(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、第１固体酸化物燃料電池と第２固体酸化物燃料電池を包含し、
該第１固体酸化物燃料電池は、水素ガスがアノードに通入され、並びに二酸化炭素がカソードに通入され、最終的に二酸化炭素を分解して一酸化炭素と水となし、
該アノードの化学反応は、
Ｈ2（ｇ）→Ｈ2（ａｎｏｄｅ）→２Ｈ+（ａｎｏｄｅ）＋２ｅ-
及び
２Ｈ+（ａｎｏｄｅ）＋Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）とされるか、
或いは、アノード全体の化学反応が、
Ｈ2（ｇ）＋Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）＋ ２ｅ-とされ、
該カソードの化学反応は、
ＣＯ2（ｇ）→ＣＯ2（ｃａｔｈｏｄｅ）→ＣＯ（ｃａｔｈｏｄｅ）＋１／２Ｏ2（ｃａｔｈｏｄｅ）、ＣＯ（ｃａｔｈｏｄｅ）→ＣＯ（ｇ）
及び
１／２Ｏ2 （ｃａｔｈｏｄｅ）＋２ｅ-→Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）とされ、
電解質の主要な化学反応は、酸素イオン伝導とされ、すなわち、
Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）→Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）とされ、
該第１固体酸化物燃料電池の全体の化学反応は、
Ｈ2（ｇ）＋ＣＯ2（ｇ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）とされ、
該第２固体酸化物燃料電池は、該第１固体酸化物燃料電池と直列に接続され、並びに該第１固体酸化物燃料電池が二酸化炭素を分解した後に発生する一酸化炭素が該第２固体酸化物燃料電池のアノードに通入され、空気が該第２固体酸化物燃料電池のカソードに通入されて、発電し、また、該第２固体酸化物燃料電池の発電後に発生する二酸化炭素は該第１固体酸化物燃料電池のカソードに導入され、
該第２固体酸化物燃料電池のアノードの化学反応は、
ＣＯ（ｇ）→ＣＯ（ａｎｏｄｅ）
及び
Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）＋ＣＯ（ａｎｏｄｅ）→ＣＯ2（ａｎｏｄｅ）＋２ｅ-とされ、
該第２固体酸化物燃料電池のカソードの化学反応は、
１／２Ｏ2（ｇ）→１／２Ｏ2（ｃａｔｈｏｄｅ）＋２ｅ-→Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）とされ、
該第２固体酸化物燃料電池の電解質の化学反応は、酸素イオンの伝導であり、すなわち、
Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）→Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）とされ、
該第２固体酸化物燃料電池の全体化学反応は、
ＣＯ（ｇ）＋１／２Ｏ2（ｇ）→ＣＯ2（ｇ）とされることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
【請求項２】
請求項１記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、一酸化炭素ストリッパーをさらに包含し、該一酸化炭素ストリッパーは、一酸化炭素と二酸化炭素を分離し、その一端は該第１固体酸化物燃料電池のカソードの排気端に連通し、別端は３本の管線に分けられて、それぞれ該第２固体酸化物燃料電池のアノード、該第１固体酸化物燃料電池のカソードの入気端、化学反応器に連通し、該化学反応器は通入された一酸化炭素を、水素ガス或いは酸素ガス或いは水素ガスと酸素ガスの混合ガスのいずれかと反応させて、液体或いは固体の有用な化合物を発生することを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
【請求項３】
請求項２記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第１固体酸化物燃料電池は、管状型（Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｔｙｐｅ）或いは平板型（Ｐｌａｎａｒ  Ｔｙｐｅ）とされ、そのセルは、アノードサポート型（Ａｎｏｄｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｃｅｌｌ：ＡＳＣ−ｔｙｐｅ）或いは電解質サポート型  （Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｃｅｌｌ：ＥＳＣ−ｔｙｐｅ）或いは金属サポート型（Ｍｅｔａｌ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｃｅｌｌ：ＭＳＣ−ｔｙｐｅ）とされ、その電池構造は、ＮｉＯ−ＹＳＺ、ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＧＤＣ＋ＬＳＭ型式とされ、そのうち、ＮｉＯ−ＹＳＺはアノードとされ、ＹＳＺは電解質層、ＬＳＭ−ＧＤＣ＋ＬＳＭは複合カソード層（Ｃａｔｈｏｄｅ  ｌａｙｅｒ）とされることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
【請求項４】
請求項２記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第２固体酸化物燃料電池は、管状型或いは平板型とされ、そのセルは、アノードサポート型或いは電解質サポート型、或いは金属サポート型とされ、その電池構造は、ＮｉＯ−ＹＳＺ、ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＧＤＣ＋ＬＳＭ型式とされ、そのうち、ＮｉＯ−ＹＳＺはアノードとされ、ＹＳＺは電解質層、ＬＳＭ−ＧＤＣ＋ＬＳＭは複合カソード層とされることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
【請求項５】
請求項２記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第１固体酸化物燃料電池の反応温度は、摂氏７００度−１０００度であることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
【請求項６】
請求項２記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第２固体酸化物燃料電池の反応温度は、摂氏６００度−１０００度であることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
【請求項７】
請求項２記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該第１固体酸化物燃料電池のカソードに貴金属を触媒として加えることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
【請求項８】
請求項７記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置において、該貴金属は白金であることを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置。
【請求項９】
固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法において、
固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置を提供するステップ、
水素ガスを、第１固体酸化物燃料電池のアノードに通入し、二酸化炭素を該第１固体酸化物燃料電池のカソードに通入し、該第１固体酸化物燃料電池に触媒と電気化学反応を発生開始させ、一酸化炭素と水を発生させるステップ、
空気を第２固体酸化物燃料電池のカソードに通入し、該第１固体酸化物燃料電池のカソードに発生した一酸化炭素を該第２固体酸化物燃料電池のアノードに通入するステップ、  該第２固体酸化物燃料電池のアノードに発生した二酸化炭素を該第１固体酸化物燃料電池のカソードに導入するステップ、
以上のステップを包含することを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法。
【請求項１０】
請求項９記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法において、さらに第１固体酸化物燃料電池のカソード中に発生した一酸化炭素と未転化の二酸化炭素を分離することで、一酸化炭素の濃度を高め、並びにこうして濃度を高めた一酸化炭素を化学反応器に導入し、水素ガス或いは酸素ガス或いは水素ガスと酸素ガスの混合気体のいずれかと反応させ、一酸化炭素を液体或いは固体の有用な化合物として保存するステップを包含することを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法。
【請求項１１】
請求項９記載の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法において、該第１固体酸化物燃料電池のカソードに発生した一酸化炭素を該第２固体酸化物燃料電池のアノードに通入する時、適量のＨ2或いはＨ2Ｏ或いはＨ2とＨ2Ｏの混合ガスを加入することを特徴とする、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法及びその装置に関する。それは二酸化炭素を酸化剤及びエネルギーソースとして、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、略称ＳＯＦＣ）に用いる発電方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人類の文明の発展は、使用するエネルギー材料と技術の発展による。そのうち、炭素、水素、酸素からなる化合物中の炭素と石油は、据え置き型と移動型のいずれでも使用でき、人類が大量に使用し、その使用後の産物は、主に二酸化炭素と水或いはＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯｘ等の酸化物である。
【０００３】
そのうち、水以外はいずれも空気汚染ガスに属する。且つ二酸化炭素は大量に排出され、また、安定した化合物に属し、植物の光合成作用により変換消耗されるほかは、長期に大気中に残留する。
【０００４】
二酸化炭素はドライアイスを製造でき、石油の油田で第２段階油回収増進効果（Ｇａｓ  ｆｏｒ  Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｏｉｌ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）の高圧ガスに充当されるほかは、使用可能な場所は多くない。
【０００５】
長期に二酸化炭素が量産されることで、空気中の含有量が急速に増加し、温室効果を誘発し、地球の気候が温暖化し、天災と天候異常が頻繁に発生し、すでに解決できない段階に到達しつつある。
【０００６】
しかし、省エネ炭素減少政策は、核エネルギーと森林保護及び造林のほか、石化と石炭燃料の使用量減少に及ぶ。しかし、現在、文明の向上と経済の発展のため、エネルギー提供が必要である。両方面の妥協のほか、新たな二酸化炭素問題の解決の対策が求められている。
【０００７】
国際的に石化エネルギーソースは大量に消耗使用されて、二酸化炭素を発生し、量が増すだけでなく、汚染は地球全体の大気に温室効果と、人類及び生物の生存条件に脅威と危機を形成する。過去の大気中の二酸化炭素濃度の二酸化炭素濃度は、指数形式で示すと、２０００年の３８０ｐｐｍにも至っており（ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ  ｉｎｃｒｅａｓｅ）、且つ毎年増加の速度は漸増している。その基本の原因は、人類の石化燃料燃焼の増加による（ｍａｎ’ｓ  ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ｏｆ  ｆｏｓｓｉｌ  ｆｕｅｌｓ）。「省エネ炭素減少」は、地球と人類の生存の問題を解決する。ここでの議題は二酸化炭素問題を解決できる方法を提供することにある。ＣＯＰ−１５では地球気候の変化に対抗するためには、大幅に世界の炭素排出を減らして、地球の温度上昇を摂氏２度以下にコントロールし、２０５０年には世界の平均二酸化炭素濃度を４５０ｐｐｍに戻す必要があるとしている。Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ  Ｇａｓｅｓ（ｗａｔｅｒ  ｖａｐｏｒ＝３６−７０％；ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ＝９−２６％；ｍｅｔｈａｎ＝９％；ｏｚｏｎｅ＝３−７％）中、二酸化炭素が主要な現況であるためである。
【０００８】
現在、世界のこの項の議題は、二酸化炭素捕捉、保存及び再利用技術の開発に偏っている。二酸化炭素の量を固定化保存或いは化学反応、よたとえば二酸化炭素＋酸化カルシウムにより炭酸カルシウムの固体方式として定置し、大量の二酸化炭素を大気中より抽出し固化する。こうして有効に大気中の二酸化炭素含有量を減らして、温室効果の議題を解決することを期している。
【０００９】
ＣＯ2  （ｇ）→ＣＯ（ｇ）＋１／２Ｏ2（ｇ）の二酸化炭素分解（ｃｒａｃｋｉｎｇ）化学反応の進行は、熱力学計算によると、その自発反応温度は摂氏３００１度であり、現実に使用可能な技術と設備においては、有効に克服及び実行は不可能である。このため、二酸化炭素温室ガス（Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ  ｇａｓ）は、解決できず、全世界の難題を形成する。
【００１０】
ＳＯＦＣは高性能エネルギーソース変換効率、低騒音、低環境汚染、高信頼度と燃料多元性等の長所を有し、内燃機関に挑戦する潜在能力を有し、将来のエネルギーソース欠如の問題を解決し得る。特に石化エネルギーソースは徐々に枯渇し、石炭ガス化、液化エネルギーソースに次第に置き代えられ得る。石炭燃料（Ｃｏａｌ  Ｆｕｅｌ）時期に進入すると、ＳＯＦＣは主要なエネルギーソース変換設備であり、それは新時代の役割をになう。ＳＯＦＣ性能の安定と長期の運転試験の成功に伴い、その技術及び設備の機能は次第に成熟し、将来は分散式（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ）或いは集中式（Ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ）電源発生器或いは発電所において、次第に現在の火力発電に置き換わり、その経済効果は非常に大きく広範である。
【００１１】
ＳＯＦＣは現在、水素或いは天然ガス或いは石化原料（ｆｏｓｓｉｌｆｕｅｌ）（たとえば炭酸水素化合物であるメタン、アルコール類、アルキル或いはアルキン類、さらにはディーゼル油などの燃料をアノードに注入し、空気（Ａｉｒ）中のＯ2 を酸化剤としてカソードに注入し、同時且つ序列性の電気化学及び触媒化学反応により、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。
【００１２】
その主要な製品はアノードでは二酸化炭素と水、カソードでは酸素が欠乏した（Ｄｅｐｌｅｔｅｄ）空気である。ゆえに、温室効果を形成する主要な元凶である二酸化炭素が自然に発生する。
【００１３】
ただし、ＳＯＦＣは高いエネルギー変換効率（７０−８０％に達する）を有し、これは伝統的な火力発電所（一般には２０−３０％）よりも非常に高い。これにより、一定量の燃料に対しては、ＳＯＦＣは炭素減少の効果を達成できる。この長所は、僅かに二酸化炭素排出を押さえ、一部の省エネ炭素減少の目的を達成できるだけである。
【００１４】
現在、世界では温室効果の問題に対処するため、二酸化炭素捕捉保存と利用の技術に向けて開発がなされている。ただし、いまだ開始段階であり、この問題を解決する具体的で有効な方式があるわけではない。
【００１５】
そのうち、二酸化炭素を固定化して保存或いは化学反応、たとえばＣＯ2＋ＣａＯ→ＣａＣＯ3の固体方式で定置し、大量の二酸化炭素を大気中より抽出し固化することで、有効に大気中の二酸化炭素含有量を減らすことは、そのうち一種の方法である。
【００１６】
このほか、大量に植林、海草、植物を栽培することで、光合成作用により、二酸化炭素を植物成分に変換して、大気中の二酸化炭素成分を減らすことは、大自然の原始的な方法である。それは実施可能であるが、人類のエネルギーソースに対する要求が増加する傾向にあって、困難が多く、いずれも受動式の解決策であり、自然の炭素循環（ｎａｔｕｒａｌ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｙｃｌｅ）に属する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は一種の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法及びその装置を提供する。それは、温室効果の元凶であるＣＯ2廃ガスを、ＳＯＦＣにより変換してエネルギーソースとなし、ＳＯＦＣカソード酸化剤となし、アノードＳＯＦＣ燃料例えばＨ2と組み合わせて、ＣＯ2  （ｇ）→ＣＯ（ｇ）＋１／２Ｏ2（ｇ）の分解を進行し、同時に発電しＣＯを製造する。
【００１８】
ＣＯは高活性化合物に属し、すなわち、ＳＯＦＣの燃料（ＳＯＦＣのアノードにおいて）とされ得て、カソードの空気中のＯ2と、発電を行ない、電気エネルギーとＣＯ2を発生し、こうして、ＣＯ2の「使用−再生」の発電エネルギーソース変換循環を完成する。
【００１９】
また、すなわち、ＣＯはＨ2、Ｏ2と合成されて安定化合物、例えば、アルコール、アルデヒド、酸類の固体化と液体化の有用化合物を形成し、地球に保存されて、人類の循環使用に供され、二酸化炭素の大気中の含有量を減らし、温室効果を解決する。これは一種の能動的にＣＯ2問題を解決する方法である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は一種の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法及びその装置（ＣＯ2 Ｅｎｅｒｇｙ  Ｓｏｕｒｃｅ  Ａｄｏｐｔｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ−ＣＯ2  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｃｙｃｌｅ；  略称ＳＯＦＣ−ＣＯ2−ＥＣＣ）を提供する。
【００２１】
本発明は温室効果の元凶である二酸化炭素廃ガスを、固体酸化物燃料電池のカソード酸化剤となして、ＣＯ2  （ｇ）を分解してＣＯ（ｇ）と１／２Ｏ2（ｇ）となし、同時に、このＯ2が電子を獲得してカソードより電解質をアノードに伝導し、固体酸化物燃料電池内でアノード燃料、たとえば、水素、メタン、アルキル類、炭化水素化合物、と電気化学反応を進行して発電し、消耗し、それは有効に二酸化炭素廃ガスの一酸化炭素への変換を促進して変換率をアップし、さらに、固体或いは液体の有用化合物中に定置する。
【００２２】
本発明におけるＣＯ2  （ｇ）→ＣＯ（ｇ）＋１／２Ｏ2（ｇ）は一般の化学（触媒を含む）反応であり、熱力学計算により、その実行可能な自然反応温度は摂氏３００１．５度以上で実行される。
【００２３】
ただし、本発明の一種の、固体酸化物燃料電池に二酸化炭素を使用する二酸化炭素エネルギー変換循環方法及びその装置は、固体酸化物燃料電池で、触媒化学反応と電気化学反応を同時に実行することにより、その自然反応は摂氏８００度程度で実行される。これは、固体酸化物燃料電池の現在の中高温型運転温度の摂氏７００−１０００度に符合する。
【００２４】
こうして、二酸化炭素が極めて安定し、容易には化合物変換を行えない問題が解決し、二酸化炭素を変換して処理が容易なＣＯ（ｇ）となすことができる。ＣＯ（ｇ）は固体酸化物燃料電池のアノード燃料とされ得て、カソード空気中のＯ2と発電反応を進行して電力を発生する。
【００２５】
また、すなわち、ＣＯ（ｇ）を原料として、その他の炭素、水素、酸化物と一般化学反応が可能で、液体の、たとえばＣＨ3ＯＨ、アルコール類、酸類、或いはアルデヒド類及びその他の反応物製品の誘導性固体、液体化合物を製造し、保存されるか、各種の異なる製品、産業に再利用される。
【００２６】
ある実施例において、本発明は一種の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法を提供し、それは以下のステップを包含する。すなわち、
固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置を提供するステップ、
水素ガスを、第１固体酸化物燃料電池のアノードに通入させ、二酸化炭素を該第１固体酸化物燃料電池のカソードに通入させ、該第１固体酸化物燃料電池に触媒化学反応と電気化学反応を発生開始させ、一酸化炭素と水を発生させるステップ、
空気を第２固体酸化物燃料電池のカソードに通入させて、該第１固体酸化物燃料電池のカソードに発生した一酸化炭素を該第２固体酸化物燃料電池のアノードに通入させるステップ、
該第２固体酸化物燃料電池のアノードに発生した二酸化炭素を該第１固体酸化物燃料電池のカソードに導入するステップ、
以上のステップを包含する。
【００２７】
別の実施例において、本発明は一種の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置を提供し、それは、第１固体酸化物燃料電池と第２固体酸化物燃料電池を包含する。
【００２８】
該第１固体酸化物燃料電池は、水素ガスがそのアノードに通入され、並びに二酸化炭素がそのカソードに通入され、最終的に二酸化炭素を分解して一酸化炭素と水となす。
【００２９】
そのうち、該アノードの主要な化学反応は、Ｈ2（ｇ）→Ｈ2（ａｎｏｄｅ）→２Ｈ+（ａｎｏｄｅ）＋２ｅ-及び２Ｈ+（ａｎｏｄｅ）＋Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）とされるか、或いは、アノード全体の化学反応が、Ｈ2（ｇ）＋Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）＋ ２ｅ-とされる。
【００３０】
カソードの主要な化学反応は、ＣＯ2（ｇ）→ＣＯ2（ｃａｔｈｏｄｅ）→ＣＯ（ｃａｔｈｏｄｅ）＋１／２Ｏ2（ｃａｔｈｏｄｅ）、ＣＯ（ｃａｔｈｏｄｅ）→ＣＯ（ｇ）及び１／２Ｏ2 （ｃａｔｈｏｄｅ）＋２ｅ-→Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）とされる。
【００３１】
電解質の主要な化学反応は、酸素イオン伝導とされ、すなわち、Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）→Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）である。
【００３２】
該第１固体酸化物燃料電池の全体の化学反応は、Ｈ2（ｇ）＋ＣＯ2（ｇ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）である。
【００３３】
該第２固体酸化物燃料電池は、該第１固体酸化物燃料電池と直列に接続され、並びに該第１固体酸化物燃料電池が二酸化炭素を分解した後に発生する一酸化炭素が該第２固体酸化物燃料電池のアノードに通入され、空気が該第２固体酸化物燃料電池のカソードに通入されて、発電し、また、該第２固体酸化物燃料電池の発電後に発生する二酸化炭素は該第１固体酸化物燃料電池のカソードに導入される。
【００３４】
該第２固体酸化物燃料電池のアノードの主要な化学反応は、ＣＯ（ｇ）→ＣＯ（ａｎｏｄｅ）及びＯ2-（ａｎｏｄｅ）＋ＣＯ（ａｎｏｄｅ）→ＣＯ2（ａｎｏｄｅ）＋２ｅ-である。
【００３５】
該第２固体酸化物燃料電池のカソードの主要な化学反応は、１／２Ｏ2（ｇ）→１／２Ｏ2（ｃａｔｈｏｄｅ）＋２ｅ-→Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）である。
【００３６】
該第２固体酸化物燃料電池の電解質の主要な化学反応は、酸素イオンの伝導であり、すなわち、Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）→Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）である。
【００３７】
該第２固体酸化物燃料電池の全体化学反応は、ＣＯ（ｇ）＋１／２Ｏ2（ｇ）→ＣＯ2（ｇ）である。
【発明の効果】
【００３８】
本発明は固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法及びその装置を提供する。それは二酸化炭素を酸化剤及びエネルギーソースとして、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、略称ＳＯＦＣ）に用いる発電方法及びその装置である。
【００３９】
本発明は、大気中のＣＯ2濃度増加により引き起こされる温室効果の議題を解決する。
ＳＯＦＣの有する中高温（摂氏７００度−１０００度）の触媒化学反応と電気化学反応を同時進行し、ＣＯ2という極度に化学的に安定した化合物を、約摂氏８００度で分解する。その化学反応式は、ＣＯ2→ＣＯ2（ｇ）＋１／２Ｏ2であり、ＣＯ（ｇ）とＯ2を発生し、Ｏ2をＳＯＦＣ内でＨ2（或いはその他の炭化水素化合物、例えば、メタン等）と電気化学反応させて電力を発生させる。こうして、ＣＯ2を本ＳＯＦＣの全反応の電源材料となすことができ、ＣＯ2をＣＯという極めて有用なエネルギーソース或いは化合物に変換でき、ＣＯに関係する有用な化合物或いはエネルギーソース、例えばアルデヒド、アルコール類とすることができ、ＣＯ2→ＣＯ→ＣＯ誘導体（ＣＯ2の固定化）→エネルギーソース産出→ＣＯ2の全体エネルギーソースを炭素循環（Ｃａｒｂｏｎ  Ｃｙｃｌｅ）に変換し、ＣＯ2零排出を達成できる。
【００４０】
本発明の内容の技術プロセス、組み合わせる材料及び設備は、二酸化炭素による温室効果により発生する、全地球生物を絶滅させる問題を有効に解決できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１Ａ】本発明の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置の模式図である。
【図１Ｂ】本発明の一酸化炭素ストリッパーを包含する固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置の模式図である。
【図２】本発明の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法のフローチャートである。
【図３】本発明の第１固体酸化物燃料電池効果に対する実験フローチャートである。
【図４】固体酸化物燃料電池膜電極アセンブリのカソード及びアノード反応室での区画表示図である。
【図５】本発明の第１固体酸化物燃料電池の、水素ガスと空気での、アノードとカソードにおける電気性能試験図である。
【図６】本発明の第１固体酸化物燃料電池の、水素ガスと二酸化炭素での、アノードとカソードにおける電気性能試験図である。
【図７Ａ】試験システムの異なる操作温度下での、Ｈ2／Ｎ2及びＣＯ2での、それぞれアノードとカソードでのＣＯ2変換率試験結果図である。
【図７Ｂ】試験システムの異なる操作温度下での、Ｈ2／Ｎ2及びＣＯ2での、それぞれアノードとカソードでのＣＯ2変換率試験結果図である。
【図７Ｃ】試験システムの異なる操作温度下での、Ｈ2／Ｎ2及びＣＯ2での、それぞれアノードとカソードでのＣＯ2変換率試験結果図である。
【図７Ｄ】試験システムの異なる操作温度下での、Ｈ2／Ｎ2及びＣＯ2での、それぞれアノードとカソードでのＣＯ2変換率試験結果図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の技術内容、構造特徴、達成する目的を詳細に説明するため、以下に実施例を挙げ並びに図面を組み合わせて説明する。
【００４３】
図１Ａに示されるのは、本発明の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置の模式図である。それは、第１固体酸化物燃料電池１０と第２固体酸化物燃料電池１１を包含する。
【００４４】
該第１固体酸化物燃料電池１０は、水素ガスがそのアノードに通入され、並びに二酸化炭素がそのカソードに通入され、最終的に二酸化炭素を分解して一酸化炭素と水となす。
【００４５】
そのうち、該アノードの主要な化学反応は、Ｈ2（ｇ）→Ｈ2（ａｎｏｄｅ）→２Ｈ+（ａｎｏｄｅ）＋２ｅ-及び２Ｈ+（ａｎｏｄｅ）＋Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）とされるか、或いは、アノード全体の化学反応が、Ｈ2（ｇ）＋Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）＋ ２ｅ-とされる。
【００４６】
カソードの主要な化学反応は、ＣＯ2（ｇ）→ＣＯ2（ｃａｔｈｏｄｅ）→ＣＯ（ｃａｔｈｏｄｅ）＋１／２Ｏ2（ｃａｔｈｏｄｅ）、ＣＯ（ｃａｔｈｏｄｅ）→ＣＯ（ｇ）及び１／２Ｏ2 （ｃａｔｈｏｄｅ）＋２ｅ-→Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）とされる。
【００４７】
電解質の主要な化学反応は、酸素イオン伝導とされ、すなわち、Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）→Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）である。
【００４８】
該第１固体酸化物燃料電池１０の全体の化学反応は、Ｈ2（ｇ）＋ＣＯ2（ｇ）→Ｈ2Ｏ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）である。
【００４９】
該第２固体酸化物燃料電池１１は、該第１固体酸化物燃料電池１０と直列に接続され、並びに該第１固体酸化物燃料電池１０が二酸化炭素を分解した後に発生する一酸化炭素が該第２固体酸化物燃料電池のアノードに通入され、空気が該第２固体酸化物燃料電池のカソードに通入されて、発電し、また、該第２固体酸化物燃料電池１１の発電後に発生する二酸化炭素は該第１固体酸化物燃料電池のカソードに導入される。
【００５０】
該第２固体酸化物燃料電池１１のアノードの主要な化学反応は、ＣＯ（ｇ）→ＣＯ（ａｎｏｄｅ）及びＯ2-（ａｎｏｄｅ）＋ＣＯ（ａｎｏｄｅ）→ＣＯ2（ａｎｏｄｅ）＋２ｅ-である。
【００５１】
そのうち、（ａｎｏｄｅ）の炭素堆積により電池に対する傷害が形成されるのを防止するため、適量のＨ2或いはＨ2Ｏ或いはＨ2とＨ2Ｏの混合ガスを、ＣＯと共同で入気し、同時にアノード材料と構造を改善し、すなわち、炭素堆積反応（Ｂｏｕｎｄｏｕａｒｄ  ｒｅａｃｔｉｏｎ）の炭素堆積問題に対抗できる。
【００５２】
該第２固体酸化物燃料電池１１のカソードの主要な化学反応は、１／２Ｏ2（ｇ）→１／２Ｏ2（ｃａｔｈｏｄｅ）＋２ｅ-→Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）である。
【００５３】
該第２固体酸化物燃料電池の電解質の主要な化学反応は、酸素イオンの伝導であり、すなわち、Ｏ2-（ｃａｔｈｏｄｅ）→Ｏ2-（ａｎｏｄｅ）である。
【００５４】
該第２固体酸化物燃料電池の全体化学反応は、ＣＯ（ｇ）＋１／２Ｏ2（ｇ）→ＣＯ2（ｇ）である。
【００５５】
そのうち、図１Ｂに示されるように、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置はさらに、一酸化炭素ストリッパー１３（ＣＯ  ｓｔｒｉｐｐｅｒ）を包含し得る。該一酸化炭素ストリッパーは一酸化炭素と二酸化炭素を分離し、それにより一酸化炭素の濃度を高め、その一端は該第１固体酸化物燃料電池１０のカソードの排気端に連通し、別端は３本の管線に分けられて、それぞれ該第２固体酸化物燃料電池１１のアノード、該第１固体酸化物燃料電池１０のカソードの入気端、化学反応器１２に連通し、並びに処理された後の一酸化炭素濃度により、３本の管線のうちの１本が選択されてガスが輸送される。例えば一酸化炭素ストリップ後の高濃度の一酸化炭素が該化学反応器１２に導入されて、水素ガス或いは水素ガスと酸素ガスの混合ガスのいずれかと反応させられ、一酸化炭素が液体或いは固体化合物に変換されて保存される。或いは、第２固体酸化物燃料電池１１のアノードに導入されて発電に供される。
【００５６】
そのうち、該第１固体酸化物燃料電池１０は管状型（Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｔｙｐｅ）或いは平板型（Ｐｌａｎａｒ  Ｔｙｐｅ）とされ得て、そのセルは、アノードサポート型（Ａｎｏｄｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｃｅｌｌ：ＡＳＣ−ｔｙｐｅ）或いは電解質サポート型  （Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｃｅｌｌ：ＥＳＣ−ｔｙｐｅ）或いは金属サポート型（Ｍｅｔａｌ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｃｅｌｌ：ＭＳＣ−ｔｙｐｅ）とされ得る。
【００５７】
その電池構造は、ＮｉＯ−ＹＳＺ、ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＧＤＣ＋ＬＳＭ型式とされ得る。そのうち、ＮｉＯ−ＹＳＺはアノードとされ、ＹＳＺは電解質層、ＬＳＭ−ＧＤＣ＋ＬＳＭは複合カソード層（Ｃａｔｈｏｄｅ  ｌａｙｅｒ）とされるが、これらの型式と材料に限定されるわけではない。
【００５８】
そのうち、該第２固体酸化物燃料電池１１は管状型（Ｔｕｂｕｌａｒ  Ｔｙｐｅ）或いは平板型（Ｐｌａｎａｒ  Ｔｙｐｅ）とされ得て、そのセルは、アノードサポート型（Ａｎｏｄｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｃｅｌｌ：ＡＳＣ−ｔｙｐｅ）或いは電解質サポート型  （Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｃｅｌｌ：ＥＳＣ−ｔｙｐｅ）或いは金属サポート型（Ｍｅｔａｌ  ｓｕｐｐｏｒｔ  ｃｅｌｌ：ＭＳＣ−ｔｙｐｅ）とされ得る。
【００５９】
その電池構造は、ＮｉＯ−ＹＳＺ、ＹＳＺ、ＬＳＭ−ＧＤＣ＋ＬＳＭ型式とされ得る。そのうち、ＮｉＯ−ＹＳＺはアノードとされ、ＹＳＺは電解質層、ＬＳＭ−ＧＤＣ＋ＬＳＭは複合カソード層（Ｃａｔｈｏｄｅ  ｌａｙｅｒ）とされるが、これらの型式と材料に限定されるわけではない。そのうち、アノードは、ＣｅＯ2−Ｃｕで処理可能で、これにより炭素堆積に対抗する。
【００６０】
そのうち、該第１固体酸化物燃料電池１０の反応温度は約摂氏７００−１０００度であり、その電解質はＹＳＺ或いはＳｃＳＺとされるのがよい。カソードには高触媒能力の触媒例えば白金（Ｐｔ）或いは貴金属をドープすることで、変換率を高められる。
【００６１】
そのうち、該第２固体酸化物燃料電池１１の反応温度は約摂氏６００−１０００度である。
【００６２】
図２を参照されたい。図２は本発明の固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環方法のフローチャートであり、それは以下のステップを包含する。
【００６３】
まず、ステップ２０を実行する。ステップ２０では、固体酸化物燃料電池を利用した二酸化炭素エネルギー変換循環装置を提供する。
【００６４】
ステップ２０の後、ステップ２１を実行する。ステップ２１では、水素ガスを該第１固体酸化物燃料電池１０のアノードに通入し、二酸化炭素を該第１固体酸化物燃料電池１０のカソードに通入し、該第１固体酸化物燃料電池１０に触媒と電気化学反応を発生開始させ、一酸化炭素と水を発生させる。
【００６５】
ステップ２１の後、ステップ２２を実行する。ステップ２２では、空気を該第２固体酸化物燃料電池１１のカソードに通入し、該第１固体酸化物燃料電池１０のカソードに発生した一酸化炭素を、該第２固体酸化物燃料電池１１のアノードに通入する。そのうち、炭素堆積の問題を防止するため、該第２固体酸化物燃料電池１１のアノードにＣＯを通入する時、適量の適量のＨ2或いはＨ2Ｏ或いはＨ2とＨ2Ｏの混合ガスを加入する。
【００６６】
最後にステップ２３を実行する。ステップ２３では、該第２固体酸化物燃料電池１１のアノードに発生した二酸化炭素を該第１固体酸化物燃料電池１０のカソードに導入する。
【００６７】
そのうち、ステップ２１の後に、さらに、一酸化炭素と二酸化炭素を分離し、それにより一酸化炭素の濃度を高め、並びに高濃度の一酸化炭素を該化学反応器１２に導入し、水素ガス或いは酸素ガス或いは水素ガスと酸素ガスの混合ガスのいずれかと反応させて、一酸化炭素を液体或いは固体化合物に変換して保存するステップを包含し得る。
【００６８】
さらに、図３に示されるのは、本発明の第１固体酸化物燃料電池の効果に対する実験フローチャートである。本実験はアノードサポート型電池を採用し、そのセル組成は、陽極がＮｉＯ／８ＹＳＺで、電解質がＹＳＺで、カソードはＬＳＭ＋ＧＤＣ／ＬＳＭとされる。それは以下のステップを包含する。
【００６９】
まず、ステップ３０を実行する。ステップ３０では、固体酸化物燃料電池膜電極アセンブリ（ＳＯＦＣ−ＭＥＡ）をセルテストステーション（例えばＰｒｏｂｏＳｔａｔ  Ｕｎｉｔ）に置き、並びに白金線を膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）のカソード及びアノードの両端に接続する。金環を約摂氏１０５３度で軟化させて、膜電極アセンブリ或いはセルのカソードとセルテストステーションの酸化アルミニウムチューブ端を封じ、アノードカソードの反応室（Ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｃｈａｍｂｅｒ）を隔離して気密レベルを達成する。
【００７０】
その設備装置表示図及びセル反応室（ｃｅｌｌ  ｃｈａｍｂｅｒ）は図４に示される。カソードとアノードの白金導線は、それぞれ例えばＰｒｏｂｏＳｔａｔ−［ｓｏｌａｒｔｒｏｎ−ＳＩ−１２８７（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）／１２６７（Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ／Ｇａｉｎ−Ｐｈａｓｅ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）システムに接続し、セル運転データ収集し（ｃｅｌｌ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｄａｔａ  ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）、それは、電圧／電流／パワー密度（Ｖ−Ｉ−Ｐ）対時間（ｔｉｍｅ）関係と、温度関係データ記録を包含する。］
【００７１】
ステップ３０の後、ステップ３１を実行する。ステップ３１では、セルテストステーションを高温炉中に置き、摂氏１度／分（一般には摂氏３度／分より小さい）の昇温速度で約摂氏１０５３度まで加熱し（たとえばＰｒｏｂｏＳｔａｔ）し、同時にアノードに窒素ガスを通入し、金環密封時のカソード及びアノード反応室のリーク測定ガスとなす。膜電極アセンブリのカソードアノード両端の反応室の隔離確定して、ガスが相互の流通、ガス漏れを有さないようにする。
【００７２】
ステップ３１の後、ステップ３２を実行する。ステップ３２では、アノードにＨ2を通入してアノードＮｉＯを還元してＮｉとなし、並びに同時に、カソードに空気を通入する。オープンサーキット電圧（ＯＣＶ）が１．０Ｖ（摂氏８００度下）以上に達し得るかを測定し、膜電極アセンブリ（セル）の構造の良否を確認する。電池のＶ−Ｉ−Ｐと電子インピーダンススペクトラム（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｉｍｐｅｄａｎｃｅ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ：ＥＩＳ）を測定し、記録を保持し、その電気性能を確認し、電池と導線の接続が良好であるか否かを判断する。ゆえに膜電極アセンブリの電気性能試験初期は、Ｈ2（ａｎｏｄｅ）／ａｉｒ（ｃａｔｈｏｄｅ）をシステムガスとなし、電池とシステムが正確で良好であるかを検証する。その試験結果は図５に示される。
【００７３】
ステップ３２の後、ステップ３３を実行する。ステップ３３では、アノードへの入気を変更せずに保持しつつ、カソード注入ガスをＣＯ2に変更し、摂氏８４０度、８９０度、９３８度下で、そのＯＣＶとＶ−Ｉ−Ｐとカソード反応産物（Ｐｒｏｄｕｃｔｓ：ＣＯ2／ＣＯ／Ｏ2）の成分と濃度を試験及び記録する。
【００７４】
ＣＯ2が第１固体酸化物燃料電池のカソード酸化剤ガスであり得ることが確認されて、  ＣＯ2（ｇ）→ＣＯ（ｇ）＋１／２Ｏ2（ｇ）はカソードにおいて実行可能であることが示され、且つ順調にＯ2が電気化学反応中に提供され、電流が発生することを示す。
【００７５】
実験結果は、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄと表１、表２に示され、本システムの正確さとＳＯＦＣ−ＣＯ2−ＥＣＣの実行可能性が確認される。
【００７６】
ＣＯ濃度は、２７．８３ｍｏｌ％に達し（すなわちＣＯ2変換率（Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  ｏｆ  ＣＯ2＝０．２７８３））、Ｏ2濃度は単一反応循環状況（Ｏｎｅ  ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｐａｓｓ）にあって０％とされ、二酸化炭素分解で発生するＯ2がカソードで完全に消耗されることを示す。
【００７７】
ステップ３３の後、ステップ３４を実行する。ステップ３４では、セル動作試験完成後、ガス流量を小さく調整し、アノードを還元雰囲気状態に維持し、摂氏１度／分（一般には摂氏３度／分）の降温速度で室温まで降温する。温度が室温まで下がった後に、入気を全部遮断する。こうしてシステムの主要な試験を完成する。
【００７８】
最期にステップ３５を実行する。ステップ３５では、セル動作データを検査し、本プロセスの実行可能性の成功を確認する（Ｉｄｅｎｔｉｆｙ  ｔｈｅ  ｆｅａｓｉｂｌｅ  ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＳＯＦＣ−ＣＯ2−ＥＣＣ）。
【００７９】
この試験の結果、本発明が有効に温室ガスの元凶ＣＯ2を処理でき、一方でそれを第２固体酸化物燃料電池に循環使用して電力を発生し、もう一方でそれを分解してＣＯとなすことが検証された。ＣＯの活性は大きく、且つその他の水素或いは酸素物質と化合反応により有用な固体或いは液体化合物となすことができ、大気中のＣＯ2を固体化或いは液体化し、省エネ炭素減少の目的を達成し、ＣＯ2温室ガスを除去する。
【００８０】
さらに、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄに示されるのは、試験システムの、異なる操作温度下での、Ｈ2、Ｎ2及びＣＯ2でそれぞれアノードとカソードのＣＯ2変換率試験結果図であり、異なる操作温度下で、反応物ＣＯ2と生成物ＣＯの濃度対操作電位の試験結果図 である。図７Ａは摂氏８４０度、図７Ｂは摂氏８９０度、図７Ｃは摂氏９３８度、摂氏９３８度の操作温度下で、反応物ＣＯ2と生成物ＣＯの濃度対反応物供給フローレートの試験結果は図７Ｄに示される。
【００８１】
【表１】
0005468533.tif 000002
【００８２】
【表２】
0005468533.tif 000003
【００８３】
以上述べたことは、本発明の実施例にすぎず、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲に基づきなし得る同等の変化と修飾は、いずれも本発明の権利のカバーする範囲内に属するものとする。
【符号の説明】
【００８４】
１０  第１固体酸化物燃料電池
１１  第２固体酸化物燃料電池
１２  化学反応器
１３  一酸化炭素ストリッパー
４０  アノード
４１  ガスシール装置
４２  カソード
４３  ガス分析器
４４  電解質
【図１Ａ】
0005468533.tif 000004
【図１Ｂ】
0005468533.tif 000005
【図２】
0005468533.tif 000006
【図３】
0005468533.tif 000007
【図４】
0005468533.tif 000008
【図５】
0005468533.tif 000009
【図６】
0005468533.tif 000010
【図７Ａ】
0005468533.tif 000011
【図７Ｂ】
0005468533.tif 000012
【図７Ｃ】
0005468533.tif 000013
【図７Ｄ】
0005468533.tif 000014