JP7181551B2 - methanation system - Google Patents

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Description

特許法第３０条第１項適用 平成３０年１０月１日に、株式会社北陸精機及び国立大学法人富山大学は、公益財団法人富山県新世紀産業機構ＴＯＮＩＯ内共有スペースにおいて、谷口貞夫、阿部孝之、井上光浩が発明した、水力エネルギーを利用してメタンを効率よく製造することができる小規模なメタン生成システムの発明を解説した展示用パネルを公開したApplication of Article 30, Paragraph 1 of the Patent Act On October 1, 2018, Hokuriku Seiki Co., Ltd. and the University of Toyama, a public interest incorporated foundation, Toyama Prefecture New Century Industrial Organization TONIO shared space with Sadao Taniguchi and Takayuki Abe. , released an exhibition panel explaining the invention of a small-scale methane production system that can efficiently produce methane using hydraulic energy, invented by Mitsuhiro Inoue.

この発明は、水を電気分解して得られた水素を利用したメタン生成システムに関する。 The present invention relates to a methane production system using hydrogen obtained by electrolyzing water.

従来から、風力発電や水力発電によって自然エネルギーを有効に回収する技術が盛んに検討されている。さらに、自然エネルギーは季節や天候による変動が大きいという問題があるので、近年では、自然エネルギーを電気とは異なる使いやすい形態に変換し、貯蔵し輸送する技術も検討されている。 BACKGROUND ART Conventionally, techniques for effectively recovering natural energy through wind power generation and hydroelectric power generation have been extensively studied. Furthermore, since natural energy has the problem that it fluctuates greatly depending on the season and the weather, in recent years, technologies for converting natural energy into an easy-to-use form different from electricity, storing, and transporting it have been studied.

従来、例えば特許文献１に開示されているように、自然エネルギー（非化石燃料エネルギー）から電気エネルギーを発生させる電気エネルギー源と、その電気エネルギーを用いて水の電気分解を行って水素と酸素を生成する電気分解装置と、その水素を用いて二酸化炭素を水素化し（二酸化炭素を還元し）、安定な燃料であるメタンを生成する水素化装置とを備えたエネルギー変換システムがあった。特許文献１に開示されたシステムの電気分解装置は、水を１００℃～１０００℃の温度で電気分解し、水素化装置は、二酸化炭素を２００℃～４００℃の環境下で水素化する。 Conventionally, as disclosed in Patent Document 1, for example, an electric energy source that generates electric energy from natural energy (non-fossil fuel energy), and the electric energy is used to electrolyze water to produce hydrogen and oxygen. There has been an energy conversion system comprising an electrolyzer that produces and a hydrogenator that uses the hydrogen to hydrogenate carbon dioxide (reduce carbon dioxide) to produce methane, a stable fuel. The electrolyzer of the system disclosed in Patent Document 1 electrolyzes water at a temperature of 100°C to 1000°C, and the hydrogenation device hydrogenates carbon dioxide in an environment of 200°C to 400°C.

その他、特許文献２，３には、本願発明者らが考案したメタン生成に関する技術が開示され、水素を用いて二酸化炭素を還元する時、酸化チタンなどの粉末状の担体にルテニウム等のナノ粒子を分散担持させた還元用触媒を使用することが記載され、さらに粉末状の還元用触媒をシリコンカーバイド等から成る多孔質構造体に担持させて３００℃未満の温度に加熱して使用することが記載されている。この還元用触媒を使用することによって、常圧（大気圧）で２００℃以下という低温環境下でメタンを生成することができる。 In addition, Patent Documents 2 and 3 disclose a technique related to methane generation devised by the inventors of the present application. In addition, the powdery reduction catalyst is supported on a porous structure made of silicon carbide or the like and heated to a temperature of less than 300 ° C. before use. Have been described. By using this reduction catalyst, methane can be produced in a low temperature environment of 200° C. or less at normal pressure (atmospheric pressure).

特表２０１５－５１３５３１号公報Japanese Patent Publication No. 2015-513531 特開２００９－１３１８３５号公報JP 2009-131835 A 特開２０１３－６３４０５号公報JP 2013-63405 A

近くに大規模な発電所がなくて配電網が十分に整備されていない農山村部や離島等には、比較的小規模な地産地消型のエネルギー創出システムを設置することが望ましい。また、都市部においても、地区ごとに同様のシステムを設置しておけば、地震や豪雨等の甚大な災害が発生した時に、非常用のエネルギー源（電源、燃料等）を確保することができる。 In rural areas and isolated islands where there are no large-scale power plants nearby and the distribution network is not sufficiently developed, it is desirable to install a relatively small-scale local production and consumption type energy generation system. In urban areas, if a similar system is installed in each district, emergency energy sources (power supply, fuel, etc.) can be secured in the event of a major disaster such as an earthquake or heavy rain. .

しかしながら、特許文献１のエネルギー変換システムは、電気エネルギー源として大規模な風力発電所や水力発電所等が想定されている。また、高温の環境下で水の電気分解を行ったり水素化を行ったりする必要があり、各装置が大掛かりで高価なものになる。したがって、地産地消型のエネルギー創出システムとして広く普及させるのは難しい。 However, the energy conversion system of Patent Literature 1 assumes a large-scale wind power plant, a hydroelectric power plant, or the like as an electrical energy source. In addition, it is necessary to electrolyze or hydrogenate water in a high-temperature environment, which makes each apparatus large-scale and expensive. Therefore, it is difficult to spread widely as a local production for local consumption type energy creation system.

特許文献２，３の技術は、比較的低温の環境下でメタンを生成できるという特徴があるが、上述した地産地消型のエネルギー創出システムを構築することまでは考慮されていない。 The technologies of Patent Documents 2 and 3 are characterized by being able to generate methane in a relatively low-temperature environment, but construction of the aforementioned local production for local consumption type energy creation system is not considered.

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、変動が大きい水力エネルギーを安定なエネルギー源でありエネルギー密度も高いメタンに効率よく変換することができ、比較的安価に構成できる小規模なメタン生成システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background art, and can efficiently convert hydroelectric energy, which fluctuates greatly, into methane, which is a stable energy source and has a high energy density, and can be constructed at a relatively low cost. The object is to provide a large-scale methanation system.

この発明は、水路を流れる水を受けて水車が回転し、その回転エネルギーを発電機で電気エネルギーに変換し、直流電圧を生成して出力する小水力発電装置と、前記直流電圧を用いて水の電気分解を行い、電解水素及び電解酸素を発生させる水電気分解装置と、加熱された反応容器の内部で二酸化炭素と前記電解水素とを反応させ、前記二酸化炭素を水素還元することによってメタンを生成する二酸化炭素還元装置とを備えたメタン生成システムである。 The present invention provides a small hydraulic power generator that receives water flowing in a water channel and rotates a water turbine, converts the rotational energy into electrical energy with a generator, generates and outputs a DC voltage, and a water turbine that uses the DC voltage to generate and output a DC voltage. A water electrolyzer for generating electrolytic hydrogen and electrolytic oxygen, and a reaction vessel where carbon dioxide and the electrolytic hydrogen are reacted in a heated reaction vessel to reduce the carbon dioxide with hydrogen to produce methane. and a carbon dioxide reducer that produces methane.

前記二酸化炭素還元装置は、前記反応容器の内部に、粉末状の酸化チタンにナノ粒子状のルテニウムを分散担持させた粉末状触媒が設置され、前記ルテニウムの中の９０％以上は、粒径が１０ｎｍ未満であり、前記粉末状触媒を３００℃未満の温度に加熱するとともに、前記反応容器の内部空間を常圧で１００～２３０℃の温度に保持した状態で、前記反応容器内に前記二酸化炭素と前記電解水素とを送り込む。この場合、前記反応容器内に不活性ガス（例えば、アルゴン、窒素等）で希釈した前記二酸化炭素を送り込むようにしてもよい。また、前記粉末状触媒が、シリコンカーバイドから成る多孔質構造体に担持させた状態で前記反応容器内に設置される構成にすることが好ましい。 In the carbon dioxide reduction device, a powder catalyst in which nanoparticle ruthenium is dispersed and supported on powder titanium oxide is installed inside the reaction vessel, and 90% or more of the ruthenium has a particle size. It is less than 10 nm, and while the powdery catalyst is heated to a temperature of less than 300° C., and the interior space of the reaction vessel is maintained at a temperature of 100 to 230° C. under normal pressure, the carbon dioxide is introduced into the reaction vessel. and the electrolyzed hydrogen. In this case, the carbon dioxide diluted with an inert gas (eg, argon, nitrogen, etc.) may be fed into the reaction vessel. Moreover, it is preferable that the powdery catalyst is placed in the reaction vessel in a state in which it is supported on a porous structure made of silicon carbide.

前記小水力発電装置には、前記発電機である三相交流発電機と、前記三相交流発電機が出力する交流電圧を変圧するトランスと、前記トランスが出力する交流電圧を全波整流して合成した脈流電圧を生成する三相整流器とが設けられ、前記トランスの変圧比は、前記脈流電圧の値が１．５～１０ｖの範囲になるように設定され、前記小水力発電装置は、前記脈流電圧を前記直流電圧として出力する構成にすることが好ましい。また、前記小水力発電装置の水車は、回転軸が垂直方向に設置され、前記水路の段差部を上方から下方に流れ落ちる水を受けて回転する構成にすることが好ましい。 The small hydroelectric generator includes a three-phase AC generator as the generator, a transformer for transforming the AC voltage output by the three-phase AC generator, and a full-wave rectifier for the AC voltage output by the transformer. A three-phase rectifier for generating a synthesized pulsating current voltage is provided, and the transformation ratio of the transformer is set so that the value of the pulsating current voltage is in the range of 1.5 to 10 v, and the small hydroelectric power generator is , preferably, the pulsating voltage is output as the DC voltage. In addition, it is preferable that the water wheel of the small hydroelectric power generator has a rotating shaft installed in a vertical direction, and is configured to rotate by receiving the water flowing down the stepped portion of the water channel from above.

この発明のメタン生成システムは、所定の小水力発電装置、水電気分解装置及び二酸化炭素還元装置を組み合わせることによって、安定なエネルギー源でありエネルギー密度も高いメタンを効率よく生成することができる。特に、特許文献１のエネルギー変換システムの場合、非常に高い温度で処理を行うため大掛かりで高価な装置が必要になるところ、本発明のメタン生成システムは、低温の環境下で処理を行うことができるので、各装置を比較的安価に構成することができ、小規模な地産地消型のエネルギー創出システムとして広く普及させやすい。 The methane production system of the present invention can efficiently produce methane, which is a stable energy source and has a high energy density, by combining a predetermined small hydroelectric power generator, water electrolysis device, and carbon dioxide reduction device. In particular, in the case of the energy conversion system of Patent Document 1, a large-scale and expensive device is required for processing at a very high temperature, whereas the methane generation system of the present invention can perform processing in a low-temperature environment. Therefore, each device can be configured at a relatively low cost, and it is easy to spread widely as a small-scale local production for local consumption type energy creation system.

この発明のメタン生成システムの一実施形態の構成と処理の流れを示す図である。1 is a diagram showing the configuration and processing flow of an embodiment of a methane production system of the present invention; FIG. この実施形態のメタン生成システムが有する小水力発電装置の構成と処理の流れを示す図である。It is a figure which shows the structure of the small hydroelectric generator which the methane production system of this embodiment has, and the flow of a process. この実施形態のメタン生成システムが有する二酸化炭素還元装置の構成と処理の流れを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the configuration and process flow of a carbon dioxide reduction device included in the methane generation system of this embodiment; 図３の二酸化炭素還元装置を使用して試験的にメタンを生成した結果を示すグラフ（ａ）、（ｂ）である。4A and 4B are graphs (a) and (b) showing the results of experimentally producing methane using the carbon dioxide reduction apparatus of FIG. 3; 図３の二酸化炭素還元装置を使用して試験的にメタンを生成した結果を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the results of experimentally producing methane using the carbon dioxide reduction device of FIG. 3; FIG.

以下、本発明のメタン生成システムの一実施形態について図面に基づいて説明する。この実施形態のメタン生成システム１０は、図１に示すように、小水力発電装置１２、水電気分解装置１４、及び二酸化炭素還元装置１６を備えている。 An embodiment of the methane production system of the present invention will be described below with reference to the drawings. The methane production system 10 of this embodiment includes a small hydroelectric generator 12, a water electrolysis device 14, and a carbon dioxide reduction device 16, as shown in FIG.

小水力発電装置１２は、例えば１０ｋＷ級の発電を行う比較的小規模な水力発電装置であり、用水路や河川等を流れる水流のエネルギーを電気エネルギーに変換し、後段の水電気分解装置１４に向けて電気分解用の直流電圧Ｖdcを出力する。 The small hydroelectric power generator 12 is a relatively small-scale hydroelectric power generator that generates, for example, 10 kW class power, converts the energy of water currents flowing in irrigation channels, rivers, etc. output DC voltage Vdc for electrolysis.

図２に示すように、水車１８は、水流のエネルギーを効果的に回収するため、水路ＳＲの途中のほぼ直角で一定以上の落差を有した段差部に設けられている。水車１８は、回転軸を垂直方向にして設置され、上方から下方に流れ落ちる水Ｗを受けて勢いよく回転し、水流のエネルギーを回転エネルギーに変換する。 As shown in FIG. 2, the water wheel 18 is provided at a substantially right-angled stepped portion having a certain or more head in the middle of the water channel SR in order to effectively recover the energy of the water flow. The water wheel 18 is installed with its axis of rotation in the vertical direction, receives the water W flowing downward from above, rotates vigorously, and converts the energy of the water flow into rotational energy.

水車１８の回転エネルギーは、水車１８の回転軸に連結された三相交流発電機２０によって電気エネルギーに変換され、三相交流発電機２０が交流電圧Ｖac1（例えばＡＣ２００ｖ／３φ）を出力する。その後、トランス２２で交流電圧Ｖac1を変圧して交流電圧Ｖac2（例えば、ＡＣ２ｖ／３φ）を生成し、さらに三相整流器２４を通して交流電圧Ｖac2を全波整流して合成した脈流電圧Ｖdc（例えば、ピーク値２．０～２．８ｖ）を生成する。そして、この脈流電圧Ｖdcが、水電気分解用の直流電圧Ｖdcとして出力される。 The rotational energy of the water turbine 18 is converted into electric energy by a three-phase AC generator 20 connected to the rotary shaft of the water turbine 18, and the three-phase AC generator 20 outputs an AC voltage Vac1 (for example AC200v/3φ). After that, the transformer 22 transforms the AC voltage Vac1 to generate an AC voltage Vac2 (for example, AC2v/3φ), and the AC voltage Vac2 is passed through a three-phase rectifier 24 to perform full-wave rectification to synthesize a pulsating current voltage Vdc (for example, produce peak values of 2.0-2.8 v). Then, this pulsating current voltage Vdc is output as a DC voltage Vdc for water electrolysis.

水電気分解装置１４は、小水力発電装置１２が出力する直流電圧Ｖdcを使用して常温の環境下で水の電気分解を行い、電解水素及び電解酸素を発生させる。ここでは、特許文献１のエネルギー変換システムのような１００～１０００℃の環境を作る必要はない。 The water electrolysis device 14 uses the DC voltage Vdc output by the small hydroelectric power generation device 12 to electrolyze water under a normal temperature environment to generate electrolytic hydrogen and electrolytic oxygen. Here, it is not necessary to create an environment of 100 to 1000° C. unlike the energy conversion system of Patent Document 1.

水の電気分解には１．２３ｖ以上の直流電圧が必要であり、１．２３ｖ以上が供給されていれば電圧の値が多少変動しても問題にはならない。したがって、小水力発電装置１２に、直流電圧Ｖdcを安定化するための電圧制御回路を設ける必要がなく、三相交流発電機２０以降の回路を非常にシンプルに構成することができる。ただし、直流電圧Ｖdcが高すぎると無駄な発熱が発生したり絶縁破壊が発生したりするおそれがあるので、三相整流器２４の前段にトランス２２を設け、トランス２２の変圧比を、直流電圧Ｖdcの値が１．５～１０ｖの範囲に収まるように設定している。 Electrolysis of water requires a DC voltage of 1.23 V or more, and if 1.23 V or more is supplied, there is no problem even if the value of the voltage fluctuates a little. Therefore, it is not necessary to provide a voltage control circuit for stabilizing the DC voltage Vdc in the small hydroelectric power generator 12, and the circuit after the three-phase AC generator 20 can be configured very simply. However, if the DC voltage Vdc is too high, useless heat generation or dielectric breakdown may occur. is set so that the value of is within the range of 1.5 to 10v.

その他、小水力発電装置１０には、異常時の保護用に、過電圧検出装置２６及びダミーロード２８が設けられている。過電圧検出装置２６は、何らかの原因で直流電圧Ｖdcが過大な値になったことを検出すると、ダミーロード２８を動作させて負荷を重くし、直流電圧Ｖdcを強制的に低下させる働きをする。 In addition, the small hydroelectric generator 10 is provided with an overvoltage detector 26 and a dummy load 28 for protection against abnormalities. When the overvoltage detection device 26 detects that the DC voltage Vdc has become an excessive value for some reason, it operates the dummy load 28 to increase the load and forcibly lower the DC voltage Vdc.

二酸化炭素還元装置１６は、図３に示すように、加熱された反応容器３０の内部で二酸化炭素と水素とを反応させ、二酸化炭素を水素還元することによってメタンを生成する。水素は、水電気分解装置１４が生成した電解水素を使用する。 As shown in FIG. 3, the carbon dioxide reduction device 16 produces methane by reacting carbon dioxide and hydrogen inside a heated reaction vessel 30 and reducing the carbon dioxide with hydrogen. Electrolyzed hydrogen generated by the water electrolyzer 14 is used as hydrogen.

また、反応を促進する触媒として、粉末状の酸化チタンにナノ粒子状のルテニウムを分散担持させた粉末状触媒３２を使用する。ルテニウム粒子は、平均粒径が４～５ｎｍ例えば５．５ｎｍ、全粒子の９０％以上は、粒径が３ｎｍ以上１０ｎｍ未満である。粉末状触媒３２が稠密に保持されると触媒として十分に機能できないので、粉末状触媒３２は、シリコンカーバイドから成る多孔質構造体３４に担持させた状態で反応容器３０内に設置することが好ましい。 As a catalyst for accelerating the reaction, a powdery catalyst 32 in which nanoparticles of ruthenium are dispersedly supported on powdery titanium oxide is used. The ruthenium particles have an average particle size of 4 to 5 nm, eg, 5.5 nm, and 90% or more of all particles have a particle size of 3 nm or more and less than 10 nm. If the powdered catalyst 32 is kept densely, it cannot function sufficiently as a catalyst. Therefore, it is preferable that the powdered catalyst 32 be placed in the reaction vessel 30 while being supported on a porous structure 34 made of silicon carbide. .

二酸化炭素還元装置１６は、空調装置３８とヒータ４０とを有し、空調装置３８は、内部空間３６を常圧で２００℃以下の温度に保持し、ヒータ４０は、粉末状触媒３３を２００～３００℃未満の温度に加熱する（例えば、２２５～２４０℃）。そして、反応容器３０内に二酸化炭素及び電解水素を送り込み、二酸化炭素を水素還元してメタンを生成し、生成したメタンを反応容器３０の外部に送り出して回収する。 The carbon dioxide reduction device 16 has an air conditioner 38 and a heater 40. The air conditioner 38 maintains the internal space 36 at normal pressure at a temperature of 200° C. or less, and the heater 40 heats the powdered catalyst 33 to 200 to 200°C. Heat to a temperature below 300° C. (eg, 225-240° C.). Then, carbon dioxide and electrolytic hydrogen are sent into the reaction vessel 30, the carbon dioxide is hydrogen-reduced to produce methane, and the produced methane is sent out of the reaction vessel 30 and recovered.

発明者は、試作した二酸化炭素還元装置１６を使用してメタンを生成する実験を行った。反応容器３０への供給ガスは不活性ガスであり、例えばアルゴンで３０％に希釈した二酸化炭素（以下、CO2/Arガスと称する。）と、水電気分解装置１４で生成した電解水素（以下、H2ガスと称する。）とを混合したものとした。 The inventor conducted an experiment of producing methane using the prototyped carbon dioxide reduction device 16 . The gas supplied to the reaction vessel 30 is an inert gas, for example, carbon dioxide diluted to 30% with argon (hereinafter referred to as CO 2 /Ar gas) and electrolytic hydrogen generated in the water electrolyzer 14 (hereinafter , referred to as H2 gas.).

図４（ａ）、（ｂ）は、CO2/Arガスの流量を４２０ｍｌ／ｍｉｎ、H2ガスの流量を５００ｍｌ／ｍｉｎにした時の実験結果を示している。図４（ａ）のチャートは、供給ガス及び生成ガスの成分をガスクロマトグラフ装置で各々分析した結果である。供給ガスのチャートは、0.8分付近に水素のピークが認められ、4.1分付近に二酸化炭素のピークが認められた。 FIGS. 4(a) and 4(b) show experimental results when the flow rate of CO 2 /Ar gas is 420 ml/min and the flow rate of H 2 gas is 500 ml/min. The chart in FIG. 4(a) is the result of analyzing the components of the supplied gas and the produced gas with a gas chromatograph. The feed gas chart showed a hydrogen peak around 0.8 minutes and a carbon dioxide peak around 4.1 minutes.

生成ガス（１８０℃）のチャートは、内部空間３６の温度を１８０℃に保持した時の生成ガスの分析結果である。供給ガスのチャートと比較すると、二酸化炭素のピークが少し小さくなり、2.5分付近にメタンのピークが現れている。これは二酸化炭素が水素還元されてメタンが生成されたことを示している。 The generated gas (180°C) chart is the analysis result of the generated gas when the temperature of the internal space 36 was kept at 180°C. Compared to the supply gas chart, the carbon dioxide peak is slightly smaller, and the methane peak appears around 2.5 minutes. This indicates that carbon dioxide was hydrogen-reduced to produce methane.

生成ガス（２３０℃）のチャートは、内部空間３６の温度を２３０℃保持した時の生成ガスの分析結果である。生成ガス（１８０℃）のチャートと比較すると、二酸化炭素のピークがさらに小さくなり、メタンのピークがさらに大きくなっており、これは内部空間３６の温度が高くなってメタンの生成量が増加したことを示している。 The generated gas (230°C) chart is the analysis result of the generated gas when the temperature of the internal space 36 was kept at 230°C. Compared to the chart for the produced gas (180° C.), the carbon dioxide peak is even smaller, and the methane peak is even larger. is shown.

図４（ｂ）は、内部空間３６の設定温度に対するメタンの収率の変化をグラフにしたもので、温度が１２０℃を超えるとメタンが生成されるようになり、２００℃では収率が５０％を超え、２３０℃で収率が１００％近くになった。 FIG. 4(b) is a graph showing changes in the yield of methane with respect to the set temperature of the internal space 36. When the temperature exceeds 120°C, methane is produced, and at 200°C the yield drops to 50%. %, and the yield was close to 100% at 230°C.

図５は、CO2/Arガス及びH2ガスの流量を変更した時に、図４（ｂ）の特性がどのように変化するかを測定したものである。図５の中の「●」のプロットは、図４（ｂ）のデータである。「□」のプロットは、CO2/Arガスの流量を８３ｍｌ／ｍｉｎ、H2ガスの流量を１００ｍｌ／ｍｉｎにした時のデータである。また、「〇」のプロットは、CO2/Arガスの流量を６７ｍｌ／ｍｉｎ、H2ガスの流量を８０ｍｌ／ｍｉｎにした時のデータである。「□」と「〇」のどちらの場合も、温度が１００℃を超えるとメタンが生成されるようになり、１７０℃では収率が５０％を超え、２００℃で収率が１００％近くになった。 FIG. 5 shows measurements of how the characteristics of FIG. 4(b) change when the flow rates of CO 2 /Ar gas and H 2 gas are changed. The plotted "●" in FIG. 5 is the data of FIG. 4(b). Plotted squares are data obtained when the flow rate of CO 2 /Ar gas is 83 ml/min and the flow rate of H 2 gas is 100 ml/min. Also, the plotted "O" is the data when the flow rate of the CO2 /Ar gas was 67 ml/min and the flow rate of the H2 gas was 80 ml/min. In both cases of "□" and "○", methane is produced when the temperature exceeds 100°C, the yield exceeds 50% at 170°C, and the yield approaches 100% at 200°C. became.

図５のグラフから、二酸化炭素を水素還元する反応は、上記の粉末状触媒３０を使用することによって、２３０℃以下という低温の環境下でも良好に行われることが確認できた。つまり、特許文献１の水素化装置のように３００℃を超えるような高い温度にしなくても良いとことが分かった。また、CO2/Arガス及びH2ガスの各流量を調節したり、二酸化炭素の希釈の度合いを調節したりすることによって、さらに低い温度でのメタン生成が可能になると考えられる。 From the graph of FIG. 5, it was confirmed that the reaction of hydrogen reduction of carbon dioxide can be carried out satisfactorily even in a low temperature environment of 230° C. or lower by using the powdery catalyst 30 described above. In other words, it was found that it is not necessary to use a high temperature exceeding 300° C. as in the hydrogenation apparatus of Patent Document 1. Further, it is believed that methane production at even lower temperatures becomes possible by adjusting the respective flow rates of CO 2 /Ar gas and H 2 gas and by adjusting the degree of dilution of carbon dioxide.

その他、粉末状触媒３２を多孔質構造体３４に担持させた状態で反応容器３０内に設置することによって、内部空間３６の気圧を高くしたりガスの流速を上げたりしなくても、粉末状触媒３３が効果的に機能することが確認できた。 In addition, by installing the powdered catalyst 32 in the reaction vessel 30 in a state where the powdered catalyst 32 is supported on the porous structure 34, the powdered catalyst 32 can be obtained without increasing the pressure in the internal space 36 or increasing the gas flow rate. It was confirmed that the catalyst 33 functioned effectively.

以上説明したように、メタン生成システム１０は、所定の小水力発電装置１２、水電気分解装置１４及び二酸化炭素還元装置１６を組み合わせることによって、安定なエネルギー源であるメタンを効率よく生成することができる。特に、特許文献１のエネルギー変換システムは、非常に高い温度で処理を行うため大掛かりで高価な装置が必要になるところ、メタン生成システム１０は、低温の環境下で処理を行うことができるので、各装置を比較的安価に構成することができ、小規模な地産地消型のエネルギー創出システムとして広く普及させやすい。 As described above, the methane generation system 10 can efficiently generate methane, which is a stable energy source, by combining the predetermined small hydroelectric generator 12, the water electrolysis device 14, and the carbon dioxide reduction device 16. can. In particular, the energy conversion system of Patent Document 1 requires a large-scale and expensive device for processing at a very high temperature. Each device can be configured at a relatively low cost, and it is easy to spread widely as a small-scale local production for local consumption type energy creation system.

なお、本発明のメタン生成システムは、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、小水力発電装置の水車の設置方法は、用水路や河川の形態に合わせて適宜変更することができる。上記の小水力発電装置１２の場合は、水路のほぼ直角な段差部に水車１８を設置するため、水流がブレードにほぼ直角に衝突するように回転軸を垂直方向にしているが、例えば水路に直角な段差部がない時は、水流の方向に合わせて回転軸を斜め方向や横方向にして設置すればよい。 In addition, the methane production system of the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the installation method of the water wheel of the small hydroelectric generator can be appropriately changed according to the form of the irrigation channel or river. In the case of the above-mentioned small hydroelectric generator 12, since the water turbine 18 is installed on a stepped portion that is substantially perpendicular to the water channel, the rotation axis is oriented vertically so that the water flow collides with the blades at a substantially right angle. If there is no right-angled stepped part, it can be installed with the rotating shaft oriented obliquely or horizontally according to the direction of the water flow.

小水力発電装置に設ける発電機は上記のような三相交流発電機に限定されず、単相交流発電機や直流発電機を使用することも可能である。なお、単相交流発電機を使用する場合、単相整流器で単純に全波整流すると、直流電圧（脈流電圧）の値が１．２３ｖ以下に低下する期間が発生するので、例えば単相整流器の後段に小容量の平滑コンデンサを接続すれば、１．２３ｖ以下にならないようにすることができる。 The generator provided in the small hydroelectric generator is not limited to the above three-phase AC generator, and it is also possible to use a single-phase AC generator or a DC generator. When using a single-phase AC generator, simple full-wave rectification with a single-phase rectifier generates a period in which the value of the DC voltage (pulsating current voltage) drops below 1.23 V, so for example, a single-phase rectifier If a small-capacity smoothing capacitor is connected after , it is possible to prevent the voltage from falling below 1.23V.

その他、二酸化炭素還元装置の反応容器へ供給する二酸化炭素は、不活性ガスで希釈した二酸化炭素であれば良く、アルゴン以外に窒素を用いても良く、他の不活性ガスを用いても良い。水の電気分解によって発生した電解酸素は、大気中に放出する構成にしてもよいし、これを回収して何かの用途に有効利用する構成にしてもよい。同様に、二酸化炭素を水素還元することによって発生した水は、用水路などに排出する構成にしてもよいし、回収して何かの用途に有効利用する構成にしてもよい。 In addition, the carbon dioxide to be supplied to the reaction vessel of the carbon dioxide reduction apparatus may be carbon dioxide diluted with an inert gas, nitrogen may be used other than argon, or other inert gas may be used. The electrolyzed oxygen generated by the electrolysis of water may be discharged into the atmosphere, or may be recovered and effectively used for some purpose. Similarly, the water generated by hydrogen reduction of carbon dioxide may be discharged into an irrigation channel or the like, or may be collected and effectively used for some purpose.

１０ メタン生成システム
１２ 小水力発電装置
１４ 水電気分解装置
１６ 二酸化炭素還元装置
１８ 水車
２０ 三相交流発電機
２２ トランス
２４ 三相整流器
３０ 反応容器
３２ 粉末状触媒
３４ 多孔質構造体
３６ 反応容器の内部空間
ＳＲ 水路
Ｖac1，Ｖac2 交流電圧
Ｖdc 直流電圧（脈流電圧）
Ｗ 水 10 Methane production system 12 Small hydroelectric generator 14 Water electrolysis device 16 Carbon dioxide reduction device 18 Hydro turbine 20 Three-phase AC generator 22 Transformer 24 Three-phase rectifier 30 Reaction vessel 32 Powdered catalyst 34 Porous structure 36 Interior of reaction vessel Space SR Water channels Vac1, Vac2 AC voltage Vdc DC voltage (pulsating voltage)
Water

Claims (3)

水路を流れる水を受けて水車が回転し、その回転エネルギーを発電機で電気エネルギーに変換し、直流電圧を生成して出力する小水力発電装置と、
前記直流電圧を用いて水の電気分解を行い、電解水素及び電解酸素を発生させる水電気分解装置と、
加熱された反応容器の内部で二酸化炭素と前記電解水素とを反応させ、前記二酸化炭素を水素還元することによってメタンを生成する二酸化炭素還元装置とを備えるメタン生成システムであって、
前記小水力発電装置の水車は、前記水路の段差部に設置され、回転軸が垂直方向に配置されて、上方から下方に流れ落ちる水を受けて回転し、
前記二酸化炭素還元装置は、
前記反応容器の内部に、粉末状の酸化チタンにナノ粒子状のルテニウムを分散担持させた粉末状触媒が設置され、前記ルテニウムの中の９０％以上は、粒径が１０ｎｍ未満であり、
前記粉末状触媒を２００～３００℃未満の温度に加熱するとともに、前記反応容器の内部空間を常圧で１００～２３０℃の温度に保持した状態で、前記反応容器内に前記二酸化炭素と前記電解水素とを送り込むことを特徴とするメタン生成システム。 A small hydroelectric power generator that receives water flowing in a water channel and rotates a water wheel, converts the rotational energy into electrical energy with a generator, and generates and outputs a DC voltage;
a water electrolyzer that electrolyzes water using the DC voltage to generate electrolytic hydrogen and electrolytic oxygen;
A methane production system comprising a carbon dioxide reduction device for producing methane by reacting carbon dioxide and the electrolytic hydrogen inside a heated reaction vessel and hydrogen-reducing the carbon dioxide,
The water wheel of the small hydroelectric power generator is installed at a stepped portion of the water channel, the rotating shaft is arranged in a vertical direction, and it rotates by receiving water flowing downward from above,
The carbon dioxide reduction device is
A powdered catalyst in which nanoparticulate ruthenium is dispersed and supported on powdered titanium oxide is placed inside the reaction vessel, and 90% or more of the ruthenium has a particle size of less than 10 nm,
The powdered catalyst is heated to a temperature of less than 200 to 300° C., and the internal space of the reaction vessel is maintained at a temperature of 100 to 230° C. under normal pressure, and the carbon dioxide and the electrolysis are introduced into the reaction vessel. A methane production system characterized by feeding hydrogen . 前記二酸化炭素還元装置は、前記反応容器内に不活性ガスで希釈した前記二酸化炭素を送り込む請求項１記載のメタン生成システム。 2. The methane production system according to claim 1, wherein said carbon dioxide reduction device feeds said carbon dioxide diluted with an inert gas into said reaction vessel. 前記二酸化炭素還元装置は、前記粉末状触媒が、シリコンカーバイドから成る多孔質構造体に担持させた状態で前記反応容器内に設置される請求項１又は２記載のメタン生成システム。 3. The methane production system according to claim 1, wherein the carbon dioxide reduction device is installed in the reaction vessel in a state in which the powdered catalyst is supported on a porous structure made of silicon carbide.
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