CN117987848A - 电解合成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电解合成系统。电解合成系统(10)具有电解装置(18)、合成装置(20)和控制装置(87)，其中，电解装置对二氧化碳气体和水蒸气进行电解；合成装置由通过电解生成的氢气和一氧化碳气体合成碳氢化合物气体。控制装置(87)以从电解装置(18)排出的包含氢气和一氧化碳气体的混合气体中的氢气与一氧化碳气体的浓度比，即第1浓度比为规定的目标浓度比的方式对供给至电解装置(18)的水蒸气的流量进行调节。据此，能够抑制碳氢化合物气体的合成效率的降低，而且，有助于大幅削减废弃物的产生。

Description

电解合成系统
技术领域
本发明涉及一种电解合成系统。
背景技术
近年来，用于通过防止产生、削减、再生利用和再利用废弃物来大幅度削减废弃物的产生的举措变得活跃。为了实现这一举措，正在进行关于电解合成系统的研究开发。电解合成系统是对二氧化碳气体和水蒸气进行电解，基于通过电解获得的氢气和一氧化碳气体来合成甲烷等碳氢化合物气体的系统。
在日本发明专利公开公报特开2022-022978号中公开一种甲醇和甲烷的联产方法。该方法包括电解工序和甲烷合成工序。在电解工序中，水蒸气和二氧化碳气体被固体氧化物型电解单元还原，生成氢气和一氧化碳气体。在甲烷合成工序中，使用甲烷化催化剂，由在电解工序中生成的氢气和一氧化碳气体合成甲烷。
发明内容
在日本发明专利公开公报特开2022-022978号的甲烷合成工序中的合成反应的化学反应式为“3H2+CO→CH4+H2O”。因此，为了提高日本发明专利公开公报特开2022-022978号的甲烷合成工序中的甲烷的合成效率，优选在日本发明专利公开公报特开2022-022978号的电解工序中获得的氢气与一氧化碳气体之比为“3:1”。
但是，一般而言，在电解工序中获得的氢气和一氧化碳气体的浓度比由于固体氧化物型电解单元的劣化等各种因素而存在变动的倾向。当在电解工序中获得的氢气和一氧化碳气体的浓度比变动时，产生由氢气和一氧化碳气体合成的甲烷等碳氢化合物的合成效率降低的问题。
本发明的目的在于解决上述的技术问题。
本发明的技术方案为一种电解合成系统，该电解合成系统具有电解装置和合成装置，其中，所述电解装置对二氧化碳气体和水蒸气进行电解；所述合成装置由通过所述电解生成的氢气和一氧化碳气体合成碳氢化合物气体，所述电解合成系统具有第1分析仪和控制装置，其中，所述第1分析仪对从所述电解装置排出的包含所述氢气和所述一氧化碳气体的混合气体中的所述氢气与所述一氧化碳气体的浓度比，即第1浓度比进行测量；所述控制装置以所述第1浓度比为规定的目标浓度比的方式对供给至所述电解装置的所述水蒸气的流量进行调节。
根据上述的技术方案，能够在氢气与一氧化碳气体的配比为适当的状态下向合成装置供给各气体。因此，能够以不浪费且稳定的方式合成碳氢化合物气体。其结果，能够抑制碳氢化合物气体的合成效率的降低。而且，有助于大幅削减废弃物的产生。
通过参照附图对以下实施方式所做的说明，上述的目的、特征及优点应易于被理解。
附图说明
图1是表示实施方式的电解合成系统的结构的概略图。
图2是表示系统控制处理的步骤的流程图。
图3是表示预处理程序的步骤的流程图。
图4是表示常温启动程序的步骤的流程图。
图5是表示低温启动程序的步骤的流程图。
图6是表示常温稳态程序的步骤的流程图。
图7是表示低温稳态程序的步骤的流程图。
具体实施方式
〔实施方式〕
图1是表示实施方式的电解合成系统10的结构的概略图。电解合成系统10具有蒸汽发生器12、原料气体浓缩装置14、加热器16、电解装置18、合成装置20和碳氢化合物气体浓缩装置22。
蒸汽发生器12是产生水蒸气的装置。蒸汽发生器12使从供水罐30经由第1供水路径31供给的水和从原料气体浓缩装置14经由第2供水路径32供给的水蒸发。在供水罐30中例如储存有从净水处理设备供给的水。由蒸汽发生器12产生的水蒸气从蒸汽发生器12经由水蒸气路径33供给至加热器16。在水蒸气路径33上设置有单向阀34。
原料气体浓缩装置14是用于浓缩原料气体的装置。原料气体是二氧化碳气体。原料气体浓缩装置14具有相对于由原料气体供给源GS生成的包含原料气体的含原料气体中特定的气体的吸附容量比原料气体大且为1倍以上的吸附剂。原料气体供给源GS例如为工厂设备等。
原料气体浓缩装置14将从原料气体供给源GS经由排气路径35供给的含原料气体中的水分进行分离。另外，原料气体浓缩装置14使用压力变动吸附法(PSA法)对分离水分后的含原料气体中的原料气体进行浓缩。通过原料气体浓缩装置14分离后的水分从原料气体浓缩装置14经由第2供水路径32供给至蒸汽发生器12。通过原料气体浓缩装置14浓缩后的原料气体经由原料气体排出路径36供给至加热器16。
加热器16是加热装置。在加热器16上配置原料气体排出路径36的下游端部、水蒸气路径33的下游端部和混合气体供给路径37的上游端部。原料气体排出路径36的下游端部和水蒸气路径33的下游端部与混合气体供给路径37的上游端部连接。从原料气体浓缩装置14向原料气体排出路径36排出的原料气体(二氧化碳气体)和从蒸汽发生器12向水蒸气路径33排出的水蒸气流入混合气体供给路径37。加热器16对原料气体和水蒸气进行加热。通过加热器16加热后的原料气体和水蒸气经由混合气体供给路径37供给至电解装置18。
电解装置18是对二氧化碳气体和水蒸气进行电解的装置。电解装置18具有多个电解单元51。各电解单元51具有电解质膜52、燃料极53和氧极54。电解质膜52被燃料极53和氧极54夹持。电解质膜52例如为固体氧化物型电解质膜。燃料极53有时被称为阴极电极。氧极54有时被称为阳极电极。
电解装置18将从混合气体供给路径37供给的混合气体向各电解单元51的燃料极53供给。另外，电解装置18对各电解单元51的燃料极53和氧极54施加电压，使燃料极53与氧极54之间流通电流。当燃料极53与氧极54之间流通有电流时，电解装置18的温度逐渐上升。
各电解单元51随着电解装置18的温度上升而开始二氧化碳和水蒸气的电解。当二氧化碳和水蒸气的电解开始时，在燃料极53生成一氧化碳气体和氢气，在氧极54生成氧气。
电解装置18收集在各电解单元51生成的包含氧气的含氧气体，将该含氧气体向氧气排出路径38排出。另外，电解装置18收集在各电解单元51生成的包含氢气和一氧化碳气体的混合气体，将该混合气体向混合气体排出路径39排出。排出到氧气排出路径38的含氧气体例如被供给至大气中。排出到混合气体排出路径39的混合气体被供给至合成装置20。在混合气体排出路径39上设置有单向阀40。
合成装置20是从通过在电解装置18的电解而生成的氢气和一氧化碳气体合成碳氢化合物气体的装置。在本实施方式中，碳氢化合物气体为甲烷气体。合成装置20根据从电解装置18经由混合气体排出路径39供给的混合气体来合成碳氢化合物气体。合成装置20例如使用费托法，从混合气体中的氢气和一氧化碳气体合成碳氢化合物气体。
由合成装置20合成的包含碳氢化合物气体的含碳氢化合物气体被从合成装置20排出到碳氢化合物气体供给路径41。排出到碳氢化合物气体供给路径41的含碳氢化合物气体被供给至碳氢化合物气体浓缩装置22。
碳氢化合物气体浓缩装置22是用于浓缩碳氢化合物气体的装置。碳氢化合物气体浓缩装置22具有相对于含碳氢化合物气体中特定的气体的吸附容量比碳氢化合物气体大且为1倍以上的吸附剂。在本实施方式中，作为特定的气体，包含氢气、一氧化碳气体和二氧化碳气体。碳氢化合物气体浓缩装置22使用压力变动吸附法(PSA法)对含碳氢化合物气体中的碳氢化合物气体进行浓缩，并且分别将含碳氢化合物气体中的氢气、一氧化碳气体、二氧化碳气体进行分离。
通过碳氢化合物气体浓缩装置22浓缩后的碳氢化合物气体从碳氢化合物气体浓缩装置22经由碳氢化合物气体供给路径42被供给至例如碳氢化合物气体罐等。通过碳氢化合物气体浓缩装置22分离后的氢气从碳氢化合物气体浓缩装置22经由氢气排出路径43返回至混合气体排出路径39。通过碳氢化合物气体浓缩装置22分离后的一氧化碳气体从碳氢化合物气体浓缩装置22经由一氧化碳气体排出路径44返回至混合气体排出路径39。通过碳氢化合物气体浓缩装置22分离后的二氧化碳气体从碳氢化合物气体浓缩装置22经由二氧化碳气体排出路径45返回至原料气体排出路径36。
在本实施方式的电解合成系统10中，为了提高热的利用效率，具有第1热交换器61、第2热交换器62、第3热交换器63和第4热交换器64。
在第1热交换器61上配置有第2供水路径32的一部分和排气路径35的一部分。第1热交换器61形成为能够进行在第2供水路径32中流动的水与在排气路径35中流动的废气之间的热交换。在第2供水路径32中流动的水被加热，在排气路径35中流动的含原料气体被冷却。
在第2热交换器62上配置有原料气体排出路径36的一部分和氧气排出路径38的一部分。第2热交换器62形成为能够进行在原料气体排出路径36中流动的原料气体与在氧气排出路径38中流动的含氧气体之间的热交换。在原料气体排出路径36中流动的原料气体被加热，在氧气排出路径38中流动的含氧气体被冷却。
在第3热交换器63上配置有混合气体排出路径39的一部分和水蒸气路径33的一部分。第3热交换器63形成为能够进行在混合气体排出路径39中流动的混合气体与在水蒸气路径33中流动的水蒸气之间的热交换。在混合气体排出路径39中流动的混合气体被冷却，在水蒸气路径33中流动的水蒸气被加热。
在第4热交换器64上配置有混合气体排出路径39的一部分和碳氢化合物气体供给路径41的一部分。第4热交换器64形成为能够在混合气体排出路径39中流动的混合气体与在碳氢化合物气体供给路径41中流动的含碳氢化合物气体之间的热交换。在混合气体排出路径39中流动的混合气体被加热，在碳氢化合物气体供给路径41中流动的含碳氢化合物气体被冷却。
在本实施方式的电解合成系统10中，为了提高水的利用效率，具有第1除湿器71、第2除湿器72、第1排放罐73、第2排放罐74和离子交换树脂75。
第1除湿器71被配置于比第3热交换器63靠下游的混合气体排出路径39。第1除湿器71取出混合气体中的水分。在本实施方式中，第1除湿器71对混合气体进行冷却并将混合气体中的水分取出。第1除湿器71将从混合气体取出的水分向第1排水路径46排出。排出至第1排水路径46的水分被向第1排放罐73供给。
第2除湿器72被配置于比第4热交换器64靠下游的碳氢化合物气体供给路径41。第2除湿器72取出含碳氢化合物气体中的水分。在本实施方式中，第2除湿器72对含碳氢化合物气体进行冷却并将含碳氢化合物气体中的水分取出。第2除湿器72将从含碳氢化合物气体取出的水分向第2排水路径47排出。排出至第2排水路径47的水分被向第2排放罐74供给。
第1排放罐73储存从第1除湿器71经由第1排水路径46供给的水分。储存到第1排放罐73的水经由第3供水路径48被供给至离子交换树脂75。
第2排放罐74储存从第2除湿器72经由第2排水路径47供给的水分。储存到第2排放罐74的水经由第4供水路径49被供给至离子交换树脂75。
离子交换树脂75从来自第1排放罐73和第2排放罐74中的至少一方供给的水中将不需要的离子去除。离子交换树脂75可以为阳离子交换树脂。在该情况下，由于溶解的碳酸离子没有被去除，因此可以作为原料进行再利用。通过离子交换树脂75去除不需要的离子后的水经由第5供水路径50被供给至水蒸气路径33。
在本实施方式的电解合成系统10中，还具有主供水器81、副供水器82、第1供水泵83、第2供水泵84、第1鼓风机85、第2鼓风机86和控制装置87。
主供水器81是用于供给成为向电解装置18供给的水蒸气的水的一部分的装置。主供水器81在本实施方式中为供水泵。主供水器81将储存于供水罐30的水向蒸汽发生器12供给。通过控制装置87调节作为来自主供水器81的水的供给量的第1供给量。
副供水器82是用于供给成为向电解装置18供给的水蒸气的水的一部分的装置。副供水器82在本实施方式中为喷射器。副供水器82将从离子交换树脂75供给的水作为雾向水蒸气路径33供给。从离子交换树脂75供给的水是由第1除湿器71或第2除湿器72取出的水。通过控制装置87调节作为来自副供水器82的水的供给量的第2供给量。
第1供水泵83将储存于第1排放罐73的水向离子交换树脂75供给。来自第1供水泵83的水的供给量可以通过控制装置87调节，也可以固定。
第2供水泵84将储存于第2排放罐74的水向离子交换树脂75供给。来自第2供水泵84的水的供给量可以通过控制装置87调节，也可以固定。
第1鼓风机85将从原料气体供给源GS排出的包含原料气体的废气向排气路径35供给。通过控制装置87调节来自第1鼓风机85的含原料气体的供给量。
第2鼓风机86将含碳氢化合物气体从碳氢化合物气体供给路径41向碳氢化合物气体浓缩装置22供给。通过控制装置87调节来自第2鼓风机86的含碳氢化合物气体的供给量。
控制装置87是用于控制电解合成系统10的计算机。控制装置87具有操作单元、存储单元和运算单元。操作单元是能够接受操作员的指示的输入装置。存储单元能够由易失性存储器和非易失性存储器构成。作为易失性存储器，例如可列举出RAM等。作为非易失性存储器，例如可列举出ROM、闪速存储器等。运算单元包含CPU、MPU等处理器。
控制装置87根据由传感器组检测出的各种检测结果，对电解合成系统10所具有的各种设备进行控制。电解合成系统10所具有的各种设备包含蒸汽发生器12、原料气体浓缩装置14、加热器16、电解装置18、合成装置20、碳氢化合物气体浓缩装置22、主供水器81、副供水器82、第1供水泵83、第2供水泵84、第1鼓风机85和第2鼓风机86。传感器组包含第1分析仪91、第2分析仪92和温度传感器93。
第1分析仪91被设置于靠近电解装置18的混合气体排出路径39。第1分析仪91包含氢气浓度传感器、一氧化碳气体浓度传感器和浓度比运算部。氢气浓度传感器对混合气体中的氢气的浓度进行检测。一氧化碳气体浓度传感器对混合气体中的一氧化碳气体的浓度进行检测。浓度比运算部计算作为氢气与一氧化碳气体的浓度比的第1浓度比。在本实施方式中，计算氢气(H2)相对于一氧化碳气体(CO)的浓度比(H2/CO)作为第1浓度比。但是，也可以计算一氧化碳气体(CO)相对于氢气(H2)的浓度比(CO/H2)作为第1浓度比。
第2分析仪92被设置于靠近电解装置18的混合气体供给路径37。第2分析仪92包含二氧化碳气体浓度传感器、水蒸气浓度传感器和浓度比运算部。二氧化碳气体浓度传感器对混合气体中的二氧化碳气体的浓度进行检测。水蒸气浓度传感器对混合气体中的水蒸气的浓度进行检测。浓度比运算部计算作为二氧化碳气体与水蒸气的浓度比的第2浓度比。在本实施方式中，计算水蒸气(H2O)相对于二氧化碳气体(CO2)的浓度比(H2O/CO2)作为第2浓度比。但是，也可以计算二氧化碳气体(CO2)相对于水蒸气(H2O)的浓度比(CO2/H2O)作为第2浓度比。
温度传感器93被设置于室外。例如，温度传感器93被设置于室外所设置的供水罐30的外壁等。温度传感器93对外部空气温度进行检测。外部空气温度为室外的温度。
控制装置87在从操作单元接受到电解合成系统10的启动命令时，执行系统控制处理。图2是表示系统控制处理的步骤的流程图。
在步骤S1中，控制装置87判定电解合成系统10是否发生异常。电解合成系统10是否发生异常是根据表示电解合成系统10的异常的异常信号进行的判定。异常信号例如在电解合成系统10的构成要素发生故障的情况等下生成，并供给至控制装置87。在判定为电解合成系统10发生了异常的情况下，结束系统控制处理。另一方面，在判定为电解合成系统10没有发生异常的情况下，系统控制处理转移至预处理程序RT1。
在预处理程序RT1中，控制装置87执行用于向电解装置18供给二氧化碳气体和水蒸气的预处理。在后面说明预处理程序RT1的细节。当预处理程序RT1结束时，系统控制处理转移至步骤S2。
在步骤S2中，控制装置87将由温度传感器93检测出的外部空气温度与规定的温度阈值进行比较。温度阈值例如被设定为摄氏5℃。在外部空气温度为温度阈值以上的情况下，系统控制处理转移至常温启动程序RT2。另一方面，在外部空气温度小于温度阈值的情况下，系统控制处理转移至低温启动程序RT3。
在常温启动程序RT2中，控制装置87使用第2分析仪92，以优先于副供水器82的第2供给量的调节的方式对主供水器81的第1供给量进行调节。在后面说明常温启动程序RT2的细节。当常温启动程序RT2结束时，系统控制处理转移至常温稳态程序RT4。
在低温启动程序RT3中，控制装置87使用第2分析仪92，以优先于主供水器81的第1供给量的调节的方式对副供水器82的第2供给量进行调节。在后面说明低温启动程序RT3的细节。当低温启动程序RT3结束时，系统控制处理转移至低温稳态程序RT5。
在常温稳态程序RT4中，控制装置87使用第1分析仪91，以电解装置18的下游侧的气体组分的浓度比保持为目标浓度比的方式执行对副供水器82的第2供给量进行调节的反馈控制。在后面说明常温稳态程序RT4的细节。常温稳态程序RT4的反馈控制执行至对控制装置87提供停止命令为止。在对控制装置87提供停止命令时，系统控制处理转移至步骤S3。
在低温稳态程序RT5中，控制装置87使用第1分析仪91，以电解装置18的下游侧的气体组分的浓度比保持为目标浓度比的方式执行对主供水器81的第1供给量进行调节的反馈控制。在后面说明低温稳态程序RT5的细节。低温稳态程序RT5的反馈控制执行至对控制装置87提供停止命令为止。在对控制装置87提供停止命令时，系统控制处理转移至步骤S3。
在步骤S3中，控制装置87停止电解合成系统10所具有的各种设备的控制。另外，控制装置87在存储单元中存储所需事项。当电解合成系统10的控制停止且在存储单元中存储所需事项时，系统控制处理结束。
图3是表示预处理程序RT1的步骤的流程图。在步骤S1中判定为电解合成系统10没有发生异常的情况下，开始预处理程序RT1。
在步骤S10中，控制装置87启动蒸汽发生器12、加热器16、第1除湿器71和第2除湿器72。响应于该启动，蒸汽发生器12和加热器16的温度逐渐上升。另一方面，第1除湿器71和第2除湿器72的温度逐渐下降。当蒸汽发生器12、加热器16、第1除湿器71和第2除湿器72启动时，系统控制处理转移至步骤S11。
在步骤S11中，控制装置87将蒸汽发生器12、加热器16、第1除湿器71和第2除湿器72的温度分别与设定温度进行比较。蒸汽发生器12、加热器16、第1除湿器71和第2除湿器72的各个温度通过分别设置于蒸汽发生器12、加热器16、第1除湿器71和第2除湿器72的温度传感器(未图示)进行检测。设定温度分别因蒸汽发生器12、加热器16、第1除湿器71和第2除湿器72而不同。
在蒸汽发生器12、加热器16、第1除湿器71和第2除湿器72的各个温度未到达设定温度的情况下，系统控制处理停留于步骤S11。在蒸汽发生器12、加热器16、第1除湿器71和第2除湿器72的各个温度到达设定温度的情况下，系统控制处理转移至步骤S12。
在步骤S12中，控制装置87启动第1鼓风机85，开始从原料气体供给源GS向原料气体浓缩装置14供给含原料气体。另外，控制装置87启动第2鼓风机86，开始从碳氢化合物气体供给路径41向碳氢化合物气体浓缩装置22供给含碳氢化合物气体。当第1鼓风机85和第2鼓风机86启动时，系统控制处理转移至步骤S13。
在步骤S13中，控制装置87启动原料气体浓缩装置14和碳氢化合物气体浓缩装置22。当原料气体浓缩装置14启动时，开始向电解装置18供给原料气体。原料气体依次经由原料气体排出路径36、混合气体供给路径37被供给至电解装置18。此外，当原料气体浓缩装置14启动时，在向电解装置18进行水蒸气的主供给之前，先开始进行少量的水蒸气的次级供给。该水蒸气依次经由第2供水路径32、蒸汽发生器12、水蒸气路径33、混合气体供给路径37被供给至电解装置18。当原料气体浓缩装置14和碳氢化合物气体浓缩装置22启动时，系统控制处理转移至步骤S14。
在步骤S14中，控制装置87确认原料气体的检测流量与基准流量的偏差，即流量偏差。控制装置87从预先确定的原料气体的基准流量减去检测流量来计算流量偏差。流量偏差取正值或负值。检测流量为通过设置于原料气体排出路径36的流量传感器(未图示)检测出的流量。当确认到原料气体的流量偏差时，系统控制处理转移至步骤S15。
在步骤S15中，控制装置87对第1鼓风机85的转速进行校正。在原料气体的流量偏差取正值的情况下，控制装置87将第1鼓风机85的转速下降相当于流量偏差的转速量。在该情况下，从原料气体供给源GS向原料气体浓缩装置14供给的含原料气体的供给量减少。另一方面，在原料气体的流量偏差取负值的情况下，控制装置87将第1鼓风机85的转速提高相当于流量偏差的转速量。在该情况下，从原料气体供给源GS向原料气体浓缩装置14供给的含原料气体的供给量增加。此外，在不存在原料气体的流量偏差的情况(为零的情况)下，控制装置87不对第1鼓风机85的转速进行校正。在根据原料气体的流量偏差的有无校正第1鼓风机85的转速之后，系统控制处理转移至步骤S16。
在步骤S16中，控制装置87将原料气体的流量偏差的绝对值与规定的流量偏差阈值进行比较。在原料气体的流量偏差的绝对值不为流量偏差阈值以下的情况下，系统控制处理返回至步骤S14。另一方面，在原料气体的流量偏差的绝对值为流量偏差阈值以下的情况下，系统控制处理转移至步骤S2(图2)。
图4是表示常温启动程序RT2的步骤的流程图。当在步骤S2中获得外部空气温度为温度阈值以上的比较结果的情况下，开始常温启动程序RT2。在外部空气温度为温度阈值以上的情况下，不存在由于储存于供水罐30的水结冰而引起的不能向电解装置18充分供给水蒸气的可能性。因此，能够主要使用相比第1排放罐73和第2排放罐74不易耗尽的供水罐30中储存的水。
在步骤S21中，控制装置87启动主供水器81，开始向蒸汽发生器12供给水。供给至蒸汽发生器12的水变为水蒸气，依次经由水蒸气路径33、混合气体供给路径37被供给至电解装置18。通过主供水器81的启动，开始向电解装置18进行水蒸气的主供给。当主供水器81启动时，系统控制处理转移至步骤S22。
在步骤S22中，控制装置87确认第2浓度比与规定的目标浓度比的偏差，即第2浓度比偏差。在本实施方式中，在合成装置20中由氢气和一氧化碳气体合成甲烷气体。因此，在本实施方式中，目标浓度比为“3”。控制装置87从规定的目标浓度比减去由第2分析仪92测量出的第2浓度比来计算第2浓度比偏差。第2浓度比偏差取正值或负值。当确认到第2浓度比偏差时，系统控制处理转移至步骤S23。
在步骤S23中，控制装置87计算与第2浓度比偏差对应的水量。即，控制装置87将从目标浓度比减去第2浓度比得到的结果换算为水量。在第2浓度比偏差取正值的情况下，控制装置87计算水量的过剩量。另一方面，在第2浓度比偏差取负值的情况下，控制装置87计算水量的不足量。水量的计算例如使用第2浓度比偏差的绝对值越大而水量越大的规定函数。当计算出与第2浓度比偏差对应的水量时，系统控制处理转移至步骤S24。
在步骤S24中，控制装置87根据与第2浓度比偏差对应的水量，将主供水器81的第1供给量从初始水量开始变更。在本实施方式中，主供水器81为供水泵。因此，控制装置87通过控制供水泵的输水用电机的转速来变更主供水器81的第1供给量。
在作为与第2浓度比偏差对应的水量计算出水量的过剩量的情况下，控制装置87将输水用电机的转速下降相当于水量的过剩量的转速量，减少第1供给量。另一方面，在作为与第2浓度比偏差对应的水量计算出水量的不足量的情况下，控制装置87将输水用电机的转速提高相当于水量的不足量的转速量，增加主供水器81的第1供给量。
初始水量可以为预先确定的固定的默认值。或者，初始水量也可以为上次电解合成系统10的运转停止时的主供水器81的第1供给量。在该情况下，上次电解合成系统10的运转停止时的主供水器81的第1供给量在步骤S3(图2)中被存储于存储单元。在本实施方式中，主供水器81为供水泵。因此，在存储单元中存储供水泵的输水用电机的转速，作为上次电解合成系统10的运转停止时的主供水器81的第1供给量。当主供水器81的第1供给量变更时，系统控制处理转移至步骤S25。
在步骤S25中，控制装置87将第2浓度比偏差的绝对值与规定的浓度比偏差阈值进行比较。在第2浓度比偏差的绝对值不为浓度比偏差阈值以下的情况下，系统控制处理返回至步骤S22。另一方面，在第2浓度比偏差的绝对值为浓度比偏差阈值以下的情况下，系统控制处理转移至步骤S26。
在步骤S26中，控制装置87启动第1供水泵83和第2供水泵84，开始向离子交换树脂75供给水。当第1供水泵83和第2供水泵84启动时，系统控制处理转移至步骤S27。
在步骤S27中，控制装置87开始对电解单元51的燃料极53与氧极54之间通电。在开始对电解单元51的电极之间通电时，系统控制处理转移至步骤S28。
在步骤S28中，控制装置87使用设置于电解装置18的电流传感器或电压传感器，对电解单元51的电极间流通的电流的电流值进行监视。在电解单元51的电极间流通的电流未到达规定的电流值的情况下，电解单元51中的电解反应容易变得不稳定。因此，在电解单元51的电极间流通的电流未到达规定的电流值的情况下，系统控制处理停留于步骤S28。另一方面，当电解单元51的电极间流通的电流到达规定的电流值时，电解单元51中的电解反应稳定。在该情况下，系统控制处理转移至常温稳态程序RT4(图2)。
图5是表示低温启动程序RT3的步骤的流程图。当在步骤S2中获得外部空气温度小于温度阈值的比较结果的情况下，开始低温启动程序RT3。在外部空气温度小于温度阈值的情况下，存在由于储存于供水罐30的水结冰而引起的不能向电解装置18充分供给水蒸气的可能性。因此，能够主要使用相比供水罐30不易结冰的第1排放罐73和第2排放罐74中储存的水。
在步骤S31中，控制装置87启动第1供水泵83和第2供水泵84，开始向离子交换树脂75供给水。当第1供水泵83和第2供水泵84启动时，系统控制处理转移至步骤S32。
在步骤S32中，控制装置87启动副供水器82，开始向水蒸气路径33供给水。供给至水蒸气路径33的水通过加热器16的加热而变为水蒸气，经由混合气体供给路径37被供给至电解装置18。通过副供水器82的启动，开始向电解装置18进行水蒸气的主供给。在本实施方式中，副供水器82为喷射器。因此，控制装置87对喷射器的阀门按规定的开阀间隔开阀规定的开阀时间，向水蒸气路径33供给水。当副供水器82启动时，系统控制处理转移至步骤S33。
在步骤S33中，与步骤S22(图4)同样，控制装置87确认第2浓度比偏差。当确认到第2浓度比偏差时，系统控制处理转移至步骤S34。
在步骤S34中，与步骤S23(图4)同样，控制装置87计算与第2浓度比偏差对应的水量。当计算出与第2浓度比偏差对应的水量时，系统控制处理转移至步骤S35。
在步骤S35中，控制装置87根据与第2浓度比偏差对应的水量，将副供水器82的第2供给量从初始水量变更。在本实施方式中，副供水器82为喷射器。因此，控制装置87通过控制喷射器的阀门的开阀间隔和开阀时间中的至少一种来变更副供水器82的第2供给量。
在作为与第2浓度比偏差对应的水量计算出水量的过剩量的情况下，控制装置87例如将喷射器的阀门的开阀时间缩短相当于水量的过剩量的时间量，来减少副供水器82的第2供给量。另一方面，在作为与第2浓度比偏差对应的水量计算出水量的不足量的情况下，控制装置87例如将喷射器的阀门的开阀时间增加相当于水量的不足量的时间量，来增加副供水器82的第2供给量。
第2供给量的初始水量可以为预先确定的固定的默认值。或者，第2供给量的初始水量可以为上次电解合成系统10的运转停止时的副供水器82的第2供给量。在该情况下，上次电解合成系统10的运转停止时的副供水器82的第2供给量在步骤S3(图2)中被存储于存储单元。在本实施方式中，副供水器82为喷射器。因此，在存储单元中存储喷射器中阀门的开阀间隔和开阀时间中的至少一种，作为上次电解合成系统10的运转停止时的副供水器82的第2供给量。当副供水器82的第2供给量变更时，系统控制处理转移至步骤S36。
在步骤S36中，与步骤S25(图4)同样，控制装置87将第2浓度比偏差的绝对值与规定的浓度比偏差阈值进行比较。在第2浓度比偏差的绝对值不为浓度比偏差阈值以下的情况下，系统控制处理返回至步骤S33。另一方面，在第2浓度比偏差的绝对值为浓度比偏差阈值以下的情况下，系统控制处理转移至步骤S37。
在步骤S37中，控制装置87启动主供水器81，开始向蒸汽发生器12供给水。当主供水器81启动时，系统控制处理转移至步骤S38。
在步骤S38中，与步骤S27(图4)同样，控制装置87开始对电解单元51的燃料极53与氧极54之间通电。在开始对电解单元51的电极之间通电时，系统控制处理转移至步骤S39。
在步骤S39中，与步骤S28(图4)同样，控制装置87对电解单元51的电极间流通的电流的电流值进行监视。在电解单元51的电极间流通的电流未到达规定的电流值的情况下，系统控制处理停留于步骤S39。另一方面，当电解单元51的电极间流通的电流到达规定的电流值时，系统控制处理转移至低温稳态程序RT5(图2)。
图6是表示常温稳态程序RT4的步骤的流程图。在步骤S28(图4)中电解单元51的电极间流通的电流到达规定的电流值之后，开始常温稳态程序RT4。
在步骤S41中，控制装置87确认第1浓度比与规定的目标浓度比的偏差，即第1浓度比偏差。控制装置87从规定的目标浓度比减去由第1分析仪91测量出的第1浓度比来计算第1浓度比偏差。第1浓度比偏差取正值或负值。当确认到第1浓度比偏差时，系统控制处理转移至步骤S42。
在步骤S42中，控制装置87计算与第1浓度比偏差对应的水量。即，控制装置87将从目标浓度比减去第1浓度比得到的结果换算为水量。在第1浓度比偏差取正值的情况下，控制装置87计算水量的过剩量。另一方面，在第1浓度比偏差取负值的情况下，控制装置87计算水量的不足量。水量的计算例如使用第1浓度比偏差的绝对值越大而水量越大的规定函数。当计算出与第1浓度比偏差对应的水量时，系统控制处理转移至步骤S43。
在步骤S43中，控制装置87根据与第1浓度比偏差对应的水量，将副供水器82的第2供给量从初始水量开始变更。副供水器82的第2供给量以与在步骤S35(图5)中的上述情况相同的方式变更。当副供水器82的第2供给量变更时，系统控制处理转移至步骤S44。
在步骤S44中，控制装置87将第1浓度比偏差的绝对值与规定的浓度比偏差阈值进行比较。在第1浓度比偏差的绝对值超过浓度比偏差阈值的情况下，返回至步骤S41。在第1浓度比偏差的绝对值为浓度比偏差阈值以下的情况下，转移至步骤S45。
在步骤S45中，控制装置87判定是否停止电解合成系统10。在没有对控制装置87提供停止命令的情况下，系统控制处理返回至步骤S41。另一方面，在对控制装置87提供停止命令的情况下，系统控制处理转移至步骤S3。
图7是表示低温稳态程序RT5的步骤的流程图。在步骤S39(图5)中电解单元51的电极间流通的电流到达规定的电流值之后，开始低温稳态程序RT5。
在步骤S51中，与步骤S41(图6)同样，控制装置87确认第1浓度比偏差。当确认到第1浓度比偏差时，系统控制处理转移至步骤S52。
在步骤S52中，与步骤S42(图6)同样，控制装置87计算与第1浓度比偏差对应的水量。当计算出与第1浓度比偏差对应的水量时，系统控制处理转移至步骤S53。
在步骤S53中，控制装置87根据与第1浓度比偏差对应的水量来变更主供水器81的第1供给量。主供水器81的第1供给量以与在步骤S24(图4)中的上述情况相同的方式变更。当主供水器81的第1供给量变更时，系统控制处理转移至步骤S54。
在步骤S54中，控制装置87将第1浓度比偏差的绝对值与规定的浓度比偏差阈值进行比较。在第1浓度比偏差的绝对值超过浓度比偏差阈值的情况下，返回至步骤S51。在第1浓度比偏差的绝对值为浓度比偏差阈值以下的情况下，转移至步骤S55。
在步骤S55中，控制装置87将储存于第1排放罐73的水的水位及储存于第2排放罐74的水的水位与规定的水位阈值进行比较。比较原因是由于，在低温启动程序RT3中，在储存于供水罐30的水进行供给前持续进行储存于第1排放罐73及第2排放罐74的水(排放水)的供给(参照图5)。
储存于第1排放罐73的水的水位通过配置于第1排放罐73的内部的第1水位传感器进行检测。储存于第2排放罐74的水的水位通过配置于第2排放罐74的内部的第2水位传感器进行检测。水位阈值可以在第1排放罐73和第2排放罐74中共用。或者，水位阈值也可以在第1排放罐73和第2排放罐74中分别不同。
在第1排放罐73和第2排放罐74中的至少一方的水的水位为水位阈值以上的情况下，系统控制处理转移至步骤S57。另一方面，在第1排放罐73和第2排放罐74双方的水的水位小于水位阈值的情况下，系统控制处理转移至步骤S56。
在步骤S56中，控制装置87降低副供水器82的第2供给量。控制装置87也可以停止副供水器82。在控制装置87降低副供水器82的第2供给量的情况下，也可以将主供水器81的第1供给量与副供水器82中降低的水量的量相加。当副供水器82的第2供给量降低时，系统控制处理转移至步骤S57。
在步骤S57中，控制装置87判定是否停止电解合成系统10。在没有对控制装置87提供停止命令的情况下，系统控制处理返回至步骤S51。另一方面，在对控制装置87提供停止命令的情况下，系统控制处理转移至步骤S3。
在以上所述的本实施方式中，控制装置87以电解装置18的下游侧的气体组分比(第1浓度比)成为规定的目标浓度比的方式，对供给至电解装置18的水蒸气的流量进行调节。由此，能够将氢气和一氧化碳气体以适当的浓度比供给至合成装置20。其结果，能够以不浪费且稳定的方式合成碳氢化合物气体。
电解装置18在流通于电解装置18的电极之间的电流成为规定的电流值之前，容易使电解装置18的电解反应变得不稳定。在本实施方式中，在供给至电解装置18的电流成为规定的电流值之前的期间，控制装置87根据电解装置18的上游侧的气体组分比(第2浓度比)来调节供给至电解装置18的水蒸气的流量。由此，即使电解装置18的电解反应不稳定，也能够使电解装置18的下游侧的气体组分比接近目标浓度比。
另外，在本实施方式中，具有向蒸汽发生器12供给水的主供水器81和向连通蒸汽发生器12和加热器16的水蒸气路径33供给水的副供水器82。控制装置87通过控制主供水器81的第1供给量和副供水器82的第2供给量来调节从加热器16向电解装置18供给的水蒸气的流量。由此，与供给系统为1个系统的情况相比，能够稳定地向电解装置18供给水蒸气。
另外，在本实施方式中，具有将从电解装置18排出的混合气体中的水分取出的第1除湿器71和将从合成装置20排出的含碳氢化合物气体中的水分取出的第2除湿器72。副供水器82用于供给由第1除湿器71或第2除湿器72取出的水。由此，能够提高水的利用效率。
另外，在本实施方式中，控制装置87根据由温度传感器93检测到的外部空气温度来切换主供水器81的第1供给量的调节和副供水器82的第2供给量的调节。由此，能够抑制由于低温时的水结冰而不能向电解装置18供给水蒸气的情况。
另外，在本实施方式中，在由温度传感器93检测到的外部空气温度为规定的温度阈值以下的情况下，控制装置87以优先于第1供给量的调节的方式对第2供给量进行调节。由此，即使外部空气温度低，也能够将由第1除湿器71或第2除湿器72回收的水经由加热器16作为水蒸气供给至电解装置18。其结果，即使供给至蒸汽发生器12的水结冰，也能够向电解装置18供给水蒸气。
〔变形例〕
上述实施方式可以如以下这样变形。
(变形例1)
在常温稳态程序RT4(图6)中，控制装置87也可以对第1排放罐73和第2排放罐74中储存的水的水位进行监视。例如，控制装置87将储存于第1排放罐73的水的水位及储存于第2排放罐74的水的水位与规定的水位阈值进行比较。
在第1排放罐73和第2排放罐74双方的水的水位小于水位阈值的情况下，控制装置87由副供水器82的第2供给量的控制切换为主供水器81的第1供给量的控制。之后，当第1排放罐73和第2排放罐74中的至少一方的水的水位成为水位阈值以上时，控制装置87从主供水器81的第1供给量的控制返回至副供水器82的第1供给量的控制。
由此，与不对第1排放罐73和第2排放罐74中储存的水的水位进行监视的情况相比，能够更稳定地向电解装置18供给水蒸气。
(变形例2)
控制装置87可以根据外部空气温度来切换主供水器81的第1供给量与副供水器82的第2供给量的配比。
在外部空气温度不为规定的温度阈值以下的情况下，不存在供水能力比第1排放罐73和第2排放罐74高的供水罐30的水结冰的可能性。在该情况下，控制装置87使主供水器81的第1供给量的配比多于副供水器82的第2供给量。例如，在向电解装置18供给的成为水蒸气的水为“10”的情况下，控制装置87将主供水器81的水的第1供给量设定为“9”，将副供水器82的第2供给量设定为“1”。
另一方面，在外部空气温度为规定的温度阈值以下的情况下，控制装置87使副供水器82的第2供给量的配比多于主供水器81的第1供给量。例如，在向电解装置18供给的成为水蒸气的水为“10”的情况下，控制装置87将主供水器81的水的第1供给量设定为“4”，将副供水器82的第2供给量设定为“6”。
由此，与不切换主供水器81的第1供给量与副供水器82的第2供给量的配比的情况相比，能够更稳定地向电解装置18供给水蒸气。
(变形例3)
控制装置87可以对供给至电解装置18的二氧化碳气体的流量进行调节。例如，控制装置87通过控制设置于原料气体排出路径36的流量调节阀的开度，来调节供给至电解装置18的二氧化碳气体的流量。
在常温启动程序RT2或低温启动程序RT3中，控制装置87使用第2分析仪92对设置于原料气体排出路径36的流量调节阀的开度进行控制。另外，在常温稳态程序RT4或低温稳态程序RT5中，控制装置87使用第1分析仪91对流量调节阀的开度进行反馈控制。
此外，控制装置87在对设置于原料气体排出路径36的流量调节阀的开度进行控制的情况下，可以对电解装置18中流通的电流的电流值进行控制。例如，控制装置87可以随着流量调节阀的开度越大而使电解装置18中流通的电流的电流值越大。
(变形例4)
氢气(或水蒸气)与一氧化碳气体(或二氧化碳气体)的目标浓度比不限定于上述实施方式的“3:1”。例如，当在合成装置20中合成甲醇时，化学反应式为“CO+2H2→CH3OH”。在该情况下，目标浓度比为“2:1”。另外，例如当在合成装置20中合成乙醇时，化学反应式为“3H2O+2CO2→C2H5OH+3O2”。在该情况下，目标浓度比为“3:2”。
〔发明〕
在以下中记载能够根据以上的记载掌握的发明和效果。
(1)本发明为一种电解合成系统(10)，该电解合成系统具有电解装置(18)和合成装置(20)，其中，所述电解装置对二氧化碳气体和水蒸气进行电解；所述合成装置由通过所述电解生成的氢气和一氧化碳气体合成碳氢化合物气体。本发明的电解合成系统具有第1分析仪(91)和控制装置(87)，其中，所述第1分析仪对从所述电解装置排出的包含所述氢气和所述一氧化碳气体的混合气体中的所述氢气与所述一氧化碳气体的浓度比，即第1浓度比进行测量；所述控制装置以所述第1浓度比为规定的目标浓度比的方式对供给至所述电解装置的所述水蒸气的流量进行调节。
由此，能够以适当的浓度比向合成装置供给氢气和一氧化碳气体。其结果，能够以不浪费且稳定的方式合成碳氢化合物气体。而且，有助于大幅削减废弃物的产生。
(2)本发明为上述(1)所述的电解合成系统，可以为，还具有第2分析仪(92)，所述第2分析仪对供给至所述电解装置的包含所述二氧化碳气体和所述水蒸气的混合气体中的所述二氧化碳气体与所述水蒸气的浓度比，即第2浓度比进行测量，在所述电解装置中流通的电流成为规定的电流值之前，所述控制装置以所述第2浓度比为所述目标浓度比的方式来调节所述水蒸气的流量。由此，即使电解装置的电解反应不稳定，也能够使电解装置的下游侧的气体组分比接近目标浓度比。
(3)本发明为上述(1)所述的电解合成系统，可以为，还具有蒸汽发生器(12)、加热器(16)、主供水器(81)和副供水器(82)，其中，所述蒸汽发生器使水蒸发；所述加热器对由所述蒸汽发生器生成的所述水蒸气进行加热；所述主供水器向所述蒸汽发生器供给所述水；所述副供水器向连通所述蒸汽发生器和所述加热器的水蒸气路径(33)供给所述水，所述控制装置通过控制从所述主供水器向所述蒸汽发生器供给的所述水的第1供给量和从所述副供水器向所述水蒸气路径供给的所述水的第2供给量，来调节从所述加热器向所述电解装置供给的所述水蒸气的流量。由此，与供给系统为1个系统的情况相比，能够稳定地向电解装置供给水蒸气。
(4)本发明为上述(3)所述的电解合成系统，可以为，还具有第1除湿器(71)和第2除湿器(72)中的至少一方，其中，所述第1除湿器将所述混合气体中的水分取出；所述第2除湿器将从所述合成装置排出的包含所述碳氢化合物气体的含碳氢化合物气体中的水分取出，所述副供水器用于供给由所述第1除湿器或所述第2除湿器取出的所述水。由此，能够提高水的利用效率。
(5)本发明为上述(4)所述的电解合成系统，可以为，还具有温度传感器(93)，该温度传感器检测外部空气温度，所述控制装置根据所述外部空气温度来切换所述第1供给量的控制和所述第2供给量的控制。由此，能够抑制由于低温时的水结冰而不能向电解装置供给水蒸气的情况。
(6)本发明为上述(5)所述的电解合成系统，可以为，在外部空气温度为规定的温度阈值以下的情况下，所述控制装置以优先于所述第1供给量的控制的方式对所述第2供给量进行控制。由此，即使外部空气温度低，也能够将由第1除湿器或第2除湿器回收的水经由加热器作为水蒸气供给至电解装置。其结果，即使供给至蒸汽发生器的水结冰，也能够向电解装置供给水蒸气。
本发明不限定于上述的实施方式和变形例。能够在不脱离本发明的主旨的范围内，或者在不脱离根据技术方案的范围所记载的内容和其等同物推导出的本发明的思想和宗旨的范围内，进行各种追加、替换、变更、局部删除等。

Claims (6)

1.一种电解合成系统(10)，该电解合成系统具有电解装置(18)和合成装置(20)，其中，所述电解装置对二氧化碳气体和水蒸气进行电解；所述合成装置由通过所述电解生成的氢气和一氧化碳气体合成碳氢化合物气体，其特征在于，
具有第1分析仪(91)和控制装置(87)，其中，
所述第1分析仪对从所述电解装置排出的包含所述氢气和所述一氧化碳气体的混合气体中的所述氢气与所述一氧化碳气体的浓度比即第1浓度比进行测量；
所述控制装置以所述第1浓度比为规定的目标浓度比的方式对供给至所述电解装置的所述水蒸气的流量进行调节。
2.根据权利要求1所述的电解合成系统，其特征在于，
还具有第2分析仪(92)，所述第2分析仪对供给至所述电解装置的包含所述二氧化碳气体和所述水蒸气的混合气体中的所述二氧化碳气体与所述水蒸气的浓度比即第2浓度比进行测量，
在所述电解装置中流通的电流成为规定的电流值之前，所述控制装置以所述第2浓度比为所述目标浓度比的方式来调节所述水蒸气的流量。
3.根据权利要求1所述的电解合成系统，其特征在于，
还具有蒸汽发生器(12)、加热器(16)、主供水器(81)和副供水器(82)，其中，
所述蒸汽发生器使水蒸发；
所述加热器对由所述蒸汽发生器生成的所述水蒸气进行加热；
所述主供水器向所述蒸汽发生器供给所述水；
所述副供水器向连通所述蒸汽发生器和所述加热器的水蒸气路径供给所述水，
所述控制装置通过控制从所述主供水器向所述蒸汽发生器供给的所述水的第1供给量和从所述副供水器向所述水蒸气路径供给的所述水的第2供给量，来调节从所述加热器向所述电解装置供给的所述水蒸气的流量。
4.根据权利要求3所述的电解合成系统，其特征在于，
还具有第1除湿器(71)和第2除湿器(72)中的至少一方，其中，
所述第1除湿器将所述混合气体中的水分取出；
所述第2除湿器将从所述合成装置排出的包含所述碳氢化合物气体的含碳氢化合物气体中的水分取出，
所述副供水器用于供给由所述第1除湿器或所述第2除湿器取出的所述水。
5.根据权利要求4所述的电解合成系统，其特征在于，
还具有温度传感器(93)，该温度传感器检测外部空气温度，
所述控制装置根据所述外部空气温度来切换所述第1供给量的控制和所述第2供给量的控制。
6.根据权利要求5所述的电解合成系统，其特征在于，
在外部空气温度为规定的温度阈值以下的情况下，所述控制装置以优先于所述第1供给量的控制的方式对所述第2供给量进行控制。
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