JP7501616B2

JP7501616B2 - 電解システム及び電解方法

Info

Publication number: JP7501616B2
Application number: JP2022517553A
Authority: JP
Inventors: 真也奥野; 範貴水上; 博之鎌田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2020-05-01
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2024-06-18
Anticipated expiration: 2041-03-23
Also published as: JPWO2021220667A1; EP4144891A1; AU2021261991B2; US20230041781A1; WO2021220667A1; EP4144891A4; AU2021261991A1

Description

本開示は、電解システム及び電解方法に関する。

近年、二酸化炭素の排出を抑制するため、再生可能エネルギーを利用した発電システムの導入が促進されている。しかしながら、再生可能エネルギーを利用した発電は、天候などの自然条件によって出力が変動しやすく、出力が大きい場合には余剰電力が発生するおそれがある。また、上記のような発電システムの導入が過剰となり、送電設備の能力を超えて発電した場合にも、余剰電力が発生するおそれがある。

そこで、これらのような余剰電力を炭化水素のようなエネルギーキャリアに変換してエネルギーキャリアを貯蔵及び輸送し、余剰電力を必要なタイミングに合わせて需要者に供給することが提案されている。炭化水素は水素及び一酸化炭素を含む合成ガスから生成され、合成ガスは余剰電力を利用して水及び二酸化炭素を電気分解することにより得ることができる。

電気分解によって炭化水素を生成するシステムとしては、特許文献１の電力貯蔵・供給システムが知られている。上記電力貯蔵・供給システムは、Ｈ_２Ｏ電解、ＣＯ_２電解、又はＨ_２Ｏ＋ＣＯ_２共電解を行うリバーシブルＳＯＣと、リバーシブルＳＯＣのカソードオフガスを用いて炭化水素を合成する燃料製造器とを備えている。

特開２０１８－１９０６５０号公報

特許文献１に記載のように共電解すれば、水の電気分解によって水素が生成され、二酸化炭素の電気分解によって一酸化炭素が生成されるため、炭化水素を生成するための合成ガスを一つの電解装置によって得ることができる。しかしながら、合成ガスを原料として生成可能な生成物はエネルギーキャリアとしての炭化水素だけでなく、アルコール及びエーテルなどの有価物も生成することが可能である。ところが、合成ガス中の水素及び一酸化炭素の組成は、生成物の種類に応じて最適な組成に調製する必要がある。また、水及び二酸化炭素を共電解する場合、水及び二酸化炭素の供給流量の比率に対し、水素及び一酸化炭素の生成量の比率は、理論通り一致しない場合がある。また、水単独及び二酸化炭素単独の最適な電解電圧は異なっているため、共電解の最適な電解電圧は、水の供給流量、二酸化炭素の供給流量及びこれらの比率に応じて変化するおそれがある。これらのような理由により、水及び二酸化炭素を共電解する場合には、水単独又は二酸化炭素単独で電気分解する場合と比較し、複数の要因を考慮して電解装置の運転条件を設定する必要がある。そのため電解装置の操作が煩雑であり、目的の組成を有する合成ガスを容易に生成することが困難であった。

そこで、本開示は目的の組成を有する合成ガスを容易に生成可能な電解システム及び電解方法を提供することを目的とする。

本開示に係る電解システムは、水を電気分解して水素を生成する少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置を備える。電解システムは、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成する少なくとも１つのＣＯ_２電解装置を備える。電解システムは、水と二酸化炭素を共電解し、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の水素と、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の一酸化炭素とを生成する共電解装置を備える。

少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置は少なくとも１つのＣＯ_２電解装置に対して並列に配置され、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置は共電解装置に対して並列に配置され、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置は共電解装置に対して並列に配置されてもよい。少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置はそれぞれ並列に配置される複数のＨ_２Ｏ電解装置であり、複数のＨ_２Ｏ電解装置の各々によって生成される単位時間当たりの水素の量は共電解装置によって生成される単位時間当たりの水素の量よりも多くてもよい。少なくとも１つのＣＯ_２電解装置はそれぞれ並列に配置される複数のＣＯ_２電解装置であり、複数のＣＯ_２電解装置の各々によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量は共電解装置によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量よりも多くてもよい。少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置、及び共電解装置は、固体酸化物形電解セルをそれぞれ含んでもよい。

本開示に係る電解方法は、水を電気分解して水素を生成するＨ_２Ｏ電解工程を含む。電解方法は、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成するＣＯ_２電解工程を含む。電解方法は、水と二酸化炭素とを共電解し、Ｈ_２Ｏ電解工程で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の水素と、ＣＯ_２電解工程で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の一酸化炭素とを生成する共電解工程を含む。

本開示によれば、目的の組成を有する合成ガスを容易に生成可能な電解システム及び電解方法を提供することができる。

図１は、いくつかの実施形態に係る電解システムの例を示す概略図である。図２は、いくつかの実施形態に係るＳＯＦＣ（固体酸化物形電解セル）の例を示す概略図である。

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。

［電解システム］
図１及び図２を用いて本実施形態に係る電解システムについて説明する。図１に示すように、電解システム１は、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０と、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０と、共電解装置３０とを備える。Ｈ_２Ｏ電解装置１０は水を電気分解して水素を生成する。ＣＯ_２電解装置２０は二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成する。共電解装置３０は水と二酸化炭素とを共電解して水素と一酸化炭素とを生成する。

少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は、例えば少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０に対して並列に配置される。少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は、例えば共電解装置３０に対して並列に配置される。少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０は、例えば共電解装置３０に対して並列に配置される。

少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は、例えば、それぞれ並列に配置される複数のＨ_２Ｏ電解装置である。複数のＨ_２Ｏ電解装置は、例えば、ｍ基の電解装置を備える。複数のＨ_２Ｏ電解装置は、具体的には、電解装置１０ａ１、電解装置１０ａ２、・・・及び電解装置１０ａｍ（ｍは正の整数）を含む。電解装置１０ａ１は、入口配管１１ａ１及び出口配管１２ａ１と接続されており、入口配管１１ａ１から供給されたｘ１モルの水を電気分解し、出口配管１２ａ１からａ１モルの水素を排出する。電解装置１０ａ２は、入口配管１１ａ２及び出口配管１２ａ２と接続されており、入口配管１１ａ２から供給されたｘ２モルの水を電気分解し、出口配管１２ａ２からａ２モルの水素を排出する。電解装置１０ａｍは、入口配管１１ａｍ及び出口配管１２ａｍと接続されており、入口配管１１ａｍから供給されたｘｍモルの水を電気分解し、出口配管１２ａｍからａｍモルの水素を排出する。出口配管１２ａ１、出口配管１２ａ２、・・・及び出口配管１２ａｍは出口配管１３と接続されており、出口配管１２ａ１、出口配管１２ａ２、・・・及び出口配管１２ａｍを通過する水素は合流して出口配管１３を通過する。したがって、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は、ｘ１モルからｘｍモルの合計であるｘモルの水を電気分解し、ａ１モルからａｍモルまでの合計であるａモルの水素を生成する。なお、本明細書において、モル数は単位時間当たりに供給又は排出されるモル数を示す。

なお、本実施形態では、複数のＨ_２Ｏ電解装置がｍ基のＨ_２Ｏ電解装置を含む例について説明するが、電解システム１は少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０を備えていればよい。すなわち、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は、１つだけのＨ_２Ｏ電解装置を備えていてもよく、２つ以上、３つ以上、又は４つ以上の複数のＨ_２Ｏ電解装置を備えていてもよい。また、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は、５０以下、２０以下、１０以下、又は５以下の複数のＨ_２Ｏ電解装置を備えていてもよい。

少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０は、例えば、それぞれ並列に配置される複数のＣＯ_２電解装置である。複数のＣＯ_２電解装置は、例えば、ｎ基の電解装置を備える。複数のＣＯ_２電解装置は、具体的には、電解装置２０ｂ１、電解装置２０ｂ２、・・・及び電解装置２０ｂｎ（ｎは正の整数）を含む。電解装置２０ｂ１は、入口配管２１ｂ１及び出口配管２２ｂ１と接続されており、入口配管２１ｂ１から供給されたｙ１モルの二酸化炭素を電気分解し、出口配管２２ｂ１からｂ１モルの一酸化炭素を排出する。電解装置２０ｂ２は、入口配管２１ｂ２及び出口配管２２ｂ２と接続されており、入口配管２１ｂ２から供給されたｙ２モルの二酸化炭素を電気分解し、出口配管２２ｂ２からｂ２モルの一酸化炭素を排出する。電解装置２０ｂｎは、入口配管２１ｂｎ及び出口配管２２ｂｎと接続されており、入口配管２１ｂｎから供給されたｙｎモルの二酸化炭素を電気分解し、出口配管２２ｂｎからｂｎモルの一酸化炭素を排出する。出口配管２２ｂ１、出口配管２２ｂ２、・・・及び出口配管２２ｂｎは出口配管２３と接続されており、出口配管２２ｂ１、出口配管２２ｂ２、・・・及び出口配管２２ｂｎを通過する一酸化炭素は合流して出口配管２３を通過する。したがって、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０では、ｙ１モルからｙｎモルの合計であるｙモルの二酸化炭素を電気分解し、ｂ１モルからｂｎモルまでの合計であるｂモルの一酸化炭素を生成する。

なお、本実施形態では、複数のＣＯ_２電解装置がｎ基のＣＯ_２電解装置を含む例について説明するが、電解システム１は少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０を備えていればよい。すなわち、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０は、１つだけのＣＯ_２電解装置を備えていてもよく、２つ以上、３つ以上、又は４つ以上の複数のＣＯ_２電解装置を備えていてもよい。また、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０は、５０以下、２０以下、１０以下、又は５以下の複数のＣＯ_２電解装置を備えていてもよい。

共電解装置３０は、入口配管３１及び出口配管３３と接続されており、入口配管３１から供給されたｚ１モルの水とｚ２モルの二酸化炭素とを共電解し、出口配管３３からｃモルの水素とｄモルの一酸化炭素とを排出する。

共電解装置３０は、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の水素を生成する。少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０はそれぞれ並列に配置される複数のＨ_２Ｏ電解装置であってもよい。この場合、複数のＨ_２Ｏ電解装置によって生成される単位時間当たりの水素の量は共電解装置３０によって生成される単位時間当たりの水素の量よりも多くてもよい。複数のＨ_２Ｏ電解装置の各々によって生成される単位時間当たりの水素の量は共電解装置３０によって生成される単位時間当たりの水素の量よりも多くてもよい。

また、共電解装置３０は、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の一酸化炭素を生成する。少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０はそれぞれ並列に配置される複数のＣＯ_２電解装置であってもよい。この場合、複数のＣＯ_２電解装置２０によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量は共電解装置３０によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量よりも多くてもよい。複数のＣＯ_２電解装置の各々によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量は共電解装置３０によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量よりも多くてもよい。

なお、本実施形態では、共電解装置３０が１基の共電解装置を含む例について説明するが、電解システム１は少なくとも１つの共電解装置３０を備えていればよい。すなわち、少なくとも１つの共電解装置３０は、１つだけの共電解装置を備えていてもよく、２つ以上の複数の共電解装置を備えていてもよい。少なくとも１つの共電解装置３０に含まれる共電解装置の数は、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０に含まれるＨ_２Ｏ電解装置の数よりも少なくてもよい。また、少なくとも１つの共電解装置３０に含まれる共電解装置の数は、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０に含まれるＣＯ_２電解装置の数よりも少なくてもよい。少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０は、例えば、５以下、４以下、又は３以下のＣＯ_２電解装置を備えていてもよい。

上述のように、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は出口配管１３と接続されており、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０は出口配管２３と接続されており、共電解装置３０は出口配管３３と接続されている。出口配管１３、出口配管２３及び出口配管３３は、混合配管４０と接続されている。

そして、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０では単位時間当たりｘモルの水から単位時間当たりａモルの水素が生成される。また、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０では単位時間当たりｙモルの二酸化炭素から単位時間当たりｂモルの一酸化炭素が生成される。また、共電解装置３０では、単位時間当たりｚ１モルの水と単位時間当たりｚ２モルの二酸化炭素から、単位時間当たりｃモルの水素と単位時間当たりｄモルの一酸化炭素がそれぞれ生成される。

したがって、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０で生成されたａモルの水素、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０で生成されたｂモルの一酸化炭素、並びに、共電解装置３０で生成されたｃモルの水素及びｄモルの一酸化炭素は混合されて合成ガスとなる。合成ガスは混合配管４０を通過する。混合配管４０はバッファタンクに接続され、生成された合成ガスがバッファタンクに貯蔵されてもよい。また、混合配管４０は反応器に接続され、生成された合成ガスを原料として有価物を生成してもよい。

反応器は、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０及び共電解装置３０で生成された水素と、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０及び共電解装置３０で生成された一酸化炭素とを含む原料から有価物を生成することができる。反応器は、公知のものを使用することができ、合成ガスを含む原料ガスから目的とする生成物を生成することができればよい。

有価物は、合成ガスを原料として生成可能な物質であれば特に限定されないが、例えば、炭化水素、アルコール、及びエーテルのような有機物である。炭化水素としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、及びブタンのようなパラフィン、並びに、エチレン、プロピレン、１－ブテン、２－ブテン、イソブテン、及び１，３－ブタジエンのようなオレフィンが含まれる。アルコールには、例えば、メタノール、及びエタノールが含まれる。エーテルには、例えば、ジメチルエーテルが含まれる。なお、メタノールを合成する場合の合成ガスの組成の例としては、例えば、Ｈ_２：ＣＯ＝２：１である。エタノールを合成する場合の合成ガスの組成の例としては、例えば、Ｈ_２：ＣＯ＝３：１である。ジメチルエーテルを合成する場合の合成ガスの組成の例としては、例えば、Ｈ_２：ＣＯ＝１：１～２：１である。

少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は、水を電気分解して水素を生成することができれば特に限定されない。また、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０は、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成することができれば特に限定されない。また、共電解装置３０は、水と二酸化炭素とを共電解し、水素と一酸化炭素とを生成することができれば特に限定されない。例えば、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は、アルカリ形電解セル、固体高分子形電解セル、及び／又は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形電解セル）を含んでいてもよい。

図２に示すように、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０はＳＯＦＣ５０を含んでいてもよい。また、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０はＳＯＦＣ５０を含んでいてもよい。また、共電解装置３０はＳＯＦＣ５０を含んでいてもよい。さらに、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０、及び共電解装置３０は、ＳＯＦＣ５０をそれぞれ含んでいてもよい。少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０、及び共電解装置３０は、単一のＳＯＦＣ５０をそれぞれ含んでいてもよく、複数のＳＯＦＣ５０が積層されたセルスタックを含んでいてもよい。

ＳＯＦＣ５０は、電解質層５１と、電解質層５１の一方の面に設けられた水素極５２と、電解質層５１のもう一方の面に設けられた酸素極５３とを備える。水素極５２の電解質層５１とは反対側には、水素極側流路５４が設けられており、水素極側流路５４には水素極側流路入口５５及び水素極側流路出口５６が設けられる。酸素極５３の電解質層５１とは反対側には、酸素極側流路５７が設けられており、酸素極側流路５７には酸素極側流路入口５８及び酸素極側流路出口５９が設けられる。水素極５２及び酸素極５３には電圧印加部６０が電気的に接続され、電圧印加部６０によって水素極５２と酸素極５３との間に電圧が印加される。

電解質層５１は、例えば、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む。水素極５２は、例えば、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む。酸素極５３は、例えば、ＬＳＭ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ_３）、ＬＳＣ（（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３）、又は、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３）などの電子伝導性を示す酸化物を含む。これらの材料は、各電解装置で同じであってもよく、目的の生成物に応じて最適な材料となるように使い分けてもよい。

Ｈ_２Ｏ電解装置１０では、水素極側流路入口５５から水素極側流路５４に水（水蒸気）が供給され、水素極５２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５６から排出される。水素極５２で生じた酸素イオンは電解質層５１を通じて酸素極５３へと移動し、酸素極５３で酸素が生成される。酸素極側流路入口５８から酸素極側流路５７へはスイープガスが供給される。酸素極５３で生成された酸素は、スイープガスと共に酸素極側流路出口５９から排出される。

ＣＯ_２電解装置２０では、水素極側流路入口５５から水素極側流路５４に二酸化炭素が供給され、水素極５２で二酸化炭素から一酸化炭素が生成される。生成された一酸化炭素は水素極側流路出口５６から排出される。水素極５２で生じた酸素イオンは電解質層５１を通じて酸素極５３へと移動し、酸素極５３で酸素が生成される。酸素極側流路入口５８から酸素極側流路５７へはスイープガスが供給される。酸素極５３で生成された酸素は、スイープガスと共に酸素極側流路出口５９から排出される。

共電解装置３０では、水素極側流路入口５５から水素極側流路５４に水蒸気及び二酸化炭素が供給され、水素極５２で水蒸気及び二酸化炭素から水素及び一酸化炭素がそれぞれ生成される。生成された水素及び一酸化炭素は水素極側流路出口５６から排出される。水素極５２で生じた酸素イオンは電解質層５１を通じて酸素極５３へと移動し、酸素極５３で酸素が生成される。酸素極側流路入口５８から酸素極側流路５７へはスイープガスが供給される。酸素極５３で生成された酸素は、スイープガスと共に酸素極側流路出口５９から排出される。

［電解方法］
次に、本実施形態に係る電解方法について説明する。電解方法は、Ｈ_２Ｏ電解工程と、ＣＯ_２電解工程と、共電解工程とを含む。Ｈ_２Ｏ電解工程では、上述のようにＨ_２Ｏ電解装置１０が水を電気分解して水素を生成する。ＣＯ_２電解工程では、上述のようにＣＯ_２電解装置２０が二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成する。共電解工程では、共電解装置３０が、上述のように水と二酸化炭素とを共電解し、Ｈ_２Ｏ電解工程で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の水素と、ＣＯ_２電解工程で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の一酸化炭素とを生成する。

次に、本実施形態に係る電解システム１及び電解方法の作用及び効果について説明する。

電解システム１は、水を電気分解して水素を生成する少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０と、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成する少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０とを備える。電解システム１は、水と二酸化炭素とを共電解する共電解装置３０を備える。共電解装置３０は、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の水素と、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の一酸化炭素とを生成する。

電解方法は、水を電気分解して水素を生成するＨ_２Ｏ電解工程と、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成するＣＯ_２電解工程とを含む。電解方法は、水と二酸化炭素とを共電解し、Ｈ_２Ｏ電解工程で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の水素と、ＣＯ_２電解工程で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の一酸化炭素とを生成する共電解工程を含む。

Ｈ_２Ｏ電解装置１０は主として水を電気分解する。同様に、ＣＯ_２電解装置２０は主として二酸化炭素を電気分解する。すなわち、Ｈ_２Ｏ電解装置１０及びＣＯ_２電解装置２０は単一の原料を電気分解する。そのため、Ｈ_２Ｏ電解装置１０及びＣＯ_２電解装置２０では、原料の供給流量及び電解電圧のような運転条件を最適化することが容易であり、例えば熱中性電位のような最適な電解電圧に設定することによって高効率で電解生成物を得ることができる。

しかしながら、一般的なＨ_２Ｏ電解装置及びＣＯ_２電解装置の単位時間当たりの最適な生成量は、装置の大きさなどによって大まかには定まっている。そのため、Ｈ_２Ｏ電解装置１０及びＣＯ_２電解装置２０の稼働台数を増加又は減少させることにより生成物の量を調節すると、目的とする生成物の量に対して各生成物の量が多くなりすぎたり、少なくなりすぎたりするおそれがある。そこで、合成ガスに含まれる水素と一酸化炭素の混合比率を目的の比率とするために、通常、シフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）によって合成ガスの比率が調製される。

一方、共電解装置３０によって水と二酸化炭素とを共電解すれば、共電解装置３０単独であっても水素と一酸化炭素とを含む合成ガスを生成することができる。そのため、共電解装置３０の運転条件を調節することにより、水素と一酸化炭素との混合比率を調製することも可能である。共電解装置３０のみによって合成ガスの混合比率を調製することができれば、シフト反応の設備がなくても、所望の比率の合成ガスを得ることができるかもしれない。

しかしながら、水及び二酸化炭素を共電解する場合、水及び二酸化炭素の供給流量の比率に対し、水素及び一酸化炭素の生成量の比率は、理論通り一致しない場合がある。また、水単独及び二酸化炭素単独の最適な電解電圧は異なっているため、共電解の最適な電解電圧は、水の供給流量、二酸化炭素の供給流量及びこれらの比率に応じて変化するおそれがある。これらのような理由により、水及び二酸化炭素を共電解する場合には、水単独又は二酸化炭素単独で電気分解する場合と比較し、複数の要因を考慮して共電解装置３０の運転条件を設定する必要がある。

そこで、本実施形態に係る電解システム１は、Ｈ_２Ｏ電解装置１０と、ＣＯ_２電解装置２０と、共電解装置３０とを備えている。当該電解システム１によれば、大部分の水素をＨ_２Ｏ電解装置１０で生成し、大部分の一酸化炭素をＣＯ_２電解装置２０で生成することで、最適な条件下で水素と一酸化炭素とを生成することができる。例えば、Ｈ_２Ｏ電解装置１０では水の電解反応において熱中性電位付近などの最適な電解電圧で運転し、ＣＯ_２電解装置２０では二酸化炭素の電解反応において熱中性電位付近などの最適な電解電圧で運転する。こうすることで、電解システム１全体として目的とする水素及び一酸化炭素を効率的に得ることができる。また、目的の比率とするために不足分の水素及び一酸化炭素を共電解装置３０で生成して補うことにより、目的の比率を有する合成ガスを生成することができる。

上述の通り、共電解装置３０自体では、Ｈ_２Ｏ電解装置１０及びＣＯ_２電解装置２０と比較して水素又は一酸化炭素の生成効率が劣るものの、大部分の水素及び一酸化炭素をＨ_２Ｏ電解装置１０及びＣＯ_２電解装置２０でそれぞれ生成することができる。したがって、Ｈ_２Ｏ電解装置１０で生成される水素の量とＣＯ_２電解装置２０で生成される一酸化炭素の量とを決定し、これらの量に応じて共電解装置３０で生成される水素及び一酸化炭素の量を微調整で生成することができる。共電解装置３０は、水及び二酸化炭素の供給流量及び電解電圧などを変化させることで不足分を補うことができる。これにより、目的の比率の合成ガスを得ることができる。

したがって、本実施形態に係る電解システム１及び電解方法によれば、目的の組成を有する合成ガスを容易に生成することができる。また、本実施形態に係る電解システム１及び電解方法によれば、電解システム１全体として、電解効率の低下を抑制し、エネルギー効率の高い運転が達成できる可能性もある。

また、少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０に対して並列に配置されてもよい。少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０は共電解装置３０に対して並列に配置されてもよい。少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０は共電解装置３０に対して並列に配置されてもよい。これにより、Ｈ_２Ｏ電解装置１０、ＣＯ_２電解装置２０、及び共電解装置３０で生成された水素及び一酸化炭素を混合させて容易に目的とする合成ガスを得ることができる。

少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０はそれぞれ並列に配置される複数のＨ_２Ｏ電解装置であってもよい。複数のＨ_２Ｏ電解装置の各々によって生成される単位時間当たりの水素の量は共電解装置３０によって生成される単位時間当たりの水素の量よりも多くてもよい。これにより、Ｈ_２Ｏ電解装置１０の稼働台数を増減させることによって、電解システム１全体として生成される水素の量を増減させることができる。そして、Ｈ_２Ｏ電解装置１０で主として水を生成し、ＣＯ_２電解装置２０で主として一酸化炭素を生成することで、不足分の水素及び一酸化炭素を共電解装置３０による微調整で生成することができる。

少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０はそれぞれ並列に配置される複数のＣＯ_２電解装置であってもよい。複数のＣＯ_２電解装置２０の各々によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量は共電解装置３０によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量よりも多くてもよい。これにより、ＣＯ_２電解装置２０の稼働台数を増減させることによって、電解システム１全体として生成される一酸化炭素の量を増減させることができる。そして、Ｈ_２Ｏ電解装置１０で主として水を生成し、ＣＯ_２電解装置２０で主として一酸化炭素を生成することで、不足分の水素及び一酸化炭素を共電解装置３０による微調整で生成することができる。

少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置１０、少なくとも１つのＣＯ_２電解装置２０、及び共電解装置３０は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形電解セル）５０をそれぞれ含んでもよい。これらの電解装置がＳＯＦＣ５０を含むことにより、例えば４００℃以上といったような高温で電気分解を実施することができ、効率の高いシステムを形成することができる。

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。

特願２０２０－０８０９１８号（出願日：２０２０年５月１日）の全内容は、ここに援用される。

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又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。

１電解システム
１０Ｈ_２Ｏ電解装置
２０ＣＯ_２電解装置
３０共電解装置
５０ＳＯＦＣ

Claims

水を電気分解して水素を生成する少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置と、
二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を生成する少なくとも１つのＣＯ_２電解装置と、
水と二酸化炭素とを共電解し、前記少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の水素と、前記少なくとも１つのＣＯ_２電解装置で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の一酸化炭素とを生成する共電解装置と、
を備える、電解システム。
前記少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置は前記少なくとも１つのＣＯ_２電解装置に対して並列に配置され、前記少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置は前記共電解装置に対して並列に配置され、前記少なくとも１つのＣＯ_２電解装置は前記共電解装置に対して並列に配置される、請求項１に記載の電解システム。
前記少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置はそれぞれ並列に配置される複数のＨ_２Ｏ電解装置であり、前記複数のＨ_２Ｏ電解装置の各々によって生成される単位時間当たりの水素の量は前記共電解装置によって生成される単位時間当たりの水素の量よりも多い、請求項１又は２に記載の電解システム。
前記少なくとも１つのＣＯ_２電解装置はそれぞれ並列に配置される複数のＣＯ_２電解装置であり、前記複数のＣＯ_２電解装置の各々によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量は前記共電解装置によって生成される単位時間当たりの一酸化炭素の量よりも多い、請求項１～３のいずれか一項に記載の電解システム。
前記少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置、前記少なくとも１つのＣＯ_２電解装置、及び前記共電解装置は、固体酸化物形電解セルをそれぞれ含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の電解システム。
前記少なくとも１つのＨ_２Ｏ電解装置は並列に配置される複数のＨ_２Ｏ電解装置であり、
前記少なくとも１つのＣＯ_２電解装置は並列に配置される複数のＣＯ_２電解装置であり、
前記共電解装置は、水と二酸化炭素とを共電解し、前記複数のＨ_２Ｏ電解装置で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の水素と、前記複数のＣＯ_２電解装置で生成されるよりも少ない単位時間当たりの量の一酸化炭素とを生成し、
前記共電解装置の数は、複数のＨ_２Ｏ電解装置の数よりも少なく、かつ、複数のＣＯ_２電解装置の数よりも少ない、請求項１～５のいずれか一項に記載の電解システム。