JP2015015100A - ガス化燃料電池複合発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】石炭のような炭化水素燃料を用い、高効率で二酸化炭素の回収が可能なガス化燃料電池複合発電システムを提供する。
【解決手段】炭化水素燃料をガス化するガス化炉１０と、ガス化炉１０で生成された燃料ガス及び酸化剤の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池の燃料ガス系統１４を直列に接続した多段直列接続燃料電池群３０と、多段直列接続燃料電池群３０から発電後に排出される高温の酸化剤を導入して運転される膨張タービン５１を駆動源にして発電する膨張タービン発電部５０と、を備えたガス化燃料電池複合発電システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえば石炭をガス化した燃料を用いる石炭ガス化燃料電池複合発電システム（ＩＧＦＣ；Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle）のように、ガス化炉でガス化した燃料ガスを用いた燃料電池を含んで複合発電を行うガス化燃料電池複合発電システムに関する。

従来、下記の特許文献１に開示されているように、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣ）のような燃料電池と、石炭等をガス化して燃料ガスを生成するガス化プラントとを組み合わせた複合発電設備が知られている。この従来技術において、ＳＯＦＣは、石炭をガス化する石炭ガス化炉から燃料となる石炭ガス化ガス（燃料ガス）を導入して発電する。さらに、この従来技術では、ＳＯＦＣの排気ガス（未燃の燃料ガス）を燃焼させて得られる高温の燃焼ガスにより運転されるガスタービンを設け、このガスタービンにより発電機を駆動する発電と、ガスタービンで仕事をした後の燃焼排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する排熱回収ボイラを設置し、この蒸気により運転される蒸気タービンを発電機の駆動源とする発電とが組み合わされている。

また、従来の燃料電池複合発電システムにおいては、下記の特許文献２に開示されているように、全体として高効率の発電を可能にするため、ＳＯＦＣのような燃料電池を直列に接続するとともに、燃料電池間に水分回収装置を設けた構成が知られている。

特開平４−３２１７０４号公報 特開２００４−１９９９７９号公報

ところで、次世代の石炭発電技術においては、二酸化炭素（ＣＯ_２）の回収ニーズが見込まれており、たとえば欧州における炭素回収貯蔵（ＣＣＳ）指令（２００９年公布）のように、将来の義務化を目指す動きもある。
このような背景から、石炭のような炭化水素燃料を用い、二酸化炭素の回収とともに高効率の発電を可能にした複合発電システムの開発が望まれる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、たとえば石炭のような炭化水素燃料を用い、高効率で二酸化炭素の回収が可能なガス化燃料電池複合発電システムを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るガス化燃料電池複合発電システムは、炭化水素燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化炉で生成された燃料ガス及び酸化剤の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池の燃料ガス系統を直列に接続した多段直列接続燃料電池群または該多段直列接続燃料電池群を並列に接続した燃料電池群ユニットと、前記燃料電池群ユニットから発電後に排出される高温の酸化剤を導入して運転される膨張タービンを駆動源にして発電する膨張タービン発電部と、を備えていることを特徴とするものである。

このようなガス化燃料電池複合発電システムによれば、炭化水素燃料をガス化するガス化炉と、前記ガス化炉で生成された燃料ガス及び酸化剤の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池の燃料ガス系統を直列に接続した多段直列接続燃料電池群または該多段直列接続燃料電池群を並列に接続した燃料電池群ユニットを備えているので、この燃料電池群ユニットでは、供給された燃料ガスの全量または略全量を消費して発電することができるようになる。その際、燃料電池の電気化学反応により、燃料ガスは二酸化炭素または水となる。従って、発電後に排出される排燃料ガス中から略全量の二酸化炭素を容易に回収することが可能になる。
一方、上述したガス化燃料電池複合発電システムは、燃料電池群ユニットにおいて全量または略全量の燃料を消費するため、ガスタービンは適用しない。燃料電池群ユニットから発電後に排出される高温の酸化剤を導入して運転される膨張タービンを備え、この膨張タービンを駆動源にして発電する膨張タービン発電部を採用することにより、多段直列接続燃料電池群から排出される空気の排熱を利用した発電が可能となる。・・・「膨張タービン発電部」は請求項対応の用語であり、膨張タービンや発電機を含む構成を意味しているつもりです。

上記の発明においては、前記膨張タービンにより駆動され、前記燃料電池に酸化剤を供給する圧縮機を備えていることが好ましく、これにより、燃料電池群ユニットの各燃料電池に供給する酸化剤として、膨張タービン出力の一部を利用して駆動される圧縮機により圧縮された酸化剤の使用が可能となる。すなわち、燃料電池群ユニットの各燃料電池に酸化剤を供給する圧縮機用として、電動機等の専用駆動源を新たに設ける必要はない。

上記の発明において、前記燃料電池群ユニットの燃料ガス系統から発電後に排出される排燃料ガスを導入し、前記排燃料ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部を備えていることが好ましく、これにより、発電後に燃料電池群ユニットから排出される排燃料ガス中の二酸化炭素を略全量回収することができる。
なお、二酸化炭素回収部は、排燃料ガスを冷却する冷却部と、冷却後の排燃料ガスを圧縮する圧縮部とを具備して構成される。

上記の発明において、前記圧縮機から前記燃料電池に供給する酸化剤と、前記膨張タービンの運転後に排出される出口排気とを熱交換させる再生熱交換器を備えていることが好ましく、これにより、膨張タービン出口排気を燃料電池に供給する酸化剤の加熱再生に利用して排熱損失を低減することができる。

上記の発明において、前記燃料電池群ユニットへ前記圧縮機から酸化剤を供給する酸化剤供給系統は、各燃料電池へ並列接続されていることが好ましく、これにより、各段の燃料電池へ酸化剤を略均等に分配して等圧動作させることができる。なお、並列接続する酸化剤供給系統の分岐位置は、再生熱交換器の後流側とすることが望ましい。

上記の発明において、前記燃料電池群ユニットへ前記圧縮機から酸化剤を供給する酸化剤供給系統は、中間冷却器を介した複数の圧縮機による多段圧縮を行って酸化剤を供給するとともに、前記燃料電池及び前記膨張タービンが交互に直列接続されていることが好ましく、これにより、前段側燃料電池の動作圧力を後段側燃料電池より上げることが可能となり、動作圧力範囲を拡大することができる。この場合、最も前段側の燃料電池から排出される高温空気で最も後段（高圧）側の圧縮機と同軸の膨張タービンを運転し、最も後段側の燃料電池から排出される高温空気で最も前段（低圧）側の圧縮機と同軸の膨張タービンを運転するとともに、最も後段側となる圧縮機の下流に配置された再生熱交換器に対して、最も前段側の圧縮機と同軸の膨張タービンから排出される出口排気を供給することが望ましい。

上記の発明において、前記二酸化炭素回収部は、再熱蒸気サイクルを構成するとともに前記排燃料ガス系統に直列接続された高温側冷却器及び低温側冷却器を備え、前記再熱蒸気サイクルは、前記低温側冷却器を予熱器とし、かつ、前記ガス化炉の生成ガス冷却器を蒸発器として生成した蒸気で高圧蒸気タービンを駆動し、さらに、前記高温側冷却器を再熱器とし、前記高圧蒸気タービンから排出された蒸気を昇温させて低圧蒸気タービンを駆動した後、復水させて前記低温側冷却器に戻すように構成されていることが好ましく、これにより、蒸気系統の熱源として二酸化炭素回収部の高温側冷却器及び低温側冷却器と、ガス化炉の生成ガス冷却器とを有効利用することができる。

上述した本発明のガス化燃料電池複合発電システムによれば、石炭等の炭化水素燃料を用い、発電後に発生する二酸化炭素の回収とともに、高効率の複合発電が可能になる。
すなわち、燃料電池群ユニットは、供給された燃料ガスの全量または略全量を消費して発電し、しかも、燃料電池の電気化学反応により燃料ガスは二酸化炭素または水となるため、発電後に排出される排燃料ガス中から略全量の二酸化炭素を容易に回収することができる。さらに、膨張タービン発電部は、燃料電池群ユニットから発電後に排出される高温の酸化剤を導入して膨張タービンが運転されるので、燃料電池群ユニットから排出される酸化剤の排熱を利用した発電が可能となる。

本発明に係るガス化燃料電池複合発電システムの一実施形態を示す概略構成図（系統図）である。 図１に示すガス化燃料電池複合発電システムの燃料電池群ユニット（多段直列接続燃料電池群）及び膨張タービン発電部について、周辺構造（系統）例を詳細に示す系統図である。 常温常圧の空気を使用流体としたブレイトンサイクル熱効率について、圧縮比を横軸にして示す図である。 燃料電池群ユニット（多段直列接続燃料電池群）への酸化剤供給系統について、第１実施例（並列接続・等圧動作）を示す要部系統図である。 燃料電池群ユニット（多段直列接続燃料電池群）への酸化剤供給系統について、第２実施例（直列接続・変圧動作）を示す要部系統図である。 第１実施例（図４）及び第２実施例（図５）に関するＴ−Ｓ線図である。

以下、本発明に係るガス化燃料電池複合発電システムの一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態のガス化燃料電池複合発電システムは、石炭をガス化した燃料を用いる石炭ガス化燃料電池複合発電システムであり、ガス化炉でガス化した燃料ガスを用いた燃料電池を含んで複合発電を行うように構成された複合発電システムである。

すなわち、図１に示す石炭ガス化燃料電池複合発電システム（以下、「ＩＧＦＣ」と呼ぶ）１は、炭化水素燃料の石炭をガス化するガス化炉１０と、ガス化炉１０で生成された燃料ガス（石炭ガス化ガス）及び酸化剤（たとえば、空気あるいは酸素富化空気）の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料ガス系統を直列に接続したカスケードＳＯＦＣ（多段直列接続燃料電池群）３０と、カスケードＳＯＦＣ３０から発電後に排出される高温の酸化剤を導入して運転される膨張タービン５１を駆動源にして発電する膨張タービン発電部５０と、を備えている。
また、本実施形態では、以下に説明するカスケードＳＯＦＣ３０を備えた構成のＩＧＦＣ１とするが、複数のカスケードＳＯＦＣ３０を並列に接続した構成（不図示）を採用した場合にも適用可能であり、カスケードＳＯＦＣ３０及びこれを並列接続した構成の燃料電池群を総称して燃料電池群ユニットと呼ぶ。

図示のガス化炉１０は、カスケードＳＯＦＣ３０へ供給する燃料ガスへの窒素流入を防止するため、酸素吹きガス化炉を採用しているが、これに限定されることはなく、たとえば酸素富化空気吹きあるいは空気吹きのガス化炉としてもよい。また、以下の説明では、カスケードＳＯＦＣ３０に供給する酸化剤として空気を使用しているが、これに限定されることはない。
ガス化炉１０で生成された燃料ガスは、給水系統１１を介して給水（冷却水）が供給されているガス化炉生成ガス冷却器（以下、「ＳＧＣ」と呼ぶ）１２を通過する。このＳＧＣ１２では、燃料ガスが給水との熱交換により冷却される。ＳＧＣ１２で冷却された燃料ガスは、燃料ガス系統１４によってガス精製部２０へ導かれ、必要な処理が施された後にカスケードＳＯＦＣ３０へ供給される。また、燃料ガスを冷却した給水は、蒸気となってＳＧＣ蒸気系統１３へ流出する。なお、ガス精製部２０で施されるガス精製処理には、たとえば脱塵処理や脱硫処理等がある。

カスケードＳＯＦＣ３０は、たとえば図４に示すように、複数あるＳＯＦＣ３１の燃料ガス系統１４を直列に接続した構成とされる。図４に示す構成例では、１段目ＳＯＦＣ３１ａ及び２段目ＳＯＦＣ３１ｂよりなる２組のＳＯＦＣ３１を直列に接続しているが、これに限定されることはなく、たとえば３段以上のＳＯＦＣ３１を直列に接続してもよい。

このようなカスケードＳＯＦＣ３０の採用は、全ての燃料ガス消費を目的とするものであり、後述する二酸化炭素回収部４０において、発電後の排燃料ガスから二酸化炭素の全量回収を可能にするものである。すなわち、燃料ガス系統１４を直列に接続したカスケードＳＯＦＣ３０においては、各段のＳＯＦＣ３１で燃料ガスを段階的に使用する発電を行うので、最終的に排出される排燃料ガス中には、燃料ガスの成分がほとんど含まれない状態となる。換言すれば、カスケードＳＯＦＣ３０の採用により、２段の場合９５％、３段の場合９９％となり、略９５％以上と高い燃料利用率を達成できる。

具体的に説明すると、各段のＳＯＦＣ３１では、ガス化炉１０から供給される燃料ガスと、後述する圧縮機５２から空気（酸化剤）供給系統３２を介して供給される空気とを用いて、電気化学反応による発電がおこなわれる。すなわち、一酸化炭素と酸素との反応により二酸化炭素が生成され、水素と酸素との反応により水が生成され、さらに、メタンと酸素との反応により水及び二酸化炭素が生成される。このとき、上段側のＳＯＦＣ３１からは、電気化学反応により二酸化炭素と水とが生成されるとともに、未反応（未使用）の燃料ガス及び高温の空気も排出される。
こうして排出される燃料ガスは、燃料ガス系統を直列に接続した次段のＳＯＦＣ３１に導かれて順次発電に使用されるため、最終段のＳＯＦＣ３１から排出される排燃料ガスは燃料ガス成分が略全量使用された状態となる。なお、図中の符号３３は、最終段のＳＯＦＣ３１から排出される高温の空気を膨張タービン発電部５０へ導く空気（酸化剤）排出系統である。

二酸化炭素回収部４０は、排燃料ガス系統１６を介してカスケードＳＯＦＣ３０の燃料ガス系統１４から発電後に排出される排燃料ガスを導入し、排燃料ガス中の二酸化炭素を回収する設備である。この二酸化炭素回収部４０は、実質的に二酸化炭素ガス及び蒸気が主成分の排燃料ガスを冷却する二酸化炭素冷却器（冷却部）４１と、冷却後の排燃料ガスを圧縮する二酸化炭素圧縮機（圧縮部）４２とを具備して構成される。なお、二酸化炭素冷却器４１で冷却された排燃料ガス中の蒸気は、凝縮水がドレンとして回収されて系外へ排出される。
このように、カスケードＳＯＦＣ３０から排出された排燃料ガスを二酸化炭素回収部４０に導入すれば、圧縮後の二酸化炭素ガスは、公知の手段により略全量を容易に回収することができる。

膨張タービン発電部５０は、カスケードＳＯＦＣ３０から排出される高温の空気を導入して運転される膨張タービン５１と、この膨張タービン５１により駆動され、カスケードＳＯＦＣ３０に大気中等から空気を供給する圧縮機５２とを備えている。さらに、図示の膨張タービン発電部５０は、膨張タービン５１により駆動される発電機５３を備えている。
このため、膨張タービン発電部５０は、膨張タービン５１による発電を行うとともに、カスケードＳＯＦＣ３０の各ＳＯＦＣ３１に対して空気の供給が可能になる。

すなわち、膨張タービン５１の出力を一部利用して駆動される圧縮機５２は、吸気系統５４を介して導入した空気を圧縮し、カスケードＳＯＦＣ３０に空気を供給するための圧縮機用として、たとえば電動機のような専用の圧縮機駆動源を新たに設けなくても運転可能となる。
膨張タービン５１に供給される高温の空気（排空気）は、ガスタービンの運転に用いられる高温の燃焼ガス温度（１５００℃程度）と比較すると、燃焼器を使用しない構成のため、たとえば６００℃程度とかなり低い温度になる。このような排空気の温度は、すなわち膨張タービン５１の入口空気温度は、空気流量により調整可能であり、カスケードＳＯＦＣ３０の出口温度と同等である。

膨張タービン発電部５０で仕事をした高温の空気は、すなわち膨張タービン５１の運転後に排出される出口排気は、蒸気生成可能な出口温度を確保できる場合、排気系統５５を通って排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）７０に導かれる。この出口排気は、排熱回収ボイラ７０において給水を加熱して蒸気を生成する熱源として使用される。
なお、排熱回収ボイラ７０で蒸気の生成に使用された出口排気は、たとえば排気系統７１を通って煙突７２から大気へと放出される。

一方、排熱回収ボイラ７０で生成された蒸気は、ＨＲＳＧ蒸気系統７３を通って蒸気タービン８０に供給される。また、ＳＧＣ１２で燃料ガスを冷却して生成された蒸気についても、ＳＧＣ蒸気系統１３を通って二酸化炭素冷却器４１に供給され、排燃料ガスの冷却に使用されて温度上昇した後、排熱回収ボイラ７０及び二酸化炭素冷却器４１から供給される蒸気と合流して蒸気タービン８０の運転に使用される。この蒸気タービン８０は、発電機８１を運転する駆動源となる。

ところで、膨張タービン５１は、図３に示すように、空気排出系統３３を流れる空気の絶対温度Ｔｐと、吸気系統５４から導入する空気の絶対温度Ｔａとの温度比（Ｔｐ／Ｔａ）によって、最も効率的な動作圧力帯が定まる。
圧縮機５２によりカスケードＳＯＦＣ３０の動作圧力（たとえば０．３ＭＰａ程度）まで空気（外気）を加圧する場合、圧縮機出口の空気温度は１５０〜２００℃程度である。カスケードＳＯＦＣ３０に供給される空気の入口温度が低ければ、空気単位流量当りの冷却熱量が増加するため、空気流量は減少する。しかし、カスケードＳＯＦＣ３０の酸化剤利用率（酸化剤中の酸素が電気化学反応に使用される割合）が増加し、ＳＯＦＣ運転の負荷となるだけでなく、カスケードＳＯＦＣ３０の入口と出口で流量差が大ききなるため、膨張タービン５１の仕事に対する圧縮機５２の仕事が増加する。
そこで、本実施形態では、膨張タービン５１の出口排気を用いて加熱し、圧縮機５２の出口空気を再生させる。

図２は、カスケードＳＯＦＣ３０の周辺系統を示す図であり、膨張タービン発電部５０の圧縮機５２からカスケードＳＯＦＣ３０に空気を供給する空気供給系統３２Ａに再生熱交換器３４を備えている。この再生熱交換器３４は、空気供給系統３２Ａを流れる空気と、膨張タービン５１の運転後に排出されて灰器系統５５Ａを通る出口排気とを熱交換させることにより、カスケードＳＯＦＣ３０に供給する空気を加熱する熱交換器である。
すなわち、図示の再生熱交換器３４は、膨張タービン５１の出口排気をカスケードＳＯＦＣ３０に供給することで、出口排気を空気の加熱再生に利用して排熱損失を低減することができる。換言すれば、再生熱交換器３４を通過して排出される空気の排熱損失が減少するため効率が向上し、さらに、ＳＯＦＣの酸化剤利用率が低下するため、カスケードＳＯＦＣ３０への負荷を低減できる。

また、上述したＩＧＦＣ１の二酸化炭素回収部４０は、たとえば図２に示すように、ＳＧＣ蒸気系統１３Ａに接続して形成された閉回路の再熱蒸気サイクルを備えている。
この再熱蒸気サイクルには、排燃料ガス系統１６に直列接続された高温側冷却器４１Ｈ及び低温側冷却器４１Ｌが設けられている。また、この再熱蒸気サイクルは、低温側冷却器４１Ｌを予熱器とし、かつ、ガス化炉１０のＳＧＣ１２を蒸発器として生成した蒸気で高圧蒸気タービン４３を駆動し、さらに、高圧側冷却器４１Ｈを再熱器とし、高圧蒸気タービン４３から排出された蒸気を昇温させて低圧蒸気タービン４４を駆動した後、この蒸気を復水器４５で復水させてポンプ４６により低温側冷却器４１Ｌ及びＳＧＣ１２へ戻すように構成されている。

このような再熱蒸気サイクルを設けたことにより、ＳＧＣ蒸気系統１３Ａの蒸気を加熱する熱源として、二酸化炭素回収部４０を構成する高温側冷却器４１Ｈ及び低温側冷却器４１Ｌと、ガス化炉１０のＳＧＣ１２とを有効に利用することができる。
上述した本実施形態によれば、二酸化炭素回収型としたＩＧＦＣ１が有するシステムの特徴、すなわちカスケードＳＯＦＣ３０で燃焼ガスを全量消費するという特徴に対応して適正化された系統を用いることで、複合発電システム全体としての発電効率を向上させることができる。

また、上述したＩＧＦＣ１において、カスケードＳＯＦＣ３０へ圧縮機５２から空気を供給する空気供給系統は、たとえば図４に示す第１実施例（具体例）のように、１段目ＳＯＦＣ３１ａ及び２段目ＳＯＦＣ３１ｂへ並列接続された構成を採用できる。
すなわち、第１実施例の空気供給系統３２Ｂは、再生熱交換器３４の下流側において空気供給系統３２ａ，３２ｂに分岐し、各々が１段目ＳＯＦＣ３１ａ及び２段目ＳＯＦＣ３１ｂに接続される。また、空気排出系統３３Ａについても、１段目ＳＯＦＣ３１ａ及び２段目ＳＯＦＣ３１ｂに接続された空気排出系統３３ａ，３３ｂが膨張タービン５１の上流側で合流している。
なお、図示のカスケードＳＯＦＣ３０において、図中の符号３６は、１段目ＳＯＦＣ３１ａから排出された燃料ガス（排燃料ガス）中の水分を除去する水分回収装置である。

このように、各ＳＯＦＣ３１へ並列接続された空気供給系統３２Ｂは、各段のＳＯＦＣ３１へ空気を略均等に分配して等圧動作させることができる。すなわち、図４に示す第１実施例は、並列接続・等圧動作の空気供給系統３２Ｂとなる。
なお、空気供給系統３２Ｂが空気供給系統３２ａ，３２ｂに分岐する位置については、再生熱交換器３４の後流側とすることで熱交換器を共用することが望ましいのであるが、特に限定されるものではない。

また、カスケードＳＯＦＣ３０へ圧縮機５２から空気を供給する空気供給系統は、たとえば図５に示す第２実施例（具体例）のように、直列接続・変圧動作の空気供給系統３２Ｃとしてもよい。
第２実施例の空気供給系統３２Ｃは、中間冷却器３５を介した複数の圧縮機５２，５２Ａによる多段圧縮を行って空気を供給する。さらに、各段のＳＯＦＣ３１及び膨張タービン５１，５１Ａは、１段目ＳＯＦＣ３１ａ、膨張タービン５１Ａ、２段目ＳＯＦＣ３１ｂ及び膨張タービン５１の順に、交互に直列接続されている。また、１段目ＳＯＦＣ３１ａと２段目ＳＯＦＣ３１ｂとの間には、上流側から順に燃料ガス（排燃料ガス）の減圧装置３７及び水分回収装置３６が設けられている。

具体的に説明すると、膨張タービン５１で駆動される圧縮機５２の他に、膨張タービン５１Ａで駆動される圧縮機５２Ａが設けられている。
そして、最も前段側となる１段目ＳＯＦＣ３１ａから排出される高温空気により、最も後段（高圧）側となる圧縮機５２Ａと同軸の膨張タービン５１Ａを運転し、最も後段側となる２段目ＳＯＦＣ３１ｂから排出される高温空気により、最も前段（低圧）側となる圧縮機５２と同軸の膨張タービン５１を運転する。
さらに、最も後段側となる圧縮機５２Ａの下流に配置されている再生熱交換器３４に対して、最も前段側の圧縮機５２と同軸の膨張タービン５１から排出される出口排気を供給する。

このような直列接続の空気供給系統３２Ｃは、前段側となる１段目ＳＯＦＣ３１ａの動作圧力を後段側となる２段目ＳＯＦＣ３１ｂより上げることが可能になるので、カスケードＳＯＦＣ３０Ａの動作圧力範囲を拡大することができる。
なお、カスケードＳＯＦＣ３０Ａが３段以上のＳＯＦＣ３１を直列に接続している場合には、最も前段側のＳＯＦＣ３１ａから排出される高温空気で最も後段（高圧）側の圧縮機５２Ａと同軸の膨張タービンを運転することは同じであるが、最も後段側のＳＯＦＣ３１は最終段となる。

上述した空気（酸化剤）供給系統の第１実施例及び第２実施例について、そのＴ−Ｓ線図を図６に示す。図６において、第１実施例の並列単段空気圧縮を破線で表示し、第２実施例の直列多段空気圧縮を実線で表示する。
このＴ−Ｓ線図によれば、実線表示の直列多段圧縮を採用することにより、線図に囲まれた面積が拡大している。このため、第１実施例の並列単段圧縮と比較して、第２実施例に示した直列多段圧縮のサイクル熱効率が優れている。

上述した実施形態及び空気（酸化剤）供給系統に関する第１実施例及び第２実施例は、蒸気系統の熱源に二酸化炭素冷却器４１等が存在することに伴う系統の見直しを行い、かつ、燃焼器を用いないことに伴う膨張タービン周辺の系統についても見直しを行ったことにより、効率的なＳＯＦＣ排熱の回収を実現している。試算によれば、上述した二酸化炭素回収型のＩＧＦＣ１は、たとえば酸素吹きの石炭ガス化炉とカスケードＳＯＦＣとを組み合わせた場合、送電端効率５５％（ＬＨＶ）以上が見込まれ、二酸化炭素回収型発電のＯ_２／ＣＯ_２燃焼ボイラの送電端効率３４％や、石炭ガス化Ｏ_２／ＣＯ_２燃焼ガスタービンの送電炭効率４４％等に対して、極めて高い発電効率が期待できる。

ところで、上述した実施形態では、ガス化する炭化水素燃料として石炭を使用していたが、たとえば間伐材、廃材木、流木、草類、廃棄物、汚泥、タイヤ等のバイオマス燃料など、他の炭化水素燃料をガス化する場合にも適用可能である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、たとえばＳＯＦＣ以外の高温・高圧燃料電池にも適用可能であるなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 石炭ガス化燃料電池複合発電システム（ＩＧＦＣ）
１０ ガス化炉
１１ 給水系統
１２ ガス化炉生成ガス冷却器（ＳＧＣ）
１３，１３Ａ ＳＧＣ蒸気系統
１４ 燃料ガス系統
１６ 排燃料ガス系統
２０ ガス精製部
３０ カスケードＳＯＦＣ（多段直列接続燃料電池群）
３１ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
３２，３２Ａ〜３２Ｃ 空気供給系統
３３，３３Ａ 空気排出系統
３４ 再生熱交換器
４０ 二酸化炭素回収部
４１ 二酸化炭素冷却器（冷却部）
４１Ｈ 高温側冷却器
４１Ｌ 低温側冷却器
４２ 二酸化炭素圧縮機（圧縮部）
４３ 高圧蒸気タービン
４４ 低圧蒸気タービン
５０ 膨張タービン発電部
５１ 膨張タービン
５２ 圧縮機
５３ 発電機
５４ 吸気系統
５５，５５Ａ 排気系統
７０ 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）
７１ 排気系統
７２ 煙突
７３ ＨＲＳＧ蒸気系統
８０ 蒸気タービン
８１ 発電機

Claims (7)

1. 炭化水素燃料をガス化するガス化炉と、
   前記ガス化炉で生成された燃料ガス及び酸化剤の供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電する燃料電池の燃料ガス系統を直列に接続した多段直列接続燃料電池群または該多段直列接続燃料電池群を並列に接続した燃料電池群ユニットと、
   前記燃料電池群ユニットから発電後に排出される高温の酸化剤を導入して運転される膨張タービンを駆動源にして発電する膨張タービン発電部と、
   を備えていることを特徴とするガス化燃料電池複合発電システム。
2. 前記膨張タービンにより駆動され、前記燃料電池に酸化剤を供給する圧縮機を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガス化燃料電池複合発電システム。
3. 前記燃料電池群ユニットの燃料ガス系統から発電後に排出される排燃料ガスを導入し、前記排燃料ガス中の二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス化燃料電池複合発電システム。
4. 前記圧縮機から前記燃料電池に供給する酸化剤と、前記膨張タービンの運転後に排出される出口排気とを熱交換させる再生熱交換器を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載のガス化燃料電池複合発電システム。
5. 前記燃料電池群ユニットへ前記圧縮機から酸化剤を供給する酸化剤供給系統は、各燃料電池へ並列接続されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のガス化燃料電池複合発電システム。
6. 前記燃料電池群ユニットへ前記圧縮機から酸化剤を供給する酸化剤供給系統は、中間冷却器を介した複数の圧縮機による多段圧縮を行って酸化剤を供給するとともに、前記燃料電池及び前記膨張タービンが交互に直列接続されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のガス化燃料電池複合発電システム。
7. 前記二酸化炭素回収部は、再熱蒸気サイクルを構成するとともに前記排燃料ガス系統に直列接続された高温側冷却器及び低温側冷却器を備え、
   前記再熱蒸気サイクルは、前記低温側冷却器を予熱器とし、かつ、前記ガス化炉の生成ガス冷却器を蒸発器として生成した蒸気で高圧蒸気タービンを駆動し、さらに、前記高温圧側冷却器を再熱器とし、前記高圧蒸気タービンから排出された蒸気を昇温させて低圧蒸気タービンを駆動した後、復水させて前記低温側冷却器に戻すように構成されていることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載のガス化燃料電池複合発電システム。
   

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