(57)【要約】【課題】メタン製造装置において、メタンの製造効率の向上を図る技術を提供する。【解決手段】二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置は、メタン化触媒性能を有する金属元素と、二酸化炭素吸蔵性能を有する金属化合物と、を含む触媒を収容する反応器と、二酸化炭素を含有する原料ガスが反応器内を第１方向に流れるように、原料ガスを供給する原料ガス供給部と、水素が反応器内を、第１方向と異なる第２方向に流れるように、水素を供給する水素供給部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置であって、
メタン化触媒性能を有する金属元素と、二酸化炭素吸蔵性能を有する金属化合物と、を含む触媒を収容する反応器と、
二酸化炭素を含有する原料ガスが前記反応器内を第１方向に流れるように、前記原料ガスを供給可能な原料ガス供給部と、
水素が前記反応器内を、前記第１方向と異なる第２方向に流れるように、前記水素を供給可能な水素供給部と、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において、
前記水素供給部は、さらに、
前記水素が前記反応器内を前記第１方向に流れるように、前記水素を供給可能であり、
前記メタン製造装置は、さらに、
前記水素が前記反応器内を流れる方向を、前記第１方向と、前記第２方向と、に切替えさせる制御部を、備える、
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において、
前記原料ガス供給部は、さらに、
前記原料ガスが前記反応器内を前記第２方向に流れるように、前記原料ガスを供給可能であり、
前記制御部は、
前記反応器内の前記原料ガスおよび前記水素の流れを、それぞれ、前記第１方向に設定して、前記原料ガスおよび前記水素を供給させた後、
前記反応器内の前記原料ガスおよび前記水素の流れを、それぞれ、前記第２方向に切替えて、前記原料ガスおよび前記水素を供給させる、
メタン製造装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のメタン製造装置において、
前記第２方向は、前記第１方向の逆方向である、
メタン製造装置。
【請求項５】
請求項２または請求項３に記載のメタン製造装置は、
複数の前記反応器を備えており、
前記原料ガス供給部は、前記原料ガスの供給先を切替え可能であり、
前記水素供給部は、前記水素の供給先を切替え可能であり、
前記制御部は、前記原料ガスを供給させた反応器に対して、前記水素を供給させる、
メタン製造装置。
【請求項６】
メタン製造装置の制御方法であって、
前記メタン製造装置は、メタン化触媒性能および窒素酸化物浄化触媒性能を有する金属元素と、二酸化炭素吸蔵性能および窒素酸化物吸蔵性能を有する金属化合物と、を含む触媒を収容する反応器と、
二酸化炭素を含有する原料ガスが前記反応器内を第１方向に流れるように、前記原料ガスを供給可能な原料ガス供給部と、
水素が前記反応器内を、前記第１方向と異なる第２方向に流れるように、前記水素を供給可能な水素供給部と、を備えており、
前記原料ガス供給部を制御して、前記原料ガスが前記反応器内を前記第１方向に流れるように、前記原料ガスを供給させた後、前記水素供給部を制御して、前記水素が前記反応器内を、前記第２方向に流れるように、前記水素を供給させる、メタン製造装置の制御方法。
【請求項７】
メタン製造方法であって、
メタン化触媒性能を有する金属元素と、二酸化炭素吸蔵性能を有する金属化合物と、を含む触媒を収容する反応器に対して、二酸化炭素を含有する原料ガスが前記反応器内を第１方向に流れるように、前記原料ガスを供給する第１原料ガス供給工程と、
水素が前記反応器内を、前記第１方向と異なる第２方向に流れるように、前記水素を供給する第２水素供給工程と、を備える、
メタン製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載のメタン製造方法は、さらに、
前記原料ガスが前記反応器内を前記第２方向に流れるように、前記原料ガスを供給する第２原料ガス供給工程と、
水素が前記反応器内を前記第１方向に流れるように、前記水素を供給する第１水素供給工程と、を備え、
前記第１原料ガス供給工程の後に前記第１水素供給工程を行うサイクルと、前記第２原料ガス供給工程の後に前記第２水素供給工程を行うサイクルを、交互に行う、
メタン製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載のメタン製造方法は、さらに、
水素が前記反応器内を前記第１方向に流れるように、前記水素を供給する第１水素供給工程を備え、
前記第１原料ガス供給工程の後に前記第１水素供給工程を行うサイクルと、前記第１原料ガス供給工程の後に前記第２水素供給工程を行うサイクルを、交互に行う、
メタン製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン製造装置、メタン製造装置の制御方法、および、メタン製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水素Ｈ2と二酸化炭素ＣＯ2からメタンＣＨ4を製造する技術が知られている（特許文献１〜３、および、非特許文献１、２参照）。例えば、特許文献１には、ＣＯ2を触媒に吸着・吸蔵させた後、Ｈ2を供給し、触媒反応によりメタンへと還元変換する技術が開示されている。また、特許文献２には、３００〜４００℃の温度範囲でフェライトにＣＯ2とＨ2を通じることによってフェライト表面に炭素を析出させ、その後、ＣＯ2を供給せずにＨ2中でフェライトを６００℃以上に昇温することによって析出した炭素をメタンに変換する技術が開示されている。また、特許文献３には、フェライト系鉄酸化物結晶中の酸素Ｏ2を取り除いて得られる活性化フェライト系鉄酸化物にＣＯ2含有ガスを接触させるＣＯ2分解工程と、ＣＯ2分解工程で得られた活性化フェライト系鉄酸化物にＨ2含有するガスを接触させるメタン製造工程と、を交互に繰り返す技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／００７８２５号パンフレット
【特許文献２】特開平５−１９３９２０号公報
【特許文献３】特開平９−１１０７３１号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Applied catalysis B: environmental, 168-169（2015）,370-376
【非特許文献２】Catalysts, 2017, 7, 88
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、地球温暖化抑制のために、燃焼排ガスやバイオガス等に含まれるＣＯ2をメタン化することによって、ＣＯ2排出量の削減を図る技術の向上が望まれている。しかしながら、上記先行技術によっても、ＣＯ2からメタンを効率よく製造する技術については、なお、改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、ＣＯ2を含むガスとＨ2からメタンを製造するメタン製造装置において、メタンの製造効率の向上を図る技術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】
本発明は、上述の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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００８】
（１）本発明の一形態によれば、二酸化炭素と水素からメタンを製造するメタン製造装置が提供される。このメタン製造装置は、メタン化触媒性能を有する金属元素と、二酸化炭素吸蔵性能を有する金属化合物と、を含む触媒を収容する反応器と、二酸化炭素を含有する原料ガスが前記反応器内を第１方向に流れるように、前記原料ガスを供給可能な原料ガス供給部と、水素が前記反応器内を、前記第１方向と異なる第２方向に流れるように、前記水素を供給可能な水素供給部と、を備える。
【０００９】
この構成によれば、原料ガスが反応器内を流れる方向と、水素が反応器内を流れる方向が異なる。そのため、反応器に対して原料ガスを供給して原料ガス中の二酸化炭素を触媒に吸蔵させた後、反応器に水素を供給して、触媒に吸蔵された二酸化炭素をメタン化させる場合に、メタン化されず触媒に残留する二酸化炭素の量を減らすことができ、二酸化炭素の蓄積による触媒の活性低下を抑制することができる。また、触媒に吸蔵された二酸化炭素が、水素の供給により離脱する量を低減することができる。その結果、メタンの純度を向上させることができ、メタンの製造効率を向上させることができる。
【００１０】
（２）上記形態のメタン製造装置において、前記水素供給部は、さらに、前記水素が前記反応器内を前記第１方向に流れるように、前記水素を供給可能であり、前記メタン製造装置は、さらに、前記水素が前記反応器内を流れる方向を、前記第１方向と、前記第２方向と、に切替えさせる制御部を、備えてもよい。このようにすると、メタン製造装置において。例えば、原料ガスを第１方向に流れるように供給した後に、水素を第１方向に流れるように供給するサイクルと、原料ガスを第１方向に流れるように供給した後に、水素を第２方向に流れるように供給するサイクルと、を交互に繰り返し行うことができる。このようにすると、さらに、二酸化炭素の蓄積による触媒の活性低下を抑制することができる。
【００１１】
（３）上記形態のメタン製造装置において、前記原料ガス供給部は、さらに、前記原料ガスが前記反応器内を前記第２方向に流れるように、前記原料ガスを供給可能であり、前記制御部は、前記反応器内の前記原料ガスおよび前記水素の流れを、それぞれ、前記第１方向に設定して、前記原料ガスおよび前記水素を供給させた後、前記反応器内の前記原料ガスおよび前記水素の流れを、それぞれ、前記第２方向に切替えて、前記原料ガスおよび前記水素を供給させてもよい。このようにしても、二酸化炭素の蓄積による触媒の活性低下を抑制することができる。
【００１２】
（４）上記形態のメタン製造装置において、前記第２方向は、前記第１方向の逆方向でもよい。このようにすると、例えば、反応器において、第１ガス入出口と第２ガス入出口を形成し、第１ガス入出口から第２ガス入出口へのガスの流れを第１方向とし、第２ガス入出口から第１ガス入出口へのガス流れを第２方向とすることにより、容易に反応器内のガスの流れを変更することができる。そのため、メタン製造装置の構成を簡素化することができ、メタン製造装置を容易に製造することができる。
【００１３】
（５）上記形態のメタン製造装置は、複数の前記反応器を備えており、前記原料ガス供給部は、前記原料ガスの供給先を切替え可能であり、前記水素供給部は、前記水素の供給先を切替え可能であり、前記制御部は、前記原料ガスを供給させた反応器に対して、前記水素を供給させてもよい。この構成によれば、原料ガスを連続的に継続して反応器に供給することができる。そのため、メタンの製造効率を向上させることができ、メタンの製造コストの低減を図ることができる。
【００１４】
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、メタン製造装置の制御方法、この制御方法をコンピュータに実行させるコンピュータプログラム、メタン製造方法、メタン製造装置の製造方法、メタン化触媒システム、二酸化炭素回収装置などの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態におけるメタン製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施形態のメタン製造処理を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態のメタン製造処理のステップＳ１０６におけるガスの流通状態を示す説明図である。
【図４】第１実施形態のメタン製造処理のステップＳ１２４におけるガスの流通状態を示す説明図である。
【図５】第２実施形態におけるメタン製造処理を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態のメタン製造処理のステップＳ２０６におけるガスの流通状態を示す説明図である。
【図７】第２実施形態のメタン製造処理のステップＳ２１４におけるガスの流通状態を示す説明図である。
【図８】評価試験の結果を示す図である。
【図９】メタン生成量を棒グラフで示す図である。
【図１０】二酸化炭素脱離量を棒グラフで示す図である。
【図１１】触媒の位置と二酸化炭素吸蔵量との関係を概念的示す説明図である。
【図１２】ガス流の方向を変化させた場合の二酸化炭素吸蔵量を概念的に示す説明図である。
【図１３】ガス流の方向を変化させた場合の二酸化炭素吸蔵量を概念的に示す説明図である。
【図１４】第３実施形態におけるメタン製造装置の概略構成を示す説明図である。
【図１５】第３実施形態におけるメタン製造処理を示すフローチャートである。
【図１６】第３実施形態の製造処理のステップＳ１０６におけるガスの流通状態を示す説明図である。
【図１７】第３実施形態のメタン製造処理のステップＳ１３６におけるガスの流通状態を示す説明図である。
【図１８】変形例のメタン製造装置における第１方向および第２方向を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態におけるメタン製造装置１の概略構成を示す説明図である。メタン製造装置１は、反応器１０と、水素供給源２０と、パージガス供給源３０と、制御部９０と、を備える。メタン製造装置１は、二酸化炭素を含む原料ガスの供給源と接続されており、原料ガスと水素からメタンを製造する。
【００１７】
反応器１０は、内部においてメタネーション反応によりメタンを生成するための容器であり、内部に触媒１１が収容されている。触媒１１は、メタン化触媒性能を有する金属元素と、二酸化炭素吸蔵性能を有する金属化合物と、を含んでいる。メタン化触媒性能を有する金属元素としては、例えば、ＲｕやＮｉ，Ｃｏ，Ｆｅを例示することができる。二酸化炭素吸蔵性能を有する金属化合物としては、例えば、ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｎａ2Ｏなどのアルカリ土類金属化合物、アルカリ金属化合物を例示することができる。触媒１１には、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，ＴｉＯ2などの担体が含まれていてもよい。このような触媒は、「ＣＯ2吸蔵還元型触媒」とも呼ばれる。
【００１８】
反応器１０は、円筒状の円筒部と、円筒部の両端に形成された略半球状のドーム部を備える。反応器１０の長手方向の両端であって、両ドーム部の先端に、互いに対向して、第１ガス入出口１２と第２ガス入出口１３とが形成されている。第１ガス入出口１２および第２ガス入出口１３は、パージガス、原料ガス、および水素が供給されたり、メタネーション反応により生成されたメタンを含む反応混合ガス等が取り出される開口部である。第１ガス入出口１２には、第１ガス給排管７１が接続されており、第２ガス入出口１３には、第２ガス給排管７２が接続されている。後に詳述するように、メタン製造装置１は、複数のバルブを切替えることにより、第１ガス入出口１２および第２ガス入出口１３を通過するガスを切替え可能に構成されている。反応器１０の内部において、第１ガス入出口１２から第２ガス入出口１３へ向かう方向を、「第１方向Ｄ１」と呼び、第２ガス入出口１３から第１ガス入出口１２へ向かう方向を、「第２方向Ｄ２」と呼ぶ。すなわち、本実施形態において、第２方向Ｄ２は、第１方向Ｄ１の逆方向である。図１において、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２の方向を、矢印で示す。
【００１９】
原料ガスの供給源は、ＣＯ2およびＯ2を含有する原料ガスを供給可能な供給源であり、例えば燃焼炉や原料ガスタンクによって構成される。なお、原料ガスは、ＣＯ2、Ｏ2の他に、ＮＯX、Ｎ2、Ｈ2０等を含んでいてもよい。ＮＯXは、例えば、ＮＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ4を含む。
【００２０】
原料ガスの供給源と接続された原料ガス供給管４０は、三方弁４３を介して第１原料ガス供給管４１および第２原料ガス供給管４２と接続されている。第１原料ガス供給管４１は、第１ガス供給管４４および第１ガス給排管７１を介して反応器１０と接続されている。一方、第２原料ガス供給管４２は、第２ガス供給管４５および第２ガス給排管７２を介して反応器１０と接続されている。三方弁４３によって原料ガス供給管４０と第１原料ガス供給管４１が接続されると、原料ガスは、原料ガス供給管４０、第１原料ガス供給管４１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を介して、第１ガス入出口１２から反応器１０へ供給される。この経路を、以下、「第１原料ガス供給経路」とも呼ぶ。原料ガスが、第１原料ガス供給経路を通って反応器１０に供給されると、原料ガスは、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れて、第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出る。一方、三方弁４３によって原料ガス供給管４０と第２原料ガス供給管４２が接続されると、原料ガスは、原料ガス供給管４０、第２原料ガス供給管４２、第２ガス供給管４５、第２ガス給排管７２を介して、第２ガス入出口１３から反応器１０へ供給される。この経路を、以下、「第２原料ガス供給経路」とも呼ぶ。原料ガスが、第２原料ガス供給経路を通って反応器１０に供給されると、原料ガスは、反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れて、第１ガス入出口１２を介して第１ガス給排管７１に出る。本実施形態における原料ガス供給管４０、第１原料ガス供給管４１、第２原料ガス供給管４２、三方弁４３、第１ガス供給管４４、第２ガス供給管４５、第１ガス給排管７１、第２ガス給排管７２、三方弁７３、および三方弁７４を併せて、「原料ガス供給部」とも呼ぶ。
【００２１】
水素供給源２０は、Ｈ2を供給可能な装置であって、例えば、水電解装置や水素タンクによって構成される。水素供給源２０と接続された水素供給管６０は、三方弁６３を介して第１水素供給管６１および第２水素供給管６２と接続されている。第１水素供給管６１は、第１ガス供給管４４および第１ガス給排管７１を介して反応器１０と接続されている。一方、第２水素供給管６２は、第２ガス供給管４５および第２ガス給排管７２を介して反応器１０と接続されている。三方弁６３によって水素供給管６０と第１水素供給管６１が接続されると、水素は、水素供給管６０、第１水素供給管６１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を介して、第１ガス入出口１２から反応器１０へ供給される。この経路を、以下、「第１水素供給経路」とも呼ぶ。水素が、第１水素供給経路を通って反応器１０に供給されると、水素は、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れて、第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出る。一方、三方弁６３によって水素供給管６０と第２水素供給管６２が接続されると、水素は、水素供給管６０、第２水素供給管６２、第２ガス供給管４５、第２ガス給排管７２を介して、第２ガス入出口１３から反応器１０へ供給される。この経路を、以下、「第２水素供給経路」とも呼ぶ。水素が、第２水素供給経路を通って反応器１０に供給されると、水素は、反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れて、第１ガス入出口１２を介して第１ガス給排管７１に出る。本実施形態における水素供給源２０、水素供給管６０、第１水素供給管６１、第２水素供給管６２、三方弁６３、第１ガス供給管４４、第２ガス供給管４５、第１ガス給排管７１、第２ガス給排管７２、三方弁７３、および三方弁７４を併せて、「水素供給部」とも呼ぶ。
【００２２】
パージガス供給源３０は、パージガスを供給可能な装置であって、例えば、パージガスタンクによって構成される。パージガスとして、例えば、ヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガスを用いることができる。パージガス供給源３０と接続されたパージガス供給管５０は、三方弁５３を介して第１パージガス供給管５１および第２パージガス供給管５２と接続されている。第１パージガス供給管５１は、第１ガス供給管４４および第１ガス給排管７１を介して反応器１０と接続されている。一方、第２パージガス供給管５２は、第２ガス供給管４５および第２ガス給排管７２を介して反応器１０と接続されている。三方弁５３によってパージガス供給管５０と第１パージガス供給管５１が接続されると、パージガスは、パージガス供給管５０、第１パージガス供給管５１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を介して、第１ガス入出口１２から反応器１０へ供給される。この経路を、以下、「第１パージガス供給経路」とも呼ぶ。パージガスが、第１パージガス供給経路を通って反応器１０に供給されると、パージガスは、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れて、第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出る。一方、三方弁５３によってパージガス供給管５０と第２パージガス供給管５２が接続されると、パージガスは、パージガス供給管５０、第２パージガス供給管５２、第２ガス供給管４５、第２ガス給排管７２を介して、第２ガス入出口１３から反応器１０へ供給される。この経路を、以下、「第２パージガス供給経路」とも呼ぶ。パージガスが、第２パージガス供給経路を通って反応器１０に供給されると、パージガスは、反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れて、第１ガス入出口１２を介して第１ガス給排管７１に出る。
【００２３】
第１ガス給排管７１は、三方弁７３を介して第１ガス排出管８１と接続されている。また、第１ガス給排管７１は、第１ガス給排管７１上に設けられた三方弁８５を介して第３ガス排出管８３と接続されており、第３ガス排出管８３は、第２ガス排出管８２上に設けられた三方弁８８を介して第２ガス排出管８２に接続されている。第１ガス給排管７１および第１ガス排出管８１で構成される、ガスの流通経路を、「第１排出経路」とも呼ぶ。第１ガス給排管７１、第３ガス排出管８３、および第２ガス排出管８２で構成される、ガスの流通経路を、「第３排出経路」とも呼ぶ。
【００２４】
第２ガス給排管７２は、三方弁７４を介して第２ガス排出管８２と接続されている。また、第２ガス給排管７２は、第２ガス給排管７２上に設けられた三方弁８６を介して第４ガス排出管８４と接続されており、第４ガス排出管８４は、第１ガス排出管８１上に設けられた三方弁８７を介して第１ガス排出管８１に接続されている。第２ガス給排管７２および第２ガス排出管８２で構成される、ガスの流通経路を、「第２排出経路」とも呼ぶ。第２ガス給排管７２、第４ガス排出管８４、および第１ガス排出管８１で構成される、ガスの流通経路を、「第４排出経路」とも呼ぶ。第１排出経路および第４排出経路を流通したガスは、メタン製造装置１の外部に排出される。一方、第２排出経路および第３排出経路を流通したガス中のメタンは、取出される。
【００２５】
制御部９０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、およびＣＰＵを含んで構成されるコンピュータであり、メタン製造装置１の全体の制御をおこなう。制御部９０は、１３個の三方弁４３、５３、５４、５５、６３、６４、６５、７３、７４、８５、８６、８７、８８と電気的に接続され、各三方弁の切替え制御をおこなう。各三方弁の切替えを含む制御部９０のメタン製造処理については後述する。
【００２６】
図２〜図４を用いて、第１実施形態における制御部９０のメタン製造処理Ｓ１００について説明する。図２は、第１実施形態のメタン製造処理を示すフローチャートである。図３は、第１実施形態のメタン製造処理のステップＳ１０６〜１２０におけるガスの流通状態を示す説明図である。図４は、第１実施形態のメタン製造処理のステップＳ１２４〜１３８におけるガスの流通状態を示す説明図である。本実施形態のメタン製造処理では、後述するように、ガス（パージガス、原料ガス、および水素）が反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように、ガスを供給してメタンを製造する処理と、ガス（パージガス、原料ガス、および水素）が反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように、ガスを供給してメタンを製造する処理と、を交互に繰り返す。
【００２７】
メタン製造装置１が起動され、メタン製造処理開始の指示が入力されると、図２に示すように、制御部９０は、時刻Ｔ＝０に設定する（ステップＳ１０２）。次に、制御部９０は、パージガスが反応器１０内を第１方向Ｄ１（図３において、矢印Ｄ１として図示）に流れるように、各三方弁を設定し、パージガスを供給させる（ステップＳ１０６）。具体的には、制御部９０は、三方弁５３（図３）を介してパージガス供給管５０と第１パージガス供給管５１を接続し、三方弁５４を介して第１パージガス供給管５１と第１ガス供給管４４を接続し、三方弁７３を介して第１ガス供給管４４と第１ガス給排管７１を接続する。このとき、三方弁４３および三方弁６３は、閉状態であり、第１水素供給管６１は第１ガス供給管４４に接続されておらず、第１ガス供給管４４は第１ガス排出管８１に接続されていない。また、制御部９０は、三方弁８６を介して、第２ガス給排管７２と第４ガス排出管８４とを接続するとともに、三方弁８７を介して第４ガス排出管８４と第１ガス排出管８１とを接続する。
【００２８】
図３において、ステップＳ１０６におけるパージガスの流れを、斜線ハッチングを付した矢印で示す。ステップＳ１０６の処理によって、パージガスは、パージガス供給管５０、第１パージガス供給管５１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。すなわち、上述の第１パージガス供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、パージガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れて、反応器１０の中のガスを、反応器１０の第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出す。第２ガス給排管７２に出てきたガスは、第４ガス排出管８４、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。すなわち、反応器１０から出てきたガスは、上述の第４排出経路を流通する。ステップＳ１０６の処理によって、反応器１０内のガスが排出され、パージガスに置換される。反応器１０内のガスは、例えば、大気、メタン混合ガス等である。
【００２９】
図２に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ１１以上になるまでパージガスを供給させ続け（ステップＳ１０８：ＮＯ）、時刻ＴがＴ１１以上になると、三方弁５３（図３）を閉状態にし、パージガスの供給を停止させ、ステップＳ１１０へ進む（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）。本実施形態では、Ｔ１１を３分に設定している。
【００３０】
ステップＳ１１０において、制御部９０は、原料ガスが、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように、各三方弁を設定し、原料ガスを供給させる。具体的には、三方弁４３（図３）を切替えて原料ガス供給管４０と第１原料ガス供給管４１を接続し、三方弁５４を切替えて第１原料ガス供給管４１と第１ガス供給管４４を接続すると共に、第１パージガス供給管５１と第１ガス供給管４４とを切断する。本実施形態のメタン製造処理におけるステップＳ１１０を、「第１原料ガス供給工程」とも呼ぶ。
【００３１】
図３において、ステップＳ１１０における原料ガスの流れを、白抜き矢印で示す。ステップＳ１１０の処理によって、原料ガスは、原料ガス供給管４０、第１原料ガス供給管４１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。すなわち、原料ガスは、上述の第１原料ガス供給経路を通って、反応器１０に供給される。原料ガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れつつ、原料ガス中の二酸化炭素が触媒１１に吸蔵され、残りのガスが反応器１０の第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出てくる。第２ガス給排管７２に出てきたガスは、第４ガス排出管８４、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。すなわち、反応器１０から出てきたガスは、上述の第４排出経路を流通する。ステップＳ１１０の処理によって、反応器１０内の触媒１１に、原料ガス中の二酸化炭素が吸蔵される。
【００３２】
図２に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ１２以上になるまで原料ガスを供給させ続け（ステップＳ１１２：ＮＯ）、時刻ＴがＴ１２以上になると、三方弁４３（図３）を閉状態にし、原料ガスの供給を停止させ、ステップＳ１１４へ進む（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）。本実施形態では、Ｔ１２を３分に設定している。
【００３３】
ステップＳ１１４において、制御部９０は、パージガスが、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように、各三方弁を設定し、パージガスを供給させる。具体的には、三方弁５３（図３）を切替えてパージガス供給管５０と第１パージガス供給管５１を接続し、三方弁５４を切替えて第１パージガス供給管５１と第１ガス供給管４４を接続すると共に、第１原料ガス供給管４１と第１ガス供給管４４を切断する。これにより、パージガスの供給経路は、上述したステップＳ１０６と同じ、第１パージガス供給経路になる。ステップＳ１１４において、反応器１０から出てきたガスの流通経路は、ステップＳ１０６と同じく、第４排出経路になる。
【００３４】
ステップＳ１１４の処理によって、パージガスは、図３に示すように、パージガス供給管５０、第１パージガス供給管５１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。すなわち、上述のステップＳ１０６の処理におけるパージガスの流れと同様に、第１パージガス供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、パージガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れて、反応器１０の中に残存する原料ガス、酸素、窒素等のガスを、反応器１０の第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出す。第２ガス給排管７２に出てきたガスは、第４ガス排出管８４、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。すなわち、反応器１０から出てきたガスは、上述の第４排出経路を流通する。ステップＳ１１４の処理によって、反応器１０内のガスが排出され、パージガスに置換される。
【００３５】
図２に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ１３以上になるまでパージガスを供給させ続け（ステップＳ１１６：ＮＯ）、時刻ＴがＴ１３以上になると、三方弁５３（図３）を閉状態にし、パージガスの供給を停止させ、ステップＳ１１８へ進む（ステップＳ１１６：ＹＥＳ）。本実施形態では、Ｔ１３を３分に設定している。
【００３６】
ステップＳ１１８において、制御部９０は、水素が、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように、各三方弁を設定し、水素を供給させる。具体的には、三方弁６３（図３）を切替えて水素供給管６０と第１水素供給管６１を接続し、三方弁６４を切替えて第１水素供給管６１と第１ガス供給管４４を接続すると共に、第１パージガス供給管５１と第１ガス供給管４４を切断する。また、三方弁８６を切替えて、第２ガス給排管７２と第４ガス排出管８４を切断し、三方弁７４を介して第２ガス給排管７２と第２ガス排出管８２を接続する。このとき、第３ガス排出管８３は第２ガス排出管８２に接続されていない。本実施形態のメタン製造処理におけるステップＳ１１８を、「第１水素供給工程」とも呼ぶ。
【００３７】
図３において、ステップＳ１１８における水素の流れを、黒塗り矢印で示す。ステップＳ１１８の処理によって、水素は、水素供給管６０、第１水素供給管６１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。すなわち、上述の第１水素供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、水素は、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れつつ、触媒１１に吸蔵された二酸化炭素をメタン化する。二酸化炭素のメタン化によって生成されたメタンと、未反応の水素を含む反応混合ガスは、反応器１０の第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出てくる。反応混合ガスは、第２ガス給排管７２、および第２ガス排出管８２を介して取り出される。すなわち、反応混合ガスは、上述の第２排出経路を流通する。ステップＳ１１８の処理によって、メタンが製造され、取出される。図３において、ステップＳ１１８における反応混合ガスの流れを、クロスハッチングを付した矢印で示す。
【００３８】
図２に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ１４以上になるまで水素を供給させ続け（ステップＳ１２０：ＮＯ）、時刻ＴがＴ１４以上になると、三方弁６３を閉状態にし、水素の供給を停止させ、ステップＳ１２４へ進む（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）。本実施形態では、Ｔ１４を１分３０秒に設定している。本実施形態のメタン製造処理では、ステップＳ１０６〜１２０の処理では、ガス（パージガス、原料ガス、および水素）が反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように、ガスを供給する。
【００３９】
ステップＳ１２４において、制御部９０は、パージガスが、反応器１０内を第２方向Ｄ２（図４において、矢印Ｄ２として図示）に流れるように、各三方弁を設定し、パージガスを供給させる。具体的には、三方弁５３（図４）を介してパージガス供給管５０と第２パージガス供給管５２を接続し、三方弁５５を介して第２パージガス供給管５２と第２ガス供給管４５を接続し、三方弁７４を介して第２ガス供給管４５と第２ガス給排管７２を接続する。このとき、三方弁４３および三方弁６３は、閉状態であり、第２原料ガス供給管４２および第２水素供給管６２は第２ガス供給管４５に接続されておらず、第２ガス供給管４５は第２ガス排出管８２に接続されていない。また、制御部９０は、三方弁７３を切替えて、第１ガス給排管７１と第１ガス排出管８１とを接続する。
【００４０】
図４において、ステップＳ１２４におけるパージガスの流れを、斜線ハッチングを付した矢印で示す。ステップＳ１２４の処理によって、パージガスは、パージガス供給管５０、第２パージガス供給管５２、第２ガス供給管４５、第２ガス給排管７２を通って、反応器１０の第２ガス入出口１３から反応器１０に供給される。すなわち、上述の第２パージガス供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、パージガスは、反応器１０の中を第２方向Ｄ２に流れて、反応器１０の中のガス（反応混合ガス）を、反応器１０の第１ガス入出口１２を介して第１ガス給排管７１に出す。第１ガス給排管７１に出てきたガスは、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。すなわち、反応器１０から出てきたガスは、上述の第１排出経路を流通する。これによって、反応器１０内のガス（反応混合ガス）が排出され、パージガスに置換される。
【００４１】
図２に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ２１以上になるまでパージガスを供給させ続け（ステップＳ１２６：ＮＯ）、時刻ＴがＴ２１以上になると、三方弁５３を閉状態にし、パージガスの供給を停止させ、ステップＳ１２８へ進む（ステップＳ１２６：ＹＥＳ）。本実施形態では、Ｔ２１を３分に設定している。
【００４２】
ステップＳ１２８において、制御部９０は、原料ガスが、反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように、各三方弁を設定し、原料ガスを供給させる。具体的には、三方弁４３（図４）を切替えて原料ガス供給管４０と第２原料ガス供給管４２を接続し、三方弁５５を切替えて第２原料ガス供給管４２と第２ガス供給管４５を接続すると共に、第２パージガス供給管５２と第２ガス供給管４５とを切断する。本実施形態のメタン製造処理におけるステップＳ１２８を、「第２原料ガス供給工程」とも呼ぶ。
【００４３】
図４において、ステップＳ１２８における原料ガスの流れを、白抜き矢印で示す。ステップＳ１２８の処理によって、原料ガスは、原料ガス供給管４０、第２原料ガス供給管４２、第２ガス供給管４５、第２ガス給排管７２を通って、反応器１０の第２ガス入出口１３から反応器１０に供給される。すなわち、上述の第２原料ガス供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、原料ガスは、反応器１０の中を第２方向Ｄ２に流れつつ、原料ガス中の二酸化炭素が触媒１１に吸蔵されて、残りのガスが反応器１０の第１ガス入出口１２を介して第１ガス給排管７１に出てくる。第１ガス給排管７１に出てきたガスは、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。すなわち、反応器１０から出てきたガスは、第１排出経路を流通する。ステップＳ１２８の処理によって、反応器１０内の触媒１１に、原料ガス中の二酸化炭素が吸蔵される。
【００４４】
図２に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ２２以上になるまで原料ガスを供給させ続け（ステップＳ１３０：ＮＯ）、時刻ＴがＴ２２以上になると、三方弁４３を閉状態にし、原料ガスの供給を停止させ、ステップＳ１３２へ進む（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）。本実施形態では、Ｔ２２を３分に設定している。
【００４５】
ステップＳ１３２において、制御部９０は、パージガスが、反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように、各三方弁を設定し、パージガスを供給させる。具体的には、三方弁５３（図４）を切替えてパージガス供給管５０と第２パージガス供給管５２を接続し、三方弁５５を切替えて第２パージガス供給管５２と第２ガス供給管４５を接続すると共に、第２原料ガス供給管４２と第２ガス供給管４５を切断する。これにより、パージガスの供給経路は、上述したステップＳ１２４と同じ、第２パージガス供給経路になる。ステップＳ１３２において、反応器１０から出てきたガスの流通経路は、ステップＳ１２４と同じく、第１排出経路になる。
【００４６】
ステップＳ１３２の処理によって、パージガスは、図４に示すように、パージガス供給管５０、第２パージガス供給管５２、第２ガス供給管４５、第２ガス給排管７２を通って、反応器１０の第２ガス入出口１３から反応器１０に供給される。すなわち、上述のステップＳ１２４の処理におけるパージガスの流れと同様に、第２パージガス供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、パージガスは、反応器１０の中を第２方向Ｄ２に流れて、反応器１０の中に残存する原料ガス、酸素、窒素等のガスを、反応器１０の第１ガス入出口１２を介して第１ガス給排管７１に出す。第１ガス給排管７１に出てきたガスは、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。すなわち、反応器１０から出てきたガスは、第１排出経路を流通する。ステップＳ１３２の処理よって、反応器１０内のガスが排出され、パージガスに置換される。
【００４７】
図２に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ２３以上になるまでパージガスを供給させ続け（ステップＳ１３４：ＮＯ）、時刻ＴがＴ２３以上になると、三方弁５３を閉状態にし、パージガスの供給を停止させ、ステップＳ１３６へ進む（ステップＳ１３４：ＹＥＳ）。本実施形態では、Ｔ２３を３分に設定している。
【００４８】
ステップＳ１３６において、制御部９０は、水素が反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように、各三方弁を設定し、水素を供給させる。具体的には、三方弁６３（図４）を切替えて水素供給管６０と第２水素供給管６２を接続し、三方弁６５を切替えて第２水素供給管６２と第２ガス供給管４５を接続すると共に、三方弁５５を閉状態にする。また、三方弁８５を切替えて、第１ガス給排管７１と第３ガス排出管８３を接続するとともに、三方弁８８を介して第３ガス排出管８３と第２ガス排出管８２を接続する。
【００４９】
図４において、ステップＳ１３６における水素の流れを、黒塗り矢印で示す。ステップＳ１３６の処理によって、水素は、水素供給管６０、第２水素供給管６２、第２ガス供給管４５、第２ガス給排管７２を通って、反応器１０の第２ガス入出口１３から反応器１０に供給される。すなわち、上述の第２水素供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、水素は、反応器１０の中を第２方向Ｄ２に流れつつ、触媒１１に吸蔵された二酸化炭素をメタン化する。二酸化炭素のメタン化によって生成されたメタンと、未反応の水素を含む反応混合ガスは、反応器１０の第１ガス入出口１２を介して第１ガス給排管７１に出てくる。反応混合ガスは、第１ガス給排管７１、第３ガス排出管８３、および第２ガス排出管８２を介して取り出される。すなわち、反応混合ガスは、上述の第３排出経路を流通する。ステップＳ１３６の処理によって、メタンが製造され、取出される。図４において、ステップＳ１３６における反応混合ガスの流れを、クロスハッチングを付した矢印で示す。本実施形態のメタン製造処理におけるステップＳ１３６を、「第２水素供給工程」とも呼ぶ。
【００５０】
図２に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ２４以上になるまで水素を供給させ続け（ステップＳ１３８：ＮＯ）、時刻ＴがＴ２４以上になると、三方弁６３を閉状態にし、水素の供給を停止させ、ステップＳ１０２へ戻る（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）。本実施形態では、Ｔ２４を１分３０秒に設定している。本実施形態のメタン製造処理では、ステップＳ１２４〜１３８の処理では、ガス（パージガス、原料ガス、および水素）が反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように、ガスを供給する。メタン製造装置１は、メタン製造処理の終了指示が入力されるまで、ステップＳ１０２〜Ｓ１３８を、繰り返し実行する。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態のメタン製造装置１は、パージガス、原料ガス、および水素、それぞれが、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように供給可能に構成されると共に、パージガス、原料ガス、および水素、それぞれが、反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように供給可能に構成されている。そして、制御部９０は、メタン製造処理において、ステップＳ１０６〜Ｓ１２０では、パージガス、原料ガス、および水素、それぞれが、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように供給させ、ステップＳ１２４〜Ｓ１３８では、パージガス、原料ガス、および水素、それぞれが、反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように、供給させている。
【００５２】
１つの反応器内で、原料ガスによる二酸化炭素の吸蔵と、吸蔵された二酸化炭素の水素によるメタン化処理を繰り返し行う際、二酸化炭素のメタン化に理論的に過不足ない量の水素を供給することにより、メタンの製造効率を向上させることが検討されている。このように二酸化炭素のメタン化に理論的に過不足ない量の水素を供給しても、反応器内の触媒に吸蔵された二酸化炭素が全てはメタン化されず、触媒に二酸化炭素が残存し、メタンの製造処理を繰り返し行ううちに触媒に二酸化炭素が蓄積して、触媒の活性が低下する場合がある。本願発明者らは、反応器内の水素の流れの下流において、触媒への二酸化炭素の蓄積が多くなることを見出した。これに対し、本実施形態のメタン製造装置１によれば、上述の通り、反応器１０内をガスが第１方向Ｄ１と、第２方向のいずれにも流れるように供給可能に構成されている。そのため、例えば、メタン製造処理におけるステップＳ１１８（図２）の水素の供給時に、反応器１０内の触媒１１のうち、第２ガス入出口１３の近傍に吸蔵された二酸化炭素がメタン化されず触媒１１に残留したとしても、ステップ１３６の水素供給時に、第２ガス入出口１３から水素が供給されるため、触媒１１の第２ガス入出口１３近傍に残留した二酸化炭素をメタン化することができる。そのため、メタン化されず触媒に残留する二酸化炭素の量を減らすことができ、二酸化炭素の蓄積による触媒の活性低下を抑制することができる。その結果、メタンの純度を向上させることができ、メタンの製造効率を向上させることができる。
【００５３】
また、本実施形態のメタン製造処理では、パージガスの供給→原料ガスの供給→パージガスの供給→水素の供給を１サイクルとして、１サイクル毎に、反応器１０内のガスの流れを、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２との間で切替えている。そのため、原料ガスの供給により触媒１１に吸蔵された二酸化炭素が、パージガスの供給および水素の供給により離脱する領域がサイクル毎に変わり、二酸化炭素の離脱量を減少させることができる。また、二酸化炭素が離脱する領域をサイクル毎に変えることにより、触媒１１への二酸化炭素の蓄積を抑制し、触媒１１の活性低下を抑制することができる。その結果、メタンの製造効率を向上させることができる。
【００５４】
また、本実施形態のメタン製造装置１は、第２方向Ｄ２が第１方向Ｄ１の逆方向になるように構成されている。すなわち、第１方向Ｄ１の下流に相当し、触媒に残存した二酸化炭素量が多い箇所が、第２方向Ｄ２の上流に相当するため、水素を第１方向に流した際に触媒に残存した二酸化炭素を、水素を第２方向に流した際にメタン化して、触媒から除去することができ、触媒への二酸化炭素の蓄積を、効率的に抑制することができる。
【００５５】
また、本実施形態のメタン製造装置１では、パージガス供給源３０を備えるため、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１、第２ガス供給管４５、および第２ガス給排管７２を、原料ガスおよび水素の供給経路として共用することができる。その結果、メタン製造装置１を小型化することができる。
【００５６】
また、本実施形態のメタン製造装置１では、パージガス供給源３０を備えるため、反応器１０内に存在する酸素を反応器１０から排出させることができ、触媒１１の酸化による触媒性能の劣化を抑制することができる。その結果、メタンの製造効率を向上させることができる。
【００５７】
＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態におけるメタン製造処理を示すフローチャートである。第２実施形態では、第１実施形態のメタン製造装置１における制御部９０が行うメタン製造処理が異なる形態を例示する。第１実施形態と同一の処理（ステップ）には、同一の符号を付して、先行する説明を参照する。
【００５８】
図５〜図７を用いて、第２実施形態における制御部９０のメタン製造処理Ｓ２００について説明する。図６は、第２実施形態のメタン製造処理のステップＳ１０６〜１１２におけるガスの流通状態を示す説明図である。図７は、第２実施形態のメタン製造処理のステップＳ１３２〜Ｓ１３８におけるガスの流通状態を示す説明図である。
【００５９】
図５に示すように、本実施形態のメタン製造処理では、制御部９０は、第１実施形態のメタン製造処理（図２）のステップＳ１０２〜Ｓ１１２を実行した後、第１実施形態のステップＳ１３２〜Ｓ１３８を実行する。
【００６０】
本実施形態では、図６に示すように、原料ガスを供給する前は、パージガスは、パージガス供給管５０、第１パージガス供給管５１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。すなわち、上述の第１パージガス供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、パージガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れる（図６において、ステップＳ１０６におけるパージガスの流れを、斜線ハッチングを付した矢印で示す。）。そして、原料ガスは、原料ガス供給管４０、第１原料ガス供給管４１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。すなわち、原料ガスは、上述の第１原料ガス供給経路を通って、反応器１０に供給される。原料ガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れる（図６において、原料ガスの流れを、白抜き矢印で示す。）。本実施形態における原料ガス供給管４０、三方弁４３、第１原料ガス供給管４１、三方弁５４、第１ガス供給管４４、三方弁７３、第１ガス給排管７１、および第２ガス給排管７２を併せて、「原料ガス供給部」とも呼ぶ。
【００６１】
図７に示すように、原料ガスを供給した後は、パージガスは、パージガス供給管５０、第２パージガス供給管５２、第２ガス供給管４５、第２ガス給排管７２を通って、反応器１０の第２ガス入出口１３から反応器１０に供給される。すなわち、上述の第２パージガス供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、パージガスは、反応器１０の中を第２方向Ｄ２に流れる（図７において、ステップＳ１３２におけるパージガスの流れを、斜線ハッチングを付した矢印で示す。）。そして、水素は、水素供給管６０、第２水素供給管６２、第２ガス供給管４５、第２ガス給排管７２を通って、反応器１０の第２ガス入出口１３から反応器１０に供給される。すなわち、上述の第２水素供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、水素は、反応器１０の中を第２方向Ｄ２に流れつつ、触媒１１に吸蔵された二酸化炭素をメタン化する（図７において、水素の流れを、黒塗り矢印で示す。）。二酸化炭素のメタン化によって生成されたメタンと、未反応の水素を含む反応混合ガスは、反応器１０の第１ガス入出口１２を介して第１ガス給排管７１に出てくる。反応混合ガスは、第１ガス給排管７１、第３ガス排出管８３、および第２ガス排出管８２を介して取り出される。図７において、ステップＳ１３６における反応混合ガスの流れを、クロスハッチングを付した矢印で示す。本実施形態における水素供給源２０、水素供給管６０、三方弁６３、第２水素供給管６２、三方弁６５、第２ガス供給管４５、三方弁７４、第２ガス給排管７２、および第１ガス給排管７１を併せて、「水素供給部」とも呼ぶ。本実施形態でも、第１実施形態と同様に、メタン製造装置１は、メタン製造処理の終了指示が入力されるまで、ステップＳ１０２〜Ｓ１３８を、繰り返し実行する。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態では、制御部９０は、パージガスおよび原料ガスが反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように、パージガスおよび原料ガスを、それぞれ、供給させ、その後、パージガスおよび水素が反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように、パージガスおよび水素を、それぞれ、供給させている。このようにしても、吸蔵ＣＯ2の還元効率を、向上させることができる。また、ＣＯ2が触媒に残存して蓄積することによる触媒の活性低下を抑制することができる。その結果、メタンの純度を向上させることができ、メタンの製造効率を向上させることができる。
【００６３】
＜評価試験＞
次に、メタン製造処理において、反応器１０内を原料ガスが第１方向Ｄ１に流れるように原料ガスを供給すると共に、反応器１０内を水素が第２方向Ｄ２に流れるように水素を供給することによる効果例について説明する。本効果例を示すために、上記実施形態のメタン製造装置１を用いて、図２に示す第１実施形態のメタン製造処理（以下、実施例１と呼ぶ）、図５に示す第２実施形態のメタン製造処理（以下、実施例２と呼ぶ）を実施し、メタンＣＨ4生成量および二酸化炭素脱離量を計測した。また、比較例として、原料ガスと水素とを、同じ方向（第１方向Ｄ１）に流してメタンを製造する処理を実施した。
【００６４】
・試験条件
触媒の組成：Ｒｕ（５ｗｔ％）、ＣａＯ（１０ｗｔ％）、Ａｌ2Ｏ3
パージガスの組成：Ｈｅ（１００ｖｏｌ％）
原料ガスの組成：ＣＯ2（１０ｖｏｌ％）、Ｏ2（３ｖｏｌ％）、Ｈｅ（バランス）の混合ガス
還元ガスの組成：Ｈ2（１０ｖｏｌ％）、Ｈｅ（バランス）の混合ガス
パージガスの流量と供給時間：流量１００ｍｌ／分  供給時間３分
原料ガスの流量と供給時間：流量２０ｍｌ／分  供給時間３分
還元ガスの流量と供給時間：流量１００ｍｌ／分  供給時間１分３０秒
ガスの供給温度：３２０℃
触媒量：０．５ｇ
【００６５】
図８は、評価試験の結果を示す図である。図９は、メタン生成量を棒グラフで示す図である。図１０は、二酸化炭素脱離量を棒グラフで示す図である。
図８〜１０では、パージガスの供給→原料ガスの供給→パージガスの供給→還元ガスの供給を、１サイクルとして、メタンの生成量および二酸化炭素の脱離量を、１サイクルあたりのモル数で示している。本評価試験では、質量分析計を用いて、メタン製造装置１（図１）の第１ガス排出管８１、および第２ガス排出管８２から排出されるガスに含まれる二酸化炭素およびメタンの量を計測した。メタンの生成量は、第２ガス排出管８２から排出されるガスについての計測結果である。二酸化炭素の脱離量は、第１ガス排出管８１から排出されるガスについての計測結果に第２ガス排出管８２から排出されるガスについての計測結果を加えた結果である。本評価試験では、質量分析計として、株式会社アルバック製、ＢＧＭ−２０２を用いた。
【００６６】
図８、９に示すように、実施例１および実施例２では、比較例と比べて、メタンの生成量が増加している。また、図８、１０に示すように、実施例１および実施例２では、比較例と比べて、二酸化炭素の脱離量が減少している。すなわち、実施例１および実施例２は、比較例と比べて、メタンの純度を向上させることができた。以上の結果から、反応器１０内を原料ガスが第１方向Ｄ１に流れるように原料ガスを供給すると共に、反応器１０内を水素が第２方向Ｄ２に流れるように水素を供給することによって、メタンの純度を向上させることができ、メタンの製造効率を向上させることができるといえる。
【００６７】
上記の効果が得られるのは、下記の理由によると考察する。
図１１は、反応器内の触媒の位置と二酸化炭素吸蔵量との関係を概念的示す説明図である。図１１では、反応器内の触媒の長さを、１．０とし、横軸に位置を示している。縦軸は、ＣＯ2の最大吸蔵量を１．０として、ＣＯ2吸蔵量を示している。図１１（Ａ）は、原料ガスを第１方向Ｄ１に流した際のＣＯ2吸蔵量を示し、（Ｂ）は、その後、水素を第１方向Ｄ１に流して、触媒に吸蔵されたＣＯ2を還元した際に、触媒に残存するＣＯ2の量（ＣＯ2吸蔵量）を示している。
【００６８】
上記実施形態で用いたＣＯ2吸蔵還元型触媒は、触媒反応が不均一であり、以下のような特性を有すると推定する。図１１（Ａ）に示すように、ＣＯ2吸蔵時、すなわち、原料ガス供給時は、ＣＯ2の吸蔵量反応が遅いため、ガス流の上流側ではＣＯ2の吸蔵量が少なく、下流側ではＣＯ2の吸蔵量が多い。一方、図１１（Ｂ）に示すように、還元時、すなわち、水素供給時は、還元反応は早いものの、ガス流の下流側では吸蔵されたＣＯ2が残存する。図１１に示すように、原料ガスおよび水素を、反応器内において同一の方向に流した場合、ガスの流れの上流側ではＣＯ2吸蔵量が少なく、下流側に吸蔵ＣＯ2が残存するため、吸蔵成分が有効に使われず、メタンの生成量が減少する。また、ＣＯ2吸蔵時のガス流の上流側ではＣＯ2の吸蔵が起こりにくく、弱いＣＯ2吸着が優先的に起こるため 、還元時に吸着ＣＯ2が未反応のまま脱離し生成メタン純度を低下させる。
【００６９】
図１２および図１３は、反応器内のガス流の方向を変化させた場合の二酸化炭素吸蔵量を概念的に示す説明図である。図１２は、原料ガスの供給→水素の供給を１サイクルとして、１サイクル毎に、反応器１０内のガスの流れを、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２との間で切替える場合を図示している。例えば、上述の第１実施形態のメタン製造方法が相当する。図１２（Ａ）に示すように、原料ガスを第１方向Ｄ１に流すと、前サイクルの還元後に残存している吸蔵ＣＯ2に、現サイクルで吸蔵されたＣＯ2を加えた総量が、ＣＯ2吸蔵量となる（図１２（Ａ）において実線で示す）。その後、水素を第１方向Ｄ１に流すと、図１２（Ｂ）に実線で示すように、ガス流の上流側の吸蔵ＣＯ2が還元され、下流側の吸蔵ＣＯ2が残存する。図示するように、触媒の位置約０．５から１．０の間に、吸蔵ＣＯ2が残存する。次のサイクルで、原料ガスを第２方向Ｄ２に流すと、前サイクル（図１２（Ａ）、（Ｂ））の還元後に残存している吸蔵ＣＯ2に、現サイクルで吸蔵されたＣＯ2を加えた総量が、ＣＯ2吸蔵量となる（図１２（Ｃ）において実線で示す）。その後、水素を第２方向Ｄ２に流すと、図１２（Ｄ）に実線で示すように、ガス流の上流側の吸蔵ＣＯ2が還元され、下流側の吸蔵ＣＯ2が残存する。図示するように、触媒の位置約０から約０．５の間に、吸蔵ＣＯ2が残存する。
【００７０】
このように、原料ガスの供給→水素の供給を１サイクルとして、１サイクル毎に、反応器１０内のガスの流れを、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２との間で切替えると、切替えない場合（図１１（Ａ））と比較して、原料ガス供給時の上流側のＣＯ2吸蔵量を、増加させることができる。上述の通り、吸蔵ＣＯ2の還元反応は早いため、上流側の吸蔵ＣＯ2が増加されることにより、メタンの生成量を増加させることができる。また、原料ガス供給時のガス流の上流側は、前サイクルのガス流の下流側の吸蔵ＣＯ2が残存しており、原料ガスの供給による弱いＣＯ2吸着が減少するため、水素供給時（還元時）に、吸着ＣＯ2が未反応のまま脱離する量を減少させることができる。その結果、メタン純度を向上させることができる。また、図１２（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、水素（還元ガス）が流れる方向を変更することにより、吸蔵ＣＯ2が残存する領域を変更することができる。そのため、ＣＯ2が触媒に残存して蓄積することによる触媒の活性低下を抑制することができる。
【００７１】
図１３は、原料ガスを第１方向Ｄ１に供給し、水素を第２方向Ｄ２に供給する場合を図示している。例えば、上述の第２実施形態のメタン製造方法が相当する。図１３（Ａ）に示すように、原料ガスを第１方向Ｄ１に流したとき、ガス流の上流側ではＣＯ2の吸蔵量が少なく、下流側ではＣＯ2の吸蔵量が多い。その後、水素を第２方向Ｄ２に流した場合、上述の通り、還元反応は早いため、ガス流の上流側の吸蔵ＣＯ2を、十分に還元することができる。すなわち、原料ガスおよび水素を、反応器内において同一の方向に流した場合（図１１）より、吸蔵ＣＯ2の還元効率を向上させることができる。そして、水素のガス流の下流側では、還元されず残存する吸蔵ＣＯ2があるものの、水素のガス流の下流側（原料ガスのガス流の上流側）は、吸蔵ＣＯ2の量が少ないため、残存ＣＯ2の量を減少させることができる。そのため、ＣＯ2が触媒に残存して蓄積することによる触媒の活性低下を抑制することができる。
【００７２】
＜第３実施形態＞
図１４は、第３実施形態におけるメタン製造装置１Ａの概略構成を示す説明図である。メタン製造装置１Ａが第１実施形態のメタン製造装置１と異なる点は、原料ガスおよびパージガスが反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように供給する経路が形成されていない点である。具体的には、本実施形態のメタン製造装置１Ａは、第１実施形態のメタン製造装置１における第１原料ガス供給管４１、第２原料ガス供給管４２、三方弁４３、第１パージガス供給管５１、第２パージガス供給管５２、三方弁５３、三方弁５５、三方弁６５、および第２ガス供給管４５を備えない。すなわち、本実施形態のメタン製造装置１Ａは、パージガス、原料ガス、および水素、それぞれが、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように、供給可能に構成されると共に、水素が反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように供給可能に構成されている。第１実施形態と同一の構成には、同一の符号を付して、先行する説明を参照する。
【００７３】
本実施形態において、原料ガスの供給源と接続された原料ガス供給管４０は、三方弁５４を介して第１ガス供給管４４と接続されており、パージガス供給源３０に接続されたパージガス供給管５０も三方弁５４を介して第１ガス供給管４４と接続されている。本実施形態では、パージガス供給源３０と反応器１０とを繋ぐ経路は一種類のみであり、原料ガスの供給源と反応器１０とを繋ぐ経路も一種類のみである。パージガスおよび原料ガスは、常に、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れる。本実施形態における原料ガス供給管４０、三方弁５４、第１ガス供給管４４、三方弁７３、第１ガス給排管７１および第２ガス給排管７２を併せて、「原料ガス供給部」とも呼ぶ。本実施形態における水素供給源２０、水素供給管６０、第１水素供給管６１、第２水素供給管６２、三方弁６３、三方弁６４、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１、第２ガス給排管７２、三方弁７３、および三方弁７４を併せて、「水素供給部」とも呼ぶ。
【００７４】
図１５〜図１７を用いて、本実施形態における制御部９０のメタン製造処理Ｓ３００について説明する。図１５は、第３実施形態におけるメタン製造処理を示すフローチャートである。図１５において、第１実施形態における処理（ステップ）と同様の処理については、同じ符号を付している。図１６は、第３実施形態の製造処理のステップＳ１０６〜１３４におけるガスの流通状態を示す説明図である。図１４は、第３実施形態のメタン製造処理のステップＳ１３６〜１３８におけるガスの流通状態を示す説明図である。
【００７５】
メタン製造装置１Ａが起動され、メタン製造処理開始の指示が入力されると、図１５に示すように、制御部９０は、時刻Ｔ＝０に設定する（ステップＳ１０２）。次に、制御部９０は、パージガスが反応器１０内を第１方向Ｄ１（図１６において、矢印Ｄ１として図示）に流れるように、各三方弁を設定し、パージガスを供給させる（ステップＳ１０６）。具体的には、制御部９０は、三方弁５４（図１６）を介してパージガス供給管５０と第１ガス供給管４４を接続し、三方弁７３を介して第１ガス供給管４４と第１ガス給排管７１を接続する。このとき、三方弁６３は、閉状態であり、第１水素供給管６１は第１ガス供給管４４に接続されておらず、第１ガス供給管４４は第１ガス排出管８１に接続されていない。また、制御部９０は、三方弁８６を介して、第２ガス給排管７２と第４ガス排出管８４とを接続するとともに、三方弁８７を介して第４ガス排出管８４と第１ガス排出管８１とを接続する。
【００７６】
図１６において、ステップＳ１０６におけるパージガスの流れを、斜線ハッチングを付した矢印で示す。ステップＳ１０６の処理によって、パージガスは、パージガス供給管５０、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。そして、パージガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れて、反応器１０の中のガスを、反応器１０の第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出す。第２ガス給排管７２に出てきたガスは、第４ガス排出管８４、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。ステップＳ１０６の処理によって、反応器１０内のガスが排出され、パージガスに置換される。
【００７７】
図１５に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ１１以上になるまでパージガスを供給させ続け（ステップＳ１０８：ＮＯ）、時刻ＴがＴ１１以上になると、パージガスの供給を停止させ、三方弁５４を切替えてパージガス供給管５０と第１ガス供給管４４とを切断し、ステップＳ１１０へ進む（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）。本実施形態におけるＴ１１〜１４、およびＴ２１〜２４は、第１実施形態と同じである。
【００７８】
ステップＳ１１０において、制御部９０は、原料ガスを供給可能に各三方弁を設定し、原料ガスを供給させる。具体的には、制御部９０は、三方弁５４を切替えて原料ガス供給管４０と第１ガス供給管４４を接続する。
【００７９】
図１６において、ステップＳ１１０における原料ガスの流れを、白抜き矢印で示す。ステップＳ１１０の処理によって、原料ガスは、原料ガス供給管４０、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。原料ガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れつつ、原料ガス中の二酸化炭素が触媒１１に吸蔵され、残りのガスが反応器１０の第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出てくる。第２ガス給排管７２に出てきたガスは、第４ガス排出管８４、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。ステップＳ１１０の処理によって、反応器１０内の触媒１１に、原料ガス中の二酸化炭素が吸蔵される。
【００８０】
図１５に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ１２以上になるまで原料ガスを供給させ続け（ステップＳ１１２：ＮＯ）、時刻ＴがＴ１２以上になると、原料ガスの供給を停止させ、三方弁５４（図１６）を切替えて、原料ガス供給管４０と第１ガス供給管４４とを切断し、ステップＳ１１４へ進む（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）。
【００８１】
ステップＳ１１４において、制御部９０は、パージガスを供給可能に各三方弁を設定し、パージガスを供給させる。具体的には、制御部９０は、三方弁５４を切替えてパージガス供給管５０と第１ガス供給管４４を接続する。ステップＳ１１４では、反応器１０から出てきたガスの流通経路は、ステップＳ１０６と同じく、上述の第４排出経路になる。
【００８２】
ステップＳ１１４の処理によって、パージガスは、図１６に示すように、パージガス供給管５０、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。そして、パージガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れて、反応器１０の中に残存する原料ガス、酸素、窒素等のガスを、反応器１０の第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出す。第２ガス給排管７２に出てきたガスは、第４ガス排出管８４、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。ステップＳ１１４の処理によって、反応器１０内のガスが排出され、パージガスに置換される。
【００８３】
図１５に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ１３以上になるまでパージガスを供給させ続け（ステップＳ１１６：ＮＯ）、時刻ＴがＴ１３以上になると、パージガスの供給を停止させ、三方弁５４を切替えて、パージガス供給管５０と第１ガス供給管４４とを切断し、ステップＳ１１８へ進む（ステップＳ１１６：ＹＥＳ）。
【００８４】
ステップＳ１１８において、制御部９０は、水素が反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように、各三方弁を設定し、水素を供給させる。具体的には、三方弁６３（図１６）を切替えて水素供給管６０と第１水素供給管６１を接続し、三方弁６４を切替えて第１水素供給管６１と第１ガス供給管４４を接続する。また、三方弁８６を切替えて、第２ガス給排管７２と第４ガス排出管８４を切断し、三方弁７４を介して第２ガス給排管７２と第２ガス排出管８２を接続する。このとき、第３ガス排出管８３は第２ガス排出管８２に接続されていない。
【００８５】
図１６において、ステップＳ１１８における水素の流れを、黒塗り矢印で示す。ステップＳ１１８の処理によって、水素は、水素供給管６０、第１水素供給管６１、第１ガス供給管４４、第１ガス給排管７１を通って、反応器１０の第１ガス入出口１２から反応器１０に供給される。すなわち、上述の第１水素供給経路を通って、反応器１０に供給される。そして、水素は、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れつつ、触媒１１に吸蔵された二酸化炭素をメタン化する。二酸化炭素のメタン化によって生成されたメタンと、未反応の水素を含む反応混合ガスは、反応器１０の第２ガス入出口１３を介して第２ガス給排管７２に出てくる。反応混合ガスは、第２ガス給排管７２、および第２ガス排出管８２を介して取り出される。ステップＳ１１８の処理によって、メタンが製造され、取出される。図１６において、ステップＳ１１８における反応混合ガスの流れを、クロスハッチングを付した矢印で示す。
【００８６】
図１５に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ１４以上になるまで水素を供給させ続け（ステップＳ１２０：ＮＯ）、時刻ＴがＴ１４以上になると、三方弁６３を閉状態にし、水素の供給を停止させ、ステップＳ３２４へ進む（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）。
【００８７】
ステップＳ３２４において、制御部９０は、パージガスを供給可能に各三方弁を設定し、パージガスを供給させる。具体的には、制御部９０は、三方弁５４（図１６）を介してパージガス供給管５０と第１ガス供給管４４を接続する。このとき、三方弁６３は、閉状態であり、第１水素供給管６１は第１ガス供給管４４に接続されておらず、第１ガス供給管４４は第１ガス排出管８１に接続されていない。また、制御部９０は、三方弁８６を介して、第２ガス給排管７２と第４ガス排出管８４とを接続するとともに、三方弁８７を介して第４ガス排出管８４と第１ガス排出管８１とを接続する。本実施形態では、ステップＳ３２４において、第１実施形態におけるステップＳ１２４（図２）と異なり、パージガスは、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように供給される。そして、第２ガス給排管７２に出てきたガスは、第４ガス排出管８４、第１ガス排出管８１を介して、メタン製造装置１の外部に排出される。ステップＳ３２４の処理によって、パージガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れて、反応器１０内のガス（反応混合ガス）がパージガスに置換される。
【００８８】
図１５に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ２１以上になるまでパージガスを供給させ続け（ステップＳ１２６：ＮＯ）、時刻ＴがＴ２１以上になると、パージガスの供給を停止させ、三方弁５４を切替えてパージガス供給管５０と第１ガス供給管４４とを切断し、ステップＳ３２８へ進む（ステップＳ１２６：ＹＥＳ）。
【００８９】
ステップＳ３２８において、制御部９０は、原料ガスを供給可能に各三方弁を設定し、原料ガスを供給させる。具体的には、制御部９０は、三方弁５４を切替えて原料ガス供給管４０と第１ガス供給管４４を接続する。本実施形態におけるステップＳ３２８では、第１実施形態におけるステップＳ１２８（図２）と異なり、原料ガスは、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように供給される。ステップＳ３２８の処理によって、反応器１０内の触媒１１に、原料ガス中の二酸化炭素が吸蔵される。
【００９０】
図１５に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ２２以上になるまで原料ガスを供給させ続け（ステップＳ１３０：ＮＯ）、時刻ＴがＴ２２以上になると、原料ガスの供給を停止させ、三方弁５４（図１６）を切替えて、原料ガス供給管４０と第１ガス供給管４４とを切断し、ステップＳ３３２へ進む（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）。
【００９１】
ステップＳ３３２において、制御部９０は、パージガスを供給可能に各三方弁を設定し、パージガスを供給させる。具体的には、制御部９０は、三方弁５４を切替えてパージガス供給管５０と第１ガス供給管４４を接続する。本実施形態におけるステップＳ３３２では、第１実施形態におけるステップＳ１３２（図２）と異なり、パージガスは、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように供給される。ステップＳ３３２の処理によって、パージガスは、反応器１０の中を第１方向Ｄ１に流れて、反応器１０内のガスを排出する。これにより、反応器１０内のガスが、パージガスに置換される。
【００９２】
図１５に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ２３以上になるまでパージガスを供給させ続け（ステップＳ１３４：ＮＯ）、時刻ＴがＴ２３以上になると、パージガスの供給を停止させ、三方弁５４を切替えて、パージガス供給管５０と第１ガス供給管４４とを切断し、ステップＳ１３６へ進む（ステップＳ１３４：ＹＥＳ）。
【００９３】
ステップＳ１３６において、制御部９０は、水素が反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように、各三方弁を設定し、水素を供給させる。具体的には、三方弁６３（図１７）を切替えて水素供給管６０と第２水素供給管６２を接続し、三方弁７４を切替えて第２水素供給管６２と第２ガス給排管７２を接続する。また、三方弁８５を切替えて、第１ガス給排管７１と第３ガス排出管８３を接続するとともに、三方弁８８を介して第３ガス排出管８３と第２ガス排出管８２を接続する。
【００９４】
図１７において、ステップＳ１３６における水素の流れを、黒塗り矢印で示す。ステップＳ１３６の処理によって、水素は、水素供給管６０、第２水素供給管６２、第２ガス給排管７２を通って、反応器１０の第２ガス入出口１３から反応器１０に供給される。そして、水素は、反応器１０の中を第２方向Ｄ２に流れつつ、触媒１１に吸蔵された二酸化炭素をメタン化する。二酸化炭素のメタン化によって生成されたメタンと、未反応の水素を含む反応混合ガスは、反応器１０の第１ガス入出口１２を介して第１ガス給排管７１に出てくる。反応混合ガスは、第１ガス給排管７１、第３ガス排出管８３、および第２ガス排出管８２を介して取り出される。ステップＳ１３６の処理によって、メタンが製造され、取出される。図１７において、ステップＳ１３６における反応混合ガスの流れを、クロスハッチングを付した矢印で示す。
【００９５】
図１５に示すように、制御部９０は、時刻ＴがＴ２４以上になるまで水素を供給させ続け（ステップＳ１３８：ＮＯ）、時刻ＴがＴ２４以上になると、三方弁６３を閉状態にし、水素の供給を停止させ、三方弁７４を切替えて、第２水素供給管６２と第２ガス給排管７２とを切断し、ステップＳ１０２へ戻る（ステップＳ１３８：ＹＥＳ）。このように、メタン製造装置１Ａは、メタン製造処理の終了指示が入力されるまで、図１５に示す処理を繰り返し実行する。
【００９６】
以上説明したように、本実施形態のメタン製造装置１Ａは、パージガス、原料ガス、および水素、それぞれが、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように供給可能に構成されると共に、水素が、反応器１０内を第２方向Ｄ２に流れるように供給可能に構成されている。そして、制御部９０は、メタン製造処理において、パージガスおよび原料ガスについては、反応器１０内を第１方向Ｄ１に流れるように供給させ、水素については、反応器１０内を流れる方向を、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とを交互に切替えて供給させている。
【００９７】
このようにしても、メタン化されず触媒に残留する二酸化炭素の量を減らすことができ、二酸化炭素の蓄積による触媒の活性低下を抑制することができる。また、触媒からの二酸化炭素の脱離量を減少させることができる。その結果、メタンの純度を向上させることができ、メタンの製造効率を向上させることができる。
【００９８】
また、本実施形態のメタン製造装置１Ａは、第１実施形態のメタン製造装置１における第１原料ガス供給管４１、第２原料ガス供給管４２、三方弁４３、第１パージガス供給管５１、第２パージガス供給管５２、三方弁５３、および第２ガス供給管４５を備えないため、第１実施形態のメタン製造装置１と比較して、構成を簡易化することができ、さらに、小型化を図ることができる。
【００９９】
＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１００】
・上記実施形態では、第２方向Ｄ２が第１方向Ｄ１の逆方向である例を示したが、第１方向と第２方向とは、逆方向でなくても異なる方向であればよい。また、反応器の内部を３以上の異なる方向にガスが流れるように構成してもよい。例えば、図１８に示すような方向にガスが流れるようにしてもよい。
【０１０１】
図１８は、変形例のメタン製造装置における第１方向および第２方向を示す説明図である。図１８（Ａ）に示すように、変形例の反応器１０Ａは、上記実施形態の反応器１０が備える第１ガス入出口１２および第２ガス入出口１３に加え、第３ガス入出口１４および第４ガス入出口１５を備える。そして、第３ガス入出口１４には第３ガス給排管７５が接続され、第４ガス入出口１５には第４ガス給排管７６が接続される。図１８（Ａ）に示す例では、第１方向Ｄ１は、上記実施形態と同様に第１ガス入出口１２から第２ガス入出口１３に向かう方向であり、第２方向Ｄ２は、上記実施形態とは異なり、第４ガス入出口１５から第３ガス入出口１４へ向かう方向である。このようにしても、原料ガスが反応器１０Ａ内を第１方向Ｄ１に流れるように、原料ガスを供給し、水素が反応器１０Ａ内を第２方向Ｄ２に流れるように、水素を供給することにより、メタンの純度を向上させることができ、メタンの製造効率を向上させることができる。
【０１０２】
図１８（Ｂ）に示すように、変形例の反応器１０Ｂは、図１８（Ａ）に示す反応器１０Ａが備える第１ガス入出口１２、第２ガス入出口１３、第３ガス入出口１４、および第４ガス入出口１５に加え、第５ガス入出口１６および第６ガス入出口１７を備える。そして、第５ガス入出口１６には第５ガス給排管７７が接続され、第６ガス入出口１７には第６ガス給排管７８が接続される。図１８（Ｂ）に示す例では、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２は、上記変形例と同様であり、さらに、第５ガス入出口１６から第６ガス入出口１７に向かう第３方向Ｄ３にも、ガスを流すことが可能に構成されている。そのため、例えば、原料ガスが第１方向Ｄ１に流れるように供給し、水素が第２方向Ｄ２と第３方向Ｄ３に流れるように切替えて供給することができる。このようにしても、メタンの純度を向上させることができ、メタンの製造効率を向上させることができる。
【０１０３】
・メタンの製造方法は、上記実施形態に限定されない。例えば、第１実施形態のメタン製造処理（図２）のステップＳ１２８において、原料ガスが第１方向Ｄ１に流れるように、原料ガスを供給してもよい。また、パージガスを供給するたびに、パージガスが反応器１０内を流れる方向を、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とに切替えて供給してもよい。このようにしても、メタンの製造効率を向上させることができる。
【０１０４】
・メタン製造装置は、上記実施形態に限定されない。例えば、メタン製造装置１において、第１原料ガス供給管４１、第２原料ガス供給管４２、および三方弁４３を備えず、原料ガス供給管４０が三方弁５４を介して第１ガス供給管４４に接続される構成にしてもよい。このようにした場合には、例えば、原料ガスは、常に第１方向Ｄ１に流れるように供給され、パージガスおよび水素は、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とを切替えて供給されるようにすることができる。また、さらに、第１水素供給管６１、第２水素供給管６２、および三方弁６３を備えず、水素供給管６０が三方弁６５を介して第２ガス供給管４５に接続される構成にしてもよい。このようにした場合には、例えば、原料ガスは、常に第１方向Ｄ１に流れるように供給され、水素は、常に第２方向Ｄ２に流れるように供給され、パージガスは、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とを切替えて供給されるようにすることができる。このようにしても、メタンの製造効率を向上させることができる。
【０１０５】
・上記実施形態では、パージガス供給源３０を備える構成を例示したが、パージガス供給源３０を備えない構成としてもよい。パージガス供給源３０を備えない場合には、原料ガスの供給経路と水素の供給経路とを別個に構成するのが好ましい。但し、パージガス供給源３０を備える構成とすることにより、原料ガスの供給経路と水素の供給経路を共通化することができるため、メタン製造装置を小型化することができる。また、パージガスを反応器１０に供給することにより、反応器１０内の酸素を排出することができ、触媒１１の酸化を抑制することができるため、好ましい。
【０１０６】
・上記実施形態では、１つの反応器を備えるメタン製造装置１、１Ａを例示したが、メタン製造装置は、２つ以上の反応器を備えていてもよい。２つ以上の反応器を備える構成にすると、原料ガスを供給する反応器を切替えることにより、原料ガスの供給源からの原料ガスの供給を停止させず、メタンの製造を継続することができる。
【０１０７】
・原料ガス、パージガス、および水素の供給時間は、上記実施形態に限定されない。反応器の容量、反応器内の触媒の種類、ガスの供給流速等に応じて、適宜、変更可能である。
【０１０８】
・上記実施形態において、原料ガス、パージガス、および水素の供給停止を、時間で制御する例を示したが、他の方法で制御してもよい。例えば、メタン製造装置が、反応器に接続された配管上にＣＯ2センサを備える構成とし、ＣＯ2センサにより検出された二酸化炭素濃度に基づいて、原料ガスの供給を停止させてもよい。また、メタン製造装置が備える水素流量計の計測値に基づいて、水素の供給を停止させてもよい。
【０１０９】
・上記実施形態の原料ガス供給源は、燃焼炉や原料ガスタンクの供給源によって構成されるものとした。しかし、原料ガス供給源は、工場などの燃料炉から排出される排出ガスが流入する管として構成されていてもよい。すなわち、メタン製造装置１、１Ａは、原料ガスの供給源を含んでもよい。
【０１１０】
・上記実施形態のメタン製造装置の構成は例示であり、一部の構成を備えていなくてもよいし、他の構成を備えていてもよい。例えば、メタン製造装置は、原料ガス供給源の下流側に脱水部や防塵除去のためのフィルターを備えていてもよい。また、第２ガス排出管８２の下流に水素分離装置を備えてもよい。水素分離装置によって分離された水素を、水素供給管６０に戻して再利用する構成にしてもよい。さらに、水素分離装置の直前にポンプを備えてもよい。
また、上記実施形態のメタン製造装置を、炭化水素製造装置として構成してもよい。例えば、エタンやプロパンなどの炭素と水素とから構成される化合物や、メタノールなどの主に炭素と水素とから構成される化合物を製造してもよい。
【０１１１】
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】
【０１１２】
１、１Ａ…メタン製造装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ…反応器
１１…触媒
１２…第１ガス入出口
１３…第２ガス入出口
１４…第３ガス入出口
１５…第４ガス入出口
１６…第５ガス入出口
１７…第６ガス入出口
２０…水素供給源
３０…パージガス供給源
４０…原料ガス供給管
４１…第１原料ガス供給管
４２…第２原料ガス供給管
４３…三方弁
４４…第１ガス供給管
４５…第２ガス供給管
５０…パージガス供給管
５１…第１パージガス供給管
５２…第２パージガス供給管
５３〜５５…三方弁
６０…水素供給管
６１…第１水素供給管
６２…第２水素供給管
６３〜６５…三方弁
７１…第１ガス給排管
７２…第２ガス給排管
７３、７４…三方弁
７５…第３ガス給排管
７６…第４ガス給排管
７７…第５ガス給排管
７８…第６ガス給排管
８１…第１ガス排出管
８２…第２ガス排出管
８３…第３ガス排出管
８４…第４ガス排出管
８５〜８８…三方弁
９０…制御部
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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