JP2017520685A - 再循環する洗浄媒体を用いる電解法及び電解装置 - Google Patents
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Abstract
Description
二酸化炭素の電気分解の場合に、電解セルのカソード側で一酸化炭素が、アノード側で酸素が生じる。
原則として電気分解は、低温で酸性、アルカリ性又はPEM(proton exchange membrane)電解槽の使用下で、又は高温で酸化物系セラミックの電解質(SOEC−solid oxide electrolyser cell)の使用下で進行することができる。高温電気分解(HTEL)は水素の作製のために液状の水ではなく水蒸気が供給されるので、高温電気分解の場合には、常温で進行する電気分解と比べてより僅かなエネルギー消費を使用する必要がある。これは、水蒸気の分解エネルギーが、液状の水に必要な分解エネルギーよりも約16%低いことによる。この相違は、水の蒸発エンタルピーに対応する。水蒸気製造は、発熱性の後続プロセスの廃熱の利用に基づいて、電気分解の電気効率と比べて中立である。電気エネルギーコストは、全体の電気分解コストの大部分を占めるため、高温電気分解は、経済的に大きな利点をもたらす。
合成ガス又は液体燃料を製造する目的を伴う全体のプロセスの関連で、高めた圧力下での電気分解の運転には重要な役割がある。電気分解に引き続いて行われる変換工程及び合成工程は、通常では大気圧を越える圧力で運転される。電気分解と後続プロセスとの間の極めてエネルギーコストがかかりかつしたがって高価な圧縮を削減するために、高温電気分解を既に圧力をかけて行うことが好ましい。水の高温電気分解のために必要な水蒸気及び/又は高温電気分解のために使用される二酸化炭素は、このために既に高めた出発圧力で準備することができる。このコンセプトを用いて、水蒸気及び/又は二酸化炭素を単にプロセス圧力に圧縮する必要があるだけである。これは電気分解工程後の水素又は一酸化炭素の圧縮よりもエネルギー的に明らかに好都合である。
反応体を電解セルに供給する工程であって、電解セルのカソード側では生成ガスが、電解セルのアノード側では酸素が生成する、工程と、
この電解セルに供給されるべき少なくとも第1の洗浄媒体によって酸素を少なくとも部分的に搬出する工程であって、この場合、少なくとも第1の洗浄媒体は酸素に対して不活性である、工程と、
洗浄媒体−酸素混合物を分離装置中で少なくとも部分的に、酸素の成分と少なくとも第1の洗浄媒体の成分とに分離する工程と、
分離された少なくとも第1の洗浄媒体を電解セル中へ改めて供給することにより再循環させ、かつ分離された酸素をこの方法から搬出する工程と、を含む。
アノード空間及びカソード空間は、容器空間の中に配置されており、
反応体をカソード空間中に供給するため、及び少なくとも第1の洗浄媒体をアノード空間中に供給するために、それぞれ少なくとも1つの媒体供給管が設けられており、
少なくとも第1の洗浄媒体及び電気分解により生成する酸素のアノード空間からの搬出のため、及び電気分解により生成する生成ガスのカソード空間からの搬出のために、それぞれ少なくとも1つの排出する導管が設けられており、
アノード空間又はカソード空間は容器空間と接続されているので、両方の接続された空間の間でガス流動が可能であり、
且つ
少なくとも1つの洗浄循環路が設けられているので、少なくともアノード空間が第1の洗浄媒体で洗浄可能である。
2 容器空間
3 カソード空間
4 電解セル
5 アノード空間
6 アノード洗浄媒体
11,11′ 分離装置
12 分離装置
13,13′ 圧縮機
14,14′ ヒータ/熱交換器
15 カソード洗浄循環路
16 アノード洗浄循環路
21 導管
22 導管
23 圧力調節ユニット
25 導管
30,30′ 反応体
31 媒体供給管
32 導管
33 圧力調節ユニット
34 圧力調節ユニット
36 導管
43 カソード
44 電解質
45 アノード
50,50′ 第2の洗浄媒体
51 媒体供給管
52 導管
53 圧力調節ユニット
54 導管
60,60′ 第1の洗浄媒体
CO 一酸化炭素
H2,CO 生成ガス
H2/CO−30 生成ガス−反応体混合物
H2 水素
H2O 水
N2 窒素
O2 酸素
rSOC 可逆固体酸化物セル
SOEC 固体酸化物電解セル
SOC 固体酸化物セル
50−H2/CO 洗浄媒体−生成ガス混合物
60−O2 洗浄媒体−酸素混合物
Claims (19)
- 300℃〜1500℃の温度範囲で運転する、電解セル(4)を用いた電解法であって、
反応体(30)を前記電解セル(4)に供給する工程であって、前記電解セル(4)のカソード(43)側では生成ガス(H2、CO)が生成し、かつ前記電解セル(4)のアノード(45)側では酸素(O2)が生成する、工程と、
前記電解セル(4)に供給されるべき少なくとも第1の洗浄媒体(60)によって酸素(O2)を少なくとも部分的に搬出する工程であって、前記少なくとも第1の洗浄媒体(60)は酸素(O2)に対して不活性である、工程と、
洗浄媒体−酸素混合物(60−O2)を分離装置(11,12)中で少なくとも部分的に、酸素(O2)の成分と少なくとも第1の洗浄媒体(60)の成分とに分離する工程と、
分離された少なくとも第1の洗浄媒体(60)を前記電解セル(4)中へ改めて供給することにより再循環させ、かつ分離された酸素(O2)を前記方法から搬出する工程と、
を含む電解法。 - 前記生成ガス(H2、CO)の少なくとも部分的な搬出を、少なくとも第2の洗浄媒体(50)を用いた洗浄により行い、かつ洗浄媒体−生成ガス混合物(50−H2/CO)を分離装置(11,12)中で生成ガス(H2、CO)の成分と少なくとも第2の洗浄媒体(50)の成分とに分離し、分離された少なくとも第2の洗浄媒体(50)又は洗浄媒体−生成ガス混合物(50−H2/CO)又は生成ガス(H2/CO)の再循環を、前記電解セル(4)内へ改めて供給すること及び分離された生成ガス(H2、CO)を前記方法から少なくとも部分的に搬出することによって行い、少なくとも第2の洗浄媒体(50)は、前記生成ガス(H2、CO)に対して不活性であることを特徴とする、請求項1に記載の電解法。
- 前記反応体(30)の100%未満を生成ガス(H2、CO)に変換することで、前記生成ガス(H2、CO)の少なくとも部分的な搬出を未反応の反応体(30)によって行い、前記生成ガス−反応体混合物(H2/CO−30)を分離装置(11,12)中で、生成ガス(H2、CO)の成分と反応体(30)の成分とに少なくとも部分的に分離し、分離された反応体(30)又は生成ガス−反応体混合物(H2/CO−30)の再循環及び分離された生成ガス(H2、CO)の前記方法からの少なくとも部分的な搬出を行うように、前記電解法を行うことを特徴とする、請求項1又は2に記載の電解法。
- 前記電解セルを600℃〜1000℃の温度範囲で運転することを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項に記載の電解法。
- 反応体(30)として水(H2O)及び/又は二酸化炭素(CO2)を、ガス、蒸気及び/又はガス状の蒸気として使用し、生成ガス(H2、CO)として、使用された反応体(30)に応じて、水素(H2)及び/又は一酸化炭素(CO)が生成されることを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項に記載の電解法。
- カソード洗浄循環路(15)/アノード洗浄循環路(16)中へ改めて導入する前に、少なくとも第1の洗浄媒体(60)/第2の洗浄媒体(50)の加熱及び/又は圧縮を行うことを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項に記載の電解法。
- 電解装置、特に請求項1から6までのいずれか1項に記載の電解法を実施するための電解装置において、前記電解セル装置は、少なくとも3つの互いに別個の圧力空間、すなわちアノード空間(5)、カソード空間(3)及び容器空間(2)を備え、前記アノード空間(5)と前記カソード空間(3)とが一緒になって電解セル(4)を形成し、
前記アノード空間(5)及び前記カソード空間(3)は、前記容器空間(2)の中に配置されており、
前記反応体(30)を前記カソード空間(3)中に供給するため、及び少なくとも第1の洗浄媒体(60)を前記アノード空間(5)中に供給するために、それぞれ少なくとも1つの媒体供給管(31,51)が設けられており、
少なくとも第1の洗浄媒体(60)及び前記電気分解により生成する酸素(O2)の前記アノード空間(5)からの搬出のため、及び前記電気分解により生成する生成ガス(H2、CO)の前記カソード空間(3)からの搬出のために、それぞれ少なくとも1つの排出する導管(32,52)が設けられており、
前記アノード空間(5)又は前記カソード空間(3)は前記容器空間(2)と接続されているので、両方の接続された空間(5−2/3−2)の間でガス流動が可能であり、
かつ
少なくとも1つの洗浄循環路(15,16)が設けられているので、少なくともアノード空間(5)が第1の洗浄媒体(60)で洗浄可能である
ことを特徴とする、電解装置。 - 少なくとも1つの洗浄循環路(15,16)中で、前記電解セル(4)の後方の下流側に、少なくとも第1の洗浄媒体(60)/酸素(O2)を分離する分離装置(11,12)が設けられており、少なくとも第1の洗浄媒体(60)は、少なくとも1つの洗浄循環路(15,16)を介して再循環可能でありかつ酸素(O2)は導管(54)を介して電気分解系から搬出可能であることを特徴とする、請求項7に記載の電解装置。
- 前記容器空間(2)の中に、アノード空間(5)及びカソード空間(3)を備えた複数の電解セル(4)が配置されており、前記カソード空間(3)は互いに接続されており、かつ前記アノード空間(5)は互いに接続されているので、複数のカソード空間(3)は1つの共通のカソード空間を形成し、かつ複数のアノード空間(5)は1つの共通のアノード空間を形成することを特徴とする、請求項7又は8に記載の電解装置。
- 前記アノード空間(5)及び/又は前記カソード空間(3)中へのガス供給のために、圧力調節ユニット(23,33,34,53)が設けられており、前記圧力調節ユニット(23,33,34,53)によって前記圧力空間(2,3,5)中のそれぞれの圧力が調節可能であることを特徴とする、請求項7、8又は9に記載の電解装置。
- 2つの洗浄循環路(15,16)が設けられているので、前記アノード空間(5)は第1の洗浄媒体(60)で洗浄可能であり、かつ前記カソード空間(3)は第2の洗浄媒体(50)及び/又は反応体(30)により洗浄可能であることを特徴とする、請求項7から10までのいずれか1項に記載の電解装置。
- 少なくとも1つの洗浄循環路(15,16)を用いた再循環のために、再循環送風機及び/又は噴流ポンプ及び/又はヒータ/熱交換器(14,14′)が設けられていることを特徴とする、請求項7から11までのいずれか1項に記載の電解装置。
- 前記電解セル(4)の始動運転及び/又は停止運転の間に、前記アノード空間(5)と前記カソード空間(3)との間に一時的な接続が予定されかつこの一時的接続は切り替え可能であるので、両方の接続された空間(3/5)の間で始動運転及び/又は停止運転の間にガス流動が可能であることを特徴とする、請求項7から12までのいずれか1項に記載の電解装置。
- 前記少なくとも1つの分離装置(11,12)は、少なくとも1つの分離膜及び/又は多孔質分離構造体及び/又は吸収剤及び/又は圧力変動吸着装置及び/又は温度変動吸着装置によって形成されていることを特徴とする、請求項8から13までのいずれか1項に記載の電解装置。
- 前記分離装置(11,12)に供給する前記媒体(30,50,60)の冷却のために冷却装置が設けられており、ここで取り去ることができる熱は、1種以上の供給されるべき前記媒体の加熱のために復熱式に利用可能であることを特徴とする、請求項8から14までのいずれか1項に記載の電解装置。
- 前記アノード用の1つ以上の媒体供給管(51)及び/又は1つ以上の排出する導管(52)は、前記アノード空間(5)と前記容器空間(2)との接続の際に前記容器空間(2)内に達していることを特徴とする、請求項7から15までのいずれか1項に記載の電解装置。
- 前記カソード用の1つ以上の媒体供給管(31)及び/又は1つ以上の排出する導管(32)は、前記カソード空間(3)と前記容器空間(2)との接続の際に前記容器空間(2)内に達していることを特徴とする、請求項7から15までのいずれか1項に記載の電解装置。
- 前記電解セル(4)は、固体酸化物電解セル(SOEC)、固体酸化物セル(SOC)、又は可逆固体酸化物セル(rSOC)であることを特徴とする、請求項7から17までのいずれか1項に記載の電解装置。
- 第1の洗浄媒体(60)と第2の洗浄媒体(50)とは同じであり、好ましくは窒素(N2)が第1の洗浄媒体(60)及び第2の洗浄媒体(50)であることを特徴とする、請求項7から18までのいずれか1項に記載の電解装置。
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