JP2014231711A

JP2014231711A - Method and system for recovering gas from methane hydrate layer

Info

Publication number: JP2014231711A
Application number: JP2013113536A
Authority: JP
Inventors: 知之粟津; Tomoyuki Awazu; 真嶋　正利; Masatoshi Mashima; 正利真嶋
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2014-12-11

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new method for extracting energy from methane hydrate and a system for the same.SOLUTION: A method for recovering gas from a methane hydrate layer comprises the processes to: decompose methane gas existing in a methane hydrate layer into hydrogen gas and carbon dioxide gas through electrolysis; inject the decomposed carbon dioxide gas into a seabed layer as carbon dioxide hydrate; and recover the decomposed hydrogen gas. A system for recovering gas from the methane hydrate layer is related to the method for the same.

Description

本発明は海底に存在するメタンハイドレート層から燃料ガスを回収するシステムに関する。 The present invention relates to a system for recovering fuel gas from a methane hydrate layer existing on the seabed.

最近の研究・調査結果から、日本の周辺海域には国内ガス消費量の１００年分にも及ぶ
メタンハイドレートが存在する可能性が報告されている。メタンハイドレートは海底下に豊富に存在し、メタンおよび水が高い圧力と低温状態で固体化して存在している潜在資源である。ここで、ガスハイドレートとは、水分子が作る籠状の格子の中にゲスト分子であるメタンや二酸化炭素等のガスが取り込まれたガス水和物であり、氷状の固体物質の形態をとる。メタンハイドレートからメタンガスを採取する手段として、これまで減圧法と加熱法が提案されている。 From recent research and survey results, it has been reported that there is a possibility that methane hydrates exist in the waters around Japan for as much as 100 years of domestic gas consumption. Methane hydrate is an abundant resource that exists abundantly under the seabed, and methane and water are solidified at high pressure and low temperature. Here, the gas hydrate is a gas hydrate in which a gas such as methane or carbon dioxide, which is a guest molecule, is taken in a cage-like lattice formed by water molecules, and the form of an ice-like solid substance is Take. As a means for collecting methane gas from methane hydrate, a depressurization method and a heating method have been proposed so far.

減圧法はメタンハイドレート層の圧力を減圧し、メタンハイドレートが分解領域になる
ように保ち、分解したメタンガスを採取する技術である（例えば特許文献１、非特許文献１）。また、加熱法は海底下のメタンハイドレート層を熱水の圧入等により加熱し、メタンハイドレートを分解してメタンガスを採取する方法である（例えば特許文献２）。さらにこれらを組み合わせた方法の提案も行われている（例えば特許文献３）。 The depressurization method is a technique for reducing the pressure of the methane hydrate layer, keeping the methane hydrate in the decomposition region, and collecting the decomposed methane gas (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). The heating method is a method in which a methane hydrate layer under the seabed is heated by hot water injection or the like to decompose methane hydrate and collect methane gas (for example, Patent Document 2). Further, a method combining these has been proposed (for example, Patent Document 3).

特開２００６−４５１２８号公報JP 2006-45128 A 特開２００５−２１３２４号公報JP 2005-21324 A 特開２００９−３０３７８号公報JP 2009-30378 A

メタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム（ＭＨ２１）、「新しい天然ガス資源メタンハイドレート「我が国におけるメタンハイドレート開発計画」フェーズ２」、ＪＯＧＭＥＣパンフレット、２０１０年３月Methane Hydrate Resource Development Research Consortium (MH21), “New Natural Gas Resources Methane Hydrate“ Methane Hydrate Development Plan in Japan ”Phase 2”, JOGMEC Pamphlet, March 2010 前田治男、外６名、「枯渇油層への圧入ＣＯ２と地下微生物作用による原油のメタン変換研究」、石油技術協会誌、２００８年、第７３巻、第６号、ｐ．４９６−５０５Haruo Maeda, 6 others, “Research on methane conversion of crude oil by injecting CO2 into depleted oil reservoir and underground microbial action”, Journal of Japan Petroleum Technology Association, 2008, Vol. 73, No. 6, p. 496-505 小出仁、「地中メタン生成古細菌によるカーボン・リサイクルの提案」、地圏長期評価研究協会会報、２００３年１月、ｐ．１−９Hitoshi Koide, “Proposal of Carbon Recycling by Underground Methanogenic Archaebacteria”, Bulletin of the Association for Long-term Evaluation of Geosphere, January 2003, p. 1-9

上述の手法はいずれも海底においてメタンハイドレートを分解してメタンガスとして海上に取り出すものである。したがって、エネルギーとして利用するにはメタンガスを燃焼等する必要があり、その際には二酸化炭素の生成が避けられない。周知の通り、二酸化炭素の排出抑制は地球規模での環境課題である。 All of the above-mentioned methods decompose methane hydrate on the sea floor and take it out to the sea as methane gas. Therefore, it is necessary to burn methane gas in order to use it as energy, and in that case, production of carbon dioxide is inevitable. As is well known, carbon dioxide emission control is a global environmental issue.

二酸化炭素を海底に圧入する貯蔵法や微生物によるリサイクルも検討されているが、実用化には未だ課題が多い（例えば非特許文献２，非特許文献３）。特に、地上（海上）から深海底まで二酸化炭素を圧入するには多大なエネルギーを必要とする。 Although a storage method in which carbon dioxide is injected into the seabed and recycling by microorganisms are being studied, there are still many problems in practical use (for example, Non-Patent Document 2 and Non-Patent Document 3). In particular, enormous energy is required to inject carbon dioxide from the ground (at sea) to the deep sea floor.

本発明は、かかる課題に着目して、メタンハイドレートからの新しいエネルギー採取方法とそのシステムに想到したものである。 The present invention has been conceived of a new method for collecting energy from methane hydrate and a system thereof, focusing on such problems.

メタンハイドレート層に存在したメタンガスを電気分解により水素ガスと二酸化炭素ガスに分解する工程と、分解された前記二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして海底地下層に圧入する工程と、分解された前記水素ガスを回収する工程とを有する、メタンハイドレート層からのガス回収方法、およびそのシステムである。 The step of decomposing methane gas present in the methane hydrate layer into hydrogen gas and carbon dioxide gas by electrolysis, the step of injecting the decomposed carbon dioxide gas into the seabed underground layer as carbon dioxide hydrate, and the decomposed A method of recovering gas from a methane hydrate layer, and a system thereof.

これによれば、二酸化炭素を回収することなく効率的にメタンハイドレート層からのエネルギーを採取することができる。 According to this, energy from the methane hydrate layer can be efficiently collected without recovering carbon dioxide.

メタンガス回収システムの基本的な構成を説明する図である。It is a figure explaining the basic composition of a methane gas recovery system. 電解質膜として水素イオンを透過させる膜を用いたメタン電解ユニットの基本構成を説明する図である。It is a figure explaining the basic composition of the methane electrolysis unit using the membrane which permeate | transmits hydrogen ion as an electrolyte membrane. メタン電解ユニットにおける電解質膜を用いたメタン電解の仕組みを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism of the methane electrolysis using the electrolyte membrane in a methane electrolysis unit. メタン電解ユニットの別な例として、異なる電解質膜を用いたメタン電解の仕組みを説明する図である。It is a figure explaining the mechanism of methane electrolysis using another electrolyte membrane as another example of a methane electrolysis unit. メタンと二酸化炭素の状態を示すグラフである。It is a graph which shows the state of methane and a carbon dioxide.

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
本願発明の第１の態様は、（１）メタンハイドレート層に存在したメタンガスを電解することにより水素ガスと二酸化炭素ガスに分解する工程と、分解された前記二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして海底地下層に圧入する工程と、分解された前記水素ガスを回収する工程とを有する、メタンハイドレート層からのガス回収方法である。 [Description of Embodiment of Present Invention]
First, the contents of the embodiments of the present invention will be listed and described.
In the first aspect of the present invention, (1) a step of decomposing hydrogen gas and carbon dioxide gas by electrolyzing methane gas existing in the methane hydrate layer, and using the decomposed carbon dioxide gas as carbon dioxide hydrate A method for recovering a gas from a methane hydrate layer, comprising a step of press-fitting into a submarine underground layer and a step of recovering the decomposed hydrogen gas.

上記方法によれば、メタンハイドレート層からエネルギーガスとして水素ガスのみを取り出すことが可能である。よって、エネルギーの利用において二酸化炭素の発生を伴うことがない。二酸化炭素ガスはハイドレートとして再び地下層に貯留されるため、二酸化炭素排出の問題が無く、かつ二酸化炭素の貯留に必要なエネルギーが非常に少なくて済む。 According to the above method, it is possible to extract only hydrogen gas as energy gas from the methane hydrate layer. Therefore, carbon dioxide is not generated in the use of energy. Since carbon dioxide gas is stored again in the underground as a hydrate, there is no problem of carbon dioxide emission, and very little energy is required to store carbon dioxide.

ここで、（２）前記電解はメタンハイドレート層の存在する海底域で行われ、前記水素ガスのみを海面上に導出する、請求項１に記載のメタンハイドレート層からのガス回収方法。 Here, (2) the method of gas recovery from a methane hydrate layer according to claim 1, wherein the electrolysis is performed in a seabed area where a methane hydrate layer exists, and only the hydrogen gas is derived on the sea surface.

メタンハイドレート層の多くは海底地層に存在しており、電気分解を海底域で行うことによって、海面上へは水素ガスのみを取り出すことが可能となる。二酸化炭素は海底域から直接地下層に圧入されるので、海面上において電気分解する場合に比べてエネルギー効率が高い。従来のメタンガス自体を海面上まで取り出す方法における、二酸化炭素の排出という課題を伴うこと無くエネルギー回収が可能となる。ここで、海底域とは、海底近傍を意味し、すなわち、海底に装置等が置かれた状態、海底の一部に装置等が埋設された状態、もしくは海底には接していないが海底に近接して装置等が設けられており当該海域の深度全体を考慮すれば海底と同視される程度の範囲、を含む領域を指す。なお、水素ガスのみとは、二酸化炭素ガスと分離してメタンガスそのものを取り出すこと無く水素ガスを取り出すという趣旨の範囲で表現するものであって、水素ガスに一部の他のガスや成分等が混入することを排除するものではない。 Most of the methane hydrate layer exists in the seabed, and only hydrogen gas can be extracted to the sea surface by performing electrolysis in the seabed. Since carbon dioxide is injected directly into the underground layer from the sea floor, it is more energy efficient than electrolysis on the sea surface. Energy recovery is possible without the problem of carbon dioxide emission in the conventional method of extracting methane gas itself to the sea level. Here, the seabed area means the vicinity of the seabed, that is, a state in which a device is placed on the seabed, a state in which a part of the seabed is buried, or a device that is not in contact with the seabed but is close to the seabed. Thus, a device or the like is provided, and an area including a range that can be regarded as the seabed if the entire depth of the sea area is considered. In addition, only hydrogen gas is expressed in the range of the meaning of taking out hydrogen gas without taking out methane gas itself by separating from carbon dioxide gas, and some other gases and components are included in hydrogen gas. It does not exclude mixing.

上述の電解に供するため、（３）前記メタンガスはメタンハイドレート層から減圧法により分離されると良い。メタンハイドレート層から減圧法によりメタンガスを生成する手法は種々開発されており、既知の方法を利用できる。 In order to use for the above-described electrolysis, (3) the methane gas may be separated from the methane hydrate layer by a decompression method. Various methods for generating methane gas from the methane hydrate layer by the decompression method have been developed, and known methods can be used.

また、（４）前記二酸化炭素ハイドレートが圧入される層は、二酸化炭素をメタンに変える微生物が存在する層とすることが好ましい。 Further, (4) the layer into which the carbon dioxide hydrate is injected is preferably a layer in which microorganisms that convert carbon dioxide into methane are present.

非特許文献１等に記載のように、二酸化炭素がメタン生成菌と呼ばれる微生物によって再びメタンに変えられることが知られている。このような微生物の存在する地層が海底地下層に、好ましくはメタンハイドレート層の下層に存在する場合があり、かかる層に二酸化炭素を圧入することで、再びメタンガス（メタンハイドレート）の生成が進んで、将来のエネルギー利用に資することが出来ると考えられる。 As described in Non-Patent Document 1 and the like, it is known that carbon dioxide can be changed again to methane by a microorganism called methanogen. In some cases, the formation of such microorganisms exists in the submarine underground layer, preferably in the lower layer of the methane hydrate layer. By injecting carbon dioxide into the layer, methane gas (methane hydrate) is generated again. It is thought that it is possible to contribute to future energy use.

本願発明の第２の態様は、（５）メタンハイドレート層に存在したメタンガスを電解により水素ガスと二酸化炭素ガスに分解する分解部と、分解された前記二酸化炭素ガスを二酸化炭素ハイドレートとして前記海底地下層に圧入する圧入部と、分解された前記水素ガスを回収する回収部とを有する、メタンハイドレート層からのガス回収システムである。 According to a second aspect of the present invention, (5) the methane gas present in the methane hydrate layer is decomposed into hydrogen gas and carbon dioxide gas by electrolysis, and the decomposed carbon dioxide gas is used as carbon dioxide hydrate. It is a gas recovery system from a methane hydrate layer, which has a press-fitting part for press-fitting into the seabed underground layer and a recovery part for recovering the decomposed hydrogen gas.

上述の通り、かかるシステムによりエネルギー効率が高く、二酸化炭素の大気中への放出を抑制することが可能なメタンハイドレート層からのガス回収方法を実現することが可能である。 As described above, it is possible to realize a gas recovery method from a methane hydrate layer that has high energy efficiency and can suppress the release of carbon dioxide into the atmosphere.

ここで、前記分解部は、（６）水素イオン透過型の電解質を用いた電解装置を用いることができる。また別な例として、前記分解部は、（７）酸素イオン透過型の電解質を用いた電解装置を用いることができる。いずれかの方法を選択的に用いることにより、電解を効率よく行うことが可能となる。 Here, (6) an electrolysis apparatus using a hydrogen ion permeable electrolyte can be used as the decomposition section. As another example, the decomposition unit can use an electrolytic device using (7) an oxygen ion permeable electrolyte. By selectively using any of the methods, electrolysis can be performed efficiently.

さらに、上述の通り、（８）前記分解部はメタンハイドレート層の存在する海底域に設けられ、海面上から供給される電流によって電解を行うための装置であり、前記圧入部はメタンハイドレート層の存在する海底域に設けられ、前記二酸化炭素ガスを加圧して二酸化炭素ハイドレートの状態で圧入するための装置であり、前記回収部は、前記水素ガスを海面上に導出する装置であることが好ましい。 Furthermore, as described above, (8) the decomposition unit is an apparatus for electrolysis by an electric current supplied from the sea surface provided in a seabed area where a methane hydrate layer exists, and the press-fitting unit is a methane hydrate. It is an apparatus for pressurizing the carbon dioxide gas and press-fitting it in the state of carbon dioxide hydrate, provided in a seabed area where a layer exists, and the recovery unit is an apparatus for deriving the hydrogen gas on the sea surface It is preferable.

海底域において水素ガスを分離して、水素ガスのみを海上へ取り出し、電解された二酸化炭素を地下層に圧入することで、エネルギー効率が高く、二酸化炭素の大気中への排出を抑制したメタンハイドレート層のエネルギー利用が可能となる。また、分離時に生じる水をくみ上げること無く海底域にて排出することで、その後の処置が不要とできる。 Methane hydride is highly energy efficient and suppresses the release of carbon dioxide into the atmosphere by separating hydrogen gas from the ocean floor area, extracting only hydrogen gas to the sea, and injecting electrolyzed carbon dioxide into the underground layer. The energy utilization of the rate layer becomes possible. Moreover, the subsequent treatment can be made unnecessary by discharging water generated at the time of separation in the seabed area without pumping up.

なお、前記メタンハイドレート層から減圧法によりメタンガスを分離するメタンガス分離部を有すると良い。メタンガスの生成には既知の減圧法を利用することが可能である。 In addition, it is good to have a methane gas separation part which isolate | separates methane gas from the said methane hydrate layer by a pressure reduction method. A known depressurization method can be used to generate methane gas.

［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態にかかるメタンガス回収システムとその回収方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 [Details of the embodiment of the present invention]
Specific examples of the methane gas recovery system and the recovery method according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the meaning and range equivalent to a claim are included.

図１は、本願発明の実施形態としてのメタンガス回収システムの構成を示す図である。図１を用いてメタンガス回収方法を説明する。図１には、海水５２、海底層５３、海底層の下に位置するメタンハイドレート層５４、メタンハイドレート層の下層として例示される海底地下層５５が示されている。海上には海上基地５１が存在する。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a methane gas recovery system as an embodiment of the present invention. The methane gas recovery method will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a seawater 52, a seabed 53, a methane hydrate layer 54 located under the seabed, and a seabed underground layer 55 exemplified as a lower layer of the methane hydrate layer. There is a maritime base 51 on the sea.

メタンガス回収システムの主要部は、メタンガスを電解する分解部２１、電解された水素を海面上に回収する回収部２３、電解された二酸化炭素を海底に圧入する圧入部２２、電解部に電力を供給する電源供給部２５、およびそれらに付帯する配管１１，１２，１３，１４、さらに、電解部に電力を供給する電源供給線３１を含む。また、電解の原料となるメタンガスをメタンハイドレート層から分離するメタンガス分離部２４が設けられ、必要に応じて水を海面上に回収する配管１５も設けられる。海上基地５１には、回収部２３，電源供給部２５が設けられている。海上基地５１にはそのシステム全体の制御部やその他の動力部等の付帯設備が設けられるが説明に必要ではないので図示していない。また、海上基地５１は必ずしも海上に置かれる浮体である必要はなく、設置可能な範囲で海域近傍の地上であっても良い。 The main part of the methane gas recovery system includes a decomposition unit 21 that electrolyzes methane gas, a recovery unit 23 that recovers electrolyzed hydrogen on the sea surface, a press-in unit 22 that presses electrolyzed carbon dioxide into the seabed, and supplies power to the electrolysis unit Power supply section 25, and pipes 11, 12, 13, and 14 attached to them, and power supply line 31 that supplies power to the electrolysis section. In addition, a methane gas separation unit 24 that separates methane gas that is a raw material for electrolysis from the methane hydrate layer is provided, and a pipe 15 that collects water on the sea surface is provided as necessary. The maritime base 51 is provided with a recovery unit 23 and a power supply unit 25. The marine base 51 is provided with ancillary facilities such as a control unit for the entire system and other power units, but is not shown because it is not necessary for explanation. Further, the maritime base 51 does not necessarily have to be a floating body placed on the sea, and may be on the ground in the vicinity of the sea area as long as it can be installed.

図１のシステムにおいて水素ガスの回収に至るまでの作用を説明する。メタンガス分離部２４は、例えば減圧法や加熱法等の既知の方法によりメタンハイドレート層に存在するメタンハイドレートをメタンガスと水に分離回収する部分である。図では減圧法によりメタンガスを分離して、水をくみ上げる状態を示している。減圧法等によるメタンガスの分離は既知の手法、装置を用いる事ができるのでここでは詳述を要しない。分離されたメタンガスと水の一部は配管１１を経路として分解部２１に供給される。分解部２１は、メタンガスを水素ガスと二酸化炭素ガスに電解する部分であり、電源供給部２５から電源供給線３１を経て電源供給することにより電解を行う。分解部２１の構成例は後述する。分解された水素ガスは回収部２３の力により配管１２を経て海面上に回収される。分解された二酸化炭素ガスは、同じく海面上に回収する方法もあるが、好ましい態様として海底に留めておく方法が良い。そのため、分解された二酸化炭素ガスを配管１３を通して圧入部２２に送り、加圧した後、配管１４を通してメタンハイドレート層５４の下層に存在する海底地下層５５に圧入する。海底地下層５５とは、海底の地下に存在する地層であって、二酸化炭素が二酸化炭素ハイドレート５６として安定に存在することが可能な層である。海面上に回収部２３により回収された水素ガスは適切な既知の手段によって貯蔵、運搬され、エネルギー源として利用することが可能である。このように、このシステムによれば、回収されるのは水素ガスであって、二酸化炭素を海底から取り出すことは無い。水素ガスは燃焼等に利用されても二酸化炭素を排出することはなく、クリーンなエネルギーとして利用することができる。 The operation up to the recovery of hydrogen gas in the system of FIG. 1 will be described. The methane gas separation unit 24 is a part that separates and recovers methane hydrate present in the methane hydrate layer into methane gas and water by a known method such as a decompression method or a heating method. In the figure, methane gas is separated by the decompression method and water is pumped up. Separation of methane gas by the decompression method or the like does not require detailed description because a known method and apparatus can be used. A part of the separated methane gas and water is supplied to the decomposition unit 21 through the pipe 11 as a route. The decomposition unit 21 is a part that electrolyzes methane gas into hydrogen gas and carbon dioxide gas, and performs electrolysis by supplying power from the power supply unit 25 via the power supply line 31. A configuration example of the decomposition unit 21 will be described later. The decomposed hydrogen gas is recovered on the sea surface through the pipe 12 by the force of the recovery unit 23. The decomposed carbon dioxide gas can be recovered on the sea surface as well, but a preferred method is to keep it on the sea floor. Therefore, after the decomposed carbon dioxide gas is sent to the press-fitting part 22 through the pipe 13 and pressurized, it is press-fitted through the pipe 14 into the seabed underground layer 55 existing below the methane hydrate layer 54. The submarine underground layer 55 is a geological layer that exists under the seabed, and is a layer in which carbon dioxide can stably exist as the carbon dioxide hydrate 56. The hydrogen gas recovered by the recovery unit 23 on the sea surface can be stored and transported by an appropriate known means and used as an energy source. Thus, according to this system, what is recovered is hydrogen gas, and carbon dioxide is not extracted from the seabed. Even if hydrogen gas is used for combustion or the like, it does not emit carbon dioxide and can be used as clean energy.

二酸化炭素の圧入について補足する。図５は、メタンＣＨ_４と二酸化炭素ＣＯ_２の状態を示すグラフである。図において横軸は温度（Ｋ）、縦軸は圧力（ＭＰａ）を示す。斜線塗りつぶしの領域Ａはメタンハイドレートがハイドレートとして安定に存在する領域である。別な斜線塗りつぶしで表す領域Ｂは二酸化炭素ハイドレートがハイドレートとして安定に存在する領域である。この図においてメタンハイドレートからの水素ガス回収プロセスの状態を一例として説明する。丸印１はメタンハイドレート層の初期の温度および圧力状態であるとする。およそ温度２８１Ｋ（８℃）、圧力８ＭＰａ（水深約８００ｍ相当とする。減圧法によるメタンハイドレートの分離により状態は減圧によって丸印２へ移る。その際に気化熱が奪われることで温度低下が生じて丸印３の状態に変化する。この状態でメタンの電解を行った後、生じた二酸化炭素を海底地下層に圧入するため、例えば丸印４の状態に加圧すれば良い。すなわち、丸印４の状態は二酸化炭素ハイドレートの安定領域Ｂであり、安定的にハイドレートとして、このような二酸化炭素の状態を保つことが可能な地層中に戻すことができるからである。 It supplements about the injection of carbon dioxide. FIG. 5 is a graph showing the state of methane CH ₄ and carbon dioxide CO ₂ . In the figure, the horizontal axis represents temperature (K) and the vertical axis represents pressure (MPa). A hatched area A is an area where methane hydrate is stably present as hydrate. A region B represented by another hatched area is a region where carbon dioxide hydrate exists stably as a hydrate. In this figure, the state of the hydrogen gas recovery process from methane hydrate will be described as an example. Circle 1 is the initial temperature and pressure state of the methane hydrate layer. Approximately 281 K (8 ° C.), pressure 8 MPa (corresponding to a water depth of about 800 m.) The state is moved to circle 2 by depressurization due to the separation of methane hydrate by the depressurization method. It is generated and changes to the state of circle 3. After electrolysis of methane in this state, in order to press-fit the generated carbon dioxide into the seabed underground layer, for example, the pressure may be increased to the state of circle 4. This is because the state of the circle 4 is the stable region B of carbon dioxide hydrate, and can be stably returned to the formation capable of maintaining such a state of carbon dioxide as a hydrate.

図２を用いて、分解部２１の構成を説明する。図２は、電解質膜として水素イオンを透過させる膜を用いたメタン電解ユニットの基本構成を説明する図である。分解部２１は、このようなメタン電解ユニットを複数含むことにより、所要量のメタンガスを水素と二酸化炭素に分解するものである。メタン電解ユニット４０は、負極４３と正極４２に挟まれた電解質膜４１を基本要素としており、その両外側にセパレータ４４を設けて複数ユニットの仕切りとしている。負極４３はガス拡散層を兼ねた集電体４７と触媒層４６とから構成される。正極４２は同じくガス拡散層を兼ねた集電体４７と触媒層４５とから構成される。触媒層は、カーボン担体の表面に白金等の金属触媒粒子を付着させたものが好ましく用いられる。これらのユニット構成は燃料電池として知られている構成を応用した物であり、電池とは逆の作用をさせることによって本願システムに適用することに本願発明者らが初めて想到してものである。したがって、装置としての具体的構造、すなわちケースの構造や各部材の固定手段、配線や配管の構造等は特に限定されるものではなく、既知の好ましい構造が適用可能である。 The structure of the decomposition | disassembly part 21 is demonstrated using FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating a basic configuration of a methane electrolysis unit using a membrane that allows hydrogen ions to permeate as an electrolyte membrane. The decomposition unit 21 decomposes a required amount of methane gas into hydrogen and carbon dioxide by including a plurality of such methane electrolysis units. The methane electrolysis unit 40 has an electrolyte membrane 41 sandwiched between a negative electrode 43 and a positive electrode 42 as a basic element, and separators 44 are provided on both outer sides to divide a plurality of units. The negative electrode 43 includes a current collector 47 that also serves as a gas diffusion layer and a catalyst layer 46. The positive electrode 42 includes a current collector 47 that also serves as a gas diffusion layer and a catalyst layer 45. The catalyst layer is preferably one in which metal catalyst particles such as platinum are attached to the surface of a carbon support. These unit configurations are obtained by applying a configuration known as a fuel cell, and the inventors of the present application have for the first time conceived to apply it to the system of the present application by performing an operation opposite to that of the battery. Therefore, the specific structure of the apparatus, that is, the structure of the case, the fixing means for each member, the structure of the wiring and piping, etc. is not particularly limited, and a known preferable structure can be applied.

図２のようなメタン電解ユニットにおけるメタン電解の仕組みを図３を用いて説明する。各部材には図２との対応を容易にするために図２と同じ符号を付す。正極４２と負極４３間に電源を繋ぎ、電圧をかける。正極４２にメタンガスＣＨ_４と水Ｈ_２Ｏの混合体を供給すると、触媒作用により二酸化炭素ＣＯ_２と水素イオンＨ^＋への分解が起こり、電子ｅ⁻が電源側に流れる。水素イオンＨ^＋は水素イオン透過型である電解質膜４１を透過して負極側へ移動する。負極では、供給された電子ｅ⁻を水素イオンＨ^＋が受け取ることで水素ガスが生成される。 The mechanism of methane electrolysis in the methane electrolysis unit as shown in FIG. 2 will be described with reference to FIG. Each member is given the same reference numeral as in FIG. 2 in order to facilitate correspondence with FIG. A voltage is applied by connecting a power source between the positive electrode 42 and the negative electrode 43. When a mixture of methane gas CH ₄ and water H ₂ O is supplied to the positive electrode 42, decomposition into carbon dioxide CO ₂ and hydrogen ions H ⁺ occurs due to catalytic action, and electrons e ⁻ flow to the power source side. The hydrogen ions H ⁺ permeate the hydrogen ion permeable electrolyte membrane 41 and move to the negative electrode side. In the negative electrode, hydrogen gas is generated by the hydrogen ions H ⁺ receiving the supplied electrons e ⁻ .

図４は、メタン電解ユニットの別な例として、酸素イオン透過型の電解質膜を用いた場合を説明する図である。各部材には図３と同じ符号を付す。正極４２と負極４３間に電源を繋ぎ、電圧をかける。正極４２にメタンガスＣＨ_４、負極４３に水Ｈ_２Ｏを供給すると、触媒作用により負極において水素ガスＨ_２が生成すると共に酸素イオンが生じる。酸素イオンは電解質膜を透過して正極側に移動する。正極では透過した酸素イオンと、分解されたメタンガスにより二酸化炭素ガスＣＯ_２と水素ガスＨ_２が生成される。この場合、正極と負極の双方で水素ガスが生成されるので、これらを回収部によって海上まで導出することで水素ガスの回収を行う。ここで、正極側では水素ガスと二酸化炭素ガスが混在した状態のため、これらを分離する必要が生じる。分離の一例としては、溶媒への溶解度の差により分離する方法がある。二酸化炭素ガスと水素ガスの場合、溶媒としてイオン液体を用いることが可能である。イオン液体への二酸化炭素の溶解度は、二酸化炭素の分圧とともに増加する傾向があるが、水素にはそのような傾向は見られない。そのため、ガス圧を制御することにより二酸化炭素のみを可逆的にイオン液体に出し入れすることができる。このような制御を行うことで二酸化炭素と水素の混合状態から二酸化炭素を抽出することが可能である。尚、二酸化炭素ガスと水素ガスの分離は、この方法に限るものではない。 FIG. 4 is a diagram illustrating a case where an oxygen ion permeable electrolyte membrane is used as another example of the methane electrolysis unit. Each member is denoted by the same reference numeral as in FIG. A voltage is applied by connecting a power source between the positive electrode 42 and the negative electrode 43. When methane gas CH ₄ is supplied to the positive electrode 42 and water H ₂ O is supplied to the negative electrode 43, hydrogen gas H ₂ is generated at the negative electrode and oxygen ions are generated by the catalytic action. Oxygen ions permeate the electrolyte membrane and move to the positive electrode side. In the positive electrode, carbon dioxide gas CO ₂ and hydrogen gas H ₂ are generated by the permeated oxygen ions and the decomposed methane gas. In this case, since hydrogen gas is generated in both the positive electrode and the negative electrode, the hydrogen gas is recovered by being led out to the sea by the recovery unit. Here, since hydrogen gas and carbon dioxide gas are mixed on the positive electrode side, it is necessary to separate them. As an example of separation, there is a method of separation based on a difference in solubility in a solvent. In the case of carbon dioxide gas and hydrogen gas, an ionic liquid can be used as a solvent. The solubility of carbon dioxide in ionic liquids tends to increase with the partial pressure of carbon dioxide, but hydrogen does not show such a tendency. Therefore, only carbon dioxide can be reversibly taken in and out of the ionic liquid by controlling the gas pressure. By performing such control, it is possible to extract carbon dioxide from a mixed state of carbon dioxide and hydrogen. The separation of carbon dioxide gas and hydrogen gas is not limited to this method.

以上の通り海底地層中に戻された二酸化炭素について説明する。二酸化炭素を地層中に貯蔵することによって大気中への排出量が抑制され、地球環境にとって大変好ましい。さらに、二酸化炭素を圧入する層（図１の海底地下層５５など）として、二酸化炭素をメタンに変える微生物が存在する層を選択することが好ましい。かかるメタン生成菌の作用によって二酸化炭素から再びメタンが生成され、将来のエネルギー源として活用する可能性が広がる。 The carbon dioxide returned to the seabed as described above will be described. By storing carbon dioxide in the formation, emissions into the atmosphere are suppressed, which is very favorable for the global environment. Furthermore, it is preferable to select a layer in which microorganisms that convert carbon dioxide into methane exist as a layer into which carbon dioxide is injected (such as the seabed underground layer 55 in FIG. 1). Due to the action of the methanogen, methane is generated again from carbon dioxide, and the possibility of using it as a future energy source expands.

１１，１２，１３，１４，１５配管
２１分解部
２２圧入部
２３回収部
２４メタンガス分離部
２５電源供給部
３１電源供給線
５１海上基地
５２海水
５３海底層
５４メタンハイドレート層
５５海底地下層
５６二酸化炭素ハイドレート
４０メタン電解ユニット
４１電解質膜
４２正極
４３負極
４４セパレータ
４５、４６触媒層
４７集電体 11, 12, 13, 14, 15 Piping 21 Decomposition unit 22 Press-in unit 23 Recovery unit 24 Methane gas separation unit 25 Power supply unit 31 Power supply line 51 Marine base 52 Seawater 53 Submarine layer 54 Methane hydrate layer 55 Submarine underground layer 56 Carbon hydrate 40 Methane electrolysis unit 41 Electrolyte membrane 42 Positive electrode 43 Negative electrode 44 Separator 45, 46 Catalyst layer 47 Current collector

Claims

A step of decomposing methane gas present in the methane hydrate layer into hydrogen gas and carbon dioxide gas by electrolysis, a step of injecting the electrolyzed carbon dioxide gas into a submarine underground layer as carbon dioxide hydrate, and the decomposed hydrogen A method for recovering gas from a methane hydrate layer, comprising a step of recovering gas.

The method for recovering a gas from a methane hydrate layer according to claim 1, wherein the electrolysis is performed in a seabed region where a methane hydrate layer is present, and only the hydrogen gas is derived on the sea surface.

The method for recovering a gas from a methane hydrate layer according to claim 1 or 2, wherein the methane gas is separated from the methane hydrate layer by a decompression method.

The gas recovery method from a methane hydrate layer according to any one of claims 1 to 3, wherein the submarine underground layer is a layer in which microorganisms that convert carbon dioxide into methane exist.

The methane gas existing in the methane hydrate layer was decomposed into hydrogen gas and carbon dioxide gas by electrolysis, the press-in part for injecting the decomposed carbon dioxide gas into the seabed underground layer as carbon dioxide hydrate, and decomposed A gas recovery system from a methane hydrate layer, comprising a recovery unit for recovering the hydrogen gas.

The said decomposition | disassembly part is a gas recovery system from the methane hydrate layer of Claim 5 which has the electrolysis apparatus using the electrolyte of a hydrogen ion permeable type.

The said decomposition | disassembly part is a gas recovery system from the methane hydrate layer of Claim 5 which has the electrolysis apparatus using the electrolyte of oxygen ion permeable type.

The decomposition unit is an apparatus for performing electrolysis with a current supplied from above the sea surface, provided in a seabed area where a methane hydrate layer exists.
The press-fitting part is an apparatus for pressurizing the carbon dioxide gas and press-fitting it in a carbon dioxide hydrate state, provided in a seabed area where a methane hydrate layer exists.
The recovery unit is a device that guides the hydrogen gas to the sea surface.
The gas recovery system from the methane hydrate layer according to any one of claims 5 to 7.

The gas recovery system from a methane hydrate layer according to any one of claims 5 to 8, further comprising a methane gas separation unit that separates methane gas from the methane hydrate layer by a decompression method.