(57)【要約】【課題】要求発電電力又は要求電解電圧に応じて、予め設定された燃料利用率となるように、燃料／原料流量、及び電流密度を制御することが可能なＳＯＦＣ／ＳＯＥＣ／Ｒ−ＳＯＣシステム制御用プログラム、並びに、これを用いたシステムを提供すること。【解決手段】改質ガス流量Ｖi,IN、ＣＯ2分離率ηCO2,SEP1、及びＨ2Ｏ分離率ηH2O,SEPを作動条件の関数としてメモリに記憶させておく。システム作動時には、アノードオフガスからＨ2Ｏ、及びＣＯ2を分離し、分離されたＣＯ2の流量ＶCO2,SEP1、Ｈ2Ｏの流量ＶH2O,SEP、及び循環ガスの流量ＶRCYを検出する。これらの検出値と、作動条件から燃料利用率の推定値Ｕ'f,calを算出する。さらに、推定値Ｕ'f,calが設定値Ｕ'SETに近づき、かつ電力の測定値Ｗ'measが電力の設定値Ｗ'SETに近づくように、燃料流量、及び電流密度を制御する。ＳＯＥＣシステムも同様に制御する。【選択図】図１
2018190651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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Ｒref、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。
【数１】
2018190651.tif 000015
（ｆ）前記Ｕ'f,calが以下の式（４）を満たさない時は、前記電流密度Ｉを増減させ、新たに設定された前記電流密度Ｉを用いて前記手順ｄ〜手順ｅを繰り返す手順ｆ。
【数２】
2018190651.tif 000016
（ｇ）前記Ｕ'f,calが前記式（４）を満たす時は、発電電力Ｗ'measを測定し、前記Ｗ'measを前記メモリに記憶させる手順ｇ。
（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。
【数３】
2018190651.tif 000017
（ｉ）前記Ｗ'measが前記式（５）を満たす時は、定常作動に移行する手順ｉ。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【数４】
2018190651.tif 000018
（Ｅ）前記Ｕf,calが以下の式（７）を満たさない時は、前記電流密度Ｉを増減させ、新たに設定された前記電流密度Ｉを用いて前記手順Ｃ及び手順Ｄを繰り返す手順Ｅ。
【数５】
2018190651.tif 000019
（Ｆ）前記Ｕf,calが前記式（７）を満たす時は、電解電力Ｗmeasを測定し、前記Ｗmeasを前記メモリに記憶させる手順Ｆ。
（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。
【数６】
2018190651.tif 000020
（Ｈ）前記Ｗmeasが前記式（８）を満たす時は、定常作動に移行する手順Ｈ。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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１０】
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１１】
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１２】
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１３】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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システムに関し、さらに詳しくは、要求発電電力又は要求電解電力に応じて、予め設定された燃料利用率となるように、燃料／原料流量、及び電流密度を制御する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、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。
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。
【０００７】
さらに、ＳＯＥＣの要求電解電力、及びＳＯＦＣの要求発電電力は、常に一定とは限らず、時々刻々と変化する場合が多い。要求電力が変動した場合において、設定された燃料利用率を維持するためには、燃料／原料供給量、及び電流密度を制御する必要がある。しかしながら、変動する要求電力に応じて、設定された燃料利用率が得られるようにＳＯＥＣ／ＳＯＦＣの作動条件を適切に変更する方法が提案された例は、従来にはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、要求発電電力又は要求電解電力に応じて、予め設定された燃料利用率となるように、燃料／原料流量、及び電流密度を制御することが可能な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、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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係るＳＯＦＣシステム制御用プログラムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（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。
【００１１】
（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。
【００１２】
（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。
【００１３】
（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Ｒref、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。
【００１４】
【数１】
2018190651.tif 000003
【００１５】
（ｆ）前記Ｕ'f,calが以下の式（４）を満たさない時は、前記電流密度Ｉを増減させ、新たに設定された前記電流密度Ｉを用いて前記手順ｄ〜手順ｅを繰り返す手順ｆ。
【数２】
2018190651.tif 000004
【００１６】
（ｇ）前記Ｕ'f,calが前記式（４）を満たす時は、発電電力Ｗ'measを測定し、前記Ｗ'measを前記メモリに記憶させる手順ｇ。
（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。
【数３】
2018190651.tif 000005
（ｉ）前記Ｗ'measが前記式（５）を満たす時は、定常作動に移行する手順ｉ。
【００１７】
本発明に係るＳＯＥＣシステム制御用プログラムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（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。
【００１８】
（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。
【００１９】
（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。
【００２０】
【数４】
2018190651.tif 000006
【００２１】
（Ｅ）前記Ｕf,calが以下の式（７）を満たさない時は、前記電流密度Ｉを増減させ、新たに設定された前記電流密度Ｉを用いて前記手順Ｃ及び手順Ｄを繰り返す手順Ｅ。
【数５】
2018190651.tif 000007
【００２２】
（Ｆ）前記Ｕf,calが前記式（７）を満たす時は、電解電力Ｗmeasを測定し、前記Ｗmeasを前記メモリに記憶させる手順Ｆ。
（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。
【数６】
2018190651.tif 000008
（Ｈ）前記Ｗmeasが前記式（８）を満たす時は、定常作動に移行する手順Ｈ。
【００２３】
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は、
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。
【００２４】
本発明に係るＳＯＦＣシステムは、本発明に係る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。
【発明の効果】
【００２５】
要求発電電力（Ｗ'SET）又は要求電解電力（ＷSET）、及び、発電時の燃料利用率Ｕ'f,SET又は電解時のＵf,SETが決まると、これらを実現するための燃料／原料流量（ＶCH4,SET、ＶH2O,SET、ＶCO2,SET）、及び電流密度Ｉは、計算により求めることができる。しかし、計算により求められた燃料／原料流量、及び電流密度Ｉを用いて発電又は電解を行っても、実際の発電出力（Ｗ'meas）又は電解電力（Ｗmeas）、及び燃料利用率Ｕ'f又はＵfは、それぞれ、要求されたＷ'SET又はＷSET、及び設定されたＵ'f,SET又はＵf,SETに一致しない場合がある。
【００２６】
これに対し、システムの各部を流れるガスの流量、改質器の温度、改質器の圧力等を検出すると、検出されたガス流量等から実際の燃料利用率の推定値Ｕ'f,cal又はＵf,calを算出することができる。Ｕ'f,cal、又はＵf,calがＵ'f,SET、又はＵf,SETより大きい時には電流密度Ｉを減少させ、前者が後者より小さい時には電流密度Ｉを増加させると、推定値Ｕ'f,cal、又はＵf,calを設定値Ｕ'f,SET、又はＵf,SETに近づけることができる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＳＯＦＣシステム（アノードオフガス循環式）の模式図である。
【図２】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である。
【図３】断熱平衡反応モデルを用いて算出された、改質器の温度Ｔrefと改質ガス流量Ｖi,IN（ｉ＝Ｈ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、ＣＨ4）との関係の一例を示す図である。
【図４】断熱平衡反応モデルを用いて算出された、Ｈ2Ｏ流量ＶH2O,SUPと改質ガス流量Ｖi,IN（ｉ＝Ｈ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、ＣＨ4）との関係の一例を示す図である。
【００２８】
【図５】断熱平衡反応モデルを用いて算出された、改質器の圧力Ｒrefと改質ガス流量Ｖi,IN（ｉ＝Ｈ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、ＣＨ4）との関係の一例を示す図である。
【図６】第一元素系複合酸化物からなるＣＯ2分離材のＣＯ2吸収温度ＴCO2とＣＯ2分離率ηCO2,SEPとの関係の一例を示す図である。
【図７】第一元素系複合酸化物からなるＣＯ2分離材のＣＯ2放出温度とＣＯ2吸収率との関係の一例を示す図である。
【図８】圧力差ΔＰH2OとＨ2Ｏ分離率ηH2O,SEPとの関係の一例を示す図である。
【図９】Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比とＨ2Ｏ分離率ηH2O,SEPとの関係の一例を示す図である。
【図１０】Ｕ'f,SETとＨ2Ｏ分離率ηH2O,SEPとの関係の一例を示す図である。
【００２９】
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係るＳＯＦＣシステム（アノードオフガス循環なし）の模式図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係るＳＯＥＣシステム（カソードオフガス循環式）の模式図である。
【図１３】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である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態に係るＳＯＥＣシステム（カソードオフガス循環なし）の模式図である。
【００３０】
【図１５】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（アノード／カソードオフガス循環式）の模式図である。
【図１６】図１５のリバーシブルＳＯＣシステムがＳＯＦＣモードにある時のガスの流れの模式図である。
【図１７】図１５のリバーシブルＳＯＣシステムがＳＯＥＣモードにある時のガスの流れの模式図である。
【図１８】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のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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．  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。
【００３２】
なお、以下の説明では、便宜的に、ＳＯＦＣ４０ａのアノ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の第１フィード流路を流れるガスを「Ｂ1」、第１パージ流路を流れるガスを「Ｃ1」と略記する。また、Ｈ2Ｏ分離器２２の第３フィード流路を流れるガスを「Ｄ」、第３パージ流路を流れるガスを「Ｅ」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、「Ａ'in」又は「Ａ'out」のように、添え字「in」又は「out」を付記する。
【００３３】
［１．１．１．  ＳＯＦＣ］
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。
【００３４】
ＳＯＦＣセル４２は、固体酸化物系電解質からなる電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの一方の面に形成された第１ガス流路（アノード流路）と、ＭＥＡの他方の面に形成された第２ガス流路（カソード流路）とを備えている。
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。
【００３５】
本実施の形態において、改質器４４ａは、改質器４４ａ内の温度Ｔrefを検出するための温度検出手段４６と、改質器４４ａ内の圧力Ｒrefを検出するための圧力検出手段４８とをさらに備えている。検出された温度Ｔref及び圧力Ｐrefは、改質器４４ａ内で生成する改質ガス流量Ｖi,IN（ｉ＝Ｈ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、ＣＨ4）を算出する際に用いられる。また、Ｖi,IN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。Ｖi,IN、及びＵ'f,calの算出方法については、後述する。
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。
【００３６】
［１．１．２．  第１ＣＯ2分離器］
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。
【００３７】
例えば、第１ＣＯ2分離器１４は、分離膜を介して第１フィード流路と第１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）。第１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第１パージ流路に排出される。
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。
【００３８】
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ＳＯＦＣ４０ａのアノード流路の出口に接続され、第１フィード流路の出口はＨ2Ｏ分離器２２の第３フィード流路の入口に接続されている。また、第１ＣＯ2分離器１４の第１パージ流路の出口は、第１流量計５０ａを介して、大気に接続されている。
【００３９】
ＳＯＦＣ４０ａのアノード流路から排出されるオフガス（Ａ'out）は、通常、ＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ等を含む。このＡ'out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。
【００４０】
第１ＣＯ2分離器１４のＣＯ2分離率ηCO2,SEP1は、第１ＣＯ2分離器１４の構造、及び分離条件が決まると一義的に定まる。ηCO2,SEP1は、第１フィード流路から排出されるＣＯ2の流量（すなわち、循環ガス中に含まれるＣＯ2の量ＶCO2,RCY）、及び、第１フィード流路に供給されるＣＯ2の流量を見積もる際に用いられる。
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。
【００４１】
ηCO2,SEP1は、種々の方法により取得することができる。例えば、第１ＣＯ2分離器１４がバッチ切り替え式のＣＯ2分離器である場合（すなわち、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フィード流路とを備えている場合）、第１ＣＯ2分離器１４は、ＣＯ2分離材（Ａ）の温度ＴCO2,SEP1を検出する第２温度検出手段と、第１フィード流路のＣＯ2分圧ＰCO2,SEP1を検出する第２圧力検出手段とをさらに備えているのが好ましい。
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）。
【００４２】
［１．１．３．  Ｈ2Ｏ分離器］
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。
【００４３】
なお、本発明において、Ａ'outからＣＯ2、及びＨ2Ｏが分離される。この場合、ＣＯ2とＨ2Ｏの分離順序は特に限定されない。すなわち、図１に示す例では、ＳＯＦＣ４０ａ→第１ＣＯ2分離器→Ｈ2Ｏ分離器２２の順に接続されているが、ＳＯＦＣ４０ａ→Ｈ2Ｏ分離器２２→第１ＣＯ2分離器１４の順に接続しても良い。
【００４４】
図１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ている。第３フィード流路の出口は、第２流量計５０ｂを介してエジェクタ３４の吸引側に接続されている。また、Ｈ2Ｏ分離器２２の第３パージ流路の出口は、第３流量計５０ｃを介して、大気に接続されている。
【００４５】
Ｈ2Ｏ分離器２２のＨ2Ｏ分離率ηH2O,SEPは、Ｈ2Ｏ分離器２２の構造、及び、分離条件が決まると、一義的に定まる。ηH2O,SEPは、第３フィード流路から排出されるＨ2Ｏの流量（すなわち、循環ガス中に含まれるＨ2Ｏの量ＶH2O,RCY）、及び第３フィード流路に供給されるＨ2Ｏの流量を見積もる際に用いられる。
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。
【００４６】
さらに、第２流量計５０ｂは、循環ガスの流量ＶRCYを検出するために用いられる。循環ガス中には、未反応の燃料に加えて、第１ＣＯ2分離器１４をそのまま通過したＣＯ2（ＶCO2,RCY）、及びＨ2Ｏ分離器２２をそのまま通過したＨ2Ｏ（ＶH2O,RCY）が含まれている。ＶRCY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。
【００４７】
ηH2O,SEPは、種々の方法により取得することができる。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分離器２２は、第３フィード流路と第３パージ流路の圧力差ΔＰH2Oを検出する圧力差検出手段をさらに備えているのが好ましい。
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）。
【００４８】
［１．１．４．  エジェクタ］
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。
【００４９】
図１に示す例において、エジェクタ３４の駆動側の入口は、燃料源（図示せず）に接続されている。エジェクタ３４の出口は、改質器４４ａの入口に接続されている。さらに、エジェクタ３４の吸引側の入口は、第２流量計５０ｂを介して、Ｈ2Ｏ分離器２２の第３フィード流路の出口に接続されている。
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。
【００５０】
［１．２．  ＳＯＦＣシステム制御用プログラム］
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。
【００５１】
［１．２．１．  手順ａ］
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。
【００５２】
［１．２．２．  手順ｂ］
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。
【００５３】
［１．２．３．  手順ｃ］
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。
【００５４】
なお、アノードオフガス循環式ＳＯＦＣにおいて、水蒸気改質に必要な水は、Ｈ2Ｏ分離器２２から供給される。この場合、ＶH2O,SUPは、循環ガスに含まれるＨ2Ｏの流量（すなわち、前述したＶH2O,RCY）を表す。ＶH2O,RCYは、循環ガス量ＶRCYにより制御することができる。一方、後述するアノードオフガス循環なしのＳＯＦＣにおいては、外部の水供給源から改質器に水が供給される。この場合、ＶH2O,SUPは、水供給源から供給される水の流量ＶH2O,SETを表す。
【００５５】
［１．２．４．  手順ｄ］
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）。
【００５６】
［１．２．５．  手順ｅ］
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、Ｒref、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）。
【００５７】
【数７】
2018190651.tif 000009
【００５８】
具体的には、Ｓ５において、ＶCO2,SEP1／ηCO2,SEP1、及びＶH2O,SEP／ηH2O,SEPを算出する。上述したように、ηCO2,SEP1は、第１ＣＯ2分離器１４の構造、及び分離条件が決まると一義的に定まるため、これらの関係を予めメモリに記憶させておく。同様に、ηH2O,SEPもまた、Ｈ2Ｏ分離器２２の構造、及び分離条件が決まると一義的に定まるため、これらの関係を予めメモリに記憶させておく。Ｕ'f,calを算出する際には、検出された入力値（分離条件）に対応する数値をメモリから読み出し、計算に用いる（手順ｅ１、ｅ２）。
【００５９】
次に、Ｓ６において、算出されたＶCO,SEP12／ηCO2,SEP1、及びＶH2O,SEP／ηH2O,SEP、並びに、式（２）を用いて、循環ガスに含まれる未反応燃料（ＣＯ、Ｈ2）の流量ＶCO+H2,RCYを算出する。上述したように、式（２）の右辺第２項は循環ガスに含まれるＣＯ2の量を表し、右辺第３項は循環ガスに含まれるＨ2Ｏの量を表す。
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。
【００６０】
次に、Ｓ７において、式（３）を用いてＵ'f,calを算出する。改質ガス流量Ｖi,INは、改質器４４ａに供給される水流量ＶH2O,SUP、炭化水素の流量ＶCH4,SET、温度Ｔref、及び圧力Ｐrefが決まると、一義的に定まるので、これらの関係を予めメモリに記憶させておく。Ｕ'f,calを算出する際には、設定されたＶH2O,SUP、及びＶCH4,SET、並びに、検出されたＴref、及びＰrefに対応する数値をメモリから読み出し、計算に用いる。
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。
【００６１】
式（３）中、ＶCO,IN、及びＶH2,INは、それぞれ、改質ガスに含まれるＣＯ2の量、及びＨ2Ｏの量を表す。式（３）の分母は、改質器４４ａから供給される燃料の流量（ＶCO,IN＋ＶH2O,IN）と循環ガスに含まれる燃料の流量（ＶCO+H2,RCY）の和、すなわち、ＳＯＦＣセル４２のアノード流路に供給される燃料（ＣＯ、Ｈ2）の総流量を表す。
【００６２】
式（３）中、ＶCO2,SEP1／ηCO2,SEP1は、第１ＣＯ2分離器１４の第１フィード流路に供給されるＣＯ2の総流量を表す。ＶCO2は、発電により新たに生成したＣＯ2の流量（すなわち、ＣＯの総消費量）と、循環ガスに含まれるＣＯ2の流量の和を表す。ＶH2O,SEP／ηH2O,SEPは、Ｈ2Ｏ分離器２２の第３フィード流路に供給されるＨ2Ｏの総流量を表す。ＶH2Oは、発電により新たに生成したＨ2Ｏの流量（すなわち、Ｈ2の総消費量）と、循環ガスに含まれるＨ2Ｏの流量の和を表す。ＶCO2+H2O,RCYは、循環ガスに含まれるＣＯ2及びＨ2Ｏの流量を表す。さらに、式（３）の分子は、実際に発電に消費された燃料の流量に対応する。
【００６３】
［１．２．６．  手順ｆ］
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。
【数８】
2018190651.tif 000010
【００６４】
Ｕ'f,calが式（４）を満たさない時（Ｓ８：ＮＯ）は、Ｓ９に進み、電流密度Ｉを増減させる。Ｕ'f,cal＞Ｕ'f,SETである場合、必要以上に燃料が消費されていることを意味するので、このような場合にはＩを減少させる。逆にＵ'f,cal＜Ｕ'f,SETである場合には、Ｉを増加させる。ガス流量を一定に保ったまま、Ｉのみを増減させると、セル電圧が増減し、その結果としてＵ'f,calも増減する。電流密度の増減幅ΔＩの理論値ΔＩthは、ΔＵ'f（＝Ｕ'f,SET−Ｕ'f,cal）から算出することができる。実際の増減幅ΔＩは、ΔＩthと同一であっても良く、あるいは、ΔＩthに適切な補正係数を乗算したものでも良い。
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）。
【００６５】
［１．２．７．  手順ｇ］
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）。
【００６６】
［１．２．８．  手順ｈ］
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。
【数９】
2018190651.tif 000011
【００６７】
Ｗ'measが式（５）を満たさない時（Ｓ１１：ＮＯ）は、Ｓ１２に進み、燃料流量ＶCH4,SETを増減させる。Ｗ'meas＞Ｗ'SETである場合、必要以上に燃料が消費されていることを意味するので、このような場合にはＶCH4,SETを減少させる。逆に、Ｗ'meas＜Ｗ'SETである場合には、ＶCH4,SETを増加させる。燃料流量の増減幅ΔＶ1の理論値ΔＶ1thは、ΔＷ'（＝Ｗ'SET−Ｗ'meas）から算出することができる。実際の増減幅ΔＶ1は、ΔＶ1thと同一であっても良く、あるいは、ΔＶ1thに適切な補正係数を乗算したものでも良い。
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）。
【００６８】
［１．２．７．  手順ｉ〜手順ｊ］
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。
【００６９】
一方、ＳＯＦＣ運転中（Ｓ１３：ＮＯ）において、Ｗ'SETが変更された時（Ｓ１４：ＹＥＳ）は、Ｓ１に戻る。そして、変更されたＷ'SETを用いて、Ｓ１〜Ｓ１４の各ステップを繰り返す（手順ｊ）。
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。
【００７０】
［１．３．  改質ガス流量Ｖi,IN］
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。
【００７１】
改質ガスに含まれる各成分の比率（すなわち、改質ガス流量Ｖi,IN）は、温度Ｔref、圧力Ｐref、設定された炭化水素ガスの流量ＶCH4,SET、及び改質器４４ａに供給される水の流量ＶH2O,SUPが決まると、一義的に定まる。上述したように、Ｖi,INは、実測することもできるが、計算により求めることができる。
【００７２】
図３〜図５に、断熱平衡反応モデルを用いて算出された、改質器４４ａの温度Ｔref、Ｈ2Ｏ流量ＶH2O,SUP、又は、改質器の圧力Ｒrefと、改質ガス流量Ｖi,IN（ｉ＝Ｈ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2、ＣＨ4）との関係の一例を示す。図３〜図５に示すように、改質器４４ａの入口ガスの流量と出口ガスの流量の関係を関数（マップ）化しておき、これをメモリに記憶させておくと、ＶH2O,SUP、ＶCH4,SET、Ｔref、及びＰrefが入力された時に、入力値に対応するＶi,INを出力することができる。
【００７３】
［１．４．  ＣＯ2分離率ηCO2,SEP1］
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。
【００７４】
図６に、第一元素系複合酸化物からなるＣＯ2分離材のＣＯ2吸収温度ＴCO2とＣＯ2分離率ηCO2,SEP1との関係の一例を示す。図６に示すように、ＴCO2、ＰCO2、及びηCO2,SEP1の関係を関数（マップ）化しておき、これをメモリに記憶させておくと、ＴCO2、及びＰCO2が入力された時に、入力値に対応するηCO2,SEP1を出力することができる（手順ｅ１、Ｄ１、Ｄ２）。
【００７５】
図７に、第一元素系複合酸化物からなるＣＯ2分離材のＣＯ2放出温度とＣＯ2吸収率との関係の一例を示す。図７より、ＣＯ2分離材の温度を７００℃以上にすると、全吸収量の９８％以上が放出されることがわかる。そのため、ＳＯＦＣ作動時において、第１パージ流路の温度が７００℃以上になるように運転条件を制御すると、連続的なＣＯ2の分離が可能となる。なお、この方法は、後述する第２ＣＯ2分離器１６、及びバッチ切り替え式のＨ2Ｏ分離器２２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。
【００７６】
［１．５．  Ｈ2Ｏ分離率ηH2O,SEP］
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。
【００７７】
図８に、圧力差ΔＰH2OとＨ2Ｏ分離率ηH2O,SEPとの関係の一例を示す。図９に、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比とＨ2Ｏ分離率ηH2O,SEPとの関係の一例を示す。図１０に、Ｕ'f,SETとＨ2Ｏ分離率ηH2O,SEPとの関係の一例を示す。図８〜１０に示すように、ΔＰH2O、Ｕ'f,SET、Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比、及びηH2O,SEPの関係を関数（マップ）化しておき、これをメモリに記憶させておくと、ΔＰH20、Ｕ'f,SET、及びＨ2Ｏ／ＣＯ2比が入力された時に、入力値に対応するηCO2,SEP1を出力することができる（手順ｅ２、Ｄ３）。
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。
【００７８】
［２．  ＳＯＦＣシステム（２）：  アノードオフガスなし］
［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。
【００７９】
［２．１．１．  ＳＯＦＣ］
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。
【００８０】
［２．１．２．  改質器］
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Ｒref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。
【００８１】
［２．１．３．  第１ＣＯ2分離器］
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。
【００８２】
図１１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ＳＯＦＣ４０ｂのアノード流路の出口に接続され、第１フィード流路の出口はＨ2Ｏ分離器２２の第３フィード流路の入口に接続されている。また、第１ＣＯ2分離器１４の第１パージ流路の出口は、第１流量計５０ａを介して、大気に接続されている。第１ＣＯ2分離器１４に関するその他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００８３】
［２．１．４．  Ｈ2Ｏ分離器］
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。
【００８４】
図１１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ている。第３フィード流路の出口は、燃焼器５２の燃料供給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、第３流量計５０ｃを介して、大気に接続されている。Ｈ2Ｏ分離器２２に関するその他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００８５】
［２．１．５．  蒸発器］
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。
【００８６】
［２．１．６．  燃焼器］
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。
【００８７】
［２．２．  ＳＯＦＣシステム制御用プログラム］
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。
【００８８】
本実施の形態に係るＳＯＦＣシステムは、アノードオフガス循環手段を備えていない。そのため、Ｕ'f,calの算出に際しては、改質器４４ｂに供給される水流量ＶH2O,SUPには、蒸発器１８から供給される水流量ＶH2O,SETが用いられる。また、循環ガスの流量ＶRCYの検出、並びに、ＶCO2+H2,RCY、及びＶCO2+H2O,RCYの算出が不要となる。この点が、第１の実施の形態とは異なる。本実施の形態に係るＳＯＦＣシステム制御用プログラム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。
【００８９】
［３．  ＳＯＥＣシステム（１）：  カソードオフガス循環式］
［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。
【００９０】
なお、以下の説明では、便宜的に、ＳＯＥＣ４０ｃのカソード流路を流れるガスを「Ａ」と略記する。同様に、第２ＣＯ2分離器１６の第２フィード流路を流れるガスを「Ｂ2」、第２パージ流路を流れるガスを「Ｃ2」と略記する。
【００９１】
［３．１．１．  ＳＯＥＣ］
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。
【００９２】
［３．１．２．  第１ＣＯ2分離器］
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。
【００９３】
図１２において、第１ＣＯ2分離器は、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ＳＯＥＣ４０ｃ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Ｈ2Ｏ分離器２２の第３フィード流路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１流量計５０ａ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。
【００９４】
第１ＣＯ2分離器１４のＣＯ2分離率ηCO2,SEP1は、第１フィード流路に供給されるＣＯ2の流量を見積もる際に用いられる。第１フィード流路から第１パージ流路に排出される正味のＣＯ2流量をＶCO2,SEP1とすると、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。
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。
【００９５】
［３．１．３．  第２ＣＯ2分離器］
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。
【００９６】
第２ＣＯ2分離器１６のＣＯ2分離率ηCO2,SEP2は、第２フィード流路から第２パージ流路に排出されるＣＯ2の流量を見積もる際に用いられる。Ｂ2inに含まれるＣＯ2の流量をＶCO2,SETとし、第２フィード流路から第２パージ流路に排出される正味のＣＯ2流量をＶCO2,SEP2とすると、ＶCO2,SEP2＝ＶCO2,SET×ηCO2,SEP2の関係が成り立つ。
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。
【００９７】
［３．１．４．  蒸発器］
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。
【００９８】
［３．１．５．  Ｈ2Ｏ分離器］
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。
【００９９】
図１２において、Ｈ2Ｏ分離器は、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、第３流量計５０ｃを介して、蒸発器１８の出口に接続されている。
【０１００】
Ｈ2Ｏ分離器２２のＨ2Ｏ分離率ηH2O,SEPは、第３フィード流路に供給されるＨ2Ｏの流量を見積もる際に用いられる。
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。
【０１０１】
［３．１．６．  燃料製造器］
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。
【０１０２】
［３．１．８．  貯蔵タンク］
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。
【０１０３】
［３．２．  ＳＯＥＣシステム制御用プログラム］
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。
【０１０４】
［３．２．１．  手順Ａ］
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。
【０１０５】
［３．２．２．  手順Ｂ］
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。
【０１０６】
［３．２．３．  手順Ｃ］
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。
【０１０７】
［３．２．４．  手順Ｄ］
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）。
【数１０】
2018190651.tif 000012
【０１０８】
具体的には、ＶCO2,SEP1／ηCO2,SEP1、ＶH2O,SEP／ηH2O,SEP、及びＶCO2,SEP2を算出する。上述したように、ηCO2,SEP1、及びηCO2,SEP2は、それぞれ、第１ＣＯ2分離器１４及び第２ＣＯ2分離器１６の構造、並びに、分離条件が決まると一義的に定まるため、これらの関係を予めメモリに記憶させておく。同様に、ηH2O,SEPもまた、Ｈ2Ｏ分離器２２の構造、及び分離条件が決まると一義的に定まるため、これらの関係を予めメモリに記憶させておく。Ｕf,calを算出する際には、検出された入力値（分離条件）に対応する数値をメモリから読み出し、計算に用いる（手順Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）。
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。
【０１０９】
式（６）中、ＶCO2,IN、及びＶH20,INは、それぞれ、ＳＯＥＣ４０ｃに供給されるＣＯ2の量、及びＨ2Ｏの量を表す。式（６）の右辺第２項の分母は、ＳＯＥＣ４０ｃに供給される原料の総流量を表す。また、式（６）の右辺第２項の分子は、電解反応に消費されなかった原料の総流量を表す。
【０１１０】
［３．２．５．  手順Ｅ］
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。
【数１１】
2018190651.tif 000013
【０１１１】
Ｕf,calが式（７）を満たさない時（Ｓ２５：ＮＯ）は、Ｓ２６に進み、電流密度Ｉを増減させる。Ｕf,cal＞Ｕf,SETである場合、必要以上に原料が消費されていることを意味するので、このような場合にはＩを減少させる。逆にＵf,cal＜Ｕf,SETである場合には、Ｉを増加させる。ガス流量を一定に保ったまま、Ｉのみを増減させると、電解電圧が増減し、その結果としてＵf,calも増減する。電流密度の増減幅ΔＩの理論値ΔＩthは、ΔＵf（＝Ｕf,SET−Ｕf,cal）から算出することができる。実際の増減幅ΔＩは、ΔＩthと同一であっても良く、あるいは、ΔＩthに適切な補正係数を乗算したものでも良い。
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）。
【０１１２】
［３．２．６．  手順Ｆ］
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）。
【０１１３】
［３．２．７．  手順Ｇ］
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。
【数１２】
2018190651.tif 000014
【０１１４】
Ｗmeasが式（８）を満たさない時（Ｓ２８：ＮＯ）は、Ｓ２９に進み、原料流量ＶCO2,SET、及びＶH2O,SETを増減させる。Ｗmeas＞ＷSETである場合、必要以上に原料が消費されていることを意味するので、このような場合にはＶCO2,SET、及びＶH2O,SETを減少させる。逆に、Ｗmeas＜ＷSETである場合には、ＶCO2,SET、及びＶH2O,SETを増加させる。原料流量の増減幅ΔＶ2、ΔＶ3の理論値ΔＶ2th、ΔＶ3thは、ΔＷ（＝ＷSET−Ｗmeas）から算出することができる。実際の増減幅ΔＶ2、及びΔＶ3は、それぞれ、ΔＶ2th、及びΔＶ3thと同一であっても良く、あるいは、ΔＶ2th、及びΔＶ3thに適切な補正係数を乗算したものでも良い。
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）。
【０１１５】
［３．２．７．  手順Ｈ〜手順Ｉ］
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。
【０１１６】
一方、ＳＯＥＣ運転中（Ｓ３０：ＮＯ）において、ＷSETが変更された時（Ｓ３１：ＹＥＳ）は、Ｓ２１に戻る。そして、変更されたＷSETを用いて、Ｓ２１〜Ｓ３１の各ステップを繰り返す（手順Ｉ）。
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。
【０１１７】
［４．  ＳＯＥＣシステム（２）：  カソードオフガス循環なし］
［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。
【０１１８】
［４．１．１．  ＳＯＥＣ］
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。
【０１１９】
［４．１．２．  第１ＣＯ2分離器］
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。
【０１２０】
図１４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ＳＯＥＣ４０ｄ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Ｈ2Ｏ分離器２２の第３フィード流路の入口に接続されている。第１パージ流路の出口は、第１流量計５０ａを介して、大気に接続されている。
第１ＣＯ2分離器１４に関するその他の点については、第１〜第３の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【０１２１】
［４．１．３．  第２ＣＯ2分離器］
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。
【０１２２】
［４．１．４．  蒸発器］
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。
【０１２３】
［４．１．５．  Ｈ2Ｏ分離器］
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。
【０１２４】
図１４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、第３パージ流路の出口は、第３流量計５０ｃを介して、大気に接続されている。Ｈ2Ｏ分離器２２に関するその他の点については、第１〜第３の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【０１２５】
［４．１．６．  燃料製造器］
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。
【０１２６】
［４．１．７．  貯蔵タンク］
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。
【０１２７】
［４．２．  ＳＯＥＣシステム制御用プログラム］
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。
【０１２８】
本実施の形態に係るＳＯＦＣシステムは、アノードオフガス循環手段を備えていない。そのため、Ｕf,calの算出に際しては、検出されたＶCO2,SEP1をそのまま用いることができる。また、ＶH2O+CO2,SEP2は、蒸発器１８から供給される水流量ＶH2O,SETと、第２パージ流路に排出されるＣＯ2流量ＶCO2,SEP2（＝ＶCO2,SET×ηCO2,SEP2）の和を表す。本実施の形態に係るＳＯＥＣシステム制御用プログラム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。
【０１２９】
［５．  リバーシブルＳＯＣシステム：  アノード／カソードオフガス循環式］
［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。
【０１３０】
［５．１．１．  Ｒ−ＳＯＣ］
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。
【０１３１】
Ｒ−ＳＯＣ４０ｅは、使用方法が異なるだけで、その構造は図１に示すＳＯＦＣ４０ａと同一である。すなわち、Ｒ−ＳＯＣ４０ｅは、さらに、改質器（図示せず）と、改質器内の温度Ｔrefを検出するための温度検出手段４６と、改質器内の圧力Ｒrefを検出するための圧力検出手段４８とを備えている。
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。
【０１３２】
［５．１．２．  第１ＣＯ2分離器］
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。
【０１３３】
［５．１．３．  第２ＣＯ2分離器］
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。
【０１３４】
［５．１．４．  蒸発器］
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。
【０１３５】
［５．１．６．  燃料製造器］
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。
【０１３６】
［５．１．８．  第１調圧器、第２調圧器］
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。
【０１３７】
［５．１．９．  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−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。
【０１３８】
［５．２．  使用方法］
［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。
【０１３９】
この状態から、第４開閉弁（Ｖ４）３６ｄを開とすると、貯蔵タンク２８から燃料が放出される。燃料は、第２調圧器３２で減圧又は昇圧された後、エジェクタ３４を介して、Ｒ−ＳＯＣ４０ｅに供給される。また、これと同時に、カソード流路（図示せず）に酸化剤ガスを供給する。その結果、Ｒ−ＳＯＣ４０ｅから電力を取り出すことができる。
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。
【０１４０】
一方、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、ＣＯ2のパージガスとして用いられる。その結果、第１ＣＯ2分離器１４の第１パージ流路の出口から、ＣＯ2及びＨ2Ｏを含む分離ガス（Ｃ1out）が排出される。Ｃ1outは、第３三方弁（Ｖ３）３６ｃを介して大気に放出される。
【０１４１】
［５．２．２．  ＳＯＥＣモード］
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。
【０１４２】
この状態から、第２ＣＯ2分離器１６の第２フィード流路にＣＯ2を含むガス（Ｂ2in）を供給し、蒸発器１８を作動させると、第２ＣＯ2分離器１６の第２パージ流路の出口から、ＣＯ2及びＨ2Ｏを含む分離ガス（Ｃ2out）が排出される。Ｃ2outを原料ガス（Ａin）としてＲ−ＳＯＣ４０ｅの第１ガス流路に供給すると同時に、Ｒ−ＳＯＣ４０ｅに電力を供給すると、Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2の共電解が行われる。その結果、第１ガス流路の出口から、Ｈ2及びＣＯを含むオフガス（Ａout）が排出される。
【０１４３】
Ａoutは、第１ＣＯ2分離器１４でＣＯ2が分離され、Ｈ2Ｏ分離器２２でＨ2Ｏが分離された後、燃料製造器２０に送られる。燃料製造器２０では、高濃度のＨ2及びＣＯを含むオフガス（Ｄout）を用いて、炭化水素の製造が行われる。製造された炭化水素は、第１調圧器３０で昇圧又は減圧された後、貯蔵タンク２８に貯蔵される。
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。
【０１４４】
［５．３．  Ｒ−ＳＯＣシステム制御用プログラム］
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。
【０１４５】
図１８に、本発明に係るＲ−ＳＯＣ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。本発明に係るＲ−ＳＯＣシステム制御用プログラムは、本発明に係るＳＯＦＣシステム制御用プログラムと、ＳＯＥＣシステム制御用プログラムの双方を備えており、選択されたモードに応じていずれか一方のプログラムを実行する。
【０１４６】
すなわち、まず、Ｓ４１において、ＳＯＦＣモードを選択するか否かが判断される。ＳＯＦＣモードを選択する場合（Ｓ４１：ＹＥＳ）、図２のＳ１に進み、ＳＯＦＣシステム制御用プログラムを実行する。また、ＳＯＥＣモードを選択する場合（Ｓ４１：ＮＯ）、図１３のＳ２１に進み、ＳＯＥＣシステム制御用プログラムを実行する。
【０１４７】
ＳＯＦＣ運転を終了させる場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、又はＳＯＥＣ運転を終了させる場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）には、図１８のＳ４２に戻る。Ｓ４２では、モード変更するか否かが判断される。モード変更がある場合（Ｓ４２：ＹＥＳ）には、Ｓ４１に戻り、モードを変えて運転を継続する。一方、モード変更がない場合（Ｓ４２：ＮＯ）には、システムを停止させる。
【０１４８】
［６．  作用］
［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。
【０１４９】
また、高い発電効率を確保するためには、アノードオフガス燃焼による改質用熱量を必要最低限（水蒸気改質反応熱量＋改質ガス及び燃焼ガスの顕熱変化量＋外周放熱量）とし、改質器の内部熱収支を維持することにより、作動温度を一定とする必要がある。また、より多くの可燃成分がＳＯＦＣ発電に利用されることが好ましい。
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
また、これらの検出量から、ＳＯＦＣのアノードへ流入する燃料成分（Ｈ2＋ＣＯ）の合計流量：ＶH2,IN＋ＶCO,INと、ＳＯＦＣで利用された燃料流量：（ＶCO2,SEP1／ηCO2,SEP1−ＶCO2,IN）＋（ＶH2O,SEP／ηH2O,SEP−ＶH2O,IN）を求めることができる。また、これらの比から、燃料利用率の推定値Ｕ'f,calを推定することができる。
【０１５２】
さらに、燃料利用率の推定値Ｕ'f,calと設定値Ｕ'f,SETとの差が目標偏差ε1以下となるように、ＳＯＦＣの設定電流密度Ｉが増減される。また、発電電力の測定値Ｗ'measと要求電力Ｗ'SETとの差が目標偏差ε2以下となるように、ＳＯＦＣの燃料流量ＶCH4,SET、及び水流量ＶH2O,SUPが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が２である場合、ＶH2O,SUP／ＶCH4,SET＝２となるように、これらの流量が制御される。
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。
【０１５３】
［６．２．  アノードオフガス循環式ＳＯＦＣシステム］
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。
【０１５４】
また、内部間接型ＳＯＦＣの場合、改質反応とアノードにおける電気化学反応を別空間にて進行させつつ、隔壁を介した熱交換（発熱：電気化学反応／吸熱：水蒸気改質反応）が可能となる。これにより、循環ガス中の水蒸気量を低減しても、水蒸気量不足により発生するアノード上のカーボン析出を抑制することができる。また、隔壁熱伝導を介した直接熱交換により、ＳＯＦＣ発電に伴い発生する熱を有効利用することができる。そのため、電池冷却用のカソード空気量を低減し、発電効率を向上させることが可能となる。
【０１５５】
さらに、高い発電効率を確保するためには、アノードオフ循環ガスから、発電に伴い発生する生成物を除去（Ｈ2Ｏは一部除去、ＣＯ2はほぼ全量除去）しつつ、ＳＯＦＣの燃料利用率を低く設定し、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必要となる。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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
また、循環ガス中のＣＯ2＋Ｈ2Ｏ流量ＶCO2+H2O,RCYは、設定されたガス分離率ηCO2,SEP1、ηH2O,SEPと、パージガス流量ＶCO2,SEP1、ＶH2O,SEPと、循環ガス全量ＶRCYから算出することができる。なお、循環ガス中のＣＨ4は、改質器作動温度：６５０〜７００℃において、１Ｄｒｙ％以下であるため、ゼロに設定することができる。
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。
【０１５８】
さらに、燃料利用率の推定値Ｕ'f,calと設定値Ｕ'f,SETとの差が目標偏差ε1以下となるように、ＳＯＦＣの設定電流密度Ｉが増減される。また、発電電力の測定値Ｗ'measと要求電力Ｗ'SETとの差が目標偏差ε2以下となるように、ＳＯＦＣの燃料流量ＶCH4,SET、及び水流量ＶH2O,SUP（＝ＶH2O,RCY）が制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が２である場合、ＶH2O,RCY／ＶCH4,SET＝２となるように、これらの流量が制御される。
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。
【０１５９】
［６．３．  カソードオフガス循環なしのＳＯＥＣシステム］
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。
【０１６０】
カソードオフガスから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。
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。
【０１６１】
さらに、燃料利用率の推定値Ｕf,calと設定値Ｕf,SETとの差が目標偏差ε1以下となるように、ＳＯＥＣの設定電流密度Ｉが増減される。また、電解電力の測定値Ｗmeasと要求電力ＷSETとの差が目標偏差ε2以下となるように、ＳＯＥＣの原料流量ＶCO2,SET、及びＶH2O,SETが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が３である場合、ＶH2O,SET／ＶCO2,SET＝３となるように、これらの流量が制御される。
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。
【０１６２】
［６．４．  カソードオフガス循環式ＳＯＥＣシステム］
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。
【０１６３】
カソードオフガス循環式ＳＯＥＣシステムにおいて、第１ＣＯ2分離器及びＨ2Ｏ分離器を用いてカソードオフガスからＣＯ2、及びＨ2Ｏを分離し、かつ、Ｈ2Ｏ分離器から排出されるパージガス（Ｈ2Ｏ）を用いて第１ＣＯ2分離器から排出されるＣＯ2をパージすると、排出されたＣＯ2及びＨ2Ｏを電解用原料として再利用することができる。また、パージガスを再利用することで、原料の予熱に必要な熱エネルギー（蒸発潜熱、及び顕熱）を抑制することができる。
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。
【０１６４】
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分離器によりカソードオフガス中のＨ2Ｏ、及び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。
【０１６５】
カソードオフガスから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。
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。
【０１６６】
さらに、燃料利用率の推定値Ｕf,calと設定値Ｕf,SETとの差が目標偏差ε1以下となるように、ＳＯＥＣの設定電流密度Ｉが増減される。また、電解電力の測定値Ｗmeasと要求電力ＷSETとの差が目標偏差ε2以下となるように、ＳＯＥＣの原料流量ＶCO2,SET、及びＶH2O,SETが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が３である場合、ＶH2O,SET／ＶCO2,SET＝３となるように、これらの流量が制御される。
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。
【０１６７】
［６．５．  Ｒ−ＳＯＣシステム］
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。
【０１６８】
また、循環ガス中のＣＯ2＋Ｈ2Ｏ流量ＶCO2+H2O,RCYは、設定されたガス分離率ηCO2,SEP1、ηH2O,SEPと、パージガス流量ＶCO2,SEP1、ＶH2O,SEPと、循環ガス全量ＶRCYから算出することができる。なお、循環ガス中のＣＨ4は、改質器作動温度：６５０〜７００℃において、１Ｄｒｙ％以下であるため、ゼロに設定することができる。
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。
【０１６９】
さらに、燃料利用率の推定値Ｕ'f,calと設定値Ｕ'f,SETとの差が目標偏差ε1以下となるように、ＳＯＦＣの設定電流密度Ｉが増減される。また、発電電力の測定値Ｗ'measと要求電力Ｗ'SETとの差が目標偏差ε2以下となるように、ＳＯＦＣの燃料流量ＶCH4,SET、及び水流量ＶH2O,SUPが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が２である場合、ＶH2O,SUP／ＶCH4,SET＝２となるように、これらの流量が制御される。
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。
【０１７０】
一方、カソードオフガスから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。
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。
【０１７１】
さらに、燃料利用率の推定値Ｕf,calと設定値Ｕf,SETとの差が目標偏差ε1以下となるように、ＳＯＥＣの設定電流密度Ｉが増減される。また、電解電力の測定値Ｗmeasと要求電力ＷSETとの差が目標偏差ε2以下となるように、ＳＯＥＣの原料流量ＶCO2,SET、及びＶH2O,SETが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が３である場合、ＶH2O,SET／ＶCO2,SET＝３となるように、これらの流量が制御される。
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。
【０１７２】
［６．６．  ＣＯ2分離率の推定モデル］
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。
【０１７３】
ＣＯ2分離率は、分離材温度ＴCO2の上昇と、分圧ＰCO2の上昇により増大し、ＴCO2、ＰCO2の関数として与えることができる。そのため、９８％以上のＣＯ2を放出したＣＯ2分離材のＣＯ2分離率ηCO2,SEP1を関数化（マップ化）しておくと、ＣＯ2分離器フィードライン圧力ＰCO2と、分離材温度ＴCO2を検出することにより、ＣＯ2分離率ηCO2,SEP1を推定することができる。
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。
【０１７４】
［６．７．  Ｈ2Ｏ分離率の推定モデル］
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。
【０１７５】
例えば、圧力差ΔＰが増大すると、第３フィード流路から第３パージ流路へのＨ2Ｏの透過が促進されるため、Ｈ2Ｏ分離率は増大する。また、設定されたＨ2Ｏ／ＣＯ2比を増加させると、第３フィード流路のＨ2Ｏ分圧が上昇するため、Ｈ2Ｏ分離率は増大する。さらに、燃料利用率Ｕf,SETを増加させると、第３フィード流路におけるＨ2Ｏ分圧が低下するため、Ｈ2Ｏ分離率は減少する。
【０１７６】
そのため、フィード／パージ流路間の圧力差ΔＰ、設定Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比、及び設定燃料利用率Ｕf,SETの関係を関数化（マップ化）しておくと、ΔＰ、及びＨ2Ｏ／ＣＯ2比を検出することにより、Ｈ2Ｏ分離率を推定することができる。
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。
【０１７７】
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】
【０１７８】
本発明に係るＳＯＦＣ／ＳＯＥＣ／Ｒ−ＳＯＣシステム制御用プログラム、及び、これを用いたシステムは、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】
【０１７９】
１０ａ、１０ｂ  ＳＯＦＣシステム
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
【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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【図１５】
2018190651.tif 000035
【図１６】
2018190651.tif 000036
【図１７】
2018190651.tif 000037
【図１８】
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