(57)【要約】【課題】高い電解効率で炭化水素の合成が可能な電力貯蔵システムを提供すること。【解決手段】電力貯蔵システム１０ａ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）を排出するための固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）１２と、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第１ＣＯ2分離器１４と、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第２ＣＯ2分離器１６と、Ｃ1out及びＣ2outにＨ2Ｏを添加し、Ａinを生成させるための蒸発器１８と、Ｂ1outを用いて炭化水素を合成するための燃料製造器２０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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
を備えた電力貯蔵システム。
【請求項２】
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。
【請求項３】
前記Ａout又は前記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）を排出すると同時に、分離されたＨ2Ｏを含む分離ガス（Ｅout）を前記カソード流路に戻すためのＨ2Ｏ分離器
をさらに備えている請求項１又は２に記載の電力貯蔵システム。
【請求項４】
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、
を備えた電力貯蔵システム。
【請求項５】
前記Ａout又は前記Ｃout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（Ｄ1out）を排出すると同時に、分離されたＨ2Ｏを含む分離ガス（Ｅ1out）を前記カソード流路に戻すための第１Ｈ2Ｏ分離器、及び／又は、
前記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）を前記カソード流路に戻すための第２Ｈ2Ｏ分離器
をさらに備えている請求項４に記載の電力貯蔵システム。
【請求項６】
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４又は５に記載の電力貯蔵システム。
【請求項７】
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
を備えた電力貯蔵・供給システム。
【請求項８】
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７に記載の電力貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力貯蔵システム、及び電力貯蔵・供給システムに関し、さらに詳しくは、固体酸化物型電解セルを用いてＣＯ2とＨ2Ｏから合成ガスを製造し、合成ガスから炭化水素燃料を合成する電力貯蔵システム、及び炭化水素燃料の合成と炭化水素燃料を用いた発電をリバーシブルに行うことが可能な電力貯蔵・供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として酸化物イオン伝導体を用いた燃料電池である。ＳＯＦＣのアノードに、Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4などの燃料ガスを供給し、カソードにＯ2を供給すると、電極反応が進行し、電力を取り出すことができる。電極反応により生成したＣＯ2やＨ2Ｏは、ＳＯＦＣ外に排出される。
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。
【０００３】
ＳＯＥＣを用いると、ＣＯ2とＨ2Ｏから合成ガス（ＣＯ＋Ｈ2）を製造することができる。また、得られた合成ガスを用いて、メタンなどの炭化水素を製造することができる。すなわち、ＳＯＥＣを用いると、電気エネルギーを化学エネルギーとして貯蔵することができる。そのため、ＳＯＥＣを用いた電力貯蔵システムに関し、従来から種々の提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、
（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。
【０００５】
ＳＯＥＣを用いると、ＣＯ2及びＨ2Ｏを燃料として合成ガス（ＣＯ、Ｈ2）を生成させることができる。この時、燃料利用率Ｕfを増加させると、電解反応により生成したガス（ＣＯ、Ｈ2）の量が増大し、濃度分極が発生する。その結果、ネルンスト損失が拡大するため、必要電解電圧は増大し、電解効率は低下する。
【０００６】
一方、燃料利用率Ｕfを低下させると、電解電圧の増大を抑制できるが、合成ガス中のＣＯ2、Ｈ2Ｏ濃度が増大する。そのため、炭化水素合成反応の反応率が低下し、合成反応後のガスに含まれる炭化水素燃料の濃度も低下する。また、未反応のＣＯ2やＨ2Ｏが熱エネルギーを持ったまま系外に排出されるので、熱効率が低い。熱効率を向上させるためには、捕集したＣＯ2、Ｈ2Ｏを有効に利用し、供給ガスを加熱するために必要な熱エネルギーを低減する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１６−５１１２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、高い電解効率で炭化水素の合成が可能であり、かつ、炭化水素合成反応の反応率の低下や合成反応後のガスに含まれる炭化水素濃度の低下を抑制することが可能な電力貯蔵システムを提供することにある。
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係る電力貯蔵システムの１番目は、
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。
【００１０】
本発明に係る電力貯蔵システムの２番目は、
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。
【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
ＳＯＥＣを用いて電解を行う場合において、ＳＯＥＣのオフガス（Ａout）から未反応の原料（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）を回収し、これを原料ガス（Ａin）に添加すると、炭化水素合成反応の収率低下や炭化水素濃度の低下を抑制することができる。これと同時に、ＳＯＥＣの燃料利用率を下げると、電解電圧の上昇を抑制することができ、電解効率も向上する。
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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である。
【図２】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である。
【図３】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である。
【図４】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である。
【図５】本発明に係る電力貯蔵・供給システムの模式図である。
【図６】図５に示すシステムのＳＯＦＣモードでのガスの流れの模式図である。
【図７】図５に示すシステムのＳＯＥＣモードでのガスの流れの模式図である。
【００１４】
【図８】図８（Ａ）は、燃料利用率とＳＯＥＣ効率又はエネルギーとの関係を示す図である。図８（Ｂ）は、燃料利用率と必要電解電圧との関係を示す図である。
【図９】図９（Ａ）は、ＣＯ2分離率と合成ガス流量との関係を示す図である。図９（Ｂ）は、ＣＯ2分離率と製造ガス濃度との関係を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）は、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比とＳＯＥＣ効率又はエネルギーとの関係を示す図である。図１０（Ｂ）は、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比とＣＯ2分離後の合成ガス流量との関係を示す図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比と発熱量又は効率との関係を示す図である。図１１（Ｂ）は、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比と製造ガスＤｒｙ濃度との関係を示す図である。
【００１５】
【図１２】図１２（Ａ）は、ＣＨ4の合成温度と発熱量又は効率との関係を示す図である。図１２（Ｂ）は、ＣＨ4の合成温度と製造ガスＤｒｙ濃度との関係を示す図である。
【図１３】図１３（Ａ）は、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比と発熱量又は効率との関係を示す図である。図１３（Ｂ）は、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比と製造ガスＤｒｙ濃度との関係を示す図である。
【図１４】図１４（Ａ）は、ＳＯＦＣモード（７５０℃、０．４Ａ／ｃｍ2）での発電効率及びセル電圧を示す図である。図１４（Ｂ）は、ＳＯＥＣモード（７５０℃、０．８Ａ／ｃｍ2）での燃料製造効率及びＣＨ4濃度を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［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。
【００１７】
なお、以下の説明では、便宜的に、ＳＯＥＣ１２のカソード流路を流れるガスを「Ａ」と略記する。同様に、第１ＣＯ2分離器１４のフィード流路を流れるガスを「Ｂ1」、パージ流路を流れるガスを「Ｃ1」と略記する。また、第２ＣＯ2分離器１６のフィード流路を流れるガスを「Ｂ2」、パージ流路を流れるガスを「Ｃ2」と略記する。さらに、入口ガスと出口ガスを区別する時は、それぞれ、「Ａin」又は「Ａout」のように、添え字「in」又は「out」を付記する。
【００１８】
［１．１．１．  ＳＯＥＣ］
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。
【００１９】
［１．１．２．  第１ＣＯ2分離器］
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。
【００２０】
第１ＣＯ2分離器１４は、図１の右上図に記載されるように、分離膜を介してフィード流路とパージ流路とが隣接して配置されているものでも良い（以下、「分離膜方式」ともいう）。フィード流路にＣＯ2を含むガスが供給されると、ＣＯ2のみが分離膜を通ってパージ流路に排出される。
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。
【００２１】
図１に示す例において、第１ＣＯ2分離器１４は、第１フィード流路と、第１パージ流路とを備えている。第１フィード流路の入口はＳＯＥＣ１２のカソード流路の出口に接続され、第１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１ＣＯ2分離器１４の第１パージ流路の入口は蒸発器１８の出口に接続され、第１パージ流路の出口は第２ＣＯ2分離器１６の第２パージ流路の入口に接続されている。
【００２２】
ＳＯＥＣ１２のカソード流路から排出されるオフガス（Ａout）は、通常、ＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2、及びＨ2Ｏを含む。このＡoutを第１フィード流路に供給すると、ＣＯ2が分離され、第１フィード流路の出口からＣＯ及びＨ2を主成分とするオフガス（Ｂ1out）が排出される。また、第１パージ流路の出口からＣＯ2を主成分とする分離ガス（Ｃ1out）が排出される。
【００２３】
［１．１．３．  第２ＣＯ2分離器］
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。
【００２４】
図１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２ＣＯ2分離器１６の第２パージ流路の入口は、第１ＣＯ2分離器１４の第１パージ流路の出口に接続され、第２パージ流路の出口は、ＳＯＥＣ１２のカソード流路の入口に接続されている。
【００２５】
なお、図１において、蒸発器１８→第１ＣＯ2分離器１４→第２ＣＯ2分離器１６の順に直列に接続されているが、蒸発器１８→第２ＣＯ2分離器１６→第１ＣＯ2分離器１４の順に直列に接続されていても良い。あるいは、蒸発器１８の出口を２つに分岐させ、第１ＣＯ2分離器１４と第２ＣＯ2分離器１６を並列に接続しても良い。
【００２６】
［１．１．４．  蒸発器］
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。
【００２７】
図１に示す例において、蒸発器１８の出口は、第１ＣＯ2分離器１４の第１パージ流路の入口に接続されており、かつ、第１ＣＯ2分離器１４及び第２ＣＯ2分離器１６は直列に接続されている。そのため、蒸発器１８で発生させたＨ2Ｏを第１ＣＯ2分離器１４及び第２ＣＯ2分離器１６に供給すると、第２パージ流路からＨ2ＯとＣＯ2の混合ガス（Ｃ2out）が排出される。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。
【００２８】
［１．１．５．  燃料製造器］
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。
【００２９】
［１．１．６．  制御手段］
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。
【００３０】
［１．１．７．  燃料利用率制御手段］
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。
【００３１】
これに対し、本実施の形態に係る電力貯蔵システム１０ａは、未反応のＣＯ2を回収・再利用する機能を兼ね備えた第１ＣＯ2分離器１４を備えている。そのため、ＳＯＥＣ１２内の燃料利用率Ｕfを低く設定した場合であっても、系外に廃棄される未反応の原料を低減することができる。すなわち、電解電圧を増加させることなく、実質的に燃料利用率を向上させることができる。
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。
【００３２】
燃料利用率Ｕfを低く設定する方法としては、例えば、
（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。
【００３３】
［１．２．  作用］
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。
【００３４】
カソード流路にＡinが供給されると、電解反応によりＣＯ及びＨ2が生成し、ＣＯ、Ｈ2、並びに、未反応のＣＯ2及びＨ2Ｏを含むオフガス（Ａout）が排出される。排出されたＡoutは、第１ＣＯ2分離器１４の第１フィード流路を通過する間にＣＯ2が分離され、より高い濃度のＨ2＋ＣＯ混合ガスとなる。また、第１パージ流路に排出されたＣＯ2は、蒸発器１８から供給されるＨ2Ｏと混合され、ＳＯＥＣ共電解に必要な混合ガス（Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2）となる。得られた混合ガス（Ｃ1out）は、原料ガス（Ａin）としてＳＯＥＣ１２のカソード流路に戻され、共電解に再利用される。
【００３５】
第１ＣＯ2分離器１４の第１フィード流路から放出されるＣＯ2をＨ2Ｏでパージすることにより、高濃度のＨ2Ｏ＋ＣＯ2混合ガス（Ｃ1out）を生成させることができる。そのため、濃度分極により発生する抵抗が小さくなり、必要電解電圧を抑制することができる。また、これにより少ない電力量で効率良く合成ガスを生成させること、及び炭化水素を製造することが可能となる。
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。
【００３６】
さらに、ＣＯ2循環手段を備えているため、ＳＯＥＣ１２で利用されなかったＣＯ2を再利用することができる。そのため、ＳＯＥＣ１２をより低い燃料利用率の条件に設定することができる。また、電解用ＣＯ2を再利用することで、熱エネルギーの有効利用（排気ガスの熱エネルギー有効利用）が可能となる。また、共電解反応の生成ガス成分（Ｈ2、ＣＯ）増大による濃度分極の上昇を抑制し、より低い電解電圧にて合成ガスの生成が可能となる。
【００３７】
［２．  電力貯蔵システム（２）］
［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。
【００３８】
本実施の形態において、第１ＣＯ2分離器１４と燃料製造器２０との間に、Ｈ2Ｏ分離器２２が設置されている。この点が第１の実施の形態とは異なる。なお、Ｈ2Ｏ分離器２２は、図２に示す位置に代えて、ＳＯＥＣ１２と第１ＣＯ2分離器１４の間に設置されていても良い。すなわち、Ｈ2Ｏの分離は、ＣＯ2の分離の後に行っても良く、あるいは、ＣＯ2の分離前に行っても良い。
【００３９】
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、ＳＯＥＣ１２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）を排出すると同時に、分離されたＨ2Ｏを含む分離ガス（Ｅout）をカソード流路に戻すためのものである。
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。
【００４０】
図２に示す例において、Ｈ2Ｏ分離器２２は、第３フィード流路と第３パージ流路とを備えている。第３フィード流路の入口は、第１ＣＯ2分離器１４の第１フィード流路の出口に接続され、第３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、Ｈ2Ｏ分離器２２の第３パージ流路の出口は、蒸発器１８の出口に接続されている。
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。
【００４１】
［２．２．  作用］
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。
【００４２】
［３．  電力貯蔵システム（３）］
［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。
【００４３】
［３．１．１．  ＳＯＥＣ］
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。
【００４４】
［３．１．２．  ＣＯ2分離器］
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。
【００４５】
図３に示す例において、ＣＯ2分離器１６は、フィード流路とパージ流路とを備えている。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、フィード流路の出口は、大気に開放されている。パージ流路の入口は、ＳＯＥＣ１２のカソード流路の出口に接続され、パージ流路の出口は、ＷＧＳＲ２４の入口に接続されている。
【００４６】
［３．１．３．  蒸発器］
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。
【００４７】
［３．１．４．  ＷＧＳＲ］
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。
【００４８】
図３に示す例において、ＷＧＳＲ２４の入口は、ＣＯ2分離器１６のパージ流路の出口に接続され、ＷＧＳＲ２４の出口は、燃料製造器２０の入口に接続されている。ＷＧＳＲ２４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。
【００４９】
［３．１．５．  燃料製造器］
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。
【００５０】
［３．１．６．  制御手段］
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。
【００５１】
［３．１．７．  燃料利用率制御手段］
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。
【００５２】
［３．２．  作用］
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。
【００５３】
［４．  電力貯蔵システム（４）］
［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。
【００５４】
本実施の形態において、ＣＯ2分離器１６とＷＧＳＲ２４との間に、第１Ｈ2Ｏ分離器２２が設置されている。また、ＷＧＳＲ２４と燃料製造器２０との間に第２Ｈ2Ｏ分離器２６が設置されている。この点が第３の実施の形態とは異なる。
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。
【００５５】
第１Ｈ2Ｏ分離器２２は、ＣＯ2分離器１６からのオフガス（Ｃout）（又は、ＳＯＥＣ１２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（Ｄ1out）を排出すると同時に、分離されたＨ2Ｏを含む分離ガス（Ｅ1out）をカソード流路に戻すためのものである。
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。
【００５６】
図４に示す例において、第１Ｈ2Ｏ分離器２２の第３フィード流路の入口は、ＣＯ2分離器１６のパージ流路の出口に接続され、第３フィード流路の出口は、ＷＧＳＲ２４の入口に接続されている。また、第１Ｈ2Ｏ分離器２２の第３パージ流路の出口は、蒸発器１８の出口に接続されている。
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。
【００５７】
［４．２．  作用］
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。
【００５８】
また、ＷＧＳＲ２４の出口に第２Ｈ2Ｏ分離器２６を接続することにより、ＷＧＳＲ２４のオフガス（Ｇout）からＨ2Ｏを除去することができる。その結果、より高濃度の合成ガスを生成させること、及び、より濃度の高い燃料製造が可能となる。
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。
【００５９】
［５．  電力貯蔵・供給システム］
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。
【００６０】
［５．１．  構成］
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。
【００６１】
［５．１．１．  Ｒ−ＳＯＣ］
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。
【００６２】
［５．１．２．  第１ＣＯ2分離器］
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。
【００６３】
［５．１．３．  第２ＣＯ2分離器］
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。
【００６４】
［５．１．４．  蒸発器］
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。
【００６５】
［５．１．５．  Ｈ2Ｏ分離器］
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。
【００６６】
［５．１．６．  燃料製造器］
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。
【００６７】
［５．１．７．  第１調圧器、第２調圧器］
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。
【００６８】
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−ＳＯＣ１２ｂ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−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。
【００６９】
［５．１．８．  エジェクタ］
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。
【００７０】
［５．１．９．  制御手段］
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。
【００７１】
［５．１．１０．  燃料利用率制御手段］
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。
【００７２】
［５．２．  作用］
［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。
【００７３】
Ｒ−ＳＯＣ１２ｂのオフガス（Ａ'out）は、第１ＣＯ2分離器１４及びＨ2Ｏ分離器２２に送られ、それぞれ、ＣＯ2及びＨ2Ｏが除去される。この時、Ｈ2Ｏ分離器２２で分離されたＨ2Ｏは、第１ＣＯ2分離器１４のパージ流路に送られ、ＣＯ2のパージに利用される。パージされたＣＯ2は、Ｈ2Ｏと共にＶ３から外界に排出される。一方、ＣＯ2及びＨ2Ｏが除去された後のオフガス（Ｄout）には、未反応の炭化水素が含まれる。この未反応の炭化水素は、三方弁Ｖ２を介してエジェクタ３４の吸引側から吸引される。これにより、アノードオフガス（Ａ'out）中の反応生成ガス成分（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）を除去し、循環ガス中の濃度を制御することで、濃度分極による発電ロスを軽減することが可能となる。
【００７４】
［５．２．２．  ＳＯＥＣモード］
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。
【００７５】
この状態で、排気ガス等のＣＯ2を多く含む混合ガスを第２ＣＯ2分離器１６の第２フィード流路に流すと、排気ガスからＣＯ2が分離され、低ＣＯ2濃度の排気ガスとして大気中に放出される。同時に、蒸発器１８から供給される水蒸気を第２ＣＯ2分離器１６の第２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。
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。
【００７６】
第１ＣＯ2分離器１４及び第２ＣＯ2分離器１６から放出されるＣＯ2を水蒸気でパージすることにより、高濃度のＨ2Ｏ＋ＣＯ2混合ガスを生成させることができる。また、これによって必要電解電圧の上昇を抑制することができ、より少ない電力量で効率良く炭化水素を製造することが可能となる。また、Ｒ−ＳＯＣ１２ｂで得られた高濃度の合成ガスを燃料製造器２０に供給すると、触媒反応により高濃度の炭化水素に変換される。
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。
【実施例】
【００７７】
（実施例１）
［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。
【００７８】
【表１】
2018156914.tif 000003
【００７９】
ＳＯＦＣの発電電圧Ｖ及び発電電力Ｗは、それぞれ、以下の式（１）及び式（２）から求めた。また、ＳＯＥＣの電解電圧Ｖ及び必要電力Ｗは、それぞれ、以下の式（３）及び式（４）から求めた。
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）
【００８０】
式（１）及び式（３）中、Ｖthは、濃度分極による必要電解電圧の増大（Nerunst式）を表す。Ｖactは、活性化分極による必要電解電圧の増大を表す。Ｖohmは、抵抗分極による必要電解電圧の増大（参考文献１）を表す。Ｖth、Ｖact、及びＶohmは、それぞれ、以下の式（５）〜式（７）で表される。また、式（２）、式（４）中、Ｊeは、電流密度である。
［参考文献１］ Jack Winnick et al., J.Electochem.Soc, Vol.142(11)1995
【００８１】
【数１】
2018156914.tif 000004
【００８２】
［２．  結果］
［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。
【００８３】
［２．２．  燃料利用率の低減］
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。
【００８４】
［２．３．  製造ガス中のＣＨ4濃度］
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。
【００８５】
図９（Ａ）に、ＣＯ2分離率と合成ガス流量との関係を示す。図９（Ｂ）に、ＣＯ2分離率と製造ガス濃度との関係を示す。図９より、以下のことがわかる。
（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。
【００８６】
［２．４．  Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比の影響］
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。
【００８７】
図１１（Ａ）に、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比と発熱量又は効率との関係を示す。図１１（Ｂ）に、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比と製造ガスＤｒｙ濃度との関係を示す。図１１より、以下のことが分かる。
（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。
【００８８】
［２．５．  ＣＨ4合成温度の影響］
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。
【００８９】
（実施例２）
［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。
【００９０】
［２．  結果］
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。
【００９１】
（実施例３）
［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。
【００９２】
［２．  結果］
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。
【００９３】
【表２】
2018156914.tif 000005
【００９４】
【表３】
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【００９５】
図１４より、以下のことが分かる。
（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。
【００９６】
（ｂ）ＳＯＥＣモードで運転する場合において、Ｈ2ＯやＣＯ2の分離を行わず、かつ、燃料利用率Ｕfも相対的に高い場合（従来）、燃料製造効率（＝ＳＯＥＣ効率×ＣＨ4合成効率）は低く、ＣＨ4濃度も低かった。一方、カソードオフガス循環（ＣＧＲ）を行うと、燃料製造効率は向上し、ＣＨ4濃度も向上した。さらに、カソードオフガス循環に加えて低燃料利用率で運転すると、ＣＨ4濃度は９５．５％まで向上し、かつ、燃料製造効率は８６．１％に達した。
【００９７】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明に係る電力貯蔵システム及び電力貯蔵・供給システムは、再生可能エネルギー（太陽光、風力等）の余剰電力貯蔵・利用システム、分散形電源などに用いることができる。
【符号の説明】
【００９９】
１０ａ  電力貯蔵システム
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
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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