(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタン、メタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）及びディーゼルから選択された可燃ガスを不均一系触媒作用によって得る方法であって、
ａ／水蒸気Ｈ2Ｏの高温電解を所与の圧力に維持された漏れ止めチャンバ（７）内に収容された電解反応器（１）内で実施するステップを含み、該ステップａ／では、前記反応器（１）の各カソードには前記所与の圧力で水蒸気が供給され、前記電解反応器（１）は、前記チャンバ（７）に沿って延びる長手方向軸線（Ｘ）上に位置し、
ｂ／触媒変換を圧力下で前記漏れ止めチャンバ（７）内の前記電解反応器から距離を置いたところで且つ、前記長手方向軸線（Ｘ）及び該電解反応器に対して半径方向に配置されると共に少なくとも１つの固体変換触媒（８０）を収容した少なくとも１つの反応ゾーン（８）内で実施するステップを含み、ステップｂ／は、前記電解ステップａ／中に生じた水素Ｈ2及び前記電解反応器と前記半径方向反応ゾーンとの間の空間中に注入された二酸化炭素ＣＯ2を用いて実施され、
ｃ／生じた可燃ガス及び前記ステップａ／で変換されなかった水蒸気と前記ステップｂ／で生じた水蒸気を前記半径方向反応ゾーンと前記漏れ止めチャンバを画定する壁との間の空間内に回収するステップを含む、方法。
【請求項２】
メタン、メタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）及びディーゼルから選択された可燃ガスを不均一系触媒作用によって得る方法であって、
ａ′／水蒸気Ｈ2Ｏと二酸化炭素ＣＯ2の高温共電解を所与の圧力に維持された漏れ止めチャンバ（７）内に収容された共電解反応器（１）内で実施するステップを含み、該ステップａ′／では、前記反応器（１）の各カソードには前記所与の圧力で水蒸気Ｈ2Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ2が供給され、
ｂ′／触媒変換を圧力下で前記漏れ止めチャンバ（７）内の前記共電解反応器から距離を置いたところで且つ該共電解反応器に対して半径方向に配置されると共に少なくとも１つの固体変換触媒を収容した少なくとも１つの反応ゾーン（８）内で実施するステップを含み、前記ステップｂ′／は、前記共電解ステップａ′／中に生じた水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯを用いて実施され、
ｃ′／前記ステップａ′／で生じた前記可燃ガス及び前記ステップａ′／で変換されなかった水蒸気と前記ステップｂ′／で生じた水蒸気を前記半径方向反応ゾーンと前記漏れ止めチャンバを画定する壁との間の空間内に回収するステップを含む、方法。
【請求項３】
前記半径方向反応ゾーンは、前記固体触媒（８０）を収容した多孔質仕切り（８）から成る、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記ステップｂ／又は前記ステップｂ′／は、それ自体閉鎖された前記半径方向反応ゾーンが前記電解反応器又は前記共電解反応器周りにそれぞれ同心状に配置された状態で実施される、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項５】
前記ステップａ／又は前記ステップａ′／は、６００℃〜１０００℃の温度で実施される、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項６】
前記ステップａ／又は前記ステップａ′／は、０〜１００ｂａｒの圧力で実施される、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項７】
前記チャンバを画定する前記壁は、前記チャンバの前記所与の圧力における前記水飽和温度よりも低い温度まで冷却され、前記ステップｃ／又は前記ステップｃ′／は、前記可燃ガスを前記チャンバ内で前記凝縮水から分離し、次に分離された前記可燃ガス及び前記凝縮水を重力により前記チャンバの底部上に回収するステップから成る、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項８】
メタン化プロセスを構成する、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項９】
前記チャンバの前記所与の圧力及び前記電解又は共電解反応器の作動の前記所与の圧力は、３０ｂａｒに等しく、前記ステップａ／又は前記ステップａ′／が実施される温度は、８００℃に等しい温度に維持され、前記半径方向反応ゾーン内の温度は、４００℃に等しい温度に維持され、前記チャンバを画定する前記壁の温度は、２３０℃未満の温度に維持される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
メタン、メタノール及びジメチルエーテル（ＤＭＥ）から選択された可燃ガスを不均一系触媒作用により得る反応器（６）であって、
‐所与の圧力下に配置可能な漏れ止めチャンバ（７）を有し、
‐水蒸気の高温電解か水蒸気と二酸化炭素の高温共電解かのいずれかを行う反応器（１）を有し、前記反応器（１）は、ＳＯＥＣ型の電解要素セル（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）のスタックを有し、前記要素セルは各々、カソード（２．１，２．２，等）、アノード（４．１，４．２，等）、前記カソードと前記アノードとの間に介在して設けられた電解質（３．１，３．２，等）、及び各々が２つの隣り合う要素セル（Ｃ１，Ｃ２）相互間に配置された複数の電気的及び流体インターコネクタ（５）で形成され、前記インターコネクタのフェースのうちの一方は、前記２つの要素セルのうちの一方（Ｃ１）のアノード（４．１）と電気的接触状態にあり、前記インターコネクタのフェースのうちの他方は、前記２つの要素セルのうちの他方（Ｃ２）のカソード（２．２）と電気的接触状態にあり、前記電解又は共電解反応器は、前記チャンバ内に収容され、前記カソードの出口は、前記チャンバの内部に現れ、前記電解反応器（１）は、前記チャンバ（７）に沿って延びる長手方向軸線（Ｘ）上に位置し、
-前記チャンバ内の前記電解又は共電解反応器から距離を置いたところに且つ、前記長手方向軸線（Ｘ）及び該電解又は共電解反応器に対して半径方向に配置されると共に少なくとも１つの固体触媒（８０）を収容していて、合成ガス（Ｈ2＋ＣＯ又はＨ2＋ＣＯ2）を可燃ガスに変換する少なくとも１つの多孔質仕切り（８）を有し、
-圧力下で水蒸気、及び適宜二酸化炭素、を前記電解又は共電解反応器の前記カソードに供給する少なくとも１本の管（１１）を有し、
-適宜、二酸化炭素を前記電解反応器と前記多孔質仕切りとの間の空間中に注入する少なくとも１本の管（１５）を有し、
-可燃ガス及び／又は水蒸気を回収する少なくとも１本の管（１７）を有し、
-適宜、前記チャンバを画定する壁上に凝縮した水を回収する少なくとも１本の管（１８）を有し、各管は、前記チャンバを画定している壁を貫通している、反応器。
【請求項１１】
前記多孔質仕切り（８）は、それ自体閉鎖されており、且つ前記電解又は共電解反応器周りに同心状に配置されている、請求項１０記載の反応器。
【請求項１２】
前記多孔質仕切りは、２つの多孔質金属壁（８１，８２）から成り、前記２つの多孔質金属壁を隔てる空間には粉末又は顆粒の形態をした変換触媒（８０）が少なくとも部分的に充填されている、請求項１０又は１１記載の反応器。
【請求項１３】
前記２つの金属壁（８１，８２）は各々、前記仕切りの高さと長さの両方にわたって規則正しく間隔を置いて配置された複数個の穴（８３）が設けられているシートから成る、請求項１２記載の反応器。
【請求項１４】
前記固体変換触媒（８０）は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）上に支持されたニッケル（Ｎｉ）を主成分とし、又は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）上に支持されたニッケル（Ｎｉ）を主成分とし、又は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）上に支持されたニッケル（Ｎｉ）及び鉄（Ｆｅ）を主成分とするバイメタルであり、或いはセリウム（Ｃｅ）とジルコニウムの混合酸化物上に支持されたニッケル（Ｎｉ）を主成分としている、請求項１０〜１３のうちいずれか一に記載の反応器。
【請求項１５】
前記多孔質仕切りは、前記固体触媒内に、前記共電解反応器内の上流側で作られた水素と一酸化炭素との触媒反応、又は前記電解反応器内の上流側で作られた水素と前記多孔質仕切りと前記電解反応器との間の前記空間中に注入された二酸化炭素との触媒反応を冷却するのに適した冷却回路（８５）の一部を含む、請求項１０〜１４のうちいずれか一に記載の反応器。
【請求項１６】
前記供給管（１１）は、前記カソードへの供給前に圧力下で前記水蒸気、及び適宜前記二酸化炭素、を加熱するために前記電解又は共電解反応器に近接してそれ自体部分的に巻かれている、請求項１０〜１５のうちいずれか一に記載の反応器。
【請求項１７】
前記水素、及び適宜前記カソードのところで作られた一酸化炭素、を回収する管（１９）を有し、前記回収管（１９）は、それ自体巻かれて円を形成し、前記回収管には、水素、及び適宜一酸化炭素を、前記電解又は共電解反応器と、同心状に配置された前記多孔質仕切りとの間の前記空間内に、均一に拡散させるよう前記円に沿って規則正しく分布して配置された複数個の穴（１６）が開けられている、請求項１１〜１６のうちいずれか一に記載の反応器。
【請求項１８】
前記二酸化炭素注入管（１５）は、それ自体巻かれて円を形成し、前記注入管には、前記電解又は共電解反応器と、同心状に配置された前記多孔質仕切りとの間の前記空間内の二酸化炭素を均一に拡散させるよう前記円に沿って規則正しく分布して配置された複数個の穴（１６）が開けられている、請求項１１〜１７のうちいずれか一に記載の反応器。
【請求項１９】
前記漏れ止めチャンバ（７）は、側部エンベロープ（７２）、前記エンベロープと漏れ止め状態で組み立てられた蓋（７０）とベース（７１）、及び前記電解又は共電解反応器（１）及び前記多孔質仕切り（８）を前記チャンバの前記ベース及び前記蓋から距離を置いたところに配置するよう、前記電解又は共電解反応器（１）と前記多孔質仕切り（８）の両方を支持する第１の支持体（９）を有する、請求項１０〜１８のうちいずれか一に記載の反応器。
【請求項２０】
前記第１の支持体（９）上に固定されていて、前記電解又は共電解反応器（１）だけを、前記多孔質仕切りの中央部分に向いた状態で配置するよう前記電解又は共電解反応器（１）だけを支持する第２の支持体（１０）を有する、請求項１９記載の反応器。
【請求項２１】
前記側部エンベロープは、前記所与の圧力で前記水飽和温度よりも低い温度まで冷却を行う回路の一部を備える、請求項１９又は２０記載の反応器。
【請求項２２】
前記ベースは、前記蓋及び／又は前記側部エンベロープ及び／又は前記ベース上で凝縮した水を回収するボウルを構成している、請求項１９〜２１のうちいずれか一に記載の反応器。
【請求項２３】
システムであって、
-請求項１３〜２２のうちいずれか一に記載の反応器（６）と、
-前記所与の圧力で液体の水を蒸発させる蒸気発生器（１２）を形成する熱交換器とを含み、前記熱交換器は、前記チャンバ（７）の外部に配置されている、システム。
【請求項２４】
前記熱交換器の二次回路の一部が前記ベース内の前記凝縮水を回収する前記管（１８）を構成している、請求項２２に記載された前記反応器と組み合わせの請求項２３記載のシステム。
【請求項２５】
前記多孔質仕切り（８）を冷却する前記冷却回路（８５）は、可燃ガスを得るために、前記所与の圧力で前記液体としての水を蒸発させる前記熱交換器の一次回路を構成している、請求項１５記載の前記反応器と組み合わせの請求項２３又は２４記載のシステム。
【請求項２６】
請求項１０〜２２のうちいずれか一に記載の共電解反応器を作動させる方法であって、水蒸気を２つの隣り合う要素セルのうちの一方のカソードに供給すると共に分配し、二酸化炭素を前記２つの要素セルのうちの他方のカソードに供給すると共に分配する、作動方法。
【請求項２７】
発熱モードでの作動方式が前記２つの隣り合う要素セルのうちの一方の前記カソードのところでの水蒸気の電解のために定められ、吸熱モードでの作動方式がそれと同時に、前記２つの隣り合う要素セルのうちの他方のカソードのところでの二酸化炭素の電解のために実施され、前記水蒸気の前記電解によって放出された熱は、前記二酸化炭素の前記電解に必要な熱を少なくとも部分的に提供することができる、請求項２６記載の作動方法。
【請求項２８】
発熱モードでの作動方式が前記２つの隣り合う要素セルのうちの一方の前記カソードのところでの二酸化炭素の電解のために定められ、吸熱モードでの作動方式がそれと同時に、前記２つの隣り合う要素セルのうちの他方のところでの水蒸気の電解のために実施され、前記二酸化炭素の前記電解によって放出された熱は、前記水蒸気の前記電解に必要な熱を少なくとも部分的に提供することができる、請求項２６記載の作動方法。
【請求項２９】
メタン化反応器としての請求項１０〜２２のうちいずれか一に記載の前記反応器（６）又は請求項２３〜２５のうちいずれか一に記載の前記システムの使用。
【請求項３０】
触媒改質反応器及び燃料電池としての請求項１０〜２２のうちいずれか一に記載の前記反応器（６）の使用であって、前記チャンバ（７）は、圧力下にはなく、前記可燃ガス回収管（１７）は、可燃ガス供給管を構成し、セルスタック型電解又は共電解反応器（１）は、ＳＯＦＣ燃料電池を構成する、使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタン、メタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）又はディーゼルから選択された可燃ガスを不均一系触媒作用によって得る分野に関する。
【０００２】
本発明の生産プロセスは、水の高温電気分解（“High Temperature Electrolysis”（高温電解）の略称であるＨＴＥ又は“High Temperature Steam Electrolysis”（高温水蒸気電解）の略称であるＨＴＳＥ）のステップ又は高温での水及び二酸化炭素ＣＯ2の共電解（同時電解ともいう）と呼ばれているステップ及び可燃ガスを触媒反応によって製造するステップを含む。
【０００３】
本発明は、特に、新規な反応器設計に関し、この反応器の加圧チャンバは、水蒸気Ｈ2Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ2から水素か「合成ガス」（Ｈ2＋ＣＯ混合）かのいずれかを生じさせる電気分解用要素セル（単セルともいう）の積み重ねを備えた高温電解質反応器又は電解装置（又は電解槽）（ＨＴＥ）と、電解装置の出口の下流側に配置されていて、先に得られた合成ガスを不均一系触媒作用によって所望の可燃ガスに変換する少なくとも１つの触媒の両方を収容し、合成ガスは、電解反応器から直接的にか、得られた水素と加圧チャンバ中に注入された二酸化炭素ＣＯ2を混合することにより間接的にかのいずれかによって作られる。
【背景技術】
【０００４】
既に計画実行されたバルクエネルギー貯蔵解決策のうちで、液体貯蔵が既に普及している。この種の貯蔵に関する残りのキャパシティには、迅速に飽和しつつあるという恐れがある。加うるに、液体系は、特定の地理学的及び地質学的条件を必要とし、その結果、かなり高価であることが分かっている場合がある。したがって、将来の貯蔵問題を仮定すると、液体貯蔵は、部分的な解決策に過ぎないと言える。
【０００５】
代替貯蔵解決策も又計画され、これは、圧縮空気による貯蔵（“Compressed Air Energy Storage”（圧縮空気エネルギー貯蔵）の略称であるＣＡＥＳ）である。この技術によれば、電気で生じさせた圧縮空気を地下空洞内に貯蔵することが計画される。これら空洞は又、特定の地理学的特徴、例えば岩塩層内空洞を必要とする。しかしながら、この貯蔵解決策の収率は、満足のゆくものではない。
【０００６】
最後に、水素が或る特定の形態では電気のバルク貯蔵を行うことができる余地のあるエネルギーの方向性であると示されており、これについては、本出願人の主導でＭＹＲＴＥ（Mission hYdrogene Renouvelable pour l'Integration au Reseau Electriqueの頭文字）という名称でコルシカ島で既に実施されたプロジェクトを参照されたい。
【０００７】
しかしながら、これら全てのバルクエネルギー貯蔵解決策は、大々的なインフラ（液体に特有の現場、地下空洞、水素貯蔵システム）の開発を必要とする。これは、近年、合成燃料の生産を介して化学エネルギーへの再生可能な電気の変換によるバルクエネルギー貯蔵が著しく開発され、これは、貯蔵上大きな潜在的可能性のある代替手段となる。これについては、技術的変換解決策に言及している米国特許出願公開２００９／０２８９２２７号明細書を参照されたい。
【０００８】
さらに、化石エネルギーの使用に起因して生じる二酸化炭素ＣＯ2の放出量を減少させること、これらエネルギーの使用に由来して生じるＣＯ2を無期限にわたって貯蔵するのではなく、かかるＣＯ2をできるだけ品質向上させること、特に過剰生産期間中、「脱炭」エネルギー源に由来する電気を需要に応じて用いること、この電気を貯蔵可能な製品に変換し、それにより高炭素エネルギーの使用に頼るのではなく生産上赤字の期間にわたって需要に応じて電気を作ることができるようにすることは、全て、地球全体の効率に鑑みて達成されるべき目的である。
【０００９】
脱炭電力に用いる水蒸気と二酸化炭素ＣＯ2の混合物からの可燃性合成ガスの製造は、これらの目的を満足させる。
【００１０】
固体酸化物電解装置での水素Ｈ2を作るための水蒸気Ｈ2Ｏの電解及び／又は高温でのＨ2Ｏ＋ＣＯ2の共電解は、可能性のうちの１つである。水蒸気の電解（Ｉ）及びＨ2Ｏ＋ＣＯ2の共電解（ＩＩ）に関する反応は、次の反応式に従って起こる。
【化１】
0006480418.tif 000002
【化２】
0006480418.tif 000003
【００１１】
かくして、水蒸気Ｈ2Ｏの電解により、電解（Ｉ）により生じた水素Ｈ2との混合物と二酸化炭素ＣＯ2の混合物を触媒装置中に注入することによって不均一系触媒作用により可燃ガスの「直接的」製造が可能である。
【００１２】
Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2の共電解により、共電解（ＩＩ）により生じた合成ガス（Ｈ2＋ＣＯ）からの可燃ガスの「間接的」製造が可能である。
【００１３】
このようにして作られた可燃ガスは、炭化水素、特に天然ガスの主成分であるメタンである場合がある。
【００１４】
合成天然ガスの生産により、このエネルギーについて開発された既存のインフラ全て、即ち、輸送及び分配ネットワーク、貯蔵能力、発電システム等をなんなく用いることができるという可能性が与えられる。加うるに、この生産に関する炭素の収支は、ゼロである場合があり、或いはそれどころか負である場合のあることも又明らかになっている。というのは、用いられる電気が脱炭由来のものであり、ＣＯ2が、前もって取り込まれた化石エネルギーを用いるシステムに由来するからである。
【００１５】
水の電解（Ｉ）を行うためには、これを典型的には６００〜９５０℃の高い温度で実施することが有利である。というのは、反応に必要なエネルギーの一部が熱によって提供され、これが電気よりも安価でありしかも反応の活性化が高温でより効率的でありしかも触媒を必要としないからである。高温電解を行うには、各々が、３つの互いに重ね合わされたアノード／電解質／カソード層とバイポーラ板又はインターコネクタとも呼ばれている金属合金で作られた相互接続板とから成る固体酸化物電解電池を含む要素ユニットのスタックから成るＳＯＥＣ型（“Solid Oxide Electrolyte Cell”（固体酸化物電解質電池）の頭文字である）の電解装置を用いることが慣例である。インターコネクタの機能は、電流の通過と各セルの付近におけるガスの循環の両方を保証する（ＨＴＥ電解装置内における注入される水蒸気、取り出される水素及び酸素、ＳＯＦＣ電池内における注入される水素及び取り出される水）と共にセルのアノード側及びカソード側でのそれぞれのガス循環のためのコンパートメントであるアノードコンパートメントとカソードコンパートメントを互いに隔てることにある。高温水蒸気電解ＨＴＥを行うため、水蒸気Ｈ2Ｏがカソードコンパートメント中に注入される。セルに加える電流の作用下で、蒸気中の水分子の解離が水素電極（カソード）と電解質との間のインターフェースのところで起こり、この解離により、水素ガスＨ2及び酸素イオンが生じる。二水素が集められ、そして水素コンパートメント出口のところで取り出される。酸素イオンＯ2-は、電解質に向かって移動して電解質と酸素電極（アノード）との間のインターフェースのところで二酸素として再結合する。
【００１６】
水蒸気とＣＯ2の共電解（ＩＩ）は、水の電解とＣＯ2の電解との間における中間凝縮を行わなければならないという欠点なしに水蒸気の電解（反応式（Ｉ））について上述したのと同一のエネルギー上の利点及び経済上の利点を潜在的に提供する。その利点は、反応器を８００℃付近の温度範囲内に維持することによって同一反応器内で共電解反応（ＩＩ）を行うことができるということにある。具体的に言えば、この温度では、ＣＯ2からＣＯへの還元及びＨ2ＯからＨ2への還元に必要な電圧は、事実上同一である。一例を挙げると、放棄電圧、即ち、８００℃における９０％酸化種及び１０％還元種の混合物に関し、電流なしであるが、セルの各側に位置する互いに異なるガスによってのみ得られる電圧は、それぞれ、Ｈ2Ｏ、Ｈ2／Ｏ2対については０．８５２Ｖ、及びＣＯ2、ＣＯ／Ｏ2対については０．８４４Ｖに等しい。
【００１７】
さらに、高温共電解は、低温水電解に対して７５０〜９００℃における水蒸気電解と同一のエネルギー上の利点を有する。具体的に説明すると、Ｈ2Ｏ分子の解離に必要なエネルギーは、蒸発エネルギーだけ少ない。さらに、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2の電解反応のキネティックスは、極めて熱的に活性化され、１２０ｋｊ／ｍｏｌのオーダの活性化エネルギーでアレニウスの法則に従う。その結果、反応の効率は、温度が高いと大幅に向上する。また、高温での高い電気化学活性により、低温で必要な高価な触媒、例えば白金をなしで済ますことができる。加うるに、共電解反応器のカソードコンパートメント内での合成ガスの生産に伴ってアノードコンパートメント内の酸素の生産が生じ、酸素を、例えば天然ガスの酸素燃焼（oxycombustion）のためにその後品質向上させるのが良い。
【００１８】
とは言うものの、想定する高温共電解（ＩＩ）は、上述の利点、即ち単一の電解反応器の投資、種々の反応相互間の熱的結合を提供するが、反応器出口での混合ガス中に可変Ｈ2／ＣＯ比を得ることができないという欠点を有する。換言すると、共電解が行われる場合、所望の出口Ｈ2／ＣＯ比は、所与の入口Ｈ2Ｏ／ＣＯ2比を必要とする。具体的に言えば、熱的中性動作点に近い動作が電解装置に印加されるべき電圧を設定する。かくして、水変換度が１００％に近い状態で所望の状態Ｈ2／ＣＯ比を得るには、入口ＣＯ2及びＨ2Ｏの割合及び組成を必然的に決定しなければならない。
【００１９】
しかしながら、可燃ガスを生じさせるようになった各合成ガスは、標的燃料の関数として所与のＨ2／ＣＯ比を必要とする。同様に、可燃ガスの直接的製造を行うには、標的燃料の関数として所与のＣＯ2／Ｈ2比が必要になる。
【００２０】
かくして、以下の表１は、互いに異なる燃料を合成するためのプロセスの関数として必要な比率を示している。
【００２１】
【表１】
0006480418.tif 000004
【００２２】
本出願人は、ＦＲ１２６２１７４という出願番号が付与された２０１２年１２月１７日に出願された特許出願において、出口のところに可変Ｈ2／ＣＯ比を得る、かくして、組成が、所望の可燃ガスを生じさせるようになっている合成ガスを得る新規の共電解プロセス及び反応器を提案した。
【００２３】
さらに、電解又は共電解反応器に採用された動作点は又、電解反応器内の熱的条件を設定する。具体的に述べると、高温で行われる電解のため、入口分子（Ｈ2Ｏ又はＣＯ2）の解離に必要なエネルギーΔＨは、電気的形態及び／又は熱的形態で提供できる。この場合、提供される熱エネルギーＱは、次の関係式により各電解セルの端子のところの電圧Ｕの関数として定められる。
【数１】
0006480418.tif 000005
上式において、Ｕは、電圧であり、Ｉは、電流であり、Ｆは、ファラデー定数である。かくして、電解セルのスタックに関する３つの互いに異なる熱的モードに対応した次の３つの動作方式が定められる。
‐印加される電圧ＵｉｍｐがΔＨ／２Ｆに等しい「オートサーマル（自熱）」モード。解離反応により消費される熱は、電解装置の種々の電気抵抗によって完全に補償される（非可逆性）。電解反応器（電解装置）は、任意特定の熱管理を必要とせず、しかもそれと同時に、温度安定性を維持する。
‐印加される電圧ＵｉｍｐがΔＨ／２Ｆよりも低い「吸熱」モード。電解装置は、この電解装置内における電気的損失よりも多くの熱を消費する。この必要な熱は、かくして、別の手段によってこの電解装置に供給されなければならず、もしそうでなければ、その温度は、回復できないほどに低下することになる。
‐印加される電圧ＵｉｍｐがΔＨ／２Ｆよりも高い「発熱」モード。この場合、電解は、ジュール効果により電気的損失よりも少ない熱を消費する。次に、電解装置内における熱のこの発生を別の手段によって排出しなければならず、もしそうでなければ、その温度は、禁止同然な程に増大することになる。
【００２４】
吸熱モードは、必要とする電気消費量が少なく、かくして、生産量が少なく、しかも熱が電解反応器に供給される必要がある。この吸熱モードの利点は、安価な熱源を利用できることにある。この場合、全てのことは、この熱源の性状及び温度で決まる。
【００２５】
これとは対照的に、発熱モードは、必要とする電気消費量が大きく、かくして、相当な生産量が得られるが、電解反応器を冷却しなければならず、このことは極めて費用が高くつく場合がある。この場合、この発熱モードの利点は、大きくは、電気のコスト及び過剰熱の使用で決まる。
【００２６】
かくして、電解又は共電解反応器の熱管理は、考慮に入れるべき重要な要因である。
【００２７】
加うるに、水素の輸送、貯蔵及び使用は、その加圧を必要とする。相当な費用を伴う得られた水素の圧縮に代えて、加圧下で水蒸気を直接用いる水の電解を行うことが既に実用化されており、水は、次に、前もって液体の形態に圧縮され、これは、非常に安価である。
【００２８】
Ｈ2と二酸化炭素ＣＯ2の混合物を用いて直接的にか、合成ガス（Ｈ2＋ＣＯ）を用いて間接的にか、のいずれかの不均一系触媒作用による可燃ガスを得る種々の方法が既に研究されている。
【００２９】
具体的に言えば、メタンへのＣＯ2の水素化は、純粋ＣＯ2及びＨ2から合成メタンを生じさせるためか、より複雑なガス及び条件（フィッシャー‐トロプシュプロセス）を用いる石炭ガス化プラント内でかのいずれかにおいて各エネルギーショックの度に研究された工業プロセスである。
【００３０】
メタン化プロセスに関し、２つのルートが可能であり、これらは、先行技術においてある程度大々的に研究された。
【００３１】
第１のルートは、直接的ルートであり、以下の反応式による単一の反応を含む。
【化３】
0006480418.tif 000006
【００３２】
第２のルートは、間接的ルートであり、以下の反応式による２段反応を含む。
【化４】
0006480418.tif 000007
【００３３】
刊行物［１］の著者によって実証されているように（特に図３及び図４を参照されたい）、メタン化反応は、ルシャトリエの法則により高圧及び低温で実施されるのが望ましい。具体的に言えば、刊行物［１］で示されている熱力学的計算は、４００℃で８３％であるのとは異なり、１５０℃未満においてＣＨ4へのＣＯ2の１００％の理論的変換を示している。しかしながら、十分なキネティックスを保証するためには最小温度及び最適ガス量が調節されることも又示されている。メタン化が実施されるべき最適温度は、かくして、ＣＯ2の所望の変換度と所望の反応キネティックスとの妥協点である。
【００３４】
メタン化に用いられる触媒は、一般に、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）上に支持されたニッケル（Ｎｉ）又は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）上に支持されたニッケル（Ｎｉ）を主成分としている。刊行物［１］は、Ｃｅ0.72Ｚｒ0.28Ｏ2という化学式で表されるセリウム（Ｃｅ）とジルコニウムの混合酸化物上に支持されたニッケル（Ｎｉ）を主成分とする触媒に関して高い触媒活性を強調して記載している。同様に、刊行物［２］は、３０ｂａｒの圧力でのメタン化に関し、Ｎｉ‐Ｆｅ／γ‐Ａｌ2Ｏ3という化学式で表される酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）上に支持されたニッケル（Ｎｉ）及び鉄（Ｆｅ）を主成分とするバイメタル（２種金属）触媒の優れた触媒活性を示した。
【００３５】
幾つかの形式の反応器がメタン化を実施するために既に計画実行された。
【００３６】
第１に、固体触媒が顆粒又はペレットの形態で組み込まれた固定床反応器を参照するのが良い。この種の反応器の欠点は、発熱反応、例えばメタン化を実施するのに熱管理が難しいことにある。
【００３７】
また、固体触媒が一般に反応チャネル内の被膜の形態で被着された構造化チャネルを備えた反応器、例えば多管式反応器、一体形反応器及びプレート型反応器を参照するのが良い。これら反応器は、良好な熱管理を必要とするメタン化反応に好適である。これらは、一般的に言って、コスト高である。
【００３８】
最後に、流動化されるべき触媒が粉末形態である同伴型又は流動床型の反応器を参照されたい。これら反応器は、極めて多量の試薬を含む反応に好適である。さらに、触媒の流動化により、反応器内における試薬の混合物の極めて良好な熱的均一化が可能であり、かくして良好な熱制御が可能である。
【００３９】
直接又は間接ルート、固体触媒、又は今日まで用いられている反応器の形式にもかかわらず、メタン化は、特に得られたメタンの次の圧縮（かかる圧縮は、メタンの貯蔵及び／又は輸送に必要であり、しかも特にＨＴＥ電解又は高温共電解によって必要な水素の別個の生産に起因して必要である）に起因して依然として改良されるべき収率の高価なプロセスのままである。メタン化と電解との間の効果的な結合は、今日まで達成されたとは言い難い。
【００４０】
仏国特許出願第２９３１１６８号明細書は、メタン又は他の燃料を生じさせるために水Ｈ2Ｏがアノードのところに導入され、ＣＯ2又はＣＯがカソードのところに導入されるプロトン型の電解装置、即ち、電解質内をプロトンＨ+が循環する電解装置を記載している。用いられている材料の種類は、試されて試験されたものでは全くない。加うるに、かかるプロトン電解装置によるメタン化の効率は、判明したレベルからはほど遠い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４１】
【特許文献１】米国特許出願公開２００９／０２８９２２７号明細書
【特許文献２】仏国特許出願第２９３１１６８号明細書
【非特許文献】
【００４２】
【非特許文献１】［１］ Fabien Ocampo et al.,“Methanation of carbon dioxide over nickel-based Ce0.72Zr0.28O2 mixed oxide catalysts prepared by sol-gel method ”, Journal of Applied Catalysis A: General 369 (2009) 90-96
【非特許文献２】［２］ Dayan Tiang et al.,“Bimetallic Ni-Fe total-methanation catalyst for the production of substitute natural gas under high pressure”, Journal of Fuel 104 (2013) 224-229
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４３】
特に、かくして、投資及び生産コストを減少させると共に収率を向上させるためにメタン化プロセスを改良する必要性がある。
【００４４】
特に、一般的に言って、特に投資及び生産コストを減少させると共に収率を向上させるためにメタン、メタノール、及びＤＭＥから選択された可燃ガスを得る公知の合成プロセスを改良する必要性がある。
【００４５】
本発明の目的は、これらの要望を少なくとも部分的に満たすことにある。
【課題を解決するための手段】
【００４６】
本発明は、これを行うため、その観点のうちの１つによれば、そして第１の形態では、メタン、メタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）及びディーゼルから選択された可燃ガスを不均一系触媒作用によって得る方法であって、
ａ／水蒸気Ｈ2Ｏの高温電解を所与の圧力に維持された漏れ止めチャンバ内に収容された電解反応器内で実施するステップを含み、このステップａ／では、電解反応器の各カソードには所与の圧力で水蒸気が供給され、
ｂ／触媒変換を圧力下で漏れ止めチャンバ内の電解反応器から距離を置いたところで且つこの電解反応器に対して半径方向に配置されると共に少なくとも１つの固体変換触媒を収容した少なくとも１つの反応ゾーン内で実施するステップを含み、ステップｂ／は、電解ステップａ／中に生じた水素Ｈ2及び電解反応器と半径方向反応ゾーンとの間の空間中に注入された二酸化炭素ＣＯ2を用いて実施され、
ｃ／ステップａ／で生じた可燃ガス及びステップａ／で変換されなかった水蒸気とステップｂ／で生じた水蒸気を半径方向反応ゾーンと漏れ止めチャンバを画定する壁との間の空間内に回収するステップを含むことを特徴とする方法に関する。
【００４７】
本発明は、第２の形態によれば、メタン、メタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）及びディーゼルから選択された可燃ガスを不均一系触媒作用によって得る方法であって、
ａ′／水蒸気Ｈ2Ｏと二酸化炭素ＣＯ2の高温共電解を所与の圧力に維持された漏れ止めチャンバ内に収容された共電解反応器内で実施するステップを含み、このステップａ′／では、共電解反応器の各カソードには所与の圧力で水蒸気Ｈ2Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ2が供給され、
ｂ′／触媒変換を圧力下で漏れ止めチャンバ内の共電解反応器から距離を置いたところで且つこの共電解反応器に対して半径方向に配置されると共に少なくとも１つの固体変換触媒を収容した少なくとも１つの反応ゾーン内で実施するステップを含み、ステップｂ′／は、共電解ステップａ′／中に生じた水素Ｈ2及び一酸化炭素ＣＯを用いて実施され、
ｃ′／ステップａ′／で生じた可燃ガス及びステップａ′／で変換されなかった水蒸気とステップｂ′／で生じた水蒸気を半径方向反応ゾーンと漏れ止めチャンバを画定する壁との間の空間内に回収するステップを含むことを特徴とする方法に関する。
【００４８】
本発明との関連において、電解ステップａ）又は共電解ステップａ′）の高温は、アルカリ型の電解が実施される低温と混同されるべきではないことが指摘される。
【００４９】
本発明との関連において、「所与の圧力下における漏れ止めチャンバ」は、本明細書では、外部雰囲気に対して漏れ止めであり、内部が大気圧よりも高い圧力状態に維持されるチャンバを意味しているものと理解されるべきである。
【００５０】
有利な実施形態によれば、半径方向反応ゾーンは、固体変換触媒を収容した多孔質仕切りから成る。
【００５１】
「多孔質仕切り」という用語は、全体的多孔率が、チャンバ内に存在するガス、例えば水蒸気及び仕切り内で生じるメタンの通過を可能にする１つ又は２つ以上の壁で作られた組立体を意味している。かくして、この組立体は、少なくとも２つのグリル、格子、金属シート又は多孔性の高いセラミックで作られた２つの基材から成るのが良く、これらを隔てる空間は、ステップｂ／又はステップｂ′／に従って少なくとも１つの固体変換触媒を収容する。
【００５２】
「〜から距離を置いたところに配置された反応ゾーン」及び「〜から距離を置いたところに配置された多孔質仕切り」という表現は、ガスの温度がステップｂ）又はステップｂ′）を実施するのに適した値の範囲に達するようゾーン（多孔質仕切りと電解／共電解反応器）相互間に十分な空間を備えた構造体を意味している。代表的には、メタン化ステップｂ）又はステップｂ′）を実施する上での最適温度は、約４００℃であり、かくして十分な空間は、８００℃〜８５０℃の領域でＣＯ2の注入によって生じるＨ2又はＨ2＋ＣＯ混合物が反応ゾーン（多孔質仕切り）に入ったときに約４００℃の温度に達するように提供される。
【００５３】
ステップｂ／又はステップｂ′／は、好ましくは、それ自体閉鎖された半径方向反応ゾーンが電解反応器又は共電解反応器周りにそれぞれ同心状に配置された状態で実施される。
【００５４】
ステップａ／又はステップａ′／は、有利には、６００℃〜１０００℃の温度、好ましくは６５０℃〜８５０℃の温度、より好ましくは７００℃〜８００℃の温度で実施される。
【００５５】
ステップｂ／又はステップｂ′／は、有利には、２５０℃〜５００℃の温度、好ましくは３００℃〜４００℃の温度で実施される。
【００５６】
ステップａ／又はステップａ′／は、０〜１００ｂａｒの圧力、好ましくは４〜８０ｂａｒの圧力、即ち中程度の圧力の分配ネットワークの圧力（４ｂａｒ）と天然ガスパイプライン内の圧力（８０ｂａｒ）との間の範囲で実施されることが好ましい。
【００５７】
有利な実施形態によれば、チャンバを画定する壁は、チャンバの所与の圧力における水飽和温度よりも低い温度まで冷却され、ステップｃ／又はステップｃ′／は、可燃ガスをチャンバ内で凝縮された水から分離し、次に分離された可燃ガス及び凝縮水を重力によりチャンバの底部上に回収するステップから成る。
【００５８】
本方法は、有利には、メタン化プロセスを構成する。かかる方法では、有利には、チャンバの所与の圧力及び電解又は共電解反応器の作動の所与の圧力は、約３０ｂａｒに等しく、ステップａ／又はステップａ′／が実施される温度は、約８００℃に等しい温度に維持され、半径方向反応ゾーン内の温度は、約４００℃に等しい温度に維持され、チャンバを画定する壁の温度は、２３０℃未満の温度に維持される。
【００５９】
本発明は又、その観点のうちの別の観点では、メタン、メタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）及びディーゼルから選択された可燃ガスを不均一系触媒作用により得る反応器であって、
‐所与の圧力下に配置可能な漏れ止めチャンバを有し、
‐水蒸気の高温電解か水蒸気と二酸化炭素の高温共電解かのいずれかを行う反応器を有し、反応器は、ＳＯＥＣ型の電解要素セルのスタックを有し、要素セルは各々、カソード、アノード、カソードとアノードとの間に介在して設けられた電解質、及び各々が２つの隣り合う要素セル相互間に配置された複数の電気的及び流体インターコネクタで形成され、インターコネクタのフェースのうちの一方は、２つの要素セルのうちの一方のアノードと電気的接触状態にあり、インターコネクタのフェースのうちの他方は、２つの要素セルのうちの他方のカソードと電気的接触状態にあり、電解又は共電解反応器は、チャンバ内に収容され、カソードの出口は、チャンバの内部に現れ、
‐チャンバ内の電解又は共電解反応器から距離を置いたところに且つこの電解又は共電解反応器に対して半径方向に配置されると共に少なくとも１つの固体触媒を収容していて、合成ガス（Ｈ2＋ＣＯ又はＨ2＋ＣＯ2）を可燃ガスに変換する少なくとも１つの多孔質仕切りを有し、
‐圧力下で水蒸気、及び適宜二酸化炭素を、電解又は共電解反応器のカソードに供給する少なくとも１本の管を有し、
‐適宜、二酸化炭素を電解反応器と多孔質仕切りとの間の空間中に注入する少なくとも１本の管を有し、
‐可燃ガス及び／又は水蒸気を回収する少なくとも１本の管を有し、
‐適宜、チャンバを画定する壁上に凝縮した水を回収する少なくとも１本の管を有し、各管は、チャンバを画定している壁を貫通していることを特徴とする反応器に関する。
【００６０】
ここで指摘されることとして、インターコネクタ又は相互接続板とも呼ばれている電気的及び流体相互接続デバイスは、ＨＴＥ反応器のスタック内の各電解セルの電気的観点から見て直列の接続を提供すると共に流体の観点から見て並列の接続を提供し、かくして、セルの各々の生成量を組み合わせたデバイスである。かくして、インターコネクタは、電流をもたらすと共に集める機能を保証すると共にガス循環（分配及び／又は収集）コンパートメントを画定する。
【００６１】
電解セルは、有利には、カソード支持型のものである。本発明との関連において、「カソード支持型セル」という用語は、本明細書では、高温水電気分解ＨＴＥの分野で既に与えられると共に頭文字ＣＳＣにより言及した定義、即ち、電解質と酸素電極（アノード）が、これよりも厚く、かくして支持体としての役目を果たす水素又は一酸化炭素電極（カソード）上に配置されるセルを意味している。
【００６２】
有利な実施形態によれば、多孔質仕切りは、それ自体閉鎖されており、且つ電解又は共電解反応器周りに同心状に配置されている。
【００６３】
多孔質仕切りは、好ましくは、２つの多孔質金属壁から成り、２つの多孔質金属壁を隔てる空間には粉末又は顆粒の形態をした変換触媒が少なくとも部分的に充填されている。２つの金属壁は各々、好ましくは、仕切りの高さと長さの両方にわたって規則正しく間隔を置いて配置された複数個の穴が設けられているシートから成る。
【００６４】
固体変換触媒は、好ましくは、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）上に支持されたニッケル（Ｎｉ）を主成分とし、又は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）上に支持されたニッケル（Ｎｉ）を主成分とし、又は酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）上に支持されたニッケル（Ｎｉ）及び鉄（Ｆｅ）を主成分とするバイメタルであり、好ましくはＮｉ‐Ｆｅ／γ‐Ａｌ2Ｏ3であり、或いはセリウム（Ｃｅ）とジルコニウムの混合酸化物、好ましくはＣｅ0.72Ｚｒ0.28Ｏ2上に支持されたニッケル（Ｎｉ）を主成分とする。
【００６５】
多孔質仕切りは、有利には、固体触媒内に、共電解反応器内の上流側で作られた水素と一酸化炭素との触媒反応、又は電解反応器内の上流側で作られた水素と、多孔質仕切りと電解反応器との間の空間中に注入された二酸化炭素との触媒反応を冷却するのに適した冷却回路の一部を含む。
【００６６】
供給管は、好ましくは、カソードへの供給前に圧力下で水蒸気及び適宜、二酸化炭素を加熱するために電解又は共電解反応器に近接してそれ自体部分的に巻かれる。
【００６７】
有利な変形実施形態によれば、電解又は共電解反応器は、水素及び適宜、カソードのところで作られた一酸化炭素を回収する管を有し、回収管は、それ自体巻かれて円を形成し、回収管には、水素、及び適宜一酸化炭素を、電解又は共電解反応器と、同心状に配置された多孔質仕切りとの間の空間内に均一に拡散させるよう、円に沿って規則正しく分布して配置された複数個の穴が開けられている。
【００６８】
二酸化炭素注入管は、好ましくは、それ自体巻かれて円を形成し、注入管には、電解又は共電解反応器と、同心状に配置された多孔質仕切りとの間の空間内に二酸化炭素を均一に拡散させるよう、円に沿って規則正しく分布して配置された複数個の穴が開けられている。
【００６９】
有利な変形実施形態によれば、漏れ止めチャンバは、側部エンベロープ、エンベロープと漏れ止め状態で組み立てられた蓋とベース、及び電解又は共電解反応器及び多孔質仕切りをチャンバのベース及び蓋から距離を置いたところに配置するよう電解又は共電解反応器と多孔質仕切りの両方を支持する第１の支持体を有する。
【００７０】
好ましくは、電解又は共電解反応器は、第１の支持体上に固定されている第２の支持体であって、電解又は共電解反応器だけを、好ましくは多孔質仕切りの上方に途中のところで多孔質仕切りの中央部分に向いた状態で配置するよう電解又は共電解反応器だけを支持する、第２の支持体を有する。
【００７１】
有利な変形実施形態によれば、側部エンベロープは、所与の圧力で水飽和温度よりも低い温度まで冷却を行う回路の一部を構成する。
【００７２】
漏れ止めチャンバのベースは、有利には、蓋及び／又は側部エンベロープ及び／又はベース上で凝縮した水を回収するベイスンを構成している。
【００７３】
本発明は、その観点のうちのもう一つの観点によれば、システムであって、
‐上述した反応器と、
‐所与の圧力で液体の水を蒸発させる蒸気発生器を形成する熱交換器とを含み、熱交換器は、チャンバの外部に配置されていることを特徴とするシステムに関する。
【００７４】
かかるシステムでは、熱交換器の二次回路の一部が有利にはベース内で凝縮した水を回収する管を構成する。
【００７５】
多孔質仕切りの冷却回路は、有利には、所与の圧力で液体としての水を蒸発させる熱交換器の一次回路を構成する。
【００７６】
本発明は、その観点のうちの更にもう一つの観点によれば、上述の共電解反応器を作動させる方法であって、かかる方法に従って、水蒸気を２つの隣り合う要素セルのうちの一方のカソードに供給すると共に分配し、二酸化炭素を２つの要素セルのうちの他方のカソードに供給すると共に分配することを特徴とする作動方法に関する。
【００７７】
有利な実施形態よれば、発熱モードでの作動方式が２つの隣り合う要素セルのうちの一方のカソードのところでの水蒸気の電解のために定められ、吸熱モードでの作動方式がそれと同時に、２つの隣り合う要素セルのうちの他方のカソードのところでの二酸化炭素の電解のために実施され、水蒸気の電解によって放出された熱は、二酸化炭素の電解に必要な熱を少なくとも部分的に提供することができる。
【００７８】
変形例として、発熱モードでの作動方式が２つの隣り合う要素セルのうちの一方のカソードのところでの二酸化炭素の電解のために定められ、吸熱モードでの作動方式がそれと同時に、２つの隣り合う要素セルのうちの他方のところでの水蒸気の電解のために実施され、二酸化炭素の電解によって放出された熱は、水蒸気の電解に必要な熱を少なくとも部分的に提供することができる。
【００７９】
本発明は又、説明した反応器又はメタン化反応器として説明したシステムの使用に関する。
【００８０】
本発明は又、燃料電池及び触媒改質反応器としての上述の反応器の使用であって、チャンバは、圧力下にはなく、可燃ガス回収管は、可燃ガス供給管を構成し、セルスタック型電解又は共電解反応器は、ＳＯＦＣ燃料電池を構成することを特徴とする使用に関する。
【００８１】
換言すると、本発明の変換プロセスは、特にメタン化に関し、本質的に、水蒸気を圧力下でチャンバ内に注入するステップと、水蒸気Ｈ2Ｏを電解し又は水蒸気Ｈ2Ｏと二酸化炭素ＣＯ2を高い温度で共電解するステップと、触媒変換のための最適ガス温度範囲を得るのに電解又は共電解反応器から十分な距離を置いたところに反応ゾーンを配置することによって、圧力下に保たれている同一チャンバ内で可燃ガスへの触媒変換を実施するステップとから成る。本発明の方法は、有利には、本発明の反応器によって実施される。
【００８２】
換言すると、特に加圧専用の１つ又は２つ以上の機器に投資する必要なく、既に試されて試験された高温水電気分解圧力、代表的には３０ｂａｒでメタンを生産することができる。というのは、本発明の圧力下にある漏れ止めチャンバが触媒変換のためのチャンバとして働くと共に電解／共電解のために働くからである。
【００８３】
水蒸気と二酸化炭素の共電解は、有利には、上述の仏国特許出願第１２６２１７４号明細書の教示に従ってスタック型反応器内で実施されるのが良く、即ち、水蒸気を供給して２つの隣り合う要素セル（単セル）のうちの一方のカソードに分配し、二酸化炭素を供給して２つの要素セルのうちの他方のカソードに分配する。これにより、Ｈ2／ＣＯを混合する前に出口のところで得られたＨ2／ＣＯ比を意のままに変化させて、チャンバ内の可燃ガスに変換される合成ガスを構成すると共に動作モード（吸熱又は発熱モード）とは無関係に電解セルのスタックの熱管理を容易にし、しかも現行の費用の関数として可逆的にこれを実施することが可能になる。
【００８４】
本発明に従う加圧下における水蒸気の電解の利点、又は加圧下に維持された同一チャンバ内の可燃ガスへの触媒変換と組み合わされた水蒸気と二酸化炭素の共電解の利点は、多様である。これらの利点の中で、次の利点に言及することができる。
‐単一チャンバを備えた単一の機械を用いて水蒸気の電解と、水蒸気とＣＯ2の共電解の両方を実施すると共に可燃ガスへの触媒変換、特にメタン化を実施し、それにより投資を制限することができること。
‐少なくとも２つの互いに異なる反応器の順次使用を必要とする公知のプロセスと比較して、同一チャンバ内での電解／共電解と触媒変換との熱管理の強固な統合が得られること。
‐電解／共電解と触媒変換（メタン化）の両方のための単一チャンバについて圧力抵抗が設定されること、特に、追加のチャンバを設ける投資を必要としないで、電解／共電解に必要な高圧で触媒変換を実施することができる。ステップｂ／又はステップｂ′／、特にメタン化を実施するため、電解又は共電解反応器から距離を置いたところに配置された多孔質仕切りを構成する壁は、極めて単純な設計のものであって良く且つ低コストのものであって良い。
‐圧力下で触媒変換、特にメタン化を実施することにより、広い温度範囲にわたって固体触媒の動作が可能であり、かくして、熱管理にある程度の柔軟性がもたらされる。また、これにより、特定の投資をなんら行う必要なく、高い圧力で、代表的にはメタンガスパイプライン内で通常見受けられる圧力、即ち８０ｂａｒでの触媒変換を実施することができる。特に、本発明に従ってチャンバを出た可燃ガス、例えばメタンＣＨ4の圧縮をなしで済ますことができる。
‐１０％未満の未変換水素が残っている場合であっても、圧力下で得られたメタンをガスネットワーク中に直接運び込むことができる。
‐電解／共電解反応器から距離を置いたところで、この周りにそれ自体閉鎖された多孔質仕切りの考えられる同心配置によって多孔質仕切り内の有害な熱勾配がなくなる可能性があり、触媒中で変換されるべきガスの経路が多量の触媒の場合であっても比較的短いと言え、これは、仕切りの周囲全体にわたって起こる触媒変換、例えばメタン化の熱管理にとって望ましいこと。この場合、固体触媒を収容した仕切りの厚さは、その他の寸法に対して比較的小さくて良い。
‐先行技術のＨＴＥ電解装置と比較して、第１に、電解反応器とチャンバを画定している壁との間の同一の熱勾配に必要なガスの量の減少、及び第２に、温度制御が望ましいチャンバの壁に対して多孔質仕切りに与えられる低い温度、代表的にはメタン化の場合４００℃での熱シールド機能に起因して、圧力下におけるチャンバの使用と関連したリスクの良好な管理が行われること。
‐合成ガスをチャンバの既に高温のスペース内に配置されている多孔質仕切りの内壁に導入することにより生じる加熱によって本発明の反応器全体の熱管理について追加の柔軟性が得られること。
‐本発明の反応器の使用の柔軟性が得られること。と言うのは、第１に、直接ルートによるか間接ルートによるかのいずれかによりＣＯ2を注入することによってメタン化を実施することが可能であり、第２にメタンＣＨ4を注入することによってその動作を逆にすることができるからであり、この場合、固体電解質を収容した仕切りが触媒予備改質器として機能し、ＳＯＥＣ型の電解反応器がＳＯＦＣ燃料電池として機能し、換言すると、本発明との関連において、このように逆にすることにより、固体電解質を含む仕切りが改質器として用いられ、ＳＯＥＣ電解反応器が電流を生じさせるようＳＯＦＣ燃料電池として用いられる。
‐先行技術の順次ＨＴＥ電解及びメタン化と比較して、水処理機器における水の消費量が少なくなると共に投資が減少すること。かくして、チャンバを画定している壁を所与の圧力で水の飽和温度よりも低い温度で維持することにより、生じたメタンと変換されなかった水を壁上に凝縮させることによってこの水を分離することができる。このようにして凝縮された水を次に、システムの水蒸気形成装置（蒸発式熱交換器）中に再注入することができる。その結果、メタン化反応器及びこれとは別体の水電解反応器を備えた先行技術のシステムと比較して、乾燥状態のメタンを得るための加圧凝縮器を設ける投資が回避される。
‐本発明に従って得られたメタンの使用向きの用途に応じて、チャンバ及びかくして得られたメタンの圧力が高すぎる場合、メタンを膨張させ、その結果、チャンバの冷却に関与する可能性が得られること。
‐メタン輸送のために本発明に従って得られた極めて高い圧力下においてメタンを連続膨張によって液化させることができること。
【００８５】
本発明の他の利点及び他の特徴は、以下の図を参照して非限定的な例として与えられる本発明の具体化の実施例についての詳細な説明を読むと明確になろう。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】高温水電解装置の動作原理を示す略図である。
【図２】インターコネクタを有する高温水蒸気電解装置の一部の分解組立て略図である。
【図３】水蒸気Ｈ2Ｏの高温電解か水蒸気Ｈ2Ｏと二酸化炭素ＣＯ2の高温共電解かのいずれか及び電解又は共電解により生じるガスを用いるメタン化を同一チャンバ内で加圧下で行う本発明の反応器の部分切除斜視図である。
【図４】図３の反応器の部分切除詳細斜視図である。
【図５】図３の反応器の別の部分切除詳細斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００８７】
本願全体を通じて、「垂直」、「下側」、「上側」、「底部」、「頂部」、「下方」、及び「上方」という用語は、反応器及びそのチャンバが垂直動作形態にあるようにチャンバが圧力下にある状態で可燃ガスを得るための反応器に対して基準として受け取られるべきである。かくして、動作形態では、チャンバは、そのベースが底部に位置した状態で垂直に配置され、電解又は共電解反応器は、そのセルがその専用支持体上に水平に位置した状態で配置される。
【００８８】
同様に、本願の組立体では、「入口」、「出口」、「下流」、及び「上流」という用語は、ＨＴＥ電解又は共電解反応器内へのガスの流入、又は加圧下にある漏れ止めチャンバ中へのガスの流入から、ガスの出口までのガスの循環方向に関して理解されるべきである。
【００８９】
図１〜図５の全てにおいて、水蒸気Ｈ2Ｏを供給し、二水素Ｈ2及び酸素Ｏ2、電流及び二酸化炭素ＣＯ2を分配して回収し、一酸化炭素ＣＯ及び酸素Ｏ2、電流及びメタンＣＨ4を分配して回収する記号及び矢印は、知られている水蒸気電解又は同時水蒸気及び二酸化炭素共電解反応器及び本発明のメタン化反応器の機能を示すために分かりやすく且つ正確にする目的で示されていることが指摘される。
【００９０】
また、本発明のメタン化反応器に関する図３〜図５では、分かりやすくするために、電解装置又は共電解装置出口のところでの酸素Ｏ2の回収が示されていないことが指摘される。
【００９１】
また、説明する電解装置又は共電解装置の全てが高温で動作する固体酸化物型（ＳＯＥＣ：固体酸化物電解質電池）のものであることが指摘される。かくして、電解セルの構成要素（アノード／電解質／カソード）の全ては、セラミックである。
【００９２】
かかる構成要素は、ＳＯＦＣ燃料電池の構成要素であるのが良い。電解装置（電解反応器）の高い動作温度は、代表的には、６００℃〜１０００℃である。好ましくは、本発明との関連において、６５０℃〜８５０℃の好ましい範囲、より好ましくは７００℃〜８００℃の範囲が想定される。
【００９３】
代表的には、カソード支持型（ＣＳＣ）型の本発明のＳＯＥＣ要素電解セルの特性は、以下の表２に以下のように示された特性であるのが良い。
【００９４】
【表２】
0006480418.tif 000008
【００９５】
水電解装置は、電流の作用を受けて水素（及び酸素）を生じさせる電気化学的装置である。
【００９６】
ＨＴＥ高温電解装置では、高温の水の電解は、水蒸気を用いて実施される。ＨＴＥ高温電解装置の機能は、以下の反応式に従って水蒸気を水素と酸素に変換することにある。
【化５】
0006480418.tif 000009
【００９７】
この反応は、電解装置のセル内で電気化学的に行われる。図１に概略的に示されているように、各要素電解セル１は、固体電解質３の各側に配置されたカソード２及びアノード４で形成されている。２つの電極（カソード及びアノード）２，４は、多孔質材料で作られた電子導体であり、電解質３は、ガス密であり、電子絶縁体且つイオン導体である。電解質は、特に、陰イオン導体、より正確に言えばＯ2-イオンの陰イオン導体であるのが良く、この場合、電解装置は、陰イオン電解装置と呼ばれる。
【００９８】
電気化学的反応は、電子導体の各々とイオン導体との間のインターフェースのところで起こる。
【００９９】
カソード２のところでは、半反応は、次の通りである。
【化６】
0006480418.tif 000010
【０１００】
アノード４のところでは、半反応は、次の通りである。
【化７】
0006480418.tif 000011
【０１０１】
電解質３は、２つの電極２，４相互間に介在して設けられ、この電解質は、アノード４とカソード２との間に加わる電位差により作られる電界の影響を受けてＯ2-イオンの移動の場所である。
【０１０２】
図１に括弧で示されているように、カソードに流入した水蒸気は、水素Ｈ2を伴っても良く、出口のところで作られて回収される水素は、水蒸気を伴っても良い。同様に、破線で示されているように、排出ガス、例えば空気も又、得られた酸素を取り出すために入口中に注入されるのが良い。排出ガスの注入は、熱調整器として働く別の機能を有する。
【０１０３】
要素電解反応器は、カソード２、電解質３及びアノード４を備えた上述の要素セルと、電気的、流体的及び熱的分配機能を保証する２つの単極コネクタとから成る。
【０１０４】
生じた水素及び酸素の流量を増大させるため、数個の要素電解セルを互いに上下に積み重ねることが通例であり、これらセルを通常インターコネクタ又は双極相互接続板と呼ばれている相互接続デバイスによりこれら電解セルが互いに隔てられる。組立体は、電解装置（電解反応器）の電気供給部及びガス供給部を支持した２つの端に位置する相互接続板相互間に配置される。
【０１０５】
かくして、高温水電解装置（ＨＴＥ）は、少なくとも１つ、一般的には複数個の互いに上下に積み重ねられた電解セルを有し、各要素セルは、電解質、カソード及びアノードで作られ、電解質は、アノードとカソードとの間に介在して設けられている。
【０１０６】
１つ又は２つ以上の電極と電気的接触状態にある流体及び電気相互接続デバイスは、一般に、電流を運ぶと共に集める機能を行うと共に１つ又は２つ以上のガス循環コンパートメントを画定する。
【０１０７】
かくして、「カソード」コンパートメントは、電流及び水蒸気を分配する機能及び更に接触状態にあるカソードのところの水素を回収する機能を有する。
【０１０８】
「アノード」コンパートメントは、電流を分配すると共に、オプションとして排出ガスの助けにより、接触状態にあるアノードのところで作られる酸素を回収する機能を有する。
【０１０９】
ＨＴＥ電解装置の満足のゆく機能は、
‐スタック中の２つの隣り合うインターコネクタ相互間の良好な電気的絶縁（もしそうでなければ、２つのインターコネクタ相互間に介在して設けられた単位電解セルがショートすることになる）、
‐セルとインターコネクタとの間の最も低いオーム抵抗を得るよう各セルとインターコネクタとの間の良好な電気的接触及び十分な接触面積、
‐２つの別々のコンパートメント相互間の良好な漏れ止め度、即ち、カソードの漏れ止め度（もしそうでなければ、生じたガスが再結合を生じ、その結果収率が低下し、更にとりわけ電解装置を損傷させるホットスポットの出現が生じる）、
‐入口のところと生じたガスの回収時との両方におけるガスの良好な分配（もしそうでなければ、収率が低下し、種々の要素セル中の圧力及び温度が不均一になり、或いはそれどころかセルの禁止同然なほどの劣化が生じる）。
【０１１０】
図２は、先行技術の高温水蒸気電解装置の要素ユニットの分解組立て図である。このＨＴＥ電解装置は、インターコネクタ５と交互に積み重ねられた固体酸化物型（ＳＯＥＣ）の複数個の要素電解セルＣ１，Ｃ２を有する。各セルＣ１，Ｃ２等は、カソード２．１，２．２等と、アノード４．１，４．２とから成り、電解質３．１，３．２等がアノードとカソードとの間に配置されている。
【０１１１】
インターコネクタ５は、インターコネクタ５と隣接のアノード４．２との間及びインターコネクタ５と隣接のカソード２．１との間のそれぞれの容積部により構成されたカソードコンパートメント５０とアノードコンパートメント５１との離隔を行う金属合金で作られたコンポーネントである。インターコネクタは又、セルへのガスの分配を保証する。各要素ユニット中への水蒸気の注入は、カソードコンパートメント５０内で起こる。作られた水素及びカソード２．１，２．２等のところの残留水蒸気の収集は、セルＣ１，Ｃ２等による水蒸気の解離後にセルＣ１，Ｃ２等の下流側のカソードコンパートメント５０内で行われる。アノード４．２のところで生じた酸素の収集は、セルＣ１，Ｃ２等による水蒸気の解離後にセルＣ１，Ｃ２等の下流側のアノードコンパートメント５１内で行われる。
【０１１２】
インターコネクタ５は、隣り合う電極との直接的な接触によるセルＣ１，Ｃ２相互間、即ち、アノード４．２とカソード２．１との間の電流の通過を保証する。
【０１１３】
高温共電解装置ＨＴＥでは、高温共電解が水蒸気及び二酸化炭素ＣＯ2を用いて行われる。ＳＯＥＣ高温共電解装置の機能は、以下の反応式に従って水蒸気及びＣＯ2を、水素、一酸化炭素及び酸素に変えることにある。
【化８】
0006480418.tif 000012
【０１１４】
共電解装置１は、正確に言えば、ちょうど説明したばかりのＨＴＥ電解装置と同一の個体酸化物構成要素（ＳＯＥＣ）を有するのが良い。通常、水蒸気と二酸化炭素ＣＯ2は、共電解装置に入る前に混合され、そして同時に各カソードコンパートメント５０内に注入される。
【０１１５】
所与の電解セルの発熱又は吸熱動作モードにもかかわらず生じた出口ガス、即ち、Ｈ2／ＣＯの可変比を得るために、本出願人は、上述の仏国特許出願第１２６２１７４号明細書において、水蒸気とＣＯ2の同時ではあるが別々の電解を行う新規なプロセスを提案した。
【０１１６】
より正確に言えば、仏国特許出願第１２６２１７４号明細書に記載されている水蒸気Ｈ2Ｏと二酸化炭素ＣＯ2の高温共電解を行うプロセスは、電解反応器を用いて実施され、この電解反応器は、ＳＯＥＣ型の電解要素セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３のスタックを有し、要素セルは各々、カソード２．１，２．２，２．３、アノード４．１，４．２，４．３、カソードとアノードとの間に介在して設けられた電解質３．１，３．２，３．３、及び各々が２つの隣り合う要素セル相互間に配置された複数の電気的及び流体インターコネクタ５で形成され、インターコネクタのフェースのうちの一方は、２つの要素セルのうちの一方のアノードと電気的接触状態にあり、インターコネクタのフェースのうちの他方は、２つの要素セルのうちの他方のカソードと電気的接触状態にある。水蒸気は、２つの隣り合う要素セル（Ｃ１，Ｃ２：Ｃ２，Ｃ３）のうちの一方（Ｃ１又はＣ３）のカソード２．１，２．２に供給されると共に分配され、二酸化炭素は、２つの要素セル（Ｃ１，Ｃ２：Ｃ２，Ｃ３）のうちの他方（Ｃ２）のカソード２．２に供給されると共に分配される。
【０１１７】
仏国特許出願第１２６２１７４号明細書に記載されている共電解反応器では、送り込まれた水蒸気Ｈ2Ｏ及び生じた水素Ｈ2を循環させるカソードコンパートメント５０の全ては、互いに連通している。同様に、注入された二酸化炭素ＣＯ2及び生じた一酸化炭素ＣＯを循環させるカソードコンパートメント５０の全ては、互いに連通しているが、水蒸気Ｈ2Ｏ及び生じた水素Ｈ2専用のコンパートメント５０からは完全に隔離されている。最後に、２つの同時ではあるが別々の電解反応が両方とも、関心のある反応とは無関係に、互いに連通したアノードコンパートメント５１の全てによって集められる酸素を生じさせる。
【０１１８】
現時点において、メタン化を実施することが望ましい場合、２つのルートが可能である。第１のルートは、以下の反応式に従った単一の反応の直接ルートである。
【化９】
0006480418.tif 000013
【０１１９】
第２のルートは、以下の反応式に従った２段反応の間接ルートである。
【化１０】
0006480418.tif 000014
【０１２０】
メタン化は、固体反応触媒が収納された反応器内で実施される。
【０１２１】
水素及び適宜、一酸化炭素が図１〜図３を参照して説明した電解反応器１内のＨＴＥ電解によるか、更に説明した共電解反応器１又は仏国特許出願第１２６２１７４号明細書に記載されたそれと同時に用いられる共電解反応器内での高温共電解かのいずれかにより前もって作られるのが良い。
【０１２２】
かくして、プロセス全体は、２つの別々の反応器、即ち、電解／共電解のための反応器とメタン化のための反応器の順次使用を含み、この場合、関連の大きな欠点として、特に２つの別々の反応器相互間の熱的結合解除、及び生じたメタンを、８０ｂａｒの圧力で専用天然ガスパイプラインか、４ｂａｒでの「中程度の圧力」分配ネットワークかのいずれかで運搬することができるようにするようメタン化反応器の出口のところで生じたメタンを圧縮する必要性に起因して多大な投資及び高い生産コストが生じる。
【０１２３】
これら欠点を解決するため、本発明の本発明者は、固体触媒を含むメタン化反応器と加圧下で同一の漏れ止めチャンバ内に位置する高温水蒸気電解装置（ＳＯＥＣ）又は水蒸気と二酸化炭素ＣＯ2の共電解装置を統合することを思いついたが、この圧力は、電解装置／共電解装置の水蒸気供給圧力、代表的には３０ｂａｒである。本発明との関連において、メタンを高圧状態にある出口のところに得ることが望ましい場合、水蒸気供給圧力、及びその結果としてのチャンバ内の圧力は、この高い圧力状態にある。特に、メタンを出口のところで、メタンガスパイプライン内で見受けられる圧力に相当する８０ｂａｒの圧力状態で得ることが望ましい場合があり、水蒸気の供給圧力及びチャンバ内の圧力は、かくして、この場合、８０ｂａｒに等しい。
【０１２４】
かくして、図３〜図５に示されているように、本発明者は、ＳＯＥＣ電解セルのスタックを備えた電解／共電解反応器１と電解／共電解反応器１から離れて位置する触媒変換に必要な固体触媒の両方を統合した不均一系触媒作用によってメタンを得る新規な反応器６を設計した。
【０１２５】
メタン化反応器６は、第１に、漏れ止めチャンバ７内に収容された電解／共電解反応器１を有し、漏れ止めチャンバ７は、供給水蒸気Ｈ2Ｏが反応器１内に到達する所与の圧力下に配置されるのが良い。図３〜図５に示されているように、メタン化反応器のチャンバ７は、長手方向軸線Ｘの全体として円筒形の形状のものであり、反応器１の中心は、この軸線Ｘ上に位置し、即ち、反応器１のスタックを構成する各セルＣ１，Ｃ２等の図示されていない中心は、軸線Ｘ上に位置する。
【０１２６】
図３〜図５に示されているように、漏れ止めチャンバ７は、蓋７０、ベース７１、及び蓋７０とベース７１の両方に組み立てられた側部エンベロープ７２を有する。ベース７１及び蓋７０は、シールを備えたボルト止めフランジシステムにより側部エンベロープ７２に組み付けられるのが良い。
【０１２７】
チャンバ７を冷却するため、側部エンベロープ７２の外壁上に一様なコイルの状態で巻かれた管７３から成る冷却回路が設けられている。この冷却回路７３は、有利には、チャンバ７を画定する内壁７４をチャンバ内に生じている圧力状態において水の飽和温度未満に、有利には、３０ｂａｒで２３０℃未満に冷却するのが良い。かくして、以下に詳細に説明するように、未変換水蒸気は、有利には、内壁７４上で凝縮されるのが良く、かくして、生じたメタンと水蒸気を重力により別個独立に回収することが可能である。
【０１２８】
漏れ止めチャンバ７の内部には、合成ガスをメタンに変換し又は二酸化炭素ＣＯ2と水素の混合物をメタンに変換する固体触媒８０を収容した多孔質仕切り８が配置されている。固体電解質は、有利には、Ｎｉ‐Ａｌ2Ｏ3若しくはＮｉ‐ＺｒＯ2又は刊行物［２］に言及されている固体電解質、即ち、３０ｂａｒの圧力でメタン化について優れた触媒特性を有するバイメタル触媒Ｎｉ‐Ｆｅ／γ‐Ａｌ2Ｏ3であるのが良い。
【０１２９】
図３〜図５に示されているように、多孔質仕切り８は、２つの金属壁８１，８２から成り、これら金属壁は各々、仕切り８の高さ全体と長さ全体にわたって規則正しく間隔を置いて設けられた複数個の穴８３が開けられたシートから形成され、高さは、軸線Ｘに準拠した仕切りの寸法であり、長さは、軸線Ｘに準拠したその周長である。穴８３の一様な分布状態に加えて、壁のうちの一方８１の穴８３は、壁の他方８２の穴８３に向いた状態で設けられている。これとは逆に、これら穴８３相互間には一方の壁８１から他方の壁８２までオフセットが存在しても良い。
【０１３０】
また図示のように、仕切り８はそれ自体閉鎖され、それにより反応器１周りに同心状に且つこの反応器１から距離を置いて配置された筒体を形成している。最後に、チャンバ７の蓋とは異なる蓋８４が多孔質仕切り８により画定された内部容積部を閉鎖している。かくして、蓋８４の存在により、ガスが触媒を通過してチャンバから出るようにすることが可能である。２枚のシート８１，８２を互いに隔てる空間には変換触媒８０が詰め込まれている。この触媒は、有利には、蓋８４による閉鎖前に、２枚のシート８１，８２相互間の空間中に導入されるのが良い粉末の形態をしている。シート上における蓋の閉鎖は、有利には、溶接又は任意他の機械的固定手段によって実施されるのが良い。機械的固定手段は、相当大きな力に耐えるよう設計されなくても良い。というのは、この（これらの）手段は、チャンバ７内に生じている圧力によって応力を受けないからである。かかる手段は、例えば、クリート型のアタッチメントであっても良く、蓋８４を貫通して壁８２に入るねじであっても良い。
【０１３１】
図３〜図５に示されているように、第１の支持体９が電解又は共電解反応器１と多孔質仕切り８をベース７１から且つチャンバ７の蓋７０から距離を置いたところに配置するよう、電解又は共電解反応器１と多孔質仕切り８の両方を支持するようチャンバ７内に配置されている。この第１の支持体９は又、仕切り８の下に位置する反応器１の容積部を閉鎖する。
【０１３２】
図３〜図５に示されているように、第２の支持体１０がこの支持体１０を多孔質仕切り８の中央部分に向いた状態で配置するよう、電解又は共電解反応器１だけを支持するよう第１の支持体９に固定された状態で設けられている。
【０１３３】
好ましくは、反応器１は、多孔質仕切り８の上方に途中のところに位置し、即ち、壁８１，８２の高さについて上方に途中のところに配置された一部分に向いた状態で配置されている。これにより、第１に、壁８１によって画定された内容積部内の均一の熱勾配を提供すると共に、第２に反応器１から出たガス（Ｈ2及びＣＯ又はＨ2及びＣＯ2）のこの内容積部内の均質分布、及びかくして触媒８０へのこれらの導入中にメタンに変換されるべきガスの均質分布を提供することが可能である。言うまでもなく、以下に詳細に説明するように、反応器１と多孔質仕切り８との間の熱勾配は、一方において蒸気の電解又は水蒸気とＣＯ2の共電解のための有利には約８００℃の温度と、他方においてメタン化のための有利には約４００℃の温度との間の反応温度の差に起因して必要である。
【０１３４】
かくして、変換触媒８０を反応器１の周りに収容した多孔質仕切り８の同心配置、反応器１を出たガス（Ｈ2及びＣＯ又はＨ2及びＣＯ2）を通過させる穴８３の一様な分布及び仕切り８の上方に途中までの反応器１の配置は、仕切り８、その蓋８４及び支持体９によって画定された内容積部内の極めて均一の熱勾配に寄与すると共に、この内容積部内のガス（Ｈ2及びＣＯ又はＨ2及びＣＯ2）の極めて均質の分布に寄与する。触媒８０内のガスの経路は、壁８１，８２相互間に多量の触媒が存在している場合であっても比較的短いのが良く、これは、仕切り８の周囲全体にわたるメタン化反応の熱管理にとって有利である。仕切り８の厚さは、即ち、軸線Ｘに対して横方向の最も小さい寸法は、かくして、その他の寸法と比較して比較的小さいと言える。
【０１３５】
図３〜図５に示されているように、仕切り８は、固体電解質８０内に、触媒メタン化反応を冷却し、或いは、換言すると、この反応のために有利には４００℃の一定の温度を維持するのに適した冷却回路８５の一部を有する。具体的に説明すると、メタン化反応は、発熱反応なので、触媒８０内の冷却回路８５により、この触媒を好ましくは４００℃に近い適当な温度に維持することができる。より正確に言えば、冷却回路８５は、内壁８１と外壁８２との間に位置する空間で、好ましくは内壁８１に近い空間内に通常のコイルの状態に巻かれた管から成るのが良い。冷却回路８５は、冷却剤として油を収容するのが良く、そしてこの冷却回路は、閉回路であるのが良い。
【０１３６】
図３〜図５に示されているように、供給管１１が蒸気を圧力下で、更に適宜、二酸化炭素を電解又は共電解反応器１のカソードに送るよう設けられている。この管１１は、外部からチャンバ７のベース７１及び第１の支持体９を貫通して延びている。この管は、反応器１の近いところで、好ましくは第２の支持体１０の周りにそれ自体部分的に巻かれており、それにより水蒸気を圧力下で過熱し、更に適宜、カソードへの供給前二酸化炭素を過熱し、これについては以下に詳細に説明する。
【０１３７】
蒸気を圧力下で生じさせるため、熱交換器１２がチャンバ７の外部に配置された状態で設けられ、この熱交換器は、蒸気発生装置又は蒸気発生器を構成している。これを行うため、前もって所与の圧力に圧縮された管１３内の液体としての水が蒸気発生器（ＳＧ）１２に送られる。反応器１による共電解の場合、二酸化炭素ＣＯ2が管１４を経て導入されて、生成された蒸気とＳＧ１２内で、混合される。蒸気発生器１２をチャンバ７の内部に配置することが想定できるが、ＳＧ（特に、減圧の場合のガスの存在量）と関連した安全上の理由で、蒸気発生器を図示のように外部に配置することが好ましい。
【０１３８】
ＳＧ１２のための熱源として、有利には、メタン化反応の閉冷却回路８５を用いるのが良い。かくして、図３〜図５に示されているように、仕切り８内に通常のコイルの状態で且つそれ自体閉鎖された管８５は、チャンバのベース７１を貫通して一次回路、即ち、蒸気発生器‐熱交換器１２の最も高温の流体を運ぶ回路を形成している。換言すると、仕切り８内の触媒反応の冷却回路８５は、有利には、液体としての水をＳＧ‐熱交換器１２内で圧力下で蒸発させる熱回路を構成する。
【０１３９】
図３〜図５に示されているように、二酸化炭素を電解反応器１と多孔質仕切り８との間の内容積部中に注入する管１５が設けられている。これにより、反応器１内での圧力下における水蒸気の電解により生じた水素と穴１６を経て注入されて管１５から出たＣＯ2との間における直接ルートを経由するメタン化を実施することが可能である。かくして、この直接ルートでは、Ｈ2＋ＣＯ2混合物は、触媒８０を使用した仕切り８の穴８３を通過してメタンに変換される。管１５を介する低温ＣＯ2のこの注入に伴って得られる利点は、反応器１内における電解と仕切り８内の電解質８０内における触媒との間に必要な熱勾配の管理を可能にするという利点である。
【０１４０】
図３〜図５に示されているように、生じたメタンを回収するための管１７が設けられ、チャンバを画定する内壁７４上で凝縮した水を重力で回収する管１８が設けられ、各管１７，１８は、チャンバ７のベース７１を貫通している。凝縮水をメタン回収管１７中に導入しないように、この管は、ベース７１から突き出ている。これとは対照的に、重力により凝縮水を回収する管１８の端部は、ベース７１から突き出てはいない。また、管１７の回収端部を蓋７０上に配置してこの管１７が最終的に凝縮物を回収することがないようにすることも又想定できる。
【０１４１】
有利には、管１８によって回収された凝縮水をＳＧ‐熱交換器１２の同一圧力状態にある液体としての水の入口１３中に再導入することが想定できる。
【０１４２】
図４及び図５に良好に示されているように、多孔質仕切り８により画定された内容積部中に注入される二酸化炭素ＣＯ2の一様な拡散を達成するため、注入管１５は、それ自体巻かれて円を形成し、この注入管には円に沿って規則的に分布して設けられた複数個の穴１６が開けられている。
【０１４３】
この同じ均一分布は、有利には、反応器１内で作られる水素Ｈ2又は合成ガスＣＯ＋Ｈ2に関し、多孔質仕切り８により画定された内容積部内で達成されるのが良い。かくして、図４及び図５に良好に示されているように、水素を回収し、そして適宜、反応器１のカソードのところで生じた一酸化炭素を回収する管１９が設けられている。より正確に言えば、この回収管１９は、反応器１のカソードコンパートメント５０の出口に連結され、この回収管は、それ自体巻かれて円を形成している。この管には、水素、及び適宜一酸化炭素を、多孔質８によって画定された内容積部内に均一に拡散させるよう円に沿って規則的に分布して設けられた複数の穴２０が開けられている。
【０１４４】
次に、今説明したばかりの反応器６及びメタン化システムの機能について公称の動作上のポイントに関してより正確に説明する。動作条件は、次の通りである。
‐液体としての水を２０℃で注入し、そして管１３によって３０ｂａｒの圧力まで圧縮して蒸気発生器１２中に導入し、
‐３０ｂａｒの圧力でチャンバ７の漏れ止めを維持すると共に、壁７４を２３０℃未満の一定温度に維持し、
‐３００℃、３０ｂａｒの同じ圧力で管１１によりＳＧ１２から、適宜符号１４のところで注入されたＣＯ2と混合した状態で、水蒸気を取り出し、
‐反応器１の近くで管１１のそれ自体巻かれた部分内で、適宜符号１４のところで注入されたＣＯ2と混合された、蒸気を３００℃及び３０ｂａｒに過熱してこの反応器の入口のところで８００℃の温度に達するようにし、
‐管１１内に取り出された蒸気がＣＯ2を全く含んでいない場合、穴１６を備えた管１５を介してＣＯ2を室温で注入し、
‐仕切り８を約４００℃の一定の温度に維持し、
‐共電解反応器１の出口のところで管１９によって取り出されたＨ2＋ＣＯ＋Ｈ2Ｏ混合物及び／又は管１５を介して注入されたＣＯ2を一緒に多孔質仕切り８中に通し、
‐４００℃で仕切り８内でメタン化反応させ、
‐仕切り８とチャンバ７との間に画定された内容積部内の、生じたメタンＣＨ4及びＨＴＥ内で変換されなかった水と、メタン化により形成された水を、外壁８２の穴８３を経て除去し、
‐チャンバ７を画定している壁７４上に水を凝縮させ、
‐３０ｂａｒの圧力で生じたメタンを管１７経由で回収し、
‐重力により管１８経由で凝縮された液体としての水を３０ｂａｒの圧力で回収し、
‐３０ｂａｒで回収された液体としての水を蒸気発生器１２中に再注入する。
【０１４５】
非公称動作条件下では、管１５経由（直接ルート）と管１４経由（間接ルート）の両方でＣＯ2を注入することが想定できる。
【０１４６】
圧力下における電解装置（共電解装置）１の近くでの３００℃から８００℃までの水蒸気の上昇は、この反応器内における発熱反応の発生によってのみ起こる場合がある。図示されていない加熱システムも又使用できる。
【０１４７】
ちょうど説明したばかりの反応器６及びメタン化システムは、低投資費用で製作するのが簡単である。特に、仕切り８の壁８１，８２及び蓋８４、チャンバ７の構成要素７０，７１，７２、支持体９，１０、管１１，１３，１４，１５，１７，１８，１９，７３，８５の全ては、比較的安価な金属、例えばステンレス鋼３１６Ｌを用いて構成できる。電解／共電解の高い温度、代表的には８００℃に耐える必要のある部品については適当な金属を選択する注意が払われることは言うまでもない。かくして、ガスが内部で８００℃及び３０ｂａｒで循環する管１１，１９の少なくとも部分に関し、ニッケルを主成分とする合金による製作が想定できる。
【０１４８】
ちょうど説明したばかりの反応器６及びメタン化システムは、特に圧力下にある同一チャンバ７内の２つの反応（電解／共電解及びメタン化）相互間の最適化された熱的結合に起因すると共にメタン圧縮機が設けられていないこと、メタン化に特有の圧力チャンバが設けられていないこと、３０ｂａｒでの凝縮器が設けられていないことに起因して先行技術の製造費よりも低い製造費の実現が可能であり、これら機能は全ては事実上、チャンバ７内で実施される。
【０１４９】
本発明は、上述した実施例には限定されず、特に、図示の実施例の特徴を組み合わせて図示していない変形例に用いることが可能である。
【０１５０】
かくして、詳細な具体化実施例では、反応器６及びシステムは、メタン化を実施するものとして想定されているが、これらは、メタノールＣＨ3ＯＨ、ＤＭＥ又はディーゼルを得るためにちょうど同様に想定できる。得ようとする可燃ガスとは無関係に、以下の好ましいパラメータは、同一のままであって良い。
‐チャンバ７の圧力に等しい約３０ｂａｒの液体としての水の供給圧力、
‐Ｈ2＋ＣＯを生じさせるための約８００℃の電解又は共電解温度。
【０１５１】
他方、標的とする可燃物（燃料）の種類に応じて、Ｈ2／ＣＯ比、触媒８０の選択、及び触媒作用、即ち、多孔質仕切り８内での触媒作用に関する温度は、互いに異なる。この最後のパラメータに関し、仕切り温度８は、メタンＣＨ4を生産するには約４００℃であるのが良く、メタノールＣＨ3ＯＨ及びＤＭＥを得るには約２５０℃〜３００℃であるのが良い。
【０１５２】
引用文献
［１］： Fabien Ocampo et al.,“Methanation of carbon dioxide over nickel-based Ce0.72Zr0.28O2 mixed oxide catalysts prepared by sol-gel method ”, Journal of Applied Catalysis A: General 369 (2009) 90-96;
［２］： Dayan Tiang et al.,“Bimetallic Ni-Fe total-methanation catalyst for the production of substitute natural gas under high pressure”, Journal of Fuel 104 (2013) 224-229.
【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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