(57)【要約】【課題】本発明は、ＣＯ2排出量の少ない環境性に優れたコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。【解決手段】再生可能エネルギから発電した電力を用いて電気分解装置１０２により水素を製造し、水素を水素添加装置１０３で水素化物に変換して貯蔵するエネルギ貯蔵手段と、水素化物の脱水素反応により脱水素反応器１０６で生成した水素を燃料として熱電供給機器で発電し、電力と排熱を供給するエネルギ回生手段を備え、熱電供給機器の排熱を脱水素反応器、電気分解装置および需要地の順に供給する排熱供給ライン１１７と、排熱供給ラインから供給される熱量が不足する場合に排熱供給ラインに熱を供給する燃焼器１０８と、燃焼器から脱水素反応器、電気分解装置および需要地のそれぞれに対して供給される熱量を調整する供給熱量調整手段を備えるコージェネレーションシステム。【選択図】  図１
2014084792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生可能エネルギを電気エネルギに変換する発電装置と、
前記発電装置によって得られた電気エネルギを用いて水素ガスを製造する電気分解装置と、前記電気分解装置で製造した水素ガスを芳香族化合物に対して付加させ水素化物に変換する水素添加装置と、
前記水素添加装置で生成した水素化物を貯蔵する水素化物タンクと、
前記水素化物の脱水素反応によって水素と不飽和炭化水素に分離する脱水素反応器と、  脱水素反応器で生成された水素を燃料として発電し、電力と熱を生成する熱電供給機器と、
前記熱電供給機器で発電した電力を需要地に供給する電力供給ラインと、
前記熱電供給機器の排熱を前記脱水素反応器、前記電気分解装置および需要地の順に供給する排熱供給ラインと、
前記脱水素反応器、前記電気分解装置および需要地に対して、排熱供給ラインから供給される熱量が不足する場合に熱を供給する燃焼器と、
前記燃焼器から前記脱水素反応器、前記電気分解装置および前記需要地のそれぞれに対して供給される熱量を調整する供給熱量調整手段を備えることを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項２】
請求項１において、
前記供給熱量調整手段は、前記脱水素反応器、前記電気分解装置および需要地に対して燃焼器の熱を供給するための複数の配管と、前記燃焼器の熱を前記複数の配管に供給する熱供給ラインと、前記熱供給ラインから複数の配管に供給する熱量を調整する第１の流量調整バルブを有することを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記排熱供給ラインは、前記排熱供給ラインから分岐してそれぞれ前記脱水素反応器および前記電気分解装置に熱を供給する排熱供給バイパスラインと、前記排熱供給バイパスラインに流れる排ガス流量を調整する第２の流量調整バルブを有することを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項４】
請求項１において、前記熱電供給機器がエンジン発電機であることを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項５】
請求項４において、前記需要地および前記脱水素反応器、前記電気分解装置で要求される熱量と前記エンジン発電機から供給可能な熱量に基づいて、前記供給熱量調整手段を制御する制御装置を有することを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項６】
請求項５において、前記制御装置は前記需要地からの電力需要に基づいて前記エンジン発電機の発電量を決定し、決定したエンジン発電機の発電量から前記エンジン発電機の排熱量を算出または計測して、前記供給熱量調整手段を制御することを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項７】
請求項１において、前記水素添加装置の水素付加反応で生じた反応熱を前記電気分解装置に供給することを特徴とするコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然エネルギを大規模に貯蔵し、電力エネルギおよび熱エネルギを供給するコージェネレーションシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱源から電力と熱を生産して供給するコージェネレーションシステム（熱電併給装置）としては、液体燃料やガスを燃料としてエンジン発電機を駆動して電力を得るとともに、エンジンからの排熱を回収して熱源として利用するシステムが知られている。コージェネレーションシステムは、従来の発電方式では廃棄されていた排熱を有効に回収利用することができ、省エネ、ＣＯ2削減の観点から注目されている。例えば、特許文献１には環境性に優れたコージェネレーションシステムとして、水素燃料を用いた水素エンジンをコージェネレーションシステムの原動機として採用したシステムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２１４０４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、引用文献１のような水素を利用した発電システムでは、燃料である水素の輸送、貯蔵が問題となる。これに対して、安全性，運搬性，貯蔵能力，低コスト化に優れた水素貯蔵法として、シクロヘキサンやデカリンのような炭化水素を用いた有機ハイドライドシステムが注目されている。有機ハイドライドは芳香族化合物に水素を結合させた水素化物であって、触媒反応（脱水素化反応）によって可逆的に水素の脱離（脱水素化）と付加（水素化）が可能な媒体（有機ハイドライド）であり、常温で液体であるため、運搬性に優れている。このような有機ハイドライドを用いた水素の貯蔵・供給方法として、例えば、再生可能エネルギから発電した電力を用いて電気分解装置で水素を製造し、製造した水素を芳香族化合物に結合させて水素化物として貯蔵し、貯蔵した水素化物を脱水素反応により水素と芳香族化合物に分離して水素を供給する方法がある。
【０００５】
水素エンジン用いたコージェネレーションシステムの水素燃料の供給手段として、上述の再生可能エネルギを利用した有機ハイドライドによる水素貯蔵・供給を採用すれば、水素の製造から利用までＣＯ2排出量の非常に少ない環境性に優れたコージェネレーションシステムとすることができる。さらには、エンジンの発電用燃料の輸送・供給にかかる費用を削減でき、コスト低減を図ることができる。
【０００６】
このような効果が期待できる一方で、有機ハイドライドによる水素貯蔵・供給システムでは、脱水素反応に熱が必要であり、エンジン発電機の排熱をリアクタに供給する必要がある。電力・熱需要、エンジン発電機の運転状態等の条件によっては、脱水素反応で必要な熱量をエンジン発電機から反応器に供給できず、その結果、反応器からエンジン発電機に必要量の水素が供給されず、要求電力を発電できない場合が想定される。これに対して、要求電力を満たすように水素以外の発電用燃料をエンジンに供給して発電することで対応が可能であるが、水素以外の発電用燃料を用いてエンジン発電機で発電するとＣＯ2排出量の増加を招くことになる。そのため、環境性、コスト削減の観点からは発電用燃料の消費量を極力削減することが重要となる。
【０００７】
本発明は、ＣＯ2排出量の少ない環境性に優れたコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決する手段として、本発明のコージェネレーションシステムは、再生可能エネルギを電気エネルギに変換する発電装置と、前記発電装置によって得られた電気エネルギを用いて水素ガスを製造する電気分解装置と、前記電気分解装置で製造した水素ガスを芳香族化合物に対して付加させ水素化物に変換する水素添加装置と、前記水素添加装置で生成した水素化物を貯蔵する水素化物タンクと、前記水素化物の脱水素反応によって水素と不飽和炭化水素に分離する脱水素反応器と、脱水素反応器で生成された水素を燃料として発電し、電力と熱を生成する熱電供給機器と、前記熱電供給機器で発電した電力を需要地に供給する電力供給ラインと、前記熱電供給機器の排熱を前記脱水素反応器、前記電気分解装置および需要地の順に供給する排熱供給ラインと、前記脱水素反応器、前記電気分解装置および需要地に対して、排熱供給ラインから供給される熱量が不足する場合に熱を供給する燃焼器と、前記燃焼器から前記脱水素反応器、前記電気分解装置および前記需要地のそれぞれに対して供給される熱量を調整する供給熱量調整手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、ＣＯ2排出量の少ない環境性に優れたコージェネレーションシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係るコージェネレーションシステムの構成を模式的に表す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るコージェネレーションシステムの構成の変形例を模式的に表す図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施形態に係る反応器の輪切り断面図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係る反応セルの輪切り断面図であり、（ｃ）は本発明の実施形態に係る反応シートの断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係るコージェネレーションシステムのエネルギ消費地に電力および熱エネルギを供給する際の運転フローの一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るコージェネレーションシステムの構成の変形例を模式的に表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を適宜参照しながら、本発明の実施形態に係るコージェネレーションシステムの具体例を説明する。
［１．第１実施形態］
≪コージェネレーションシステムの構成≫
図１に示すように本実施形態に係るコージェネレーションシステムは、電力と熱を生成して供給するシステムである。
【００１２】
本実施形態のコージェネレーションシステムは、発電装置で発電した電力を用いて水素を生成し、水素貯蔵媒体としてエネルギを貯蔵するエネルギ貯蔵手段と、エネルギ貯蔵手段で貯蔵した水素貯蔵媒体を用いて電力および熱を生成するエネルギ回生手段を備える。
【００１３】
エネルギ貯蔵手段は、発電装置１０１と、発電装置１０１で発電した電力を用いて電気分解によって水素を製造する電解装置１０２と、電解装置１０２で生成された水素と脱水素化物を反応させて水素化物を製造する水素添加装置１０３と、脱水素化物、水素化物をそれぞれ貯蔵する脱水素化物タンク１０４、および、水素化物タンク１０５で構成される。
【００１４】
エネルギ回生手段は、水素化物タンク１０５に貯蔵された水素化物の脱水素反応によって水素を生成する脱水素反応器１０６と、脱水素反応器１０６で生成した水素を燃料として発電し、電力と熱を生成する熱電供給機器であるエンジン発電機１０７で構成される。エネルギ回生手段の発電機１０７で生成された電力と熱が、それぞれ電力供給ライン１１５と排熱供給ライン１１６から需要地１１０に供給されるシステムである。なお、発電機１０７には、必要に応じて水素ガスの他に燃料タンク１１９に貯蔵されたガソリン、天然ガス、都市ガスなどの発電用燃料を供給することも可能である。
【００１５】
電力供給ライン１１５には電力計１１４が設けられ、発電機１０７で生成された電力量が管理される。
【００１６】
排熱供給ライン１１６は、上流側から脱水素反応器１０６、電気分解装置１０２の順に接続され、発電機１０７の排熱が脱水素反応器１０６、電解装置１０２に供給されるように構成されている。そして、脱水素反応器１０６、電解装置１０２で使用されなかった排熱が需要地１１０に供給される。この際、図２に示すように排熱供給ライン１１６に、脱水素反応器１０６と電解装置１０２にそれぞれ排熱を供給するための排熱供給バイパスライン１１６ａ，１１６ｂを設け、流量調整バルブ１１３ａ，１１３ｂによって排熱供給ライン１１６から排熱供給バイパスライン１１６ａ，１１６ｂに供給される熱量を調整できるように構成してもよい。これにより、脱水素反応器１０６、電解装置１０２に対して必要な熱量分を調整して供給でき、脱水素反応器１０６、電解装置１０２が必要以上に加熱されることによる部材の劣化等を抑制することができる。図２の構成においても、脱水素反応器１０６、電解装置１０２で使用されなかった熱は排熱供給バイパスライン１１６ａ，１１６ｂから排熱供給ライン１１６に回収され、需要地１１０に熱が供給される。排熱供給ライン１１６の各地点には熱量センサ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃが設置されており、熱量センサの情報に基づき、脱水素反応器１０６、電解装置１０２および需要地への熱供給量が制御される。本実施形態では、発電機１０７の排熱は排熱供給ライン１１６を介して、脱水素反応器１０６、電解装置１０２、需要地１１０の順に供給され、発電機１０７と脱水素反応器１０６の間、脱水素反応器１０６と電解装置１０２の間、電解装置１０２と需要地１１０の間にそれぞれ熱量センサ（温度センサ及び／又は流量センサ）を設けている。
【００１７】
また、本実施形態のコージェネレーションシステムでは、要求される熱量に対して発電機１０７で生成される熱量が不足する場合に、不足分の熱を補うための燃焼器１０８を備えている。燃焼器１０８で生成された熱は排熱供給ライン１１６と接続された熱供給ライン１１７から脱水素反応器１０６、電解装置１０２および需要地１１０に供給される。この際、脱水素反応器１０６に熱を供給するための配管、電解装置１０２に熱を供給するための配管、及び、需要地１１０に熱を供給すための配管が熱供給ライン１１７に設けられており、各配管に供給される熱量を制御するための流量調整バルブ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃが熱供給ライン１１７または配管に設けられている。
【００１８】
排熱供給ライン１１６の流量調整バルブ１１３ａ，１１３ｂ、熱供給ライン１１７の流量調整バルブ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃの動作、燃焼器１０８のＯＮ−ＯＦＦは、要求熱量、熱量センサの情報、脱水素反応器１０６の温度や電解装置１０２の温度等の情報に基づいて制御装置１０９によって制御される。
【００１９】
このように脱水素反応器１０６、電解装置１０２および需要地１１０の各地点に対して、燃焼器１０８から供給される熱量をコントロールできるように構成することにより、燃焼器１０８からの熱を効率的に各地点に供給することができる。例えば、電解装置１０２あるいは需要地１１０のみで熱量が不足する場合に、燃焼器１０８の熱を上流側から供給すると脱水素反応器１０６での放熱によって熱損失が生じる。さらに、上流側ではエンジン発電機の排熱温度が高温であるため、電解装置１０２あるいは需要地１１０に直接供給する場合よりも上流側に熱を供給する場合には供給する熱量を大きくする必要が生じる。
このように、上記した構成により、要求される熱量に対して燃焼器１０８での燃焼量を必要最低限に抑えることができ、燃焼器１０８の燃料消費率を抑制でき、燃焼器１０８におけるＣＯ2発生量を抑制できる。
【００２０】
以下、本実施形態のコージェネレーションシステムの主要構成について説明する。
＜発電装置＞
発電装置１０１は、例えば太陽光、風力等の再生可能エネルギを電力に変換するものである。発電装置１は、電解装置２と電気的に接続され、発電装置１で発電した電力を電解装置２に供給できるようになっている。
＜電気分解装置＞
電気分解装置１０２は、発電装置１０１によって得られた電力を用いて電解液を電気分解することにより、少なくとも水素を生成する装置である。したがって、電気分解装置１０２は、正極及び負極、電気分解する水を一時的に貯溜する容器、陽極及び負極に印加する電圧を制御する電圧コントローラ等を備えている。例えば、電解液として水を用いた場合には、式（１）で示される電気分解反応によって、水素と酸素が生成される。
２Ｈ2Ｏ→２Ｈ2＋Ｏ2  …式（１）
【００２１】
発電装置１０１によって得られた電力は変動電力であり、電力変動に応じて電気分解装置１０２は起動停止を繰り返す必要がある。そこで、電気分解装置１０２としては、比較的低温で電気分解が可能であり、短時間で起動が可能な固体高分子水電解やアルカリ水電解を用いた電解装置が好ましい。固体高分子水電解による電解装置は、プロトン伝導性を有する固体高分子型電解質を隔壁、電解質として用いて純水を電気分解するものであり、高純度の水素を効率よく製造することができる。アルカリ水電解による電解装置は、水酸化カリウム等の水に溶解させたときにアルカリ性を示す化合物を電解質とし、アルカリ性水溶液を電気分解することで水素を製造するものである。
【００２２】
なお、水の電解効率は温度が高くなるほど効率が高くなり、固体高分子水電解型では８０〜９０℃程度、アルカリ水電解型では１２０〜１５０℃程度が最も電解効率が高くなる。そのため、電解装置の温度が低くならないように温度制御することが好ましい。電解装置の温度は、電解液の温度を調整することで制御することが有効である。
【００２３】
電気分解装置１０２で生成された水素は、水素添加装置に供給される。一方、図示していないが、電気分解装置１０２で生成された酸素は発電機１０７で利用することで、発電機１０７の発電効率を向上することができる。
＜水素貯蔵媒体＞
水素貯蔵媒体は芳香族化合物に水素を結合させた水素化物であって、触媒反応（脱水素化反応）によって可逆的に水素の脱離（脱水素化）と付加（水素化）が可能な媒体（有機ハイドライド）である。すなわち、水素化物から水素を脱離することにより、脱水素化物が得られ、脱水素化物に対して水素を付加することにより、水素化物が得られるようになっている。これら水素の脱離及び付加反応は、後記する水素添加装置１０３、脱水素反応器１０６において行われるようになっている。
【００２４】
水素は常温常圧においては気体状態であるため、密度が小さく、貯蔵体積が膨大なものとなる。しかしながら、水素貯蔵媒体を用いることにより、例えば液体状態で水素を貯蔵することが可能となり、貯蔵効率を高めることができ、自然エネルギの損失を減少させることができる。また、水素貯蔵媒体は液体状態であるため、運搬性等の取扱いが容易になるという利点もある。
【００２５】
このような水素貯蔵媒体としては、水素が脱離されうるものであれば特に制限は無いが、運搬性等の取扱いが容易である、反応性がより高い、脱離される水素の物質量が多い等の観点から、常温常圧で液体である化合物が好ましく、中でも、メチルシクロヘキサン（対応する脱水素化物はトルエン）、２−メチルノナヒドロナフタレン（対応する脱水素化物は１−メチルナフタレン）及び脂環式化合物（対応する脱水素化物は、例えばベンゼン、シクロヘキセン、シクロペンテン等）からなる群より選ばれる１種以上の化合物がより好ましく、メチルシクロヘキサン（以下、ＭＣＨという）が特に好ましい。なお、常温常圧では固体若しくは気体であっても、水素化物から水素を脱離する際の条件、並びに、脱水素化物に水素を付加する際の条件において、液体となる化合物も好適に用いることができる。このような水素貯蔵媒体の具体例としては、デカヒドロナフタレン（対応する脱水素化物はナフタレン）等が挙げられる。
【００２６】
なお、水素化物は１種を単独で用いてもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。また、脱水素化物も１種を単独で用いてもよく、２種以上を任意の比率及び組み合わせで用いてもよい。
【００２７】
本実施形態に係るコージェネレーションシステムにおいては、水素化物としてＭＣＨ（Ｃ7Ｈ14）を、脱水素化物としてトルエン（Ｃ7Ｈ8）を用いた例を説明する。ＭＣＨ、トルエンを用いて水素を製造する場合、脱水素反応装置１０６においては、以下のような反応が行われている。
Ｃ7Ｈ14→Ｃ7Ｈ8＋３Ｈ2−２０５ｋＪ  ・・・式（２）
【００２８】
式（２）記載のように、ＭＣＨから水素１ｍｏｌを生成するためには約６８ｋＪ／ｍｏｌの熱量が必要となり、脱水素反応は吸熱反応となる。そのため、後記する、発電機１０７において発生した熱を脱水素反応器１０６に供給し、当該熱によって式（２）記載の反応を進行させるようにしている。
【００２９】
一方、トルエンに水素を付加させる反応、即ち、前記式（２）の左方向への反応においては発熱反応となる。水素添加装置１０３の水素付加反応で生じた反応熱は、電気分解装置１０２の加温に利用することで、水素添加装置１０３の排熱の有効利用、電気分解装置１０２の電解効率の向上が図れる。
＜水素添加装置及び脱水素反応器＞
水素添加装置１０３は、電気分解装置１０２で生成された水素と脱水素化物の水素付加反応によって水素化物を生成する装置である。また、脱水素反応器１０６は、水素化物の脱水素反応によって、水素と脱水素化物を生成する装置である。脱水素化物反応も水素化反応も触媒の存在下で行われ、水素添加装置１０３と脱水素反応器１０６の基本構成は同じである。
【００３０】
水素添加装置１０３、脱水素反応器１０６を構成する反応器の一例を説明する。以下では脱水素反応器１０６を例として説明する。
【００３１】
反応器３０は、図３（ａ）に示すように、外形が円柱状を呈する複数本の反応セル３１と、複数の反応セル３１を収容した円筒状の第１ケーシング３２と、を備えている。そして、ＭＣＨ（メチルシクロヘキサン）が各反応セル３１内を通流し、高温の排気ガスが反応セル３１の外であって第１ケーシング３２内を通流するようになっている。
【００３２】
第１ケーシング３２及び後記する第２ケーシング３４は、熱伝導率が高くなるように金属製（例えば、ＳＵＳ）で形成されている。なお、第１ケーシング３２、第２ケーシング３４の形状は、円筒状に限定されず、その他に例えば、四角形筒状、多角形筒状でもよい。
【００３３】
反応セル３１は、図３（ｂ）に示すように、積層された複数枚の反応シート３３と、複数枚の反応シート３３を収容した第２ケーシング３４と、を備えている。
【００３４】
各反応シート３３は、図３（ｃ）に示すように、ベースとなる金属箔３５と、金属箔３５の両面にそれぞれ形成された多孔質層３６と、多孔質層３６に担持された触媒３７と、を備えている。つまり、各反応シート３３は、触媒３７が担持した多孔質層３６、金属箔３５、触媒３７が担持した多孔質層３６の順で積層した三層構造である。
【００３５】
なお、厚さ方向において隣り合う反応シート３３、３３間には、ＭＣＨ、生成した水素及びトルエンが通流可能な隙間が形成されている。
【００３６】
また、反応シート３３はシート状であるから、その熱容量が小さく、熱が反応シート３３を速やかに伝導し、触媒３７がその触媒機能を良好に発揮する温度に速やかに昇温する。これにより、ＭＣＨを水素とトルエンとに分解する分解反応の効率は、高くなっている。
【００３７】
さらに、各反応シート３３には、複数の貫通孔３３ａが形成されている。これにより、排気ガスの熱が厚さ方向に良好に伝導し、また、ＭＣＨ、生成した水素及びトルエンが、厚さ方向にも良好に通流するようになっている。
【００３８】
金属箔３５は、例えばアルミニウム箔で構成され、その厚さは５０〜２００μｍ程度とされる。
【００３９】
ただし、金属箔３５を備えず、又は、金属箔３５に代えて、ベースとなる多孔質層を備え、反応シート３３全体を多孔質構造としてもよい。
【００４０】
多孔質層３６は、触媒３７を担持するための層であって、ＭＣＨ、生成した水素及びトルエンが通流可能な複数の細孔を有している。このような多孔質層３６は、例えば、アルミナを主体とした酸化物で構成される。
【００４１】
触媒３７は、ＭＣＨを分解、つまり、脱水素反応させ、水素及びトルエンを生成させるための触媒である（式（２）参照）。このような触媒３７は、例えば、白金、ニッケル、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、モリブデン、レニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、クロム、コバルト、鉄等から選択された少なくとも１種で構成される。
【００４２】
なお、反応器３０を通流した排気ガスは、配管２１ｅを通って外部に排出されるようになっている。
【００４３】
一方、上記反応機３０を水素添加装置１０３として利用する場合には、反応セル３１内にトルエンと水素を流通させることで、式（２）の逆反応（水素化反応）によってＭＣＨが生成される。触媒３７としては脱水素反応で例示した触媒が使用可能である。また、水素化反応は発熱反応であるため、水素添加装置１０３で発生した熱を図１に示したように電気分解装置１０２に供給することができる。例えば、反応セル３１の外であって第１ケーシング３２内に熱交換用の媒体を流通させ、この媒体を介して電気分解装置１０２に熱エネルギを供給することができる。この際、熱交換用の媒体を電気分解装置１０２に供給する電解液としてもよい。また、反応器３０の第１ケーシング３２の外側に電解液が流通する配管を配置して、反応器３０の熱を電解液に供給するようにしてもよい。
＜エンジン発電機＞
エンジン発電機１０７は、水素製造装置で生成された水素を発電用燃料として、電力と熱を生成する装置である。エネルギ貯蔵手段で生成したＭＣＨの貯蔵量が不足し、必要な水素が生成できない場合など必要に応じて、燃料タンク１１９に貯蔵されているガソリン、天然ガス、都市ガスなどの発電用燃料を供給して発電することも可能である。なお、エンジン発電機１０７に、自然エネルギの貯蔵時に水電気分解装置１０２において製造された高純度の酸素を供給することで発電効率を向上させることができる。
＜燃焼器＞
燃焼器１０８は、排熱供給ラインに熱エネルギを供給するもので必要な熱量を供給できれば、その構成は特に制限されない。例えば、本実施形態のシステムでは、燃料タンク１１９の燃料や脱水素化物タンク１０４の脱水素化物を燃焼させて熱を生成する。
【００４４】
なお、熱供給ライン１１７に熱を供給する熱源としては、燃焼器１０８の他に、太陽熱、地熱、外部機器などの余剰熱を使用することが好ましい。このように他の熱源を併用すれば燃焼器１０８の燃料消費量を削減することができる。
＜動作＞
次に、本実施形態のコージェネレーションシステムの動作について説明する。
【００４５】
まず、エネルギ貯蔵手段では、太陽光や風力等の再生可能エネルギを利用して発電装置１０１が電力を発電する。発電された電力は電気分解装置１０２に供給され、電気分解により水素が発生する。電気分解装置１０２で発生した水素は水素添加装置１０３に送られる。水素添加装置１０３には水素とともに脱水素化物タンク１０４に貯蔵されているトルエン（脱水素化物）が供給され、水素とトルエンの反応によりＭＣＨ（水素化物）が生成される。水素添加装置１０３で生成したＭＣＨは水素化物タンク１０５に送られ、水素貯蔵媒体として貯蔵される。この際、電気分解装置１０２での電解効率を向上させるために水素添加装置１０３の水素付加反応で発生する熱は反応熱供給ライン１１６から電気分解装置１０２に供給される。
【００４６】
一方、エネルギ回生手段では、電力需要に応じて、水素化物タンク１０５に貯蔵されたＭＣＨが脱水素反応器１０６に送られ、脱水素反応器１０６の脱水素反応により水素とトルエンに分離される。脱水素反応器１０６で生成された水素は発電機１０７に供給され、発電機１０７で電力と熱が生成され、電力供給ライン１１５および排熱供給ライン１１６から需要地１１０に供給される。発電機１０７の排熱は排熱供給ライン１１６から脱水素反応器１０６に供給され、脱水素反応器１０６での反応に利用される。脱水素反応器１０６で使用されなかった熱は、排熱供給ライン１１６から電気分解装置１０２に供給され、さらに電気分解装置１０２で使用されなかった熱が需要地１１０に供給される。ここで、熱需要（需要地１１０の要求熱量と電気分解装置１０２，脱水素反応器１０６で必要な熱量の総和）に対して、エンジン発電機１０７で生成可能な熱量が不足する場合には、燃焼器１０８から熱供給ライン１１７を介して排熱供給ライン１１６に不足分の熱を供給する。
【００４７】
以下、図４を用いて、エネルギ消費地に電力および熱エネルギを供給する際の運転フローの一例を説明する。
【００４８】
まず、需要地の電力需要量が計測され、制御装置１０９に入力される（Ｓ４０１）。制御装置１０９では、入力された電力需要量に基づいてエンジン発電機で発電する発電量を決定し（Ｓ４０２）、エンジン発電機の運転モード（エンジン回転数、エンジントルク）を決定し（Ｓ４０３）、エンジン発電機を駆動させる。
【００４９】
Ｓ４０３でエンジン回転数、エンジントルクが決まると、エンジンの排ガス温度Ｔ_ex，排ガス流量Ｆ_ex、エンジン排ガス比熱Ｃｐ_exが決まり、エンジン発電機１０７からの排熱量が決定される（Ｓ４０４）。
【００５０】
一方、制御装置１０９には、需要地から熱需要に基づいて、必要な熱量が評価される（Ｓ４０５）。例えば、熱需要は空調機や給湯器の温度設定に対応し、需要者は温度入力装置にて任意の温度を入力する。本システムは、設定された温度から必要な熱量を評価する。このとき、需要地の貯湯槽や空調する部屋の温度を管理する、例えば熱電対を具備することにより正確な予測ができる。図４の処理１１にて評価した空調機や貯湯槽に供給したｔ秒間の評価熱量とその間の上記熱電対から得られた熱電対の温度上昇率ないしは温度上昇量から、目標温度までの残り時間ないしは目標達成までの熱量を演算する。
【００５１】
また、Ｓ４０２でエンジン発電機１０７の運転モードが決まると、エンジンの熱効率が決まり、エンジン発電機１０７で必要な水素量が決まる。エンジン発電機１０７で必要な水素量が決まると、上記の反応式２から脱水素反応器１０６の脱水素反応に必要な熱量が決定され、脱水素反応器１０６の温度と必要な熱量から脱水素反応器１０６で要求される熱量が演算される（Ｓ４０６）。また、制御装置１０９には電気分解装置の温度情報（例えば、電解液の液温）が入力され、電気分解装置１０２で必要な熱量を評価する（Ｓ４０７）。この際に、水素添加装置１０３から電解装置１０２に供給される熱量と電気分解装置で必要な熱量を比較して、電気分解装置１０２に排熱供給ラインから供給が必要な熱量が評価される。その後、制御装置１０９は、エンジン発電機１０７の排熱量と、需要地１１０の熱需要、脱水素反応器１０６、電気分解装置１０２で必要な熱量を比較し、燃焼器１０８の加熱量と燃焼器１０８へ供給する燃料量を決定し（Ｓ４０８，Ｓ４０９）、燃焼器１０８の駆動を制御する。なお、エンジン発電機１０７の排熱で必要な熱量を供給可能な場合には燃焼器１０８の加熱量は０となり、燃焼器１０８は駆動しない。また、熱供給ライン１１７に熱を供給する熱源に燃焼器１０８以外の熱源も併用する場合には、Ｓ４０８において、他の熱源から供給可能な熱量を加味して燃焼器１０８の加熱量を決定する。
【００５２】
制御装置１０９は、脱水素反応器１０６、電気分解装置１０２で必要な熱量と、エンジン発電機１０７および燃焼器１０８から供給される熱量をもとに、脱水素反応器１０６、電気分解装置１０２で必要な熱流量を演算し、排熱供給ライン１１６、熱供給ライン１１７にも設けられた流量調整バルブを制御し（Ｓ４１０）、エンジン発電機１０７および燃焼器１０８の熱を各機器および需要地に供給する。
【００５３】
その後、Ｓ４１１〜Ｓ４１２で必要な熱量が各機器および需要地に供給されているかを確認して、熱供給制御のフィードバックを行う。まず、Ｓ４１１で、排熱供給ライン１１６に設けられた熱量センサ１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃから各地点での熱量が制御装置１０９に入力される。制御装置１０９では、熱量センサからの入力情報に基づいて、各地点での熱量あるいは温度が所定の範囲内か判断する。所定の範囲から外れている場合には、Ｓ４０８に戻り、燃焼器の加熱量を修正し、Ｓ４０８〜Ｓ４１２を実行し、Ｓ４１２で所定の範囲内と判断されるまでフィードバック制御が行われる。
【００５４】
なお、Ｓ４０１で電力需要がない場合には、Ｓ４０２〜Ｓ４０４でエンジン発電機の発電量０、排熱量は０となり、Ｓ４０６に移行する。Ｓ４０５で熱需要がある場合には、Ｓ４０６〜４１２の動作が行われる。すなわち、電力需要がない場合には必要な熱は燃焼器から供給する。これにより、エンジン発電機で無駄な電力を生成することなく熱需要に追従できる。また、熱供給としてはエンジン発電機で熱を生成するよりも燃焼器から熱を供給した方が燃料消費率等の効率が高いため、システム効率を向上できる。
【００５５】
以上の制御により、電力需要に対応してエンジン発電機を駆動することで電力需要に追従するとともに、需要地およびシステム内の熱要求に対して、エンジン発電機および燃焼器から効率的に熱を供給することができる。なお、図４の運転フローでは、脱水素反応器１０６で必要な熱量が不足してエンジン発電機で必要な水素量を供給できない場合に、燃焼器から脱水素反応器に必要な熱を供給するものである。これに対して、燃焼器から不足分の熱を供給せずにエンジン発電機に水素とともに燃料タンクの燃料を供給することで必要な電力を供給することも可能であるが、エンジン発電機に不足分の燃料を燃料タンクから供給して発電する場合と、燃料タンクから燃焼器に燃料を供給して不足分の熱を脱水素反応器に供給する場合を比較すると、燃料消費量は後者の方が少なくでき、ＣＯ2排出量も低減できる。また、エンジン発電機の発電効率は水素を燃料とした場合の方が高く、発電効率の観点からも後者の方が好ましい。したがって、本実施形態では、熱需要に対してエンジン発電機で生成可能な熱量が不足する場合には、燃焼器から不足分の熱を供給する構成を採用している。
【００５６】
図４の運転フローでは、エンジン発電機１０７の排熱量や脱水素反応器１０６、電気分解装置１０２で必要な熱量を演算して、流量調整バルブによって各点への熱供給量を制御した後、各点での温度情報に基づきフィードバック制御を行う方法を一例として説明したが、この運転フローに限定されるものではなく、例えば、エンジン発電機１０７の排熱量は熱量センサで計測した情報を使用してもよく、燃焼器１０８から各点に供給する熱量を調整できれば適宜変更が可能である。
【００５７】
本実施形態のコージェネレーションシステムによれば、太陽光や風力などの再生可能エネルギを水素エネルギに変換、貯蔵し、貯蔵した水素を用いてエンジン発電機から電力と熱を供給するため、ＣＯ2排出量の少ない環境性に優れたシステムとすることができる。
また、熱源としてエンジン発電機の他に燃焼器を設けたことで、エンジン発電機で不足する熱を燃焼器で補うことができ、余剰に生成される電力、熱をなるべく少なくしながら熱と電力の需要に応じて効率的にエネルギを供給することができる。また、エンジン発電機の他に燃焼器を設けることによって、水素以外の燃料の消費量を低減することができるため、ＣＯ2排出量の低減とともに水素以外の燃料の輸送・供給にかかる費用を削減することができる。特に僻地や離島などに設置する場合にコスト低減効果が期待できる。
［２．第２実施形態］
次に、図５を参照しながら、第２実施形態に係るコージェネレーションシステムについて説明する。なお、図５において図１、２と同じ符号を付すものは同じ手段を表すものとし、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
電力と熱の需要は必ずしも一致せず、需要量のバランスは変動するため、例えば、電力需要が大きく、熱需要が０の場合もあり得る。このような場合でも、エンジン発電機１０７の排熱は脱水素反応器１０６の脱水素反応に使用され、エンジン発電機１０７の排熱を有効に利用できるが、一部の熱は利用されずに廃棄される場合がある。
【００５９】
そこで、本実施形態のコージェネレーションシステムでは、排熱供給ラインに蓄熱手段１２０を設けたことを特徴とする。蓄熱手段１２０としては、排熱供給ラインの排熱を蓄熱できるものであればよく、例えば貯湯槽などが挙げられる。このように排熱供給ラインに蓄熱手段１２０を設けることで、コージェネレーションシステムで余剰の熱が生成された場合に、余剰熱を蓄熱手段１２０で蓄熱することができる。そして、需要地からの熱需要に対して、蓄熱手段１２０で蓄熱された熱を利用して供給することで、燃焼器１０８の稼働時間や加熱量を少なくでき、燃料消費率の低減とともにシステム効率の向上を図ることができる。例えば、需要地１１０で必要な熱量を蓄熱手段１２０で賄える場合には、需要地１１０への熱供給は蓄熱手段１２０で行い、脱水素反応器１０６および電解装置１０２で必要な熱をエンジン発電機１０７から供給するようにすれば良い。また、電力需要がゼロで熱需要があった場合に、実施形態１では燃焼器１０８から熱を供給するようにしたが、本実施形態ではエンジン発電機１０７、燃焼器１０８を駆動せずに蓄熱手段１２０から需要地１１０へ熱供給することができる。また、熱需要に対して蓄熱手段１２０かの供給熱量が不足する場合には燃焼器１０８から不足分の熱を供給する構成とすればよい。このように蓄熱手段１０２を設けることにより、燃焼器１０８の加熱量を低減できる。
【００６０】
また、エンジン発電機１０７が駆動していないときに蓄熱手段１２０で蓄熱された熱を利用して、脱水素反応器１０６や電解装置１０２を予熱することもできる。このように脱水素反応器１０６や電解装置１０２の予熱に利用することで脱水素反応器１０６や電解装置１０２の起動時間の短縮化を図ることができる。
【００６１】
本実施形態によれば、蓄熱手段１２０を設けたことにより、ＣＯ2排出量をより低減でき、システム効率に優れたコージェネレーションシステムを提供できる。
なお、第１、第２の実施形態では、需要地に供給する電力と熱を生成する熱電供給機器としてエンジン発電機を例として挙げたが、本発明のコージェネレーションシステムはエンジン発電機に限定されるものではなく、熱と電気を同時に供給することのできる機器であればよく、例えば固体高分子型燃料電池、酸化物型燃料電池、タービン発電機等を用いることができる。エンジン発電機以外の熱電供給機器を使用した場合においても、電力と熱の需要バランスや機器の駆動状態に応じて、エンジン発電機の場合と同様に必要な熱量が不足する場合があるため、本発明の燃焼器による熱供給が有効となる。
【符号の説明】
【００６２】
１０１  発電装置
１０２  電気分解装置
１０３  水素添加装置
１０４  脱水素化物タンク
１０５  水素化物タンク
１０６  脱水素反応器
１０７  エンジン発電機
１０８  燃焼器
１０９  制御装置
１１０  需要地
１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ，１１３ａ，１１３ｂ  流量調整バルブ
１１２  熱量センサ
１１４  電力計
１１５  電力供給ライン
１１６  排熱供給ライン
１１６ａ，１１６ｂ  排熱供給バイパスライン
１１７  熱供給ライン
１１８  反応熱供給ライン
１１９  燃料タンク
１２０  蓄熱手段
【図１】
2014084792.tif 000003
【図２】
2014084792.tif 000004
【図３】
2014084792.tif 000005
【図４】
2014084792.tif 000006
【図５】
2014084792.tif 000007