特開 2024-106803 共電解装置

(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】P2024106803

(43)【公開日】2024-08-08

(54)【発明の名称】共電解装置

(51)【国際特許分類】

   C25B 1/23 20210101AFI20240801BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20240801BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20240801BHJP

【ＦＩ】

C25B1/23

C25B1/042

C25B15/023

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023011249

(22)【出願日】2023-01-27

(71)【出願人】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100132045

【弁理士】

【氏名又は名称】坪内 伸

(72)【発明者】

【氏名】内 一隆

(72)【発明者】

【氏名】川上 将史

(72)【発明者】

【氏名】山内 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】牟禮 辰洋

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021AB25

4K021BA02

4K021CA09

4K021DB40

4K021DB43

4K021DB53

4K021EA06

(57)【要約】

【課題】簡易な構成で電解効率の低下を抑制する。
【解決手段】共電解装置１０は第１の流路１３と第２の流路１４と電解反応部１５と第３の流路１６と第４の流路１７とを有する。第１の流路１３は水蒸気を供給する。第２の流路１４は二酸化炭素を供給する。電解反応部１５はカソード流路２５を有する。カソード流路２５は導入部２６と導出部２７とを有する。第１の流路１３及び第２の流路１４から供給されるガスを導入口２６に導入する。電解反応部１５は電解反応によりカソード流路２５を流動するガスの少なくとも一部を分解する。第３の流路１６を導出口２６に接続する。第４の流路１７を第３の流路１６において分岐するように接続する。第４の流路１７は排出ガスの少なくとも一部を導入口２６に流動させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水蒸気を供給する第１の流路と、
二酸化炭素を供給する第２の流路と、
前記第１の流路及び前記第２の流路から供給されるガスを導入口から導入させるカソード流路を有し、電解反応により前記カソード流路を流動するガスの少なくとも一部を分解する電解反応部と、
前記カソード流路の導出口に接続される第３の流路と、
前記第３の流路において分岐するように接続され、前記カソード流路から前記第３の流路に排出される排出ガスの少なくとも一部を前記導入口に流動させる第４の流路と、を備える
共電解装置。

【請求項2】

請求項１に記載の共電解装置において、
前記第４の流路を流れる前記排出ガスの流量を調節可能な第１の調節部と、
前記導出口から排出される前記排出ガスの流量に対する前記第４の流路に流す前記排出ガスの流量の比を特定の比に近づけるように前記第１の調節部を制御する制御部と、を更に備える
共電解装置。

【請求項3】

請求項２に記載の共電解装置において、
前記電解反応部における前記カソード流路に面するカソードの酸化還元状態を検出する状態検出装置と、を更に備え
前記制御部は、前記状態検出装置の出力値に基づいて、前記カソードが酸化状態であると判別する場合、前記排出ガスを前記第４の流路に流すように前記第１の調節部を制御する
共電解装置。

【請求項4】

請求項２又は３に記載の共電解装置において、
前記第１の流路及び前記第２の流路の少なくとも一方を流れるガスの流量を調節可能な第２の調節部と、
前記第４の流路に設けられ、該第４の流路を流れるガスの組成比率を検出する第１の検出部と、を更に備え、
前記制御部は、前記第１の検出部が検出する組成比率に基づいて、前記第２の調節部を制御する
共電解装置。

【請求項5】

請求項２又は３に記載の共電解装置において、
前記第１の流路及び前記第２の流路のいずれか一方を流れるガスの流量を調節可能な第２の調節部と、
前記第３の流路に設けられ、該第３の流路を流れるガスの組成比率を検出する第２の検出部と、
前記導入口近傍に設けられ、該導入口近傍におけるガスの組成比率を検出する第３の検出部と、
前記第３の流路における前記電解反応部及び前記第４の流路の間に設けられる第２の流量計と、
前記導入口に流入するガスの流量を検出する第５の流量計と、を更に備え、
前記制御部は、前記第２の検出部及び前記第３の検出部がそれぞれ検出する組成比率、並びに前記第２の流量計及び前記第５の流量計がそれぞれ検出する流量に基づいて、前記第２の調節部を制御する
共電解装置。

【請求項6】

請求項２に記載の共電解装置において、
前記導入口近傍に設けられ、該導入口近傍におけるガスの組成比率を検出する第３の検出部を、更に備え、
前記制御部は、前記第３の検出部が検出する組成比率に基づいて水蒸気に対する一酸化炭素の第１の比率及び水蒸気に対する水素の第２の比率の少なくとも一方を算出し、該少なくとも一方が閾値以上である場合、前記排出ガスの前記第４の流路への流動を停止するように前記第１の調節部を制御する
共電解装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、共電解装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

水及び二酸化炭素から炭化水素ガスを生成することが検討されている。例えば、水及び二酸化炭素を電解することにより得られる水素及び一酸化炭素に触媒を用いて反応させ炭化水素を生成することが知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１６１１２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水及び二酸化炭素を電解する共電解装置において、簡易な構成で電解効率の低下の低減が望まれている。

【0005】

本開示の目的は、簡易な構成で電解効率の低下の抑制が可能な共電解装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による共電解装置は、
水蒸気を供給する第１の流路と、
二酸化炭素を供給する第２の流路と、
前記第１の流路及び前記第２の流路から供給されるガスを導入口から導入させるカソード流路を有し、電解反応により前記カソード流路を流動するガスの少なくとも一部を分解する電解反応部と、
前記カソード流路の導出口に接続される第３の流路と、
前記第３の流路において分岐するように接続され、前記カソード流路から前記第３の流路に排出される排出ガスの少なくとも一部を前記導入口に流動させる第４の流路と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

上記のように構成された本開示に係る共電解装置によれば、簡易な構成で電解効率の低下の抑制が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る共電解装置を含む製造システムの概略構成図である。

【図2】図１の電解反応部の構成を示す分解斜視図である。

【図3】図１の制御部が実行するリサイクル量調節処理を説明するためのフローチャートである。

【図4】図１の制御部が実行するリサイクル開始処理を説明するためのフローチャートである。

【図5】図１の制御部が実行する第１の供給量調整処理を説明するためのフローチャートである。

【図6】図１の制御部が実行する第２の供給量調整処理を説明するためのフローチャートである。

【図7】図１の制御部が実行するリサイクル停止処理を説明するためのフローチャートである。

【図8】図１の制御部が実行する算出処理を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示を適用した共電解装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0010】

図１に示すように、本開示の一実施形態に係る共電解装置１０を含む製造システム１１は、共電解装置１０及び反応装置１２を含んで構成されてよい。共電解装置１０は、水蒸気及び二酸化炭素を共電解して、水素及び一酸化炭素を生成してよい。反応装置１２は、共電解装置１０が生成する水素及び一酸化炭素を反応させて、メタン等の炭化水素を生成してよい。

【0011】

共電解装置１０は、第１の流路１３、第２の流路１４、電解反応部１５、第３の流路１６、及び第４の流路１７を含んで構成される。共電解装置１０は、更に、第１の調節部１８、第２の調節部１９、状態検出装置２０、第１の検出部２１、第２の検出部２２、第３の検出部２３、制御部２４、第１の流量計３９、第２の流量計４２、第３の流量計３８、第４の流量計４０、及び第５の流量計４１を含んで構成されてよい。

【0012】

第１の流路１３は、水蒸気を共電解装置１０に供給する。第１の流路１３に流れる水蒸気は、反応装置１２において発生する熱を用いて気化させることにより発生させてよい。第２の流路１４は二酸化炭素を共電解装置１０に供給する。第１の流路１３及び第２の流路１４は、合流して電解反応部１５に接続されてよく、別々に接続されてよい。

【0013】

電解反応部１５は、カソード流路２５を有する。カソード流路２５は導入口２６及び導出口２７を有する。導入口２６は、第１の流路１３及び第２の流路１４から供給されるガス、具体的には水蒸気及び二酸化炭素をカソード流路２５に導入させる。カソード流路２５は、カソードに面してよい。カソード流路２５は、電解反応により、カソード流路２５を流動するガスの少なくとも一部を分解する。

【0014】

具体的には例えば、図２に示すように、電解反応部１５は、電解質層２８、カソード２９、アノード３０、カソード集電板３１、アノード集電板３２、第１の絶縁板３３、第２の絶縁板３４、第１の金属板３５、及び第２の金属板３６を含んで構成されてよい。電解質層２８は固体酸化物電解質であって、共電解装置１０はＳＯＥＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ Ｃｅｌｌ：固体酸化物形電解セル）を含んでよい。

【0015】

電解質層２８の一方の主面に、カソード２９、カソード集電板３１、第１の絶縁板３３、及び第１の金属板３５が積層されていてよい。主面とは、最大の面積を有する平面である。電解質層２８の他方の主面に、アノード３０，アノード集電板３２、第２の絶縁板３４、及び第２の金属板３６が積層されていてよい。

【0016】

カソード集電板３１には、カソード２９に面するカソード流路２５が形成されていてよい。アノード集電板３２には、アノード３０に面するアノード流路が形成されていてよい。このような構成において、カソード２９及びアノード３０間に電圧を印加することにより、カソード流路２５を流動するガス及びアノード流路を流動するガスに電解反応が発生する。

【0017】

カソード２９は電解質層２８との境界において、水蒸気状の水分子を解離させ、水素分子及び酸素イオンを生成する。又、カソード２９は電解質層２８との境界において、二酸化炭素を解離させ、一酸化炭素及び酸素イオンを生成する。生成した水素分子及び一酸化炭素は、カソード流路２５の導出口２７から、未反応の水蒸気及び二酸化炭素ガスとともに排出ガスとして排出される。生成した酸素イオンは電解質層２８を透過してアノード３０側に移動する。酸素イオンから、アノード３０及び電解質層２８の境界において、酸素が生成される。生成した酸素はアノード流路から排出される。

【0018】

カソード集電板３１及び第１の絶縁板３３には、主面の法線方向から見て同じ位置に貫通孔ｔｈが形成されている。第１の金属板３５には、主面の法線方向から見て貫通孔ｔｈと同じ位置に窓３７が設けられてよい。窓３７は、透明部材によって形成されてよい。

【0019】

又、固体酸化物形電解セルとして、金属支持型ＳＯＥＣが適用されてよい。

【0020】

図１に示すように、第３の流路１６は、導出口２７に接続される。第３の流路１６は、反応装置１２に接続されてよい。第３の流路１６には、特定のガスを除去する装置等が設けられなくてよい。それゆえ、第３の流路１６においては、カソード流路２５の導出口２７におけるガス組成が実質的に維持され得る。

【0021】

第４の流路１７は、第３の流路１６において分岐するように接続される。第４の流路１７は、カソード流路２５から第３の流路１６に排出される排出ガスの少なくとも一部を導入口２６に流動させる。第４の流路１７には、特定のガスを除去する装置等が設けられなくてよい。それゆえ、第４の流路１７においては、カソード流路２５の導出口２７におけるガス組成が実質的に維持され得る。第４の流路１７は、断熱材により被覆されていてよい。又、第４の流路１７は、ヒータにより加熱可能であってよい。更に、第４の流路１７の少なくとも一部の内面に、セラミックを主成分とした酸化膜が形成されてよい。

【0022】

第１の調節部１８は、第４の流路１７に流れる排出ガスの第１の流量を調節可能である。第１の調節部１８は、第３の流路１６を分岐して第４の流路１７に接続する三方調節弁であってよい。又は、第１の調節部１８は、第４の流路１７に設けられる調節弁であってよい。第１の調節部１８は、制御部２４の制御に基づいて第１の流量を調節してよい。

【0023】

第２の調節部１９は、第１の流路１３及び第２の流路１４の少なくとも一方を流れるガスの流量を調節可能であってよい。第２の調節部１９は、第１の流路１３及び第２の流路１４の両方に設けられてよい。第１の流路１３及び第２の流路１４それぞれに設けられる第２の調節部１９は、第１の流路１３及び第２の流路１４にそれぞれ流れるガスの流量を調節してよい。第２の調節部１９は、調節弁であってよい。第２の調節部１９は、制御部２４の制御に基づいてガスの流量を調節してよい。

【0024】

状態検出装置２０は、電解反応部１５に設けられてよい。状態検出装置２０は、電解反応部１５におけるカソード２９の酸化還元状態を検出してよい。図２に示すように、状態検出装置２０は、より具体的には、第１の金属板３５の窓３７に設けられてよい。状態検出装置２０は、例えば、色度検出装置、放射率検出装置である。カソード２９は酸化還元状態によって、色度及び放射率が変動する。それゆえ、色度検出装置により検出されるカソード２９の色度、又は放射率検出装置により検出されるカソード２９の放射率及び温度に基づいてカソード２９の酸化還元状態が検出される。

【0025】

第１の検出部２１は、図１に示すように、第４の流路１７に設けられてよい。第１の検出部２１は、第４の流路１７を流れる排出ガスのガス組成比率を検出してよい。第１の検出部２１は、例えば、ガス分析装置及び赤外分光分析装置である。第１の検出部２１は、ガス組成比率を信号として制御部２４に付与してよい。第１の検出部２１は、第４の流路１７を流れる排出ガスのガス組成比率を定期的に検出してよい。

【0026】

第２の検出部２２は、第３の流路１６に設けられてよい。第２の検出部２２は、第３の流路１６を流れる排出ガスのガス組成比率を検出してよい。第２の検出部２２は、例えば、ガス分析装置及び赤外分光分析装置である。第２の検出部２２は、ガス組成比率を信号として制御部２４に付与してよい。第２の検出部２２は、第３の流路１６を流れる排出ガスのガス組成比率を定期的に検出してよい。

【0027】

第３の検出部２３は、導入口２６近傍に設けられてよい。第３の検出部２３は、導入口２６近傍におけるガスの組成比率を検出してよい。第３の検出部２３は、例えば、ガス分析装置及び赤外分光分析装置である。第３の検出部２３は、ガス組成比率を信号として制御部２４に付与してよい。第３の検出部２４は、導入口２６近傍におけるガスの組成比率を定期的に検出してよい。

【0028】

第１の流量計３８は、第４の流路１７に設けられてよい。第１の流量計３８は、第４の流路１７を流動するガス全体の流量を検出してよい。

【0029】

第２の流量計３９は、第３の流路１６における電解反応部１５及び第４の流路１７の間に設けられてよい。第２の流量計３９は、設置位置における第３の流路１６を流動するガス全体の流量を検出してよい。

【0030】

第３の流量計４０は、第１の流路１３に設けられてよい。第３の流量計４０は、第１の流路１３を流動するガス全体の流量を検出してよい。

【0031】

第４の流量計４１は、第２の流路１４に設けられてよい。第４の流量計４１は、第２の流路１４を流動するガス全体の流量を検出してよい。

【0032】

第５の流量計４２は、導入口２６近傍に設けられてよい。第５の流量計４２は、導入口２６に流入するガス全体の流量を検出してよい。

【0033】

制御部２４は、少なくとも１つのプロセッサ、少なくとも１つの専用回路又はこれらの組合わせを含んで構成されてよい。プロセッサは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の汎用プロセッサ又は特定の処理に特化した専用プロセッサであってよい。専用回路は、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）等であってよい。制御部２４は、共電解装置１０の各部を制御しながら、共電解装置１０の動作に関わる処理を実行してよい。

【0034】

制御部２４は、第１の流量計３８から、第４の流路１７に流れるガスの第１の流量を信号として取得してよい。制御部２４は、第２の流量計３９から、導出口３８から排出される排出ガスの第２の流量を信号として取得してよい。制御部２４は、第２の流量に対する第１の流量の比を特定の比に近づけるように、第１の調節部１８を制御してよい。特定の比は、例えば、０～４０％である。特定の比は、制御部２４に設けられる入力部等の入力デバイスを用いたオペレータの操作入力により設定されてよい。

【0035】

制御部２４は、状態検出装置２０の出力値を信号として取得してよい。制御部２４は、取得した出力値に基づいてカソード２９が酸化状態であるか否かを判別してよい。制御部２４は、カソード２９が酸化状態であると判断する場合、排出ガスを第４の流路１７に流すように第１の調節部１８を制御してよい。

【0036】

制御部２４は、第１の検出部２１から、第４の流路１７を流れる排出ガスのガス組成比率を信号として取得してよい。制御部２４は、第１の検出部２１が検出するガス組成比率に基づいて第２の調節部１９を制御してよい。具体的には、制御部２４は、当該ガス組成比率に基づいて、導入口２６における二酸化炭素に対する水蒸気のモル比が特定の値に近づくように第２の調節部１９を制御してよい。より具体的には、制御部２４は、第１の流量計３８から第１の流量を信号として取得してよい。制御部２４は、第３の流量計４０から、第１の流路１３に流れる水蒸気の第３の流量を信号として取得してよい。制御部２４は、第４の流量計４１から、第２の流路１４に流れる二酸化炭素の第４の流量を信号として取得してよい。制御部２４は、第１の流量及びガス組成比率に基づいて、第４の流路１７を流れる水蒸気及び二酸化炭素の流量成分を算出してよい。制御部２４は、第４の流路１７における水蒸気の流量成分、及び第３の流量に基づいて、導入口２６における水蒸気の流量を算出してよい。制御部２４は、第４の流路１７における二酸化炭素の流量成分、及び第４の流量に基づいて、導入口２６における二酸化炭素の流量を算出してよい。制御部２４は、導入口２６における水蒸気の流量及び二酸化炭素の流量に基づいて、導入口２６における二酸化炭素に対する水蒸気のモル比を特定の値に近づける、第３の流量及び第４の流量の少なくとも一方の調整量を算出してよい。制御部２４は、第３の流量及び第４の流量の少なくとも一方の調整量で調整した流量となるように、第２の調節部１９を制御してよい。例示において、制御部２４は、第３の流量及び第４の流量の両者をそれぞれの調整量で調整した流量となるように、第１の流路１３及び第２の流路１４それぞれに設けられる第２の調節部１９を制御してよい。

【0037】

制御部２４は、第２の検出部２２から、第３の流路１６を流れる排出ガスのガス組成比率を信号として取得してよい。又は、制御部２４は、第２の検出部２２の代わりに第１の検出部２１から第４の流路１７を流れる排出ガスのガス組成比率を信号として取得してよい。第１の検出部２１及び第２の検出部２２が検出するガス組成比率は、同一であると考えられるからである。制御部２４は、第２の流量計３９から第３の流路１６を流れる排出ガスの流量を信号として取得してよい。制御部２４は、第３の検出部２３から、導入口２６近傍におけるガスのガス組成比率を信号として取得してよい。制御部２４は、第５の流量計４２から、導入口２６に流入するガスの流量を信号として取得してよい。制御部２４は、第２の検出部２２及び第３の検出部２３がそれぞれ検出するガス組成比率、並びに第２の流量計３９及び第５の流量計４２がそれぞれ検出する流量に基づいて第２の調節部１９を制御してよい。具体的には、制御部２４は、第３の流路１６を流れる排出ガスのガス組成比率及び流量に基づいて、第３の流路１６を流れる一酸化炭素及び水素の流量を算出してよい。又、制御部２４は、導入口２６に流入するガスのガス組成比率及び流量に基づいて、導入口２６に流入する二酸化炭素及び水蒸気の流量を算出してよい。制御部２４は、第３の流路１６を流れる水素の流量及び導入口２６に流入する水蒸気の流量に基づいて、水蒸気利用率を算出してよい。水蒸気利用率は、供給した水蒸気に対する、電解によって消費された水蒸気の割合である。例えば、水蒸気利用率は、導入口２５に流入する水蒸気の流量に対する、第３の流路１６を流れる水素の流量のモル比として算出されてよい。又、制御部２４は、第３の流路１６を流れる一酸化炭素の流量及び導入口２６に流入する二酸化炭素の流量に基づいて、二酸化炭素利用率を算出してよい。二酸化炭素利用率は、供給した二酸化炭素に対する、電解によって消費された二酸化炭素の割合である。例えば、二酸化炭素利用率は、導入口２５に流入する二酸化炭素の流量に対する、第３の流路１６を流れる一酸化炭素の流量のモル比として算出されてよい。制御部２４は、例えば水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率の大きさが大きくなるほど、水蒸気の流量を増やすように、第３の流量及び第４の流量の少なくとも一方の調整量を算出してよい。制御部２４は、第３の流量及び第４の流量の少なくとも一方の調整量で調整した流量となるように、第２の調節部１９を制御してよい。例示において、制御部２４は、第３の流量及び第４の流量の両者をそれぞれの調整量で調整した流量となるように、第１の流路１３及び第２の流路１４それぞれに設けられる第２の調節部１９を制御してよい。

【0038】

又は、制御部２４は、第２の検出部２２が検出するガス組成比率に基づいて第２の調節部１９を制御してよい。具体的には、制御部２４は、当該ガス組成比率に基づいて、第３の流路１６における水蒸気、一酸化炭素、及び水素のモル比を算出してよい。制御部２４は、算出したモル比に基づいて［Ｈ_２Ｏ］／［ＣＯ］［Ｈ_２］を、判定値として算出してよい。［Ｈ_２Ｏ］は、水蒸気のモル比である。［ＣＯ］は一酸化炭素のモル比である。［Ｈ_２］は水素のモル比である。制御部２４は、判定値が第１の閾値を超える場合、二酸化炭素に対する水蒸気の流量を、例えば、変更前の１．５倍に増やすように、第３の流量及び第４の流量の少なくとも一方の調整量を算出してよい。第１の閾値は、電解反応部１５の温度に応じて変化させてよい。例えば、電解反応部１５の温度が５００℃未満である場合、第１の閾値は５００に定められる。又、例えば、電解反応部１５の温度が５００℃以上６００℃未満である場合、第１の閾値は１００に定められる。又、例えば、電解反応部１５の温度が６００℃以上７００℃未満である場合、第１の閾値は５０に定められる。又、例えば、電解反応部１５の温度が７００℃以上８００℃未満である場合、第１の閾値は２０に定められる。又、例えば、電解反応部１５の温度が８００℃以上である場合、第１の閾値は１０に定められる。

【0039】

制御部２４は、第３の検出部２３から、導入口２６近傍におけるガスのガス組成比率を信号として取得してよい。制御部２４は、当該ガス組成比率における水蒸気に対する一酸化炭素の第１の比率、及び水蒸気に対する水素の第２の比率の少なくとも一方を算出してよい。制御部２４は、当該少なくとも一方が第２の閾値以上であるか否かを判別してよい。言い換えると、制御部２４は、第１の比率が第２の閾値以上であるか否かを判別してよく、第２の比率が第２の閾値以上であるか否かを判別してよく、または第１の比率及び第２の比率の両者が第２の閾値以上であるか否かを判別してよい。第２閾値は、第１の比率及び第２の比率に対して同一であってよく、異なっていてよい。制御部２４は、当該少なくとも一方が第２の閾値以上である場合、排出ガスの第４の流路１７への流動を停止するように第１の調節部１８を制御してよい。例示において、制御部２４は、第１の比率が第２の閾値以上であり、且つ第２の比率が第２の閾値以上である場合、排出ガスの第４の流路１７への流動を停止させてよい。

【0040】

制御部２４は、上述のように、第３の流路１６を流れる水素の流量及び導入口２６に流入する水蒸気の流量に基づいて、水蒸気利用率を算出してよい。又、制御部２４は、上述のように、第３の流路１６を流れる一酸化炭素の流量及び導入口２６に流入する二酸化炭素の流量に基づいて、二酸化炭素利用率を算出してよい。制御部２４は、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率に応じて変動させる特定の比に、第２の流量に対する第１の流量の比を近づけるように、第１の調節部１８を制御してよい。例えば、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が大きくなるほど、特定の比が小さくなるように定められていてよい。より具体的には、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が７５％未満である場合、特定の比は４０％であってよい。又、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が７５％以上８０％未満である場合、特定の比は３０％であってよい。又、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が８０％以上８５％未満である場合、特定の比は２０％であってよい。又、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が８５％以上９０％未満である場合、特定の比は１０％であってよい。又、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が９０％以上である場合、特定の比は０％であってよい。言換えると、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が９０％以上である場合、制御部２４は、排出ガスの第４の流路１７への流動を停止させてよい。なお、上記の構成例において、特定の比は離散的に変化するが、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率に応じて連続的に変化する構成であってよい。

【0041】

制御部２４は、電解反応部１５の温度に応じて、第４の流路１７への排出ガスの流動を停止してよい。具体的には、制御部２４は、電解反応部１５の温度が第３の閾値以下である場合、第４の流路１７への排出ガスの流動を停止してよい。又は、制御部２４は、電解反応部１５の温度に応じて、第１の比率及び第２の比率を低下させるように、第１の調節部１８を制御してよい。

【0042】

反応装置１２は、第３の流路１６を介して、電解反応部１５のカソード流路２５から排出される排出ガスが供給される。排出ガスには、共電解装置１０において生成した水素及び一酸化炭素、並びに未反応の水蒸気及び二酸化炭素を含んでよい。反応装置１２は、水素及び一酸化炭素からメタン等の低級炭化水素を合成する触媒を含む反応器を有してよい。反応装置１２は、反応器に供給するガスから水蒸気及び二酸化炭素を除去する分離器、抽出器等の分離機構を有してよい。又、反応装置１２は、合成した低級炭化水素から目的とする炭化水素以外のガスを除去する分離器、抽出器等の分離機構を有してよい。

【0043】

次に、本実施形態において制御部２４が実行する、リサイクル量調整処理について、図３のフローチャートを用いて説明する。リサイクル量調整処理は、第４の流路１７に排出ガスを流動させている状態において、例えば、第１の流量計３８又は第２の流量計３９からそれぞれ第１の流量又は第２の流量を取得する度に開始する。

【0044】

ステップＳ１００において、制御部２４は、第１の流量に対する第２の流量の比（第２の流量／第１の流量）を算出する。算出後、プロセスはステップＳ１０１に進む。

【0045】

ステップＳ１０１では、制御部２４は、第１の流量に対する第２の流量の比（第２の流量／第１の流量）を特定の比と比較する。比較後、プロセスはステップＳ１０２に進む。

【0046】

ステップＳ１０２では、制御部２４は、ステップＳ１０２における比較結果に基づいて第１の調節部１８を制御する。例えば、制御部２４は、第１の流量に対する第２の流量の比（第２の流量／第１の流量）が特定の比に近づくようにフィードバック制御を行う。第１の調節部１８の制御後、リサイクル量調整処理は終了する。

【0047】

次に、本実施形態において制御部２４が実行する、リサイクル開始処理について、図４のフローチャートを用いて説明する。リサイクル開始処理は、第４の流路１７への排出ガスの流動を停止させている状態において、例えば、状態検出装置２０から出力値を取得する度に開始する。

【0048】

ステップＳ２００において、制御部２４は、出力値に基づいてカソード２９が酸化状態であるか否かを判別する。カソード２９が酸化状態である場合、プロセスはステップＳ２０１に進む。酸化状態でない場合、リサイクル開始処理は終了する。

【0049】

ステップＳ２０１において、制御部２４は、第４の流路１７に排出ガスを流動させるように、第１の調節部１８を制御する。制御後、リサイクル開始処理は終了する。

【0050】

次に、本実施形態において制御部２４が実行する、第１の供給調整処理について、図５のフローチャートを用いて説明する。第１の供給調整処理は、第４の流路１７に排出ガスを流動させている状態において、例えば、第１の検出部２１からガス組成比率を取得する度に開始する。

【0051】

ステップＳ３００において、制御部２４は、取得するガス組成比率及び最新の第１の流量に基づいて、第４の流路１７における水蒸気及び二酸化炭素の流量成分を算出する。算出後、プロセスはステップＳ３０１に進む。

【0052】

ステップＳ３０１では、制御部２４は、ステップＳ３００において算出した第４の流路１７における水蒸気及び二酸化炭素の流量成分、並びに最新の第３の流量及び第４の流量に基づいて、第３の流量及び第４の流量それぞれの調整量を算出する。算出後、プロセスはステップＳ３０２に進む。

【0053】

ステップＳ３０２では、制御部２４は、ステップＳ３０１において算出したそれぞれの調整量で第３の流量及び第４の流量を調整した流量となるように、第２の調節部１９を制御する。制御後、第１の供給調整処理は終了する。

【0054】

次に、本実施形態において制御部２４が実行する、第２の供給調整処理について、図６のフローチャートを用いて説明する。第２の供給調整処理は、例えば、第１の検出部２１からガス組成比率を取得する度に開始する。

【0055】

ステップＳ４００において、制御部２４は、取得するガス組成比率に基づいて、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率を算出する。算出後、プロセスはステップＳ４０１に進む。

【0056】

ステップＳ４０１では、制御部２４は、ステップＳ４００において算出した水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率に基づいて、第３の流量及び第４の流量それぞれの調整量を算出する。算出後、プロセスはステップＳ４０２に進む。

【0057】

ステップＳ４０２では、制御部２４は、ステップＳ４０１において算出したそれぞれの調整量で第３の流量及び第４の流量を調整した流量となるように、第２の調節部１９を制御する。制御後、第２の供給調整処理は終了する。

【0058】

次に、本実施形態において制御部２４が実行する、リサイクル停止処理について、図７のフローチャートを用いて説明する。リサイクル停止処理は、第４の流路１７に排出ガスを流動させている状態において、例えば、第３の検出部２３からガス組成比率を取得する度に開始する。

【0059】

ステップＳ５００において、制御部２４は、取得したガス組成比率に基づいて、第１の比率（ＣＯ／Ｈ_２Ｏ）及び第２の比率（Ｈ_２／Ｈ_２Ｏ）を算出する。算出後、プロセスはステップＳ５０１に進む。

【0060】

ステップＳ５０１では、制御部２４は、第１の比率が第２の閾値以上且つ第２の比率が比率閾値以上であるか否かを判別する。第１の比率が第２の閾値以上且つ第２の比率が第２の閾値以上である場合、プロセスはステップＳ５０２に進む。第１の比率が第２の閾値以上且つ第２の比率が第２の閾値以上でない場合、リサイクル停止処理は終了する。

【0061】

ステップＳ５０２では、制御部２４は、第４の流路１７への排出ガスの流動を停止するように第１の調節部１８を制御する。制御後、リサイクル停止処理は終了する。

【0062】

次に、本実施形態において制御部２４が実行する、算出処理について、図８のフローチャートを用いて説明する。算出処理は、導入口２７から排出ガスを第３の流路１６に排出させている状態において、第２の検出部２２及び第３の検出部２３からガス組成比率、並びに第２の流量計３９及び第５の流量計４２からガスの流量を取得する度に開始する。

【0063】

ステップＳ６００において、制御部２４は、第２の検出部２２及び第３の検出部２３からそれぞれ取得するガス組成比率、並びに第２の流量計３９及び第５の流量計４２からそれぞれ取得する流量に基づいて、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率を算出する。算出後、プロセスはステップＳ６０１に進む。

【0064】

ステップＳ６０１では、制御部２４は、ステップＳ６００において算出した水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率に応じた特定の比を算出する。算出後、算出処理は終了する。なお、算出された特定の比は、上述の図３に示すリサイクル量調整処理に用いられてよい。

【0065】

以上のような構成の本実施形態の共電解装置１０は、水蒸気を供給する第１の流路１３と、二酸化炭素を供給する第２の流路１４と、第１の流路１３及び第２の流路１４から供給されるガスを導入口２６から導入させるカソード流路２５を有し、電解反応によりカソード流路２５を流動するガスの少なくとも一部を分解する電解反応部１５と、カソード流路２５の導出口２７に接続される第３の流路１６と、第３の流路１６において分岐するように接続され、カソード流路２５から第３の流路１６に排出される排出ガスの少なくとも一部を導入口２６に流動させる第４の流路１７と、を備える。このような構成により、共電解装置１０は、電解反応部１５において生成した一酸化炭素及び水素の一部をカソード流路２５にリサイクルするので、電解反応部１５を停止させることなく、カソード２９の酸化の抑制及び酸化したカソード２９の還元を実現し得る。したがって、共電解装置１０は、カソード２９の酸化による電解効率の低下を抑制し得る。

【0066】

又、共電解装置１０は、第４の流路１７を流れる排出ガスの流量を調節可能な第１の調節部１８と、導出口２７から排出される排出ガスの流量に対する第４の流路１７に流す排出ガスの流量の比を特定の比に近づけるように第１の調節部１８を制御する制御部２４とを備える。このような構成により、共電解装置１０は、カソード流路２５に排出ガスをリサイクルさせながら、反応装置１２に送出する排出ガスを確保し得る。

【0067】

又、共電解装置１０は、カソード流路２５に面するカソード２９の酸化還元状態を検出する状態検出装置２０を備え、制御部２４は状態検出装置２０の出力値に基づいてカソード２９が酸化状態であると判別する場合に排出ガスを第４の流路１７に流すように第１の調節部１８を制御する。カソード２９が酸化することにより、電解効率は低下し、水素及び一酸化炭素の生成量が低下する。このような事象に対し、上記の構成を有する共電解装置１０は、カソード２９の酸化が進んだ場合に排出ガスのカソード流路２５へのリサイクルを行うので、長期の運転期間において水素及び一酸化炭素のリサイクル量を低減し得る。したがって、共電解装置１０は、長期の運転期間において、水素及び一酸化炭素の、反応装置１２への供給量と、カソード流路２５へのリサイクル量を適切化し得る。

【0068】

又、共電解装置１０は、第１の流路１３及び第２の流路１４の少なくとも一方を流れるガスの流量を調節可能な第２の調節部１９と、第４の流路１７を流れるガスの組成比率を検出する第１の検出部２１とを備え、制御部２４は第１の検出部２１が検出する組成比率に基づいて第２の調節部１９を制御する。反応装置１２において主に生じる反応は、メタネーションであり、反応に用いる一酸化炭素及び水素のモル比は１：３である。それゆえ、共電解装置１０において当該モル比の一酸化炭素及び水素を生成するために、導入口２６においてモル比で１：３の二酸化炭素と水蒸気が用いられることが考えられる。ただし、カソード２９における炭素の析出を抑制するために、導入口２６においては二酸化炭素及び水蒸気のモル比を１：４に調節することが一般的である。二酸化炭素及び水蒸気の電解電圧は異なるため、排出ガスにおける二酸化炭素及び水蒸気のモル比は導入口２６におけるモル比から変動する。したがって、共電解装置１０において排出ガスをリサイクルすることにより、導入口２６における二酸化炭素と水蒸気とのモル比の特定のモル比からのずれが生じる。このような事象に対して、上述の構成を有する共電解装置１０は、水蒸気及び二酸化炭素の少なくとも一方の供給量を調節するので、導入口２６における二酸化炭素と水蒸気とのモル比を所望のモル比に近づけ得る。

【0069】

又、共電解装置１０は、第１の流路１３及び第２の流路１４のいずれか一方を流れるガスの流量を調節可能な第２の調節部１９と、第３の流路１６を流れるガスの組成比率を検出する第２の検出部２２と、導入口２６近傍に設けられ且つ導入口２６近傍におけるガスの組成比率を検出する第３の検出部２３と、第３の流路１６における電解反応部１５及び第４の流路１７の間に設けられる第２の流量計３９と、導入口２６に流入するガスの流量を検出する第５の流量計４２と、を備え、制御部２４は第２の検出部２２及び第３の検出部２３がそれぞれ検出する組成比率、並びに第２の流量計３９及び第５の流量計４２がそれぞれ検出する流量に基づいて第２の調節部１９を制御する。共電解装置１０では、二酸化炭素及び水蒸気を燃料とする水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が高くなるほど、カソード２９及び電解質層２８の境界面における下記（１）式の反応の平衡が左側に移動する。
Ｃ＋Ｈ_２Ｏ⇔ＣＯ＋Ｈ_２ －１３１ｋＪ／ｍｏｌ （１）
（１）式の反応の平衡が左に移動するとカソード２９に炭素が析出する可能性が高まる。このような事象に対して、上述の構成を有する共電解装置１０は、水蒸気の供給量を調節することにより、上記反応の平衡を右側に移動させ得るので、炭素析出の可能性を低減する。

【0070】

又、共電解装置１０は、第１の流路１３及び第２の流路１４の少なくとも一方を流れるガスの流量を調節可能な第２の調節部１９と、第３の流路１６を流れるガスの組成比率を検出する第２の検出部２２とを備え、制御部２４は第２の検出部２２が検出する組成比率及び電解反応部１５の温度に基づいて第２の調節部１９を制御する。上記（１）式の順反応は、吸熱反応であるため、電解反応部１５内部の温度が低下すると平衡が左側に移動し、炭素が析出する可能性が高まる。このような事象に対して上記構成を有する共電解装置１０は、電解反応部１５の温度に応じて、炭素析出を抑制し得る導出口２７におけるガス組成比率となるように水蒸気の供給量を調節し得る。したがって、共電解装置１０は、炭素析出の可能性を低減する。

【0071】

又、共電解装置１０では、第４の流路１７には断熱材の被覆、近傍におけるヒータの設置、少なくとも一部の内面にセラミックを主成分とした酸化膜形成の少なくとも１つが施されている。このような構成により、共電解装置１０は、第４の流路１７の流動中のガスの温度低下を低減し得る。したがって、共電解装置１０は、第４の流路１７から電解反応部１５へリサイクルするガスによる電解反応部１５の温度低下を低減し得る。その結果、共電解装置１０は、（１）式の反応の平行の左側への移動を抑制するので、リサイクル停止の頻度を低減させ得る。

【0072】

又、共電解装置１０は、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率に応じて、特定の比を変動させる。水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が高い場合、第４の流路１７を流れる排ガス中の水素及び一酸化炭素の割合が増えるため、上記（１）式における平衡が左側に移動し、炭素析出が生じる可能性が高まる。このような事象に対して、上記の構成を有する共電解装置１０は、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率に応じてリサイクルさせる比率を変化させるので、第４の流路１７における炭素析出の可能性を低減する。又、共電解装置１０は、水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率に応じてリサイクルさせる比率を変化させるので、更には水蒸気利用率及び二酸化炭素利用率が低いほど、水蒸気及び二酸化炭素の濃度が高い排ガスを多く電解反応部１５に送り得る。したがって、共電解装置１０は、排ガス中の水蒸気及び二酸化炭素を再利用する効果を得やすい。

【0073】

又、共電解装置１０は、導入口２６近傍におけるガスの組成比率を検出する第３の検出部２３を備え、制御部２４は第３の検出部２３が検出する組成比率に基づいて第１の比率及び第２の比率の少なくとも一方を算出し、該少なくとも一方が閾値以上である場合に排出ガスの第４の流路１７への流動を停止するように第１の調節部１８を制御する。導入口２６近傍において第１の比率及び第２の比率が高くなると、導出口２７から排出される排出ガスにおける水素及び一酸化炭素の濃度が求められる濃度を超えて高まり、（１）式の反応の平衡が左側に移動しカソード２９に炭素が析出する可能性が高まる。このような事象に対して、上述の構成を有する共電解装置１０は、カソード２９に炭素が析出する可能性が高まる状況において、排出ガスの第４の流路１７を介したリサイクルを停止するので、炭素析出の可能性を低減する。

【0074】

又、共電解装置１０は、電解反応部１５の温度に応じて、第４の流路１７への排出ガスの流動停止又は第１の比率及び第２の比率を低下させる制御を行う。このような構成により、共電解装置１０は、電解反応部１５の温度低下に伴う上記（１）式の平衡の左側への移動を抑制するで、電解反応部１５において炭素が析出する可能性を低減し得る。

【0075】

一実施形態において、（１）共電解装置は、
水蒸気を供給する第１の流路と、
二酸化炭素を供給する第２の流路と、
前記第１の流路及び前記第２の流路から供給されるガスを導入口から導入させるカソード流路を有し、電解反応により前記カソード流路を流動するガスの少なくとも一部を分解する電解反応部と、
前記カソード流路の導出口に接続される第３の流路と、
前記第３の流路において分岐するように接続され、前記カソード流路から前記第３の流路に排出される排出ガスの少なくとも一部を前記導入口に流動させる第４の流路と、を備える。

【0076】

（２）上記（１）の共電解装置は、
前記第４の流路を流れる前記排出ガスの流量を調節可能な第１の調節部と、
前記導出口から排出される前記排出ガスの流量に対する前記第４の流路に流す前記排出ガスの流量の比を特定の比に近づけるように前記第１の調節部を制御する制御部と、を更に備える。

【0077】

（３）上記（２）の共電解装置は、
前記電解反応部における前記カソード流路に面するカソードの酸化還元状態を検出する状態検出装置と、を更に備え
前記制御部は、前記状態検出装置の出力値に基づいて、前記カソードが酸化状態であると判別する場合、前記排出ガスを前記第４の流路に流すように前記第１の調節部を制御する。

【0078】

（４）上記（２）又は（３）の共電解装置は、
前記第１の流路及び前記第２の流路の少なくとも一方を流れるガスの流量を調節可能な第２の調節部と、
前記第４の流路に設けられ、該第４の流路を流れるガスの組成比率を検出する第１の検出部と、を更に備え、
前記制御部は、前記第１の検出部が検出する組成比率に基づいて、前記第２の調節部を制御する。

【0079】

（５）上記（２）又は（３）の共電解装置は、
前記第１の流路及び前記第２の流路のいずれか一方を流れるガスの流量を調節可能な第２の調節部と、
前記第３の流路に設けられ、該第３の流路を流れるガスの組成比率を検出する第２の検出部と、を更に備え、
前記制御部は、前記第２の検出部が検出する組成比率に基づいて、前記第２の調節部を制御する。

【0080】

（６）上記（２）乃至（５）の共電解装置は、
前記導入口近傍に設けられ、該導入口近傍におけるガスの組成比率を検出する第３の検出部を、更に備え、
前記制御部は、前記第３の検出部が検出する組成比率に基づいて水蒸気に対する一酸化炭素の第１の比率及び水蒸気に対する水素の第２の比率の少なくとも一方を算出し、該少なくとも一方が閾値以上である場合、前記排出ガスの前記第４の流路への流動を停止するように前記第１の調節部を制御する。

【0081】

以上、共電解装置１０の実施形態を説明してきたが、本開示の実施形態としては、装置を実施するための方法又はプログラムの他、プログラムが記録された記憶媒体（一例として、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－ＲＷ、磁気テープ、ハードディスク、又はメモリカード等）としての実施態様をとることも可能である。

【0082】

また、プログラムの実装形態としては、コンパイラによってコンパイルされるオブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード等のアプリケーションプログラムに限定されることはなく、オペレーティングシステムに組み込まれるプログラムモジュール等の形態であってもよい。さらに、プログラムは、制御基板上のＣＰＵにおいてのみ全ての処理が実施されるように構成されてもされなくてもよい。プログラムは、必要に応じて基板に付加された拡張ボード又は拡張ユニットに実装された別の処理ユニットによってその一部又は全部が実施されるように構成されてもよい。

【0083】

本開示に係る実施形態について説明する図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。

【0084】

本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は改変を行うことが可能であることに注意されたい。従って、これらの変形又は改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

【0085】

本開示に記載された構成要件の全て、及び／又は、開示された全ての方法、又は、処理の全てのステップについては、これらの特徴が相互に排他的である組合せを除き、任意の組合せで組み合わせることができる。また、本開示に記載された特徴の各々は、明示的に否定されない限り、同一の目的、同等の目的、または類似する目的のために働く代替の特徴に置換することができる。したがって、明示的に否定されない限り、開示された特徴の各々は、包括的な一連の同一、又は、均等となる特徴の一例にすぎない。

【0086】

さらに、本開示に係る実施形態は、上述した実施形態のいずれの具体的構成にも制限されるものではない。本開示に係る実施形態は、本開示に記載された全ての新規な特徴、又は、それらの組合せ、あるいは記載された全ての新規な方法、又は、処理のステップ、又は、それらの組合せに拡張することができる。

【0087】

本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１の流路は、第２の流路と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

【符号の説明】

【0088】

１０ 共電解装置
１１ 製造システム
１２ 反応装置
１３ 第１の流路
１４ 第２の流路
１５ 電解反応部
１６ 第３の流路
１７ 第４の流路
１８ 第１の調節部
１９ 第２の調節部
２０ 状態検出装置
２１ 第１の検出部
２２ 第２の検出部
２３ 第３の検出部
２４ 制御部
２５ カソード流路
２６ 導入口
２７ 導出口
２８ 電解質層
２９ カソード
３０ アノード
３１ カソード集電板
３２ アノード集電板
３３ 第１の絶縁板
３４ 第２の絶縁板
３５ 第１の金属板
３６ 第２の金属板
３７ 窓
３８ 第１の流量計
３９ 第２の流量計
４０ 第３の流量計
４１ 第４の流量計
４２ 第５の流量計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】