JP2014528519A - CxHyOz化合物を得るために炭素ガスを電気化学的水素化によって処理する方法およびシステム - Google Patents
CxHyOz化合物を得るために炭素ガスを電気化学的水素化によって処理する方法およびシステム Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、CO2を電気化学的水素化によって処理する方法に関する。この方法は以下の工程を含む。・加熱手段(160)からの熱を、プロトン伝導電解槽(110)が水蒸気を電解するために適した動作温度(T1)に到達するようにプロトン伝導電解槽へ移動させる、・加熱手段(160)によって生産されたCO2をプロトン伝導電解槽の陰極に供給する、・陽極に水蒸気を供給する、・陽極で水蒸気を酸化する、・プロトン伝導膜のなかにプロトン化種を発生させる、・プロトン伝導膜のなかでプロトン化種を移動させる、・陰極(33)の表面でプロトン化種を反応性水素原子の形態に還元する、・プロトン伝導電解槽(110)の陰極(33)の表面でCO2を前記反応性水素原子によって水素化する、これにより、CxHyOzタイプの化合物(ここでx≧1、0≰y≰(2x+2)、および0≰z≰2xである)を形成することができる。【選択図】図2
Description
本発明は、CxHyOzタイプの化合物(特にここでx≧1、0≦y≦(2x+2)、および0≦z≦2xである)を得るために、炭素ガスすなわち二酸化炭素(CO2)および/または一酸化炭素(CO)を、水の電気分解により発生した非常に反応性のある水素によって処理する方法およびシステムに関する。
今日、セラミック伝導膜は、それらの性能を向上させる広範な研究の主題であり、前記膜は、とりわけ、次の分野において特に興味深い用途を見いだされている。すなわち:
− 水素を製造するための高温での水の電気分解、
− CxHyOzタイプの化合物(x≧1、0≦y≦(2x+2)、および0≦z≦2x)を得るための電気化学的水素化による炭素ガス(CO2、CO)の処理。国際公開WO2009/150352号公報は、このような方法の例を記載している。
− 水素を製造するための高温での水の電気分解、
− CxHyOzタイプの化合物(x≧1、0≦y≦(2x+2)、および0≦z≦2x)を得るための電気化学的水素化による炭素ガス(CO2、CO)の処理。国際公開WO2009/150352号公報は、このような方法の例を記載している。
現在のところ、次の2つの水蒸気電解生産方法が知られている。
− 通常、750℃と1000℃との間の温度で動作するO2-陰イオン伝導体を用いた電解;
− 本特許に関係しているプロトン伝導体を用いた電解。
− 通常、750℃と1000℃との間の温度で動作するO2-陰イオン伝導体を用いた電解;
− 本特許に関係しているプロトン伝導体を用いた電解。
図1に示された生産方法は、プロトンを伝導することができ、通常、200℃と800℃の間の温度で動作する電解質を使用している。
より具体的には、この図1は、陽極12および陰極13によって分離された電解質の機能を確実にするプロトン伝導セラミック膜11を有する電解槽10を図式的に示す。
陽極12と陰極13との間に電位差を印加することによって、陽極12の側でH2O蒸気の酸化を引き起こす。この水蒸気は陽極12に流入し、従って酸化されて酸素O2およびH+イオン(またはクレーガー=ビンク(Kroeger-Vink))の表記法ではOHo .)を形成し、この反応は式:
H2O+2Oo X → 2OHo .+(1/2)O2+2e’
によって、電子e-を放出する。
H2O+2Oo X → 2OHo .+(1/2)O2+2e’
によって、電子e-を放出する。
H+イオン(またはクレーガー=ビンクの表記法ではOHo .)は、電解質11のなかを通って移動して式:
2e’+ 2OHo . → 2Oo X+H2
によって、陰極13の表面に水素H2を形成する。
2e’+ 2OHo . → 2Oo X+H2
によって、陰極13の表面に水素H2を形成する。
従って、この方法は、電解槽10の出口で、純粋な水素−陰極室、および水蒸気と混合された酸素−陽極室、を提供する。
より厳密に言えば、H2の形成は、陰極の表面で可変エネルギーおよび相互作用度を有して吸収された水素原子および/または水素原子ラジカルH・(またはクレーガー=ビンクの表記法ではHElectrode X(Electrode:電極))である中間化合物の形成を経る。これらの種は高反応性であるので、それらは通常、式:
2HElectrode X → H2
によって再結合して水素H2を形成する。
2HElectrode X → H2
によって再結合して水素H2を形成する。
これらの高反応性の種は、電解槽10の出口で、次の関係式によるCxHyOzタイプの化合物(x≧1、0≦y≦(2x+2)、および0≦z≦2x)を得るための電気化学的水素化による炭素ガス(CO2、CO)の処理に用いられる。
(4x−2z+y)HElectrode X+xCO2 → CxHyOz+(2x−z)H2O
(4x−2z+y)HElectrode X+xCO2 → CxHyOz+(2x−z)H2O
本発明の目的は、水素化による処理を行うことによって、炭素製品(石炭、木材、石油)からの熱の生産、または焼却、または廃棄によって生じた炭素ガスを再生利用すること、および、温室効果ガスの生産を最善の方法で削減することである。
この目的を達成するために、本発明は、CxHyOzタイプの化合物(ここでx≧1、0≦y≦(2x+2)、およびzは0と2xとの間に含まれる。)を得るために、電気化学的水素化によってCO2および/またはCOを処理する方法を提案する。前記CO2および/またはCOは、加熱手段(160)を介した炭素製品の燃焼によって得られており、前記方法は、以下を有する。
− 加熱手段からの熱を、プロトン伝導電解槽が水蒸気を電解するために適した動作温度T1に到達するようにプロトン伝導電解槽へ移動させるステップと、なお、前記プロトン伝導電解槽は、陽極と陰極との間に配置されたプロトン伝導膜を備えており、
− 前記加熱手段によって生産されたCO2および/またはCOをプロトン伝導電解槽の陰極に供給するステップと、
− 前記電解槽の陽極に水蒸気を供給するステップと、
− 陽極で水蒸気を酸化するステップと、
− 前記酸化ステップの後で、プロトン伝導膜のなかにプロトン化種を発生させるステップと、
− 前記プロトン伝導膜のなかで前記プロトン化種を移動させるステップと、
− 陰極の表面で前記プロトン化種を反応性水素原子の形態に還元するステップと、
− 前記反応性水素原子によって電解槽の陰極の表面でCO2および/またはCOを水素化するステップと、なお、前記水素化ステップは、CxHyOzタイプの化合物(ここでx≧1、0≦y≦(2x+2)、および0≦z≦2xである)を形成することができる、を有する。
− 加熱手段からの熱を、プロトン伝導電解槽が水蒸気を電解するために適した動作温度T1に到達するようにプロトン伝導電解槽へ移動させるステップと、なお、前記プロトン伝導電解槽は、陽極と陰極との間に配置されたプロトン伝導膜を備えており、
− 前記加熱手段によって生産されたCO2および/またはCOをプロトン伝導電解槽の陰極に供給するステップと、
− 前記電解槽の陽極に水蒸気を供給するステップと、
− 陽極で水蒸気を酸化するステップと、
− 前記酸化ステップの後で、プロトン伝導膜のなかにプロトン化種を発生させるステップと、
− 前記プロトン伝導膜のなかで前記プロトン化種を移動させるステップと、
− 陰極の表面で前記プロトン化種を反応性水素原子の形態に還元するステップと、
− 前記反応性水素原子によって電解槽の陰極の表面でCO2および/またはCOを水素化するステップと、なお、前記水素化ステップは、CxHyOzタイプの化合物(ここでx≧1、0≦y≦(2x+2)、および0≦z≦2xである)を形成することができる、を有する。
反応性水素原子は、陰極の表面で吸着している水素原子および/または水素原子ラジカルH・(またはクレーガー=ビンクの表記法ではHElectrode X)を意味するように理解される。
従って本発明による方法によれば、電解槽の陰極で高反応性水素を発生する水蒸気の電気分解と一緒に電解槽の陰極に注入された炭素製品の高反応性水素との反応による電極触媒水素化を用いることにより、炭素製品の燃焼に由来して加熱手段により作られる炭素ガスを再利用することができる。
例として、前記CxHyOzタイプの化合物は、パラフィンCnH2n+2、オレフィンC2nH2n、アルコールCnH2n+2OHまたはCnH2n-1OH、アルデヒドおよびケトンCnH2nOである。
好ましくは、生産されるCxHyOz化合物は、炭素製品の外部からの投入を削減するために加熱手段の燃焼を供給することができる化合物である。好ましくは、形成される化合物は、例えば、脂肪族または芳香族であってもよく、アルカン、アルケン、またはアルキンに属する群であって、それぞれの誘導体も含み、置換されているものいないものも含む群であってもよく、(化合物は)1またはそれ以上のアルコール、アルデヒド、ケトン、アセタール、エーテル、過酸化物、エステル、無水物を含むことができるような炭素製品燃料である。
本発明は、好ましくは加熱手段(炭素製品の燃焼によって生じた)によって生産された熱をプロトン伝導電解槽を加熱するために用いることができる。ここで電解槽の加熱は電気分解反応および電極触媒水素化反応を行うために必要とされている。従って、電解槽は温室効果ガスを発生する特別な費用のかかる加熱手段の使用を必要としない。
本発明による方法は、また個別に、またはそれらの技術的に可能な組み合わせを考慮した、以下の1またはそれ以上の特徴を有してもよい。
− 本方法は、水素化によって生産されたCXHYOZタイプの化合物を前記加熱手段の燃料として使用するステップを含む。
− 前記加熱手段の燃料としてのCXHYOZタイプの化合物の使用に先立って、前記方法は、CXHYOZタイプの化合物をガスの形態で独自に加熱手段に注入することを可能にする相分離のステップを含む。
− 電解槽の陰極室のなかに前記加熱手段によって生産されたCO2および/またはCOを前記供給するステップに先立って、前記方法は、純粋なCO2および/またはCOを得るために前記加熱手段によって生産されたCO2および/またはCOを浄化するステップを含む。
− 陽極での水蒸気の酸化の前記ステップは、陽極室の出口で酸素を発生させる。
− 前記方法は、前記電解槽によって生産された酸素の相分離のステップを含む。
− 前記方法は、前記加熱手段のなかに前記酸素をガスの形態で再注入するステップを含む。
− 本方法は、電解槽の陰極または端子に印加される電位および/または電流の作用によって、形成されるCXHYOZタイプの化合物の種類を制御するステップを含む。
− 形成されるCXHYOZタイプの化合物は、それぞれの誘導体も含むアルカン、アルケン、またはアルキンの群であって、置換されているもの、いないものも含む群に属し、(また、化合物は)1またはそれ以上のアルコール、アルデヒド、ケトン、アセタール、エーテル、過酸化物、エステル、無水物を含むことができる。
− 形成されるCXHYOZタイプの化合物は、炭素化合物燃料である。
− 加熱手段から前記電解槽への前記熱伝達ステップは、熱交換器によって行われる。
− 加熱手段から前記電解槽への前記熱伝達ステップは、直接的な熱伝達によって行われ、前記電解槽は、前記加熱手段の近傍の加熱領域に位置している。
− 加熱手段からプロトン伝導電解槽への熱伝達は前記電解槽が200℃以上800℃未満の温度、好ましくは350℃と650℃との間の温度に到達するように行われる。
− 加熱手段からプロトン伝導電解槽への熱伝達は前記電解槽が500℃と600℃との間の温度に到達するように行われる。
− 本方法は、水素化によって生産されたCXHYOZタイプの化合物を前記加熱手段の燃料として使用するステップを含む。
− 前記加熱手段の燃料としてのCXHYOZタイプの化合物の使用に先立って、前記方法は、CXHYOZタイプの化合物をガスの形態で独自に加熱手段に注入することを可能にする相分離のステップを含む。
− 電解槽の陰極室のなかに前記加熱手段によって生産されたCO2および/またはCOを前記供給するステップに先立って、前記方法は、純粋なCO2および/またはCOを得るために前記加熱手段によって生産されたCO2および/またはCOを浄化するステップを含む。
− 陽極での水蒸気の酸化の前記ステップは、陽極室の出口で酸素を発生させる。
− 前記方法は、前記電解槽によって生産された酸素の相分離のステップを含む。
− 前記方法は、前記加熱手段のなかに前記酸素をガスの形態で再注入するステップを含む。
− 本方法は、電解槽の陰極または端子に印加される電位および/または電流の作用によって、形成されるCXHYOZタイプの化合物の種類を制御するステップを含む。
− 形成されるCXHYOZタイプの化合物は、それぞれの誘導体も含むアルカン、アルケン、またはアルキンの群であって、置換されているもの、いないものも含む群に属し、(また、化合物は)1またはそれ以上のアルコール、アルデヒド、ケトン、アセタール、エーテル、過酸化物、エステル、無水物を含むことができる。
− 形成されるCXHYOZタイプの化合物は、炭素化合物燃料である。
− 加熱手段から前記電解槽への前記熱伝達ステップは、熱交換器によって行われる。
− 加熱手段から前記電解槽への前記熱伝達ステップは、直接的な熱伝達によって行われ、前記電解槽は、前記加熱手段の近傍の加熱領域に位置している。
− 加熱手段からプロトン伝導電解槽への熱伝達は前記電解槽が200℃以上800℃未満の温度、好ましくは350℃と650℃との間の温度に到達するように行われる。
− 加熱手段からプロトン伝導電解槽への熱伝達は前記電解槽が500℃と600℃との間の温度に到達するように行われる。
本発明の主題はまた、本発明による方法を実施するための電気化学的水素化によって炭素ガスを処理するシステムであり、前記システムは以下を備える。
− 炭素製品の燃焼によってCO2および/またはCOを放出する加熱手段と、
− プロトン伝導膜の形態の電解質と陽極および陰極を備えて、加熱手段の近傍に位置しているプロトン伝導電解槽と、
− 水蒸気を前記陽極を経由して前記電解質のなかに圧力下で注入する手段と、
− 加熱手段によって生産されたCO2および/またはCOを電解槽の陰極の表面に圧力下で供給する手段と、
− 電解槽の陰極の表面で水素化によって形成されたCXHYOZタイプの化合物を排出する手段と、
− 水蒸気の電気分解反応によって、陽極で発生された酸素および水を排出する手段と、を備える。
− 炭素製品の燃焼によってCO2および/またはCOを放出する加熱手段と、
− プロトン伝導膜の形態の電解質と陽極および陰極を備えて、加熱手段の近傍に位置しているプロトン伝導電解槽と、
− 水蒸気を前記陽極を経由して前記電解質のなかに圧力下で注入する手段と、
− 加熱手段によって生産されたCO2および/またはCOを電解槽の陰極の表面に圧力下で供給する手段と、
− 電解槽の陰極の表面で水素化によって形成されたCXHYOZタイプの化合物を排出する手段と、
− 水蒸気の電気分解反応によって、陽極で発生された酸素および水を排出する手段と、を備える。
本発明の好ましい1実施形態によれば、加熱手段はボイラーから形成される。
他の特徴および利点は、添付図面を参照して、指摘としておよび限定することなく以下に与えられた説明から明らかになるであろう。
図2は、本発明による方法の実施を可能にする炭素ガス処理システム100を図式的に示す。
処理システム100は、以下を備える。
− 熱の生産のために用いられた炭素製品の燃焼によって生じたCO2および/またはCOと同様に他のガスも放出するボイラーのような加熱手段160、
− CO2および/またはCOを単離するためにボイラー160によって放出されたガスを浄化することができる浄化器120、
− プロトン伝導膜の形態の電解質31と、陽極32と陰極33とを備えるプロトン伝導電解槽110(図3)、
− 電解槽の陽極32と陰極33との間に循環する電流を誘導する手段34(図3)、
− 陽極32を介して、電解質のなかに水蒸気pH2Oを、好ましくは圧力下で注入するための手段41、
− 電解槽110の陰極33の表面に、好ましくは圧力下で、浄化された二酸化炭素(pCO2)および/または一酸化炭素(pCO)を供給するための手段42、
− 電解槽110の陰極33の表面に水素化によって形成されたCXHYOZタイプの化合物を排出する手段、
− 水蒸気の電気分解反応によって、陽極32で発生された酸素を排出する手段、を備える。
− 熱の生産のために用いられた炭素製品の燃焼によって生じたCO2および/またはCOと同様に他のガスも放出するボイラーのような加熱手段160、
− CO2および/またはCOを単離するためにボイラー160によって放出されたガスを浄化することができる浄化器120、
− プロトン伝導膜の形態の電解質31と、陽極32と陰極33とを備えるプロトン伝導電解槽110(図3)、
− 電解槽の陽極32と陰極33との間に循環する電流を誘導する手段34(図3)、
− 陽極32を介して、電解質のなかに水蒸気pH2Oを、好ましくは圧力下で注入するための手段41、
− 電解槽110の陰極33の表面に、好ましくは圧力下で、浄化された二酸化炭素(pCO2)および/または一酸化炭素(pCO)を供給するための手段42、
− 電解槽110の陰極33の表面に水素化によって形成されたCXHYOZタイプの化合物を排出する手段、
− 水蒸気の電気分解反応によって、陽極32で発生された酸素を排出する手段、を備える。
陽極32と陰極33との間を循環する電流を誘導する手段34は、電圧、電流発生器、または、ポテンショスタット(この場合、セルはまた、すくなくとも1つの陰極または陽極の参照電極を有する)である。
図3は、CO2および/またはCOを還元した後で、CXHYOZタイプの化合物(ここでx≧1、0≦y≦(2x+2)、および0≦z≦2xである)を形成するために用いられる電解槽110の電解セル30の実施形態の例をより詳細に示す。
陽極32で水が酸化されてそれと同時に電子が解放され、それと同時にH+イオン(OHo .の形状である)が発生する。
これらのH+イオンは、電解質31のなかを通って移動する。従って、陰極33で注入が行われれば異なる化合物と反応することができる。CO2および/またはCOのタイプの炭素化合物が陰極33で前記H+イオンと反応すればCxHyOzタイプの化合物(ここで、x≧1、0≦y≦(2x+2)、および0≦z≦2xである)と水を陰極33で形成する。
異なる反応の化学反応式は、特に以下のように書かれてもよい。
(6n+2)HElectrode X+nCO2 → CnH2n+2+2nH2O
6nHElectrode X+nCO2 → CnH2n+2nH2O
6nHElectrode X+nCO2 → CnH2n+2O+(2n−1)H2O
(6n−2)HElectrode X+nCO2 → CnH2nO+(2n−1)H2O
(6n+2)HElectrode X+nCO2 → CnH2n+2+2nH2O
6nHElectrode X+nCO2 → CnH2n+2nH2O
6nHElectrode X+nCO2 → CnH2n+2O+(2n−1)H2O
(6n−2)HElectrode X+nCO2 → CnH2nO+(2n−1)H2O
形成される化合物の種類は作動条件に依存するが、CxHyOzの形成反応全体は以下のように書いてもよい。
(4x−2z+y)HElectrode X+xCO2 → CxHyOz+(2x−z)H2O
(4x−2z+y)HElectrode X+xCO2 → CxHyOz+(2x−z)H2O
陰極で合成されるCxHyOz化合物の種類は、種々の作動パラメータ、たとえば、陰極室の圧力、ガスの分圧、動作温度T1、陰極33または電解槽の端子に印加される電位/電流の組み合わせ、ガスの滞留時間、および電極の特性などに依存する。
電解槽の動作温度T1は、範囲200℃から800℃の間で、好ましくは350℃と650℃との間で構成される。この範囲の温度での動作温度T1は、また、発生させたい炭素化合物CxHyOzの種類に依存する。
これらの作動パラメータは、電解槽110の陰極33の出口で形成される燃料化合物が、ボイラー160の燃焼に供給できるように形成されるように決められる。
これらの作動パラメータが水素を生産すると同時にCXHYOZタイプの化合物も生産するように決められることがまた好ましい。水素/CXHYOZタイプの化合物の混合物は、加熱手段の中でCXHYOZタイプの化合物の燃焼を助けるという利点を有する。
1実施形態によれば、作動パラメータはCXHYOZタイプの化合物90%および水素10%から形成された混合物が得られるように決められる。
第1の実施形態によれば、陽極32および陰極33は、優先的に、プロトン伝導セラミックと電子伝導不動態合金との混合物から構成されるサーメットから形成される。ここで、電子伝導不動態合金とは、酸化環境において(例えば、電解槽の陽極で)それを保護するための受動的な保護層を形成することができる合金である。この不動態合金は、優先的に金属合金である。
不動態合金は、温度で酸化されることのない特殊性を有するサーメットを得るために例えばクロム(優先的には少なくとも40%のクロム)を含む。合金中のクロム含有量は、合金の融点がセラミックの焼結温度を超えるように決定される。焼結温度は、電解質膜をガス漏れがないように焼結するために必要な焼結温度を意味するように理解される。
クロム合金は、また、不動態層の電子伝導特性を保持するために遷移金属を含んでもよい。従って、クロム合金は、クロムおよび次の遷移金属の1つの合金である:コバルト、ニッケル、鉄、チタン、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン。
陽極および陰極の電極32および33のセラミックは、好ましくは、電解質31の電解質膜を形成するために用いられたセラミックと同一のセラミックである。
本発明の好ましい実施形態によれば、電極32および33のサーメットの形成、および電解質31の形成に用いられているプロトン伝導セラミックは、好ましくは、ランタナイド(lanthanide)から選択された要素Aによってドープされることができる一般式がAZrO3のジルコン酸塩タイプのペロブスカイトである。
膜の形成のためのセラミックのこのタイプの使用は、従って、ガス漏れがなく十分な焼きしまり得るために高い焼結温度の使用を必要とする。電解質31の焼結温度は、セラミック特性への作用としてのみならず、望ましい空孔率への作用としてより具体的に定められる。従来方法では、ガス漏れがないためには、電解質31は空孔率の水準が6%未満(または密度94%を超える)でなければならない。
好ましくは、セラミックの焼結は、高温における金属の酸化を避けるために、例えば、水素(H2)およびアルゴン(Ar)、または、増熱(carburation)のリスクが無ければ一酸化炭素(CO)の雰囲気のような、還元性雰囲気で行われる。
セル30の電極32および33は、また、1500℃を超える温度(ジルコン酸塩タイプの焼結の例による)で焼結される。
第2の実施形態によれば、陽極32および陰極33は、また、ランタナイドを用いてドープされたペロブスカイトからなるセラミック材料から形成されてもよい。ペロブスカイトは、化学式AZrO3のジルコン酸塩でもよい。ジルコン酸塩は、ランタナイド、たとえばエルビウムによってドープされる。加えて、ランタナイドによってドープされるペロブスカイトは、次の群から採用されるドーピング元素でもよい:ニオブ、タンタル、バナジウム、リン、ヒ素、アンチモン、ビスマス。これらのドーピング元素は、セラミックをドープするために選択される。なぜならば、それらは5に等しい酸化状態から3の酸化状態に移ることができる、すなわち、焼結の際にそれらは酸素を解放されることができるからである。より具体的には、ドーピング元素は、好ましくは、ニオブまたはタンタルである。それぞれの電極はまた、サーメットを形成するためにセラミックと混合された金属を有する。セラミックは、例えば、0.1重量%と0.5重量%との間のニオブ、4重量%と4.5重量%との間のエルビウム、および残りはジルコン酸塩を含む。セラミックにニオブ、タンタル、バナジウム、リン、ヒ素、アンチモン、またはビスマスをドーピングするという事実によって、電子伝導セラミックにすることができる。そのセラミックはその後、混合伝導を有するセラミックである。換言すれば、それは、電子およびプロトンを伝導する。一方、これらのドーピング元素の不存在、つまり、単一の酸化状態を有するランタナイドをドープされたペロブスカイトは、電子を伝導しない。そのような構成(混合伝導)は、固体電解質と同じ性質の材料から作られた電極を有することを可能にする。それは、プロトンおよび電子の双方に良い伝導性を有し、セラミックがたとえ金属と混合(第1の実施形態の場合のように)されなくても良い伝導性を有する。
システム100は、さらに、電解槽110の陰極33で合成されたCXHYOZタイプの化合物をその入口で受け取る凝縮器130を備える。凝縮器130は、水素化反応によって生産されたガスの形態のCXHYOZタイプの化合物および水を分離することができる。従って、凝縮器130は、水を液体の形状でトラップすることにより凝縮器130の出口で、合成されたCXHYOZタイプの化合物をガスの形態で独自に得ることができる(図2に示された実施形態の炭素化合物燃料)。このCXHYOZタイプの化合物は、その後、乾燥剤カートリッジ170のなかで脱水された後で、ボイラー160の炭素製品供給回路のなかへ注入される。合成されたCXHYOZタイプの化合物の投入によって、炭素製品の個別の投入を削減することができる。本発明によるシステムは、従って、このようなセミ閉回路で作動することができ、合成されたCXHYOZタイプの化合物をボイラーに供給することによって燃料の外部からの投入を削減することができる。
凝縮器130のなかで回収された水は、水の外部からの投入を制限するために、その後、水供給回路のなかに再注入される。
前段落と同様な方法で、システム100は、また、陽極32で水蒸気の電気分解によって生産された酸素をその入口で受け取る凝縮器140を備える。酸素は電解槽110の出口で水と混合されているが、凝縮器140は酸素から水を分離することができる。酸素は、その後、炭素製品の燃焼に供給するためにボイラー160に再注入され、水は、水供給回路のなかへ再注入される。その結果注入された酸素によって、空気の代わりの酸化剤として電解槽から出されている酸素を直接的に用いて酸素燃焼を行うことができる。
凝縮器130および140は、冷却した化合物をシステム100の異なる回路に80℃から85℃の間の温度で再注入するために、凝縮器に注入される化合物を冷却する機能も有している。
電解槽110の加熱は、電解槽が、200℃以上800℃未満であり、好ましくは350℃と650℃の間に含まれる温度である温度T1に到達するように、ボイラー160から電解槽110への熱伝達によって行われる。
水素化された有機化合物を得るために、電解槽の温度T1は、好ましくは500℃と600℃の間に含まれなければならない。
第1の実施形態によれば、熱伝達はボイラー160の周りの加熱領域150に電解槽110が位置することによって達成される。
第2の実施形態によれば、熱伝達はボイラーによって生産された熱エネルギーを電解槽に伝達することができる熱交換器(図示せず)を用いることによって達成される。
特に限定しない実施形態によれば、システムはさらに、電解槽の出口、より厳密には電解槽の陽極(水蒸気)および/または陰極の出口、に位置しているタービンを備える。図2においては、このようなタービンは、例として参照記号50による点線によって示されている。この実施例においては、タービンは、電解槽の陽極で出てくるガス流の経路に位置している。このようなタービンは、ガス流の通過によって電力を発生するように構成されている。本発明の好ましい実施形態によれば、生産された電力はその後、電解槽に電気的に供給することができる。従って、この個別の実施形態によれば、電解槽の端子で電位差を発生させるための個別の発電機の消費電力を削減することができる。
特に限定しない実施形態によれば、本発明によるシステムは、好ましくは、水の電気分解反応によって形成された熱の形態の生産物を回収するために設けられた熱電変換デバイスを備える。
特に限定しない実施形態によれば、このシステムは、電気分解反応によって陽極に発生された酸素/水の混合物を冷却するように構成されているとともに、陽極を経由して電解質のなかに注入されることができる水蒸気を形成するために電解槽の入口で水を加熱するように構成されている熱交換器を備える。
本発明は、炭素製品(石炭、木材、石油)からの熱の生産、または廃棄物の焼却の結果としての炭素ガスを回収するためのとりわけ興味深い応用を見出している。
(補足説明)
PCT出願書類における符号は、翻訳文においては、下記のように表現した。
(出願書類の符号) (翻訳文の符号)
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Claims (16)
- CxHyOzタイプの化合物(ここでx≧1、0≦y≦(2x+2)、およびzは0と2xとの間に含まれる。)を得るために、加熱手段(160)を介した炭素製品の燃焼によって得られているCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法であって、
加熱手段(160)からの熱を、陽極(32)と陰極(33)との間に配置されたプロトン伝導膜(31)を備えるプロトン伝導電解槽(110)が水蒸気を電解するために適した動作温度(T1)に到達するように前記プロトン伝導電解槽(110)へ移動させるステップと、
前記加熱手段(160)によって生産されたCO2および/またはCOを前記プロトン伝導電解槽(110)の前記陰極(33)に供給するステップと、
前記プロトン伝導電解槽(110)の前記陽極(32)に水蒸気を供給するステップと、
前記陽極(32)で水蒸気を酸化するステップと、
前記酸化ステップの後で、前記プロトン伝導膜(31)のなかにプロトン化種を発生させるステップと、
前記プロトン伝導膜(31)のなかで前記プロトン化種を移動させるステップと、
前記陰極(33)の表面で前記プロトン化種を反応性水素原子の形態に還元するステップと、
前記プロトン伝導電解槽(110)の前記陰極(33)の表面でCO2および/またはCOを前記反応性水素原子によって水素化するステップであって、CxHyOzタイプの化合物(ここでx≧1、0≦y≦(2x+2)、および0≦z≦2xである)を形成することができるステップと、を有する、CO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。 - 水素化によって生産されたCXHYOZタイプの化合物を前記加熱手段(160)の燃料として使用するステップを含む、請求項1に記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記加熱手段(160)の燃料としてのCXHYOZタイプの化合物の使用に先立って、ガス状のCXHYOZタイプの化合物を独自に前記加熱手段(160)に注入することを可能にする相分離のステップを含む、請求項1または2に記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記プロトン伝導電解槽(110)の陰極(33)に前記加熱手段(160)によって生産されたCO2および/またはCOを前記供給するステップに先立って、純粋なCO2および/またはCOを得るために前記加熱手段によって生産されたCO2および/またはCOを浄化するステップを含む、請求項1から3のいずれかに記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記陽極(32)での水蒸気の酸化のステップは、前記プロトン伝導電解槽(110)の出口で酸素を発生させる、請求項1から4のいずれかに記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記プロトン伝導電解槽(110)によって生産された酸素の相分離のステップを含む、請求項5に記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記加熱手段(160)のなかにガス状の酸素を再注入するステップを含む、請求項5または6に記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記プロトン伝導電解槽(110)の陰極(33)または端子に印加される電位および/または電流の作用によって、形成されるCXHYOZタイプの化合物の種類を制御するステップを含む、請求項1から7のいずれかに記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 形成される前記CXHYOZタイプの化合物は、それぞれの誘導体も含むアルカン、アルケン、またはアルキンの群であって、置換されているもの、いないものも含む群に属し、さらに、1またはそれ以上のアルコール、アルデヒド、ケトン、アセタール、エーテル、過酸化物、エステル、無水物を含むことができる、請求項1から8のいずれかに記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 形成されるCXHYOZタイプの化合物は、炭素化合物燃料である、請求項1から9のいずれかに記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記加熱手段(160)から前記プロトン伝導電解槽(110)への熱伝達ステップは熱交換器によって行われる、請求項1から10のいずれかに記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記加熱手段(160)からプロトン伝導前記電解槽(110)への前記熱伝達ステップは、直接的な熱伝達によって行われ、前記プロトン伝導電解槽(110)は、前記加熱手段(160)の近傍の加熱領域(150)に位置している、請求項1から10のいずれかに記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記加熱手段(160)から前記プロトン伝導電解槽(110)への熱伝達は前記プロトン伝導電解槽(110)が200℃以上800℃未満、好ましくは350℃と650℃との間の温度(T1)に到達するように行われる、請求項1から12のいずれかに記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 前記加熱手段(160)から前記プロトン伝導電解槽(110)への熱伝達は前記プロトン伝導電解槽(110)が500℃と600℃との間の温度(T1)に到達するように行われる、請求項1から12のいずれかに記載のCO2および/またはCOを電気化学的水素化によって処理する方法。
- 請求項1から14のいずれかに記載の方法を実施するための、炭素ガスを電気化学的水素化によって処理するシステム(100)であって、
炭素製品の燃焼によってCO2および/またはCOを放出する加熱手段(160)と、
プロトン伝導膜の形態の電解質(31)と陽極(32)および陰極(33)を備えて、前記加熱手段(160)の近傍に位置しているプロトン伝導電解槽(110)と、
水蒸気を前記陽極(32)を経由して前記電解質(31)のなかに圧力下で注入する手段(42)と、
前記加熱手段(160)によって生産されたCO2および/またはCOを前記プロトン伝導電解槽(110)の前記陰極(33)の表面に圧力下で供給する手段(41)と、
前記プロトン伝導電解槽(110)の前記陰極(33)の表面で水素化によって形成されたCXHYOZタイプの化合物を排出する手段と、
水蒸気の電気分解反応によって、前記陽極で発生された酸素および水を排出する手段と、を備える、炭素ガスを電気化学的水素化によって処理するシステム(100)。 - 前記加熱手段がボイラーから形成される、請求項15に記載の、炭素ガスを電気化学的水素化によって処理するシステム(100)。
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