JP2018131647A - 電気分解システム、制御装置、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】電気分解システム１０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、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２０と、電力の値が閾値以上の場合に、運転モードを電気分解モードに切り替え、電力の値が閾値未満の場合に、運転モードを発電モードに切り替える制御を行う運転制御部３２Ｂと、を備える。【選択図】図１

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。

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。

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。

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。

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（ＣＯ_２）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。

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。

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。

松永健太郎、吉野正人、渡邉久夫、"固体酸化物形電解セルを用いた水素製造システム及び電力貯蔵システム"、東芝レビューVol.71 No.5 (2016)、p.41-45

特許第５９１０５３９号公報 特許第５４８２８０２号公報 特表２０１６−５１１２９６号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実施形態に係る電気分解システムの全体構成の一例を示すブロック図である。 実施形態に係るプログラムによる電気分解装置の起動処理の一例を示すフローチャートである。 実施形態に係るプログラムによる電気分解装置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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

陰極：ＣＯ_２＋２ｅ⁻ → ＣＯ＋Ｏ^２− …（１）
陽極：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（Ｏ_２）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。

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。

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（Ｌｉ_２Ｏ）と、安定したセラミックである二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）とを複合させたリチウムジルコネート（Ｌｉ_２ＺｒＯ_３）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。

Ｌｉ_２ＺｒＯ_３＋ＣＯ_２ ⇔ ＺｒＯ_２＋Ｌｉ_２ＣＯ_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（ＺｒＯ_２）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（Ｌｉ_２ＺｒＯ_３）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（空気極反応）
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。

(燃料極反応)
Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (13)

1. 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、
   を備えた電気分解システム。
2. 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請求項１に記載の電気分解システム。
3. 前記電気分解装置は、
   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。
4. 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温度以上の場合に行われる請求項３に記載の電気分解システム。
5. 前記分離部は、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請求項２に記載の電気分解システム。
6. 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請求項５に記載の電気分解システム。
7. 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請求項５に記載の電気分解システム。
8. 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請求項５に記載の電気分解システム。
9. 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。
10. 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請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気分解システム。
11. 前記電気分解装置に供給される電力は、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請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気分解システム。
12. 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制御装置。
13. 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ためのプログラム。