12月18日

(45)【発行日】2021年1月13日

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0606 20160101AFI20201228BHJP

   H01M 8/14 20060101ALI20201228BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20201228BHJP

   B01D 53/047 20060101ALI20201228BHJP

   F23G 7/06 20060101ALI20201228BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20201228BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0606

   H01M8/14

   H01M8/04 J

   H01M8/04 N

   B01D53/047

   F23G7/06 Z

   !H01M8/12

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-198723(P2016-198723)

(22)【出願日】2016年10月7日

(65)【公開番号】特開2018-60732(P2018-60732A)

(43)【公開日】2018年4月12日

【審査請求日】2019年6月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川端 康晴

(72)【発明者】

【氏名】越智 一喜

【審査官】 笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１４９２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０４７３９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−００３７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２９７３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１６６１５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−１９８６６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０６０６

Ｂ０１Ｄ ５３／０４７

Ｆ２３Ｇ ７／０６

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／１４

Ｈ０１Ｍ ８／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、
少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、
常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、
前記燃料電池の燃料極から排出された燃料極オフガスを、前記分離装置によって分離された前記酸素富化ガスで燃焼させるオフガス燃焼器と、
前記オフガス燃焼器において生成された燃焼排ガスを冷却し、水を凝縮させる凝縮器と、
を備えた発電システム。

【請求項2】

固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、
少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、
常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、
前記燃料電池の燃料極から排出された燃料極オフガスを、少なくとも酸素を含むガスで燃焼させるオフガス燃焼器と、
前記オフガス燃焼器で生じた燃焼排ガスで回転軸を回転させる燃焼機関と、
を備え、
前記コンプレッサは、前記燃焼機関の回転軸と同軸で接続されており、該回転軸の回転によって、前記酸素を含むガスを昇圧し、
前記分離装置によって分離された前記窒素富化ガスは、前記オフガス燃焼器に供給される発電システム。

【請求項3】

固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、
少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、
常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、
を備え、
前記コンプレッサは、前記分離装置によって分離された前記酸素富化ガスを含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給する発電システム。

【請求項4】

固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、
少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、
常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、
前記燃料電池の燃料極から排出された燃料極オフガスを、少なくとも酸素を含むガスで燃焼させるオフガス燃焼器と、
前記オフガス燃焼器で生じた燃焼排ガスで回転軸を回転させる燃焼機関と、
を備え、
前記コンプレッサは、前記燃焼機関の回転軸と同軸で接続されており、該回転軸の回転によって、前記酸素富化ガスを含むガスを昇圧して、前記燃料電池の空気極および前記オフガス燃焼器に供給する発電システム。

【請求項5】

固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、
少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、
常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、
前記分離装置によって分離された前記酸素富化ガスと、石炭とを反応させて、少なくとも水素を含むガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、
を備え、
前記燃料電池の燃料極には、前記石炭ガス化炉によって生成された前記ガス化ガスが供給される発電システム。

【請求項6】

固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、
少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、
常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、
少なくとも酸素を含むガスと、石炭とを反応させて、少なくとも水素を含むガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、
前記分離装置によって分離された前記窒素富化ガスにより、貯留部に貯留された前記石炭を前記石炭ガス化炉に気流搬送する搬送部と、
を備えた発電システム。

【請求項7】

前記分離装置は、前記吸着塔内を減圧して前記酸素吸着剤に吸着した酸素を該酸素吸着剤から脱着させて該吸着塔から排出する減圧ポンプを備えた請求項１から６のいずれか１項に記載の発電システム。

【請求項8】

前記分離装置は、前記燃料電池から出力された電力で駆動される請求項１から７のいずれか１項に記載の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池を備えた発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、燃料を酸化する酸化反応が行われる燃料極（アノード）と、酸素を還元する還元反応が行われる空気極（カソード）と、燃料極と空気極の間に配される電解質とを備え、燃料と酸素との電気化学的反応によって発電する燃料電池が開発されている。燃料電池は、電解質の特性に応じて、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の４種類に大別される。

【0003】

燃料電池の空気極から排出される空気極オフガスには、窒素および酸素が含まれている。このため、空気極オフガスを有効利用する技術として、ＳＯＦＣを停止する際に、空気極オフガスを冷却して昇圧し、さらに、窒素ガスのみを分離して燃料電池に供給することでＳＯＦＣを冷却する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６−１００１５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記特許文献１の技術では、空気極オフガスを冷却するため、空気極オフガスが有する熱エネルギーが損なわれてしまう。したがって、空気極オフガスを効率よく利用する技術の開発が希求されている。

【0006】

本発明は、このような課題に鑑み、燃料電池の空気極から排出される空気極オフガスを効率よく利用することが可能な発電システムを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明の発電システムは、固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料極オフガスを、前記分離装置によって分離された前記酸素富化ガスで燃焼させるオフガス燃焼器と、前記オフガス燃焼器において生成された燃焼排ガスを冷却し、水を凝縮させる凝縮器と、を備える。

【0011】

上記課題を解決するために、本発明の他の発電システムは、固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料極オフガスを、少なくとも酸素を含むガスで燃焼させるオフガス燃焼器と、前記オフガス燃焼器で生じた燃焼排ガスで回転軸を回転させる燃焼機関と、を備え、前記コンプレッサは、前記燃焼機関の回転軸と同軸で接続されており、該回転軸の回転によって、前記酸素を含むガスを昇圧し、前記分離装置によって分離された前記窒素富化ガスは、前記オフガス燃焼器に供給される。

【0012】

上記課題を解決するために、本発明の他の発電システムは、固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、を備え、前記コンプレッサは、前記分離装置によって分離された前記酸素富化ガスを含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給する。

【0013】

上記課題を解決するために、本発明の他の発電システムは、固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、前記燃料電池の燃料極から排出された燃料極オフガスを、少なくとも酸素を含むガスで燃焼させるオフガス燃焼器と、前記オフガス燃焼器で生じた燃焼排ガスで回転軸を回転させる燃焼機関と、を備え、前記コンプレッサは、前記燃焼機関の回転軸と同軸で接続されており、該回転軸の回転によって、前記酸素富化ガスを含むガスを昇圧して、前記燃料電池の空気極および前記オフガス燃焼器に供給する。

【0015】

上記課題を解決するために、本発明の他の発電システムは、固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、前記分離装置によって分離された前記酸素富化ガスと、石炭とを反応させて、少なくとも水素を含むガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、を備え、前記燃料電池の燃料極には、前記石炭ガス化炉によって生成された前記ガス化ガスが供給される。

【0017】

上記課題を解決するために、本発明の他の発電システムは、固体酸化物形燃料電池および溶融炭酸塩形燃料電池のいずれか一方または両方を含んで構成される燃料電池と、少なくとも酸素を含むガスを昇圧して前記燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、前記燃料電池の空気極から排出された空気極オフガスが供給される吸着塔を有し、該空気極オフガスを酸素富化ガスと窒素富化ガスとに分離する分離装置と、少なくとも酸素を含むガスと、石炭とを反応させて、少なくとも水素を含むガス化ガスを生成する石炭ガス化炉と、前記分離装置によって分離された前記窒素富化ガスにより、貯留部に貯留された前記石炭を前記石炭ガス化炉に気流搬送する搬送部と、を備える。

【0018】

また、前記分離装置は、前記吸着塔内を減圧して前記酸素吸着剤に吸着した酸素を該酸素吸着剤から脱着させて該吸着塔から排出する減圧ポンプを備えるとしてもよい。
また、前記分離装置は、前記燃料電池から出力された電力で駆動されるとしてもよい。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、燃料電池の空気極から排出される空気極オフガスを効率よく利用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１の実施形態にかかる発電システムを説明する図である。

【図2】第２の実施形態にかかる発電システムを説明する図である。

【図3】第３の実施形態にかかる発電システムを説明する図である。

【図4】第４の実施形態にかかる発電システムを説明する図である。

【図5】第５の実施形態にかかる発電システムを説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0022】

（第１の実施形態：発電システム１００）
図１は、第１の実施形態にかかる発電システム１００を説明する図である。図１に示すように、発電システム１００は、脱硫装置１１０と、改質器１１２と、燃料電池１１４と、分離装置１１６と、オフガス燃焼器１１８と、燃焼機関１２０と、コンプレッサ１２２と、発電機１２４と、熱交換器１２６と、凝縮器１２８と、二酸化炭素圧縮機１３０と、二酸化炭素回収部１３２と、インバータ１４０を含んで構成される。なお、図１中、ガスや水等の物質の流れを実線の矢印で示し、電力の流れを破線の矢印で示す。

【0023】

脱硫装置１１０は、原料ガス（例えば、都市ガス）ＧＧ１から硫黄分を除去する。脱硫装置１１０は、例えば、硫黄分を吸着する吸着剤が充填された脱硫器で構成される。なお、原料ガスＧＧ１から硫黄分を除去する技術については、様々な既存の技術を適用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。

【0024】

改質器１１２は、脱硫装置１１０によって硫黄分が除去された原料ガスＧＧ２を改質して、改質ガスＫＧ（水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）を含む）を生成する。本実施形態において、改質器１１２には、炭化水素の水蒸気改質反応を促進するための触媒が配されており、改質器１１２に原料ガスＧＧ２（炭化水素）および水蒸気が供給されると下記反応式（１）および反応式（２）に示す水蒸気改質反応が進行し、炭化水素が水素および一酸化炭素に改質される。
Ｃ_ｎＨ_ｍ ＋ ｎＨ_２Ｏ → ｎＣＯ ＋ （ｍ／２＋ｎ）Ｈ_２ …反応式（１）
ＣＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２ …反応式（２）
こうして、改質器１１２によって生成された改質ガスＫＧは、燃料電池１１４の燃料極に供給される。燃料電池１１４の空気極には、後述するコンプレッサ１２２から、少なくとも酸素（Ｏ_２）を含む酸素含有ガスＳＧ（例えば、空気）が供給される。

【0025】

燃料電池１１４は、改質ガスＫＧおよび酸素含有ガスＳＧを電力と熱に変換する。本実施形態において、燃料電池１１４は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成される。燃料電池１１４によって生成された電力の一部は、後述するインバータ１４０を介して、後述する減圧ポンプ１５２、二酸化炭素圧縮機１３０に供給され、その他の電力は、電力利用設備に供給される。また、燃料電池１１４によって生成された熱は、熱利用設備に供給される。

【0026】

燃料電池１１４の空気極から排出された空気極オフガスＫＯＧ（例えば、６００℃程度）は、酸素と窒素（Ｎ_２）とで構成され（例えば、酸素濃度１６％程度）、分離装置１１６に供給される。また、燃料電池１１４の燃料極から排出された燃料極オフガスＮＯＧ（例えば、６００℃程度）は、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）、一酸化炭素、水素で構成され、オフガス燃焼器１１８に供給される。

【0027】

分離装置１１６は、空気極オフガスＫＯＧを、酸素富化ガスＳＦＧ（空気より酸素を多く含むガス）と、窒素富化ガスＣＦＧ（空気より窒素を多く含むガス）とに分離する。本実施形態において、分離装置１１６は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）法を利用した分離装置であり、吸着塔１５０と、減圧ポンプ１５２（真空ポンプ）とを含んで構成される。吸着塔１５０は、常温より高温の温度環境下（例えば、２５０℃〜９００℃）で酸素を吸着する酸素吸着剤（例えば、ペロブスカイト型酸化物）が内部に収容されている。減圧ポンプ１５２は、吸着塔１５０内を減圧して酸素吸着剤に吸着した酸素を酸素吸着剤から脱着させて吸着塔１５０から排出する。常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤を用いたＰＳＡ法の分離装置については、特許第５６００３３６号公報に記載された技術等の既存の様々な技術を適用できるので、ここでは、詳細な説明を省略する。

【0028】

分離装置１１６によって分離された酸素富化ガスＳＦＧの一部は、オフガス燃焼器１１８に供給される。また、その他の酸素富化ガスＳＦＧは、酸素利用設備に供給される。分離装置１１６によって分離された窒素富化ガスＣＦＧは、窒素利用設備に供給される。

【0029】

オフガス燃焼器１１８は、燃料電池１１４の燃料極から排出された燃料極オフガスＮＯＧを、分離装置１１６によって分離された酸素富化ガスＳＦＧで燃焼させる。

【0030】

燃焼機関１２０は、例えば、ガスタービンやガスエンジンで構成され、オフガス燃焼器１１８で生じた燃焼排ガスＨＧ（二酸化炭素、水）によって回転軸を回転させる。コンプレッサ１２２は、燃焼機関１２０の回転軸と同軸で接続されており、燃焼機関１２０の回転軸の回転によって酸素含有ガスＳＧを昇圧（圧縮）する。発電機１２４は、コンプレッサ１２２の回転軸と同軸で接続されており、コンプレッサ１２２の回転軸の回転（燃焼機関１２０の回転軸の回転）によって発電する。

【0031】

熱交換器１２６は、燃焼機関１２０を回転した後の燃焼排ガスＨＧと、コンプレッサ１２２によって昇圧された酸素含有ガスＳＧとを熱交換する。熱交換器１２６を備えることにより、燃焼排ガスＨＧの熱で酸素含有ガスＳＧが昇温されることとなり、燃料電池１１４の発電効率を向上させることができる。

【0032】

また、上記コンプレッサ１２２が燃料電池１１４の空気極に高圧（大気圧より高圧）の酸素含有ガスＳＧを供給することにより、燃料電池１１４の発電効率を向上させることができる。例えば、コンプレッサ１２２が、酸素含有ガスＳＧを０．２ＭＰａに昇圧して、燃料電池１１４の空気極に供給した場合、燃料電池１１４の発電効率を２０％程度向上させることが可能となる。

【0033】

凝縮器１２８は、熱交換器１２６によって熱交換が為された（冷却された）燃焼排ガスＨＧ（二酸化炭素、水）をさらに冷却し、水を凝縮させる。これにより、燃焼排ガスＨＧを二酸化炭素ＮＧと、水ＤＳ（ドレン水）とに分離することができる。凝縮器１２８によって分離された二酸化炭素ＮＧは、二酸化炭素圧縮機１３０で昇圧され、二酸化炭素貯留（ＣＣＳ）システム等の二酸化炭素回収部１３２で回収される。また、凝縮器１２８によって分離された水ＤＳは、外部に排出される。

【0034】

インバータ１４０は、燃料電池１１４から出力された電力（直流電流）を交流電流に変換する。インバータ１４０によって交流電流に変換された電力は、減圧ポンプ１５２、二酸化炭素圧縮機１３０に供給される。

【0035】

以上説明したように、本実施形態にかかる発電システム１００によれば、分離装置１１６が常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤を備える構成により、空気極オフガスＫＯＧの熱エネルギーを損なうことなく、そのまま酸素の分離に利用することができる。したがって、空気極オフガスＫＯＧから効率よく酸素（酸素富化ガスＳＦＧ）を分離することが可能となる。

【0036】

また、燃料電池１１４の空気極には、コンプレッサ１２２によって昇圧された酸素含有ガスＳＧが供給されるため、空気極オフガスＫＯＧも大気圧より高圧となっている。したがって、別途のコンプレッサを備えずとも空気極オフガスＫＯＧを吸着塔１５０に供給することができる。なお、燃料電池１１４と吸着塔１５０との間にコンプレッサを設けておくことも考えられる。しかし、この場合、燃料電池１１４の発電効率を向上できない。一方、発電システム１００のように、燃料電池１１４の上流側にコンプレッサ１２２を設ける構成、すなわち、コンプレッサ１２２が酸素含有ガスＳＧを昇圧して燃料電池１１４の空気極に供給する構成により、燃料電池１１４の発電効率を向上させ、かつ、吸着塔１５０に空気極オフガスＫＯＧを供給することが可能となる。

【0037】

また、上記したように、燃料極オフガスＮＯＧは、二酸化炭素、水、一酸化炭素、水素で構成される。このため、オフガス燃焼器１１８が、燃料極オフガスＮＯＧを酸素富化ガスＳＦＧで燃焼させることにより、窒素を殆ど含まない燃焼排ガスＨＧ（二酸化炭素、水）を生成することができる。したがって、凝縮器１２８が燃焼排ガスＨＧを冷却するだけで容易に二酸化炭素ＮＧを分離することが可能となる。このため、二酸化炭素ＮＧの分離に要するコストを低減することが可能となる。

【0038】

そして、二酸化炭素圧縮機１３０、二酸化炭素回収部１３２によって二酸化炭素ＮＧを回収することにより、二酸化炭素ＮＧが大気に排出される事態を回避することができる。つまり、発電システム１００は、ＣＯ_２フリーの発電を行うことが可能となる。

【0039】

また、燃料電池１１４から出力された電力によって、減圧ポンプ１５２、二酸化炭素圧縮機１３０が駆動されることから、外部の電力を消費せずに、電力、熱、酸素富化ガスＳＦＧ、窒素富化ガスＣＦＧを生成することができる。

【0040】

（シミュレーション）
発電システム１００が２５０ｋＷの電力を発電できる場合、空気極オフガスＫＯＧは、酸素濃度１６％、温度６００℃、圧力０．２ＭＰａ、流量１２５０Ｎｍ^３／ｈである。この空気極オフガスＫＯＧから分離装置１１６が分離（製造）できる酸素富化ガスＳＦＧの製造量は、最大で１００ｍ^３／ｈであり、電力原単位は、酸素１ｍ^３あたり０．３５ｋＷｈである。一方、オフガス燃焼器１１８において、燃料極オフガスＮＯＧを完全酸化するために必要な酸素は、１２．６ｍ^３／ｈである。以上のことから、分離装置１１６は、オフガス燃焼器１１８で消費されるより多量の酸素富化ガスＳＦＧを製造できることが分かった。

【0041】

（第２の実施形態：発電システム２００）
図２は、第２の実施形態にかかる発電システム２００を説明する図である。図２に示すように、発電システム２００は、脱硫装置１１０と、改質器１１２と、燃料電池１１４と、分離装置１１６と、オフガス燃焼器２１８と、燃焼機関１２０と、コンプレッサ１２２と、発電機１２４と、熱交換器１２６と、インバータ１４０とを含んで構成される。なお、図２中、ガスや水等の物質の流れを実線の矢印で示し、電力の流れを破線の矢印で示す。また、上述した発電システム１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して重複説明を省略する。

【0042】

本実施形態において、オフガス燃焼器２１８には、燃料電池１１４の燃料極から排出された燃料極オフガスＮＯＧと、酸素含有ガスＳＧ（例えば、空気）とが供給され、オフガス燃焼器２１８は、燃料極オフガスＮＯＧを酸素含有ガスＳＧに含まれる酸素によって燃焼させる。

【0043】

また、本実施形態の発電システム２００では、分離装置１１６によって分離された窒素富化ガスＣＦＧが、オフガス燃焼器２１８に供給される。燃料を空気で燃焼させる場合、燃焼温度が所定温度（例えば、１２００℃）以上となると、ＮＯｘ（窒素酸化物）の生成量が急激に増加する（拡大Zeldovich機構）。したがって、燃料電池１１４、オフガス燃焼器２１８、燃焼機関１２０、コンプレッサ１２２を備える従来のシステムには、空気から窒素富化ガスを製造する専用の装置が設けられており、製造した窒素富化ガスをオフガス燃焼器２１８に供給して、燃焼温度を低下させていた。したがって、窒素富化ガスを製造する専用の装置自体のイニシャルコスト、および、ランニングコストがかかっていた。

【0044】

一方、本実施形態の発電システム２００では、分離装置１１６によって分離された窒素富化ガスＣＦＧを、オフガス燃焼器２１８に供給する構成により、窒素富化ガスＣＦＧを製造する専用の装置を備えずとも、ＮＯｘの生成を低減することが可能となる。つまり、低コストでＮＯｘの生成を低減することができ、発電システム２００から排気される燃焼排ガスＨＧ中のＮＯｘを低減することが可能となる。

【0045】

（第３の実施形態：発電システム３００）
図３は、第３の実施形態にかかる発電システム３００を説明する図である。図３に示すように、発電システム３００は、脱硫装置１１０と、改質器１１２と、燃料電池１１４と、分離装置１１６と、オフガス燃焼器３１８と、燃焼機関１２０と、コンプレッサ３２２と、発電機１２４と、熱交換器１２６と、インバータ１４０とを含んで構成される。なお、図３中、ガスや水等の物質の流れを実線の矢印で示し、電力の流れを破線の矢印で示す。また、上述した発電システム１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して重複説明を省略する。

【0046】

本実施形態において、コンプレッサ３２２は、酸素含有ガスＳＧおよび酸素富化ガスＳＦＧの混合気ＳＧ／ＳＦＧを昇圧する。そして、昇圧された混合気ＳＧ／ＳＦＧは、熱交換器１２６を介して燃料電池１１４の空気極に供給される。

【0047】

また、本実施形態において、オフガス燃焼器３１８には、燃料電池１１４の燃料極から排出された燃料極オフガスＮＯＧと、コンプレッサ３２２によって昇圧された混合気ＳＧ／ＳＦＧとが供給され、オフガス燃焼器３１８は、燃料極オフガスＮＯＧを混合気ＳＧ／ＳＦＧに含まれる酸素によって燃焼させる。

【0048】

オフガス燃焼器３１８にコンプレッサ３２２によって昇圧された混合気ＳＧ／ＳＦＧを供給する構成により、燃料極オフガスＮＯＧと混合気ＳＧ／ＳＦＧとの圧力差を低減することができる。これにより、オフガス燃焼器３１８において、効率よく燃料極オフガスＮＯＧを燃焼させることが可能となる。

【0049】

また、酸素含有ガスＳＧが空気である場合、混合気ＳＧ／ＳＦＧは、酸素含有ガスＳＧよりも酸素分圧が高い。したがって、酸素分圧の高い混合気ＳＧ／ＳＦＧを燃料電池１１４の空気極に供給することで、燃料電池１１４の性能を向上させることができる。

【0050】

（第４の実施形態：発電システム４００）
図４は、第４の実施形態にかかる発電システム４００を説明する図である。図４に示すように、発電システム４００は、所謂、石炭ガス化複合発電システムであり、ストックヤード４１０と、微粉炭化装置４１２と、搬送部４１４と、石炭ガス化炉４１６と、燃料電池１１４と、分離装置１１６と、オフガス燃焼器１１８と、燃焼機関１２０と、コンプレッサ１２２と、発電機１２４と、熱交換器１２６と、凝縮器１２８と、二酸化炭素圧縮機１３０と、二酸化炭素回収部１３２と、インバータ１４０を含んで構成される。なお、図４中、ガスや水等の物質の流れを実線の矢印で示し、電力の流れを破線の矢印で示す。また、上述した発電システム１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して重複説明を省略する。

【0051】

ストックヤード４１０は、石炭ＳＴを貯留する。微粉炭化装置４１２には、ストックヤード４１０に貯留された石炭ＳＴが導入される。微粉炭化装置４１２（貯留部）は、石炭ＳＴを粉砕して微粉炭ＢＴを製造する。搬送部４１４は、微粉炭化装置４１２が製造した微粉炭ＢＴを、不活性ガス（例えば、窒素富化ガス）を用いて、石炭ガス化炉４１６に気流搬送する。

【0052】

石炭ガス化炉４１６は、少なくとも酸素を含むガスと、微粉炭ＢＴとを反応させて、少なくとも水素を含むガス化ガスＳＧＧを生成する。本実施形態において、石炭ガス化炉４１６には、分離装置１１６によって分離された酸素富化ガスＳＦＧが導入される。したがって、石炭ガス化炉４１６は、分離装置１１６によって分離された酸素富化ガスＳＦＧと、微粉炭ＢＴとを反応させて、ガス化ガスＳＧＧを生成する。

【0053】

石炭ガス化炉４１６を備えた従来のシステムには、空気から酸素富化ガスを製造する専用の装置が設けられており、製造した酸素富化ガスＳＦＧを石炭ガス化炉４１６に供給して、ガス化ガスＳＧＧの生成効率の向上を図っていた。したがって、酸素富化ガスを製造する専用の装置自体のイニシャルコスト、および、ランニングコストがかかっていた。酸素富化ガスＳＦＧを石炭ガス化炉４１６に供給する従来の石炭ガス化複合発電システムでは、酸素富化ガスを製造する専用の装置の動力がシステム全体の動力の約５０％を占めるため、酸素富化ガスの製造に要するコストの低減が希求されていた。

【0054】

そこで、本実施形態の発電システム４００では、分離装置１１６によって分離された酸素富化ガスＳＦＧを、石炭ガス化炉４１６に供給する構成により、酸素富化ガスＳＦＧを製造する専用の装置を備えずとも、ガス化ガスＳＧＧを効率よく生成することが可能となる。つまり、低コストでガス化ガスＳＧＧの生成効率の向上を図ることが可能となる。したがって、発電システム４００全体の発電効率を向上でき、また、ＣＯ_２排出原単位の低減を図ることが可能となる。

【0055】

こうして、石炭ガス化炉４１６によって生成されたガス化ガスＳＧＧは、燃料電池１１４の燃料極に供給される。

【0056】

また、本実施形態の搬送部４１４は、分離装置１１６によって分離された窒素富化ガスＣＦＧを用いて、微粉炭化装置４１２が製造した微粉炭ＢＴを石炭ガス化炉４１６に気流搬送する。これにより、搬送部４１４が利用する不活性ガスのコストを削減することができる。また、上記したように、窒素富化ガスＣＦＧは、６００℃程度と高温である。したがって、不活性ガスを利用する従来技術と比較して、不活性ガスの加熱に要するコストを削減することが可能となる。

【0057】

（シミュレーション）
発電システム４００が１３５０ｋＷの電力を発電する場合、石炭ガス化炉４１６で必要とされる酸素量は、５５３ｍ^３／ｈとなる。また、発電システム４００で生じる空気極オフガスＫＯＧは、酸素濃度１６％、温度６００℃、圧力０．５５ＭＰａ、流量６２５０Ｎｍ^３／ｈである。したがって、発電システム４００の分離装置１１６で製造できる酸素（酸素富化ガスＳＦＧ）の量は、５００ｍ^３／ｈとなる。以上のことから、発電システム４００では、石炭ガス化炉４１６で必要となる酸素の大半を空気極オフガスＫＯＧで賄うことができ、小規模で高効率な発電システムを構築できることが分かった。

【0058】

（第５の実施形態：発電システム５００）
図５は、第５の実施形態にかかる発電システム５００を説明する図である。図５に示すように、発電システム５００は、メタン発酵槽５１０と、消化ガス圧縮機５１２と、二酸化炭素分離部５１４と、改質器５１６と、燃料電池１１４と、分離装置１１６と、オフガス燃焼器１１８と、燃焼機関１２０と、コンプレッサ１２２と、発電機１２４と、熱交換器１２６と、凝縮器１２８と、二酸化炭素圧縮機１３０と、二酸化炭素回収部５３２と、インバータ１４０を含んで構成される。なお、図５中、ガスや水等の物質の流れを実線の矢印で示し、電力の流れを破線の矢印で示す。また、上述した発電システム１００と実質的に等しい構成要素については、同一の符号を付して重複説明を省略する。

【0059】

メタン発酵槽５１０は、バイオマスを嫌気的に微生物に分解させて、少なくともメタン（ＣＨ_４）と二酸化炭素を含む消化ガスＳＫＧを発生させる。消化ガス圧縮機５１２は、消化ガスＳＫＧを昇圧して、二酸化炭素分離部５１４に供給する。二酸化炭素分離部５１４は、例えば、二酸化炭素分離膜を含んで構成され、消化ガスＳＫＧを、二酸化炭素ＮＧと、メタン富化ガスＧＧとに分離する。

【0060】

改質器５１６は、メタン富化ガスＧＧを改質して、改質ガスＫＧを生成する。改質器５１６には、上記改質器１１２と同様に、炭化水素の水蒸気改質反応を促進するための触媒が配されており、改質器５１６にメタン富化ガスＧＧおよび水蒸気が供給されると、上記反応式（１）および反応式（２）に示す水蒸気改質反応が進行し、メタンが水素および一酸化炭素に改質される。

【0061】

二酸化炭素回収部５３２は、凝縮器１２８によって水が取り除かれた二酸化炭素ＮＧに加えて、二酸化炭素分離部５１４が分離した二酸化炭素ＮＧを回収する。

【0062】

以上説明したように、本実施形態にかかる発電システム５００によれば、燃料電池１１４が、バイオマス由来の消化ガスＳＫＧを用いて発電し、また、オフガス燃焼器１１８、凝縮器１２８、二酸化炭素圧縮機１３０、二酸化炭素回収部５３２によって二酸化炭素ＮＧを回収することにより、カーボンネガティブ発電を行うことができる。

【0063】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0064】

例えば、上述した実施形態において、燃料電池１１４としてＳＯＦＣを例に挙げて説明した。しかし、常温より高温の空気極オフガスＫＯＧを排出することができれば、燃料電池の種類に限定はない。例えば、燃料電池１１４として、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を採用してもよい。また、燃料電池１１４として、ＳＯＦＣとＭＳＣＦとを組み合わせた燃料電池を採用してもよい。

【0065】

また、上記実施形態において、分離装置１１６として、ＰＳＡ法を利用した分離装置を例に挙げて説明した。しかし、分離装置１１６は、少なくとも、常温より高温の温度環境下で酸素を吸着する酸素吸着剤が内部に収容され、燃料電池１１４の空気極から排出された空気極オフガスＫＯＧが供給される吸着塔を有していればよい。例えば、分離装置１１６として、温度スイング吸着（ＴＳＡ：Temperature Swing Adsorption）法を利用した分離装置を採用してもよい。

【0066】

また、上記実施形態において、コンプレッサ１２２が酸素含有ガスＳＧとして空気を燃料電池１１４の空気極に供給する構成を例に挙げて説明した。しかし、コンプレッサ１２２は、酸素含有ガスＳＧとして、分離装置１１６によって分離された酸素富化ガスＳＦＧを含むガス（例えば、空気と酸素富化ガスＳＦＧとの混合気）を昇圧して燃料電池１１４の空気極に供給してもよい。これにより、燃料電池１１４の発電効率を向上させることができる。

【0067】

また、上記実施形態において、コンプレッサ１２２が、燃焼機関１２０の回転によって駆動される構成を例に挙げて説明した。しかし、コンプレッサ１２２は、電力で駆動されてもよい。この場合、コンプレッサ１２２が、燃料電池１１４が出力した電力（インバータ１４０によって交流電流に変換された電力）で駆動されることにより、消費電力を低減しつつ、酸素含有ガスＳＧを昇圧することができる。

【0068】

また、上記第４の実施形態において、石炭ガス化炉４１６に酸素富化ガスＳＦＧが供給される構成を例に挙げて説明した。しかし、石炭ガス化炉４１６には、酸素富化ガスＳＦＧに加えて、空気が供給されてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0069】

本発明は、燃料電池を備えた発電システムに利用することができる。

【符号の説明】

【0070】

１００、２００、３００、４００、５００ 発電システム
１１４ 燃料電池
１１６ 分離装置
１１８、２１８、３１８ オフガス燃焼器
１２０ 燃焼機関
１２２、３２２ コンプレッサ
１２８ 凝縮器
１５０ 吸着塔
１５２ 減圧ポンプ
４１２ 微粉炭化装置（貯留部）
４１４ 搬送部
４１６ 石炭ガス化炉
５１４ 二酸化炭素分離部
５１６ 改質器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】