(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、高効率で運用が可能な酸素燃焼型石炭火力発電システムを提供することにある。【解決手段】  本発明は、石炭火力ボイラ１，水電気分解装置２，酸素と水素を分離する分離装置３，水素を貯蔵する水素貯蔵タンク４，各装置を制御する発電システム制御装置５、で構成される石炭火力発電システムにおいて、発電システム制御装置５が水電気分解装置２、及び分離装置３の時間遅れを考慮して各装置の制御を行うことで、石炭火力ボイラ１で必要となる酸素量をリアルタイムで水電気分解装置２から分離装置３を介して供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭を燃焼して蒸気を発生させ、蒸気の動力で発電する石炭火力ボイラと、
電気エネルギーを用いて水または電解質水溶液から酸素と水素を生成する水電気分解装置と、
酸素と水素を分離する分離装置と、
水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、
各装置を制御する発電システム制御装置と、
で構成され、
該水電気分解装置の酸素生成における時間遅れと、該分離装置の酸素分離における時間遅れを考慮して、該発電システム制御装置が該水電気分解装置と該分離装置への運転指令を決定することにより該石炭火力ボイラで必要となる酸素量をリアルタイムで供給する、
ことを特徴とする石炭火力発電システム。
【請求項２】
請求項１において、前記石炭火力ボイラの排ガス中の熱を前記水電気分解装置に供給することを特徴とする石炭火力発電システム。
【請求項３】
請求項１において、
酸素を貯蔵する酸素貯蔵タンクを有しており、前記水電気分解装置から供給される酸素を該酸素貯蔵タンクに貯蔵することを特徴とする石炭火力発電システム。
【請求項４】
石炭を燃焼して蒸気を発生させ、蒸気の動力で発電する石炭火力ボイラと、
電気エネルギーを用いて水または電解質水溶液から酸素と水素を生成する水電気分解装置と、
水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、
各装置を制御する発電システム制御装置と、
で構成され、
前記水電気分解装置が、電解質水溶液，水素極，酸素極，疎水層，集電極，筐体，ガス室，ガス放出孔、で構成されており、水素極と酸素極の各電極に疎水層が設けることで、ガスと液体を分離する気液分離機能を備えており、
該水電気分解装置の酸素生成における時間遅れを考慮して、該発電システム制御装置が該水電気分解装置への運転指令を決定することにより該石炭火力ボイラで必要となる酸素量をリアルタイムで供給する、
ことを特徴とする石炭火力発電システム。
【請求項５】
請求項４において、前記石炭火力ボイラの排ガス中の熱を前記水電気分解装置に供給することを特徴とする石炭火力発電システム。
【請求項６】
請求項４において、空気中から酸素を分離する分離装置を有しており、該分離装置と前記水電気分解装置から供給される酸素を前記石炭火力ボイラに供給することを特徴とする石炭火力発電システム。
【請求項７】
請求項４において、
酸素を貯蔵する酸素貯蔵タンクを有しており、前記水電気分解装置から供給される酸素を該酸素貯蔵タンクに貯蔵することを特徴とする石炭火力発電システム。
【請求項８】
石炭を燃焼して蒸気を発生させ、蒸気の動力で発電する石炭火力ボイラと、
電気エネルギーを用いて水または電解質水溶液から酸素と水素を生成する水電気分解装置と、
酸素と水素を分離する分離装置と、
水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、
各装置を制御する発電システム制御装置と、
で構成され、
該発電システム制御装置は、発電量指令値が入力されると、発電量指令値に対して石炭火力ボイラで必要な石炭・酸素量を算出し、算出された酸素量に基づき、該水電気分解装置で必要な水素製造量を算出し、予め記憶している装置の時間特性データに基づき、該水電気分解装置の運転指令を行うことを特徴とする石炭火力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水電気分解装置を併設した酸素燃焼型石炭火力発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化や資源枯渇，エネルギーセキュリティーなどのエネルギー・資源問題への関心が世界規模で急速に高まっている。このような中、特に、燃焼時にＣＯ2排出量が多いため温暖化への影響が大きく、可採年数が短い（一説には約４０年）上に埋蔵地域が偏在している石油に関して、先進国を中心にその依存度を低下させる動きが活発化している。このため、将来のエネルギーバランスを考えて、可採年数が比較的長く（一説には２２７年）、埋蔵地域が偏在していない石炭が重要視され始めている。しかし、石炭は、石油以上に燃焼時のＣＯ2排出量が多く（石油の約１.３倍）、温暖化への影響が大きいことが問題となっている。その対策として、石炭火力発電システムにおいて、例えば非特許文献１にあるように、酸素燃焼型ＣＯ2回収システムが提案されている。
【０００３】
これは、石炭火力ボイラにて高純度の酸素で直接石炭を燃焼することで排ガス中のＣＯ2濃度を高めることができるため、排ガス中のＣＯ2をそのまま圧縮・回収するシステムである。このシステムが実用化できれば、石炭火力発電システムで石炭を燃焼しても大気中にＣＯ2が放出されず、地球温暖化への影響を懸念する必要がなくなる。このため、欧州を中心に、今後建設される石炭火力発電プラントにＣＯ2回収設備の併設を義務付ける規制を整備する動きが進んでいる。
【０００４】
また、微粉炭火力発電システムに関して、特許文献１にあるように、水電気分解装置で製造された酸素を貯蔵装置に貯蔵しておき、その酸素をボイラへ供給する発電システムが提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４６８２６号公報
【非特許文献１】エネルギー・資源No.26,Vol.6(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、酸素を高密度で貯蔵するためには、通常、液体酸素（９０Ｋ以下）にする必要があり、特許文献１では、酸素を液化するために膨大なエネルギーを必要とすることからシステム効率が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、高効率で運用が可能な酸素燃焼型石炭火力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、酸素燃焼型石炭火力発電システムにおいて、石炭火力ボイラで必要となる高純度酸素を必要量だけ水電気分解装置で製造し、酸素貯蔵装置を介さずにリアルタイムで石炭火力ボイラに供給することを特徴とする。また、この際に、水電気分解装置の時間遅れ、及び酸素分離装置や酸素高純度化装置の時間遅れを考慮して水電気分解装置を制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明の石炭火力発電システムは、石炭を燃焼して蒸気を発生させ、蒸気の動力で発電する石炭火力ボイラと、電気エネルギーを用いて水または電解質水溶液から酸素と水素を生成する水電気分解装置と、酸素と水素を分離する分離装置と、水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、各装置を制御する発電システム制御装置とで構成され、該水電気分解装置の酸素生成における時間遅れと、該分離装置の酸素分離における時間遅れを考慮して、該発電システム制御装置が該水電気分解装置と該分離装置への運転指令を決定することにより該石炭火力ボイラで必要となる酸素量をリアルタイムで供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、石炭火力ボイラで必要な高純度酸素を必要量だけ水電気分解装置で製造し、リアルタイムで石炭火力ボイラに供給することにより、高効率で運用が可能な石炭火力発電システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明による石炭火力発電システムについて、実施形態に基づき詳細を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の第一の実施形態を示すシステム構成図である。  
この実施例における石炭火力発電システムは、石炭火力ボイラ１，水電気分解装置２，酸素と水素を分離する分離装置４，水素を貯蔵する水素貯蔵タンク３，各装置を制御する発電システム制御装置５、で構成される。ここで、石炭火力ボイラ１は、燃料の石炭を燃焼して蒸気を発生させる装置である。石炭火力ボイラ１で得られた蒸気の動力は発電機（図示せず）による発電に利用される。水電気分解装置２は、電気エネルギーを用いて水（または電解質水溶液）から酸素と水素を生成する装置である。分離装置３は、水電気分解装置から供給された酸素と水素を分離する装置で、分離方法としては化学吸収，膜分離，物理吸収（例えば、ＰＳＡ：圧力スイング法），深冷分離などがある。分離装置から供給される水素を貯蔵する水素貯蔵タンク４における貯蔵方法としては高圧水素，液体水素，水素貯蔵合金，有機ハイドライドなどがあり、この水素は燃料として利用される。発電システム制御装置５は、上記の各装置を制御する装置であり、石炭火力ボイラで必要となる酸素量をリアルタイムで水電気分解装置から分離装置を介して供給するように制御を行う。
【００１３】
図２に、石炭火力発電システムの運転手順を説明するフローチャートを示す。発電システム制御装置５では、発電量指令値が与えられると、発電システムで必要となる石炭・酸素量を算出する。算出された酸素量に基づき、水電気分解装置２で必要な水素製造量を算出する。ここで、水電気分解装置２と分離装置３では装置の時間遅れが存在するため、予め各々の装置の時間特性データを入手しておき、その時間遅れを考慮して水電気分解装置２と分離装置３の運転指令（各時刻における出力値）を算出し、各々の装置に伝送する。その結果、水電気分解装置２で生成した酸素は分離装置３を介して石炭火力ボイラ１に供給されるが、その際の酸素量は必要酸素量と一致するため、発電量指令に従って石炭火力ボイラ１の運転を行えばよい。図３には水電気分解装置２の運転手順を説明する概念図を示す。図３に示したように、所定時間における指令発電量、及び、必要酸素量に対して、水電気分解装置２と分離装置３での時間遅れを考慮して、点線で示した水電気分解装置の運転指令が出される。電気分解装置２から製造される水素，分離装置で分離された酸素は、この運転指令から遅れて発生するが、電気分解装置２と分離装置３での時間遅れを考慮しているため、所定時間における石炭火力ボイラ１で必要となる酸素を効率よく供給することができる。
【実施例２】
【００１４】
図４は、本発明の第二の実施形態を示すシステム構成図である。  
この実施例では、水電気分解装置２に図５に示す水電気分解装置を用いている。この水電気分解装置は、電解質水溶液１０１，水素極１０２，酸素極１０３，疎水層１０４，１０５，集電極１０６，１０７，筐体１０８，ガス室１０９，１１０，ガス放出孔１１１，１１２、で構成される。この際、水素極１０２と酸素極１０３の各電極に疎水層１０４，１０５が備えられている。疎水層は、例えば、各々の電極の片面にカーボンブラックとＰＴＦＥディスパージョンの混合液を塗布・乾燥した後、ホットプレスすることで形成でき、疎水層はガスと液体を分離する機能を果たす。この結果、発生した酸素と水素は、各々ガス室１０９，１１０を介して、ガス放出孔１１１，１１２へ排出される。
【００１５】
この結果、水電気分解装置２で生成される酸素と水素は生成時に分離されているため、第一の実施例における分離装置４は不要となる。
【００１６】
また、この水電気分解装置２において、電解質水溶液の供給圧力を上げることで、生成される酸素と水素のガス圧力も高くなるため、石炭火力ボイラへ酸素を供給する際に必要となるポンプ（またはポンプ動力）を省略（または削減）することができる。
【実施例３】
【００１７】
図６は、本発明の第三の実施形態を示すシステム構成図である。  
この実施例では、水電気分解装置２に石炭火力ボイラ１の排熱を供給している。水電気分解装置２の作動温度を通常の使用温度４０℃程度に対して８０℃〜１２０℃に高温にすることで、水電気分解装置２の効率を向上させることができる。この際に石炭火力ボイラの排ガスの熱を水電気分解装置２に供給することにより、水電気分解装置２の加熱エネルギーを削減することができ、システムの高効率化を図ることができる。
【実施例４】
【００１８】
図７は、本発明の第四の実施形態を示すシステム構成図である。  
この実施例では、水電気分解装置２で生成した酸素と、空気から分離装置４を介して分離した酸素を合わせて、石炭火力ボイラ１に供給している。この場合、石炭火力ボイラ１の出力が非常に大きい場合に、水電気分解装置の出力をそれに合わせなくても良い。
【実施例５】
【００１９】
図８は、本発明の第五の実施形態を示すシステム構成図である。  
この実施例では、水電気分解装置２で生成した酸素の一部を一旦酸素貯蔵タンク６に貯蔵している。酸素貯蔵タンク６の貯蔵手法としては、常圧での貯蔵の他、高圧酸素，液体酸素などがある。この場合、石炭火力ボイラ１の急激な変化に対応した酸素を供給する必要がある場合に、酸素貯蔵タンク６からの酸素と水電気分解装置２で生成した酸素を合わせて供給することで対応することができる。
【実施例６】
【００２０】
図９は、本発明の第六の実施形態を示すシステム構成図である。  
この実施例では、水電気分解装置２で生成した酸素を酸素高純度化装置７を介して石炭火力ボイラ１に供給している。酸素高純度化装置７の高純度化手法としては、化学吸収，膜分離，物理吸収（例えば、ＰＳＡ：圧力スイング法），深冷分離などがある。この場合、石炭火力ボイラでより高純度の酸素が必要な場合に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一の実施形態を示すシステム構成図。
【図２】本発明の第一の実施形態における発電システムの運転手順を説明するフローチャート。
【図３】水電気分解装置の運転手順を説明する概念図。
【図４】本発明の第二の実施形態を示すシステム構成図。
【図５】第二の実施形態における水電気分解装置の構成図。
【図６】本発明の第三の実施形態を示すシステム構成図。
【図７】本発明の第四の実施形態を示すシステム構成図。
【図８】本発明の第五の実施形態を示すシステム構成図。
【図９】本発明の第六の実施形態を示すシステム構成図。
【符号の説明】
【００２２】
１  石炭火力ボイラ
２  水電気分解装置
３  水素貯蔵タンク
４  分離装置
５  発電システム制御装置
６  酸素貯蔵タンク
７  酸素高純度化装置
１０１  電解質水溶液
１０２  水素極
１０３  酸素極
１０４，１０５  疎水層
１０６，１０７  集電極
１０８  筐体
１０９，１１０  ガス室
１１１，１１２  ガス放出孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010084962.tif 000010
【図９】
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