特開2024-151589固体酸化物形電解システム及び固体酸化物形電解システムの運転方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024151589
(43)【公開日】2024-10-25
(54)【発明の名称】固体酸化物形電解システム及び固体酸化物形電解システムの運転方法
(51)【国際特許分類】
C25B 15/027 20210101AFI20241018BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241018BHJP
C25B 1/042 20210101ALI20241018BHJP
【ＦＩ】
C25B15/027
C25B9/00 A
C25B1/042
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023065052
(22)【出願日】2023-04-12
(71)【出願人】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100111235
【弁理士】
【氏名又は名称】原 裕子
(74)【代理人】
【識別番号】100170575
【弁理士】
【氏名又は名称】森 太士
(72)【発明者】
【氏名】村本 知哉
(72)【発明者】
【氏名】▲徳▼岡 慎也
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021BA02
4K021BC05
4K021CA12
4K021DB36
4K021DB53
(57)【要約】
【課題】熱効率のよい状態で長時間運転することが可能な固体酸化物形電解システムを提供する。
【解決手段】固体酸化物形電解システム１は、固体酸化物形電解セル２０を含むホットモジュール１０と、酸素極側流路５０と、水素極側流路５５と、固体酸化物形電解セル２０に供給されるガスの温度を測定する入口側温度測定部６１と、固体酸化物形電解セル２０から排出されるガスの温度を測定する出口側温度測定部６２と、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節する温度調節部７０とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】固体酸化物形電解システム１は、固体酸化物形電解セル２０を含むホットモジュール１０と、酸素極側流路５０と、水素極側流路５５と、固体酸化物形電解セル２０に供給されるガスの温度を測定する入口側温度測定部６１と、固体酸化物形電解セル２０から排出されるガスの温度を測定する出口側温度測定部６２と、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節する温度調節部７０とを備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸素極と水素極とを含む固体酸化物形電解セルと、前記固体酸化物形電解セルを収容する筐体とを含むホットモジュールと、
前記酸素極に空気を供給し、前記酸素極で生成された酸素を排出する酸素極側流路と、
前記水素極に水蒸気を供給し、前記水素極で生成された水素を排出する水素極側流路と、
前記酸素極側流路及び前記水素極側流路の少なくともいずれか一方に設けられ、前記固体酸化物形電解セルに供給されるガスの温度を測定する入口側温度測定部と、
前記酸素極側流路及び前記水素極側流路の少なくともいずれか一方に設けられ、前記固体酸化物形電解セルから排出されるガスの温度を測定する出口側温度測定部と、
前記入口側温度測定部で測定されたガスの温度と、前記出口側温度測定部で測定されたガスの温度との温度差が、閾値温度を超えた場合に、前記温度差が小さくなるように前記固体酸化物形電解セルの温度を調節する温度調節部と、
を備える、固体酸化物形電解システム。
前記酸素極に空気を供給し、前記酸素極で生成された酸素を排出する酸素極側流路と、
前記水素極に水蒸気を供給し、前記水素極で生成された水素を排出する水素極側流路と、
前記酸素極側流路及び前記水素極側流路の少なくともいずれか一方に設けられ、前記固体酸化物形電解セルに供給されるガスの温度を測定する入口側温度測定部と、
前記酸素極側流路及び前記水素極側流路の少なくともいずれか一方に設けられ、前記固体酸化物形電解セルから排出されるガスの温度を測定する出口側温度測定部と、
前記入口側温度測定部で測定されたガスの温度と、前記出口側温度測定部で測定されたガスの温度との温度差が、閾値温度を超えた場合に、前記温度差が小さくなるように前記固体酸化物形電解セルの温度を調節する温度調節部と、
を備える、固体酸化物形電解システム。
【請求項2】
前記温度調節部は、前記出口側温度測定部で測定されたガスの温度から、前記入口側温度測定部で測定されたガスの温度を減じた温度差が、第１閾値温度を超えた場合には、前記温度調節部の設定温度を下げ、
前記温度調節部は、前記入口側温度測定部で測定されたガスの温度から、前記出口側温度測定部で測定されたガスの温度を減じた温度差が、第２閾値温度を超えた場合には、前記温度調節部の設定温度を上げる、請求項１に記載の固体酸化物形電解システム。
前記温度調節部は、前記入口側温度測定部で測定されたガスの温度から、前記出口側温度測定部で測定されたガスの温度を減じた温度差が、第２閾値温度を超えた場合には、前記温度調節部の設定温度を上げる、請求項１に記載の固体酸化物形電解システム。
【請求項3】
前記入口側温度測定部と前記出口側温度測定部は、前記酸素極側流路に設けられる、請求項１又は２に記載の固体酸化物形電解システム。
【請求項4】
前記入口側温度測定部と前記出口側温度測定部は、前記水素極側流路に設けられる、請求項１又は２に記載の固体酸化物形電解システム。
【請求項5】
前記酸素極側流路は、前記酸素極に空気を供給する空気供給流路と、前記酸素極で生成された酸素を排出する酸素排出流路とを含み、
前記温度調節部は加熱部を含み、
前記加熱部は前記空気供給流路に設けられる、請求項１又は２に記載の固体酸化物形電解システム。
前記温度調節部は加熱部を含み、
前記加熱部は前記空気供給流路に設けられる、請求項１又は２に記載の固体酸化物形電解システム。
【請求項6】
前記温度調節部は加熱部を含み、前記加熱部は前記筐体の内側の空間に配置されている、請求項１又は２に記載の固体酸化物形電解システム。
【請求項7】
酸素極と水素極とを含む固体酸化物形電解セルと、前記固体酸化物形電解セルを収容する筐体とを含むホットモジュールと、
前記酸素極に空気を供給し、前記酸素極で生成された酸素を排出する酸素極側流路と、
前記水素極に水蒸気を供給し、前記水素極で生成された水素を排出する水素極側流路と、
前記酸素極側流路及び前記水素極側流路の少なくともいずれか一方に設けられ、前記固体酸化物形電解セルに供給されるガスの温度を測定する入口側温度測定部と、
前記固体酸化物形電解セルから排出されるガスの温度を測定する出口側温度測定部と、
を含む、固体酸化物形電解システムの運転方法であって、
前記入口側温度測定部で測定されたガスの温度と、前記出口側温度測定部で測定されたガスの温度との温度差が、閾値温度を超えた場合に、前記温度差が小さくなるように前記固体酸化物形電解セルの温度を温度調節部によって調節する、固体酸化物形電解システムの運転方法。
前記酸素極に空気を供給し、前記酸素極で生成された酸素を排出する酸素極側流路と、
前記水素極に水蒸気を供給し、前記水素極で生成された水素を排出する水素極側流路と、
前記酸素極側流路及び前記水素極側流路の少なくともいずれか一方に設けられ、前記固体酸化物形電解セルに供給されるガスの温度を測定する入口側温度測定部と、
前記固体酸化物形電解セルから排出されるガスの温度を測定する出口側温度測定部と、
を含む、固体酸化物形電解システムの運転方法であって、
前記入口側温度測定部で測定されたガスの温度と、前記出口側温度測定部で測定されたガスの温度との温度差が、閾値温度を超えた場合に、前記温度差が小さくなるように前記固体酸化物形電解セルの温度を温度調節部によって調節する、固体酸化物形電解システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、固体酸化物形電解システム及び固体酸化物形電解システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【0002】
二酸化炭素は、地球温暖化の原因として問題視されており、世界的に二酸化炭素の排出を抑制する動きが活発化している。水素は、利用時に二酸化炭素を排出せず、再生可能エネルギーで水を電気分解することによっても得ることができるため、化石燃料に代わる燃料として注目されている。水を電気分解して水素を生成する方法としては、固体酸化物形水電解法が知られている。固体酸化物形水電解法は、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を用い、高温で水蒸気を電気分解することによって水素を生成することができる。
【0003】
高温で運転するＳＯＥＣは、熱中立点電圧で運転すると熱効率がよいことが知られている。熱中立点電圧よりも高い電圧で運転すると、ＳＯＥＣから発熱が生じて熱損失となる。熱中立点電圧よりも低い電圧で運転すると、ＳＯＥＣに外部から熱を供給する必要があり、ＳＯＥＣの運転温度よりも高い外部熱源が必要となる。
【0004】
長期間の運転でＳＯＥＣの劣化が進行した場合、熱中立点電圧での運転を維持するためには、通常、運転温度が上げられるか、電流が下げられる。しかしながら、電流を下げた場合、水素製造量が低下し、プラントの生産性が低下する。このため、特許文献１では、運転初期には温度設定値をＳＯＥＣの運転最高温度よりも低い温度に設定し、電圧測定値がＳＯＥＣ単体の熱中立点電圧よりも規定値だけ増加したときに、温度設定値を所定値だけ順次増加して設定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第７０３９５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
電気化学反応の観点からは、ＳＯＥＣを熱中立点電圧で運転することが望ましい。しかしながら、ＳＯＥＣ及びＳＯＥＣを収容するホットモジュールから熱が逃げてしまうため、システム全体で考えた場合、ＳＯＥＣを熱中立点電圧で運転することが最適でない場合がある。また、熱中立点電圧はＳＯＥＣの運転温度及びＳＯＥＣに供給されるガスの組成などによって変わる。そのため、様々な運転状態を考慮してＳＯＥＣの制御条件を定める必要がある。
【0007】
そこで、本開示は、熱効率のよい状態で長時間運転することが可能な固体酸化物形電解システム及びその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示に係る固体酸化物形電解システムは、酸素極と水素極とを含む固体酸化物形電解セルと、固体酸化物形電解セルを収容する筐体とを含むホットモジュールを備える。固体酸化物形電解システムは、酸素極に空気を供給し、酸素極で生成された酸素を排出する酸素極側流路と、水素極に水蒸気を供給し、水素極で生成された水素を排出する水素極側流路とを備える。固体酸化物形電解システムは、酸素極側流路及び水素極側流路の少なくともいずれか一方に設けられ、固体酸化物形電解セルに供給されるガスの温度を測定する入口側温度測定部を備える。固体酸化物形電解システムは、酸素極側流路及び水素極側流路の少なくともいずれか一方に設けられ、固体酸化物形電解セルから排出されるガスの温度を測定する出口側温度測定部を備える。固体酸化物形電解システムは、入口側温度測定部で測定されたガスの温度と、出口側温度測定部で測定されたガスの温度との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セルの温度を調節する温度調節部を備える。
【0009】
温度調節部は、出口側温度測定部で測定されたガスの温度から、入口側温度測定部で測定されたガスの温度を減じた温度差が、第１閾値温度を超えた場合には、温度調節部の設定温度を下げてもよい。温度調節部は、入口側温度測定部で測定されたガスの温度から、出口側温度測定部で測定されたガスの温度を減じた温度差が、第２閾値温度を超えた場合には、温度調節部の設定温度を上げてもよい。
【0010】
入口側温度測定部と出口側温度測定部は、酸素極側流路に設けられてもよい。
【0011】
入口側温度測定部と出口側温度測定部は、水素極側流路に設けられてもよい。
【0012】
酸素極側流路は、酸素極に空気を供給する空気供給流路と、酸素極で生成された酸素を排出する酸素排出流路とを含んでもよい。温度調節部は加熱部を含んでもよい。加熱部は空気供給流路に設けられてもよい。
【0013】
温度調節部は加熱部を含み、加熱部は筐体の内側の空間に配置されてもよい。
【0014】
本開示に係る運転方法は、固体酸化物形電解システムの運転方法である。固体酸化物形電解システムは、酸素極と水素極とを含む固体酸化物形電解セルと、固体酸化物形電解セルを収容する筐体とを含むホットモジュールを備える。固体酸化物形電解システムは、酸素極に空気を供給し、酸素極で生成された酸素を排出する酸素極側流路と、水素極に水蒸気を供給し、水素極で生成された水素を排出する水素極側流路とを備える。固体酸化物形電解システムは、酸素極側流路及び水素極側流路の少なくともいずれか一方に設けられ、固体酸化物形電解セルに供給されるガスの温度を測定する入口側温度測定部を備える。固体酸化物形電解システムは、固体酸化物形電解セルから排出されるガスの温度を測定する出口側温度測定部を備える。入口側温度測定部で測定されたガスの温度と、出口側温度測定部で測定されたガスの温度との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セルの温度を温度調節部によって調節する。
【発明の効果】
【0015】
本開示によれば、熱効率のよい状態で長時間運転することが可能な固体酸化物形電解システム及びその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】一実施形態に係る固体酸化物形電解システムを示す概略図である。
【図2】一実施形態に係る固体酸化物形電解セルの例を示す概略図である。
【図3】固体酸化物形電解システム１の設定温度の設定方法を示すフロー図である。
【図4】一実施形態に係る固体酸化物形電解システムを示す概略図である。
【図5】一実施形態に係る固体酸化物形電解システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、いくつかの例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【0018】
（第１実施形態）
まず、第１実施形態に係る固体酸化物形電解システム１について図１及び図２を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形電解システム１は、ホットモジュール１０と、酸素極側流路５０と、水素極側流路５５と、入口側温度測定部６１と、出口側温度測定部６２と、温度調節部７０とを備えている。
まず、第１実施形態に係る固体酸化物形電解システム１について図１及び図２を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形電解システム１は、ホットモジュール１０と、酸素極側流路５０と、水素極側流路５５と、入口側温度測定部６１と、出口側温度測定部６２と、温度調節部７０とを備えている。
【0019】
ホットモジュール１０は、固体酸化物形電解セル２０と、筐体４０とを含んでいる。筐体４０は、固体酸化物形電解セル２０を収容している。筐体４０の内側には、固体酸化物形電解セル２０の熱、及び、筐体４０内の熱が外側に逃げないように、図示しない断熱材が設けられている。本実施形態においては、ホットモジュール１０は、単体の固体酸化物形電解セル２０を含んでいる。
【0020】
固体酸化物形電解セル２０は、図２に示すように、電解質層２１と、電解質層２１の一方の面に設けられた酸素極２２と、電解質層２１のもう一方の面に設けられた水素極２３とを含んでいる。酸素極２２の電解質層２１とは反対側には、酸素極側流路５０が設けられており、酸素極側流路５０には酸素極側流路入口２４及び酸素極側流路出口２５が設けられている。水素極２３の電解質層２１とは反対側には、水素極側流路５５が設けられており、水素極側流路５５には水素極側流路入口２６及び水素極側流路出口２７が設けられている。酸素極２２及び水素極２３には電圧印加部２８が電気的に接続され、電圧印加部２８によって酸素極２２と水素極２３との間に電圧が印加される。
【0021】
電解質層２１は、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）などの酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含んでいてもよい。酸素極２２は、ＬＳＭ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３）、ＬＳＣ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３）、又は、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３）などの電子伝導性を示す酸化物を含んでいてもよい。水素極２３は、Ｎｉ及びＮｉＯのようなＮｉ化合物の少なくともいずれか一方を含んでいてもよい。
【0022】
固体酸化物形電解セル２０では、水素極側流路入口２６から水素極２３に水（水蒸気）が供給され、水素極２３で水蒸気から水素が生成される。生成された水素は水素極側流路出口２７から排出される。水素極２３で生じた酸素イオンは電解質層２１を通じて酸素極２２へと移動し、酸素極２２で酸素が生成される。酸素極側流路入口２４から空気がスイープガスとして供給され、酸素極２２で生成された酸素は、空気と共に酸素極側流路出口２５から排出される。
【0023】
図１に示すように、酸素極側流路５０は、酸素極２２に空気を供給し、酸素極２２で生成された酸素を排出する。酸素極側流路５０は、酸素極２２に空気を供給する空気供給流路５１と、酸素極２２で生成された酸素を排出する酸素排出流路５２とを含んでいる。空気供給流路５１には、図示しない空気加熱器が設けられており、空気加熱器は空気供給流路５１内の空気を加熱する。そのため、酸素極２２には、固体酸化物形電解セル２０の運転に適した温度の空気が供給される。酸素極２２に供給される空気は、例えば、４００℃～９００℃であってもよい。
【0024】
水素極側流路５５は、水素極２３に水蒸気を供給し、水素極２３で生成された水素を排出する。具体的には、水素極側流路５５は、水素極２３に水蒸気を供給する水蒸気供給流路５６と、水素極２３で生成された水素を排出する水素排出流路５７とを含んでいる。水蒸気供給流路５６には、図示しない水加熱器が設けられており、水加熱器は水蒸気供給流路５６内の水を加熱する。そのため、水素極２３には、固体酸化物形電解セル２０の運転に適した温度の水蒸気が供給される。水素極２３に供給される水蒸気は、例えば、４００℃～９００℃であってもよい。なお、水素極側流路５５は、水素極２３の酸化を抑制するため、水素極２３に水蒸気に加え、水素を供給してもよい。また、水素極側流路５５は、水素極２３で生成された水素に加え、水蒸気が排出されてもよい。すなわち、水素極側流路５５は、水素極２３に水蒸気及び水素を供給し、水素を排出してもよい。また、水素極側流路５５は、水素極２３に水蒸気及び水素を供給し、水素及び水蒸気を排出してもよい。水素極側流路５５に水素を供給する場合、水素排出流路５７内の水素濃度は水蒸気供給流路５６内の水素濃度よりも高い。水蒸気供給流路５６内の水素濃度は、例えば１０体積％以下程度であってもよい。水素排出流路５７内の水素濃度は、例えば、３０～７０体積％程度であってもよい。
【0025】
入口側温度測定部６１は、固体酸化物形電解セル２０に供給されるガスの温度を測定する。本実施形態では、入口側温度測定部６１は、酸素極側流路５０に設けられている。入口側温度測定部６１は、酸素極側流路５０の空気供給流路５１に設けられており、空気供給流路５１内を流れるガスの温度を測定する。入口側温度測定部６１は、熱電対又は測温抵抗体などの接触式温度センサを含んでいてもよい。入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２は、温度調節部７０の温度設定部７２に出力される。
【0026】
出口側温度測定部６２は、固体酸化物形電解セル２０から排出されるガスの温度を測定する。本実施形態では、出口側温度測定部６２は、酸素極側流路５０に設けられている。出口側温度測定部６２は、酸素極側流路５０の酸素排出流路５２に設けられており、酸素排出流路５２内を流れるガスの温度を測定する。出口側温度測定部６２は、熱電対又は測温抵抗体などの接触式温度センサを含んでいてもよい。出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３は、温度調節部７０の温度設定部７２に出力される。
【0027】
温度調節部７０は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節する。具体的には、温度調節部７０は、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３から、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２を減じた温度差が、第１閾値温度を超えた場合には、温度調節部７０の設定温度を下げる。温度調節部７０は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２から、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３を減じた温度差が、第２閾値温度を超えた場合には、温度調節部７０の設定温度を上げる。温度調節部７０は、温度測定部７１と、温度設定部７２と、温度制御部７３と、操作部７４と、加熱部７５とを含んでいる。
【0028】
温度測定部７１は、本実施形態においては、ホットモジュール１０内の温度を測定する。具体的には、温度測定部７１は、筐体４０の内側かつ固体酸化物形電解セル２０の外側の空間の温度を測定する。温度測定部７１は、熱電対又は測温抵抗体などの接触式温度センサを含んでいてもよい。
【0029】
温度設定部７２は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３とに応じて設定温度を変更するか判断する。温度設定部７２は、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３から、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２を減じた温度差が、第１閾値温度Ｔａを超えた場合には、温度調節部７０の設定温度を下げる。すなわち、温度設定部７２は、Ｔ３－Ｔ２＞Ｔａの場合には、現在設定されている設定温度よりも設定温度を低くするように温度制御部７３に指示する。
【0030】
一方、温度設定部７２は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２から、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３を減じた温度差が、第２閾値温度Ｔｂを超えた場合には、温度調節部７０の設定温度を上げる。すなわち、温度設定部７２は、Ｔ２－Ｔ３＞Ｔｂの場合には、現在設定されている設定温度よりも設定温度を高くするように温度制御部７３に指示する。
【0031】
温度設定部７２は、温度Ｔ３から温度Ｔ２を減じた温度差が第１閾値温度Ｔａ以下であり、温度Ｔ２から温度Ｔ３を減じた温度差が第２閾値温度Ｔｂ以下である場合には、温度調節部７０の設定温度を変更しない。すなわち、温度設定部７２は、Ｔ３－Ｔ２≦ＴａかつＴ２－Ｔ３≦Ｔｂの場合には、温度制御部７３で現在設定されている設定温度を変更せずに現在設定されている設定温度を維持する。第１閾値温度Ｔａ及び第２閾値温度Ｔｂは、予め定められた閾値温度であり、実験データなどによって導き出すことができる。第１閾値温度Ｔａは、正の値であり、例えば５℃～２０℃であってもよい。また、第２閾値温度Ｔｂは、例えば５℃～２０℃であってもよい。
【0032】
温度制御部７３は、設定温度と温度Ｔ１とが一致するように、温度操作信号を操作部７４に出力する。温度制御部７３は、温度設定部７２によって設定された設定温度と、温度測定部７１で測定された温度Ｔ１とに基づき、ＰＩＤ制御などの温度制御演算を行って得られた温度操作信号を操作部７４に出力する。温度制御部７３は、演算処理装置を含んでいてもよい。
【0033】
操作部７４は、加熱部７５に電力を供給する。操作部７４は、温度操作信号に基づき、加熱部７５の出力を操作する。操作部７４は、例えば、加熱部７５に流れる電流をＯＮ／ＯＦＦ操作したり、加熱部７５へ供給される電力量を増減したりすることにより、加熱部７５による熱の生成量を操作することができる。操作部７４は、例えば、電磁開閉器又は電力調整器などであってもよい。
【0034】
加熱部７５は筐体４０の内側の空間に配置されている。具体的には、筐体４０の内側かつ固体酸化物形電解セル２０の外側の空間内に配置されている。加熱部７５は、筐体４０内のガスを加熱することにより、固体酸化物形電解セル２０の温度を調節している。加熱部７５は、操作部７４から供給された電力に応じ、生成される熱量を増減することができる。加熱部７５は、例えば、シーズヒータのようなものであってもよく、ジュール熱を発生させるニクロム線などのような発熱体を含んでいてもよい。
【0035】
次に、本実施形態に係る固体酸化物形電解システム１の設定温度の設定方法について図３を用いて説明する。
【0036】
まず、ステップＳ１では、温度設定部７２は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３とを入力し、温度Ｔ２と温度Ｔ３との差を算出する。温度設定部７２は、温度Ｔ３から温度Ｔ２を差し引いた値が、上限閾値温度Ｔａよりも大きい場合には、ステップＳ２に進み、現在設定されている設定温度よりも低い設定温度を温度制御部７３に出力する。一方、温度設定部７２は、温度Ｔ３から温度Ｔ２を差し引いた値が、上限閾値温度Ｔａ以下である場合には、ステップＳ３に進む。
【0037】
ステップＳ３では、温度設定部７２は、温度Ｔ２から温度Ｔ３を差し引いた値が、下限閾値温度Ｔｂよりも大きい場合には、ステップＳ４に進み、現在設定されている設定温度よりも高い設定温度を温度制御部７３に出力する。一方、温度設定部７２は、温度Ｔ３から温度Ｔ２を差し引いた値が、下限閾値温度Ｔｂ以下である場合には、ステップＳ１に戻り、同様の処理を繰り返す。
【0038】
このように、温度調節部７０は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３との温度差が、閾値温度を超えた場合に、上記温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節する。そのため、このような固体酸化物形電解システム１によれば、固体酸化物形電解セル２０の外部から供給される熱量を最適な範囲に制御することができる。例えば、固体酸化物形電解セル２０及び固体酸化物形電解セル２０を収容するホットモジュール１０からの熱損失を踏まえた上で、固体酸化物形電解セル２０の温度を調節することができる。したがって、本実施形態に係る固体酸化物形電解システム１は、熱効率のよい状態で長時間運転することができる。
【0039】
また、本実施形態に係る固体酸化物形電解システム１によれば、固体酸化物形電解セル２０の運転温度や固体酸化物形電解セル２０に供給されるガス組成などによらず、同じロジックで温度制御を行うことができる。そのため、異常事態への対処が容易なロバスト性を得ることができる。
【0040】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る固体酸化物形電解システム１について図４を用いて説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付し、上記実施形態と重複する部分については説明を省略する。
次に、第２実施形態に係る固体酸化物形電解システム１について図４を用いて説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付し、上記実施形態と重複する部分については説明を省略する。
【0041】
第１実施形態に係る固体酸化物形電解システム１では、温度測定部７１はホットモジュール１０内の温度を測定し、加熱部７５は筐体４０の内側の空間に配置されていた。
【0042】
一方、図４に示すように、第２実施形態に係る固体酸化物形電解システム１では、加熱部７５は空気供給流路５１に設けられており、空気供給流路５１内のガスを加熱している。また、加熱部７５は筐体４０内に設けられており、温度測定部７１は、空気供給流路５１において加熱部７５よりも下流側に接続されている。そして、温度測定部７１は空気供給流路５１内のガスの温度を測定している。
【0043】
本実施形態においても、温度調節部７０は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節する。そのため、このような固体酸化物形電解システム１によれば、固体酸化物形電解セル２０の外部から供給される熱量を最適な範囲に制御することができる。したがって、本実施形態に係る固体酸化物形電解システム１は、熱効率のよい状態で長時間運転することができる。
【0044】
また、加熱部７５は空気供給流路５１に設けられている。このような構成により、固体酸化物形電解セル２０を、供給空気によって直接加熱することができる。そのため、固体酸化物形電解セル２０の温度を容易に調節することができる。
【0045】
なお、本実施形態では、空気供給流路５１に温度測定部７１が接続され、空気供給流路５１内のガスの温度を測定した。しかしながら、温度測定部７１は、入口側温度測定部６１と兼用してもよく、入口側温度測定部６１と温度測定部７１とは一つの温度測定部であってもよい。
【0046】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る固体酸化物形電解システム１について図５を用いて説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付し、上記実施形態と重複する部分については説明を省略する。
次に、第３実施形態に係る固体酸化物形電解システム１について図５を用いて説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付し、上記実施形態と重複する部分については説明を省略する。
【0047】
第１実施形態に係る固体酸化物形電解システム１では、入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２は、酸素極側流路５０に設けられていた。一方、第３実施形態に係る固体酸化物形電解システム１では、入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２は、水素極側流路５５に設けられている。
【0048】
入口側温度測定部６１は、固体酸化物形電解セル２０に供給されるガスの温度を測定する。具体的には、入口側温度測定部６１は、水素極側流路５５の水蒸気供給流路５６に設けられており、水蒸気供給流路５６内を流れる水蒸気を含むガスの温度を測定する。
【0049】
出口側温度測定部６２は、固体酸化物形電解セル２０から排出されるガスの温度を測定する。具体的には、出口側温度測定部６２は、水素極側流路５５の水素排出流路５７に設けられており、水素排出流路５７内を流れる水素を含むガスの温度を測定する。
【0050】
本実施形態においても、温度調節部７０は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節する。そのため、このような固体酸化物形電解システム１によれば、固体酸化物形電解セル２０の外部から供給される熱量を最適な範囲に制御することができる。したがって、本実施形態に係る固体酸化物形電解システム１は、熱効率のよい状態で長時間運転することができる。
【0051】
なお、上記実施形態では、出口側温度測定部６２は、入口側温度測定部６１が設けられた流路に設けられていた。すなわち、第１及び第２実施形態に係る固体酸化物形電解システム１では、入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２は、酸素極側流路５０に設けられていた。また、第３実施形態に係る固体酸化物形電解システム１では、入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２は、水素極側流路５５に設けられていた。
【0052】
しかしながら、固体酸化物形電解セル２０の温度は、酸素極側流路５０と水素極側流路５５とで大きな差はない。そのため、入口側温度測定部６１は、酸素極側流路５０及び水素極側流路５５の少なくともいずれか一方に設けられていればよい。また、出口側温度測定部６２は、酸素極側流路５０及び水素極側流路５５の少なくともいずれか一方に設けられていればよい。例えば、入口側温度測定部６１が酸素極側流路５０に設けられ、出口側温度測定部６２が水素極側流路５５に設けられていてもよい。また、入口側温度測定部６１が水素極側流路５５に設けられ、出口側温度測定部６２が酸素極側流路５０に設けられていてもよい。また、入口側温度測定部６１が酸素極側流路５０及び水素極側流路５５に設けられ、出口側温度測定部６２が酸素極側流路５０及び水素極側流路５５に設けられていてもよい。
【0053】
また、固体酸化物形電解システム１が、１つの固体酸化物形電解セル２０を含む例について説明した。しかしながら、固体酸化物形電解システム１は、複数の固体酸化物形電解セル２０を含んでいてもよい。また、固体酸化物形電解システム１は、１つの固体酸化物形電解セル２０に代え、複数の固体酸化物形電解セル２０を含むスタックを含んでいてもよい。さらに、固体酸化物形電解システム１は、複数のスタックを含んでいてもよい。
【0054】
固体酸化物形電解システム１が複数の固体酸化物形電解セル２０又は複数のスタックを含む場合、各固体酸化物形電解セル２０の酸素極側流路５０又は水素極側流路５５に、入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２とを含む一対の測定部が設けられてもよい。また、各セルスタックの酸素極側流路５０又は水素極側流路５５に、入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２とを含む一対の測定部が設けられてもよい。
【0055】
そして、各固体酸化物形電解セル２０又は各複数のスタックに対応する測定部の温度差の平均が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節してもよい。この方法により、筐体４０内の固体酸化物形電解セル２０の温度を簡易に調節することができる。特に、加熱部７５が筐体４０の内側の空間に配置されている場合、加熱部７５が１つだけであっても、筐体４０の内側の空間を加熱するだけで、複数の固体酸化物形電解セル２０又は複数のスタックの温度を調節できる。なお、ホットモジュール１０内の全ての固体酸化物形電解セル２０及び複数のスタックの温度差の平均を必ずしも算出する必要はなく、少なくとも一部の固体酸化物形電解セル２０及び複数のスタックの温度差の平均を算出すればよい。
【0056】
また、加熱部７５が酸素極側流路５０又は水素極側流路５５ごとに設けられ、固体酸化物形電解セル２０又はスタックごとに対応する加熱部７５で固体酸化物形電解セル２０又はスタックの温度を調節してもよい。また、加熱部７５は、固体酸化物形電解セル２０又はスタックの近傍に個別に設けられていてもよい。そして、固体酸化物形電解セル２０又はスタックごとに対応する一対の測定部が設けられていてもよい。これらのような場合、一対の測定部の温度差に基づいて、対応する固体酸化物形電解セル２０又はスタックの温度を個別に調節してもよい。
【0057】
次に、本実施形態に係る固体酸化物形電解システム１の作用効果について説明する。
【0058】
固体酸化物形電解システム１は、酸素極２２と水素極２３とを含む固体酸化物形電解セル２０と、固体酸化物形電解セル２０を収容する筐体４０とを含むホットモジュール１０を備える。固体酸化物形電解システム１は、酸素極２２に空気を供給し、酸素極２２で生成された酸素を排出する酸素極側流路５０と、水素極２３に水蒸気を供給し、水素極２３で生成された水素を排出する水素極側流路５５とを備える。固体酸化物形電解システム１は、酸素極側流路５０及び水素極側流路５５の少なくともいずれか一方に設けられ、固体酸化物形電解セル２０に供給されるガスの温度を測定する入口側温度測定部６１を備える。固体酸化物形電解システム１は、酸素極側流路５０及び水素極側流路５５の少なくともいずれか一方に設けられ、固体酸化物形電解セル２０から排出されるガスの温度を測定する出口側温度測定部６２を備える。固体酸化物形電解システム１は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節する温度調節部７０を備える。
【0059】
また、固体酸化物形電解システム１の運転方法では、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を温度調節部７０によって調節する。
【0060】
このように、温度調節部７０は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３との温度差が、閾値温度を超えた場合に、上記温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節する。そのため、このような固体酸化物形電解システム１によれば、固体酸化物形電解セル２０の外部から供給される熱量を最適な範囲に制御することができる。したがって、本実施形態に係る固体酸化物形電解システム１は、熱効率のよい状態で長時間運転することができる。
【0061】
温度調節部７０は、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３から、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２を減じた温度差が、第１閾値温度Ｔａを超えた場合には、温度調節部７０の設定温度を下げてもよい。例えば、固体酸化物形電解セル２０が経年劣化し、固体酸化物形電解セル２０の内部抵抗が増えた場合、固体酸化物形電解セル２０の発熱反応が、吸熱反応よりも大きくなる。このような場合には、温度調節部７０の設定温度を下げ、自然放熱又は酸素極２２側のガスの供給量を増やすなどして、固体酸化物形電解セル２０の温度が低下させることにより、固体酸化物形電解セル２０の電解温度を最適な温度にすることができる。そのため、固体酸化物形電解システム１全体の熱損失を抑制することができる。
【0062】
また、温度調節部７０は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２から、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３を減じた温度差が、第２閾値温度Ｔｂを超えた場合には、温度調節部７０の設定温度を上げてもよい。例えば、固体酸化物形電解セル２０の吸熱反応が、発熱反応よりも大きくなりすぎた場合には、温度調節部７０の設定温度を上げる。これにより、固体酸化物形電解セル２０の温度が上昇する。そのため、固体酸化物形電解システム１の電解反応を促進することができる。
【0063】
入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２は、酸素極側流路５０に設けられてもよい。酸素極側流路５０を流れるガスの量は、水素極側流路５５を流れるガスの量よりも通常は多く、入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２で測定される温度は均一である。そのため、この構成によれば、入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２での温度差を、より正確に評価することができる。
【0064】
入口側温度測定部６１と出口側温度測定部６２は、水素極側流路５５に設けられていてもよい。これによっても、温度調節部７０は、入口側温度測定部６１で測定されたガスの温度Ｔ２と、出口側温度測定部６２で測定されたガスの温度Ｔ３との温度差が、閾値温度を超えた場合に、温度差が小さくなるように固体酸化物形電解セル２０の温度を調節できる。したがって、固体酸化物形電解システム１は、熱効率のよい状態で長時間運転することができる。
【0065】
酸素極側流路５０は、酸素極２２に空気を供給する空気供給流路５１と、酸素極２２で生成された酸素を排出する酸素排出流路５２とを含んでいてもよい。温度調節部７０は加熱部７５を含んでいてもよい。加熱部７５は空気供給流路５１に設けられていてもよい。このような構成により、固体酸化物形電解セル２０を、供給空気によって直接加熱することができる。そのため、固体酸化物形電解セル２０の温度を容易に調節することができる。
【0066】
温度調節部７０は加熱部７５を含んでいてもよい。加熱部７５は筐体４０の内側の空間に配置されていてもよい。この構成によれば、加熱部７５は、筐体４０の内側の空間を加熱することができる。そのため、簡易な構成で、筐体４０内を均一な温度に維持することができる。また、複数の固体酸化物形電解セル２０が筐体４０内に複数存在していても、まとめて加熱することができるため、簡易な構成で複数の固体酸化物形電解セル２０を加熱することができる。
【0067】
いくつかの実施形態を説明したが、上記開示内容に基づいて実施形態の修正または変形をすることが可能である。上記実施形態のすべての構成要素、及び請求の範囲に記載されたすべての特徴は、それらが互いに矛盾しない限り、個々に抜き出して組み合わせてもよい。
【0068】
本開示は、例えば、国際連合が主導する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「すべての人々の、安価かつ信頼できる持続可能な近代的エネルギーへのアクセスを確保する」に貢献することができる。
【符号の説明】
【0069】
１ 固体酸化物形電解システム
１０ ホットモジュール
２０ 固体酸化物形電解セル
２２ 酸素極
２３ 水素極
４０ 筐体
５０ 酸素極側流路
５１ 空気供給流路
５２ 酸素排出流路
５５ 水素極側流路
６１ 入口側温度測定部
６２ 出口側温度測定部
７０ 温度調節部
７５ 加熱部
１０ ホットモジュール
２０ 固体酸化物形電解セル
２２ 酸素極
２３ 水素極
４０ 筐体
５０ 酸素極側流路
５１ 空気供給流路
５２ 酸素排出流路
５５ 水素極側流路
６１ 入口側温度測定部
６２ 出口側温度測定部
７０ 温度調節部
７５ 加熱部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】