特開 2023-35720 ＣＯ２を燃料に変換するシステム、及び、その方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023035720

(43)【公開日】2023-03-13

(54)【発明の名称】ＣＯ２を燃料に変換するシステム、及び、その方法

(51)【国際特許分類】

   C10L 3/08 20060101AFI20230306BHJP

   F28D 20/02 20060101ALI20230306BHJP

   F28D 20/00 20060101ALI20230306BHJP

   C07C 9/04 20060101ALI20230306BHJP

   C07C 1/12 20060101ALI20230306BHJP

   C09K 5/06 20060101ALI20230306BHJP

   C10G 2/00 20060101ALI20230306BHJP

【ＦＩ】

C10L3/08

F28D20/02 D

F28D20/00 G

C07C9/04

C07C1/12

C09K5/06

C09K5/06 A

C10G2/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021142771

(22)【出願日】2021-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉政 昌俊

(72)【発明者】

【氏名】軍司 章

【テーマコード（参考）】

4H006

4H129

【Ｆターム（参考）】

4H006AA02

4H006AA03

4H006AB44

4H006AC90

4H006BE20

4H006BE41

4H129AA01

4H129BA12

4H129BB07

4H129BC45

4H129BC46

4H129KB03

4H129KC03Y

4H129KD24Y

4H129NA20

4H129NA43

(57)【要約】

【課題】ＣＯ₂の炭化水素化反応と水蒸気電解とを組み合わせて、変動する再生可能エネルギー電力から高効率で安定して炭化水素を生成可能なシステムを提供する。
【課題解決手段】本発明のシステムは、再生可能エネルギー由来の変動電力を利用して水蒸気を電解することにより水素を生成する水電解装置と、ＣＯ₂を水素と反応させて炭化水素を生成する反応器と、反応器に於ける反応の発生熱によって水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、水蒸気を水電解装置からの排気で加熱して当電解装置に供給する熱交換器と、反応器用の蓄熱部であって、炭化水素化の発生熱を蓄熱する蓄熱材料を有する当該蓄熱部と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＣＯ₂を燃料に変換するシステムであって、
再生可能エネルギー由来の変動電力を利用して水蒸気を電解することにより水素を生成する水電解装置と、
ＣＯ₂を前記水素と反応させて炭化水素を生成する反応器と、
前記反応器に於ける前記反応の発生熱によって水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、
前記水蒸気を前記水電解装置からの排気で加熱して当該水電解装置に供給する熱交換器と、
前記反応器用の蓄熱部であって、前記反応の発生熱を蓄熱する蓄熱材料を有する当該蓄熱部と、
を備えるシステム。

【請求項2】

さらに、前記熱交換器の熱を蓄熱する蓄熱材料を有する、前記熱交換器用蓄熱部を有する、請求項１記載のシステム。

【請求項3】

前記反応器用蓄熱部と前記熱交換器用蓄熱部とは夫々相変化もしくは化学変化することで蓄熱する前記材料を有する、請求項２記載のシステム。

【請求項4】

前記反応器用蓄熱部の蓄熱材料の相変化温度領域が、前記熱交換器用蓄熱部の蓄熱材料の相変化温度領域よりも低い、請求項３記載のシステム。

【請求項5】

前記反応器用蓄熱部は前記変動電力が低下した際、当該反応器の温度を前記反応に適する温度域に維持可能である、請求項１記載のシステム。

【請求項6】

前記熱交換器用蓄熱部は、前記変動電力が低下した際、当該熱交換器の温度を水蒸気から水素を生成する電解反応に適する温度域に維持可能である、請求項１記載のシステム。

【請求項7】

前記反応器用蓄熱部の蓄熱材料の融点が、２００～５００℃の範囲である、請求項４記載のシステム。

【請求項8】

前記熱交換器用蓄熱部の蓄熱材料の融点が、４００～８００℃の範囲である、請求項４記載のシステム。

【請求項9】

前記反応器用蓄熱部の蓄熱材料は、
硝酸塩もしくは水酸化物塩と、
Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｃｕのいずれか一つもしくは複数からなる合金と、
の少なくとも何れかを含む、
請求項１記載のシステム。

【請求項10】

前記熱交換器用蓄熱部の蓄熱材料は、
塩化物塩もしくは水酸化物塩と、
Ａｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｉのいずれか一つもしくは複数からなる合金と、
の少なくとも何れかを含む、
請求項２記載のシステム。

【請求項11】

ＣＯ₂を燃料に変換する方法であって、
再生可能エネルギー由来の変動電力を利用して水蒸気を電解することにより水素を生成する電解ステップと、
ＣＯ₂を前記水素と反応させて炭化水素を生成する炭化水素化ステップと、
前記炭化水素を生成する反応の発生熱によって水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸気生成ステップと、
当該水蒸気生成ステップで生成され水蒸気を前記電解ステップで発生した高温ガスで加熱した後、当該電解ステップに供給する水蒸気加熱ステップと、
前記炭化水素化ステップで発生した熱を蓄熱材で蓄熱し、前記変動電力が低下した際、当該蓄熱材から放熱して前記炭化水素ステップと前記水蒸気生成ステップを継続させる蓄熱ステップと、
を備える方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＣＯ₂をグリーン水素と反応させて炭化水素に変換するシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

ＣＯ₂を利用しながら再生可能エネルギーを貯蔵する技術として、再生可能エネルギー由来の電力によって水を電気分解し、得られたグリーン水素をＣＯ₂と反応させて、ＣＯ₂をメタンに変換するプロセスが知られている。例えば、特表2018-537532号公報には、電気分解に要される電気エネルギーが再生可能エネルギー源、たとえば風力エネルギーから取り出され、その際、メタン化に使用される触媒が、好ましくはハニカム構造物として形成された、高い蓄熱能を有するキャリア構造物上に配置され、キャリア構造物がメタン化中に発生する反応熱の蓄熱材料として使用される方法が開示されている。さらに、特開2018-116834号公報には、蒸気電解と蒸気燃料電池発電とのハイブリッド利用に蓄熱材を組みわせて高温を維持することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表2018-537532号公報

【特許文献2】特開2018-116834号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

既述のメタン化反応のためのシステムは、水素とＣＯ₂と反応させる反応器に水を供給してメタン化反応に適した温度が維持されるようにしている。さらに、このシステムは、反応器の温度調整の過程で水から発生した水蒸気を、再生可能エネルギー由来の変動電力を利用する高温蒸気電解場に供給して水素を発生させ、この水素を反応器に供給している。

【0005】

しかしながら、変動電力であるが故に電力が低下すると、水蒸気の電解が進まず水素生成量が不足し、反応器でのメタンの生成量が低下する。それに伴い水蒸気量も低下して水蒸気の電解が一層進まないという課題がある。この課題は既述の従来技術では配慮されていない。そこで、本発明は、ＣＯ₂の炭化水素化反応と水蒸気電解とを組み合わせて、変動する再生可能エネルギー電力から高効率で安定して炭化水素を生成可能なシステムと方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記目的を達成するために、本発明は、ＣＯ₂を燃料に変換するシステムであって、再生可能エネルギー由来の変動電力を利用して水蒸気を電解することにより水素を生成する水電解装置と、ＣＯ₂を前記水素と反応させて炭化水素を生成する反応器と、前記反応器に於ける前記反応の発生熱によって水を蒸発させて水蒸気を生成する蒸発器と、前記水蒸気を前記水電解装置からの排気で加熱して当該水電解装置に供給する熱交換器と、前記反応器用の蓄熱部であって、前記反応の発生熱を蓄熱する蓄熱材料を有する当該蓄熱部と、を備えるシステムである。

【0007】

さらに本発明は、ＣＯ₂を燃料に変換する方法であって、再生可能エネルギー由来の変動電力を利用して水蒸気を電解することにより水素を生成する電解ステップと、ＣＯ₂を前記水素と反応させて炭化水素を生成する炭化水素化ステップと、前記炭化水素を生成する反応の発生熱によって水を蒸発させて水蒸気を生成する水蒸気生成ステップと、当該水蒸気生成ステップで生成され水蒸気を前記電解ステップで発生した高温ガスで加熱した後、当該電解ステップに供給する水蒸気加熱ステップと、前記炭化水素化ステップで発生した熱を蓄熱材で蓄熱し、前記変動電力が低下した際、当該蓄熱材から放熱して前記炭化水素ステップと前記水蒸気生成ステップを継続させる蓄熱ステップと、を備える方法である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ＣＯ₂の炭化水素化反応と水蒸気電解とを組み合わせて、変動する再生可能エネルギー電力から高効率で安定して炭化水素を生成可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は本発明の一実施形態に係るＣＯ₂変換システムのブロック図である。

【図2】図２は蓄熱部の断面構造の一例を示す。

【図3A】図３Ａは蓄熱部の断面構造の他の例を示す。

【図3B】図３Ｂは蓄熱部の断面構造のさらに他の例を示す。

【図4A】図４Ａは蓄熱部の一形態の斜視図を示す。

【図4B】図４Ｂは蓄熱部の他の形態の斜視図を示す。

【図5】図５はＣＯ₂変換システムの他の実施形態に係るブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るＣＯ₂変換システムのブロック図である。このシステムは、再生可能エネルギー由来の変動電力１１１によって、蒸発器１０１から供給された水蒸気１０９を電気分解して、水素（電解水素）１０６を発生させるＳＯＥＣ（固体酸化物形電解セル：水電解装置）１０２と、ＳＯＥＣ１０２から供給される水素１０６とＣＯ₂１０５とを触媒下で反応させてＣＯ₂を炭化水素（燃料）１０７に変換する、管状の反応器（反応管）１００と、反応器１００に於ける反応発熱によって、液体の水１０８を水蒸気化する蒸発器１０１と、蒸発器１０１からの水蒸気１０９をＳＯＥＣ１０２の排気１１０で加熱し、加熱した水蒸気をＳＯＥＣ１０２に供給する熱交換器１０４と、を備える。ＣＯ₂１０５の一例は、例えば、石炭火力発電所の排ガスでよい。

【0011】

反応器１００と蒸発器１０１とは蓄熱部１０３を備えて組み合わされ、例えば、一体化されている。蓄熱部１０３は後述の蓄熱材料を備える。熱交換器１０４にも蓄熱部１０３Ａが設けられている。蒸発器１０１で生成された水蒸気１０９は熱交換器１０４に入力され、ＳＯＥＣ１０２からの高温ガス１１０と熱交換されることでより高温となり、ＳＯＥＣ１０２に供給される。

【0012】

反応器１００には、水素１０６によってＣＯ_２１０５を炭化水素１０７に変換する触媒が実装されている。炭化水素の構造は触媒の種類に応じて変化する。例えば、Ｎｉ／Ａｌ₂Ｏ₃を触媒とした場合には、水素とＣＯ_２とからメタンが生成される。ＣＯ₂に代えてＣＯでもよく、又は、両方でもよい。ＣＯ_２、及び、ＣＯを総称して炭化水素化反応のための反応ガス、又は、炭素源ガスと称してもよい。

【0013】

水素とＣＯ_２とから炭化水素を生成する反応は発熱反応であり、反応の進行に伴い温度が上昇すると炭化水素化反応が促進される。一方、反応が高温域に達すると、炭化水素よりＣＯの生成が主反応となる。炭化水素化反応の発熱は、蒸発器１０１が水を水蒸気に変化させる際の気化熱によって冷却されるため、反応器１００は炭化水素化反応に適した温度に制御される。

【0014】

一例として、メタン化反応の場合は、２００℃付近からメタン化反応が開始され、５００℃付近からはＣＯの生成の方が主となるため、反応器１００は炭化水素化反応を２００～５００℃に制御する。より好ましくは、反応生成物でのメタンの割合が過半を超える２５０～４００℃に制御されることが好ましい。

【0015】

ＳＯＥＣ１０２は、蒸気による高温電解を高効率なプロセスとして実行する。ＳＯＥＣ１０２は電気分解を６００～９００℃の高温で実行するために、熱交換器１０４はＳＯＥＣ１０２からの高温排気（４００～８００℃）の熱を水蒸気１０９に熱交換して水蒸気を高温に維持してＳＯＥＣ１０２に供給している。

【0016】

再生可能エネルギーに由来の変動電力が低下するとＳＯＥＣ１０２での電気分解が抑制されて水素量１０６が低下する。水素量の低下によって、反応器１００の温度が下降して炭化水素化反応が停止してしまうことを防ぐため、蒸発器１０１に供給される水の供給量が、炭化水素化反応に適した温度域を下回らないように、制限される必要がある。なお、変動電力が予測範囲よりも増加した際には、水１０８の供給量を増加させればよい。

【0017】

水の供給量の制限によって、蒸発器１０１によって生成される水蒸気量が少なくなるとＳＯＥＣ１０２への水蒸気量が低下し、電力の低下と相まって、ＳＯＥＣ１０２の電気分解がさらに抑制される。さらに、ＳＯＥＣ１０２から熱交換器１０４へのガス量が低下して水蒸気に熱交換される熱量も減少し水蒸気の昇温が不足する。ＳＯＥＣ１０２の蒸気電解部の温度が急激に低下すると蒸気電解部が損傷するおそれもある。

【0018】

そこで、反応器１００に対する蓄熱部１０３は、炭化水素化反応の反応熱に基づいて蓄えていた熱量を、変動電力１１１が低下している間炭化水素化反応の環境に提供して、その結果、水の供給量を制限しなくても炭化水素化反応に適した温度が維持されるようにしている。

【0019】

さらに、熱交換器１０４の蓄熱部１０３Ａも、変動電力１１１が低下する以前に、ＳＯＥＣ１０２からの排気ガス１１０の熱に基づいて蓄えていた熱量を、変動電力が低下している間水蒸気１０９に提供して水蒸気１０９の温度低下を抑制する。

【0020】

図１のシステムは、温度制御が必要である領域としての、反応器１００と熱交換器１０４との少なくとも一つに、蓄熱材料を有する蓄熱部１０３を提供している。蓄熱材料の蓄熱方式には様々な種類があり、大別すると、顕熱蓄熱、潜熱蓄熱、化学蓄熱が存在する。顕熱蓄熱は、物質の比熱を利用したものであり、潜熱蓄熱は、物質の相変化、転移に伴う転移熱（潜熱）を利用したもので、転移熱を熱物質の相変化、転移に伴う転移熱（潜熱）を利用したものであり、化学蓄熱は、化学反応（吸収、混合、水和）時の吸熱、発熱を利用したものである。

【0021】

潜熱蓄熱は、顕熱蓄熱に比べて、蓄熱密度が高く、相転移温度の一定温度で熱供給が可能であり、そして、化学蓄熱に比べて、基本的には安定・安全・安価な物質の相転移を繰り返すだけなので容易であり、耐久性の面でも優れている。反応器１００は２５０～４００℃、熱交換器１０４は４００℃以上（４００℃～６００℃）に温度制御されるため、温度変化の大きな顕熱型の蓄熱材料より、潜熱型の蓄熱材料が好ましく、また、化学蓄熱でもよい。反応器１００のメタン化反応で生じた熱を反応器内部の触媒担体の顕熱で蓄熱することもあるが、この蓄熱量では反応器１００の温度低下を補うことは困難である。

【0022】

潜熱型の蓄熱材料は、利用する温度領域で選択できる材料が限られる。特に、２５０℃以上の高温領域では、有機物の選択肢が乏しいため、無機物、特に塩化合物またはもしくは金属材料を選択することが好ましい。

【0023】

反応器１００用蓄熱部１０３には２５０～４００℃の範囲で相転移する無機物を選択すればよい。例えば、融点が３０７℃のＫＮＯ₃、融点が３３７℃のＮａＮＯ₃などの硝酸塩系の塩化合物を用いるとよい。特定の材料を１種類で用いてもよいが、他の材料と混合することで融点を調整できるため、混合材料としてもよい。混合する材料としてはＬｉＮＯ₃、ＮａＮＯ₂などが挙げられる。さらに、融点が３１８℃のＮａＯＨなどの水酸化物を用いてもよい。

【0024】

また、金属材料として、例えば、金属単体では融点３２７．５℃の鉛が挙げられるが、鉛は毒性のため好ましくない。金属は他の金属と合金を形成することで融点が調整できるため、合金として利用することが好ましい。反応器１００の温度制御が必要な領域で活用できる金属材料としては、例えばＺｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｃｕなどの合金が挙げられる。融点が６５０℃のＭｇと融点が４１９℃のＺｎを４９：５１重量パーセントで混合したＭｇ-Ｚｎ系合金では融点が３４２℃付近になるため、蓄熱材料として利用可能である。

【0025】

熱交換器１０４用蓄熱部１０３Ａには温度制御に必要な４００℃以上で、ＳＯＥＣから入力されるガス温度４００～８００℃の範囲内で相転移する無機物を選択すればよい。

【0026】

例えば、融点が７１４℃のＭｇＣｌ₂、７７０℃のＫＣｌなどの塩化物を用いるとよい。特定の材料を１種類で用いてもよいが、他の材料と混合することで相変化温度域を調整できるため、混合材料として用いてもよい。また、金属では、融点が６６０℃のＡｌや６５０℃のＭｇが挙げられる。またＡｌ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｓｉなどの合金を用いてもよい。

【0027】

既述のとおり、蓄熱部１０３，１０３Ａは、夫々、融点の温度が異なる相変化型の材料を含有することによって、反応器１００と熱交換器１０４とを夫々最適な温度に維持する。蓄熱部は高温流体から低温流体に熱を移送できれば、その形状、形態は制限されない。

【0028】

図２に蓄熱部１０３，１０３Ａの断面構造の一例を示す。蓄熱領域３００は、高温流体の流れる高温流体流通部２０１と低温流体の流れる低温流体流通部２０２とに挟まれた空間を占めており、蓄熱領域３００の内部空間には既述の蓄熱材料が充填されている。蓄熱材料の充填量は、蓄熱容量の目標値、又は、設計値に合わせて、適宜設定されてよい。

【0029】

蓄熱部１０３の高温流体流通部２０１は、水素と二酸化炭素とが触媒下で反応して生成された炭化水素２０３を流通させる。低温流体流通部２０２は水２０４（図１の１０８）を流通させ、蓄熱領域３００を介して高温流体からの熱によって、水を水蒸気に変換させる。熱交換器１０４では、ＳＯＥＣ１０２からの高温ガス２０３（図１の１１０）が高温流体流通部２０１を流れ、水蒸気２０４（図１の１０９）が低温流体流通部２０２を流れる。

【0030】

蓄熱領域３００中の蓄熱材料の占有体積は、材料によっては固体、液体の相変化による体積変化が異なるため、蓄熱材料の体積膨張時に蓄熱領域３００、そして、蓄熱領域に隣接する両側の流体流通部２０１，２０２を破壊しない範囲に限定される。

【0031】

高温および低温流体流通部２０１，２０２の表面は、熱伝導効率を上げるために高比表面積にするための処理が施されている、もしくは、高比表面積の構造が設置されていてもよい。表面ラフネスを上げるために、表面を機械的に荒らしてもよく、エッチングなどで化学的に荒らしてもよい。またフィンやハニカムなどの構造体を設置してもよい。蓄熱材料は、粉体、又は、ペレット等に成形されていてもよい。

【0032】

図３Ａに蓄熱部１０３，１０３Ａの断面構造の他の例を示す。蓄熱材料を融点の高いセラミクスもしくは金属の球体２０５の内部に含有させて、これを蓄熱領域３００の内部空間に充填させている。球体の存在によって、蓄熱材料の熱容量は減少するが、熱伝導率は一定に保持されるため、高温流体の流通量が減少した場合でも安定な熱伝導が期待される。

【0033】

流体流通部に球体２０５を充填することにより、蓄熱領域３００と流体流通部とを一体化することも可能である。複数の球体の表面を直接に流体が流通するため、伝導効率の向上が図られる。図３Ｂは高温流体流通部２０１に球体２０５を充填した形態を示している。低温流体流通部２０２に球体を充填してもよい。両方の流通部に球体を充填してもよい。球体を充填していない流体流通部の表面の熱伝導効率を上げるために、表面の比表面積の向上対策、例えば、表面ラフネスの増加、表面の化学エッチング処理、フィンやハニカムの追加等を適用してもよい。

【0034】

図４Ａは蓄熱部１０３，１０３Ａの一形態の斜視図を示し、図４Ｂは蓄熱部１０３，１０３Ａの他の形態の斜視図を示す。図４Ａのように、蓄熱領域３００と流体流通部２０１，２０２は円筒形でも、図４Ｂのように矩形でもよい。図４Ａにおいて、蓄熱領域３００は中空円筒状を呈し、内周に低温流体流通部２０２が挿入され、蓄熱領域３００の外周に円筒状を成す高温流体流通部２０１が存在する。高温流体流通部２０１の外周部を断熱材で覆い、熱が外部に漏洩しない構造としてもよい。なお、蓄熱領域３００の内周側に高温流体流通部２０１を、外周側に低温流体流通部２０２を配置してもよい。

【0035】

図４Ｂにおいて、蓄熱領域３００、及び、流体流通部２０１，２０２は夫々矩形であり、高温流体流通部２０１と低温流体流通部２０２とに蓄熱領域３００が挟まれている。図４Ａ，４Ｂに示す、蓄熱部の形態によれば、蓄熱領域３００の対向する二つの面（図４Ａでは内周面と外周面、図４Ｂでは正面と背面）の夫々の全体が高温流体流通部、又は、低温流体流通部に接触しているため、流体流通部と蓄熱領域との間の熱伝導が効率よく行われる。

【0036】

図５に図１のシステムの他の形態を示す。図５のシステムが図１のシステムと異なる点は、図１の蒸発器（１０１）の代わりに、低温油（冷媒）４０２を反応器１００に供給し、炭化水素化反応の反応場を冷却して高温油４０３を送出する冷却器１０１と、高温油４０３と水１０８との熱交換を実行して水蒸気１０９を送出する熱交換器４０１と、を備えていることである。このように、循環型の冷媒によって反応器１００の温度制御を実行しても図１と同様の効果を達成できる。

【0037】

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。
＜実施例１＞
蓄熱材料として、反応器１００向けにはＫＮＯ₃、熱交換器１０４向けには融点が５２０℃付近にあるＡｌ－Ｓｉ－Ｃｕ合金を使用した。蓄熱材料の形状をペレットとし、蓄熱部１０３，１０３Ａに充填した。蓄熱部１０３，１０３Ａの構造は円筒型（図４Ａ）とした。

【0038】

ＳＯＥＣ１０２は再生可能エネルギー由来の１５ｋＷの電力の入力により最大流量６０Ｌ/ｍｉｎのＨ₂を生成でき、Ｈ₂と流量１５Ｌ/ｍｉｎのＣＯ₂によって、反応器１００は、流量１５Ｌ/ｍｉｎのメタンを生成できる。この時、反応器１００から約１１０ｋＪ/ｍｉｎの発熱が生じる。この熱量により、蒸発器１０１は９０ｇ/ｍｉｎの水を水蒸気に変換できる。蓄熱部１０３に充填された蓄熱材料（ＫＮＯ₃：６．５ｋｇ）は、反応器１００の温度を、メタン化反応に適した範囲に所定時間維持できる。

【0039】

６０Ｌ/ｍｉｎのＨ_２と１５Ｌ/ｍｉｎのＣＯ₂を２５０℃に加熱して、反応器１００に入力したところ反応器１００の出口ではメタンの合成を確認できた。メタン生成量が既述の値にとなった時点での反応器１００の温度は約３００℃であり、メタン化反応の温度が制御できていることを確認した。蒸発器１０１に液体の水を噴霧して導入すると、蒸気の発生を確認した。

【0040】

ＳＯＥＣ１０２を７５０℃で運転し、熱交換器１０４にＳＯＥＣ１０２から発生した酸素ガスを入力した。熱交換器１０４ではほぼ５２０℃で温度制御ができていた。水蒸気１０９を熱交換器１０４に入力すると、熱交換器１０４は約６００℃程度まで昇温した。

【0041】

この状態で、入力電力を１/１０の１．５ｋＷに減少させたところ、Ｈ_２の発生が６Ｌ/ｍｉｎに減少した。Ｈ₂の発生量に合わせてＣＯ₂も１/１０にして反応器に入力したところ、メタン発生量が減少した。蓄熱部によって反応器１００の温度を１０分間維持できた。さらに、入力電力の変動に合わせて水の入力量も１/１０にしたところ、約１００分間反応器１００の温度を維持できることを確認した。これよりＳＯＥＣ１０２の蒸気電解部の破損の抑制に必要な１時間以上の間、水蒸気を発生させることができることを確認した。

【0042】

以上より、既述のシステムは、再生可能エネルギーの変動により入力電力が変動しても、その間、ＣＯ₂変換を継続しながら、ＳＯＥＣ１０２に高温水蒸気を供給できた。

【0043】

＜実施例２＞
蓄熱材料として、反応器１００向けにＭｇ－Ａｌ合金を含有したセラミクス球体を、熱交換器１０４向けに融点が５８０℃付近Ａｌ－Ｓｉ合金を含有したセラミクス球体を使用した。蓄熱部の構造を板型（図４Ｂ）とした。実施例１と同じ結果を得ることができた。

【0044】

＜比較例１＞
蓄熱部１０３，１０３Ａに蓄熱材料を充填せず、それ以外は実施例１と同じくしてシステムを構築した。Ｈ_２とＣＯ_２を体積比で４：１となる混合ガスを作製し、２５０℃に加熱して、反応器１００に導入したところ反応器１００の出口ではメタンの生成を確認した。メタン化反応の進行により、反応器の温度が上昇して５５０℃を超えた蒸発器１０１に液体の水を噴霧したところ、蒸気の発生を確認した。次に、電力１１１を１/１０にしたところ、反応器１００の温度が急速に低下してメタン化反応が停止した。水蒸気の発生も停止したため、ＳＯＥＣ１０２への水蒸気１０９の入力もなくなり、ＳＯＥＣ１０２も停止させることとなった。

【0045】

＜比較例２＞
図５のシステムを利用した以外は、比較例１と同様な条件、そして、状態にした。比較例１と同様に入力電力を１/１０倍にしたところ、油による冷却効果が大きくなるため、比較例１と同様に、反応器１００の温度が急速に低下してメタン化反応が停止した。

【0046】

実施形態の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更及び修正が可能である。

【符号の説明】

【0047】

１００ 反応器（反応管）
１０１ 蒸発器
１０２ ＳＯＥＣ
１０３ 蓄熱部
１０４ 熱交換器
１０５ ＣＯ₂
１０６ Ｈ₂
１０７ 炭化水素
１０８ 液体形状の水
１０９ 水蒸気
１１０ ＳＯＥＣ発生ガス

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】