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(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】P2024154973
(43)【公開日】2024-10-31
(54)【発明の名称】共電解システム
(51)【国際特許分類】
C25B 1/04 20210101AFI20241024BHJP
C25B 1/23 20210101ALI20241024BHJP
C25B 9/00 20210101ALI20241024BHJP
C25B 15/02 20210101ALI20241024BHJP
C25B 9/19 20210101ALI20241024BHJP
C25B 9/13 20210101ALI20241024BHJP
【ＦＩ】
C25B1/04
C25B1/23
C25B9/00 A
C25B15/02
C25B9/19
C25B9/13
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023069253
(22)【出願日】2023-04-20
(71)【出願人】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】竹本 翔一
(72)【発明者】
【氏名】宮脇 亜紀
(72)【発明者】
【氏名】岡村 和政
【テーマコード（参考）】
4K021
【Ｆターム（参考）】
4K021AA01
4K021AA09
4K021BA02
4K021BC03
4K021DB53
4K021DC03
4K021DC15
(57)【要約】
【課題】合成ガスの目標組成比を確実に得られる共電解システムを提供する。
【解決手段】共電解システム１は、固体電解質膜２１と燃料電極２２と酸素電極２３とを有する電解セル２０と、燃料電極２２にＣＯ２及びＨ２Ｏを供給する燃料ガス供給管３と、酸素電極２３に大気を供給する大気供給管４と、燃料電極２２で生成したＨ２及びＣＯを含む合成ガスを排出する合成ガス排出管５と、酸素電極２３で生成したＯ２を排出する酸素排出管６とを備える。共電解システム１は、更に、合成ガスの一部を燃料ガス供給管３に還流する還流管７を備える。
【選択図】図１
【解決手段】共電解システム１は、固体電解質膜２１と燃料電極２２と酸素電極２３とを有する電解セル２０と、燃料電極２２にＣＯ２及びＨ２Ｏを供給する燃料ガス供給管３と、酸素電極２３に大気を供給する大気供給管４と、燃料電極２２で生成したＨ２及びＣＯを含む合成ガスを排出する合成ガス排出管５と、酸素電極２３で生成したＯ２を排出する酸素排出管６とを備える。共電解システム１は、更に、合成ガスの一部を燃料ガス供給管３に還流する還流管７を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
固体電解質膜と燃料電極と酸素電極とを有する電解セルと、
前記燃料電極にＣＯ２及びＨ２Ｏを供給する燃料ガス供給管と、
前記酸素電極に大気を供給する大気供給管と、
前記燃料電極で生成したＨ２及びＣＯを含む合成ガスを排出する合成ガス排出管と、
前記酸素電極で生成したＯ２を排出する酸素排出管と、
を備えた共電解システムであって、
前記合成ガスの一部を前記燃料ガス供給管に還流する還流管を更に備えることを特徴とする共電解システム。
前記燃料電極にＣＯ２及びＨ２Ｏを供給する燃料ガス供給管と、
前記酸素電極に大気を供給する大気供給管と、
前記燃料電極で生成したＨ２及びＣＯを含む合成ガスを排出する合成ガス排出管と、
前記酸素電極で生成したＯ２を排出する酸素排出管と、
を備えた共電解システムであって、
前記合成ガスの一部を前記燃料ガス供給管に還流する還流管を更に備えることを特徴とする共電解システム。
【請求項2】
前記還流管を流れる前記合成ガスの流量を調整する流量調整弁と、
前記合成ガス排出管を流れる前記合成ガスの組成比の検出結果又は前記電解セルを流れる電解電流の検出結果に基づいて、前記流量調整弁の開度を制御する制御部と、
を更に備える請求項１に記載の共電解システム。
前記合成ガス排出管を流れる前記合成ガスの組成比の検出結果又は前記電解セルを流れる電解電流の検出結果に基づいて、前記流量調整弁の開度を制御する制御部と、
を更に備える請求項１に記載の共電解システム。
【請求項3】
前記燃料ガス供給管は、ＣＯ２及びＨ２Ｏを所定温度以上に加熱する第１エリアと、前記第１エリアの上流側に位置するとともにＣＯ２及びＨ２Ｏを前記所定温度未満に加熱する第２エリアとを有し、
前記還流管は、前記合成ガス排出管と前記燃料ガス供給管の前記第１エリアとを接続する第１還流管と、前記合成ガス排出管と前記燃料ガス供給管の前記第２エリアとを接続する第２還流管とを有し、
前記第１還流管に第１流量調整弁が設けられ、前記第２還流管に第２流量調整弁が設けられ、
前記制御部は、前記合成ガスの組成比の検出結果又は前記電解電流の検出結果に基づいて、前記第１流量調整弁の開度及び前記第２流量調整弁の開度を制御する請求項２に記載の共電解システム。
前記還流管は、前記合成ガス排出管と前記燃料ガス供給管の前記第１エリアとを接続する第１還流管と、前記合成ガス排出管と前記燃料ガス供給管の前記第２エリアとを接続する第２還流管とを有し、
前記第１還流管に第１流量調整弁が設けられ、前記第２還流管に第２流量調整弁が設けられ、
前記制御部は、前記合成ガスの組成比の検出結果又は前記電解電流の検出結果に基づいて、前記第１流量調整弁の開度及び前記第２流量調整弁の開度を制御する請求項２に記載の共電解システム。
【請求項4】
前記燃料ガス供給管の内部において、前記第１還流管との合流部よりも下流側の前記第１エリア、及び、前記第２還流管との合流部よりも下流側の前記第２エリアの少なくとも一方には、触媒拡散体が設けられている請求項３に記載の共電解システム。
【請求項5】
前記第１還流管との合流部よりも下流側の前記第１エリアの内部には、第１触媒拡散体が設けられ、前記第２還流管との合流部よりも下流側の前記第２エリアの内部には、第１触媒拡散体と異なる第２触媒拡散体が設けられている請求項４に記載の共電解システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、共電解システムに関し、特にＣＯ２とＨ２Ｏを原料として同時に電解してＨ２及びＣＯを含む合成ガスを生成する固体酸化物形電解セル共電解システムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、このような技術分野として、例えば特許文献１に記載されるものがある。特許文献１には、再生可能エネルギ由来の供給電力の変動に対応しながら、合成ガス目標組成比であるＨ２／ＣＯ＝２を得られる技術が開示されている。より具体的には、ＣＯ２とＨ２Ｏの電気分解によりＣＯ及びＨ２を同時に生成する第１装置と、Ｈ２Ｏの電気分解によりＨ２を生成する第２装置とをそれぞれ用意し、安定電力の場合は第１装置を用いて共電解を実施し、変動電力の場合は第２装置を用いて水電解を実施する。これをもってＨ２とＣＯとの比率を調整し、合成ガス目標組成比の実現を図る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第５６０５４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、上述の共電解システムでは、合成ガスの目標組成比を得られない可能性があった。
【0005】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、合成ガスの目標組成比を確実に得られる共電解システム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】
【0006】
本発明に係る共電解システムは、固体電解質膜と燃料電極と酸素電極とを有する電解セルと、前記燃料電極にＣＯ２及びＨ２Ｏを供給する燃料ガス供給管と、前記酸素電極に大気を供給する大気供給管と、前記燃料電極で生成したＨ２及びＣＯを含む合成ガスを排出する合成ガス排出管と、前記酸素電極で生成したＯ２を排出する酸素排出管と、を備えた共電解システムであって、前記合成ガスの一部を前記燃料ガス供給管に還流する還流管を更に備えることを特徴とする。
【0007】
本発明に係る共電解システムでは、ＣＯ及びＨ２を含む合成ガスの一部を還流管を介して燃料ガス供給管に還流するので、還流合成ガス中のＨ２が逆水性ガスシフト反応を進行させることによりＣＯの生成量を増やし、還流合成ガス中のＣＯが水性ガスシフト反応を進行させることによりＨ２の生成量を増やすことができる。このように水性ガスシフト反応及び逆水性ガスシフト反応を利用し合成ガスの組成比を調整することができるので、合成ガスの目標組成比を確実に得られる。
【0008】
本発明に係る共電解システムにおいて、前記還流管を流れる前記合成ガスの流量を調整する流量調整弁と、前記合成ガス排出管を流れる前記合成ガスの組成比の検出結果又は前記電解セルを流れる電解電流の検出結果に基づいて、前記流量調整弁の開度を制御する制御部と、を更に備えることが好ましい。このようにすれば、制御部は合成ガスの組成比の検出結果又は電解電流の検出結果に基づいて、合成ガスの目標組成比となるように流量調整弁の開度を制御することで、合成ガスの目標組成比をより確実に得られる。
【0009】
本発明に係る共電解システムにおいて、前記燃料ガス供給管は、ＣＯ２及びＨ２Ｏを所定温度以上に加熱する第１エリアと、前記第１エリアの上流側に位置するとともにＣＯ２及びＨ２Ｏを前記所定温度未満に加熱する第２エリアとを有し、前記還流管は、前記合成ガス排出管と前記燃料ガス供給管の前記第１エリアとを接続する第１還流管と、前記合成ガス排出管と前記燃料ガス供給管の前記第２エリアとを接続する第２還流管とを有し、前記第１還流管に第１流量調整弁が設けられ、前記第２還流管に第２流量調整弁が設けられ、前記制御部は、前記合成ガスの組成比の検出結果又は前記電解電流の検出結果に基づいて、前記第１流量調整弁の開度及び前記第２流量調整弁の開度を制御することが好ましい。このようにすれば、合成ガスの組成比の検出結果又は電解電流の検出結果に基づいて第１還流管と第２還流管とを切り替えるとともに、合成ガスの還流先の温度を変えることで逆水性ガスシフト反応と水性ガスシフト反応との反応比率を調整することにより、合成ガスの目標組成比をより確実に得られる。
【0010】
本発明に係る共電解システムにおいて、前記燃料ガス供給管の内部において、前記第１還流管との合流部よりも下流側の前記第１エリア、及び、前記第２還流管との合流部よりも下流側の前記第２エリアの少なくとも一方には、触媒拡散体が設けられていることが好ましい。このようにすれば、触媒拡散体を用いて水性ガスシフト反応又は逆水性ガスシフト反応を促進することで、合成ガスの目標組成比をより確実に得られる。
【0011】
本発明に係る共電解システムにおいて、前記第１還流管との合流部よりも下流側の前記第１エリアの内部には、第１触媒拡散体が設けられ、前記第２還流管との合流部よりも下流側の前記第２エリアの内部には、第１触媒拡散体と異なる第２触媒拡散体が設けられていることが好ましい。このようにすれば、水性ガスシフト反応又は逆水性ガスシフト反応を促進できる触媒拡散体をそれぞれ設けることで、合成ガスの目標組成比をより確実に得られる。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、合成ガスの目標組成比を確実に得られる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】第１実施形態に係る共電解システムを示す模式図である。
【図2】第２実施形態に係る共電解システムを示す模式図である。
【図3】第３実施形態に係る共電解システムを示す模式図である。
【図4】第４実施形態に係る共電解システムを示す模式図である。
【図5】第５実施形態に係る共電解システムを示す模式図である。
【図6】第５実施形態に係る共電解システムの制御処理を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、図面を参照して本発明に係る共電解システムの実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複説明を省略する。
【0015】
［第１実施形態］
図１は第１実施形態に係る共電解システムを示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の共電解システム１は、電解スタック２と、電解スタック２の上流側に配置された燃料ガス供給管３及び大気供給管４と、電解スタック２の下流側に配置された合成ガス排出管５及び酸素排出管６とを備えている。
図１は第１実施形態に係る共電解システムを示す模式図である。図１に示すように、本実施形態の共電解システム１は、電解スタック２と、電解スタック２の上流側に配置された燃料ガス供給管３及び大気供給管４と、電解スタック２の下流側に配置された合成ガス排出管５及び酸素排出管６とを備えている。
【0016】
電解スタック２は、複数の電解セル２０を一定の方向に積層することにより形成されている。図１では、電解スタック２での化学反応や各ガスの流れを分かりやすく示すため、一つの電解セル２０のみを描く。電解セル２０は、いわゆる固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ：Solid Oxide Electrolysis Cell）であって、ＣＯ２とＨ２Ｏを原料として同時に電解してＨ２とＣＯを生成する。この電解セル２０は、例えば６００℃以上９００℃以下の温度で作動する。
【0017】
図１に示すように、電解セル２０は、固体電解質膜２１と、固体電解質膜２１の一方の主面に配置された燃料電極２２と、固体電解質膜２１の他方の主面に配置された酸素電極２３とを有する。固体電解質膜２１は、例えば固体酸化物セラミックスによって形成される。燃料電極２２には例えばニッケルやセリウム系の材料、酸素電極２３には例えばランタンコバルト酸化物系の材料が用いられる。
【0018】
燃料ガス供給管３は、電解セル２０の上流側に配置され、電解セル２０の燃料電極２２にＣＯ２及びＨ２Ｏ（水蒸気）を供給する。大気供給管４は、電解セル２０の上流側に配置され、電解セル２０の酸素電極２３に大気を供給する。
【0019】
合成ガス排出管５は、電解セル２０の下流側に配置され、燃料電極２２で生成したＨ２及びＣＯを含む合成ガスを外部に排出する。酸素排出管６は、電解セル２０の下流側に配置され、酸素電極２３で生成したＯ２を外部に排出する。
【0020】
燃料電極２２と酸素電極２３との間に電力が供給され、且つ、ＣＯ２及びＨ２Ｏが供給されると、燃料電極２２では、以下の式（１）から式（３）の反応が起こり、Ｈ２及びＣＯを生成する。生成したＨ２及びＣＯを含む合成ガスは、合成ガス排出管５を介して例えば次工程の燃料合成装置（図示せず）に向けて排出される。なお、式（３）において、ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２は水性ガスシフト反応（ＷＧＳ：water gas shift reaction）と呼び、その逆であるＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏは逆水性ガスシフト反応（ＲＷＧＳ：reverse water gas shift reaction）と呼ぶ。
【0021】
一方、生成したＯ２－は、固体電解質膜２１を通過して酸素電極２３に移動する。酸素電極２３では、以下の式（４）の反応が起こり、Ｏ２を生成する。生成したＯ２は、酸素排出管６を介して外部に排出される。
Ｏ２－→１／２Ｏ２＋２ｅ－ （４）
Ｏ２－→１／２Ｏ２＋２ｅ－ （４）
【0022】
燃料電極２２で生成したＨ２及びＣＯを燃料合成装置で炭化水素系燃料（ＣｎＨｍ）の製造に用いる場合、Ｈ２とＣＯとの比率が２（Ｈ２／ＣＯ＝２、すなわち合成ガスの目標組成比）であることが望ましい。従って、合成ガス排出管５から排出された合成ガスを調整せずに、そのまま炭化水素系燃料（ＣｎＨｍ）の製造に使用するには、燃料電極２２で生成したＨ２及びＣＯの比率（Ｈ２／ＣＯ）が２であることが求められる。
【0023】
これを実現するために、Ｈ２Ｏ／ＣＯ２＝２の燃料ガスを供給することにより、Ｈ２／ＣＯ＝２（合成ガスの目標組成比）の合成ガスを狙うことが既に知られている。しかし、再生可能エネルギの供給電力を利用した場合、その供給電力の変動によって電解電流が変動し、これに伴い共電解で生成した合成ガスの組成比も変動する。特に、電解電流が高いほどＨ２／ＣＯの値が高くなる。その結果、Ｈ２Ｏ／ＣＯ２＝２の燃料ガスを供給しても、Ｈ２／ＣＯ＝２の合成ガスを得られない問題が生じている。
【0024】
そこで、本願発明者らは、上述の式（３）に示す水性ガスシフト反応及び逆水性ガスシフト反応に着目し、生成した合成ガスの一部を燃料ガス供給管に還流することで、合成ガスの組成比を調整できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0025】
従って、本実施形態の共電解システム１は、更に、合成ガスの一部を燃料ガス供給管３に還流する還流管７を備えている。図１に示すように、還流管７は、合成ガス排出管５と燃料ガス供給管３とを接続するように形成されている。
【0026】
本実施形態に係る共電解システム１では、合成ガス排出管５と燃料ガス供給管３とを接続する還流管７を備えることで、ＣＯとＨ２を含む合成ガスの一部を還流管７を介して燃料ガス供給管３に還流できる。還流した合成ガス中のＨ２が逆水性ガスシフト反応（ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ）を進行させることによりＣＯの生成量を増やし、還流した合成ガス中のＣＯが水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）を進行させることによりＨ２の生成量を増やすことができる。このように水性ガスシフト反応及び逆水性ガスシフト反応を利用し合成ガスの組成比を調整できるので、合成ガスの目標組成比を確実に得られる。その結果、供給電力の変動による電解電流が変動した場合であっても、合成ガス目標組成比を確実に実現することが可能になる。
【0027】
［第２実施形態］
以下、図２を参照して共電解システムの第２実施形態を説明する。本実施形態の共電解システム１Ａは、還流管７に電磁弁８と逆止弁９とが設けられる点、及び、電流検出センサ１０を更に備える点において、上述した第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。
以下、図２を参照して共電解システムの第２実施形態を説明する。本実施形態の共電解システム１Ａは、還流管７に電磁弁８と逆止弁９とが設けられる点、及び、電流検出センサ１０を更に備える点において、上述した第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。
【0028】
図２に示すように、電流検出センサ１０は、電解セル２０を流れる電解電流、すなわち燃料電極２２と酸素電極２３との間の電流を検出し、検出した結果を電磁弁８に出力する。電磁弁８は、還流管７の合成ガス排出管５に近い側に配置されており、電流検出センサ１０の検出結果（検出電解電流）に基づいて開閉を行う。例えば電磁弁８は、検出電解電流を取得して予め設定された電流閾値と比較し、検出電解電流が電流閾値を超えた場合に開弁し、電流閾値以下である場合に閉弁するように構成されている。なお、電流閾値は、例えば合成ガスの目標組成比（Ｈ２／ＣＯ＝２）と対応する電流値であって、経験値等に基づいて設定される。
【0029】
一方、逆止弁９は、例えば還流管７の燃料ガス供給管３に近い側に配置され、燃料ガス供給管３側からの逆流を防止する。
【0030】
本実施形態の共電解システム１Ａによれば、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、還流管７に電磁弁８が設けられているので、必要に応じて還流のあり／なしを切り替えることができる。
【0031】
［第３実施形態］
以下、図３を参照して共電解システムの第３実施形態を説明する。本実施形態の共電解システム１Ｂは、還流管７に流量調整弁１１と逆止弁９とが設けられる点、及び、電流検出センサ１０と制御部１２とを更に備える点において、上述した第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。
以下、図３を参照して共電解システムの第３実施形態を説明する。本実施形態の共電解システム１Ｂは、還流管７に流量調整弁１１と逆止弁９とが設けられる点、及び、電流検出センサ１０と制御部１２とを更に備える点において、上述した第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。
【0032】
図３に示すように、流量調整弁１１は、例えば還流管７の合成ガス排出管５に近い側に配置されている。逆止弁９は、例えば還流管７の燃料ガス供給管３に近い側に配置されている。
【0033】
また、本実施形態の共電解システム１Ｂは、電流検出センサ１０及び制御部１２を更に備えている。電流検出センサ１０は、電解セル２０を流れる電解電流、すなわち燃料電極２２と酸素電極２３との間の電流を検出し、検出した結果を制御部１２に出力する。
【0034】
制御部１２は、例えば、演算を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、演算のためのプログラムを記録した二次記憶装置としてのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、演算経過の保存や一時的な制御変数を保存する一時記憶装置としてのＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とを組み合わせてなるマイクロコンピュータにより構成されており、記憶されたプログラムの実行によって共電解システム１Ｂの全体の制御を行う。
【0035】
本実施形態において、制御部１２は、電流検出センサ１０の検出結果（検出電解電流）に基づいて流量調整弁１１の開度を制御する。例えば、制御部１２には、電解セル２０を流れる電解電流の大きさとＨ２／ＣＯとの関係を示すテーブルやグラフが記憶されている。このようなテーブルやグラフは、例えば蓄積された実測値等に基づいて予め作成されたものである。
【0036】
制御部１２は、検出電解電流と上記テーブルやグラフとに基づいて、合成ガスの目標組成比（Ｈ２／ＣＯ＝２）となるように流量調整弁１１の開度を制御する。例えば検出電解電流がＨ２／ＣＯ＝２の関係に対応する電流閾値以下である場合、制御部１２は、流量調整弁１１を閉弁する。一方、検出電解電流が電流閾値を超えた場合、流量調整弁１１を開弁する。更に、開弁した場合において、制御部１２は、検出電解電流の変動に応じて上記テーブルやグラフに基づいて、Ｈ２／ＣＯ＝２となるように流量調整弁１１の開度を調整する。例えば検出電解電流が増加した場合、制御部１２は、流量調整弁１１の開度を大きくして還流合成ガスの流量を増やすことによりＨ２とＣＯの生成量を調整する。
【0037】
本実施形態の共電解システム１Ｂによれば、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、更に以下の作用効果を得られる。すなわち、制御部１２は、電流検出センサ１０の検出結果と予め記憶された関係テーブルやグラフ等とに基づいて、Ｈ２／ＣＯ＝２となるように流量調整弁１１の開度を制御するので、電解セル２０を流れる電解電流の変動に応じて還流合成ガスの流量を調整することができ、合成ガスの目標組成比をより確実に得られる。
【0038】
なお、本実施形態において、制御部１２及び流量調整弁１１に代えてＭＦＣ（Mass Flow Controller マスフローコントローラ）を用いてもよい。
【0039】
［第４実施形態］
以下、図４を参照して共電解システムの第４実施形態を説明する。本実施形態の共電解システム１Ｃは、還流管７に流量調整弁１１と逆止弁９とが設けられる点、及び、制御部１２と組成比検出センサ１３とを更に備える点において、上述した第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。
以下、図４を参照して共電解システムの第４実施形態を説明する。本実施形態の共電解システム１Ｃは、還流管７に流量調整弁１１と逆止弁９とが設けられる点、及び、制御部１２と組成比検出センサ１３とを更に備える点において、上述した第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。
【0040】
図４の上段に示すように、流量調整弁１１は、例えば還流管７の合成ガス排出管５に近い側に配置されている。逆止弁９は、例えば還流管７の燃料ガス供給管３に近い側に配置されている。
【0041】
また、本実施形態の共電解システム１Ｃは、組成比検出センサ１３及び制御部１２を更に備えている。組成比検出センサ１３は、合成ガス排出管５に設けられ、例えば合成ガス排出管５を流れるＨ２及びＣＯの濃度をそれぞれ計測することにより合成ガスの組成比（すなわち、Ｈ２／ＣＯ）を検出する。組成比検出センサ１３は、その検出結果を制御部１２に出力する。
【0042】
本実施形態において、制御部１２は、組成比検出センサ１３の検出結果に基づいて流量調整弁１１の開度を制御する。例えば、制御部１２には、Ｈ２／ＣＯと還流合成ガスの流量との関係を示すグラフやテーブル等が記憶されている。Ｈ２／ＣＯと還流合成ガスの流量との関係を示すグラフは、例えば図４の下段に示すようなものであり、例えば蓄積された実測値等に基づいて作成されたものである。図４の下段において、横軸で示す還流合成ガス流量は、還流合成ガスの流量のことである。
【0043】
制御部１２は、組成比検出センサ１３の検出結果（すなわち、Ｈ２／ＣＯ）と上記関係テーブルやグラフとに基づいて、合成ガスの目標組成比（Ｈ２／ＣＯ＝２）となるように流量調整弁１１の開度を制御し、還流合成ガスの流量を調整する。
【0044】
本実施形態の共電解システム１Ｃによれば、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、更に以下の作用効果を得られる。すなわち、制御部１２は、組成比検出センサ１３の検出結果と予め記憶された関係テーブルやグラフ等とに基づいて、Ｈ２／ＣＯ＝２となるように流量調整弁１１の開度を制御するので、合成ガス排出管５を流れる合成ガスの組成比に応じて、還流合成ガスの流量を調整することができる。従って、合成ガスの目標組成比をより確実に得られる。
【0045】
［第５実施形態］
以下、図５及び図６を参照して共電解システムの第５実施形態を説明する。本実施形態の共電解システム１Ｄは、組成比検出センサ１３と制御部１２と２つの還流管とを備える点、及び、各還流管に逆止弁と流量調整弁とがそれぞれ設けられる点において、上述した第１実施形態と大きく異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。
以下、図５及び図６を参照して共電解システムの第５実施形態を説明する。本実施形態の共電解システム１Ｄは、組成比検出センサ１３と制御部１２と２つの還流管とを備える点、及び、各還流管に逆止弁と流量調整弁とがそれぞれ設けられる点において、上述した第１実施形態と大きく異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。
【0046】
図５上段に示すように、燃料ガス供給管３は、該燃料ガス供給管３を流れるＣＯ２及びＨ２Ｏを所定温度以上に加熱する第１エリア３ａと、第１エリア３ａの上流側に位置するとともにＣＯ２及びＨ２Ｏを所定温度未満に加熱する第２エリア３ｂとを有する。第１エリア３ａは例えば第１加熱部３２に、第２エリア３ｂは例えば第２加熱部３３に加熱される。ここでの所定温度は、上記式（３）に示す水性ガスシフト反応と逆水性ガスシフト反応との反応平衡が切り替わる温度であり、例えば６００℃である。
【0047】
第１加熱部３２は、例えば電気ヒーターによって構成され、燃料ガス供給管３の第１エリア３ａを流れる燃料ガスを６００℃以上になるように加熱する。第１加熱部３２は、燃料ガス供給管３の第１エリア３ａだけでなく、第１エリア３ａと対応する大気供給管４の第１部分４ａ、及び電解セル２０も加熱するように形成されている。
【0048】
第２加熱部３３は、例えば電気ヒーターによって構成され、燃料ガス供給管３の第２エリア３ｂを流れる燃料ガスを６００℃未満になるように加熱する。第２加熱部３３は、燃料ガス供給管３の第２エリア３ｂだけでなく、第２エリア３ｂと対応する大気供給管４の第２部分４ｂも加熱するように形成されている。
【0049】
また、本実施形態の共電解システム１Ｄは、２つの還流管（第１還流管１４、第２還流管１５）を備えている。第１還流管１４は、合成ガス排出管５と燃料ガス供給管３の第１エリア３ａとを接続し、合成ガス排出管５を流れる合成ガスの一部を燃料ガス供給管３の第１エリア３ａに還流する。第１還流管１４には、第１流量調整弁１６及び第１逆止弁１７がそれぞれ設けられている。第１流量調整弁１６は、例えば第１還流管１４の合成ガス排出管５に近い側に配置されている。第１逆止弁１７は、例えば第１還流管１４における燃料ガス供給管３の第１エリア３ａに近い側に配置されている。
【0050】
第２還流管１５は、合成ガス排出管５と燃料ガス供給管３の第２エリア３ｂとを接続し、合成ガス排出管５を流れる合成ガスの一部を燃料ガス供給管３の第２エリア３ｂに還流する。第２還流管１５には、第２流量調整弁１８及び第２逆止弁１９がそれぞれ設けられている。第２流量調整弁１８は、例えば第２還流管１５の合成ガス排出管５に近い側に配置されている。第２逆止弁１９は、例えば第２還流管１５における燃料ガス供給管３の第２エリア３ｂに近い側に配置されている。
【0051】
図５上段に示すように、燃料ガス供給管３の第１エリア３ａの内部において、第１還流管１４との合流部３４よりも下流側には、第１触媒拡散体３０が設けられている。第１触媒拡散体３０は、例えば逆水性ガスシフト反応を促進するＮｉやＣｕなどの金属触媒が担持されたものであり、第１エリア３ａの内周壁に固定されている。
【0052】
また、燃料ガス供給管３の第２エリア３ｂの内部において、第２還流管１５との合流部３５よりも下流側には、第２触媒拡散体３１が設けられている。第２触媒拡散体３１は、例えば水性ガスシフト反応を促進するＦｅ３Ｏ４やＲｈなどの金属触媒が担持されたものであり、第２エリア３ｂの内壁に固定されている。
【0053】
また、本実施形態の共電解システム１Ｄは、組成比検出センサ１３及び制御部１２を更に備えている。組成比検出センサ１３は、上述のように合成ガスの組成比（すなわち、Ｈ２／ＣＯ）を検出し、その検出結果を制御部１２に出力する。
【0054】
制御部１２は、組成比検出センサ１３の検出結果に基づいて第１流量調整弁１６及び第２流量調整弁１８の開度をそれぞれ制御する。ここでは、図６を参照して制御部１２の制御処理を説明する。図６において、ＳＨ２／ＣＯ（単位：－）は組成比検出センサ１３によって検出された合成ガス組成比、ＴＨ２／ＣＯ（単位：－）は合成ガス目標組成比（すなわち、Ｈ２／ＣＯ＝２）、ｋｅｒｒｏｒは許容誤差（単位：％）である。また、図６に示す制御処理の開始時において、第１流量調整弁１６及び第２流量調整弁１８は全て閉弁状態である。
【0055】
図６に示すように、制御部１２は、まず、１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯ≦±ｋｅｒｒｏｒという関係を満たすか否かを判定する（ステップＳ１）。具体的には、制御部１２は、組成比検出センサ１３によって検出された合成ガス組成比ＳＨ２／ＣＯを取得し、取得したＳＨ２／ＣＯと合成ガス目標組成比ＴＨ２／ＣＯとを用いて１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯを算出する。次に、制御部１２は、１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯの算出結果を予め設定された許容誤差±ｋｅｒｒｏｒと比較する。許容誤差±ｋｅｒｒｏｒは、例えば経験値等に基づいて予め設定されたものである。
【0056】
１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯ≦±ｋｅｒｒｏｒという関係を満たした場合、制御処理は終了する。一方、１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯ≦±ｋｅｒｒｏｒという関係を満たしていない（すなわち、１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯ＞±ｋｅｒｒｏｒ）場合、制御部１２は、更にＳＨ２／ＣＯがＴＨ２／ＣＯ以上か否かを判定する（ステップＳ２）。
【0057】
ＳＨ２／ＣＯがＴＨ２／ＣＯより小さい場合、制御処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３では、制御部１２は、第２流量調整弁１８を開弁し、その後、ＴＨ２／ＣＯ－ＳＨ２／ＣＯの大きさに応じて第２流量調整弁１８の開度を制御することにより、還流合成ガスの流量を調整する。第２流量調整弁１８を開弁すると、合成ガスの一部は第２還流管１５を介して燃料ガス供給管３の第２エリア３ｂに還流する。第２エリア３ｂが第２加熱部３３によって６００℃未満に加熱するエリアであるため、第２エリア３ｂでは、水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２）が進行する。加えて、第２エリア３ｂの第２還流管１５との合流部３５よりも下流側に水性ガスシフト反応を促進する第２触媒拡散体３１が設けられているので、水性ガスシフト反応が促進される。その結果、ＣＯの量が減りＨ２の量が増えるので、Ｈ２／ＣＯが大きくなる。
【0058】
一方、ステップＳ２において、ＳＨ２／ＣＯがＴＨ２／ＣＯ以上の場合、制御処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、制御部１２は、第１流量調整弁１６を開弁し、その後、ＳＨ２／ＣＯ－ＴＨ２／ＣＯの大きさに応じて第１流量調整弁１６の開度を制御することにより、還流合成ガスの流量を調整する。第１流量調整弁１６を開弁すると、合成ガスの一部は第１還流管１４を介して燃料ガス供給管３の第１エリア３ａに還流する。第１エリア３ａが第１加熱部３２によって６００℃以上に加熱するエリアであるため、第１エリア３ａでは、逆水性ガスシフト反応（ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ）が進行する。加えて、第１エリア３ａの第１還流管１４との合流部３４よりも下流側に逆水性ガスシフト反応を促進する第１触媒拡散体３０が設けられているので、逆水性ガスシフト反応が促進される。その結果、Ｈ２の量が減りＣＯの量が増えるので、Ｈ２／ＣＯが小さくなる。
【0059】
ステップＳ３又はＳ４に続くステップＳ５では、制御部１２は、再び１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯ≦±ｋｅｒｒｏｒという関係を満たすか否かを判定する。このとき、制御部１２は、まず、組成比検出センサ１３によって新たに検出された合成ガス組成比ＳＨ２／ＣＯを取得し、取得したＳＨ２／ＣＯと合成ガス目標組成比ＴＨ２／ＣＯとを用いて１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯを再び算出する。次に、制御部１２は、１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯの算出結果を許容誤差±ｋｅｒｒｏｒと比較する。
【0060】
ここで、１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯ≦±ｋｅｒｒｏｒという関係を満たした場合、制御処理は終了する。一方、１－ＳＨ２／ＣＯ／ＴＨ２／ＣＯ≦±ｋｅｒｒｏｒという関係を満たしていない場合、制御処理は上述のステップＳ２に戻り、上述のステップＳ２～Ｓ５の処理が繰り返される。
【0061】
本実施形態の共電解システム１Ｄによれば、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、更に以下の作用効果を得られる。すなわち、制御部１２は、組成比検出センサ１３の検出結果に基づいて第１還流管１４と第２還流管１５とを切り替えるととともに、合成ガスの還流先の温度を変えることで６００℃以上の第１エリア３ａでの逆水性ガスシフト反応と、６００℃未満の第２エリア３ｂでの水性ガスシフト反応との反応比率を調整することにより、合成ガス目標組成比をより確実に得られる。
【0062】
なお、本実施形態では、制御部１２が組成比検出センサ１３の検出結果に基づいて第１流量調整弁１６の開度と第２流量調整弁１８の開度とを制御する例を挙げて説明したが、組成比検出センサ１３に代えて電流検出センサ１０を用いてもよい。電流検出センサ１０を用いる場合、制御部１２は電流検出センサ１０の検出結果に基づいて第１流量調整弁１６の開度と第２流量調整弁１８の開度とを制御する。また、制御部１２は、上述の制御処理に代えて、例えば図５下段に示すグラフに基づいて第１還流管１４及び第２還流管１５の切り替え、及び還流合成ガスの流量を制御してもよい。更に、第１触媒拡散体３０及び第２触媒拡散体３１は必ずしも両方設ける必要がなく、いずれか一方を設けてもよい。
【0063】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【0064】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ：共電解システム、２：電解スタック、３：燃料ガス供給管、３ａ：第１エリア、３ｂ：第２エリア、４：大気供給管、５：合成ガス排出管、６：酸素排出管、７：還流管、８：電磁弁、９：逆止弁、１０：電流検出センサ、１１：流量調整弁、１２：制御部、１３：組成比検出センサ、１４：第１還流管、１５：第２還流管、１６：第１流量調整弁、１７：第１逆止弁、１８：第２流量調整弁、１９：第２逆止弁、２０：電解セル、２１：固体電解質膜、２２：燃料電極、２３：酸素電極、３０：第１触媒拡散体、３１：第２触媒拡散体、３２：第１加熱部、３３：第２加熱部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】