(57)【要約】      （修正有）【課題】発電システムの効率を低下させずに、燃料電池に供給するガスの量を増やし、燃料電池の発電効率の向上及び長寿命化を図る。【解決手段】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、カソード２０１で発生した酸素イオンをアノード２０２へ移動させることで電気エネルギーを生成する燃料電池と、ガス化部１０及び燃料電池に供給される酸素を製造する酸素製造装置３０とを有する発電システム１であって、燃料電池は、アノード２０２に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路と、カソードに供給される酸素が流れる酸素通路とを有し、ガス化部１０で生成された燃料ガスを燃料ガス通路に供給すると共に、酸素製造装置３０で製造された酸素を酸素通路に供給し、カソードで消費されずに酸素通路から排出された酸素をガス化部１０に供給する。【選択図】図１
2011141968.tif 000002
【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水素を含む燃料ガスを生成するガス化部と、
カソードで発生した酸素イオンをアノードへ移動させることで電気エネルギーを生成する燃料電池と、
前記ガス化部及び前記燃料電池に供給される酸素を製造する酸素製造装置と
を有する発電システムであって、
前記燃料電池は、
前記アノードに供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路と、
前記カソードに供給される酸素が流れる酸素通路と
を有し、
前記ガス化部で生成された燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給すると共に、前記酸素製造装置で製造された酸素を前記酸素通路に供給し、
前記カソードで消費されずに前記酸素通路から排出された酸素を前記ガス化部に供給することを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記アノードで消費されずに前記燃料ガス通路から排出された燃料ガスに含まれる水素と前記酸素通路から排出された酸素とを燃焼反応させる燃焼器と、
前記燃焼器に供給される前記酸素及び前記水素の混合比を調整する調整器と、
前記燃焼器での燃焼反応によって生成された燃焼排ガスを冷却して前記水蒸気を水とし、前記二酸化炭素から分離する分離部と、
を備え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】
水蒸気から動力を得る蒸気タービンを更に備え、
前記分離部は、
前記燃焼排ガスと冷却水とを熱交換することで、前記水蒸気を水にすると共に前記冷却水を動力水蒸気とする排熱回収ボイラを備え、
前記動力水蒸気を前記蒸気タービンに供給することを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記燃焼排ガスから動力を得るガスタービンを更に備え、
前記ガスタービンで動力が回収された後の前記燃焼排ガスを、前記分離部に供給することを特徴とする請求項２又は３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記燃料電池は固体酸化物形燃料電池であり、
前記固体酸化物形燃料電池の前記酸素通路に供給される前の酸素を、前記酸素通路から排出された酸素の排熱によって加熱する熱交換器を備え、
前記熱交換器で加熱された酸素に、前記酸素通路から排出された酸素の一部を混合して前記酸素通路に供給す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。
【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】
酸素を用いて石炭をガス化し燃料ガスを生成する石炭ガス化炉と、石炭ガス化炉で生成した燃料ガスを利用して発電する燃料電池とを組み合わせた発電システムが知られている。
【０００３】
この発電システムでは、例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ;Molten Carbonate Fuel Cell）や固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ;Solid Oxide Fuel Cell）のような作動温度が他の燃料電池よりも高い、いわゆる高温形燃料電池が用いられる。作動温度が高いことで、発電反応の効率が高く触媒を不要にできると共に、高温の排ガスを利用してガスタービンや蒸気タービンを駆動させる複合サイクル化を容易にできる。尚、ＭＣＦＣの作動温度は約６５０度であり、ＳＯＦＣの作動温度は約１０００度である。
【０００４】
ＭＣＦＣでは、カソードで酸素と二酸化炭素と電子とが反応して炭酸イオンが発生し、アノードでカソードから電解質を通って移動してきた炭酸イオンと水素とが反応して二酸化炭素及び水が発生すると共に電子が放出される。この電子が外部回路を通ってカソードに移動することで電流が発生し、電気エネルギーを得ることができる。よって、ＭＣＦＣでは、カソードガス通路に酸素及び二酸化炭素を供給し、アノードガス通路に水素を供給する必要がある。
【０００５】
例えば、石炭ガス化炉とＭＣＦＣとを組み合わせた発電システムでは、石炭ガス化炉に石炭のガス化剤として酸素製造装置で製造した酸素を供給して水素を含む燃料ガスを生成し、この燃料ガスをＭＣＦＣのアノードガス通路に供給することが知られている。また、酸素製造装置で石炭ガス化炉に供給する酸素とは別に製造した酸素と、ＭＣＦＣのアノード排ガスに含まれる二酸化炭素とをＭＣＦＣのカソードガス通路に供給することが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８７９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述した石炭ガス化炉と燃料電池とを組み合わせた発電システムでは、ＭＣＦＣのかわりに、より作動温度の高いＳＯＦＣを採用することが考えられる。ＳＯＦＣでは、カソードで酸素と電子とが反応して酸素イオンが発生し、アノードでカソードから電解質を通って移動してきた酸素イオンと水素とが反応して水が発生すると共に電子が放出される。つまり、ＳＯＦＣのカソードでは、酸素に依存して発電反応が生じる。
【０００８】
よって、石炭ガス化炉とＳＯＦＣとを組み合わせた発電システムでは、発電反応に関与しない二酸化炭素によって、カソードにおける酸素の反応効率が低下することを防ぐため、酸素製造装置からの酸素のみをカソードガス通路に供給することが考えられる。この場合、カソードガス通路への酸素の供給量を増やして、カソード全体で酸素を消費させることが望ましい。カソードガス通路に十分な量の酸素が供給されずに、カソードガス通路の入口と出口とで、酸素の圧力差が増大してしまうと、カソードガス通路の入口側に対する出口側のＳＯＦＣの発電量及び発熱量が低減する。これによって、ＳＯＦＣのセル電圧が低下する虞や、入口側と出口側の温度差に起因して発生する熱応力によりＳＯＦＣの寿命が短くなる虞がある。
【０００９】
これらの不具合を防ぐべく、カソードガス通路への酸素の供給量を増やすためには、酸素製造装置での酸素の製造量を増やす必要があるが、単に製造量を増やしただけでは、酸素の製造にかかるエネルギーが余分に必要になるという問題があった。
【００１０】
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、発電システムの効率を低下させずに、燃料電池に供給するガスの量を増やし、燃料電池の発電効率の向上及び長寿命化を図る。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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水素を含む燃料ガスを生成するガス化部と、カソードで発生した酸素イオンをアノードへ移動させることで電気エネルギーを生成する燃料電池と、前記ガス化部及び前記燃料電池に供給される酸素を製造する酸素製造装置とを有する発電システムであって、前記燃料電池は、前記アノードに供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路と、前記カソードに供給される酸素が流れる酸素通路とを有し、前記ガス化部で生成された燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給すると共に、前記酸素製造装置で製造された酸素を前記酸素通路に供給し、前記カソードで消費されずに前記酸素通路から排出された酸素を前記ガス化部に供給することを特徴とする。
【００１２】
この発電システムでは、ガス化部において石炭を燃料ガスにガス化するための酸素と、燃料電池のカソードで発電反応させるための酸素とを酸素製造装置で製造し、これらの酸素を燃料電池の酸素通路に供給する。そして、燃料電池のカソードで消費されずに酸素通路から排出された酸素をガス化部に供給する。これによって、酸素製造装置で製造する酸素の合計量を増やすことなく、燃料電池の酸素通路への酸素供給量を、ガス化部に供給する酸素の分増やすことができる。このため、酸素通路の入口側と出口側に生じる酸素の圧力差を低減することができる。その結果、燃料電池のセル電圧の低下や、熱応力の発生を抑制でき、燃料電池の発電効率を向上させること及び燃料電池を長寿命化することができる。
【００１３】
また、ガス化部に供給する酸素の分だけ酸素通路に流れる酸素の量を増やすことができるため、発電反応に伴って燃料電池に発生する熱を、酸素通路に流れる酸素によって燃料電池の外部に効率よく搬送して燃料電池を冷却することができる。これによって、燃料電池を作動温度に効率よく維持することができ、燃料電池の発電効率を高め、発電システムの効率を向上させることができる。
【００１４】
かかる発電システムにおいて、前記アノードで消費されずに前記燃料ガス通路から排出された燃料ガスに含まれる水素と前記酸素通路から排出された酸素とを燃焼反応させる燃焼器と、前記燃焼器に供給される前記酸素及び前記水素の混合比を調整する調整器と、前記燃焼器での燃焼反応によって生成された燃焼排ガスを冷却して前記水蒸気を水とし、前記二酸化炭素から分離する分離部とを備えることが好ましい。  
この発電システムでは、燃料電池のアノードで消費されずに燃料ガス通路から排出される燃料ガスに含まれる水素と、燃料電池のカソードで消費されずに酸素ガス通路から排出される酸素とを燃焼器によって燃焼反応させることができる。この際、例えば、水素と酸素とが過不足なく燃焼反応するように、燃焼器に供給する酸素の量を調整器によって調整することで、燃焼器から排出される燃焼排ガスの成分を水蒸気及び二酸化炭素とすることができる。これによって、分離部では、水蒸気が水となるまで燃焼排ガスを冷却することにより、水と二酸化炭素とを気液分離できるため、二酸化炭素の回収装置等を別に設置することなく石炭ガス化炉で生成された燃料ガスに含まれる二酸化炭素を回収することができる。
【００１５】
かかる発電システムにおいて、水蒸気から動力を得る蒸気タービンを更に備え、前記分離部は、前記燃焼排ガスと冷却水とを熱交換することで、前記水蒸気を水にすると共に前記冷却水を動力水蒸気とする排熱回収ボイラを備え、前記動力水蒸気を前記蒸気タービンに供給することが好ましい。  
この発電システムでは、燃焼器から排出される燃焼排ガスと冷却水とを排熱回収ボイラで熱交換させることによって、燃焼排ガスを冷却できると共に、冷却水を動力水蒸気とすることができる。この動力水蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電できるため、発電システムの発電効率を向上させることができる。
【００１６】
かかる発電システムにおいて、前記燃焼排ガスから動力を得るガスタービンを更に備え、前記ガスタービンで動力が回収された後の前記燃焼排ガスを、前記分離部に供給することが好ましい。  
この発電システムでは、燃焼排ガスによってガスタービンを駆動して発電できると共に、動力水蒸気で蒸気タービンを駆動して発電できる。よって、発電システムの発電効率をより向上させることができる。
【００１７】
かかる発電システムにおいて、前記燃料電池は固体酸化物形燃料電池であり、前記固体酸化物形燃料電池の前記酸素通路に供給される前の酸素を、前記酸素通路から排出された酸素の排熱によって加熱する熱交換器を備え、前記熱交換器で加熱された酸素に、前記酸素通路から排出された酸素の一部を混合して前記酸素通路に供給することが好ましい。  
この発電システムでは、約１０００度で作動する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の酸素通路から排出され、例えば作動温度となっている酸素と、ＳＯＦＣの酸素通路に供給する前の酸素とを熱交換器によって熱交換させ、ＳＯＦＣに供給する前の酸素を加熱することができる。そして、この加熱された酸素にＳＯＦＣの酸素通路から排出された酸素の一部を混合することで、更にＳＯＦＣの作動温度に近づくように温度を上昇させた酸素を酸素通路に供給することができる。これによって、ＳＯＦＣの酸素通路から排出された酸素の排熱を利用して、加熱された酸素をＳＯＦＣに供給することができるため、ＳＯＦＣの発電効率を高め、発電システムの発電効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、発電システムの効率を低下させずに、燃料電池に供給するガスの量を増やし、燃料電池の発電効率の向上及び長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る発電システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の発電反応を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
===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の構成例を示すブロック図である。図２は、図１に示す発電システム１に備えられた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）２００の発電反応について説明するための模式図である。
【００２１】
発電システム１は、ガス化部１０と、ＳＯＦＣ２００を有する第１発電部２０と、酸素製造装置３０とを備えている。そして、ＳＯＦＣ２００の有するアノードガス通路（燃料ガス通路）２０５にガス化部１０で生成された燃料ガスが供給され、ＳＯＦＣ２００の有するカソードガス通路（酸素通路）２０４に酸素製造装置３０で製造された酸素が供給される。また、後述するようにカソードガス通路２０４からカソード排ガスとして排出された酸素がガス化部１０に供給される。
【００２２】
更に、発電システム１は、後述する第１発電部２０の燃焼器２４０から排出される燃焼排ガスを利用して発電する第２発電部４０と、第２発電部４０で動力が回収された燃焼排ガスを利用して動力水蒸気を発生させると共に、この燃焼排ガスから二酸化炭素を分離する分離部５０と、分離部５０で発生させた動力水蒸気を利用して発電する第３発電部６０とを備えている。
【００２３】
以下、発電システム１の各構成について夫々説明する。
【００２４】
<<<酸素製造装置>>>
酸素製造装置３０は、空気から酸素を製造する装置であり、例えば、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、空気から酸素を分離する。これによって、酸素製造装置３０は、石炭ガス化炉１００で石炭のガス化剤として消費する酸素の量と、ＳＯＦＣ２００のカソード２０１で発電反応に消費する酸素の量とを合わせた量以上の酸素を製造する。酸素製造装置３０で製造した酸素の全量は、第１発電部２０の熱交換器２２０を介してＳＯＦＣ２００のカソードガス通路２０４に供給される。尚、この酸素製造装置３０では、酸素が圧縮された状態で得られるため、加圧された酸素を第１発電部２０に効率よく搬送でき、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００２５】
<<<ガス化部>>>
ガス化部１０には、石炭と酸素とが供給され、石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させることで、燃料ガスを生成する。また、ガス化部１０で炭素と反応させる酸素としては、第１発電部２０のＳＯＦＣ２００からカソード排ガスとして排出されたものが用いられる。このガス化部１０は、石炭ガス化炉１００と、水蒸気発生部１１０と、脱塵装置１２０と、脱硫装置１３０と、シフト反応器１４０とを備えている。
【００２６】
石炭ガス化炉１００では、例えば、石炭を熱分解して得られた炭素に酸素を反応させることや、石炭を酸素で不完全燃焼させること（部分酸化）によって、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。
【００２７】
水蒸気発生部１１０は、ガス冷却器１１１と、復水器１１２とを備えている。ガス冷却器１１１は、復水器１１２から供給される冷却水と、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、冷却水を水蒸気に変化させる。尚、ガス冷却器１１１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６０に供給される。復水器１１２は、第３発電部６０で使用された水蒸気を回収して液体の冷却水に変化させ、再度ガス冷却器１１１へ供給する。つまり、水蒸気発生部１１０では、水が液体及び気体に変化しながらガス冷却器１１１及び復水器１１２を循環している。
【００２８】
脱塵装置１２０は、例えばポーラスフィルタを備え、このポーラスフィルタにガス冷却器１１１で冷却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。
【００２９】
シフト反応器１４０は、脱硫装置１３０から排出された中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素を減少させ、水素を増加させるように、中間燃料ガスの組成を変化させて燃料ガスを生成する。具体的には、次式に示すように、中間燃料ガス中の一酸化炭素と、水蒸気発生部１１０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
尚、シフト反応器１４０から排出される燃料ガスは、第１発電部２０のＳＯＦＣ２００のアノードガス通路２０５に供給される。
【００３０】
<<<第１発電部>>>
第１発電部２０は、ＳＯＦＣ２００と、圧力容器２１０と、熱交換器２２０と、酸素ブロワ２３０と、燃焼器２４０と、調整器２５０とを備えている。
【００３１】
熱交換器２２０は、酸素製造装置３０で製造された酸素と、ＳＯＦＣ２００からカソード排ガスとして排出された酸素とを熱交換させる。このカソード排ガスは、ＳＯＦＣ２００の作動温度（以下単に作動温度と称する）と同程度の約７００度〜約１０００度となっている。このため、酸素製造装置３０で製造され、カソードガス通路２０４に供給される前の酸素を熱交換器２２０によって加熱することで、作動温度に近づけることができる。これによって、ＳＯＦＣ２００の発電効率を高めることができ、発電システム１の発電効率を向上させることができる。尚、熱交換器２２０で排熱が回収されたカソード排ガスは、ガス化部１０の石炭ガス化炉１００に石炭のガス化剤として供給される。
【００３２】
ＳＯＦＣ２００は、作動温度において、ガス化部１０で生成された燃料ガス及び酸素製造装置３０で製造された酸素を発電反応させて発電する。尚、ＳＯＦＣ２００は、この発電反応の効率を高めて発電効率を高めるべく、加圧された状態の燃料ガス及び酸素が供給され加圧運転を行う。
【００３３】
このＳＯＦＣ２００は、図２に示すように、カソード２０１と、アノード２０２と、電解質２０３と、カソードガス通路２０４と、アノードガス通路２０５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、ＳＯＦＣ２００で得られる電力を消費する負荷２０７を介して、外部回路２０６により接続されている。
【００３４】
カソードガス通路２０４には、熱交換器２２０で加熱された酸素が供給される。カソードガス通路２０４に供給された酸素は、カソード２０１に供給されながら、カソードガス通路２０４の入口から出口に向かって流れる。
【００３５】
カソード２０１は、例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬａＳｒＭｎＯ３）等の多孔質セラミックスからなる。このカソード２０１では、カソードガス通路２０４から供給される酸素（Ｏ２）と、外部回路２０６から供給される電子（２ｅ−）とが反応して、酸素イオン（Ｏ２−）が発生する。このカソード２０１での発電反応に消費されなかった酸素は、カソードガス通路２０４からカソード排ガスとして排出される。尚、カソードガス通路２０４には、前述したように酸素製造装置３０で製造された酸素の全量が供給されるため、カソードガス通路２０４からは、石炭ガス化炉１００で石炭をガス化するのに必要な量を超える量の酸素がカソード排ガスとして排出される。
【００３６】
このカソード排ガスは、例えば作動温度となっており、一部が調整器２５０を介して燃焼器２４０に供給される。また、残りのカソード排ガスは、酸素ブロワ２３０によって送風され、一部がカソードガス通路２０４に供給される前の酸素に混合される。これによって、より作動温度に近い温度の酸素をカソードガス通路２０４に供給することができ、ＳＯＦＣ２００の発電効率を高め、発電システム１の発電効率を向上させることができる。酸素ブロワ２３０で送風される残りのカソード排ガスは、熱交換器２２０を介してガス化部１０の石炭ガス化炉１００に供給される。
【００３７】
電解質２０３は、例えば、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ；ＺｒＯ２−Ｙ２Ｏ３）等の酸素イオン導電性セラミックスからなり、カソード２０１で発生させた酸素イオンをアノード２０２に移動させる。
【００３８】
アノードガス通路２０５には、シフト反応器１４０から燃料ガスが供給される。アノードガス通路２０５に供給された燃料ガスは、アノード２０２に供給されながら、アノードガス通路２０５の入口から出口に向かって流れる。
【００３９】
アノード２０２は、例えば、ニッケル−イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）等の多孔質セラミックスからなる。このアノード２０２では、アノードガス通路２０５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から移動してきた酸素イオンとが反応して、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２０６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。尚、アノード２０２で発生した水蒸気と、アノード２０２での発電反応に消費されなかった燃料ガスとは、アノードガス通路２０５からアノード排ガスとして排出される。このアノード排ガスは、例えば作動温度を有し、燃焼器２４０に供給される。
【００４０】
圧力容器２１０は、ＳＯＦＣ２００を収容し、内部が例えば窒素等の不活性ガスによって、ＳＯＦＣ２００に供給される燃料ガス及び酸素の圧力と同程度若しくはこの圧力よりも高い圧力に昇圧されている。これによって、ＳＯＦＣ２００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るため、ＳＯＦＣ２００を効率よく加圧運転でき、発電効率を高めることができる。尚、圧力容器２１０内は、例えば、酸素製造装置３０で酸素を製造する際に副生される窒素によって昇圧してもよい。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。
【００４１】
酸素ブロワ２３０は、前述したようにカソード排ガスを搬送して、カソード通路２０４に供給される前の酸素に混合すると共に熱交換器２２０に供給する。
【００４２】
燃焼器２４０は、カソード排ガスとアノード排ガス中の燃料ガスとを燃焼反応させて、燃焼排ガスを排出する。調整器２５０は、流量調整弁等からなり、燃焼器２４０に供給するカソード排ガスの量を調整する。例えば調整器２５０は、燃焼器２４０の燃焼反応でカソード排ガスとアノード排ガス中の水素とが過不足なく反応して全て水蒸気に変化するように、燃焼器２４０に供給されるカソード排ガスとアノード排ガスとの混合比を調整する。これによって、燃焼器２４０から排出される燃焼排ガスの成分は、水蒸気及び二酸化炭素となる。この燃焼排ガスは、第２発電部４０に供給される。
【００４３】
<<<第２発電部>>>
第２発電部４０は、第１発電部２０から供給される燃焼排ガスを利用して発電する。この第２発電部４０は、例えば同一の回転軸に接続された、ガスタービン４１及び発電機４２を備えている。ガスタービン４１は、燃焼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４２は、ガスタービン４１が回転軸を回転させることによって発電する。尚、ガスタービン４１を駆動することで動力が回収された燃焼排ガスは、分離部５０に供給される。
【００４４】
<<<分離部>>>
分離部５０は、第２発電部４０から供給される燃焼排ガスを水と二酸化炭素とに分離すると共に、この燃焼排ガスの排熱を利用して第３発電部６０の有する蒸気タービン６１用の動力水蒸気を発生させる。分離部５０は、排熱回収ボイラ５１と、気水分離器５２と、循環ポンプ５３とを備えている。
【００４５】
排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン４１から排出された燃焼排ガスと、循環ポンプ５３によって供給される冷却水とを熱交換させることで、燃焼排ガスを冷却して燃焼排ガス中の水蒸気を水とすると共に、冷却水を加熱して動力水蒸気とする。排熱回収ボイラ５１で発生した動力水蒸気は、第３発電部６０に供給される。また、排熱回収ボイラ５１で冷却された燃焼排ガスは、気水分離器５２に供給される。
【００４６】
気水分離器５２は、排熱回収ボイラ５１で冷却された燃焼排ガスを水と二酸化炭素とに分離する。尚、気水分離器５２で分離された二酸化炭素は回収される。また、気水分離器５２で分離された水は、ガスタービン４１から排出された燃焼排ガスを冷却する冷却水として、循環ポンプ５３により排熱回収ボイラ５１に供給される。
【００４７】
循環ポンプ５３は、気水分離器５２から排出される水と、後述する第３発電部６０の復水器６４から排出される水とを排熱回収ボイラ５１に冷却水として供給する。
【００４８】
<<<第３発電部>>>
第３発電部６０は、分離部５０で発生させた動力水蒸気と、ガス化部１０のガス冷却器１１１で発生させた水蒸気とを用いて発電する。この第３発電部６０は、蒸気タービン６１、６２と、発電機６３と、復水器６４とを備えている。
【００４９】
蒸気タービン６１は、例えば蒸気タービン６２及び発電機６３と同一の回転軸に接続され、排熱回収ボイラ５１から供給される動力水蒸気によって回転軸を回転させる。尚、蒸気タービン６１を駆動した後の動力水蒸気は、復水器６４に供給される。
【００５０】
蒸気タービン６２は、ガス冷却器１１１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６２を駆動した後の水蒸気は、ガス化部１０の復水器１１２に供給される。発電機６３は、蒸気タービン６１、６２が回転軸を回転させることで発電する。
【００５１】
復水器６４は、蒸気タービン６１から供給された動力水蒸気を液体の水に変化させる。復水器６４から排出された水は、分離部５０の気水分離器５２から排出された水に混合され、前述したように、ガスタービン４１から排出された燃焼排ガスを冷却する冷却水として、循環ポンプ５３により排熱回収ボイラ５１に供給される。
【００５２】
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、石炭ガス化炉１００で石炭のガス化に消費する酸素及びＳＯＦＣ２００で発電反応に消費する酸素の合計量以上を酸素製造装置３０で製造し、カソードガス通路２０４に供給する。そして、カソード２０１での発電反応に消費されずに、カソードガス通路２０４からカソード排ガスとして排出される酸素を石炭ガス化炉１００に供給して石炭のガス化剤とする。
【００５３】
石炭ガス化炉１００で消費する酸素の量は、ＳＯＦＣ２００のカソード２０１で消費する酸素の量に比べて多い。このため、ＳＯＦＣ２００では、カソード２０１で酸素を消費することにより、カソードガス通路２０４の入口から出口に向かうに連れて酸素の量が減少しても、石炭ガス化炉１００で消費する酸素をカソードガス通路２０４へ余分に供給する分、酸素の供給量に対する消費量の割合を減らすことができる。これによって、カソードガス通路２０４の入口と出口との間で酸素の圧力差が増大し、発電量及び発熱量の差が増大することを抑制でき、ＳＯＦＣ２００のセル電圧が低下したり、熱応力が発生したりすることを抑制できる。その結果、酸素製造装置３０で製造する酸素の全体量を増やすことなく、即ち酸素の製造にかかるエネルギーを余分に必要とすることなく、ＳＯＦＣ２００の発電効率を向上させ、ＳＯＦＣ２００を長寿命化することができる。
【００５４】
さらに、石炭ガス化炉１００に供給するための酸素をカソードガス通路２０４に余分に供給する分、カソードガス通路２０４に流れる酸素の量が増やすことができる。このため、発電反応によって発熱するＳＯＦＣ２００を効率よく冷却して、作動温度に維持することができ、ＳＯＦＣ２００の発電効率を向上させることができる。
【００５５】
また、本実施形態に係る発電システム１では、調整器２５０によって、燃焼器２４０に供給するカソード排ガスの量を調整することができるため、燃焼器２４０でアノード排ガス中の水素と、カソード排ガスの酸素とを過不足なく燃焼反応させて、燃焼器２４０から排出される燃焼排ガスの成分を二酸化炭素及び水蒸気とすることができる。これによって、燃焼排ガスを排熱回収ボイラ５１で冷却して、燃焼排ガス中の水蒸気を水とすることで、気水分離器５２によって燃焼排ガスを二酸化炭素と水とに容易に分離して二酸化炭素を回収することができる。
【００５６】
また、気液分離器５２で分離した水は、排熱回収ボイラ５１で燃焼排ガスを冷却する冷却水として利用することができる。また、この冷却水を排熱回収ボイラ５１で動力水蒸気とし、動力水蒸気を蒸気タービン６１の駆動に利用することができる。そして、蒸気タービン６１を駆動した後の動力水蒸気を、復水器６４で液体の水とすることで、再度排熱回収ボイラ５１において燃焼排ガスを冷却する冷却水として利用することができる。よって、燃焼排ガスに含まれる水蒸気を、冷却水及び動力水蒸気に変化させながら、循環ポンプ５３によって分離部５０及び第３発電部６０の間を循環させて利用することができるため、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００５７】
また、本実施形態に係る発電システム１では、約１０００度の作動温度で加圧運転を行うＳＯＦＣ２００から排出されるアノード排ガス及びカソード排ガスを燃焼器２４０で燃焼反応させる。これにより、燃焼排ガスは、例えば作動温度を有し、加圧された状態で燃焼器２４０から排出される。この燃焼排ガスを膨張させてガスタービン４１を駆動し、ガスタービン４１で動力が回収された燃焼排ガスの排熱を利用して動力水蒸気を発生させて蒸気タービン６１を駆動する。よって、発電システム１では、ＳＯＦＣ２００から排出される高温高圧のアノード排ガス及びカソード排ガスを利用して、第２発電部４０及び第３発電部６０で効率よく発電することができ、複合的に電力を得ることができるため、発電効率を向上させることができる。
【００５８】
===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。  
例えば、前述した発電システム１の酸素製造装置３０では、いわゆる深冷分離方式によって空気から酸素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、酸素を製造してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１…発電システム    １０…ガス化部    ２０…第１発電部
３０…酸素製造装置    ４０…第２発電部    ４１…ガスタービン
４２、６３…発電機    ５０…分離部    ５１…排熱回収ボイラ
５２…気水分離器    ５３…循環ポンプ    ６０…第３発電部
６１、６２…蒸気タービン    ６４、１１２…復水器    １００…石炭ガス化炉
１１０…水蒸気発生部    １１１…ガス冷却器    １２０…脱塵装置
１３０…脱硫装置    １４０…シフト反応器    ２００…ＳＯＦＣ
２０１…カソード    ２０２…アノード    ２０３…電解質
２０４…カソードガス通路    ２０５…アノードガス通路    ２０６…外部回路
２０７…負荷    ２１０…圧力容器    ２２０…熱交換器    ２３０…酸素ブロワ
２４０…燃焼器    ２５０…調整器
【図１】
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【図２】
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