(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスを収集する排気マニホールドを有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムであって、前記排気マニホールドを構成する面に高温作動型の酸素透過膜を配置してなり、当該酸素透過膜を介して前記スタックからのカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、
前記アノードオフガスの酸素燃焼後の排気ガス流路にＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーのうち１つまたは２つ以上を配置し、当該センサー計測部の下流に、計測された酸素濃度、水素濃度あるいはＣＯ濃度から計算された未燃ガスの濃度に応じて電池の出力電流を制御することによって供給酸素量の制御が可能な第２のＳＯＦＣを構成することにより、制御供給量の酸素と未燃ガスを反応させ、回収ＣＯ2濃度を高めるようにしてなることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、前記排気マニホールドを、熱伝導性の高い仕切り板で上下に区切った多層構造とし、前記ＳＯＦＣスタックを固定する仕切板と熱伝導性の高い仕切り板との間はアノードオフガスの酸素燃焼部とし、前記熱伝導性の高い仕切り板と前記スタックを固定する仕切板に対して相対する側の仕切板との間は炭化水素系燃料の水蒸気改質器からなる燃料改質部と水蒸気改質のための水気化器からなる水気化部とし、アノードオフガスの酸素燃焼部、燃料改質部及び水気化部を排気マニホールド内に一体化することで、アノードオフガスの酸素燃焼部の発熱を燃料改質や水気化に利用するようにしてなることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステム。
【請求項３】
ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスまたはカソードオフガスを収集する排気マニホールドを有し、前記排気マニホールドを構成する面に酸素供給用のＳＯＦＣを配置してなり、前記酸素供給用ＳＯＦＣを介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと反応させて発電を行うモジュール構造を有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法であって、
前記ＳＯＦＣスタックの発電時の電流量から計算される未燃ガスの濃度に応じて、前記酸素供給用ＳＯＦＣの出力電流量を制御することにより、ＳＯＦＣスタックから排出される未燃ガスを完全に燃焼させる供給酸素量とすることにより、最終的な回収ＣＯ2濃度を高めることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法において、前記ＳＯＦＣスタックの発電時の電流量が少なくなれば、下流の酸素供給用ＳＯＦＣの電流量を上げて酸素供給量を増やし、前記ＳＯＦＣスタックの発電時の電流量が多くなれば、下流の酸素供給用ＳＯＦＣの電流量を下げて酸素供給量を減らすように制御することを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法。
【請求項５】
ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスまたはカソードオフガスを収集する排気マニホールドを有し、当該排気マニホールドを構成する面に酸素供給用のＳＯＦＣを配置してなり、当該酸素供給用ＳＯＦＣを介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを前記排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法であって、
（ａ）前記排気マニホールドに続く排気ガス流路に配置したＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーで計測されるＣＯ、水素、酸素の各濃度から計算される未燃ガスの濃度、または、ＳＯＦＣスタックでの発電時の電流値から計算される未燃ガスの濃度に応じて、前記酸素供給用ＳＯＦＣの電流量を制御することにより、ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスである未燃ガスを燃焼させる酸素供給量を制御し、さらに、
（ｂ）前記センサー配置領域の下流に第３のＳＯＦＣを配置して、前記ＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーで計測される未燃ガスの濃度に応じて、供給酸素量を制御することにより、未燃ガスを完全燃焼させ、最終的な回収ＣＯ2濃度を高めることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法において、前記センサーによって計測されたアノードオフガス中の水素濃度、ＣＯ濃度が高くなれば、第３のＳＯＦＣの電流値を上げ、水素濃度、ＣＯ濃度が低くなれば、第３のＳＯＦＣの電流値を下げることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法。
【請求項７】
請求項５に記載のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法において、アノードオフガス中の酸素濃度が高ければ、第３のＳＯＦＣに流す電流の向きを変えることにより、アノードオフガス中の酸素を取り除くことを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法。
【請求項８】
ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスを収集する排気マニホールドを有し、前記排気マニホールドを構成する面に高温作動型の酸素透過膜を配置してなり、当該酸素透過膜を介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、前記スタックからのアノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有し、アノードオフガスの酸素燃焼後の排気ガス流路にＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーを配置し、それらセンサーの配置部位の下流に、それらセンサーで計測された未燃ガスの濃度に応じて電池の出力電流を制御することによって供給酸素量の制御が可能な第２のＳＯＦＣを配置してなるＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法であって、
前記高温作動型の酸素透過膜として混合導電性セラミックス膜を使用し、その使用に際して、（ａ）排気マニホールド下流のＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーにより計測されたＣＯ濃度、水素濃度あるいは酸素濃度を基に算出された排気マニホールドから排出される排出ガス中の未燃ガスの濃度に応じて、前記第２のＳＯＦＣへの供給酸素量を制御することにより、（ｂ）当該第２のＳＯＦＣにおいて未燃ガスを完全に反応させ、最終的な回収ＣＯ2濃度を高めることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法。
【請求項９】
請求項８に記載のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法において、前記センサーによって計測されたアノードオフガス中の水素濃度、ＣＯ濃度が高くなれば、第２のＳＯＦＣの電流値を上げ、水素濃度、ＣＯ濃度が低くなれば、第２のＳＯＦＣの電流値を下げることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法。
【請求項１０】
請求項８に記載のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法において、アノードオフガス中の酸素濃度が高ければ、第２のＳＯＦＣに流す電流の向きを変えることにより、アノードオフガス中の酸素を取り除くことを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ2回収型固体酸化物形燃料電池システム及びその運転制御方法に関し、より具体的には、ＣＯ2の回収構造を備えた固体酸化物形燃料電池システム及びその運転制御方法に関する。
【０００２】
本明細書、特許請求の範囲及び図面中、適宜、固体酸化物形燃料電池を“ＳＯＦＣ”と記載し、固体酸化物形燃料電池スタックを“ＳＯＦＣスタック”と記載し、固体酸化物形燃料電池システムを“ＳＯＦＣシステム”と記載している。
【０００３】
また、本明細書及び図面中、ＣＯ2フリー電力（またはＣＯ2フリーの電力）とは、太陽光発電や風力発電などのように、ＣＯ2の排出を伴わずに発電される電力を意味し、同じくＣＯ2フリー熱（またはＣＯ2フリーの熱）とは、ＣＯ2の排出を伴わずに生成する熱を意味する。本発明のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、発電に伴って発生するＣＯ2は、大気中に放出せずに、ＳＯＦＣシステム内で分離、回収される。このことから、本発明のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムのＳＯＦＣで発電される電力は、ＣＯ2の大気中への排出を伴わずに発電される電力、つまりＣＯ2フリーの電力である。
【背景技術】
【０００４】
〈（１）オフガスを開放端で燃焼させる一般的なＳＯＦＣの構成について〉
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）は８５０〜１０００℃程度という高温で運転されるが、最近ではそれより低温である５００〜８５０℃程度（例えば８００℃）というような温度で運転されるものも開発されつつある。ＳＯＦＣは平板形、円筒形、一体積層形、横縞形その他、各種形状で構成され、平板形、円筒形、一体積層形、横縞形はそれぞれ平板方式、円筒方式、一体積層方式、横縞方式とも呼ばれる。
【０００５】
図９〜１０を用い、その例として平板方式または円筒方式のＳＯＦＣを例に説明する。図９は断面図（燃料流の流れ方向の断面図）、図１０（ａ）〜（ｂ）は斜視図で、図１０（ａ）は平板方式のＳＯＦＣ、図１０（ｂ）は円筒方式のＳＯＦＣである。ＳＯＦＣのセル５６は電気絶縁性の支持基体（多孔質の支持基体）５２に支持され、図示の例では、支持基体５２側から“アノード−電解質−カソード”の順に配された三層構造（図示は省略）で構成される。セル５６は三層構造の分、厚みを持つが、図１０（ａ）〜（ｂ）中その厚みの記載は省略している。
【０００６】
図９〜１０に示すＳＯＦＣにおいて、燃料をアノード側の燃料流路に流し、空気をカソード側に流しながら発電する。複数の孔５９を有する空気の供給、分配機構５８を備える。空気は導入管５７から導入され、その供給、分配機構５８の複数の孔５９から放出、分配され、ＳＯＦＣセル５６のカソード側を流れながら発電に寄与し、図９（ａ）中その右端からカソードオフガス、つまり利用済み空気として排出される。
【０００７】
一方、燃料は、図９中その左端の燃料導入口５４から導入され、燃料流路５３を流れながら発電に寄与し、その右端の利用済み燃料放出口５５から排出される。燃料流路５３の右端がアノードオフガス、つまり利用済み燃料の放出口５５となる。その際、燃料はその流れ方向に沿ってセル５６で徐々に消費されて発電に寄与し、下流側に向けて発電に寄与するガス成分（水素、一酸化炭素）の量が漸次少なくなっていく。しかし、ＳＯＦＣでは発電に寄与するガス成分の全部を利用することができず、供給された燃料は、通常その７０〜８０％程度が利用され、残りの３０〜２０％程度は未利用のまま排出される。
【０００８】
ＳＯＦＣにおいて、オフガスを開放端で燃焼させる構造においては、アノードオフガスとカソードオフガスが混合するため、窒素を含むＳＯＦＣ排ガスからＣＯ2を効率よく分離回収することが困難である。また、ＳＯＦＣの電池部が開放端にある場合、図１０（ｃ）中“酸素逆拡散”として示すように、異常発生等で燃料供給が遮断した際などに、カソード側を流れる空気（酸素）が逆流、拡散してアノードを酸化し、電池部〔図１０（ｃ）で云えばＺで示す部分〕を劣化させてしまう。
【０００９】
〈（２）ＳＯＦＣを用い、電力発生と同時に二酸化炭素を分離回収する発電システムについて（特許文献１）〉
特許文献１には、ＳＯＦＣを用い、電力発生と同時に二酸化炭素を分離回収する発電システムについて記載されている。
ＳＯＦＣにおいてはＣＯも燃料となるが〔すなわち、ＳＯＦＣにおいて、ＣＯはアノード中の金属（例えばＮｉ）の存在下、水蒸気によるシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2）によりＨ2を生成する〕、ＳＯＦＣからの排ガス中のＣＯ2と水蒸気を回収した後に残ったＣＯは、ＳＯＦＣに供給する燃料ガスに比べて低圧になっているため、再循環させたい当該ＣＯを燃料ガスに供給することは困難である。
【００１０】
また、都市ガスその他の炭化水素系燃料の内部改質に必要な熱としては、アノードオフガス系統との熱交換、カソードオフガスである排空気系統との熱交換だけでは不十分である。この点、ＳＯＦＣへの投入燃料の効率的な使用という観点からも、排ガスであるアノードオフガスとカソードオフガスの直接燃焼による燃焼熱を利用することが望ましく、それとは逆に燃焼熱を利用しない場合は、改質が困難あるいは不十分となる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平０６−２０３８４５号公報
【００１２】
〈（３）ＳＯＦＣからのアノードオフガスを酸素燃焼させ、燃焼排ガスを冷却してＣＯ2を回収するＳＯＦＣについて〉
ＳＯＦＣからのアノードオフガスを酸素燃焼させる（すなわちアノードオフガスを酸素で燃焼させる）ためには別途酸素製造装置が必要となり、その酸素製造のためのエネルギーが必要となる。そして、酸素製造のためのエネルギーが化石燃料起源のものである場合、正味のＣＯ2回収量が減少してしまう。
【００１３】
また、ＳＯＦＣにおいては、その発電部と炭化水素系燃料の改質部との間での熱バランスの維持が難しい。アノードオフガスの酸素燃焼に伴う発熱を炭化水素系燃料の改質に用いるシステム構成としている場合、ＳＯＦＣの電池部及び炭化水素系燃料の改質部とアノードオフガスの酸素燃焼部が離れていると、アノードオフガス燃焼時の発熱を改質熱に効率良く活用することが困難となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、ＳＯＦＣのアノードオフガスをカソートオフガスである空気と混合して燃焼させるのではなく、ＳＯＦＣのカソートオフガスである空気から分離した酸素によってアノードオフガスを酸素燃焼させつつ、燃焼時の発熱を炭化水素系燃料の改質用の熱として活用できる構成とすることにより、高濃度のＣＯ2を効率的に回収しつつ、高効率な熱電併給を可能とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステム及びその運転制御方法を提供することを目的とするものである。
【００１５】
すなわち、本発明は、ＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの発電モジュール構造に関わる要素技術を提供することを目的とする。より具体的には、ＳＯＦＣから排出されるアノードオフガスに対して、カソードオフガスから酸素分離膜等により選択的に分離した酸素のみを供給することにより、アノードオフガス中の未燃のＣＯを燃焼させ（Ｈ2が含まれる場合は同じく燃焼する）、燃焼排ガス中のＣＯ2を高濃度かつ高効率で分離し、回収しながら、ＣＯ2フリーの電力と熱を得るＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステム及びその運転制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明（１）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスを収集する排気マニホールドを有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムであって、前記排気マニホールドを構成する面に高温作動型の酸素透過膜を配置してなり、当該酸素透過膜を介して前記スタックからのカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有することを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムである。
本発明（１）は参考発明である。
【００１７】
本発明（２）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスまたはカソードオフガスを収集する排気マニホールドを有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムであって、前記排気マニホールドを構成する面に酸素供給用のＳＯＦＣを配置してなり、前記酸素供給用ＳＯＦＣを介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有することを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムである。
本発明（２）は参考発明である。
本発明（１）では高温作動型の酸素透過膜を配置するのに対して、本発明（２）では酸素供給用のＳＯＦＣを配置する点で異なる。
【００１８】
本発明（３）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスを収集する排気マニホールドを有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムであって、前記排気マニホールドを構成する面に高温作動型の酸素透過膜を配置してなり、当該酸素透過膜を介して前記スタックからのカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、
前記アノードオフガスの酸素燃焼後の排気ガス流路にＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーのうち１つまたは２つ以上を配置し、当該センサー計測部の下流に、計測された酸素濃度、水素濃度あるいはＣＯ濃度から計算された未燃ガスの濃度に応じて電池の出力電流を制御することによって供給酸素量の制御が可能な第２のＳＯＦＣを構成することにより、制御供給量の酸素と未燃ガスを反応させ、回収ＣＯ2濃度を高めるようにしてなることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムである。
本発明（３）は、本発明（１）の構成を有することを前提とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムである。
【００１９】
本発明（４）は、本発明（１）〜（３）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、前記排気マニホールドを、熱伝導性の高い仕切り板で上下に区切った多層構造とし、前記ＳＯＦＣスタックを固定する仕切板と熱伝導性の高い仕切り板との間はアノードオフガスの酸素燃焼部とし、前記熱伝導性の高い仕切り板と前記スタックを固定する仕切板に対して相対する側の仕切板との間は炭化水素系燃料の水蒸気改質器からなる燃料改質部と水蒸気改質のための水気化器からなる水気化部とし、アノードオフガスの酸素燃焼部、燃料改質部及び水気化部を排気マニホールド内に一体化することで、アノードオフガスの酸素燃焼部での発熱を燃料改質や水気化に利用するようにしてなることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムである。
【００２０】
本発明（５）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスまたはカソードオフガスを収集する排気マニホールドを有し、前記排気マニホールドを構成する面に酸素供給用のＳＯＦＣを配置してなり、前記酸素供給用ＳＯＦＣを介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと反応させて発電を行うモジュール構造を有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法であって、
前記ＳＯＦＣスタックの発電時の電流量から計算される未燃ガスの濃度に応じて、前記酸素供給用ＳＯＦＣの出力電流量を制御することにより、ＳＯＦＣスタックから排出される未燃ガスを完全に燃焼させる供給酸素量とすることにより、最終的な回収ＣＯ2濃度を高めることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。
【００２１】
本発明（６）は、本発明（５）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法において、前記ＳＯＦＣスタックの発電時の電流量が少なくなれば、下流の酸素供給用ＳＯＦＣの電流量を上げて酸素供給量を増やし、前記ＳＯＦＣスタックの発電時の電流量が多くなれば、下流の酸素供給用ＳＯＦＣの電流量を下げて酸素供給量を減らすように制御することを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。
【００２２】
本発明（７）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスまたはカソードオフガスを収集する排気マニホールドを有し、当該排気マニホールドを構成する面に酸素供給用のＳＯＦＣを配置してなり、当該酸素供給用ＳＯＦＣを介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを前記排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法であって、
（ａ）前記排気マニホールドに続く排気ガス流路に配置したＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーで計測されるＣＯ、水素、酸素の各濃度から計算される未燃ガスの濃度、または、ＳＯＦＣスタックでの発電時の電流値から計算される未燃ガスの濃度に応じて、前記酸素供給用ＳＯＦＣの電流量を制御することにより、ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスである未燃ガスを燃焼させる酸素供給量を制御し、さらに、
（ｂ）前記センサー配置領域の下流に第３のＳＯＦＣを配置して、前記ＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーで計測される未燃ガスの濃度に応じて、供給酸素量を制御することにより、未燃ガスを完全燃焼させ、最終的な回収ＣＯ2濃度を高めることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。
【００２３】
本発明（８）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスを収集する排気マニホールドを有し、前記排気マニホールドを構成する面に高温作動型の酸素透過膜を配置してなり、当該酸素透過膜を介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、前記スタックからのアノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有し、アノードオフガスの酸素燃焼後の排気ガス流路にＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーを配置し、それらセンサーの配置部位の下流に、それらセンサーで計測された未燃ガスの濃度に応じて電池の出力電流を制御することによって供給酸素量の制御が可能な第２のＳＯＦＣを配置してなるＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法であって、
前記高温作動型の酸素透過膜として混合導電性セラミックス膜を使用し、その使用に際して、（ａ）排気マニホールド下流のＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーにより計測されたＣＯ濃度、水素濃度あるいは酸素濃度を基に算出された排気マニホールドから排出される排出ガス中の未燃ガスの濃度に応じて、前記第２のＳＯＦＣへの供給酸素量を制御することにより、（ｂ）当該第２のＳＯＦＣにおいて未燃ガスを完全に反応させ、最終的な回収ＣＯ2濃度を高めることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。
【００２４】
本発明（９）は、本発明（７）〜（８）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法において、前記センサーによって計測されたアノードオフガス中の水素濃度、ＣＯ濃度が高くなれば、第２または第３のＳＯＦＣの電流値を上げ、水素濃度、ＣＯ濃度が低くなれば、第２または第３のＳＯＦＣの電流値を下げることを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。
【００２５】
本発明（１０）は、本発明（７）〜（８）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法において、アノードオフガス中の酸素濃度が高ければ、第２または第３のＳＯＦＣに流す電流の向きを変えることにより、アノードオフガス中の酸素を取り除くことを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係るＣＯ2回収ＳＯＦＣシステムを、都市ガス及びＣＯ2回収パイプラインが敷設された工場や地域エネルギー供給拠点に設置して運転することにより、ＣＯ2回収ＳＯＦＣシステムの設置先でのＣＯ2排出量を削減しつつ、ＣＯ2フリーの電力と熱を需要家に供給することができる。
【００２７】
また、本発明によれば下記（１）〜（５）の効果が得られる。
（１）酸素供給に酸素透過膜を利用することにより、酸素は排気マニホールド内外の酸素ポテンシャル差によって、高温空気中の酸素が排気マニホールド内に供給されるため、別途酸素製造装置などを用いることなく、極めて単純に酸素をアノードオフガス（未反応燃料ガス）中に供給することができる。
（２）ＳＯＦＣを酸素透過膜として利用することにより、電流を制御することによって、排気マニホールド内に供給する酸素量を制御し、オフガス反応を最適制御することができる。
（３）ＳＯＦＣを酸素透過膜として利用することにより、上流の発電量または下流のセンサーによって、燃料排ガス中の未燃ガスを完全燃焼させるのに必要な酸素量を計算して供給できるため、回収ＣＯ2の濃度を高濃度にできる。
（４）上記（２）の酸素透過膜として利用するＳＯＦＣによって、高温空気から供給される酸素と燃料電池スタックから排出される燃料排ガス中に含まれる未燃のＨ2またはＣＯとが排気マニホールド内で反応し、排気マニホールド内にある燃料改質器に直接、改質熱（燃料の改質に必要な熱）を与えることにより、オフガス燃焼熱を無駄なく利用することができる。
（５）最終的な燃料排ガスは、純酸素燃焼のため、水蒸気、ＣＯ2が主となっており、水蒸気を低温トラップで液化することにより、高濃度なＣＯ2を極めて容易に分離・回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は本発明を説明する図である。
【図２】図２は本発明を説明する図である。
【図３】図３は本発明を説明する図である。
【図４】図４は本発明を説明する図である。
【図５】図５は本発明を説明する図である。
【図６】図６は本発明を説明する図である。
【図７】図７は本発明を説明する図である。
【図８】図８は本発明を説明する図である。
【図９】図９は本発明に関連するＳＯＦＣの形状例等を説明する図である。
【図１０】図１０は本発明に関連するＳＯＦＣの形状例等を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明に係るＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの前提として、それに関連する炭化水素燃料の水蒸気改質部乃至水蒸気改質器について説明し、次いで本発明の実施態様について順次説明する。図１〜８は本発明を説明するための図である。
【００３０】
〈炭化水素燃料の水蒸気改質部ないし水蒸気改質器について〉
水素は各種用途に用いられる基礎原料であり、燃料電池の燃料としても利用される。水素の工業的製造方法として天然ガスや都市ガス等の炭化水素ガスの改質法がある。そのうち水蒸気改質法はメタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素（天然ガスや石油ガスなどの２種以上の炭化水素ガスの混合ガスを含む）やアルコール類を水蒸気で改質して水素リッチな改質ガスを生成する方法である。
【００３１】
図８（ａ）は水蒸気改質器を説明する図である。水蒸気改質器は概略、バーナーあるいは燃焼触媒を配置した燃焼部（加熱部）と改質触媒を配置した改質部により構成される。改質部では炭化水素（炭化水素燃料）が水蒸気と反応して水素リッチな改質ガスに変えられる。改質部で起こる反応は大きな吸熱を伴うので、反応の進行のために外部から熱の供給が必要であり、６５０〜９００℃の範囲、代表例として７５０℃程度の温度が必要である。このため改質部に燃焼部における燃料ガス（例えばＳＯＦＣからのアノードオフガス）の空気（燃焼用空気、例えばＳＯＦＣからのカソードオフガス）による燃焼により発生した燃焼熱（ΔＨ）が供給される。
【００３２】
燃焼触媒としては例えば白金等の貴金属触媒などが用いられ、改質触媒としては例えばＮｉ系、Ｒｕ系等の触媒が用いられる。都市ガスやＬＰガス等の炭化水素ガス（原料ガス）にはメルカプタン類、サルファイド類、あるいはチオフェンなどの付臭剤が添加されている。改質触媒はこれら硫黄化合物により被毒し性能劣化を来たすので、原料ガスはそれら硫黄化合物を除去するために脱硫器に導入される。
【００３３】
次いで、別途設けられた水気化器（水蒸気発生器）からの水蒸気を添加、混合して改質器の改質部へ導入し、改質部での原料ガスの水蒸気による改質反応により水素リッチな改質ガスが生成される。改質ガスには主成分である水素に加え、未反応のメタン、未反応の水蒸気、生成炭酸ガスのほか、一酸化炭素（ＣＯ）が副生して８〜１５％（容量、以下同じ）程度含まれているが、前述のとおりＳＯＦＣではアノードでのシフト反応によりＣＯも燃料となるので水素とともにアノードへ導入される。
【００３４】
図８（ｂ）は、図１〜３中、各左側に示す部分に相当し、上述のような水蒸気改質器を本発明に係るＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムでの発電用燃料の製造に利用する態様例を示している。図１〜３では３個のＳＯＦＣスタックＡ１を例示しているが、その数は適宜設定される。図１（ｂ）は図１（ａ）中Ｘ−Ｘ線断面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中Ｘ−Ｘ線断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）中Ｘ−Ｘ線断面図である。
【００３５】
図８（ｂ）中、符号３１〜３４として示す各仕切り板で囲われた空間に炭化水素燃料の水蒸気改質部が配置される。図８（ｂ）中、符号Ａ１で示す各ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスは符号２で示す燃焼域で酸素により燃焼する。そして、ここで発生する燃焼熱は水蒸気改質部での炭化水素燃料の水蒸気改質用の熱として利用する。
【００３６】
〈本発明（１）の態様について〉
本発明（１）は、ＳＯＦＣスタックと、当該ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスを収集する排気マニホールドを有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムである。そして、前記排気マニホールドを構成する面に高温作動型の酸素透過膜を配置してなり、当該酸素透過膜を介して前記スタックからのカソードオフガスである空気中の酸素のみが排気マニホールド内へ通過し、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有することを特徴とする。
【００３７】
図１において、各ＳＯＦＣスタックＡ１からのアノードオフガスは排気マニホールドに収集される。ＳＯＦＣスタックは図１で言えば符号Ａ１で示すＳＯＦＣスタックである。排気マニホールドは図１〜３中、符号３０〜３６で示す各仕切板により囲われた空間で構成される。すなわち、図１を例に云えば、符号３０はＳＯＦＣスタックＡ１を支持する仕切板、符号３３〜３６は側部の仕切板で、そのうち符号３３、３４は左右側部の仕切板、符号３５、３６は前後側部の仕切板である。符号３１は燃焼域と水蒸気改質部との間を区画する仕切板、符号３２は上蓋を構成する板体である。
【００３８】
本発明（１）において、排気マニホールドを例えば、上下に蓋（仕切り板）を有する横断面矩形状に構成する場合、排気マニホールドを構成する側面のうち少なくとも一面に高温作動型の酸素透過膜を配置する。排気マニホールドは、図１〜３に示す例では下部仕切板に各ＳＯＦＣスタックＡ１の開口が臨む横断面矩形状の中空角柱体の容器であるが、横断面円形状ないし横断面楕円形状の内空円柱体で構成してもよい。
【００３９】
また、高温作動型の酸素透過膜の配置の仕方は、（ａ）排気マニホールドを構成する面に別体として高温作動型の酸素透過膜を配置してもよく、（ｂ）排気マニホールドを構成する面そのものを高温作動型の酸素透過膜で構成してもよい。このうち、（ａ）排気マニホールドを構成する面に別体として高温作動型の酸素透過膜を配置する態様では、例えば排気マニホールドを構成する面をくり抜き、その開口に高温作動型の酸素透過膜を配置することで配置することができる。高温作動型の酸素透過膜の配置の仕方についてのそれらの点は、高温作動型の酸素透過膜を配置する他の本願発明についても同様である。
【００４０】
排気マニホールドには、各ＳＯＦＣスタックからのカソードオフガス及びアノードオフガスのうち、アノードオフガスが収集される。そのように上下に蓋（仕切り板）を有する横断面矩形状の構造のほか、横断面円形状等でも構成される。横断面円形状の場合、その周側面のうち少なくとも１部の面に高温作動型の酸素透過膜を配置する。図１（ｂ）では、符号Ｂ１として示すように高温作動型の酸素透過膜を配置する。
【００４１】
高温作動型の酸素透過膜の例としては、混合導電性セラミックス膜であるＢａ0.5Ｓｒ0.5Ｃｏ0.8Ｆｅ0.2Ｏ3膜、Ｌａ0.7Ｓｒ0.3Ｇａ0.6Ｆｅ0.4Ｏ3膜、Ｐｒ0.7Ｓｒ0.3Ｆｅ0.8Ａｌ0.2Ｏ3膜などが挙げられるが、これらに限定されない。この点、高温作動型の酸素透過膜を使用する本発明（１）以外の本願発明についても同様である。
【００４２】
排気マニホールドにおいて、排気マニホールドを構成する面に高温作動型の酸素透過膜を配置することで、カソードオフガスである空気中の酸素のみが当該酸素透過膜を透過して排気マニホールド内に流入するモジュール構造を構成している。そして、排気マニホールドに流入した酸素がＳＯＦＣスタックＡ１から収集されたアノードオフガスと酸素燃焼する。
【００４３】
ＳＯＦＣスタックＡ１の外周を流れる空気は、スタックでの発電に寄与した後、カソードオフガスとして高温作動型の酸素透過膜Ｂ２に至る。そこで酸素が選択的に透過、分離し排気マニホールド内に流入する。酸素透過膜による酸素分離済みの、残りのカソードオフガスは高温であるので、原料炭化水素燃料の予熱などに用いることができる。なお、ＳＯＦＣスタックＡ１の外周を流れる空気は、隔壁で囲まれた空間内を流れるが、図１ではその隔壁の記載は省略している。この点、図２〜３についても同様である。
【００４４】
本明細書中“排気マニホールド”とは、ＳＯＦＣスタックから排出されるアノードオフガスと、ＳＯＦＣスタックから排出されるカソードオフガスから分離した酸素とを収集し、且つアノードオフガスを酸素燃焼させる容器と、当該酸素燃焼による燃焼ガスを流出させる流路を有する構造体の意味である。
【００４５】
〈本発明（２）の態様について〉
本発明（２）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスまたはカソードオフガスを収集する排気マニホールドを有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムである。そして、前記排気マニホールドを構成する面に酸素供給用のＳＯＦＣを配置してなり、前記酸素供給用ＳＯＦＣを介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有することを特徴とする。
【００４６】
本発明（１）では高温作動型の酸素透過膜を配置するのに対して、本発明（２）では酸素供給用のＳＯＦＣを配置する点で異なる。
【００４７】
本発明（２）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいては、排気マニホールドを構成する面に酸素供給用ＳＯＦＣを配置する。酸素供給用ＳＯＦＣの配置の仕方は、（ａ）排気マニホールドを構成する面に別体として酸素供給用ＳＯＦＣを配置してもよく、（ｂ）排気マニホールドを構成する面そのものを酸素供給用ＳＯＦＣで構成してもよい。このうち、（ａ）排気マニホールドを構成する面に別体として酸素供給用ＳＯＦＣを配置する態様では、例えば排気マニホールドを構成する面をくり抜き、その開口に酸素供給用ＳＯＦＣを配置することで配置することができる。酸素供給用ＳＯＦＣの配置の仕方についてのそれらの点は、酸素供給用ＳＯＦＣを配置する他の本願発明についても同様である。
【００４８】
〈ＳＯＦＣの作動方法について〉
ここでＳＯＦＣには、通常の発電用ＳＯＦＣとしての働きと酸素ポンピング用ＳＯＦＣとしての働きがあり、それぞれ作動原理は、以下のとおりである。まず、通常の発電用ＳＯＦＣは、図４（ａ）のとおり「カソード４１−固体酸化物電解質４２−アノード４３」の３層構造からなる。酸素（Ｏ）はカソード４１側で酸素イオン（Ｏ2-）となり、固体酸化物電解質４２中を通ってアノード４３へ至る。ここで燃料である水素との反応：Ｈ2＋Ｏ2- → Ｈ2Ｏ＋２ｅ- により電子を生じ、両電極間に負荷をかけることで電力が得られる。
【００４９】
一方、酸素ポンピング用のＳＯＦＣは、図４（ｂ）のとおり「カソード４１−固体酸化物電解質４２−アノード４３」の３層構造からなる。この点は、通常の発電用ＳＯＦＣと同様である。図４（ｂ）のとおり、カソード４１とアノード４３との間に電圧をかけて逆電流を流すことにより、酸素（Ｏ）はアノード４３側でＯ2-（酸素イオン）となり、固体酸化物電解質４２中を通ってカソード４１側へ移動する。
【００５０】
本発明（２）の排気マニホールドを構成する面に配置している酸素供給用ＳＯＦＣは、発電用ＳＯＦＣとして働く。すなわち、本発明（１）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおける高温作動型の酸素透過膜と同じく、カソードオフガスである空気中の酸素のみが当該酸素供給用ＳＯＦＣを透過し、排気マニホールド内に流入する。流入する酸素は、ＳＯＦＣスタックＡ１から収集されたアノードオフガスを燃焼する。
【００５１】
排気マニホールドに流入する高濃度酸素によるアノードオフガスの酸素燃焼により発生した熱は、図１中“改質用の熱”として示すように、仕切板３１を介して配置された水蒸気改質器での炭化水素燃料の水蒸気改質用の熱として利用される。また、前記酸素燃焼により発生した熱は、排気マニホールドに水蒸気改質器に加えて、水気化器を配する態様ではその加熱源としても利用することができる。
【００５２】
〈本発明（３）の態様〉
本発明（３）は、本発明（１）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムである「ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスを収集する排気マニホールドを有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムであって、前記排気マニホールドを構成する面に高温作動型の酸素透過膜を配置してなり、当該酸素透過膜を介して前記スタックからのカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステム」において、
前記アノードオフガスの酸素燃焼後の排気ガス流路にＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーのうち１つまたは２つ以上を配置し、当該センサー計測部の下流に、計測された酸素濃度、水素濃度あるいはＣＯ濃度から計算された未燃ガスの濃度に応じて電池の出力電流を制御することによって供給酸素量の制御が可能な第２のＳＯＦＣを構成することにより、制御供給量の酸素と未燃ガスを反応させ、回収ＣＯ2濃度を高めるようにしてなることを特徴とする。
【００５３】
上記のとおり、本発明（３）は、本発明（１）の構成を有することを前提とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムである。
アノードオフガスの酸素燃焼後、すなわちアノードオフガスの酸素による燃焼後の排気ガス流路にＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーのうち１つまたは２つ以上を配置することで“センサー計測部”つまりセンサーによる計測部を構成する。
【００５４】
図１のとおり、アノードオフガスの酸素燃焼後の排気ガス流路にＣＯセンサー１３、水素センサー１４、酸素センサー１５のうちいずれか１つまたは２つ以上を配置する。そして、これらで構成したセンサー計測部の下流に、計測された酸素濃度、水素濃度あるいはＣＯ濃度から計算された未燃ガスの濃度に応じて電池の出力電流（供給酸素量）の制御が可能な第２のＳＯＦＣ（Ａ２）を構成する。
【００５５】
排気マニホールドでのアノードオフガスの酸素燃焼後の排気ガス流路に流れる排気ガスにはＨ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、Ｏ2等が含まれている。そのうちＣＯはそのままでは有害ガスであるので、本発明においてＣＯ2として回収する。このため、アノードオフガスの酸素燃焼後のセンサー計測部を配した排気ガス流路に続き、第２のＳＯＦＣ（Ａ２）を配置する。第２のＳＯＦＣ（Ａ２）の運転温度は第１のＳＯＦＣと同じく５００〜１０００℃の範囲であり、例えば８００℃程度で運転される。
【００５６】
第２のＳＯＦＣ（Ａ２）は、アノードオフガスの組成により、発電用ＳＯＦＣまたは酸素ポンピング用ＳＯＦＣとして働く。アノードオフガス中の成分のうち未燃ガスであるＨ2、ＣＯの濃度が高ければ図１の制御指令ＢＯＸ（１６）からの指令により発電用ＳＯＦＣとして働き、水素濃度あるいはＣＯ濃度から計算された未燃ガスの濃度に応じて当該第２のＳＯＦＣ（Ａ２）のアノード側への供給酸素量を算出し、必要酸素量を供給することにより、未燃のアノードオフガスを燃焼する。この際、第２のＳＯＦＣ（Ａ２）のカソード側へは酸素を供給する必要があるが、図１中“※Ｏ2”として示している。一方、アノードオフガス中の酸素濃度が高ければ図１の制御指令ＢＯＸ（１６）からの指令により酸素ポンピング用ＳＯＦＣとして働き、第２のＳＯＦＣに強制的に逆電流を流すことにより、アノードオフガス中の過剰酸素が、ＳＯＦＣ本来の機能である発電時とは逆方向に固体酸化物電解質中を酸素イオン（Ｏ2-）として選択的に移動し、第２のＳＯＦＣ（Ａ２）の外部空気中へ排出される。この際、第２のＳＯＦＣ（Ａ２）のカソード側から酸素が排出されるが、図１中“→Ｏ2”として示している。
【００５７】
ここで、未燃ガス中のＣＯは、当該第２ＳＯＦＣ（Ａ２）のアノードでのシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）によってＣＯ2となる。これにより回収ＣＯ2の濃度を高めることになり、第２のＳＯＦＣ（Ａ２）では発電により電力を得るとともに、シフト反応で生成したＣＯ2をも回収する。
【００５８】
第２のＳＯＦＣ（Ａ２）での発電電力は第１のＳＯＦＣ（Ａ１）での発電電力と同様、需要に供給される。第２のＳＯＦＣ（Ａ２）を経た排ガスはＨ2Ｏ（水蒸気）、ＣＯ2を主成分とするが、例えば、図１中符号２１で示すような冷水による熱交換器−冷却器により水蒸気（Ｈ2Ｏ）を冷却、凝縮、分離する。ＣＯ2については、燃焼域２での生成ＣＯ2と合わせて高濃度のＣＯ2として回収することができる。
【００５９】
〈本発明（４）の態様〉
本発明（４）は、本発明（１）〜（３）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、排気マニホールドを、熱伝導性の高い仕切り板で上下に区切った多層構造とする。そして、ＳＯＦＣスタックを固定する仕切板と熱伝導性の高い仕切り板との間はアノードオフガスの酸素燃焼部とし、前記熱伝導性の高い仕切り板と前記スタックを固定する仕切板に対して相対する側の仕切板との間は炭化水素系燃料の水蒸気改質器からなる燃料改質部と水蒸気改質のための水気化器からなる水気化部とし、アノードオフガスの酸素燃焼部、燃料改質部及び水気化部を排気マニホールド内に一体化することで、アノードオフガスの酸素燃焼部での発熱を燃料改質や水気化に利用するようにしてなることを特徴とする。
【００６０】
本発明（４）を図１〜３で説明すると、ＳＯＦＣスタックすなわち第１のＳＯＦＣ（Ａ１）の上端がアノードオフガスの出口となる。第１のＳＯＦＣ（Ａ１）はその出口部位で仕切り板３０に支持され、第１のＳＯＦＣ（Ａ１）のアノードオフガスの出口端部からアノードオフガスを排出する。図１〜３では、第１のＳＯＦＣ（Ａ１）を３個配置した例を示しているが、アノードオフガスは第１のＳＯＦＣ（Ａ１）のそれぞれのアノードオフガスの出口端から酸素による燃焼域（図１、図８中符号２、図２〜３中符号３）に排出される。
【００６１】
そして、仕切り板３０の上方に間隔を置いて熱伝導性の高い仕切り板３１を配置し、その上に炭化水素燃料の水蒸気改質器を配置する。図１〜３では、炭化水素燃料の水蒸気改質器を熱伝導性の高い仕切り板３１の上に載置した形で配置した態様を示し、当該水蒸気改質器は、符号３１〜３６で示す部材で囲まれた空間に配置されている。そしてそのうち、符号３１で示す底板が熱伝導性の高い仕切り板である。
【００６２】
このように、本発明（４）においては、当該仕切り板３１を熱伝導性の高い材料で構成し、当該仕切り板３１により上部、下部に区切った多層構造とする。そして、当該仕切り板３１と第１のＳＯＦＣ（Ａ１）の上端との間の空隙をアノードオフガスの酸素による燃焼部とし、当該仕切り板３１と符号３２〜３６で示す部材で囲まれた空間に炭化水素燃料の水蒸気改質器を配置するものである。図１〜３に示すように、水蒸気改質器はＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて所定の位置、スペースを占めるので水蒸気改質部とも称している。
【００６３】
〈本発明（５）の態様〉
本発明（５）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスまたはカソードオフガスを収集する排気マニホールドを有し、前記排気マニホールドを構成する面に酸素供給用のＳＯＦＣを配置してなり、前記酸素供給用ＳＯＦＣを介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと反応させて発電を行うモジュール構造を有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。そして、
前記ＳＯＦＣスタックの発電時の電流量から計算される未燃ガスの濃度に応じて、前記酸素供給用ＳＯＦＣの出力電流量を制御することにより、ＳＯＦＣスタックから排出される未燃ガスを完全に燃焼させる供給酸素量とすることにより、最終的な回収ＣＯ2濃度を高めることを特徴とする。
【００６４】
本発明（５）の運転制御方法について、その前提となるＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの構造は、前述〈本発明（２）の態様〉の構造と同様である。そして、本発明（５）は、本発明（２）の構造を持つＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムを運転制御する。すなわち、本発明（５）は本発明（２）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法に相当している。図５は本発明（５）の態様を説明する図で、図３に示すＳＯＦＣシステムについて、図５に記載のように運転制御するものである。
【００６５】
前述〈本発明（２）の態様〉の構造を持つＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、その発電時に、発電電流量から計算される未燃ガスの濃度に応じて、排気マニホールド面に配置した酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ３）の電流量を制御する。そして、その電流量制御により、ＳＯＦＣスタック（Ａ１）の電池部を通過する未燃ガスつまりアノードオフガスを完全燃焼させる供給酸素量を制御し、最終的な回収ＣＯ2濃度を制御する。
【００６６】
図３に示すＳＯＦＣシステムにおいて、図５のとおり、（ａ）ＳＯＦＣスタック（Ａ１）での発電時に、発電電流量を計測によって求める。図３で言えば、第１のＳＯＦＣ（Ａ１）での発電電流量信号線５０と制御指令ＢＯＸ１６を介して求められる。なお、第１のＳＯＦＣ（Ａ１）に配置する電流計の記載は省略している。（ｂ）、（ａ）で計測した発電電流量を基にＣＯ濃度、水素濃度、酸素濃度を計算によって求める。第１のＳＯＦＣ（Ａ１）での発電電流量と原料炭化水素燃料の炭化水素の成分、各成分の量的割合等とは相関関係があるので、第１のＳＯＦＣ（Ａ１）からのアノードオフガス中のＣＯ濃度、水素濃度、酸素濃度を計算によって求めることができる。
【００６７】
（ｃ）酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ３）への電流量を制御することにより、第１のＳＯＦＣ（Ａ１）からの未燃ガス（すなわち、アノードオフガス中の可燃ガスであるＨ2、ＣＯ）を完全燃焼させるＯ2量を制御する。（ｄ）未燃ガスを完全燃焼させる。（ｅ）、（ｄ）における未燃ガスの完全燃焼の結果としてＣＯ2濃度が高くなる。なお、図３中符号６０は、制御指令ＢＯＸ１６から酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ３）への電流量制御用の信号線であり、その矢印の先端は図３（ｂ）中、酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ３）に連絡している。
【００６８】
すなわち、図３のＳＯＦＣシステムにおいて、（ａ）〜（ｅ）のとおり、発電時の電流量から計算される未燃ガスの濃度に応じて、排気マニホールド面に構成された酸素供給用ＳＯＦＣへの電流量を制御することで、第１のＳＯＦＣ（Ａ１）の電池部を透過する未燃ガスを完全燃焼させる供給酸素量（電流量）を制御し、最終的なＣＯ2濃度を制御するものである。
【００６９】
〈本発明（６）の態様〉
本発明（６）は、本発明（５）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法において、ＳＯＦＣスタックの発電時の電流量が少なくなれば、下流の酸素供給用ＳＯＦＣの電流量を上げて酸素供給量を増やし、ＳＯＦＣスタックの発電時の電流量が多くなれば、下流の酸素供給用ＳＯＦＣの電流量を下げて酸素供給量を減らすように制御することを特徴とするＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。
【００７０】
本発明（６）は、本発明（５）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法に係るより具体的な態様に相当している。
すなわち、第１のＳＯＦＣスタック（Ａ１）での発電時の電流量が少なくなれば、下流の酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ３）の電流値を上げて酸素供給量を増やし、一方、第１のＳＯＦＣスタック（Ａ１）での発電時の電流量が多くなれば、下流の酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ３）の電流量を下げるよう運転制御するものである。
【００７１】
〈本発明（７）の態様〉
本発明（７）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスまたはカソードオフガスを収集する排気マニホールドを有し、当該排気マニホールドを構成する面に酸素供給用のＳＯＦＣを配置してなり、当該酸素供給用ＳＯＦＣを介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを前記排気マニホールド内へ通過させ、アノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。そして、
（ａ）前記排気マニホールドに続く排気ガス流路に配置したＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーで計測されるＣＯ、水素、酸素の各濃度から計算される未燃ガスの濃度、または、ＳＯＦＣスタックでの発電時の電流値から計算される未燃ガスの濃度に応じて、前記酸素供給用ＳＯＦＣの電流量を制御することにより、ＳＯＦＣスタックからのアノードオフガスである未燃ガスを燃焼させる酸素供給量を制御し、さらに、
（ｂ）前記センサー配置領域の下流に第３のＳＯＦＣを配置して、前記ＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーで計測される未燃ガスの濃度に応じて、供給酸素量を制御することにより、未燃ガスを完全燃焼させ、最終的な回収ＣＯ2濃度を高めることを特徴とする。
【００７２】
すなわち、本発明（７）は、本発明（２）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、（ａ）排気マニホールドの下流に配置したＣＯセンサーでの計測値、水素センサーでの計測値、酸素センサーでの計測値、または、（ｂ）ＳＯＦＣスタック（Ａ１）での発電時の電流量から計算される未燃ガスの濃度に応じて、排気マニホールドを構成する面に配置された酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ２）の電流量を制御することにより、ＳＯＦＣスタック（Ａ１）の電池部を通過するアノードオフガス中の未燃ガスを酸化燃焼させる供給酸素量を制御し、さらに、センサー領域よりも下流に第３のＳＯＦＣ（Ａ３）を設置してＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーによって計測されたＣＯ濃度、水素濃度あるいは酸素濃度から計算された未燃ガスの濃度に応じて供給酸素量の制御をすることにより未燃ガスを完全反応させ、最終的な回収ＣＯ2濃度を制御するＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。
【００７３】
より具体的には、本発明（７）は、本発明（２）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、図２、図６に記載のとおり、（ａ）ＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーの各センサーによって計測されたアノードオフガス中の水素濃度、ＣＯ濃度が高く（酸素濃度が低く）なるか、または、（ｂ）ＳＯＦＣスタック（Ａ１）での発電時の電流量が少なくなれば、酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ２）の電流値を上げて酸素供給量を増やす。一方、（ａ）ＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーの各センサーによって計測されたアノードオフガス中の水素濃度、ＣＯ濃度が低く（酸素濃度が高く）なるか、または、（ｂ）ＳＯＦＣスタック（Ａ１）での発電時の電流量が多くなれば、酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ２）の電流値を下げる。
【００７４】
さらに、ＣＯセンサー、水素センサーの各センサーによって計測されたアノードオフガス中のＣＯ濃度、水素濃度が高くなれば、下流の第３のＳＯＦＣ（Ａ３）の電流値を上げ、ＣＯ濃度、水素濃度が低くなれば、第３のＳＯＦＣ（Ａ３）の電流値を下げる。また、酸素センサーによって計測されたアノードオフガス中の酸素濃度が高ければ、第３のＳＯＦＣ（Ａ３）に流す電流の向きを変えることにより、アノードオフガス中の酸素を取り除くように制御する。
【００７５】
〈本発明（８）の態様〉
本発明（８）は、ＳＯＦＣスタックと、当該スタックからのアノードオフガスを収集する排気マニホールドを有し、前記排気マニホールドを構成する面に高温作動型の酸素透過膜を配置してなり、当該酸素透過膜を介してカソードオフガスである空気中の酸素のみを排気マニホールド内へ通過させ、前記スタックからのアノードオフガスと酸素燃焼を行うモジュール構造を有し、アノードオフガスの酸素燃焼後の排気ガス流路にＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーを配置し、それらセンサーの配置部位の下流に、それらセンサーで計測された未燃ガスの濃度に応じて電池の出力電流を制御することによって供給酸素量の制御が可能な第２のＳＯＦＣを配置してなるＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。そして、
前記高温作動型の酸素透過膜として混合導電性セラミックス膜を使用し、その使用に際して、（ａ）排気マニホールド下流のＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーにより計測されたＣＯ濃度、水素濃度あるいは酸素濃度を基に算出された排気マニホールドから排出される排出ガス中の未燃ガスの濃度に応じて、前記第２のＳＯＦＣへの供給酸素量を制御することにより、（ｂ）当該第２のＳＯＦＣにおいて未燃ガスを完全に反応させ、最終的な回収ＣＯ2濃度を高めることを特徴とする。
【００７６】
本発明（８）は、本発明（１）のＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムにおいて、高温作動型の酸素透過膜として混合導電性セラミックス膜を使用する場合の運転制御方法である。
すなわち、本発明（８）は、図１、図７に記載のとおり、排気マニホールドの下流にＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーを配置することにより、排気マニホールドから排出される排出ガス中の未燃ガス（すなわちＣＯ、水素）の濃度を計測し、センサー領域よりも下流に第２のＳＯＦＣ（Ａ２）を配置して、ＣＯセンサー、水素センサー、酸素センサーによって計測された未燃ガスの濃度に応じて供給酸素量を制御することにより未燃ガスを完全反応させる、ＣＯ2回収型ＳＯＦＣシステムの運転制御方法である。
【００７７】
本発明（８）は、より具体的には、以下のように制御することができる。（ａ）センサー計測部の各センサーによって計測されたアノードオフガス中の水素濃度、ＣＯ濃度が高くなれば、第２ＳＯＦＣの電流値を上げる。一方、（ｂ）センサー計測部の各センサーによって計測されたアノードオフガス中の水素濃度、ＣＯ濃度が低くなれば、第２ＳＯＦＣの電流値を下げる。また、（ｃ）酸素センサーによって計測されたアノードオフガス中の酸素濃度が高ければ（乃至高くなれば）、第２ＳＯＦＣに流す電流の向きを変えることにより、アノードオフガス中の酸素を取り除くように行うことができる。
【００７８】
第２のＳＯＦＣ（Ａ２）においては、前記排気ガス流路に流れる排気ガス中の成分のうち未燃ガスであるＨ2、ＣＯを燃料として発電する。その際、センサー計測部で計測されたＣＯ濃度、水素濃度あるいは酸素濃度から計算された未燃ガスの濃度すなわちＣＯ及び水素の濃度に応じて当該第２のＳＯＦＣ（Ａ２）のカソードへの供給酸素量を算出し、必要酸素量を供給する。このように、第２のＳＯＦＣ（Ａ２）のカソード側へは酸素を供給する必要があるが、図１中“※Ｏ2”として示している。
【００７９】
ここで、未燃ガス中のＣＯは、当該第２ＳＯＦＣ（Ａ２）のアノードでのシフト反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）によってＣＯ2となる。これにより回収ＣＯ2の濃度を高めることになり、第２のＳＯＦＣ（Ａ２）では発電により電力を得るとともに、シフト反応で生成したＣＯ2をも回収する。
【００８０】
第２のＳＯＦＣ（Ａ２）での発電電力は第１のＳＯＦＣ（Ａ１）での発電電力と同様、その需要に供される。第２のＳＯＦＣ（Ａ２）を経た排ガスはＨ2Ｏ（水蒸気）、ＣＯ2を主成分とするが、例えば、図１中符号２１で示すような冷水による熱交換器−冷却器により水蒸気（Ｈ2Ｏ）を冷却、凝縮して分離する。ＣＯ2については、燃焼域２での生成ＣＯ2と合わせて高濃度のＣＯ2として回収することができる。
【符号の説明】
【００８１】
２、３  燃焼域
１３  ＣＯセンサー
１４  水素センサー
１５  酸素センサー
１６  制御指令ＢＯＸ
２１  冷水による熱交換器−冷却器
３０  底板、仕切り板
３０〜３６  仕切り板（排気マニホールドを形成）
３１〜３６  仕切り板（炭化水素燃料の水蒸気改質部が配置される空間を形成）
３７〜３９  水蒸気改質部（水気化器を含む）
４１  カソード
４２  固体酸化物電解質
４３  アノード
５０  Ａ１での発電電流量信号線
５２  電気絶縁性基体（多孔質の支持基体）
５３  燃料流路
５４  燃料導入導口
５５  利用済み燃料放出口
５６  ＳＯＦＣのセル
５７  空気導入管
５８  空気の供給、分配機構
５９  複数の孔
６０  制御指令ＢＯＸ１６から酸素供給用ＳＯＦＣ（Ｂ３）への電流量制御用の信号線
Ａ１  第１のＳＯＦＣ（発電用ＳＯＦＣ）
Ａ２  第２のＳＯＦＣ
Ａ３  第３のＳＯＦＣ
Ｂ１  高温作動型の酸素透過膜
Ｂ２〜Ｂ３  酸素供給用ＳＯＦＣ
※  Ａ２での発電用のＯ2（酸素）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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