JP5605437B2 - 燃料製造システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料製造システムに関する。より詳細には、電気分解により生成したＨ_２、ＣＯから燃料を合成する燃料製造システムに関する。

従来、例えば特許文献１には、太陽光または風力をエネルギーとして発電されるクリーン発電電力、燃料電池で発電される燃料電池電力、および電力会社から供給される商用電力という三種類の電力を電力負荷系統に供給する際に、これら電力の優先度を設定した電力供給装置が開示されている。この電力供給装置での電力供給は、具体的に、クリーン発電電力を優先し、クリーン発電電力で供給電力が不足する場合には、燃料電池電力や商用電力で補うように設定されている。従って、クリーン発電電力を主体としたエネルギーの利用を図ることができるので、環境に及ぼす影響を低減したシステムを構成することが可能となる。

また、例えば特許文献２には、ＣＯとＨ_２とをフィッシャー・トロプシュ反応（ＦＴ反応）させて、炭化水素系燃料（ＨＣ）を製造するシステムが開示されている。また、例えば特許文献３には、固体酸化物電解質から構成される酸素イオン伝導膜と、その両面にそれぞれ配置されたカソードおよびアノードと、を有する電解質セルを備え、この電解質セルを用いてＣＯとＨ_２とを同時に生成し、生成させた原料ガスを上記電解質セルから回収し、ＦＴ反応させてＨＣを製造するシステムが開示されている。

日本特開２００４−１２０９０３号公報 日本特表２００８−５３３２８７号公報 日本特表２００９−５０６２１３号公報 日本特開平９−８５０４４号公報

上記特許文献１と上記特許文献３とを組み合わせれば、クリーン発電電力を優先的に使用してＦＴ反応に必要なＣＯ、Ｈ_２を同時に生成させて、ＨＣを製造できる。ところで、電力供給インフラが不十分な地域（例えば砂漠地域）においては、商用電力を十分に得られない場合がある。上記特許文献１では、商用電力の他に燃料電池電力を使用しているが、この燃料電池電力は、深夜電力、即ち、余剰商用電力を用いて水を電気分解し、得られたＨ_２を使用して発電して発生させている。つまり、燃料電池電力は商用電力を前提としたものである。従って、商用電力を十分に得られない場合においては、上記のＣＯ、Ｈ_２は、クリーン発電電力のみを使用して生成しなければならないことになる。

しかしながら、一般に、太陽光エネルギーといった自然エネルギーは変動するものであるため、発電電力は変動する。故に、自然エネルギー由来の電力のみを使用して、上記特許文献３のような電解質セルでＣＯ、Ｈ_２を同時に生成しようとすると、これらの生成が不安定となる。ＣＯ、Ｈ_２の生成が不安定になれば、これらを使用したＦＴ反応の効率が低下するといった不具合が生じる可能性があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものである。即ち、変動のあるエネルギーを使用して、ＨＣを効率良く製造可能な燃料製造システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料製造システムであって、
変動電力を発生する発電装置と、
前記発電装置に接続され、電力を第１および第２の電気負荷に分配する電力分配装置と、
前記電力分配装置による電力分配を制御する制御装置と、を備える燃料製造システムであって、
前記第１の電気負荷は、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて、水と二酸化炭素とを電気分解して水素と一酸化炭素とからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置であり、
前記第２の電気負荷は、変動電力を供給した際におけるエネルギー効率の変化の度合いが前記混合ガス生成装置よりも小さい電気負荷であり、
前記制御装置は、設定時間内に前記発電装置で発生した最小電力よりも小さい所定電力を前記混合ガス生成装置に供給し、前記所定電力を超える電力を前記第２の電気負荷に供給するように構成されていることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記混合ガス生成装置に接続され、前記混合ガスを貯蔵する混合ガス貯蔵装置と、
前記混合ガス貯蔵装置内の水素と一酸化炭素との物質量比が予め定めた設定比となるように前記所定電力をフィードバック制御するフィードバック制御装置と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記第２の電気負荷は、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて水素を生成する水素生成装置であり、
前記水素生成装置で生成した水素を用いて電力を発生させる水素発電装置を更に備えることを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記制御装置により前記電力分配装置を制御して、前記所定電力を前記混合ガス生成装置に供給している際に、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合、前記水素発電装置は、発生させた電力を前記電力分配装置に供給することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記第２の電気負荷は、前記電力分配装置で分配された電力を充放電可能な充放電装置を備え、前記充放電装置からの電力により水と二酸化炭素とを電気分解して水素と一酸化炭素とからなる混合ガスを生成する第２の混合ガス生成装置であることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記第２の電気負荷は、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて、大気中の二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を前記混合ガス生成装置に供給する二酸化炭素供給装置であることを特徴とする。

また、第７の発明は、第６の発明において、
前記二酸化炭素供給装置は、二酸化炭素吸収特性を有する電解液を内部に備える二酸化炭素回収装置を備えることを特徴とする。

また、第８の発明は、第７の発明において、
前記二酸化炭素供給装置は、
前記二酸化炭素回収装置に大気を導入する大気導入装置と、
前記二酸化炭素回収装置内の電解液を前記混合ガス生成装置に送液する送液装置と、
を備えることを特徴とする。

また、第９の発明は、第７の発明において、
前記二酸化炭素回収装置の下流かつ上方に配置され、前記混合ガス生成装置から排出された電解液を一時的に貯留する電解液貯留装置と、
前記電解液貯留装置から落下させた電解液により回転するタービンを備え、前記タービンの回転により電力を発生させると共に、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合に、発生させた電力を前記電力分配装置に供給する水力発電装置と、
前記電解液貯留装置から落下させた電解液を前記混合ガス生成装置に送液する送液装置と、
を備えることを特徴とする。

また、第１０の発明は、第７の発明において、
前記二酸化炭素供給装置は、
前記二酸化炭素回収装置の上流に設けられ、二酸化炭素吸収特性を有し、吸収した二酸化炭素を熱により放出すると共に、水により二酸化炭素吸収特性を再生する吸収剤を内部に備える二酸化炭素吸収再生装置を備えることを特徴とする。

また、第１１の発明は、第７の発明において、
前記二酸化炭素供給装置は、
前記二酸化炭素回収装置の上流に設けられた回転電機であって、タービンを備え、前記タービンの回転により二酸化炭素を圧縮して前記二酸化炭素回収装置に導入する加圧ポンプとして機能し、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合に、前記二酸化炭素回収装置内の圧縮二酸化炭素で前記タービンを逆回転させて電力を発生させ、発生させた電力を前記電力分配装置に供給する発電機として機能する回転電機を備えることを特徴とする。

また、第１２の発明は、第１乃至第１１の何れか１つの発明において、
前記発電装置が、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、風力発電装置、潮力発電装置および地熱発電装置の少なくとも１つを備えることを特徴とする。

第１乃至第１２の発明によれば、設定時間内に発電装置で発生した最小電力よりも小さい所定電力を混合ガス生成装置に供給できる。この所定電力は、設定時間内に発電装置で発生した電力のうち、変動の影響を受けない定常電力に相当する。そのため、このような定常電力を混合ガス生成装置に供給できれば、ＣＯ、Ｈ_２を安定して生成できる。ＣＯ、Ｈ_２を安定して生成できれば、ＦＴ反応を効率良く進行させてＨＣを製造できることに繋がる。従って、変動のあるエネルギーを使用して、ＨＣを効率良く製造できる。

実施の形態１のシステム構成を示すブロック図である。 第１の装置１２における（Ａ）ＲＥに対するＷＥの電圧とＣＯ、Ｈ_２の生成比率との関係、（Ｂ）ＲＥに対するＷＥの電圧とエネルギー効率との関係を夫々示した図である。 第２の装置１４における（Ａ）ＲＥに対するＷＥの電圧とＨ_２の生成比率との関係、（Ｂ）ＲＥに対するＷＥの電圧とエネルギー効率との関係を夫々示した図である。 実施の形態１における電力分配制御の例を示した図である。 実施の形態２における混合比フィードバック制御の例を示した図である。 実施の形態３のシステム構成を示すブロック図である。 実施の形態４における電力供給制御および混合比フィードバック制御の例を示した図である。 実施の形態５における電力分配制御の例を示した図である。 実施の形態６のシステム構成を示すブロック図である。 実施の形態７のシステム構成を示すブロック図である。 実施の形態８のシステム構成を示すブロック図である。 実施の形態９のシステム構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
先ず、図１乃至図４を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を示すブロック図である。図１に示すシステムは、自然エネルギー（太陽光発電、太陽熱発電、風力発電、潮力発電、地熱発電など）により発電する発電装置１０を備えている。また、図１に示すシステムは、第１の装置１２と、第２の装置１４とを備えている。

第１の装置１２は、ＣＯ_２、水の電気分解によりＣＯ、Ｈ_２を同時に生成するＣＯ、Ｈ_２生成装置である。第１の装置１２は、具体的に、ＣＯ_２を溶け込ませた電解液で内部が満たされた電解槽と、この電解槽に設けられた作用極（ＷＥ）、対電極（ＣＥ）および参照電極（ＲＥ）と、ＲＥに対するＷＥの電圧を変更可能に構成されたポテンショスタットとを備えるものとする。第２の装置１４は、水の電気分解によりＨ_２を生成するＨ_２生成装置である。第２の装置１４の構成は、電解液が水および支持電解質である以外は第１の装置１２と共通するものである。

また、図１に示すシステムは、発電装置１０からの電力を、第１の装置１２および第２の装置１４へ分配する電力制御分配装置１６を備えている。電力制御分配装置１６は、図示しないコントローラを内部に備え、このコントローラによって後述する電力分配制御や混合比フィードバック制御を実行するものとする。また、図１に示すシステムは、第１の装置１２で生成したＣＯ、Ｈ_２を貯蔵するためのＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８や、第２の装置１４で生成したＨ_２を貯蔵するためのＨ_２貯蔵装置２０を備えている。ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８とＨ_２貯蔵装置２０とは、例えばチェック弁、リード弁等により構成された常閉の弁（図示せず）を介して接続され、Ｈ_２貯蔵装置２０内の圧力が所定の作動圧を超えたときに、Ｈ_２貯蔵装置２０内のＨ_２がＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内に導入されるものとする。

［第１の装置１２における電気分解］
次に、第１の装置１２における電気分解反応について説明する。第１の装置１２のポテンショスタットを制御してＷＥとＣＥとの間に電流を流すと、ＷＥ、ＣＥにおいて、下記式（１）〜（３）の電気化学反応が起こる。
ＷＥ：ＣＯ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ ・・・（１）
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２ ・・・（２）
ＣＥ：２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（３）

上記式（１）、（２）に示したように、第１の装置１２のＷＥ上では、ＣＯ、Ｈ_２が同時に生成する。そのため、生成したＣＯ、Ｈ_２をＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内に回収してＦＴ反応させれば、化石燃料の代替燃料としてのＨＣを製造できる。

ところで、ＷＥ上でのＣＯ、Ｈ_２の生成比率は、ＷＥとＣＥとの間に流す電流値、即ちＲＥに対するＷＥの電圧の設定値に依存する。また、エネルギー効率（投入エネルギーに対する生成物の発熱量をいう。以下同じ。）は、ＲＥに対するＷＥの電圧の設定値に依存する。このことについて、図２を用いて説明する。図２は、（Ａ）ＲＥに対するＷＥの電圧とＣＯ、Ｈ_２の生成比率との関係、（Ｂ）ＲＥに対するＷＥの電圧とエネルギー効率との関係を夫々示した図である。

一般に、Ｈ_２の発生電位は絶対値で０．１１Ｖであり、ＣＯの発生電位よりも低い。そのため、図２（Ａ）の電圧が低い領域ではＨ_２の生成量が相対的に多くなるので、ＣＯ／Ｈ_２の生成比率が低くなる。一方、電圧を高くすれば、電圧が低い領域に比べてＣＯの生成量を増やすことができるのでＣＯ／Ｈ_２の生成比率が高くなる。つまり、図２（Ａ）に示すように、ＲＥに対するＷＥの電圧の設定値を低く設定すればＣＯ／Ｈ_２の生成比率が低くなり、高く設定すればＣＯ／Ｈ_２の生成比率が高くなる。

一方、エネルギー効率は、ＣＯ／Ｈ_２の生成比率が示した様な特性とは異なる特性を示す。ＲＥに対するＷＥの電圧が低いとは、投入エネルギーが小さいことを意味するので、図２（Ｂ）の電圧が低い領域では、電圧が低くなるほどエネルギー効率が高くなる。一方、図２（Ａ）で述べたように、電圧の高い領域ではＣＯ／Ｈ_２の生成比率が高くなるが、一般に、ＣＯの発熱量（２８３ｋＪ／ｍｏｌ）は、Ｈ_２の発熱量（２４２ｋＪ／ｍｏｌ）よりも大きいので、ＣＯ／Ｈ_２の生成比率が高くなれば、生成物の発熱量が増加することになるのでエネルギー効率が高くなる。つまり、図２（Ｂ）に示すように、エネルギー効率は下に凸の特性を示す。

［第２の装置１４における電気分解］
第１の装置１２の比較として、第２の装置１４における電気分解反応について説明する。第２の装置１４のポテンショスタットを制御してＷＥとＣＥとの間に電流を流すと、ＷＥ、ＣＥにおいて、下記式（４）、（５）の電気化学反応が起こる。
ＷＥ：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２ ・・・（４）
ＣＥ：２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（５）
つまり、上記式（４）の反応は、上記式（２）と同一であり、上記式（５）の反応は、上記式（３）と同一である。

図３は、（Ａ）ＲＥに対するＷＥの電圧とＣＯ、Ｈ_２の生成比率との関係、（Ｂ）ＲＥに対するＷＥの電圧とエネルギー効率との関係を夫々示した図である。上記式（４）に示したように、第２の装置１４のＷＥ上ではＨ_２のみが生成するので、図３（Ａ）に示すように、Ｈ_２の生成比率はＲＥに対するＷＥの電圧に関わらず一定（＝１．０）である。また、ＲＥに対するＷＥの電圧を高くすればそれだけＨ_２が多く生成する。従って、図３（Ｂ）に示すように、電気分解のエネルギー効率は、それ程変化しない。

［実施の形態１における電力分配制御］
図２、３から分かるように、第１の装置１２は、ＲＥに対するＷＥの電圧によってＣＯ／Ｈ_２の生成比率やエネルギー効率が変化し、その変化の度合いは第２の装置１４に比べて大きい。そのため、本実施の形態のように、自然エネルギー由来の電力を使用する場合、第１の装置１２は、その変動の影響を強く受けることになる。そこで、本実施の形態においては、発電した電力のうちの定常分を第１の装置１２に供給し、残りの変動分を第２の装置１４に供給する電力分配制御を実行している。

図４は、本実施の形態における電力分配制御の例を示した図である。図４の曲線は、自然エネルギー電力の変動を示したものである。本実施の形態においては、この曲線より下の直線で示す定常電力を第１の装置１２に供給し、その上の変動電力を第２の装置１４に供給する電力分配制御を実行する。このような電力分配制御を実行することで、電力変動が小さい方がエネルギー効率のよい第１の装置１２に略一定の電力を優先的に供給でき、エネルギー効率に対する影響が相対的に小さい第２の装置１４に変動電力を供給できる。

以上説明した電力分配制御によれば、各装置の特性に合わせた給電が可能となる。従って、変動する電力を有効に利用しつつ、エネルギー効率の低下を効果的に抑制できる。よって、本実施の形態のシステムによれば、ＨＣ製造に関するエネルギー効率を向上させたＨＣの製造が可能となる。

なお、上述した実施の形態１においては、電力制御分配装置１６が上記第１の発明における「電力分配装置」に、第１の装置１２（ＣＯ、Ｈ_２生成装置）が上記第１の発明における「混合ガス生成装置」に、電力制御分配装置１６内のコントローラが上記第１の発明における「制御装置」に、夫々相当している。

実施の形態２．
次に、図５を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態１のシステムにおいて、上記電力分配制御の実行時に、後述する混合比フィードバック制御を実行することをその特徴とする。そのため、システムの各構成要素や電力分配制御については上記実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。

［実施の形態２における混合比フィードバック制御］
上記実施の形態１においては、電力分配制御を実行することによってエネルギー効率の低下を抑制した。しかしながら、この電力分配制御は、ＨＣ製造プロセス全体のうちの電気分解プロセスにおけるエネルギー効率を考慮したものであり、ＨＣ製造に関する全体プロセスのエネルギー効率をも考慮したものではない。ここで、ＦＴ反応の反応物質であるＣＯ、Ｈ_２の混合比率がＣＯ／Ｈ_２＝１／２となっていると、ＦＴ反応時のエネルギー効率がよいことが分かっている。

そこで、本実施の形態においては、このＦＴ反応時におけるエネルギー効率を考慮し、第１の装置１２のＷＥ上で同時に生成するＣＯ、Ｈ_２の生成比率をＣＯ／Ｈ_２＝１／２に設定している。図２（Ａ）の説明の際に述べたように、ＷＥ上でのＣＯ、Ｈ_２の生成比率は、第１の装置１２のＣＥに対するＷＥの電圧の設定値に依存する。そのため、ＣＯ、Ｈ_２の生成比率がＣＯ／Ｈ_２＝１／２となる電圧値は、予め設定できることになる。

しかしながら、上記電力分配制御では、発電装置１０で発電した電力から、第１の装置１２に供給した電力を差し引いた残りの電力を第２の装置１４に供給している。そのため、第２の装置１４ではＨ_２が生成し、生成したＨ_２は、Ｈ_２貯蔵装置２０を介してＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内に導入される。つまり、第１の装置１２においてＣＯ、Ｈ_２の生成比率をＣＯ／Ｈ_２＝１／２に設定していたとしても、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率は、第２の装置１４で生成したＨ_２によって変化することになる。

そこで、本実施の形態においては、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率を検出し、その結果を分配する電力にフィードバックする混合比フィードバック制御を実行することとしている。図５は、本実施の形態における混合比フィードバック制御の例を示した図である。図５（Ａ）の破線は第１の装置１２に供給する電力を示す。また、図５（Ｂ）に示す累積ＣＯ／Ｈ_２は、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率を示す。

図５（Ｂ）に示すように、累積ＣＯ／Ｈ_２が１／２よりも小さければ、図５（Ａ）に示すように、第１の装置１２に供給する電力を増やすように変更する。図２（Ａ）の説明の際に述べたように、第１の装置１２のＣＥに対するＷＥの電圧を高くすればＣＯの生成量を増やすことができる。即ち、第１の装置１２に供給する電力を増やすように変更すれば、ＣＯ／Ｈ_２の生成比率を高くできる。

以上説明した電力分配制御によれば、累積ＣＯ／Ｈ_２を見て第１の装置１２に供給する電力を変更できるので、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率をＣＯ／Ｈ_２＝１／２に近づけることができる。従って、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２をそのままＦＴ反応に投入できるので、ＨＣ製造プロセス全体のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

なお、上述した実施の形態２においては、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８が上記第２の発明における「混合ガス貯蔵装置」に、電力制御分配装置１６内のコントローラが上記第２の発明における「フィードバック制御装置」に、夫々相当している。

実施の形態３．
次に、図６を参照しながら、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態１のシステムに、Ｈ_２をエネルギー源として発電するＨ_２発電装置を加えたシステムにおいて、上記電力分配制御の実行時に、後述する電力供給制御を実行することをその特徴とする。そのため、Ｈ_２発電装置を除くシステムの各構成要素や、電力分配制御については上記実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。

［実施の形態３における電力供給制御］
上記実施の形態１においては、電力分配制御を実行することによってエネルギー効率の低下を抑制した。しかしながら、上記実施の形態１のシステムは、自然エネルギー由来の電力を使用するシステムであるため、電力分配制御の実行中にも関わらず第１の装置１２に供給する電力が著しく低下する可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、図６に示すように、Ｈ_２貯蔵装置２０の下流側に、Ｈ_２を使用して発電するＨ_２発電装置２２を設け、発電装置１０の発電量が低下した際に、Ｈ_２発電装置２２で発電した電力を電力制御分配装置１６に供給する電力供給制御を実行することとした。なお、この電力供給制御は、図示しないコントローラからの制御信号に基づいて実行されるものとする。また、Ｈ_２発電装置２２による発電としては、ガスタービン発電、蒸気タービン発電、燃料電池発電およびこれらの混合発電が挙げられる。

このような電力供給制御を実行することで、自然エネルギー発電の変動を補償できるので、第１の装置１２に安定した電力を供給できる。また、電力供給制御を実行すれば、Ｈ_２貯蔵装置２０内のＨ_２は、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８側へ流入せずにＨ_２発電装置２２で消費される。従って、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率のＣＯ増加方向への調整自由度が向上でき、第１の装置１２の運転を容易化できる。

なお、上述した実施の形態３においては、第２の装置１４（Ｈ_２生成装置）が上記第３の発明における「水素生成装置」に、Ｈ_２発電装置２２が上記第３の発明における「水素発電装置」に、夫々相当している。

実施の形態４．
次に、図７を参照しながら、本発明の実施の形態４について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態３のシステムにおいて、上記電力分配制御の実行時に、後述する電力供給制御と混合比フィードバック制御とを実行することをその特徴とする。そのため、システムの各構成要素や電力分配制御については上記実施の形態３と同様であるので、その説明は省略する。

［実施の形態４における電力供給制御および混合比フィードバック制御］
上記実施の形態３においては、発電装置１０の発電量が低下した際に、Ｈ_２発電装置２２で発電した電力を電力制御分配装置１６に供給する電力供給制御を実行することによって、自然エネルギー発電の変動を補償した。これに対し、本実施の形態では、Ｈ_２発電装置２２で発電した電力を恒常的に電力制御分配装置１６に供給する電力供給制御を実行する。なお、この電力供給制御は、図示しないコントローラからの制御信号に基づいて実行されるものとする。また、本実施の形態では、上記実施の形態２同様に、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率を検出し、その結果を分配する電力にフィードバックする混合比フィードバック制御を実行することとしている。

図７は、本実施の形態における電力供給制御および混合比フィードバック制御の例を示した図である。図７（Ａ）の破線は第１の装置１２に供給する電力を示す。また、図７（Ｂ）に示す累積ＣＯ／Ｈ_２は、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率を示す。

図７（Ａ）のＳ点以降に電力供給制御を実行した場合、自然エネルギー電力の変動をある程度補償できる。そのため、混合比フィードバック制御時に変更可能な電力の上限値を上昇させることができる。従って、図７（Ｂ）に示すように、累積ＣＯ／Ｈ_２が１／２よりも小さければ、図７（Ａ）に示すように、第１の装置１２に供給する電力を増やすように変更する。これにより、ＣＯ／Ｈ_２の生成比率を高くして１／２に近づけることができる。

以上説明した電力供給制御および混合比フィードバック制御によれば、自然エネルギー電力の変動を補償しつつ、累積ＣＯ／Ｈ_２を見て第１の装置１２に供給する電力を変更できる。従って、変更可能な電力の上限値を上昇できるので、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率をＣＯ／Ｈ_２＝１／２に精度高く近づけることができる。従って、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２をそのままＦＴ反応に投入できるので、ＨＣ製造プロセス全体のエネルギー効率を一層向上させることが可能となる。

実施の形態５．
次に、図８を参照しながら、本発明の実施の形態５について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態１のＨ_２生成装置を、後述するＣＯ、Ｈ_２生成装置に置き換え、後述する電力分配制御を実行することをその特徴とする。そのため、このＣＯ、Ｈ_２生成装置を除くシステムの各構成要素については上記実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。

［実施の形態５における電力分配制御］
本実施の形態の第２の装置１４は、第１の装置１２と同一のＣＯ、Ｈ_２生成装置であって、その電源供給部に蓄電装置を組み合わせたものである。そのため、電力の入出力による損失はあるものの、蓄電装置により第２の装置１４に供給される電力の変動をある程度平滑化できる。図８は、本実施の形態における電力分配制御の例を示した図である。図８の曲線は、自然エネルギー電力の変動を示したものである。本実施の形態においては、上記実施の形態１同様の電力分配制御を実行する。ただし、本実施の形態においては、蓄電装置によって、図８の一点鎖線のように平滑化された定常電力が第２の装置１４に供給される。従って、第１の装置１２のみならず、第２の装置１４においてもエネルギー効率良くＣＯ、Ｈ_２を生成できる。

なお、上述した実施の形態５においては、第２の装置１４（ＣＯ、Ｈ_２生成装置）が上記第５の発明における「第２の混合ガス生成装置」に、第２の装置１４の蓄電装置が上記第５の発明における「充放電装置」に、夫々相当している。

実施の形態６．
次に、図９を参照しながら、本発明の実施の形態６について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態１のＨ_２生成装置を後述する送風・送液装置に、Ｈ_２貯蔵装置２０を後述する大気ＣＯ_２回収装置に、夫々置き換え、後述する電力分配制御および電解液供給制御を実行することをその特徴とする。そのため、これらの装置を除くシステムの各構成要素については上記実施の形態１と同様であるので、その説明は省略する。

上記実施の形態１で説明したように、第１の装置１２は、ＣＯ_２を溶け込ませた電解液で内部が満たされた電解槽を備えている。そのため、ＷＥとＣＥとの間に電流を流せば、ＣＯ_２の電気分解によりＣＯを生成できる。しかしながら、電解液中のＣＯ_２量はＣＯの生成と共に減少するので、ＣＯを安定的に生成するためには、外部から電解槽にＣＯ_２を補充する必要がある。そこで、本実施の形態においては、図９に示すように、第２の装置１４として、送風・送液装置を設けることとしている。

第２の装置１４は、大気ＣＯ_２回収装置２４との組み合わせにより、第１の装置１２に電解液を送液する機能を果たすものである。送液装置として機能する場合の第２の装置１４は、大気ＣＯ_２回収装置２４を経由させて、ＣＯ_２吸収液兼電解液を第１の装置１２に送液する送液ポンプである。この場合、大気ＣＯ_２回収装置２４はＣＯ_２吸収液兼電解液を一時的に貯留する貯留タンクとして機能する。一方、送風装置として機能する場合の第２の装置１４は、大気中のＣＯ_２を大気ＣＯ_２回収装置２４内に送り込む送風ポンプである。この場合、大気ＣＯ_２回収装置２４は、ＣＯ_２吸収液兼電解液を内部に備えており、ＣＯ_２が溶け込んだ状態のＣＯ_２吸収液兼電解液を第１の装置１２に送液する送液ポンプとして機能する。

［実施の形態６における電力分配制御および電解液供給制御］
ところで、変動電力を第２の装置１４（或いは大気ＣＯ_２回収装置２４）に供給すると、大気ＣＯ_２回収装置２４内の吸収液兼電解液に溶けこませるＣＯ_２量や、第１の装置１２に送液されるＣＯ_２吸収液兼電解液量が変動する。そのため、ＣＯ_２量やＣＯ_２吸収液兼電解液量の変動が第１の装置１２におけるＣＯ／Ｈ_２の生成比率やエネルギー効率に影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、ＣＯ_２量やＣＯ_２吸収液兼電解液量の変動による影響は、第１の装置１２に供給される電力の変動による影響に比べれば小さい。

そこで、本実施の形態においては、発電装置１０で発電した電力のうちの定常分を第１の装置１２に供給し、残りの変動分を第２の装置１４（或いは大気ＣＯ_２回収装置２４）に供給する電力分配制御を実行している。加えて、本実施の形態においては、大気ＣＯ_２回収装置２４内のＣＯ_２濃度がある濃度に達した時点で、一括して第１の装置１２に送液する電解液供給制御を実行することとする。なお、この電解液供給制御は、図示しないコントローラからの制御信号に基づいて実行されるものとする。このような電力分配制御と電解液供給制御とを実行すれば、変動電力がＣＯ／Ｈ_２の生成比率やエネルギー効率に与える影響を最小限に留めることが可能となる。

以上、本実施の形態のシステムによれば、第１の装置１２にＣＯ_２を補充できるので、第１の装置１２でＣＯを安定的に生成できる。また、本実施の形態の電力分配制御および電解液供給制御によれば、変動電力がＣＯ／Ｈ_２の生成比率やエネルギー効率に与える影響を最小限に留めながらＣＯ、Ｈ_２を生成できる。

なお、上述した実施の形態６においては、第２の装置１４（送風・送液装置）および大気ＣＯ_２回収装置２４が上記第６の発明における「二酸化炭素供給装置」に相当している。
また、上述した実施の形態６においては、第２の装置１４（送液装置）、または、第２の装置１４が送風装置として機能する場合の大気ＣＯ_２回収装置２４が上記第７の発明における「二酸化炭素回収装置」に相当している。
また、上述した実施の形態６においては、第２の装置１４（送風装置）が上記第８の発明における「大気導入装置」に、第２の装置１４が送風装置として機能する場合の大気ＣＯ_２回収装置２４が上記第８の発明における「送液装置」に相当している。

実施の形態７．
次に、図１０を参照しながら、本発明の実施の形態７について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態６の送風・送液装置を送液装置に置き換え、更に、この送液装置と大気ＣＯ_２回収装置２４との間に、吸収液蓄積タンクと水力タービン発電機とを加え、これらの装置と第１の装置１２との間にＣＯ_２吸収液兼電解液を循環させるシステムをその特徴とする。また、本実施の形態では、上記電力分配制御および上記電解液供給制御の実行時に、後述する電力供給制御を実行することをその特徴とする。そのため、送液装置、貯留タンクや水力発電装置を除くシステムの各構成要素や、電力分配制御および電解液供給制御については上記実施の形態６と同様であるので、その説明は省略する。

上記実施の形態６で述べたように、電解液中のＣＯ_２量はＣＯの生成と共に減少するので、ＣＯを安定的に生成するためには、外部から電解槽にＣＯ_２を補充する必要がある。そこで、本実施の形態においては、図１０に示すように、第２の装置１４として、送液装置を設けることとしている。第２の装置１４は、吸収液蓄積タンク２６、水力タービン発電機２８および大気ＣＯ_２回収装置２４との組み合わせにより、ＣＯ_２吸収液兼電解液を第１の装置１２に送液する機能を果たすものである。

具体的に、第２の装置１４は、第１の装置１２よりも高い位置に設けられた吸収液蓄積タンク２６にＣＯ_２吸収液兼電解液を揚液する揚液ポンプとして機能する。吸収液蓄積タンク２６は、ＣＯ_２吸収液兼電解液を一時的に貯留する貯留タンクとして機能する。水力タービン発電機２８は、吸収液蓄積タンク２６からＣＯ_２吸収液兼電解液を重力により流下させる際に、その位置エネルギーでタービンを回転させて発電する水力発電装置として機能する。大気ＣＯ_２回収装置２４は、ＣＯ_２吸収液兼電解液を第１の装置１２に送液する送液ポンプとして機能する。なお、第１の装置１２は第２の装置１４と接続されているので、ＣＯ_２吸収液兼電解液は、第１の装置１２から排出された後、第２の装置１４に再び流入する。

また、上記実施の形態６で述べたように、変動電力を第２の装置１４に供給すると、第１の装置１２に送液されるＣＯ_２吸収液兼電解液量が変動する。そのため、ＣＯ_２吸収液兼電解液量の変動が第１の装置１２におけるＣＯ／Ｈ_２の生成比率やエネルギー効率に影響を及ぼす可能性がある。そこで、本実施の形態においては、吸収液蓄積タンク２６に、十分な容積を持たせるものとする。これにより、変動電力の供給により生じるＣＯ_２吸収液兼電解液量の変動を吸収できるので、変動電力がＣＯ／Ｈ_２の生成比率やエネルギー効率に与える影響を良好に排除できる。

［実施の形態７における電力供給制御］
また、上記実施の形態３で述べたように、電力分配制御の実行中に第１の装置１２に供給する電力が著しく低下する可能性がある。そこで、本実施の形態においては、発電装置１０の発電量が低下した際に、水力タービン発電機２８で発電した電力を電力制御分配装置１６に供給する電力供給制御を実行する。なお、この電力供給制御は、図示しないコントローラからの制御信号に基づいて実行されるものとする。このような電力供給制御を実行すれば、自然エネルギー発電の変動を補償できるので、第１の装置１２に安定した電力を供給できる。従って、上記実施の形態３とほぼ同様の効果を得ることもできる。

以上、本実施の形態のシステムによれば、第１の装置１２にＣＯ_２を補充できるので、第１の装置１２においてＣＯを安定的に生成できる。また、本実施の形態のシステムでは、吸収液蓄積タンク２６に十分な容積を持たせたので、変動電力がＣＯ／Ｈ_２の生成比率やエネルギー効率に与える影響を良好に排除できる。また、本実施形態の電力供給制御によれば、自然エネルギー発電の変動を補償できるので、第１の装置１２に安定した電力を供給できる。従って、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率のＣＯ増加方向への調整自由度が向上でき、第１の装置１２の運転を容易化できる。

なお、上述した実施の形態７においては、第２の装置１４（送液装置）、吸収液蓄積タンク２６、水力タービン発電機２８および大気ＣＯ_２回収装置２４が上記第６の発明における「二酸化炭素供給装置」に相当している。
また、上述した実施の形態７においては、大気ＣＯ_２回収装置２４が上記第７の発明における「二酸化炭素回収装置」に相当している。
また、上述した実施の形態７においては、吸収液蓄積タンク２６が上記第９の発明における「電解液貯留装置」に、水力タービン発電機２８が上記第９の発明における「水力発電装置」に、大気ＣＯ_２回収装置２４が上記第９の発明における「送液装置」に、夫々相当している。

実施の形態８．
次に、図１１を参照しながら、本発明の実施の形態８について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態６の送風・送液装置および大気ＣＯ_２回収装置を、ＣＯ_２吸収剤再生装置およびＣＯ_２溶解装置に夫々置き換えたことをその特徴とする。そのため、ＣＯ_２吸収剤再生装置およびＣＯ _２ 溶解装置を除くシステムの各構成要素や電解液供給制御については上記実施の形態６と同様であるので、その説明は省略する。

上記実施の形態６で述べたように、電解液中のＣＯ_２量はＣＯの生成と共に減少するので、ＣＯを安定的に生成するためには、外部から電解槽にＣＯ_２を補充する必要がある。そこで、本実施の形態においては、図１１に示すように、第２の装置１４として、ＣＯ_２吸収剤再生装置を設けることとしている。第２の装置１４は、ＣＯ_２溶解装置３０との組み合わせにより、第１の装置１２に電解液を送液する機能を果たすものである。具体的に、第２の装置１４は、図示しないヒーターと、水添加装置と、ＣＯ_２吸収特性を有するＣＯ_２吸収剤（例えば、水酸化ナトリウムや水酸化カルシウム）とを備えている。ＣＯ_２吸収剤は、ヒーターで加熱するとＣＯ_２を脱離し、水添加装置から水を添加するとＣＯ_２吸収特性を再生する。そのため、第２の装置１４において、ＣＯ_２の脱離とＣＯ_２吸収特性の再生とを繰り返せば、ＣＯ_２を大気から分離してＣＯ_２溶解装置３０に供給できる。また、ＣＯ_２溶解装置３０は、ＣＯ_２吸収液兼電解液を内部に備えており、第２の装置１４から送られたＣＯ_２をこのＣＯ_２吸収液兼電解液に溶解させて、第１の装置１２に送液する送液ポンプとして機能する。

［実施の形態８における電力分配制御］
変動電力を第２の装置１４に供給すると、単位時間当たりの加熱量が変動する。しかしながら、ＣＯ_２吸収剤は熱容量を持っているので、単位時間当たりの加熱量が変動したとしても、経時的に再生温度に到達してＣＯ_２を発生できる。そこで、本実施の形態においては、発電装置１０で発電した電力のうちの定常分を第１の装置１２に供給し、残りの変動分を第２の装置１４に供給する電力分配制御を実行している。このような電力分配制御を実行すれば、変動する電力をＣＯ_２発生のために有効に利用できる。

以上、本実施の形態のシステムによれば、第１の装置１２にＣＯ_２を補充できるので、第１の装置１２においてＣＯを安定的に生成できる。また、本実施の形態の電力分配制御によれば、変動する電力をＣＯ_２発生のために有効に利用できる。

なお、上述した実施の形態８においては、第２の装置１４（ＣＯ_２吸収剤再生装置）およびＣＯ_２溶解装置３０が上記第６の発明における「二酸化炭素供給装置」に相当している。
また、上述した実施の形態８においては、ＣＯ_２溶解装置３０が上記第７の発明における「二酸化炭素回収装置」に相当している。
また、上述した実施の形態８においては、第２の装置１４（ＣＯ_２吸収剤再生装置）が上記第１０の発明における「二酸化炭素吸収再生装置」に相当している。

実施の形態９．
次に、図１２を参照しながら、本発明の実施の形態９について説明する。本実施の形態では、上記実施の形態６の送風・送液装置を後述するＣＯ_２加圧ポンプに、大気ＣＯ_２回収装置２４を後述する高圧ＣＯ_２蓄積タンクに、夫々置き換え、上記電力分配制御および上記電解液供給制御の実行時に、後述する電力供給制御を実行することをその特徴とする。そのため、ＣＯ_２加圧ポンプや高圧ＣＯ_２蓄積タンクを除くシステムの各構成要素や、電力分配制御および電解液供給制御については上記実施の形態６と同様であるので、その説明は省略する。

上記実施の形態６で述べたように、電解液中のＣＯ_２量はＣＯの生成と共に減少するので、ＣＯを安定的に生成するためには、外部から電解槽にＣＯ_２を補充する必要がある。そこで、本実施の形態においては、図１２に示すように、第２の装置１４として、ＣＯ_２加圧ポンプを設けることとしている。第２の装置１４は、低圧ＣＯ_２蓄積タンク３２、大気ＣＯ_２回収装置３４および高圧ＣＯ_２蓄積タンク３６との組み合わせにより、ＣＯ_２吸収液兼電解液を第１の装置１２に送液する機能を果たすものである。高圧ＣＯ_２蓄積タンク３６内にはＣＯ_２吸収液兼電解液が備えられている。このＣＯ_２吸収液兼電解液は、第２の装置１４の加圧によってＣＯ_２を吸収し、図示しない送液ポンプによって第１の装置１２に送液されるものとする。また、第２の装置１４で加圧されるＣＯ_２は、大気ＣＯ_２回収装置３４によって回収され、低圧ＣＯ_２蓄積タンク３２内に一時的に貯留されたものが使用される。

[実施の形態９における電力供給制御]
変動電力を第２の装置１４に供給すると、ＣＯ_２加圧ポンプの駆動が変動する。そこで、本実施の形態においては、電力が増加する場合にはＣＯ_２加圧ポンプを送風ポンプとして機能させて、高圧ＣＯ_２蓄積タンク３６にＣＯ_２を吸収させる。本実施の形態においては、更に、電力が低下する場合には高圧ＣＯ_２蓄積タンク３６からの圧力の一部によってＣＯ_２加圧ポンプを逆方向に駆動して発電機として機能させ、電力を電力制御分配装置１６に供給する電力供給制御を実行する。なお、この電力供給制御は、図示しないコントローラからの制御信号に基づいて実行されるものとする。このような電力供給制御を実行すれば、自然エネルギー発電の変動を補償できるので、第１の装置１２に安定した電力を供給できる。従って、上記実施の形態３とほぼ同様の効果を得ることもできる。

以上、本実施の形態のシステムによれば、第１の装置１２にＣＯ_２を補充できるので、第１の装置１２においてＣＯを安定的に生成できる。また、本実施の形態の電力供給制御によれば、自然エネルギー発電の変動を補償できるので、第１の装置１２に安定した電力を供給できる。従って、ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置１８内のＣＯ、Ｈ_２の混合比率のＣＯ増加方向への調整自由度が向上でき、第１の装置１２の運転を容易化できる。

なお、上述した実施の形態９においては、第２の装置１４（ＣＯ_２加圧ポンプ）、低圧ＣＯ_２蓄積タンク３２、大気ＣＯ_２回収装置３４および高圧ＣＯ_２蓄積タンク３６が上記第６の発明における「二酸化炭素供給装置」に相当している。
また、上述した実施の形態９においては、高圧ＣＯ_２蓄積タンク３６が上記第７の発明における「二酸化炭素回収装置」に相当している。
また、上述した実施の形態９においては、第２の装置１４（ＣＯ_２加圧ポンプ）が上記第１１の発明における「回転電機」に、高圧ＣＯ_２蓄積タンク３６が上記第１１の発明における「二酸化炭素回収装置」に、夫々相当している。

１０ 発電装置
１２ 第１の装置
１４ 第２の装置
１６ 電力制御分配装置
１８ ＣＯ、Ｈ_２貯蔵装置
２０ Ｈ_２貯蔵装置
２２ Ｈ_２発電装置
２４、３４ 大気ＣＯ_２回収装置
２６ 吸収液蓄積タンク
２８ 水力タービン発電機
３０ ＣＯ_２溶解装置
３２ 低圧ＣＯ_２蓄積タンク
３６ 高圧ＣＯ_２蓄積タンク

Claims (12)

1. 変動電力を発生する発電装置と、
   前記発電装置に接続され、電力を第１および第２の電気負荷に分配する電力分配装置と、
   前記電力分配装置による電力分配を制御する制御装置と、を備える燃料製造システムであって、
   前記第１の電気負荷は、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて、水と二酸化炭素とを電気分解して水素と一酸化炭素とからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置であり、
   前記第２の電気負荷は、変動電力を供給した際におけるエネルギー効率の変化の度合いが前記混合ガス生成装置よりも小さい電気負荷であり、
   前記制御装置は、設定時間内に前記発電装置で発生した最小電力よりも小さい所定電力を前記混合ガス生成装置に供給し、前記所定電力を超える電力を前記第２の電気負荷に供給するように構成されていることを特徴とする燃料製造システム。
2. 前記混合ガス生成装置に接続され、前記混合ガスを貯蔵する混合ガス貯蔵装置と、
   前記混合ガス貯蔵装置内の水素と一酸化炭素との物質量比が予め定めた設定比となるように前記所定電力をフィードバック制御するフィードバック制御装置と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料製造システム。
3. 前記第２の電気負荷は、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて水素を生成する水素生成装置であり、
   前記水素生成装置で生成した水素を用いて電力を発生させる水素発電装置を更に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料製造システム。
4. 前記制御装置により前記電力分配装置を制御して、前記所定電力を前記混合ガス生成装置に供給している際に、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合、前記水素発電装置は、発生させた電力を前記電力分配装置に供給することを特徴とする請求項３に記載の燃料製造システム。
5. 前記第２の電気負荷は、前記電力分配装置で分配された電力を充放電可能な充放電装置を備え、前記充放電装置からの電力により水と二酸化炭素とを電気分解して水素と一酸化炭素とからなる混合ガスを生成する第２の混合ガス生成装置であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料製造システム。
6. 前記第２の電気負荷は、前記電力分配装置で分配された電力の供給を受けて、大気中の二酸化炭素を回収し、回収した二酸化炭素を前記混合ガス生成装置に供給する二酸化炭素供給装置であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料製造システム。
7. 前記二酸化炭素供給装置は、二酸化炭素吸収特性を有する電解液を内部に備える二酸化炭素回収装置を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料製造システム。
8. 前記二酸化炭素供給装置は、
   前記二酸化炭素回収装置に大気を導入する大気導入装置と、
   前記二酸化炭素回収装置内の電解液を前記混合ガス生成装置に送液する送液装置と、
   を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料製造システム。
9. 前記二酸化炭素回収装置の下流かつ上方に配置され、前記混合ガス生成装置から排出された電解液を一時的に貯留する電解液貯留装置と、
   前記電解液貯留装置から落下させた電解液により回転するタービンを備え、前記タービンの回転により電力を発生させると共に、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合に、発生させた電力を前記電力分配装置に供給する水力発電装置と、
   前記電解液貯留装置から落下させた電解液を前記混合ガス生成装置に送液する送液装置と、
   を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料製造システム。
10. 前記二酸化炭素供給装置は、
    前記二酸化炭素回収装置の上流に設けられ、二酸化炭素吸収特性を有し、吸収した二酸化炭素を熱により放出すると共に、水により二酸化炭素吸収特性を再生する吸収剤を内部に備える二酸化炭素吸収再生装置を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料製造システム。
11. 前記二酸化炭素供給装置は、
    前記二酸化炭素回収装置の上流に設けられた回転電機であって、タービンを備え、前記タービンの回転により二酸化炭素を圧縮して前記二酸化炭素回収装置に導入する加圧ポンプとして機能し、前記発電装置で発生した電力が前記所定電力を下回る場合に、前記二酸化炭素回収装置内の圧縮二酸化炭素で前記タービンを逆回転させて電力を発生させ、発生させた電力を前記電力分配装置に供給する発電機として機能する回転電機を備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料製造システム。
12. 前記発電装置が、太陽光発電装置、太陽熱発電装置、風力発電装置、潮力発電装置および地熱発電装置の少なくとも１つを備えることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の燃料製造システム。

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