特許 6874515 ＳＯＦＣスタック、ＳＯＥＣスタック、及びリバーシブルＳＯＣスタック、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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6874515

(24)【登録日】2021年4月26日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】ＳＯＦＣスタック、ＳＯＥＣスタック、及びリバーシブルＳＯＣスタック、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

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2425 20160101AFI20210510BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20210510BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20210510BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20210510BHJP

   H01M 8/06 20160101ALI20210510BHJP

   H01M 8/04223 20160101ALI20210510BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20210510BHJP

   C25B 1/01 20210101ALI20210510BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20210510BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2425

   H01M8/04 Z

   H01M8/12 101

   H01M8/00 Z

   H01M8/06

   H01M8/04223

   C25B1/10

   C25B1/00 Z

   C25B15/08 302

【請求項の数】17

【全頁数】33

(21)【出願番号】特願2017-93998(P2017-93998)

(22)【出願日】2017年5月10日

(65)【公開番号】特開2018-190649(P2018-190649A)

(43)【公開日】2018年11月29日

【審査請求日】2020年1月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100110227

【弁理士】

【氏名又は名称】畠山 文夫

(72)【発明者】

【氏名】若杉 知寿

【審査官】 馳平 憲一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２３４７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０８１８１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６６８

８／００−８／０２９７

８／０８−８／２４９５

Ｃ２５Ｂ １／００−９／２０

１３／００−１５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

以下の構成を備えたＳＯＦＣスタック。
（１）前記ＳＯＦＣスタックは、
炭化水素、Ｈ₂、及び／又はＣＯを燃料として発電を行うＳＯＦＣセルと、
Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元され、Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化されるレドックス材が充填されたレドックス流路と
を備えている。
（２）前記ＳＯＦＣセルは、
前記燃料が供給される第１ガス流路（アノード流路）と、
酸素を含む酸化剤ガスが供給される第２ガス流路（カソード流路）と
を備え、
前記レドックス流路は、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路と熱的に接続されている。

【請求項2】

前記レドックス流路は、伝熱隔壁を介して、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路に隣接して設けられている請求項１に記載のＳＯＦＣスタック。

【請求項3】

前記第１ガス流路及び前記レドックス流路は、流路出口で合流している請求項１又は２に記載のＳＯＦＣスタック。

【請求項4】

前記レドックス材は、Ｆｅ／ＦｅＯ系材料からなる多孔体又は繊維体である請求項１から３までのいずれか１項に記載のＳＯＦＣスタック。

【請求項5】

以下の構成を備えたＳＯＦＣシステム。
（１）前記ＳＯＦＣシステムは、
請求項１から４までのいずれか１項に記載のＳＯＦＣスタックと、
前記レドックス流路に前記還元ガスを供給し、前記レドックス材を還元させる還元手段と、
前記レドックス流路に前記酸化ガスを供給し、前記レドックス材を酸化させる酸化手段と
を備えている。
（２）前記還元手段は、前記還元ガスとして、前記第１ガス流路及び／又は前記レドックス流路のオフガスに含まれるＨ₂及び／又はＣＯを供給するものからなり、
前記酸化手段には、前記酸化ガスとして、前記オフガスに含まれるＨ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を供給するものからなる。

【請求項6】

以下の構成を備えたＳＯＥＣスタック。
（１）前記ＳＯＥＣスタックは、
Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂、及び／又はＨ₂Ｏ＋ＣＯ₂を原料として高温電解によりＨ₂、ＣＯ、及び／又は合成ガスを生成するＳＯＥＣセルと、
Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化され、Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元されるレドックス材が充填されたレドックス流路と
を備えている。
（２）前記ＳＯＥＣセルは、
前記原料が供給される第１ガス流路（カソード流路）と、
酸素が排出される第２ガス流路（アノード流路）と
を備え、
前記レドックス流路は、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路と熱的に接続されている。

【請求項7】

前記レドックス流路は、伝熱隔壁を介して、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路に隣接して設けられている請求項６に記載のＳＯＥＣスタック。

【請求項8】

前記第１ガス流路及び前記レドックス流路は、流路出口で合流している請求項６又は７に記載のＳＯＥＣスタック。

【請求項9】

前記レドックス材は、Ｆｅ／ＦｅＯ系材料からなる多孔体又は繊維体である請求項６から８までのいずれか１項に記載のＳＯＥＣスタック。

【請求項10】

以下の構成を備えたＳＯＥＣシステム。
（１）前記ＳＯＥＣシステムは、
請求項６から９までのいずれか１項に記載のＳＯＥＣスタックと、
前記レドックス流路に前記還元ガスを供給し、前記レドックス材を還元させる還元手段と、
前記レドックス流路に前記酸化ガスを供給し、前記レドックス材を酸化させる酸化手段と
を備えている。
（２）前記還元手段は、前記還元ガスとして、前記第１ガス流路及び／又は前記レドックス流路のオフガスに含まれるＨ₂及び／又はＣＯを供給するものからなり、
前記酸化手段は、前記酸化ガスとして、高温電解用の原料であるＨ₂Ｏを供給するものからなる。

【請求項11】

以下の構成を備えたリバーシブルＳＯＣスタック。
（１）前記リバーシブルＳＯＣスタックは、
炭化水素、Ｈ₂、及び／又はＣＯを燃料として発電を行うＳＯＦＣモードと、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂、及び／又はＨ₂Ｏ＋ＣＯ₂を原料として高温電解によりＨ₂、ＣＯ、及び／又は合成ガスを生成するＳＯＥＣモードとを切替可能なリバーシブルＳＯＣセルと、
Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化され、Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元されるレドックス材が充填されたレドックス流路と
を備えている。
（２）前記リバーシブルＳＯＣセルは、
前記燃料又は前記原料が供給される第１ガス流路（ＳＯＦＣモード時はアノード流路、ＳＯＥＣモード時はカソード流路）と、
酸素の供給又は排出が行われる第２ガス流路（ＳＯＦＣモード時はカソード流路、ＳＯＥＣモード時はアノード流路）と
を備え、
前記レドックス流路は、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路と熱的に接続されている。

【請求項12】

前記レドックス流路は、伝熱隔壁を介して、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路に隣接して設けられている請求項１１に記載のリバーシブルＳＯＣスタック。

【請求項13】

前記第１ガス流路及び前記レドックス流路は、流路出口で合流している請求項１１又は１２に記載のリバーシブルＳＯＣスタック。

【請求項14】

前記レドックス材は、Ｆｅ／ＦｅＯ系材料からなる多孔体又は繊維体である請求項１１から１３までのいずれか１項に記載のリバーシブルＳＯＣスタック。

【請求項15】

以下の構成を備えたリバーシブルＳＯＣシステム。
（１）前記リバーシブルＳＯＣシステムは、
請求項１１から１４までのいずれか１項に記載のリバーシブルＳＯＣスタックと、
前記レドックス流路に前記還元ガスを供給し、前記レドックス材を還元させる還元手段と、
前記レドックス流路に前記酸化ガスを供給し、前記レドックス材を酸化させる酸化手段と
を備えている。
（２）前記還元手段は、前記還元ガスとして、前記第１ガス流路及び／又は前記レドックス流路のオフガスに含まれるＨ₂及び／又はＣＯを供給するものからなる。
（３）前記酸化手段は、
前記リバーシブルＳＯＣスタックが前記ＳＯＦＣモードにある時は、前記酸化ガスとして、前記オフガスに含まれるＨ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を供給するものからなり、
前記リバーシブルＳＯＣスタックが前記ＳＯＥＣモードにある時は、前記酸化ガスとして、高温電解用の原料であるＨ₂Ｏを供給するものからなる。

【請求項16】

以下の構成をさらに備えた請求項１５に記載のリバーシブルＳＯＣシステム。
（４）前記リバーシブルＳＯＣシステムは、
複数個の前記リバーシブルＳＯＣスタックと、
前記リバーシブルＳＯＣスタックの動作を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、電力供給／需要出力に応じて、作動させる前記リバーシブルＳＯＣスタックの数を制御することで、出力比を制御する分割制御手段を備えている。
（５）前記分割制御手段は、
要求出力に応じて、待機中の前記リバーシブルＳＯＣスタックに対し、発電／電解の要求と同時に前記レドックス材を酸化させ、前記リバーシブルＳＯＣスタックを加熱する暖機手段と、
発電・電解作動中において、前記リバーシブルＳＯＣスタックの内部発熱を用いて前記レドックス材を還元させる還元手段と
を備えている。

【請求項17】

以下の構成をさらに備えた請求項１５又は１６に記載のリバーシブルＳＯＣシステム。
（６）前記リバーシブルＳＯＣシステムは、
電力供給量が不安定な電力源からの電力を化学エネルギーとして貯蔵し、
貯蔵された前記化学エネルギーを電力に変換し、需要電力量が時間的に変動する電力消費源に供給する
ために用いられる。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＳＯＦＣスタック、ＳＯＥＣスタック、及びリバーシブルＳＯＣスタック、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、レドックス材の酸化・還元反応を用いてスタックの加熱・冷却を行うことが可能なＳＯＦＣスタック、ＳＯＥＣスタック、及びリバーシブルＳＯＣスタック、並びに、このようなスタックを用いた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のカソードに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を原料として合成ガス（ＣＯ、Ｈ₂）を生成させることができる。この時、ＣＯ₂源として工場等から排出される排ガスを用い、電解用の電力として再生可能エネルギー等の余剰電力を用いると、排ガス及び余剰電力を炭化水素の形態で貯蔵することができる。一方、電力が必要とされるときには、貯蔵された炭化水素を用いて発電することができる。

【0006】

しかしながら、ＣＯ₂源として工場等からの排ガスを用いた場合において、夜間やメンテナンス等により工場の稼働が停止している時には、一時的にＣＯ₂の供給が途絶える。また、電解用の電力として再生可能エネルギー等からの余剰電力を用いた場合、風況や日照等が時間変動するため、供給される電力量も時間変動する。さらに、需要電力量もまた、通常、時間変動する。
一方、ＳＯＦＣ及びＳＯＥＣのいずれも、適切な作動温度がある。そのため、ＣＯ₂供給量、電力供給量、及び需要電力量の時間変動に応じて、システムの起動／停止や電解モード／発電モードの切り替えを繰り返すと、その都度、システムの再加熱が必要となり、エネルギーロスが大きい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特表２０１６−５１１２９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、ＣＯ₂供給量、電力供給量、及び需要電力量に応じて、システムの起動／停止や電解モード／発電モードの切り替えを繰り返した場合であっても、エネルギーロスの少ないＳＯＦＣスタック、ＳＯＥＣスタック、及びリバーシブルＳＯＣスタック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、このようなスタックを備えた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】

【0009】

上記課題を解決するために本発明に係るＳＯＦＣスタックは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記ＳＯＦＣスタックは、
炭化水素、Ｈ₂、及び／又はＣＯを燃料として発電を行うＳＯＦＣセルと、
Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元され、Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化されるレドックス材が充填されたレドックス流路と
を備えている。
（２）前記ＳＯＦＣセルは、
前記燃料が供給される第１ガス流路（アノード流路）と、
酸素を含む酸化剤ガスが供給される第２ガス流路（カソード流路）と
を備え、
前記レドックス流路は、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路と熱的に接続されている。

【0010】

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、
本発明に係るＳＯＦＣスタックと、
前記レドックス流路に前記還元ガスを供給し、前記レドックス材を還元させる還元手段と、
前記レドックス流路に前記酸化ガスを供給し、前記レドックス材を酸化させる酸化手段と
を備えている。
（２）前記還元手段は、前記還元ガスとして、前記第１ガス流路及び／又は前記レドックス流路のオフガスに含まれるＨ₂及び／又はＣＯを供給するものからなり、
前記酸化手段には、前記酸化ガスとして、前記オフガスに含まれるＨ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を供給するものからなる。

【0011】

本発明に係るＳＯＥＣスタックは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記ＳＯＥＣスタックは、
Ｈ₂、ＣＯ₂、及び／又はＨ₂Ｏ＋ＣＯ₂を原料として高温電解によりＨ₂、ＣＯ、及び／又は合成ガスを生成するＳＯＥＣセルと、
Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化され、Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元されるレドックス材が充填されたレドックス流路と
を備えている。
（２）前記ＳＯＥＣセルは、
前記原料が供給される第１ガス流路（カソード流路）と、
酸素が排出される第２ガス流路（アノード流路）と
を備え、
前記レドックス流路は、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路と熱的に接続されている。

【0012】

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、
本発明に係るＳＯＥＣスタックと、
前記レドックス流路に前記還元ガスを供給し、前記レドックス材を還元させる還元手段と、
前記レドックス流路に前記酸化ガスを供給し、前記レドックス材を酸化させる酸化手段と
を備えている。
（２）前記還元手段は、前記還元ガスとして、前記第１ガス流路及び／又は前記レドックス流路のオフガスに含まれるＨ₂及び／又はＣＯを供給するものからなり、
前記酸化手段は、前記酸化ガスとして、高温電解用の原料であるＨ₂Ｏを供給するものからなる。

【0013】

本発明に係るリバーシブルＳＯＣスタックは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記リバーシブルＳＯＣスタックは、
炭化水素、Ｈ₂、及び／又はＣＯを燃料として発電を行うＳＯＦＣモードと、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂、及び／又はＨ₂Ｏ＋ＣＯ₂を原料として高温電解によりＨ₂、ＣＯ、及び／又は合成ガスを生成するＳＯＥＣモードとを切替可能なリバーシブルＳＯＣセルと、
Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化され、Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元されるレドックス材が充填されたレドックス流路と
を備えている。
（２）前記リバーシブルＳＯＣセルは、
前記燃料又は前記原料が供給される第１ガス流路（ＳＯＦＣモード時はアノード流路、ＳＯＥＣモード時はカソード流路）と、
酸素の供給又は排出が行われる第２ガス流路（ＳＯＦＣモード時はカソード流路、ＳＯＥＣモード時はアノード流路）と
を備え、
前記レドックス流路は、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路と熱的に接続されている。

【0014】

さらに、本発明に係るリバーシブル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スタックと、
前記レドックス流路に前記還元ガスを供給し、前記レドックス材を還元させる還元手段と、
前記レドックス流路に前記酸化ガスを供給し、前記レドックス材を酸化させる酸化手段と
を備えている。
（２）前記還元手段は、前記還元ガスとして、前記第１ガス流路及び／又は前記レドックス流路のオフガスに含まれるＨ₂及び／又はＣＯを供給するものからなる。
（３）前記酸化手段は、
前記リバーシブルＳＯＣスタックが前記ＳＯＦＣモードにある時は、前記酸化ガスとして、前記オフガスに含まれるＨ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を供給するものからなり、
前記リバーシブルＳＯＣスタックが前記ＳＯＥＣモードにある時は、前記酸化ガスとして、高温電解用の原料であるＨ₂Ｏを供給するものからなる。

【発明の効果】

【0015】

ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣスタックは、発電温度が高いため（５５０℃〜７５０℃）、小型・高効率な発電／電解が可能となる。また、連続的な発電／電解作動では、高効率を維持することが可能である。しかし、休止や待機を伴う間欠的な運転や、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣリバーシブル運転では、セルスタックが発電／電解を停止し、外部配管等への放熱により温度が低下する。セルスタックの発電／電解再開時では、休止・待機期間中のセルスタックの温度低下により活性化損失及びオーム損失が増大し、発電電圧の低下／電解電圧の増加が発生する。その結果、発電／電解効率が低下する。効率回復のためには、外部からの加熱又は内部発熱（セルスタックのオーミック発熱等）により、セルスタックの内部温度を上昇させることが必要不可欠となる。

【0016】

一方、ある種のレドックス材は、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等の酸化ガスにより酸化され、ＣＯ、Ｈ₂等の還元ガスにより還元される。しかも、レドックス材の酸化反応は発熱反応であり、還元反応は吸熱反応である。
そのため、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣスタックとレドックス流路とを熱的に接続し、レドックス流路に酸化ガスを流すと、レドックス材が酸化反応によって発熱する。その結果、外部熱源を用いることなくセルスタックを加熱することができる。また、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣスタックが定常作動温度に達した後、レドックス流路に還元ガスを流すと、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣスタックの内部発熱を用いてレドックス材を還元することができる。あるいは、クロスリーク等によりスタック内部温度が異常昇温した時には、レドックス材を還元させることによりスタックを急冷することもできる。

【0017】

さらに、第１ガス流路及びレドックス流路のオフガスに含まれる酸化ガス及び還元ガスを用いてレドックス材の酸化／還元を行わせると、オフガスが熱エネルギーを持ったまま系外に排出されることによるエネルギーロスを低減することができる。また、リバーシブルＳＯＣシステムにおいては、ＳＯＦＣ発電により発生した熱を、ＳＯＥＣ電解反応に必要なエントロピー変化量として利用することができる。その結果、システム全体のエネルギー効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施の形態に係るＳＯＦＣスタック及びＳＯＦＣシステムの模式図である。

【図2】本発明の一実施の形態に係るＳＯＥＣスタック及びＳＯＥＣシステムの模式図である。

【図3】本発明の第１の実施の形態に係るリバーシブルＳＯＣシステムの模式図である。

【図4】リバーシブルＳＯＣシステムがＳＯＦＣ＋酸化モードにある時のガスの流れの模式図である。

【図5】リバーシブルＳＯＣシステムが通常のＳＯＦＣモードにある時のガスの流れの模式図である。

【0019】

【図6】リバーシブルＳＯＣシステムがＳＯＦＣ＋還元モードにある時のガスの流れの模式図である。

【図7】リバーシブルＳＯＣシステムがＳＯＥＣ＋酸化モードにある時のガスの流れの模式図である。

【図8】リバーシブルＳＯＣシステムが通常のＳＯＥＣモードにある時のガスの流れの模式図である。

【図9】リバーシブルＳＯＣシステムがＳＯＥＣ＋還元モードにある時のガスの流れの模式図である。

【0020】

【図10】分割制御手段を備えたリバーシブルＳＯＣシステムの模式図である。

【図11】オフガス合流がないスタックを分割制御した時のスタックの状態変化の模式図である。

【図12】オフガス合流があるスタックを分割制御した時のスタックの状態変化の模式図である。

【図13】スタック分割制御による出力比制御の一例を示す図である。

【図14】ＳＯＥＣの排熱回収による化学エネルギーの増幅原理の模式図である。

【0021】

【図15】図１５（Ａ）は、ＳＯＦＣ作動温度と電圧との関係を示す図である。図１５（Ｂ）は、ＳＯＥＣ作動温度と必要電解電圧との関係を示す図である。

【図16】図１６（Ａ）は、ＦｅＯ充填高さと昇温幅及びリバーシブルＳＯＣ体格との関係（充填率：８０％）を示す図である。図１６（Ｂ）は、流路へのＦｅＯ充填率と昇温幅及びリバーシブルＳＯＣ体格との関係（充填高さ：１４ｍｍ）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

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スタック］
図１に、本発明の一実施の形態に係るＳＯＦＣスタック及びＳＯＦＣシステムの模式図を示す。図１において、ＳＯＦＣスタック４０ａは、
炭化水素、Ｈ₂、及び／又はＣＯを燃料として発電を行うＳＯＦＣセル４２ａと、
Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化され、Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元されるレドックス材が充填されたレドックス流路４４と
を備えている。

【0023】

［１．１． ＳＯＦＣセル］
ＳＯＦＣセル４２ａは、炭化水素、Ｈ₂、及び／又はＣＯを燃料として発電を行うためのものである。ＳＯＦＣセル４２ａは、固体酸化物系電解質膜の両面に電極が接合された膜電極接合体（ＭＥＡ）４２ｂと、ＭＥＡ４２ｂの一方の面に形成された第１ガス流路（アノード流路）４２ｃと、ＭＥＡ４２ｂの他方の面に形成された第２ガス流路（カソード流路）４２ｄとを備えている。発電時において、第１ガス流路（アノード流路）４２ｃには燃料が供給され、第２ガス流路（カソード流路）４２ｄには酸素を含む酸化剤ガスが供給される。ＳＯＦＣスタック４０ａは、このようなＳＯＦＣセル４２ａが複数個積層され、かつ、電気的に直列に接続されたものからなる。ＳＯＦＣスタック４０ａの両端には、負荷が接続される。

【0024】

燃料として炭化水素を用いる場合、炭化水素は、水蒸気改質される。本発明において、炭化水素の改質方法は、特に限定されない。すなわち、ＳＯＦＣスタック４０ａは、
（ａ）ＳＯＦＣスタック４０ａの外部に設けられた改質器を用いて改質を行う間接外部改質型ＳＯＦＣ、
（ｂ）ＳＯＦＣスタック４０ａの内部に設けられた改質器を用いて改質を行う間接内部改質型ＳＯＦＣ、あるいは、
（ｃ）アノードにおいて改質を行う直接内部改質型ＳＯＦＣ、
のいずれであっても良い。

【0025】

第１ガス流路４２ｃに燃料を供給し、第２ガス流路４２ｄに酸化剤ガスを供給すると、アノードでは、燃料の種類に応じて、それぞれ、次の式（１）〜（３）の反応が起こる。その結果、電極間から電力を取り出すことができる。また、第１ガス流路４２ｃから、Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含むガスが排出される。
ＣＨ₄＋４Ｏ^2- → ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋８ｅ^- ・・・（１）
Ｈ₂＋Ｏ^2- → Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^2- → ＣＯ₂＋２ｅ^- ・・・（３）

【0026】

［１．２． レドックス流路及びレドックス材］
レドックス流路４４内には、レドックス材（図示せず）が充填されている。本発明において、「レドックス材」とは、Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化され、Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元されるものをいう。すなわち、「レドックス材」とは、アノード流路４２ｃ及び／又はレドックス流路４４から排出されるオフガス（以下、これらを総称して「オフガス（Ａ'_out）」ともいう）に含まれる成分により酸化・還元が可能なものをいう。レドックス材は、酸化反応時に発熱を伴い、還元反応時に吸熱を伴う。

【0027】

レドックス材は、オフガス（Ａ'_out）に含まれる成分により酸化・還元が可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
レドックス材としては、例えば、
（ａ）Ｆｅ／ＦｅＯ系材料からなる多孔体又は繊維体、
（ｂ）Ｚｎ／ＺｎＯ系材料からなる多孔体又は繊維体、
（ｃ）Ｓｎ／ＳｎＯ系材料からなる多孔体又は繊維体、
（ｄ）Ｎｉ／ＮｉＯ系材料からなる多孔体又は繊維体、
などがある。
これらの中でも、レドックス材は、Ｆｅ／ＦｅＯ系材料からなる多孔体又は繊維体が好ましい。これは、低コストであり、かつ、理論エネルギー密度が大きい（３ＭＪ／ｋｇ）ためである。

【0028】

レドックス流路４４に充填されるレドックス材の充填高さ及び充填率は、ＳＯＦＣスタック４０ａの熱収支に影響を与える。ここで、「充填高さ」とは、レドックス流路４４の底面からレドックス材の先端面までの長さをいう。「充填率」とは、レドックス流路４４に充填されたレドックス材の見かけの体積に対するレドックス材の実体積の割合（＝１−気孔率）をいう。

【0029】

一般に、充填高さが高くなるほど、レドックス材の発熱による昇温幅は大きくなる。しかし、充填高さが高くなるほど、より体積の大きなレドックス流路４４が必要となるために、ＳＯＦＣスタック４０ａの体格が大きくなる。
また、ＳＯＦＣスタック４０ａの体格が同一であっても、充填率が大きくなるほど、レドックス材の発熱による昇温幅は大きくなる。しかし、充填率が過度に大きくなると、酸化／還元ガスの流動抵抗が増大し、酸化／還元反応速度が低下する。
レドックス材の充填高さ及び充填率は、これらの点を考慮して、最適な値を選択するのが好ましい。充填高さは、好ましくは、６ｍｍ以上２０ｍｍ以下、さらに好ましくは、１２ｍｍ以上１６ｍｍ以下である。また、充填率は、好ましくは、０．４以上０．８以下、さらに好ましくは、０．６以上０．８以下である。

【0030】

［１．３． 熱的接続］
レドックス材は、暖機時にはＳＯＦＣセル４２ａに対して放熱し、定常運転時にはＳＯＦＣセル４２ａからの排熱を蓄熱するために用いられる。そのため、ＳＯＦＣセル４２ａは、レドックス流路４４と熱的に接続されている必要がある。
ＳＯＦＣセル４２ａとレドックス流路４４との熱的接続方法は、特に限定されない。図１に示す例において、ＳＯＦＣセル４２ａとレドックス流路４４とは、交互に積層されてている。レドックス流路４４は、伝熱隔壁（図示せず）を介して、第１ガス流路４２ｃ及び／又は第２ガス流路４２ｄに隣接して設けられている。

【0031】

その他の熱的接続方法としては、例えば、
（ａ）ＳＯＦＣスタック４０ａとレドックス流路４４とを熱交換器で連結し、熱交換媒体を循環させることによって熱を伝達する方法、
（ｂ）レドックス流路４４をＳＯＦＣスタック４０ｂの外部に持ち、熱伝導部材（ＳｉＣなど）やガス顕熱によりレドックス流路４４からＳＯＦＣスタック４０ａに熱を伝達する方法、
などがある。

【0032】

［１．４． 流路出口の合流］
ＳＯＦＣスタック４０ａの第１ガス流路４２ｃに燃料を供給して発電を行った場合、第１ガス流路４２ｃから、反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂）を含むオフガス（以下、第１ガス流路４２ｃから排出されるオフガスを「オフガス（Ａ'_1out）」ともいう）が排出される。オフガス（Ａ'_1out）には、通常、未反応の燃料（Ｈ₂、ＣＯ）も含まれている。

【0033】

また、レドックス流路４４に酸化ガスを供給してレドックス材を酸化させた場合、レドックス流路４４から、反応生成物（Ｈ₂、ＣＯ）を含むオフガス（以下、レドックス流路４４から排出されるオフガスを「オフガス（Ａ'_2out）」ともいう）が排出される。酸化反応時のオフガス（Ａ'_2out）には、通常、未反応の酸化ガス（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂）も含まれている。さらに、レドックス流路４４に還元ガスを供給してレドックス材を還元させた場合、レドックス流路４４から、反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂）を含むオフガス（Ａ'_2out）が排出される。還元反応時のオフガス（Ａ'_2out）には、通常、未反応の還元ガス（Ｈ₂、ＣＯ）も含まれている。

【0034】

オフガス（Ａ'_out）に含まれるＣＯ₂及びＨ₂Ｏは、レドックス材の酸化ガスとして再利用することができる。同様に、オフガス（Ａ'_out）に含まれるＨ₂及びＣＯは、レドックス材の還元ガス、発電用燃料、燃焼用燃料等として再利用することができる。
この場合、オフガス（Ａ'_1out）とオフガス（Ａ'_2out）のいずれか一方を再利用しても良く、あるいは、双方を再利用しても良い。第１ガス流路４２ｃとレドックス流路４４とを流路出口で合流させると、オフガス（Ａ'_1out）及びオフガス（Ａ'_2out）の双方を単一の処理装置を用いて同時に処理することが可能となる。図１に示す例では、第１ガス流路４２ｃ及びレドックス流路４４は、流路出口で合流している。

【0035】

［２． ＳＯＦＣシステム］
図１において、ＳＯＦＣシステム１０ａは、ＳＯＦＣスタック４０ａと、還元手段と、酸化手段とを備えている。
還元手段は、レドックス流路４４に還元ガスを供給し、レドックス材を還元させるためのものである。本実施の形態において、還元手段は、還元ガスとして、第１ガス流路４２ｃ及び／又はレドックス流路４４のオフガス（Ａ'_out）に含まれるＨ₂及び／又はＣＯを供給するものからなる。

【0036】

酸化手段は、レドックス流路４４に酸化ガスを供給し、レドックス材を酸化させるためのものである。本実施の形態において、酸化手段は、酸化ガスとして、オフガス（Ａ'_out）に含まれるＨ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を供給するものからなる。
還元手段及び酸化手段は、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】

図１に示す例において、ＳＯＦＣシステム１０ａは、ＳＯＦＣスタック４０ａ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及びＨ₂Ｏ分離器２２は、還元手段及び酸化手段の一部を構成する。

【0038】

［２．１． ＳＯＦＣスタック］
ＳＯＦＣスタック４０ａの詳細については、上述した通りであるので説明を省略する。

【0039】

［２．２． 第１ＣＯ₂分離器］
第１ＣＯ₂分離器１４は、ＳＯＦＣスタック４０ａのオフガス（Ａ'_out）からＣＯ₂を分離するためのものである。本実施の形態においては、オフガス（Ａ'_out）からＣＯ₂及びＨ₂Ｏが分離される。
「オフガス（Ａ'_out）からＣＯ₂を分離する」とは、
（ａ）Ｈ₂Ｏを分離する前のガスからＣＯ₂を分離すること、又は、
（ｂ）Ｈ₂Ｏを分離した後のガス（すなわち、後述するＨ₂Ｏ分離器２２の第３フィード流路の出口から排出されるオフガス）からＣＯ₂を分離すること
をいう。ＣＯ₂分離は単独で行っても良く、あるいはＨ₂Ｏ分離と共に行っても良い。

【0040】

第１ＣＯ₂分離器１４の構造は、オフガス（Ａ'_out）からＣＯ₂を分離可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
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２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。

【0041】

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吸収剤が充填された２つの独立した流路を備えたものでも良い（以下、「バッチ切り替え式」ともいう）。第１フィード流路にＣＯ₂を含むガスを流すと、ＣＯ₂吸収剤によりＣＯ₂が吸収される。一方、第１パージ流路にパージガスを流すと、ＣＯ₂吸収剤からＣＯ₂が放出される。所定時間経過後に、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。

【0042】

図１に示す例において、第１ＣＯ₂分離器１４は、バッチ切り替え式の分離器であって、第１フィード流路１４ａと、第１パージ流路１４ｂを備えている。第１フィード流路１４ａ及び第１パージ流路１４ｂには、ＣＯ₂吸収剤（図示せず）が充填されている。
第１フィード流路１４ａの入口は、第１ガス流路４２ｃ及びレドックス流路４４の出口に接続されている。第１フィード流路１４ａの出口は、流量比制御器３８ａの入口に接続されている。流量比制御器３８ａの２つの出口は、Ｈ₂Ｏ分離器２２の第３フィード流路（図示せず）の入口、及び、バイパス管３９を介してエジェクタ３４の吸引側に接続されている。バイパス管３９の出口は、第３フィード流路の出口に接続されている。流量比制御器３８ａは、Ｈ₂Ｏ分離器２２側／バイパス管３９側の流量比を調節するためのものである。第１フィード流路１４ａから排出されるオフガスは、高濃度の未反応燃料（Ｈ₂、ＣＯ）を含んでおり、還元ガスとして再利用される場合と、燃料として再利用される場合とがある。

【0043】

第１パージ流路１４ｂの入口は、Ｈ₂Ｏ分離器２２の第３パージ流路（図示せず）の出口に接続されている。第１パージ流路１４ｂの出口は、大気、及び第２開閉弁（Ｖ２）３８ｂを介してレドックス流路４４の入口に接続されている。第１パージ流路１４ｂから排出される分離ガスは、高濃度のＣＯ₂（及び、Ｈ₂Ｏ分離器２２から排出されるＨ₂Ｏ）を含んでおり、そのまま排気される場合と、酸化ガスとして再利用される場合とがある。

【0044】

［２．３． Ｈ₂Ｏ分離器］
Ｈ₂Ｏ分離器２２は、ＳＯＦＣスタック４０ａのオフガス（Ａ'_out）からＨ₂Ｏを分離するためのものである。本実施の形態においては、オフガス（Ａ'_out）からＣＯ₂及びＨ₂Ｏが分離される。
「オフガス（Ａ'_out）からＨ₂Ｏを分離する」とは、
（ａ）ＣＯ₂を分離する前のガスからＨ₂Ｏを分離すること、又は、
（ｂ）ＣＯ₂を分離した後のガスからＨ₂Ｏを分離すること
をいう。Ｈ₂Ｏ分離は単独で行っても良く、あるいはＣＯ₂分離と共に行っても良い。

【0045】

Ｈ₂Ｏ分離器２２は、オフガス（Ａ'_out）からＨ₂Ｏを分離可能な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。

【0046】

図１に示す例において、Ｈ₂Ｏ分離器２２は、第３フィード流路（図示せず）と、第３パージ流路（図示せず）とを備えている。第３フィード流路の入口は、流量比制御器３８ａの出口に接続されている。第３フィード流路の出口は、エジェクタ３４の吸引側、及び第３開閉弁（Ｖ３）３８ｃを介してレドックス流路４４の入口に接続されている。第３フィード流路から排出されるオフガスは、高濃度の未反応燃料（Ｈ₂、ＣＯ）を含んでおり、還元ガスとして再利用される場合と、燃料として再利用される場合とがある。

【0047】

Ｈ₂Ｏ分離器２２の第３パージ流路の出口は、第１ＣＯ₂分離器１４の第１パージ流路１４ｂの入口に接続されている。第３パージ流路から排出される分離ガス（Ｈ₂Ｏ）は、第１ＣＯ₂分離器１４においてＣＯ₂のパージガスとして用いられるだけでなく、酸化ガスとして再利用される場合がある。

【0048】

［２．４． 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第１ガス流路４２ｃに供給するためのものである。また、エジェクタ３４は、オフガス（Ａ'_out）から回収された未反応の燃料をＳＯＦＣスタック４０ａに戻す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、第１ガス流路４２ｃ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、Ｈ₂Ｏ分離器２２の第３フィード流路の出口、及び流量比制御器３８ａを介して第１ＣＯ₂分離器１４の第１フィード流路１４ａの出口に接続されている。燃料として炭化水素を用いる場合、炭化水素の水蒸気改質反応に必要なＨ₂Ｏは、バイパス管３９を流れ、不要なＨ₂Ｏは分離・除去される。

【0050】

燃料源（図示せず）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、又は第１ＣＯ₂分離器１４の第１フィード流路１４ａの出口をエジェクタ３４の吸引側に接続する。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又は第１ＣＯ₂分離器１４のオフガスが吸引される。

【0051】

［３． ＳＯＥＣスタック］
図２に、本発明の一実施の形態に係るＳＯＥＣスタック及びＳＯＥＣシステムの模式図を示す。図２において、ＳＯＥＣスタック４０ｂは、
Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂、及び／又はＨ₂Ｏ＋ＣＯ₂を原料として高温電解によりＨ₂、ＣＯ、及び／又は合成ガスを生成するＳＯＥＣセル４２ａと、
Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化され、Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元されるレドックス材が充填されたレドックス流路４４と
を備えている。

【0052】

ＳＯＥＣセル４２ｂは、ＭＥＡ４２ｂと、ＭＥＡ４２ｂの一方の面に形成された第１ガス流路（カソード流路）４２ｃと、ＭＥＡ４２ｂの他方の面に形成された第２ガス流路（アノード流路）４２ｄとを備えている。レドックス流路４４は、第１ガス流路４２ｃ及び／又は第２ガス流路４２ｄと熱的に接続されている。

【0053】

電解時において、第１ガス流路４２ｃには原料が供給され、第２ガス流路４２ｄから酸素を含むガスが排出される。ＳＯＥＣスタック４０ｂは、このようなＳＯＥＣセル４２ａが複数個積層され、かつ、電気的に直列に接続されたものからなる。ＳＯＥＣスタック４０ｂの両端には、電源が接続される。
ＳＯＥＣスタック４０ｂに関するその他の点については、上述したＳＯＦＣスタック４０ａと同様であるので、説明を省略する。

【0054】

第１ガス流路４２ｃに原料を供給し、電極間に電力を供給すると、カソードでは、原料の種類に応じて、それぞれ、次の式（４）〜式（６）の反応が起こる。その結果、第１ガス流路４２ｃから、Ｈ₂及び／又はＣＯを含むガスが排出される。
Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- → Ｈ₂＋Ｏ^2- ・・・（４）
ＣＯ₂＋２ｅ^- → ＣＯ＋Ｏ^2- ・・・（５）
ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋４ｅ- → ＣＯ＋Ｈ₂＋２Ｏ^2- ・・・（６）

【0055】

［４． ＳＯＥＣシステム］
図２において、ＳＯＥＣシステム１０ｂは、ＳＯＥＣスタック４０ｂと、還元手段と、酸化手段とを備えている。
還元手段は、レドックス流路４４に還元ガスを供給し、レドックス材を還元させるためのものである。本実施の形態において、還元手段は、還元ガスとして、第１ガス流路４２ｃ及び／又はレドックス流路４４のオフガス（以下、これらを総称して「オフガス（Ａ_out）」ともいう）に含まれるＨ₂及び／又はＣＯを供給するものからなる。

【0056】

酸化手段は、レドックス流路４４に酸化ガスを供給し、レドックス材を酸化させるためのものである。本実施の形態において、酸化手段は、酸化ガスとして、高温電解用の原料であるＨ₂Ｏを供給するものからなる。
還元手段及び酸化手段は、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。

【0057】

図２に示す例において、ＳＯＥＣシステム１０ｂは、ＳＯＥＣスタック４０ｂと、第１ＣＯ₂分離器１４と、Ｈ₂Ｏ分離器２２と、蒸発器１８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、還元手段及び酸化手段の一部を構成する。また、蒸発器１８は、高温電解用の原料であるＨ₂Ｏを供給するためのものであると同時に、酸化手段の一部を構成する。

【0058】

［４．１． ＳＯＥＣスタック］
ＳＯＥＣスタック４０ｂの詳細については、上述した通りであるので説明を省略する。

【0059】

［４．２． 第１ＣＯ₂分離器］
第１ＣＯ₂分離器１４は、ＳＯＥＣスタック４０ｂのオフガス（Ａ_out）からＣＯ₂を分離するためのものである。図１に示す例において、第１ＣＯ₂分離器１４は、バッチ切り替え式の分離器であって、第１フィード流路１４ａと、第１パージ流路１４ｂを備えている。第１フィード流路１４ａ及び第１パージ流路１４ｂには、ＣＯ₂吸収剤（図示せず）が充填されている。
第１フィード流路１４ａの入口は、第１ガス流路４２ｃ及びレドックス流路４４の出口に接続されている。第１フィード流路１４の出口は、Ｈ₂Ｏ分離器２２の第３フィード流路（図示せず）の入口に接続されている。第１フィード流路１４ａから排出されるオフガスは、高濃度の電解生成物（Ｈ₂、ＣＯ）を含んでおり、炭化水素の合成に用いられる場合と、還元ガスとして再利用される場合とがある。

【0060】

第１パージ流路１４ｂの入口は、蒸発器１８の出口に接続されている。第１パージ流路１４ｂの出口は、第１ガス流路４２ｃの入口に接続されている。本実施の形態において、第１パージ流路１４ｂから排出される分離ガスは、Ｈ₂Ｏ及びＣＯ₂を含んでおり、高温電解用の原料として利用される。
第１ＣＯ₂分離器１４に関するその他の点については、ＳＯＦＣシステム１０ａと同様であるので、説明を省略する。

【0061】

［４．３． Ｈ₂Ｏ分離器］
Ｈ₂Ｏ分離器２２は、ＳＯＥＣスタック４０ｂのオフガス（Ａ_out）からＨ₂Ｏを分離するためのものである。図２に示す例において、Ｈ₂Ｏ分離器２２は、第３フィード流路（図示せず）と第３パージ流路（図示せず）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１４ａの出口に接続されている。第３フィード流路の出口は、ＣＨ₄等の炭化水素を製造するための燃料製造器（図示せず）の入口、及び第４開閉バルブ（Ｖ４）３８ｄを介してレドックス流路４４の入口に接続されている。第３フィード流路から排出されるオフガスは、高濃度の電解生成物（Ｈ₂、ＣＯ）を含んでおり、還元ガスとして再利用される場合と、炭化水素を製造するための原料として利用される場合とがある。

【0062】

Ｈ₂Ｏ分離器２２の第３パージ流路の出口は、図示はしないが、大気に開放されている。本実施の形態において、Ｈ₂Ｏ分離器２２によりパージされたＨ₂Ｏは、再利用されることなく、そのまま系外に排出される。
Ｈ₂Ｏ分離器２２に関するその他の点については、ＳＯＦＣシステム１０ａと同様であるので、説明を省略する。

【0063】

［４．４． 蒸発器］
蒸発器１８は、ＳＯＥＣスタック４０ｂにＨ₂Ｏを供給するためのものである。すなわち、蒸発器１８は、高温電解用の原料であるＨ₂Ｏの供給源である。蒸発器１８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。
図２に示す例において、蒸発器１８の出口は、第１ＣＯ₂分離器１４の第１パージ流路１４ｂの入口、及び第５開閉弁（Ｖ５）３８ｅを介してレドックス流路４４の入口に接続されている。すなわち、本実施の形態において、蒸発器１８から供給されるＨ₂Ｏは、高温電解用の原料としてだけではなく、ＣＯ₂のパージガス及び酸化ガスとしても用いられる。

【0064】

［５． リバーシブルＳＯＣスタック］
本発明に係るリバーシブルＳＯＣ（Ｒ−ＳＯＣ）スタックは、
炭化水素、Ｈ₂、及び／又はＣＯを燃料として発電を行うＳＯＦＣモードと、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂、及び／又はＨ₂Ｏ＋ＣＯ₂を原料として高温電解によりＨ₂、ＣＯ、及び／又は合成ガスを生成するＳＯＥＣモードとを切替可能なリバーシブルＳＯＣ（Ｒ−ＳＯＣ）セルと、
Ｈ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を含む酸化ガスにより酸化され、Ｈ₂及び／又はＣＯを含む還元ガスにより還元されるレドックス材が充填されたレドックス流路と
を備えている。

【0065】

また、Ｒ−ＳＯＣセルは、
前記燃料又は前記原料が供給される第１ガス流路（ＳＯＦＣモード時はアノード流路、ＳＯＥＣモード時はカソード流路）と、
酸素の供給又は排出が行われる第２ガス流路（ＳＯＦＣモード時はカソード流路、ＳＯＥＣモード時はアノード流路）と
を備えている。
さらに、前記レドックス流路は、前記第１ガス流路及び／又は前記第２ガス流路と熱的に接続されている。

【0066】

Ｒ−ＳＯＣスタックは、用途が異なる（発電と電解をリバーシブルに行う）以外は、上述したＳＯＦＣスタック４０ａ及びＳＯＥＣスタック４０ｂと同一の構造を備えているので、説明を省略する。

【0067】

［６． リバーシブルＳＯＣシステム（１）］
［６．１． 構成］
図３に、本発明の第１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３において、リバーシブルＳＯＣ（Ｒ−ＳＯＣ）システム１０ｃは、リバーシブルＳＯＣ（Ｒ−ＳＯＣ）スタック４０ｃと、還元手段と、酸化手段とを備えている。
還元手段は、レドックス流路４４に還元ガスを供給し、レドックス材を還元させるためのものである。本実施の形態において、還元手段は、還元ガスとして、第１ガス流路４２ｃ及び／又はレドックス流路４４のオフガス（Ａ_out、Ａ'_out）に含まれるＨ₂及び／又はＣＯを供給するものからなる。

【0068】

酸化手段は、レドックス流路４４に酸化ガスを供給し、レドックス材を酸化させるためのものである。本実施の形態において、酸化手段は、
（ａ）Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＦＣモードにある時は、酸化ガスとして、オフガス（Ａ'_out）に含まれるＨ₂Ｏ及び／又はＣＯ₂を供給するものからなり、
（ｂ）Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣモードにある時は、酸化ガスとして、高温電解用の原料であるＨ₂Ｏを供給するものからなる。
還元手段及び酸化手段は、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。

【0069】

図３において、Ｒ−ＳＯＣシステム１０ｃは、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃと、第１ＣＯ₂分離器１４と、第２ＣＯ₂分離器１６と、蒸発器１８と、燃料製造器２０と、Ｈ₂Ｏ分離器２２と、貯蔵タンク２８と、第１調圧器３０と、第２調圧器３２と、エジェクタ３４とを備えている。これらの内、第１ＣＯ₂分離器１４及びＨ₂Ｏ分離器２２は、還元手段及び酸化手段の一部を構成する。また、蒸発器１８は、酸化手段の一部を構成する。

【0070】

なお、以下の説明では、便宜的に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣモードにある時に第１ガス流路（カソード流路）４２ｃを流れるガスを「Ａ」、ＳＯＦＣモードにある時に第１ガス流路（アノード流路）４２ｃ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。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。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。

【0071】

［６．１．１． リバーシブルＳＯＣ（Ｒ−ＳＯＣ）スタック］
Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃは、第１ガス流路４２ｃを備えたＲ−ＳＯＣセルと、レドックス流路４４とを備えている。第１ガス流路４２ｃの出口は、第１ＣＯ₂分離器１４の第１フィード流路の入口に接続されている。同様に、レドックス流路４４の出口は、第８開閉弁（Ｖ８）３６ｈを介して第１ＣＯ₂分離器１４の第１フィード流路の入口に接続されている。すなわち、第１ガス流路４２ｃ及びレドックス流路４４は、流路出口で合流している。
Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃに関するその他の点については、上述した通りであるので、説明を省略する。

【0072】

［６．１．２． 第１ＣＯ₂分離器］
第１ＣＯ₂分離器１４は、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃのオフガス（Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣモードにある時にはカソードオフガス（Ａ_out）、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＦＣモードにある時にはアノードオフガス（Ａ'_out））からＣＯ₂を分離するためのものである。

【0073】

第１ＣＯ₂分離器１４は、ＳＯＥＣモード時には、燃料製造器２０に供給される合成ガスの純度を上げるために用いられる。また、Ａ_outから未反応のＣＯ₂を回収し、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃに戻す「原料循環手段」の一部を構成する。
一方、第１ＣＯ₂分離器１４は、ＳＯＦＣモード時には、Ａ'_outからＣＯ₂を分離することにより、Ａ'_outから未反応の燃料（Ｈ₂、ＣＯ）を回収し、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃに戻す「燃料循環手段」の一部を構成する。
さらに、本実施の形態において、第１パージ流路から排出される分離ガス（Ｃ_1out）は、高濃度のＣＯ₂を含んでおり、レドックス材の酸化ガスとして再利用される場合がある。また、第１フィード流路から排出されるオフガス（Ｂ_1out）は、高濃度のＨ₂及び／又はＣＯを含んでおり、レドックス材の還元ガスとして再利用される場合がある。

【0074】

ここで、「原料循環手段」とは、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣモードにある時に、Ａ_outに含まれる未反応の原料（ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ）を回収し、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃに戻す手段をいう。
また、「燃料循環手段」とは、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＦＣモードにある時に、Ａ'_outに含まれる未反応の燃料（Ｈ₂、ＣＯ）を回収し、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃに戻す手段をいう。

【0075】

図３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、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃの第１ガス流路４２ｃの出口、及び、第８開閉弁（Ｖ８）３６ｈを介してレドックス流路４４の出口に接続されている。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。

【0076】

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、第７三方弁（Ｖ７）３６ｇ及び第５三方弁（Ｖ５）３６ｅを介して、レドックス流路４４の入口に接続されている。第７三方弁（Ｖ７）３６ｇの残りの出口は、大気に開放されている。
第１ＣＯ₂分離器１４のその他の点については、上述した通りであるので、説明を省略する。

【0077】

［６．１．３． 第２ＣＯ₂分離器］
第２ＣＯ₂分離器１６は、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣモードにある時に、ＣＯ₂源から供給されるガス（Ｂ_2in）からＣＯ₂を分離し、分離されたＣＯ₂を含む分離ガス（Ｃ_2out）をＲ−ＳＯＣスタック４０ｃに供給するためのものである。

【0078】

図３に示す例において、第２ＣＯ₂分離器１６は、第２フィード流路と、第２パージ流路とを備えている。第２フィード流路の入口は、外部のＣＯ₂源（例えば、自動車、ボイラー等）に接続され、第２フィード流路の出口は、大気に開放されている。第２ＣＯ₂分離器１６の第２パージ流路の入口は、第３三方弁（Ｖ３）３６ｃ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。第２パージ流路の出口は、第１三方弁（Ｖ１）３６ａを介してＲ−ＳＯＣスタック４０ｃの第１ガス流路４２ｃの入口に接続されている。

【0079】

なお、図３において、蒸発器１８→第１ＣＯ₂分離器１４→第２ＣＯ₂分離器１６の順に直列に接続されているが、蒸発器１８→第２ＣＯ₂分離器１６→第１ＣＯ₂分離器１４の順に直列に接続されていても良い。あるいは、蒸発器１８の出口を２つに分岐させ、第１ＣＯ₂分離器１４と第２ＣＯ₂分離器１６を並列に接続しても良い。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。

【0080】

［６．１．４． 蒸発器］
蒸発器１８は、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣモードにある時に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃにＨ₂Ｏを供給するためのものである。蒸発器１８の入口には、Ｈ₂Ｏ供給源（図示せず）に接続され、蒸発器１８の出口は、第１ＣＯ₂分離器１４の第１パージ流路の入口に接続されている。蒸発器１８に関するその他の点については、上述した通りであるので、説明を省略する。

【0081】

［６．１．５． 燃料製造器］
燃料製造器２０は、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣモードにある時に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃのカソードオフガス（Ａ_out）を用いて炭化水素を合成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。
燃料製造器２０の入口は、第２三方弁（Ｖ２）３６ｂ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、燃料製造器２０の出口は、第１調圧器３０に接続されている。

【0082】

［６．１．６． Ｈ₂Ｏ分離器］
Ｈ₂Ｏ分離器２２は、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃのオフガス（ＳＯＥＣモードにある時にはカソードオフガス（Ａ_out）、ＳＯＦＣモードにある時にはアノードオフガス（Ａ'_out））からＨ₂Ｏを分離するためのものである。

【0083】

Ｈ₂Ｏ分離器２２は、ＳＯＥＣモード時には、燃料製造器２０に供給される合成ガスの純度を上げるために用いられる。また、Ａ_outからＨ₂Ｏを回収し、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃに戻す「原料循環手段」の一部を構成する。
一方、Ｈ₂Ｏ分離器２２は、ＳＯＦＣモード時には、Ａ'_outからＨ₂Ｏを分離することにより、Ａ'_outから未反応の燃料（Ｈ₂、ＣＯ）を回収し、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃに戻す「燃料循環手段」の一部を構成する。

【0084】

さらに、本実施の形態において、第３パージ流路から排出される分離ガス（Ｅ_out）は、高濃度のＨ₂Ｏを含んでおり、レドックス材の酸化ガスとして再利用される場合がある。また、第３フィード流路から排出されるオフガス（Ｄ_out）は、高濃度のＨ₂及び／又はＣＯを含んでおり、レドックス材の還元ガスとして利用される場合がある。
なお、ＳＯＦＣモードの定常作動時に分離されたＨ₂Ｏは、通常、系外に排出される。但し、後述する分割制御手段を備えている場合には、待機中のスタックの酸化ガスとして用いることができる。

【0085】

図３に示す例において、Ｈ₂Ｏ分離器２２は、第３フィード流路と第３パージ流路とを備えている。第３フィード流路の入口は、第１ＣＯ₂分離器１４の第１フィード流路の出口に接続され、第３フィード流路の出口は、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、エジェクタ３４の吸引側、並びに、第６三方弁（Ｖ６）３６ｆ及び第５三方弁（Ｖ５）３６ｅを介して、レドックス流路４４の入口に接続されている。

【0086】

Ｈ₂Ｏ分離器２２の第３パージ流路の出口は、蒸発器１８の出口に接続されている。
なお、Ｈ₂Ｏ分離器２２は、図３に示す位置に代えて、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃと第１ＣＯ₂分離器１４の間に設置されていても良い。すなわち、Ｈ₂Ｏの分離は、ＣＯ₂の分離後に行っても良く、あるいは、ＣＯ₂の分離前に行っても良い。

【0087】

［６．１．７． 貯蔵タンク］
貯蔵タンク２８は、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣモードにある時に、燃料製造器２０から排出される炭化水素を貯蔵し、又はＲ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＦＣモードにある時に、炭化水素をＲ−ＳＯＣスタック４０ｃに供給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。

【0088】

［６．１．８． 第１調圧器、第２調圧器］
図３に示す例において、燃料製造器２０の出口と貯蔵タンク２８の入口との間には、第１調圧器３０が設けられている。貯蔵タンク２８の出口は、第４開閉弁（Ｖ４）３４ｄ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。第４開放弁（Ｖ４）３６と貯蔵タンク２８との間には、第２調圧器３２が設けられている。

【0089】

第１調圧器３０及び第２調圧器３２は、炭化水素を貯蔵・排出する際に、炭化水素の圧力を増減するためのものである。例えば、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃ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することができる。また、ＳＯＦＣモード時には、所定の圧力に昇圧した状態でガスを使用することができる。
逆に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃ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。

【0090】

［６．１．９． 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−ＳＯＣスタック４０ｃの第１ガス流路４２ｃ（アノード流路）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燃料をＲ−ＳＯＣスタック４０ｃに戻すためにも用いられる。

【0091】

図３に示す例において、エジェクタ３４の駆動側の入口は、貯蔵タンク２８の出口に接続されている。エジェクタ３４の駆動側の出口は、第１三方弁（Ｖ１）３６ａを介してＲ−ＳＯＣスタック４０ｃの第１ガス流路４２ｃ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２三方弁（Ｖ２）３６ｂ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。

【0092】

貯蔵タンク２８の出口をエジェクタ３４の駆動側に接続し、Ｈ₂Ｏ分離器２２のフィード流路の出口をエジェクタ３４の吸引側に接続する。この状態で、貯蔵タンク２８から供給される炭化水素を駆動側のノズルから高圧で噴出させると、ノズル周囲の負圧によりＨ₂Ｏ分離器２２のオフガス（Ｄ_out）が吸引される。

【0093】

［６．２． 使用方法］
［６．２．１． ＳＯＦＣ＋酸化モード］
図４に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＦＣ＋酸化モードにある時のガスの流れの模式図を示す。まず、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。

【0094】

また、
（ａ）第１三方弁（Ｖ１）３６ａをエジェクタ３４／Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃ側に切り替え、
（ｂ）第２三方弁（Ｖ２）３６ｂをＨ₂Ｏ分離器２２／エジェクタ３４側に切り替え、
（ｃ）第３三方弁（Ｖ３）３６ｃ、第５三方弁（Ｖ５）３６ｅ、及び第７三方弁（Ｖ７）３６ｇを第１ＣＯ₂分離器１４／レドックス流路４４側に切り替え、
（ｄ）第６三方弁（Ｖ６）３６ｆを中立状態（いずれの方向にもガスが流れない状態）とし、
（ｆ）第８開閉弁（Ｖ８）３６ｈを開とする。

【0095】

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、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃに供給される。その結果、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃ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（Ｄ_out）が排出される。Ｄ_outは、第２三方弁（Ｖ２）３６ｂを介してエジェクタ３４に吸引され、発電に再利用される。

【0096】

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（Ｅ_out）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（Ｃ_1out）が排出される。Ｃ_1outは、レドックス流路４４に供給され、レドックス材の酸化反応に再利用される。その結果、レドックス材が発熱し、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃの温度が上昇する。レドックス流路４４から排出されたオフガス（Ａ'_2out）は、アノードオフガス（Ａ'_1out）と合流し、第１ＣＯ₂分離器１４及びＨ₂Ｏ分離器２２で処理される。

【0097】

［６．２．２． 通常のＳＯＦＣモード］
図５に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃが通常のＳＯＦＣモードにある時のガスの流れの模式図を示す。Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃの暖機運転（図４の状態）が終了した後、定常運転に切り替える。具体的には、Ｖ１〜Ｖ９の内、
（ａ）第５三方弁（Ｖ５）３６ｅを中立状態に切り替え、
（ｂ）第７三方弁（Ｖ７）３６ｇを第１ＣＯ₂分離器１４／大気側に切り替え、
（ｃ）第８開閉弁（Ｖ８）３８ｈを閉とする。

【0098】

このようなバルブ操作により、通常のＳＯＦＣモードでの運転が可能となる。Ｈ₂Ｏ分離器２２から排出されたＨ₂Ｏは、第１ＣＯ₂分離器１４でＣＯ₂のパージガスとして用いられる。ＣＯ₂及びＨ₂Ｏを含む分離ガス（Ｃ_1out）は、第７三方弁（Ｖ７）３６ｇを介して大気に放出される。

【0099】

［６．２．３． ＳＯＦＣ＋還元モード］
図６に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＦＣ＋還元モードにある時のガスの流れの模式図を示す。Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃが定常運転（図５の状態）に入った後、適切な時期に還元モードに切り替える。具体的には、Ｖ１〜Ｖ９の内、
（ａ）第５三方弁（Ｖ５）３６ｅ、及び第６三方弁（Ｖ６）３６ｆをＨ₂Ｏ分離器２２／レドックス流路４４側に切り替え、
（ｂ）第８開閉弁（Ｖ８）３６ｈを再び開とする。

【0100】

このようなバルブ操作により、Ｄ_outの一部がレドックス流路４４に分配される。Ｄ_outがレドックス流路４４に供給されると、Ｄ_out及びＲ−ＳＯＣスタック４０ｃの排熱により、レドックス材が還元される。レドックス材の還元が終了した後、通常のＳＯＦＣモード（図５の状態）に戻る。

【0101】

［６．２．４． ＳＯＥＣ＋酸化モード］
図７に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣ＋酸化モードにある時のガスの流れの模式図を示す。

【0102】

まず、
（ａ）第１三方弁（Ｖ１）３６ａを第２ＣＯ₂分離器１６／Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃ側に切り替え、
（ｂ）第２三方弁（Ｖ２）３６ｂをＨ₂Ｏ分離器２２／燃料製造器２０側に切り替え、
（ｃ）第３三方弁（Ｖ３）３６ｃを第１ＣＯ₂分離器１４／第２ＣＯ₂分離器１６側に切り替え、
（ｄ）第４開閉弁（Ｖ４）３６ｄを閉とし、
（ｅ）第５三方弁（Ｖ５）３６ｅ、及び第６三方弁（Ｖ６）３６ｆを蒸発器１８／レドックス流路４４側に切り替え、
（ｆ）第７三方弁（Ｖ７）３６ｇを中立状態とし、
（ｆ）第８開閉弁（Ｖ８）３６ｈを開とする。

【0103】

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（Ｂ_2in）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（Ｃ_2out）が排出される。Ｃ_2outを原料ガス（Ａ_in）としてＲ−ＳＯＣスタック４０ｃの第１ガス流路４２ｃに供給すると同時に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃ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４２ｃの出口から、Ｈ₂及びＣＯを含むオフガス（Ａ_out）が排出される。

【0104】

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（Ｄ_out）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（Ｅ_out）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。

【0105】

一方、蒸発器１８に供給される水量は電解反応用＋レドックス反応用とし、蒸発器１８から供給されるＨ₂Ｏの一部は、第６三方弁（Ｖ６）３６ｆ、及び第５三方弁（Ｖ５）３６ｅを介して、レドックス流路４４に供給される。レドックス流路４４にＨ₂Ｏが供給されると、レドックス材の酸化反応が進行する。その結果、レドックス材が発熱し、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃの温度が上昇する。レドックス流路４４から排出されたオフガス（Ａ_2out）は、カソードオフガス（Ａ_1out）と合流し、第１ＣＯ₂分離器１４及びＨ₂Ｏ分離器２２で処理される。レドックス反応が完了した時は、第６三方弁（Ｖ６）３６ｆを中立状態とする。

【0106】

［６．２．５． 通常のＳＯＥＣモード］
図８に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃが通常のＳＯＥＣモードにある時のガスの流れの模式図を示す。Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃの暖機運転（図７の状態）が終了した後、定常運転に切り替える。具体的には、Ｖ１〜Ｖ９の内、
（ａ）第５三方弁（Ｖ５）３６ｅ、及び第６三方弁（Ｖ６）３６ｆを中立状態に切り替え、
（ｂ）第８開閉弁（Ｖ８）３６ｈを閉とする。

【0107】

このようなバルブ操作により、通常のＳＯＥＣモードでの運転が可能となる。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、いずれも高温電解用の原料として再利用される。

【0108】

［６．２．６． ＳＯＥＣ＋還元モード］
図９に、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃがＳＯＥＣ＋還元モードにある時のガスの流れの模式図を示す。Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃが定常運転（図８の状態）に入った後、適切な時期に還元モードに切り替える。具体的には、Ｖ１〜Ｖ９の内、
（ａ）第２三方弁（Ｖ２）３６ｂ、第５三方弁（Ｖ５）３６ｅ、及び第６三方弁（Ｖ６）３６ｆを、Ｈ₂Ｏ分離器２２／レドックス流路４４側に切り替え、
（ｂ）第８開閉弁（Ｖ８）３６ｈを再び開とする。

【0109】

このようなバルブ操作により、高濃度のＨ₂及びＣＯを含むＤ_outがレドックス流路４４に供給される。Ｄ_outがレドックス流路４４に供給されると、Ｄ_out及びリバーシブルＳＯＣスタック４０ｃの排熱により、レドックス材が還元される。レドックス材の還元中は、燃料製造器２０へのガス供給を停止させ、レドックス材の還元が終了した後、通常のＳＯＥＣモード（図８の状態）に戻る。

【0110】

［７． リバーシブルＳＯＣシステム（２）］
本発明の第２の実施の形態に係るリバーシブルＳＯＣ（Ｒ−ＳＯＣ）システムは、第１の実施の形態に係るＲ−ＳＯＣシステムの構成に加えて、
複数個の前記Ｒ−ＳＯＣスタックと、
前記Ｒ−ＳＯＣスタックの動作を制御する制御手段と
をさらに備えている。
さらに、制御手段は、電力供給／需要出力に応じて、作動させる前記Ｒ−ＳＯＣスタックの数を制御することで、出力比を制御する分割制御手段を備えている。

【0111】

ここで、「分割制御手段」とは、
要求出力に応じて、待機中の前記Ｒ−ＳＯＣスタックに対し、発電／電解の要求と同時に前記レドックス材を酸化させ、前記Ｒ−ＳＯＣスタックを加熱する暖機手段と、
発電・電解作動中において、前記Ｒ−ＳＯＣスタックの内部発熱を用いて前記レドックス材を還元する還元手段と
を備えているものをいう。

【0112】

［７．１． 構成］
図１０に、分割制御手段を備えたＲ−ＳＯＣシステムの模式図を示す。図１０において、Ｒ−ＳＯＣシステム１０ｄは、合計５個のＲ−ＳＯＣスタック４０ｃ（１）〜４０ｃ（５）と、制御手段（図示せず）とを備えている。なお、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃの個数は、５個に限定されるものではなく、目的に応じて最適な個数を選択することができる。
各Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃ（１）〜４０ｃ（５）は、それぞれ、第１ガス流路を備えたＲ−ＳＯＣセル（ＳＯＣ１〜ＳＯＣ５）と、レドックス流路（Ｒｅｄｏｘ１〜Ｒｅｄｏｘ５）とを備えている。

【0113】

ＳＯＣ１〜ＳＯＣ５の第１ガス流路の入口は、それぞれ、バルブＶ１１〜Ｖ５１を介して、ガス供給源に接続されている。例えば、ＳＯＦＣ作動の場合、ガス供給源から燃料ガス（例えば、ＣＨ₄＋Ｈ₂Ｏの混合ガス）が供給される。一方、ＳＯＥＣ作動の場合、ガス供給源から原料ガス（例えば、Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂の混合ガス）が供給される。

【0114】

一方、Ｒｅｄｏｘ１〜Ｒｅｄｏｘ５の入口は、それぞれ、バルブＶ１２〜Ｖ５２を介して、酸化・還元ガス供給源に接続されている。例えば、レドックス材を酸化させる場合、酸化・還元ガス供給源から酸化ガス（例えば、ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ）が供給される。一方、レドックス材を還元させる場合、酸化・還元ガス供給源から還元ガス（例えば、Ｈ₂＋ＣＯ）が供給される。
Ｒｅｄｏｘ１〜Ｒｅｄｏｘ５の出口は、それぞれ、バルブＶ１３〜Ｖ５３を介して、ＳＯＣ１〜ＳＯＣ５の第１ガス流路の出口と合流している。Ｒｅｄｏｘ１〜５のオフガスには、酸化ガス及び還元ガスが含まれているので、ＳＯＣ１〜ＳＯＣ５のオフガスと共に、これらをレドックス材の酸化及び還元に再利用することができる。

【0115】

［７．２． 使用方法］
例えば、要求出力が小さく、１個のＲ−ＳＯＣスタック４０ｃ（１）のみで要求出力を賄える場合、Ｖ１１を開とし、ＳＯＣ１による発電／電解を開始する。これと同時に、Ｖ１２及びＶ１３を開とし、Ｒｅｄｏｘ１に酸化ガスを供給し、ＳＯＣ１の暖機を行う。ＳＯＣ１の温度が上昇した後、適切な時にＲｅｄｏｘ１に還元ガスを供給し、レドックス材の還元を行う。これにより、ＳＯＣ１からの排熱を蓄熱することができる。

【0116】

要求出力が増加し、１個のＲ−ＳＯＣスタック４０ｃ（１）のみで要求出力を賄えなくなった場合には、さらに、ＳＯＣ２〜ＳＯＣ５の全部又は一部の起動、暖機、及びレドックス材の還元を行う。この時、Ｒ−ＳＯＣスタック４０ｃ（１）のオフガスを用いて、他のスタックの暖機や還元を行うことができる。一方、要求出力が減少した時には、要求出力に応じて、ＳＯＣ１〜ＳＯＣ５の全部又は一部を待機状態に戻す。

【0117】

［７．３． 分割制御時のスタックの状態変化］
図１１に、オフガス合流がないスタックを分割制御した時のスタックの状態変化の模式図を示す。ＳＯＥＣ作動時において、あるスタックが待機状態にある時には、レドックス材は還元状態にある。この状態から、制御手段が要求出力の増大を検出すると、待機状態にあるスタックの第１ガス流路（カソード流路）に原料ガス（例えば、Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂）が供給され、電解が行われる。その結果、第１ガス流路から反応生成物（例えば、Ｈ₂＋ＣＯ）が排出される。なお、オフガスには通常、未反応原料（又は、未反応燃料）が含まれるが、図１１においては、これを省略している。後述する図１２も同様である。

【0118】

これと同時にレドックス流路に酸化ガス（例えば、Ｈ₂Ｏ）を供給し、レドックス材の酸化を行う。その結果、レドックス材が発熱し、スタックが暖機される。また、レドックス流路から反応生成物（例えば、Ｈ₂）が排出される。
暖機が終了した後、レドックス流路への酸化ガスの供給を止め、第１ガス流路にのみ原料を供給する。スタックの温度が所定の温度に到達した後、適切な時にレドックス流路に還元ガス（例えば、Ｈ₂＋ＣＯ）を供給し、レドックス材の還元を行う。その結果、レドックス流路から反応生成物（例えば、Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂）が排出される。

【0119】

レドックス材の還元が終了した後、要求出力が低下した時には、第１ガス流路への原料ガスの供給を停止させ、待機状態に戻る。
以下、要求出力に応じて、各スタックは、待機→暖機（酸化）→作動→作動（還元）のサイクルを繰り返す。いずれの段階においても、少なくとも第１ガス流路のオフガスは、ＣＯ₂分離器及び／又はＨ₂Ｏ分離器で処理される。分離されたＣＯ₂及び／又はＨ₂Ｏは、高温電解用のの原料として、あるいは、酸化ガスとして利用される。一方、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏを除去した後のオフガスは、可燃成分を含んでいるので、炭化水素合成用の原料として、あるいは、還元ガスとして利用される。

【0120】

ＳＯＦＣ作動の場合も同様であり、要求出力に応じて、各スタックは、待機→暖機（酸化）→作動→作動（還元）のサイクルを繰り返す。また、少なくとも第１ガス流路（アノード流路）のオフガスは、ＣＯ₂分離器及び／又はＨ₂Ｏ分離器で処理される。ＣＯ₂及びＨ₂Ｏを除去した後のオフガスは、発電用燃料として、あるいは、還元ガスとして利用される。一方、分離されたＣＯ₂及びＨ₂Ｏは、酸化ガスとして利用される。

【0121】

図１２に、オフガス合流があるスタックを分割制御した時のスタックの状態変化の模式図を示す。オフガス合流がある場合も同様であり、要求出力に応じて、各スタックは、待機→暖機（酸化）→作動→作動（還元）のサイクルを繰り返す。オフガス合流がある場合、第１ガス流路からのオフガスだけでなく、レドックス流路からのオフガスもＣＯ₂分離器及び／又はＨ₂Ｏ分離器で同時に処理される。また、処理後のガスは、高温電解用の原料、発電用燃料、酸化ガス、還元ガスなどに利用される。

【0122】

［７．４． 出力比制御］
図１３に、スタック分割制御による出力比制御の一例を示す。図１３中の折れ線は、要求出力を表す。図１３に示すように、要求出力（電力需要／電力供給）は、通常、一定ではなく、時間と共に変動する。スタックの分割制御（作動させるスタックの個数の制御）を行うと、このような不安定な電力需要／電力供給に対応するように、システムの出力比を制御することができる。しかし、スタックの分割制御を行うと、要求出力に応じて、待機状態にあるスタックが発生する。待機状態にあるスタックは、放熱により温度が低下しているため、再起動直後の効率は低い。

【0123】

これに対し、作動中のスタックのオフガスから高温の酸化ガスを分離し、これを待機状態にあるスタックのレドックス流路に供給すると、待機状態にあるスタックの昇温時間（再起動から定常作動に至るまでの時間）を短縮することができる。また、連続的にオフガス、生成ガス、及び循環ガスの量が増幅されるため、分割されたスタックを逐次昇温させることができる。そのため、電力需要／電力供給が不安定であっても、発電出力／電解出力の連続性を確保することができる。
このような分割制御手段を備えたシステムは、電力供給量が不安定な電力源（例えば、再生可能エネルギー、分散型電源など）からの電力を化学エネルギーとして貯蔵し、貯蔵された化学エネルギーを電力に変換し、需要電力量が時間的に変動する電力消費源に供給するためのシステムとして好適である。

【0124】

［８． 作用］
［８．１． レドックス材を用いた加熱、冷却、及び蓄熱］
ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣスタックは、発電温度が高いため（５５０℃〜７５０℃）、小型・高効率な発電／電解が可能となる。また、連続的な発電／電解作動では、高効率を維持することが可能である。しかし、休止や待機を伴う間欠的な運転や、ＳＯＥＣ／ＳＯＦＣリバーシブル運転では、セルスタックが発電／電解を停止し、外部配管等への放熱により温度が低下する。セルスタックの発電／電解再開時では、休止・待機期間中のセルスタックの温度低下により活性化損失及びオーム損失が増大し、発電電圧の低下／電解電圧の増加が発生する。その結果、発電／電解効率が低下する。効率回復のためには、外部からの加熱又は内部発熱（セルスタックのオーミック発熱等）により、セルスタックの内部温度を上昇させることが必要不可欠となる。

【0125】

一方、ある種のレドックス材は、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等の酸化ガスにより酸化され、ＣＯ、Ｈ₂等の還元ガスにより還元される。しかも、レドックス材の酸化反応は発熱反応であり、還元反応は吸熱反応である。
そのため、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣスタックとレドックス流路とを熱的に接続し、レドックス流路に酸化ガスを流すと、レドックス材が酸化反応によって発熱する。その結果、外部熱源を用いることなくセルスタックを加熱することができる。また、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣスタックが定常作動温度に達した後、レドックス流路に還元ガスを流すと、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣスタックの内部発熱を用いてレドックス材を還元すること（換言すれば、内部発熱をレドックス材の還元体として蓄熱すること）ができる。あるいは、クロスリーク等によるスタック内部温度が異常昇温した時には、レドックス材を還元させることにより、スタックを急冷することもできる。

【0126】

［８．２． 流路出口の合流］
酸化反応時のレドックス流路のオフガスには、未反応の酸化ガス（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂）と、反応生成物（Ｈ₂、ＣＯ）が含まれる。一方、還元反応時のレドックス流路のオフガスには、未反応の還元ガス（Ｈ₂、ＣＯ）と、反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂）が含まれる。そのため、ＳＯＦＣのアノード流路とレドックス流路とを流路出口で合流させると、レドックス流路のオフガスに含まれる可燃成分（Ｈ₂、ＣＯ）を、ＳＯＦＣ用の燃料、あるいは、燃焼用燃料として再利用することができる。

【0127】

また、流路出口を合流させることにより、レドックス流路のオフガスに含まれるＨ₂Ｏ及びＣＯ₂をレドックス材の酸化ガスとして再利用すること（すなわち、休止期間中にあるスタックの昇温用熱源として再利用すること）もできる。さらに、再起動直後〜定常作動時間における温度低下による発熱損失の増大（活性化損失、オーム損失の増大）を、アノードオフガス循環中の可燃成分濃度の増大によりリカバーすることができる。その結果、低温再起動時における出力低下の抑制が可能となる。

【0128】

同様に、ＳＯＥＣのカソード流路とレドックス流路とを流路出口で合流させると、レドックス流路のオフガスに含まれる可燃成分（Ｈ₂、ＣＯ）を、ＣＨ₄等の炭化水素合成用の燃料、あるいは、燃焼用燃料として再利用することができる。
また、流路出口を合流させることにより、レドックス流路のオフガスに含まれるＨ₂Ｏ及びＣＯ₂をレドックス材の酸化ガスとして再利用すること（すなわち、休止期間中にあるスタックの昇温用熱源として再利用すること）もできる。さらに、再起動直後〜定常作動時間における温度低下による電解電圧の増大（活性化損失、オーム損失の増大）を抑制することができる。その結果、合成ガスの製造効率の低下を抑制することができる。

【0129】

［８．３． Ｈ₂Ｏ分離器及び第１ＣＯ₂分離器を用いたオフガス循環］
Ｈ₂Ｏ分離器及び第１ＣＯ₂分離器を用いると、ＳＯＦＣのアノードオフガスから、電極反応により生成したＨ₂Ｏ及びＣＯ₂を除去することができる。残りの混合ガスには、可燃成分（Ｈ₂、ＣＯ）が含まれている。そのため、これを用いてレドックス材を還元することができる。また、ＳＯＦＣ定常作動期間中に、混合ガスを用いたレドックス材の還元を並行して行うことができる。
さらに、第１ＣＯ₂分離器のＣＯ₂放出反応では、Ｈ₂Ｏ分離器から排出されるＨ₂ＯによるＣＯ₂パージが行われる。Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂パージオフガスは、レドックス流路に供給される酸化剤として用いることができる。また、ＳＯＦＣ再起動〜定常作動期間中において、レドック材の酸化を並行して行うことができる。

【0130】

同様に、ＳＯＥＣのカソードオフガスには、電解反応により生成した合成ガス（Ｈ₂＋ＣＯ）が含まれている。そのため、これを用いてレドックス材を還元することができる。また、ＳＯＥＣ定常作動期間中に、合成ガスを用いたレドックス材の還元を並行して行うことができる。
また、ＳＯＥＣ電解用の原料であるＨ₂Ｏ、又はカソードオフガスから分離されたＨ₂Ｏは、レドックス流路に供給される酸化剤として用いることができる。そのため、ＳＯＥＣ再起動〜定常作動期間中において、レドックス材の酸化を並行して行うことができる。

【0131】

［８．４． リバーシブル作動］
ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣをリバーシブルで作動させるＲ−ＳＯＣシステムでは、ＳＯＦＣ作動時のアノードオフガス又はＳＯＥＣ作動時のカソードオフガス（合成ガス）に含まれる可燃成分（Ｈ₂、ＣＯ）をレドックス材の還元ガスとして利用することができる。また、可燃成分を用いて、システムの定常作動期間中に、レドックス材の還元を並行して行うことができる。すなわち、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣの排熱をレドックス材の還元体として蓄熱することができる。これにより、休止期間中に内部温度が低下したＲ−ＳＯＣスタックをレドックス材の酸化反応（発熱）により速やかに昇温することができる。
また、オフガスを第１ＣＯ₂分離器及びＨ₂Ｏ分離器で処理することにより得られるパージガス（Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂混合ガス）、あるいは、電解用のＨ₂Ｏを酸化剤として利用することにより、システムの再起動〜定常作動期間中にレドックス材の酸化を並行して行うことができる。

【0132】

［８．５． 熱収支］
図１４に、ＳＯＥＣの排熱回収による化学エネルギーの増幅原理の模式図を示す。ＳＯＦＣ作動では、発電に伴う損失（濃度分極＋活性化分極＋オーム損失）により熱が発生する。定常作動中ではＳＯＦＣの内部熱収支を成立させるために、カソード空気を多く導入し、ＳＯＦＣの内部発熱とカソードオフガスにより持ち出されるガス顕熱とをバランスさせている。そのため、投入された発電用燃料（ＣＨ₄等）は、発電の他に排熱として系外に放出されてしまい、発電効率が低い。

【0133】

一方、ＳＯＥＣでは、電解に伴う損失（濃度分極＋活性化分極＋オーム損失）による発熱と、電解反応を維持するために必要な不可逆エネルギー（ＴΔＳ、Ｔ[Ｋ]：作動温度、ΔＳ[ｋＪ／ｍｏｌ]：エントロピー変化量）による吸熱とがバランスする点（サーモニュートラル）において電解作動させるのが好ましい。サーモニュートラル状態での電解作動は、セル面内で均一な電解が進行するため、効率・耐久性確保の点で有効である。

【0134】

ＳＯＦＣモードにおいて、レドックス流路へ還元ガスを供給すると、レドックス材の還元反応（吸熱反応）が進行する。その結果、ＳＯＦＣ発電に伴い発生する熱をレドックス材に蓄熱することができる。一方、ＳＯＥＣモードにおいて、レドックス流路に酸化ガスを供給すると、レドックス材の酸化反応（発熱反応）が進行する。その結果、酸化熱をＳＯＥＣの電解反応に必要な不可逆エネルギーＴΔＳとして利用することができる。また、これによって、比較的短いサイクルでリバーシブル作動を行うＲ−ＳＯＣスタックの熱サイクル利用を促進することができる。

【0135】

さらに、ＳＯＦＣモードでは、発電に伴い発生する熱をレドックス材の還元反応（吸熱）により除去することができる。そのため、カソード空気量を低減することができ、オフガスからの持ち出し顕熱量の増大を抑制することができる。
また、ＳＯＥＣモードでは、電解反応に必要な熱エネルギーをレドックス材の酸化反応（発熱）により供給することができる。そのため、より少ない分極ロスによる発熱であってもレドックス材の酸化発熱により補完されて、サーモニュートラル状態（不可逆エネルギーＴΔＳ＝レドックス材の酸化発熱＋電解に伴う損失発熱）を維持することができる。これにより、電解に伴い発生する損失分を低減（構成部材の薄膜化によるオーム損失の抑制、触媒反応活性化による損失の抑制等）することが可能となる。

【0136】

すなわち、レドックス材の還元／酸化反応と、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣリバーシブル作動とを連動させることで、各作動モードにおける効率を向上させ、Ｒ−ＳＯＣによる高い電力貯蔵効率を確保することが可能となる。

【0137】

［８．６． スタックの分割制御］
レドックス材の酸化／還元反応による化学蓄熱では、潜熱材あるいは顕熱材を蓄熱材とした場合と比較して、長期・安定した熱の貯蔵が可能である。そのため、Ｒ−ＳＯＣスタックを分割制御するシステムにおいて、ＳＯＦＣモード及びＳＯＥＣモードのいずれにおいても、システム内の生成ガス、オフガス、及び循環ガスを用いて、レドックス材の酸化及び還元が可能となる。これにより、システム内の生成ガス、オフガス、及び循環ガスの量を連続的に増幅させながら、分割制御されたスタックを逐次昇温することができる。

【実施例】

【0138】

（実施例１）
［１． 試験方法］
図１に示すＳＯＦＣシステム１０ａ、及び図２に示すＳＯＥＣシステム１０ｂについて、システム効率をシミュレーションにより求めた。ＳＯＦＣのアノード、カソード、及び電解質膜の材料には、それぞれ、Ｎｉ−ＹＳＺ、ＬａＳｒＭｎＯ₃、及びＹＳＺを選択した。また、各材料の厚み及び抵抗率については、表１に記載の値を用いた。

【0139】

【表1】

【0140】

ＳＯＦＣの発電電圧Ｖ及び発電電力Ｗは、それぞれ、以下の式（１）及び式（２）から求めた。また、ＳＯＥＣの電解電圧Ｖ及び必要電力Ｗは、それぞれ、以下の式（３）及び式（４）から求めた。
発電電圧Ｖ＝Ｖ_th−Ｖ_act−Ｖ_ohn ・・・（１）
発電電力Ｗ＝Ｖ・Ｊ_e ・・・（２）
電解電圧Ｖ＝Ｖ_th＋Ｖ_act＋Ｖ_ohn ・・・（３）
必要電力Ｗ＝Ｖ・Ｊ_e ・・・（４）

【0141】

式（１）及び式（３）中、Ｖ_thは、濃度分極による必要電解電圧の増大（Nerunst式）を表す。Ｖ_actは、活性化分極による必要電解電圧の増大を表す。Ｖ_ohmは、抵抗分極による必要電解電圧の増大（参考文献１）を表す。Ｖ_th、Ｖ_act、及びＶ_ohmは、それぞれ、以下の式（５）〜式（７）で表される。また、式（２）、式（４）中、Ｊ_eは、電流密度である。
［参考文献１］ Jack Winnick et al., J.Electochem.Soc, Vol.142(11)1995

【0142】

【数1】

【0143】

さらに、レドックス材には、Ｆｅ／ＦｅＯ系の多孔質体を用いた。ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣスタックとレドックス材の熱収支の計算には、以下のエンタルピー変化ΔＨを用いた。

【0144】

【数2】

【0145】

［２． 結果］
［２．１． ＳＯＦＣ発電／ＳＯＥＣ電解電圧の影響］
図１５（Ａ）に、ＳＯＦＣ作動温度と電圧との関係を示す。図１５（Ｂ）に、ＳＯＥＣ作動温度と必要電解電圧との関係を示す。なお、図１５（Ａ）において、電流密度は０．５Ａ／ｃｍ²とした。また、図１５（Ｂ）において、燃料利用率は０．５５とし、電流密度は０．８Ａ／ｃｍ²とし、製造ガス化学エネルギーは５０ｋＷとした。図１５より、以下のことがわかる。

【0146】

（１）ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣの作動温度が低下すると、発電電圧は低下し、電解電圧は増大する。これは、低温域では、活性化ロス、及びオーム損失が増大するためである。
（２）ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣシステムの効率を向上させるためには、スタック休止期間中における温度低下の抑制（断熱）、及び、再起動後の短時間昇温が必要である。

【0147】

［２．２． Ｒ−ＳＯＣ／レドックス反応の熱収支］
図１６（Ａ）に、ＦｅＯ充填高さと昇温幅及びリバーシブルＳＯＣ体格との関係を示す。図１６（Ｂ）に、流路へのＦｅＯ充填率と昇温幅及びリバーシブルＳＯＣ体格との関係を示す。なお、図１６（Ａ）において、充填率は８０％とした。また、図１６（Ｂ）において、充填高さは１４ｍｍとした。図１６より、以下のことがわかる。

【0148】

（１）レドックス材の充填高さが高くなるほど、昇温幅は増大する。しかし、充填高さが高くなるほど、Ｒ−ＳＯＣの体格が大きくなる。Ｒ−ＳＯＣの体格を９０Ｌ以下とするためには、充填高さを１４ｍｍ以下とするのが好ましい。
（２）レドックス材の充填率が大きくなるほど、昇温幅は大きくなる。２００℃以上の昇温幅を得るためには、充填率は、０．６以上が好ましい。

【0149】

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】

【0150】

本発明に係るＳＯＦＣ／ＳＯＥＣ／リバーシブルＳＯＣスタック、及び、ＳＯＦＣ／ＳＯＥＣ／リバーシブルＳＯＣ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】

【0151】

１０ａ ＳＯＦＣシステム
１０ｂ ＳＯＥＣシステム
１０ｃ、１０ｄ リバーシブルＳＯＣシステム
１４ 第１ＣＯ₂分離器
１６ 第２ＣＯ₂分離器
１８ 蒸発器
２０ 燃料製造器
２２ Ｈ₂Ｏ分離器
２８ 貯蔵タンク
４０ａ ＳＯＦＣスタック
４０ｂ ＳＯＥＣスタック
４０ｃ リバーシブルＳＯＣスタック

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】