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公開番号2025161368
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-24
出願番号2024064494
出願日2024-04-12
発明の名称共電解メタネーション装置
出願人大阪瓦斯株式会社
代理人弁理士法人R&C
主分類C25B 15/08 20060101AFI20251017BHJP(電気分解または電気泳動方法;そのための装置)
要約【課題】メタン純度を維持し、プロセス出口ガスの単位体積当たりの熱量を高位に保つ共電解メタネーション装置の提供。
【解決手段】水蒸気と二酸化炭素を電解する共電解部と、水蒸気と二酸化炭素の流量を制御する流量制御手段と、メタン合成部と、を備える共電解メタネーション装置であって、電解電圧制御手段と、電解電流計測手段と、ガス利用率算出手段と、をさらに備え、流量制御手段は共電解部に第1制御流量値として水蒸気と二酸化炭素を供給し、電解電流計測手段は第1実績電解電流値として電流値を計測し、ガス利用率算出手段は第1制御流量値として供給した水蒸気と二酸化炭素の全量が水素と一酸化炭素に電解される場合の電解電流値を第1理論電解電流値として算出し、第1理論電解電流値に対する第1実績電解電流値の割合を第1実績ガス利用率とし、流量制御手段は第1実績ガス利用率に基づき水蒸気と二酸化炭素の流量を第2制御流量値として制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
水蒸気及び二酸化炭素を電気分解して水素、一酸化炭素、水蒸気及び二酸化炭素を含む合成ガスを生成する共電解部と、
前記共電解部のカソード極に供給する前記水蒸気及び前記二酸化炭素の各流量を制御する流量制御手段と、
前記合成ガスを冷却して水を分離し、圧縮する水分離・圧縮部と、
水が分離された合成ガスをメタン化触媒に通じてメタネーションを行うメタン合成部と、
前記メタン合成部より送出されるガスからメタンを分離する分離部と、
を備える共電解メタネーション装置であって、
前記共電解部に電解電力を供給する電解電圧制御手段と、
電解電流を計測する電解電流計測手段と、
ガス利用率算出手段と、が備えられており、
前記流量制御手段は、前記共電解部に前記水蒸気及び前記二酸化炭素の各流量を第１制御流量値として供給して安定化させ、
前記電解電流計測手段は、前記電解電流の安定化時における電流値を第１実績電解電流値として計測し、
前記ガス利用率算出手段は、前記第１制御流量値に基づいて供給した前記水蒸気及び前記二酸化炭素の全量が水素と一酸化炭素に電解される場合に相当する電解電流値を、第１理論電解電流値として算出し、当該第１理論電解電流値に対する前記第１実績電解電流値の割合を第１実績ガス利用率（αｒ１）として算出し、当該第１実績ガス利用率（αｒ１）に基づいて、前記水蒸気及び前記二酸化炭素の各流量を第２制御流量値として算出し、
前記流量制御手段は、前記第２制御流量値に基づいて前記水蒸気と前記二酸化炭素の各流量を制御する、共電解メタネーション装置。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
前記第１制御流量値は、第１目標ガス利用率によって前記水蒸気と前記二酸化炭素の流量比が決定される、請求項１に記載の共電解メタネーション装置。
【請求項３】
前記第２制御流量値は、前記水蒸気と前記二酸化炭素の合計流量、前記水蒸気と前記二酸化炭素の流量比のうち少なくとも１つ以上が、前記第１制御流量値から変更して決定される、請求項２に記載の共電解メタネーション装置。
【請求項４】
前記水蒸気と前記二酸化炭素の流量比は、供給ガス利用率（α）をもとに以下の（１）式により算出される、請求項３に記載の共電解メタネーション装置。
４００／供給ガス利用率（％）－１・・・（１）
【請求項５】
前記ガス利用率算出手段は、前記第１実績ガス利用率（αｒ１）と前記第１目標ガス利用率とを対比し、これが一致しない場合、前記第１制御流量値の決定に用いた前記第１目標ガス利用率となるように前記第２制御流量値を変更する、請求項３に記載の共電解メタネーション装置。
【請求項６】
前記ガス利用率算出手段は、前記第１実績ガス利用率（αｒ１）と前記第１目標ガス利用率とが一致しない場合、前記第１実績ガス利用率（αｒ１）となるように前記第２制御流量値を変更する、請求項３に記載の共電解メタネーション装置。
【請求項７】
前記ガス利用率算出手段は、前記第１実績ガス利用率（αｒ１）と前記第１目標ガス利用率とが一致しない場合、前記第１実績ガス利用率（αｒ１）及び前記供給ガス利用率（α）以外の任意の目標ガス利用率となるように前記第２制御流量値を変更する、請求項４に記載の共電解メタネーション装置。
【請求項８】
前記ガス利用率算出手段は、前記二酸化炭素の供給流量を前記共電解部の劣化に応じて変更し、前記水蒸気の供給流量を前記共電解部の劣化に応じて前記第１制御流量値から変更しない、請求項４に記載の共電解メタネーション装置。
【請求項９】
前記流量制御手段は、前記第２制御流量値に基づいて前記水蒸気及び前記二酸化炭素の各流量を供給して安定化させ、
前記電解電流計測手段は、安定化時における電流値を第２実績電解電流値として計測し、
前記ガス利用率算出手段は、前記第２制御流量値に基づいて供給した前記水蒸気及び前記二酸化炭素の全量が水素と一酸化炭素に電解される場合に相当する電解電流値を、第２理論電解電流値として算出し、当該第２理論電解電流値に対する前記第２実績電解電流値の割合を第２実績ガス利用率（αｒ２）として算出し、当該第２実績ガス利用率（αｒ２）に基づいて、前記水蒸気及び前記二酸化炭素の各流量を第３制御流量値として算出し、
前記流量制御手段は、前記第３制御流量値に基づいて前記水蒸気と前記二酸化炭素の各流量を制御する、請求項１～８のいずれか１項に記載の共電解メタネーション装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＯＥＣ共電解メタネーション装置に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形電解セル（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓＣｅｌｌ：ＳＯＥＣ）により、原料となる二酸化炭素と水蒸気を共電解して一酸化炭素と水素を生成し、後段に設けたメタネーション装置で一酸化炭素と水素からメタンを製造する方法が知られている。
【０００３】
共電解のカソード極では、原料である二酸化炭素と水蒸気を完全に一酸化炭素と水素に変換する（利用率１００％）ことは困難であり、カソード極では、一酸化炭素と水素の他、電解されなかった二酸化炭素と水蒸気も混合している。水蒸気はメタネーション前段に設けた気液分離器で水として除去される。メタネーション装置にてメタンを生成する共電解メタネーション装置においては、共電解部のカソード部に供給する二酸化炭素と水蒸気の流量が最適かつ精密に制御されないと、メタネーション出口のガス組成において、メタン以外の二酸化炭素や水素の濃度が増加し、メタン純度が低下するという問題があった。
【０００４】
また、プラントの寿命として求められる数年レベルの長期運転においては、ＳＯＥＣセルスタックの基本性能の変化によって、目標とするメタン純度が維持できなくなることが起こりうる。
【０００５】
これらの問題を解決するために、特許文献１のような方法が提案されている。特許文献１は、二酸化炭素と水素からメタネーションを行う場合の、メタン生成に用いられる生成ガスの品質確保を目的としたものであり、メタン製造装置において、第一、及び第二の反応器を備え、第一反応器への供給ガス中のＣＯ／Ｈ
２
のガスを計測し、追加の水素供給を行うとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２０－１５８４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
共電解メタネーション装置は、量論比となる一酸化炭素、水素、二酸化炭素が、最適比で供給されない場合には追加の原料供給部が必要となり、高コストな装置となる。共電解メタネーション装置では、電解時における、外気温や温度調節機構の変動による共電解スタックの動作温度の変化、あるいはセルスタックの経年劣化が生じた場合、セルスタックのＩ－Ｖ（電解電流－電解電圧）の変化が生じ、目標電圧値に到達する際の電解電流に変化が生じる。この場合、当初想定した合計供給ガス利用率（α）に到達できないこととなり、想定した一酸化炭素、水素の生成比が実現できないこととなり、結果としてメタン純度が低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、共電解のセルスタックの電解性能に変化を生じても、メタンの純度を維持し、プロセス出口ガスの単位体積当たりの熱量を高位に保つことができる共電解メタネーション装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係る共電解メタネーション装置の特徴構成は、
水蒸気及び二酸化炭素を電気分解して水素、一酸化炭素、水蒸気及び二酸化炭素を含む合成ガスを生成する共電解部と、
前記共電解部のカソード極に供給する前記水蒸気及び前記二酸化炭素の各流量を制御する流量制御手段と、
前記合成ガスを冷却して水を分離し、圧縮する水分離・圧縮部と、
水が分離された合成ガスをメタン化触媒に通じてメタネーションを行うメタン合成部と、
前記メタン合成部より送出されるガスからメタンを分離する分離部と、
を備える共電解メタネーション装置であって、
前記共電解部に電解電力を供給する電解電圧制御手段と、
電解電流を計測する電解電流計測手段と、
ガス利用率算出手段と、が備えられており、
前記流量制御手段は、前記共電解部に前記水蒸気及び前記二酸化炭素の各流量を第１制御流量値として供給して安定化させ、
前記電解電流計測手段は、前記電解電流の安定化時における電流値を第１実績電解電流値として計測し、
前記ガス利用率算出手段は、前記第１制御流量値に基づいて供給した前記水蒸気及び前記二酸化炭素の全量が水素と一酸化炭素に電解される場合に相当する電解電流値を、第１理論電解電流値として算出し、当該第１理論電解電流値に対する前記第１実績電解電流値の割合を第１実績ガス利用率（αｒ１）として算出し、当該第１実績ガス利用率（αｒ１）に基づいて、前記水蒸気及び前記二酸化炭素の各流量を第２制御流量値として算出し、
前記流量制御手段は、前記第２制御流量値に基づいて前記水蒸気と前記二酸化炭素の各流量を制御する点にある。
【００１０】
外気温や温度調節機構の変動による共電解部の動作温度の変化や共電解の経年劣化が生じた場合、電解電圧制御手段の目標電圧に到達する際の電解電流に変化が生じる。この場合、当初想定されていたガス利用率に到達できず、当初想定されていた水素と一酸化炭素の生成比が実現できないこととなり、出口ガスにおけるメタン純度が低下する。
（【００１１】以降は省略されています）

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