WO2023112845A1 - 炭化水素系化合物の製造装置及び製造方法 - Google Patents

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暁 茂木
勉 樋口
祐之輔 中原
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for producing a hydrocarbon-based compound that synthesizes a hydrocarbon-based compound from H 2 O and CO 2 by energization, and in particular, production in which the temperature is raised by the heat generated during the synthesis of the hydrocarbon-based compound.
  • a hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus that cools the apparatus and heats the excessively cooled manufacturing apparatus to suppress heat generation, thereby suppressing a decrease in conversion efficiency due to electrolysis of H 2 O and CO 2 ; It relates to a manufacturing method.
  • Patent Document 1 a system using a methanation reaction using CO 2 , which is a cause of global warming, as a raw material has been proposed (for example, Patent Document 1).
  • a water electrolysis system PCEC
  • proton conductive ceramics for example, Non-Patent Document 1
  • methane can be produced by simultaneously electrolyzing CO 2 on the cathode side.
  • the temperature should be 700° C. or less at normal pressure from the viewpoint of methanation reaction equilibrium, and 550° C. or less from the viewpoint of CO 2 conversion efficiency.
  • the temperature rises as the reaction progresses, and the methane production efficiency decreases.
  • the electrolysis efficiency of the PCEC will decrease, and the methane production efficiency will also decrease.
  • a manufacturing apparatus in producing a hydrocarbon compound such as methane in a PCEC co-electrolytic system, a manufacturing apparatus is provided without adding a dedicated cooling device or heating device in addition to the PCEC co-electrolytic system.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method for producing a hydrocarbon-based compound that can efficiently suppress overheating and supercooling of the hydrocarbon-based compound and continue the efficient production of the hydrocarbon-based compound.
  • the present invention was invented to solve the problems in the prior art as described above, and the apparatus and method for producing a hydrocarbon compound of the present invention include those configured as follows. .
  • a hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus for synthesizing a hydrocarbon-based compound from H 2 O and CO 2 by energization, an electrolytic cell having a fuel synthesis section including a cathode, a proton generation section including an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode; an H 2 O supply unit that supplies H 2 O to the proton generation unit; a cathode gas supply unit that supplies a cathode gas containing CO 2 to the fuel synthesizing unit; an H 2 O preliminary temperature controller for adjusting the temperature of H 2 O supplied to the proton generator; a cathode gas preliminary temperature controller for adjusting the temperature of the cathode gas supplied from the cathode gas supplier; and the proton generator.
  • a temperature control system having at least one proton generating part temperature control part for controlling the temperature of the part; a fuel synthesizing unit temperature measuring unit for measuring the temperature of the fuel synthesizing unit; and a controller that controls the amount of heat generated by the temperature control system based on the temperature of the fuel synthesizing unit measured by the temperature measuring unit of the fuel synthesizing unit.
  • the fuel synthesizing unit temperature measuring unit measures the temperature difference between the inlet side temperature and the outlet side temperature of the fuel synthesizing unit, the temperature difference between the inlet side temperature of the fuel synthesizing unit and the temperature of the cathode, and the fuel synthesizing unit temperature.
  • the apparatus for producing a hydrocarbon-based compound according to any one of [1] to [3], wherein at least one of the outlet-side temperatures of the part is measured.
  • [5] further comprising a generated gas measuring unit for measuring the amount of generated gas generated in the fuel synthesizing unit;
  • the control unit According to any one of [1] to [4], the calorific value of the temperature control system is controlled based on the temperature of the fuel synthesizing unit and the amount of generated gas measured by the generated gas measuring unit. production equipment for hydrocarbon compounds.
  • [6] further comprising a hydrocarbon-based compound production rate measuring unit that measures the production rate R of the hydrocarbon-based compound produced in the fuel synthesizing unit with respect to the amount of CO 2 supplied from the cathode gas supply unit;
  • the control unit Any one of [1] to [5], wherein the calorific value of the temperature control system is controlled based on the temperature of the fuel synthesizing unit and the production rate R measured by the hydrocarbon compound production rate measuring unit.
  • a current-voltage measuring unit that measures at least one of a voltage value to the anode with respect to the cathode, a current value flowing between the cathode and the anode, and an electrical resistance value between the cathode and the anode; further prepared, The control unit Any one of [1] to [6], wherein the amount of heat generated by the temperature control system is controlled based on at least one of the voltage value, the current value, and the electrical resistance value measured by the current/voltage measurement unit. 2.
  • an electrolytic cell having a fuel synthesizing section including a cathode, a proton generating section including an anode, and an electrolyte membrane disposed between the cathode and the anode; an H 2 O supply unit that supplies H 2 O to the proton generation unit; a cathode gas supply unit that supplies a cathode gas containing CO 2 to the fuel synthesizing unit; an H 2 O preliminary temperature controller for adjusting the temperature of H 2 O supplied to the proton generator; a cathode gas preliminary temperature controller for adjusting the temperature of the cathode gas supplied from the cathode gas supplier; and the proton generator.
  • a temperature control system having at least one of a proton generating part and a temperature control part for adjusting the temperature of the part, and by energizing H 2 O and CO 2 to a hydrocarbon compound.
  • a method for producing a hydrocarbon compound that synthesizes A method for producing a hydrocarbon-based compound, wherein the calorific value of the temperature control system is controlled based on the temperature of the fuel synthesizing section.
  • the temperature of the fuel synthesizing section is the temperature difference between the inlet side temperature and the outlet side temperature of the fuel synthesizing section, the temperature difference between the inlet side temperature of the fuel synthesizing section and the temperature of the cathode, and the fuel synthesizing section.
  • the temperature control system Based on at least one of a voltage value to the anode with respect to the cathode, a current value flowing between the cathode and the anode, and an electrical resistance value between the cathode and the anode, the temperature control system
  • the temperature of at least one of the H 2 O supplied to the proton generation section, the cathode gas supplied from the cathode gas supply section, and the proton generation section is adjusted based on the temperature of the fuel synthesis section including the cathode.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a hydrocarbon-based compound production apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of a hydrocarbon-based compound production apparatus according to the present embodiment. Note that in FIG. 1 , some lines indicating electrical connections with the control unit 60 are not shown in order to avoid complication of the drawing.
  • hydrocarbon-based compound an example of producing methane (CH 4 ) as a fuel (also referred to as a “hydrocarbon-based compound” in this specification) is described, but the present invention is directed to hydrocarbons such as methane and ethane.
  • manufacturing of hydrocarbon compounds consisting of carbon and hydrogen including alcohols such as methanol and ethanol, aldehydes such as formaldehyde and acetaldehyde, carboxylic acids such as formic acid and acetic acid, and ethers such as dimethyl ether. It can also be applied to devices and manufacturing methods.
  • the type of hydrocarbon compound to be produced can be selected, for example, by selecting the material of the cathode or adjusting the amounts of CO 2 and H 2 O supplied to the production apparatus. Hydrocarbon compounds can also be produced simultaneously.
  • the hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus 10 of the present embodiment includes a fuel synthesizing section 20 including a cathode 22, a proton generating section 30 including an anode 32, and between the cathode 22 and the anode 32 an electrolytic cell 40 having an electrolyte membrane 42 disposed thereon.
  • the anode 32 and the cathode 22 are connected to a power source 50 and are configured such that current flows from the cathode 22 to the power source 50 and current flows from the power source 50 to the anode 32 .
  • the electrolyte membrane 42 is not particularly limited as long as it is a membrane that has the property of allowing ions to pass through mainly as charge carriers, and has the property of preventing an electrical short circuit between the anode 32 and the cathode 22.
  • Proton-conducting ceramics are preferably used as such a proton-conducting material.
  • An H 2 O supply unit 34 for supplying H 2 O to the proton generation unit 30 is connected to the proton generation unit 30, while a cathode containing CO 2 in the fuel synthesis unit 20 is connected to the fuel synthesis unit 20.
  • a cathode gas supply unit 24 for supplying gas is connected.
  • the cathode gas supplied from the cathode gas supply unit 24 is not particularly limited as long as it contains at least CO2 .
  • a mixed gas with an active gas, or a mixed gas with NOx or CO may be used. Alternatively, air may be used.
  • Pressure regulating valves 35 and 25 are provided on the H 2 O supply path 33 from the H 2 O supply section 34 to the proton generation section 30 and on the cathode gas supply path 23 from the cathode gas supply section 24 to the fuel synthesis section 20, respectively. is provided.
  • a check valve 36 is provided on the H 2 O supply path 33 from the H 2 O supply unit 34 to the proton generation unit 30 , and the H 2 O This prevents H 2 O from flowing back to the 2 O supply section 34 .
  • the hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus 10 includes a carrier gas supply unit 38 that supplies a carrier gas that carries H 2 O supplied from the H 2 O supply unit 34 .
  • a pressure regulating valve 35 is also provided on the path from the carrier gas supply section 38 to the proton generating section 30 .
  • the amount of H 2 O supplied to the proton generating unit 30 can be determined using an analytical instrument or measuring instrument such as a gas chromatograph or a mass flow meter. can be accurately grasped. That is, it is possible to more accurately control the amount of H 2 O supplied from the H 2 O supply section 34 to the proton generation section 30 based on the values obtained from the above-mentioned analysis equipment and measuring instruments.
  • the fuel synthesizing section 20 is provided with a cathode gas temperature adjusting section 29
  • the proton generating section 30 is provided with an H 2 O temperature adjusting section 39 .
  • the cathode gas temperature control section 29 and the H 2 O temperature control section 39 generate heat to generate CO 2 and H 2 O. 2 O electrolysis efficiency is improved.
  • the hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus 10 also includes a cathode gas preliminary temperature control unit 27 that controls the temperature of the cathode gas supplied from the cathode gas supply unit 24 to the fuel synthesis unit 20 .
  • a cathode gas preliminary temperature control unit 27 controls the temperature of the cathode gas supplied from the cathode gas supply unit 24 to the fuel synthesis unit 20 .
  • the temperature of the cathode gas is more preferably 100° C. or higher and 400° C. or lower, and still more preferably 300° C. or higher and 400° C. or lower.
  • the hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus 10 of the present embodiment includes an H 2 O preliminary temperature control section 37 that controls the temperature of H 2 O supplied from the H 2 O supply section 34 to the proton generation section 30.
  • H 2 O preliminary temperature control section 37 controls the temperature of H 2 O supplied from the H 2 O supply section 34 to the proton generation section 30.
  • the H 2 O temperature control section 39, the H 2 O preliminary temperature control section 37, and the cathode gas preliminary temperature control section 27, which are the proton generating section temperature control sections, are referred to as a temperature control system.
  • the temperature control system includes the H 2 O temperature control unit 39, the H 2 O preliminary temperature control unit 37, and the cathode gas preliminary temperature control unit 27, but at least one of them is included. as long as it is
  • the produced gas containing the hydrocarbon compound produced in the fuel synthesizing section 20 is discharged from the outlet 20b of the fuel synthesizing section 20 .
  • the generated gas discharged from the outlet 20b of the fuel synthesizing unit 20 may contain, in addition to hydrocarbon compounds, CO 2 , CO, H 2 , H 2 O, etc. that have not undergone a generation reaction. .
  • the discharge part 30b may be provided at any position as long as the gas in the proton generation part 30 can be discharged. Note that H 2 O that has not been electrolyzed is also discharged from the discharge part. Also, although not shown, for example, a path for the discharged H 2 O to flow from the discharge portion 30b to the H 2 O supply portion 34 may be provided and circulated, so that H 2 O can be reused.
  • the fuel synthesizing section 20 is provided with a fuel synthesizing section temperature measuring section 21 for measuring the temperature of the fuel synthesizing section 20 .
  • the temperature of the fuel synthesizing section 20 measured by the fuel synthesizing section temperature measuring section 21 is output as an electric signal and transmitted to the control section 60 as will be described later.
  • the fuel synthesizing unit temperature measuring unit 21 is provided on the outlet 20b side of the fuel synthesizing unit 20, and the temperature of the generated gas discharged from the fuel synthesizing unit 20 is measured as the temperature of the fuel synthesizing unit 20.
  • the fuel synthesizing unit temperature measuring unit 21 is provided on both the inlet 20a side and the outlet 20b side of the fuel synthesizing unit 20, and the inlet side temperature (supplied cathode gas temperature) and the outlet side temperature (the temperature of the produced gas discharged) may be measured.
  • the fuel synthesizing unit temperature measuring unit 21 is provided on the inlet 20a side of the fuel synthesizing unit and on the surface of the cathode 22 to measure the temperature difference between the inlet side temperature (the temperature of the supplied cathode gas) and the temperature of the cathode 22. You may make it
  • the fuel synthesizing unit temperature measuring unit 21 and the temperature control system are electrically connected to each other. 60 , and the control unit 60 is configured to control the amount of heat generated by the temperature control system based on the output signal of the fuel synthesizing unit temperature measuring unit 21 .
  • the control unit 60 for example, a microcontroller having calculation means, storage means, input/output means, etc. can be used.
  • control unit 60 can be configured to acquire the H 2 O supply amount in real time from the electrically connected H 2 O supply unit 34 .
  • control unit 60 is electrically connected to the cathode gas supply unit 24, and can be configured to obtain the CO 2 supply amount in real time.
  • the amount of CO 2 supplied is determined by measuring the amount of CO 2 contained in the cathode gas using a known analyzer or measuring instrument. can be
  • control unit 60 is electrically connected to the carrier gas supply unit 38, acquires the carrier gas supply amount in real time, and based on the temperature of the fuel synthesis unit 20 measured by the fuel synthesis unit temperature measurement unit 21, By controlling the H 2 O supply amount supplied from the H 2 O supply unit 34 and the carrier gas supply amount supplied from the carrier gas supply unit 38, the supply amount of H 2 O supplied to the proton generation unit 30 is controlled. are doing.
  • the controller 60 controls the heat generation of the temperature control system based on the temperature of the fuel synthesizing unit 20 measured by the fuel synthesizing unit temperature measuring unit 21. control the amount.
  • the calorific value of the temperature control system is reduced.
  • the temperature of the fuel synthesizing section 20 becomes lower than the predetermined temperature range due to supercooling, for example, the heat generation amount of the temperature control system is increased.
  • the calorific value of the temperature control system is used as the standard value.
  • the "standard value" of the calorific value of the temperature control system means a calorific value at which the desired production efficiency of the hydrocarbon-based compound is obtained without reducing the electrolysis efficiency in the production of the hydrocarbon-based compound, It varies depending on the design, size, etc. of the manufacturing apparatus 10 .
  • the heating values of the H 2 O temperature control section 39, the H 2 O preliminary temperature control section 37, and the cathode gas preliminary temperature control section 27 may be individually controlled, or the H 2 O temperature control section 39, H The heating values of the 2 O preliminary temperature control section 37 and the cathode gas preliminary temperature control section 27 may be controlled to decrease or increase at the same time.
  • the heat generation amount of the temperature control system may be controlled based on the respective temperatures of the H 2 O temperature control section 39, the H 2 O preliminary temperature control section 37, and the cathode gas preliminary temperature control section 27.
  • the H 2 O temperature control section 39 , the H 2 O preliminary temperature control section 37 and the cathode gas preliminary temperature control section 27 may be controlled.
  • the predetermined temperature range can be appropriately set from the viewpoint of methanation reaction equilibrium, CO 2 conversion efficiency, and the like.
  • the temperature range can be set to 300° C. or higher and 700° C. or lower. It is more preferably 330°C or higher and 650°C or lower, and still more preferably 350°C or higher and 600°C or lower.
  • the amount of heat generated by the temperature control system By controlling the amount of heat generated by the temperature control system in this way, when the temperature of the manufacturing apparatus 10 rises, the amount of heat generated by the temperature control system is suppressed, thereby cooling the entire manufacturing apparatus 10. On the other hand, when the temperature of the manufacturing apparatus 10 drops, the entire manufacturing apparatus 10 can be heated by increasing the amount of heat generated by the temperature control system. By controlling in this way, it is possible to suppress a decrease in the electrolysis efficiency of CO 2 at the cathode 22 and a decrease in the production efficiency of methane, and to continue the efficient production of methane.
  • the hydrocarbon-based compound production apparatus 10 of the present embodiment has a production rate R of the hydrocarbon-based compound in the fuel synthesizing unit 20 with respect to the amount of CO 2 supplied from the cathode gas supply unit 24.
  • a hydrocarbon-based compound generation rate measuring unit 62 for measurement is provided.
  • the hydrocarbon-based compound production rate measuring unit 62 is provided in the outlet side pipe 26 of the fuel synthesizing unit 20 .
  • the hydrocarbon-based compound production rate measurement unit 62 is electrically connected to the control unit 60, and acquires the CO 2 supply amount from the cathode gas supply unit 24 via the control unit 60, whereby the CO 2 Calculates the production rate R of hydrocarbon-based compounds with respect to the supply amount.
  • the calculated generation rate R is transmitted to the control section 60 as an electrical signal.
  • the hydrocarbon-based compound production rate measurement unit 62 calculates the production rate R from the ratio of the produced hydrocarbon-based compound production amount to the CO 2 supply amount, and outputs the calculated production rate R to the control unit 60 .
  • the amount (volume) of hydrocarbon-based compounds produced can be measured using a known measuring device such as a gas chromatograph . It can also be calculated using a value.
  • the control unit 60 controls the calorific value of the temperature control system based on the temperature of the fuel synthesizing unit 20 and the production rate R obtained from the hydrocarbon-based compound production rate measuring unit 62 . That is, when the generation rate R is equal to or less than a predetermined generation rate threshold value, it is determined that the fuel synthesizing unit 20 is overheated or supercooled and the generation efficiency of the hydrocarbon compound is reduced, and the calorific value of the temperature control system is reduced. Lower or raise. On the other hand, if the generation rate R exceeds the predetermined generation rate threshold, control by the control unit 60 is not performed.
  • the production rate threshold value can be appropriately set, for example, based on the design of heat storage and heat release of the hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus 10 .
  • the hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus 10 of the present embodiment includes a product gas separation section 64 that separates only methane from the product gas in the fuel synthesizing section 20 .
  • the product gas separation unit 64 is provided downstream of the hydrocarbon-based compound production rate measurement unit 62 in the outlet pipe 26 of the fuel synthesis unit 20 .
  • the methane separated by the generated gas separation section 64 is recovered and stored in the CH 4 recovery section 66 .
  • the generated gas separation unit 64 is configured to separate only methane, but the generated gas other than methane after separation can be discharged as it is. It is also possible to separate each component and reuse CO 2 and H 2 O contained in the generated gas.
  • the hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus 10 of the present embodiment includes a generated gas measurement unit 68 that measures the amount of generated gas generated in the fuel synthesizing unit 20, as shown in FIG.
  • the generated gas measurement unit 68 is provided upstream of the generated gas separation unit 64 in the outlet pipe 26 of the fuel synthesizing unit 20 .
  • the amount of generated gas measured by the generated gas measurement unit 68 is transmitted to the control unit 60 as an electric signal, and the control unit 60 determines the temperature based on the amount of generated gas generated and the temperature of the fuel synthesizing unit 20. It controls the amount of heat generated by the control system.
  • control unit 60 determines that the CO 2 electrolysis efficiency at the cathode 22 and the methane production efficiency have decreased, that is, fuel synthesis It is determined that the unit 20 is overheated or supercooled, and control is performed to reduce the amount of heat generated by the temperature control system.
  • the hydrocarbon-based compound production apparatus 10 of the present embodiment also includes a CH 4 measurement unit 65 that measures the amount of methane produced in the fuel synthesis unit 20 .
  • the CH 4 measurement unit 65 is provided downstream of the product gas separation unit 64 and upstream of the CH 4 recovery unit 66 in the outlet pipe 26 of the fuel synthesis unit 20 .
  • the hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus 10 of the present embodiment includes a voltage measuring section 52 (current-voltage measuring section) that measures the voltage value of the anode 32 with respect to the cathode 22 .
  • the voltage measurement unit 52 is electrically connected to the control unit 60, and the voltage value of the anode 32 with respect to the cathode 22 measured by the voltage measurement unit 52 is transmitted to the control unit 60 as an electric signal.
  • the control unit 60 controls the amount of heat generated by the temperature control system based on the voltage value obtained from the voltage measurement unit 52. That is, when the voltage value becomes lower than the predetermined voltage range, it is determined that the methane production reaction has progressed and the temperature of the fuel synthesizing section 20 has risen, and the amount of heat generated by the temperature control system is reduced. On the other hand, when the voltage value exceeds the predetermined voltage range, it is determined that the methane production reaction is not progressing sufficiently and the temperature of the fuel synthesizing section 20 is decreasing, and the calorific value of the temperature control system is reduced. raise.
  • the predetermined voltage range can be appropriately set based on the design of heat storage and heat dissipation of the hydrocarbon-based compound manufacturing apparatus 10 .
  • the current value flowing between the cathode 22 and the anode 32 is kept constant, and in order to measure the voltage value of the anode 32 with respect to the cathode 22, the voltage measurement unit 52 is used as the current/voltage measurement unit.
  • the voltage measurement unit 52 can also be used as a current measurement unit for measuring the value of the current flowing between the cathode 22 and the anode 32.
  • it may be an electrical resistance measuring unit that measures the electrical resistance value between the cathode 22 and the anode 32 .
  • the value of the current flowing through the power supply 50 can also be used as the value of the current flowing between the cathode 22 and the anode 32 .
  • the electrical resistance value between the cathode 22 and the anode 32 the electrical resistance value between the surface of the cathode 22 on the side of the fuel synthesizing unit 20 and the surface of the anode 32 on the side of the proton generating unit 30 is measured. preferably.
  • control unit 60 controls the amount of heat generated by the temperature control system based on the current value and the electrical resistance value.
  • the fuel synthesizing section 20 may be provided with a gas diffusion layer or a hydrogenation catalyst layer. With such a configuration, the production efficiency of hydrocarbon-based compounds can be improved.
  • manufacturing device 20 fuel synthesizing unit 20a fuel synthesizing unit inlet 20b fuel synthesizing unit outlet 21 fuel synthesizing unit temperature measuring unit 22 cathode 23 cathode gas supply path 24 cathode gas supply unit 25 pressure control valve 26 outlet pipe 27 cathode gas preliminary temperature control Part 29 Cathode gas temperature control part 30 Proton generation part 30b Discharge part (proton generation part outlet) 32 anode 33 H 2 O supply path 34 H 2 O supply unit 35 pressure control valve 36 check valve 37 H 2 O preliminary temperature control unit 38 carrier gas supply unit 39 H 2 O temperature control unit 40 electrolytic cell 42 electrolyte membrane 50 power supply 52 voltage measurement unit 60 control unit 62 hydrocarbon compound production rate measurement unit 64 generated gas separation unit 65 CH 4 measurement unit 66 CH 4 recovery unit 68 generated gas measurement unit

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Abstract

[課題]ＰＣＥＣ共電解システムでメタンなどの炭化水素系化合物を製造するにあたり、専用の冷却装置や加熱装置を用いずに、製造装置の過熱や過冷却を効率的に抑え、効率的な炭化水素系化合物の製造を継続することができる炭化水素系化合物の製造装置及び製造方法を提供する。　[解決手段]通電によりＨ2Ｏ及びＣＯ2から炭化水素系化合物を合成する炭化水素系化合物の製造装置であって、カソードを含む燃料合成部と、アノードを含むプロトン発生部と、カソード及びアノード間に配置された電解質膜とを有する電解槽と、プロトン発生部にＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給部と、燃料合成部にＣＯ2を含むカソードガスを供給するカソードガス供給部と、プロトン発生部に供給されるＨ2Ｏの温度を調節するＨ2Ｏ予備温度調節部、カソードガス供給部から供給されるカソードガスの温度を調節するカソードガス予備温度調節部、プロトン発生部の温度を調節するプロトン発生部温度調節部のうち少なくとも一種を有する温度調節系統と、燃料合成部の温度を測定する燃料合成部温度測定部と、燃料合成部温度測定部により測定された燃料合成部の温度に基づいて、温度調節系統の発熱量を制御する制御部とを備える。

Description

炭化水素系化合物の製造装置及び製造方法
　本発明は、通電によりＨ2Ｏ及びＣＯ2から炭化水素系化合物を合成する炭化水素系化合物の製造装置及び製造方法に関し、特に、炭化水素系化合物の合成時に発生する熱によって温度が上昇した製造装置を冷却し、また、発熱を抑えるために過度に冷却された製造装置を加熱し、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2の電解による変換効率の低下を抑制することができる炭化水素系化合物の製造装置及び製造方法に関する。
　近年、環境問題への意識の高まりから、地球温暖化の原因であるＣＯ2を原料としたメタネーション反応を利用したシステムが提案されている（例えば、特許文献１）。このようなメタネーションシステムのうち、プロトン伝導性セラミックスを用いた水電解システム（ＰＣＥＣ）（例えば、非特許文献１）では、アノード側でＨ2Ｏを電気分解することで、プロトン（Ｈ+）が電解質中を移動し、カソード側にＨ2が発生する。このとき、同時にカソード側でＣＯ2を電気分解することで、メタンの生成が可能である。
特開２０２１－９８２０号公報
李　坤朋、荒木　拓人、森　昌史、「プロトン伝導体／酸化物イオン伝導体形水蒸気電解による水素製造システムの効率検討」、燃料電池、一般社団法人燃料電池開発情報センター、令和２年７月３０日、第２０巻、第１号、ｐ．７６－８３
　このようなＰＣＥＣ共電解システムでのＣＯ2からのメタン生成においては、メタン化反応平衡の観点から常圧では７００℃以下、また、ＣＯ2の変換効率の観点からは５５０℃以下の温度とすることが好ましいが、アノードにおける水電解反応での過電圧の影響と、カソードでの反応が発熱反応であることから、反応の進行に伴い温度が上昇してしまい、メタンの生成効率が低下するという課題がある。一方で、発熱を抑えるために過度に冷却を行うと、ＰＣＥＣの電解効率が低下してしまい、やはり、メタンの生成効率が低下してしまう。
　本発明では、このような現状に鑑み、ＰＣＥＣ共電解システムでメタンなどの炭化水素系化合物を製造するにあたり、ＰＣＥＣ共電解システムの他に専用の冷却装置や加熱装置を増設せずに、製造装置の過熱や過冷却を効率的に抑え、効率的な炭化水素系化合物の製造を継続することができる炭化水素系化合物の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。
　本発明は、上述するような従来技術における課題を解決するために発明されたものであって、本発明の炭化水素系化合物の製造装置及び製造方法は、以下のように構成されたものを含む。
　［１］　通電によりＨ2Ｏ及びＣＯ2から炭化水素系化合物を合成する炭化水素系化合物の製造装置であって、
　カソードを含む燃料合成部と、アノードを含むプロトン発生部と、カソード及びアノード間に配置された電解質膜と、を有する電解槽と、
　前記プロトン発生部にＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給部と、
　前記燃料合成部にＣＯ2を含むカソードガスを供給するカソードガス供給部と、
　前記プロトン発生部に供給されるＨ2Ｏの温度を調節するＨ2Ｏ予備温度調節部、前記カソードガス供給部から供給されるカソードガスの温度を調節するカソードガス予備温度調節部、前記プロトン発生部の温度を調節するプロトン発生部温度調節部、のうち少なくとも一種を有する温度調節系統と、
　前記燃料合成部の温度を測定する燃料合成部温度測定部と、
　前記燃料合成部温度測定部により測定された前記燃料合成部の温度に基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する制御部と、を備える、炭化水素系化合物の製造装置。
　［２］　前記電解質膜が、プロトン伝導性材料を含む、［１］に記載の炭化水素系化合物の製造装置。
　［３］　前記プロトン伝導性材料が、プロトン伝導性セラミックスである、［２］に記載の炭化水素系化合物の製造装置。
　［４］　前記燃料合成部温度測定部は、前記燃料合成部の入口側温度と出口側温度との温度差、前記燃料合成部の入口側温度と前記カソードの温度との温度差、前記燃料合成部の出口側温度の少なくともいずれかを測定する、［１］から［３］のいずれかに記載の炭化水素系化合物の製造装置。
　［５］　前記燃料合成部における生成ガスの生成量を測定する生成ガス測定部をさらに備え、
　前記制御部は、
　前記燃料合成部の温度と、前記生成ガス測定部により測定された前記生成ガスの生成量に基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、［１］から［４］のいずれかに記載の炭化水素系化合物の製造装置。
　［６］　前記カソードガス供給部からのＣＯ2供給量に対する、前記燃料合成部において生成された炭化水素系化合物の生成率Ｒを測定する炭化水素系化合物生成率測定部をさらに備え、
　前記制御部は、
　前記燃料合成部の温度と、前記炭化水素系化合物生成率測定部において測定された前記生成率Ｒに基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、［１］から［５］のいずれかに記載の炭化水素系化合物の製造装置。
　［７］　前記カソードに対する前記アノードへの電圧値、前記カソードと前記アノードとの間に流れる電流値、前記カソードと前記アノードとの間の電気抵抗値の少なくともいずれかを測定する電流電圧測定部をさらに備え、
　前記制御部は、
　前記電流電圧測定部において測定された前記電圧値、前記電流値、前記電気抵抗値の少なくともいずれかに基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、［１］から［６］のいずれかに記載の炭化水素系化合物の製造装置。
　［８］　カソードを含む燃料合成部と、アノードを含むプロトン発生部と、カソード及びアノード間に配置された電解質膜と、を有する電解槽と、
　前記プロトン発生部にＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給部と、
　前記燃料合成部にＣＯ2を含むカソードガスを供給するカソードガス供給部と、
　前記プロトン発生部に供給されるＨ2Ｏの温度を調節するＨ2Ｏ予備温度調節部、前記カソードガス供給部から供給されるカソードガスの温度を調節するカソードガス予備温度調節部、前記プロトン発生部の温度を調節するプロトン発生部温度調節部、のうち少なくとも一種を有する温度調節系統と、を備える炭化水素系化合物の製造装置を用いて、通電によりＨ2Ｏ及びＣＯ2から炭化水素系化合物を合成する炭化水素系化合物の製造方法であって、
　前記燃料合成部の温度に基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、炭化水素系化合物の製造方法。
　［９］　前記燃料合成部の温度が、前記燃料合成部の入口側温度と出口側温度との温度差、前記燃料合成部の入口側温度と前記カソードの温度との温度差、前記燃料合成部の出口側温度の少なくともいずれかである、［８］に記載の炭化水素系化合物の製造方法。
　［１０］　前記燃料合成部の温度と、前記燃料合成部において生成された生成ガスの生成量に基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、［８］または［９］に記載の炭化水素系化合物の製造方法。
　［１１］　前記燃料合成部の温度と、前記カソードガス供給部からのＣＯ2供給量に対する、前記燃料合成部において生成された炭化水素系化合物の生成率Ｒに基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、［８］から［１０］のいずれかに記載の炭化水素系化合物の製造方法。
　［１２］　前記カソードに対する前記アノードへの電圧値、前記カソードと前記アノードとの間に流れる電流値、前記カソードと前記アノードとの間の電気抵抗値の少なくともいずれかに基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、［８］から［１１］のいずれかに記載の炭化水素系化合物の製造方法。
　本発明によれば、カソードを含む燃料合成部の温度に基づき、プロトン発生部に供給されるＨ2Ｏ、カソードガス供給部から供給されるカソードガス、プロトン発生部のうち少なくともいずれかの温度を制御することにより、製造装置の冷却や加熱を図り、電解効率の低下や、炭化水素系化合物の生成効率の低下を抑制し、効率的な炭化水素系化合物の製造を継続することができる。
図１は、本実施形態における炭化水素系化合物の製造装置の構成を説明するための模式図である。
　以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいて、より詳細に説明する。
　図１は、本実施形態における炭化水素系化合物の製造装置の構成を説明するための模式図である。なお、図１においては、図面が煩雑になることを回避するため、制御部６０との電気的接続を示す線を一部図示していない。
　本実施形態では、燃料（本明細書においては、「炭化水素系化合物」とも言う。）としてメタン（ＣＨ4）を製造する例を説明しているが、本発明はメタンやエタンなどの炭化水素に限られない。例えば、メタノールやエタノールなどのアルコール類、さらにはホルムアルデヒドやアセトアルデヒドなどのアルデヒド類、蟻酸や酢酸などのカルボン酸類、ジメチルエーテルなどのエーテル類などを含む、炭素と水素からなる炭化水素系化合物を製造する製造装置及び製造方法にも適用することが可能である。製造する炭化水素系化合物の種類は、例えば、カソードの材質を選択したり、製造装置に供給するＣＯ2とＨ2Ｏの量を調整したりすることで選択することができ、二種類以上の炭化水素系化合物を同時に製造することもできる。
　図１に示すように、本実施形態の炭化水素系化合物の製造装置１０は、カソード２２を含む燃料合成部２０と、アノード３２を含むプロトン発生部３０と、カソード２２とアノード３２との間に配置された電解質膜４２と、を有する電解槽４０を有する。
　アノード３２とカソード２２は、電源５０に接続されており、カソード２２から電源５０へ電流が流れ出すとともに、電源５０からアノード３２へ電流が流れ込むように構成されている。
　電解質膜４２は、主に電荷キャリアとしてイオンを通す性質を有する膜であって、アノード３２とカソード２２とが電気的に短絡しないような性質を有していれば、特に限定されるものではないが、例えば、プロトン伝導性材料を含む電解質膜４２とすることができる。このように、電解質膜４２がプロトン伝導性材料を含むことにより、アノード３２を含むプロトン発生部３０においてＨ2Ｏが電気分解されることで生成されたプロトンは、この電解質膜４２を通過してカソード２２に移動する。このようなプロトン伝導性材料としては、プロトン伝導性セラミックスを用いることが好ましい。
　また、プロトン発生部３０には、プロトン発生部３０にＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給部３４が接続され、一方で、燃料合成部２０には、燃料合成部２０にＣＯ2を含むカソードガスを供給するカソードガス供給部２４が接続されている。カソードガス供給部２４から供給するカソードガスは、少なくともＣＯ2を含むガスであれば、特に限定されるものではないが、例えば、ＣＯ2のみからなるガスでもよいし、Ｎ2やＡｒなどの不活性ガスとの混合ガスや、ＮＯｘやＣＯとの混合ガスであってもよい。また、空気であってもよい。
　Ｈ2Ｏ供給部３４からプロトン発生部３０へのＨ2Ｏ供給経路３３上及びカソードガス供給部２４から燃料合成部２０へのカソードガス供給経路２３上には、それぞれ圧力調整弁３５，２５が設けられている。また、Ｈ2Ｏ供給部３４からプロトン発生部３０へのＨ2Ｏ供給経路３３上には、逆止弁３６が設けられており、プロトン発生部３０の圧力上昇により、プロトン発生部３０からＨ2Ｏ供給部３４へとＨ2Ｏが逆流してしまうことを防止している。
　また、図１に示すように、炭化水素系化合物の製造装置１０は、Ｈ2Ｏ供給部３４から供給されるＨ2Ｏを搬送するキャリアガスを供給するキャリアガス供給部３８を備えている。なお、キャリアガス供給部３８からプロトン発生部３０への経路上にも、圧力調整弁３５が設けられている。
　このようにキャリアガスによってＨ2Ｏを搬送するように構成することで、例えば、ガスクロマトグラフやマスフローメーターなどの分析機器や測定器を用いて、プロトン発生部３０へ供給するＨ2Ｏの供給量を正確に把握することが可能である。すなわち、上記の分析機器や測定器から得られる値を基に、Ｈ2Ｏ供給部３４からプロトン発生部３０へ供給するＨ2Ｏの供給量の制御をより正確に行うことが可能となる。
　また、燃料合成部２０には、カソードガス温度調節部２９が設けられ、プロトン発生部３０には、Ｈ2Ｏ温度調節部３９が設けられている。燃料合成部２０及びプロトン発生部３０において、それぞれ、ＣＯ2及びＨ2Ｏを電気分解する際に、カソードガス温度調節部２９及びＨ2Ｏ温度調節部３９が発熱することによって、ＣＯ2及びＨ2Ｏの電解効率が向上する。
　また、炭化水素系化合物の製造装置１０は、カソードガス供給部２４から燃料合成部２０に供給されるカソードガスの温度を調節するカソードガス予備温度調節部２７を備えている。
　このように燃料合成部２０に供給するカソードガスの温度を調節し、例えば、カソードガスの温度を０℃以上４００℃以下としておくことにより、燃料合成部２０における炭化水素系化合物の生成率を向上させることができる。なお、カソードガスの温度としては、より好ましくは、１００℃以上４００℃以下であり、さらに好ましくは、３００℃以上４００℃以下である。
　また、本実施形態の炭化水素系化合物の製造装置１０は、Ｈ2Ｏ供給部３４からプロトン発生部３０に供給されるＨ2Ｏの温度を調節するＨ2Ｏ予備温度調節部３７を備えている。
　このようにプロトン発生部３０に供給するＨ2Ｏの温度を調節し、例えば、Ｈ2Ｏの温度を２００℃以上３００℃以下とすることで、低温水蒸気の状態でプロトン発生部３０に供給することができ、プロトン発生部３０におけるＨ2Ｏの電解効率を向上させることができる。
　本明細書において、プロトン発生部温度調節部であるＨ2Ｏ温度調節部３９、Ｈ2Ｏ予備温度調節部３７、カソードガス予備温度調節部２７を温度調節系統と呼ぶ。なお、本実施形態においては、温度調節系統として、Ｈ2Ｏ温度調節部３９、Ｈ2Ｏ予備温度調節部３７、カソードガス予備温度調節部２７の３つが含まれているが、少なくとも一種が含まれていればよい。
　燃料合成部２０において生成された炭化水素系化合物を含む生成ガスは、燃料合成部２０の出口２０ｂから排出される。なお、燃料合成部２０の出口２０ｂから排出される生成ガスには、炭化水素系化合物の他に、生成反応が生じなかったＣＯ2やＣＯ、Ｈ2、Ｈ2Ｏなどが含まれる場合がある。
　また、プロトン発生部３０においてＨ2Ｏを電気分解することにより生じたＯ2は、プロトン発生部３０の排出部３０ｂから排出される。排出部３０ｂは、プロトン発生部３０内のガスが排出できる位置であれば、どの位置に設けても構わない。なお、電気分解されなかったＨ2Ｏも同様に排出部から排出される。また、図示しないが、排出されたＨ2Ｏが、例えば、排出部３０ｂからＨ2Ｏ供給部３４まで流れる経路を設けて循環させ、Ｈ2Ｏを再利用可能な構成にすることもできる。
　また、燃料合成部２０には、燃料合成部２０の温度を測定するための燃料合成部温度測定部２１が設けられている。燃料合成部温度測定部２１によって測定された燃料合成部２０の温度は、電気信号として出力され、後述するように制御部６０に送信される。
　本実施形態においては、燃料合成部温度測定部２１を、燃料合成部２０の出口２０ｂ側に設けた構成とし、燃料合成部２０から排出される生成ガスの温度を燃料合成部２０の温度として測定するようにしているが、これに限らず、例えば、燃料合成部温度測定部２１を、燃料合成部２０の入口２０ａ側と出口２０ｂ側の両方に設けて、入口側温度（供給されるカソードガスの温度）と出口側温度（排出される生成ガスの温度）との温度差を測定するようにしてもよい。また、燃料合成部温度測定部２１を、燃料合成部の入口２０ａ側と、カソード２２表面に設けて、入口側温度（供給されるカソードガスの温度）とカソード２２の温度との温度差を測定するようにしてもよい。
　また、燃料合成部温度測定部２１及び温度調節系統（Ｈ2Ｏ温度調節部３９、Ｈ2Ｏ予備温度調節部３７、カソードガス予備温度調節部２７）が、それぞれ電気的に接続された制御部６０を備え、制御部６０は、燃料合成部温度測定部２１の出力信号に基づいて、温度調節系統の発熱量を制御するように構成されている。なお、制御部６０としては、例えば、演算手段、記憶手段、入出力手段などを備えたマイクロコントローラなどを用いることができる。
　なお、制御部６０は、電気的に接続されたＨ2Ｏ供給部３４から、Ｈ2Ｏ供給量をリアルタイムで取得できるように構成することができる。また、制御部６０は、カソードガス供給部２４と電気的に接続され、ＣＯ2供給量をリアルタイムで取得できるように構成することができる。カソードガス供給部２４からＣＯ2以外の物質を含むカソードガスを供給する場合、ＣＯ2供給量は、公知の分析機器や測定器を用いて、カソードガスに含まれるＣＯ2の量を測定するようにすることができる。
　また、制御部６０は、キャリアガス供給部３８と電気的に接続され、キャリアガス供給量をリアルタイムで取得するとともに、燃料合成部温度測定部２１によって測定された燃料合成部２０の温度に基づき、Ｈ2Ｏ供給部３４から供給されるＨ2Ｏ供給量やキャリアガス供給部３８から供給されるキャリアガス供給量を制御することにより、プロトン発生部３０へ供給するＨ2Ｏの供給量を制御している。
　このように構成された本実施形態の炭化水素系化合物の製造装置１０は、燃料合成部温度測定部２１によって測定された燃料合成部２０の温度に基づき、制御部６０によって、温度調節系統の発熱量を制御する。
　具体的には、燃料合成部２０の温度が、所定の温度範囲よりも高くなった場合には、温度調節系統の発熱量を低下させる。一方で、例えば過冷却によって、燃料合成部２０の温度が、所定の温度範囲よりも低くなった場合には、温度調節系統の発熱量を上昇させる。また、燃料合成部２０の温度が、所定の温度範囲の場合には、温度調節系統の発熱量を標準値とする。ここで、温度調節系統の発熱量の「標準値」とは、炭化水素系化合物の製造に際し、電解効率が低下せず、所望の炭化水素系化合物の生成効率が得られる発熱量を意味し、製造装置１０の設計や大きさなどにより異なる。
　なお、Ｈ2Ｏ温度調節部３９、Ｈ2Ｏ予備温度調節部３７、カソードガス予備温度調節部２７のそれぞれの発熱量を個別に制御してもよいし、Ｈ2Ｏ温度調節部３９、Ｈ2Ｏ予備温度調節部３７、カソードガス予備温度調節部２７の発熱量を同時に低下または上昇させるように制御してもよい。
　また、温度調節系統の発熱量の制御は、Ｈ2Ｏ温度調節部３９、Ｈ2Ｏ予備温度調節部３７、カソードガス予備温度調節部２７のそれぞれの温度に基づいて行うようにしてもよいし、Ｈ2Ｏ温度調節部３９、Ｈ2Ｏ予備温度調節部３７、カソードガス予備温度調節部２７への印加電圧などを制御することで行うようにしてもよい。
　また、所定の温度範囲は、メタン化反応平衡やＣＯ2の変換効率の観点などから適宜設定することができる。具体的には、例えば、燃料合成部２０の温度として、燃料合成部２０から排出される生成ガスの温度を測定する場合には、温度範囲を３００℃以上７００℃以下と設定することが好ましい。より好ましくは、３３０℃以上６５０℃以下であり、さらに好ましくは、３５０℃以上６００℃以下である。
　このように温度調節系統の発熱量を制御することによって、製造装置１０の温度が上昇した場合には、温度調節系統の発熱量を抑えることで、製造装置１０全体の冷却を図ることができる。一方、製造装置１０の温度が低下した場合には、温度調節系統の発熱量を上昇させることで、製造装置１０全体の加熱を図ることができる。このように制御することで、カソード２２におけるＣＯ2の電解効率の低下や、メタンの生成効率の低下を抑制し、効率的なメタンの製造を継続することができる。
　また、本実施形態の炭化水素系化合物の製造装置１０は、図１に示すように、カソードガス供給部２４からのＣＯ2供給量に対する、燃料合成部２０における炭化水素系化合物の生成率Ｒを測定する炭化水素系化合物生成率測定部６２を備えている。本実施形態において炭化水素系化合物生成率測定部６２は、燃料合成部２０の出口側配管２６に設けられている。また、炭化水素系化合物生成率測定部６２は、制御部６０と電気的に接続されており、カソードガス供給部２４からのＣＯ2供給量を、制御部６０を介して取得することにより、ＣＯ2供給量に対する炭化水素系化合物の生成率Ｒを算出している。算出された生成率Ｒは、電気信号として制御部６０に送信される。
　炭化水素系化合物生成率測定部６２は、生成した炭化水素系化合物生成量とＣＯ2供給量との比により生成率Ｒを算出し、制御部６０に出力する。ここで、生成率Ｒ＝（炭化水素系化合物生成量（体積））／（ＣＯ2供給量（体積））によって算出することができる。なお、炭化水素系化合物生成量（体積）は、ガスクロマトグラフなどの公知の測定装置を用いて測定することも可能であるし、また、後述するＣＨ4測定部６５で測定されるメタン生成量の値を用いて算出することもできる。
　制御部６０は、燃料合成部２０の温度と、炭化水素系化合物生成率測定部６２から得られた生成率Ｒに基づき、温度調節系統の発熱量を制御する。すなわち、生成率Ｒが、所定の生成率閾値以下の場合、燃料合成部２０が過熱または過冷却して炭化水素系化合物の生成効率が低下していると判定し、温度調節系統の発熱量を低下または上昇させる。一方で、生成率Ｒが所定の生成率閾値を超えている場合、制御部６０による制御は行わない。なお、生成率閾値は、例えば、炭化水素系化合物の製造装置１０の蓄熱や放熱の設計に基づき適宜設定することができる。
　また、本実施形態の炭化水素系化合物の製造装置１０は、図１に示すように、燃料合成部２０における生成ガスからメタンのみを分離する生成ガス分離部６４を備えている。本実施形態において、生成ガス分離部６４は、燃料合成部２０の出口側配管２６において、炭化水素系化合物生成率測定部６２の下流側に設けられている。
　生成ガス分離部６４で分離されたメタンは、ＣＨ4回収部６６において回収・貯蔵される。なお、本実施形態においては、生成ガス分離部６４において、メタンのみを分離するように構成しているが、分離後のメタン以外の生成ガスはそのまま排出することもできるし、例えば、生成ガスを成分毎に分離し、生成ガスに含まれるＣＯ2やＨ2Ｏを再利用するように構成することもできる。
　また、本実施形態の炭化水素系化合物の製造装置１０は、図１に示すように、燃料合成部２０における生成ガスの生成量を測定する生成ガス測定部６８を備えている。本実施形態において、生成ガス測定部６８は、燃料合成部２０の出口側配管２６において、生成ガス分離部６４の上流側に設けられている。生成ガス測定部６８において測定された生成ガスの生成量は、電気信号として制御部６０に送信され、制御部６０は、この生成ガスの生成量と燃料合成部２０の温度とに基づいて、温度調節系統の発熱量を制御している。
　具体的には、制御部６０は、生成ガスの生成量が低下した場合には、カソード２２におけるＣＯ2の電解効率の低下や、メタンの生成効率の低下が発生している、すなわち、燃料合成部２０が過熱または過冷却してしまっていると判断し、温度調節系統の発熱量を低下させるように制御する。
　また、本実施形態の炭化水素系化合物の製造装置１０は、燃料合成部２０において生成されたメタン生成量を測定するＣＨ4測定部６５を備えている。
　本実施形態において、ＣＨ4測定部６５は、燃料合成部２０の出口側配管２６において、生成ガス分離部６４の下流側、かつ、ＣＨ4回収部６６の上流側に設けられている。
　また、本実施形態の炭化水素系化合物の製造装置１０は、カソード２２に対するアノード３２の電圧値を測定する電圧測定部５２（電流電圧測定部）を備えている。電圧測定部５２は、制御部６０と電気的に接続されており、電圧測定部５２において測定されたカソード２２に対するアノード３２の電圧値は、電気信号として制御部６０に送信される。
　制御部６０は、電圧測定部５２より得られた電圧値に基づき、温度調節系統の発熱量を制御する。すなわち、電圧値が、所定の電圧範囲よりも低くなった場合、メタン生成反応が進行し、燃料合成部２０の温度が上昇していると判断し、温度調節系統の発熱量を低下させる。一方で、電圧値が所定の電圧範囲を超えている場合、メタン生成反応が十分に進行しておらず、燃料合成部２０の温度が低下していると判断し、温度調節系統の発熱量を上昇させる。ここで、所定の電圧範囲は、炭化水素系化合物の製造装置１０の蓄熱や放熱の設計などに基づき適宜設定することができる。
　なお、本実施形態においては、カソード２２とアノード３２との間に流れる電流値を一定として動作させ、カソード２２に対するアノード３２の電圧値を測定するために、電流電圧測定部として電圧測定部５２を設けているが、これに限らず、例えば、カソード２２に対するアノード３２への電圧値を一定として動作させる場合には、カソード２２とアノード３２との間に流れる電流値を測定する電流測定部としてもよいし、また、カソード２２とアノード３２との間の電気抵抗値を測定する電気抵抗測定部としてもよい。
　なお、カソード２２とアノード３２との間に流れる電流値としては、電源５０に流れる電流値を利用することもできる。また、カソード２２とアノード３２との間の電気抵抗値としては、カソード２２の燃料合成部２０側表面と、アノード３２のプロトン発生部３０側表面との間の電気抵抗値を測定するように構成することが好ましい。
　上記印加電圧値の場合と同様に、制御部６０は、電流値及び電気抵抗値に基づいて、温度調節系統の発熱量を制御する。
　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、燃料合成部２０にガス拡散層や水素化触媒層を設けてもよい。このような構成にすることで、炭化水素系化合物の生成効率を向上させることができる。
１０　　　製造装置
２０　　　燃料合成部
２０ａ　　燃料合成部入口
２０ｂ　　燃料合成部出口
２１　　　燃料合成部温度測定部
２２　　　カソード
２３　　　カソードガス供給経路
２４　　　カソードガス供給部
２５　　　圧力調整弁
２６　　　出口側配管
２７　　　カソードガス予備温度調節部
２９　　　カソードガス温度調節部
３０　　　プロトン発生部
３０ｂ　　排出部（プロトン発生部出口）
３２　　　アノード
３３　　　Ｈ2Ｏ供給経路
３４　　　Ｈ2Ｏ供給部
３５　　　圧力調整弁
３６　　　逆止弁
３７　　　Ｈ2Ｏ予備温度調節部
３８　　　キャリアガス供給部
３９　　　Ｈ2Ｏ温度調節部
４０　　　電解槽
４２　　　電解質膜
５０　　　電源
５２　　　電圧測定部
６０　　　制御部
６２　　　炭化水素系化合物生成率測定部
６４　　　生成ガス分離部
６５　　　ＣＨ4測定部
６６　　　ＣＨ4回収部
６８　　　生成ガス測定部

Claims (12)

  1. 　通電によりＨ2Ｏ及びＣＯ2から炭化水素系化合物を合成する炭化水素系化合物の製造装置であって、
    　カソードを含む燃料合成部と、アノードを含むプロトン発生部と、カソード及びアノード間に配置された電解質膜と、を有する電解槽と、
    　前記プロトン発生部にＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給部と、
    　前記燃料合成部にＣＯ2を含むカソードガスを供給するカソードガス供給部と、
    　前記プロトン発生部に供給されるＨ2Ｏの温度を調節するＨ2Ｏ予備温度調節部、前記カソードガス供給部から供給されるカソードガスの温度を調節するカソードガス予備温度調節部、前記プロトン発生部の温度を調節するプロトン発生部温度調節部、のうち少なくとも一種を有する温度調節系統と、
    　前記燃料合成部の温度を測定する燃料合成部温度測定部と、
    　前記燃料合成部温度測定部により測定された前記燃料合成部の温度に基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する制御部と、を備える、炭化水素系化合物の製造装置。
  2. 　前記電解質膜が、プロトン伝導性材料を含む、請求項１に記載の炭化水素系化合物の製造装置。
  3. 　前記プロトン伝導性材料が、プロトン伝導性セラミックスである、請求項２に記載の炭化水素系化合物の製造装置。
  4. 　前記燃料合成部温度測定部は、前記燃料合成部の入口側温度と出口側温度との温度差、前記燃料合成部の入口側温度と前記カソードの温度との温度差、前記燃料合成部の出口側温度の少なくともいずれかを測定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の炭化水素系化合物の製造装置。
  5. 　前記燃料合成部における生成ガスの生成量を測定する生成ガス測定部をさらに備え、
    　前記制御部は、
    　前記燃料合成部の温度と、前記生成ガス測定部により測定された前記生成ガスの生成量に基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、請求項１に記載の炭化水素系化合物の製造装置。
  6. 　前記カソードガス供給部からのＣＯ2供給量に対する、前記燃料合成部において生成された炭化水素系化合物の生成率Ｒを測定する炭化水素系化合物生成率測定部をさらに備え、
    　前記制御部は、
    　前記燃料合成部の温度と、前記炭化水素系化合物生成率測定部において測定された前記生成率Ｒに基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、請求項１に記載の炭化水素系化合物の製造装置。
  7. 　前記カソードに対する前記アノードへの電圧値、前記カソードと前記アノードとの間に流れる電流値、前記カソードと前記アノードとの間の電気抵抗値の少なくともいずれかを測定する電流電圧測定部をさらに備え、
    　前記制御部は、
    　前記電流電圧測定部において測定された前記電圧値、前記電流値、前記電気抵抗値の少なくともいずれかに基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、請求項１に記載の炭化水素系化合物の製造装置。
  8. 　カソードを含む燃料合成部と、アノードを含むプロトン発生部と、カソード及びアノード間に配置された電解質膜と、を有する電解槽と、
    　前記プロトン発生部にＨ2Ｏを供給するＨ2Ｏ供給部と、
    　前記燃料合成部にＣＯ2を含むカソードガスを供給するカソードガス供給部と、
    　前記プロトン発生部に供給されるＨ2Ｏの温度を調節するＨ2Ｏ予備温度調節部、前記カソードガス供給部から供給されるカソードガスの温度を調節するカソードガス予備温度調節部、前記プロトン発生部の温度を調節するプロトン発生部温度調節部、のうち少なくとも一種を有する温度調節系統と、を備える炭化水素系化合物の製造装置を用いて、通電によりＨ2Ｏ及びＣＯ2から炭化水素系化合物を合成する炭化水素系化合物の製造方法であって、
    　前記燃料合成部の温度に基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、炭化水素系化合物の製造方法。
  9. 　前記燃料合成部の温度が、前記燃料合成部の入口側温度と出口側温度との温度差、前記燃料合成部の入口側温度と前記カソードの温度との温度差、前記燃料合成部の出口側温度の少なくともいずれかである、請求項８に記載の炭化水素系化合物の製造方法。
  10. 　前記燃料合成部の温度と、前記燃料合成部において生成された生成ガスの生成量に基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、請求項８または９に記載の炭化水素系化合物の製造方法。
  11. 　前記燃料合成部の温度と、前記カソードガス供給部からのＣＯ2供給量に対する、前記燃料合成部において生成された炭化水素系化合物の生成率Ｒに基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、請求項８に記載の炭化水素系化合物の製造方法。
  12. 　前記カソードに対する前記アノードへの電圧値、前記カソードと前記アノードとの間に流れる電流値、前記カソードと前記アノードとの間の電気抵抗値の少なくともいずれかに基づいて、前記温度調節系統の発熱量を制御する、請求項８に記載の炭化水素系化合物の製造方法。
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