(57)【要約】【課題】安価な燃料ガスを用いて、低い環境負荷で運転できる発電システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。【解決手段】発電システムは、燃料極と固体電解質と空気極とが積層された発電セルを有し、発電セルにおいて燃料極側４ａに供給された燃料ガスと空気極側４ｃに供給された酸化性ガスとが反応して発電できる燃料電池４と、コークス炉で生成されたコークス炉ガスの少なくとも一部を水蒸気改質して前記燃料ガスにする水蒸気改質部３と、コークス炉からコークス炉ガスを所定温度が維持された状態で水蒸気改質部３に導入するコークス炉ガス導入部７と、改質された燃料ガスを、直接、燃料電池４の燃料極側４ａに供給する燃料ガス供給部８と、燃料電池４の燃料極側４ａから排出された排燃料ガスの一部を循環排燃料ガスとして、コークス炉ガス導入部７に循環させる排燃料ガス循環部５と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と固体電解質と空気極とが積層された発電セルを有し、該発電セルにおいて燃料極側に供給された燃料ガスと空気極側に供給された酸化性ガスとが反応して発電できる燃料電池と、
コークス炉で生成されたコークス炉ガスの少なくとも一部を水蒸気改質して前記燃料ガスにする水蒸気改質部と、
前記コークス炉から前記コークス炉ガスを所定温度が維持された状態で前記水蒸気改質部に導入するコークス炉ガス導入部と、
改質された前記燃料ガスを、直接、前記燃料電池の前記燃料極側に供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の前記燃料極側から排出された排燃料ガスの一部を循環排燃料ガスとして、前記コークス炉ガス導入部に循環させる排燃料ガス循環部と、
を備えている発電システム。
【請求項２】
前記排燃料ガス循環部が、前記コークス炉で生成された前記コークス炉ガスの流量変動に応じて、前記燃料電池の発電が所定負荷率以上となるよう前記循環排燃料ガスの流量と前記燃料電池の燃料利用率とを調整できる流量調整部を有する請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記水蒸気改質部が、前記コークス炉の燃焼室から排出される炉燃料排ガスを前記水蒸気改質部に導く加熱部を有し、
前記加熱部は、前記水蒸気改質部を加熱できる請求項１または請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記水蒸気改質部で水蒸気改質されてなる燃料ガスの一部を、前記コークス炉の燃焼室の炉燃料供給側に導く炉燃料導入部を備えている請求項１から請求項３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
前記燃料電池の前記燃料極側から排出された排燃料ガスを導き、導いた前記排燃料ガスから熱を回収する熱回収部を備え、
前記燃料極側から排出された排燃料ガスのうち、前記循環排燃料ガスを除く排燃料ガスの少なくとも一部が前記熱回収部へ導かれる請求項１から請求項４のいずれかに記載の発電システム。
【請求項６】
前記熱回収部が、蒸気タービンと燃焼器と排熱回収ボイラとで構成され、
前記燃料電池は常圧運転される請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
前記熱回収部が、ガスタービンと蒸気タービンと燃焼器と排熱回収ボイラとで構成され、
前記燃料電池は加圧運転される請求項５に記載の発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池の前記燃料極側から排出された排燃料ガスを導き、導いた前記排燃料ガスから水素を回収する水素回収部を備え、
前記燃料極側から排出された排燃料ガスのうち、前記循環排燃料ガスを除く排燃料ガスの少なくとも一部は前記水素回収部へ導かれる請求項１から請求項７のいずれかに記載の発電システム。
【請求項９】
燃料極と固体電解質と空気極とが積層された発電セルを有し、該発電セルにおいて燃料極側に供給された燃料ガスと空気極側に供給された酸化性ガスとが反応して発電できる発電システムの運転方法であって、
コークス炉で生成されたコークス炉ガスの少なくとも一部を、コークス炉ガス導入部を介して所定温度を維持させた状態で水蒸気改質部に導入し、
前記水蒸気改質部で、前記コークス炉ガスを水蒸気改質して燃料ガスを製造し、
前記燃料ガスを、直接、前記燃料極側に供給し、
前記燃料極側から排出された排燃料ガスの一部を循環排燃料ガスとして、前記コークス炉ガス導入部に循環させ、
前記水蒸気改質部へ外部からの水蒸気供給を不要とする発電システムの運転方法。
【請求項１０】
前記コークス炉で生成された前記コークス炉ガスの流量変動に応じて、前記コークス炉ガス導入部に循環させる前記循環排燃料ガスの流量と、燃料電池の燃料利用率とを調整し、前記燃料電池の発電を所定負荷率以上とする請求項９に記載の発電システムの運転方法。
【請求項１１】
前記水蒸気改質部で水蒸気改質されてなる燃料ガスの一部を、炉燃料として前記コークス炉の燃焼室の炉燃料供給側に導き、
外部から投入する炉燃料を削減する請求項９または請求項１０に記載の発電システムの運転方法。
【請求項１２】
前記燃料極側から排出された排燃料ガスのうち、前記循環排燃料ガスを除く排燃料ガスの少なくとも一部を熱回収部へ導いて燃焼させ、少なくとも水蒸気を生成し、発電電力として回収する請求項９から請求項１１のいずれかに記載の発電システムの運転方法。
【請求項１３】
前記熱回収部を、蒸気タービンと燃焼器と排熱回収ボイラとで構成し、
燃料電池を常圧運転する請求項１２に記載の発電システムの運転方法。
【請求項１４】
前記熱回収部を、ガスタービンと蒸気タービンと燃焼器と排熱回収ボイラとで構成し、
燃料電池を加圧運転する請求項１２に記載の発電システムの運転方法。
【請求項１５】
前記燃料極側から排出された排燃料ガスのうち、前記循環排燃料ガスを除く排燃料ガスの少なくとも一部を水素回収部へ導き、該導いた排燃料ガスから水素を回収する請求項９から請求項１４のいずれかに記載の発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムおよびその運転方法に関し、特に、固体酸化物形燃料電池を備えた発電システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、固体電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、燃料極と固体電解質と空気極とが順に積層された発電セルを有し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤を含む流体を供給し、燃料ガスに含まれる燃料（水素または一酸化炭素）と酸化剤ガスに含まれる酸素とを固体電解質を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである（特許文献１参照）。
このような燃料電池（ＳＯＦＣ）は、例えばガスタービン等の内燃機関や、排熱回収ボイラと蒸気タービンと組み合わせた複合発電システムを構築することにより、さらに発電効率の高い発電が可能とされている。
【０００３】
一般に、燃料ガスには天然ガスまたは都市ガスなどが使用され、酸化剤ガスには空気が使用される。天然ガスまたは都市ガスなどは、化学反応により水素、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む混合ガスに改質され、混合ガスに含まれる水素または一酸化炭素が燃料となる。
【０００４】
ＳＯＦＣの固体電解質は、一般に、高温で高い酸素イオン透過性を示す。そのためＳＯＦＣの作動温度は９００℃〜１０００℃程度となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５３２６１９３号公報（請求項１、および段落［００１２］−［００１６］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＯＦＣは、発電効率が高いものの、現段階ではＳＯＦＣの設備費用がまだ高価な状況にあるために燃料ガスの価格により発電コストの低減が期待されている。そのため、燃料ガスは安価であることが望まれるとともに、ＳＯＦＣの導入は燃料ガスの安価なものから始まることが予想される。
【０００７】
しかしながら、ＳＯＦＣに供給される燃料ガスは、一般に、輸入または購入されたガス（天然ガス、都市ガス）が使用されるため、燃料ガス価格を低減するには限度がある。比較的安価なシェールガスであっても、輸送費等が価格に反映されるため、価格を十分に低減するのは難しい。
【０００８】
安価な燃料ガスを確保するためには、副生された燃料ガスを利用することが考えられる。特許文献１では、転炉またはコークス炉で発生した７００℃〜１０００℃の排ガスをそのまま直接、燃料電池の燃料ガスとして利用することが開示されている。排ガスには所定濃度以上の水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、またはそのいずれか一方が含まれている。
【０００９】
コークス炉で発生したコークス炉ガス（ＣＯＧ：Ｃｏｋｅ  Ｏｖｅｎ  Ｇａｓ）には、水素や一酸化炭素の他に、メタン、タール分、硫酸、アンモニアなどの成分が含まれている。タール分は、コークスを製造する際に、副生成物として生成される不純物である。タール分は、芳香族化合物（ベンゼン、ナフタレン等）を多く含み、冷却されると粘性が高い液体となる。
【００１０】
特許文献１ではタール分を含んだ未精製のＣＯＧをＳＯＦＣの燃料ガスとして使用すると、不完全燃焼、配管やノズルの閉塞、腐食、燃焼ガス中の亜硫酸ガス濃度の増大など、設備諸トラブルおよび環境上の問題が発生する可能性がある。
【００１１】
ＣＯＧに含まれるタール分は、通常、ＣＯＧを２００℃程度に急冷することで分離できる。しかしながら、冷却により精製する方法でタール分を分離した場合には、精製したＣＯＧの温度が低下するため、高温のままＣＯＧをＳＯＦＣに供給することはできなくなり、ＣＯＧの再加熱のための顕熱分の熱エネルギと、熱交換器が必要となり、無駄が生じやすい。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安価な燃料ガスを用いて、運転できる発電システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の発電システムおよびその運転方法は以下の手段を採用する。
【００１４】
本発明は、燃料極と固体電解質と空気極とが積層された発電セルを有し、該発電セルにおいて燃料極側に供給された燃料ガスと空気極側に供給された酸化性ガスとが反応して発電できる燃料電池と、コークス炉で生成されたコークス炉ガスの少なくとも一部を水蒸気改質して前記燃料ガスにする水蒸気改質部と、前記コークス炉から前記コークス炉ガスを所定温度が維持された状態で前記水蒸気改質部に導入するコークス炉ガス導入部と、改質された前記燃料ガスを、直接、前記燃料電池の前記燃料極側に供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池の前記燃料極側から排出された排燃料ガスの一部を、循環排燃料ガスとして、前記コークス炉ガス導入部に循環させる排燃料ガス循環部と、を備えている発電システムを提供する。
【００１５】
本発明に係る発電システムは、燃料電池の燃料極側に供給される燃料ガスのガス源としてコークス炉を備えている。コークス炉ガスは、コークス炉の炭化室で石炭を蒸し焼きにしてコークスを製造する際に生成される。生成されたコークス炉ガスは、主として水素、メタン、高次炭化水素および一酸化炭素等を含む。
【００１６】
コークス炉ガスに含まれる高次炭化水素は水蒸気改質部で供給される水蒸気と反応して改質されて燃料ガスとなる。タール分などの高次炭化水素や芳香族炭化水素は、水蒸気改質により水素、一酸化炭素、メタン、二酸化炭素へと改質される。これにより、燃料ガス中に含まれる高次炭化水素や芳香族炭化水素の濃度、すなわちタールの残存量を大きく減少させることができる。また、メタンは燃料電池の燃料極で水蒸気改質反応（内部改質）が行われることから、燃料電池の燃料極側での燃料ガス中に含まれる燃料（水素、一酸化炭素）の割合を増やすことができる。
【００１７】
コークス炉で生成されたコークス炉ガスは高温（例えば約８００℃）である。コークス炉ガス導入部では、コークス炉ガスを一旦冷却することによるタール分などの精製が行われておらず、所定温度を維持したままのコークス炉ガスを水蒸気改質部に導入できる。これによりコークス炉ガスの熱量を利用して水蒸気改質反応させることができる。
【００１８】
水蒸気改質部で改質されてなる燃料ガスは、燃料ガス供給部から燃料電池の燃料極側に供給される。改質されてなる燃料ガスを用いることで、タール分によるＳＯＦＣの燃料極での閉塞や、配管やノズルの閉塞など、不具合の発生を抑えることができる。
【００１９】
また改質されてなる燃料ガスは、燃料ガス供給部で一部を炉燃料導入部からコークス炉燃料として利用することで、コークス炉の炉燃料供給量を低減させて、コークス製造効率を向上する。また燃料ガス供給部で一部を除かれた燃料ガスの残部は、供給量を制限されずに、直接、残部全量を燃料電池の燃料極側へと導き、燃料電池での発電出力を得る。ここで、燃料電池の発電は所定負荷率以上の発電を行うよう運転制御する。すなわち燃料電池の定格出力を１００％負荷とした場合の所定負荷率を９０％負荷以上に設定することで、発電効率の高い燃料電池での発電を優先する。これにより、高いシステム性能を維持できる。
【００２０】
燃料極側へ供給された燃料ガスは、排燃料ガスとして燃料電池の燃料極側から排出される。排燃料ガス循環部は、排燃料ガスの一部を分流し循環排燃料ガスとしてコークス炉ガス導入部へと循環する。排燃料ガスには燃料電池での発電反応で生成した水蒸気が含まれているため、この一部である循環燃料ガスを循環させることで、水蒸気改質部で高いＳ／Ｃ（スチーム／カーボン）で改質ができる。Ｓ／Ｃは、原料炭化水素（コークス炉ガス）に含まれる炭素（Ｃ）と、改質反応の際に添加する水蒸気（Ｓ）のモル比である。排燃料ガス循環部を備えることで、外部から別途水蒸気を供給せずにコークス炉ガスを水蒸気改質させることができる。
【００２１】
排燃料ガスには、燃料電池で発電に寄与せずに残留した燃料が含まれている。排燃料ガスをコークス炉ガス導入部へと循環させることで、排燃料ガスに含まれる未反応の燃料を再度燃料電池へと導くことができる。
【００２２】
上記発明の一態様において、前記排燃料ガス循環部が、前記コークス炉で生成された前記コークス炉ガスの流量変動に応じて、前記燃料電池の発電が所定負荷率以上となるよう前記循環排燃料ガスの流量と前記燃料電池の燃料利用率とを調整できる流量調整部を有するとよい。
【００２３】
コークス炉ガスを燃料電池の燃料ガスとして使用するにあたり、コークス炉への石炭投入から乾留終了までの間、コークス炉で発生するコークス炉ガス量が経時的に大幅に変動する課題がある。装炭直後には、炭化室壁側の石炭の急速な乾留により多量のガスが発生する。乾留終了時期に再び増加する。一方、コークス炉の窯出しインターバルは、稼働率に応じて大体一定に定められているため、コークス炉からのコークス炉ガス発生総量はほぼ一定を見なすことができる。すなわち燃料ガスの流量が継時的に変動するが、この変動でも簡単な制御で高い発電効率を維持できる発電システムが好ましい。このため、循環排燃料ガスの流量と燃料電池の燃料利用率を調整することで、燃料電池の発電を所定負荷率以上の発電を行うよう運転制御する。
【００２４】
本発明の一態様に係る発電システムにおいて、流量調整部は、コークス炉ガスの流量変動に応じてコークス炉ガス導入部に循環させる排燃料ガスの流量を調整できる。すなわち、コークス炉ガスに混合させる水蒸気量を調整できる。例えば、コークス炉ガスの流量が減少した場合には、循環させる排燃料ガスの流量を増やす。これによりコークス炉ガスの流量が変動したとしても、Ｓ／Ｃを高く維持できる。
【００２５】
上記発明の一態様において、前記水蒸気改質部が、前記コークス炉の燃焼室から排出される炉燃料排ガスを前記水蒸気改質部に導く加熱部を有し、前記加熱部は、前記水蒸気改質部を加熱できるとよい。
【００２６】
炉燃料排ガスは、燃焼室で炉燃料を燃焼させた際に生じるガスであり、燃焼室から一部を分流させたもので、コークス炉ガスと同等以上に高温である。加熱部は、炉燃料排ガスを用いて水蒸気改質部を加熱できる。水蒸気改質は吸熱反応のため、必要な反応熱量を投入できる加熱部を有することで、水蒸気改質部の温度環境を、改質反応に適した温度に維持できる。
【００２７】
上記発明の一態様において、前記水蒸気改質部で水蒸気改質されてなる燃料ガスの一部を、前記コークス炉の前記燃焼室の炉燃料供給側に導く炉燃料導入部を備えているとよい。
【００２８】
水蒸気改質部で水蒸気改質されてなる燃料ガスは、組成が安定している。よって、改質により得られた燃料ガスの一部をコークス炉の燃焼室に炉燃料として供給することで、コークス炉の外部から供給する炉燃料量を低減させ、さらに加熱を安定化できるのでコークス炉の製造効率を向上できる。
【００２９】
上記発明の一態様において、前記燃料電池の前記燃料極側から排出された排燃料ガスを導き、導いた前記排燃料ガスから熱を回収する熱回収部を備え、前記燃料極側から排出された排燃料ガスのうち、前記循環排燃料ガスを除く排燃料ガスが前記熱回収部へ導かれるとよい。
【００３０】
上記発明の一態様において、前記熱回収部が、蒸気タービンと燃焼器と排熱回収ボイラとで構成され、前記燃料電池は常圧運転されてもよい。また、前記熱回収部が、ガスタービンと蒸気タービンと燃焼器と排熱回収ボイラとで構成され、前記燃料電池は加圧運転されてもよい。
【００３１】
上記発明の一態様において、前記燃料電池の前記燃料極側から排出された排燃料ガスを導き、導いた前記排燃料ガスから水素を回収する水素回収部を備え、前記燃料極側から排出された排燃料ガスのうち、前記循環排燃料ガスを除く排燃料ガスの少なくとも一部は前記水素回収部へ導かれるとよい。
【００３２】
上記発明の一態様に係る発電システムでは、コークス炉ガスの流量変動に応じて循環させる水蒸気量を調整するため、コークス炉ガスの流量が増加した場合、改質されてなる燃料ガスに含まれる燃料の割合も増加する。一方、燃料電池で発電に寄与できる燃料の割合は略一定であるため、改質されてなる燃料ガスに含まれる燃料の割合が増加した場合には、排燃料ガスに含まれる未反応の燃料の割合が増える。熱回収部または水素回収部を備えることで、排燃料ガス循環部で循環されなかった排燃料ガスから熱または水素を回収できるため、余剰の燃料を有効に利用して発電システムの総発電効率を高められる。
【００３３】
また本発明は、燃料極と固体電解質と空気極とが順に積層された発電セルを有し、該発電セルにおいて燃料極側に供給された燃料ガスと空気極側に供給された酸化性ガスとが反応して発電できる発電システムの運転方法であって、コークス炉で生成されたコークス炉ガスの少なくとも一部を、コークス炉ガス導入部を介して所定温度を維持させた状態で水蒸気改質部に導入し、前記水蒸気改質部で、前記コークス炉ガスを水蒸気改質して燃料ガスを製造し、前記燃料ガスを、直接、前記燃料電池の燃料極側に供給し、前記燃料電池の前記燃料極側から排出された排燃料ガスの一部を循環排燃料ガスとして、前記コークス炉導入部に循環させ、前記水蒸気改質部へ外部からの水蒸気供給を不要とする発電システムの運転方法を提供する。
【００３４】
上記発明の一態様において、前記コークス炉で生成された前記コークス炉ガスの流量変動に応じて、前記コークス炉導入部に循環させる前記循環排燃料ガスの流量と、前記燃料電池の燃料利用率とを調整し、前記燃料電池の発電を所定負荷率以上とするとよい。
【００３５】
上記発明の一態様において、前記水蒸気改質部で水蒸気改質されてなる燃料ガスの一部を、炉燃料として前記燃焼室の炉燃料供給側に導き、外部から投入する炉燃料を削減するとよい。
【００３６】
上記発明の一態様において、前記燃料電池の前記燃料極側から排出された排燃料ガスのうち、前記循環排燃料ガスを除く排燃料ガスの少なくとも一部を熱回収部へ導いて燃焼させ、少なくとも水蒸気を生成し、発電電力として回収するとよい。
【００３７】
上記発明の一態様において、前記熱回収部を、蒸気タービンと燃焼器と排熱回収ボイラとで構成し、前記燃料電池を常圧運転してもよい。また、上記発明の一態様において、前記熱回収部を、ガスタービンと蒸気タービンと燃焼器と排熱回収ボイラとで構成し、前記燃料電池を加圧運転してもよい。
【００３８】
上記発明の一態様において、前記燃料電池の前記燃料極側から排出された排燃料ガスのうち、前記循環排燃料ガスを除く排燃料ガスの少なくとも一部を水素回収部へ導き、該導いた排燃料ガスから水素を回収するとよい。
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、安価な燃料として高温のコークス炉ガスを燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料ガス源として用いた発電システムを構成することで、発電コストを従来よりも低減が可能となる。また、コークス炉ガスの流量変動があっても燃料電池の排燃料ガスを分流した循環排燃料ガスの流量と燃料電池の燃料利用率とを調整させて、燃料電池を所定負荷率以上とする高い発電効率を維持できるので、発電コストを低減する運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１実施形態に係る発電システムの概略構成図である。
【図２】ＳＯＦＣモジュールの分解斜視図である。
【図３】セルスタックの要部拡大図である。
【図４】コークス炉の要部概略図である
【図５】装炭後から乾留終了までのコークス炉ガスの発生量の推移を示すグラフである。
【図６】コークス炉ガス流量の調整例を示すグラフである。
【図７】第２実施形態に係る発電システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
【００４２】
以下に、本発明に係る発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図１は本実施形態に係る発電システムの概略構成図である。発電システム１は、コークス炉２、水蒸気改質部３、燃料電池４、排燃料ガス循環部５、および熱回収部６を備えている。
【００４３】
コークス炉２はコークス炉ガス導入部７を介して水蒸気改質部３に接続されている。水蒸気改質部３は燃料ガス供給部８を介してＳＯＦＣ（燃料電池）４に接続されている。燃料ガス供給部８の途中には炉燃料導入部９が接続されている。炉燃料導入部９の他端は流量調整弁１０を介してコークス炉の炉燃料供給側に接続されている。ＳＯＦＣ４の燃料ガス排出側には、排燃料ガス循環部５が接続されている。排燃料ガス循環部５の他端はコークス炉ガス導入部７（７ｃ）に接続されている。また、燃料極４ａの燃料ガス排出側にはバルブ１１を介して燃焼器１２が接続されている。ＳＯＦＣ４は、燃料極４ａ、固体電解質４ｂ、空気極４ｃなどを有する。
【００４４】
燃焼器１２の燃焼排ガスが排出される側には、排熱回収ボイラ１３が接続されている。排熱回収ボイラ１３で生成される水蒸気によって、排熱回収ボイラ１３に接続された蒸気タービン１４が駆動される。蒸気タービン１４は、タービン１５、タービンに接続されている圧縮機（ブロワ）１６およびモータ・発電機１７を有する。タービン１５の水蒸気排出側は、復水器としての熱交換器１８および復水を循環するポンプ１９を介して排熱回収ボイラ１３に接続されている。ＳＯＦＣの酸化性ガスとしての空気は、圧縮機１６の空気出口側から再生熱交換器２０を介してＳＯＦＣ４の空気極４ｃの空気供給側に接続されている。ＳＯＦＣ４の空気極４ｃの排出側は、再生熱交換器２０を介して燃焼器１２に接続されている。この酸化性ガスは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
【００４５】
（ＳＯＦＣ（燃料電池））
本実施形態において、ＳＯＦＣ４は円筒形の固体酸化物形ＳＯＦＣのセルスタックを有するＳＯＦＣモジュールを例示する。ＳＯＦＣの形態は、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
【００４６】
図２にＳＯＦＣモジュールの概略構成図を示す。ＳＯＦＣモジュール２０１は、圧力容器２０５、および圧力容器２０５の内部に収容された複数のカートリッジ２０３を有する。カートリッジ２０３は、複数のセルスタック１０１が束になって構成されている。
【００４７】
図３にセルスタックの要部拡大図を示す。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成されたＳＯＦＣセル（発電セル）１０５と、隣り合うＳＯＦＣセル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。ＳＯＦＣセル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが順に積層して形成されている。セルスタック１０１の一端では、基体管１０３の外周面に形成された複数のＳＯＦＣセル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されたＳＯＦＣセル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。ＳＯＦＣセル１０５は、燃料極側４ａに供給された燃料ガスと空気極側４ｃに供給された酸化性ガスとが反応して電力を発電できる。
【００４８】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４とされる。この基体管１０３は、ＳＯＦＣセル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【００４９】
燃料極１０９は、ニッケル（Ｎｉ）とジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に内部改質するものである。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ          （１）
【００５０】
また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において式（２）および式（３）に示すように電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、ＳＯＦＣセル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
Ｈ２＋Ｏ２−  →  Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        （２）
ＣＯ＋Ｏ２−  →  ＣＯ２＋２ｅ−        （３）
【００５１】
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＣＳＺやＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。
【００５２】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
【００５３】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合うＳＯＦＣセル１０５において、一方のＳＯＦＣセル１０５の空気極１１３と他方のＳＯＦＣセル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合うＳＯＦＣセル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数のＳＯＦＣセル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
【００５４】
図３では、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００５５】
ＳＯＦＣモジュール２０１において、ＳＯＦＣセル１０５が配置されているセルスタック１０１長手方向の中央部付近の温度は、発電システムの定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。本実施形態では、ＳＯＦＣモジュール２０１は、常圧雰囲気で運転される。
【００５６】
各ＳＯＦＣセルで発電された直流電力は、複数のＳＯＦＣセル１０５に設けたリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、集電部材（不図示）を介して集電して、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと取り出される。外部に導出された電力は、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
【００５７】
（コークス炉）
本実施形態におけるコークス炉２は、石炭を原料として製鉄用コークス（高発熱量による高炉温度上昇、カーボンによる高炉の不純物除去に有効）を製造する炉である。コークス炉２は、燃焼室２１および炭化室２２を有する。
【００５８】
図４はコークス炉２の要部概略図である。図４では紙面手前側の炭化室２２の内部が透視されている。燃焼室２１と炭化室２２とは交互に配置されている。
【００５９】
燃焼室２１は、炉燃料ガスを燃焼させることにより、１２００℃から１３００℃の熱で炭化室を間接的に加熱できる。燃焼室２１には炉燃料入口（不図示）および炉燃料排ガス出口（不図示）が設けられている。
【００６０】
炭化室２２には石炭２３が投入され得る。炭化室内は還元雰囲気にできる。炭化室２２には排気管２４が設けられており、炭化室内で生成されたコークス炉ガスを炭化室外部に排出できる。
【００６１】
（水蒸気改質部）
水蒸気改質部３は、コークス炉ガスに水蒸気を添加して改質触媒下で水蒸気改質して燃料ガス（水素、一酸化炭素、メタンを含む）にする装置である。水蒸気改質部３は、内部にニッケル（Ｎｉ）系触媒３ａおよび加熱部３ｂを有している。
【００６２】
Ｎｉ系触媒３ａは、構成要素としてＮｉを含む触媒であり、水蒸気改質反応を促進させることができる。Ｎｉ系触媒３ａは、改質用水蒸気量が少なくＳ／Ｃが２〜３程度に低くても改質率が低下しないものが更に好ましく、たとえばＮｉＭｇＯ系固溶体触媒であってよい。
【００６３】
加熱部３ｂは、燃焼室２１の図示しないコークス炉の燃焼室出口付近から一部を分流した炉燃料排ガスを水蒸気改質部３に導き、分流した炉燃料排ガスはコークス炉ガスと同等以上に高温であるため、分流した炉燃料排ガスの熱量を利用して水蒸気改質部内部を加熱して、改質の吸熱反応を補うことができる。このため水蒸気改質部３から燃料ガス供給部８へと排出される燃料ガスはコークス炉ガス導入部７と同等の高温である。
【００６４】
（コークス炉ガス導入部）
コークス炉ガス導入部７は、コークス炉ガスを所定温度が維持された状態で、炭化室２２から排出されたコークス炉ガスを水蒸気改質部３に導入できる。所定温度が維持された状態とは、冷却によるタール分の精製処理が施されていないコークス炉ガスの状態である。所定温度は、７００℃〜８００℃、又は、７００℃以上で炭化室２２から排出されたコークス炉ガス温度以下である。本実施形態において、コークス炉ガス導入部７は、炭化室２２の排気管２４と水蒸気改質部３とをつなぐ配管（７ａ、７ｂ）、および乾式脱硫部７ｃで構成されている。コークス炉ガス導入部７は、厚い保温層や熱線でトレースするなど、導かれる過程におけるコークス炉ガスの温度低下を抑制できる構成であってもよい。
【００６５】
乾式脱硫部７ｃは、コークス炉ガスの温度を積極的に低下させることなく、コークス炉ガスから硫黄（Ｓ）を分離できる。例えば、乾式脱硫部７ｃは、カルシウム系または鉄系の脱硫剤を備え、高温（６００℃〜１０００℃程度）で脱硫剤に硫黄化合物を接触させることで、硫黄分を吸着または化合して除去する装置である。脱硫剤は、炭酸カルシウムであってもよい。乾式脱硫部７ｃは、高温での作動であれば、他の方式によっても良く特に限定するものではない。
【００６６】
コークス炉ガス導入部７には、冷却によりコークス炉ガスのタール分を精製する装置は設けられていない。冷却によりコークス炉ガスを精製する装置とは、例えば複数段の冷却によりタールデカンターにタール分を析出して回収させたり、冷却後のガス分から湿式の脱硫装置で硫酸として回収したり、アンモニアスクラバーやベンゾールスクラバーなどで化学薬品として回収するものであり、精製の過程においてコークス炉ガスの温度を積極的に下げて燃料ガスとして不要な不純物や化学薬品として有効利用したい成分を分離する装置である。
【００６７】
また、コークス炉ガス導入部７には流量調整バルブが設けられておらず、コークス炉で生成したコークス炉ガスは、そのまま略全量が水蒸気改質部３に導入される構成となっている。
また、燃料ガス供給部８で一部を除かれた燃料ガスの残部は、供給量を制限されずに残部全量を、直接、ＳＯＦＣ４の燃料極側へと導き、ＳＯＦＣ４での発電出力を得る。
【００６８】
（燃料ガス供給部）
水蒸気改質部３で改質されてなる燃料ガスは、燃料ガス供給部８で一部を炉燃料導入部９からコークス炉燃料として利用することで、コークス炉２の炉燃料供給量を低減させて、コークス製造効率を向上する。燃料ガス供給部８で一部を除かれた燃料ガスの残部は、供給量を制限せずに、残部全量の燃料ガスを、直接、ＳＯＦＣ４の燃料極側４ａに供給できる。本実施形態において、燃料ガス供給部８は、水蒸気改質部３とＳＯＦＣ４とをつなぐ配管である。配管の途中には、燃料ガスの供給量を制限するような構成、例えば流量調整弁等は設けられていない。
【００６９】
燃料ガス供給部８には、水蒸気改質部３で水蒸気改質されてなる燃料ガスの一部を、燃焼室２１の炉燃料供給側に導く炉燃料導入部９が接続されている。炉燃料導入部９は、流量調整弁１０を有している。流量調整弁１０は、開度を調整することで、燃料ガス供給部８から分流する燃料ガスの流量を調整でき、コークス炉２の燃焼室に炉燃料の一部として供給する。
【００７０】
（排燃料ガス循環部）
排燃料ガス循環部５は、ＳＯＦＣ４の燃料極側４ａから排出された排燃料ガスの一部を分岐し循環排燃料ガスとして、ＳＯＦＣ４の上流よりさらに上流側の水蒸気改質部３の入口側であるコークス炉ガス導入部７へと循環させるものである。排燃料ガス循環部５は、コークス炉ガスの流量変動に応じてコークス炉ガス導入部７に循環させることができる。本実施形態において排燃料ガス循環部５は、循環経路５ａおよび流量調整部（５ｂ、５ｃ）で構成されている。
【００７１】
循環経路５ａは、一端がＳＯＦＣ４の燃料極側４ａに、他端が乾式脱硫部７ｃと水蒸気改質部３との間に接続されている。
【００７２】
流量調整部は、制御手段（不図示）、流量調整弁５ｂ、および循環ブロワ５ｃで構成される。
流量調整弁５ｂおよび循環ブロワ５ｃは、循環経路５ａの途中に設けられている。流量調整弁５ｂは、循環ブロワ５ｃの上流側にある。流量調整弁５ｂは、循環経路５ａの開度を調整することで、循環経路５ａの循環排燃料ガスの流量を調整できる。循環ブロワ５ｃは、排燃料ガスを流動させてコークス炉ガス導入部７に循環させることができる。循環ブロワ５ｃの回転数を制御して循環排燃料ガス流量を調整してもよい。
【００７３】
制御手段は、コークス炉ガスの流量を直接計測する計測器（不図示）、またはコークス炉ガスの流量変動に相当する情報が収納された情報処理装置（不図示）を有する。制御手段は、計測器または情報処理装置で得られたコークス炉ガスの流量変動に基づき、排燃料ガス循環部５において、排燃料ガスから分流された循環排燃料ガスが循環経路５ａを所定量を通過して循環されるよう調整弁および循環ブロアを制御できる。ここでの所定量とは、水蒸気改質部３でのＳ／Ｃが、たとえば２〜３の設定値になるような流量である。コークス炉ガスの流量変動に相当する情報は、例えばコークス炉ガスの稼働条件（石炭の種類・投入量、乾留温度等）とコークス炉ガス生成量の経時変動を関連づけた情報等である。
【００７４】
（熱回収部）
排燃料ガスは、排燃料ガスから一部を分流させた循環排燃料ガスと、残部のガスに分かれてなり、この排燃料ガスの残部と空気極４ｃから排出される空気とを燃焼器１２で燃焼させる。熱回収部６は、燃焼器１２、燃焼させたガスの熱量を利用して水蒸気を生成する排熱回収ボイラ１３、排熱回収ボイラ１３で生成された水蒸気を利用して回転するタービン１５、空気極４ｃに酸化性ガスである空気を送る圧縮機（ブロワ）１６、タービンの回転により駆動されるモータ・発電機１７で構成されている。排燃料ガスは、ＳＯＦＣ４の燃料極４ａで発電に利用されなかった燃料ガスを含む。ＳＯＦＣの燃料極では図示しない制御手段で設定された燃料利用率（燃料極に投入した燃料量に対する発電に利用した燃料量の割合）をもとに発電電流量により発電反応に利用する燃料ガス量を調整して、残りを排燃料ガスとして排出する。このため、排燃料ガスにはＳＯＦＣ４の発電の際に生成した水蒸気（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）および発電に寄与しなかった未反応の燃料（Ｈ２、ＣＯ）、平衡反応で存在するメタン（ＣＨ４）が含まれている。
ＳＯＦＣの起動時にあたり、排熱回収ボイラ１３からタービン１５への水蒸気が供給されない場合は、モータ・発電機１７のモータ機能を利用して、圧縮機（ブロワ）１６を回転駆動し空気極４ｃに酸化性ガス（空気）を供給する。
【００７５】
次に、本実施形態に係る発電システム１の運転方法について説明する。ＳＯＦＣ４は、燃料極側４ａに燃料ガスを供給し、空気極側４ｃに酸化性ガス（空気）を供給してＳＯＦＣセル１０５にて常圧で発電を行わせる。コークス炉ガスがほぼ常圧で排出されることに合わせてＳＯＦＣ４を常圧運転とすることで、熱回収部６を除いて、発電システム１の系統の圧力を加圧状態にする必要が無く、簡素な発電システムにできる。
【００７６】
燃料ガスには、コークス炉ガスを水蒸気改質して得られたガスを用いる。これにより、燃料コストを抑えることができる。酸化性ガスには、蒸気タービン１４の圧縮機（ブロワ）１６から出る空気を用いる。圧縮機（ブロワ）１６から出る空気は、再生熱交換器２０で空気極４ｃから排出された空気により予熱をされて、空気極側４ｃへ供給できる。空気極４ｃに供給する該空気の圧力は、燃料ガスと略同等であり、常圧である。
【００７７】
（燃料ガス供給）
コークス炉２の炭化室２２に石炭２３を投入し、燃焼室２１の熱で炭化室２２を間接的に加熱する。石炭２３を、還元雰囲気下、高温（１２００℃〜１３００℃）で１４時間〜１８時間蒸し焼き（乾留）して、固定炭素９０％のコークスを製造する。
【００７８】
石炭２３を乾留すると、炭化室２２ではコークス炉ガスが副生成される。コークス炉ガスは、石炭２３に含まれる揮発成分が乾留の過程でガス化したものである。コークス炉ガスは、水素（Ｈ２）およびメタン（ＣＨ４）を多く含む。コークス炉ガスは、他に一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、炭化水素（ＣｎＨｍ：ｎは２以上）、硫黄化合物（Ｈ２Ｓ）等を含む。
【００７９】
コークス炉ガスの代表的な組成を表１に示す。
【表１】
2017041309.tif 000003
【００８０】
図５に、炭化室に石炭を装炭した後のコークス炉ガスの発生量の推移を例示する。同図において縦軸はコークス炉ガス（ＣＯＧ）発生量（Ｎｍ３／ｈ）、横軸は装炭後時間である。図５のコークスの製造条件は、乾留温度約１２００℃、乾留時間約１７時間である。
【００８１】
図５によれば、石炭の投入から乾留完了までの間、コークス炉ガスの発生量は１．５〜２倍程度変動した。コークス炉ガスの発生量は、装炭後０時間で７００Ｎｍ３／ｈ程度、装炭後２時間までに４００Ｎｍ３／ｈ程度に減少し、その後、装炭後１６時間まで４００Ｎｍ３／ｈ程度を維持していた。また、装炭後１６時間から２０時間にかけてコークス炉ガスの発生量は７００Ｎｍ３／ｈ程度まで増加した。
【００８２】
生成されたコークス炉ガスをコークス炉ガス導入部７の乾式脱硫部７ｃに導き、脱硫剤に接触させて高温（７００℃〜８００℃）で脱硫処理する。これによりコークス炉ガスからＨ２Ｓなどの硫黄化合物が分離される。脱硫処理することで、水蒸気改質部３および燃料極１０９に含まれる改質触媒（Ｎｉ）の被毒を防止できる。
【００８３】
次に脱硫処理済みのコークス炉ガスを、水蒸気改質部３へと導く。コークス炉ガスを水蒸気改質部３に導く過程において、冷却による精製処理は行わない。そうすることで、高温（７００℃〜８００℃程度）を維持したままのコークス炉ガスを水蒸気改質部３へと導くことができる。
【００８４】
脱硫処理済みのコークス炉ガスに、改質用の水蒸気を添加する。添加する水蒸気には、ＳＯＦＣ４の燃料極側４ａから排出される排燃料ガスを循環して利用する。排燃料ガスにはＳＯＦＣの発電の際に生成した水蒸気（Ｈ２Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）および発電に寄与しなかった未反応の燃料（Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４）が含まれている。発電システムの稼働初期には一時的に改質用の水蒸気を外部から供給してもよい。
【００８５】
排燃料ガス循環部５において、排燃料ガスから分流させる循環排燃料ガスの流量は、コークス炉で生成されたコークス炉ガスの流量変動に応じて流量調整部により調整される。具体的には、制御手段が計測器または情報処理装置で取得したコークス炉ガス流量変動に基づいて、水蒸気改質部３でのＳ／Ｃが２〜４の設定値、さらに好ましくはＳ／Ｃが２〜３の設定値となるよう流量調整弁５ｂの開度を調整する。
【００８６】
コークス炉ガス流量の調整例を図６に示す。図６において縦軸（右）が排燃料ガスの循環率、縦軸（左）がＳＯＦＣでの燃料利用率、横軸がコークス炉ガス（ＣＯＧ）ガス流量である。図６に示すように、コークス炉ガスの流量が増加した場合には、循環率（排燃料ガス流量に対する循環排燃料ガスの流量の割合）を増やす。これによりコークス炉ガスの流量が変動しても、高いＳ／Ｃを維持できる。その結果、水蒸気改質部３でコークス炉ガスに含まれる芳香族炭化水素（タール分）をより確実にＨ２、ＣＯ、ＣＨ４へ変換できるようになる。
【００８７】
ＳＯＦＣでの発電量は、所定負荷率以上の発電を行うよう運転制御する。すなわち燃料電池の定格出力を１００％負荷とした場合の所定負荷率を９０％負荷以上に設定することで、発電効率の高い燃料電池での発電を優先する。ＳＯＦＣでの発電量が一定である場合、コークス炉ガスの流量が増加し、循環率を上げると、燃料利用率を低下させる。この場合、排燃料ガスに含まれる未反応の燃料の割合は多くなっている。本実施形態では、排燃料ガスから分流させた循環排燃料ガスを除いた残部の排燃料ガスは熱回収部６に導かれ熱回収され、蒸気タービン１４でモータ・発電機１７を回転駆動させて発電電力とする。これにより発電システムの発電効率を高く維持できる。
【００８８】
改質用の水蒸気が添加されたコークス炉ガスを、水蒸気改質部３に導き、水蒸気改質させて燃料ガスを得る。コークス炉ガスに含まれる高次炭化水素や芳香族炭化水素は、水蒸気と反応して一酸化炭素、水素およびメタンとなる。コークス炉ガスに含まれるメタンは水蒸気と反応して一酸化炭素および水素となるが、メタンは一酸化炭素および水素との平衡反応として存在する。メタンはＳＯＦＣ４の燃料極４ａで水蒸気改質反応（内部改質）が行われて、一酸化炭素および水素となりＳＯＦＣの発電に寄与する。
【００８９】
水蒸気改質部３では、式（４）および（５）のような水蒸気改質反応が進み得る。
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ          （４）
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ→（ｍ／２＋ｎ）Ｈ２＋ｎＣＯ          （５）
【００９０】
水蒸気改質部３では、式（６）および（７）のような平衡反応も進み得る。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＣＯ２          （６）
ＣＯ＋３Ｈ２⇔ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ          （７）
【００９１】
水蒸気改質部３は、改質反応に適した温度（８００℃以上）に維持されている。コークス炉ガスが８００℃以上である場合、コークス炉ガスの熱量を利用して水蒸気改質反応を進めることができる。コークス炉ガスの温度が低い場合や改質による吸熱反応で温度が低下する場合には、コークス炉の燃焼室出口付近から分流した炉燃料排ガスを加熱部３ｂに導くことで、炉燃料排ガスの熱量を利用して水蒸気改質部３を適宜加熱する。
【００９２】
コークス炉ガスを水蒸気改質することで、コークス炉ガスが冷却される前にガス中の水素濃度を高めることができる。また、水蒸気改質により粘性が高いタール分の割合を大きく低減できるため、多孔質な燃料極がタールにより閉塞されるのを防止できる。
【００９３】
水蒸気改質されてなる燃料ガスの一部を分流して、コークス炉２の燃焼室に炉燃料として供給することで、コークス炉の外部から供給する炉燃料量を低減させ、さらに加熱を安定化できるのでコークス炉２の製造効率を向上できる。
また燃料ガス供給部８で一部を除かれた燃料ガスの残部は、供給量を制限せずに、直接、ＳＯＦＣ４の燃料極側へと供給することで、ＳＯＦＣ４での出力を優先する。燃料ガス供給部８は、コークス炉ガスの流量が変動した場合であっても、ＳＯＦＣ４の燃料極側への供給量を制限しないで、燃料利用率を制御してＳＯＦＣの発電を所定負荷率以上に制御する。これによりＳＯＦＣ４の発電は定格負荷に近い所定負荷率以上の発電を行うよう運転制御することが可能となり、発電効率の高い燃料電池での発電を優先して、高いシステム性能を維持できる。
【００９４】
燃料ガス供給部８を通る水蒸気改質されてなる燃料ガスは、その一部が炉燃料としてコークス炉の燃焼室２１の炉燃料供給側に導入されてもよい。水蒸気改質されてなる燃料ガスは、組成が安定しておりコークス炉２の加熱を安定化させることができる。
【００９５】
水蒸気改質されてなる燃料ガスを、燃料ガス供給部８を介してＳＯＦＣ４の燃料極側４ａへと供給する。水蒸気改質されてなる燃料ガスの温度は８００℃以上であることが好ましい。
【００９６】
燃料極側４ａへ供給された燃料ガスは、排燃料ガスとしてＳＯＦＣ４の燃料極側４ａから排出される。排燃料ガスには発電に寄与した燃料ガスおよび発電に寄与しなかった燃料ガスが混在している。
【００９７】
排燃料ガスは、一部を排燃料ガス循環部５に、残部を燃焼器１２へと導く。排燃料ガス循環部５に導かれた排燃料ガスは、上述したようにコークス炉ガス導入部７に循環排燃料ガスとして循環される。循環排燃料ガスを除いた排燃料ガスは燃焼器１２に導かれ空気極４ｃから排出された空気と燃焼された後、排熱回収ボイラ１３へ送り、水蒸気を生成してタービン１５を回転させ、この回転によりモータ・発電機１７で発電電力として回収するので、発電システム１は高効率な発電を行うことが出来る。
【００９８】
〔第２実施形態〕
本実施形態に係る発電システムおよびその運転方法は、ＳＯＦＣを高圧で作動させる点が第１実施形態と異なる。第１実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
図７は本実施形態に係る発電システムの概略構成図である。発電システム４０は、コークス炉２、水蒸気改質部３、ＳＯＦＣ４、排燃料ガス循環部５、熱回収部２６および水素回収部２５を備えている。
【００９９】
コークス炉２はコークス炉ガス導入部２７を介して水蒸気改質部３に接続されている。コークス炉ガス導入部２７は、冷却による精製工程を経ずに、炭化室２２から排出されたコークス炉ガスを所定温度が維持された状態で水蒸気改質部３に導入できる。
【０１００】
コークス炉ガス導入部２７は、炭化室２２の排気管２４と水蒸気改質部３とをつなぐ配管（７ａ、７ｂ）、乾式脱硫部７ｃおよび加圧ブロワ７ｄで構成されている。配管（７ａ、７ｂ）および乾式脱硫部７ｃは第１実施形態と同様の構成である。
【０１０１】
加圧ブロワ７ｄは、配管７ｂの途中、排燃料ガス循環部５との接続部分よりも上流側に設けられている。乾式脱硫部で脱硫処理されたコークス炉ガスは、加圧ブロワ７ｄで加圧されて高圧のコークス炉ガスとなる。高圧のコークス炉ガスは、水蒸気改質部３で水蒸気改質されて高圧の燃料ガスとなり、燃料ガス供給部８を介してＳＯＦＣ４の燃料極側４ａに供給される。
【０１０２】
ＳＯＦＣ４は１ＭＰａ〜２ＭＰａの加圧下で運転する。このため、ＳＯＦＣの起電力が上昇してＳＯＦＣ発電量が増加し高効率な発電システムとなる。
【０１０３】
ＳＯＦＣの燃料極側４ａから排出された排燃料ガスは高圧であり、一部が排燃料ガス循環部５に導かれ、残部が燃焼器１２または水素回収部２５に導かれる。
【０１０４】
本実施形態の熱回収部２６は、燃焼器１２、燃焼器１２に接続されているガスタービン２８、ガスタービン２８に接続された排熱回収ボイラ１３、および排熱回収ボイラ１３に接続された蒸気タービン２９で構成されている。ガスタービン２８は圧縮機３０、エキスパンダ３１、および発電機３２で構成されている。蒸気タービンはタービン１５および発電機１７で構成されている。排燃料ガスは高圧であり、排燃料ガス循環部５と水素回収部２５に導かれたものを除いた残部である高圧の排燃料ガスと、空気極４ｃから排出される高圧の空気とを燃焼器１２で燃焼させて、ガスタービンのエキスパンダ３１へ供給して膨張することで回転駆動させる。エキスパンダ３１から排出されたガスは、排熱回収ボイラ１３に送られる。ガスタービンの圧縮機３０から排出された高圧の酸化性ガス（空気）は、再生熱交換器２０を介してＳＯＦＣ４の空気極側に供給される。熱回収部２６は、ガスタービンの発電機３２および蒸気タービンの発電機で発電電力として回収する。このため一層に熱回収がカスケードに行われることで、発電電力を発生する効率が向上し、発電システム４０はさらに高効率な発電を行うことが出来る。
【０１０５】
水素回収部２５には、バルブ３３および熱交換器３４を介して排燃料ガスが導かれ、製品水素を回収する水素回収部２５の下流側にはバルブ３５を備える。水素回収部２５は、排燃料ガスから水素を分離できる。例えば、水素回収部は、圧力スイング吸着方式（ＰＳＡ）や透過膜分離方式による水素分離装置である。水素分離装置を設けることで、ＳＯＦＣで発電に寄与しなかった燃料（Ｈ２）を、製品水素として回収できる。
【０１０６】
発電システム４０は、コークス炉ガスの流量が多い大型のシステムに好適である。
【符号の説明】
【０１０７】
１，４０  発電システム
２  コークス炉
３  水蒸気改質部
４  ＳＯＦＣ（燃料電池）
４ａ  燃料極側、燃料極
４ｂ  固体電解質
４ｃ  空気極側、空気極
５  排燃料ガス循環部
５ａ  循環経路
５ｂ  流量調整弁
５ｃ  循環ブロワ
６，２６  熱回収部
７，２７  コークス炉ガス導入部
７ａ，７ｂ  配管
７ｃ  乾式脱硫部
７ｄ  加圧ブロワ
８  燃料ガス供給部
９  炉燃料導入部
１０  （炉燃料導入部の）流量調整弁
１１，３３，３５  バルブ
１２  燃焼器
１３  排熱回収ボイラ
１４  蒸気タービン
１５  タービン
１６  圧縮機（ブロワ）
１７  モータ・発電機
１８，３４  熱交換器
１９  ポンプ
２０  再生熱交換器
２１  燃焼室
２２  炭化室
２３  石炭
２４  排気管
２５  水素回収部
２８  ガスタービン
２９  蒸気タービン
３０  （ガスタービンの）圧縮機
３１  （ガスタービンの）エキスパンダ
３２  （ガスタービンの）発電機
１０１  セルスタック
１０５  ＳＯＦＣセル（発電セル）
１０７  インターコネクタ
１０９  燃料極
１１１  固体電解質
１１３  空気極
１１５  リード膜
２０１  ＳＯＦＣモジュール
２０３  カートリッジ
２０５  圧力容器
【図１】
2017041309.tif 000004
【図２】
2017041309.tif 000005
【図３】
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【図４】
2017041309.tif 000007
【図５】
2017041309.tif 000008
【図６】
2017041309.tif 000009
【図７】
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