特開 2024-82691 電解合成システム

(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】P2024082691

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】電解合成システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 1/23 20210101AFI20240613BHJP

   C10L 3/08 20060101ALI20240613BHJP

   C07C 1/04 20060101ALI20240613BHJP

   C07C 9/00 20060101ALI20240613BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20240613BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240613BHJP

   C25B 15/025 20210101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

C25B1/23

C10L3/08

C07C1/04

C07C9/00

C25B1/042

C25B9/00 A

C25B15/025

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022196714

(22)【出願日】2022-12-09

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】米田 英昭

(72)【発明者】

【氏名】柳澤 和貴

(72)【発明者】

【氏名】牧 美里

(72)【発明者】

【氏名】毛里 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】吉田 潤平

【テーマコード（参考）】

4H006

4K021

【Ｆターム（参考）】

4H006AA02

4H006AB44

4H006AC11

4H006BE20

4H006BE40

4K021AA01

4K021AA09

4K021BA02

4K021BB01

4K021BB05

4K021BC01

4K021BC05

4K021BC06

4K021DC03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】水素ガスおよび一酸化炭素ガスから炭化水素ガスへの合成に用いる触媒の長期使用を可能にし、炭化水素ガスの合成効率を向上させる電解合成システムを提供する。
【解決手段】電解合成システムは、合成装置（５６Ａ、５６Ｂ）に酸素ガスが供給された状態において排ガス中の二酸化炭素ガスの濃度が所定の二酸化炭素濃度閾値を下回った場合、二酸化炭素量調整弁（８２Ａ、８２Ｂ）を開弁することなく蒸気量調整弁（８１Ａ、８１Ｂ）を開弁して電解装置（５２Ａ、５２Ｂ）を介して合成装置に水素ガスを供給する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

二酸化炭素ガスおよび水蒸気を電解して一酸化炭素ガスおよび水素ガスを生成する電解装置と、前記電解装置から排出される前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスから触媒を用いて炭化水素ガスを合成する合成装置とが備えられる電解合成システムであって、
前記電解装置に供給される前記水蒸気の流量を調整する蒸気量調整弁と、
前記電解装置に供給される前記二酸化炭素ガスの流量を調整する二酸化炭素量調整弁と、
前記合成装置から排出される排ガス中の前記二酸化炭素ガスの濃度を計測する二酸化炭素濃度センサと、
制御装置と、
を備え、
前記合成装置に酸素ガスが供給された状態において前記排ガス中の前記二酸化炭素ガスの濃度が所定の二酸化炭素濃度閾値を下回った場合、前記制御装置は、前記二酸化炭素量調整弁を開弁することなく前記蒸気量調整弁を開弁して前記電解装置を介して前記合成装置に前記水素ガスを供給する、電解合成システム。

【請求項2】

請求項１に記載の電解合成システムであって、
前記排ガス中の前記水素ガスの濃度を計測する水素濃度センサ、および、前記排ガス中の前記水蒸気の濃度を計測する水蒸気濃度センサの少なくとも１つをさらに備え、
前記合成装置に前記酸素ガスが供給された状態において、前記排ガス中の前記水素ガスの濃度が所定の水素濃度閾値を超える場合、または、前記排ガス中の前記水蒸気の濃度が所定の水蒸気濃度閾値を下回る場合、前記制御装置は、前記蒸気量調整弁および前記二酸化炭素量調整弁を開弁して、前記電解装置への前記二酸化炭素ガスおよび前記水蒸気の供給を開始する、電解合成システム。

【請求項3】

請求項１に記載の電解合成システムであって、
前記排ガス中の前記炭化水素ガスの濃度を計測する炭化水素濃度センサと、
前記合成装置に前記酸素ガスを供給するか否かを択一的に切り換える切換弁と、
をさらに備え、
前記合成装置に前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスが供給されている状態において前記炭化水素ガスの濃度が所定の炭化水素濃度閾値を下回った場合、前記制御装置は、前記蒸気量調整弁および前記二酸化炭素量調整弁を閉弁して前記電解装置への前記二酸化炭素ガスおよび前記水蒸気の供給を停止し、
前記二酸化炭素ガスおよび前記水蒸気の供給の停止後、前記制御装置は、前記切換弁を制御して前記合成装置に前記酸素ガスを供給する、電解合成システム。

【請求項4】

請求項３に記載の電解合成システムであって、
前記制御装置は、前記二酸化炭素ガスの供給を停止した後に、前記水蒸気の供給を停止する、電解合成システム。

【請求項5】

請求項３に記載の電解合成システムであって、
前記電解装置と前記合成装置との間に設けられ、前記電解装置から前記合成装置に供給されるガスを冷却する熱交換器をさらに備え、
前記熱交換器は、前記制御装置により指定される温度に応じて、前記ガスの冷却度合いを調整可能であり、
前記制御装置は、前記ガスの種類に応じて、前記熱交換器に指定する前記温度を切り換える、電解合成システム。

【請求項6】

請求項３に記載の電解合成システムであって、
前記電解装置、前記合成装置および前記切換弁は、複数備えられ、
複数の前記合成装置の１つである第１合成装置は、複数の前記電解装置の１つである第１電解装置から排出される前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスから触媒を用いて前記炭化水素ガスを合成し、
複数の前記合成装置の他の１つである第２合成装置は、複数の前記電解装置の他の１つである第２電解装置から排出される前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスから触媒を用いて前記炭化水素ガスを合成し、
複数の前記切換弁の１つである第１切換弁は、前記第１電解装置において前記電解により副次的に生成される前記酸素ガスを前記第２合成装置に供給するか否かを択一的に切り換え、
複数の前記切換弁の１つである第２切換弁は、前記第２電解装置において前記電解により副次的に生成される前記酸素ガスを前記第１合成装置に供給するか否かを択一的に切り換え、
前記合成装置に前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスが供給された状態において前記第１合成装置から排出される前記排ガス中の前記炭化水素ガスの濃度が所定の炭化水素濃度閾値を下回った場合、前記制御装置は、前記第２切換弁を制御して前記第１合成装置に前記酸素ガスを供給し、
前記合成装置に前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスが供給された状態において前記第２合成装置から排出される前記排ガス中の前記炭化水素ガスの濃度が所定の炭化水素濃度閾値を下回った場合、前記制御装置は、前記第１切換弁を制御して前記第２合成装置に前記酸素ガスを供給する、電解合成システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電解合成システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、廃棄物の発生防止、削減、再生利用および再利用により、廃棄物の発生の大幅な削減に向けた取り組みが活発化している。この実現に向けて、電解合成システムに関する研究開発が行われている。電解合成システムは、二酸化炭素ガスおよび水蒸気を電解し、電解により得られる水素ガスおよび一酸化炭素ガスに基づいてメタン等の炭化水素ガスを合成するシステムである。

【0003】

水素ガスおよび一酸化炭素ガスから炭化水素ガスへの合成に、触媒を用いる場合がある。この場合、触媒の長時間の使用によって触媒に炭素が析出する傾向がある。触媒に炭素が析出すると、炭化水素ガスの合成効率が低減する。

【0004】

下記特許文献１には、触媒の析出炭素と空気とを接触させて所定の温度で加熱すると、析出炭素が消失することが開示されている。したがって、炭化水素ガスを合成する触媒に炭素が析出した場合に、その析出炭素は除去可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９－９５７２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、触媒の析出炭素と空気とを接触させて所定の温度で加熱すると、触媒が酸化する傾向にある。触媒が酸化すると、炭化水素ガスの合成効率が低減する。

【0007】

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の態様は、二酸化炭素ガスおよび水蒸気を電解して一酸化炭素ガスおよび水素ガスを生成する電解装置と、前記電解装置から排出される前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスから触媒を用いて炭化水素ガスを合成する合成装置とが備えられる電解合成システムであって、前記電解装置に供給される前記水蒸気の流量を調整する蒸気量調整弁と、前記電解装置に供給される前記二酸化炭素ガスの流量を調整する二酸化炭素量調整弁と、前記合成装置から排出される排ガス中の前記二酸化炭素ガスの濃度を計測する二酸化炭素濃度センサと、制御装置と、を備え、前記合成装置に酸素ガスが供給された状態において前記排ガス中の前記二酸化炭素ガスの濃度が所定の二酸化炭素濃度閾値を下回った場合、前記制御装置は、前記二酸化炭素量調整弁を開弁することなく前記蒸気量調整弁を開弁して前記電解装置を介して前記合成装置に前記水素ガスを供給する。

【発明の効果】

【0009】

上記の態様によれば、水蒸気の電解により電解装置で生成される水素ガスを、電解装置から合成装置に供給することができる。その結果、触媒に析出した炭素の燃焼により酸化した触媒を、水素ガスとの反応により還元することができる。その結果、合成装置による炭化水素ガスの合成効率の低減を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施形態による電解合成システムの構成を示す概略図である。

【図2】図２は、第１ガス処理機構および第２ガス処理機構を示す図である。

【図3】図３は、第２ガス処理機構において炭素燃焼工程が実施される場合を示す図である。

【図4】図４は、第２ガス処理機構において触媒還元工程が実施される場合を示す図である。

【図5】図５は、第１ガス処理機構において炭素燃焼工程が実施される場合を示す図である。

【図6】図６は、第１ガス処理機構において触媒還元工程が実施される場合を示す図である。

【図7】図７は、第１電解装置または第２電解装置の燃料極のガスの推移を示す図である。

【図8】図８は、変形例による１つのガス処理機構を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〔実施形態〕
図１は、実施形態による電解合成システム１０の構成を示す概略図である。電解合成システム１０は、蒸気発生器１２と、原料ガス濃縮装置１４と、酸素含有ガス供給器１６と、第１ガス処理機構１８Ａと、第２ガス処理機構１８Ｂと、熱交換器２０と、除湿器２２と、分離器２４とを備える。

【0012】

蒸気発生器１２は、水蒸気を発生させる装置である。蒸気発生器１２は、水源から供給される水を蒸発させる。水源は、浄水処理設備であってもよいし、給水タンクであってもよい。蒸気発生器１２で得られた水蒸気は、第１蒸気供給路３１Ａを介して第１ガス処理機構１８Ａに供給される。また、蒸気発生器１２で得られた水蒸気は、第２蒸気供給路３１Ｂを介して第２ガス処理機構１８Ｂに供給される。

【0013】

原料ガス濃縮装置１４は、原料ガスを濃縮する装置である。原料ガス濃縮装置１４は、例えば、圧力変動吸着法(ＰＳＡ法)を用いて、原料ガス源から供給される原料含有ガス中の原料ガスを濃縮する。原料ガスは、二酸化炭素ガスである。原料ガス源は、ゴミ処理場、製鉄所等のプラント設備であってもよいし、原料ガスタンクであってもよい。原料ガス濃縮装置１４で濃縮された原料ガスは、第１原料ガス供給路３２Ａを介して第１ガス処理機構１８Ａに供給される。また、原料ガス濃縮装置１４で濃縮された原料ガスは、第２原料ガス供給路３２Ｂを介して第２ガス処理機構１８Ｂに供給される。

【0014】

酸素含有ガス供給器１６は、酸素ガスを含む酸素含有ガスを送り出す装置である。酸素含有ガス供給器１６は、ブロワー（送風機）であってもよい。酸素含有ガスは、空気であってもよい。酸素含有ガス供給器１６から送り出される酸素含有ガスは、第１酸素含有ガス供給路３３Ａを介して第１ガス処理機構１８Ａに供給される。また、酸素含有ガス供給器１６から送り出される酸素含有ガスは、第２酸素含有ガス供給路３３Ｂを介して第２ガス処理機構１８Ｂに供給される。

【0015】

第１ガス処理機構１８Ａおよび第２ガス処理機構１８Ｂは、炭化水素生成工程、炭素燃焼工程、触媒還元工程のいずれか１つを択一的に実施する機構である。炭化水素生成工程は、触媒を用いて、水蒸気および二酸化炭素ガスから炭化水素ガスを生成する工程である。炭素燃焼工程は、触媒に析出した炭素を酸素ガスと反応させて炭素を燃焼させる工程である。触媒還元工程は、炭素の燃焼により酸化された触媒を水素ガスと反応させて触媒を還元する工程である。

【0016】

第１ガス処理機構１８Ａは、炭化水素生成工程、炭素燃焼工程または触媒還元工程により得られる排ガスを、第１排ガス路３４Ａに排出する。第２ガス処理機構１８Ｂは、炭化水素生成工程、炭素燃焼工程または触媒還元工程により得られる排ガスを、第２排ガス路３４Ｂに排出する。炭化水素生成工程が実施される場合、排ガスには、炭化水素ガス、水蒸気、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガスが含まれる。一方、炭素燃焼工程が実施される場合、排ガスには、水蒸気、二酸化炭素ガス、酸素ガスが含まれる。他方、触媒還元工程が実施される場合、排ガスには、水蒸気、水素ガスが含まれる。第１ガス処理機構１８Ａおよび第２ガス処理機構１８Ｂの詳細は後述する。

【0017】

熱交換器２０には、排ガス合流路３５と冷媒管（図示せず）とが通る。排ガス合流路３５には、第１ガス処理機構１８Ａから第１排ガス路３４Ａを介して供給される排ガスと、第２ガス処理機構１８Ｂから第２排ガス路３４Ｂを介して供給される排ガスとが流れる。冷媒管には、冷媒タンク（図示せず）から供給される冷媒が流れる。熱交換器２０は、冷媒と排ガスとの間で熱交換させて、排ガスを冷却する。

【0018】

除湿器２２は、熱交換器２０よりも下流の排ガス合流路３５に配置される。除湿器２２は、排ガス中の水分を取り出す。本実施形態では、除湿器２２は、排ガスを冷却して水分を取り出す。除湿器２２は、排ガスから取り出した水分を排水路３６に排出する。排水路３６に排出された水分は、蒸気発生器１２に戻されてもよい。

【0019】

分離器２４は、除湿器２２よりも下流の排ガス合流路３５に配置される。分離器２４は、特定のガスを吸着する１以上の吸着剤を有する。本実施形態では、分離器２４は、水素吸着剤と、一酸化炭素吸着剤と、二酸化炭素吸着剤とを有する。分離器２４は、圧力変動吸着法(ＰＳＡ法)を用いて、排ガス中の水素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガスを個別に分離する。排ガス中から分離された水素ガスは水素ガス排出路３７に排出され、排ガス中から分離された一酸化炭素ガスは一酸化炭素ガス排出路３８に排出され、排ガス中から分離された二酸化炭素ガスは二酸化炭素ガス排出路３９に排出される。

【0020】

上述のように、第１ガス処理機構１８Ａおよび第２ガス処理機構１８Ｂの少なくとも一方で炭化水素生成工程が実施される場合、排ガスには炭化水素ガスが含まれる。この場合、分離器２４によって排ガス中の水素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガスが分離されるので、当該排ガス中の炭化水素ガスは濃縮される。濃縮された炭化水素ガスは、炭化水素ガス排出路４０に排出される。

【0021】

制御装置２６は、電解合成システム１０を統括する装置である。制御装置２６は、第１ガス処理機構１８Ａに炭化水素生成工程、炭素燃焼工程または触媒還元工程を実施させる。制御装置２６は、第２ガス処理機構１８Ｂに炭化水素生成工程、炭素燃焼工程または触媒還元工程を実施させる。制御装置２６による制御の詳細は後述する。

【0022】

図２は、第１ガス処理機構１８Ａおよび第２ガス処理機構１８Ｂを示す図である。第１ガス処理機構１８Ａの構成要素と対応する第２ガス処理機構１８Ｂの構成要素について、同一の数字を付すとともにＡに代えてＢを付す。

【0023】

第１ガス処理機構１８Ａは、第１ヒータ５０Ａと、第１電解装置５２Ａと、第１熱交換器５４Ａと、第１合成装置５６Ａと、第１ガス分析計５８Ａとを、構成要素として備える。第２ガス処理機構１８Ｂは、第２ヒータ５０Ｂと、第２電解装置５２Ｂと、第２熱交換器５４Ｂと、第２合成装置５６Ｂと、第２ガス分析計５８Ｂとを、構成要素として備える。

【0024】

第１ガス処理機構１８Ａに備えられる上記の各構成要素と、第２ガス処理機構１８Ｂに備えられる上記の各構成要素とは実質的に同じである。また、第１ガス処理機構１８Ａに備えられる上記の各構成要素の接続関係と、第２ガス処理機構１８Ｂに備えられる上記の各構成要素の接続関係とは実質的に同じである。したがって、以下では、第２ガス処理機構１８Ｂに備えられる上記の各構成要素と、当該構成要素の接続関係とに関する説明は省略する。

【0025】

第１ヒータ５０Ａは、加熱装置である。第１ヒータ５０Ａは、第１電解装置５２Ａに供給される水蒸気を加熱する。また、第１ヒータ５０Ａは、第１電解装置５２Ａに供給される原料ガス（二酸化炭素ガス）を加熱する。第１ヒータ５０Ａには、第１蒸気供給路３１Ａの下流端部と第１原料ガス供給路３２Ａの下流端部と第１混合ガス供給路４１Ａの上流端部とが配置される。第１蒸気供給路３１Ａの下流端部と第１原料ガス供給路３２Ａの下流端部とは、第１混合ガス供給路４１Ａの上流端部に接続される。第１混合ガス供給路４１Ａの下流端部は、第１電解装置５２Ａに接続される。

【0026】

第１電解装置５２Ａは、二酸化炭素ガスおよび水蒸気を電解する電解装置である。第１電解装置５２Ａは、複数の電解セル６１を有する。各電解セル６１は、電解質膜６２と、燃料極６３と、酸素極６４とを有する。電解質膜６２は、燃料極６３と酸素極６４とに挟持される。電解質膜６２は、例えば、イットリア安定化ジルコニア等の固体電解質膜である。

【0027】

燃料極６３は、カソード電極と称される場合がある。燃料極６３は、第１混合ガス供給路４１Ａおよび第１蒸気供給路３１Ａを介して蒸気発生器１２に接続される。また、燃料極６３は、第１混合ガス供給路４１Ａおよび第１原料ガス供給路３２Ａを介して原料ガス濃縮装置１４に接続される。また、燃料極６３は、第１混合ガス排出路４２Ａを介して第１合成装置５６Ａに接続される。

【0028】

酸素極６４は、アノード電極と称される場合がある。酸素極６４は、第１酸素含有ガス供給路３３Ａを介して酸素含有ガス供給器１６に接続される。また、酸素極６４は、第１酸素含有ガス排出路４３Ａを介して酸素排出部に接続される。酸素排出部は、酸素ガスタンクであってもよいし、大気空間であってもよい。

【0029】

第１熱交換器５４Ａは、第１電解装置５２Ａと第１合成装置５６Ａとの間に設けられる。第１熱交換器５４Ａには、第１混合ガス排出路４２Ａと冷媒管（図示せず）とが通る。第１熱交換器５４Ａは、冷媒管を流れる冷媒と第１混合ガス排出路４２Ａを流れるガスとの間で熱交換させて、第１合成装置５６Ａに供給されるガスを冷却する。第１熱交換器５４Ａは、制御装置２６（図１）により指定される温度に応じて、ガスの冷却度合いを調整可能である。本実施形態では、第１熱交換器５４Ａは、冷媒管に流れる冷媒の流量を増減して、ガスの冷却度合いを調整する。

【0030】

第１合成装置５６Ａは、一酸化炭素ガスおよび水素ガスから炭化水素ガスを合成する合成装置である。一酸化炭素ガスおよび水素ガスは、第１ガス処理機構１８Ａにおいて炭化水素生成工程が実施される場合に、第１電解装置５２Ａから第１合成装置５６Ａに供給される。第１合成装置５６Ａは、触媒を用いて炭化水素ガスを合成する。触媒は、例えば、ニッケル等の金属を含む触媒である。

【0031】

触媒の長時間の使用によって触媒には炭素が析出する場合がある。この場合、第１ガス処理機構１８Ａにおいて炭素燃焼工程が実施される。炭素燃焼工程が実施されると、第１合成装置５６Ａには、第１電解装置５２Ａから酸素ガスが供給される。この場合、第１合成装置５６Ａでは、触媒に析出した炭素と酸素ガスとの燃焼反応により二酸化炭素ガスと水（水蒸気）とが生成される。

【0032】

触媒に析出した炭素と酸素ガスとの反応により触媒が酸化する傾向にある。そのため、本実施形態では、炭素燃焼工程後に触媒還元工程が実施される。触媒還元工程が実施されると、第１合成装置５６Ａには、第１電解装置５２Ａから水素ガスが供給される。この場合、第１合成装置５６Ａでは、酸化された触媒と水素ガスとの還元反応により水（水蒸気）が生成される。

【0033】

第１ガス分析計５８Ａは、第１合成装置５６Ａ近くの第１排ガス路３４Ａに設けられる。第１ガス分析計５８Ａは、炭化水素濃度センサ７１、二酸化炭素濃度センサ７２、水素濃度センサ７３、および、水蒸気濃度センサ７４を含む。炭化水素濃度センサ７１は、排ガス中の炭化水素ガスの濃度を検出する。二酸化炭素濃度センサ７２は、排ガス中の二酸化炭素ガスの濃度を検出する。水素濃度センサ７３は、排ガス中の水素ガスの濃度を検出する。水蒸気濃度センサ７４は、排ガス中の水蒸気の濃度を検出する。

【0034】

次に、炭化水素生成工程、炭素燃焼工程、触媒還元工程を切り換える制御装置２６（図１）に関して説明する。

【0035】

制御装置２６は、電解合成システム１０を制御するコンピュータである。制御装置２６は、操作ユニットと、記憶ユニットと、演算ユニットとを備える。操作ユニットは、オペレータの指示を受け付け可能な入力装置である。記憶ユニットは、揮発性メモリと不揮発性メモリとによって構成され得る。揮発性メモリとしては、例えばＲＡＭ等が挙げられる。不揮発性メモリとしては、例えばＲＯＭ、フラッシュメモリ等が挙げられる。演算ユニットは、ＣＰＵ、ＭＰＵ等のプロセッサを含む。

【0036】

制御装置２６は、第１ガス処理機構１８Ａに備えられる複数の弁を制御して、炭化水素生成工程、炭素燃焼工程または触媒還元工程を第１ガス処理機構１８Ａに実施させる。制御装置２６は、第２ガス処理機構１８Ｂに備えられる複数の弁を制御して、炭化水素生成工程、炭素燃焼工程または触媒還元工程を第２ガス処理機構１８Ｂに実施させる。図中、弁が開弁している場合は白で示され、弁が閉弁している場合は黒で示されている。

【0037】

第１ガス処理機構１８Ａに備えられる複数の弁は、第１蒸気量調整弁８１Ａと、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａと、第１酸素開閉弁８３Ａと、第１切換弁８４Ａと、第１酸素路切換弁８５Ａと、第１混合路切換弁８６Ａとを含む。第２ガス処理機構１８Ｂに備えられる複数の弁は、第２蒸気量調整弁８１Ｂと、第２二酸化炭素量調整弁８２Ｂと、第２酸素開閉弁８３Ｂと、第２切換弁８４Ｂと、第２酸素路切換弁８５Ｂと、第２混合路切換弁８６Ｂとを含む。

【0038】

第１ガス処理機構１８Ａに備えられる上記の各弁と、第２ガス処理機構１８Ｂに備えられる上記の各弁とは実質的に同じである。したがって、以下では、第２ガス処理機構１８Ｂに備えられる上記の各弁に関する説明は省略する。

【0039】

第１蒸気量調整弁８１Ａは、第１蒸気供給路３１Ａに設けられる。第１蒸気量調整弁８１Ａは、第１電解装置５２Ａに供給される水蒸気の流量を調整する流量調整弁である。第１蒸気量調整弁８１Ａは、制御装置２６の制御にしたがって閉弁または開弁する。第１蒸気量調整弁８１Ａの開弁量は、制御装置２６により設定されてもよいし、デフォルトとして予め設定されてもよい。

【0040】

第１二酸化炭素量調整弁８２Ａは、第１原料ガス供給路３２Ａに設けられる。第１二酸化炭素量調整弁８２Ａは、第１電解装置５２Ａに供給される二酸化炭素ガスの流量を調整する流量調整弁である。第１二酸化炭素量調整弁８２Ａは、制御装置２６の制御にしたがって閉弁または開弁する。第１二酸化炭素量調整弁８２Ａの開弁量は、制御装置２６により設定されてもよいし、デフォルトとして予め設定されてもよい。

【0041】

本実施形態では、第１蒸気量調整弁８１Ａの開弁量と、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａの開弁量とは、第１合成装置５６Ａで合成される炭化水素ガスの種類に応じた比率で設定される。例えば、炭化水素ガスの種類がメタンガスである場合、第１蒸気量調整弁８１Ａの開弁量と、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａの開弁量とは、「３：１」の比率で設定される。或いは、炭化水素ガスの種類がメタノールである場合、第１蒸気量調整弁８１Ａの開弁量と、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａの開弁量とは、「２：１」の比率で設定される。或いは、炭化水素ガスの種類がエタノールである場合、第１蒸気量調整弁８１Ａの開弁量と、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａの開弁量とは、「３：２」の比率で設定される。

【0042】

第１酸素開閉弁８３Ａは、第１酸素含有ガス供給路３３Ａに設けられる。第１酸素開閉弁８３Ａは、電磁弁である。第１酸素開閉弁８３Ａは、制御装置２６の制御にしたがって閉弁または開弁する。

【0043】

第１切換弁８４Ａは、第１酸素含有ガス排出路４３Ａに設けられる。第１切換弁８４Ａは、例えば、制御装置２６の制御により経路を切換可能な三方弁である。第１切換弁８４Ａは、第１合成装置５６Ａに酸素ガスを供給するか否かを切り換える。この切り換えは、制御装置２６により制御される。

【0044】

第１切換弁８４Ａが第１合成装置５６Ａに酸素ガスを供給する場合、酸素ガスは、第１酸素含有ガス排出路４３Ａから分岐する第１連通路４４Ａに流れる。この場合、酸素ガスは、第１連通路４４Ａの下流端部が接続される第１混合ガス排出路４２Ａを介して、第１合成装置５６Ａに供給される。一方、第１切換弁８４Ａが第１合成装置５６Ａに酸素ガスを供給しない場合、酸素ガスは、第１酸素含有ガス排出路４３Ａの下流に向かって流れる。

【0045】

第１酸素路切換弁８５Ａは、第１切換弁８４Ａよりも下流の第１酸素含有ガス排出路４３Ａに設けられる。第１酸素路切換弁８５Ａは、例えば、制御装置２６の制御により経路を切換可能な三方弁である。第１酸素路切換弁８５Ａは、第２電解装置５２Ｂに酸素ガスを供給するか否かを切り換える。この切り換えは、制御装置２６により制御される。

【0046】

第１酸素路切換弁８５Ａが第２電解装置５２Ｂに酸素ガスを供給する場合、酸素ガスは、第１酸素含有ガス排出路４３Ａから分岐する第１連通路４５Ａに流れる。この場合、酸素ガスは、第１連通路４５Ａの下流端部が接続される第２酸素含有ガス供給路３３Ｂを介して、第２電解装置５２Ｂに供給される。一方、第１酸素路切換弁８５Ａが第２電解装置５２Ｂに酸素ガスを供給しない場合、酸素ガスは、第１酸素含有ガス排出路４３Ａの下流に向かって流れる。この場合、酸素ガスは、酸素排出部に供給される。

【0047】

第１混合路切換弁８６Ａは、第１混合ガス排出路４２Ａに設けられる。第１混合路切換弁８６Ａは、例えば、制御装置２６の制御により経路を切換可能な三方弁である。第１混合路切換弁８６Ａは、第１合成装置５６Ａに酸素ガスを供給するか否かを切り換える。この切り換えは、制御装置２６により制御される。

【0048】

第１混合路切換弁８６Ａが第１合成装置５６Ａに酸素ガスを供給する場合、酸素ガスは、第１連通路４４Ａから第１混合ガス排出路４２Ａに流れる。この場合、酸素ガスは、第１合成装置５６Ａに供給される。一方、第１混合路切換弁８６Ａが第１合成装置５６Ａに酸素ガスを供給しない場合、第１電解装置５２Ａから第１混合ガス排出路４２Ａに排出されるガスが第１合成装置５６Ａに供給される。

【0049】

次に、制御装置２６が第１ガス処理機構１８Ａに炭化水素生成工程を実施させる場合に関して説明する。

【0050】

第１ガス処理機構１８Ａに炭化水素生成工程を実施させる場合、制御装置２６は、第１蒸気量調整弁８１Ａ、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａおよび第１酸素開閉弁８３Ａを開弁する（図２参照）。この場合、第１電解装置５２Ａでは、蒸気発生器１２から供給される水蒸気と、原料ガス濃縮装置１４から供給される二酸化炭素ガスとの電解が実施される。電解が実施されると、一酸化炭素ガスおよび水素ガスが燃料極６３に生成され、酸素ガスが酸素極６４に生成される。

【0051】

第１ガス処理機構１８Ａに炭化水素生成工程を実施させる場合、制御装置２６は、第１混合路切換弁８６Ａを制御して、第１電解装置５２Ａの燃料極６３から第１合成装置５６Ａへのガスの経路を形成する（図２参照）。この場合、燃料極６３に生成された一酸化炭素ガスおよび水素ガスは、第１混合ガス排出路４２Ａを介して、第１合成装置５６Ａに供給される。第１合成装置５６Ａでは、一酸化炭素ガスおよび水素ガスから炭化水素ガスへの合成が触媒を用いて実施される。

【0052】

第１ガス処理機構１８Ａに炭化水素生成工程を実施させる場合、制御装置２６は、第１熱交換器５４Ａに第１温度を指定する。第１温度は、一酸化炭素ガスおよび水素ガスから炭化水素ガスへの合成反応に適した温度に設定される。例えば、第１温度は３００℃である。

【0053】

第１ガス処理機構１８Ａに炭化水素生成工程を実施させる場合、制御装置２６は、第１切換弁８４Ａおよび第１酸素路切換弁８５Ａを制御して、第１電解装置５２Ａの酸素極６４から酸素排出部へのガスの経路を形成する（図２参照）。この場合、酸素極６４に生成された酸素ガスは、酸素含有ガス供給器１６から供給される酸素含有ガスとともに、第１酸素含有ガス排出路４３Ａを介して、酸素排出部に供給される。酸素含有ガス供給器１６から酸素極６４に酸素含有ガスが供給されることで、酸素極６４に生成される酸素ガスが電解セル６１に停滞することが抑制される。

【0054】

第１ガス処理機構１８Ａにおける炭化水素生成工程の実施中、制御装置２６は、第１ガス分析計５８Ａの炭化水素濃度センサ７１によって検出された炭化水素濃度を、所定の炭化水素濃度閾値と比較する。

【0055】

次に、制御装置２６が第２ガス処理機構１８Ｂに炭化水素生成工程を実施させる場合に関して説明する。制御装置２６は、第２ガス処理機構１８Ｂに炭化水素生成工程を実施させる場合、第１ガス処理機構１８Ａと同様に、第２熱交換器５４Ｂに第１温度を指定する。また、制御装置２６は、第１ガス処理機構１８Ａと同様に、複数の弁を制御する。

【0056】

すなわち、制御装置２６は、第２蒸気量調整弁８１Ｂ、第２二酸化炭素量調整弁８２Ｂおよび第２酸素開閉弁８３Ｂを開弁する（図２参照）。また、制御装置２６は、第２混合路切換弁８６Ｂを制御して、第２電解装置５２Ｂの燃料極６３から第２合成装置５６Ｂへのガスの経路を形成する（図２参照）。また、制御装置２６は、第２切換弁８４Ｂおよび第２酸素路切換弁８５Ｂを制御して、第２電解装置５２Ｂの酸素極６４から酸素排出部へのガスの経路を形成する（図２参照）。この場合、第１ガス処理機構１８Ａと同様に、第２電解装置５２Ｂでは水蒸気および二酸化炭素ガスの電解が実施され、第２合成装置５６Ｂでは炭化水素ガスの合成が実施される。

【0057】

第２ガス処理機構１８Ｂにおける炭化水素生成工程の実施中、制御装置２６は、第２ガス分析計５８Ｂの炭化水素濃度センサ７１によって検出された炭化水素濃度を、所定の炭化水素濃度閾値と比較する。

【0058】

次に、制御装置２６が第２ガス処理機構１８Ｂに実施させる工程を炭化水素生成工程から炭素燃焼工程に切り換える場合に関して説明する。

【0059】

第２合成装置５６Ｂの触媒に炭素が析出すると、第２合成装置５６Ｂでの炭化水素ガスの合成効率が下がって、第２合成装置５６Ｂから排出される排ガス中の炭化水素ガス濃度が減少する傾向にある。したがって、第２合成装置５６Ｂの触媒に析出する炭素の量が増加するほど、第２合成装置５６Ｂから排出される排ガス中の炭化水素ガス濃度の減少度合いが大きくなる。

【0060】

第２ガス分析計５８Ｂの炭化水素濃度センサ７１によって検出された炭化水素濃度が炭化水素濃度閾値を下回った場合、制御装置２６は、第２合成装置５６Ｂの触媒に析出している炭素の除去が必要と判定する。この場合、制御装置２６は、第２ガス処理機構１８Ｂに炭素燃焼工程を実施させる。図３は、第２ガス処理機構１８Ｂにおいて炭素燃焼工程が実施される場合を示す図である。

【0061】

第２ガス処理機構１８Ｂに炭素燃焼工程を実施させる場合、制御装置２６は、第２蒸気量調整弁８１Ｂおよび第２二酸化炭素量調整弁８２Ｂを閉弁する（図３参照）。この場合、第２電解装置５２Ｂの燃料極６３には水蒸気および二酸化炭素ガスが供給されない。そのため、第２電解装置５２Ｂでは水蒸気および二酸化炭素ガスの電解が実施されず、第２合成装置５６Ｂでは炭化水素ガスの合成が実施されない。

【0062】

第２ガス処理機構１８Ｂに炭素燃焼工程を実施させる場合、制御装置２６は、第２熱交換器５４Ｂに指定する温度を第１温度から第２温度に切り換える。第２温度は、触媒に析出した炭素と酸素ガスとの燃焼反応に適した温度に設定される。第２温度は、第１温度よりも高い。例えば、第２温度は５００℃である。

【0063】

第２ガス処理機構１８Ｂに炭素燃焼工程を実施させる場合、制御装置２６は、第２酸素開閉弁８３Ｂを閉弁する（図３参照）。また、制御装置２６は、第１酸素路切換弁８５Ａを制御して、第１電解装置５２Ａの酸素極６４から第２電解装置５２Ｂへのガスの経路を形成する（図３参照）。また、制御装置２６は、第２切換弁８４Ｂおよび第２混合路切換弁８６Ｂを制御して、第２電解装置５２Ｂの酸素極６４から第２合成装置５６Ｂへのガスの経路を形成する（図３参照）。この場合、第１電解装置５２Ａで生成された酸素ガスが第２合成装置５６Ｂに供給される。酸素ガスは、第１酸素含有ガス排出路４３Ａ、第１連通路４５Ａ、第２酸素含有ガス供給路３３Ｂ、第２酸素含有ガス排出路４３Ｂ、第２連通路４４Ｂ、第２混合ガス排出路４２Ｂの順に流れる。

【0064】

第１電解装置５２Ａの電解時、第１電解装置５２Ａは７００℃～８００℃程度の高温になる。そのため、第１電解装置５２Ａで生成された酸素ガスは高温である。高温の酸素ガスが第２合成装置５６Ｂに供給される前に第２電解装置５２Ｂを経由することで、電解停止中の第２電解装置５２Ｂを温めることができる。したがって、高温の酸素ガスが第２電解装置５２Ｂを経由しない場合に比べて、早期に第２電解装置５２Ｂを復帰させて、第２電解装置５２Ｂに電解を再開させることができる。

【0065】

第２合成装置５６Ｂに酸素ガスが供給されると、当該第２合成装置５６Ｂの触媒に析出した炭素の量は、酸素ガスとの燃焼反応により減少する。第２ガス処理機構１８Ｂにおける炭素燃焼工程の実施中、制御装置２６は、第２ガス分析計５８Ｂの二酸化炭素濃度センサ７２によって検出された二酸化炭素濃度を、所定の二酸化炭素濃度閾値と比較する。

【0066】

次に、制御装置２６が第２ガス処理機構１８Ｂに実施させる工程を炭素燃焼工程から触媒還元工程に切り換える場合に関して説明する。

【0067】

二酸化炭素濃度が二酸化炭素濃度閾値を下回った場合、制御装置２６は、炭化水素ガスの合成に影響が殆どない程度にまで、第２合成装置５６Ｂの触媒に析出した炭素の量が減少したと判定する。この場合、制御装置２６は、第２ガス処理機構１８Ｂに触媒還元工程を実施させる。図４は、第２ガス処理機構１８Ｂにおいて触媒還元工程が実施される場合を示す図である。

【0068】

第２ガス処理機構１８Ｂに触媒還元工程を実施させる場合、制御装置２６は、第２二酸化炭素量調整弁８２Ｂを閉弁した状態で、第２蒸気量調整弁８１Ｂを開弁する（図４参照）。この場合、第２電解装置５２Ｂの燃料極６３には水蒸気が供給され、二酸化炭素ガスが供給されない。そのため、第２電解装置５２Ｂでは水蒸気の電解が実施される。

【0069】

第２ガス処理機構１８Ｂに触媒還元工程を実施させる場合、制御装置２６は、第２熱交換器５４Ｂに指定する温度を第２温度から第３温度に切り換える。第３温度は、炭素燃焼工程により酸化した触媒と水素ガスとの還元反応に適した温度に設定される。第３温度は、第１温度よりも高く、第２温度よりも低い。例えば、第３温度は４００℃である。

【0070】

第２ガス処理機構１８Ｂに触媒還元工程を実施させる場合、制御装置２６は、第２酸素開閉弁８３Ｂを開弁する（図４参照）。また、制御装置２６は、第２切換弁８４Ｂを制御して、第２電解装置５２Ｂの酸素極６４から酸素排出部へのガスの経路を形成する（図４参照）。また、制御装置２６は、第２混合路切換弁８６Ｂを制御して、第２電解装置５２Ｂの燃料極６３から第２合成装置５６Ｂへのガスの経路を形成する（図４参照）。この場合、第２電解装置５２Ｂにおける水蒸気の電解により生成された水素ガスは、第２混合ガス排出路４２Ｂを介して、第２合成装置５６Ｂに供給される。

【0071】

第２合成装置５６Ｂに水素ガスが供給されると、炭素燃焼工程において酸化された触媒は、水素ガスと反応して還元され、徐々に酸化前の状態に戻る。第２ガス処理機構１８Ｂにおける触媒還元工程の実施中、制御装置２６は、第２ガス分析計５８Ｂの水素濃度センサ７３によって検出された水素濃度を、所定の水素濃度閾値と比較する。

【0072】

水素濃度が水素濃度閾値を超えた場合、制御装置２６は、炭化水素ガスの合成に影響が殆どない程度にまで、酸化された触媒の還元が実施されたと判定する。この場合、制御装置２６は、第２ガス処理機構１８Ｂに炭化水素生成工程を実施させる。

【0073】

なお、制御装置２６は、排ガス中の水蒸気濃度に基づいて、炭化水素ガスの合成に影響が殆どない程度にまで、酸化された触媒の還元が実施されたか否かを判定してもよい。この場合、第２ガス処理機構１８Ｂにおける触媒還元工程の実施中、制御装置２６は、第２ガス分析計５８Ｂの水蒸気濃度センサ７４によって検出された水蒸気濃度を、所定の水蒸気濃度閾値と比較する。水蒸気濃度が水蒸気濃度閾値を下回ると、制御装置２６は、第２ガス処理機構１８Ｂに炭化水素生成工程を実施させる。

【0074】

次に、制御装置２６が第１ガス処理機構１８Ａに実施させる工程を炭化水素生成工程から炭素燃焼工程に切り換える場合に関して説明する。

【0075】

第１ガス分析計５８Ａの炭化水素濃度センサ７１によって検出された炭化水素濃度が炭化水素濃度閾値を下回った場合、制御装置２６は、第１合成装置５６Ａの触媒に析出している炭素の除去が必要と判定する。この場合、制御装置２６は、第１ガス処理機構１８Ａに炭素燃焼工程を実施させる。図５は、第１ガス処理機構１８Ａにおいて炭素燃焼工程が実施される場合を示す図である。

【0076】

第１ガス処理機構１８Ａに炭素燃焼工程を実施させる場合、制御装置２６は、第１熱交換器５４Ａに指定する温度を第１温度から第２温度に切り換える。また、制御装置２６は、第１蒸気量調整弁８１Ａおよび第１二酸化炭素量調整弁８２Ａを閉弁する（図５参照）。この場合、第１電解装置５２Ａでは水蒸気および二酸化炭素ガスの電解が実施されず、第１合成装置５６Ａでは炭化水素ガスの合成が実施されない。

【0077】

第１ガス処理機構１８Ａに炭素燃焼工程を実施させる場合、制御装置２６は、第１酸素開閉弁８３Ａを閉弁する（図５参照）。また、制御装置２６は、第２酸素路切換弁８５Ｂを制御して、第２電解装置５２Ｂの酸素極６４から第１電解装置５２Ａへのガスの経路を形成する（図５参照）。また、制御装置２６は、第１切換弁８４Ａおよび第１混合路切換弁８６Ａを制御して、第１電解装置５２Ａの酸素極６４から第１合成装置５６Ａへのガスの経路を形成する（図５参照）。この場合、第２電解装置５２Ｂで生成された酸素ガスが第１合成装置５６Ａに供給される。酸素ガスは、第２酸素含有ガス排出路４３Ｂ、第２連通路４５Ｂ、第１酸素含有ガス供給路３３Ａ、第１酸素含有ガス排出路４３Ａ、第１連通路４４Ａ、第１混合ガス排出路４２Ａの順に流れる。

【0078】

第１合成装置５６Ａに酸素ガスが供給されると、当該第１合成装置５６Ａの触媒に析出した炭素は、酸素ガスとの燃焼反応により減少する。第１ガス処理機構１８Ａにおける炭素燃焼工程の実施中、制御装置２６は、第１ガス分析計５８Ａの二酸化炭素濃度センサ７２によって検出された二酸化炭素濃度を、所定の二酸化炭素濃度閾値と比較する。

【0079】

次に、制御装置２６が第１ガス処理機構１８Ａに実施させる工程を炭素燃焼工程から触媒還元工程に切り換える場合に関して説明する。

【0080】

二酸化炭素濃度が二酸化炭素濃度閾値を下回った場合、制御装置２６は、炭化水素ガスの合成に影響が殆どない程度にまで、第１合成装置５６Ａの触媒に析出した炭素の量が減少したと判定する。この場合、制御装置２６は、第１ガス処理機構１８Ａに触媒還元工程を実施させる。図６は、第１ガス処理機構１８Ａにおいて触媒還元工程が実施される場合を示す図である。

【0081】

第１ガス処理機構１８Ａに触媒還元工程を実施させる場合、制御装置２６は、第１熱交換器５４Ａに指定する温度を第２温度から第３温度に切り換える。また、制御装置２６は、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａを閉弁した状態で、第１蒸気量調整弁８１Ａを開弁する（図６参照）。この場合、第１電解装置５２Ａの燃料極６３には水蒸気が供給され、二酸化炭素ガスが供給されない。そのため、第１電解装置５２Ａでは水蒸気の電解が実施される。

【0082】

第１ガス処理機構１８Ａに触媒還元工程を実施させる場合、制御装置２６は、第１酸素開閉弁８３Ａを開弁する（図６参照）。また、制御装置２６は、第１切換弁８４Ａを制御して、第１電解装置５２Ａの酸素極６４から酸素排出部へのガスの経路を形成する（図６参照）。また、制御装置２６は、第１混合路切換弁８６Ａを制御して、第１電解装置５２Ａの燃料極６３から第１合成装置５６Ａへのガスの経路を形成する（図６参照）。この場合、第１電解装置５２Ａにおける水蒸気の電解により生成された水素ガスは、第１混合ガス排出路４２Ａを介して、第１合成装置５６Ａに供給される。

【0083】

第１合成装置５６Ａに水素ガスが供給されると、炭素燃焼工程において酸化された触媒は、水素ガスと反応して還元され、徐々に酸化前の状態に戻る。第１ガス処理機構１８Ａにおける触媒還元工程の実施中、制御装置２６は、第１ガス分析計５８Ａの水素濃度センサ７３によって検出された水素濃度を、所定の水素濃度閾値と比較する。

【0084】

水素濃度が水素濃度閾値を超えた場合、制御装置２６は、炭化水素ガスの合成に影響が殆どない程度にまで、酸化された触媒の還元が実施されたと判定する。この場合、制御装置２６は、第１ガス処理機構１８Ａに炭化水素生成工程を実施させる。

【0085】

なお、制御装置２６は、排ガス中の水蒸気濃度に基づいて、炭化水素ガスの合成に影響が殆どない程度にまで、酸化された触媒の還元が実施されたか否かを判定してもよい。この場合、第１ガス処理機構１８Ａにおける触媒還元工程の実施中、制御装置２６は、第１ガス分析計５８Ａの水蒸気濃度センサ７４によって検出された水蒸気濃度を、所定の水蒸気濃度閾値と比較する。水蒸気濃度が水蒸気濃度閾値を下回ると、制御装置２６は、第１ガス処理機構１８Ａに炭化水素生成工程を実施させる。

【0086】

以上のように、本実施形態では、第１電解装置５２Ａへの二酸化炭素ガスおよび水蒸気の供給中に、制御装置２６は、第１合成装置５６Ａから排出される排ガス中の炭化水素濃度を監視する。炭化水素濃度が所定の炭化水素濃度閾値を下回ると、制御装置２６は、第１蒸気量調整弁８１Ａおよび第１二酸化炭素量調整弁８２Ａを閉弁して、二酸化炭素ガスおよび水蒸気の供給を停止する。その後、制御装置２６は、第１切換弁８４Ａおよび第１混合路切換弁８６Ａを制御して第１合成装置５６Ａに酸素ガスを供給する。これにより、第１合成装置５６Ａに備えられる触媒に析出した炭素を酸素ガスにより燃焼させることができる。

【0087】

また、本実施形態では、第１合成装置５６Ａに酸素ガスが供給された状態において、制御装置２６は、第１合成装置５６Ａから排出される排ガス中の二酸化炭素濃度を監視する。二酸化炭素濃度が所定の二酸化炭素濃度閾値を下回ると、制御装置２６は、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａを開弁することなく第１蒸気量調整弁８１Ａを開弁して第１電解装置５２Ａに水蒸気を供給する。これにより、水蒸気の電解により第１電解装置５２Ａで生成される水素ガスを、第１電解装置５２Ａから第１合成装置５６Ａに供給することができる。その結果、触媒に析出した炭素の燃焼により酸化した触媒を、水素ガスとの反応により還元することができる。

【0088】

また、本実施形態では、制御装置２６は、第１合成装置５６Ａに供給されるガスの種類に応じて、第１熱交換器５４Ａに指定する温度を切り換える。これにより、第１合成装置５６Ａにおいて互いに異なる複数の化学反応のそれぞれを適切に実施させることができる。

【0089】

一方、第２電解装置５２Ｂへの二酸化炭素ガスおよび水蒸気の供給中に、制御装置２６は、第２合成装置５６Ｂから排出される排ガス中の炭化水素濃度を監視する。第２合成装置５６Ｂから排出される排ガス中の炭化水素濃度が所定の炭化水素濃度閾値を下回ると、制御装置２６は、第２蒸気量調整弁８１Ｂおよび第２二酸化炭素量調整弁８２Ｂを閉弁して、二酸化炭素ガスおよび水蒸気の供給を停止する。その後、制御装置２６は、第２切換弁８４Ｂを開弁して第２合成装置５６Ｂに酸素ガスを供給する。これにより、第２合成装置５６Ｂに備えられる触媒に析出した炭素を酸素ガスにより燃焼させることができる。

【0090】

また、本実施形態では、第２合成装置５６Ｂに酸素ガスが供給された状態において、制御装置２６は、第２合成装置５６Ｂから排出される排ガス中の二酸化炭素濃度を監視する。二酸化炭素濃度が所定の二酸化炭素濃度閾値を下回ると、制御装置２６は、第２二酸化炭素量調整弁８２Ｂを開弁することなく第２蒸気量調整弁８１Ｂを開弁して第２電解装置５２Ｂに水蒸気を供給する。これにより、水蒸気の電解により第２電解装置５２Ｂで生成される水素ガスを、第２電解装置５２Ｂから第２合成装置５６Ｂに供給することができる。その結果、触媒に析出した炭素の燃焼により酸化した触媒を、水素ガスとの反応により還元することができる。

【0091】

また、本実施形態では、制御装置２６は、第２合成装置５６Ｂに供給されるガスの種類に応じて、第２熱交換器５４Ｂに指定する温度を切り換える。これにより、第２合成装置５６Ｂにおいて互いに異なる複数の化学反応のそれぞれを適切に実施させることができる。

【0092】

図７は、第１電解装置５２Ａまたは第２電解装置５２Ｂの燃料極６３のガスの推移を示す図である。上述のように、炭化水素生成工程から炭素燃焼工程に移行する場合、第１蒸気量調整弁８１Ａ（または第２蒸気量調整弁８１Ｂ）と、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａ（または第２二酸化炭素量調整弁８２Ｂ）とは閉弁される。本実施形態では、第１蒸気量調整弁８１Ａ（または第２蒸気量調整弁８１Ｂ）が閉弁されるタイミングＴ１は、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａ（第２二酸化炭素量調整弁８２Ｂ）が閉弁されるタイミングＴ２よりも遅い。

【0093】

すなわち、制御装置２６は、第１二酸化炭素量調整弁８２Ａ（または第２二酸化炭素量調整弁８２Ｂ）を閉弁した後に、第１蒸気量調整弁８１Ａ（または第２蒸気量調整弁８１Ｂ）を閉弁する。これにより、燃料極６３に残留する二酸化炭素ガスおよび一酸化炭素ガスを、水蒸気により燃料極６３から排出することができる。したがって、調整弁を閉弁するタイミングが同じである場合に比べて、炭素燃焼工程後に実施される触媒還元工程で用いられる水素ガスを生成する燃料極６３での水電解の効率を高めることができる。その結果、触媒還元工程の時間を短縮することができる。

【0094】

〔変形例〕
上記実施形態は、以下のように変形してもよい。

【0095】

（変形例１）
制御装置２６は、第１合成装置５６Ａまたは第２合成装置５６Ｂに供給される酸素ガスの流量を調整してもよい。この場合、第１連通路４４Ａおよび第２連通路４４Ｂの各々には、酸素濃度センサおよび酸素量調整弁が設けられる。酸素量調整弁は、酸素濃度センサよりも下流に配置される。

【0096】

酸素濃度センサは、第１連通路４４Ａまたは第２連通路４４Ｂを流れる酸素含有ガス中の酸素ガスの濃度を検出するセンサである。酸素量調整弁は、第１合成装置５６Ａまたは第２合成装置５６Ｂに供給される酸素ガスの流量を調整する流量調整弁である。

【0097】

第２ガス処理機構１８Ｂに炭素燃焼工程を実施させる場合（図３参照）、制御装置２６は、第２連通路４４Ｂに設けられる酸素濃度センサを用いて、第２連通路４４Ｂに設けられる酸素量調整弁の開度を制御する。この場合、制御装置２６は、酸素濃度センサにより検出される酸素ガスの濃度が大きいほど、酸素量調整弁の開度を小さくする。これにより、第２合成装置５６Ｂに酸素ガスを過不足なく供給することができる。

【0098】

一方、第１ガス処理機構１８Ａに炭素燃焼工程を実施させる場合（図５参照）、制御装置２６は、第１連通路４４Ａに設けられる酸素濃度センサを用いて、第１連通路４４Ａに設けられる酸素量調整弁の開度を制御する。この場合、制御装置２６は、酸素濃度センサにより検出される酸素ガスの濃度が大きいほど、酸素量調整弁の開度を小さくする。これにより、第１合成装置５６Ａに酸素ガスを過不足なく供給することができる。

【0099】

（変形例２）
第１ガス処理機構１８Ａと第２ガス処理機構１８Ｂとの組が複数組備えられてもよい。

【0100】

（変形例３）
制御装置２６は、第１ガス処理機構１８Ａにおける炭素燃焼工程および触媒還元工程と、第２ガス処理機構１８Ｂにおける炭素燃焼工程および触媒還元工程とを、単位時間ごとに交互に実施させてもよい。この場合、炭化水素濃度センサ７１を取り外すことができる。また、炭化水素濃度センサ７１によって検出された炭化水素濃度と炭化水素濃度閾値とを比較する制御装置２６の処理がなくなるため、制御装置２６の処理負荷を低減することができる。

【0101】

（変形例４）
第１ガス処理機構１８Ａと第２ガス処理機構１８Ｂとの一方は取り外されてもよい。図８は、変形例による１つのガス処理機構１８を示す図である。図８では、実施形態における構成要素の名称に付された「第１」および「第２」と、記号「Ａ」および「Ｂ」とが外されている。

【0102】

本変形例では、第１ガス処理機構１８Ａおよび第２ガス処理機構１８Ｂの一方で生成された酸素ガスを、第１ガス処理機構１８Ａおよび第２ガス処理機構１８Ｂの他方に供給することはない。そのため、ガス処理機構１８では、第１酸素路切換弁８５Ａ（または第２酸素路切換弁８５Ｂ）と、第１混合路切換弁８６Ａ（または第２混合路切換弁８６Ｂ）と、第１連通路４４Ａ（または第２連通路４４Ｂ）と、第１連通路４５Ａ（または第２連通路４５Ｂ）とは外される。

【0103】

一方、ガス処理機構１８では、酸素含有ガス排出路４３から分岐し、熱交換器５４を介して合成装置５６に接続される連結管９０が設けられる。

【0104】

ガス処理機構１８に対する制御装置２６の制御は、上記実施形態と同様であるが、簡単に説明する。ガス処理機構１８に炭化水素生成工程を実施させる場合、制御装置２６は、熱交換器５４に第１温度を指定する。また、制御装置２６は、蒸気量調整弁８１、二酸化炭素量調整弁８２および酸素開閉弁８３を開弁する（図８参照）。これに加えて、制御装置２６は、切換弁８４を制御して、酸素極６４から酸素排出部へのガスの経路を形成する。

【0105】

合成装置５６から排出される排ガス中の炭化水素濃度が炭化水素濃度閾値を下回ると、制御装置２６は、熱交換器５４に指定する温度を第１温度から第２温度に切り換える。また、制御装置２６は、蒸気量調整弁８１および二酸化炭素量調整弁８２を閉弁する。また、制御装置２６は、切換弁８４を制御して、酸素極６４から合成装置５６へのガスの経路を形成する。

【0106】

合成装置５６から排出される排ガス中の二酸化炭素濃度が二酸化炭素濃度閾値を下回ると、制御装置２６は、熱交換器５４に指定する温度を第２温度から第３温度に切り換える。また、制御装置２６は、二酸化炭素量調整弁８２を閉弁した状態で、蒸気量調整弁８１を開弁する。また、制御装置２６は、切換弁８４を制御して、酸素極６４から酸素排出部へのガスの経路を形成する。

【0107】

このように、第１ガス処理機構１８Ａと第２ガス処理機構１８Ｂとの一方は取り外されても、制御装置２６の制御は、上記実施形態と同様である。したがって、１つのガス処理機構１８であっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

【0108】

（変形例５）
第１連通路４４Ａまたは第２連通路４４Ｂは、連結管９０に置換されてもよい。この場合、第１混合路切換弁８６Ａまたは第２混合路切換弁８６Ｂを取り外すことができる。

【0109】

以上の記載から把握し得る発明および効果について以下に記載する。

【0110】

（１）本発明は、二酸化炭素ガスおよび水蒸気を電解して一酸化炭素ガスおよび水素ガスを生成する電解装置（５２、５２Ａ、５２Ｂ）と、前記電解装置から排出される前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスから触媒を用いて炭化水素ガスを合成する合成装置（５６、５６Ａ、５６Ｂ）とが備えられる電解合成システム（１０）である。電解合成システムは、前記電解装置に供給される前記水蒸気の流量を調整する蒸気量調整弁（８１、８１Ａ、８１Ｂ）と、前記電解装置に供給される前記二酸化炭素ガスの流量を調整する二酸化炭素量調整弁（８２、８２Ａ、８２Ｂ）と、前記合成装置から排出される排ガス中の前記二酸化炭素ガスの濃度を計測する二酸化炭素濃度センサ（７２）と、制御装置（２６）と、を備える。前記合成装置に酸素ガスが供給された状態において前記排ガス中の前記二酸化炭素ガスの濃度が所定の二酸化炭素濃度閾値を下回った場合、前記制御装置は、前記二酸化炭素量調整弁を開弁することなく前記蒸気量調整弁を開弁して前記電解装置を介して前記合成装置に前記水素ガスを供給する。

【0111】

これにより、水蒸気の電解により電解装置で生成される水素ガスを、電解装置から合成装置に供給することができる。その結果、触媒に析出した炭素の燃焼により酸化した触媒を、水素ガスとの反応により還元することができる。その結果、合成装置による炭化水素ガスの合成効率の低減を抑制することができる。これに加えて、電解中に高温になる電解装置によって合成装置に供給される水素ガスを温めることができる。その結果、電解装置を介さずに合成装置に水素ガスを供給する場合に比べて、ヒータ等を用いる必要がなく効率的である。

【0112】

（２）本発明は、上記（１）に記載の電解合成システムであって、前記排ガス中の前記水素ガスの濃度を計測する水素濃度センサ（７３）、および、前記排ガス中の前記水蒸気の濃度を計測する水蒸気濃度センサ（７４）の少なくとも１つをさらに備え、前記合成装置に前記酸素ガスが供給された状態において、前記排ガス中の前記水素ガスの濃度が所定の水素濃度閾値を超える場合、または、前記排ガス中の前記水蒸気の濃度が所定の水蒸気濃度閾値を下回る場合、前記制御装置は、前記蒸気量調整弁および前記二酸化炭素量調整弁を開弁して、前記電解装置への前記二酸化炭素ガスおよび前記水蒸気の供給を開始してもよい。これにより、触媒が還元されても水素ガスを供給し続けることを抑制することができる。その結果、水素ガスの利用効率を高めることができる。

【0113】

（３）本発明は、上記（１）に記載の電解合成システムであって、前記排ガス中の前記炭化水素ガスの濃度を計測する炭化水素濃度センサ（７１）と、前記合成装置に前記酸素ガスを供給するか否かを択一的に切り換える切換弁（８４、８４Ａ、８４Ｂ）と、をさらに備え、前記合成装置に前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスが供給されている状態において前記炭化水素ガスの濃度が所定の炭化水素濃度閾値を下回った場合、前記制御装置は、前記蒸気量調整弁および前記二酸化炭素量調整弁を閉弁して前記電解装置への前記二酸化炭素ガスおよび前記水蒸気の供給を停止し、前記二酸化炭素ガスおよび前記水蒸気の供給の停止後、前記制御装置は、前記切換弁を制御して前記合成装置に前記酸素ガスを供給してもよい。これにより、合成装置に備えられる触媒に析出した炭素を酸素ガスにより燃焼させることができる。

【0114】

（４）本発明は、上記（３）に記載の電解合成システムであって、前記制御装置は、前記二酸化炭素ガスの供給を停止した後に、前記水蒸気の供給を停止してもよい。これにより、電解装置に残留する二酸化炭素ガスおよび一酸化炭素ガスを、水蒸気によって電解装置から押し出すことができる。したがって、二酸化炭素ガスの供給の停止タイミングと、水蒸気の供給の停止タイミングとが同じである場合に比べて、炭素燃焼工程後に実施される触媒還元工程で用いられる水素ガスを生成する電解装置での水電解の効率を高めることができる。その結果、触媒還元工程の時間を短縮することができる。

【0115】

（５）本発明は、上記（３）に記載の電解合成システムであって、前記電解装置と前記合成装置との間に設けられ、前記電解装置から前記合成装置に供給されるガスを冷却する熱交換器（５４、５４Ａ、５４Ｂ）をさらに備え、前記熱交換器は、前記制御装置により指定される温度に応じて、前記ガスの冷却度合いを調整可能であり、前記制御装置は、前記ガスの種類に応じて、前記熱交換器に指定する前記温度を切り換えてもよい。これにより、合成装置において互いに異なる複数の化学反応のそれぞれを適切に実施させることができる。

【0116】

（６）本発明は、上記（３）に記載の電解合成システムであって、前記電解装置、前記合成装置および前記切換弁は、複数備えられ、複数の前記合成装置の１つである第１合成装置（５６Ａ）は、複数の前記電解装置の１つである第１電解装置（５２Ａ）から排出される前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスから触媒を用いて前記炭化水素ガスを合成し、複数の前記合成装置の他の１つである第２合成装置（５６Ｂ）は、複数の前記電解装置の他の１つである第２電解装置（５２Ｂ）から排出される前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスから触媒を用いて前記炭化水素ガスを合成し、複数の前記切換弁の１つである第１切換弁（８４Ａ）は、前記第１電解装置において前記電解により副次的に生成される前記酸素ガスを前記第２合成装置に供給するか否かを択一的に切り換え、複数の前記切換弁の１つである第２切換弁（８４Ｂ）は、前記第２電解装置において前記電解により副次的に生成される前記酸素ガスを前記第１合成装置に供給するか否かを択一的に切り換え、前記合成装置に前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスが供給された状態において前記第１合成装置から排出される前記排ガス中の前記炭化水素ガスの濃度が所定の炭化水素濃度閾値を下回った場合、前記制御装置は、前記第２切換弁を制御して前記第１合成装置に前記酸素ガスを供給し、前記合成装置に前記一酸化炭素ガスおよび前記水素ガスが供給された状態において前記第２合成装置から排出される前記排ガス中の前記炭化水素ガスの濃度が所定の炭化水素濃度閾値を下回った場合、前記制御装置は、前記第１切換弁を制御して前記第２合成装置に前記酸素ガスを供給してもよい。

【0117】

これにより、酸素ガスの利用効率を高めることができる。また、電解が実施される第１電解装置により温められた酸素ガスを、電解停止状態である第２電解装置を経由して、第２合成装置に供給することができる。同様に、電解が実施される第２電解装置により温められた酸素ガスを、電解停止状態である第１電解装置を経由して、第１合成装置に供給することができる。したがって、電解停止状態である電解装置を早期に復帰させて、電解装置に電解を再開させることができる。

【0118】

なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

【符号の説明】

【0119】

１０…電解合成システム １２…蒸気発生器
１４…原料ガス濃縮装置 １６…酸素含有ガス供給器
１８(１８Ａ、１８Ｂ）…ガス処理機構(第１ガス処理機構、第２ガス処理機構）
２０…熱交換器 ２２…除湿器
２４…分離器 ２６…制御装置
５２（５２Ａ、５２Ｂ）…電解装置（第１電解装置、第２電解装置）
５４（５４Ａ、５４Ｂ）…熱交換器（第１熱交換器、第２熱交換器）
５６（５６Ａ、５６Ｂ）…合成装置（第１合成装置、第２合成装置）
５８（５８Ａ、５８Ｂ）…ガス分析計（第１ガス分析計、第２ガス分析計）
６３…燃料極 ６４…酸素極
７１…炭化水素濃度センサ ７２…二酸化炭素濃度センサ
７３…水素濃度センサ ７４…水蒸気濃度センサ
８１(８１Ａ、８１Ｂ）…蒸気量調整弁(第１蒸気量調整弁、第２蒸気量調整弁）
８２(８２Ａ、８２Ｂ）…二酸化炭素量調整弁(第１二酸化炭素量調整弁、第２二酸化炭素量調整弁）
８３(８３Ａ、８３Ｂ）…酸素開閉弁(第１酸素開閉弁、第２酸素開閉弁）
８４(８４Ａ、８４Ｂ）…切換弁(第１切換弁、第２切換弁）
８５(８５Ａ、８５Ｂ）…酸素路切換弁(第１酸素路切換弁、第２酸素路切換弁）
８６(８６Ａ、８６Ｂ）…混合路切換弁(第１混合路切換弁、第２混合路切換弁）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】