(57)【要約】  再生可能天然ガスの生成のためのシステム、方法、および装置が提供される。
2021530620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水性溶液中で加圧された水素ガスを生成することができる電解槽の使用を含む、ガス生成のための方法であって、前記電解槽が、水／酸素相分離器と、ポンプと、電解槽スタックと、背圧調整器とを備え、前記電解槽が、水素乾燥システムまたは水素／水相分離器を備えない、方法。
【請求項２】
前記ガスがバイオガスである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バイオガスがメタンである、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
水性溶液中で前記加圧された水素ガスが、生体触媒を備えるバイオリアクタに供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記生体触媒が前記ガスの生成を触媒する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記生体触媒がメタノサーモバクター・サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記水性溶液がアルカリ性である、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記水性溶液がＫＯＨまたはＮａＯＨを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
水性溶液中で前記加圧された水素ガスが、前記バイオリアクタの水性溶液のｐＨを制御するために使用される、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
炭素含有ガス、および水性溶液中で前記加圧された水素ガスが前記バイオリアクタに供給される、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
水素ガスの生成をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１２】
前記水素ガス、および水性溶液に溶解した水素が、前記電解槽スタックから直接前記バイオリアクタに供給される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
水性溶液中で加圧された水素ガスを生成することができる電解槽であって、水／酸素相分離器と、ポンプと、電解槽スタックと、背圧調整器とを備え、前記電解槽は、水素乾燥システムまたは水素／水相分離器を備えない、電解槽。
【請求項１４】
水性溶液中で加圧された水素ガスを生成することができる電解槽を備えた、ガスの生成のためのシステムであって、前記電解槽が、水／酸素相分離器と、ポンプと、電解槽スタックと、背圧調整器とを備え、前記電解槽が、水素乾燥システムまたは水素／水相分離器を備えず、前記システムが、バイオリアクタをさらに備え、前記バイオリアクタが、水性溶液中で前記加圧された水素ガスと、炭素含有ガスと、水性溶液中で前記ガスを生成する生体触媒とを備える、を使用して前記ガスを生成するるシステム。
【請求項１５】
前記ガスがメタンである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記炭素含有ガスが二酸化炭素である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記生体触媒がメタノサーモバクター・サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
水性溶液中で前記加圧された水素ガスが、前記バイオリアクタ内の水性溶液のｐＨを制御するために使用される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
水性溶液中で前記加圧された水素がアルカリ性である、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
前記水性溶液がＫＯＨまたはＮａＯＨを含む、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１８年７月２０日に出願された米国仮出願第６２／７００，９６５号に対して、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９条に基づく優先権を主張し、その内容全体は本書に援用される。
【０００２】
［契約上の原点］
米国政府は、米国エネルギー省（ｔｈｅ  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｅｎｅｒｇｙ）と国立再生可能エネルギー研究所（ｔｈｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）の管理者および運営者であるＡｌｌｉａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ，ＬＬＣとの間の契約Ｎｏ．ＤＥ−ＡＣ３６−０８ＧＯ２８３０８の下、本発明における権利を有する。
【０００３】
本発明は、国立再生可能エネルギー研究所の代理としてＡｌｌｉａｎｃｅ  ｆｏｒ  Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ，ＬＬＣとＳｏｕｔｈｅｒｎ  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  Ｇａｓ  Ｃｏｍｐａｎｙとの間のＣＲＡＤＡ＃ＣＲＡＤ−１４−５６７の下でのＣＲＡＤＡの作業成果である。
【背景技術】
【０００４】
風力発電および太陽光発電のコストはともに過去１０年で著しく下がり、生産コストは、キロワット時（ｋＷｈ）当たり２セントのレベルに近づいている。これらのエネルギー価格が下がった一方、再生可能エネルギーの容量は指数関数的に増大した。その結果、世界の特定の国および地域は、安定した電力網を維持するために、これらの再生可能電力生産者を減少させている、または停止させなければならなくなっている。これらの傾向が続くと、水素、および再生可能メタン（これはまた、たまたま二酸化炭素を再生利用する）のような他の再生可能燃料は、豊富な低コスト電力および長期間のエネルギーの貯蔵の必要性によりますますより経済的になる。
【０００５】
水素ガスは典型的には、今日の市販の水電解槽システムでは、大気より高い圧力で生成される。これらのシステムからの水素製品の圧力は、大気圧から３５０ｂａｒを超える範囲になり得る。しかしながら、今日販売されている最も低温の水電解槽システムの水素出力圧力は１０〜５０ｂａｒの範囲である。電解槽内の加圧された水素は、水素圧力、カソード圧力、またはシステム圧力と呼ばれる。
【０００６】
典型的には、脱イオン水（ＤＩＷ：ｄｅｉｏｎｉｚｅｄ  ｗａｔｅｒ）がアノード側の電解槽スタックに送出され、直流（ＤＣ：ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）電力が水分子を水素原子と酸素原子に分解する。高分子電解質膜（ＰＥＭ：ｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）またはプロトン交換膜（これもまたＰＥＭ：ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）の場合、この分解からのプロトンは、印加された電圧の影響の下で電解槽セルのアノードからカソード側に引っ張られる一方、水分子も電気浸透によってカソードに引っ張られる。次いで、電解槽システムは、電解槽セルのカソード側に溜まっている水を除去する。２相の水素／水混合物は、カソード側を流れてから相分離器（加圧されたガス相から液体の水を分離する）に達する。相分離器のヘッドスペースの圧力下にある水素ガスは、相分離器に溜まっている水を、電解槽セルのアノード側に送出しているより大きな水タンクに定期的に押し戻す。セルのアノード側から水と酸素を受け入れる容器は通常、水素（カソード）側よりも圧力が低い。水素側からの水が酸素水側のより低い圧力雰囲気に入ると、水に溶解した水素は溶液から出て、システムを出る酸素で掃き出される。この現象が本特許出願の中心である。通常、電解槽の製造者は、安全対策として、酸素中の水素の存在を監視する。
【０００７】
高温（４０〜８０℃）の、水蒸気で飽和した水素ガスは、加圧された水素／水相分離器を出て、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｗｉｎｇ  ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）乾燥システムに入って、残っている水蒸気を水素製品ガスから除去する。ＰＳＡ乾燥システムは通常、水素製品ガス流に含まれている水蒸気を吸収するために乾燥剤を充填した２つの並列の床よりなる。２つの床のうちの一方が動作中のとき、他方の床は乾燥水素を使って再生されており、その結果、電解槽システムに対して効率損失が生じる。効率損失、および電解槽乾燥システムを再生するための乾燥水素の使用は、本特許出願に含まれる革新するものの中心である。
【０００８】
SAE J2719（燃料電池車両用水素燃料品質）は、燃料電池電気車両に充填するために使用される水素ガスに対する純度の要件を詳細に記述した標準である。通常、電解槽のＰＳＡシステムは、SAE J2719の要件である、体積で百万分の５（５ｐｐｍ）より少なくなるように水素を乾燥させるのに十分である。多くの電解槽システムでは、並列の乾燥剤乾燥床を再生するために、貴重な水素製品ガスがＰＳＡ乾燥プロセスの一部として排出される（すなわち、無駄になる）。ほとんどの市販の電解槽システムの乾燥プロセスをまとめると、製品水素ガスのすべてが動作中の乾燥床に入る。次いで、動作中の乾燥床を出た水素ガスは、反対側の床を乾燥する（再生する）ために使われる。動作していない乾燥床を乾燥するために使われる水素はこのとき、水蒸気を受け取るので、品質標準に合致しないこの水素ガスは、システムから排出されるが、これは、３〜１０％の電解槽システムの効率の損失を意味する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一側面では、水性溶液中に加圧された水素ガスを生成することができる電解槽の使用を含む、ガス生成のための方法が開示され、ここでは、電解槽は、水／酸素相分離器と、ポンプと、電解槽スタックと、背圧調整器とを備え、電解槽は、水素乾燥システムまたは水素／水相分離器を備えない。一実施形態では、ガスはバイオガスである。別の実施形態では、バイオガスはメタンである。別の実施形態では、水性溶液中の加圧された水素ガスは、生体触媒を備えるバイオリアクタに供給される。別の実施形態では、生体触媒はガスの生成を触媒する。別の実施形態では、生体触媒はメタノサーモバクター・サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）である。別の実施形態では、水性溶液はアルカリ性である。別の実施形態では、水性溶液はＫＯＨまたはＮａＯＨを含む。別の実施形態では、水性溶液中の加圧された水素ガスは、バイオリアクタの水性溶液のｐＨを制御するために使用される。別の実施形態では、炭素含有ガス、および水性溶液中の加圧された水素ガスはバイオリアクタに供給される。別の実施形態では、本方法は水素ガスの生成をさらに含む。別の実施形態では、水素ガス、および水性溶液に溶解した水素は、電解槽スタックから直接バイオリアクタに供給される。
【００１０】
一側面では、水性溶液中に加圧された水素ガスを生成することができる電解槽が開示され、ここでは、電解槽は、水／酸素相分離器と、ポンプと、電解槽スタックと、背圧調整器とを備え、電解槽は、水素乾燥システムまたは水素／水相分離器を備えない。
【００１１】
別の側面では、水性溶液中に加圧された水素ガスを生成することができる電解槽を備えた、ガスの生成のためのシステムが開示され、ここでは、電解槽は、水／酸素相分離器と、ポンプと、電解槽スタックと、背圧調整器とを備え、電解槽は、水素乾燥システムまたは水素／水相分離器を備えず、本システムは、水性溶液中の加圧された水素ガスおよび炭素含有ガス、ならびに水性溶液中の生体触媒を使用してガスを生成するバイオリアクタをさらに備える。一実施形態では、ガスはメタンである。一実施形態では、炭素含有ガスは二酸化炭素である。一実施形態では、生体触媒はメタノサーモバクター・サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）である。一実施形態では、水性溶液中の加圧された水素ガスは、バイオリアクタ内の水性溶液のｐＨを制御するために使用される。一実施形態では、水性溶液中の加圧された水素はアルカリ性である。一実施形態では、水性溶液はＫＯＨまたはＮａＯＨを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池に要求されるレベルの純度に水素を生成および乾燥する既存のシステムの概略図である。図１に示すように、フロー（１）は、水ポンプからスタックに入る水（または電解質）である。（２）スタックからの水（または電解質）および酸素は、酸素／水相分離器に戻る（３）。大気圧近くの酸素およびいくらかの水素は、電解槽スタックのカソード側の加圧された相分離器からの、溶解した水素を含む水の再生利用による。水素は、より高い圧力の水素／水相分離器を出ると溶液から出て（Ｃ）、より低い圧力の酸素／水相分離器に入る。（Ａ）は、水素、水蒸気、および液体の水の２相流である（スタックのカソード）。（Ｂ）は、加圧され、典型的に４０〜８０℃の範囲の温度の、水蒸気で飽和した水素ガスである。（Ｃ）は、より低い圧力の酸素／水相分離器に戻る（すなわち、再生利用される）、溶解した水素を含む水である。（Ｄ）は、乾燥システムからの乾燥された水素製品ガスである。（Ｅ）は、再生されている乾燥床からの、水蒸気を含む水素である。（Ｆ）は、電解槽から下流のプロセスに出る水素製品ガスであり、電解槽システムの背圧調整器の設定点にもはや制限されない。一実施形態では、水素ガスは、水蒸気が５ｐｐｍより少なくなるように乾燥される。
【図２】本発明の実施形態の概略図である。フロー（１）は、水ポンプからスタックに入る水（または電解質）である。フロー（２）は、スタックから酸素／水相分離器に戻る水（または電解質）および酸素である。フロー（３）は、電解槽スタックのカソード側の加圧された相分離器からの、溶解した水素を含む水の再生利用による酸素およびいくらかの水素である。水素は、より高い圧力の水素／水相分離器を出ると溶液から出て、その流れはより低い圧力の酸素／水相分離器に入る。図２は、（Ａ）水素、水蒸気、および液体の水の２相流（スタックのカソード）、（Ｆ）電解槽を出て、水素の質量移動の改善を必要とする下流プロセスに送出する、加圧された水素ガス、液体の水に溶解した水素ガス、および水蒸気（Ａと同じ）を示す。
【図３】電解槽システム構成の実施形態の図である。一実施形態では、図３に示すように、電解槽床構成は、脱イオン水／酸素相分離器、脱イオン水ポンプ、熱交換器、電解槽スタック、水素／水相分離器、ＰＳＡ水素乾燥器システム、およびＡＣ／ＤＣ電源から電解槽スタックに電力を取り入れるＤＣＪボックスを含む。図３に示すように、本電解槽システムは、２０〜７０ｂａｒ、２５０Ｖｄｃで４０００Ａｄｃ、＜５ｐｐｍｖＨ２Ｏｖにおいて動作して、２５０ｋＷＰＥＭスタックを使用してＨ２を約５ｋｇ／ｈｒ生成することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本書に開示されるのは、嫌気性ガス発酵システムにおいて水素質量移動を増大させることによって、乾燥ステップの前に取り出された水素から生成される製品（例えばメタン）および他の製品の生産収率および生産速度を改善するためのシステム、方法、および装置である。本書に開示されるのは、乾燥設備のない電解槽から生成される水素を利用するシステムおよび方法である。二酸化炭素（ＣＯ２）源（すなわちバイオガス）と結合され、定常状態の下で使用されると、可変入力（ＣＯ２およびＨ２）ガス流は、メタノサーモバクター・サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）などの生体触媒を使って製品（すなわち、パイプライン品質の天然ガス（＞９５％ＣＨ４））を生成することができる。一実施形態では、バイオメタン化は、Ｈ２、ＣＯ２および栄養素（すなわち塩）の入力を使用し、メタノサーモバクター・サームオートトロフィカス（Methanothermobacter thermautotrophicus）などの生体触媒を使用してＣＨ４、Ｈ２Ｏ、および熱の出力を有する。
【００１４】
［定義］
電解槽スタック−水分子が、カソードで水素、およびアノードで酸素に分解される、いくつかのセルよりなる電気化学的な装置。図１および図２に示すように、この構成では、水が底部のアノードに送出される（１）、スタックが示されている。水および酸素は、（２）から酸素／水相分離器に戻る。
【００１５】
酸素／水相分離器−通常大気圧に近い容器であり、ここでは、水（電解質）がポンプによってスタックに供給され、また、主に、酸素が給水から分離される。しかしながら、図１および図２に示すように、流れＣからの、圧力がかかった水がこのより低い圧力の容器に入ると、水素が溶液から出てきて、流れ３によって容器から出る。
【００１６】
背圧調整器−電解槽カソードへの水素の背圧を維持する機械的な装置で、ここでは、水素を圧力がかかった状態にする。スタックにおける水素ガスの電気化学的な圧縮は、スタックにおけるわずか電圧上昇を伴う。この手法は、電解槽の圧力と同じ、またはそれより低い圧力の下流の装置に送出する場合、水素ガスをさらに圧縮する必要性を下げる。言い換えれば、２０ｂａｒで動作している電解槽スタックは、１８ｂａｒ以下で動作しているバイオリアクタ容器に密接に結合することができ、したがって、２つの装置の間で水素の機械的な圧縮の必要性がなくなる。
【００１７】
水素／水相分離器−アノード送出の水供給部から引っ張られた液体の水が水素ガスから分離される圧力容器。レベル監視システムが弁を開けるようにするまで水は容器内に溜まり、それによって、水素圧力が、水を酸素／水相分離器に戻すように押すことができる。
【００１８】
水素乾燥システム−通常、水蒸気を物質に吸収する乾燥剤材料を利用する。典型的には、２つの乾燥床が並行に動作し、一方が動作するとき、他方は再生される。動作中の乾燥床は、ガス温度に基づいて水蒸気で飽和した、電解槽スタックからの水素ガス流のすべてを受け入れる。動作中の床からの乾燥水素の一部は、低くない圧力で、再生される床に向けられて乾燥剤から放出された水蒸気を掃き出す。動作中の床は背圧調整器からの圧力がかかっており、再生される床は大気圧状態近くの圧力にある。
【００１９】
生体触媒−一実施形態では、生体触媒は、対象の反応を触媒する有機体である。生体触媒は、対象の複数の反応または１つの反応を触媒する有機体の中の１つの酵素または一組の酵素であり得る。別の実施形態では、生体触媒は、酵素、ポリペプチド、ポリヌクレオチド、または他の生体由来分子の任意の組合せであり得る。酵素、ポリヌクレオチドは生物学的に活性である。
【００２０】
［ＰＥＭ電解槽システム］
プロトン交換膜または高分子電解質膜（どちらもＰＥＭと略す）電解槽は典型的には、セルの水／酸素（アノード）側と水素（カソード）側との間の高い差圧で動作する。
【００２１】
市販のＰＥＭベースの電解槽システムからの水素ガスは典型的には、１０〜５０ｂａｒの範囲の圧力で送達されるが、５０〜３５０ｂａｒの範囲のより高い圧力で実証されたシステムもある。その結果、加圧された電解槽スタックは、大気圧スタックより高い電圧で動作する。
【００２２】
電解槽スタックにおける電気化学的な圧縮は７００〜９００ｂａｒに達して、将来、燃料電池電気車両の直接燃料補給を支えると予想される。
【００２３】
ＰＥＭ電解槽スタックは複数のセルよりなり、多くの市販の電解槽システムには、単一のユニットからの水素製造を増大させるために多くのスタックが入っている。
【００２４】
単一または複数のスタック構成体は、電力供給部、水素精製、主水回路、ガス／液体相分離器、安全および制御システムの周辺機器（ＢｏＰ：ｂａｌａｎｃｅ  ｏｆ  ｐｌａｎｔ）を含む電解槽システムの一部となる。
【００２５】
水がアノードに送出されるＰＥＭ電解槽システムでは、固体膜を通って移動するプロトンは、水を電気浸透によってアノードからカソードへ引っ張る。
【００２６】
電解槽スタックからの水素ガスと水との２相流は、下流での圧縮、または乾燥水素製品ガスを必要とする任意の他の最終用途の前に浄化する必要がある。しかしながら、本特許出願は、電解槽スタックを直接バイオリアクタに結合して、水素／水相分離器として使用される圧力容器、および製品ガス内の水蒸気含有量を少なくするために使用される乾燥剤乾燥床を取り除くことを可能にすることによってこの手法に挑戦する。電解槽シテムのこれらの２つのサブシステムを取り除くと、電解槽システムに対する資本コストは下がり、効率は上がる。
【００２７】
水素精製するための第１のステップは、ガス／液体相分離器によって達成される。本特許出願は、市販の電解槽システムのすべてに典型的に見いだされるこの要件を取り除く。
【００２８】
液体の水は、電解槽スタックの後に溜まり、水素の圧力を使用して水を主脱イオン水回路へ押し戻すことによって再生利用される。この動作は、この水に溶解した加圧された水素が電解槽セルのアノード（酸素）側に戻されることにより、効率の損失の源となる。本特許出願は、溶解した水素を含む水を下流のバイオリアクタシステムの有機体（生体触媒）によって直接利用することができるので、この要件を除去する。言い換えれば、有機体は水に溶解したガスを必要とし、電解槽のスタックの加圧されたカソードから出て来る水は水に溶解した水素をすでに含んでいる。本特許出願はこの事実を利用して、バイオリアクタの有機体の生産性を改善し、バイオリアクタの撹拌器の混合動力負荷を低減する。
【００２９】
電解槽のスタックの加圧されたカソード側からの溶解した水素を含む水が、（酸素／水相分離器のような）より低い圧力の容器に移動されると、水素が泡となって出る、または水から放出される。溶液から出て来る水素は、酸素とともにシステムから排出される、またはシステムを出る。この水素の損失は、電解槽システムの効率を下げる。
【００３０】
市販の電解槽システムのＢｏＰは通常、残っている水蒸気のほとんどすべてを製品ガスから除去する乾燥システムを含む。SAE J2719のような規定および標準は、燃料電池用途に対して、水素ガス中の水蒸気の含有量が体積で５ｐｐｍより少ないことを要求する。ほとんどの電解槽製造者は、このレベルに浄化した製品ガスを提供する。
【００３１】
用途に応じて、生じた水素製品ガス中の水蒸気は、体積で百万分の５（５ｐｐｍｖ）より少なくされて、燃料電池電気車両の燃料補給を支える。しかしながら、バイオメタン化および他の大規模な工業の最終用途は、このレベルの浄化を必要としない。
【００３２】
電解槽のスタックのカソードの出力から始まって、水素は、高圧の電解槽のスタックのカソード側の水に溶解する。
【００３３】
［アルカリ電解槽システム］
水酸化カリウム（ＫＯＨ）のような液体電解質を使用するアルカリ電解槽、および水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を使用する他のシステムのアルカリ電解槽は、大気圧〜５０ｂａｒの範囲でセルのアノードとカソードとの間の圧力をバランスさせて動作する。
【００３４】
液体アルカリ電解槽システムはまた、４００ｂａｒでバランスさせた圧力の運転を達成しようと試み、限定的に成功した。カソードとアノードの電解質は別々にスタックに循環される。加圧された製品ガス（すなわち酸素および水素）は、アノード側およびカソード側の各容器内の液体電解質に溶解する。
生物学的ガス発酵システム
【００３５】
生きている有機体は生体触媒として作用して、入力ガス（例えば、水素、二酸化炭素、一酸化炭素）を他の製品に変換する。バイオリアクタシステムは、水素質量移動を改善するためにより高い動作圧力で設計することができる。有機体を他の製品への反応に利用するためには、水素ガスが媒体（典型的には水）に溶解していることが有機体にとって必要である。この技術は、加圧されたバイオリアクタシステムと一体化する。しかしながら、より高い圧力は、このバイオメタン化プロセスにおけるメタンの生産という狭い用途を越えて、このシステムおよび他の進歩した生物学的システムに対して達成可能でコスト効率が高くなり得る。
【００３６】
圧力の他に、攪拌および水の再循環のような他の取り組みが、有機体への水素質量移動を改善することを目指して用いられる。リアクタ内の攪拌は、大きな泡を砕いてより小さな泡にして、媒体（すなわち水）中での水素の溶解度に関する課題を克服する助けとなる。対向流水再循環は、水素および他の送出ガスをより長く水中に懸濁されたままにするように働く。ガスの泡がバイオリアクタに生じている間、水の流れ方向は、泡の滞留時間を長くするために下流方向である。
【００３７】
この技術は、メタンの生産だけでなく、他の製品のために使用することができる。この技術は、湿潤水素を利用するいかなるガス発酵システムにも適用することができる。一実施形態では、資本コストおよび運転コストを低減しながら全体効率を改善する態様で、水の電解を加圧されたバイオリアクタと一体化するための新しい方法が本書に開示される。本書に開示されたシステムおよび方法は、電力網とガス網の運用の一体化を技術的および経済的により実行可能にする。
【００３８】
本書に開示されたシステムおよび方法は、ＣＨ４の生成に関して有用なだけでなく、Ｈ２ガスを必要とするすべてのガス発酵プロセスに適用できる。一実施形態では、バイオメタン化は、本書に開示されたシステムおよび方法を使用することによって、電解槽の資本コストを２〜１０％低減し、電解槽のシステム効率を、商業的な電解槽システムより約１〜５％効率を向上させ、また、Ｈ２質量移動、したがって、バイオリアクタの生体触媒の変換率を改善するというメリットを受ける１つのガス発酵プロセスである。
【００３９】
ここで開発した概念は、他のプロセスに適用することができる。例えば、硝酸塩は、農村に影響を与える最も一般的な地下水汚染物の１つである。栄養素汚染は、過去数１０年間、多くの小川、河川、湖、湾、および沿岸水に影響を与え、その結果、環境および人の健康の深刻な問題となり、経済に影響を与えている。地下水の硝酸塩は、主として、化学肥料、腐敗システム、および天然肥料の貯蔵または拡散行為に起因する。水浄化会社は、メタンの水蒸気改質または水電解のどちらかによって天然ガスから得られた水素を使用して硝酸塩汚染水を修復する。水素を含む水は、バイオフィルムリアクタを通して送られる。これらの会社が直面する１つの課題は、水素は水への溶解度が非常に低いことである。この課題は、水素を、電解槽スタックから水性媒体またはバイオフィルムに直接流すことによって克服することができる。提案されたこの革新手法は、水浄化プロセスの効率を改善しながら、水素ガス圧縮設備のコストも除去する。同様に、液体アルカリ電解槽システムで見られる電解質（水酸化カリウム）は、セルのカソード側で溶解した水素を含む。アルカリ電解槽スタックからの２相の溶液はまた、下流プロセスのｐｈを保つ助けとなり得る。
【００４０】
既存の電解槽システム構成を越えるさらなるメリットとして、相分離器の水に溶解した水素は、酸素／水（Ｏ２／Ｈ２Ｏ）相分離器にもはや再生利用されないので、運転安全性が向上する。既存の電解槽システム構成では、Ｈ２は溶液から出て来て、Ｏ２とともにシステムから排出される。
【００４１】
第１のステップが、液体（高分子電解質膜（ＰＥＭ）では水、アルカリ電解槽では液体電解質）と接触している周囲圧力よりも高い圧力の下でのＨ２生成を含むプロセスでは、Ｈ２ガスは水性相に溶解する。一実施形態では、液体相または蒸気相に溶解したＨ２の２相流は、水素の質量移動を改善し、その結果、下流プロセスの生産性および効率が向上する。
【００４２】
バイオメタン化プロセスおよび他の下流でのＨ２の使用は、水素が水への溶解度が本質的に低いため、Ｈ２質量移動速度が課題となる。一実施形態では、これらのようなプロセスの改善は、生体触媒がガスを素早く新陳代謝させ、変換効率を改善することができるようにＨ２質量移動を改善することである。スタックのカソードからのＨ２の圧力が、バイオリアクタの圧力よりわずかに高い場合、Ｈ２ガスおよび液体中に溶解したＨ２、ならびに水蒸気は、さらにいかなる圧縮または浄化もなくリアクタに流れる。スタックから来る液体に溶解したＨ２および水蒸気は、変換のために生体触媒により近づきやすい。
【００４３】
式１：ＣＯ２＋４Ｈ２プラス生体触媒→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ＋熱
【００４４】
式１は、反応の化学量論と、生体触媒が、再生可能Ｈ２を使用して合成燃料を生成するためにＣＯ２からの炭素をどのように使用するかを示している。
【００４５】
一実施形態では、Ｈ２ガス精製のために必要な電解槽の周辺機器（ＢｏＰ）の大部分は、本書に開示された方法およびプロセスを使用することによって取り除かれる。電解槽の資本コストは、圧力スイング吸着Ｈ２乾燥システム、もはや必要のない予防保全および交換乾燥剤、カソード側でガス／液体相分離器として使用される圧力容器、ならびに、液体レベル監視、および加圧された容器と周囲圧力に近い水／酸素容器との間の弁の除去によって概算２〜１０％削減され得る。
【００４６】
本書に開示された方法およびシステムを使用して既存の市販の電解槽システムを改造することによって、市販の電解槽システムの効率を概算３〜１０％向上させることができる。市販の電解槽システムの改造には次の変更が含まれる。すなわち、燃料用途のためにＨ２Ｏｖを５ｐｐｍｖより少なくするのに必要な、乾燥剤を再生するために使用されるＨ２ガスの３〜５％の使用がなくなる。ここではカソード相分離器の水に溶解したＨ２は、Ｈ２質量移動が問題となる任意の下流プロセスに使用することができる。溶解したＨ２（通常、Ｏ２／Ｈ２Ｏ相分離器に戻って、Ｏ２とともに排出される）を含む水の再循環の除去も電解槽の運転の安全性を改善する。
【００４７】
一実施形態では、図２に示されるように、２ステッププロセスのステップ２において、バイオリアクタ変換率は、電解槽スタックから直接来る２相流（すなわち、Ｈ２ガスと水に溶解したＨ２）を直接使用することによって向上することが予想される。さらに、同じ生体触媒変換率を達成するためにバイオリアクタで必要な攪拌および水循環の動力は乾燥Ｈ２より少ない。
【００４８】
商業的な電解槽に存在する約３〜５％のＨ２乾燥損失は、本書に開示されたシステムおよび方法を使用することによって避けられる。この結果、電解槽システム全体の効率が向上する。Ｈ２／Ｈ２Ｏ相分離器およびＨ２乾燥剤乾燥システムの両方をバイパスすることによって効率が改善される。これは、水に溶解したＨ２（通常、溜まって、Ｏ２／Ｈ２Ｏ相分離器に戻って再生利用される）を使用することによって電解槽システムの効率を向上させる。通常では、溶解したＨ２は、Ｏ２／Ｈ２Ｏ相分離器の低圧雰囲気に入ると溶液から出て来て、Ｏ２とともに排出されシステムを出る。一実施形態では、本書に開示されたプロセスの最適化には、バイオリアクタが電解槽から受け取る追加の水をバランスさせ制御することが含まれる。
【００４９】
第１のステップが、ＰＥＭまたはアルカリ電解槽のどちらかの液体（すなわち、ＰＥＭでは水、アルカリ電解槽では液体電解質）と接触している大気圧より高い圧力の下での水素生成を含むプロセスでは、水素ガスは溶液中に溶解する。
【００５０】
本書に開示されたシステムの実施形態では、第２のプロセス、すなわち下流プロセスは、液体の水に溶解した水素および水蒸気の２相流を使用して、水素の質量移動を改善し、その結果、生産性および／または下流プロセスの効率を上げる。
【００５１】
ガス精製のために必要なＰＥＭ電解槽システムの周辺機器（ＢｏＰ）の大部分は、本書に開示されたシステムおよび方法を使用することによって取り除かれる。電解槽から下流のシステムは、スタックからの２相流中の溶解した水素ガスによって改善され、それによって、水素ガス／液体の水相分離器、および液体の水を回収して再循環させ、製品ガスから水蒸気を除去する乾燥システム全体の両方を除去することができる。
【００５２】
一実施形態では、加圧された水素ガス／液体の水相分離器、レベル監視および制御弁、ならびに配管の除去、したがって、下流システムへ送達する前の水素ガスの浄化に関連したＢｏＰを大幅に削減することによって、電解槽の資本コストは約２〜１０％低減される。
【００５３】
一実施形態では、典型的には、市販の電解装置システムでは電解槽スタックの直後に配置されたガス／液体相分離器に入っている水に溶解する水素ガスの損失がなくなることによって、また、多くの市販の電解装置システムに見いだされる再生（例えば、圧力スイング吸着）乾燥システムに関連した水素ガスの損失がなくなることによって、電解槽システムの効率は約２〜１０％向上する。
【００５４】
本書に開示されたシステムおよび方法を使用することによって、溶解した水素を有する水と、スタックの給水／酸素側（ここでは、水素が溶液から出て、直接排出される、または酸素と混合して排出される）との混合を避けることによってＰＥＭ電解槽システムの安全性が改善される。
【００５５】
一実施形態では、ＰＥＭスタックのカソードからの水素出力は、バイオリアクタに直接接続されて、任意のさらなる精製または水分（液体蒸気）除去なしに燃料および化学物質に変換するために水素を生体触媒に供給することができる。スタックのカソードからの水素圧力が、バイオリアクタの圧力より高い場合、水素ガス、および液体に溶解した水素、ならびに水蒸気は、任意のさらなる圧縮なしにリアクタに流れる。
【００５６】
一実施形態では、スタックから来た、液体に溶解した水素および水蒸気は、バイオリアクタの圧力が保たれている限り、様々な製品への変換のために生体触媒により容易に近づきやすい。
【００５７】
本書に開示されたシステムおよび方法を使用することによって、同じ有機体生産性を達成するためにバイオリアクタで必要な攪拌および水循環の動力は、バイオリアクタに入るスタックからの水がない乾燥水素より少ない。さらに、バイオリアクタシステム効率は、電解槽スタックから直接２相流（すなわち、水素ガス、および水素が溶解した水）を使用して向上する。
【００５８】
本書に開示されたシステムおよび方法を使用することによって、液体アルカリ電解質電解槽システムからのＫＯＨおよびＮａＯＨには、セルのカソード側で、溶解した水素が含まれる。アルカリ電解槽スタックからの２相溶液を使用して、システムのｐＨを保つ（例えば、バイオリアクタのｐＨ設定点を維持する）助けとなり得る。さらに、溶解した水素を含むアルカリは、生体触媒に栄養素を供給することができる。
【００５９】
一実施形態では、本書に開示されたシステムおよび方法は、液体に圧力がかかった状態で取り込まれた水素を必要とする任意の（生物学的または化学的）プロセスに適用することができる。
【００６０】
一実施形態では、電解槽からの水に溶解した水素は、生体触媒（すなわち有機体）が溶解したガスを利用して、製品が何であれ、その製品の生産性を改善する下流のガス発酵プロセスと直接結合される。例えば、バイオメタン化プロセスは、メタン生成アーキアを利用して二酸化炭素（ＣＯ２）と水素（Ｈ２）をメタン（ＣＨ４）に変換することができる。
【００６１】
水における水素の溶解度は、ＣＯ２よりずっと低く、したがって、嫌気性ガス発酵プロセスの主な課題の１つは、有機体への水素の質量移動である。これらのプロセスの圧力の上昇は、有機体が新陳代謝させるためにより小さな泡と溶解したガスを生成することによって、Ｈ２質量移動を改善する。高圧の水素ガスは、電解槽プロセスからの水に溶解した水素とともに、プロセスの質量移動を改善し、有機体の生産性を向上させる。
【００６２】
大きな泡を叩いて非常に小さな泡にして、有機体がそれらを新陳代謝させる、水素質量移動は、ガス発酵プロセスにおいて非常に挑戦的である。電解槽システムは典型的には、水素側を加圧した状態で運転される。水素は、アノードからカソード側に引っ張られる水に溶解する。溶解した水素を有するこの水は、すでに溶解した水素ガスを生体触媒が利用する生物学的ガス発酵プロセスに直接入ることができる。これは、加圧されたリアクタ内の質量移動を改善し、有機体の生産性を向上させる。例えば、生体触媒は、二酸化炭素と水素を新陳代謝させてメタンを生産することができる。この場合、電解槽から来た水に溶解した水素は、メタンの生産の有機体の生産性を改善する。
【００６３】
一実施形態では、加圧された水素ガスを生成する電解槽システムを、水または他の電解質に溶解した水素の存在によって改善される下流のプロセスに密接にまたは直接結合する方法が開示される。
【００６４】
一実施形態では、アルカリ電解槽の水性のＫＯＨまたはＮａＯＨのような別の溶液に溶解した水素は、ｐＨ制御、例えば、バイオリアクタのｐＨ制御のために下流プロセスによって使用することができる。さらに、カリウムおよびナトリウムは、栄養素としてこれらのイオンを必要とするシステムによって利用することができる。
【００６５】
本方法は、加圧された水素／水相分離器および乾燥剤または他の乾燥技法よりなるガス浄化システムにおける水素の損失をなくすることによってシステム効率を改善しながら、電解槽システムのサブシステムを除去して資本コストを低減する。
【００６６】
本書に開示されたように、本手法はまた、スタックのアノード側で酸素が存在する中に、溶液から出て来る水素をなくすることによって、電解槽の安全運転を改善する。水に溶解したこの水素は、酸素副産物とともに排出される代わりに、使用するために下流プロセスに直接供給される。
【００６７】
本書に開示された方法は、水または電解質に溶解した水素を供給し、したがって、変換率を改善するために生体触媒にすぐに近づきやすくするガス質量移動を増大させることによって、バイオメタン化のような下流プロセスを改善する。
【００６８】
前述の開示は、本発明を例示するために記載されているに過ぎず、限定することを意図していない。本発明の趣旨および本質を組み入れた、開示された実施形態の修正は、当業者には想起され得るので、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内のすべてを含むと解釈されるべきである。
【００６９】
本発明の他の目的、利点、および新奇の特徴は、添付の図面および付属物と併せて考慮するとき、本発明の詳細な説明から明らかになろう。
【符号の説明】
【００７０】
Ａ  水素、水蒸気、および液体の水の２相流
Ｂ  加圧され、典型的に４０〜８０℃の範囲の温度の、水蒸気で飽和した水素ガス
Ｃ  より低い圧力の酸素／水相分離器に戻る（すなわち、再生利用される）、溶解した水素を含む水
Ｄ  乾燥システムからの乾燥された水素製品ガス
Ｅ  再生されている乾燥床からの、水蒸気を含む水素
Ｆ  電解槽から下流のプロセスに出る水素製品ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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