JP2024094421A - メタン生成システム - Google Patents

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Abstract

【課題】メタンの生成効率を高めることができるメタン生成システムを提供する。【解決手段】本開示に係るメタン生成システムは、二酸化炭素および水を供給する供給経路と、二酸化炭素と水から電気分解によって一酸化炭素と水素を得る電解装置と、一酸化炭素と水素を含む混合ガスから発熱反応によりメタンを含む生成物ガスを得るメタン反応器と、生成物ガスの一部である返送流体から、水を含む第１分離流体と水素を含む第２分離流体とを分離する第１分離器と、第１分離流体を電解装置に導く第１返送路、および、第２分離流体をメタン反応器に導く第２返送路、を有する第１循環経路と、供給経路によって供給される水との熱交換によって、第１分離器に導入される前に返送流体を冷却する熱交換器と、を備え、第１分離器は、気液分離器であり、第２分離流体が、供給経路で供給される水または二酸化炭素との熱交換により冷却されてメタン反応器に導かれる。【選択図】図１

Description

本開示は、メタン生成システムに関する。
特許文献１は、二酸化炭素と水を用いてメタンを製造する装置を開示する。この装置は、水と二酸化炭素とを還元して、水素と一酸化炭素とを含む合成ガスを得る。この装置は、合成ガスからメタンを生成させる。
特開２０２２－２２９７８号公報
前記技術では、メタンの生成効率が低くなる可能性があった。
本開示は、上記の事情に鑑みて、メタンの生成効率を高めることができるメタン生成システムを提供することを目的とする。
本開示に係るメタン生成システムの一つの態様は、二酸化炭素および水を供給する供給経路と、前記二酸化炭素と前記水から電気分解によって一酸化炭素と水素を得る電解装置と、前記一酸化炭素と前記水素を含む混合ガスからメタンを含む生成物ガスを得るメタン反応器と、前記生成物ガスの一部である返送流体から、水を含む第１分離流体と水素を含む第２分離流体とを分離する第１分離器と、前記第１分離流体を前記電解装置に導く第１返送路、および、前記第２分離流体を前記メタン反応器に導く第２返送路、を有する第１循環経路と、を備える。
本開示によれば、メタンの生成効率を高めることができるメタン生成システムを提供できる。
実施の形態１に係るメタン生成システムの模式図である。 実施の形態２に係るメタン生成システムの模式図である。 実施の形態３に係るメタン生成システムの模式図である。 実施の形態４に係るメタン生成システムの模式図である。 実施の形態５に係るメタン生成システムの模式図である。 実施の形態６に係るメタン生成システムの模式図である。 実施の形態７に係るメタン生成システムの模式図である。 実施の形態８に係るメタン生成システムの模式図である。
以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態について説明する。なお、本開示の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるメタン生成システムを示す模式図である。
図１に示すように、メタン生成システム１は、供給経路１０と、共電解装置２０と、メタン反応器３０と、第１分離器４０と、第１循環経路５０と、を備える。
供給経路１０は、図示しない供給源から供給された二酸化炭素および水を共電解装置２０に導く。供給経路１０は、例えば、二酸化炭素と水との混合流体を共電解装置２０に導く。供給経路１０は、二酸化炭素を導く第１供給路と、水を導く第２供給路とを備えていてもよい。供給経路１０には、水を気化させる蒸発器（水蒸気生成部）が設けられていてもよい。
共電解装置２０は、例えば、カソード電極およびアノード電極を有する固体酸化物形電解セルを備える。固体酸化物形電解セルには、例えば、酸素イオン伝導性を有する固体酸化物が用いられる。電解質としては、ジルコニア系酸化物などが用いられる。共電解装置２０は、電解装置の一例である。
共電解装置２０は、供給経路１０から供給された二酸化炭素および水を固体酸化物形電解セルのカソード電極に供給する。固体酸化物形電解セルにおける共電解に用いられる水は、水蒸気であることが望ましい。
共電解装置２０は、固体酸化物形電解セルを加熱する加熱装置を備えていてもよい。加熱装置は、固体酸化物形電解セル内の温度を共電解反応に適した温度に調整することができる。
固体酸化物形電解セルに供給される二酸化炭素と水との比率は、目的とする混合ガスの成分（一酸化炭素、水素）の比率に応じて定めることができる。
共電解装置２０は、二酸化炭素（ＣＯ２）および水（Ｈ２Ｏ）から、共電解によって一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ２）を含む混合ガスを得る。共電解は、例えば、以下に示す式（Ｉ）に従って進行する。この反応は、吸熱反応である。
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ２＋Ｏ２ ・・・（Ｉ）
共電解装置２０では、例えば、再生可能エネルギー（例えば、太陽光発電、風力発電等）を用いて生成された電力を用いて共電解を行うことができる。再生可能エネルギーを用いて得られたメタンは、燃焼利用しても追加的な二酸化炭素の発生がないことから、地球温暖化に影響しないカーボンニュートラル燃料と考えることができる。
本実施の形態では、二酸化炭素および水から共電解によって一酸化炭素および水素を得る共電解装置２０が用いられるが、一酸化炭素および水素（Ｈ２）を得るための装置は共電解装置に限らない。例えば、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を得る工程と、水を電気分解して水素（Ｈ２）を得る工程とを独立に行う電解装置を用いることもできる。
共電解装置２０で得られる混合ガスは、一酸化炭素および水素（Ｈ２）だけでなく、未反応の二酸化炭素および水を含む。
共電解装置２０の入口は、供給経路１０が接続された箇所である。共電解装置２０の出口は、混合ガスが導出される箇所である。
メタン反応器３０は、一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ２）から、メタン化反応によって、メタン（ＣＨ４）および水（Ｈ２Ｏ）を含む生成物ガスを得る。メタン化反応は、例えば、以下に示す式（ＩＩ）に従って進行する。この反応は、発熱反応である。
ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ ・・・（ＩＩ）
メタン反応器３０は、混合ガスが接触するメタン化触媒を備えることが好ましい。メタン化触媒としては、Ｎｉ触媒、Ｒｕ触媒などが挙げられる。メタン化触媒は、メタン化反応を促進する。
メタン反応器３０は、混合ガスからメタノールを生成させ、メタノールからメタンを生成させてもよい。
メタン反応器３０で得られる生成物ガスは、メタンおよび水だけでなく、未反応の一酸化炭素、水素（Ｈ２）、二酸化炭素などを含む。
生成物ガスは、排出経路６０を通して系外に排出される。排出された生成物ガスは、例えば、都市ガスなどの原料として、ガス製造設備などに送られる。
メタン反応器３０の入口は、共電解装置２０から混合ガスが導入される箇所である。メタン反応器３０の出口は、排出経路６０が接続された箇所である。
第１分離器４０は、生成物ガスの一部である返送流体Ｆ１から、水を含む第１分離流体Ｆ２と、水素（Ｈ２）を含む第２分離流体Ｆ３とを分離する。
第１分離器４０には、例えば、吸着分離、膜分離、冷却分離、遠心分離、重力分離、気液分離などの分離手法が採用される。第１分離器４０には、これらの分離手法のうち１つを採用してもよいし、２以上を組み合わせてもよい。
吸着分離を用いた第１分離器４０は、例えば、特定の成分を吸着剤、吸着液などに吸着させて分離する。吸着剤としては、シリカゲル、ゼオライト、活性炭などが挙げられる。具体的には、水を含む成分を吸着剤に吸着させることによって、この成分を、水素（Ｈ２）を含む他の成分と分離することができる。吸着剤は、粒状、粉状などであってよい。粒状は、例えば、ビーズ状（球形）、ペレット状（円柱形）などである。粉状の吸着剤を用いる場合、吸着剤は基材の表面に担持させてもよい。基材は、例えば、ハニカム形状であってもよい。
吸着分離を用いた第１分離器４０は、吸着剤から被吸着物を分離する機能を有する。第１分離器４０は、例えば、加熱装置を備える。加熱装置は、吸着剤を加熱することによって吸着剤から被吸着物を分離させる。第１分離器４０は、減圧ポンプなどの減圧装置を備えていてもよい。減圧装置は、吸着剤を減圧下に置くことで、吸着剤から被吸着物を分離させる。
膜分離を用いた第１分離器４０は、例えば、低分子成分が透過できる透過膜を用いて特定の成分を他の成分から分離する。具体的には、例えば、水素（Ｈ２）を含む成分を、パラジウム透過膜を用いて、水を含む成分から分離することができる。
冷却分離を用いた第１分離器４０は、例えば、冷却により特定の成分を液化させて他の成分（気体）から分離する。具体的には、例えば、水を含む成分を液化させ、水素（Ｈ２）を含む気体と分離することができる。
遠心分離を用いた第１分離器４０は、例えば、冷却により特定の成分（水を含む成分）を液化させ、この成分を遠心力によって他の成分（水素（Ｈ２）を含む気体）から分離する。重力分離を用いた第１分離器４０は、例えば、冷却により特定の成分（水を含む成分）を液化させ、この成分を重力によって他の成分（水素（Ｈ２）を含む気体）から分離する。気液分離を用いた第１分離器４０は、例えば、冷却により特定の成分（水を含む成分）を液化させ、この成分を重力、遠心力、表面張力などによって他の成分（水素（Ｈ２）を含む気体）から分離する。
第１循環経路５０は、導出路５１と、第１返送路５２と、第２返送路５３と、を備える。
導出路５１は、メタン反応器３０と第１分離器４０とを接続する。導出路５１の始端（第１端）はメタン反応器３０の出口に近い位置に接続される。導出路５１の終端（第２端）は第１分離器４０に接続される。導出路５１は、メタン反応器３０から、生成物ガスの一部を返送流体Ｆ１として取り出す。導出路５１は、返送流体Ｆ１を第１分離器４０に導く。
第１返送路５２は、第１分離器４０と供給経路１０とを接続する。第１返送路５２の始端（第１端）は第１分離器４０に接続される。第３返送路５５２の終端（第２端）は供給経路１０に接続される。第１返送路５２は、第１分離流体Ｆ２を、供給経路１０を通して共電解装置２０に導くことができる。なお、第１返送路５２は、第１分離器４０と共電解装置２０とを接続していてもよい。
第２返送路５３は、第１分離器４０とメタン反応器３０とを接続する。第２返送路５３の始端（第１端）は第１分離器４０に接続される。第２返送路５３の終端（第２端）はメタン反応器３０の入口に近い位置に接続される。第２返送路５３の終端（第２端）は、導出路５１の始端（第１端）に比べてメタン反応器３０の入口に近い位置にある。第２返送路５３は、第２分離流体Ｆ３をメタン反応器３０に導く。
排出経路６０には、生成物ガスから不純物を除去する分離器が設けられていてもよい。不純物は、例えば、メタン以外の成分（二酸化炭素、水、水素（Ｈ２）など）である。分離器には、例えば、吸着分離、膜分離、冷却分離、遠心分離、重力分離、気液分離などの分離手法が採用される。分離器には、これらの分離手法のうち１つを採用してもよいし、２以上を組み合わせてもよい。
吸着分離を用いた分離器は、例えば、二酸化炭素、水などを吸着剤、吸着液などに吸着させて分離する。吸着剤としては、シリカゲル、ゼオライト、活性炭などが挙げられる。
膜分離を用いた分離器は、例えば、低分子成分が透過できる透過膜を用いて特定の成分を他の成分から分離する。具体的には、水素（Ｈ２）などの低分子成分を、パラジウム透過膜を用いて分離することができる。
冷却分離を用いた分離器は、例えば、冷却により特定の成分を液化させて他の成分（気体）から分離する。
遠心分離を用いた分離器は、例えば、冷却により特定の成分を液化させ、この成分を遠心力によって他の成分（気体）から分離する。重力分離を用いた分離器は、例えば、冷却により特定の成分を液化させ、この成分を重力によって他の成分（気体）から分離する。気液分離を用いた分離器は、例えば、冷却により特定の成分を液化させ、この成分を重力、遠心力、表面張力などによって他の成分（気体）から分離する。
次に、メタン生成システム１を用いたメタン製造方法の例について説明する。
本実施の形態に係るメタン製造方法は、供給工程と、電解工程と、メタン化工程と、循環工程と、を有する。
供給工程では、供給経路１０によって、二酸化炭素（ＣＯ２）および水（Ｈ２Ｏ）を共電解装置２０に導く。
電解工程では、共電解装置２０において、二酸化炭素および水から、共電解によって一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ２）を含む混合ガスを得る。
メタン化工程では、メタン反応器３０において、一酸化炭素および水素から、メタン化反応によって、メタン（ＣＨ４）および水を含む生成物ガスを得る。生成物ガスは、メタンおよび水だけでなく、未反応の一酸化炭素、水素（Ｈ２）、二酸化炭素などを含む。生成物ガスは、排出経路６０を通して系外に排出される。
循環工程では、導出路５１を通して、生成物ガスの一部をメタン反応器３０から取り出し、返送流体Ｆ１として第１分離器４０に導く。第１分離器４０では、返送流体Ｆ１から、水（例えば、水蒸気）を含む第１分離流体Ｆ２と、水素（Ｈ２）を含む第２分離流体Ｆ３とを分離する。第１分離流体Ｆ２における水（例えば、水蒸気）の濃度は、返送流体Ｆ１の水（例えば、水蒸気）の濃度より高い。第２分離流体Ｆ３における水素（Ｈ２）の濃度は、返送流体Ｆ１の水素（Ｈ２）の濃度より高い。
第１分離流体Ｆ２は、第１返送路５２および供給経路１０を通して共電解装置２０に導かれる。第２分離流体Ｆ３は、第２返送路５３を通してメタン反応器３０に導かれる。
メタン生成システム１は、第１分離流体Ｆ２を共電解装置２０に導く第１返送路５２と、第２分離流体Ｆ３をメタン反応器３０に導く第２返送路５３とを備える。
メタン生成システム１によれば、未反応物である水素（Ｈ２）を含む第２分離流体Ｆ３がメタン反応器３０に返送されるため、メタン反応器３０におけるメタン化反応の効率を高めることができる。よって、メタン生成効率を高めることができる。
メタン生成システム１によれば、未反応物である水（例えば、水蒸気）を含む第１分離流体Ｆ２が共電解装置２０に返送される。そのため、共電解装置２０における電解反応の効率を高めることができる。第１分離流体Ｆ２は共電解装置２０に返送されるため、メタン反応器３０で発生した熱を共電解装置２０で利用することができる。したがって、エネルギー効率を高めることができる。
メタン生成システム１では、水（例えば、水蒸気）をメタン反応器３０から排出するため、メタン反応器３０におけるメタン化反応の効率を高めることができる。
実施の形態２．
次に、実施の形態２に係るメタン生成システムについて説明する。本実施の形態に係るメタン生成システムは、基本的な構成が実施の形態１と同様であるため、主に、実施の形態１と異なる点を説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
図２は、実施の形態２に係るメタン生成システムの模式図である。
図２に示すように、メタン生成システム１０１は、第２返送路５３に冷却器７０を備える。冷却器７０は、熱交換器であってよい。冷却器７０は、水冷式、空冷式などの冷却器であってもよい。冷却器７０は、第２返送路５３を流れる第２分離流体Ｆ３を冷却する。
メタン生成システム１０１は、冷却器７０によって第２分離流体Ｆ３を冷却するため、メタン反応器３０における温度を、メタン化反応に適した温度とすることができる。よって、メタン反応器３０におけるメタン生成効率を高めることができる。
実施の形態３．
次に、実施の形態３に係るメタン生成システムについて説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
図３は、実施の形態３に係るメタン生成システムの模式図である。
図３に示すように、メタン生成システム２０１は、供給経路１０（図１参照）に代えて供給経路２１０を備える。供給経路２１０は、第１供給路２１１と、第２供給路２１２と、を備える。第１供給路２１１は、二酸化炭素を共電解装置２０に導く。第２供給路２１２は、水を第１供給路２１１に導く。そのため、第２供給路２１２は、水を、第１供給路２１１を介して共電解装置２０に導くことができる。
メタン生成システム２０１は、熱交換器２７０を備える。熱交換器２７０は、第２供給路２１２と導出路５１とに跨って設けられている。熱交換器２７０は、第２供給路２１２を流れる水との熱交換によって、返送流体Ｆ１を冷却することができる。返送流体Ｆ１は、冷却されることにより、特定の成分（水を含む成分）が液化する。
メタン生成システム２０１は、第１分離器４０（図１参照）に代えて気液分離器２４０を備える。気液分離器２４０は、例えば、液体と気体とを、重力、遠心力、表面張力などによって分離する。気液分離器２４０は、第１分離器の一例である。
気液分離器２４０で得られた液体は、水を含む第１分離流体Ｆ２となる。第１分離流体Ｆ２は、第１返送路５２および第１供給路２１１を通して共電解装置２０に導かれる。気液分離器２４０で得られた気体は、水素（Ｈ２）を含む第２分離流体Ｆ３となる。第２分離流体Ｆ３は、第２返送路５３を通してメタン反応器３０に導かれる。
メタン生成システム２０１では、熱交換器２７０を備えるため、第２供給路２１２によって供給される水を利用して返送流体Ｆ１を冷却することができる。そのため、気液分離器２４０におけるエネルギー効率を高めることができる。メタン生成システム２０１は、熱交換器２７０によって、温度が調整された第２分離流体Ｆ３が得られるため、メタン反応器３０における温度を、メタン化反応に適した温度とすることができる。よって、メタン反応器３０におけるメタン生成効率を高めることができる。
実施の形態４．
次に、実施の形態４に係るメタン生成システムについて説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
図４は、実施の形態４に係るメタン生成システムの模式図である。
図４に示すように、メタン生成システム３０１は、供給経路１０（図１参照）に代えて供給経路３１０を備える。供給経路３１０は、二酸化炭素と水との混合流体を共電解装置２０に導く。二酸化炭素の大部分は気体である。水の大部分は液体である。そのため、供給経路３１０を流れる混合流体は気液二相流体である。
メタン生成システム３０１は、熱交換器３７０を備える。熱交換器３７０は、供給経路３１０と導出路５１に跨って設けられている。熱交換器３７０は、供給経路３１０を流れる混合流体との熱交換によって、返送流体Ｆ１を冷却することができる。返送流体Ｆ１は、冷却されることにより、特定の成分（水を含む成分）が液化する。
メタン生成システム３０１では、熱交換器３７０を備えるため、供給経路３１０から供給される混合流体を利用して返送流体Ｆ１を冷却することができる。そのため、気液分離器２４０におけるエネルギー効率を高めることができる。メタン生成システム３０１は、熱交換器３７０によって、温度が調整された第２分離流体Ｆ３が得られるため、メタン反応器３０における温度を、メタン化反応に適した温度とすることができる。よって、メタン反応器３０におけるメタン生成効率を高めることができる。
メタン生成システム３０１では、気液二相流体である混合流体を熱媒体として使用するため、伝熱性能が高められる。よって、熱交換器３７０において返送流体Ｆ１を効率よく冷却することができる。
実施の形態５．
次に、実施の形態５に係るメタン生成システムについて説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
図５は、実施の形態５に係るメタン生成システムの模式図である。
図５に示すように、メタン生成システム４０１は、供給経路１０（図１参照）に代えて供給経路４１０を備える。供給経路４１０は、第１供給路４１１と、第２供給路４１２と、合流流路４１３と、を備える。第１供給路４１１は二酸化炭素を導く。第２供給路４１２は水を導く。合流流路４１３は、第１供給路４１１からの二酸化炭素と、第２供給路４１２からの水とを合流させて共電解装置２０に導く。
メタン生成システム４０１は、熱交換器４７０を備える。熱交換器４７０は、第１供給路４１１と第２供給路４１２と導出路５１に跨って設けられている。熱交換器４７０は、供給路４１１，４１２を流れる二酸化炭素および水との熱交換によって、返送流体Ｆ１を冷却することができる。返送流体Ｆ１は、冷却されることにより、特定の成分（水を含む成分）が液化する。
メタン生成システム４０１では、熱交換器４７０を備えるため、供給路４１１，４１２から供給される二酸化炭素および水を利用して返送流体Ｆ１を冷却することができる。そのため、気液分離器２４０におけるエネルギー効率を高めることができる。メタン生成システム４０１は、熱交換器４７０によって、温度が調整された第２分離流体Ｆ３が得られるため、メタン反応器３０における温度を、メタン化反応に適した温度とすることができる。よって、メタン反応器３０におけるメタン生成効率を高めることができる。
供給経路４１０は、二酸化炭素を導く第１供給路４１１と、水を導く第２供給路４１２とを備える。二酸化炭素と水とは圧力などが互いに異なる場合があるが、メタン生成システム４０１では、それぞれの流体に適切な条件を設定できる。
実施の形態６．
次に、実施の形態６に係るメタン生成システムについて説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
図６は、実施の形態６に係るメタン生成システムの模式図である。
図６に示すように、メタン生成システム５０１は、供給経路１０と、共電解装置２０と、メタン反応器５３０と、第１分離器４０と、第１循環経路５０と、第２分離器５４０と、第２循環経路５５０と、を備える。
メタン反応器５３０は、第１メタン反応部５３１と、第２メタン反応部５３２と、を備える。
第１メタン反応部５３１は、共電解装置２０からの混合ガスから、メタン化反応によってメタンを生成させて中間ガスを得る。第２メタン反応部５３２は、中間ガスから、メタン化反応によってメタンを生成させて生成物ガスを得る。このように、メタン反応器５３０は、２段階のメタン化反応によって生成物ガスを得る。
第１循環経路５０は、導出路５１と、第１返送路５２と、第２返送路５３と、を備える。
導出路５１は、第２メタン反応部５３２と第１分離器４０とを接続する。導出路５１の始端（第１端）は第２メタン反応部５３２の出口に近い位置に接続される。導出路５１の終端（第２端）は第１分離器４０に接続される。導出路５１は、第２メタン反応部５３２から、生成物ガスの一部を返送流体Ｆ１として取り出す。導出路５１は、返送流体Ｆ１を第１分離器４０に導く。
第１返送路５２は、第１分離器４０と供給経路１０とを接続する。第１返送路５２は、第１分離流体Ｆ２を、供給経路１０を通して共電解装置２０に導くことができる。なお、第１返送路５２は、第１分離器４０と共電解装置２０とを接続していてもよい。
第２返送路５３は、第１分離器４０と第２メタン反応部５３２とを接続する。第２返送路５３の始端（第１端）は第１分離器４０に接続される。第２返送路５３の終端（第２端）は第２メタン反応部５３２の入口に近い位置に接続される。第２返送路５３の終端（第２端）は、導出路５１の始端（第１端）に比べて第２メタン反応部５３２の入口に近い位置にある。第２返送路５３は、第２分離流体Ｆ３を第２メタン反応部５３２に導く。
第２分離器５４０は、第１分離器４０と同様に、例えば、吸着分離、膜分離、冷却分離、遠心分離、重力分離、気液分離などの分離手法が採用される。
第２循環経路５５０は、導出路５５１と、第３返送路５５２と、第４返送路５５３と、を備える。
導出路５５１は、第１メタン反応部５３１と第２分離器５４０とを接続する。導出路５５１の始端（第１端）は第１メタン反応部５３１の出口に近い位置に接続される。導出路５５１の終端（第２端）は第２分離器５４０に接続される。導出路５５１は、第１メタン反応部５３１から、中間ガスの一部を返送流体Ｆ４として取り出す。導出路５５１は、返送流体Ｆ４を第２分離器５４０に導く。
第３返送路５５２は、第２分離器５４０と供給経路１０とを接続する。第３返送路５５２の始端（第１端）は第２分離器５４０に接続される。第３返送路５５２の終端（第２端）は供給経路１０に接続される。第３返送路５５２は、第３分離流体Ｆ５を、供給経路１０を通して共電解装置２０に導くことができる。なお、第３返送路５５２は、第２分離器５４０と共電解装置２０とを接続していてもよい。
第４返送路５５３は、第２分離器５４０と第１メタン反応部５３１とを接続する。第４返送路５５３の始端（第１端）は第２分離器５４０に接続される。第４返送路５５３の終端（第２端）は第１メタン反応部５３１の入口に近い位置に接続される。第４返送路５５３の終端（第２端）は、導出路５５１の始端（第１端）に比べて第１メタン反応部５３１の入口に近い位置にある。第４返送路５５３は、第４分離流体Ｆ６を第１メタン反応部５３１に導く。
メタン生成システム５０１では、導出路５５１を通して、中間ガスの一部を第１メタン反応部５３１から取り出し、返送流体Ｆ４として第２分離器５４０に導く。第２分離器５４０では、返送流体Ｆ４から、水（例えば、水蒸気）を含む第３分離流体Ｆ５と、水素（Ｈ２）を含む第４分離流体Ｆ６とを分離する。第３分離流体Ｆ５における水（例えば、水蒸気）の濃度は、返送流体Ｆ４の水（例えば、水蒸気）の濃度より高い。第４分離流体Ｆ６における水素（Ｈ２）の濃度は、返送流体Ｆ４の水素（Ｈ２）の濃度より高い。
メタン生成システム５０１では、導出路５１を通して、生成物ガスの一部を第２メタン反応部５３２から取り出し、返送流体Ｆ１として第１分離器４０に導く。第１分離器４０では、返送流体Ｆ１から、水（例えば、水蒸気）を含む第１分離流体Ｆ２と、水素（Ｈ２）を含む第２分離流体Ｆ３とを分離する。第１分離流体Ｆ２における水（例えば、水蒸気）の濃度は、返送流体Ｆ１の水（例えば、水蒸気）の濃度より高い。第２分離流体Ｆ３における水素（Ｈ２）の濃度は、返送流体Ｆ１の水素（Ｈ２）の濃度より高い。
メタン生成システム５０１は、第１循環経路５０によって、水を含む第１分離流体Ｆ２が共電解装置２０に返送されるだけでなく、第２循環経路５５０によって、水を含む第３分離流体Ｆ５が共電解装置２０に返送される。メタン生成システム５０１では、水をメタン反応器５３０から複数箇所で排出するため、水を効果的に除去することができる。よって、メタン反応器５３０におけるメタン化反応の効率を高めることができる。
実施の形態７．
次に、実施の形態７に係るメタン生成システムについて説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
図７は、実施の形態７に係るメタン生成システムの模式図である。
図７に示すように、メタン生成システム６０１は、供給経路１０と、共電解装置２０と、メタン反応器５３０と、第１分離器４０と、第１循環経路５０と、第２分離器５４０と、第２循環経路５５０と、エジェクタ６８０を備える。メタン生成システム６０１は、エジェクタ６８０を備える点で、メタン生成システム５０１（図６参照）と異なる。
エジェクタ６８０は、流入口６８１と、第１吸引口６８２と、第２吸引口６８３と、流出口６８４と、を有する。エジェクタ６８０は、供給経路１０に設けられている。供給経路１０を流れる二酸化炭素および水は、流入口６８１からエジェクタ６８０に流入し、流出口６８４から流出する。二酸化炭素および水は駆動流体となる。駆動流体となる水は、気体（水蒸気）であってもよいし、液体であってもよい。
第１吸引口６８２は、第１返送路５２の終端（第２端）に接続されている。第１分離流体Ｆ２は、吸引流体として第１吸引口６８２からエジェクタ６８０に流入する。第２吸引口６８３は、第３返送路５５２の終端（第２端）に接続されている。第２吸引口６８３は、第１吸引口６８２に対して、流れ方向の下流側にある。「流れ方向」は、流入口６８１から流出口６８４に向けて流れる二酸化炭素および水の方向である。第３分離流体Ｆ５は、吸引流体として第２吸引口６８３からエジェクタ６８０に流入する。エジェクタ６８０の内部には、駆動流体を噴出するノズルが設けられている。
エジェクタ６８０は、流入口６８１から流入した二酸化炭素および水を駆動流体として、第１分離流体Ｆ２および第３分離流体Ｆ５をエジェクタ６８０内に吸引する。第１分離流体Ｆ２および第３分離流体Ｆ５は、駆動流体である二酸化炭素および水とともに、流出口６８４を通してエジェクタ６８０から流出し、供給経路１０を通って共電解装置２０に供給される。
第１返送路５２および第３返送路５５２には、第１分離流体Ｆ２および第３分離流体Ｆ５を供給経路１０に送るためのポンプ等を設けてもよい。
メタン生成システム６０１は、エジェクタ６８０を備えるため、エジェクタ６８０によって第１分離流体Ｆ２および第３分離流体Ｆ５を供給経路１０に導くことができる。そのため、例えば、ポンプのみを用いて第１分離流体Ｆ２および第３分離流体Ｆ５を供給経路１０に導く場合と比較して、省エネルギー化が可能である。
メタン生成システム６０１は、複数の吸引口を有するエジェクタ６８０を用いるため、エジェクタの数を少なくできる。そのため、装置の小型化、低コスト化の点で有利となる。
実施の形態８．
次に、実施の形態８に係るメタン生成システムについて説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
図８は、実施の形態８に係るメタン生成システムの模式図である。
図８に示すように、メタン生成システム７０１は、供給経路１０と、共電解装置２０と、メタン反応器５３０と、第１分離器４０と、第１循環経路５０と、第２分離器５４０と、第２循環経路５５０と、エジェクタ７８０を備える。メタン生成システム７０１は、エジェクタ６８０に代えてエジェクタ７８０を備える点で、メタン生成システム６０１（図７参照）と異なる。
エジェクタ７８０は、第１エジェクタ部７８１と、第２エジェクタ部７８２と、を備える。
第１エジェクタ部７８１は、流入口７８３と、吸引口７８４と、流出口７８５と、を有する。第１エジェクタ部７８１は、供給経路１０に設けられている。供給経路１０を流れる二酸化炭素および水は、流入口７８３から第１エジェクタ部７８１に流入し、流出口７８５から流出する。二酸化炭素および水は駆動流体となる。駆動流体となる水は、気体（水蒸気）であってもよいし、液体であってもよい。第１エジェクタ部７８１の内部には、駆動流体を噴出するノズルが設けられている。
吸引口７８４は、第１返送路５２の終端（第２端）に接続されている。第１分離流体Ｆ２は、吸引流体として吸引口７８４から第１エジェクタ部７８１に流入する。
第１エジェクタ部７８１は、流入口７８３から流入した二酸化炭素および水を駆動流体として、第１分離流体Ｆ２を吸引する。第１分離流体Ｆ２は、駆動流体である二酸化炭素および水とともに、流出口７８５を通して第１エジェクタ部７８１から流出する。
第２エジェクタ部７８２は、流入口７８６と、吸引口７８７と、流出口７８８と、を有する。第２エジェクタ部７８２は、供給経路１０に設けられている。第２エジェクタ部７８２は、第１エジェクタ部７８１に対して、供給経路１０における二酸化炭素および水の流れ方向の下流側に設けられている。供給経路１０を流れる二酸化炭素および水は、流入口７８６から第２エジェクタ部７８２に流入し、流出口７８８から流出する。二酸化炭素および水は駆動流体となる。駆動流体となる水は、気体（水蒸気）であってもよいし、液体であってもよい。第２エジェクタ部７８２の内部には、駆動流体を噴出するノズルが設けられている。第２エジェクタ部７８２は、第１エジェクタ部７８１とは別体である。
吸引口７８７は、第３返送路５５２の終端（第２端）に接続されている。第３分離流体Ｆ５は、吸引流体として吸引口７８７から第２エジェクタ部７８２に流入する。
第２エジェクタ部７８２は、流入口７８６から流入した二酸化炭素、水および第１分離流体Ｆ２を駆動流体として、第３分離流体Ｆ５を吸引する。第３分離流体Ｆ５は、駆動流体である二酸化炭素、水および第１分離流体Ｆ２とともに、流出口７８８を通して第２エジェクタ部７８２から流出する。二酸化炭素、水、第１分離流体Ｆ２および第３分離流体Ｆ５は、供給経路１０を通って共電解装置２０に供給される。
メタン生成システム７０１は、エジェクタ７８０を備えるため、エジェクタ７８０によって第１分離流体Ｆ２および第３分離流体Ｆ５を供給経路１０に導くことができる。そのため、例えば、ポンプのみを用いて分離流体Ｆ２，Ｆ５を供給経路１０に導く場合と比較して、省エネルギー化が可能である。
メタン生成システム７０１は、エジェクタ７８０が、第１分離流体Ｆ２を吸引する第１エジェクタ部７８１と、第３分離流体Ｆ５を吸引する第２エジェクタ部７８２とを備える。第１エジェクタ部７８１と第２エジェクタ部７８２とは、互いに独立に運転条件を設定できる。よって、第１分離流体Ｆ２と第３分離流体Ｆ５との間で流量等の条件が異なる場合でも、第１エジェクタ部７８１と第２エジェクタ部７８２とを適切に稼働させることができる。
なお、本開示の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、実施の形態６では、メタン反応器５３０が２つのメタン反応部５３１，５３２を備えるが、メタン反応部の数は特に限定されない。メタン反応部の数は２以上の任意の数であってよい。メタン生成システム５０１は、メタン反応部の数が２つであるため２つの循環経路５０，５５０を備えるが、循環経路の数は２以上の任意の数であってもよい。
実施の形態７では、メタン生成システム６０１は、供給経路１０を流れる二酸化炭素および水を駆動流体として第１分離流体Ｆ２および第３分離流体Ｆ５を吸引するが、駆動流体は、二酸化炭素と水のうち少なくとも一方であってよい。
実施の形態８では、エジェクタ７８０は、２つの第１エジェクタ部７８１，７８２を備えるが、エジェクタ部の数は２以上の任意の数であってよい。
１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１…メタン生成システム １０，２１０，３１０，４１０…供給経路 ２０…共電解装置（電解装置） ３０，５３０…メタン反応器 ４０…第１分離器 ５０…第１循環経路 ５１…導出路 ５２…第１返送路 ５３…第２返送路 ７０…冷却器 ２４０…気液分離器 ２７０，３７０…熱交換器 ４１１…第１供給路 ４１２…第２供給路 ５３１…第１メタン反応部 ５３２…第２メタン反応部 ５４０…第２分離器 ５５０…第２循環経路 ５５１…導出路 ５５２…第３返送路 ５５３…第４返送路 ６８０，７８０…エジェクタ ７８１…第１エジェクタ部 ７８２…第２エジェクタ部 Ｆ１…返送流体 Ｆ２…第１分離流体 Ｆ３…第２分離流体 Ｆ５…第３分離流体 Ｆ６…第４分離流体

Claims (4)

  1. 二酸化炭素および水を供給する供給経路と、
    前記二酸化炭素と前記水から電気分解によって一酸化炭素と水素を得る電解装置と、
    前記一酸化炭素と前記水素を含む混合ガスから発熱反応によりメタンを含む生成物ガスを得るメタン反応器と、
    前記生成物ガスの一部である返送流体から、水を含む第１分離流体と水素を含む第２分離流体とを分離する第１分離器と、
    前記第１分離流体を前記電解装置に導く第１返送路、および、前記第２分離流体を前記メタン反応器に導く第２返送路、を有する第１循環経路と、
    前記供給経路によって供給される前記水との熱交換によって、前記第１分離器に導入される前に前記返送流体を冷却する熱交換器と、
    を備え、
    前記第１分離器は、気液分離器であり、
    前記第２分離流体が、前記供給経路で供給される前記水または前記二酸化炭素との熱交換により冷却されて前記メタン反応器に導かれる、
    メタン生成システム。
  2. 前記第２返送路に、前記第２分離流体を冷却する冷却器が設けられている、
    請求項１に記載のメタン生成システム。
  3. 前記熱交換器は、前記供給経路によって供給される前記二酸化炭素および前記水の混合流体との熱交換によって前記返送流体を冷却する、
    請求項１に記載のメタン生成システム。
  4. 前記供給経路は、前記二酸化炭素を供給する第１供給路と、前記水を供給する第２供給路とを備え、
    前記熱交換器は、前記第１供給路および前記第２供給路によって供給される前記二酸化炭素および前記水との熱交換によって前記返送流体を冷却する、
    請求項１に記載のメタン生成システム。
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