(57)【要約】【課題】沸騰冷却式バルブ、これを用いた沸騰冷却式ＣＯ2分離器、並びに、沸騰冷却式ＣＯ2分離器を用いたＳＯＦＣシステム、ＳＯＥＣシステム、及びＲ−ＳＯＣシステムを提供すること。【解決手段】沸騰冷却式バルブ１０ａは、ハウジング部２０と、シャフト４２にバルブ４４、４６が接合されたバルブ部４０と、ハウジング部２０とバルブ部４０の間に挿入されたシール部材５２、５４と、沸騰冷却手段と、駆動手段とを備えている。沸騰冷却式ＣＯ2分離器は、ガスの切替バルブとして沸騰冷却式バルブ１０ａが用いられる。ＳＯＦＣシステム、ＳＯＥＣシステム、及びＲ−ＳＯＣシステムは、オフガスに含まれるＣＯ2を分離するための沸騰冷却式ＣＯ2分離器を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成を備えた沸騰冷却式バルブ。
（１）前記沸騰冷却式バルブは、
ガスの流通経路を備えたハウジング部と、
シャフトに、前記流通経路の切り替えを行うためのバルブが接合されたバルブ部と、
前記ハウジング部のシール面（Ａ）と、前記シール面（Ａ）に着座する前記バルブのシール面（Ｂ）との間に挿入されたシール部材と、
前記シール部材を冷却するための沸騰冷却手段と、
前記シャフトの軸方向に沿って前記バルブ部を摺動させるための駆動手段と
を備えている。
（２）前記沸騰冷却手段は、
前記ハウジング部の前記シール面（Ａ）の直下であって、前記シール部材との接触面の近傍に形成された沸騰冷却流路（Ａ）と、
前記沸騰冷却流路（Ａ）に水を供給し、かつ、前記沸騰冷却流路（Ａ）から沸騰水を排出するための冷媒流路（Ａ）と、
前記バルブの前記シール面（Ｂ）の直下であって、前記シール部材との接触面の近傍に形成された沸騰冷却流路（Ｂ）と、
前記沸騰冷却流路（Ｂ）に水を供給し、かつ、前記沸騰冷却流路（Ｂ）から沸騰水を排出するための冷媒流路（Ｂ）と、
を備えている。
【請求項２】
以下の構成をさらに備えた請求項１に記載の沸騰冷却式バルブ。
（３）前記ハウジング部は、
第１ガスを導入又は排出するための第１室と、
第２ガスを導入又は排出するための第２室と、
前記第１室又は前記第２室の間に設けられた、前記第１ガス又は前記第２ガスを排出又は導入するための第３室と
を備え、
前記第１室と前記第３室との間の第１隔壁には第１貫通穴が設けられ、前記第１貫通孔の内表面又は周囲には第１シール面（Ａ）が設けられ、
前記第２室と前記第３室との間の第２隔壁には第２貫通穴が設けられ、前記第２貫通孔の内表面又は周囲には第２シール面（Ａ）が設けられている。
（４）前記バルブ部は、
シャフトと、
前記シャフトに接合された、第１シール面（Ｂ）を備えた第１バルブと、
前記シャフトに接合された、第２シール面（Ｂ）を備えた第２バルブと、
を備えている。
（５）前記第１シール面（Ａ）と前記第１シール面（Ｂ）との間には、第１シール部材が挿入され、
前記第２シール面（Ａ）と前記第２シール面（Ｂ）との間には、第２シール部材が挿入されている。
【請求項３】
以下の構成をさらに備えた請求項１又は２に記載の沸騰冷却式バルブ。
（７）前記駆動手段は、前記冷媒流路（Ｂ）から排出される前記沸騰水に含まれる水蒸気の圧力を用いて前記シャフトを摺動させる蒸気駆動手段である。
（６）前記蒸気駆動手段は、
前記ハウジング部に隣接して設けられた蒸気バッファタンクと、
前記シャフトの基端に接合された、前記蒸気バッファタンク内を摺動するピストンと、
前記沸騰水を前記ピストンの一方の面側又は他方の面側に切り替えて排出することにより、前記ピストンを摺動させる切替手段と
を備えている。
【請求項４】
以下の構成をさらに備えた請求項１から３までのいずれか１項に記載の沸騰冷却式バルブ。
（７）前記ハウジング部は、
前記シール面（Ａ）及び前記沸騰冷却流路（Ａ）が形成された金属製の受部と、
前記受部の底面及び側面に接合された、セラミックス製の断熱部（Ａ）と
を備えている。
（８）前記バルブは、
前記シール面（Ｂ）及び前記沸騰冷却流路（Ｂ）が形成された金属製の傘部と、
前記傘部の底面に接合された、セラミックス製の断熱部（Ｂ）と
を備えている。
【請求項５】
以下の構成を備えた沸騰冷却式ＣＯ2分離器。
（１）前記沸騰冷却式ＣＯ2分離器は、
ＣＯ2を吸収・放出するためのＣＯ2吸収材を備えた反応流路層と、
熱交換媒体を流通させることにより、前記反応流路層と熱交換を行うための媒体流路層と、
前記反応流路層にＣＯ2を含むガス又はパージガスのいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第１切替バルブと、
前記媒体流路層に第１熱交換媒体又は第２熱交換媒体のいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第２切替バルブと
を備えている。
（２）前記第１切替バルブ及び前記第２切替バルブは、それぞれ、請求項１から４までのいずれか１項に記載の沸騰冷却式バルブからなる。
【請求項６】
以下の構成を備えたＳＯＦＣシステム。
（１）前記ＳＯＦＣシステムは、
燃料から電力を生成する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、
前記ＳＯＦＣのアノードオフガス（Ａout）からＣＯ2を分離するＣＯ2分離器と、
前記ＣＯ2分離器のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器と、
前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記Ｂoutを前記ＳＯＦＣのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と
を備えている。
（２）前記ＣＯ2分離器は、請求項５に記載の沸騰冷却式ＣＯ2分離器からなる。
【請求項７】
以下の構成をさらに備えた請求項６に記載のＳＯＦＣシステム。
（３）前記ＳＯＦＣシステムは、前記凝縮器で凝縮させた水を前記沸騰冷却式ＣＯ2分離器の沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給する水供給手段（Ａ）を備えている。
【請求項８】
以下の構成を備えたＳＯＥＣシステム。
（１）前記ＳＯＥＣシステムは、
Ｈ2Ｏ及びＣＯ2から合成ガスを生成させる固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、
前記ＳＯＥＣのカソードオフガス（Ａ'out）からＣＯ2を分離する第１ＣＯ2分離器と、
前記第１ＣＯ2分離器のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）から水蒸気の全部又は一部を分離するＨ2Ｏ分離器と、
ＣＯ2源から供給されるガスからＣＯ2を分離し、分離されたＣＯ2を前記ＳＯＥＣに供給する第２ＣＯ2分離器と、
前記ＳＯＥＣに電解用のＨ2Ｏを供給する蒸発器と、
前記ＳＯＥＣのカソードオフガス（Ａ'out）に含まれる合成ガスから炭化水素を製造する燃料製造器と、
前記第１ＣＯ2分離器のパージ流路から排出される分離ガス（Ｃout）を前記ＳＯＥＣのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
を備えている。
（２）前記第１ＣＯ2分離器及び前記第２ＣＯ2分離器は、それぞれ、請求項５に記載の沸騰冷却式ＣＯ2分離器からなる。
【請求項９】
以下の構成をさらに備えた請求項８に記載のＳＯＥＣシステム。
（３）前記ＳＯＥＣシステムは、前記電解用のＨ2Ｏを前記沸騰冷却式ＣＯ2分離器の沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給する水供給手段（Ｂ）を備えている。
【請求項１０】
以下の構成を備えたＲ−ＳＯＣシステム。
（１）前記Ｒ−ＳＯＣシステムは、
燃料から電力を生成するＳＯＦＣモードと、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2から合成ガスを生成させるＳＯＥＣモードとを切替可能なリバーシブルＳＯＣ（Ｒ−ＳＯＣ）と、
前記Ｒ−ＳＯＣのオフガス（Ａout又はＡ'out）からＣＯ2を分離する第１ＣＯ2分離器と、
前記第１ＣＯ2分離器のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）から水蒸気の全部又は一部を分離するＨ2Ｏ分離器と、
前記Ｂoutに含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＥＣモードにある時に、ＣＯ2源から供給されるガスからＣＯ2を分離し、分離されたＣＯ2を前記Ｒ−ＳＯＣに供給する第２ＣＯ2分離器と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＥＣモードにある時に、前記Ｒ−ＳＯＣに電解用のＨ2Ｏを供給する蒸発器と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＥＣモードにある時に、前記Ｒ−ＳＯＣのオフガス（Ａ'out）に含まれる合成ガスから炭化水素を製造し、貯蔵する燃料製造・貯蔵手段と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＥＣモードにある時に、前記第１ＣＯ2分離器のパージ流路から排出される分離ガス（Ｃout）を前記Ｒ−ＳＯＣのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＦＣモードにある時に、前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記Ｂoutを前記Ｒ−ＳＯＣのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と、
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に供給する燃料供給手段と
を備えている。
（２）前記第１ＣＯ2分離器及び前記第２ＣＯ2分離器は、それぞれ、請求項５に記載の沸騰冷却式ＣＯ2分離器からなる。
【請求項１１】
以下の構成をさらに備えた請求項１０に記載のＲ−ＳＯＣシステム。
（３）前記Ｒ−ＳＯＣシステムは、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＦＣモードにある時に、前記凝縮器で凝縮させた水を前記沸騰冷却式ＣＯ2分離器の沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給する水供給手段（Ａ）と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＥＣモードにある時に、電解用のＨ2Ｏを前記沸騰冷却流路（Ａ）及び前記沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給する水供給手段（Ｂ）と
を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰冷却式バルブ、沸騰冷却式ＣＯ2分離器、ＳＯＦＣシステム、ＳＯＥＣシステム、及びＲ−ＳＯＣシステムに関し、さらに詳しくは、ガスの流通・遮断を行うためのシール部材を沸騰冷却流路により冷却する沸騰冷却式バルブ、このような沸騰冷却式バルブを用いた沸騰冷却式ＣＯ2分離器、並びに、このような沸騰冷却式ＣＯ2分離器を用いたＳＯＦＣシステム、ＳＯＣシステム、及びＲ−ＳＯＣシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＯ2、Ｈ2、アンモニアなどの特定のガス成分を可逆的に吸収・放出することが可能な各種の材料（以下、これらを総称して「反応材」ともいう）が知られている。このような反応材は、いずれも吸収時には発熱を伴い、放出時には吸熱を伴う。そのため、反応材は、このような特性を利用して、
（ａ）固体酸化物型燃料電池の排ガス処理装置、
（ｂ）水素を可逆的に吸蔵・放出するための水素貯蔵・供給装置、
（ｃ）排熱を化学エネルギーとして蓄えるための化学蓄熱装置
などに応用されている。
しかしながら、反応材は、一般に、ガス成分の吸収・放出を繰り返すと、吸収・放出特性が劣化するという問題がある。
【０００３】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、リチウムシリケートを含む炭酸ガス吸収材を用いて炭酸ガスを可逆的に吸蔵・放出する場合において、炭酸リチウムを添加しながら炭酸ガスを放出させる方法が開示されている。
同文献には、
（ａ）リチウムオルトシリケートを含有する炭酸ガス吸収材にアルカリ炭酸塩を添加すると、炭酸ガスの吸収速度を高めることはできるが、炭酸リチウムとアルカリ炭酸塩が共晶を形成し、炭酸リチウムが溶出しやすくなる点、
（ｂ）炭酸リチウムの溶出が炭酸ガスの吸収性能の劣化の一因となっている点、及び、
（ｃ）炭酸リチウムを添加しながら炭酸ガスを放出させると、溶出した炭酸リチウムが補われるために炭酸ガス吸収材を良好に再生することが可能となる点、
が記載されている。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた発電システムにおいて、通常、ＳＯＦＣに供給される燃料のすべてが発電に利用されることはなく、未反応の燃料がＳＯＦＣから排出される。この未反応の燃料を有効利用するために、ＳＯＦＣのアノードオフガスをアノード流路に戻すアノードオフガス循環式発電システムが提案されている。
アノードオフガス循環式発電システムにおいて、循環ガス中の反応生成物（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）の濃度が増大すると、濃度分極の増加により発電起電力が低下する。そのため、循環ガス中の反応生成物の除去が必要となる。一方、循環ガスは、可燃成分に加えて、顕熱も持つ。そのため、アノードオフガスを循環させることにより、アノードオフガスの顕熱も再利用することができ、系外への放熱量が低減し、発電効率を向上させることが可能となる。
【０００５】
この点は、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を用いた電解システムも同様であり、電解効率を向上させるためには、カソードオフガス循環を行い、カソードオフガスに含まれる原料成分（ＣＯ2）と顕熱とを有効利用することが好ましい。そのためには、高温の循環ガスからＣＯ2を分離することが必要不可欠となる。
【０００６】
高温のガスからＣＯ2を分離するための装置として、ＣＯ2吸収材を用いたバッチ切替式のＣＯ2分離器が知られている。バッチ切替式のＣＯ2分離器では、
（ａ）ＣＯ2吸収材を備えた反応流路層にＣＯ2を含むガスを供給し、ＣＯ2吸収材にＣＯ2を吸収させる動作と、
（ｂ）反応流路層にパージガスを供給し、ＣＯ2吸収材からＣＯ2を放出させる動作と
が交互に繰り返される。
【０００７】
ＣＯ2吸収材には、最適なＣＯ2の吸収温度及び放出温度がある。そのため、バッチ切替式のＣＯ2分離器においては、反応流路層に隣接して、熱交換媒体を流すための媒体流路層が設けられている。媒体流路層に高温の熱交換媒体を流すと、媒体流路層と反応流路層との間で熱交換が行われ、反応流路層を最適な温度に維持することができる。
【０００８】
ＳＯＦＣ及びＳＯＥＣの作動温度は７００〜８００℃であるため、バッチ切替式のＣＯ2分離器を用いてオフガスを処理するためには、高温耐熱バルブが必要となる。しかし、高温耐熱バルブは、低・中温用バルブと比較してコストが高い。また、従来の高温耐熱バルブは、長期連続使用が困難であり、耐久性に問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−０９８０１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、ＣＯ2を含む高温のガスからＣＯ2を分離することが可能であり、安価で耐久性に優れた沸騰冷却式ＣＯ2分離器、及び、これに用いられる沸騰冷却式バルブ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、このような沸騰冷却式ＣＯ2分離器を用いたＳＯＦＣシステム、ＳＯＥＣシステム、及び、Ｒ−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】
【００１１】
上記課題を解決するために本発明に係る沸騰冷却式バルブは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記沸騰冷却式バルブは、
ガスの流通経路を備えたハウジング部と、
シャフトに、前記流通経路の切り替えを行うためのバルブが接合されたバルブ部と、
前記ハウジング部のシール面（Ａ）と、前記シール面（Ａ）に着座する前記バルブのシール面（Ｂ）との間に挿入されたシール部材と、
前記シール部材を冷却するための沸騰冷却手段と、
前記シャフトの軸方向に沿って前記バルブ部を摺動させるための駆動手段と
を備えている。
（２）前記沸騰冷却手段は、
前記ハウジング部の前記シール面（Ａ）の直下であって、前記シール部材との接触面の近傍に形成された沸騰冷却流路（Ａ）と、
前記沸騰冷却流路（Ａ）に水を供給し、かつ、前記沸騰冷却流路（Ａ）から沸騰水を排出するための冷媒流路（Ａ）と、
前記バルブの前記シール面（Ｂ）の直下であって、前記シール部材との接触面の近傍に形成された沸騰冷却流路（Ｂ）と、
前記沸騰冷却流路（Ｂ）に水を供給し、かつ、前記沸騰冷却流路（Ｂ）から沸騰水を排出するための冷媒流路（Ｂ）と、
を備えている。
【００１２】
本発明に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器は、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記沸騰冷却式ＣＯ2分離器は、
ＣＯ2を吸収・放出するためのＣＯ2吸収材を備えた反応流路層と、
熱交換媒体を流通させることにより、前記反応流路層と熱交換を行うための媒体流路層と、
前記反応流路層にＣＯ2を含むガス又はパージガスのいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第１切替バルブと、
前記媒体流路層に第１熱交換媒体又は第２熱交換媒体のいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第２切替バルブと
を備えている。
（２）前記第１切替バルブ及び前記第２切替バルブは、それぞれ、本発明に係る沸騰冷却式バルブからなる。
【００１３】
本発明に係るＳＯＦＣシステムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記ＳＯＦＣシステムは、
燃料から電力を生成する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、
前記ＳＯＦＣのアノードオフガス（Ａout）からＣＯ2を分離するＣＯ2分離器と、
前記ＣＯ2分離器のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器と、
前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記Ｂoutを前記ＳＯＦＣのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と
を備えている。
（２）前記ＣＯ2分離器は、本発明に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器からなる。
【００１４】
本発明に係るＳＯＥＣシステムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記ＳＯＥＣシステムは、
Ｈ2Ｏ及びＣＯ2から合成ガスを生成させる固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と、
前記ＳＯＥＣのカソードオフガス（Ａ'out）からＣＯ2を分離する第１ＣＯ2分離器と、
前記第１ＣＯ2分離器のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）から水蒸気の全部又は一部を分離するＨ2Ｏ分離器と、
ＣＯ2源から供給されるガスからＣＯ2を分離し、分離されたＣＯ2を前記ＳＯＥＣに供給する第２ＣＯ2分離器と、
前記ＳＯＥＣに電解用のＨ2Ｏを供給する蒸発器と、
前記ＳＯＥＣのカソードオフガス（Ａ'out）に含まれる合成ガスから炭化水素を製造する燃料製造器と、
前記第１ＣＯ2分離器のパージ流路から排出される分離ガス（Ｃout）を前記ＳＯＥＣのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
を備えている。
（２）前記第１ＣＯ2分離器及び前記第２ＣＯ2分離器は、それぞれ、本発明に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器からなる。
【００１５】
本発明に係るＲ−ＳＯＣシステムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記Ｒ−ＳＯＣシステムは、
燃料から電力を生成するＳＯＦＣモードと、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2から合成ガスを生成させるＳＯＥＣモードとを切替可能なリバーシブルＳＯＣ（Ｒ−ＳＯＣ）と、
前記Ｒ−ＳＯＣのオフガス（Ａout又はＡ'out）からＣＯ2を分離する第１ＣＯ2分離器と、
前記第１ＣＯ2分離器のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）から水蒸気の全部又は一部を分離するＨ2Ｏ分離器と、
前記Ｂoutに含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＥＣモードにある時に、ＣＯ2源から供給されるガスからＣＯ2を分離し、分離されたＣＯ2を前記Ｒ−ＳＯＣに供給する第２ＣＯ2分離器と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＥＣモードにある時に、前記Ｒ−ＳＯＣに電解用のＨ2Ｏを供給する蒸発器と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＥＣモードにある時に、前記Ｒ−ＳＯＣのオフガス（Ａ'out）に含まれる合成ガスから炭化水素を製造し、貯蔵する燃料製造・貯蔵手段と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＥＣモードにある時に、前記第１ＣＯ2分離器のパージ流路から排出される分離ガス（Ｃout）を前記Ｒ−ＳＯＣのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
前記Ｒ−ＳＯＣが前記ＳＯＦＣモードにある時に、前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記Ｂoutを前記Ｒ−ＳＯＣのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と、
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に供給する燃料供給手段と
を備えている。
（２）前記第１ＣＯ2分離器及び前記第２ＣＯ2分離器は、それぞれ、本発明に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器からなる。
【発明の効果】
【００１６】
ガスの流通経路を備えたハウジング部と、流通経路の切り替えを行うためのバルブ部とを備えた高温耐熱バルブにおいて、ハウジング部のシール面（Ａ）と、シール面（Ａ）が着座するバルブのシール面（Ｂ）との間にシール部材を挿入し、シール部材を介してシール面（Ａ）にシール面（Ｂ）を着座させると、相対的に小さな駆動力でガスの流通・遮断を行うことができる。
また、シール面（Ａ）及びシール面（Ｂ）の直下に、それぞれ、沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）を設けると、シール部材のみを選択的に冷却することができる。そのため、安価なシール部材を用いることができ、耐久性にも優れている。また、ガスの温度を過度に低下させることなく、ガスの流通・遮断を行うことができる。
【００１７】
このような構造を備えた沸騰冷却式バルブをバッチ切替式のＣＯ2分離器に適用すると、高価なシール部材を用いることなく、ＣＯ2を含む高温のガスからＣＯ2を分離することができる。また、このような沸騰冷却式ＣＯ2分離器をＳＯＦＣシステム、ＳＯＥＣシステム、あるいは、Ｒ−ＳＯＣシステムに適用すると、オフガスに含まれる燃料成分（炭化水素、Ｈ2、ＣＯ）又は原料成分（ＣＯ2）だけでなく、オフガスの顕熱も有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る沸騰冷却式バルブの側面断面図（図１（Ａ））、及び正面断面図（図１（Ｂ））である。
【図２】断熱部を備えた沸騰冷却式バルブの第１バルブ近傍の拡大断面図（図２（Ａ）：バルブ開、図２（Ｂ）：バルブ閉）である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る沸騰冷却式バルブの側面断面図（図３（Ａ））、及び正面断面図（図３（Ｂ））である。
【００１９】
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器の平面図（図４（Ａ））、及びＢ−Ｂ’線断面図（図４（Ｂ））である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器の平面図（図５（Ａ））、及びＢ−Ｂ’線断面図（図５（Ｂ））である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係るＳＯＦＣシステムの模式図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るＳＯＦＣシステムの模式図である。
【００２０】
【図８】本発明に係るＳＯＥＣシステムの模式図である。
【図９】本発明に係るＲ−ＳＯＣシステムの模式図である。
【図１０】沸騰冷却効果の数値解析（ＦＥＭ熱解析）に用いたバルブ簡易モデルである。
【図１１】沸騰冷却流路がない場合（左図）及び沸騰冷却流路がある場合（右図）のバルブ部／ハウジング部のシール部材付近の温度である。
【図１２】沸騰冷却流路がある場合のバルブオープン時（左図）、及びバルブクローズ時（右図）のシール部材付近の温度である。
【００２１】
【図１３】バルブ部及びハウジング部に断熱部がない場合（左図）、及び断熱部がある場合（右図）のシール部材近傍の温度である。
【図１４】沸点温度と蒸気圧力との関係を示す図である。
【図１５】沸点、ハウジング部材のシール面（Ｂ）の表面温度、及びシール部材の温度の沸騰冷却蒸気圧力依存性を示す図である。
【図１６】伝熱面積の数値解析（ＦＥＭ熱解析）に用いたバルブ簡易モデルである。
【図１７】ＳＯＦＣシステムにおけるバルブ流路直径と伝熱面積との関係を示す図である。
【００２２】
【図１８】ＳＯＦＣのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す図である。
【図１９】ＳＯＦＣのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す図である。
【図２０】ＳＯＦＣのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す図である。
【図２１】ＳＯＦＣのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す図である。
【図２２】伝熱面積の数値解析（ＦＥＭ熱解析）に用いたバルブ簡易モデルである。
【００２３】
【図２３】ＳＯＥＣシステムにおけるバルブ流路直径と伝熱面積との関係を示す図である。
【図２４】ＳＯＥＣのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す図である。
【図２５】ＳＯＥＣのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す図である。
【図２６】ＳＯＥＣのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す図である。
【図２７】ＳＯＥＣのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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．  沸騰冷却式バルブ（１）］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る沸騰冷却式バルブの側面断面図（図１（Ａ））、及び正面断面図（図１（Ｂ））を示す。
【００２５】
図１において、沸騰冷却式バルブ１０ａは、
ガスの流通経路を備えたハウジング部２０と、
シャフト４２に、前記流通経路の切り替えを行うためのバルブ（第１バルブ４４、第２バルブ４６）が接合されたバルブ部４０と、
ハウジング部２０のシール面（Ａ）と、シール面（Ａ）に着座するバルブ（第１バルブ４４、第２バルブ４６）のシール面（Ｂ）との間に挿入されたシール部材（第１シール部材５２、第２シール部材５４）と、
シール部材（第１シール部材５２、第２シール部材５４）を冷却するための沸騰冷却手段（図示せず）と、
シャフト４２の軸方向に沿ってバルブ部４０を摺動させるための駆動手段（図示せず）と
を備えている。
【００２６】
［１．１．  ハウジング部］
ハウジング部２０は、シャフト４２の軸方向に沿ってバルブ部４０が摺動可能となるように、バルブ部４０を収容するためのものである。ハウジング部２０内には、ガスの流通経路が設けられており、バルブ部４０をシャフト４２の軸方向に沿って摺動させることにより、ガスの流通経路を開状態（ガスが流通している状態）又は閉状態（ガスの流通が遮断されている状態）のいずれか一方に切り替えることができる。
ハウジング部２０は、１種類のガスの流通・遮断を行うものでも良く、あるいは、２種類のガスの流通・遮断を行うものでも良い。図１に示す例は、後者の例である。
【００２７】
図１において、ハウジング部２０は、
第１ガスを導入又は排出するための第１室２２と、
第２ガスを導入又は排出するための第２室２４と、
第１室２２と第２室２４との間に設けられた、第１ガス又は第２ガスを排出又は導入するための第３室２６と
を備えている。
【００２８】
第１室２２と第３室２６との間の第１隔壁２８には第１貫通穴２８ａが設けられ、第１貫通孔２８ａの内表面又は周囲には第１シール面（Ａ）が設けられている。
同様に、第２室２４と第３室２６との間の第２隔壁３０には第２貫通穴３０ａが設けられ、第２貫通孔３０ａの内表面又は周囲には第２シール面（Ａ）が設けられている。
【００２９】
なお、図１では、第１貫通穴２８ａが逆テーパ状になっており、第１貫通穴２８ａの内表面すべてが第１シール面（Ａ）になっているが、これは単なる例示である。ガスの流通を確実に遮断できる限りにおいて、第１貫通穴２８ａの内表面の一部が第１シール面（Ａ）であっても良く、あるいは、第１貫通穴２８ａの周囲に第１シール面（Ａ）が形成されていても良い。これらの点は、第２貫通穴３０ａと第２シール面（Ａ）との関係についても同様である。
【００３０】
第１室２２には、第１ガス導入・排出口２２ａが設けられている。また、第２室２４には、第２ガス導入・排出口２４ａが設けられている。さらに、第３室２６の一端には開口部２６ａが設けられている。
そのため、バルブ部４０をシャフト４２の軸方向に沿って摺動させると、
（ａ）第１室２２から供給される第１ガス、又は第２室２４から供給される第２ガスのいずれか一方を第３室２６の開口部２６ａから排出し、あるいは、
（ｂ）第３室２６の開口部２６ａから供給される第１ガス又は第２ガスを、第１室２２又は第２室２４のいずれか一方に排出することができる。
【００３１】
［１．２．  バルブ部］
バルブ部４０は、ハウジング部２０内にあるガスの流通経路を開状態又は閉状態のいずれか一方に切り替えるためのものである。バルブ部４０を用いたガスの流通経路の遮断は、具体的には、バルブのシール面（Ｂ）をハウジング部のシール面（Ａ）に着座させることにより行う。バルブ部４０は、シャフト４２に１個のバルブが接合されているものでも良く、あるいは、２個のバルブが接合されているものでも良い。図１に示す例は、後者の例である。
【００３２】
図１において、バルブ部４０は、
シャフト４２と、
シャフト４２に接合された、第１シール面（Ｂ）を備えた第１バルブ４４と、
シャフト４２に接合された、第２シール面（Ｂ）を備えた第２バルブ４６と、
を備えている。
第１バルブ４４は、シャフト４２の先端に接合されている。第２バルブ４６は、シャフト４２の中間部であって、第１バルブ４４よりもやや上方の位置に接合されている。
【００３３】
第１バルブ４４は、下に凸のテーパ状になっており、テーパ面が第１シール面（Ｂ）として機能する。一方、第２バルブ４６は、上に凸のテーパ状になっており、テーパ面が第２シール面（Ｂ）として機能する。さらに、第１バルブ４４及び第２バルブ４６は、第３室２６内において上下に移動可能になっている。
第１バルブ４４の第１シール面（Ｂ）を第１隔壁２８の第１シール面（Ａ）に着座させると、第１バルブ４４側が閉となり、第２バルブ４６側が開となる。そのため、第２室２４と第３室２６との間で第２ガスを流通させることができる。
逆に、第２バルブ４６の第２シール面（Ｂ）を第２隔壁３０の第２シール面（Ａ）に着座させると、第２バルブ４６側が閉となり、第１バルブ４４側が開となる。そのため、第１室２２と第３室２６との間で第１ガスを流通させることができる。
【００３４】
［１．３．  シール部材］
シール部材は、ガスの流通経路を遮断するためのものである。高温で使用することが可能なシール部材は、一般に高価である。また、耐熱性の高いシール部材であっても、高温において長期間連続使用すると耐久性が低下する。
これに対し、本発明においては、沸騰冷却手段を備えているため、シール部材の過度の温度上昇を抑制することができる。そのため、安価な材料（例えば、ＰＥＥＫ）からなるシール部材を使用することができる。また、シール部材を用いることによって、相対的に小さな駆動力でガスの流通経路の遮断を確実に行うことができる。
【００３５】
シール部材は、バルブの数だけ必要となる。図１において、第１隔壁２８の第１シール面（Ａ）と、第１バルブ４４の第１シール面（Ｂ）との間には、第１シール部材５２が挿入されている。また、第２隔壁３０の第２シール面（Ａ）と、第２バルブ４６の第２シール面（Ｂ）との間には、第２シール部材５４が挿入されている。
なお、図１において、第２シール部材５４は、第２バルブ４６の第２シール面（Ｂ）上に固定されているが、第２隔壁３０の第２シール面（Ａ）上に固定されていても良い。この点は、第１シール部材５２も同様である。
【００３６】
［１．４．  沸騰冷却手段］
「沸騰冷却手段」とは、高温に加熱された沸騰冷却流路に水を供給し、沸騰冷却流路内で水蒸気を含む熱水（沸騰水）を生成させ、沸騰水を沸騰冷却流路から排出することにより、沸騰冷却流路の近傍にある対象物を水冷時よりも高い熱伝達率により冷却するための手段をいう。
本発明において、沸騰冷却手段は、シール部材を冷却するために用いられる。バルブが閉状態にある場合、シール部材は、ハウジング部２０のシール面（Ａ）とバルブ部４０のシール面（Ｂ）との間で狭持される。そのため、沸騰冷却手段は、ハウジング部２０側及びバルブ部４０側の双方に設けられている。また、シール部材が複数個ある場合には、沸騰冷却手段は、シール部材ごとに設けられる。
図１において、沸騰冷却式バルブ１０ａは、第１シール部材５２及び第２シール部材５４を備えているため、２組の沸騰冷却手段を備えている。
【００３７】
［１．４．１．  第１シール部材５２側の沸騰冷却手段］
第１シール部材５２の近傍に設けられたハウジング部２０側の沸騰冷却手段は、
（ａ）第１隔壁２８の第１シール面（Ａ）の直下であって、第１シール部材５２との接触面の近傍に形成された第１沸騰冷却流路（Ａ）（図示せず）と、
（ｂ）第１沸騰冷却流路（Ａ）に水を供給し、かつ、第１沸騰冷却流路（Ａ）から沸騰水を排出するための第１冷媒流路（Ａ）（図示せず）と
を備えている。
【００３８】
ここで、「近傍」とは、沸騰冷却流路を用いてシール部材を所定の温度まで冷却することが可能な位置をいう。
第１隔壁２８内には、第１冷媒流路（Ａ）（図示せず）が形成されており、第１冷媒流路（Ａ）を介して、第１沸騰冷却流路（Ａ）への水の供給及び沸騰水の排出を行うようになっている。第１冷却流路（Ａ）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。
【００３９】
また、第１シール部材５２の近傍に設けられたバルブ部４０側の沸騰冷却手段は、
（ａ）第１バルブ４４の第１シール面（Ｂ）の直下であって、第１シール部材５２との接触面の近傍に形成された第１沸騰冷却流路（Ｂ）（図示せず）と、
（ｂ）第１沸騰冷却流路（Ｂ）に水を供給し、かつ、第１沸騰冷却流路（Ｂ）から沸騰水を排出するための第１冷媒流路（Ｂ）（図示せず）と、
を備えている。
【００４０】
シャフト４２内には、第１冷媒流路（Ｂ）（図示せず）が形成されており、第１冷媒流路（Ｂ）を介して、第１沸騰冷却流路（Ｂ）への水の供給及び沸騰水の排出を行うようになっている。第１冷媒流路（Ｂ）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。
第１冷媒流路（Ｂ）の構造としては、例えば、
（ａ）内管に水が流れ、外管に沸騰水が流れるように構成された２重管式構造、
（ｂ）水が流れる流路と沸騰水が流れる流路とが独立しているＵ字管式構造、
などがある。
２重管式構造の場合、内管と外管の間に緻密なセラミックスからなる断熱材が挿入されているのが好ましい。
【００４１】
［１．４．２．  第２シール部材５４側の沸騰冷却手段］
第２シール部材５４の近傍に設けられたハウジング部２０側の沸騰冷却手段は、
（ａ）第２隔壁３０の第２シール面（Ａ）の直下であって、第２シール部材５２４の接触面の近傍に形成された第２沸騰冷却流路（Ａ）（図示せず）と、
（ｂ）第２沸騰冷却流路（Ａ）に水を供給し、かつ、第２沸騰冷却流路（Ａ）から沸騰水を排出するためめの第２冷媒流路（Ａ）（図示せず）と
を備えている。
【００４２】
第２隔壁３０内には、第２冷媒流路（Ａ）（図示せず）が形成されており、第２冷媒流路（Ａ）を介して、第２沸騰冷却流路（Ａ）への水の供給及び沸騰水の排出を行うようになっている。第２冷却流路（Ａ）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。
【００４３】
また、第２シール部材５４の近傍に設けられたバルブ部４０側の沸騰冷却手段は、
（ａ）第２バルブ４６の第２シール面（Ｂ）の直下であって、第２シール部材５４との接触面の近傍に形成された第２沸騰冷却流路（Ｂ）（図示せず）と、
（ｂ）第２沸騰冷却流路（Ｂ）に水を供給し、かつ、第２沸騰冷却流路（Ｂ）から沸騰水を排出するための第２冷媒流路（Ｂ）（図示せず）と、
を備えている。
【００４４】
シャフト４２内には、第２冷媒流路（Ｂ）（図示せず）が形成されており、第２冷媒流路（Ｂ）を介して、第２沸騰冷却流路（Ｂ）への水の供給及び沸騰水の排出を行うようになっている。第２冷媒流路（Ｂ）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。
また、第２冷媒流路（Ｂ）は、第１冷媒流路（Ｂ）と完全に独立していても良く、あるいは、第１冷媒流路（Ｂ）から分岐させたものでも良い。
【００４５】
［１．５．  駆動手段］
「駆動手段」とは、バルブ部４０をシャフト４２の軸方向に沿って摺動させる手段をいう。駆動手段としては、例えば、
（ａ）モーターや圧縮空気を用いてシャフト４２を機械的に摺動させる機械的駆動手段、
（ｂ）蒸気の圧力を用いてシャフト４２を摺動させる蒸気駆動手段
などがある。
蒸気駆動手段の詳細については、後述する。
【００４６】
［１．６．  断熱部］
ハウジング部２０及びバルブ部４０は、全体が金属製であっても良い。しかし、沸騰冷却流路の近傍にセラミックス製の断熱部を設けると、沸騰冷却式バルブ１０ａを通過するガスの温度を過度に低下させることなく、シール部材の温度を下げることができる。
図２に、断熱部を備えた沸騰冷却式バルブ１０ａの第１バルブ４４近傍の拡大断面図（図２（Ａ）：バルブ開、図２（Ｂ）：バルブ閉）を示す。なお、図示はしないが、第２バルブ４６も同様の構成を備えているのが好ましい。また、図２においては、見やすくするために、シール部材の図示が省略されている。
【００４７】
図２において、ハウジング部２０は、
第１シール面（Ａ）及び第１沸騰冷却流路（Ａ）３２ａが形成された金属製の受部３２と、
受部３２の底面及び側面に接合された、セラミックス製の断熱部（Ａ）３４と
を備えている。
また、第１バルブ４４は、
第１シール面（Ｂ）及び第１沸騰冷却流路（Ｂ）４８ａが形成された金属製の傘部４８と、
傘部４８の底面に接合された、セラミックス製の断熱部（Ｂ）５０と
を備えている。
【００４８】
ハウジング部２０の第１隔壁２８に設けられた第１貫通穴２８ａの周囲には、断熱部（Ａ）３４及び受部３２が埋め込まれている。断熱部（Ａ）３４は、凹型を呈しており、外底面及び外側面、並びに、内底面及び内側面が接合面になっている。断熱部（Ａ）３４は、接合面がメタライズ処理されており、ロウ付けにより第１隔壁２８及び受部３２と接合されている。受部３２のすり鉢状の内表面が第１シール面（Ａ）であり、第１シール部材（図示せず）との接触面の近傍には、第１沸騰冷却流路（Ａ）３２ａが形成されている。
【００４９】
第１バルブ４４は、円錐台状の傘部４８と、円柱状の断熱部（Ｂ）５０とを備えている。断熱部（Ｂ）５０は、接合面がメタライズ処理されており、ロウ付けにより傘部４８の底面に接合されている。傘部４８の円錐面が第１シール面（Ｂ）であり、第１シール部材（図示せず）との接触面の近傍には、第１沸騰冷却流路（Ｂ）４８ａが形成されている。
【００５０】
［２．  沸騰冷却式バルブ（２）］
図３に、本発明の第２の実施の形態に係る沸騰冷却式バルブの側面断面図（図３（Ａ））、及び正面断面図（図３（Ｂ））を示す。
【００５１】
図３において、沸騰冷却式バルブ１０ｂは、
ガスの流通経路を備えたハウジング部２０と、
シャフト４２に、前記流通経路の切り替えを行うためのバルブ（第１バルブ４４、第２バルブ４６）が接合されたバルブ部４０と、
ハウジング部２０のシール面（Ａ）と、シール面（Ａ）に着座するバルブ（第１バルブ４４、第２バルブ４６）のシール面（Ｂ）との間に挿入されたシール部材（第１シール部材５２、第２シール部材５４）と、
シール部材（第１シール部材５２、第２シール部材５４）を冷却するための沸騰冷却手段（図示せず）と、
シャフト４２の軸方向に沿ってバルブ部４０を摺動させるための駆動手段６０と
を備えている。
【００５２】
［２．１．  ハウジング部、バルブ部、シール部材、及び沸騰冷却手段］
ハウジング部２０、バルブ部４０、シール部材（第１シール部材５２、第２シール部材５４）、及び沸騰冷却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。
【００５３】
［２．２．  駆動手段］
本実施の形態において、駆動手段６０は、バルブ部４０の冷媒流路（Ｂ）から排出される沸騰水に含まれる水蒸気の圧力を用いてシャフト４２を摺動させる蒸気駆動手段からなる。この点が、第１の実施の形態とは異なる。
【００５４】
図３において、蒸気駆動手段６０は、
ハウジング部２０に隣接して設けられた蒸気バッファタンク６２と、
シャフト４２の基端に接合された、蒸気バッファタンク６２内を摺動するピストン６４と、
沸騰水をピストン６４の一方の面側又は他方の面側に切り替えて排出することにより、ピストン６４を摺動させる切替手段（第１開閉バルブＶ１〜第４開閉バルブＶ４）と
を備えている。
【００５５】
蒸気バッファタンク６２の内周面とピストン６４の外周面との間には、シール部材６６が挿入されている。ピストン６４の上面には、第２シャフト７０が接続されている。第２シャフト７０は、蒸気バッファタンク６２の上面を貫通しており、第２シャフト７０と蒸気バッファタンク６２の貫通穴との間にはシール部材７２が挿入されている。さらに、第２シャフト７０内には、シャフト４２内の冷媒流路（Ｂ）に水を供給するための冷媒流路（Ｃ）（図示せず）が設けられている。
【００５６】
ピストン６４内には、シャフト４２内の冷媒流路（Ｂ）から排出される沸騰水を導入するための冷媒流路（Ｄ）（図示せず）が設けられている。冷媒流路（Ｄ）は、ピストン６４の上面及び下面にそれぞれ設けられた第３開閉バルブＶ３、及び第４開閉バルブＶ４に接続されている。さらに、蒸気バッファタンク６２の上側の側面及び下側の側面には、それぞれ、蒸気バッファタンク６２内の沸騰水を排出するための第１開閉バルブＶ１、及び第２開閉バルブＶ２が設けられている。
【００５７】
［２．３．  使用方法］
ハウジング部２０が所定の温度に維持されている状態で、第２シャフト７２の冷媒流路（Ｃ）に水を供給すると、水がシャフト４２の冷媒流路（Ｂ）（往路）を通って、第１バルブ４４及び第２バルブ４６の沸騰冷却流路（Ｂ）に供給される。沸騰冷却流路（Ｂ）で生成した沸騰水は、シャフト４２の冷媒流路（Ｂ）(復路）を通って、ピストン６４内の冷媒流路（Ｄ）に供給される。
【００５８】
この時、第１開閉バルブＶ１を閉とし、第２開閉バルブＶ２を開とし、第３開閉バルブＶ３を開とし、かつ、第４開閉バルブＶ４を閉とすると、第３開閉バルブＶ３から排出された沸騰水に含まれる水蒸気の圧力によりピストン６４が下方に押し下げられる。その結果、第１バルブ４４の第１シール面（Ｂ）が第１隔壁２８の第１シール面（Ａ）に着座する。また、第２室２４に導入された第２ガスが、第２隔壁３０の第２貫通穴３０ａを通って、第３室２６の開口部２６ａから排出される。
【００５９】
逆に、第１開閉バルブＶ１を開とし、第２開閉バルブＶ２を閉とし、第３開閉バルブＶ３を閉とし、かつ、第４開閉バルブＶ４を開とすると、第４開閉バルブＶ４から排出された沸騰水に含まれる水蒸気の圧力によりピストン６４が上方に押し上げられる。その結果、第２バルブ４６の第２シール面（Ｂ）が第２隔壁３０の第２シール面（Ａ）に着座する。また、第１室２２に導入された第１ガスが、第１隔壁２８の第１貫通穴２８ａを通って、第３室２６の開口部２６ａから排出される。
【００６０】
［３．  沸騰冷却式ＣＯ2分離器（１）］
［３．１．  構成］
図４に、本発明の第１の実施の形態に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器の平面図（図４（Ａ））、及びＢ−Ｂ’線断面図（図４（Ｂ））を示す。
【００６１】
図４において、沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０は、
ＣＯ2を吸収・放出するためのＣＯ2吸収材を備えた反応流路層８２、８２…と、
熱交換媒体を流通させることにより、反応流路層８２、８２…と熱交換を行うための媒体流路層８４、８４…と、
反応流路層８２、８２…にＣＯ2を含むガス又はパージガスのいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第１切替バルブ８６ａ、８６ｂと、
媒体流路層８４、８４…に第１熱交換媒体又は第２熱交換媒体のいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第２切替バルブ８８ａ、８８ｂと
を備えている。
【００６２】
反応流路層８２、８２…は、ＣＯ2を吸収・放出するためのものである。また、媒体流路層８４、８４…は、熱交換媒体を流通させることにより、反応流路層８２、８２…と熱交換を行うためのものである。反応流路層８２、８２…及び媒体流路層８４、８４…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。
反応流路層８２、８２…と媒体流路層８４、８４…とは交互に積層されている。反応流路層８２、８２…の入口及び出口は、それぞれ、マニホールド９０ａの出口及びマニホールド９０ｂの入口に接続されている。同様に、媒体流路層８４、８４…の入口及び出口は、それぞれ、マニホールド９２ａの出口及びマニホールド９２ｂの入口に接続されている。
【００６３】
第１切替バルブ８６ａ、８６ｂ、及び、第２切替バルブ８８ａ、８８ｂは、それぞれ、本発明の第１の実施の形態に係る沸騰冷却式バルブ１０ａと同一の構造を備えている。マニホールド９０ａの入口は第１切替バルブ８６ａの第３室２６に接続され、マニホールド９０ｂの出口は第１切替バルブ８６ｂの第３室２６に接続されている。
同様に、マニホールド９２ａの入口は第２切替バルブ８８ａの第３室２６に接続され、マニホールド９２の出口は第２切替バルブ８８ｂの第３室２６に接続されている。
【００６４】
［３．２．  使用方法］
第１切替バルブ８６ａのバルブ部４０を摺動させると、第１切替バルブ８６ａの第１室２２又は第２室２４のいずれか一方を反応流路層８２、８２…の入口に接続することができる。また、第１切替バルブ８６ｂのバルブ部４０を摺動させると、反応流路層８２、８２…の出口を第１切替バルブ８６ｂの第１室２２又は第２室２４のいずれか一方に接続することができる。そのため、反応流路層８２、８２…にＣＯ2を含むガス（第１ガス）を流すと、ＣＯ2吸収材（図示せず）にＣＯ2を吸収させることができる。一方、反応流路層８２、８２…にパージガス（第２ガス）を流すと、ＣＯ2吸収材からＣＯ2を放出させることができる。
【００６５】
同様に、第２切替バルブ８８ａのバルブ部４０を摺動させると、第２切替バルブ８８ａの第１室２２又は第２室２４のいずれか一方を媒体流路層８４、８４…の入口に接続することができる。また、第２切替バルブ８８ｂのバルブ部４０を摺動させると、媒体流路層８４、８４…の出口を第２切替バルブ８８ｂの第１室２２又は第２室２４のいずれか一方に接続することができる。そのため、媒体流路層８８、８８…に適切な第１熱交換媒体又は第２熱交換媒体を流通させると、ＣＯ2の吸収反応時及び放出反応時にＣＯ2吸収材を最適な温度に維持することができる。
【００６６】
［４．  沸騰冷却式ＣＯ2分離器（２）］
図５に、本発明の第２の実施の形態に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器の平面図（図５（Ａ））、及びＢ−Ｂ’線断面図（図５（Ｂ））を示す。
【００６７】
図５において、沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０’は、
ＣＯ2を吸収・放出するためのＣＯ2吸収材を備えた反応流路層８２、８２…と、
熱交換媒体を流通させることにより、反応流路層８２、８２…と熱交換を行うための媒体流路層８４、８４…と、
反応流路層８２、８２…にＣＯ2を含むガス又はパージガスのいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第１切替バルブ８６ｃ、８６ｄと、
媒体流路層８４、８４…に第１熱交換媒体又は第２熱交換媒体のいずれか一方を切り替えて供給・排出するための第２切替バルブ８８ｃ、８８ｄと
を備えている。
【００６８】
本実施の形態において、第１切替バルブ８６ｃ、８６ｄ、及び、第２切替バルブ８８ｃ、８８ｄは、それぞれ、本発明の第２の実施の形態に係る沸騰冷却式バルブ１０ｂと同一の構造を備えている。この点が第１実施の形態とは異なる。その他の点については、第１の実施の形態に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器と同様であるので、説明を省略する。
【００６９】
［５．  ＳＯＦＣシステム（１）］
［５．１．  構成］
図６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６において、ＳＯＦＣシステム１００ａは、
燃料から電力を生成する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１０２ａと、
ＳＯＦＣ１０２ａのアノードオフガス（以下、「Ａout」ともいう）からＣＯ2を分離するＣＯ2分離器１０４と、
ＣＯ2分離器１０４のフィード流路から排出されるオフガス（以下、「Ｂout」ともいう）に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器１０６と、
水蒸気の全部又は一部が分離されたＢoutをＳＯＦＣ１０２ａのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と
を備えている。
【００７０】
［５．１．１．  ＳＯＦＣ］
ＳＯＦＣ１０２ａは、ＣＨ4、ＣＯ、Ｈ2などの燃料から電力を生成するためのものである。ＳＯＥＣ１０２ａのアノード流路の入口は、エジェクタ１１０の出口に接続され、アノード流路の出口は、ＣＯ2分離器１０４のフィード流路の入口に接続されている。
【００７１】
［５．１．２．  ＣＯ2分離器］
ＣＯ2分離器１０４は、ＳＯＦＣ１０２ａのアノードオフガス（Ａout）からＣＯ2を分離するためのものである。ＣＯ2分離器１０４のフィード流路の入口は、ＳＯＦＣ１０２ａのアノード流路の出口に接続され、フィード流路の出口は、ガス管１０８の一端に接続されている。ガス管１０８の他端は、エジェクタ１１０の吸引側に接続されている。さらに、ＣＯ2分離器１０４のパージ流路の入口は、水蒸気供給源（図示せず）に接続されている。
【００７２】
ＣＯ2分離器１０４は、図６の下図に示すように、本発明に係る２個の沸騰冷却式ＣＯ2分離器が並列に接続されたものからなる。沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０ａ、８０ｂの反応流路層８２（フィード流路、パージ流路）には、ＳＯＦＣ１０２ａのアノードオフガス、又は、図示しない水蒸気供給源からの水蒸気が供給される。また、沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０ａ、８０ｂの媒体流路層８４には、熱交換媒体（熱媒）としてのカソードオフガス、又は、熱交換媒体（冷媒）としてのカソード用空気が供給される。
【００７３】
［５．１．３．  凝縮器］
凝縮器１０６は、ＣＯ2分離器１０４のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得るためのものである。凝縮器１０６は、ガス管１０８に対して並列に接続されている。そのため、Ｂoutを任意の比率で凝縮器１０６に分配することができる。
【００７４】
［５．１．４．  エジェクタ、アノードオフガス循環手段］
エジェクタ１１０は、燃料をＳＯＦＣ１０２ａのアノード流路に供給するためのものである。エジェクタ１１０の駆動側の入口は、ＣＨ4などの燃料の供給源（図示せず）に接続されている。エジェクタ１１０の出口は、ＳＯＦＣ１０２ａのアノード流路の入口に接続されている。さらに、エジェクタ１１０の吸引側は、ガス管１０８を介してＣＯ2分離器１０４のフィード流路の出口に接続されている。図６に示す例において、アノードオフガス循環手段は、凝縮器１０６、ガス管１０８及びエジェクタ１１０により構成されている。
【００７５】
［５．２．  運転方法］
エジェクタ１１０を介して燃料をＳＯＦＣ１０２ａのアノード流路に供給し、カソード流路に空気を供給すると、ＳＯＦＣ１０２ａから電力を取り出すことができる。アノードオフガス（Ａout）は、ＣＯ2分離器１０４のフィード流路に送られ、ＣＯ2が除去される。ＣＯ2分離器１０４のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）の一部は、凝縮器１０６に分配され、Ｂoutに含まれる水蒸気の一部が除去される。燃料としてＣＨ4を用いる場合、ＣＨ4を水蒸気改質する必要があるため、Ｂoutから水蒸気の一部が除去される。なお、燃料として水素を用いる場合には、Ｂoutから水蒸気の全部を除去しても良い。
【００７６】
水蒸気の全部又は一部が除去されたＢoutは、ガス管１０８を介してエジェクタ１１０の吸引側から吸引される。吸引されたＢoutは、そのままＳＯＦＣ１０２ａのアノードに供給される。その結果、Ｂoutに含まれる未反応の燃料及び顕熱を発電に再利用することができる。
【００７７】
この時、図６の左下図に示すように、沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０ａのフィード流路（反応流路層８２）にアノードオフガス（Ａout）を流し、媒体流路層８４にカソード用空気を流すと、カソード用空気により、フィード流路の温度が最適なＣＯ2吸収温度域まで低下する。その結果、Ａoutに含まれるＣＯ2を効率良く除去することができる。また、ＣＯ2除去後のアノードオフガス（Ｂout）は、高温状態を維持したままＳＯＦＣ１０２ａのアノード流路に戻される。さらに、媒体流路層８４から排出される熱交換後のカソード用空気は、ＳＯＦＣ発電用のカソード空気として使用される。
【００７８】
一方、沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０ｂのパージ流路（反応流路層８２）に高温の水蒸気を流すと、ＣＯ2吸収材からＣＯ2が放出される。これと同時に、媒体流路層８４に高温のカソードオフガスを流すと、カソードオフガスの顕熱により、反応流路層８２の温度が上昇する。冷却されたカソードオフガスは、カソード用空気と熱交換器（図示せず）にて熱交換後、系外に排出される。
所定時間経過後に、図６の右下図に示すように、パージ流路とフィード流路を切り替えると、ＣＯ2の吸収と放出を連続的に行うことができる。
【００７９】
［６．  ＳＯＦＣシステム（２）］
［６．１．  構成］
図７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７において、ＳＯＦＣシステム１００ｂは、
燃料から電力を生成する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１０２ａと、
ＳＯＦＣ１０２ａのアノードオフガス（Ａout）からＣＯ2を分離するＣＯ2分離器１０４と、
ＣＯ2分離器１０４のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）に含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器１０６と、
水蒸気の全部又は一部が分離されたＢoutをＳＯＦＣ１０２ａのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と
を備えている。
【００８０】
本実施の形態において、ＳＯＦＣシステム１００ｂは、凝縮器１０６で凝縮させた水をＣＯ2分離器１０４（沸騰冷却式ＣＯ2分離器）の沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給する水供給手段（Ａ）をさらに備えている。また、ＳＯＦＣシステム１００ｂは、ＣＯ2分離器１０４のパージ流路に水蒸気を供給するための蒸発器１１４をさらに備えている。この点が、第１の実施の形態に係るＳＯＦＣシステム１００ａとは異なる。
【００８１】
凝縮器１０６の凝縮水の排出口は、水管１１２の一端に接続され、水管１１２の他端は、ＣＯ2分離器１０４の沸騰冷却式バルブ１０、１０の入口に接続されている。水管１１２には、開閉バルブＶ１及び液ポンプＰが接続されている。図７に示す例において、水供給手段（Ａ）は、水管１１２、開閉バルブＶ１、及び液ポンプＰにより構成されている。さらに、凝縮器１０６のガスの出口とガス管１０８との間には、蒸発器１０６へのＢoutの分配量を制御する流量制御バルブＶCが設けられている。
沸騰冷却式バルブ１０、１０の出口は、蒸発器１１４の入口に接続されている。さらに、蒸発器１１４の出口は、調圧弁を介してＣＯ2分離器１０４のパージ流路の入口に接続されている。
【００８２】
ＣＯ2分離器１０４は、図７の下図に示すように、本発明に係る２個の沸騰冷却式ＣＯ2分離器が並列に接続されたものからなる。沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０ａ、８０ｂの反応流路層８２（フィード流路、パージ流路）には、ＳＯＦＣ１０２ａのアノードオフガス、又は、水蒸気が供給される。また、沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０ａ、８０ｂの媒体流路層８４には、カソードオフガス（熱媒）、又は、カソード用空気（冷媒）が供給される。
【００８３】
［６．２．  運転方法］
ＳＯＦＣ１０２ａのアノードオフガス（Ａout）は、ＣＯ2分離器１０４のフィード流路に送られ、ＣＯ2が除去される。ＣＯ2分離器１０４のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）の一部は、凝縮器１０６に分配され、Ｂoutに含まれる水蒸気の全部又は一部が除去される。凝縮器１０６で分離された凝縮水は、液ポンプＰにより沸騰冷却式バルブ１０、１０の沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）に供給される。沸騰冷却式バルブ１０、１０から排出される沸騰水は、蒸発器１１４に送られる。さらに、蒸発器１１４で生成した水蒸気は、ＣＯ2分離器１０４のパージガスとして用いられる。
【００８４】
この時、図７の左下図に示すように、沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０ａの反応流路層８２（フィード流路）にアノードオフガス（Ａout）を流し、媒体流路層８４にカソード用空気を流すと、カソード用空気により、フィード流路の温度が最適なＣＯ2吸収温度域まで低下する。その結果、Ａoutに含まれるＣＯ2を効率良く除去することができる。また、ＣＯ2除去後のアノードオフガス（Ｂout）は、高温状態を維持したままＳＯＦＣ１０２ａのアノード流路に戻される。さらに、媒体流路層８４から排出される熱交換後のカソード用空気は、ＳＯＦＣ発電用のカソード空気として使用される。
【００８５】
一方、沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０ｂの反応流路層８２（パージ流路）に高温の水蒸気を流すと、ＣＯ2吸収材からＣＯ2が放出される。これと同時に、媒体流路層８４に高温のカソードオフガスを流すと、カソードオフガスの顕熱により、反応流路層８２の温度が上昇する。冷却されたカソードオフガスは、カソード用空気と熱交換器（図示せず）にて熱交換後、系外に排出される。
所定時間経過後に、図７の右下図に示すように、パージ流路とフィード流路を切り替えると、ＣＯ2の吸収と放出を連続的に行うことができる。
【００８６】
［７．  ＳＯＥＣシステム］
［７．１．  構成］
図８に、本発明に係るＳＯＥＣシステムの模式図を示す。図８において、ＳＯＥＣシステム１００ｃは、
Ｈ2Ｏ及びＣＯ2から合成ガスを生成させる固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）１０２ｂと、
ＳＯＥＣ１０２ｂのカソードオフガス（以下、「Ａ'out」ともいう）からＣＯ2を分離する第１ＣＯ2分離器１０４と、
第１ＣＯ2分離器１０４のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）から水蒸気の全部又は一部を分離するＨ2Ｏ分離器１１６と、
ＣＯ2源から供給されるガスからＣＯ2を分離し、分離されたＣＯ2をＳＯＥＣ１０２ｂに供給する第２ＣＯ2分離器１１８と、
ＳＯＥＣ１０２ｂに電解用のＨ2Ｏを供給する蒸発器１１４ａ、１１４ｂと、
ＳＯＥＣ１０２ｂのカソードオフガス（Ａ'out）に含まれる合成ガスから炭化水素を製造する燃料製造器１２０と、
第１ＣＯ2分離器１０４のパージ流路から排出される分離ガス（以下、「Ｃout」ともいう）をＳＯＥＣ１０２ｂのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
を備えている。
【００８７】
［７．１．１．  ＳＯＥＣ］
ＳＯＥＣ１０２ｂは、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2を原料として、合成ガス（Ｈ2＋ＣＯ）を製造するためのものである。ＳＯＥＣ１０２ｂは、使用方法が異なる以外は、ＳＯＦＣ１０２ａと同一の構造を備えている。
ＳＯＥＣ１０２ｂのカソード流路の入口は、第２ＣＯ2分離器１１８のパージ流路の出口に接続されている。また、カソード流路の出口は、第１ＣＯ2分離器１０４のフィード流路の入口に接続されている。
【００８８】
［７．１．２．  第１ＣＯ2分離器、第２ＣＯ2分離器］
第１ＣＯ2分離器１０４は、ＳＯＥＣ１０２ｂのカソードオフガスから未反応原料（ＣＯ2）を回収するためのものである。一方、第２ＣＯ2分離器１１８は、ＣＯ2源（例えば、自動車、工場など）から排出されるガスからＣＯ2を分離し、ＳＯＥＣ１０２ｂに供給するためのものである。
第１ＣＯ2分離器１０４及び第２ＣＯ2分離器１１８は、いずれも、本発明に係る２個の沸騰冷却式ＣＯ2分離器（図示せず）が並列に接続されたものからなる。
【００８９】
第１ＣＯ2分離器１０４のフィード流路の入口は、ＳＯＥＣ１０２ｂのカソード流路の出口に接続され、第１ＣＯ2分離器１０４のフィード流路の出口は、Ｈ2Ｏ分離器１１６のフィード流路の入口に接続されている。第１ＣＯ2分離器１０４のパージ流路の入口は、蒸発器１１４ａの出口に接続され、第１ＣＯ2分離器１０４のパージ流路の出口は、第２ＣＯ2分離器１１８のパージ流路の入口に接続されている。
第２ＣＯ2分離器１１８のフィード流路の入口は、ＣＯ2源（図示せず）に接続され、第２ＣＯ2分離器１１８のフィード流路の出口は、大気に開放されている。さらに、第２ＣＯ2分離器１１８のパージ流路の出口は、ＳＯＥＣ１０２ｂのカソード流路の入口に接続されている。
【００９０】
［７．１．３．  Ｈ2Ｏ分離器］
Ｈ2Ｏ分離器１１６は、第１ＣＯ2分離器１０４のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）から水蒸気の全部又は一部を分離するためのものである。分離されたＨ2Ｏは、第１ＣＯ2分離器１０４で回収されたＣＯ2と共に、ＳＯＥＣ１０２ｂのカソード流路に戻される。
Ｈ2Ｏ分離器１１６のフィード流路の入口は、第１ＣＯ2分離器１０４のフィード流路の出口に接続され、Ｈ2Ｏ分離器１１６のフィード流路の出口は、燃料製造器１２０の入口に接続されている。さらに、Ｈ2Ｏ分離器１１６のパージ流路の出口は、蒸発器１１４ａの入口に接続されている。
【００９１】
［７．１．４．  蒸発器］
蒸発器１１４ａ、１１４ｂは、液ポンプＰを介して水供給源（図示せず）から供給される水を蒸発させ、ＳＯＥＣ１０２ｂに電解用のＨ2Ｏを供給するためのものである。発生させたＨ2Ｏは、ＣＯ2のパージにも用いられる。
また、ＳＯＥＣシステム１００ｃは、電解用のＨ2Ｏを沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給する水供給手段（Ｂ）を備えている。すなわち、ＳＯＥＣシステム１００ｃにおいて、水は、直接、蒸発器１１４ａ、１１４ｂには供給されず、沸騰冷却式ＣＯ2分離器（第１ＣＯ2分離器１０４、第２ＣＯ2分離器１１８）の沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給される。蒸発器１１４ａ、１１４ｂには、沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）から排出される沸騰水が供給される。
【００９２】
第１ＣＯ2分離器１０４の沸騰冷却式バルブ１０、１０の入口は、液ポンプＰを介して水供給源（図示せず）に接続されている。沸騰冷却式バルブ１０、１０の出口は、蒸発器１１４ａの入口に接続されている。さらに、蒸発器１１４ａの出口は、第１ＣＯ2分離器１０４のパージ流路の入口に接続されている。
同様に、第２ＣＯ2分離器１０４の沸騰冷却式バルブ１０、１０の入口は、液ポンプＰを介して水供給源（図示せず）に接続されている。沸騰冷却式バルブ１０、１０の出口は、蒸発器１１４ｂの入口に接続されている。さらに、蒸発器１１４ｂの出口は、第２ＣＯ2分離器１１８のパージ流路の出口に接続されている。
【００９３】
［７．１．５．  燃料製造器］
燃料製造器１２０は、ＳＯＥＣ１０２ｂのカソードオフガス（Ａ'out）に含まれる合成ガスから炭化水素を製造するためのものである。燃料製造器１２０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。
【００９４】
［７．１．６．  カソードオフガス循環手段］
カソードオフガス循環手段は、第１ＣＯ2分離器１０４のパージ流路から排出される分離ガス（Ｃout）をＳＯＥＣ１０２ｂのカソード流路に戻すための手段である。図８に示す例において、第１ＣＯ2分離器１０４のパージ流路の出口は、第２ＣＯ2分離器１１８を介して、ＳＯＥＣ１０２ｂのカソード流路の入口に接続されている。また、第１ＣＯ2分離器１０４では、Ｈ2Ｏ分離器１１６から排出される水蒸気を用いて、ＣＯ2のパージを行っている。そのため、本実施の形態において、カソードオフガス循環手段は、第１ＣＯ2分離器１０４、第２ＣＯ2分離器１１８、及びＨ2Ｏ分離器１１６、並びに、これらを繋ぐ配管により構成されていてる。
【００９５】
［７．２．  運転方法］
第２ＣＯ2分離器１１８のフィード流路にＣＯ2を含むガスを供給する。これと同時に、蒸発器１１４ｂに水を供給し、水蒸気を発生させる。発生した水蒸気を第２ＣＯ2分離器１１８のパージ流路に流すと、パージ流路からＨ2ＯとＣＯ2の混合ガスが排出される。
Ｈ2ＯとＣＯ2の混合ガスをＳＯＥＣ１０２ｂのカソード流路に供給し、電極間に電力を供給すると、Ｈ2ＯとＣＯ2の共電解が起こる。その結果、ＳＯＥＣ１０２ｂのカソード流路から、Ｈ2とＣＯを含むカソードオフガス（Ａ'out）が排出される。
【００９６】
カソードオフガス（Ａ'out）は、第１ＣＯ2分離器１０４でＣＯ2が除去され、かつ、Ｈ2Ｏ分離器１１６でＨ2Ｏが除去された後、燃料製造器１２０に供給される。燃料製造器１２０では、Ａ'outに含まれるＨ2及びＣＯから炭化水素が合成される。
また、Ｈ2Ｏ分離器１１６で分離されたＨ2Ｏは、蒸発器１１４ａに送られる。蒸発器１１４ａで発生させた水蒸気は、第１ＣＯ2分離器１０４に送られ、ＣＯ2のパージに用いられる。その結果、第１ＣＯ2分離器１０４のパージ流路から、ＣＯ2及びＨ2Ｏを含む混合ガスが排出される。得られた混合ガスは、蒸発器１１４ｂ、及び第２ＣＯ2分離器１１８を通って、ＳＯＥＣ１０ｂのカソード流路に戻される。
【００９７】
一方、沸騰冷却バルブ１０、１０…には、液ポンプＰを介して水が供給される。供給された水は、沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）において沸騰水となる。沸騰冷却バルブ１０、１０…から排出された沸騰水は、蒸発器１１４ａ、１１４ｂに送られ、水蒸気となる。得られた水蒸気は、電解用原料及びパージガスとして、第１ＣＯ2分離器１０４、第２ＣＯ2分離器１１８、及びＳＯＥＣ１０２ｂに送られる。
【００９８】
［８．  Ｒ−ＳＯＣシステム］
［８．１．  構成］
図９に、本発明に係るＲ−ＳＯＣシステムの模式図を示す。図９において、Ｒ−ＳＯＣシステム１００ｄは、
燃料から電力を生成するＳＯＦＣモードと、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2から合成ガスを生成させるＳＯＥＣモードとを切替可能なリバーシブルＳＯＣ（Ｒ−ＳＯＣ）１０２ｃと、
Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃのオフガス（Ａout又はＡ'out）からＣＯ2を分離する第１ＣＯ2分離器１０４と、
第１ＣＯ2分離器１０４のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）から水蒸気の全部又は一部を分離するＨ2Ｏ分離器１１６と、
前記Ｂoutに含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得る凝縮器１０６と、
Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＥＣモードにある時に、ＣＯ2源から供給されるガスからＣＯ2を分離し、分離されたＣＯ2をＲ−ＳＯＣ１０２ｃに供給する第２ＣＯ2分離器１１８と、
Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＥＣモードにある時に、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃに電解用のＨ2Ｏを供給する蒸発器１１４ａ、１１４ｂと、
Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＥＣモードにある時に、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃのオフガス（Ａ'out）に含まれる合成ガスから炭化水素を製造し、貯蔵する燃料製造・貯蔵手段と、
Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＥＣモードにある時に、第１ＣＯ2分離器１０４のパージ流路から排出される分離ガス（Ｃout）をＲ−ＳＯＣ１０２ｃのカソード流路に戻すカソードオフガス循環手段と、
Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＦＣモードにある時に、前記水蒸気の全部又は一部が分離された前記ＢoutをＲ−ＳＯＣ１０２ｃのアノード流路に戻すアノードオフガス循環手段と、
Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＦＣモードにある時に、貯蔵された前記炭化水素をＲ−ＳＯＣ１０２ｃに供給する燃料供給手段と
を備えている。
【００９９】
すなわち、図９に示すＲ−ＳＯＣシステム１００ｄは、図７に示すＳＯＦＣシステム１００ｂと、図８に示すＳＯＥＣシステム１００ｃとを組み合わせたものからなる。
換言すれば、図９に示すＲ−ＳＯＣシステム１００ｄは、図８に示すＳＯＥＣシステム１００ｃに対して、
（ａ）凝縮器１０６、
（ｂ）エジェクタ１１０（アノードオフガス循環手段、燃料供給手段）、並びに、
（ｃ）貯蔵タンク１２２、第１調圧器１２４、及び第２調圧器１２６（燃料製造・貯蔵手段、燃料供給手段）
が付加されたものからなる。
【０１００】
［８．１．１．  Ｒ−ＳＯＣ］
Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃは、燃料から電力を生成するＳＯＦＣモードと、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2から合成ガスを生成させるＳＯＥＣモードとを切替可能なものからなる。Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃは、使用方法が異なる以外は、ＳＯＦＣ又はＳＯＥＣと同一の構造を備えている。
【０１０１】
［８．１．２．  第１ＣＯ2分離器、第２ＣＯ2分離器］
第１ＣＯ2分離器１０４は、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃのオフガス（ＳＯＦＣモード時はアノードオフガス（Ａout）、ＳＯＥＣモード時はカソードオフガス（Ａ'out））からＣＯ2を分離するためのものである。第２ＣＯ2分離器１１８は、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＥＣモードにある時に、ＣＯ2源から供給されるガスからＣＯ2を分離し、分離されたＣＯ2をＲ−ＳＯＣ１０２ｃに供給するためのものである。
【０１０２】
第１ＣＯ2分離器１０４のパージ流路の出口と第２ＣＯ2分離器１１８のパージ流路の入口との間には、第３三方弁Ｖ３３が設けられている。第３三方弁Ｖ３３は、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＦＣモードにある時に、第２ＣＯ2分離器１１８をシステムから切り離すためのものである。
第１ＣＯ2分離器１０４及び第２ＣＯ2分離器１１８に関するその他の点については、図８に示すＳＯＥＣシステム１００ｃと同様であるので、説明を省略する。
【０１０３】
［８．１．３．  Ｈ2Ｏ分離器］
Ｈ2Ｏ分離器１１６は、第１ＣＯ2分離器１０４のフィード流路から排出されるオフガス（Ｂout）から水蒸気の全部又は一部を分離するためのものである。Ｈ2Ｏ分離器１１６のフィード流路の出口と燃料製造器１２０の入口との間には、第２三方弁Ｖ３２が設けられている。第２三方弁Ｖ３２は、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＦＣモードにある時に、アノードオフガスをエジェクタ１１０の吸引側に戻すためのものであり、アノードオフガス循環手段の一部を構成する。
【０１０４】
また、Ｈ2Ｏ分離器１１６のパージ流路と蒸発器１１４ａとの間には、第２開閉バルブＶ２が設けられている。第２開閉バルブＶ２は、ＳＯＦＣモード時にＨ2Ｏ分離器１１６をシステムから切り離すために用いられる。
Ｈ2Ｏ分離器１１６に関するその他の点については、図８に示すＳＯＥＣシステム１００ｃと同様であるので、説明を省略する。
【０１０５】
［８．１．４．  凝縮器］
凝縮器１０６は、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＦＣモードにある時に、Ｂoutに含まれる水蒸気を凝縮させ、凝縮水を得るために用いられる。得られた凝縮水は、第１開閉バルブＶ１及び液ポンプＰ１を介して、第１ＣＯ2分離器１０４の沸騰冷却バルブ１０、１０…に供給される。
すなわち、Ｒ−ＳＯＣシステム１００ｄは、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃがＳＯＦＣモードにある時に、凝縮器１０６で凝縮させた水を第１ＣＯ2分離器１０４（沸騰冷却式ＣＯ2分離器）の沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給する水供給手段（Ａ）を備えている。
【０１０６】
また、凝縮器１０６の出口とＨ2Ｏ分離器１１６の出口との間には、流量制御バルブＶcが設けられている。流量制御バルブＶcは、ＳＯＦＣモード時に凝縮器１０６に分配するＢoutの量を制御するために用いられる。
凝縮器１０６に関するその他の点については、図７に示すＳＯＦＣシステム１００ｂと同様であるので、説明を省略する。
【０１０７】
［８．１．５．  蒸発器］
蒸発器１１４ａ、１１４ｂは、液ポンプＰ２を介して水供給源（図示せず）から供給される水を蒸発させ、ＳＯＥＣ１０２ｂに電解用のＨ2Ｏを供給するためのものである。
また、Ｒ−ＳＯＣシステム１００ｄは、電解用のＨ2Ｏを沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給する水供給手段（Ｂ）を備えている。すなわち、Ｒ−ＳＯＣシステム１００ｄにおいて、水は、直接、蒸発器１１４ａ、１１４ｂには供給されず、第１ＣＯ2分離器１０４、第２ＣＯ2分離器１１８（沸騰冷却式ＣＯ2分離器）の沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）にそれぞれ供給される。蒸発器１１４ａ、１１４ｂには、沸騰冷却流路（Ａ）及び沸騰冷却流路（Ｂ）から排出される沸騰水が供給される。
蒸発器１１４ａ、１１４ｂに関するその他の点については、図８に示すＳＯＥＣシステム１００ｃと同様であるので、説明を省略する。
【０１０８】
［８．１．６．  貯蔵タンク、第１調圧器、第２調圧器］
貯蔵タンク１１２は、燃料製造器１２０で製造された炭化水素を貯蔵するためのものである。第１調圧器１２４は、燃料製造器１２０から排出されたガスを減圧又は昇圧するためのものである。また、第２調圧器１２６は、貯蔵タンク１１２から排出されたガスを昇圧又は減圧するためのものである。第１調圧器１２４と貯蔵タンク１２２の間には、第５開閉バルブＶ５が設けられている。また、第２調圧器１２６とエジェクタ１１０との間には、第４開閉バルブＶ４が設けられている。
【０１０９】
［８．１．７．  エジェクタ］
エジェクタ１１０は、Ｒ−ＳＯＣシステム１００ｄがＳＯＦＣモードにある時に、Ｒ−ＳＯＣ１００ｃに燃料を供給し、かつ、アノードオフガスを循環させるためのものである。エジェクタ１１０の出口は、第１三方弁Ｖ３１を介してＲ−ＳＯＣ１０２ｃのアノード流路に接続されている。また、第１三方弁Ｖ３１の残りの入口は、第２ＣＯ2分離器１１８のパージ流路の出口に接続されている。
【０１１０】
第１三方弁Ｖ３１は、
（ａ）Ｒ−ＳＯＣシステム１００ｄがＳＯＥＣモードにある時に、エジェクタ１１０をシステムから切り離すため、及び、
（ｂ）Ｒ−ＳＯＣシステム１００ｄがＳＯＦＣモードにある時に、第２ＣＯ2分離器１１８をシステムから切り離すため
に用いられる。
【０１１１】
［８．２．  運転方法］
［８．２．１．  ＳＯＦＣモード］
ＳＯＦＣモードで運転する場合、第１三方弁Ｖ３１を介して、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃとエジェクタ１１０とを接続する。また、第２開閉バルブＶ２を閉とし、Ｈ2Ｏ分離器１１６をシステムから切り離す。また、第２三方弁Ｖ３２をエジェクタ１１０側に切り替えて、燃料製造器１２０をシステムから切り離す。さらに、第３三方弁を大気側に切り替えて、第２ＣＯ2分離器１１８をシステムから切り離す。この状態で、貯蔵タンク１１２からＲ−ＳＯＣ１０２ｃに燃料を供給する。以下、図７に示すＳＯＦＣシステム１００ｂと同様にして、発電を行う。
【０１１２】
［８．２．２．  ＳＯＥＣモード］
ＳＯＥＣモードで運転する場合、第１三方弁Ｖ３１を介して、Ｒ−ＳＯＣ１０２ｃと第２ＣＯ2分離器１１８とを接続する。また、第２開閉バルブＶ２を開とし、Ｈ2Ｏ分離器１１６をシステムに接続する。また、第２三方弁Ｖ３２を燃料製造器１２０側に切り替える。さらに、第３三方弁Ｖ３３を介して第１ＣＯ2分離器１０４と第２ＣＯ2分離器１１８とを接続する。以下、図８に示すＳＯＥＣシステム１００ｃと同様にして、Ｈ2ＯとＣＯ2の共電解を行う。また、燃料製造器１２０において合成ガスから炭化水素を合成し、得られた炭化水素を貯蔵タンク１２２に貯蔵する。
【０１１３】
［９．  作用］
［９．１．  沸騰冷却式ＣＯ2分離器］
［９．１．１．  反応流路層と媒体流路層との間の熱交換］
アノードオフガス循環式ＳＯＦＣシステムでは、循環ガス中の生成物（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）の濃度が増大すると、濃度分極の増加により発電起電力が低下する。このため、循環ガス中の反応生成物の除去が必要となる。一方、ガス循環は、可燃成分の有効利用の他、オフガスの顕熱を再利用することができる。その結果、系外への放熱量が低減され、発電効率を向上させることが可能となる。そのためには、循環ガス中のＣＯ2を高温で除去することが必要不可欠となる。
【０１１４】
ＣＯ2吸収／放出反応を利用したＣＯ2ガス分離では、２台の分離器をバッチ方式で切り替えることにより、連続的なガス分離が可能となる。ＣＯ2放出／吸収反応を独立に作動させるためには、カソードオフガスとの熱交換／反応流路へのアノードオフガスの供給を切り替え可能な合計８個の高温耐熱バルブが必要となる。ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣの作動温度は高温（７００〜８００℃）であるため、金属やセラミックスを原料としたガスシールが必要となる。
【０１１５】
しかし、従来の高温耐熱バルブは、低・中温用バルブと比較してコストが高く、長期連続使用時における耐久性にも問題がある。また、不完全なガスシールでは、循環ガス中の燃料ガス濃度の低下／系外への放出によりシステム効率が低下するため、連続的な気密シールが要求される。シールの気密性を確保するためには、シール部における高い圧力が必要で、駆動のための高圧空気・電気エネルギーが必要となる。
【０１１６】
これに対し、図４に示す沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０は、ハウジング部２０内にバルブ部４０が摺動可能に収容された沸騰冷却式バルブ（第１切替バルブ８６ａ、８６ｂ、第２切替バルブ８８ａ、８８ｂ）を備えている。これらの沸騰冷却式バルブは、電気エネルギー、空気圧力エネルギーなどを用いてバルブを開閉することができる。
【０１１７】
ＣＯ2吸収時では、媒体流路層８４側（第２切替バルブ８８ａ、８８ｂ側）においてバルブ部４０が下方向に移動し、第２室２４と第３室２６が接続される。その結果、媒体流路層８４に、カソードＩｎガス（カソード用空気）を流すことが可能となる。
一方、反応流路層８２側（第１切替バルブ８６ａ、８６ｂ側）では、バルブ部４０が下方向に移動し、第２室２４と第３室２６が接続される。その結果、反応流路層８２には、アノードオフガスを流すことが可能となる。また、ＣＯ2吸収反応により温度が上昇した反応流路層８２をカソードＩｎガスにより冷却することができる。
【０１１８】
ＣＯ2放出時では、媒体流路層８４側（第２切替バルブ８８ａ、８８ｂ側）においてバルブ部４０が上方向に移動し、第１室２２と第３室２６が接続される。その結果、媒体流路層８４にカソードオフガスを流すことができる。
一方、反応流路層８２側（第１切替バルブ８６ａ、８６ｂ側）では、バルブ部が上方向に移動し、第１室２２と第３室２６が接続される。その結果、反応流路層８２にパージガスを流すことができる。また、媒体流路層８４に供給されるカソードオフガスを熱源として、ＣＯ2放出反応が進行する。
【０１１９】
［９．１．２．  ２重管式流路構造］
沸騰冷却式バルブ１０のシャフト４２が２重管式流路構造であり、かつ、内管と外管との間に緻密なセラミックスからなる断熱材が挿入されている場合において、内管に冷却水を流し、外管に沸騰冷却後の沸騰水（沸点温度）を流すと、内管と外管の温度差を小さくすることができる。これにより、冷却水への入熱量が抑制され、冷却水が沸騰冷却流路へ到達するまでのクオリティ（＝気化分の蒸発潜熱[Ｗ]／供給水全量の蒸発潜熱出力[Ｗ]）の増加を抑制することができる。
【０１２０】
［９．１．３．  シール部材、及び沸騰冷却流路］
本発明に係る沸騰冷却式バルブ１０において、気密性の高いガスシールを得るために、バルブ部４０とハウジング部２０のシール面の間に高温耐熱性のシール部材５２、５４（例えば、ＰＥＥＫ材等、耐熱温度３８０℃）が挿入されている。また、シール面の近傍には沸騰冷却流路が設けられ、沸騰冷却流路内に冷却水を流せるようになっている。そのため、シール面とシール部材５２、５４との間の温度差を小さくすることができる。
【０１２１】
特に、熱伝達率の高い対流核沸騰熱伝達（１．０×１０5Ｗ／ｍ2／Ｋ）による冷却効果により、沸騰水の温度を供給水の圧力における沸点温度に制御することができる。また、ハウジング部２０及びバルブ部４０のシール面近傍の材料がステンレス鋼（熱伝導率１７Ｗ／ｍ／Ｋ）などの金属からなる場合、シール部材５２、５４と沸騰冷却流路との間の温度差が小さい場合であっても、熱輸送が可能となる。また、沸騰冷却流路に供給する冷却水の圧力を制御すると、沸騰水の沸点温度、及びシール部材５２、５４の温度を制御することができる。
【０１２２】
バルブ部４０のシャフト４２及びハウジング部２０からの熱伝導、並びに、高温ガス（７００℃）からの熱伝導による入熱と、沸騰冷却流路（沸点温度）への放熱との熱バランスにより、シール面の温度をシール部材５２、５４の耐熱温度以下に制御することができる。その結果、バルブ４４、４６のシール性と耐久性の確保を両立させることができる。
バルブ簡易モデルによる沸騰冷却解析（ＦＥＭ解析）により、バルブ４４、４６側のシール面の温度を６９９．５℃から２７５℃（ＰＥＥＫ製シール部材内部の最大温度）まで低減できることが分かった。一方、ハウジング部２０のシール面の温度は、沸騰冷却効果により１１７．６℃まで低下することがわかった。これにより、バルブ閉時におけるシール部材５２、５４の高温接触を回避し、開閉サイクルの耐久性を向上することができる。
【０１２３】
［９．２．  沸騰冷却式蒸気駆動バルブ］
図３に示す沸騰冷却式バルブ１０ｂは、ハウジング部２０の上部に蒸気バッファタンク６２が設けられ、蒸気バッファタンク６２内にはピストン６４が挿入され、ピストン６４とバルブ部４０のシャフト４２とが連結されている。さらに、ピストン６４の上面及び下面は、それぞれ、沸騰冷却流路の出口に連結している。このような構成を備えた沸騰冷却式バルブ１０ｂにおいて、沸騰冷却流路から排出される沸騰水をピストン６４の上面又は下面に排出すると、沸騰水に含まれる水蒸気の圧力によりバルブ４４、４６を開閉することができる。
【０１２４】
このような沸騰冷却式バルブ１０ｂを備えた沸騰冷却式ＣＯ2分離器８０’（図３、図５）において、ＣＯ2吸収時では、媒体流路層８４側（第２切替バルブ８８ｃ、８８ｄ側）において蒸気バッファタンク６２のＡ室と沸騰冷却流路の出口が接続される（Ｖ１／Ｖ２を閉／開、Ｖ３／Ｖ４を開／閉）。その結果、ガスシールに要求される圧力相当の蒸気圧力がＡ室に印加される。これにより、ハウジング部２０の第２室２４と第３室２６が接続され、媒体流路層８４にカソードＩｎガスを流すことができる。
【０１２５】
一方、反応流路層８２側（第１切替バルブ８６ｃ、８６ｄ側）においては、蒸気バッファタンク６２のＡ室と沸騰冷却流路の出口が接続される（Ｖ１／Ｖ２を閉／開、Ｖ３／Ｖ４を開／閉）。その結果、ガスシールに要求される圧力相当の蒸気圧力がＡ室に印加される。これにより、ハウジング部２０の第２室２４と第３室２６が接続され、反応流路層８２にアノードオフガスを流すことができる。また、ＣＯ2吸収反応により温度が上昇した反応流路層８２をカソードＩｎガスにより冷却することができる。
【０１２６】
ＣＯ2放出時では、媒体流路層８４側（第２切替バルブ８８ｃ、８８ｄ側）において蒸気バッファタンク６２のＢ室と沸騰冷却流路の出口が接続される（Ｖ１／Ｖ２を開／閉、Ｖ３／Ｖ４を閉／開）。その結果、ガスシールに要求される圧力相当の蒸気圧力がＢ室に印加される。これにより、第１室２２と第３室２６が接続され、媒体流路層８４にカソードオフガスを流すことができる。
【０１２７】
一方、反応流路層８２側（第１切替バルブ８６ｃ、８６ｄ側）においては、蒸気バッファタンク６２のＢ室と沸騰冷却流路の出口が接続される（Ｖ１／Ｖ２を開／閉、Ｖ３／Ｖ４を閉／開）。その結果、ガスシールに要求される圧力相当の蒸気圧力がＢ室に印加される。これにより、第１室２２と第３室２６が接続され、反応流路層８２にパージガスを流すことができる。また、媒体流路層８４に供給されるカソードオフガスを熱源として、ＣＯ2放出反応が進行する。
【０１２８】
沸騰冷却流路に供給する冷却水の圧力を制御すると、沸騰水の沸点温度、及びシール部材５２、５４の温度を制御することができる。
また、バルブ部４０のシャフト４２及びハウジング部２０からの熱伝導、並びに、高温ガス（７００℃）からの熱伝導による入熱と、沸騰冷却流路（沸点温度）への放熱との熱バランスにより、シール面の温度をシール部材５２、５４の耐熱温度以下に制御することができる。その結果、バルブ４４、４６のシール性と耐久性の確保を両立させることができる。
【０１２９】
［９．３．  断熱部］
図２に示すように、バルブ部４０の傘部４８及びハウジング部２０の受部３２を金属製とし、これに隣接してセラミックス製の断熱部５０、３４を設けると、熱伝導による容器からシール面への入熱を抑制することができる。金属製の傘部４８及び受部３２と断熱部５０、３４との間は、バルブ閉時において高い気密性が必要となる。セラミックス製の断熱部５０、３４の表面を緻密な金属膜によりメタライズ処理し、ろう材（Ｎｉ系ろう材、又はＡｇ系ろう材）又は拡散接合により高い気密シールを行うことで、バルブ部４０及びハウジング部２０からの入熱と、バルブ４４、４６のシール面よりも上流からのガスの流入を遮断することが可能となる。
【０１３０】
高温ガスからバルブ部４０及びハウジング部２０のシール面への入熱量と、沸騰冷却熱伝達による放熱量との熱バランスにより、シール面をより効果的に低温に維持することができる。その結果、シール部材５２、５４の温度制御性と長期耐久性を確保することができる。
さらに、金属製の部材及びセラミックス製の部材に、線膨張係数の近い材料（金属：コバール（５．０×１０-6／Ｋ）、セラミックス：マグネシア（４．７×１０-6／Ｋ））を用いると、界面における熱膨張による変位差が抑制される。その結果、変位差に起因して発生するせん断応力が抑制され、ろう付け部のガスシール耐久性を確保することが可能となる。また、バルブ部４０及びハウジング部２０の断熱効果により、シャフト４２やハウジング部２０からの入熱量が抑制され、シール面近傍の沸騰冷却による低温領域を拡大することができる。
【０１３１】
［９．４．  凝縮水を用いた沸騰冷却］
アノードオフガス循環式ＳＯＦＣシステムでは、凝縮器により循環ガスから不要な水分を凝縮分離することにより、循環ガス中の水分量は改質に必要な水分量（Steam/Carbon比＝２〜３）に維持される。分離除去された液水は、液ポンプ・調圧弁により圧力・流量が制御され、冷却水として沸騰冷却流路に供給される。これにより、沸騰冷却温度を沸点温度に制御し、シール部材５２、５４の温度を耐熱温度以下に制御することができる。また、蒸気駆動バルブにおいては、シール圧力に必要な蒸気圧を確保することが可能となる。
【０１３２】
［９．５．  ＳＯＥＣシステム］
カソードオフガス循環式ＳＯＥＣシステムでは、循環ガス中の生成物（ＣＯ、Ｈ2）の濃度が増大すると、濃度分極の増加によりＳＯＥＣ電解電圧が増大する。このため、循環ガス中の反応生成物の除去が必要となる。一方、ガス循環は、原料成分の有効利用の他、オフガスの顕熱を再利用することができる。その結果、系外への放熱量が低減され、電解効率を向上させることが可能となる。そのためには、循環ガス中のＣＯ2を高温で分離することが必要不可欠となる。
【０１３３】
ＣＯ2吸収／放出反応を利用したＣＯ2ガス分離では、２台の分離器をバッチ方式で切り替えることにより、連続的なガス分離が可能となる。ＣＯ2放出／吸収反応を独立に作動させるためには、カソードオフガスとの熱交換／反応流路へのアノードオフガス／水蒸気の供給を切り替え可能な合計１６個の高温耐熱バルブが必要となる。ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣの作動温度は高温（７００〜８００℃）であるため、金属やセラミックスを原料としたガスシールが必要となる。
【０１３４】
しかし、従来の高温耐熱バルブは、低・中温用バルブと比較してコストが高く、長期連続使用時における耐久性にも問題がある。また、不完全なガスシールでは、循環ガス中の原料ガス濃度の低下／系外への放出によりシステム効率が低下するため、連続的な気密シールが要求される。シールの気密性を確保するためには、シール部における高い圧力が必要で、駆動のための高圧空気・電気エネルギーが必要となる。
【０１３５】
図８に示すカソードオフガス循環式ＳＯＥＣシステム１００ｃでは、電解反応後の生成物（ＣＯ、Ｈ2）は、第１ＣＯ2分離器１０４及びＨ2Ｏ分離器１１６で未反応原料（ＣＯ2、Ｈ2Ｏ）が除去された後、燃料ガスとして貯蔵・利用される。Ｈ2Ｏ分離器１１６により分離されたＨ2Ｏは、蒸発器１１４ａの出口に接続された配管を流れ、蒸発器１１４ａにより生成された水蒸気と合流する。
一方、電解用の原料であるＨ2Ｏは、まず第１ＣＯ2分離器１０４の沸騰冷却流路に送られ、沸騰冷却水として利用される。また、沸騰冷却流路から排出された沸騰水は、蒸発器１１４ａに送られる。そのため、シール部材５２、５４の温度を耐熱温度以下に制御するだけでなく、電解用の水の蒸発潜熱を沸騰冷却流路から得ることができる。
【０１３６】
［９．６．  Ｒ−ＳＯＣシステム］
図９に示すＲ−ＳＯＣシステム１００ｄをＳＯＦＣモードで運転する場合、第１開閉バルブＶ１を開き、液ポンプＰ１を稼働させる。第２開閉バルブＶ２を閉じ、Ｈ2Ｏ分離器１１６はバイパス（Ｈ2Ｏ分離なし）とする。第１三方弁Ｖ３１及び第２三方弁Ｖ３２をエジェクタ１１０側に切り替え、第３三方弁Ｖ３３を排気側に切り替える。また、第４開閉バルブＶ４を開き、第５開閉バルブＶ５を閉じて、燃料をＲ−ＳＯＣ１０２ｃに供給する。
【０１３７】
流量制御バルブＶcをアノード循環ガス中のSteam/Carbon比が一定となるように制御することで、発電で生成した余剰のＨ2Ｏを凝縮器１０６にて回収することができる。回収された液水は、液ポンプＰ１により昇圧され、第１ＣＯ2分離器１０４の沸騰冷却式バルブ（８箇所）の沸騰冷却流路を流れる。生成した沸騰水（水蒸気＋水）は、第１蒸発器１１４ａにてクオリティ１００％の水蒸気となる。水蒸気は、第１ＣＯ2分離器１０４のＣＯ2放出用のパージガスとして使用される。パージ流路から排出されるＣＯ2＋Ｈ2Ｏの混合ガスは、第３三方弁Ｖ３３にて系外へ放出される。
【０１３８】
ＳＯＥＣモードで運転する場合、第１開閉バルブＶ１を閉じ、液ポンプＰ１を停止させる。第２開閉バルブＶ２を開き、流量制御バルブＶcを閉とすると、全カソードオフガスはＨ2Ｏ分離器１１６を流れる。Ｈ2Ｏ分離器１１６で分離されたＨ2Ｏは、電解用原料として再利用可能となる。第３三方弁Ｖ３１を第２ＣＯ2分離器１１８側に切り替え、第２三方弁Ｖ３２を燃料製造器１２０側に切り替え、第３三方弁Ｖ３３を第２ＣＯ2分離器１１８側に切り替える。また、第４開閉バルブＶ４を閉じ、第５開閉バルブＶ５を開くことにより、燃料製造器１２０で合成された炭化水素は貯蔵タンク１２２に貯蔵される。
【０１３９】
この時、電解に必要なＨ2Ｏの内、Ｈ2Ｏ分離器１１６から供給されるＨ2Ｏの補完分は、液ポンプＰ２により昇圧され、第１ＣＯ2分離器１０４及び第２ＣＯ2分離器１１８の沸騰冷却式バルブ（全１６箇所）に供給される。供給されたＨ2Ｏは、沸騰冷却流路において沸騰水（水蒸気＋水）となる。また、生成した沸騰水は、蒸発器１１４ａ、１１４ｂにおいて、クオリティ１００％の水蒸気となる。さらに、生成した水蒸気は、ＣＯ2放出用のパージガスとして使用され、電解用原料（Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2）を生成する。
【０１４０】
さらに、電力余剰時にはＳＯＥＣモードとし、電力不足時にはＳＯＦＣモードとするリバーシブル作動とすることで、電力を化学エネルギーとして貯蔵し、あるいは、化学エネルギーを電力に変換することができる。また、これによって、再生可能エネルギーを用いた発電システムの出力の平準化が可能となる。
【実施例】
【０１４１】
（実施例１）
［１．  試験方法］
沸騰冷却効果（シール面の温度、及び蒸気圧力）をＦＥＭ熱解析により評価した。図１０に、沸騰冷却効果の数値解析（ＦＥＭ熱解析）に用いたバルブ簡易モデルを示す。なお、ガス温度は、７００℃とした。また、評価は、
（ａ）沸騰冷却流路があるケースと、沸騰冷却流路がないケース、並びに、
（ｂ）断熱部があるケースと、断熱部がないケース、
について行った。
【０１４２】
［２．  結果］
［２．１．  シール面の温度］
図１１に、沸騰冷却流路がない場合（左図）及び沸騰冷却流路がある場合（右図）のバルブ部／ハウジング部のシール部材付近の温度を示す。図１２に、沸騰冷却流路がある場合のバルブオープン時（左図）、及びバルブクローズ時（右図）のシール部材付近の温度を示す。さらに、図１３に、バルブ部及びハウジング部に断熱部がない場合（左図）、及び断熱部がある場合（右図）のシール部材近傍の温度を示す。図１１〜図１３より、以下のことが分かる。
【０１４３】
（１）バルブが開いている場合において、沸騰冷却を行わない時には、ハウジング部のシール面（Ａ）の温度は６９７℃であり、バルブのシール面（Ｂ）の温度は６９９．５℃であった。一方、沸騰冷却を行った時には、ハウジング部のシール面（Ａ）の温度は１１７．６℃まで低下し、バルブのシール面（Ｂ）の温度は２７５．１℃まで低下した（図１１参照）。
（２）沸騰冷却を行った状態でバルブを閉じると、ハウジング部のシール面（Ａ）の温度は１２４℃に上昇した。一方、バルブのシール面（Ｂ）の温度は、１４１℃まで低下した（図１２参照）。
（３）バルブが開いている場合において、ハウジング部が金属製の受部とセラミックス製の断熱部を備えている時には、バルブ開時のシール面（Ａ）の温度は、１１６℃に低下した。同様に、バルブが金属製の傘部とセラミックス製の断熱部とを備えている時には、バルブ開時のシール面（Ｂ）の温度は２６９℃まで低下した。
【０１４４】
［２．２．  沸騰冷却流路内の蒸気圧力］
図１４に、沸点温度と蒸気圧力との関係を示す。図１５に、沸点、ハウジング部材のシール面（Ｂ）の表面温度、及びシール部材の温度の沸騰冷却蒸気圧力依存性を示す。図１４及び図１５より、以下のことが分かる。
【０１４５】
（１）沸騰冷却式バルブの沸騰冷却流路において発生する蒸気圧力は、沸騰冷却流路に供給される水の圧力及び流量により制御することができる。図１４に示すように、沸騰冷却流路内の蒸気圧力が高くなるほど、沸騰冷却流路内の沸点温度が上昇する。
（２）図１５に示すように、沸騰冷却流路内の沸点温度の上昇に伴い、ハウジング部のシール面（Ａ）の温度及びシール部材内部の最大温度も上昇する。しかし、蒸気圧力が５ａｔｍでも、シール部材内部の最大温度は、ＰＥＥＫ製シール部材の耐熱温度（３８０℃）未満に抑えることができた。すなわち、沸騰冷却式蒸気駆動バルブは、シール部材の温度を耐熱温度以下に制御しつつ、高いシール圧力を確保することができる。
【０１４６】
（実施例２）
［１．  試験方法］
沸騰冷却式ＣＯ2分離器を備えたＳＯＦＣシステム（図７）において、沸騰冷却式バルブの伝熱面積、最大流量、及び圧力損失をＦＥＭ熱解析により評価した。図１６に、伝熱面積の数値解析（ＦＥＭ熱解析）に用いたバルブ簡易モデルを示す。なお、沸騰冷却式バルブの温度は７００℃とし、沸騰冷却式バルブの個数は８個とした。また、凝縮器のＨ2Ｏ分離速度は、４４０ｃｃ／ｍｉｎとした。
【０１４７】
［２．  結果］
［２．１．  伝熱面積］
図１７に、ＳＯＦＣシステムにおけるバルブ流路直径と伝熱面積との関係を示す。
ここで、「バルブ流路直径Ｄ」とは、ハウジング部２０の隔壁２８、３０に設けられた貫通孔２８ａ、３０ａの直径をいう（図２参照）。
「伝熱面積」とは、沸騰冷却流路における流路断面０．３×１（ｃｍ）×流路長１４．４（ｃｍ）とする。
「許容伝熱面積」とは、沸騰熱伝達率１００００Ｗ／ｍ2／Ｋ、クオリティ≦１０％を確保するために必要なバルブ１個当たりの伝熱面積の最大値（＝１０４ｃｍ2）をいう。
図１７より、以下のことが分かる。
【０１４８】
（１）伝熱面積を許容伝熱面積以下にするためには、バルブ流路直径Ｄを３０ｍｍ以下にする必要がある。
【０１４９】
［２．２．  最大流量、及び圧力損失］
図１８に、ＳＯＦＣのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す。図１９に、ＳＯＦＣのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す。図２０に、ＳＯＦＣのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す。図２１に、ＳＯＦＣのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す。図１８〜図２１より、以下のことが分かる。
【０１５０】
（１）アノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給する場合において、１０％のクオリティを確保し、最大流速を音速以下とし、かつ、圧力損失を５０Ｐａ以下とするためには、バルブ流路直径を１５ｍｍ以上にする必要がある。
（２）カソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給する場合において、１０％のクオリティを確保し、最大流速を音速以下とし、かつ、圧力損失を５０Ｐａ以下とするためには、バルブ流路直径を２５ｍｍ以上にする必要がある。
【０１５１】
（実施例３）
［１．  試験方法］
ＦＥＭ熱解析により、ＳＯＥＣシステムの伝熱面積、最大流量、及び圧力損失を評価した。図２２に、伝熱面積の数値解析（ＦＥＭ熱解析）に用いたバルブ簡易モデルを示す。なお、沸騰冷却式バルブの温度は７００℃とし、沸騰冷却式バルブの個数は１６個とした。また、電解用Ｈ2Ｏの供給速度は、１．９Ｌ／ｍｉｎとした。
【０１５２】
［２．  結果］
［２．１．  伝熱面積］
図２３に、ＳＯＥＣシステムにおけるバルブ流路直径と伝熱面積との関係を示す。ここで、「許容伝熱面積」とは、沸騰熱伝達率１００００Ｗ／ｍ2／Ｋ、クオリティ≦１０％を確保するために許容されるバルブ１個当たりの伝熱面積の最大値（＝２２０ｃｍ2）をいう。図２３より、以下のことが分かる。
【０１５３】
（１）ＳＯＥＣシステムの場合、伝熱面積を許容伝熱面積以下にするためには、バルブ流路直径を１０２ｍｍ以下にすればよい。すなわち、ＳＯＦＣシステムに比べて、バルブ流路直径を大きくすることができる。これは、ＳＯＥＣシステムでは電解用Ｈ2Ｏが沸騰冷却流路に供給され、十分な冷却水量の確保が可能なためである。
【０１５４】
［２．２．  最大流量、及び圧力損失］
図２４に、ＳＯＥＣのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す。図２５に、ＳＯＥＣのアノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す。図２６に、ＳＯＥＣのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と最大流速との関係を示す。図２７に、ＳＯＥＣのカソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給した時のバルブ流路直径と圧力損失との関係を示す。図２４〜図２７より、以下のことが分かる。
【０１５５】
（１）アノードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給する場合において、１０％のクオリティを確保し、最大流速を音速以下とし、かつ、圧力損失を５０Ｐａ以下とするためには、バルブ流路直径を１０ｍｍ以上にする必要がある。
（２）カソードオフガスを沸騰冷却式バルブに供給する場合において、１０％のクオリティを確保し、最大流速を音速以下とし、かつ、圧力損失を５０Ｐａ以下とするためには、バルブ流路直径を１５ｍｍ以上にする必要がある。
【０１５６】
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】
【０１５７】
本発明に係る沸騰冷却式バルブは、ＣＯ2分離器の高温耐熱バルブなどに用いることができる。
本発明に係る沸騰冷却式ＣＯ2分離器は、ＳＯＦＣシステム、ＳＯＥＣシステム、及びＲ−ＳＯＣシステムのオフガスの処理に用いることができる。
本発明に係るＳＯＦＣシステム、ＳＯＥＣシステム、及びＲ−ＳＯＣシステムは、電力貯蔵システムとして用いることができる。
【符号の説明】
【０１５８】
１０、１０ａ、１０ｂ  沸騰冷却式バルブ
２０                  ハウジング部
４０                  バルブ部
４２                  シャフト
４４、４６            バルブ
５２、５４            シール部材
８０、８０’          沸騰冷却式ＣＯ2分離器
１００ａ、１００ｂ    ＳＯＦＣシステム
１００ｃ              ＳＯＥＣシステム
１００ｄ              Ｒ−ＳＯＣシステム
【図１】
2019175636.tif 000003
【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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