火力発電所排ガスを利用した共電解形SOECシステムの効率解析

摘要

固体酸化物形電解セル（SOEC ： Solid Oxide Electrolysis Cell)は、500°C以上の高温条件下で水蒸気と二酸化炭素を同時に電気分解（共電解）し、水素と一酸化炭素に変換できる。本研究では、SOEC共電解を利用し、火力発電所の排ガスを供給ガスとした水素·一酸化炭素製造システムとその製造ガスからメタンを合成するメタン製造システムのエネルギー効率を試算した。電解電圧をサーモニュートラル電圧とした定常サイクル計算の結果より、火力発電所の排ガスに含まれる未利用熱、残留窒素および残留酸素の影響について、次の結果を得た。未利用熱を水蒸気発生器の熱源とすることで、システムの効率を高めることができる。残留酸素はSOEC保護の点からセル前段で還元する必要があり、これに用いる水素や一酸化炭素の消費はエネルギー効率の低下要因となり得るが、残留酸素濃度40mol%以下では酸素還元に伴う発生熱が供給ガスの予熱に使用でき、効率低下が緩和される。また、残留窒素をシステム入口で分離せずに用いた場合、システムの大型化や貯蔵ガスの純度低下の要因にもなるため、残留窒素は分離することが望ましいと考えらえる。残留窒素の分離に圧力変動吸着装置（PSA)を用いた場合の効率試算では、システム前段で排ガスから残留窒素を分離することにより、後段で分離するよりもPSAの圧縮比が小さくなることから分離動力を抑えられ、ェネルギー効率は向上した。