專利名稱：混合氣體生成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混合氣體生成裝置。更詳細(xì)地說(shuō)，通過(guò)將水和CO2電解來(lái)生成由H2、C0構(gòu)成的混合氣體的混合氣體生成裝置。
背景技術(shù)：
石油、煤、天然氣等化石燃料被作為生成熱、電的原料或運(yùn)輸燃料使用，支撐著現(xiàn)代的能量消費(fèi)社會(huì)。但是，這種化石燃料是會(huì)用盡的燃料，其埋藏量是有限的。因此，不言而喻，有必要對(duì)化石燃料枯竭的情況做準(zhǔn)備。另外，已知，由化石燃料的燃燒產(chǎn)生的CO2向大氣中的排出是地球變暖的一個(gè)主要原因。因此，降低CO2的排放量成為近年來(lái)的課題。作為解決這些課題的一種方法，研究了以CO2作為原料的替代燃料。例如，在專利文獻(xiàn)I中，公開(kāi)了以CO2作為原料制造碳?xì)浠衔锵等剂?HC)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備有電解質(zhì)槽，所述電解質(zhì)槽具有由固體氧化物電解質(zhì)構(gòu)成的氧離子傳導(dǎo)膜、和分別配置在其兩面上的陰極和陽(yáng)極，由利用該電解質(zhì)槽生成的原料氣體合成HC。在上述系統(tǒng)中的HC的具體的制造方法如下所述。首先，一邊向上述電解質(zhì)槽供應(yīng)電和熱，一邊向上述陰極供應(yīng)CO2氣、水蒸氣，在該陰極上分別生成成為原料氣體的一氧化碳(CO)氣、氫(H2)氣。其次，從上述電解質(zhì)槽中回收生成的原料氣體，通過(guò)在利用費(fèi)歇爾一特羅普歇反應(yīng)(FT反應(yīng)=Fischer — Tropsch反應(yīng))的公知的制造裝置內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，獲得HC。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:日本特表 2009 - 506213號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)平09 - 085044號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3:日本特開(kāi)2008 - 214563號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題根據(jù)上述專利文獻(xiàn)I的系統(tǒng)，可以同時(shí)生成成為HC的原料的C0、H2。但是，在使電解的實(shí)施時(shí)間恒定的情況下，投入電解的能量(電力)根據(jù)施加到上述陽(yáng)極和上述陰極之間的電位差而取不同的值。另外，該電位差與co、H2的生成比例相關(guān)。因此，根據(jù)電位差的情況的不同，co、h2的發(fā)熱量發(fā)生變化。由于這些因素，存在著由于電解時(shí)的電位差而使能量效率(相對(duì)于投入能量而言的生成物的發(fā)熱量。下同)降低的可能性。本發(fā)明是為了解決上述課題完成的。即，本發(fā)明的目的是提供一種混合氣體生成裝置，所述混合氣體生成裝置能夠能量效率良好地生成CO、h2。解決課題的手段為了達(dá)到上述目的，第一個(gè)發(fā)明是一種混合氣體生成裝置，所述混合氣體生成裝置將水和二氧化碳電解，以規(guī)定混合比生成由氫和一氧化碳構(gòu)成的混合氣體，其特征在于，所述混合氣體生成裝置配備有:
至少一個(gè)電解槽，所述電解槽在內(nèi)部備有水和二氧化碳；一組電極，所述電極設(shè)置在所述電解槽中；電位控制機(jī)構(gòu)，所述電位控制機(jī)構(gòu)將包含比實(shí)現(xiàn)所述規(guī)定混合比的規(guī)定電位差大的電位差和比所述規(guī)定電位差小的電位差在內(nèi)的多個(gè)電位差施加到所述電極之間。另外，第二個(gè)發(fā)明，在第一個(gè)發(fā)明中，其特征在于，基于將由相對(duì)于投入的能量而言的生成物的發(fā)熱量規(guī)定的能量效率與所述多個(gè)電位差聯(lián)系起來(lái)的模型，確定所述多個(gè)電位差。另外，第三個(gè)發(fā)明，在第二個(gè)發(fā)明中，其特征在于，根據(jù)在將所述多個(gè)電位差分別施加到所述電極之間的情況下的所述能量效率的隨時(shí)間變化的程度，確定將所述多個(gè)電位差施加到所述電極之間的順序。另外，第四個(gè)發(fā)明，在第一至第三個(gè)發(fā)明中的任何一個(gè)發(fā)明中，其特征在于，所述電解槽在內(nèi)部備有具有二氧化碳吸收特性的電解液，將所述多個(gè)電位差施加到所述電極之間的順序按電位差從大到小的順序確定。另外，第五個(gè)發(fā)明，在第四個(gè)發(fā)明中，其特征在于，所述混合氣體生成裝置還配備有pH變更機(jī)構(gòu)，在將所述多個(gè)電位差施加到所述電極之間時(shí)，所述PH變更機(jī)構(gòu)將所述電解液的pH從堿性側(cè)向酸性側(cè)變更。另外，第六個(gè)發(fā)明，在第一至第五個(gè)發(fā)明中的任何一個(gè)發(fā)明中，其特征在于，
`
比所述規(guī)定電位差小的一側(cè)的各個(gè)電位差被設(shè)定成比使生成的氫的生成速度成為預(yù)定的最低速度的規(guī)定電位差大的電位差。發(fā)明的效果根據(jù)第一個(gè)發(fā)明，在以規(guī)定混合比生成混合氣體時(shí)，可以在電極之間施加包含比實(shí)現(xiàn)該規(guī)定混合比的規(guī)定電位差大的電位差和比該規(guī)定電位差小的電位差在內(nèi)的多個(gè)電位差。由于co、h2的混合比與施加到電極之間的電位差相關(guān)，所以，為了實(shí)現(xiàn)上述規(guī)定混合t匕，在電極之間施加上述規(guī)定電位差即可。但是，在考慮到能量效率的情況下，在施加了上述規(guī)定電位差的情況下的能量效率并不一定是最佳的。在這一點(diǎn)上，即使分成上述多個(gè)電位差來(lái)施加，上述規(guī)定混合比也可能達(dá)到。另外，通過(guò)分成上述多個(gè)電位差來(lái)施加，與施加上述規(guī)定電位差的情況相比，可以實(shí)現(xiàn)能夠提高能量效率的組合。從而，根據(jù)第一個(gè)發(fā)明，能夠能量效率良好地以規(guī)定混合比生成CO、h2。根據(jù)第二個(gè)發(fā)明，利用將由相對(duì)于投入能量而言的生成物的發(fā)熱量規(guī)定的能量效率與上述多個(gè)電位差關(guān)聯(lián)起來(lái)的模型，可以容易地確定與施加上述規(guī)定電位差的情況相比能夠提高能量效率的電位差的組合。如果在上述電極之間施加電位差，則會(huì)進(jìn)行電解，電解槽內(nèi)的水、CO2減少，所以，能量效率降低。根據(jù)第三個(gè)發(fā)明，根據(jù)分別施加了上述多個(gè)電位差的情況下的能量效率的隨時(shí)間變化的程度，確定施加這些電位差的順序。因此，例如，可以按照能量效率的減小程度從高到低的順序，施加這些電位差。從而，可以將能量效率的隨時(shí)間變化的影響限制在最小限度。如果在上述電極之間施加上述多個(gè)電位差，則會(huì)進(jìn)行電解，電解槽內(nèi)的溫度上升。如果電解槽內(nèi)的溫度上升，則被電解液吸收的CO2析出而減少。當(dāng)CO2減少時(shí)，達(dá)到上述規(guī)定混合比變得困難。根據(jù)第四個(gè)發(fā)明，將上述多個(gè)電位差施加到上述電極之間的順序按電位差從大到小的順序確定。如上所述，CO、H2的混合比與施加到上述電極之間的電位差相關(guān)。詳細(xì)地說(shuō)，當(dāng)施加到上述電極之間的電位差變大時(shí),CO的生成量增加。因此，根據(jù)第四個(gè)發(fā)明，如果按電位差從大到小的順序施加電位差，則能夠在CO2析出而減少之前將CO2電解。從而，能夠很好地抑制由電解槽內(nèi)的溫度上升引起的CO生成量的降低。根據(jù)第五個(gè)發(fā)明，能夠利用pH變更機(jī)構(gòu)將上述電解槽內(nèi)的pH從堿性側(cè)向酸性側(cè)變更。從而，在按電位差從大到小的順序施加電位差時(shí)，能夠?qū)H從CO2難以析出的堿性側(cè)向容易生成H2的酸性側(cè)變更。從而，能夠在堿性側(cè)的pH的條件下很好地抑制CO生成量的降低，并且，能夠在酸性側(cè)pH的條件下提高H2生成速度。根據(jù)第六個(gè)發(fā)明，可以將比上述規(guī)定電位差小的一側(cè)的各個(gè)電位差設(shè)定成比生成的H2的生成速度成為預(yù)定的最低速度的規(guī)定電位差大的電位差。從而，由于能夠確保H2的生成速度，因而，可以減輕在電解時(shí)的作業(yè)效率的降低。


圖1是表示CO、H2的生成比例和電解時(shí)的能量效率的關(guān)系的圖。圖2是以圖1的橫軸作為CO生成比例的圖。圖3是表示電解時(shí)的能量效率隨著時(shí)間變化的圖。圖4是說(shuō)明實(shí)施方式4的電解的順序的圖。圖5是用于說(shuō)明實(shí)施方式5中的控制的概要的圖。圖6是相對(duì)于CO、H2的生成比例分別表示CO、H2的生成速度(mol/min)和能量效率的圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式1.
[電解裝置的結(jié)構(gòu)]首先，簡(jiǎn)單地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式I的電解裝置的結(jié)構(gòu)。本實(shí)施方式的電解裝置配備有:內(nèi)部填滿溶解有CO2的電解液的電解槽；設(shè)置于該電解槽的工作極(WE)、對(duì)電極(CE)以及參照電極(RE);能夠變更WE相對(duì)于RE的電壓地構(gòu)成的穩(wěn)壓器。由于這些結(jié)構(gòu)部件是公知的電解裝置的結(jié)構(gòu)部件，所以省略其說(shuō)明。另外，本實(shí)施方式的電解裝置配備有控制裝置，所述控制裝置通過(guò)控制穩(wěn)壓器而在WE和CE之間流過(guò)規(guī)定的電流值，將WE相對(duì)于RE的電壓保持在設(shè)定值。在該控制裝置的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)有與利用后面所述的方法確定的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的電壓的設(shè)定值、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等?？刂蒲b置根據(jù)設(shè)定值、運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等控制穩(wěn)壓器。其次，對(duì)于上述電解裝置中的電解反應(yīng)進(jìn)行說(shuō)明。當(dāng)控制穩(wěn)壓器而在WE和CE之間流過(guò)電流時(shí)，在WE、CE上引起下述公式(I) (3)的電化學(xué)反應(yīng)。WE:C02 + 2H + +2e—— CO + H20...(1)2H + +2e—— Η2...(2)CE:2Η20 — O2 十 4Η + + 4e...(3)如上面 的公式(1)、(2)所示，在WE上同時(shí)生成C0、H2。因此，如果回收生成的CO、H2、使之進(jìn)行FT反應(yīng)，就可以制造作為化石燃料的替代燃料的HC。這里，不言而喻，希望從原料階段高效率地制造HC。關(guān)于這一點(diǎn)，可以看出，如果使CO、H2的混合比例為CO/H2 =1/2，則在FT反應(yīng)時(shí)的能量效率高。在本實(shí)施方式中，考慮到該能量效率，使在WE上同時(shí)生成的CO、H2的生成比例為C0/H2 = 1/2。一般地，為了使C0、H2的混合比例為C0/H2 = 1/2，有必要從獨(dú)立地準(zhǔn)備的CO和H2進(jìn)行比例調(diào)整。對(duì)此，若利用上述電解裝置，則可以在WE上同時(shí)生成C0、H2。因此，如果預(yù)先使生成比例為C0/H2= 1/2，則可以同時(shí)進(jìn)行原料生成和比例調(diào)整。如果能夠同時(shí)進(jìn)行原料生成和比例調(diào)整，則可以將生成的CO、H2直接投入FT反應(yīng)。從而，可以從原料階段能量效率高地制造HC。[實(shí)施方式I的特征]另外，CO、H2的生成比例在很大程度上依賴于在WE和CE之間流過(guò)的電流，即，依賴于WE相對(duì)于RE的電壓的設(shè)定值。因此，為了使生成比例為C0/H2 = 1/2，將該電壓設(shè)定成恰當(dāng)?shù)闹导纯?。但是，在同時(shí)生成CO、H2的情況下，與給定C0/H2 = 1/2時(shí)的能量效率相t匕，有時(shí)在其它生成比例時(shí)的能量效率高。對(duì)此，利用圖1進(jìn)行說(shuō)明。圖1是表示0)、4的生成比例(=WE相對(duì)于RE的電壓)和電解時(shí)的能量效率的關(guān)系的圖示。圖1的曲線是相對(duì)于C0/H2而言的電解的能量效率特性曲線10。特性曲線10上的A C分別表示運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)。具體地說(shuō)，運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)A相當(dāng)于將C0、H2的生成比例設(shè)定為1/2 (將WE相對(duì)于RE的電壓設(shè)定成設(shè)定值Va)進(jìn)行了電解的情況。另外，運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C分別相當(dāng)于將CO、H2的生成比例設(shè)定成rb (>1/2)、rc (〈1/2)(將WE相對(duì)于RE的電壓設(shè)定成設(shè)定值Vb OVa), Vc (<Va)并進(jìn)行了電解的情況。如圖1所示，特性曲線10成為向下凸的曲線。作為其理由之一，可以列舉出H2的發(fā)生電位的絕對(duì)值為0.1IV，比CO的發(fā)生電位低。當(dāng)H2的發(fā)生電位比CO的發(fā)生電位低時(shí)，在將WE相對(duì)于RE的電壓設(shè)定得低的情況下，由于H2的生成量相對(duì)地變多，所以，C0/H2變小。這里，所謂WE相對(duì)于RE的電位低，與電解時(shí)投入的能量小是同義的。從而，CO/^越小，能量效率變得越高。即，當(dāng)使運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)從運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)A向運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C的方向滑動(dòng)時(shí)，能量效率變聞。作為另外一個(gè)理由，可以列舉出CO的發(fā)熱量(283kJ/mol)比H2的發(fā)熱量(242kJ/mol)大。如上所述，H2的發(fā)生電位比CO的發(fā)生電位低。因此，如果將WE相對(duì)于RE的電壓設(shè)定得高，則由于可以增加CO的生成量，所以，C0/H2變大。這里，由于CO的發(fā)熱量比H2的發(fā)熱量大，所以，如果C0/H2變大，則生成物的發(fā)熱量增加。從而，C0/H2變得越大，能量效率變得越高。即，當(dāng)使運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)從運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)A向運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B的方向滑動(dòng)時(shí)，能量效率變高。在本實(shí)施方式中，鑒于這種特性曲線10的特征，不是以運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)A，而是以運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B和運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C分割地進(jìn)行電解。即，將在設(shè)定值Va進(jìn)行一定時(shí)間的電解，在總時(shí)間不變的情況下，由設(shè)定值VB、V。分擔(dān)進(jìn)行電解。但是，各個(gè)電解時(shí)間以按照各個(gè)生成比例的電解之后混合的混合氣體的生成比例成為C0/H2 = 1/2的方式進(jìn)行分割。借此，可以獲得比運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)A高的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)D附近的能量效率。下面，對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C的具體的確定方法進(jìn)行說(shuō)明。為了便于計(jì)算，將圖1的橫軸如圖2所示置換成CO相對(duì)于生成總量的生成比例(=CO/ (CO + H2))。這樣，C0/H2=l/2變成CO/ (C O+ H2) = 1/3。如圖2所示，使運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)A、B、C的各個(gè)座標(biāo)為(Ra、η a)、(Rb、nb)、(RC、nC)。另外，使在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)A的C0、H2的總生成量為Ma (摩爾)，投入能量為Ea，生成物的發(fā)熱量為Ha。對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C也同樣，使CO、H2的總生成量為Mb、Mc，投入能量為Eb、Ec，生成物的發(fā)熱量為Hb、He。另外，使CO、H2的單位摩爾的發(fā)熱量為H 、HH2。在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)A處的能量效率η a可以用下述公式(4)表示。η a = Ha/Ea = (RaMaHco + (I — Ra) MaH112I /Ea...(4)對(duì)于在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B的能量效率nb、在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C的能量效率nc，可以和上述公式(4)同樣地表不。另外，對(duì)于生成物量，存在下述公式(5)、(6)的關(guān)系。Ma = Mb + Mc...(5)RaMa = RbMb + RcMc...(6)通過(guò)用上述公式(5)整理上述公式(6)，可以推導(dǎo)出下述公式(7)。Mb/Mc = (Ra — Re)/(Rb - Ra)...(7)以運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B和運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C分割地進(jìn)行了電解的情況下的總能量效率Jlb + C，采用上述公式(4)、(5)和Hb + He = Ha，由下述公式(8)表示。nb + c= (Hb + Hc) / (Eb + Ec)= (Mb + Mc) (RaHco + (I — Ra) HhJ / [Mb/ n b (RbHco + (I — Rb)HH2} + Mc/nc{RcHC0 + (1- Re) HhJ ]...(8)當(dāng)將上述公式(8)的上下邊除以Mc時(shí)，可以推導(dǎo)出下述公式(9)。nb + c = (Mb/Mc + I) {RaH⑶ + (I — Ra) HH2}/[ (I/ nb) (Mb/Mc) (RbHco +(1 — Rb) HhJ + (I/ nc) {RcHc。+(1-Rc)ΗΗ2}]...(9)采用上述公式(7)在上述公式(9)的上下邊乘以(Rb - Ra)，可以推導(dǎo)出下述公式(10)。η b 十 c = (Rb — Re) (RaHco 十(I — Ra) ΗΗ2} / [ { (Ra — Re) / η.b} { (RbHco 十(1- Rb) HhJ + { (Rb — Ra) / η c} {RcH⑶ + (I — Re) HH2} ]...(10)當(dāng)使上述公式(10)的Ra = 1/3來(lái)進(jìn)行整理時(shí)，可以推導(dǎo)出下述公式(11 )。η b 十 c = (Rb — Re) (He 十 2HH2)/ [ { (I — 3Rc)/ η.b} (RbHco 十(I — Rb)HH2}]十{ (3Rb - l)/nc} {RcH⑶+ (I — Re) HhJ ]...(11)這里，為Hco = 283kJ/mol，(CO + l/202 — C02+28 3kJ/mol)，Hh2 = 242kJ/mol(H2 +l/202— H20+242kJ/mol)。從而，如果在實(shí)際的電解條件(電解液的種類、WE相對(duì)于RE的電壓的設(shè)定值VB、V。等)下，預(yù)先取得多個(gè)(Rb、nb)、(Rc、nc),在上述公式(11)采用這些(Rb、nb)、(Rc、nc),可以計(jì)算出總能量效率nb + c。只要將在這樣計(jì)算出的總能量效率nb +C中的對(duì)應(yīng)于成為最佳的總能量效率的兩個(gè)點(diǎn)確定為運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C即可。如上所述，根據(jù)本實(shí)施方式，由于以利用上述方法確定的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B和運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C分割地進(jìn)行電解，所以，可以獲得比運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)A高的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)D附近的能量效率。從而，可以提高電解時(shí)的能量效率。因而，可以提高從電解到FT反應(yīng)為止的一系列的HC制造時(shí)的能量效率。另外，在本實(shí)施方式中，在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C進(jìn)行了電解，但是，也可以在三個(gè)點(diǎn)以上的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行電解。在這種情況下，如果各電解時(shí)間以在各個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行了電解之后混合的混合氣體的生成比例成為C 0/H2=l/2的方式進(jìn)行分割，則可以提高電解時(shí)的能量效率。另夕卜，本變形例，在后面描述的實(shí)施方式3 6中，也同樣可以應(yīng)用。
實(shí)施方式2.
[電解裝置的結(jié)構(gòu)]其次，對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式2的電解裝置進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式的電解裝置，在設(shè)置兩個(gè)電解槽這一點(diǎn)上，與上述實(shí)施方式I的電解裝置的結(jié)構(gòu)不同。因此，由于除了這一點(diǎn)之外，各個(gè)結(jié)構(gòu)部件和上述實(shí)施方式I的基本上相同，所以，省略其說(shuō)明。在上述實(shí)施方式I中，利用一個(gè)電解槽，在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C進(jìn)行了電解。但是，由于不能同時(shí)設(shè)置運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C，所以，有必要進(jìn)行在某個(gè)時(shí)刻將運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)從B切換到C (或者，從C到B)的控制。關(guān)于這一點(diǎn)，根據(jù)設(shè)置兩個(gè)電解槽的本實(shí)施方式，可以在各個(gè)電解槽中實(shí)施在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B的電解和在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C的電解。從而，由于不需要運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)的切換控制，所以，可以簡(jiǎn)單地獲得和上述實(shí)施方式I基本上同樣的效果。另外，在本實(shí)施方式中，設(shè)置兩個(gè)電解槽，但是，電解槽的數(shù)目也可以是三個(gè)以上。另外，如在上述實(shí)施方式I的變形例中所述，在三個(gè)點(diǎn)以上的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行電解的情況下，可以將該運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)數(shù)和電解槽數(shù)組合起來(lái)按各種形式實(shí)施電解。例如，在三個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行電解的情況下，也可以設(shè)置三個(gè)電解槽，對(duì)應(yīng)于三個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行電解。另外，例如，在三個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行電解的情況下，也可以設(shè)置兩個(gè)電解槽，一個(gè)電解槽只實(shí)施在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C的電解，另一個(gè)電解槽，實(shí)施從運(yùn)動(dòng)點(diǎn)C切換到B的控制。這樣，將運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)數(shù)和電解槽數(shù)組合進(jìn)行電解，也可以獲得和本實(shí)施方式同樣的效果。實(shí)施方式3.
其次，參照?qǐng)D3對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式3進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式，其特征在于，利用上述實(shí)施方式I的結(jié)構(gòu)，根據(jù)通過(guò)進(jìn)行電解而造成的能量效率降低的程度，確定電解的順序。因此，由于各個(gè)結(jié)構(gòu)部件和上述實(shí)施方式I的結(jié)構(gòu)部件是共通的，所以，省略其說(shuō)明。如在實(shí)施方式I中所述，如果控制穩(wěn)壓器，使電流在WE與CE之間流過(guò)，則進(jìn)行上述公式(I) (3)的反應(yīng)。如果進(jìn)行上述公式(I) (3)的反應(yīng)，則電解液中的反應(yīng)物質(zhì)減少。例如，如果進(jìn)行上述公式(I)的反應(yīng)，則電解槽中的CO2減少，如果進(jìn)行上述公式(2)的反應(yīng)，則質(zhì)子減少。從而，電解槽中的反應(yīng)物質(zhì)的濃度隨著時(shí)間而降低。當(dāng)反應(yīng)物質(zhì)的濃度降低時(shí)，為了生成一定量的 CO、H2，有必要投入更多的能量。從而，在電解時(shí)的能量效率，隨著時(shí)間而降低。圖3是表示電解時(shí)的能量效率隨時(shí)間變化的圖示。如果進(jìn)行電解，則電解液中的CO2、質(zhì)子的濃度減少。因此，能量效率隨著時(shí)間推移而降低，例如，盡管在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C1開(kāi)始了電解，但是運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)卻轉(zhuǎn)移變成在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C2進(jìn)行電解。同樣地，盡管在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B1開(kāi)始了電解，但是變成在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B2進(jìn)行電解。由于對(duì)于其它運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)也同樣轉(zhuǎn)移，所以特性曲線10隨著時(shí)間的推移變化成特性曲線20。這里，在圖3中，著眼于能量效率的降低幅度，從運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B1到運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B2的能量效率的降低幅度(B1 - B2)和從運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C1到運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C2的能量效率的降低幅度(C1 - C2)的關(guān)系變成(B1-B2X (C1-C2X因此，在本實(shí)施方式中，首先，使WE相對(duì)于RE的電壓為設(shè)定值Vc,經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間之后，變成設(shè)定值Vb進(jìn)行電解。即，使在能量效率降低幅度大的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)的電解優(yōu)先。從而，可以獲得在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C1的能量效率和在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B2的能量效率。從而，可以將能量效率的隨時(shí)間的變化的影響限制到最低限度。另外，在本實(shí)施方式中，使WE相對(duì)于RE的電壓為設(shè)定值\，經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間之后，變成設(shè)定值％進(jìn)行了電解，但是，也可以調(diào)換該順序。根據(jù)電解條件，有時(shí)該降低幅度會(huì)逆轉(zhuǎn)。在這種情況下，使WE相對(duì)于RE的電壓為設(shè)定值\，經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間之后，變?yōu)樵O(shè)定值\，進(jìn)行電解。借此，獲得基本上和本實(shí)施方式同樣的效果。另外，還考慮根據(jù)電解條件，隨著時(shí)間的推移能量效率提高的情況。在這種情況下，也可以利用和上述同樣的方法確定電解的順序。即，比較隨著時(shí)間的推移能量效率的變化幅度，如果是降低的幅度，則從降低幅度大的情況開(kāi)始依次進(jìn)行電解，如果是增加幅度，則從增加幅度小的情況開(kāi)始依次進(jìn)行電解，這樣，可以獲得基本上同樣的效果。實(shí)施方式4.
其次，參照?qǐng)D4對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式4進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式，其特征在于，采用上述實(shí)施方式I的結(jié)構(gòu)，考慮到由于進(jìn)行電解造成電解液的溫度上升來(lái)確定電解順序。因此，由于各個(gè)結(jié)構(gòu)部件和上述實(shí)施方式I是共通的，所以，省略其說(shuō)明。如上所述，如果使電解后的C0、H2的混合比例為C0/H2 = 1/2，則FT反應(yīng)時(shí)的能量效率高。但是，由于通過(guò)進(jìn)行電解，電解液的溫度上升，所以，溶解到電解液中的CO2析出，CO2濃度降低。由于如果CO2濃度降低，在由上述(I)的反應(yīng)產(chǎn)生的CO的生成量也降低，所以，CO、H2的生成比例會(huì)變得小于1/2。因此，在本實(shí)施方式中，首先，實(shí)施CO生成主體的電解，之后實(shí)施H2生成主體的電解。圖4是說(shuō)明本實(shí)施方式中的電解的順序的圖。圖4的運(yùn)轉(zhuǎn)AB1是相當(dāng)于圖1的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)。在本實(shí)施方式中，首先，將WE相對(duì)于RE的電壓作為設(shè)定值Vb進(jìn)行電解。借此，在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B1，實(shí)施CO生成主體的電解。如實(shí)施方式I中所述，如果將WE相對(duì)于RE的電壓設(shè)定得高，則CO的生成量可以相對(duì)地多。即，可以實(shí)施CO生成主體的電解。接著，在本實(shí)施方式中，將WE相對(duì)于RE的電壓作為設(shè)定值\進(jìn)行電解。借此，實(shí)施H2生成主體的電解。變成H2生成主體的原因如所述實(shí)施方式I所述。這樣，如果在H2生成主體的電解之前先實(shí)施CO生成主體的電解，則在由于電解液的溫度的上升引起的CO2濃度降低之前，可以生成很多CO。從而，可以抑制co、h2的生成比例變得比1/2小。
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另外，根據(jù)本實(shí)施方式，在上述抑制效果的基礎(chǔ)上，還可以促進(jìn)H2生成主體的電解時(shí)的H2的生成。如果通過(guò)進(jìn)行電解，電解液的溫度上升，則質(zhì)子的移動(dòng)速度或上述公式(2)的反應(yīng)速度增加。因此，圖4的特性曲線10，隨著時(shí)間的推移而變化成特性曲線30。從而，與在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C1 (相當(dāng)于圖1的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C)進(jìn)行電解的情況相比，可以以短時(shí)間生成H2。sp，可以獲得運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C3附近的能量效率。因而，可以進(jìn)一步提高電解時(shí)的能量效率。實(shí)施方式5.
其次，參照?qǐng)D5對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式5進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式，其特征在于，在實(shí)施方式I的結(jié)構(gòu)上，追加將PH調(diào)整劑添加到電解槽中的添加裝置，在電解時(shí)，控制該添加裝置。因此，由于基本的各個(gè)結(jié)構(gòu)部件和實(shí)施實(shí)施方式I是共通的，所以，省略其說(shuō)明。如上述實(shí)施方式4所述，由于通過(guò)進(jìn)行電解，電解液的溫度上升，所以，溶解到電解液中的CO2析出，CO2濃度降低。因此，在本實(shí)施方式中，以和上述實(shí)施方式4同樣的順序進(jìn)行電解，并且，控制上述添加裝置，與根據(jù)電解的進(jìn)行相應(yīng)地使PH減少。圖5是說(shuō)明本實(shí)施方式中的控制的概要用的圖。在本實(shí)施方式中，和上述實(shí)施方式4同樣，在H2生成主體的電解之前先實(shí)施CO生成主體的電解。進(jìn)而，在本實(shí)施方式中，在CO生成主體的電解時(shí)，控制上述添加裝置，以便成為CO2難以析出的高的pH。從而，可以進(jìn)一步抑制CO、H2生成比例變得比1/2小。另外，在本實(shí)施方式中，在H2生成主體的電解時(shí)，控制上述添加裝置，以便成為H2容易生成的低的pH。因此，圖5的特性曲線10隨著時(shí)間的推移變化成特性曲線40。從而，與在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C1(相當(dāng)于圖1的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C)進(jìn)行電解的情況相比，可以在短時(shí)間內(nèi)生成H2。即，可以獲得運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C4附近的能量效率。因而，可以進(jìn)一步提高電解時(shí)的能量效率。實(shí)施方式6.
其次，參照?qǐng)D6，對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施方式6進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)施方式，其特征在于，利用上述實(shí)施方式I的結(jié)構(gòu)，考慮到CO、H2的生成速度來(lái)決定運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C。因此，由于各個(gè)結(jié)構(gòu)部件和上述實(shí)施方式I是共通的，所以，省略其說(shuō)明。如上述實(shí)施方式I所述，可以作為利用上述公式(11)等計(jì)算出的總能量效率nb + c中的對(duì)應(yīng)于成為最佳的總能量效率的兩個(gè)點(diǎn)來(lái)確定運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)b、c，如果在這樣確定的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C進(jìn)行電解，則可以提高電解時(shí)的能量效率。但是，在C0、H2的生成速度過(guò)慢的情況下，由于電解需要長(zhǎng)的時(shí)間，所以，存在著HC制造的作業(yè)效率低的擔(dān)憂。如在上述實(shí)施方式4中所述，在比1/2小的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)側(cè)，S卩，在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C側(cè)，可以實(shí)施H2生成主體的電解。因此，在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C側(cè)H2的生成速度過(guò)慢的情況下，由作業(yè)效率降低而產(chǎn)生的影響變大。同樣地，在比1/2高的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)側(cè)，S卩，運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B側(cè)，可以實(shí)施CO生成主體的電解。因此，在運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B側(cè)CO的生成速度過(guò)慢的情況下，作業(yè)效率的降低所產(chǎn)生的影響變大。因此，在本實(shí)施方式中，設(shè)定CO、H2的生成速度的下限值，在生成速度比該下限值快的范圍內(nèi)，決定運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C。圖6是相對(duì)于C0、H2的生成比例分別表示C0、H2的生成速度(mol/min)和能量效率的圖。 圖6的特性曲線50表示H2的生成速度，特性曲線60表示CO的生成速度。如上述實(shí)施方式I中所述，CO、H2的生成比例依存于WE相對(duì)于RE的電壓。另外，如果將WE相對(duì)于RE的電壓設(shè)定得高，則C0、H2的生成量同時(shí)增加。進(jìn)而，由于如果它們的生成速度快，則C0、H2的生成量增加，所以，在C0、H2的生成速度和生成量之間存在相關(guān)性。從而，如圖6所示，將C0、H2的生成比例設(shè)定得越高，C0、H2的生成速度越增加。這里，如圖6所示，設(shè)定CO、H2的生成速度的下限值。這樣，與H2的生成速度的下限值相對(duì)應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)變成圖6的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)E。另外，與CO的生成速度的下限值相對(duì)應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)變成圖6的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)F。如前面所述，在比1/2小的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)側(cè)，可以實(shí)施H2生成主體的電解，在比1/2大的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)側(cè)，可以實(shí)施CO生成主體的電解。從而，在本實(shí)施方式中，在與運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)E相比C0/H2高的范圍內(nèi)決定運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)C，在與運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)F相比C0/H2高的范圍內(nèi)決定運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B。因此，能夠確保CO、H2的生成速度。以上，根據(jù)本實(shí)施方式，可以設(shè)定h2、CO的生成速度的下限值，分別確定在滿足該下限值的范圍內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)B、C。從而，可以減輕電解時(shí)的作業(yè)效率的降低，并且，提高能量效率。附圖標(biāo)記說(shuō)明10、20、30、40、50、60 能量特性曲線。
權(quán)利要求
1.一種混合氣體生成裝置，所述混合氣體生成裝置將水和二氧化碳電解，以規(guī)定混合比生成由氫和一氧化碳構(gòu)成的混合氣體，其特征在于，所述混合氣體生成裝置配備有: 至少一個(gè)電解槽，所述電解槽在內(nèi)部備有水和二氧化碳； 一組電極，所述電極設(shè)置在所述電解槽中； 電位控制機(jī)構(gòu)，所述電位控制機(jī)構(gòu)將包含比實(shí)現(xiàn)所述規(guī)定混合比的規(guī)定電位差大的電位差和比所述規(guī)定電位差小的電位差在內(nèi)的多個(gè)電位差施加到所述電極之間。
2.如權(quán)利要求1所述的混合氣體生成裝置，其特征在于，基于將由相對(duì)于投入的能量而言的生成物的發(fā)熱量規(guī)定的能量效率與所述多個(gè)電位差聯(lián)系起來(lái)的模型，確定所述多個(gè)電位差。
3.如權(quán)利要求2所述的混合氣體生成裝置，其特征在于，根據(jù)在將所述多個(gè)電位差分別施加到所述電極之間的情況下的所述能量效率的隨時(shí)間變化的程度，確定將所述多個(gè)電位差施加到所述電極之間的順序。
4.如權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)所述的混合氣體生成裝置，其特征在于， 所述電解槽在內(nèi)部備有具有二氧化碳吸收特性的電解液， 將所述多個(gè)電位差施加到所述電極之間的順序按電位差從大到小的順序確定。
5.如權(quán)利要求4所述的混合氣體生成裝置，其特征在于，所述混合氣體生成裝置還配備有PH變更機(jī)構(gòu)，在將所述多個(gè)電位差施加到所述電極之間時(shí)，所述pH變更機(jī)構(gòu)將所述電解液的PH從堿性側(cè)向酸性側(cè)變更。
6.如權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的混合氣體生成裝置，其特征在于，比所述規(guī)定電位差小的一側(cè)的 各個(gè)電 位差被設(shè)定成比使生成的氫的生成速度成為預(yù)定的最低速度的規(guī)定電位差大的電位差。
全文摘要
本發(fā)明涉及混合氣體生成裝置，其目的是提供一種能夠能量效率高地生成CO、H2的混合氣體生成裝置。相對(duì)于CO、H2的生成比例(CO/H2)而言的電解的能量效率特性曲線(10)成為向下凸的曲線。因此，不是以給出CO/H2＝1/2的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(A)，而是以運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(B)和運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(C)分割進(jìn)行電解。但是，以各個(gè)生成比例的電解之后混合的混合氣體的生成比例成為CO/H2＝1/2的方式分割各電解時(shí)間。借此，可以獲得在比運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(A)高的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(D)附近的能量效率。
文檔編號(hào)C25B15/02GK103249871SQ201080070550
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者伊藤泰志 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社