JP2000026102A - セラミック膜式改質反応器 - Google Patents

セラミック膜式改質反応器

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン移送反応器から所望生成物を高い産出
率で得るための方法を提供すること。 【解決手段】 酸素選択性イオン移送膜のカソード側と
アノード側の両方を利用する。所望生成物を化学的に結
合された状態で含有している酸素供与第１供給物流をカ
ソード側へ送り、それと同時併行的に、酸素受容第１供
給物流をアノード側へ送る。カソード側とアノード側の
両方の側での反応実施後、第１生成物流をカソード側か
ら回収し、第２生成物流をイオン移送膜のアノード側か
ら回収する。第１生成物流と第２生成物流に含有されて
いる所望生成物の和は、第１供給物流又は第２供給物流
の一方だけから得られ所望生成物の量を上回る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、イオン移送反応器
（以下、単に「反応器」とも称する）からの所望の生成
物の回収率を高めるための方法に関し、特に、所望の生
成物を反応器の固形電解質イオン伝導体膜（以下、「イ
オン伝導体膜」、「イオン伝導膜」、「イオン移送膜」
又は単に「膜」とも称する）のアノード側即ち篩下側と
カソード側即ち篩上側の両方から回収し、それによって
所望の生成物の収率（産出高）を高めることに関する。
【０００２】
【従来の技術】石油及び石油化学会社は、極地や海底等
の遠隔地域に膨大な量の天然ガスを発見している。主と
してメタンから成る天然ガスの搬送は困難であり、現在
のところ、メタンは、水素のようなより価値の高い生成
物や、あるいは、メタノール、フォルムアルデヒド、オ
レフィン等の液体燃料のような、より経済的に収容し搬
送することができる生成物に経済的に変換することがで
きない。代表的な例では、メタンは、液体燃料へ変換す
る際の中間生成物である合成ガスに変換される。この合
成ガスは、約０．６〜約６のＨ2／ＣＯモル比を有する
水素と一酸化炭素の混合物である。メタンから合成ガス
への変換は、現在は、スチームメタン改質法又は一酸化
炭素改質法のいずれかによって行われている。スチーム
メタン改質プロセスは、吸熱反応である。 （１） ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 このプロセスは、比較的高い水素ガス（Ｈ2）収率を有
し、生成される一酸化炭素１モル当たり３モルの水素ガ
スを生成する。しかしながら、この反応動力学は、相当
な量の熱の添加を必要とするので、経済的には望ましく
ない。
【０００３】一酸化炭素改質プロセスも、吸熱反応であ
る。 （２） ＣＨ4＋ＣＯ2→２ＣＯ＋２Ｈ2 この一酸化炭素改質反応は、スチームメタン改質反応よ
り多少非効率であり、生成される一酸化炭素１モル当た
り１モルの水素ガスを生成する。この吸熱反応も、相当
な量の熱を必要とするので、やはり経済的には望ましく
ない。
【０００４】もう１つの方法は、メタンを直接部分酸化
させる方法である。この方法は、下式に従ってイオン伝
導膜反応器又は混合伝導膜反応器を利用することができ
る。 （３） ＣＨ4＋１／２Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2
【０００５】イオン伝導膜反応器又は混合伝導膜反応器
においては、酸素選択性を有する固形電解質膜が、酸素
含有供給物流と、酸素消費性の、通常はメタン含有生成
物流との間に介設される。「酸素選択性」とは、酸素イ
オンは透過させるが、他の元素及びそのイオンは透過さ
せない固形電解質膜の性質のことをいう。固形電解質膜
は、典型的な例としては螢石又は灰チタン石構造を有す
るカルシウム又はイットリウム安定化ジルコニウム又は
それに類する酸化物のような無機酸化物から作られる。
【０００６】通常、５００°Ｃを越える、好ましくは７
００°Ｃ〜１２００°Ｃの範囲内の高められた温度下で
は、固形電解質膜（以下、単に「膜」とも称する）は、
その物質（膜）を通しての酸素イオンの選択的移送のた
めの伝導場を提供する移動酸素イオン空位を包含してい
る。これらの膜は、酸素の移送だけを許すので、酸素に
対して無限の選択度を有する膜として機能し、従って、
空気分離プロセスに使用するのには極めて好都合であ
る。
【０００７】イオンタイプ系では、膜は、酸素イオンだ
けを移送し、上式（３）の反応過程中酸素から放出され
た２個の電子が外部電界により膜を透過して移送され
る。
【０００８】米国特許第４，７９３，９０４号は、両面
に導電層を被覆されたイオン移送膜を開示している。酸
素含有ガスがこの膜の一方の面に接触し、酸素イオンが
膜を透過して膜の他方の面に達し、他方の面において酸
素イオンがメタン又はそれに類する炭化水素と反応して
合成ガスを生成する。酸素イオンによって放出された電
子は、導電層から外部ワイヤ（電線）へ流れて電気を発
生する。
【０００９】固形電解質混合伝導体型イオン移送膜
（「混合伝導体膜」、「混合伝導膜」、「混合移送膜」
又は単に「膜」とも称する）膜においては、膜は、酸素
イオン伝導体と電子伝導体とが混合されている二相混合
伝導体型であり、酸素イオンと電子の両方を選択的に移
送する能力を有する二相セラミックである。この型の膜
では、酸素イオンによって放出される電子を除去するた
めの外部電界を設ける必要がない。米国特許第５，３０
６，４１１号は、混合伝導体型膜の応用例を開示してい
る。この膜は、灰チタン石結晶構造を有する２つの固
相、即ち、酸素イオン移送のための固相と、電子伝導の
ための固相を有する。酸素イオンの移送は、合成ガスを
生成することと、ＮＯｘやＳＯXのような排ガスを処理
するのに有用であるとされている。
【００１０】米国特許第５，５７３，７３７号も、酸素
を分離し、次いで酸素イオンをメタンと反応させて合成
ガスを生成するためにイオン伝導膜又は混合伝導膜を使
用することを開示している。
【００１１】部分酸化反応は、発熱反応であり、一旦開
始されたならば、熱入力の追加を必要としない。しかし
ながら、一酸化炭素１モル当り水素ガス２モルという収
率は、在来のスチームメタン改質法によって得られる収
率（式（１）参照）より３３％低い。
【００１２】収率（産出高）又は効率を高めるためにイ
オン移送膜を他の装置又はプロセスと統合する（組み合
わせる）ことが、１９９７年４月２９日付で出願された
「固形電解質膜を用いて水素を生成する方法」と題する
本出願人の米国特許願第０８／８４８，２００号に開示
されている。この方法においては、水素ガスの生成率を
高めるために酸素選択性イオン移送膜とプロトン（水素
イオン）選択性移送膜とが組合わされる。酸素選択性イ
オン移送膜（以下、単に「酸素選択性移送膜」又は「酸
素イオン移送膜」又は「酸素移送膜」とも称する）を透
過した酸素イオンが炭化水素と反応して合成ガスを生成
する。その合成ガスを、水素イオンを選択的に移送する
プロトン選択性膜（「プロトン伝導膜」又は「プロトン
移送膜」とも称する）に接触させて水素ガスとして改質
する。
【００１３】又、１９９７年４月２９日付で出願された
「ガスタービンと統合された固形電解質膜を用いて酸化
生成物を生成し、電力を創生する方法」と題する本出願
人の米国特許願第０８／８４８，２５８号には、イオン
移送膜とガスタービンを統合する（組み合わせる）こと
が開示されている。この方法においては、膜を通して移
動された酸素イオンを用いて酸化生成物を生成する。一
方、その発熱反応中加熱された酸素減耗（酸素を減少又
は除去された）供給ガス流は、高温状態でガスタービン
の燃焼器へ送られる。
【００１４】精留法や圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法の
ように、反応器の外部で分離された酸素を用いる直接部
分酸化法も、使用可能である。この反応には、慣用の触
媒化学反応器を用いることができ、その場合、膜は必要
とされない。直接部分酸化法は、又、酸素ではなく空気
を用いて実施することもできるが、その場合、経済性が
悪くなる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】上記のような統合は、
直接部分酸化反応法の経済性を高めるが、そのプロセス
によって得られる収率をスチームメタン改質法にほぼ匹
敵するレベルにまで高めたいという要望がある。
【００１６】従って、本発明の目的は、イオン移送反応
器から所望生成物を高い産出率で得るための方法を提供
することである。
【００１７】本発明の他の目的は、イオン移送膜の両面
で起る化学反応を同時に利用して所望生成物の産出高を
高めるための方法を提供することである。
【００１８】本発明の更に他の目的は、所望生成物を有
用な副生成物と一緒に供給することである。そのよな副
生成物としては、例えば、二酸化炭素、窒素、アルゴ
ン、電力（電気パワー）、及びそれらの組み合わせがあ
る。
【００１９】
【課題を解決するための手段】発明の概要 本発明は、イオン移送反応器からの所望生成物を高い産
出率で得るための方法を提供する。本発明の方法によれ
ば、イオン移送反応器内に酸素選択性イオン移送膜を配
設する。この酸素選択性イオン移送膜は、カソード側と
アノード側を有する。所望生成物を化学的に結合された
状態で含有している酸素供与第１供給物流を第１酸素分
圧で移送膜のカソード側へ送り、それと同時併行的に、
水素のような所望生成物を化学的に結合された状態で含
有している酸素受容第１供給物流を移送膜のアノード側
へ送り、アノード側に第２酸素分圧を設定する。第１酸
素分圧は、第２酸素分圧より高い値に選択される。この
酸素選択性イオン移送膜は、その膜を通してのこの酸素
イオンの移送を容易にするのに十分な高められた温度で
作動させる。第１供給物から得られた元素状酸素を膜を
通して移送させ、第２供給物流と反応させる。次いで、
第１生成物流をイオン移送膜のカソード側から回収す
る。この第１生成物流は、所望生成物の第１部分を含有
している。第２生成物流をイオン移送膜のアノード側か
ら回収する。第２生成物流は、所望生成物の第２部分を
含有している。所望生成物の第１部分と第２部分を足し
た和が所望生成物の総量となる。第１部分と第２部分の
組み合わせから所望生成物への変換分率（％）は、第２
供給物流だけから得られる変換分率を上回るので、所望
生成物の産出高を高めることができる。
【００２０】好ましい実施形態では、酸素供与第１供給
物流は、ＮＯｘと、水蒸気と、二酸化炭素と、それらの
組み合わせから成る群から選択された少なくとも１つの
成分を含有しており、酸素受容第２供給物流は、酸素含
有反応生成物、炭素含有反応生成物、及びそれらの組み
合わせから成る群から選択された少なくとも１つの成分
を含有している。
【００２１】別の好ましい実施形態においては、反応器
を５００°Ｃを越える温度で作動させる。更に別の好ま
しい実施形態においては、水素ガスを上記第１部分と第
２部分の両方から所望生成物として分離する。
【００２２】本発明のその他の目的、特徴及び利点は、
以下の好ましい実施形態の説明及び添付図から当業者に
は明らかになろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明は、カソード側とアノード
側を有する酸素選択性イオン移送セラミック膜を備えた
イオン移送反応器を設け、その反応器をセラミック膜式
改質器（改質反応器）として作動させることによって達
成することができる。化学的に結合された状態で所望生
成物を含有している酸素供与供給物流を反応器のカソー
ド側へ送給し、それと併行して、化学的に結合された状
態で水素を含有している酸素受容供給物流を反応器のア
ノード側へ送給することによって、所望生成物をアノー
ド側とカソード側の両方の側の産出流（出力）から分離
することができる。このようなセラミック膜式改質器の
これらの２つの別個の産出流から得られた所望生成物の
合計は、それぞれ１つの流れから得られた所望生成物の
産出流を単純に合計した量より多い。
【００２４】図１は、本発明のプロセスにおいてセラミ
ック膜式改質器として作動させるためのイオン移送反応
器１０を断面図で示す。このイオン移送反応器１０は混
合伝導体型であるが、イオン伝導膜式反応器を用いるこ
とも可能であり、その場合にも本発明のプロセスの利点
をほとんど損なうことがない。本発明に使用する膜はあ
る特定の分圧勾配で作動する膜であることが好ましい。
なぜなら、そのような膜の場合、酸素分離を駆動するの
に外力を必要としないからである。ただし、稠密な膜を
通してのイオン移送を駆動するために外部電流を用いる
ことは、本発明の原理の範囲内である。外部電流を追加
するには余分の設備とコストを必要とするが、プロセス
全体の経済性が大きく変わることはない。
【００２５】イオン移送反応器１０内には、酸素選択性
イオン移送膜１２が配設されている。酸素選択性イオン
移送膜１２は、カソード側１４とアノード側１６を有し
ている。
【００２６】酸素選択性イオン移送膜１２は、稠密壁中
実酸化物混合伝導体又は二相伝導体として、あるいは、
多孔質の基材上に支持された薄膜（フィルム）状の中実
酸化物混合伝導体又は二相伝導体として形成される。こ
のイオン移送材は、そのイオン移送膜の両面間（カソー
ド側とアノード側の間）に正の酸素分圧比を維持するに
よって醸成される化学的駆動ポテンシャルがイオン移送
膜の表面に維持されている場合、約５００°Ｃ〜約１２
００°Ｃの温度範囲において現行酸素分圧で酸素イオン
と電子を移送する能力を有する。このイオン移送膜の素
材として適する材料としては、以下の表Ｉに一覧にされ
ているように混合伝導体である灰チタン石や、二相伝導
体である金属−金属酸化物組合せ体等がある。酸素選択
性イオン移送膜１２のアノード側１６の反応性環境は、
多くの用例において、非常に低い酸素分圧を醸成するの
で、表Ｉのクロム含有灰チタン石は、低分圧酸素環境下
で安定しているという点で好ましい材料であろう。クロ
ム含有灰チタン石は、通常、非常に低い酸素分圧下では
化学的に分解されない。
【００２７】随意選択として、酸素移送膜の表面上での
酸素交換及び化学反応を高めるために、酸素移送膜の一
方の面又は両方の面に、例えばその膜の素材と同じ灰チ
タン石材から形成された多孔質触媒層を付加することが
できる。あるいは別法として、表面交換動力学を向上さ
せるために、酸素選択性イオン移送膜の表面層に例えば
コバルトをドープすることができる。
【００２８】
【表１】
【表２】
【表３】
【００２９】イオン移送反応器１０は、その酸素選択性
イオン移送膜を通しての酸素イオンの移送を容易にする
のに十分な高められた温度で作動される。その作動温度
は、少なくとも５００°Ｃ、好ましくは約７００°Ｃ〜
１２００°Ｃの範囲、最も好ましくは約８００°Ｃ〜１
０００°Ｃの範囲である。
【００３０】作動中、酸素供与第１供給物流１８が酸素
選択性イオン移送膜１２のカソード側１４に接触してい
る第１反応容器又はチャンバー２０へ送給される。酸素
供与第１供給物流１８は、所望生成物を化学的に結合さ
れた状態で含有している組成物であれば、任意の組成物
であってもよいが、室温では例えば蒸気のような異なる
状態にあるとしても、イオン移送反応器の作動温度では
ガス状である組成物を含有している。第１供給物流１８
の組成の例としては、ＮＯｘ（ここでＸは０．５ないし
２）と、水蒸気と、二酸化炭素と、それらの混合物を含
むものが挙げられる。
【００３１】酸素供与第１供給物流１８の送給酸素選択
性イオン移送膜１２のカソード側１４の第１供給物流反
応容器２０への酸素供与第１供給物流１８の送給と併行
して、酸素選択性イオン移送膜１２のアノード側１６に
接触する第２反応容器又はチャンバー２４へ酸素受容第
２供給物流２２を送給する。この酸素受容第２供給物流
２２は、水素を化学的に結合された状態で含有している
組成物であれば、任意の組成物であってもよいが、第２
供給物流２２の組成の例としては、水素含有反応物と、
炭素含有反応物と、それらの混合物を含むものが挙げら
れる。より好ましい組成物は、ＣｘＨｙ（ここでｘは１
ないし５、ｙは４ないし１２）の形態の軽質炭化水素で
あり、最も好ましいのは、メタンである。
【００３２】酸素供与第１供給物流１８及び酸素受容第
２供給物流２２は、いずれも、更に、窒素、アルゴン、
蒸気又は二酸化炭素のような非反応性希釈剤及び掃引ガ
スを含んでいてもよい。蒸気又は二酸化炭素は小割合の
混入量であると、反応するが、大割合であれば反応せ
ず、従って、反応性ガスとしてではなく、掃引ガスとし
て機能する。
【００３３】酸素供与供給物流１８内に含有されている
酸素含有分子２６は、カソード側入口２８を通ってイオ
ン移送反応器１０内に流入する。酸素選択性イオン移送
膜１２のカソード側１４で酸素含有分子２６から元素状
酸素が解離する。酸素イオン（Ｏ--）の形の元素状酸素
３０は、矢印３１で示されるように酸素選択性イオン移
送膜１２を透過してアノード側１６へ移送される。酸素
減耗分子（酸素を除去又は少なくされた分子）３２は、
イオン移送反応器１０からカソード側出口３４を通って
第１生成物流３６として流出する。この第１生成物流３
６は、酸素選択性イオン移送膜１２のカソード側１４上
に保持された成分（膜不透過ガス流）であるから、「篩
上ガス流」又は単に「篩上」とも称される。
【００３４】「元素状酸素」とは、周期表の他のいかな
る元素とも結合していない酸素のことをいう。元素状酸
素は通常は２原子形態であるが、ここでいう元素状酸素
には、単一酸素原子、３原子酸素であるオゾン、及び、
他の元素と結合していないその他の形態の酸素も含まれ
る。
【００３５】酸素イオン（Ｏ--）の形の元素状酸素３０
は、格子空位を通ることによって酸素選択性イオン移送
膜１２を透過してアノード側１６へ移送される。元素状
酸素３０’は、第２反応容器２４内に入ると、酸素受容
第２供給物流２２内に含有されている酸素消耗分子３８
と反応する。この酸化反応中、酸素イオンは、電子４０
を放出し、電子４０は、矢印４１によって示されるよう
に酸素選択性イオン移送膜１２を透過して移送され、カ
ソード側１４において元素状酸素３０と結合して酸素イ
オンとなる。アノード側１６の反応生成物４２，４３
は、通常、ＣＯやＣＯ2のような酸素含有分子４２と、
水素ガス４３の両方を含む。反応生成物４２，４３は、
イオン移送反応器１０からアノード側出口４４を通って
第２生成物流４６として流出する。この第２生成物流４
６は、酸素選択性イオン移送膜１２を透過して移送され
た酸素を含む成分であり、透過物流又は篩下ガス流又は
単に「篩下」とも称される。
【００３６】図１は酸素供与第１供給物流１８と酸素受
容第２供給物流２２とは互いに向流関係をなして流れる
ものとして図示しているが、ある種の応用例においては
並流関係とすることもできる。
【００３７】酸素フラックス率（酸素流速）、即ち、酸
素選択性イオン移送膜１２を透過する酸素イオンの移送
速度（単位時間当たりに膜を透過して流れる酸素イオン
の量）は、第１反応容器２０内の成分と第２反応容器２
４内の成分との間の酸素分圧（Ｏpp）によって励起（押
し上げられる）される。このフラックス率（以下、単に
「フラックス」とも称する）を最大限にすることが望ま
しい。第１反応容器２０内の酸素分圧（第１Ｏpp）と第
２反応容器２４内の酸素分圧（第２Ｏpp）との差は、少
なくとも１０００倍以上であることが好ましく、１０10
〜１０15のレベルであることが好ましい。例えば、第１
Ｏppを０．１気圧程度とし、第２Ｏppを約１０-14とす
ることができる。
【００３８】第２Ｏppを減少させるためには、蒸気のよ
うな分離しやすい希釈剤又は掃引ガスを酸素受容第２供
給物流２２に含めることができる。
【００３９】あるいは別法として、フラックスを電気的
に励起する（向上させる）こともできる。膜を通しての
フラックスを電気的に励起する場合は、膜の両面間（カ
ソード側とアノード側との間）に酸素分圧の勾配（差）
を設定する必要がない。従って、第１Ｏppが必ずしも第
２Ｏppより高いとは限らない。
【００４０】本発明のプロセスは、水素収率を高め、第
１生成物流３６及び第２生成物流４６中のガスの組成を
制御するための効果的な方法を提供する。メタン１分子
当りの水素収率は、酸素選択性イオン移送膜１２のカソ
ード側１４へ蒸気を供給することによって最高５０％ま
で増大させることができる。同様にして、一酸化炭素の
収率は、酸素選択性イオン移送膜１２のカソード側１４
へＣＯ2を供給することによって２倍にすることができ
る。
【００４１】カソード側１４へ蒸気を供給した場合、カ
ソード側の反応は、 （４） Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋１／２Ｏ2 であり、アノード側の反応は、 （３） ＣＨ4＋１／２Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2 である。式（３）と（４）を加算すると、 （１） ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2 となる。カソード側１４へ一酸化炭素を供給した場合、
カソード側の反応は、 （５） ＣＯ2→ＣＯ＋１／２Ｏ2 であり、アノード側の反応は、 （３） ＣＨ4＋１／２Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2 である。式（５）と（３）を加算すると、 （２） ＣＨ4＋ＣＯ2→２ＣＯ＋２Ｈ2 となる。
【００４２】カソード側でのＣＯ2の分解、及び、アノ
ード側での部分酸化反応は、いずれも、ＣＯを生成す
る。ＣＯはＣＯ2とＣＨ4の両方から生じるので、産出流
中のＣＯのモル収率は、メタンのモル入力を上回る。
【００４３】アノード側反応は、発熱性であり、定常作
動を維持するには熱を除去する必要がある。熱の大部分
は、生成物によって除去され、一部は熱交換によって除
去され、一部は失われる。カソード側反応は、吸熱性で
あり、アノード側からの熱除去のためのヒートシンクと
して機能し、それによって、セラミック膜改質器のため
の熱制御を達成する。所望ならば、熱の除去を促進する
ために反応器内の特定のホットスポット(熱点)へ蒸気を
注入することができる。更に、その蒸気を再加熱した
後、反応器内へ戻し、反応器内に所望の温度レベルを維
持するようにすることができる。そのような蒸気の添加
は、水素収率の増大をもたらすことができる。ホットス
ポットは、部分燃焼ではなく、完全燃焼帯域を生じる局
部的な酸素の漏れや酸素フラックスの高い部位が存在す
る膜のアノード側に発生する。反応器の特定の帯域に目
標を定めてその帯域の熱除去を実施することは、膜の温
度分布をより均一にし、膜破損の原因となる熱応力を減
少させることにより、膜の作動寿命を延長するととも
に、反応器の制御及び作動を著しき改善することにつな
がる。制御手段には、温度センサーを含めることがで
き、米国特許第５，５４７，４９４号に開示されている
フィードバック制御器のように、フィードバック制御ル
ープに設けたマイクロプロセッサを利用して、局部的な
温度レベルを調節することができる。同特許に記載され
ている熱伝達技術は、反応器の壁を通してだけの熱調節
とは異なり、反応器内の熱を調節するので、熱混乱に対
する応答を迅速にすることができる。
【００４４】「固形電解質膜ガス分離のための反応式パ
ージ」と題する本出願人の１９９５年１２月５日付米国
特許願第０８／５６７，６９９号及びヨーロッパ特許公
告第７７８，０６９号に反応式パージの構成が開示され
ている。又、反応式パージを利用するイオン移送モジュ
ールのための好ましい構成は、やはり本出願人の「固形
電解質イオン伝導体反応器の設計」と題する１９９７年
４月２９日付米国特許願第０８／８４８，２０４号に開
示されている。
【００４５】膜を透過する全ての酸素がＨ2Ｏ又はＣＯ2
から得られる場合は、プロセス全体が吸熱反応である。
熱的に中性の反応器を得る１つの方法が、図１２に示さ
れている。即ち、好ましくは空気の形の酸素を第２酸素
選択性イオン移送膜１２’のカソード側１７２に添加す
る。酸素イオンは、第２酸素選択性イオン移送膜１２’
を透過し、アノード側１７６のメタン１７６と発熱反応
する。この反応は、その部分酸化反応がＨ2Ｏ又はＣＯ2
の吸熱分解なしに熱を発生するので熱を系内に投入す
る。
【００４６】以下に詳述するプロセスによって、所望生
成物の第１部分が、第１生成物流３６から回収され、所
望生成物の第２部分が、第２生成物流４６から回収され
る。所望生成物の１例は、水素ガスである。第１生成物
流３６から回収される所望生成物の第１部分と、第２生
成物流４６から回収される所望生成物の第２部分との合
計が、所望生成物の合計である。この第１部分と第２部
分の合計から得られる所望生成物の量は、どちらか一方
の供給物流だけから、特に第２供給物流だけから得られ
る量を上回るので、所望生成物の産出量（出力）を高め
ることができる。
【００４７】本発明のプロセスを図２〜７を参照して説
明する。まず、図２を参照して説明すると、酸素供与第
１供給物流１８がイオン移送反応器１０のカソード側１
４の第１反応容器２０へ供給される。酸素供与第１供給
物流１８は、第１反応容器２０へ導入される前に、約６
００°Ｃ〜約１２００°Ｃの範囲の温度に、好ましくは
約９００°Ｃの温度にまで加熱しておくことが好まし
い。酸素供与第１供給物流１８を加熱するための手段と
しては、任意の適当な手段を用いることができるが、第
２反応容器２４内に起る発熱反応によって発生する熱を
効率的に利用するために、入来酸素供与第１供給物流１
８と第２生成物流４６とを熱交換器４８を介して熱的に
結合させることが好ましい。
【００４８】第１実施形態においては、酸素供与第１供
給物流１８は、酸素選択性イオン移送膜１２に接触した
とき水素と酸素イオンに部分的に解離するスチームを含
むものとする。元素状酸素イオンは、酸素選択性イオン
移送膜１２を透過してアノード側１６へ移送される。水
素ガスと不解離水を含有した第１生成物流３６は、任意
の適当な冷却手段、好ましくは入来酸素受容第２供給物
流２２と熱的に結合される熱交換器５０によって冷却さ
れる。温度を下げられた第１生成物流３６’は、次い
で、水素ガスから水５７の大部分を分離するための任意
の装置へ送られる。この目的のために例えばコアレッサ
ー５２を用いることができる。実質的に純粋水素である
第１生成物流３６”は、吸着乾燥５４のような任意の適
当な手段によって更に乾燥されて所望生成物、この実施
例では水素の分離された第１部分５６と、廃流５９とな
る。
【００４９】水素の分離された第１部分５６は、酸素供
与第１供給物流１８としてチームを１０〜５０バール程
度の比較的高い圧力で供給することによって高い圧力で
生成することができる。
【００５０】別の実施形態として、酸素供与第１供給物
流１８を二酸化炭素とすることができる。その場合は、
所望生成物の分離された第１部分は、一酸化炭素とな
る。更に別の実施形態では、酸素供与第１供給物流１８
をＮＯｘ（ｘは、通常、０．５〜２）のような汚染物と
することができる。その場合は、所望生成物の分離され
た第１部分は、水素や一酸化炭素のような経済的価値を
もたない窒素となる。しかしながら、この変型実施形態
は、ＮＯｘを除去するのに必要とする汚染物制御プロセ
スの代替を果たすことができるという点で価値があり、
第２反応容器２４に元素状酸素を供給することによって
更に価値を高めることができる。
【００５１】上述した各変型実施形態は、酸素供与第１
供給物流として、酸素選択性イオン移送膜１２のカソー
ド側１４で解離し、第２反応容器２４内で反応するため
にアノード側１６へ酸素イオンを移送する酸素含有分子
を用いる。又、第２反応容器２４へは、酸素受容第２供
給物流２２を供給する。酸素受容第２供給物流２２は、
所望生成物が何であるかによって異なるが、水素含有反
応体、又は、炭素含有反応体、又は、それらの組み合わ
せである。好ましくは、酸素受容第２供給物流２２は、
ＣｘＨｙ（ｘは、１〜５）の形の軽質炭化水素であり、
最も好ましくは、相当な量のメタン又はメタンガスを含
有した、源泉の、又は、商業生産された天然ガスであ
る。
【００５２】特に合成ガスを生成したい場合は、酸素受
容第２供給物流２２に水と二酸化炭素を添加することも
できる。酸素受容第２供給物流２２は、第２反応容器２
４へ送給する前に加熱することが好ましい。熱交換器５
０を介しての第１生成物流３６との熱的結合は、酸素受
容第２供給物流を加熱する手段の１例である。この予備
加熱された酸素受容第２供給物流２２’は、第２反応容
器２４へ送給され、そこで下式の発熱性部分酸化反応 （３） ＣＨ4＋１／２Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2 により合成ガスを生成する。この第２生成物流４６は、
第２反応容器２４から流出し、好ましくは、熱交換器４
８を介して入来酸素供与第１供給物流１８に熱的に結合
されるなどの任意の適当な手段によって冷却される。
【００５３】水素ガスの産出量（出力）を最適化するこ
とが好ましいが、イオン移送膜１２と、それと調和する
プロセスとの組み合わせ統合は、所望生成物の産出高を
高めるか、あるいは、プロセスの経済性を高める。
【００５４】図３に示されるように、第２生成物流４６
を燃焼器５８へ送り、そこで空気６３の存在下で燃焼さ
せて熱６５を創出することもできる。この熱は、スチー
ム又は電力を創生するために当該プロセスの他の部分又
は他のプロセスを加熱するのに用いることができる。こ
の実施形態の場合アノード側に化学的生成物画筆用とさ
れないので、酸素受容第２供給物流として低級燃料を用
いることができる。
【００５５】水素の産出高を最大限にしたい場合は、第
２生成物流４６を燃焼器５８へ送給する前に水素分離器
６０（仮想線で示されている）へ送り、水素流６１を創
生する。好適な水素分離器としては、後述するＰＳＡ
（圧力スイング吸着）器やプロトン選択性イオン移送膜
（プロトン伝導膜）がある。
【００５６】燃焼器５８からの排ガス６２は、熱交換器
６４のような任意の適当な手段によって冷却することが
できる。冷却された排ガス６２’から遊離水６７が除去
され、排ガス６２’はコアレッサー６６などによって乾
燥される。遊離水をが除去された排ガス６２”は、二酸
化炭素７１を回収するために更に精製される。この精製
は、やはり廃流６９を創生するアミンプロセス装置６８
によって行うことができる。
【００５７】水素の産出高を最大限にする変型実施形態
が図４に示されている。この例では、第２生成物流４６
を第１水性ガス転化反応器７０へ供給する。この反応器
７０にスチーム７３を添加すると、下記の反応が起る。 （６） ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2 水性ガス転化反応は、発熱式であり、この反応からの余
剰熱は、プロセスの他の部分へ送ることによって除去す
ることができる。随意選択として、仮想線で示される第
２水性ガス転化反応器７２を第１水性ガス転化反応器７
０の後に配置し、水性ガス転化反応を２段階で実施する
ことができる。２段階実施の方が、水性ガス転化反応
は、より高い温度で高い速度で実施することができ、比
較的低い温度で高い平衡転換が得られるからである。
【００５８】水性ガス転化反応生成物７４は、次いで、
熱交換器７６等によって冷却され、二酸化炭素と水素ガ
ス７９に分離される。二酸化炭素炭素の精製は、アミン
プロセス装置６８ａを用いるなどの任意の適当な手段に
よって実施することができる。二酸化炭素炭素精製の結
果、廃流７７が生じる。又、ＰＳＡ又はプロトン伝導膜
のような任意の適当な水素分離器６０ａを用いて水素ガ
ス７９を回収することができる。水素分離器の産出物
（出力）６０ａ’は、熱を回収するために、あるいは、
プロセスのためめのスチームを創生するために燃焼器へ
送ってもよく、あるいは、次のプロセスのために例えば
酸素受容第２供給物流２２などへ再循環してもよい。あ
るいは、水素分離器の産出物６０ａ’は、その水素及び
一酸化炭素含量が十分に高い場合は、第２生成物流４６
へ取り出すこともできる。
【００５９】再び、図２を参照して説明すると、スチー
ムを酸素供与第１供給物流１８として使用し、メタンを
酸素受容第２供給物流２２として使用すると、第１生成
物流３６と第２生成物流４６との組み合わせ流中の水素
対一酸化炭素比は、慣用のスチームメタン改質プロセス
において得られる３／１に近くなる。これに対して、一
酸化炭素を酸素源として使用すると、水素対一酸化炭素
比は、慣用の二酸化炭素メタン改質プロセスにおいて得
られる１／１に近くなる。従って、反応器１０のカソー
ド側１４への入口空気流量及びイオン移送スチーム対二
酸化炭素炭素の入口比を制御することによって生成物ガ
ス中の化学量論比を上記２つの限度値の間で効果的に制
御することができる。これらの比は、又、メタンの代わ
りに他の炭化水素を用いることによっても変更すること
ができるが、経済的な利点は、一般的には低下する。な
ぜなら、メタンは最も安価な炭化水素であると考えられ
るからである。
【００６０】図５を参照して説明すると、第２生成物流
４６からは、水素分離器６０ｂによって水素８１を除去
し、吸着、浸透又は蒸留７８によって一酸化炭素８３を
精製することができる。このようにして生成された水素
と一酸化炭素は、別々に得られたものであるから、爾後
に任意所望の用途のために任意所望の比率でブレードす
ることができる。この実施形態は、熱入力を必要とする
が、その熱は、本明細書に開示された熱発生工程の任意
の工程から得ることができる。
【００６１】追加の水素を必要とせず、所望生成物（目
標生成物）が二酸化炭素である場合は、図６に示される
ように第２イオン移送反応器８０を利用するいことがで
きる。第２生成物流４６は、酸素選択性イオン移送膜８
４のアノード側８２へ送給する。酸素選択性イオン移送
膜８４のカソード側８８への供給物流８６として酸素供
与ガス、例えば空気が供給され、酸素減耗流９５が創生
される。供給物流８６から解離された元素状酸素は、酸
素選択性イオン移送膜８４を透過して移送され、第２生
成物流４６に酸素選択性イオンを供給する。第２生成物
流４６内に含有されている一酸化炭素は、発熱反応で二
酸化炭素に変換される。次いで、この二酸化炭素含有流
は、熱交換器９２などによって冷却され、水分８５は、
コアレッサー６６ｃなどによって除去される。二酸化炭
素は、例えばアミンプロセス装置６８ｃを用いることに
よって更に精製及び、又は乾燥され、得られた二酸化炭
素生成物８９は回収され、廃流８７は、通常は、廃棄さ
れる。
【００６２】第２イオン移送反応器８０のアノード側８
２からの産出物９０を合成ガスに変換したい場合は、産
出物９０を図７に示されるプロセスに従って処理する。
即ち、まず産出物９０を熱交換器９４などによって冷却
し、水分９１をコアレッサー６６ｄなどによって除去す
る。残った自由水９２の実質的に全部を乾燥機５４ｄに
よって除去し、二酸化炭素９３をアミンプロセス装置６
８ｄなどの二酸化炭素精製機によって廃物として除去す
るか、あるいは、所望生成物として回収する。次いで、
産出物９０の残部を水素分離器６０ｄへ送り、水素ガス
９７の流れを産出生成物として産出する。更に、産出物
９０の残部を一酸化炭素精製機７８へ送り、一酸化炭素
産出物１０１を得るとともに、廃物流９９を創生する。
【００６３】図３、４及び７は、水素分離器をイオン移
送反応器とは別個の１つのユニットとして示している
が、図８及び９に示されるように水素分離器をイオン移
送反応器と統合して統合（組み合わせ）反応器９６とす
ることも、本発明の範囲内である。
【００６４】統合反応器９６は、カソード側１０７とア
ノード側１０８を有する筒状酸素選択性イオン移送膜１
０６を含む。筒状膜（「膜筒体」とも称する）１０６に
よって画定される第１反応容器又はチャンバー２０’
は、導管１０３を通して酸素供与第１供給物流１８’を
受け取り、この酸素供与第１供給物流１８’から解離し
た元素状酸素１０２は、酸素選択性イオン移送膜１０６
を透過し、反応器９６の外殻（ハウジング）１１５によ
って画定される第２反応容器２４’流入する。第２反応
容器２４’は、酸素選択性イオン移送膜１０６のアノー
ド側１０８と、プロトン伝導膜１００のアノード側９８
と連通している。元素状水素１０４は、上述した元素状
酸素１０２と同様に、周期表の他のどの元素とも結合し
ていない水素である。元素状水素１０４は、筒状プロト
ン伝導膜１００のアノード側９８で解離し、プロトン伝
導膜１００を透過して水素イオン（プロトン）として移
送され、筒状膜（「膜筒体」とも称する）１００によっ
て画定される第３反応容器１０９内に蓄積される。プロ
トンは、第３反応容器１０９内で結合し、産出（出力）
生成物１１３としての水素ガスとなる。
【００６５】プロトン伝導膜１００は、水素又はプロト
ンを選択的に伝導する、パラジウム系材料やセラミック
のような任意の適当な材料で形成することができる。表
IIは、統合イオン／プロトン移送反応器９６に適用する
ことができるプロトン伝導性セラミックの幾つかの例を
示す。これらの材料は、表Ｉ及び米国特許第５，７０
２，９９９号、５，７１２，２２０号及び５，７３３，
４３５号に記載された材料と対比させることができる。
【００６６】
【表４】
【００６７】統合反応器９６では、酸素選択性イオン移
送膜１０６及びプロトン伝導膜１００は、いずれも、混
合伝導体とすることが好ましいが、必要ならば、電子を
伝導するために外部電極及び外部回路を付設することが
できる。酸素供与第１供給物流１８’がスチームである
場合、元素状酸素１０２は、酸素選択性イオン移送膜１
０６を透過して移送され、水素は第１生成物流即ち産出
流３６’内に残る。水素は、第１産出流３６’から上述
したプロセスのうちの任意のプロセスによって分離する
ことができ、あるいは、酸素受容第２供給物流２２’と
結合させてプロトン伝導膜１００を通して除去すること
ができる。
【００６８】第２反応容器２４’から第３反応容器１０
９への水素イオンの移送は、第２反応容器２４’内での
Ｈ2／ＣＯ比を一酸化炭素の値を大にする方向へ移行さ
せ、メタン変換を増大させる。この統合反応器９６を用
いれば、メタンのほぼ完全な変換が可能である。第２反
応容器２４’から流出した産出流１１０は、主として、
一酸化炭素であり、若干の未変換炭化水素、水素、スチ
ーム及び二酸化炭素をが入している。これらの生成物の
上述した各プロセスを用いて回収することができる。
【００６９】ある種の実施例においては、図８及び９に
示されるように掃引ガス１１７を導管１１９を通して第
３反応容器１０９へ供給することが望ましい場合があ
る。使用すべき膜筒体の本数は、膜１００と１０６を透
過する相対フラックス率によって各タイプの膜別に決定
されるが、この相対フラックス率が統合反応器９６の目
標とする総産出高に比して異なる場合は、膜筒体１００
と１０６の本数を不等にすることが好ましい。
【００７０】統合反応器９６に使用するための変型プロ
セスとして、２本の膜筒体１００と１０６の間の第２反
応容器２４’へスチームと空気を供給する方法がある。
この方法においては、水の解離による両方の生成物、即
ち、水素と酸素が両方の膜１００及び１０６を通して透
過する。即ち、水素は、プロトン伝導性、即ち水素透過
性膜１００を透過して除去され、酸素は酸素選択性イオ
ン移送膜１０６を透過して除去される。その場合、膜１
０６の外側面１０８はカソード側として機能し、内側面
１０７はアノード側として機能する。
【００７１】両方の膜１００及び１０６が異なる材料で
形成されている場合、両方の膜が有効に機能する作動条
件、特に温度を設定することが困難な場合がある。従っ
て、一実施形態として、両方の膜１００，１０６を水素
と酸素の両方に対して透過性の同一の膜材料で形成する
ことができる。そのような膜材料の１例は、ＢａＣｅＯ
3系の電解質材料である。両方の膜１００，１０６に同
一の膜材料を用いることにより、膜材料間の相互作用及
び不均一な熱膨張を回避することができる。この実施形
態においては、Ｈ+イオンとＯ--イオンとが電気的に励
起された系内でそれぞれ異なる膜を透過するので、イオ
ン伝導性を電気的に励起することができる。スチームの
入口流れは、酸素選択性イオン移送膜１０６のカソード
側１０８と、プロトン伝導膜１００のアノード側９８に
導入される。
【００７２】図９に示されるように膜筒体を平行に互い
に離隔させて配置した構成においては、酸素受容（受け
取り）流れ（ＣＨ4）は、通常、酸素透過性膜（酸素選
択性イオン移送膜）１０６及びそれとは別個の水素透過
性膜（プロトン伝導膜）１００の外殻側にある。更に別
の変型例として、酸素供与供給流がスチームである場合
は、そのスチームの流れを外殻側に導くことができる。
他の構成として、膜１００と１０６は、平行に離隔させ
たプレートであってもよく、同心筒体としてもよい。
【００７３】図１０は、水素の産出量を最大限にするプ
ロセス流れの概略図である。この構成成分は、第１入力
（供給物又は投入物）として水１１４を含み、水１１４
をボイラー１１６によってスチームに変換してスチーム
流１５９を創生し、そのスチーム流を熱交換器１１８で
更に加熱する。第２入力は、メタン１２０であり、第３
入力は、空気である。水１１４は、スチーム１５９の形
で、酸素選択性イオン移送膜１２を有する第１イオン移
送反応器１２６のカソード側容器又はチャンバー１２４
へ送給される。スチームは、酸素選択性イオン移送膜１
２のカソード側１４で水素と元素状酸素３０とに解離さ
れる。高温下にある非解離スチームと水素ガスとの混合
物１２８は、熱交換器１１８へ戻され、そこで熱の一部
を解放する。かくして冷却された混合物は、分離器１３
０へ送られ、分離された水１３２は、ボイラー１１６へ
戻されて入力水即ち供給水１１４と合流され、スチーム
流１５９を創生する。一方、分離器１３０で分離された
水素分１３４は、生成物として回収される。
【００７４】メタン１２０は、第１イオン移送反応器１
２６のアノード側容器又はチャンバー１３６へ送給さ
れ、そこで酸素イオンと反応する。このアノード側チャ
ンバー１３６からの出力流１４２がスチームと、二酸化
炭素と、未反応メタンとの混合物となるようにアノード
側チャンバー１３６での酸化反応を可能な限り励起（促
進）することによってカソード側チャンバー１２４内に
最大限の量の水素が生成される。アノード側チャンバー
１３６からの出力流１４２は、追加のメタン１２０と合
流させて第２イオン移送反応器１４６のアノード側１４
４へ送り、そこで出力流１４２を酸素と結合させて燃焼
生成ガス１５４を発生させる。この燃焼生成ガス１５４
は、第１イオン移送膜反応器１２６内の吸熱改質反応の
ための熱を供給するのに使用される。第１イオン移送反
応器１２６を出た後、燃焼生成ガス１３８は、二酸化炭
素を回収するめに処理するか、あるいは、副産物として
電力を発赤するためのガスタービン１４０を駆動するた
めに、及び、又は、熱交換器１１８へ追加の熱を供給す
るために利用することができる。第２イオン移送反応器
１４６への空気入力（供給空気）１２２は、熱交換器１
１８によって加熱され、第２イオン移送反応器１４６の
カソード側１４８へ送給され、そこで空気１２２に含有
されている酸素３０’の一部分が解離され、酸素選択性
イオン移送膜１２’を透過して移送される。一方、酸素
減耗空気１５０は、含有している熱の一部分を熱交換器
１１８内で放出することによって冷却される。イオン移
送膜１２’によって空気から十分な量の酸素が除去され
ている場合は、残った窒素ガス１５２を熱交換器１１８
を通した後回収することができる。
【００７５】プロセス１１２は主として発熱反応である
から、熱交換器１１８の温度を調整するために冷却水１
５６が用いられる。この温度調整は、一実施形態におい
ては、システム１１２内に配置された１つ又はそれ以上
のセンサーから温度データを受け取るマイクロプロセッ
サによって自動的に制御される。
【００７６】図１１に示される変型構成においては、第
１イオン移送反応器１２６（図１０）のカソード側１２
４からの非解離スチームと水素との混合物流れ１２８ａ
は、Ｐｄ膜又はプロトン伝導膜１６２を有する膜式水素
分離器１６０（図１１）へ送られる。膜１６２を透過し
た透過物である篩下水素流１６３は、熱交換器１１８ａ
に通されて熱が回収され、冷却された水素生成物流１６
５を生成する。（熱交換器１１８ａには図１０に示され
るように他の流れも通される。）
【００７７】膜１６２の篩上であるスチーム含有量の豊
富な篩上流１６１も、熱交換器１１８ａを通して熱を与
え、ブロア１６４によって圧縮されてスチーム流１５９
ａの圧力と同等の圧力の圧縮流１６６とされる。この構
成では、分離器１６０は、図１０の構成の分離器１３０
（流れ１３２，１３４）に代わるものである。更に別の
構成（図示せず）として、流れ１２８ａの温度を下げる
ために分離器１６０を熱交換器１１８（図１０）の下流
に配置することができる。その場合、分離器１６０は、
膜１６２の作動温度を最適にするように熱交換器１１８
に対して位置づけすることが好ましい。
【００７８】本発明のイオン移送膜及びプロトン移送膜
は、筒体、プレート、直線状チャンネル等任意所望の形
態とすることができる。又、それらの膜のフラックス率
は、それらの膜に触媒、表面コーチング又は多孔質層を
組み入れることによって高めることができる。Ｈ2Ｏ解
離のために、Ｈ2の酸化に対して活性を有するプラチ
ナ、パラジウム又はその他の任意の触媒を用いることが
できる。同様にして、ＣＯ 2解離のために、ＣＯの酸化
に対して活性を有する触媒を用いることができる。慣用
の改質触媒も、ある種の用例においては適する場合があ
る。
【００７９】以上、本発明を実施形態に関連して説明し
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、いろいろな実施形態が可
能であり、いろいろな変更及び改変を加えることができ
ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による改質反応器として作動さ
れる混合伝導体型イオン移送膜を断面図で示す。
【図２】図２は、図１の混合伝導体型イオン反応器のカ
ソード側からの水素ガスの発生を説明するプロセス流れ
図である。
【図３】図３は、図１の混合伝導体型イオン移送反応器
のアノード側から水素ガスと二酸化炭素を分離するため
の第１プロセスを説明するプロセス流れ図である。
【図４】図４は、図１の混合イオン反応器のアノード側
から水素ガスと二酸化炭素を分離するための別のプロセ
スを説明するプロセス流れ図である。
【図５】図５は、図１の混合イオン移送反応器のアノー
ド側から一酸化炭素を得るための第１プロセスを説明す
るプロセス流れ図である。
【図６】図６は、図１の混合イオン移送反応器のアノー
ド側から水素と一酸化炭素の両方を得るためのプロセス
を説明するプロセス流れ図である。
【図７】図７は、図１の混合イオン移送反応器のアノー
ド側から二酸化炭素、水素ガス及び一酸化炭素の両方を
得るためのプロセスを説明するプロセス流れ図である。
【図８】図８は、酸素選択性混合イオン移送膜とプロト
ン選択性混合イオン移送膜の両方を有する化学反応器を
断面図で示す。
【図９】図９は、図８の反応器の線９−９に沿ってみた
横断面図である。
【図１０】図１０は、メタンからの水素の産出率を高め
るための本発明のプロセスを説明するプロセス流れ図で
ある。
【図１１】図１１は、図１０のプロセスの変型例の一部
分を示す流れ図である。
【図１２】図１１は、本発明に従って作動される熱的に
中性の混合イオン移送反応器を断面図で示す。
【符号の説明】
１０ イオン移送反応器 １２ 酸素選択性イオン移送膜 １４ カソード側 １６ アノード側 ２０ チャンバー、反応容器 ２４ チャンバー、反応容器 ２８ カソード側入口 ３４ カソード側出口 ４４ アノード側出口 ４８ 熱交換器 ５０ 熱交換器 ５２ コアレッサー ５８ 燃焼器 ６０ 水素分離器 ６０ａ 水素分離器 ６０ｂ 水素分離器 ６０ｄ 水素分離器 ６４ 熱交換器 ６６ コアレッサー ６６ｃ コアレッサー ６６ｄ コアレッサー ６８ アミンプロセス装置 ６８ａ アミンプロセス装置 ６８ｃ アミンプロセス装置 ６８ｄ アミンプロセス装置 ７０ 水性ガス転化反応器 ７２ 水性ガス転化反応器 ７６ 熱交換器 ７８ 一酸化炭素精製機 ８０ イオン移送反応器 ８２ アノード側 ８４ 酸素選択性イオン移送膜 ８８ カソード側 ９４ 熱交換器 ９６ 統合反応器 ９８ アノード側 １００ 筒状プロトン伝導膜、筒状酸素選択性イオン移
送膜 １０７ カソード側 １０８ アノード側 １０９ 反応容器 １１８ 熱交換器 １１８ａ 熱交換器 １２４ カソード側 １２６ イオン移送反応器 １３０ 分離器 １３６ アノード側チャンバー １４０ ガスタービン １４４ アノード側 １４６ イオン移送反応器 １４８ カソード側 １６０ 分離器 １６０ 膜式水素分離器 １６２ プロトン伝導膜 １６４ ブロア １７２ カソード側 １７６ アノード側
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリスチャン・フリードリック・ゴッツマ ン アメリカ合衆国ニューヨーク州クラレン ス、トンプソン・ロード5308 (72)発明者 ジョーゼフ・マイケル・シュウォーツ アメリカ合衆国ニューヨーク州アマスト、 コットンウッド・ドライブ474

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 イオン移送反応器から所望生成物を高い
    産出量で産出させる方法であって、 （ａ）カソード側とアノード側を有する酸素選択性イオ
    ン移送膜を備えたイオン移送反応器を準備し、 （ｂ）化学的に結合された状態で前記所望生成物を含有
    した酸素供与第１供給物流を第１酸素分圧で前記カソー
    ド側へ送給し、それと併行して、前記アノード側へ酸素
    受容第２供給物流を送給して該アノード側に第２酸素分
    圧を設定し、 （ｃ）前記酸素選択性イオン移送膜を備えた前記イオン
    移送反応器を、該酸素選択性イオン移送膜を通しての酸
    素イオンの移送を促進するのに十分に高められた温度で
    作動させ、 （ｄ）前記第１供給物流から得られた元素状酸素を、前
    記酸素選択性イオン移送膜を透過して移送し、前記第２
    供給物流と反応させ、 （ｅ）前記カソード側から前記所望生成物の第１部分を
    含有した第１生成物流を回収することから成る方法。
  2. 【請求項２】 前記第１酸素分圧は、前記第２酸素分圧
    より高いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記酸素供与第１供給物流は、ＮＯｘ
    と、水蒸気と、二酸化炭素と、それらの組み合わせから
    成る群から選択された少なくとも１つの成分を含み、前
    記酸素受容第２供給物流は、水素含有反応物と、炭素含
    有反応物と、それらの組み合わせから成る群から選択さ
    れた少なくとも１つの成分を含むことを特徴とする請求
    項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記酸素受容第２供給物流は、水素を化
    学的に結合された状態で含有し、前記第２生成物流は、
    前記所望生成物の第２部分を含有し、前記第１部分と第
    ２部分とを加えた和が該所望生成物の全量であり、該第
    １部分と第２部分の組み合わせから該所望生成物への変
    換分率が、前記第２供給物流だけから得られる変換分率
    より高く、それによって、該所望生成物の産出量を高め
    ることを特徴とする請求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記第１部分及び第２部分の少なくとも
    一方から前記所望生成物として水素を分離する工程を含
    むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記酸素受容第１供給物流を、前記カソ
    ード側へ送給する前により高い温度に加熱する工程を含
    むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記第２部分から熱を回収するために該
    第２部分の少くとも１画分を熱交換器に通し、前記酸素
    供与第１供給物流を加熱するために該回収した熱を該酸
    素供与第１供給物流へ送る工程を含むことを特徴とする
    請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記酸素選択性イオン移送膜を５００°
    Ｃより高い温度にまで加熱する工程を含むことを特徴と
    する請求項２に記載の方法。
  9. 【請求項９】 所望生成物の前記第２部分の１画分を燃
    焼させ、その燃焼によって発生した熱を利用して前記酸
    素選択性イオン移送膜を加熱する工程を含むことを特徴
    とする請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記第２生成物流を第１水性ガス転化
    反応器へ第１の温度で送給する工程を含むことを特徴と
    する請求項４に記載の方法。
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