JP2023141378A - 電解システム - Google Patents

Abstract

【課題】カソード電極に析出する炭素を削減し、混合ガスの電解効率の低減を抑制する電解システムを提供する。
【解決手段】電解システム（１０）は、カソード電極（４７）に混合ガスを供給するか、アノード電極（４８）に酸素ガスを供給するかを切り替える弁装置（５８）と、一対の電極間の電流を計測する電流計（６０）と、混合ガスが電解装置（１８）に供給されている状態において、電流が所定の第１閾値を下回った場合に、弁装置（５８）を制御して、電解装置（１８）への供給を混合ガスから酸素ガスに切り替え、カソード電極に析出する炭素を酸素ガスと化学反応させる制御装置（６２）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解システムに関する。

近年、低炭素社会または脱炭素社会の実現に向けた取り組みが活発化し、エネルギーの効率化に貢献する電解システムに関する研究開発が行われている。

下記特許文献１には、メタノールおよびメタンの併産方法が開示されている。この方法は、電解工程と、メタノール合成工程とを含む。電解工程では、水蒸気と二酸化炭素との混合ガスが固体酸化物形電解セルで還元され、水素、一酸化炭素、二酸化炭素および水蒸気を含む合成ガスが生成される。メタノール合成工程では、メタノール合成触媒に通じて合成ガスからメタノールが合成される。

特開２０２２－０２２９７８号公報

しかし、上記特許文献１では、固体酸化物形電解セルにおける原料ガスの利用率が高まるほど、燃料極（カソード電極）に炭素が析出する傾向がある。炭素が析出すると、混合ガスの電解効率が低減する。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の態様は、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するカソード電極およびアノード電極である一対の電極とを含み、二酸化炭素ガスおよび水蒸気を含む混合ガスを電解する電解装置と、前記電解により生成される水素含有ガスに基づいて炭化水素を生成する炭化水素生成装置と、を有する電解システムであって、前記カソード電極に前記混合ガスを供給するか、前記アノード電極に酸素ガスを供給するかを切り替える弁装置と、前記一対の電極間の電流を計測する電流計と、前記混合ガスが前記電解装置に供給されている状態において、前記電流が所定の第１閾値を下回った場合に、前記弁装置を制御して、前記電解装置への供給を前記混合ガスから前記酸素ガスに切り替え、前記カソード電極に析出する炭素を前記酸素ガスと化学反応させる制御装置と、を備える。

上記の態様によれば、カソード電極に析出する炭素を削減することができる。その結果、混合ガスの電解効率の低減を抑制することができる。延いてはエネルギー効率の改善に寄与する。

図１は、第１実施形態による電解システムの構成を示す概略図である。 図２は、電解モードが実行される場合の流体の流れを示す図である。 図３は、消費モードが実行される場合の流体の流れを示す図である。 図４は、電解制御処理の手順を示すフローチャートである。 図５は、消費制御処理の手順を示すフローチャートである。 図６は、第２実施形態による電解システムの構成を示す概略図である。 図７は、電解装置に対して電解モードが実行され、第２電解装置に対して消費モードが実行される場合の流体の流れを示す図である。 図８は、電解装置に対して消費モードが実行され、第２電解装置に対して電解モードが実行される場合の流体の流れを示す図である。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態による電解システム１０の構成を示す概略図である。電解システム１０は、水源１２と、二酸化炭素源１４と、ヒータ１６と、電解装置１８と、炭化水素生成装置２０とを有する。

水源１２は、電解装置１８に供給される水蒸気源である水を出力する。水源１２は、給水装置であってもよいし、水タンクであってもよい。また、水源１２は、プラント設備の排液から所定の純度の水を抽出する水抽出装置であってもよい。

二酸化炭素源１４は、電解装置１８に供給される二酸化炭素ガスを出力する。二酸化炭素源１４は、大気から二酸化炭素ガスを分離する二酸化炭素ガス分離装置であってもよい。また、二酸化炭素源１４は、プラント設備の排ガスから所定の純度の二酸化炭素ガスを抽出する二酸化炭素ガス抽出装置であってもよい。なお、二酸化炭素ガス抽出装置は、上記の水抽出装置と同じプラント設備に設けられてもよいし、当該水抽出装置と異なるプラント設備に設けられてもよい。

ヒータ１６は、水流路３０、二酸化炭素ガス流路３２および混合ガス流路３４の各々を流れる流体を加熱する。水流路３０、二酸化炭素ガス流路３２および混合ガス流路３４の各々の一部は、ヒータ１６の内部に配置される。

水流路３０は、水源１２と混合ガス流路３４とを繋ぐ。水源１２から水流路３０に流入する水はヒータ１６により加熱され、当該加熱により気化した水蒸気は混合ガス流路３４に流入する。

二酸化炭素ガス流路３２は、二酸化炭素源１４と混合ガス流路３４とを繋ぐ。二酸化炭素源１４から二酸化炭素ガス流路３２に流入する二酸化炭素ガスはヒータ１６により加熱され、混合ガス流路３４に流入する。

混合ガス流路３４は、水流路３０および二酸化炭素ガス流路３２の各流路と、電解装置１８のカソード入口部４１とを繋ぐ。混合ガス流路３４に流入する二酸化炭素ガスと水蒸気とを含む混合ガスはヒータ１６により加熱され、カソード入口部４１から電解装置１８に流入する。

電解装置１８は、二酸化炭素ガスおよび水蒸気を電解する装置である。電解装置１８は、カソード入口部４１と、カソード出口部４２と、アノード入口部４３と、アノード出口部４４と、複数の単位セル４５とを有する。

各単位セル４５には、電解質膜４６がカソード電極４７とアノード電極４８とで挟持される膜電極構造体（ＭＥＡ）が備えられる。電解質膜４６は、固体酸化物形電解質膜である。カソード電極４７は燃料極と称される場合がある。アノード電極４８は酸素極と称される場合がある。カソード電極４７およびアノード電極４８には電源４９が接続される。

電解装置１８は、電源４９から供給される電圧を各単位セル４５のカソード電極４７およびアノード電極４８に印加する。また、電解装置１８は、カソード入口部４１から流入する混合ガスを各単位セル４５のカソード電極４７に供給する。

カソード電極４７およびアノード電極４８に電圧が印加された状態において、カソード電極４７に混合ガスが供給されると、各単位セル４５は、混合ガスに含まれる二酸化炭素ガスおよび水蒸気の電解を開始する。二酸化炭素ガスおよび水蒸気の電解が開始されると、カソード電極４７で一酸化炭素ガスおよび水素ガスが生成され、アノード電極４８で酸素ガスが生成される。

電解装置１８は、各単位セル４５で生成された酸素ガスを集め、当該酸素ガスを、アノード出口部４４から酸素ガス流路３６に出力する。また、電解装置１８は、各単位セル４５で生成された一酸化炭素ガスおよび水素ガスを集め、当該一酸化炭素ガスおよび水素ガスを含む水素含有ガスを、カソード出口部４２から水素含有ガス流路３８に出力する。水素含有ガスは、各単位セル４５で生成された一酸化炭素ガスおよび水素ガスに加えて、電気分解されなかった水蒸気および二酸化炭素を含む。水素含有ガス流路３８に流入する水素含有ガスは、熱交換機、除湿機等を経由して、炭化水素生成装置２０に流入する。

炭化水素生成装置２０は、電解装置１８で生成される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素ガスおよび水素ガスから触媒反応によって炭化水素を生成する。炭化水素生成装置２０は、フィッシャー・トロプシュ法を用いて炭化水素を生成してもよい。

本実施形態による電解システム１０は、酸素タンク５０と、第１ポンプ５２と、二酸化炭素タンク５４と、第２ポンプ５６と、弁装置５８と、電流計６０と、制御装置６２とをさらに有する。

酸素タンク５０は、酸素ガスを貯留する。酸素タンク５０に貯留される酸素ガスは、電解装置１８の電解によりアノード電極４８で生成される。酸素タンク５０内のガス圧は、ガス圧センサ６４によって計測される。ガス圧センサ６４は、酸素タンク５０に設けられる。

酸素タンク５０は、酸素ガス流路３６上に設置される。酸素ガス流路３６は、電解装置１８のアノード出口部４４と、電解装置１８のアノード入口部４３とを繋ぐ。酸素タンク５０と、電解装置１８のアノード入口部４３との間の酸素ガス流路３６の一部はヒータ１６に配置される。酸素タンク５０から酸素ガス流路３６に流入する酸素ガスはヒータ１６により加熱され、電解装置１８のアノード入口部４３から電解装置１８に流入する。

第１ポンプ５２は、酸素タンク５０と電解装置１８のアノード出口部４４との間の酸素ガス流路３６上に設置される。第１ポンプ５２は、電解装置１８のアノード出口部４４から酸素ガス流路３６に流入する酸素ガスを酸素タンク５０に供給する。なお、酸素タンク５０内のガス圧が所定の上限値を超える場合、酸素ガス流路３６における酸素ガスのガス圧が上昇する。酸素ガス流路３６における酸素ガスのガス圧が所定のガス圧閾値を超えると、パージ流路３７に設けられる逆止弁３７Ｘが開き、酸素ガス流路３６から酸化剤ガスが排出される。パージ流路３７は、本実施形態では、酸素タンク５０とアノード出口部４４との間の酸素ガス流路３６に接続される。

二酸化炭素タンク５４は、二酸化炭素含有ガスを貯留する。二酸化炭素タンク５４に貯留される二酸化炭素含有ガスは、二酸化炭素ガスと酸素ガスとを含む。この二酸化炭素ガスは、カソード電極４７に析出した炭素と、電解質膜４６を透過した酸素イオンとの化学反応により生成される。二酸化炭素タンク５４内のガス圧は、ガス圧センサ６６によって計測される。ガス圧センサ６６は、二酸化炭素タンク５４に設けられる。

二酸化炭素タンク５４は、第２二酸化炭素ガス流路３９上に設置される。第２二酸化炭素ガス流路３９は、水素含有ガス流路３８から分岐し、二酸化炭素源１４とヒータ１６との間の二酸化炭素ガス流路３２に合流する。二酸化炭素タンク５４から第２二酸化炭素ガス流路３９に流入する二酸化炭素含有ガスはヒータ１６により加熱され、電解装置１８のアノード入口部４３から電解装置１８に流入する。

第２ポンプ５６は、二酸化炭素タンク５４と水素含有ガス流路３８との間の第２二酸化炭素ガス流路３９上に設置される。第２ポンプ５６は、電解装置１８のカソード出口部４２から水素含有ガス流路３８に流入する二酸化炭素含有ガスを、第２二酸化炭素ガス流路３９に送り出す。

弁装置５８は、電解装置１８のカソード電極４７に混合ガスを供給するか、電解装置１８のアノード電極４８に酸素ガスを供給するかを切り替え可能に構成される。弁装置５８は、第１開閉弁５８－１と、第２開閉弁５８－２と、第３開閉弁５８－３と、第４開閉弁５８－４と、三方弁５８－５とを含む。

第１開閉弁５８－１は、水流路３０に設置される。第２開閉弁５８－２は、二酸化炭素ガス流路３２に設置される。第３開閉弁５８－３は、酸素タンク５０とヒータ１６との間の酸素ガス流路３６に設置される。第４開閉弁５８－４は、二酸化炭素タンク５４と合流部分ＭＰとの間の第２二酸化炭素ガス流路３９に設置される。合流部分ＭＰは、二酸化炭素ガス流路３２に第２二酸化炭素ガス流路３９が合流する部分である。三方弁５８－５は、分岐部分ＢＰに設置される。分岐部分ＢＰは、水素含有ガス流路３８から第２二酸化炭素ガス流路３９が分岐する部分である。

電流計６０は、カソード電極４７およびアノード電極４８と、電源４９とで形成される閉回路に接続される。電流計６０は、カソード電極４７とアノード電極４８との間の電流を計測する。この計測電流は、複数の単位セル４５のカソード電極４７とアノード電極４８との間の電流であってもよいし、１つの単位セル４５のカソード電極４７とアノード電極４８との間の電流であってもよい。ただし、計測電流は、複数の単位セル４５のカソード電極４７とアノード電極４８との間の電流であることが望ましい。

制御装置６２は、電解システム１０の起動命令を受けた場合に、ヒータ１６を制御してヒータ１６をオンにする。その後、制御装置６２は、電流計６０によって計測される電流に基づいて、電解モードと消費モードとのいずれかを電解装置１８に実行させる。電解モードは、混合ガスを電解するモードである。消費モードは、カソード電極４７に析出する炭素を消費するモードである。

図２は、電解モードが実行される場合の流体の流れを示す図である。制御装置６２は、電解モードを電解装置１８に実行させる場合、電源４９、弁装置５８および第１ポンプ５２を制御する。この場合、制御装置６２は、第１ポンプ５２をオンにし、カソード電極４７およびアノード電極４８に電圧を印加する。また、制御装置６２は、第１開閉弁５８－１、第２開閉弁５８－２および第４開閉弁５８－４を開弁し、第３開閉弁５８－３を閉弁する。これに加えて、制御装置６２は、三方弁５８－５を制御して、水素含有ガス流路３８を開け、第２二酸化炭素ガス流路３９を閉じる。

なお、制御装置６２は、第２開閉弁５８－２および第４開閉弁５８－４の双方を同時に開弁してもよい。或いは、制御装置６２は、第４開閉弁５８－４を開弁した後に第２開閉弁５８－２を開弁してもよい。この場合、ガス圧センサ６６により計測される二酸化炭素タンク５４内のガス圧が所定の下限値を下回った場合に、制御装置６２は、第２開閉弁５８－２を開弁し、二酸化炭素源１４からの二酸化炭素ガスの供給を開始する。

電解モードが実行されると、水源１２から出力される水から得られる水蒸気と、二酸化炭素源１４または二酸化炭素タンク５４から出力される二酸化炭素ガスとがカソード入口部４１から電解装置１８に流入する。電解装置１８に流入する水蒸気および二酸化炭素ガスは、カソード電極４７およびアノード電極４８に印加される電圧に基づいて、電解される。

電解によりカソード電極４７で生成される一酸化炭素ガスおよび水素ガスは、水素含有ガスとして、電解装置１８のカソード出口部４２から水素含有ガス流路３８を介して炭化水素生成装置２０に供給される。また、電解によりアノード電極４８で生成される酸素ガスは、電解装置１８のアノード出口部４４から酸素ガス流路３６に出力される。酸素ガス流路３６に出力された酸素ガスは、第１ポンプ５２によって酸素タンク５０に供給され、当該酸素タンク５０に貯留される。

制御装置６２は、ガス圧センサ６４によって計測される酸素タンク５０内のガス圧が所定の上限値になるまで、酸素タンク５０に酸素ガスを貯留させる。ガス圧が上限値を超えると、制御装置６２は、第１ポンプ５２をオフにする。

また、制御装置６２は、電解モードの実行中に電流計６０によって計測される電流（電解電流）を監視する。カソード電極４７に炭素が析出すると、その炭素が抵抗体として機能し、電解電流が下がる。このため、炭素の析出量が多くなるほど、電解電流の低下量が大きくなる。電解電流が所定の第１閾値を下回った場合、制御装置６２は、カソード電極４７に所定量を超える炭素が析出していると判定する。この場合、制御装置６２は、カソード電極４７およびアノード電極４８への電圧の印加を停止し、消費モードを電解装置１８に実行させる。

なお、酸素タンク５０内のガス圧が上限値になるまでに、電流（電解電流）が第１閾値を下回った場合、制御装置６２は、電圧の印加を停止するとともに第１ポンプ５２をオフにする。

図３は、消費モードが実行される場合の流体の流れを示す図である。制御装置６２は、消費モードを電解装置１８に実行させる場合、第２ポンプ５６および弁装置５８を制御する。この場合、制御装置６２は、第２ポンプ５６をオンにする。また、制御装置６２は、第３開閉弁５８－３を開弁し、第１開閉弁５８－１、第２開閉弁５８－２および第４開閉弁５８－４を閉弁することで、電解装置１８への供給を混合ガスから酸素ガスに切り替える。これに加えて、制御装置６２は、三方弁５８－５を制御して、水素含有ガス流路３８を閉じ、第２二酸化炭素ガス流路３９を開ける。

消費モードが実行されると、酸素タンク５０から出力される酸素ガスがアノード入口部４３から電解装置１８に流入する。電解装置１８に流入する酸素ガスは、アノード電極４８に供給され、当該酸素ガスから生じる酸素イオンは電解質膜４６を透過する。

電解質膜４６を透過した酸素イオンは、カソード電極４７に析出する炭素と化学反応する。この化学反応により生成される二酸化炭素ガスは、炭素と化学反応しなかった余剰の酸素ガスを含む二酸化炭素含有ガスとして、電解装置１８のカソード出口部４２から第２二酸化炭素ガス流路３９に流出する。第２二酸化炭素ガス流路３９に流出する二酸化炭素含有ガスは、第２ポンプ５６によって二酸化炭素タンク５４に供給され、当該二酸化炭素タンク５４に貯留される。

制御装置６２は、ガス圧センサ６６によって計測される二酸化炭素タンク５４内のガス圧が所定の上限値になるまで、二酸化炭素タンク５４に二酸化炭素含有ガスを貯留させる。ガス圧が上限値を超えると、制御装置６２は、第２ポンプ５６をオフにする。

また、制御装置６２は、消費モードの実行中に電流計６０によって計測される電流（発電電流）を監視する。カソード電極４７に供給される酸素ガスと化学反応する炭素量が少なくなるほど、当該化学反応により得られる発電電流の低下量が大きくなる。発電電流が所定の第２閾値を下回った場合、制御装置６２は、カソード電極４７に析出する炭素が許容量であると判定する。この場合、制御装置６２は、電解モードを電解装置１８に実行させる。この実行により、電解装置１８への供給が混合ガスから酸素ガスに切り替えられる。

二酸化炭素タンク５４内のガス圧が上限値になるまでに、電流（発電電流）が第２閾値を下回った場合、制御装置６２は、第２ポンプ５６をオフにし、電解モードを電解装置１８に実行させる。なお、消費モードの実行中に得られる発電電流は、蓄電池に蓄電されてもよいし、電解システム１０における電子機器に駆動用電流として供給されてもよい。これにより、電解システム１０のエネルギーに補填できるので効率改善に繋がる。

図４は、電解制御処理の手順を示すフローチャートである。電解制御処理は、電解装置１８に電解モードを実行させるための処理である。なお、図４では、第１ポンプ５２の制御は省略している。また、図４では、第４開閉弁５８－４が開弁した後に第２開閉弁５８－２が開弁する場合の例を示している。

ステップＳ１において、制御装置６２は、カソード電極４７およびアノード電極４８に電圧を印加する。その後、電解制御処理はステップＳ２に移行する。

ステップＳ２において、制御装置６２は、第１開閉弁５８－１および第４開閉弁５８－４を開弁し、二酸化炭素ガスおよび水蒸気を電解装置１８に供給する。第１開閉弁５８－１および第４開閉弁５８－４が開弁されると、電解制御処理はステップＳ３に移行する。

ステップＳ３において、制御装置６２は、三方弁５８－５を制御して、水素含有ガス流路３８を開け、第２二酸化炭素ガス流路３９を閉じる。水素含有ガス流路３８が開けられると、電解制御処理はステップＳ４に移行する。

ステップＳ４において、制御装置６２は、第３開閉弁５８－３を閉弁し、電解装置１８で生成される酸素ガスの酸素タンク５０への貯留を開始する。第３開閉弁５８－３が閉弁されると、電解制御処理はステップＳ５に移行する。

ステップＳ５において、制御装置６２は、電流計６０によって計測される電流（電解電流）を所定の第１閾値と比較する。電流が第１閾値以上である場合（ステップＳ５：ＮＯ）、電解制御処理はステップＳ６に移行する。逆に、電流が第１閾値を下回る場合、（ステップＳ５：ＹＥＳ）、電解制御処理はステップＳ８に移行する。

ステップＳ６において、制御装置６２は、ガス圧センサ６６により計測される二酸化炭素タンク５４内のガス圧を第１圧力閾値と比較する。ガス圧が第１圧力閾値以上である場合（ステップＳ６：ＮＯ）、電解制御処理はステップＳ５に戻る。逆に、ガス圧が第１圧力閾値を下回る場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、電解制御処理はステップＳ７に移行する。

ステップＳ７において、制御装置６２は、第２開閉弁５８－２を開弁し、二酸化炭素源１４から電解装置１８への二酸化炭素ガスの供給を開始する。第２開閉弁５８－２が開弁されると、電解制御処理はステップＳ５に戻る。なお、第２開閉弁５８－２が開弁されると、制御装置６２は、ステップＳ６における第１圧力閾値との比較を停止する。この場合、電解制御処理は、電流が第１閾値を下回るまでステップＳ５に留まる。

ステップＳ８において、制御装置６２は、カソード電極４７およびアノード電極４８への電圧の印加を停止する。その後、電解制御処理は終了する。

図５は、消費制御処理の手順を示すフローチャートである。消費制御処理は、電解装置１８に消費モードを実行させるための処理である。なお、図５では、第２ポンプ５６の制御は省略している。

ステップＳ１１において、制御装置６２は、第１開閉弁５８－１、第２開閉弁５８－２および第４開閉弁５８－４を閉弁し、電解装置１８への二酸化炭素ガスおよび水蒸気の供給を停止する。なお、電解モードにおいて第２開閉弁５８－２が開弁されなかった場合、制御装置６２は、第１開閉弁５８－１および第４開閉弁５８－４だけを閉弁する。閉弁が終了すると、消費制御処理はステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２において、制御装置６２は、三方弁５８－５を制御して、水素含有ガス流路３８を閉じ、第２二酸化炭素ガス流路３９を開ける。第２二酸化炭素ガス流路３９が開けられると、消費制御処理はステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３において、制御装置６２は、第３開閉弁５８－３を開弁し、電解装置１８への酸素ガスの供給を開始する。第３開閉弁５８－３が開弁されると、消費制御処理はステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４において、制御装置６２は、電流計６０によって計測される電流を所定の第２閾値と比較する。電流が第２閾値以上である場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、電解モードはステップＳ１４に留まる。逆に、電流が第２閾値を下回る場合、（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、消費制御処理は終了する。

以上のように第１実施形態では、電解装置１８の電解によりカソード電極４７およびアノード電極４８の間に生じる電流が所定の第１閾値を下回ると、制御装置６２は消費モードを電解装置１８に実行させる。この場合、制御装置６２は、電解装置１８へのガスの供給を混合ガスから酸素ガスに切り替えて、カソード電極４７に析出する炭素を酸素ガスと化学反応させる。これにより、カソード電極４７に析出する炭素を削減することができる。その結果、混合ガスの電解効率の低減を抑制することができる。

〔第２実施形態〕
図６は、第２実施形態による電解システム１０の構成を示す概略図である。図６では、第１実施形態において説明した構成要素と同等の構成要素には同一の符号が付されている。なお、本実施形態では、第１実施形態と重複する説明は割愛する。

本実施形態による電解システム１０では、第２電解装置１８Ｘと、第２混合ガス流路３４Ｘと、第２水素含有ガス流路３８Ｘと、第３二酸化炭素ガス流路３９Ｘと、第３ポンプ５６Ｘとが新たに備えられる。

第２電解装置１８Ｘは、第１実施形態の電解装置１８とは別の電解装置である。この第２電解装置１８Ｘの構成は、第１実施形態の電解装置１８の構成と同じである。すなわち、第２電解装置１８Ｘは、カソード入口部４１と、カソード出口部４２と、アノード入口部４３と、アノード出口部４４と、複数の単位セル４５とを有する。単位セル４５のカソード電極４７およびアノード電極４８には電源４９Ｘが接続され、電源４９とカソード電極４７およびアノード電極４８とで形成される回路に電流計６０Ｘが接続される。

第２電解装置１８Ｘは、電解装置１８と同様に、カソード入口部４１から流入する二酸化炭素ガスおよび水蒸気を電解する。第２電解装置１８Ｘは、電解によりカソード電極４７で生成される一酸化炭素ガスおよび水素ガスを、水素含有ガスとしてカソード出口部４２から出力する。また、第２電解装置１８Ｘは、電解によりアノード電極４８で生成される酸素ガスをアノード出口部４４から出力する。

また、第２電解装置１８Ｘは、電解装置１８と同様に、カソード電極４７に析出した炭素を、アノード入口部４３から供給される酸素ガスとの化学反応により消費する。第２電解装置１８Ｘは、カソード電極４７に析出した炭素と、電解質膜４６を透過した酸素イオンとの化学反応により生成される二酸化炭素ガスを、二酸化炭素含有ガスとしてカソード出口部４２から出力する。

第２混合ガス流路３４Ｘは、第２電解装置１８Ｘのカソード入口部４１と混合ガス流路３４とを繋ぐ。混合ガス流路３４から第２混合ガス流路３４Ｘに流入する混合ガスは、第２電解装置１８Ｘのカソード入口部４１から電解装置１８に流入する。第２混合ガス流路３４Ｘと混合ガス流路３４との接続部分ＣＰには、第２三方弁５８－６が設置される。

第２水素含有ガス流路３８Ｘは、第２電解装置１８Ｘのカソード出口部４２と、水素含有ガス流路３８とを繋ぐ。カソード出口部４２から第２水素含有ガス流路３８Ｘに流入する水素含有ガスは、炭化水素生成装置２０に供給される。

第３二酸化炭素ガス流路３９Ｘは、第２水素含有ガス流路３８Ｘから分岐し、第２二酸化炭素ガス流路３９に合流する。第３二酸化炭素ガス流路３９Ｘが第２水素含有ガス流路３８Ｘから分岐する分岐部分ＢＰＸには、第３三方弁５８－７が設置される。なお、本実施形態の第２二酸化炭素ガス流路３９に、二酸化炭素タンク５４は設置されない。

第３ポンプ５６Ｘは、第３二酸化炭素ガス流路３９Ｘ上に設置される。第３ポンプ５６Ｘは、第２電解装置１８Ｘのカソード出口部４２から第２水素含有ガス流路３８Ｘに流入する二酸化炭素含有ガスを、第３二酸化炭素ガス流路３９Ｘに送り出す。

また、本実施形態による電解システム１０では、酸素ガス流路３６は、第２電解装置１８Ｘのアノード出口部４４と電解装置１８のアノード入口部４３とを繋ぐ。これに加えて、酸素ガス流路３６は、電解装置１８のアノード出口部４４と第２電解装置１８Ｘのアノード入口部４３とを繋ぐ。したがって、酸素ガスは、酸素ガス流路３６を介して、電解装置１８のアノード電極４８と第２電解装置１８Ｘのアノード電極４８との間を循環する。本実施形態の酸素ガス流路３６上に、酸素タンク５０は設置されない。一方、パージ流路３７は、第１実施形態と同様に酸素ガス流路３６に接続され、当該パージ流路３７に逆止弁３７Ｘが設けられる。

また、本実施形態による電解システム１０では、第１開閉弁５８－１、第２開閉弁５８－２、第３開閉弁５８－３および第４開閉弁５８－４は、取り除かれる。つまり、弁装置５８は、第１開閉弁５８－１、第２開閉弁５８－２、第３開閉弁５８－３および第４開閉弁５８－４を含まない。本実施形態の弁装置５８は、三方弁５８－５、第２三方弁５８－６および第３三方弁５８－７を含む。

制御装置６２は、電解モードおよび消費モードの一方を電解装置１８に実行させ、電解モードおよび消費モードの他方を第２電解装置１８Ｘに実行させる。電解モードと消費モードとを相互に切り替えるための指標値は、電解装置１８の電流計６０によって計測される電流であってもよいし、第２電解装置１８Ｘの電流計６０Ｘによって計測される電流であってもよい。

すなわち、電解装置１８（または第２電解装置１８Ｘ）の電流計６０によって計測される電流（電解電流）が所定の第１閾値を下回った場合、制御装置６２は、電解装置１８に対して消費モードを実行させる。この場合、制御装置６２は、第２電解装置１８Ｘに対しては電解モードを実行させる。

一方、電解装置１８（または第２電解装置１８Ｘ）の電流計６０によって計測される電流（発電電流）が所定の第２閾値を下回った場合、制御装置６２は、電解装置１８に対して電解モードを実行させる。この場合、制御装置６２は、第２電解装置１８Ｘに対しては消費モードを実行させる。

なお、電解モードと消費モードとを相互に切り替えるための指標値は、電解装置１８および第２電解装置１８Ｘの双方の電流計６０であってもよいことに留意されたい。

図７は、電解装置１８に対して電解モードが実行され、第２電解装置１８Ｘに対して消費モードが実行される場合の流体の流れを示す図である。制御装置６２は、電解装置１８に対して電解モードを実行させ、第２電解装置１８Ｘに対して消費モードを実行させる場合、電源４９、弁装置５８および第３ポンプ５６Ｘを制御する。

この場合、制御装置６２は、第３ポンプ５６Ｘをオンにし、電解装置１８のカソード電極４７およびアノード電極４８に電圧を印加する。また、制御装置６２は、三方弁５８－５を制御して、水素含有ガス流路３８を開け、第２二酸化炭素ガス流路３９を閉じる。また、制御装置６２は、第２三方弁５８－６を制御して、混合ガス流路３４を開け、第２混合ガス流路３４Ｘを閉じる。また、制御装置６２は、第３三方弁５８－７を制御して、第３二酸化炭素ガス流路３９Ｘを開け、第２水素含有ガス流路３８Ｘを閉じる。

電解装置１８に対して電解モードが実行され、第２電解装置１８Ｘに対して消費モードが実行されると、水源１２から出力される水から得られる水蒸気と、二酸化炭素源１４から出力される二酸化炭素ガスとがカソード入口部４１から電解装置１８に流入する。電解装置１８に流入する水蒸気および二酸化炭素ガスは、カソード電極４７およびアノード電極４８に印加される電圧に基づいて、電解される。

電解によりカソード電極４７で生成される一酸化炭素ガスおよび水素ガスは、水素含有ガスとして、電解装置１８のカソード出口部４２から水素含有ガス流路３８を介して炭化水素生成装置２０に供給される。

一方、電解によりアノード電極４８で生成される酸素ガスは、電解装置１８のアノード出口部４４から、酸素ガス流路３６を経由して、第２電解装置１８Ｘのアノード入口部４３に流れる。アノード入口部４３から第２電解装置１８Ｘに流入する酸素ガスは、アノード電極４８に供給され、電解質膜４６を透過してカソード電極４７に供給される。

第２電解装置１８Ｘのカソード電極４７に供給される酸素ガスは、カソード電極４７に析出する炭素と化学反応する。この化学反応により生成される二酸化炭素ガスは、炭素と化学反応しなかった余剰の酸素ガスを含む二酸化炭素含有ガスとして、第２電解装置１８Ｘのカソード出口部４２から第２水素含有ガス流路３８Ｘに流出する。第２水素含有ガス流路３８Ｘに流出する二酸化炭素含有ガスは、第３ポンプ５６Ｘによって二酸化炭素ガス流路３２に供給される。二酸化炭素ガス流路３２に供給される二酸化炭素含有ガスは、二酸化炭素源１４から供給される二酸化炭素ガスとともに、混合ガス流路３４を経由して電解装置１８に供給される。

このように、電解装置１８の電解により得られる酸素ガスは、第２電解装置１８Ｘのカソード電極４７に析出する炭素との化学反応に用いられる。さらに、炭素との化学反応により得られる二酸化炭素ガスは、電解装置１８の電解に用いられる。したがって、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを大気中に排気することを抑制することができ、さらにガスの利用効率化を図ることができる。これに加えて、酸素タンク５０および二酸化炭素タンク５４を取り除くことができ、その結果、電解システム１０の小型化を図ることができる。

図８は、電解装置１８に対して消費モードが実行され、第２電解装置１８Ｘに対して電解モードが実行される場合の流体の流れを示す図である。制御装置６２は、電解装置１８に対して消費モードを実行させ、第２電解装置１８Ｘに対して電解モードを実行させる場合、電源４９、弁装置５８、第１ポンプ５２および第２ポンプ５６を制御する。

この場合、制御装置６２は、第１ポンプ５２および第２ポンプ５６をオンにし、第２電解装置１８Ｘのカソード電極４７およびアノード電極４８に電圧を印加する。また、制御装置６２は、三方弁５８－５を制御して、水素含有ガス流路３８を閉じ、第２二酸化炭素ガス流路３９を開ける。また、制御装置６２は、第２三方弁５８－６を制御して、混合ガス流路３４を閉じ、第２混合ガス流路３４Ｘを開ける。また、制御装置６２は、第３三方弁５８－７を制御して、第３二酸化炭素ガス流路３９Ｘを閉じ、第２水素含有ガス流路３８Ｘを開ける。

電解装置１８に対して消費モードが実行され、第２電解装置１８Ｘに対して電解モードが実行されると、水源１２から出力される水から得られる水蒸気と、二酸化炭素源１４から出力される二酸化炭素ガスとは、第２混合ガス流路３４Ｘを経由して、カソード入口部４１から第２電解装置１８Ｘに流入する。第２電解装置１８Ｘに流入する水蒸気および二酸化炭素ガスは、カソード電極４７およびアノード電極４８に印加される電圧に基づいて、電解される。

電解によりカソード電極４７で生成される一酸化炭素ガスおよび水素ガスは、水素含有ガスとして、第２電解装置１８Ｘのカソード出口部４２から第２水素含有ガス流路３８Ｘを介して炭化水素生成装置２０に供給される。

一方、電解によりアノード電極４８で生成される酸素ガスは、第１ポンプ５２によって、第２電解装置１８Ｘのアノード出口部４４から電解装置１８のアノード入口部４３に、酸素ガス流路３６を介して供給される。アノード入口部４３から電解装置１８に流入する酸素ガスは、アノード電極４８に供給され、電解質膜４６を透過してカソード電極４７に供給される。

電解装置１８のカソード電極４７に供給される酸素ガスは、カソード電極４７に析出する炭素と化学反応する。この化学反応により生成される二酸化炭素ガスは、炭素と化学反応しなかった余剰の酸素ガスを含む二酸化炭素含有ガスとして、電解装置１８のカソード出口部４２から水素含有ガス流路３８に流出する。水素含有ガス流路３８に流出する二酸化炭素含有ガスは、第２ポンプ５６によって二酸化炭素ガス流路３２に供給される。二酸化炭素ガス流路３２に供給される二酸化炭素含有ガスは、二酸化炭素源１４から供給される二酸化炭素ガスとともに、第２混合ガス流路３４Ｘを経由して第２電解装置１８Ｘに供給される。

このように、第２電解装置１８Ｘの電解により得られる酸素ガスは、電解装置１８のカソード電極４７に析出する炭素との化学反応に用いられる。さらに、炭素との化学反応により得られる二酸化炭素ガスは、第２電解装置１８Ｘの電解に用いられる。したがって、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを大気中に排気することを抑制することができ、さらにガスの利用効率化を図ることができる。これに加えて、酸素タンク５０および二酸化炭素タンク５４を取り除くことができ、その結果、電解システム１０の小型化を図ることができる。

〔変形例〕
第１実施形態または第２実施形態の電解装置１８は、複数有してもよい。この場合、各電解装置１８のカソード入口部４１は、混合ガス流路３４に対して並列接続される。同様に、各電解装置１８のカソード出口部４２は、水素含有ガス流路３８に対して並列接続される。同様に、各電解装置１８のアノード入口部４３およびアノード出口部４４は、酸素ガス流路３６に対して並列接続される。

第２実施形態の第２電解装置１８Ｘは、複数有してもよい。この場合、各第２電解装置１８Ｘのカソード入口部４１は、第２混合ガス流路３４Ｘに対して並列接続される。同様に、各第２電解装置１８Ｘのカソード出口部４２は、第２水素含有ガス流路３８Ｘに対して並列接続される。同様に、各第２電解装置１８Ｘのアノード入口部４３およびアノード出口部４４は、酸素ガス流路３６に対して並列接続される。

〔発明〕
以上の記載から把握し得る発明および効果について以下に記載する。

（１）本発明は、電解質膜（４６）と、前記電解質膜を挟持するカソード電極（４７）およびアノード電極（４８）である一対の電極とを含み、二酸化炭素ガスおよび水蒸気を含む混合ガスを電解する電解装置（１８）と、前記電解により生成される水素含有ガスに基づいて炭化水素を生成する炭化水素生成装置（２０）と、を有する電解システム（１０）であって、前記カソード電極に前記混合ガスを供給するか、前記アノード電極に酸素ガスを供給するかを切り替える弁装置（５８）と、前記一対の電極間の電流を計測する電流計（６０）と、前記混合ガスが前記電解装置に供給されている状態において、前記電流が所定の第１閾値を下回った場合に、前記弁装置を制御して、前記電解装置への供給を前記混合ガスから前記酸素ガスに切り替え、前記カソード電極に析出する炭素を前記酸素ガスと化学反応させる制御装置（６２）と、を備える。

これにより、カソード電極に析出する炭素を削減することができる。その結果、混合ガスの電解効率の低減を抑制することができる。

（２）本発明は、電解システムであって、前記酸素ガスが前記電解装置に供給されている状態において、前記電流が所定の第２閾値を下回った場合に、前記制御装置は、前記弁装置を制御して、前記電解装置への供給を前記酸素ガスから前記混合ガスに切り替えてもよい。これにより、カソード電極に析出する炭素が削減された状態で電解を再開させることができる。

（３）本発明は、電解システムであって、前記制御装置は、前記電流に基づいて、前記混合ガスを電解する電解モードと、前記カソード電極に析出する炭素を消費する消費モードとのいずれかを前記電解装置に実行させてもよい。これにより、電解システムの運転時における電解効率の低減を抑制することができる。

（４）本発明は、電解システムであって、前記化学反応により生成された前記二酸化炭素ガスを貯留する二酸化炭素タンク（５４）を備え、前記弁装置は、前記二酸化炭素タンクに貯留された前記二酸化炭素ガスと前記水蒸気とを含む前記混合ガスを前記カソード電極に供給してもよい。これにより、大気中への二酸化炭素ガスの排出を抑制することができ、また二酸化炭素ガスの利用効率化を図ることができる。

（５）本発明は、電解システムであって、前記弁装置は、前記混合ガスに含まれる前記二酸化炭素ガスを、前記二酸化炭素タンクと、前記二酸化炭素タンク以外の二酸化炭素源（１４）との少なくとも一方から供給可能であり、前記二酸化炭素タンク内のガス圧が所定の下限値を下回った場合に、前記制御装置は、前記弁装置を制御して、前記二酸化炭素源からの前記二酸化炭素ガスの供給を開始してもよい。これにより、二酸化炭素ガスの利用効率化を図ることができる。

（６）本発明は、電解システムであって、前記電解により前記アノード電極に生成される前記酸素ガスを貯留する酸素タンク（５０）を備え、前記弁装置は、前記酸素タンクから前記酸素ガスを前記カソード電極に供給してもよい。これにより、大気中への酸素ガスの排出を抑制することができ、また酸素ガスの利用効率化を図ることができる。

（７）本発明は、電解システムであって、前記制御装置は、前記電解により前記アノード電極に生成される前記酸素ガスを、前記酸素タンク内のガス圧が所定の上限値になるまで前記酸素タンクに貯留させてもよい。これにより、酸素タンク内への過度の酸素ガスの貯留を抑制することができる。

（８）本発明は、電解システムであって、前記電解質膜と前記一対の電極とを含み、前記混合ガスを電解する第２電解装置（１８Ｘ）を有し、前記弁装置は、前記第２電解装置の前記カソード電極に前記混合ガスを供給することにより、前記電解装置の前記アノード電極に前記酸素ガスを供給してもよい。これにより、酸素ガスおよび二酸化炭素ガスを大気中に排気することを抑制することができ、さらにガスの利用効率化を図ることができる。これに加えて、酸素タンクおよび二酸化炭素タンクを取り除くことができ、その結果、電解システムの小型化を図ることができる。

１０…電解システム １２…水源
１４…二酸化炭素源 １８…電解装置
１８Ｘ…第２電解装置 ２０…炭化水素生成装置
４６…電解質膜 ４７…カソード電極
４８…アノード電極 ５０…酸素タンク
５４…二酸化炭素タンク ５８…弁装置
６０…電流計 ６２…制御装置

Claims (8)

1. 電解質膜と、前記電解質膜を挟持するカソード電極およびアノード電極である一対の電極とを含み、二酸化炭素ガスおよび水蒸気を含む混合ガスを電解する電解装置と、前記電解により生成される水素含有ガスに基づいて炭化水素を生成する炭化水素生成装置と、を有する電解システムであって、
   前記カソード電極に前記混合ガスを供給するか、前記アノード電極に酸素ガスを供給するかを切り替える弁装置と、
   前記一対の電極間の電流を計測する電流計と、
   前記混合ガスが前記電解装置に供給されている状態において、前記電流が所定の第１閾値を下回った場合に、前記弁装置を制御して、前記電解装置への供給を前記混合ガスから前記酸素ガスに切り替え、前記カソード電極に析出する炭素を前記酸素ガスと化学反応させる制御装置と、
   を備える、電解システム。
2. 請求項１に記載の電解システムであって、
   前記酸素ガスが前記電解装置に供給されている状態において、前記電流が所定の第２閾値を下回った場合に、前記制御装置は、前記弁装置を制御して、前記電解装置への供給を前記酸素ガスから前記混合ガスに切り替える、電解システム。
3. 請求項２に記載の電解システムであって、
   前記制御装置は、前記電流に基づいて、前記混合ガスを電解する電解モードと、前記カソード電極に析出する炭素を消費する消費モードとのいずれかを前記電解装置に実行させる、電解システム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の電解システムであって、
   前記化学反応により生成された前記二酸化炭素ガスを貯留する二酸化炭素タンクを備え、
   前記弁装置は、前記二酸化炭素タンクに貯留された前記二酸化炭素ガスと前記水蒸気とを含む前記混合ガスを前記カソード電極に供給する、電解システム。
5. 請求項３または４に記載の電解システムであって、
   前記弁装置は、前記混合ガスに含まれる前記二酸化炭素ガスを、前記二酸化炭素タンクと、前記二酸化炭素タンク以外の二酸化炭素源との少なくとも一方から供給可能であり、
   前記二酸化炭素タンク内のガス圧が所定の下限値を下回った場合に、前記制御装置は、前記弁装置を制御して、前記二酸化炭素源からの前記二酸化炭素ガスの供給を開始する、電解システム。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の電解システムであって、
   前記電解により前記アノード電極に生成される前記酸素ガスを貯留する酸素タンクを備え、
   前記弁装置は、前記酸素タンクから前記酸素ガスを前記カソード電極に供給する、電解システム。
7. 請求項６に記載の電解システムであって、
   前記制御装置は、前記電解により前記アノード電極に生成される前記酸素ガスを、前記酸素タンク内のガス圧が所定の上限値になるまで前記酸素タンクに貯留させる、電解システム。
8. 請求項１に記載の電解システムであって、
   前記電解質膜と前記一対の電極とを含み、前記混合ガスを電解する第２電解装置を有し、
   前記弁装置は、前記第２電解装置の前記カソード電極に前記混合ガスを供給することにより、前記電解装置の前記アノード電極に前記酸素ガスを供給する、電解システム。

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