JP6881008B2 - Sofcシステム制御用プログラム、soecシステム制御用プログラム、及び、リバーシブルsocシステム制御用プログラム、並びに、sofcシステム、soecシステム、及びリバーシブルsocシステム - Google Patents
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Description
一方、固体酸化物型電解セル(SOEC)は、SOFCと構造は同じであるが、SOFCとは逆の反応を起こさせるものである。すなわち、SOECにCO2及びH2Oを供給し、電極間に電流を流すと、COやH2を生成させることができる。
(a)直射日光を熱エネルギーに変換し、
(b)熱エネルギーを用いて合成ガス生成セルの温度を500℃〜1000℃に加熱し、CO2とH2Oから合成ガスを生成させ、
(c)合成ガス生成セルで得られた合成ガス流を触媒反応器に供給し、炭化水素燃料を生成する、
方法が開示されている。
SOFCも同様であり、燃料利用率Ufが不適切であると、発電出力の低下、及び/又は、発電効率の低下が生じる。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、このようなプログラムを実行するための手段を備えたSOFCシステム、SOECシステム、及びリバーシブルSOCシステムを提供することにある。
(1)前記SOFCシステム制御用プログラムは、
炭化水素を改質するための改質器が外部にある間接外部型、又は前記改質器が内部にある間接内部型のSOFCと、
前記改質器にH2Oを供給する蒸発器と、
前記SOFCのアノードオフガスからCO2を分離する第1CO2分離器と、
前記アノードオフガスからH2Oを分離するH2O分離器と
を備えたSOFCシステム、又は、
前記蒸発器に代えて、前記アノードオフガスからCO2及びH2Oを除去した後に残る循環ガスを前記SOFCに戻すアノードオフガス循環手段を備えたSOFCシステム
の燃料利用率U'fを制御するために用いられる。
(a)要求発電電力W'SET、及び燃料利用率U'f,SETを入力し、メモリに記憶させる手順a。
(b)前記W'SET、及び前記'Uf,SETに基づいて、前記炭化水素の初期の流量VCH4,SET、及び初期の電流密度Iを算出し、前記メモリに記憶させる手順b。
(c)前記VCH4,SETに基づいて、水流量VH2O,SUPを算出し、前記メモリに記憶させる手順c。
前記改質器の温度Tref、
前記改質器の圧力Pref、
前記第1CO2分離器の第1パージ流路を流れるCO2の流量VCO2,SEP1、及び、
前記H2O分離器の第3パージ流路を流れるH2Oの流量VH2O,SEP、並びに、
前記アノードオフガス循環手段を備えた前記SOFCシステムについては、さらに前記循環ガスの流量VRCYを検出し、
これらを前記メモリに記憶させる手順d。
検出された前記Tref、前記P ref 、前記VCO2,SEP1、前記VH2O,SEP、及び前記VRCY、並びに、以下の式(2)及び式(3)を用いて、燃料利用率の推定値U'f,calを算出する手順e。
(h)前記W'measが以下の式(5)を満たさない時は、前記VCH4,SETを増減させ、新たに設定された前記VCH4,SETを用いて前記手順c〜gを繰り返す手順h。
(1)前記SOECシステム制御用プログラムは、
H2O/CO2共電解を行うためのSOECと、
前記SOECにH2Oを供給する蒸発器と、
前記SOECのカソードオフガスからCO2を分離する第1CO2分離器と、
CO2源から供給される排ガスからCO2を分離し、CO2を含むパージガスを前記SOECに供給する第2CO2分離器と、
前記カソードオフガスからH2Oを分離するH2O分離器と、
前記カソードオフガスからCO2及びH2Oを除去した後に残る残留ガス(合成ガス)から炭化水素を製造する燃料製造器と、
前記炭化水素を貯蔵するための貯蔵タンクと
を備えたSOECシステム、又は、
前記カソードオフガスに含まれるCO2及びH2Oを前記SOECに戻すカソードオフガス循環手段をさらに備えたSOECシステム
の燃料利用率Ufを制御するために用いられる。
(A)要求電解電力WSET、及び燃料利用率Uf,SETを入力し、メモリに記憶させる手順A。
(B)前記WSET、及び前記Uf,SETに基づいて、前記H2Oの初期の流量VH2O,SET、前記CO2の初期の流量VCO2,SET、及び電流密度Iを算出し、前記メモリに記憶させる手順B。
(C)前記VH2O,SET、前記VCO2,SET、及び前記Iの条件下で電解を行い、
前記第1CO2分離器の第1パージ流路を流れるCO2の流量VCO2,SEP1、及び、前記H2O分離器の第3パージ流路を流れるH2Oの流量VH2O,SEP、又は、
これらに加えてさらに前記第2CO2分離器の第2パージ流路を流れるCO2の流量VCO2,SEP2、を検出し、
これらを前記メモリに記憶させる手順C。
検出された前記VCO2,SEP1、及び前記VH2O,SEP、又は、これらに加えてさらに前記VCO2,SEP2、並びに、以下の式(6)を用いて、燃料利用率の推定値Uf,calを算出する手順D。
(G)前記Wmeasが以下の式(8)を満たさない時は、前記VH2O,SET、及び前記VCO2,SETを増減させ、新たに設定された前記VH2O,SET、及び前記VCO2,SETを用いて前記手順C〜Fを繰り返す手順G。
本発明に係るSOFCシステム制御用プログラムと、
本発明に係るSOECシステム制御用プログラムと
を備えていることを要旨とする。
本発明に係るSOECシステムは、本発明に係るSOECシステム制御用プログラムを実行するための手段を備えていることを要旨とする。
さらに、本発明に係るリバーシブルSOCシステムは、本発明に係るリバーシブルSOCシステム制御用プログラムを実行するための手段を備えていることを要旨とする。
次に、U'f,cal又はUf,calがU'f,SET又はUf,SETにほぼ等しくなったところで、W'meas又はWmeasを測定する。W'meas又はWmeasがW'SET又はWSETより大きい時には燃料/原料流量を減少させ、前者が後者より小さい時には燃料/原料を増加させると、W'meas又はWmeasを設定値W'SET又はWSETに近づけることができる。
以下、電流密度Iを増減させる手順と、燃料/原料流量を増減させる手順とを繰り返すと、W'meas又はWmeas、及びU'f又はUfを、それぞれ、設定値にほぼ一致させることができる。
[1. SOFCシステム(1): アノードオフガス循環式]
[1.1. 構成]
図1に、本発明の第1の実施の形態に係るSOFCシステムの模式図を示す。図1において、SOFCシステム10aは、アノードオフガス循環式のSOFCシステムであって、SOFC40aと、第1CO2分離器14と、H2O分離器22と、エジェクタ34とを備えている。これらの内、第1CO2分離器14、H2O分離器22、及びエジェクタ34は、それぞれ、アノードオフガスからCO2及びH2Oを除去した後に残る循環ガスをSOFC40aに戻すアノードオフガス循環手段の一部を構成する。
SOFC40aは、炭化水素を改質するための改質器が内部にある間接内部型SOFCであって、SOFCセル42と、改質器44aとを備えている。なお、SOFC40aは、炭化水素を改質するための改質器が外部にある間接外部型SOFCであっても良い。間接内部型SOFC及び間接外部SOFCのいずれであっても、後述する制御用プログラムを適用することができる。
改質器44aは、SOFC40aの内部において、燃料である炭化水素を水蒸気改質するためのものである。改質器44aの構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
なお、本発明において、各変数に付された添え字「CH4」は、特にことわらない限り炭化水素CnHmを表し、メタンに限定する趣旨ではない。
第1CO2分離器14は、SOFC40aのアノードオフガス(A'out)からCO2を分離し、CO2の全部又は一部が除去されたオフガス(B1out)と、主としてCO2を含む分離ガス(C1out)に分離するためのものである。B1outは、H2O分離器22で処理された後、SOFC40aに戻される。一方、C1outは、系外に排出される。第1CO2分離器14は、A'outに含まれる未反応の燃料を回収し、SOFC40aに戻す機能を備えており、アノードオフガス循環手段の一部を構成する。第1CO2分離器14の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
あるいは、第1CO2分離器14は、CO2を可逆的に吸蔵・放出することが可能なCO2分離材が充填された2つの独立した流路を備えたものでも良い(以下、「バッチ切り替え式」ともいう)。第1フィード流路にCO2を含むガスを流すと、CO2分離材によりCO2が吸収される。一方、第1パージ流路にパージガスを流すと、CO2分離材からCO2が放出される。所定時間経過後に、第1フィード流路と第1パージ流路を切り替えると、引き続き、CO2の吸蔵・放出を行うことができる。
第1流量計50aで検出されるCO2流量をVCO2,SEP1とすると、VCO2,RCYは、VCO2,RCY=(1−ηCO2,SEP1)×VCO2,SEP1/ηCO2,SEP1と表される。また、第1フィード流路に供給されるCO2の流量は、VCO2,SEP1/ηCO2,SEP1と表される。これらの流量は、燃料利用率の推定値U'f,calを算出する際に用いられる。
予め、TCO2,SEP1、PC02.SEP1、及び、ηCO2,SEP1の関係をメモリに記憶させておくと、SOFCシステムの作動時にTCO2.SEP1、及びPCO2.SEP1を検出すれば、検出されたTCO2,SEP1、及びPCO2.SEP1に対応するηCO2,SEP1をメモリから読み出すことができる(手順e1)。
H2O分離器22は、B1outからH2Oを分離し、H2Oの一部が除去されたオフガス(Dout)と、主としてH2Oを含む分離ガス(Eout)に分離するためのものである。Doutは、SOFC40aに戻される。一方、Eoutは、系外に排出される。H2O分離器22は、A'outに含まれる未反応の燃料を回収し、SOFC40aに戻す機能を備えており、アノードオフガス循環手段の一部を構成する。また、アノードオフガス循環式では、Doutに含まれるH2Oを用いて水蒸気改質が行われる。H2O分離器22の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。例えば、H2O分離器22は、分離膜方式でも良く、あるいは、バッチ切り替え式でも良い。
第3流量計50cで検出されるH2O流量をVH2O,SEPとすると、VH2O,RCYは、VH2O,RCY=(1−ηH2O,SEP)×VH2O,SEP/ηH2O,SEPと表される。また、第3フィード流路の供給されるH2Oの流量は、VH2O,SEP/ηH2O,SEPと表される。これらの流量は、燃料利用率の推定値U'f,calを算出する際に用いられる。
予め、ΔPH2O、U'f,SET、第3フィード流路を流れるH2OとCO2の流量比(H2O/CO2比)、及び、ηH2O,SEPの関係をメモリに記憶させておくと、SOFCシステムの作動時にΔPH2Oを検出すれば、検出されたΔPH2O、U'f,SET、及びH2O/CO2比に対応するηH2O,SEPをメモリから読み出すことができる(手順e2)。
エジェクタ34は、燃料源(図示せず)から供給される燃料をSOFC40aのアノードに供給するためのものである。また、エジェクタ34は、A'outから回収された未反応の燃料をSOFC40aに戻すため、及びDoutに含まれるH2Oを改質器44aに供給するためにも用いられる。
この状態で、燃料源から供給される燃料を駆動側のノズルから高圧で噴出させると、ノズル周囲の負圧によりH2O分離器22のオフガス(Dout)が吸引される。燃料源から供給される燃料の流量VCH4,SETは、図示しない流量計を用いて検出される。検出されたVCH4,SETは、燃料利用率の推定値U'f,calを算出する際に用いられる。
本実施の形態に係るSOFCシステム10aは、上述した手段に加えて、システムを制御するための制御手段をさらに備えている。また、制御手段には、本発明に係るSOFCシステム制御用プログラムが格納されている。SOFCシステム制御用プログラムは、具体的には、要求発電電力W'SETを取得した時に、予め設定された燃料利用率U'f,SETとなるように、燃料流量VCH4,SET、及び電流密度Iを制御するためのプログラムである。
図2に、本発明に係るSOFCシステム制御用プログラムのフローチャートの一例を示す。図2において、SOFCシステム制御用プログラムは、コンピュータに以下の手順を実行させるためのものからなる。
まず、ステップ1(以下、単に「S1」という。)において、要求発電電力W'SET、及び燃料利用率U'f,SETを入力し、メモリに記憶させる(手順a)。W'SETの入力方法は、特に限定されない。U'f,SETは、マニュアルで入力しても良く、あるいは、予め設定された値を選択しても良い。
U'f,SETの値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に設定することができる。一般に、U'f,SETが大きくなるほど、セル電圧は高くなるが、発電効率は低下する。しかし、アノードオフガス循環を行う場合において、U'f,SETを相対的に低く設定すると、セル電圧を低下させることなく、発電効率を向上させることができる。
次に、S2において、W'SET、及びU'f,SETに基づいて、炭化水素の初期の流量VCH4,SET、及び初期の電流密度Iを算出し、メモリに記憶させる(手順b)。通常、システムの仕様が既知である場合において、W'SET、及びU'f,SETが決まると、これらを実現するためのVCH4,SET、及びIは、計算により求めることができる。VCH4,SET、及びIの初期値には、このようにして得られた計算値を用いる。
なお、実際には、計算により求められたVCH4,SET、及びIを用いて発電を行っても、実際の発電電力W'meas、及び燃料利用率U'fは、それぞれ、種々の要因により、設定されたW'SET、及びU'f,SETにならない場合が多い。本発明では、後述する手順を用いて、W'meas、及びU'fを設定値に近づける。
次に、S3において、VCH4,SETに基づいて、水流量VH2O,SUPを算出し、メモリに記憶させる(手順c)。VH2O,SUPは、改質器44aに供給される水の量を表す。VH2O,SUPは、水蒸気改質を行う際のSteam/Carbon比(S/C比)に依存し、VH2O,SUP=S/C比×VCH4,SETで表される。S/C比は、予め設定されており、メモリに記憶されている。S/C比の値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を設定することができる。
次に、S4において、VCH4,SET、I、及びVH2O,SUPの条件下で発電を行う。この状態で、改質器44aの温度Tref、改質器44aの圧力Pref、第1CO2分離器14の第1パージ流路を流れるCO2の流量VCO2,SEP1、及び、H2O分離器22の第3パージ流路を流れるH2Oの流量VH2O,SEP、並びに、循環ガスの流量VRCYを検出し、これらをメモリに記憶させる(手順d)。
次に、予め、以下の式(1)で表される改質ガス流量Vi,IN、並びに、第1CO2分離器14のCO2分離率ηCO2,SEP1、及び第H2O分離器22のH2O分離率ηH20,SEPをメモリに記憶させておき、検出されたTref、P ref 、VCO2,SEP1、VH2O,SEP、及びVRCY、並びに、以下の式(2)及び式(3)を用いて、燃料利用率の推定値U'f,calを算出する(手順e)。
なお、後述するアノードオフガス循環なしのSOFCの場合には、循環ガスの流量VRCYはゼロとなるので、S6の手順を省略することができる。
なお、U'f,calの算出に用いるVi,INは、同一構造のシステムを用いて実測された値でも良く、あるいは、数値計算により求められた値でも良い。
次に、S8において、U'f,calが以下の式(4)を満たすか否かが判断される。式(4)中、ε1は、設定値U'f,SETと推定値U'f,calの許容誤差を表す。ε1の値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に設定することができる。
S9において、電流密度Iを増減した後、S4に戻り、新たに設定された電流密度Iを用いて、S4〜S9の各ステップを繰り返す(手順f)。
U'f,calが式(4)を満たす時(S8:YES)は、S10に進む。S10では、発電電力W'measを測定し、W'measをメモリに記憶させる(手順g)。
次に、S11において、W'measが以下の式(5)を満たすか否かが判断される。式(5)中、ε2は、設定値W'SETと実測値W'measの許容誤差を表す。ε2の値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に設定することができる。
S12において、燃料流量VCH4,SETを増減した後、S3に戻り、新たに設定された燃料流量VCH4,SETを用いて、S3〜S12の各ステップを繰り返す(手順h)。
W'measが式(5)を満たす時(S11:YES)は、S13に進む。S13では、SOFC運転を終了させるか否かが判断される。運転を終了しない場合(S13:NO)には、S14に進む。S14では、W'SETが変更されたか否かが判断される。W'SETが変更されない場合(S14:NO)には、定常作動に移行する(手順i)。具体的には、S4に戻り、上述したS4〜S14の各ステップを繰り返す。
さらに、SOFC運転を終了させる場合(S13:YES)には、SOFC40aへの燃料供給を停止させる。なお、後述するリバーシブルSOCシステムにおいては、SOFC運転を終了させた後(S13:YES)、システムを停止させる前にSOECモードに移行する場合がある。
改質器44a内においては、式(a)で表される水蒸気改質反応と、式(b)で表される水性ガスシフト反応が起こる。
CnHm + nH2O → nCO + (m/2+n)H2 ・・・(a)
CO + H2O → CO2 + H2 ・・・(b)
式(a)及び式(b)のいずれも、通常、反応は完全に右に進行しない。また、実際の水蒸気改質の際には、通常、水蒸気とCOの量論比(S/C比)が1より大きく設定される。そのため、改質ガスは、原料と反応生成物との混合物(すなわち、H2、CO、H2O、CO2、及びCnHmの混合物)となる。
例えば、第1CO2分離器14がCO2分離材を用いたバッチ切り替え式のCO2分離器である場合、CO2分離率ηCO2,SEP1は、CO2吸収時の第1フィード流路の温度(吸収温度)TCO2、及び第1フィード流路の圧力PCO2が決まると、一義的に定まる。
そのため、ηCO2,SEP1を定数としても良いが、より正確なηCO2,SEP1を知るためには、第1CO2分離器14は、TCO2を検出するための第2温度検出手段、及びPCO2を検出するための第2圧力検出手段を備えているのが好ましい。U'f,calを算出する際には、検出されたTCO2、及びPCO2を用いて、ηCO2,SEP1を推定する。
例えば、H2O分離器22が分離膜方式のH2O分離器である場合、H2O分離率ηH2O,SEPは、第3フィード流路と第3パージ流路の間の圧力差ΔPH2O、U'f,SET、及び、第3フィード流路に供給されるH2OとCO2の比(H2O/CO2比)が決まると、一義的に定まる。そのため、ηH2O,SEPを定数としても良いが、より正確なηH2O,SEPを知るためには、H2O分離器22は、ΔPH2Oを検出するための圧力差検出手段を備えているのが好ましい。H2O/CO2比は、適切な手段を用いて実測しても良いが、VCO2,SEP1、ηCO2,SEP1、VH2O,SEP、及びηH2O,SEPから算出することができる。
なお、この方法は、分離膜方式のCO2分離器に対しても適用することができる。また、この方法は、後述するSOECシステムにも適用することができる。
[2.1. 構成]
図11に、本発明の第2の実施の形態に係るSOFCシステムの模式図を示す。図11において、SOFCシステム10bは、アノードオフガス循環のないSOFCシステムであって、SOFC40bと、改質器44bと、第1CO2分離器14と、蒸発器18と、H2O分離器22と、燃焼器52とを備えている。
本実施の形態において、SOFC40bは、炭化水素を改質するための改質器が外部にある間接外部型SOFCからなる。SOFC40bに関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
本実施の形態において、改質器44bは、SOFC40bの外部において、燃料である炭化水素を水蒸気改質するためのものである。改質器44bの構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
図11に示す例において、改質器44bは、燃料ガスを流すための改質流路(図示せず)と、改質器44b内の温度Trefを検出するための温度検出手段46と、改質器44b内の圧力P ref を検出するための圧力検出手段48と、燃焼ガスを流すための燃焼ガス流路(図示せず)とを備えている。改質流路の入口は、蒸発器18の出口、及び燃料源(図示せず)の出口に接続されている。また、改質流路の出口は、SOFC40bのアノード流路の入口に接続されている。燃焼ガス流路の入口は燃焼器52の排ガス排出口に接続され、燃焼ガス流路の出口は大気に接続されている。改質器44bに関するその他の点については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
第1CO2分離器14は、SOFC40bのアノードオフガス(A'out)からCO2を分離し、CO2の全部又は一部が除去されたオフガス(B1out)と、主としてCO2を含む分離ガス(C1out)に分離するためのものである。本実施の形態において、B1outは、H2O分離器22で処理された後、燃焼器52の燃料として用いられる。また、C1outは、系外に排出される。すなわち、本実施の形態において、第1CO2分離器14は、アノードオフガス循環手段の一部を構成しない。
H2O分離器22は、B1outからH2Oを分離し、H2Oの全部又は一部が除去されたオフガス(Dout)と、主としてH2Oを含む分離ガス(Eout)に分離するためのものである。本実施の形態において、Doutは、燃焼器52の燃料として用いられる。また、Eoutは、系外に排出される。すなわち、本実施の形態において、H2O分離器22は、アノードオフガス循環手段の一部を構成しない。
蒸発器18は、水蒸気改質用の水を改質器44bに供給するためのものである。蒸発器18の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。蒸発器18から供給される水の流量VH2O,SETは、燃料源から供給される燃料流量VCH4,SETと共に、U'f,calを算出する際に用いられる。
燃焼器52は、Doutを燃料源とし、SOFC40bから排出されるカソードオフガスを酸化剤源として、A'outに含まれる可燃成分を燃焼させ、その燃焼熱を改質器44bに供給するためのものである。改質器44bでは、アノードオフガスの燃焼熱を用いて改質反応が行われる。燃焼器52の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
図11に示す例において、燃焼器52の燃料供給口は、H2O分離器22の第3フィード流路の出口に接続され、空気供給口は、SOFC40bのカソード流路の出口に接続されている。さらに、燃焼器52の排ガス排出口は、改質器44bの燃焼ガス流路の入口に接続されている。
本実施の形態に係るSOFCシステム10bは、上述した手段に加えて、システムを制御するための制御手段をさらに備えている。また、制御手段には、本発明に係るSOFCシステム制御用プログラムが格納されている。SOFCシステム制御用プログラムは、具体的には、要求発電電力W'SETを取得した時に、予め設定された燃料利用率U'f,SETとなるように、燃料流量VCH4,SET、及び電流密度Iを制御するためのプログラムである。
[3.1. 構成]
図12に、本発明の第3の実施の形態に係るSOECシステムの模式図を示す。図12において、SOECシステム10cは、カソードオフガス循環式のSOECシステムであって、SOEC40cと、第1CO2分離器14と、第2CO2分離器16と、蒸発器18と、H2O分離器22と、燃料製造器20と、貯蔵タンク28とを備えている。これらの内、第1CO2分離器14、及びH2O分離器22は、それぞれ、カソードオフガスに含まれるCO2及びH2OをSOEC40cに戻すカソードオフガス循環手段の一部を構成する。
SOEC40cは、H2O/CO2共電解を行うためのものである。SOEC40cは、用途が異なる以外は、SOFC40a、40bと同様の構造を備えている。すなわち、SOEC40cは、MEAと、MEAの一方の面に形成された第1ガス流路(カソード流路)と、MEAの他方の面に形成された第2ガス流路(アノード流路)とを備えている。SOEC40cは、改質器を備えたものでも良いが、SOECシステム10cにおいて改質器が用いられることはない。
第1CO2分離器14は、SOEC40cのカソードオフガス(Aout)からCO2を分離し、CO2の全部又は一部が除去されたオフガス(B1out)と、主としてCO2を含む分離ガス(C1out)に分離するためのものである。B1outは、H2O分離器22で処理された後、燃料製造器20に送られる。一方、C1outは、SOEC40cに戻される。第1CO2分離器14は、Aoutに含まれる未反応の原料を回収し、SOEC40cに戻す機能を備えており、カソードオフガス循環手段の一部を構成する。
本実施の形態において、VCO2,SEP1を直接、検出することはできないが、第1流量計50aで検出される流量VH2O+CO2,SEP1は、VCO2,SEP1とパージガスであるH2Oの流量(=VH2O,SET+VH2O,SEP)を合算したものに相当する。そのため、VH2O+CO2,SEP1、及びVH2O,SEPを検出すれば、VCO2,SEP1を間接的に検出することができる。VCO2,SEP1は、燃料利用率の推定値Uf,calを算出する際に用いられる。
第1CO2分離器に関するその他の点については、第1〜第2の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
第2CO2分離器16は、CO2源から供給される排ガス(B2in)からCO2を分離し、CO2を含むパージガス(C2out)をSOEC40cに供給するためのものである。図12に示す例において、第2CO2分離器16は、第2フィード流路と、第2パージ流路とを備えている。第2フィード流路の入口は、外部のCO2源(例えば、自動車、ボイラー等)に接続され、第2フィード流路の出口は、大気に開放されている。第2パージ流路の入口は、第1流量計50aを介して第1CO2分離器14の第1パージ流路の出口に接続されている。さらに、第2パージ流路の出口は、第4流量計50dを介して、SOEC40cのカソード流路の入口に接続されている。
本実施の形態において、VCO2,SEP2を直接、検出することはできないが、第4流量計50dで検出される流量VH2O+CO2,SEP2は、VCO2,SEP2とVH2O+CO2,SEP1とを合算したものに相当する。そのため、VH2O+CO2,SEP2とVH2O+CO2,SEP1を検出すれば、VCO2,SEP2を間接的に検出することができる。
あるいは、VCO2,SEP2は、VCO2,SET×ηCO2,SEP2とも表せるので、VCO2,SETが既知である時は、ηCO2,SEP2を取得することにより、VCO2,SEP2を間接的に検出することができる。
第2CO2分離器16に関するその他の点については、第1CO2分離器14と同様であるので、説明を省略する。
蒸発器18は、SOEC40cにH2Oを供給するためのものである。蒸発器18の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。蒸発器18から供給される水の流量VH2O,SETは、Uf,calを算出する際に用いられる。
H2O分離器22は、第1CO2分離器14の第1フィード流路からのオフガス(B1out)(又は、SOEC40cのカソード流路からのオフガス(Aout))からH2Oを分離し、H2Oの全部又は一部が除去されたオフガス(Dout)と、主としてH2Oを含む分離ガス(Eout)に分離するためのものである。Doutは、燃料製造器20に送られる。一方、Eoutは、SOEC40cに戻される。すなわち、H2O分離器22は、Aoutに含まれる未反応の原料を回収し、SOEC40cに戻す機能を備えており、カソードオフガス循環手段の一部を構成する。
第3流量計50cで検出されるH2O流量をVH2O,SEPとすると、第3フィード流路に供給されるH2Oの流量は、VH2O,SEP/ηH2O,SEPと表される。この流量は、燃料利用率の推定値Uf,calを算出する際に用いられる。
H2O分離器22に関するその他の点については、第1〜第2の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
燃料製造器20は、H2O分離器22の第3フィード流路から排出されたオフガス(Dout)を原料として、炭化水素(例えば、メタン)を製造するためのものである。燃料製造器20の構造は、特に限定されるものではなく、公知の装置を用いることができる。
貯蔵タンク28は、燃料製造器20から排出される炭化水素を貯蔵するためのものである。貯蔵タンク28は、このような機能を奏するものである限りにおいて、その構造、容量等は特に限定されない。
本実施の形態に係るSOECシステム10cは、上述した手段に加えて、システムを制御するための制御手段をさらに備えている。また、制御手段には、本発明に係るSOECシステム制御用プログラムが格納されている。SOECシステム制御用プログラムは、具体的には、要求発電電力WSETを取得した時に、予め設定された燃料利用率Uf,SETとなるように、原料流量VCO2,SET、VH2O,SET、及び電流密度Iを制御するためのプログラムである。
図13に、本発明に係るSOECシステム制御用プログラムのフローチャートの一例を示す。図13において、SOECシステム制御用プログラムは、コンピュータに以下の手順を実行させるためのものからなる。
まず、ステップ21(以下、単に「S21」という。)において、要求電解電力WSET、及び燃料利用率Uf,SETを入力し、メモリに記憶させる(手順A)。WSETの入力方法は、特に限定されない。Uf,SETは、マニュアルで入力しても良く、あるいは、予め設定された値を選択しても良い。
Uf,SETの値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に設定することができる。一般に、Uf,SETが大きくなるほど、未反応原料は少なくなるが、電解電圧が増加し、電解効率も低下する。しかし、カソードオフガス循環を行う場合において、Uf,SETを相対的に低く設定すると、未反応原料を増大させることなく、電解電圧を低下させ、かつ、電解効率を向上させることができる。
次に、S22において、WSET、及びUf,SETに基づいて、H2Oの初期の流量VH2O,SET、CO2の初期の流量VCO2,SET、及び電流密度Iを算出し、前記メモリに記憶させる(手順B)。通常、システムの仕様が既知である場合において、WSET、及びUf,SETが決まると、これらを実現するためのVCO2,SET、VH2O,SET、及びIは、計算により求めることができる。VCO2,SET、VH2O,SET、及びIの初期値には、このようにして得られた計算値を用いる。
なお、実際には、計算により求められたVCO2,SET、VH2O,SET、及びIを用いて電解を行っても、実際の電解電力Wmeas、及び燃料利用率Ufは、それぞれ、種々の要因により、設定されたWSET、及びUf,SETにならない場合が多い。本発明では、後述する手順を用いて、Wmeas、及びUfを設定値に近づける。
次に、S23において、VCO2,SET、VH2O,SET、及びIの条件下で電解を行う。この状態で、第1CO2分離器14の第1パージ流路を流れるCO2の流量VCO2,SEP1、及びH2O分離器22の第3パージ流路を流れるH2Oの流量VH2O,SEP、又は、これらに加えて第2CO2分離器16の第2パージ流路を流れるCO2の流量VCO2,SEP2を検出し、これらをメモリに記憶させる(手順C)。
なお、図12に示す例では、VCO2,SEP1、及びVCO2,SEP2を直接、検出することはできないが、VH2O,SEP、VH2O+CO2,SEP1、及びVH2O+CO2,SEP2を検出すると、間接的にVCO2,SEP1、及びVCO2,SEP2を検出することができる。また、ηCO2,SEP2を推定する場合には、VCO2,SEP2の検出を省略することができる。
次に、S24において、検出されたVCO2,SEP1、VH2O,SEP、及びVCO2,SEP2、並びに、以下の式(6)を用いて、燃料利用率の推定値Uf,calを算出する(手順D)。
あるいは、図12に示すように、VH2O+CO2,SEP2とVH2O+CO2,SEP1を検出すれば、間接的にVCO2,SEP2を検出することができるので、ηCO2,SEP2を取得することなく、Uf,calを算出することもできる。
次に、S25において、Uf,calが以下の式(7)を満すか否かが判断される。式(7)中、ε3は、設定値Uf,SETと推定値Uf,calの許容誤差を表す。ε3の値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に設定することができる。
S26において、電流密度Iを増減した後、S23に戻り、新たに設定された電流密度Iを用いて、S23〜S6の各ステップを繰り返す(手順E)。
Uf,calが式(7)を満たす時(S25:YES)は、S27に進む。S27では、電解電力Wmeasを測定し、Wmeasをメモリに記憶させる(手順F)。
次に、S28において、Wmeasが以下の式(8)を満たすか否かが判断される。式(8)中、ε4は、設定値WSETと実測値Wmeasの許容誤差を表す。ε4の値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に設定することができる。
S29において、原料流量VCO2,SET、VH2O,SETを増減した後、S23に戻り、新たに設定された原料流量VCO2,SET、VH2O,SETを用いて、S23〜S29の各ステップを繰り返す(手順G)。
Wmeasが式(8)を満たす時(S28:YES)は、S30に進む。S30では、SOEC運転を終了させるか否かが判断される。運転を終了しない場合(S30:NO)には、S31に進む。S31では、WSETが変更されたか否かが判断される。WSETが変更されない場合(S31:NO)には、定常作動に移行する(手順H)。具体的には、S23に戻り、上述したS23〜S31の各ステップを繰り返す。
さらに、SOEC運転を終了させる場合(S30:YES)には、SOEC40cへの原料供給を停止させる。なお、後述するリバーシブルSOCシステムにおいては、SOEC運転を終了させた後(S30:YES)、システムを停止させる前にSOFCモードに移行する場合がある。
[4.1. 構成]
図14に、本発明の第4の実施の形態に係るSOECシステムの模式図を示す。図14において、SOECシステム10dは、カソードオフガス循環のないSOECシステムであって、SOEC40dと、第1CO2分離器14と、第2CO2分離器16と、蒸発器18と、H2O分離器22と、燃料製造器20と、貯蔵タンク28とを備えている。
SOEC40dは、H2O/CO2共電解を行うためのものである。SOEC40dの詳細については、第3の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
第1CO2分離器14は、SOEC40dのカソードオフガス(Aout)からCO2を分離し、CO2の全部又は一部が除去されたオフガス(B1out)と、主としてCO2を含む分離ガス(C1out)に分離するためのものである。B1outは、H2O分離器22で処理された後、燃料製造器20に送られる。一方、C1outは、そのまま系外に排出される。
第1CO2分離器14に関するその他の点については、第1〜第3の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
第2CO2分離器16は、CO2源から供給される排ガス(B2in)からCO2を分離し、CO2を含む分離ガス(C2out)をSOEC40dに供給するためのものである。図14において、第2CO2分離器16は、第2フィード流路と、第2パージ流路とを備えている。第2フィード流路の入口は、外部のCO2源(例えば、自動車、ボイラー等)に接続され、第2フィード流路の出口は、大気に開放されている。第2パージ流路の入口は、蒸発器18の出口に接続され、第2パージ流路の出口は、第4流量計50dを介して、SOEC40dのカソード流路の入口に接続されている。
第2CO2分離器16に関するその他の点については、第3の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
蒸発器18は、SOEC40dにH2Oを供給するためのものである。蒸発器18の構造は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。蒸発器18から供給される水の流量VH2O,SETは、Uf,calを算出する際に用いられる。
H2O分離器22は、第1CO2分離器14の第1フィード流路からのオフガス(B1out)(又は、SOEC40dのカソード流路からのオフガス(Aout))からH2Oを分離し、H2Oの全部又は一部が除去されたオフガス(Dout)と、主としてH2Oを含む分離ガス(Eout)に分離するためのものである。Doutは、燃料製造器20に送られる。一方、Eoutは、そのまま系外に排出される。
燃料製造器20は、H2O分離器22の第3フィード流路から排出されたオフガス(Dout)を原料として、炭化水素(例えば、メタン)を製造するためのものである。燃料製造器20の詳細については、第3の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
貯蔵タンク28は、燃料製造器20から排出される炭化水素を貯蔵するためのものである。貯蔵タンク28の詳細については、第3の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
本実施の形態に係るSOECシステム10dは、上述した手段に加えて、システムを制御するための制御手段をさらに備えている。また、制御手段には、本発明に係るSOECシステム制御用プログラムが格納されている。SOECシステム制御用プログラムは、具体的には、要求発電電力WSETを取得した時に、予め設定された燃料利用率Uf,SETとなるように、原料流量VCO2,SET、VH2O,SET、及び電流密度Iを制御するためのプログラムである。
[5.1. 構成]
図15に、本発明の第5の実施の形態に係るリバーシブルSOCシステムの模式図を示す。図15において、リバーシブルSOC(R−SOC)システム10eは、アノード/カソードオフガス循環式のR−SOCシステムであって、リバーシブルSOC(R−SOC)40eと、第1CO2分離器14と、第2CO2分離器16と、蒸発器18と、H2O分離器22と、燃料製造器20と、貯蔵タンク28と、第1調圧器30と、第2調圧器32、エジェクタとを備えている。すなわち、R−SOCシステム10eは、図12に示すSOECシステム10cに対して、さらにエジェクタ34とアノードオフガス循環手段が付加されたものである。
R−SOC40eは、
(a)カソード流路(第1ガス流路)に供給されたCO2及びH2Oを含む原料ガス(Ain)から合成ガスを生成させ、合成ガスを含むオフガス(Aout)を排出するSOECモードと、
(b)アノード流路(第1ガス流路)に供給された炭化水素を含む燃料ガス(A'in)を用いて発電を行い、CO2及びH2Oを含むオフガス(A'out)を排出するSOFCモードと
を切り替え可能なものからなる。
R−SOC40eに関するその他の点については、第1〜第4の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
第1CO2分離器14の第1パージ流路の出口は、第1流量計50a、及び第3三方弁(V3)36cを介して、第2CO2分離器16の第2パージ流路の入口に接続されている。第3三方弁(V3)36cの残りの出口は、大気に接続されている。第1CO2分離器14のその他の点については、第1〜第4の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
第2CO2分離器16の第2パージ流路の出口は、第4流量計50d、及び第1三方弁(V1)36aを介して、R−SOC40eの第1ガス流路の入口に接続されている。第1三方弁(V1)36aの残りの入口は、エジェクタ34の出口に接続されている。第2CO2分離器16のその他の点については、第1〜第4の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
蒸発器18の詳細については、第1〜第4の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[5.1.5. H2O分離器]
H2O分離器22の第3フィード流路の出口は、第2三方弁(V2)36bを介して燃料製造器20の入口に接続されている。第2三方弁(V2)36bの残りの出口は、第2流量計50bを介して、エジェクタ34の吸引側の入口に接続されている。H2O分離器22に関するその他の点については、第1〜第4の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
燃料製造器20の出口は、第1調圧器30を介して貯蔵タンク28の入口に接続されている。燃料製造器20に関するその他の点については、第1〜第4の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
[5.1.7. 貯蔵タンク]
貯蔵タンク28の出口は、第2調圧器32、及び第4開閉弁(V4)36dを介して、エジェクタ34の駆動側の入口に接続されている。貯蔵タンク28に関するその他の点については、第1〜第4の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
第1調圧器30及び第2調圧器32は、炭化水素を貯蔵・放出する際に、炭化水素の圧力を増減するためのものである。例えば、R−SOC40eの内部圧力が高圧であり、貯蔵タンク28の内部圧力が低圧である場合、第1調圧器30としてエキスパンダ(減圧器)を用い、第2調圧器32としてコンプレッサ(昇圧器)を用いるのが好ましい。これにより、SOECモード時にシステム内で製造された高圧ガスを低圧で貯蔵できる。また、SOFCモード時には、所定の圧力に昇圧した状態で使用することができる。
逆に、R−SOC40eの内部圧力が低圧であり、貯蔵タンク28の内部圧力が高圧である場合、第1調圧器30としてコンプレッサを用い、第2調圧器32としてエキスパンダを用いるのが好ましい。
エジェクタ34は、貯蔵タンク28に貯蔵された炭化水素をR−SOC40eのアノード(SOFCモード時)に供給するためのものである。また、エジェクタ34は、A'outから回収された未反応の燃料をR−SOC40eに戻すため、及びDoutに含まれるH2Oを改質器に供給するためにも用いられる。
貯蔵タンク28の出口をエジェクタ34の駆動側に接続し、H2O分離器22の第3フィード流路の出口をエジェクタ34の吸引側に接続する。この状態で、貯蔵タンク28から供給される炭化水素を駆動側のノズルから高圧で噴出させると、ノズル周囲の負圧によりH2O分離器22のオフガス(Dout)が吸引される。
[5.2.1. SOFCモード]
図16に、R−SOCシステム10eがSOFCモードにある時のガスの流れの模式図を示す。R−SOCシステム10eをSOFCモードで運転する場合には、第2CO2分離器16、蒸発器18、及び燃料製造器20を休止状態とする。また、
(a)第1三方弁(V1)36aをエジェクタ34/R−SOC40e側に、
(b)第2三方弁(V2)36bをH2O分離器22/エジェクタ34側に、
(c)第3三方弁(V3)36cを第1CO2分離器14/大気側に、
それぞれ、切り替える。
オフガス(A'out)は、第1CO2分離器14でCO2が分離され、H2O分離器22でH2Oが分離される。そのため、H2O分離器22の第3フィード流路の出口から、高濃度の未反応燃料を含むオフガス(Dout)が排出される。Doutは、第2三方弁(V2)36bを介してエジェクタ34に吸引され、発電及び改質に再利用される。
図17に、R−SOCシステム10eがSOECモードにある時のガスの流れの模式図を示す。R−SOCシステム10eをSOECモードで運転する場合には、
(a)第1三方弁(V1)36aを第2CO2分離器16/R−SOC40e側に、
(b)第2三方弁(V2)36bをH2O分離器22/燃料製造器20側に、
(c)第3三方弁(V3)36cを第1CO2分離器14/第2CO2分離器16側に、
それぞれ、切り替える。
H2O分離器22の第3パージ流路に排出されたH2Oを含む分離ガス(Eout)は、第1CO2分離器14の第1パージ流路に送られる。第1CO2分離器14から排出されたCO2、及びH2O分離器22から排出されたH2Oは、いずれも共電解に再利用される。
本実施の形態に係るR−SOCシステム10eは、上述した手段に加えて、システムを制御するための制御手段をさらに備えている。また、制御手段には、本発明に係るR−SOCシステム制御用プログラムが格納されている。R−SOCシステム制御用プログラムは、具体的には、要求発電電力W'SET、又は要求電解電力WSETを取得した時に、予め設定された燃料利用率U'f,SET、又はUf,SETとなるように、燃料流量VCH4,SET、又は原料流量VCO2,SET、VH2O,SET、及び電流密度Iを制御するためのプログラムである。
[6.1. アノードオフガス循環なしのSOFCシステム]
アノードオフガス燃焼方式では、燃料改質器により生成される可燃成分(CO、H2、CH4)は、SOFC発電、及びカソードオフガスを助燃空気とした燃焼により、燃料改質器における改質用熱源として利用される。高い改質器効率:(改質ガス中のH2、COの低位発熱量[kW])/{(投入燃料CH4の低位発熱量[kW])+(アノードオフガス中のH2、CO、CH4の低位発熱量[kW])}を確保するには、高転化率となる改質温度を維持すること、及びアノードオフガスからの可燃成分の燃焼熱量を低減することが必要である。
以上の理由から、SOFCにおける燃料利用率U'fを予測し、セルスタック電流密度を調整することにより、U'fを一定に制御することが必要不可欠となる。
一方、断熱平衡モデル等を用いて、改質ガスに含まれる各成分(H2、CO、CO2、H2O、CH4)の流量Vi,IN、改質器内部の温度Tref及び圧力Pref、並びに、改質原料(H2O、CH4)の流量の関係を予め関数化しておくと、Tref及びPrefを検出することにより、Vi,INを予測することが可能となる。
これにより、適切な燃料利用率の設定が可能となり、改質器の内部熱収支を維持することができる。また、これによって高転化率の改質温度に制御することができ、より多くの可燃成分をSOFC発電用として利用することが可能となる。
アノードオフガス循環方式では、SOFCで利用されなかった可燃成分(H2、CO、CH4等)に加えて、燃料改質用H2Oを循環させ、改質用燃料として利用する。そのため、SOFCの燃料利用率を低く設定しつつ、システムの燃料利用率を1とすることができる。また、これによって、高い発電効率を得ることが可能となり、改質用の水タンクも不要となる。
一方、断熱平衡モデル等を用いて、改質ガスに含まれる各成分(H2、CO、CO2、H2O、CH4)の流量Vi,IN、改質器内部の温度Tref及び圧力Pref、並びに、改質原料(H2O、CH4)の流量の関係を予め関数化しておくと、Tref及びPrefを検出することにより、Vi,INを予測することが可能となる。
これにより、SOFCのアノードに流入する燃料成分(H2+CO)の合計流量:VH2,IN+VCO,IN+VH2+CO,RCYと、SOFCで利用された燃料流量:(VCO2,SEP1/ηCO2,SEP1−VCO2,IN−VCO2,RCY)+(VH2O,SEP/ηH2O,SEP−VH2O,IN−VH2O,RCY)を求めることができる。また、これらの比から、SOFCにおける燃料利用率の推定値U'f,calを推定することができる。
これにより、適切な燃料利用率の設定が可能となり、生成成分の濃度増加に起因する濃度分極によるセル電圧の増大を抑制することができる。
SOECシステムでは、電解用原料(H2O、CO2)と電力から合成ガスを生成させ、燃料製造器によりCH4などの炭化水素系燃料を製造する。高い燃料製造効率を得るためには、必要電解エネルギーと電解用原料の予熱(蒸発潜熱、及び顕熱)を極力抑制するために、燃料利用率Ufを高く設定する必要がある。
また、高い合成ガス濃度(H2、CO)を得るためには、第1CO2分離器及びH2O分離器を用いて、カソードオフガス中のH2O、CO2を除去する必要がある。
このため、SOECにおける燃料利用率Ufを予測し、セルスタック電流密度を調整することにより、Ufを一定に制御することが必要不可欠となる。
これにより、SOECのカソードに流入する原料成分(H2O+CO2)の合計流量:VH2O,IN+VCO2,INと、SOECで利用された原料流量:VCO2,SEP1/ηCO2,SEP1+VH2O,SEP/ηH2O,SEPを求めることができる。また、これらの比から、SOECにおける燃料利用率の推定値Uf,calを推定することができる。
これにより、適切な燃料利用率の設定が可能となり、電解用原料の予熱(潜熱、及び顕熱)を極力抑制することで、高い燃料製造効率を得ることができる。
SOECシステムでは、電解用原料(H2O、CO2)と電力から合成ガスを生成させ、燃料製造器によりCH4などの炭化水素系燃料を製造する。高い燃料製造効率を得るためには、必要電解エネルギーと電解用原料の予熱(蒸発潜熱、及び顕熱)を極力抑制するために、燃料利用率Ufを高く設定する必要がある。
また、SOECの燃料利用率を低く設定することで、電解反応により生成するガス成分(H2、CO)の濃度増加に起因する濃度分極による電解電圧の増大を抑制し、必要電解エネルギーを低減することが可能となる。
これにより、SOECのカソードに流入する原料成分(H2O+CO2)の合計流量:VH2O,IN+VCO2,IN(=VCO2,SET/ηCO2,SEP2)と、SOECで利用された原料流量:VCO2,SEP1/ηCO2,SEP1+VH2O,SEP/ηH2O,SEPを求めることができる。また、これらの比から、SOECにおける燃料利用率の推定値Uf,calを推定することができる。
これにより、適切な燃料利用率の設定が可能となり、電解用原料の予熱(潜熱、及び顕熱)を極力抑制することで、高い燃料製造効率を得ることができる。
アノードオフガスからCO2及びH2Oを分離する第1CO2分離器、及びH2O分離器において、パージ流路の出口ガス流量を検出すると、設定されたガス分離率ηCO2,SEP1、ηH2O,SEPと、検出された出口ガス流量VCO2,SEP1、VH2O,SEPから、フィード流路に供給される分離ガス成分(CO2、H2O)の流入量を予測することができる。
一方、断熱平衡モデル等を用いて、改質ガスに含まれる各成分(H2、CO、CO2、H2O、CH4)の流量Vi,IN、改質器内部の温度Tref及び圧力Pref、並びに、改質原料(H2O、CH4)の流量の関係を予め関数化しておくと、Tref及びPrefを検出することにより、Vi,INを予測することが可能となる。
これにより、SOFCのアノードに流入する燃料成分(H2+CO)の合計流量:VH2,IN+VCO,IN+VH2+CO,RCYと、SOFCで利用された燃料流量:(VCO2,SEP1/ηCO2,SEP1−VCO2,IN−VCO2,RCY)+(VH2O,SEP/ηH2O,SEP−VH2O,IN−VH2O,RCY)を求めることができる。また、これらの比から、SOFCにおける燃料利用率の推定値U'f,calを推定することができる。
これにより、適切な燃料利用率の設定が可能となり、生成成分の濃度増加に起因する濃度分極によるセル電圧の増大を抑制することができる。
これにより、SOECのカソードに流入する原料成分(H2O+CO2)の合計流量:VH2O,IN+VCO2,IN(=VCO2,SET/ηCO2,SEP2)と、SOECで利用された原料流量:VCO2,SEP1/ηCO2,SEP1+VH2O,SEP/ηH2O,SEPを求めることができる。また、これらの比から、SOECにおける燃料利用率の推定値Uf,calを推定することができる。
これにより、適切な燃料利用率の設定が可能となり、電解用原料の予熱(潜熱、及び顕熱)を極力抑制することができ、高い燃料製造効率を得ることができる。
CO2分離材として第一元素系複合酸化物等(M4AO4+CO2⇔M2AO3+M2CO3、M=Li+、Na+、K+、Rb+等、A=Si、Ti、Zr等)をフィード流路に充填したCO2分離器では、少なくとも2台以上のCO2分離器をバッチ作動させることで、連続的にアノードオフガスからCO2を分離することができる。吸収したCO2は、CO2分離材温度≧700℃に設定することで、全吸収量の98%を放出することが可能となる。
これにより、SOFC、SOEC、あるいはR−SOCの燃料利用率を予測し、目標の燃料利用率となるように制御することが可能となる。
H2O分離膜として、耐熱性のフッ素系樹脂の中空糸膜等を用いたH2O分離器において、第3フィード流路に分離成分(H2O)を含む混合ガスを供給すると、混合ガスからH2Oが分離され、分離されたH2Oは第3パージ流路に排出される。このような分離膜式のH2O分離器において、混合ガスに含まれる各成分の透過係数が異なっているために、H2O分離率は、フィード/パージ流路間の圧力差ΔPだけでなく、混合ガスの組成によっても異なる。
これにより、SOFC、SOEC、あるいは、R−SOCの燃料利用率を予測し、目標の燃料利用率となるように制御することが可能となる。
40a、40b SOFC
44a、44b 改質器
10c、10d SOECシステム
40c、40d SOEC
10e R−SOCシステム
40e R−SOC
14 第1CO2分離器
16 第2CO2分離器
18 蒸発器
20 燃料製造器
Claims (13)
- 以下の構成を備えたSOFCシステム制御用プログラム。
(1)前記SOFCシステム制御用プログラムは、
炭化水素を改質するための改質器が外部にある間接外部型、又は前記改質器が内部にある間接内部型のSOFCと、
前記改質器にH2Oを供給する蒸発器と、
前記SOFCのアノードオフガスからCO2を分離する第1CO2分離器と、
前記アノードオフガスからH2Oを分離するH2O分離器と
を備えたSOFCシステム、又は、
前記蒸発器に代えて、前記アノードオフガスからCO2及びH2Oを除去した後に残る循環ガスを前記SOFCに戻すアノードオフガス循環手段を備えたSOFCシステム
の燃料利用率U'fを制御するために用いられる。
(2)前記SOFCシステム制御用プログラムは、コンピュータに以下の手順を実行させるためのものからなる。
(a)要求発電電力W'SET、及び燃料利用率U'f,SETを入力し、メモリに記憶させる手順a。
(b)前記W'SET、及び前記'Uf,SETに基づいて、前記炭化水素の初期の流量VCH4,SET、及び初期の電流密度Iを算出し、前記メモリに記憶させる手順b。
(c)前記VCH4,SETに基づいて、水流量VH2O,SUPを算出し、前記メモリに記憶させる手順c。
(d)前記VCH4,SET、前記I、及び前記VH2O,SUPの条件下で発電を行い、
前記改質器の温度Tref、
前記改質器の圧力Pref、
前記第1CO2分離器の第1パージ流路を流れるCO2の流量VCO2,SEP1、及び、
前記H2O分離器の第3パージ流路を流れるH2Oの流量VH2O,SEP、並びに、
前記アノードオフガス循環手段を備えた前記SOFCシステムについては、さらに前記循環ガスの流量VRCYを検出し、
これらを前記メモリに記憶させる手順d。
(e)予め、以下の式(1)で表される改質ガス流量Vi,IN、並びに、前記第1CO2分離器のCO2分離率ηCO2,SEP1、及び前記第H2O分離器のH2O分離率ηH20,SEPを前記メモリに記憶させておき、
検出された前記Tref、前記P ref 、前記VCO2,SEP1、前記VH2O,SEP、及び前記VRCY、並びに、以下の式(2)及び式(3)を用いて、燃料利用率の推定値U'f,calを算出する手順e。
(h)前記W'measが以下の式(5)を満たさない時は、前記VCH4,SETを増減させ、新たに設定された前記VCH4,SETを用いて前記手順c〜gを繰り返す手順h。
- 前記W'SETが変更された時は、変更された前記W'SETを用いて、前記手順a〜iを繰り返す手順jをさらに備えた請求項1に記載のSOFCシステム制御用プログラム。
- 前記第1CO2分離器は、
CO2分離材(A)が充填された第1フィード流路と、
CO2分離材(B)が充填された第2フィード流路と、
前記CO2分離材(A)の温度TCO2,SEP1を検出する第2温度検出手段と、
前記第1フィード流路のCO2分圧PCO2,SEP1を検出する第2圧力検出手段と
を備え、
前記手順eは、
予め、前記TCO2,SEP1、前記PC02.SEP1、及び、前記ηCO2,SEP1の関係を前記メモリに記憶させておき、前記SOFCシステムの作動時に前記TCO2.SEP1、及び前記PCO2.SEP1を検出し、検出された前記TCO2,SEP1、及び前記PCO2.SEP1に対応する前記ηCO2,SEP1を前記メモリから読み出す手順e1
をさらに備えている請求項1又は2に記載のSOFCシステム制御用プログラム。 - 前記H2O分離器は、
前記アノードオフガスが供給される第3フィード流路と、
分離膜を介して前記第3フィード流路に隣接して配置された第3パージ流路と、
前記第3フィード流路と前記第3パージ流路の圧力差ΔPH2Oを検出する圧力差検出手段と
を備え、
前記手順eは、
予め、前記ΔPH2O、前記U'f,SET、前記第3フィード流路を流れるH2OとCO2の流量比(H2O/CO2比)、及び、前記ηH2O,SEPの関係を前記メモリに記憶させておき、前記SOFCシステムの作動時に前記ΔPH2Oを検出し、検出された前記ΔPH2O、前記U'f,SET、及び前記H2O/CO2比に対応する前記ηH2O,SEPを前記メモリから読み出す手順e2
をさらに備えている請求項1から3までのいずれか1項に記載のSOFCシステム制御用プログラム。 - 以下の構成を備えたSOECシステム制御用プログラム。
(1)前記SOECシステム制御用プログラムは、
H2O/CO2共電解を行うためのSOECと、
前記SOECにH2Oを供給する蒸発器と、
前記SOECのカソードオフガスからCO2を分離する第1CO2分離器と、
CO2源から供給される排ガスからCO2を分離し、CO2を含むパージガスを前記SOECに供給する第2CO2分離器と、
前記カソードオフガスからH2Oを分離するH2O分離器と、
前記カソードオフガスからCO2及びH2Oを除去した後に残る残留ガス(合成ガス)から炭化水素を製造する燃料製造器と、
前記炭化水素を貯蔵するための貯蔵タンクと
を備えたSOECシステム、又は、
前記カソードオフガスに含まれるCO2及びH2Oを前記SOECに戻すカソードオフガス循環手段をさらに備えたSOECシステム
の燃料利用率Ufを制御するために用いられる。
(2)前記SOECシステム制御用プログラムは、コンピュータに以下の手順を実行させるためのものからなる。
(A)要求電解電力WSET、及び燃料利用率Uf,SETを入力し、メモリに記憶させる手順A。
(B)前記WSET、及び前記Uf,SETに基づいて、前記H2Oの初期の流量VH2O,SET、前記CO2の初期の流量VCO2,SET、及び電流密度Iを算出し、前記メモリに記憶させる手順B。
(C)前記VH2O,SET、前記VCO2,SET、及び前記Iの条件下で電解を行い、
前記第1CO2分離器の第1パージ流路を流れるCO2の流量VCO2,SEP1、及び、前記H2O分離器の第3パージ流路を流れるH2Oの流量VH2O,SEP、又は、
これらに加えて、さらに前記第2CO2分離器の第2パージ流路を流れるCO2の流量VCO2,SEP2、を検出し、
これらを前記メモリに記憶させる手順C。
(D)予め、前記第1CO2分離器のCO2分離率ηCO2,SEP1、及び前記第H2O分離器のH2O分離率ηH20,SEP、又は、これらに加えてさらに前記第2CO2分離器のCO2分離率ηCO2,SEP2を前記メモリに記憶させておき、
検出された前記VCO2,SEP1、及び前記VH2O,SEP、又は、これらに加えてさらに前記VCO2,SEP2、並びに、以下の式(6)を用いて、燃料利用率の推定値Uf,calを算出する手順D。
(G)前記Wmeasが以下の式(8)を満たさない時は、前記VH2O,SET、及び前記VCO2,SETを増減させ、新たに設定された前記VH2O,SET、及び前記VCO2,SETを用いて前記手順C〜Fを繰り返す手順G。
- 前記WSETが変更された時は、変更された前記WSETを用いて、前記手順A〜Hを繰り返す手順Iをさらに備えた請求項5に記載のSOECシステム制御用プログラム。
- 前記第1CO2分離器は、
CO2分離材(A)が充填された第1フィード流路と、
CO2分離材(B)が充填された第1パージ流路と、
前記CO2分離材(A)の温度TCO2,SEP1を検出する第2温度検出手段と、
前記第1フィード流路のCO2分圧PCO2,SEP1を検出する第2圧力検出手段と
を備え、
前記手順Dは、
予め、前記TCO2,SEP1、前記PC02.SEP1、及び、前記ηCO2,SEP1の関係を前記メモリに記憶させておき、前記SOECシステムの作動時に前記TCO2.SEP1、及び前記PCO2.SEP1を検出し、検出された前記TCO2,SEP1、及び前記PCO2,SEP1に対応する前記ηCO2,SEP1を前記メモリから読み出す手順D1
をさらに備えている請求項5又は6に記載のSOECシステム制御用プログラム。 - 前記第2CO2分離器は、
CO2分離材(C)が充填された第2フィード流路と、
CO2分離材(D)が充填された第2フィード流路と、
前記CO2分離材(C)の温度TCO2,SEP2を検出する第2温度検出手段と、
前記第2フィード流路のCO2分圧PCO2,SEP2を検出する第2圧力検出手段と
を備え、
前記手順Dは、
前記VCO2,SEP2の検出に代えて、又は、これに加えて、
予め、前記TCO2,SEP2、前記PC02,SEP2、及び、前記ηCO2,SEP2の関係を前記メモリに記憶させておき、前記SOECシステムの作動時に前記TCO2,SEP2、及び前記PCO2.SEP2を検出し、検出された前記TCO2,SEP2、及び前記PCO2,SEP2に対応する前記ηCO2,SEP2を前記メモリから読み出す手順D2
をさらに備えている請求項5から7までのいずれか1項に記載のSOECシステム制御用プログラム。 - 前記H2O分離器は、
前記カソードオフガスが供給される第3フィード流路と、
分離膜を介して前記第3フィード流路に隣接して配置された第3パージ流路と、
前記第3フィード流路と前記第3パージ流路の圧力差ΔPH2Oを検出する圧力差検出手段と
を備え、
前記手順Dは、
予め、前記ΔPH2O、前記Uf,SET、前記第3フィード流路を流れるH2OとCO2の流量比(H2O/CO2比)、及び、前記ηH2O,SEPの関係を前記メモリに記憶させておき、前記SOFCシステムの作動時に前記ΔPH2Oを検出し、検出された前記ΔPH2O、前記Uf,SET、及び前記H2O/CO2比に対応する前記ηH2O,SEPを前記メモリから読み出す手順D3
をさらに備えている請求項5から8までのいずれか1項に記載のSOECシステム制御用プログラム。 - 請求項1から4までのいずれか1項に記載のSOFCシステム制御用プログラムと、
請求項5から9までのいずれか1項に記載のSOECシステム制御用プログラムと
を備えたリバーシブルSOCシステム制御用プログラム。 - 請求項1から4までのいずれか1項に記載のSOFCシステム制御用プログラムを実行するための手段を備えたSOFCシステム。
- 請求項5から9までのいずれか1項に記載のSOECシステム制御用プログラムを実行するための手段を備えたSOECシステム。
- 請求項10に記載のリバーシブルSOCシステム制御用プログラムを実行するための手段を備えたリバーシブルSOCシステム。
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