JP7127621B2

JP7127621B2 - エネルギ変換システム

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Publication number: JP7127621B2
Application number: JP2019132352A
Authority: JP
Inventors: 重和日高; 洋平森本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2039-07-18
Also published as: JP2021017469A; DE102020208605A1; DE102020208605B4

Description

本発明は、エネルギ変換システムに関する。

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。

特開２０１４－１５２２１９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。カソード極におけるガス流れを示す図である。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。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。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。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。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。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。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。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。

（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。

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。

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。

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。

アノード極１３には、Ｏ^2-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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｃ_nＨ_m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。

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。

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。

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。

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、Ｏ^2-が生成する。カソード極１２で生成したＯ^2-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、Ｏ^2-と電子が結合してＯ₂が生成される。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

〔Ｈ₂Ｏ電解反応〕
Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-→Ｈ₂＋Ｏ^2-
〔ＣＯ₂電解反応〕
ＣＯ₂＋２ｅ^-→ＣＯ＋Ｏ^2-
〔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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、２０Ｈ₂Ｏ貯蔵部（Ｈ₂Ｏ供給部）、２２Ｈ₂Ｏポンプ（Ｈ₂Ｏ供給部）、２３ＣＯ₂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

Claims

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。
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。
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。
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。
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。
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。