特許 7507306 メタン製造システム及びメタン製造方法

(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】2024-06-19

(45)【発行日】2024-06-27

(54)【発明の名称】メタン製造システム及びメタン製造方法

(51)【国際特許分類】

   C07C 1/04 20060101AFI20240620BHJP

   C07C 9/04 20060101ALI20240620BHJP

   C25B 1/23 20210101ALI20240620BHJP

   C25B 3/03 20210101ALI20240620BHJP

   C25B 3/26 20210101ALI20240620BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240620BHJP

   C25B 15/021 20210101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

C07C1/04

C07C9/04

C25B1/23

C25B3/03

C25B3/26

C25B9/00 G

C25B15/021

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023505504

(86)(22)【出願日】2022-03-04

(86)【国際出願番号】 JP2022009406

(87)【国際公開番号】W WO2022191069

(87)【国際公開日】2022-09-15

【審査請求日】2023-04-12

(31)【優先権主張番号】P 2021039697

(32)【優先日】2021-03-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】弁理士法人新樹グローバル・アイピー

(72)【発明者】

【氏名】菅 博史

(72)【発明者】

【氏名】鳥井 淳史

【審査官】阿久津 江梨子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１１２７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０７１３７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２１／１９２００４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００８６９８４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０７Ｃ １／０４

Ｃ０７Ｃ ９／０４

Ｃ２５Ｂ １／２３

Ｃ２５Ｂ ３／０３

Ｃ２５Ｂ ３／２６

Ｃ２５Ｂ ９／００

Ｃ２５Ｂ １５／０２１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１電極と、第２電極と、前記第１電極及び第２電極の間に配置される電解質とを有する共電解／改質セルと、
前記共電解／改質セルの作動温度を制御する制御部と、
を備え、
前記共電解／改質セルは、ＣＯ_２及びＨ_２ＯからＨ_２及びＣＯを前記第１電極において生成する共電解モードと、前記共電解モードで生成されたＨ_２及びＣＯからＣＨ_４を前記第１電極において生成する改質モードとの両方で作動可能であり、
前記制御部は、前記改質モードで作動する場合における前記共電解／改質セルの作動温度を、前記共電解モードで作動する場合における前記共電解／改質セルの作動温度より低くする、
メタン製造システム。

【請求項2】

前記共電解モードにおける前記共電解／改質セルの作動温度は、７００℃以上８５０℃以下であり、
前記改質モードにおける前記共電解／改質セルの作動温度は、３５０℃以上４００℃以下である、
請求項1に記載のメタン製造システム。

【請求項3】

前記共電解／改質セルが前記共電解モードで作動する場合、前記第１電極において生成されたＨ_２及びＣＯを貯留し、前記共電解／改質セルが前記改質モードで作動する場合、貯留されたＨ_２及びＣＯを前記第１電極に供給する貯留／供給部を備える、
請求項１又は２に記載のメタン製造システム。

【請求項4】

第１電極と、第２電極と、前記第１電極及び第２電極の間に配置される電解質とを有する共電解／改質セルを用いたメタン製造方法であって、
ＣＯ_２及びＨ_２ＯからＨ_２及びＣＯを前記第１電極において生成する共電解工程と、
前記共電解工程で生成されたＨ_２及びＣＯからＣＨ_４を前記第１電極において生成する改質工程と、
を備えるメタン製造方法。

【請求項5】

前記共電解工程で生成されたＨ_２及びＣＯを貯留する第１貯留工程をさらに備え、
前記改質工程では、前記貯留工程で貯留されたＨ_２及びＣＯからＣＨ_４を生成する、
請求項４に記載のメタン製造方法。

【請求項6】

前記改質工程で生成されたＣＨ_４を貯留する第２貯留工程をさらに備える、
請求項５に記載のメタン製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メタン製造システム及びメタン製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、Ｈ_２Ｏを電気分解する水素極と、Ｏ^２－を伝導可能な電解質と、電解質を介して水素極より伝達されるＯ^２－からＯ_２を生成する酸素極とを備える固体酸化物形電解セル（以下、「ＳＯＥＣ」と略称する。）が開示されている。

【0003】

特許文献２には、ＳＯＥＣの水素極においてＣＯ_２及びＨ_２Ｏを共電解することによってＨ_２及びＣＯを生成できることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－１５４８６４号公報

【文献】特開２０１９－１７５６３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、ＳＯＥＣを用いた共電解によってＣＯ_２及びＨ_２Ｏから生成されたＨ_２及びＣＯを燃料として活用するには、改質装置を用いてＨ_２及びＣＯからＣＨ_４を生成することが有効である。

【0006】

しかしながら、ＳＯＥＣが設置されたプラントから改質装置が設置されたプラントまでＨ_２及びＣＯを輸送するには、Ｈ_２及びＣＯそれぞれを分離して液化する必要がある。

【0007】

そのため、Ｈ_２及びＣＯの生成とＣＨ_４の生成とをオンサイト（すなわち、一施設内）で実施したいという要望がある。

【0008】

本発明は、上述した状況に鑑みてなされたものであり、Ｈ_２及びＣＯの生成とＣＨ_４の生成とをオンサイトで実施可能なメタン製造システム及びメタン製造方法の提供を課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係るメタン製造システムは、共電解／改質セルと、共電解／改質セルの作動温度を制御する制御部とを備える。共電解／改質セルは、第1電極と、第2電極と、第1電極及び第2電極の間に配置される電解質とを有する。共電解／改質セルは、ＣＯ_２及びＨ_２ＯからＨ_２及びＣＯを第1電極において生成する共電解モードと、共電解モードで生成されたＨ_２及びＣＯからＣＨ_４を第1電極において生成する改質モードとのいずれかで作動する。制御部は、改質モードにおける共電解／改質セルの作動温度を、共電解モードにおける共電解／改質セルの作動温度より低くする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、Ｈ_２及びＣＯの生成とＣＨ_４の生成とをオンサイトで実施可能なメタン製造システム及びメタン製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、メタン製造システムの構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、共電解／改質装置の斜視図である。

【図3】図３は、共電解／改質装置の断面図である。

【図4】図４は、共電解／改質セルの斜視図である。

【図5】図５は、共電解／改質セルの断面図である。

【図6】図６は、メタン製造方法を説明するためのフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（メタン製造システム）
図１は、本実施形態に係るメタン製造システム１の構成を示すブロック図である。

【0013】

メタン製造システム１は、ＣＯ_２供給装置１０、Ｈ_２Ｏ供給装置２０、共電解／改質装置３０、貯留／供給部４０、メタン貯留部５０及び制御部６０を備える。

【0014】

ＣＯ_２供給装置１０は、第１配管Ｌ１を介して共電解／改質装置３０に接続される。後述する各共電解／改質セル３２が共電解モードで作動する場合、ＣＯ_２供給装置１０は、共電解／改質装置３０にＣＯ_２（二酸化炭素）を供給する。ＣＯ_２供給装置１０から共電解／改質装置３０へのＣＯ_２供給量は一定であることが好ましい。これによって、共電解／改質装置３０の各共電解／改質セル３２において生成されるＣＯ（一酸化炭素）の不均化反応に起因してＣ（固体炭素）及びＣＯ_２が生成されてしまうことを抑制できる。その結果、後述する各共電解／改質セル３２の第１電極２の電極活性が低下してしまうことを抑制できる。後述する各共電解／改質セル３２が改質モードで作動する場合、ＣＯ_２供給装置１０は、共電解／改質装置３０にＣＯ_２を供給しない。

【0015】

Ｈ_２Ｏ供給装置２０は、第１配管Ｌ１を介して共電解／改質装置３０に接続される。各共電解／改質セル３２が共電解モードで作動する場合、Ｈ_２Ｏ供給装置２０は、共電解／改質装置３０にＨ_２Ｏ（水分）を供給する。Ｈ_２Ｏ供給装置２０から共電解／改質装置３０に供給されるＨ_２Ｏは、全部または大部分が気体（水蒸気）であるが、一部は液体（水）であってもよい。各共電解／改質セル３２が改質モードで作動する場合、Ｈ_２Ｏ供給装置２０は、共電解／改質装置３０にＨ_２Ｏを供給しない。

【0016】

共電解／改質装置３０は、マニホールド３１及び複数の共電解／改質セル３２を有する。

【0017】

マニホールド３１は、各共電解／改質セル３２へのガスの分配と、各共電解／改質装置からのガスの回収とが可能な構成を有する。マニホールド３１は、ガス供給室３１ａ及びガス回収室３１ｂを内部に有する。ガス供給室３１ａとガス回収室３１ｂとは、互いに気密に分離されている。

【0018】

ガス供給室３１ａには、第１配管Ｌ１が接続される。共電解モードにおいて、ガス供給室３１ａには、第１配管Ｌ１からＣＯ_２及びＨ_２Ｏが供給される。改質モードにおいて、ガス供給室３１ａには、第１配管Ｌ１からＨ_２及びＣＯが供給される。

【0019】

ガス回収室３１ｂは、各共電解／改質セル３２において生成されるガスを回収する。ガス回収室３１ｂには、第２配管Ｌ２が接続される。共電解モードにおいて、第２配管Ｌ２には、ガス回収室３１ｂからＨ_２及びＣＯが排出される。改質モードにおいて、第２配管Ｌ２には、ガス回収室３１ｂからＣＨ_４及びＨ_２Ｏが排出される。ガス回収室３１ｂには、改質触媒が配置されていてもよい。改質触媒は、ペレット状であってもよい。改質触媒は、ガス回収室３１ｂに充填されていてもよい。改質触媒としては、例えばＲｕ／Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｉ／Ａｌ_２Ｏ_３などを用いることができる。

【0020】

各共電解／改質セル３２の基端部は、マニホールド３１によって支持される。各共電解／改質セル３２の先端部は、自由端である。共電解／改質セル３２の個数は、特に制限されず１以上であればよい。

【0021】

各共電解／改質セル３２は、ＣＯ_２及びＨ_２ＯからＨ_２（水素）、ＣＯ及びＯ_２（酸素）を生成する共電解モードと、共電解モードで生成されたＨ_２及びＣＯからＣＨ_４（メタン）を生成する改質モードとのいずれかで作動する。本明細書において、共電解とは、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏを共に電気分解することによってＨ_２、ＣＯ及びＯ_２を生成することを意味する。本明細書において、改質とは、Ｈ_２及びＣＯからＣＨ_４及びＨ_２Ｏを生成することを意味する。

【0022】

共電解モードにおいて、各共電解／改質セル３２は、高温（例えば、６００℃～８５０℃）で作動する。共電解モードにおける各共電解／改質セル３２の作動温度は、７００℃以上８５０℃以下が好ましい。作動温度を７００℃以上とすることによって、熱力学平衡的にＣＯ濃度を高くすることができる。作動温度を８５０℃以下とすることによって、インターコネクタを通じて流入する酸化物イオン量を抑制することができる。

【0023】

改質モードにおいて、各共電解／改質セル３２は、共電解モードの作動温度より低温（例えば、２００℃～５００℃）で作動する。改質モードにおける各共電解／改質セル３２の作動温度は、３５０℃以上４００℃以下が好ましい。作動温度を３５０℃以上とすることによって、支持基板３５の構成材料が炭酸塩へと相変態することを抑制することができる。作動温度を４００℃以下とすることによって、生成されたＣＨ_４がＨ_２及びＣＯに再び改質されてしまうことを抑制できる。

【0024】

本明細書において、共電解／改質セル３２の作動温度とは、共電解／改質セル３２の長手方向（ｘ軸方向）中央の温度を意味する。各共電解／改質セル３２の作動温度は、制御部６０によって制御される。

【0025】

共電解モードにおいて、各共電解／改質セル３２には、ガス供給室３１ａからＣＯ_２及びＨ_２Ｏが供給される。各共電解／改質セル３２では、第1電極２においてＣＯ_２及びＨ_２ＯからＨ_２、ＣＯ及びＯ^２－（酸素イオン）が生成され、第２電極４においてＯ^２－からＯ_２が生成される。生成されたＨ_２及びＣＯは、ガス回収室３１ｂに回収された後、第２配管Ｌ２から排出される。

【0026】

改質モードにおいて、各共電解／改質セル３２には、ガス供給室３１ａからＨ_２及びＣＯが供給される。各共電解／改質セル３２では、第1電極２においてＨ_２及びＣＯからＣＨ_４及びＨ_２Ｏが生成される。生成されたＣＨ_４及びＨ_２Ｏは、ガス回収室３１ｂに回収された後、第２配管Ｌ２から排出される。

【0027】

共電解／改質装置３０の構成の一例については後述する。

【0028】

貯留／供給部４０は、共電解／改質装置３０に接続される。本実施形態において、貯留／供給部４０は、第２配管Ｌ２及び第３配管Ｌ３を介して共電解／改質装置３０に接続される。具体的には、貯留／供給部４０は、第２配管Ｌ２によって共電解／改質装置３０のガス回収室３１ｂと直接的に接続され、第３配管Ｌ３によって共電解／改質装置３０のガス供給室３１ａと直接的に接続される。

【0029】

各共電解／改質セル３２が共電解モードで作動する場合、貯留／供給部４０は、第２配管Ｌ２を介してガス回収室３１ｂから排出されるＨ_２及びＣＯを貯留する。従って、共電解／改質装置３０において生成されたＨ_２及びＣＯは、組成が変更されることなくそのまま貯留／供給部４０に貯留される。

【0030】

各共電解／改質セル３２が改質モードで作動する場合、貯留／供給部４０は、第３配管Ｌ３を介して、貯留されたＨ_２及びＣＯをガス供給室３１ａに供給する。従って、共電解／改質装置３０において生成されたＨ_２及びＣＯは、組成が変更されることなくそのまま共電解／改質装置３０に戻される。各共電解／改質セル３２が改質モードで作動する場合、貯留／供給部４０は、共電解／改質装置３０から排出されるガスを受け入れない。

【0031】

メタン貯留部５０は、共電解／改質装置３０に接続される。本実施形態において、メタン貯留部５０は、第２配管Ｌ２を介して共電解／改質装置３０に接続される。具体的には、メタン貯留部５０は、第２配管Ｌ２によって共電解／改質装置３０のガス回収室３１ｂと直接的に接続される。

【0032】

各共電解／改質セル３２が改質モードで作動する場合、メタン貯留部５０は、第２配管Ｌ２を介してガス回収室３１ｂから排出されるＣＨ_４及びＨ_２Ｏを貯留する。一方、各共電解／改質セル３２が共電解モードで作動する場合、メタン貯留部５０は、共電解／改質装置３０から排出されるガスを受け入れない。

【0033】

制御部６０は、各共電解／改質セル３２の作動温度を制御する。制御部６０は、例えば、電流値、後述する第１電極２に供給されるガス量、第１電極２に供給されるガス量の少なくとも一つを調整することによって、各共電解／改質セル３２の作動温度を制御することができる。本実施形態において、制御部６０は、改質モードにおける共電解／改質セル３２の作動温度を、共電解モードにおける共電解／改質セル３２の作動温度より低くする。

【0034】

制御部６０は、各共電解／改質セル３２が改質モードで作動する場合、第３配管Ｌ３に配置されたポンプ６０ａを駆動させる。これによって、貯留／供給部４０に貯留されたＨ_２及びＣＯが、第３配管Ｌ３を介して共電解／改質装置３０のガス供給室３１ａに供給される。制御部６０は、各共電解／改質セル３２が共電解モードで作動する場合、ポンプ６０ａを駆動させない。

【0035】

（共電解／改質装置３０の構成）
図２は、共電解／改質装置３０の斜視図である。図３は、共電解／改質装置３０の断面図である。図４は、共電解／改質セル３２の斜視図である。図２では、一部の共電解／改質セル３２が省略されている。

【0036】

［マニホールド３１］
図２及び図３に示すように、マニホールド３１は、マニホールド本体部３３及び仕切板３４を有する。

【0037】

マニホールド本体部３３は、中空状に形成される。仕切板３４は、マニホールド本体部３３の内部に配置される。仕切板３４は、ガス供給室３１ａとガス回収室３１ｂとを気密に分離する。

【0038】

マニホールド本体部３３は、天板部３３ａを有する。図３に示すように、天板部３３ａには、複数の貫通孔３３ｂが形成される。各貫通孔３３ｂは、マニホールド本体部３３の長手方向（ｚ軸方向）に所定間隔で並ぶ。各貫通孔３３ｂは、マニホールド本体部３３の幅方向（ｙ軸方向）に延びる。本実施形態において、各貫通孔３３ｂは、ガス供給室３１ａ及びガス回収室３１ｂの両方に連通する長孔であるが、ガス供給室３１ａに連通する孔とガス回収室３１ｂに連通する孔とに分かれていてもよい。

【0039】

［共電解／改質セル３２］
図２及び図３に示すように、各共電解／改質セル３２は、マニホールド３１から離れる方向に延びる。各共電解／改質セル３２の基端部は、接合材（不図示）などによって天板部３３ａの貫通孔３３ｂに固定される。各共電解／改質セル３２の基端部は、貫通孔３３ｂの内側に挿入されてもよいし、貫通孔３３ｂの外側に出ていてもよい。

【0040】

各共電解／改質セル３２は、主面同士が対向するように配置される。各共電解／改質セル３２は、マニホールド３１の長手方向（ｚ軸方向）に沿って所定間隔で並べられる。すなわち、共電解／改質セル３２の配列方向は、マニホールド３１の長手方向に沿っている。各共電解／改質セル３２は、図示しない集電部材によって電気的に直列に、又は、直列と並列を併用する形で接続される。

【0041】

図３及び図４に示すように、共電解／改質セル３２は、支持基板３５、連通部材３６、被覆層３７及び複数の素子部３８を有する。本実施形態に係る共電解／改質セル３２は、いわゆる横縞型の固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）である。

【0042】

支持基板３５は、板状である。本実施形態では、図３の上下方向（ｘ軸方向）が支持基板３５の長手方向であり、図３の左右方向（ｙ軸方向）が支持基板３５の幅方向である。

【0043】

支持基板３５の内部には、複数の第１ガス流路３５ａと複数の第２ガス流路３５ｂとが形成される。各第１ガス流路３５ａ及び各第２ガス流路３５ｂそれぞれは、共電解／改質セル３２の基端部から先端部に向かって支持基板３５内を延びる。各第１ガス流路３５ａ及び各第２ガス流路３５ｂそれぞれは、支持基板３５を貫通する。各第１ガス流路３５ａは、支持基板３５の幅方向において互いに間隔をあけて配置される。各第２ガス流路３５ｂは、支持基板３５の幅方向において互いに間隔をあけて配置される。本実施形態では、各第１ガス流路３５ａの内径が各第２ガス流路３５ｂの内径より大きいが、各第１ガス流路３５ａ及び各第２ガス流路３５ｂそれぞれの内径は特に制限されない。

【0044】

各第１ガス流路３５ａは、ガス供給室３１ａに開口する。各第１ガス流路３５ａには、ガス供給室３１ａからガスが流入する。各第２ガス流路３５ｂは、ガス回収室３１ｂに開口する。各第２ガス流路３５ｂからは、ガス回収室３１ｂにガスが流出する。

【0045】

支持基板３５は、素子部３８同士の短絡を防ぎつつガスを透過できるように、電子伝導性を有さない多孔質材料によって構成される。支持基板３５は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、８ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）あるいはこれらの複合物などによって構成することができる。支持基板３５の気孔率は、２０～６０％とすることができる。なお、本明細書に記載の気孔率は、アルキメデス法によって測定される値である。

【0046】

連通部材３６は、支持基板３５の先端部に取り付けられる。連通部材３６は、例えば、支持基板３５と同様の多孔質材料によって構成することができる。連通部材３６は、連通流路３６ａを内部に有する。連通流路３６ａは、各第１ガス流路３５ａと各第２ガス流路３５ｂとに連通する。

【0047】

被覆層３７は、支持基板３５及び連通部材３６の外表面を被覆する。被覆層３７は、支持基板３５及び連通部材３６よりも緻密である。被覆層３７の気孔率は、０～７％程度とすることができる。被覆層３７は、後述する電解質３に使用される材料や結晶化ガラス等によって構成することができる。

【0048】

各素子部３８は、支持基板３５に支持される。素子部３８は、支持基板３５の両主面上に配置されていてもよいし、いずれか一方の主面のみに配置されていてもよい。

【0049】

［素子部３８］
図５は、第１ガス流路３５ａに沿って切断した共電解／改質セル３２の断面図である。

【0050】

各素子部３８は、第１電極２、電解質３、第２電極４、反応防止膜５及びインターコネクタ６を有する。

【0051】

共電解／改質セル３２が共電解モードで作動する場合、第１電極２は、下記（１）式に示す共電解の化学反応に従って、ＣＯ_２及びＨ_２ＯからＨ_２、ＣＯ及びＯ^２－を生成する。
・第１電極２（共電解モード）：ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ＋４ｅ^－→ＣＯ＋Ｈ_２＋２Ｏ^２－・・・（１）

【0052】

共電解／改質セル３２が改質モードで作動する場合、第１電極２は、下記（２）式に示す共電解の化学反応に従って、Ｈ_２及びＣＯからＣＨ_４及びＨ_２Ｏを生成する。
・第１電極２（改質モード）：３Ｈ_２＋ＣＯ→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ・・・（２）

【0053】

第１電極２は、第１電極基体２１及び第１電極活性部２２を有する。

【0054】

第１電極基体２１は、支持基板３５上に配置される。本実施形態において、第１電極基体２１は、支持基板３５の表面に形成された凹部に埋設されているが、支持基板３５の表面上に載置されていてもよい。第１電極基体２１の厚さは、５０～５００μｍとすることができる。

【0055】

第１電極基体２１は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。第１電極基体２１は、第１電極活性部２２より高い電子伝導性を有することが好ましい。第１電極基体２１は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。第１電極基体２１は、例えば、ＮｉＯ及び８ＹＳＺの複合物、ＮｉＯ及びＹ_２Ｏ_３の複合物、ＮｉＯ及びＣＳＺの複合物などによって構成することができる。

【0056】

第１電極活性部２２は、第１電極基体２１上に配置される。第１電極活性部２２の厚さは、５～１００μｍとすることができる。第１電極活性部２２は、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する。第１電極活性部２２は、第１電極基体２１より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。第１電極活性部２２は、例えば、ＮｉＯ及び８ＹＳＺの複合物、ＮｉＯ及びＧＤＣ（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２、ガドリニウムドープセリア）の複合物などによって構成することができる。

【0057】

電解質３は、第１電極２と第２電極４との間に配置される。電解質３は、第１電極２において生成されたＯ^２－を第２電極４に伝達させる。電解質３は、第１電極２上に配置される。本実施形態において、電解質３は、２つのインターコネクタ６の間を支持基板３５の長手方向に延びる。電解質３の厚さは、例えば、３～５０μｍとすることができる。

【0058】

電解質３は、酸素イオン伝導性を有し、かつ、電子伝導性を有さない緻密材料によって構成される。電解質３は、支持基板３５よりも緻密である。電解質３の気孔率は、例えば、０～７％とすることができる。電解質３は、例えば、８ＹＳＺ、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）などによって構成することができる。

【0059】

共電解／改質セル３２が共電解モードで作動する場合、第２電極４は、下記（３）式に示す化学反応に従って、電解質３を介して第１電極２より伝達されるＯ^２－からＯ_２を生成する。
・第２電極４（共電解モード）：２Ｏ^２－→Ｏ_２＋４ｅ^－・・・（３）

【0060】

共電解／改質セル３２が改質モードで作動する場合、第２電極４は特に機能しない。

【0061】

第２電極４は、第２電極活性部４１及び第２電極基体４２を有する。

【0062】

第２電極活性部４１は、反応防止膜５上に配置される。第２電極活性部４１の厚さは、例えば、１０～１００μｍとすることができる。

【0063】

第２電極活性部４１は、酸素イオン伝導性及び電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。第２電極活性部４１は、第２電極基体４２より高い酸素イオン伝導性を有することが好ましい。第２電極活性部４１は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）、ＳＳＣ＝（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（サマリウムストロンチウムコバルタイト）などによって構成することができる。

【0064】

第２電極基体４２は、第２電極活性部４１上に配置される。第２電極基体４２は、インターコネクタ６を介して隣の素子部３８の第１電極基体２１と電気的に接続される。第２電極基体４２の厚さは、例えば、５０～５００μｍとすることができる。

【0065】

第２電極基体４２は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。第２電極基体４２は、第２電極活性部４１より高い電子伝導性を有することが好ましい。第２電極基体４２は、酸素イオン伝導性を有していてもよいし、有していなくてもよい。第２電極基体４２は、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、Ａｇ（銀）、Ａｇ－Ｐｄ（銀パラジウム合金）などによって構成することができる。

【0066】

反応防止膜５は、電解質３と第２電極活性部４１との間に配置される。反応防止膜５は、電解質３及び第２電極活性部４１に含まれる物質が反応して電気抵抗の大きな反応層が形成されることを抑制する。反応防止膜５の厚さは、例えば、３～５０μｍとすることができる。反応防止膜５は、緻密材料によって構成される。反応防止膜５は、例えば、ＧＤＣによって構成することができる。

【0067】

インターコネクタ６は、第２電極基体４２に接続されるとともに、隣の素子部３８の第１電極基体２１に接続される。インターコネクタ６の厚さは、例えば、１０～１００μｍとすることができる。インターコネクタ６は、電子伝導性を有する緻密材料によって構成される。インターコネクタ６は、支持基板３５より緻密である。インターコネクタ６の気孔率は、０～７％とすることができる。インターコネクタ６は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）などによって構成することができる。

【0068】

（メタン製造方法）
図６は、共電解／改質セル３２を用いたメタン製造方法を説明するためのフロー図である。

【0069】

ステップＳ１において、共電解／改質セル３２は、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏを共電解することによってＨ_２及びＣＯを第1電極２において生成する（共電解工程）。

【0070】

ステップＳ２において、貯留／供給部４０は、共電解／改質セル３２において生成されたＨ_２及びＣＯを貯留する（第１貯留工程）。

【0071】

ステップＳ３において、貯留／供給部４０は、貯留したＨ_２及びＣＯを共電解／改質セル３２に供給する（供給工程）。

【0072】

ステップＳ４において、共電解／改質セル３２は、Ｈ_２及びＣＯを改質することによってＣＨ_４を生成する（改質工程）。

【0073】

ステップＳ５において、メタン貯留部５０は、共電解／改質セル３２において生成されたＣＨ_４を貯留する（第２貯留工程）。

【0074】

（特徴）
メタン製造システム１は、共電解／改質セル３２と、共電解／改質セル３２の作動温度を制御する制御部６０とを備える。共電解／改質セル３２は、ＣＯ_２及びＨ_２ＯからＨ_２及びＣＯを第1電極２において生成する共電解モードと、共電解モードで生成されたＨ_２及びＣＯからＣＨ_４を第1電極２において生成する改質モードとのいずれかで作動する。制御部６０は、改質モードにおける共電解／改質セル３２の作動温度を、共電解モードにおける共電解／改質セル３２の作動温度より低くする。

【0075】

このように、共電解／改質セル３２において生成されたＨ_２及びＣＯを用いて、ＣＨ_４を共電解／改質セル３２においてオンサイトで生成することができる。従って、共電解装置が設置されたプラントから改質装置が設置されたプラントまでＨ_２及びＣＯを輸送する必要がない。

【0076】

（実施形態の変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

【0077】

［変形例１］
上記実施形態において、共電解／改質セル３２は、横縞型のＳＯＥＣであることとしたが、これに限られない。共電解／改質セル３２は、縦縞型（中空平板型）、平板型、円筒型などのＳＯＥＣであってもよい。縦縞型のＳＯＥＣの構成は、例えば特開特開２０１５－１２５８９７号公報に記載されている。平板型のＳＯＥＣの構成は、例えば特開２０２０－１７７８３９号公報に記載されている。円筒型ＳＯＥＣの構成は、例えば特開特開２００８－２７０２０３号公報に記載されている。ただし、横縞型のＳＯＥＣは、他のＳＯＦＣに比べてＨ_２Ｏの利用効率が高いため特に好ましい。

【0078】

［変形例２］
上記実施形態において、素子部３８は、第１電極２、電解質３、第２電極４、反応防止膜５及びインターコネクタ６を有することとしたが、少なくとも第１電極２、電解質３及び第２電極４を有していればよい。

【0079】

［変形例３］
上記実施形態において、制御部６０は、各共電解／改質セル３２が改質モードで作動する場合、第３配管Ｌ３に配置されたポンプ６０ａを駆動させることによって、貯留／供給部４０から共電解／改質装置３０にＨ_２及びＣＯを供給することとしたが、これに限られない。例えば、貯留／供給部４０に貯留されたＨ_２及びＣＯが加圧されている場合、制御部６０は、ポンプ６０ａに代えて設けられた流量調整弁の開度を調整することによって、貯留／供給部４０から共電解／改質装置３０にＨ_２及びＣＯを供給してもよい。

【符号の説明】

【0080】

１ メタン製造システム
１０ ＣＯ_２供給装置
２０ Ｈ_２Ｏ供給装置
３０ 共電解／改質装置
３１ マニホールド
３２ 共電解／改質セル
３８ 素子部
２ 第１電極
３ 電解質
４ 第２電極
４０ 貯留／供給部
５０ メタン貯留部
６０ 制御部
Ｌ１ 第１配管
Ｌ２ 第２配管
Ｌ３ 第３配管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】