特許 7010430 メタン合成装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-17

(45)【発行日】2022-01-26

(54)【発明の名称】メタン合成装置

(51)【国際特許分類】

   C07C 1/12 20060101AFI20220119BHJP

   C07C 9/04 20060101ALI20220119BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20220119BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20220119BHJP

【ＦＩ】

C07C1/12

C07C9/04

C25B1/04

C25B9/00 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2017217736

(22)【出願日】2017-11-10

(65)【公開番号】P2019089713

(43)【公開日】2019-06-13

【審査請求日】2020-11-05

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国立研究開発法人科学技術振興機構 平成２６年度戦略創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ） 「再生可能エネルギーからのエネルギーキャリアの製造とその利用のための革新的基盤技術の創出」委託研究、及び平成２７年度研究成果展開事業マッチングプランナープログラム 産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(73)【特許権者】

【識別番号】305060567

【氏名又は名称】国立大学法人富山大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(73)【特許権者】

【識別番号】597103023

【氏名又は名称】株式会社 ケミックス

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(72)【発明者】

【氏名】曽根 理嗣

(72)【発明者】

【氏名】オマール メンドーサ

(72)【発明者】

【氏名】島 明日香

(72)【発明者】

【氏名】阿部 孝之

(72)【発明者】

【氏名】井上 光浩

(72)【発明者】

【氏名】松本 広重

(72)【発明者】

【氏名】寺山 友規

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 元彦

【審査官】中島 芳人

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１５－５１３５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２８１１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５０７２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５３２７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】曽根理嗣，再生可能エネルギー利用による水素製造とエネルギーキャリアとしてのメタン製造技術の研究，第23回燃料電池シンポジウム講演予稿集，2016年05月26日，pp.109-111，B20

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０７Ｃ １／１２

Ｃ０７Ｃ ９／０４

Ｃ２５Ｂ １／０４

Ｃ２５Ｂ ９／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素側電極膜、電解質膜、酸素側電極膜、前記水素側電極膜及び酸素側電極膜のいずれかの側から前記電解質膜の表面へ液体の水を供給する水供給手段を含む水電解部と、
前記水電解部の前記水素側電極膜に隣接して設けられたサバチエ反応部と、
前記サバチエ反応部へ二酸化炭素含有ガスを供給する二酸化炭素供給部と、
前記水電解部における水の電気分解によって生成された水素ガスを前記サバチエ反応部へ供給する水素ガス供給部と、
を備え、
前記サバチエ反応部に供給された前記二酸化炭素含有ガスと前記水素ガスとのサバチエ反応によりメタンガスを合成する、メタン合成装置。

【請求項2】

前記水電解部、前記サバチエ反応部、前記二酸化炭素供給部、前記水素ガス供給部が積層されて一体化されており、
前記サバチエ反応部が、前記水電解部の前記水素側電極膜の側に積層されている、請求項１に記載のメタン合成装置。

【請求項3】

前記サバチエ反応部における反応熱が前記水電解部に供給される、請求項１又は２に記載のメタン合成装置。

【請求項4】

前記水素側電極膜には前記水素側電極膜の前記電解質膜と反対の側にガスセパレータが配置され、前記ガスセパレータの前記水素側電極膜と接する側に前記水素側電極膜の複数のスリットと整列するように複数の溝が形成され、前記水供給手段は、前記ガスセパレータの前記複数の溝及び前記水素側電極膜の前記複数のスリットを介して前記電解質膜の表面へ液体の水を供給する、請求項１～３の何れか一項に記載のメタン合成装置。

【請求項5】

前記水素側電極膜における前記複数のスリット間の梯子状部には他方の面まで貫通する通気孔が形成され、前記通気孔は、前記水電解部における水の電気分解によって生成された水素ガスを通過させて前記水素ガス供給部へ供給する、請求項４に記載のメタン合成装置。

【請求項6】

さらに、ガス混合部を備え、前記ガス混合部は、前記二酸化炭素供給部から供給される前記二酸化炭素含有ガスと前記水素ガス供給部から供給される前記水素ガスとを内部に形成されたガス流路で混合し、混合された二酸化炭素含有ガスと水素ガスとを前記サバチエ反応部へ供給する、請求項１乃至５の何れか一項に記載のメタン合成装置。

【請求項7】

前記サバチエ反応部と前記水素側電極膜との間に第１のガスセパレータが配置され、前記水供給手段は前記酸素側電極膜の側にあって前記酸素側電極膜の側から前記電解質膜の表面へ液体の水を供給し、前記第１のガスセパレータは、前記水素側電極膜と前記電解質膜との間で液体の水から分離された水素ガスを通過させて前記サバチエ反応部へ直接供給する、請求項１に記載のメタン合成装置。

【請求項8】

前記酸素側電極膜には複数のスリットと、スリットとスリットとの間の複数の梯子状部が形成され、前記酸素側電極膜の前記電解質膜と反対の側には液体の水から分離された酸素含有ガスを通過させる第２のガスセパレータが配置され、前記第２のガスセパレータの前記酸素側電極膜と接する側には前記酸素側電極膜の前記複数のスリットと整列するように複数の溝が形成され、前記水供給手段は、前記第２のガスセパレータの前記複数の溝及び前記酸素側電極膜の前記複数のスリットを介して前記電解質膜の表面へ液体の水を供給する、請求項７に記載のメタン合成装置。

【請求項9】

前記サバチエ反応部は、多孔性金属メッシュ及びこれにサバチエ触媒を担持させたものを含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のメタン合成装置。

【請求項10】

前記メタンガスが流通するメタンガス流通部が前記サバチエ反応部に隣接して設けられた、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のメタン合成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水電解によって生成される水素を利用してメタンを合成するメタン合成装置に関する。

【背景技術】

【0002】

再生可能エネルギーの用途拡大が期待される中で、再生可能エネルギーを使用して水を電気分解して水素を生成させ、これを燃焼あるいは燃料電池反応により資源として活用する試みが進んでいる。さらに、水電解反応により生成された水素と、空気中の二酸化炭素とを反応させてメタンを合成し、これをエネルギーキャリアとすることが研究されている。メタンは天然ガスの代替としての使用が見込まれており、こうして得られたメタンを天然ガスの代替として利用して二酸化炭素が排出さても、元々空気中にあったものが空気中に戻るだけであるため、余分な二酸化炭素が排出されることはない。また、メタンは同じ体積の水素に対して密度として４分の３のエネルギーを保持することができる。このためメタンは、優れたエネルギーキャリアとしての利活用が期待されている。

【0003】

水素と二酸化炭素を反応させてメタンを合成する手法として、サバチエ反応が知られている。この反応は、水素と二酸化炭素を触媒反応させてメタンと水を生成させる手法であり、３５０℃程度で二酸化炭素の水素による還元率が１００％近くに達する反応であるため、高効率の二酸化炭素ガス還元が可能である。またこの反応は発熱を伴う自律反応であり、外部からの熱エネルギー等の供給なしに反応を持続することが可能となるため、サバチエ反応を応用することにより、再生可能エネルギーからエネルギーキャリアへの効率的な変換が可能になることが期待される。

【0004】

水電解反応によって水素を生成し、これをサバチエ反応に利用してメタンを生成できることはこれまでも知られていたし、実際にこれらの反応を組み合わせてメタンを生成することが提案されている。これまで知られているものは、水電解反応とサバチエ反応について別々の反応槽を用意し、水電解槽で生成された水素を一旦貯蔵してからサバチエ反応槽へ供給するか、あるいは貯蔵をしなくても水電解槽で生成された水素を専用の配管を通してサバチエ反応槽へ供給してメタンを生成するという構造のものであり、装置全体が大きくかさばるものとなり、また、全体の構造も複雑なものとなっていた（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００５－２８１１９８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで、本発明は、上述の課題を克服し、装置全体を小型化しかつ単純な構造としたメタン合成装置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】

【0007】

本発明に係るメタン合成装置は、水素側電極膜、電解質膜、酸素側電極膜、前記水素側電極膜及び酸素側電極膜のいずれかの側から前記電解質膜の表面へ液体の水を供給する水供給手段を含む水電解部と、
前記水電解部の前記水素側電極膜に隣接して設けられたサバチエ反応部と、
前記サバチエ反応部へ二酸化炭素含有ガスを供給する二酸化炭素供給部と、
前記水電解部における水の電気分解によって生成された水素ガスを前記サバチエ反応部へ供給する水素ガス供給部と、
を備え、前記サバチエ反応部に供給された前記二酸化炭素含有ガスと前記水素ガスとのサバチエ反応によりメタンガスを合成することを特徴とする。

【0008】

前記水電解部、前記サバチエ反応部、前記二酸化炭素供給部、前記水素ガス供給部が積層されて一体化されており、前記サバチエ反応部が、前記水電解部の前記水素側電極膜の側に積層されているものとすることができる。

【0009】

前記サバチエ反応部における反応熱が前記水電解部に供給されるものとすることができる。

【0010】

前記水素側電極膜には複数のスリットと、スリットとスリットとの間の複数の梯子状部が形成され、前記水素側電極膜の前記電解質膜と反対の側にはガスセパレータが配置され、前記ガスセパレータの前記水素側電極膜と接する側には前記水素側電極膜の前記複数のスリットと整列するように複数の溝が形成され、前記水供給手段は、前記ガスセパレータの前記複数の溝及び前記水素側電極膜の前記複数のスリットを介して前記電解質膜の表面へ液体の水を供給するものとすることができる。

【0011】

前記水素側電極膜における前記複数のスリット間の梯子状部には他方の面まで貫通する通気孔が形成され、前記通気孔は、前記水電解部における水の電気分解によって生成された水素ガスを通過させて前記水素ガス供給部へ供給するものとすることができる。

【0012】

さらに、ガス混合部を備え、前記ガス混合部は、前記二酸化炭素供給部から供給される前記二酸化炭素含有ガスと前記水素ガス供給部から供給される前記水素ガスとを内部に形成されたガス流路で混合し、混合された二酸化炭素含有ガスと水素ガスとを前記サバチエ反応部へ供給するものとすることができる。

【0013】

前記サバチエ反応部と前記水素側電極膜との間に第１のガスセパレータが配置され、前記水供給手段は前記酸素側電極膜の側にあって前記酸素側電極膜の側から前記電解質膜の表面へ液体の水を供給し、前記第１のガスセパレータは、前記水素側電極膜と前記電解質膜との間で液体の水から分離された水素ガスを通過させて前記サバチエ反応部へ直接供給するものとすることができる。

【0014】

前記酸素側電極膜には複数のスリットと、スリットとスリットとの間の複数の梯子状部が形成され、前記酸素側電極膜の前記電解質膜と反対の側には液体の水から分離された酸素含有ガスを通過させる第２のガスセパレータが配置され、前記第２のガスセパレータの前記酸素側電極膜と接する側には前記酸素側電極膜の前記複数のスリットと整列するように複数の溝が形成され、前記水供給手段は、前記第２のガスセパレータの前記複数の溝及び前記酸素側電極膜の前記複数のスリットを介して前記電解質膜の表面へ液体の水を供給するものとすることができる。

【0015】

前記サバチエ反応部は、多孔性金属メッシュ及びこれにサバチエ触媒を担持させたものを含むものとすることができる。

【0016】

前記メタンガスが流通するメタンガス流通部が前記サバチエ反応部に隣接して設けられたものとすることができる。

【発明の効果】

【0017】

上述のように、水電解部と、サバチエ反応部と、二酸化炭素供給部と、水素ガス供給部とを積層して一体化したことにより、装置全体を小型化しかつ単純な構造としたメタン合成装置を提供することができる。特に、各部品をプレート状に形成するようにすれば、装置全体の厚みを低減し、よりコンパクトにすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態１に係るメタン合成装置１００の正面図（同図（ａ））及び斜視図（同図（ｂ））である。を示しており、図２は図１に示したメタン合成装置１００の各部品を図中の矢印１０１の方向に相互に離間して示した分解図である。

【図2】図１に示したメタン合成装置の各部品を相互に離間して示した分解図である。

【図3】図２に示したメタン合成装置における液体の水（Ｈ₂Ｏ）が流れる全体的な経路を分かりやすく示した図である。

【図4】図２に示したガスセパレータの、図２の右側の面の一部を示した図である。

【図5】図４に示した溝及び板状部の部分のみを示した斜視図である。

【図6】図４のＡ－Ａに沿って紙面に垂直かつ溝に平行な方向に切った断面図である。

【図7】メタン合成装置を組み立てたときにガスセパレータとガスケットにはめ込まれる水素側電極膜とがどのような位置関係にあるかを示した平面図である。

【図8】図２に示したガスセパレータ、ガスケット、水素側電極膜、電解質膜、酸素側電極膜、ガスケット、酸素側のガスセパレータの各部品を密着して得られる水電解部を板状部と垂直に切った断面を模式的に示した拡大図である。

【図9】水電解部で生成された水素ガスが一旦装置の外部へ排出される経路を示した図である。

【図10】水電解部で生成された酸素ガスが装置の外部へ排出される経路を示した図である。

【図11】水素ガスと二酸化炭素ガスとが混合される経路を示した図である。

【図12】ガス混合プレートの正面図である。

【図13】水素ガスと二酸化炭素ガスの混合ガスがサバチエ反応触媒に供給される経路を示した図である。

【図14】サバチエ反応プレートの正面図である。

【図15】サバチエ反応プレートにおけるガスの流れ方を説明する図である。

【図16】本発明の実施形態２に係るメタン生成装置の一部を示した概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るメタン合成装置１００の正面図（同図（ａ））及び斜視図（同図（ｂ））を示しており、図２は図１に示したメタン合成装置１００の各部品を図中の矢印１０１の方向に相互に離間して示した分解図である。メタン合成装置１００は、図２に示す左側のエンドプレート２から右側のエンドプレート２３までの各部品から構成され、複数のボルト及びナットを締着してこれらの各部品を互いに密着させルことによって、図１に示すようにコンパクトに組み立てられる。図２に示した各部品は、符号３～９のサバチエ反応部と、符号１３～２１の水電解部と、その他の部品とに分けることができる。

【0020】

まず、水電解部について説明する。図３は、図２に示したメタン合成装置１００における液体の水（Ｈ₂Ｏ）が流れる全体的な経路を示した図である。外部から供給される液体の水は、水入口１１０から入って水電解部のガスセパレータ１３（第１のガスセパレータ）に送られて水電解反応に使用され、反応に使用されなかった水はガスセパレータ１３から最終的に水出口１１１へ送られて外部へ排出される。

【0021】

図４は、図２に示したガスセパレータ１３の、図２の右側の面（図２において見えない面）の一部を示した図である。ただし、この面に形成されている溝の数及び配置は実際のものとは異なる。図４に示すように、ガスセパレータ１３の中央部には、その厚さ方向（図４の紙面に垂直な方向）に掘られた複数の平行な細長い溝６０₁～６０₆が形成されている。各溝６０₁～６０₆はガスセパレータ１３を貫通していないが、それぞれの両端部が水流路６３₁及び６３₂に繋がっている。また、溝と溝の間には細長い板状部６１₁～６１₅が形成されている。図５は、図４に示した溝６０₁～６０₆及び板状部６１₁～６１₅の部分のみを示した斜視図である。図５に示すように、板状部６１₁～６１₅及びこれと平行な両側の縁には、細長いガス流路６２₁～６２₇が設けられている。各ガス流路６２₁～６２₇は、ガスセパレータ１３の裏側まで貫通している。

【0022】

図６は、図４のＡ－Ａに沿って紙面に垂直かつ溝６０₁～６０₆に平行な方向に切った断面図である。同図に示すように、ガスセパレータ１３の内部には水流路６３₁及び６３₂がトンネル状に形成されている。水流路６３₁の一方はガスセパレータ１３の上部の孔を介して図１に示す水入口１１０に繋がり、他方は各溝６０₁～６０₆に繋がっている。また、水流路６３₂の一方はガスセパレータ１３の下部の孔を介して水出口１１１と繋がり、他方は各溝６０₁～６０₆に繋がっている。

【0023】

図７は、メタン合成装置１００を組み立てたときにガスセパレータ１３とガスケット１４にはめ込まれる水素側電極膜１５とがどのような位置関係にあるかを示した平面図である。図７に示すように、水素側電極膜１５に設けられた各スリット４５₁～４５₆は、ガスセパレータ１３に設けられた対応する溝６０₁～６０₆と整列する。水素側電極膜１５のスリットとスリットの間の梯子状部材４６₁～４６₇は、ガスセパレータ１３の対応する板状部６１₁～６１₅及びこれらと平行な両側の縁と整列し、板状部６１₁～６１₅及び両側の縁に設けられているガス流路６２₁～６２₇を塞いでいる。これにより、後述のようにガス流路６２₁～６２₇に水が入り込むことが防止される。

【0024】

液体の水は、図３に示すガスセパレータ１３の上部に設けられた孔から、図４に示すガスセパレータ１３内部の水流路６３₁を通って、ガスセパレータ１３に設けられた多数の溝６０₁～６０₆へ導入される。そして水は、この多数の溝６０₁～６０₆から電解質膜１６に対してその表面から供給される。その後、余分な水はガスセパレータ１３の反対側に設けられた水流路６３₂及び下部に設けられた孔を経て水出口１１１から排出される。図３に示す水が流れる全体的な経路は矢印１０１と平行に延びているが、ガスセパレータ１３の内部に形成された水流路６３₁及び６３₂は、矢印１０１と垂直な方向、すなわちメタン合成装置１００の積層方向と垂直な方向に延びている。

【0025】

図８は、図２に示したガスセパレータ１３、ガスケット１４、水素側電極膜１５、電解質膜１６、酸素側電極膜１７、ガスケット１８、酸素側のガスセパレータ１９（第２のガスセパレータ）の各部品を密着して得られる水電解部を、図６とは異なり、板状部６１₁～６１₅と垂直に切った断面を模式的に示した拡大図である。

【0026】

電解質膜１６を構成する固体電解質としては、プロトン（Ｈ⁺）伝導性の多孔質電解質を使用することができる。具体的な材料としては、例えば特許第５７５９６８７号公報に示されている無機セラミックス（例えば含水酸化チタンナノ粒子）を好適に使用することができる。電解質膜１６を構成する固体電解質の別の例として、緻密電解質であるプロトン伝導性のナフィオン（登録商標）等を使用することもできる。

【0027】

電解質膜１６を挟む水素側電極膜１５及び酸素側電極膜１７の材料としては、例えば特許第５７５９６８７号公報に示されているテフロン（登録商標）修飾多孔質カーボンを好適に使用することができる。この材料を使用することにより、その内部を酸素ガス及び水素ガスが透過できるようにすることができる。また、水素側電極膜１５及び酸素側電極膜１７は、全体として撥水処理が施され、強い撥水性を有している。これにより、水が水素側電極膜１５及び酸素側電極膜１７の内部へ浸入することを防ぐことができる。

【0028】

水素側電極膜１５及び酸素側電極膜１７の電解質膜１６と接合する側の表面には、それぞれ触媒層３５₁及び３６₁が形成されている。触媒材料としては、特許第５７５９６８７号公報に示されている白金担持カーボンを好適に使用することができる。触媒は、原子層で数層程度あれば十分であり、そのために例えばスプレーで触媒材料を噴霧状にして吹きつけるなどの方法を適用できる。また、ここでは水素側電極膜１５及び酸素側電極膜１７に触媒層を形成しているが、電解質膜１６の表面に触媒層を形成するようにしてもよい。

【0029】

水の電気分解に際し、水素側電極膜１５に負、酸素側電極膜１７に正の電圧を印加すると、水素側電極膜１５と電解質膜１６との界面（触媒層）で発生した水素ガスは、水素側電極膜１５の梯子状部材４６₁～４６₇を透過してガスセパレータ１３に設けられた対応するガス流路６２₁～６２₇へ導かれ、さらにガス収集器１１、１２によって収集されたあと、図９に示す経路で、エンドプレート２に設けられたガス出口１１２、１１３へ送られ、一旦排出される。

【0030】

一方、酸素側電極膜１７と電解質膜１６との界面（触媒層）で発生した酸素ガスは、平面状の酸素側電極膜１７の内部を拡散されながら透過し、ガスセパレータ１９のガス流路６４へ導かれ、ここを通ってガス収集器２０、２１によって収集されたあと、図１０に示す経路で、エンドプレート２に設けられたガス出口１１４、１１５へ送られ、排出される。

【0031】

前述のように、水素側電極膜１５及び酸素側電極膜１７は強い撥水性を備えている。これにより、外部から水流路６３、溝６０₁～６０₆、スリット４５₁～４５₆を通って電解質膜１６へ供給される水が、水素側電極膜１５、酸素側電極膜１７へ入り込むことはない。したがって、酸素ガス、水素ガスの経路と、水の経路とは完全に分離され、これらが混ざり合うことはない。また、本実施形態の水電解部は、固体電解質からなる電解質膜１６の表面に直接水が供給される。供給された水は、撥水性の水素側電極膜１５、酸素側電極膜１７によって塞ぎ止められ、水素側電極膜１５、酸素側電極膜１７の内部やガスセパレータ１３、１９の内部へは浸入しない。すなわち、水の経路、酸素ガスの経路、水素ガスの経路が完全に独立し、互いに切り離される。

【0032】

次に、サバチエ反応部について説明する。水電解部によって生成され、上述のガス出口１１２、１１３（図９参照）から一旦排出された水素ガスは、図１１に示すように、ガス入口１１６から再び装置内部へ導入され、カバープレート８の一方の小孔１１８へと送られる。一方、これとは別にガス入口１１７から導入される二酸化炭素ガスは、カバープレート８の他方の小孔１１９へ送られる。図１１に示すように、カバープレート８の隣にはガス混合プレート９が接するように配置されている。

【0033】

図１２は、ガス混合プレート９の正面図である。同図に示すように、ガス混合プレート９の一方の表面にはほぼ全体にわたって細い溝が形成されている。この溝は、ガス混合プレート９とカバープレート８とを密着させることによって、ガスが流れるガス通路となる。ガス混合プレート９の符号１２０で示す部分はカバープレート９の小孔１１８の位置に対応し、ここから水素ガスが導入される。一方、ガス混合プレート９の符号１２１で示す部分はカバープレート９の小孔１１９の位置に対応し、ここから二酸化炭素ガスが導入される。導入された水素ガス及び二酸化炭素ガスは、細長いガス通路を流れるあいだに混合される。この混合ガスは、ガス混合プレート９の符号１２２で示す部分に到達すると、カバープレート８に設けられたもう一つの小孔（不図示）を経て、図１１に示すようにガス出口１２５から一旦装置の外部へ排出される。

【0034】

サバチエ用ガスケット５には、図１３に示すようにサバチエ反応プレート７が隣接して配置されている。図１４は、サバチエ反応プレート７の正面図である。図１４に示すようにサバチエ反応プレート７には、３つの長方形の凹部７₁、７₂、７₃が形成されており、図１３等でサバチエ反応プレート７と分離して描かれている３枚のサバチエ反応触媒６（６₁、６₂、６₃）は、装置を組み立てるときにサバチエ反応プレート７の凹部７₁、７₂、７₃に嵌め込まれる。そして、サバチエ反応プレート７とサバチエ用ガスケット５とを密着させることによって、サバチエ反応触媒６（６₁、６₂、６₃）はこれらの間に挟まれて内部に密閉される。

【0035】

サバチエ反応触媒６₁、６₂、６₃は、多孔性金属メッシュにサバチエ触媒を担持させたものである。これは、一例として、多孔性金属メッシュに液状の触媒を含浸させたあと乾燥させることによって得られる。

【0036】

ガス出口１２５から一旦装置の外へ排出された水素と二酸化炭素の混合ガスは、再びガス入口１２６から装置内部へ導入され、図１３に示すように、サバチエ用ガスケット５に設けられた小孔１２７へ送られる。図１４に符号１２８で示す部分はサバチエ用ガスケット５の小孔１２７の位置に対応し、サバチエ用ガスケット５に設けられた小孔１２７へ送られた水素と二酸化炭素の混合ガスは、この部分からサバチエ反応プレート７に導入される。

【0037】

図１５は、サバチエ反応プレート７におけるガスの流れ方を説明する図である。サバチエ反応プレート７に導入された水素と二酸化炭素の混合ガスは、まずサバチエ反応触媒６₁の下部に供給され、ここからサバチエ反応触媒６₁の内部を上に向かって流れる。サバチエ反応触媒６₁の上部に達した混合ガスは、図１５に示すように、一旦サバチエ反応触媒６₁から出て、密着して設けられているカバープレート４及びガスケット５の内部に設けられたマニホールドを横方向にサバチエ反応触媒６₂へ向かって方へ流れ、その上部からサバチエ反応触媒６₂に供給される。サバチエ反応触媒６₂に入った混合ガスはサバチエ反応触媒６₂の内部を下に向かってに流れる。サバチエ反応触媒６₂の下部に達した混合ガスは、一旦サバチエ反応触媒６₂から出てカバープレート４及びガスケット５の内部のマニホールドを横方向にサバチエ反応触媒６₃へ向かって流れ、その下部からサバチエ反応触媒６₃に供給され、サバチエ反応触媒６₃内を上に向かって流れ、その上部に達する。

【0038】

このように、水素と二酸化炭素の混合ガスがサバチエ反応触媒６₁、６₂、６₃を通過して行く間に、
８Ｈ₂＋２ＣＯ₂→２ＣＨ₄＋４Ｈ₂Ｏ
というサバチエ反応が起こり、メタンガスと水のガス（水蒸気）が生成される。前述のように、サバチエ反応プレート７において、ガスは十分に長い距離にわたってサバチエ反応触媒の中を流れることから、導入された水素と二酸化炭素はサバチエ反応によってほぼ完全にメタンガスと水のガスへと変わる。

【0039】

生成されたメタンガスと水のガスは、サバチエ反応プレートの図１４に符号１２９で示した部分に導かれる。この位置は、サバチエ用ガスケット５に設けられた小孔１３０に対応し、図１３に示すように、ここからエンドプレート２に設けられたガス出口１３１へ流れる。このように、生成されたメタンガスは、最終的に出口１３１から得られる。得られたメタンガスは、エネルギーキャリアとして貯蔵するなど種々の利用に供することができる。

【0040】

図３、図９、図１０、図１１、図１３では、メタン合成装置１００の構造及び各種流体の流れを説明するために各部品を矢印１０１方向に分解して示しているが、実際に組み立てられるメタン合成装置１００は、図１（ｂ）に示すように極めて薄くコンパクトであり、さらに水電解部とサバチエ反応部とが一体化されている。このように薄くコンパクトであることから、メタン合成装置１００内部における矢印１０１と平行な方向における各種ガスや液体の流通経路は非常に短いことが理解される。このため、水分解部によって生成された水素は、その直後にガス混合プレート９において二酸化炭素と混合され、直ちにサバチエ反応触媒６₁、６₂、６₃に供給され、メタンの生成に供される。

【0041】

ところで、水電解反応は吸熱反応であり、サバチエ反応は発熱反応である。本実施形態のように、水電解部とサバチエ反応部とを密着させることによって、水電解に使用する水の潜熱を利用し、サバチエ反応による発熱を有効に利用し、水電解反応の効率向上とメタン合成装置全体の熱暴走の抑止とが可能となる。このようにして、水電解反応とサバチエ反応を同時並行的に進行させることで、熱力学的に矛盾なく、投入電気エネルギーを上回るエネルギー利用効率によりメタン合成が可能となる。

【0042】

［実施形態２］
図１６は、本発明の実施形態２に係るメタン生成装置２００の一部を示した概略断面図であり、実施形態１における図８に対応する図である。図１６でも図８と同様に電解質膜２１６を挟んで上が水素側、下が酸素側となるが、本実施形態ではガスセパレータ２１３が図の下側、すなわち酸素側に設けられ、酸素側から電解質膜２１６へ水が供給される。このため酸素側電極膜２１７には、図７に示すようなスリットが設けられ、図７と同様にガスセパレータ２１３に設けられた対応する溝と整列するようにされている。そして、実施形態１の場合と同様にガスセパレータ２１３内部に設けられた水流路及び多数の溝を通して電解質膜２１６の表面へ水が供給される。水素側電極膜２１５及び酸素側電極膜２１７の電解質膜２１６と接合する側の表面に撥水処理が施された触媒層２５０、２５１が形成されている点も、実施形態１と同様である。

【0043】

水素側電極膜２１５の上には、これと接するようにサバチエ反応触媒膜２５２が配置されている。このサバチエ反応触媒膜２５２は、実施形態１におけるサバチエ反応触媒６₁、６₂、６₃と同様に、多孔性金属メッシュに液状の触媒を含浸させたあと乾燥させることによって得られる。

【0044】

水電解に際して水素側電極膜２１５に負、酸素側電極膜２１７に正の電圧を印加すると、酸素側電極膜２１７と電解質膜２１６との界面（触媒層）で発生した酸素ガスは、酸素側電極膜２１７の梯子状部材を透過してガスセパレータ２１３に設けられた対応するガス流路２６０及び２６１を通って、最終的に外部へ放出される。一方、水素側電極膜２１５と電解質膜２１６との界面（触媒層）で発生した水素ガスは、平面状の水素側電極膜２１５を透過して、サバチエ反応触媒膜２５２に浸透する。

【0045】

サバチエ反応触媒膜２５２には、図１６に示すように、同図の側方から二酸化炭素ガスが供給される。サバチエ反応触媒膜２５２の内部では、外部から供給された二酸化炭素ガスと水電解によって発生した水素ガスとの間でサバチエ反応が起こり、メタンガスが生成される。生成されたメタンガスは、例えばサバチエ反応触媒膜２５２の上部に設けられたガス流路２５３（メタンガス流通部）を通して、外部へ取り出される。

【0046】

このように、サバチエ反応触媒膜２５２を水素側電極膜２１５と接するように配置するようにすれば、実施形態１との関連で述べたような、水電解に使用する水の潜熱を利用し、サバチエ反応による発熱を有効に利用し、水電解反応の効率向上とメタン合成装置全体の熱暴走の抑止とが可能となる。しかも、サバチエ反応触媒膜２５２と水素側電極膜２１５とをより密接に配置できるため、その効果もより高まる。

【0047】

なお、実施形態２では、図１６の右側から二酸化炭素ガスを供給したが、両側から二酸化炭素を供給する構成も可能であるし、また、図１６の上部からサバチエ反応触媒膜２５２の面全体に二酸化炭素を供給するよう構成することも可能である。

【符号の説明】

【0048】

４ カバープレート
５ サバチエ用ガスケット
６，６₁，６₂，６₃ サバチエ触媒
７ サバチエ反応プレート
８ カバープレート
９ ガス混合プレート
１３，１９，２１３ ガスセパレータ
１４，１８ ガスケット
１５，２１５ 水素側電極膜
１６，２１６ 電解質膜
１７，２１７ 酸素側電極膜
３５₁，３６₁ 触媒層
４６₁～４６₇ 梯子状部材
６０₁～６０₆ 溝
６１₁～６１₅ 板状部
６２₁～６２₇ ガス流路
６３₁，６３₂ 水流路
１００，２００ メタン合成装置
１１０ 水入口
１１１ 水出口
１１２，１１３，１１４，１１５，１２５，１３１ ガス出口
１１６，１１７，１２６ ガス入口
２５０、２５１ 触媒層
２５２ サバチエ反応触媒膜
２６０，２６１ ガス流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】