JP5245557B2 - 水素と二酸化炭素の分離方法及び水素と二酸化炭素の分離装置 - Google Patents
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Description
本発明は、水素と二酸化炭素の分離方法及び水素と二酸化炭素の分離装置に関する。
水素は、アンモニアやメタノールの原料等として化学工業で広く使われており、今後は、燃料電池等のクリーンなエネルギー源としても大量に使われる方向にある。
従来、天然ガスや石炭ガス化ガスなどの炭化水素から水素を製造するには、部分酸化法や、炭素シフト反応と水性シフト反応とを組み合わせた方法などが採用されている。これらの方法では、炭化水素からＣＯ２とＨ２とを製造した後、ＣＯ２を除去することで水素（Ｈ２）を製造しており、多くの単位操作が必要となる。また、各単位操作での操作温度も、１０００℃以上の高温から１５０℃程度の比較的低い温度まで幅広い温度域が必要であり、各単位操作毎に、その温度環境を異ならせる必要があった。
従来、天然ガスや石炭ガス化ガスなどの炭化水素から水素を製造するには、部分酸化法や、炭素シフト反応と水性シフト反応とを組み合わせた方法などが採用されている。これらの方法では、炭化水素からＣＯ２とＨ２とを製造した後、ＣＯ２を除去することで水素（Ｈ２）を製造しており、多くの単位操作が必要となる。また、各単位操作での操作温度も、１０００℃以上の高温から１５０℃程度の比較的低い温度まで幅広い温度域が必要であり、各単位操作毎に、その温度環境を異ならせる必要があった。
このような背景のもとに近年では、触媒を用いて炭化水素を分解し、水素を製造する方法が提案されており、用いる触媒として、鉄系触媒が知られている（特許文献１参照）。
この鉄系触媒は、アルミナ系担体に、鉄含有物質と、周期律表第IIａ族金属、第VIIａ族金属及び希土類金属から選ばれた少なくとも一種の金属を含む物質と、を担持させたものである。
特開２００３−９３８７８号公報
この鉄系触媒は、アルミナ系担体に、鉄含有物質と、周期律表第IIａ族金属、第VIIａ族金属及び希土類金属から選ばれた少なくとも一種の金属を含む物質と、を担持させたものである。
ところで、前記特許文献１の鉄系触媒では、鉄中に炭素が取り込まれるため長期の使用によってこの触媒が劣化し、その機能が低下することが推測される。しかしながら、この特許文献１には、鉄系触媒を再生する手法が具体的に示されておらず、したがってこの鉄系触媒を用いた水素の製造方法では、長期に亘って連続的に水素を製造するのが困難であると推測される。
また、一般に炭化水素を反応させた場合、炭化水素中の炭素に由来して二酸化炭素が生成することがあるが、近年では地球温暖化の対策として二酸化炭素の排出を制限することが望まれており、したがって二酸化炭素を効率良く回収することが要求されている。
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、長期に亘って連続的に水素を製造することが可能であり、また、操作が単純でプロセスを簡素化することができ、しかも、二酸化炭素を効率良く回収することができる水素と二酸化炭素の分離方法と、この方法を実施するのに好適な水素と二酸化炭素の分離装置とを提供することにある。
前記目的を達成するため本発明の水素と二酸化炭素の分離方法は、炭化水素ガスを、炭素を溶解し拡散する炭素分離膜の一方の面に接触させ、該炭素分離膜の他方の面側に炭素を選択的に透過させることにより、該炭素分離膜の一方の面側に水素を分離するとともに、酸素を溶解し拡散する酸素分離膜の一方の面に空気を接触させ、該酸素分離膜の他方の面側に酸素を選択的に透過させて該酸素を前記炭素分離膜の他方の面側に供給し、該酸素を前記炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素と反応させることにより、該炭素を酸化して二酸化炭素とすることを特徴としている。
この水素と二酸化炭素の分離方法によれば、炭化水素ガス中の炭素を炭素分離膜の一方の面側から膜中に溶解させることで膜内に取り込んだ後、他方の面側に透過させるので、炭素分離膜自体の劣化がほとんどない。
また、炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させることで炭化水素ガスから水素を分離することができ、したがって分離した水素を回収するだけで水素の製造が可能になる。
さらに、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を、酸素分離膜によって空気から分離生成した酸素と反応させて二酸化炭素とするので、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を消費することにより、炭素分離膜中に炭素が蓄積されてしまうことが確実に防止され、したがって炭素分離膜の劣化がより抑えられる。
また、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた純粋な炭素と、酸素分離膜の他方の面側に透過してきた純粋な酸素とを反応させて二酸化炭素とするので、この二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することが可能になる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、この酸化（燃焼）によって得られる反応熱で炭素分離膜や酸素分離膜が配される雰囲気の温度を例えば７００℃以上にすることができ、したがってこれら炭素分離膜や酸素分離膜による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることもできる。
また、炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させることで炭化水素ガスから水素を分離することができ、したがって分離した水素を回収するだけで水素の製造が可能になる。
さらに、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を、酸素分離膜によって空気から分離生成した酸素と反応させて二酸化炭素とするので、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を消費することにより、炭素分離膜中に炭素が蓄積されてしまうことが確実に防止され、したがって炭素分離膜の劣化がより抑えられる。
また、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた純粋な炭素と、酸素分離膜の他方の面側に透過してきた純粋な酸素とを反応させて二酸化炭素とするので、この二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することが可能になる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、この酸化（燃焼）によって得られる反応熱で炭素分離膜や酸素分離膜が配される雰囲気の温度を例えば７００℃以上にすることができ、したがってこれら炭素分離膜や酸素分離膜による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることもできる。
また、前記水素と二酸化炭素の分離方法においては、前記炭素分離膜と前記酸素分離膜とを７００℃以上の温度雰囲気に配して、該温度雰囲気にて前記炭化水素ガスを前記炭素分離膜に接触させるとともに、前記空気を前記酸素分離膜に接触させるのが好ましい。
７００℃以上で例えば１０００℃以下程度の温度雰囲気に炭素分離膜と酸素分離膜とを配し、このような温度雰囲気にて炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させ、空気を酸素分離膜に接触させることにより、炭素分離膜によって炭化水素ガスから炭素を効率良く取り込むことができ、その分水素の製造を効率的に行うことが可能になる。また、酸素分離膜によって空気から酸素を効率良く分離生成できるとともに、この酸素と前記炭素とを効率良く反応させ、二酸化炭素を生成することができる。
７００℃以上で例えば１０００℃以下程度の温度雰囲気に炭素分離膜と酸素分離膜とを配し、このような温度雰囲気にて炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させ、空気を酸素分離膜に接触させることにより、炭素分離膜によって炭化水素ガスから炭素を効率良く取り込むことができ、その分水素の製造を効率的に行うことが可能になる。また、酸素分離膜によって空気から酸素を効率良く分離生成できるとともに、この酸素と前記炭素とを効率良く反応させ、二酸化炭素を生成することができる。
本発明の水素と二酸化炭素の分離装置は、炭素を溶解し拡散する炭素分離膜と、前記炭素分離膜の一方の面側に炭化水素ガスを供給し、該一方の面に炭化水素ガスを接触させることで該炭素分離膜の他方の面側に炭素を選択的に透過させる炭化水素ガス供給手段と、前記炭素分離膜の他方の面側に炭素が選択的に透過することで該炭素分離膜の一方の面側に分離した水素を回収する水素回収手段と、酸素を溶解し拡散する酸素分離膜と、前記酸素分離膜の一方の面側に空気を供給し、該一方の面に空気を接触させることで該酸素分離膜の他方の面側に酸素を選択的に透過させる空気供給手段と、前記炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素と、前記酸素分離膜の他方の面側に透過してきた酸素と、を反応させて二酸化炭素を生成する反応部と、前記反応部で生成した二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段と、を備えたことを特徴としている。
この水素と二酸化炭素の分離装置によれば、炭素分離膜の一方の面に炭化水素ガスを接触させ、炭化水素ガス中の炭素を膜中に溶解させることで膜内に取り込ませることにより、炭素を他方の面側に選択的に透過させることができるので、炭素分離膜自体の劣化を抑えることができる。
また、炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させることで炭化水素ガスから水素を分離するので、水素回収手段によって分離した水素を回収することにより、水素の製造が容易になる。
さらに、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を、酸素分離膜によって空気から分離生成した酸素と反応させて二酸化炭素とするので、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を消費することにより、炭素分離膜中に炭素が蓄積されてしまうことを確実に防止し、炭素分離膜の劣化をより確実に抑えることができる。
また、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた純粋な炭素と、酸素分離膜の他方の面側に透過してきた純粋な酸素とを、反応部で反応させて二酸化炭素とするので、二酸化炭素回収手段によってこの二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することができる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、この酸化（燃焼）によって得られる反応熱で炭素分離膜や酸素分離膜が配される雰囲気の温度を例えば７００℃以上にすることができ、したがってこれら炭素分離膜や酸素分離膜による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることもできる。
また、炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させることで炭化水素ガスから水素を分離するので、水素回収手段によって分離した水素を回収することにより、水素の製造が容易になる。
さらに、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を、酸素分離膜によって空気から分離生成した酸素と反応させて二酸化炭素とするので、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を消費することにより、炭素分離膜中に炭素が蓄積されてしまうことを確実に防止し、炭素分離膜の劣化をより確実に抑えることができる。
また、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた純粋な炭素と、酸素分離膜の他方の面側に透過してきた純粋な酸素とを、反応部で反応させて二酸化炭素とするので、二酸化炭素回収手段によってこの二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することができる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、この酸化（燃焼）によって得られる反応熱で炭素分離膜や酸素分離膜が配される雰囲気の温度を例えば７００℃以上にすることができ、したがってこれら炭素分離膜や酸素分離膜による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることもできる。
また、前記水素と二酸化炭素の分離装置においては、前記炭素分離膜と前記酸素分離膜とが反応室内に設けられ、該反応室内には、該反応室内を７００℃以上の温度雰囲気に加熱する加熱手段が備えられているのが好ましい。
加熱手段によって反応室内を７００℃以上で例えば１０００℃以下程度の温度雰囲気にし、このような温度雰囲気にて炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させ、空気を酸素分離膜に接触させることにより、炭素分離膜によって炭化水素ガスから炭素を効率良く取り込むことができ、その分水素の製造を効率的に行うことが可能になる。また、酸素分離膜によって空気から酸素を効率良く分離生成できるとともに、この酸素と前記炭素とを効率良く反応させ、二酸化炭素を生成することができる。
加熱手段によって反応室内を７００℃以上で例えば１０００℃以下程度の温度雰囲気にし、このような温度雰囲気にて炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させ、空気を酸素分離膜に接触させることにより、炭素分離膜によって炭化水素ガスから炭素を効率良く取り込むことができ、その分水素の製造を効率的に行うことが可能になる。また、酸素分離膜によって空気から酸素を効率良く分離生成できるとともに、この酸素と前記炭素とを効率良く反応させ、二酸化炭素を生成することができる。
本発明の水素と二酸化炭素の分離方法及び分離装置によれば、炭化水素ガス中の炭素を炭素分離膜の一方の面側から膜中に溶解させることで膜内に取り込んだ後、他方の面側に透過させるので、炭素分離膜自体の劣化がほとんどなく、したがって、長期に亘って連続的に水素を製造することができる。
また、炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させることによって炭化水素ガスから水素を分離するので、分離した水素を回収するだけで水素の製造が可能になり、したがって、操作が単純でプロセスが簡素化し、この方法を実施する装置についても装置構成を簡易にすることができる。
さらに、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を、酸素分離膜によって空気から分離生成した酸素と反応させて消費し、二酸化炭素とするので、炭素分離膜中に炭素が蓄積されてしまうことを確実に防止することができ、これによって炭素分離膜の劣化をより確実に抑えることができる。
また、二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することができるので、二酸化炭素を効率良く回収することができ、したがって二酸化炭素排出についての対策を容易に採ることができる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、炭素分離膜や酸素分離膜が配される雰囲気の温度を例えば７００℃以上にすることができるので、これら炭素分離膜や酸素分離膜による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることもでき、したがって水素や二酸化炭素を低コストで分離生成し、回収することができる。
また、炭化水素ガスを炭素分離膜に接触させることによって炭化水素ガスから水素を分離するので、分離した水素を回収するだけで水素の製造が可能になり、したがって、操作が単純でプロセスが簡素化し、この方法を実施する装置についても装置構成を簡易にすることができる。
さらに、炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素を、酸素分離膜によって空気から分離生成した酸素と反応させて消費し、二酸化炭素とするので、炭素分離膜中に炭素が蓄積されてしまうことを確実に防止することができ、これによって炭素分離膜の劣化をより確実に抑えることができる。
また、二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することができるので、二酸化炭素を効率良く回収することができ、したがって二酸化炭素排出についての対策を容易に採ることができる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、炭素分離膜や酸素分離膜が配される雰囲気の温度を例えば７００℃以上にすることができるので、これら炭素分離膜や酸素分離膜による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることもでき、したがって水素や二酸化炭素を低コストで分離生成し、回収することができる。
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の水素と二酸化炭素の分離方法を模式的に示した説明図であり、図１において符号１は炭素分離膜、符号５は酸素分離膜である。
炭素分離膜１は、炭素を溶解し拡散するもので、金属やセラミックスの薄膜からなるものである。特に、７００℃以上１０００℃以下程度の温度範囲において、炭素を溶解し拡散する金属が好適に用いられ、このような金属として具体的には、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、Ｐｄ（パラジウム）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等が挙げられる。
図１は、本発明の水素と二酸化炭素の分離方法を模式的に示した説明図であり、図１において符号１は炭素分離膜、符号５は酸素分離膜である。
炭素分離膜１は、炭素を溶解し拡散するもので、金属やセラミックスの薄膜からなるものである。特に、７００℃以上１０００℃以下程度の温度範囲において、炭素を溶解し拡散する金属が好適に用いられ、このような金属として具体的には、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、Ｐｄ（パラジウム）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）等が挙げられる。
これら金属は、図２の、各種金属における温度と炭素の溶解量との関係を示すグラフより、７００℃〜１０００℃程度の温度範囲において比較的炭素の溶解量が多く、したがって炭化水素ガスから炭素を選択的に分離することにより、水素を比較的容易に製造することができるものとなっている。なお、図２は、G.Hoerz,J.Less-Comm.Metals,100,249(1984)に基づいている。
また、前記の金属の中では、特に鉄及びニッケルが、他の金属に比べて比較的安価であり、７００℃〜１０００℃程度の温度範囲における炭素の溶解量も比較的多いことなどから、好ましい。ここで、鉄（Ｆｅ）が炭化水素ガスとしてのメタンガス（ＣＨ４）と反応し、炭化鉄となるとともに水素を発生する過程は、以下の式によって示される。
３Ｆｅ＋ＣＨ４ → ２Ｈ２＋Ｆｅ３Ｃ
また、前記の金属の中では、特に鉄及びニッケルが、他の金属に比べて比較的安価であり、７００℃〜１０００℃程度の温度範囲における炭素の溶解量も比較的多いことなどから、好ましい。ここで、鉄（Ｆｅ）が炭化水素ガスとしてのメタンガス（ＣＨ４）と反応し、炭化鉄となるとともに水素を発生する過程は、以下の式によって示される。
３Ｆｅ＋ＣＨ４ → ２Ｈ２＋Ｆｅ３Ｃ
このような金属からなる炭素分離膜１は、例えば基板上にスパッタ法やメッキ法等によって成膜され、必要に応じて基板がエッチング等によって除去されることで形成される。基板としては、例えば多孔質のセラミックス板や石英等が用いられる。基板として多孔質のものが用いられ、あるいはエッチング等によって一部あるいは全部が除去されることにより、前記の金属からなる炭素分離膜１は、その表裏両面のいずれもが、それぞれの少なくとも一部を露出したものとなっている。
炭素分離膜１の厚さとしては、特に限定されることはないものの、膜として欠陥が無い状態、すなわち、後述する炭化水素ガスがそのまま通過してしまうような孔が形成されない状態で成膜される厚さとされ、かつ、長期的な使用にも耐え得るような厚さとするのが好ましく、具体的には、５ｎｍ〜１μｍ程度とされる。５ｎｍ未満では、孔等の欠陥のない良好な膜に形成するのが難しく、また、１μｍを超えると、一方の面側から膜中に溶解した炭素を、他方の面側に透過させるのに時間がかかり、透過させた炭素を酸化させてその反応熱を利用することが難しくなるからである。
また、酸素分離膜５は、酸素を溶解し拡散するもので、金属酸化物等のセラミックスの薄膜からなるものである。特に、７００℃以上１０００℃以下程度の温度範囲において、酸素を溶解し拡散するセラミックスが好適に用いられ、このようなセラミックスとして具体的には、ＳｒＦｅＣｏ０．５Ｏ３．２５、ＳｒＣｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３、Ｌａ０．２Ｓｒ０．８Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）−Ｐｄ（４０％）、ＬａＧａＯ３等が挙げられる。
このような酸素分離膜５は、例えば基板上にスパッタ法やＭＯＣＶＤ法、ゾルゲル法等によって成膜され、必要に応じて基板がエッチング等によって除去されることで形成される。基板としては、例えば多孔質のセラミックス板や石英、金属等が用いられる。基板として多孔質のものが用いられ、あるいはエッチング等によって一部あるいは全部が除去されることにより、前記のセラミックス（金属酸化物）からなる酸素分離膜５は、その表裏両面のいずれもが、それぞれの少なくとも一部を露出したものとなっている。
酸素分離膜５の厚さとしては、前記炭素分離膜と同様に、膜として欠陥が無い状態、すなわち、後述するように空気を接触させた際、窒素がそのまま通過してしまうような孔が形成されない状態で成膜される厚さとされ、かつ、長期的な使用にも耐え得るような厚さとするのが好ましく、具体的には、５ｎｍ〜１０μｍ程度とされる。５ｎｍ未満では、孔等の欠陥のない良好な膜に形成するのが難しく、また、１０μｍを超えると、一方の面側から膜中に溶解した酸素を、他方の面側に透過させるのに時間がかかり、透過させた酸素を炭素と反応させてその反応熱を利用することが難しくなるからである。
このような炭素分離膜１、及び酸素分離膜５に対して、本発明の水素と二酸化炭素の分離方法では、図１に示すように炭素分離膜１と酸素分離膜２とを互いに対向させて配置し、それぞれの外側の面を一方の面２、６とし、内側の面、すなわち互いに対向する側の面を他方の面３、７とする。そして、この状態で炭素分離膜１の一方の面２側に炭化水素ガス（図１ではＣＨ４として記す）を供給し、この炭化水素ガスを一方の面２に接触させるとともに、酸素分離膜５の一方の面６側に空気（ａｉｒ）を供給し、この空気を一方の面６に接触させる。
炭化水素ガスとしては、メタンやエタン、アセチレン等の低炭素数で、沸点が低い炭化水素のガス（蒸気）が用いられる。また、このような水素分離生成用の原料となる炭化水素ガスについては、必要に応じてアルゴンや窒素、ヘリウム等の不活性ガスで希釈し、用いることもできる。なお、このような低炭素数の炭化水素は、天然ガス、石炭ガス化ガス、ナフサ、バイオマスのガス化ガスなどから分離され、あるいは改質されることなどによって得ることができる。また、メタンについては、メタン発酵槽などから製造したものを用いることもできる。
一方、空気については、例えば大気中の空気を集塵フィルター等に通過させて清浄化したものを、用いることができる。
一方、空気については、例えば大気中の空気を集塵フィルター等に通過させて清浄化したものを、用いることができる。
炭化水素ガスを炭素分離膜１の一方の面２側に供給し、また、空気を酸素分離膜５の一方の面６側に供給するにあたっては、その環境温度、すなわち炭素分離膜１と酸素分離膜５とが配される温度雰囲気を、図示しない公知の加熱手段を用いて７００℃以上１０００℃以下程度にしておく。
すると、このような温度雰囲気で炭化水素ガスを炭素分離膜１の面２に接触させることにより、炭素分離膜１は炭化水素ガスから炭素を選択的に溶解し、膜中に効率良く取り込むようになる。そして、取り込んだ炭素を膜中で拡散させ、他方の面３側に透過させるようになる。同様に、このような温度雰囲気で空気を酸素分離膜５の面６に接触させることにより、酸素分離膜５は空気から酸素を選択的に溶解し、膜中に効率良く取り込むようになる。そして、取り込んだ酸素を膜中で拡散させ、他方の面７側に透過させるようになる。
このようにして炭素分離膜１の他方の面３側に炭素が透過し、酸素分離膜５の他方の面７側に酸素が透過すると、これら炭素と酸素とは炭素分離膜１と酸素分離膜５との間で反応し、二酸化炭素（ＣＯ２）となる。したがって、このように炭素分離膜１から透過してきた純粋な炭素と、酸素分離膜５から透過してきた純粋な酸素とが反応して生成した二酸化炭素を回収することで、この二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することができる。なお、炭素と酸素との反応、すなわち炭素の酸化反応は、炭素分離膜１や酸素分離膜５が配される温度雰囲気が７００℃〜１０００℃と高温になっていることから、容易に起こる。
そして、このような酸化反応、すなわち炭素の燃焼によって反応熱が生じることから、炭素分離膜１や酸素分離膜５の環境の温度雰囲気は、前記の加熱手段による加熱を制限しても、７００℃〜１０００℃の範囲に保持することができるようになる。
一方、炭素分離膜１の一方の面２側では、炭化水素ガスから炭素が選択的に除去されることで、水素（Ｈ２）が分離生成される。したがって、この水素を回収することで、炭化水素ガスから水素を製造することができる。
一方、炭素分離膜１の一方の面２側では、炭化水素ガスから炭素が選択的に除去されることで、水素（Ｈ２）が分離生成される。したがって、この水素を回収することで、炭化水素ガスから水素を製造することができる。
このような水素と二酸化炭素の分離方法によれば、炭化水素ガス中の炭素を炭素分離膜１の一方の面２側から膜中に溶解させることで膜内に取り込んだ後、他方の面３側に透過させるので、炭素分離膜１自体の劣化がほとんどなく、したがって、長期に亘って連続的に水素を製造することができる。
また、炭化水素ガスを炭素分離膜１に接触させることによって炭化水素ガスから水素を分離するので、分離した水素を回収するだけで水素の製造が可能になり、したがって、操作が単純でプロセスが簡素化し、この方法を実施する装置についても装置構成を簡易にすることができる。
また、炭化水素ガスを炭素分離膜１に接触させることによって炭化水素ガスから水素を分離するので、分離した水素を回収するだけで水素の製造が可能になり、したがって、操作が単純でプロセスが簡素化し、この方法を実施する装置についても装置構成を簡易にすることができる。
さらに、炭素分離膜１の他方の面３側に透過してきた炭素を、酸素分離膜５によって空気から分離生成した酸素と反応させて消費し、二酸化炭素とするので、炭素分離膜１中に炭素が蓄積されてしまうことを確実に防止することができ、これによって炭素分離膜１の劣化をより確実に抑えることができる。
また、二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することができ、したがってこの二酸化炭素をさらに精製して酸素や窒素を分離するなどの処理を行う必要がないため、二酸化炭素を効率良く回収することができる。よって、二酸化炭素排出についての対策を容易に採ることができ、地球温暖化を抑制する上で好ましい方法となる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、特に初期において加熱手段で所望温度に加熱した後には、炭素の酸化熱（燃焼熱）で環境の温度を所望温度に保持することができ、したがってこれら炭素分離膜１や酸素分離膜５による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることができる。よって水素や二酸化炭素を低コストで分離生成し、回収することができる。
また、二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することができ、したがってこの二酸化炭素をさらに精製して酸素や窒素を分離するなどの処理を行う必要がないため、二酸化炭素を効率良く回収することができる。よって、二酸化炭素排出についての対策を容易に採ることができ、地球温暖化を抑制する上で好ましい方法となる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、特に初期において加熱手段で所望温度に加熱した後には、炭素の酸化熱（燃焼熱）で環境の温度を所望温度に保持することができ、したがってこれら炭素分離膜１や酸素分離膜５による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることができる。よって水素や二酸化炭素を低コストで分離生成し、回収することができる。
次に、前記の水素と二酸化炭素の分離方法を実施する装置として、本発明の水素と二酸化炭素の分離装置の一実施形態を説明する。図３は、本発明の水素と二酸化炭素の分離装置の一実施形態の概略構成を示す図であり、図３中符号１０は水素と二酸化炭素の分離装置（以下、分離装置と記す）である。この分離装置１０は、反応室１１と、この反応室１１内に設けられた炭素分離膜１２と、炭素分離膜１２の一方の面１２ａ側に炭化水素ガスを供給するための炭化水素ガス供給手段１３と、前記反応室１１内に設けられた酸素分離膜３０と、酸素分離膜３０の一方の面３０ａ側に空気を供給するための空気供給手段３１と、反応室１１内から水素を回収するための水素回収手段１５と、反応室１１内から二酸化炭素を回収するための二酸化炭素回収手段３２と、反応室１１内から窒素を回収するための窒素回収手段３３と、を備えて構成されたものである。
反応室１１は、恒温槽等からなる反応槽１６の内部に形成されたもので、反応槽１６に設けられたヒータ等の加熱手段（図示せず）により、所望の温度、すなわち７００℃以上で１０００℃以下程度に加熱保持されるように構成されている。
炭素分離膜１２は、前記の炭素分離膜１と同じ材質からなるもので、反応室１１内を上側と下側とに区画した状態に、反応槽１６内に配設されたものである。この炭素分離膜１２は、本実施形態では、図３に示したように炭化水素ガスとの接触面積を大きくするべく、有蓋筒状に成形された筒状部１７を直列に配した状態で、多数有したものである。ここで、本実施形態ではこの筒状部１７の内側を形成する面が、一方の面１２ａになっており、筒状部１７の外側を形成する面が、他方の面１２ｂになっている。なお、このような筒状部１７については、例えば、予め対応した形状の基板をセラミックス等によって成形した後、これの表面に鉄等の金属を成膜することなどで、形成することができる。また、有蓋筒状の形状については、有蓋円筒状であっても、有蓋四角筒状等の有蓋角筒状であってもよい。
酸素分離膜３０も、前記の酸素分離膜５と同じ材質からなるもので、反応室１１内を上側と下側とに区画した状態に、反応槽１６内に配設されたものである。この酸素分離膜３０も、本実施形態では、図３に示したように空気との接触面積を大きくするべく、有蓋筒状に成形された筒状部３４を直列に配した状態で、多数有したものである。ここで、本実施形態ではこの筒状部３４の内側を形成する面が、一方の面３０ａになっており、筒状部３４の外側を形成する面が、他方の面３０ｂになっている。なお、このような筒状部３４については、例えば、予め対応した形状の基板をガラス等によって成形した後、これの表面に前記のセラミックス（金属酸化物）を成膜することなどで、形成することができる。また、有蓋筒状の形状については、有蓋円筒状であっても、有蓋四角筒状等の有蓋角筒状であってもよい。
また、本実施形態では、反応室１１の下側に炭素分離膜１２が配設され、反応室１１の上側に酸素分離膜３０が配設されており、これによって炭素分離膜１２と酸素分離膜３０とは、互いに対向した状態となっている。そして、これら炭素分離膜１２と酸素分離膜３０とは、それぞれの筒状部１７、３４が内側に向き、かつ、互い違いになるように交互に配置されている。これら炭素分離膜１２と酸素分離膜３０との間、すなわち筒状部１７の外側を形成する他方の面１２ｂと、筒状部３４の外側を形成する他方の面３０ｂとの間は、本実施形態では、後述するように炭素と酸素とが反応する反応部３５となっている。
炭化水素ガス供給手段１３は、メタン（ＣＨ４）ガス等の炭化水素ガスの供給源１８と、この供給源１８に接続し、反応槽１６の反応室１１内に通じる配管群１９とからなっている。配管群１９は、前記供給源１８に接続する主配管１９ａと、この主配管１９ａから分岐した複数の分岐管１９ｂとからなるもので、分岐管１９ｂの先端が炭化水素ガスの供給口２０となっている。また、これら分岐管１９ｂは、前記反応室１１内に挿通され、炭素分離膜１２の筒状部１７の内部に挿入されている。このような構成によって分岐管１９ｂは、その供給口２０が筒状部１７の蓋部１７ａに対向させられ、したがって炭素分離膜１２の一方の面１２ａ側に供給口２０を向けた状態になっている。
空気供給手段３１は、空気の供給源３６と、この供給源３６に接続し、反応槽１６の反応室１１内に通じる配管群３７とからなっている。配管群３７は、前記供給源３６に接続する主配管３７ａと、この主配管３７ａから分岐した複数の分岐管３７ｂとからなるもので、分岐管３７ｂの先端が炭化水素ガスの供給口３８となっている。また、これら分岐管３７ｂは、前記反応室１１内に挿通され、酸素分離膜３０の筒状部３４の内部に挿入されている。このような構成によって分岐管３７ｂは、その供給口３８が筒状部３４の蓋部３４ａに対向させられ、したがって酸素分離膜３０の一方の面３０ａ側に供給口３８を向けた状態になっている。
水素回収手段１５は、前記炭素分離膜１２の一方の面１２ａ側に通じる回収配管２３と、この回収配管２３に接続する水素回収部（図示せず）とからなっている。回収配管２３は、前記炭化水素ガス供給手段１３における配管群１９の主配管１９ａの下流側、すなわちこの主配管１９の最下流側に配置された分岐管１９ｂのさらに下流側に配置されている。水素回収部は、例えば水素貯蔵槽などによって形成されている。
二酸化炭素回収手段３２は、前記反応部３５、すなわち、前記炭素分離膜１２の他方の面１２ｂと前記酸素分離膜３０の他方の面３０ｂとの間に、通じる回収配管３９と、この回収配管３９に接続する二酸化炭素回収部（図示せず）とからなっている。回収配管３９は、反応槽１６の排気口３９ａを介して反応部３５に接続されたもので、反応部３５で生成した二酸化炭素を図示しない二酸化炭素貯蔵槽等に案内するためのものである。
窒素回収手段３３は、前記酸素分離膜３０の一方の面３０ａ側に通じる回収配管４０と、この回収配管４０に接続する窒素回収部（図示せず）とからなっている。回収配管４０は、前記空気供給手段３１における配管群３７の主配管３７ａの下流側、すなわちこの主配管３７の最下流側に配置された分岐管３７ｂのさらに下流側に配置されている。窒素回収部は、例えば窒素貯蔵槽などによって形成されている。
なお、図３では、炭素分離膜１２の筒状部１７を三つ記載し、これらに対応して配管群１９の分岐管１９ｂも三つ記載しており、また、酸素分離膜３０の筒状部３４を二つ記載し、これらに対応して配管群３７の分岐管３７ｂも二つ記載しているが、本発明はこれに限定されることなく、分岐管１９ｂ、分岐管３７ｂとこれらに対応する炭素分離膜１２の筒状部１７、酸素分離膜３０の筒状部３４とを、数十から数百程度配列しておくのが好ましい。
このように多数配列しておくことにより、供給する炭化水素ガスと炭素分離膜１２との接触面積を大きくし、接触時間を長くすることも可能になり、同様に、供給する空気と酸素分離膜３０との接触面積を大きくし、接触時間を長くすることも可能になる。そのため、炭化水素ガスからの炭素の分離、すなわち水素の分離をより良好に行うことができ、また、空気からの酸素の分離もより良好に行うことができるからである。
また、図３では、炭化水素ガス供給手段１３について、主配管１９ａとこれから分岐する分岐管１９ｂとを一系統しか示していないが、これら主配管１９ａと分岐管１９ｂとからなる配管群１９を、複数並列させた状態で反応槽１６に取り付けるようにしてもよい。その場合、当然ながら炭素分離膜１２についても、各分岐管１９ｂに対応させた状態で筒状部１７を形成しておく。
同様に、空気供給手段３１についても、主配管３７ａと分岐管１３７とからなる配管群３７を、複数並列させた状態で反応槽１６に複数系統取り付けるようにしてもよい。
同様に、空気供給手段３１についても、主配管３７ａと分岐管１３７とからなる配管群３７を、複数並列させた状態で反応槽１６に複数系統取り付けるようにしてもよい。
このような構成の分離装置１０によって炭化水素ガスから水素を分離製造し、かつ、二酸化炭素を分離回収するには、まず、反応槽１６内を図示しない加熱手段（図示せず）によって加熱し、反応室１１を７００℃以上１０００℃以下程度の温度雰囲気にしておく。
次に、炭化水素ガス供給手段１３によって炭化水素ガス（本実施形態ではメタンガス）を反応室１１内に供給するとともに、空気供給手段３１によって空気を反応室１１内に供給する。なお、炭化水素ガスの供給量、及び空気の供給量については、予め実験やシミュレーション等によって適正な量を求めておき、求めた量でそれぞれを供給する。
次に、炭化水素ガス供給手段１３によって炭化水素ガス（本実施形態ではメタンガス）を反応室１１内に供給するとともに、空気供給手段３１によって空気を反応室１１内に供給する。なお、炭化水素ガスの供給量、及び空気の供給量については、予め実験やシミュレーション等によって適正な量を求めておき、求めた量でそれぞれを供給する。
すると、分岐管１９ｂの供給口２０から吹き出されたメタンガス（炭化水素ガス）は、炭素分離膜１２の筒状部１７の蓋部１７ａに吹き付けられ、その後筒状部１７の内側面に沿って下降し、回収配管２３側に向かって流れる。その際、メタンガスが前記の温度雰囲気で炭素分離膜１２の一方の面１２ａに接触することにより、炭素分離膜１２はメタンガスから炭素を選択的に溶解し、膜中に取り込むようになる。そして、取り込んだ炭素を膜中で拡散させ、他方の面１２ｂ側に透過するようになる。
また、炭素が炭素分離膜１２中に選択的に取り込まれたメタンガスは、水素（Ｈ２）を分離生成する。生成した水素は、炭素分離膜１２中に取り込まれることなく、下流側に流れる。このように、メタンガスは多数配置された筒状部１７内を流れて炭素分離膜１２と接触し、水素濃度が十分に高められた後、最終的には純度の高い水素となって水素回収手段１５の回収配管２３に流出し、水素貯蔵槽等の水素回収部に回収される。
一方、分岐管３７ｂの供給口３８から吹き出された空気は、酸素分離膜３０の筒状部３４の蓋部３４ａに吹き付けられ、その後筒状部３４の内側面に沿って上昇し、回収配管４０側に向かって流れる。その際、空気が前記の温度雰囲気で酸素分離膜３０の一方の面３０ａに接触することにより、酸素分離膜３０は空気から酸素を選択的に溶解し、膜中に取り込むようになる。そして、取り込んだ酸素を膜中で拡散させ、他方の面３０ｂ側に透過するようになる。
また、酸素が酸素分離膜３０中に選択的に取り込まれた空気は、窒素を分離する。分離された水素は、酸素分離膜３０中に取り込まれることなく、下流側に流れる。このように、空気は多数配置された筒状部３４内を流れて酸素分離膜３０と接触し、酸素が除去された後、最終的には純度の高い窒素となって窒素回収手段３３の回収配管４０に流出し、窒素貯蔵槽等の窒素回収部に回収される。
そして、反応室１１内の反応部３５では、炭素分離膜１２の他方の面１２ｂ側から炭素が透過し、酸素分離膜３０の他方の面３０ｂ側から酸素が透過してくるので、これら炭素と酸素とが炭素分離膜１２と酸素分離膜３０との間で反応し、二酸化炭素（ＣＯ２）となる。このようにして生成した二酸化炭素は、炭素分離膜１２から透過してきた純粋な炭素と、酸素分離膜３０から透過してきた純粋な酸素とが反応して形成されているので、ほぼ純粋なものとなり、回収配管３９に流出し、二酸化炭素貯蔵槽等の二酸化炭素回収部に回収される。
なお、炭素と酸素との反応、すなわち炭素の酸化反応は、炭素分離膜１２や酸素分離膜３０が配される温度雰囲気が７００℃〜１０００℃と高温になっていることから、容易に起こる。
また、反応室１１内では、前記の酸化反応、すなわち炭素の燃焼によって反応熱が生じることから、その温度雰囲気は、前記の加熱手段による加熱を制限しても、７００℃〜１０００℃の範囲に保持されるようになる。よって、特に初期において加熱手段で所望温度に加熱した後には、炭素の酸化熱（反応熱）で反応室１１内の温度を所望温度に保持することができ、したがって水素の製造、及び二酸化炭素の回収に係わるエネルギーコストを低く抑えることができる。
また、反応室１１内では、前記の酸化反応、すなわち炭素の燃焼によって反応熱が生じることから、その温度雰囲気は、前記の加熱手段による加熱を制限しても、７００℃〜１０００℃の範囲に保持されるようになる。よって、特に初期において加熱手段で所望温度に加熱した後には、炭素の酸化熱（反応熱）で反応室１１内の温度を所望温度に保持することができ、したがって水素の製造、及び二酸化炭素の回収に係わるエネルギーコストを低く抑えることができる。
このような分離装置１０にあっては、炭素分離膜１２の一方の面１２ａにメタンガス（炭化水素ガス）を接触させ、炭化水素ガス中の炭素を膜中に溶解させることで膜内に取り込ませることにより、炭素を他方の面１２ｂ側に選択的に透過させることができるので、炭素分離膜自体の劣化を抑えることができ、したがって長期に亘って連続的に水素を製造することができる。
また、メタンガスを炭素分離膜１２に接触させることでメタンガスから水素を分離するので、水素回収手段１５によって分離した水素を回収することで水素を製造することができ、したがって操作を単純化してプロセスを簡素化し、装置構成そのものも簡易にすることができる。
また、メタンガスを炭素分離膜１２に接触させることでメタンガスから水素を分離するので、水素回収手段１５によって分離した水素を回収することで水素を製造することができ、したがって操作を単純化してプロセスを簡素化し、装置構成そのものも簡易にすることができる。
さらに、炭素分離膜１２の他方の面１２ｂ側に透過してきた炭素を、酸素分離膜３０によって空気から分離生成した酸素と反応させて消費し、二酸化炭素とするので、炭素分離膜１２中に炭素が蓄積されてしまうことを確実に防止することができ、これによって炭素分離膜１２の劣化をより確実に抑えることができる。
また、二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することができ、したがってこの二酸化炭素をさらに精製して酸素や窒素を分離するなどの処理を行う必要がないため、二酸化炭素を効率良く回収することができる。よって、二酸化炭素排出についての対策を容易に採ることができ、地球温暖化を抑制する上で好ましい装置となる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、特に初期において加熱手段で所望温度に加熱した後には、炭素の酸化熱（燃焼熱）で環境の温度を所望温度に保持することができ、したがってこれら炭素分離膜１２や酸素分離膜３０による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることができる。よって水素や二酸化炭素を低コストで分離生成し、回収することができる。
また、二酸化炭素をほぼ純粋なものとして分離し、回収することができ、したがってこの二酸化炭素をさらに精製して酸素や窒素を分離するなどの処理を行う必要がないため、二酸化炭素を効率良く回収することができる。よって、二酸化炭素排出についての対策を容易に採ることができ、地球温暖化を抑制する上で好ましい装置となる。
また、炭素を酸化（燃焼）することにより、特に初期において加熱手段で所望温度に加熱した後には、炭素の酸化熱（燃焼熱）で環境の温度を所望温度に保持することができ、したがってこれら炭素分離膜１２や酸素分離膜３０による炭素や酸素の透過や、炭素と酸素との反応をより効率的に行うことができるとともに、エネルギーコストを低く抑えることができる。よって水素や二酸化炭素を低コストで分離生成し、回収することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、前記実施形態では炭素分離膜１２や酸素分離膜３０に筒状部１７（３４）を形成することで、炭化水素ガスと炭素分離膜１２、空気と酸素分離膜３０とのそれぞれの接触面積を大きくし、また接触時間を長くするようにしたが、このように接触面積や接触時間を高めることができる構造であれば、前記の筒状部に限定されることなく、例えば炭素分離膜１２や酸素分離膜３０を波形に湾曲させたり折曲したりするようにしてもよい。
１…炭素分離膜、２…一方の面、３…他方の面、５…酸素分離膜、６…一方の面、７…他方の面、１０…水素分離装置、１１…反応室、１２…炭素分離膜、１２ａ…一方の面、１２ｂ…他方の面、１３…炭化水素ガス供給手段、１５…水素回収手段、１６…反応槽、１７…筒状部、３０…酸素分離膜、３０ａ…一方の面、３０ｂ…他方の面、３１…空気供給手段、３２…二酸化炭素回収手段、３４…筒状部、３５…反応部
Claims (4)
- 炭化水素ガスを、炭素を溶解し拡散する炭素分離膜の一方の面に接触させ、該炭素分離膜の他方の面側に炭素を選択的に透過させることにより、該炭素分離膜の一方の面側に水素を分離するとともに、
酸素を溶解し拡散する酸素分離膜の一方の面に空気を接触させ、該酸素分離膜の他方の面側に酸素を選択的に透過させて該酸素を前記炭素分離膜の他方の面側に供給し、該酸素を前記炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素と反応させることにより、該炭素を酸化して二酸化炭素とすることを特徴とする水素と二酸化炭素の分離方法。 - 前記炭素分離膜と前記酸素分離膜とを７００℃以上の温度雰囲気に配して、該温度雰囲気にて前記炭化水素ガスを前記炭素分離膜に接触させるとともに、前記空気を前記酸素分離膜に接触させることを特徴とする請求項１記載の水素と二酸化炭素の分離方法。
- 炭素を溶解し拡散する炭素分離膜と、
前記炭素分離膜の一方の面側に炭化水素ガスを供給し、該一方の面に炭化水素ガスを接触させることで該炭素分離膜の他方の面側に炭素を選択的に透過させる炭化水素ガス供給手段と、
前記炭素分離膜の他方の面側に炭素が選択的に透過することで該炭素分離膜の一方の面側に分離した水素を回収する水素回収手段と、
酸素を溶解し拡散する酸素分離膜と、
前記酸素分離膜の一方の面側に空気を供給し、該一方の面に空気を接触させることで該酸素分離膜の他方の面側に酸素を選択的に透過させる空気供給手段と、
前記炭素分離膜の他方の面側に透過してきた炭素と、前記酸素分離膜の他方の面側に透過してきた酸素と、を反応させて二酸化炭素を生成する反応部と、
前記反応部で生成した二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収手段と、を備えたことを特徴とする水素と二酸化炭素の分離装置。 - 前記炭素分離膜と前記酸素分離膜とが反応室内に設けられ、該反応室内には、該反応室内を７００℃以上の温度雰囲気に加熱する加熱手段が備えられていることを特徴とする請求項３記載の水素と二酸化炭素の分離装置。
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