JP2010506043A - メタノールを製造する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
本発明はメタノールを製造する方法に関する。該方法には、風力発電機(6)の回転翼(5)で形成した壁(1)を設け、該壁(1)には、炭酸脱水素酵素(3)を固定する表面(2)を有するステップと、壁(1)の該表面(2)を気体流に露出するステップと、上記炭酸脱水素酵素(3)を使用して、上記気体流から二酸化炭素を除去するステップと、を備える。そうして得た二酸化炭素を次に使用して、電気エネルギーを使用して水と二酸化炭素をメタノールに変換する化学反応で、メタノールを生産する。本発明はまた、メタノールを製造する装置に関する。
【選択図】 図3
【選択図】 図3
Description
本発明は、メタノールを製造する方法及び装置に関する。
メタノールをエネルギー源として使用できることが知られている。例えば、メタノールは、燃料電池の電力生成プロセスで使用できる。また、メタノールを使用して、燃焼によりエネルギーを生産できる。
従って、本発明の目的は、メタノールを生産する方法及びメタノールを生産するのに適当な装置を提供することである。本発明の更なる目的は、エネルギーを容易に利用可能になったとき、或いはエネルギー需要が低くなったときに、エネルギーを貯蔵する方法を提供し、それにより貯蔵したエネルギーを、エネルギーが不十分になった、或いは多量のエネルギーが必要となったときに、使用できるようにする。
本発明は、メタノールを製造する方法に関する。本発明の方法には、炭酸脱水素酵素を配置、例えば固定した表面を有する壁を設けるステップと、気体流、特には空気流に、該壁を露出するステップと、該炭酸脱水素酵素を使用して、上記気体流から二酸化炭素を除去するステップとを、備える。そうして得た二酸化炭素を、その後使用して、メタノールを生産してもよい。
好適には、この二酸化炭素を使用して、電気エネルギーを使用して水と二酸化炭素をメタノールに変換する化学反応で、メタノールを生産する。
上記壁を、例えば、風力発電機の回転翼で形成してもよい。風力発電機からの電気エネルギーを、その結果使用して、水と二酸化炭素をメタノールに変換してもよい。勿論、上記壁を風力発電機の回転翼で形成した場合でも、メタノールの生産に使用する電気エネルギーを、該風力発電機とは別のソースから得てもよい。
回転翼を、該回転翼の半径方向に互いに分離した複数のセルに分割してもよい。各セルには、炭酸脱水素酵素を、各セルで二酸化炭素を抽出できるように、配設、例えば固定した壁を有してもよい。
獲得したメタノールを、次に使用して、例えば、燃料電池において電気エネルギーを生産してもよい。
また、本発明はメタノールを製造する装置にも関する。本装置には、炭酸脱水素酵素を、二酸化炭素を気体、特に空気から抽出できるように、配設(例えば、固定)した表面を有する壁を、備える。本装置には、上記壁に接続した燃料電池、及び該燃料電池に接続した電気エネルギー源を、更に備える。
上記壁を、例えば、風力発電機の回転翼で形成してもよい。
実施例によっては、回転翼を、該回転翼の半径方向に互いに分離した複数のセルに分割できる。少なくとも該セルの幾つか及び場合によっては各セルには、炭酸脱水素酵素を、幾つかのセル(又は各セル)が二酸化炭素を抽出できるように、配設/固定した壁を、有する。
図1を参照すると、メタノールを製造する本発明の方法には、炭酸脱水素酵素3を配設した(例えば、固定した)表面2を有する壁1を設けること、を備える。炭酸脱水素酵素は、気体流(例えば、空気流)から二酸化炭素を除去する能力を有する酵素である。二酸化炭素を空気から除去するプロセスについては、例えば、米国特許第6,143,556で開示されており、該文献では、炭酸脱水素酵素、及び炭酸脱水素酵素により空気から二酸化炭素を除去するプロセスに関して、更に詳細に言及している。本発明による方法では、壁1の表面2を空気等の気体流に露出させる。それにより、炭酸脱水素酵素3を利用して、気体流から二酸化炭素を除去する。こうして得た二酸化炭素をその後使用して、メタノールを生産する。
図1に示すように、表面に炭酸脱水素酵素3を配置した壁1により、二酸化炭素を抽出する抽出チャンバ19を有するセル8の外面を構成する。チャンバ19を、前部区画20と後部区画21とに分割して、前部区画20を抽出用区画として機能させてもよい。チャンバ19を、液体で満たす。このチャンバ19内の液体を、前部区画20と後部区画21との間で液体を循環させ続けるポンプ22によって、圧送循環できる。後部区画の液圧を、好適には、前部区画20の液圧より高くする。そのために、縮流部23を、後部区画21と前部区画20との間に形成してもよい。前部区画に流入するのに、液体が縮流部23を通過する必要があるようにする。チャンバ19内の液体を、水性リン酸塩緩衝系、つまり水をベースとしたものにする。液体には凍結防止剤を含有してもよい。セル8の後壁4を、第1排気導管24に接触させる。
二酸化炭素の抽出は、以下のように行う。空気等の気体が、壁1の表面を通過する。二酸化炭素は炭酸脱水素酵素で吸収され、壁1を通過してセル8の前部区画20の液体中に流入する。炭酸脱水素酵素3を配置した壁1の部分を、透過性又は半透性膜、例えば、半透性のプラスチック膜または脂質膜で形成する。この膜を、イオノフォアにドープして、イオン伝導チャネルを提供してもよい。液体をポンプ22によって後部区画21へと循環させる。後部区画21から、二酸化炭素が後壁4を通過して第1排気導管24に流入する。後壁4もまた、透過性或いは半透性膜、例えば、脂質膜で形成する。このプロセス中、気圧P1を、前部区画20の圧力P2より大きくする、即ち、P1>P2とする。同様に、後部区画21の圧力P3を、前部区画20の圧力P2より高くする、即ち、P3>P2とする。また、後部区画21の圧力P3を、第1排気導管24の圧力P4より高くする。
毎秒、1グラムの炭酸脱水素酵素で、440グラムの二酸化炭素に相当する10モルの二酸化炭素を処理できる。通常空気中に、1m3当たり約340mlの二酸化炭素が存在し、これは1m3当たり0.61グラムの二酸化炭素に相当する。結果的に、1グラムの炭酸脱水素酵素により、毎秒70m3の空気中の二酸化炭素を処理できることになる。
好適には、前部区画20のpHを7.0超とする。例えば、前部区画20に関する適切なpHレベルを、例えば7.4としてもよい。pHを7超とすると、二酸化炭素は前部区画20(抽出用区画)において、水相に、一層容易に溶解する。ここで炭酸脱水素酵素は、二酸化炭素を、直ぐに液体中に溶解する炭酸水素塩に変換するよう働く。
図2を参照すると、壁1を、回転翼5で形成してもよく、及び回転翼5の一部としてもよい。図3で図式的に示すように、回転翼5を、風力発電機6の回転翼としてもよい。当然ながら、壁1は、回転翼5より他のものでも形成できる。壁1を、風で移動しない静止構造体の一部とすることもできる。例えば、壁1を、排気煙突、或いは空気等の気体流に露出可能な任意の物体で形成できる。
図3に見られるように、回転翼5を、風力ミル6の回転翼5としてもよい。図3では、回転翼をハブ27に取付けて示している。該ハブを、支柱29で支持するハウジング30に回転可能に軸支する。
図4及び図5に示すように、第1排気導管24を、複数の二酸化炭素抽出用セル8で共通にしてもよい主排気導管25に繋げる。再度図2を参照すると、主排気導管25を回転翼5に沿って翼5の外側部分から回転翼5のハブ27を通してその先へと延伸させている。主排気導管25を、風力発電機6の構造体内部に設置可能な負圧/真空源26に接続してもよい。負圧源26を、例えば、ポンプ又はファンとしてもよい。負圧源26から、二酸化炭素を、図3に図式的に示したように、更なる導管28を介して、任意に送出して、二酸化炭素をメタノール製造プロセスで使用する燃料電池9に最終的に到達させてもよい。燃料電池9を、従って壁1へと接続するが、該壁1を通り空気から抽出した二酸化炭素を、壁1から燃料電池9まで輸送可能にして、これを行う。上記で開示した実施例では、壁1を、導管24、25、28、及び負圧源26を介して燃料電池9に接続している。しかし、当然ながら、壁1から燃料電池9までの接続又は連通ラインを、上記開示した方法以外で設計することができる。例えば、負圧源26を使用する場合、負圧源26を必ずしも風力発電機6の構造体内部に設置する必要はない。
空気から抽出した二酸化炭素を使用して、電気エネルギーを使用して水と二酸化炭素をメタノールに変換する化学反応、即ち、電流+CO2+H2O→CH3OH(ここでは、プロセスを簡素化した形で示しているが、実際にこのプロセスには、O2等の中間化合物の形成を含んでもよい)で、メタノールを生産できる。壁1を、風力発電機6の回転翼5で形成する場合は、風力発電機6から得た電気エネルギーを、水と二酸化炭素をメタノールに変換するプロセスで使用できる。或いは、電気エネルギーを、風力発電機6以外の別のソースから得てもよい。例えば、電気エネルギーを電源幹線から得ることができる。
メタノールを生産するために、燃料電池9を使用してもよい。メタノールを生産するプロセスでは、燃料電池9を、その通常の操作モードと比べて、逆に運転させる。
次に、メタノール生産プロセスについて、図6を参照して説明する。図6では、燃料電池9がアノード15及びカソード16を有して、示されているのが分かる。アノード15とカソード16を、膜17で分離する。数字18は電気回路を示す。メタノールを生産するために、二酸化炭素と水を、燃料電池9の開口部11から、燃料電池9に注入する。電流を、電気回路18に印加する。カソード側では、O2が開口部14から流出している間、水を開口部13から加える(当然ながら、図6は略図である)。図6では、メタノール(CH3OH)が、燃料電池から開口部12を通り排出される。
当然ながら、このプロセスを、図7に示すように逆方向に運転することも可能である。図7では、如何にしてメタノールを、燃料電池9に開口部12から供給するかについて示している。その結果起こる反応で、電流が電気回路18で発生する。
回転翼5を、回転翼5の半径方向に互いに分離した複数のセル8に分割し、各セル8には、炭酸脱水素酵素を、各セル8が二酸化炭素を抽出できるように、配設/固定した壁1を、有する。必要に応じて、更なるステップをとり、セル内を減圧してもよい。
当然ながら、本発明について、メタノールを製造する装置という観点から記述することもできるが、該装置には、炭酸脱水素酵素3を、二酸化炭素を例えば空気から(しかし場合によっては、他の気体から、又は他の気体と混合した空気から)抽出できるように、固定した表面2を有する壁1を、備える。この装置には、壁1と接続した燃料電池9、及び燃料電池9に接続した電気エネルギー源を、備える。該電気エネルギー源を、例えば、風力発電機6としてもよいが、他の電気エネルギー源も可能である。
次に、本発明の一態様について、図4を参照して説明する。図4では、チャンバ19内の液体の循環について、反時計回り方向に循環させて、示している。大気に隣接する前部チャンバでは、液体はそのため矢印Cの向きに移動する。回転翼5を、好適には、回転翼5が空気中で動作すると、空気が回転翼に対して矢印Aの向きに移動し、それにより風がチャンバ19内の流体を正しい方向に加圧するのを助けるように、配設する。例えば、風力発電機では、回転翼に対する風の動きの相対方向を、予め決定でき、セル8を、風により各セル8内部での液体の循環を助けるように、方向付ける。
図3を参照すると、本発明による装置には、燃料電池9を含んでもよく、タンク10を、該燃料電池9に、燃料電池9で生産したメタノールを次に貯蔵タンク10に貯蔵できるように、接続してもよい。
本装置の機能を、以下の通りにすることができる。空気が壁1を通過するときに、二酸化炭素を吸収し、該二酸化炭素を使用してメタノールを製造する。次に、具体的な例について、炭酸脱水素酵素3を風力発電機6の回転翼5に配置する実施例を参照して、説明する。風が吹き付ける間、風力発電機6の翼5は気流に露出される。電気エネルギーを風力発電機で発生させ、二酸化炭素を同時に、回転翼5に沿って抽出する。回転翼5から、1本又は複数本の導管24、25、28を、二酸化炭素をメタノールに変換できる燃料電池9に、導いてもよい。風力発電機6で発生させた電気の一部を、抽出した二酸化炭素を使用して、その後貯蔵可能なメタノールを生産する反応に、利用する。
本発明の実施例によっては、電気エネルギーの必要性を監視してもよい。例えば、1つ又は複数の指標を、電気エネルギーが他の何処で必要か否かを決定するために、監視してもよい。そうした指標の1つを、例えば、電力価格としてもよい。電力価格の上昇は、電力需要が増大していることを示している可能性がある。電力需要が高いと示された時には、貯蔵したメタノールを使用して電力を生産し、それにより電力需要が大きいときに、電力を生産可能にする。
図2を参照すると、回転翼5を、該回転翼5の半径方向に互いに分離した複数のセル8に分割した、実施例について示している。各セル8には、炭酸脱水素酵素3を、各セル8が二酸化炭素を抽出できるように、配設/固定した壁1を、有する。セル8には液体を含むため、回転翼全体に沿って延在させた単独のセル場合では、液圧が不所望に高くなる可能性がある−液柱が高くなり、遠心力により問題は一層深刻になる。複数のセル8を使用すると、各セル内の液体を、他のセル内の液体と分離できる。このようにして、液圧を低く保つことができる。
場合によっては、本発明を、二酸化炭素の含有量が極めて高い環境、例えば工業における排気導管における、静止面に適用できる。勿論、かかる環境に回転翼を配置することも考えられる。
炭酸脱水素酵素を空気から二酸化炭素を抽出するのに使用することで、メタノールを生産するための二酸化炭素源を、地球大気中の二酸化炭素の総量は非常に多大であるため、実質上無尽蔵なものとして提供できる。炭酸脱水素酵素を使用する原理を、風力発電機と併用すると、これは、風力発電機で生成した電気エネルギーを、二酸化炭素をメタノールに変換するプロセスで使用できることになる。つまり、極めて低コストでメタノールを生産できる。かかるプロセスで製造したメタノールを、後で使用して、無風時等に電気エネルギーを生産することができる。その結果、風力発電機から得たエネルギーを、長期間に亘りより均等に分配できるため、電気エネルギーを一層確実に供給できる。
1 壁
2 表面
3 炭酸脱水素酵素
4 後壁
5 回転翼
6 風力発電機
8 セル
9 燃料電池
10 貯蔵タンク
11 開口部
12 開口部
13 開口部
14 開口部
15 アノード
16 カソード
17 膜
18 電気回路
19 抽出チャンバ
20 前部区画
21 後部区画
22 ポンプ
23 縮流部
24 第1排気導管
25 主排気導管
26 負圧源
27 ハブ
28 導管
29 支柱
30 ハウジング
2 表面
3 炭酸脱水素酵素
4 後壁
5 回転翼
6 風力発電機
8 セル
9 燃料電池
10 貯蔵タンク
11 開口部
12 開口部
13 開口部
14 開口部
15 アノード
16 カソード
17 膜
18 電気回路
19 抽出チャンバ
20 前部区画
21 後部区画
22 ポンプ
23 縮流部
24 第1排気導管
25 主排気導管
26 負圧源
27 ハブ
28 導管
29 支柱
30 ハウジング
Claims (8)
- 風力発電機(6)の回転翼(5)で形成した壁(1)を設け、前記壁(1)には、炭酸脱水素酵素(3)を配設する表面(2)を有するステップと、前記壁(1)の表面(2)を気体流に露出するステップと、前記炭酸脱水素酵素(3)を使用して、前記気体流から二酸化炭素を除去するステップと、そうして得た二酸化炭素を使用して、電気エネルギーを使用して水と二酸化炭素をメタノールに変換する化学反応でメタノールを生産するステップを備えること、を特徴とするメタノールを製造する方法。
- 前記風力発電機(6)からの電気エネルギーを使用して、水と二酸化炭素をメタノールに変換すること、を特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記気体を空気とすること、を特徴とする請求項1に記載の方法。
- 風力発電機からの電気エネルギーを使用して、水と二酸化炭素をメタノールに変換すること、を特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載の方法。
- 前記回転翼(5)を、該回転翼(5)の半径方向に互いに分離した複数のセル(8)に分割し、各セル(8)には、炭酸脱水素酵素を、各セル(8)が二酸化炭素を抽出できるように、配設する壁(1)を有すること、を特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記獲得したメタノールを、次に使用して、燃料電池で電気エネルギーを発生させること、を特徴とする請求項1に記載の方法。
- 風力発電機(6)の回転翼(5)で形成する壁(1)であって、炭酸脱水素酵素(3)を、例えば空気から二酸化炭素を抽出できるように、配設した表面(2)を有する前記壁(1)と、二酸化炭素をメタノールに変換できる燃料電池(9)であって、抽出した二酸化炭素を前記燃料電池に輸送できるように、前記壁(1)に接続する前記燃料電池(9)と、該燃料電池(9)に接続した電気エネルギー源とを備えること、を特徴とするメタノールを製造する装置。
- 前記回転翼(5)を、該回転翼(5)の半径方向に互いに分離した複数のセル(8)に分割し、各セル(8)には、炭酸脱水素酵素(3)を、各セル(8)が二酸化炭素を抽出できるように、配設した壁(1)を有すること、を特徴とする請求項7に記載の装置。
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