(57)【要約】【課題】メタン製造装置を備えるシステムの大型化を抑制した上で、メタン生成に用いられる生成ガスの品質を確保する。【解決手段】メタン製造装置は、二酸化炭素および水素からメタンを製造する第１反応器と、二酸化炭素および水素を含む混合ガスを第１反応器へと供給する混合ガス供給部と、混合ガス供給部から供給された混合ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合である第１取得ガス比を取得する第１取得部と、水素と二酸化炭素とのいずれか一方を追加的に供給可能な追加ガス供給部と、第１取得ガス比と、予め設定された第１目標ガス比との差分に応じた量の水素または二酸化炭素を、追加ガス供給部から供給させる制御部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン製造装置であって、
二酸化炭素および水素からメタンを製造する第１反応器と、
二酸化炭素および水素を含む混合ガスを前記第１反応器へと供給する混合ガス供給部と、
前記混合ガス供給部から供給された前記混合ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合である第１取得ガス比を取得する第１取得部と、
水素と二酸化炭素とのいずれか一方を追加的に供給可能な追加ガス供給部と、
前記第１取得ガス比と、予め設定された第１目標ガス比との差分に応じた量の水素または二酸化炭素を、前記追加ガス供給部から供給させる制御部と、
を備える、メタン製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載のメタン製造装置であって、さらに、
二酸化炭素および水素からメタンを製造する第２反応器であって、前記第１反応器の下流側に直列的に接続された１以上の第２反応器と、
各前記第２反応器に供給される二酸化炭素および水素を含む混合ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合であるそれぞれの第２取得ガス比を取得する第２取得部と、を備え、
各前記第２反応器には、上流側に接続された前記第１反応器又は前記第２反応器により製造されたメタンを含む排出ガスが供給され、
前記追加ガス供給部は、前記第１反応器に加えてさらに、各前記第２反応器のそれぞれに、追加的に水素を供給可能であり、
各前記第２反応器には、前記第１目標ガス比よりも高く、かつ、下流側の前記第２反応器になるにつれて高くなる第２目標ガス比が、それぞれ予め設定されており、
前記制御部は、各前記第２反応器において、前記第２取得ガス比が予め設定された前記第２目標ガス比よりも小さい場合に、前記第２取得ガス比と、前記第２目標ガス比との差分に応じた量の水素を、前記追加ガス供給部から供給させる、メタン製造装置。
【請求項３】
請求項２に記載のメタン製造装置であって、
前記第２取得部は、
各前記第２反応器の内の最も上流側の前記第２反応器の前記第２取得ガス比を、前記第１取得ガス比と、前記第１反応器に供給された水素の量とを用いて算出し、
各前記第２反応器の内の最も上流側の前記第２反応器以外の前記第２取得ガス比を、前記第１取得ガス比と、前記第１反応器に供給された水素の量と、前記第２取得ガス比を取得する前記第２反応器よりも上流側の各前記第２反応器に供給された水素の量と、を用いて算出する、メタン製造装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載のメタン製造装置であって、さらに、
前記第１反応器および各前記第２反応器に対して熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環部を備え、
前記制御部は、前記第１取得ガス比が前記第１目標ガス比よりも高い場合に、各前記第２反応器へと循環する際の熱媒体の流量の低下と、各前記第２反応器へと循環する際の熱媒体の温度の昇温との少なくとも一方を行う、メタン製造装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載のメタン製造装置であって、さらに、
前記第１反応器および前記第２反応器に対して熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環部を備え、
前記制御部は、前記第１取得ガス比が前記第１目標ガス比よりも高い場合に、前記第１反応器へと循環する際の熱媒体の流量の増加と、前記第１反応器へと循環する際の熱媒体の温度の降温との少なくとも一方を行う、メタン製造装置。
【請求項６】
請求項１に記載のメタン製造装置であって、さらに、
二酸化炭素および水素からメタンを製造する第３反応器であって、前記第１反応器の下流側に直列的に接続された１以上の第３反応器と、
各前記第３反応器に供給される二酸化炭素および水素を含む混合ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合であるそれぞれの第３取得ガス比を取得する第３取得部と、を備え、
各前記第３反応器には、上流側に接続された前記第１反応器又は前記第３反応器により製造されたメタンを含む排出ガスが供給され、
前記追加ガス供給部は、前記第１反応器に加えてさらに、各前記第３反応器のそれぞれに、追加的に二酸化炭素を供給可能であり、
各前記第３反応器には、前記第１目標ガス比よりも低く、かつ、下流側の前記第３反応器になるにつれて低くなる第３目標ガス比が、それぞれ予め設定されており、
前記制御部は、各前記第３反応器において、前記第３取得ガス比が予め設定された前記第３目標ガス比よりも大きい場合に、前記第３取得ガス比と、前記第３目標ガス比との差分に応じた量の二酸化炭素を、前記追加ガス供給部から供給させる、メタン製造装置。
【請求項７】
請求項６に記載のメタン製造装置であって、
前記第３取得部は、
各前記第３反応器の内の最も上流側の前記第３反応器の前記第３取得ガス比を、前記第１取得ガス比と、前記第１反応器に供給された二酸化炭素の量とを用いて算出し、
各前記第３反応器の内の最も上流側の前記第３反応器以外の前記第３取得ガス比を、前記第１取得ガス比と、前記第１反応器に供給された二酸化炭素の量と、前記第３取得ガス比を取得する前記第３反応器よりも上流側の各前記第３反応器に供給された二酸化炭素の量と、を用いて算出する、メタン製造装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載のメタン製造装置であって、さらに、
前記第１反応器および前記第３反応器に対して熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環部を備え、
前記制御部は、前記第１取得ガス比が前記第１目標ガス比よりも低い場合に、前記第３反応器へと循環する際の熱媒体の流量の低下と、前記第３反応器へと循環する際の熱媒体の温度の昇温との少なくとも一方を行う、メタン製造装置。
【請求項９】
請求項６から請求項８までのいずれか一項に記載のメタン製造装置であって、さらに、
前記第１反応器および前記第３反応器に対して熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環部を備え、
前記制御部は、前記第１取得ガス比が前記第１目標ガス比よりも低い場合に、前記第１反応器へと循環する際の熱媒体の流量の増加と、前記第１反応器へと循環する際の熱媒体の温度の降温との少なくとも一方を行う、メタン製造装置。
【請求項１０】
メタン製造装置の制御方法であって、
二酸化炭素および水素からメタンを製造する反応器へと、二酸化炭素および水素を含む混合ガスを供給する混合ガス供給工程と、
前記反応器に供給された前記混合ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合である取得ガス比を取得する取得工程と、
前記取得ガス比と、予め設定された目標ガス比との差分に応じた量の水素または二酸化炭素を追加ガス供給部から供給させる追加ガス供給工程と、を備える、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン製造装置およびメタン製造装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素および水素を含む混合ガスを、反応器内でメタン化反応を生じさせることにより、メタンを製造するメタン製造装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載されたメタン製造装置は、複数の反応器を備える、いわゆる多段式のメタン製造装置である。このメタン製造装置では、各反応器に供給する水素を制御することにより、各反応器内で生成するメタンの量を制御している。これにより、メタン化反応により各反応器内で発生する発熱を制御し、装置内の急激な温度上昇を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１３６５３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
工場などの排出ガスに含まれる二酸化炭素を用いてメタンを生成する場合がある。この場合に、排出ガス中の二酸化炭素の量は、時間と共に変動する。また、メタン製造装置に供給される排ガスには、二酸化炭素に加えて水素などが混ざっている場合がある。メタン製造装置の生成ガス組成は、排出ガス中の二酸化炭素に対する水素のＨ2／ＣＯ2比の影響を強く受ける。例えば、Ｈ2／ＣＯ2比が４．０、かつ、ＣＯ２転化率が９９パーセント（％）の場合に、生成ガス中のメタン濃度は９５％になる。一方で、Ｈ2／ＣＯ2比が４．１、かつ、ＣＯ2転化率が９９％の場合に、生成ガス中のメタン濃度は８７％まで低下する。そのため、メタン化製造装置により生成されるメタンの品質を保障するには、メタン製造装置に供給される混合ガス中のＨ2／ＣＯ2比を安定化させることが好ましい。混合ガス中のＨ2／ＣＯ2比の安定化のために、メタン製造装置に供給される前の混合ガスを一時的に貯留するサージタンクが用いられる場合がある。しかし、メタン製造装置を備えるシステムに、サージタンクが配置されてしまうと、システム全体が大型化してしまう。そのため、システム全体の大型化を抑制した上でＨ2／ＣＯ2比を安定化させたいという要望がある。特許文献１では、装置内の温度制御について記載されているものの、反応器に供給されるＨ2／ＣＯ2比の安定化についての技術は記載されていない。
【０００５】
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、メタン製造装置を備えるシステムの大型化を抑制した上で、メタン生成に用いられる生成ガスの品質を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、メタン製造装置が提供される。このメタン製造装置は、二酸化炭素および水素からメタンを製造する第１反応器と、二酸化炭素および水素を含む混合ガスを前記第１反応器へと供給する混合ガス供給部を取得する第１取得部と、水素と二酸化炭素とのいずれか一方を追加的に供給可能な追加ガス供給部と、前記第１取得ガス比と、予め設定された第１目標ガス比との差分に応じた量の水素または二酸化炭素を、前記追加ガス供給部から供給させる制御部と、を備える。
【０００８】
この構成によれば、第１反応器へと供給される混合ガス中の第１取得ガス比が、第１取得部により取得される。取得された第１取得ガス比と、予め設定された第１目標ガス比とによって、追加ガス供給部が追加的に供給する二酸化炭素または水素の量が決定する。決定された量の二酸化炭素または水素が、混合ガスと共に第１反応器に供給されることにより、第１反応器内の反応ガスのガス比は、第１目標ガス比と同じになる。そのため、混合ガス供給部から供給される混合ガス中のガス比が時間的に変動していても、追加的に供給された水素または二酸化炭素により、第１反応器内の反応ガスのガス比が安定し、製造されるメタンの品質を確保できる。また、例えば、メタン製造装置を備えるシステムが、製造されたメタンを貯留するサージタンクを備える場合に、サージタンクの容量を低減させて、当該システムを小型化できる。
【０００９】
（２）上記形態のメタン製造装置において、さらに、二酸化炭素および水素からメタンを製造する第２反応器であって、前記第１反応器の下流側に直列的に接続された１以上の第２反応器と、各前記第２反応器に供給される二酸化炭素および水素を含む混合ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合であるそれぞれの第２取得ガス比を取得する第２取得部と、を備え、各前記第２反応器には、上流側に接続された前記第１反応器又は前記第２反応器により製造されたメタンを含む排出ガスが供給され、前記追加ガス供給部は、前記第１反応器に加えてさらに、各前記第２反応器のそれぞれに、追加的に水素を供給可能であり、各前記第２反応器には、前記第１目標ガス比よりも高く、かつ、下流側の前記第２反応器になるにつれて高くなる第２目標ガス比が、それぞれ予め設定されており、前記制御部は、各前記第２反応器において、前記第２取得ガス比が予め設定された前記第２目標ガス比よりも小さい場合に、前記第２取得ガス比と、前記第２目標ガス比との差分に応じた量の水素を、前記追加ガス供給部から供給させてもよい。
この構成のメタン製造装置は、直列的に接続された第１反応器および１以上の第２反応器を備える、いわゆる多段式のメタン製造装置である。このメタン製造装置では、追加ガス供給部により水素が第１反応器へと供給される。第２反応器では、下流側に位置する反応器ほど高い第２目標ガス比が予め設定され、第１目標ガス比は、最も低いガス比である。この構成によれば、下流側ほどガス比が高いため、第１反応器内で過度にメタンが製造されることがなく、各反応器内で製造されるメタンの量が分散する。これにより、発熱反応であるメタン化反応が各反応器内で発生するため、各反応器内のメタン化触媒の温度が上昇し、各反応器内でのメタンの転化率の低下およびメタン化反応の失活を抑制できる。
【００１０】
（３）上記形態のメタン製造装置において、前記第２取得部は、各前記第２反応器の内の最も上流側の前記第２反応器の前記第２取得ガス比を、前記第１取得ガス比と、前記第１反応器に供給された水素の量とを用いて算出し、各前記第２反応器の内の最も上流側の前記第２反応器以外の前記第２取得ガス比を、前記第１取得ガス比と、前記第１反応器に供給された水素の量と、前記第２取得ガス比を取得する前記第２反応器よりも上流側の各前記第２反応器に供給された水素の量と、を用いて算出してもよい。
この構成によれば、最も上流側に位置する第２反応器に供給される、第１反応器からの排出ガス中の第２取得ガス比は、第１取得ガス比と、第１反応器に追加的に供給された水素の量によって算出される。同じように、最も上流に位置する第２反応器以外の第２反応器に供給される、直前の上流に位置する第２反応器からの排出ガス中の第２取得ガス比は、第１取得ガス比と、上流に位置する全ての第２反応器のそれぞれおよび第１反応器へと追加的に供給された水素の量とによって算出される。そのため、各第２反応器の上流側に、第１取得部のような第２取得ガス比を検出する検出器を配置しなくても、第２取得部は、第２取得ガス比を取得できる。これにより、メタン製造装置１０は、不要な検出器を備える必要がない。
【００１１】
（４）上記形態のメタン製造装置において、さらに、前記第１反応器および各前記第２反応器に対して熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環部を備え、前記制御部は、前記第１取得ガス比が前記第１目標ガス比よりも高い場合に、各前記第２反応器へと循環する際の熱媒体の流量の低下と、各前記第２反応器へと循環する際の熱媒体の温度の昇温との少なくとも一方を行ってもよい。
第１取得ガス比が第１目標ガス比よりも高い場合には、第１取得ガス比が第１目標ガス比と同じ場合と比較して、第１反応器内でより多くのメタン化反応が発生する。これにより、下流側の第２反応器内でのメタン化反応が減少する。そのため、第２反応器内のメタン化触媒の温度が低下し、第２反応器内のメタンの転化率が低下する。この構成によれば、第１取得ガス比が第１目標ガス比よりも高い場合には、各反応器から熱を奪う熱媒体が第２反応器に循環する流量の低下と、第２反応器に循環する熱媒体の昇温との少なくとも一方が行われる。これにより、第２反応器内のメタン化触媒の温度低下を抑制でき、第２反応器内のメタンの転化率の低下を抑制できる。
【００１２】
（５）上記形態のメタン製造装置において、さらに、前記第１反応器および前記第２反応器に対して熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環部を備え、前記制御部は、前記第１取得ガス比が前記第１目標ガス比よりも高い場合に、前記第１反応器へと循環する際の熱媒体の流量の増加と、前記第１反応器へと循環する際の熱媒体の温度の降温との少なくとも一方を行ってもよい。
第１取得ガス比が第１目標ガス比よりも高い場合には、第１反応器内でより多くのメタン化反応が発生する。これにより、第１反応器内のメタン化触媒の温度が上昇し、第１反応器内のメタンの転化率が上昇する。この構成によれば、第１取得ガス比が第１目標ガス比よりも高い場合には、第１反応器に循環する熱媒体の流量の増加と、第１反応器に循環する熱媒体の降温との少なくとも一方が行われる。これにより、第１反応器内のメタンの転化率を抑制でき、第１反応器よりも下流に位置する第２反応器で発生するメタン化反応により生成されるメタンが多くなる。すなわち、第２反応器内のメタン化触媒の温度が上昇し、第２反応器内のメタンの転化率が上昇する。
【００１３】
（６）上記形態のメタン製造装置において、さらに、二酸化炭素および水素からメタンを製造する第３反応器であって、前記第１反応器の下流側に直列的に接続された１以上の第３反応器と、各前記第３反応器に供給される二酸化炭素および水素を含む混合ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合であるそれぞれの第３取得ガス比を取得する第３取得部と、を備え、各前記第３反応器には、上流側に接続された前記第１反応器又は前記第３反応器により製造されたメタンを含む排出ガスが供給され、前記追加ガス供給部は、前記第１反応器に加えてさらに、各前記第３反応器のそれぞれに、追加的に二酸化炭素を供給可能であり、各前記第３反応器には、前記第１目標ガス比よりも低く、かつ、下流側の前記第３反応器になるにつれて低くなる第３目標ガス比が、それぞれ予め設定されており、前記制御部は、各前記第３反応器において、前記第３取得ガス比が予め設定された前記第３目標ガス比よりも大きい場合に、前記第３取得ガス比と、前記第３目標ガス比との差分に応じた量の二酸化炭素を、前記追加ガス供給部から供給させてもよい。
この構成のメタン製造装置は、いわゆる多段式のメタン製造装置である。このメタン製造装置では、追加ガス供給部により二酸化炭素が第１反応器および第３反応器へと供給される。第３反応器では、下流側に位置する反応器ほど低い第３目標ガス比が予め設定され、第１目標ガス比は、最も高いガス比である。この構成によれば、下流側ほどガス比が低いため、第１反応器内で過度にメタンが製造されることがなく、各反応器内で製造されるメタンの量が分散する。これにより、発熱反応であるメタン化反応が各反応器内で発生するため、各反応器の温度が上昇し、各反応器内でのメタンの転化率の低下およびメタン化反応の失活を抑制できる。
【００１４】
（７）上記形態のメタン製造装置において、前記第３取得部は、各前記第３反応器の内の最も上流側の前記第３反応器の前記第３取得ガス比を、前記第１取得ガス比と、前記第１反応器に供給された二酸化炭素の量とを用いて算出し、各前記第３反応器の内の最も上流側の前記第３反応器以外の前記第３取得ガス比を、前記第１取得ガス比と、前記第１反応器に供給された二酸化炭素の量と、前記第３取得ガス比を取得する前記第３反応器よりも上流側の各前記第３反応器に供給された二酸化炭素の量と、を用いて算出してもよい。
この構成によれば、最も上流側に位置する第３反応器に供給される、第１反応器からの排出ガス中の第３取得ガス比は、第１取得ガス比と、第１反応器に追加的に供給された二酸化炭素の量とによって算出される。同じように、最も上流に位置する第３反応器以外の第３反応器に供給される、直前の上流に位置する第３反応器からの排出ガス中の第３取得ガス比は、第１取得ガス比と、上流に位置する全ての第３反応器のそれぞれおよび第１反応器へと追加的に供給された二酸化炭素の量とによって算出される。そのため、各第３反応器の上流側に、第１取得部のような第３取得ガス比を検出する検出器を配置しなくても、第３取得部は、第３取得ガス比を取得できる。これにより、メタン製造装置１０は、不要な検出器を備える必要がない。
【００１５】
（８）上記形態のメタン製造装置において、さらに、前記第１反応器および前記第３反応器に対して熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環部を備え、前記制御部は、前記第１取得ガス比が前記第１目標ガス比よりも低い場合に、前記第３反応器へと循環する際の熱媒体の流量の低下と、前記第３反応器へと循環する際の熱媒体の温度の昇温との少なくとも一方を行ってもよい。
第１取得ガス比が第１目標ガス比よりも低い場合には、第１取得ガス比が第１目標ガス比と同じ場合と比較して、第１反応器内でより多くのメタン化反応が発生する。これにより、下流側の第３反応器内でのメタン化反応が減少する。そのため、第３反応器内のメタン化触媒の温度が低下し、第３反応器内のメタンの転化率が低下する。この構成によれば、第１取得ガス比が第１目標ガス比よりも低い場合には、各反応器から熱を奪う熱媒体が第３反応器に循環する流量の低下と、第３反応器に循環する熱媒体の昇温との少なくとも一方が行われる。これにより、第３反応器内のメタン化触媒の温度低下を抑制でき、第３反応器内のメタンの転化率の低下を抑制できる。
【００１６】
（９）上記形態のメタン製造装置において、さらに、前記第１反応器および前記第３反応器に対して熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環部を備え、前記制御部は、前記第１取得ガス比が前記第１目標ガス比よりも低い場合に、前記第１反応器へと循環する際の熱媒体の流量の増加と、前記第１反応器へと循環する際の熱媒体の温度の降温との少なくとも一方を行ってもよい。
第１取得ガス比が第１目標ガス比よりも低い場合には、第１反応器内でより多くのメタン化反応が発生する。これにより、第１反応器内のメタン化触媒の温度が上昇し、第１反応器内のメタンの転化率が上昇する。この構成によれば、第１取得ガス比が第１目標ガス比よりも高い場合には、第１反応器に循環する熱媒体の流量の増加と、第１反応器に循環する熱媒体の降温との少なくとも一方が行われる。これにより、第１反応器内のメタンの転化率を抑制でき、第１反応器よりも下流に位置する第３反応器で発生するメタン化反応が多くなる。その結果、第３反応器内のメタン化触媒の温度が上昇し、第３反応器内のメタンの転化率が上昇する。
【００１７】
（１０）本発明の他の一態様によれば、メタン製造装置の制御方法が提供される。この制御方法は、二酸化炭素および水素からメタンを製造する反応器へと、二酸化炭素および水素を含む混合ガスを供給する混合ガス供給工程と、前記反応器に供給された前記混合ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合である取得ガス比と、前記混合ガス供給部から供給される前記混合ガスの流量と、を取得する取得工程と、前記取得ガス比と、予め設定された目標ガス比との差分に応じた量の水素または二酸化炭素を追加ガス供給部から供給させる追加ガス供給工程と、を備える。
この構成によれば、取得ガス比および混合ガスの流量によって決定された量の水素または二酸化炭素が、追加ガス供給工程において、混合ガスと共に反応器に供給されることにより、反応器内の反応ガスのガス比は、目標ガス比と同じになる。そのため、混合ガス供給工程によって供給される混合ガス中のガス比が時間的に変動していても、反応器内の反応ガスのガス比が安定し、反応器内で製造されるメタンの品質を確保できる。
【００１８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、メタン製造装置、メタン製造システム、水素または二酸化炭素の流量制御装置、メタン製造方法、メタン製造装置の制御方法、これら装置や方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態としてのメタン製造装置のブロック図である。
【図２】第１実施形態におけるメタン製造装置の制御方法のフローチャートである。
【図３】第１実施形態の変形例のメタン製造装置のブロック図である。
【図４】第２実施形態のメタン製造装置のブロック図である。
【図５】第２実施形態におけるメタン製造装置の制御方法のフローチャートである。
【図６】第２実施形態の変形例のメタン製造装置のブロック図である。
【図７】第３実施形態の第２実施形態のメタン製造装置のブロック図である。
【図８】第３実施形態におけるメタン製造装置の制御方法のフローチャートである。
【図９】第４実施形態のメタン製造装置のブロック図である。
【図１０】第４実施形態におけるメタン製造装置の制御方法のフローチャートである。
【図１１】流量制御部の制御によって追加供給される水素の量を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態としてのメタン製造装置１０のブロック図である。メタン製造装置１０は、二酸化炭素および水素を含む混合ガスにメタン化反応を生じさせることにより、生成ガスとしてのメタン（ＣＨ4）を製造する装置である。メタン製造装置１０に供給される混合ガスは、工場などの燃焼ガスである。混合ガス中に含まれる二酸化炭素および水素の量は、時間と共に変動する。
【００２１】
図１に示されるように、第１実施形態のメタン製造装置１０は、二酸化炭素および水素を含む混合ガスからメタンを製造する第１反応器４と、二酸化炭素および水素を含む混合ガスを第１反応器４へと供給する混合ガス供給部６と、混合ガス供給部６と第１反応器４との間に配置されたサージタンクＴＮと、サージタンクＴＮから第１反応器へと供給される混合ガス中のＨ2／ＣＯ2比である第１取得ガス比ξMを検出するガス分析計（第１取得部）３と、サージタンクＴＮから第１反応器４へと供給されるガス流量を制御するＭＦＣ（Mass Flow Controller）１と、ＭＦＣ１の下流側の混合ガスに水素（Ｈ2）を追加的に供給可能な水素供給部（追加ガス供給部）２と、水素供給部２から供給される水素の流量を制御するＭＦＣ（Mass Flow Controller）２と、ＭＦＣ１およびＭＦＣ２を制御する流量制御部１と、第１反応器４から排出される排出ガス（以降、単に「排ガス」ともいう）中の水蒸気（Ｈ2Ｏ）を凝縮する第１凝縮器５とを備えている。
【００２２】
第１反応器４内には、メタン化反応を生じさせるメタン化触媒が収容されている。メタン化触媒は、第１反応器４内の二酸化炭素および水素に対して、下記式（１）で示されるメタン化反応を生じさせることにより、メタンを生成する。メタン化触媒としては、ルテニウムを含む複合体などが挙げられる。
ＣＯ2＋４Ｈ2→ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ・・・（１）
【００２３】
混合ガス供給部６には、メタン製造装置１０とは異なる他の装置の燃焼ガスが供給される。他の実施形態では、混合ガス供給部６は、単に、燃焼ガスを排出する工場に接続されたガス供給路として構成されていてもよい。サージタンクＴＮは、混合ガス供給部６から供給された混合ガスを一時的に貯留する。ガス分析計３が検出する第１取得ガス比ξMは、混合ガス中の二酸化炭素に対する水素の割合である。
【００２４】
流量制御部１は、予め設定された所定の制御に基づいて、ＭＦＣ１を制御する。本実施形態の流量制御部１は、ガス分析計３により検出された第１取得ガス比ξMに加えて、サージタンクＴＮからＭＦＣ１までの供給路内のガス流量を取得する。流量制御部１は、取得した第１取得ガス比ξMおよび混合ガスのガス流量を用いて、流量指示量Ｑ１が下記式（２）になるように、ＭＦＣ２を制御する。なお、下記式（２）に示されるように、ＭＦＣ１への流量指示量Ｑ１は、２つに場合分けされる。
ξM＜ξtarの場合  Ｑ１＝Ａ（ξtar−ξM）
ξM≧ξtarの場合  Ｑ１＝０・・・（２）
式（２）における定数Ａは、混合ガスのガス流量に応じて決定する制御定数である。そのため、定数Ａは、ＭＦＣ１の制御により決定する。第１目標ガス比ξtarは、予め設定された定数である。第１実施形態における第１目標ガス比ξtarは、４．０に設定されている。すなわち、流量制御部１は、第１反応器４へと供給される混合ガスのガス流量と、水素供給部２から追加的に供給される水素と、を合わせた反応ガス中におけるＨ2／ＣＯ2比が第１目標ガス比ξtarとなるような量の水素を、水素供給部２から供給させる。換言すると、流量制御部１は、ガス分析計３により検出された第１取得ガス比ξMと、第１目標ガス比ξtarとの差分に応じた量の水素を、水素供給部２から第１反応器４へと供給させる。第１実施形態における流量制御部１およびＭＦＣ２は、制御部として機能している。なお、上記式（２）に示されるように、ガス分析計３により検出された第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξtar以上の場合には、流量制御部１は、第１反応器４へと水素を供給しない。
【００２５】
第１反応器４内のメタン化反応により生成されたメタンを含む排ガスは、第１反応器４から排出されると、第１凝縮器５により常温（摂氏２５度（℃））程度まで冷却される。排ガスが冷却されることにより、第１凝縮器５により水蒸気から凝縮された水が、排ガスから分離される。水蒸気が分離されたメタンは、生成ガスとして図示されない他の装置へと供給される、または、図示されないタンクへと貯蔵される。
【００２６】
図２は、第１実施形態におけるメタン製造装置１０の制御方法のフローチャートである。図２に示されるように、メタン製造装置１０の制御方法では、初めに、混合ガス供給部６が、二酸化炭素および水素を含む混合ガスを第１反応器４へと供給する混合ガス供給工程を行う（ステップＳ１）。ガス分析計３は、混合ガス供給部６から供給される混合ガス中の第１取得ガス比ξMを検出するガス比の取得工程を行う（ステップＳ２）。流量制御部１は、第１取得ガス比ξMと、第１目標ガス比ξtarとの差分に応じた量の水素を追加的に供給する追加ガス供給工程を行い（ステップＳ３）、メタン製造装置１０の製造方法が終了する。
【００２７】
以上説明したように、第１実施形態におけるメタン製造装置１０では、流量制御部１が、ガス分析計３により検出された第１取得ガス比ξMと、第１目標ガス比ξtarとの差分に応じた量の水素を、水素供給部２から追加的に第１反応器４へと供給させる。これにより、第１反応器４内の反応ガスのガス比は、第１目標ガス比ξtarと同じになる。そのため、混合ガス供給部６から供給される混合ガス中の第１取得ガス比ξMが時間的に変動していても、追加的に供給された水素により、第１反応器４内の反応ガスのガス比が安定し、製造されるメタンの品質を確保できる。また、第１反応器４内へと供給される反応ガスが安定するため、サージタンクＴＮの容量を低減、または、サージタンクＴＮを削減できる。
【００２８】
＜第１実施形態の変形例＞
上記第１実施形態のメタン製造装置１０は、本発明の一実施形態としてのメタン製造装置の一例であり、メタン製造装置１０については、種々変形可能である。メタン製造装置１０は、ガス分析計３と、制御部としての流量制御部１およびＭＦＣ２と、追加ガス供給部としての水素供給部２と、第１反応器４と、第１反応器４へと混合ガスを供給する混合ガス供給部６とを備えていればよく、サージタンクＴＮ、ＭＦＣ１、および第１凝縮器５を備えていなくてもよい。また、追加ガス供給部として、水素供給部２の代わりに二酸化炭素を供給する二酸化炭素供給部を備えていてもよい。また、水素供給部２に加えて二酸化炭素供給部を備えていてもよい。この場合に、流量制御部１は、ガス分析計３により検出された第１取得ガス比ξMと、第１目標ガス比ξtarとの差分に基づいて、ガスの種類を水素と二酸化炭素とから選択して第１反応器４へと水素供給部２または二酸化炭素供給部から供給させる。また、第１実施形態の第１目標ガス比ξtarは、４．０に設定されていたが、４．０以外の数値であってもよく、例えば、３．８〜４．２といった範囲内の値に設定されていてもよい。なお、水素供給部２は、混合ガス供給部６から供給された混合ガスに対して、水素を追加供給したが、第１反応器４へと直接的に水素を追加供給してもよい。
【００２９】
混合ガス供給部６から供給される混合ガス中に、二酸化炭素および水素以外の成分が含まれない場合、ガス分析計３は、混合ガス中の二酸化炭素の濃度のみを検出し、水素の濃度を検出しなくてもよい。この場合に、流量制御部１は、検出された二酸化炭素濃度ＸCO2を用いて、第１取得ガス比ξMを下記式（３）のように算出できる。
ξM＝（１−ＸCO2）／ＸCO2・・・（３）
【００３０】
図３は、第１実施形態の変形例のメタン製造装置１０ｘのブロック図である。図３に示されるように、変形例のメタン製造装置１０ｘでは、ガス分析計３ｘが、混合ガス供給部６から供給される混合ガスの第１取得ガス比ξMではなく、混合ガスに水素供給部２から水素が追加供給された後の反応ガスのガス比を検出している。変形例の流量制御部１ｘは、水素供給部２から追加的に供給した水素の量と、ガス分析計３ｘにより検出される反応ガスのガス比および反応ガスの流量とを用いて、第１取得ガス比ξMを算出する。
【００３１】
＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態のメタン製造装置１０ａのブロック図である。図４に示されるように、第２実施形態のメタン製造装置１０ａは、メタン化反応を行う第１反応器４および第２反応器７を備える、いわゆる多段式のメタン製造装置である。メタン製造装置１０ａでは、第１実施形態のメタン製造装置１０と比較して、第１反応器４で生成されたメタンを含む第１反応器４からの排ガスと、水素供給部２ａからの追加ガスとが、第２反応器７に供給されることが大きく異なる。第２実施形態では、第１実施形態と異なる構成および制御について説明し、同じ構成および制御について説明を省略する。
【００３２】
図４に示されるように、メタン製造装置１０ａは、混合ガス供給部６と、サージタンクＴＮと、ガス分析計３と、ＭＦＣ１と、ＭＦＣ２と、第１反応器４と、第１凝縮器５と、第１反応器４の下流側に直列的に接続された第２反応器７と、第１反応器４に加えて、さらに第２反応器７に水素の流量を供給する水素供給部２ａと、水素供給部２ａから第２反応器７へと追加的に供給される水素の流量を制御するＭＦＣ（Mass Flow Controller）３と、ＭＦＣ１〜３を制御する流量制御部１ａと、第２反応器７から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮する第２凝縮器８と、を備えている。
【００３３】
第２反応器７は、第１反応器４と同じように、二酸化炭素および水素を含む混合ガスからメタンを生成する。第２反応器７には、第１反応器４から排出された排ガスが供給される。排ガスには、第１反応器４内で生成されたメタンが含まれている。そのため、第２反応器７内では、第１反応器４内で未反応だった二酸化炭素および水素と、水素供給部２ａにより第２反応器７に追加的に供給された水素とを合わせた反応ガスにメタン化反応が発生する。第２反応器７には、第１反応器４に予め設定された第１目標ガス比ξ1_tarよりも高い第２目標ガス比ξ2_tarが設定されている。第２実施形態における第１目標ガス比ξ1_tarは、３．２に設定され、第２目標ガス比ξ2_tarは、４．０に設定されている。なお、第１目標ガス比ξ1_tarは、量論混合比の４．０よりも小さいことが好ましく、２．５以上３．８未満だとさらに好ましい。また、第２目標ガス比ξ2_tarは、３．８以上４．２未満だと好ましい。
【００３４】
第２実施形態の流量制御部１ａは、ガス分析計３により検出された第１取得ガス比ξMを取得し、第１反応器４へと供給される流量指示量Ｑ１ａが下記式（４）になるように、ＭＦＣ２を制御する。なお、下記式（４）に示されるように、流量指示量Ｑ１ａは、２つに場合分けされる。
ξM＜ξ1_tarの場合  Ｑ１ａ＝Ａ（ξ1_tar−ξM）
ξM≧ξ1_tarの場合  Ｑ１ａ＝０・・・（４）
式（４）における定数Ａは、第１実施形態と同じように、混合ガスの流量に応じて決定する制御定数である。
【００３５】
流量制御部１ａは、第１実施形態と同じように、ＭＦＣ１を通って第１反応器４へと供給される混合ガスと、ＭＦＣ２を通って第１反応器４へと供給される水素とのガス中における、調整後のＨ２／ＣＯ２比が目標ガス比ξ1_tarとなるような量の水素を、水素供給部２ａから追加的に供給する。なお、上記式（４）に示されるように、ガス分析計３により検出された第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1_tar以上である場合には、流量制御部１ａは、第１反応器４へと水素を供給しない。
【００３６】
第１反応器４内の反応ガスの流量によって、第１反応器４内で生成されるメタンの量が推定される。そのため、流量制御部１ａは、ガス分析計３により取得された第１取得ガス比ξMと、ＭＦＣ１を通過した混合ガスの流量と、水素供給部２ａから第１反応器４へと追加的に供給された水素の量とを用いて、第１反応器４からの排ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合である第２取得ガス比を算出できる。第１反応器４へと水素が追加的に供給された場合には、第１反応器４内の反応ガスの濃度は、第１目標ガス比ξ1_tarと同じである。この場合に、第１反応器４からの排ガス中の第２取得ガス比は、第１目標ガス比ξ1_tarと同じである。一方で、第１反応器４へと水素が供給されなかった場合には、第１反応器４からの排ガス中の第２取得ガス比は、第１取得ガス比ξMと同じである。第２実施形態の流量制御部１ａは、第２取得部として機能している。
【００３７】
流量制御部１ａは、算出した第２取得ガス比と、第２反応器７に予め設定された第２目標ガス比ξ2_tarとの差分に応じた下記式（５）に示される流量指示量Ｑ２ａの水素を、第２反応器７へと追加的に供給する。なお、下記式（５）に示されるように、流量指示量Ｑ２ａは、３つに場合分けされる。
ξM＜ξ1_tarの場合  Ｑ２ａ＝Ａ２（ξ2_tar−ξ1_tar）
ξ1_tar≦ξM＜ξ2_tarの場合  Ｑ２ａ＝Ａ２（ξ2_tar−ξM）・・・（５）
ξM≧ξ2_tarの場合  Ｑ２ａ＝０
式（５）における変数Ａ２は、第２反応器７に供給される排出ガスの流量、すなわち、第１反応器４へと供給される混合ガスの流量に応じて決定する制御定数である。
【００３８】
第２反応器７内のメタン化反応により生成されたメタンを含む排ガスは、第２反応器７から排出されると、冷却される。排ガスが冷却されることにより、第２凝縮器８により水蒸気から凝縮された水が、排ガスから分離され、メタンは、他の装置またはタンクへと供給される。
【００３９】
図５は、第２実施形態におけるメタン製造装置１０ａの制御方法のフローチャートである。図５に示されるように、第２実施形態のメタン製造装置１０ａの製造方法では、初めに、混合ガス供給部６から混合ガスが供給され（ステップＳ１１）、ガス分析計３が第１取得ガス比ξMを検出する（ステップＳ１２）。流量制御部１ａは、検出された第１取得ガス比ξMが予め設定された第１目標ガス比ξ1_tarよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１３）。第１取得ガス比ξＭが第１目標ガス比ξ1_tarよりも小さい場合には（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、流量制御部１ａは、第１反応器４に流量指示量Ｑ１ａの水素を追加的に供給する（ステップＳ１４）。その後、流量制御部１ａは、第１取得ガス比ξMと、第１反応器４へと供給された混合ガスの流量と、第１反応器４へと追加供給された水素の量とを用いて、第２取得ガス比を算出する（ステップＳ１５）。その結果、流量制御部１ａは、流量指示量Ｑ２ａ＝Ａ２（ξ2_tar−ξ1_tar）の量の水素を、第２反応器７へと追加供給し（ステップＳ１６）、当該制御方法が終了する。
【００４０】
ステップＳ１３において、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1_tar以上の場合には（ステップＳ１３：ＮＯ）、流量制御部１ａは、第１反応器４に水素を供給せずに、第１取得ガス比ξMが第２目標ガス比ξ2_tarよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１７）。第１取得ガス比ξMが第２目標ガス比ξ2_tarよりも小さい場合には（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、流量制御部１ａは、流量指示量Ｑ２ａ＝Ａ２（ξ2_tar−ξM）の量の水素を、第２反応器７へと追加供給し（ステップＳ１８）、当該制御方法が終了する。第１取得ガス比ξMが第２目標ガス比ξ2_tar以上の場合には（ステップＳ１７：ＮＯ）、流量制御部１ａは、第２反応器７に水素を供給せずに、当該制御方法が終了する。
【００４１】
以上説明したように、第２実施形態のメタン製造装置１０ａは、メタンを生成する第１反応器４および第２反応器７が直列的に接続された、いわゆる多段式のメタン製造装置である。下流側の第２反応器７に予め設定された第２目標ガス比ξ2_tarは、上流側の第１反応器４に予め設定された第１目標ガス比ξ1_tarよりも大きい。そのため、上流側の第１反応器４内で過度にメタンが生成されることがなく、第１反応器４および第２反応器７で生成されるメタンの量が分散する。そのため、各反応器内のメタン化触媒の温度が上昇し、各反応器内でのメタンの転化率の低下およびメタン化反応の失活を抑制できる。
【００４２】
また、第２実施形態のメタン製造装置１０ａでは、流量制御部１ａは、第２反応器７へと供給される第１反応器４からの排ガス中の第２取得ガス比を、第１取得ガス比ξMと、第１反応器４へと追加供給された水素の量とを用いて算出する。そのため、第２反応器７の入り口付近に、ガス分析計３のような分析器が配置されなくても、流量制御部１ａは、第２取得ガス比を取得できる。これにより、第２実施形態のメタン製造装置１０ａは、不要な分析器や検出器を備えなくて済み、メタン製造装置１０ａの構成部品を少なくできる。
＜第２実施形態の変形例＞
第２実施形態のメタン製造装置１０ａは、第１反応器４の下流側に直列的に接続される１つの第２反応器７を備えていたが、第２反応器７の代わりに複数の反応器を備えていてもよい。この場合に、第１反応器４および複数の反応器のそれぞれに予め設定された目標ガス比は、下流側の反応器に設定された目標ガス比ほど高くてもよい。また、ある反応器に供給される、直前の上流側の反応器からの排ガス中の二酸化炭素に対する水素の割合であるガス比は、第１取得ガス比と、上流側に位置するそれぞれの反応器に追加供給された水素の量と、第１反応器４に供給される混合ガスの流量とを用いて算出されてもよい。
【００４３】
図６は、第２実施形態の変形例のメタン製造装置１０ｙのブロック図である。図６に示されるように、変形例のメタン製造装置１０ｙは、ガス分析計３に加えて、第１反応器４からの排ガス中の第２取得ガス比ξM2を検出する下流側ガス分析計（第２ガス取得部）３１を備えている。変形例の流量制御部１ｙは、下流側ガス分析計３１により検出された第２取得ガス比ξM2を用いて、ＭＦＣ３を制御する。そのため、第２実施形態の式（５）で表される流量指示量Ｑ２ａは、下記式（６）のように表される。
ξM2＜ξ2_tarの場合  Ｑ２ａ＝Ａ２（ξ2_tar−ξM2）
ξM2≧ξ2_tarの場合  Ｑ２ａ＝０・・・（６）
変形例のメタン製造装置１０ｙでは、第１反応器４の上流側でのガス比の変動を取り除き、かつ、第２反応器７の上流側でのガス比の変動を取り除いている。そのため、第２反応器７内における反応ガスのガス組成の許容変動幅が非常に小さい場合、すなわち、より正確にメタン生成量を管理したい場合に、メタン製造装置１０ｙの構成は、有効である。
【００４４】
＜第３実施形態＞
図７は、第３実施形態の第２実施形態のメタン製造装置１０ｂのブロック図である。第３実施形態のメタン製造装置１０ｂは、第２実施形態のメタン製造装置１０ａと比較して、第２反応器７の代わりに第３反応器９を備え、第１反応器４ｂおよび第３反応器９に追加供給されるガスが二酸化炭素であることが大きく異なる。そのため、第３実施形態では、第２実施形態と異なる構成および制御について説明し、同じ構成および制御についての説明を省略する。
【００４５】
図７に示されるように、第３実施形態のメタン製造装置１０ｂは、混合ガス供給部６と、サージタンクＴＮと、ガス分析計３と、ＭＦＣ１と、第１反応器４ｂと、第１凝縮器５と、第２実施形態の第２反応器７と同じようにメタンを生成する第３反応器９と、第２凝縮器８と、第１反応器４ｂおよび第３反応器９に追加的に二酸化炭素（ＣＯ2）を供給する二酸化炭素供給部（追加ガス供給部）２ｂと、二酸化炭素供給部２ｂから第１反応器４ｂへと供給される二酸化炭素の流量を制御するＭＦＣ２ｂと、二酸化炭素供給部２ｂから第３反応器９へと供給される二酸化炭素の流量を制御するＭＦＣ（Mass Flow Controller）３ｂと、ＭＦＣ１，ＭＦＣ２ｂ，ＭＦＣ３ｂを制御する流量制御部１ｂと、を備えている。
【００４６】
第１反応器４ｂには、予め設定された第１目標ガス比ξ1b_tarが設定されている。第３反応器９には、第１目標ガス比ξ1b_tarよりも低い第３目標ガス比ξ2b_tarが設定されている。第３実施形態における第１目標ガス比ξ1b_tarは、５．０に設定され、第３目標ガス比ξ2b_tarは、４．０に設定されている。なお、第１目標ガス比ξ1b_tarは、量論混合比の４．０以上であることが好ましく、４．２以上６．０未満だとさらに好ましい。また、第３目標ガス比ξ2b_tarは、第１目標ガス比ξ1b_tarよりも小さい値で、量論混合比の４．０に近いほど好ましい。
【００４７】
第３実施形態の流量制御部１ｂは、ガス分析計３により検出された第１取得ガス比ξMを取得し、第１反応器４ｂへと供給される二酸化炭素の流量指示量Ｑ１ｂが下記式（７）になるように、ＭＦＣ２ｂを制御する。
ξM＞ξ1b_tarの場合  Ｑ１ｂ＝Ａ３（ξM−ξ1b_tar）
ξM≦ξ1b_tarの場合  Ｑ１ｂ＝０・・・（７）
式（７）における定数Ａ３は、第１実施形態および第２実施形態と同じように、混合ガスの流量に応じて決定する制御定数である。
【００４８】
流量制御部１ｂは、第２実施形態と同じように、ＭＦＣ１を通って第１反応器４ｂへと供給される混合ガスと、ＭＦＣ２ｂを通って第１反応器４ｂへと供給される二酸化炭素とのガス中における、調整後のＨ2／ＣＯ2比が目標ガス比ξ1b_tarとなるような量の水素を、二酸化炭素供給部２ｂから追加的に供給する。なお、ガス分析計３により検出された第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1b_tar以下である場合には、流量制御部１ｂは、第１反応器４ｂへと水素を供給しない。
【００４９】
流量制御部１ｂは、ガス分析計３により取得された第１取得ガス比ξMと、ＭＦＣ１を通過した混合ガスの流量と、二酸化炭素供給部２ｂから第１反応器４ｂへと追加的に供給された二酸化炭素の量とを用いて、第１反応器４ｂからの排ガス中の、二酸化炭素に対する水素の割合である第３取得ガス比を算出できる。第１反応器４ｂへと二酸化炭素が追加的に供給された場合には、第１反応器４ｂ内の反応ガスの濃度は、第１目標ガス比ξ1b_tarと同じである。この場合に、第１反応器４ｂからの排ガス中の第３取得ガス比は、第１目標ガス比ξ1b_tarと同じである。一方で、第１反応器４ｂへと二酸化炭素が供給されなかった場合には、第１反応器４ｂからの排ガス中の第３取得ガス比は、第１取得ガス比ξMと同じである。第３実施形態の流量制御部１ｂは、第３取得部として機能している。
【００５０】
流量制御部１ｂは、算出した第３取得ガス比と、第３反応器９に予め設定された第３目標ガス比ξ2b_tarとの差分に応じた下記式（８）に示される流量指示量Ｑ２ｂの二酸化炭素を、第３反応器９へと追加的に供給する。なお、下記式（８）に示されるように、流量指示量Ｑ２ｂは、３つに場合分けされる。
ξM＞ξ1b_tarの場合  Ｑ２ｂ＝Ａ２（ξ1b_tar−ξ2b_tar）
ξ1b_tar≧ξM＞ξ2b_tarの場合  Ｑ２ｂ＝Ａ２（ξM−ξ2b_tar）・・・（８）
ξM≦ξ2b_tarの場合  Ｑ２ｂ＝０
式（８）における定数Ａ２は、第３反応器９に供給される排出ガスの流量、すなわち、第１反応器４ｂへと供給される混合ガスの流量に応じて決定する制御定数である。
【００５１】
図８は、第３実施形態におけるメタン製造装置１０ｂの制御方法のフローチャートである。図８に示されるように、第２実施形態のメタン製造装置１０ｂの製造方法では、初めに、混合ガス供給部６から混合ガスが供給され（ステップＳ２１）、ガス分析計３が第１取得ガス比ξMを検出する（ステップＳ２２）。流量制御部１ｂは、検出された第１取得ガス比ξMが予め設定された第１目標ガス比ξ1b_tarよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２３）。第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1b_tarよりも大きい場合には（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、流量制御部１ｂは、第１反応器４ｂに流量指示量Ｑ１ｂの二酸化炭素を追加的に供給する（ステップＳ２４）。その後、流量制御部１ｂは、第１取得ガス比ξMと、第１反応器４ｂへと供給された混合ガスの流量と、第１反応器４ｂへと追加供給された二酸化炭素の量とを用いて、第３取得ガス比を算出する（ステップＳ２５）。その結果、流量制御部１ｂは、流量指示量Ｑ２ｂ＝Ａ４（ξ1b_tar−ξ2b_tar）の量の二酸化炭素を、第３反応器９へと追加供給し（ステップＳ２６）、当該制御方法が終了する。
【００５２】
ステップＳ２３において、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1b_tar以下の場合には（ステップＳ２３：ＮＯ）、流量制御部１ｂは、第１反応器４ｂに二酸化炭素を供給せずに、第１取得ガス比ξMが第３目標ガス比ξ2b_tarよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２７）。第１取得ガス比ξMが第３目標ガス比ξ2b_tarよりも大きい場合には（ステップＳ２７：ＹＥＳ）、流量制御部１ｂは、流量指示量Ｑ２ｂ＝Ａ４（ξM−ξ2b_tar）の量の二酸化炭素を、第３反応器９へと追加供給し（ステップＳ２８）、当該制御方法が終了する。第１取得ガス比ξMが第３目標ガス比ξ2b_tar以下の場合には（ステップＳ２７：ＮＯ）、流量制御部１ｂは、第３反応器９に二酸化炭素を供給せずに、当該制御方法が終了する。
【００５３】
以上説明したように、第３実施形態のメタン製造装置１０ｂでは、メタンを生成する第１反応器４ｂおよび第３反応器９が直列的に接続されている。下流側の第３反応器９に予め設定された第３目標ガス比ξ2b_tarは、上流側の第１反応器４ｂに予め設定された第１目標ガス比ξ1b_tarよりも小さい。そのため、上流側の第１反応器４ｂ内で過度にメタンが生成されることがなく、第１反応器４ｂおよび第３反応器９で生成されるメタンの量が分散する。そのため、各反応器内のメタン化触媒の温度が上昇し、各反応器内でのメタンの転化率の低下およびメタン化反応の失活を抑制できる。
【００５４】
また、第３実施形態のメタン製造装置１０ｂでは、流量制御部１ｂは、第３反応器９へと供給される第１反応器４ｂからの排ガス中の第３取得ガス比を、第１取得ガス比ξMと、第１反応器４ｂへと追加供給された二酸化炭素の量とを用いて算出する。そのため、第３反応器９の入り口付近に、ガス分析計３のような分析器が配置されなくても、流量制御部１ｂは、第３取得ガス比を取得できる。これにより、第３実施形態のメタン製造装置１０ｂは、不要な分析器や検出器を備えなくて済み、メタン製造装置１０ｂの構成部品を少なくできる。
＜第３実施形態の変形例＞
第３実施形態のメタン製造装置１０ｂは、第１反応器４ｂの下流側に直列的に接続される１つの第３反応器９を備えていたが、第３反応器９の代わりに複数の反応器を備えていてもよい。この場合に、第１反応器４ｂおよび複数の反応器のそれぞれに予め設定された目標ガス比は、下流側の反応器に設定された目標ガス比ほど低くてもよい。また、ある反応器に供給される、直前の上流側の反応器からの排ガス中の二酸化炭素に対する水素の割合であるガス比は、第１取得ガス比ξMと、上流側に位置するそれぞれの反応器に追加供給された二酸化炭素の量と、第１反応器４ｂに供給される混合ガスの流量とを用いて算出されてもよい。また、メタン製造装置１０ｂは、各反応器の上流側にガス分析計３と同じ分析計が配置されて、当該ガス分析計（第３取得部）により各反応器に供給される排ガス中のガス比が取得されてもよい。また、メタン製造装置１０ｂは、第１反応器４および第３反応器９へと二酸化炭素を追加的に供給する二酸化炭素供給部２ｂに加えて、水素を追加的に供給する水素供給部２ａを備えていてもよい。この場合には、流量制御部１ｂは、第１反応器４ｂ内および第３反応器９内での反応ガスのガス比に応じて、選択的に二酸化炭素または水素を供給してもよい。
【００５５】
＜第４実施形態＞
図９は、第４実施形態のメタン製造装置１０ｃのブロック図である。第４実施形態のメタン製造装置１０ｃでは、第２実施形態のメタン製造装置１０ａと比較して、第１反応器４および第２反応器７に対して熱交換を行う熱媒体を循環させる熱媒体循環部１３を備えることが大きく異なる。そのため、第４実施形態では、第２実施形態と異なる構成および制御について説明し、同じ構成および制御について説明を省略する。なお、第４実施形態では、混合ガス供給部６から供給される混合ガスは、二酸化炭素および水素以外の成分を含んでいない。
【００５６】
図９に示されるように、第４実施形態のメタン製造装置１０ｃは、混合ガス供給部６と、サージタンクＴＮと、混合ガス中の二酸化炭素濃度ＸCO2を検出するガス分析計３ｃと、ＭＦＣ１と、水素供給部２ｃと、ＭＦＣ２と、第１反応器４と、第１凝縮器５と、ＭＦＣ３と、第２反応器７と、第２凝縮器８と、熱媒体としてのオイルが循環する熱媒体循環部１３と、第２反応器７を循環したオイル流量を制御する第１調整弁１１と、第１反応器４を循環したオイル流量を制御する第２調整弁１２と、ＭＦＣ１〜３に加えて第１調整弁１１および第２調整弁１２を制御する流量制御部１ｃと、を備えている。
【００５７】
図９に示されるように、熱媒体循環部１３は、第１反応器４を通過した熱媒体の内の一部が第２反応器７へと流入し、残りが第２反応器７へと流入しない。そして、第２反応器７へと流入した熱媒体および流入していない熱媒体は、第２反応器７の下流で合流する。これら２つに分岐する流量は、第１調整弁１１と、第２調整弁１２との絞りによって変化する。熱媒体循環部１３には、図示されていないヒータおよびクーラが取り付けられている。そのため、流量制御部１ｃは、第１反応器４内および第２反応器７内に流入する熱媒体の温度を調整できる。
【００５８】
第４実施形態の流量制御部１ｃは、ガス分析計３ｃにより検出された二酸化炭素濃度ＸCO2を用いて、第１実施形態の変形例における式（３）を解くことによって、第１取得ガス比ξMを算出する。流量制御部１ｃは、第１取得ガス比ξMに応じて、第１調整弁１１および第２調整弁１２を制御する。流量制御部１ｃは、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1_tarよりも高い場合に、第１調整弁１１を絞る。これにより、流量制御部１ｃは、第２反応器７へと循環する際の熱媒体の流量を低下させる。第４実施形態では、流量制御部１ｃ、第１調整弁１１、および第２調整弁１２は、制御部として機能する。
【００５９】
図１０は、第４実施形態におけるメタン製造装置１０ｃの制御方法のフローチャートである。図１０に示されるように、第４実施形態のメタン製造装置１０ｃの製造方法では、初めに、混合ガス供給部６から混合ガスが供給され（ステップＳ３１）、流量制御部１ｃは、ガス分析計３ｃにより検出された二酸化炭素濃度ＸCO2を用いて第１取得ガス比ξMを取得する（ステップＳ３２）。流量制御部１ｃは、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1_tarよりも小さいと判定した場合には（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、第１反応器４に流量指示量Ｑ１ａの水素を追加的に供給する（ステップＳ３４）。その後、流量制御部１ｃは、流量指示量Ｑ２ａ＝Ａ２（ξ2_tar−ξ1_tar）の量の水素を、第２反応器７へと追加供給し（ステップＳ３５）、当該制御方法が終了する。
【００６０】
ステップＳ３３において、流量制御部１ｃは、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1_tar以上であると判定した場合には（ステップＳ３３：ＮＯ）、流量制御部１ｃは、第１反応器４に水素を供給せずに、第１取得ガス比ξMが第２目標ガス比ξ2_tarよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３６）。第１取得ガス比ξMが第２目標ガス比ξ2_tarよりも小さい場合には（ステップＳ３６：ＹＥＳ）、流量制御部１ｃは、第１調整弁１１の絞り量を増加させる（ステップＳ３７）。その後、流量制御部１ｃは、流量指示量Ｑ２ａ＝Ａ２（ξ2_tar−ξM）の量の水素を、第２反応器７へと追加供給し（ステップＳ３８）、当該制御方法が終了する。ステップＳ３３において、第１取得ガス比ξMが第２目標ガス比ξ2_tar以上の場合には（ステップＳ１７：ＮＯ）、流量制御部１ｃは、第２反応器７に水素を供給せずに、当該制御方法が終了する。
【００６１】
図１１は、流量制御部１の制御によって追加供給される水素の量を説明するグラフである。図１１に示される例では、第１目標ガス比ξ1_tarが３．３に予め設定され、第２目標ガス比ξ2_tarが４．０に予め設定されている。この設定で、時間と共に変動する第１取得ガス比ξMが、図１１に曲線として示されている。図１１で、曲線の第１取得ガス比ξMと、第１目標ガス比ξ1_tarとの間で目の粗いハッチングで表された領域が、第１反応器４へと追加的に供給される水素の量である。一方で、第１目標ガス比ξ1_tarおよび第１取得ガス比ξMと、第２目標ガス比ξ2_tarとの間で目の細かいハッチングで表された領域が、第２反応器７へと追加的に供給される水素の量である。このように、流量制御部１ｃは、時間と共に変動する混合ガス中の第１取得ガス比ξMに応じて、第１反応器４および第２反応器７へと供給する水素の量を制御する。
【００６２】
第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1_tarよりも高い場合には、第１反応器４内でより多くのメタン化反応が発生する。これにより、下流側の第２反応器７内でのメタン化反応による発熱量が減少する。そのため、第２反応器７内のメタン化触媒の温度が低下し、第２反応器７内の反応ガスからメタンへの転化率が低下する。以上説明したように、第４実施形態のメタン製造装置１０ｃでは、流量制御部１ｃは、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1_tarよりも高い場合に、第１調整弁１１を絞ることにより、第２反応器７へと循環する際の熱媒体の流量を低下させる。これにより、第４実施形態のメタン製造装置１０ｃでは、第２反応器７内のメタン化触媒の温度低下が抑制され、第２反応器７内のメタンの転化率の低下が抑制される。
【００６３】
＜第４実施形態の変形例＞
第４実施形態の流量制御部１ｃは、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1_tarよりも高い場合に、第２反応器７へと循環する際の熱媒体の流量を低下させたが、熱媒体の流量低下の代わりに、ヒータを加熱して、第２反応器７へと循環する際の熱媒体の温度を昇温させてもよい。また、流量制御部１ｃは、熱媒体の流量低下および熱媒体の昇温の両方を行ってもよい。第２反応器７が加熱されることにより、第２反応器７内のメタン化触媒が活性化し、第２反応器７内でのメタンの転化率が向上する。
【００６４】
また、第４実施形態の流量制御部１ｃは、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1_tarよりも高い場合に、第２反応器７へと循環する際の熱媒体の流量を低下させたが、熱媒体の流量低下の代わりの別の制御を行ってもよい。具体的には、流量制御部１ｃは、第１反応器４に流入する熱媒体の流量の増加と、第１反応器４に流入する熱媒体の降温との少なくとも一方を行ってもよい。流量制御部１ｃは、第２調整弁１２を開くことにより、第１反応器４へと流入する熱媒体の量を増加させる。この場合に、熱媒体が第１反応器４の熱を奪うことにより、第１反応器４内のメタン化触媒の温度が下がるために、第１反応器４内でのメタンへの転化率が低下する。その結果、第２反応器７内でのメタンへの転化率が向上する。
【００６５】
第４実施形態のメタン製造装置１０ｃは、１つの第２反応器７を備えていたが、第２反応器７の代わりに複数の直列的に接続された反応器を備えていてもよい。この場合に、熱媒体循環部１３は、熱媒体が各反応器内を直列的に循環するように構成されていてもよい。また、各反応器に設定される目標ガス比は、下流側の反応器ほど高くなっていてもよい。
【００６６】
上記第４実施形態のメタン製造装置１０ｃでは、第１反応器４および第２反応器７へと水素が供給されたが、水素に代えて二酸化炭素が供給されてもよい。この場合に、第３実施形態と同じように、第１反応器４ｂと、第２反応器の代わりとなる第３反応器９と、のそれぞれに、第１目標ガス比ξ1b_tarと第３目標ガス比ξ2b_tarとが予め設定される。第１反応器４ｂおよび第３反応器９へと二酸化炭素が供給されるため、上流側の第１目標ガス比ξ1b_tarは、下流側の第３目標ガス比ξ2b_tarよりも高い。この場合に、変形例の流量制御部１ｃは、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1b_tarよりも低い場合に、第３反応器９へと流入する熱媒体の流量の低下と、第３反応器９へと流入する熱媒体の温度の昇温との少なくとも一方を行ってもよい。これにより、第３反応器９内のメタン化触媒の温度低下が抑制され、第３反応器９内のメタンの転化率の低下が抑制される。
【００６７】
また、変形例の流量制御部１ｃは、第１取得ガス比ξMが第１目標ガス比ξ1b_tarよりも低い場合に、第１反応器４ｂへと流入する熱媒体の流量の増加と、第１反応器４ｂへと流入する熱媒体の温度の降温との少なくとも一方を行ってもよい。第３反応器９が加熱されることにより、第３反応器９内のメタン化触媒が活性化し、第３反応器９内でのメタンの転化率が向上する。
【００６８】
二酸化炭素が追加供給される変形例のメタン製造装置１０ｃは、１つの第３反応器９を備えていたが、第３反応器９の代わりに複数の直列的に接続された反応器を備えていてもよい。この場合に、熱媒体循環部１３は、熱媒体が各反応器内を直列的に循環するように構成されていてもよい。また、各反応器に設定される目標ガス比は、下流側の反応器ほど低くなっていてもよい。
【００６９】
以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｘ，１ｙ…流量制御部
２，２ａ，２ｃ…水素供給部（追加ガス供給部）
２ｂ…二酸化炭素供給部（追加ガス供給部）
３，３ｃ，３ｘ…ガス分析計（第１取得部）
４，４ｂ…第１反応器
５…第１凝縮器
６…混合ガス供給部
７…第２反応器
８…第２凝縮器
９…第３反応器
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｘ，１０ｙ…メタン製造装置
１１…第１調整弁
１２…第２調整弁
１３…熱媒体循環部
３１…下流側ガス分析計（第２取得部）
Ｑ１，Ｑ１ａ，Ｑ１ｂ，Ｑ２ａ，Ｑ２ｂ…流量指示量
ＴＮ…サージタンク
ＸCO2…二酸化炭素濃度
ξM，ξM1…第１取得ガス比
ξM2…第２取得ガス比
ξtar，ξ1_tar，ξ1b_tar…第１目標ガス比
ξ2_tar…第２目標ガス比
ξ2b_tar…第３目標ガス比
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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