JP2022138905A

JP2022138905A - 発電装置

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Publication number: JP2022138905A
Application number: JP2021039051A
Authority: JP
Inventors: 博及川; Hiroshi Oikawa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2022-09-26
Anticipated expiration: 2041-03-11
Also published as: JP7176025B2; CN115074758A

Abstract

【課題】燃料燃焼による発電と、燃焼によって発生する二酸化炭素の変換を高いエネルギー効率で両立できる発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料を燃焼させた熱を利用して発電する燃焼式発電装置１と、二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置２と、前記電気化学反応装置に電力を供給する電源貯蔵装置３と、を備える発電装置１００において、燃焼式発電装置１に燃料を燃焼させる燃焼器１１を設け、燃焼器１１の燃焼で発生した二酸化炭素を電気化学反応装置２に供給し、電気化学反応装置２の二酸化炭素還元で副生した酸素を燃焼器１１に供給し、電源貯蔵装置に、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部３１と、変換部３１で変換した電気エネルギーを貯蔵する貯蔵部３２とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関する。

バイオマス発電は、カーボンニュートラルなグリーン電力発電の有望な選択肢の一つである。例えば、特許文献１には、バイオマス燃料を燃焼して蒸気を生成するボイラと、蒸気によって駆動するタービンと、タービンの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備えるバイオマス発電装置が開示されている。

特許第６７１８５６５号公報

しかし、特許文献１のような従来の発電装置では、発電にバイオマス燃料を利用するものの、燃料の燃焼に伴って二酸化炭素が排出される。そのため、発電に伴って排出される二酸化炭素の大気への放出を抑え、さらには有価物へ変換することができれば、環境面だけでなく経済面でも発電装置としての価値がさらに高まると言える。また、燃焼排ガス中の二酸化炭素を変換するためにもエネルギーが必要となるが、燃料燃焼による発電で得た電力をそれに割くと、電力需要に応えるという発電の本来の役割が果たせない。そのため、燃料燃焼による発電で得た電力を割かずに、高いエネルギー効率で発電と二酸化炭素の変換を両立できることが重要である。

本発明は、燃料燃焼による発電と、燃焼によって発生する二酸化炭素の変換を高いエネルギー効率で両立できる発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る発電装置（例えば、実施形態の発電装置１００）は、燃料を燃焼させた熱を利用して発電する燃焼式発電装置（例えば、実施形態の燃焼式発電装置１）と、二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置（例えば、実施形態の電気化学反応装置２）と、前記電気化学反応装置に電力を供給する電源貯蔵装置（例えば、実施形態の電源貯蔵装置３）と、を備え、前記燃焼式発電装置は、燃料を燃焼させる燃焼器（例えば、実施形態の燃焼器１１）を備え、前記燃焼器の燃焼で発生した二酸化炭素が前記電気化学反応装置に供給され、前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で副生した酸素が前記燃焼器に供給され、前記電源貯蔵装置は、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部（例えば、実施形態の変換部３１）と、前記変換部で変換した電気エネルギーを貯蔵する貯蔵部（例えば、実施形態の貯蔵部３２）と、を備えている。

（２）前記燃焼器は、バイオマス燃料を燃焼させるバイオマス燃焼器であってもよい。

（３）前記燃焼式発電装置は、前記燃焼器と、前記燃焼器で発生した熱により水を気化する気化器（例えば、実施形態の気化器１２）と、前記気化器で発生した蒸気により駆動される蒸気タービン（例えば、実施形態の蒸気タービン１３）と、前記蒸気タービンから排出された蒸気を水に戻す復水器（例えば、実施形態の復水器１４）と、を備えていてもよい。

（４）前記復水器で生成した復水の一部が前記電気化学反応装置に用いられる電解液に加えられてもよい。

（５）本発明の一態様に係る発電装置は、前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で生成したエチレンを多量化して増炭する増炭反応装置（例えば、実施形態の増炭反応装置４）をさらに備えていてもよい。

（６）本発明の一態様に係る発電装置は、前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で生成したエタノールを精製するエタノール精製装置（例えば、実施形態のエタノール精製装置６）をさらに備えていてもよい。

（１）～（６）の態様によれば、燃料燃焼による発電と、燃焼によって発生する二酸化炭素の変換を高いエネルギー効率で両立できる発電装置を提供できる。

実施態様に係る発電装置を示すブロック図である。電気化学反応装置の電解セルの一例を示した概略断面図である。他の実施形態に係る発電装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において例示される図の寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

［発電装置］
図１に示すように、本発明の一態様に係る発電装置１００は、燃焼式発電装置１と、電気化学反応装置２と、電源貯蔵装置３と、増炭反応装置４と、を備えている。燃焼式発電装置１は、燃焼器１１と、気化器１２と、蒸気タービン１３と、復水器１４と、を備えている。電源貯蔵装置３は、変換部３１と、変換部３１と電気的に接続された貯蔵部３２と、を備えている。増炭反応装置４は、反応器４１と、気液分離器４２と、を備えている。

発電装置１００では、燃焼器１１と電気化学反応装置２はガス流路７１で接続されている。気化器１２と蒸気タービン１３は循環流路７２で接続されている。蒸気タービン１３と復水器１４は循環流路７３で接続されている。復水器１４と気化器１２は循環流路７４で接続されている。電気化学反応装置２には、電気化学反応装置２における電解液の入口と出口は、電気化学反応装置２の外部に設けられた循環流路７５で接続されている。循環流路７５の途中には熱交換器５が設けられている。復水器１４と循環流路７５は液流路７６で接続されている。電気化学反応装置２と燃焼器１１はガス流路７７で接続されている。電気化学反応装置２と反応器４１はガス流路７８で接続されている。反応器４１と気液分離器４２はガス流路７９とガス流路８０で接続されている。

これら各流路は特に限定されず、公知の配管等を適宜使用できる。ガス流路７１，７７～７９，８０及び循環流路７２，７３には、コンプレッサー等の送気手段、減圧弁や、圧力計等の計測機器等を適宜設置することができる。また、循環流路７２，７５、液流路７６には、ポンプ等の送液手段や、流量計等の計測機器等を適宜設置することができる。

燃焼式発電装置１は、燃料を燃焼させた熱を利用して発電する装置である。燃焼式発電装置１の態様は、特に限定されず、燃料としてバイオマスを用いるバイオマス発電装置であってもよく、燃料として液化天然ガス、石炭、石油等の化石燃料を用いる火力発電装置であってもよい。なかでも、カーボンニュートラルなグリーン電力発電を実現できる点から、バイオマス発電装置が好ましい。

バイオマス発電装置の態様としては、特に限定されず、例えば、燃料燃焼による熱を利用して得た蒸気により蒸気タービンを駆動させて発電する直接燃焼方式、燃料を熱処理してガス化したガスをガスタービンで燃焼させて発電する熱分解ガス化方式、燃料から生物化学的に発生させたガスをガスタービンで燃焼させて発電する生物化学的ガス化方式のいずれを採用してもよい。

この例の燃焼式発電装置１では、燃焼器１１で燃料が燃焼され、発生した熱を利用して気化器１２で水Ｗが気化されて蒸気Ｗ１となる。気化器１２で発生した蒸気Ｗ１は循環流路７２を通じて蒸気タービン１３に送られ、蒸気タービン１３が駆動されることにより発電機（不図示）で発電される。蒸気タービン１３から排出された蒸気Ｗ１は、循環流路７３を通じて復水器１４に送られ、凝縮されて復水Ｗ２となる。復水器１４で生成した復水Ｗ２は循環流路７４を通じて気化器１２に送られて循環される。また、燃焼器１１で燃料が燃焼して発生した二酸化炭素を含む排ガスＧは、ガス流路７１を通じて電気化学反応装置２に供給される。

燃焼器１１、気化器１２、蒸気タービン１３及び復水器１４の態様は、特に限定されず、それぞれ公知の態様を制限なく採用できる。燃焼器１１としては、バイオマス燃料を燃焼させるバイオマス燃焼器が好ましい。

電気化学反応装置２は、二酸化炭素を電気化学的に還元する装置である。図２に示すように、電気化学反応装置２は、カソード２１と、アノード２２と、液流路２３ａを形成する液流路構造体２３と、ガス流路２４ａを形成するガス流路構造体２４と、ガス流路２５ａを形成するガス流路構造体２５と、給電体２６と、給電体２７と、を備えている。

電気化学反応装置２では、給電体２６、ガス流路構造体２４、カソード２１、液流路構造体２３、アノード２２、ガス流路構造体２５、給電体２７がこの順に積層されている。液流路構造体２３にはスリットが形成されており、スリットにおけるカソード２１とアノード２２で囲まれた部分が液流路２３ａになっている。ガス流路構造体２４のカソード２１側には溝が形成されており、その溝のガス流路構造体２４とカソード２１に囲まれた部分がガス流路２４ａとなっている。ガス流路構造体２５のアノード２２側には溝が形成されており、その溝のガス流路構造体２５とアノード２２に囲まれた部分がガス流路２５ａとなっている。

このように、電気化学反応装置２では、カソード２１とアノード２２の間に液流路２３ａが形成され、カソード２１のアノード２２とは反対側にガス流路２４ａが形成され、アノード２２のカソード２１とは反対側にガス流路２５ａが形成されている。給電体２６と給電体２７は、電源貯蔵装置３の貯蔵部３２と電気的に接続されている。また、ガス流路構造体２４とガス流路構造体２５は導電体であり、貯蔵部３２から供給される電力によってカソード２１とアノード２２の間に電圧を印加できるようになっている。

カソード２１は、二酸化炭素を還元するとともに水を還元する電極である。カソード２１としては、二酸化炭素を電気化学的に還元でき、かつ生成したガス状生成物がガス流路２４ａまで透過するものであればよく、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側にカソード触媒層が形成された電極を例示できる。カソード触媒層は、一部がガス拡散層中に入り込んでいてもよい。ガス拡散層とカソード触媒層の間には、ガス拡散層よりも緻密な多孔質層を配置してもよい。

カソード触媒層を形成するカソード触媒としては、二酸化炭素の還元を促進する公知の触媒を使用できる。カソード触媒の具体例としては、金、銀、銅、白金、パラジウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、チタン、カドミウム、亜鉛、インジウム、ガリウム、鉛、錫等の金属、それらの合金や金属間化合物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。なかでも、二酸化炭素の還元が促進される点から、銅、銀が好ましく、銅がより好ましい。カソード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
カソード触媒としては、金属粒子が炭素材料（カーボン粒子、カーボンナノチューブ、グラフェン等）に担持された担持触媒を用いてもよい。

カソード２１のガス拡散層としては、特に限定されず、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。
カソード２１の製造方法は、特に限定されず、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側となる面に、カソード触媒を含む液状組成物を塗布して乾燥する方法を例示できる。

アノード２２は、水酸化物イオンを酸化して酸素を生成するための電極である。アノード２２としては、水酸化物イオンを電気化学的に酸化でき、かつ生成した酸素がガス流路２５ａまで透過するものであればよく、例えば、ガス拡散層の液流路２３ａ側にアノード触媒層が形成された電極を例示できる。

アノード触媒層を形成するアノード触媒としては、特に限定されず、公知のアノード触媒を使用できる。具体的には、例えば、白金、パラジウム、ニッケル等の金属、それらの合金や金属間化合物、酸化マンガン、酸化イリジウム、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化スズ、酸化インジウム、酸化ルテニウム、酸化リチウム、酸化ランタン等の金属酸化物、ルテニウム錯体、レニウム錯体等の金属錯体を例示できる。アノード触媒としては、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。

アノード２２のガス拡散層としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロスを例示できる。また、ガス拡散層としては、メッシュ材、パンチング材、多孔体、金属繊維焼結体等の多孔質体を用いてもよい。多孔質体の材質としては、例えば、チタン、ニッケル、鉄等の金属、これらの合金（例えばＳＵＳ）を例示できる。

液流路構造体２３の材質としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂を例示できる。
ガス流路構造体２４，２５の材質としては、例えば、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。
給電体２６，２７の材質としては、例えば、銅、金、チタン、ＳＵＳ等の金属、カーボンを例示できる。給電体２６，２７としては、銅基材の表面に金メッキ等のメッキ処理を施したものを使用してもよい。

電気化学反応装置２では、液流路２３ａに電解液Ａが流される。液流路２３ａの出口から流出した電解液Ａは、循環流路７５を通じて液流路２３ａの入口に戻されて循環するようになっている。
電解液Ａとしては、特に限定されず、例えば、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液を例示できる。なかでも、二酸化炭素の還元が促進される点から、水酸化カリウム水溶液が好ましい。

燃焼器１１から供給されてくる二酸化炭素を含む排ガスＧはガス流路２４ａに流される。そして、カソード２１とアノード２２に電圧が印加されることで、カソード２１において二酸化炭素が以下の反応で電気化学的に還元され、一酸化炭素及びエチレンが生成する。また、以下の反応で水から水素が生成する。カソード２１で生成したエチレン及び水素を含むガス状生成物Ｃは、カソード２１のガス拡散層を透過し、ガス流路２４ａから流出し、ガス流路７８を通じて反応器４１に送られる。
ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋２ＯＨ^－
２ＣＯ＋８Ｈ_２Ｏ→Ｃ_２Ｈ_４＋８ＯＨ^－＋２Ｈ_２Ｏ
２Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２＋２ＯＨ^－

また、カソード２１で生じた水酸化物イオンは電解液Ａ中をアノード２２へと移動し、以下の反応で酸化されて酸素が生成する。アノード２２で生成した酸素ガスＢは、アノード２２のガス拡散層を透過し、ガス流路２５ａから流出する。
４ＯＨ^－→Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ

燃焼器１１の燃料の燃焼に大気を利用する場合、大気の組成は大半が窒素であることから、排ガスＧの二酸化炭素濃度は低くなる。そのため、電気化学反応装置２で二酸化炭素を効率良く還元するには、排ガスＧ中の二酸化炭素を濃縮する必要がある。これに対し、発電装置１００では、電気化学反応装置２の二酸化炭素還元で副生した酸素がガス流路７７を通じて燃焼器１１に供給され、燃料の燃焼に利用される。電気化学反応装置２で副生する純度が高い酸素を燃焼器１１の燃焼に利用すれば、大気を利用する場合に比べて排ガスＧ中の二酸化炭素濃度が高くなる。これにより、二酸化炭素を濃縮しなくても電気化学反応装置２で効率良く二酸化炭素還元が行えることから、二酸化炭素の濃縮に必要なエネルギーを削減できる。

また、燃焼器１１においてバイオマス燃料を用いる場合、バイオマス燃料は含酸素原料であるため、原料中の酸素も燃焼に利用できる。そのため、バイオマス燃料を用いる場合には、大気を利用しなくても、電気化学反応装置２から供給される酸素だけで完全燃焼に必要な酸素量を十分に確保できるため、排ガスＧ中の二酸化炭素濃度をさらに高めることができる。

発電装置１００では、燃焼式発電装置１の蒸気タービン１３からの排熱を利用し、熱交換器５での熱交換によって循環流路７５を流れる電解液Ａを加熱することができる。これにより、電気化学反応装置２に供給される電解液Ａの温度が上がることで、電気化学反応装置２における酸化還元の反応速度が向上し、エネルギー効率がさらに高くなる。

また、電気化学反応装置２では、前述のように二酸化炭素電解に水電解が伴うため、二酸化炭素を還元するにつれて電解液Ａ中の水分が減少する。発電装置１００では、燃焼式発電装置１の復水器１４で生成した復水Ｗ２の一部が液流路７６を通じて循環流路７５を流れる電解液Ａに加えられることで、水分解によって減少した電解液Ａの水分が補充される。電気化学反応装置２に用いる電解液Ａの水分としては、精製水のように純度の高い水が必要である。そのため、水道水を用いる場合にはフィルターで精製することが多く、精製にエネルギーを要する。これに対し、蒸気タービン１３を駆動した蒸気Ｗ１が凝縮された復水Ｗ２は、蒸留水であり、水道水に比べて純度が高く、電解液Ａにそのまま使用できる。そのため、復水Ｗ２の一部を電解液Ａの水分として補充する態様は、水道水から精製水を製造するエネルギーを低減できるため、エネルギー効率がさらに高くなる。

電源貯蔵装置３は、電気化学反応装置２に電力を供給する装置である。
変換部３１では、再生可能エネルギーが電気エネルギーに変換される。変換部３１としては、特に限定されず、例えば、風力発電機、太陽光発電機、地熱発電機を例示できる。電源貯蔵装置３が備える変換部３１は、１つであってもよく、２つ以上であってもよい。

貯蔵部３２では、変換部３１で変換された電気エネルギーが貯蔵される。変換した電気エネルギーを貯蔵部３２で貯蔵することで、変換部が発電していない時間帯も電気化学反応装置２に安定して電力を供給できる。また、再生可能エネルギーを利用する場合、一般に電圧変動が大きくなりやすいが、貯蔵部３２で一旦貯蔵することで、電気化学反応装置２に安定した電圧で電力を供給できる。

貯蔵部３２としては、充放電が可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池を例示できる。なかでも、電解質に水酸化カリウムを用いることにより電解液を共通化及び共有できる可能性を持つ点から、ニッケル水素電池が好ましい。

燃焼式発電装置１での発電は、電力需要に応えて市場に供給することが本来の目的である。そのため、電源貯蔵装置３を組み合わせ、電源貯蔵装置３から電気化学反応装置２に電力を供給することで、燃焼式発電装置１は本来の役割を十分に果たせる。特に、変換部３１と貯蔵部３２の距離や、電源貯蔵装置３と電気化学反応装置２の距離を近くすると、電力の伝達損失を低減できるため、電源貯蔵装置３で得た電力を電気化学反応装置２において直流でそのまま利用できる。

また、例えば電源貯蔵装置３の変換部３１を太陽光発電機とする場合、夜間は発電できないが、夜間は市場の電力需要も低下するため、この時間帯には燃焼式発電装置１で発電した電力を利用して電気化学反応装置２で二酸化炭素還元を行うようにしてもよい。このように、太陽光エネルギーを利用する場合、市場の電力需要が高い日中は電源貯蔵装置３で二酸化炭素還元をアシストし、電力需要が低い夜間は燃焼式発電装置１で発電された余剰電力を利用して二酸化炭素還元を行う態様が好ましい。燃焼式発電装置１の運転を止めないことは、燃焼式発電装置１での発電の損失の観点からもリーズナブルである。

増炭反応装置４は、電気化学反応装置２で二酸化炭素が還元されて生成したエチレンを多量化して増炭する装置である。
電気化学反応装置２で還元によって生成したエチレンを含むガス状生成物Ｃは、ガス流路７８を通じて反応器４１に送られる。反応器４１では、オレフィン多量化触媒の存在下、エチレンの多量化反応を行う。これにより、例えば、１－ブテン、１－ヘキセン、１－オクテン等の増炭されたオレフィンを製造できる。

オレフィン多量化触媒としては、特に限定されず、多量化反応に用いられる公知の触媒を使用でき、例えば、シリカアルミナやゼオライトを担体に用いた固体酸触媒、遷移金属錯体化合物を例示できる。

この例の増炭反応装置４では、反応器４１から流出する多量化反応後の生成ガスＤは、ガス流路７９を通じて気液分離器４２に送られる。炭素数６以上のオレフィンは常温で液体である。そのため、例えば炭素数６以上のオレフィンを目的の炭素化合物とする場合、気液分離器４２の温度を３０℃程度にすることで、炭素数６以上のオレフィン（オレフィン液Ｅ１）と炭素数６未満のオレフィン（オレフィンガスＥ２）とを容易に気液分離できる。また、気液分離器４２の温度を上げることで、得られるオレフィン液Ｅ１の炭素数を大きくすることができる。

例えば冷却管を備える気液分離器４２を用い、冷却管内に大気を通し、冷却管外に生成ガスＤを通して、冷却管の表面で凝集させてオレフィン液Ｅ１とする。また、気液分離器４２で分離されたオレフィンガスＥ２は、エチレン等の未反応成分や、目的のオレフィンよりも炭素数が少ないオレフィンを含むため、ガス流路８０を通じて反応器４１に返送して多量化反応に再利用することができる。

反応器４１におけるエチレンの多量化反応は、供給物質の方が生成物質よりもエンタルピーが高く、反応エンタルピーが負となる発熱反応である。そのため、反応器４１で発生した反応熱も熱交換器５における電解液Ａの加熱に利用することで、エネルギー効率をさらに高めることができる。

増炭反応装置４は、電気化学反応装置２で生成する水素を利用して、エチレンを多量化して得たオレフィンの水素化反応や、オレフィンやパラフィンの異性化反応を行う公知の反応器をさらに備えていてもよい。

以下、発電装置１００を用いた発電方法について説明する。
まず、燃焼器１１で燃料を燃焼させ、その熱を利用して気化器１２で水Ｗを気化して蒸気Ｗ１とし、蒸気Ｗ１によって蒸気タービン１３を駆動して発電する。蒸気タービン１３から排出された蒸気Ｗ１は復水器１４で復水Ｗ２とし、気化器１２に戻して循環させる。

燃焼器１１から排出される二酸化炭素を含む排ガスＧを電気化学反応装置２のガス流路２４ａに供給する。そして、電源貯蔵装置３から電気化学反応装置２に電力を供給してカソード２１とアノード２２の間に電圧を印加し、カソード２１で二酸化炭素を電気化学的に還元してエチレンを生成させるとともに、水を還元して水素を含むガス状生成物Ｃを生成させる。蒸気タービン１３からの排熱及び反応器４１の反応熱を利用して熱交換器５で電解液Ａを加熱することで、電気化学反応装置２の反応効率を高めることができる。電気化学反応装置２に供給する電解液Ａの温度は、適宜設定することができ、例えば、６５～１０５℃とすることができる。

アノード２２では電解液Ａ中の水酸化物イオンが酸化されて酸素が発生する。アノード２２で発生した酸素ガスＢは燃焼器１１に供給し、燃料の燃焼に利用する。電気化学反応装置２で副生する純度が高い酸素を燃焼器１１の燃焼に利用することで、電気化学反応装置２へと供給する排ガスＧ中の二酸化炭素濃度が高くなる。そのため、二酸化炭素の濃縮に要するエネルギーを低減でき、エネルギー効率が高くなる。
電気化学反応装置２の反応で減少する電解液Ａの水分は、気化器１２に水Ｗを供給しつつ、復水器１４で生成した復水Ｗ２の一部を電解液Ａに加えることで補充する。

電気化学反応装置２で二酸化炭素を還元して生成したエチレンを含むガス状生成物Ｃを反応器４１に送り、反応器４１内でオレフィン多量化触媒と気相接触させ、エチレンを多量化する。これにより、エチレンが多量化されたオレフィンが得られる。例えば炭素数６以上のオレフィンを目的の炭素化合物とする場合、反応器４１から出た生成ガスＤを気液分離器４２に送り、３０℃程度まで冷却する。そうすると、目的の炭素数６以上のオレフィン（例えば１－ヘキセン）が液化し、炭素数６未満のオレフィンはガスのままとなるため、オレフィン液Ｅ１（目的の炭素化合物）とオレフィンガスＥ２として容易に分離できる。気液分離するオレフィン液Ｅ１とオレフィンガスＥ２の炭素数は、気液分離の温度によって調節できる。

気液分離後のオレフィンガスＥ２は、反応器４１に返送して多層化反応に再利用することができる。このように、目的のオレフィンよりも炭素数が少ないオレフィンを反応器４１と気液分離器４２の間で循環させる場合、反応器４１では原料ガス（ガス状生成物ＣとオレフィンガスＥ２との混合ガス）と触媒との接触時間を調節し、各オレフィン分子が平均１回の多層化反応を起こす条件に制御することが好ましい。これにより、反応器４１で生成するオレフィンの炭素数が意図せず大きくなることが抑制されるため、気液分離器４２において目的の炭素数のオレフィン（オレフィン液Ｅ１）を選択的に分離できる。

このような方法によれば、再生可能な炭素源から有価物を高い選択性で効率良く得ることができる。そのため、フィッシャー・トロプシュ（ＦＴ）合成法やＭｔＧ法を利用する従来の石油化学において必要な蒸留塔等の大型の精製設備を必要とせず、総合的に見て経済面で優位である。

以上説明したように、発電装置１００では、燃料を燃焼させた熱を利用して発電する燃焼式発電装置１と、二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置２とを組み合わせ、燃焼式発電装置１で発生する二酸化炭素と電気化学反応装置２で発生する酸素を相互に利用させる。発電装置１００では、燃料燃焼の酸素源として大気のみを利用する場合に比べて、燃焼器１１から排出される排ガスの二酸化炭素濃度が高く、二酸化炭素濃縮に要するエネルギーを低減できる。また、さらに電源貯蔵装置３を組み合わせることで、燃焼式発電装置１で発電した電力を電気化学反応装置２の二酸化炭素還元に割かなくてもよくなるため、燃焼式発電装置１は電力需要に応えるという本来の役割を十分に果たせる。このように、高いエネルギー効率で発電と二酸化炭素の変換を実施できる。

また、燃焼式発電装置１においてバイオマス発電を行えば、燃焼器１１から排出される排ガスの二酸化炭素濃度がさらに高くなるため、エネルギー効率がさらに高まる。発電装置１００を用いた発電では、エチレンを多量化して、合成燃料として利用できるオレフィンやパラフィンを製造することもできる。

なお、本発明の発電装置は、前記した発電装置１００には限定されない。
例えば、本発明の発電装置は、電気化学反応装置で二酸化炭素が還元されて生成したエタノールを精製するエタノール精製装置を備えていてもよい。具体的には、例えば、図３に例示した発電装置２００としてもよい。図３における図１と同じ部分には同符号を付して説明を省略する。

発電装置２００は、発電装置１００における増炭反応装置４の代わりにエタノール精製装置６を備えている。
エタノール精製装置６は、蒸留塔６１と、気液分離器６２と、を備えている。蒸留塔６１は液流路８１によって電気化学反応装置２の液流路２３ａの出口と接続されている。蒸留塔６１と気液分離器６２はガス流路８４で接続されている。蒸留塔６１と熱交換器５は液流路８２で接続されている。熱交換器５と電気化学反応装置２は液流路８３で接続されている。

発電装置２００では、カソード２１で二酸化炭素が還元されて生成するエタノールは、電解液Ａとの混合液Ｈとして得られるため、混合液Ｈが液流路８１を通じて蒸留塔６１に送られて蒸留される。蒸留によって分離されたエタノールガスＩは、ガス流路８４を通じて気液分離器６２へと送られ、液状のエタノールＪとして回収される。蒸留塔６１でエタノールが分離された電解液Ａは、液流路８２を通じて熱交換器５へと送られて加熱され、液流路８２を通じて電気化学反応装置２へと戻されて循環される。

発電装置２００を用いた発電方法では、発電装置１００を用いる方法と同様に、燃焼式発電装置１で発生する二酸化炭素を電気化学反応装置２に供給して電気化学的に還元する。そして、電気化学反応装置２で二酸化炭素が還元されて生成したエタノールをエタノール精製装置６で精製してエタノールを得る。このように、発電装置２００を用いた発電ではエタノールを製造することもできる。

本発明の一態様に係る発電装置は、燃焼式発電装置１が火力発電装置であってもよい。また、本発明の一態様に係る発電装置は、増炭反応装置、熱交換器及びエタノール精製装置を備えていない発電装置であってもよい。この発電装置を用いた発電では、エチレンを製造することもできる。
その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１００，２００…発電装置、１…燃焼式発電装置、２…電気化学反応装置、３…電源貯蔵装置、４…増炭反応装置、５…熱交換器、６…エタノール精製装置、１１…燃焼器、１２…気化器、１３…蒸気タービン、１４…復水器、２１…カソード、２２…アノード、２３ａ…液流路、３１…変換部、３２…貯蔵部、４１…反応器、４２…気液分離器、６１…蒸留塔、６２…気液分離器、Ａ…電解液。

Claims

燃料を燃焼させた熱を利用して発電する燃焼式発電装置と、二酸化炭素を電気化学的に還元する電気化学反応装置と、前記電気化学反応装置に電力を供給する電源貯蔵装置と、を備え、
前記燃焼式発電装置は、燃料を燃焼させる燃焼器を備え、
前記燃焼器の燃焼で発生した二酸化炭素が前記電気化学反応装置に供給され、
前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で副生した酸素が前記燃焼器に供給され、
前記電源貯蔵装置は、再生可能エネルギーを電気エネルギーに変換する変換部と、前記変換部で変換した電気エネルギーを貯蔵する貯蔵部と、を備える、発電装置。
前記燃焼器は、バイオマス燃料を燃焼させるバイオマス燃焼器である、請求項１に記載の発電装置。
前記燃焼式発電装置は、前記燃焼器と、前記燃焼器で発生した熱により水を気化する気化器と、前記気化器で発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された蒸気を水に戻す復水器と、を備える、請求項１又は２に記載の発電装置。
前記復水器で生成した復水の一部が前記電気化学反応装置に用いられる電解液に加えられる、請求項３に記載の発電装置。
前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で生成したエチレンを多量化して増炭する増炭反応装置をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の発電装置。
前記電気化学反応装置の二酸化炭素還元で生成したエタノールを精製するエタノール精製装置をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の発電装置。