(57)【要約】【課題】発電効率を飛躍的に向上させることができる高効率発電システムを提供する。【解決手段】タービンを利用した発電設備（１）と、水分解光触媒水素製造設備（２）とを有し、水分解光触媒水素製造設備（２）により製造された水素が、発電設備（１）に供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンを利用した発電設備と、水分解光触媒水素製造設備とを有し、該水分解光水素製造設備により製造された水素が該発電設備に供給されることを特徴とする高効率発電システム。
【請求項２】
前記発電設備からの排出蒸気を熱源として利用する海水淡水化設備をさらに有し、該海水淡水化設備で製造された淡水が前記水分解光触媒製造設備に供給される、請求項１に記載の高効率発電システム。
【請求項３】
前記水分解光触媒水素製造設備は、水素と酸素を分離できる機構を有している、請求項１または２に記載の高効率発電システム。
【請求項４】
前記水分解光触媒水製造設備は電極型である、請求項１〜３のいずれか１つに記載の高効率発電システム。
【請求項５】
前記発電設備は火力発電である、請求項１〜４のいずれか１つに記載の高効率発電システム。
【請求項６】
前記火力発電設備は、コンバインドサイクル火力発電設備である、請求項５に記載の高効率発電システム。
【請求項７】
前記火力発電設備は、燃料用ガスタービン、蒸気タービン、および水素ガス用タービンを併せ持っている、請求項６に記載の高効率発電システム。
【請求項８】
前記火力発電設備は、燃料および水素ガス用のガスタービンおよび蒸気タービンを併せ持っている、請求項６に記載の高効率発電システム。
【請求項９】
前記火力発電設備は、燃料および水素ガス用のガスタービンを有している、請求項５に記載の高効率発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電効率を向上させることができる高効率発電システムを提供することを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
発電設備として通常の火力発電を考えた場合に、その熱効率は、ガスタービン単独で４０％、蒸気タービン単独で４３％、それらの複合サイクルで５０％以上であると報告されている（非特許文献１）。
【０００３】
このようにコンバインドサイクル発電は、従来の発電と比較すると発電効率が高いが、それでも効率５０％程度であり、半分近くの投入エネルギーは利用できていない状況である。
【０００４】
近年、コンバインドサイクル発電設備で仕事をした蒸気をさらに利用して、海水を淡水化するような造水付き発電が運転を始めている（例、ウム  アル  ナール発電・海水淡水化プラント（ＵＡＥ））。これは、電力と淡水を同時に効率的に得られる複合プラントであるが、先に示した発電効率自体が向上しているわけではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】三菱重工、“コンバインドサイクル発電プラントのしくみ”、［online］、平成２３年１０月２４日検索］、インターネット〈URL:http://www.mhi.co.jp/products/detail/ccpp_mechanism.html〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発電効率を飛躍的に向上させることができる高効率発電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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の高効率発電システムは、タービンを利用した発電設備と、水分解光触媒水素製造設備とを有し、該水分解光水素製造設備により製造された水素が、該発電設備に供給されることを特徴とする。
【０００８】
上記高効率発電システムにおいて、好ましくは、前記発電設備からの排出蒸気を熱源として利用する海水淡水化設備をさらに有し、該海水淡水化設備で製造された淡水が前記水分解光触媒製造設備に供給される。
【０００９】
上記高効率発電システムにおいて、好ましくは、前記水分解光触媒水素製造設備は、水素と酸素を分離できる機構を有している。
【００１０】
また、上記高効率発電システムにおいて、好ましくは、前記水分解光触媒水製造設備は電極型である。
【００１１】
上記高効率発電システムにおいて、好ましくは、前記発電設備は火力発電である。
【００１２】
上記高効率発電システムにおいて、好ましくは、前記火力発電設備は、コンバインドサイクル火力発電設備である。
【００１３】
上記高効率発電システムにおいて、好ましくは、前記火力発電設備は、燃料用ガスタービン、蒸気タービン、および水素ガス用タービンを併せ持っている。
【００１４】
上記高効率発電システムにおいて、好ましくは、前記火力発電設備は、燃料および水素ガス用のガスタービンおよび蒸気タービンを併せ持っている。
【００１５】
上記高効率発電システムにおいて、好ましくは、前記火力発電設備は、燃料および水素ガス用のガスタービンを有している。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高効率発電システムでは、水分解光水素製造設備により製造された水素が発電設備に供給されるので、発電設備の効率が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施の形態１の高効率発電システムを説明するフローシートである。
【図２】実施の形態１のコンバインドサイクル火力発電設備を説明する内部概略図である。
【図３】水分解光触媒水素製造設備（２）を示す概略図である。
【図４】実施の形態２の高効率発電システムを説明するフローシートである。
【図５】実施の形態３の高効率発電システムを説明するフローシートである。
【図６】実施の形態３のコンバインドサイクル火力発電設備を説明する内部概略図である。
【図７】実施の形態４の高効率発電システムを説明するフローシートである。
【図８】ガスタービン火力発電設備を説明する内部概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の高効率発電システムについて詳細に説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の高効率発電システムを説明するフローシートである。
【００２０】
本実施の形態１の高効率発電システムは、タービンを利用した発電設備（１）と、水分解光触媒水素製造設備（２）とを有し、水分解光触媒水素製造設備（２）により製造された水素が、発電設備（１）に供給されるようになっている。
【００２１】
発電設備（１）として、例えば、燃料を燃焼させたガスでタービンを回転させるガスタービンと、燃料燃焼の排熱回収ボイラで生成した蒸気でタービンを回転させる蒸気タービンと、後述の水分解光触媒水素製造設備（２）で生成した水素ガスを燃焼させたガスでタービンを回転させる水素用ガスタービンとを有するコンバインドサイクル火力発電が挙げられる。なお、以降の実施の形態２〜４とは異なり、本実施の形態１では、発電設備（１）で発生した電力のみを利用する構成であるので、発電設備（１）における蒸気の利用は必須ではない。
【００２２】
図２は、コンバインドサイクル火力発電設備を説明する内部概略図である。
【００２３】
本実施の形態１のコンバインドサイクル火力発電設備は、発電機（１１）において発電を行うためにガスタービン（１２）、蒸気タービン（１３）および水素ガスタービン（１４）の３種のタービンを有している。
【００２４】
ガスタービン（１２）には、空気圧縮機（１５）からの圧縮空気が導入され、ＬＮＧ、石油などの燃料の燃焼によりガスタービン（１２）が回転し、この回転により発電機（１１）にて発電が行われる。燃料燃焼後に生じるガスタービン（１２）からの排気は、排熱回収ボイラ（１６）に送られ、ここで、別途取り込んだ海水などとの熱交換により冷却され、その後、発電設備から排気される。排熱回収ボイラ（１６）に供給された海水などの水は、熱交換により蒸気となり、蒸気タービン（１３）に送られて、蒸気タービン（１３）を回転させ、その後、蒸気の状態で発電設備から出る。
【００２５】
また、水素ガスタービン（１４）には、水分解光触媒水素製造設備（２）から水素が供給され、空気圧縮機（１７）からの圧縮空気と水素との燃焼により水素ガスタービン（１４）が回転し、この回転により発電機（１１）にて発電が行われる。燃焼後のガスは、排熱回収ボイラ（１６）に送られる。
【００２６】
水分解光触媒水素製造設備（２）は、太陽光と光触媒の作用により水を水素と酸素に分解する設備である。
【００２７】
図３は、水分解光触媒水素製造設備（２）を示す概略図である。
【００２８】
水分解光触媒水素製造設備（２）は、上部の陽極室（２１）と、この陽極室（２１）に一端側にて連結する下部の陰極室（２２）とを備えている。陽極室（２１）には、太陽光により酸素を生成させる触媒作用を有する陽極光触媒（例えば、ＴａＯＮ、Ｔａ３Ｎ５、ＴｉＯ２−ｘＮｘ、ＢｉＶＯ４、ＷＯ３など）（２３）が陽極として備えられ、陰極室（２２）には、水素を生成させる触媒作用を有する陰極触媒（例えば、Ｐｔなど）（２４）が陰極として備えられている。
【００２９】
水は、一端側上端から陽極室（２１）に導入され、一端側の連通路から陰極室（２２）に通り、他端側下端を介して水分解光触媒水素製造設備（２）から出る。
【００３０】
発電設備（１）からの電力が電源（２５）に供給され、太陽光が照射されると、陽極光触媒（２３）の触媒作用により、酸素が発生する。発生した酸素は、陽極室（２１）中央部上端に設けられた通気孔（２６）から排出される。また、陰極室（２２）では、陰極触媒（２４）の触媒作用により、水素が発生する。発生した水素は、陰極室（２２）中央部の所定区間に設けられた区画（２７）を経て、陰極室（２２）の他端側から排出される。
【００３１】
生成した水素は、燃料電池や化学工業原料などとして有効に利用され、一方で、酸素は火力発電設備（１）に供給されて燃料燃焼工程で利用される。
【００３２】
次に、本実施形態１の高効率発電システムを用いた場合について実施例１として具体的に説明する。
【００３３】
（実施例１）
発電設備（１）として、上記のような３種のタービンを備えたコンバインドサイクル火力発電設備を用いた。高位発熱量ベース（ＨＨＶ基準）の発電効率は５０％であり、発電規模（出力）は１５０ＭＷであった。
【００３４】
水分解光触媒水素製造設備（２）について、太陽エネルギー変換効率は４％、設備（光触媒電極）面積は２８，０００ｍ２（例えば５ｋｍ×５．６ｋｍ）、場内消費電力量：２×１０６ｋＷｈ／ｄａｙ、水素製造規模（出力）：３５０ｔ／ｄａｙ−Ｈ２とした。
【００３５】
日照時間を８ｈと仮定し、ある程度の日射強度（６ｋＷｈ／ｍ２／ｄａｙ）が得られるとすると、水分解光触媒水素製造設備（２）によって昼間３，２００ｔの淡水が水素（３５０ｔ）と酸素に分解される。その際に場内で消費される電力量は、反応を促進させるための補助的な電力量が主となり、２，０００MWｈ／ｄａｙと概算される。
【００３６】
生成した水素ガスは発電設備（１）に供給され利用されるが、必要に応じてその一部を別用途（燃料電池、化学工業原料）で利用することも考えられる。
【００３７】
水分解光触媒水素製造設備（２）で生成した水素（３５０ｔ／ｄａｙ）を発電設備（１）に供給して水素ガスタービンにより発電することを考える。生成水素から得られる化学エネルギーは、およそ４×１０７ＭＪ／ｄａｙ（＝１１，１００ＭＷｈ／ｄａｙ）と概算される。
【００３８】
水素ガスタービンにおいて、投入水素エネルギーに対して得られる発電エネルギーは５４％であると仮定すると（www.ueri.co.jp/jhif/12Conference090610/doshishauniv.pdf参照）、上記生成水素量ではおよそ６，０００ＭＷｈ／ｄａｙの発電が見込まれる。
【００３９】
水分解光触媒水素製造設備（２）を併設することにより使用された電力量はおよそ２，０００ＭＷｈ／ｄａｙであるので、収支としては＋４，０００ＭＷｈ／ｄａｙとなる。
【００４０】
発電設備（１）において、出力１５０ＭＷであるので、１日当たりの発電量は、３，６００ＭＷｈ／ｄａｙとなり、発電効率５０％であるので、投入燃料エネルギーは７，２００ＭＷｋ／ｄａｙと試算される。
【００４１】
したがって、本発明の高効率発電システムでは、太陽エネルギーの寄与もあり、投入燃料エネルギーが７，２００ＭＷｈ／ｄａｙ、発電量が７，６００ＭＷｈ／ｄａｙとなり、投入燃料に対する発電効率が５０％から１０６％に飛躍的に向上することになる。
【００４２】
光触媒反応に十分な日射強度（量）が得られ、かつ、広大な面積を確保できる地域で、淡水も十分に利用できる環境であれば、海水淡水化設備を併設する必要がなく、当該設備のコンパクト化が可能である。
【００４３】
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２の高効率発電システムを説明するフローシートである。
【００４４】
本実施の形態２の高効率発電システムは、発電設備（１）と、水分解光触媒水素製造設備（２）と、海水淡水化設備（３）とを有し、水分解光水素製造設備（２）により製造された水素が、発電設備（１）に供給されるようになっている。
【００４５】
さらに、海水淡水化設備（３）は、発電設備（１）からの排出蒸気を熱源として利用し、海水淡水化設備（３）で製造された淡水が水分解光触媒製造設備（２）に供給されるようになっている。
【００４６】
発電設備（１）および水分解光触媒水素製造設備（２）は、上記の実施の形態１のものと同様のものであるので、詳細な説明は省略する。
【００４７】
海水淡水化設備（３）としては、発電設備（１）からの蒸気を熱源として用いて海水から淡水を製造することができるものであれば特に限定はなく、例えば、多段フラッシュ法、多重効用法などを用いた設備が挙げられる。また、海水淡水化設備（３）を駆動するための電力は、発電設備（１）から供給される。
【００４８】
ここで、（造水比）＝（生産水量）／（消費する加熱蒸気量）と定義され、海水淡水化設備（３）が多段フラッシュ法（ＭＳＦ）の場合に造水比は６〜１０程度、多重効用法（ＭＥＤ）の場合で１０程度となる。
【００４９】
また、海水淡水化設備（３）で消費される電力量はＭＳＦの場合で４ｋＷｈ／ｍ３−生産淡水、ＭＥＤの場合で１．８ｋＷｈ／ｍ３−生産淡水である。
【００５０】
海水淡水化設備（３）により製造された淡水は、水分解光触媒水素製造設備（２）に供給される。
【００５１】
昼間に生成させられる淡水が水分解光触媒水素製造設備（２）に供給されて水素製造に利用される一方で、夜間に生成させられる淡水は飲料などの生活用水や工業用水として有効に利用される。
【００５２】
次に、本実施形態２の高効率発電システムを用いた場合について実施例２として具体的に説明する。
【００５３】
（実施例２）
発電設備（１）および水分解光触媒水素製造設備（２）については実施例１と同様であるので詳細な説明は省略する。
【００５４】
海水淡水化設備（３）は、多段フラッシュ方式（ＭＳＦ）の設備である。造水比：６〜１０（約８）、場内消費電力量：４ｋＷｈ／ｍ３−生産淡水、淡水生産規模（出力）：４００ｔ／ｈとした。
【００５５】
淡水化システムにおける必要蒸気量（導入時温度２００℃）は、その造水比から４０〜６７ｔ／ｈであり、火力発電設備（１）から導かれる量（２５０ｔ／ｈ）を考えると可能である。また、淡水（９，６００ｔ／ｄａｙ）を生産する際に場内で消費される電力量は３８．４ＭＷｈ／ｄａｙと概算される。
【００５６】
水分解光触媒水素製造設備（２）で生成した水素（３５０ｔ／ｄａｙ）を発電設備（１）に供給して水素ガスタービンにより発電することを考える。生成水素から得られる化学エネルギーは、およそ４×１０７ＭＪ／ｄａｙ（＝１１，１００ＭＷｈ／ｄａｙ）と概算される。
【００５７】
水素ガスタービンにおいて、投入水素エネルギーに対して得られる発電エネルギーは５４％であると仮定すると（www.ueri.co.jp/jhif/12Conference090610/doshishauniv.pdf参照）、上記生成水素量ではおよそ６，０００ＭＷｈ／ｄａｙの発電が見込まれる。
【００５８】
水分解光触媒水素製造設備（２）および海水淡水化設備（３）を併設することにより使用された電力量はおよそ２，０００ＭＷｈ／ｄａｙであるので、収支としては＋４，０００ＭＷｈ／ｄａｙとなる。
【００５９】
発電設備（１）において、出力１５０ＭＷであるので、１日当たりの発電量は、３，６００ＭＷｈ／ｄａｙとなり、発電効率５０％であるので、投入燃料エネルギーは７，２００ＭＷｋ／ｄａｙと試算される。
【００６０】
したがって、本発明の高効率発電システムでは、太陽エネルギーの寄与もあり、投入燃料エネルギーが７，２００ＭＷｈ／ｄａｙ、発電量が７，６００ＭＷｈ／ｄａｙとなり、投入燃料に対する発電効率が５０％から１０６％に飛躍的に向上することになる。
【００６１】
以下、発電設備（１）の出力が３００ＭＷである場合についても各値について試算したので、その結果を以下に示す。
【００６２】
１日あたりの発電量：７，２００ＭＷｈ／ｄａｙ
投入燃料エネルギー：１４，４００ＭＷｈ／ｄａｙ
複合化による増加分：４，０００ＭＷｈ／ｄａｙ
発電効率：７８％
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３の高効率発電システムを説明するフローシートである。
【００６３】
実施の形態３では、発電設備（１’）がガスタービン（水素含む）および蒸気タービンの２種のタービンを備えたものである以外は実施の形態２の高効率発電システムと同様とした。
【００６４】
火力発電設備（１’）は、燃料を燃焼させたガスでタービンを回転させるガスタービンと、燃料燃焼の排熱回収ボイラで生成した蒸気でタービンを回転させる蒸気タービンとを有するコンバインドサイクル火力発電である。さらに、本実施の形態３では、水分解光触媒水素製造設備（２）において生成した水素もガスタービンに供給される。
【００６５】
図６は、コンバインドサイクル火力発電設備を説明する内部概略図である。
【００６６】
このコンバインドサイクル火力発電システムは、発電機（３１）と、ガスタービン（３２）と、蒸気タービン（３３）とを有し、ガスタービン（３２）には、空気圧縮機（３４）からの圧縮空気が導入され、ＬＮＧ、石油などの燃料および水分解光触媒水素製造設備（２）からの水素の燃焼によりガスタービン（３２）が回転し、この回転により発電機（３１）にて発電が行われる。燃料燃焼後に生じるガスタービン（３２）からの排気は、排熱回収ボイラ（３５）に送られ、ここで、別途取り込んだ海水などとの熱交換により冷却され、その後、発電設備から排気される。排熱回収ボイラ（３５）に供給された海水などの水は、熱交換により蒸気となり、蒸気タービン（３３）に送られて、蒸気タービン（３３）を回転させ、その後、蒸気の状態で発電設備から出る。
【００６７】
水分解光触媒水素製造設備（２）および海水淡水化設備（３）は、上記の実施の形態２のものと同様のものであるので、詳細な説明は省略する。
【００６８】
次に、本実施形態３の高効率発電システムを用いた場合について実施例３として具体的に説明する。
【００６９】
（実施例３）
発電設備（１）については、上記の２種のタービンを備えたものである他は、実施例２と同様のものである。また、水分解光触媒水素製造設備（２）および海水淡水化設備（３）についても実施例２と同様のものであるので詳細な説明は省略する。
【００７０】
水分解光触媒水素製造設備（２）で生成した水素（３５０ｔ／ｄａｙ）を発電設備（１）に加えてガスタービンにより発電することを考える。生成水素から得られる化学エネルギーは、およそ４×１０７ＭＪ／ｄａｙ（＝１１，１００ＭＷｈ／ｄａｙ）と概算される。
【００７１】
ガスタービン＋蒸気タービンのコンバインドサイクル発電において、投入水素エネルギーに対して得られる発電エネルギーは５０％であると仮定すると、上記生成水素量ではおよそ５，６００ＭＷｈ／ｄａｙの発電が見込まれる。
【００７２】
水分解光触媒水素製造設備（２）および海水淡水化設備（３）を併設することにより使用された電力量はおよそ２，０００ＭＷｈ／ｄａｙであるので、収支としては＋３，６００ＭＷｈ／ｄａｙとなる。
【００７３】
発電設備（１）において、出力１５０ＭＷであるので、１日当たりの発電量は、３，６００ＭＷｈ／ｄａｙとなり、発電効率５０％であるので、投入燃料エネルギーは７，２００ＭＷｋ／ｄａｙと試算される。
【００７４】
したがって、本発明の高効率発電システムでは、太陽エネルギーの寄与もあり、投入燃料エネルギーが７，２００ＭＷｈ／ｄａｙ、発電量が７，２００ＭＷｈ／ｄａｙとなり、投入燃料に対する発電効率が５０％から１００％に飛躍的に向上することになる。
【００７５】
（実施の形態４）
図７は、実施の形態４の高効率発電システムを説明するフローシートである。
【００７６】
実施の形態４では、発電設備（１”）がガスタービン（水素含む）を備えたものである以外は実施の形態２の高効率発電システムと同様とした。
【００７７】
発電設備（１”）は、燃料を燃焼させたガスでタービンを回転させるガスタービンを有するガスタービン火力発電である。さらに、本実施の形態４では、水分解光触媒水素製造設備（２）において生成した水素もガスタービンに供給される。
【００７８】
図８は、ガスタービン火力発電設備を説明する内部概略図である。
【００７９】
このガスタービン火力発電システムは、発電機（４１）と、ガスタービン（４２）とを有し、ガスタービン（４２）には、空気圧縮機（４３）からの圧縮空気が導入され、ＬＮＧ、石油などの燃料および水分解光触媒水素製造設備（２）からの水素の燃焼によりガスタービン（４２）が回転し、この回転により発電機（４１）にて発電が行われる。燃料燃焼後に生じるガスタービン（４２）からの排気は、排熱回収ボイラ（４４）に送られ、ここで、別途取り込んだ海水などとの熱交換により冷却され、その後、発電設備から排気される。排熱回収ボイラ（４４）に供給された海水などの水は、熱交換により蒸気となり、その後、蒸気の状態で発電設備から出る。
【００８０】
水分解光触媒水素製造設備（２）および海水淡水化設備（３）は、上記の実施の形態２のものと同様のものであるので、詳細な説明は省略する。
【００８１】
次に、本実施形態４の高効率発電システムを用いた場合について実施例４として具体的に説明する。
【００８２】
（実施例４）
発電設備（１）として、図８に示すようなガスタービン火力発電設備を用いた。高位発熱量ベース（ＨＨＶ基準）の発電効率は４０％であり、発電規模（出力）は１５０ＭＷであった。
【００８３】
水分解光触媒水素製造設備（２）および海水淡水化設備（３）についても実施例２と同様のものであるので詳細な説明は省略する。
【００８４】
水分解光触媒水素製造設備（２）で生成した水素（３５０ｔ／ｄａｙ）を発電設備（１）に加えてガスタービンにより発電することを考える。生成水素から得られる化学エネルギーは、およそ４×１０７ＭＪ／ｄａｙ（＝１１，１００ＭＷｈ／ｄａｙ）と概算される。
【００８５】
ガスタービンにおいて、投入水素エネルギーに対して得られる発電エネルギーは４０％であると仮定すると、上記生成水素量ではおよそ４，４００ＭＷｈ／ｄａｙの発電が見込まれる。
【００８６】
水分解光触媒水素製造設備（２）および海水淡水化設備（３）を併設することにより使用された電力量はおよそ２，０００ＭＷｈ／ｄａｙであるので、収支としては＋２，４００ＭＷｈ／ｄａｙとなる。
【００８７】
発電設備（１）において、出力１５０ＭＷであるので、１日当たりの発電量は、３，６００ＭＷｈ／ｄａｙとなり、発電効率４０％であるので、投入燃料エネルギーは９，０００ＭＷｋ／ｄａｙと試算される。
【００８８】
したがって、本発明の高効率発電システムでは、太陽エネルギーの寄与もあり、投入燃料エネルギーが９，０００ＭＷｈ／ｄａｙ、発電量が６，０００ＭＷｈ／ｄａｙとなり、投入燃料に対する発電効率が５０％から６７％に向上することになる。
【符号の説明】
【００８９】
１  発電設備
２  水分解光触媒水素製造設備
【図１】
2013092066.tif 000003
【図２】
2013092066.tif 000004
【図３】
2013092066.tif 000005
【図４】
2013092066.tif 000006
【図５】
2013092066.tif 000007
【図６】
2013092066.tif 000008
【図７】
2013092066.tif 000009
【図８】
2013092066.tif 000010