特許 6881008 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

(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】6881008

(24)【登録日】2021年5月10日

(45)【発行日】2021年6月2日

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20210524BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20210524BHJP

   H01M 8/0668 20160101ALI20210524BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20210524BHJP

   H01M 8/18 20060101ALI20210524BHJP

   C25B 15/08 20060101ALN20210524BHJP

   C25B 1/04 20210101ALN20210524BHJP

   C25B 15/02 20210101ALN20210524BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04858

   H01M8/12

   H01M8/0668

   H01M8/04 J

   H01M8/04 Z

   H01M8/18

   !C25B15/08 302

   !C25B1/10

   !C25B15/02 302

【請求項の数】13

【全頁数】40

(21)【出願番号】特願2017-94000(P2017-94000)

(22)【出願日】2017年5月10日

(65)【公開番号】特開2018-190651(P2018-190651A)

(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】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−００４２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９１３１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０２２１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１６−５１１２９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５１３６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０１９４５３９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４９５

(57)【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'Ｕ_f,SETに基づいて、前記炭化水素の初期の流量Ｖ_CH4,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Ｖ_CH4,SETに基づいて、水流量Ｖ_H2O,SUPを算出し、前記メモリに記憶させる手順ｃ。
（ｄ）前記Ｖ_CH4,SET、前記Ｉ、及び前記Ｖ_H2O,SUPの条件下で発電を行い、
前記改質器の温度Ｔ_ref、
前記改質器の圧力Ｐ_ref、
前記第１ＣＯ₂分離器の第１パージ流路を流れるＣＯ₂の流量Ｖ_CO2,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Ｖ_H2O,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Ｖ_RCY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Ｖ_i,IN、並びに、前記第１ＣＯ₂分離器のＣＯ₂分離率η_CO2,SEP1、及び前記第Ｈ₂Ｏ分離器のＨ₂Ｏ分離率η_H20,SEPを前記メモリに記憶させておき、
検出された前記Ｔ_ref、前記Ｐ_ref、前記Ｖ_CO2,SEP1、前記Ｖ_H2O,SEP、及び前記Ｖ_RCY、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】

（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】

（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Ｖ_CH4,SETを増減させ、新たに設定された前記Ｖ_CH4,SETを用いて前記手順ｃ〜ｇを繰り返す手順ｈ。

【数3】

（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Ｔ_CO2,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Ｐ_CO2,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Ｔ_CO2,SEP1、前記Ｐ_C02.SEP1、及び、前記η_CO2,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Ｔ_CO2.SEP1、及び前記Ｐ_CO2.SEP1を検出し、検出された前記Ｔ_CO2,SEP1、及び前記Ｐ_CO2.SEP1に対応する前記η_CO2,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ΔＰ_H2O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ΔＰ_H2O、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η_H2O,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ΔＰ_H2Oを検出し、検出された前記ΔＰ_H2O、前記Ｕ'_f,SET、及び前記Ｈ₂Ｏ／ＣＯ₂比に対応する前記η_H2O,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Ｕ_f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Ｕ_f,SETに基づいて、前記Ｈ₂Ｏの初期の流量Ｖ_H2O,SET、前記ＣＯ₂の初期の流量Ｖ_CO2,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Ｖ_H2O,SET、前記Ｖ_CO2,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Ｖ_CO2,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Ｖ_H2O,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Ｖ_CO2,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η_CO2,SEP1、及び前記第Ｈ₂Ｏ分離器のＨ₂Ｏ分離率η_H20,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η_CO2,SEP2を前記メモリに記憶させておき、
検出された前記Ｖ_CO2,SEP1、及び前記Ｖ_H2O,SEP、又は、これらに加えてさらに前記Ｖ_CO2,SEP2、並びに、以下の式（６）を用いて、燃料利用率の推定値Ｕ_f,calを算出する手順Ｄ。

【数4】

（Ｅ）前記Ｕ_f,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】

（Ｆ）前記Ｕ_f,calが前記式（７）を満たす時は、電解電力Ｗ_measを測定し、前記Ｗ_measを前記メモリに記憶させる手順Ｆ。
（Ｇ）前記Ｗ_measが以下の式（８）を満たさない時は、前記Ｖ_H2O,SET、及び前記Ｖ_CO2,SETを増減させ、新たに設定された前記Ｖ_H2O,SET、及び前記Ｖ_CO2,SETを用いて前記手順Ｃ〜Ｆを繰り返す手順Ｇ。

【数6】

（Ｈ）前記Ｗ_meas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〜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Ｔ_CO2,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Ｐ_CO2,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Ｔ_CO2,SEP1、前記Ｐ_C02.SEP1、及び、前記η_CO2,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Ｔ_CO2.SEP1、及び前記Ｐ_CO2.SEP1を検出し、検出された前記Ｔ_CO2,SEP1、及び前記Ｐ_CO2,SEP1に対応する前記η_CO2,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Ｔ_CO2,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Ｐ_CO2,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Ｖ_CO2,SEP2の検出に代えて、又は、これに加えて、
予め、前記Ｔ_CO2,SEP2、前記Ｐ_C02,SEP2、及び、前記η_CO2,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Ｔ_CO2,SEP2、及び前記Ｐ_CO2.SEP2を検出し、検出された前記Ｔ_CO2,SEP2、及び前記Ｐ_CO2,SEP2に対応する前記η_CO2,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ΔＰ_H2O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ΔＰ_H2O、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η_H2O,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ΔＰ_H2Oを検出し、検出された前記ΔＰ_H2O、前記Ｕ_f,SET、及び前記Ｈ₂Ｏ／ＣＯ₂比に対応する前記η_H2O,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Ｕ_f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Ｕ_f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Ｕ_f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'Ｕ_f,SETに基づいて、前記炭化水素の初期の流量Ｖ_CH4,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Ｖ_CH4,SETに基づいて、水流量Ｖ_H2O,SUPを算出し、前記メモリに記憶させる手順ｃ。

【0012】

（ｄ）前記Ｖ_CH4,SET、前記Ｉ、及び前記Ｖ_H2O,SUPの条件下で発電を行い、
前記改質器の温度Ｔ_ref、
前記改質器の圧力Ｐ_ref、
前記第１ＣＯ₂分離器の第１パージ流路を流れるＣＯ₂の流量Ｖ_CO2,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Ｖ_H2O,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Ｖ_RCY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Ｖ_i,IN、並びに、前記第１ＣＯ₂分離器のＣＯ₂分離率η_CO2,SEP1、及び前記第Ｈ₂Ｏ分離器のＨ₂Ｏ分離率η_H20,SEPを前記メモリに記憶させておき、
検出された前記Ｔ_ref、前記Ｐ_ref、前記Ｖ_CO2,SEP1、前記Ｖ_H2O,SEP、及び前記Ｖ_RCY、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】

【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】

【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Ｖ_CH4,SETを増減させ、新たに設定された前記Ｖ_CH4,SETを用いて前記手順ｃ〜ｇを繰り返す手順ｈ。

【数3】

（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Ｕ_f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Ｕ_f,SETに基づいて、前記Ｈ₂Ｏの初期の流量Ｖ_H2O,SET、前記ＣＯ₂の初期の流量Ｖ_CO2,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Ｖ_H2O,SET、前記Ｖ_CO2,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Ｖ_CO2,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Ｖ_H2O,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Ｖ_CO2,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η_CO2,SEP1、及び前記第Ｈ₂Ｏ分離器のＨ₂Ｏ分離率η_H20,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η_CO2,SEP2を前記メモリに記憶させておき、
検出された前記Ｖ_CO2,SEP1、及び前記Ｖ_H2O,SEP、又は、これらに加えてさらに前記Ｖ_CO2,SEP2、並びに、以下の式（６）を用いて、燃料利用率の推定値Ｕ_f,calを算出する手順Ｄ。

【0020】

【数4】

【0021】

（Ｅ）前記Ｕ_f,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】

【0022】

（Ｆ）前記Ｕ_f,calが前記式（７）を満たす時は、電解電力Ｗ_measを測定し、前記Ｗ_measを前記メモリに記憶させる手順Ｆ。
（Ｇ）前記Ｗ_measが以下の式（８）を満たさない時は、前記Ｖ_H2O,SET、及び前記Ｖ_CO2,SETを増減させ、新たに設定された前記Ｖ_H2O,SET、及び前記Ｖ_CO2,SETを用いて前記手順Ｃ〜Ｆを繰り返す手順Ｇ。

【数6】

（Ｈ）前記Ｗ_meas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（Ｗ_SET）、及び、発電時の燃料利用率Ｕ'_f,SET又は電解時のＵ_f,SETが決まると、これらを実現するための燃料／原料流量（Ｖ_CH4,SET、Ｖ_H2O,SET、Ｖ_CO2,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（Ｗ_meas）、及び燃料利用率Ｕ'_f又はＵ_fは、それぞれ、要求されたＷ'_SET又はＷ_SET、及び設定されたＵ'_f,SET又はＵ_f,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Ｕ_f,calを算出することができる。Ｕ'_f,cal、又はＵ_f,calがＵ'_f,SET、又はＵ_f,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Ｕ_f,calを設定値Ｕ'_f,SET、又はＵ_f,SETに近づけることができる。
次に、Ｕ'_f,cal又はＵ_f,calがＵ'_f,SET又はＵ_f,SETにほぼ等しくなったところで、Ｗ'_meas又はＷ_measを測定する。Ｗ'_meas又はＷ_measがＷ'_SET又はＷ_SET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Ｗ_measを設定値Ｗ'_SET又はＷ_SET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Ｗ_meas、及びＵ'_f又はＵ_f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Ｔ_refと改質ガス流量Ｖ_i,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Ｖ_H2O,SUPと改質ガス流量Ｖ_i,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Ｐ_refと改質ガス流量Ｖ_i,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Ｔ_CO2とＣＯ₂分離率η_CO2,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ΔＰ_H2OとＨ₂Ｏ分離率η_H2O,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η_H2O,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η_H2O,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Ｔ_refを検出するための温度検出手段４６と、改質器４４ａ内の圧力Ｐ_ref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Ｔ_ref及び圧力Ｐ_refは、改質器４４ａ内で生成する改質ガス流量Ｖ_i,IN（ｉ＝Ｈ₂、ＣＯ、Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂、ＣＨ₄）を算出する際に用いられる。また、Ｖ_i,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。Ｖ_i,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Ｃ_nＨ_m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（Ｂ_1out）と、主としてＣＯ₂を含む分離ガス（Ｃ_1out）に分離するためのものである。Ｂ_1outは、Ｈ₂Ｏ分離器２２で処理された後、ＳＯＦＣ４０ａに戻される。一方、Ｃ_1out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（Ｂ_1out）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（Ｃ_1out）が排出される。

【0040】

第１ＣＯ₂分離器１４のＣＯ₂分離率η_CO2,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。η_CO2,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Ｖ_CO2,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Ｖ_CO2,SEP1とすると、Ｖ_CO2,RCYは、Ｖ_CO2,RCY＝（１−η_CO2,SEP1）×Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,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、Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,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】

η_CO2,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Ｔ_CO2,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Ｐ_CO2,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、Ｔ_CO2,SEP1、Ｐ_C02.SEP1、及び、η_CO2,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Ｔ_CO2.SEP1、及びＰ_CO2.SEP1を検出すれば、検出されたＴ_CO2,SEP1、及びＰ_CO2.SEP1に対応するη_CO2,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、Ｂ_1outからＨ₂Ｏを分離し、Ｈ₂Ｏの一部が除去されたオフガス（Ｄ_out）と、主としてＨ₂Ｏを含む分離ガス（Ｅ_out）に分離するためのものである。Ｄ_outは、ＳＯＦＣ４０ａに戻される。一方、Ｅ_out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、Ｄ_out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η_H2O,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。η_H2O,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Ｖ_H2O,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Ｖ_H2O,SEPとすると、Ｖ_H2O,RCYは、Ｖ_H2O,RCY＝（１−η_H2O,SEP）×Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,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、Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,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Ｖ_RCY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（Ｖ_CO2,RCY）、及びＨ₂Ｏ分離器２２をそのまま通過したＨ₂Ｏ（Ｖ_H2O,RCY）が含まれている。Ｖ_RCY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】

η_H2O,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ΔＰ_H2O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、ΔＰ_H2O、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、η_H2O,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ΔＰ_H2Oを検出すれば、検出されたΔＰ_H2O、Ｕ'_f,SET、及びＨ₂Ｏ／ＣＯ₂比に対応するη_H2O,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Ｄ_out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（Ｄ_out）が吸引される。燃料源から供給される燃料の流量Ｖ_CH4,SETは、図示しない流量計を用いて検出される。検出されたＶ_CH4,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Ｖ_CH4,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Ｖ_CH4,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Ｖ_CH4,SET、及びＩは、計算により求めることができる。Ｖ_CH4,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Ｖ_CH4,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、Ｖ_CH4,SETに基づいて、水流量Ｖ_H2O,SUPを算出し、メモリに記憶させる（手順ｃ）。Ｖ_H2O,SUPは、改質器４４ａに供給される水の量を表す。Ｖ_H2O,SUPは、水蒸気改質を行う際のＳｔｅａｍ／Ｃａｒｂｏｎ比（Ｓ／Ｃ比）に依存し、Ｖ_H2O,SUP＝Ｓ／Ｃ比×Ｖ_CH4,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、Ｖ_H2O,SUPは、循環ガスに含まれるＨ₂Ｏの流量（すなわち、前述したＶ_H2O,RCY）を表す。Ｖ_H2O,RCYは、循環ガス量Ｖ_RCY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、Ｖ_H2O,SUPは、水供給源から供給される水の流量Ｖ_H2O,SETを表す。

【0055】

［１．２．４． 手順ｄ］
次に、Ｓ４において、Ｖ_CH4,SET、Ｉ、及びＶ_H2O,SUPの条件下で発電を行う。この状態で、改質器４４ａの温度Ｔ_ref、改質器４４ａの圧力Ｐ_ref、第１ＣＯ₂分離器１４の第１パージ流路を流れるＣＯ₂の流量Ｖ_CO2,SEP1、及び、Ｈ₂Ｏ分離器２２の第３パージ流路を流れるＨ₂Ｏの流量Ｖ_H2O,SEP、並びに、循環ガスの流量Ｖ_RCY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Ｖ_i,IN、並びに、第１ＣＯ₂分離器１４のＣＯ₂分離率η_CO2,SEP1、及び第Ｈ₂Ｏ分離器２２のＨ₂Ｏ分離率η_H20,SEPをメモリに記憶させておき、検出されたＴ_ref、Ｐ_ref、Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,SEP、及びＶ_RCY、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】

【0058】

具体的には、Ｓ５において、Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,SEP1、及びＶ_H2O,SEP／η_H2O,SEPを算出する。上述したように、η_CO2,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、η_H2O,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Ｖ_CO,SEP12／η_CO2,SEP1、及びＶ_H2O,SEP／η_H2O,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Ｖ_CO+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Ｖ_RCY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Ｖ_i,INは、改質器４４ａに供給される水流量Ｖ_H2O,SUP、炭化水素の流量Ｖ_CH4,SET、温度Ｔ_ref、及び圧力Ｐ_ref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Ｖ_H2O,SUP、及びＶ_CH4,SET、並びに、検出されたＴ_ref、及びＰ_ref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Ｖ_i,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、Ｖ_CO,IN、及びＶ_H2,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（Ｖ_CO,IN＋Ｖ_H2O,IN）と循環ガスに含まれる燃料の流量（Ｖ_CO+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、Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,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。Ｖ_CO2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。Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,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。Ｖ_H2O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。Ｖ_CO2+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】

【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ΔＩ_th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、ΔＩ_thと同一であっても良く、あるいは、ΔＩ_th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】

【0067】

Ｗ'_measが式（５）を満たさない時（Ｓ１１：ＮＯ）は、Ｓ１２に進み、燃料流量Ｖ_CH4,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Ｖ_CH4,SETを減少させる。逆に、Ｗ'_meas＜Ｗ'_SETである場合には、Ｖ_CH4,SETを増加させる。燃料流量の増減幅ΔＶ₁の理論値ΔＶ_1th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、ΔＶ_1thと同一であっても良く、あるいは、ΔＶ_1th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Ｖ_CH4,SETを増減した後、Ｓ３に戻り、新たに設定された燃料流量Ｖ_CH4,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Ｖ_i,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。
Ｃ_nＨ_m ＋ 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Ｃ_nＨ_m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Ｖ_i,IN）は、温度Ｔ_ref、圧力Ｐ_ref、設定された炭化水素ガスの流量Ｖ_CH4,SET、及び改質器４４ａに供給される水の流量Ｖ_H2O,SUPが決まると、一義的に定まる。上述したように、Ｖ_i,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Ｔ_ref、Ｈ₂Ｏ流量Ｖ_H2O,SUP、又は、改質器の圧力Ｐ_refと、改質ガス流量Ｖ_i,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、Ｖ_H2O,SUP、Ｖ_CH4,SET、Ｔ_ref、及びＰ_refが入力された時に、入力値に対応するＶ_i,INを出力することができる。

【0073】

［１．４． ＣＯ₂分離率η_CO2,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η_CO2,SEP1は、ＣＯ₂吸収時の第１フィード流路の温度（吸収温度）Ｔ_CO2、及び第１フィード流路の圧力Ｐ_CO2が決まると、一義的に定まる。
そのため、η_CO2,SEP1を定数としても良いが、より正確なη_CO2,SEP1を知るためには、第１ＣＯ₂分離器１４は、Ｔ_CO2を検出するための第２温度検出手段、及びＰ_CO2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Ｔ_CO2、及びＰ_CO2を用いて、η_CO2,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Ｔ_CO2とＣＯ₂分離率η_CO2,SEP1との関係の一例を示す。図６に示すように、Ｔ_CO2、Ｐ_CO2、及びη_CO2,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、Ｔ_CO2、及びＰ_CO2が入力された時に、入力値に対応するη_CO2,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η_H2O,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η_H2O,SEPは、第３フィード流路と第３パージ流路の間の圧力差ΔＰ_H2O、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、η_H2O,SEPを定数としても良いが、より正確なη_H2O,SEPを知るためには、Ｈ₂Ｏ分離器２２は、ΔＰ_H2O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、Ｖ_CO2,SEP1、η_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,SEP、及びη_H2O,SEPから算出することができる。

【0077】

図８に、圧力差ΔＰ_H2OとＨ₂Ｏ分離率η_H2O,SEPとの関係の一例を示す。図９に、Ｈ₂Ｏ／ＣＯ₂比とＨ₂Ｏ分離率η_H2O,SEPとの関係の一例を示す。図１０に、Ｕ'_f,SETとＨ₂Ｏ分離率η_H2O,SEPとの関係の一例を示す。図８〜１０に示すように、ΔＰ_H2O、Ｕ'_f,SET、Ｈ₂Ｏ／ＣＯ₂比、及びη_H2O,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、ΔＰ_H20、Ｕ'_f,SET、及びＨ₂Ｏ／ＣＯ₂比が入力された時に、入力値に対応するη_CO2,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Ｔ_refを検出するための温度検出手段４６と、改質器４４ｂ内の圧力Ｐ_ref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（Ｂ_1out）と、主としてＣＯ₂を含む分離ガス（Ｃ_1out）に分離するためのものである。本実施の形態において、Ｂ_1out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、Ｃ_1out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、Ｂ_1out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（Ｄ_out）と、主としてＨ₂Ｏを含む分離ガス（Ｅ_out）に分離するためのものである。本実施の形態において、Ｄ_outは、燃焼器５２の燃料として用いられる。また、Ｅ_out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Ｖ_H2O,SETは、燃料源から供給される燃料流量Ｖ_CH4,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、Ｄ_out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Ｖ_CH4,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Ｖ_H2O,SUPには、蒸発器１８から供給される水流量Ｖ_H2O,SETが用いられる。また、循環ガスの流量Ｖ_RCYの検出、並びに、Ｖ_CO2+H2,RCY、及びＶ_CO2+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（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（Ｂ_1out）と、主としてＣＯ₂を含む分離ガス（Ｃ_1out）に分離するためのものである。Ｂ_1out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、Ｃ_1outは、ＳＯＥＣ４０ｃに戻される。第１ＣＯ₂分離器１４は、Ａ_out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η_CO2,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Ｖ_CO2,SEP1とすると、第１フィード流路に供給されるＣＯ₂の流量は、Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,SEP1と表される。
本実施の形態において、Ｖ_CO2,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Ｖ_H2O+CO2,SEP1は、Ｖ_CO2,SEP1とパージガスであるＨ₂Ｏの流量（＝Ｖ_H2O,SET＋Ｖ_H2O,SEP）を合算したものに相当する。そのため、Ｖ_H2O+CO2,SEP1、及びＶ_H2O,SEPを検出すれば、Ｖ_CO2,SEP1を間接的に検出することができる。Ｖ_CO2,SEP1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。
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（Ｂ_2in）からＣＯ₂を分離し、ＣＯ₂を含むパージガス（Ｃ_2out）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η_CO2,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。Ｂ_2inに含まれるＣＯ₂の流量をＶ_CO2,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Ｖ_CO2,SEP2とすると、Ｖ_CO2,SEP2＝Ｖ_CO2,SET×η_CO2,SEP2の関係が成り立つ。
本実施の形態において、Ｖ_CO2,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Ｖ_H2O+CO2,SEP2は、Ｖ_CO2,SEP2とＶ_H2O+CO2,SEP1とを合算したものに相当する。そのため、Ｖ_H2O+CO2,SEP2とＶ_H2O+CO2,SEP1を検出すれば、Ｖ_CO2,SEP2を間接的に検出することができる。
あるいは、Ｖ_CO2,SEP2は、Ｖ_CO2,SET×η_CO2,SEP2とも表せるので、Ｖ_CO2,SETが既知である時は、η_CO2,SEP2を取得することにより、Ｖ_CO2,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Ｖ_H2O,SETは、Ｕ_f,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（Ｂ_1out）（又は、ＳＯＥＣ４０ｃのカソード流路からのオフガス（Ａ_out））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（Ｄ_out）と、主としてＨ₂Ｏを含む分離ガス（Ｅ_out）に分離するためのものである。Ｄ_outは、燃料製造器２０に送られる。一方、Ｅ_outは、ＳＯＥＣ４０ｃに戻される。すなわち、Ｈ₂Ｏ分離器２２は、Ａ_out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η_H2O,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Ｖ_H2O,SEPとすると、第３フィード流路に供給されるＨ₂Ｏの流量は、Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,SEPと表される。この流量は、燃料利用率の推定値Ｕ_f,calを算出する際に用いられる。
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（Ｄ_out）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、原料流量Ｖ_CO2,SET、Ｖ_H2O,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、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、Ｕ_f,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、Ｗ_SET、及びＵ_f,SETに基づいて、Ｈ₂Ｏの初期の流量Ｖ_H2O,SET、ＣＯ₂の初期の流量Ｖ_CO2,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、Ｗ_SET、及びＵ_f,SETが決まると、これらを実現するためのＶ_CO2,SET、Ｖ_H2O,SET、及びＩは、計算により求めることができる。Ｖ_CO2,SET、Ｖ_H2O,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Ｖ_CO2,SET、Ｖ_H2O,SET、及びＩを用いて電解を行っても、実際の電解電力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。

【0106】

［３．２．３． 手順Ｃ］
次に、Ｓ２３において、Ｖ_CO2,SET、Ｖ_H2O,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Ｖ_CO2,SEP1、及びＨ₂Ｏ分離器２２の第３パージ流路を流れるＨ₂Ｏの流量Ｖ_H2O,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Ｖ_CO2,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、Ｖ_CO2,SEP1、及びＶ_CO2,SEP2を直接、検出することはできないが、Ｖ_H2O,SEP、Ｖ_H2O+CO2,SEP1、及びＶ_H2O+CO2,SEP2を検出すると、間接的にＶ_CO2,SEP1、及びＶ_CO2,SEP2を検出することができる。また、η_CO2,SEP2を推定する場合には、Ｖ_CO2,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Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,SEP、及びＶ_CO2,SEP2、並びに、以下の式（６）を用いて、燃料利用率の推定値Ｕ_f,calを算出する（手順Ｄ）。

【数10】

【0108】

具体的には、Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,SEP、及びＶ_CO2,SEP2を算出する。上述したように、η_CO2,SEP1、及びη_CO2,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、η_H2O,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Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）。
あるいは、図１２に示すように、Ｖ_H2O+CO2,SEP2とＶ_H2O+CO2,SEP1を検出すれば、間接的にＶ_CO2,SEP2を検出することができるので、η_CO2,SEP2を取得することなく、Ｕ_f,calを算出することもできる。

【0109】

式（６）中、Ｖ_CO2,IN、及びＶ_H20,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、Ｕ_f,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Ｕ_f,SETと推定値Ｕ_f,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】

【0111】

Ｕ_f,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。Ｕ_f,cal＞Ｕ_f,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、電解電圧が増減し、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ΔＩ_th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、ΔＩ_thと同一であっても良く、あるいは、ΔＩ_th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］
Ｕ_f,calが式（７）を満たす時（Ｓ２５：ＹＥＳ）は、Ｓ２７に進む。Ｓ２７では、電解電力Ｗ_measを測定し、Ｗ_meas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、Ｗ_meas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Ｗ_SETと実測値Ｗ_meas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】

【0114】

Ｗ_measが式（８）を満たさない時（Ｓ２８：ＮＯ）は、Ｓ２９に進み、原料流量Ｖ_CO2,SET、及びＶ_H2O,SETを増減させる。Ｗ_meas＞Ｗ_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Ｖ_CO2,SET、及びＶ_H2O,SETを減少させる。逆に、Ｗ_meas＜Ｗ_SETである場合には、Ｖ_CO2,SET、及びＶ_H2O,SETを増加させる。原料流量の増減幅ΔＶ₂、ΔＶ₃の理論値ΔＶ_2th、ΔＶ_3thは、ΔＷ（＝Ｗ_SET−Ｗ_meas）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、ΔＶ_2th、及びΔＶ_3thと同一であっても良く、あるいは、ΔＶ_2th、及びΔＶ_3th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Ｖ_CO2,SET、Ｖ_H2O,SETを増減した後、Ｓ２３に戻り、新たに設定された原料流量Ｖ_CO2,SET、Ｖ_H2O,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］
Ｗ_meas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、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（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、Ｗ_SETが変更された時（Ｓ３１：ＹＥＳ）は、Ｓ２１に戻る。そして、変更されたＷ_SET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（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（Ｂ_1out）と、主としてＣＯ₂を含む分離ガス（Ｃ_1out）に分離するためのものである。Ｂ_1out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、Ｃ_1out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（Ｂ_2in）からＣＯ₂を分離し、ＣＯ₂を含む分離ガス（Ｃ_2out）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Ｖ_H2O,SETは、Ｕ_f,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（Ｂ_1out）（又は、ＳＯＥＣ４０ｄのカソード流路からのオフガス（Ａ_out））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（Ｄ_out）と、主としてＨ₂Ｏを含む分離ガス（Ｅ_out）に分離するためのものである。Ｄ_outは、燃料製造器２０に送られる。一方、Ｅ_out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（Ｄ_out）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、原料流量Ｖ_CO2,SET、Ｖ_H2O,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、Ｕ_f,calの算出に際しては、検出されたＶ_CO2,SEP1をそのまま用いることができる。また、Ｖ_H2O+CO2,SEP2は、蒸発器１８から供給される水流量Ｖ_H2O,SETと、第２パージ流路に排出されるＣＯ₂流量Ｖ_CO2,SEP2（＝Ｖ_CO2,SET×η_CO2,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（Ａ_in）から合成ガスを生成させ、合成ガスを含むオフガス（Ａ_out）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Ｔ_refを検出するための温度検出手段４６と、改質器内の圧力Ｐ_ref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Ｄ_out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（Ｄ_out）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（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（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、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（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−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（Ａ_out）が排出される。

【0143】

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。

【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Ｗ_SETを取得した時に、予め設定された燃料利用率Ｕ'_f,SET、又はＵ_f,SETとなるように、燃料流量Ｖ_CH4,SET、又は原料流量Ｖ_CO2,SET、Ｖ_H2O,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η_CO2,SEP1、η_H2O,SEPと、検出された出口ガス流量Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,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Ｖ_i,IN、改質器内部の温度Ｔ_ref及び圧力Ｐ_ref、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、Ｔ_ref及びＰ_refを検出することにより、Ｖ_i,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：Ｖ_H2,IN＋Ｖ_CO,INと、ＳＯＦＣで利用された燃料流量：（Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,SEP1−Ｖ_CO2,IN）＋（Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,SEP−Ｖ_H2O,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Ｖ_H2O,SUPが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が２である場合、Ｖ_H2O,SUP／Ｖ_CH4,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η_CO2,SEP1、η_H2O,SEPと、検出された出口ガス流量Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,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Ｖ_i,IN、改質器内部の温度Ｔ_ref及び圧力Ｐ_ref、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、Ｔ_ref及びＰ_refを検出することにより、Ｖ_i,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Ｖ_CO2+H2O,RCYは、設定されたガス分離率η_CO2,SEP1、η_H2O,SEPと、パージガス流量Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,SEPと、循環ガス全量Ｖ_RCY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：Ｖ_H2,IN＋Ｖ_CO,IN＋Ｖ_H2+CO,RCYと、ＳＯＦＣで利用された燃料流量：（Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,SEP1−Ｖ_CO2,IN−Ｖ_CO2,RCY）＋（Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,SEP−Ｖ_H2O,IN−Ｖ_H2O,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Ｖ_H2O,SUP（＝Ｖ_H2O,RCY）が制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が２である場合、Ｖ_H2O,RCY／Ｖ_CH4,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Ｕ_f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。

【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η_CO2,SEP1、η_H2O,SEPと、検出された出口ガス流量Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,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：Ｖ_H2O,IN＋Ｖ_CO2,INと、ＳＯＥＣで利用された原料流量：Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,SEP1＋Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,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Ｕ_f,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、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、ＳＯＥＣの原料流量_ＶCO2,SET、及びＶ_H2O,SETが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が３である場合、Ｖ_H2O,SET／Ｖ_CO2,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Ｕ_f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。

【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η_CO2,SEP1、η_H2O,SEPと、検出された出口ガス流量Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,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：Ｖ_H2O,IN＋Ｖ_CO2,IN（＝Ｖ_CO2,SET／η_CO2,SEP2）と、ＳＯＥＣで利用された原料流量：Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,SEP1＋Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,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Ｕ_f,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、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、ＳＯＥＣの原料流量_ＶCO2,SET、及びＶ_H2O,SETが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が３である場合、Ｖ_H2O,SET／Ｖ_CO2,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η_CO2,SEP1、η_H2O,SEPと、検出された出口ガス流量Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,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Ｖ_i,IN、改質器内部の温度Ｔ_ref及び圧力Ｐ_ref、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、Ｔ_ref及びＰ_refを検出することにより、Ｖ_i,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Ｖ_CO2+H2O,RCYは、設定されたガス分離率η_CO2,SEP1、η_H2O,SEPと、パージガス流量Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,SEPと、循環ガス全量Ｖ_RCY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：Ｖ_H2,IN＋Ｖ_CO,IN＋Ｖ_H2+CO,RCYと、ＳＯＦＣで利用された燃料流量：（Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,SEP1−Ｖ_CO2,IN−Ｖ_CO2,RCY）＋（Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,SEP−Ｖ_H2O,IN−Ｖ_H2O,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Ｖ_H2O,SUPが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が２である場合、Ｖ_H2O,SUP／Ｖ_CH4,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η_CO2,SEP1、η_H2O,SEPと、検出された出口ガス流量Ｖ_CO2,SEP1、Ｖ_H2O,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：Ｖ_H2O,IN＋Ｖ_CO2,IN（＝Ｖ_CO2,SET／η_CO2,SEP2）と、ＳＯＥＣで利用された原料流量：Ｖ_CO2,SEP1／η_CO2,SEP1＋Ｖ_H2O,SEP／η_H2O,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Ｕ_f,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、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、ＳＯＥＣの原料流量_ＶCO2,SET、及びＶ_H2O,SETが制御される。例えば、Ｓ／Ｃ比が３である場合、Ｖ_H2O,SET／Ｖ_CO2,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Ｔ_CO2の上昇と、分圧Ｐ_CO2の上昇により増大し、Ｔ_CO2、Ｐ_CO2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η_CO2,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Ｐ_CO2と、分離材温度Ｔ_CO2を検出することにより、ＣＯ₂分離率η_CO2,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Ｕ_f,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Ｕ_f,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】

【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】

【図17】

【図18】