JP2003183004A - 合成ガスの製造方法、これを利用した液体燃料製造システム及び燃料電池発電システム - Google Patents
合成ガスの製造方法、これを利用した液体燃料製造システム及び燃料電池発電システムInfo
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Abstract
がらH2/CO=2の合成ガスが得られるとともに、前
記合成ガスを有効に利用することを課題とする。 【解決手段】酸素透過性膜を用いた膜反応器11により
原料ガスから水蒸気改質反応と部分酸化反応の組み合わ
せにより合成ガスを製造する方法であり、前記膜反応器
11に供給する天然ガス,H2O、CO2及び前記酸素
透過性膜を透過していくO2の量を調整することによ
り、S(スチーム)/Cモル比、O2/Cモル比及びC
O2/Cモル比を調整することを特徴とする合成ガスの
製造方法。
Description
料として液体燃料を製造するGTL(Gas To Li
quid)プロセスにおいて、天然ガスから合成ガスを
製造する合成ガスの製造方法、これを利用した液体燃料
製造システム、及び燃料電池発電システムに関する。
燃料を合成するには、天然ガスを一旦H2、COに富む
合成ガスを経由した方法が一般的に行われる。水蒸気改
質反応は吸熱反応であるため、反応管を外部から加熱す
ることで改質反応を生じさせる方法であるが、原料ガス
を水蒸気改質して生じる合成ガス中のH2/COモル比
は約3となり、H2が過剰になりやすい。一方、部分酸
化反応は、原料ガスの一部を酸素で燃焼させて、その熱
で残りの原料ガスを改質する方法であり、H2/COモ
ル比が2の合成ガスを得ることができ、FT合成に適し
た合成ガス製造方法となる。
に行うことのできる方法であるが、上述したように、F
T合成に適したH2/COモル比が2の合成ガスを得る
ことができない。また、反応管の外部から水蒸気改質反
応に必要な熱を供給しなければならないため、改質装置
が大型化してしまう。一方、部分酸化法では、H2/C
Oモル比が2の合成ガスを得ることはできるが、酸素を
製造する設備が別途必要であるため、設備費用がコスト
高となる。また、煤等によるカーボン析出の可能性があ
るため、このカーボンにより改質用触媒の劣化が起こり
やすい。
イオン・電子混合導電性固体電解質を用いた膜反応器に
より合成ガスを製造する方法が提案されている。この方
法では、部分酸化反応に必要な酸素は、固体電解質を透
過してきた酸素イオンを用いるため、酸素製造装置を別
途必要とせず、合成ガスの製造コストが大幅に低減され
る可能性が示唆されている。
解決するためになされたもので、酸素透過性膜を有した
膜反応器を用いて水蒸気改質反応と部分酸化反応の組み
合わせにより、膜反応器に供給する天然ガスH2O、C
O2及び酸素透過性膜を透過していくO2の量を原料ガ
ス、例えば天然ガスやCH4に対して調整することによ
り、H2O/Cモルモル比、O2/Cモルモル比及びC
O2/Cモルモル比を調整し(分母のCは、原料ガス中
のカーボンのモル数であり、CH4の場合はそのモル数
に等しい)、もって装置の大型化やコスト高を回避しな
がらH2/COモル比が2の合成ガスが得られる合成ガ
スの製造方法を提供することを目的とする。
のいずれかに記載の製造方法により得られた合成ガスを
用いてFT反応を行って液体燃料を製造することによ
り、前記合成ガスを有効に利用しえる液体燃料製造シス
テムを提供することを目的とする。
電池と、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の製
造方法により得られた合成ガスを前記燃料電池用の燃料
ガスに改質する反応器と、前記燃料電池に接続された駆
動源とを具備した構成にすることにより、合成ガスに基
づいて水素リッチの燃料ガスを作り、これをPEFCの
燃料として利用可能な燃料電池発電システムを提供する
ことを目的とする。
透過性膜を用いた膜反応器により原料ガスから水蒸気改
質反応と部分酸化反応を同時に行うことにより合成ガス
を製造する方法であり、CH4を主成分とした天然ガス
や低級炭化水素を原料ガスとして、これらにH 2O、C
O2を必要量添加し、前記膜反応器に供給し、さらに前
記酸素透過性膜を透過していくO2の量を調整すること
により、H2O/Cモル比、O2/Cモル比及びCO2
/Cモル比を調整することを特徴とする合成ガスの製造
方法である。
項3のいずれかに記載の合成ガスの製造方法により得ら
れた合成ガスを用いてフィッシャー・トロプシュ反応
(FT反応)を行い、液体燃料を製造することを特徴と
する液体燃料製造システムである。
料電池と、請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の
製造方法により得られた合成ガスを前記燃料電池用の燃
料ガスに改質する反応器と、前記燃料電池に接続された
駆動源とを具備したことを特徴とする燃料電池発電シス
テムである。
えば家庭等に据え置くタイプの電源や車等のように電力
を使う機器全てを意味する。
法について更に詳しく説明する。まず、本発明では、酸
素透過性膜を有する固体電解質からなる膜反応器を用い
る。水蒸気改質反応と部分酸化反応を同時に行うオート
サーマルリフォーミングに必要な酸素は、酸素透過性膜
を透過してきた酸素を利用する。そして、原料供給側に
メタンと水及びCO2を調整して供給し、前記酸素を用
いて、以下の水蒸気改質反応:式(1)および部分酸化
反応:式(2)により合成ガスを製造する。
した筒状容器1a,1b間に酸素分離膜2を配置すると
ともに、空気などの酸素含有ガスをチューブ3の内側
(又は外側)に流通させ、メタン(CH4)を空気と反
対側に流すことでメタンの改質を行うものが挙げられ
る。また、図6に示すように、筒状容器1にチューブ状
に成形した酸素分離膜2を複数本設置し、夫々の酸素分
離膜2の一方にメタンを流し、他方に空気を流して改質
を行うものが挙げられる。また、酸素含有ガスを流す側
に酸素分子を酸素イオンに解離させる触媒(空気側触媒
4)を、メタン側には改質触媒5を付与する。なお、メ
タン側には、粒子状の改質触媒を充填することも可能で
ある。
(水)とメタンのモルモル比(H2O/C、但し、天然
ガスの場合にはスチームとカーボンのモル数)、透過す
る酸素とメタンのモルモル比(O2/C)を調整し、F
T合成工程を経たCO2を含む残ガスをリサイクルして
原料のメタンに供給することで、H2/COのモル比が
2以下の合成ガスを得ることができる。
や燃焼炉の排ガス中に含まれるCO 2など別の工程でC
O2を分離して原料ガスとして用いることが、CO2の
有効利用のため好ましい。また、同様にして、反応工程
の上流で合成ガスからCO2を分離し、原料メタンに供
給してもよい。
る酸素透過性膜としては、ペロブスカイト系の酸素イオ
ン・電子混合導電性固体電解質が挙げられる。また、酸
素透過性膜の表面には反応を活性させる触媒を付与する
ことが好ましく、例えば空気などの酸素含有ガスを流す
面には例えばLaCoO3を用い、メタンや天然ガスを
流す面には例えばNiを用いることができる。
る酸素透過性膜の一方の側には酸素含有ガス(酸素を特
に多く含むガス)を流通させ、他方の側に原料ガスを流
通させることが好ましい。これにより、従来のように改
質に必要な酸素を製造する設備を設ける必要がない。
合成ガスを製造することができる他、水蒸気改質反応
(吸熱反応)に対し、部分酸化反応(発熱反応)を同時
に行なうため、改質反応に必要な熱を外部から供給しな
くても良く、改質器の小型化が可能であると共に、酸素
透過性膜を使用することで改質反応に必要な酸素を製造
する設備が不要となるというメリットを有する。
合成ガスの製造方法について図1を参照して説明する。
図中の符番11は、内部に図示しないが多数のチューブ
状の酸素透過性膜を配置した膜反応器を示す。この膜反
応器11には、CO2、天然ガス、スチーム(H2O)
が熱交換器12aを介して供給されるようになってい
る。前記膜反応器11では、上述した式(1)の水蒸気
改質反応と式(2)の部分酸化反応が行われ、COとH2
が生成される。
介してエキスバンダ13が接続され、エキスバンダ13
より低酸素濃度の空気が取り出される。一方、エキスバ
ンダ13にはコンプレッサー14が連結され、このコン
プレッサー14には空気が供給されるようになってい
る。また、前記膜反応器11の底部側には、熱交換器1
2c,12dを介してCO2回収器15を経て合成ガス
が取り出される。なお、図中の符番16a,16b,1
6cは、夫々CO2,天然ガス,スチームの量を調整す
る調整弁を示す。
の流れの名:ひし形中の各符番1〜11における温度
(℃)、圧力(Kg/cm2)、流量(kmol/
h)、組成は、下記表1に示すとおりである。なお、こ
こでいう天然ガスは、単純にメタン100%として示し
ている。
に供給する天然ガス,H2O、CO 2及び前記酸素透過
性膜を透過していくO2の量を調整することにより、H
2O(スチーム)/Cモル比、O2/Cモル比及びCO
2/Cモル比を調整するようになっている。つまり、本
実施例では、天然ガスにスチーム(H2O)を供給する
ため、カーボンの析出が起こり難く、また高いH2O/
Cモル比(表1の系名3(流量)参照)であっても、原
料CH4にCO2を供給すること(表1の系名1、およ
び系名2参照)で、従来のような装置の大型化や特別な
設備(酸素を製造する設備)に伴うコスト高を招くこと
なく、H2/CO=2以下(表1の系名8参照)の合成
ガスをも製造することができる。また、酸素透過性膜を
有した膜反応器11を用いるので、改質反応に必要な酸
素を製造する設備が不要となる。
の膜反応器に供給するH2O(スチーム)/Cモル比、
O2/Cモル比及びCO2/Cモル比に対する合成ガス
のH 2/COモル比の関係を示す。ここでは、これらの
図2、図3から明らかなように、H2O、O2、CO2
を調整することで、H2/COモル比を1から4まで広
範囲に操作できることが分かる。なお、図2はO2/C
H4=0.5の場合であり、図3はO2/CH4=0.
7の場合を示す。
は、本願第1の発明によって得られた合成ガスを利用し
たFT合成による液体燃料製造システムの概略説明図を
示す。まず、原料天然ガスは脱硫器21で脱硫された
後、加湿器22に供給される。加湿された天然ガスには
ガス分離器23から回収されたCO2を混合し、熱交換
器を介して膜反応器24に供給されるか、膜反応器出口
に設置したCO2回収装置25から回収したCO2を混
合できる。膜反応器24では、上述した式(1)の水蒸
気改質反応と式(2)の部分酸化反応が行われ、COとH
2を含む合成ガスが製造される。生成した合成ガスは、
膜反応器24に供給される空気、あるいは膜反応器24
に供給する原料ガスなどと熱交換されて冷却され、水分
を除去した後、FT反応器25に供給される。FT反応
器25では、コバルトや鉄系の触媒により下記のFT合
成反応(3)が行われる。 CO + 2H2 → 1/n(CH2)n・・・・(3) 反応条件は、200から350℃、反応圧力は常圧から
4.0MPa程度である。FT反応の生成物は、更に水
素化分解装置に供給され下記の水素化分解(4)により
ワックス分や重質炭化水素は、灯軽油留分化される。 n-Cλ + H2→ n−Cm + n−Cn・・・・・(4) (λ>10λ=m+n) 水素化分解反応器26を出た灯軽油留分を含む生成物は
蒸留塔27によりナフサ、灯油、軽油留分に分離され、
液体燃料が製造される。ここで、ガス成分はガス分離器
23に供給され、メタンなどを含む可燃性ガスは、燃料
ガスとしてプロセスの熱源に利用される。また、ガス分
離器23によりCO2を分離・回収し、これを原料の天
然ガスに混合することで有効利用を図ることができる。
応器から出るメタンやCO2などを含む生成ガスを直
接、合成ガス製造工程に送り、膜反応器24を介して再
び合成ガスとすることもできる。
ガスを製造するための膜反応器24に送ることで有効に
利用することも可能である。
は、本願第1の発明によって得られた合成ガスを利用し
た燃料電池発電システムの概略説明図を示す。
を送って、上述したような水蒸気改質反応と部分酸化反
応を同時に行い、H2,COを生成する点は実施例1で
述べたとおりである。前記膜反応器11にはシフト反応
器(反応器)21が接続され、ここで下記式(5)の反
応によりCOが低減される。次いで、前記シフト反応器
21で反応せずに残存したCOは、供給される空気中の
酸素とCO選択酸化反応を生じることによりCOが一層
低減される(式(6))。前記シフト反応器21には固
体高分子電解質型燃料電池(PEFC)22が接続され
ている。このPEFC22は、図示しないが、高分子イ
オン交換膜とこの膜の両面に配置された水素極(燃料
極)及び酸素極(空気極)から構成されている。前記P
EFC22の燃料極には微量のCOのみしか含まないH
リッチガスが、膜反応器11、シフト反応器21を経由
して、燃料として供給される。一方、空気極には空気が
供給され、これらにより発電を行い、車などの駆動用電
源として利用される。 CO + H2O → H2 +CO2 …(5) CO + 1/2O2 → CO2 …(6) このように、実施例3によれば、実施例1で生じたよう
な合成ガスに基づいて水素リッチの燃料ガスを作り、こ
れをPEFC22の燃料として利用できる。
素透過性膜を有した膜反応器を用いて水蒸気改質反応と
部分酸化反応の組み合わせにより、膜反応器に供給する
天然ガス,H2O、CO2及び酸素透過性膜を透過して
いくO2の量を調整することにより、H2O/Cモル
比、O2/Cモル比及びCO2/Cモル比を調整し、も
って装置の大型化やコスト高を回避しながらH2/CO
=2の合成ガスが得られる合成ガスの製造方法を提供で
きる。
求項4のいずれかに記載の製造方法により得られた合成
ガスを用いてFT反応を行って液体燃料を製造すること
により、前記合成ガスを有効に利用しえる液体燃料製造
システムを提供することを目的とする。
型燃料電池と、請求項1ないし請求項4のいずれかに記
載の製造方法により得られた合成ガスを前記燃料電池用
の燃料ガスに改質する反応器と、前記燃料電池に接続さ
れた駆動源とを具備した構成にすることにより、合成ガ
スに基づいて水素リッチの燃料ガスを作り、これをPE
FCの燃料として利用可能な燃料電池発電システムを提
供できる。
説明するためのシステム系統図。
給するH2O(スチーム)/Cモル比、O2/Cモル比
及びCO2/Cモル比に対する合成ガスのH2/COモ
ル比の関係を示す特性図。
給するH2O(スチーム)/Cモル比、O2/Cモル比
及びCO2/Cモル比に対する合成ガスのH2/COモ
ル比の関係を示す特性図。
の概略説明図。
図。
図。
の概略説明図。
Claims (6)
- 【請求項1】 酸素透過性膜を用いた膜反応器により原
料ガスから水蒸気改質反応と部分酸化反応を同時に行う
ことにより合成ガスを製造する方法であり、 CH4を主成分とした天然ガスや低級炭化水素を原料ガ
スとして、これらにH 2O、CO2を必要量添加し、前
記膜反応器に供給し、さらに前記酸素透過性膜を透過し
ていくO2の量を調整することにより、H2O/Cモル
比、O2/Cモル比及びCO2/Cモル比を調整するこ
とを特徴とする合成ガスの製造方法。 - 【請求項2】 前記原料ガスとして膜反応器を出た合成
ガス中に含まれるCO2、あるいは合成ガス製造工程以
外に設置された蒸気発生用ボイラや燃焼炉などの排ガス
中に含まれるCO2を利用することを特徴とする請求項
1に記載の合成ガスの製造方法。 - 【請求項3】 前記膜反応器に用いられる酸素透過性膜
の一方の側に酸素含有ガスを流通させ、他方の側に原料
ガスを流通させることを特徴とする請求項1または請求
項2に記載の合成ガスの製造方法。 - 【請求項4】 前記膜反応器に用いられる酸素透過性膜
はペロブスカイト系の酸素イオン・電子混合導電性固体
電解質であり、酸素透過性膜の両面に反応を活性させる
触媒が付与されていることを特徴とする請求項1ないし
請求項3のいずれかに記載の合成ガスの製造方法。 - 【請求項5】 請求項1ないし請求項4のいずれかに記
載の製造方法により得られた合成ガスを用いてフィッシ
ャー・トロプシュ反応(FT反応)を行い、液体燃料を
製造することを特徴とする液体燃料製造システム。 - 【請求項6】 固体高分子電解質型燃料電池と、請求項
1ないし請求項4のいずれかに記載の製造方法により得
られた合成ガスを前記燃料電池用の燃料ガスに改質する
反応器と、前記燃料電池に接続された駆動源とを具備し
たことを特徴とする燃料電池発電システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001381536A JP2003183004A (ja) | 2001-12-14 | 2001-12-14 | 合成ガスの製造方法、これを利用した液体燃料製造システム及び燃料電池発電システム |
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Publication Number | Publication Date |
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