JP2013196890A

JP2013196890A - Ｃｏ２回収型発電システム

Info

Publication number: JP2013196890A
Application number: JP2012062153A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Kawabata; 康晴川端
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】中小規模の分散型発電システムに好適なＣＯ２回収型発電システムを提供する。
【解決手段】ＣＯ２回収型発電システム１は、発電系統２と、ＣＯ２回収系統３と、冷却水供給系統４と、純水製造系統５と、水電解系統６と、制御系統７と、により構成されている。発電系統２は、ＳＯＦＣ２ａと、水電解により得られる水素を燃料とするＰＥＦＣ２ｂにより構成される。ＣＯ２回収工程では、オフガス燃焼器２ｅ出の排気ガスは、熱交換器３ａにおいて吸収式冷凍機４ａから供給される冷却水との熱交換により水分が凝縮除去され、濃度９０％前後の高純度ＣＯ２ガスとなる。分離されたＣＯ２ガスはＣＯ２圧縮機３ｂに導かれ、所定の圧力まで昇圧される。
【選択図】図１

Description

本発明は発電システムに係り、特に中小規模の分散型発電システムに好適なＣＯ２回収型発電システムに関する。

従来、都市ガス等の炭化水素を燃料とするコージェネレーション・システムにおいては、排気ガスは大気中に放出することが一般的である。しかしながら、近年、地球温暖化防止が叫ばれ、ＣＯ２排出量削減が全世界的な課題となっていることから、この分野においても排気ガスのＣＯ２削減が求められている。

本願発明者は、この問題に関してＣＯ２を分離回収して固定化処理するコージェネレーション・システムに関する技術を提案している（特許文献１）。
文献１によるコージェネレーション・システム１００は、図８に示すように燃料供給系統１０１ａを介してピストン１０１ｂ内に噴射される炭化水素系燃料と、純酸素の混合気により燃焼するエンジン１０１と、エンジン動力により駆動する発電機１０２と、排気ガスの一部をエンジンに再循環するＥＧＲ系統１０３と、ＥＧＲ系統１０３から分岐して排気ガス中のＣＯ２ガスを回収するＣＯ２回収系統１０４と、を備えている。エンジン１０１は、混合気と再循環されるＥＧＲガスをシリンダ１０１ａ内において成層状態で燃焼可能としている。また、ＣＯ２回収系統１０４は、排気ガス中のＨ２Ｏ成分を冷却除去して、ＣＯ２ガスを高濃度化する熱交換器３ａ１０４ａと、熱交換器３ａ１０４ａ通過後のＣＯ２ガスを昇圧する圧縮機１０４ｂと、を備えている。

このような構成により、発電機１０４ａによる発電電力と熱交換器３ａ１０４ａにより回収された温熱とを、外部に供給可能とするとともに、圧縮機１０４ｂ通過後のＣＯ２ガスを、例えばＣＯ２回収パイプライン１０４ｃ等に圧送して回収可能とすることで、利用先で供給される電力や熱が、現地におけるＣＯ２排出を伴わない、すなわちＣＯ２フリーの電力や熱の供給を可能とするものである。

特開２０１２−０１３０３７号公報

上記コージェネレーション・システム１００では、ＣＯ２回収に際して水分凝縮のための熱交換器３ａ１０４ａに冷却水を供給する必要があるが、そのために水道水を用いたり、電動冷凍機による冷却を行えば電力消費及びＣＯ２排出を伴い、省エネ性や供給電力と熱のＣＯ２フリー性を損なうことになる。このことはＥＧＲガスのインタークーラー冷却や、ＣＯ２圧縮のインタークーラー冷却についても共通である。この場合、システムの発電電力を利用することによりＣＯ２排出増加は回避できるが、その分供給できる電力が減少することになる。
また、酸化剤として用いる酸素についても、化石燃料で発電した電力を活用して空気ＰＳＡや水の電気分解により製造すれば、電力消費及び／又はＣＯ２排出を伴うことになる。

さらに、高温排気ガスを回収して得られる高温水や蒸気などの熱エネルギーは、電力又は冷熱と比較して需要が少ないケースが多いという課題もある。熱に夏季においてその傾向が顕著である。

本願発明者は、上記各課題についてさらに研究を進め、化石燃料を利用しながらも、ＣＯ２フリーの電力および熱の併給が可能で、かつ、ＣＯ２回収効率及びシステム総合効率に優れたＣＯ２回収型発電システムに関する発明を完成した。
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係るＣＯ２回収型発電システムは、
（１）炭化水素を燃料とする第一の発電装置と、
該発電装置の発電に伴い発生する排熱を熱源として用いる吸収式冷凍機と、
該吸収式冷凍機で作った冷熱の少なくとも一部を、第一の発電装置の発電に伴い発生する排気ガスと熱交換させて、排気ガス中のＨ２Ｏ成分凝縮によりＣＯ２ガスを分離回収可能に構成した熱交換器と、を備えて成ることを特徴とする。

（２）上記発明において、前記熱交換器において凝縮回収した水を電気分解する電気分解装置と、水素を燃料とする第二の発電装置と、をさらに備え、かつ、電気分解により得られた水素を、第二の発電装置の燃料として供給可能に構成したことを特徴とする。

（３）上記各発明において、前記第一の発電装置が燃料電池であり、前記熱交換器において凝縮回収した水を、該燃料電池の水蒸気改質用原料として供給可能に構成したことを特徴とする。

（４）上記各発明において、電気分解により得られた酸素を、前記燃料電池の未燃ガス酸化燃焼の酸化剤として供給可能に構成したことを特徴とする。

（５）上記（１）又は（２）の発明において、前記第一の発電装置が熱機関の発電装置であり、排気ガスの一部を熱機関に再循環するＥＧＲ機構をさらに備え、該ＥＧＲ系統経路内に、タービンと、コンプレッサと、該タービンと該コンプレッサとの間に介装される循環ガスインタークーラーと、を含むターボ過給機を備え、該タービンにより排気ガスを減圧・低温化させて水分除去を行なった後に、一部の排気ガスを分岐してＣＯ２ガスを分離回収可能に構成し、
残りの排気ガスを、該インタークーラーにより冷却して、排熱回収とさらなる水分除去を行い、前記熱機関に再循環するように構成し、かつ、
前記吸収式冷凍機の冷熱の一部を、該循環ガスインタークーラーの冷却水として供給可能に構成したことを特徴とする。
本発明において熱機関とは、レシプロエンジン、ガスタービンエンジン等の内燃機関、及び、蒸気機関、スターリンエンジン等の外燃機関を包含する概念である。

（６）上記（１）又は（２）の発明において、前記第一の発電装置が熱機関の発電装置であり、前記熱交換器により分離したＣＯ２ガスを圧縮する圧縮機をさらに備え、
該圧縮機は、前記熱機関の回転軸と同軸に連結し、タービン間にＣＯ２ガスインタークーラーを備えた多段軸流ターボ圧縮機であり、かつ、
前記吸収式冷凍機の冷熱の一部を、該ＣＯ２ガスインタークーラーの冷却水として供給可能に構成したことを特徴とする。

本発明によれば、排気ガスのＣＯ２分離に伴うエネルギー損失やＣＯ２排出量の低減できるため、システム全体の省エネ性やＣＯ２削減効果の向上が可能となる。

また、温熱需要が少ない需要家についても冷熱供給による発電システムの排熱有効利用が可能となり、システムの省エネ性向上やＣＯ２削減効果の向上に資する。

また、排気ガスからＣＯ２分離して得られる凝縮水と、再生可能エネルギーの余剰電力を用いた水電解により酸素を製造することにより、発電時の省エネ性やＣＯ２削減効果を向上させることができる。
さらに、副生水素を固体高分子型燃料電池等の水素利用型発電システムで利用することにより、システム全体の正味ＣＯ２フリー電力の供給量を増加させることができる。

第一の実施形態に係るＣＯ２回収型発電システム１のブロック構成を示す図である。吸収式冷凍機４ａの詳細構成を示す図である。第二の実施形態に係るＣＯ２回収型発電システム２０のブロック構成を示す図である。第三の実施形態に係るＣＯ２回収型発電システム３０のブロック構成を示す図である。第四の実施形態に係るＣＯ２回収型発電システム４０のブロック構成を示す図である。従来のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム１００のブロック構成を示す図である。

以下、本発明に係るＣＯ２回収型発電システム（以下、適宜、発電システムと略記する）の実施形態について、図１乃至８を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を回避するため、各図において同一構成には同一符号を付している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の各実施形態に限定されないことはいうまでもない。

＜第一の実施形態＞
図１を参照して、本実施形態に係るＣＯ２回収型発電システム１は、発電系統２と、ＣＯ２回収系統３と、冷却水供給系統４と、純水製造系統５と、水電解系統６と、制御系統７と、により構成されている。

発電系統２は、ＣＨ４を主成分とする都市ガスを燃料とする固体酸化物形燃料電池（請求項の第一の発電装置に該当：以下、ＳＯＦＣ）２ａと、後述する水電解により得られる水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（請求項の第二の発電装置に該当：以下、ＰＥＦＣ）２ｂと、を主要構成として備えている。ＳＯＦＣ２ａは、燃料極２ｂと空気極２ｃ間の電気化学反応により直流電力を取り出し、パワーコンディショナー（ＰＣＳ）２ｄにより交流電力に変換して、商用電力に連系するように構成されている。燃料極２ｂの下流側には、未燃ガス（オフガス）を酸素により完全燃焼させて排熱を回収するオフガス燃焼器２ｅが付設されている。

ＣＯ２回収系統３は、オフガス燃焼器２ｅ出の排気ガスを冷却して水分（Ｈ２Ｏ）を凝縮させ、二酸化炭素（ＣＯ２）を分離する熱交換器３ａと、分離したＣＯ２ガスを圧縮するＣＯ２圧縮機３ｂと、により構成されている。

冷却水供給系統４は、吸収式冷凍機４ａと、吸収式冷凍機４ａで作った冷水を熱交換のための冷却水としてＣＯ２回収系統３の熱交換器３ａに供給する冷却水配管４ｂと、熱交換器３ａで排熱回収した温水を吸収式冷凍機４ａに戻す排熱回収配管４ｂと、により構成されている。

図２を参照して、吸収式冷凍機４ａは、再生器４ａａ、凝縮器４ａｂ、蒸発器４ａｃ、吸収器４ａｄ、溶液熱交換器４ａｅ、溶液ポンプ４ａｆ、及び、これら熱交換器類を連絡する配管群を備えており、作動媒体として（臭化リチウム＋水）が循環するように構成されている。

吸収式冷凍機４ａにおける冷凍サイクルは以下の通りである。再生器４ａａで冷媒（水）蒸気成分を分離して高濃度となった溶液（濃溶液）は、吸収器４ａｄに導かれる。吸収器４ａｄ内に滴下される濃溶液は、蒸発器４ａｃから供給される蒸気冷媒を吸収して低濃度となり、吸収器４ａｄ下部に貯留し、さらに溶液ポンプ４ａｆにより再生器４ａａに戻される。一方、再生器４ａａで分離した冷媒蒸気は、凝縮器４ａｂにおいて冷却されて液冷媒となり、蒸発器４ａｃ内で蒸発して蒸気冷媒となる。なお、吸収器４ａｄ及び凝縮器４ａｂには廃熱回収のための冷却水回路４ａｇが設けられており、廃熱を回収して大気放散するように構成されている。

再生器４ａａには排熱回収配管４ｂ、４ｄを介してオフガス燃焼器２ｅ、熱交換器３ａで回収した排熱が加熱源として供給される。また、蒸発器４ａｃで作られた冷熱の一部は、冷却水配管４ｃを介して熱交換器３ａに供給され、ＣＯ２分離に利用される。残りの冷熱は、冷却水配管４ｅを介して冷房負荷に供給される。

なお、本実施形態では単効用タイプを用いた例を示したが、二重効用タイプを用いて排熱を高温再生器に熱源として供給する態様とすることにより、さらなる総合効率の向上が可能となる。

純水製造系統５は、熱交換器３ａにおいて凝縮分離した水をイオン交換樹脂により浄化する浄化装置５ａと、浄化水を貯留する純水タンク５ｂと、これら装置間を結ぶ配管群と、により構成されている。

水電解系統６は、純水タンク５ｂの水を電気分解する水電解装置６ａと、電気分解により得られる酸素を貯留する酸素タンク６ｂと、副生水素を貯留する水素タンク６ｃと、これら装置間を結ぶ配管群と、により構成されている。水電解装置６ａには、例えば太陽光、風力などのＣＯ２フリーの発電手段により電力供給することができる。

制御系統７は、オフガス燃焼器２ｅ出の排気ガスの酸素濃度を検知する未燃ガスセンサＳ１と、酸素タンク６ｂとオフガス燃焼器２ｅ間を結ぶ配管経路中に配設され、オフガス燃焼器２ｅに供給する酸素量を制御可能とする制御弁Ｖ１と、熱交換器３ａにおいて分離したＣＯ２ガス中の湿度を検知する湿度センサＳ２と、これらの計測値に基づいて弁操作指示を行い冷却水温度・供給量を制御する制御部（図示せず）と、により構成されている。

ＣＯ２回収型発電システム１は以上のように構成されており、次にＳＯＦＣ２ａにおける発電工程について説明する。
ＣＨ４を主成分とする都市ガスと、純水タンク５ｂから供給される純水は、ＳＯＦＣ２ａ内の改質器（図示せず）において、触媒環境下で水蒸気改質反応（Ａ）により反応生成物であるＨ２、ＣＯ及び未燃の炭化水素を含む改質ガスに改質される。
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２・・・・（Ａ）

改質ガスは燃料極２ｂに投入される。燃料極２ｂにおいて電気化学反応（Ｂ）、（Ｃ）が、空気極２ｃにおいて電気化学反応（Ｄ）がそれぞれ進行し、酸素イオン（Ｏ^２−）が電解質（図示せず）内部を移動する。（Ｂ）、（Ｃ）に伴い放出される電子（ｅ⁻）の両電極間を結ぶ外部配線の移動により、電力が取り出される。
２Ｈ２＋２Ｏ^２−→２Ｈ２Ｏ＋４ｅ⁻・・・・（Ｂ）
２ＣＯ＋２Ｏ^２−→２ＣＯ２＋４ｅ⁻・・・・（Ｃ）
Ｏ２＋４ｅ⁻→２Ｏ^２−・・・・（Ｄ）

また、ＰＥＦＣ２ｂにおける発電工程は以下の通りである。ＰＥＦＣ２ｂでは、水電解装置６ａにおいて副生する水素を燃料とし、空気雰囲気下で発電が行われる。ＰＥＦＣ２ｂのスタック（図示せず）内で行われる電気化学反応については、水素イオン（Ｏ^＋）が電解質（図示せず）内部を移動する点がＳＯＦＣ２ａと異なる。電力取り出しについてはＳＯＦＣ２ａと同様である。

燃料極２ｂ出の未燃成分を含む燃料オフガスは、酸素タンク６ｂから供給されるＯ２ガスを添加されてオフガス燃焼器２ｅに導入される。ここで完全燃焼してＣＯ２とＨ２Ｏの排気ガスとなる。オフガス燃焼器２ｅにおける燃焼制御は、未燃ガスセンサＳ１による排気ガス残留酸素濃度計測により行われ、制御弁Ｖ１の開度調整によりＯ２供給量が適宜調整される。

次に、本実施形態における排気ガス中のＣＯ２回収工程について説明する。オフガス燃焼器２ｅ出の排気ガスは、熱交換器３ａにおいて吸収式冷凍機４ａから供給される冷却水との熱交換により水分が凝縮除去され、濃度９０％前後の高純度ＣＯ２ガスとなる。分離されたＣＯ２ガスはＣＯ２圧縮機３ｂに導かれ、所定の圧力まで昇圧される。なお、水分凝縮除去状態は湿度センサＳ２により計測され、必要に応じて流量制御弁Ｖ２の開度調整により熱交換能力が制御される。
圧縮後のＣＯ２は回収工程（例えば、ＣＯ２回収パイプライン等を経由して処理プラントに送られて固定化）により、最終的に排気ガス中のＣＯ２が大気中に放散されることはない。

次に、本実施形態における純水製造工程及び水電解工程について説明する。熱交換器３ａにおいて排気ガス中のＨ２Ｏは凝縮水となり、浄化装置５ａに導入される。ここでイオン交換樹脂（図示せず）により浄化され純水となり、純水タンク５ｂに一旦貯留される。浄化装置５ａには、凝縮水発生量に応じて適宜、雨水などの補水が行われる。

純水タンク５ｂ内の純水は水電解装置に導入され、ここで電気分解により酸素及び副生物である水素が製造される。製造酸素は酸素タンク６ｂに貯留され、上述のようにオフガス燃焼器２ｅに酸化剤として供給される。また、副生水素は、上述のようにＰＥＦＣ２ｂの燃料として供される。なお、水電解装置の電力は、例えば太陽光、風力などのＣＯ２フリー電力により供給することができる。

以上の各工程を通じて、燃料電池の発電に伴い発生するＣＯ２を全て回収し、回収ＣＯ２を大気中に放出することなく適切に固定化処分すれば、発電システムの設置場所でＣＯ２の排出を伴わない、ＣＯ２フリーの電力供給が実現できる。また、改質反応のための改質水、オフガス燃焼のための酸化剤も、発電機の排気ガスから回収する凝縮水を活用して製造できる。さらに、発電廃熱は、ＣＯ２分離のため冷却水供給に用いられる吸収式冷凍機の熱源として利用される。

なお、本実施形態では第一の発電装置として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる例を示したが、他の燃料電池を用いる態様とすることもできる。

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。図３を参照して、本実施形態に係るＣＯ２回収型発電システム２０は、エンジン２１ａを駆動源とする発電系統２１と、エンジン２１ａに燃料及び酸素を供給する燃料供給系統２２と、排気ガスをエンジン２１ａに再循環するＥＧＲ系統２３と、及び、ＥＧＲ系統２３から分岐して排気ガス中のＣＯ２を回収するＣＯ２回収系統２４と、冷却水供給系統４と、純水製造系統５と、水電解系統６と、エンジン２１ａの燃焼状態の監視・燃焼制御を行う燃焼制御系統８と、により構成されている。

発電系統２１は、駆動源である排気還流型エンジン２１ａと、エンジン２１ａとクランクシャフト２１ｂを介して連結する発電機２１ｃと、を主要構成とする。エンジン２１ａは４つのシリンダ２１ｄを備えた４気筒４サイクルエンジンであり、クランクシャフト２１ｂの一端側は、変速ギア２１ｅを介して圧縮機側シャフト２１ｆに連結しており、他端側は発電機２１ｃに直結している。これらの伝達装置により、エンジン駆動力を発電機２１ｃ及び圧縮機２４ｂに伝達するように構成されている。

燃料供給系統２２は、炭化水素系ガス燃料（天然ガス）を供給する燃料供給ライン２２ａと、酸化剤である純酸素を供給する酸素供給ライン２２ｂと、両ラインを介して供給される燃料ガス及び酸素を予混合するためのミキサー２２ｃと、ミキサー２２ｃ出の混合気を各シリンダに噴射するための混合気インジェクタ２２ｆと、を主要構成としている。なお、純酸素の供給は、水電解系統６の水電解により製造した酸素により行われる。
また、図１では１系統のシリンダ以外については図示を省略しているが、他の系統についても同様に構成されている。

ＥＧＲ系統２３は、排気マニホールド２３ｊに集めたエンジン排気ガスを各シリンダに再循環するＥＧＲライン２３ａと、ＥＧＲライン２３ａ経路中にタービン２３ｄａ及びこれを駆動源とするコンプレッサ２３ｄｂから成るターボ過給機２３ｄと、タービン２３ｄａとコンプレッサ２３ｄｂ間に介装され、再循環ガスを冷却して水分を凝縮除去するための熱交換器２３ｃ（インタークーラー）２３ｃと、を主要構成として備えている。

ＣＯ２回収系統２４は、タービン２３ｄａの下流側でＥＧＲライン２３ａから分岐し、エンジン排気ガスをＣＯ圧縮機４に導くＣＯ２回収ライン２４ｃと、ＣＯ２回収ライン６ｂ経路中に介装され、排気ガスと熱交換して温熱を取り出す熱交換器２４ａと、分離したＣＯ２ガスを圧縮するＣＯ２圧縮機２４ｂと、を主要構成として備えている。

冷却水供給系統２５は、ＣＯ２回収系統２４の熱交換器２４ａ及びＥＧＲ系統２３の熱交換器２３ｃに冷却水を供給する吸収式冷凍機２５ａと、これらを結び冷却水を供給する冷却水配管２５ｃと、熱交換器２４ａで回収した排熱を吸収式冷凍機４ａに戻す排熱回収配管２５ｂと、により構成されている。

純水製造系統２６は、熱交換器２３ｃ、２４ａにおける凝縮分離水を浄化装置５ａに導く配管２６ａ、２６ｂを備えていることを除き、上述の発電システム１の純水製造系統５と同様である。また、水電解系統６の構成についても第一の実施形態と同様である。

制御系統２７は、燃料供給ライン２２ａ及び酸素供給ライン２２ｂの経路中にそれぞれ介装される流量制御弁Ｖ２１、Ｖ２２と、ＥＧＲライン２３ａ経路中に介装される流量調整弁Ｖ２３、湿度センサＳ２１と、ＣＯ２回収ライン２４ｃ経路中に介装されている湿度センサＳ２２と、冷却水配管２５ａ経路中に介装される流量制御弁Ｖ２４、Ｖ２５と、これらの計測値に基づいて弁操作指示を行い冷却水温度・供給量を制御する制御部（図示せず）と、により構成されている。さらに、制御系統２７はエンジンの燃焼制御のための燃焼制御装置（図示せず）を備えており、シリンダ内に配設されるいずれも不図示の筒内圧センサ及び温度センサ等の検出値に基づいて、燃料又は酸素の噴射時期や噴射時間の調整、エンジンの吸排気バルブ（図示せず）の開閉時期を調整するように構成されている。

ＣＯ２回収型発電システム２０は以上のように構成されており、次に発電系統２１による発電工程について説明する。
燃料供給ライン２２ａから供給される都市ガスと酸素供給ライン２２ｂから供給される純酸素は、ミキサー２２ｃで混合気となりエンジン２１ａの各シリンダ２１ｄに噴射される。排気ガスの一部は、ＥＧＲ系統２３により再循環される。エンジン２１ａの回転駆動により発電機２１ｃにより発電が行われる。なお、エンジン２１ａ内部における燃料、酸素及びＥＧＲガスの挙動、燃焼制御、ＥＧＲ系統２３における排気再循環の各態様については、上記文献１において開示されているため説明を省略する。

次に、ＣＯ２回収系統２４におけるＣＯ２ガス回収工程の態様について説明する。ＥＧＲライン２３ａから分岐した排気ガスは、吸収式冷凍機４ａから供給される冷却水との熱交換により水分が凝縮除去され、濃度９０％前後の高純度ＣＯ２ガスとなる。分離されたＣＯ２ガスはＣＯ２圧縮機２４ｂに導かれ、所定の圧力まで昇圧される。なお、水分凝縮除去状態は湿度センサＳ２２により計測され、必要に応じて流量制御弁Ｖ２４、Ｖ２５の開度調整により熱交換能力が制御される。熱交換器２４ａ出のＣＯ２ガスは圧縮機２４ｂに導かれ、ここで昇圧されて最終的に処理プラント（図示せず）において固定化される。
以上のフローにより、エンジン排気ガス中のＣＯ２は、大気中に放散されることなく回収固定化できる。

一般に、燃料電池は発電効率がエンジンなどの熱機関と比べて高いものの、急速な起動・停止や負荷変動への対応が困難であり、発電システムのコストも高くなる。逆に、エンジンなどの熱機関による発電システムは、燃料電池ほど効率は高くないが、起動停止が容易で負荷変動への対応力も高い。従って、熱機関の場合、電力負荷が大きいにも係らず太陽光発電などのＣＯ２フリー電力が得られ難い日時（例えば、曇雨天日の昼間時間帯など）に限定してシステムを起動・停止し、柔軟に出力制御を行うことで、選択的かつ柔軟なＣＯ２フリー電力の供給を行えるようになるという特徴がある。

なお、燃料電池を用いる場合と比較して、熱機関方式によればより多くの酸素を必要とするため、酸素製造工程で排ガス凝縮水が不足するおそれがある。但し、再生可能エネルギー起源のＣＯ２フリー電力を用いてＰＳＡを動かし、空気から酸素を大量製造することによりこの問題は解決できる。

＜第三の実施形態＞
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。図４を参照して、本実施形態に係るＣＯ２回収型発電システム３０が、上述のＣＯ２回収型発電システム２０と異なる点は、ＣＯ２回収系統、ＥＧＲ系統及び冷却水供給系統の構成である。
まず、発電システム２０ではＥＧＲ系統２３がターボ過給機２３ｄを備えているのに対して、発電システム３０のＥＧＲ系統３３ではこれを備えていない。但し、排ガス熱交換器３３ｂで一定量の水分除去を行なった後の、ＣＯ２濃度の高い排気ガスをエンジン３１ａに還流することで、エンジンへの還流ガスに大量の水蒸気分が混入することを回避している。

次にＣＯ２回収系統の構成については、発電システム２０のＣＯ２回収系統２４ではスクロール式圧縮機２４ｂを用いているのに対して、発電システム３０のＣＯ２回収系統３４では、エンジン３１ａのクランクシャフト２ｂと同軸に連結する多段軸流ターボ圧縮機３４ｂを用いている。また、２段目と３段目のタービンの途中に、インタークーラー３４ａを備えている。これにより、排気ガス熱交換器３３ｂで水分除去された排気ガスの冷却によりさらに水分を凝縮し、配管３６ａを介して純水製造系統３６に供給している。

次に冷却水供給系統の構成については、発電システム２０の冷却水供給系統２５では吸収式冷凍機４ａは、ＥＧＲ系統２３のインタークーラー２３ｃと、ＣＯ２回収系統２４の熱交換器２４ａに対して冷却水供給している。これに対して、発電システム３０の冷却水供給系統３５では、吸収式冷凍機３５ａは冷却水配管３５ｂを介してＣＯ２回収系統３４のインタークーラー３４ａに対して冷却水供給している。また、熱交換器３３ｂで回収した排熱を、排熱回収配管３５ｃを介して吸収式冷凍機３５ａに戻している。

発電システム３０の制御系統は、燃料供給ライン３２ａ及び酸素供給ライン３２ｂの経路中にそれぞれ介装される流量制御弁Ｖ３１、Ｖ３２と、ＥＧＲライン３３ａ経路中に介装される温度センサＳ３１と、ＣＯ２回収ライン経路中に介装されている湿度センサＳ３２と、冷却水配管３５ｂ経路中に介装される流量制御弁Ｖ３２と、これらの計測値に基づいて弁操作指示を行い冷却水温度・供給量を制御する制御部（図示せず）と、により構成されている。

さらに、発電システム２０では変速ギア２１ｅ、圧縮機２４ｂ等がシリンダブロック２１ｇの外部に配置されているのに対して、発電システム３０では変速ギア３１ｅ、圧縮機３４ｂがシリンダブロック３１ｃ内部に格納されている。
なお、その他の構成については純水製造系統、水電解系統を含め、第二の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。

以上の構成により発電システム３０において発電システム２０と同様にして発電が行われる。また、ＣＯ２回収系統３４において、吸収式冷凍機３５ａからの冷却水を多段軸流ターボ圧縮機３４ｂのインタークーラー３４ａ冷却に用いることにより、回収ＣＯ２の圧縮を効率的に行うことができる。なお、水分凝縮除去状態は湿度センサＳ３２により計測され、必要に応じて流量制御弁Ｖ３３の開度調整により熱交換能力が制御される。

第二の実施形態と比較した本実施形態の特徴は以下の通りである。回収ＣＯ２をＣＯ２固定化プラントに輸送する場合、ＣＯ２パイプラインへの圧入や、液化してローリーで輸送することが考えられる。何れの場合も相応の高圧にＣＯ２を圧縮する必要があり、一段の圧縮で昇圧しきれない場合がある。
ＣＯ２パイプラインの圧力が比較的低く高圧化が必要でない場合は、上述の実施形態で対応できるが、回収ＣＯ２をより高圧化する必要がある場合に、多段のターボ圧縮とすることにより、回収ＣＯ２の高圧化が容易となる。また、多段圧縮機では、適宜断熱圧縮で温度上昇したガスをインタークーラーで冷却しながら圧縮していくことにより、より効率的な圧縮が可能となる。

＜第四の実施形態＞
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。図５を参照して、本実施形態に係るＣＯ２回収型発電システム４０が、上述の実施形態と異なる点は、冷却水供給系統の構成である。発電システム１では、吸収式冷凍機４ａが単一系統の熱交換器３ａに対して冷却水を供給するように構成されているのに対して、発電システム４０では複数の発電システム４２、４３に対して、共通の吸収式冷凍機４１の蒸発器４１ｂから各熱交換器４２ｂ、４３ｂに対して冷却水を供給するように構成されている。また、ＳＯＦＣ４２ａ、４３ａの発電排熱を再生器４１ａの熱源として供給している。その他の構成及び発電工程、それぞれのＣＯ２回収工程、冷却水供給工程、純水製造工程系統、水電解工程等については、第一の実施形態と同様であるので重複説明を省略する。

本実施形態によれば、発電装置の発電能力と吸収式冷凍機の冷房能力に対応して、適切な組み合わせが可能になる。
また本実施形態によれば、簡易な配管接続等により既存の吸収式冷凍機を本発明の発電システムに組み込むことができるため、適用範囲が極めて広いという特徴がある。

本発明は、炭化水素ガスを燃料とする発電システムのみならず、液体炭化水素を燃料とする発電システムにも適用可能である。

１，２０，３０、４０・・・・・ＣＯ２回収型発電システム
２，２１、３１・・・・・発電系統
２ａ・・・・固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ｂ・・・・燃料極
２ｃ・・・・空気極
２ｅ・・・・オフガス燃焼器
３、２４，３４・・・・・ＣＯ２回収系統
３ａ、２４ａ・・・・熱交換器
３ｂ、２４ｂ、３４ｂ・・・・ＣＯ２圧縮機
４、２５、３５・・・・・冷却水供給系統
４ａ、２５ａ、３５ａ、４１・・・・吸収式冷凍機
５、２６、３６・・・・・純水製造系統
６・・・・・水電解系統
Ｓ１・・・・未燃ガスセンサ
Ｓ２、Ｓ２２、Ｓ３２・・・・湿度センサ
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ２１〜Ｖ２４、Ｖ３１〜Ｖ３４・・・・流量制御弁

Claims

炭化水素を燃料とする第一の発電装置と、
該発電装置の発電に伴い発生する排熱を熱源として用いる吸収式冷凍機と、
該吸収式冷凍機で作った冷熱の少なくとも一部を、第一の発電装置の発電に伴い発生する排気ガスと熱交換させて、排気ガス中のＨ２Ｏ成分凝縮によりＣＯ２ガスを分離回収可能に構成した熱交換器と、
を備えて成ることを特徴とするＣＯ２回収型発電システム。
前記熱交換器において凝縮回収した水を電気分解する電気分解装置と、水素を燃料とする第二の発電装置と、をさらに備え、かつ、
電気分解により得られた水素を、第二の発電装置の燃料として供給可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載のＣＯ２回収型発電システム。
前記第一の発電装置が燃料電池であり、
前記熱交換器において凝縮回収した水を、該燃料電池の水蒸気改質用原料として供給可能に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ２回収型発電システム。
電気分解により得られた酸素を、前記燃料電池の未燃ガス酸化燃焼の酸化剤として供給可能に構成したことを特徴とする請求項２又は３に記載のＣＯ２回収型発電システム。
前記第一の発電装置が熱機関を用いた発電装置であり、
排気ガスの一部を該熱機関に再循環するＥＧＲ機構をさらに備え、
該ＥＧＲ系統経路内に、タービンと、コンプレッサと、該タービンと該コンプレッサとの間に介装される循環ガスインタークーラーと、を含むターボ過給機を備え、
該タービンにより排気ガスを減圧・低温化させて水分除去を行なった後に、一部の排気ガスを分岐してＣＯ２ガスを分離回収可能に構成し、
残りの排気ガスを、該インタークーラーにより冷却して、排熱回収とさらなる水分除去を行い、前記熱機関に再循環するように構成し、かつ、
前記吸収式冷凍機の冷熱の一部を、該循環ガスインタークーラーの冷却水として供給可能に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ２回収型発電システム。
前記第一の発電装置が熱機関の発電装置であり、
前記熱交換器により分離したＣＯ２ガスを圧縮する圧縮機をさらに備え、
該圧縮機は、前記熱機関の回転軸と同軸に連結し、タービン間にＣＯ２ガスインタークーラーを備えた多段軸流ターボ圧縮機であり、かつ、
前記吸収式冷凍機の冷熱の一部を、該ＣＯ２ガスインタークーラーの冷却水として供給可能に構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ２回収型発電システム。