JP6597687B2 - 電力貯蔵システム、及び電力貯蔵・供給システム - 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。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、炭化水素の高効率な合成と、合成された炭化水素を用いた高効率な発電とをリバーシブルに行うことが可能な電力貯蔵・供給システムを提供することにある。
カソード流路にCO2及びH2Oを含む原料ガス(Ain)を供給し、前記Ainから合成ガスを生成させ、前記合成ガスを含むオフガス(Aout)を排出するための固体酸化物型電解セル(SOEC)と、
前記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)を排出すると同時に、前記Aoutから分離されたCO2を含む分離ガス(C1out)を前記カソード流路に戻すための第1CO2分離器と、
CO2源から供給されるガス(B2in)からCO2を分離し、前記B2inから分離されたCO2を含む分離ガス(C2out)を前記カソード流路に供給するための第2CO2分離器と、
前記C1out及び前記C2outにH2Oを添加し、前記Ainを生成させるための蒸発器と、
前記B1outを用いて炭化水素を合成するための燃料製造器と
を備えている。
カソード流路にH2Oを含む原料ガス(Ain)を供給し、前記AinからH2を生成させ、H2を含むオフガス(Aout)を排出するための固体酸化物型電解セル(SOEC)と、
CO2源から供給されるガス(Bin)からCO2を分離し、分離されたCO2を前記Aoutに添加し、H2及びCO2を含むオフガス(Cout)を排出するためのCO2分離器と、
前記カソード流路に前記Ainを供給するための蒸発器と、
前記Coutを用いて水性逆シフト反応を行い、合成ガスを含むオフガス(Gout)を排出するための水性逆シフト反応器(WGSR)と、
前記Goutを用いて炭化水素を合成するための燃料製造器と、
を備えている。
CO2及びH2Oの共電解を行うSOECモードと、炭化水素を燃料に用いて発電を行うSOFCモードとを切り替え可能なリバーシブルSOC(R−SOC)と、
前記R−SOCが前記SOECモードにある時に、CO2及びH2Oから合成ガスを製造し、さらに前記合成ガスから前記炭化水素を合成し、得られた前記炭化水素を貯蔵する炭化水素製造手段と、
前記R−SOCが前記SOFCモードにある時に、貯蔵された前記炭化水素を前記R−SOCに供給し、発電を行う発電手段と、
前記R−SOCが前記SOECモードにある時に、前記合成ガスに含まれる未反応のCO2及びH2Oを回収し、前記R−SOCに戻す原料循環手段と、
前記R−SOCが前記SOFCモードにある時に、前記R−SOCのオフガスに含まれる未反応の前記炭化水素を回収し、前記R−SOCに戻す燃料循環手段と
を備えている。
R−SOCにおいてSOFCモードで運転する場合も同様であり、オフガス(A'out)に含まれる未反応の燃料を回収し、これを燃料ガス(A'in)に添加すると同時に、低燃料利用率で発電を行うと、発電効率を低下させることなく、実質的に燃料利用率を向上させることができる。
[1. 電力貯蔵システム(1)]
[1.1. 構成]
図1に、本発明の第1の実施の形態に係る電力貯蔵システムの模式図を示す。図1において、電力貯蔵システム10aは、固体酸化物型電解セル(SOEC)12と、第1CO2分離器(CO2循環手段)14と、第2CO2分離器16と、蒸発器18と、燃料製造器20と、制御手段(図示せず)とを備えている。
SOEC12は、カソード流路にCO2及びH2Oを含む原料ガス(Ain)を供給し、Ainから合成ガスを生成させ、合成ガスを含むオフガス(Aout)を排出するためのものである。SOEC12の電極間に電力を供給しながら、カソード流路にAinを供給すると、カソードでは次の式(1)の反応が起こる。
CO2+H2O+4e- → CO+H2+2O2- ・・・(1)
但し、実際には、Ainに含まれるすべての原料が反応に消費されることはないので、Aoutには、CO及びH2だけでなく、未反応のCO2及びH2Oが含まれる。特に、燃料利用率Ufを低く設定した場合には、相対的に多量のCO2及びH2Oが残留する。
第1CO2分離器14は、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)を排出すると同時に、Aoutから分離されたCO2を含む分離ガス(C1out)をカソード流路に戻すためのものである。すなわち、第1CO2分離器14は、
(a)高濃度の合成ガスを燃料製造器20に供給する機能と、
(b)Aoutに含まれる未反応のCO2を回収し、電解に再利用させる機能と
を備えている。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、図1の右下図に記載されるように、CO2を可逆的に吸蔵・放出することが可能なCO2吸収剤が充填された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)。フィード流路にCO2を含むガスを流すと、CO2吸収剤によりCO2が吸収される。一方、パージ流路にパージガスを流すと、CO2吸収剤からCO2が放出される。所定時間経過後に、フィード流路と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2CO2分離器16は、CO2源から供給されるガス(B2in)からCO2を分離し、B2inから分離されたCO2を含む分離ガス(C2out)をカソード流路に供給するためのものである。すなわち、第2CO2分離器は、合成ガスを生成するための主原料であるCO2を供給するための機能を備えている。
第2CO2分離器16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、第2CO2分離器16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。
蒸発器18は、第1CO2分離器14の第1パージ流路からの分離ガス(C1out)、及び第2CO2分離器16の第2パージ流路からの分離ガス(C2out)にH2Oを添加し、原料ガス(Ain)を生成させるためのものである。すなわち、蒸発器18は、合成ガスを生成させるためのもう1つの主原料であるH2Oの供給源である。
燃料製造器20は、第1CO2分離器の第1フィード流路から排出されたオフガス(B1out)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。
電力貯蔵システム10aは、システムの動作を制御するための制御手段(図示せず)を備えている。図1に示す例において、制御手段は、SOEC12、第1CO2分離器14、第2CO2分離器16、蒸発器18、及び燃料製造器20の作動条件(例えば、温度、ガス流量など)を制御する。
電力貯蔵システム10aは、電解時にSOEC12の燃料利用率Ufを25%以上55%以下に制御する燃料利用率制御手段をさらに備えていても良い。一般に、SOEC12の燃料利用率を低下させると、電解電圧は低下し電解効率も向上する。そのためには、燃料利用率Ufは、55%以下が好ましい。しかし、燃料利用率Ufが低くなると、系外に廃棄される未反応の原料や熱エネルギーが多くなり、燃料製造器20で製造される炭化水素の製造効率も低下する。
但し、SOEC12の燃料利用率Ufが低くなりすぎると、炭化水素の製造効率が低下する。また、循環ガス流量が増大し、循環ガス経路の圧力損失が増大する。従って、燃料利用率Ufは、好ましくは、25%以上、さらに好ましくは、35%以上である。
(a)特定の作動条件下において目的とするUfが得られるように、SOEC12のカソード流路の長さを短くする方法、
(b)目的とするUfが得られるように、制御手段を用いて、各部を流れるガスの流量や濃度、各部の作動温度などを制御する方法、
などがある。
排気ガス等のCO2を多く含む混合ガス(B2in)を第2CO2分離器16の第2フィード流路に流すと、B2in中のCO2が第2パージ流路に排出され、残りのガスは、低濃度のCO2を含むオブガス(B2out)として第2フィード流路から大気に放出される。
これと同時に、蒸発器18を作動させ、水蒸気を第2CO2分離器16の第2パージ流路に供給すると、SOEC共電解に必要な混合ガス(H2O+CO2)が生成する。得られた混合ガス(C2out)は、原料ガス(Ain)としてSOEC12のカソード流路に供給される。
また、SOEC12では、H2O+CO2混合ガスと電力から、共電解により高濃度の合成ガス(CO+H2)が生成する。さらに、燃料製造器20では、合成ガスが触媒反応により高濃度の炭化水素に変換される。
[2.1. 構成]
図2に、本発明の第2の実施の形態に係る電力貯蔵システムの模式図を示す。図2において、電力貯蔵システム10bは、固体酸化物型電解セル(SOEC)12と、第1CO2分離器(CO2循環手段)14と、第2CO2分離器16と、蒸発器18と、燃料製造器20と、H2O分離器(H2O循環手段)22と、制御手段(図示せず)とを備えている。
なお、以下の説明においては、便宜上、H2O分離器22のフィード流路を流れるガスを「D」、パージ流路を流れるガスを「E」と略記する。
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16は、分離膜方式(図2の右上図参照)でも良く、あるいは、バッチ切り替え式(図2の右下図参照)でも良い。
電力貯蔵システム10b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。
SOEC12のカソード流路から排出されたオフガス(Aout)は、まず、第1CO2分離器14でCO2が除かれ、次いで、H2O分離器22でH2Oが除かれる。その結果、H2O分離器22の第3フィード流路の出口から、高濃度のCO+H2を含むオフガス(Dout)が排出される。また、このようなDoutが燃料製造器20に供給されるため、より燃料成分の濃度が高い燃料製造が可能となる。
また、H2O分離器22の第3パージ流路と蒸発器18の出口が接続されているので、回収されたH2Oの再利用が可能となる。これにより、蒸発器18でH2Oを新たに発生させるために必要な熱エネルギーを低減することができ、より高い効率で燃料製造が可能となる。
[3.1. 構成]
図3に、本発明の第3の実施の形態に係る電力貯蔵システムの模式図を示す。図3において、電力貯蔵システム10cは、固体酸化物型電解セル(SOEC)12と、CO2分離器16と、蒸発器18と、水性逆シフト反応器(WGSR)24と、燃料製造器20と、制御手段(図示せず)とを備えている。
なお、以下の説明では、便宜上、WGSR24を流れるガスを「G」と略記する。
SOEC12は、カソード流路にH2Oを含む原料ガス(Ain)を供給し、AinからH2を生成させ、H2を含むオフガス(Aout)を排出するためのものである。SOEC12の電極間に電力を供給しながら、カソード流路にAinを供給すると、カソードでは次の式(2)の反応が起こる。
H2O+2e- → H2+O2- ・・・(2)
但し、実際には、Ainに含まれるすべての原料が反応に消費されることはないので、Aoutには、H2だけでなく、未反応のH2Oが含まれる。特に、燃料利用率Ufを低く設定した場合には、相対的に多量のH2Oが残留する。
CO2分離器16は、CO2源から供給されるガス(Bin)からCO2を分離し、分離されたCO2をAoutに添加し、H2及びCO2を含むオフガス(Cout)を排出するためのものである。すなわち、CO2分離器16は、合成ガスを生成するための主原料であるCO2の供給源である。CO2分離器16の構造は、このような機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。
蒸発器18は、H2Oを含む原料ガス(Ain)を発生させ、これをSOEC12のカソード流路に供給するためのものである。蒸発器18の出口は、SOEC12のカソード流路の入口に接続されている。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。
水性逆シフト反応器(WGSR)24は、第1CO2分離器16からのオフガス(Cout)を用いて水性逆シフト反応を行い、合成ガスを含むオフガス(Gout)を排出するためのものである。水性逆シフト反応は、次の式(3)で表される。
CO2+H2 → H2O+CO ・・・(3)
但し、実際には、過剰のH2を含むCoutを反応させるので、Goutには、H2、CO、及びH2Oが含まれる。
燃料製造器20は、WGSR24から排出されたオフガス(Gout)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。
電力貯蔵システム10cは、システムの動作を制御するための制御手段(図示せず)を備えている。図3に示す例において、制御手段は、SOEC12、CO2分離器16、蒸発器18、WGSR24、及び燃料製造器20の作動条件(例えば、温度、ガス流量など)を制御する。
電力貯蔵システム10cは、電解時にSOEC12の燃料利用率Ufを25%以上55%以下に制御する燃料利用率制御手段をさらに備えていても良い。燃料利用率制御手段の詳細については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
SOEC12では、蒸発器18で発生したH2Oを原料として、水蒸気電解によりH2を含むガス(Aout)を生成する。Aoutは、CO2分離器16のパージ流路に供給され、フィード流路から供給されるCO2と混合される。その結果、CO2分離器16のパージ流路から、H2及びCO2を含む混合ガス(Cout)が排出される。
Coutは、さらにWGSR24に供給され、そこでCoutに含まれるH2の一部が水性逆シフト反応により消費される。その結果、H2Oを含む合成ガス(CO+H2)が生成する。生成した混合ガス(Gout)は、WGSR24から燃料製造器20に送られ、炭化水素の合成に消費される。
[4.1. 構成]
図4に、本発明の第4の実施の形態に係る電力貯蔵システムの模式図を示す。図4において、電力貯蔵システム10dは、固体酸化物型電解セル(SOEC)12と、CO2分離器16と、蒸発器18と、水性逆シフト反応器(WGSR)24と、第1H2O分離器(H2O循環手段)22と、第2H2O分離器(H2O循環手段)26と、燃料製造器20と、制御手段(図示せず)とを備えている。
なお、図4に示す例では、第1H2O分離器22と第2H2O分離器26の双方を備えているが、いずれか一方のみを備えていても良い。また、第1H2O分離器22は、SOEC12とCO2分離器16の間に設置されていても良い。
第2H2O分離器26は、WGSR24からのオフガス(Gout)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(D2out)を排出すると同時に、分離されたH2Oを含む分離ガス(E2out)をカソード流路に戻すためのものである。
第2H2O分離器26の第4フィード流路の入口は、WGSR24の出口に接続され、第4フィード流路の出口は、燃料製造器20の入口に接続されている。また、第2H2O分離器26の第4パージ流路の出口は、第1H2O分離器22の第3パージ流路の入口に接続されている。
電流貯蔵システム10d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。
SOEC12において水蒸気電解によりH2を発生させ、さらにCO2分離器16によりCO2を供給すると、H2、CO2、及びH2Oを含む混合ガス(Cout)が得られる。さらに、Coutを第1H2O分離器22に供給すると、H2Oが除去され、より高濃度のH2+CO2混合ガスが得られる。その結果、WGSR24における水性逆シフト反応の反応速度を高めることができる。また、これによって、WGSR24の反応器体格及び使用する触媒量を減らすことが可能となる。
さらに、第1H2O分離器22及び第2H2O分離器26のパージ流路は、いずれも蒸発器18の出口に接続されている。そのため、E1out及びE2outに含まれる高温の水蒸気の再利用が可能となる。また、これにより、蒸発器18で新たな水蒸気を発生させるために必要な熱エネルギーが抑制され、より高い効率で燃料製造が可能となる。
本発明に係る電力貯蔵・供給システムは、
CO2及びH2Oの共電解を行うSOECモードと、炭化水素を燃料に用いて発電を行うSOFCモードとを切り替え可能なリバーシブルSOC(R−SOC)と、
前記R−SOCが前記SOECモードにある時に、CO2及びH2Oから合成ガスを製造し、さらに前記合成ガスから前記炭化水素を合成し、得られた前記炭化水素を貯蔵する炭化水素製造手段と、
前記R−SOCが前記SOFCモードにある時に、貯蔵された前記炭化水素を前記R−SOCに供給し、発電を行う発電手段と、
前記R−SOCが前記SOECモードにある時に、前記合成ガスに含まれる未反応のCO2及びH2Oを回収し、前記R−SOCに戻す原料循環手段と、
前記R−SOCが前記SOFCモードにある時に、前記R−SOCのオフガスに含まれる未反応の前記炭化水素を回収し、前記R−SOCに戻す燃料循環手段と
を備えている。
図5に、本発明に係る電力貯蔵・供給システムの模式図を示す。図5において、電力貯蔵・供給システム10eは、リバーシブルSOC(R−SOC)12bと、第1CO2分離器14と、第2CO2分離器16と、蒸発器18と、燃料製造器20と、H2O分離器22と、制御手段(図示せず)と、貯蔵タンク28と、第1調圧器30と、第2調圧器32と、エジェクタ34とを備えている。すなわち、図5に示す電力貯蔵・供給システム10eは、図2に示す電力貯蔵システム10bに対して、貯蔵タンク28、第1調圧器30、第2調圧器32、及びエジェクタ34が追加されたものからなる。
リバーシブルSOC(R−SOC)12bは、
(a)カソード流路に供給された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。
すなわち、R−SOC12bは、使用方法が異なるだけで、その構造は図2に示すSOEC12と同一である。
第1CO2分離器14は、SOECモード時には、燃料製造器20に供給される合成ガスの純度を上げるために用いられ、「炭化水素製造手段」の一部を構成する。また、AoutからCO2を回収する「原料循環手段」の一部を構成する。
一方、第1CO2分離器14は、SOFCモード時には、A'outからCO2を分離することにより、A'outから未反応の炭化水素を回収する「燃料循環手段」の一部を構成する。SOFCモード時には、分離したCO2はそのまま外界に廃棄される。そのため、第1CO2分離器14の第1パージ流路と第2CO2分離器16の第2パージ流路とを繋ぐ配管には、CO2を外界に放出するための三方バルブV3が設けられている。
第1CO2分離器14に関するその他の点については、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、SOECモード時には、主原料であるCO2を供給するために用いられ、「炭化水素製造手段」の一部を構成する。また、第2CO2分離器16そのものには、CO2を回収する機能はないが、第1CO2分離器14の第1パージ流路と直列に接続されているため、「原料循環手段」の一部も構成している。
一方、第2CO2分離器16は、SOFCモード時には使用されない。そのため、第2CO2分離器16とR−SOC12bのアノード流路(SOFCモード時)との間には、第2CO2分離器16をシステムから一時的に切り離すための三方バルブV1が設けられている。
第2CO2分離器16に関するその他の点については、第2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、SOECモード時に、第1CO2分離器14の第1パージ流路からの分離ガス(C1out)、及び第2CO2分離器16の第2パージ流路からの分離ガス(C2out)にH2Oを添加し、原料ガス(Ain)を生成させるためのものである。蒸発器18は、SOFCモード時には、使用されない。
蒸発器18に関するその他の点については、第2の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
H2O分離器22は、SOECモード時には、燃料製造器20に供給される合成ガスの純度を上げるために用いられ、「炭化水素製造手段」の一部を構成する。また、AoutからH2Oを回収する「原料循環手段」の一部を構成する。
一方、H2O分離器22は、SOFCモード時には、A'outからH2Oを分離することにより、A'outから未反応の炭化水素を回収する「燃料循環手段」の一部を構成する。回収された炭化水素は、R−SOC12bに戻される。そのため、H2O分離器22と燃料製造器20の間には、三方弁V2が設けられている。また、三方弁V2の残りの出口は、エジェクタ34の吸引側に接続されている。
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、SOECモード時に「炭化水素製造手段」の一部を構成する。製造された炭化水素は、貯蔵タンク28に貯蔵される。燃料製造器20に関するその他の点については、第2の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
図5に示す例において、燃料製造器20の出口と貯蔵タンク28の入口との間には、第1調圧器30が設けられている。貯蔵タンク28の出口は、エジェクタ34の駆動側に接続されている。また、エジェクタ34と貯蔵タンク28との間には、開閉バルブV4及び第2調圧器32が設けられている。さらに、エジェクタ34の出口は、三方弁V1を介してR−SOC12bのカソード流路(SOECモード時)に接続されている。
逆に、R−SOC12b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−SOC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炭化水素をR−SOC12b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。
電力貯蔵・供給システム10eは、システムの動作を制御するための制御手段(図示せず)を備えている。図5に示す例において、制御手段は、R−SOC12b、第1CO2分離器14、第2CO2分離器16、蒸発器18、燃料製造器20、第1調圧器30、第2調圧器32、バルブV1〜V4の作動条件(例えば、温度、ガス流量など)を制御する。
電力貯蔵・供給システム10eは、電解反応及び/又は発電反応時に前記R−SOCの燃料利用率を25%以上55%以下に制御する燃料利用率制御手段をさらに備えていても良い。燃料利用率制御手段の詳細については、第2の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
[5.2.1. SOFCモード]
図6に、電力貯蔵・供給システム10eシステムのSOFCモードでのガスの流れの模式図を示す。三方弁V1により、エジェクタ34と、R−SOC12bのアノード流路(SOECモード時)の入口とを接続する。三方弁V2により、H2O分離器22のフィード流路の出口とエジェクタ34の吸引側とを接続する。三方弁V3により、第1CO2分離器14のパージ流路の出口と排気側とを接続する。この状態でバルブV4を開き、貯蔵タンク28とエジェクタ34の駆動側とを接続すると、R−SOC12bのアノードに炭化水素が供給される。これと同時に、カソード側に酸素を供給すると、R−SOC12bから電力を取り出すことができる。
図7に、電力貯蔵・供給システムのSOECモードでのガスの流れの模式図を示す。三方弁V1により、第2CO2分離器16の第2パージ流路の出口とR−SOC12bのカソード流路(SOECモード時)の入口とを接続する。三方弁V2により、H2O分離器22のフィード流路の出口と燃料製造器20の入口を接続する。三方弁V3により、第1CO2分離器14の第1パージ流路の出口と第2CO2分離器16の第2パージ流路の入口とを接続する。さらに、バルブV4を閉じる。
また、第1CO2分離器14の第1フィード流路にAoutを流すと、R−SOC12bで利用されなかったCO2が分離され、第1パージ流路から排出される。同時に、蒸発器18で水蒸気を発生させ、第1CO2分離器14の第1パージ流路に流すと、SOEC共電解に必要な混合ガス(CO2+H2O)を生成させることができる。
さらに、要求電力/供給(余剰)電力、貯蔵タンク28の貯蔵量に応じて、SOFCモード/SOECモードを切り替えることにより、炭化水素による電力貯蔵が可能となる。
[1. 試験方法]
図1及び図2に示す電力貯蔵システム10a又は10bについて、システム効率をシミュレーションにより求めた。SOFCのアノード、カソード、及び電解質膜の材料には、それぞれ、Ni−YSZ、LaSrMnO3、及びYSZを選択した。また、各材料の厚み及び抵抗率については、表1に記載の値を用いた。
発電電圧V=Vth−Vact−Vohn ・・・(1)
発電電力W=V・Je ・・・(2)
電解電圧V=Vth+Vact+Vohn ・・・(3)
必要電力W=V・Je ・・・(4)
[参考文献1] Jack Winnick et al., J.Electochem.Soc, Vol.142(11)1995
[2.1. 作動条件の設定]
SOEC電解において、作動温度が低くなるほど、必要電解電圧は大きくなり、発電効率は低下する傾向を示す。同様に、ある作動温度において、電流密度が大きくなるほど、必要電解電圧は大きくなり、発電効率は低下する傾向を示す。さらに、ある作動条件下において、発熱損失と吸熱(TΔS)がほぼ等しくなる条件(サーモニュートラルとなる条件)がある。サーモニュートラル条件下で作動させると、システムの小型化や高効率化、あるいは耐久性の向上等が可能となる。以下では、主にサーモニュートラルとなる条件下(作動温度:750℃、電流密度:0.8A/cm2)で各種の検討を行った。
電解電圧及び電解効率に及ぼす燃料利用率の影響を検討した。図8(A)に、燃料利用率とSOEC効率又はエネルギーとの関係を示す。また、図8(B)に、燃料利用率と必要電解電圧との関係を示す。図8より、以下のことが分かる。
(a)燃料利用率Ufを0.95から0.55に低下させると、電解効率は91.2%から94.7%に向上(+3.5%)した。また、電解電圧は1.4Vから1.34Vに低下(−0.06V)した。さらに、濃度分極による電圧上昇(ネルンスト)は0.07Vから0.01Vに抑制された。
(b)カソードガス循環と低燃料利用率での電解とを組み合わせることにより、必要電解電圧の低減が可能である。
SOEC12から排出されるオフガス(Aout)は、合成ガス(CO+H2)を主成分とするが、未反応のCO2及びH2Oを含んでいる。このAoutを第1CO2分離器14に供給すると、AoutからCO2を分離することができる。この時、第1CO2分離器14の作動条件を最適化すると、Aoutから分離されるCO2の割合(CO2分離率)を任意に制御することができる。CO2分離率の異なる合成ガスを燃料製造器20に供給した時の、製造ガス中のCH4濃度を検討した。
(a)CO2分離率が大きくなるほど、合成ガス中のCO2量は減少し、製造ガス中のCH4濃度は増大した。例えば、CO2分離率が0.4である場合、製造ガス中のCH4濃度は66.5Dry%であった。一方、CO2分離率が1.0である場合、製造ガス中のCH4濃度は95.5Dry%に向上した。
(b)CO2ガス分離及びカソードオフガス循環は、製造ガス中のCH4の高濃度化に有効である。
(c)可燃成分(CH4+H2)の濃度向上は、R−SOCシステムにおける可燃性ガスの貯蔵容積の低減に有効である。
電解効率に及ぼすH2O/CO2比の影響を検討した。図10(A)に、H2O/CO2比とSOEC効率又はエネルギーとの関係を示す。図10(B)に、H2O/CO2比とCO2分離後の合成ガス流量との関係を示す。図10より、以下のことがわかる。
(a)SOEC12への供給ガス(Ain)中のH2O/CO2比が大きくなるほど、CO流量は減少し、H2流量は増加した。また、SOEC効率は低下した。これは、合成ガス中の標準状態における発熱量がCO:283kJ/mol>H2:242kJ/molであるためである。
(b)50kW製造ガス出力のための要求電力は、H2O/CO2=1で最大値を示す。
(a)H2O/CO2比により、製造ガス中のCO、CO2、又はH2の発生量が変化する2つの境界(H2O/CO2=1、3)が存在した。
(b)H2O/CO2比=1.0の時、CO2の濃度は最大となり、CH4濃度は49.7Dry%であった。一方、H2O/CO2比=3.0の時、CO2の濃度は最小となり、CH4濃度は最大(95.5Dry%)となり、H2濃度は4.5Dry%となった。
(c)H2O/CO2比が3.0を超えると、CH4濃度は単調に減少し、H2濃度は単調に増加した。可燃性ガスの貯蔵容積を低減するためには、H2としてよりもCH4として貯蔵するのが好ましい。そのためには、H2O/CO2比は、3〜8が好ましく、さらに好ましくは、3〜4である。
図12(A)に、CH4の合成温度と発熱量又は効率との関係を示す。図12(B)に、CH4の合成温度と製造ガスDry濃度との関係を示す。図12より、以下のことが分かる。
(a)合成温度が高くなるほど、H2濃度及びCO濃度が増大し、CH4濃度が低下した。これは、合成温度が高くなるほど、メタン分解反応、あるいは逆シフト反応が進行しやすくなるためである。
(b)CH4濃度を95%以上とするためには、合成温度は100℃以上200℃以下が好ましい。
[1. 試験方法]
図3及び図4に示す電力貯蔵システム10c、10dについて、システム効率をシミュレーションにより求めた。シミュレーション方法は、実施例1と同一とした。
WGSR24を用いた電力貯蔵システムにおいて、H2O/CO2比の影響を検討した。図13(A)に、H2O/CO2比と発熱量又は効率との関係を示す。図13(B)に、H2O/CO2比と製造ガスDry濃度との関係を示す。図13より、以下のことが分かる。
(a)WGSR24を用いた電力貯蔵システム10c、10dにおいて、Ain中のH2O/CO2比により、製造ガス中のCO2、H2の発生量が変化する1つの境界(H2O/CO2=4)が存在した。
(b)H2O/CO2比=4.0の時、CO2濃度は最小となり、CH4濃度は最大(96.4Dry%)となり、H2濃度は3.6Dry%となった。
(c)H2O/CO2比が4を超えると、CH4濃度は単調に減少し、H2濃度は単調に増加した。可燃性ガスの貯蔵容積を低減するためには、H2としてよりもCH4として貯蔵するのが好ましい。そのためには、H2O/CO2比は、4〜8が好ましく、さらに好ましくは、4〜6である。
[1. 試験方法]
図5に示す電力貯蔵・供給システム10eについて、システム効率をシミュレーションにより求めた。シミュレーション方法は、実施例1と同一とした。
図14(A)に、SOFCモード(750℃、0.4A/cm2)での発電効率及びセル電圧を示す。図14(B)に、SOECモード(750℃、0.8A/cm2)での燃料製造効率及びCH4濃度を示す。なお、表2に、図14(A)の「従来」、「AGR(アノードオフガス循環)」、「ガス分離」、及び「低Uf運転」の詳細な運転条件を示す。また、表3に、図14(B)の「従来」、「CGR(カソードオフガス循環)」、及び「低Uf運転」の詳細な運転条件を示す。
(a)SOFCモードで運転する場合において、ガス循環及びCO2分離のいずれも行わず、かつ燃料利用率Ufも相対的に高い場合(従来)、セル電圧が高くなり、かつ発電効率も低い。一方、アノードオフガス循環(AGR)の循環率を向上させ、あるいは、CO2分離率を向上させると、セル電圧は低く維持されたまま、発電効率が向上した。特に、循環率100%、CO2分離率100%、燃料利用率0.55の条件下では、セル電圧=0.77V、発電効率=74.9%を達成できた。
12 固体酸化物型電解セル(SOEC)
14 第1CO2分離器
16 第2CO2分離器
18 蒸発器
20 燃料製造器
Claims (4)
- カソード流路にCO2及びH2Oを含む原料ガス(Ain)を供給し、前記Ainから合成ガスを生成させ、前記合成ガスを含むオフガス(Aout)を排出するための固体酸化物型電解セル(SOEC)と、
前記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)を排出すると同時に、前記Aoutから分離されたCO2を含む分離ガス(C1out)を前記カソード流路に戻すための第1CO2分離器と、
CO2源から供給されるガス(B2in)からCO2を分離し、前記B2inから分離されたCO2を含む分離ガス(C2out)を前記カソード流路に供給するための第2CO2分離器と、
前記C1out及び前記C2outにH2Oを添加し、前記Ainを生成させるための蒸発器と、
前記A out 又は前記B 1out からH 2 Oを分離し、H 2 Oの全部又は一部が除去されたオフガス(D out )を排出すると同時に、分離されたH 2 Oを含む分離ガス(E out )を前記カソード流路に戻すためのH 2 O分離器と、
前記B1out 又は前記D out を用いて炭化水素を合成するための燃料製造器と
を備えた電力貯蔵システム。 - 電解時に前記SOECの燃料利用率を25%以上55%以下に制御するための燃料利用率制御手段をさらに備えている請求項1に記載の電力貯蔵システム。
- 以下の構成を備えた電力貯蔵・供給システム。
(1)前記電力貯蔵・供給システムは、
CO2及びH2Oの共電解を行うSOECモードと、炭化水素を燃料に用いて発電を行うSOFCモードとを切り替え可能なリバーシブルSOC(R−SOC)と、
前記R−SOCが前記SOECモードにある時に、CO2及びH2Oから合成ガスを製造し、さらに前記合成ガスから前記炭化水素を合成し、得られた前記炭化水素を貯蔵する炭化水素製造手段と、
前記R−SOCが前記SOFCモードにある時に、貯蔵された前記炭化水素を前記R−SOCに供給し、発電を行う発電手段と、
前記R−SOCが前記SOECモードにある時に、前記合成ガスに含まれる未反応のCO2及びH2Oを回収し、前記R−SOCに戻す原料循環手段と、
前記R−SOCが前記SOFCモードにある時に、前記R−SOCのオフガスに含まれる未反応の前記炭化水素を回収し、前記R−SOCに戻す燃料循環手段と
を備えている。
(2)前記炭化水素製造手段は、
前記R−SOCのカソード流路にCO 2 及びH 2 Oを含む原料ガス(A in )を供給し、前記A in から合成ガスを生成させ、前記合成ガスを含むオフガス(A out )を排出する場合において、
前記A out からCO 2 を分離し、CO 2 の全部又は一部が除去されたオフガス(B 1out )を排出すると同時に、前記A out から分離されたCO 2 を含む分離ガス(C 1out )を前記カソード流路に戻すための第1CO 2 分離器と、
CO 2 源から供給されるガス(B 2in )からCO 2 を分離し、前記B 2in から分離されたCO 2 を含む分離ガス(C 2out )を前記カソード流路に供給するための第2CO 2 分離器と、
前記C 1out 及び前記C 2out にH 2 Oを添加し、前記A in を生成させるための蒸発器と、
前記A out 又は前記B 1out からH 2 Oを分離し、H 2 Oの全部又は一部が除去されたオフガス(D out )を排出すると同時に、分離されたH 2 Oを含む分離ガス(E out )を前記カソード流路に戻すためのH 2 O分離器と、
前記B 1out 又は前記D out を用いて炭化水素を合成するための燃料製造器と
を備えている。 - 電解反応及び/又は発電反応時に前記R−SOCの燃料利用率を25%以上55%以下に制御する燃料利用率制御手段をさらに備えている請求項3に記載の電力貯蔵システム。
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