JP7127621B2 - energy conversion system - Google Patents

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Description

本発明は、エネルギ変換システムに関する。 The present invention relates to energy conversion systems.

近年、動力源の電動化が注目を集めており、その一つの解決手段として、余剰電力を炭化水素などの燃料に変換して貯蔵するシステムの実用化が要望されている。特許文献１では、水蒸気および炭酸ガスを電解して水素および一酸化炭素からなる合成ガスを製造し、この合成ガスを用いて炭化水素を合成する燃料合成システムが提案されている。 In recent years, the electrification of power sources has attracted attention, and as one means of solving this problem, there is a demand for practical use of a system that converts surplus electric power into fuel such as hydrocarbons and stores it. Patent Literature 1 proposes a fuel synthesizing system that electrolyzes water vapor and carbon dioxide to produce syngas composed of hydrogen and carbon monoxide, and synthesizes hydrocarbons using this syngas.

特開２０１４－１５２２１９号公報JP 2014-152219 A

しかしながら、上記特許文献１のような電力を燃料に変換するシステムは、実用化に見合う高効率化には至っていない。 However, the system that converts electric power into fuel, such as that disclosed in Patent Document 1, has not yet achieved a high efficiency suitable for practical use.

本発明は上記点に鑑み、Ｈ2ＯおよびＣＯ2を電解してＨ2およびＣＯを生成し、Ｈ2およびＣＯから炭化水素を合成するエネルギ変換システムにおいて、燃料合成効率を向上させることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above points, an object of the present invention is to improve fuel synthesis efficiency in an energy conversion system that electrolyzes H 2 O and CO 2 to produce H 2 and CO, and synthesizes hydrocarbons from H 2 and CO. and

上記目的を達成するため、請求項１に記載のエネルギ変換システムは、燃料合成装置（１０）と、電力供給装置（１４）と、Ｈ2Ｏ供給部（２０、２２）と、ＣＯ2供給部（２３、２５）とを備える。燃料合成装置は、酸素イオン伝導性を有する電解質（１１）と、電解質の一方側に設けられたカソード極（１２）と、電解質の他方側に設けられたアノード極（１３）とを有する。電力供給装置は、燃料合成装置に電力を供給する。Ｈ2Ｏ供給部は、カソード極にＨ2Ｏを供給する。ＣＯ2供給部は、カソード極にＣＯ2を供給する。 To achieve the above object, the energy conversion system according to claim 1 comprises a fuel synthesizer (10), a power supply (14), an H2O supply (20, 22), and a CO2 supply. (23, 25). The fuel synthesizer has an electrolyte (11) having oxygen ion conductivity, a cathode (12) provided on one side of the electrolyte, and an anode (13) provided on the other side of the electrolyte. The power supply supplies power to the fuel synthesizer. The H 2 O supply unit supplies H 2 O to the cathode. The CO 2 supply section supplies CO 2 to the cathode.

カソード極では、Ｈ2Ｏを電解してＨ2を生成するＨ2Ｏ電解反応と、ＣＯ2を電解してＣＯを生成するＣＯ2電解反応と、Ｈ2とＣＯとを用いて炭化水素を合成する燃料合成反応とが発生する。カソード極には、Ｈ2Ｏ電解反応、ＣＯ2電解反応および燃料合成反応の各反応に用いられるガスと各反応で生成されるガスが通過するガス通路（１２ｃ、１２ｄ）が形成されている。 At the cathode, H 2 O is electrolyzed to produce H 2 , CO 2 is electrolyzed to produce CO, and hydrocarbons are produced using H 2 and CO. A synthesizing fuel synthesis reaction occurs. The cathode electrode is formed with gas passages (12c, 12d) through which the gas used in each of the H 2 O electrolysis reaction, CO 2 electrolysis reaction, and fuel synthesis reaction and the gas generated in each reaction pass.

ガス通路のうち、上流側ガス通路（１２ｃ）では主にＨ2Ｏ電解反応およびＣＯ2電解反応が発生し、上流側ガス通路よりガス流れ下流側に位置する下流側ガス通路（１２ｄ）では主に燃料合成反応が発生する。上流側ガス通路と下流側ガス通路は、仕切り部（１２ｃ）で仕切られている。上流側ガス通路を流れるガスと下流側ガス通路を流れるガスは、仕切り部を介して熱交換可能となっている。 Of the gas passages, the H 2 O electrolytic reaction and the CO 2 electrolytic reaction mainly occur in the upstream gas passage (12c). A fuel synthesis reaction occurs in The upstream gas passage and the downstream gas passage are partitioned by a partition (12c). Gas flowing through the upstream gas passage and gas flowing through the downstream gas passage can be heat-exchanged via the partition.

これにより、上流側ガス通路のガス温度を上昇させることができ、下流側ガス通路のガス温度を低下させることができる。この結果、上流側ガス通路で主に発生する電解反応と、下流側ガス通路で主に発生する燃料合成反応を効率よく進行させることができ、燃料合成効率を向上させることができる。 As a result, the gas temperature in the upstream gas passage can be raised, and the gas temperature in the downstream gas passage can be lowered. As a result, the electrolytic reaction mainly occurring in the upstream gas passage and the fuel synthesizing reaction mainly occurring in the downstream gas passage can proceed efficiently, and the fuel synthesizing efficiency can be improved.

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 It should be noted that the reference numerals in parentheses of the respective components above indicate the correspondence with specific means described in the embodiments to be described later.

第１実施形態のエネルギ変換システムの全体構成を示す図である。It is a figure showing the whole energy conversion system composition of a 1st embodiment. 燃料合成装置のカソード極および電解質の斜視図である。1 is a perspective view of a cathode and an electrolyte of a fuel synthesizer; FIG. カソード極におけるガス流れを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing gas flow at the cathode; 第２実施形態のエネルギ変換システムの全体構成を示す図である。It is a figure showing the whole energy conversion system composition of a 2nd embodiment. 原料ガスの流速が遅い場合の電解領域および燃料合成領域を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an electrolysis region and a fuel synthesis region when the flow velocity of raw material gas is slow; 原料ガスの流速が速い場合の電解領域および燃料合成領域を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an electrolysis region and a fuel synthesis region when the flow velocity of raw material gas is high; 原料ガスの流量が少ない場合の電解領域および燃料合成領域を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an electrolysis region and a fuel synthesis region when the flow rate of raw material gas is low; 原料ガスの流量が多い場合の電解領域および燃料合成領域を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an electrolysis region and a fuel synthesis region when the flow rate of raw material gas is high; 第３実施形態の燃料合成装置のカソード極および電解質の斜視図である。FIG. 10 is a perspective view of the cathode and electrolyte of the fuel synthesizer of the third embodiment; 第３実施形態のカソード極におけるガス流れを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing gas flows in the cathode of the third embodiment; 第４実施形態のカソード極におけるガス流れを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing gas flows in the cathode of the fourth embodiment;

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係るエネルギ変換システムについて図面を用いて説明する。 (First embodiment)
An energy conversion system according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図１に示すように、エネルギ変換システムは、燃料合成装置１０を備えている。燃料合成装置１０は、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）である。本実施形態の燃料合成装置１０は、Ｈ2ＯおよびＣＯ2の電解によるＨ2およびＣＯの生成と、Ｈ2およびＣＯを用いた炭化水素の合成を行うことができる。炭化水素は燃料であり、例えば燃料電池の発電に用いることができる。 As shown in FIG. 1, the energy conversion system includes a fuel synthesizer 10 . The fuel synthesizer 10 is a solid oxide electrolysis cell (SOEC). The fuel synthesizing device 10 of the present embodiment can generate H 2 and CO by electrolysis of H 2 O and CO 2 and synthesize hydrocarbons using H 2 and CO. Hydrocarbons are fuels and can be used, for example, to generate electricity in fuel cells.

燃料合成装置１０は、電解質１１と、電解質１１の両側に設けられた一対の電極１２、１３を備えている。一対の電極１２、１３は、電解質１１の一方側に設けられたカソード極１２と、電解質１１の他方側に設けられたアノード極１３である。 The fuel synthesizer 10 includes an electrolyte 11 and a pair of electrodes 12 and 13 provided on both sides of the electrolyte 11 . The pair of electrodes 12 and 13 are a cathode 12 provided on one side of the electrolyte 11 and an anode 13 provided on the other side of the electrolyte 11 .

電解質１１は、酸素イオン伝導性を有する固体材料であり、例えばジルコニア系酸化物であるＺｒＯ2を用いることができる。カソード極１２およびアノード極１３は、金属触媒とセラミクスを混合して焼成したサーメットとして構成されている。 The electrolyte 11 is a solid material having oxygen ion conductivity, and for example, ZrO 2 , which is a zirconia-based oxide, can be used. The cathode electrode 12 and the anode electrode 13 are configured as a cermet obtained by mixing and sintering a metal catalyst and ceramics.

アノード極１３には、Ｏ2-と電子を結合してＯ2を生成する反応を促進する金属触媒が設けられている。アノード極１３には、金属触媒として例えばＮｉ、Ｐｔが設けられている。 Anode 13 is provided with a metal catalyst that promotes a reaction that combines O 2− and electrons to generate O 2 . The anode 13 is provided with, for example, Ni or Pt as a metal catalyst.

カソード極１２には、複数種類の金属触媒が設けられている。複数種類の金属触媒には、ＣＯ2電解反応を促進する金属触媒、Ｈ2Ｏ電解反応を促進する金属触媒および燃料合成反応を促進する金属触媒が含まれている。ＣＯ2電解反応を促進する金属触媒としては、例えばＣｕを用いることができる。Ｈ2Ｏ電解反応を促進する金属触媒としては、例えばＮｉおよびルテニウムを用いることができる。燃料合成反応を促進する金属触媒としては、例えばコバルトおよびＦｅを用いることができる。 Cathode 12 is provided with a plurality of types of metal catalysts. The multiple types of metal catalysts include metal catalysts that promote the CO2 electrolysis reaction, metal catalysts that promote the H2O electrolysis reaction, and metal catalysts that promote the fuel synthesis reaction. For example, Cu can be used as the metal catalyst that promotes the CO 2 electrolysis reaction. Ni and ruthenium, for example, can be used as the metal catalyst that promotes the H 2 O electrolytic reaction. Cobalt and Fe, for example, can be used as the metal catalyst that promotes the fuel synthesis reaction.

燃料合成装置１０には、外部電源である電力供給装置１４から電力供給される。本実施形態では、電力供給装置１４として自然エネルギを利用した発電装置を用いている。電力供給装置１４としては、例えば太陽光発電装置を用いることができる。 Power is supplied to the fuel synthesizing device 10 from a power supply device 14, which is an external power source. In this embodiment, a power generator using natural energy is used as the power supply device 14 . As the power supply device 14, for example, a solar power generation device can be used.

燃料合成装置１０では、電力供給された状態で、カソード極１２にＨ2ＯおよびＣＯ2が供給される。Ｈ2ＯおよびＣＯ2は、炭化水素を合成するための原料ガスである。本実施形態では、Ｈ2ＯおよびＣＯ2が供給されるカソード極１２の内部圧力を大気圧程度としている。 In the fuel synthesizer 10, H 2 O and CO 2 are supplied to the cathode 12 while power is being supplied. H 2 O and CO 2 are feed gases for synthesizing hydrocarbons. In this embodiment, the internal pressure of the cathode electrode 12 to which H 2 O and CO 2 are supplied is approximately atmospheric pressure.

Ｈ2Ｏは、Ｈ2Ｏ貯蔵部２０からＨ2Ｏ供給通路２１を介してカソード極１２に供給される。本実施形態のＨ2Ｏ貯蔵部２０には、液体状態のＨ2Ｏが貯蔵されている。Ｈ2Ｏ供給通路２１には、Ｈ2Ｏを圧送するＨ2Ｏポンプ２２が設けられている。Ｈ2Ｏは、液体状態でカソード極１２に供給されてもよく、あるいは水蒸気としてカソード極１２に供給されてもよい。Ｈ2Ｏが液体状態でカソード極１２に供給された場合には、高温になったカソード極１２でＨ2Ｏが水蒸気となる。Ｈ2Ｏポンプ２２は、後述する制御装置２９からの制御信号に基づいて作動する。なお、Ｈ2Ｏ貯蔵部２０およびＨ2Ｏポンプ２２がＨ2Ｏ供給部に相当する。 H 2 O is supplied from the H 2 O storage unit 20 to the cathode electrode 12 through the H 2 O supply passage 21 . H 2 O in a liquid state is stored in the H 2 O storage unit 20 of the present embodiment. The H 2 O supply passage 21 is provided with an H 2 O pump 22 for pumping H 2 O. H 2 O may be supplied to the cathode 12 in a liquid state, or may be supplied to the cathode 12 as water vapor. When H 2 O is supplied to the cathode 12 in a liquid state, the H 2 O becomes water vapor at the cathode 12 which has reached a high temperature. The H 2 O pump 22 operates based on a control signal from a control device 29 which will be described later. Note that the H 2 O storage unit 20 and the H 2 O pump 22 correspond to the H 2 O supply unit.

ＣＯ2は、ＣＯ2貯蔵部２３からＣＯ2供給通路２４を介して燃料合成装置１０に供給される。本実施形態のＣＯ2貯蔵部２３には、液体状態のＣＯ2が貯蔵されている。ＣＯ2貯蔵部２３に貯蔵されたＣＯ2は、加圧されている。 CO 2 is supplied from the CO 2 storage unit 23 to the fuel synthesizing device 10 through the CO 2 supply passage 24 . CO 2 in a liquid state is stored in the CO 2 storage unit 23 of the present embodiment. The CO 2 stored in the CO 2 storage unit 23 is pressurized.

ＣＯ2供給通路２４には、圧力調整弁２５が設けられている。圧力調整弁２５は、ＣＯ2貯蔵部２３に貯蔵されているＣＯ2を減圧する。圧力調整弁２５は、ＣＯ2を膨張させるための膨張弁である。圧力調整弁２５は、後述する制御装置２９からの制御信号に基づいて作動する。なお、ＣＯ2貯蔵部２４および圧力調整弁２５がＣＯ2供給部に相当する。 A pressure regulating valve 25 is provided in the CO 2 supply passage 24 . The pressure regulating valve 25 reduces the pressure of CO 2 stored in the CO 2 storage section 23 . The pressure regulating valve 25 is an expansion valve for expanding CO2 . The pressure regulating valve 25 operates based on a control signal from a control device 29, which will be described later. Note that the CO 2 storage unit 24 and the pressure regulating valve 25 correspond to the CO 2 supply unit.

燃料合成装置１０のカソード極１２では、Ｈ2Ｏの電解によってＨ2が生成され、ＣＯ2の電解によってＣＯが生成される。カソード極１２では、電解で生成されたＨ2とＣＯから炭化水素が合成される。炭化水素はＣnＨmで表される。合成された炭化水素は、燃料合成排ガスに含まれてカソード極１２から排出される。燃料合成排ガスに含まれる炭化水素は、例えばメタンである。 At the cathode 12 of the fuel synthesizer 10, H 2 is produced by electrolysis of H 2 O, and CO is produced by electrolysis of CO 2 . At the cathode electrode 12, hydrocarbons are synthesized from H 2 and CO produced by electrolysis. Hydrocarbons are represented by C n H m . The synthesized hydrocarbons are contained in fuel synthesis exhaust gas and discharged from the cathode electrode 12 . The hydrocarbon contained in the fuel synthesis exhaust gas is, for example, methane.

燃料合成排ガスは、燃料合成排ガス通路２６を通過する。燃料合成排ガス通路２６には、燃料分離部２７が設けられている。燃料分離部２７は、燃料合成排ガスから炭化水素を分離する。燃料合成排ガスから炭化水素の分離は、例えば蒸留分離によって行うことができる。 The fuel synthesis exhaust gas passes through the fuel synthesis exhaust gas passage 26 . A fuel separator 27 is provided in the fuel synthesis exhaust gas passage 26 . The fuel separation unit 27 separates hydrocarbons from the fuel synthesis exhaust gas. Separation of hydrocarbons from the fuel synthesis offgas can be carried out, for example, by distillative separation.

燃料分離部２７で分離された炭化水素は、燃料として燃料貯蔵部２８に貯蔵される。本実施形態の燃料貯蔵部２８には、液体状態の炭化水素が貯蔵される。 The hydrocarbons separated by the fuel separation section 27 are stored in the fuel storage section 28 as fuel. Liquid hydrocarbons are stored in the fuel storage unit 28 of the present embodiment.

エネルギ変換システムは、制御装置２９を備えている。制御装置２９は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置２９は、ＲＯＭ内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、電力供給装置１４、Ｈ2Ｏポンプ２２および圧力調整弁２５といった各種制御対象機器の作動を制御する。制御装置２９の入力側には、図示しない各種センサ等が接続されている。制御装置２９が制御部に相当する。 The energy conversion system comprises a controller 29 . The control device 29 is composed of a well-known microcomputer including CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits. The control device 29 performs various calculations and processes based on the air conditioning control program stored in the ROM, and controls the operation of various devices to be controlled such as the power supply device 14 , the H 2 O pump 22 and the pressure regulating valve 25 . Various sensors (not shown) are connected to the input side of the control device 29 . The control device 29 corresponds to the control section.

次に、燃料合成装置１０で起こる化学反応について説明する。燃料合成装置１０では、電力供給装置１４から電力供給された状態で、カソード極１２にＨ2ＯおよびＣＯ2が供給されることで、カソード極１２でＨ2Ｏ電解反応とＣＯ2電解反応が起こり、Ｈ2、ＣＯ、Ｏ2-が生成する。カソード極１２で生成したＯ2-は、電解質１１を伝導してアノード極１３に移動する。アノード極１３では、Ｏ2-と電子が結合してＯ2が生成される。 Next, chemical reactions that occur in the fuel synthesizing device 10 will be described. In the fuel synthesizing device 10 , H 2 O and CO 2 are supplied to the cathode 12 while power is being supplied from the power supply device 14 . H 2 , CO, O 2- are produced. O 2− produced at the cathode 12 moves to the anode 13 through the electrolyte 11 . At the anode electrode 13, O 2− is combined with electrons to generate O 2 .

カソード極１２では、電解反応で生成したＨ2およびＣＯからＣＨ4が合成される燃料合成反応が起こる。カソード極１２で生成したＣＨ4は、燃料合成排ガスとして燃料合成排ガス通路２６を介して燃料合成装置１０から排出される。燃料合成排ガスに含まれるＣＨ4は、燃料分離部２７で分離され、炭化水素燃料として燃料貯蔵部２８で貯蔵される。ＣＨ4が分離された残りの燃料合成排ガスは、外部に排出される。 At the cathode electrode 12 , a fuel synthesis reaction occurs in which CH4 is synthesized from H2 and CO produced by the electrolysis reaction. CH 4 produced at the cathode 12 is discharged from the fuel synthesizing device 10 through the fuel synthesizing exhaust gas passage 26 as fuel synthesizing exhaust gas. CH 4 contained in the fuel synthesis exhaust gas is separated in the fuel separation section 27 and stored in the fuel storage section 28 as a hydrocarbon fuel. The remaining fuel synthesis exhaust gas from which CH4 has been separated is discharged to the outside.

次に、燃料合成装置１０のカソード極１２の構成について図２、図３を用いて説明する。図２、図３に示すように、カソード極１２には、Ｈ2ＯおよびＣＯ2を含む原料ガスが流入する流入部１２ａと、炭化水素を含む燃料合成排ガスが流出する流出部１２ｂが設けられている。流入部１２ａには、Ｈ2Ｏ供給通路２１とＣＯ2供給通路２４が接続されている。流出部１２ｂには、燃料合成排ガス通路２６が接続されている。 Next, the configuration of the cathode 12 of the fuel synthesizing device 10 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. As shown in FIGS. 2 and 3, the cathode 12 is provided with an inflow portion 12a into which raw material gas containing H 2 O and CO 2 flows, and an outflow portion 12b into which fuel synthesis exhaust gas containing hydrocarbon flows out. ing. An H 2 O supply passage 21 and a CO 2 supply passage 24 are connected to the inflow portion 12a. A fuel synthesis exhaust gas passage 26 is connected to the outflow portion 12b.

カソード極１２の内部には、ガス通路１２ｃ、１２ｄが設けられている。ガス通路１２ｃ、１２ｄには、Ｈ2ＯおよびＣＯ2を含む原料ガスと、Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4を含む生成ガスが流れる。 Inside the cathode 12, gas passages 12c and 12d are provided. A raw material gas containing H 2 O and CO 2 and a generated gas containing H 2 , CO and CH 4 flow through the gas passages 12c and 12d.

ガス通路１２ｃ、１２ｄには、上流側ガス通路１２ｃと、下流側ガス通路１２ｄとが含まれている。上流側ガス通路１２ｃは、ガス流れ方向上流側に設けられ、下流側ガス通路１２ｄは、上流側ガス通路１２ｃよりもガス流れ方向下流側に設けられている。上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄは、電解質１１とカソード極１２の境界面に沿って並んで配置されている。 The gas passages 12c, 12d include an upstream gas passage 12c and a downstream gas passage 12d. The upstream gas passage 12c is provided on the upstream side in the gas flow direction, and the downstream gas passage 12d is provided on the downstream side in the gas flow direction of the upstream gas passage 12c. 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 .

流入部１２ａと流出部１２ｂは、カソード極１２における同じ端部に設けられている。ガス通路１２ｃ、１２ｄは、流入部１２ａと流出部１２ｂが設けられた端部と反対側の端部で折り返すように設けられている。 The inflow portion 12 a and the outflow portion 12 b are provided at the same end of the cathode 12 . The gas passages 12c and 12d are provided so as to be folded back at the end opposite to the end where the inflow portion 12a and the outflow portion 12b are provided.

カソード極１２の内部には、上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄと仕切る仕切り部１２ｅが設けられている。ガス通路１２ｃ、１２ｄは、カソード極１２の内部でＵターンしている。本実施形態では、Ｕターンしている部位を境にして、上流側を上流側ガス通路１２ｃとし、下流側を下流側ガス通路１２ｄとしている。 Inside the cathode electrode 12, a partition portion 12e is provided to partition the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d. The gas passages 12 c and 12 d are U-turned inside the cathode 12 . In this embodiment, the upstream side of the U-turn portion is defined as the upstream gas passage 12c, and the downstream side is defined as the downstream gas passage 12d.

上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄは平行に配置され、ガス流れ方向が反対になっている。つまり、上流側ガス通路１２ｃのガスと下流側ガス通路１２ｄのガスは、対向流となっている。 The upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d are arranged in parallel, and the directions of gas flow are opposite to each other. In other words, the gas in the upstream gas passage 12c and the gas in the downstream gas passage 12d flow in opposite directions.

上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄは、仕切り部１２ｅを介して隣接している。仕切り部１２ｅは、板状の熱交換膜である。このため、上流側ガス通路１２ｃを流れるガスと下流側ガス通路１２ｄを流れるガスは、仕切り部１２ｅを介して熱交換可能となっている。 The upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d are adjacent to each other with a partition portion 12e interposed therebetween. The partition part 12e is a plate-like heat exchange membrane. Therefore, the gas flowing through the upstream gas passage 12c and the gas flowing through the downstream gas passage 12d can exchange heat through the partition portion 12e.

仕切り部１２ｅは、熱伝達率が高い材料を用いることが望ましい。また、仕切り部１２ｅは、燃料合成装置１０の作動温度（例えば数百℃）を考慮して、耐熱性の高い材料を用いることが望ましい。また、仕切り部１２ｅは、上流側ガス通路１２ｃを流れるガスと下流側ガス通路１２ｄを流れるガスが透過しないことが望ましい。本実施形態では、仕切り部１２ｅとして、例えばＳｉＣやアルミナといった膜状のセラミックスを用いている。 It is desirable to use a material with a high heat transfer coefficient for the partition portion 12e. Moreover, considering the operating temperature (for example, several hundred degrees Celsius) of the fuel synthesizing device 10, it is desirable to use a material with high heat resistance for the partitioning portion 12e. Moreover, it is desirable that the partition portion 12e does not permeate the gas flowing through the upstream gas passage 12c and the gas flowing through the downstream gas passage 12d. In this embodiment, film-like ceramics such as SiC and alumina are used as the partition 12e.

次に、燃料合成装置１０のカソード極１２における化学反応について説明する。カソード極１２にＣＯ2およびＨ2Ｏが供給されることで、以下に示すＨ2Ｏ電解反応、ＣＯ2電解反応および燃料合成反応が起こる。 Next, chemical reactions at the cathode 12 of the fuel synthesizing device 10 will be described. By supplying CO 2 and H 2 O to the cathode electrode 12, the following H 2 O electrolysis reaction, CO 2 electrolysis reaction, and fuel synthesis reaction occur.

〔Ｈ2Ｏ電解反応〕
Ｈ2Ｏ＋２ｅ-→Ｈ2＋Ｏ2-
〔ＣＯ2電解反応〕
ＣＯ2＋２ｅ-→ＣＯ＋Ｏ2-
〔燃料合成反応〕
３Ｈ2＋ＣＯ→ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ
Ｈ2Ｏ電解反応では、Ｈ2Ｏを電解してＨ2が生成される。ＣＯ2電解反応ではＣＯ2を電解してＣＯが生成される。燃料合成反応では、Ｈ2とＣＯを用いてＣＨ4が合成される。燃料合成反応では、ＣＨ4の合成に伴ってＨ2Ｏが副生される。燃料合成反応で生成したＨ2Ｏは、Ｈ2Ｏ電解反応で電解される。Ｈ2Ｏ電解反応およびＣＯ2電解反応は、吸熱反応である。燃料合成反応は、発熱反応である。 [H 2 O electrolytic reaction]
H2O + 2e- →H2 + O2-
[ CO2 electrolysis reaction]
CO2 + 2e- →CO+ O2-
[Fuel synthesis reaction]
3H2 + CO→CH4+ H2O
In the H 2 O electrolysis reaction, H 2 O is electrolyzed to produce H 2 . In the CO 2 electrolysis reaction, CO is produced by electrolyzing CO 2 . In the fuel synthesis reaction, H2 and CO are used to synthesize CH4 . In the fuel synthesis reaction, H 2 O is produced as a by-product along with the synthesis of CH 4 . H 2 O produced 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. Fuel synthesis reactions are exothermic reactions.

Ｈ2Ｏ電解反応およびＣＯ2電解反応は、主に上流側ガス通路１２ｃで発生する。燃料合成反応は、主に下流側ガス通路１２ｄで発生する。電解反応は吸熱反応であるため、上流側ガス通路１２ｃのガス温度が低下する。燃料合成反応は発熱反応であるため、下流側ガス通路１２ｄのガス温度が上昇する。 The H 2 O electrolytic reaction and the CO 2 electrolytic reaction mainly occur in the upstream gas passage 12c. A fuel synthesis reaction mainly occurs in the downstream gas passage 12d. Since the electrolytic reaction is an endothermic reaction, the gas temperature in the upstream gas passage 12c decreases. Since the fuel synthesis reaction is an exothermic reaction, the gas temperature in the downstream gas passage 12d rises.

本実施形態では、上流側ガス通路１２ｃを流れるガスと下流側ガス通路１２ｄを流れるガスは、仕切り部１２ｅを介して熱交換する。このため、高温となった下流側ガス通路１２ｄのガスによって、低温となった上流側ガス通路１２ｃのガスが加熱される。この結果、上流側ガス通路１２ｃのガス温度が上昇し、下流側ガス通路１２ｄのガス温度が低下する。 In this embodiment, the gas flowing through the upstream gas passage 12c and the gas flowing through the downstream gas passage 12d exchange heat through the partition portion 12e. Therefore, the gas in the downstream gas passage 12d, which has become high temperature, heats the gas in the upstream gas passage 12c, which has become low temperature. As a result, the gas temperature in the upstream gas passage 12c rises and the gas temperature in the downstream gas passage 12d falls.

上流側ガス通路１２ｃで発生するＨ2Ｏ電解反応およびＣＯ2電解反応は吸熱反応であり、温度が上昇することで電解反応が進行する方向に化学平衡が移行する。下流側ガス通路１２ｄで発生する燃料合成反応は発熱反応であり、温度が低下することで燃料合成が進行する方向に化学平衡が移行する。 The H 2 O electrolytic reaction and the CO 2 electrolytic reaction that occur in the upstream gas passage 12c are endothermic reactions, and chemical equilibrium shifts in the direction in which the electrolytic reaction proceeds as the temperature rises. The fuel synthesizing reaction that occurs in the downstream gas passage 12d is an exothermic reaction, and as the temperature drops, the chemical equilibrium shifts in the direction in which the fuel synthesizing proceeds.

以上説明した本実施形態の燃料合成装置１０では、カソード極１２の上流側ガス通路１２ｃを流れるガスと下流側ガス通路１２ｄを流れるガスを仕切り部１２ｅを介して熱交換可能としている。これにより、上流側ガス通路１２ｃのガス温度を上昇させることができ、下流側ガス通路１２ｄのガス温度を低下させることができる。この結果、上流側ガス通路１２ｃで発生する電解反応と、下流側ガス通路１２ｄで発生する燃料合成反応を効率よく進行させることができ、燃料合成効率を向上させることができる。 In the fuel synthesizing device 10 of this embodiment described above, the gas flowing through the upstream gas passage 12c of the cathode 12 and the gas flowing through the downstream gas passage 12d can be heat-exchanged via the partition portion 12e. As a result, the gas temperature in the upstream gas passage 12c can be raised, and the gas temperature in the downstream gas passage 12d can be lowered. As a result, the electrolysis reaction occurring in the upstream gas passage 12c and the fuel synthesizing reaction occurring in the downstream gas passage 12d can proceed efficiently, and the fuel synthesizing efficiency can be improved.

また、本実施形態では、上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄを仕切り部１２ｅを介して熱交換することで、カソード極１２の温度バラツキを抑制でき、カソード極１２の温度をできるだけ均一化することができる。このため、燃料合成装置１０では、熱歪みに基づく内部応力の発生を抑制でき、耐久性を向上させることができる。 In addition, in the present embodiment, heat is exchanged between the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d through the partition portion 12e, so that the temperature variation of the cathode 12 can be suppressed and the temperature of the cathode 12 can be made uniform as much as possible. can do. Therefore, in the fuel synthesizing device 10, the generation of internal stress due to thermal strain can be suppressed, and the durability can be improved.

また、本実施形態では、仕切り部１２ｅを挟んで平行に設けられた上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄは、それぞれのガス流れが対向流となっている。このため、上流側ガス通路１２ｃを流れるガスと下流側ガス通路１２ｄを流れるガスの熱交換効率を向上させることができる。 Further, in the present embodiment, the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d, which are provided parallel to each other with the partition portion 12e interposed therebetween, have respective gas flows that are opposite to each other. Therefore, the heat exchange efficiency between the gas flowing through the upstream gas passage 12c and the gas flowing through the downstream gas passage 12d can be improved.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。 (Second embodiment)
Next, a second embodiment of the invention will be described. Only parts different from the first embodiment will be described below.

図４に示すように、本第２実施形態の燃料合成装置１０には、カソード極１２の温度を検出する複数の温度センサ３０、３１、３２が設けられている。複数の温度センサ３０、３１、３２は、カソード極１２における異なる部位の温度を検出する。複数の温度センサ３０、３１、３２で検出したカソード極１２の温度によって、カソード極１２の温度分布を検出することができる。複数の温度センサ３０、３１、３２は、カソード極１２の温度分布を検出可能であればよく、温度センサ３０、３１、３２の数は任意に設定することができる。 As shown in FIG. 4 , a plurality of temperature sensors 30 , 31 , 32 for detecting the temperature of the cathode 12 are provided in the fuel synthesizing device 10 of the second embodiment. A plurality of temperature sensors 30 , 31 , 32 detect temperatures of different parts of the cathode electrode 12 . The temperature distribution of the cathode 12 can be detected from the temperatures of the cathode 12 detected by the plurality of temperature sensors 30 , 31 , 32 . The plurality of temperature sensors 30, 31, 32 need only be able to detect the temperature distribution of the cathode electrode 12, and the number of temperature sensors 30, 31, 32 can be set arbitrarily.

温度センサ３０、３１、３２のセンサ信号は、制御装置２９に入力する。制御装置２９は、温度センサ３０、３１、３２のセンサ信号に基づいてカソード極１２の温度分布を検出する。 Sensor signals from temperature sensors 30 , 31 , 32 are input to control device 29 . The controller 29 detects the temperature distribution of the cathode 12 based on sensor signals from the temperature sensors 30 , 31 and 32 .

制御装置２９は、原料ガスであるＨ2ＯおよびＣＯ2の供給制御を行う。原料ガスの供給制御では、原料ガスの流速および流量の少なくともいずれかを調整する。制御装置２９は、カソード極１２の温度分布に基づいて原料ガスの供給制御を行う。 The control device 29 controls the supply of H 2 O and CO 2 as raw material gases. In controlling the supply of the raw material gas, at least one of the flow rate and the flow rate of the raw material gas is adjusted. The controller 29 controls the supply of the raw material gas based on the temperature distribution of the cathode 12 .

ここで、原料ガスの供給制御について図５～図８を用いて説明する。図５～図８では、上流側ガス通路１２ｃで電解反応が発生しやすい部位を電解領域Ａとし、下流側ガス通路１２ｄで燃料合成反応が発生しやすい部位を燃料合成領域Ｂとしている。電解領域Ａで主に発生する電解反応は吸熱反応であり、燃料合成領域Ｂで主に発生する燃料合成反応は発熱反応である。このため、電解領域Ａは吸熱領域であり、燃料合成領域Ｂは発熱領域である。 Here, the supply control of the raw material gas will be described with reference to FIGS. 5 to 8. FIG. In FIGS. 5 to 8, an electrolysis region A is defined as a region where an electrolytic reaction easily occurs in the upstream gas passage 12c, and a fuel synthesis region B is defined as a region where a fuel synthesis reaction is likely to occur in the downstream gas passage 12d. The electrolysis reaction that mainly occurs in the electrolysis region A is an endothermic reaction, 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 a heat generation region.

図５～図８において、右上がりの斜線部が電解領域Ａであり、左上がりの斜線部が燃料合成領域Ｂである。電解領域Ａは、他の領域よりも電解反応が発生しやすい領域であり、電解領域Ａ以外においても電解反応は発生する。燃料合成領域Ｂは、他の領域よりも燃料合成反応が発生しやすい領域であり、燃料合成領域Ｂ以外でも燃料合成反応は発生する。 In FIGS. 5 to 8, the area with diagonal lines rising to the right is the electrolysis region A, and the area with diagonal lines rising to the left is the fuel synthesis region B. As shown in FIG. The electrolysis region A is a region where the electrolysis reaction occurs more easily than other regions, and the electrolysis reaction also occurs in areas other than the electrolysis region A. The fuel synthesis region B is a region where the fuel synthesis reaction occurs more easily than other regions, and the fuel synthesis reaction also occurs outside the fuel synthesis region B.

上流側ガス通路１２ｃにおいて、電解領域Ａは比較的変動しにくい。これに対し、下流側ガス通路１２ｄにおける燃料合成領域Ｂは変動しやすい。原料ガスの供給制御を行うことで、燃料合成領域Ｂの位置や大きさを変動させることができる。 In the upstream gas passage 12c, the electrolysis region A is relatively difficult to fluctuate. On the other hand, the fuel synthesizing area B in the downstream gas passage 12d tends to fluctuate. By controlling the supply of the raw material gas, the position and size of the fuel synthesizing area B can be varied.

原料ガスの流速を調整することで、ガス流れ方向における燃料合成領域Ｂの位置を変動させることができる。図５に示すように、原料ガスの流速を遅くすることで、燃料合成領域Ｂはガス流れ方向上流側に移動する。図６に示すように、原料ガスの流速を速くすることで、燃料合成領域Ｂはガス流れ方向下流側に移動する。 By adjusting the flow velocity of the raw material gas, the position of the fuel synthesis region B in the gas flow direction can be varied. As shown in FIG. 5, by slowing down the flow velocity of the raw material gas, the fuel synthesizing area B moves upstream in the gas flow direction. As shown in FIG. 6, by increasing the flow velocity of the raw material gas, the fuel synthesizing region B moves downstream in the gas flow direction.

原料ガスの流量を調整することで、ガス流れ方向における燃料合成領域Ｂの大きさを変動させることができる。図７に示すように、原料ガスの流量を少なくすることで、燃料合成領域Ｂが小さくなる。図８に示すように、原料ガスの流量を多くすることで、燃料合成領域Ｂが大きくなる。 By adjusting the flow rate of the raw material gas, the size of the fuel synthesis region B in the direction of gas flow can be changed. As shown in FIG. 7, by reducing the flow rate of the raw material gas, the fuel synthesis region B becomes smaller. As shown in FIG. 8, by increasing the flow rate of the raw material gas, the fuel synthesis area B becomes larger.

電解領域Ａと燃料合成領域Ｂは、仕切り部１２ｅを挟んで、できるだけ近接している方が熱交換効率が高くなる。さらに、電解領域Ａと燃料合成領域Ｂは、できるだけ大きさが同程度であることで、熱交換効率が高くなる。 The electrolysis area A and the fuel synthesis area B should be as close as possible with the partition part 12e interposed therebetween, so that the heat exchange efficiency is increased. Furthermore, the electrolysis area A and the fuel synthesis area B should be as similar in size as possible, so that the heat exchange efficiency is increased.

制御装置２９は、温度センサ３０、３１、３２のセンサ信号に基づいてカソード極１２の温度分布を検出する。制御装置２９は、カソード極１２の温度分布に基づいて原料ガスの流速および流量の少なくともいずれか制御する供給制御を行う。 The controller 29 detects the temperature distribution of the cathode 12 based on sensor signals from the temperature sensors 30 , 31 and 32 . The control device 29 performs supply control to control at least one of the flow velocity and the flow rate of the raw material gas based on the temperature distribution of the cathode electrode 12 .

以上説明した本第２実施形態によれば、カソード極１２への原料ガスの供給制御を行うことで、カソード極１２における燃料合成領域Ｂの位置や大きさを変動させることができる。これにより、電解領域Ａと燃料合成領域Ｂの熱交換効率を向上させることができる。 According to the second embodiment described above, the position and size of the fuel synthesis region B in the cathode 12 can be changed by controlling the supply of the raw material gas to the cathode 12 . Thereby, the heat exchange efficiency between the electrolysis area A and the fuel synthesis area B can be improved.

また、本第２実施形態では、温度センサ３０、３１、３２のセンサ信号で得られたカソード極１２の温度分布に基づいて原料ガスの供給制御を行っている。これにより、原料ガスの供給制御をより正確に行うことができ、電解領域Ａと燃料合成領域Ｂの熱交換効率を効果的に向上させることができる。 In addition, in the second embodiment, supply control of the raw material gas is performed based on the temperature distribution of the cathode electrode 12 obtained from the sensor signals of the temperature sensors 30 , 31 and 32 . This makes it possible to more accurately control the supply of the raw material gas, and effectively improve the heat exchange efficiency between the electrolysis region A and the fuel synthesis region B.

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the invention will be described. Only parts different from the above embodiments will be described below.

図９に示すように、本第３実施形態では、仕切り部１２ｅが３次元の立体構造となっている。仕切り部１２ｅはトンネル状になっており、上流側ガス通路１２ｃを囲むように形成されている。上流側ガス通路１２ｃは、仕切り部１２ｅで囲まれた空間として構成されている。 As shown in FIG. 9, in the third embodiment, the partition 12e has a three-dimensional structure. The partition portion 12e has a tunnel shape and is formed so as to surround the upstream gas passage 12c. The upstream gas passage 12c is configured as a space surrounded by a partition portion 12e.

仕切り部１２ｅは、流入部１２ａの近傍で高さが低くなっている。仕切り部１２ｅの高さが低くなっている部位で、下流側ガス通路１２ｄが仕切り部１２ｅを跨いでいる。このため、上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄは仕切り部１２ｅを介して交差している。 The height of the partition portion 12e is low in the vicinity of the inflow portion 12a. The downstream gas passage 12d straddles the partition 12e at the portion where the height of the partition 12e is low. Therefore, the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d intersect through the partition 12e.

下流側ガス通路１２ｄは、仕切り部１２ｅの両側に設けられている。本第３実施形態の下流側ガス通路１２ｄは、流出部１２ｂに至るまでに複数回Ｕターンしており、下流側ガス通路１２ｄは上流側ガス通路１２ｃよりも長くなっている。 The downstream gas passage 12d is provided on both sides of the partition portion 12e. The downstream gas passage 12d of the third embodiment makes a U-turn several times before reaching the outflow portion 12b, and the downstream gas passage 12d is longer than the upstream gas passage 12c.

図１０に示すように、本第３実施形態では、電解領域Ａは上流側ガス通路１２ｃにおける上流部に位置している。電解領域Ａは、流入部１２ａの近傍に位置している。燃料合成領域Ｂは、下流側ガス通路１２ｄにおける中流部に位置している。燃料合成領域Ｂは、下流側ガス通路１２ｄが仕切り部１２ｅを跨いでいる部位に位置している。 As shown in FIG. 10, in the third embodiment, the electrolysis region A is positioned upstream in the upstream gas passage 12c. The electrolytic region A is located near the inflow portion 12a. The fuel synthesizing area B is located in the midstream portion of the downstream gas passage 12d. The fuel synthesizing area B is located at a portion where the downstream gas passage 12d straddles the partition portion 12e.

以上説明した本第３実施形態によれば、仕切り部１２ｅを３次元構造とし、下流側ガス通路１２ｄが仕切り部１２ｅを跨るようにしている。このような構成であれば、例えば仕切り部１２ｅの流入部１２ａからの長さを調整することで、上流側ガス通路１２ｃの電解領域Ａと、下流側ガス通路１２ｄの燃料合成領域Ｂを近接させやすくなる。 According to the third embodiment described above, the partition portion 12e has a three-dimensional structure, and the downstream gas passage 12d straddles the partition portion 12e. With such a configuration, the electrolysis region A of the upstream gas passage 12c and the fuel synthesis region B of the downstream gas passage 12d are brought close to each other by, for example, adjusting the length of the partition portion 12e from the inflow portion 12a. easier.

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。 (Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the invention will be described. Only parts different from the above embodiments will be described below.

図１１に示すように、本第４実施形態では、仕切り部１２ｅの一部に燃料ガスが透過可能な燃料ガス透過部１２ｆが設けられている。図１１では、燃料ガス透過部１２ｆを破線で示している。燃料ガスは、燃料合成反応で合成された気体状のＣＨ4を主成分としている。ＣＨ4は還元性ガスである。燃料ガス透過部１２ｆが透過部に相当する。 As shown in FIG. 11, in the fourth embodiment, a fuel gas permeable portion 12f through which the fuel gas can permeate is provided in a portion of the partition portion 12e. In FIG. 11, the fuel gas permeable portion 12f is indicated by a dashed line. The main component of the fuel gas is gaseous CH 4 synthesized in a fuel synthesis reaction. CH4 is a reducing gas. The fuel gas permeable portion 12f corresponds to the permeable portion.

燃料ガス透過部１２ｆは、仕切り部１２ｅにおける流出部１２ｂに近い部位に設けられている。燃料ガス透過部１２ｆとしては、例えばＣＨ4を選択的に透過させるゼオライトを用いることができる。 The fuel gas permeable portion 12f is provided at a portion of the partition portion 12e near the outflow portion 12b. As the fuel gas permeable portion 12f, for example, zeolite that selectively permeates CH4 can be used.

以上説明した本第４実施形態によれば、下流側ガス通路１２ｄで生成した燃料ガスの一部を燃料ガス透過部１２ｆを介して上流側ガス通路１２ｃに還流させることができる。これにより、高温の燃料ガスによって直接原料ガスを加熱することができ、上流側ガス通路１２ｃを流れるガスと下流側ガス通路１２ｄを流れるガスの熱交換効率を向上させることができる。 According to the fourth embodiment described above, part of the fuel gas generated in the downstream gas passage 12d can be recirculated to the upstream gas passage 12c via the fuel gas permeable portion 12f. As a result, the raw material gas can be directly heated by the high-temperature fuel gas, and the heat exchange efficiency between the gas flowing through the upstream gas passage 12c and the gas flowing through the downstream gas passage 12d can be improved.

また、還元性ガスである燃料ガスを上流側ガス通路１２ｃに還流させることで、Ｈ2ＯおよびＣＯ2からなる原料ガスが電解されやすい化学状態にすることができる。 Further, by recirculating the fuel gas, which is a reducing gas, to the upstream gas passage 12c, the raw material gas composed of H 2 O and CO 2 can be brought into a chemical state that facilitates electrolysis.

また、還元性ガスである燃料ガスを上流側ガス通路１２ｃに還流させることで、カソード極１２の構成材料の劣化を抑制できる。 Moreover, deterioration of the constituent material of the cathode electrode 12 can be suppressed by recirculating the fuel gas, which is a reducing gas, to the upstream gas passage 12c.

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。 (Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified as follows without departing from the scope of the present invention. Moreover, the means disclosed in each of the above embodiments may be appropriately combined within the practicable range.

例えば、上記各実施形態では、燃料合成装置１０で合成する炭化水素としてメタンを例示したが、異なる種類の炭化水素を合成するようにしてもよい。カソード極１２で用いる触媒の種類や反応温度を異ならせることで、合成する炭化水素の種類を異ならせることができる。異なる種類の炭化水素としては、例えばメタンよりも炭素原子数が多いエタンやプロパン等の炭化水素、アルコールやエーテルのような酸素原子を含んだ炭化水素を例示できる。 For example, in each of the above embodiments, methane was exemplified as the hydrocarbon synthesized by the fuel synthesizing device 10, but different types of hydrocarbons may be synthesized. By varying the type of catalyst and reaction temperature used in the cathode electrode 12, the types of hydrocarbons to be synthesized can be varied. Examples of different types of hydrocarbons include hydrocarbons such as ethane and propane, which have more carbon atoms than methane, and hydrocarbons containing oxygen atoms, such as alcohols and ethers.

また、上記各実施形態では、カソード極１２の内部圧力を大気圧程度としたが、カソード極１２の内部圧力を大気圧よりも高圧としてもよい。カソード極１２の内部圧力を高くすることで、Ｈ2Ｏ電解反応、ＣＯ2電解反応および燃料合成反応の反応速度を速くすることができ、システム効率を高めることができる。 Further, in each of the above embodiments, the internal pressure of the cathode 12 is about atmospheric pressure, but the internal pressure of the cathode 12 may 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 enhanced.

カソード極１２の内部圧力を高圧にするためには、例えば燃料合成排ガス通路２６にカソード極１２の内部圧力を調整するための背圧調整弁を設ければよい。そして、Ｈ2Ｏ供給通路２１からＨ2Ｏを大気圧より高圧の状態で供給し、ＣＯ2供給通路２４からＣＯ2をを大気圧より高圧の状態で供給することで、カソード極１２の内部圧力を高圧にすることができる。さらに、燃料合成装置１０を耐圧構造とすることが望ましい。カソード極１２の内部圧力を高圧にする場合の上限値は１００気圧程度にすることが望ましい。 In order to make the internal pressure of the cathode 12 high, for example, a back pressure regulating valve for adjusting the internal pressure of the cathode 12 may be provided in the fuel synthesis exhaust gas passage 26 . Then, by supplying H 2 O from the H 2 O supply passage 21 in a state of pressure higher than atmospheric pressure and supplying CO 2 from the CO 2 supply passage 24 in a state of pressure higher than atmospheric pressure, the inside of the cathode electrode 12 The pressure can be high. Furthermore, it is desirable that the fuel synthesizing device 10 has a pressure-resistant structure. When the internal pressure of the cathode electrode 12 is high, the upper limit is preferably about 100 atmospheres.

また、上記各実施形態では、上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄのガス流れ方向が対向流である例について説明したが、上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄのガス流れ方向は必ずしも対向流でなくてもよい。 Further, in each of the above-described embodiments, an example in which the gas flow directions of the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d are opposite to each other has been described. The flow does not necessarily have to be countercurrent.

また、上記各実施形態では、上流側ガス通路１２ｃと下流側ガス通路１２ｄを電解質１１とカソード極１２の境界面に沿って並んで配置したが、これらのガス通路１２ｃ、１２ｄを電解質１１とカソード極１２の積層方向に並んで配置してもよい。 In each of the above embodiments, the upstream gas passage 12c and the downstream gas passage 12d are arranged side by side along the interface between the electrolyte 11 and the cathode 12. They may be arranged side by side in the stacking direction of the poles 12 .

１０ 燃料合成装置、１１ 電解質、１２ カソード極、１２ｃ 上流側ガス通路、１２ｄ 下流側ガス通路、１２ｅ 仕切り部、１２ｆ 燃料ガス透過部（透過部）、１３ アノード極、１４ 電力供給装置、２０ Ｈ2Ｏ貯蔵部（Ｈ2Ｏ供給部）、２２ Ｈ2Ｏポンプ（Ｈ2Ｏ供給部）、２３ ＣＯ2貯蔵部（ＣＯ2供給部）、２５ 圧力調整弁（ＣＯ2供給部）、２９ 制御装置（制御部）、３０～３２ 温度センサ REFERENCE SIGNS LIST 10 fuel synthesizing device 11 electrolyte 12 cathode 12c upstream gas passage 12d downstream gas passage 12e partition 12f fuel gas permeation portion (permeation portion) 13 anode 14 power supply device 20 H 2 O storage unit (H 2 O supply unit), 22 H 2 O pump (H 2 O supply unit), 23 CO 2 storage unit (CO 2 supply unit), 25 Pressure regulating valve (CO 2 supply unit), 29 Control device (control unit), 30 to 32 temperature sensor

Claims (6)

酸素イオン伝導性を有する電解質（１１）と、前記電解質の一方側に設けられたカソード極（１２）と、前記電解質の他方側に設けられたアノード極（１３）とを有する燃料合成装置（１０）と、
前記燃料合成装置に電力を供給する電力供給装置（１４）と、
前記カソード極にＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給部（２０、２２）と、
前記カソード極にＣＯ2を供給するＣＯ2供給部（２３、２５）と、
を備え、
前記カソード極では、Ｈ2Ｏを電解してＨ2を生成するＨ2Ｏ電解反応と、ＣＯ2を電解してＣＯを生成するＣＯ2電解反応と、前記Ｈ2と前記ＣＯとを用いて炭化水素を合成する燃料合成反応とが発生し、
前記カソード極には、前記Ｈ2Ｏ電解反応、前記ＣＯ2電解反応および前記燃料合成反応の各反応に用いられるガスと各反応で生成されるガスが通過するガス通路（１２ｃ、１２ｄ）が形成されており、
前記ガス通路のうち、上流側ガス通路（１２ｃ）では主に前記Ｈ2Ｏ電解反応および前記ＣＯ2電解反応が発生し、前記上流側ガス通路よりガス流れ下流側に位置する下流側ガス通路（１２ｄ）では主に前記燃料合成反応が発生し、
前記上流側ガス通路と前記下流側ガス通路は、仕切り部（１２ｅ）で仕切られており、
前記上流側ガス通路を流れるガスと前記下流側ガス通路を流れるガスは、前記仕切り部を介して熱交換可能となっているエネルギ変換システム。 A fuel synthesizer (10) having an electrolyte (11) having oxygen ion conductivity, a cathode (12) provided on one side of the electrolyte, and an anode (13) provided on the other side of the electrolyte. )When,
a power supply (14) for supplying power to the fuel synthesizer;
H 2 O supply units (20, 22) for supplying H 2 O to the cathode;
CO 2 supply units (23, 25) for supplying CO 2 to the cathode;
with
At the cathode, the H 2 O electrolysis reaction for electrolyzing H 2 O to produce H 2 , the CO 2 electrolysis reaction for electrolyzing CO 2 to produce CO, and the H 2 and CO A fuel synthesis reaction that synthesizes hydrocarbons occurs,
The cathode electrode is formed with gas passages (12c, 12d) through which the gas used in each reaction of the H 2 O electrolysis reaction, the CO 2 electrolysis reaction, and the fuel synthesis reaction and the gas generated in each reaction pass. has been
Of the gas passages, the H 2 O electrolytic reaction and the CO 2 electrolytic reaction mainly occur in the upstream gas passage (12c), and the downstream gas passage (12c) located downstream of the upstream gas passage in the gas flow. In 12d), the fuel synthesis reaction mainly occurs,
The upstream gas passage and the downstream gas passage are separated by a partition (12e),
The energy conversion system, wherein the gas flowing through the upstream gas passage and the gas flowing through the downstream gas passage can be heat-exchanged via the partition. 前記上流側ガス通路を流れるガスと前記下流側ガス通路を流れるガスは、対向流となっている請求項１に記載のエネルギ変換システム。 2. The energy conversion system according to claim 1, wherein the gas flowing through the upstream gas passage and the gas flowing through the downstream gas passage are countercurrent. 前記Ｈ2Ｏ供給部が供給するＨ2Ｏと、前記ＣＯ2供給部が供給するＣＯ2からなる原料ガスの供給制御を行う制御部（２９）を備え、
前記制御部は、前記原料ガスの流速および流量の少なくともいずれかを制御する請求項１または２に記載のエネルギ変換システム。 A control unit (29) for controlling the supply of raw material gas composed of H 2 O supplied by the H 2 O supply unit and CO 2 supplied by the CO 2 supply unit,
The energy conversion system according to claim 1 or 2, wherein the control unit controls at least one of flow velocity and flow rate of the raw material gas. 前記カソード極の温度を検出する複数の温度センサ（３０、３１、３２）を備え、
前記制御部は、前記複数の温度センサが検出した前記カソード極の温度に基づいて前記カソード極の温度分布を検出し、前記カソード極の温度分布に基づいて前記原料ガスの流速および流量の少なくともいずれかを制御する請求項３に記載のエネルギ変換システム。 A plurality of temperature sensors (30, 31, 32) for detecting the temperature of the cathode,
The controller detects a temperature distribution of the cathode based on the temperature of the cathode detected by the plurality of temperature sensors, and detects at least one of a flow rate and a flow rate of the raw material gas based on the temperature distribution of the cathode. 4. The energy conversion system of claim 3, which controls whether the 前記仕切り部は、前記上流側ガス通路を囲うように形成された立体構造を備えており、
前記上流側ガス通路と前記下流側ガス通路は、前記仕切り部を介して交差している請求項１ないし４のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。 The partition part has a three-dimensional structure formed so as to surround the upstream gas passage,
The energy conversion system according to any one of claims 1 to 4, wherein the upstream gas passage and the downstream gas passage intersect via the partition. 前記仕切り部の一部に、前記燃料合成反応で合成された炭化水素を透過させることができる透過部（１２ｆ）が設けられており、
前記下流側ガス通路で合成された炭化水素は、前記透過部を介して前記上流側ガス通路に移動可能となっている請求項１ないし５のいずれか１つに記載のエネルギ変換システム。 A permeation section (12f) through which hydrocarbons synthesized in the fuel synthesis reaction can permeate is provided in a part of the partition section,
6. The energy conversion system according to any one of claims 1 to 5, wherein hydrocarbons synthesized in the downstream gas passage can move to the upstream gas passage via the permeation section.
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