JP2018131647A - Electrolysis system, control device, and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気分解システム、制御装置、及びプログラムに関する。 The present invention relates to an electrolysis system, a control device, and a program.
従来、水を水素に変換する電気分解に関する技術が盛んに研究開発されている。例えば、非特許文献１には、水素製造及び電力貯蔵を目的として、固体酸化物形セルスタックを用いて、電気分解と発電とを切り替えるシステムが記載されている。 Conventionally, techniques relating to electrolysis for converting water into hydrogen have been actively researched and developed. For example, Non-Patent Document 1 describes a system that switches between electrolysis and power generation using a solid oxide cell stack for the purpose of hydrogen production and power storage.
一方、一酸化炭素は、化成品の原料として広く用いられており、例えば、プラスチック等の重要な原料であるホスゲンの原料となっている。また、一酸化炭素は、メタノールやギ酸、エチレングリコールの製造にも原料として利用されている。 On the other hand, carbon monoxide is widely used as a raw material for chemical products, and is a raw material for phosgene, which is an important raw material for plastics, for example. Carbon monoxide is also used as a raw material in the production of methanol, formic acid, and ethylene glycol.
一般的に、一酸化炭素は、炭化水素燃料を改質して製造されるが、近年、一酸化炭素の製造方法として、再生可能エネルギー等により生成された電力を電気分解装置に供給し、二酸化炭素を直接一酸化炭素に変換する技術が注目されている。 In general, carbon monoxide is produced by reforming a hydrocarbon fuel. Recently, as a method for producing carbon monoxide, electric power generated by renewable energy or the like is supplied to an electrolysis apparatus to produce carbon dioxide. A technology that directly converts carbon to carbon monoxide has attracted attention.
例えば、特許文献１には、ペロブスカイト酸化物からなる電解質層を含む固体酸化物形セルスタックを用いて、二酸化炭素（ＣＯ２）を電気分解し、一酸化炭素を生成する技術が記載されている。二酸化炭素は水と比較し、電気分解に必要なエネルギーが大きいため、高温の固体酸化物形セルスタックを用いて電気分解される。 For example, Patent Document 1 describes a technique for generating carbon monoxide by electrolyzing carbon dioxide (CO 2 ) using a solid oxide cell stack including an electrolyte layer made of a perovskite oxide. . Since carbon dioxide requires more energy for electrolysis than water, it is electrolyzed using a high temperature solid oxide cell stack.
また、特許文献２には、製鉄プロセスにおける二酸化炭素の排出量の削減を目的として、製鉄プロセスにて排出された二酸化炭素を、再生可能エネルギー等による電力を用いて、一酸化炭素又は炭素に変換する技術が記載されている。特許文献２に記載の技術によれば、二酸化炭素から変換された一酸化炭素又は炭素が製鉄プロセスへの還元材料として利用される。 Patent Document 2 discloses that carbon dioxide discharged in the iron making process is converted into carbon monoxide or carbon using electric power from renewable energy or the like for the purpose of reducing the amount of carbon dioxide emitted in the iron making process. The technology to do is described. According to the technique described in Patent Document 2, carbon monoxide or carbon converted from carbon dioxide is used as a reducing material for the iron making process.
また、特許文献３には、太陽放射熱エネルギーを利用して、二酸化炭素及び水を、固体酸化物形セルスタックを用いて、水素及び一酸化炭素を含む合成ガスに変換する技術が記載されている。 Patent Document 3 describes a technique for converting carbon dioxide and water into synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide using a solid oxide cell stack using solar radiation thermal energy. Yes.
ところで、太陽光や風力等の再生可能エネルギーにより生成された電力を電気分解装置に供給し、二酸化炭素から一酸化酸素を生成することは、環境保護の観点からも望ましい。しかし一方で、再生可能エネルギーは、自然環境に左右されるため、電気分解装置に供給される電力が変動する場合がある。この供給電力が変動すると、電力不足等が発生し、電気分解装置の運転を安定的に行うことが困難となる。 By the way, it is desirable from the viewpoint of environmental protection to supply electric power generated by renewable energy such as sunlight and wind power to the electrolyzer and generate oxygen monoxide from carbon dioxide. However, on the other hand, since renewable energy depends on the natural environment, the power supplied to the electrolyzer may fluctuate. When the supplied power fluctuates, power shortage occurs and it becomes difficult to stably operate the electrolyzer.
また、安定した運転のために、供給電力が低下した場合に電気分解装置を停止させ、その後、供給電力が一定水準まで戻った場合に電気分解装置を再起動させる場合がある。しかし、電気分解装置のセルスタックとして、高温で動作する固体酸化物形のセルスタックを適用する場合には、電気分解装置の停止により高温状態が維持できなくなる。この場合、電気分解装置の停止及び再起動の度に、セルスタックの低下した温度を上昇させるために時間をかけて加熱する必要が生じ、効率的ではない。 In addition, for stable operation, the electrolyzer may be stopped when the supplied power is reduced, and then restarted when the supplied power returns to a certain level. However, when a solid oxide cell stack operating at a high temperature is applied as the cell stack of the electrolysis apparatus, the high temperature state cannot be maintained by stopping the electrolysis apparatus. In this case, every time the electrolyzer is stopped and restarted, it is necessary to heat the cell stack over time to increase the lowered temperature, which is not efficient.
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、供給電力に応じて電気分解装置の運転モードを電気分解モードと発電モードとで切り替えない場合と比べ、電気分解装置の運転を安定かつ効率的に行うことができる電気分解システム、制御装置、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the operation of the electrolysis apparatus is more stable and stable compared to the case where the operation mode of the electrolysis apparatus is not switched between the electrolysis mode and the power generation mode according to the supplied power. An object of the present invention is to provide an electrolysis system, a control device, and a program that can be efficiently performed.
上記目的を達成するために、請求項１に記載の電気分解システムは、供給された電力を用いて二酸化炭素含有ガスを電気分解して一酸化炭素を含む混合ガスを生成する電気分解モードと、前記二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素により燃料ガスを改質して得られた改質ガスを用いて発電する発電モードとのいずれかに運転モードが切り替え可能な電気分解装置と、前記電力の値が閾値以上の場合に、前記運転モードを前記電気分解モードに切り替え、前記電力の値が前記閾値未満の場合に、前記運転モードを前記発電モードに切り替える制御を行う運転制御部と、を備えたものである。 In order to achieve the above object, an electrolysis system according to claim 1, wherein an electrolysis mode for electrolyzing a carbon dioxide-containing gas using supplied power to generate a mixed gas containing carbon monoxide; An electrolyzer capable of switching the operation mode to any one of a power generation mode for generating power using a reformed gas obtained by reforming a fuel gas with carbon dioxide in the carbon dioxide-containing gas, and the value of the electric power An operation control unit that performs control to switch the operation mode to the electrolysis mode when the power is equal to or greater than a threshold value, and to switch the operation mode to the power generation mode when the power value is less than the threshold value. Is.
この電気分解システムによれば、供給電力が変動した場合に電気分解装置の運転モードを電気分解モードと発電モードとで切り替えない場合と比べ、電気分解装置の運転を安定かつ効率的に行うことができる。 According to this electrolysis system, the operation of the electrolysis apparatus can be performed stably and efficiently compared to the case where the operation mode of the electrolysis apparatus is not switched between the electrolysis mode and the power generation mode when the supplied power fluctuates. it can.
また、請求項２に記載の電気分解システムは、請求項１に記載の電気分解システムにおいて、前記電気分解により生成された前記混合ガスから未反応の二酸化炭素を分離して一酸化炭素を生成する分離部を更に備えたものである。 The electrolysis system according to claim 2 is the electrolysis system according to claim 1, wherein unreacted carbon dioxide is separated from the mixed gas generated by the electrolysis to generate carbon monoxide. A separation unit is further provided.
この電気分解システムによれば、混合ガスから二酸化炭素を分離することで、高純度の一酸化炭素を生成することができる。 According to this electrolysis system, high purity carbon monoxide can be generated by separating carbon dioxide from the mixed gas.
また、請求項３に記載の電気分解システムは、請求項１又は２に記載の電気分解システムにおいて、前記電気分解装置が、前記燃料ガスを改質するための触媒を有する改質器と、予め定められた第１温度以上で動作する固体酸化物形のスタックと、を含むものである。この第１温度は、例えば、６５０℃以上１０００℃以下の温度である。 The electrolysis system according to claim 3 is the electrolysis system according to claim 1 or 2, wherein the electrolysis device includes a reformer having a catalyst for reforming the fuel gas, And a solid oxide stack operating at a defined first temperature or higher. This 1st temperature is 650 degreeC or more and 1000 degrees C or less temperature, for example.
この電気分解システムによれば、改質器の触媒による改質反応により、より効率的な発電を行うことができ、更に、固体酸化物形のスタックを用いることで、電気分解装置の運転効率をより高めることができる。 According to this electrolysis system, more efficient power generation can be performed by the reforming reaction by the catalyst of the reformer, and further, the operation efficiency of the electrolysis apparatus can be improved by using a solid oxide stack. Can be increased.
また、請求項４に記載の電気分解システムは、請求項３に記載の電気分解システムにおいて、前記電気分解モードに切り替える制御が、前記電力の値が前記閾値以上であり、かつ、前記スタックの温度が前記第１温度以上の場合に行われるものである。 The electrolysis system according to claim 4 is the electrolysis system according to claim 3, wherein the control to switch to the electrolysis mode is such that the value of the electric power is equal to or higher than the threshold value and the temperature of the stack. Is performed when the temperature is equal to or higher than the first temperature.
この電気分解システムによれば、スタックの温度を制御することで、電気分解モードでの運転をより安定して行うことができる。 According to this electrolysis system, the operation in the electrolysis mode can be performed more stably by controlling the temperature of the stack.
また、請求項５に記載の電気分解システムは、請求項２に記載の電気分解システムにおいて、前記分離部が、予め定められた第２温度以上で前記第２温度よりも高い第３温度未満の場合に、前記混合ガス中の二酸化炭素を吸収する吸収反応を示し、前記第３温度以上の場合に、前記吸収した二酸化炭素を放出する吸収材を含むものである。この第２温度は、例えば、５００℃であり、第３温度は、例えば、８００℃である。 Further, the electrolysis system according to claim 5 is the electrolysis system according to claim 2, wherein the separation unit is equal to or higher than a predetermined second temperature and lower than a third temperature higher than the second temperature. In this case, an absorption reaction that absorbs carbon dioxide in the mixed gas is shown, and an absorber that releases the absorbed carbon dioxide when the temperature is equal to or higher than the third temperature is included. The second temperature is, for example, 500 ° C., and the third temperature is, for example, 800 ° C.
この電気分解システムによれば、二酸化炭素の分離設備が不要となり、コンパクトなシステムを構築することができる。 According to this electrolysis system, no carbon dioxide separation facility is required, and a compact system can be constructed.
また、請求項６に記載の電気分解システムは、請求項５に記載の電気分解システムにおいて、前記電気分解モードに切り替える制御は、前記電力の値が前記閾値以上であり、かつ、前記吸収材の温度が前記第２温度以上で前記第３温度未満の場合に行われるものである。 In addition, in the electrolysis system according to claim 6, in the electrolysis system according to claim 5, the control to switch to the electrolysis mode is such that the value of the electric power is equal to or greater than the threshold value, and This is performed when the temperature is equal to or higher than the second temperature and lower than the third temperature.
この電気分解システムによれば、吸収材の温度を制御することで、電気分解モードでの運転をより安定して行うことができる。 According to this electrolysis system, the operation in the electrolysis mode can be more stably performed by controlling the temperature of the absorbent material.
また、請求項７に記載の電気分解システムは、請求項５に記載の電気分解システムにおいて、前記電気分解装置が予め定められた第１温度以上で動作する固体酸化物形のスタックを備える場合、前記電気分解モードに切り替える制御は、前記電力の値が前記閾値以上であり、かつ、前記スタックの温度が前記第１温度以上であり、かつ、前記吸収材の温度が前記第２温度以上で前記第３温度未満の場合に行われるものである。 The electrolysis system according to claim 7 is the electrolysis system according to claim 5, wherein the electrolysis apparatus includes a solid oxide stack that operates at a predetermined first temperature or higher. In the control to switch to the electrolysis mode, the value of the electric power is not less than the threshold, the temperature of the stack is not less than the first temperature, and the temperature of the absorbent is not less than the second temperature. This is performed when the temperature is lower than the third temperature.
この電気分解システムによれば、スタックの温度及び吸収材の温度を制御することで、電気分解モードでの運転をより安定して行うことができる。 According to this electrolysis system, the operation in the electrolysis mode can be performed more stably by controlling the temperature of the stack and the temperature of the absorbent.
また、請求項８に記載の電気分解システムは、請求項５に記載の電気分解システムにおいて、前記電気分解モードでは、前記吸収材の吸収反応で発生した熱が前記電気分解装置のスタックに供給され、前記発電モードでは、前記スタックで発生した熱が前記吸収材に供給されるものである。 The electrolysis system according to claim 8 is the electrolysis system according to claim 5, wherein in the electrolysis mode, heat generated by an absorption reaction of the absorbent is supplied to the stack of the electrolyzer. In the power generation mode, heat generated in the stack is supplied to the absorbent material.
この電気分解システムによれば、電気分解モードでは、吸収材で発生した熱がスタックに吸収されるため、吸収材の温度上昇を抑制することができる。更に、発電モードでは、スタックから供給される熱により吸収材から二酸化炭素が放出される。 According to this electrolysis system, in the electrolysis mode, the heat generated in the absorbent material is absorbed by the stack, so that the temperature rise of the absorbent material can be suppressed. Further, in the power generation mode, carbon dioxide is released from the absorbent material by the heat supplied from the stack.
また、請求項９に記載の電気分解システムは、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気分解システムにおいて、前記電気分解装置のスタックを加熱する加熱部を更に備え、前記運転制御部が、前記電気分解装置を起動させる場合に、前記改質ガスを前記スタックのカソード電極に供給すると共に、前記スタックに供給された前記改質ガスを前記加熱部に供給する制御を行い、前記加熱部が、前記スタックから供給された前記改質ガスを燃焼させるものである。 The electrolysis system according to claim 9 is the electrolysis system according to any one of claims 1 to 8, further comprising a heating section that heats the stack of the electrolysis apparatus, and the operation control section. However, when starting up the electrolysis apparatus, the reformed gas is supplied to the cathode electrode of the stack, and the reformed gas supplied to the stack is controlled to be supplied to the heating unit, and the heating is performed. The section burns the reformed gas supplied from the stack.
この電気分解システムによれば、電気分解装置の起動時に、改質ガスによりスタックのカソード電極を還元させながら、加熱によりスタックの昇温時間を短縮することができる。 According to this electrolysis system, the stack heating time can be shortened by heating while reducing the cathode electrode of the stack with the reformed gas when the electrolysis apparatus is started.
また、請求項１０に記載の電気分解システムは、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気分解システムにおいて、前記発電モードで発電した電力を蓄積する蓄電池を更に備えたものである。 An electrolysis system according to claim 10 is the electrolysis system according to any one of claims 1 to 9, further comprising a storage battery for storing electric power generated in the power generation mode.
この電気分解システムによれば、蓄電池に蓄積した電力を、電気分解装置への供給電力の一部等として利用することができる。 According to this electrolysis system, the electric power accumulated in the storage battery can be used as a part of the power supplied to the electrolysis apparatus.
また、請求項１１に記載の電気分解システムは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気分解システムにおいて、前記電気分解装置に供給される電力が、再生可能エネルギーを用いて発電された電力であり、前記再生可能エネルギーを用いた発電により発生した熱が前記電気分解装置に供給されるものである。 The electrolysis system according to claim 11 is the electrolysis system according to any one of claims 1 to 10, wherein electric power supplied to the electrolysis apparatus is generated using renewable energy. The heat generated by the power generation using the renewable energy is supplied to the electrolyzer.
この電気分解システムによれば、電気分解装置への供給電力として、再生可能エネルギーを利用することにより、二酸化炭素の削減等、環境への負荷を低減することができる。 According to this electrolysis system, it is possible to reduce an environmental load such as reduction of carbon dioxide by using renewable energy as power supplied to the electrolysis apparatus.
一方、上記目的を達成するために、請求項１２に記載の制御装置は、供給された電力を用いて二酸化炭素含有ガスを電気分解して一酸化炭素を含む混合ガスを生成する電気分解モードと、前記二酸化炭素含有ガス中の二酸化炭素により燃料ガスを改質して得られた改質ガスを用いて発電する発電モードとのいずれかに運転モードが切り替え可能な電気分解装置の運転を制御する制御装置であって、前記電力の値が閾値以上の場合に、前記運転モードを前記電気分解モードに切り替え、前記電力の値が前記閾値未満の場合に、前記運転モードを前記発電モードに切り替える制御を行う運転制御部を備えたものである。 On the other hand, in order to achieve the above object, the control device according to claim 12 includes an electrolysis mode in which a carbon dioxide-containing gas is electrolyzed using supplied power to generate a mixed gas containing carbon monoxide. Controlling the operation of the electrolyzer capable of switching the operation mode to any one of the power generation mode for generating power using the reformed gas obtained by reforming the fuel gas with carbon dioxide in the carbon dioxide-containing gas A control device that switches the operation mode to the electrolysis mode when the power value is greater than or equal to a threshold value, and switches the operation mode to the power generation mode when the power value is less than the threshold value. The operation control part which performs is provided.
更に、上記目的を達成するために、請求項１３に記載のプログラムは、コンピュータを、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気分解システムが備える運転制御部として機能させるものである。 Furthermore, in order to achieve the said objective, the program of Claim 13 makes a computer function as an operation control part with which the electrolysis system of any one of Claims 1-11 is provided.
上記の制御装置及びプログラムの各々によれば、供給電力に応じて電気分解装置の運転モードを電気分解モードと発電モードとで切り替えない場合と比べ、電気分解装置の運転を安定かつ効率的に行うことができる。 According to each of the above control device and program, the operation of the electrolyzer is performed stably and efficiently compared to the case where the operation mode of the electrolyzer is not switched between the electrolysis mode and the power generation mode according to the supplied power. be able to.
以上詳述したように、本発明によれば、供給電力に応じて電気分解装置の運転モードを電気分解モードと発電モードとで切り替えない場合と比べ、電気分解装置の運転を安定かつ効率的に行うことができる。 As described above in detail, according to the present invention, the operation of the electrolysis apparatus can be performed stably and efficiently compared to the case where the operation mode of the electrolysis apparatus is not switched between the electrolysis mode and the power generation mode according to the supplied power. It can be carried out.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は、本実施形態に係る電気分解システム１０の全体構成の一例を示すブロック図である。
本実施形態に係る電気分解システム１０は、電気分解装置２０と、制御装置３０と、分離部４０と、加熱部５０と、蓄電池５２と、第１バルブ６１と、第２バルブ６２と、第３バルブ６３と、を備える。
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of the overall configuration of an electrolysis system 10 according to the present embodiment.
The electrolysis system 10 according to the present embodiment includes an electrolysis device 20, a control device 30, a separation unit 40, a heating unit 50, a storage battery 52, a first valve 61, a second valve 62, and a third. And a valve 63.
電気分解装置２０には、外部の電力源７０から電力及び熱が供給される。電力源７０としては、例えば、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置や、一般の商用電力系統等が適用される。再生可能エネルギーを発電に用いる場合、発電により発生した熱が電力と共に電気分解装置２０に供給される。なお、商用電力系統を用いる場合には、工場の排熱を利用する等、外部の熱源を利用して熱の供給が行われる。 Electric power and heat are supplied to the electrolysis apparatus 20 from an external power source 70. As the power source 70, for example, a power generation device that generates power using renewable energy, a general commercial power system, or the like is applied. When using renewable energy for power generation, heat generated by power generation is supplied to the electrolyzer 20 together with electric power. When a commercial power system is used, heat is supplied using an external heat source, such as using exhaust heat from a factory.
再生可能エネルギーとしては、発電により電力を供給でき、かつ、発電により発生した熱を供給可能なものであればよい。再生可能エネルギーの一例として、太陽光、太陽熱、風力、水力、地熱、バイオマス等が挙げられる。この場合、電力源７０の一例である発電装置は、これらの再生可能エネルギーを電力及び熱に変換する機能を備える。 Any renewable energy may be used as long as it can supply power by power generation and can supply heat generated by power generation. Examples of renewable energy include sunlight, solar heat, wind power, hydropower, geothermal heat, and biomass. In this case, the power generator as an example of the power source 70 has a function of converting these renewable energies into electric power and heat.
電気分解装置２０には、二酸化炭素を含むガス（以下、二酸化炭素含有ガスという。）Ｇ１と、炭化水素を含む燃料ガスＧ２と、が供給される。二酸化炭素含有ガスＧ１として、例えば、液化炭酸ガスや、ＣＣＳ(Carbon dioxide Capture and Storage)により得られた二酸化炭素ガス等を用いてもよい。ＣＣＳとは、外部から回収した二酸化炭素を地中に埋める技術である。また、二酸化炭素含有ガスＧ１には、例えば、工場等の施設から排出される、二酸化炭素を含む排ガスを利用してもよい。この場合、排ガス中に含まれる二酸化炭素を分離して取り出すことで、二酸化炭素含有ガスＧ１が得られる。なお、排ガスを排出する施設としては、各種工場以外でも、例えば、廃棄物処理施設、火力発電所等の発電所、熱利用施設、都市インフラ設備等を利用してもよい。 The electrolyzer 20 is supplied with a gas containing carbon dioxide (hereinafter referred to as carbon dioxide-containing gas) G1 and a fuel gas G2 containing hydrocarbons. As the carbon dioxide-containing gas G1, for example, liquefied carbon dioxide gas, carbon dioxide gas obtained by CCS (Carbon dioxide Capture and Storage), or the like may be used. CCS is a technology that embeds carbon dioxide collected from outside into the ground. Further, as the carbon dioxide-containing gas G1, for example, exhaust gas containing carbon dioxide discharged from a facility such as a factory may be used. In this case, carbon dioxide-containing gas G1 is obtained by separating and taking out carbon dioxide contained in the exhaust gas. As a facility for exhaust gas emission, other than various factories, for example, a waste treatment facility, a power plant such as a thermal power plant, a heat utilization facility, a city infrastructure facility, or the like may be used.
燃料ガスＧ２としては、例えば、都市ガスや、バイオガス等が用いられる。都市ガスの組成は、１３Ａガスの場合、約９０％がメタンである。また、バイオガスの代表組成は、メタンが約６０％、二酸化炭素が約４０％である。 As fuel gas G2, city gas, biogas, etc. are used, for example. The composition of city gas is about 90% methane for 13A gas. The typical composition of biogas is about 60% methane and about 40% carbon dioxide.
本実施形態に係る電気分解装置２０は、改質器２２と、スタック２４と、燃焼器２６と、を含む。電気分解装置２０は、２つの運転モードを備え、一方の運転モードが電気分解モードであり、他方の運転モードが発電モードである。スタック２４（セルスタック）は、積層された複数のセルを有し、複数のセルの各々には、例えば、高温で動作する固体酸化物形のセルが適用される。この固体酸化物形のセルは、予め定められた第１温度以上で動作する。この第１温度は、例えば、６５０℃以上１０００℃以下の温度である。電気分解装置２０は、電気分解モードでは、固体酸化物形の電気分解装置(ＳＯＥＣ: Solid Oxide Electrolysis Cell)として機能し、発電モードでは、固体酸化物形の燃料電池(ＳＯＦＣ: Solid Oxide Fuel Cell)として機能する。 The electrolyzer 20 according to the present embodiment includes a reformer 22, a stack 24, and a combustor 26. The electrolyzer 20 has two operation modes, one operation mode is an electrolysis mode, and the other operation mode is a power generation mode. The stack 24 (cell stack) has a plurality of stacked cells. For example, a solid oxide cell that operates at a high temperature is applied to each of the plurality of cells. The solid oxide type cell operates at a predetermined first temperature or higher. This 1st temperature is 650 degreeC or more and 1000 degrees C or less temperature, for example. The electrolyzer 20 functions as a solid oxide electrolysis cell (SOEC) in the electrolysis mode, and the solid oxide fuel cell (SOFC) in power generation mode. Function as.
まず、電気分解装置２０がＳＯＥＣとして機能する電気分解モードの場合について説明する。この電気分解モードでは、二酸化炭素含有ガスＧ１に含まれる二酸化炭素を電気分解し、電気分解により得られる一酸化炭素（ＣＯ）及び未反応の二酸化炭素を含む混合ガスを生成する。 First, the case where the electrolysis apparatus 20 is in an electrolysis mode in which it functions as an SOEC will be described. In this electrolysis mode, carbon dioxide contained in the carbon dioxide-containing gas G1 is electrolyzed to generate a mixed gas containing carbon monoxide (CO) and unreacted carbon dioxide obtained by electrolysis.
スタック２４の各セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層の両側にそれぞれ配置された陰極（カソード極）、陽極（アノード極）と、を含む。陰極及び陽極の各々で起こる反応は、以下の反応（１）及び反応（２）の通りである。 Each cell of the stack 24 includes an electrolyte layer containing a solid oxide, and a cathode (cathode electrode) and an anode (anode electrode) disposed on both sides of the electrolyte layer. The reactions occurring at each of the cathode and the anode are as shown in the following reactions (1) and (2).
陰極：ＣＯ２＋２ｅ− → ＣＯ＋Ｏ２− …（１）
陽極：Ｏ２− → １／２Ｏ２＋２ｅ− …（２）
Cathode: CO 2 + 2e − → CO + O 2− (1)
Anode: O 2- → 1 / 2O 2 + 2e - ... (2)
すなわち、陰極には、二酸化炭素含有ガスＧ１に含まれる二酸化炭素が供給される。上記反応（１）により一酸化炭素及び酸素イオンが生成され、生成された酸素イオンが電解質層を透過し、陽極側では上記反応（２）により酸素（Ｏ２）が生成される。これにより、二酸化炭素が電気分解され、一酸化炭素が生成される。なお、二酸化炭素含有ガスＧ１中の二酸化炭素を全量変換するのは、セルの濃度過電圧や拡散過電圧等の影響により困難である。このため、スタック２４では、一酸化炭素及び電気分解されない未反応の二酸化炭素を含む混合ガスが生成される。 That is, carbon dioxide contained in the carbon dioxide-containing gas G1 is supplied to the cathode. Carbon monoxide and oxygen ions are generated by the reaction (1), the generated oxygen ions pass through the electrolyte layer, and oxygen (O 2 ) is generated by the reaction (2) on the anode side. Thereby, carbon dioxide is electrolyzed and carbon monoxide is generated. Note that it is difficult to convert the total amount of carbon dioxide in the carbon dioxide-containing gas G1 due to the effects of cell concentration overvoltage, diffusion overvoltage, and the like. For this reason, in the stack 24, a mixed gas containing carbon monoxide and unreacted carbon dioxide that is not electrolyzed is generated.
分離部４０は、スタック２４から電気分解された混合ガスに含まれる未反応の二酸化炭素を分離して一酸化炭素を生成する。分離部４０は、一例として、二酸化炭素を吸収する吸収材４２を含む。吸収材４２には、予め定められた第２温度以上で第２温度よりも高い第３温度未満の場合に、二酸化炭素を吸収する吸収反応を示し、第３温度以上の場合に、吸収した二酸化炭素を放出する放出反応を示す材料が用いられる。つまり、分離部４０は、吸収反応では一酸化炭素Ｇ３を生成し、放出反応では二酸化炭素Ｇ４を生成する。 The separation unit 40 separates unreacted carbon dioxide contained in the mixed gas electrolyzed from the stack 24 to generate carbon monoxide. Separation part 40 contains absorber 42 which absorbs carbon dioxide as an example. The absorbent 42 exhibits an absorption reaction that absorbs carbon dioxide when it is equal to or higher than a predetermined second temperature and lower than a third temperature that is higher than the second temperature. Materials that exhibit a release reaction that releases carbon are used. That is, the separation unit 40 generates carbon monoxide G3 in the absorption reaction, and generates carbon dioxide G4 in the release reaction.
吸収材４２の材料には、例えば、二酸化炭素と反応し易い酸化リチウム（Ｌｉ２Ｏ）と、安定したセラミックである二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）とを複合させたリチウムジルコネート（Ｌｉ２ＺｒＯ３）等が用いられる。このリチウムジルコネートは、例えば、５００℃以上８００℃未満の温度範囲で二酸化炭素の吸収反応を示し、８００℃以上の温度で二酸化炭素の放出反応を示す。この例の場合、５００℃は、第２温度の一例であり、８００℃は、第３温度の一例である。このリチウムジルコネートを用いた場合、８００℃を境に、以下の可逆反応が起こる。 Examples of the material of the absorbent 42 include lithium zirconate (Li 2 ZrO 3 ) in which lithium oxide (Li 2 O) that easily reacts with carbon dioxide and zirconium dioxide (ZrO 2 ) that is a stable ceramic are combined. Etc. are used. This lithium zirconate exhibits, for example, an absorption reaction of carbon dioxide in a temperature range of 500 ° C. or higher and lower than 800 ° C., and exhibits a carbon dioxide release reaction at a temperature of 800 ° C. or higher. In this example, 500 ° C. is an example of the second temperature, and 800 ° C. is an example of the third temperature. When this lithium zirconate is used, the following reversible reaction occurs at 800 ° C. as a boundary.
Ｌｉ２ＺｒＯ３＋ＣＯ２ ⇔ ＺｒＯ２＋Ｌｉ２ＣＯ３ …（３） Li 2 ZrO 3 + CO 2 ＺZrO 2 + Li 2 CO 3 (3)
すなわち、この例の場合、８００℃未満では、二酸化炭素を吸収して二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）となり、８００℃以上では、二酸化炭素を放出してリチウムジルコネート（Ｌｉ２ＺｒＯ３）に戻る。この分離部４０による二酸化炭素の分離処理により高純度な一酸化炭素が生成される。 That is, in this example, when the temperature is lower than 800 ° C., carbon dioxide is absorbed and becomes zirconium dioxide (ZrO 2 ), and when the temperature is 800 ° C. or higher, carbon dioxide is released and returns to lithium zirconate (Li 2 ZrO 3 ). High-purity carbon monoxide is generated by the separation process of carbon dioxide by the separation unit 40.
なお、分離部４０としては、一酸化炭素及び二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を分離できるものであればよく、例えば、ＰＳＡ(Pressure Swing Adsorption)装置や、分離膜等を用いてもよい。このＰＳＡ装置とは、圧力変動吸着法を利用して加圧、減圧を繰り返す際のガス成分の着脱によりガスの分離を行うものである。また、分離膜としては、例えば、有機高分子膜、無機材料膜、有機高分子及び無機材料の複合膜、液体膜等が挙げられる。 The separation unit 40 may be anything that can separate carbon dioxide from a mixed gas containing carbon monoxide and carbon dioxide. For example, a PSA (Pressure Swing Adsorption) device, a separation membrane, or the like may be used. This PSA apparatus performs gas separation by attaching and detaching gas components during repeated pressurization and depressurization using a pressure fluctuation adsorption method. Examples of the separation membrane include organic polymer membranes, inorganic material membranes, composite membranes of organic polymers and inorganic materials, and liquid membranes.
次に、電気分解装置２０がＳＯＦＣとして機能する発電モードの場合について説明する。発電モードでは、二酸化炭素含有ガスＧ１に含まれる二酸化炭素を改質剤として、燃料ガスＧ２に含まれるメタンを改質して得られる改質ガスを用いて発電が行われる。 Next, the case where the electrolysis apparatus 20 is in a power generation mode that functions as an SOFC will be described. In the power generation mode, power generation is performed using a reformed gas obtained by reforming methane contained in the fuel gas G2 using carbon dioxide contained in the carbon dioxide-containing gas G1 as a modifier.
改質器２２は、スタック２４の前段に配置されている。この改質器２２には、二酸化炭素含有ガスＧ１及び燃料ガスＧ２の両方が供給される。二酸化炭素含有ガスＧ１に含まれる二酸化炭素は、上記のように、燃料ガスＧ２に含まれるメタンの改質剤として利用される。 The reformer 22 is disposed in the previous stage of the stack 24. The reformer 22 is supplied with both the carbon dioxide-containing gas G1 and the fuel gas G2. As described above, carbon dioxide contained in the carbon dioxide-containing gas G1 is used as a modifier for methane contained in the fuel gas G2.
改質器２２は、二酸化炭素による改質に適した触媒を有する。この触媒には、例えば、ニッケル系、ルテニウム系、ロジウム系等の貴金属触媒やＮｉ系触媒が用いられる。この触媒の作用により、二酸化炭素含有ガスＧ１中の二酸化炭素を利用してメタンを改質し、一酸化炭素及び水素を含む改質ガスを生成する。この改質器２２における改質反応は、下記の通りである。 The reformer 22 has a catalyst suitable for reforming with carbon dioxide. As this catalyst, for example, nickel-based, ruthenium-based, rhodium-based or the like noble metal catalyst or Ni-based catalyst is used. By the action of this catalyst, methane is reformed using carbon dioxide in the carbon dioxide-containing gas G1, and a reformed gas containing carbon monoxide and hydrogen is generated. The reforming reaction in the reformer 22 is as follows.
ＣＨ４＋ＣＯ２ → ２Ｈ２＋２ＣＯ …（４） CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO (4)
スタック２４の各セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層の両側にそれぞれ配置された空気極（カソード極）、燃料極（アノード極）と、を含む。なお、ＳＯＥＣにおける陰極は、ＳＯＦＣでは空気極と呼び、ＳＯＥＣにおける陽極は、ＳＯＦＣでは燃料極と呼ぶ。各セルの燃料極には、改質器２２にて生成された改質ガスが供給され、各セルの空気極には、空気（酸化剤ガス）が供給される。 Each cell of the stack 24 includes an electrolyte layer containing a solid oxide, and an air electrode (cathode electrode) and a fuel electrode (anode electrode) disposed on both sides of the electrolyte layer. Note that the cathode in SOEC is called an air electrode in SOFC, and the anode in SOEC is called a fuel electrode in SOFC. The reformed gas generated in the reformer 22 is supplied to the fuel electrode of each cell, and air (oxidant gas) is supplied to the air electrode of each cell.
空気極では、下記反応（５）で示されるように、空気中の酸素が電子を取り入れて酸素イオンが生成される。この酸素イオンは、電解質層を通って燃料極に到達する。 At the air electrode, as shown in the following reaction (5), oxygen in the air takes in electrons to generate oxygen ions. The oxygen ions reach the fuel electrode through the electrolyte layer.
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− → Ｏ２− …（５）
(Air electrode reaction)
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (5)
一方、燃料極では、下記反応（６）、（７）で示されるように、水蒸気、二酸化炭素、及び電子が生成される。燃料極で生成された電子は、外部回路を通って空気極に到達する。そして、このようにして電子が燃料極から空気極に移動することにより、各セルにおいて発電される。また、各セルは、発電時に以上の電気化学反応に伴って発熱する。 On the other hand, water vapor, carbon dioxide, and electrons are generated at the fuel electrode as shown in the following reactions (6) and (7). Electrons generated at the fuel electrode reach the air electrode through an external circuit. In this way, the electrons move from the fuel electrode to the air electrode, thereby generating electric power in each cell. Each cell generates heat in association with the above electrochemical reaction during power generation.
(燃料極反応)
Ｈ２＋Ｏ２− → Ｈ２Ｏ＋２ｅ− …（６）
ＣＯ＋Ｏ２− → ＣＯ２＋２ｅ− …（７）
(Fuel electrode reaction)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (6)
CO + O 2− → CO 2 + 2e − (7)
この燃料極で発生するガス（以下、アノードオフガス）には、燃料極反応にて生成された水蒸気及び二酸化炭素の他に、改質器２２にて生成されスタック２４の燃料極で未反応の水素及び一酸化炭素が含まれる。電気分解装置２０内を流通するアノードオフガスの温度は、例えば、１５０℃以上８００℃以下である。 The gas generated at the fuel electrode (hereinafter referred to as anode off gas) includes, in addition to water vapor and carbon dioxide generated by the fuel electrode reaction, unreacted hydrogen generated by the reformer 22 and at the fuel electrode of the stack 24. And carbon monoxide. The temperature of the anode off gas flowing through the electrolyzer 20 is, for example, 150 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
燃焼器２６は、スタック２４の後段に配置されている。この燃焼器２６には、スタック２４の空気極から排出されたガス（以下、カソードオフガス）が供給されると共に、スタック２４の燃料極から排出されたアノードオフガスが供給される。アノードオフガスには、上述の通り、スタック２４の燃料極にて未反応の水素及び一酸化炭素が含まれており、燃焼器２６は、酸素を含むカソードオフガスを利用してアノードオフガスを燃焼する。この燃焼器２６の燃焼に伴い生成された燃焼排ガスは、電気分解装置２０の外部に排出される。 The combustor 26 is disposed at the rear stage of the stack 24. The combustor 26 is supplied with a gas discharged from the air electrode of the stack 24 (hereinafter referred to as a cathode offgas) and an anode offgas discharged from the fuel electrode of the stack 24. As described above, the anode off gas contains unreacted hydrogen and carbon monoxide in the fuel electrode of the stack 24, and the combustor 26 burns the anode off gas using the cathode off gas containing oxygen. The combustion exhaust gas generated with the combustion of the combustor 26 is discharged to the outside of the electrolysis apparatus 20.
本実施形態では、二酸化炭素を改質剤として用いているため、水等の改質剤が不要となり、水循環設備を必要とせず、コンパクトなシステム構成で発電が行える。 In the present embodiment, since carbon dioxide is used as a modifier, a modifier such as water is not required, water circulation equipment is not required, and power generation can be performed with a compact system configuration.
なお、発電モードにより得られた発電電力は、蓄電池５２に蓄積される。蓄電池５２には、例えば、鉛蓄電池や、リチウムイオン電池、ニッケル・水素電池等が適用される。蓄電池５２に蓄積された電力は、例えば、電力源７０からの供給電力の一部として利用してもよいし、商用電力系統に還元（売電）してもよい。あるいは、自家用として自宅等で消費してもよいし、電気分解装置２０の起動用ヒータの電力として利用してもよい。 The generated power obtained by the power generation mode is stored in the storage battery 52. As the storage battery 52, for example, a lead storage battery, a lithium ion battery, a nickel / hydrogen battery, or the like is applied. For example, the power stored in the storage battery 52 may be used as part of the power supplied from the power source 70 or may be returned (sold) to the commercial power system. Or you may consume at home etc. for private use, and you may utilize as the electric power of the heater for starting of the electrolyzer 20.
一方、加熱部５０は、電気分解装置２０を起動させる場合に、スタック２４及び吸収材４２の各々を選択的に加熱できる加熱装置である。加熱部５０には、例えば、メタンや一酸化炭素等を燃焼させるバーナー等が適用される。 On the other hand, the heating unit 50 is a heating device that can selectively heat each of the stack 24 and the absorbent 42 when the electrolysis device 20 is started. For example, a burner that burns methane, carbon monoxide, or the like is applied to the heating unit 50.
第１バルブ６１は、電気分解装置２０の前段における二酸化炭素含有ガスＧ１の供給経路に設けられる。第１バルブ６１の改質器側を開にすると、二酸化炭素含有ガスＧ１が改質器２２に供給され、第１バルブ６１のスタック側を開にすると、二酸化炭素含有ガスＧ１がスタック２４に供給される。また、第１バルブ６１を閉にすると、二酸化炭素含有ガスＧ１の電気分解装置２０への供給が停止する。 The first valve 61 is provided in the supply path for the carbon dioxide-containing gas G <b> 1 in the previous stage of the electrolyzer 20. When the reformer side of the first valve 61 is opened, the carbon dioxide containing gas G1 is supplied to the reformer 22, and when the stack side of the first valve 61 is opened, the carbon dioxide containing gas G1 is supplied to the stack 24. Is done. Further, when the first valve 61 is closed, the supply of the carbon dioxide-containing gas G1 to the electrolyzer 20 is stopped.
第２バルブ６２は、電気分解装置２０の前段における燃料ガスＧ２の供給経路に設けられる。第２バルブ６２を開にすると、燃料ガスＧ２が改質器２２に供給される。また、第２バルブ６２を閉にすると、燃料ガスＧ２の電気分解装置２０への供給が停止する。 The second valve 62 is provided in the supply path of the fuel gas G2 in the previous stage of the electrolyzer 20. When the second valve 62 is opened, the fuel gas G2 is supplied to the reformer 22. Further, when the second valve 62 is closed, the supply of the fuel gas G2 to the electrolyzer 20 is stopped.
第３バルブ６３は、電気分解装置２０と加熱部５０との間に設けられる。第３バルブ６３を開にすると、スタック２４と加熱部５０との間の経路が接続され、第３バルブ６３を閉にすると、スタック２４と加熱部５０との間の経路が遮断される。 The third valve 63 is provided between the electrolyzer 20 and the heating unit 50. When the third valve 63 is opened, the path between the stack 24 and the heating unit 50 is connected, and when the third valve 63 is closed, the path between the stack 24 and the heating unit 50 is blocked.
これらの第１バルブ６１〜第３バルブ６３の各々の開閉動作は、制御装置３０からの制御信号により制御される。電気分解モードでは、第１バルブ６１がスタック側に開、第２バルブ６２が閉、第３バルブ６３が閉、に制御される。発電モードでは、第１バルブ６１が改質器側に開、第２バルブ６２が開、第３バルブ６３が閉、に制御される。 The opening / closing operation of each of the first valve 61 to the third valve 63 is controlled by a control signal from the control device 30. In the electrolysis mode, the first valve 61 is controlled to open on the stack side, the second valve 62 is closed, and the third valve 63 is closed. In the power generation mode, the first valve 61 is controlled to open on the reformer side, the second valve 62 is opened, and the third valve 63 is closed.
一方、制御装置３０は、電気分解装置２０の運転を制御する。制御装置３０は、演算部３２及び記憶部３４を含む電子回路によって構成されている。記憶部３４には、本実施形態に係る２つの運転モードを切り替える処理を実行するためのプログラム３４Ａが予め記憶されている。プログラム３４Ａは、例えば、制御装置３０に予めインストールされていてもよい。プログラム３４Ａは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又は、ネットワークを介して配布して、制御装置３０に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ(Compact Disc Read Only Memory)、光磁気ディスク、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)、ＤＶＤ-ＲＯＭ(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、フラッシュメモリ、メモリカード等が挙げられる。 On the other hand, the control device 30 controls the operation of the electrolysis device 20. The control device 30 is configured by an electronic circuit including a calculation unit 32 and a storage unit 34. The storage unit 34 stores in advance a program 34A for executing processing for switching between two operation modes according to the present embodiment. For example, the program 34 </ b> A may be installed in the control device 30 in advance. The program 34 </ b> A may be realized by being stored in a non-volatile storage medium or distributed via a network and appropriately installed in the control device 30. Examples of nonvolatile storage media include CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), magneto-optical disk, HDD (Hard Disk Drive), DVD-ROM (Digital Versatile Disc Read Only Memory), flash memory, memory Card etc. are mentioned.
演算部３２は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)を含み、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行することにより、判定部３２Ａ及び運転制御部３２Ｂとして機能する。 The calculation unit 32 includes a CPU (Central Processing Unit), and functions as the determination unit 32A and the operation control unit 32B by reading and executing the program 34A stored in the storage unit 34.
ところで、上述したように、再生可能エネルギーによる供給電力が変動すると、電気分解装置２０の運転を安定的に行うことが困難となる。この場合、十分な量の一酸化炭素を得ることができない可能性がある。 By the way, as described above, when the power supplied by renewable energy fluctuates, it becomes difficult to stably operate the electrolyzer 20. In this case, a sufficient amount of carbon monoxide may not be obtained.
また、安定した運転のために、供給電力が低下した場合に電気分解装置２０を停止させ、その後、供給電力が一定水準まで戻った場合に電気分解装置２０を再起動させる場合がある。しかし、電気分解装置２０のスタック２４として、固体酸化物形のスタックを適用する場合には、電気分解装置２０の停止により高温状態が維持できなくなる。この場合、電気分解装置２０の停止及び再起動の度に、スタック２４の低下した温度を上昇させるため加熱が必要となり、効率的ではない。 In addition, for stable operation, the electrolyzer 20 may be stopped when the supplied power is reduced, and then the electrolyzer 20 may be restarted when the supplied power returns to a certain level. However, when a solid oxide type stack is applied as the stack 24 of the electrolyzer 20, the high temperature state cannot be maintained due to the electrolyzer 20 being stopped. In this case, each time the electrolyzer 20 is stopped and restarted, heating is required to raise the lowered temperature of the stack 24, which is not efficient.
これに対して、本実施形態に係る電気分解装置２０は、２つの運転モードとして、電気分解モードと発電モードとを切り替え可能に有する。そして、運転制御部３２Ｂは、電力源７０から電気分解装置２０へ供給される電力の値（以下、供給電力値Ｐｗ）が閾値以上の場合に、電気分解装置２０の運転モードを電気分解モードに切り替える制御を行う。一方、運転制御部３２Ｂは、供給電力値Ｐｗが閾値未満の場合に、電気分解装置２０の運転モードを発電モードに切り替える制御を行う。なお、制御装置３０は、連続的又は一定の間隔で供給電力値Ｐｗを計測する機能を備える。 On the other hand, the electrolyzer 20 according to the present embodiment has two operation modes that can be switched between an electrolysis mode and a power generation mode. Then, the operation control unit 32B sets the operation mode of the electrolysis device 20 to the electrolysis mode when the value of the power supplied from the power source 70 to the electrolysis device 20 (hereinafter referred to as supply power value Pw) is equal to or greater than a threshold value. Perform switching control. On the other hand, the operation control unit 32B performs control to switch the operation mode of the electrolyzer 20 to the power generation mode when the supplied power value Pw is less than the threshold value. The control device 30 has a function of measuring the supplied power value Pw continuously or at regular intervals.
本実施形態によれば、供給電力値Ｐｗが一定水準以上である場合には、電気分解モードで安定的に一酸化炭素が生成される。一方、供給電力値Ｐｗが低下した場合には、発電モードに切り替えて発電を行うため、電気分解装置２０を停止させる必要が無い上に、発電により得た電力を供給電力の一部等として利用可能とされる。従って、電気分解装置２０の運転を安定かつ効率的に行うことができる。 According to the present embodiment, when the supplied power value Pw is equal to or higher than a certain level, carbon monoxide is stably generated in the electrolysis mode. On the other hand, when the power supply value Pw decreases, the power generation mode is switched to perform power generation. Therefore, it is not necessary to stop the electrolyzer 20, and the power obtained by power generation is used as part of the power supply. It is possible. Therefore, the operation of the electrolyzer 20 can be performed stably and efficiently.
なお、本実施形態では、第１温度以上で動作する固体酸化物形のスタック２４と、第２温度以上で第３温度未満の場合に二酸化酸素を吸収する吸収材４２とを用いている。この場合、電気分解モードに切り替える制御は、供給電力値Ｐｗが閾値以上であり、かつ、スタック２４の温度Ｔｃが第１温度以上であり、かつ、吸収材４２の温度Ｔａが第２温度以上で第３温度未満である場合に行われる。なお、スタック２４の温度Ｔｃ及び吸収材４２の温度Ｔａの各々は、図示しない温度センサにより計測される。 In the present embodiment, a solid oxide stack 24 that operates at a first temperature or higher and an absorbent 42 that absorbs oxygen dioxide when the temperature is higher than the second temperature and lower than the third temperature are used. In this case, in the control to switch to the electrolysis mode, the supplied power value Pw is equal to or higher than the threshold, the temperature Tc of the stack 24 is equal to or higher than the first temperature, and the temperature Ta of the absorbent 42 is equal to or higher than the second temperature. Performed when the temperature is lower than the third temperature. Each of the temperature Tc of the stack 24 and the temperature Ta of the absorbent 42 is measured by a temperature sensor (not shown).
すなわち、判定部３２Ａには、供給電力値Ｐｗ、スタック２４の温度Ｔｃ、及び吸収材４２の温度Ｔａが入力される。判定部３２Ａは、これらの供給電力値Ｐｗ、スタック２４の温度Ｔｃ、及び吸収材４２の温度Ｔａに基づいて、電気分解装置２０の運転モードを、電気分解モード及び発電モードのいずれに切り替えるかを判定する。なお、供給電力値Ｐｗの判定に用いる閾値、スタック２４の温度Ｔｃの判定に用いる第１温度、及び吸収材４２の温度Ｔａの判定に用いる第２温度、第３温度等の情報は、記憶部３４に予め記憶されている。 That is, the supply power value Pw, the temperature Tc of the stack 24, and the temperature Ta of the absorbent 42 are input to the determination unit 32A. The determination unit 32A determines whether the operation mode of the electrolyzer 20 is switched to the electrolysis mode or the power generation mode based on the supplied power value Pw, the temperature Tc of the stack 24, and the temperature Ta of the absorbent 42. judge. Information such as a threshold used for determining the supplied power value Pw, a first temperature used for determining the temperature Tc of the stack 24, and a second temperature and a third temperature used for determining the temperature Ta of the absorbent 42 are stored in the storage unit. 34 is stored in advance.
運転制御部３２Ｂは、判定部３２Ａによる判定結果に従って、電気分解装置２０の運転モード（電気分解モード、発電モード）を切り替える制御を行う。 The operation control unit 32B performs control to switch the operation mode (electrolysis mode, power generation mode) of the electrolyzer 20 according to the determination result by the determination unit 32A.
なお、分離部４０に吸収材４２を適用しない場合、電気分解モードに切り替える制御は、供給電力値Ｐｗが閾値以上であり、かつ、スタック２４の温度Ｔｃが第１温度以上である場合に行われる。また、スタック２４に固体酸化物形セルを適用しない場合、電気分解モードに切り替える制御は、供給電力値Ｐｗが閾値以上であり、かつ、吸収材４２の温度Ｔａが第２温度以上で第３温度未満である場合に行われる。 When the absorbent 42 is not applied to the separation unit 40, the control to switch to the electrolysis mode is performed when the supply power value Pw is equal to or higher than the threshold value and the temperature Tc of the stack 24 is equal to or higher than the first temperature. . Further, when the solid oxide cell is not applied to the stack 24, the control to switch to the electrolysis mode is such that the supply power value Pw is equal to or higher than the threshold value, and the temperature Ta of the absorbent 42 is equal to or higher than the second temperature. If it is less than.
一方、従来、二酸化炭素を分離する分離装置として、低温で動作する分離装置が用いられる場合がある。この場合、電気分解により得られた一酸化炭素を含む高温ガス（例えば、約８００℃）を低温（約５００℃）に戻す段階で、炭素が析出するおそれがある。このため、高温ガスにある程度の二酸化炭素を含ませておくことで、炭素の析出を抑制できる。また、低温で動作する分離装置では、高温ガスを冷却した後に、二酸化炭素を分離し、再度加熱が必要となるため効率的ではなく、高コストになり得る。 On the other hand, conventionally, a separator that operates at a low temperature may be used as a separator that separates carbon dioxide. In this case, carbon may be deposited at the stage of returning a high temperature gas (for example, about 800 ° C.) containing carbon monoxide obtained by electrolysis to a low temperature (about 500 ° C.). For this reason, carbon precipitation can be suppressed by including a certain amount of carbon dioxide in the high temperature gas. Further, in a separation apparatus that operates at a low temperature, carbon dioxide is separated and cooled again after the high-temperature gas is cooled, which is not efficient and can be expensive.
これに対して、本実施形態に係る吸収材４２によれば、リチウムジルコネートを材料として用いた場合、一例として、５００℃以上８００℃未満の範囲で二酸化炭素の吸収反応を示す。この吸収材４２の吸収反応により、高温ガスのままで二酸化炭素を分離できるため、効率的であり、低コスト化を図ることができる。 On the other hand, according to the absorbent material 42 according to the present embodiment, when lithium zirconate is used as a material, an absorption reaction of carbon dioxide is shown in the range of 500 ° C. or higher and lower than 800 ° C. as an example. Since the carbon dioxide can be separated by the absorption reaction of the absorbent 42 while maintaining the high temperature gas, it is efficient and the cost can be reduced.
また、電気分解モードでは、スタック２４の高温（第１温度以上）での電気分解反応は、吸熱反応である。なお、第１温度は、スタック２４が動作する温度であり、例えば、６５０℃以上１０００℃以下の温度である。一方、吸収材４２が二酸化炭素を吸収する反応は、発熱反応である。この場合、吸収材４２の吸収反応で発生した熱がスタック２４に供給される。つまり、吸収材４２からスタック２４の動作に必要な熱の一部が供給される。このスタック２４の吸熱により吸収材４２の温度の上昇が抑制される。より具体的には、上記反応（１）及び（２）でスタック２４が二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素及び酸素を生成する反応は、吸熱反応であり、吸熱量は、所定の条件下で約０．７７４ｋＷと導出される。一方、上記反応（３）で吸収材４２が二酸化炭素を吸収する反応は、発熱反応であり、発熱量は、所定の条件下で約０．７０５ｋＷと導出される。この導出結果によれば、吸収材４２で発生した熱は、スタック２４の電気分解の動作で吸収されるものと考えられる。 Further, in the electrolysis mode, the electrolysis reaction at a high temperature (first temperature or higher) of the stack 24 is an endothermic reaction. The first temperature is a temperature at which the stack 24 operates, for example, a temperature of 650 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. On the other hand, the reaction in which the absorbent 42 absorbs carbon dioxide is an exothermic reaction. In this case, heat generated by the absorption reaction of the absorbent 42 is supplied to the stack 24. That is, a part of heat necessary for the operation of the stack 24 is supplied from the absorbent material 42. The heat absorption of the stack 24 prevents the temperature of the absorbent 42 from rising. More specifically, the reaction in which the stack 24 electrolyzes carbon dioxide in the reactions (1) and (2) to generate carbon monoxide and oxygen is an endothermic reaction, and the endothermic amount is a predetermined condition. Is about 0.774 kW. On the other hand, the reaction in which the absorbent 42 absorbs carbon dioxide in the reaction (3) is an exothermic reaction, and the calorific value is derived as about 0.705 kW under a predetermined condition. According to this derivation result, it is considered that the heat generated in the absorbent 42 is absorbed by the electrolysis operation of the stack 24.
一方、発電モードでは、スタック２４で発生した熱が吸収材４２に供給される。吸収材４２は、スタック２４からの熱の供給により第３温度以上になった場合に、放出反応により吸収した二酸化炭素を放出する。なお、第３温度は、吸収材４２が二酸化炭素の放出反応を示す温度であり、例えば、８００℃である。つまり、吸収材４２が二酸化炭素を放出するために必要な熱は、スタック２４から供給される。この場合、スタック２４の発熱を利用するだけで、二酸化炭素を容易に回収することができる。なお、回収した二酸化炭素を二酸化炭素含有ガスＧ１に戻して再利用してもよい。 On the other hand, in the power generation mode, the heat generated in the stack 24 is supplied to the absorbent 42. The absorbent 42 releases the carbon dioxide absorbed by the release reaction when the temperature rises to the third temperature or higher due to the supply of heat from the stack 24. The third temperature is a temperature at which the absorbent 42 exhibits a carbon dioxide release reaction, and is, for example, 800 ° C. That is, the heat necessary for the absorbent 42 to release carbon dioxide is supplied from the stack 24. In this case, carbon dioxide can be easily recovered simply by using the heat generated by the stack 24. The recovered carbon dioxide may be returned to the carbon dioxide-containing gas G1 and reused.
次に、電気分解装置２０の起動処理について説明する。
スタック２４のカソード電極には、例えば、ニッケル（Ｎｉ）等が用いられる。この場合、ニッケルと空気中の酸素とが反応し、カソード電極の表面が酸化され、酸化ニッケル（ＮｉＯ）が形成される可能性がある。そして、ニッケルの酸化が進行すると、カソード電極が体積膨張し、機械的な破壊に至る場合がある。
Next, the activation process of the electrolyzer 20 will be described.
For example, nickel (Ni) or the like is used for the cathode electrode of the stack 24. In this case, nickel and oxygen in the air may react to oxidize the surface of the cathode electrode and form nickel oxide (NiO). As nickel oxidation proceeds, the cathode electrode expands in volume, which may lead to mechanical destruction.
これに対して、運転制御部３２Ｂは、電気分解装置２０を起動させる場合に、燃料ガスＧ２を二酸化炭素で改質した改質ガスをスタック２４のカソード電極に供給し、スタック２４に供給された改質ガスを加熱部５０に供給する制御を行う。つまり、第１バルブ６１を改質器側に開、第２バルブ６２を開、第３バルブ６３を開に制御する。燃料ガスＧ２を二酸化炭素で改質した改質ガスは、還元性ガスであるため、この還元性ガスが、スタック昇温中も還元性の雰囲気を保ち、カソード電極の体積膨張を抑制するよう作用する。この還元性ガスの作用により、スタック２４のカソード電極の機械的な破壊が抑制される。 In contrast, when the electrolysis apparatus 20 is started, the operation control unit 32B supplies the reformed gas obtained by reforming the fuel gas G2 with carbon dioxide to the cathode electrode of the stack 24 and is supplied to the stack 24. Control to supply the reformed gas to the heating unit 50 is performed. That is, the first valve 61 is controlled to open on the reformer side, the second valve 62 is opened, and the third valve 63 is opened. Since the reformed gas obtained by reforming the fuel gas G2 with carbon dioxide is a reducing gas, the reducing gas maintains a reducing atmosphere even when the temperature of the stack is raised, and acts to suppress the volume expansion of the cathode electrode. To do. Due to the action of the reducing gas, mechanical destruction of the cathode electrode of the stack 24 is suppressed.
一方、加熱部５０は、スタック２４から供給された改質ガスを燃焼させてスタック２４を加熱する。電力源７０から供給される熱に加え、加熱部５０による加熱を行うことで、電気分解装置２０を起動させる場合に、スタック２４の昇温時間が短縮される。 On the other hand, the heating unit 50 heats the stack 24 by burning the reformed gas supplied from the stack 24. In addition to the heat supplied from the power source 70, the heating time of the stack 24 is shortened when the electrolysis apparatus 20 is activated by heating by the heating unit 50.
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態に係る制御装置３０の作用を説明する。なお、図２は、本実施形態に係るプログラム３４Ａによる電気分解装置２０の起動処理の一例を示すフローチャートである。 Next, with reference to FIG.2 and FIG.3, the effect | action of the control apparatus 30 which concerns on this embodiment is demonstrated. FIG. 2 is a flowchart showing an example of the startup process of the electrolyzer 20 by the program 34A according to the present embodiment.
演算部３２は、例えば、操作者により電気分解装置２０の運転開始が指示された場合に、記憶部３４に記憶されているプログラム３４Ａを読み出して実行する。なお、運転開始前の初期状態では、電気分解装置２０の第１バルブ６１〜第３バルブ６３は全て閉の状態とする。 For example, when the operator instructs the start of operation of the electrolyzer 20, the calculation unit 32 reads and executes the program 34 </ b> A stored in the storage unit 34. In the initial state before the start of operation, the first valve 61 to the third valve 63 of the electrolyzer 20 are all closed.
まず、図２のステップ１００では、運転制御部３２Ｂが、第１バルブ６１を改質器側に開、第２バルブ６２を開、第３バルブ６３を開に制御する。そして、電力源７０からスタック２４へ熱の供給が開始される。このバルブ制御により、燃料ガスＧ２が二酸化炭素で改質された改質ガスがスタック２４のカソード電極に供給されると共に、スタック２４に供給された改質ガスが加熱部５０に供給される。加熱部５０は、スタック２４から供給された改質ガスを燃焼させてスタック２４を加熱する。電力源７０から供給される熱及び加熱部５０からの熱により、スタック２４の温度Ｔｃを作動温度（第１温度：例えば、６５０℃以上１０００℃以下）まで昇温させる。 First, in step 100 of FIG. 2, the operation control unit 32B controls the first valve 61 to open on the reformer side, the second valve 62 to open, and the third valve 63 to open. Then, supply of heat from the power source 70 to the stack 24 is started. By this valve control, the reformed gas obtained by reforming the fuel gas G2 with carbon dioxide is supplied to the cathode electrode of the stack 24, and the reformed gas supplied to the stack 24 is supplied to the heating unit 50. The heating unit 50 heats the stack 24 by burning the reformed gas supplied from the stack 24. The temperature Tc of the stack 24 is raised to the operating temperature (first temperature: for example, 650 ° C. or more and 1000 ° C. or less) by the heat supplied from the power source 70 and the heat from the heating unit 50.
ステップ１０２では、判定部３２Ａが、スタック２４の温度Ｔｃが作動温度以上であるか否かを判定する。スタック２４の温度Ｔｃが作動温度以上であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１０４に移行し、スタック２４の温度Ｔｃが作動温度未満であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１０２で待機となる。 In step 102, the determination unit 32A determines whether or not the temperature Tc of the stack 24 is equal to or higher than the operating temperature. When it is determined that the temperature Tc of the stack 24 is equal to or higher than the operating temperature (in the case of an affirmative determination), the process proceeds to step 104, and when it is determined that the temperature Tc of the stack 24 is lower than the operating temperature (in the case of a negative determination). In step 102, the process waits.
ステップ１０４では、運転制御部３２Ｂが、第１バルブ６１をスタック側に開、第２バルブ６２を閉、第３バルブ６３を開に制御する。そして、電力源７０からスタック２４へ電力の供給が開始され、運転制御部３２Ｂが、スタック２４にスタック定格電流を供給する制御を行う。なお、ここでいうスタック定格電流とは、スタック２４を定格運転させるために必要な電流を意味する。このバルブ制御及びスタック定格電流の供給により、二酸化炭素含有ガスＧ１がスタック２４に供給され、スタック２４で二酸化炭素含有ガスＧ１が電気分解されて一酸化炭素及び未反応の二酸化炭素を含む混合ガスが加熱部５０に供給される。ここでは、加熱部５０が吸収材４２を加熱可能な状態でセットされている。加熱部５０は、スタック２４から供給された混合ガスを燃焼させて吸収材４２を加熱する。電力源７０から供給される熱及び加熱部５０からの熱により、吸収材４２の温度Ｔａを作動温度の範囲（例えば、５００℃以上８００℃未満）まで昇温させる。 In step 104, the operation control unit 32B controls the first valve 61 to open on the stack side, the second valve 62 to close, and the third valve 63 to open. Then, supply of power from the power source 70 to the stack 24 is started, and the operation control unit 32B performs control to supply the stack rated current to the stack 24. Here, the stack rated current means a current required for rated operation of the stack 24. By this valve control and supply of the stack rated current, the carbon dioxide-containing gas G1 is supplied to the stack 24, and the carbon dioxide-containing gas G1 is electrolyzed in the stack 24 to produce a mixed gas containing carbon monoxide and unreacted carbon dioxide. It is supplied to the heating unit 50. Here, the heating unit 50 is set in a state where the absorbent 42 can be heated. The heating unit 50 burns the mixed gas supplied from the stack 24 and heats the absorbent 42. With the heat supplied from the power source 70 and the heat from the heating unit 50, the temperature Ta of the absorbent 42 is raised to the operating temperature range (for example, 500 ° C. or higher and lower than 800 ° C.).
ステップ１０６では、判定部３２Ａが、吸収材４２の温度Ｔａが作動温度の範囲にあるか否かを判定する。吸収材４２の温度Ｔａが作動温度の範囲にないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ１０８に移行し、吸収材４２の温度Ｔａが作動温度の範囲にあると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ１１０に移行する。 In step 106, the determination unit 32A determines whether or not the temperature Ta of the absorbent 42 is within the operating temperature range. When it is determined that the temperature Ta of the absorbent 42 is not within the operating temperature range (in the case of negative determination), the process proceeds to step 108 and when it is determined that the temperature Ta of the absorbent 42 is within the operating temperature range (positive determination). ), The process proceeds to step 110.
ステップ１０８では、運転制御部３２Ｂが、吸収材４２の温度Ｔａを作動温度の範囲に制御し、ステップ１１０に移行する。例えば、運転制御部３２Ｂが加熱部５０による加熱温度を制御する。 In step 108, the operation control unit 32 </ b> B controls the temperature Ta of the absorbent 42 within the operating temperature range, and proceeds to step 110. For example, the operation control unit 32 </ b> B controls the heating temperature by the heating unit 50.
ステップ１１０では、運転制御部３２Ｂが、第１バルブ６１をスタック側に開、第２バルブ６２を閉、第３バルブ６３を閉に制御し、電気分解モードに切り替える。このバルブ制御により、スタック２４から吸収材４２に供給される混合ガス中の二酸化炭素の吸収を開始させ、一酸化炭素が生成される。 In step 110, the operation control unit 32B controls the first valve 61 to open on the stack side, the second valve 62 to close, and the third valve 63 to close to switch to the electrolysis mode. By this valve control, absorption of carbon dioxide in the mixed gas supplied from the stack 24 to the absorbent 42 is started, and carbon monoxide is generated.
ステップ１１２では、運転制御部３２Ｂが、電気分解モードで電気分解装置２０の定格運転を開始し、上記一連の起動処理を終了する。 In step 112, the operation control unit 32B starts the rated operation of the electrolyzer 20 in the electrolysis mode, and ends the series of startup processes.
図３は、本実施形態に係るプログラム３４Ａによる電気分解装置２０の運転モード切り替え処理の一例を示すフローチャートである。なお、本実施形態に係る運転モード切り替え処理は、上述した起動処理が終了した後に実行される。つまり、ステップ２００では、第１バルブ６１がスタック側に開、第２バルブ６２が閉、第３バルブ６３が閉とされ、電気分解モードで定格運転されている。 FIG. 3 is a flowchart showing an example of the operation mode switching process of the electrolyzer 20 by the program 34A according to the present embodiment. Note that the operation mode switching process according to the present embodiment is executed after the start-up process described above is completed. That is, in step 200, the first valve 61 is opened to the stack side, the second valve 62 is closed, and the third valve 63 is closed, and the rated operation is performed in the electrolysis mode.
まず、ステップ２００では、判定部３２Ａが、供給電力値Ｐｗが閾値未満であるか否かを判定する。供給電力値Ｐｗが閾値未満であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２０２に移行し、供給電力値Ｐｗが閾値以上であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２００で待機となる。 First, in step 200, the determination unit 32A determines whether or not the supplied power value Pw is less than a threshold value. When it is determined that the supplied power value Pw is less than the threshold value (in the case of an affirmative determination), the process proceeds to step 202. When it is determined that the supplied power value Pw is equal to or greater than the threshold value (in the case of a negative determination), the process waits at step 200. It becomes.
ステップ２０２では、運転制御部３２Ｂが、判定部３２Ａの判定結果に従って、第１バルブ６１を改質器側に開、第２バルブ６２を開、第３バルブ６３を閉に制御し、発電モードに切り替える。このバルブ制御により、改質器２２は、二酸化炭素含有ガスＧ１に含まれる二酸化炭素を改質剤として、燃料ガスＧ２に含まれるメタンを改質して改質ガスを生成し、生成した改質ガスをスタック２４に供給する。 In step 202, the operation control unit 32B controls the first valve 61 to be opened on the reformer side, the second valve 62 to be opened, and the third valve 63 to be closed in accordance with the determination result of the determination unit 32A, and the power generation mode is set. Switch. By this valve control, the reformer 22 generates reformed gas by reforming methane contained in the fuel gas G2 using carbon dioxide contained in the carbon dioxide-containing gas G1 as a modifier, and the produced reformed gas. Gas is supplied to the stack 24.
ステップ２０４では、運転制御部３２Ｂが、スタック定格電流を掃引し、スタック２４が上記の改質ガスを用いて発電を開始させる。なお、発電に伴いスタック２４で発生するアノードオフガス及びカソードオフガスは燃焼器２６に送られ、燃焼排ガスとして排出される。このとき、運転制御部３２Ｂは、吸収材４２の温度Ｔａが第３温度（例えば、８００℃）以上であるか否かを確認してもよい。 In step 204, the operation control unit 32B sweeps the stack rated current, and the stack 24 starts power generation using the above reformed gas. Note that the anode off-gas and cathode off-gas generated in the stack 24 upon power generation are sent to the combustor 26 and discharged as combustion exhaust gas. At this time, the operation control unit 32B may confirm whether or not the temperature Ta of the absorbent 42 is equal to or higher than a third temperature (for example, 800 ° C.).
ステップ２０６では、運転制御部３２Ｂが、発電モードで電気分解装置２０の定格運転を開始する。 In step 206, the operation control unit 32B starts the rated operation of the electrolyzer 20 in the power generation mode.
次に、ステップ２０８では、判定部３２Ａが、供給電力値Ｐｗが閾値以上であるか否かを判定する。供給電力値Ｐｗが閾値以上であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２１０に移行し、供給電力値Ｐｗが閾値未満であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２０８で待機となる。 Next, in step 208, the determination unit 32A determines whether or not the supplied power value Pw is equal to or greater than a threshold value. When it is determined that the supplied power value Pw is equal to or greater than the threshold value (in the case of an affirmative determination), the process proceeds to Step 210. When it is determined that the supplied power value Pw is less than the threshold value (in the case of a negative determination), the process waits at Step 208. It becomes.
ステップ２１０では、運転制御部３２Ｂが、判定部３２Ａの判定結果に従って、スタック電流の供給を停止する制御を行い、発電を停止させる。 In step 210, the operation control unit 32B performs control to stop the supply of the stack current according to the determination result of the determination unit 32A, and stops power generation.
ステップ２１２では、運転制御部３２Ｂが、第１バルブ６１をスタック側に開、第２バルブ６２を閉、第３バルブ６３を開に制御する。そして、電力源７０からスタック２４へ電力の供給が開始され、運転制御部３２Ｂが、スタック２４にスタック定格電流を供給する制御を行う。このバルブ制御及びスタック定格電流の供給により、二酸化炭素含有ガスＧ１がスタック２４に供給され、スタック２４で二酸化炭素含有ガスＧ１が電気分解されて一酸化炭素及び未反応の二酸化炭素を含む混合ガスが加熱部５０に供給される。加熱部５０は、スタック２４から供給された混合ガスを燃焼させて吸収材４２を加熱し、電力源７０から供給される熱と共に、吸収材４２の温度Ｔａを作動温度の範囲（例えば、５００℃以上８００℃未満）まで昇温させる。 In step 212, the operation control unit 32B controls the first valve 61 to open to the stack side, the second valve 62 to close, and the third valve 63 to open. Then, supply of power from the power source 70 to the stack 24 is started, and the operation control unit 32B performs control to supply the stack rated current to the stack 24. By this valve control and supply of the stack rated current, the carbon dioxide-containing gas G1 is supplied to the stack 24, and the carbon dioxide-containing gas G1 is electrolyzed in the stack 24 to produce a mixed gas containing carbon monoxide and unreacted carbon dioxide. It is supplied to the heating unit 50. The heating unit 50 burns the mixed gas supplied from the stack 24 to heat the absorbent 42, and, together with the heat supplied from the power source 70, the temperature Ta of the absorbent 42 is set within the operating temperature range (for example, 500 ° C. The temperature is raised to less than 800 ° C.
ステップ２１４では、判定部３２Ａが、吸収材４２の温度Ｔａが作動温度の範囲にあるか否かを判定する。吸収材４２の温度Ｔａが作動温度の範囲にないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２１６に移行し、吸収材４２の温度Ｔａが作動温度の範囲にあると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２１８に移行する。 In step 214, the determination unit 32A determines whether or not the temperature Ta of the absorbent 42 is within the operating temperature range. When it is determined that the temperature Ta of the absorbent 42 is not within the operating temperature range (in the case of negative determination), the process proceeds to step 216 and when it is determined that the temperature Ta of the absorbent 42 is within the operating temperature range (positive determination). ), The process proceeds to step 218.
ステップ２１６では、運転制御部３２Ｂが、吸収材４２の温度Ｔａを作動温度の範囲に制御し、ステップ２１８に移行する。例えば、運転制御部３２Ｂが加熱部５０による加熱温度を制御する。 In step 216, the operation control unit 32 </ b> B controls the temperature Ta of the absorbent 42 to the operating temperature range, and proceeds to step 218. For example, the operation control unit 32 </ b> B controls the heating temperature by the heating unit 50.
ステップ２１８では、運転制御部３２Ｂが、第１バルブ６１をスタック側に開、第２バルブ６２を閉、第３バルブ６３を閉に制御し、電気分解モードに切り替える。このバルブ制御により、スタック２４から吸収材４２に供給される混合ガス中の二酸化炭素の吸収を開始させ、一酸化炭素が生成される。 In step 218, the operation control unit 32B controls the first valve 61 to open on the stack side, the second valve 62 to close, and the third valve 63 to close to switch to the electrolysis mode. By this valve control, absorption of carbon dioxide in the mixed gas supplied from the stack 24 to the absorbent 42 is started, and carbon monoxide is generated.
ステップ２２０では、運転制御部３２Ｂが、電気分解モードで電気分解装置２０の定格運転を開始する。 In step 220, the operation control unit 32B starts the rated operation of the electrolyzer 20 in the electrolysis mode.
ステップ２２２では、運転制御部３２Ｂが、電気分解装置２０の運転終了の指示が有ったか否かを判定する。電気分解装置２０の運転終了の指示が有ったと判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２２４に移行し、電気分解装置２０の運転終了の指示が無いと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２００に移行する。なお、一例として、操作者による運転終了の指示を受け付けた場合に、電気分解装置２０の運転を終了すると判定してもよい。 In step 222, the operation control unit 32B determines whether or not there is an instruction to end the operation of the electrolyzer 20. When it is determined that there is an instruction to end the operation of the electrolyzer 20 (in the case of affirmative determination), the process proceeds to step 224, and when it is determined that there is no instruction to end the operation of the electrolyzer 20 (in the case of negative determination). The process proceeds to step 200. In addition, as an example, when the operation end instruction is received from the operator, it may be determined that the operation of the electrolyzer 20 is ended.
ステップ２２４では、運転制御部３２Ｂが、第１バルブ６１、第２バルブ６２、及び第３バルブ６３を全て閉の状態に制御し、二酸化炭素含有ガスＧ１及び燃料ガスＧ２の供給を停止する。運転制御部３２Ｂは、スタック２４への電流の供給を停止し、電気分解装置２０の運転を終了する制御を行い、上記一連の処理を終了する。 In step 224, the operation control unit 32B controls all of the first valve 61, the second valve 62, and the third valve 63 to be closed, and stops the supply of the carbon dioxide-containing gas G1 and the fuel gas G2. The operation control unit 32B stops the supply of current to the stack 24, performs control to end the operation of the electrolyzer 20, and ends the series of processes.
以上、実施形態として電気分解システム及びその制御装置を例示して説明した。実施形態は、制御装置が備える各部の機能をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。 As described above, the electrolysis system and its control device have been exemplified and described as embodiments. The embodiment may be in the form of a program for causing a computer to execute the functions of the units included in the control device. The embodiment may be in the form of a computer-readable storage medium storing this program.
その他、上記実施形態で説明した制御装置の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。 In addition, the structure of the control apparatus demonstrated by the said embodiment is an example, You may change according to a condition within the range which does not deviate from the main point.
また、上記実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。 Further, the processing flow of the program described in the above embodiment is an example, and unnecessary steps may be deleted, new steps may be added, or the processing order may be changed within a range not departing from the gist. Good.
また、上記実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。 Moreover, although the said embodiment demonstrated the case where the process which concerns on embodiment was implement | achieved by a software structure using a computer by running a program, it is not restricted to this. The embodiment may be realized by, for example, a hardware configuration or a combination of a hardware configuration and a software configuration.
１０ 電気分解システム
２０ 電気分解装置
２２ 改質器
２４ スタック
２６ 燃焼器
３０ 制御装置
３２ 演算部
３２Ａ 判定部
３２Ｂ 運転制御部
３４ 記憶部
３４Ａ プログラム
４０ 分離部
４２ 吸収材
５０ 加熱部
５２ 蓄電池
６１〜６３ 第１〜第３バルブ
７０ 電力源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electrolysis system 20 Electrolysis apparatus 22 Reformer 24 Stack 26 Combustor 30 Control apparatus 32 Calculation part 32A Determination part 32B Operation control part 34 Storage part 34A Program 40 Separation part 42 Absorbent 50 Heating part 52 Storage batteries 61-63 1st to 3rd valve 70 Power source
Claims (13)
前記電力の値が閾値以上の場合に、前記運転モードを前記電気分解モードに切り替え、前記電力の値が前記閾値未満の場合に、前記運転モードを前記発電モードに切り替える制御を行う運転制御部と、
を備えた電気分解システム。 An electrolysis mode in which a carbon dioxide-containing gas is electrolyzed using supplied power to generate a mixed gas containing carbon monoxide, and obtained by reforming a fuel gas with carbon dioxide in the carbon dioxide-containing gas. An electrolyzer capable of switching the operation mode to one of a power generation mode for generating electricity using the reformed gas,
An operation control unit that performs control to switch the operation mode to the electrolysis mode when the power value is equal to or greater than a threshold value, and to switch the operation mode to the power generation mode when the power value is less than the threshold value; ,
Electrolysis system with
前記燃料ガスを改質するための触媒を有する改質器と、
予め定められた第１温度以上で動作する固体酸化物形のスタックと、
を含む請求項１又は２に記載の電気分解システム。 The electrolyzer is
A reformer having a catalyst for reforming the fuel gas;
A solid oxide form stack operating above a predetermined first temperature;
The electrolysis system according to claim 1 or 2, comprising:
前記電気分解モードに切り替える制御は、前記電力の値が前記閾値以上であり、かつ、前記スタックの温度が前記第１温度以上であり、かつ、前記吸収材の温度が前記第２温度以上で前記第３温度未満の場合に行われる請求項５に記載の電気分解システム。 When the electrolyzer comprises a solid oxide type stack operating at a predetermined first temperature or higher,
In the control to switch to the electrolysis mode, the value of the electric power is not less than the threshold, the temperature of the stack is not less than the first temperature, and the temperature of the absorbent is not less than the second temperature. The electrolysis system according to claim 5, which is performed when the temperature is lower than the third temperature.
前記発電モードでは、前記スタックで発生した熱が前記吸収材に供給される請求項５に記載の電気分解システム。 In the electrolysis mode, the heat generated by the absorption reaction of the absorbent is supplied to the stack of the electrolysis device,
The electrolysis system according to claim 5, wherein in the power generation mode, heat generated in the stack is supplied to the absorber.
前記運転制御部は、前記電気分解装置を起動させる場合に、前記改質ガスを前記スタックのカソード電極に供給すると共に、前記スタックに供給された前記改質ガスを前記加熱部に供給する制御を行い、
前記加熱部は、前記スタックから供給された前記改質ガスを燃焼させる請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気分解システム。 A heating unit for heating the stack of the electrolyzer;
The operation control unit controls the supply of the reformed gas to the cathode electrode of the stack and the reformed gas supplied to the stack to the heating unit when starting up the electrolyzer. Done
The electrolysis system according to claim 1, wherein the heating unit burns the reformed gas supplied from the stack.
前記再生可能エネルギーを用いた発電により発生した熱が前記電気分解装置に供給される請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気分解システム。 The electric power supplied to the electrolyzer is electric power generated using renewable energy,
The electrolysis system according to claim 1, wherein heat generated by power generation using the renewable energy is supplied to the electrolysis apparatus.
前記電力の値が閾値以上の場合に、前記運転モードを前記電気分解モードに切り替え、前記電力の値が前記閾値未満の場合に、前記運転モードを前記発電モードに切り替える制御を行う運転制御部を備えた制御装置。 An electrolysis mode in which a carbon dioxide-containing gas is electrolyzed using supplied power to generate a mixed gas containing carbon monoxide, and obtained by reforming a fuel gas with carbon dioxide in the carbon dioxide-containing gas. A control device for controlling the operation of the electrolyzer capable of switching the operation mode to either the power generation mode for generating power using the reformed gas,
An operation control unit configured to switch the operation mode to the electrolysis mode when the power value is greater than or equal to a threshold value, and to switch the operation mode to the power generation mode when the power value is less than the threshold value; Control device with.
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| JP7490006B2 (en) | 2022-03-11 | 2024-05-24 | 本田技研工業株式会社 | Carbon dioxide treatment device, carbon dioxide treatment method, and carbon compound production method |
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