彦根藩二代当主である井伊直孝公をお寺の門前で手招き雷雨から救ったと
伝えられる"招き猫"と、井伊軍団のシンボルとも言える赤備え。（戦国時
代の軍団編成の一種で、あらゆる武具を朱塗りにした部隊編のこと）の兜
（かぶと）を合体させて生まれたキャラクタ。
【再エネ革命渦論 178: アフターコロナ時代 179】
● 技術的特異点でエンドレス・サーフィング－
特異点真っ直中 ㊿＋⑨
三菱重工，光触媒活用の米水素技術ベンチャーに出資 Ⅱ
題名：M水素および炭化水素燃料製造用メタン改質装置
2021年7月20日 Syzygy Plasmonics Inc.
本開示は、メタンを水素および炭化水素燃料に改質するためのシステムお
よび方法を対象とする。例示的な実施形態では、メタン改質装置は、光触
媒水蒸気メタン改質（P-SMR）システムと、後続の光触媒乾式メタン改質
（P-DMR）システムとを統合する。
詳細説明
本明細書に記載される任意の例示的な実施形態または特徴は、必ずしも他
の実施形態または特徴よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべき
ものではなく、また、例示的な実施形態は限定するものもい。
開示されたシステムおよび方法の特定態様は、多種多様な異なる構成に配
置および組み合わせできるものでもある。本開示明細書に記載されるシス
テムおよび方法は、 所望要求が満たされように当業者により構成できる。
一般に、開示されたシステム、方法、および装置は、光触媒システムおよ
びプロセスの改善に提供できる。具体的には、本発明は、炭化水素燃料を
燃焼させず、代替電気を使用し水素およびCO2 （プロセス副生成物として
）を生成、改良された通電ＳＭＲ反応器、光触媒水蒸気メタン改質器（P
−SMR）に提供。 CO2は、２番目の通電反応器である光触媒乾式メタン改質
装置 (P-DMR) で利用し、合成ガスを生成する。本開示明細書に記載され
るシステムおよび方法は、所望要求が満たされように当業者により構成で
きるものである。この合成ガスは合成反応器に送られて、メタノールやジ
メチルエーテルなどの液体燃料を生成できる。
その結果、特定の実施形態では、このシステムは、従来のプロセスよりも
天然ガスの使用量が少なく、環境にCO2を排出せず、再生可能電力を使用し
動作できる。特定の実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、メタ
ノールまたはジメチルエーテルなどの他の商業的に有利な材料を製造に
有利に使用できる。本開示のシステムおよび方法は、特定の実施形態にお
いて、従来のプラントにおけるBMSおよびCO2回収装置に関連する資本コ
ストおよび運用の複雑さを排除しうるものである。
特定の実施形態では、システムの一部（例えば、反応器冷却ジャケット内
）で生成される廃熱を、システムの他の場所で有利に利用して、システム
全体の動作効率を高めることができる。
上記のように、本開示は、メタン供給原料から合成ガス（すなわち、水素
および一酸化炭素）を回収するためのシステムを提供する。
具体的には、図３に示すように、 図２に示すように、本開示のシステム
は、メタン供給原料から少なくとも二酸化炭素流および水素流を生成する
ように構成された第１段階（30）を含む。
第１段階は、光触媒水蒸気メタン改質装置（P-SMR）（37）を備える。P
-SMR(3）は、第１のプラズモニック光触媒の存在下でメタン供給原料を蒸
気と接触させて、水素および一酸化炭素を含む第１の反応生成物ストリー
ムを形成するように構成される。特定の実施形態では、図２に示すように、
図３に示されるように、第１段階（30）は、光触媒水蒸気メタン改質器
（37）および水ガスシフト（WGS）反応器（42）を備える。WSG反応器
（42）は、第１の反応生成物流を水と接触させて、水素および二酸化炭素
を含む水−ガスシフト流を形成するように構成されている。 特定の実施形
態では、第１段（30）は、水性ガスシフト流から二酸化炭素を分離して二
酸化炭素流と水素流を得るように構成された分離ユニットをさらに備え得
る。図１、図２に示すように、図２および３を参照すると、特定の実施形
態では、分離ユニットは、圧力スイング吸着（PSA）水素精製ユニット（40）
および／またはCO2 吸収ユニット（41）を備え得る。 なお、図１〜図４は
、 図２および３は、CO2 吸収ユニット（41）からのフィードバックCO2スト
リームを示すが、このようなストリームは任意であり、いくつかの実施形
態では利用する必要はない。同様に、実装される特定のアプリケーション
および／またはシステム規模に応じて、いくつかの実施形態では、図示さ
れた他のコンポーネントおよびストリームが省略されてもよい。
図１に示すように、図２および図３に示す。図３を参照すると、特定の実
施形態では、第１段階（30）は、水／汚泥ノックアウト容器（31）、供給
流出物Ｈ．Ｘ−１および／またはＨ．Ｘ．−２（32および／または33）、ト
リムヒーターのうちの１つまたは複数を任意に含んでもよい。 -冷却器（
例えば、電気）（34）、脱硫器（35）、蒸気発生器（36）、給湯器（38）、
および冷却器（39）。
従来のプロセスの欠点の１つは、SMR からの熱の損失。従来の SMR プ
ロセスの効率はわずか約 50％であり、供給された電力の半分は SMR の壁
を通って拒否される熱として失われる。さらに、従来の設計では、ガスを
凝縮する際にかなりの量の熱が失われる。本発明者らは、有機ランキンサ
イクル（ORC）を使用して熱を回収できることを確認した。
適切な規模では、ORCサイクルは 40％ものエクセルギー効率を実現でき
るため、プロセスのエネルギー効率を45％から約70％まで高める魅力的な
選択肢となる。したがって、特定の実施形態では、本開示の第１のシステ
ム（30）は、プロセス廃熱を使用してシステム内で発電するように構成さ
れた有機ランキンサイクル（ORC）をさらに備え得る。 より大きなシステ
ムでは、利用できる熱のグレードはさらに高くなる。
したがって、特定の実施形態では、システムは、現場で電力を生成するよ
うに構成された蒸気タービンをさらに備えることができる。現場発電のた
めにORCユニットを利用する実施形態のより詳細な図が、図６のプロセス
フロー図に示されている。図６のシステムは水素とメタノールを生成し、
効率を改善するためにORCユニットを利用する。図に示すように、システ
ムには ORC ユニットとその蒸発器が P-SMR 反応器と並列に含まれる。
特に、ORCユニットは、Ｐ−ＳＭＲ反応器に関連する流体冷却システム（
例えば、冷却ジャケットまたはリザーバ）からの廃熱を使用して発電する。
このような電気は、制御電子機器、ポンプ、センサー、または他の電動コ
ンポーネントなど、システムに関連付けられた補助電気コンポーネントに
電力を供給するために使用される場合もある。
これにより、従来のグリッド発電電力や、ローカルまたは遠隔地で生成さ
れる再生可能電力（太陽光や風力など）など、他の外部手段によって生成
される必要な電力入力を削減できる。 言及したように、現場発電のため
の上述の流体冷却システムは、P-SMR反応器に関連付けられた冷却ジャケ
ットまたはリザーバの形態であってもよい。例えば、個々の反応器セルは
それぞれ、冷却剤（例えば、水）が通過する流体ジャケットによって囲ま
れていてもよい。
例えば、冷却剤は、冷却ジャケットに囲まれた反応器セルにより生成され
る熱を除去に、冷却ジャケットを通してポンプで送られるか、または別の
方法で移動され得る。環状反応器セルの場合、流体冷却システムは、追加
的または代替的に、内部冷却ジャケットまたはリザーバを反応器セルの中
心部分に含み、内部冷却ジャケット自体が環状反応器により取り囲まれる
ようにしてもよい。
ＯＲＣによって使用される流体冷却システムの他の構成も可能であり、本
開示の範囲内に含まれることが意図される。例えば、複数の反応器セルか
ら熱を除去する冷却システム、またはマルチセル反応器（またはマルチリ
アクター改質装置）に関連付けられた冷却システムは、追加または代替と
して、ORC ユニットによる現場発電用の廃熱を供給する場合があります。
特定の他の実施形態では、本開示のシステムでは現場で電力が生成され
ない。
たとえば、水性ガスシフト反応器は本質的に発熱性であり、プロセス熱の
統合は廃熱ボイラーでの蒸気生成のために水を加熱するのに役立つ。主蒸
気発生器/廃熱ボイラーは高温の SMR 出口ストリームを使用し、プロセス
ガスを高温シフトコンバーター (HTSC) 入口温度まで冷却する。シフト変
換は、CO を CO2 に変換により、CO を微量 (1 % 未満、たとえば約 0.2%)
まで効果的に削減す。シフト反応器の出口の流れは乾燥され（過剰な水を
除去するため）、次に約 10 Bar (145 psi(g)) まで圧縮。 特定の例示的な実
施形態では、本開示のP-SMRは、約100psi(ｇ）の最大入口圧力を有す。
特定の実施形態では、ガスは、水素を分離するユニットに送られる前に、
さらに加圧される（約10バール（すなわち、145psi（g））。 図５は、水素を分
離するためのメタン改質システムを示すプロセスフロー図。 第３の例示
的な実施形態によれば、水素とメタノールを生成する。
例えば、冷却剤は、冷却ジャケットに囲まれた反応器セルによって生成さ
れる熱を除去するために、冷却ジャケットを通してポンプで送られるか、
または別の方法で移動され得る。環状反応器セルの場合、流体冷却システ
ムは、追加的または代替的に、内部冷却ジャケットまたはリザーバを反応
器セルの中心部分に含み、内部冷却ジャケット自体が環状反応器によって
取り囲まれるようにしてもよい。 ORCによって使用される流体冷却システ
ムの他の構成も可能であり、本開示の範囲内に含まれることが意図される。
例えば、複数の反応器セルから熱を除去する冷却システム、またはマルチ
セル反応器（またはマルチリアクター改質装置）に関連付けられた冷却シ
ステムは、追加または代替として、ORCユニットによる現場発電用の廃熱
を供給する場合がある。
特定の他の実施形態では、本開示のシステムでは現場で電力が生成されな
い。たとえば、水性ガスシフト反応器は本質的に発熱性でありプロセス熱
の統合は廃熱ボイラーでの蒸気生成のために水を加熱するのに役立つ。
主蒸気発生器/廃熱ボイラーは高温のSMR出口ストリームを使用し、ロセ
スガスを高温シフトコンバーター (HTSC) 入口温度まで冷却。シフト変
換は、COをCO2に変換することにより、CO を微量 (１％未満、たとえば
約 0.2%) まで効果的に削減する。シフト反応器の出口の流れは乾燥され（過剰
な水を除去するため）、次に約 10 Bar (145 psi(g)) まで圧縮される。 特定の例示
的な実施形態では、本開示のP−SMRは、約100ｐｓｉ（g）の最大入口圧力を有す
る。特定の実施形態では、ガスは、水素を分離するユニットに送られる前に、さ
らに加圧される（約10バール（すなわち、145psi(g)（ｇ））。
図５は、第３の例示的な実施形態による、水素およびメタノールを生成するため
のメタン改質装置システムを示すプロセスフロー図である。
図５は、第３の例示的な実施形態による、水素およびメタノールを生成す
るためのメタン改質装置システムを示すプロセスフロー図である。 図１
のシステムは、 図５は、図４に示したものと同様である。図６のシステ
ムを除いて、図６のシステムと同様である。図５ はその場で電力を生成
せず、発生した熱を除去した後、P-SMR 原子炉の冷却ジャケットを通して
冷却剤 (水など) を単純に再循環する。 図示のように、１つまたは複数
の冷却ファン、リザーバ、および／またはポンプを使用して、冷却ジャケ
ットを通して冷却剤を再循環させることができる。 本開示のシステムは
また、第１ステージ（30）に隣接し、その下流に第２ステージ（50）を含
み、第２ステージ（50）は、第２メタンから合成ガスを生成するように構
成された光触媒乾式メタン改質装置（P-DMR）（51）を備える。 供給原
料と第一段階（30）で生成される二酸化炭素流。 特定の実施形態では、
本開示のシステムは、図示のように、第２段階（50）に隣接しかつその下
流に、第２段階で生成された合成ガスからメタノールまたはジメチルエー
テルを生成するように構成された合成反応器を含む第３段階をさらに図４
に含む。たとえばメタノールを得るために第 2 段階と第 3 段階で実行さ
れる反応の例は次のとおり。
------------------------------------------------------------------
・ステップ 1 — 乾式メタン改質 (DMR):
・ステップ２ — 水ガスシフト (WGS):
・ステップ 1 と 2 の合計:
・ステップ 3 — メタノールの合成:
・ステップ 1、2、3 の合計:
------------------------------------------------------------------
式 2 (ステップ 1) で前述したように、P-DMR 反応器の出力は、CO と H2 の混合物である合成ガスまたは合成ガスです。 合成ガスは、メタノールやジメチルエーテルなどの多くの炭化水素燃料の出発原料。合成ガスを炭化水素燃料に変換する技術は成熟しており、商業的であり、当業者には明らかであろう。第２段階（５０）からの合成ガスは、一般に、一酸化炭素と水素を約１：１の比率で含む。 特定の実施形態では、合成反応器内の一酸化炭素と水素の比が約１：２となるように、水素流が第３段階の合成反応器に供給される（例えば、式５に示されるように）。 水素流は、合成反応器に直接供給されてもよいし、合成反応器に導入される前に合成ガス流と予め混合されてもよい。 特定の実施形態では、合成反応器に導入される水素流は、第１段階（３０）において、例えばＰＳＡ水素精製ユニット（４０）から得られる。 特定の他の実施形態では、シフト反応器は、Ｐ−ＤＭＲ（５１）に隣接して下流の第２段階（５０）に追加され、合成反応器に提供される水素流を生成するように構成されてもよい。 水素分離技術の選択は、最終用途に直接依存します。 新しいガス分離技術には膜分離があり、柔軟で簡単な操作、コンパクトな構造、低エネルギー消費、環境に優しいという利点があります。 膜材料の性能は、膜の H2 分離および精製効果を決定する最も重要な要素です。 一般的に使用される膜材料には主に金属膜や高分子膜が含まれますが、ナノマテリアル膜、CMSM、MOF 膜などの新規な膜材料も好ましい分離性能を発揮する可能性があります。 単一膜タイプのシステムでは 99% 以上の純度を提供することはできません。 さらに、膜システムは水の凝縮に対して非常に敏感です。これは、水が膜の表面に障壁を形成し、透過速度を遅くするためです。 アミン蒸気が膜に与える影響はごくわずかですが、発泡やキャリーオーバーが発生する可能性があるため、従来の SMR システムではヒーターや凝集フィルターを使用するなど、追加のユニット操作が必要になります。 液体 MEA / MDEA がキャリーオーバーした場合、唯一の選択肢は施設を停止して膜を交換することになる可能性があります。 従来のＳＭＲシステムとは対照的に、本発明のシステムは、上述の欠点を気にせずに水素分離膜を利用することができる。 したがって、特定の実施形態では、本開示のシステムで使用される水素分離膜は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）水素ユニットである。 PSA 分離効果は主に、吸着剤の種類と使用される技術プロセスに依存します。 H2 は静的容量の点で CO2、CO、CH4 などのほとんどのガス分子とは大きく異なるため、PSA の分離と精製に非常に適しています。 特定の例では、99%もの高い純度を達成することができる。 上に示したように、本開示のシステムは、光触媒水蒸気メタン改質装置（Ｐ－ＳＭＲ）を備える。 たとえば、このような P-SMR には次のものが含まれる場合があります。 
● 今夜の寸評：