(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気及び燃料を混合燃焼させて回転駆動力を発生させるガスタービンと、該ガスタービンからの排気ガスを熱源として蒸気を発生させる排ガスボイラと、該排ガスボイラからの前記蒸気により回転駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービン及び前記ガスタービンの回転駆動力により発電する発電機とを備え、
前記排ガスボイラには、該排ガスボイラで生成された前記蒸気の一部と、天然ガスとを取り込み、前記ガスタービンからの排気ガスにより加熱して少なくとも水素を生成する水素分離型改質器が備えられ、
前記水素は、通常発電量を要する通常運転時には、前記燃料の一部として前記ガスタービンに供給され、前記通常発電量よりも低発電量を要する電力需要低下時には、貯蔵されることを特徴とする電力／水素併給設備。
【請求項２】
請求項１に記載の電力／水素併給設備において、
前記通常運転時に、前記電力需要低下時に貯蔵された前記水素を取り込んで発電する燃料電池が更に備えられていることを特徴とする電力／水素併給設備。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電力／水素併給設備において、
前記水素分離型改質器には、前記ガスタービンからの排気ガスにより加熱された前記天然ガス及び前記蒸気の混合流体を化学反応させて、水素及び二酸化炭素を生成する触媒と、生成された前記水素を選択的に分離するパラジウム合金膜とが備えられていることを特徴とする電力／水素併給設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力需要の低下にかかわらず設備利用率を上げることができる電力／水素併給設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン及び蒸気タービンを備えた従来の発電設備の一例を図４に示す。
同図に示す従来の発電設備は、取り込んだ空気ａ及び燃料ｆ（天然ガス）を混合燃焼させて回転駆動力を発生させるガスタービン１と、該ガスタービン１からの排気ガスｇを熱源として蒸気ｓを発生させる排ガスボイラ２と、該排ガスボイラ２からの蒸気ｓにより回転駆動される蒸気タービン３と、該蒸気タービン３及びガスタービン１の回転駆動力により発電する発電機４とを備えて概略構成されている。
【０００３】
ガスタービン１には、取り込んだ空気ａを圧縮して吐出する圧縮機１ａと、該圧縮機１ａにより圧縮された圧縮空気が供給される燃焼器１ｂと、該燃焼器１ｂの燃焼ガスにより回転駆動されるタービン１ｃとが備えられている。
また、排ガスボイラ２には、蒸気タービン３を経て温度が低くなった蒸気ｓを、排気ガスｇで加熱する熱交換部２ａが備えられている。そして、この熱交換部２ａを経て低温化した排気ガスｇは、煙突５より排出されるようになっている。
また、蒸気タービン３は、排ガスボイラ２からの蒸気ｓにより回転駆動されるものであり、回転軸３ａを備えている。
また、発電機４は、蒸気タービン３の回転軸３ａ及びガスタービン１の回転軸１ｄとの間に接続されており、これら回転軸３ａ，１ｄの回転駆動力により発電可能となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記説明の従来の発電設備では、夜間の電力需要低下時に負荷を下げる必要があるために設備利用率が低くなり、発電コストが上がるという問題を有していた。すなわち、電力需要が低下した場合、昼間と同じように運転すると余剰電力が生じ、なおかつこの余剰電力を蓄えておくことができないため、自ずと、電力需要低下に応じて発電能力を下げた運転をしなければならず、設備利用率が下がることとなっていた。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、電力需要の低下にかかわらず設備利用率を上げることで、総合的な発電コストを下げることができる発電手段の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載の電力／水素併給設備は、空気及び燃料を混合燃焼させて回転駆動力を発生させるガスタービンと、該ガスタービンからの排気ガスを熱源として蒸気を発生させる排ガスボイラと、該排ガスボイラからの前記蒸気により回転駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービン及び前記ガスタービンの回転駆動力により発電する発電機とを備え、前記排ガスボイラに、該排ガスボイラで生成された前記蒸気の一部と、天然ガスとを取り込み、前記ガスタービンからの排気ガスにより加熱して少なくとも水素を生成する水素分離型改質器が備えられ、前記水素が、通常発電量を要する通常運転時には、前記燃料の一部として前記ガスタービンに供給され、前記通常発電量よりも低発電量を要する電力需要低下時には、貯蔵されることを特徴とする。
【０００７】
上記請求項１に記載の電力／水素併給設備によれば、電力需要低下時には、水素分離型改質器で生成した水素を貯蔵しておき、任意の時に使用することができるようになる。すなわち、従来では貯蔵できなかった電力の代わりに、水素という貯蔵可能な別の形のエネルギとして供給することができる。
また、通常運転時においては、天然ガスをそのまま燃料としてガスタービンに投入して燃焼させる場合に比較して、天然ガスを水素分離型改質器を通して水素ガスにしてからガスタービンに投入して燃焼させた方が、トータルとして、より高い熱効率向上を得ることができるようになる。
【０００８】
請求項２に記載の電力／水素併給設備は、請求項１に記載の電力／水素併給設備において、前記通常運転時に、前記電力需要低下時に貯蔵された前記水素を取り込んで発電する燃料電池が更に備えられていることを特徴とする。
上記請求項２に記載の電力／水素併給設備によれば、通常運転時の発電量に対し、燃料電池による発電量を付加することができるので、通常運転時の発電能力をより高めることができるようになる。
【０００９】
請求項３に記載の電力／水素併給設備は、請求項１または２に記載の電力／水素併給設備において、前記水素分離型改質器に、前記ガスタービンからの排気ガスにより加熱された前記天然ガス及び前記蒸気の混合流体を化学反応させて、水素及び二酸化炭素を生成する触媒と、生成された前記水素を選択的に分離するパラジウム合金膜とが備えられていることを特徴とする。
上記請求項３に記載の電力／水素併給設備によれば、他の水素分離型改質器で水素を得る場合、比較的高温（例えば８００℃）の加熱温度を要するのに対し、本発明の構成の水素分離型改質器を採用することで、ガスタービンの排気ガス温度（例えば５５０℃）レベルでも、効率よく水素を生成させることができるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の電力／水素併給設備の一実施形態を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれに限定されるものでないことは、もちろんである。
なお、図１は、本実施形態の電力／水素併給設備の概略機器構成を示す全体構成図である。また、図２は、同電力／水素併給設備の一構成要素である水素分離型改質器を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の部分拡大図である。また、図３は、同電力／水素併給設備による電力及び水素の併給方法を説明するための説明図である。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態の電力／水素併給設備は、取り込んだ空気ａ及び燃料ｆを混合燃焼させて回転駆動力を発生させるガスタービン１０と、該ガスタービン１０からの排気ガスｅを熱源として蒸気ｓを発生させる排ガスボイラ１１と、該排ガスボイラ１１からの蒸気ｓにより回転駆動される蒸気タービン１２と、該蒸気タービン１２及びガスタービン１０の回転駆動力により発電する発電機１３と、煙突１４とを備えて概略構成されている。
【００１２】
ガスタービン１０は、取り込んだ空気ａを圧縮して吐出する圧縮機１０ａと、該圧縮機１０ａにより圧縮された空気ａが供給される燃焼器１０ｂと、該燃焼器１０ｂの燃焼ガスｇにより回転駆動されるタービン１０ｃとを備えている。圧縮機１０ａ及びタービン１０ｃは、共通の回転軸１０ｄを有しており、この回転軸１０ｄの一端側には、前記発電機１３が接続されている。燃焼器１０ｂは、後述の天然ガスｍ（メタンガス）及び水素ｈ及びオフガスｃ（二酸化炭素）を前記燃料ｆとして前記空気ａと混合燃焼させ、高温の燃焼ガスｇを発生させるものである。
【００１３】
また、蒸気タービン１２は、前記排ガスボイラ１１からの蒸気ｓにより回転駆動されるものであり、前記回転軸１０ｄと同軸の回転軸１２ａを備えており、その一端側に前記発電機１３が接続されている。したがって、発電機１３は、回転軸１０ｄ，１２ａ間に接続されており、これら回転軸１０ｄ，１２ａの回転駆動力により発電可能となっている。
【００１４】
また、排ガスボイラ１１は、ボイラ本体１１ａと、該ボイラ本体１１ａで生成された蒸気ｓの一部及び、別途供給される天然ガスｍ（メタンガス）を取り込み、ガスタービン１０からの排気ガスｅにより加熱して前記水素ｈ及びオフガスｃを生成する水素分離型改質器１１ｂ（メンブレンリフォーマ）とを備えて構成されている。
そして、水素分離型改質器１１ｂで生成された水素ｈ及びオフガスｃと、前記天然ガスｍは、燃焼器１０ｂに向かって供給可能となっている。そして、水素ｈは、燃焼器１０ｂに向かって供給するか、もしくは、水素ガスエネルギとして貯蔵するかが選択可能となっている。
すなわち、通常発電量を要する通常運転時には、燃料ｆの一部としてガスタービン１０の燃焼器１０ｂに供給され、前記通常発電量よりも低発電量を要する電力需要低下時には、図示されない貯蔵タンクに貯蔵可能となっている。
【００１５】
水素分離型改質器１１ｂは、図２（ａ），（ｂ）に示すように、概略二重円筒形状のケーシング２０と、その内筒２０ａ及び外筒２０ｂ間の空間に充填された触媒２１と、該触媒２１内に配置されたチューブ状のメンブレン管２２と、ケーシング２０内に天然ガスｍ及び蒸気ｓの混合流体を取り入れる取り入れ口２３と、生成された水素ｈをケーシング２０の外部に取り出す水素取り出し管２４と、生成されたオフガスｃをケーシング２０の外部に排出するオフガス排出管２５とを備えて構成されている。
【００１６】
触媒２１は、前記ガスタービン１０からの排気ガスｅ（約５５０℃の温度を有する）により加熱された天然ガスｍ及び蒸気ｓの混合流体を化学反応させて、水素ｈと、オフガスｃ（二酸化炭素）とを生成する特性を有している。
メンブレン管２２は、ケーシング２０の軸線に平行方向に複数本が互いに等間隔配置されたチューブであり、パラジウム合金膜からなる外膜と、該外膜の内側に設けられた金属多孔体からなる内膜との二重膜構造となっている。そして、これらメンブレン管２２は、その外部で触媒２１により生成された水素ｈ及びオフガスｃのうち、水素ｈのみを選択的に内部に取り込むことでオフガスｃより分離することが可能となっている。したがって、水素ｈが水素取り出し管２４から抽出され、またオフガスｃについてはオフガス排出管２５から排出されるようになっている。
【００１７】
図１に示す前記煙突１４は、水素分離型改質器１１ｂ、そしてボイラ本体１１ａの順序に排ガスボイラ１１を経た後の排気ガスｅを、大気放出するようになっている。
また、水素分離型改質器１１ｂに取り込まれる天然ガスｍは、予熱器１１ｃを通ることで、ボイラ本体１１ａの発熱の一部である熱ｙにより予熱されるようになっている。
【００１８】
以上説明の本実施形態の電力／水素併給設備の動作について、図１及び図３を参照しながら以下に説明を行う。なお、以降の説明においては、前記通常運転時を昼間とし、前記電力需要低下時を夜間として説明する。
まず、所定電力を要する昼間について説明する。ガスタービン１０は、空気ａをその圧縮機１０ａに取り込んで圧縮した後、燃焼器１０ｂへと圧送する。燃焼器１０ｂでは、圧送された空気ａと、水素分離型改質器１１ｂからの水素ｈ及びオフガスｃと、天然ガスｍとが混合燃焼され、この高温の燃焼ガスｇがタービン１０ｃへと送り出されていく。そして、タービン１０ｃを回転駆動させて排出された排気ガスｅは、その高温状態（例えば５５０℃）のまま水素分離型改質器１１ｂに投入され、別途供給される天然ガスｍ及び蒸気ｓを加熱する。すると、天然ガスｍと蒸気ｓが触媒２１により水素ｈとオフガスｃとに変換される。
【００１９】
このようにして生成された高純度の水素ｈは、オフガスｃ及び別途供給される天然ガスｍと共に燃焼器１０ｂに投入され、混合燃焼され、その後、前述のように燃焼ガスｇとなってタービン１０ｃに送り出される。一方、水素分離型改質器１１ｂを加熱した後の排気ガスｅは、ボイラ本体１１ａに投入され、蒸気タービン１２から戻ってくる水を加熱して蒸気ｓを生成する。そして、この蒸気ｓは蒸気タービン１２を回転駆動させる。
【００２０】
したがって、発電機１３が蒸気タービン１２及びガスタービン１０により駆動され、電力Ｅを発電する。このときの電力Ｅは、天然ガスｍを水素ｈにせずにそのまま燃料ｆとしてガスタービン１０に投入して燃焼させる場合に比較して、トータルとして、より高い電力を発生させることができる。因みに、本発明の発明者の計算によれば、発電効率を０．３〜０．５％向上できることが判っている。すなわち、図３において、水素ｈ等の燃焼による電力向上分である電力Ｅ’が、天然ガスｍのまま燃焼器１０ｂで燃焼させる場合に比較して、より高い電力を得ることが可能となっている。
【００２１】
次に、電力需要の低下する夜間について説明する。この夜間においては、燃焼器１０ｂに投入して燃焼させるのは天然ガスｍ及びオフガスｃのみであり、水素ｈを前記貯蔵タンクに貯蔵する点のみが異なっており、その他の動作は昼間に同じである。したがって、貯蔵された水素ｈは、任意の時に使用することができるようになる。すなわち、従来では貯蔵できなかった電力の代わりに、水素ｈという貯蔵可能な別の形のエネルギとして供給することができるようになる。この貯蔵された水素ｈは、産業用の製品水素として別用途に使用しても良いし、もしくは、本実施形態の電力／水素併給設備に燃料電池（図示せず）を装備し、該燃料電池に、貯蔵された水素ｈを取り込んで昼間に発電させるように構成しても良い。この場合には、昼間の発電能力をより高めることが可能となる。
【００２２】
以上説明の本実施形態の電力／水素併給設備は、排ガスボイラ１１に水素分離型改質器１１ｂを備え、生成した水素ｈ及びオフガスｃを、通常運転時には燃料ｆの一部としてガスタービン１０に供給し、電力需要低下時には貯蔵する構成を採用した。この構成によれば、電力需要低下時において一定負荷で設備を運転した場合、従来の発電設備では貯蔵できずに余剰となってしまう電力を、水素ｈという貯蔵可能なエネルギとして保存することができるようになる。したがって、従来のように余剰電力が生じないように負荷を下げる必要がなく、電力需要の低下にかかわらずに一定負荷で運転して設備利用率を上げることができるようになるので、総合的な発電コストを下げることが可能となる。
また、通常運転時においては、天然ガスｍをそのまま燃料ｆとしてガスタービン１０に投入して燃焼させる場合に比較して、天然ガスｍを水素分離型改質器を通して水素ｈにしてからガスタービン１０に投入して燃焼させた方が、トータルとして、より高い熱効率向上を得ることが可能となる。
【００２３】
また、本実施形態の電力／水素併給設備は、水素分離型改質器１１ｂが、加熱された天然ガスｍ及び蒸気ｓの混合流体を化学反応させて水素ｈ及びオフガスｃを生成する触媒２１と、生成された水素ｈを選択的に分離するメンブレン管２２とを備えている構成を採用した。この構成によれば、ガスタービン１０の排気ガス温度（例えば５５０℃）レベルでも、天然ガスｍから効率よく水素ｈを生成させることが可能となる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の電力／水素併給設備は、排ガスボイラに水素分離型改質器を備え、生成した水素を、通常運転時には燃料としてガスタービンに供給し、電力需要低下時には貯蔵する構成を採用した。この構成によれば、電力需要低下時において一定負荷で設備を運転した場合、従来の発電設備では貯蔵できずに余剰となってしまう電力を、水素という貯蔵可能なエネルギとして保存することができるようになる。したがって、従来のように余剰電力が生じないように負荷を下げる必要がなく、電力需要の低下にかかわらずに一定負荷で運転して設備利用率を上げることができるようになるので、総合的な発電コストを下げることが可能となる。
また、通常運転時においては、天然ガスをそのまま燃料としてガスタービンに投入して燃焼させる場合に比較して、天然ガスを水素分離型改質器を通して水素ガスにしてからガスタービンに投入して燃焼させた方が、トータルとして、より高い熱効率向上を得ることが可能となる。
【００２５】
また、請求項２に記載の電力／水素併給設備は、通常運転時に、電力需要低下時に貯蔵された水素を取り込んで発電する燃料電池を更に備えた構成を採用した。この構成によれば、通常運転時の発電能力をより高めることが可能となる。
【００２６】
また、請求項３に記載の電力／水素併給設備は、水素分離型改質器が、加熱された天然ガス及び蒸気の混合流体を化学反応させて水素及び二酸化炭素を生成する触媒と、生成された水素を選択的に分離するパラジウム合金膜とが備えられている構成を採用した。この構成によれば、ガスタービンの排気ガス温度（例えば５５０℃）レベルでも、天然ガスから効率よく水素を生成させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の電力／水素併給設備の一実施形態を示す図であって、概略機器構成を示す全体構成図である。
【図２】  同電力／水素併給設備の一構成要素である水素分離型改質器を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の部分拡大図である。
【図３】  同電力／水素併給設備による電力及び水素の併給方法を説明するための説明図である。
【図４】  蒸気タービン及びガスタービンを備えた従来の発電設備を示す図であって、概略機器構成を示す全体構成図である。
【符号の説明】
１０・・・ガスタービン
１１・・・排ガスボイラ
１１ｂ・・・水素分離型改質器
１２・・・蒸気タービン
１３・・・発電機
２１・・・触媒
２２・・・メンブレン管（パラジウム合金膜）
ａ・・・空気
ｃ・・・二酸化炭素（オフガス）
ｅ・・・排気ガス
ｆ・・・燃料
ｈ・・・水素
ｍ・・・天然ガス
ｓ・・・蒸気
【図１】
0004638092.tif 000002
【図２】
0004638092.tif 000003
【図３】
0004638092.tif 000004
【図４】
0004638092.tif 000005