(57)【要約】      （修正有）【課題】二酸化炭素を含むガスを利用して発電を行いつつ、このガスに含まれる二酸化炭素を効率よく回収できる発電システムを提供する。【解決手段】二酸化炭素及び酸素を含むガスが加圧された状態で供給されるカソード１１１と、水素を含むガスが加圧された状態で供給されるアノード１１３とを有し、作動温度の下で、カソード１１１に供給された二酸化炭素を炭酸イオンとしてアノード１１３に移動させ、アノード１１３から二酸化炭素を含むアノード排ガスを加圧した状態で排出する燃料電池と、アノード排ガスを、アノード排ガスに含まれる二酸化炭素が液化するまで冷却し、液体状の二酸化炭素を含む液化アノード排ガスを生成する冷凍機４４、４５と、液化アノード排ガスから液体状の二酸化炭素を分離する分離器を備えている。そして、液化アノード排ガスを生成する冷凍機４４、４５は、アノード排ガスの排熱によって駆動される吸収式冷凍機である。【選択図】図１
2011141967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素及び酸素を含むガスが加圧された状態で供給されるカソードと、水素を含むガスが加圧された状態で供給されるアノードとを有し、作動温度の下で、前記カソードに供給された二酸化炭素を炭酸イオンとして前記アノードに移動させ、前記アノードから二酸化炭素を含むアノード排ガスを加圧した状態で排出する燃料電池と、
前記アノード排ガスを、前記アノード排ガスに含まれる二酸化炭素が液化するまで冷却し、液体状の二酸化炭素を含む液化アノード排ガスを生成する冷凍機と、
前記液化アノード排ガスから前記液体状の二酸化炭素を分離する分離器と、を備え、
前記冷凍機は、
前記アノード排ガスの排熱によって駆動される吸収式冷凍機であることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記吸収式冷凍機は、
前記アノード排ガスとの熱交換によって、吸収液に吸収された冷媒を気化し、前記吸収液から前記気化された冷媒を分離することで、前記吸収液を再生する再生器と、
前記気化された冷媒を冷却して液体状にする凝縮器と、
前記液体状の冷媒を気化させることによって、前記再生器で熱交換した後の前記アノード排ガスを冷却し、前記液化アノード排ガスを生成する蒸発器と、
前記蒸発器で気化された前記冷媒を前記再生器で再生された吸収液に吸収させて前記再生器に戻す吸収器と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記液体状の二酸化炭素を前記アノード排ガスから分離して得られた残アノード排ガスと前記再生器で熱交換する前のアノード排ガスとを熱交換させ、前記残アノード排ガスを加熱すると共に、前記アノード排ガスを冷却する熱交換器と、
前記熱交換器で加熱された残アノード排ガスと前記カソードから排出されるカソード排ガスとを燃焼反応させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出される燃焼排ガスを加熱源として、燃料ガスと水蒸気とを改質反応させ、前記カソードに供給するための水素を生成する改質部と、
を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記再生器で熱交換した後のアノード排ガスと前記残アノード排ガスとを熱交換させることで、前記アノード排ガスを冷却すると共に、前記残アノード排ガスを加熱する他の熱交換器を更に備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の発電システム。
【請求項５】
前記蒸発器に供給される前の前記アノード排ガスを前記アノード排ガスに含まれる二酸化炭素が液化する温度よりも高い冷却温度まで冷却する他の吸収式冷凍機を更に備え、
前記他の吸収式冷凍機は、
前記アノード排ガスとの熱交換によって、吸収液に吸収された冷媒を気化し、前記吸収液から前記気化された冷媒を分離することで、前記吸収液を再生する他の再生器と、
前記気化された冷媒を冷却して液体状にする他の凝縮器と、
前記液体状の冷媒を気化させることによって、前記他の再生器で熱交換した後のアノード排ガスを前記冷却温度まで冷却する他の蒸発器と、
前記蒸発器で気化された前記冷媒を前記再生器で再生された吸収液に吸収させて前記再生器に戻す吸収器と、
を有することを特徴とする請求項２乃至４の何れか一に記載の発電システム。
【請求項６】
二酸化炭素及び酸素を含むガスが加圧された状態で供給されるカソードと、水素を含むガスが加圧された状態で供給されるアノードとを有し、作動温度の下で、前記カソードに供給された二酸化炭素を炭酸イオンとして前記アノードに移動させ、前記アノードから二酸化炭素を含むアノード排ガスを加圧した状態で排出する燃料電池と、
前記アノード排ガスと水とを熱交換させることで、前記アノード排ガスを冷却すると共に、前記水を水蒸気とする蒸気発生部と、
前記蒸気発生部で熱交換した後の前記アノード排ガスを前記アノード排ガスに含まれる二酸化炭素が液化するまで冷却し、液体状の二酸化炭素を含む液化アノード排ガスを生成する冷凍機と、
前記液化アノード排ガスから前記液体状の二酸化炭素を分離する分離器と、を備え、
前記冷凍機は、
前記アノード排ガスの排熱によって駆動される吸収式冷凍機であることを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ;Molten Carbonate Fuel Cell）では、カソードで酸素と二酸化炭素とが反応して炭酸イオンとなり、アノードでカソードから電解質を通って移動してきた炭酸イオンと水素とが反応して二酸化炭素及び水となる。つまり、ＭＣＦＣは、カソードに供給された二酸化炭素をアノードに集め、アノード排ガスとして排出するため、二酸化炭素を濃縮するいわゆる二酸化炭素濃縮機能を有している。
【０００３】
そこで、ＭＣＦＣの二酸化炭素濃縮機能を利用して、例えば、石炭火力発電所等から排出される二酸化炭素を含む排出ガス（以下発電所排ガスと称する）から、二酸化炭素を効率的に回収する発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この発電システムでは、発電所排ガスをＭＣＦＣのカソードに供給して発電すると共に、発電所排ガス中の二酸化炭素をＭＣＦＣのアノード排ガスとして濃縮する。そして、このアノード排ガスから二酸化炭素を分離することによって、効率よく発電所排ガスから二酸化炭素を回収することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−４３４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アノード排ガスから二酸化炭素を分離する方法としては、吸収剤に二酸化炭素を吸収させる化学吸収法や、吸着剤に二酸化炭素を吸着させる物理吸着法や、二酸化炭素と他のガスとが高分子膜を透過する際に生じる速度の差を利用する膜分離法や、アノード排ガスを圧縮及び冷却することで二酸化炭素を液化させて分離する深冷分離法等が知られている。
【０００７】
しかしながら、化学吸収法、物理吸着法、膜分離法等によって、アノード排ガスから二酸化炭素を分離する場合、吸収剤、吸着剤、高分子膜等が高価であることや、処理できるアノード排ガスの容量が制限されシステムの大型化が困難であること等の問題があった。
【０００８】
さらに、これらの方法では、二酸化炭素は気体で回収されるが、回収した二酸化炭素は輸送や貯留の際に液体とする必要があるため、気体の二酸化炭素を圧縮及び冷却して液体とするべく、別途に冷凍機等を駆動する必要がある。この冷凍機としては、圧縮機を備えたものが一般的であった。
【０００９】
また、深冷分離法でアノード排ガスから二酸化炭素を分離する場合、二酸化炭素は液体で回収されるが、二酸化炭素を回収する際にアノード排ガスを冷却して二酸化炭素を液化するため、冷凍機等を駆動する必要があることにかわりはない。冷凍機を駆動する場合、特に冷凍機に備えられる圧縮機の消費電力が大きいため、大量のエネルギーが必要となってしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、二酸化炭素を含むガスを利用して発電を行いつつ、このガスに含まれる二酸化炭素を効率よく回収できる発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための本発明の発電システムは、二酸化炭素及び酸素を含むガスが加圧された状態で供給されるカソードと、水素を含むガスが加圧された状態で供給されるアノードとを有し、作動温度の下で、前記カソードに供給された二酸化炭素を炭酸イオンとして前記アノードに移動させ、前記アノードから二酸化炭素を含むアノード排ガスを加圧した状態で排出する燃料電池と、前記アノード排ガスを、前記アノード排ガスに含まれる二酸化炭素が液化するまで冷却し、液体状の二酸化炭素を含む液化アノード排ガスを生成する冷凍機と、前記液化アノード排ガスから前記液体状の二酸化炭素を分離する分離器と、を備え、前記冷凍機は、前記アノード排ガスの排熱によって駆動される吸収式冷凍機であることを特徴とする。
【００１２】
この発電システムでは、燃料電池を作動温度の下で加圧運転することで、燃料電池のアノード排ガス中に二酸化炭素を濃縮できる。このアノード排ガスは、燃料電池の作動温度（以下単に作動温度と称する）と同程度の温度を有するため、このアノード排ガスの排熱を利用して吸収式冷凍機を駆動できる。すなわち、消費電力の大きい圧縮機等を駆動することなく、アノード排ガスの排熱を利用してこの冷凍機を駆動できる。
【００１３】
また、燃料電池が加圧運転されることに伴って、アノード排ガスは、加圧された状態で排出される。このため、二酸化炭素の分圧は、二酸化炭素の三重点の圧力よりも高くなっており、アノード排ガスを吸収式冷凍機で冷却することで、アノード排ガスに含まれる二酸化炭素を液体状にすることができ、二酸化炭素を液体の状態で効率よく回収できる。  
従って、二酸化炭素を含むガスを利用して発電を行いつつ、このガスに含まれる二酸化炭素を効率よく回収できる。
【００１４】
かかる発電システムにおいて、前記吸収式冷凍機は、前記アノード排ガスとの熱交換によって、吸収液に吸収された冷媒を気化し、前記吸収液から前記気化された冷媒を分離することで、前記吸収液を再生する再生器と、前記気化された冷媒を冷却して液体状にする凝縮器と、前記液体状の冷媒を気化させることによって、前記再生器で熱交換した後の前記アノード排ガスを冷却し、前記液化アノード排ガスを生成する蒸発器と、前記蒸発器で気化された前記冷媒を前記再生器で再生された吸収液に吸収させて前記再生器に戻す吸収器とを有することが好ましい。  
この発電システムにおいて、吸収式冷凍機は、圧縮機のかわりに吸収器及び再生器を備え、吸収器で吸収液が冷媒を吸収すること及び再生器で冷媒を吸収した吸収液が加熱されて吸収液から冷媒が分離することによって、冷凍機内に冷媒が循環する。そして、再生器で吸収液を加熱するための熱源として、アノード排ガスを用いることで、吸収式冷凍機を効率よく駆動できる。
【００１５】
かかる発電システムにおいて、前記液体状の二酸化炭素を前記アノード排ガスから分離して得られた残アノード排ガスと前記再生器で熱交換する前のアノード排ガスとを熱交換させ、前記残アノード排ガスを加熱すると共に、前記アノード排ガスを冷却する熱交換器と、前記熱交換器で加熱された残アノード排ガスと前記カソードから排出されるカソード排ガスとを燃焼反応させる燃焼器と、前記燃焼器から排出される燃焼排ガスを加熱源として、燃料ガスと水蒸気とを改質反応させ、前記カソードに供給するための水素を生成する改質部とを更に備えることが好ましい。  
この発電システムにおいて、分離器で得られる残アノード排ガスの温度は、アノード排ガスを二酸化炭素が液化するまで冷却して生成した液化アノード排ガスの温度と同程度となっている。このため、熱交換器によって、残アノード排ガスと、再生器に排熱を供給する前の作動温度と同程度の温度を有するアノード排ガスとを熱交換させることで、アノード排ガスを冷却して、例えば再生器で吸収液を加熱するのに適した温度にすることができる。これによって、吸収式冷凍機を効率よく駆動することができ、発電システムの効率を高めることができる。
【００１６】
また、残アノード排ガスは、燃料電池のアノードで消費されずに排出された水素を含んでいる、このため、熱交換器によって加熱した残アノード排ガスを燃焼器に供給することで、残アノード排ガス中の水素と燃料電池のカソード排ガスに含まれる酸素とを燃焼反応させて、燃焼排ガスを生成することができる。この燃焼排ガスの排熱を加熱源として、改質部で燃料ガスと水蒸気とを改質反応させることで、残アノード排ガスに含まれる水素を有効に利用することができる。その結果、発電システムの効率を高めることができる。
【００１７】
かかる発電システムにおいて、前記再生器で熱交換した後のアノード排ガスと前記残アノード排ガスとを熱交換させることで、前記アノード排ガスを冷却すると共に、前記残アノード排ガスを加熱する他の熱交換器を更に備えることが好ましい。  
この発電システムでは、残アノード排ガスと、冷凍機の再生器に排熱を供給した後のアノード排ガスとを他の熱交換器によって熱交換させる。これによって、他の熱交換器で冷却された後のアノード排ガスを吸収式冷凍機の蒸発器に供給して液化アノード排ガスとすることができるため、冷凍機にかかる負荷を低減できる。また、他の熱交換器で加熱された後の残アノード排ガスを熱交換器に供給することができるため、熱交換器にかかる負荷も低減できる。よって、発電システムの効率を高めることができる。
【００１８】
かかる発電システムにおいて、前記蒸発器に供給される前の前記アノード排ガスを前記アノード排ガスに含まれる二酸化炭素が液化する温度よりも高い冷却温度まで冷却する他の吸収式冷凍機を更に備え、前記他の吸収式冷凍機は、前記アノード排ガスとの熱交換によって、吸収液に吸収された冷媒を気化し、前記吸収液から前記気化された冷媒を分離することで、前記吸収液を再生する他の再生器と、前記気化された冷媒を冷却して液体状にする他の凝縮器と、前記液体状の冷媒を気化させることによって、前記他の再生器で熱交換した後のアノード排ガスを前記冷却温度まで冷却する他の蒸発器と、前記蒸発器で気化された前記冷媒を前記再生器で再生された吸収液に吸収させて前記再生器に戻す吸収器とを有することが好ましい。  
この発電システムでは、他の吸収式冷凍機によって冷却されたアノード排ガスを、吸収式冷凍機によってさらに冷却して液化アノード排ガスにすることができる。よって、より効率的にアノード排ガスを冷却することができる。
【００１９】
前記課題を解決するための本発明の発電システムは、二酸化炭素及び酸素を含むガスが加圧された状態で供給されるカソードと、水素を含むガスが加圧された状態で供給されるアノードとを有し、作動温度の下で、前記カソードに供給された二酸化炭素を炭酸イオンとして前記アノードに移動させ、前記アノードから二酸化炭素を含むアノード排ガスを加圧した状態で排出する燃料電池と、前記アノード排ガスと水とを熱交換させることで、前記アノード排ガスを冷却すると共に、前記水を水蒸気とする蒸気発生部と、前記蒸気発生部で熱交換した後の前記アノード排ガスを前記アノード排ガスに含まれる二酸化炭素が液化するまで冷却し、液体状の二酸化炭素を含む液化アノード排ガスを生成する冷凍機と、前記液化アノード排ガスから前記液体状の二酸化炭素を分離する分離器と、を備え、前記冷凍機は、前記アノード排ガスの排熱によって駆動される吸収式冷凍機であることを特徴とする。  
この発電システムでは、作動温度と同程度の温度を有するアノード排ガスの排熱を利用して、蒸気発生部で水蒸気を発生させ、この水蒸気の排熱を利用して吸収式冷凍機を駆動する。このため、吸収式冷凍機に適した温度の熱源を確保でき、冷却を効率化できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、二酸化炭素を含むガスを利用して効率よく発電を行いつつ、このガスに含まれる二酸化炭素を効率よく液化回収できる発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施形態に係る発電システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の発電反応を説明するための模式図である。
【図３】冷凍機の構成例を示す模式図である。
【図４】状態図の一例である。
【図５】第２の実施形態にかかる発電システムの構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
===第１の実施形態に係る発電システムについて===
以下、図１乃至図４を参照しつつ、本発明の第１の実施形態に係る発電システム１について説明する。図１は、発電システム１の構成例を示すブロック図である。図２は、図１に示す発電システム１に備えられた溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）１１０の発電反応について説明するための模式図である。図３は、発電システム１に備えられた冷凍機４４，４５の構成例を示す模式図である。図４は、二酸化炭素の状態図の一例である。
【００２３】
発電システム１は、ＭＣＦＣ１１０を含む第１発電部１０と、冷凍機４４，４５及び気液分離器４７（分離器）等を含む二酸化炭素回収部４０とを備えている。この発電システム１では、発電所排ガス中の二酸化炭素を利用してＭＣＦＣ１１０で発電を行うと共に、この二酸化炭素をＭＣＦＣ１１０のアノード排ガスに集めて、冷凍機４４，４５及び気液分離器４７によって液化回収する。
【００２４】
また、発電システム１は、ＭＣＦＣ１１０のカソード１１１から排出されるカソード排ガスを利用して発電する第２発電部２０と、第２発電部２０で動力が回収されたカソード排ガスを利用して水蒸気を発生させ、この水蒸気を利用して発電する第３発電部３０とを備えている。  
以下、発電システム１の各構成について説明する。
【００２５】
<<<第１発電部>>>
第１発電部１０は、コンプレッサ１００と、ＭＣＦＣ１１０と、圧力容器１２０と、循環ブロワ１３０と、燃料ガス調整部１４０とを備えている。
【００２６】
コンプレッサ１００は、二酸化炭素を含む発電所排ガスを空気と混合した混合排ガスを、例えば１．２ＭＰａまで加圧してＭＣＦＣ１１０のカソード１１１に供給する。
【００２７】
ＭＣＦＣ１１０は、カソード１１１に混合排ガスが供給されると共に、アノード１１３に燃料ガス調整部１４０から後述する改質燃料ガスが例えば１．２ＭＰａまで加圧された状態で供給される。そして、ＭＣＦＣ１１０は、例えば６００度の作動温度において、混合排ガスに含まれる二酸化炭素及び酸素と、改質燃料ガスに含まれる水素とを電気化学反応させて発電する。尚、ＭＣＦＣ１１０では、混合排ガス及び改質燃料ガスが加圧された状態で供給されて加圧運転するため、電気化学反応の効率を高めて発電効率を高めることができる。
【００２８】
このＭＣＦＣ１１０は、例えば、図２に示すように、多孔質の酸化ニッケル板からなるカソード１１１と、炭酸リチウム及び炭酸ナトリウムの混合物の炭酸塩からなる電解質１１２と、多孔質のニッケル板からなるアノード１１３とを有している。そして、カソード１１１とアノード１１３との間は、ＭＣＦＣ１１０で得られる電力を消費する負荷１１４を介して、外部回路１１５により接続されている。
【００２９】
カソード１１１では、酸素（Ｏ２）と、二酸化炭素（ＣＯ２）と、外部回路１１５から供給される電子（２ｅ−）とが反応して、炭酸イオン（ＣＯ３２−）が発生する。カソード１１１で反応に消費されなかった二酸化炭素及び酸素や、後述する燃焼排ガス等に由来する水蒸気は、カソード排ガスとして排出される。このカソード排ガスは、例えば作動温度と同程度の温度となっている。カソード排ガスの一部は、燃料ガス調整部１４０に供給される。残りのカソード排ガスの一部は、循環ブロア１３０によって、カソード１１１に戻される。このように、カソード排ガスの一部をカソード１１１に戻すことで、カソード排ガスをＭＣＦＣ１１０の電気化学反応に再利用することができると共に、カソード１１１に供給されるガスの温度を作動温度付近まで上昇させることができるため、発電システム１の効率を高めることができる。そして、残りのカソード排ガスは、第２発電部２０に供給される。
【００３０】
電解質１１２は、作動温度において溶融状態となり、カソード１１１で発生した炭酸イオンをアノード１１３に移動させる。
【００３１】
アノード１１３では、改質燃料ガス中の水素（Ｈ２）と、電解質１１２を介してカソード１１１から移動してきた炭酸イオンとが反応することで、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水蒸気（Ｈ２Ｏ）が発生し、同時に電子（２ｅ−）が放出される。放出された電子は、外部回路１１５を通ってカソード１１１に移動し、これが繰り返されることで電気が発生する。
【００３２】
このように、ＭＣＦＣ１１０では、カソード１１１に供給された二酸化炭素が炭酸イオンとなってアノード１１３に移動し、この炭酸イオンがアノード１１３で二酸化炭素となる。よって、ＭＣＦＣ１１０では、カソード１１１に供給されるガス成分のうち、二酸化炭素が選択的にアノード１１３に移動するため、アノード１１３に二酸化炭素を集めることができる。このアノード１１３に集められた二酸化炭素と、アノード１１３で発生した水蒸気と、アノード１１３で反応に消費されなかった水素とは、アノード排ガスとして排出される。このアノード排ガスもまた作動温度と同程度の温度となっている。そして、アノード排ガスの一部は燃料ガス調整部１４０に供給され、残りのアノード排ガスは二酸化炭素回収部４０に供給される。
【００３３】
燃料ガス調整部１４０は、天然ガス等の燃料ガスと第３発電部３０から供給される水蒸気とを改質反応させることで、アノード１１３に供給するための水素を含む改質燃料ガスを生成する。燃料ガス調整部１４０は、燃料予熱器１４１と、燃焼器１４２と、改質部１４５とを備えている。
【００３４】
燃焼器１４２には、ＭＣＦＣ１１０からカソード排ガス及びアノード排ガスが供給され、カソード排ガス中の酸素とアノード排ガス中の水素とが燃焼反応をする。この燃焼反応により、燃焼器１４２からは、水蒸気及び二酸化炭素を主に含む燃焼排ガスが排出される。この燃焼排ガスは、改質部１４５の加熱室１４３に供給される。
【００３５】
燃料予熱器１４１には、燃料ガスと水蒸気との混合燃料ガスが供給され、この混合燃料ガスと改質部１４５の改質器１４４から排出される改質燃料ガスとが熱交換される。これによって、混合燃料ガスは加熱されて改質器１４４に供給され、改質燃料ガスは例えば作動温度に調整された状態でＭＣＦＣ１１０のアノード１１３に供給される。
【００３６】
改質部１４５は、加熱室１４３と、改質器１４４とを有している。改質器１４４では、次式に示すように、燃料予熱器１４１で加熱された混合燃料ガスに含まれるメタン及び水蒸気が改質反応し、水素及び一酸化炭素が発生する。これによって、水素を含む改質燃料ガスが生成される。  
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
改質器１４４から排出された改質燃料ガスは、燃料予熱器１４１で温度が調整された後、ＭＣＦＣ１１０のアノード１１３に供給される。
【００３７】
加熱室１４３は、燃焼器１４２から排出された燃焼排ガスの排熱によって、改質器１４４の温度を改質反応に適した温度に維持する。加熱室１４３から排出された燃焼排ガスは循環ブロワ１３０によってＭＣＦＣ１１０のカソード１１１に供給される。これによって、燃焼排ガスをＭＣＦＣ１１０の電気化学反応に利用することができると共に、カソード１１１に供給されるガスの温度を作動温度付近まで上昇させることができる。その結果、発電システム１の効率を高めることができる。
【００３８】
圧力容器１２０は、ＭＣＦＣ１１０及び燃料ガス調整部１４０を収容している。そして、圧力容器１２０の内部は、例えば窒素等の不活性ガスによって、ＭＣＦＣ１１０に供給される混合排ガス及び改質燃料ガスの圧力（例えば１．２ＭＰａ）と同程度若しくはこの圧力よりも高い圧力に昇圧されている。これによって、ＭＣＦＣ１１０の内部から外部へガスがリークすること等を防止できるため、ＭＣＦＣ１１０を効率よく加圧運転でき、発電効率を高めることができる。
【００３９】
循環ブロワ１３０は、前述したようにカソード排ガスの一部及び燃焼排ガスを循環させてＭＣＦＣ１１０のカソード１１１に供給する。
【００４０】
<<<二酸化炭素回収部>>>
二酸化炭素回収部４０は、第１発電部１０から供給されるアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を液化して回収する。この二酸化炭素回収部４０は、熱交換器４１と、熱交換器４２（他の熱交換器）と、冷却器４３と、冷凍機４４（他の冷凍機）と、冷凍機４５（メインの冷凍機）と、除湿器４６と、気液分離器４７とを備えている。
【００４１】
二酸化炭素回収部４０に供給されたアノード排ガスは、先ず、熱交換器４１で温度が下げられた後、冷凍機４４、４５を駆動するべく冷凍機４４の有する再生器４４０及び冷凍機４５の有する再生器４５０に夫々排熱を供給する。再生器４４０、４５０で冷却されたアノード排ガスは、更に、冷却器４３、熱交換器４２、冷凍機４４（蒸発器４４２）によって例えば０度付近まで冷却される。そして、０度付近まで冷却されたアノード排ガスは、除湿器４６によって水分が除去された後、冷凍機４５（蒸発器４５２）で例えば−５６度付近まで冷却される。これによって、アノード排ガスは、液体の二酸化炭素を含む液化アノード排ガスとなる。液化アノード排ガスは、気液分離器４７で液体の二酸化炭素が分離され、残アノード排ガスとなる。残アノード排ガスは、熱交換器４２、４１で加熱された後、第１発電部１０の燃焼器１４２に供給され、この残アノード排ガスに含まれる水素が燃焼器１４２での燃焼反応に利用される（後述する）。
【００４２】
つまり、気液分離器４７で分離された液体の二酸化炭素を回収することで、アノード排ガスから二酸化炭素を液化回収することができる。
【００４３】
以下、二酸化炭素回収部４０の各構成について説明する。  
熱交換器４１は、ＭＣＦＣ１１０のアノード１１３から排出され作動温度と同程度となっているアノード排ガスと、熱交換器４２で加熱された後の残アノード排ガス（気液分離器４７を通過したガス）とを熱交換させる。これによって、熱交換器４１では、例えば、再生器４４０、４５０に排熱を供給するのに適した温度付近までアノード排ガスを冷却することができるため、冷凍機４４、４５を効率よく駆動することができる。その結果、発電システム１の効率を高めることができる。また、熱交換器４１では、例えば、燃焼器１４２における燃焼反応に適した温度に残アノード排ガスを加熱することができる。
【００４４】
冷凍機４５は、例えば、アンモニアを冷媒とし、水を吸収液とする、いわゆるアンモニア吸収冷凍機であり、図３に示すように、再生器４５０と、凝縮器４５１と、蒸発器４５２と、吸収器４５３とを備えている。
【００４５】
再生器４５０は、熱交換器４１から排出されたアノード排ガスと、冷媒を吸収した吸収液とを熱交換させることで、吸収液に含まれる冷媒を気化させて吸収液から気体の冷媒を分離する。再生器４５０によって気化された冷媒は凝縮器４５１に供給され、冷媒が分離されることで再生された再生液は吸収器４５３に供給される。
【００４６】
凝縮器４５１は、再生器４５０で気化された冷媒を冷却水等によって冷却することで液体状にする。凝縮器４５１で液体状となった冷媒は蒸発器４５２に供給される。
【００４７】
蒸発器４５２は、凝縮器４５１で液体状となった冷媒をアノード排ガスの排熱によって気化させる。つまり、この蒸発器４５２では、冷媒がアノード排ガスから熱を奪って蒸発することで、アノード排ガスが冷却される。蒸発気４５２は、例えば−５６度付近までアノード排ガスを冷却することによって、アノード排ガスに含まれる二酸化炭素を液化し、液化アノード排ガスを生成する。
【００４８】
このとき、ＭＣＦＣ１１０が加圧運転されることに伴って、アノード排ガスは、例えば１．２ＭＰａに加圧された状態で排出される。また、ＭＣＦＣ１１０の二酸化炭素濃縮機能により、アノード排ガスの二酸化炭素の組成は例えば８０％となっている。このため、二酸化炭素の分圧は例えば０．９６ＭＰａであり、図４に示すように二酸化炭素の三重点の圧力である０．５１８ＭＰａよりも高くなっている。このため、−５６度付近までアノード排ガスを冷却することで、アノード排ガスに含まれる二酸化炭素を液体状にすることができ、二酸化炭素を液体の状態で効率よく回収できる。
【００４９】
吸収器４５３は、蒸発器４５２で気化された冷媒を再生器４５０で再生された吸収液に吸収させる。これによって、蒸発器４５２内の冷媒の分圧が上昇することを防ぎ、蒸発器４５２で冷媒が気化し続けるように維持できる。そして、冷媒を吸収した吸収液は、再生器４５０に戻される。
【００５０】
冷凍機４４は、例えば、水を冷媒とし、臭化リチウムを吸収液とする、いわゆる臭化リチウム吸収冷凍機であり、冷凍機４５よりも冷却温度が高いこの冷凍機４４は、再生器４４０と、凝縮器４４１と、蒸発器４４２と、吸収器４４３とを備えている。冷凍機４４は、冷凍機４５と同様に、再生器４４０によって、冷媒を吸収した吸収液とアノード排ガスとを熱交換させることで吸収液を再生し、凝縮器４４１によって、再生器４４０で気体となった冷媒を冷却して液体の冷媒とする。そして、蒸発器４４２によって、液体の冷媒を気化させてアノード排ガスを例えば０度付近まで冷却し、これによって気体となった冷媒を吸収器４４３によって吸収液に吸収させて再生器４４０に戻す。この冷凍機４４の蒸発器４４２によってアノード排ガスを０度付近まで冷却した後に、冷凍機４５の蒸発器４５２によって二酸化炭素が液化するように−５６度まで冷却することができるため、より効率的にアノード排ガスを冷却することができる。
【００５１】
冷却器４３は、例えば冷却水によって、冷凍機４５の再生器４５０及び冷凍機４４の再生器４４０において、吸収液と熱交換した後のアノード排ガスを冷却する。
【００５２】
熱交換器４２は、冷却器４３で冷却されたアノード排ガスと、気液分離器４７から排出された残アノード排ガスとを熱交換させることで、アノード排ガスを冷却して冷凍機４４の蒸発器４４２に供給すると共に、残アノード排ガスを加熱して熱交換器４１に供給する。これによって、熱交換器４２で冷却された後のアノード排ガスを蒸発器４４２、４５２に供給して液化アノード排ガスとすることができるため、冷凍機４４、４５にかかる負荷を低減できる。また、熱交換器４２で加熱された後の残アノード排ガスを熱交換器４１に供給することができるため、熱交換器４１にかかる負荷も低減できる。よって、発電システム１の効率を高めることができる。
【００５３】
除湿器４６は、冷凍機４４の蒸発器４４２で冷却されたアノード排ガスから水分を除去する。この除湿器４６には、例えば活性アルミナが用いられる。
【００５４】
気液分離器４７は、液化アノード排ガスから液体の二酸化炭素を分離する。気液分離器４７によって分離された液体の二酸化炭素は回収される。気液分離器４７で液化アノード排ガスから二酸化炭素が回収された残りの残アノード排ガスは、除湿器４６で水分が除去されているため、水素と気体の二酸化炭素とを主に含む。よって、残アノード排ガスを熱交換器４１、４２で加熱して、第１発電部１０の燃焼器１４２に供給することで、残アノード排ガスに含まれる水素を前述した燃焼器１４２での燃焼反応に利用することができる。これにより、発電システム１の効率を高めることができる。
【００５５】
<<<第２発電部>>>
第２発電部２０は、第１発電部１０から供給されるカソード排ガスを利用して発電する。この第２発電部２０は、例えば同一の回転軸に接続された、ガスタービン２１及び発電機２２を備えている。ガスタービン２１は、カソード排ガスが供給されることによって回転軸を回転させる。発電機２２は、ガスタービン２１が回転軸を回転させることによって発電する。尚、コンプレッサ１００も、ガスタービン２１及び発電機２２と同一の回転軸に接続されており、ガスタービン２１の回転に連動して駆動される。  
ガスタービン２１を駆動することで動力が回収されたカソード排ガスは、第３発電部３０に供給される。
【００５６】
<<<第３発電部>>>
第３発電部３０は、第２発電部２０から供給されるカソード排ガスを利用して水蒸気を発生させる共に、この水蒸気を利用して発電する。この第３発電部３０は、排熱回収ボイラ３１と、気液分離器３２と、循環ポンプ３３と、蒸気タービン３４と、発電機３５と、復水器３６とを備えている。
【００５７】
排熱回収ボイラ３１は、第２発電部２０のガスタービン２１から排出されたカソード排ガスと、循環ポンプ３３によって供給される冷却水とを熱交換させることで、カソード排ガスを冷却してカソード排ガス中の水蒸気を水とすると共に、冷却水を加熱して水蒸気とする。排熱回収ボイラ３１で発生した水蒸気の一部は蒸気タービン３４に供給され、残りの水蒸気は燃料ガスと混合されて第１発電部１０の燃料予熱器１４１に供給される。また、排熱回収ボイラ３１で冷却されたカソード排ガスは、気液分離器３２に供給される。
【００５８】
気液分離器３２は、排熱回収ボイラ３１で冷却されることで液体となったカソード排ガス中の水をカソード排ガスから分離する。尚、気液分離器３２で水が分離されたカソード排ガスは排気される。また、気液分離器３２で分離された水は、第２発電部２０のガスタービン２１から排出されるカソード排ガスを冷却するための冷却水として、循環ポンプ３３により排熱回収ボイラ３１に供給される。
【００５９】
循環ポンプ３３は、気液分離器３２から排出される水と、復水器３６から排出される水とを排熱回収ボイラ３１に冷却水として供給する。
【００６０】
蒸気タービン３４は、例えば発電機３５と同一の回転軸に接続され、排熱回収ボイラ３１から供給される水蒸気によって回転軸を回転させる。蒸気タービン３４を駆動した後の水蒸気は、復水器３６に供給される。発電機３５は、蒸気タービン３４が回転軸を回転させることで発電する。
【００６１】
復水器３６は、蒸気タービン３４から供給される水蒸気を液体の水に変化させる。復水器３６から排出された水は、気液分離器３２から排出された水に混合され、前述したように、ガスタービン２１から排出されたカソード排ガスを冷却する冷却水として、循環ポンプ３３により排熱回収ボイラ３１に供給される。
【００６２】
以上より、第１の実施形態にかかる発電システム１では、発電所排ガスに含まれる二酸化炭素を利用して、ＭＣＦＣ１１０で発電を行うと共に、アノード排ガス中に二酸化炭素を濃縮する。そして、二酸化炭素が濃縮されたアノード排ガスから二酸化炭素を分離する際に、吸収剤、吸着剤、高分子膜等を用いる必要がない。さらに、消費電力の大きい圧縮機等を駆動することなく、ＭＣＦＣ１１０の作動温度と同程度の温度を有するアノード排ガスの排熱を利用して冷凍機４４、４５を駆動させることができる。その結果、発電所排ガス中の二酸化炭素を利用して発電を行いつつ、発電所排ガスに含まれる二酸化炭素を効率よく容易に液化回収することができる。
【００６３】
また、ＭＣＦＣ１１０のカソード排ガスを利用して発電する第２発電部２０及び第３発電部３０によって、複合的に発電を行うため、発電システム１の発電効率を高めることができる。
【００６４】
===第２の実施形態に係る発電システムについて===
以下、図５を参照しつつ、本発明の第２の実施形態に係る発電システム２について説明する。図５は、発電システム２の構成例を示すブロック図である。尚、図５において、図１に示す構成と同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６５】
発電システム２では、前述した発電システム１における二酸化炭素回収部４０のかわりに二酸化炭素回収部４０Ａを備えている。二酸化炭素回収部４０Ａでは、前述した二酸化炭素回収部４０に加えて、蒸気発生部５０を備えている。この蒸気発生部５０は、熱交換器４１で冷却された後のアノード排ガスを利用して水蒸気を発生させるものであり、排熱回収ボイラ５１と、循環ポンプ５２と、復水器５３とを備えている。
【００６６】
排熱回収ボイラ５１は、熱交換器４１で冷却された後のアノード排ガスと、循環ポンプ５２から供給される水とを熱交換させることで、アノード排ガスを冷却して冷却器４３に供給すると共に、冷却水を加熱して水蒸気とする。排熱回収ボイラ５１で発生した水蒸気は再生器４４０、４５０に夫々供給される。そして、再生器４４０、４５０では、この水蒸気と、冷媒を吸収した吸収液とが熱交換することで、冷媒から吸収液が分離して吸収液が再生される。
【００６７】
復水器５３は、再生器４４０、４５０で熱交換した後の水蒸気を冷却して液体の水に変化させる。循環ポンプ５２は、復水器５３から排出される水を排熱回収ボイラ５１に供給する。
【００６８】
以上より、第２の実施形態に係る発電システム２では、アノード排ガスの排熱を利用して蒸気発生部５０で水蒸気を発生させ、この水蒸気の排熱を利用して冷凍機４４、４５を駆動させることができる。このように、水蒸気の排熱を利用して冷凍機４４、４５を駆動することで、再生器４４０、４５０において、より適正な温度で吸収液を再生することができる。
【００６９】
===その他の実施形態===
前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されると共に、本発明にはその等価物も含まれる。
【００７０】
例えば、前述した発電システム１、２では、冷凍機４４を備え、冷凍機４４の蒸発器４４２で冷却した後のアノード排ガスを冷凍機４５の蒸発器４５２で冷却して液化アノード排ガスを生成することとした。しかし、特にこれに限定されるものではなく、発電システム１の場合、例えば、冷凍機４４を備えず、熱交換器４１、４２と、再生器４５０と、冷却器４３とによって、アノード排ガスを例えば０度付近まで冷却した後に、蒸発器４５２で冷却して液化アノード排ガスを生成することとしてもよい。また、発電システム２の場合、例えば、冷凍機４４を備えず、熱交換器４１、４２と、排熱回収ボイラ５１と、冷却器４３とによって、アノード排ガスを例えば０度付近まで冷却した後に、蒸発器４５２で冷却して液化アノード排ガスを生成することとしてもよい。
【００７１】
また、前述した発電システム１、２の冷却器４３では、冷却水によってアノード排ガスを冷却することとしたが、特にこれに限定されるものではなく、例えば空冷等によってアノード排ガスを冷却してもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１、２…発電システム    １０…第１発電部    ２０…第２発電部
２１…ガスタービン    ２２、３５…発電機    ３０…第３発電部
３１、５１…排熱回収ボイラ    ３２、４７…気液分離器
３３、５２…循環ポンプ    ３４…蒸気タービン    ３６、５３…復水器
４０、４０Ａ…二酸化炭素回収部    ４１、４２…熱交換器    ４３…冷却器
４４、４５…冷凍機    ４６…除湿器    １００…コンプレッサ
１１０…ＭＣＦＣ    １１１…カソード    １１２…電解質
１１３…アノード    １１４…負荷    １１５…外部回路
１２０…圧力容器    １３０…循環ブロワ    １４０…燃料ガス調整部
１４１…燃料予熱器    １４２…燃焼器    １４３…加熱室
１４４…改質器    １４５…改質部    ４４０、４５０…再生器
４４１、４５１…凝縮器    ４４２、４５２…蒸発器
４４３、４５３…吸収器    ５０…蒸気発生部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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