DE102020208605B4 - ENERGY CONVERSION SYSTEM - Google Patents

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Abstract

Energiewandlungssystem, das aufweist:eine Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung (10), die enthält:einen Elektrolyt (11), der ein Sauerstoffionenleitvermögen aufweist;eine Kathodenelektrode (12), die auf einer Seite des Elektrolyts (11) angeordnet ist; undeine Anodenelektrode (13), die auf einer anderen Seite des Elektrolyts (11) angeordnet ist;eine Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung (14), die ausgelegt ist, der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung (10) elektrische Leistung zuzuführen;eine H2O-Zufuhreinheit (20, 22), die ausgelegt ist, der Kathodenelektrode (12) H2O zuzuführen; undeine CO2-Zufuhreinheit (23, 25), die ausgelegt ist, der Kathodenelektrode (12) CO2zuzuführen, wobeidie Kathodenelektrode (12) aufweist:eine H2O-Elektrolysereaktion, die H2O elektrolysiert, um H2zu erzeugen;eine CO2-Elektrolysereaktion, die CO2elektrolysiert, um CO zu erzeugen; undeine Brennstoffsynthesereaktion, die Kohlenwasserstoff aus H2, das in der H2O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und CO, das in der CO2-Elektrolysereaktion erzeugt wird, synthetisiert;die Kathodenelektrode (12) eine Gaspassage (12c, 12d) aufweist, die ausgelegt ist, ein Gas, das jeweils bei der H2O-Elektrolysereaktion, der CO2-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion verwendet wird, und ein Gas, das jeweils bei der H2O-Elektrolysereaktion, der CO2-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, zu leiten;die Gaspassage (12c, 12d) enthält:eine Stromauf-Gaspassage (12c), in der die H2O-Elektrolysereaktion und die CO2-Elektrolysereaktion hauptsächlich auftreten; undeine Stromab-Gaspassage (12d), in der die Brennstoffsynthesereaktion hauptsächlich auftritt, wobei die Stromab-Gaspassage in einer Gasfließrichtung auf einer Stromabseite der Stromauf-Gaspassage (12c) angeordnet ist;eine Abtrennung (12e), die die Stromauf-Gaspassage (12c) und die Stromab-Gaspassage (12d) voneinander trennt; unddie Abtrennung (12e) ausgelegt ist, Wärme durch die Abtrennung (12e) zwischen dem Gas, das in der Stromauf-Gaspassage (12c) fließt, und dem Gas, das in der Stromab-Gaspassage (12d) fließt, auszutauschen.A power conversion system comprising:a fuel synthesizing device (10) including:an electrolyte (11) having oxygen ion conductivity;a cathode electrode (12) disposed on one side of said electrolyte (11); andan anode electrode (13) arranged on another side of the electrolyte (11);an electric power supply device (14) adapted to supply electric power to the fuel synthesizing device (10);an H2O supply unit (20, 22 ) adapted to supply H2O to the cathode electrode (12); and a CO2 supply unit (23, 25) configured to supply CO2 to the cathode electrode (12), the cathode electrode (12) comprising: an H2O electrolysis reaction that electrolyzes H2O to produce H2; a CO2 electrolysis reaction that electrolyzes CO2 to produce generate CO; anda fuel synthesis reaction that synthesizes hydrocarbon from H2 produced in the H2O electrolysis reaction and CO produced in the CO2 electrolysis reaction;the cathode electrode (12) has a gas passage (12c, 12d) designed to contain a to pass gas used in each of the H2O electrolysis reaction, the CO2 electrolysis reaction and the fuel synthesis reaction and a gas generated in each of the H2O electrolysis reaction, the CO2 electrolysis reaction and the fuel synthesis reaction;the gas passage (12c, 12d) includes: an upstream gas passage (12c) in which H2O electrolysis reaction and CO2 electrolysis reaction mainly occur; anda downstream gas passage (12d) in which the fuel synthesis reaction mainly occurs, the downstream gas passage being located on a downstream side of the upstream gas passage (12c) in a gas flow direction;a partition (12e) dividing the upstream gas passage (12c) and separating the downstream gas passage (12d) from each other; and the partition (12e) is adapted to exchange heat through the partition (12e) between the gas flowing in the upstream gas passage (12c) and the gas flowing in the downstream gas passage (12d).

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem.The present invention relates to an energy conversion system.

Hintergrundbackground

In der Vergangenheit wurde Aufmerksamkeit auf die Elektrifizierung einer Antriebsleistungsquelle gelegt, und es wurde der Bedarf nach einer praktischen Verwendung eines Systems herausgefunden, das überflüssige elektrische Leistung in Brennstoff wie beispielsweise Kohlenwasserstoff umwandelt und den Brennstoff speichert. In der JP 2014 - 152 219 A wird ein Brennstoffsynthesesystem vorgeschlagen, in dem Synthesegas, das Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthält, die durch Elektrolyse von Wasserdampf und Elektrolyse von Kohlendioxyd erzeugt werden, erzeugt wird und Kohlenwasserstoff aus diesem Synthesegas synthetisiert wird.In the past, attention has been paid to electrification of a driving power source, and the need for practical use of a system that converts waste electric power into fuel such as hydrocarbon and stores the fuel has been found. In the JP 2014 - 152 219 A proposes a fuel synthesis system in which synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide produced by electrolysis of water vapor and electrolysis of carbon dioxide is generated and hydrocarbon is synthesized from this synthesis gas.

Das System zum Umwandeln von elektrischer Leistung in Brennstoff gemäß der JP 2014 - 152 219 A erzielt jedoch keine für die praktische Verwendung geeignete hohe Effizienz.The system for converting electric power into fuel according to the JP 2014 - 152 219 A however, does not achieve high efficiency suitable for practical use.

ZusammenfassungSummary

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffsyntheseeffizienz in einem Energiewandlungssystem zu verbessern, das Kohlenwasserstoff aus H2 und CO synthetisiert, die durch Elektrolyse von H2O und Elektrolyse von CO2 erzeugt werden.It is an object of the present invention to improve fuel synthesis efficiency in a power conversion system that synthesizes hydrocarbon from H 2 and CO generated by electrolysis of H 2 O and electrolysis of CO 2 .

Erfindungsgemäß wird ein Energiewandlungssystem geschaffen, das eine Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung, eine Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung, eine H2O-Zufuhreinheit und eine CO2-Zufuhreinheit enthält. Die Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung enthält: einen Elektrolyt, der ein Sauerstoffionenleitvermögen aufweist; eine Kathodenelektrode, die auf einer Seite des Elektrolyts angeordnet ist; und eine Anodenelektrode, die auf einer anderen Seite des Elektrolyts angeordnet ist. Die Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung ist ausgelegt, der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung elektrische Leistung zuzuführen. Die H2O-Zufuhreinheit ist ausgelegt, der Kathodenelektrode H2O zuzuführen. Die CO2-Zufuhreinheit ist ausgelegt, der Kathodenelektrode CO2 zuzuführen.According to the present invention, there is provided a power conversion system including a fuel synthesizing device, an electric power supplying device, an H 2 O supplying unit, and a CO 2 supplying unit. The fuel synthesizing device includes: an electrolyte having oxygen ion conductivity; a cathode electrode arranged on one side of the electrolyte; and an anode electrode arranged on another side of the electrolyte. The electric power supply device is configured to supply electric power to the fuel synthesizing device. The H 2 O supply unit is configured to supply H 2 O to the cathode electrode. The CO 2 supply unit is designed to supply CO 2 to the cathode electrode.

Die Kathodenelektrode weist auf: eine H2O-Elektrolysereaktion, die H2O elektrolysiert, um H2 zu erzeugen; eine CO2-Elektrolysereaktion, die CO2 elektrolysiert, um CO zu erzeugen; und eine Brennstoffsynthesereaktion, die Kohlenwasserstoff aus H2, das in der H2O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und CO, das in der CO2-Elektrolysereaktion erzeugt wird, synthetisiert. Die Kathodenelektrode weist eine Gaspassage auf, die ausgelegt ist, ein Gas, das jeweils in der H2O-Elektrolysereaktion, der CO2-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion verwendet wird, und ein Gas, das in der H2O-Elektrolysereaktion, der CO2-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, zu leiten.The cathode electrode includes: an H 2 O electrolysis reaction that electrolyzes H 2 O to generate H 2 ; a CO 2 electrolysis reaction that electrolyzes CO 2 to generate CO; and a fuel synthesis reaction that synthesizes hydrocarbon from H 2 generated in the H 2 O electrolysis reaction and CO generated in the CO 2 electrolysis reaction. The cathode electrode has a gas passage designed to contain a gas used in each of the H 2 O electrolysis reaction, the CO 2 electrolysis reaction and the fuel synthesis reaction and a gas used in the H 2 O electrolysis reaction, the CO 2 electrolysis reaction and the fuel synthesis reaction.

Die Gaspassage enthält: eine Stromauf-Gaspassage, in der hauptsächlich die H2O-Elektrolysereaktion und die CO2-Elektrolysereaktion auftreten; und eine Stromab-Gaspassage, in der hauptsächlich die Brennstoffsynthesereaktion auftritt, wobei die Stromab-Gaspassage in einer Gasfließrichtung auf einer Stromabseite der Stromauf-Gaspassage angeordnet ist. Eine Trenneinrichtung bzw. Abtrennung trennt die Stromauf-Gaspassage und die Stromab-Gaspassage voneinander. Die Abtrennung ist ausgelegt, Wärme zwischen dem Gas, das in der Stromauf-Gaspassage fließt, und dem Gas, das in der Stromab-Gaspassage fließt, auszutauschen.The gas passage includes: an upstream gas passage in which the H 2 O electrolysis reaction and the CO 2 electrolysis reaction mainly occur; and a downstream gas passage in which the fuel synthesis reaction mainly occurs, the downstream gas passage being located on a downstream side of the upstream gas passage in a gas flow direction. A partition separates the upstream gas passage and the downstream gas passage from each other. The partition is designed to exchange heat between the gas flowing in the upstream gas passage and the gas flowing in the downstream gas passage.

Somit kann die Gastemperatur der Stromauf-Gaspassage erhöht werden, und es kann die Gastemperatur der Stromab-Gaspassage verringert werden. Als Ergebnis können die Elektrolysereaktionen, die hauptsächlich in der Stromauf-Gaspassage auftreten, und die Brennstoffsynthesereaktion, die hauptsächlich in der Stromab-Gaspassage auftritt, effizient gefördert werden, und es kann die Brennstoffsyntheseeffizienz verbessert werden.Thus, the gas temperature of the upstream gas passage can be increased, and the gas temperature of the downstream gas passage can be decreased. As a result, the electrolysis reactions mainly occurring in the upstream gas passage and the fuel synthesis reaction mainly occurring in the downstream gas passage can be efficiently promoted, and the fuel synthesis efficiency can be improved.

Figurenlistecharacter list

Die vorliegende Erfindung wird zusammen mit zusätzlichen Aufgaben, Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen deutlich.

  • 1 ist ein Diagramm, das eine Gesamtstruktur eines Energiewandlungssystems einer ersten Ausführungsform zeigt.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Kathodenelektrode und eines Elektrolyts einer Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung der ersten Ausführungsform.
  • 3 ist ein Diagramm, das einen Gasfluss an der Kathodenelektrode der ersten Ausführungsform zeigt.
  • 4 ist ein Diagramm, das eine Gesamtstruktur eines Energiewandlungssystems einer zweiten Ausführungsform zeigt.
  • 5 ist ein Diagramm, das einen Elektrolysebereich und einen Brennstoffsynthesebereich in einem Fall zeigt, in dem eine Fließgeschwindigkeit eines Quellengases niedrig ist.
  • 6 ist ein Diagramm, das den Elektrolysebereich und den Brennstoffsynthesebereich in einem Fall zeigt, in dem die Fließgeschwindigkeit des Quellengases hoch ist.
  • 7 ist ein Diagramm, das den Elektrolysebereich und den Brennstoffsynthesebereich in einem Fall zeigt, in dem eine Fließrate des Quellengases niedrig ist.
  • 8 ist ein Diagramm, das den Elektrolysebereich und den Brennstoffsynthesebereich in einem Fall zeigt, in dem die Fließrate des Quellengases hoch ist.
  • 9 ist eine perspektivische Ansicht einer Kathodenelektrode und eines Elektrolyts einer Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung einer dritten Ausführungsform.
  • 10 ist ein Diagramm, das einen Gasfluss an der Kathodenelektrode der dritten Ausführungsform zeigt.
  • 11 ist ein Diagramm, das einen Gasfluss an einer Kathodenelektrode einer vierten Ausführungsform zeigt.
The present invention, together with additional objects, features and advantages, will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
  • 1 12 is a diagram showing an overall structure of a power conversion system of a first embodiment.
  • 2 14 is a perspective view of a cathode electrode and an electrolyte of a fuel synthesizing device of the first embodiment.
  • 3 14 is a diagram showing a gas flow at the cathode electrode of the first embodiment.
  • 4 12 is a diagram showing an overall structure of a power conversion system of a second embodiment.
  • 5 14 is a diagram showing an electrolysis region and a fuel synthesis region in a case where a flow rate of a source gas is low.
  • 6 14 is a diagram showing the electrolysis range and the fuel synthesis range in a case where the flow rate of the source gas is high.
  • 7 14 is a diagram showing the electrolysis range and the fuel synthesis range in a case where a flow rate of the source gas is low.
  • 8th 14 is a diagram showing the electrolysis range and the fuel synthesis range in a case where the flow rate of the source gas is high.
  • 9 14 is a perspective view of a cathode electrode and an electrolyte of a fuel synthesizing device of a third embodiment.
  • 10 14 is a diagram showing a gas flow at the cathode electrode of the third embodiment.
  • 11 14 is a diagram showing a gas flow at a cathode electrode of a fourth embodiment.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Erste AusführungsformFirst embodiment

Im Folgenden wird ein Energiewandlungssystem einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.A power conversion system of a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

Wie es in 1 gezeigt ist, enthält das Energiewandlungssystem eine Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10. Die Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 ist eine Festoxid-Elektrolyseurzelle (SOEC). Die Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform kann H2 und CO mittels Elektrolyse von H2O und Elektrolyse von CO2 erzeugen und Kohlenwasserstoff aus H2 und CO synthetisieren. Der Kohlenwasserstoff ist ein Brennstoff und kann beispielsweise bei einer Erzeugung von elektrischer Leistung in einer Brennstoffzelle verwendet werden.like it in 1 As shown, the power conversion system includes a fuel synthesizer 10. The fuel synthesizer 10 is a solid oxide electrolyzer cell (SOEC). The fuel synthesizing device 10 of the present embodiment can generate H 2 and CO by electrolysis of H 2 O and electrolysis of CO 2 and synthesize hydrocarbon from H 2 and CO. The hydrocarbon is a fuel and can be used, for example, in electric power generation in a fuel cell.

Die Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 enthält einen Elektrolyt 11 und ein Paar Elektroden 12, 13, wobei die Elektroden 12, 13 auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Elektrolyts 11 angeordnet sind. Die Elektroden 12, 13 enthalten eine Kathodenelektrode 12, die auf einer Seite des Elektrolyts angeordnet ist, und eine Anodenelektrode 13, die auf einer anderen Seite des Elektrolyts 11 angeordnet ist.The fuel synthesizing device 10 includes an electrolyte 11 and a pair of electrodes 12, 13, the electrodes 12, 13 being disposed on two opposite sides of the electrolyte 11. As shown in FIG. The electrodes 12, 13 include a cathode electrode 12 placed on one side of the electrolyte and an anode electrode 13 placed on another side of the electrolyte 11. FIG.

Der Elektrolyt 11 ist ein festes Material mit einer Sauerstoffionenleitfähigkeit und kann beispielsweise aus ZrO2 bestehen, das ein auf Zirkonium basiertes Oxid ist. Die Kathodenelektrode 12 und die Anodenelektrode 13 bestehen jeweils aus Cermet. Cermet kann durch Mischen von einem oder mehreren Metallkatalysatoren und Keramiken und Sintern dieser Mischung ausgebildet werden.The electrolyte 11 is a solid material having oxygen ion conductivity, and may be made of ZrO 2 , which is a zirconium-based oxide, for example. The cathode electrode 12 and the anode electrode 13 are each made of cermet. Cermet can be formed by mixing one or more metal catalysts and ceramics and sintering this mixture.

Die Anodenelektrode 13 enthält einen Metallkatalysator, der eine Reaktion einer O2-Erzeugung durch Kombinieren von O2- mit Elektronen fördert. Der Metallkatalysator der Anodenelektrode 13 kann beispielsweise Ni und/oder Pt enthalten.The anode electrode 13 contains a metal catalyst that promotes a reaction of O 2 generation by combining O 2- with electrons. The metal catalyst of the anode electrode 13 may contain Ni and/or Pt, for example.

Die Kathodenelektrode 12 enthält mehrere Typen von Metallkatalysatoren. Diese Typen von Metallkatalysatoren enthalten einen Metallkatalysator, der eine CO2-Elektrolysereaktion fördert, einen Metallkatalysator, der eine H2O-Elektrolysereaktion fördert, und einen Metallkatalysator, der eine Brennstoffsynthesereaktion fördert. Der Metallkatalysator, der die CO2-Elektrolysereaktion fördert, kann beispielsweise Cu enthalten. Der Metallkatalysator, der die H2O-Elektrolysereaktion fördert, kann beispielsweise Ni und/oder Ruthenium enthalten. Der Metallkatalysator, der die Brennstoffsynthesereaktion fördert, kann beispielsweise Kobalt und/oder Fe enthalten.The cathode electrode 12 contains several types of metal catalysts. These types of metal catalysts include a metal catalyst that promotes a CO 2 electrolysis reaction, a metal catalyst that promotes an H 2 O electrolysis reaction, and a metal catalyst that promotes a fuel synthesis reaction. The metal catalyst that promotes the CO 2 electrolysis reaction may contain Cu, for example. The metal catalyst that promotes the H 2 O electrolysis reaction may contain, for example, Ni and/or ruthenium. The metal catalyst that promotes the fuel synthesis reaction may contain, for example, cobalt and/or Fe.

Elektrische Leistung wird der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 von einer Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14 zugeführt, die eine externe Leistungsquelle ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Elektrische-Leistung-Erzeugungsvorrichtung, die natürliche Energie verwendet, als Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14 verwendet. Es kann beispielsweise eine Solarleistungserzeugungsvorrichtung als Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14 verwendet werden.Electric power is supplied to the fuel synthesizing device 10 from an electric power supply device 14, which is an external power source. In the present embodiment, an electric power generation device using natural energy is used as the electric power supply device 14 . For example, a solar power generation device can be used as the electric power supply device 14 .

In der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 werden der Kathodenelektrode 12 H2O und CO2 in einem Zustand zugeführt, in dem der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 elektrische Leistung zugeführt wird. H2O und CO2 bilden ein Quellengas zum Synthetisieren des Kohlenwasserstoffes. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Innendruck der Kathodenelektrode 12, der H2O und CO2 zugeführt wird, auf etwa den Atmosphärendruck eingestellt.In the fuel synthesizing device 10 , H 2 O and CO 2 are supplied to the cathode electrode 12 in a state where electric power is supplied to the fuel synthesizing device 10 . H 2 O and CO 2 form a source gas for synthesizing the hydrocarbon. In the present embodiment, an internal pressure of the cathode electrode 12 to which H 2 O and CO 2 are supplied is set to around the atmospheric pressure.

H2O wird der Kathodenelektrode 12 von einem H2O-Speicher 20 über eine H2O-Zufuhrpassage 21 zugeführt. Der H2O-Speicher 20 der vorliegenden Ausführungsform speichert H2O in einem flüssigen Zustand. Eine H2O-Pumpe 22, die H2O pumpt, ist in der H2O-Zufuhrpassage 21 installiert. Es kann der Kathodenelektrode 12 H2O im flüssigen Zustand zugeführt werden, oder es kann der Kathodenelektrode 12 H2O in einem Wasserdampfzustand zugeführt werden. In einem Fall, in dem der Kathodenelektrode 12 H2O im flüssigen Zustand zugeführt wird, wird H2O verdampft, um Wasserdampf an der Kathodenelektrode 12 auszubilden, die eine hohe Temperatur aufweist. Die H2O-Pumpe 22 wird auf der Grundlage eines Steuerungssignals betrieben, das von einer später beschriebenen Steuerungsvorrichtung 29 ausgegeben wird. Der H2O-Speicher 20 und die H2O-Pumpe 22 dienen als eine H2O-Zufuhreinheit.H 2 O is supplied to the cathode electrode 12 from an H 2 O storage 20 via an H 2 O supply passage 21 . The H 2 O storage 20 of the present embodiment stores H 2 O in a liquid state. An H 2 O pump 22 that pumps H 2 O is installed in the H 2 O supply passage 21 . H 2 O may be supplied to the cathode electrode 12 in a liquid state, or H 2 O may be supplied to the cathode electrode 12 in a water vapor state. In a case where the cathode electrode 12 is supplied with H 2 O in the liquid state , H 2 O is vaporized to form water vapor at the cathode electrode 12, which is at a high temperature. The H 2 O pump 22 is operated based on a control signal output from a controller 29 described later. The H 2 O storage 20 and the H 2 O pump 22 serve as an H 2 O supply unit.

Der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 wird CO2 von einem CO2-Speicher 23 über eine CO2-Zufuhrpassage 24 zugeführt. CO2 wird in der vorliegenden Ausführungsform in einem flüssigen Zustand in dem CO2-Speicher 23 gespeichert. CO2, das in dem CO2-Speicher 23 gespeichert ist, ist unter Druck gesetzt.The fuel synthesizing device 10 is supplied with CO 2 from a CO 2 storage 23 via a CO 2 supply passage 24 . CO 2 is stored in a liquid state in the CO 2 storage 23 in the present embodiment. CO 2 stored in the CO 2 storage 23 is pressurized.

Ein Druckregulierungsventil 25 ist in der CO2-Zufuhrpassage 24 installiert. Das Druckregulierungsventil 25 verringert den Druck von CO2, das in dem CO2-Speicher 23 gespeichert ist. Das Druckregulierungsventil 25 ist ein Ausdehnungsventil, das CO2 ausdehnt. Das Druckregulierungsventil 25 wird auf der Grundlage eines Steuerungssignals betrieben, das von der später beschriebenen Steuerungsvorrichtung 29 ausgegeben wird. Der CO2-Speicher 23 und das Druckregulierungsventil 25 dienen als eine CO2-Zufuhreinheit.A pressure regulating valve 25 is installed in the CO 2 supply passage 24 . The pressure regulating valve 25 reduces the pressure of CO 2 stored in the CO 2 storage 23 . The pressure regulating valve 25 is an expansion valve that expands CO 2 . The pressure regulating valve 25 operates based on a control signal output from the control device 29 described later. The CO 2 storage 23 and the pressure regulating valve 25 serve as a CO 2 supply unit.

An der Kathodenelektrode 12 der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 wird H2 durch Elektrolyse von H2O erzeugt, und es wird CO durch Elektrolyse von CO2 erzeugt. An der Kathodenelektrode 12 wird Kohlenwasserstoff aus H2 und CO synthetisiert, die jeweils durch die oben beschriebenen Elektrolysen erzeugt werden. Der Kohlenwasserstoff wird durch CnHm repräsentiert. Der synthetisierte Kohlenwasserstoff ist in einem Brennstoffsyntheseabgas enthalten und wird von der Kathodenelektrode 12 ausgelassen. Der Kohlenwasserstoff, der in dem Brennstoffsyntheseabgas enthalten ist, kann beispielsweise Methan sein.At the cathode electrode 12 of the fuel synthesizing device 10, H 2 is generated by electrolysis of H 2 O, and CO is generated by electrolysis of CO 2 . At the cathode electrode 12, hydrocarbon is synthesized from H 2 and CO each generated by the electrolysis described above. The hydrocarbon is represented by C n H m . The synthesized hydrocarbon is contained in a fuel synthesis off-gas and is discharged from the cathode electrode 12 . The hydrocarbon contained in the fuel synthesis off-gas may be methane, for example.

Das Brennstoffsyntheseabgas passiert eine Brennstoffsyntheseabgaspassage 26. Ein Brennstofftrenner 27 ist in der Brennstoffsyntheseabgaspassage 26 installiert. Der Brennstofftrenner 27 trennt den Kohlenwasserstoff von bzw. aus dem Brennstoffsyntheseabgas. Der Kohlenwasserstoff kann beispielsweise durch Destillationstrennung von dem Brennstoffsyntheseabgas getrennt werden.The fuel synthesis off-gas passes through a fuel synthesis off-gas passage 26 . A fuel separator 27 is installed in the fuel synthesis off-gas passage 26 . The fuel separator 27 separates the hydrocarbon from the fuel synthesis off-gas. The hydrocarbon can be separated from the fuel synthesis off-gas by, for example, distillation separation.

Der Kohlenwasserstoff, der von dem Brennstofftrenner 27 abgetrennt wurde, wird in einem Brennstoffspeicher 28 gespeichert. Der Brennstoffspeicher 28 der vorliegenden Ausführungsform speichert den Kohlenwasserstoff in einem flüssigen Zustand.The hydrocarbon separated by the fuel separator 27 is stored in a fuel storage 28 . The fuel storage 28 of the present embodiment stores the hydrocarbon in a liquid state.

Das Energiewandlungssystem enthält die Steuerungsvorrichtung 29. Die Steuerungsvorrichtung 29 enthält einen bekannten Mikrocomputer, der eine CPU, einen ROM, einen RAM und Ähnliches enthält, und eine periphere Schaltung des Mikrocomputers. Die Steuerungsvorrichtung 29 führt verschiedene Berechnungen und Prozesse auf der Grundlage eines Klimatisierungssteuerungsprogrammes durch, das in dem ROM gespeichert ist, und die Steuerungsvorrichtung 29 steuert die Betriebe von verschiedenen Zielvorrichtungen wie der Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14, der H2O-Pumpe 22 und des Druckregulierungsventils 25. Verschiedene Sensoren (nicht gezeigt) sind mit einer Eingangsseite der Steuerungsvorrichtung 29 verbunden. Die Steuerungsvorrichtung 29 dient als eine Steuerung (Controller).The power conversion system includes the controller 29. The controller 29 includes a known microcomputer including a CPU, ROM, RAM and the like, and a peripheral circuit of the microcomputer. The control device 29 performs various calculations and processes based on an air conditioning control program stored in the ROM, and the control device 29 controls the operations of various target devices such as the electric power supply device 14, the H 2 O pump 22 and the pressure regulating valve 25. Various sensors (not shown) are connected to an input side of the control device 29. The control device 29 serves as a controller.

Im Folgenden werden chemische Reaktionen, die in der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 stattfinden, beschrieben. In der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 finden in dem Zustand, in dem der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 die elektrische Leistung von der Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14 zugeführt wird, wenn H2O und CO2 der Kathodenelektrode 12 zugeführt werden, eine H2O-Elektrolysereaktion und eine CO2-Elektrolysereaktion an der Kathodenelektrode 12 statt, um H2, CO und O2- zu erzeugen. O2-, das an der Kathodenelektrode 12 erzeugt wird, bewegt sich durch den Elektrolyten 11 zu der Anodenelektrode 13. An der Anodenelektrode 13 wird O2- mit den Elektronen gekoppelt bzw. verbunden, um O2 zu erzeugen.In the following, chemical reactions taking place in the fuel synthesizing device 10 will be described. In the fuel synthesizing device 10, in the state where the electric power is supplied to the fuel synthesizing device 10 from the electric power supply device 14, when H 2 O and CO 2 are supplied to the cathode electrode 12, H 2 O electrolysis reaction and CO occur 2 electrolysis reaction takes place at the cathode electrode 12 to produce H 2 , CO and O 2- . O 2- generated at the cathode electrode 12 moves through the electrolyte 11 to the anode electrode 13. At the anode electrode 13, O 2- couples with the electrons to generate O 2 .

Eine Brennstoffsynthesereaktion, die CH4 aus H2 und CO synthetisiert, die durch die Elektrolysereaktionen erzeugt werden, findet an der Kathodenelektrode 12 statt. CH4, das an der Kathodenelektrode 12 erzeugt wird, wird als Brennstoffsyntheseabgas von der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 durch die Brennstoffsyntheseabgaspassage 26 ausgelassen. CH4, das in dem Brennstoffsyntheseabgas enthalten ist, wird an dem Brennstofftrenner 27 abgetrennt und als Kohlenwasserstoffbrennstoff in dem Brennstoffspeicher 28 gespeichert. Das verbleibende Brennstoffsyntheseabgas, von dem CH4 getrennt wurde, wird zur Außenseite ausgelassen.A fuel synthesis reaction that synthesizes CH 4 from H 2 and CO generated by the electrolysis reactions takes place at the cathode electrode 12 . CH 4 generated at the cathode electrode 12 is discharged as fuel synthesis off-gas from the fuel synthesizing device 10 through the fuel synthesis off-gas passage 26 . CH 4 contained in the fuel synthesis off-gas is separated at the fuel separator 27 and stored in the fuel storage 28 as hydrocarbon fuel. The remaining fuel synthesis off-gas from which CH 4 has been separated is discharged to the outside.

Im Folgenden wird die Struktur der Kathodenelektrode 12 der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben. Wie es in den 2 und 3 gezeigt ist, enthält die Kathodenelektrode 12 einen Flusseingang 12a, durch den das Quellengas, das H2O und CO2 enthält, in die Kathodenelektrode 12 fließt, und einen Flussausgang 12b, durch den das Brennstoffsyntheseabgas, das den Kohlenwasserstoff enthält, von der Kathodenelektrode 12 herausfließt. Die H2O-Zufuhrpassage 21 und die CO2-Zufuhrpassage 24 sind mit dem Flusseingang 12a verbunden. Die Brennstoffsyntheseabgaspassage 26 ist mit dem Flussausgang 12b verbunden.In the following, the structure of the cathode electrode 12 of the fuel synthesizing device 10 will be explained with reference to FIG 2 and 3 described. Like it in the 2 and 3 As shown, the cathode electrode 12 includes a flow inlet 12a through which the source gas containing H 2 O and CO 2 flows into the cathode electrode 12, and a flow outlet 12b through which the fuel synthesis off-gas containing the hydrocarbon flows from the cathode electrode 12 flows out. The H 2 O Supply passage 21 and the CO 2 supply passage 24 are connected to the flow inlet 12a. The fuel synthesis off-gas passage 26 is connected to the flow outlet 12b.

Gaspassagen 12c, 12d sind auf einer Innenseite bzw. im Inneren der Kathodenelektrode 12 ausgebildet. Das Quellengas, das H2O und CO2 enthält, und ein Produktgas, das H2, CO und CH4 enthält, fließen in den Gaspassagen 12c, 12d.Gas passages 12c, 12d are formed on an inside of the cathode electrode 12, respectively. The source gas containing H 2 O and CO 2 and a product gas containing H 2 , CO and CH 4 flow in the gas passages 12c, 12d.

Die Gaspassagen 12c, 12d enthalten eine Stromauf-Gaspassage 12c und eine Stromab-Gaspassage 12d. Die Stromauf-Gaspassage 12c ist in einer Gasfließrichtung auf einer Stromaufseite angeordnet, und die Stromab-Gaspassage 12d ist in der Gasfließrichtung auf einer Stromabseite der Stromauf-Gaspassage 12c angeordnet. Die Stromauf-Gaspassage 12c und die Stromab-Gaspassage 12d sind Seite an Seite entlang einer Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten 11 und der Kathodenelektrode 12 angeordnet.The gas passages 12c, 12d include an upstream gas passage 12c and a downstream gas passage 12d. The upstream gas passage 12c is arranged on an upstream side in a gas flow direction, and the downstream gas passage 12d is arranged on a downstream side of the upstream gas passage 12c in the gas flow direction. The upstream gas passage 12 c and the downstream gas passage 12 d are arranged side by side along an interface between the electrolyte 11 and the cathode electrode 12 .

Der Flusseingang 12a und der Flussausgang 12b sind an einem gemeinsamen Endabschnitt der Kathodenelektrode 12 angeordnet. Die Gaspassagen 12c, 12d kehren an einem entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Endabschnitt der Kathodenelektrode 12 zurück, der entgegengesetzt zu dem Endabschnitt ist, bei dem der Flusseingang 12a und der Flussausgang 12b ausgebildet sind.The flux inlet 12a and the flux outlet 12b are arranged at a common end portion of the cathode electrode 12 . The gas passages 12c, 12d return at an opposite end portion of the cathode electrode 12, which is opposite to the end portion where the flow entrance 12a and the flow exit 12b are formed.

Eine Abtrennung 12e, die die Stromauf-Gaspassage 12c und die Stromab-Gaspassage 12d voneinander trennt, ist auf der Innenseite der Kathodenelektrode 12 ausgebildet. Die Gaspassagen 12c, 12d machen auf der Innenseite der Kathodenelektrode 12 eine Kehrtwende. In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Stromaufseite eines Kehrtwendenbereiches, bei dem die Kehrtwende durchgeführt wird, als die Stromauf-Gaspassage 12c definiert, und eine Stromabseite des Kehrtwendenbereiches ist als die Stromab-Gaspassage 12d definiert.A partition 12e separating the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d from each other is formed on the inside of the cathode electrode 12. As shown in FIG. The gas passages 12c, 12d make a U-turn on the inside of the cathode electrode 12. In the present embodiment, an upstream side of a U-turn area where the U-turn is performed is defined as the upstream gas passage 12c, and a downstream side of the U-turn area is defined as the downstream gas passage 12d.

Die Stromauf-Gaspassage 12c und die Stromab-Gaspassage 12d sind parallel zueinander, und die Gasfließrichtung der Stromauf-Gaspassage 12c und die Gasfließrichtung der Stromab-Gaspassage 12d sind entgegengesetzt zueinander. Insbesondere sind der Fluss des Gases in der Stromauf-Gaspassage 12c und der Fluss des Gases in der Stromab-Gaspassage 12d entgegengesetzt zueinander.The upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d are parallel to each other, and the gas flow direction of the upstream gas passage 12c and the gas flow direction of the downstream gas passage 12d are opposite to each other. Specifically, the flow of gas in the upstream gas passage 12c and the flow of gas in the downstream gas passage 12d are opposite to each other.

Die Stromauf-Gaspassage 12c und die Stromab-Gaspassage 12d sind benachbart zueinander angeordnet, wobei die Abtrennung 12e zwischen der Stromauf-Gaspassage 12c und der Stromab-Gaspassage 12d angeordnet ist. Die Abtrennung 12e ist eine Wärmeaustauschmembran, die in einer Plattenform ausgebildet ist. Daher können das Gas, das in der Stromauf-Gaspassage 12c fließt, und das Gas, das in der Stromab-Gaspassage 12d fließt, Wärme durch bzw. über die Abtrennung 12e austauschen.The upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d are arranged adjacent to each other, with the partition 12e being arranged between the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d. The partition 12e is a heat exchange membrane formed in a plate shape. Therefore, the gas flowing in the upstream gas passage 12c and the gas flowing in the downstream gas passage 12d can exchange heat through the partition 12e.

Es ist wünschenswert, wenn die Abtrennung 12e aus einem Material besteht, das einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist. Außerdem ist es wünschenswert, wenn die Abtrennung 12e aus einem Material besteht, das eine hohe Wärmefestigkeit unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur (beispielsweise mehrere hundert Grad Celsius) der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 aufweist. Weiterhin ist es wünschenswert, wenn das Gas, das in der Stromauf-Gaspassage 12c fließt, und das Gas, das in der Stromab-Gaspassage 12d fließt, die Abtrennung 12e nicht durchdringen. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine filmähnliche bzw. schichtähnliche Keramik aus beispielsweise SiC oder Aluminium als Material der Abtrennung 12e verwendet.It is desirable that the partition 12e be made of a material that has a high heat transfer coefficient. In addition, it is desirable that the partition 12e is made of a material having high heat resistance considering the operating temperature (for example, several hundred degrees Celsius) of the fuel synthesizing device 10 . Furthermore, it is desirable that the gas flowing in the upstream gas passage 12c and the gas flowing in the downstream gas passage 12d do not permeate the partition 12e. In the present embodiment, a film-like ceramic made of, for example, SiC or aluminum is used as the material of the partition 12e.

Im Folgenden werden die chemischen Reaktionen, die an der Kathodenelektrode 12 der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 stattfinden, beschrieben. Wenn der Kathodenelektrode 12 CO2 und H2O zugeführt werden, finden die H2O-Elektrolysereaktion, die CO2-Elektrolysereaktion und die Brennstoffsynthesereaktion, die oben beschrieben wurden, an der Kathodenelektrode 12 statt.
[H2O-Elektrolysereaktion] H2O+2e-→H2+O2-
[CO2-Elektrolysereaktion] CO2+2e-→CO+O2-
[Brennstoffsynthesereaktion] 3H2+CO→CH4+H2O In the following, the chemical reactions that take place at the cathode electrode 12 of the fuel synthesizing device 10 will be described. When CO 2 and H 2 O are supplied to the cathode electrode 12 , the H 2 O electrolysis reaction, the CO 2 electrolysis reaction and the fuel synthesis reaction described above take place at the cathode electrode 12 .
[H 2 O electrolysis reaction] H 2 O+2e - →H 2 +O 2-
[CO 2 electrolysis reaction] CO 2 +2e - →CO+O 2-
[Fuel Synthesis Reaction] 3H2 +CO→ CH4 + H2O

In der H2O-Elektrolysereaktion wird H2O elektrolysiert, um H2 zu erzeugen. In der CO2-Elektrolysereaktion wird CO2 elektrolysiert, um CO zu erzeugen. In der Brennstoffsynthesereaktion wird CH4 aus H2 und CO synthetisiert. In der Brennstoffsynthesereaktion wird H2O als ein Nebenprodukt der Synthese von CH4 erzeugt. H2O, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, wird in der H2O-Elektrolysereaktion elektrolysiert. Die H2O-Elektrolysereaktion und die CO2-Elektrolysereaktion sind endotherme Reaktionen. Die Brennstoffsynthesereaktion ist eine exotherme Reaktion.In the H 2 O electrolysis reaction, H 2 O is electrolyzed to produce H 2 . In the CO 2 electrolysis reaction, CO 2 is electrolyzed to generate CO. In the fuel synthesis reaction, CH 4 is synthesized from H 2 and CO. In the fuel synthesis reaction, H 2 O is produced as a by-product of the synthesis of CH 4 . H 2 O generated in the fuel synthesis reaction is electrolyzed in the H 2 O electrolysis reaction. The H 2 O electrolysis reaction and the CO 2 electrolysis reaction are endothermic reactions. The fuel synthesis reaction is an exothermic reaction.

Die H2O-Elektrolysereaktion und die CO2-Elektrolysereaktion treten hauptsächlich in der Stromauf-Gaspassage 12c auf. Die Brennstoffsynthesereaktion tritt hauptsächlich in der Stromab-Gaspassage 12d auf. Da die Elektrolysereaktion die endotherme Reaktion ist, verringert sich die Gastemperatur der Stromauf-Gaspassage 12c. Da die Brennstoffsynthesereaktion die exotherme Reaktion ist, erhöht sich die Gastemperatur der Stromab-Gaspassage 12d.The H 2 O electrolysis reaction and the CO 2 electrolysis reaction mainly occur in the upstream gas passage 12c. The fuel synthesis reaction occurs mainly in the downstream gas passage 12d on. Since the electrolysis reaction is the endothermic reaction, the gas temperature of the upstream gas passage 12c decreases. Since the fuel synthesis reaction is the exothermic reaction, the gas temperature of the downstream gas passage 12d increases.

In der vorliegenden Ausführungsform können das Gas, das in der Stromauf-Gaspassage 12c fließt, und das Gas, das in der Stromab-Gaspassage 12d fließt, Wärme durch die Abtrennung 12e austauschen. Daher wird das Gas der Stromauf-Gaspassage 12c, dessen Temperatur auf eine niedrige Temperatur verringert wird bzw. ist, durch das Gas der Stromab-Gaspassage 12d aufgeheizt, dessen Temperatur auf die hohe Temperatur erhöht wird bzw. ist. Somit wird die Gastemperatur der Stromauf-Gaspassage 12c erhöht, und die Gastemperatur der Stromab-Gaspassage 12d wird verringert.In the present embodiment, the gas flowing in the upstream gas passage 12c and the gas flowing in the downstream gas passage 12d can exchange heat through the partition 12e. Therefore, the gas of the upstream gas passage 12c whose temperature is reduced to a low temperature is heated by the gas of the downstream gas passage 12d whose temperature is increased to the high temperature. Thus, the gas temperature of the upstream gas passage 12c is increased, and the gas temperature of the downstream gas passage 12d is decreased.

Die H2O-Elektrolysereaktion und die CO2-Elektrolysereaktion, die in der Stromauf-Gaspassage 12c auftreten, sind endotherme Reaktionen, sodass sich ein chemisches Gleichgewicht in einer Richtung zur Förderung der Elektrolysereaktionen aufgrund der Temperaturerhöhung verschiebt. Die Brennstoffsynthesereaktion, die in der Stromab-Gaspassage 12d auftritt, ist eine exotherme Reaktion, sodass sich ein chemisches Gleichgewicht in einer Richtung zur Förderung der Brennstoffsynthese aufgrund der Temperaturverringerung verschiebt.The H 2 O electrolysis reaction and the CO 2 electrolysis reaction occurring in the upstream gas passage 12c are endothermic reactions, so a chemical balance shifts in a direction to promote the electrolysis reactions due to the temperature increase. The fuel synthesis reaction occurring in the downstream gas passage 12d is an exothermic reaction, so a chemical balance shifts in a direction to promote fuel synthesis due to temperature decrease.

In der oben beschriebenen Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform können das Gas, das in der Stromauf-Gaspassage 12c der Kathodenelektrode 12 fließt, und das Gas, das in der Stromab-Gaspassage 12d der Kathodenelektrode 12 fließt, Wärme durch die Abtrennung 12e austauschen. Somit kann die Gastemperatur der Stromauf-Gaspassage 12c erhöht werden, und es kann die Gastemperatur der Stromab-Gaspassage 12d verringert werden. Als Ergebnis können die Elektrolysereaktionen in der Stromauf-Gaspassage 12c und die Brennstoffsynthesereaktion in der Stromab-Gaspassage 12d effizient gefördert werden, und es kann die Brennstoffsyntheseeffizienz verbessert werden.In the fuel synthesizing apparatus 10 of the present embodiment described above, the gas flowing in the upstream gas passage 12c of the cathode electrode 12 and the gas flowing in the downstream gas passage 12d of the cathode electrode 12 can exchange heat through the partition 12e. Thus, the gas temperature of the upstream gas passage 12c can be increased, and the gas temperature of the downstream gas passage 12d can be decreased. As a result, the electrolysis reactions in the upstream gas passage 12c and the fuel synthesis reaction in the downstream gas passage 12d can be promoted efficiently, and the fuel synthesis efficiency can be improved.

Außerdem kann in der vorliegenden Ausführungsform die Temperaturänderung der Kathodenelektrode 12 durch Austauschen von Wärme zwischen der Stromauf-Gaspassage 12c und der Stromab-Gaspassage 12d durch die Abtrennung 12e eingeschränkt werden, und es kann die Temperatur der Kathodenelektrode 12 soweit wie möglich einheitlich ausgebildet werden. Aus diesem Grund kann in der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 die Erzeugung einer internen Spannung, die durch eine thermische Belastung verursacht wird, eingeschränkt werden, und es kann die Festigkeit verbessert werden.Also, in the present embodiment, the temperature change of the cathode electrode 12 can be restricted by exchanging heat between the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d through the partition 12e, and the temperature of the cathode electrode 12 can be made uniform as much as possible. For this reason, in the fuel synthesizing device 10, generation of internal stress caused by thermal stress can be restrained and strength can be improved.

Außerdem leiten in der vorliegenden Ausführungsform die Stromauf-Gaspassage 12c und die Stromab-Gaspassage 12d, die auf jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der Abtrennung 12e angeordnet und parallel zueinander sind, das Gas derart, dass der Fluss des Gases in der Stromauf-Gaspassage 12c und der Fluss des Gases in der Stromab-Gaspassage 12d entgegengesetzt zueinander sind. Daher kann die Wärmeaustauscheffizienz zwischen dem Gas, das in der Stromauf-Gaspassage 12c fließt, und dem Gas, das in der Stromab-Gaspassage 12d fließt, verbessert werden.Also, in the present embodiment, the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d, which are arranged on respective opposite sides of the partition 12e and are parallel to each other, guide the gas such that the flow of the gas in the upstream gas passage 12c and the flow of the gas in the downstream gas passage 12d are opposite to each other. Therefore, the heat exchange efficiency between the gas flowing in the upstream gas passage 12c and the gas flowing in the downstream gas passage 12d can be improved.

Zweite AusführungsformSecond embodiment

Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben.A second embodiment of the present invention will be described below. In the following description, only the differences from the first embodiment will be described.

Wie es in 4 gezeigt ist, enthält die Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 der zweiten Ausführungsform mehrere Temperatursensoren 30, 31, 32, die jeweils ausgelegt sind, die Temperatur der Kathodenelektrode 12 zu erfassen. Die Temperatursensoren 30, 31, 32 erfassen die Temperatur von unterschiedlichen Abschnitten der Kathodenelektrode 12. Eine Temperaturverteilung der Kathodenelektrode 12 kann auf der Grundlage der Temperaturen der Kathodenelektrode 12 erfasst werden, die mit den Temperatursensoren 30, 31, 32 erfasst werden. Die Anzahl der Temperatursensoren 30, 31, 32 kann beliebig sein, solange wie die Temperaturverteilung der Kathodenelektrode 12 erfasst werden kann.like it in 4 As shown, the fuel synthesizing apparatus 10 of the second embodiment includes a plurality of temperature sensors 30, 31, 32 each configured to detect the temperature of the cathode electrode 12. As shown in FIG. The temperature sensors 30, 31, 32 detect the temperature of different portions of the cathode electrode 12. A temperature distribution of the cathode electrode 12 can be detected based on the temperatures of the cathode electrode 12 detected with the temperature sensors 30, 31, 32. The number of the temperature sensors 30, 31, 32 can be any as long as the temperature distribution of the cathode electrode 12 can be detected.

Sensorsignale der Temperatursensoren 30, 31, 32 werden in die Steuerungsvorrichtung 29 eingegeben. Die Steuerungsvorrichtung 29 erfasst die Temperaturverteilung der Kathodenelektrode 12 auf der Grundlage der Sensorsignale der Temperatursensoren 30, 31, 32.Sensor signals from the temperature sensors 30 , 31 , 32 are input into the control device 29 . The control device 29 detects the temperature distribution of the cathode electrode 12 based on the sensor signals from the temperature sensors 30, 31, 32.

Die Steuerungsvorrichtung 29 führt einen Zufuhrsteuerungsbetrieb aus, der die Zufuhr von H2O und CO2 steuert, die das Quellengas bilden. In dem Zufuhrsteuerungsbetrieb des Quellengases wird mindestens eines aus der Fließgeschwindigkeit und der Fließrate des Quellengases eingestellt bzw. angepasst. Die Steuerungsvorrichtung 29 führt den Zufuhrsteuerungsbetrieb des Quellengases auf der Grundlage der Temperaturverteilung der Kathodenelektrode 12 aus.The controller 29 performs a supply control operation that controls supply of H 2 O and CO 2 constituting the source gas. In the supply control operation of the source gas, at least one of the flow velocity and the flow rate of the source gas is adjusted. The controller 29 performs the supply control operation of the source gas based on the temperature distribution of the cathode electrode 12 .

Im Folgenden wird der Zufuhrsteuerungsbetrieb des Quellengases mit Bezug auf die 5 bis 8 beschrieben. In den 5 bis 8 ist ein Bereich der Stromauf-Gaspassage 12c, bei dem die Elektrolysereaktionen leicht bzw. einfach auftreten, als ein Elektrolysebereich A definiert, und ein Bereich der Stromab-Gaspassage 12d, bei dem die Brennstoffsynthesereaktion leicht bzw. einfach auftritt, ist als ein Brennstoffsynthesebereich B definiert. Die Elektrolysereaktionen, die hauptsächlich in dem Elektrolysebereich A auftreten, sind endotherme Reaktionen, und die Brennstoffsynthesereaktion, die hauptsächlich in dem Brennstoffsynthesebereich B auftritt, ist eine exotherme Reaktion. Daher ist der Elektrolysebereich A ein endothermer Bereich, und der Brennstoffsynthesebereich B ist ein exothermer Bereich.In the following, the supply control operation of the source gas will be explained with reference to FIG 5 until 8th described. In the 5 until 8th is a portion of the upstream gas passage 12c where the Electrolysis reactions easily occur is defined as an electrolysis area A, and an area of the downstream gas passage 12d where the fuel synthesis reaction easily occurs is defined as a fuel synthesis area B. The electrolysis reactions that mainly occur in the electrolysis region A are endothermic reactions, and the fuel synthesis reaction that mainly occurs in the fuel synthesis region B is an exothermic reaction. Therefore, the electrolysis region A is an endothermic region and the fuel synthesis region B is an exothermic region.

In den 5 bis 8 ist ein Abschnitt, der mit schrägen Linien, die von links nach rechts ansteigen, angegeben ist, der Elektrolysebereich A, und ein anderer Abschnitt, der mit schrägen Linien, die von rechts nach links ansteigen, angegeben ist, ist der Brennstoffsynthesebereich B. Der Elektrolysebereich A ist ein Bereich, bei dem die Elektrolysereaktionen wahrscheinlicher als in den anderen Bereichen auftreten, und die Elektrolysereaktionen treten ebenfalls außerhalb des Elektrolysebereiches A auf. Der Brennstoffsynthesebereich B ist ein Bereich, in dem die Brennstoffsynthesereaktion wahrscheinlicher als in den anderen Bereichen auftritt, und die Brennstoffsynthesereaktion tritt auch außerhalb des Brennstoffsynthesebereiches B auf.In the 5 until 8th a section indicated with oblique lines increasing from left to right is the electrolysis area A, and another section indicated with oblique lines increasing from right to left is the fuel synthesis area B. The electrolysis area A is an area where the electrolysis reactions are more likely to occur than the other areas, and the electrolysis reactions occur outside the electrolysis area A as well. The fuel synthesizing area B is an area in which the fuel synthesizing reaction is more likely to occur than the other areas, and the fuel synthesizing reaction also occurs outside the fuel synthesizing area B.

In der Stromauf-Gaspassage 12c ist der Elektrolysebereich A relativ schwer zu ändern. Im Gegensatz dazu kann der Brennstoffsynthesebereich B in der Stromab-Gaspassage 12d einfach geändert werden. Ein Ort und eine Größe des Brennstoffsynthesebereiches B kann durch Ausführen des Zufuhrsteuerungsbetriebes des Quellengases geändert werden.In the upstream gas passage 12c, the electrolytic area A is relatively difficult to change. In contrast, the fuel synthesis area B in the downstream gas passage 12d can be easily changed. A location and a size of the fuel synthesis area B can be changed by performing the supply control operation of the source gas.

Durch Einstellen der Fließgeschwindigkeit des Quellengases kann der Ort des Brennstoffsynthesebereichs B in der Gasfließrichtung geändert werden. Wie es in 5 gezeigt ist, bewegt sich der Brennstoffsynthesebereich B durch Verringern der Fließgeschwindigkeit des Quellengases in der Gasfließrichtung in Richtung der Stromaufseite. Wie es in 6 gezeigt ist, bewegt sich der Brennstoffsynthesebereich B durch Erhöhen der Fließgeschwindigkeit des Quellengases in der Gasfließrichtung in Richtung der Stromabseite.By adjusting the flow rate of the source gas, the location of the fuel synthesis area B in the gas flow direction can be changed. like it in 5 1, the fuel synthesizing region B moves toward the upstream side in the gas flow direction by decreasing the flow rate of the source gas. like it in 6 1, the fuel synthesizing region B moves toward the downstream side in the gas flow direction by increasing the flow rate of the source gas.

Die Größe des Brennstoffsynthesebereiches B in der Gasfließrichtung kann durch Einstellen der Durchflussmenge bzw. Fließrate bzw. Durchsatz des Quellengases geändert werden. Wie es in 7 gezeigt ist, wird die Größe des Brennstoffsynthesebereiches B durch Verringern der Fließrate des Quellengases verringert. Wie es in 8 gezeigt ist, wird die Größe des Brennstoffsynthesebereiches B durch Erhöhen der Fließrate des Quellengases erhöht.The size of the fuel synthesis area B in the gas flow direction can be changed by adjusting the flow rate of the source gas. like it in 7 As shown, the size of the fuel synthesis area B is reduced by reducing the flow rate of the source gas. like it in 8th 1, the size of the fuel synthesis area B is increased by increasing the flow rate of the source gas.

Die Wärmeaustauscheffizienz erhöht sich, wenn der Elektrolysebereich A und der Brennstoffsynthesebereich B quer über die Abtrennung 12e so nahe beieinander wie möglich angeordnet sind. Außerdem erhöht sich die Wärmeaustauscheffizienz, wenn die Größe des Elektrolysebereiches A und die Größe des Brennstoffsynthesebereiches B soweit wie möglich nahe beieinanderliegen.The heat exchange efficiency increases when the electrolysis section A and the fuel synthesis section B are arranged across the partition 12e as close to each other as possible. In addition, when the size of the electrolysis area A and the size of the fuel synthesis area B are as close as possible, the heat exchange efficiency increases.

Die Steuerungsvorrichtung 29 erfasst die Temperaturverteilung der Kathodenelektrode 12 auf der Grundlage der Sensorsignale der Temperatursensoren 30, 31, 32. Die Steuerungsvorrichtung 29 führt einen Zufuhrsteuerungsbetrieb aus, der mindestens eines aus der Fließgeschwindigkeit und der Fließrate (Durchsatz) des Quellengases auf der Grundlage der Temperaturverteilung der Kathodenelektrode 12 steuert.The controller 29 detects the temperature distribution of the cathode electrode 12 based on the sensor signals from the temperature sensors 30, 31, 32. The controller 29 performs a supply control operation that selects at least one of the flow velocity and the flow rate (flow rate) of the source gas based on the temperature distribution of the Cathode electrode 12 controls.

Gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform können der Ort und die Größe des Brennstoffsynthesebereiches B an der Kathodenelektrode 12 durch Ausführen des Zufuhrsteuerungsbetriebes des Quellengases, das der Kathodenelektrode 12 zugeführt wird, geändert werden. Auf diese Weise kann die Wärmeaustauscheffizienz zwischen dem Elektrolysebereich A und dem Brennstoffsynthesebereich B verbessert werden.According to the second embodiment described above, the location and size of the fuel synthesis area B on the cathode electrode 12 can be changed by performing the supply control operation of the source gas supplied to the cathode electrode 12 . In this way, the heat exchange efficiency between the electrolysis section A and the fuel synthesis section B can be improved.

Außerdem wird gemäß der zweiten Ausführungsform der Zufuhrsteuerungsbetrieb des Quellengases auf der Grundlage der Temperaturverteilung der Kathodenelektrode 12 ausgeführt, die auf der Grundlage der Sensorsignale der Temperatursensoren 30, 31, 32 erhalten wird. Auf diese Weise kann der Zufuhrsteuerungsbetrieb des Quellengases noch genauer ausgeführt werden, und dadurch kann die Wärmeaustauscheffizienz zwischen dem Elektrolysebereich A und dem Brennstoffsynthesebereich B effektiv verbessert werden.Also, according to the second embodiment, the supply control operation of the source gas is performed based on the temperature distribution of the cathode electrode 12 obtained based on the sensor signals of the temperature sensors 30, 31, 32. In this way, the supply control operation of the source gas can be performed more accurately, and thereby the heat exchange efficiency between the electrolysis section A and the fuel synthesis section B can be effectively improved.

Dritte AusführungsformThird embodiment

Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden nur die Unterschiede zu den oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben.A third embodiment of the present invention will be described below. In the following description, only the differences from the embodiments described above are described.

Wie es in 9 gezeigt ist, weist die Abtrennung 12e in der dritten Ausführungsform eine dreidimensionale Struktur auf. Die Abtrennung 12e ist in der Form eines Tunnels gestaltet und umgibt die Stromauf-Gaspassage 12c. Die Stromauf-Gaspassage 12c ist als ein Raum ausgebildet, der von der Abtrennung 12e umgeben ist.like it in 9 As shown, the partition 12e has a three-dimensional structure in the third embodiment. The partition 12e is designed in the shape of a tunnel and surrounds the upstream gas passage 12c. The upstream gas passage 12c is formed as a space surrounded by the partition 12e.

Eine Höhe der Abtrennung 12e ist an einem Ort, der benachbart zu dem Flusseingang 12a ist, geringer. Die Stromab-Gaspassage 12d überspannt die Abtrennung 12e, das heißt, passiert bzw. reicht über die Abtrennung 12e an dem Ort, bei dem die Höhe der Abtrennung 12e geringer ist. Daher kreuzen die Stromauf-Gaspassage 12c und die Stromab-Gaspassage 12d einander, wobei die Abtrennung 12e zwischen der Stromauf-Gaspassage 12c und der Stromab-Gaspassage 12d angeordnet ist.A height of the partition 12e is lower at a location adjacent to the flow entrance 12a. The downstream gas passage 12d spans the partition 12e, that is, passes over the partition 12e at the location where the height of the partition 12e is lower. Therefore, the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d cross each other, with the partition 12e being located between the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d.

Die Stromab-Gaspassage 12d ist auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Abtrennung 12e angeordnet. Die Stromab-Gaspassage 12d der dritten Ausführungsform durchläuft mehrere Kehrtwenden vor dem Flussausgang 12b, und dadurch ist eine Länge der Stromauf-Gaspassage 12d größer als eine Länge der Stromauf-Gaspassage 12c.The downstream gas passage 12d is arranged on two opposite sides of the partition 12e. The downstream gas passage 12d of the third embodiment makes multiple U-turns before the flow exit 12b, and thereby a length of the upstream gas passage 12d is longer than a length of the upstream gas passage 12c.

Wie es in 10 gezeigt ist, ist gemäß der dritten Ausführungsform der Elektrolysebereich A an dem Stromaufabschnitt in der Stromauf-Gaspassage 12c angeordnet. Der Elektrolysebereich A ist benachbart zu dem Flusseingang 12a angeordnet. Der Brennstoffsynthesebereich B ist an einem mittleren Abschnitt in der Stromab-Gaspassage 12d angeordnet. Der Brennstoffsynthesebereich B ist an dem Ort angeordnet, bei dem die Stromab-Gaspassage 12d die Abtrennung 12e überspannt, das heißt die Abtrennung 12e passiert.like it in 10 1, according to the third embodiment, the electrolytic region A is arranged at the upstream portion in the upstream gas passage 12c. The electrolysis area A is located adjacent to the flow inlet 12a. The fuel synthesis area B is arranged at a middle portion in the downstream gas passage 12d. The fuel synthesis region B is arranged at the place where the downstream gas passage 12d straddles the partition 12e, that is, passes through the partition 12e.

In der oben beschriebenen dritten Ausführungsform weist die Abtrennung 12e die dreidimensionale Struktur auf, und die Stromab-Gaspassage 12d überspannt die Abtrennung 12e, das heißt passiert die Abtrennung 12e. Mit dieser Struktur können der Elektrolysebereich A der Stromauf-Gaspassage 12c und der Brennstoffsynthesebereich B der Stromab-Gaspassage 12d durch beispielsweise Einstellen der Länge der Abtrennung 12e, die ab dem Flusseingang 12a gemessen wird, näher aneinander gebracht werden.In the third embodiment described above, the partition 12e has the three-dimensional structure, and the downstream gas passage 12d straddles the partition 12e, that is, passes through the partition 12e. With this structure, the electrolysis region A of the upstream gas passage 12c and the fuel synthesis region B of the downstream gas passage 12d can be brought closer to each other by, for example, adjusting the length of the partition 12e measured from the flow entrance 12a.

Vierte AusführungsformFourth embodiment

Im Folgenden wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden nur die Unterschiede zu den oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben.A fourth embodiment of the present invention will be described below. In the following description, only the differences from the embodiments described above are described.

Wie es in 11 gezeigt ist, ist in der vierten Ausführungsform ein brennstoffgasdurchlässiger Bereich 12f, der für das Brennstoffgas durchlässig ist, an einem Abschnitt der Abtrennung 12e ausgebildet. In 11 ist der brennstoffgasdurchlässige Abschnitt 12f durch eine gestrichelte Linie angegeben. Das Brennstoffgas enthält CH4 in einem Gaszustand, das in der Brennstoffsynthesereaktion synthetisiert wurde, als eine Hauptkomponente des Brennstoffgases. CH4 ist ein Reduktionsgas. Der brennstoffgasdurchlässige Abschnitt 12f dient als ein durchlässiger Abschnitt.like it in 11 1, in the fourth embodiment, a fuel gas permeable area 12f permeable to the fuel gas is formed at a portion of the partition 12e. In 11 the fuel gas permeable portion 12f is indicated by a broken line. The fuel gas contains CH 4 in a gas state synthesized in the fuel synthesis reaction as a main component of the fuel gas. CH 4 is a reducing gas. The fuel gas permeable portion 12f serves as a permeable portion.

Der brennstoffgasdurchlässige Abschnitt 12f ist an einem Abschnitt der Abtrennung 12e ausgebildet, der benachbart zu dem Flussausgang 12b angeordnet ist. Es kann beispielsweise Zeolith, durch das CH4 selektiv durchgelassen wird, als ein Material für den brennstoffgasdurchlässigen Abschnitt 12f verwendet werden.The fuel gas permeable portion 12f is formed at a portion of the partition 12e located adjacent to the flow exit 12b. For example, zeolite through which CH 4 is selectively permeated can be used as a material for the fuel gas permeable portion 12f.

Gemäß der oben beschriebenen vierten Ausführungsform kann ein Teil des Brennstoffgases, das in der Stromab-Gaspassage 12d erzeugt wird, durch den brennstoffgasdurchlässigen Abschnitt 12f zurück in die Stromauf-Gaspassage 12c fließen. Auf diese Weise kann das Quellengas direkt durch das Brennstoffgas aufgeheizt werden, das die hohe Temperatur aufweist, sodass es möglich ist, die Wärmeaustauscheffizienz zwischen dem Gas, das in der Stromauf-Gaspassage 12c fließt, und dem Gas, das in der Stromab-Gaspassage 12d fließt, zu verbessern.According to the fourth embodiment described above, part of the fuel gas generated in the downstream gas passage 12d can flow back into the upstream gas passage 12c through the fuel gas permeable portion 12f. In this way, the source gas can be directly heated by the fuel gas having the high temperature, so it is possible to increase the heat exchange efficiency between the gas flowing in the upstream gas passage 12c and the gas flowing in the downstream gas passage 12d flows to improve.

Weiterhin kann das Quellengas, das H2O und CO2 enthält, durch Zurückfließen des Brennstoffgases, das ein Reduktionsgas ist, in die Stromauf-Gaspassage 12c in einen chemischen Zustand versetzt werden, in dem das Quellengas einfach bzw. leicht elektrolysiert wird.Furthermore, by flowing back the fuel gas, which is a reducing gas, into the upstream gas passage 12c, the source gas containing H 2 O and CO 2 can be brought into a chemical state in which the source gas is easily electrolyzed.

Weiterhin ist es durch Fließenlassen des Brennstoffgases, das ein Reduktionsgas ist, zurück in die Stromauf-Gaspassage 12c möglich, eine Verschlechterung des Bestandteilmaterials der Kathodenelektrode 12 zu beschränken.Furthermore, by allowing the fuel gas, which is a reducing gas, to flow back into the upstream gas passage 12 c , it is possible to restrain deterioration of the constituent material of the cathode electrode 12 .

Weitere AusführungsformenOther embodiments

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Weise innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung wie unten beschrieben modifiziert werden. Außerdem können ein oder mehrere der Bestandteile, die in den jeweiligen obigen Ausführungsformen beschrieben sind, geeignet mit einem oder mehreren der Bestandteile einer anderen der oben beschriebenen Ausführungsformen innerhalb eines praktikablen Bereiches geeignet kombiniert werden.The present invention is not limited to the above embodiments and can be modified in various ways within the scope of the present invention as described below. In addition, one or more of the components described in each embodiment above may be appropriately combined with one or more of the components of another embodiment described above within a practicable range.

In jeder der obigen Ausführungsformen ist beispielsweise Methan ein Beispiel für den Kohlenwasserstoff, der in der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 synthetisiert wird. Alternativ kann anderer Typ von Kohlenwasserstoff, der nicht Methan ist, in der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 synthetisiert werden. Der Typ des Kohlenwasserstoffes, der in der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 synthetisiert wird, kann durch Ändern des Typs des Katalysators, der in der Kathodenelektrode 12 verwendet wird und/oder der Reaktionstemperatur an der Kathodenelektrode 12 geändert werden. Beispiele der unterschiedlichen Typen von Kohlenwasserstoffen können Kohlenwasserstoffe, die mehr Kohlenstoffatome als Methan aufweisen, beispielsweise Ethan, Propan, und Kohlenwasserstoffe enthalten, die Sauerstoffatome enthalten, beispielsweise Alkohole und Ether.In each of the above embodiments, an example of the hydrocarbon synthesized in the fuel synthesizing device 10 is methane, for example. Alternatively, other type of hydrocarbon than methane can be synthesized in the fuel synthesizer 10 . The type of hydrocarbon synthesized in the fuel synthesizing device 10 can be changed by changing the type of catalyst used in the cathode electrode 12 and/or the reaction temperature at the cathode electrode 12 the. Examples of the different types of hydrocarbons may include hydrocarbons that have more carbon atoms than methane, such as ethane, propane, and hydrocarbons that contain oxygen atoms, such as alcohols and ethers.

Außerdem wird in den jeweiligen obigen Ausführungsformen der Innendruck der Kathodenelektrode 12 auf etwa den Atmosphärendruck eingestellt. Alternativ kann der Innendruck der Kathodenelektrode 12 auf größer als der Atmosphärendruck eingestellt werden. Durch Erhöhen des Innendruckes der Kathodenelektrode 12 können die Reaktionsraten der H2O-Elektrolysereaktion, der CO2-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erhöht werden, und es kann die Systemeffizienz erhöht werden.Also, in each of the above embodiments, the internal pressure of the cathode electrode 12 is set to about the atmospheric pressure. Alternatively, the internal pressure of the cathode electrode 12 can be set to be higher than the atmospheric pressure. By increasing the internal pressure of the cathode electrode 12, the reaction rates of the H 2 O electrolysis reaction, the CO 2 electrolysis reaction, and the fuel synthesis reaction can be increased, and the system efficiency can be increased.

Um den Innendruck der Kathodenelektrode 12 auf den hohen Druck zu erhöhen, kann beispielsweise ein Gegendruckregulierungsventil, das den Innendruck der Kathodenelektrode 12 reguliert, in der Brennstoffsyntheseabgaspassage 26 installiert werden. Der Innendruck der Kathodenelektrode 12 kann durch Zuführen von H2O mit einem höheren Druck als dem Atmosphärendruck von der H2O-Zufuhrpassage 21 und Zuführen von CO2 mit einem höheren Druck als dem Atmosphärendruck von der CO2-Zufuhrpassage 24 auf den hohen Druck erhöht werden. Außerdem ist es wünschenswert, wenn die Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 eine druckfeste Struktur aufweist. In dem Fall, in dem der Innendruck der Kathodenelektrode 12 auf den hohen Druck erhöht wird, ist es wünschenswert, wenn eine obere Grenze des hohen Druckes etwa 100 atm beträgt.In order to increase the internal pressure of the cathode electrode 12 to the high pressure, a back pressure regulating valve that regulates the internal pressure of the cathode electrode 12 may be installed in the fuel synthesis off-gas passage 26, for example. The internal pressure of the cathode electrode 12 can be increased to the high pressure by supplying H 2 O having a pressure higher than atmospheric pressure from the H 2 O supply passage 21 and supplying CO 2 having a pressure higher than atmospheric pressure from the CO 2 supply passage 24 increase. In addition, it is desirable that the fuel synthesizing device 10 has a pressure-resistant structure. In the case where the internal pressure of the cathode electrode 12 is increased to the high pressure, it is desirable that an upper limit of the high pressure is about 100 atm.

In jeder der obigen Ausführungsformen wurde ein Beispiel beschrieben, bei dem der Fluss des Gases in der Stromauf-Gaspassage 12c und der Fluss des Gases in der Stromab-Gaspassage 12d entgegengesetzt sind. Der Fluss des Gases in der Stromauf-Gaspassage 12c und der Fluss des Gases in der Stromab-Gaspassage 12d können jedoch auch nicht entgegengesetzt sein.In each of the above embodiments, an example was described in which the flow of gas in the upstream gas passage 12c and the flow of gas in the downstream gas passage 12d are opposite. However, the flow of gas in the upstream gas passage 12c and the flow of gas in the downstream gas passage 12d may not be opposite.

In jeder der obigen Ausführungsformen sind die Stromauf-Gaspassage 12c und die Stromab-Gaspassage 12d Seite an Seite entlang der Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten 11 und der Kathodenelektrode 12 angeordnet. Alternativ können die Stromauf-Gaspassage 12c und die Stromab-Gaspassage 12d Seite an Seite in einer Stapelrichtung angeordnet werden, in der der Elektrolyt 11 und die Kathodenelektrode 12 aufeinandergestapelt sind.In each of the above embodiments, the upstream gas passage 12 c and the downstream gas passage 12 d are arranged side by side along the interface between the electrolyte 11 and the cathode electrode 12 . Alternatively, the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d may be arranged side by side in a stacking direction in which the electrolyte 11 and the cathode electrode 12 are stacked.

Claims (6)

Energiewandlungssystem, das aufweist: eine Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung (10), die enthält: einen Elektrolyt (11), der ein Sauerstoffionenleitvermögen aufweist; eine Kathodenelektrode (12), die auf einer Seite des Elektrolyts (11) angeordnet ist; und eine Anodenelektrode (13), die auf einer anderen Seite des Elektrolyts (11) angeordnet ist; eine Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung (14), die ausgelegt ist, der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung (10) elektrische Leistung zuzuführen; eine H2O-Zufuhreinheit (20, 22), die ausgelegt ist, der Kathodenelektrode (12) H2O zuzuführen; und eine CO2-Zufuhreinheit (23, 25), die ausgelegt ist, der Kathodenelektrode (12) CO2 zuzuführen, wobei die Kathodenelektrode (12) aufweist: eine H2O-Elektrolysereaktion, die H2O elektrolysiert, um H2 zu erzeugen; eine CO2-Elektrolysereaktion, die CO2 elektrolysiert, um CO zu erzeugen; und eine Brennstoffsynthesereaktion, die Kohlenwasserstoff aus H2, das in der H2O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und CO, das in der CO2-Elektrolysereaktion erzeugt wird, synthetisiert; die Kathodenelektrode (12) eine Gaspassage (12c, 12d) aufweist, die ausgelegt ist, ein Gas, das jeweils bei der H2O-Elektrolysereaktion, der CO2-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion verwendet wird, und ein Gas, das jeweils bei der H2O-Elektrolysereaktion, der CO2-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, zu leiten; die Gaspassage (12c, 12d) enthält: eine Stromauf-Gaspassage (12c), in der die H2O-Elektrolysereaktion und die CO2-Elektrolysereaktion hauptsächlich auftreten; und eine Stromab-Gaspassage (12d), in der die Brennstoffsynthesereaktion hauptsächlich auftritt, wobei die Stromab-Gaspassage in einer Gasfließrichtung auf einer Stromabseite der Stromauf-Gaspassage (12c) angeordnet ist; eine Abtrennung (12e), die die Stromauf-Gaspassage (12c) und die Stromab-Gaspassage (12d) voneinander trennt; und die Abtrennung (12e) ausgelegt ist, Wärme durch die Abtrennung (12e) zwischen dem Gas, das in der Stromauf-Gaspassage (12c) fließt, und dem Gas, das in der Stromab-Gaspassage (12d) fließt, auszutauschen.A power conversion system comprising: a fuel synthesizing device (10) including: an electrolyte (11) having oxygen ion conductivity; a cathode electrode (12) arranged on one side of the electrolyte (11); and an anode electrode (13) arranged on another side of the electrolyte (11); an electric power supply device (14) configured to supply electric power to the fuel synthesizing device (10); an H 2 O supply unit (20, 22) configured to supply H 2 O to the cathode electrode (12); and a CO 2 supply unit (23, 25) configured to supply CO 2 to the cathode electrode (12), the cathode electrode (12) comprising: an H 2 O electrolysis reaction that electrolyzes H 2 O to produce H 2 generate; a CO 2 electrolysis reaction that electrolyzes CO 2 to generate CO; and a fuel synthesis reaction that synthesizes hydrocarbon from H 2 produced in the H 2 O electrolysis reaction and CO produced in the CO 2 electrolysis reaction; the cathode electrode (12) has a gas passage (12c, 12d) adapted to contain a gas used in each of the H 2 O electrolysis reaction, the CO 2 electrolysis reaction and the fuel synthesis reaction, and a gas used in each of the to conduct H 2 O electrolysis reaction, the CO 2 electrolysis reaction and the fuel synthesis reaction; the gas passage (12c, 12d) includes: an upstream gas passage (12c) in which the H 2 O electrolysis reaction and the CO 2 electrolysis reaction mainly occur; and a downstream gas passage (12d) in which the fuel synthesis reaction mainly occurs, the downstream gas passage being located on a downstream side of the upstream gas passage (12c) in a gas flow direction; a partition (12e) separating the upstream gas passage (12c) and the downstream gas passage (12d) from each other; and the partition (12e) is adapted to exchange heat through the partition (12e) between the gas flowing in the upstream gas passage (12c) and the gas flowing in the downstream gas passage (12d). Energiewandlungssystem nach Anspruch 1, wobei ein Fluss des Gases in der Stromauf-Gaspassage (12c) und ein Fluss des Gases in der Stromab-Gaspassage (12d) entgegengesetzt zu einander sind.energy conversion system claim 1 wherein a flow of the gas in the upstream gas passage (12c) and a flow of the gas in the downstream gas passage (12d) are opposite to each other. Energiewandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, das eine Steuerung (29) aufweist, die ausgelegt ist, eine Zufuhr eines Quellengases zu steuern, das H2O, das von der H2O-Zufuhreinheit (20, 22) zugeführt wird, und CO2 enthält, das von der CO2-Zufuhreinheit (23, 25) zugeführt wird, wobei die Steuerung (29) ausgelegt ist, mindestens eines aus einer Fließgeschwindigkeit und einer Fließrate des Quellengases zu steuern.energy conversion system claim 1 or 2 comprising a controller (29) adapted to control a supply of a source gas containing H 2 O supplied from the H 2 O supply unit (20, 22) and CO 2 supplied from the CO 2 supply unit (23, 25), wherein the controller (29) is adapted to control at least one of a flow velocity and a flow rate of the source gas. Energiewandlungssystem nach Anspruch 3, das mehrere Temperatursensoren (30, 31, 32) aufweist, die jeweils ausgelegt sind, eine Temperatur der Kathodenelektrode (12) zu erfassen, wobei die Steuerung (29) ausgelegt ist, eine Temperaturverteilung der Kathodenelektrode (12) auf der Grundlage der Temperaturen der Kathodenelektrode (12) zu erfassen, die jeweils mit den Temperatursensoren (30, 31, 32) gemessen werden, und mindestens eine aus der Fließgeschwindigkeit und der Fließrate des Quellengases auf der Grundlage der Temperaturverteilung der Kathodenelektrode (12) zu steuern.energy conversion system claim 3 , having a plurality of temperature sensors (30, 31, 32), each adapted to detect a temperature of the cathode electrode (12), wherein the controller (29) is adapted to a temperature distribution of the cathode electrode (12) based on the temperatures of detecting the cathode electrode (12) measured by the temperature sensors (30, 31, 32), respectively, and controlling at least one of the flow velocity and the flow rate of the source gas based on the temperature distribution of the cathode electrode (12). Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abtrennung (12e) eine dreidimensionale Struktur aufweist, die die Stromauf-Gaspassage (12c) umgibt; und die Stromauf-Gaspassage (12c) und die Stromab-Gaspassage (12d) einander über die Abtrennung (12e) kreuzen.Energy conversion system according to one of Claims 1 until 4 wherein the partition (12e) has a three-dimensional structure surrounding the upstream gas passage (12c); and the upstream gas passage (12c) and the downstream gas passage (12d) cross each other across the partition (12e). Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Abschnitt der Abtrennung (12e) einen durchlässigen Abschnitt (12f) aufweist, der für den Kohlenwasserstoff durchlässig ist, der durch die Brennstoffsynthesereaktion synthetisiert wird; und der Kohlenwasserstoff, der in der Stromab-Gaspassage (12d) synthetisiert wird, sich durch den durchlässigen Abschnitt (12f) zu der Stromauf-Gaspassage bewegen kann.Energy conversion system according to one of Claims 1 until 5 wherein a portion of the partition (12e) has a permeable portion (12f) permeable to the hydrocarbon synthesized by the fuel synthesis reaction; and the hydrocarbon synthesized in the downstream gas passage (12d) is allowed to move to the upstream gas passage through the permeable portion (12f).
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