DE102020208604B4

DE102020208604B4 - Energiewandlungssystem

Info

Publication number: DE102020208604B4
Application number: DE102020208604.4A
Authority: DE
Inventors: Shigekazu HIDAKA; Youhei Morimoto
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2023-03-09
Anticipated expiration: 2040-07-10
Also published as: JP2021017468A; DE102020208604A1; JP7147705B2

Abstract

Energiewandlungssystem, das aufweist: eine Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung (10), die enthält:einen Elektrolyt (11, 15), der ein Sauerstoffionenleitvermögen aufweist;eine Kathodenelektrode (12), die auf einer Seite des Elektrolyts (11, 15) angeordnet ist; undeine Anodenelektrode (13, 16), die auf einer anderen Seite des Elektrolyts (11, 15) 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) ausgelegt ist, H2O, das von der H2O-Zufuhreinheit (20, 22) zugeführt wird, und CO2, das von der CO2-Zufuhreinheit (23, 25) zugeführt wird, in einer vorbestimmten Gasfließrichtung zu leiten;die 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) mehrere Katalysatoren aufweist, die enthalten:einen H2O-Elektrolysekatalysator, der die H2O-Elektrolysereaktion fördert;einen CO2-Elektrolysekatalysator, der die CO2-Elektrolysereaktion fördert; undeinen Brennstoffsynthesekatalysator, der die Brennstoffsynthesereaktion fördert;ein Verhältnis des CO2-Elektrolysekatalysators, des H2O-Elektrolysekatalysators und des Brennstoffsynthesekatalysators, die in den Katalysatoren enthalten sind, sich zwischen einem Stromaufabschnitt (12a), einem mittleren Abschnitt (12b) und einem Stromababschnitt (12c, 12d), die in der vorbestimmten Gasfließrichtung der Kathodenelektrode (12) angeordnet sind, unterscheidet;in dem Stromaufabschnitt (12a) unter den Reaktionsprodukten, die CO, das in der CO2-Elektrolysereaktion erzeugt wird, H2, das in der H2O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und der Kohlenwasserstoff, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, enthalten, eine Stoffmenge von CO, das in der CO2-Elektrolysereaktion erzeugt wird, am größten ist;in dem mittleren Abschnitt (12b) unter den Reaktionsprodukten eine Stoffmenge von H2, das in der H2O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, am größten ist; undin dem Stromababschnitt (12c, 12d) unter den Reaktionsprodukten eine Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, am größten ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiewandlungssystem.
Hintergrund
Seit Neuestem zieht eine Elektrifizierung einer Antriebsleistungsquelle die Aufmerksamkeit auf sich, und als eine Lösung dafür hat sich eine Anforderung nach einer praktischen Verwendung eines Systems ergeben, das überflüssige elektrische Leistung in Brennstoff wie Kohlenwasserstoff umwandelt und den Brennstoff speichert. In der JP 2014 - 152 219 A wird ein Brennstoffsynthesesystem vorgeschlagen, bei dem Synthesegas erzeugt wird, das Wasserstoff und Kohlenmonoxyd enthält, die durch Elektrolyse von Wasserdampf und Elektrolyse von Kohlendioxyd erzeugt werden, und Kohlenwasserstoff aus diesem Synthesegas synthetisiert wird.
Das System zum Umwandeln der elektrischen Leistung in den Brennstoff, das in der JP 2014 - 152 219 A beschrieben ist, erzielt jedoch keine hohe Effizienz, die zur praktischen Verwendung geeignet ist.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffsyntheseeffizienz in einem Energiewandlungssystem zu verbessern, das Kohlenwasserstoff aus H₂ und CO synthetisiert, die jeweils durch Elektrolyse von H₂O und Elektrolyse von CO₂ erzeugt werden.
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.
Die Kathodenelektrode ist ausgelegt, H₂O, das von der H₂O-Zufuhreinheit zugeführt wird, und CO₂, das von der CO₂-Zufuhreinheit zugeführt wird, in einer vorbestimmten Gasfließrichtung zu leiten. 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 mehrere Katalysatoren auf, die enthalten: einen H₂O-Elektrolysekatalysator, der die H₂O-Elektrolysereaktion fördert; einen CO₂-Elektrolysekatalysator, der die CO₂-Elektrolysereaktion fördert; und einen Brennstoffsynthesekatalysator, der die Brennstoffsynthesereaktion fördert.
Ein Verhältnis des CO₂-Elektrolysekatalysators, des H₂O-Elektrolysekatalysators und des Brennstoffsynthesekatalysators, die in den Katalysatoren enthalten sind, unterscheidet sich zwischen einem Stromaufabschnitt, einem mittleren Abschnitt und einem Stromababschnitt, die in der vorbestimmten Gasfließrichtung an der Kathodenelektrode angeordnet sind. In dem Stromaufabschnitt ist unter den Reaktionsprodukten, die CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und Kohlenwasserstoff, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, enthalten, die Molzahl bzw. Stoffmenge von CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, am größten. In dem mittleren Abschnitt ist unter den Reaktionsprodukten die Stoffmenge von H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, am größten. In dem Stromababschnitt ist unter den Reaktionsprodukten die Stoffmenge von Kohlenwasserstoff, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, am größten.
Dadurch kann soweit wie möglich eine große Menge an CO₂ in CO vor der Erzeugung von H₂ in der H₂O-Elektrolysereaktion elektrolysiert werden. Die H₂O-Elektrolysereaktion findet in einem Zustand statt, in dem die Konzentration von CO₂ verringert ist und die Konzentration von CO erhöht ist. Daher ist es möglich, das Auftreten einer reversen Wassergas-Shift-Reaktion einzuschränken, bei der CO₂ und H₂ miteinander reagieren. Daher ist es möglich, den Verbrauch von H₂ durch eine reverse Wassergas-Shift-Reaktion einzuschränken, und es ist möglich, den Verbrauch der elektrischen Leistung, die für die Erzeugung von H₂ verwendet wird, einzuschränken. Dadurch kann die Brennstoffsyntheseeffizienz verbessert werden.
Außerdem wird in dem Stromababschnitt die Brennstoffsynthesereaktion mit hoher Priorität ausgeführt, sodass die Brennstoffsynthese effizient unter Verwendung von CO, das in dem Stromaufabschnitt erzeugt wird, und H₂, das in dem mittleren Abschnitt erzeugt wird, durchgeführt werden kann.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird zusammen mit weiteren 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 ein Diagramm, das eine Struktur einer Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung der ersten Ausführungsform zeigt.
3 ist ein Diagramm, das eine Struktur einer Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung einer zweiten Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Diagramm, das eine Struktur einer Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung einer dritten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Diagramm, das eine Struktur einer Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung einer vierten Ausführungsform zeigt.

Detaillierte Beschreibung
Erste Ausführungsform
Ein Energiewandlungssystem einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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. Kohlenwasserstoff ist ein Brennstoff und kann beispielsweise bei der Erzeugung von elektrischer Leistung in einer Brennstoffzelle verwendet werden.
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.
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.
Die Anodenelektrode 13 enthält einen Metallkatalysator, der eine Reaktion einer O₂-Erzeugung durch Kombinieren von O^2- mit Elektronen fördert. Der Metallkatalysator der Anodenelektrode 13 kann beispielsweise Ni und/oder Pt enthalten.
Die Kathodenelektrode 12 enthält mehrere Arten von Metallkatalysatoren. Diese Arten von Metallkatalysatoren enthalten: einen Metallkatalysator, der eine CO₂-Elektrolysereaktion fördert; einen Metallkatalysator, der eine H₂O-Elektrolysereaktion fördert; und einen Metallkatalysator, der eine Brennstoffsynthesereaktion fördert. Im Folgenden wird der Metallkatalysator, der die CO₂-Elektrolysereaktion fördert, auch als CO₂-Elektrolysekatalysator bezeichnet, und der Metallkatalysator, der die H₂O-Elektrolysereaktion fördert, wird auch als H₂O-Elektrolysekatalysator bezeichnet. Weiterhin wird der Metallkatalysator, der die Brennstoffsynthesereaktion fördert, auch als Brennstoffsynthesekatalysator bezeichnet.
Der CO₂-Elektrolysekatalysator kann beispielsweise Cu enthalten. Der H₂O-Elektrolysekatalysator kann beispielsweise Ni und/oder Ruthenium enthalten. Der Brennstoffsynthesekatalysator kann beispielsweise Kobalt und/oder Fe enthalten. In der Kathodenelektrode 12 unterscheidet sich ein Zusammensetzungsverhältnis der Arten von Metallkatalysatoren zwischen mehreren Bereichen, die in einer Gasfließrichtung angeordnet sind. Dieser Punkt wird später beschrieben.
Elektrische Leistung wird der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 von einer Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14 zugeführt, die eine externe Leistungsquelle bzw. Stromquelle 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.
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.
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. H₂O kann im flüssigen Zustand der Kathodenelektrode 12 zugeführt werden, oder es kann H₂O in einem Wasserdampfzustand der Kathodenelektrode zugeführt werden. 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.
CO₂ wird der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 von einem CO₂-Speicher 23 über eine CO₂-Zufuhrpassage 24 zugeführt. CO₂ wird in dem CO₂-Speicher 23 der vorliegenden Ausführungsform in einem flüssigen Zustand gespeichert. Das CO₂, das in dem CO₂-Speicher 23 gespeichert ist, ist unter Druck gesetzt.
Ein Druckregulierungsventil 25 ist in der CO₂-Zufuhrpassage 24 installiert. Das Druckregulierungsventil 25 verringert den Druck des 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.
Bei der Kathodenelektrode 12 der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 wird H₂ durch Elektrolyse von H₂O erzeugt, und es wird CO durch Elektrolyse von CO₂ erzeugt. Bei der Kathodenelektrode 12 wird der Kohlenwasserstoff aus H₂ und CO synthetisiert, die jeweils durch die oben beschriebenen Elektrolysen erzeugt werden. Der synthetisierte Kohlenwasserstoff ist in einem Brennstoffsyntheseabgas enthalten und wird aus der Kathodenelektrode 12 ausgelassen. Der Kohlenwasserstoff, der in dem Brennstoffsyntheseabgas enthalten ist, kann beispielsweise Methan sein.
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 durch beispielsweise eine Destillationstrennung von dem Brennstoffsyntheseabgas getrennt werden.
Der Kohlenwasserstoff, der an dem Brennstofftrenner 27 abgetrennt wird, wird in einem Brennstoffspeicher 28 gespeichert. Der Brennstoffspeicher 28 der vorliegenden Ausführungsform speichert den Kohlenwasserstoff in einem flüssigen Zustand.
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 Klimatisierungssteuerungsprogramms durch, das in dem ROM gespeichert ist, und die Steuerungsvorrichtung 29 steuert die Betriebe der verschiedenen Zielvorrichtungen wie beispielsweise 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.
Im Folgenden werden chemische Reaktionen beschrieben, die bei der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 stattfinden. In der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 finden in dem Zustand, in dem der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 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 O^2- zu erzeugen. O^2-, das an der Kathodenelektrode 12 erzeugt wird, bewegt sich über den Elektrolyten 11 zu der Anodenelektrode 13. Bei der Anodenelektrode 13 wird O^2- mit den Elektronen gekoppelt, um O₂ zu erzeugen.
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 über die Brennstoffsyntheseabgaspassage 26 ausgelassen. CH₄, das in dem Brennstoffsyntheseabgas enthalten ist, wird an dem Brennstofftrenner 27 abgetrennt und als Kohlenwasserstoff-Brennstoff in dem Brennstoffspeicher 28 gespeichert. Das verbleibende Brennstoffsyntheseabgas, von dem der CH₄ abgetrennt wurde, wird zur Außenseite ausgelassen.
Die H₂O-Elektrolysereaktion, die CO₂-Elektrolysereaktion und die Brennstoffsynthesereaktion, die unten beschrieben werden, treten an der Kathodenelektrode 12 der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 auf. [H₂O-Elektrolysereaktion] H₂O+2e^-→H₂+O^2- [CO₂-Elektrolysereaktion 1] CO₂+2e^-→CO+O^2- [CO₂-Elektrolysereaktion 2] CO₂+H₂→CO+H₂O
[Brennstoffsynthesereaktion]
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. Die CO₂-Elektrolysereaktion enthält eine CO₂-Elektrolysereaktion 1 und eine CO₂-Elektrolysereaktion 2.
Die CO₂-Elektrolysereaktion 2 ist eine reverse Wassergas-Shift-Reaktion, bei der H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, verbraucht wird, um H₂O zu erzeugen. Unter den beiden Arten von CO₂-Elektrolysereaktionen wird, wenn ein Anteil der CO₂-Elektrolysereaktion 2 erhöht wird, eine große Menge an elektrischer Leistung benötigt, um H₂ durch die H₂O-Elektrolysereaktion zu erzeugen, und dadurch verschlechtert sich die Systemeffizienz. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, das Auftreten der CO₂-Elektrolysereaktion 2 soweit wie möglich zu begrenzen.
In der Brennstoffsynthesereaktion wird CH₄ aus H₂ und CO synthetisiert. In der Brennstoffsynthesereaktion wird H₂O als Nebenprodukt der Synthese von CH₄ erzeugt. H₂O, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, wird in der H₂O-Elektrolysereaktion elektrolysiert. Um CH₄ durch die Brennstoffsynthesereaktion effizient zu synthetisieren, ist es wünschenswert, H₂O, das als Nebenprodukt erzeugt wird, schnell zu entfernen.
Im Folgenden wird die Struktur der Kathodenelektrode 12 der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 mit Bezug auf 2 beschrieben. In 2 ist eine Links-nachrechts-Richtung eine Gasfließrichtung des Quellengases, das H₂O und CO₂ enthält. Die Gasfließrichtung verläuft entlang einer Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten 11 und der Kathodenelektrode 12.
Wie es in 2 gezeigt ist, weist die Kathodenelektrode 12 einen Stromaufabschnitt 12a, einen mittleren Abschnitt 12b und Stromababschnitte 12c, 12d auf, die in der Gasfließrichtung von der Stromaufseite zu der Stromabseite angeordnet sind. Die Stromababschnitte 12c, 12d enthalten einen ersten Stromababschnitt 12c und einen zweiten Stromababschnitt 12d, wobei der zweite Stromababschnitt 12d auf der Stromabseite des ersten Stromababschnittes 12c angeordnet ist. Man beachte, dass der erste Stromababschnitt 12c und der zweite Stromababschnitt 12d in der Beschreibung auch gemeinsam als Stromababschnitt 12c, 12d bezeichnet werden. Das Zusammensetzungsverhältnis der Metallkatalysatoren unterscheidet sich jeweils zwischen dem Stromaufabschnitt 12a, dem mittleren Abschnitt 12b und dem Stromababschnitt 12c, 12d, und dadurch ein Auftrittsverhältnis zwischen der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion bei jeweils dem Stromaufabschnitt 12a, dem mittleren Abschnitt 12b und dem Stromababschnitt 12c, 12d. Hinsichtlich der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion sind die Prioritäten dieser Reaktionen zwischen dem Stromaufabschnitt 12a, dem mittleren Abschnitt 12b und dem Stromababschnitt 12c, 12d unterschiedlich bzw. anders. In dem Stromaufabschnitt 12a wird die CO₂-Elektrolysereaktion mit hoher Priorität ausgeführt. In dem mittleren Abschnitt 12b wird die H₂O-Elektrolysereaktion mit einer hohen Priorität ausgeführt. In dem Stromababschnitt 12c, 12d wird die Brennstoffsynthesereaktion mit einer hohen Priorität ausgeführt.
In dem Stromaufabschnitt 12a ist unter den Reaktionsprodukten, die CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und Kohlenwasserstoff, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, enthalten, die Stoffmenge (Molzahl) von CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, am größten. In dem mittleren Abschnitt 12b ist unter den Reaktionsprodukten, die CO, H₂ und Kohlenwasserstoff enthalten, die Stoffmenge von H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, am größten. In dem Stromababschnitt 12c, 12d ist unter den Reaktionsprodukten, die CO, H₂ und Kohlenwasserstoff enthalten, die Stoffmenge von Kohlenwasserstoff, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, am größten.
In 2 wird die Priorität einer jeweiligen Reaktion durch die Ungleichheitszeichen ">>" und „>“ repräsentiert. In der vorliegenden Beschreibung sind die Ungleichheitszeichen ">>" und „>“ durch ein Herstellungsverhältnis der Reaktionsprodukte definiert, die in den jeweiligen Reaktionen erzeugt werden. Das Ungleichheitszeichen ">>" gibt an, dass die Stoffmenge des Reaktionsproduktes, das auf der linken Seite angeordnet ist, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Reaktionsproduktes ist, das auf der rechten Seite angeordnet ist. Das Ungleichheitszeichen „>“ gibt an, dass die Stoffmenge des Reaktionsproduktes, das auf der linken Seite angeordnet ist, größer als die Stoffmenge des Reaktionsproduktes ist, das auf der rechten Seite angeordnet ist.
In dem Stromaufabschnitt 12a gilt die Beziehung von CO₂-Elektrolysereaktion >> H₂O-Elektrolysereaktion > Brennstoffsynthesereaktion. Insbesondere ist in dem Stromaufabschnitt 12a die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, ist mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird. Weiterhin ist in dem Stromaufabschnitt 12a die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, größer als die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird.
In dem Stromaufabschnitt 12a ist die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, gleich oder größer als 50 % der Summe aus der Stoffmengen der Reaktionsprodukte, die in der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt werden. In dem Stromaufabschnitt 12a ist es wünschenswert, wenn die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, 80 % oder mehr von der Summe der Stoffmengen der Reaktionsprodukte ist, die in der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt werden.
In dem mittleren Abschnitt 12b gilt die Beziehung von H₂O-Elektrolysereaktion >> Brennstoffsynthesereaktion > CO₂-Elektrolysereaktion. In dem mittleren Abschnitt 12b ist insbesondere die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, und die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, ist mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird. Weiterhin ist in dem mittleren Abschnitt 12b die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, größer als die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird.
In dem mittleren Abschnitt 12b ist die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, gleich oder größer als 50 % der Summe der Stoffmengen der Reaktionsprodukte, die in der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt werden. In dem mittleren Abschnitt 12b ist es wünschenswert, wenn die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, 80 % oder mehr der Summe der Stoffmengen der Reaktionsprodukte ist, die in der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt werden.
In dem ersten Stromababschnitt 12c gilt die Beziehung von Brennstoffsynthesereaktion > H₂O-Elektrolysereaktion >> CO₂-Elektrolysereaktion. Insbesondere ist in dem ersten Stromababschnitt 12c die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, ist mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird. Weiterhin ist in dem ersten Stromababschnitt 12c die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, größer als die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird.
In dem ersten Stromababschnitt 12c ist die Summe aus der Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, und der Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, gleich oder größer als 80 % der Summe der Stoffmengen der Reaktionsprodukte, die in der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt werden. In dem ersten Stromababschnitt 12c ist es wünschenswert, wenn die Summe aus der Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, und der Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, gleich oder größer als 90 % der Summe der Stoffmengen der Reaktionsprodukte ist, die in der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt werden.
In dem zweiten Stromababschnitt 12d gilt die Beziehung von Brennstoffsynthesereaktion >> H₂O-Elektrolysereaktion > CO₂-Elektrolysereaktion. Insbesondere ist in dem zweiten Stromababschnitt 12d die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O Elektrolysereaktion erzeugt wird, und die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, ist mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird. Außerdem ist in dem zweiten Stromababschnitt 12d die Stoffmenge des Reaktionsproduktes H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, größer als die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird.
In dem zweiten Stromababschnitt 12d ist die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, gleich oder größer als 50 % der Summe der Stoffmengen der Reaktionsprodukte, die in der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt werden. In dem zweiten Stromababschnitt 12d ist es wünschenswert, wenn die Stoffmenge des Reaktionsproduktes CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, 80 % oder mehr der Summe der Stoffmengen der Reaktionsprodukte ist, die in der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet das sich Verhältnis des CO₂-Elektrolysekatalysators, des H₂O-Elektrolysekatalysatorsund des Brennstoffsynthesekatalysators zwischen dem Stromaufabschnitt 12a, dem mittleren Abschnitt 12b, dem ersten Stromababschnitt 12c und dem zweiten Stromababschnitt 12d. Durch unterschiedliches Einstellen des Verhältnisses dieser Katalysatoren in jeweils dem Stromaufabschnitt 12a, dem mittleren Abschnitt 12b, dem ersten Stromababschnitt 12c und dem zweiten Stromababschnitt 12d wird der Erzeugungsanteil bzw. das Erzeugungsverhältnis der Reaktionsprodukte, die in der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt werden, in jeweils dem Stromaufabschnitt 12a, dem mittleren Abschnitt 12b, dem ersten Stromababschnitt 12c und dem zweiten Stromababschnitt 12d unterschiedlich.
In dem Stromaufabschnitt 12a wird das Verhältnis des CO₂-Elektrolysekatalysators, des H₂O-Elektrolysekatalysatorsund des Brennstoffsynthesekatalysators derart eingestellt, dass die Stoffmenge von CO mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von H₂ ist und die Stoffmenge von CO mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CH₄ ist. Weiterhin wird in dem Stromaufabschnitt 12a das Verhältnis des H₂O-Elektrolysekatalysators und des Brennstoffsynthesekatalysators derart eingestellt, dass die Stoffmenge von H₂ größer als die Stoffmenge von CH₄ ist.
In dem mittleren Abschnitt 12b wird das Verhältnis des CO₂-Elektrolysekatalysators, des H₂O-Elektrolysekatalysatorsund des Brennstoffsynthesekatalysators derart eingestellt, dass die Stoffmenge von H₂ mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CH₄ ist und die Stoffmenge von H₂ mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CO ist. Weiterhin wird in dem mittleren Abschnitt 12b das Verhältnis des CO₂-Elektrolysekatalysators und des Brennstoffsynthesekatalysators derart eingestellt, dass die Stoffmenge von CH₄ größer als die Stoffmenge von CO ist.
In dem ersten Stromababschnitt 12c wird das Verhältnis des CO₂-Elektrolysekatalysators, des H₂O-Elektrolysekatalysatorsund des Brennstoffsynthesekatalysators derart eingestellt, dass die Stoffmenge von CH₄ mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CO ist und die Stoffmenge von H₂ mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CO ist. Weiterhin wird in dem ersten Stromababschnitt 12c das Verhältnis des H₂O-Elektrolysekatalysators und des Brennstoffsynthesekatalysators derart eingestellt, dass die Stoffmenge von CH₄ größer als die Stoffmenge von H₂ ist.
In dem zweiten Stromababschnitt 12d wird das Verhältnis des CO₂-Elektrolysekatalysators, des H₂O-Elektrolysekatalysatorsund des Brennstoffsynthesekatalysators derart eingestellt, dass die Stoffmenge von CH₄ mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von H₂ ist und die Stoffmenge von CH₄ mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CO ist. Weiterhin wird in dem zweiten Stromababschnitt 12d das Verhältnis des CO₂-Elektrolysekatalysators und des Brennstoffsynthesekatalysators derart eingestellt, dass die Stoffmenge von H₂ größer als die Stoffmenge von CO ist.
Im Folgenden werden die chemischen Reaktionen, die an der Kathodenelektrode 12 der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 zu dem Zeitpunkt der Zufuhr von CO₂ und H₂O zu der Kathodenelektrode 12 stattfinden, beschrieben.
In dem Stromaufabschnitt 12a der Kathodenelektrode 12 wird die CO₂-Elektrolysereaktion mit hoher Priorität ausgeführt, sodass eine große Menge an CO soweit wie möglich aus CO₂ erzeugt wird. In dem Stromaufabschnitt 12a werden die H₂O-Elektrolysereaktion und die Brennstoffsynthesereaktion beschränkt bzw. begrenzt. Die H₂O-Elektrolysereaktion wird mit höherer Priorität als die Brennstoffsynthesereaktion ausgeführt, und es wird eine relativ kleine Menge von H₂ aus H₂O erzeugt. CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, die relativ kleine Menge von H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und das meiste von H₂O, das in der H₂O-Elektrolysereaktion nicht verwendet wird, werden dem mittleren Abschnitt 12b zugeführt.
In dem mittleren Abschnitt 12b wird die H₂O-Elektrolysereaktion mit der hohen Priorität ausgeführt, sodass eine große Menge von H₂ soweit wie möglich aus H₂O erzeugt wird. In dem mittleren Abschnitt 12b sind die Brennstoffsynthesereaktion und die CO₂-Elektrolysereaktion begrenzt. Die Brennstoffsynthesereaktion wird mit einer höheren Priorität als die CO₂-Elektrolysereaktion ausgeführt, sodass eine relativ kleine Menge von CH₄ aus CO und H₂ erzeugt wird. CO, das von dem Stromaufabschnitt 12a zugeführt wird, und H₂, das durch die H₂O-Elektrolysereaktion in dem mittleren Abschnitt 12b erzeugt wird, werden dem ersten Stromababschnitt 12c zugeführt.
In dem ersten Stromababschnitt 12c wird die Brennstoffsynthesereaktion mit der hohen Priorität ausgeführt, sodass CH₄ aus CO und H₂ synthetisiert wird. In dem ersten Stromababschnitt 12c wird die H₂O-Elektrolysereaktion ebenfalls mit der hohen Priorität ausgeführt, sodass H₂O, das in der Brennstoffsynthesereaktion als Nebenprodukt erzeugt wird, elektrolysiert wird. In dem ersten Stromababschnitt 12c ist die CO₂-Elektrolysereaktion begrenzt. CH₄, das in der Brennstoffsynthesereaktion synthetisiert wird, und CO und H₂, die in der Brennstoffsynthesereaktion nicht verwendet werden, werden dem zweiten Stromababschnitt 12d zugeführt.
In dem zweiten Stromababschnitt 12d wird die Brennstoffsynthesereaktion mit der hohen Priorität ausgeführt, sodass CH₄ aus CO und H₂ synthetisiert wird. In dem zweiten Stromababschnitt 12d findet die Brennstoffsynthesereaktion unter Verwendung von CO und H₂ statt, die nicht verwendet wurden und in der Brennstoffsynthesereaktion in dem ersten Stromababschnitt 12c belassen wurden.
In der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 der oben beschriebenen Ausführungsform unterscheidet sich das Auftrittsverhältnis der CO₂-Elektrolysereaktion, der H₂O-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion zwischen dem Stromaufabschnitt 12a, dem mittleren Abschnitt 12b und dem Stromababschnitt 12c, 12d der Kathodenelektrode 12. In dem Stromaufabschnitt 12a wird die CO₂-Elektrolysereaktion mit der hohen Priorität ausgeführt, und in dem mittleren Abschnitt 12d wird die H₂O-Elektrolysereaktion mit der hohen Priorität ausgeführt. Weiterhin wird in dem Stromababschnitt 12c, 12d die Brennstoffsynthesereaktion mit der hohen Priorität ausgeführt.
Dadurch kann soweit wie möglich eine große Menge an CO₂ in CO vor der Erzeugung von H₂ in der H₂O-Elektrolysereaktion elektrolysiert werden. Die H₂O-Elektrolysereaktion findet in dem Zustand statt, in dem die Konzentration von CO₂ verringert ist und die Konzentration von CO erhöht ist. Daher ist es möglich, das Auftreten der CO₂-Elektrolysereaktion 2 (der reversen Wassergas-Shift-Reaktion) zu begrenzen, bei der CO₂ und H₂ miteinander reagieren. Daher ist es möglich, den Verbrauch von H₂ durch die Elektrolysereaktion 2 zu beschränken, und es ist möglich, den Verbrauch der elektrischen Leistung, die für die Erzeugung von H₂ verwendet wird, zu begrenzen. Dadurch kann die Brennstoffsyntheseeffizienz verbessert werden.
Außerdem wird in dem ersten Stromababschnitt 12c und dem zweiten Stromababschnitt 12d die Synthesereaktion mit der hohen Priorität ausgeführt, sodass die Brennstoffsynthese unter Verwendung von CO, das in dem Stromaufabschnitt 12a erzeugt wird, und H₂, das in dem mittleren Abschnitt 12b erzeugt wird, effizient durchgeführt werden kann.
Weiterhin wird in dem ersten Stromababschnitt 12c die H₂O-Elektrolysereaktion mit der zweiten Priorität ausgeführt, während die Brennstoffsynthesereaktion mit der ersten Priorität ausgeführt wird. Dadurch können die Brennstoffsynthesereaktion und die H₂O-Elektrolysereaktion gleichzeitig stattfinden, und H₂O, das als Nebenprodukt in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, kann durch die H₂O-Elektrolysereaktion in H₂ elektrolysiert werden. Somit kann H₂O, das als Nebenprodukt in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, schnell entfernt werden, und dadurch kann die Brennstoffsyntheseeffizienz verbessert werden.
Außerdem ist der zweite Stromababschnitt 12d, in dem die Brennstoffsynthesereaktion mit der hohen Priorität ausgeführt wird, auf der Stromabseite des ersten Stromababschnittes 12c angeordnet. Dadurch kann die Brennstoffsynthesereaktion in dem zweiten Stromababschnitt 12d unter Verwendung von nicht reagiertem CO und H₂ durchgeführt werden, die in der Brennstoffsynthesereaktion in dem ersten Stromababschnitt 12c nicht verwendet wurden, sodass die Brennstoffsyntheseeffizienz verbessert werden kann.
Zweite Ausführungsform
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der zweiten Ausführungsform werden nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben.
Wie es in 3 gezeigt ist, sind in der zweiten Ausführungsform mehrere Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtungen 14a - 14c angeordnet. Die erste Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14a legt eine Spannung zwischen dem Stromaufabschnitt 12a der Kathodenelektrode 12 und der Anodenelektrode 13 an. Die zweite Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14b legt eine Spannung zwischen dem mittleren Abschnitt 12b der Kathodenelektrode 12 und der Anodenelektrode 13 an. Die dritte Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14c legt eine Spannung zwischen dem ersten Stromababschnitt 12c sowie dem zweiten Stromababschnitt 12d der Kathodenelektrode 12 und der Anodenelektrode 13 an. Diese Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtungen 14a - 14c werden durch die Steuerungsvorrichtung 29 gesteuert.
Die Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtungen 14a - 14c können jeweilige unterschiedliche Spannungen anlegen. Die CO₂-Elektrolysereaktion und die H₂O-Elektrolysereaktion weisen unterschiedliche effektive Spannungen auf. Die erste Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14a legt eine Spannung an, die für die CO₂-Elektrolysereaktion geeignet ist. Die zweite Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14b legt eine Spannung an, die für die H₂O-Elektrolysereaktion geeignet ist. Die dritte Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14c legt eine Spannung an, die für die H₂O-Elektrolysereaktion geeignet ist.
Die Spannung, die für die CO₂-Elektrolysereaktion geeignet ist, wird auch als CO₂-Elektrolysespannung bezeichnet, und die Spannung, die für die H₂O-Elektrolysereaktion geeignet ist, wird auch als H₂O-Elektrolysespannung bezeichnet. Die CO₂-Elektrolysespannung ist größer als die H₂O-Elektrolysespannung. Insbesondere liegt die CO₂-Elektrolysespannung vorzugsweise in einem Bereich von 1,0 bis 2,5 V und liegt weiter vorzugsweise in einem Bereich von 1,0 bis 1,4 V. Die H₂O-Elektrolysespannung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,9 bis 2,4 V und liegt weiter vorzugsweise in einem Bereich von 0,9 bis 1,3 V.
Gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform werden die Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtungen 14a - 14c bereitgestellt, und die Spannungen, die jeweils für die entsprechenden priorisierten chemischen Reaktionen geeignet sind, werden jeweils an den Stromaufabschnitt 12a, den mittleren Abschnitt 12b und den Stromababschnitt 12c, 12d der Kathodenelektrode 12 angelegt. Dadurch kann die CO₂-Elektrolysereaktion effizient in dem Stromaufabschnitt 12a gefördert werden. In dem mittleren Abschnitt 12b, dem ersten Stromababschnitt 12c und dem zweiten Stromababschnitt 12d kann die H₂O-Elektrolysereaktion effizient gefördert werden.
Dritte Ausführungsform
Im Folgenden wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der dritten Ausführungsform werden nur die Unterschiede zu den obigen Ausführungsformen beschrieben.
Wie es in 4 gezeigt ist, sind in der dritten Ausführungsform mehrere Elektrolyte 11, 15 angeordnet. In dem Beispiel, das in 4 gezeigt ist, ist die Anzahl der Elektrolyte 11, 15 gleich 2, und diese beiden Elektrolyte 11, 15 sind auf jeweiligen gegenüberliegenden Seiten der Kathodenelektrode 12 angeordnet. Der erste Elektrolyt 11 dient als Elektrolyt für die CO₂-Elektrolysereaktion, und der zweite Elektrolyt 15 dient als Elektrolyt für die H₂O-Elektrolysereaktion.
Eine Dicke des zweiten Elektrolyts 15, die in der Oben-unten-Richtung in 4 gemessen wird, ist kleiner als eine Dicke des ersten Elektrolyts 11, die in der Oben-unten-Richtung in 4 gemessen wird. In der Brennstoffsynthesereaktion ist die benötigte Stoffmenge von H₂ dreimal so groß wie die benötigte Stoffmenge von CO. Außerdem ist die Stoffmenge von O^2-, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, dreimal so groß wie die Stoffmenge von O^2-, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird. Die Menge von O^2-, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, ist größer als die Menge von O^2-, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, sodass es notwendig ist, O^2-, das in der Kathodenelektrode 12 erzeugt wird, effizient zu dem zweiten Elektrolyten 15 zu leiten. Diesbezüglich wird gemäß der dritten Ausführungsform die Dicke des zweiten Elektrolyts 15 verringert, um O^2-, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, effizient durch den zweiten Elektrolyten 15 zu leiten.
Eine erste Anodenelektrode 13 ist auf einer Seite des ersten Elektrolyten 11 angeordnet, die von der Kathodenelektrode 12 abgewandt ist. Eine zweite Anodenelektrode 16 ist auf einer Seite des zweiten Elektrolyten 15 angeordnet, die von der Kathodenelektrode 12 abgewandt ist.
Auch in der dritten Ausführungsform sind die Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtungen 14a - 14c wie in der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform angeordnet. Die erste Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14a legt eine Spannung zwischen dem Stromaufabschnitt 12a der Kathodenelektrode 12 und der ersten Anodenelektrode 13 an. Die zweite Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14b legt eine Spannung zwischen dem mittleren Abschnitt 12b der Kathodenelektrode 12 und der zweiten Anodenelektrode 16 an. Die dritte Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung 14c legt eine Spannung zwischen dem Stromababschnitt 12c, 12d der Kathodenelektrode 12 und der zweiten Anodenelektrode 16 an.
In der oben beschriebenen dritten Ausführungsform sind die Elektrolyten 11, 15 derart angeordnet, dass der erste Elektrolyt 11 als Elektrolyt für die CO₂-Elektrolysereaktion verwendet wird und der zweite Elektrolyt 15 als Elektrolyt für die H₂O-Elektrolysereaktion verwendet wird. Dadurch können die Elektrolyten 11, 15 jeweils geeignet für die CO₂-Elektrolysereaktion oder die H₂O-Elektrolysereaktion ausgebildet werden, und dadurch kann die Effizienz einer jeweiligen Reaktion verbessert werden.
Vierte Ausführungsform
Im Folgenden wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der vierten Ausführungsform werden nur die Unterschiede zu den obigen Ausführungsformen beschrieben.
Wie es in 5 gezeigt ist, weist die Kathodenelektrode 12 in der vierten Ausführungsform mehrere Gastrennmembranen 12e - 12h auf. Die Gastrennmembranen 12e - 12h enthalten eine erste Gastrennmembran 12e, eine zweite Gastrennmembran 12f, eine dritte Gastrennmembran 12g und eine vierte Gastrennmembran 12h.
Die erste Gastrennmembran 12e ist in der Gasfließrichtung auf einer Stromabseite des Stromaufabschnittes 12a angeordnet. Die zweite Gastrennmembran 12f ist in der Gasfließrichtung auf einer Stromabseite des mittleren Abschnittes 12b angeordnet. Die dritte Gastrennmembran 12g ist in der Gasfließrichtung auf einer Stromabseite des ersten Stromababschnittes 12c angeordnet. Die vierte Gastrennmembran 12h ist in der Gasfließrichtung auf einer Stromabseite des zweiten Stromababschnittes 12d angeordnet. Die erste Gastrennmembran 12e dient als eine Stromaufabschnitts-Gastrennmembran, und die zweite Gastrennmembran 12f dient als eine Mittelabschnitts-Gastrennmembran. Außerdem dienen die dritte Gastrennmembran 12g und die vierte Gastrennmembran 12h als Stromababschnitts-Gastrennmembranen.
Die erste Gastrennmembran 12e wird zwischen dem Stromaufabschnitt 12a und dem mittleren Abschnitt 12b gehalten. Die zweite Gastrennmembran 12f wird zwischen dem mittleren Abschnitt 12b und dem ersten Stromababschnitt 12c gehalten. Die dritte Gastrennmembran 12g wird zwischen dem ersten Stromababschnitt 12c und dem zweiten Stromababschnitt 12d gehalten.
Die Gastrennmembranen 12e - 12h weisen jeweils eine Funktion zum Beschränken eines Eindringens eines entsprechenden speziellen Gastyps durch diese auf. Die zweite Gastrennmembran 12f, die dritte Gastrennmembran 12g und die vierte Gastrennmembran 12h begrenzen jeweils ein Durchdringen von H₂O durch diese.
Die Gastrennmembranen 12e - 12h können beispielsweise aus mesoporösem Silika bestehen. Durch Auswählen einer Porengröße des mesoporösen Silikas entsprechend dem zu trennenden Gastyp kann das mesoporöse Silika geeignet für die Gastrennmembranen 12e - 12h verwendet werden.
Gemäß der oben beschriebenen vierten Ausführungsform wird in dem Stromaufabschnitt 12a das Fließen von CO₂ zur Stromabseite durch die erste Gastrennmembran 12e beschränkt. Dadurch kann die CO₂-Elektrolysereaktion in dem Stromaufabschnitt 12a effizient durchgeführt werden.
In dem mittleren Abschnitt 12b, dem ersten Stromababschnitt 12c und dem zweiten Stromababschnitt 12d wird das Fließen von H₂O zu der Stromabseite durch die zweite Gastrennmembran 12f, die dritte Gastrennmembran 12g und die vierte Gastrennmembran 12h beschränkt. Dadurch kann die H₂O-Elektrolysereaktion in dem mittleren Abschnitt 12b, dem ersten Stromababschnitt 12c und dem zweiten Stromababschnitt 12d effizient durchgeführt werden.
Weitere Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Weise wie unten angegeben innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung modifiziert werden. Ein oder mehrere der Bestandteile, die in den jeweiligen obigen Ausführungsformen beschrieben sind, können geeignet mit einem oder mehreren der Bestandteile von anderen der obigen Ausführungsformen innerhalb eines praktikablen Bereiches kombiniert werden.
In den jeweiligen obigen Ausführungsformen ist Methan als Beispiel des Kohlenwasserstoffes angegeben, das in der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 synthetisiert wird. Alternativ kann eine andere Art von Kohlenwasserstoff, die nicht Methan ist, in der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 synthetisiert werden. Die Art von Kohlenwasserstoff, die in der Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung 10 synthetisiert wird, kann durch Ändern des Typs des in der Kathodenelektrode 12 verwendeten Katalysators und/oder der Reaktionstemperatur an der Kathodenelektrode 12 geändert werden. Beispiele der unterschiedlichen Arten von Kohlenwasserstoffen können Kohlenwasserstoffe, die mehr Kohlenstoffatome als Methan haben, beispielsweise Ethan, Propan, sowie Kohlenwasserstoffe enthalten, die Sauerstoffatome enthalten, beispielsweise Alkohole oder Ether.
In den jeweiligen obigen Ausführungsformen wird 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 kann die jeweilige Reaktionsrate der H₂O-Elektrolysereaktion, der CO₂-Elektrolysereaktion und der Brennstoffsynthesereaktion erhöht werden, und es kann die Systemeffizienz erhöht werden.
Um den Innendruck der Kathodenelektrode 12 auf einen hohen Druck zu erhöhen, kann beispielsweise ein Gegendruckregulierungsventil, das den Innendruck der Kathodenelektrode 12 reguliert, in der Brennstoffsyntheseabgaspassage 26 installiert sein. 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.
Außerdem kann in der zweiten Ausführungsform die Dicke des Elektrolyts 11 derart variiert bzw. geändert werden, dass sie dem Stromaufabschnitt 12a, dem mittleren Abschnitt 12b und dem Stromababschnitt 12c, 12d der Kathodenelektrode 12 entspricht bzw. jeweils zu diesen korrespondiert. Die Menge von O^2-, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, die mit der hohen Priorität in dem mittleren Abschnitt 12b ausgeführt wird, ist größer als die Menge von O^2-, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, sodass es notwendig ist, O^2-, das an der Kathodenelektrode 12 erzeugt wird, effizient durch den Elektrolyten 11 zu leiten. Somit kann durch Verringern der Dicke eines Abschnittes des Elektrolyts 11, der dem mittleren Abschnitt 12b entspricht, im Vergleich zu der Dicke eines anderen Abschnittes des Elektrolyts 11, der dem Stromaufabschnitt 12a entspricht, O^2- effizient durch den Elektrolyten 11 geleitet werden.

Claims

Energiewandlungssystem, das aufweist: eine Brennstoffsynthetisierungsvorrichtung (10), die enthält: einen Elektrolyt (11, 15), der ein Sauerstoffionenleitvermögen aufweist; eine Kathodenelektrode (12), die auf einer Seite des Elektrolyts (11, 15) angeordnet ist; und eine Anodenelektrode (13, 16), die auf einer anderen Seite des Elektrolyts (11, 15) 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) ausgelegt ist, H₂O, das von der H₂O-Zufuhreinheit (20, 22) zugeführt wird, und CO₂, das von der CO₂-Zufuhreinheit (23, 25) zugeführt wird, in einer vorbestimmten Gasfließrichtung zu leiten; 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) mehrere Katalysatoren aufweist, die enthalten: einen H₂O-Elektrolysekatalysator, der die H₂O-Elektrolysereaktion fördert; einen CO₂-Elektrolysekatalysator, der die CO₂-Elektrolysereaktion fördert; und einen Brennstoffsynthesekatalysator, der die Brennstoffsynthesereaktion fördert; ein Verhältnis des CO₂-Elektrolysekatalysators, des H₂O-Elektrolysekatalysators und des Brennstoffsynthesekatalysators, die in den Katalysatoren enthalten sind, sich zwischen einem Stromaufabschnitt (12a), einem mittleren Abschnitt (12b) und einem Stromababschnitt (12c, 12d), die in der vorbestimmten Gasfließrichtung der Kathodenelektrode (12) angeordnet sind, unterscheidet; in dem Stromaufabschnitt (12a) unter den Reaktionsprodukten, die CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und der Kohlenwasserstoff, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, enthalten, eine Stoffmenge von CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, am größten ist; in dem mittleren Abschnitt (12b) unter den Reaktionsprodukten eine Stoffmenge von H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, am größten ist; und in dem Stromababschnitt (12c, 12d) unter den Reaktionsprodukten eine Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, am größten ist.
Energiewandlungssystem nach Anspruch 1, wobei in dem Stromaufabschnitt (12a) die Stoffmenge von CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von H₂ ist, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und die Stoffmenge von CO, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes ist, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird.
Energiewandlungssystem nach Anspruch 2, wobei in dem Stromaufabschnitt (12a) die Stoffmenge von H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, größer als die Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes ist, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird.
Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem mittleren Abschnitt (12b) die Stoffmenge von H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes ist, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, und die Stoffmenge von H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CO ist, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird.
Energiewandlungssystem nach Anspruch 4, wobei in dem mittleren Abschnitt (12b) die Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, größer als die Stoffmenge von CO ist, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird.
Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Stromababschnitt (12c, 12d) einen ersten Stromababschnitt (12c) und einen zweiten Stromababschnitt (12d) enthält, wobei der zweite Stromababschnitt (12d) auf einer Stromabseite des ersten Stromababschnittes (12c) angeordnet ist; und in dem ersten Stromababschnitt (12c) die Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CO ist, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und die Stoffmenge von H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CO ist, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird.
Energiewandlungssystem nach Anspruch 6, wobei in dem ersten Stromababschnitt (12c) die Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, größer als die Stoffmenge von H₂ ist, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird.
Energiewandlungssystem nach Anspruch 6 oder 7, wobei in dem zweiten Stromababschnitt (12d) die Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie Stoffmenge von H₂ ist, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, und die Stoffmenge des Kohlenwasserstoffes, der in der Brennstoffsynthesereaktion erzeugt wird, mindestens zweimal so groß wie die Stoffmenge von CO ist, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird.
Energiewandlungssystem nach Anspruch 8, wobei in dem zweiten Stromababschnitt (12d) die Stoffmenge von H₂, das in der H₂O-Elektrolysereaktion erzeugt wird, größer als die Stoffmenge von CO ist, das in der CO₂-Elektrolysereaktion erzeugt wird.
Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung (14) enthält: eine erste Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung (14a), die ausgelegt ist, eine Spannung an den Stromaufabschnitt (12a) der Kathodenelektrode (12) anzulegen; und eine zweite Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung (14b), die ausgelegt ist, eine Spannung an den mittleren Abschnitt (12b) der Kathodenelektrode (12) anzulegen; und die Spannung, die von der ersten Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung (14a) angelegt wird, sich von der Spannung unterscheidet, die von der zweiten Elektrische-Leistung-Zufuhrvorrichtung (14b) angelegt wird.
Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Elektrolyt (11, 15) einer aus mehreren Elektrolyten ist, die jeweils auf einer entsprechenden Seite von zwei gegenüberliegenden Seiten der Kathodenelektrode (12) angeordnet sind, die der anderen Seite der beiden gegenüberliegenden Seiten der Kathodenelektrode (12) gegenüberliegt, bei der ein anderer der Elektrolyten angeordnet ist; und die Elektrolyten enthalten: einen ersten Elektrolyt (11), der ausgelegt ist, in der CO₂-Elektrolysereaktion verwendet zu werden; und einen zweiten Elektrolyt (15), der ausgelegt ist, in der H₂O-Elektrolysereaktion verwendet zu werden.
Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Stromaufabschnitts-Gastrennmembran (12e), die ein Durchdringen von CO₂ durch die Stromaufabschnitts-Gastrennmembran (12e) begrenzt, in der vorbestimmten Gasfließrichtung auf einer Stromabseite des Stromababschnittes (12a) angeordnet ist.
Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Mittelabschnitts-Gastrennmembran (12f), die ein Durchdringen von H₂O durch die Mittelabschnittsgastrennmembran (12f) begrenzt, in der vorbestimmten Gasfließrichtung auf einer Stromabseite des mittleren Abschnittes (12b) angeordnet ist.
Energiewandlungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine Stromababschnitts-Gastrennmembran (12g, 12h), die ein Durchdringen von H₂O durch die Stromababschnitts-Gastrennmembran (12g, 12h) begrenzt, in der vorbestimmten Gasfließrichtung auf einer Stromabseite des Stromababschnittes (12a) angeordnet ist.