JP7829532B2 - メタン合成システム - Google Patents

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。

国際公開第２０２１／２０１１９２号

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。

実施の形態１に係るメタン合成システムの模式図である。 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。 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。

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。

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（Ｈ_２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）から、共電解によって水素（Ｈ_２）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。
３Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２→ＣＯ＋３Ｈ_２＋２Ｏ_２ ・・・（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（Ｈ_２）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（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）から、メタン化反応によって、水（Ｈ_２Ｏ）およびメタン（ＣＨ_４）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。
３Ｈ_２＋ＣＯ→Ｈ_２Ｏ＋ＣＨ_４ ・・・（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（Ｈ_２）、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。

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。

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。

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。

供給工程では、供給経路２によって、水（Ｈ_２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）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（Ｈ_２）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（Ｈ_２）、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。

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。

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。

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（Ｏ_２）が生成する。
導出経路１６は、共電解部３で生成した酸素（Ｏ_２）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（Ｈ_２）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（Ｈ_２）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)

1. 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、
   前記水供給経路と接続され、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、前記メタン化反応部と熱的に接続され、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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。