(57)【要約】【課題】ＣＯ２排出係数を低減する。【解決手段】炭化水素を熱分解して、水素と固体炭素とを生成する第１反応部２１０ａ、２１０ｂと、第１反応部２１０ａ、２１０ｂで生成された水素を電気エネルギーに変換する発電装置１３０と、を備える。炭化水素を熱分解しても二酸化炭素はほとんど生成されない。このため、第１反応部２１０ａ、２１０ｂで生成された水素を電気エネルギーに変換することで、ＣＯ２排出係数を低減することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を熱分解して、水素と固体炭素とを生成する第１反応部と、
前記第１反応部で生成された水素を電気エネルギーに変換する発電装置と、
を備えた発電システム。
【請求項２】
前記第１反応部に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記第１反応部において、前記水蒸気供給部によって供給された水蒸気と、前記固体炭素とが反応することで生成された合成ガスから、液体有機化合物、あるいは、水素および液体有機化合物を生成する第２反応部と、
を備え、
前記発電装置は、前記第２反応部で生成された水素を電気エネルギーに変換する請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記液体有機化合物から水素を生成する水素生成部を備え、
前記発電装置は、前記水素生成部で生成された水素を電気エネルギーに変換する請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記発電装置は、炭化水素を電気エネルギーに変換し、
前記発電装置に炭化水素を供給する第１供給部と、
前記第１反応部に炭化水素を供給する第２供給部と、
前記第１供給部が供給する炭化水素と、前記第２供給部が供給する炭化水素との供給量を制御する供給量制御部と、
を備えた請求項１から３のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項５】
前記第１反応部の温度を制御する温度制御部を備えた請求項１から４のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
前記第１反応部は、触媒の存在下で炭化水素を熱分解する請求項１から５のいずれか１項に記載の発電システム。
【請求項７】
前記炭化水素は、少なくとも、メタン成分と、炭素数が２以上の高次炭化水素成分とを含み、
前記第１反応部は、前記炭素数が２以上の高次炭化水素成分を熱分解して生成された固体炭素を触媒として前記メタン成分を熱分解する請求項１から６のいずれか１項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、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、メタン等の炭化水素を水蒸気改質することで得られる水素を用いて発電する燃料電池が開発されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
しかし、炭化水素を水蒸気改質して発電すると、水素のみならず二酸化炭素が生成されるため、二酸化炭素が大気に排出されてしまうという問題がある。二酸化炭素は、地球温暖化の要因となっているため、大気への排出の低減が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１０４３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１の技術において所定の発電量を維持するためには、二酸化炭素の排出係数（発電電力量１ｋＷｈあたりの二酸化炭素の排出量、以下、「ＣＯ２排出係数」と称する）が発電効率によって決定されてしまう。このため、発電量を維持したまま、ＣＯ２排出係数を低減できる技術の開発が希求されている。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑み、ＣＯ２排出係数を低減することが可能な発電システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る発電システムは、炭化水素を熱分解して、水素と固体炭素とを生成する第１反応部と、前記第１反応部で生成された水素を電気エネルギーに変換する発電装置と、を備える。
【０００８】
また、前記第１反応部に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記第１反応部において、前記水蒸気供給部によって供給された水蒸気と、前記固体炭素とが反応することで生成された合成ガスから、液体有機化合物、あるいは、水素および液体有機化合物を生成する第２反応部と、を備え、前記発電装置は、前記第２反応部で生成された水素を電気エネルギーに変換するとしてもよい。
【０００９】
また、前記液体有機化合物から水素を生成する水素生成部を備え、前記発電装置は、前記水素生成部で生成された水素を電気エネルギーに変換するとしてもよい。
【００１０】
また、前記発電装置は、炭化水素を電気エネルギーに変換し、前記発電装置に炭化水素を供給する第１供給部と、前記第１反応部に炭化水素を供給する第２供給部と、前記第１供給部が供給する炭化水素と、前記第２供給部が供給する炭化水素との供給量を制御する供給量制御部と、を備えるとしてもよい。
【００１１】
また、前記第１反応部の温度を制御する温度制御部を備えるとしてもよい。
【００１２】
また、前記第１反応部は、触媒の存在下で炭化水素を熱分解するとしてもよい。
【００１３】
また、前記炭化水素は、少なくとも、メタン成分と、炭素数が２以上の高次炭化水素成分とを含み、前記第１反応部は、前記炭素数が２以上の高次炭化水素成分を熱分解して生成された固体炭素を触媒として前記メタン成分を熱分解するとしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
ＣＯ２排出係数を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態にかかる発電システムを説明する図である。
【図２】メタンの供給量と分解率との関係を説明する図である。
【図３】ＣＯ２排出係数と分解率との関係を説明する図である。
【図４】吸熱量と分解率との関係を説明する図である。
【図５】発電出力と分解率との関係を説明する図である。
【図６】第２の実施形態にかかる発電システムを説明する図である。
【図７】第３の実施形態にかかる発電システムを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１７】
（第１の実施形態：発電システム１００）
図１は、第１の実施形態にかかる発電システム１００を説明する図である。なお、図１中、ガスの流れを実線の矢印で示し、電気の流れを白抜き矢印で示し、熱の流れを破線の矢印で示す。
【００１８】
図１に示すように、発電システム１００は、発電ユニット１１０と、水素製造ユニット２００と、供給量制御部２５０とを含んで構成される。
【００１９】
（発電ユニット１１０）
発電ユニット１１０は、水蒸気改質反応部１２０と、発電装置１３０とを含んで構成される。ただし、水蒸気改質反応部１２０は発電装置１３０の種類によっては省略できる。
【００２０】
水蒸気改質反応部１２０は、炭化水素の供給源に接続された原料ガス供給管１０２（第１供給部）が接続されている。したがって、原料ガス供給管１０２を通じて、炭化水素の供給源から水蒸気改質反応部１２０に炭化水素が供給される。なお、本実施形態では、炭化水素としてメタン（ＣＨ４）を例に挙げて説明する。また、水蒸気改質反応部１２０には、水蒸気供給管１０４が接続されており、水蒸気供給管１０４を通じて水蒸気が供給される。
【００２１】
そうすると、水蒸気改質反応部１２０において、下記反応式（１）に示す反応（水蒸気改質反応）が遂行され、メタンから水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）が生成される。また、水蒸気改質反応部１２０において、下記反応式（２）に示す反応（シフト反応）が遂行されれば、一酸化炭素から水素と二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。なお、下記反応式（１）、（２）に示す反応を進めると、１モルのメタンから、４モルの水素と１モルの二酸化炭素が生成されることとなる。ただし、平衡組成としてはメタン、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気の混合ガスとなる。
ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  ３Ｈ２      …反応式（１）
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２      …反応式（２）
こうして、生成された改質ガスは、配管１２２を通じて発電装置１３０に供給される。
【００２２】
発電装置１３０は、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）で構成され、改質ガスを電力と熱に変換する。発電装置１３０が生成した熱（排熱）は、後述する第１反応部２１０ａ、２１０ｂに伝達される。また、発電装置１３０から排出されるオフガスは配管１３２を通じて全量外部に排気されるか、あるいは、オフガスの一部が燃料の一部としてリサイクルされることもある。
【００２３】
（水素製造ユニット２００）
水素製造ユニット２００は、第１反応部２１０ａ、２１０ｂと、水蒸気供給部２２０ａ、２２０ｂと、第２反応部２３０とを含んで構成される。
【００２４】
第１反応部２１０ａ、２１０ｂには、下記反応式（３）に示す反応（熱分解反応）を促進する触媒が収容されている。
ＣＨ４  →  Ｃ  ＋  ２Ｈ２      …反応式（３）
【００２５】
第１反応部２１０ａには、原料ガス供給管１０２から分岐された配管１０６（第２供給部）が接続されている。したがって、原料ガス供給管１０２、配管１０６を通じて、メタンの供給源から第１反応部２１０ａにメタンが供給される。同様に、第１反応部２１０ｂには、配管１０６から分岐された配管１０８（第２供給部）が接続されている。したがって、原料ガス供給管１０２、配管１０６、１０８を通じて、メタンの供給源から第１反応部２１０ｂにメタンが供給される。
【００２６】
上記したように第１反応部２１０ａ、２１０ｂには、発電装置１３０の排熱が伝達される。したがって、第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおいて、上記反応式（３）に示す反応が遂行され、メタンが固体炭素（Ｃ）と水素に分解される。なお、本実施形態において、第１反応部２１０ａ、２１０ｂでは、１００％程度のメタンが固体炭素と水素とに分解されるように、第１反応部２１０ａ、２１０ｂの温度が設定される（例えば、７００℃〜８００℃程度）。したがって、上記反応式（３）に示す反応により、１モルのメタンから２モルの水素が生成されることとなる。こうして生成された水素は配管２１２ａ、２１２ｂを通じて発電装置１３０の燃料極に供給されるか、あるいは、水蒸気改質反応部１２０を通じて発電装置１３０の燃料極に供給される。
【００２７】
なお、上記反応式（３）の反応に触媒を使用する場合、反応が遂行されると固体炭素が触媒上に析出し、触媒の機能が低下してしまう。触媒を使用しない場合でも固体炭素が析出し続けると、第１反応部２１０ａ、２１０ｂを閉塞させてしまう。そこで、水蒸気供給部２２０ａ、２２０ｂが第１反応部２１０ａ、２１０ｂに水蒸気を供給し、第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおいて、下記反応式（４）に示す反応（合成ガス生成反応）を遂行させる。
Ｃ  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２      …反応式（４）
【００２８】
具体的に説明すると、水蒸気供給部２２０ａは、水蒸気の供給源と第１反応部２１０ａとを接続する水蒸気供給管２２２ａと、水蒸気供給管２２２ａに設けられたバルブ２２４ａとを含んで構成される。したがって、第１反応部２１０ａには、水蒸気供給部２２０ａを通じて水蒸気が供給される。同様に、水蒸気供給部２２０ｂは、水蒸気の供給源と第１反応部２１０ｂとを接続する水蒸気供給管２２２ｂと、水蒸気供給管２２２ｂに設けられたバルブ２２４ｂとを含んで構成される。したがって、第１反応部２１０ｂには、水蒸気供給部２２０ｂを通じて水蒸気が供給される。そして、発電装置１３０の排熱が伝達されることによって、第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおいて、上記反応式（４）に示す反応が遂行されることとなる。
【００２９】
したがって、第１反応部２１０ａまたは第１反応部２１０ｂにおいて、配管１０６、１０８を通じたメタンの供給と、水蒸気供給部２２０ａ、２２０ｂを通じた水蒸気の供給とは、排他的に行われることになる。また、第１反応部２１０ａにメタンが供給されている際には、第１反応部２１０ｂに水蒸気が供給され、第１反応部２１０ａに水蒸気が供給されている際には、第１反応部２１０ｂにメタンが供給される。これにより、連続的に水素を製造することができる。また、触媒を使用する場合には連続的に触媒を再生（触媒から固体炭素を除去）することが可能となる。さて、このように第１反応部２１０ａと第１反応部２１０ｂとでは、反応式（３）に示す反応と反応式（４）に示す反応とが排他的に行われることから、一方の反応速度が他方の反応速度と異なる場合、低速の反応がシステム全体の反応のボトルネックになってしまう。そこで、本実施形態では、各第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおける触媒量、温度（発電装置１３０から供給される熱量）を調整することで、各第１反応部２１０ａ、第１反応部２１０ｂの反応速度を略同一にしている。
【００３０】
なお、水素製造の観点に限れば、第１反応部２１０ａ、２１０ｂの排他的な動作は必須ではない。即ち、反応式（３）および反応式（４）の反応ではいずれもＨ２が２モル生成されるため、第１反応部２１０ａ、２１０ｂの両方で反応式（３）の反応を遂行し、その後に反応式（４）の反応を遂行し、これを交互に繰り返すことによっても、水素を実質的に連続して製造できるからである。更にこの観点によれば、第１反応部２１０ａ、２１０ｂを一系統のみで構成しても構わない。ただし、第２反応部２３０を連続的に稼働させるという観点では、上述のように複数の第１反応部２１０ａ、２１０ｂを備え、第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおいて遂行される反応は相互に排他的であることが望ましい。
【００３１】
一方、上記反応式（４）に示す反応が遂行されることによって生成された二酸化炭素と水素との混合ガスは、配管２１６ａ、２１６ｂを通じて第２反応部２３０に供給される。
【００３２】
第２反応部２３０には、下記反応式（５）に示す反応を促進する触媒が収容されている。下記反応式（５）に示す反応により、１モルの水素が生成されることとなる。
ＣＯ２  ＋  ２Ｈ２  →  ＣＨ２Ｏ２  ＋  Ｈ２      …反応式（５）
【００３３】
したがって、第２反応部２３０に二酸化炭素と水素の混合ガス（二酸化炭素：水素＝１：２）が供給されると、上記反応式（５）に示す反応が遂行され、ギ酸（ＣＨ２Ｏ２）と水素とが生成されることとなる。なお、第２反応部２３０には水（液体）が充填されたタンク（図示せず）が配置されており、反応式（５）の左辺に記載したＣＯ２およびＨ２は当該タンクに導入される。当該タンク内では水中においてＣＯ２およびＨ２が反応し、ギ酸の水溶液が生成される。そして、水溶液から分離された水素は、配管２３２を通じて発電装置１３０の燃料極に供給されることとなる。
【００３４】
また、第２反応部２３０は上記タンクを備えずともよい。この場合、反応式（５）によって生じたギ酸（気体）を、その沸点（１００．８℃）以下に冷却することで液体にしてもよい。これにより、ギ酸と水素とを容易に分離することができる。そして、分離された水素は、配管２３２を通じて外部の水素利用設備に供給されることとなる。一方、分離されたギ酸は、配管２３４を通じて外部に送出される。メタンの炭素をギ酸として固定することにより、二酸化炭素の排出を削減し、かつ、化成品やポリマー製造等のＣ１化学プロセス（炭素数１の化合物を原料とした有機化合物の合成化学プロセス）の原料として利用することができる。
【００３５】
（供給量制御部２５０）
供給量制御部２５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。供給量制御部２５０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、バルブ１０２ａ、１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ、２１４ａ、２１４ｂ、２１８ａ、２１８ｂ、２２４ａ、２２４ｂの開度を制御する。供給量制御部２５０は、後述するＣＯ２排出係数とメタンの供給量とに基づいて、バルブ１０２ａ、１０６ａ、１０８ａの開度を制御する。以下、ＣＯ２排出係数とメタンの供給量とのシミュレーション結果について説明する。
【００３６】
（シミュレーション結果）
発電装置１３０の燃料極にメタン（燃料）を１ｍｏｌ／ｓｅｃで供給し、第１反応部２１０ａ、２１０ｂにメタンを供給しない場合（メタンの熱分解率＝０）を基準とし（この時の発電効率を５５％とした）、メタンの水素への分解率を変化させた際のメタンの供給量、ＣＯ２排出係数、吸熱量、発電出力をシミュレーションした。なお、この際、発電装置１３０が出力する電力の電流値および燃料利用率が一定となるようにメタンの供給量（発電装置１３０、第１反応部２１０ａ、２１０ｂに供給するメタンの量）を制御した。また、水蒸気供給管１０４から発電装置１３０に供給される水蒸気量は、Ｓ／Ｃ（水蒸気／メタン）が３となるように水蒸気供給管１０４に設けられたバルブ１０４ａの開度を調整した。
【００３７】
なお、ここで、「分解率＝熱分解されたメタン／発電システム１００に供給された全メタン」である。つまり、発電システム１００に供給されるメタンが全て発電装置１３０に供給される場合、分解率＝０となり、発電システム１００に供給されるメタンが全て第１反応部２１０ａ、２１０ｂに供給される場合、分解率＝１となる。換言すれば、発電装置１３０に供給されるメタンが少なくなるほど、また、第１反応部２１０ａ、２１０ｂに供給されるメタンが多くなるほど、分解率は大きくなる。
【００３８】
図２は、メタンの供給量と分解率との関係を説明する図である。なお、図２から図５において、第１反応部２１０ａ、２１０ｂで生成された２モル（熱分解メタン１モルあたり）の水素を発電装置１３０に供給した場合（図２〜図５中、「２ｍｏｌ水素利用」で示す）を実線で示し、第１反応部２１０ａ、２１０ｂ、および第２反応部２３０で生成された３モル（熱分解メタン１モルあたり）の水素を発電装置１３０に供給した場合（図２〜図５中、「３ｍｏｌ水素利用」で示す）を破線で示す。
【００３９】
図２に示すように、電流値および燃料利用率を一定にするためには、分解率の上昇とともに、メタンの供給量（インプット）を増加する必要があることが分かった。これは、分解率＝１の場合、１モルのメタンから２モル（上記反応式（３）参照）、もしくは、３モル（上記反応式（３）、（４）、（５）参照）の水素を製造することができるのに対し、分解率＝０の場合、１モルのメタンから４モルの水素（あるいはそれに相当する混合ガス）を製造することができる（上記反応式（１）、（２）参照）ためである。
【００４０】
図３は、ＣＯ２排出係数と分解率との関係を説明する図である。図３に示すように、分解率を上昇させるほど、ＣＯ２排出係数を低減できることが分かった。これは、分解率＝０の場合、１モルのメタンから１モルの二酸化炭素が生成される（上記反応式（１）、（２）参照）のに対し、分解率＝１の場合、二酸化炭素は全く生成されない（上記反応式（３）、（４）参照）ためである。
【００４１】
したがって、供給量制御部２５０は、所望するＣＯ２排出係数と、所望するメタンの供給量（メタンのコスト）とに基づいて、分解率を決定する。そして、供給量制御部２５０は、決定した分解率に基づいて、バルブ１０２ａ、１０６ａ、１０８ａの開度を制御する。
【００４２】
なお、供給量制御部２５０は、バルブ１０６ａを開弁する際には、バルブ１０８ａを閉弁する。また、供給量制御部２５０は、バルブ２１８ａ、２２４ａを閉弁し、バルブ２１４ａを開弁する。供給量制御部２５０は、バルブ２１４ｂを閉弁し、バルブ２１８ｂ、２２４ｂを開弁する。これにより、第１反応部２１０ａにおいて上記反応式（３）に示す熱分解反応を遂行させている間に、第１反応部２１０ｂにおいて上記反応式（４）に示す反応を遂行させる。つまり、第１反応部２１０ａが、炭化水素を熱分解して、水素と固体炭素とを生成する際には、第１反応部２１０ｂが、固体炭素と水蒸気とを反応させて、合成ガスを生成することとなる。
【００４３】
一方、供給量制御部２５０は、バルブ１０８ａを開弁する際には、バルブ１０６ａを閉弁する。また、供給量制御部２５０は、バルブ２１４ａを閉弁し、バルブ２１８ａ、２２４ａを開弁する。供給量制御部２５０は、バルブ２１８ｂ、２２４ｂを閉弁し、バルブ２１４ｂを開弁する。これにより、第１反応部２１０ａにおいて上記反応式（４）に示す反応を遂行させている間に、第１反応部２１０ｂにおいて上記反応式（３）に示す熱分解反応を遂行させる。つまり、第１反応部２１０ａが、固体炭素と水蒸気とを反応させて、合成ガスを生成する際には、第１反応部２１０ｂが、炭化水素を熱分解して、水素と固体炭素とを生成することとなる。
【００４４】
図４は、吸熱量と分解率との関係を説明する図である。図４（ａ）は、水蒸気改質反応部１２０と、上記反応式（３）に示す熱分解反応を遂行する第１反応部２１０ａ、２１０ｂとの吸熱量の和と、分解率との関係を示し、図４（ｂ）は、水蒸気改質反応部１２０と、上記反応式（３）に示す熱分解反応および上記反応式（４）に示す合成ガス生成反応を遂行する第１反応部２１０ａ、２１０ｂとの吸熱量の和と、分解率との関係を示す。
【００４５】
分解率が上昇すると、上記反応式（１）、（２）に示す反応が減少し、上記反応式（１）、（２）に示す反応よりも吸熱量が小さい上記反応式（３）に示す熱分解反応が増加する。したがって、図４（ａ）に示すように、水蒸気改質反応部１２０と、上記反応式（３）に示す熱分解反応を遂行する第１反応部２１０ａ、２１０ｂとの吸熱量の和は、分解率の上昇に従って減少する。
【００４６】
一方、上記反応式（４）の吸熱量を加えると、図４（ｂ）に示すように、分解率の上昇に従って吸熱量の和が増加する。本実施形態の発電装置１３０では、３００〜４００ｋＷ程度の排熱を得られるため、熱分解メタン１モルあたり３モルの水素を用いる場合には、すべての分解率において、吸熱量は３００ｋＷ以下であり、第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおいて熱分解反応を遂行させる際の熱も、合成ガス生成反応を遂行させる際の熱も発電装置１３０で賄うことができる。一方で、熱分解メタン１モルあたり２モルの水素を用いる場合には分解率が０．６程度までは、吸熱量は３００ｋＷ以下であり、第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおいて熱分解反応を遂行させる際の熱も、合成ガス生成反応を遂行させる際の熱も発電装置１３０で賄うことができる。熱分解メタン１モルあたり２モルの水素を用いる場合に分解率が０．６程度を超えてくると吸熱量が３００ｋＷ以上となる。しかし、分解率が１の場合でも吸熱量は４００ｋＷ程度であるため、分解率が０．６を超える場合でも基本的には第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおいて熱分解反応を遂行させる際の熱も、合成ガス生成反応を遂行させる際の熱も発電装置１３０で賄うことができる。ただし、システムの放熱ロスが大きい場合など、吸熱量を発電の排熱で賄えない場合には発電装置１３０の発電効率を下げて排熱量を増加させるか、合成ガス生成反応を遂行させる際に、他の熱源を利用する必要がある。
【００４７】
図５は、発電出力と分解率との関係を説明する図である。分解率が上昇すると、発電装置１３０に供給されるメタン：水（水蒸気）のモル比は一定であるものの、発電装置１３０に供給される水素のモル比が増加する。そうすると、発電装置１３０の燃料極に供給される酸素分圧が低下し、発電装置１３０を構成するセルの電圧が上昇する。したがって、図５に示すように、電流値と燃料利用率を一定にする制御をしていても分解率の上昇に伴って発電出力が増加する。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態にかかる発電システム１００によれば、発電ユニット１１０に供給するメタンと、水素製造ユニット２００に供給するメタンとの比率を変えるだけで、ＣＯ２排出係数を変更することができる。つまり、水素製造ユニット２００に供給するメタンを増加させるほど、ＣＯ２排出係数を低減することができる。
【００４９】
また、第１反応部２１０ａ、２１０ｂは、発電装置１３０の排熱で水素を製造できることから、水素の製造に要する熱エネルギー（コスト）を削減することが可能となる。
【００５０】
さらに、第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおいて合成ガス生成反応を遂行させることから、触媒を使用する場合にも第１反応部２１０ａ、２１０ｂに収容された触媒を再生（触媒から固体炭素を除去）することができる。これにより、固体炭素の析出による触媒機能の低下を防止することが可能となる。
【００５１】
また、第２反応部２３０を備える構成により、液体有機化合物を製造することができ、炭素（原子）を液体として分離することが可能となる。したがって、炭素（原子）を容易に回収することができる。
【００５２】
（第２の実施形態：発電システム３００）
図６は、第２の実施形態にかかる発電システム３００を説明する図である。図６に示すように、発電システム３００は、発電ユニット３１０と、水素製造ユニット２００と、温度制御部３５０とを含んで構成される。なお、上記第１の実施形態と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して、説明を省略する。
【００５３】
発電ユニット３１０は、水蒸気改質反応部１２０を備えておらず、発電装置１３０を含んで構成される。また、発電装置１３０には、原料ガス供給管１０２、水蒸気供給管１０４が接続されていないため、発電装置１３０の燃料極には、水素製造ユニット２００で製造された水素のみが供給されることとなる。
【００５４】
温度制御部３５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）を含む半導体集積回路で構成される。温度制御部３５０は、ＲＯＭからＣＰＵ自体を動作させるためのプログラムやパラメータ等を読み出し、ワークエリアとしてのＲＡＭや他の電子回路と協働して、第１反応部２１０ａ、２１０ｂの温度を制御する。
【００５５】
具体的に説明すると、温度制御部３５０は、熱分解反応を遂行させる際の第１反応部２１０ａ、２１０ｂの温度を制御することにより、分解率を変化させる。具体的に説明すると、温度制御部３５０は、熱分解反応を遂行させる際の第１反応部２１０ａ、２１０ｂの温度を高くして、分解率を上昇させ、温度を低くして、分解率を低下させる。
【００５６】
したがって、温度制御部３５０は、所望するＣＯ２排出係数と、所望するメタンの供給量とに基づいて、分解率を決定する。そして、温度制御部３５０は、決定した分解率に基づいて、第１反応部２１０ａ、２１０ｂの温度を設定する（例えば、３００℃から８００℃の範囲で制御する）。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態にかかる発電システム３００によれば、第１反応部２１０ａ、２１０ｂの温度を変化させるだけで、ＣＯ２排出係数を変更することができる。つまり、第１反応部２１０ａ、２１０ｂの温度を高くするほど、ＣＯ２排出係数を低減することができる。
【００５８】
（第３の実施形態：発電システム４００）
上記第１、第２の実施形態において、第２反応部２３０が生成した液体有機化合物を外部に送出する構成を例に挙げて説明した。しかし、第２反応部２３０が生成した液体有機化合物から水素を生成することもできる。
【００５９】
図７は、第３の実施形態にかかる発電システム４００を説明する図である。図７に示すように、発電システム４００は、発電ユニット１１０と、水素製造ユニット４１０と、供給量制御部２５０とを含んで構成される。なお、上記第１の実施形態と実質的に等しい構成については、同一の符号を付して、説明を省略する。
【００６０】
水素製造ユニット４１０は、第１反応部２１０ａ、２１０ｂと、水蒸気供給部２２０ａ、２２０ｂと、第２反応部２３０と、水素生成部４２０とを含んで構成される。
【００６１】
水素生成部４２０には、配管２３４が接続されており、配管２３４を通じて液体有機化合物（ギ酸）が供給される。水素生成部４２０は、ギ酸を収容する密閉容器と、密閉容器を所定の温度（例えば、８０℃程度）に加熱する加熱部と、加熱後に所定の温度（−７０℃程度）に冷却する冷却部とを含んで構成される。これにより、下記反応式（６）に示す反応を遂行させることができ、さらに水素を製造することができる。また、冷却部を備える構成により、二酸化炭素を液体として回収することができる。
ＣＨ２Ｏ２  →  Ｈ２  ＋  ＣＯ２      …反応式（６）
【００６２】
こうして水素生成部４２０によって生成された水素は、配管４２２を通じて発電装置１３０の燃料極に供給されることとなる。また、水素生成部４２０によって分離回収された二酸化炭素（液体）は、配管４２４を通じて、外部の処理設備に供給されることとなる。
【００６３】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６４】
例えば、上記実施形態において、第１反応部２１０ａ、２１０ｂが熱分解する炭化水素としてメタンを例に挙げて説明した。しかし、炭化水素の種類に限定はない。例えば、天然ガス、都市ガス等であってもよい。
【００６５】
また、上記実施形態において、発電装置がＳＯＦＣである場合を例に挙げて説明した。しかし、発電装置は、水素を電気エネルギーに変換することができれば、構成に限定はない。例えば、発電装置をＳＯＦＣ以外の燃料電池（例えば、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ））等の分散電源で構成してもよいし、エンジン、ガスタービン等の大規模火力発電であってもよい。また、燃料電池、エンジン、ガスタービンのうちの複数のハイブリッドの発電装置であってもよいし、これらのうちのいずれか１または複数と他の発電装置のハイブリッドの発電装置であってもよい。
【００６６】
また、上記実施形態において、発電装置が炭化水素を電気エネルギーに変換する構成を例に挙げて説明した。しかし、発電装置は、炭化水素に限らず、有機化合物を燃料としてもよい。
【００６７】
また、上記実施形態において、第１反応部２１０ａ、２１０ｂに熱分解反応を促進する触媒が収容される構成を例に挙げて説明した。しかし、触媒は必須の構成ではない。なお、この触媒を収容しない場合、温度制御部３５０は、第１反応部２１０ａ、２１０ｂが熱分解する炭化水素としてメタンを用いた場合には、１０００℃から１２００℃（１２００℃の際、分解率＝１）の範囲で温度を制御するとよい。第１反応部２１０ａ、２１０ｂが熱分解する炭化水素として都市ガス等の、少なくともメタン成分と、Ｃ２以上（炭素数が２以上）の高次炭化水素成分とを含む混合物を用いた場合、第１反応部２１０ａ、２１０ｂに触媒を収容せずともよい。この場合、第１反応部２１０ａ、２１０ｂにおいて、都市ガスの中のＣ２以上の高次炭化水素成分が先に熱分解され、析出した固体炭素の触媒作用を利用してメタン成分を分解することもできる。この場合には、第１反応部２１０ａ、２１０ｂを６００℃から９００℃の範囲で温度制御するとよい。
【００６８】
また、上記実施形態において、第２反応部２３０がギ酸を生成する構成を例に挙げて説明した。しかし、第２反応部２３０は、ギ酸以外の他の液体有機化合物を製造することもできる。例えば、液体有機化合物としてメタノールを製造することができる。この場合、供給量制御部２５０は、水蒸気供給部２２０ａ、２２０ｂが第１反応部２１０ａ、２１０ｂに供給する水蒸気量を制御して、生成される一酸化炭素と水素との比が１：２となるように、下記反応式（７）、（８）に示す反応を遂行させる。そして、第２反応部２３０において下記反応式（９）に示す反応を遂行させて、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）を製造する。
Ｃ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  Ｈ２      …反応式（７）
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２      …反応式（８）
ＣＯ  ＋  ２Ｈ２  →  ＣＨ３ＯＨ（液体）      …反応式（９）
【００６９】
また、液体有機化合物がメタノールである場合、水素生成部４２０は、メタノールを水蒸気改質する装置であるとよい。
【００７０】
また、第１反応部２１０ａ、２１０ｂから固体炭素を取り除く除去機構を備えてもよい。除去機構は、例えば、触媒を振動させる振動装置と、触媒と固体炭素とを分離する篩とを含んで構成される。除去機構を備える構成により、上記反応式（４）に示す反応を低減することができ、消費エネルギー（熱量）を低減することが可能となる。
【００７１】
また、上記第１の実施形態で説明した発電システム１００が温度制御部３５０を備えてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する発電システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１００、３００、４００  発電システム
１０２  原料ガス供給管（第１供給部）
１０６  配管（第２供給部）
１０８  配管（第２供給部）
１３０  発電装置
２１０ａ、２１０ｂ  第１反応部
２２０ａ、２２０ｂ  水蒸気供給部
２３０  第２反応部
２５０  供給量制御部
３５０  温度制御部
【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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【図６】
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【図７】
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