WO2012144014A1

WO2012144014A1 - 混合ガス生成装置

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Publication number: WO2012144014A1
Application number: PCT/JP2011/059586
Authority: WO
Inventors: 伊藤　泰志
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-19
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2012-10-26
Anticipated expiration: 2013-10-19

Abstract

　この発明は、混合ガス生成装置に関し、所定混合比でＣＯおよびＨ_２を同時生成可能な混合ガス生成装置を提供することを目的とする。　図５に示すように、電気分解の消費エネルギー原単位は、電解液中のＣＯ_２濃度が高くなるほど小さく、電解液中のＨ^＋濃度が高いほど大きくなる。また、ＣＯ_２濃度保持の消費エネルギー原単位は、電解液中のＣＯ_２濃度が高くなるほど大きくなる。そして、これら２つの消費エネルギー原単位の和が最小となるのは、図５に一点鎖線で示したＣＯ_２濃度（濃度Ｃ_１）である。従って、目標ＣＯ_２濃度を濃度Ｃ_１に設定してＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８を運転すれば、エネルギー効率よくカソード電圧制御を実行できる。

Description

混合ガス生成装置

　この発明は、混合ガス生成装置に関する。より詳細には、電解装置を用いてＨ_２、ＣＯからなる混合ガスを生成する混合ガス生成装置に関する。

　石油、石炭、天然ガスといった化石燃料は、熱、電気の生成の原料や、運輸燃料として使用され、現代のエネルギー消費社会を支えている。しかし、このような化石燃料は使い切り燃料であり、その埋蔵量には限りがある。そのため、化石燃料が枯渇した場合の備えが必要であることは言うまでもない。また、化石燃料の燃焼によるＣＯ_２の大気中への放出は、地球温暖化の一要因となることが知られている。そのため、ＣＯ_２の排出量を低減することが、近年の課題となっている。

　これらの課題を解決する一つの手段として、ＣＯ_２を原料とした代替燃料が検討されている。例えば、特許文献１には、ＣＯ_２を原料として炭化水素系燃料（ＨＣ）を製造するシステムが開示されている。このシステムは、固体酸化物電解質から構成される酸素イオン伝導膜と、その両面にそれぞれ配置されたカソードおよびアノードと、を有する電解質セルを備えている。この電解質セルによれば、ＣＯ_２ガスおよび水蒸気からＣＯガスおよびＨ_２ガスをそれぞれ生成することができる。また、生成したＣＯガスおよびＨ_２ガスを上記電解質セルから回収し、公知の製造装置内でフィッシャー・トロプシュ反応（ＦＴ反応）させればＨＣが得られる。

日本特表２００９－５０６２１３号公報

　ところで、ＦＴ反応時の原料ガス中のＨ_２に対するＣＯの物質量比を所定の混合比とすると、エネルギー効率（投入エネルギーに対する生成物の発熱量をいう。以下同じ。）良くＨＣを製造できることが知られている。ここで、上記特許文献１のシステムによれば、上記電解質セルからＨ_２およびＣＯを同時に生成できる。そのため、上記電解質セルを用い、Ｈ_２に対するＣＯの生成比率が上記所定混合比となるように電気分解できれば、ＨＣを原料段階からエネルギー効率よく製造できることになる。

　しかしながら、Ｈ_２に対するＣＯの生成比率は、上記アノードと上記カソードとの間に印加する電位差や、上記電解質セルに供給するＣＯ_２ガスや水蒸気の単位時間当りの供給量によって異なる値をとる。従って、所定比でＣＯおよびＨ_２を同時生成するためには、これらを考慮した上で更なる改良を行う必要があった。

　この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものである。即ち、所定混合比でＣＯおよびＨ_２を同時生成可能な混合ガス生成装置を提供することを目的とする。

　第１の発明は、上記の目的を達成するため、水と二酸化炭素（ＣＯ_２）とをそれぞれ電気分解して、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを含む混合ガスを所定混合比で生成する混合ガス生成装置であって、
　水と二酸化炭素（ＣＯ_２）とをそれぞれ電気分解して、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを含む混合ガスを所定混合比で生成する混合ガス生成装置であって、
　水およびＣＯ_２を含む電解液を備える電解槽と、
　前記電解槽に設けられ、電解液中のプロトン（Ｈ^＋）濃度およびＣＯ_２濃度を取得する濃度取得手段と、
　電解液中のＨ^＋濃度およびＣＯ_２濃度に、前記所定混合比を実現する電気分解電圧を関連付けた特性マップを記憶する特性マップ記憶手段と、
　前記濃度取得手段により取得したＨ^＋濃度およびＣＯ_２濃度を前記特性マップに適用して、前記電気分解電圧を決定する電気分解電圧決定手段と、
　を備えることを特徴とする。

　また、第２の発明は、第１の発明において、
　電解液中のＣＯ_２濃度を調整可能なＣＯ_２濃度調整手段と、
　電解液中のＣＯ_２濃度が、前記ＣＯ_２濃度調整手段による濃度調整で消費されるエネルギーの原単位と、前記電気分解電圧から算出され電気分解で消費されるエネルギーの原単位との和を最小とするＣＯ_２濃度となるように、前記ＣＯ_２濃度調整手段を制御するＣＯ_２濃度制御手段と、
　を備えることを特徴とする。

　また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
　電解液中のＨ^＋濃度を調整可能なＨ^＋濃度調整手段と、
　前記Ｈ^＋濃度調整手段による濃度調整で消費されるエネルギーの原単位と、前記電気分解電圧から算出され電気分解で消費されるエネルギーの原単位との和を最小とするＨ^＋濃度となるように、前記Ｈ^＋濃度調整手段を制御するＨ^＋濃度制御手段と、
　を備えることを特徴とする。

　第１の発明によれば、水およびＣＯ_２を含む電解液を電気分解することで、ＣＯおよびＨ_２を含む混合ガスを生成できる。ここで、この混合ガス中におけるＨ_２とＣＯの混合比は、電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度や、電気分解電圧と相関を有する。これに関し、本発明によれば、電解液中のＨ^＋濃度およびＣＯ_２濃度に、所定混合比を実現する電気分解電圧を関連付けた特性マップを記憶している。そのため、濃度取得手段により取得したＨ^＋濃度およびＣＯ_２濃度をこの特性マップに適用すれば、所定混合比を実現する電気分解電圧を求めることができる。従って、本発明によれば、混合ガス中におけるＨ_２とＣＯの混合比を所定混合比に調整できる。

　ＣＯ_２濃度調整手段によれば、電気分解の際に、電解液中のＣＯ_２濃度を調整できる。しかしながら、ＣＯ_２濃度調整手段による濃度調整はエネルギーの消費を伴う。この点、第２の発明によれば、ＣＯ_２濃度調整手段による濃度調整で消費されるエネルギーの原単位と、電気分解で消費されるエネルギーの原単位との和を最小とするＣＯ_２濃度となるように、ＣＯ_２濃度調整手段を制御できる。従って、本発明によれば、エネルギー効率よく電気分解とＣＯ_２濃度調整とを行うことができる。

　Ｈ^＋濃度調整手段によれば、電気分解の際に、電解液中のＨ^＋濃度を調整できる。しかしながら、Ｈ^＋濃度調整手段による濃度調整はエネルギーの消費を伴う。この点、第３の発明によれば、Ｈ^＋濃度調整手段による濃度調整で消費されるエネルギーの原単位と、電気分解で消費されるエネルギーの原単位との和を最小とするＨ^＋濃度となるように、Ｈ^＋濃度調整手段を制御できる。従って、本発明によれば、エネルギー効率よく電気分解とＨ^＋濃度調整とを行うことができる。

本発明の各実施の形態における混合ガス生成装置の全体構成図である。図１の電解装置１０の一例を示した図である。最適比率で電気分解した際のカソード電圧Ｖｃと、電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度との関係の一例を示した図である。実施の形態１において、制御装置７０により実行されるカソード電圧制御を示すフローチャートである。消費エネルギー原単位と、電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度との関係の一例を示した図である。実施の形態２において、制御装置７０により実行される運転条件制御を示すフローチャートである。消費エネルギー原単位と、電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度との関係の一例を示した図である。実施の形態３において、制御装置７０により実行される運転条件制御を示すフローチャートである。

実施の形態１．
［混合ガス生成装置の構成の説明］
　先ず、図１乃至図４を参照しながら、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１の混合ガス生成装置の全体構成図である。図１に示すように、本実施形態の混合ガス生成装置は、電気分解によりＣＯガスおよびＨ_２ガスを同時に生成する電解装置１０を備えている。電解装置１０は、その装置内温度を所定範囲内に制御する温度制御装置１２付きの電気分解装置である。電解装置１０の詳細な構成は、図２において説明する。

　電解装置１０の上流側には、内部に電解液（例えば、ＫＨＣＯ_３水溶液）が貯留された電解液タンク１４が設けられている。電解液タンク１４は、電解装置１０と流路１６を介して接続されている。流路１６上には、電解液タンク１４に貯留された電解液を所定圧で流路１６に供給するように構成された送液ポンプ１８が設けられている。また、電解液タンク１４は、内部にＣＯ_２ガスが充填されたＣＯ_２タンク２０とＣＯ_２ポンプ２２を介して接続されている。ＣＯ_２ポンプ２２は、ＣＯ_２タンク２０内のＣＯ_２ガスを電解液タンク１４に導入する電動式のガスポンプである。

　また、電解装置１０の上流側には、内部に水が貯留された水タンク２４が設けられている。水タンク２４は、電解装置１０と流路２６を介して接続されている。流路２６上には、水タンク２４に貯留された水を所定圧で流路２６に供給するように構成された送液ポンプ２８が設けられている。

　一方、電解装置１０の下流側には、気液分離器３０が設けられている。後述するように、電解装置１０のカソード室において、ＣＯ、Ｈ_２およびＨ_２Ｏが生成される。これらの生成物は、電解液と混合した状態で電解装置１０から排出され、気液分離器３０に送られて気液分離される。

　気液分離器３０の下流側には、混合ガスタンク３２が設けられている。混合ガスタンク３２は、密閉構造を有する耐圧容器（容積既知）であり、流路３４を介して気液分離器３０と接続されている。流路３４には、開度を制御可能に構成された混合ガスバルブ３６が設けられている。混合ガスバルブ３６は電磁弁等により構成され、その開度は制御信号に応じて制御される。混合ガスバルブ３６を開くことで、気液分離器３０と混合ガスタンク３２とが相互に連通され、気液分離器３０で分離されたＣＯ、Ｈ_２からなる混合ガスが、混合ガスタンク３２に流入する。

　気液分離器３０は、流路３８を介して電解液タンク１４に接続されている。流路３８上には、濃縮装置４０、送液ポンプ４２が設けられている。濃縮装置４０は、内部に加熱装置と冷却装置とを備えたものであり、電解液から生成水相当量の水分を加熱除去し、その後、混合ガスタンク３２内の電解液の温度と略等しい温度まで冷却するように構成されている。送液ポンプ４２は、冷却後の電解液を所定圧で流路３８に供給するように構成されている。送液ポンプ１８，４２は、電解液タンク１４、電解装置１０、気液分離器３０、濃縮装置４０に電解液を循環させる循環ポンプとして機能する。

　本実施形態の混合ガス生成装置は、更に、制御装置７０を備えている。制御装置７０の入力側には、上述した温度制御装置１２の他、電解装置１０における電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度をそれぞれ検出するＣＯ_２濃度センサ４４およびＨ^＋濃度センサ４６が接続されている。また、制御装置７０の出力側には、電解装置１０、温度制御装置１２、ＣＯ_２ポンプ２２、送液ポンプ１８，２８，４２、混合ガスバルブ３６や濃縮装置４０が接続されている。

［電解装置１０の構成の説明］
　次に、図２を参照しながら、電解装置１０の構成について説明する。図２は、図１の電解装置１０の一例を示した図である。電解装置１０は、３電極式の電解槽５０を備えている。電解槽５０は、電解液で満たされたカソード室５２と、水で満たされたアノード室５４と、カソード室５２とアノード室５４とを仕切る隔膜５６とを備えている。

　カソード室５２には、図１の電解液タンク１４や気液分離器３０が接続されている。また、カソード室５２には、作用極（ＷＥ）５８および参照極（ＲＥ）６０が配置されている。ＷＥ５８は、電解槽５０のカソードに相当するものであり、電気分解時にＣＯ_２を還元しにくい金属（例えば、Ｐｔ）から本体部分が構成されている。この本体部分の表面の一部に、電気分解時にＣＯ_２を選択的にＣＯに還元するＣＯ_２還元触媒が設けられている。

　また、アノード室５４には、図１の水タンク２４が接続されている。また、アノード室５４には、対極（ＣＥ）６２が配置されている。ＣＥ６２は、電解槽５０のアノードに相当するものであり、電気分解時に溶解しない金属（例えば、Ａｕ、Ｐｔ）から構成されている。

　また、隔膜５６は、アノード室５４側からカソード室５２側にＨ^＋を運搬する機能を有するものであり、例えばＮＡＦＩＯＮ（登録商標）等の高分子電解質から構成されている。

　また、電解装置１０は、ポテンショスタット６４を備えている。ポテンショスタット６４は、ＷＥ５８、ＲＥ６０、ＣＥ６２、図１の制御装置７０に接続され、制御装置７０からの制御信号により、ＲＥ６０とＷＥ５８の間に印加する電圧を変更可能に構成されている。

　ここで、電解装置１０における電気分解について説明する。電解装置１０（ポテンショスタット６４）を制御して、ＷＥ５８とＣＥ６２との間に電圧を印加すると、各電極において、下記式（１）～（３）の電気化学反応が進行する。
　ＷＥ５８：ＣＯ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ　　　・・・（１）
　　　　　　２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２　　　・・・（２）
　ＣＥ６２：２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－　　　・・・（３）

　上記式（１）の反応は、ＷＥ５８上のＣＯ_２還元触媒が電解液と接する箇所において進行する。上記式（２）の反応は、ＷＥ５８の本体部分が電解液と接する箇所において進行する。上記式（３）の反応は、ＣＥ６２が水と接する箇所において進行する。

　ＷＥ５８とＣＥ６２の間に電圧を印加しながら、送液ポンプ２８を運転して水をアノード室５４に供給すれば、ＣＥ６２上において、Ｈ^＋を連続的に生成することができる（上記式（３））。この際、更に、送液ポンプ１８を運転して電解液をカソード室５２に供給すれば、カソード室５２にＣＯ_２、Ｈ^＋を連続的に供給できる。従って、本実施形態の混合ガス生成装置によれば、ＷＥ５８上において、ＣＯとＨ_２を連続的に生成し続けることができる（上記式（１）、（２））。ＣＯ、Ｈ_２は、電解液に対する溶解度が低いので、生成したＣＯ、Ｈ_２のほぼ全量は、ガスとして存在することになる。

［実施の形態１の特徴］
　上述したように、ＣＯおよびＨ_２からＨＣを合成する反応として、ＦＴ反応が公知である。ここで、Ｈ_２とＣＯの混合比率をＨ_２：ＣＯ＝２：１（以下、この比率を「最適比率」と称す。）とすれば、ＦＴ反応時におけるエネルギー効率がよいことが分かっている。この点、上記式（１）および（２）で示したように、電解装置１０によれば、ＷＥ５８上でＣＯおよびＨ_２を同時に生成できる。そのため、Ｈ_２とＣＯの生成比率を予め最適比率としておけば、原料生成と最適比率の調整とを同時進行させることが可能となる。従って、エネルギー効率よくＦＴ反応させることが可能となる。

　しかしながら、Ｈ_２とＣＯの生成比率は、ＷＥ５８とＣＥ６２の間に印加する電圧により影響を受ける。何故なら、上記（１）の反応と上記（２）の反応とでは、その反応速度が異なるので、印加電圧の値が異なれば生成量に偏りが生じるためである。また、この生成比率は、電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度によっても影響を受ける。何故なら、反応物の濃度が異なれば反応速度が変わり、生成量も変わるからである。そこで、本実施形態では、ＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度を検出した上で、最適比率を実現する印加電圧を決定することとした（カソード電圧制御）。

　本実施形態におけるカソード電圧制御について、図３を参照しながら説明する。図３は、最適比率で電気分解した際のカソード電圧Ｖｃと、電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度との関係の一例を示した図である。ただし、カソード電圧Ｖｃは負の値であるので、図中のカソード電圧Ｖｃは、絶対値として表すものとする。図３に示すように、最適比率を実現するカソード電圧Ｖｃは、電解液中のＣＯ_２濃度が高くなるほど小さく、電解液中のＨ^＋濃度が高いほど大きい。従って、図３の太線で囲まれる領域内の濃度およびカソード電圧Ｖｃの条件で電気分解を実施すれば、常時、最適比率を実現できることになる。本図に示す関係は、予め実験等により求められ、マップデータ化された上で制御装置７０内部に記憶されているものとする。

　［実施の形態１における具体的な処理］
　次に、図４を参照しながら、上述したカソード電圧制御を実現するための具体的処理について説明する。図４は、本実施形態において、制御装置７０により実行されるカソード電圧制御を示すフローチャートである。なお、図４に示すルーチンは、混合ガス生成装置の稼働中に繰り返し実行されるものとする。

　図４に示すルーチンでは、先ず制御装置７０は、電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度を取得する（ステップ１００、１１０）。具体的に、制御装置７０は、ＣＯ_２濃度センサ４４およびＨ^＋濃度センサ４６の検出信号を取得する。続いて、制御装置７０は、ステップ１００および１１０で取得したＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度と、図３の関係を示したマップデータとを参照して、カソード電圧Ｖｃを計算する（ステップ１２０）。続いて、制御装置７０は、ステップ１２０で算出したカソード電圧Ｖｃを出力する（ステップ１３０）。これにより、ＷＥ５８とＣＥ６２の間に電圧が印加され、上記式（１）～（３）の反応が開始される。なお、ステップ１３０の処理の実行に際し、制御装置７０は、温度制御装置１２、ＣＯ_２ポンプ２２、送液ポンプ１８，２８，４２や、混合ガスバルブ３６を起動する。これにより、上記式（１）～（３）の反応が連続的に進行し、ＣＯおよびＨ_２が最適比率で生成する。

　以上、図４のルーチンによれば、ＣＯ_２濃度センサ４４およびＨ^＋濃度センサ４６から取得したＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度と、図３の関係を示したマップデータとを参照して、カソード電圧Ｖｃを計算できる。従って、ＣＯおよびＨ_２を最適比率で生成できるので、混合ガスタンク３２内のＨ_２とＣＯの混合比率を、最適比率に維持することができる。

　ところで、本実施形態においては、３電極式の電解槽５０を使用し、ポテンショスタット６４によりＲＥ６０とＷＥ５８の間に電圧を印加したが、３電極式の電解槽５０の代わりに、ＣＥ６２がＲＥ６０を兼ねる２電極式の電解槽を使用してもよい。即ち、ＷＥ５８とＣＥ６２の間に電圧を印加できる構成であれば、本実施形態の電解装置１０の変形例として適用が可能である。また、本実施形態においては、カソード室５２とアノード室５４との間に隔膜５６を使用したが、隔膜５６は省略されていてもよい。

　なお、本実施形態においては、ＣＯ_２濃度センサ４４およびＨ^＋濃度センサ４６が上記第１の発明における「濃度取得手段」に、制御装置７０が上記第１の発明における「特性マップ記憶手段」に、それぞれ相当する。また、本実施形態においては、制御装置７０が図４のルーチンの一連の処理を実行することにより、上記第１の発明における「電気分解電圧決定手段」が実現されている。

実施の形態２．
　次に、図５および図６を参照しながら、本発明の実施の形態２について説明する。なお、本実施形態の構成は、上記実施の形態１の構成と同一であるため、以下においては、上記実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

［実施の形態２の特徴］
　上記実施の形態１によれば、カソード電圧制御の実行により、最適比率を実現するカソード電圧ＶｃをＷＥ５８とＣＥ６２の間に印加できる。しかしながら、このカソード電圧Ｖｃでの電気分解条件と、電気分解時におけるエネルギー効率が良い条件とは、必ずしも一致しない。つまり、電気分解条件によっては、その電気分解時におけるエネルギー効率が悪い場合がある。従って、カソード電圧制御の実行に当たっては、最適比率だけでなく、良好なエネルギー効率となるように電気分解条件を設定することが望ましい。

　ところで、カソード電圧制御の実行により電気分解が進行すれば、電解液中のＣＯ_２濃度が減少する（上記式（１）参照）。ここで、図３の説明の際に述べたように、最適比率を実現するカソード電圧Ｖｃは、電解液中のＣＯ_２濃度が高くなるほど小さくなる。そのため、電解液中のＣＯ_２濃度が減少すれば、最適比率を実現するカソード電圧Ｖｃが高くなる。故に、電気分解時の消費電力が増加し、電気分解時におけるエネルギー効率が低下する可能性がある。

　この点、上記実施の形態１においては、カソード電圧制御の実行時にＣＯ_２ポンプ２２、送液ポンプ１８を運転するので、電解液中にＣＯ_２を補充してそのＣＯ_２濃度を保持できる。しかしながら、これらのポンプの運転はエネルギー消費を伴うものである。従って、カソード電圧制御の実行時のエネルギー効率という観点から見た場合、電気分解時におけるエネルギー効率だけでなく、ＣＯ_２濃度を保持するためのエネルギー効率をも考慮することが望ましいことになる。

　これらの点に鑑み、本実施形態においては、電気分解の消費エネルギー原単位と、ＣＯ_２濃度保持の消費エネルギー原単位との和が最小となるような条件で、カソード電圧制御を実行することとした（運転条件制御）。ここで、電気分解の消費エネルギー原単位とは、ＣＯおよびＨ_２の単位生成量当たりの電気分解消費電力として表されるものであり、この消費電力は、カソード電圧Ｖｃに基づいて算出される。また、ＣＯ_２濃度保持の消費エネルギー原単位とは、ＣＯおよびＨ_２の単位生成量当たりのポンプ消費電力であり、この消費電力は、ＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８の駆動電圧に基づいて算出される。

　本実施形態における運転条件制御について、図５を参照しながら説明する。図５は、消費エネルギー原単位と、電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度との関係の一例を示した図である。図５に示すように、電気分解の消費エネルギー原単位は、電解液中のＣＯ_２濃度が高くなるほど小さく、電解液中のＨ^＋濃度が高いほど大きくなる。これは、電気分解の消費エネルギー原単位が、カソード電圧Ｖｃに基づき算出されるためであり、加えて、図３の説明の際に述べたように、カソード電圧Ｖｃは、電解液中のＣＯ_２濃度が高くなるほど小さく、電解液中のＨ^＋濃度が高いほど大きくなるためである。

　また、図５に示すように、ＣＯ_２濃度保持の消費エネルギー原単位は、電解液中のＣＯ_２濃度が高くなるほど大きくなる。これは、ＣＯ_２濃度を高濃度に保持するためには、多くの電力が必要となるためである。そして、これら２つの消費エネルギー原単位の和が最小となるのは、図５に一点鎖線で示したＣＯ_２濃度（濃度Ｃ_１）である。従って、目標ＣＯ_２濃度を濃度Ｃ_１に設定してＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８を運転すれば、エネルギー効率よくカソード電圧制御を実行できる。このような目標ＣＯ_２濃度は、予め実験等により求められ、制御装置７０内部に記憶されているものとする。

　［実施の形態２における具体的な処理］
　次に、図６を参照しながら、本実施形態における運転条件制御を実現するための具体的処理について説明する。図６は、本実施形態において、制御装置７０により実行される運転条件制御を示すフローチャートである。なお、図６に示すルーチンは、図４に示したルーチンと同時に実行されるものとする。

　図６に示すルーチンでは、先ず制御装置７０は、電解液中のＣＯ_２濃度を取得し（ステップ２００）、取得したＣＯ_２濃度が、ＣＯ_２基準濃度よりも低いか否かを判定する（ステップ２１０）。ここで、ＣＯ_２基準濃度は、本ルーチンの実行により設定される目標ＣＯ_２濃度であり、その初期値は濃度Ｃ_０（図５参照）に設定されている。

　ステップ２１０において、取得したＣＯ_２濃度がＣＯ_２基準濃度よりも低いと判定された場合は、ＣＯ_２の補充が必要と判断できる。そのため、制御装置７０は、ＣＯ_２基準濃度を濃度Ｃ_１（図５参照）に設定し（ステップ２２０）、ＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８を運転する（ステップ２３０）。

　一方、ステップ２１０において、取得したＣＯ_２濃度がＣＯ_２基準濃度よりも高いと判定された場合は、ＣＯ_２の補充が不要と判断できる。そのため、制御装置７０は、ＣＯ_２基準濃度を濃度Ｃ_０に設定し（ステップ２４０）、ＣＯ_２ポンプ２２、送液ポンプ１８の運転を停止させる（ステップ２５０）。

　以上、図６のルーチンによれば、取得したＣＯ_２濃度が、ＣＯ_２基準濃度よりも低い場合はＣＯ_２基準濃度を濃度Ｃ_１に設定した上でＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８を運転し、ＣＯ_２基準濃度よりも高い場合はＣＯ_２基準濃度を濃度Ｃ_０に設定した上でＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８の運転を停止することができる。従って、エネルギー効率よくカソード電圧制御を実行できる。

　なお、本実施形態においては、ＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８が上記第２の発明における「ＣＯ_２濃度調整手段」に相当する。また、本実施形態においては、制御装置７０が図６のルーチンの一連の処理を実行することにより、上記第２の発明における「ＣＯ_２濃度制御手段」が実現されている。

実施の形態３．
　次に、図７および図８を参照しながら、本発明の実施の形態３について説明する。なお、本実施形態の構成は、図２のカソード室５２にｐＨ調整剤（具体的には、酸）を投入するｐＨ調整剤投入装置を備えた点以外は、上記実施の形態１の構成と同一である。そのため、以下においては、上記実施の形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を簡略化または省略する。

［実施の形態３の特徴］
　カソード電圧制御の実行により電気分解が進行すれば、電解液中のＣＯ_２濃度のみならずＨ^＋濃度も減少する。ここで、図３の説明の際に述べたように、最適比率を実現するカソード電圧Ｖｃは、電解液中のＨ^＋濃度が高いほど大きくなる。そのため、電解液中のＨ^＋濃度が減少すれば、最適比率を実現するカソード電圧Ｖｃが低くなる。故に、電気分解時の消費電力を減少でき、電気分解時におけるエネルギー効率を向上できるので、電解液中のＨ^＋濃度は低めに設定することが望ましいことになる。

　本実施形態の混合ガス生成装置は、ｐＨ調整剤投入装置を備えるので、Ｈ^＋濃度センサ４６の検出値に応じてｐＨ調整剤投入装置を運転すれば、Ｈ^＋濃度を所望の濃度に保持することが可能となる。しかしながら、この装置の運転はエネルギー消費を伴うものである。従って、カソード電圧制御の実行時のエネルギー効率という観点から見た場合、上記実施形態２で述べた２つのエネルギー効率に加え、Ｈ^＋濃度を保持するためのエネルギー効率をも考慮することが望ましいことになる。

　そこで、本実施形態では、電気分解の消費エネルギー原単位と、ＣＯ_２濃度保持の消費エネルギー原単位と、Ｈ^＋濃度保持の消費エネルギー原単位との総和が最小となるような条件で、カソード電圧制御を実行することとした（運転条件制御）。ここで、Ｈ^＋濃度保持の消費エネルギー原単位とは、ＣＯおよびＨ_２の単位生成量当たりのｐＨ調整剤投入装置消費電力であり、この消費電力は、ｐＨ調整剤投入装置の駆動電圧に基づいて算出される。

　本実施形態における運転条件制御について、図７を参照しながら説明する。図７は、消費エネルギー原単位と、電解液中のＣＯ_２濃度およびＨ^＋濃度との関係の一例を示した図である。図７に示す電気分解の消費エネルギー原単位と、ＣＯ_２濃度保持の消費エネルギー原単位とは、図５の説明の際に述べたとおりである。また、図７に示すように、Ｈ^＋濃度保持の消費エネルギー原単位は、電解液中のＨ^＋濃度が高くなるほど大きくなる。これは、Ｈ^＋濃度を高濃度に保持するためには、多くの電力が必要となるためである。

　そして、これら３つの消費エネルギー原単位の和が最小となるのは、図７の２つの一点鎖線が交差する点（ＣＯ_２濃度：濃度Ｃ_３、Ｈ^＋濃度：濃度Ｃ_４）である。従って、目標ＣＯ_２濃度および目標Ｈ^＋濃度を、それぞれ濃度Ｃ_３および濃度Ｃ_４に設定し、ＣＯ_２ポンプ２２、送液ポンプ１８やｐＨ調整剤投入装置を運転すれば、エネルギー効率よくカソード電圧制御を実行できる。このような目標ＣＯ_２濃度および目標Ｈ^＋濃度は、予め実験等により求められ、制御装置７０内部に記憶されているものとする。

　［実施の形態３における具体的な処理］
　次に、図８を参照しながら、本実施形態における運転条件制御を実現するための具体的処理について説明する。図８は、本実施形態において、制御装置７０により実行される運転条件制御を示すフローチャートである。なお、図８に示すルーチンは、図６に示したルーチンの代わりに実行されるものとする。

　図８に示すルーチンでは、先ず制御装置７０は、電解液中のＣＯ_２濃度を取得し（ステップ３００）、取得したＣＯ_２濃度が、ＣＯ_２基準濃度よりも低いか否かを判定する（ステップ３１０）。ここで、ＣＯ_２基準濃度は、本ルーチンの実行により設定される目標ＣＯ_２濃度であり、その初期値は濃度Ｃ_０（図５参照）に設定されている。

　ステップ３１０において、取得したＣＯ_２濃度がＣＯ_２基準濃度よりも低いと判定された場合は、ＣＯ_２の補充が必要と判断できる。そのため、制御装置７０は、ＣＯ_２基準濃度を濃度Ｃ_１（図５参照）に設定し（ステップ３２０）、ＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８を運転する（ステップ３３０）。

　一方、ステップ３１０において、取得したＣＯ_２濃度がＣＯ_２基準濃度よりも高いと判定された場合は、ＣＯ_２の補充が不要と判断できる。そのため、制御装置７０は、ＣＯ_２基準濃度を濃度Ｃ_０に設定し（ステップ３４０）、ＣＯ_２ポンプ２２、送液ポンプ１８の運転を停止させる（ステップ３５０）。

　続いて、制御装置７０は、電解液中のＨ^＋濃度を取得し（ステップ３６０）、取得したＨ^＋濃度が、Ｈ^＋基準濃度よりも低いか否かを判定する（ステップ３７０）。ここで、Ｈ^＋基準濃度は、本ルーチンの実行により設定される目標Ｈ^＋濃度であり、その初期値は濃度Ｃ_２（図７参照）に設定されている。

　ステップ３７０において、取得したＨ^＋濃度がＨ^＋基準濃度よりも低いと判定された場合は、Ｈ^＋の補充が必要と判断できる。そのため、制御装置７０は、Ｈ^＋基準濃度を濃度Ｃ_４に、ＣＯ_２基準濃度を濃度Ｃ_３にそれぞれ設定する（図７参照）（ステップ３８０）。続いて、制御装置７０は、ｐＨ調整剤投入装置、ＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８を運転する（ステップ３９０）。

　一方、ステップ３７０において、取得したＨ^＋濃度がＨ^＋基準濃度よりも高いと判定された場合は、Ｈ^＋の補充が不要と判断できる。そのため、制御装置７０は、Ｈ^＋基準濃度を濃度Ｃ_２に設定する（ステップ４００）。また、ＣＯ_２基準濃度については、ステップ３２０またはステップ３４０で設定した濃度のままとされる。続いて、制御装置７０は、ｐＨ調整剤投入装置の運転を停止させる（ステップ４１０）。また、ＣＯ_２ポンプ２２、送液ポンプ１８の運転については、ステップ３３０またはステップ３５０の動作が維持される。

　以上、図８のルーチンによれば、取得したＣＯ_２濃度が、ＣＯ_２基準濃度よりも低い場合はＣＯ_２基準濃度を濃度Ｃ_１に設定した上でＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８を運転し、ＣＯ_２基準濃度よりも高い場合はＣＯ_２基準濃度を濃度Ｃ_０に設定した上でＣＯ_２ポンプ２２および送液ポンプ１８の運転を停止することができる。また、図８のルーチンによれば、取得したＨ^＋濃度が、Ｈ^＋基準濃度よりも低い場合はＨ^＋基準濃度を濃度Ｃ_４に設定した上でｐＨ調整剤投入装置を運転し、Ｈ^＋基準濃度よりも高い場合はＨ^＋基準濃度を濃度Ｃ_２に設定した上での運転を停止することができる。従って、エネルギー効率よくカソード電圧制御を実行できる。

　ところで、本実施形態においては、電気分解の消費エネルギー原単位と、ＣＯ_２濃度保持の消費エネルギー原単位と、Ｈ^＋濃度保持の消費エネルギー原単位との総和が最小となるような条件でカソード電圧制御を実行したが、この内からＣＯ_２濃度保持の消費エネルギー原単位を除き、電気分解の消費エネルギー原単位と、Ｈ^＋濃度保持の消費エネルギー原単位との和が最小となるような条件で、カソード電圧制御を実行してもよい。このような条件でカソード電圧制御を実行した場合であっても、エネルギー効率よくカソード電圧制御を実行できる。

　なお、本実施形態においては、ｐＨ調整剤投入装置が上記第３の発明における「Ｈ^＋濃度調整手段」に相当する。また、本実施形態においては、制御装置７０が図８のステップ３７０～４１０の一連の処理を実行することにより、上記第３の発明における「Ｈ^＋濃度制御手段」が実現されている。

　１０　電解装置
　１２　温度制御装置
　１４　電解液タンク
　１６，２６，３４，３８　流路
　１８，２８，４２　送液ポンプ
　２０　ＣＯ_２タンク
　２２　ＣＯ_２ポンプ
　２４　水タンク
　３０　気液分離器
　３２　混合ガスタンク
　３６　混合ガスバルブ
　４０　濃縮装置
　４４　ＣＯ_２濃度センサ
　４６　Ｈ^＋濃度センサ
　５０　電解槽
　５２　カソード室
　５４　アノード室
　５６　隔膜
　５８　作用極
　６０　参照極
　６２　対極
　６４　ポテンショスタット
　７０　制御装置

Claims

　水と二酸化炭素（ＣＯ_２）とをそれぞれ電気分解して、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）とを含む混合ガスを所定混合比で生成する混合ガス生成装置であって、
　水およびＣＯ_２を含む電解液を備える電解槽と、
　前記電解槽に設けられ、電解液中のプロトン（Ｈ^＋）濃度およびＣＯ_２濃度を取得する濃度取得手段と、
　電解液中のＨ^＋濃度およびＣＯ_２濃度に、前記所定混合比を実現する電気分解電圧を関連付けた特性マップを記憶する特性マップ記憶手段と、
　前記濃度取得手段により取得したＨ^＋濃度およびＣＯ_２濃度を前記特性マップに適用して、前記電気分解電圧を決定する電気分解電圧決定手段と、
　を備えることを特徴とする混合ガス生成装置。
　電解液中のＣＯ_２濃度を調整可能なＣＯ_２濃度調整手段と、
　電解液中のＣＯ_２濃度が、前記ＣＯ_２濃度調整手段による濃度調整で消費されるエネルギーの原単位と、前記電気分解電圧から算出され電気分解で消費されるエネルギーの原単位との和を最小とするＣＯ_２濃度となるように、前記ＣＯ_２濃度調整手段を制御するＣＯ_２濃度制御手段と、
　を備えることを特徴とする請求項１に記載の混合ガス生成装置。
　電解液中のＨ^＋濃度を調整可能なＨ^＋濃度調整手段と、
　前記Ｈ^＋濃度調整手段による濃度調整で消費されるエネルギーの原単位と、前記電気分解電圧から算出され電気分解で消費されるエネルギーの原単位との和を最小とするＨ^＋濃度となるように、前記Ｈ^＋濃度調整手段を制御するＨ^＋濃度制御手段と、
　を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の混合ガス生成装置。