(57)【要約】【課題】  発電効率を低下させずに排出ガスから二酸化炭素を回収できる発電システムを提供する。【解決手段】  本発明に係る発電システムは、燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池（２００）と、燃料電池を収容する圧力容器（２１０）と、圧力容器に冷媒ガスを供給し、電気化学反応で発熱する燃料電池の温度を作動温度に維持する冷媒ガス供給部（３０、２００、５０２、５０３）と、吸収温度で二酸化炭素を吸収し、吸収温度よりも高い再生温度で二酸化炭素を放出する吸収液に、吸収温度において二酸化炭素を含むガスを接触させる吸収塔（６０１）と、圧力容器から排出された冷媒ガスと、吸収塔から排出された吸収液とを熱交換させ、吸収液を再生温度以上に加熱する熱交換器（６０３）と、加熱された吸収液から二酸化炭素を放出させる再生塔（６０２）とを備える。【選択図】  図１
2011103213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池を収容する圧力容器と、
前記圧力容器に冷媒ガスを供給し、前記電気化学反応で発熱する前記燃料電池の温度を作動温度に維持する冷媒ガス供給部と、
吸収温度で二酸化炭素を吸収し、前記吸収温度よりも高い再生温度で二酸化炭素を放出する吸収液に、前記吸収温度において二酸化炭素を含むガスを接触させる吸収塔と、
前記圧力容器から排出された前記冷媒ガスと、前記吸収塔から排出された前記吸収液とを熱交換させ、前記吸収液を前記再生温度以上に加熱する熱交換器と、
加熱された前記吸収液から二酸化炭素を放出させる再生塔と、
を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記吸収塔から排出された前記吸収液を加熱して前記再生塔に排出すると共に、前記再生塔から排出された前記吸収液を、前記吸収塔から排出された前記吸収液によって冷却して前記吸収塔へ供給する他の熱交換器を設け、
前記熱交換器は、
前記再生塔に貯留された前記吸収液を前記再生温度以上に加熱するものであ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】
前記冷媒ガスは、前記燃料ガスとの間で燃焼反応を生じない不活性ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させて前記燃料ガスを生成するガス化部と、
空気から酸素と窒素とを分離する分離部と、
前記分離部で分離された酸素を前記ガス化部に供給する酸素供給部と、を備え、
前記冷媒ガス供給部は、前記分離部で分離された窒素を前記冷媒ガスとして、前記圧力容器に供給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５】
前記冷媒ガス供給部は、前記燃料電池から排出された燃料電池排ガスを前記作動温度以下に冷却して前記冷媒ガスとする冷却器を含むことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【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】
石炭を用いる火力発電では、二酸化炭素の排出量を低減して、環境負荷を低減する必要がある。そこで、石炭ガス化燃料電池複合発電（ＩＧＦＣ;Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle）によって、石炭のエネルギーを効率よく電力に変換すると共に、発電後に排出される二酸化炭素を含む排出ガスから二酸化炭素を回収することが知られている。尚、ＩＧＦＣは、石炭をガス化して水素や一酸化炭素等を含む燃料ガスを生成し、この燃料ガスによって燃料電池を作動させると共に、ガスタービン及び蒸気タービンを駆動させて、複合的に発電する発電形態である。
【０００３】
このようなＩＧＦＣを用いた発電システムとしては、酸素を用いて石炭を部分燃焼させ燃料ガスを生成するガス化炉と、燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、燃料ガスや燃料電池の排出ガスによって発電するガスタービン及び蒸気タービンと、燃料電池の排出ガスに含まれる二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収部とを備えたものが知られている。
【０００４】
また、上記の二酸化炭素回収部としては、例えば約４０度の吸収温度で二酸化炭素を吸収し、例えば約１２０度の再生温度で二酸化炭素を放出するアルカノールアミン水溶液等の吸収液を用いて、排出ガスから二酸化炭素を回収するものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。この二酸化炭素回収部は、吸収温度で吸収液と排出ガスを接触させ、吸収液に排出ガス中の二酸化炭素を吸収させる吸収塔と、発電システムで電力を得るために発生させた水蒸気等を熱源として吸収液の温度を再生温度以上に上昇させて、吸収液から二酸化炭素を放出させる再生塔とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−９８９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述した発電システムでは、電力を得るために発生させた水蒸気等を利用して、吸収液の温度を吸収温度から再生温度以上まで上昇させるため、発電効率が低下するという問題があった。  
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、発電効率を低下させずに排出ガスから二酸化炭素を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】
【０００７】
前記課題を解決するため本発明の発電システムは、燃料ガスと酸化剤とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池を収容する圧力容器と、前記圧力容器に冷媒ガスを供給し、前記電気化学反応で発熱する前記燃料電池の温度を作動温度に維持する冷媒ガス供給部と、吸収温度で二酸化炭素を吸収し、前記吸収温度よりも高い再生温度で二酸化炭素を放出する吸収液に、前記吸収温度において二酸化炭素を含むガスを接触させる吸収塔と、前記圧力容器から排出された前記冷媒ガスと、前記吸収塔から排出された前記吸収液とを熱交換させ、前記吸収液を前記再生温度以上に加熱する熱交換器と、加熱された前記吸収液から二酸化炭素を放出させる再生塔と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
この発電システムでは、圧力容器から排出される燃料電池を冷却した後の冷媒ガスと、吸収塔から排出される吸収温度の吸収液とを熱交換器で熱交換させることによって、吸収液の温度を再生温度以上に上昇させる。つまり、発電システムにおいて電力を得るために発生させた燃料ガスや水蒸気等のエネルギーを利用することなく、吸収液を再生温度以上に加熱して再生塔で二酸化炭素を放出させることができる。よって、この発電システムでは、発電効率を低下させることなく排出ガス中の二酸化炭素を回収することができる。
【０００９】
この発電システムでは、燃料電池として、例えば、溶融状態の炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ;Molten Carbonate Fuel Cell）が好適に用いられる。このＭＣＦＣの作動温度は約６５０度であるが、ＭＣＦＣの温度は作動時の電気化学反応によって上昇する。このため、ＭＣＦＣを収容する圧力容器には、ＭＣＦＣを作動温度に維持するように冷媒ガスが供給されている。
【００１０】
かかる発電システムでは、前記吸収塔から排出された前記吸収液を加熱して前記再生塔に排出すると共に、前記再生塔から排出された前記吸収液を、前記吸収塔から排出された前記吸収液によって冷却して前記吸収塔へ供給する他の熱交換器を設け、前記熱交換器は、前記再生塔に貯留された前記吸収液を前記再生温度以上に加熱するものであることが好ましい。  
この発電システムでは、吸収塔から排出された吸収温度の吸収液を、再生塔から排出された再生温度の吸収液によって加熱してから再生塔に供給し貯留することができる。また、この貯留された吸収液を、燃料電池を冷却した後の冷媒ガスによって加熱することで、再生温度以上に維持することができる。これによって、吸収液を再生温度以上に加熱する熱交換器の負荷を軽減することができ、吸収液を再生温度に維持するための構成を簡素化することができる。また、再生塔から排出された再生温度の吸収液を、吸収塔から排出された吸収温度の吸収液によって冷却した後に、吸収塔に供給することで、吸収液に再度二酸化炭素を吸収させることができる。つまり、吸収液を、効率よく加熱及び冷却しながら、吸収塔と再生塔との間で循環させることができるため、発電システムの効率を向上させることができる。
【００１１】
かかる発電システムにおいて、前記冷媒ガスは、前記燃料ガスとの間で燃焼反応を生じない不活性ガスであることが好ましい。  
この発電システムでは、不活性ガスを冷媒ガスとして圧力容器内に供給する。このため、燃料電池から燃料ガスがリークした場合であっても、燃焼ガスが燃焼反応を起こすことを防止でき、発電システムの安全性を高めることができる。
【００１２】
かかる発電システムは、石炭の熱分解により得られた炭素に酸素を反応させて前記燃料ガスを生成するガス化部と、空気から酸素と窒素とを分離する分離部と、前記分離部で分離された酸素を前記ガス化部に供給する酸素供給部と、を備え、前記冷媒ガス供給部は、前記分離部で分離された窒素を前記冷媒ガスとして、前記圧力容器に供給することが好ましい。  
この発電システムでは、分離部において副生される窒素が、燃料電池を冷却する冷媒ガスとして燃料電池を収容する圧力容器内に供給される。そして、燃料電池を冷却して温度が上昇した窒素によって、吸収液を再生温度以上に加熱することができる。このため、発電効率を低下させることなく排出ガス中の二酸化炭素を回収することができる。また、分離部からの窒素を有効に活用することができ、発電システムの効率を向上させることができる。また、不活性ガスである窒素が冷媒ガスとして圧力容器内に供給されるため、燃料電池から燃料ガスがリークした場合であっても、燃焼ガスが燃焼反応を起こすことを防止でき、安全性を高めることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システムの設備を簡素化することができる。
【００１３】
かかる発電システムにおいて、前記冷媒ガス供給部は、前記燃料電池から排出された燃料電池排ガスを前記作動温度以下に冷却して前記冷媒ガスとする冷却器を含むことが好ましい。  
この発電システムでは、燃料電池から排出される燃料電池排ガスが、冷却器によって作動温度以下に冷却されることで、燃料電池を冷却する冷媒ガスとなる。そして、燃料電池を冷却して温度が上昇した燃料電池排ガスによって、吸収液を再生温度以上に加熱することができる。このため、発電効率を低下させることなく排出ガス中の二酸化炭素を回収することができる。また、別途冷媒ガスを調達したり生成したりする必要がないため、発電システムの効率を向上させることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システムの設備を簡素化することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発電効率を低下させずに排出ガスから二酸化炭素を回収できる発電システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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模式図である。
【図２】燃料電池の電気化学反応を説明するための図である。
【図３】第２の実施形態に係る発電システムの構成例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
===第１の実施形態に係る発電システムについて===
以下、図１及び図２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の構成例を示す模式図である。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）２００の電気化学反応について説明するための図である。
【００１７】
発電システム１は、ＭＣＦＣ２００及び圧力容器２１０を有する第１発電部２０と、深冷分離装置３０（冷媒ガス供給部、分離部、酸素供給部）と、吸収塔６０１、熱交換器６０３（熱交換器）、再生塔６０２を備える二酸化炭素回収部６０とを備えている。更に、発電システム１は、石炭をガス化して燃料ガスを生成するガス化部１０と、後述するＭＣＦＣ２００のカソード２０１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４０と、水蒸気を利用して発電する第３発電部５０とを備えている。
【００１８】
この発電システム１では、ＭＣＦＣ２００、第２発電部４０、及び、第３発電部５０による複合的な発電を行う。すなわち、ガス化部１０で生成された燃料ガスを利用して第１発電部２０のＭＣＦＣ２００を作動させる。また、カソード排ガスを用いて第２発電部４０を駆動させ、ガス化部１０やＭＣＦＣ２００からの熱で水蒸気を発生させて第３発電部５０を駆動させる。そして、後述するＭＣＦＣ２００のアノード２０２から排出されるアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素回収部６０によって回収する。以下、発電システム１の各構成について夫々説明する。
【００１９】
<<<深冷分離装置>>>
深冷分離装置３０は、二酸化炭素及び水分を吸着除去した空気を酸素及び窒素が液化するまで冷却した後、酸素が液体の状態を維持し、窒素が気体となるまで温度を上昇させることで、空気から酸素と窒素とを分離する。よって、この深冷分離装置３０では、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素が得られる。そして、深冷分離装置３０は、得られた酸素をガス化部１０に供給すると共に、得られた窒素をＭＣＦＣ２００の冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給する。この際、酸素及び窒素は圧縮された状態であるため、深冷分離装置３０は、酸素をガス化部１０へ効率よく搬送できると共に、窒素を圧力容器２１０内に効率よく搬送できる。また、深冷分離装置３０は、冷却された状態の窒素を冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給できるため、ＭＣＦＣ２００を効率よく冷却して作動温度に維持できる。よって、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００２０】
<<<ガス化部>>>
ガス化部１０は、石炭ガス化炉１００と、蒸気発生部１１０と、脱塵装置１２０と、脱硫装置１３０と、シフト反応器１４０とを備えている。
【００２１】
石炭ガス化炉１００は、石炭を炭素等に熱分解し、得られた炭素と深冷分離装置３０から供給された酸素とを反応させて水素、一酸化炭素、二酸化炭素等を含む中間燃料ガスを生成する。
【００２２】
水蒸気発生部１１０は、石炭ガス化炉１００から排出された中間燃料ガスの排熱を利用して水蒸気を発生させるもので、ガス冷却器１０１と、復水器１０２とを備えている。ガス冷却器１０１は、復水器１０２から供給される水と、中間燃料ガスとを熱交換させることで、中間燃料ガスを冷却すると共に、水蒸気を発生させる。尚、ガス冷却器１０１で発生させた水蒸気は、一部がシフト反応器１４０へ供給され、残りが第３発電部５０に供給される。復水器１０２は、第３発電部５０で使用された水蒸気を回収して液体の水に変化させ、再度ガス冷却器１０１へ供給する。つまり、水蒸気発生部１１０では、ガス冷却器１０１と復水器１０２とを、水が液体及び気体に変化しながら循環している。
【００２３】
脱塵装置１２０は、例えばポーラスフィルタを備え、ポーラスフィルタにガス冷却器１０１から排出された中間燃料ガスを通過させることによって、中間燃料ガスに含まれる固形の不純物を除去する。脱硫装置１３０は、例えば、脱塵装置１２０から排出された中間燃料ガスと、石灰水や炭酸カルシウム等の硫黄吸収剤とを接触させて、中間燃料ガスに含まれる硫黄成分を除去する。
【００２４】
シフト反応器１４０は、次式に示すように、脱硫装置１３０から排出される中間燃料ガスに含まれる一酸化炭素と、ガス冷却器１０１から供給される水蒸気とをシフト反応させて、二酸化炭素及び水素を発生させる。  
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【００２５】
このシフト反応器１４０では、一酸化炭素が減少し水素が増加するように、中間燃料ガスの組成を変化させて燃料ガスを生成する。尚、シフト反応器１４０から排出される燃料ガスは、例えば、約６５０度のＭＣＦＣ２００の作動温度（以下単に作動温度と称する）と略同じ温度となる。そして、第１発電部２０のＭＣＦＣ２００に供給される。
【００２６】
<<<第１発電部>>>
第１発電部２０は、ＭＣＦＣ２００と、圧力容器２１０と、調整器２２０と、燃焼器２３０と、コンプレッサ２４０と、循環ブロワ２５０と、熱交換器２６０とを備えている。
【００２７】
コンプレッサ２４０は、ＭＣＦＣ２００に空気を搬送する。ＭＣＦＣ２００は、例えばシフト反応器１４０から燃料ガスが供給されることによって作動温度となり、この作動温度において、燃料ガスと、コンプレッサ２４０から供給される空気とを電気化学反応させて発電する。
【００２８】
このＭＣＦＣ２００では、燃料ガス及び空気を効率よく電気化学反応させて発電効率を高めるべく、加圧された燃料ガス及び空気が供給されて加圧運転を行う。
【００２９】
例えば、ＭＣＦＣ２００は、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２０１と、多孔質のニッケル板からなるアノード２０２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２０３とを有している。そして、カソード２０１とアノード２０２との間は、ＭＣＦＣ２００で得られる電力を消費する負荷２０５を介して、外部回路２０４により接続されている。
【００３０】
カソード２０１では、コンプレッサ２４０から供給される空気に含まれる酸素（Ｏ２，酸化剤）及び二酸化炭素（ＣＯ２，酸化剤）と、外部回路２０４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。また、カソード２０１からは、後述する燃焼排ガスに由来する水蒸気や、未反応の二酸化炭素及び酸素等を含む空気が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、例えば作動温度となっている。カソード排ガスの一部は、燃焼器２３０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２５０によって、カソード２０１に戻され、ＭＣＦＣ２００の電気化学反応に再利用される。このように、カソード排ガスの一部をカソード２０１に戻すことで、カソード２０１に供給される空気の温度を作動温度付近まで上昇させることができ、発電システム１の効率を高めることができる。残りのカソード排ガスは、第２発電部４０に供給される。
【００３１】
電解質２０３は、作動温度において溶融状態となり、カソード２０１で発生した炭酸イオンをアノード２０２に移動させる。
【００３２】
アノード２０２では、シフト反応器１４０から供給された燃料ガス中の水素（Ｈ２）と、電解質２０３を介してカソード２０１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２０４を通ってカソード２０１に移動し、これが繰り返されることで電気が発生する。また、アノード２０２からは、二酸化炭素及び水蒸気と、未反応の燃料ガスとを主に含み、例えば作動温度となったアノード排ガスが排出される。尚、ＭＣＦＣ２００では、カソード２０１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２０２へ移動するため、二酸化炭素が濃縮されたアノード排ガスがアノード２０２から排出される。このアノード排ガスの一部は、燃焼器２３０に供給され、残りのアノード排ガスは、熱交換器２６０を介して第３発電部５０に供給される。
【００３３】
燃焼器２３０は、カソード排ガス中の酸素とアノード排ガス中の燃料ガスとを燃焼反応させ、二酸化炭素及び水蒸気を主に含む燃焼排ガスを排出する。燃焼排ガスは、循環ブロア２５０によって、カソード２０１に供給される。これによって、カソード２０１に供給される二酸化炭素の濃度を増加させてＭＣＦＣ２００の発電効率を高めることができる。
【００３４】
循環ブロア２５０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カソード２０１に供給する。
【００３５】
圧力容器２１０は、ＭＣＦＣ２００及び燃焼器２３０を収容している。また、圧力容器２１０の内部には、作動温度よりも低い温度の窒素が冷媒ガスとして、深冷分離装置３０から供給されている。この冷媒ガスによって、ＭＣＦＣ２００では、電気化学反応の発熱に伴う温度上昇が抑制され、作動温度に維持される。よって、深冷分離装置３０で空気から酸素を分離する際に副生される窒素を、ＭＣＦＣ２００の冷媒ガスとして有効に利用でき、発電システム１の発電効率を向上させることができる。更に、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がないため、発電システム１の設備を簡素化できる。
【００３６】
尚、圧力容器２１０内に供給された窒素は、ＭＣＦＣ２００を冷却することで、例えば約３００度〜４００度となり、調整器２２０を介して、後述する二酸化炭素回収部６０の熱交換器６０３に供給される。
【００３７】
調整器２２０は、例えば流量調整弁からなり、圧力容器２１０から排出される冷媒ガスの流量を調整して、圧力容器２１０内の圧力を、ＭＣＦＣ２００に供給される燃料ガス及び空気の圧力と同程度若しくはこの圧力よりも高い圧力に調整する。これによって、ＭＣＦＣ２００の内部から外部へ燃料ガス等がリークすることを防止でき、ＭＣＦＣ２００を効率よく加圧運転することができる。その結果、ＭＣＦＣ２００の発電効率を高め、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００３８】
熱交換器２６０は、例えば作動温度のアノード排ガスと、後述する二酸化炭素回収部６０の吸収塔６０１から排出されるＣＯ２分離ガスとを熱交換させ、アノード排ガスを冷却すると共に、ＣＯ２分離ガスを加熱する。尚、熱交換器２６０から排出されたアノード排ガスは第３発電部５０に供給され、ＣＯ２分離ガスはアノード２０２に供給される。
【００３９】
<<<第２発電部>>>
第２発電部４０は、カソード排ガスを利用して発電するものであり、同一の回転軸に接続された、ガスタービン４０１及び発電機４０２を備えている。ガスタービン４０１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４０２は、ガスタービン４０１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２４０も、ガスタービン４０１及び発電機４０２と同一の回転軸に接続されており、ガスタービン４０１の回転に連動して駆動される。
【００４０】
<<<第３発電部>>>
前述したように第３発電部５０は、水蒸気を利用して発電する。すなわち、第１発電部２０の熱交換器２６０から排出されるアノード排ガス及び第２発電部４０のガスタービン４０１から排出されるカソード排ガスを利用して発生させた水蒸気と、ガス化部１０のガス冷却器１０１から排出される水蒸気とを用いて発電する。
【００４１】
この第３発電部５０は、排熱回収ボイラ５０１、５０２と、気水分離器５０３と、循環ポンプ５０４と、発電機５０５と、蒸気タービン５０６、５０７と、復水器５０８とを備えている。
【００４２】
排熱回収ボイラ５０１は、熱交換器２６０から排出されたアノード排ガスと、循環ポンプ５０４によって供給される水とを熱交換させることで、アノード排ガスを例えば約４０度（吸収温度）に冷却すると共に、水蒸気を発生させる。尚、排熱回収ボイラ５０１で発生させた水蒸気は、蒸気タービン５０７に供給される。また、排熱回収ボイラ５０１で例えば吸収温度とされたアノード排ガスは、二酸化炭素回収部６０の吸収塔６０１に供給される。
【００４３】
排熱回収ボイラ５０２は、ガスタービン４０１から排出されるカソード排ガスと、循環ポンプ５０４によって供給される水とを熱交換させることで、カソード排ガスを冷却すると共に、水蒸気を発生させる。そして、排熱回収ボイラ５０２で発生させた水蒸気は、排熱回収ボイラ５０１で発生させた水蒸気と共に、蒸気タービン５０７に供給される。また、排熱回収ボイラ５０２で冷却されたカソード排ガスは、気水分離器５０３に供給される。
【００４４】
気水分離器５０３は、排熱回収ボイラ５０２で冷却されることで液化した水をカソード排ガスから分離する。尚、気水分離器５０３で水が分離されたカソード排ガスは排気される。また、気水分離器５０３で取り出された水は循環ポンプ５０４によって排熱回収ボイラ５０１、５０２に供給される。
【００４５】
蒸気タービン５０７は、発電機５０５と同一の回転軸に接続され、排熱回収ボイラ５０１、５０２から供給される水蒸気によって回転軸を回転させる。尚、蒸気タービン５０７から排出された水蒸気は、復水器５０８に供給される。
【００４６】
蒸気タービン５０６は、蒸気タービン５０７及び発電機５０５と同一の回転軸に接続され、ガス化部１０のガス冷却器１０１から供給される水蒸気によって回転軸を回転させる。尚、蒸気タービン５０６から排出された水蒸気は、ガス化部１０の復水器１０２に供給される。発電機５０５は、蒸気タービン５０６、５０７が回転軸を回転させることで発電する。
【００４７】
復水器５０８は、蒸気タービン５０７から供給された水蒸気を液体の水に変化させる。復水器５０８から排出される水は、循環ポンプ５０４によって、気水分離器５０３から排出される水と共に、排熱回収ボイラ５０１、５０２に供給される。
【００４８】
<<<二酸化炭素回収部>>>
二酸化炭素回収部６０は、アルカノールアミン水溶液等の吸収液を利用して、第３発電部５０の排熱回収ボイラ５０１から排出されるアノード排ガスから二酸化炭素を回収する。吸収液は、約４０度の吸収温度ではアミノ基に二酸化炭素が結合するため、二酸化炭素を吸収する。また、吸収液は、約１２０度の再生温度においてアミノ基に結合していた二酸化炭素が脱離するため、二酸化炭素を放出する。
【００４９】
二酸化炭素回収部６０は、吸収塔６０１と、再生塔６０２と、熱交換器６０３、熱交換器６０４（他の熱交換器）と、分離器６０５とを備えている。二酸化炭素回収部６０において吸収液は、吸収塔６０１で二酸化炭素を吸収した後、熱交換器６０３、６０４で再生温度以上に加熱され、再生塔６０２で二酸化炭素を放出する。そして、再度、熱交換器６０４で冷却されて、吸収塔６０１に戻される。
【００５０】
吸収塔６０１では、吸収液と、排熱回収ボイラ５０１によって例えば吸収温度に冷却されたアノード排ガスとを接触させ、次式に示すように、アノード排ガス中の二酸化炭素を吸収液に吸収させる。尚、式中に示すＲはアルキル基である。  
Ｒ−ＮＨ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２→Ｒ−ＮＨ３ＨＣＯ３
【００５１】
吸収塔６０１によってアノード排ガスから二酸化炭素が分離された結果、主に水素及び一酸化炭素を含むＣＯ２分離ガスが生成される。このＣＯ２分離ガスは、第１発電部２０の熱交換器２６０によって加熱された後、ＭＣＦＣ２００のアノード２０２に供給されて、電気化学反応に再利用される。これによって、発電システム１の効率を向上させることができる。
【００５２】
熱交換器６０４は、吸収塔６０１から排出される吸収温度の吸収液と、再生塔６０２から排出される再生温度の吸収液とを熱交換させる。そして、熱交換器６０４は、吸収塔６０１から排出された吸収液を加熱して再生塔６０２に供給し、再生塔６０２から排出された吸収液を冷却して吸収塔６０１に供給する。
【００５３】
再生塔６０２では、熱交換器６０４によって吸収温度以上に加熱され、更に熱交換器６０３によって再生温度以上に維持される吸収液を貯留する。そして、再生塔６０２では、次式に示すように、吸収液から二酸化炭素を放出させる。尚、式中に示すＲはアルキル基である。  
Ｒ−ＮＨ３ＨＣＯ３→Ｒ−ＮＨ２＋Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２
【００５４】
再生塔６０２において、吸収液から放出された二酸化炭素は、水蒸気等の気体成分と共に分離器６０５に供給される。
【００５５】
熱交換器６０３は、再生塔６０２に貯留される吸収液と、第１発電部２０の調整器２２０から供給される約３００度〜４００度の冷媒ガスとを熱交換させ、再生塔６０２に貯留される吸収液を再生温度以上に維持する。熱交換器６０３によって、冷却された冷媒ガスは排気される。
【００５６】
分離器６０５は、再生塔６０２から供給された二酸化炭素及び水蒸気等を冷却して、水蒸気等を液化し、気液分離によって、二酸化炭素と水等とを分離する。分離器６０５によって分離された二酸化炭素は、例えば不図示のタンクなどに回収される。また、分離器６０５によって分離された水等は、再生塔６０２に戻される。
【００５７】
以上説明したように、第１の実施形態に係る発電システム１では、再生塔６０２から排出された再生温度の吸収液によって、吸収塔６０１から排出された吸収温度の吸収液を加熱してから再生塔６０２に供給し貯留することができる。また、この貯留された吸収液を、ＭＣＦＣ２００を冷却することで例えば約３００度〜４００度となった冷媒ガスによって加熱して、再生温度に維持することができる。よって、発電システム１において電力を得るために発生させた燃料ガスや水蒸気等のエネルギーを利用することなく、再生塔６０２において吸収液から二酸化炭素を放出させることができる。その結果、発電効率を低下させることなく排出ガス中の二酸化炭素を回収することができ、発電システム１の効率を向上させることができる。また、吸収液を再生温度に維持する熱交換器６０３の負荷を軽減することができ、吸収液を再生温度に維持するための構成を簡素化することができる。
【００５８】
また、発電システム１では、吸収塔６０１から排出された吸収温度の吸収液によって、再生塔６０２から排出された再生温度の吸収液を冷却してから吸収塔６０１に供給できるため、吸収液に再度二酸化炭素を吸収させることができる。よって、吸収液の排熱を利用して、吸収液を効率よく加熱及び冷却できると共に、吸収液を吸収塔６０１と再生塔６０２との間で循環させることができ、発電システム１の効率を向上させることができる
また、発電システム１では、ＭＣＦＣ２００のアノード２０２から二酸化炭素が濃縮されたアノード排ガスが排出され、このアノード排ガスが二酸化炭素回収部６０の吸収塔６０１に供給されるため、効率よく二酸化炭素を回収することができる。
【００５９】
また、発電システム１では、深冷分離装置３０によって、石炭ガス化炉１００に供給する酸素を空気から分離する際に副生される窒素が、ＭＣＦＣ２００を冷却する冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給される。このため、深冷分離装置３０で副生される窒素を有効に活用することができ、発電システム１の効率を向上させることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システム１の設備を簡素化することができる。
【００６０】
また、発電システム１では、深冷分離装置３０からの窒素が冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給されるため、ＭＣＦＣ２００から燃料ガスがリークした場合であっても、燃焼ガスが燃焼反応を起こすことを防止でき、発電システム１の安全性を高めることができる。
【００６１】
また、発電システム１では、深冷分離装置３０によって、圧縮及び冷却された状態の酸素及び窒素を得ることができるため、酸素を石炭ガス化炉１００に効率よく搬送できると共に、窒素を圧力容器２１０に効率よく搬送することができる。また、圧力容器２１０に供給された窒素によってＭＣＦＣ２００を効率よく冷却することができる。
【００６２】
===第２の実施形態にかかる発電システムについて===
以下、図２及び図３を参照しつつ本発明の第２の実施形態にかかる発電システム２について説明する。図３は、発電システム２の構成例を示す模式図である。尚、図３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。
【００６３】
発電システム２では、前述した発電システム１におけるガス化部１０及び深冷分離装置３０を備えていない。そして、前述した第１発電部２０に更に燃料ガス調整部２７０を備えた第１発電部２１を備えている。この発電システム２では、ガス化部１０のシフト反応器１４０で生成される燃料ガスのかわりに、天然ガス等の燃料ガスが燃料ガス調整部２７０によって改質燃料ガスに調整された後、ＭＣＦＣ２００のアノード２０２に供給される。
【００６４】
また、発電システム２では、深冷分離装置３０から排出される窒素のかわりに、ガスタービン４０１から排出されたカソード排ガスを、排熱回収ボイラ５０２（冷却器）によって作動温度以下に冷却し、気水分離器５０３によって水と分離してから、冷媒ガスとして圧力容器２１０内に供給する。すなわち、発電システム２では、ＭＣＦＣ２００と、排熱回収ボイラ５０２と、気水分離器５０３とが冷媒ガス供給部になる。尚、以下の説明において、ＭＣＦＣ２００の冷媒ガスとなる、気水分離器５０３から排出された排ガスを気水分離排ガスと称する。
【００６５】
また、発電システム２では、前述した発電システム１における第３発電部５０のかわりに第３発電部５１を備えている。第３発電部５１は、前述した第３発電部５０における蒸気タービン５０６を備えていない点が相違する。
【００６６】
この発電システム２では、天然ガス等の燃料ガスを利用して第１発電部２１のＭＣＦＣ２００を作動させる。また、ＭＣＦＣ２００のカソード排ガスを用いて第２発電部４０を駆動させ、ＭＣＦＣ２００からの熱で発生させた水蒸気を用いて第３発電部５１を駆動させる。そして、ＭＣＦＣ２００のアノード排ガスに含まれる二酸化炭素を二酸化炭素回収部６０によって回収する。この際、ＭＣＦＣ２００を冷却した後の気水分離排ガスの熱によって、再生塔６０２に貯留される吸収液が再生温度以上に維持される。以下、前述した発電システム１の構成と異なる構成について説明する。
【００６７】
<<<燃料ガス調整部>>>
燃料ガス調整部２７０は、圧力容器２１０内に収容され、燃料予熱器２７１と、改質器２７２と、加熱室２７３とを備えている。
【００６８】
燃料予熱器２７１は、天然ガス等の燃料ガスと、排熱回収ボイラ５０１で発生させた水蒸気の一部と、熱交換器２６０で加熱されたＣＯ２分離ガスとの混合ガスが供給され、この混合ガスと改質器２７２から排出される改質燃料ガスとを熱交換させる。これによって混合ガスは加熱されて改質器２７２に供給され、改質燃料ガスは冷却されてアノード２０２に供給される。
【００６９】
改質器２７２では、次式に示すように、燃料予熱器２７１で加熱された混合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、一酸化炭素等を主に含む改質燃料ガスが生成される。  
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
【００７０】
改質器２７２から排出された改質燃料ガスは、燃料予熱器２７１で例えば作動温度まで冷却された後、ＭＣＦＣ２００のアノード２０２に供給される。
【００７１】
加熱室２７３は、燃焼器２３０から供給される燃焼排ガスの熱によって、改質器２７２の温度を前述した改質反応に適した温度に維持する。加熱室２７３から排出された燃焼排ガスは循環ブロア２５０によって、カソード２０１に供給される。
【００７２】
<<<第３発電部>>>
第３発電部５１では、排熱回収ボイラ５０１で発生させた水蒸気の残りが、蒸気タービン５０７に供給される。発電機５０５は、蒸気タービン５０７が排熱回収ボイラ５０１、５０２から供給される水蒸気によって回転軸を回転させることで発電する。気水分離器５０３から排出される気水分離排ガスの一部は、ＭＣＦＣ２００を冷却する冷媒ガスとして圧力容器２１０に供給され、残りの気水分離排ガスは排気される。
【００７３】
尚、ＭＣＦＣ２００を冷却することで、温度が上昇した気水分離排ガスは、圧力容器２１０から調整器２２０を介して二酸化炭素回収部６０の熱交換器６０３に供給される。
【００７４】
以上より、第２の実施形態に係る発電システム２では、熱交換器６０３において、気水分離排ガスと、再生塔６０２に貯留される吸収液とを熱交換させることによって、再生塔６０２に貯留される吸収液を再生温度以上に維持できる。よって、発電システム２では、電力を得るために発生させた水蒸気等を利用することなく、吸収液の温度を再生温度以上に維持できるため、発電効率を低下させることなく、排出ガスから二酸化炭素を回収できる。また、別途冷媒ガスを調達したり生成したりする必要がないため、発電システム２の効率を向上させることができる。また、冷媒ガスを生成するための装置や、調達した冷媒ガスを貯蔵するための貯蔵タンク等を別途に備える必要がない分、発電システム２の設備を簡素化することができる。
【００７５】
===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。
【００７６】
例えば、前述した発電システム１、２では、深冷分離装置３０によって空気から酸素と窒素とを分離することとした。しかし、特にこれに限定されるものではなく、例えば、高分子膜中のガス成分毎の透過速度の違いを利用する膜分離方式等によって、空気を酸素と窒素とに分離してもよい。
【００７７】
また、前述した発電システム２では、天然ガス等の燃料ガスを燃料ガス調整部２７０によって改質燃料ガスに調整して、ＭＣＦＣ２００のアノード２０２に供給することとした。しかし、特にこれに限定されるものではなく、例えば、水素の原料となる炭化水素が燃料ガス調整部２７０を介してＭＣＦＣ２００のアノード２０２に供給されればよい。
【符号の説明】
【００７８】
１、２…発電システム  １０…ガス化部  ２０、２１…第１発電部
３０…深冷分離装置  ４０…第２発電部  ５０、５１…第３発電部
６０…二酸化炭素回収部  １００…石炭ガス化炉  １０１…ガス冷却器
１０２、５０８…復水器  １１０…水蒸気発生部  １２０…脱塵装置
１３０…脱硫装置  １４０…シフト反応器  ２００…ＭＣＦＣ
２０１…カソード  ２０２…アノード  ２０３…電解質
２０４…外部回路  ２０５…負荷  ２１０…圧力容器
２２０…調整器  ２３０…燃焼器  ２４０…コンプレッサ
２５０…循環ブロア  ２６０、６０３、６０４…熱交換器
２７０…燃料ガス調整部  ２７１…燃料予熱器  ２７２…改質器
２７３…加熱室  ４０１…ガスタービン  ４０２、５０５…発電機
５０１、５０２…排熱回収ボイラ  ５０３…気水分離器
５０４…循環ポンプ  ５０６、５０７…蒸気タービン
６０１…吸収塔  ６０２…再生塔  ６０５…分離器
【図１】
2011103213.tif 000003
【図２】
2011103213.tif 000004
【図３】
2011103213.tif 000005