(57)【要約】【目的】  この出願は、原子力発電設備や火力発電設備の排熱、または高温型燃料電池の再排熱を、媒体熱交換器に設けたバイナリサイクル発電２による排熱利用の複合発電に関するものである。【構成】１・原子力発電設備の発電用蒸気タービン出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に設けた排熱利用の複合発電。２・火力発電設備（気力発電とコンバインドサイクル発電）の発電用蒸気タービン出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に設けた排熱利用の複合発電。３・高温型燃料電池の動作温度を水素の製造に用いた後の再排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に設けた排熱利用の複合発電。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子力発電設備の発電用蒸気タービンの出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に設けたことを特徴とした排熱利用の複合発電。
【請求項２】
火力発電設備の発電用蒸気タービン等の出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に設けたことを特徴とした排熱利用の発複合電。
【請求項３】
高温型燃料電池の動作温度を水素の製造に用いた後の再排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に設けたことを特徴とした排熱利用の複合発電。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】  この出願は、原子力発電設備や火力発電設備の排熱、または高温型燃料電池の再排熱を媒体加熱に設けたバイナリサイクル発電２との複合発電に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  原子力発電設備の発電用原子炉の形式には、軽水減速冷却炉（加圧水形・沸騰水形）・ガス冷却炉・改良形ガス冷却炉・重水減速炉・高温ガス炉・高速増殖炉がある。現在、日本および世界中で建設されている発電炉の主流は軽水炉であり、冷却材および減速材に軽水を使用するもので、加圧水形原子炉（ＰＷＲ）の蒸気温度は２７０℃程度であり、沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）の蒸気温度は２８５℃程度である。冷却材に炭酸ガス、減速材に黒鉛を用いる改良形ガス冷却炉（ＡＧＲ）の蒸気温度は５４０℃程度である。冷却材にヘリウム、減速材に黒鉛を用いる高温ガス炉（ＨＴＧＲ）のヘリウムガス温度は７５０〜８５０℃と高いので、熱交換器を通して得られる蒸気は気力発電並みである。冷却材に重水を用いるものと軽水や炭酸ガスなどを用い、減速材には重水を用いた重水炉がある。重水減速重水冷却炉はカナダで開発されたＣＡＮＡＤＵ−ＰＨＷ炉があり、重水減速沸騰軽水冷却炉は日本で開発された新形転換炉（ＡＴＲ）の「ふげん」がある。冷却材にナトリウムまたはナトリウ厶−カリウム合金などの熱のよく伝わる液体金属を用いるのであるが、ナトリウム温度が約７００℃のため熱交換器を通して気力発電並みの蒸気および熱効率が得られる高速増殖炉（ＦＢＲ）があり、日本では「もんじゅ」がある。このような発電用原子炉では蒸気タービンによる発電であり、腹水器により蒸気熱を失うのである。
現在、高温ガス炉や高速増殖炉等が水素製造の熱源にと検討および試験や研究に着手した。水の熱分解による水素では可能な熱化学サイクルが多数提案され、東京大学を中心とするグループが開発を進めてきたＵＴ−３プロセスでは水素と酸素を生成する試験に成功した。一方、日本原子力研究所などで研究が進められてきたＩＳプロセスも２００３年８月２１日に９００℃で水素の取り出しに成功と発表した。高温ガス炉では冷却材にヘリウムガスを用い、９００℃を超える熱を取り出すことができ、高温ガス炉とＩＳプロセスによる水素製造である。また、高温ガス炉や高速増殖炉の核熱を水蒸気改質熱源として利用する研究も進められている。
火力発電設備の原動機による分類では、気力発電・内燃力発電・ガスタービン発電がある。気力発電設備は、ボイラーを用いた蒸気タービンによる発電であり、蒸気温度は５２０〜５７０℃程度の温度であるが、復水器により蒸気熱を失うのである。ガスタービン発電は加圧した空気が燃焼器に送られ、燃料を燃焼するとともに６００〜８００℃の高温ガスとなりガスタービンに入り、断熱膨張の際にガスタービンに機械的な仕事を与え、回転力を得て発電機を駆動する方式であるが、排気を大気に放出しているのである。また、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせて熱効率を向上させるコンバインドサイクル発電の採用が最近多くなってきたのである。
高温型燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）と固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。溶融炭酸塩形燃料電池の動作温度は６００〜６５０℃であり、ガスタービンとのコンバインドサイクルシステムを目指した研究開発が進められている。固体酸化物形燃料電池の動作温度は９００〜１０００℃であり、ガスタービンなどと組み合わせたコンバインドサイクルによって、高い発電効率の実現が期待できるとともに、固体酸化物形燃料電池／ＧＴコンバインドサイクルの実証運転研究が始められようとしている。
【発明が解決しようとする課題点】
【０００３】  原子力発電設備または火力発電設備は、核熱またはボイラー（排熱回収ボイラー）等により発生した蒸気をタービンに送り、所定の仕事をした後に復水器に送られた蒸気は熱を失うのであるが、所定の仕事をした後の蒸気および排熱を熱源に用いたバイナリサイクル発電２をしようとするものである。高温型燃料電池の動作温度を設けたガスタービンやマイクロガスタービンとのコンバインドサイクルシステム等の実証運転や研究等が進められているのであるが、水素の製造に高温型燃料電池の動作温度を設けた水の熱化学法や水蒸気改質法に用いた後の、再排熱を熱源にバイナリサイクル発電２しようとするのである。
したがって、排熱および再排熱を用いた複合発電の開発をしようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】１・原子力発電設備の発電用蒸気タービン出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に用いた、原子力発電とバイナリサイクル発電２との複合発電である。
２・火力発電設備の発電用タービン出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に用いた、火力発電とバイナリサイクル発電２との複合発電である。
３・高温型燃料電池の動作温度を水素の製造に用いた後の再排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に用いた、高温型燃料電池による水素の製造とバイナリサイクル発電との複合発電である。
【作用】
【０００５】  原子力発電設備または気力発電やコンバインドサイクル発電の火力発電設備の蒸気タービン出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に導き、加熱媒体の蒸気をタービンに送り、コンデンサで冷却し、ポンプで循環させる発電である。このバイナリサイクル発電２は、原子力発電設備または火力発電設備の排熱を用いることにより、熱および発電効率が高率となる排熱を利用した複合発電である。
高温型燃料電池の動作温度を用いた、水の熱化学法・化石燃料の水蒸気改質法による水素の製造後の再排熱を、媒体熱交換器に用いたバイナリサイクル発電２であり、高温型燃料電池の再排熱を用いた複合発電である。
【実施例１】
【０００６】  請求項１の実施例について説明する。
原子力発電設備の発電用蒸気タービン出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に設けた構成。
発電用原子炉には、天然ウランガス冷却炉・改良形ガス冷却炉・軽水炉・重水炉・高温ガス炉・高速増殖炉があり、原子炉の温度等は異なるのであるが、蒸気タービンによる発電方法は同じである。現在、最も多く建設され運転中の加圧水形軽水炉（ＰＷＲ：ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  ｗａｔｅｒ  ｒｅａｃｔｏｒ）と沸騰水形軽水炉（ＢＷＲ：ｂｏｉｌｉｎｇ  ｗａｔｅｒ  ｒｅａｃｔｏｒ）の原子力発電を例にとると、加圧水形（ＰＷＲ）の熱交換器からの発生蒸気（圧力５５〜６０ｋｇ／ｃｍ２・温度２６９〜２７４℃）は高圧タービンで所定の仕事をする間接サイクルであり、沸騰水形（ＢＷＲ）の発生蒸気（圧力７０ｋｇ／ｃｍ２・温度２８５℃程度）は原子炉の内部蒸気を直接タービンで利用するため、熱交換器（蒸気発生器）が不要の直接サイクルである。このように高圧タービンおよび低圧タービンによる発電であるが、熱効率は３２％〜３３％前後であり、復水器冷却水により熱を失うのである。
熱効率向上には、蒸気タービン出口に熱交換器１を設けて、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器の加熱媒体熱源に排熱を用いるのである。この熱交換器１を設けることにより、原子力発電とバイナリサイクル発電２の熱サイクルが間接的になり、放射能を帯びた蒸気熱が媒体熱交換器に流入しない、このため保守点検が容易となり、安全性が向上すのである。また、蒸気タービン出口に熱交換器１を設けるので、原子力発電の熱および発電効率が低下しないのである。
したがって、原子力発電設備の発電用蒸気タービン出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器の加熱媒体熱源に用いた熱効率向上の排熱利用の複合発電である。
【実施例２】
【０００７】  バイナリサイクル発電２は、地熱流体を熱交換器へ導き、熱交換器で別媒体を加熱し、この媒体の蒸気をタービンへ導き、コンデンサで冷却し、ポンプを用いて循環させる発電方法である。媒体としては、イソブタンおよびイソペンタンなどが使用され、地熱用に開発された発電である。このバイナリサイクル発電２の媒体加熱に、原子力発電設備の発電用蒸気タービン出口に設けた熱交換器１の排熱を用いるのである。バイナリサイクル発電２の媒体加熱温度は、１８０〜２５０℃程度の温度が必要であり、加圧水形（ＰＷＲ）沸騰水形（ＢＷＲ）軽水炉原子力発電の排熱を媒体熱交換器に用いるのである。原子力発電とバイナリサイクル発電２の複合発電により軽水炉原子力発電の熱効率がより高率になるのであり、媒体熱交換器への排熱温度が２００〜２５０℃程度の発電用原子炉が対象である。また、高温ガス炉（ＨＴＧＲ：ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｇａｓｃｏｏｌａｎｔ  ｒｅａｃｔｏｒ）は発電用のほか、高温ヘリウムガスを製鉄や、化石燃料を高温高圧でガス化する方法に用いるなどの多目的原子炉であるが、このような方法による排熱もバイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に用いて熱効率を高率にするのであり、排熱利用の複合発電である。
【実施例３】
【０００８】  請求項２の実施例について説明する。
火力発電設備の発電用蒸気タービン等の出口に設けた熱交換器１の排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に設けた構成。
火力発電設備の原動機上の分類では、蒸気タービンを使用する気力発電・ディーゼル機関などの内燃機関を利用した内燃力発電およびガスタービンを利用するガスタービン発電に分類される。
気力発電の実用蒸気サイクルには、熱効率の向上を目的とした再生サイクル、膨張の途中で圧力の下がった蒸気を再びボイラーで加熱する再熱サイクル、再熱サイクルと再生サイクルとを組み合わせた再熱再生サイクルがあり、現在の気力発電のほとんどがこの再熱再生サイクルが採用されている。この実用蒸気サイクルの発電用蒸気タービン出口に熱交換器１を設けて復水器で熱を失うのである。熱交換器１を発電用蒸気タービン出口に設けるため、気力発電の熱効率が低下をしないのである。この熱交換器１の排熱を媒体熱交換器の加熱熱源に用いてバイナリサイクル発電２により、電力を得るのである。
気力発電は容量（ＭＷ）により異なるのであるが、蒸気圧力１０２〜２４６ｋｇ／ｃｍ２・蒸気温度５２０〜５７０℃程度である。バイナリサイクル発電２の媒体加熱温度は、１８０〜２５０℃程度の温度が必要であり、媒体熱交換器への排熱温度が２００〜２５０℃程度の気力発電による蒸気温度が必要となる。
気力発電とバイナリサイクル発電２との複合発電により、熱効率が高率になるのである。
【実施例４】
【０００９】  コンバインドサイクル発電は、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた熱効率向上の発電であり、最近は多く採用される発電である。このコンバインドサイクル発電の蒸気タービン出口に熱交換器１を設け、排熱を媒体熱交換器に設けて、バイナリサイクル発電２により電力を得るのである。
コンバインドサイクル発電には、排熱回収複合サイクル・排気助燃複合サイクル・排気再燃複合サイクル・直結形複合サイクル・別置形複合サイクル・混圧式複合サイクルがある。この複合サイクルの蒸気タービン出口に熱交換器１を設けるので、熱および発電効率が低下しないのである。
したがって、熱交換器１の排熱を媒体熱交換器の加熱媒体熱源に用いて、バイナリサイクル発電２により電力を得るので、熱および発電効率が高効率となる。熱交換器１を設けるので熱サイクルが間接的であり、媒体が流入しない、このため保守点検が容易である。このバイナリサイクル発電２の媒体加熱温度は１８０〜２５０℃程度が必要であり、媒体熱交換器への排熱温度は２００〜２５０℃程度のコンバインドサイクル発電の蒸気温度が必要となる。
【実施例５】
【００１０】  請求項３の実施例について説明する。
高温型燃料電池の動作温度を水素の製造に用いた後の再排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に設けた構成。
高温型燃料電池には、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）動作温度６００〜７００℃と固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）動作温度９００〜１０００℃がある。この動作温度の再排熱をバイナリサイクル発電２の媒体熱交換器の加熱媒体熱源に用いて、発電および電力を得るのである。
バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器での媒体加熱温度は、１８０〜２５０℃程度が必要である。高温型燃料電池の動作温度は６００〜１０００℃であるので、水の熱化学法または化石燃料の水蒸気改質法による水素の製造（出願申請番号  ２００３−１５３５２４号）に用いた後の再排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に用いて媒体を加熱するのである。水の熱分解は、熱化学サイクルであり、代表的なＵＴ−３プロセスとＩＳプロセスがある。熱化学法によるＵＴ−３プロセスの温度は７５０〜４００℃であり、ＩＳプロセスの温度は室温〜８００℃である。また、化石燃料の水蒸気改質温度は６００〜９５０℃である。このように高温であり、水素の製造に用いた後の再排熱を、バイナリサイクル発電２の媒体熱交換器に用いた発電であり、排熱利用の複合発電である。【００１１】  本出願の排熱利用の複合発電に関係する工業所有権等の出願。
特許出願申請番号  ２００３−１５３５２４号  発電所の排気熱利用による水素と発電。【００１２】本出願の参考文献等。
１）  発電・変電、第３編  火力発電  第４編  原子力発電    電気学会。
２）  小口芳徳：発変電、２章  火力発電  ３章  原子力発電    オーム社。
３）  文部科学省・科学技術政策研究所・科学技術動向研究センター編著：図解水素エネルギー最前線、第３章  さまざまな燃料電池システム  第５章  水素の製造    工業調査会。
４）  清水幸丸編著：自然エネルギー利用学、第１０章  地熱エネルギーの利用技術    パワー社。
５）  池田宏之助編著：燃料電池のすべて、第１章〜第７章    日本実業出版社。
６）  ジェレミー・リフキン著者  柴田裕之訳者：水素エコノミー、第八章  水素エコノミーの夜明け    日本放送出版協会。
【発明の効果】
【００１３】  原子力発電設備の排熱または火力発電設備の排熱を用いたバイナリサイクル発電２であり、高温型燃料電池の再排熱を用いたバイナリサイクル発電２である。この発電は熱効率が高率となる複合発電であり、排熱および再排熱を用いた発電により電力を得るのである。したがって、二酸化炭素量を増やすことなく電力を得る環境型の発電である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  原子力発電または火力発電設備の一部分とバイナリサイクル発電の複合参考図。
【符号の説明】
１    熱交換器
２    バイナリサイクル発電
【図１】
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