JP2018165388A

JP2018165388A - 水の利用方法及び水電解システム

Info

Publication number: JP2018165388A
Application number: JP2017063365A
Authority: JP
Inventors: 逸郎福田; Itsuro Fukuda
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2018-10-25

Abstract

【課題】メタンの生成により副生される水を再利用する水の利用方法及び水電解システムを提供する。【解決手段】水素及び二酸化炭素の反応によりメタンとともに生成される水から、水電解で水素を製造し、原料に再び用いる水の利用方法。【選択図】なし

Description

本発明は、水の利用方法及び水電解システムに関する。

特許文献１には、発電機における燃焼によって生じる排出ガス中の二酸化炭素と、脱水素反応装置から生じる水素とからメタネーション反応により、メタンを生成することが開示されている。

特開２０１５−５１９０１号公報

特許文献１では、メタンとともに生成された水は、メタン、水素及び二酸化炭素から分離され、メタネーション反応装置の外部に排出されている。ここで、メタネーション反応の副生成物である水は有効活用することが望ましい。

本発明は、メタンの生成により副生される水を再利用する水の利用方法及び水電解システムを提供することを目的とする。

上記課題は、例えば以下の手段により解決される。

＜１＞水素及び二酸化炭素の反応によりメタンとともに生成される水を水電解に用いる水の利用方法。

本形態の水の利用方法では、水素及び二酸化炭素の反応によりメタンを生成する際に副生される水を水電解に用いている。これにより、水電解に必要な水の少なくとも一部を賄うことができ、メタンの生成により副生される水を再利用することができる。

＜２＞前記水素は、水電解により生成される＜１＞に記載の水の利用方法。

本形態の水の利用方法では、メタンの生成反応（メタネーション反応）の原料である水素を水電解により生成し、メタネーション反応により生じた水を水電解に再利用している。これにより水電解に必要な水の量を削減することができ、例えば、メタネーション反応により生じた水を全て水電解に再利用し、かつ、水電解にて生成された水素を全てメタネーション反応に用いる場合、水電解にて水素の生成に必要な水の半分をメタネーション反応によって賄うことができる。

＜３＞前記水素は、二酸化炭素フリー水素である＜１＞又は＜２＞に記載の水の利用方法。

本形態の水の利用方法では、メタン生成の原料として二酸化炭素フリー水素を用いている。そのため、原料である水素の生成にて二酸化炭素が発生せず、原料を考慮したトータルの二酸化炭素の排出も削減することができる。

＜４＞前記二酸化炭素は、ガス田から発生した二酸化炭素である＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の水の利用方法。

本形態の水の利用方法では、ガス田にてメタンを生成する際に生じる二酸化炭素をメタン生成の原料として用いている。そのため、ガス田における二酸化炭素排出量を削減することができる。

＜５＞水電解により水素を生成する水電解装置と、二酸化炭素と、前記水電解装置にて生成された水素とを反応させてメタンを生成するメタン生成手段と、を備え、前記メタン生成手段にて生成される水を前記水電解装置に供給する水電解システム。

本形態の水電解システムでは、二酸化炭素を水電解により生成された水素と反応させることによりメタンを生成し、メタンとともに副生される水を水電解に用いている。これにより、水電解に必要な水の少なくとも一部を賄うことができ、メタンの生成により副生される水を再利用することができる。

本発明によれば、メタンの生成により副生される水を再利用する水の利用方法及び水電解システムを提供することができる。

本開示において、「二酸化炭素フリー水素」とは、二酸化炭素を新たに発生させないとみなせるエネルギー（例えば、再生可能エネルギー、原子力エネルギー）を用いて生成された水素を指す。

［水の利用方法］
以下、本発明の水の利用方法の一実施形態について説明する。本実施形態の水の利用方法は、水素及び二酸化炭素の反応によりメタンとともに生成される水を水電解に用いる方法である。

本実施形態の水の利用方法では、水素及び二酸化炭素の反応によりメタンを生成する際に副生される水を水電解に用いている。これにより、水電解に必要な水の少なくとも一部を賄うことができ、メタンの生成により副生される水を再利用することができる。

メタンの生成反応（メタネーション反応）の原料である水素としては、水電解により生成される水素を用いることが好ましい。これにより、メタネーション反応の原料である水素を水電解により生成し、メタネーション反応により生じた水を水電解に再利用することができる。したがって、メタネーション反応に用いる水素の生成に必要な水の一部をメタネーション反応により賄うことができる。なお、以下の反応式（１）に示すように、水電解により水素が生成される。
２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２・・・（１）

メタネーション反応の原料である水素としては、二酸化炭素フリー水素であることが好ましい。これにより、原料である水素の生成にて二酸化炭素が発生せず、原料を考慮したトータルの二酸化炭素の排出も削減することができる。

二酸化炭素フリー水素としては、二酸化炭素を新たに発生しないとみなせるエネルギー、例えば、太陽光、太陽熱、風力、水力、地熱、バイオマス、潮力、波力、海流等の再生可能エネルギー、原子力エネルギーなどを用いて生成される水素である。一例としては、再生可能エネルギー、原子力エネルギー等に由来する電気及び熱を用い、水電解により生成される水素が挙げられる。

本実施形態では、水素と二酸化炭素とを反応させることにより、メタンが生成されるとともに水が副生される。水素及び二酸化炭素によるメタネーション反応は触媒存在下によって生じ、以下の反応式（２）で表される。
４Ｈ_２＋ＣＯ_２→ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ・・・（２）

メタネーション反応に用いる二酸化炭素としては、各種工場、廃棄物処理施設、火力発電所等の発電所、熱利用施設、都市インフラ設備、ガス田などにて発生する二酸化炭素を用いればよい。中でも、ガス田にて天然ガスを生成する際に発生する二酸化炭素の排出量を削減する点から、ガス田から発生した二酸化炭素をメタネーション反応に用いることが好ましい。また、ガス田から発生した二酸化炭素を全てメタネーション反応に用いることにより、トータルの二酸化炭素排出量は、メタン消費地における排出分のみとなる。

また、反応式（２）で表されるメタネーション反応により生じる水を、前述の水電解に用いることは、特に、太陽光、太陽熱等の再生可能エネルギーに適した土地では水不足の場合が多く、水電解に供する水を削減することができるため、有益である。例えば、メタネーション反応により生じた水を全て水電解に再利用し、かつ、水電解にて生成された水素を全てメタネーション反応に用いる場合、反応式（１）及び反応式（２）に示すように、水電解にて水素の生成に必要な水の半分をメタネーション反応によって賄うことができる。

水素及び二酸化炭素を用いたメタネーション反応は、前述の反応式（２）で表されるが、実際には、反応式（３）で表される反応及び反応式（４）で表される反応の熱平衡関係から成り立っている。
ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ・・・（３）
ＣＯ＋３Ｈ_２→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ・・・（４）

なお、反応式（３）で表される反応は吸熱反応（ΔＨ＝＋９．８ｋｃａｌ／Ｊ）であり、反応式（４）で表される反応は発熱反応（ΔＨ＝−４９．３ｋｃａｌ／Ｊ）である。そのため、水素及び二酸化炭素を用いたメタネーション反応は、一つの反応器内にて行ってもよく、前述の２つの反応に応じて二つの反応器内にて行ってもよい。

水素及び二酸化炭素を用いたメタネーション反応を一つの反応器内にて行う場合、反応式（２）で表される反応は発熱反応（ΔＨ＝−３９．４ｋｃａｌ／Ｊ）であり、かつ反応の前後でモル数が減少するため、平衡論的には高圧低温条件下にて反応を行うことが好ましい。例えば、メタノール等の副生成物の生成反応を抑制しつつ、効率よく反応を行う点から、２．０ＭＰａ〜５．０ＭＰａかつ３００℃〜５００℃の条件下にてメタネーション反応を行うことが好ましい。また、メタネーション反応により生じた熱を水電解に用いてもよい。

メタネーション反応を二つの反応器内にて行う場合、すなわち、反応式（３）で表される反応を行う反応器と反応式（４）で表される反応を行う反応器とを用いる場合について、好ましい反応条件を説明する。

反応式（３）で表される反応については、反応の前後でモル数に変化がなく、反応における圧力依存性はほとんど無い。そこで、圧力条件は、メタンの生成プロセスを簡略化する点から、反応式（４）で表される反応における圧力条件に合わせることが好ましい。反応温度については、反応速度、熱平衡等の点から高温であることが好ましいが、一酸化炭素による触媒被毒、温度上昇による反応性向上の効率等の点から、４６０℃〜５５０℃であることが好ましい。なお、反応式（３）で表される反応により生じる水については、反応式（４）で表される反応を効率的に行う点から、除去して水電解に用いることが好ましい。

反応式（３）で表される反応により生じた一酸化炭素及び未反応の水素は、反応式（３）で表される反応を行う反応器と異なる反応器に供給され、この反応器にて反応式（４）で表される反応が行われる。反応式（４）で表される反応は、発熱反応であり、かつ反応の前後でモル数が減少するため、平衡論的には高圧低温条件下にて反応を行うことが好ましい。例えば、メタノール等の副生成物の生成反応を抑制しつつ、効率よく反応を行う点から、２．０ＭＰａ〜５．０ＭＰａかつ２５０℃〜４５０℃の条件下にてメタネーション反応を行うことが好ましい。また、反応式（４）で表される反応により生じる熱については、反応式（４）で表される反応により生じる水とともに水電解に用いてもよい。

なお、メタネーション反応において未反応であった二酸化炭素及び水素は、必要に応じて分離してもよい。例えば、二酸化炭素及び水素を、選択的に分離する分離膜、選択的に吸着する吸着材等を用いてもよい。分離された二酸化炭素及び水素は、再度メタネーション反応の原料として用いてもよい。

［水電解システム］
以下、本発明の水電解システムの一実施形態について説明する。本実施形態の水電解システムは、水電解により水素を生成する水電解装置と、二酸化炭素と、前記水電解装置にて生成された水素とを反応させてメタンを生成するメタン生成手段と、を備え、前記メタン生成手段にて生成される水を前記水電解装置に供給する。なお、前述の本実施形態の水の利用方法と共通の構成については、その説明を省略する。

本実施形態の水電解システムでは、二酸化炭素を水電解により生成された水素と反応させることによりメタンを生成し、メタンとともに副生される水を水電解に用いている。これにより、水電解に必要な水の少なくとも一部を賄うことができ、メタンの生成により副生される水を再利用することができる。

水電解装置としては、例えば、再生可能エネルギー、原子力エネルギー等に由来の電気、熱等を用いて水素を生成する従来公知の水電解装置が挙げられる。

メタン生成手段としては、水素及び二酸化炭素を反応させてメタンを生成可能な装置等であればよく、例えば、従来公知のメタネーションを行う装置が挙げられる。また、メタン生成手段は、反応式（２）で表される反応を行う１つの反応器であってもよく、反応式（３）で表される反応及び反応式（４）で表される反応をそれぞれ行う２つの反応器であってもよい。メタネーション反応に用いる二酸化炭素としては、前述のように、各種工場、廃棄物処理施設、火力発電所等の発電所、熱利用施設、都市インフラ設備、ガス田などにて発生する二酸化炭素を用いればよい。
中でも、ガス田から発生した二酸化炭素をメタネーション反応に用いることが好ましい。ガス田にてメタンを生成する際に生じる二酸化炭素をメタン生成の原料として用いているため、ガス田における二酸化炭素排出量を削減することができる。

Claims

水素及び二酸化炭素の反応によりメタンとともに生成される水を水電解に用いる水の利用方法。
前記水素は、水電解により生成される請求項１に記載の水の利用方法。
前記水素は、二酸化炭素フリー水素である請求項１又は請求項２に記載の水の利用方法。
前記二酸化炭素は、ガス田から発生した二酸化炭素である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水の利用方法。
水電解により水素を生成する水電解装置と、
二酸化炭素と、前記水電解装置にて生成された水素とを反応させてメタンを生成するメタン生成手段と、を備え、
前記メタン生成手段にて生成される水を前記水電解装置に供給する水電解システム。