統合ガス化燃料電池サイクル

プロトン交換膜燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池などの低温燃料電池タイプは、燃料として純粋な水素を必要とし、これは通常、天然ガスの外部改質から生成される。しかし、固体酸化物形燃料電池（SOFC）などの高温で動作する燃料電池は、一酸化炭素や二酸化炭素によって汚染されず、実際、内部シフトおよび改質機能により、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、蒸気、およびメタンの混合物を燃料として直接受け入れることができる。^{[1]これにより、}石炭やバイオマスなどの固体燃料を消費する効率的な燃料電池ベースの発電サイクルの可能性が開かれ、ガス化により主に水素、一酸化炭素、メタンを含む合成ガスが生成され、これを洗浄してSOFCに直接供給することができ、純粋な水素を燃料として分離するために必要なメタン改質、水性ガスシフト、および水素分離操作の追加コストと複雑さがなくなる。固体燃料とSOFCのガス化に基づく発電サイクルは、統合型ガス化燃料電池（IGFC）サイクルと呼ばれている。 IGFC発電所は統合型ガス化複合サイクル発電所に類似していますが、ガスタービン発電ユニットが燃料電池（SOFCなどの高温型）発電ユニットに置き換えられています。^[2] SOFCの本質的に高いエネルギー効率とプロセス統合を利用することで、非常に高い発電所効率が可能になります。さらに、IGFCサイクルのSOFCは、二酸化炭素を多く含む陽極排気流を隔離するように動作できるため、効率的な炭素回収が可能になり、石炭ベースの発電による温室効果ガス排出の懸念に対処できます。

IGFC システムは、ガスタービンまたは熱回収蒸気発生器ベースのボトミング サイクルに、SOFC をトッピング サイクルとして使用することを組み合わせたものです。大気圧で稼働する SOFC モジュールを中心とした IGFC システムの一般的な主要コンポーネントは、簡略化されたサイクル図に示されています。

図に示されているシステム燃料は石炭であり、ガス化装置によって合成ガスに変換され、クリーンアップと圧力低下の後に SOFC モジュールに供給されます。このシステム コンセプトでは、合成ガスの圧力低下ステップはエキスパンダー/ジェネレーターによって実行され、これによってサイクルの総発電量の一部が生成されます。石炭ガス化プロセス用の酸素は従来の空気分離ユニットによって供給され、ガス化装置用の蒸気は電力システムの熱とリサイクル水によって生成されます。SOFC モジュールは、アノードとカソードのオフガス ストリームを分離したままにするように構成されており、電気化学的に未反応の水素と一酸化炭素を含むアノード オフガスは酸素燃焼器で完全に燃焼されることに注意してください。オフガス ストリームの分離を維持することで、大気中の窒素含有量がカソード側に制限され、CO ₂回収プロセスがアノード オフガスの冷却、水蒸気の凝縮、CO ₂乾燥、および CO ₂圧縮に簡素化されます。圧縮 CO2_{は、必要に応じて}炭素利用または貯蔵(CUS)に適しています。アノード側プロセスから回収された熱は、熱回収蒸気発生器と蒸気タービンで構成される発電ボトミング サイクルで使用できます。カソード側では、SOFC 電気化学プロセスおよびモジュール冷却用のプロセス空気が送風機によって供給されます。熱は、熱カソードのオフガス ストリームから回収され、必要に応じてプロセス空気を予熱し、追加の電力を生成することができます。本質的に効率的な SOFC と、回収された SOFC の排熱を使用して追加の電力を生成することにより、IGFC システムは、従来の微粉炭および統合ガス化複合サイクル発電システムに関連する効率を大幅に上回る高い電力効率で動作できます。米国エネルギー省の国立エネルギー技術研究所による先進的な発電システムの比較研究に基づいて達成可能と考えられる IGFC の効率マージンは、以降の説明で示す表に示されています。

IGFC サイクルの効率は、加圧 SOFC サイクルを備えた IGFC の図に示されているように、SOFC を加圧して動作させることで向上できます。プロセスは基本的に大気圧サイクルに似ていますが、SOFC モジュールを高圧で動作させて SOFC 電圧をブーストし、カソード側のプロセス空気ブロワーを空気圧縮機に置き換えます。また、ガス圧力を下げて追加の電力を生成するために、カソードオフガスストリームにエキスパンダー/ジェネレーターを設置します (これによりガスの温度が大幅に低下する傾向があるため、蒸気タービンを稼働させるための蒸気生成は実行可能なオプションではありません)。オプションで、エキスパンダー/ジェネレーター セットを、酸素燃焼器のすぐ下流で、オフガス熱回収の前にあるアノードオフガスストリームに配置することもできます。

石炭、石油コークス、バイオマスのガス化用に、複数のタイプの固体燃料ガス化装置が市販されています。設計は燃料と用途によって異なります。その結果、生成される合成ガスの組成や、石炭エネルギー含有量を合成ガスエネルギー含有量に変換する効率（通常、冷ガス効率と呼ばれる性能パラメータ）が異なる場合があります。^[3]ガス化装置は、プロセス温度、圧力、酸素と蒸気の需要など、主な動作パラメータも異なります。石炭ガス化とSOFC技術の統合に基づく電力システムの場合、これらのパラメータ、特に冷ガス効率と酸素と蒸気の需要が電力生産効率に影響します。

ガス化炉には、エントレインドフロー、移動床、流動床の 3 つの主なタイプがあります。^[4] エントレインドフローガス化炉 (GE Energy、Shell、E-Gas™、Siemens など) は比較的よく開発されており、現在の統合ガス化複合サイクル発電システムの設計とアプリケーションで使用されているため、燃料電池発電システムのアプリケーションで早期に関心を集める可能性があります。エントレインドフローガス化は、通常、比較的高いプロセス温度で進行し、比較的高い速度での酸素入力、低～中速度での蒸気入力を必要とし、通常 1% (vol) 未満の非常に少ないメタン含有量の合成ガス製品を生成します。エントレインドフローガス化の冷ガス効率は通常 80% の範囲です。移動床ガス化炉 (Lurgi など) は、中程度の温度レベルで、中程度の酸素および蒸気供給要件で動作します。このガス化炉で達成される冷ガス効率は約 90% と高く、その合成ガス製品ストリームのメタン含有量は名目上 4～5% (vol) の範囲になります。^[5]流動床ガス化（例：KBRトランスポート）も同様の特性で進行しますが、合成ガスのメタン含有量はやや低く、通常は2～3％（体積）の範囲になります。^[6]

SOFC ベースの IGFC 発電システムにとって特に興味深いのは、得られる合成ガスのメタン含有量が特徴的に高い触媒石炭ガス化です。このプロセスは、1980 年代に合成天然ガス生産の目的で開発されました。上で要約した従来のガス化と比較すると、触媒ガス化装置は酸素入力が少なくて済み、より低いプロセス温度で稼働し、水素と一酸化炭素に加えて、より高いメタン濃度 [15～30% (vol)] の合成ガス流を生成します。^[7]触媒ガス化は動作温度が低いため、少なくとも 90% という比較的高い冷ガス効率が予測されており、この特徴とプロセスで必要な酸素入力が少ないことが、高効率の IGFC 発電システムの運用を直接サポートします。さらに、SOFC モジュール内の合成ガスのメタン含有量が多い内部改質は、モジュールの冷却を補助するために設計的に使用でき、冷却空気供給に関連する寄生電力需要の削減につながります。 IGFC システムの SOFC 発電モジュールは、利用可能な従来の石炭ガス化装置のいずれかから供給される合成ガスで燃料を供給される可能性があり、研究によると、電力システムが大気圧または加圧 SOFC モジュールを使用するかどうかに応じて、45 ～ 50% の範囲の電力システムの電気効率が達成可能であることが示されています。ただし、特に効率の観点から、このアプリケーションに適した石炭ガス化アプローチは触媒です。この技術を使用すると、IGFC システムの効率は 56 ～ 60% の範囲になると予測されますが、これも SOFC モジュールの加圧によって異なります。推定値と比較を以下の表に示します。

_{† 効率推定には、炭素隔離/貯蔵のためのCO2}圧縮による寄生電力負荷の影響が含まれます。

^{研究[2] [9]}では、高い発電システム効率に加えて、IGFCシステム発電所の資本コスト、電気コスト、および純水使用量の大幅な削減も予測しています。触媒石炭ガス化と、アノードとカソードのオフガスストリームを分離し、メタン改質を強化したSOFC冷却を特徴とするSOFCモジュール設計を統合したIGFC電力システムは、非常に高い発電効率でクリーンに動作し、高いレベルの炭素回収を提供し、純水入力を低く抑えます。

SOFCの設計とIGFCのプロセス構成により、二酸化炭素の回収を大幅に簡素化できます。^{[10]これは、ほとんどの化石燃料利用プロセスの}温室効果ガス排出量の削減のためにますます求められるようになります。従来の燃焼では、燃料を空気中で燃やすため、大量の窒素を含む排ガスが発生し、そこから純粋な二酸化炭素ストリーム（温室効果ガス排出制御シナリオで炭素を貯蔵するために必要）を回収するのは非効率的です。酸素燃焼では、空気から酸素を抽出して燃料の燃焼に使用するため、窒素で汚染されていない排ガスが発生し、そこから純粋な二酸化炭素ストリームを回収するのは効率的です。ただし、そもそも酸素ストリームを分離するために必要な空気分離を行うための大きなエネルギーペナルティが発生します。対照的に、SOFCの機能では、排ガスからの非効率的な炭素回収も空気分離も必要ありません。アノードとカソードの反応物ストリームの唯一の必要な相互作用は、カソード側（空気）からアノード側（燃料）への酸素の移動です。カソードから流入する大気中のごくわずかな量を除くすべての炭素は、燃料とともにアノード側からモジュールに入り、二酸化炭素と一酸化炭素としてアノードから排出されます。アノードとカソードのオフガス流を分離するように SOFC モジュールを設計することで、カソード側からの大気窒素による炭素を多く含む流の希釈が回避され、下流での二酸化炭素の分離と回収が簡単かつ安価に行えます。

• 固体酸化物燃料電池
• ガス化複合発電

• エネルギー省-国立エネルギー技術研究所固体酸化物燃料電池プログラム 2016-04-15 にWayback Machineでアーカイブ
• エネルギー省-国立エネルギー技術研究所ガス化プログラム
• 統合石炭ガス化固体酸化物燃料電池システム