JP2024012206A - メタン合成システム - Google Patents
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Abstract
【課題】メタンの生成効率を高めることができるメタン合成システムを提供する。【解決手段】本開示に係るメタン合成システムは、共電解部と、共電解部から得た水素と一酸化炭素とを用いてメタンを含む生成物ガスを得るメタン化反応部と、生成物ガスから水を分離する分離器と、外部から水を供給する水供給経路と、相変化可能な冷媒が流通する流通路を有し、メタン化反応部を冷却する冷却部と、分離器で分離した水を水供給経路から供給された水とともに冷媒として冷却部に導く回収経路と、を備える。回収経路は、冷媒を冷却部の内部にある流通路に導入する。冷却部は、回収経路によって外部から導入された冷媒の少なくとも一部が流通路内で気化するのに伴う気化熱によってメタン化反応部を冷却し、メタン化反応部の出口における温度を、入口における温度より低くする。冷却部を経た冷媒は、電気分解に用いる水として共電解部に導かれる。【選択図】図1
Description
本開示は、メタン合成システムに関する。
特許文献1は、二酸化炭素と水を用いて炭化水素を製造する製造システムを開示する。この製造システムは、水と二酸化炭素とを還元して、水素と一酸化炭素とを含む混合ガスを得る。この製造システムは、混合ガスからメタンなどの炭化水素を生成させる。
前記技術では、メタンの生成効率が低くなる可能性があった。
本開示は、上記の事情に鑑みて、メタンの生成効率を高めることができるメタン合成システムを提供することを目的とする。
本開示に係るメタン合成システムの一つの態様は、水と二酸化炭素から電気分解によって水素と一酸化炭素を得る共電解部と、前記水素と前記一酸化炭素を用いたメタン化反応によってメタンを含む生成物ガスを得るメタン化反応部と、相変化可能な冷媒が流通する流通路を有する冷却部と、を備える。前記冷却部は、前記冷媒の少なくとも一部が前記流通路内で気化するのに伴う気化熱によって前記メタン化反応部を冷却する。
本開示によれば、メタンの生成効率を高めることができるメタン合成システムを提供できる。
以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態について説明する。なお、本開示の範囲は、以下の実施の形態に限定されず、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1におけるメタン合成システムを示す模式図である。
図1に示すように、メタン合成システム1は、供給経路2と、共電解部3と、メタン化反応部4と、冷却部5と、分離器6と、回収経路7と、第1熱交換器8と、エジェクタ9と、を備える。
図1は、実施の形態1におけるメタン合成システムを示す模式図である。
図1に示すように、メタン合成システム1は、供給経路2と、共電解部3と、メタン化反応部4と、冷却部5と、分離器6と、回収経路7と、第1熱交換器8と、エジェクタ9と、を備える。
供給経路2は、水(例えば、水蒸気)と、二酸化炭素とを共電解部3に導く。水(例えば、水蒸気)は、冷却部5から供給される。二酸化炭素は、導入経路11から供給される。供給経路2は、例えば、水と二酸化炭素との混合流体を共電解部3に導く。
導入経路11から供給される二酸化炭素は、DAC(Direct Air Capture)により大気中から回収された二酸化炭素であってもよい。導入経路11から供給される二酸化炭素は、固体酸化物燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)から排気される二酸化炭素であってもよい。
共電解部3は、例えば、カソード電極およびアノード電極を有する固体酸化物形電解セル(SOEC:Solid Oxide Electrolysis Cell)を備える。固体酸化物形電解セルには、例えば、酸素イオン伝導性を有する固体酸化物が用いられる。電解質としては、ジルコニア系酸化物などが用いられる。共電解部3は、電解装置の一例である。
共電解部3は、供給経路2から供給された水および二酸化炭素を固体酸化物形電解セルのカソード電極に供給する。固体酸化物形電解セルにおける共電解に用いられる水は、水蒸気であることが望ましい。
共電解部3は、固体酸化物形電解セルを加熱する加熱装置を備えていてもよい。加熱装置は、固体酸化物形電解セル内の温度を共電解反応に適した温度に調整することができる。固体酸化物形電解セルに供給される二酸化炭素と水との比率は、目的とする混合ガスの成分(一酸化炭素、水素)の比率に応じて定めることができる。
共電解部3は、水(H2O)および二酸化炭素(CO2)から、共電解によって水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む混合ガス(混合流体)を得る。共電解は、例えば、以下に示す式(I)に従って進行する。この反応は、吸熱反応である。共電解は、水の電気分解と二酸化炭素の電気分解とを同時に行う電気分解反応である。
3H2O+CO2→CO+3H2+2O2 ・・・(I)
3H2O+CO2→CO+3H2+2O2 ・・・(I)
共電解部3では、例えば、再生可能エネルギー(例えば、太陽光発電、風力発電等)を用いて生成された電力を用いて共電解を行うことができる。再生可能エネルギーを用いて得られたメタンは、燃焼利用しても追加的な二酸化炭素の発生がないことから、地球温暖化に影響しないカーボンニュートラル燃料と考えることができる。
共電解部3で得られる混合ガスは、水素(H2)および一酸化炭素だけでなく、未反応の水および二酸化炭素を含む。混合ガスは、導出経路12を通してメタン化反応部4に導かれる。
メタン化反応部4は、水素(H2)および一酸化炭素(CO)から、メタン化反応によって、水(H2O)およびメタン(CH4)を含む生成物ガス(生成物流体)を得る。メタン化反応は、例えば、以下に示す式(II)に従って進行する。この反応は、発熱反応である。
3H2+CO→H2O+CH4 ・・・(II)
3H2+CO→H2O+CH4 ・・・(II)
メタン化反応部4は、混合ガスが接触するメタン化触媒を備えることが好ましい。メタン化触媒としては、Ni触媒、Ru触媒などが挙げられる。メタン化触媒は、メタン化反応を促進する。
メタン化反応部4で得られる生成物ガスは、水およびメタンだけでなく、未反応の水素(H2)、一酸化炭素、二酸化炭素などを含む場合がある。生成物ガスは、排出経路13を通して分離器6に導かれる。
メタン化反応部4の入口4aは、導出経路12が接続された箇所である。メタン化反応部4の出口4bは、排出経路13が接続された箇所である。
メタン化反応部4の入口4aは、導出経路12が接続された箇所である。メタン化反応部4の出口4bは、排出経路13が接続された箇所である。
冷却部5は、メタン化反応部4と熱的に接続されている。冷却部5は、例えば、メタン化反応部4と接している。冷却部5は、例えば、メタン化反応部4と一体に形成されている。冷却部5は、メタン化反応部4との間で熱移動可能とされている。
冷却部5は、メタン化反応部4を冷却する。冷却部5には、冷媒が流れる流通する流通路51が形成されている。流通路51における冷媒の流れ方向(入口51aから出口51bに向かう方向)は、例えば、メタン化反応部4における流れ方向(入口4aから出口4bに向かう方向)とは反対の方向である。
分離器6は、生成物ガスから、メタンを含む流体と、水を含む流体とを分離する。
分離器6には、例えば、液化分離、膜分離、吸着分離などの分離手法が採用される。分離器6では、これらの分離手法のうち1つを採用してもよいし、2以上を組み合わせてもよい。
分離器6には、例えば、液化分離、膜分離、吸着分離などの分離手法が採用される。分離器6では、これらの分離手法のうち1つを採用してもよいし、2以上を組み合わせてもよい。
液化分離を用いた分離器6は、例えば、特定の成分を液化させて他の成分(気体)から分離する。具体的には、例えば、温度調整により水を含む成分を液化させて、メタンを含む他の成分(気体)から分離する。
膜分離を用いた分離器6は、例えば、分子サイズが小さい成分が透過できる分離膜を用いて、特定の成分を他の成分から分離する。具体的には、例えば、水を選択的に透過させる分離膜を用いる。この分離膜は、混合ガスから、水を含む成分と、メタンを含む他の成分とを分離する。
吸着分離を用いた分離器6は、例えば、特定の成分を吸着剤に吸着させて分離する。吸着剤としては、シリカゲル、ゼオライト、活性炭などが挙げられる。具体的には、水を含む成分を吸着剤に吸着させることによって、この成分を、メタンを含む他の成分と分離することができる。
吸着分離を用いた分離器6は、吸着剤から被吸着物を脱離させる機能を有する。分離器6は、例えば、加熱装置を備える。加熱装置は、吸着剤を加熱することによって吸着剤から被吸着物を脱離させる。分離器6は、減圧ポンプなどの減圧装置を備えていてもよい。減圧装置は、吸着剤を減圧下に置くことで、吸着剤からの被吸着物の脱離を促す。
メタンを含む成分は、導出経路14を通して分離器6から導出される。メタンを含む成分は、例えば、都市ガスなどの原料として、ガス製造設備などに送られる。
回収経路7は、分離器6と冷却部5とを接続する。水を含む成分(水を含む流体F1)は、回収経路7を通して分離器6から導出され、冷却部5の流通路51に導かれる。回収経路7には、流体F1を冷却部5に送るためのポンプ71が設けられている。流体F1の主成分は水である。流体F1は、液体と気体との相変化が可能である。流体F1は、水だけでなく他の成分を含んでいてもよい。
回収経路7には、水供給経路15が接続されている。回収経路7には、必要に応じて水供給経路15によって外部から水を補給する。
第1熱交換器8は、回収経路7に設けられている。第1熱交換器8は、排出経路13を流れる生成物ガスとの熱交換によって、回収経路7を流れる流体F1を予熱する。
第1熱交換器8としては、公知の熱交換器を使用できる。第1熱交換器8としては、例えば、多管式熱交換器、プレート式熱交換器、コイル式熱交換器、二重管式熱交換器、スパイラル式熱交換器等を使用できる。
第1熱交換器8としては、公知の熱交換器を使用できる。第1熱交換器8としては、例えば、多管式熱交換器、プレート式熱交換器、コイル式熱交換器、二重管式熱交換器、スパイラル式熱交換器等を使用できる。
回収経路7を流れる流体F1は、冷却部5の流通路51に導入され、冷媒として流通路51を流通する。メタン化反応部4は、流体F1との熱交換によって冷却される。
流通路51の入口51aにおいて、流体F1の少なくとも一部は液体である。流体F1は、入口51aから出口51bに向けて流通路51を流れる過程で、少なくとも一部が気化する。流体F1が気化する際には、気化熱によってメタン化反応部4を冷却する。
エジェクタ9は、供給経路2に設けられている。エジェクタ9は、流入口9aと、吸引口9bと、流出口9cと、を有する。供給経路2を流れる流体F1は、流入口9aからエジェクタ9に流入し、流出口9cから流出する。流体F1は駆動流体となる。エジェクタ9の内部には、駆動流体を噴出するノズルが設けられている。吸引口9bには、導入経路11が接続されている。二酸化炭素は、導入経路11を通して吸引口9bから吸引流体としてエジェクタ9に流入する。
次に、メタン合成システム1を用いたメタン合成方法の例について説明する。
本実施の形態に係るメタン合成方法は、供給工程と、電解工程と、メタン化工程と、分離工程と、冷却工程とを有する。
本実施の形態に係るメタン合成方法は、供給工程と、電解工程と、メタン化工程と、分離工程と、冷却工程とを有する。
供給工程では、供給経路2によって、水(H2O)および二酸化炭素(CO2)を共電解部3に導く。
電解工程では、共電解部3において、水および二酸化炭素から、共電解によって水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む混合ガスを得る。
電解工程では、共電解部3において、水および二酸化炭素から、共電解によって水素(H2)および一酸化炭素(CO)を含む混合ガスを得る。
メタン化工程では、メタン化反応部4において、水素および一酸化炭素から、メタン化反応によって、水およびメタンを含む生成物ガスを得る。生成物ガスは、水およびメタンだけでなく、未反応の一酸化炭素、水素(H2)、二酸化炭素などを含む。生成物ガスは、排出経路13を通して分離器6に導かれる。
分離工程では、分離器6において、生成物ガスから、メタンを含む流体と、水を含む流体とを分離する。
冷却工程では、水を含む流体F1を分離器6から導出し、回収経路7によって冷却部5の流通路51に導く。流体F1は、冷媒として、入口51aから出口51bに向けて流通路51を流れる過程で、少なくとも一部が気化する。流体F1は、気化する際、気化熱によってメタン化反応部4を冷却する。
冷却部5は、流通路51の入口51aから出口51bに向かって、第1領域と、第2領域と、第3領域とをこの順に有する温度分布を形成する。第1領域は、流体F1の温度が上昇する領域である。第2領域は、流体F1が気化しつつ温度がほぼ一定となる領域である。第3領域は、気化した流体F1の温度が再び上昇する領域である。
流通路51の入口51aにおける流体F1の温度は、出口51bにおける流体F1の温度より低い。入口51aにおける流体F1の温度は、例えば、200℃~400℃である。出口51bにおける流体F1の温度は、例えば、450℃~650℃である。
流通路51の入口51aにおける流体F1の温度は、出口51bにおける流体F1の温度より低い。入口51aにおける流体F1の温度は、例えば、200℃~400℃である。出口51bにおける流体F1の温度は、例えば、450℃~650℃である。
メタン化反応部4の温度は、冷却部5に応じた温度となる。すなわち、出口4bにおける温度は、入口4aにおける温度より低い。出口4bにおけるメタン化反応部4内の温度は、例えば、200℃~400℃である。入口4aにおけるメタン化反応部4内の温度は、例えば、450℃~650℃である。
水(水蒸気)を含む流体F1は、エジェクタ9で導入された二酸化炭素とともに、供給経路2を通して共電解部3に導入される。
メタン合成システム1では、冷却部5は、冷媒である流体F1の少なくとも一部が流通路51で気化するのに伴う気化熱によってメタン化反応部4を冷却する。例えば、冷却部5は、流体F1の温度が上昇する第1領域と、流体F1が気化しつつ温度がほぼ一定となる第2領域と、気化した流体F1の温度が再び上昇する第3領域とを有する。メタン化反応部4では、メタン化反応の反応熱が第2領域において気化熱として適切に奪われることで、メタン化反応部4内の温度を適正化できる。そのため、メタン化反応は効率よく進行する。よって、メタンの生成効率を高めることができる。
メタン合成システム1では、水を含む流体F1を冷媒として使用するため、メタン化反応部4に適切な温度分布を与えることができる。よって、メタン化反応部4におけるメタン化反応を効率よく進行させることができる。
メタン合成システム1は、冷却部5を経た流体F1を共電解部3に導く供給経路2を備えるため、冷却部5で流体F1が得た熱を共電解部3で有効に利用することができる。よって、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
メタン合成システム1は、エジェクタ9を備えるため、例えば、ブロワのみを用いて二酸化炭素を供給経路2に導く場合と比較して、省エネルギー化が可能である。
メタン合成システム1は、メタン化反応の生成物ガスから水を含む流体F1を分離する分離器6と、流体F1を冷却部5に導く回収経路7とを備えるため、メタン化反応の生成物である水を有効に利用し、メタン合成システムとしての効率を高めることができる。
実施の形態2.
次に、実施の形態2に係るメタン合成システムについて説明する。本実施の形態に係るメタン合成システムは、基本的な構成が実施の形態1と同様であるため、主に、実施の形態1と異なる点を説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
次に、実施の形態2に係るメタン合成システムについて説明する。本実施の形態に係るメタン合成システムは、基本的な構成が実施の形態1と同様であるため、主に、実施の形態1と異なる点を説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
図2は、実施の形態2に係るメタン合成システムの模式図である。
図2に示すように、メタン合成システム101は、導出経路16と、第2熱交換器17とを備える点で、メタン合成システム1(図1参照)と異なる。第2熱交換器17は、「熱交換器」の一例である。
図2に示すように、メタン合成システム101は、導出経路16と、第2熱交換器17とを備える点で、メタン合成システム1(図1参照)と異なる。第2熱交換器17は、「熱交換器」の一例である。
共電解部3では、アノードにおいて、前述の水と二酸化炭素との共電解によって酸素(O2)が生成する。
導出経路16は、共電解部3で生成した酸素(O2)を含む流体F2を導出する。
導出経路16は、共電解部3で生成した酸素(O2)を含む流体F2を導出する。
第2熱交換器17は、回収経路7に設けられている。第2熱交換器17は、導出経路16によって導出された流体F2との熱交換によって、回収経路7を流れる流体F1を加熱する。
第2熱交換器17としては、公知の熱交換器を使用できる。第2熱交換器17としては、例えば、多管式熱交換器、プレート式熱交換器、コイル式熱交換器、二重管式熱交換器、スパイラル式熱交換器等を使用できる。
第2熱交換器17としては、公知の熱交換器を使用できる。第2熱交換器17としては、例えば、多管式熱交換器、プレート式熱交換器、コイル式熱交換器、二重管式熱交換器、スパイラル式熱交換器等を使用できる。
メタン合成システム101は、メタン合成システム1(図1参照)と同様に、メタン化反応部4内の温度を適正化できるため、メタンの生成効率を高めることができる。メタン合成システム101は、この他、メタン合成システム1(図1参照)と同様の効果を奏する。
メタン合成システム101は、第2熱交換器17によって流体F1を予熱できる。そのため、流体F2の熱を有効に利用し、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
実施の形態3.
実施の形態3に係るメタン合成システムについて説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
実施の形態3に係るメタン合成システムについて説明する。他の実施の形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明を省略する。
図3は、実施の形態3に係るメタン合成システムの模式図である。
図3に示すように、メタン合成システム201は、メタン精製器202と、返送経路203とを備える点で、メタン合成システム1(図1参照)と異なる。メタン精製器202は、導出経路14に設けられる。導出経路14は、分離器6からメタンを含む成分(メタンを含む流体F3)を導出する経路である。メタン精製器202は、流体F3に含まれるメタンを精製し、メタン濃度が高い流体F4を得る。メタン精製器202は、「メタン精製部」の一例である。
図3に示すように、メタン合成システム201は、メタン精製器202と、返送経路203とを備える点で、メタン合成システム1(図1参照)と異なる。メタン精製器202は、導出経路14に設けられる。導出経路14は、分離器6からメタンを含む成分(メタンを含む流体F3)を導出する経路である。メタン精製器202は、流体F3に含まれるメタンを精製し、メタン濃度が高い流体F4を得る。メタン精製器202は、「メタン精製部」の一例である。
メタン精製器202で採用できる精製手法としては、膜分離、液化分離、吸着分離などがあるが、膜分離が好適である。膜分離を用いたメタン精製器202は、例えば、メタンを選択的に透過させる分離膜を備える。
返送経路203は、メタン精製器202の非透過側の出口と、導出経路12とを接続する。返送経路203は、メタン精製器202の分離膜を透過していない非透過側の流体F5を、導出経路12を介してメタン化反応部4に戻す。なお、返送経路203は、メタン精製器202の非透過側の出口と、メタン化反応部4とを接続する経路であってもよい。
メタン合成システム201では、分離器6から導出経路14によって導出された流体F3は、メタン精製器202に導かれる。メタン精製器202でメタン濃度が高められた透過側の流体F4は、精製物ガス(精製物流体)として系外に導出される。メタン精製器202を用いて流体F3に含まれるメタンを精製する工程を「精製工程」という。
メタン精製器202の分離膜を透過していない非透過側の流体F5は、返送経路203によって導出経路12に戻される。流体F5は、導出経路12からメタン化反応部4に導入される。そのため、流体F5に含まれる未反応物(例えば、水素、一酸化炭素)のメタン化を促すことができる。よって、メタン化反応部4におけるメタンの生成効率を高めることができる。
非透過側の流体F5は、流体F3から透過側の流体F4が分離されることによって得られた残余物ガス(残余物流体)である。
非透過側の流体F5は、流体F3から透過側の流体F4が分離されることによって得られた残余物ガス(残余物流体)である。
メタン合成システム201は、メタン合成システム1(図1参照)と同様に、メタン化反応部4内の温度を適正化できるため、メタンの生成効率を高めることができる。メタン合成システム201は、この他、メタン合成システム1(図1参照)と同様の効果を奏する。
メタン合成システム201は、メタン精製器202を備えるため、メタン濃度が高い流体F4(精製物ガス)を得ることができる。
メタン合成システム201は、返送経路203を有するため、非透過側の流体F5(残余物ガス)をメタン化反応部4に戻すことができる。よって、メタン化反応部4におけるメタンの生成効率を高めることができる。
メタン合成システム201は、返送経路203を有するため、非透過側の流体F5(残余物ガス)をメタン化反応部4に戻すことができる。よって、メタン化反応部4におけるメタンの生成効率を高めることができる。
なお、本開示の技術的範囲は前記実施の形態に限定されず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、実施の形態1では、固体酸化物形電解セル(SOEC)を用いた共電解部3を例示したが、共電解部には、他の方式を採用してもよい。共電解部は、例えば、固体高分子型の共電解部であってもよい。
例えば、実施の形態1では、固体酸化物形電解セル(SOEC)を用いた共電解部3を例示したが、共電解部には、他の方式を採用してもよい。共電解部は、例えば、固体高分子型の共電解部であってもよい。
実施の形態1では、水および二酸化炭素から共電解によって水素および一酸化炭素を得る共電解部3が用いられるが、水素(H2)および一酸化炭素を得るための装置は共電解部に限らない。例えば、二酸化炭素を電気分解して一酸化炭素を得る工程と、水を電気分解して水素(H2)を得る工程とを独立に行う電解装置を用いることもできる。
1,101,201…メタン合成システム 2…供給経路 3…共電解部 4…メタン化反応部 4a…入口 4b…出口 5…冷却部 6…分離器 7…回収経路 9…エジェクタ 17…第2熱交換器(熱交換器) 202…メタン精製器(メタン精製部) 203…返送経路
Claims (7)
- 水と二酸化炭素から電気分解によって水素と一酸化炭素を得る共電解部と、
前記共電解部から得た前記水素と前記一酸化炭素とを用いたメタン化反応によってメタンを含む生成物ガスを得るメタン化反応部と、
前記生成物ガスから水を分離する分離器と、
外部から水を供給する水供給経路と、
相変化可能な冷媒が流通する流通路を有し、前記メタン化反応部を冷却する冷却部と、
前記分離器で分離した前記水を前記水供給経路から供給された前記水とともに前記冷媒として前記冷却部に導く回収経路と、
を備え、
前記回収経路は、前記冷媒を前記冷却部の内部にある前記流通路に導入し、
前記冷却部は、前記回収経路によって前記外部から導入された前記冷媒の少なくとも一部が前記流通路内で気化するのに伴う気化熱によって前記メタン化反応部を冷却し、前記メタン化反応部の出口における温度を、入口における温度より低くし、
前記冷却部を経た前記冷媒は、前記電気分解に用いる前記水として前記共電解部に導かれる、
メタン合成システム。 - 前記冷却部を経た前記冷媒を前記水として前記共電解部に導く供給経路を備える、
請求項1に記載のメタン合成システム。 - 前記供給経路に、前記水を駆動流体として前記二酸化炭素を吸引するエジェクタが設けられている、
請求項2に記載のメタン合成システム。 - 前記回収経路に、前記水を前記冷却部に送るポンプが設けられる、
請求項1記載のメタン合成システム。 - 前記回収経路に、前記共電解部で前記水と前記二酸化炭素との共電解によって生成した酸素との熱交換によって前記水を加熱する熱交換器が設けられている、
請求項4記載のメタン合成システム。 - 前記分離器は、前記生成物ガスから前記メタンを含む流体を分離し、
前記メタンを含む流体に含まれる前記メタンを精製して精製物ガスを得るメタン精製部と、をさらに備える、
請求項1~4のうちいずれか1項に記載のメタン合成システム。 - 前記メタンを含む流体から前記精製物ガスが分離されて得られた残余物ガスを前記メタン化反応部に戻す返送経路をさらに備える、
請求項6記載のメタン合成システム。
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