JP5468533B2 - 固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法及びその装置 - Google Patents
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Description
固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置を提供するステップ、
水素ガスを、第1固体酸化物燃料電池のアノードに通入させ、二酸化炭素を該第1固体酸化物燃料電池のカソードに通入させ、該第1固体酸化物燃料電池に触媒化学反応と電気化学反応を発生開始させ、一酸化炭素と水を発生させるステップ、
空気を第2固体酸化物燃料電池のカソードに通入させて、該第1固体酸化物燃料電池のカソードに発生した一酸化炭素を該第2固体酸化物燃料電池のアノードに通入させるステップ、
該第2固体酸化物燃料電池のアノードに発生した二酸化炭素を該第1固体酸化物燃料電池のカソードに導入するステップ、
以上のステップを包含する。
SOFCの有する中高温(摂氏700度−1000度)の触媒化学反応と電気化学反応を同時進行し、CO2という極度に化学的に安定した化合物を、約摂氏800度で分解する。その化学反応式は、CO2→CO2(g)+1/2O2であり、CO(g)とO2を発生し、O2をSOFC内でH2(或いはその他の炭化水素化合物、例えば、メタン等)と電気化学反応させて電力を発生させる。こうして、CO2を本SOFCの全反応の電源材料となすことができ、CO2をCOという極めて有用なエネルギーソース或いは化合物に変換でき、COに関係する有用な化合物或いはエネルギーソース、例えばアルデヒド、アルコール類とすることができ、CO2→CO→CO誘導体(CO2の固定化)→エネルギーソース産出→CO2の全体エネルギーソースを炭素循環(Carbon Cycle)に変換し、CO2零排出を達成できる。
11 第2固体酸化物燃料電池
12 化学反応器
13 一酸化炭素ストリッパー
40 アノード
41 ガスシール装置
42 カソード
43 ガス分析器
44 電解質
Claims (11)
- 固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、第1固体酸化物燃料電池と第2固体酸化物燃料電池を包含し、
該第1固体酸化物燃料電池は、水素ガスがアノードに通入され、並びに二酸化炭素がカソードに通入され、最終的に二酸化炭素を分解して一酸化炭素と水となし、
該アノードの化学反応は、
H2(g)→H2(anode)→2H+(anode)+2e-
及び
2H+(anode)+O2-(anode)→H2O(g)とされるか、
或いは、アノード全体の化学反応が、
H2(g)+O2-(anode)→H2O(g)+ 2e-とされ、
該カソードの化学反応は、
CO2(g)→CO2(cathode)→CO(cathode)+1/2O2(cathode)、CO(cathode)→CO(g)
及び
1/2O2 (cathode)+2e-→O2-(cathode)とされ、
電解質の主要な化学反応は、酸素イオン伝導とされ、すなわち、
O2-(cathode)→O2-(anode)とされ、
該第1固体酸化物燃料電池の全体の化学反応は、
H2(g)+CO2(g)→H2O(g)+CO(g)とされ、
該第2固体酸化物燃料電池は、該第1固体酸化物燃料電池と直列に接続され、並びに該第1固体酸化物燃料電池が二酸化炭素を分解した後に発生する一酸化炭素が該第2固体酸化物燃料電池のアノードに通入され、空気が該第2固体酸化物燃料電池のカソードに通入されて、発電し、また、該第2固体酸化物燃料電池の発電後に発生する二酸化炭素は該第1固体酸化物燃料電池のカソードに導入され、
該第2固体酸化物燃料電池のアノードの化学反応は、
CO(g)→CO(anode)
及び
O2-(anode)+CO(anode)→CO2(anode)+2e-とされ、
該第2固体酸化物燃料電池のカソードの化学反応は、
1/2O2(g)→1/2O2(cathode)+2e-→O2-(cathode)とされ、
該第2固体酸化物燃料電池の電解質の化学反応は、酸素イオンの伝導であり、すなわち、
O2-(cathode)→O2-(anode)とされ、
該第2固体酸化物燃料電池の全体化学反応は、
CO(g)+1/2O2(g)→CO2(g)とされることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。 - 請求項1記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、一酸化炭素ストリッパーをさらに包含し、該一酸化炭素ストリッパーは、一酸化炭素と二酸化炭素を分離し、その一端は該第1固体酸化物燃料電池のカソードの排気端に連通し、別端は3本の管線に分けられて、それぞれ該第2固体酸化物燃料電池のアノード、該第1固体酸化物燃料電池のカソードの入気端、化学反応器に連通し、該化学反応器は通入された一酸化炭素を、水素ガス或いは酸素ガス或いは水素ガスと酸素ガスの混合ガスのいずれかと反応させて、液体或いは固体の有用な化合物を発生することを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
- 請求項2記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第1固体酸化物燃料電池は、管状型(Tubular Type)或いは平板型(Planar Type)とされ、そのセルは、アノードサポート型(Anode support cell:ASC−type)或いは電解質サポート型 (Electrolyte support cell:ESC−type)或いは金属サポート型(Metal support cell:MSC−type)とされ、その電池構造は、NiO−YSZ、YSZ、LSM−GDC+LSM型式とされ、そのうち、NiO−YSZはアノードとされ、YSZは電解質層、LSM−GDC+LSMは複合カソード層(Cathode layer)とされることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
- 請求項2記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第2固体酸化物燃料電池は、管状型或いは平板型とされ、そのセルは、アノードサポート型或いは電解質サポート型、或いは金属サポート型とされ、その電池構造は、NiO−YSZ、YSZ、LSM−GDC+LSM型式とされ、そのうち、NiO−YSZはアノードとされ、YSZは電解質層、LSM−GDC+LSMは複合カソード層とされることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
- 請求項2記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第1固体酸化物燃料電池の反応温度は、摂氏700度−1000度であることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
- 請求項2記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第2固体酸化物燃料電池の反応温度は、摂氏600度−1000度であることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
- 請求項2記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第1固体酸化物燃料電池のカソードに貴金属を触媒として加えることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
- 請求項7記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該貴金属は白金であることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
- 固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法において、
固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置を提供するステップ、
水素ガスを、第1固体酸化物燃料電池のアノードに通入し、二酸化炭素を該第1固体酸化物燃料電池のカソードに通入し、該第1固体酸化物燃料電池に触媒と電気化学反応を発生開始させ、一酸化炭素と水を発生させるステップ、
空気を第2固体酸化物燃料電池のカソードに通入し、該第1固体酸化物燃料電池のカソードに発生した一酸化炭素を該第2固体酸化物燃料電池のアノードに通入するステップ、 該第2固体酸化物燃料電池のアノードに発生した二酸化炭素を該第1固体酸化物燃料電池のカソードに導入するステップ、
以上のステップを包含することを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法。 - 請求項9記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法において、さらに第1固体酸化物燃料電池のカソード中に発生した一酸化炭素と未転化の二酸化炭素を分離することで、一酸化炭素の濃度を高め、並びにこうして濃度を高めた一酸化炭素を化学反応器に導入し、水素ガス或いは酸素ガス或いは水素ガスと酸素ガスの混合気体のいずれかと反応させ、一酸化炭素を液体或いは固体の有用な化合物として保存するステップを包含することを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法。
- 請求項9記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法において、該第1固体酸化物燃料電池のカソードに発生した一酸化炭素を該第2固体酸化物燃料電池のアノードに通入する時、適量のH2或いはH2O或いはH2とH2Oの混合ガスを加入することを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法。
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